JP3703924B2 - 2サイクル内燃エンジン - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、2サイクル内燃エンジンに係り、特に、チエーンソー、刈払機等の可搬式作業機に用いて好適な、比較的小型の、例えば、燃料噴射式の2サイクル内燃エンジンに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、チエーンソー、刈払機等の可搬式作業機に用いられている比較的小型の2サイクル内燃エンジン(例えば、総排気量21.2CC、シリンダ直径32.2mm、ピストンストローク26mmのエンジン)の一般的な構造のものは、図4に示されている2サイクル内燃エンジン1´のように、ピストン4´が嵌挿される円筒状の内壁面を有するシリンダ部分2´と、スキッシュドーム形と呼ばれるシリンダ室3´を備えたヘッド部分7´とが一体に形成され、前記両部分の外周部には多数の空冷用冷却フィン8´・・・を形成したものであり、該シリンダ部分2´の下側には、内部にクランク室6´を形成した割り型のクランクケース5´が取着されている。
【0003】
前記シリンダ部分2´の内周壁には、吸気ポート41´及び排気ポート40´が互いに対向して上下に位置をずらして開口されていると共に、該両ポート40´、41´とほぼ直角な方向に左右一対の掃気ポート42´、42´が左右に対向して開口せしめられていて、シュニューレ掃気式の2サイクル内燃エンジン1を構成している。
【0004】
そして、前記シリンダ部分2´と前記ヘッド部分7´とをハイプレッシャダイキャストでの一体鋳造を容易にせしめるために、前記シリンダ部分2´の前記掃気ポート42´、42´に連なる掃気通路部43´、43´に、該掃気通路部43´、43´が外部と連通するべく鋳造用開口44´、44´を設けた構成とし、該鋳造用開口44´、44´に別途製造した掃気通路蓋45´、45´を装着固定することで、前記鋳造用開口44´、44´を閉鎖して滑らかにカーブした完全な前記掃気通路43´、43´を形成せしめるようになっている。
【0005】
また、前記クランク室6´は、密閉された短円筒形をしており、その左右端の中央部分にクランク軸30´が軸支され、該クランク軸30´のクランクピン31´には連接ロッド32´を介して前記ピストン4´が作動上連結されていると共に、前記連接ロッド32´を挟むように前記クランクピン31´の左右に一対の扇形等のクランクウェブ34´、34´が固定されており、該クランクウェブ34´、34´は前記クランク軸30´と一体に回転せしめられる
【0006】
更に、前記2サイクル内燃エンジン1´は、所要の定格馬力を出力するべく、前記シリンダ室3´内に必要な量の混合気を供給し、かつ、燃焼排ガスを効率良く排出するために、前記シリンダ部分2´に開口している前記掃気ポート42´、42´と前記排気ポート40´との位置関係の大きさを、図3の(ロ)に示されるような、同時開放されるオーバーラップ部分が形成される位置、形状及び大きさとしている。即ち、前記排気ポート40´の横方向の端は、該排気ポート40´を左右に二等分割する縦断面線F´を起点として前記シリンダ室3´の中心から左右へそれぞれ53゜の位置で前記シリンダ室3´の内径面と接するようになっており、したがって、前記排気ポート40´は、その横方向の幅が106゜の中心角度となるように開口していると共に、前記掃気ポート42´、42´は、前記排気ポート40´の端から16゜の角度移動し、その横方向の幅が前記シリンダ室3´の中心から扇形に64゜の角度となるように開口した構成となっている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、環境問題の高まりから、前記の如き可搬式作業機等に用いられる小型2サイクル内燃エンジンにおいても、その規制が強化される方向に動いており、排ガス中の有害成分の低減化と低騒音化が強く要請されている。
