JP2012167666A - 2サイクル内燃機関及び該2サイクル内燃機関の運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】新規な2サイクル内燃機関を提供する。
【解決手段】ディーゼル運転可能なシリンダ(11)を有する2サイクル内燃機関。シリンダ(11)はライナー(12)を備え、ライナー(12)はその内で移動可能なピストン(13)を有し、ライナー下部(15)には給気口(16)が割り当てられ、ピストン(13)により下死点付近の位置において給気口が開放されると給気口を介して給気がライナーにより画定された燃焼室内に送り込み可能であり、また、シリンダ上部(19)には排気用バルブ(20)及び高圧で燃料を供給するインジェクタ(21)が割り当てられ、シリンダ(11)は代替的にガス運転においても運転可能であり、そのために各シリンダにはガスインレット開口部(22)が割り当てられ、ガスインレット開口部を介してガス運転用燃料がピストンが下死点付近の位置にある場合にシリンダに送り込み可能である。このため比較的低い圧力においてガス運転用燃料を給気内に送り込むことができる。
【選択図】図1

Description

本発明は請求項1のおいて書きに記載の2サイクル内燃機関に関する。本発明はさらに、請求項8のおいて書きに記載の、2サイクル内燃機関運転方法に関する。
特許文献1より、ディーゼル運転に適した、複数のシリンダを有する2サイクル内燃機関が知られている。各シリンダはライナーを有しており、該ライナー内には移動可能なピストンが設けられており、該ピストンはピストンロッドに取り付けられており、該ピストンロッドはクロスヘッド及び接続ロッドを介して、クランクシャフトのクランクピンに接続されている。この従来技術によると、各シリンダのライナーの下部には、掃気口とも呼ばれる給気口が割り当てられており、各シリンダのピストンによりピストンの下死点又は、下死点に近いピストンの位置領域においてそれぞれの給気口が開放されると、これら給気口を介して、給気が、各シリンダのライナーにより画定された、各シリンダの燃焼室に送り込み可能となる。さらに、この従来技術より、各シリンダの上部、特に、それぞれのシリンダのライナーの上部又はライナーを閉じるシリンダカバーに、一方では、少なくとも一つの排気用の排気バルブが、他方ではディーゼル運転用燃料供給のための少なくとも一つのメインインジェクタが割り当てられており、該メインインジェクタ又は各メインインジェクタを介してディーゼル運転用燃料を、それぞれのシリンダのそれぞれの燃焼室内が比較的高圧のときに、つまり、ピストンが、ピストン上死点に近いピストン位置領域にあるときに、圧縮済の給気に送り込めることがすでに知られている。ディーゼル運転用燃料は自己発火する。
ディーゼル運転に適した、このような2サイクル内燃機関は、ディーゼル運転において燃料として特に重油を用い、代表的には、いわゆる大型ディーゼル内燃機関としてコンテナ船又は同等物において使用され、運転時には比較的多くの窒素酸化物及びススを排出するため、このような2サイクル内燃機関は厳しいエミッション限界値を守るのが困難である。そのため、窒素酸化物及びススの排出を減らし、それによりさらに厳しいエミッション限界値を守ることができる2サイクル内燃機関が求められている。
独国特許発明第20 2004 002 185号明細書
そのため本発明の課題は、新式の2サイクル内燃機関及びその2サイクル内燃機関の運転方法を提供することである。
この課題は、請求項1に記載の2サイクル内燃機関により解決される。本発明によるとシリンダは、ディーゼル運転に追加的に、又は、代替的に、純粋なガス運転において運転可能であり、そのために各シリンダには少なくとも一つのガスインレット開口部が割り当てられており、それぞれのシリンダのピストンが下死点にある場合、及び/又は、ピストン下死点に近いピストン位置領域にある場合に、そのガスインレット開口部を介してガス運転用燃料、特に天然ガスを、それぞれのシリンダに供給可能であるため、ガス運転用燃料を、それぞれのシリンダのそれぞれの燃焼室内の圧力が比較的低いときに給気内に送り込むことができる。
