JP3183405B2

JP3183405B2 - ２サイクルディーゼルエンジンの給気装置

Info

Publication number: JP3183405B2
Application number: JP24626789A
Authority: JP
Inventors: 秀明伊藤; 鼎徳宮本; 典孝松尾
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1989-09-25
Filing date: 1989-09-25
Publication date: 2001-07-09
Anticipated expiration: 2016-07-09
Also published as: JPH03111632A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、２サイクルディーゼルエンジンに係り、特
にそのシリンダの燃焼室に吸入空気を導く給気装置に関
する。

［従来技術］２サイクルディーゼルエンジンでは、エアクリーナを
通じて吸い込まれた空気のみを一次圧縮し、この空気を
掃気口を介してシリンダの燃焼室に導入するとともに、
この燃焼室内で二次圧縮し、この圧縮により高温となっ
た燃焼室内に燃料を噴射して自己着火させている。

そして、この種のディーゼルエンジンでは、燃焼室に
対する燃料噴射量を加減することで出力を制御してお
り、この燃料噴射量によってエンジン負荷が決定され
る。このため、吸入空気量はエンジン負荷に対して変化
しないので、空燃比はアイドリング運転時から全負荷運
転時にかけて広範囲に亘ることになる。

［発明が解決しようとする課題］ところで、ディーゼルエンジンの出力制御は、上記の
ように燃料噴射量を加減することで行っているので、ア
イドリング運転時から低負荷運転時にかけてのように、
燃料噴射量が少ない低負荷運転領域では、空気過剰率が
過大となり、燃料に対して空気中の酸素量が過剰気味と
なる。

このため、燃焼速度が早くなるとともに、燃焼温度も
高温となり、上記燃焼室内で窒素と酸素とが反応し合っ
て窒素酸化物（NOx）の排出量が増加する不具合があ
る。

また、燃焼温度および酸素濃度共に高くなるために、
ディーゼルエンジン特有のノック音も大きくなり、エン
ジン騒音が大きくなるといった問題もある。

本発明はこのような事情にもとづいてなされたもの
で、主に低・中負荷運転域において、排気煙中に含まれ
る微粒子（Diesel Particulate）やNOx,HCおよびCO等の
有害成分の排出量を減少させることができ、しかも、ノ
ック音の発生も防止できる２サイクルディーゼルエンジ
ンの給気装置の提供を目的とする。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するため、本発明に係る２サイクルデ
ィーゼルエンジンの給気装置は、空気の吸入経路とシリンダの燃焼室とを、ピストンに
よって開閉される掃気口を介して連通させるとともに、
上記空気の吸入経路に、アイドリング運転域から低・中
負荷運転域に亘って上記燃焼室に対する吸入空気の掃気
量を減少させる運転領域を形成する制御手段を設けて排
気煙中に含まれる微粒子の排出量の増加とNOxの増大を
防止すべく、前記掃気量を減少させる運転領域を定める境界は、負
荷略1/2以下の領域となる低・中負荷運転域であり且つ
アイドリング運転域を除く運転域においてエンジン回転
数が高くなる程低負荷側に設定され、該境界より低い負
荷で掃気量を減少させ、その掃気量の減少量はエンジン
回転数を一定とした時負荷が小さくなるに従って大きく
するようにしたことを特徴とするものである。

［作用］この構成によれば、吸入空気の掃気量を減少させたこ
とに伴い、既燃ガスを燃焼室から追い出す掃気作用が不
完全なものとなり、掃気行程が終了しても、燃焼室内に
は従来よりも多くの既燃ガスが残留することになる。

この場合、既燃ガス中には比熱の大きな成分が多く含
まれているので、燃焼最高温度が低下するとともに、こ
の既燃ガスはいわゆる不活性ガスでもあるため、吸入空
気が希釈されてその酸素濃度が低下することになる。

したがって、低・中負荷運転領域での空気過剰率を実
質的に低く抑えることができ、NOxを始めとする有害成
分の排出量を低減することができる。その上、酸素濃度
が低下することから、ノッキングも発生し難くなり、ノ
ック音を低減することができる。

