JP2020060168A - 給気弁と排気逆止弁を装置した往復動エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】従来のエンジン頂部に排気弁を設置する方式では、排気弁の冷却が不足して過熱する。また、エンジンの下部から上部に燃焼ガスや給気を流すため、燃焼ガスや燃焼残渣物がシリンダー内部に残留し易く各種の問題を引き起こしている。【解決手段】排気弁方式を改め、給気弁９と、排気孔８ａと、逆止弁を装置して、シリンダー１ｂの上部より下部に燃焼ガスや給気を流す。この給気（空気）により給気弁９自体を冷却し、同時に燃焼ガスを燃焼室付近から速やかに除去する。また、排気孔８ａより燃焼ガス等をシリンダー外に排出し、これらの自然発火による予混合燃焼時の過早着火やノッキングの発生を回避する。また、従来の排気弁の温度が上昇するために使用していた高級な合金の使用を回避し、また、排気弁の整備間隔等の問題も併せて解決するエンジンの構造を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料の燃焼のための空気と燃焼ガスを排気するための空気を、シリンダー１ｂへ供給する給気弁９を、往復動エンジンのシリンダー１ｂの上部に設置して、シリンダー１ｂの下部に排気孔８ａと、その排気孔８ａをエンジン行程に同期して開閉する排気ガス逆止弁などを装置したエンジンの構造に関するものである。

従来の２サイクル往復動エンジンでは、シリンダーの下部に設けられた掃気孔よりシリンダー頂部に設けられた排気弁の方向に、シリンダーの下部から上部に燃焼ガスや給気を流す方式（通称ユニフロ方式、以下、頂部排気弁方式という）が用いられている。この頂部排気弁方式では、この排気弁が燃焼行程で最も高温になる燃焼室の一部を構成していることや、常時上下に動く排気弁の冷却が困難なため冷却が不足して排気弁が高温になるので、高温時でも材料強度を維持できる耐熱性の高い合金を使用している。更に、現在の舶用エンジンのようにバナジウム成分が多い燃料を使用する場合は、この排気弁が高温になることによる高温腐食の問題があり、耐腐食性の高い合金を使用している。この高温腐食を抑制するため、燃料中に化学物質を添加する方法が行われる場合もある。

また、従来の頂部排気弁方式では、燃焼により発生した煤などの燃焼残渣物（以下、燃焼残渣物という）を含む燃焼ガスが、その構造上、排気掃気の行程の始めから終わりまで燃焼室付近に存在することになるので、この燃焼残渣物がシリンダー内壁面の潤滑油に付着して残留したり、この燃焼残渣物が排気弁の閉弁途中の弁通過面積の減少時に弁座付近に付着して残留したりする。その結果、燃焼ガス中の硫黄成分が結露して空気中の水分と結合し、シリンダー表面に酸性物資を生じて低温腐食を発生させている。この低温腐食を抑制するため、潤滑油中に中和剤などの化学物質を添加する方法などの対策が通常的に行われている。

また近年では、主としてエンジン排気ガスの環境問題への対応が有利なことなどより、天然ガスなどを燃料に使用した予混合燃焼も使用されているが、この予混合燃焼方式のエンジンでは、前記の燃焼残渣物がシリンダー１ｂ内で異常な時期に自然発火することにより、シリンダー１ｂ内の天然ガスなどの予混合燃料が過早着火やノッキングの異常燃焼を惹起し、天然ガスなどの予混合燃焼を行うエンジンにおいては、圧縮行程の終段で通常の圧縮温度でも、シリンダー内の空気密度の上昇などと相俟って、異常な過早着火やノッキングが発生することがある。その結果、エンジンの運転安定性の低下や効率の低下を発生させている。

また、従来の頂部排気弁方式では、燃焼残渣物が、特に排気弁の閉弁途中の弁通過面積の減少時に弁座付近に付着堆積して弁機能を阻害したり、この燃焼残渣物の弁座への噛み込みが原因で、いわゆる弁の吹き抜けなどの損傷を発生させるため、整備や修理も頻繁に行うなど運用上の対応も行われている。

