JPH086585B2 - ２サイクル内燃機関 - Google Patents

２サイクル内燃機関

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JPH086585B2
JPH086585B2 JP62004171A JP417187A JPH086585B2 JP H086585 B2 JPH086585 B2 JP H086585B2 JP 62004171 A JP62004171 A JP 62004171A JP 417187 A JP417187 A JP 417187A JP H086585 B2 JPH086585 B2 JP H086585B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はシリンダヘッドに新気弁と排気弁を設けた２
サイクル内燃機関に関する。
〔従来の技術〕
特公昭60−5770号公報には、吸気（新気）弁及び排気
弁を有するオープンチャンバ型２サイクル内燃機関が開
示されている。この２サイクル内燃機関は、ピストンが
下死点にあるときに吸気弁と排気弁とがほぼ同時に開
き、吸気弁から流入した新気は下向きに指向され、ピス
トン頂面で反転して、シリンダ内で縦回りのＵ字状の流
れを形成するようになっている。新気と排気の境界面
は、最初吸気弁の近くにあり、次いでシリンダの下方中
央部になり、そして排気弁の近くへと移動し、シリンダ
内の全体で排気と新気とが置き換わるようになってい
る。
しかしながら、このような２サイクル内燃機関は高負
荷域では問題ないが、アイドル時又は軽負荷域での燃焼
に問題がある。アイドル時又は軽負荷域では、供給され
る新気の量が少なくてシリンダ内には多量の排気が残留
するので、新気が残留排気中に分散して薄くなり、新気
をシリンダヘッドの点火プラグの近傍に集めることがで
きない。即ち、シリンダ内で縦回りのＵ字状の流れで
は、新気の主流はシリンダの下方へ移動してしまうから
である。このため、シリンダヘッドに設けられた点火プ
ラグによる着火や、火炎核の発生が阻害されたり、火炎
伝播速度が低下することにより、失火したり、燃焼変動
が発生し易くなる。
また、吸入空気にシリンダ軸線回りのスワールを形成
させることは従来から公知である。例えば、米国特許45
43928号は対向配置の２つの吸気弁から空気を供給して
シリンダ軸線回りのスワールを形成させるようにしてい
る。排気弁はシリンダの頂部中央に形成された副室に配
置されている。従って、この特許に開示された内燃機関
では、燃焼が副室で開始され、次いで、スワールしてい
るシリンダ内に広がるようになっているものであり、排
気ガスにスワールを発生させたり、残留排気ガスと新気
との間で成層化を行ったりするものではない。
また、特開昭55−117021号公報は活性熱雰囲気燃焼を
行うことにより燃焼を改善し、その際にシリンダヘッド
やシリンダブロック等をセラミックで作るとシリンダ内
を高温に維持することができることを開示している。ま
た、本願の先願である特公平５−68608号公報は、ピス
トン下降速度の速い時期に排気弁を新気弁よりも早く開
く弁駆動機構と、排気弁の開弁時に排気ポートから排出
した排気ガスの一部が燃焼室に逆流する際に該逆流排気
ガスにシリンダ軸線の回りにスワールを与える手段とを
有し、新気弁より供給された新気がアイドル時及び低負
荷時に排気スワール上にゆるやかに流入するようにした
２サイクル内燃機関を提案している。
〔発明が解決しようとする問題点〕
２サイクル内燃機関では上記したように掃気によって
排気を行うために排気ガスが燃焼室に残留し、アイドル
や軽負荷（低負荷）域では燃焼室内の残留排気ガスに対
する供給新気の割合が小さくなり、燃焼が不安定になる
という問題があった。本発明は、新気ポート及び排気ポ
ートがシリンダヘッド部に設けられた２サイクル内燃機
関において、特にアイドル時や軽負荷域の新気量の少な
い運転条件下において、新気と残留排気ガスとの成層下
を達成して新気をシリンダヘッドの近傍に集め、着火を
容易にすることである。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明による２サイクル内燃機関は、過給手段を有す
る新気供給系と、シリンダヘッド部分に設けられた新気
ポート及び排気ポートを開閉するために、クランク角に
同期して駆動される新気弁及び排気弁とを有する２サイ
クル内燃機関において、ピストン下降速度の速い時期に
