(57)【要約】【課題】  排気式過給器を備える２サイクル運転可能なエンジンにおいて、排気エネルギーを排気式過給器において効率良く使用可能とする。【解決手段】エンジン１０は、燃焼室１５内の燃焼室ガスを外部に排出する排気通路１７上において、燃焼室１５と排気式過給器４０との間に逆流防止手段としてのリードバルブ５０を備える。リードバルブ５０を備えることによって、一旦燃焼室１５内から排出された排気が掃気期間中に燃焼室１５内に逆流することを防止することができる。この結果、排気エネルギーを効率良く排気式過給器４０のタービン４２に伝達することが可能となり、効率良く過給を行うことができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダブロックに形成されたシリンダ内を摺動するピストンと、シリンダブロックに接合されるシリンダヘッドとを備える２サイクル運転可能なエンジンであって、
前記シリンダと、前記ピストンの上面と、前記シリンダヘッドとにより区画形成される燃焼室と、
前記燃焼室と連通する排気通路と、
前記排気通路上に配置されると共に、前記燃焼室からの排気によって駆動される排気式過給器と、
前記排気通路上において、前記燃焼室と前記排気式過給器との間に配置される排気逆流防止手段と、
を備える２サイクル運転可能なエンジン。
【請求項２】
請求項１記載の２サイクル運転可能なエンジンにおいて、
前記排気式過給器は、電動モータにより前記排気による駆動が補助されるモータアシスト機構付き過給器である２サイクル運転可能なエンジン。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の２サイクル運転可能なエンジンにおいて、
前記排気逆流防止手段は、リードバルブである２サイクル運転可能なエンジン。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の２サイクル運転可能なエンジンにおいて、
前記排気逆流防止手段は、ロータリーバルブと、
前記ロータリーバルブの制御装置である２サイクル運転可能なエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２サイクル運転可能なエンジンに関し、特に、排気エネルギーを効率的に利用するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃費効率が高く、かつ、ＮＯｘ排出量が少ないエンジンの運転技術として希薄混合気の自着火運転が知られている。また、自着火運転時には、２サイクル運転は、４サイクル運転より有利であることが知られている。かかる２サイクル自着火運転において十分にＮＯｘ排出量を低減するために、過給器により空気過剰率を高めることが提案されている。２サイクル運転に用いる過給器としては、一般的にエンジンからの排気エネルギーを利用する排気式過給器、エンジンの出力を利用する機械式過給器があり、排気式過給器は、駆動時の機械的エネルギー損失がない点で機械式過給器より有利である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平３−１５１５３２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、２サイクル運転は、排・吸気のための独立した行程を有しないため、下死点前後の期間において排気弁（または排気口）と吸気弁（または吸気口）を同時に開き、ガス交換を行う掃気行程を必要とする。すなわち、燃焼室内の爆発圧力によりピストンが上死点から下死点に向かう途中において、排気弁を開いてブローダウンが行われる。そして、ブローダウン期間経過後、排気弁を開いたまま吸気弁も開き掃気を開始する。さらに、掃気期間経過後に排気弁を閉じる。
【０００５】
このため、ブローダウン期間に燃焼室から排気ポートへ排出された高圧の排気が、掃気期間中に、室内圧力が低下した燃焼室内に逆流する現象が生じる。この結果、ブローダウン期間に排出された高圧の排気のエネルギーを十分に排気式過給器のタービンに伝達できず、排気式過給器を効率良く使用することができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、排気式過給器を搭載した２サイクル運転可能なエンジンにおいて、排気エネルギーを排気式過給器において効率良く利用することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、シリンダブロックに形成されたシリンダ内を摺動するピストンと、シリンダブロックに接合されるシリンダヘッドとを備える２サイクル運転可能なエンジンを提供する。本発明に係るエンジンは、前記シリンダと、前記ピストンの上面と、前記シリンダヘッドとにより区画形成される燃焼室と、前記燃焼室と連通する排気通路と、前記排気通路上に配置されると共に、前記燃焼室からの排気によって駆動される排気式過給器と、前記排気通路上において、前記燃焼室と前記排気式過給器との間に配置される排気逆流防止手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
