JP3087392B2

JP3087392B2 - ２サイクル断熱エンジン

Info

Publication number: JP3087392B2
Application number: JP03301222A
Authority: JP
Inventors: 克典平井
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1991-10-22
Filing date: 1991-10-22
Publication date: 2000-09-11
Anticipated expiration: 2015-09-11
Also published as: JPH05113128A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、シリンダヘッドに排
気ポートを且つシリンダ下部に掃気ポートを形成し且つ
ターボチャージャとエネルギー回収装置を備えた断熱構
造の燃焼室を有する２サイクル断熱エンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、２ストローク即ち２サイクルで
作動される断熱エンジンは、シリンダヘッドに排気ポー
トを備え且つシリンダ下部に掃気ポートを備えた燃焼室
を断熱構造に形成したものであり、クランクシャフト１
回転ごとに１回爆発し、吸入、圧縮、燃焼及び排気・掃
気の４つの作用をピストンの２行程で終了するものであ
る。そして、２サイクルエンジンは、吸気と掃気とを同
時に掃気ポートから導入して行うものである。燃焼室の
断熱構造としては、ピストンヘッド部、シリンダヘッド
部或いはシリンダ部に形成した主室、又はシリンダヘッ
ドに形成した副室をセラミックス等の断熱材或いは耐熱
材を用いて構成している。また、金属製シリンダヘッド
に形成した副室とシリンダ上部に形成した主室とを断熱
構造に構成した断熱エンジンでは、シリンダヘッドに形
成した穴にセラミックスから成る断熱ブロックを配置し
て構成することができる。

【０００３】従来、２サイクル断熱エンジンとして、例
えば、特開平３−５０３６３号公報に開示されたものが
ある。この２サイクル断熱エンジンは、ヘッド下面部と
ライナ上部とを断熱構造に構成し、ヘッド下面部に形成
した排気ポートに排気バルブを配置し、ライナ上部とシ
リンダ下部との境界部に断熱ガスケットを配置し、シリ
ンダ下部に多数の吸気口を形成し、該吸気口をシリンダ
下部外周に形成した吸気ポートに開口したものである。
更に、２サイクル断熱エンジンでは、通常、吸気ポート
に過給機を連結したものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、断熱エンジ
ンについては、通常の水冷エンジンに比較して燃焼室壁
面が高温となるため、吸入行程で吸入空気が膨張して空
気供給量が低減することになる。特に、吸入空気が圧縮
行程でシリンダ内壁、燃焼室内壁等から受熱するため、
圧縮端温度が高くなる。圧縮端温度が高くなると、圧縮
仕事は水冷エンジンより大となり、断熱エンジンのサイ
クル効率向上を妨げる原因になる。また、圧縮端温度が
高いと、燃焼の悪化を引き起こす原因になる。更に、圧
縮端温度が高温になると、エンジン内での作動ガス温度
が高く、壁面を高温に維持しているにもかかわらず、壁
面との温度差が大になり、断熱度が低下し、燃焼室壁面
及びシリンダヘッドを通じて放熱エネルギーが増大す
る。

【０００５】そこで、断熱エンジンでは、吸気を排気ガ
スの影響が少ない比較的に温度の低いシリンダ下部に形
成した掃気ポートから導入し、排気をシリンダヘッドに
形成した排気ポートから排出する２サイクルエンジンが
好ましいことになる。

【０００６】しかしながら、２サイクルエンジンでは、
ピストンの作動行程上、吸気と掃気とを同時に行う必要
があるため、エンジンの排気ガスが排出されるシリンダ
ヘッドに形成した排気ポート或いは排気管における圧力
即ち排気圧は、給気の圧力即ちブースト圧より上げるこ
とが困難であり、エンジンのほとんどの作動領域でター
ボチャージャによる過給ができないものである。そこ
で、図３に示すように、２サイクルエンジン４０では、
吸気通路４２を通じて十分な吸気と掃気を行うため、ル
ーツブロワ４１のような機械式過給機（場合によって
は、電動式過給機）を用いている。図３において、符号
４３は排気通路を示す。一般に、ルーツブロワは、ハウ
ジングの中を互いに反対方向に回転する一対のまゆ形ロ
ータにより空気を送り出すポンプであり、エンジンに取
り付ける場合には、エンジンの回転力、例えば、クラン
クシャフトから回転力が歯車を介して伝達されるように
構成されている。そのため、ルーツブロワは、回転数が
エンジン回転数に対応するため、高回転域でのブースト
圧の不足が問題になっている。