つまり本発明の2サイクル内燃機関はディーゼル運転のみではなく、ディーゼル運転に加えて代替的に純粋なガス運転においても運転することが可能である。ガス運転においては燃料として特に天然ガスを用いることができ、天然ガスはたとえば重油よりクリーンに燃焼できるため、それによりガス運転において2サイクル内燃機関のエミッションをディーゼル運転の場合に比較して明らかに低減することができる。
ガス運転を確実に行うため、各シリンダには少なくとも一つのガスインレット開口部が割り当てられており、それぞれのシリンダのピストンが下死点にある場合、及び/又は、ピストン下死点に近いピストン位置領域にある場合に、そのガスインレット開口部を介してガス運転用燃料がそれぞれのシリンダ内に送り込み可能である。ガス運転用燃料は、それぞれのシリンダのそれぞれの燃焼室内の圧力が比較的低いときに給気内に送り込み可能である。
その長所は、ガス運転用混合気の生成が、それぞれのシリンダの燃焼室内が比較的低圧のときに行われるために、それによりガス運転用燃料をシリンダ以外のところで高圧に圧縮する必要がないというところにある。するとガス運転用燃料のための燃料供給システムは比較的低い圧力のみを提供すればよいため、その燃料供給システムは、次のような燃料供給システム、つまり、比較的高い噴射圧力で働き、ガス運転用燃料を、ディーゼル運転用燃料と同様にそれぞれのシリンダのピストン上死点付近で、それぞれのシリンダのそれぞれの燃焼室内が比較的高圧の際に燃焼室に送り込む燃料供給システムに比較して、満たすべき安全要件がより低く、実施技術的により容易である。
望ましくは、ガス運転用燃料をそれぞれのシリンダに送り込む際に経由できる該ガスインレット開口部又は各ガスインレット開口部は、それぞれのシリンダのライナー下部に割り当てられている。
該ガスインレット開口部又は各ガスインレット開口部がライナー下部に割り当てられている場合、この一つの又は複数のガスインレット開口部は、すでに少なくとも一つの排気バルブ及び少なくとも一つのメインインジェクタが割り当てられているそれぞれのシリンダの上部領域内において取付場所をとるわけではないため、構造面における本発明の実施が容易になる。
本発明の好適な発展形によると、各シリンダにはさらに少なくとも一つのパイロットインジェクタが割り当てられており、このパイロットインジェクタを介して、ガス運転においてガス運転用の圧縮済給気・燃料混合物を火花点火するためのディーゼル燃料を、それぞれのシリンダの燃焼室内が比較的高圧のときにガス運転用の給気・燃料混合物に送り込むことができる。
ガス運転における給気・燃料混合物の点火は火花点火により行われ、そのためにディーゼル燃料が少なくとも一つのパイロットインジェクタを介して、それぞれのシリンダのそれぞれの燃焼室が比較的高圧の際に、ガス運転用の給気・燃料混合物内に送り込まれる。火花点火に必要なディーゼル燃料は、当該の又は各パイロットインジェクタを介することにより、ディーゼル運転用に設けられている当該又は各メインインジェクタに比較して、より繊細な調量を行うことができる。そのため、当該又は各パイロットインジェクタを介して送り込まれた火花点火用ディーゼル燃料を繊細に調量することができ、それによりガス運転におけるエミッションを最小にまで減少させることができる。
2サイクル内燃機関を運転するための本発明の方法は請求項8で規定される。
本発明の2サイクル内燃機関の第1の実施例の図である。 図1の2サイクル内燃機関を、図1のA−Aの切断線で切断した横断面図である。 本発明の2サイクル内燃機関の第2の実施例の図である。
本発明の望ましい発展形は従属請求項及び以下の説明より理解できる。本発明の実施形態を図を参照しながら詳細に説明するが、これに限定されるわけではない。
図1及び図2には、本発明の2サイクル内燃機関10について該2サイクル内燃機関10のシリンダ11の領域が図式的に示されており、2サイクル内燃機関10又は2サイクル内燃機関10のシリンダ11は、一方ではディーゼル運転のために、及び、ディーゼル運転に加えて、又は代替的に純粋なガス運転において運転可能である。本発明の2サイクル内燃機関10の各シリンダ11はライナー12を有しており、該ライナー12内にはピストン13が移動可能に収容されている。ピストン13は、ライナー12内でピストン13の上死点と下死点との間で往復する。ピストン13はピストンロッド14に取り付けられており、ピストンロッド14を介して代表的には特許文献1と同様に接続ロッドに、及び、接続ロッドを介してクランクシャフトのクランクピンに噛み合っている。
