JP2023082668A - 大型機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ノッキングの影響を受けにくい大型機関を提案すること。【解決手段】本発明によれば、ピストン３が上死点位置と下死点位置との間でシリンダ軸Ａに沿って往復運動するように内部に配置される少なくとも１つのシリンダ１を含む大型機関であって、シリンダ１がシリンダ・カバー２を有し、ピストン３が上面３１を有し、シリンダ・カバー２及びピストン３の上面３１が、燃料の燃焼のための燃焼室を画定し、燃焼室４に通じるキャビティ６；７がシリンダ・カバー２内に設けられる、大型機関が提案される。キャビティ６；７は、燃焼室４の共鳴振動数を弱めるための共鳴吸収器として構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、独立特許請求項の前提部分に記載の大型機関に関する。

大型機関は、燃料の自己点火を伴って通常運転される大型ディーゼル機関として、又は、例えば火花点火若しくはパイロット点火といった誘発点火を伴って通常運転される大型オットー機関として構成され得る。さらに、混合モードで運転される、即ち燃料の自己点火と燃料の誘発点火の両方を伴って運転される大型機関が知られている。

２行程機関又は４行程機関として、例えば長手方向に掃気される２行程大型ディーゼル機関として設計され得る大型機関が、しばしば、船のための駆動ユニットとして使用され、又は、例えば電気エネルギーを生成するための大型発電機を駆動するために定置運転で使用される。機関は通常、連続運転において相当な期間にわたって稼働するが、これは、運転上の安全性及び有効性に高い要求を課す。したがって、動作する材料の特に長い保全間隔、低摩耗、及び経済的な取扱いが、技師にとっての主要な判断基準である。大型機関は、内径（ボア）が少なくとも２００ｍｍであるシリンダを典型的に有する。今日では、９６０ｍｍまでのボア、又はさらに大きなボアを持つ大型機関が使用される。本出願の枠組み内では、用語「大型機関」は、少なくとも２００ｍｍ、また好ましくは少なくとも３００ｍｍであるシリンダのボアを有する内燃機関を示す。

大型ディーゼル機関は、古くから重油で運転される。経済的且つ効率的な運転、排気ガス制限値の順守、及び資源の有用性に関する局面下では、燃料重油に代わるものもまた、大型ディーゼル機関のために求められている。この点において、液体燃料、即ち液体状態で燃焼室内に導入される燃料と、気体燃料、即ち気体状態で燃焼室内に導入される燃料の、両方が使用される。

重油に対する既知の代替物としての液体燃料の実例は、特に油精製からの残留物として残される他の重炭化水素、具体的にはメタノール若しくはエタノールであるアルコール、ガソリン、ディーゼル、又は同様に乳濁液若しくは懸濁液である。例えば、ＭＳＡＲ（多相超微細噴霧残留物（Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ Ｓｕｐｅｒｆｉｎｅ Ａｔｏｍｉｚｅｄ Ｒｅｓｉｄｕｅ））として知られる乳濁液を燃料として使用することが知られている。良く知られている懸濁液は、大型機関のための燃料としても使用される炭塵と水の懸濁液である。気体燃料としては、ＬＮＧ（液化天然ガス（ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ））などの天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス（ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｇａｓ））などの液化ガス、又はエタンが知られている。

具体的には、少なくとも２種類の異なる燃料で運転され得る大型ディーゼル機関も知られており、それによれば、機関は、運転状況又は環境に応じて一方の燃料又は他方の燃料で運転される。

２種類の異なる燃料で運転され得る大型ディーゼル機関の１つの実例は、二元燃料大型ディーゼル機関として構成される大型ディーゼル機関である。この機関は、燃焼のために液体燃料がシリンダ内に導入される液体モードで、また、ガスが燃料としてシリンダ内に導入されるガス・モードで、運転され得る。

少なくとも２種類の若しくはさらに多くの種類の異なる液体燃料又は気体燃料で運転され得る大型ディーゼル機関は、しばしば、目下使用されている燃料に応じて異なる運転モードで運転される。ディーゼル運転と呼ばれることが多い運転モードでは、燃料の燃焼は一般に、燃料の圧縮点火又は自己点火の原理に従って行われる。オットー運転と呼ばれることが多いモードでは、燃焼は、点火し易い予混合された空気燃料混合物の誘発点火によって行われる。例えば、この誘発点火は、例えばスパーク・プラグを用いる電気スパークによって行われてよく、又は、別の燃料の誘発点火を引き起こす少噴射量の燃料の自己点火によっても行われてよい。自己点火を目的とする少量の燃料は、燃焼室に接続された予燃焼室（ｐｒｅｃｈａｍｂｅｒ；予室）内に噴射されることが多い。

さらに、オットー運転とディーゼル運転の両方を使用する混合形態も知られている。

本出願の枠組み内では、用語「大型ディーゼル機関」は、少なくともディーゼル運転で運転され得る機関を意味する。したがって、具体的には、用語「大型ディーゼル機関」はまた、ディーゼル運転に加えて例えばオットー運転といった別のモードで運転され得る二元燃料大型機関を有する。