排気弁を新気弁よりも早く開く弁駆動機構と排気弁の開
弁時に排気ポートから排出した排気ガスの一部が燃焼室
に逆流する際に該逆流排気ガスにシリンダ軸線の回りに
スワールを与える手段とを有し、新気弁より供給された
新気がアイドル時及び低負荷時に該排気スワール上にゆ
るやかに流入するようにするとともに、過給手段より下
流の位置で新気通路に連通されるタンクと、該タンクと
新気通路との連通部を開閉することのできる開閉制御弁
とを設け、該開閉制御弁がアイドル時及び低負荷時に開
かれるようにしたことを特徴とするものである。
〔作 用〕
本発明によれば、少なくともアイドル時及び軽負荷域
において、次のようにして成層化が達成される。即ち、
ピストンの下降行程中に排気弁が開くと弱い排気ブロー
ダウンが発生し、排気ポート内は正圧になる。排気ブロ
ーダウンは短時間で終了し、ピストンは引き続いて下降
しているのでシリンダ内が排気ポートに対して負圧にな
り、一旦排出した排気ガスの一部が燃焼室に再流入す
る。本発明においては、この再流入する排気ガスにシリ
ンダ軸線の回りにスワールさせる手段が設けられてお
り、燃焼室内で排気ガスがシリンダ軸線の回りにスワー
ルする。その後で新気弁が開弁する。アイドル時及び軽
負荷域においては供給新気量は少なく、新気は比較的ゆ
っくりと流入する。従って、ゆっくりと流入する新気は
シリンダ軸線の回りにスワールしている排気ガスの上に
ゆっくりと乗り、新気は排気スワールに乗ったままシリ
ンダヘッドの近傍に集まっている。さらに本発明におい
ては、過給手段より下流の位置で新気通路に連通される
タンクと、このタンクと新気通路との連通部が開閉する
ことのできる開閉制御弁とが設けられている。このタン
クはアイドル時及び軽負荷時に開閉制御弁を開くことに
よって新気通路に連通され、過給手段の吐出脈動をタン
クの容積によって吸収し、圧力変動のない新気を燃焼室
に供給し、燃焼室に形成されている排気スワールを乱さ
ないようになっている。かくして、燃焼室に良好な成層
化が達成される。中高負荷時には開閉制御弁をを閉じて
タンクを新気通路から遮断し、従って、タンク内の圧力
を高める必要がなく、過給圧がレスポンスよく燃焼室に
与えられる。
〔実施例〕
第１図は本発明を適用した６気筒の２サイクル内燃機
関10を示す図、第２図は第１図の１気筒の燃焼室の近傍
を詳細に示す図、第３図は第２図の新気弁と排気弁を通
る垂直断面図である。機関本体10は第３図に示されるよ
うにシリンダブロック12とシリンダヘッド14とにより構
成され、ピストン16の上方に燃焼室18が形成される。こ
の２サイクル内燃機関はシリンダヘッド14にポペット弁
からなる新気弁20と排気弁22とを有するものであり、従
って、シリンダヘッド14には新気ポート24と排気ポート
26とが形成される。
第２図に示されるように、新気弁20及び排気弁22はそ
れぞれ２個ずつ設けられ、点火プラグ28が燃焼室18のほ
ぼ中央に設けられる。第２図では、排気弁22はともにＥ
で表されており、一方、新気弁20はFA、FBで表されてい
る。これは、新気弁20の働きが相互に差があることを示
しており、以後FAで表された新気弁20を低負荷新気弁と
呼び、FBで表された新気弁20を高負荷新気弁と呼ぶこと
にする。
第１図及び第２図に示されるように、シリンダヘッド
14には２個の新気マニホールド30、32が取りつけられ
る。一方の新気マニホールド30の各枝管が低負荷新気弁
FA20の配置された側の新気ポート24に接続され、他方の
新気マニホールド32の各枝管が高負荷新気弁FB20の配置
された側の新気ポート24に接続される。各新気ポート24
または新気マニホールド30、32の各枝管にはそれぞれ燃
料噴射弁34及びリード弁36が配置される。
第１図に示されるように、空気はエアクリーナ38から
取り入れられ、スロットル弁40で制御され、さらに過給
機（S/C）42で過給されるようになっている。前記２つ
の新気マニホールド30、32は共通の新気パイプ44により
過給機42に接続される。過給機42はルーツポンプ等の機
関の出力により駆動される機械式過給機を利用されるこ
とができる。
この新気パイプ44にはタンク46が連通可能に連結さ
れ、その連通部には開閉制御弁48が配置される。この開
閉制御弁48は公知の負圧アクチュエータ48aにより駆動
され、その作動負圧は電磁弁48bを介して供給される。
電磁弁48bは図示しない制御装置により制御され、開閉
制御弁48が機関低負荷時には新気パイプ44とタンク46を
