JP2014098346A - ユニフロー式ディーゼル機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ユニフロー式２ストロークエンジンにおいて、シリンダの下部に複数個穿設された掃気孔から発生する旋回流を制御して、掃気効率の向上により、消費燃料率の向上を図る。
【解決手段】シリンダライナ１１の上部にシリンダライナ１１中心に同軸的に配置された排気弁１２と、シリンダライナ１１の下部にシリンダライナ１１の円周方向に沿って複数個穿設された掃気孔１３とを具備する。掃気孔１３は、それぞれ、シリンダライナ１１の円周方向に沿って開口面積を異ならせるように形成することで、シリンダライナ１１内に流入する掃気の旋回流をシリンダライナ１１中心から偏心させる構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ユニフロー式２ストロークエンジンにおいて、シリンダの下部に、シリンダの円周方向に沿って複数個穿設された掃気孔からの掃気の旋回流を偏心せしめて、掃気効率の低下を防止して、燃料消費率の向上を図った、ユニフロー式ディーゼル機関に関するものである。

従来、主に舶用主機として使用される大型エンジンであって、シリンダ下部に複数個の掃気孔を有し、シリンダ上部に排気弁を有するユニフロー式２ストロークエンジンがある。
例えば特許文献１で開示されるようなものでは、シリンダの下部周囲に位置する掃気ポートの開口面積が、ブロア装置等の空気供給側より遠くなるに従って、広くするように構成されている。

以上のような構成によれば、空気流入装置からシリンダジャケット内に流入した掃気空気は、空気流入側より遠ざかるに従って、開口面積が広くなっているので、シリンダ掃気ポートからの掃気空気は、シリンダに均一に流入されることとなり、シリンダ内の燃焼状態を向上させることができる。

特開平５−２０２８０２号公報

また、図９に示すユニフロー式２ストロークエンジン１では、シリンダライナ２下部に形成される複数個の掃気孔３は、シリンダライナ２の外周表面上に等間隔で、開口形状が同一の長穴形状に形成されている（図１０参照）。なお、排気路に通ずるシリンダライナ２の上部には、シリンダライナ２の軸心に弁軸４ａを、軸方向を合わせて排気弁４が配置される。
そして上記掃気孔３は、シリンダライナ２の周壁に、平面視円形状の弁体４ｂの接線をなすように、表面から等角度で貫通形成されている。

これにより、ユニフロー式２ストロークエンジン１では、シリンダライナ２下部より掃気孔３を介して新気を送り、シリンダライナ２上部から排気弁４を介して燃焼ガスを排気することで、このサイクルでの燃焼ガスの大部分を排出することができる。この場合、各掃気孔３は、シリンダライナ２の外周表面の開口形状が同一の長穴形状に形成され、掃気孔３は、シリンダライナ２の周壁に、弁体４ｂの接線をなすように、等角度で貫通形成されているため、掃気は、シリンダライナ２内に、各掃気孔３からの流入量は等しく、等角度方向に流入する。このため、シリンダライナ２内では、図１２に示すようにシリンダライナ２内に流入した掃気は、シリンダライナ２中心軸すなわち、排気弁４の中心、弁軸４ａの中心軸を中心とする旋回流となる。かかる掃気の旋回流は、シリンダライナ２内を上昇し、やがて、シリンダライナ２の上部の排気弁４を介して排気路に排出される。このように、爆発工程後のシリンダライナ２内に充満する排ガスは、かかる掃気により、シリンダライナ２上部の排気弁４から排気路へと排出される（図１３、図１４参照）。

しかしながら、掃気は、上述のように、シリンダライナ２中心軸を中心とする旋回流のため、シリンダライナ２上部に位置する排気弁４の弁体４ｂ直下において燃焼ガスが残留することがあり、掃気効率の低下を招き、燃料消費率の悪化のおそれがある。
本発明はこのような課題を改善するために提案されたものであって、ユニフロー式２ストロークエンジンにおいて、シリンダの下部に、シリンダの円周方向に沿って複数個穿設された掃気孔からの掃気の旋回流を偏心せしめて、掃気効率の低下を防止して、燃料消費率の向上を図った、ユニフロー式ディーゼル機関を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明にかかる請求項１では、シリンダライナの上部にシリンダライナ中心に同軸的に配置された排気弁と、シリンダライナの下部にシリンダライナの円周方向に沿って複数個穿設された掃気孔とを具備するユニフロー式ディーゼル機関において、掃気孔は、それぞれ、シリンダライナの円周方向に沿って開口面積を異ならせるように形成し、シリンダライナ内に流入する掃気の旋回流をシリンダライナ中心から偏心させてなる、ことを特徴とする。

これにより、シリンダライナ内で発生する旋回流がシリンダライナ中心から偏心せしめられ、排気弁の弁体に残留する燃焼ガスの排出を促進し、掃気効率を向上させることができる。