また、上記構成によると、掃気量を減少させる運転領
域を定める境界は、排気煙中に含まれる微粒子の排出量
によって定まる負荷に対応して設定させれいるので、燃
料噴射量が少ない低負荷運転領域では、掃気量の低減割
合を大きくしても微粒子の排出量は減少傾向を示す。よ
って、有害成分を減らすことを目的として負荷が小さく
なるに従い掃気量を減らしても、微粒子の排出量は掃気
量制御を行わない時よりも小さくなる。

［実施例］以下本発明の第１実施例を、第１図ないし第11図にも
とづいて説明する。

第10図および第11図は自動車用の２サイクル３気筒デ
ィーゼルエンジンを示し、図中符合１で示すクランクケ
ース内にはクランク軸２が収容されている。クランクケ
ース１上にはシリンダブロック３およびシリンダヘッド
４が連結されている。シリンダブロック３内には三つの
シリンダ５がクランク軸２の軸方向に並置されており、
各シリンダ５内のピストン６はコンロッド７を介してク
ランク軸２上のクランクピン2aに連結されている。

ピストン６の頭部とシリンダヘッド４との間には、シ
リンダ５毎に燃焼室８が形成されている。そして、シリ
ンダヘッド４には各燃焼室８に連なる渦室式の副燃焼室
９が設けられており、この副燃焼室９に燃料噴射弁10と
グロープラグ11の先端が臨んでいる。

シリンダブロック３には複数の掃気口12が形成されて
いる。掃気口12の一端はシリンダ５の内面に開口され
て、上記ピストン６にて開閉されるようになっており、
この掃気口12の他端はクランクケース１内のクランク室
13に開口されている。

また、シリンダブロック３には主排気口14と副排気口
15が形成されている。これら排気口14,15の一端はシリ
ンダ５の内面に開口されて、上記ピストン６にて開閉さ
れるようになっており、主排気口14の他端はシリンダブ
ロック３の外方に開口されている。副排気口15の一端は
主排気口14よりもシリンダヘッド４側に位置しており、
この副排気口15の他端は主排気口14内に開口されてい
る。

シリンダブロック３の副排気口15の中間部に対応する
位置には、この副排気口15と交差してクランク軸２の軸
方向に延びる円形の貫通孔16が形成されている。

そして、この貫通孔16内には円柱状をなす開閉弁17が
軸回り方向に回動可能に装着されている。開閉弁17の副
排気口15内に臨む位置には、径方向に沿う連通孔18が形
成されており、この開閉弁17は図示しないステッピング
モータによって、上記連通孔18が副排気口15に合致する
開き位置と、連通孔15が副排気口15から外れる閉じ位置
に亘って回動操作される。

この場合、上記ステッピングモータはマイクロコンピ
ュータで制御されるようになっており、このマイクロコ
ンピュータはスロットル開度に基づく燃料噴射量、エン
ジン回転数および冷却水温等の各種データからエンジン
の運転状況を判断し、上記開閉弁17の回動位置を決定す
る。

したがって、副排気口15を開閉弁17によって開閉する
と、ピストン６が圧縮行程に移行した際の圧縮ストロー
クが変化するので、圧縮比がエンジンの運転状況に応じ
て二段階に切り換わるようになっており、本実施例の場
合は、始動時とアイドリング時および低・中負荷運転領
域において圧縮比が高められる。

なお、各シリンダ５の主排気口14には排気管19が接続
されている。

一方、上記クランクケース１には、各シリンダ５毎に
クランク室13に開口する吸気口20が開口されている。吸
気口20はクランク軸２の軸方向に一列に並んでおり、こ
れら吸気口20にはクランク室13に向う空気の流通のみを
許容するリード弁21が設けられている。そして、各シリ
ンダ５の吸気口20には吸気マニホールド22が接続されて
おり、この吸気マニホールド22の上流端に位置する単一
の吸入口23は、ゴム製の吸気管24を介してエアクリーナ
25に連なっている。

したがって、ピストン６が圧縮行程に移行して、クラ
ンク室13が負圧になると、エアクリーナ25から吸入され
た空気が吸気管24や吸気マニホールド22を通じてクラン
ク室13に吸入されるようになっており、本実施例の場合
は上記吸気管24からクランク室13にかけての部分が空気
の吸入経路を構成している。

