JP2014101884A

JP2014101884A - ２ストロークガス機関

Info

Publication number: JP2014101884A
Application number: JP2013272082A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Takimoto; 崇弘瀧本; Mamoru Nomura; 守野村; Takeshi Yamada; 剛山田
Original assignee: IHI Corp; Diesel United Ltd
Current assignee: IHI Corp; Diesel United Ltd
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2014-06-05

Abstract

【課題】低コストで信頼性の高い２ストロークガス機関を提供する。
【解決手段】液化天然ガスを主燃料とする２ストロークガス機関において、ピストン６が往復動するシリンダ１と、シリンダ１に形成される空気導入口１ａに空気を供給する空気供給容器３と、シリンダ上部の燃焼室１０と、空気導入口１ａより上部のシリンダ１に装着されて液化天然ガスを噴射するガス噴射弁１１と、燃焼室１０内で液化天然ガスと空気の混合気体に着火する液体燃料を噴射するパイロット噴射弁１２とを備え、
空気供給容器３から供給される空気をピストン６で圧縮する掃気行程中に、ガス噴射弁１１から液化天然ガスを噴射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液化天然ガス（ＬＮＧ）を主燃料とする２ストロークガス機関に関する。

従来の液化天然ガスを主燃料とするユニフロー式の２ストロークガス機関を、図４、図５に基づいて説明する。図４は、従来例に係る２ストロークガス機関における掃気行程時の概略構成図、図５は、同、ガス燃焼（爆発）時の概略構成図である。

２ストロークガス機関は、筒状のライナ１、そのライナ１の外周の段部を上部壁２ａ中央の開口部に係合して保持する外衣２、外衣２の図において右側に開口する開口部２ｂに装着される掃気溜３、ライナ１の上面に装着される中空状のシリンダ蓋４を備える。さらに、２ストロークガス機関は、シリンダ蓋４の中央の開口部に上方から装着される排気弁筐５を備える。

ライナ１の中空部（内周）には円柱状のピストン６が上下移動可能に嵌合される。ピストン６は、下方に延びるピストン棒７が外衣２の下方内側に設けた鍔部２ｃの中央に装着されるスタッフィングボックス８に保持されることで、ライナ１及び外衣２に保持される。外衣２の開口部２ｂに連なる中空部２ｄに臨んで、ライナ１の側壁には複数の掃気ポート１ａが形成される。掃気ポート１ａは、図４に示すように、ピストン６が下死点にある状態で、外衣２の中空部２ｄからライナ１の内部に空気を取り入れるようになっている。

シリンダ蓋４には、その下部に形成される燃焼室１０に向けて、ガス噴射弁１１とパイロット噴射弁１２が斜めに対向設置される。排気弁筐５には、燃焼室１０に開口する底部から斜め上方に向かう排気通路５ａが形成される。また、排気弁筐５には、下端部に排気弁１３を有する排気弁棒１４が上下動自在に軸支される。排気弁１３は、燃焼室１０と排気通路５ａを開閉する。排気弁棒１４は、排気弁駆動部１５によって上下し、排気弁１３により燃焼室１０と排気通路５ａを開閉する。

図５に示すように、ガス噴射弁１１は、ＬＮＧタンク１６と、高圧ポンプ１７、蒸発器１８、圧力調整弁１９を介して接続される。高圧ポンプ１７は、電動機２０によって駆動される。また、パイロット噴射弁１２は、燃料噴射ポンプ２１に接続される。

次に、このような構成の２ストロークガス機関の動作を説明する。

図４に示す掃気行程時にピストン６が下死点にある状態で、掃気溜３より供給された空気が外衣２の中空部２ｄからライナ１の内部に取り入れられる。また、同時に排気弁１３が開状態となっている間に燃焼室１０に残留している燃焼ガスが排気弁筐５の排気通路５ａから外部に排気される。その後、ピストン６は、ライナ１内を上昇し（燃焼室１０に向かって移動し）、排気弁１３が閉状態になるとライナ１内に流入した空気は圧縮されていく。

