特許 7105160 層状掃気エンジン及び携帯型作業機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-07-13

(45)【発行日】2022-07-22

(54)【発明の名称】層状掃気エンジン及び携帯型作業機械

(51)【国際特許分類】

   F02F 3/24 20060101AFI20220714BHJP

   F02B 25/06 20060101ALI20220714BHJP

   F02F 1/22 20060101ALI20220714BHJP

   F16J 1/09 20060101ALI20220714BHJP

【ＦＩ】

F02F3/24

F02B25/06

F02F1/22 A

F16J1/09

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2018180728

(22)【出願日】2018-09-26

(65)【公開番号】P2020051319

(43)【公開日】2020-04-02

【審査請求日】2021-04-15

(73)【特許権者】

【識別番号】509264132

【氏名又は名称】株式会社やまびこ

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】特許業務法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山口 史郎

(72)【発明者】

【氏名】白井 健

(72)【発明者】

【氏名】磯貝 鉄也

【審査官】菅野 京一

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２１９００７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００５－２２０７４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０３６４３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００５／００４５１２４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】実開昭５１－０３３６１５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００１－３２３８１６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｆ １／００，３／００

Ｆ０２Ｂ ２５／０６

Ｆ１６Ｊ １／０９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリンダボアが形成されたシリンダと、前記シリンダボアに往復移動可能に収容されたピストンとを備え、前記シリンダボアに開口した先導空気の吸入用の吸気ポート及び燃焼ガスの掃気用の掃気ポートが前記シリンダに形成された層状掃気エンジンであって、
前記ピストンの外周面には、前記吸気ポートから前記掃気ポートに先導空気を導くピストン溝が形成されており、
前記ピストン溝の底面には、前記吸気ポート側に凹部が形成され 、
前記ピストン溝の底面と前記ピストンの外周面との一対の境界のうち、前記吸気ポート側の一方の境界を起点にし、当該起点から所定範囲に前記凹部が形成され、
前記凹部の最も深い最深部が前記一方の境界寄りに形成され、
前記凹部は、前記最深部から前記一方の境界に向かう立ち上がり角度が急勾配の立壁面と、前記最深部から他方の境界側に向かう立ち上がり角度が緩勾配の斜面とを有する ことを特徴とする層状掃気エンジン。

【請求項2】

前記凹部の前記一方の境界から前記最深部までの深さが前記ピストンの直径の３．８％以上、１０．４％以下であることを特徴とする請求項１に記載の層状掃気エンジン。

【請求項3】

前記吸気ポートは一対の吸気ポートであり、
前記掃気ポートは前記一対の吸気ポートに対応した少なくとも一対の掃気ポートであり、
前記ピストン溝は前記一対の吸気ポートに対応した一対のピストン溝であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の層状掃気エンジン。

【請求項4】

前記一対の吸気ポートの下方で前記シリンダボアに開口した混合気の吸入用の混合気ポートが前記シリンダに形成されており、
前記ピストンの外周面は、前記一対のピストン溝の間が前記混合気ポートを遮蔽する平面視円弧上の遮蔽面になっており、
前記遮蔽面の弦の長さよりも前記一対のピストン溝の凹部の対向間隔が狭く形成されたことを特徴とする請求項３に記載の層状掃気エンジン。

【請求項5】

前記掃気ポートは掃気通路を通じてクランク室に連通しており、
前記掃気通路は、側面視で前記クランク室から前記シリンダボアに向かうに従って前記吸気ポートに近づくように傾斜することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の層状掃気エンジン。

【請求項6】

請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の層状掃気エンジンと、
前記層状掃気エンジンによって駆動される作業機構とを備えたことを特徴とする携帯型作業機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、層状掃気エンジン及びこれを備えた携帯型作業機械に関する。

【背景技術】

【0002】

２サイクルエンジンは、パワーブロワー、刈払機、チェンソー等の携帯型作業機械に多用されている。２サイクルエンジンには、クランク室と燃焼室を繋ぐ掃気通路が形成されている。クランク室の混合気が掃気通路を通じて燃焼室に送られ、混合気によって燃焼室の排ガスが掃気される。この種の２サイクルエンジンは、排気ガスエミッションの低減、特に混合気（新気）の吹き抜け成分であるＴＨＣ（Total Hydro Carbon）の低減が求められている。このため、先導空気とこれに続く混合気が燃焼室に層状に流入することで、混合気の吹き抜けを抑える層状掃気エンジンが実用化されている。