したがって、用語「大型機関」は、（上文に説明されたような）大型ディーゼル機関、大型オットー機関、即ち、例えば気体燃料で動作される大型ガス機関である、オットー運転のみによって運転され得る大型機関、及び、混合モードで運転され得る大型機関を有する。混合モードは、ディーゼル運転及びオットー運転により同時的に機関が運転されるモードである。

本出願の枠組み内では、用語「ガス・モード」又は「ガス・モードでの運転」は、トルク生成燃焼のためにガス又は気体燃料のみを燃料として使用することを意味する。既に述べたように、予混合された空気燃料混合物の誘発点火のためのガス・モードでは、少量の自己点火性液体燃料、例えば重油が、誘発点火を行うために噴射されるが、それでもなお、トルクを生成する燃焼プロセスは、全面的にガス又は気体燃料を用いて行われることが可能であり、また、非常に一般的である。

この少量の液体燃料の自己点火による誘発点火のプロセスは、パイロット噴射と呼ばれることがある。このパイロット噴射は、大型機関が液体モードで運転されるときの燃焼室内への液体燃料の噴射とは無関係である。通常、しかし必ずではないが、液体モードにおける液体燃料の噴射のために使用されるのとは異なる噴射デバイスが、パイロット噴射のために使用される。加えて、パイロット噴射では、少量の液体燃料はまた、しばしば燃焼室内に直接噴射されずに、チャネルを介して燃焼室に接続された少なくとも１つの予燃焼室内に噴射される。

特にガス・モードにおいて、経済的、効率的、且つ低公害の運転に関しては、異常燃焼プロセスを回避することが非常に重要であり、そのような異常燃焼プロセスは、掃気空気のガスに対する比即ち空気燃料比が特定の範囲内でないときに特に起こる。

ガス含有量が過度に高い場合、空気燃料混合物は、過度に濃くなる。混合物の燃焼は、例えば自己点火により過度に急速に又は過度に早期に行われ、それにより、機関のノッキングがもたらされ得る。空気含有量が過度に高い場合、空気燃料混合物は、過度に薄く、ミスファイヤリングが起こる可能性があり、このこともまた、当然ながら、機関の効率的且つ低公害の運転への悪影響を有する。具体的には、過度に高いガス含有量及び過度に高い空気含有量のこれら２つの状態は、異常燃焼プロセスに指定される。したがって、ガス・モードでは、空気ガス混合物の自己点火を伴わない燃焼プロセスに努める。燃焼プロセスは、空気ガス混合物が過度に濃くもなければ過度に薄くもない限界の間で行われるべきである。

特にガス・モードでの燃焼プロセスは空気燃料比に非常に敏感なので、過度に濃い空気ガス混合物によって通常引き起こされるノッキングの影響を完全に回避することは、非常に困難であるか不可能ですらある。過度に濃い混合物は、様々な問題、即ち、燃焼が過度に急速に行われること（急速燃焼）、又は、シリンダ内の混合物若しくは混合物の少なくとも一部が自己点火により（作動サイクルに関連して）過度に早く燃焼することになること（早期点火）につながり得る。望ましくない自己点火による圧縮された空気ガス混合物の一部の過早燃焼は、平均シリンダ圧力前後での強力な圧力振動を生じさせる。これらの圧力振動は、機関に有害であり、結果として機関の様々な構成要素の機械的負荷を増大させ、且つ、例えば機関の経済的、効率的、且つ低公害の運転の点から見て、機関運転を相当に制限する。

したがって、当技術分野のこの状態を根幹とすると、本発明の目的は、ノッキングの影響を受けにくい大型機関を提案することである。したがって、ノッキングが生じる場合に、ノッキングの有害作用は相当に軽減されなければならない。

この目的を達成する本発明の主題は、独立特許請求項の構成によって特徴付けられる。

したがって本発明によれば、ピストンが上死点位置と下死点位置との間でシリンダ軸に沿って往復運動するように内部に配置される少なくとも１つのシリンダを含む大型機関であって、シリンダが、シリンダ・カバーを有し、ピストンが、上面を有し、シリンダ・カバー及びピストンの上面が、燃料の燃焼のための燃焼室を画定し、燃焼室に通じるキャビティが、シリンダ・カバーに設けられる、大型機関が提案される。キャビティは、燃焼室の共鳴振動数を弱める（ｄａｍｐｅｎ；減衰させる、弱める）ための共鳴吸収器（共鳴アブソーバ）として構成される。

例えば圧縮された空気ガス混合物の少なくとも一部の過早自己点火によりシリンダ内で生じるノッキング事象は、かなり狭い振動数範囲内に顕著な極大値を有する圧力振動を生じさせることが分かった。例えば１０００～１５００Ｈｚの域内である振動数の極大値が、燃焼室の固有振動数に一致するか又はそれに近い場合、圧力振動の振幅は、共鳴効果に起因して相当に増大される。燃焼室の共鳴振動数を弱めるための共鳴吸収器として構成されるキャビティを設けることにより、ノッキング事象によって生じる圧力脈動に関連するエネルギーは強く散逸され、その結果、ノッキング事象の有害作用は、相当に軽減される。