ところで、上記吸気マニホールド22の吸入口23には、
吸入空気量を加減する制御手段が設けられている。本実
施例の制御手段はバタフライ形の制御弁30であり、その
弁軸31がステッピングモータ32に連結されている。そし
て、このステッピングモータ32の制御は、エンジンの運
転状況を判断するマイクロコンピュータ33により行われ
る。このマイクロコンピュータ33は第２図に示すよう
に、エンジン回転数がアイドリング運転域を含めた低・
中負荷運転領域にある時に、上記制御弁30を閉じ方向に
操作し、燃焼室８に対する掃気量を減少させる運転領域
Ａを形成するようになっている。

上記第２図は、全負荷運転時においてエンジン回転数
を変化させた時のトルクの移り変わりを示す性能特性図
であり、この第２図に示された運転領域Ａは、エンジン
負荷とエンジン回転数とに基づいて決められている。ま
た、運転領域Ａを規定する境界線ａは、トルクカーブと
は無関係にエンジン回転数が増大するに従いトルクを減
じる方向に下向きに傾斜されている。

次に、上記マイクロコンピュータ33の動作について、
第９図に示すフローチャートを加えて説明する。

すなわち、エンジン運転中、マイクロコンピュータ33
にはエンジンの運転状況を示す三つのデータS₁〜S₃、つ
まりエンジン回転数、スロットル開度に対応する燃料噴
射量および冷却水温が入力される。そして、マイクロコ
ンピュータ33では、これらデータS₁〜S₃に基いて、エン
ジンが掃気量を減少させる運転領域Ａにあるか否かを判
断する。

この判断の段階では、エンジン回転数、スロットル開
度に対応する燃料噴射量および冷却水温を基準として、
その時のエンジン運転領域に最適な制御弁30の開度を導
くマップが予め記憶されており、このマップから上記検
出された実際のデータS₁〜S₃に基いて、制御弁30の開度
を検索する。この検索により、エンジンが掃気量を減少
させる運転領域Ａにあると判断されると、その運転領域
Ａに最適な制御弁30の開度が決定される。そして、この
制御弁30の開度を示すデータは、上記ステッピングモー
タ32に制御信号として出力され、この出力によりステッ
ピングモータ32が制御弁30を閉じる方向に動作される。

ところで、ディーゼルエンジンでは、排気中の有害成
分ばかりでなく、排気煙の濃度、つまり、排気煙中の微
粒子（Diesel Particulate）をいかにして減らすかが
重要な問題となっており、このことから、上記掃気量を
制限する運転領域Ａの設定は、排気煙に含まれる微粒子
との関連によって行われる。

すなわち、上記排気中の微粒子は、有機溶剤に不溶な
物質（DRY SOOT）と、可溶な物質（SOF:Soluble Orga
nic Fraction）とに大別され、上記DRY SOOTの主成分
はカーボン、いわゆる黒煙であり、SOFは未燃の炭化水
素が主成分である。

そして、一般的なディーゼルエンジンの場合、上記SO
FとDRY SOOTの排出特性は、第４図に示すようにエンジ
ン回転数を一定とした場合に、負荷が上がる程、DRY S
OOTは増加する傾向を示し、逆にSOFは低減する傾向を示
す。

ここで第４図中Y₁で示す低負荷運転領域でのDRY SOO
TとSOFとの関係を調べると、上記低負荷運転領域では燃
料噴射量が少なく、空気過剰率が過大となるために、第
５図に示すように掃気量を減少させても、DRY SOOTの
増加は穏やかであるとともに、SOFもある領域までは徐
々に減少する傾向を示す。

このため、微粒子の総量（TOTAL）として見ると、掃
気量の低減割合を大きくしても、微粒子の総量は掃気量
を制御しない通常の時（STD）の排出量以下に抑えられ
ることになる。よって、低負荷運転領域での掃気量の低
減割合は大きくなる。

また、第４図中Y₂で示す中負荷運転領域では、燃料噴
射量の増大に伴って空気過剰率がそれほど大きくないた
め、掃気量を減少させると、第６図に示すようにSOFお
よびDRY SOOT共に増大する傾向を示し、特にDRY SOOT
は急激に増大する。このため、微粒子の総量も掃気量の
減少に応じて増大するので、中負荷運転領域での掃気量
の低減割合は小さくなる。

