JP5395848B2 - 低速２サイクルガスエンジン - Google Patents

Description

本発明は、メタンを主成分とする天然ガス等のガス燃料を主燃料とする低速２サイクルガスエンジンに関する。

近年、環境保全の観点からクリーンなエネルギ源が求められている。この観点から、主にメタンを主成分とする天然ガス等のガス燃料をその主燃料とするガスエンジンの普及が著しい。

現行のガスエンジンは、主に機関速度が３００ｒｐｍ以上の中速エンジンが対象であり、かつ、４サイクルエンジンに適用されているのが一般的である。そして、このガスエンジンは、ガスと空気との予混合気を高圧縮下において何らかの方法で点火爆発させて、機関の運転を行なう。また、一台のエンジンにおいて、或る時はガスエンジン、また或る時はディーゼルエンジンとして使用できる４サイクルエンジンがあり、このようなガス燃料とディーゼル燃料の双方を使用できるエンジンをデュアルフュエルエンジンと呼ぶ場合がある。

しかしながら、その燃料の特性等から、この従来のガスエンジンを安定した状態で運転することは比較的困難であり、安定的かつ高効率な運転を行なうためには、ノッキングや失火などの異常燃焼を早期に検出し、これを回避すること等が必要とされ、４サイクルのガスエンジンに対してはこれまで様々なノッキング防止対策が採られてきた。

例えば、シリンダに取り付けられた振動センサによりノッキングを検出する装置（例えば、特許文献１参照）、ノッキングを早期に検出するための検出方法及び検出装置（例えば、特許文献２参照）、ノッキング頻度に合わせてシリンダ毎にガス噴射量を増減させる装置等がある（例えば、特許文献３参照）。

この一方、これまで機関速度が２５０ｒｐｍ以下の低速の２サイクルエンジンについては、ガス燃料とディーゼル燃料をシリンダ上部から噴射し点火爆発させて運転するガスインジェクションディーゼルエンジンがあるが、予混合された燃料ガスを点火爆発させて運転する低速２サイクルガスエンジンは見受けられない。これは、４サイクルエンジンのように、ガス燃料と空気とを予混合させて圧縮した場合、ピストン頂部や排気弁の下部表面のホットスポットが点火源となって、ノッキングしてしまう可能性が高いと考えられるためである（例えば、特許文献４参照）。
特開平０８−１７７６０３号公報 特開２００５−４２５８３号公報 特開２００７−２４７５６９号公報 特開平７−９７９２６号公報

しかしながら、近年、環境保全の観点からクリーンなエネルギ源が求められている現状から、低速の２サイクルエンジンに対しても、天然ガス等のガス燃料をその主燃料とする、予混合のガスエンジンの導入が緊急の課題となっている。

また、従来の中速の４サイクルガスエンジンは、ＮＯｘの発生が比較的少ないものの、ガスと空気の混合気がシリンダ内全体に分布するため、ピストン頂部や排気弁の下部表面に存在するホットスポットに混合気が接触して、ノッキングする可能性がある。また、シリンダの奥まった場所に入り込んだ混合気が燃焼せずに、次の排気行程で排気管へ排出されてしまう可能性もある。

この一方、ガス燃料とディーゼル燃料とをシリンダ上部から噴射してディーゼル燃料の自己着火性により燃焼させて運転する従来の２サイクルガスインジェクションディーゼルエンジンは、ノッキングの発生が少ないが、ＮＯｘの発生がディーゼルエンジン並みに多いという問題があり、また、このエンジンでは、ガスを高圧にしてシリンダ内に吹き込むため、高圧ガスを取り扱わなければならないという問題がある。

さらに、上述の従来の中速の４サイクルガスエンジンについては、ガスの予混合気の一部が燃焼室を通りすぎて、未燃焼のまま排気管へ排出されてしまい、燃費を悪化させると共に、環境を害するという問題もある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、低速の２サイクルエンジンに対して、新たに予混合のガスエンジンを導入すると同時に、ガスを高圧にしてシリンダ内に吹き込む必要がなくその取扱いが極めて容易であり、またＮＯｘの発生が少なく、しかもノッキングの発生が少ない低速２サイクルガスエンジンを提供することを課題とする。