連通させ、中高負荷時にはその連通を遮断することがで
きるようになっている。タンク46は容積式過給気42の吐
出脈動を吸収するために所定の容積を有する。また、ス
ロットル弁40の上流にはエアフローメータ49が配置され
る。
高負荷側の新気マニホールド32の集合部にはバタフラ
イ式新気制御弁50が配置される。前記新気弁20及び排気
弁22が機関のクランクシャフトと同期して駆動されるの
に対し、この新気制御弁50はタンク46の開閉制御弁48と
同様に機関の負荷及び回転数に応じて開閉されるもので
ある。新気制御弁50は少なくとも機関アイドル時及び低
負荷時に閉じられ、従って、このときには空気は低負荷
側の新気マニホールド30からのみ供給されることにな
る。新気制御弁50は機関中高負荷時に開かれ、従って、
このときには空気は高負荷側の新気マニホールド32及び
低負荷側の新気マニホールド30の双方を通って供給され
る。
第４図は低負荷新気弁FA及び高負荷新気弁FBからそれ
ぞれ供給される新気の流れの特徴を示している。この特
徴は弁単独で得られるものではなく、弁の形状は同じで
あっても関連する新気ポート24の配置や弁の周りのシリ
ンダヘッド壁面形状の特徴等により得られるものであ
る。低負荷新気弁FAは（ａ）の矢印で示されるように開
弁時に少量の空気が弁の周りにほぼ一様に流れることを
許容するものである。他方の高負荷新気弁FBは（ｂ）の
矢印で示されるように空気を偏った方向に流させるよう
に形成されている。この方向はシリンダの垂直な壁面に
沿った方向であり、従って、高負荷時に高負荷側のポー
トを通ってくる大量の新気が先ずシリンダ内を一方の壁
面に沿って下降していき、ついでピストン16の頂面で方
向転換して反対側の壁面に沿って上昇し、このようにＵ
字状に流れることによって排気ガスと効率よく入れ換わ
ることができる。このように、空気が偏った方向に流れ
ることを可能とするためには、例えば第４図の（ｂ）に
示されるようにポート内に偏流壁24aを設け、或いは第
３図に示されるようにシリンダヘッド14の壁面に堰24b
を設ける等の手段が可能である。また、高負荷新気弁FB
の周りにシリンダヘッド壁面形状は低負荷新気弁FAと同
じにしても新気を排気ガスと効率よく入れ換えることが
できる。
第２図に示されるように、各気筒の２つの排気ポート
26はシリンダヘッド14内で１つのポートに合流される。
第１図に示されるように、排気系は点火順序から見て干
渉の起こらない２つの気筒群に分割され、２つの排気マ
ニホールド54が３気筒分ずつの排気ポート26に接続され
る。排気マニホールド54の集合部56はさらに共通排気管
58により合流された後で、マフラー62に接続される。ま
た、各排気マニホールド54の集合部56にはそれぞれ触媒
60が配置される。
ここで排気ガスの圧力について説明すると、機関低負
荷時、排気弁22が開かれた直後に弱い排気ブローダウン
があって排気ポート内は正圧になり、燃焼室18の排気圧
力は急激に低下する。ピストン16の下降運動によって燃
焼室18の圧力が排気ポートの圧力よりも低下すると、排
気ブローダウンによって燃焼室から排出された排気ガス
の一部は、排気ポート26と燃焼室18の圧力差によって燃
焼室18に再流入（逆流）するようになる。
このように、機関低負荷時には弱い排気ブローダウン
の直後に排気ガスの燃焼室への逆流がある。内燃機関に
おいては、燃焼室へ逆流する排気ガスが、第２図及び第
３図に示されるように、燃焼室18内でシリンダ軸線の回
りのスワールＳを形成するようになっている。従来、吸
気ポートから吸入された吸入空気にスワールを発生させ
ることはかなり提案されているが、逆流する排気にスワ
ールを発生させることは本発明の大きな特徴である。排
気にスワールを発生させるためには、吸入空気にスワー
ルを発生させる場合と同様の手段を採用することができ
る。例えば、排気ポートの形状を捩じったものにした
り、排気ポートをシリンダの周囲に接線状に接続したり
することができる。この実施例においては、第２図に示
されるように、シリンダヘッド14の壁面に排気ポート26
の開口部を部分的に取り囲むマスク26aが形成されてお
り、また、第３図に示されるように、排気ポート26の開
口部から新気ポート24の開口部へ向かうシリンダヘッド
壁面に傾斜した案内面64が形成されている。この排気側
の案内面64が新気側の堰24bと協働し、排気ガスが矢印
Ｓ方向にスワールするのを助け、新気が矢印Ｓ方向に流
れるのを妨げ、全体としてさらに確実にシリンダ軸線の
