JPH08504912A - ２ストロークエンジンにおける排気ガスの再循環 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 排気ガスをエンジンの排気ポートの下流の所定の位置からエンジンのクランクケースに選択的に送出し、クランクケース内の空気とともにエンジンの燃焼チャンバに送出する工程とを有する、クランクケース掃気式２ストローク内燃エンジンの作動方法。エンジンのサイクル毎にクランクケースに送出された排気ガスの量は、エンジンの作動状態に従って制御され、クランクケースへの排気ガスの供給量は、負荷、速度、及び温度のようなエンジンの作動状態に応答するＥＣＵ管理式弁等によってエンジンの作動状態に対して制御される。排気ガスは、クランクケース内の圧力が利用できる排気ガスの圧力よりも低くなる期間中にクランクケースに導入される。

Description

【発明の詳細な説明】 ２ストロークエンジンにおける排気ガスの再循環 本発明は、２ストロークで作動する内燃エンジン、及び排気エミッション中の 汚染物のレベルを制御するための燃焼プロセスの管理に関する。 従来、２ストロークエンジンは、燃費性能、及びエンジン排気中の有害なエミ ッションのレベルについて劣るものであると考えられてきた。しかしながら、２ ストロークで作動するエンジンを広範に使用することによって大きな利点が得ら れる。先ず第１には、２ストロークエンジンの構造が比較的簡単であるためであ り、第２には、物理的大きさが比較的小さく、その結果、重量に対する動力の比 が高いためである。従って、近年、２ストロークエンジンの燃焼プロセスについ て、排気中のエミッションのレベルを下げ、及び／又は燃費を下げる大きな発展 があった。 混合気の点火前に排気ガスを混合気に導入することは、燃焼の結果としてエン ジンシリンダ内に生じる温度及び圧力が混合気中の排気ガスの存在により低下し 、これがＮＯX（酸化窒素）の発生を促進する高温高圧状態と逆であるため、燃 焼プロセス中のＮＯXの発生を減らすのに寄与するものと考えられてきた。排気 ガスを混合気と 混合するこのプロセスは、一般に排気ガス再循環法（ＥＧＲ）と呼ばれ、代表的 には、制御された量の排気ガスを排気システムからエンジンの空気誘導マニホー ルドに送ることによって行われる。 この方法は、４ストロークエンジンではうまくいったけれども、２ストローク エンジンに適用した場合、４ストロークエンジンほどうまくいかなかった。これ は、主に、空気誘導システムの従来のスロットルの下流の負圧のレベルが低いた めである。従って、このため、排気ガスの吸入量が少なくなり、多気筒エンジン の場合、排気ガスが誘導空気にうまく混ざらない。更に、特にクランクケース掃 気式エンジンの場合、排気ガスが燃焼チャンバに進入する前に移動する必要のあ る距離のため、誘導システムへの排気ガスの導入に対するエンジンの応答に大き なタイムラグがある。更に、排気ガスをクランクケース掃気式２ストロークエン ジンの誘導システムに導入する場合、クランクケースの空気容量がシリンダより も大きいため、クランクケースへの排気ガス供給量を変化させる場合に別のタイ ムラグがあるということがエンジンシリンダでわかる。更に、排気ガス中に通常 存在する粒状材料が、スロットル弁及びクランクケースリード弁等のこのような ２ストロークエンジンの誘導システムの機構に堆積し、従って、こうした機構の 有効な作動の邪魔となる。 排気ガス中に存在する未燃焼燃料を燃焼チャンバに戻す目的で排気ガスを燃焼 チャンバにリサイクルすることが、Ｊ．Ｐ．ソービスの国際特許公開第ＷＯ７９ ／００７５７号、及びゴーの米国特許第３，５８１，７１９号のような文献で提 案されている。キャブレータ式２ストロークエンジンには、燃焼チャンバに進入 した混合気装入物の部分が、燃焼開始前に排気ポートを通って外に出てしまうと いう問題点があると長い間考えられてきた。上掲の従来の特許の各々は、排気ガ スの燃料分の濃い部分を燃焼チャンバ内にリサイクルするため、吸気部又はクラ ンクケースに再び戻すことによってこの問題を解決しようとするものである。排 気ガスのリサイクルされた部分が、主に、燃料及び新たな空気であるため、本発 明が解決しようとする問題点であるＮＯXの発生の制御にはほとんど効果がない 。 燃焼プロセス中のＮＯXの発生を制御するために排気ガスを２ストロークエン ジンの空気誘導システムにリサイクルすることが、オオニシの米国特許第４，２ １３，４２１号に提案されている。