JP2020060175A - 往復動エンジンの内部ｅｇｒ - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン内部に燃焼ガスの一部を残留させて、次の燃焼行程で使用してＮＯｘの発生を抑制する方法が行われている。しかし、舶用大型エンジンにおける従来の方法では、シリンダー内に水を直接噴霧して残留した燃料ガスを冷却するので、エンジン効率の低下や、水分によるエンジンへの悪影響も懸念されてる。【解決手段】従来のシリンダーの頂部に設置されていた排気弁に代えて、シリンダー１ｂの頂部に給気弁９を設置して、旋回力を与えて供給した給気により、シリンダー１ｂ内の燃焼ガスの一部をこの給気で囲い込むように残留させ、この残留させた燃焼ガス１６ｄは、給気を使用して冷却し、次の燃焼行程でＮＯｘ発生の抑制に使用する。また、必要であればシリンダー１ｂ内に水も供給するが、残留している燃焼ガスを冷却した後は、この水分は給気（掃気）を使用してシリンダー１ｂの外に極力排出する。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの上部に設置した給気弁９よりシリンダー１ｂ内に供給する給気に旋回力を与え、この給気の旋回流を使用して、必要な量の燃焼ガス１６ｄをその旋回流の内側に閉じ込めてシリンダー１ｂの内部に残留させ、この燃焼ガス１６ｄをエンジン内部の排気ガス還流（以下、内部ＥＧＲという）のため使用するエンジンの構造と制御に関するものである。

エンジンの排気ガス中に含まれる有害物質のうち、ＮＯｘの処理が重要になっている。一部には重油に代えて天然ガスを燃料に使用し、更に天然ガスを予混合燃焼方式による希薄燃焼を行い、エンジンのＮＯｘの排出を低減することが行われている。また、電子制御エンジンに代表されるように燃焼方法自体の改善や、エマルジョン燃料の使用や、シリンダー内への水噴射などの研究開発も行われている。

石油燃料とりわけ舶用低速エンジンのように低質な重油を使用するエンジンでは、前記の燃焼方式の改善や燃料の変更対策だけでは環境規制値を満足できない場合が多く、燃焼ガス還流装置（ＥＧＲ）や脱硝装置（ＳＣＲ）をエンジン外部に設置して、排気ガスの処理を行っている場合も多い。しかし、舶用大型エンジンでは、エンジン内部で燃焼ガスを還流させる方法は、従来はまだ存在していない。

ＷＯ／２０１４／１０３３３７ Ａ１ ＷＯ／２０１４／１０４３２９ Ａ１

従来の２ストロークエンジンでは、シリンダーの下部に設けた掃気孔より給気を供給して、シリンダー頂部に設置した排気弁より燃焼ガスを排出する方式（以下、頂部排気弁方式という）を採用しているが、この掃気孔よりシリンダー内に給気を供給する方式では燃焼ガスと給気が混じり易く、燃焼ガスを給気や掃気と分離してシリンダー内部に残留させるのは不可能である。また、シリンダー内に残留させた燃焼ガスの冷却法も、燃焼ガスに水を噴霧する以外の方法は現状では存在していない。

また、従来の頂上排気弁方式で、燃料に天然ガスなどを使用した予混合燃焼を行う場合は、エンジン行程に同期して、燃焼用の空気や予混合燃焼させる天然ガスなどの燃料を、シリンダー１ｂ内にタイムリーに供給する必要があるので、更にシリンダー１ｂ内での排気ガス処理の制御が付加されると制御機構が非常に複雑になり、運用が非常に難しい。

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。即ち、本発明では、従来とは逆方向に、シリンダー１ｂの頂部に設けた給気弁９により、シリンダー１ｂの上部から下部に給気を流す。そして、給気弁９よりシリンダー１ｂに給気を供給する時に、この給気に旋回力を付与してシリンダー１ｂ内に燃焼ガスを必要量だけ残留させることにより、この問題を解決する。

本発明によれば、給気弁９からシリンダー１ｂ内に供給される吸気に旋回力を付与することにより、シリンダー１ｂの内部で、給気の旋回流が、燃焼ガス１６ｄを取り囲むようにしてこれを残留させることができる。更に、給気の旋回力を旋回付与羽根の羽根角度を調節することにより増減し、シリンダー１ｂ内に残留させる燃焼ガス１６ｄの量を調節できる。

また、本発明によれば、旋回しながらシリンダー１ｂの内壁に沿って下降するこの給気流により、シリンダー１ｂの中心付近に残留させている燃焼ガスを冷却できる。また、この給気による冷却を超えて更に残留燃焼ガスを冷却する必要がある場合は、給気弁９から供給する給気に適量の水を噴射して混入させ、この水の蒸発潜熱を使用して燃料ガスの温度を下げることができる。この冷却のために噴射した水は、シリンダー１ｂ内で燃焼ガスの熱で蒸発し、大部分の水蒸気は、シリンダー１ｂ内で旋回する掃気に混じってエンジンの外部に排出されるので、水分によるシリンダー１ｂ内部の潤滑や腐食などへの悪影響を緩和できる。