図1からは、ライナー12の下部15に複数の給気口16が割り当てられていることが分かる。これら給気口16はライナー12の円周上に分配されている。それぞれのシリンダ11のピストン13により、ピストン13の下死点又は、ピストン13の下死点に近いピストン位置領域において給気口16が開放されると、給気口16を介して給気が、それぞれのシリンダ11のライナー12により画定された、それぞれのシリンダの燃焼室17に送り込み可能となり、その際、給気口16を介してそれぞれのシリンダ11の燃焼室17に送り込み可能な給気は、詳細には図示されていない一つの(又は複数の)排気ターボチャージャの給気コレクタ18により提供される。
2サイクル内燃機関10の各シリンダ11の上部19、特にライナー12又はライナー12を閉じるシリンダカバー28の上部には、少なくとも一つの排気用排気バルブ20、及び、ディーゼル運転用の燃料をそれぞれのシリンダ11の燃焼室17に供給するための少なくとも一つのメインインジェクタ21が割り当てられている。
当該の又は各メインインジェクタ21を介して、ディーゼル運転用燃料を、それぞれのシリンダ11の燃焼室17が比較的高圧のときに、つまり、ピストン13が上死点又は上死点に近い位置領域にあるときに、圧縮済みの給気に送り込むことができる。
ディーゼル運転においては、高圧の時にそれぞれのシリンダ11の燃焼室17内に噴射されたディーゼル運転用燃料が自己発火する。ディーゼル運転用燃料としては特に重油が用いられる。
本発明の2サイクル内燃機関、つまり2サイクル内燃機関のシリンダ11はディーゼル運転のみではなく、ディーゼル運転に加えて代替的にガス運転でも運転可能である。そのために各シリンダ11には少なくとも一つのガスインレット開口部22が割り当てられており、本発明によると、それぞれのシリンダ11のピストン13が下死点、及び/又は、ピストン13の下死点に近いピストン位置領域にあるときに、このガスインレット開口部22を介してガス運転用燃料、特に天然ガスがそれぞれのシリンダ11に、つまりそれぞれのシリンダ11の燃焼室17に送り込み可能であるため、それぞれのシリンダ11のそれぞれの燃焼室17が比較的低い圧力にあるときに、ガス運転用燃料を給気に送り込むことができる。
そのため、ガス運転用燃料供給システムは、ガス運転用燃料、特に天然ガスのためには比較的低い噴射圧力で足りるが、それは、すでに述べたように、ガス運転用燃料がピストンの下死点及び/又は下死点に近い位置領域においてそれぞれのシリンダ内に送り込まれるからである。それによりガス運転用燃料供給システムが満たすべき安全要件は、より低いものでよく、これまでより容易に実施することができる。
本発明の一つの好適な発展形によると、ガス運転用燃料を2サイクル内燃機関10のそれぞれのシリンダ11に送り込む際に経由できる当該又は各ガスインレット開口部22は、それぞれのシリンダ11のライナー12の下部29に割り当てられ、つまり、図1及び図2の実施形態においては、各ガスインレット開口部22により給気口16が置き換えられるか又は占拠されるようになる。その場合、ライナー12の下部29はライナー12の下部15に対応する。
図2に図示された実施形態においては、ライナー12の円周上に分配された3つの給気口16がガスインレット開口部22として機能転換されており、それは、今やガスインレット開口部22として機能する給気口16のそれぞれに別個のガスバルブ23を割り当てることにより行われる。
これらガスバルブ23は望ましくは、今やガスインレット開口部22として機能する給気口16内にセットされ、それぞれのシリンダ11又はシリンダ11のライナー12の半径方向外側を取り囲むガス流路24に接続されており、そのガス流路24を介してガス運転用燃料を、ガス運転のために2サイクル内燃機関10の燃料供給システム25から供給することができる。
各シリンダ11に割り当てられているガス流路24は、ガス管26を介して、すべてのシリンダ11に共通の、ガス運転のための燃料供給システム25に接続されている。
