JP2014047705A - ユニフロー掃気式２サイクルエンジン - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料噴射弁の構成を工夫することで、シリンダ内の全体に広く燃料ガスを行き渡らせることができ、より運転性能を向上する。
【解決手段】ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００は、シリンダ１１０と、シリンダ内を摺動するピストン１１２と、シリンダの一端部に設けられた排気ポート１１６と、排気ポートを開閉する排気弁１２０と、シリンダにおけるピストン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燃焼室１４０に活性ガスを吸入する掃気ポート１２２と、掃気ポートから燃焼室に吸入された活性ガスに燃料ガスを噴射して予混合気を生成する複数の燃料噴射弁１２８と、複数の燃料噴射弁１２８の一部または全部から噴射される燃料ガスの噴射方向を可変する燃料噴射制御部１５２を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、掃気ポートから吸入された活性ガスに燃料ガスを噴射して生成される予混合気を燃焼させるユニフロー掃気式２サイクルエンジンに関する。
例えば、特許文献１に示されるように、船舶の機関としても用いられるユニフロー掃気式２サイクルエンジン（２ストロークエンジン）は、シリンダにおけるピストンのストローク方向一端部に排気ポートが設けられ、シリンダにおけるピストンのストローク方向他端部側に掃気ポートが設けられている。そして、吸気（給気）行程において掃気ポートから燃焼室に活性ガスが吸入されると、燃焼作用によって生じた排気ガスが、吸入される活性ガスによって排気ポートから押し出されるようにして排気される。
このとき、吸入された活性ガスに燃料ガスを噴射して予混合気を生成し、当該生成された予混合気を圧縮することにより燃焼作用が得られ、この燃焼作用によって生じる爆発圧力によってピストンがシリンダ内で往復運動することとなる。このように、シリンダには燃料ガスを噴射する燃料噴射弁が設けられているが、船舶用の２サイクルエンジンなど、シリンダの径が大きい２サイクルエンジンにおいては、シリンダの周方向に複数の燃料噴射弁を設け、これら複数の燃料噴射弁から同時に燃料ガスを噴射するようにしている。
特開２０１２−７７７４２号公報
しかしながら、複数の燃料噴射弁が設けられた従来の２サイクルエンジンにおいては、全ての燃料噴射弁から、シリンダの中心に向けて同時に燃料ガスが噴射されるため、シリンダ内の全体に広く燃料ガスを行き渡らせることができない場合がある。２サイクルエンジンにおいて、シリンダ内の全体に広く燃料ガスを行き渡らせることができれば、より運転性能を向上することができることから、燃料ガスの噴射についてさらなる改良が望まれている。
そこで、本発明は、燃料噴射弁の構成を工夫することで、シリンダ内の全体に広く燃料ガスを行き渡らせることができ、より運転性能を向上することが可能なユニフロー掃気式２サイクル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、本発明のユニフロー掃気式２サイクルエンジンは、内部に燃焼室が形成されるシリンダと、シリンダ内を摺動するピストンと、シリンダにおけるピストンのストローク方向一端部に設けられた排気ポートと、排気ポートを開閉する排気弁と、シリンダにおけるピストン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燃焼室に活性ガスを吸入する掃気ポートと、掃気ポートから燃焼室に吸入された活性ガスに燃料ガスを噴射して予混合気を生成する複数の燃料噴射弁と、複数の燃料噴射弁の一部または全部から噴射される燃料ガスの噴射方向を可変する燃料噴射制御部と、を備えたことを特徴とする。
また、当該ユニフロー掃気式２サイクルエンジンが高負荷状態であるか低負荷状態であるかを判定する負荷判定部をさらに備え、燃料噴射制御部は、負荷判定部が検出した負荷状態が高負荷状態である場合、燃料ガスの噴射方向を、シリンダ内に吸入された活性ガスの旋回流に沿う方向である第１方向に向け、負荷判定部が検出した負荷状態が低負荷状態である場合、燃料ガスの噴射方向を第１方向よりもシリンダの中心軸側に向かう方向である第２方向に向けるとよい。
また、燃料ガスの排気ポートからの吹き抜け量を検知する吹抜検知部をさらに備え、燃料噴射制御部は、吹抜検知部によって検知される燃料ガスの吹き抜け量が閾値以上となった場合、燃料ガスの吹き抜け量が閾値未満である場合よりも、燃料ガスの噴射方向を、ピストンのストローク方向において掃気ポート側に向けるとよい。
