JP2021014852A - 内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料油の燃焼から発生する任意の望ましくない排出ガスが回避され得る複式燃料機関を提供する。【解決手段】少なくとも１つのシリンダと、シリンダカバーと、ピストンと、燃料ガス供給システムと、掃気システムとを備え、シリンダの頂部に排出弁を有する２ストロークユニフロー掃気クロスヘッド内燃機関において、燃料ガス供給システムは、圧縮ストローク中に燃料ガスをシリンダに噴射するように構成された燃料ガス弁を備え、燃料ガスが掃気と混合することを可能にする。機関は、予燃室とパイロット燃料供給システムとをさらに備える。パイロット燃料供給システムは、圧縮ストローク中にパイロット燃料ガスを予燃室に噴射するように構成されたパイロット燃料弁を備え、パイロット燃料ガスが点火される前に圧縮されることを可能にし、点火要素は、予燃室内のパイロット燃料ガスを点火するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、２ストロークユニフロー掃気クロスヘッド内燃機関および予燃室に関する。
２ストローク内燃機関は、コンテナ船、ばら積み貨物船、およびタンカーのような船舶において推進機関として使用される。内燃機関からの望ましくない排出ガスの低減は、ますます重要になっている。
望ましくない排出ガスの量を低減させるための効果的な方法が、燃料油、例えば、重油（ＨＦＯ）から燃料ガスに切り替えることである。燃料ガスは、圧縮されたときにシリンダ内のガスが達成する高温によって、またはパイロット燃料の点火によってのいずれかで、それがただちに点火され得る圧縮ストロークの最後にシリンダに噴射され得る。しかしながら、圧縮ストロークの最後にシリンダに燃料ガスを噴射することは、シリンダ内の大きな圧力を克服するために、噴射より前に燃料ガスを圧縮するための大型ガスコンプレッサを必要とする。
しかしながら、大型ガスコンプレッサは、製造および保守整備するのに高価で複雑である。大型コンプレッサの必要性を回避するための１つの方法が、シリンダ内の圧力が著しくより低い圧縮ストロークの始めに燃料ガスを噴射するように機関を構成することである。
ＷＯ２０１３００７８６３が、このような機関を開示している。燃料ガスの適切な点火を確保するために、パイロット点火予燃室がシリンダカバーに設けられている。一定量のパイロット燃料油が、パイロット点火予燃室に噴射され、これは、その後、パイロット点火予燃室内の温度および圧力により、自己着火する。これは、シリンダの主室内の燃料ガスを点火するトーチ（torch）をもたらす。
しかしながら、一定量のパイロット燃料油を噴射することは、望ましくない排出ガスの量を増大させ、機関をより複雑にする専用の燃料油供給システムが必要になる。さらに、燃料ガス供給システムと燃料油供給システムとの両方を有する複式燃料機関では、２つの燃料システムを有することの付加的な信頼性は、機関が燃料油供給システムなしには機能できない場合、部分的に失われる。
したがって、改善された２ストローク内燃機関を提供することが依然として課題となっている。
第１の態様によれば、本発明は、少なくとも１つのシリンダと、シリンダカバーと、ピストンと、燃料ガス供給システムと、掃気システムとを備える２ストロークユニフロー掃気クロスヘッド内燃機関に関し、シリンダは、シリンダ壁を有し、シリンダカバーは、シリンダの頂部に配置されかつ排出弁を有し、ピストンは、下死点と上死点との間で中心軸に沿ってシリンダ内に可動に配置されており、掃気システムは、シリンダの底部に配置された掃気入口を有し、燃料ガス供給システムは、少なくとも部分的にシリンダ壁に配置されかつ圧縮ストローク中に燃料ガスをシリンダに噴射するように構成された燃料ガス弁を備え、燃料ガスが、掃気と混合することを可能にし、掃気と燃料ガスとの混合物が、点火される前に圧縮されることを許容し、ここにおいて、機関は、予燃室とパイロット燃料供給システムとをさらに備え、予燃室は、第１の開口部を通じてシリンダへと開口しかつ点火要素を備え、パイロット燃料供給システムは、圧縮ストローク中にパイロット燃料ガスを予燃室に噴射するように構成されたパイロット燃料弁を備え、予燃室内に可燃性の混合物を形成するために、パイロット燃料ガスが点火される前に圧縮されかつ空気と混合されることを可能にし、点火要素は、予燃室内のパイロット燃料ガスを点火するように構成されている。
結果として、燃料ガスをパイロット燃料として使用することによって、燃料油の燃焼から発生する任意の望ましくない排出ガスが回避され得る。さらに、機関は、より少ない燃料供給システムで設計され得、または、機関が、複式燃料機関である場合、燃料ガスだけで動くことが可能であるより信頼性の高い機関が提供される。
内燃機関は、好ましくは、シリンダ毎に少なくとも４００ｋＷの動力を有する、海洋船舶を推進するためのユニフロー掃気を有する大型低速ターボチャージ付き２ストローククロスヘッド内燃機関である。内燃機関は、内燃機関によって発生した排出ガスによって駆動されかつ掃気を圧縮するように構成されたターボチャージャーを備え得る。内燃機関は、燃料ガスで動くとき、オットーサイクルモードを有し、代替燃料、例えば、重油または船舶用ディーゼル油で動くとき、ディーゼルサイクルモードを有する、複式燃料機関（dual-fuel engine）であり得る。このような、複式燃料機関は、代替燃料を噴射するためのそれ自体の専用の燃料供給システムを有している。圧縮中、シリンダからの空気またはシリンダ内で形成された空気と燃料ガスとの混合物のいずれかが、予燃室に流入し、パイロット燃料ガスと混合されることになる。
点火要素は、スパークプラグ、コロナ／プラズマ点火装置、マイクロ波点火装置、グロープラグ、レーザ点火装置、またはジェットトーチ（jet torch）であり得る。
内燃機関は、好ましくは、複数のシリンダ、例えば、４個から１４個までの間のシリンダを備える。内燃機関は、複数のシリンダの各シリンダに対して、シリンダカバー、排出弁、ピストン、燃料ガス弁、および掃気入口をさらに備える。