図1及び図2に図示された実施形態とは異なり、各シリンダ11のガスインレット開口部22にそれぞれ一つの共通のガスバルブを割り当てることも可能であり、その場合そのガスバルブはたとえばガス管26に組み込むことも可能である。
図1及び図2に図示された実施形態のように、いくつかの給気口16がガスインレット開口部22として機能転換されている場合、残りの給気口16を介してそれぞれのシリンダ11の燃焼室17に送り込み可能な給気量はいくらか減少するものの、現在ある2サイクル内燃機関を低コストで本発明の意味において変換することができる。そのために必要となるのは、その場合にガスインレット開口部22として機能するいくつかの給気口16内にガスバルブ23をセットして、ガス運転用の燃料供給システム25に連結するだけである。
ディーゼル運転とは異なり、ガス運転用の給気・燃料混合物の点火は給気・燃料混合物の自己発火ではなく、火花点火により行われるため各シリンダ11には引き続き少なくとも一つのパイロットインジェクタ27が割り当てられており、ガス運転においては、圧縮済の給気・燃料混合物を火花点火するために、それぞれのシリンダ11のそれぞれの燃焼室17が比較的高圧のときに、このパイロットインジェクタ27を介してディーゼル燃料をガス運転用の圧縮済の給気・燃料混合物に送り込むことができる。
図1において、パイロットインジェクタ27はこのときシリンダ11の上部19に割り当てられており、このとき当該又は各パイロットインジェクタ27を介して燃料、つまりディーゼル燃料は、当該又は各メインインジェクタ21を介する場合より繊細に調量することができる。それによりガス運転において給気・燃料混合物の火花点火のために、正確に量が定義された少量のディーゼル燃料を圧縮済給気・燃料混合物に供給することができ、それにより、火花点火に必要なディーゼル燃料の量は絶対最少量にまで低減される。それによりガス運転におけるエミッションもさらに減少させることができる。
図3には2サイクル内燃機関10'の第2の実施形態が図示されている。その基本的な構造は図1及び図2の2サイクル内燃機関10の構造に対応しているため、不必要な繰り返しを避けるために同じコンポーネントには同じ符号が使われている。
以下に、図3の実施形態が、図1及び図2の実施形態と異なる点について詳述する。それ以外の詳細については図1及び図2の実施形態に関する詳述を参照されたい。
ガスインレット開口部22は図3の実施形態においてもそれぞれのシリンダ11のライナー12の下部29に割り当てられているが、ガスインレット開口部22は、機能転換された給気口16により提供されるのではなく、図3の実施形態においては別個のガスインレット開口部22が、給気口16のすぐ上、つまり部分15のすぐ上においてそれぞれのシリンダ11のライナー12内に設けられている。
この構造の長所は、すべての給気口16が給気供給のために利用されるため、給気口16を介してそれぞれのシリンダ11の燃焼室17に送り込み可能な給気量が、ガスインレット開口部22により制限されないところにある。
この構造のさらなる長所は、給気口16がピストン13により再び遮断されたときでないと、ガスが、当該又は各ガスインレット開口部22を介して燃焼室17内の圧力が比較的低いときに圧力燃焼室17内に送り込まれることがないため、ガスが空気インレット開口部16を通じて燃焼室17から給気コレクタ18の領域に到達しうるという危険が一切ないことである。しかしながら図1及び図2の実施形態においても、ガスが燃焼室17から給気コレクタ18の領域に到達する危険はほとんどない。
したがって本発明の内燃機関10又は10'はディーゼル運転においてもガス運転においても運転可能である。
2サイクル内燃機関10又は10'のディーゼル運転においては、ディーゼル運転用燃料、特に重油は、それぞれのシリンダ11の当該又は各メインインジェクタ21を介して、比較的高圧において圧縮済の給気内に又は比較的高圧でシリンダ11内に送り込まれ、ディーゼル運転用の給気・燃料混合物は自己発火する。
2サイクル内燃機関10又は10'のガス運転においては、ガス運転用燃料、特に天然ガスは、比較的低い圧力においてまだ圧縮されていない又はわずかに圧縮された給気内に、又は比較的低い圧力でシリンダ11内に送り込まれる。
