CN106014601B - 二冲程燃气发动机及该发动机用的燃料气体喷射系统 - Google Patents

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Abstract

一种二冲程燃气发动机及该发动机用的燃料气体喷射系统，具备：气缸及气缸盖；活塞，收容于气缸内，在其与气缸周壁及气缸盖之间划分出燃烧室；燃料气体喷射机构，向燃烧室喷射燃料气体；扫气端口，开设在气缸周壁上，在活塞位于下止点附近时向燃烧室内供给空气；燃料气体喷射时机控制机构，在活塞处于上升行程、且活塞位于上止点附近的跟前时通过燃料气体喷射机构喷射燃料气体，在活塞位于上止点附近时通过燃料气体喷射机构喷射燃料气体，燃料气体喷射机构具有在活塞位于上止点附近时向燃烧室喷射燃料气体的第一燃料气体喷射机构、与第一燃料气体喷射机构分开构成的在活塞位于上止点附近的跟前时向燃烧室喷射燃料气体的第二燃料气体喷射机构。

Description

二冲程燃气发动机及该发动机用的燃料气体喷射系统
本申请是申请日为2013年01月31日、申请号为201380015045.X、发明名称为“二冲程燃气发动机”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及二冲程燃气发动机。
背景技术
一直以来，公知一种燃气发动机，其以天然气等燃料气体为主燃料，以压燃性良好的轻油等燃料油为先导燃料，通过向高温气氛下的燃烧室内喷射该燃料油使其自发点火，从而使作为主燃料的燃料气体燃烧。
例如在专利文献1中，公开了一种以燃料气体等压燃性较差的十六烷值燃料为主燃料、以压燃性良好的燃料油为先导燃料的双燃料柴油发动机。该专利文献1的发动机具备设置于气缸盖的燃料气体喷射阀及先导燃料喷射阀，通过从该燃料气体喷射阀及先导燃料喷射阀朝向燃烧室喷射燃料气体及先导燃料，在高温的燃烧室内使先导燃料(燃料油)自发点火，由此使主燃料(燃料气体)燃烧。
另外，例如在专利文献2中，公开了一种以压燃性较差的燃料气体为主燃料、以压燃性良好的轻油、灯油等柴油机燃料为先导燃料的燃气发动机。该专利文献2的燃气发动机具备设置于气缸盖的吸气端口及柴油机燃料喷射装置、设置于气缸周壁的燃料气体喷射装置。而且，在活塞下降的吸入行程时从吸气端口向燃烧室导入空气，在从吸入行程后期到压缩行程后期之间的适当的时期从燃料气体喷射装置向燃烧室喷射燃料气体。而且，在活塞上升至上止点附近的时机从柴油机燃料喷射装置向燃烧室喷射柴油机燃料，通过柴油机燃料在燃烧室内自发点火，从而使作为主燃料的燃料气体燃烧。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本实开昭62-45339号公报
专利文献2：日本特开平6-137150号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在上述的专利文献1的发动机中，主燃料和先导燃料在上止点附近几乎同时地供给至燃烧室，因此喷射至燃烧室的主燃料没有搅拌的时间而直接燃烧。因此，该主燃料的燃烧方式为扩散燃烧。在扩散燃烧的情况下，与预混合燃烧的情况相比难以均匀燃烧，存在有在高温的燃烧区域内容易产生NOx(氮氧化物)的问题。
另外，上述的专利文献2的燃气发动机是为了增大吸入到燃烧室内的空气量而完成的发明。即，一直以来从吸气端口导入燃料气体和空气的混合气，相对于此，专利文献2的发明构从吸气端口仅吸入空气，并另行具备燃料气体喷射装置。而且，通过利用该燃料气体喷射装置与吸入行程错开时机地向燃烧室喷射燃料气体，从而增大从吸气端口吸入到燃烧室内的空气量，由此实现发动机输出的提高。