複数の燃料噴射弁は、燃料ガスが流通する当該燃料噴射弁の内部から噴射口までのいずれかの流路において、流路断面積が可変であるとよい。
本発明のユニフロー掃気式２サイクルエンジンによれば、燃料噴射弁の構成を工夫することで、シリンダ内の全体に広く燃料ガスを行き渡らせることができ、より運転性能を向上することが可能となる。
ユニフロー掃気式２サイクルエンジンの全体構成を示す説明図である。 各制御部の動作を示す説明図である。 燃料噴射弁を説明するための図である。 燃料ガスの噴射方向を説明する図である。 シリンダにおける燃料噴射ポートが形成された位置の鉛直方向の断面図である。 流路調整機構の具体例を説明するための図である。 燃料噴射制御部による燃料噴射弁の制御方法の一例を説明するフローチャートである。
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、本明細書および図面において、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。
図１は、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００の全体構成を示す説明図である。本実施形態のユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００は、例えば、船舶等に用いられる。具体的に、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００は、シリンダ１１０（シリンダヘッド１１０ａ、シリンダブロック１１０ｂ）と、ピストン１１２と、パイロット噴射弁１１４と、排気ポート１１６と、排気弁駆動装置１１８と、排気弁１２０と、掃気ポート１２２と、掃気室１２４と、燃料噴射ポート１２６と、燃料噴射弁１２８と、ロータリエンコーダ１３０と、吹抜検知部１３２と、燃焼室１４０と、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。
ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００では、吸気（給気）、圧縮、燃焼、排気といった４つの連続する行程を通じて、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。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、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン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燃料油を噴射する。かかる燃料油は、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とに囲繞された燃焼室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。
排気ポート１１６は、シリンダ１１０におけるピストン１１２のストローク方向の一端側、すなわち、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ために開閉される。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１１０におけるピストン１１２のストローク方向の他端側の内周面（シリンダブロック１１０ｂ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、その計測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（排気ポート１１６と掃気ポート１２２との間）において、略周方向（厳密な周方向のみならず、ストローク方向への変位を許容する）に所定の間隔を空けて設けられた複数（本実施形態では８個）の開口部である。
燃料噴射弁１２８は、各燃料噴射ポート１２６内に配置され、燃料噴射制御部１５２からの指令を受けて、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。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。
ロータリエンコーダ１３０は、不図示のクランク機構に設けられ、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。
