JP2004225694A - ２サイクルエンジンおよびその作動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】必要とする構造空間をコンパクトにさせるような２サイクルエンジンを提供する。
【解決手段】燃料配量システム（１５）から燃料の供給を受けてクランクケース（４）内へ燃料を吸入させる燃料吸入部（１３）を別個に設ける。燃料配量システム（１５）は、絞り要素の位置および／またはエンジン回転数に依存して燃料を供給するための調整針（２１）を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、上下動するピストンによって画成されている燃焼室を形成したシリンダと、燃焼室から排ガスを排出させるための排気部と、燃焼用空気をクランクケースに供給するための空気通路とを備え、ピストンが、連接棒を介して、クランクケース内に回転可能に支持されているクランク軸を駆動させ、燃焼室がピストンの所定の位置で少なくとも１つの搬送通路を介してクランクケースと連通し、空気通路内に絞り要素が設けられている２サイクルエンジン、特にパワーチェーンソー、切断研削機等の手で操縦される作業機の２サイクルエンジン、およびその作動方法に関するものである。

特許文献１から知られている２サイクルエンジンは、燃料・空気混合気のための吸入部を有している。燃料・空気混合気は気化器内で調製される。補助的に、燃料をほとんど含んでいない空気のための吸入部が空気予備蓄積のために設けられている。気化器は、十分な量の燃料・空気混合気を供給できるようにするには、大きな流動横断面を設けねばならないので、比較的広い構造空間を必要する。また、気化器内に形成されるベンチュリー管も大きな構造空間を必要する。さらに、気化器は温度非臨界領域に配置されねばならない。

欧州特許公開第１１７６２９６Ａ１号公報

本発明の課題は、必要とする構造空間をコンパクトにさせるような２サイクルエンジンを提供すること、およびコンパクトな構造空間で２サイクルエンジンを作動させる方法を提供することである。

上記の課題は、本発明によれば、２サイクルエンジンにおいては、燃料配量システムから燃料の供給を受けてクランクケース内へ燃料を吸入させる燃料吸入部が別個に設けられ、燃料配量システムが、絞り要素の位置および／またはエンジン回転数に依存して燃料を供給するための手段を有していることによって解決される。

２サイクルエンジンには燃焼用空気と燃料とが別個に供給される。これにより空気通路を温度臨界領域(temperaturkritisch)に配置することができる。燃料は気化器で調製されるのではなく、燃料配量システムを介して滴形状で、またはエマルジョンとして供給される。燃焼用空気と燃料とを調製して燃料・空気混合気を形成する過程はまずクランクケース内で行なわれる。燃料配量システムは燃料を絞り要素の位置および／またはエンジン回転数に依存して配量し、気化器の場合に通常行なわれるように空気塊流を介して配量されない。燃料と燃焼用空気とを別個に供給することにより、燃料を供給するための制御時間と燃焼用空気を供給するための制御時間とを別個に設定することができる。これにより２サイクルエンジンの全負荷特性に好影響を与えることができる。さらに、従来の気化器において生じていたような、燃料配量システムによるバックノッキング作用が回避されている。

燃料配量システムが、調整装置と結合している燃料穴を有しているのが合目的である。燃料はクランクケースに滴形状でまたはエマルジョンとして供給されるので、燃料を燃料穴に微細に噴霧させる必要がない。これにより燃料穴は簡潔に構成されていてよく、調整装置内で支配的な圧力は、噴射ノズルで支配的な圧力に比べて低くてよい。燃料を配量するための前記手段が、燃料穴の自由横断面積を制御する調整針を有しているのが合目的である。これにより燃料配量システムの簡潔な構成が得られる。この場合、調整針の位置が絞り要素の位置と連係しているのが合目的である。簡単な連係を得るため、絞り要素は、スロットル軸により空気通路内に回転可能に支持されているスロットルバルブであり、スロットル軸は、円形とは異なる制御横断面を有し且つ調整針に作用する部分を有している。燃料配量システムは電磁弁を有しているのが有利である。