燃料ガス供給システムは、好ましくは、音速状態下で、すなわち、速度が音速に等しい、すなわち、一定の速度で、１つ以上の燃料ガス弁を介して燃料ガスを噴射するように構成されている。音速状態は、ノズルのど部（断面の最小面積）にわたる圧力降下率が、略２（approximately two）よりも大きくなるときに達成され得る。
これに対応して、パイロット燃料供給システムはまた、音速状態下で、パイロット燃料弁を介して、パイロット燃料ガスを予燃室に噴射するように構成され得る。
１つ以上の燃料ガス弁は、好ましくは、掃気入口より上の位置において、上死点と下死点との間で、少なくとも部分的にシリンダ壁に配置されている。１つ以上の燃料ガス弁は、シリンダに燃料ガスを噴射するための、シリンダ壁に配置されたノズルを備え得る。いくつかの実施形態では、点火要素は、起動時に、ほぼ瞬間的な最大エネルギー放出（approximately instantaneous maximum energy release）を発生させるように構成されている。
これは、点火タイミングのより一層の制御を許容し得る。起動時に、ほぼ瞬間的なエネルギー放出を発生させることが可能な点火要素の例は、スパークプラグ、コロナ／プラズマ点火装置、マイクロ波点火装置、レーザ点火装置、またはジェットトーチである。
いくつかの実施形態では、１つ以上の燃料ガス弁は、下死点からの０度から１６０度内で、下死点からの０度から１３０度内で、または、下死点からの０度から９０度内で、圧縮ストローク中に燃料ガスをシリンダに噴射するように構成されている。
燃料ガスの例は、液化天然ガス（ＬＮＧ）、メタン、エタン、および液化石油ガス（ＬＰＧ）である。
いくつかの実施形態では、燃料ガス供給システムおよびパイロット燃料供給システムは、同じ燃料ガスを供給する。
いくつかの実施形態では、機関は、第２の予燃室をさらに備え、第２の予燃室は、第２の開口部を通じてシリンダへと開口しかつ点火要素を備え、パイロット燃料供給システムは、圧縮ストローク中にパイロット燃料ガスを第２の予燃室に噴射するように構成された第２のパイロット燃料弁を備え、パイロット燃料ガスが点火される前に圧縮されることを可能にし、点火要素は、予燃室内のパイロット燃料ガスを点火するように構成されている。
２つの予燃室は、同一であり得る。２つの予燃室は、互いに対向して配置され得る。
機関には、より多くの予燃室が設けられ得、例えば，シリンダ当たり少なくとも３つまたは４つの予燃室である。
いくつかの実施形態では、パイロット燃料弁は、下死点からの０度から１６０度内で、下死点からの０度から１３０度内で、または、下死点からの０度から９０度内で、圧縮ストローク中にパイロット燃料ガスを予燃室に噴射するように構成されている。
いくつかの実施形態では、パイロット燃料弁は、パイロット燃料噴射期間中にパイロット燃料ガスを噴射するように構成されており、ここにおいて、点火要素は、パイロット燃料噴射期間の終了後に、予燃室内のパイロット燃料ガスを点火するように構成されている。
結果として、点火される前にパイロット燃料ガスを予燃室内で静止させる（rest）ことを可能にすることによって、給気（charge air）との好適な混合が達成され得る。シリンダの主室からの燃料ガスおよび空気のチャージ（charge）は、点火要素が点火される前に、予燃室に入り得る。これは、以前として可燃性の混合物に達しながら、噴射されるパイロット燃料ガスの量を低減させ得る。
いくつかの実施形態では、予燃室は、予燃室内の掃気とパイロット燃料ガスとの混合物の空気−燃料等量比λが、点火時に、λ＝１．６、λ＝１．５、λ＝１．４、またはλ＝１．３より下（below）になることを確実にするように構成されている。
これは、噴射されるパイロット燃料ガスの量を制御することと、予燃室と第１の開口部との形状を設計することとによって行われ得、これにより、所望の量の燃料ガスが予燃室内に留まる。
いくつかの実施形態では、ｍ２で測定されるシリンダへの予燃室の開口部の断面積と、ｍ３で測定される予燃室の容積との間の比率は、０．５〜１．２ｍ−１の間である。
結果として、点火される前に、予燃室からパイロット燃料ガスが流出しすぎないことが確保され得る。
例として、予燃室が第１の開口部のみを備え、第１の開口部の表面積が６０ｍｍ２であり、予燃室の容積が０．１リットルである場合には、比率は、０．６ｍ−１になる。
いくつかの実施形態では、機関は、シリンダ内の掃気と燃料ガスとの混合物のλが、λ＝２．０を上回る（above）ことを確実にするように構成されている。
いくつかの実施形態では、予燃室は、第２の点火要素をさらに備える。
予燃室に第２の点火要素を設けることによって、より信頼性の高い機関が提供され、これは、この機関が、点火要素のうちの１つが動作不良を起こした場合に作動し得るからである。
いくつかの実施形態では、予燃室は、少なくとも部分的にシリンダ壁に配置されており、第１の開口部は、シリンダ壁に形成されている。
いくつかの実施形態では、機関は、予燃室を冷却するための予燃室冷却システムをさらに備え、予燃室冷却システムは、予燃室から熱を取り出すための、予燃室に近接した冷却流路を備え、予燃室冷却システムは、冷却流路を通じて冷却流体（cooling fluid）を循環させるように構成されている。
シリンダ壁に予燃室を配置することは、予燃室冷却システムにより多くの空間を提供する。これは、予燃室の温度が、より正確に、および排出弁の閉鎖タイミング、機関速度、機関負荷などのような他の機関パラメータのより少ない影響で、制御されることを可能にし得る。予燃室の温度のより正確な制御は、点火不良のリスクを低減させ、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）、メタン、エタン、および液化石油ガス（ＬＰＧ）などの燃料ガスのような点火がより困難であるパイロット燃料を使用することをより好適にし得る。
