(57)【要約】      （修正有）【課題】シリンダから燃焼ガスを排出する方法で、効果的な掃気を可能とし、燃焼時に発生するエネルギーを効果的に用いる方法、すなわち同属の２サイクルエンジンの効率を向上させる方法を提供する。【解決手段】シリンダヘッド１０に設置された少なくとも１つの吸気弁および排気弁３，４が各シリンダ１に配設されている過給式２サイクルエンジンにおける燃焼ガス交換（掃気）方法であって、シリンダ１内のピストン２は、シリンダヘッド１０に対して、体積を変化させながらシリンダ内部空間１１を密閉し、ガス交換（掃気）は吸排気弁３，４によって制御され、吸気圧レベルは過給システムによって、排気圧レベルよりも引き上げられる。前記方法は、効果的な掃気を可能とし、燃焼時に発生するエネルギーを極力効果的に利用する。つまり、効率が改善される。ガス交換（掃気）はピストンの下死点ＵＴから上死点ＯＴへの上昇運動９の上半分で終了する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッド（１０）に設置された少なくとも１つの吸気弁および排気弁（３，４）が各シリンダ（１）に配設されている過給式２サイクルエンジンにおける燃焼ガス交換（掃気）方法であって、
当該方法では、前記シリンダ（１）内のピストン（２）は上死点（ＯＴ）と下死点（ＵＴ）との間で往復運動を行い、前記シリンダヘッド（１０）に対して、体積を変化させながらシリンダ内部空間（１１）を密閉し、前記ガス交換（掃気）は前記吸排気弁（３，４）によって制御され、吸気圧レベルは過給システムによって、排気圧レベルよりも引き上げられる方法において、
前記ガス交換（掃気）が、前記ピストンの下死点（ＵＴ）から上死点（ＯＴ）への上昇運動（９）の上半分で終了することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ガス交換（掃気）が、前記ピストンの下死点（ＵＴ）から上死点（ＯＴ）への上昇運動（９）の上半分で開始することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ガス交換（掃気）が、前記ピストンの下死点（ＵＴ）から上死点（ＯＴ）への上昇運動（９）の上から３分の１で終了することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ガス交換（掃気）が、前記ピストンの下死点（ＵＴ）から上死点（ＯＴ）への上昇運動（９）の上から３分の１で開始することを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記シリンダ内部空間（１１）は、前記ガス交換（掃気）の間、ピストン軸に関して高さよりも幅が大きいことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記ピストン（２）の下死点（ＵＴ）から上死点（ＯＴ）への上昇運動（９）を約２５％残した位置において、前記吸気弁（３）は、すでに開放されている排気弁（４）と同じく開放され、
前記ピストン（２）の下死点（ＵＴ）から上死点（ＯＴ）への上昇運動（９）を約１６％残した位置において、前記吸気弁（３）は開放されたままで前記排気弁（４）は閉止され、前記吸気弁（３）は、前記ピストン（２）の下死点（ＵＴ）から上死点（ＯＴ）への上昇運動（９）を約１０％残した位置において再び閉止され、吸排気弁（３，４）は、前記ピストン（２）の上死点（ＯＴ）から下死点（ＵＴ）への下降運動（８）が行われている間、閉止されたままであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
センサから成る制御回路およびアクチュエータによって、前記排気圧レベルは前記吸気圧レベルに応じて制御されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
吸気圧レベルと排気圧レベルとの比が一定に保たれることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
アクチュエータとして、吸気弁（３）に向かうフローに配設される絞り弁が使用されることを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
前記エンジンの負荷制御が、前記排気圧レベルの制御によって行われることを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
【請求項１１】