ＷＯ／２０１４／１１５５７２ Ａ１ ＷＯ／２０１５／１０８１３８ Ａ１

天然ガスなどを燃料とする予混合燃焼方式エンジンでは、拡散燃焼を行う通常のディーゼルエンジンに比べて圧縮比を意図的に低くして、前記の高温部の温度を低下させて過早着火やノッキングを抑制することで対応している。しかし、圧縮比を下げることは必然的にエンジンの理論効率を下げることになり、燃料消費率が悪化するという問題を生じている。また、この問題を抑制するため、単位シリンダー当たりの出力を制限しなければならず、同一出力のディーゼルエンジンに比べてエンジンが大型になるという問題を生じている。

また、従来の排気弁方式では、排気弁はエンジン稼働中常時上下に動いているため排気弁本体の冷却には自ずと限度があり、燃焼室を構成する部品であるピストンヘッド、シリンダーライナーおよびシリンダーヘッドの中では排気弁表面が最も高温になり、排気弁の機械的強度を維持する目的で高級な耐熱合金を使用するため経済的な問題を生じている。また、前期の高温腐食や低温腐食を抑制する目的でニッケルなどの高級な耐腐食合金を使用するため経済的な問題を生じている。

また、排気ガスの環境対策やエンジン効率向上対策のため、排気ガスの排出時に排気ガス温度の高低により排気ガスを弁別して温度の低い排気ガスを過給機に導かない（バイパスさせる）方式を採用することや、排気ガス環境対策のためエンジン内部ＥＧＲや、エンジン内部ＳＣＲを使用することも有用であるが、現状の頂部排気弁方式のエンジンではその構造上、この対応が非常に難しい。

また、従来の頂部排気弁方式では。予混合燃焼時に、エンジンの基本的な構造が原因で、天然ガスなどのガス状燃料が未燃焼の状態で大気に放出（メタンスリップ）され環境に悪影響を与えている。

そこで、本発明は、従来の頂部排気弁方式をシリンダー頂部に給気弁９を設置する方式（以下、頂部給気弁方式という）に変更して、これらの問題を解決するものである。即ち、本発明では、シリンダーの頂部に設けた給気弁９により、シリンダー１ｂの上部から下部の、従来とは逆の方向に燃焼ガスや給気を流し、燃焼ガスはシリンダー１ｂの下部に設置した排気孔８ａから、シリンダーの外部に排出するエンジン構造とすることで、これらの問題を解決する。

この頂部給気弁方式を採用し、給気弁９から給気をシリンダー１ｂ内に供給するには、シリンダー１ｂの下部に設けた排気孔８ａを、エンジン行程に同期して自動で開閉することが必要になるが、エンジンのストローク／シリンダー内径比の小さいエンジンでは、この排気孔８ａを開閉するのに十分なストローク方向の長さを有するピストンスカート２ｂを、ピストンクラウンの下部に固定設置することで実現できる。一方、現在の大型船舶で主流になっている低速ロングストロークエンジンでは、前記のような固定式ピストンスカート２ｂは、その長さの面で非現実的な方法であり採用できないので、本発明の排気ガスの逆止弁８ｄを設置することでこの問題を解決する。

本発明は、従来、燃焼中はもとより、排気掃気の行程中の終始に亘り、温度の高い燃焼ガスに晒されていた従来の排気弁に代えて給気弁９を装置することにより、排気掃気の行程の開始と同時に、温度の低い給気（一般には摂氏４０度程度の空気）が給気弁９を流れ給気弁９自体を冷却できるので、給気弁９の最高表面温度を従来の排気弁のそれ（一般に舶用大型ディーゼルエンジンでは約摂氏７００度）に比べて低い概ね摂氏４５０度程度まで低下できる。この結果、給気弁９の最高表面温度を天然ガスの自然発火温度を下回る温度に常時維持できるので、天然ガスを予混合燃焼する方式のエンジンにおいては、過早着火やノッキングの問題を抑制あるいは根絶できる。また、このことは当然ある範囲で現状以上に圧縮比を増加させることが可能なことを意味しており、エンジン効率の向上も可能となるし、単シリンダー当たりのエンジン出力も増加可能となる。