この提案では、排気ガスは、キャブレータの 上流にある空気誘導通路に直接導入される。排気ガスを誘導通路まで搬送するダ クトに温度作動式の弁が設けられている。 本発明の目的は、排気ガスを２ストロークエンジンの燃焼チャンバ内に導入す ることによって排気ガスの量を 効果的に制御し且つ効果的に分配するための、排気放出の管理において最も有利 な結果を提供できる方法及び装置を提供することである。 この目的を達成するため、排気ガスをエンジンの排気ポートの下流の所定の位 置からエンジンのクランクケースに選択的に送出し、クランクケースからエンジ ンの燃焼チャンバに送出する工程と、エンジンの各サイクル中にクランクケース に送出された排気ガスの量をエンジンの作動状態に従って制御する工程と、クラ ンクケースへの排気ガスの送出をエンジンのサイクルに関して調時する工程とを 有する、クランクケース掃気式２ストローク内燃エンジンの作動方法が提供され る。 排気ガスは、主に排気エミッションを制御するためにクランクケースに導入さ れるため、全ての作動状態において排気ガスをクランクケースに導入することは 不必要であり、場合によっては望ましくない。従って、クランクケースへの排気 ガスの導入及び排気ガスの供給量の制御を選択的に行うのが望ましい。エンジン のクランクケースへの排気ガスの供給の制御は、クランクケースへの排気ガスの 流れを制御するためにエンジンの排気システムとエンジンのクランクケースとの 間に設けられたＥＣＵ管理式制御弁で行うのがよい。制御弁を管理するＥＣＵは 、好ましくは、エンジンの作動状態、特にエンジンの負荷状態、エンジンの速度 状態、及びエンジンの温度 状態に関する入力を受け入れる。ＥＣＵは、排気ガスをクランクケースに導入す る必要があるかどうか、及び必要とされる排気ガスの量をこれらの入力から決定 する。 好ましくは、制御弁は、弁の実際の位置をＥＣＵに表示し、これによって、実 際の位置を必要とされる位置と比較できるようにし、これによって、クランクケ ースへの排気ガスの供給量の制御の正確さを高める、位置フィードバック手段を 有する。変形例では、サイクル毎にクランクケースに送出された排気ガスの実際 の質量を測定し、この質量をエンジンの現在の作動状態について必要とされる排 気ガスの量と比較するようにＥＣＵをプログラムできる。クランクケースへの排 気ガスの供給量をＥＣＵ制御弁で調節することによって、必要な補正を行うこと ができる。 各シリンダが個々のクランクケース区画を持つクランクケース掃気式多気筒２ ストロークエンジンでは、各シリンダのクランクケースと個々に連通するプレナ ムチャンバが設けられており、一つ又はそれ以上のエンジンシリンダからの排気 ガスがプレナムチャンバに提供される。通常の状態では、排気ガスがプレナムチ ャンバから多数のシリンダに供給される場合でも、排気ガスをシリンダのうちの 一つ又は幾つかからプレナムチャンバに供給するだけでよい。 従来、排気ガスは、燃焼中にエンジンシリンダ内の全 サイクル温度及び圧力を下げることによって、エミッション制御機能を果たした 。これは、排気ガスの比熱が空気よりも大きく、従って燃焼チャンバ内のガスの 全サイクル温度を下げるためである。高温がＮＯXの発生の必要条件の一つであ るため、このように全サイクル温度を下げることは、ＮＯXの発生を減らすのに 寄与する。更に、２ストロークエンジンの排気ガスは、４ストロークエンジンの 排気ガスよりも酸素含有量が高く、従って２ストロークエンジンでは、ＮＯXを 同等のレベルに制御するのに更に大量の排気ガスをリサイクルする必要がある。 燃焼チャンバに送出された排気ガスの温度を下げるのに寄与するために多気筒 エンジンでプレナムチャンバを使用することは容易に行うことができ、更に、温 度を更に下げるためプレナムチャンバからの放熱を高める装置を設けることがで きる。更に、クランクケースに入れる前の排気ガスの温度を下げるのに更に大き な作用を及ぼすため、エンジンのクランクケースへの排気ガスの通路に熱交換器 を組み込むことができる。便利には、排気ガスを一つ又はそれ以上のシリンダ又 はプレナムチャンバに搬送するダクトを外部フィン、又は液体、又はエンジンの 冷却システムからの冷却水で冷却することができる。 本発明の別の特徴によれば、クランクケースへの送出前に排気ガスを冷却する 工程を含む請求項１乃至７のう ちのいずれか一項に記載の方法が提供される。 