JP4677958B2 - 層状掃気２サイクルエンジン - Google Patents

Description

本発明は、２サイクルエンジンに関し、特に、掃気行程の際、予め導入された空気（先導空気）が掃気ポートからシリンダ内へ流入し、続いてクランク室から掃気通路を経て混合気が掃気ポートからシリンダ内へ供給されるように構成された層状掃気２サイクルエンジンに関する。

従来より、２サイクルエンジンの掃気行程において、掃気通路等に予め導入された先導空気と、それに続く混合気が、掃気ポートからシリンダ内へ向けて層状に流入することにより、未燃焼ガスが排気ポートから流出してしまうこと（吹き抜け）を防止できるようにしたエンジン（層状掃気２サイクルエンジン）が知られている。

層状掃気２サイクルエンジンにおいて、先導空気を掃気通路等に導入するための方式としては、様々な方式のものがある。最も基本的なものとしては、掃気通路に、リード弁を備えた外気導入路が接続され、圧縮工程の際、低下したクランク室内の圧力によって、外気導入路から掃気通路内に外気（先導空気）が流入するように構成されたものなどがある。
特開平１０−１２１９７３号公報

従来の層状掃気２サイクルエンジンは、未燃焼ガスが排気ポートから流出（吹き抜け）するのを防ぐために、構造が複雑となってしまったり、一般的な２サイクルエンジンと比べて部品点数が多くなって、製造コストが嵩んでしまうという問題があった。

本発明は、このような従来技術における問題を解決すべくなされたものであって、単純な構造でありながら、吹き抜け防止等の点で非常に優れた効果を期待することができる層状掃気２サイクルエンジンを提供することを目的とする。

本発明の層状掃気２サイクルエンジンは、ピストンに、外側から内部空間へ先導空気を流入させるための先導空気流路が形成されるとともに、当該ピストンの側部に掃気連絡口が形成され、シリンダの内周面に、排気ポート、先導空気ポート、掃気ポート、及び、掃気流入口が形成され、掃気ポートと掃気流入口とが掃気通路によって気密的に接続され、掃気連絡口が、ピストンが下死点付近にあるときに、掃気流入口と重なるような位置に形成され、先導空気流路は、その一方側の端部が、ピストンが上死点付近にあるときに、シリンダの先導空気ポートと重なるような位置に形成され、吸入工程において、先導空気流路の一方側の端部が先導空気ポートと重なっている間に、先導空気が、先導空気ポート、先導空気流路を通ってピストンの内部空間へ流入するように構成され、掃気工程において、掃気連絡口と掃気流入口とが重なっている間に、先導空気が、掃気連絡口、掃気流入口、掃気通路を通って、掃気ポートからシリンダ内へ流入し、続いて、クランク室内の混合気が、ピストンの内部、掃気連絡口、掃気流入口、掃気通路を通って、掃気ポートからシリンダ内へ流入するように構成されていることを特徴としている。

尚、先導空気流路は、ピストンの外周面に形成された溝部と、ピストンの内部空間と連通する先導空気流入口とによって構成され、溝部は、縦溝と、その下端から横方向へ延在する横溝とからなるＬ字状に形成され、先導空気流入口は当該縦溝の上端に形成され、横溝の端部が、ピストンが上死点付近にあるときに、先導空気ポートと重なるような位置に形成されていることが好ましく、また、ピストンの内部に、上下方向への気体の流動を抑制するためのリブが形成されていることが好ましい。更に、先導空気流入口は、ピストンの内周面の接線方向へ向かって開口するように構成することが好ましい。

本発明の層状掃気２サイクルエンジンは、先行する先導空気と後続の混合気とを、順次シリンダ内へ流入させることができ、排気ポートからの未燃焼ガスの流出（吹き抜け）を効果的に低減化することがきる。その結果、排ガス中の未燃焼ガスＨＣを少なくすることができ、燃料消費率が低く、燃焼効率の良いエンジンを実現することができる。

また、リード弁等の複雑な要素を使用せずに構成することができるほか、掃気通路を極めて短く、かつ、コンパクトに構成することができ、構造を単純化することができる。また、外部から取り入れた先導空気や混合気がピストンの内部を通過するため、ピストンを効果的に冷却することができるほか、従来のものと比べて掃気通路を短く構成できるため、高速回転時においても混合気を極めて効率よく燃焼させることができ、高出力のエンジンを得ることができる。