特に、2サイクル内燃エンジンに特有の問題として、高速回転に伴う騒音と振動の低減、未燃混合気のシリンダ室からの吹き抜け現象に起因する排ガス中のHCの低減化、あるいは、エアクリーナ側への燃料の吹き返し現象による未燃燃料ガスの排出の防止が大きな課題となっており、その解決が望まれているところである。
【0008】
そして、前記小型2サイクル内燃エンジンは、一方において、重量軽減と製造コスト低減等も課題となっており、該課題を解決するべく、なるべく排気量の小さい構造の内燃エンジンによって、必要とする所要の定格馬力を出力するために、通常、8000回転/分程度の高速回転で運転使用されるように構成されている。これは、4サイクル内燃エンジンが、高速のものでも4000回転/分程度で使用されるのと、その使用回転速度が大きく相違しており、前記小型2サイクル内燃エンジンは、高回転で回転使用されることによって、騒音と振動が大きくなってしまうという不具合を生じている。
【0009】
一般に、エンジンの騒音と振動の大きさは、回転数に依存し、該回転数が高くなるほど大きくなる傾向があるので、前記小型2サイクル内燃エンジンの回転数を低くすれば、該エンジンの騒音と振動は小さくなるが、回転数の低下と共に出力も低下してしまい、必要とする大きさの馬力を取り出すことができなくなる。
【0010】
回転数を低くして必要とする馬力を出力するには、排気量の大きな内燃エンジンを低速で使用すれば可能であるが、内燃エンジンの排気量を大きくすれば、該内燃エンジンの全体の構造が大きくなると共に、その出し得る出力に対応した強度の部材を用いていて重量も重くなるので、可搬式作業機に装置した場合にはその操作性が悪くなり、かつ、製造コストも増大すると共に、その内燃エンジンの本来の馬力を出さずに、常時、低速運転することになるので、効率的な運転ができないとの不具合を生じ、また、作業部等が強度上予定している以上の出力を出してしまう危険性もあるものであり、適切ではない。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、通常負荷で運転しても回転数が低く、かつ、騒音と振動の小さい小型2サイクル内燃エンジンを提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成すべく、本発明に係る2サイクル内燃エンジンは、シリンダ室に開口する排気ポートと掃気ポートとを有し、定格出力運転時におけるクランク軸の回転数を制限せしめるべく、従来のシリンダ室とクランク室との容積比に対して前記シリンダ室の容積を十分大きなものとするとともに、前記排気ポートと前記掃気ポートとの開口面積を可及的に小さくし、前記排気ポートと同時開放されるオーバーラップ部分を形成しないように下げた位置に一対の掃気ポートが対向して開口しているものであり、更に好ましい実施の形態として、前記排気ポートの開口横方向の幅前記シリンダ室の中心から扇形に60゜の角度となるように開口し、前記掃気ポートの横方向の幅、前記シリンダ室の中心から扇形に32゜の角度となるように開口しており、また、燃料を前記シリンダ室内に直接噴射する燃料噴射ノズルを備えている。
【0012】
前述の如く構成された本発明の2サイクル内燃エンジンは、従来一般的な2サイクル内燃エンジンよりも、その総排気量に対する排気ポートと掃気ポートの開口面積の大きさの割合を小さくしている。即ち、本発明の2サイクル内燃エンジンは、従来の2サイクル内燃エンジンに比べて、その2サイクル内燃エンジンの総排気量に対する排気ポートと掃気ポートとの開口面積を可及的に小さくして、前記2サイクル内燃エンジンの一サイクルにおいて掃気及び排気される空気・ガス量を、従来の同じ総排気量の2サイクル内燃エンジンに比べてチューニングの範囲を越えて大幅に制限し、高速運転不能として、その出力馬力を小さくしたものである。
【0013】
一般に往復動式内燃エンジンは、クランク軸の回転数を低下させれば、該内燃エンジンの騒音と振動とを減少させることができるが、馬力も低下してしまい、該内燃エンジンから必要とする馬力を取り出すことができない。そこで、内燃エンジンの出力馬力を一定にしつつ、回転数を低下させるためには、総排気量を大きくする必要がある。