いくつかの実施形態では、予燃室冷却システムは、冷却流体の流れおよび／または冷却流体の入口温度を制御するように構成された制御ユニットをさらに備える。
いくつかの実施形態では、制御ユニットは、機関負荷、機関速度、および／または掃気と燃料ガスとの混合物の空気−燃料等量比λに依存して、冷却流体の流れおよび／または冷却流体の入口温度を制御するように構成されている。
いくつかの実施形態では、シリンダは、基板部材と予燃室部材と有し、予燃室部材は、基板部材の頂部に配置されており、シリンダカバーは、予燃室部材の頂部に配置されており、ここにおいて、予燃室は、少なくとも部分的に予燃室部材のシリンダ壁に配置されており、予燃室は、予燃室部材のシリンダ壁に形成された開口部を通じてシリンダへと開口している。
これは、予燃室部材が、例えば、好適な材料を選択することによって、予燃室内の高い温度および圧力を扱う（handle）ように特別に設計されることを可能にする。これはさらに、予燃室に対して保守整備を行うことをより容易にし得る。
予燃室部材は、シリンダの基板部材とボルトで締め合わされ（bolted together）得る。代替として、予燃室部材は、シリンダの基板部材と共に溶接され得る。
いくつかの実施形態では、シリンダの予燃室部材は、シリンダの基板部材とは異なる材料で作製される。
いくつかの実施形態では、予燃室は、少なくとも部分的にシリンダカバーに配置されており、第１の開口部は、シリンダカバーに形成されている。
いくつかの実施形態では、機関は、燃料ガスで動くとき、オットーサイクルモードを有し、代替燃料で動くとき、ディーゼルサイクルモードを有する、複式燃料機関であり、機関は、代替燃料を噴射するための専用の代替燃料供給システムをさらに備え、代替燃料供給システムは、シリンダカバーに配置された１つ以上の燃料噴射器を備え、ここにおいて、機関は、ディーゼルサイクルモードにあるとき、１つ以上の燃料噴射器を使用して、高圧下で圧縮ストロークの最後に、代替燃料を噴射するように構成されており、ここにおいて、機関は、ディーゼルサイクルモードにあるとき、予燃室をクリーニングするためのクリーニング動作を繰り返し実行するように構成されている。
結果として、予燃室は、代替燃料の燃焼から発生する燃焼副産物から保護され得る。これは、機関が、たとえディーゼルサイクルモードに長期間あった後でも、オットーサイクルモードに戻るように確実に切り替わることを可能にし得る。
代替燃料は、重油または船舶用ディーゼル油であり得る。機関は、機関サイクルごとに、クリーニング動作を実行するように構成され得る。代替として、クリーニング動作は、例えば、２機関サイクルごとに、５機関サイクルごとに、または１日に１回など、より低い頻度で実行され得る。クリーニング動作の頻度は、機関負荷などの機関パラメータ設定、および／または１つ以上のセンサによって記録されたセンサデータに基づいて決定され得る。クリーニング動作は、機関サイクルの任意の時に行われ得る。
いくつかの実施形態では、クリーニング動作は、予燃室内に堆積した（deposited）燃焼副産物を取り除く、および／または、燃焼副産物が予燃室内に堆積されることを防止するように構成されている。
いくつかの実施形態では、クリーニング動作は、パイロット燃料弁を使用した第１の流体の噴射を備える。
いくつかの実施形態では、第１の流体は、燃料ガス、大気、および／または不活性ガスである。
いくつかの実施形態では、第１の流体は、大気または不活性ガスであり、ここにおいて、第１の流体は、予燃室を洗浄する（flushing）ために使用される。
結果として、予燃室を洗浄することによって、予燃室をクリーニングする単純な方法が提供される。
洗浄することは、例えば、圧縮ストロークの始めにおいてなど、シリンダ内の圧力が低いときに実行され得る。噴射は、排出弁が閉じられる前または排出弁が閉じた後のいずれかに行われ得る。
いくつかの実施形態では、第１の流体は、燃料ガスであり、ここにおいて、点火要素は、クリーニング動作の一部として燃料ガスを点火するように構成されている。
結果として、予燃室内の代替燃料の燃焼から発生する望ましくない副産物は、焼き払われ得る。
いくつかの実施形態では、機関は、ディーゼルサイクルモードにあるとき、第１の頻度で予燃室をクリーニングするための第１のタイプのクリーニング動作および第２の頻度で第２のタイプのクリーニング動作を繰り返し実行するように構成されており、ここにおいて、第２の頻度は、第１の頻度より低い。
いくつかの実施形態では、第１のタイプのクリーニング動作は、パイロット燃料弁を使用して、第１の流体を噴射することを備え、第１の流体は、大気または不活性ガスであり、ここにおいて、第１の流体は、予燃室を洗浄するために使用され、ここにおいて、第２のタイプのクリーニング動作は、パイロット燃料弁を使用して、燃料ガスを噴射することを備え、ここにおいて、点火要素は、第２のタイプのクリーニング動作の一部として燃料ガスを点火するように構成されている。
結果として、予燃室は、効果的にクリーンに保たれ得る。低い頻度でクリーニング動作の一部としてのみ燃料ガスを噴射することによって、パイロット燃料供給システムは、機関がディーゼルサイクルモードにあるとき、ほとんどの時間燃料ガスに対してパージされ（purged）得、それによって、安全性を改善している。第２の頻度は、１時間に１回、６時間に１回、１２時間に１回、１日に１回、１日置きに１回、または週に１回より少なくなり得る。
第２の態様によれば、本発明は、第１の態様に関連して説明されたような２ストロークユニフロー掃気クロスヘッド内燃機関と共に使用するための予燃室に関し、予燃室は、第１の開口部を通じてシリンダへと開口するように構成され、かつ、点火要素と、圧縮ストローク中にパイロット燃料ガスを予燃室に噴射するように構成されたパイロット燃料弁とを備え、パイロット燃料ガスが点火される前に圧縮されることを可能にし、点火要素は、予燃室内のパイロット燃料ガスを点火するように構成されている。