回りのスワールを生成せしめるのである。
第５図はクランクシャフトと同期して駆動される新気
弁20の開弁期間（FO）と排気弁22の開弁期間（EO）とを
示した図である。２サイクル内燃機関では、ピストン16
が上死点TDCから下死点BDCへ下降していく膨張行程と、
下死点BDCから上死点TDCへ上昇していく圧縮行程の２行
程しかなく、排気と吸入はこれらろ２行程の間に下死点
BDCの近くで行われ、基本的には過給機42で押し込まれ
た新気が排気ガスを押し出しつつガス交換を行う掃気を
含んでいる。高負荷時には新気量及び燃料量が多く、従
って、シリンダ内に残留する排気ガスは少ないので、燃
焼上の問題は少ないが、アイドル時及び低負荷時には新
気量及び燃料量が少なく、残留排気ガスが多い中で燃焼
を行わなければならず、新気及び燃料が混合すると空燃
比が薄くなり、着火燃焼が非常に困難になるのである。
本発明においては、排気弁22は下死点BDC前80度の時
点で開き、このときにはピストン16の下降速度が速いの
でアイドル時及び低負荷時の弱い排気ブローダウン後に
燃焼室18の圧力は下がり、排気ポート26の背圧と燃焼室
18の負圧とによって排気ガスの逆流が確実に生じるよう
になっている。排気弁22は圧縮行程のあまり進まない下
死点BDC後40度の時点で閉じる。また、新気弁20は排気
弁22が開いた後で排気ガスの逆流が生じたような時点、
例えば下死点BDC前60度の時点で開き、排気弁22の閉弁
後の下死点BDC後60度の時点で閉じる。
第６図はアイドル時及び低負荷時の排気ガスの逆流及
びスワールの生成、及びそれによって生じる新気と残留
排気ガスの成層化を説明する図である。このときには、
吸気制御弁50は閉じられ、新気の供給は低負荷新気弁FA
20側からのみとなる。この新気の供給は、量自体が少な
く且つ第４図を参照して説明したように特定の方向性を
もたずにゆっくりしたものである。第６図（ａ）に示さ
れるように、下死点BDC前80度になると排気弁22が開
き、圧力Ｐの弱い排気ブローダウンが生じる。この排気
ブローダウンはアイドル時及び低負荷時においては短時
間で終了する。例えば、アイドル時及び低負荷時の弱い
排気ブローダウンにおける排気ポート22の圧力は、瞬間
的に２〜3kg/cm2程度になるが、直ぐに1.05kg/cm2程度
に下がり、正圧の背圧を維持しつつ安定化する。
ピストン16の下降により燃焼室18内が負圧になり、第
６図（ｂ）に示されるように排気ガスが矢印Ｑのように
再流入し、排気ポート26の構造、マスク26a、ガイド面6
4等のスワール形成手段により、燃焼室18内で排気ガス
のスワールＳが形成される。下死点BDC前60度になる
と、低負荷新気弁FA20が開く。新気はスロットル弁40で
調量され、過給機42の過給圧も比較的に低い。また、新
気弁20が実質的に全開になるのに時間がかかるので新気
は直ちには流入せず、低負荷新気弁FA20の開弁当初にも
排気ガスの逆流及びスワール形成は続いている。このよ
うに排気スワールの形成はかなりの時間続けられ、この
スワールはシリンダ軸線の回りに形成されるものである
から圧縮行程末期後まで消滅することなく維持されるも
のである。
しかる後に、第６図（ｃ）に示されるように、新気弁
20が実質的に全開になると新気が入ってくる。このとき
の新気は、第４図（ａ）を参照して説明したように弁の
全周からゆっくりと流れ、しかもこのときにはピストン
16の下降速度も小さくなっているので燃焼室内にはほと
んど負圧が形成されず且つ前述したように過給圧も小さ
いので新気はゆっくりと燃焼室18に入る。従って、流入
した新気は排気スワール上にゆっくりと乗り、排気スワ
ールを下方に通過することなくむしろ排気スワール上で
排気スワールとともにスワールするようになる。このよ
うにして、新気はシリンダヘッド14側の点火フラグ28側
に近い部位に集まり、即ち、シリンダヘッド14側の新気
とピストン16側の排気との成層化が達成されるのであ
る。この新気と排気の成層は、第６図（ｄ）に示される
ように、ピストン16が下死点まで下降し、それから少し
上昇して排気弁22が閉じ、そして新気弁20が閉じても維
持される。尚、排気ポート26は正圧に維持されて排気弁
22から燃焼室18に与えており、排気弁22が閉じるまでの
ピストン16の運動も遅いので、燃焼室18から排気ポート
26への新気の流出、いわゆる新気の吹き抜けはほとんど
起こらない。
このように、新気をスワールする残留排気ガスに載せ
てシリンダヘッド14の近傍に集めるためには、新気がで