ディーゼル運転においてシリンダ11のガスインレット開口部22は不作動であるか、又は、それぞれのシリンダ11の当該又は各ガスバルブ23は閉じられている。ディーゼル運転においてディーゼル運転用燃料は、望ましくはメインインジェクタ21に加えて、それぞれのシリンダ11の当該又は各パイロットインジェクタ27を介しても、それぞれのシリンダ11の燃焼室17に送り込まれ、それにより、ディーゼル運転においてパイロットインジェクタ27がブロックされるのを回避する。
ガス運転においてガスインレット開口部22は作動するが、シリンダ11のメインインジェクタ21は不作動である。2サイクル内燃機関10又は10'のガス運転においては、ガス運転用の圧縮済給気・燃料混合物を火花点火するためのディーゼル燃料をシリンダの燃焼室17内に送り込むために、シリンダ11のパイロットインジェクタ27のみが作動する。火花点火用ディーゼル燃料は望ましくは高圧において又は高圧でそれぞれのシリンダ11の燃焼室内、ガス運転の給気・燃料混合物内に送り込まれる。
本発明においてはそのためガス運転においてガス運転用燃料、特に天然ガスが、それぞれのピストン13の下死点又は下死点に近い領域においてそれぞれのシリンダ11内に送り込まれる。これは、比較的低い圧力で行うことができるが、それは、それぞれのシリンダ11のピストン13がピストン13の下死点の領域にある場合、それぞれのシリンダ燃焼室17内は比較的低い圧力になっているからである。さらに、それによりピストン13が上死点に向かう方向に移動する際にガス運転用燃料が給気内で良好に分配されることが保証され、それにより、給気・燃料混合物の点火のために均質の混合物が供給される。この均質で圧縮されたガス運転用給気・燃料混合物に、すでに述べたように、少なくとも一つのパイロットインジェクタ27を介して火花点火用ディーゼル燃料が、それぞれのピストン13の上死点の領域又は上死点の近くにおいて送り込まれる、
ガス運転用の燃料を送り込むために必要な噴射圧力は給気の圧力より少し高いだけであるため、ガス運転用の燃料供給システム25のための安全性要件は低い。
シリンダ11のライナー12の下部15又は29におけるガスインレット開口部22及びガスバルブ23の幾何学的な配置の長所は、すでに当該又は各排気バルブ20、当該又は各メインインジェクタ21、当該又は各パイロットインジェクタ27が位置しているそれぞれのシリンダ11の上部19に、ガス運転用の燃料を送り込むための、特に天然ガスを送り込むための取付場所をさらに必要としないことである。
10,10' 2サイクル内燃機関
11 シリンダ
12 ライナー
13 ピストン
14 ピストンロッド
15 下部
16 給気口
17 燃焼室
18 給気コレクタ
19 上部
20 排気バルブ
21 メインインジェクタ
22 ガスインレット開口部
23 ガスバルブ
24 ガス流路
25 燃料供給システム
26 ガス管
27 パイロットインジェクタ
28 シリンダカバー
29 下部

Claims (10)

  1. ディーゼル運転において運転可能な複数のシリンダ(11)を有する2サイクル内燃機関であって、
    各シリンダ(11)は一つのライナー(12)を備えており、該ライナー(12)は該ライナー(12)内で移動可能なピストン(13)を有しており、
    各シリンダ(11)の前記ライナー(12)の下部(15)には複数の給気口(16)が割り当てられていて、前記それぞれのシリンダ(11)の前記ピストン(13)によりピストンの下死点又は下死点(13)付近のピストン位置領域においてそれぞれの給気口(16)が開放されると、これら給気口(16)を介して、給気が、前記それぞれのシリンダ(11)の前記ライナー(12)により画定された、前記それぞれのシリンダの一つの燃焼室内に送り込み可能であり、また、
    各シリンダ(11)の上部(19)には、少なくとも一つの排気用排気バルブ(20)、及び、ディーゼル運転用燃料、特に重油を前記それぞれのシリンダのそれぞれの燃焼室が比較的高圧のときに圧縮済の給気に供給するための少なくとも一つのメインインジェクタ(21)が割り当てられている、2サイクル内燃機関において、