吹抜検知部１３２は、排気ポート１１６に連通する排気通路中に設けられ、燃料噴射弁１２８から噴射された燃料ガスが、燃焼せずにそのまま排気ポート１１６から排出される量（吹き抜け量）を検知する。この吹抜検知部１３２は、シリンダ１１０から排出される排気ガス中の炭化水素（ハイドロカーボン）濃度を検知することで、排気ポート１１６からの燃料ガスの吹き抜け量を検知する。そして、吹抜検知部１３２は、吹き抜け量を検知すると、吹き抜け量を示す吹抜検知信号を燃料噴射制御部１５２に出力する。
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１３０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１３０からのクランク角度信号、吹抜検知信号に基づいて、燃料噴射弁１２８を制御信号によって制御する。また、本実施形態において、燃料噴射制御部１５２は、負荷判定部としても機能し、ガバナー１５０から入力された燃料噴射量を示す情報に基づいて、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００が高負荷状態であるか低負荷状態であるかを判定する。
排気制御部１５４は、燃料噴射制御部１５２からの燃料噴射量を示す情報、および、ロータリエンコーダ１３０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、上述したユニフロー掃気式２サイクルエンジン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。
図２は、各制御部の動作を示す説明図である。図２に示すように、燃焼行程後の排気行程では、排気ポート１１６および掃気ポート１２２が閉塞状態にあり、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）には排気ガスが充満している。
燃焼室１４０の燃焼作用によって生じる爆発圧力により、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を開弁し、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（図２に示すｔ１）。すると、掃気ポート１２２から活性ガスが吸入され、活性ガスは、燃料ガスの混合を促進するためのスワール（旋回流）を形成しながら上昇し、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）の排気ガスを排気ポート１１６から押し出す。
そして、ピストン１１２が下死点から上死点に向けて上昇する圧縮行程では、掃気ポート１２２が閉口され、活性ガスの吸入が停止される。このとき、排気制御部１５４は、排気弁１２０を開弁状態に維持しており、ピストン１１２の上昇によって、引き続き、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）の排気ガスは、排気ポート１１６から排出される。この間、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や、ロータリエンコーダ１３０からのクランク角度信号によって導出されるエンジン回転数等に基づいて、ピストン１１２が燃料噴射弁１２８よりも下死点側にあるときに、燃料噴射弁１２８からシリンダ１１０内に燃料ガスを噴射する（図２に示すｔ２）。
これにより、掃気ポート１２２から吸入された活性ガスに燃料ガスが噴射され、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）に予混合気が生成される。その後、さらにピストン１１２が上昇して、燃料噴射弁１２８よりも上死点に近づくと、排気制御部１５４は、排気弁１２０を閉弁して排気ポート１１６を閉口する（図２に示すｔ３）。
このようにして、燃焼室１４０において予混合気が燃焼することにより、上記のとおりに、排気、吸気（給気）、圧縮、燃焼行程が繰り返されることとなる。ここで、エンジンの運転状況にもよるが、例えば、エンジンが高負荷状態である場合、燃料ガスが局所的に噴射されると、場合によっては、ノッキングや過早着火が生じ、運転性能が低下するおそれがある。一方、常に、シリンダ１１０内（燃焼室１４０）の全体に広く燃料ガスを行き渡らせるように燃料噴射弁１２８を構成すると、エンジンが低負荷状態である場合に燃料ガスが燃焼しないおそれがある。そこで、本実施形態においては、運転状況に応じて、燃料ガスを適した場所に噴射するべく、燃料噴射弁１２８を次のように構成している。
図３は、燃料噴射弁１２８を説明するための図であり、図３（ａ）は、シリンダ１１０における燃料噴射ポート１２６が形成された位置の水平方向の断面を示し、図３（ｂ）、図３（ｃ）は、図３（ａ）における燃料噴射弁１２８の部分を拡大した図である。