在上述专利文献2中，没有公开任何通过促进预混合化而抑制NOx(氮氧化物)的产生的技术思想。
本发明是鉴于上述这样的现有技术的课题而完成的发明，其目的在于提供一种通过促进燃料气体和空气的预混合化而抑制NOx(氮氧化物)的产生的二冲程燃气发动机。
用于解决课题的方案
本发明的二冲程燃气发动机的特征在于，具备：气缸及气缸盖；活塞，其收容于所述气缸内，并且在其与所述气缸的周壁及所述气缸盖之间划分出燃烧室；燃料气体喷射机构，其设置于所述气缸盖，并向所述燃烧室喷射燃料气体；点火机构，其设置于所述气缸盖，并对所述燃烧室内的燃料气体点火；扫气端口，其开设在所述气缸的周壁上，并在所述活塞位于下止点附近时向所述燃烧室内供给空气；燃料气体喷射时机控制机构，其在所述活塞处于上升行程、且所述活塞位于上止点的10°～100°跟前时通过所述燃料气体喷射机构喷射燃料气体，进而在所述活塞位于上止点附近时通过所述燃料气体喷射机构喷射燃料气体；点火时机控制机构，其在所述活塞位于上止点附近时通过所述点火机构对所述燃烧室内的燃料气体点火。
如此构成的本发明的二冲程燃气发动机具备：燃料气体喷射机构，其向燃烧室喷射燃料气体；点火机构，其对燃烧室内的燃料气体点火；扫气端口，其在活塞位于下止点附近时向燃烧室内供给空气；燃料气体喷射时机控制机构，其在活塞位于上止点的10°～100°跟前时通过燃料气体喷射机构喷射燃料气体，进而在活塞位于上止点附近时通过燃料气体喷射机构喷射燃料气体；点火时机控制机构，其在所述活塞位于上止点附近时通过所述点火机构对所述燃烧室内的燃料气体点火。
根据这样的本发明，由于在活塞位于上止点的10°～100°跟前时喷射燃料气体，进而在活塞位于上止点附近时喷射燃料气体，并且通过点火机构对燃烧室内的燃料气体点火，因此促进了在活塞位于上止点的10°～100°跟前时所喷射出燃料气体与空气的预混合化。因此，扩散燃烧在整个燃烧中所占的比例降低，从而能够抑制NOx(氮氧化物)的产生。
另外，这样的本发明的二冲程燃气发动机可以构成为，通过例如由发动机控制单元(ECU)等构成的燃料气体喷射时机控制机构来控制燃料气体的喷射时机。因此，无需新的追加装置等，能够容易地促进既有的二冲程燃气发动机中的预混合化。
另外，在上述发明中，可以构成为，所述燃料气体喷射机构具有：在所述活塞位于上止点附近时向所述燃烧室喷射燃料气体的第一燃料气体喷射机构；与该第一燃料气体喷射机构分开构成的在所述活塞位于上止点的10°～100°跟前时向所述燃烧室喷射燃料气体的第二燃料气体喷射机构。
如此，若燃料气体喷射机构分别构成为第一燃料气体喷射机构和第二燃料气体喷射机构，则通过第一燃料气体喷射机构和第二燃料气体喷射机构能够使燃料气体的喷射方向、压力条件等不同。即，在活塞位于上止点的10°～100°跟前时和在活塞位于上止点附近时，使燃料气体的优选喷射方向、其喷射压力不同。因此，通过如此构成本发明，在活塞位于任意位置时，都能够以最佳的喷射方向及喷射压力向燃烧室喷射燃料气体。
发明效果
根据本发明，能够提供一种如下的二冲程燃气发动机，其通过在活塞位于上止点的10°～100°跟前时喷射燃料气体，促进燃料气体和空气的预混合化降低扩散燃烧在整个燃烧中所占的比例，从而抑制NOx(氮氧化物)的产生。
附图说明
图1是用于说明本发明的二冲程燃气发动机的基本结构的简图。
图2是用于说明本发明的二冲程燃气发动机的基本结构的简图。