【０００７】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
解決することであり、回転電機を持つターボチャージャ
とエネルギー回収装置とを排気ガスの流れに直列に配置
し、ターボチャージャとエネルギー回収装置との間にバ
イパスバルブを設け、常に排気圧がブースト圧より低く
なるようにバイパスバルブの開閉をコントローラで制御
した２サイクル断熱エンジンを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記目的を
達成するため、次のように構成されている。即ち、この
発明は、シリンダヘッドに形成した排気ポートとシリン
ダ下部に掃気ポートを備え且つ断熱構造の燃焼室を有す
る２サイクル断熱エンジンにおいて、排気系に配置した
回転電機を持つターボチャージャ、該ターボチャージャ
の下流に配置した発電機を持つエネルギー回収装置、前
記ターボチャージャと前記エネルギー回収装置の間に設
けたバイパスバルブ、ブースト圧と排気圧とを検出する
センサー、及び該各センサーの検出値に応答して前記バ
イパスバルブを開閉して排気圧がブースト圧より低くな
るように制御するコントローラ、を有する２サイクル断
熱エンジンに関する。

【０００９】また、この２サイクル断熱エンジンにおい
て、前記コントローラはブースト圧が排気圧より高い
時、前記回転電機を電動機運転すると共に、前記バイパ
スバルブを閉鎖して排気ガスを前記エネルギー回収装置
に送り込んで発電し、該電力を前記回転電機に直接供給
し、また、排気圧がブースト圧より高い時、前記バイパ
スバルブを開放して排気ガスを逃がして排気圧を低下さ
せる制御を行うものである。

【００１０】

【作用】この発明は、上記のように構成され、次のよう
に作用する。即ち、この２サイクル断熱エンジンは、排
気系に回転電機を持つターボチャージャを配置し、該タ
ーボチャージャの下流に発電機を持つエネルギー回収装
置を配置し、前記ターボチャージャと前記エネルギー回
収装置の間にバイパスバルブを設け、コントローラによ
ってブースト圧と排気圧とを検出するセンサーの検出値
に応答して前記バイパスバルブの開閉制御するので、ブ
ースト圧が排気圧より常に高くなるように制御でき、吸
気と掃気を同時に行っても高回転域での高ブースト圧及
び低負荷時での過給を可能にすることができる。

【００１１】即ち、排気圧が高い時には、前記バイパス
バルブを絞ってバイパス通路から排気ガスを逃がし、前
記エネルギー回収装置を非作動状態にし、前記ターボチ
ャージャの前記回転電機を電動機運転して過給を行い、
適正なブースト圧を確保して燃焼を良好にし、また、排
気圧が高い時には、前記ターボチャージャはターボ運転
が可能になるので、前記バイパスバルブを開放して排気
ガスを前記エネルギー回収装置へ送り込み、前記エネル
ギー回収装置を作動して発電機で発電し、該電力を前記
回転電機に直接的を供給するか、場合によってはバッテ
リーに蓄電するように制御できる。

【００１２】

【実施例】以下、図１を参照して、この発明による２サ
イクル断熱エンジンの実施例を説明する。図１はこの発
明による２サイクル断熱エンジンの一実施例を示す概略
説明図である。