また本発明にかかる請求項２では、シリンダライナは、シリンダライナにおける掃気孔と対面する外周側をシリンダライナ軸方向に昇降可能な可動体を備え、該可動体は、掃気孔の開口面積を異ならしめるものである、ことを特徴とする。

シリンダライナにおける掃気孔と対面する外周側をシリンダライナ軸方向に可動体を昇降させる。
これにより、シリンダライナの円周方向に沿って複数個穿設された掃気孔の開口面積を異ならしめて、それぞれの掃気孔を通過する掃気の流量を調節することができる。
そのため、それぞれの流入掃気によるシリンダ内の旋回流は、シリンダ中心から偏心し、ずれる。

また本発明にかかる請求項３では、可動体は、シリンダライナ軸方向の上端側が、シリンダライナの円周方向に沿って傾斜した状態で掃気孔に接触する傾斜端として構成される、ことを特徴とする。

シリンダライナにおける掃気孔と対面する外周側をシリンダライナ軸方向に可動体を昇降させることで、可動体の傾斜端が掃気孔の開口面積を異ならしめて、それぞれの掃気孔を通過する掃気の流量を効果的に調節することができる。

さらに本発明にかかる請求項４では、旋回流の旋回中心は、排気弁における弁体がシリンダライナ軸方向に投影するシリンダライナ内の外側にある、ことを特徴とする。

これにより、排気弁の弁体直下に残留する燃焼ガスの排出を促進し、掃気効率を向上させることができる。

本発明によれば、ユニフロー式２ストロークエンジンにおいて、シリンダの下部に、シリンダの円周方向に沿って複数個穿設された掃気孔の開口部の開口面積を適宜、異ならせることで、掃気孔を通じて流入される掃気の流量を調節することができる。
これにより、シリンダ内に形成される旋回流をシリンダ中心から偏心させることができ、シリンダの弁体直下に滞留する排ガスの排気を促して、掃気効率の低下を防止することができ、燃料消費率の向上を図ることができる。

本発明にかかるユニフロー式ディーゼル機関の第１実施形態を示す、ユニフロー式ディーゼル機関の模式的な要部系統図である。 図１のＡ―Ａ断面図である。 図１に示すシリンダにおいて、掃気孔を拡大的に示す、シリンダ下部の展開図である。 第１実施形態におけるシリンダ内に形成される、掃気の旋回流を流れ、および旋回中心を図示した説明的な線図である。 本発明にかかるユニフロー式ディーゼル機関の第２実施形態を示す、掃気孔を備えたシリンダと関連する機構構成要素の模式図である。 図５に示すシリンダの、部分的な縦断面図である。 図５のＢ―Ｂ断面図である。 図５に示すシリンダにおいて、掃気孔を拡大的に示す、シリンダ下部の展開図である。 従来のユニフロー式ディーゼル機関において、掃気孔を備えたシリンダの一例を示す、模式図である。 図９に示すシリンダにおいて、掃気孔を拡大的に示す、シリンダ下部の展開図である。 図９のＣ―Ｃ断面図である。 従来例におけるシリンダ内に形成される、掃気の旋回流を流れ、および旋回中心を図示した説明的な線図である。 爆発工程後のシリンダ内において、掃気工程に入るところを示す、模式図である。 掃気工程の終了時における、模式図である。

以下、本発明にかかるユニフロー式ディーゼル機関について、実施形態を挙げ、図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明にかかるユニフロー式ディーゼル機関の第１実施形態におけるユニフロー式２ストロークエンジンの要部系統を模式的に示している。
このユニフロー式２ストロークエンジン１０は、シリンダライナ１１の上部に配置された排気弁１２と、シリンダライナ１１の下部にシリンダライナ１１の円周方向に沿って複数個穿設された掃気孔１３とを具備している。

ユニフロー式２ストロークエンジン１０では、シリンダライナ１１の図中、上部側から排気管１４を通じて過給機１５の排気タービンＴが接続されている。また、過給機１５のコンプレッサＣからの高圧空気を冷却する空気冷却器１６が接続されている。さらに、該空気冷却器１６には、冷却空気が複数のシリンダに共通の掃気室１７に至るように接続されている。さらに、該共通の掃気室１７は、掃気が入口からシリンダ毎のシリンダ掃気溜め１８に至るように接続されている。

シリンダライナ１１は、略円筒管形状のもので、排気管１４が接続される上部側は、上方先端側に向かって漏斗状に狭まる、後述する排気弁１２の弁座部１１ｔとしている。

排気弁１２は、排気管１４に通ずるシリンダライナ１１の上部に、シリンダライナ１１の軸心に弁軸１２ａが、軸方向を合わせて配置されている。排気弁１２は、弁座部１１ｔにおいて、シリンダライナ１１内の燃焼ガス（後述）を、排気管１４を通じて過給機１５に至る排気路を開閉可能に配置されている。すなわち排気弁１２は、アクチュエータ（図示せず）により上下動する弁軸１２ａと、アクチュエータにより弁軸１２ａを上下動させることで、弁座部１１ｔにおいて排気管１４を通じて過給機１５に至る排気路を開閉する弁体１２ｂとを有する。