したがって、第３図からも分かるように、掃気量はエ
ンジン回転数を一定とした場合に、排気煙中の微粒子の
排出量によって決まるある負荷の値即ち，第３図に示す
ように負荷略1/2以下の領域を境として減少するように
設定されており、この負荷領域が上記第２図の境界線ａ
で示される運転領域Ａの上限値となる。

なお、第７図および第８図は、上記Y₁ならびにY₂で示
す運転領域でのNOx、HC、COの排出量の移り変わりを示
しており、これら両図からも分かるように、掃気量を減
少させた領域では、上記微粒子と同様にNOx、HC、CO共
に減少する傾向を示す。

このような構成によれば、空気過剰率が過大となる低
・中負荷運転領域において、制御弁30を閉じ方向に回動
操作してクランク室13への吸入空気量を減少させるよう
にしたので、掃気口12が開かれた際にクランク室13から
燃焼室８に流れ込む掃気量が少なくなる。このため、既
燃ガスを燃焼室８から主排気口14および副排気口15に追
い出す掃気作用が不完全なものとなり、燃焼室８内には
従来よりも多くの既燃ガスが残留する。

すると、この既燃ガス中には比熱の大きな成分が多く
含まれているので、燃焼最高温度が低下するとともに、
この既燃ガスは不活性ガスでもあるため、クランク室13
から導かれた吸入空気が希釈され、その酸素濃度が低下
する。

したがって、低・中負荷運転領域での空気過剰率を積
極的に低く抑えることができ、NOxの排出量を効率良く
低減することができる。それとともに、上記掃気量を低
減させた運転領域Ａでは、SOFおよびDRY SOOTと同様
に、HCおよびCOの排出量も減少する傾向にあり、上記NO
xを低減できることと合わせて、排気中の有害成分を確
実に減らすことができる。

その上、燃焼室８内の酸素濃度が低下すれば、ノッキ
ングも発生し難くなり、その分、ノック音も抑えられ
て、エンジン音を低くすることができる。

また、制御弁30が閉じられる低・中負荷運転領域で
は、吸入空気量および排気量共に減少するので、吸気音
や排気音を低減することができ、上記ノック音が抑えら
れることと相まって、静粛な運転が可能となるといった
利点がある。

また、第12図ないし第13図は本発明の第２実施例が示
されている。

この第２実施例では、クランクケース１の底部にクラ
ンク室13に連なる連通室41が形成されており、この連通
室41と吸気マニホールド22の吸入口23との間がバイパス
通路42によって連通されている。

したがって、この実施例の場合は吸入口23からクラン
ク室13までの部分と、上記バイパス通路42が空気の吸入
経路を構成しており、上記連通室41の内部にクランク室
13とバイパス通路42との連通を断続するバタフライ形の
バイパス弁43が設けられている。

そして、バイパス弁43の弁軸44は、上記第１実施例と
同様にマイクロコンピュータ33にて制御されるステッピ
ングモータ32に連結されている。このため、第13図に示
すように、マイクロコンピュータ33にてエンジンが掃気
量を制御する運転領域Ａにあると判断されると、その運
転領域Ａに最適なバイパス弁43の開度が決定されるとと
もに、このバイパス弁43の開度を示すデータが上記ステ
ッピングモータ32に制御信号として出力され、この出力
によりステッピングモータ32がバイパス弁43を開く方向
に動作される。

したがって、この第２実施例の構成によると、バイパ
ス弁43が閉じられている運転領域では、吸気マニホール
ド22を通じてクランク室13に吸入された空気は、そのま
ま掃気口12を介して燃焼室８に導かれる。

これに対し、エンジンが掃気量を制御する運転領域Ａ
に達してバイパス弁43が開かれると、上記クランク室13
に吸入された空気は、第12図中矢印で示すように、バイ
パス通路42を通じて吸気マニホールド22に戻される。

このため、実質的にクランク室13に吸入される空気、
ひいてはクランク室13から燃焼室８への掃気量が減少す
るから、低・中負荷運転領域での空気過剰率や燃焼室８
酸素濃度を低下させることができ、上記第１実施例と同
様の効果を得ることができる。

また、上記バイパス弁43が開いていれば、ピストン６
が上昇に転じてクランク室13内が負圧となった際に、こ
のクランク室13には吸気マニホールド22とバイパス通路
42の双方から空気が吸入されることになり、一次圧縮室
としてのクランク室13の圧力が大幅に下がることはな
い。