併せて、ガスの予混合気の一部が燃焼室を通りすぎて未燃焼のまま排気管へ排出されてしまい、燃費を悪化させ環境を害するようなことがない、低速２サイクルガスエンジンを提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明の低速２サイクルガスエンジンが採用する手段は、シリンダライナ内を上下に摺動するピストンと、ピストンに連結されてシリンダライナ内を上下に往復するピストン棒と、クランク室内に配設されると共に上記ピストン棒に連結されてクランク室内を上下に往復するクロスヘッドと、クロスヘッドとクランク軸とを連結してクランク軸と共働して往復運動を回転運動に変換する連接棒と、シリンダヘッドに設けられて排気を行なう排気弁と、シリンダライナの下部に設けられてシリンダライナ内に掃気を導入する掃気ポートとを備えた低速の２サイクルエンジンにおいて、
ガス燃料をシリンダライナ内へ噴射するガス噴射弁をシリンダライナに設け、ガス燃料をガス噴射弁からシリンダライナ内の上下方向においてガス噴射弁が設けられた位置における中心部へ噴射させて掃気ポートから導入した掃気に予混合させて燃焼運転させることにある。

本発明の低速２サイクルガスエンジンは、ガス燃料をシリンダライナ内の中心部へ噴射するガス噴射弁をシリンダライナに設け、ガス燃料をこのガス噴射弁からシリンダライナ内の中心部へ噴射させて掃気ポートから導入した掃気に予混合させて燃焼運転させるから、ガス燃料を高圧にしてシリンダ内に吹き込む必要がなく、その取扱いが極めて容易である。

また、従来のガスインジェクションエンジンのように高温高圧下で燃料噴射するのではなく、ガス燃料を掃気ポートから導入した掃気に予混合させて燃焼運転させるから、ＮＯｘの発生が少ない。また、ガス燃料をシリンダライナの中心部へ噴射させてこの予混合を行なうから、ピストン頂部や排気弁の下部表面のホットスポットが点火源となってノッキングしてしまう現象が確実に防止され、ノッキングの発生が少なくなる。

上記低速２サイクルガスエンジンにおいて、ガス噴射弁は、シリンダライナの掃気ポートよりも上方に配設されることが望ましい。このように、ガス噴射弁を掃気ポートよりも上方に設けることにより、ガス噴射弁から噴射されたガス燃料が掃気ポート内に逆流することが確実に防止される。

上記低速２サイクルガスエンジンにおいて、ガス噴射弁は、ピストンが下死点から上昇を開始した後、かつ排気弁が全閉となる直前の時点でガス燃料の噴射を開始することが望ましい。

このように、ガス噴射弁が、ピストンが下死点から上昇を開始した後、かつ排気弁が全閉となる直前の時点でガス燃料の噴射を開始することにより、ガス燃料と掃気との予混合が適切に行われると共に、予混合気の一部が燃焼室を通りすぎて未燃焼のまま排気管へ排出され、燃費を悪化させ環境を害するようなことが発生しない。

上記低速２サイクルガスエンジンにおいて、ガス噴射弁は、ピストンの頂部がガス噴射弁を通過する前までに、ガス燃料の噴射を停止することが望ましい。このように、ガス噴射弁は、ピストンの頂部がガス噴射弁を通過する前までにガス燃料の噴射を停止することにより、ピストンのホットスポットにガス燃料が直接噴射されることがさらに確実に防止され、ノッキングの発生が防止されると共に、ピストン外周部のピストンリング等のような入り組んだ箇所への無用なガス燃料の噴射が防止され、次の排気行程において、未燃のガス燃料が排気弁からそのまま排気とともに排出されることが防止される。

上記低速２サイクルガスエンジンにおいて、ガス燃料の噴射圧力は、（掃気圧力＋（０．２ＭＰａ〜１．５ＭＰａ））とすることが望ましい。このように、ガス燃料の噴射圧力を（掃気圧力＋（０．２ＭＰａ〜１．５ＭＰａ））とすることにより、ガス燃料が掃気に最適に予混合される。ガス燃料の圧力はこのような低圧力でよいから、従来のガスインジェクションエンジンの場合と比べて、その取扱いが極めて容易である。

