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JP2876563B2 - ２サイクルディーゼルエンジン - Google Patents

２サイクルディーゼルエンジン

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Publication number
JP2876563B2
JP2876563B2 JP2201250A JP20125090A JP2876563B2 JP 2876563 B2 JP2876563 B2 JP 2876563B2 JP 2201250 A JP2201250 A JP 2201250A JP 20125090 A JP20125090 A JP 20125090A JP 2876563 B2 JP2876563 B2 JP 2876563B2
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JP
Japan
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crank chamber
crank
scavenging
amount
Prior art date
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JP2201250A
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English (en)
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JPH0486327A (ja
Inventor
明彦 大久保
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Yamaha Motor Co Ltd
Original Assignee
Yamaha Motor Co Ltd
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Publication date
Application filed by Yamaha Motor Co Ltd filed Critical Yamaha Motor Co Ltd
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Priority to EP91112916A priority patent/EP0469596B1/en
Priority to DE69124718T priority patent/DE69124718T2/de
Publication of JPH0486327A publication Critical patent/JPH0486327A/ja
Priority to US07/974,983 priority patent/US5251584A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP2876563B2 publication Critical patent/JP2876563B2/ja
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    • F02D13/028—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing during engine operation for two-stroke engines
    • F02D13/0284—Variable control of exhaust valves only
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    • F02B33/04—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps with simple crankcase pumps, i.e. with the rear face of a non-stepped working piston acting as sole pumping member in co-operation with the crankcase
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    • F02D2009/0291—Throttle control device for throttle being disposed in a two-stroke engine transfer passage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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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、２サイクルディーゼルエンジンに関する。