一実施例では、特定のシリンダのクランクケースと連通するため、及びプレナ ムチャンバを介するなどして排気ガスを供給するため、ピストン制御式ポートを エンジンのシリンダ壁の下部分に設けることができる。好ましくは、このポート は、上述のように、ＥＣＵ制御弁を介して排気システムと連通している。ポート は、ピストンがその上死点位置のいずれかの側で移動の所定限度内にある場合に 露呈されるように配置されている。これは、クランクケース内の圧力が最小にな る（大気圧以下になる）期間を表す。ポートは、便利には、ピストンのストロー クの上死点位置の各側に対するクランクシャフトの約４０゜乃至６０゜の回転に 亘って開放するように配置できる。 エンジンの形体によっては、クランクケース内への排気ガスの流れ領域を比較 的大きくするため、このようなピストン制御式ポートを各クランクケースに二つ 又はそれ以上設けるのが便利である。好ましくは、ポートの制限された開放期間 中に最大開放ポート領域を構成するため、ポートは、シリンダの周方向にその主 要寸法を有する。排気ガスの導入のタイミングを制御するのにピストン制御式ポ ートを使用することによって、シリンダからシリンダへの排気ガス分配が改善さ れ、公平になる。 好ましくは、弁の開放の程度を管理するＥＣＵは、速 度／負荷に基づく参照マップを参照することによって、弁を制御するようにプロ グラムされている。ＦＰＣ（サイクル毎の燃料消費量）を基本として負荷をプロ ットする。更に、ＥＣＵは、エンジンの温度にも応答する。これは、寒冷期の始 動状態等では排気ガスを加えることがエンジンの作動の安定性にとって有害であ るためである。 排気システムに触媒ユニットが設けられたエンジンでは、排気ガスは、触媒ユ ニットの上流及び下流のいずれかで排気システムから取り出すことができる。 本発明は、クランクケース掃気式２ストロークエンジンの２つの変形例の構成 についての以下の説明から更によく理解されるであろう。 第１図は、排気ガス再循環システムの一実施例を組み込んだ、クランクケース 掃気式２ストロークエンジンの縦断面図である。 第２図は、第１図に示す排気ガス再循環システムの一実施例を組み込んだ、三 気筒エンジンの横断面図である。 次に、添付図面のうち第１図を参照すると、この図にはクランクケース掃気式 ２ストロークエンジンの部分断面図が示してあり、この図では、シリンダブロッ クが断面で示してあり、シリンダヘッド及び噴射装置が外形線で示してある。明 瞭化を図る目的で、ピストン及び連結ロッドは図示してない。このエンジンは、 基本的には従来の構造を持ち、ピストン（図示せず）が内部で往復動 するシリンダ３０を有し、ピストンは、連結ロッド（図示せず）でクランクシャ フトに連結されている。クランクシャフトは参照番号３１で概略に示してある。 シリンダ３０は、排気ポート３２、及び従来の２ストローク原理によりシリンダ ３０内のピストンの位置に従ってクランクケース３５とシリンダ３０との間を連 通する複数の掃気ポートを有する。複数の掃気ポートのうちの二つのポートに参 照番号３３及び３４が附してある。第１図は、単気筒エンジン又は第２図に示す ような直列多気筒エンジンである。 排気ポート３２は排気通路３６と連通し、この排気通路は排気管３７と連通し 、この排気管の口部には従来の触媒エレメント３８が配置されている。排気管３ ７は、触媒エレメント３８の下流で枝通路３９と連通し、この枝通路は、シリン ダブロックのキャビティ４０に繋がっている。第１図では、枝通路３９は、触媒 エレメント３８の下流で排気管３７と連通している。しかしながら、変形例では 、排気ガスの圧力が高く、温度が低く、酸素含有量が低い触媒エレメント３８の 上流で排気管３７と連通していてもよい。 通路３９とキャビティ４０との間の連通は、ソレノイド弁機構４２の部分であ る弁４１によって制御される。キャビティ４０は、シリンダブロックに設けられ た内部プレナムチャンバ４３と連通しており、これは、多気筒 エンジンの場合には、第２図に示すように、夫々の排気ガス再循環ポート４５を 通してエンジンの各シリンダと個々に連通している。ポート４５は、各シリンダ サイクルの選択された部分に亘って夫々のポート４５がピストンで覆われていな いように夫々のシリンダ３０の壁に位置決めされており、そのため、排気ガスを プレナムチャンバ４３からエンジンの各シリンダ３０の夫々のクランクケース３ ５に流入させることができる。 