图3是用于说明本发明的第一实施方式所涉及的二冲程燃气发动机的简图。
图4是用于说明本发明的第二实施方式所涉及的二冲程燃气发动机的简图。
具体实施方式
以下，基于附图详细地说明本发明的实施方式。
但是，本发明的范围并不限定于以下的实施方式。在以下的实施方式中所记载构成部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等在没有特别记载的情况下并不表示将本发明的范围限定于此，而仅仅是说明例。
图1、图2是用于说明本发明的二冲程燃气发动机的基本结构的简图，图1(a)、图2(a)是俯视图，图1(b)、图2(b)是剖视图。首先，使用图1及图2来说明本发明的二冲程燃气发动机的基本结构。
如图1及图2所示，本发明的二冲程燃气发动机1具备圆筒状的气缸2、与该气缸2的上端侧结合的气缸盖3、进退自如地收容于气缸2的内部的活塞4。而且，在这些气缸2的周壁2a、气缸盖3、活塞4的顶面4a之间形成燃烧室c。需要说明的是，图中的符号5表示活塞环。
另外，在气缸2的下方侧的周壁2a上开设有扫气端口6。该扫气端口6形成在与位于下止点附近的活塞4的顶面4a(图中用双点划线表示)相比靠上方的位置处，在活塞4位于下止点附近时，从扫气端口6向燃烧室c供给空气。另外，在气缸盖3的顶部开设有排气口，并且设置有对该排气口进行开闭的排气阀7。该排气阀7在活塞4处于上升行程的扫气行程时打开，直至活塞4到达上止点的跟前约100°的位置为止。而且，通过从扫气端口6供给到燃烧室c的空气，对残留于燃烧室c的前一行程的废气进行扫气。
另外，如图1所示，在气缸盖3上设置有向燃烧室c喷射燃料气体8a的燃料气体喷射装置8(燃料气体喷射机构)，并且设置有同样地向燃烧室c喷射压燃性良好的燃料油10a的燃料油喷射装置10(点火机构)。该燃料气体喷射装置8及燃料油喷射装置10以气缸中心o为旋转中心而在圆周方向上间隔180°的位置处分别形成有2个。
需要说明的是，在本实施方式中，在燃料气体喷射装置8及燃料油喷射装置10上分别设置有4个喷孔。另外，在本发明中，上述燃料气体喷射装置8及燃料油喷射装置10的设置数没有特别限定，例如也可以是1个。但是，在气缸盖3的顶部设置有排气阀7的本实施方式中，优选多个燃料气体喷射装置8及燃料油喷射装置10分别在圆周方向等间隔地配置。
如图1及图2所示，这些燃料气体喷射装置8及燃料油喷射装置10经由电缆14而与发动机控制单元(ECU)12连接。另外，ECU12经由电缆16而与检测曲轴17的旋转角的曲轴角传感器15连接。而且，通过从曲轴角传感器15接收曲轴17的旋转角的信号，从而检测活塞4的相位。而且燃料气体喷射装置8及燃料油喷射装置10基于从ECU12发送的信号，在规定的时机向燃烧室c喷射燃料气体8a及燃料油10a。而且如图1所示，通过在活塞4位于上止点附近时，从燃料气体喷射装置8及燃料油喷射装置10大致同时地喷射燃料气体8a及燃料油10a，处于高温气氛下的燃烧室c内的压燃性良好的燃料油10a自发点火，由此大致同时喷射的燃料气体10a燃烧，如图2所示，在燃烧室c的内部生成燃烧火焰f。
即，ECU12构成本发明中的燃料气体喷射时机控制机构，并且构成在活塞4位于上止点附近时通过燃料喷射装置10对燃烧室c内的燃料气体点火的本发明的点火时机控制机构。需要说明的是，本发明中的上止点附近是指活塞4位于从上止点之前10°至上止点之后20°的范围的状态。
<第一实施方式>
接下来，基于图3来说明本发明的第一实施方式的二冲程发动机。