本発明の異なる態様は、上記および以下に説明されるような２ストロークユニフロー掃気クロスヘッド内燃機関および予燃室を含む異なる方法で実施され得、上記で説明された態様のうちの少なくとも１つに関連して説明された利益および利点のうちの１つ以上をそれぞれ生み出し、上記で説明された態様のうちの少なくとも１つに関連して説明された、および／または従属請求項において開示される好ましい実施形態に対応する１つ以上の好ましい実施形態をそれぞれ有している。さらに、本明細書で説明される態様のうちの１つに関連して説明される実施形態は、他の態様に等しく適用され得ることが認識されるだろう。
本発明の上記のおよび／または追加の目的、特徴、および利点は、添付の図面を参照して、本発明の実施形態の以下の例示的で非限定的な詳細な説明によってさらに明瞭にされるだろう。
図１は、本発明の実施形態による、２ストローク内燃機関の断面図を概略的に示す。 図２は、本発明の実施形態による、ユニフロー掃気を有する２ストローククロスヘッド内燃機関の一部の概略的な断面図を示す。 図３は、本発明の実施形態による、ユニフロー掃気を有する２ストローククロスヘッド内燃機関の一部の概略的な断面図を示す。 図４は、本発明の実施形態による、予燃室の概略図を示す。 図５は、本発明の実施形態による、ユニフロー掃気を有する２ストローククロスヘッド内燃機関の一部の概略的な断面図を示す。 図６は、本発明の実施形態による、予燃室の概略図を示す。
以下の説明において、添付の図面への参照がなされ、これは、本発明がどのように実施され得るかを例として示している。
図１は、本発明の実施形態による、海洋船舶を推進するためのユニフロー掃気を有する大型低速ターボチャージ付き２ストローククロスヘッド内燃機関１００の断面図を概略的に示す。機関１００は、掃気システム１１１、排出ガスレシーバ１０８、燃料ガス供給システム、およびターボチャージャー１０９を備える。機関は、複数のシリンダ１０１を有する（断面図には単一のシリンダのみが示されている）。各シリンダ１０１は、シリンダ壁１１５を有し、シリンダ１０１の底部に配置された掃気入口１０２を備える。機関は、各シリンダに対して、シリンダカバー１１２およびピストン１０３をさらに備える。シリンダカバー１１２は、シリンダ１０１の頂部に配置されており、排出弁１０４を有している。ピストン１０３は、下死点と上死点との間で中心軸１１３に沿ってシリンダ内に可動に配置されている。燃料ガス供給システムは、圧縮ストローク中に、燃料ガスをシリンダ１０１に噴射するように構成された１つ以上の燃料ガス弁１０５（概略的にのみ示されている）を備え、燃料ガスが、掃気と混合することを可能にし、掃気と燃料ガスとの混合物が、点火される前に圧縮されることを許容する。機関は、予燃室１１４と、パイロット燃料供給システムとをさらに備え、予燃室１１４は、第１の開口部を通じてシリンダ１０１へと開口しかつ点火要素（図示せず）を備える。パイロット燃料供給システムは、圧縮ストローク中にパイロット燃料ガスを予燃室に噴射するように構成されたパイロット燃料弁（図示せず）を備え、パイロット燃料ガスが点火される前に圧縮されることを可能にし、点火要素は、予燃室内のパイロット燃料ガスを点火するように構成されている。予燃室１１４は、この実施形態では、シリンダ壁１１５に配置されているが、しかしながら、他の実施形態では、予燃室１１４は、シリンダカバー１１２に配置され得る。掃気入口１０２は、掃気システムに流体的に接続されている。ピストン１０３は、その最も低い位置（下死点）において示されている。ピストン１０３は、クランクシャフト（図示せず）に接続されているピストン棒を有する。燃料ガス弁１０５は、圧縮ストローク中に燃料ガスをシリンダに噴射するように構成され、燃料ガスが、掃気と混合することを可能にし、掃気と燃料ガスとの混合物が、点火される前に圧縮されることを許容する。燃料ガス弁１０５は、シリンダカバー１１２と掃気入口１０２との間で、少なくとも部分的にシリンダ壁に配置されており、例えば、燃料ガス弁１０５の燃料ガスノズルが、シリンダ壁に配置され得、燃料ガス弁の残りの部分が、シリンダの外側に配置され得る。燃料ガス弁は、下死点から０度から１３０度内の圧縮ストロークの始めに、すなわち、クランクシャフトが下死点におけるその向き（orientation）から、０度から１３０度の間で回転したとき、燃料ガスをシリンダ１０１に噴射するように構成されている。好ましくは、燃料ガス弁１０５は、燃料ガスが掃気入口１０２を通って流出することを阻止するために、ピストンが掃気入口１０２を通過するように、クランクシャフト軸が下死点から数度回転した後に、燃料ガスを噴射することを開始するように構成されている。掃気システム１１１は、掃気レシーバ１１０と空気冷却器１０６とを備える。
機関１００は、好ましくは、燃料ガスで動くとき、オットーサイクルモードを有し、代替燃料、例えば、重油または船舶用ディーゼル油で動くとき、ディーゼルサイクルモードを有する、複式燃料機関である。このような、複式燃料機関は、代替燃料を噴射するためのそれ自体の専用の代替燃料供給システムを有している。したがって、オプションで、機関１００は、代替燃料供給システムの一部を形成しているシリンダカバー１１２に配置された１つ以上の燃料噴射器１１６をさらに備える。機関１００が代替燃料で動くとき、燃料噴射器１１６は、高圧下で圧縮ストロークの最後に、代替燃料、例えば、重油を噴射するように構成されている。
図２は、本発明の実施形態による、ユニフロー掃気を有する２ストローククロスヘッド内燃機関の一部の概略的な断面図を示す。シリンダ１０１、シリンダカバー１１２、ピストン１０３、および排出弁１０４が示されている。ピストン１０３は、上死点において配置されている。シリンダ１０１は、第１の予燃室１１４と第２の予燃室１１６とが設けられたシリンダ壁１１５を有する。第１および第２の予燃室１１４、１１６は、シリンダ壁１１５に形成された開口部を通じてシリンダ１０１へと開口し、予燃室１１４、１１６は、シリンダ内の掃気と燃料ガスとの混合物を点火するように構成されている。機関は、第１の予燃室１１４に配置された第１のパイロット燃料弁と、第２の予燃室１１６に配置された第２のパイロット燃料弁とを備えるパイロット燃料供給システムをさらに備え、第１および第２のパイロット燃料弁は、パイロット燃料ガスを予燃室に噴射するように構成されている。第１および第２の予燃室１１４、１１６は、パイロット燃料ガスを点火するように構成された点火要素をさらに備える。