アクチュエータとして、可変タービンジオメトリ、あるいは排気圧レベルを制御するためのターボチャージャという形式をとる過給システムの排気逃し弁が使用されることを特徴とする請求項７、８または１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記排気圧レベルを制御するためのアクチュエータとして、排気管に絞り弁を使用することを特徴とする請求項７、８または１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記シリンダ内部空間（１１）における排気再循環（ＥＧＲ）は、前記吸気圧レベルに応じた前記排気圧レベルの制御によって影響を受ける可能性があるため、前記内部における排気再循環（ＥＧＲ）は負荷制御あるいは燃料ガスの予熱に利用可能であることを特徴とする請求項７から１２のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２サイクルエンジンにおける燃焼ガスの交換（掃気）方法に関する。当該エンジンにおいては、シリンダヘッドに設置された少なくとも１つの吸気弁および排気弁が各シリンダに配設されており、シリンダ内ではピストンが上死点（ＯＴ）と下死点（ＵＴ）との間で往復運動を行い、当該ピストンはシリンダヘッドに対して、体積を変化させながらシリンダ内部空間を密閉し、ガス交換（掃気）は吸排気弁によって制御され、吸気圧レベルは過給システムによって、排気圧レベルよりも引き上げられる。
【背景技術】
【０００２】
２サイクルエンジンは、通常用いられる４サイクルエンジンに比べて、行程数が半分、もしくは１行程におけるピストンの往復運動が半分であるため、摩耗による損失分ははるかに少ない（エンジン出力に関して）。したがって、２サイクルエンジンは上記の理由により、燃料消費の最適化を図る際、有意義で有利な駆動方法の選択肢でありうる。
【０００３】
通常の２サイクルエンジンで行われているスリットによる吸排気の制御を、スリットの代わりに弁を用いて行うことも、すでに知られるところとなった。その結果、この種の２サイクルエンジンの基本的な構造は、もはや４サイクルエンジンの構造と大幅に異なるものではなくなった。
【０００４】
必然的に弁の開閉時間が非常に短い場合でも、十分に良好なガス交換を行い、満足の行く掃気を行うためには、いずれにしても、過給システムによって吸気圧レベルを排気圧レベルよりも引き上げることが必要である。
【０００５】
この種の２サイクルエンジンでは、とりわけ作業室もしくはシリンダ内部空間の効果的な掃気を実現することも問題となるが、それは圧力下で流入する未燃焼ガスが、吸気弁と排気弁とがオーバーラップするわずかの時間に、燃焼ガスを排気弁を介して押し出そうとするときである。つまり、掃気プロセスでは燃焼ガスを可能な限り多くシリンダから除去することが必要であるが、それと同時に未燃焼ガスの損失、すなわち掃気ガスの損失を極力少なくとどめるように配慮する必要がある。
【０００６】
上記の２サイクルエンジンの例として、特許文献１に記載のエンジンが知られている。特許文献１に記載のガス交換の場合、燃焼ガスはピストンの膨張行程終了時およびピストンの圧縮行程開始時に交換される。この場合、確かに燃焼ガスの完全な交換は可能かもしれないが、シリンダ内部空間のジオメトリ構成上、前記ガス交換を行う際、特に掃気ガスの損失を最小にとどめると同時に前記要求を満たすことが可能かどうかについては疑問が残るところである。
【０００７】
そこで、有害物質の排出量を削減し、燃料消費を低減し、許容できるアイドリング挙動を実現するためにも、シリンダ内部空間の良好な掃気、すなわち吸気弁からの外気フローが排気フローを、排気弁を介して効果的にシリンダ内部空間から掃気できることが絶対に必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】独国特許発明第２７０１２７２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の点に鑑み、本発明の課題は、シリンダから燃焼ガスを排出する方法で、効果的な掃気を可能とし、燃焼時に発生するエネルギーを効果的に用いる方法、すなわち同属の２サイクルエンジンの効率を向上させる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本課題は請求項１に記載の特徴によって解決される。
【００１１】
従来技術では上記のように２サイクル式の場合、燃焼ガスの交換はさらにクランクシャフトを回転させることなく行われ、当該燃焼ガスは膨張行程の終了時および圧縮行程の開始時に交換される。それゆえピストンの膨張行程、つまりピストンの上死点から下死点への下降運動は非常に短く、燃焼時に発生するエネルギーは限定的にのみ利用可能である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る燃焼ガス交換（掃気）方法では従来技術とは異なり、ピストンの下死点から上死点への上昇運動（つまり圧縮行程において）が専ら上半分で終了することによって、膨張行程を圧縮行程よりもかなり長く構成できる。それによって、効率が向上する。シリンダ内部空間のジオメトリは効果的な掃気プロセスに関して大幅に改善されている。すなわち、ジオメトリが単純になったため、掃気の質が明らかに改善され、外気フローおよび排気フローの形成に関して費用のかかる措置を講じる必要がなくなった。