図５は、ピストン６が上死点まで到達し、空気が最大に圧縮された状態を示す。この状態でＬＮＧタンク１６から供給されるＬＮＧを、電動機２０によって駆動される高圧ポンプ１７を用いて加圧し、蒸発器１８によりガス化した後、圧力調整弁１９により圧力を調整しつつガス噴射弁１１から燃焼室１０に向けて噴射する。

同時に、図示しない液体燃料タンクから供給される液体燃料を、燃料噴射ポンプ２１によりパイロット噴射弁１２に供給し、パイロット噴射弁１２から燃焼室１０に向けて噴射する。液体燃料は燃焼室１０内で自発火し、この火炎により燃焼室１０に噴射された高圧のＬＮＧガスは着火（爆発）する。この爆発力（圧力）により、ピストン６はライナ１内を高速で下降する（下死点に向かって移動する）。そして、図４に示す状態になる。

尚、上記した２ストロークガス機関に関連した技術としては、特許文献１、２、３に記載の技術がある。

特開平５−３３２２００号公報特開平８−２９１７６９号公報特表２０００−５０８４００号公報

上述したように、ＬＮＧを燃料として用いる従来の２ストロークガス機関においては、燃焼室の圧縮空気にＬＮＧガスを直接噴射して燃焼させていた。この場合、圧縮空気圧力以上にＬＮＧガスを加圧する必要がある。通常、ＬＮＧガスは２５０ｂａｒ程度に加圧され、燃焼形態は拡散燃焼となる。

ところで、ＬＮＧガスを高圧に加圧するためには大容量の高圧ポンプが必要となり、コスト高となる。また、蒸発器も高圧に耐えうる高コストのものを採用せざるを得ない。さらに、高圧ポンプから２ストロークガス機関までの高圧のガス配管が必要で、これもコストを引き上げる要因となる。また、大容量の高圧ポンプは、その駆動電力も大きくなりランニングコストも上昇する。

また、高圧のガス配管を行う場合、振動の大きな往復動内燃機関においては、設計、製作が困難なものとなる欠点がある。さらに、高圧であるが故にガス漏れの可能性が増すという問題もある。

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、低コストで信頼性の高い２ストロークガス機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、液化天然ガスを主燃料とする２ストロークガス機関において、ピストンが往復動するシリンダと、前記シリンダに形成される空気導入口に空気を供給する空気供給容器と、前記シリンダ上部の燃焼室と、前記空気導入口より上部の前記シリンダに装着されて前記液化天然ガスを噴射するガス噴射弁と、前記燃焼室内で前記液化天然ガスと前記空気の混合気体に着火する液体燃料を噴射するパイロット噴射弁とを備え、
前記空気供給容器から供給される前記空気を前記ピストンで圧縮する掃気行程中に、前記ガス噴射弁から前記液化天然ガスを噴射することを特徴とする２ストロークガス機関に係るものである。

また本発明は、上記において、前記ガス噴射弁からの前記液化天然ガスの噴射は、前記燃焼室に備える排気弁が閉じる前に開始し、前記ピストンが前記ガス噴射弁を閉塞する状態で終了する。

また本発明は、上記において、複数形成される前記空気導入口の開口幅が不均一である。

また本発明は、上記において、前記ガス噴射弁は、複数の段数で前記シリンダに装着される。

本発明によれば、低コストで信頼性の高い２ストロークガス機関を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る２ストロークガス機関の概略構成図である。図１のＩＩ−ＩＩ断面上視図である。掃気ポート部分のライナの断面図であり、（ａ）は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面上視図、（ｂ）は、（ａ）と比較するために示す従来の掃気ポート部分のライナの断面図である。従来例に係る２ストロークガス機関における掃気行程時の概略構成図である。従来例に係る２ストロークガス機関におけるガス燃焼（爆発）時の概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る２ストロークガス機関の概略構成図である。図４、図５に示す従来例と同一箇所には同一符号を付す。