【００１３】図１に示す２サイクル断熱エンジン１は、
クランクシャフトの１回転で１回爆発を行うタイプであ
り、２ストローク即ち２サイクルで作動され、吸入、圧
縮、燃焼及び排気・掃気の４つの作用がピストンの２ス
トロークで行われるものである。この２サイクル断熱エ
ンジン１は、例えば、アルミニウム合金等の金属材料か
ら成るシリンダブロック２１、該シリンダブロック２１
に金属ガスケット等のガスケットを介在して固定したア
ルミニウム合金等の金属材料から成るシリンダヘッド１
９を有している。シリンダブロック２１には、エンジン
１の気筒数に対応する複数個の孔が形成され、該孔には
シリンダを形成するシリンダライナが嵌合している。ま
た、シリンダヘッド１９には、例えば、エンジン１の気
筒数に対応即ちシリンダに対応する穴が形成されてい
る。該穴には、主室の一部を構成するヘッドライナが嵌
合しており、該ヘッドライナはヘッド下面部とライナ上
部から構成されている。ライナ上部で形成されるシリン
ダとシリンダライナで形成されるシリンダには、主室の
一部を形成したピストン２２が往復運動するように組み
込まれる。直接噴射式燃焼室の場合には主室に燃料を噴
射する燃料噴射ノズルを設ける。或いは、シリンダヘッ
ド１９には断熱構造の副室を構成することもでき、その
場合には副室に燃料噴射ノズルが配置されている。

【００１４】２サイクル断熱エンジン１は、排気バルブ
２４をシリンダヘッド１９に配置して掃気作用をシリン
ダ中心線に対して一定方向の気流によって行わせ、エン
ジン１の効率をアップさせたユニフロータイプに構成で
きるものである。２サイクル断熱エンジン１は、シリン
ダヘッド１９に形成された１個又は複数個のポートは、
排気ポート１８として機能するものである。排気ポート
１８には断熱構造としたポートライナが配置されてい
る。また、シリンダヘッド下面部或いはヘッドライナに
形成された排気ポート１８の入口部に形成されたバルブ
シートには、開閉作動する排気バルブ２４が配置されて
いる。シリンダヘッド１９に形成された穴には、耐熱性
で且つ断熱性を有する窒化ケイ素Ｓｉ₃Ｎ₄、チタン酸
アルミニウムＡｌ₂ＴｉＯ₅等のセラミックスから製作
した断熱ブロックが嵌入し、燃焼室を断熱構造に構成し
ている。

【００１５】また、２サイクル断熱エンジン１におい
て、シリンダブロック２１の孔に嵌合したシリンダライ
ナのシリンダ下部には、掃気ポート２５が形成されてい
る。この２サイクル断熱エンジン１において、シリンダ
ブロック２１に嵌合したシリンダライナの下部には、周
方向に複数個（場合によっては１個）の掃気ポート開孔
部即ち掃気ポート２５が形成され、該掃気ポート２５は
シリンダブロック２１の孔の周囲に形成された環状掃気
通路に常時連通状態に形成されている。該環状掃気通路
は吸気通路１４に連通している。吸気通路１４には、タ
ーボチャージャ２の過給機即ちコンプレッサ９から送ら
れる空気即ち掃気が送り込まれるように構成されてい
る。

【００１６】２サイクル断熱エンジン１において、シリ
ンダライナ及びヘッドライナで形成されるシリンダ内を
往復運動するピストン２２は、該ピストン２２のピスト
ンヘッドの頂面が掃気ポート２５の上壁面より下方に降
下することで、掃気即ち空気がシリンダ内に導入され
る。ピストン２２は、例えば、窒化ケイ素Ｓｉ₃Ｎ₄、
チタン酸アルミニウムＡｌ₂ＴｉＯ₅等のセラミックス
から断熱構造に構成したピストンヘッド部と、該ピスト
ンヘッド部にメタルフロー金属等で断熱ガスケットを介
在して固定したアルミニウム合金等の金属材料から成る
ピストンスカート部から構成されている。

【００１７】この２サイクル断熱エンジンは、特に、エ
ンジン１の排気通路１０に配置した回転電機７を持つタ
ーボチャージャ（ＴＣＧ）２、該ターボチャージャ２の
下流に配置した発電機１１を持つターボゼネレータ（Ｔ
Ｇ）即ちエネルギー回収装置３、ターボチャージャ２と
エネルギー回収装置３との間の排気通路１３に設けたバ
イパスバルブ４、ブースト圧Ｐ₁を検出するセンサー
６、排気圧Ｐ₂を検出するセンサー５、及び該各センサ
ー５，６の検出値に応答してバイパスバルブ４を開閉し
てブースト圧Ｐ₁が排気圧Ｐ₂より高くなるように制御
するコントローラ２０を有している。ターボチャージャ
２は、エンジン１から排気マニホルド、排気管等の排気
通路１０を通じて排気される排気ガスＥＧの排気ガスエ
ネルギーで駆動されるタービン８、該タービン８に連結
したシャフト２３に取り付けたコンプレッサ９及びター
ビン８とコンプレッサ９との間に配置された発電・電動
機である回転電機７から構成されている。コンプレッサ
９は、タービン８が排気ガスＥＧで駆動されることによ
ってシャフト２３を通じて作動され、空気Ａを圧縮して
吸気通路１４を通じてエンジン１に送り込む。