【0003】

層状掃気エンジンでは、ピストンの外周面にピストン溝が形成されており、ピストン溝によって吸気ポートから掃気通路の出口である掃気ポートに先導空気が導かれる。掃気通路の下流側の掃気ポートから先導空気が流れ込み、掃気通路の上流側からクランク室の混合気が流れ込んで、下流側の先導空気から燃焼室に流入して燃焼ガスが掃気される。層状掃気エンジンでは、ピストンの上昇時には吸気ポートで吸引された先導空気がピストン溝から掃気ポートに送られるが、ピストン溝の底面がなだらかな曲面であるため、ピストンの下降時には掃気ポートからピストン溝に先導空気が戻って吸気ポートに対する吹き返しが生じる。

【0004】

そこで、層状掃気エンジンとして、吸気ポートへの先導空気の吹き返しを抑えるものが提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。特許文献１に記載の層状掃気エンジンには、ピストン溝の底面から部分的に突出した凸部が設けられている。ピストン溝の凸部は、ピストン溝の延在方向の略中間位置で、掃気ポートから吸気ポートに向かう先導空気を部分的に遮るように突出している。これにより、掃気ポートからの戻りの先導空気が凸部で部分的に遮られ、先導空気の一部がピストン溝内で滞留されることで吸気ポートへの吹き返しが低減される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第４２８６６７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１に記載の層状掃気エンジンは、ピストン溝の底面から凸部が突出しているため、吸気ポートへの先導空気の吹き返しだけでなく、吸気ポートから掃気ポートへの先導空気の導入時も先導空気が遮られる。よって、先導空気の吹き返しを抑えることができるが、先導空気を掃気ポートにスムーズに導くことができない。先導空気の減少によって混合気の吹き抜けを抑えることができず、ＴＨＣを十分に低減することができないという問題があった。

【0007】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＴＨＣを十分に低減することができる層状掃気エンジン及び携帯型作業機械を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記の目的を達成すべく、本発明に係る層状掃気エンジンは、シリンダボアが形成されたシリンダと、前記シリンダボアに往復移動可能に収容されたピストンとを備え、前記シリンダボアに開口した先導空気の吸入用の吸気ポート及び燃焼ガスの掃気用の掃気ポートが前記シリンダに形成された層状掃気エンジンであって、前記ピストンの外周面には、前記吸気ポートから前記掃気ポートに先導空気を導くピストン溝が形成されており、前記ピストン溝には、前記吸気ポート側に凹部が形成されたことを特徴としている。

【0009】

好ましい態様では、前記凹部は、前記ピストン溝の底面の前記吸気ポート側に形成されている。

【0010】

別の好ましい態様では、前記ピストン溝の底面と前記ピストンの外周面との一対の境界のうち、前記吸気ポート側の一方の境界を起点にし、当該起点から所定範囲に前記凹部が形成されている。

【0011】

別の好ましい態様では、前記凹部の最も深い最深部が前記一方の境界寄りに形成されている。

【0012】

別の好ましい態様では、前記凹部は、前記最深部から前記一方の境界に向かう立ち上がり角度が急勾配の立壁面と、前記最深部から他方の境界側に向かう立ち上がり角度が緩勾配の斜面とを有している。

【0013】

別の好ましい態様では、前記凹部の前記一方の境界から前記最深部までの深さが前記ピストンの直径の３．８％以上、１０．４％以下である。

【0014】

別の好ましい態様では、前記吸気ポートは一対の吸気ポートであり、前記掃気ポートは前記一対の吸気ポートに対応した少なくとも一対の掃気ポートであり、前記ピストン溝は前記一対の吸気ポートに対応した一対のピストン溝である。

【0015】

別の好ましい態様では、前記一対の吸気ポートの下方で前記シリンダボアに開口した混合気の吸入用の混合気ポートが前記シリンダに形成されており、前記ピストンの外周面は、前記一対のピストン溝の間が前記混合気ポートを遮蔽する平面視円弧上の遮蔽面になっており、前記遮蔽面の弦の長さよりも前記一対のピストン溝の凹部の対向間隔が狭く形成されている。

【0016】

別の好ましい態様では、前記掃気ポートは掃気通路を通じてクランク室に連通しており、前記掃気通路は、側面視で前記クランク室から前記シリンダボアに向かうに従って前記吸気ポートに近づくように傾斜している。