液化天然ガス（ＬＮＧ）を主燃料とする２ストロークガス機関は、以下の構成を備える。即ち、筒状のライナ（シリンダ）１、そのライナ１の外周の段部を上部壁２ａ中央の開口部に係合して保持する外衣２、外衣２の図において右側に開口する開口部２ｂに装着される掃気溜（空気供給容器）３、ライナ１の上面に装着される中空状のシリンダ蓋４を備える。さらに、２ストロークガス機関は、シリンダ蓋４の中央の開口部に上方から装着される排気弁筐５を備える。

ライナ１の中空部（内周面）には円柱状のピストン６が上下移動（往復動）可能に嵌合される。ピストン６は、下方に延びるピストン棒７が外衣２の下方内側に設けた鍔部２ｃの中央に装着されるスタッフィングボックス８に保持されることで、ライナ１及び外衣２に保持される。外衣２の開口部２ｂに連なる中空部２ｄに臨んで、ライナ１の側壁には複数の掃気ポート（空気導入口）１ａが形成される。掃気ポート１ａは、図１に示すように、ピストン６が下死点にある状態で、外衣２の中空部２ｄからライナ１の内部に空気を取り入れるようになっている。

シリンダ蓋４には、その下部に形成される燃焼室１０に向けて、パイロット噴射弁１２が斜めに設置される。排気弁筐５には、燃焼室１０に開口する底部から斜め上方に向かう排気通路５ａが形成される。また、排気弁筐５には、下端部に排気弁１３を有する排気弁棒１４が上下動自在に軸支される。排気弁１３は、燃焼室１０と排気通路５ａを開閉する。排気弁棒１４は、排気弁駆動部１５によって上下し、排気弁１３により燃焼室１０と排気通路５ａを開閉する。

パイロット噴射弁１２は、燃料噴射ポンプ２１に接続される。燃料噴射ポンプ２１は、液体燃料タンク２２から液体燃料の供給を受け、燃料高圧管２３を介してパイロット噴射弁１２に供給するようになっている。

さらに、本実施の形態の２ストロークガス機関は、以下の構成が採用される。

本実施の形態の２ストロークガス機関は、ＬＮＧガスを噴射するガス噴射弁１１を任意の数だけ、その噴射口がライナ１の内部に臨むようにしてライナ１に装着する。その装着位置は、図１に示すように掃気ポート１ａの上部である。ガス噴射弁１１とＬＮＧタンク１６は、ＬＮＧポンプ３１、蒸発器３２、圧力調整弁３３、ガス制御器３４を介して接続される。ＬＮＧポンプ３１は、電動機３５によって駆動される。

ここで、ＬＮＧポンプ３１、蒸発器３２、圧力調整弁３３、電動機３５は、従来のものに比べて、容量、出力が小さい低規格、低コストのものとなっている。また、ガス制御器３４は、ガス噴射弁１１へのＬＮＧガスの供給をオン、オフ制御する。

本実施の形態の２ストロークガス機関は、掃気圧力センサ３６及びクランク角検出センサ３７の出力を受けて、圧力調整弁３３、ガス制御器３４、電動機３５を制御する制御装置（コントローラ）を備える。ここで、掃気圧力センサ３６は、掃気溜３の表面に装着され、掃気溜３内の空気圧を検出する。

クランク角検出センサ３７は、カム軸３９の一端に装着されたクランク角検出歯車４０と対面しており、カム軸３９に取り付けられた燃料カム４１が燃料噴射ポンプ２１のピストンを上下して燃料噴射ポンプ２１を駆動するようになっている。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面上視図、図３は、掃気ポート部分のライナの断面図であり、（ａ）は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面上視図、（ｂ）は、（ａ）と比較するために示す従来の掃気ポート部分のライナの断面図である。図２、図３についての説明は、以下の動作説明中で行う。

