JP2014020276A

JP2014020276A - ユニフロー式２ストロークエンジン

Info

Publication number: JP2014020276A
Application number: JP2012159256A
Authority: JP
Inventors: Masanori Higashida; 正憲東田; Ikumi Onishi; 郁美大西; Kanichi Yamamoto; 寛一山本
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2014-02-03
Anticipated expiration: 2032-07-18
Also published as: JP6043112B2

Abstract

【課題】
排気弁の開閉タイミングを調整することでシリンダ内の酸素濃度を低下させることができるユニフロー式２ストロークエンジンを提供する。
【解決手段】
本発明に係るユニフロー式２ストロークエンジン１００は、下部に掃気ポート１５が形成されたシリンダ１１と、シリンダ１１内を往復し掃気ポート１５を開閉するピストン１２と、圧縮された新気を一旦収容して掃気ポート１５に供給する掃気管４０と、シリンダ１１の上部に配置された排気弁１３と、排気弁１３を任意のタイミングで開閉する可変バルブ装置１４と、を備えている。そして、掃気行程中に排気弁１３の開度が一回又は複数回縮小するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＮＯｘの発生を抑える機構を備えたユニフロー式２ストロークエンジンに関する。

大型船舶などに搭載されているユニフロー式２ストロークディーゼルエンジンは、自動車用のエンジンなど他のエンジンと同様に、ＮＯｘの排出規制が強化される傾向にある。ＮＯｘの生成を抑える方法として、排気（既燃ガス）の一部を燃焼室に戻し、シリンダ内の酸素濃度を低減させる排気再循環（Exhaust Gas Recirculation；以下、「ＥＧＲ」と称す）がある。ユニフロー式２ストロークエンジンで行われるＥＧＲは、外部ＥＧＲに相当し、燃焼室から排出された排気を冷却洗浄するなどして燃焼室の外部を通って再び入口側（掃気管側）へ戻すというものである（例えば、特許文献１参照）。

一方、４ストロークエンジンにおいては、外部ＥＧＲだけでなく内部ＥＧＲ（特許文献２参照）を行うものがある。内部ＥＧＲとしては、例えば排気弁の開放中（排気行程中）に吸気弁を開放し（いわゆるオーバーラップさせ）、吸気通路へ既燃ガスを逆流させる方法がある。このような内部ＥＧＲは、外部の機器を用いることなく既燃ガスを再度燃焼室に戻すことができる。そのため、外部ＥＧＲ装置等（外部ＥＧＲ以外の外部ＮＯｘ低減装置を備える場合にはその装置も含む）の負担が軽減され、外部ＥＧＲ装置等を縮小することができ、場合によっては外部ＥＧＲ装置等自体を無くすことができる。

特開２０１０−１３３４１３号公報特開平７−１３３７２６号公報

４ストロークエンジンの場合、排気弁と吸気弁をそれぞれ任意のタイミングで開閉できる装置（いわゆる可変バルブ装置）を搭載していれば比較的容易に内部ＥＧＲを行うことができ、シリンダ内の酸素濃度を低下させることができる。これに対し、ユニフロー式２ストロークエンジンの場合は、４ストロークエンジンの吸気弁に相当する掃気ポートはピストンによって直接開閉されるため実質的に開閉制御を行うことはできない。つまり、ユニフロー式２ストロークエンジンの場合、可変バルブ装置を用いたとしても、任意のタイミングで開閉できるのは排気弁のみである。そのため、４ストロークエンジンの制御をそのままユニフロー式２ストロークエンジンに適用することはできない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであって、排気弁の開閉タイミングを調整することでシリンダ内の酸素濃度を低下させることができるユニフロー式２ストロークエンジンを提供することを目的とする。

本発明のある形態に係るユニフロー式２ストロークエンジンは、下部に掃気ポートが形成されたシリンダと、前記シリンダ内を往復し前記掃気ポートを開閉するピストンと、圧縮された新気を一旦収容して前記掃気ポートに供給する掃気管と、前記シリンダの上部に配置された排気弁と、前記排気弁を任意のタイミングで開閉する可変バルブ装置と、を備え、掃気行程中に前記排気弁の開度が一回又は複数回縮小するように構成されている。かかる構成によれば、掃気行程中に排気弁から排出される既燃ガスの量を減らすことで、既燃ガスをシリンダ内に多く残留させることができる。そのため、燃焼行程において、シリンダ内に多くの既燃ガスを含めることができ、酸素濃度を低下させることができる。

また、上記のユニフロー式２ストロークエンジンにおいて、掃気行程中に前記排気弁の開度が縮小するサイクルと、掃気行程中は前記排気弁の開度が一定のままであるサイクルが混在するように構成されていてもよい。かかる構成によれば、例えば排気弁が非常に大きく、応答が比較的遅い装置であっても、排出されるＮＯｘの量を適切に制御することができる。

また、上記のユニフロー式２ストロークエンジンにおいて、前記シリンダ、前記ピストン、又は前記排気弁の温度が所定の上限温度を超えたとき、掃気行程中は前記排気弁の開度が縮小しない、掃気行程中に縮小する前記排気弁の最小開度が大きくなる、掃気行程中に前記排気弁の開度が縮小する回数が減る、又はこれらが組み合わせて行われるように構成されていてもよい。かかる構成によれば、シリンダ等の温度が上限温度を超えた場合には、新気が多く流入することでそれらの部材が冷却され、その結果シリンダ等に生じうる不具合を防止することができる。なお、ここでいう「上限温度」は、部材ごとに異なっていてもよく、全ての部材で共通であってもよい（以下同様）。