また、ピストンの内部にリブを形成した場合には、ピストン内部における上下方向への気体の流通を好適に抑制することができ、更に、先導空気流入口を、ピストンの内周面の接線方向へ向かって開口するように構成した場合には、吸入行程においてピストンの内側に導入された先導空気を、ピストンの内周面に沿って旋回させることができ、その結果、掃気工程に移行するまでの間、ピストンの内側に導入された先導空気と、クランク室内の混合気とを好適に分離しておくことができる。

以下、添付図面に沿って、本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る層状掃気２サイクルエンジン１の断面図（シリンダブロック２及びクランクケース３等の断面図）である。この図において４はシリンダ、５はクランク室、６はピストン（上死点にある状態）、２６はピストンロッドである。

シリンダブロック２の一方側には、インシュレータ７を介して気化器８が接続されており、それらの内部には、給気通路９、及び、先導空気通路１０が形成されている。給気通路９及び先導空気通路１０は、シリンダ４の内周面において開口する吸気ポート１１、及び、先導空気ポート１２を介してそれぞれシリンダ４と連通している。また、シリンダブロック２の反対側には、排気通路１３が形成されており、この排気通路１３は、シリンダ４の内周面において開口する排気ポート１４を介してシリンダ４と連通している。尚、この図において１５はスロットル弁、１６は空気弁である。

図２は、図１に示すＸ−Ｘ線によるインシュレータ７の端面図である。吸気ポート１１と先導空気ポート１２は、説明の便宜上、図１においては上下方向に並列して表示してあるが、実際には図２に示すように、両者は左右方向へずれた位置にある。

図３は、図１に示すＹ−Ｙ線によるシリンダブロック２及びピストン６の断面図であって、ピストン６が下死点にある状態を示す図である。この図からも明らかなように、シリンダブロック２の内部には、シリンダ４の軸線を挟んで対向する位置に一対の掃気通路１７，１７がそれぞれ形成されている。各掃気通路１７は上下方向に延在し、シリンダ４の内周面において所定間隔を置いて上下方向に並んで開口する掃気ポート１８及び掃気流入口１９とそれぞれ連通しており、両者を気密的に接続している。

尚、掃気ポート１８，１８は、上縁が、排気ポート１４の上縁よりも低くなるような位置、かつ、ピストン６が下死点（付近）にあるときに、全開する位置に形成されている。また、図３に示されているように、ピストン６は下面側が広く開放されており（下面開放部６ａ）、ピストン６の内部空間は、この下面開放部６ａを介してクランク室５（図１参照）と常に連通状態にある。

図４は、図１に示すＺ１線によるピストン６の断面斜視図である。図４（及び、図１、図３）に示されているように、ピストン６の側部上方には、ピストン６の軸線を挟んで対向する位置に一対の貫通孔（掃気連絡口２０，２０）が形成されている。また、ピストン６には、先導空気流路３０が形成されている。本実施形態においては、この先導空気流路３０は、Ｌ字状の溝部２１と、先導空気流入口２２とによって構成されている。溝部２１は、ピストン６の外周面に形成された縦溝２１ａと、その下端から横方向へ延在する横溝２１ｂとからなり、先導空気流入口２２は、縦溝２１ａの上端において、ピストン６の内周面の接線方向へ開口するような構成となっている。尚、溝部２１内空間（溝部２１とシリンダ４の内周面とによって囲まれた空間）は、先導空気流入口２２を介して、常にピストン６の内部空間と連通した状態となっている。

掃気連絡口２０，２０は、図３に示されているように、ピストン６が下死点（付近）にあるときに、シリンダ４の内周面に形成されている掃気流入口１９，１９（掃気通路１７，１７の始端）とそれぞれ重なるような位置に形成されている。従って、ピストン６が下死点（付近）にあるときには、ピストン６の内部空間は、掃気連絡口２０，２０、及び、掃気流入口１９，１９を介して掃気通路１７，１７と連通状態となるが、掃気連絡口２０，２０が掃気流入口１９，１９（又は、掃気ポート１８，１８）と重なっていない場合には、掃気連絡口２０，２０は、シリンダ４の内周面によって閉じられた状態となる。