上記低速２サイクルガスエンジンにおいて、通常運転時は開弁し緊急時にガス燃料の流れを遮断する遮断弁を、通常運転時にガス噴射弁へのガス燃料の供給停止を行なう開閉弁とは別に、ガス噴射弁の上流側のガス供給路に配設することが望ましい。

このように、通常運転時は開弁し緊急時にガス燃料の流れを遮断する遮断弁を、通常運転時にガス噴射弁へのガス燃料の供給停止を行なう開閉弁とは別に、ガス噴射弁の上流側のガス供給路に配設することにより、緊急時のエンジン全体の安全性が極めて高いものとなる。

上記低速２サイクルガスエンジンにおいて、シリンダの上部にパイロット燃料噴射弁を備え、パイロット燃料噴射弁からパイロットディーゼル燃料を噴射して着火させることが望ましい。このように、パイロット燃料噴射弁からパイロットディーゼル燃料を噴射して着火させることにより、ガス燃料と掃気との予混合気に対して確実に着火させることができる。

上記低速２サイクルガスエンジンにおいて、エンジン負荷の増加と共にこのディーゼル燃料の噴射量割合を増加させることが望ましい。

ガスエンジンでは、負荷の増加に対してそのままガス量を増加させるとノッキングが発生しやすくなる。このため、例えば高負荷になるに従い、上記パイロット燃料噴射弁から噴射するディーゼル燃料をその噴射量割合を増加させながら噴射して、これを掃気に予混合されたガス燃料と共に燃焼させることにより、ガスエンジンに多いノッキングの発生をさらに減少させることができる。

本発明の低速２サイクルガスエンジンは、シリンダライナ内を上下に摺動するピストンと、ピストンに連結されてシリンダライナ内を上下に往復するピストン棒と、クランク室内に配設されると共に、ピストン棒に連結されてクランク室内を上下に往復するクロスヘッドと、クロスヘッドとクランク軸とを連結してクランク軸と共働して往復運動を回転運動に変換する連接棒と、シリンダヘッドに設けられて排気を行なう排気弁と、シリンダライナの下部に設けられてシリンダライナ内に掃気を導入する掃気ポートとを備えた低速の２サイクルエンジンにおいて、
ガス燃料をシリンダライナ内の中心部へ噴射するガス噴射弁をシリンダライナに設け、ガス燃料をガス噴射弁からシリンダライナ内の中心部へ噴射させて掃気ポートから導入した掃気に予混合させて燃焼運転させる。

したがって、低速の２サイクルエンジンに対して新たに予混合のガスエンジンが導入されると共に、ガスを高圧にしてシリンダ内に吹き込む必要がなくその取扱いが極めて容易であり、またＮＯｘの発生が抑制され、しかもノッキングの発生が少ないという優れた効果を奏する。

併せて、ガス噴射弁は、ピストンが下死点から上昇を開始した後、かつ排気弁が全閉となる直前の時点でガス燃料の噴射を開始するから、ガス燃料の予混合気の一部が燃焼室を通りすぎて未燃焼のまま排気管へ排出されてしまい、燃費を悪化させ環境を害するようなことがない、という優れた効果を奏する。

本発明の低速２サイクルガスエンジンを示す模試図である。 図１の低速２サイクルガスエンジンの細部を示す断面図である。 排気弁動作と排気弁通過ガス量の関係を示すグラフである。 エンジン負荷に対するガス燃料とディーゼル燃料の噴射比率を示すグラフである。