また、上記のユニフロー式２ストロークエンジンにおいて、前記シリンダ、前記ピストン、又は前記排気弁の温度が所定の上限温度を超えたとき、掃気行程中に前記排気弁の開度が縮小するサイクルの頻度が減るように構成されていてもよい。かかる構成においても、シリンダ等の温度が上昇しすぎた場合には、新気が多く流入するため、シリンダ等の温度の過上昇による不具合を防止することができる。

また、上記のユニフロー式２ストロークエンジンにおいて、外部ＮＯｘ低減装置をさらに備え、前記シリンダ、前記ピストン、又は前記排気弁の温度が前記所定の上限温度を超えたとき、前記外部ＮＯｘ低減装置の利用負荷を上げるように構成されていてもよい。かかる構成によれば、シリンダ内の温度が上限値を超えた際、内部に残留する既燃ガスの量が減ったとしても、外部ＮＯｘ低減装置を利用して、ＮＯｘの排出量を抑えることができる。

上述したユニフロー式２ストロークエンジンによれば、排気弁のみの開閉タイミングを調整することでシリンダ内の酸素濃度を低下させることができる。

図１は、本発明の実施形態に係るユニフロー式２ストロークエンジンのブロック図である。図２は、排気弁の通常の動作を示した図である。図３は、図２に示す場合のクランク角度と排気弁の開度との関係を示した図である。図４は、本発明の実施形態における低負荷領域での排気弁の動作を示した図である。図５は、図４に示す場合のクランク角度と排気弁の開度との関係を示した図である。図６は、本発明の実施形態におけるプリクローズ制御行うか否かを判断する際のフロー図である。図７は、本発明の実施形態における中負荷領域及び高負荷領域での排気弁の動作を示した図である。図８は、図７に示す場合のクランク角度と排気弁の開度との関係を示した図である。

以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。

＜エンジンの概略＞
まず、本発明の実施形態に係るユニフロー式２ストロークエンジン（以下、単に「エンジン」と称する）１００の概略について説明する。図１は、本実施形態に係るエンジン１００のブロック図である。本実施形態に係るエンジン１００は、大型船舶用のディーゼルエンジンであって、燃焼室１０と、過給機２０と、補助ブロア３０と、掃気管４０と、排気管５０と、外部ＥＧＲユニット６０と、制御装置７０と、を備えている。以下、これらの各構成要素について順に説明する。

燃焼室１０は、エンジン１００の中心となる構成要素である。燃焼室１０には、掃気管４０から新気が供給される（ただし、ＥＧＲを行っている場合には、新気と既燃ガスが供給される。以下同様。）。また、燃焼室１０で発生する既燃ガスは排気管５０へ排出される。燃焼室１０の構成は、４ストロークエンジンの燃焼室の構成とは全く異なる。燃焼室１０の構成の詳細は後述する。

過給機２０は、大気（新気）を圧縮して燃焼室１０に供給する装置である。過給機２０は、タービン部２１と、コンプレッサ部２２とを有している。タービン部２１には燃焼室１０から排気が供給され、排気のエネルギによりタービン部２１が回転する。タービン部２１とコンプレッサ部２２はシャフト部２３により連結されており、タービン部２１が回転することによりコンプレッサ部２２も回転する。コンプレッサ部２２が回転すると、外部から取り込んだ大気が圧縮され、圧縮された大気は掃気管４０を介して燃焼室１０へ供給される。

補助ブロア３０は、過給機２０を補助する装置である。過給機２０から掃気管４０に延びる配管３１にはバイパス配管３２が設けられており、このバイパス配管３１に補助ブロア３０が取り付けられている。なお、補助ブロア３０は、通常、エンジン１００の低負荷領域のみで作動する。これは、過給機２０が排気のエネルギを駆動源としているところ、低負荷領域では排気の流量が少なく、十分に大気を圧縮できないからである。なお、補助ブロア３０は電動モータで駆動するため、その能力はエンジン１００の負荷領域と関係なく一定である。

掃気管４０は、圧縮された新気を一旦収容して燃焼室１０に供給する装置である。従来のエンジン（ユニフロー式２ストロークエンジン）では、燃焼室１０から掃気管４０へ既燃ガスが逆流しないように設計されている。これは、燃焼室１０から掃気管４０へ既燃ガスが逆流すると、掃気管４０内で火災が発生する可能性があるからである。掃気管４０は燃焼室１０の下方に位置しているため、潤滑油や燃料などの残渣が溜まりやすく、溜まった残渣に引火する場合がある。また、掃気管４０での火災は、特にエンジン１００の低負荷領域で生じやすい。これは、エンジン１００の低負荷領域では残渣が発生しやすく、また、低負荷領域で作動する補助ブロア３０が掃気管４０内の空気をかき回すことで残渣が霧状になり、引火しやすくなるからである。さらに、掃気管４０には、オイルミスト濃度測定器４１が設けられている。オイルミスト濃度測定器４１は、掃気管４０内に浮遊する潤滑油や燃料などの濃度（オイルミスト濃度）を測定する装置である。オイルミスト濃度測定器４１は、測定したオイルミスト濃度に関する信号を制御装置７０に送信する。