【0017】

本発明に係る携帯型作業機械は、上記の層状掃気エンジンと、前記層状掃気エンジンによって駆動される作業機構とを備えている。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、ピストン溝の吸気ポート側に凹部が形成されているため、吸気ポートからピストン溝に向かう先導空気は凹部に入り込み難く、掃気ポートからピストン溝に戻る先導空気は凹部に入り込み易い。よって、吸気ポートから掃気ポートに向かう先導空気の流れが凹部で邪魔されることなく、掃気ポートに対して先導空気を十分に送り込むことができる。また、掃気ポートから吸気ポートに戻る先導空気の一部が凹部に入り込んで渦流を発生させ、この渦流によってピストン溝内の気圧が高められて吸気ポートへの先導空気の吹き返しが抑えられている。このように、掃気ポートにスムーズに先導空気が送り込まれると共に、吸気ポートへの先導空気の吹き返しが抑えられることで、掃気用の先導空気が確保されてＴＨＣが十分に低減される。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本実施形態の層状掃気エンジンの斜視図。

【図2】本実施形態の層状掃気エンジンの横断面図。

【図3】本実施形態のピストンの斜視図。

【図4】本実施形態のピストンの横断面図。

【図5】比較例のピストン溝の先導空気の流れを示す図であり、図５Ａは吸気ポートから掃気ポートに向かう先導空気の流れ、図５Ｂは掃気ポートから吸気ポートに戻る先導空気の流れをそれぞれ示している。

【図6】本実施形態のピストン溝の先導空気の流れを示す図であり、図６Ａは吸気ポートから掃気ポートに向かう先導空気の流れ、図６Ｂは掃気ポートから吸気ポートに戻る先導空気の流れをそれぞれ示している。

【図7】パワーピーク時の各仕様を示すグラフであり、図７ＡはＴＨＣ濃度、図７ＢはＴＨＣ量、図７Ｃはエンジン出力、図７Ｄは燃費をそれぞれ示している。

【図8】給気比と給気効率の関係を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

【0021】

［層状掃気エンジン１０の全体構成］
図１は本実施形態の層状掃気エンジンの斜視図であり、図２は本実施形態の層状掃気エンジンの横断面図である。

【0022】

図１及び図２に示すように、層状掃気エンジン１０は、２サイクルエンジンの一種であり、先導空気に続けて混合気が燃焼室２２に層状に流入することで、先導空気で燃焼ガスを掃気して未燃焼ガス（混合気）の吹き抜けを防止している。層状掃気エンジン１０は、クランクケース（不図示）上にシリンダ２０が取り付けられ、シリンダ２０に形成されたシリンダボア２１にピストン３０が往復移動可能に収容されている。シリンダ２０の内壁面（シリンダボア２１の内壁面）とピストン３０の冠面とによって、シリンダ２０内にはピストン３０の往復動によって容積が変化する燃焼室２２が形成されている。

【0023】

クランクケースにはクランク室（不図示）が形成されており、クランク室と燃焼室２２はピストン３０によって仕切られている。ピストン３０の外周面３１には先導空気の通り道となる一対のピストン溝３２が形成されている（後で詳述）。また、ピストン３０の外周面３１にはピン孔３３が形成されており、ピン孔３３に挿入されたピストンピン（不図示）によってコネクティングロッド（不図示）を介してクランクシャフト（不図示）に連結される。クランクシャフトには、携帯型作業機械の作業機構が連結され、ピストン３０からの往復動がクランクシャフトを通じて作業機構に伝達されている。

【0024】

シリンダボア２１には、先導空気の吸入用の一対の吸気ポート２３、混合気の吸入用の混合気ポート２４、燃焼ガスの排気用の排気ポート２５（図２参照）、燃焼ガスの掃気用の掃気ポート２６ａ、２６ｂが開口している。一対の吸気ポート２３はシリンダ２０の吸気側に形成され、混合気ポート２４は一対の吸気ポート２３の下方に形成されている。排気ポート２５は、ピストン３０を挟んで吸気ポート２３に対向する排気側に形成されている。掃気ポート２６ａ、２６ｂは、吸排気方向に直交する左右方向で、ピストン３０を挟んだ対向位置に形成されている。掃気ポート２６ａは吸気側に位置し、掃気ポート２６ｂは排気側に位置している。