【0014】
通常、クランク室予圧縮型2サイクル内燃エンジンのクランク室から供給される掃気の圧力が同じであれば、前記シリンダ室に掃気時に供給される気体重量は、前記掃気ポートの開口面積に比例し、該開口面積が小さい場合は供給される気体重量も少なくなり、一定容積の前記シリンダ室に供給される気体重量が少なければ、前記内燃エンジンの出力も小さくなり、回転数も上昇しないことになる。本発明の2サイクル内燃エンジンは、同一総排気量の従来の内燃エンジンに比べて排気ポートと掃気ポートとの開口面積を可及的に小さくしたので、全負荷時でも、回転数を低くして運転することができ、騒音と振動とを低減できる。
【0015】
また、本発明の2サイクル内燃エンジンは、所要の定格出力馬力は従来の排気量の小さい内燃エンジンと同じであるので、大きくする必要があるのはシリンダ部分のみで、クランク軸やクランクケース部分は従来の内燃エンジンと同じ大きさに製造できる。
更に、本実施形態の2サイクル内燃エンジンは、燃料噴射ノズルを配置したので、前記排気ポートと前記掃気ポートとの開口面積が小さいことで、吸入空気の量が制限されていても、その吸入空気に見合う燃料を適宜噴射することができ、燃焼が良好に行えると共に、リーンバーン燃焼等のエンジンの空燃比制御も、正確に、かつ、容易に行える。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の2サイクル内燃エンジンの一実施形態について説明する。
図1は、本実施形態の燃料噴射式の2サイクル内燃エンジン1(以下、単に内燃エンジンという)の縦断面図を示しており、該内燃エンジン1は、いわゆる、シュニューレ式のクランク室予圧縮型空冷2サイクル内燃エンジン(例えば、図1及至図3(イ)の実施の形態の2サイクル内燃エンジン1は、総排気量39.7CC、シリンダ内径38mm、ピストンストローク35mm)であり、ピストン4が上下方向に摺動自在に嵌挿されたシリンダ室3を有するシリンダブロック2と、該シリンダブロック2の下側に連結されて内部にクランク室6を形成する割り型のクランクケース5と、前記シリンダブロック2の上側に該シリンダブロック2と一体に成形されたシリンダヘッド部7とを備えており、その外周部には多数の空冷用の冷却フィン8が形成され、前記シリンダヘッド部7の適位置に、図示しない電子制御式点火装置に接続された点火プラグ9が装着されている。
【0017】
前記クランク室6は、密閉された短円筒形をしており、その左右端の中央部分にクランク軸30が軸支され、該クランク軸30のクランクピン31には連接ロッド32を介して前記ピストン4が作動上連結されていると共に、前記連接ロッド32を挟むように前記クランクピン31の左右に一対の扇形等のクランクウェブ34、34が固定されており、該クランクウェブ34、34は前記クランク軸30と一体に回転せしめられる。
【0018】
また、前記シリンダブロック2は、前記シリンダ室3の前記クランク軸30と直交する内面に開口する排気ポート40を備えると共に、該排気ポート40と対向する内面(180度ずれた位置)に段違いに下げた吸気ポート41を開口し、前記排気ポート40と前記吸気ポート41と90度位置をずらせた内面(図1の左右)に、前記排気ポート40と同時開放されるオーバーラップ部分を形成しないように下げた位置に一対の掃気ポート42、42が対向して開口している。これ等の掃気ポート42、42は、前記シリンダブロック2の下方に延びて前記クランク室6に連通する、いわゆる、壁付き形の掃気通路43、43の上端に形成されている。
【0019】
前記シリンダブロック2には、該シリンダブロック2と前記シリンダヘッド7とをハイプレッシャダイキャストでの一体鋳造を容易にせしめるために、前記シリンダブロック2の前記掃気通路43、43に、該掃気通路43、43の外壁側を外部と連通せしめるべく、鋳造用開口44、44が穿設されており、該鋳造用開口44、44に、別途製造した滑らかにカーブした掃気路内面を有する掃気通路蓋45、45が装着固定されている。前記鋳造用開口44、44に前記掃気通路蓋45、45を装着することで、前記鋳造用開口44、44を閉鎖して前記掃気通路45、45が掃気を流通させる滑らかにカーブした掃気効率の良い通路として完成する。
