JP2013253529A - ２ストロークユニフローエンジン - Google Patents

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Abstract

【課題】シリンダ内の圧力が変化する場合であっても、適切に燃料ガスを供給し、エンジンの安定した燃焼特性を得る。
【解決手段】２ストロークユニフローエンジン１００は、シリンダ１１０と、ピストン１１２と、シリンダ内で生じた排気ガスを排気するために開閉される排気弁１２０と、ピストンの摺動動作に応じてシリンダ内に活性ガスを吸入する掃気ポート１２２と、シリンダの内周面に設けられた燃料噴射ポート１２６と、燃料噴射ポートにおいて燃料ガスを噴射する燃料噴射弁１２８と、燃料噴射弁における燃料ガスの噴射制御を実行する燃料噴射制御部１５２とを備え、燃料噴射制御部は、ピストンの往復運動を通じて生じるシリンダ内の圧力の変化に基づいて、燃料噴射弁の噴射圧力および噴射時間の少なくともいずれか一方を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリンダ内部に燃料を直接噴射する２ストロークユニフローエンジンに関する。
船舶の機関としても用いられる２ストロークエンジン（２サイクルエンジン）は、圧縮（吸気も含む）、膨張（燃焼、排気も含む）といった行程を、シリンダ内部におけるピストン１往復の行程で完了するレシプロエンジンである。例えば、高圧噴射によってディーゼル燃料油と燃料ガスとを並行して供給するディーゼル型のガスエンジンでは、圧縮行程後半において上死点近傍で燃料ガスおよび燃料油を噴射して燃料ガスを着火させ、燃料ガスをシリンダ内で確実に燃焼させる。
このようなガスエンジンとして、上死点付近のシリンダカバーに装着された燃料ガス弁から高圧（例えば２５０ｂａｒ（２５ＭＰａ））の燃料ガスを噴射する技術が公開されている（例えば、特許文献１）。
かかる高圧噴射によるガスエンジンでは、掃気ポートおよび排気弁が閉塞された状態で、シリンダ内の空気を圧縮し、その高温高圧の空気に燃料ガスを直接噴射することで燃焼を誘発している。したがって、高圧噴射によるガスエンジンでは、圧縮行程後半の燃焼室内圧力が高圧になっているところに燃料ガスを供給しなければならないので、燃焼室内圧力より高い圧力で燃料ガスを供給しなければならず、そのための高出力の昇圧装置が必要であった。また、このような初期コストに加え、運転コストの増加や保安上の問題もあった。そこで、圧縮行程の初期段階におけるシリンダ内の圧力が比較的低い間に、掃気ポートから吸入された空気に対して、高い圧力をかけずに燃料ガスを直接噴射する低圧噴射の２ストロークエンジンが提案されている（例えば、特許文献２、３）。
特許第４３１２８０３号 特開平８−２９１７６９号公報 米国特許第５０３５２０６号
このような低圧噴射の２ストロークエンジンでは、シリンダ内に排気ガスが未だ存在する状態で、掃気ポートから吸入された活性ガスにのみ燃料ガスを噴射しなくてはならないので、シリンダ内の比較的下方の内周面に燃料噴射弁（燃料噴射ポート）が設けられている。したがって、シリンダが圧縮している途中で燃料噴射弁から燃料ガスを噴射することとなる。シリンダ内の圧力（内圧）は、掃気圧、排気弁の閉時期、エンジン負荷やクランク角度に応じて大きく変化し、燃料ガスを安定して供給するのは困難であった。
本発明は、このような課題に鑑み、シリンダ内の圧力が変化する場合であっても、適切に燃料ガスを供給し、エンジンの安定した燃焼特性を得ることが可能な、２ストロークユニフローエンジンを提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明の２ストロークユニフローエンジンは、シリンダと、シリンダ内を摺動するピストンと、シリンダのストローク方向一端部に設けられ、シリンダ内で生じた排気ガスを排気するために開閉される排気弁と、シリンダのストローク方向他端部側の内周面に設けられ、ピストンの摺動動作に応じてシリンダ内に活性ガスを吸入する掃気ポートと、シリンダの内周面に設けられた燃料噴射ポートと、燃料噴射ポートにおいて燃料ガスを噴射する燃料噴射弁と、燃料噴射弁における燃料ガスの噴射制御を実行する燃料噴射制御部とを備え、燃料噴射制御部は、ピストンの往復運動を通じて生じるシリンダ内の圧力の変化に基づいて、燃料噴射弁の噴射圧力および噴射時間の少なくともいずれか一方を決定することを特徴とする。