シリンダライナ１１の下部の周方向周りに、複数個穿設された掃気孔１３は、一定間隔ごと、長穴形状に形成されている。そしてこれら掃気孔１３は、シリンダライナ１１内に向けて、平面視円形状の弁体１２ｂの外周に沿う接線方向に形成されている（図２参照）。
すなわち、掃気孔１３は、シリンダライナ１１の外壁を、弁体１２ｂの接線をなすように、所定角度傾斜して貫通形成されている。
なお、以上のようなシリンダライナ１１における掃気孔１３の下部開口側には、シリンダライナ１１内を昇降するピストンＰが配置される。

ここで、ユニフロー式２ストロークエンジンの一連の動作工程は、以下のとおりである。
掃気孔１３からシリンダライナ１１内に流入した掃気は、図の矢印のように流れてシリンダライナ１１の上方へと流れ、ピストンＰの上昇によって掃気孔１３が閉まり、さらにピストンＰが上死点まで上昇し、シリンダライナ１１内圧力が所定の圧縮圧力になる前後付近で燃料噴射弁（図示省略）から燃料が噴射される。
燃料の噴射後、ピストンＰが下降すると、排気弁１２が開弁し、シリンダライナ１１内の排気ガスが、排気管１４を通って、過給機１５の排気タービンＴを駆動し、該排気タービンＴに同軸駆動されるコンプレッサＣを回転させた後、図示しない排ガスエコノマイザに送られる。
コンプレッサＣの回転により吐出された空気は、空気冷却器１６に入り、該空気冷却器１６で冷却されて、複数のシリンダに共通の掃気室１７に溜められ、該共通の掃気室内の掃気は、入口からシリンダ毎のシリンダ掃気溜め１８に溜められ、掃気孔１３からシリンダライナ１１内へ供給される。

次に、図３に、シリンダライナ１１の下部の周方向周りに形成された掃気孔１３を拡大して示し、以下、詳細に説明する。
ここでは、掃気孔１３は、シリンダライナ１１の下部の周方向周りに互いに等角度ごと、形成され、所定の規則で開口面積を変化させて形成されている。このようにすることで、各掃気孔１３からシリンダライナ１１内に流入する、掃気の流入量（質量）を変えている。
すなわち、各掃気孔１３は、シリンダライナ１１の外壁に、弁体１２ｂの接線をなすように、所定角度（等角度）傾斜して貫通形成されているため、掃気孔１３の開口面積を角度に応じて変えることで、掃気の流入量（質量）を変化させている。
ここでは、シリンダ中心として時計回りに０度〜１８０度に形成される掃気孔１３の開口面積の総和に対し、シリンダ中心に反時計回りに０度〜１８０度に形成される掃気孔１３の開口面積の総和を大としている（図３参照）。
すなわち、各掃気孔１３が、シリンダライナ１１の外壁に所定角度（等角度）傾斜して形成されることから、それぞれの掃気孔１３から流入する掃気の流れは、弁体１２ｂの接線をなすようにシリンダライナ１１内で衝突する。この場合、それぞれの流量（単位時間当たりの質量）の違いによって、掃気の流入量のバランスが変動し、結果、掃気孔１３の開口面積の総和が小さい方の、時計回りに０度〜１８０度寄りに、旋回流中心がシリンダ中心から偏心することとなる。

すなわち、図３のパターンで掃気孔１３の開口面積が形成されるように、１８０度から３６０度にかけて形成された掃気孔の総流量が、９０度から１８０度にかけて形成される掃気孔１３の総流量を上回るため、図４に示すように、各掃気孔１３からの掃気の流量の総和が均衡する位置として、旋回流の中心は図中、上方に移動して偏心することになる。
なお、旋回流の旋回中心は、排気弁１２における弁体１２ｂがシリンダライナ１１軸方向に投影するシリンダライナ１１内の外側にあることが望ましい。これにより、弁体１２ｂ直下にある燃焼ガスの排出を促進し、掃気効率を向上させることができるからである。

このように、本実施形態では、掃気孔１３の形成角度が等角度である場合の例を挙げて説明したが、旋回流の中心を偏心させるための手段としては、これに限らない。要は、それぞれの流量（単位時間当たりの質量）の違いによって、掃気の流入量のバランスを変動させればよいので、掃気孔１３の形成角度を変えることでも、旋回流の中心を偏心させることができる。