（従来の技術） ２サイクルディーゼルエンジンでは、エアクリーナを
介して吸入された空気のみを１次圧縮してこれを掃気ポ
ートを介して燃焼室に導入し、この燃焼室に導入された
空気を上昇するピストンによって２次圧縮し、この２次
圧縮によって高温となった燃焼室に燃料を噴射すること
によって燃料を自己着火せしめている。
ところで、斯かる２サイクルディーゼルエンジンで
は、吸気絞り弁により空気量を制御することなく燃焼室
への燃料噴射量を加減することで出力を制御しており、
この燃料噴射量によってエンジン負荷が決定される。こ
のため、吸入空気量はエンジン負荷に対して一定不変と
なり、空燃比はアイドリング運転時から全負荷運転時に
亘って広範囲に変化することとなる。
従って、燃料噴射量の少ない低・中負荷運転域におい
ては空気過剰率が過大となって燃料に対して酸素量が過
剰気味となる。このため、燃焼速度が速くなるととも
に、燃焼温度も高くなり、燃焼室内で窒素と酸素とが反
応し合って生成されるNOX（窒素酸化物）の排出量が増
加する不具合がある。
又、燃焼速度が速くなるため、ディーゼルエンジン特
有のノック音も大きくなり、エンジン騒音が大きくなる
という問題もある。
そこで、吸気通路に制御弁を設け、低・中負荷運転域
においてスロットル弁を絞ることによってクランク室へ
の空気の流入量を減らして掃気量を減少せしめ、以て低
・中負荷運転域における空気過剰率を適正に保って前記
問題の解決を図る試みがなされている。
（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記方法によれば、制御弁を絞る低・
中負荷運転域では、掃気ポートが開いている掃・排気行
程の後半においてクランク室の内圧が大きな負圧となる
ため、排気ガスの一部がクランク室へ逆流し、この逆流
した排気ガスによってクランク室内が汚染されるという
問題が生ずる。
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的
とする処は、低・中負荷運転域でのNOX通の有害成分の
排出量及びノック音の低減を図ることができるととも
に、排気ガスによるクランク室内の汚染を防ぐことがで
きる２サイクルディーゼルエンジンを提供することにあ
る。
（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明は、クランク角位相
差を有する複数の気筒を備え、各気筒のシリンダ側壁に
ピストンによって開閉される排気ポートと掃気ポートを
開口せしめるとともに、前記掃気ポートとクランク室を
連通せしめ、逆止弁を介して空気を導く吸気通路を各ク
ランク室に接続し、各気筒の燃焼室に燃料を噴射する噴
射する燃料噴射弁を配置して成る２サイクルディーゼル
エンジンにおいて、各気筒のクランク室を連通路で連通
するとともに、連通路には各気筒のクランク室同士の連
通、遮断する制御弁と、該制御弁を開閉駆動するアクチ
ュエータと、負荷に応じて前記アクチュエータの駆動を
制御する制御手段を設け、低・中負荷運転域において前
記制御弁を開くとともに、該制御弁の開度を負荷が小さ
い程大きくなるよう制御することを特徴とする。
（作用） 本発明によれば、空気過剰率が高くなる低・中負荷運
転域において制御弁を開くようにしたため、ピストンが
下降行程に入る或る気筒のクランク室に吸入された空気
の一部が連通路を介して他の気筒のクランク室（ピスト
ンが上昇行程に入って負圧が発生しているクランク室）
に流入し、その分新たにエンジン外から吸気通路を通っ
て流入する空気量が減り、当該気筒のクランク室に実質
的に導入される空気量が減って１次圧縮比が低下して該
気筒の掃気ポートが開いた後のクランク室から燃焼室へ
の掃気量が減少する。この結果、低・中負荷運転域での
空気過剰率及び燃料に対する酸素量が低下し、燃料の燃
焼速度及び燃焼温度が低く抑えられてNOX等の有害成分
の排出量及びノック音の低減が図られ、排気ガス中の微
粒子の総量が低減される。特に、低負荷において制御弁
の開度を大きくしたため、空気過剰率過大によるNOXの
増大を防ぐことができる。
又、掃・排気行程においてピストンが下死点に達した
後上昇過程に入ってクランク室が負圧になるが、本発明
のようにクランク角位相の異なる各気筒のクランク室を
連通路で連通すれば、クランク室には吸気通路のみでな
く、クランク角位相の異なる他のクランク室から連通路
を通って空気が供給されるために該クランク室の内圧が
大きな負圧となることがなく、排気ガスが掃気ポートか
らクランク室に逆流してクランク室を汚染することがな
くなる。
（実施例） 以下に本発明の実施例を添付図面に基づいて説明す
る。
第１図は本発明に係る２サイクルディーゼルエンジン
の断面図、第２図は第１図のII−II線断面図、第３図は
制御弁の駆動機構を示す第１図の矢視III方向の図、第
４図は各気筒の断面を同一平面上の表わした説明図、第
５図はクランク室の内圧変化をクランク角に対して示す
図、第６図は掃気量を減少させる運転領域を示す特性
図、第７図はエンジン負荷に対する掃気量の減少割合を