燃料噴射制御部は、ピストンの往復運動を軸回転運動に変換するクランクの角度が予め定められた角度となったときのシリンダの内圧に基づいて、シリンダの内圧の変化を予測してもよい。
予め定められた角度は、掃気ポートが閉状態になってから燃料噴射ポートが閉状態になるまでの任意の角度であってもよい。
燃料噴射制御部は、任意の行程におけるシリンダ内の圧力の変化に基づいて、任意の行程の次の行程における燃料噴射弁の噴射圧力および噴射時間の少なくともいずれか一方を決定してもよい。
本発明の２ストロークユニフローエンジンによれば、エンジン負荷やクランク角度によってシリンダ内の圧力が大きく変化したとしても、それに応じて適切な噴射圧力または噴射時間を設定することで、適切な量の燃料ガスを供給し、エンジンの安定した燃焼特性を得ることが可能となる。
２ストロークユニフローエンジンの全体構成を示した説明図である。 ２ストロークユニフローエンジンの各制御部の動作を説明するための説明図である。 クランク角度とピストン位置との関係を示した説明図である。 クランク角度とシリンダ内の圧力の推移を示した説明図である。 エンジン負荷と掃気圧との関係を説明するための説明図である。 ２ストロークユニフローエンジンにおける噴射制御の全体的な処理の流れを示したフローチャートである。 クランク角度対内圧曲線の決定処理を説明するための説明図である。 燃料噴射弁の噴射時間の決定処理を説明するための説明図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
（２ストロークユニフローエンジン１００）
図１は、２ストロークユニフローエンジン１００の全体構成を示した説明図である。本実施形態の２ストロークユニフローエンジン１００は、２ストローク、ユニフロー型のデュアルフューエルエンジンで構成され、例えば、船舶等に用いられる。船舶等に用いられる理由は、２ストロークユニフローエンジンが、熱効率および信頼性が高いためである。上記ユニフロー型は、シリンダ下部の掃気ポートから活性ガスを吸入し、シリンダ上部の排気弁から燃焼したガスを押し出す方式であり、活性ガスと排気ガスとの流れが一方向となるので、排気ガスが残留する割合が低く、特にロングストロークのエンジンに有効である。
また、本実施形態の２ストロークエンジンをデュアルフューエルエンジンとしたのは以下の理由による。すなわち、２０００年以降、船舶用エンジンにもＩＭＯ（国際海事機関）により排出ガス規制（ＮＯｘ規制）が課せられるようになり、２０１６年には３次規制が導入される予定である。かかる３次規制は沿岸の指定海域と外洋で規制値が異なり、沿岸の指定海域がより厳しい規制値となっている。そこで、本実施形態では、規制値の厳しい規制海域ではＮＯｘを低減することが可能なＬＮＧ（液化天然ガス）を燃料としたガス運転モードで運航し、規制海域以外では、高効率のディーゼル燃料油を燃料としたディーゼル運転モードで運航するとし、ガス運転モードとディーゼル運転モードのいずれのモードでも動作可能なデュアルフューエル（２元燃料）エンジンを採用する。
具体的に、２ストロークユニフローエンジン１００は、シリンダヘッド１１０ａやシリンダブロック１１０ｂによって形成される複数のシリンダ１１０と、複数のシリンダ１１０毎に設けられた、ピストン１１２、パイロット噴射弁１１４、排気ポート１１６、排気弁駆動装置１１８、排気弁１２０、掃気ポート１２２、掃気室１２４、燃料噴射ポート１２６、燃料噴射弁１２８、調圧器１３０、シリンダ内圧センサ１３２、ロータリエンコーダ１３４を含んで構成され、ガバナー（調速機）１５０、燃料噴射制御部１５２、排気制御部１５４等の制御部によって制御される。