図３は、本発明の実施形態による、ユニフロー掃気を有する２ストローククロスヘッド内燃機関の一部の概略的な断面図を示す。この部分は、シリンダ１０１が基板部材１１７と予燃室部材１１８とを有するという違いを伴って、図２に示された部分に対応し、予燃室部材１１８は、基板部材１１７の頂部に配置されており、シリンダカバー１１２は、予燃室部材１１８の頂部に配置されている。第１および第２の予燃室１１４、１１６は、予燃室部材１１８のシリンダ壁に配置されている。これは、予燃室部材が、例えば、好適な材料を選択することによって、予燃室内の高い温度および圧力を扱うように特別に設計されることを可能にする。
図４は、本発明の実施形態による、予燃室１１４の概略図を示す。予燃室１１４は、第１の開口部１２３および第２の開口部１２４を通じて、シリンダへと開口するように構成されている。予燃室は、点火要素１１９と、圧縮ストローク中にパイロット燃料ガスを予燃室に噴射するように構成されたパイロット燃料弁１２０とを備え、パイロット燃料ガス１２１が点火される前に圧縮されることを可能にする。点火要素１１９は、予燃室内のパイロット燃料ガスを点火するように構成されており、シリンダ内の燃料ガスを点火するためのトーチ１２２をもたらす。
図５は、本発明の実施形態による、ユニフロー掃気を有する２ストローククロスヘッド内燃機関の一部の概略的な断面図を示す。シリンダ１０１、シリンダカバー１１２、および排出弁１０４が示されている。シリンダカバー１１２には、第１の予燃室１１４および第２の予燃室１１６が設けられている。第１および第２の予燃室１１４、１１６は、シリンダカバー１１２に形成された開口部を通じてシリンダ１０１へと開口し、予燃室１１４、１１６は、シリンダ内の掃気と燃料ガスとの混合物を点火するように構成されている。機関は、第１の予燃室１１４に配置された第１のパイロット燃料弁と、第２の予燃室１１６に配置された第２のパイロット燃料弁とを備えるパイロット燃料供給システムをさらに備え、第１および第２のパイロット燃料弁は、パイロット燃料ガスを予燃室に噴射するように構成されている。第１および第２の予燃室１１４、１１６は、パイロット燃料ガスを点火するように構成された点火要素をさらに備える。
図６は、本発明の実施形態による、予燃室１１４の概略図を示す。予燃室１１４は、第１の開口部１２３および第２の開口部１２４を通じて、シリンダへと開口するように構成されている。予燃室は、点火要素１１９と、圧縮ストローク中にパイロット燃料ガスを予燃室に噴射するように構成されたパイロット燃料弁１２０とを備え、パイロット燃料ガス１２１が点火される前に圧縮されることを可能にする。点火要素１１９は、予燃室内のパイロット燃料ガスを点火するように構成されており、シリンダ内の燃料ガスを点火するためのトーチ１２２をもたらす。この実施形態では、機関は、ディーゼルサイクルモードにある（したがって、予燃室１１４を使用していない）とき、予燃室１１４をクリーニングするためのクリーニング動作を繰り返し実行するように構成されている。この実施形態では、パイロット燃料弁１２０は、ガスタンク１４０とＮ２タンク１３０との両方に流体的に接続されている。パイロット燃料弁１２０は、ガスを加圧するように構成されたコンプレッサ１４１および遮断弁１４２を介して、ガスタンク１４０に流体的に接続されている。これに対応して、パイロット燃料弁１２０は、Ｎ２を加圧するように構成されたコンプレッサ１３１および遮断弁１３２を介して、Ｎ２タンク１３０に流体的に接続されている。Ｎ２供給システム１３０ １３１ １３２はまた、例えば、機関がディーゼルサイクルモードにあるときなどの、ガス供給システムが使用されていないときに、例えば、１つ以上の吹出し管（blowout tubes）（図示せず）を使用して、ガス供給システム１４０ １４１ １４２をパージするために使用され得る。クリーニング動作は、予燃室内に堆積した燃焼副産物を取り除く、および／または、燃焼副産物が予燃室内に堆積されることを防止するように構成され得る。クリーニング動作は、パイロット燃料弁１２０を使用した第１の流体の噴射を備え得る。第１の流体は、Ｎ２タンク１３０から供給されるＮ２であり得、ここにおいて、第１の流体は、予燃室１１４を洗浄するために使用される。代替／追加として、第１の流体は、ガスタンク１４０から供給される燃料ガスであり得、ここにおいて、点火要素１１９は、クリーニング動作の一部として燃料ガスを点火するように構成されており、これによって、望ましくない燃焼副産物は、焼き払われ得る。
いくつかの実施形態が、詳細に説明および示されたが、本発明は、それらに限定されず、以下の特許請求の範囲で規定される主題事項の範囲内で、他の方法でも具現化され得る。特に、本発明の範囲から逸脱せずに、他の実施形態が利用され得、構造的および機能的な修正が行われ得ることが理解されるべきである。
いくつかの手段を列挙するデバイスに係る請求項では、これらの手段のうちのいくつかは、ハードウェアの１つの同じアイテムによって具現化され得る。ある特定の方策が、相互に異なる従属請求項において記載されている、または異なる実施形態において説明されているという単なる事実は、これらの方策の組合せが有利に用いられることができないことを示すわけではない。
本明細書で使用される場合、「備える（comprises/comprising）」という用語は、述べられた特徴、整数、ステップ、またはコンポーネントの存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、コンポーネント、またはそのグループの存在または追加を排除するものではないことが強調されるべきである。