燃焼室の幾何形状は知られているか又は測定することができるので、燃焼室の共鳴振動数は、例えば計算により、及び／又は圧力測定などの実験的測定により、極めて少ない労力で判定され得る。

したがって、共鳴吸収器として構成されたキャビティは、燃焼室でのノッキング事象の振動数スペクトルにおける極大値であるか又はそれに近い燃焼室の共鳴振動数に一致され、その結果、この共鳴振動数における圧力振動は、著しく減衰されるか、又は完全に抑圧される。燃焼室の共鳴振動数は、測定及び／又は計算及び／又はシミュレーションによって行われ得るシステムの音響分析によって判定され得る。燃焼室の共鳴振動数が分かると、共鳴吸収器は、この共鳴振動数における圧力脈動を弱めるように設計され且つ構成され得る。共鳴吸収器は、シリンダ内で生じるノッキング事象によって励起される共鳴振動数を弱めるように構成される。

当然ながら、燃焼室の共鳴振動数を弱めるための共鳴吸収器としてそれぞれが構成される複数のキャビティを設けることも可能である。

共鳴吸収器は、ピストンが上死点位置に又はその近くにある状態で燃焼室の共鳴振動数を弱めるように構成されることが好ましい。したがって、燃焼室の共鳴振動数は、ピストンが上死点位置に又はその近くにあるときのピストン位置に対して判定される。燃焼室の幾何形状はピストンの移動とともに変化するので、規則的な燃焼が始まるべきピストンの位置に対して燃焼室の共鳴振動数を判定することが有利である。典型的には、これは、ピストンの圧縮行程中にピストンが上死点位置に接近する位置である。

実践では、共鳴吸収器は燃焼室の周方向モード（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ ｍｏｄｅ）を弱めるように構成されることが有利であることが証明された。具体的には、共鳴吸収器は、第１の周方向モードを弱めるように構成される。

共鳴吸収器は、共鳴器ボリューム部及び共鳴器ボリューム部と接続された共鳴器ネック部を有するヘルムホルツ共鳴器として構成されることが好ましく、この場合、共鳴器ネック部は、燃焼室と流体連通している。ヘルムホルツ共鳴器は、ばね質量系に従って動作し、ここで、質量は、共鳴器ネック部内のガスによって表され、ばねは、共鳴器ボリューム部内のガスによって表される。したがって、ヘルムホルツ共鳴器の固有振動数は、共鳴器ネック部の幾何形状及び共鳴器ボリューム部の体積に依存する。したがって、ヘルムホルツ共鳴器の固有振動数を燃焼室の固有振動数に一致させることは、極めて容易である。

好ましい実施例によれば、キャビティは、加圧された始動空気を燃焼室に供給するための始動空気弁を受け入れるように構成される。したがって、いずれにせよシリンダ・カバーに設けられるキャビティのうちの少なくとも１つを共鳴吸収器として構成することが好ましい。この実施例では、大型機械を始動させるための始動空気弁が配置されるのは、キャビティである。始動空気弁と燃焼室との間のキャビティの体積は、強力な機能制限の基礎をなさない。したがって、始動空気弁を受け入れるキャビティを共鳴吸収器として構成することは、極めて簡便である。

さらに、燃焼室内での燃焼を起こさせるパイロット燃焼のための予燃焼室としてキャビティが構成されるのが、好ましい実施例である。多くの大型機関、特にガス・モードで運転可能な大型機関では、少なくとも１つの予燃焼室がシリンダ・カバー内に設けられるので、燃焼室の共鳴振動数を弱めるために前述の予燃焼室を共鳴吸収器として構成することが、有利である。たとえ予燃焼室が例えばパイロット噴射によって生成される高温ジェットの体積及び持続時間に関する燃焼要求に従って構成されるとしても、予燃焼室を共鳴吸収器として構成するための予燃焼室の幾何形状に関して、なおも十分な自由パラメータが存在する。

パイロット燃焼は、燃焼室内での空気ガス混合物の燃焼を起こさせることが好ましい。したがって、パイロット燃焼は、大型機関がガス・モードで運転されるときに使用されることが好ましい。

さらに、予燃焼室は、パイロット燃焼の自己点火のための液体燃料を受け入れるように構成されることが好ましい。或いは、パイロット燃焼は、火花によって点火され得る。

好ましい実施例によれば、予燃焼室は、パイロット燃焼のための主ボリューム部、及び、主ボリューム部と燃焼室とを接続するための管状ボリューム部を有する。主ボリューム部は、ヘルムホルツ共鳴器の共鳴器ボリューム部として構成されてよく、管状ボリューム部は、ヘルムホルツ共鳴器の共鳴器ネック部として構成されてよい。