排気管５０は、燃焼室１０から排出された排気（既燃ガス）を一旦収容して過給機２０へ供給する装置である。排気管５０は、燃焼室１０から排出される排気の脈動を抑えるだけでなく、ＮＯｘの排出量を平均化することができる。つまり、燃焼室１０のサイクル毎にＮＯｘの排出量が異なったとしても、排気管５０からはＮＯｘ量の変動が小さい安定した排気が排出される。なお、排気管５０の下流側には、排気温度を測定する温度センサ５１が設けられている。温度センサ５１は、測定した排気温度に関する信号を制御装置７０に送信する。

外部ＥＧＲユニット６０は、排気管５０から排出された既燃ガス（排気）の一部を掃気管４０側に供給するユニットである。外部ＥＧＲユニット６０では、スクラバ６１によって取り込んだ既燃ガスからすす等を除去し、その既燃ガスを冷却装置６２で冷却し、ＥＧＲブロア６３で昇圧した後、過給機２０から送られる新気と合流させる。なお、ＥＧＲブロア６３は、冷却装置６２の下流に配置してもよく、上流に配置してもよい。外部ＥＧＲユニット６０を構成するＥＧＲブロア６３や内部配管に設けられた調整バルブ６４、６５は制御装置７０によって制御される。これにより、制御装置７０は、外部ＥＧＲユニット６０内を通って掃気管４０に供給される既燃ガスの流量を調整することができる。

制御装置７０は、ＣＰＵ等で構成されており、エンジン１００の全体を制御する装置である。制御装置７０は、エンジン１００の回転速度と燃料噴射量に関する信号をそれぞれ受信し、これらエンジン１００の回転速度と燃料噴射量に基づいてエンジン１００の負荷を算出することができる。また、制御装置７０は、温度センサ５１から排気温度に関する信号を受信し、その排気温度に基づいて燃焼室１０を構成するシリンダ１１、ピストン１２、又は排気弁１３の温度（以下、「部材温度」と称す。）を推定することができる。ただし、部材温度は、直接測定してもよく、他の方法によって推定してもよい。さらに、制御装置７０は可変バルブ装置１４に制御信号を送信し、排気弁１３の開度を調整することができる。制御装置７０による具体的な制御内容については後述する。

＜燃焼室の構造＞
次に、燃焼室１０の構造について説明する。図１に示すように、本実施形態の燃焼室１０は、シリンダ１１と、ピストン１２と、排気弁１３と、を有している。また、排気弁１３は可変バルブ装置１４によって開閉される。以下、これらの各構成要素について順に説明する。

シリンダ１１は、筒状の部材であり、その内部で新気と燃料の混合気が燃焼する。図１では、シリンダ１１が１つのみ図示されているが、実際にはエンジン１００に複数個のシリンダ１１が並べて配置されている。本実施形態に係るエンジン１００はユニフロー式であるため、シリンダ１１の下部に掃気ポート１５が形成されている。この掃気ポート１５を介して、掃気管４０からシリンダ１１内に新気が流入する。シリンダ１１の上部には、燃料噴射ノズル１６が設けられている。燃料噴射ノズル１６は、所定のタイミングでシリンダ１１内に燃料を噴射する。

ピストン１２は、シリンダ１１内を往復する部材である。ピストン１２の下端部分は、プロペラ軸に連結するクランクシャフト（いずれも図示せず）に取り付けられており、ピストン１２が上下に移動することでクランクシャフトが回転し、ひいては船体推進用のプロペラが回転する。本実施形態のピストン１２は、シリンダ１１内の空気を圧縮し、また、燃焼による膨張を仕事に変換するだけでなく、シリンダ１１に形成された掃気ポート１５を開閉する。つまり、ピストン１２の上下位置（クランク角度）によって掃気ポート１５の開度が決まり、両者の相対関係は変わることはない。

排気弁１３は、シリンダ１１内の既燃ガスを排気管５０へ排出する弁である。本実施形態の排気弁１３はシリンダ１１の上部に配置されている。排気弁１３は、シリンダ１１の上部に形成されたシリンダカバー１７と、排気弁棒１８によって主に構成されている。排気弁棒１８が駆動することにより、排気弁１３が開閉する。この排気弁棒１８は、可変バルブ装置１４によって駆動される。つまり、上述したように、排気弁１３は可変バルブ装置１４によって開閉される。

可変バルブ装置１４は、排気弁１３を任意のタイミングで開閉する装置である。可変バルブ装置１４は、公知のものを採用することができる。例えば、排気弁棒１８がカムシャフトで駆動される構成の場合、クランクシャフトに対するカムシャフトの位相をずらすものや、複数のカムシャフトを切り換えて使用するものなどを採用しても良い。ただし、本実施形態の可変バルブ装置１４は、電子制御された油圧アクチュエータで排気弁棒１８を駆動するように構成されている。また、上述したように、可変バルブ装置１４は、制御装置７０によって制御される。そして、可変バルブ装置１４は、排気弁１３の開閉のタイミングを任意に変更できる可変タイミング制御、及び排気弁１３の開度を任意に変更できる可変リフト量制御を行うことができる。