【００１８】また、エネルギー回収装置３は、ターボチ
ャージャ２の下流の排気通路１３に配置したタービン１
２と該タービン１２によって発電する発電機１１から構
成されている。この発電機１１はターボチャージャ２の
回転電機７の仕様に合わせて製作され、発電機１１で発
電した電力は回転電機７に直接供給できるように構成す
ることが好ましい。バイパスバルブ４は、ウェィストゲ
ートとして機能するものであり、コントローラ２０の指
令で開閉する。バイパスバルブ４がエネルギー回収装置
３への排気通路１３を閉鎖すると、大気へ開放のバイパ
ス通路２６が開放し、バイパスバルブ４の上流側の排気
通路１３が大気開放になり、従って、排気通路１０の排
気圧Ｐ₂が低下する。また、バイパスバルブ４がエネル
ギー回収装置３への排気通路１３を開放すると、大気へ
開放のバイパス通路２６は閉鎖し、エネルギー回収装置
３のタービン１２が駆動して発電機１１が発電を行うこ
とになる。この時、エネルギー回収装置３の上流側の排
気通路１３の排気圧Ｐ₂は上昇することになる。

【００１９】この２サイクル断熱エンジン１において、
コントローラ２０には、排気通路１０に設置したセンサ
ー５によって検出された排気圧Ｐ₂及び吸気通路１４に
設置したセンサー６によって検出されたブースト圧Ｐ₁
が入力される。更に、コントローラ２０には、回転セン
サー１５によって検出されたエンジン回転数Ｎ及び負荷
センサー１６によって検出されたエンジン負荷Ｌが入力
される。コントローラ２０は、上記各検出信号即ちエン
ジン１の作動状態に応答して、ターボチャージャ２の回
転電機７が電動機運転又は発電機運転のいずれかの運転
を行うように制御すると共に、バイパスバルブ４を開閉
制御してエネルギー回収装置３の発電機１１で発電する
か又は非作動状態にする制御を行うものである。回転電
機７を電動機運転する時は、発電機１１で発電した電力
を回転電機７に直接供給するか、或いはバッテリー１７
から回転電機７に電力を供給し（力行）、また、回転電
機７を発電機運転する時は、回転電機７で発電した電力
をバッテリー１７に蓄電する（回生）。更に、エネルギ
ー回収装置３の発電機１１で発電した電力はバッテリー
１７に蓄電する（回生）。

【００２０】更に、コントローラ２０は、ブースト圧Ｐ
₁が排気圧Ｐ₂より高い時、回転電機７を電動機運転す
ると共に、バイパスバルブ４を閉鎖して排気ガスＥＧを
排気通路１３を通じてエネルギー回収装置３のタービン
１２に送り込み、エネルギー回収装置３の発電機１１で
発電する。また、コントローラ２０は、排気圧Ｐ₂がブ
ースト圧Ｐ₁より高い時、バイパスバルブ４を開放して
排気ガスＥＧを逃がしてエネルギー回収装置３に送り込
まず、排気通路１０，１３内にかかる排気圧Ｐ₂を低下
させる制御を行うものである。

【００２１】次に、図２を参照して、この２サイクル断
熱エンジンの作用を説明する。図２は図１に示す２サイ
クル断熱エンジンの作動状態を示す処理フロー図であ
る。この２サイクル断熱エンジン１は、上記のように、
電気駆動式過給即ち電動機運転又は発電機運転とを行う
回転電機７を備えたターボチャージャ２と高速発電機１
１を備えたエネルギー回収装置３を備え、エンジン１の
高回転域での高ブースト圧Ｐ₁を可能にすると共に、エ
ンジン１の低負荷状態の作動領域での過給を可能にした
ものである。