２ストロークユニフローエンジン１００では、圧縮（吸気も含む）、膨張（燃焼、排気も含む）といった行程を通じて、不図示のクロスヘッドに連結されたピストン１１２がシリンダ１１０内を摺動自在に往復移動する。ただし、吸気および排気は膨張行程の後半から圧縮行程の前半に渡って行われ、ここではそれを掃気と称する。このようなクロスヘッド型のピストン１１２では、シリンダ１１０内でのストロークを比較的長く形成することができ、ピストン１１２に作用する側圧をクロスヘッドに受けさせることが可能なので、２ストロークユニフローエンジン１００の高出力化を図ることができる。さらに、シリンダ１１０とクロスヘッドが収まる不図示のクランク室とが隔離されるので、低質燃料油を用いる場合においても汚損劣化を防止することができる。
パイロット噴射弁１１４は、シリンダ１１０のストローク方向一端部である、ピストン１１２の上死点より上方のシリンダヘッド１１０ａに設けられ、エンジンサイクルにおける所望の時点で適量のディーゼル燃料油を噴射する。かかるディーゼル燃料油は、シリンダヘッド１１０ａと、シリンダブロック１１０ｂにおけるシリンダライナと、ピストン１１２とに包囲された燃焼室１４０の熱で自然着火し、僅かな時間で燃焼して、燃焼室１４０の温度を極めて高くするので燃料ガスを含む予混合気を所望のタイミングで確実に燃焼することができる。ただし、着火方式は、上記ディーゼル燃料油の噴射に限らず、スパークプラグ着火方式、レーザ着火方式、プラズマ着火方式等、既存の様々な方式を採用することができる。
排気ポート１１６は、シリンダ１１０のストローク方向一端部である、ピストン１１２の上死点より上方のシリンダヘッド１１０ａの頂部に設けられた開口部であり、シリンダ１１０内で生じた燃焼後の排気ガスを排気する経路となる。排気弁駆動装置１１８は、所定のタイミングで排気弁１２０を上下に摺動させ、排気ポート１１６を開閉する。このようにして排気ポート１１６を介して排気された排気ガスは、例えば、不図示の過給機のタービン側に供給された後、外部に排気される。
掃気ポート１２２は、シリンダブロック１１０ｂのストローク方向の、排気ポート１１６の設けられた一端部に対する他端部側（下死点側）の内周面に設けられた開口部であり、ピストン１１２の摺動動作に応じてシリンダ１１０内に活性ガスを吸入する。かかる活性ガスは、酸素、オゾン等の酸化剤、または、その混合気（例えば空気）を含む。掃気室１２４には、不図示の過給機のコンプレッサによって加圧された活性ガス（例えば空気）が封入されており、掃気室１２４とシリンダ１１０内の差圧をもって掃気ポート１２２から活性ガスが吸入される。掃気室１２４の圧力は、ほぼ一定とすることができるが、掃気室１２４の圧力が変化する場合には、掃気ポート１２２に圧力計を設け、その測定値に応じて燃料ガスの噴射量等、他のパラメータを制御してもよい。
燃料噴射ポート１２６は、シリンダ１１０内周面の中腹部（排気ポート１１６と掃気ポート１２２との間）において、周方向に所定の間隔を空けて設けられた複数の開口部である。燃料噴射弁１２８は、燃料噴射ポート１２６内に配置され、燃料噴射制御部１５２からの制御信号を受けて、例えば、ＬＮＧ（液化天然ガス）をガス化した燃料ガスを噴射する。調圧器１３０は、燃料噴射制御部１５２からの調圧信号を受けて、燃料噴射弁１２８に送出する燃料ガスの圧力を調整する。こうしてシリンダ１１０内に燃料ガスが供給される。また、燃料ガスは、ＬＮＧに限らず、例えば、ＬＰＧ（液化石油ガス）、軽油、重油等をガス化したものを適用することもできる。
シリンダ内圧センサ１３２は、シリンダ１１０のストローク方向一端部である、ピストン１１２の上死点より上方のシリンダヘッド１１０ａに設けられ、シリンダ１１０内の圧力を直接測定し、その測定結果を燃料噴射制御部１５２に送信する。ロータリエンコーダ１３４は、ピストン１１２の往復運動を軸回転運動（クランク軸を中心とした回転運動）に変換する不図示のクランクに設けられ、クランクの角度信号（以下、クランク角度信号と言う。）を検出する。２ストロークユニフローエンジン１００では、クランク角度（出力軸）が３６０°回転する間にピストンが１往復し（０〜１８０°が上昇行程、１８０〜３６０°が下降行程）、圧縮や膨張といった行程をその１往復で完結する。したがってクランク角度を検出することによって、シリンダ１１０内における現在のピストン１１２の位置を一意に特定することができる。