＜通常の動作＞
次に、排気弁１３の動作について説明する。本実施形態における排気弁１３の動作を説明する前に、まず通常の（従来の）動作について説明する。２ストロークエンジンでは、掃気、圧縮、燃焼、排気の１サイクルが２ストローク（ピストン１２が１往復する間）で行われる。図２は排気弁１３の通常の動作を示した図である。図２のＡからＨはピストン１２が下死点から上死点に達し、さらに下死点に至るまでの排気弁１３の位置を示している。図２に示すように、ピストン１２が下死点にあるとき（Ａ）、排気弁１３は全開（開度１００％）である。このとき、エンジン１００は掃気行程にある。すなわち、掃気ポート１５と排気弁１３はいずれも開いており、掃気ポート１５から流入した新気が既燃ガスを排気弁１３側へ押し出す。この掃気行程は、ピストン１２が上昇しはじめても一定期間続く（Ｂ、Ｃ）。

さらにピストン１２が上昇すると排気弁１３は全閉（開度０％）となって圧縮行程に入る（Ｄ）。続いて、ピストン１２が上死点に達した付近でシリンダ１１内に燃料が噴射され燃焼行程に入る（Ｅ）。その後、ピストン１２が下降する途中で排気弁１３が全開となり、排気行程に入る（Ｆ）。つまり、排気弁１３から既燃ガスが排出される。この排気行程は、ピストン１２が下降しながらも一定期間続く（Ｇ）。さらにピストン１２が下降すると掃気ポート１５が開きはじめる（Ｈ）。このとき既にシリンダ１１内の既燃ガスの一部が排気弁１３から排出されているため、シリンダ１１内の圧力は掃気管４０内の圧力よりも低い状態にある。そのため、掃気ポート１５からシリンダ１１内へと新気が流れ込み、掃気行程がはじまる。

なお、掃気管４０内の圧力と排気管５０内の圧力はエンジン１００の負荷が一定であれば大きく変動しない。例えば、ある負荷において、掃気管４０内の圧力は４.０気圧に維持され、排気管５０内の圧力は３.７気圧に維持される。そして、通常の動作であれば（排気弁１３が通常のタイミングで開けば）、掃気ポート１５が開きはじめたとき（図２に示すＨの状態のとき）、シリンダ１１内の圧力は、掃気管４０内の圧力よりも低く排気管５０内の圧力よりも高い。上記の例でいえば掃気ポート１５が開きはじめたときのシリンダ１１内の圧力は、例えば３.８気圧となる。このような圧力関係であれば、掃気ポート１５が開きはじめると同時に、掃気管４０からシリンダ１１内に新気が流れ込み、すみやかに掃気行程に入ることができる。

ここで、通常の動作の場合、クランク角度（ピストン１２の位置）と排気弁１３の開度の関係は例えば図３のようになる。図３のうち横軸はクランク角度を表している。クランク角度が０度のときはピストン１２が上死点（図２のＥ）にあり、１８０度及び−１８０度のときピストン１２は下死点（図２のＡ）にある。また、図３のうち縦軸は排気弁１３のリフト量（開度）を表している。リフト量が０％のときは全閉状態にあり、１００％のときは全開状態にある。図３に示すように、通常の動作の場合、クランク角度が−１８０度付近にあるとき排気弁１３は全開のままである。その後、上死点でシリンダ１１内が所要の圧力となるように、ピストン１２が上昇する間の最適なタイミングで排気弁１３が全閉となる。また、ピストン１２が下降する間のあるタイミングで排気弁１３が再び全開となる。そして、そこから排気弁１３は全開状態を維持する。以上が、排気弁１３の通常の動作である。

なお、排気弁１３が開くタイミング（クランク角度）は、シリンダ１１内の圧力と掃気管４０内の圧力の関係から、エンジン１００の負荷ごとに定められている。具体的には、燃焼行程後、シリンダ１１内の圧力が低下しはじめて、掃気管４０内の圧力と同じになるクランク角度を設計時に計算しておき、例えば、その５度前を開くタイミングと定めている。このように設定するのは、実際のエンジン運転時には、負荷が一定でも、シリンダ１１内の圧力および掃気管４０内の圧力は各サイクルで変動するので、必ず逆流しないように余裕を見ているからである。

＜低負荷領域での動作＞
次に、本実施形態のエンジン１００が低負荷領域にあるときの排気弁１３の動作について説明する。なお、低負荷領域とはエンジン１００の最大負荷の例えば３５％以下であるときをいう。ここで、図４はエンジン１００が低負荷領域にあるときの排気弁１３の動作を示した図である。図２の場合と同様に、図４のＡからＨはピストン１２が下死点から上死点に達し、さらに下死点に至るまでの排気弁１３の位置を示している。なお、排気弁１３の開閉は、制御装置７０が可変バルブ装置１４を制御することにより行われる。図４に示すように、ピストン１２が下死点にあるとき（Ａ）、排気弁１３は全開（開度１００％）である。また掃気ポート１５も開いた状態にある。そのため、掃気ポート１５からは新気（正確には既燃ガスも含まれる）がシリンダ１１内に流入するとともにシリンダ１１内の既燃ガスが排気弁１３から外部（排気管５０）へと押し出される。つまり、このときシリンダ１１内は掃気行程にある。