示す特性図、第８図、第９図及び第10図はエンジン負荷
に対する排気ガス中の微粒子の排出量を示す特性図、第
11図及び第12図は掃気量に対する各種有害成分の排出量
を示す特性図、第13図は制御手段（コントローラ）での
処理内容を示すフローチャートである。
第１図に示すエンジン１は２サイクル３気筒ディーゼ
ルエンジンであって、これはクランク角位相差を有する
３つの気筒を備え、クランクケース２内にはクランク軸
３が第１図の紙面垂直方向（第２図の左右方向）に長く
配されており、クランクケース２上にはシリンダブロッ
ク４及びシリンダヘッド５が連結されている。
そして、上記シリンダブロック４には３つのシリンダ
６…が前記クランク軸３の軸方向（第１図の紙面垂直方
向）に並設されており、各気筒のシリンダ６内に摺動自
在に嵌装されたピストン７はコンロッド８を介してクラ
ンク軸３上のクランクピン3aに連結されている。
又、第４図に示すように、シリンダ６にはシリンダヘ
ッド５とピストン７とで区画される燃焼室９が形成され
ており、シリンダヘッド５には各燃焼室９に連通する渦
室式の副燃焼室10…が形成されており、各副燃焼室10に
は燃料噴射弁11とグロープラグ12の各先端が臨んでい
る。
一方、シリンダブロック４には第４図に示すように各
気筒毎に掃気通路13が形成されており、各掃気通路13の
一端はクランクケース２内のクランク室15に開口してい
る。
又、シリンダブロック４には各気筒毎に主排気ポート
16と副排気ポート17が形成されており、これらの主、副
排気ポート16,17の各一端はシリンダ６の内面に開口
し、主排気ポート16の他端はシリンダブロック４の外方
に開口している。そして、副排気ポート17の一端は主排
気ポート16よりもシリンダヘッド５側に位置しており、
この副排気ポート17の他端は主排気ポート16内に開口し
ている。
更に、シリンダブロック４の副排気ポート17の中間部
に対応する位置には、この副排気ポート17と交差してク
ランク軸３の軸方向に延びる断面円形の貫通孔18が形成
されており、この貫通孔18には円柱状の排気制弁19が回
動可能に装着されている。
一方、前記クランクケース２には各気筒毎のクランク
室15に開口する排気口20が形成されており、各吸気口20
にはクランク室15に向かう空気の流れのみを許容するリ
ード弁21が設けれている。そして、各排気口20には吸気
マニホールド22が接続されており、排気マニホールド22
は不図示のエアクリーナに接続されている。
ところで、本実施例においては、各気筒のクランク室
15…は連通路23によって互いに連通されており、該連通
路23の各気筒に対応する分岐部23a…にはバタフライ形
の制御弁24…が設けられており、これらの制御弁24…は
第３図に示すステッピングモータ25によって同時に開閉
せしめられる。
即ち、第３図に示すように、各制御弁24の弁軸24aに
はアーム26の一端が結着されており、全アーム26…の他
端はロッド27,27によって連結されている。そして、ス
テッピングモータ25の出力軸に結着されたアーム28には
ロッド29の一端が連結されており、ロッド29の他端は第
３図中、肥立入端のアーム26の中間部に連結されてい
る。従って、ステッピングモータ25が駆動されてアーム
28が回動すると、ロッド29,27,27を介して全てのアーム
26…が同時に回動して全ての制御弁24…が同時に開閉せ
しめられる。
而して、前記ステッピングモータ25の制御は、エンジ
ンの１の運転状態を判断するコントローラ30（第１図参
照）によって行なわれる。即ち、コントローラ30はエン
ジン回転数がアイドリング時を含めた比較的低い領域に
あるとき、つまり、エンジン１の運転状態が第６図中、
Ａにて示す紙・中負荷運転領域にあるときには前記制御
弁24…を開き方向に制御する。
尚、第６図は全負荷運転時のエンジン回転数に対する
トルクの移り変りを示す性能性図であり、本実施例の場
合、上記運転領域Ａの境界線ａはトルクカーブとは無関
係にエンジン回転数が上昇するに従い下向きに傾斜して
いる。
次に、前記コントローラ30の動作を第13図に示すフロ
ーチャート参照しながら説明する。
エンジン１の運転中、コントローラ30にはエンジン１
の運転状態を示す３つのデータ、つまりエンジン回転数
S1、スロットル開度に対する燃料噴射量S2及び冷却水温
S3が入力され、コントローラ30はこれらのデータS1〜S3
に基づいてエンジン１の運転状態が前記低・中負荷運転
域Ａ（掃気量を減少させるべき領域）にあるか否かを判
断する。
上記判断の結果、エンジン１の運転状態が低・中負荷
運転域Ａにあれば、コントローラ30はそのときのエンジ
ン１の運転状態に最適な制御弁24…の開度を決定し、そ
れに応じた制御信号をステッピングモータ25に対して出
力する。
すると、ステッピングモータ25が駆動され、前述のよ
うに制御弁24…が同時に所定の開度になるまで開けられ
る。このように制御弁24…が開けられると各気筒のクラ
ンク室15…は連通路23を介して互いに連通状態となるた
め、或る気筒のクランク室15に吸入された空気の一部は
連通路23を経て他の気筒のクランク室15（内圧が低く差