別の好ましい実施例によれば、予燃焼室は、第１の共鳴器ボリューム部、第２の共鳴器ボリューム部、第１の共鳴器ネック部、及び第２の共鳴器ネック部を有する２ボリューム部・ヘルムホルツ共鳴器として構成され、ここで、第１の共鳴器ネック部は、第１の共鳴器ボリューム部と第２の共鳴器ボリューム部とを接続し、第２の共鳴器ネック部は、第２の共鳴器ボリューム部と接続される。この構成では、パイロット燃焼のための主ボリューム部は、第１の共鳴器ボリューム部を構成し得る。主ボリューム部は、チャネルにより、より小さなボリューム部に接続され、このより小さなボリューム部は、おおよそ球状であり、且つ、第２の共鳴器ボリューム部を構成する。主ボリューム部とより小さなボリューム部とを接続するチャネルは、第１の共鳴器ネック部を構成する。より小さなボリューム部は、第２の共鳴器ネック部を構成する出口により燃焼室に接続される。

したがって、この実施例に関しては、主ボリューム部は第１の共鳴器ボリューム部であることが好ましく、ここで、管状ボリューム部は、第２の共鳴器ネック部を有する。

大型機関は、大型ディーゼル機関として構成されることが好ましい。

大型機関は、長手方向に掃気される２行程大型ディーゼル機関として構成されることが特に好ましい。

大型機関は、二元燃料大型ディーゼル機関として構成されることが好ましく、この二元燃料大型ディーゼル機関は、燃焼のために液体燃料が燃焼室内に導入される液体モードで運転されることが可能であり、さらに、ガスが燃料としてシリンダ内に導入されるガス・モードで運転されることが可能である。

本発明のさらなる有利な方策及び実施例は、従属請求項から生じる。

以下、実施例に基づき、また、図面を参照しながら、本発明についてより詳細に説明する。

本発明による大型機関の一実施例のシリンダの概略図である。 シリンダにおけるノッキング事象の振動数スペクトルである。 図１に示されたシリンダの予燃焼室の断面図である。 ヘルムホルツ共鳴器として構成された予燃焼室の一実施例の概略図である。 ２ボリューム部・ヘルムホルツ共鳴器として構成された予燃焼室の一実施例の概略図である。

図１は、本発明による大型機関の一実施例のシリンダを概略図で示す。シリンダは、その全体が参照番号１で示されている。シリンダ１は、複数のシリンダ１を有する機関の一部である。大型機関は、１２個の、さらには１４個までのシリンダ１を有し得る。大型機関は、例えば、長手方向に掃気される２行程大型ディーゼル機関として構成される。

シリンダ１は、シリンダ・カバー２を有し、シリンダ・カバー２内には、シリンダ１から排気ガスを排出するための排気弁５が設けられる。シリンダ１内には、ピストン３が、上死点位置と下死点位置との間で軸方向に沿って往復運動するように配置される。ピストン３は、上面３１を有し、上面３１は、シリンダ・カバー２及びシリンダ１のシリンダ壁又はシリンダ・ライナと一緒に燃焼室４を画定し、燃焼室４内では、燃料の燃焼が行われる。

用語「大型機関」は、船のための駆動ユニットとして、又は、例えば電気エネルギーを生成するための大型発電機を駆動するために定置運転で通常使用される、内燃機関を意味する。典型的には、大型機関のシリンダ１は、少なくとも２００ｍｍの内径（ボア）をそれぞれが有する。用語「長手方向に掃気される」は、掃気空気又は給気空気が下端の領域においてシリンダ１内に導入され、シリンダ１の上端に位置するシリンダ・カバー２内に又はシリンダ・カバー２に排気弁５が配置されることを意味する。

以下の本発明の説明では、大型機関のための実例として、大型ディーゼル機関に言及する。本発明は、大型ディーゼル機関に制限されるものではなく、例えばＬＮＧで運転される大型ガス機関などの他のタイプの大型内燃機械、例えばオットー運転でのみ運転され得るオットー機関も有することが、留意されるべきである。

大型ディーゼル機関は、二元燃料大型ディーゼル機関、即ち２種類の異なる燃料で運転され得る機関として設計される。具体的には、二元燃料大型ディーゼル機関は、液体燃料のみがシリンダ１の燃焼室４内に噴射される液体モードで運転され得る。通常、液体燃料、例えば重油又はディーゼル油は、自己点火適切なタイミングで燃焼室４内に直接噴射され、そこで自己点火のディーゼル原理に従って点火する。