ガバナー１５０は、上位の制御装置から入力されたエンジン出力指令値と、ロータリエンコーダ１３４からのクランク角度信号によるエンジン回転数に基づいて、燃料噴射量を導出し、燃料噴射制御部１５２に出力する。燃料噴射制御部１５２は、ガバナー１５０から入力された燃料噴射量を示す情報と、ロータリエンコーダ１３４からのクランク角度信号に基づいて、燃料噴射弁１２８における燃料ガスの噴射圧力（供給圧力）および噴射時間（噴射開始タイミングおよび噴射終了タイミング）を制御する（噴射制御）。
排気制御部１５４は、燃料噴射制御部１５２からの排気弁開閉タイミング信号と、ロータリエンコーダ１３４からのクランク角度信号に基づいて、排気弁駆動装置１１８に排気弁操作信号を出力する。以下、上述した２ストロークユニフローエンジン１００のエンジンサイクルにおける各制御部の動作について説明する。
（エンジンサイクルにおける各制御部の動作）
図２は、本実施形態における２ストロークユニフローエンジン１００の各制御部の動作を説明するための説明図である。特に図２（ａ）〜（ｆ）は２ストロークユニフローエンジン１００の縦断面図を、図２（ｇ）は図２（ａ）〜（ｆ）の状態の時間関係を示すためのタイミングチャートを示している。図２では、２ストロークユニフローエンジン１００における圧縮（吸気も含む）、膨張（燃焼、排気も含む）行程を、排気および吸気、圧縮、燃焼の順で説明する。
膨張行程前段では、図２（ａ）の如く、排気弁１２０および掃気ポート１２２が閉塞状態にあり、シリンダ１１０内は排気ガス１７０で満たされている。燃焼圧によってピストン１１２が下降し下死点に近づくと、排気制御部１５４は排気弁駆動装置１１８を通じて排気弁１２０を開放し、また、ピストン１１２の摺動動作に応じて掃気ポート１２２が開口する。すると、図２（ｂ）に示すように、掃気ポート１２２から活性ガス１７２が吸入され、活性ガスは、燃料ガスの混合を促進するためのスワール１８６を形成しながら上昇し、シリンダ１１０内の排気ガス１７０を排気ポート１１６から押し出す。
活性ガス１７２の吸入に伴う排気ガス１７０と活性ガス１７２との境界が、図２（ｂ）の如く、燃料噴射ポート１２６に達すると、燃料噴射制御部１５２は、燃料噴射弁１２８に所定の噴射圧力で燃料ガス１７４の噴射を開始させる。この時、排気弁１２０および掃気ポート１２２は開放されており、シリンダ１１０内の圧力はまだ低い状態であるため、燃料噴射弁１２８に高い圧力をかけなくとも（低圧でも）、燃料噴射弁１２８は、適切に燃料ガスを噴射することができる。このため、高出力の昇圧装置を設ける必要がない。
ただし、燃料ガスの噴射タイミングが早すぎると、シリンダ１１０の燃焼室１４０に残存する高温の排気ガス１７０に燃料ガス１７４が接触し、排気ガス１７０の熱が燃料ガス１７４に伝わり過早着火が生じるおそれがある。そこで、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、燃料噴射制御部１５２は、掃気ポート１２２からの活性ガス１７２が燃料噴射ポート１２６に達した後、さらに所定時間が経過するのを待って燃料ガス１７４を噴射する。すると、図２（ｃ）のように、燃料ガス１７４と活性ガス１７２とを混合した予混合気１７６と、排気ガス１７０との間に、燃料ガス１７４が混合されていない活性ガス１７２を主成分とする狭入層１７８が生成される。
このように排気ガス１７０と予混合気１７６との間に狭入層１７８が生成されると、高温の排気ガス１７０と予混合気１７６とを接触させることなく、排気ガス１７０を排気ポート１１６から排出することができる。ここでは、狭入層１７８がある程度の厚みを有しているので、排気ガス１７０と狭入層１７８との境界面に揺らぎが生じた場合であっても、予混合気１７６が高温になることを回避することが可能となる。
そして、排気ガス１７０の排出が完了すると排気弁駆動装置１１８は、図２（ｄ）の如く、排気弁１２０を閉じ、圧縮行程に転じたピストン１１２によって掃気ポート１２２も塞がれる。ここでは、狭入層１７８の一部が排気ポート１１６から排出された時点で排気弁１２０を閉じることで、狭入層１７８に混入してきた排気ガス１７０をシリンダ１１０内に残すことなく排出でき、また、予混合気１７６を排気ポート１１６から排出することなく、シリンダ１１０内に適切に予混合気１７６を残すことができる。こうして、過早着火を予防し、エンジン駆動の安定化を図ることができる。