図３（ａ）に示すように、本実施形態のユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００は、シリンダ１１０に８つの燃料噴射ポート１２６が形成されており、これら８つの燃料噴射ポート１２６それぞれに燃料噴射弁１２８が設けられている。
本実施形態において、燃料噴射弁１２８は、燃料噴射制御部１５２から出力された制御信号に応じて、燃料ガスの噴射方向を可変することができる。
具体的に説明すると、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示すように、燃料噴射弁１２８は、シリンダブロック１１０ｂに形成された燃料ガスが流通する流路１１０ｃの径と略同一となる寸法関係を維持するとともに、軸Ｐ、軸Ｑの２つの軸を回転軸として回動する本体部２１０と、本体部２１０の一端側に形成された噴射口２１２と、本体部２１０の他端側に形成され、噴射口２１２より大径の導入口２１４と、噴射口２１２と導入口２１４とを連続するとともに本体部２１０を貫通する貫通孔２２０とを含んで構成される。また、貫通孔２２０は、噴射口２１２から連続するとともに、噴射口２１２と略同径の指向部２２０ａと、指向部２２０ａと導入口２１４とを連続する連続部２２０ｂからなる。
そして、不図示の駆動部が、燃料噴射制御部１５２から出力された制御信号を受信すると、燃料噴射弁１２８の本体部２１０を回動制御して、燃料噴射弁１２８を、図３（ｂ）に示す第１状態と、図３（ｃ）に示す第２状態とに制御する。
図４は、燃料ガスの噴射方向を説明する図であり、シリンダ１１０における燃料噴射ポート１２６が形成された位置の水平方向の断面を示す。図５は、シリンダ１１０における燃料噴射ポート１２６が形成された位置の鉛直方向の断面図であり、図５（ａ）は、図４におけるＶ（ａ）−Ｖ（ａ）線の断面を示し、図５（ｂ）は、図４におけるＶ（ｂ）−Ｖ（ｂ）線の断面を示し、図５（ｃ）は、吹抜検知部１３２から出力された吹抜検知信号に基づいて、燃料噴射弁１２８を制御する場合の断面を示している。
図４中、上述した第１状態に配される燃料噴射弁１２８を符号１２８ａで示し、上述した第２状態に配される燃料噴射弁１２８を符号１２８ｂで示す。
燃料噴射制御部１５２による制御信号に応じて、本体部２１０が回動し、燃料噴射弁１２８ａが第１状態に配される場合、すなわち、流路１１０ｃの延伸方向と交差する方向に貫通孔２２０の中心線が配される場合（図３（ｂ）参照）、シリンダ１１０（燃焼室１４０）内に吸入された活性ガスのスワールすなわち旋回流（図４中、符号３００で示す破線矢印）に沿う方向（第１方向、図４中、符号２３２で示す実線矢印方向）に燃料ガスを噴射する。
一方、燃料噴射制御部１５２による制御信号に応じて、本体部２１０が回動し、燃料噴射弁１２８ｂが第２状態に配される場合、すなわち、流路１１０ｃの延伸方向に沿う方向に貫通孔２２０の中心線が配される場合（図３（ｃ）参照）、第１状態の燃料噴射弁１２８ａよりもシリンダ１１０の中心軸側（第２方向、本実施形態ではシリンダ１１０の中心軸、図４中、符号２３４で示す白抜き矢印方向）に向けて燃料ガスを噴射する。
ここで、活性ガスの旋回流（スワール）に沿う方向というのは、活性ガスの流動方向と、燃料ガスの噴射方向とが完全に一致している場合に限らず、活性ガスの流れに燃料ガスがスムーズに乗る関係にあればよい。具体的には、シリンダ１１０の水平方向の断面において、活性ガスの旋回流の方向（流動方向）と、燃料ガスの噴射方向とのなす角度α（図４参照）が、０°<α<９０°であればよく、このとき、第２状態の燃料噴射弁１２８ｂから噴射される燃料ガスが、第１状態の燃料噴射弁１２８ａから噴射される燃料ガスよりも、シリンダ１１０の中心軸側に向かっていればよい。
また、ここでは、燃料噴射弁１２８ｂは、図５（ａ）に示すように、シリンダ１１０の中心軸に向かって水平方向に燃料ガスを噴射し、燃料噴射弁１２８ａは、図５（ｂ）に示すように、水平方向よりも鉛直上方に向けて燃料ガスを噴射する。ただし、燃料噴射弁１２８ａおよび燃料噴射弁１２８ｂから噴射される燃料ガスの、鉛直方向における噴射角度は、適宜設定すればよい。したがって、例えば、燃料噴射弁１２８ａから水平方向に燃料ガスを噴射してもよいし、第２の燃料噴射弁１２８ｂから、水平方向よりも鉛直上方に向けて燃料ガスを噴射してもよい。
また、詳しくは後述するが、吹抜検知部１３２から出力された吹抜検知信号に基づいて、図５（ｃ）に示すように、燃料噴射弁１２８から、水平方向よりも鉛直下方（掃気ポート１２２側）に向けて燃料を噴射してもよい。