本明細書で使用される場合、「備える（comprises/comprising）」という用語は、述べられた特徴、整数、ステップ、またはコンポーネントの存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、コンポーネント、またはそのグループの存在または追加を排除するものではないことが強調されるべきである。
以下に本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］ 少なくとも１つのシリンダ（１０１）と、シリンダカバー（１１２）と、ピストン（１０３）と、燃料ガス供給システムと、掃気システム（１１１）とを備える２ストロークユニフロー掃気クロスヘッド内燃機関（１００）であって、前記シリンダは、シリンダ壁（１１５）を有し、前記シリンダカバーは、前記シリンダの頂部に配置されかつ排出弁（１０４）を有し、前記ピストンは、下死点と上死点との間で中心軸（１１３）に沿って前記シリンダ内に可動に配置されており、前記掃気システム（１１１）は、前記シリンダの底部に配置された掃気入口（１０２）を有し、前記燃料ガス供給システムは、少なくとも部分的に前記シリンダ壁に配置されかつ圧縮ストローク中に燃料ガスを前記シリンダに噴射するように構成された燃料ガス弁（１０５）を備え、前記燃料ガスが、掃気と混合することを可能にし、掃気と燃料ガスとの混合物が、点火される前に圧縮されることを許容し、ここにおいて、前記機関は、予燃室（１１４）とパイロット燃料供給システムとをさらに備え、前記予燃室（１１４）は、第１の開口部（１２３）を通じて前記シリンダへと開口しかつ点火要素（１１９）を備える、内燃機関において、前記パイロット燃料供給システムが、前記圧縮ストローク中にパイロット燃料ガス（１２１）を前記予燃室に噴射するように構成されたパイロット燃料弁（１２０）を備え、前記パイロット燃料ガスが点火される前に圧縮されることを可能にし、前記点火要素（１１９）が、前記予燃室（１１４）内の前記パイロット燃料ガス（１２１）を点火するように構成されていることを特徴とする、２ストロークユニフロー掃気クロスヘッド内燃機関。
［２］ 前記燃料ガス供給システムおよび前記パイロット燃料供給システムは、同じ燃料ガスを供給する、［１］に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
［３］ 前記パイロット燃料弁（１２０）は、下死点からの０度から１６０度内で、下死点からの０度から１３０度内で、または、下死点からの０度から９０度内で、前記圧縮ストローク中に前記パイロット燃料ガス（１２１）を前記予燃室（１１４）に噴射するように構成されている、［１］または［２］に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
［４］ 前記パイロット燃料弁（１２０）は、パイロット燃料噴射期間中に前記パイロット燃料ガス（１２１）を噴射するように構成されており、前記点火要素（１１９）は、前記パイロット燃料噴射期間の終了後に、前記予燃室（１１４）内の前記パイロット燃料ガス（１２１）を点火するように構成されている、［３］に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
［５］ 前記予燃室（１１４）は、前記予燃室（１１４）内の掃気とパイロット燃料ガス（１２１）との混合物の空気−燃料等量比λが、点火時に、λ＝１．６より下になることを確実にするように構成されている、［４］に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
［６］ ｍ ２ で測定される前記シリンダ（１０１）への前記予燃室（１１４）の前記開口部（１２３、１２４）の断面積と、ｍ ３ で測定される前記予燃室の容積との間の比率は、０．５〜１．２ｍ −１ の間である、［５］に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
［７］ 前記機関は、前記シリンダ内の掃気と燃料ガスとの前記混合物の前記λが、λ＝２．０を上回ることを確実にするように構成されている、［６］に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
［８］ 前記予燃室（１１４）は、少なくとも部分的に前記シリンダ壁（１１５）に配置されており、前記第１の開口部（１２３）は、前記シリンダ壁に形成されている、［１］〜［７］のいずれか一項に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
［９］ 前記予燃室（１１４）は、少なくとも部分的に前記シリンダカバー（１１２）に配置されており、前記第１の開口部（１２３）は、前記シリンダカバー（１１２）に形成されている、［１］〜［８］のいずれか一項に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
［１０］ 前記点火要素（１１９）は、起動時に、ほぼ瞬間的な最大エネルギー放出を発生させるように構成されている、［１］〜［９］のいずれか一項に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
［１１］ 前記機関は、燃料ガスで動くとき、オットーサイクルモードを有し、代替燃料で動くとき、ディーゼルサイクルモードを有する、複式燃料機関であり、前記機関は、前記代替燃料を噴射するための専用の代替燃料供給システムをさらに備え、前記代替燃料供給システムは、前記シリンダカバーに配置された１つ以上の燃料噴射器を備え、前記機関は、前記ディーゼルサイクルモードにあるとき、前記１つ以上の燃料噴射器を使用して、高圧下で前記圧縮ストロークの最後に、前記代替燃料を噴射するように構成されており、前記機関は、前記ディーゼルサイクルモードにあるとき、前記予燃室をクリーニングするためのクリーニング動作を繰り返し実行するように構成されている、［１］〜［９］のいずれか一項に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