燃料噴射制御部１５２は、燃料噴射弁１２８を通じて燃料ガス１７４を噴射し続け、図２（ｅ）で示したように、ピストン１１２が燃料噴射ポート１２６に達する前に、燃料ガスの噴射を停止する。このように、燃料噴射制御部１５２による燃料ガスの噴射が一通り完了した後、さらなる圧縮行程を経て予混合気１７６は高圧に圧縮され、さらに、パイロット噴射弁１１４からのディーゼル燃料油の噴射に基づいて予混合気１７６が着火されて、図２（ｆ）のように予混合気が燃焼される。そして、燃焼によりピストン１１２が押し下げられると図２（ａ）の状態に戻り、以後、圧縮、膨張行程が繰り返される。
このように、本実施形態の２ストロークユニフローエンジン１００では、シリンダ１１０内周面の中腹部に燃料噴射弁１２８が設けられているため、シリンダ１１０内に排気ガスが未だ存在する状態で、掃気ポート１２２から吸入された活性ガス１７２にのみ燃料ガス１７４を供給することが可能となり、ひいては低圧噴射（例えば１０ｂａｒ（１ＭＰａ））によるエンジンの運転が可能となる。
本実施形態では、このような２ストロークユニフローエンジン１００において、さらに、ピストン１１２の往復運動を通じて生じるシリンダ１１０内の圧力の変化に基づき、燃料噴射弁１２８の噴射量（噴射圧力と噴射時間）を制御することを目的とする。ただし、噴射制御は以下に示す物理的な制限内で行うことになる。
（物理的制限）
図３は、クランク角度とピストン位置との関係を示した説明図である。ここでは、ピストンの上昇行程が示され、クランク角度は０から１８０°まで推移している。また、ピストン位置は、シリンダ１１０における下死点を０．０、上死点を１．０としたときの下死点からのピストン１１２の位置を示す。燃料噴射ポート１２６は、このようなピストン１１２の推移に対し、狭入層１７８を適切に形成できる程度に低く（ピストン位置小）、かつ、燃料ガス１７４の噴射時間を十分に確保できる程度に高い位置（ピストン位置大）に設けられる必要がある。
仮に、燃料噴射ポート１２６を、ピストン位置が０．５（クランク角度＝１０５°）となる位置に設けたとすると、燃料噴射制御部１５２が燃料噴射弁１２８に燃料を噴射させることが可能な時間は、ピストン１１２の摺動動作により掃気ポート１２２が閉状態（例えばクランク角度＝１０°）になってから、燃料噴射ポート１２６が閉状態（例えばクランク角度＝１０５°）になるまでに限られる。ここで、燃料噴射時間を、掃気ポート１２２が閉状態になってからとしたのは、早期に燃料ガス１７４を供給すると、燃料ガス１７４が排気弁１２０から吹き抜けるおそれがあり、また、掃気ポート１２２が開状態のときに燃料ガス１７４を供給すると、活性ガス１７２や燃料ガス１７４が掃気ポート１２２に逆流してしまう可能性があるからである。
（噴射制御）
燃料噴射制御部１５２は、このような物理的制限（例えば、クランク角度１０°〜１０５°）の下、ピストン１１２の往復運動を通じて生じるシリンダ１１０内の圧力の変化に基づいて、燃料噴射弁１２８の噴射圧力と噴射時間を制御する。
図４は、クランク角度とシリンダ１１０内の圧力の推移を示した説明図である。図４を参照して理解できるように、クランク角度が大きいほど、シリンダ１１０内の圧力は高くなり、また、その変化推移は、エンジン負荷が高い程、高圧側に偏移する。燃料噴射制御部１５２は、例えば、シリンダ内圧センサ１３２等を通じて図４のように推移するシリンダ１１０内の圧力を測定し、シリンダ１１０内の圧力の変化に基づいて、燃料噴射弁１２８の燃料ガス１７４の噴射圧力や噴射時間を制御して所望する噴射量を得る。ここで、シリンダ１１０内の圧力の変化に基づいているのは以下の理由による。
すなわち、従来の高圧噴射の２ストロークエンジンでは、上死点におけるシリンダ内の圧力の変化がほとんどない期間にシリンダ内の圧力よりも十分高い燃料ガス圧力をもって短時間で燃料ガス１７４を噴射していたところ、本実施形態のような低圧噴射では、ピストン１１２の上昇行程におけるシリンダ１１０内の圧力の変化が大きい期間に比較的時間をかけて燃料ガス１７４を噴射するので、シリンダ１１０内の圧力の変化が噴射量に大きく影響するからである。シリンダ内の圧力の変化に基づいて、噴射制御を行うことで、シリンダ１１０内の圧力が変化する場合であっても、適切に燃料ガスを供給し、エンジンの安定した燃焼特性を得ることが可能となる。