このように、燃料噴射制御部１５２によって、燃料噴射弁１２８を、第１状態と、第２状態に切り換え可能とする、すなわち、燃料噴射弁１２８から噴射される燃料ガスの噴射方向を可変することにより、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００の運転状態に応じて、燃料ガスを適した場所に噴射することができる。
例えば、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００が高負荷状態であると判定した場合、燃料噴射制御部１５２は、燃料噴射弁１２８を第１状態に回動制御することにより、シリンダ１１０（燃焼室１４０）内に吸入された活性ガスのスワールに沿う方向に燃料ガスを噴射させる。こうすることで、シリンダ１１０（燃焼室１４０）内において、広く全体に燃料ガスを行き渡らせることが可能となる。これにより、従来に比して運転性能を向上することができる。
また、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００が低負荷状態であると判定した場合、燃料噴射制御部１５２は、燃料噴射弁１２８を第２状態に回動制御することにより、シリンダ１１０の中心軸に向けて燃料ガスを噴射させる。こうすることで、シリンダ１１０内において燃料ガスの濃い部分を意図的に生成することができ、確実に燃焼作用をもたらすようことが可能となる。
さらに、燃料噴射弁１２８には、流路調整機構２３０が設けられている。図６は、流路調整機構２３０の具体例を説明するための図である。流路調整機構２３０は、噴射口２１２に設けられており、図６に示すように、例えば、１２の可動片２３２で構成されている。流路調整機構２３０は、図６（ａ）に示す第１の状態において、流路断面積が最大となっている。そして、第１の状態から、先端部２３２ａ同士が接触するように、すなわち、流路調整機構２３０の内側に先端部２３２ａが配されるように、各可動片２３２を可動することで、図６（ｂ）に示す第２の状態に変移させる。そうすると、第２の状態では、第１の状態と比較して流路断面積を小さくすることができる。このように、流路調整機構２３０は、貫通孔２２０の流路断面積を可変とすることが可能となる。なお、流路調整機構２３０は、噴射口２１２に限らず、燃料ガスが流通する貫通孔２２０における導入口２１４（燃料噴射弁１２８の内部）から噴射口２１２までのいずれかの流路（指向部２２０ａ、連続部２２０ｂ）に設けられていてもよい。流路調整機構２３０を備えることにより、燃料噴射弁１２８の噴射口２１２からシリンダ１１０内に噴射される燃料ガスの流量を調整することが可能となる。
また、燃料噴射弁１２８の流路調整機構は、所望の流量に燃料ガスを噴射することができればよく、上述した流路調整機構２３０の構成に限らない。例えば、指向部２２０ａを独立して複数設けておき、指向部２２０ａを開閉する機構を、流量調整機構とする。そして、指向部２２０ａを閉状態、または開状態にする数を制御することで、貫通孔２２０の流路断面積を可変としてもよい。
続いて、燃料噴射制御部１５２による燃料噴射弁１２８の制御方法について説明する。図７は、燃料噴射制御部１５２による燃料噴射弁１２８の制御方法の一例を説明するフローチャートである。なお、この図７に示す処理は、例えば、ガバナー１５０から燃料噴射量にかかる情報が燃料噴射制御部１５２に入力された場合に開始される。
（ステップＳ３０１）
燃料噴射制御部１５２は、ガバナー１５０から燃料噴射量にかかる情報が入力されると、吹抜検知部１３２から入力された吹抜検知信号が示す燃料ガスの吹き抜け量が、予め定められた第１閾値以上であるか否かを判定する。そして、燃料ガスの吹き抜け量が第１閾値以上である場合（ステップＳ３０１におけるＹｅｓ）、ステップＳ３０２に処理を移行し、第１閾値未満である場合（ステップＳ３０１におけるＮｏ）、ステップＳ３０３に処理を移行する。
（ステップＳ３０２）
燃料ガスの吹き抜け量が第１閾値以上である場合（ステップＳ３０１におけるＹｅｓ）、燃料噴射制御部１５２は、燃料噴射弁１２８を制御して、燃料ガスの噴射方向を、燃料ガスの吹き抜け量が第１閾値未満である場合（燃料ガスの吹き抜けを検知していない場合）よりも、ピストン１１２のストローク方向において掃気ポート１２２側に向ける。
上述したように、燃料噴射弁１２８から燃料を噴射する際には、排気ポート１１６がいまだ開口している（図２参照）ため、シリンダ１１０内のガスの流れの状況によっては、燃料ガスの吹き抜けが生じ、燃料噴射弁１２８から噴射した燃料の一部が、そのまま排気ポート１１６から排出されることもあり得る。そこで、吹抜検知部１３２が吹き抜けを検知した場合（燃料ガスの吹き抜け量が第１閾値以上である場合）、燃料噴射弁１２８による燃料ガスの噴射方向を、燃料ガスの吹き抜けを検知していない場合よりも、ピストン１１２のストローク方向において掃気ポート１２２側に向けることで、排気ポート１１６からの燃料ガスの吹き抜け量を低減することが可能となる。