【0025】

各掃気ポート２６ａ、２６ｂは、各掃気通路２７ａ、２７ｂを通じてクランク室に連通している。一対のピストン溝３２は一対の吸気ポート２３及び掃気ポート２６ａ、２６ｂに対応するように形成されており、一対のピストン溝３２を通じて一対の吸気ポート２３で取り込まれた先導空気が掃気ポート２６ａ、２６ｂに導かれる。ピストン３０の外周面３１のピストン溝３２以外の箇所は各ポート及び通路を遮蔽する遮蔽面になっており、ピストン３０の往復動によって一対の吸気ポート２３、混合気ポート２４、排気ポート２５、掃気ポート２６ａ、２６ｂが開閉される。

【0026】

このような層状掃気エンジン１０では、ピストン３０が下死点から上死点に上昇する過程で、混合気ポート２４がクランク室に向けて開口すると共に、混合気ポート２４の上方の吸気ポート２３がピストン３０のピストン溝３２に連通する。続けて、ピストン溝３２が掃気ポート２６ａ、２６ｂに連通して、掃気ポート２６ａ、２６ｂから掃気通路２７ａ、２７ｂの下流側（燃焼室２２側）に先導空気が入り込むと共に、掃気通路２７ａ、２７ｂの上流側（クランク室側）にクランク室から混合気が入り込む。このため、掃気通路２７ａ、２７ｂの下流側に先導空気、上流側に混合気が充填されて、燃焼ガスの掃気時に先導空気から燃焼室２２内に流れ込むことで混合気の吹き抜けが抑えられている。

【0027】

［ピストン３０の構成］
図３は本実施形態のピストンの斜視図であり、図４は本実施形態のピストンの横断面図である。

【0028】

図３及び図４に示すように、ピストン３０の外周面３１の上端側には、シリンダボア２１内で気密性を保つための上下一対のピストンリング３５が装着されている。ピストン３０の外周面３１の下端側には、一対の吸気ポート２３から掃気ポート２６ａ、２６ｂに先導空気を導く一対のピストン溝３２が形成されている。ピストンリング３５と一対のピストン溝３２の間には、上記したようにピストンピンを介してコネクティングロッドに連結されるピン孔３３が形成されている。また、ピストン３０の内部は軽量化のために空洞に形成され、ピストンピンを支える部分等は部分的に補強されている。

【0029】

各ピストン溝３２は、吸気ポート２３側から排気側の掃気ポート２６ｂ側に向かって延在している。このため、外周面３１における一対のピストン溝３２の間隔が、ピストン３０の吸気側で狭く、ピストン３０の排気側で広く形成されている。ピストン３０の吸気側の外周面３１は一対のピストン溝３２の間が混合気ポート２４を遮蔽する遮蔽面３６になっており、ピストン３０の排気側の外周面３１は一対のピストン溝３２の間が排気ポート２５を遮蔽する遮蔽面３７になっている。各ピストン溝３２は、底面４１、上部側面４２、下部側面４３によってピストン３０の外周面３１に角形Ｕ字の溝形状に形成されている。

【0030】

一対のピストン溝３２の底面４１には、掃気ポート２６ａ、２６ｂへの先導空気の供給が邪魔にならないように一対の吸気ポート２３側にそれぞれ凹部４４が形成されている。凹部４４は、吸気ポート２３への先導空気の吹き返しを抑えるものであり、掃気ポート２６ａ、２６ｂからピストン溝３２に戻った先導空気に渦流Ｖ（図６Ｂ参照）を発生させる。詳細は後述するが、凹部４４によってピストン溝３２の吸気ポート２３側で渦流Ｖが生じることで、ピストン溝３２内の気圧が高められて吸気ポート２３への先導空気の吹き返しが抑えられる。

【0031】

一対の凹部４４の対向間隔は、平面視円弧上の遮蔽面３６の弦の長さよりも狭く形成されている。これにより、凹部４４はピストン溝３２の底面４１の吸気ポート２３側で部分的に深くなるような凹面形状に形成される。また、ピストン溝３２の底面４１とピストン３０の外周面３１との一対の境界４５ａ、４５ｂのうち、吸気ポート２３側の一方の境界４５ａを起点にし、当該起点から所定範囲に凹部４４が形成されている。図の例では、ピストン溝３２の底面４１の略半部に凹部４４が形成されている。これにより、吸気ポート２３により近接した位置に凹部４４が形成される。