しかし、シリンダ１１０内の圧力を逐次測定し、それに応じて燃料噴射弁１２８の噴射制御（閉ループ制御）を行うと、処理負荷が不要に高くなり、燃料噴射制御部１５２の処理能力によっては、噴射制御が間に合わないおそれもある。そこで、エンジン負荷を把握し、エンジン負荷に基づいてシリンダ１１０の内圧の変化を予測し、その予測した変化推移を用いて噴射制御することが考えられる。
図４に示したように、シリンダ１１０内の圧力の変化推移は、エンジン負荷に応じて異なり、例えば、エンジン負荷が高い程、高圧の変化推移を辿る。したがって、エンジン負荷さえ把握できれば、シリンダ１１０内の圧力の変化推移は、ある程度予測できることとなる。エンジン負荷は以下に示すように掃気圧を通じて把握することができる。
図５は、エンジン負荷と掃気圧との関係を説明するための説明図である。特に図５（ａ）には、エンジン回転数率とエンジン負荷率が、図５（ｂ）にはエンジン負荷率と、想定される最大掃気圧（エンジン負荷１００％での掃気圧）に対する比で表された相対掃気圧との関係が示されている。図５（ａ）に示すように、エンジンの回転数率が増加するとエンジン負荷率が増加し、図５（ｂ）に示すように、エンジン負荷率の変化に応じて、相対掃気圧（過給圧）が変化する。したがって、エンジン負荷は掃気圧を通じて把握できることが理解される。
したがって、エンジン負荷の代わりに、掃気圧を用いてシリンダ１１０内の圧力の変化推移を予測することができる。掃気圧は、掃気ポート１２２が開状態のとき（シリンダ１１０と掃気室１２４が連通したとき）のシリンダ１１０内の圧力と等しくなる。そこで、燃料噴射制御部１５２は、掃気ポート１２２が開状態のときのシリンダ１１０の内圧をシリンダ内圧センサ１３２から取得し、その取得したシリンダ１１０の内圧の１測定値に基づいてシリンダ１１０の内圧の変化を予測することが考えられる。なお、掃気室に掃気圧センサが設けられている場合、その掃気圧センサから直接掃気圧を取得することもできる。
しかし、本実施形態においては、図２に示したように、掃気ポート１２２が閉状態となるタイミングより排気弁１２０が閉状態となるタイミングの方が遅く、また、排気弁１２０を閉状態とするタイミングはエンジン負荷によって変化する場合があるため、掃気ポート１２２が閉じられても、シリンダ１１０内の圧力は排気弁１２０が閉状態となるまで上昇推移を辿らない場合がある。したがって、シリンダ１１０内の圧力を測定する予め定められたクランクの角度は、掃気ポート１２２が開状態のときの角度に代えて、排気弁１２０が閉状態になってから燃料噴射ポート１２６が閉状態になるまでの任意の角度とすることが望ましい。
図６は、２ストロークユニフローエンジン１００における噴射制御の全体的な処理の流れを示したフローチャートである。ここでは、図６に沿って、２ストロークユニフローエンジン１００における噴射制御の詳細な処理を説明する。
（燃料ガス１７４の噴射量決定処理Ｓ２００）
ガバナー１５０は、エンジン出力指令値と、ロータリエンコーダ１３４からのクランク角度信号によるエンジン回転数に基づいて、燃料ガス１７４の噴射量を導出し、燃料噴射制御部１５２に出力する。
（シリンダ１１０内圧力測定処理Ｓ２０２）
燃料噴射制御部１５２は、クランク角度が所定の値（例えば、排気弁１２０が閉状態となった直後の２０°）になると、シリンダ内圧センサ１３２を通じて、シリンダ１１０内の圧力を直接測定する。
（クランク角度対内圧曲線決定処理Ｓ２０４）
燃料噴射制御部１５２は、シリンダ内圧センサ１３２を通じて測定したシリンダ１１０内の圧力に基づき、クランク角度対内圧曲線を決定する。