（ステップＳ３０３）
燃料ガスの吹き抜け量が第１閾値未満である場合（ステップＳ３０１におけるＮｏ）、燃料噴射制御部１５２は、負荷判定部として機能し、ガバナー１５０から入力された燃料噴射量を示す情報に基づいて、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００の負荷状態が高負荷状態であるか否かを判定する。具体的に説明すると、燃料噴射制御部１５２は、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００の負荷が予め定められた第２閾値以上であるか否かを判定する。ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００の負荷が予め定められた第２閾値以上である場合（ステップＳ３０３におけるＹｅｓ）、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００の負荷状態が高負荷状態であるとみなし、ステップＳ３０４に処理を移行する。一方、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００の負荷が予め定められた第２閾値未満である場合（ステップＳ３０３におけるＮｏ）、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００の負荷状態が低負荷状態であるとみなし、ステップＳ３０６に処理を移行する。
（ステップＳ３０４）
ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００の負荷状態が高負荷状態である場合（ステップＳ３０３におけるＹｅｓ）、燃料噴射制御部１５２は、燃料噴射弁１２８の流路調整機構を制御して、燃料噴射弁１２８における貫通孔２２０の流路断面積を予め定められた第１面積にする。
（ステップＳ３０５）
そして、燃料噴射制御部１５２は、燃料噴射弁１２８を制御して、燃料ガスの噴射方向を、第１方向（シリンダ１１０内に吸入された活性ガスの旋回流に沿う方向）に向ける。
（ステップＳ３０６）
一方、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００の負荷状態が低負荷状態である場合（ステップＳ３０３におけるＮｏ）、燃料噴射制御部１５２は、燃料噴射弁１２８の流路調整機構を制御して、燃料噴射弁１２８における貫通孔２２０の流路断面積を予め定められた第１面積より小さい第２面積にする。
（ステップＳ３０７）
そして、燃料噴射制御部１５２は、燃料噴射弁１２８を制御して、燃料ガスの噴射方向を、第２方向（第１方向よりもシリンダ１１０の中心軸側に向かう方向）に向ける。
上記の処理によれば、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００が高負荷状態である場合、燃料噴射弁１２８における貫通孔２２０の流路断面積を相対的に大きい第１面積にすることにより、燃料ガスの消費が相対的に多い高負荷状態である場合に、より多くの燃料ガスをシリンダ１１０内に噴射することができる。
さらに、高負荷状態である場合、燃料噴射制御部１５２は、燃料噴射弁１２８による燃料ガスの噴射方向を第１方向とすることにより、シリンダ１１０内の全体に広く燃料ガスを行き渡らせることができる。これにより、多量の燃料ガスが噴射された場合に、シリンダ１１０内において燃料ガスが局所的に濃くなりすぎるおそれが低減され、エンジンの運転状況に拘わらず、異常燃焼を回避して正常な運転が可能となる。
また、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００が低負荷状態である場合、燃料噴射弁１２８における貫通孔２２０の流路断面積を相対的に小さい第２面積にすることにより、燃料ガスの消費が相対的に少ない低負荷状態である場合に、当該少量の燃料ガスを、勢いよくシリンダ１１０内に噴射することができる。
さらに、低負荷状態である場合、燃料噴射制御部１５２は、燃料噴射弁１２８による燃料ガスの噴射方向を第２方向とすることにより、シリンダ１１０の中心近傍において、複数の燃料噴射弁１２８から噴射される燃料ガスを勢いよく衝突させ、燃料ガスの濃い部分を意図的に生成することができ、確実に燃焼作用をもたらすことが可能となる。
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、上記実施形態においては、燃料噴射制御部１５２が負荷判定部として機能する場合を例に挙げて説明したが、燃料噴射制御部１５２と負荷判定部とを別の機能部で構成してもよい。