溝部２１の横溝２１ｂは、図１に示されているように、ピストン６が上死点（付近）にあるときに、シリンダ４の内周面に形成されている先導空気ポート１２と重なるような位置に形成されている。従って、ピストン６が上死点（付近）にあるときには、溝部２１内空間は、先導空気ポート１２を介して先導空気通路１０と連通状態となるが、横溝２１ｂが先導空気ポート１２と重なっていない場合には、溝部２１は、シリンダ４の外側との関係において閉じられた状態となっている。

尚、図２に示したように、吸気ポート１１は、先導空気ポート１２に対して左側へずれた位置にあり、ピストン６の横溝２１ｂは、ピストン６が上下するサイクルの中で、吸気ポート１１とは重ならないようになっている。

図５は、図１に示すＺ２線によるピストン６の断面斜視図であり、図６は、図５に示したピストン６の断面の平面図である。これらの図において、２４はピストンピンである。このピストンピン２４は、図示されているように両端がそれぞれ、ピストン６の内周面から中心に向かって突出するように形成された円筒状のピストンピンボス２５，２５内に保持されている。これら二つのピストンピンボス２５，２５の端面２５ａ，２５ａは、ピストン６の軸線を挟んで、所定間隔（ピストン６の直径の約１／３）を置いて対向しており、ピストンピン２４が挿通されるピストンロッド２６（図１、図６参照）の上部は、ピストンピンボス２５，２５の対向する二つの端面２５ａ，２５ａの間に保持されるようになっている。

また、図５、図６に示されているように、本実施形態においては、各ピストンピンボス２５，２５の両サイドに、リブ２７がそれぞれ一つずつ（合計四つ）形成されている。これらのリブ２７は、各ピストンピンボス２５の外周面とピストン６の内周面との間の扇状の空間を水平方向へ閉塞するような構成となっており、ピストン６内部における上下方向への気体の流動が抑制されるようになっている。

ここで、本実施形態の層状掃気２サイクルエンジン１の作用について説明する。ピストン６が下死点から上死点に向かって上昇していく際、クランク室５内の圧力は低下する。そして、ピストン６が上昇して吸気ポート１１が開き始めてから閉じられるまでの間、クランク室５の内外における圧力差により、混合気（新気）が気化器８から給気通路９、及び、吸気ポート１１を通ってクランク室５内へ流入する。

このとき、ピストン６の内部空間は、下面開放部６ａを介してクランク室５と連通しているため、クランク室５内と同様に圧力が低下している。そして、ピストン６の外周面に形成されている横溝２１ｂが先導空気ポート１２と重なっている間（即ち、重なり始めた瞬間から、ピストン６が上死点に達した後、重なりが解除され、先導空気ポート１２が閉じられるまでの間）、溝部２１内の空間（先導空気流入口２２を介してピストン６の内部空間と常に連通している。）と、先導空気通路１０とが、先導空気ポート１２を介して連通状態となるため、内外の圧力差により、外気（先導空気）が、先導空気通路１０から先導空気ポート１２、先導空気流路３０（溝部２１、先導空気流入口２２）を通ってピストン６の内部空間へ流入し、ピストン６の内部空間（特に、図５、図６に示したリブ２７よりも上方の空間）が、先導空気によって満たされる。つまり、エンジンの吸入行程において、ピストン６の内部には先導空気が、クランク室５内には混合気が、同時に吸入される。

ピストン６が上死点から下死点に向かって下降していく際には、クランク室５内の圧力は上昇し、ピストン６の内部空間も同様に圧力が上昇する。そして、ピストン６の上縁が排気ポート１４の上縁よりも低くなり、排気ポート１４が開口すると、シリンダ４内の燃焼ガスが排気通路１３から外部へ流出し始める。

続いて、ピストン６の上縁が掃気ポート１８の上縁と一致する高さになると、ピストン６の掃気連絡口２０，２０とシリンダ４の掃気流入口１９，１９とが重なり始めるが、それらが重なっている間（即ち、重なり始めた瞬間から、ピストン６が下死点に達した後、重なりが解除され、掃気流入口１９，１９が閉じられるまでの間）、ピストン６の内部空間と、掃気通路１６とが連通状態となり、かつ、掃気ポート１８が開口するため、ピストン６の内部空間及びクランク室５の圧力により、ピストン６の内部空間を満たしている先導空気が、掃気連絡口２０、掃気流入口１９、掃気通路１７を通って、掃気ポート１８からシリンダ４内へ流入し、シリンダ４内の燃焼ガスを排気ポート１４から押し出して、シリンダ４内が掃気される。