大型ディーゼル機関はまた、ガス・モードで運転されることが可能であり、ガス・モードでは、燃料としての役割を果たすガス、例えばＬＮＧ（液化天然ガス）などの天然ガス、又はＬＰＧ（液化石油ガス）、又はエタンが、予混合された空気燃料混合物の形態で燃焼室において点火される。大型ディーゼル機関は、ガス・モードでは低圧プロセスに従って運転することが好ましく、即ち、ガスは、気体状態でシリンダ１内に導入され、それにより、ガスの噴射圧力は、最高でも５０バールであり、好ましくは最高でも２０バールであり、さらにより好ましくは最高でも１６バールであり、特に好ましくは最高でも約１０バールである。空気ガス混合物は、オットー原理に従って燃焼室４内で誘発点火される。この誘発点火は、通常、少量の自己点火性液体燃料（例えば、ディーゼル油又は重油）を適切な瞬間に予燃焼室６内に導入し、次いでこの燃料が自己点火して燃焼室４内の空気燃料混合物の誘発点火を引き起こすことによって引き起こされる。他の実施例では、誘発点火は、火花点火によって行われる。

本出願の枠組み内では、既に上記で説明したように、用語「ガス・モード」又は「ガス・モードでの運転」は、大型ディーゼル機関がこのガス・モードではガス又は気体燃料のみで運転されるものと理解されるべきであり、ここで、場合により、少量の自己点火性燃料、例えば重油又はディーゼル油が、単に空気ガス混合物の誘発点火のために予燃焼室６又は複数の予燃焼室６内に導入される（パイロット噴射）。予燃焼室６内での自己点火燃焼は、パイロット燃焼と呼ばれる。

さらに、二元燃料大型ディーゼル機関は、混合モードで運転されることが可能であり、混合モードでは、液体燃料及び気体燃料の両方が、シリンダ１内に噴射される。混合モードでは、自己点火性液体燃料の燃焼と誘発点火される気体燃料の燃焼の両方が、トルクの生成に貢献する。例えば、二元燃料大型ディーゼル機関がガス・モードで運転され、必要とされるトルクが気体燃料の高品質燃焼だけでは生成され得ない場合、必要とされるトルクに達成するようにさらにトルクを生成するために、追加的な量の液体燃料がシリンダ１内に噴射されて燃焼される。

大型ディーゼル機関などの大型機関は当技術分野において良く知られているので、詳細な説明の必要はない。さらに、実例として、大型ディーゼル機関が船又は大型船の主推進ユニットである本出願が参照される。

当技術分野において知られているように、ピストン３は、ピストン棒（図示せず）を介してクロスヘッド（図示せず）に接続され、このクロスヘッドは、ピストンの運動がピストン棒、クロスヘッド、及び連接棒を介してクランク軸に伝達されてそれを回転させるように、押棒又は連接棒（図示せず）を介してクランク軸（図示せず）に接続される。

ガス・モードでは、燃焼のための燃料は、ガスである。例えば、低圧プロセスでは、ガスは、円筒壁、即ちそれぞれのシリンダ１の側方領域を通って、又はシリンダ・ライナを通って、好ましくはピストン３の運動の上死点位置と下死点位置のおおよそ中間において、シリンダ１内に導入される。シリンダ１内では、ガスは、ピストン３の圧縮運動中に掃気空気と混ざり合い、したがって、点火し易い空気燃料混合物を形成し、次いで、この空気燃料混合物は、ピストン３がおおよそ上死点位置にあるときに、誘発点火される。誘発点火は、例えば重油又はディーゼル燃料といった自己点火性燃料をシリンダの予燃焼室６内に噴射することによって達成されることが好ましい。パイロット噴射、即ち燃焼室４内での空気ガス混合物の誘発点火のためにのみ機能するガス・モードでの液体燃料の噴射は、液体モードにおいて燃焼室４内に液体燃料を噴射する主噴射ノズルとは異なる１つ又は複数のパイロット噴射ノズル６１によって行われることが好ましい。

他の実施例では、誘発点火は、火花点火によって、例えば空気燃料混合物の点火のための火花を電気的に生成することによって、引き起こされ得る。

パイロット燃焼のための予燃焼室６は、シリンダ・カバー２内にキャビティとして構成され、キャビティは、燃焼室４に通じている。予燃焼室６は、内部でパイロット燃焼が行われる主ボリューム部６２、及び、主ボリューム部６１と燃焼室４とを接続する管状ボリューム部６３を有する。

ガス・モードでの運転中、燃焼室４内の空気ガス混合物は、誘発点火される。空気ガス混合物の誘発点火のために、少量の自己点火性燃料が、パイロット噴射ノズル６１を用いて予燃焼室６の主ボリューム部６２内に噴射され、そこで燃料はパイロット燃焼のために自己点火する。生成された高温ジェットは、管状ボリューム部６３により燃焼室４へ案内されて、燃焼室４内の空気ガス混合物を点火させる。予燃焼室６の主ボリューム部６２内でのパイロット燃焼のための燃料は、液体モード中の燃焼室４内での燃焼のために使用されるのと同じ自己点火性燃料、例えば重油又はディーゼル油であることが好ましい。

液体モードでは、液体燃料のみが、シリンダの燃焼室４内に噴射される。通常、液体燃料は、適切なタイミングで燃焼室内に直接噴射されて、そこで自己点火のディーゼル原理に従って点火する。