以上のように構成された本発明の２サイクル運転可能なエンジンによれば、一旦燃焼室から排出された排気が燃焼室に逆流することを防止できるので、排気エネルギーを効率良く排気式過給器に伝達することができる。また、排気が燃焼室に逆流して、吸気弁からの新気吸入の妨げとなることを防止できる。
【０００９】
本発明の２サイクル運転可能なエンジンにおいて、前記排気式過給器は、電動モータにより前記排気による駆動が補助されるモータアシスト機構付き過給器であっても良い。かかる場合には、十分な排気エネルギーが得られない場合であっても、電動モータにより排気式過給器を十分に駆動することができる。また、排気エネルギーを効率良く排気式過給器に伝達することができるので、電動モータによる駆動力の必要補助量を低減し、電動モータの駆動エネルギーを低減することができる。
【００１０】
本発明の２サイクル運転可能なエンジンにおいて、前記排気逆流防止手段は、リードバルブであっても良い。かかる場合には、リードバルブによって、簡便に燃焼室への排気の逆流を防止し、排気エネルギーを効率良く排気式過給器に伝達することができる。
【００１１】
本発明の２サイクル運転可能なエンジンにおいて、前記排気逆流防止手段は、ロータリーバルブと、前記ロータリーバルブの制御装置であっても良い。かかる場合には、ロータリーバルブの開閉を制御することによって、前記燃焼室への排気の逆流を防止し、排気エネルギーを効率良く排気式過給器に伝達することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る２サイクル運転可能なエンジンについて図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。
【００１３】
図１を参照して本発明の実施例にかかるエンジンの構成について説明する。図１は、本発明の実施例に係るエンジンの概略構成を示す説明図である。本実施例に係るエンジン１０は、少なくとも一部の運転領域において２サイクル運転可能なエンジンである。
【００１４】
本実施例に係るエンジン１０は、内部に複数のシリンダ２２を有するシリンダブロック２０、シリンダ２２内を上下に摺動するように内接するピストン２４、シリンダブロック２０の上面に配置されたシリンダヘッド３０、排気によって駆動される排気式過給器４０、エンジン１０全体を制御する制御装置（ＥＣＵ）、排気逆流防止手段として機能するリードバルブ５０を備えている。シリンダ２２、シリンダヘッド３０、ピストン２４の上面によって燃焼室１５が区画形成される。
【００１５】
シリンダヘッド３０は、各シリンダ２２ごとに排気ポート３１、吸気ポート３２を有している。各排気ポート３１には、排気管１６の分岐端が連結され、排気ポート３１と排気管１６とで、燃焼室１５と連通する排気通路１７が構成されている。排気通路１７上には、上流側から排気式過給器４０のタービン４２、触媒装置（図示しない）が配置されている。
【００１６】
一方、各吸気ポート３２には、吸気管１２の分岐端が連結され、吸気ポート３２と吸気管１２とで、燃焼室１５と連通する吸気通路１３が構成されている。吸気通路１３上には、下流側からサージタンク６０、インタクーラ６２、排気式過給器４０のコンプレッサ４４、エアクリーナ（図示しない）が配置されている。
【００１７】
シリンダヘッド３０には、各シリンダ２２ごとに、任意のタイミングで排気ポート３１を開閉するための電磁駆動式排気弁３４、任意のタイミングで吸気ポート３２を開閉するための電磁駆動式吸気弁３３、燃焼室１５に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁３６、火花点火のための点火プラグ３５が配置されている。
【００１８】
排気式過給器４０は、排気エネルギーによって回転駆動されるタービン４２と、タービン４２と同軸上にあって吸気を圧縮するコンプレッサ４４と、モータアシスト機構４６を備える。記述のように、タービン４２は排気通路１７上に配置され、コンプレッサ４４は吸気通路１３上に配置される。モータアシスト機構４６は、タービン４２を介して伝達される排気エネルギーのみではコンプレッサ４４を十分に駆動できず必要な過給圧が得られない場合に、電動モータによりコンプレッサ４４の駆動を補助する。