燃料穴は、燃料吸入部と連通している燃料通路に開口している。燃料通路は、燃料配量システムの上流側に、燃料の担体としての空気のための吸入部を有しているのが有利である。燃料通路を貫流する空気により、燃料が燃料穴から燃料吸入部を通ってクランクケース内へ達するよう保証される。この場合、燃料通路を貫流する空気の量は、空気通路を貫流する空気の量よりもかなり少ない。燃料通路は１つの小さな流動横断面を有しているにすぎないので、通路壁に沈積する燃料はごく少量である。これにより、回転数が急激に低下した場合の混合気濃化が回避されている。

燃料の吸入を空気の吸入とは独立に制御できるようにするため、燃料吸入部はダイヤフラム弁を介してクランクケースと連通している。他方、燃料吸入部が逆止弁を介してクランクケースと連通しているのも合目的である。燃料吸入部のスリット制御も有利である。これにより補助的な弁を設けずに済む。

空気通路は空気吸入部に開口し、空気吸入部は、ピストンの領域に位置するようにシリンダに配置され、且つピストンの所定の位置で少なくとも１つのピストン窓と少なくとも１つの搬送通路とを介してクランクケースと連通している。これにより、空気通路を通過する空気が搬送通路を掃気し、燃料をほとんど含まない空気予備蓄積を保証する。この場合、燃料・空気混合気用の吸入部が設けられていないため、吸入部と搬送通路とをシリンダの周囲の広い範囲にわたって配置することができる。この場合、ピストン窓がピストンの周囲の少なくとも１０%、特に４０%以上にわたって延びているのが合目的である。

空気通路がピストンの所定の位置で直接クランクケースに開口しているのが合目的である。これにより２サイクルエンジンに大量の燃焼用空気を供給することができる。

本発明は、２サイクルエンジンの作動方法にも関わり、すなわち燃料をほとんど含まない燃焼用空気を供給するための空気吸入部を備えた２サイクルエンジンの作動方法にも関わり、前記課題を解決するため、別個の燃料吸入部によりクランクケースに燃料を供給し、燃料と空気吸入部により供給された燃焼用空気とをクランクケース内で調製して燃料・空気混合気を形成させることを特徴とするものである。燃料・空気混合気をクランクケース内で調製することにより、別個の気化器を用いずに２サイクルエンジンを作動させることができ、或いは、構成が複雑な噴射ノズルを用いずに２サイクルエンジンを作動させることができる。燃料は滴状の形態で、またはエマルジョンとしてクランクケースに供給され、クランクケース内で熱いクランクケース壁に沈着する。クランクケース壁によって燃料は蒸発し、クランクケース内にある燃焼用空気と混合される。この場合燃料はクランクケースの好適な潤滑を保証する。

燃料を、担体としての空気によりクランクケースに供給するのが合目的である。２サイクルエンジンには全燃焼用空気の０%ないし２０%を燃料吸入部を通じて供給する。燃料吸入部を通じて供給される燃焼用空気の割合が少ないので、燃料吸入部を小さな流動横断面積で構成することが可能になり、その結果温度非臨界領域に配置されねばならない燃料吸入部に対しわずかな構造空間を必要とするにすぎない。これに対して、比較的大きな構造空間を必要とする空気流入部を温度臨界領域に配置することができるので、全体的に２サイクルエンジンはコンパクトな構造空間を必要とするにすぎず、既存の組み立て状況に好適に適合させることができる。

次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
図１に縦断面図で概略を図示した２サイクルエンジン１はシリンダ２を有している。シリンダ２内には燃焼室３が形成されている。燃焼室３からは排気部１０が出ている。燃焼室３はクランクケース４の方向へ上下動するピストン５によって画成されている。ピストン５は、連接棒６を介して、クランクケース４内に回転可能に支持されているクランク軸７を駆動する。連接棒６はクランクピン３４を介してピストン５に固定されている。クランクピン３４はピストン５に対称に設けられる２つのピストンアイ３１を貫通するように延びている。シリンダ２には燃料通路８が開口している。燃料通路８はピストン５が下死点の領域にあるときにピストン５によって閉鎖される。また燃料通路８はピストン５が上死点の領域にあるときに燃料吸入部１３を介してクランクケース４に開口する。