液体モードでは、液体燃料は、主噴射ノズルにより燃焼室４に供給される。一選択肢として、液体モードにおいてパイロット噴射ノズル６１を通じて液体燃料を追加的に導入することが可能である。しかし、パイロット噴射ノズル６１を通る最大燃料流量は、液体モードにおける大型ディーゼル機関をその燃料だけで運転するにはあまりにも少な過ぎるので、この任意選択の方策は、パイロット噴射ノズル６１が詰まる又は閉塞するのを防ぐように主に機能する。

液体モードのための噴射システム、ガス・モードのためのガス供給システム、ガス交換システム、掃気空気又は給気空気の供給のための排気システム又はターボ過給機システム、並びに大型ディーゼル機関のための監視及び制御システムなどの、大型ディーゼル機関の構造及び個々の構成要素は、２行程機関としての設計及び４行程機関としての設計の両方に対して当業者には十分に知られており、したがって、ここではさらに説明する必要はない。

本明細書において説明される長手方向に掃気される２行程大型ディーゼル機関の実施例では、掃気空気スロットが、通常は各シリンダ１又はシリンダ・ライナの下部領域内に設けられ、それらの掃気空気スロットは、シリンダ内のピストン３の運動によって周期的に開閉され、その結果、給気圧力下でターボ過給機によって提供される掃気空気は、掃気空気スロットが開いている限り、シリンダ１に流入することができる。シリンダ・カバー２内には、通常中央に配置される排気弁５が設けられ、排気ガスは、燃焼プロセス後に排気弁５を通ってシリンダ１から排気システム内へ排出され得る。排気システムは、排気ガスの少なくとも一部をターボ過給機のタービンへ案内し、ターボ過給機の圧縮機は、給気空気とも呼ばれる掃気空気を、掃気空気圧力下で吸気レシーバ内に提供する。吸気レシーバは、シリンダの掃気空気スロットと流体連通している。

液体モード中の燃焼室４内への液体燃料の導入のために、例えば排気弁５の近くでシリンダ・カバー２内に配置される１つ又は複数の主噴射ノズル（図示せず）が設けられる。ガス・モード中のガス供給のために、ガス入口ノズルを含む少なくとも１つのガス入口弁を有するガス供給システム（図示せず）が設けられる。典型的には、ガス入口ノズルは、例えばピストンの上死点と下死点とのおおよそ中間の高さにおいて、シリンダの壁に設けられる。

現代の大型ディーゼル機関における監視及び制御システムは、電子システムであり、通常、この電子システムにより、全ての機関又はシリンダの機能、具体的には噴射（噴射の開始及び終了）並びに出口弁の作動が、設定されるか制御されるか又は調整され得る。

さらに、シリンダ１は、シリンダ・カバー２内に設けられ且つ燃焼室４に通じているキャビティ７を有する。キャビティ７内には、加圧された始動空気を燃焼室４に供給するための始動空気弁８が配置される。大型ディーゼル機関などの大型機関の始動は、通常、ピストン３を下方に移動させてクランク軸を回転させ始めるために、圧縮空気をシリンダ１内に噴射することによって行われる。いわゆる始動空気は、機関の着火シーケンスに従ってシリンダ１に連続的に提供されるが、それぞれのシリンダ１の燃焼室４内への圧縮された始動空気の噴射は、ピストン３が上死点位置にあるか又は上死点位置をちょうど通過したときに、毎回起こされる。

本発明によれば、燃焼室４に通じているキャビティ７、６のうちの少なくとも一方、例えば始動空気弁８のためのキャビティ７又は予燃焼室６を形成するキャビティは、燃焼室４の共鳴振動数を弱めるための共鳴吸収器として構成される。

共鳴吸収器は、シリンダ１において起こるノッキング事象の振動数スペクトルの極大値であるか又はそれに近い燃焼室４の共鳴振動数を弱めるように構成されることが好ましい。そのようなノッキング事象は、例えばガス・モードでの運転中の空気ガス混合物又はその一部の望ましくない過早自己点火によって引き起こされる。ピストン３の圧縮行程中にシリンダ１内の圧縮された空気ガス混合物が自己点火によって少なくとも部分的に点火することが起こり得る。そのようなノッキング事象は、シリンダ１の燃焼室４内の平均シリンダ圧力前後での強力な圧力振動を生じさせる。

図２は、シリンダ１におけるノッキング事象の典型的な振動数スペクトルを示す。水平軸上には、振動数Ｆが記入されており、垂直軸上には、強度Ｉが記入されている。振動数Ｆ０に顕著な極大値が存在することが分かる。前述の振動数Ｆ０が燃焼室４の共鳴振動数に一致するか又はそれに近い場合、特にピストン３が上死点位置の近傍にあるときに、燃焼室における圧力振動は、共鳴効果に起因して相当に増大される。振動数Ｆ０に対する典型的な値は、１ｋＨｚの近辺である。Ｆ０は、例えば、９００Ｈｚから１５００Ｈｚの間である。