【００２２】この２サイクル断熱エンジン１について
は、エンジン回転数Ｎが高回転域では、吸気と掃気を同
時に行うので、エンジン１では空気の消費は大きく、そ
れに応じてブースト圧Ｐ₁を高くしなければならないの
で、回転電機７を電動機運転してコンプレッサ９の機能
を上げ、掃気ポート２５から大量の給気をエンジン１に
送り込んで過給する。また、エンジン負荷Ｌが低負荷時
には、排気圧Ｐ₂は低く、排気エネルギーは小さいの
で、ターボチャージャ２の機能は低下する。そこで、回
転電機７を電動機運転してコンプレッサ９の機能を上
げ、掃気ポート２５からエンジン１へ過給し対応する。
その他のエンジンの作動領域では、ターボチャージャ２
及びエネルギー回収装置３は、通常のターボ運転及び回
収作動を行うように構成されている。

【００２３】まず、２サイクル断熱エンジン１を駆動す
ることで、排気通路１０中に設置したセンサー５で排気
圧Ｐ₂を検出すると共に、吸気通路１４中に設置したセ
ンサー６でブースト圧Ｐ₁を検出する（ステップ３
０）。各センサー５，６で検出された排気圧Ｐ₂とブー
スト圧Ｐ₁はコントローラ２０に入力され、コントロー
ラ２０は該検出信号を受けて、ブースト圧Ｐ₁が排気圧
Ｐ₂より大きいか否かを判断する（ステップ３１）。

【００２４】そこで、ブースト圧Ｐ₁が排気圧Ｐ₂より
大きい場合には、ターボチャージャ（ＴＣＧ）２による
過給を行うことができる状態であるので、次のような処
理をする。即ち、コントローラ２０の指令でバイパスバ
ルブ４を開放し、排気通路１３をエネルギー回収装置３
に連通する（ステップ３２）。ターボチャージャ２とエ
ネルギー回収装置（ＴＧ）３とが排気通路１３で連通す
ると、ターボチャージャ２のタービン８から排出した排
気ガスＥＧはエネルギー回収装置３のタービン１２に送
り込まれる（ステップ３３）。この時、ターボチャージ
ャ２の回転電機７を発電機運転してバッテリー１７に蓄
電するか、或いは電動機運転をしてコンプレッサ９の作
動を強力にして、コンプレッサ９によって吸気通路１４
を通じてエンジン１へ空気Ａを過給する（ステップ３
４）。

【００２５】また、エネルギー回収装置３のタービン１
２へ排気ガスＥＧが送り込まれ、発電機１１で発電する
（ステップ３５）。発電機１１で発電した電力は、回転
電機７へ直接供給してコンプレッサ９の作動を強化する
か、場合によってはバッテリー１７で蓄電することがで
きる。発電機１１で発電した電力を回転電機７へ直接供
給する場合には、該電力を変圧することなく、直接供給
されるので極めて効率的である。しかるに、発電機１１
で発電した電力をバッテリー１７に蓄電すると、１００
ボルトを１２ボルトに変圧しなければならず、また、バ
ッテリー１７の電力を回転電機７で消費するには、１２
ボルトを１００ボルトに再び変圧しなければならない。
従って、発電機１１で発電した電力を電動機運転してい
る回転電機７に直接的に供給することが有効となる。

【００２６】ステップ３１において、ブースト圧Ｐ₁が
排気圧Ｐ₂より高くない場合には、排気圧Ｐ₂は高く、
ターボチャージャ２を作動できない状態であるので、次
のような処理をする。即ち、バイパスバルブ４を閉鎖し
（ステップ３６）、排気通路１３をバイパス通路２６へ
連通する。ターボチャージャ２とバイパス通路２６とが
排気通路１３で連通すると、ターボチャージャ２のター
ビン８から排出した排気ガスＥＧはバイパス通路２６か
ら大気へ排出される（ステップ３７）。排気ガスＥＧが
バイパス通路２６から排出されることで、排気圧Ｐ₁は
低下する（ステップ３８）。