上述したように、掃気行程中は本来、排気弁１３が全開の状態にある（図２のＡからＣ）。ところが、本実施形態では、掃気行程中に排気弁１３は開度が１００％から５０％へと一旦減少し（Ｂ）、その後再び１００％（全開）となる（Ｃ）。このように、本実施形態では、掃気行程中において排気弁１３の開度は一定ではなく、排気弁１３の開度を一旦縮小するプリクローズ制御が行われる。なお、掃気行程後の圧縮行程（Ｄ）、燃焼行程（Ｅ）、排気行程（Ｆ）については、図２に示す通常の動作と同じであるため再度の説明は省略する。

ここで、図５は、エンジン１００が低負荷領域にあるときのクランク角度と排気弁１３の開度との関係を示した図である。図５の縦軸及び横軸は、図３のものと同じである。図５において、破線は図３で示した通常動作の場合を示しており、実線は本実施形態のエンジン１００が低負荷領域にあるときの場合を示している。図５に示すように、本実施形態では通常の動作において全開であった−１８０度から−９０度付近の間で排気弁１３のリフト量（開度）が一旦５０％に縮小し、その後再び１００％になっている。

以上のように、本実施形態ではエンジン１００が低負荷領域にあるとき、掃気行程において一旦排気弁１３の開度が縮小するよう構成されている。この構成により、掃気工程中に既燃ガスが排気弁１３から排出されにくくなり、既燃ガスの一部がシリンダ１１内に残留することとなる。その結果、シリンダ１１内の酸素濃度が低下し、ＮＯｘの生成を抑えることができる。なお、既燃ガスを残留させる方法として、排気弁１３の開度を縮小してそのまま全閉にさせる（圧縮行程に入る）こともできるが、この場合シリンダ１１内の圧力が上昇しすぎるおそれがあるため、開度を縮小した後は再度全開又は全開近くにまで排気弁１３の開度を拡大するのが望ましい。

また、本実施形態では、掃気行程において排気弁１３の開度を１００％から５０％へと縮小しているが、例えば開度を１００％から０％へと縮小してもよい。つまり、掃気行程中に一旦排気弁１３を完全に閉じてもよい。さらに、本実施形態では、掃気行程中に一回のみ開度を縮小しているが、複数回縮小してもよい。また、以上ではエンジン１００のあるサイクルに着目して説明しているが、掃気行程中に排気弁１３の開度が一旦縮小するサイクルと、これとは別に掃気行程中は排気弁１３の開度が一定のままであるサイクルを混在させてもよい。

ここで、本実施形態に係るエンジン１００は大型船舶用に搭載される大型のものであり、排気弁棒１８は非常に重い。また排気弁棒１８の駆動には油圧を利用している。そのため、制御装置７０から可変バルブ装置１４へ送信した制御信号と実際の排気弁棒１８の動作には時間のずれが生じやすい。このような場合には、掃気行程中において排気弁１３の開度が一旦縮小するサイクルと、排気弁１３の開度が一定のままであるサイクルを混在させてもよい。例えば、排気弁１３の開閉動作に時間がかかることで、ピストン１２の動きに追従できず、その結果排気弁１３を比較的長い間閉じたままになったとしても、次のサイクルで排気弁１３の開度を一定のままにしておけば、部材温度の上昇を抑えながらＮＯｘの生成量の平均値は通常動作時より低減することができるからである。なお、前述したように、ＮＯｘの生成量の平均化は、排気管５０で行うことができる。

また、本実施形態では、プリクローズの期間、タイミング、開度、及び頻度は、エンジン１００の負荷によって異なる。エンジン１００の負荷に応じて残留させるべき既燃ガスの量が異なるからである。例えば、エンジン１００が高負荷領域にあるときは、中負荷領域にあるときに比べて、開度の縮小期間を長く設定するなどの制御を行う。なお、プリクローズの具体的な期間、タイミング、開度、及び頻度については、予め同型のエンジンで試験を行った結果に基づいて決定する。

＜補完制御＞
以上のとおり、本実施形態ではプリクローズ制御が行われるが、プリクローズ制御を行った結果、新気が入りにくくなり、部材温度（シリンダ１１、ピストン１２、又は排気弁１３の温度）が上昇する場合がある。新気は既燃ガスに比べて温度が低く、新気がシリンダ１１内に流入しなくなると新気による冷却の効果が低下するからである。そして、部材温度が上昇しすぎると、シリンダ１１、ピストン１２、又は排気弁１３が変形したり破損したり不具合が生じるおそれがある。そのため、部材温度が一定以下になるよう制御する必要がある。具体的には、部材温度が上限温度を超えた場合には、新気の流入量を増やす制御、つまり既燃ガスの排出量を増やす制御を行う。