次に、このように構成された２ストロークガス機関の動作を説明する。

図１に示すように、ピストン６が下死点にある状態で、掃気溜３より供給された空気が外衣２の中空部２ｄからライナ１の内部に取り入れられる。この時、内燃機関は掃気状態で排気弁１３が開状態となっているため、流入空気により燃焼室１０に残留している燃焼ガスが排気弁筐５の排気通路５ａから外部に排気される。

空気流入時、一般には（従来では）、図３（ｂ）に示すように、掃気ポート１ａがライナ１の軸芯に対して傾斜している形状からライナ１の内部に空気の旋回流５０が生じる。その後、ピストン６がライナ１内を上昇し（燃焼室１０に向かって移動し）、掃気ポート１ａを塞ぐと排気弁１３が閉状態になり、ライナ１内に流入した空気は圧縮されていく。空気の圧縮中も旋回流５０の角運動量は保存されるので旋回流５０は消滅しない。

ここで、排気弁１３が閉となる前に、ガス噴射弁１１よりＬＮＧガスをライナ１の内部に噴射する。ＬＮＧガスの噴射は、従来例と同様に以下のように行われる。即ち、ＬＮＧタンク１６から供給されるＬＮＧを、電動機３５によって駆動されるＬＮＧポンプ３１を用いて加圧し、蒸発器３２によりガス化した後、圧力調整弁３３により圧力を調整しつつガス制御器３４を経てガス噴射弁１１からライナ１内部に向けて噴射する。

更にここで２ストロークガス機関の駆動条件を具体的に示すと、掃気ポート１ａの開区間は、ピストン６の上死点（ＴＤＣ）からのクランク角度で１００°以上２６０°以下の範囲になっており、排気弁１３の開区間は、ピストン６の上死点（ＴＤＣ）からのクランク角度で８０°以上３００°以下の範囲になっている。またガス噴射弁１１からのＬＮＧガスの噴射区間は、ピストン６で圧縮する掃気行程中の、掃気ポート１ａを閉じ且つ排気弁１３を開いているという条件下で、ピストン６の上死点（ＴＤＣ）からのクランク角度で２２０°以上３３０°以下の範囲になっている。

本実施の形態の２ストロークガス機関では、ＬＮＧガスの供給をピストン６の圧縮行程（掃気行程）で行うため、ＬＮＧポンプ３１は、図５に示す従来の高圧ポンプ１７のようにＬＮＧを２５０ｂａｒ（バール）にも高圧にする必要はない。ＬＮＧポンプ３１により加圧されるガス圧力は約２０ｂａｒ程度でよく、従来よりもはるかに低く抑えることができる。つまり、ＬＮＧポンプ３１は、従来の高圧ポンプ１７より低容量で価格の低いものでよい。

ＬＮＧガスは、図２に示すように、ガス噴射弁１１から旋回流５０と逆向き（逆方向）に噴射される（噴射方向５１）。このように、旋回流５０と逆向きにＬＮＧガスを噴射することで、空気とＬＮＧガスを均一に混合することができる。尚、図２に示すように、本実施の形態の２ストロークガス機関では、ライナ１に等角度で８個のガス噴射弁１１が装着されている。ガス噴射弁１１は、ＬＮＧガスと空気が均一に混合されるよう、複数の上下多段に設けてもよい。

また、本実施の形態の２ストロークガス機関では、図３（ａ）に示すように、複数の掃気ポート１ａの開口幅が不均一に形成されている（開口幅Ｌ１＞開口幅Ｌ２）。そのため、各掃気ポート１ａからライナ１内に流入する空気流速が異なるものとなり、局所的な乱流が生じるため、空気とＬＮＧガスを均一に混合することができる。

ここで、図２の噴射方向５１の形態と、図３の掃気ポート１ａの開口幅が不均一に形成されている形態の両方を採用すれば、理想的な空気とＬＮＧガスの均一混合状態を得ることができるが、どちらか一方の採用でも相応の効果を奏することができる。