上文中に説明したようにポート４５の開閉の好ましいタイミングは、夫々のシ リンダ３０内のピストンの上死点位置の前後４０゜乃至６０゜であり、好ましく は、４５°乃至５５゜である。クランクケースへの排気ガスの供給のタイミング は、好ましくは、クランクケース内の圧力が排気システム内の圧力よりも低い、 エンジンサイクルでの所定の期間である。クランクケース３５と排気ガス再循環 ポート４５との間の連通は、第１図に示す掃気ポート３３及び３４のような２ス トロークエンジンの掃気ポートを通るガスの流れの制御に関して当該技術分野で 一般的に行われているように、クランクケースの壁に設けられた適当な孔の、ピ ストンのスカートの下縁部の行路に関する位置で決まる。更に、必要な場合にポ ート４５を効果的にシールするように、ポート４５は、ピストンによりスラスト が加えられるシリンダの側部に配置されているのが好ましい。 上述のように、ポート４５を通る排気ガスの送出量をエンジンの作動状態の変 化に従って制御するのが望ましく、この目的のため、弁４１の作動を制御するソ レノイド機構４２又は他の適当な機構は、適当な参照マップが組み込んであるプ ログラム式ＥＣＵ４６の制御下にある。通常は、マップは、燃料供給速度が選択 されたレベルを越えて増大したとき、クランクケース３５への排気ガスの流れを 制御する弁４１が閉鎖状態から開放状態へ迅速に移行するように構成されている 。ソレノイド機構４２には、代表的には、弁エレメント位置センサ４７が設けら れている。このセンサは、エンジンの夫々のクランクケースキャビティ３５に排 気ガスを必要とされる量だけ供給するため、弁４１の位置を正確に制御できるよ うにするため、ＥＣＵ４６にフィードバック情報を提供する。ＥＣＵ４６は、代 表的には、エンジンの速度、エンジンの負荷、及びエンジンの温度を示す入力を 受け入れる。弁４１の移動を監視し、調節し、弁座にカーボンが堆積したことを 検知し、これによる影響について修正を行うための装置をＥＣＵに設けることが できる。参照マップを使用して排気ガスの供給速度を制御することに対する変形 例として、ＥＣＵは、前記エンジンシリンダ３０のサイクルの選択された時点で 各クランクケース３５に進入する空気の質量を測定し、夫々のクランクケース３ ５内の排気ガスと空気とを合わせた質量を測定するように プログラムできる。クランクケース３５に進入する空気の質量は、空気導入通路 に設けられた従来の熱線式空気流量計で測定でき、空気及び排気ガスの質量は、 クランクケース３５内の空間の容積がわかっている場合、エンジンのサイクルの 予め設定した時点でのクランクケース３５内の温度及び圧力を計測することによ って測定できる。これらの二つの質量の測定値から排気ガスの実際の質量を決定 でき、必要な排気ガスの量と比較でき、かくして排気ガスの供給量を調節する必 要があるかどうかを決定できる。クランクケース内のガスの含有量のこの決定方 法は、本明細書中に説明した制御方法以外のＥＧＲ制御方法と関連して使用でき る。更に、クランクケース内に排気ガスが全くない場合にクランクケース内の空 気の質量を測定することによって、計測プロセスの正確さを点検できる。点検は 、計算した空気の質量と熱線式空気流量計が計測した空気の質量とを比較するこ とによって行われる。 クランクケース３５への排気ガスの供給と関連して制御できる、エンジンの他 の作動パラメータには、燃焼温度を高くするために点火火花を増大させること、 背圧弁を排気システムで排気ガス流出点の下流で使用して燃焼チャンバへ供給す るのに利用できる排気ガスの量を制御することが含まれる。排気システム内の背 圧が高ければ高い程、排気ガスの圧力が高くなり、従ってクランクケ ース３５への排気ガスの供給量が多くなる。 更に、エンジンのシリンダ３０に送出されるべき排気ガスを、その密度を増大 させるため、クランクケース３５に入れる前に熱交換器又は他の冷却手段に通す ことができ、この場合、更に大量の排気ガスをクランクケース３５内に送出でき る。第１図では、枝通路３９は触媒エレメント３８の下流で排気管３７と連通し ている。しかしながら、変形例では、排気ガスの圧力が高く温度が低い触媒エレ メントの上流で排気管３７と連通できる。 実際には、排気ガスを共通のプレナムチャンバから各シリンダの夫々のクラン クケース内に実質的に均等に分配するのを助けるため、排気ガスをプレナムチャ ンバに送出する多くの位置を設けるのが便利である。 更に、高速作動範囲では、ピストンの上死点位置の後のクランクケース圧力の 上昇速度は、夫々のクランクケースの各々からポート４５を通る空気の逆流が起 こる程度である。