（第２実施形態）
図５は、本発明にかかるユニフロー式ディーゼル機関の第２実施形態におけるユニフロー式２ストロークエンジンのシリンダを模式的に示している。
なお、本実施形態において、第１実施形態における構成要素と同様な構成要素については、同符号を付してその詳細な説明は省略する。
すなわち、第２実施形態にかかるユニフロー式２ストロークエンジンのシリンダライナ１１では、シリンダライナ１１における掃気孔１３と対面する外周側をシリンダライナ軸方向に可動体２０が昇降可能に配置されている（図６参照）。この場合、可動体２０は、掃気孔１３が形成されたシリンダライナ１１の下部の外周に、アクチュエータ２１により昇降可能に配置されている。
なお、ここでの掃気孔１３は、図７に示すように、シリンダライナ１１の下部の周方向周りに互いに等角度ごと、形成されているが、開口部１３ａが所定の規則で長さが異なる長穴形状に形成されている。そして前述の可動体２０を昇降させることで、可動体２０を同一高さで各掃気孔１３の開口面積を異ならせるようにしている（図８参照）。

以上のような第２実施形態にかかるユニフロー式２ストロークエンジンにおいて、アクチュエータ２１により可動体２０をシリンダライナ１１における掃気孔１３と対面する外周側をシリンダライナ軸方向に昇降調節する。これにより、シリンダライナ１１の円周方向に沿って複数個穿設されたそれぞれの掃気孔１３を通過する流量を異ならしめることができる。これにより、それぞれの掃気孔１３からの流入掃気によるシリンダライナ１１内の旋回流は、シリンダライナ１１中心から偏心し、ずれることとなる。
なお、この場合においても、旋回流の旋回中心は、排気弁１２における弁体１２ｂがシリンダライナ１１軸方向に投影するシリンダライナ１１内の外側にあることが望ましい。これにより、弁体１２ｂ直下にある燃焼ガスの排出を促進し、掃気効率を向上させることができるからである。

また、第２実施形態における、掃気孔１３が形成されたシリンダライナ１１の下部の外周に設けられる可動体２０は、図８に一点鎖線で示すように、シリンダライナ軸方向の上端側が、シリンダライナ１１の円周方向に沿って傾斜した状態で掃気孔１３に接触する傾斜端２０ｔとして、可動体２０を昇降させ、それぞれの掃気孔１３の開口面積を異ならしめるようにしてもよい。また、可動体２０を傾斜端２０の傾斜角度を調整可能な構成とすることもできる。

本発明によれば、シリンダの下部の、シリンダの円周方向に沿って複数個穿設された掃気孔の開口面積を適宜、異ならせることで、掃気孔を通じて流入される掃気の流量を調節して、旋回流をシリンダ中心から偏心させることができる。
このことにより、シリンダの弁体直下に滞留する排ガスの排気を促して、掃気効率の低下を防止することができるので、様々な仕様の掃気孔を備えたディーゼルエンジン（内燃機関）への適用に際して有益である。

１０ ユニフロー式２ストロークエンジン
１１ シリンダライナ
１１ｔ 弁座部
１２ 排気弁
１２ａ 弁軸
１２ｂ 弁体
１３ 掃気孔
１４ 排気管
１５ 過給機
１６ 空気冷却器
１７ 掃気室
１８ シリンダ掃気溜め
２０ 可動体
２０ｔ 傾斜端
２１ アクチュエータ
Ｐ ピストン
Ｔ 排気タービン
Ｃ コンプレッサ

Claims (4)

1. シリンダライナの上部にシリンダライナ中心に同軸的に配置された排気弁と、前記シリンダライナの下部に前記シリンダライナの円周方向に沿って複数個穿設された掃気孔とを具備するユニフロー式ディーゼル機関において、
   前記掃気孔は、それぞれ、前記シリンダライナの円周方向に沿って開口面積を異ならせるように形成し、前記シリンダライナ内に流入する掃気の旋回流を前記シリンダライナ中心から偏心させてなる、ことを特徴とするユニフロー式ディーゼル機関。
2. 前記シリンダライナは、前記シリンダライナにおける掃気孔と対面する外周側を前記シリンダライナ軸方向に昇降可能な可動体を備え、
   該可動体は、前記掃気孔の開口面積を異ならしめるものである、ことを特徴とする請求項１記載のユニフロー式ディーゼル機関。
3. 前記可動体は、前記シリンダライナ軸方向の上端側が、前記シリンダライナの円周方向に沿って傾斜した状態で前記掃気孔に接触する傾斜端として構成される、ことを特徴とする請求項２記載のユニフロー式ディーゼル機関。
4. 前記旋回流の旋回中心は、前記排気弁における弁体が前記シリンダライナ軸方向に投影するシリンダライナ内の外側にある、ことを特徴とする請求項１ないし３の、いずれか１に記載のユニフロー式ディーゼル機関。
   

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