图3是用于说明本发明的第一实施方式所涉及的二冲程燃气发动机的简图，图3(a)表示活塞4位于上止点的10°～100°跟前的状态，图3(b)表示活塞4位于上止点的约5°跟前的状态，图3(c)表示活塞4位于上止点的状态。
在本实施方式的二冲程燃气发动机1中，在活塞4处于上升行程、且活塞4位于上止点的10°～100°跟前时(图3(a)所示的状态)，基于从上述的ECU12(燃料气体喷射时机控制机构)发送的信号，从燃料气体喷射装置8向燃烧室c喷射燃料气体8b。如此，若在活塞4位于上止点的10°～100°跟前时向燃烧室c喷射燃料气体8b，则在活塞4进一步上升至上止点附近的过程中，喷射出的燃料气体8b和燃烧室c的内部的空气混合从而促进了预混合化。而且，如图3(b)所示，在燃烧室c的内部生成混合气20。
而且在活塞4到达上止点附近(例如上止点的约5°跟前)时，基于从上述的ECU12(燃料气体喷射时机控制机构及点火时机控制机构)发送的信号，从燃料气体喷射装置8喷射燃料气体8a，并且从燃料油喷射装置10喷射燃料油10a。
于是，如上所述，压燃性良好的燃料油10a自发点火，由此喷射出的燃料气体8a也进行燃烧。而且如图3(c)所示，在燃烧室c的内部生成燃烧火焰f。而且，该燃烧火焰f向上述混合气20传播，在整个燃烧室c内产生爆发式的燃烧。
如此，本实施方式的二冲程燃气发动机1在活塞4位于上止点的10°～100°跟前时喷射燃料气体8b，进而在活塞4位于上止点附近时喷射燃料气体8a和燃料油10a。因此，促进了在活塞4位于上止点的10°～100°跟前时所喷射出的燃料气体8b和空气的预混合化而生成混合气20，从而燃烧方式的一部分成为预混合燃烧。因此，与全部燃烧方式为扩散燃烧的现有的燃气发动机相比，能够抑制NOx(氮氧化物)的产生。
另外，本实施方式的二冲程燃气发动机1通过由ECU12构成的燃料气体喷射时机控制机构来控制燃料气体喷射装置8的喷射时机。因此，无需新的追加装置等，能够容易地促进既有的二冲程燃气发动机中的预混合化。
<第二实施方式>
接下来，基于图4来说明本发明的第二实施方式的二冲程发动机。
图4是用于说明本发明的第二实施方式所涉及的二冲程燃气发动机的简图，图4(a)表示活塞4位于上止点的10°～100°跟前的状态，图4(b)表示活塞4位于上止点的约5°跟前的状态，图4(c)表示活塞4位于上止点的状态。
本实施方式的二冲程燃气发动机1与上述的实施方式不同，燃料气体喷射机构被分别构成为第一燃料气体喷射机构(第一燃料气体喷射装置8A)和第二燃料气体喷射机构(第二燃料气体喷射装置8B)。第一燃料气体喷射装置8A例如在与上述实施方式中的燃料气体喷射装置8相同的位置，以相同的朝向、相同的数量而配置。另一方面，如图4所示，第二燃料气体喷射装置8B在2个第一燃料气体喷射装置8A、8A的中间的位置、且以气缸中心o为旋转中心而在圆周方向上间隔180°的位置处分别形成有2个。另外，第一燃料气体喷射装置8A及第二燃料气体喷射装置8B分别与上述的ECU12(燃料气体喷射时机控制机构)连接。
而且，如图4(a)所示，基于从ECU12发送的信号，在活塞4位于上升行程中的上止点的10°～100°跟前时，从第二燃料气体喷射装置8B朝向燃烧室c喷射燃料气体8b。另外，如图4(b)所示，基于从ECU12(燃料气体喷射时机控制机构)发送的信号，在活塞4达到上止点附近(例如上止点的约5°跟前)时，从第一燃料气体喷射装置8A朝向燃烧室c喷射燃料气体8a。另外，与上述的实施方式同样地，基于从ECU12(点火时机控制机构)发送的信号，与喷射燃料气体8a大致同时地从燃料油喷射装置10喷射燃料油10a。