ピストン６がガス噴射弁１１を横切る時（ガス噴射弁１１を閉塞する時）、ガス制御器３４により、ガス噴射弁１１へのＬＮＧガスの供給を停止する。ピストン６が上死点まで到達し、ＬＮＧガスと空気の混合気体が最大に圧縮された状態で、液体燃料タンク２２から供給される液体燃料を、燃料噴射ポンプ２１により燃料高圧管２３を介してパイロット噴射弁１２に供給する。そして、その液体燃料を、パイロット噴射弁１２から燃焼室１０に向けて噴射する。液体燃料は燃焼室１０内で自発火し、この火炎により圧縮された混合気体は着火（爆発）する。この爆発力（圧力）により、ピストン６はライナ１内を高速で下降する（下死点に向かって移動する）。

また、本実施の形態の２ストロークガス機関においては、カム軸３９に取り付けられたクランク角検出歯車４０の回転位置からクランク角検出センサ３７がクランク角を検出し、その検出信号を制御装置３８に送る。制御装置３８は、その検出信号に基づいてガス噴射弁１１よりＬＮＧガスを噴射するタイミングを判断し、ガス制御器３４に指令してＬＮＧガスの噴射の開始と停止を制御する。

また、制御装置３８は、２ストロークガス機関の負荷状態や掃気溜３に装着される掃気圧力センサ３６にて検出される掃気圧力に基づいて、ＬＮＧガスの圧力を調整して混合気体の空燃比を制御する。燃料噴射ポンプ２１や排気弁駆動部１５を電子制御としてもよい。

本実施の形態の２ストロークガス機関は、低圧でＬＮＧを使用するため、安価なＬＮＧポンプや蒸発器を採用することができ、コストを低減することができる。また、ＬＮＧが低圧なために、配管やガス漏れ対策が容易になり、安全性を向上させることができる。また、ＬＮＧが低圧なために、操作員の運転操作が容易になる。さらに、ＬＮＧを主燃料とするため、ＳＯｘ、ＮＯｘ、ＣＯ_２の環境問題を改善することができる。

尚、ガス噴射弁１１によるＬＮＧガスの供給を停止し、パイロット噴射弁１２での液体燃料の噴射のみとすれば、２ストロークガス機関を従来のディーゼル機関として稼動させることもできる。

１ライナ（シリンダ）
１ａ掃気ポート（空気導入口）
３掃気溜（空気供給容器）
６ピストン
１０燃焼室
１１ガス噴射弁
１２パイロット噴射弁
１３排気弁
１６ＬＮＧタンク
３１ＬＮＧポンプ
３２蒸発器
３３圧力調整弁
３４ガス制御器
３８制御装置
５０旋回流
５１噴射方向

Claims

液化天然ガスを主燃料とする２ストロークガス機関において、ピストンが往復動するシリンダと、前記シリンダに形成される空気導入口に空気を供給する空気供給容器と、前記シリンダ上部の燃焼室と、前記空気導入口より上部の前記シリンダに装着されて前記液化天然ガスを噴射するガス噴射弁と、前記燃焼室内で前記液化天然ガスと前記空気の混合気体に着火する液体燃料を噴射するパイロット噴射弁とを備え、
前記空気供給容器から供給される前記空気を前記ピストンで圧縮する掃気行程中に、前記ガス噴射弁から前記液化天然ガスを噴射することを特徴とする２ストロークガス機関。
前記ガス噴射弁からの前記液化天然ガスの噴射は、前記燃焼室に備える排気弁が閉じる前に開始し、前記ピストンが前記ガス噴射弁を閉塞する状態で終了することを特徴とする請求項１記載の２ストロークガス機関。
複数形成される前記空気導入口の開口幅が不均一であることを特徴とする請求項１または２記載の２ストロークガス機関。
前記ガス噴射弁は、複数の段数で前記シリンダに装着されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の２ストロークガス機関。