【００１９】
リードバルブ５０は、タービン４２の上流側の排気通路１７上に排気の逆流防止手段として配置されている。たとえば、燃料と空気の混合気をクランク室圧縮する方式の２サイクルエンジンの吸気系に用いられる周知のリードバルブを用いることができる。図２は、リードバルブ５０の断面図である。図３は、図２における矢印Ｙ１方向からみたリードバルブの端面図である。
【００２０】
リードバルブ５０は、ハウジング５５に固定されるバルブ本体５２と、金属製薄板のリード片５３と金属製ストッパ５１から構成される。リード片５３とストッパ５１は、片側の端部がねじ体５６によりバルブ本体５２に固定されている。バルブ本体５２は弁孔５４を有し、リード片５３は前記弁孔５４を覆うように配置されている。ストッパ５１は、リード片５３の最大開度を規制するためにある。なお、図３においては、図を見やすくするため、ハウジング５５およびストッパ５１は図示していない。リード片５３は、図２における矢印Ｙ２方向の流れに対しては開状態（５３ａ）となり、逆方向の流れに対しては閉状態（５３）となる。この結果、リードバルブは逆流防止手段として機能する。
【００２１】
ＥＣＵは、周知のマイクロコンピュータで構成され、運転状態に応じて、電磁駆動式吸気弁３３、電磁駆動式排気弁３４、点火プラグ３５、燃料噴射弁３６、モータアシスト機構４６を制御することで、エンジン１０の動作全体を制御する。  
【００２２】
次に、図４〜図６を参照して本実施例に係るエンジン１０の動作について説明する。図４（ａ）〜（ｃ）は、本実施例に係るエンジン１０の動作を概念的に示した説明図である。図５（ａ）〜（ｂ）は、本実施例に係るエンジン１０におけるリードバルブ５０の作用を説明する説明図である。図６は、本実施例に係るエンジン１０の燃焼室内圧力、タービン前圧力の変化、および吸気弁、排気弁の開閉状態を表す説明図である。図６中、横軸はクランク角（時間）を示し、縦軸は燃焼室内圧力、タービン前圧力、吸気弁および排気弁のリフト量をそれぞれ示す。
【００２３】
２サイクル運転では、クランクシャフトが１回転する間に、吸気弁３３および排気弁３４を適切なタイミングで開閉させることにより、膨張行程、排気行程（ブローダウン）、掃気行程、吸気行程、圧縮行程を次々と切り換えていく。
【００２４】
説明の都合上、燃焼室１５内の混合気を燃焼させた状態から説明する。混合気が燃焼すると、燃焼室１５内には高圧の燃焼ガスが発生し、ピストン２４に対してピストン２４を押し下げる力が作用する。図４（ａ）に示すように膨張行程では、ピストン２４が降下することによって、燃焼室１５内で発生した圧力がトルクに変換され、動力としてクランクシャフト２８から出力される。（図６において、Ｔｆで示される期間）。
【００２５】
ピストン２４がある程度まで降下する適切なタイミングで排気弁３４が開かれ、ブローダウンが行われる（図６において、Ｔｂで示される期間）。燃焼室１５内には、燃焼ガスが高圧のまま閉じこめられており、燃焼室内圧力Ｐｓは排気通路内圧力Ｐｅｘよりも高いので、ピストン２４の降下中であっても、排気弁３４を開くと、圧力差によって燃焼ガスは排気通路１７へと排出される（図４（ｂ）参照）。排出された高圧の燃焼ガスは、排気式過給器４０のタービン４２を駆動して、吸入空気をコンプレッサ４４によって加圧するための駆動エネルギーとして用いられる。図６に示すように、ブローダウン開始直後において、高圧の燃焼ガスが排出されるとタービン前圧力は急激に上昇し、その後、燃焼室内圧力が低下するに従い、タービン前圧力も低下し始める。
【００２６】
続いて、適切なタイミングで吸気弁３３を開き、掃気行程に移る（図６において、Ｔｓで示される期間）。排気式過給器４０によって加圧された空気が吸気通路１３から燃焼室１５内に流入し、燃焼室１５内に残っている燃焼ガスは、排気通路１７へと排出される（図４（ｃ）参照）。
【００２７】
このように、２サイクル運転においては、ブローダウン時に高圧の排気を排出した後も、掃気行程のために一定期間排気弁を開いたままにしなければならない。この掃気行程中に、ピストンの下降、および吸気圧との関係で燃焼室内の圧力Ｐｓが下がり、排気通路内の圧力Ｐｅｘより低くなることがある。
【００２８】
この時、従来の構成（リードバルブ無）においては、図５（ｂ）に示すように、一旦排出された排気が燃焼室１５内に逆流する現象が生じる。この逆流現象が生じると、排気通路内圧力が低下し、これによってタービン前圧力は急激に低下してしまう。
【００２９】