図７は、クランク角度対内圧曲線の決定処理を説明するための説明図である。ここでは、予め図７に示すような複数のクランク角度対内圧曲線（エンジン負荷１〜５）が準備されている。排気弁１２０が閉状態となった後は、シリンダ１１０は密閉されるので、クランク角度対内圧曲線は大凡図７に示した推移を辿ることとなる。燃料噴射制御部１５２は、クランク角度が２０°のときのシリンダ１１０内の圧力に従って、複数のクランク角度対内圧曲線から１のクランク角度対内圧曲線を選択する。ここでは、仮にエンジン負荷３のクランク角度対内圧曲線が決定されたとする。
ただし、クランク角度対内圧曲線の数が図７のように制限されている場合、測定されたシリンダ１１０内の圧力に相当するクランク角度対内圧曲線が無い場合もある。その場合、準備された複数のクランク角度対内圧曲線のクランク角度が２０°のときのシリンダ１１０内の圧力のうち、測定されたシリンダ１１０内の圧力より高く、かつ近似する圧力のクランク角度対内圧曲線と、測定されたシリンダ１１０内の圧力より低く、かつ近似する圧力のクランク角度対内圧曲線とを補間して、当該測定されたシリンダ１１０内の圧力のクランク角度対内圧曲線を生成してもよい。かかる補間は、線形補間の他、既存の様々な補間技術を用いてもよい。
（噴射時間決定処理Ｓ２０６）
次に、燃料噴射制御部１５２は、決定したクランク角度対内圧曲線に基づいて、燃料噴射弁１２８の噴射圧力および噴射時間の少なくともいずれか一方を決定する。本実施形態では、理解を容易にするため、噴射圧力を、クランク角度が燃料噴射ポート１２６に至るまでのシリンダ１１０内の圧力より高い所定の圧力で固定し、噴射時間（噴射開始タイミングおよび噴射終了タイミング）のみを決定するとする。ここで、燃料ガス１７４の供給圧は、調圧器１３０によって、クランク角度が燃料噴射ポート１２６に至るまでのシリンダ１１０内の圧力より十分高く維持される。
図８は、燃料噴射弁１２８の噴射時間の決定処理を説明するための説明図である。図８に示したクランク角度対内圧曲線は、図７に示したエンジン負荷３のクランク角度対内圧曲線である。燃料ガス１７４の短時間の噴射量Ｍｉｎｊは、噴射圧力Ｐ０とクランク角度対内圧曲線Ｐ１（ｔ）が示す圧力とに基づく以下の数式１から導き出すことができ、燃料ガス１７４の総噴出量は、数式１の噴射量を噴射時間分累積した値となる。
…（数式１）
ただし、Ｍｉｎｊは燃料ガス噴射量［ｋｇ］であり、Ａ０は有効ノズル面積［ｍ２］であり、γは燃料ガスの比熱比［−］であり、Ｐ０はノズル入口での燃料ガス圧（噴射圧力）［Ｐａ］であり、Ｐ１（ｔ）はノズル出口での燃料ガス圧力（クランク角度対内圧曲線が示す圧力）［Ｐａ］であり、ρ０は燃料ガスの密度［ｋｇ／ｍ３］であり、tは噴射期間［ｓ］である。
したがって、燃料噴射制御部１５２は、ガバナー１５０により決定された燃料ガス１７４の噴射量を逆算し、数式１を累積して導出される総噴射量が目的とする噴射量と等しくなるように、噴射開始タイミングおよび噴射終了タイミングを決定する。例えば、図８の例では、噴射開始タイミングを３０°とし、噴射量を勘案して噴射終了タイミングが９０°となったとする。このとき噴射開始タイミングは、１０°〜４０°とするとよく、例えば、３０°等定数に固定してもよい。噴射開始タイミングを１０°〜４０°としたのは、１０°未満であると排気流により燃料ガス１７４が排気ポート１２２から吹き抜けてしまうからであり、４０°を超えると燃料ガス１７４の噴射期間が短くなり所望する燃料ガス１７４の量に満たなかったり、局所的に燃料ガス１７４の濃度が濃い部分が生じる可能性があるからである。
また、図８を参照すると、噴射圧力と噴射時間は反比例のような関係にあるので、噴射圧力が高いほど、噴射時間を短くすることができる。また、噴射圧力を高めることで、シリンダ内圧センサ１３２の測定誤差の影響も吸収でき、より高精度に噴射制御を実行することができる。
上述した実施形態において、燃料噴射制御部１５２は、クランク角度が２０°のときにシリンダ１１０内の圧力を測定し、その圧力に従って、例えば、燃料噴射弁１２８に燃料ガス１７４をクランク角度３０°から９０°までに渡って噴射させている。しかし、シリンダ１１０内の圧力を測定して（２０°）から燃料ガス１７４の噴射を開始する（３０°）までは短時間であり、エンジン負荷が大きいとき、換言すれば、エンジン回転数が高いときには、その時間が非常に短くなる。そこで、燃料噴射制御部１５２は、任意の行程（例えば現行程）におけるシリンダ１１０内の圧力の変化に基づいて、任意の行程の次の行程における燃料噴射弁１２８の噴射圧力および噴射時間の少なくともいずれか一方を決定するとしてもよい。こうすることで、処理時間を１行程分確保することができ、安定して燃料ガスを供給することができる。