キャビティ７及び／又は予燃焼室６は、ノッキング事象の振動数スペクトルの極大値が位置する振動数Ｆ０にあるか又はそれに近い燃焼室４のその共鳴振動数を弱めるように構成される。ノッキング事象によって生じる音は、振動数Ｆ０が判定され得るように記録され且つ解析され得る。

キャビティ７及び／又は予燃焼室６は、共鳴器ボリューム部及び共鳴器ボリューム部に接続された共鳴器ネック部を有するヘルムホルツ共鳴器として構成されることが好ましい。

予燃焼室６がヘルムホルツ共鳴器として構成される場合、予燃焼室６の主ボリューム部６２は、共鳴器ボリューム部を構成し、予燃焼室６の管状ボリューム部６３は、ヘルムホルツ共鳴器の共鳴器ネック部を構成する。

始動空気弁８を受け入れるキャビティ７がヘルムホルツ共鳴器として構成される場合、始動空気弁８に隣接するキャビティ７の先細ボリューム部７２が、鳴器ボリューム部を構成し、先細ボリューム部７２と燃焼室４とを接続するキャビティ７の管状チャネル７３が、ヘルムホルツ共鳴器の共鳴器ネック部を構成する。

以下の説明では、ヘルムホルツ共鳴器として構成された予燃焼室６に言及する。これらの説明は、ヘルムホルツ共鳴器として構成されたキャビティ７に対しても同様に又は類似した態様で通用することが、理解されるべきである。大型機関の幾つかの実施例では、シリンダ１の予燃焼室６のみが、燃焼室４の共鳴振動数を弱めるためのヘルムホルツ共鳴器として構成される。大型機関の他の実施例では、キャビティ７のみが、燃焼室４の共鳴振動数を弱めるためのヘルムホルツ共鳴器として構成される。大型機関のなおも他の実施例では、予燃焼室６及びキャビティ７の両方が、燃焼室４の共鳴振動数を弱めるためのヘルムホルツ共鳴器としてそれぞれ構成される。

ヘルムホルツ共鳴器６、７の基本原理自体は、当技術分野において良く知られている。ヘルムホルツ共鳴器は、例えば、騒音保護又は騒音減少のためのサイレンサとして使用される。ヘルムホルツ共鳴器６、７は、ばね質量系の原理に従って吸振器として動作する。この系の質量は、共鳴器ネック部、例えば管状ボリューム部６３又は管状チャネル７３それぞれの中のガスによって表される。ばねは、共鳴器ボリューム部、例えば主ボリューム部６２又は先細ボリューム部７２それぞれの中のガスによって表される。したがって、共鳴器ボリューム部の体積及び／又は共鳴器ネック部の幾何形状を調整することにより、ヘルムホルツ共鳴器６、７の固有振動数は、ピストン３が上死点位置に又はその近くにある状態の燃焼室４の共鳴振動数などの予め定められた又は望ましい値に合せられ得る。

ヘルムホルツ共鳴器６、７の固有振動数は、ノッキング事象が起こることにより圧力脈動が引き起こされる振動数Ｆ０にあるか又はそれに近い燃焼室４の共鳴振動数に対応するように調整される。ヘルムホルツ共鳴器６、７のこの固有振動数における圧力脈動は、相当に弱められる。

図３は、図１に示されたシリンダ１の予燃焼室６の一実施例の断面図をより詳細に示す。予燃焼室６は、パイロット噴射ノズル６１がパイロット燃焼のための液体燃料を噴射する主ボリューム部６２、及び、主ボリューム部６２を燃焼室４に接続する管状ボリューム部６３を有する。管状ボリューム部６３は、球状ボリューム部６３１、チャネル６３２、及び出口６３３を有し、チャネル６３２は、主ボリューム部６２と球状ボリューム部６３１とを接続し、出口６３３は、球状ボリューム部６３１と燃焼室４とを接続する。

パイロット燃焼のための主ボリューム部６２、チャネル６３２、球状ボリューム部６３１、及び出口６３３を有する予燃焼室６の構成は、予燃焼室６の主ボリューム部６２内でのパイロット燃焼によって生成された高温ジェットがガス・モードでの運転中の燃焼室４内の空気ガス混合物を効率的且つ確実に点火させるように、燃焼要求に関して予燃焼室６を最適化する可能性を提供する。

それにもかかわらず、ヘルムホルツ共鳴器として設計された予燃焼室６の固有振動数を所望の共鳴振動数に合せるために利用可能な自由パラメータが、なおも十分に存在する。

図４の概略図に示されている第１の変形によれば、予燃焼室６は、単純なヘルムホルツ共鳴器と考えられ、ここで、主チャンバ６２は、共鳴器ボリューム部を構成し、管状ボリューム部６３は、ヘルムホルツ共鳴器の共鳴器ネック部を構成する。予燃焼室６の幾何学的寸法は、燃焼室４内での空気ガス混合物の確実な誘発点火を危うくすることなしに、弱められるべき所望の共鳴振動数に予燃焼室６の固有振動数が対応する限り、変更される。そのような計算は、当業者にとっては行うのが容易である。