圧が生じているクランク室）に流入し、この結果、当該
気筒のクランク室15に実質的に導入される空気の量が減
ってクランク室15から掃気通路13を経て燃焼室９に導入
される掃気の量が減少する。
ところで、一般にディーゼルエンジンでは、排気ガス
中の有害成分ばかりでなく、排気煙の濃度、つまりは排
気煙中の微粒子（Diesel Particulate）を如何にして減
らすが重要な問題となっており、従って、排気量を制限
すべき低・中負荷運転領域Ａの設定は排気煙に含まれる
微粒子との関連によって行なわれる。
即ち、排気ガス中の微粒子は、有機溶剤に不溶な物質
（DRY SOOT）と、可溶な物質（SOF:Soluble Organic Fr
action）とに大別され、上記DRY SOOTの主成分はカーボ
ンであり、SOFは未然の炭化水素が主成分である。
そして、一般的なディーゼルエンジンの場合、上記SO
FとDRY SOOTの排出特性は、第８図に示すようにエンジ
ン回転数を一定とした場合に、負荷が上がる程DRY SOOT
は増加する傾向を示し、逆にSOFは低減する傾向を示
す。
ここで、第８図中、Y1で示す低負荷運転域でのDRY SO
OTとSOFとの関係を調べると、低負荷運転領域では、燃
料噴射量が少なく、空気過剰率が過大となるため、第９
図に示すように掃気量を減少させてもDRY SOOTの増加は
穏やかであるとともに、SOFも或る領域までは徐々に減
少する傾向を示す。
このため、微粒子の総量（TOTAL）として見ると、掃
気量の低減割合を大きくしても、微粒子の総量は掃気量
を制御しない通常の場合（STD）の排出量以下に抑えら
れることになる。従って、低負荷運転領域での掃気量の
低減割合を大きく設定すべきである。
一方、第８図中、Y2で示す中負荷運転域では、燃料噴
射量の増大に伴って空気過剰率がそれ程大きくないた
め、掃気量を減少させると、第10図に示すようにSOF及
びDRY SOOTが共に増大する傾向を示し、特にDRY SOOTは
急激に増大する。このため、微粒子の総量も掃気量の減
少に応じて増大し、従って、中負荷運転域での掃気量の
低減割合は小さくすべきである。
以上の結果、第７図に示すように、掃気量は、エンジ
ン回転数を一定とした場合、排気煙中の微粒子の排出量
によって決まる或る負荷の値を境として減少するように
設定されるべきであり、この負荷域が第６図に示す境界
線ａで示される運転域Ａの上限値となる。
尚、第11図及び第12図は、前記Y1,Y2で示される運転
域でのNOXHC,COの排出量の移り変りをそれぞれ示してお
り、これら両図から明らかなように、掃気量を減少させ
た領域では微粒子と同様にNOX,HC,COが共に減少する傾
向を示す。
従って、従来は空気過剰率が過大となっていた低・中
負荷運転域Ａにおいて、前述のように制御弁24…を開き
方向に回動操作してクランク室15への吸入空気量を実質
的に減少させ、掃気ポート14が開かれた際にクランク室
15から掃気通路13を経て燃焼室９に流れ込む掃気の量を
少なく抑えると、燃焼ガスを燃焼室９から追い出す掃気
作用が不完全なものとなり、燃焼室９内には従来よりも
多くの既燃スが残留する。
而して、既燃ガス中には比熱の大きな成分が多く含ま
れているため、燃焼最高温度が低下するとともに、既燃
ガスは不活性ガスであるため、クランク室15から導かれ
た吸入空気が該既燃ガスによって希釈されてその酸素濃
度が低下する。この結果、低・中負荷運転域Ａでの空気
過剰率を積極的に低く抑えることができ、NOXの排出量
を少なく抑えることができる。これとともに、低・中負
荷運転域ＡではSOF及びDRY SOOTと同様に、HC及びCOの
排出量も減少する傾向にあり、上記NOXを低減すること
ができることと相俟って排気中の有害成分を確実に減ら
すことができる。
又、燃焼室９内の酸素濃度が低下すると、ノッキング
の発生が抑えられ、その分だけノック音も小さく抑えら
れてエンジン音が低減せしめられる。
更に、本実施例のように各気筒のクランク室15が連通
路23で連通すれば、各クランク室15の内圧は他の気筒の
クランク室15の内圧とのバランスによって掃気ポート14
が開いている間に大きな負圧となることがない。このこ
とを第５図に基づいて説明する。
第５図においてカーブP1は或る気筒（第１気筒）のク
ランク室15の内圧変化を、カーブP2は隣接する気筒（第
２気筒）のクランク室15の内圧変化をそれぞれ示す。
而して、第１気筒でピストン７が下降してクランク室
15において１次圧縮された空気の一部は第２気筒のクラ
ンク室15へと流出し、第１気筒のクランク室15の夏圧は
図中P1に示すように緩やかに上昇する。そして、第１気
筒の掃気ポート14が開くまでP1の圧力上昇は続き、掃気
ポート14が開くと掃気が始まり、愛１気筒のクランク室
15の圧力P1は図示のｂ点において低下し始める。
そして、第１気筒において排気ポート14が開く一方、
第２気筒においてはピストン７の下降が始まっており、
第２気筒のクランク室15の内圧は図中P2に示すように上
昇する。この第２気筒のクランク室15の内圧P2が上昇す
る過程において、この内圧P2が第１気筒のクランク室15