また、上述した実施形態では、高負荷状態である場合、燃料噴射制御部１５２は、燃料噴射弁１２８による燃料ガスの噴射方向を第１方向とする構成について説明した。しかし、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００が高負荷状態である場合、燃料噴射制御部１５２は、複数の燃料噴射弁１２８を制御して、複数の燃料噴射弁１２８のうち、一部の燃料噴射弁１２８における燃料ガスの噴射方向を第１方向とし、その他の燃料噴射弁１２８における燃料ガスの噴射方向を第２方向としてもよい。これにより、より均一にシリンダ１１０内の全体に広く燃料ガスを行き渡らせることができる。また、この場合、第１方向に燃料ガスを噴射する燃料噴射弁１２８ａと、第２方向に燃料ガスを噴射する燃料噴射弁１２８ｂとを交互に配するとよい。これにより、全ての燃料噴射弁１２８から同時に燃料ガスを噴射したとしても、隣接する燃料噴射弁１２８から噴射される燃料ガスが干渉しにくくなり、シリンダ１１０（燃焼室１４０）内において、より広く全体に燃料ガスを行き渡らせることが可能となる。
また、上述した実施形態において、燃料噴射弁１２８として、図３に示した構成の燃料噴射弁１２８を例に挙げて説明したが、燃料噴射弁１２８は、所望の方向に燃料ガスを噴射することができればよく、その具体的な構成は適宜設計すればよい。
また、上述した実施形態においては、第１の燃料噴射弁１２８ａと第２の燃料噴射弁１２８ｂとを同数設けることとしたが、第１の燃料噴射弁１２８ａおよび第２の燃料噴射弁１２８ｂの数が異なっていてもよいし、また、これらの配置も特に限定されるものではない。
また、上述した実施形態では、燃料噴射弁１２８が流路調整機構を備える構成について説明したが、流路調整機構は必ずしも必要ではない。
本発明は、掃気ポートから吸入された活性ガスに燃料ガスを噴射して生成される予混合気を燃焼させるユニフロー掃気式２サイクルエンジンに利用することができる。
１００ …ユニフロー掃気式２サイクルエンジン
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
１２８ …燃料噴射弁
１３２ …吹抜検知部
１５２ …燃料噴射制御部（負荷判定部）

Claims (4)

  1. 内部に燃焼室が形成されるシリンダと、
    前記シリンダ内を摺動するピストンと、
    前記シリンダにおける前記ピストンのストローク方向一端部に設けられた排気ポートと、
    前記排気ポートを開閉する排気弁と、
    前記シリンダにおける前記ピストン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前記燃焼室に活性ガスを吸入する掃気ポートと、
    前記掃気ポートから前記燃焼室に吸入された活性ガスに燃料ガスを噴射して予混合気を生成する複数の燃料噴射弁と、
    前記複数の燃料噴射弁の一部または全部から噴射される燃料ガスの噴射方向を可変する燃料噴射制御部と、を備えたことを特徴とするユニフロー掃気式２サイクルエンジン。
  2. 当該ユニフロー掃気式２サイクルエンジンが高負荷状態であるか低負荷状態であるかを判定する負荷判定部をさらに備え、
    前記燃料噴射制御部は、
    前記負荷判定部が検出した負荷状態が高負荷状態である場合、前記燃料ガスの噴射方向を、前記シリンダ内に吸入された活性ガスの旋回流に沿う方向である第１方向に向け、前記負荷判定部が検出した負荷状態が低負荷状態である場合、前記燃料ガスの噴射方向を前記第１方向よりも前記シリンダの中心軸側に向かう方向である第２方向に向けることを特徴とする請求項１に記載のユニフロー掃気式２サイクルエンジン。
  3. 前記燃料ガスの前記排気ポートからの吹き抜け量を検知する吹抜検知部をさらに備え、
    前記燃料噴射制御部は、
    前記吹抜検知部によって検知される前記燃料ガスの吹き抜け量が閾値以上となった場合、前記燃料ガスの吹き抜け量が閾値未満である場合よりも、前記燃料ガスの噴射方向を、前記ピストンのストローク方向において前記掃気ポート側に向けることを特徴とする請求項１または２に記載のユニフロー掃気式２サイクルエンジン。
  4. 前記複数の燃料噴射弁は、
    前記燃料ガスが流通する当該燃料噴射弁の内部から噴射口までのいずれかの流路において、流路断面積が可変であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のユニフロー掃気式２サイクルエンジン。
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