シリンダ２には空気吸入部１４を介して空気通路９が開口している。空気吸入部１４はシリンダ２の領域に配置されている。空気吸入部１４はピストン５の各位置で該ピストン５によって閉鎖されていてよいが、しかし特に大量の燃焼用空気を供給するために、ピストン５が所定の位置にあるときに空気吸入部１４は直接クランクケース４に開口する。クランクケース４と燃焼室３とは、ピストン５が所定の位置にあるときに、特にピストン５が下死点の領域にあるときに、搬送通路１１を介して互いに流動的に連通する。対称に配置される２つの搬送通路１１を設けるのが合目的であるが、他の数量の搬送通路１１を設けても合目的である。搬送通路１１はそれぞれ搬送窓１２によって燃焼室３に開口している。ピストン５はピストン窓３０を有している。ピストン窓３０はピストン胴部２９から半径方向内側へ延びている。ピストン５が所定の位置にあるとき、特に上死点の領域にあるとき、空気通路９は空気吸入部１４とピストン窓３０と搬送通路１１とを介してクランクケース４と連通している。

２サイクルエンジン１が作動すると、クランクケース４には燃料吸入部１３を介して燃料が供給される。ピストン５が上死点の領域にあるとき、クランクケース４には空気通路９とピストン窓３０と搬送通路１１とを介して燃焼用空気が供給される。ピストン５が上死点の領域にあるとき、空気通路９は直接クランクケース４に開口するので、補助的な燃焼用空気を供給する。クランクケース４に供給された燃料は、クランクケース４内で熱い壁に沈着し、そこから蒸発する。クランクケース４内の可動部材により燃料は細かい滴に分解される。このようにして燃料は、クランクケース４内で、空気通路９を通じて供給された燃焼用空気と調製されて燃料・空気混合気を形成する。ピストン５が下降行程に入ると、ピストン５の下死点の領域で搬送通路１１の搬送窓１２が燃焼室３に対し開口する。搬送通路１１を通じてまず、予め蓄積されていて燃料をほとんど含んでいない燃焼用空気が燃焼室３内へ流入する。燃料をほとんど含んでいない燃焼用空気により、クランクケース４から次に来る燃料・空気混合気が燃焼室３から来る排ガスとともに排気部１０を通じて燃焼室３から漏れるのを阻止する。ピストン５が上昇運動すると、燃焼室３内の燃料・空気混合気が圧縮され、ピストン５の上死点の領域で点火プラグ３５により点火される。ピストン５がクランクケース４の方向へ下降運動するときに排気部１０を開放させると、排ガスは排気部１０を通じて燃焼室３から流出し、燃焼用空気と燃料・空気混合気が搬送通路１１を通じて燃焼室３内へ入ってくる。

燃料通路８は、図２に概略を図示した燃料配量システム１５から燃料の供給を受ける。燃料配量システム１５はポンプ１６を有し、ポンプ１６は弁１７を介して制御室１８に燃料を供給する。制御室１８は燃料管２２を介して、調整くさび２０に形成された燃料穴１９と連通している。制御室１８の代わりに他の制御装置を使用してもよい。図２に概略を図示した調整くさび２０内には調整針２１が突出している。調整針２１は、燃料通路８の縦中心軸線３３の方向へ変位するときに燃料穴１９の自由横断面積を変化させる。このように、調整針２１が縦中心軸線３３の方向へ変位することにより、２サイクルエンジン１に供給される燃料の量を変化させることができる。燃料穴１９は燃料通路８に対し燃料を連続的に供給する。