［１２］ 前記クリーニング動作は、前記予燃室内に堆積した燃焼副産物を取り除く、および／または、燃焼副産物が前記予燃室内に堆積されることを防止するように構成されている、［１１］に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
［１３］ 前記クリーニング動作は、前記パイロット燃料弁を使用して、第１の流体を噴射することを備える、［１１］または［１２］に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
［１４］ 前記第１の流体は、燃料ガス、大気、および／または不活性ガスである、［１２］に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
［１５］ 前記第１の流体は、大気または不活性ガスであり、前記第１の流体は、前記予燃室を洗浄するために使用される、［１４］に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
［１６］ 前記第１の流体は、燃料ガスであり、前記点火要素は、前記クリーニング動作の一部として前記燃料ガスを点火するように構成されている、［１３］に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
［１７］ 前記機関は、前記ディーゼルサイクルモードにあるとき、第１の頻度で前記予燃室をクリーニングするための第１のタイプのクリーニング動作および第２の頻度で第２のタイプのクリーニング動作を繰り返し実行するように構成されており、前記第２の頻度は、前記第１の頻度より低い、［１１］〜［１６］のいずれか一項に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
［１８］ 前記第１のタイプのクリーニング動作は、前記パイロット燃料弁を使用して、第１の流体を噴射することを備え、前記第１の流体は、大気または不活性ガスであり、前記第１の流体は、前記予燃室を洗浄するために使用され、第２のタイプのクリーニング動作は、前記パイロット燃料弁を使用して、燃料ガスを噴射することを備え、前記点火要素は、前記第２のタイプのクリーニング動作の一部として前記燃料ガスを点火するように構成されている、［１７］に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
［１９］ ［１］〜［１０］のいずれか一項に記載の２ストロークユニフロー掃気クロスヘッド内燃機関と共に使用するための予燃室であって、前記予燃室（１１４）は、第１の開口部（１２３）を通じてシリンダ（１０１）へと開口するように構成されかつ点火要素（１１９）を備える、予燃室において、前記予燃室が、前記圧縮ストローク中にパイロット燃料ガス（１２１）を前記予燃室（１１４）に噴射するように構成されたパイロット燃料弁（１２０）をさらに備え、前記パイロット燃料ガス（１２１）が点火される前に圧縮されることを可能にし、前記点火要素（１１９）が、前記予燃室（１１４）内の前記パイロット燃料ガス（１２１）を点火するように構成されていることを特徴とする、予燃室。

Claims (19)

  1. 少なくとも１つのシリンダ（１０１）と、シリンダカバー（１１２）と、ピストン（１０３）と、燃料ガス供給システムと、掃気システム（１１１）とを備える２ストロークユニフロー掃気クロスヘッド内燃機関（１００）であって、前記シリンダは、シリンダ壁（１１５）を有し、前記シリンダカバーは、前記シリンダの頂部に配置されかつ排出弁（１０４）を有し、前記ピストンは、下死点と上死点との間で中心軸（１１３）に沿って前記シリンダ内に可動に配置されており、前記掃気システム（１１１）は、前記シリンダの底部に配置された掃気入口（１０２）を有し、前記燃料ガス供給システムは、少なくとも部分的に前記シリンダ壁に配置されかつ圧縮ストローク中に燃料ガスを前記シリンダに噴射するように構成された燃料ガス弁（１０５）を備え、前記燃料ガスが、掃気と混合することを可能にし、掃気と燃料ガスとの混合物が、点火される前に圧縮されることを許容し、ここにおいて、前記機関は、予燃室（１１４）とパイロット燃料供給システムとをさらに備え、前記予燃室（１１４）は、第１の開口部（１２３）を通じて前記シリンダへと開口しかつ点火要素（１１９）を備える、内燃機関において、前記パイロット燃料供給システムが、前記圧縮ストローク中にパイロット燃料ガス（１２１）を前記予燃室に噴射するように構成されたパイロット燃料弁（１２０）を備え、前記パイロット燃料ガスが点火される前に圧縮されることを可能にし、前記点火要素（１１９）が、前記予燃室（１１４）内の前記パイロット燃料ガス（１２１）を点火するように構成されていることを特徴とする、２ストロークユニフロー掃気クロスヘッド内燃機関。
  2. 前記燃料ガス供給システムおよび前記パイロット燃料供給システムは、同じ燃料ガスを供給する、請求項１に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
  3. 前記パイロット燃料弁（１２０）は、下死点からの０度から１６０度内で、下死点からの０度から１３０度内で、または、下死点からの０度から９０度内で、前記圧縮ストローク中に前記パイロット燃料ガス（１２１）を前記予燃室（１１４）に噴射するように構成されている、請求項１または２に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
  4. 前記パイロット燃料弁（１２０）は、パイロット燃料噴射期間中に前記パイロット燃料ガス（１２１）を噴射するように構成されており、前記点火要素（１１９）は、前記パイロット燃料噴射期間の終了後に、前記予燃室（１１４）内の前記パイロット燃料ガス（１２１）を点火するように構成されている、請求項３に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