また、本発明では排気掃気の行程の開始と同時に、この給気弁９から供給する給気により、燃焼室付近に滞留している燃焼残渣物を含む排気ガスを速やかに給気と置換して、この燃焼ガスを、シリンダー１ｂの下部にある排気孔８ａの方向に流してシリンダー１ｂの外部に排出する。この結果、燃焼室内はこの給気に冷却されて各部位の温度が低下し、また、異常な自然発火の原因（火種）となる燃焼残渣物も燃焼室付近から除去されるので、過早着火やノッキングを抑制あるいは回避できる。

また、本発明により、給気弁９の最高表面温度を概ね摂氏４５０度程度に下げることが可能となるので、給気弁９の材質に高級な合金を使用することを回避できる。また、この温度低下により排気弁表面に発生している高温腐食を抑制あるいは回避でき高級な合金の使用を回避できる。

また、本発明は、燃焼完了後速やかに燃焼で発生した燃焼ガスや燃焼残渣物を、給気弁９から供給する温度の低い空気により置換して、排気ガスとしてシリンダーの外部に排出できるので、このガス中に含まれている硫黄成分が燃焼室付近で結露して発生する低温腐食を抑制あるいは回避できる。

また、本発明は、給気弁９よりシリンダー１ｂ内に給気を供給する時に、給気弁９の弁傘の形状や、その上流側に設置する旋回付与羽根により、シリンダー１ｂ内の給気に旋回流を与えることができるので、シリンダー１ｂ内の排気ガスをこの給気の旋回流の内側に閉じ込めて意図的に残留できるので、排気ガス環境対策のためエンジン内部ＥＧＲ（排気ガス還流）を使用する場合の対応が容易になる。また、給気弁９より、この給気の旋回流に混入させて尿素水をシリンダー１ｂ内に供給できるので、内部ＳＣＲ（脱硝）を使用する場合の対応が容易になる。

また、本発明は、給気弁９の開閉時期と同期して、排気孔８ａが全て閉口した後に、予混合燃料供給弁１５ｂより予混合燃料をシリンダー１ｂ内に供給できるので、従来の頂部排気弁方式で発生していた予混合燃焼方式における未燃焼の燃料ガスが、大気に漏洩（メタンスリップ）することを抑制あるいは回避できる。また同時に本発明は、エンジンの構造上避けがたいところの、シリンダー１ｂと、ピストンリング２ｃと、ピストンクラウン２ａに囲まれた空間に滞留する未燃焼の天然ガスなどを、排気行程でピストンクラウン２ａの上端が排気孔８ａの上面を開口した時に、シリンダー１ｂ内から高温の排気ガスが噴出し、ここに滞留している未燃焼の天然ガスなどを、この高温の排気ガスで吹き飛ばして燃焼させるので、未燃焼の天然ガスなどの大気への漏洩（メタンスリップ）を抑制あるいは回避できる。

また、本発明では、シリンダー１ｂの下部に排気孔８ａを設けるので、関連機器の設置や制御の設計自由度が増加し、排気ガスの温度による弁別回収が行い易くなる。

（１）に実施形態の断面図を示す。また、この構造の補足説明のため、下記内容の図と説明を記載してある。（２）Ａ−Ａ断面図 （３）膨張排気行程例 （４）給気圧縮行程例 ピストンがＢＤＣ位置以外の時の状態の断面図を示している。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。

図１にこの構造の概念を示す。給気は、給気弁９よりシリンダー１ｂの上部から下部の方向に流れ、排気ガスは排気孔８ａからシリンダー１ｂの外部に排出する構造である。ピストン下部の圧力（Ｐａ）は、常時排気管８ｍの排気ガス圧力（Ｐｇ）より低く維持され、また、適度な風量で換気されている。ピストン下部の圧力（Ｐａ）は大気圧か、換気用送付機により若干高められている程度である。

ピストンクラウン２ａが排気孔８ａの全面積を閉口している時は、排気孔８ａを排気ガスは流れない。この状態から、ピストンクラウン２ａが下降した場合は、ピストンクラウン２ａの上端が排気孔８ａの上面を開口し、排気孔８ａを通して排気ガスが排気管８ｍの方向に徐々に流出することにより逆止弁８ｄは自力で開弁を始め、排気ガスは排気管８ｍに流れる。更にピストンが下降してＢＤＣ位置になると排気孔８ａは全開となる。このピストンがＢＤＣ位置ある時の状態を図１の（１）に示す。