空気通路９内にはスロットルバルブ２３が配置されている。スロットルバルブ２３はスロットル軸２４により空気通路９内で回動可能に支持されている。スロットルバルブ２３の代わりに他の絞り要素を使用してもよい。図２においてスロットルバルブ２３は全負荷位置で図示されている。この全負荷位置においては、スロットルバルブ２３は空気通路９の長手方向に延びており、空気通路９の流動横断面積をほとんど阻害しない。スロットル軸２４は制御横断面３２を有しており、制御横断面３２は平坦部２５を有している。制御横断面３２は半円状に形成されているが、他の形状の制御横断面でもよい。図２に図示した全負荷位置の場合、平坦部２５は空気通路９の縦中心軸線４０に対し垂直に延びている。燃料配量システム１５の調整針２１は平坦部２５に当接している。スロットル軸２４が回転すると、調整針２１は制御横断面３２によって燃料通路８の縦中心軸線３３の方向へ移動する。したがって、調整針２１の位置はスロットルバルブ２３の位置に関連している。燃料が燃料配量システム１５から空気通路９内へ達することがないようにするため、燃料配量システム１５には、燃料通路８を周囲に対し密封するパッキン３６と３７が配置されている。空気通路９と燃料通路８とはそれぞれ、概略を図示したフランジ４２を介して２サイクルエンジン１に開口している。この場合、空気通路９と燃料通路８とが別個のフランジ４２を有し、それぞれのフランジ４２に燃料吸入部１３または空気吸入部１４を形成するのが合目的である。

図３はスロットルバルブ２３を閉弁位置（アイドリング位置）で図示したものである。この位置でスロットルバルブ２３は空気通路９の流動横断面を十分に閉鎖する。調整針２１は流動横断面３２によって空気通路９の縦中心軸線４０の方向へ変位しており、その結果調整針２１の尖端３８は調整くさび２０を、よってこの調整くさび２０に開口している燃料穴１９を十分に閉鎖している。このようにして、わずかな量の燃料だけが燃料穴１９を通じて燃料通路８内へ達する。スロットルバルブ２３の位置により、空気通路９を通じて燃焼用空気が２サイクルエンジン１に達することはなく、達しても非常にわずかな量である。

調整針２１の位置をエンジン回転数に関連づけてもよい。特に、調整針２１の位置は絞り要素（特にスロットルバルブ２３）の位置とエンジン回転数とに関連している。燃料配量システムが電磁弁を有しているのが有利であり、このようにすると、関連づけを機械的に行なう代わりに、電気的に行なうことができる。図２と図３に図示した実施形態では、図１に図示したように燃料通路８はピストン５の領域に開口しており、ピストン５によってスリット制御されている。

図４に図示した燃料配量システム１５の実施形態では、燃料通路８はダイヤフラム弁２６を介してクランクケース４に開口している。したがって、燃料通路８とクランクケース４との連通は圧力に依存して制御されている。ダイヤフラム弁２６は、図４において開口状態で図示したダイヤフラム２８を有している。ダイヤフラム弁２８の閉弁状態では、ダイヤフラム２８は密封座３９に当接する。図４に図示した実施形態の場合、燃料通路８は燃料の担体としての空気のために吸入部４１を有している。吸入部４１は空気通路９と連通している。吸入部４１をエアフィルタの清浄側に配置してもよい。いずれにしろ、吸入部４１は燃料配量システム１５の上流側に位置するように燃料通路８内に配置するのが合目的である。燃料通路８の流動横断面積は小さいので、燃料通路８を通過する燃焼用空気は、２サイクルエンジン１に供給される全燃焼用空気量の０%ないし２０%である。燃料通路８の流動横断面積は小さいので、燃料通路８の壁にはわずかな量の燃料が沈積するにすぎない。これにより、回転数が急激に低下した場合、クランクケース４内で形成される燃料・空気混合気が燃料過多になることが回避されている。燃料通路８を貫流する燃焼用空気は燃料の担体として用いられる。