如此，若本发明的燃料气体喷射机构分别构成为第一燃料气体喷射机构(第一燃料气体喷射装置8A)和第二燃料气体喷射机构(第二燃料气体喷射装置8B)，则能够通过第一燃料气体喷射装置8A和第二燃料气体喷射装置8B而使燃料气体的喷射方向不同。因此，如图4所示，通过使从第二燃料气体喷射装置8B喷射出的燃料气体8b的喷射方向与从第一燃料气体喷射装置8A喷射出的燃料气体8a的喷射方向相比朝向下方，从而能够在燃烧室c的内部搅拌燃料气体8b来促进燃料气体8b的预混合化。另外，在活塞4位于上止点的10°～100°跟前时，与活塞4位于止点附近的情况相比燃烧室c的内部的压力处于较低的状态。因此，可以采用与第一燃料气体喷射装置8A不同的、符合其使用压力的适当的喷射装置作为第二燃料气体喷射装置8B。
以上，根据本发明的二冲程燃气发动机1，通过在活塞4处于上升行程、且活塞4位于上止点的10°～100°跟前时从燃料气体喷射机构(燃料气体喷射装置8或第二燃料气体喷射装置8B)喷射燃料气体8b，从而促进燃料气体8b和空气的预混合化，降低扩散燃烧在整个燃烧中所占的比例，由此能够提供抑制了NOx(氮氧化物)的产生的二冲程燃气发动机。
以上，说明了本发明的优选方式，但本发明并不限定于上述方式，在不脱离本发明的目的的范围内可以进行各种变更。
例如在上述的实施方式中，由燃料油喷射装置10构成点火机构。而且，如上所述，通过基于从ECU12(点火时机控制机构)发送的信号，从燃料油喷射装置10向高温气氛下的燃烧室c内喷射压燃性较高的燃料油10a，从而对燃烧室c内的燃料气体点火。然而本发明的点火机构并不限定于此，例如，也可以将设置于气缸盖3的火花塞设为点火机构，基于从ECU12(点火时机控制机构)发送的信号而使火花塞起动，通过由该火花塞生成的火花而对燃烧室c内的燃料气体点火。
工业实用性
本发明的二冲程燃气发动机能够优选用作为建筑机械用、大型车辆用、发电用等、尤其是船舶用发动机。

Claims (11)

1.一种二冲程燃气发动机，其特征在于，具备：
气缸及气缸盖；
活塞，其收容于所述气缸内，并且在其与所述气缸的周壁及所述气缸盖之间划分出燃烧室；
燃料气体喷射机构，其设置在所述气缸盖上，向所述燃烧室喷射燃料气体；
扫气端口，其开设在所述气缸的周壁上，并在所述活塞位于下止点附近时向所述燃烧室内供给空气；
燃料气体喷射时机控制机构，其在所述活塞处于上升行程、且所述活塞位于上止点之前10°的之前时通过所述燃料气体喷射机构喷射燃料气体，进而在所述活塞位于从上止点之前10°至上止点之后20°的范围时通过所述燃料气体喷射机构喷射燃料气体，
所述燃料气体喷射机构具有：
在所述活塞位于从上止点之前10°至上止点之后20°的范围时向所述燃烧室喷射燃料气体的第一燃料气体喷射机构；
与所述第一燃料气体喷射机构分开构成的在所述活塞位于上止点之前10°的之前时向所述燃烧室喷射燃料气体的第二燃料气体喷射机构。
2.根据权利要求1所述的二冲程燃气发动机，其特征在于，
所述二冲程燃气发动机还具备：设置在所述气缸盖的顶部且对排气口进行开闭的排气阀，
所述第一燃料气体喷射机构设置在所述气缸盖上的所述排气阀的周围，
所述第二燃料气体喷射机构设置在所述气缸盖上的所述排气阀的周围，
使从所述第二燃料气体喷射机构喷射出的燃料气体的喷射方向与从所述第一燃料气体喷射机构喷射出的燃料气体的喷射方向相比朝向下方。
3.根据权利要求1所述的二冲程燃气发动机，其特征在于，还具备：燃料油喷射装置，其通过向所述燃烧室喷射燃料油并使该燃料油自发点火从而对所述燃烧室内的燃料气体点火，