前記により、シリンダー１ｂ内に残留した燃焼ガス１６ｄは、次の圧縮行程で給気と一緒に圧縮され、次の燃焼行程で発生す燃焼ガスの温度を低下させて、ＮＯｘの発生を抑制する。

実施形態を示すシリンダー１ｂ内部の断面図で、旋回付与羽根９ａの羽根角度を大きくして、給気に強い旋回力を与えている場合を示す。 実施形態を示すシリンダー１ｂ内部の断面図で、旋回付与羽根９ａの羽根角度をゼロ（０）にして、給気に旋回力を与えない状態を示す。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。

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、燃焼ガスは排気孔８ａからシリンダー１ｂの外部に排出する構造である。図１および図２には詳しい記載を省略してあるが、ピストンクラウンやピストンスカートなど、排気孔８ａを管制するに必要な機能の装置や部品が排気孔８ａの開閉を自動的に行い、排気ガスがシリンダー１ｂ側に逆流することはない。

エンジンの掃気給気行程で、給気弁９の開弁によりシリンダー１ｂ内に供給される給気は、旋回付与羽根９ａで旋回力が与えられ、給気弁９の弁傘上部に沿って旋回しながらシリンダー１ｂに流れ込む。その後この給気はシリンダー１ｂの内壁に沿って旋回しながら下降するが、この旋回力と燃焼ガス１６ｄと給気の比重差により、燃焼ガス１６ｄは旋回する給気に囲まれてシリンダー１ｂの中心側に残留する。この状態のイメージを図１に示す。なお、説明の便宜上、図１では給気の旋回方向は上方から見て右回りに記入してあるが、左回りでもよい。

旋回付与羽根９ａの羽根角度は、必要に応じて羽根角度調節装置５７により調節する。この羽根角度が０（ゼロ）の状態では、給気に旋回力が与えられないので、シリンダー１ｂ内の燃焼ガスは給気と容易に混合され、その後、給気に押されてほぼ一様な断面でシリンダー１ｂの下方に流れるので、シリンダー１ｂ内に残留する燃焼ガス１６ｄは僅かとなる。この旋回付与羽根９ａの羽根角度を０（ゼロ）にした場合の燃焼ガスの残留イメージを、図２に示す。旋回付与羽根９ａは翼角調節装置５７により調節する必要がなければ、旋回付与羽根９ａの羽根角度は適当な位置に固定し、この調整装置５７は設置しなくてもよい。

前記の給気（掃気）は、シリンダー１ｂの内壁に沿って旋回しながら流れて、燃焼ガス１６ｄを冷却して、排気孔８ａからシリンダー１ｂの外に排出される。排気孔８ａには、給気の旋回方向と同じ方向に捩じれ角を付けた方が、給気（掃気）流れの抵抗が減るので望ましい。図１および図２では、説明の便宜上、排気孔８ａは左右１箇所として記載してあるが、排気面積の必要に応じて、シリンダー１ｂ上に何個でも、また何段でも設置してよい。

１ｂ シリンダー
２ａ ピストンクラウン
７ 給気ダクト
８ 排気ダクト
８ａ 排気孔
８ｍ 排気集合管
９ 給気弁
９ａ 旋回付与羽根
１６ｄ 残留燃焼ガス
１７ａ 水タンク
１７ｂ 水ポンプ
１７ｃ 水供給弁
５７ 羽根角度調節装置

Claims (4)

1. エンジンのシリンダー１ｂの上部に給気弁９を設け、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、この給気弁９から供給し、燃焼後はこの燃焼ガスや燃焼残渣物を、シリンダー１ｂの下部に設けた排気孔８ａから、シリンダー１ｂの外部に排出する内燃機関において、この給気弁９からシリンダー１ｂの内部に供給する給気に旋回流を与えることにより、シリンダー１ｂの内部にある燃焼ガス１６ｄを、一定程度この給気旋回流の内側に閉じ込めて残し、次の燃焼による窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）の発生を抑制することを特徴とするエンジン。
2. 前記の給気弁９よりシリンダー１ｂの内部に給気を供給する時に、給気弁９の弁傘上を含む給気弁９の上流側風路に設置した旋回付与羽根９ａの羽根角度を調節することにより、給気の旋回流の強さを適度な値に調節して、シリンダー１ｂ内の燃焼ガス１６ｄの残留量を調節することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
3. 前記の給気弁９によりシリンダー１ｂの内部に給気を流し込んだ後に、この給気の温度と旋回流を使用して、シリンダー１ｂの内部に残留している燃焼ガスＩ６ｄを冷却することを特徴とする請求項１および請求項２に記載のエンジン。
4. 前記の給気による燃焼ガスの冷却を超えて更に燃焼ガスを冷却する場合において、給気弁９の上流側に冷却用の水を給気に混入させて、シリンダー１ｂ内の残留燃焼ガス１６ｄを冷却することを特徴とする請求項１、請求項２および請求項３に記載のエンジン。