きるだけゆっくりと入って排気ガスのスワールを乱さな
いことが必要である。容積式の過給機42は吐出脈動を有
するので、これをそのまま入れると排気ガスのスワール
を幾らか乱すことが考えられ、従って、これを防止する
ために、タンク46が過給機42の吐出脈動を吸収するよう
になっているのである。
かくして、アイドル時及び軽負荷時には、新気は上述
したようにシリンダヘッド14側の点火プラグ28側に近い
部位に集まり、新気弁20の閉弁前に燃料噴射弁34から噴
射された燃料もその新気に含まれており、それによって
空燃比も点火プラグ28の近くでは薄くならず、点火プラ
グ28によって容易に着火して確実な燃焼が得られるよう
になるのである。そして、新気は排気ガスの上に乗って
おり、高温の排気ガスによって活性化され、ラジカル燃
料成分を含む活性熱雰囲気状態を形成する。従って、内
燃機関が低温状態にあるときには点火プラグ28により着
火されるが、暖機後においては圧縮行程における断熱圧
縮により低燃費で排気浄化性能の優れた自己着火燃焼が
可能となるのである。
中高負荷時には新気制御弁50が開かれるので両方の新
気ポート24を通って新気が供給されるようになり、特
に、大量の空気が高負荷側の新気ポートFB24を通ること
ができるようになる。高負荷側の新気弁FB20は第４図を
参照して説明したように新気がシリンダ壁面に沿って下
方に流れるように設けられたものであり、新気は一方側
のシリンダ壁面に沿って下降し、ピストンで方向転換し
て反対側の壁面に沿って上昇するＵ字状の流れを生成す
るものであり、これによってより多くの排気ガスを押し
出し、掃気効率を高めることができる。
中高負荷時にはさらにタンク46の開閉制御弁48が閉じ
られ、新気パイプ44はタンク46と連通しなくなる。これ
は、低負荷時から中高負荷時に移行するときに過給新気
がタンク46内の圧力を上げることに使用されることがな
く、過給圧の上昇とともに大量の新気が直接に燃焼室に
供給され、レスポンスのよい加速を達成することができ
る。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば特にアイドル及
び低負荷時に新気と残留排気との間で成層化を達成して
安定した燃焼を得ることができ、また加速時にもレスポ
ンスが良く、低負荷から高負荷まで良好な燃焼をするこ
とのできる２サイクル内燃機関を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明を適用した６気筒の２サイクル内燃機関
を示す図、第２図は第１図の１気筒の燃焼室の近傍を詳
細に示す図、第３図は第２図の新気弁と排気弁を通る垂
直断面図、第４図は新気弁から燃焼室に入る新気の流れ
を説明する図、第５図はバルブタイミングを示す図、第
６図は低負荷時の排気ガスの逆流及び新気の供給を説明
する説明図である。 14……シリンダヘッド、 16……ピストン、 18……燃焼室、 20……新気弁、 22……排気弁、 24……新気ポート、 26……排気ポート、 26a……マスク、 46……タンク、 48……開閉制御弁、 50……新気制御弁。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｂ 31/02 Ｂ Ｆ０２Ｍ 35/10

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】過給手段を有する新気供給系と、シリンダ
    ヘッド部分に設けられた新気ポート及び排気ポートを開
    閉するために、クランク角に同期して駆動される新気弁
    及び排気弁とを有する２サイクル内燃機関において、ピ
    ストン下降速度の速い時期に排気弁を新気弁よりも早く
    開く弁駆動機構と、排気弁の開弁時に排気ポートから排
    出した排気ガスの一部が燃焼室に逆流する際に該逆流排
    気ガスにシリンダ軸線の回りにスワールを与える手段と
    を有し、新気弁より供給された新気がアイドル時及び低
    負荷時に該排気スワール上にゆるやかに流入するように
    するとともに、過給手段より下流の位置で新気通路に連
    通されるタンクと、該タンクと新気通路との連通部を開
    閉することのできる開閉制御弁とを設け、該開閉制御弁
    がアイドル時及び低負荷時に開かれるようにしたことを
    特徴とする２サイクル内燃機関。
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