    前記シリンダ(11)がディーゼル運転に加えて、又は、代替的に、純粋なガス運転においても運転可能であり、そのために各シリンダには少なくとも一つのガスインレット開口部(22)が割り当てられていて、該ガスインレット開口部(22)を介してガス運転用燃料、特に天然ガスが、前記それぞれのシリンダの前記ピストンがピストン(13)の下死点及び/又は下死点付近のピストン位置領域にあるときにそれぞれのシリンダ(12)に送り込み可能であるため、それぞれのシリンダのそれぞれの燃焼室が比較的低い圧力にあるときに前記ガス運転用燃料を給気内に送り込み可能であることを特徴とする、2サイクル内燃機関。
  2. ガス運転用燃料を前記それぞれのシリンダ(11)内に送り込む際に経由できる前記又は各ガスインレット開口部(22)が、それぞれのシリンダ(11)の前記ライナー(12)の下部(29)に割り当てられていることを特徴とする、請求項1に記載の2サイクル内燃機関。
  3. ガス運転用燃料を前記それぞれのシリンダ(11)内に送り込む際に経由できる前記又は各ガスインレット開口部(22)により、前記それぞれのシリンダの前記ライナー(12)により定義された前記それぞれのシリンダの燃焼室内に給気を送り込む際に経由できるそれぞれ一つの給気口(16)が置き換えられるか、又は、占拠されることを特徴とする、請求項2に記載の2サイクル内燃機関。
  4. ガス運転用燃料を前記それぞれのシリンダ(11)内に送り込む際に経由できる前記又は各ガスインレット開口部(22)が、前記それぞれのシリンダの前記ライナーにより定義された前記それぞれのシリンダの燃焼室内に給気を送り込む際に経由できる前記給気口(16)の上方において前記それぞれのシリンダの前記ライナー(12)内に設けられていることを特徴とする、請求項2に記載の2サイクル内燃機関。
  5. 各シリンダの各ガスインレット開口部(22)に一つの別個のガスバルブ(23)が割り当てられてい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2サイクル内燃機関。
  6. 各シリンダのすべてのガスインレット開口部(22)に一つの共通のガスバルブが割り当てられてい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2サイクル内燃機関。
  7. 各シリンダ(11)にはさらに少なくとも一つのパイロットインジェクタ(27)が割り当てられていて、ガス運転においては該パイロットインジェクタ(27)を介して、圧縮済の給気・燃料混合物を火花点火するためにディーゼル燃料を、前記それぞれのシリンダ(11)の前記それぞれの燃焼室(17)が比較的高圧であるときに前記給気・燃料混合物に送り込み可能であることを特徴とする、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の2サイクル内燃機関。
  8. 複数のシリンダを有する2サイクル内燃機関、特に請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の2サイクル内燃機関を運転するための方法であって、前記2サイクル内燃機関のディーゼル運転の際にディーゼル運転用燃料、特に重油を、圧縮済の給気に、比較的高圧の前記シリンダ内に送り込んで給気・燃料混合物を自己発火させる運転方法において、
    ガス運転においてはガス運転用燃料、特に天然ガスを、未圧縮又はわずかに圧縮された給気内に、比較的低い圧力の前記シリンダ内に送り込むことを特徴とする、2サイクル内燃機関運転方法。
  9. ガス運転においては、給気・燃料混合物を火花点火するためのディーゼル燃料が、前記それぞれのシリンダの燃焼室が比較的高圧の際に給気・燃料混合物内に送り込まれることを特徴とする、請求項8に記載の2サイクル内燃機関運転方法。
  10. ガスインレット開口部が不作動であるディーゼル運転においては、ディーゼル運転用燃料がメインインジェクタを介して、また、望ましくはパイロットインジェクタも介して、前記シリンダ内に送り込まれ、これに対して、メインインジェクタが不作動であるガス運転においては、ガス運転用燃料はガスインレット開口部を介して、また、火花点火のためにはディーゼル燃料がパイロットインジェクタを介して、シリンダ内に送り込まれることを特徴とする、請求項9に記載の2サイクル内燃機関運転方法。
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