本実施形態では、既燃ガスの排出量を増やすために、プリクローズ制御を一旦停止している。つまり、部材温度が上限温度を超えたとき、掃気行程中の排気弁１３の開度を常に１００％とする。ただし、プリクローズ制御自体を停止するのではなく、排気弁１３の最小開度を大きくしてもよい。上記の例で言えば、最小開度を５０％から７０％に変更してもよい。また、１回の掃気行程で排気弁１３の開度を複数回縮小しているのであれば、その回数を減らしてもよい。また、排気弁１３の開度を縮小するサイクルと一定のままのサイクルが混在しているのであれば、縮小するサイクルの頻度を減らしてもよい。さらに、これらを組み合わせてもよい。

また、プリクローズ制御を停止するか否か（既燃ガスの排出量を減らすか否か）は、例えば次のように決定される。図６は、プリクローズ制御を停止するか否かを判断するフロー図である。なお、プリクローズ制御を停止するか否かの判断は、制御装置７０によって行われる。まず、制御装置７０は、既にプリクローズ制御を行っているか否かを判定する（ステップＳ１）。プリクローズ制御を行っていると判定した場合（ステップＳ１でＹＥＳ）、部材温度が予め定められた上限温度より低いか否かを判定する（ステップＳ２）。この上限温度は各部材に不具合が生じるおそれがある温度よりも若干低い温度に設定されている。また、上述したように部材温度は、排気温度により推定することができる。そのため、実際には、ステップＳ２では、排気温度が所定の温度より低いか否かを判定している。

そして、制御装置７０は、部材温度が上限温度よりも低いと判定した場合（ステップＳ２でＹＥＳ）、そのままプリクローズ制御を続ける（ステップＳ３）。一方、部材温度が上限温度よりも高いと判定した場合には（ステップＳ２でＮＯ）、プリクローズ制御を停止する（ステップＳ４）。このとき、制御装置７０は、外部ＥＧＲユニット６０を通って掃気管４０に供給される既燃ガスの流量を増やす。このように外部ＥＧＲユニット６０を通る既燃ガスの流量を増やすのは、プリクローズ制御を停止するとシリンダ１１内に残留する既燃ガスの量が減ってしまうからである。これにより、プリクローズ制御を停止したとしても、シリンダ１１内の既燃ガスの量を維持することができ、ＮＯｘの生成量の増加を抑えることができる。

また、制御装置７０は、ステップＳ１でプリクローズ制御を行っていないと判定した場合（ステップＳ１でＮＯ）、部材温度が予め定めた再開温度より高いか否かを判定する（ステップＳ５）。なお、再開温度は、上限温度よりも低く（厳しく）設定されている。制御装置７０は、ステップＳ５で、部材温度が再開温度よりも高いと判定した場合（ステップ５でＹＥＳ）、プリクローズ制御をそのまま停止する（ステップＳ４）。一方、部材温度が再開温度よりも低いと判断した場合（ステップ５でＮＯ）、プリクローズ制御を再開する。このとき、制御装置７０は、外部ＥＧＲユニット６０を通って掃気管４０に供給される既燃ガスの流量を減らす。

以上のように、本実施形態では、部材温度が上限温度よりも高い場合、プリクローズ制御を停止することで、シリンダ１１に生じうる不具合を回避している。そして、プリクローズ制御の停止に伴って外部ＥＧＲユニット６０の利用負荷を上げ、プリクローズ制御の再開に伴って外部ＥＧＲユニット６０の利用負荷を下げることで、シリンダ１１内における既燃ガスの量を適切な量に維持し、ＮＯｘの生成量を的確に抑えている。

なお、本実施形態では、外部ＮＯｘ低減装置として外部ＥＧＲユニット６０を備えているが、外部ＥＧＲユニット６０とともに又はこれに代えて他の外部ＮＯｘ低減装置を備えていてもよい。例えば、エンジン１００は、外部ＮＯｘ低減装置として、水添加装置、又はＳＣＲ（選択触媒脱硝）装置を備えていてもよい。たとえば、水添加装置は、燃料に水を添加することで、燃焼時に水の蒸発潜熱で局所的な燃焼温度が低下し、ＮＯｘ生成が抑えられるというものである。水添加装置を利用する場合、プリクローズ制御の停止に伴って水添加率を上げ、プリクローズ制御の再開に伴って水添加率を下げる、又は水添加を止めることで、ＮＯｘの生成量を的確に抑える。また、ＳＣＲ装置は、一般にタービン部２１の後に設置され、排ガスに含まれるＮＯｘを化学反応で窒素と水にするものである。ＳＣＲ装置を利用する場合は、プリクローズ制御の停止に伴って還元剤の量を増やし、プリクローズ制御の再開に伴って還元剤を減らす、又は還元剤の投入を止めることで、ＮＯｘ排出量を的確に抑える。

＜高負荷領域及び中負荷領域の動作＞
次に、本実施形態のエンジン１００が高負荷領域及び中負荷領域にあるときの排気弁１３の動作について説明する。なお、高負荷領域とはエンジン１００の最大負荷の例えば８５％以上のときをいい、中負荷領域とはエンジン１００の最大負荷の例えば３５％〜８５％のときをいう。ここで、図７はエンジン１００が低負荷領域にあるときの排気弁１３の動作を示した図である。図２及び図４の場合と同様に、図７のＡからＨはピストン１２の下死点から上死点に達し、さらに下死点に至るまでの排気弁１３の位置を示している。図７に示すように、高負荷領域及び中負荷領域における排気弁１３の動作は、掃気行程中に一旦排気弁１３の開度を縮小させるプリクローズ制御が行われている。このように、図７のＡからＣまでは、図４のＡからＣまでと同じである。また、圧縮行程（Ｄ）についても、通常の動作と同じである。そこで、ここでは図７のＥからＨに示す排気弁１３の動作について説明する。