これにより、プレナムチャンバ内の排気ガスが希釈され、夫々 のエンジンシリンダへの排気ガスの分配が不均等になる。この問題点は、クラン クケースからのガスの逆流がクランクケースチャンバ３５と関連したポート４５ 内に実質的に保持され、プレナムチャンバ４３に通らないように、プレナムチャ ンバ４３とクランクケース３５との間のポート４５の長さを適当に選択すること によって、少なくとも、小さくすることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ， ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＫ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，Ｖ Ｎ (72)発明者 ワース，デイビッド リチャード オーストラリア連邦 ウェスターンオース トラリア州、シェントン、パーク、ウィリ アム、コート、21

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 排気ガスをエンジンの排気ポートの下流の所定の位置からエンジンのク ランクケースに選択的に送出し、クランクケースからエンジンの燃焼チャンバに 送出する工程と、エンジンの各サイクル中にクランクケースに送出された排気ガ スの量をエンジンの作動状態に従って制御する工程と、クランクケースへの排気 ガスの送出をエンジンのサイクルに関して調時する工程とを有する、クランクケ ース掃気式２ストローク内燃エンジンの作動方法。 ２． クランクケースを燃焼チャンバと連通する掃気ポートの閉鎖後にクラン クケースへの排気ガスの送出を開始する、請求項１に記載の方法。 ３． シリンダ内でのピストンの移動に応じて開閉するポートのクランクケー スでの位置によって、クランクケースへの排気ガスの送出のタイミングを制御す る、請求項１又は２に記載の方法。 ４． 燃焼チャンバのサイクルの上死点位置前６０゜乃至４０゜でクランクケ ースへの排気ガスの送出を開始する、請求項１、２、又は３に記載の方法。 ５． 燃焼チャンバのサイクルの上死点位置前５５°乃至４５°でクランクケ ースへの排気ガスの送出を開始する、請求項１、２、又は３に記載の方法。 ６． クランクケースに送出された排気ガスの量の制御を負荷及び／又は速度 を参照することによって決定する、請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載 の方法。 ７． クランクケースに送出された排気ガスの量の制御をエンジンの温度を参 照することによって決定する、請求項６に記載の方法。 ８． クランクケースへの送出前に排気ガスを冷却する工程を含む、請求項１ 乃至７のうちのいずれか一項に記載の方法。 ９． クランクケース掃気式２ストロークエンジンにおいて、排気ガスをエン ジンの排気システムからエンジンの少なくとも一つのクランクケースに選択的に 搬送する手段、エンジンのサイクル毎に前記クランクケースに送出される排気ガ スの質量を調節するための手段、及びクランクケースへの前記排気ガスの送出の エンジンのサイクルに関するタイミングを制御するための手段を有する組み合わ せ。 １０． 送出のタイミングを制御するための前記手段は、前記クランクケース から空気の装入を受け入れるように構成されたシリンダ内でのピストンの往復動 に応じて周期的に開閉する、クランクケースのポートである、請求項９に記載の 組み合わせ。 １１． 前記ピストン及びポートは、前記シリンダ内のピストンの上死点位置 前６０゜乃至４０゜でポートの 開放を開始するように、相対的に配置されている、請求項１０に記載の組み合わ せ。 １２． 排気ガスの質量を調節するための手段は、排気ガスを搬送するための 前記手段に沿って排気ガスの流れを制御するように選択的に作動できる弁手段を 含む、請求項９、１０、又は１１に記載の組み合わせ。 １３． 弁手段は、開放時に前記排気ガスを流して排気ガスの流量を調節する ように作動できる、請求項１２に記載の組み合わせ。 １４． ガス流の質量を調節する前記手段は、サイクル毎にクランクケースに 送出された排気ガスの実際の質量を測定するためのフィードバック手段、及び必 要な量とサイクル毎にクランクケースに送出された排気ガスの送出された量との 間の差を補正するための手段を含む、請求項１２に記載の組み合わせ。