なお、前記シリンダブロック2は、消失中子を使用する等して、前記掃気通路蓋45、45部分をも、一体成形せしめることもできる。
【0020】
前記掃気通路蓋45の一方(図1の左側)には、雌ねじ付き貫通孔45aが穿設されており、該貫通孔45aには、その外周に雄ねじを備えた、例えば、バブルジェット式の燃料噴射ノズル46が螺合挿入固着されている。該燃料噴射ノズル46のノズル先端部46aは、前記シリンダ室3の頂部方向に向けられ、燃料が噴射された時、該燃料が前記シリンダ室3内の燃焼に最適な位置に直接噴射されるべく配置されている。
【0021】
図2の(イ)(ロ)は、本実施形態の内燃エンジン1と従来の内燃エンジン1´とを同一縮尺で対比した縦断面図であり、両者は、クランクケース5、5´側のすべての部材の大きさを同じくしているが、シリンダブロック2、2´側の部材の大きさを異にしている。即ち、本実施形態の内燃エンジン1は、従来の内燃エンジン1´に比べて、実質的に同じ大きさのクランクケース5に対して、シリンダブロック2の大きさのみを大きくした構造にしている。
【0022】
図3の(イ)は、図1の本実施形態の前記内燃エンジン1のIII-III矢視断面図であり、前記排気ポート40と前記掃気ポート42、42との大きさを示している。即ち、前記排気ポート40の横方向の端は、該排気ポート40を左右に二等分割する縦断面線Fを起点として前記シリンダ室3の中心から左右へそれぞれ30゜の位置で前記シリンダ室3の内径面と接するようになっており、したがって、前記排気ポート40は、その横方向の幅が60゜の中心角度となるように開口していると共に、前記掃気ポート42、42は、前記排気ポート40の端から55゜の角度移動し、その横方向の幅が前記シリンダ室3の中心から扇形に32゜の角度となるように開口した構成となっている。
【0023】 ところで、この種、内燃エンジンの図示馬力I.P.Sは、次の式(1)で表せる。
I.P.S=Pmi×L×A×N×Z×K/(60×75) (1)
【0024】
但し、Pmi:図示平均圧力、L:ピストン行程、A:シリンダ断面積、
N:回転数、Z:シリンダ数、K:定数、
【0025】
前記式(1)から明かであるように、内燃エンジンの回転数Nを低下させれば、該内燃エンジンの騒音と振動とを減少させることができるが、馬力も低下してしまい、前記内燃エンジンから必要とする出力を取り出すことができない。そこで、内燃エンジンの馬力を一定にしつつ、回転数Nを低下させるためには、総排気量L×Aを大きくする必要があることが解る。
【0026】
また、本実施形態の前記内燃エンジン1は、内燃エンジンの通常負荷運転においても、前記回転数Nを低くしておくために、前記図3の(イ)に示すように、前記排気ポート40と掃気ポート42、42の開口幅を狭くすると共に、高さも狭くして、その開口面積を従来の同じ所要定格馬力を出力する前記内燃エンジン1´に比べても、大幅に小さくしている。
【0027】
即ち、前記クランク室6から供給される掃気空気の圧力が同じであれば、前記シリンダ室3に掃気時に供給される空気重量は、前記掃気ポート42、42の開口面積に比例し、該開口面積が小さい場合は供給される空気重量も少なくなり、一定容積の前記シリンダ室6に供給される空気重量が少なければ、前記内燃エンジン1の馬力も小さくなり、回転数も上昇しないことになる。
【0028】
前記本実施形態の内燃エンジン1の排気ポート40と掃気ポート42、42の開口面積の総排気量に対する大きさの割合は、図3の(ロ)に示されている従来の内燃エンジン1´と比較してみると明らかなように、大幅に小さくなっている。即ち、本実施形態の内燃エンジン1は、従来の内燃エンジン1´に比べて、その内燃エンジンの総排気量に対する排気ポートと掃気ポートの開口面積の大きさを可及的に小さくして、内燃エンジンの一サイクルにおいて掃気及び排気される空気・ガス量を従来の同じ総排気量の内燃エンジンに比べて制限し、その出力される馬力を意図的に小さくしたものである。