図５の概略図に示されている第２の変形によれば、予燃焼室６は、第１の共鳴器ボリューム部、第２の共鳴器ボリューム部、第１の共鳴器ネック部、及び第２の共鳴器ネック部を有する２ボリューム部・ヘルムホルツ共鳴器と考えられ、ここで、第１の共鳴器ネック部は、第１の共鳴器ボリューム部と第２の共鳴器ボリューム部とを接続し、第２の共鳴器ネック部は、第２の共鳴器ボリューム部と接続される。予燃焼室６の主ボリューム部６２は、第１の共鳴器ボリューム部を構成し、球状ボリューム部６３１は、第２の共鳴器ボリューム部を構成し、チャネル６３２は、主ボリューム部６２と球状ボリューム部６３１とを接続する第１の共鳴器ネック部を構成し、出口６３３は、球状ボリューム部６３１を燃焼室４に接続する第２の共鳴器ネック部を構成する。また、そのような２ボリューム部・ヘルムホルツ共鳴器の場合、固有振動数は、所与の幾何形状に対して計算するのが非常に簡単である。

Claims (14)

1. 少なくとも１つのシリンダ（１）を備えた大型機関であって、ピストン（３）が、上死点位置と下死点位置との間でシリンダ軸（Ａ）に沿って往復運動するように前記シリンダ（１）内に配置され、前記シリンダ（１）がシリンダ・カバー（２）を有し、前記ピストン（３）が上面（３１）を有し、前記シリンダ・カバー（２）及び前記ピストン（３）の前記上面（３１）が、燃料の燃焼のための燃焼室を画定し、前記燃焼室（４）内に通じるキャビティ（６；７）が前記シリンダ・カバー（２）内に設けられる、大型機関において、
   前記キャビティ（６；７）が、前記燃焼室（４）の共鳴振動数を弱めるための共鳴吸収器として構成されることを特徴とする、大型機関。
2. 前記共鳴吸収器が、前記ピストン（３）が前記上死点位置に又はその近くにある状態で前記燃焼室（４）の前記共鳴振動数を弱めるように構成される、請求項１に記載の大型機関。
3. 前記共鳴吸収器が、前記燃焼室（４）の周方向モードを弱めるように構成される、請求項１又は２に記載の大型機関。
4. 前記共鳴吸収器が、共鳴器ボリューム部（６２、７２）と、前記共鳴器ボリューム部（６２、７２）に接続された共鳴器ネック部（６３、７３）とを有するヘルムホルツ共鳴器として構成され、前記共鳴器ネック部（６３、７３）が、前記燃焼室（４）と流体連通している、請求項１から３までのいずれか一項に記載の大型機関。
5. 前記キャビティ（７）が、前記燃焼室（４）に加圧された始動空気を供給するための始動空気弁（８）を受け入れるように構成される、請求項１から４までのいずれか一項に記載の大型機関。
6. 前記キャビティが、前記燃焼室（４）内での前記燃焼を開始させるパイロット燃焼のための予燃焼室（６）として構成される、請求項１から５までのいずれか一項に記載の大型機関。
7. 前記パイロット燃焼が、前記燃焼室（４）内での空気ガス混合物の前記燃焼を開始させる、請求項６に記載の大型機関。
8. 前記予燃焼室（６）が、前記パイロット燃焼の自己点火のための液体燃料を受け入れるように構成される、請求項６又は７に記載の大型機関。
9. 前記予燃焼室（６）が、前記パイロット燃焼のための主ボリューム部（６２）と、前記主ボリューム部（６２）と前記燃焼室（４）を接続するための管状ボリューム部（６３）とを有する、請求項６から８までのいずれか一項に記載の大型機関。
10. 前記予燃焼室（６）が、第１の共鳴器ボリューム部と、第２の共鳴器ボリューム部と、第１の共鳴器ネック部と、第２の共鳴器ネック部とを有する２ボリューム部・ヘルムホルツ共鳴器として構成され、前記第１の共鳴器ネック部が、前記第１の共鳴器ボリューム部と前記第２の共鳴器ボリューム部とを接続し、前記第２の共鳴器ネック部が、前記第２の共鳴器ボリューム部と接続される、請求項６から９までのいずれか一項に記載の大型機関。
11. 前記主ボリューム部（６２）が、前記第１の共鳴器ボリューム部であり、前記管状ボリューム部（６３）が、前記第２の共鳴器ネック部を有する、請求項９又は１０に記載の大型機関。
12. 大型ディーゼル機関として構成される、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の大型機関。
13. 長手方向に掃気される２行程大型ディーゼル機関として構成される、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の大型機関。
14. 燃焼のために前記燃焼室（４）内に液体燃料が導入される液体モードで運転されることが可能であり、さらに、ガスが燃料として前記シリンダ（１）内に導入されるガス・モードで運転されることが可能である二元燃料大型ディーゼル機関として構成される、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の大型機関。

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