【0032】

より詳細には、凹部４４の最も深い最深部４７が一方の境界４５ａ寄りに形成されている。また、最深部４７から一方の境界４５ａに向かう壁面は立ち上がり角度（約９０度）が急勾配の立壁面４８となり、最深部４７から他方の境界４５ｂ側に向かう壁面は立ち上がり角度（約３０度）が緩勾配の斜面４９となっている。ここでいう急勾配および緩勾配の立ち上がり角度とは、最深部４７の接線方向（吸気ポート２３と排気ポート２５が対向する吸排気方向）に対する傾きの度合いを示している。凹部４４の斜面４９は、ピストン溝３２の底面４１になだらかに連なっており、掃気ポート２６ａ、２６ｂから吸気ポート２３に戻る先導空気のガイド面になっている。

【0033】

なお、本実施形態では、ピストン溝３２の底面４１に凹部４４が形成された一例について説明したが、この構成に限定されない。凹部４４はピストン溝３２の吸気ポート２３側に形成されていればよく、ピストン溝３２の底面４１、上部側面４２、下部側面４３の少なくともいずれかの吸気ポート２３側に形成されていてもよい。ピストン溝３２の底面４１に形成された凹部４４だけでなく、上部側面４２又は下部側面４３に形成された凹部４４でも、ピストン溝３２の吸気ポート２３側に渦流Ｖを発生させることが可能である。

【0034】

［ピストン溝３２内の先導空気の流れ］
まず、図５を参照して一般的なピストン溝である比較例を説明した後に、図６を参照して本実施形態について説明する。図５は、比較例のピストン溝内の先導空気の流れを示す図である。図６は、本実施形態のピストン溝内の先導空気の流れを示す図である。なお、図５Ａ及び図６Ａは吸気ポートから掃気ポートに向かう先導空気の流れを示し、図５Ｂ及び図６Ｂは掃気ポートから吸気ポートに戻る先導空気の流れを示している。

【0035】

図５Ａに示すように、比較例のピストン５０は、本実施形態のピストン３０とは一対のピストン溝５１の底面５２に凹部が形成されていない点で相違している。ピストン５０が上昇することで、一対の吸気ポート５３から一対のピストン溝５１を通じて掃気ポート５４ａ、５４ｂに先導空気が送り込まれる。これにより、掃気ポート５４ａ、５４ｂから入り込んだ先導空気で燃焼ガスが掃気されるため、混合気の吹き抜けを抑えることが可能である。しかしながら、図５Ｂに示すように、ピストン５０が下降することで、掃気ポート５４ａ、５４ｂから一対のピストン溝５１に先導空気が戻って吸気ポート５３への吹き返しが生じる。

【0036】

これに対し、図６Ａに示すように、本実施形態のピストン３０には、一対のピストン溝３２の底面４１の吸気ポート２３側に凹部４４が形成されている。この凹部４４は、破線Ｌに示す比較例のピストン溝５１の底面５２（図５Ａ参照）、すなわち流線形の底面よりも凹んでいる。ピストン３０が上昇することで、一対の吸気ポート２３から一対のピストン溝３２を通じて掃気ポート２６ａ、２６ｂに先導空気が送り込まれる。このとき、一方の境界４５ａから凹部４４に向かう立壁面４８が急勾配であるため、吸気ポート２３から凹部４４に先導空気が入り込み難くなり、一対の吸気ポート２３から掃気ポート２６ａ、２６ｂに向けて先導空気をスムーズに導くことができる。

【0037】

図６Ｂに示すように、ピストン３０が下降することで、掃気ポート２６ａ、２６ｂから一対のピストン溝３２に先導空気が戻る。このとき、戻りの先導空気の一部が凹部４４の斜面４９に沿って立壁面４８までガイドされ、立壁面４８に衝突することでピストン溝３２の凹部４４付近に渦流Ｖが発生する。渦流Ｖによってピストン溝３２内の吸気ポート２３側の気圧が高まることで、吸気ポート２３への先導空気の吹き返しが抑えられている。このように、掃気ポート２６ａ、２６ｂに先導空気がスムーズに送り込まれると共に、先導空気の吹き返しが抑えられることで、掃気用に先導空気が確保されてＴＨＣが十分に低減される。