これに対して、本実施例においては、燃焼室１５と排気式過給器４０のタービン４２との間の排気通路１７上に、過給器方向への流動のみを許容するリードバルブ５０が配置されているので、図５（ａ）に示すように、一旦リードバルブ５０を通過した排気が燃焼室１５内に逆流することはない。この結果、掃気期間中のタービン前圧力の低下は抑制される。
【００３０】
この結果、本実施例に係るエンジン１０では、図６中曲線Ｐ１にて示すように、掃気期間中のタービン前圧力が、図６中曲線Ｐ２にて示される従来の構成における掃気期間中のタービン前圧力と比較して高く保たれる。
【００３１】
以上説明したように、本実施例に係る２サイクル運転可能なエンジンによれば、排気通路１７上にリードバルブ５０が備えられているので、燃焼室内圧力Ｐｓが排気通路内圧力Ｐｅｘよりも低くなった場合であっても、排気通路１７から燃焼室１５内への排気の逆流を簡便に防止することができる。この結果、排気式過給器４０に対して、効率良く排気エネルギー（駆動エネルギー）を伝達することができる。同時に、排気が燃焼室１５内に逆流して、吸気通路１３からの新気吸入の妨げとなることを防止できる。
【００３２】
また、本実施例に係るエンジン１０によれば、排気エネルギーを効率良く排気式過給器４０のタービン４２に伝達することができるので、電動モータによるタービン４２の駆動力の必要補助量を低減し、電動モータによって消費されるエネルギー量を低減することができる。
【００３３】
・変形例：
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例になんら限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。たとえば、以下のような変形例が可能である。
【００３４】
上記実施例では、逆流防止手段としてリードバルブを設けているが、ロータリーバルブを用いても良い。図７は、変形例に係るエンジンの概略構成を示す説明図である。この変形例ではシリンダヘッド３０内にロータリーバルブ７０が組み込まれている。ロータリーバルブ７０は、図示しない電動アクチュエータによって回転可能となっており、ＥＣＵの制御によってロータリーバルブ７０を回転させることで排気通路１７を自由に開閉することができる。従って、上述した逆流現象が生じるタイミングでのみロータリバルブ７０を閉状態にするよう制御することで、ロータリーバルブは逆流防止装置として機能する。この結果、この構成においても実施例と同等の効果を得ることができる。
【００３５】
また、上記実施例では、エンジンは、火花点火運転を行う２サイクルエンジンを例にしているが、点火プラグを必要としない自着火運転を行うエンジン、あるいは、ＥＣＵの制御によって自着火運転と火花点火運転を切換可能なエンジンであっても良い。さらに、４サイクル運転と２サイクル運転に切換可能な可変サイクルエンジンであっても良いことはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施例に係るエンジンの概略構成を示す説明図である。
【図２】リードバルブ５０の断面図である。
【図３】図２における矢印Ｙ１方向からみたリードバルブ５０の端面図である。
【図４】実施例に係るエンジン１０の動作を概念的に示した説明図である。
【図５】実施例に係るエンジン１０におけるリードバルブ５０の作用を説明する説明図である。
【図６】実施例に係るエンジン１０の燃焼室内圧力、タービン前圧力の変化、および吸気弁、排気弁の開閉状態を表す説明図である。
【図７】本発明の変形例に係るエンジンの概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０…２サイクル運転可能なエンジン
１２…吸気管
１３…吸気通路
１５…燃焼室
１６…排気管
１７…排気通路
２０…シリンダブロック
２２…シリンダ
２４…ピストン
２６…コネクティングロッド
２８…クランクシャフト
３０…シリンダヘッド
３１…排気ポート
３２…吸気ポート
３３…電磁駆動式吸気弁
３４…電磁駆動式排気弁
３５…点火プラグ
３６…燃料噴射弁
４０…排気式過給器
４２…タービン
４４…コンプレッサ
４６…モータアシスト機構
５０…リードバルブ
５１…ストッパ
５２…バルブ本体
５３…リード片
５４…弁孔
５５…ハウジング
５６…ねじ体
６０…サージタンク
６２…インタクーラ
７０…ロータリーバルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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