通常の動作と同じように、エンジン１００が高負荷領域及び中負荷領域にあるとき燃焼行程中は排気弁１３が全閉の状態にある（Ｅ）。その後、ピストン１２が下降しはじめるが、排気弁１３は全閉のままであり（Ｆ）、掃気ポート１５が開く寸前で排気弁１３が開く（Ｇ）。つまり、高負荷領域及び中負荷領域では、排気弁１３が通常よりも遅いタイミングで開きはじめる（図２のＦ、Ｇ）。このように、排気弁１３は通常よりも遅いタイミングで開くため、シリンダ１１内の圧力が高い状態が通常よりも長く維持される。

そして、排気弁１３が開きはじめた後すぐに、掃気ポート１５が開く（Ｈ）。そうすると、掃気ポート１５が開きはじめたとき、シリンダ１１内の圧力が掃気管４０内の圧力よりも高くなり、シリンダ１１から掃気管４０へ既燃ガスが逆流する。なお、シリンダ１１内の既燃ガスは排気弁１３からも排出される。また、掃気管４０内の圧力と排気管５０内の圧力が一定であることは上述したとおりであり、同じように例えば掃気管４０内の圧力が４.０気圧に維持され、排気管５０内の圧力が３.７気圧に維持されているとすると、掃気ポート１５が開きはじめたとき（図７に示すＨの状態のとき）のシリンダ１１内の圧力は４.１気圧といった値とする。

なお、掃気ポート１５が開きはじめてからしばらくすると、今度はシリンダ１１内の圧力が掃気管４０内の圧力よりも低くなり、通常の掃気行程と同じように掃気管４０からシリンダ１１へ空気が流れ込む（Ａ）。このシリンダ１１へ流れ込む空気には、逆流した既燃ガスも当然含まれており、シリンダ１１内には多くの既燃ガスが残ることとなる。その結果、シリンダ１１内の酸素濃度が低下し、ＮＯｘの生成が抑えられる。なお、排気弁１３の開きはじめが遅いと、シリンダ１１内の圧力が高い期間が長く、シリンダ１１の内部圧力によって比較的長い間ピストン１２を下方に押し続けることができる。その結果、エンジン１００の燃費も向上する。

ここで、図８は、エンジン１００が中負荷領域及び高負荷領域にあるときのクランク角度と排気弁１３の開度との関係を示した図である。図８の縦軸及び横軸は、図３及び図５のものと同じである。図８において、破線は通常動作の場合を示しており、実線は本実施形態の高負荷領域及び中負荷領域あるときの場合を示している。図８に示すように、−１８０度から−９０度付近の間で排気弁１３のリフト量（開度）が一旦５０％に縮小している点は、低負荷領域の場合と同じである。さらに、通常の動作では、クランク角度が９０度付近で排気弁１３が全開になっているところ、本実施形態の中負荷領域及び高負荷領域では、通常よりも遅いタイミングで排気弁１３の開度が全開になっている。

なお、本実施形態では、掃気ポート１５が開きはじめたとき、シリンダ１１内の圧力が掃気管４０内の圧力よりも高くなるようなタイミング、つまりシリンダ１１から掃気管へ既燃ガスが逆流するようなタイミングで排気弁１３が開く。これを実現するために、本実施形態では掃気ポート１５が開く直前に排気弁１３を開いているが、必ずしも掃気ポート１５が開く前に排気弁１３を開かなくてもよい。排気弁１３が開きはじめるタイミングと掃気ポート１５が開きはじめるタイミングが実質的に同じであってもよく、掃気ポート１５が開きはじめるタイミングよりも遅くてもよい。このようなタイミングで排気弁１３を開けば、より確実にシリンダ１１から掃気管４０への逆流を生じさせることができる。

また、本実施形態では、燃焼行程後の排気弁１３を開くタイミングは、エンジン１００の負荷によって異なるように構成されている。上述したように、エンジン１００の負荷に応じて残留させるべき既燃ガスの量が異なるからである。例えば、エンジン１００が高負荷領域にあるときは、中負荷領域にあるときに比べて、開くタイミングを遅らせるといった制御を行う。なお、排気弁１３を開くタイミングについては、予め同型のエンジンで試験を行った結果に基づいて決定する。

上記のように、通常よりも遅いタイミングで排気弁１３を開く制御（以下、「遅延開放制御」と称す。）は、中負荷領域及び高負荷領域で行われるが、低負荷領域では行われない。これは、前述したように、特に低負荷領域において既燃ガスの逆流が生じると掃気管４０内で火災が生じやすいからである。ただし、補助ブロア３０の吹き出し口を掃気管４０から離して設けたり、掃気管４０へ残渣が侵入しないように構成したりするなど他の方法で掃気管４０内の火災を防ぐことができるのであれば、低負荷領域においても遅延開放制御を行ってもよい。