【0038】

特に、本実施形態の掃気通路２７ａ、２７ｂは、側面視でシリンダ２０の下方のクランク室からシリンダボア２１に向かうに従って、吸気ポート２３に近づくように傾斜している（図１参照）。掃気通路２７ａ、２７ｂの傾斜によって、ピストン３０の上昇時にはピストン溝３２から掃気通路２７ａ、２７ｂに先導空気が吸入され易くなるが、ピストン３０の下降時には掃気通路２７ａ、２７ｂに充填された先導空気がピストン溝３２に戻り易くなる。このような掃気通路２７ａ、２７ｂであっても、ピストン溝３２の底面４１に形成された凹部４４で吸気ポート２３側に渦流Ｖが発生することで、吸気ポート２３への先導空気の吹き返しが抑えられる。

【0039】

また、層状掃気エンジン１０は、パワーブロワー、刈払機、チェンソー等の携帯型作業機械（不図示）に備えられている。携帯型作業機械には、層状掃気エンジン１０によって駆動されるファン、刈刃、ソーチェン等の作業機構が設けられている。作業機構は、層状掃気エンジン１０のクランクシャフト等の出力軸に連結され、シリンダ２０内のピストン３０の往復動によって駆動される。携帯型作業機械に上記の層状掃気エンジン１０が用いられることで、ＴＨＣが低減されて環境保全の要請に適合した携帯型作業機械を提供することができる。

【0040】

［実験例］
続いて、実験例について説明する。図７は、パワーピーク時の各仕様を示すグラフである。図８は、給気比と給気効率の関係を示すグラフである。なお、図７ＡはＴＨＣ濃度、図７ＢはＴＨＣ量、図７Ｃはエンジン出力、図７Ｄは燃費をそれぞれ示している。

【0041】

凹部の深さが０ｍｍ（凹部無し）、２ｍｍ、４ｍｍ、５．５ｍｍで直径５３ｍｍのピストンを用意して、ピストン毎にパワーピークのエンジン回転数で、ＴＨＣ濃度［ｐｐｍＣ］、ＴＨＣ量［ｇ／ｈ－ｋＷ］、エンジン出力［ｋＷ］、燃費［ｇ／ｈ］をそれぞれ測定した。そして、凹部無しのピストン使用時（図５参照）の測定値に対して、凹部の深さが２ｍｍ、４ｍｍ、５．５ｍｍのピストン使用時のＴＨＣ濃度、ＴＨＣ量、エンジン出力、燃費の測定値の増減率を算出した。なお、ここでいう、凹部４４の深さは、ピストン３０の一方の境界４５ａから凹部４４の最深部４７までの直線距離で示されるものとする（図４参照）。

【0042】

図７Ａに示すように、凹部の深さが２ｍｍ、４ｍｍ、５．５ｍｍのピストン使用時のＴＨＣ濃度が、凹部無しのピストン使用時のＴＨＣ濃度に対して、それぞれ約４．０％、約１０．０％、約７．０％減少した。図７Ｂに示すように、凹部の深さが２ｍｍ、４ｍｍ、５．５ｍｍのピストン使用時のＴＨＣ量が、凹部無しのピストン使用時のＴＨＣ量に対して、それぞれ約６．０％、約１７．０％、約１４．０％減少した。これにより、凹部を設けることでＴＨＣの低減量が多くなることが確認された。ただし、４ｍｍを超えるとＴＨＣの低減量が若干小さくなる。

【0043】

図７Ｃに示すように、凹部の深さが２ｍｍ、４ｍｍ、５．５ｍｍのピストン使用時のエンジン出力が、凹部無しのピストン使用時のエンジン出力に対して、それぞれ約１．０％、約１．０％、約０．５％増加した。これにより、凹部の深さが２ｍｍ－５．５ｍｍの範囲であればエンジン出力に影響しないことが確認された。図７Ｄに示すように、凹部の深さが２ｍｍ、４ｍｍ、５．５ｍｍのピストン使用時の燃費が、凹部無しのピストン使用時の燃費に対して、それぞれ約１．０％、約４．０％、約４．０％向上した。ただし、５．５ｍｍのピストン使用時の燃費は、４．０ｍｍのピストン使用時の燃費よりも僅かに低下した。これにより、凹部によって燃費が改善されることが確認された。以上から、凹部の深さは、ピストンの直径に対して、ＴＨＣを削減可能な３．８％以上、１０．４％以下が好ましく、ＴＨＣの削減量が多く燃費も向上する７．５％がより好ましい。