【００１３】
従来技術とは異なり、好適には燃焼ガス交換（掃気）はやはり、ピストンの下死点から上死点への上昇運動（つまり圧縮行程において）の上半分で開始する。さらに好適な構成では、シリンダ内部空間はガス交換（掃気）の間、ピストン軸に関して高さよりも幅が大きい。
【００１４】
個々の従属請求項には、本発明の適切なさらなる構成が記載されている。本発明の実施例については、以下に図を用いて詳細に説明するが、全体の発明思想が限定されることはない。
【００１５】
２サイクルエンジンにおける本発明に係るガス交換（掃気）方法の各ステップは、図１に左から右へ１から５の順で記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】２サイクルエンジンにおける本発明に係るガス交換（掃気）方法の各ステップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
参照符号２は、通常、コネティングロッドを介してクランクシャフトに連結されたピストンを示している。当該ピストンはシリンダ１内を上下に滑りながら移動し、シリンダヘッド１０に対して、体積を変化させながらシリンダ内部空間１１を密閉する。当該シリンダ内部空間１１には、吸気弁３によって制御された吸気管ならびに排気弁４によって制御された排気管が通じている。弁３および４は、それ自身知られた方法で、カムシャフトによって動作させられるが、４サイクルエンジンのカムシャフトとは異なり、クランクシャフトと同じ回転数で回転する。
【００１８】
吸気弁３を介して流入する未燃焼ガスもしくは外気を、可能な限り良好にシリンダ内部空間１１を貫流させるため、かつ、排気弁４が開放されている場合に、先行行程（図１の１番）で燃焼したガスの排気と多くは混合させずに、当該排気を可能な限り完全にシリンダ内部空間１１から強制排出するためには、特別な措置を講じなければならない。特別な措置としては、例えば過給システムによって吸気圧を上昇させることが考えられる。当該過給システムは排気ターボチャージャ、あるいはコンプレッサーとして構成され得るが、ここではこれ以上の説明を行わない。
【００１９】
このとき、エンジンの大きさに応じて、それぞれ複数の吸排気弁３，４をシリンダヘッド１０に設置することが可能であり、当該複数の吸排気弁によって、相応に広範囲で吸排気が行われる。
【００２０】
ＯＴはピストン２の上死点、ＵＴは下死点を示している。
【実施例１】
【００２１】
図１には本発明をより明確にするために、直径３２ｃｍのピストンの許容行程が４４ｃｍであるシリンダ１を有する２サイクルエンジンを例示した。
【００２２】
図１の１番は、膨張行程（矢印８）もしくはいわゆる爆発行程を示している。当該行程においては、ピストン２は上死点から下死点に移動し、吸排気弁３，４は閉止したままである。
【００２３】
図１の２番は下死点に位置するピストン２を示している。しかしながら矢印９は、ピストン２の下死点から上死点への上昇運動が開始するということを示しており、上昇運動９の間、排気弁４は開放されており（Ａ）、吸気弁３はいまだ閉止したままである。このとき、排気ガスはその圧力が背圧近くになるまで膨張する。
【００２４】
図１の３番は、シリンダ内部空間１１を区切るピストン２の上面を示したもので、このとき上昇運動９は上死点から９．２ｃｍの位置にある。すなわち、シリンダ内部空間は９．２ｃｍの高さを有する。当該位置において、ピストン２は吸気弁３を開放（Ｂ）する。つまり、ピストン２の下死点から上死点への上昇運動９が約２５％を残している位置は、下死点から上死点への上昇運動９（上死点から下死点への下降運動８も同様）が１８０°のクランク角を有するということを考えると、上死点から約５４°のクランク角に相当する良い近似であり、当該位置において吸気弁３は、すでに開放されている排気弁４と同じく開放される。圧力下で流入する外気もしくは未燃焼ガスは排気ガスを押し出し、部分的に未燃焼ガスと排気との混合が生じ、外気もしくは混合ガスの一部は排気弁を介して漏出する。外気フロー６と排気フロー７は、吸気弁６から排気弁７へ向かって、シリンダ内部空間１１の全幅に渡りＵ字のフローを形成する。
【００２５】
図１の４番は、上昇運動９を行うピストン２を示したもので、ピストン２の上面は上死点から７．２ｃｍの位置にある。すなわち、シリンダ内部空間１１は７．２ｃｍの高さを有する。当該位置において、ピストン２は排気弁４を閉止（Ｃ）する。つまり、ピストン２の下死点から上死点までの上昇運動を約１６％残した位置、上述の例と同様に上死点から約４８°のクランク角に相当する良い近似において、吸気弁３はいまだ開放されているが、排気弁４は閉止される。その結果、上昇した給気圧を受けた外気は流入を続け、シリンダ内部空間１１に充満する。いまだ開放されている吸気弁３を介して、予備圧縮されたガスがさらにシリンダ内に押し込められ、それによってシリンダでは強力な過給が生じる。