図５に図示したように、ダイヤフラム弁２６の代わりに逆止弁２７を燃料通路８内に設けてもよい。この場合、ダイヤフラム弁２６または逆止弁２７は燃料がクランクケース４内に吸入される燃料吸入部１３の領域に配置するのが合目的である。

図６は空気通路９および燃料通路８の配置構成の概略図である。燃料通路８は空気通路９の側方に配置されており、より厳密には、空気通路９に対しスロットル軸２４の方向へずらして配置されている。したがってスロットル軸２４は空気通路９の縦中心軸線４０および燃料通路８の縦中心軸線３３と交差している。スロットル軸２４は燃料通路８の領域に制御横断面３２を有している。

図７はシリンダ２およびピストン胴部２９の展開図である。シリンダ２はその周囲に排気部１０と、２つの搬送窓１２と、クランクケース４の方向において搬送窓１２に対向している空気吸入部１４とを有している。空気吸入部１４は周方向に見て両搬送窓１２の間に配置されている。吸入窓１４の幅ｂは、周方向に見た両搬送窓１２巻の間隔ｃよりも大きく、その結果側方に重合領域ａが形成されている。ピストン胴部２９にはピストン窓３０が形成されている。ピストン窓３０はピストン５の周囲の少なくとも１０%、合目的には少なくとも３０%、特に少なくとも４０%にわたって延びているのが有利である。有利には、ピストン窓３０が周方向においてピストン５の周囲のほぼ５０%にわたって延びているのがよい。ピストン窓３０はピストンアイ３１に対しクランクケース４の方向にずらして配置されている。またピストン窓３０は長方形に形成されているが、他の形状でも有利である。複数個のピストン窓、有利には２つのピストン窓を設けるのも合目的である。ピストン５が燃焼室３の方向へ運動すると、ピストン窓３０は空気吸入部１４と搬送窓１２とをかすめ、空気吸入部１４と搬送通路１１とを流動的に結合させる。したがって燃焼用空気は空気吸入部１４と、ピストン窓３０と、搬送通路１１とを通ってクランクケース４内へ流入することができる。燃料・空気混合気用の吸入部は設けられていないので、空気吸入部１４と搬送窓１２とは大きな流動横断面を有することができ、その結果十分な量の燃焼用空気がクランクケース４へ供給されることが保証されている。

２サイクルエンジンの概略図である。 全負荷位置にある燃料配量システムをも併せて示した空気通路と燃料通路の概略図である。 図２のシステムをアイドリング位置で示した図である。 燃料通路内にダイヤフラム弁を備えた図３のシステムを示す図である。 燃料通路内に逆止弁を備えた図３のシステムを示す図である。 燃料通路と空気通路の配置構成図である。 シリンダとピストンの展開図である。

符号の説明

１ ２サイクルエンジン
２ シリンダ
３ 燃焼室
４ クランクケース
５ ピストン
６ 連接棒
７ クランク軸
８ 燃料通路
９ 空気通路
１０ 排気部
１１ 搬送通路
１３ 燃料吸入部
１５ 燃料配量システム
１９ 燃料穴
２１ 調整針
２３ スロットルバルブ
２４ スロットル軸
２６ ダイヤフラム弁
２７ 逆止弁
３２ 制御横断面
４１ 吸入部

Claims (17)