本発明に係る低速２サイクルガスエンジンの発明を実施するための形態を、図１ないし図４を参照して詳細に説明する。

図１は、一例としての、機関速度が２５０ｒｐｍ以下の低速の２サイクルユニフローガスエンジンを示す。符号１は低速２サイクルガスエンジンのシリンダヘッド、２はシリンダライナ、３はシリンダライナ２の下部に周方向に複数個が配設されて掃気をシリンダライナ２内に導入する掃気ポート、４はシリンダヘッド１の上部に設けられてシリンダライナ２内の燃焼ガスを図示しない排気レシーバに排気する排気弁、５はシリンダライナ１内を上下に摺動するピストンである。一例としてのこのエンジンでは、シリンダとシリンダライナ２とが一体構造で形成されている。

符号６はピストン１の下部に連結されてシリンダライナ２内を上下に往復するピストン棒、７はクランク室８を気密にするスタフィングボックス、９はクランク室８内に配設されると共に、スタフィングボックス７を摺動自在に貫通するピストン棒６に連結されてクランク室内を上下に往復するクロスヘッド、１０はクロスヘッド９とクランク軸１１とを連結してクランク軸１１と共働して往復運動を回転運動に変換する連接棒、１２は掃気室である。

図２に示すように、主にメタンを主成分とする天然ガス等のガス燃料を主にシリンダライナ２内の中心部へ噴射するガス噴射弁２０を、シリンダライナ２の中部ないし下部、かつ掃気ポート３よりも上方に、１シリンダにつき１個、又は必要により複数個を設ける。このガス噴射弁２０には、通常運転時にガス噴射弁２０へのガス燃料の供給停止及びその流量調節を行なう流量調節弁（開閉弁）２４が一体に組み込まれている。

この流量調節弁２４は、エンジンコントローラ２２の電気的な指令により、ガス燃料の供給停止及び流量調節を行なう。なお、流量調節弁２４のガスの供給停止と流量調節は、それぞれ別の弁体により行ってもよい。

ガス噴射弁２０の上流側のガス供給路２１に、通常運転時は開弁しており、緊急時にエンジンコントローラ２２の指令により作動してガスの流れを遮断する遮断弁２３を、上述の流量調節弁２４とは別に配設する。ガス供給路２１には、図示しない燃料供給源から加圧されたガス燃料が供給される。なお、上述の流量調節弁２４、及び又は遮断弁２３の作動制御は、必ずしも電気的な指令によるのではなく、油圧により行ってもよい。

シリンダの上部に図示しないパイロット燃料噴射弁を備え、このパイロット燃料噴射弁からパイロットディーゼル燃料を噴射して、掃気と予混合されたガス燃料が着火される仕組みである。上述のエンジンコントローラ２２が、排気弁４と、このパイロット燃料噴射弁の作動を制御する。

次に、本発明の低速２サイクルガスエンジンの作動を説明する。上述の低速２サイクルユニフローガスエンジンにおいては、排気弁４から排出された燃焼ガスは、通常は図示しない排気ターボ過給機のタービンに送られ、このタービンにより圧縮機を駆動して、圧縮機に吸入した大気圧の外気を圧縮する。圧縮によって温度の上昇した空気は、図示しない空気冷却器により冷却され、温度が低下して密度の上昇した空気が上述の掃気室１２に供給される。

膨張行程時に、ピストン５がシリンダ内を下降してシリンダライナ２に設けられている掃気ポート３が開口すると、予圧された空気が掃気ポート３から掃気としてシリンダライナ２内に導入される。掃気の導入により、シリンダ内から排気弁４を通して燃焼ガスが排気されると共に、シリンダ内の燃焼ガスを新規の空気と置き換える。

この一方、エンジンコントローラ２２の指令により、ピストン５が下死点から上昇を開始した後、かつ排気弁４が全閉となる直前の時点で、流量調節弁２４が開弁する。これにより、エンジンの負荷に応じた適切な量のガス燃料がガス噴射弁２０に供給され、このガス噴射弁２０がシリンダライナ２内の中心部へのガス燃料の噴射を開始する。

このように、ガス噴射弁２０が、ピストン５が下死点から上昇を開始した後、かつ排気弁４が全閉となる直前の時点でガス燃料の噴射を開始することにより、ガス燃料と掃気との予混合が適切に行われると共に、予混合気の一部が燃焼室を通りすぎて未燃焼のまま排気管へ排出され、燃費を悪化させ環境を害するようなことは発生しない。