【００２７】この２サイクル断熱エンジンでは、上記の
ように、ブースト圧Ｐ₂が排気圧Ｐ₁より高い時には、
ターボチャージャ２の回転電機７を電動機運転してコン
プレッサ９の能力をアップし、空気Ａを吸気通路１４を
通じてエンジン１へ過給する。その後、エネルギー回収
装置３のタービン１２へ排気ガスＥＧを送り込むことで
発電機１１で発電することができる。発電機１１で発電
した電力は、電動機運転している回転電機７へ直接供給
し、回転電機７の電力を補助し、バッテリー１７の消耗
を低減してバッテリー１７上がりを防止することができ
る。

【００２８】そこで、エネルギー回収装置３の発電機１
１で発電することによって、排気圧Ｐ₂は上がるため、
エンジン１の運転条件によって排気圧Ｐ₂の方がブース
ト圧Ｐ₁より高くなる場合が発生する。この場合には、
バイパスバルブ４を閉鎖して排気ガスＥＧをエネルギー
回収装置３に送り込むことなく、バイパス通路２６を通
じて排出する。そこで、排気通路１０の排気圧Ｐ₂は低
下することになる。

【００２９】従って、この２サイクル断熱エンジン１を
上記のように作動すれば、２サイクル断熱エンジン１で
は、エンジンの全作動領域でターボチャージャ２による
過給が可能になり、エネルギー回収装置３の併用によっ
てターボチャージャ２の電動機運転によるバッテリー１
７の放電を補うことが可能になり、バッテリー１７の消
耗を防止できる。

【００３０】

【発明の効果】この発明による２ストローク断熱エンジ
ンは、上記のように構成されており、次のような効果を
有する。この２ストローク断熱エンジンは、排気系に回
転電機を持つターボチャージャを配置し、該ターボチャ
ージャの下流に発電機を持つエネルギー回収装置を配置
し、前記ターボチャージャと前記エネルギー回収装置の
間にバイパスバルブを設け、ブースト圧と排気圧とを検
出する各センサーの検出値に応答してコントローラは前
記バイパスバルブを開閉制御するので、前記バイパスバ
ルブの開閉によって、常に排気圧がブースト圧より低く
なるように制御することができる。

【００３１】しかも、エンジンの高回転域でのブースト
圧を前記回転電機を電動機運転することで確保でき、ま
た、エンジンの低負荷時での作動でも前記回転電機の電
動機運転で過給を行うことができる。従って、この２サ
イクル断熱エンジンは、別途、ルーツブロワを設ける必
要がなく、エンジンの全作動領域で前記ターボチャージ
ャによる過給を可能にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による２サイクル断熱エンジンの一実
施例を示す説明図である。

【図２】図１の２サイクル断熱エンジンの作動の一例を
示す処理フロー図である。

【図３】従来の２ストローク断熱エンジンの一例を示す
概略説明図である。

【符号の説明】

１２サイクル断熱エンジン２ターボチャージャ３エネルギー回収装置４バイパスバルブ５センサー（排気圧Ｐ₂）６センサー（ブースト圧Ｐ₁）７回転電機８，１２タービン９コンプレッサ１０，１３排気通路１１発電機１４吸気通路１７バッテリー２０コントローラ２６バイパス通路

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダヘッドに形成した排気ポートと
シリンダ下部に掃気ポートを備え且つ断熱構造の燃焼室
を有する２サイクル断熱エンジンにおいて、排気系に配
置した回転電機を持つターボチャージャ、該ターボチャ
ージャの下流に配置した発電機を持つエネルギー回収装
置、前記ターボチャージャと前記エネルギー回収装置の
間に設けたバイパスバルブ、ブースト圧と排気圧とを検
出するセンサー、及び該各センサーの検出値に応答して
前記バイパスバルブを開閉して排気圧がブースト圧より
低くなるように制御するコントローラ、を有する２サイ
クル断熱エンジン。
【請求項２】前記コントローラはブースト圧が排気圧
より高い時、前記回転電機を電動機運転すると共に、前
記バイパスバルブを閉鎖して排気ガスを前記エネルギー
回収装置に送り込んで発電し、該電力を前記回転電機に
直接供給し、また、排気圧がブースト圧より高い時、前
記バイパスバルブを開放して排気ガスを逃がして排気圧
を低下させる制御を行う請求項１に記載の２サイクル断
熱エンジン。