そして、先導空気に続き、クランク室５内の混合気が、上昇した圧力によって押し出され、ピストン６の内部、掃気連絡口２０、掃気流入口１９、掃気通路１７を通って、掃気ポート１８からシリンダ４内へ流入し、次の工程（圧縮工程）へと移行する。

このように、本実施形態の層状掃気２サイクルエンジン１においては、先行する先導空気と後続の混合気が、順次シリンダ４内へ流入するようになっているため、排気ポート１４からの未燃焼ガスの流出（吹き抜け）を効果的に低減化することがきる。その結果、排ガス中の未燃焼ガスＨＣを少なくすることができ、燃料消費率が低く、燃焼効率の良いエンジンを実現することができる。

また、本実施形態の層状掃気２サイクルエンジン１は、リード弁等の複雑な要素を使用せずに構成することができるほか、掃気通路１７を極めて短く、かつ、コンパクトに構成することができ、シリンダブロック２の肉内部に形成することができため、構造を単純化することができる。また、一般的な２サイクルエンジンと比べても、追加部品の点数や、構造上の変更点は僅かであるため、製造コストもそれほど嵩まずに済み、高性能のエンジンを低価格で市場に供給することができる。

更に、外部から取り入れた先導空気や混合気がピストン６の内部を通過するため、ピストン６を効果的に冷却することができ、かつ、従来のものと比べて掃気通路１７が短く構成されているため、高速回転時においても混合気を極めて効率よく燃焼させることができ、高出力を得ようとする上で非常に有利である。

尚、上述したように、ピストン６の内部には、四つのリブ２７が形成されており、ピストンピンボス２５の外周面とピストン６の内周面との間の扇状の空間を水平方向へ閉塞するような構成となっているため（図５、図６参照）、ピストン６内部における上下方向への気体の流通は、これらのリブ２７によって抑制されることになる。また、ピストン６の縦溝２１ａの上端に形成されている先導空気流入口２２は、図４に示すように、ピストン６の内周面の接線方向へ向かって開口しているため、吸入行程においてピストン６の内側に導入された先導空気は、ピストン６の内周面に沿って旋回することになる。

従って、吸入工程の際、ピストン６の内部空間のうち、リブ２７の上方の空間が先導空気で満たされる前に、先導空気がリブ２７よりも下方の空間へ流出してクランク室５内の混合気と混ざり合ってしまったり、クランク室５内の混合気がリブ２７の上方の空間に流入して、当該空間内における先導空気の濃度（純度）を低下させてしまうというような事態を好適に回避することができる。つまり、掃気工程に移行するまでの間、ピストン６の内側に導入された先導空気と、クランク室５内の混合気とを好適に分離しておくことができ、その結果、排気ポート１４からの未燃焼ガスの流出（吹き抜け）を効果的に低減化することができる。

尚、本実施形態においては、先導空気をピストン６の内部空間へ導入するための先導空気流路３０（溝部２１及び先導空気流入口２２）が、一つのピストン６に対して一つずつ形成されているが、一つのピストン６に対して二つずつ形成してもよい。この場合、先導空気の流量を増加させることができる。また、本実施形態においては、吸気ポート１１がシリンダ４の内周面に開口し、ピストン６の上下動により開閉する方式（ピストンバルブ方式）が採用されているが、この方式に限定されるものではなく、他の吸入方式を採用することもできる。

また、本実施形態においては、ピストン６の先導空気流路３０は、図４に示したようにＬ字状の溝部２１と、その上端に配置された先導空気流入口２２とによって構成されているが、必ずしもかかる構成に限定されるものではなく、ピストン６が上死点付近にあるときに、外側からピストン６の内部空間へ先導空気を流入させることができるのであれば、どのような構成となっていてもよい。例えば、図７に示すように先導空気流入口２２’を、図４の横溝２１ｂに相当する位置（即ち、ピストン６’が上死点（付近）にあるときに、シリンダ４の内周面に形成されている先導空気ポート１２と重なるような位置）においてピストン６’の外周面上に開口させ、この先導空気流入口２２’と、ピストン６’の内部空間（リブ２７’よりも上方の領域）とが、ピストン内通路２８によって接続されるような構成とすることもできる。