【００２６】
図１の５番は、上昇運動９を行うピストン２を示したもので、ピストン２の上面は上死点から４．２ｃｍの位置にある。すなわち、シリンダ内部空間１１は４．２ｃｍの高さを有する。ピストン２の当該位置において、吸気弁３も閉止（Ｄ）する。すなわち、ピストン２の下死点から上死点までの上昇運動を約１０％残した位置、上述の例と同様に上死点から約３６°のクランク角に相当する位置において、吸気弁３は再び閉止される。
【００２７】
図１右端の１番は、圧縮行程が実際に再開されるステップを示している。すなわち、吸気弁３は上死点の直前で閉止すると、ピストン２は、点火プラグあるいはディーゼル燃料の噴射によって、下死点で点火が行われるまでガスを圧縮し続ける。右端の１番では左端の１番と同じく、上死点から下死点への下降運動８が示されている。下降運動８が行われている間、吸排気弁３，４は閉止したままである。
【００２８】
これら全てのステップ、すなわち吸排気弁３，４の特別な制御は、外気フロー６を形成するのに資するものである。前記外気フロー６は短い時間で、つまり掃気に利用できるクランク角の領域内で、シリンダ１１内に存在する排気を、開放された排気弁４を介して、排気フロー７によって、排気管に押し出すことが可能である。
【００２９】
開示された実施例では、ガス交換（掃気）は全てシリンダ内部空間１１において行われる。当該シリンダ内部空間１１の全幅は常に３２ｃｍだが、高さは９．２ｃｍと７．２ｃｍとの間で変化している。つまり、シリンダ内部空間１１は、ガス交換（掃気）が行われている間、ピストン軸に関して常に高さよりも幅が大きい。
【００３０】
さらに、前記ガス交換（掃気）は、ピストン２の下死点から上死点への上昇運動９の上から３分の１の部分で開始し、終了する。
【００３１】
本発明のさらなる好適な実施例では、複数のセンサから成る制御回路と、少なくとも１つのアクチュエータとを用いて、吸気圧レベルに応じて排気圧レベルが制御される。
【００３２】
単純な構成では、前記エンジンには、吸気弁３の前および排気弁４の後に、圧力レベルを検知するためのセンサをそれぞれ少なくとも１つ有している、十分に知られた制御回路が備えられており、前記複数のセンサは、特性曲線の比較と制御回路とによって、アクチュエータと情報交換を行う。当該アクチュエータは、知られている方法で、制御プロセスによって作動可能である。つまり、実施例においては、圧力は掃気を一定に保つために、特定の大きさになるように制御される。
【００３３】
好適には、吸気圧レベルと排気圧レベルとの比は一定に保たれる。
【００３４】
アクチュエータとしては、吸気圧レベルを制御するための吸気弁３に向かうフローに配設される絞り弁、あるいは可変タービンジオメトリ、あるいは排気圧レベルを制御するための過給システムの排気逃し弁が使用可能である。
【００３５】
好適には、負荷制御は排気圧レベルの制御によって行われうる。負荷制御によって、エンジンの出力が半分の場合に、全負荷の場合と同じ圧縮比が有効となる。もちろん、排気圧レベルを制御するためのアクチュエータとして、排気管に絞り弁を使用することも可能である。
【００３６】
さらなる好適な実施例では、シリンダ１内部におけるエンジンの排気再循環（ＥＧＲ）は、吸気圧レベルに応じた排気圧レベルの制御によって影響を受ける可能性があるため、排気再循環（ＥＧＲ）は負荷制御あるいは燃料ガスの予熱に利用され、それによって、制御された排気圧レベルに応じて、高温の排気も意図的にシリンダ内部空間１１に残されることが可能である。
【００３７】
ガス交換（掃気）時には約４０％の排気がシリンダ内部空間１１に残存している。すなわち、外気フロー６によって掃気される排気フロー７は、排気全体積の約６０％を含んでいる。それゆえ、内部での排気再循環（ＥＧＲ）は、エンジン出力に関して、圧力レベル制御の影響を受ける可能性がある。このとき基準となるのは、排気ガス圧力の未燃焼ガス圧力に対する比である。上記の方法によって、掃気時の損失が低減される。
【符号の説明】
【００３８】
１  シリンダ
２  ピストン
３  吸気弁
４  排気弁
５  噴射ノズルもしくは点火装置
６  外気フロー
７  排気フロー
８  ピストンの上死点から下死点への下降運動
９  ピストンの下死点から上死点への上昇運動
１０  シリンダヘッド
１１  シリンダ内部空間
ＯＴ  上死点
ＵＴ  下死点
Ａ  排気弁の開放
Ｂ  吸気弁の開放
Ｃ  排気弁の閉止
Ｄ  吸気弁の閉止
【図１】
2009222060.tif 000003