  5. 前記予燃室（１１４）は、前記予燃室（１１４）内の掃気とパイロット燃料ガス（１２１）との混合物の空気−燃料等量比λが、点火時に、λ＝１．６より下になることを確実にするように構成されている、請求項４に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
  6. ｍ２で測定される前記シリンダ（１０１）への前記予燃室（１１４）の前記開口部（１２３、１２４）の断面積と、ｍ３で測定される前記予燃室の容積との間の比率は、０．５〜１．２ｍ−１の間である、請求項５に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
  7. 前記機関は、前記シリンダ内の掃気と燃料ガスとの前記混合物の前記λが、λ＝２．０を上回ることを確実にするように構成されている、請求項６に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
  8. 前記予燃室（１１４）は、少なくとも部分的に前記シリンダ壁（１１５）に配置されており、前記第１の開口部（１２３）は、前記シリンダ壁に形成されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
  9. 前記予燃室（１１４）は、少なくとも部分的に前記シリンダカバー（１１２）に配置されており、前記第１の開口部（１２３）は、前記シリンダカバー（１１２）に形成されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
  10. 前記点火要素（１１９）は、起動時に、ほぼ瞬間的な最大エネルギー放出を発生させるように構成されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
  11. 前記機関は、燃料ガスで動くとき、オットーサイクルモードを有し、代替燃料で動くとき、ディーゼルサイクルモードを有する、複式燃料機関であり、前記機関は、前記代替燃料を噴射するための専用の代替燃料供給システムをさらに備え、前記代替燃料供給システムは、前記シリンダカバーに配置された１つ以上の燃料噴射器を備え、前記機関は、前記ディーゼルサイクルモードにあるとき、前記１つ以上の燃料噴射器を使用して、高圧下で前記圧縮ストロークの最後に、前記代替燃料を噴射するように構成されており、前記機関は、前記ディーゼルサイクルモードにあるとき、前記予燃室をクリーニングするためのクリーニング動作を繰り返し実行するように構成されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
  12. 前記クリーニング動作は、前記予燃室内に堆積した燃焼副産物を取り除く、および／または、燃焼副産物が前記予燃室内に堆積されることを防止するように構成されている、請求項１１に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
  13. 前記クリーニング動作は、前記パイロット燃料弁を使用して、第１の流体を噴射することを備える、請求項１１または１２に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
  14. 前記第１の流体は、燃料ガス、大気、および／または不活性ガスである、請求項１２に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
  15. 前記第１の流体は、大気または不活性ガスであり、前記第１の流体は、前記予燃室を洗浄するために使用される、請求項１４に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
  16. 前記第１の流体は、燃料ガスであり、前記点火要素は、前記クリーニング動作の一部として前記燃料ガスを点火するように構成されている、請求項１３に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
  17. 前記機関は、前記ディーゼルサイクルモードにあるとき、第１の頻度で前記予燃室をクリーニングするための第１のタイプのクリーニング動作および第２の頻度で第２のタイプのクリーニング動作を繰り返し実行するように構成されており、前記第２の頻度は、前記第１の頻度より低い、請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
  18. 前記第１のタイプのクリーニング動作は、前記パイロット燃料弁を使用して、第１の流体を噴射することを備え、前記第１の流体は、大気または不活性ガスであり、前記第１の流体は、前記予燃室を洗浄するために使用され、第２のタイプのクリーニング動作は、前記パイロット燃料弁を使用して、燃料ガスを噴射することを備え、前記点火要素は、前記第２のタイプのクリーニング動作の一部として前記燃料ガスを点火するように構成されている、請求項１７に記載の２ストローククロスヘッド内燃機関。
  19. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の２ストロークユニフロー掃気クロスヘッド内燃機関と共に使用するための予燃室であって、前記予燃室（１１４）は、第１の開口部（１２３）を通じてシリンダ（１０１）へと開口するように構成されかつ点火要素（１１９）を備える、予燃室において、前記予燃室が、前記圧縮ストローク中にパイロット燃料ガス（１２１）を前記予燃室（１１４）に噴射するように構成されたパイロット燃料弁（１２０）をさらに備え、前記パイロット燃料ガス（１２１）が点火される前に圧縮されることを可能にし、前記点火要素（１１９）が、前記予燃室（１１４）内の前記パイロット燃料ガス（１２１）を点火するように構成されていることを特徴とする、予燃室。
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