ピストンがＢＤＣ位置より上昇すると、ピストンクラウン２ａは排気孔８ａを徐々に閉口して、逆止弁を流れる排気ガス量は徐々に減少するので、逆止弁は自重により徐々に閉弁位置に移動する。ピストンクラウン２ａが排気孔８ａの上面を通過した時に、排気孔８ａは全閉し、圧縮行程に移行する。この状態を図２の（１）に示す。

更にピストンクラウン２ａが上昇し、ピストンクラウン２ａが排気孔８ａの下面を開口し始めると、逆止弁８ｄとシリンダー１ｂ間の排気ダクト８内の残圧が、シリンダー１ｂの下部に放出される。この時、排気管内の圧力（Ｐｇ）はシリンダー１ｂの下部圧力（Ｐａ）より大きいので、逆止弁８ｄはこの圧力に押されて閉弁を維持する。この時の状態を図２の（２）に示す。

図１では説明の便宜上給気弁９は一個として記載してあるが、給気弁９は必要に応じて構造上可能であれば何個でも設置してよい。また、図１では説明の便宜上排気孔８ａは左右に１箇所として記載してあるが、排気面積の必要に応じて構造上可能であればシリンダー１ｂの周囲に何個でも、また何段でも設置してよい。

図１では説明の便宜上、予混合燃料供給弁１５ｂと拡散燃料噴射弁１４ａをそれぞれ１個記載してあるが、これらの燃料供給装置は給気ダクト７の内部、あるいはシリンダー１ｂの外部に、必要に応じて各種の供給装置を必要な個数設置できる。

図１では説明の便宜上逆止弁は１個として記載しあるが、逆止弁８ｄは必要な個数を複数個設置できる。また、必要に応じて冷却機能も付加できる。また、外部からの開閉補助機構も付加できる。

図１の（３）に膨張排気行程の一般的な事例を示す。排気孔８ａの開口開始時期はシリンダー１ｂに設けたこの排気孔８ａの位置により固定されるが、給気弁９の開弁時期はそのエンジンに求められる排気掃気行程に応じ自由に設定できる。液体燃料噴射弁１４ａの閉弁時期も自由に設定できる。

図１の（４）に給気圧縮行程の一般的な事例を示す。排気孔８ａの閉口開始時期はシリンダー１ｂに設けた排気孔８ａの位置により固定されるが、給気弁９の閉弁時期はそのエンジンに求められる給気圧縮行程に応じて自由に設定できる。また、予混合燃料供給弁１５ｂの開閉弁時期も必要に応じて自由に設定できる。また、給気弁９の閉弁時期も自由に設定できる。

１ｂ シリンダー
２ａ ピストンクラウン
２ｃ ピストンリング
２ｄ ピストンロッド
２ｅ 気密装置
６ エンジン架台
７ 給気ダクト
７ｍ 給気管
８ 排気ダクト
８ａ 排気孔
８ｄ 逆止弁
８ｍ 排気管
９ 給気弁
９ａ 旋回付与羽根
１４ｂ 拡散燃焼噴射弁
１５ｂ 予混合燃料供給弁

Claims (2)

1. エンジンのシリンダー１ｂの上部に給気弁９と、シリンダー１ｂの下部に排気孔８ａと、排気ダクト８に排気ガスの流量と圧力により自力で作動する逆止弁８ｄと、を設置し、燃料の燃焼のための空気と燃焼ガスの掃気のための空気（以下、これらを総称して給気という）を、エンジン行程に同期して、給気弁９よりシリンダー１ｂ内に供給し、シリンダー１ｂの下部に設けた排気孔８ａから、エンジン行程に同期して、燃焼ガスをシリンダー１ｂの外部に排出することを特徴とするエンジン。
2. エンジンの下降行程においては、ピストンクラウン２ａの上端が、排気孔８ａの上面を閉口することにより、また、エンジンの上昇行程においては、ピストンクラウン２ａの下端が、排気孔８ａの下面を開口することにより、逆止弁８ｄが自力で閉弁し、排気ガスのシリンダー１ｂ内への逆流を防止することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気ガス管制装置。