【0029】
本実施形態の内燃エンジン1の具体例の一つである、総排気量39.7CC、シリンダ直径38mm、ピストンストローク35mmの内燃エンジンにおいては、前記排気ポート40と前記掃気ポート42、42との開口面積を、従来の同じ総排気量の内燃エンジンに比べて50%程度に小さくすることで、従来、定格出力2.4KW・回転数8000rpmの内燃エンジンを、定格出力1.0KW・回転数4000rpm程度の内燃エンジンとしている。
【0030】
次に、前記の如く構成された本実施形態の内燃エンジン1の作動について説明する。
本実施形態の内燃エンジン1は、いわゆるピストンバルブ式のものであり、吸入バルブや排気バルブを設けずに、前記ピストン4が上下摺動移動することで、前記吸気ポート41、掃気ポート42、42もしくは排気ポート40を前記クランク室6もしくは前記シリンダ室3に開口せしめて、吸気、掃気もしくは排気を行うバルブの作用をしている。
【0031】
前記内燃エンジン1が稼働して前記ピストン4が上下移動をしている状態において、前記ピストン4が下降して下死点近くなると、最初に前記排気ポート40が開口して前記シリンダ室3内の燃焼排ガスを前記内燃エンジン1外に排出し、次で、前記掃気ポート42、42が開口する。該掃気ポート42、42の開口により、予圧縮された前記クランク室6内の吸入空気が前記掃気通路43、43を介して前記シリンダ室3に流入し、該シリンダ室3に残留している燃焼排ガスを前記排気ポート40を介して外部に追い出し前記シリンダ室3を掃気する。この時、前記吸入空気も前記排気ポート40から幾分排出されることとなる。
【0032】
このように、掃気作用をしている間に前記ピストン4が上昇を始め、再び、前記掃気ポート42を塞ぐこととなるが、該掃気ポート42が塞がれる前の適宜タイミングで、前記燃料噴射ノズル46から燃料が前記シリンダ3内に直接噴射され、前記シリンダ3内の前記吸入空気と混合される。前記燃料の噴射の後に、更に、前記ピストン4が上昇して、まず、前記掃気ポート42、42を塞ぎ、次いで前記排気ポート40を塞いで圧縮行程に入り、前記ピストン4が上死点近傍に来たとき前記点火プラグ9の放電火花により点火され、混合気が爆発燃焼される。
【0033】
前記の如く、前記ピストン4が圧縮行程になると、該ピストン4が上昇することによって、前記クランク室6内の圧力が低下するので、前記ピストン4のスカート部4aが前記吸気ポート41の下縁を通過して上昇し、該吸気ポート41が前記クランク室6に開口すると同時に、外部空気を図示しないエアークリーナを介して前記クランク室6内に吸入し始める。
【0034】
前記混合気が爆発して膨張行程に入り、前記ピストン4が下降し、該ピストン4によって前記吸気ポート41を塞ぐと、前記吸入された空気は前記クランク室6内で予圧縮され、前記掃気ポート42、42が開かれて前記シリンダ室3に連通すると、前記予圧縮された吸入空気は、前記掃気通路43、43を介して前記掃気ポート42、42から前記シリンダ室3に流入され、前述の行程を繰り返す。
【0035】
また、前記燃料噴射ノズル46は、前記内燃エンジン1の前記クランク軸30の一回転毎の前記内燃エンジン1が掃気行程にある時期に毎回燃料を噴射させるだけでなく、適宜制御手段によって、前記クランク軸30が二回転する間に一回噴射する間引き噴射、または、前記クランク軸30が三回転する間に一回噴射もしくは三回転する間に一回噴射を休止する等の間引き噴射ができるように、選択的に制御されるものである。
【0036】
前記の如く本実施形態の2サイクル内燃エンジン1は、同一総排気量の従来の内燃エンジンに比べて排気ポート40と掃気ポート42、42との開口面積を可及的に小さくしたので、全負荷でも、回転数を低く維持して運転することができ、騒音と振動とを低減できる。
【0037】