また、中負荷領域及び高負荷領域のみで遅延開放制御が行われると、低負荷領域から中負荷領域へ移行する際、又は中負荷領域から低負荷領域に移行する際にはシリンダ１１内に残留する既燃ガスの量が大きく変化する。そこで本実施形態では、エンジン１００が低負荷領域から中負荷領域に移行したとき、制御装置７０は外部ＥＧＲユニット６０を通って掃気管４０に供給される既燃ガスの流量を減少するように制御する。また、エンジン１００が中負荷領域から低負荷領域に移行したとき、制御装置７０は外部ＥＧＲユニット６０を通って掃気管４０に供給される既燃ガスの流量を増加するように制御する。このように構成することで、シリンダ１１内における既燃ガスの量を適切な値に維持し、ＮＯｘの生成量を的確に抑えることができる。なお、エンジン１００が外部ＥＧＲユニット６０以外の外部ＮＯｘ低減装置を備えている場合には、同様にして、当該外部ＮＯｘ低減装置の利用負荷を調整してもよい。

＜補完制御２＞
以上のとおり、掃気管４０内で火災が生じるおそれのある低負荷領域では遅延開放制御が行われず、中負荷領域及び高負荷領域のみで遅延開放制御が行われる。ただし、本実施形態では、より安全を期して、中負荷領域及び高負荷領域であっても、掃気管４０内で火災が起きないように制御を行う。具体的には、制御装置７０はオイルミスト濃度測定器４１から掃気管４０内のオイルミスト濃度を取得し、このオイルミスト濃度が所定値（上限濃度）を超えたと判定すると、遅延開放制御を停止する。つまり、掃気管４０内のオイルミスト濃度が一定の濃度を超えて火災の発生しやすい状態になった場合には、たとえエンジン１００が中負荷領域又は高負荷領域にあったとしても、遅延開放制御を停止し、排気弁１３が開放されるタイミングを通常の運転のタイミングに戻す。これにより、エンジン１００のより安全な運用が可能となる。

以上が本実施形態に係るエンジン１００の構成である。上記のように、本実施形態によれば、ユニフロー式２ストロークエンジンでありながら、排気弁１３の開閉タイミングを調整するだけでシリンダ１１内の酸素濃度を低下させることができる。なお、以上では、制御装置７０が、プリクローズ制御と遅延開放制御をそれぞれ独立して行っていたが、両制御を連鎖させてもよい。例えば、中負荷領域から低負荷域に移行した際、遅延開放制御が停止されるが、制御装置７０はこれにあわせてプリクローズ制御における排気弁１３の最小開度を小さくするよう構成してもよい。かかる構成によれば、遅延開放制御の停止によって低下するシリンダ１１内の既燃ガスの少なくとも一部を、プリクローズ制御によって増加させることができる。

以上、本発明の実施形態について図を参照して説明したが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。例えば、本実施形態では、シリンダ１１から掃気管４０へ既燃ガスが逆流する場合について説明したが、逆流しない場合であっても本発明に含まれる。通常よりも排気弁１３を閉じるタイミングが遅ければ、逆流せずともシリンダ１１内に既燃ガスが残留しやすく、酸素濃度を低下させることができる。

本発明に係るユニフロー式２ストロークエンジンは、排気弁の開閉タイミングを調整することでシリンダ内の酸素濃度を低下させることができる。よって、ユニフロー式２ストロークエンジンの技術分野において有益である。

１０燃焼室
１１シリンダ
１２ピストン
１３排気弁
１４可変バルブ装置
１５掃気ポート
４０掃気管
６０外部ＥＧＲユニット（外部ＮＯｘ低減装置）
１００エンジン（ユニフロー式２ストロークエンジン）

Claims

下部に掃気ポートが形成されたシリンダと、
前記シリンダ内を往復し前記掃気ポートを開閉するピストンと、
圧縮された新気を一旦収容して前記掃気ポートに供給する掃気管と、
前記シリンダの上部に配置された排気弁と、
前記排気弁を任意のタイミングで開閉する可変バルブ装置と、を備え、
掃気行程中に前記排気弁の開度が一回又は複数回縮小するように構成されている、ユニフロー式２ストロークエンジン。
掃気行程中に前記排気弁の開度が縮小するサイクルと、掃気行程中は前記排気弁の開度が一定のままであるサイクルが混在するように構成されている、請求項１に記載のユニフロー式２ストロークエンジン。
前記シリンダ、前記ピストン、又は前記排気弁の温度が所定の上限温度を超えたとき、掃気行程中は前記排気弁の開度が縮小しない、掃気行程中に縮小する前記排気弁の最小開度が大きくなる、掃気行程中に前記排気弁の開度が縮小する回数が減る、又はこれらが組み合わせて行われるように構成されている、請求項１に記載のユニフロー式２ストロークエンジン。
前記シリンダ、前記ピストン、又は前記排気弁の温度が所定の上限温度を超えたとき、掃気行程中に前記排気弁の開度が縮小するサイクルの頻度が減るように構成されている、請求項２に記載のユニフロー式２ストロークエンジン。
外部ＮＯｘ低減装置をさらに備え、
前記シリンダ、前記ピストン、又は前記排気弁の温度が前記所定の上限温度を超えたとき、前記外部ＮＯｘ低減装置の利用負荷を上げるように構成されている、請求項３又は４に記載のユニフロー式２ストロークエンジン。