この場合も、図４に示したピストン６を使用する場合と同様に、吸入工程において、ピストン６’の外周面に開口している先導空気流入口２２’が先導空気ポート１２と重っている間に、外気（先導空気）が、先導空気通路１０から先導空気ポート１２、先導空気流路３０’（先導空気流入口２２’、ピストン内通路２８）を通ってピストン６の内部空間へ流入し、ピストン６の内部空間（特に、図７に示したリブ２７’よりも上方の空間）を先導空気によって満たすことができ、その後の掃気工程において、ピストン６’内の先導空気と、それに続くクランク室５内の混合気とを、層状に順次シリンダ４内へ流入させることができ、排気ポート１４からの未燃焼ガスの流出等の問題を効果的に回避することができる。

本発明の第１の実施形態に係る層状掃気２サイクルエンジン１におけるシリンダブロック２及びクランクケース３等の断面図。 図１に示すＸ−Ｘ線によるインシュレータ７の端面図。 図１に示すＹ−Ｙ線によるシリンダブロック２及びピストン６の断面図であって、ピストン６が下死点にある状態を示す図。 図１に示すＺ１線によるピストン６の断面斜視図。 図１に示すＺ２線によるピストン６の断面斜視図。 図５に示したピストン６の断面の平面図。 ピストン６における先導空気流路３０の他の構成例を示す図。

符号の説明

１：層状掃気２サイクルエンジン、
２：シリンダブロック、
３：クランクケース、
４：シリンダ、
５：クランク室、
６，６’：ピストン、
６ａ：下面開放部、
６ｂ：内周面、
７：インシュレータ、
８：気化器、
９：給気通路、
１０：先導空気通路、
１１：吸気ポート、
１２：先導空気ポート、
１３：排気通路、
１４：排気ポート、
１５：スロットル弁、
１６：空気弁、
１７：掃気通路、
１８：掃気ポート、
１９：掃気流入口、
２０：掃気連絡口、
２１：溝部、
２１ａ：縦溝、
２１ｂ：横溝、
２２，２２’：先導空気流入口、
２４：ピストンピン、
２５：ピストンピンボス、
２５ａ：端面、
２６：ピストンロッド、
２６ａ：上部の外側曲面、
２７，２７’：リブ、
２８：ピストン内通路、
３０，３０’：先導空気流路

Claims (4)

1. ピストンに、外側から内部空間へ先導空気を流入させるための先導空気流路が形成されるとともに、
   前記ピストンの側部に掃気連絡口が形成され、
   シリンダの内周面に、排気ポート、先導空気ポート、掃気ポート、及び、掃気流入口が形成され、
   前記掃気ポートと掃気流入口とは、掃気通路によって接続され、
   前記掃気連絡口は、ピストンが下死点付近にあるときに、前記掃気流入口と重なるような位置に形成され、
   前記先導空気流路は、ピストンが上死点付近にあるときに、前記シリンダの先導空気ポートと重なるような位置に形成され、
   吸入工程において、前記先導空気流路が先導空気ポートと重なっている間に、先導空気が、前記先導空気ポート、先導空気流路を通ってピストンの内部空間へ流入するように構成され、
   掃気工程において、前記掃気連絡口と前記掃気流入口とが重なっている間に、先導空気が、前記掃気連絡口、掃気流入口、掃気通路を通って、掃気ポートからシリンダ内へ流入し、続いて、クランク室内の混合気が、前記ピストンの内部、掃気連絡口、掃気流入口、掃気通路を通って、掃気ポートからシリンダ内へ流入するように構成されていることを特徴とする、層状掃気２サイクルエンジン。
2. 前記先導空気流路は、前記ピストンの外周面に形成された溝部と、当該ピストンの内部空間と連通する先導空気流入口とによって構成され、
   前記溝部は、縦溝と、その下端から横方向へ延在する横溝とからなるＬ字状に形成され、
   前記先導空気流入口は、前記縦溝の上端に形成され、
   前記横溝の端部は、前記ピストンが上死点付近にあるときに、前記先導空気ポートと重なるような位置に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の層状掃気２サイクルエンジン。
3. 前記ピストンの内部に、上下方向への気体の流動を抑制するためのリブが形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の層状掃気２サイクルエンジン。
4. 前記先導空気流入口が、前記ピストンの内周面の接線方向へ向かって開口するように構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の層状掃気２サイクルエンジン。

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