また、本実施形態の2サイクル内燃エンジン1は、排気ポート40と掃気ポート42,42との開口面積を小さくしたことで、同一総排気量の従来の内燃エンジンに比べて出力し得る定格馬力が小さくなり、同じ定格馬力の内燃エンジンとするためには、総排気量の大きな内燃エンジン、つまり、内燃エンジンのシリンダ室の容積を十分大きくしなければならないが、定格馬力は従来のより排気量の小さい内燃エンジンと同じであるので、大きくなるのは、直径と高さが若干大きくなるシリンダ部分のみで、クランクケース部分は従来の同じ定格馬力内燃エンジンと同じ大きさでも、強度的には、何等の問題はない。このことから内燃エンジン全体の外形寸法や重量も、従来のものとさほど変わらずに製造できる。
【0038】
更に、本実施形態の2サイクル内燃エンジン1は、燃料噴射ノズル46を配置し、該燃料噴射ノズル46から直接燃料をシリンダ室3に、燃料が微粒化されて供給され、かつ、シリンダ室3で始めて吸入空気と燃料微粒子とが混合されるので、前記排気ポート40と前記掃気ポート42、42との開口面積が小さくされたことで、吸入空気の量が制限されていても、その吸入空気に見合う燃料を調量して噴射することができ、燃焼が良好に行えると共に、リーンバーン燃焼等のエンジンの空燃比制御も、正確に、かつ、容易に行うことができる。
【0039】
以上、本発明の一実施形態について詳説したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の精神を逸脱しない範囲で、設計において種々の変更ができるものである。
【0040】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、本発明の2サイクル内燃エンジンは、排気ポートと掃気ポートとの開口面積を可及的に小さくすることで、回転数を低く維持して、エンジン騒音と振動とを低減できる。
また、前記排気ポートと前記掃気ポートとの開口面積が小さくなって吸入空気が制限されても、シリンダ室に直接噴射する燃料噴射ノズルによって、その吸入空気に見合う燃料を噴射することができ、燃焼が良好に行える。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の2サイクル内燃エンジンの一実施形態の縦断面図。
【図2】2サイクル内燃エンジンの縦断面図であり、(イ)は本発明の一実施形態を示した図であり、(ロ)は従来例を示した図。
【図3】2サイクル内燃エンジンの横断面図であり、(イ)は図1の本発明の一実施形態のIII-III矢視断面図であり、(ロ)は図4の従来例のIII´-III´矢視断面図。
【図4】従来例の2サイクル内燃エンジンの縦断面図。
【符号の説明】
1 2サイクル内燃エンジン
3 シリンダ室
30 クランク軸
40 排気ポート
42 掃気ポート
46 燃料噴射ノズル
N 回転数

Claims (3)

  1. シリンダ室(3)に開口する排気ポート(40)と掃気ポート(42、42)とを有する2サイクル内燃エンジン(1)であって
    定格出力運転時におけるクランク軸(30)の回転数(N)を制限せしめるべく、従来のシリンダ室とクランク室との容積比に対して前記シリンダ室(3)の容積を十分大きなものとするとともに、前記排気ポート(40)と前記掃気ポート(42、42)との開口面積を可及的に小さくし、前記排気ポート(40)と同時開放されるオーバーラップ部分を形成しないように下げた位置に一対の掃気ポート(42、42)が対向して開口していることを特徴とする2サイクル内燃エンジン。
  2. 前記排気ポート(40)の開口横方向の幅は、前記シリンダ室(3)の中心から扇形に60゜の角度となるように開口し、前記掃気ポート(42、42)の横方向の幅は、前記シリンダ室(3)の中心から扇形に32゜の角度となるように開口していることを特徴とする請求項1に記載の2サイクル内燃エンジン。
  3. 燃料を前記シリンダ室(3)内に直接噴射する燃料噴射ノズル(46)を備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載の2サイクル内燃エンジン。
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