1. 上下動するピストン（５）によって画成されている燃焼室（３）を形成したシリンダ（２）と、燃焼室（３）から排ガスを排出させるための排気部（１０）と、燃焼用空気をクランクケース（４）に供給するための空気通路（９）とを備え、ピストン（５）が、連接棒（６）を介して、クランクケース（４）内に回転可能に支持されているクランク軸（７）を駆動させ、燃焼室（３）がピストン（５）の所定の位置で少なくとも１つの搬送通路（１１）を介してクランクケース（４）と連通し、空気通路（９）内に絞り要素が設けられている２サイクルエンジンにおいて、
   燃料配量システム（１５）から燃料の供給を受けてクランクケース（４）内へ燃料を吸入させる燃料吸入部（１３）が別個に設けられ、燃料配量システム（１５）が、絞り要素の位置および／またはエンジン回転数に依存して燃料を供給するための手段を有していることを特徴とする２サイクルエンジン。
2. 燃料配量システム（１５）が、調整装置と結合している燃料穴（１９）を有していることを特徴とする、請求項１に記載の２サイクルエンジン。
3. 燃料を配量するための前記手段が、燃料穴（１９）の自由横断面積を制御する調整針（２１）を有していることを特徴とする、請求項２に記載の２サイクルエンジン。
4. 調整針（２１）の位置が絞り要素の位置と連係していることを特徴とする、請求項３に記載の２サイクルエンジン。
5. 絞り要素が、スロットル軸（２４）により空気通路（９）内に回転可能に支持されているスロットルバルブ（２３）であり、スロットル軸（２４）が、円形とは異なる制御横断面（３２）を有し且つ調整針（２１）に作用する部分を有していることを特徴とする、請求項４に記載の２サイクルエンジン。
6. 燃料配量システム（１５）が電磁弁を有していることを特徴とする、請求項１または２に記載の２サイクルエンジン。
7. 燃料穴（１９）が、燃料吸入部（１３）と連通している燃料通路（８）に開口していることを特徴とする、請求項２から６までのいずれか一つに記載の２サイクルエンジン。
8. 燃料通路（８）が、燃料配量システム（１５）の上流側に、燃料の担体としての空気のための吸入部（４１）を有していることを特徴とする、請求項７に記載の２サイクルエンジン。
9. 燃料吸入部（１３）がダイヤフラム弁（２６）を介してクランクケース（４）と連通していることを特徴とする、請求項２から８までのいずれか一つに記載の２サイクルエンジン。
10. 燃料吸入部（１３）が逆止弁（２７）を介してクランクケース（４）と連通していることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一つに記載の２サイクルエンジン。
11. 燃料吸入部（１３）がスリット制御されていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一つに記載の２サイクルエンジン。
12. 空気通路（９）が空気吸入部（１４）に開口し、空気吸入部（１４）が、ピストン（５）の領域に位置するようにシリンダ（２）に配置され、且つピストン（５）の所定の位置で少なくとも１つのピストン窓（３０）と少なくとも１つの搬送通路（１１）とを介してクランクケース（４）と連通していることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つに記載の２サイクルエンジン。
13. ピストン窓（３０）がピストン（５）の周囲の少なくとも１０%、特に４０%以上にわたって延びていることを特徴とする、請求項１２に記載の２サイクルエンジン。
14. 空気通路（９）がピストン（５）の所定の位置で直接クランクケース（４）に開口していることを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか一つに記載の２サイクルエンジン。
15. ２サイクルエンジン（１）の作動方法であって、２サイクルエンジン（１）が、上下動するピストン（５）によって画成されている燃焼室（３）を形成したシリンダ（２）を有し、ピストン（５）が、クランクケース（４）内に回転可能に支持されているクランク軸（７）を駆動させ、２サイクルエンジン（１）が、燃料をほとんど含んでいない燃焼用空気のための空気吸入部（１４）を有している構成の前記２サイクルエンジン（１）の作動方法において、
    別個の燃料吸入部（１３）を介してクランクケース（４）に燃料を供給し、燃料と空気吸入部（１４）により供給された燃焼用空気とをクランクケース（４）内で調製して燃料・空気混合気を形成させることを特徴とする作動方法。
16. 燃料を、担体としての空気によりクランクケース（４）に供給することを特徴とする、請求項１５に記載の作動方法。
17. 全燃焼用空気の０%ないし２０%を燃料吸入部（１３）を通じて２サイクルエンジン（１）に供給することを特徴とする、請求項１５または１６に記載の作動方法。

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