【0044】

図８に示すように、凹部無しのピストン使用時（図５参照）と凹部の深さが２ｍｍのピストン使用時の給気比に対する給気効率を比較した。この結果、凹部の深さが２ｍｍのピストン使用時の給気効率が、凹部無しのピストン使用時の給気効率よりも約０．７％向上することが確認された。なお、給気比は、１サイクルに供給された給気の質量を、排気量容積を占める給気の容積で割ったものである。給気比が大きくなるに従って高出力になることを示している。給気効率は、供給された給気の利用効率である。吸気効率が大きくなるに従って、混合気の吹き抜けが少なく、ＴＨＣが低減されることを示している。

【0045】

また、図示は省略するが、凹部無しのピストン使用時と凹部の深さが２ｍｍのピストン使用時で、先導空気による掃気時の層状効果を比較した。層状効果は、例えば、吹き抜け総量に対する混合気の吹き抜け量の割合を、吹き抜け総量に対する先導空気の吹き抜け量の割合で除算することで算出される。この結果、凹部の深さが２ｍｍのピストン使用時の層状効果が、凹部無しのピストン使用時の層状効果よりも約８％向上することが確認された。なお、層状効果は、掃気行程における先導空気量が多くなるほど高くなり、層状効果が高いほど先導空気の層が厚くなって混合気の吹き抜けが抑えられることを示している。

【0046】

以上説明したように、本実施形態の層状掃気エンジン１０においては、ピストン溝３２の吸気ポート２３側に凹部４４が形成されているため、吸気ポート２３からピストン溝３２に向かう先導空気は凹部４４に入り込み難く、掃気ポート２６ａ、２６ｂからピストン溝３２に戻る先導空気は凹部４４に入り込み易い。よって、吸気ポート２３から掃気ポート２６ａ、２６ｂに向かう先導空気の流れが凹部４４で邪魔されることなく、掃気ポート２６ａ、２６ｂに対して先導空気を十分に送り込むことができる。また、掃気ポート２６ａ、２６ｂから吸気ポート２３に戻る先導空気の一部が凹部４４に入り込んで渦流Ｖを発生させ、この渦流Ｖによってピストン溝３２内の気圧が高められて吸気ポート２３への先導空気の吹き返しが抑えられている。このように、掃気ポート２６ａ、２６ｂにスムーズに先導空気が送り込まれると共に、吸気ポート２３への先導空気の吹き返しが抑えられることで、掃気用の先導空気が確保されてＴＨＣが十分に低減される。

【0047】

なお、本実施形態では、ピストンの外周面に一対のピストン溝が形成される構成について説明したが、この構成に限定されない。ピストンの外周面には、単一のピストン溝が形成されていてもよいし、３つ以上のピストン溝が形成されていてもよい。

【0048】

また、本実施形態では、一対のピストン溝に対応して一対の吸気ポートを設けた構成について説明したが、この構成に限定されない。単一の吸気ポートが一対のピストン溝に連通してもよい。

【0049】

また、本実施形態では、ピストン溝の底面の吸気ポート側に単一の凹部が形成された構成について説明したが、この構成に限定されない。ピストン溝には吸気ポート側に複数の凹部が形成されてもよい。

【0050】

また、本実施形態では、４つの掃気ポートが設けられる構成について説明したが、この構成に限定されない。例えば、ピストンの外周面に単一のピストン溝が形成されている場合に、単一の掃気ポートが設けられてもよい。

【0051】

また、本実施形態では、ピストン溝の一方の境界から所定範囲に凹部が形成される構成について説明したが、この構成に限定されない。凹部がピストン溝の吸気ポート側に形成されていれば、ピストン溝の吸気ポート側に渦流を発生させることが可能である。

【0052】

また、本実施形態では、ピストン溝の底面の溝幅方向に一様に凹部が形成される構成について説明したが、ピストン溝の底面の溝幅方向の一部に凹部が形成されてもよい。

【0053】

なお、本実施の形態を説明したが、他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。

【0054】

また、本開示の技術は上記の実施の形態に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

【符号の説明】

【0055】

１０ 層状掃気エンジン
２０ シリンダ
２１ シリンダボア
２３ 吸気ポート
２４ 混合気ポート
２６ａ 掃気ポート
２６ｂ 掃気ポート
２７ａ 掃気通路
２７ｂ 掃気通路
３０ ピストン
３１ 外周面
３２ ピストン溝
３６ 遮蔽面
４１ 底面
４４ 凹部
４５ａ 境界
４５ｂ 境界
４７ 最深部
４８ 立壁面
４９ 斜面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】