の内圧P1と一致する点ｃに達するまでは、第２気筒のク
ランク室15は第１気筒のクランクと室15から連通路23を
通して空気の供給を受ける一方、第１気筒のクランク室
15の内圧P1は掃気が慣性により続くために低下し続け、
図示のｃ点を過ぎて第２気筒のクランク室15の内圧P2よ
りも低下してしまう。
その後、第１気筒における掃気ポート14が開いている
期間においてピストン７が下死点から上昇に転ずるとク
ランク室15には負圧が発生するが、第２気筒のクランク
室15の内圧P2がｃ転を越えて更に上昇しているため、第
２気筒のクランク室15から連通路23を通して空気が第１
気筒のクランク室15に供給されることとなり、第１気筒
のクランク室15の内圧は大きな負圧とはならない。従っ
て、排気ガスが掃気ポート14からクランク室15に逆流し
てクランク室15内を汚染することができなくなる。
一方、コントローラ30が前記データS1〜S3に基づいて
エンジン１の運転状態が前記低・中負荷運転Ａ（掃気量
を減少させるべき領域）にないと判断した場合には、該
コントローラ30は制御弁24…を閉じるべき制御信号をス
テッピングモータ25に対して出力する。すると、ステッ
ピングモータ25が駆動され、制御弁24…同時に閉じら
れ、エンジン１は従来と同様に作動する。
次に、本発明の変更実施例を第14図に示すが、本実施
例では、クランクケース２に、各気筒の隣接するクラン
ク室15,15同士を連通する連通路23を一体に形成し、各
連通路23に制御弁24を設けており、斯かる構成を採って
も前記実施例にて得られたと同様の作用及び効果が得ら
れる。
（発明の効果） 以上の説明で明らかなように、本発明によれば、クラ
ンク角位相差を有する複数の気筒を備え、各気筒のシリ
ンダ側壁にピストンによって開閉される排気ポートと掃
気ポートを開口せしめるとともに、前記掃気ポートとク
ランク室を連通せしめ、逆止弁を介して空気を導く吸気
通路を各クランク室に接続し、各気筒の燃焼室に燃料を
噴射する噴射する燃料噴射弁を配置して成る２サイクル
ディーゼルエンジンにおいて、各気筒のクランク室を連
通路で連通するとともに、連通路には各気筒のクランク
室同士を連通、遮断する制御弁と、該制御弁を開閉駆動
するアクチュエータと、負荷に応じて前記アクチュエー
タの駆動を制御する制御手段を設け、低・中負荷運転域
において前記制御弁を開くとともに、該制御弁の開度を
負荷が小さい程大きくなるよう制御するため、低・中負
荷運転域でのNOX等の有害成分の排出量及びノック音の
低減を図ることができるとともに、排気ガスによるクラ
ンク室内の汚染を防ぐことができるという効果が得られ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る２サイクルディーゼルエンジンの
断面図、第２図は第１図のII−II線断面図、第３図は制
御弁の駆動機構を示す第１図の矢視III方向の図、第４
図は各気筒の断面を同一平面上に表わした説明図、第５
図はクランク室の内圧変化をクランク角に対して示す
図、第６図は掃気量を減少させる運転領域を示す特性
図、第７図はエンジン負荷に対する掃気量の減少割合を
示す特性図、第８図、第９図及び第10図はエンジン負荷
に対する排気ガス中の微粒子の排出量を示す特性図、第
11図及び第12図は掃気量に対する各種有害成分の排出量
を示す特性図、第13図は制御手段（コントローラ）での
処理内容を示すフローチャート、第14図は本発明の変更
実施例を示す２サイクルディーゼルエンジン底部の断面
図である。 １……２サイクルディーゼルエンジン、６……シリン
ダ、７……ピストン、10……副燃焼室（燃焼室）、11…
…燃料噴射弁、14……掃気ポート、15……クランク室、
16……主排気ポート（排気ポート）、17……副排気ポー
ト、21……リード弁（逆止弁）、22……吸気マニホール
ド（吸気通路）、23……連通路、24……制御弁、25……
ステッピングモータ（アクチュエータ）、30……コント
ローラ（制御手段）。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】クランク角位相差を有する複数の気筒を備
    え、各気筒のシリンダ側壁にピストンによって開閉され
    る排気ポートと掃気ポートを開口せしめるとともに、前
    記掃気ポートとクランク室を連通せしめ、逆止弁を介し
    て空気を導く吸気通路を各クランク室に接続し、各気筒
    の燃焼室に燃料を噴射する噴射する燃料噴射弁を配置し
    て成る２サイクルディーゼルエンジンにおいて、 各気筒のクランク室を連通路で連通するとともに、連通
    路には各気筒のクランク室同士を連通、遮断する制御弁
    と、該制御弁を開閉駆動するアクチュエータと、負荷に
    応じて前記アクチュエータの駆動を制御する制御手段を
    設け、低・中負荷運転域において前記制御弁を開くとと
    もに、該制御弁の開度を負荷が小さい程大きくなるよう
    制御することを特徴とする２サイクルディーゼルエンジ
    ン。
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