以上、説明した２ストロークユニフローエンジン１００では、エンジン負荷やクランク角度によってシリンダ内の圧力が大きく変化したとしても、それに応じて適切な噴射圧力または噴射時間を設定することで、適切な量の燃料ガスを供給し、エンジンの安定した燃焼特性を得ることが可能となる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上述した実施形態においては、エンジン負荷の代わりに、所定のクランク角度におけるシリンダ１１０内の圧力を用いているが、エンジン負荷やエンジン回転数を直接把握できる場合、それらを直接用いてクランク角度対内圧曲線決定処理Ｓ２０４を行ってもよい。このとき、シリンダ内圧センサ１３２が設けられていた場合、シリンダ内圧センサ１３２の測定値を、クランク角度対内圧曲線決定処理Ｓ２０４によって形成されたクランク角度対内圧曲線通りに正しく推移しているかの確認や、正しい値への補正に利用することもできる。
また、上述した実施形態においては、噴射圧力を固定として、噴射時間を求めたが、噴射圧力も噴射時間同様制御することもできる。この場合、例えば、噴射圧力とクランク角度対内圧曲線が示す値との差圧が一定になるように制御したり、クランク角度対内圧曲線の平均値に応じて噴射圧力の絶対値を変更したり、様々な制御方式が考えられる。このように噴射圧力を制御することでも、噴射時間同様、エンジンの安定した燃焼特性を得ることが可能となる。
本発明は、シリンダ内部に燃料を直接噴射する２ストロークユニフローエンジンに関する。
１００ …２ストロークユニフローエンジン
１１０ …シリンダ
１１２ …ピストン
１１６ …排気ポート
１２０ …排気弁
１２２ …掃気ポート
１２４ …掃気室
１２６ …燃料噴射ポート
１２８ …燃料噴射弁
１３０ …調圧器
１３２ …シリンダ内圧センサ
１５０ …ガバナー
１５２ …燃料噴射制御部
１７４ …燃料ガス

Claims (4)

  1. シリンダと、
    前記シリンダ内を摺動するピストンと、
    前記シリンダのストローク方向一端部に設けられ、該シリンダ内で生じた排気ガスを排気するために開閉される排気弁と、
    前記シリンダのストローク方向他端部側の内周面に設けられ、前記ピストンの摺動動作に応じて該シリンダ内に活性ガスを吸入する掃気ポートと、
    前記シリンダの内周面に設けられた燃料噴射ポートと、
    前記燃料噴射ポートにおいて燃料ガスを噴射する燃料噴射弁と、
    前記燃料噴射弁における燃料ガスの噴射制御を実行する燃料噴射制御部と、
    を備え、
    前記燃料噴射制御部は、
    前記ピストンの往復運動を通じて生じる前記シリンダ内の圧力の変化に基づいて、前記燃料噴射弁の噴射圧力および噴射時間の少なくともいずれか一方を決定することを特徴とする２ストロークユニフローエンジン。
  2. 前記燃料噴射制御部は、前記ピストンの往復運動を軸回転運動に変換するクランクの角度が予め定められた角度となったときの前記シリンダの内圧に基づいて、該シリンダの内圧の変化を予測することを特徴とする請求項１に記載の２ストロークユニフローエンジン。
  3. 前記予め定められた角度は、前記掃気ポートが閉状態になってから前記燃料噴射ポートが閉状態になるまでの任意の角度であることを特徴とする請求項２に記載の２ストロークユニフローエンジン。
  4. 前記燃料噴射制御部は、任意の行程における前記シリンダ内の圧力の変化に基づいて、任意の行程の次の行程における前記燃料噴射弁の噴射圧力および噴射時間の少なくともいずれか一方を決定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の２ストロークユニフローエンジン。
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