すなわち、図３に示すように、排気弁４の開弁と共に排気弁４を通して燃焼ガスが排出され、一定時間経過すると燃焼ガスの排気は完了し、その後は掃気の一部が排出される。したがって、その排出される初期の掃気に、なるべくガス燃料が含まれないようなタイミングでガス噴射弁２０からのガス噴射を開始する必要がある。

また、ガス噴射弁２０をシリンダライナ２の中部ないし下部に設けることにより、ガス燃料をシリンダライナ２の中心部に、より多く噴射することができる。また、ガス噴射弁２０を掃気ポート３よりも上方に設けることにより、ガス噴射弁２０から噴射されたガス燃料が掃気ポート３内に逆流することが確実に防止される。なお、図２に示すガス噴射弁２０は一例にすぎず、このガス噴射弁２０を、シリンダライナ２の図２に示す位置よりも、さらに上方に配設することもできる。

ガス燃料の噴射圧力は、（掃気圧力＋（０．２ＭＰａ〜１．５ＭＰａ））とされる。このように、ガス燃料の噴射圧力を（掃気圧力＋（０．２ＭＰａ〜１．５ＭＰａ））とすることにより、ガス燃料が掃気に最適に予混合される。ガス燃料の圧力はこのような低圧力でよいから、従来のガスインジェクションエンジンの場合と比べて、その取扱いが極めて容易である。

その後、ピストン５の頂部がガス噴射弁２０を通過する前までに、エンジンコントローラ２２の指令により流量調節弁２４が閉弁され、ガス噴射弁２０はシリンダライナ２内へのガス燃料の噴射を停止する。このように、ガス噴射弁２０が、ピストン５の頂部がこのガス噴射弁２０を通過する前までにガス燃料の噴射を停止することにより、ピストン５のホットスポットにガス燃料が直接噴射されることがさらに確実に防止され、ノッキングの発生が防止されると共に、ピストン５の外周部のピストンリング等のような入り組んだ箇所への無用なガス燃料の噴射が防止され、次の排気行程において、未燃のガス燃料が排気弁４からそのまま排気とともに排出されることが防止される。

排気弁４が閉じた後のピストン５の上昇により、シリンダ内のガス燃料と掃気との予混合気が圧縮され、ピストン５が上死点近傍に達した時期に、エンジンコントローラ２２がパイロット燃料噴射弁を作動させて予混合気を着火燃焼させ、この燃焼ガスの爆発膨張力によってピストン５を押し下げる。このように、パイロット燃料噴射弁からパイロットディーゼル燃料を噴射して着火させることにより、ガス燃料と掃気との予混合気に対して確実に着火させることができる。

また、ガス噴射弁２０の上流側のガス供給路２１に、流量調節弁２４とは別に、通常運転時は開弁し緊急時にガスの流れを遮断する遮断弁２３を配設したから、必要時以外の危険なガス燃料の噴射が防止され、緊急時のエンジン全体の安全性が極めて高いものとなる。

さらに、ガスエンジンでは、一般的にエンジン負荷の増加に対してそのままガス量を増加させるとノッキングが発生しやすくなる。このため、図４に示すように、例えば高負荷になるに従い、シリンダの上部に設けた上述のパイロット燃料噴射弁からディーゼル燃料の噴射量割合を徐々に増加させながら噴射して、これを掃気に予混合されたガス燃料と共に燃焼させることにより、ノッキングの発生をさらに減少させるようにすることもできる。

このように、本発明の低速２サイクルガスエンジンによれば、ガス燃料をシリンダライナ２内の中心部へ噴射するガス噴射弁２０をシリンダライナ２に設け、ガス燃料をガス噴射弁２０からシリンダライナ２内の中心部へ噴射させて、掃気ポート３から導入した掃気に予混合させて燃焼運転させるから、新たに低速２サイクルエンジンにガスンジンを導入すると同時に、ガス燃料を高圧にしてシリンダ内に吹き込む必要がなく、その取扱いが極めて容易である。