所述燃料气体喷射时机控制机构在所述活塞处于上升行程、且所述活塞位于上止点之前10°的之前时通过所述燃料气体喷射机构喷射燃料气体，进而在所述活塞位于从上止点之前10°至上止点之后20°的范围时通过所述燃料气体喷射机构喷射燃料气体，并且，从所述燃料油喷射装置向所述燃烧室喷射燃料油。
4.根据权利要求3所述的二冲程燃气发动机，其特征在于，
所述二冲程燃气发动机还具备：设置在所述气缸盖的顶部且对排气口进行开闭的排气阀，
所述第一燃料气体喷射机构设置在所述气缸盖上的所述排气阀的周围，
所述第二燃料气体喷射机构设置在所述气缸盖上的所述排气阀的周围，
使从所述第二燃料气体喷射机构喷射出的燃料气体的喷射方向与从所述第一燃料气体喷射机构喷射出的燃料气体的喷射方向相比朝向下方。
5.根据权利要求3所述的二冲程燃气发动机，其特征在于，
所述二冲程燃气发动机还具备：设置在所述气缸盖的顶部且对排气口进行开闭的排气阀，
所述第一燃料气体喷射机构设置在所述气缸盖上的所述排气阀的周围，
所述第二燃料气体喷射机构设置在所述气缸盖上的所述排气阀的周围，
所述燃料油喷射装置设置在所述气缸盖上的所述排气阀的周围且设置在相比所述第二燃料气体喷射机构更靠近所述第一燃料气体喷射机构的位置。
6.根据权利要求3所述的二冲程燃气发动机，其特征在于，
所述二冲程燃气发动机还具备：设置在所述气缸盖的顶部且对排气口进行开闭的排气阀，
所述第一燃料气体喷射机构设置在所述气缸盖上的所述排气阀的周围，
所述第二燃料气体喷射机构设置在所述气缸盖上的所述排气阀的周围，
所述燃料油喷射装置设置在所述气缸盖上的所述排气阀的周围且设置在相比所述第一燃料气体喷射机构更靠近所述排气阀的位置。
7.根据权利要求3所述的二冲程燃气发动机，其特征在于，
所述二冲程燃气发动机还具备：设置在所述气缸盖的顶部且对排气口进行开闭的排气阀，
所述第一燃料气体喷射机构、所述第二燃料气体喷射机构及所述燃料油喷射装置分别以相同的数目设有多个，
所述第一燃料气体喷射机构、所述第二燃料气体喷射机构及所述燃料油喷射装置在所述气缸盖上的所述排气阀的周围分别沿圆周方向以等间隔配置。
8.根据权利要求3或4所述的二冲程燃气发动机，其特征在于，
在从上方观察所述燃烧室的情况下，
所述第一燃料气体喷射机构的喷射方向相对于将所述第一燃料气体喷射机构和气缸中心连结而成的线，朝向未设置所述燃料油喷射装置的一侧延伸，
所述燃料油喷射装置的喷射方向相对于将所述燃料油喷射装置和气缸中心连结而成的线，朝向设置有所述第一燃料气体喷射机构的一侧延伸。
9.根据权利要求3或4所述的二冲程燃气发动机，其特征在于，
在从上方观察所述燃烧室的情况下，
所述第二燃料气体喷射机构的喷射方向与将所述第二燃料气体喷射机构和气缸中心连结而成的线一致。
10.根据权利要求1～7中任一项所述的二冲程燃气发动机，其特征在于，
所述二冲程燃气发动机为船舶用发动机。
11.一种二冲程燃气发动机用的燃料气体喷射系统，其特征在于，具备：
燃料气体喷射机构，其设置在气缸盖上，具有：向燃烧室喷射燃料气体的第一燃料气体喷射机构；与所述第一燃料气体喷射机构分开构成的第二燃料气体喷射机构；
控制装置，其在活塞处于上升行程、且所述活塞位于上止点之前10°的之前时通过所述第二燃料气体喷射机构喷射燃料气体，进而在所述活塞位于从上止点之前10°至上止点之后20°的范围时通过所述第一燃料气体喷射机构喷射燃料气体。
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