このため、掃気口12が開かれている期間中に、燃焼室
８内の既燃ガスがクランク室13に逆流するのを防止する
ことができ、このクランク室13が煤で汚されずに済む。

なお、上述した実施例では、クランク室を空気の一次
圧縮室として利用したが、本発明はこれに限らず、例え
ば掃気口を吸気通路に接続して、この吸気通路の途中に
空気圧縮用の掃気ポンプを設けた２サイクルディーゼル
エンジンであっても良い。

［発明の効果］以上詳述した本発明によれば、掃気口が開かれた際に
燃焼室に流れ込む掃気量が少なくなり、燃焼室内には従
来よりも多くの既燃ガスが残留するので、この既燃ガス
によって吸入空気が希釈され、酸素濃度が低下する。

したがって、負荷略1/2以下の領域となる低・中負荷
運転域での空気過剰率を低く抑えることができ、NOxを
始めとする有害成分の排出両を効率良く減らすことがで
きる。それとともに、温度が高い既燃ガスが残留する分
上記酸素濃度の低下があっても着火遅れが起き難くノッ
キングも発生し難くなり、その分、ディーゼルエンジン
特有のノック音が抑えられて、静粛な運転が可能とな
る。

しかも、燃料噴射量が少ない低負荷運転領域では、掃
気量の低減割合を大きくしても排気煙中に含まれる微粒
子の排出量が減少する傾向にあるので、有害成分を減ら
すことを目的として負荷が小さくなるに従い掃気量を減
らしても、微粒子の排出量は掃気量制御を行わない時よ
りも小さくなり排気煙の濃度を抑えることができるもの
である。

また、前記掃気量を減少させる運転領域を定める境界
がアイドリング運転域を除く運転域においてエンジン回
転数が高くなる程低負荷側に設定されていることから、
エンジン回転数に対応して、排気煙排出量当りの全微粒
子の排出量の増加が防止され且つNOxの増大が防止され
るという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第11図は本発明の第１実施例を示し、第１
図は２サイクルディーゼルエンジンの断面図、第２図は
掃気量を減少させる運転領域を示す特性図、第３図はエ
ンジン負荷に対する掃気量の減少割合を示す特性図、第
４図ないし第６図はエンジン負荷に対する排気中の微粒
子の排出量を示す特性図、第７図および第８図は掃気量
に対する有害成分の排出量を示す特性図、第９図はマイ
クロコンピュータでの処理内容を示すフローチャート、
第10図は吸気および排気系を含めたエンジンの平面図、
第11図は吸気および排気系を含めたエンジンの正面図、
第12図および第13図は本発明の第２実施例を示し、第12
図は２サイクルディーゼルエンジンの断面図、第13図は
マイクロコンピュータの処理内容を示すフローチャート
である。５……シリンダ、６……ピストン、８……燃焼室、12…
…掃気口、13,22,23,24,42……吸入経路（クランク室、
吸気マニホールド、吸入口、吸気管、バイパス通路）、
30,43……制御手段（制御弁、バイパス弁）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松尾典孝静岡県磐田市新貝2500番地ヤマハ発動機株式会社内 (56)参考文献特開昭63−65122（ＪＰ，Ａ) 特開平１−96442（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02B 25/00 - 27/02 F02D 9/00 - 45/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】空気の吸入経路とシリンダの燃焼室とを、
ピストンによって開閉される掃気口を介して連通させた
２サイクルディーゼルエンジンにおいて、上記空気の吸入経路に、アイドリング運転域から低・中
負荷運転域に亘って上記燃焼室に対する吸入空気の掃気
量を減少させる運転領域を形成する制御手段を設けて排
気煙中に含まれる微粒子の排出量の増加とNOxの増大を
防止すべく、前記掃気量を減少させる運転領域を定める境界は、負荷
略1/2以下の領域となる低・中負荷運転域であり且つア
イドリング運転域を除く運転域においてエンジン回転数
が高くなる程低負荷側に設定され、該境界より低い負荷
で掃気量を減少させ、その掃気量の減少量はエンジン回
転数を一定とした時負荷が小さくなるに従って大きくす
るようにしたことを特徴とする２サイクルディーゼルエ
ンジンの給気装置。