また、高温高圧下で燃料噴射するのではなく、ガス燃料を掃気ポート３から導入した掃気に予混合させて燃焼運転させるから、ＮＯｘの発生が少ない。また、ガス燃料をシリンダライナ２の中心部へ噴射させてこの予混合を行なうから、ピストン５の頂部や排気弁４の下部表面のホットスポットが点火源となってノッキングしてしまう現象が確実に防止され、ノッキングの発生が少なくなる。

なお、上述の低速の２サイクルユニフローガスエンジンは、一例を述べたにすぎず、様々な変形が可能である。例えば、本発明の低速２サイクルガスエンジンを、或る時はガス燃料を、また或る時はディーゼル燃料をシリンダの上部から噴射するデュアルフュエルエンジンに対しても実施することもできる。

本発明の低速２サイクルガスエンジンは、必ずしも低速の２サイクルガスエンジンに限定して利用されるものではなく、同様の構造を有する一般の２サイクルエンジンに対して広く利用できる。

１ シリンダヘッド
２ シリンダライナ
３ 掃気ポート
４ 排気弁
５ ピストン
６ ピストン棒
７ スタフィングボックス
８ クランク室
９ クロスヘッド
１０ 連接棒
１１ クランク軸
１２ 掃気室
２０ ガス噴射弁
２１ ガス供給路
２２ エンジンコントローラ
２３ 遮断弁
２４ 流量調節弁（開閉弁）

Claims (8)

1. シリンダライナ（２）内を上下に摺動するピストン（５）と、前記ピストンに連結されて前記シリンダライナ内を上下に往復するピストン棒（６）と、クランク室（８）内に配設されると共に前記ピストン棒に連結されて前記クランク室内を上下に往復するクロスヘッド（９）と、前記クロスヘッドとクランク軸（１１）とを連結して前記クランク軸と共働して往復運動を回転運動に変換する連接棒（１０）と、シリンダヘッド（１）に設けられて排気を行なう排気弁（４）と、前記シリンダライナの下部に設けられて前記シリンダライナ内に掃気を導入する掃気ポート（３）とを備えた低速の２サイクルエンジンにおいて、ガス燃料を前記シリンダライナ内へ噴射するガス噴射弁（２０）を前記シリンダライナに設け、前記ガス燃料を前記ガス噴射弁から前記シリンダライナ内の上下方向において前記ガス噴射弁が設けられた位置における中心部へ噴射させて前記掃気ポートから導入した前記掃気に予混合させて燃焼運転させることを特徴とする低速２サイクルガスエンジン。
2. 前記ガス噴射弁（２０）は、前記シリンダライナ（２）の中部ないし下部に、かつ前記掃気ポート（３）よりも上方に配設されたことを特徴とする請求項１に記載の低速２サイクルガスエンジン。
3. 前記ガス噴射弁（２０）は、前記ピストン（５）が下死点から上昇を開始した後かつ前記排気弁（４）が全閉となる直前の時点で前記ガス燃料の噴射を開始することを特徴とする請求項１又は２に記載の低速２サイクルガスエンジン。
4. 前記ガス噴射弁（２０）は、前記ピストン（５）の頂部が前記ガス噴射弁を通過する前までに前記ガス燃料の噴射を停止することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の低速２サイクルガスエンジン。
5. 前記ガス燃料の噴射圧力は、（掃気圧力＋（０．２ＭＰａ〜１．５ＭＰａ））とすることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の低速２サイクルガスエンジン。
6. 緊急時に前記ガス燃料の流れを遮断する遮断弁（２３）を前記ガス噴射弁（２０）への前記ガス燃料の供給停止を行なう開閉弁（２４）とは別に前記ガス噴射弁の上流側のガス供給路（２１）に配設したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の低速２
   サイクルガスエンジン。
7. シリンダの上部にパイロット燃料噴射弁を備え、前記パイロット燃料噴射弁からパイロットディーゼル燃料を噴射して着火させることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の低速２サイクルガスエンジン。
8. エンジン負荷の増加と共に前記ディーゼル燃料の噴射量割合を増加させることを特徴とする請求項７に記載の低速２サイクルガスエンジン。

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