JP5807612B2 - ２サイクルエンジン - Google Patents

Description

本発明は、２サイクルエンジンに関し、特にシリンダの内部に燃料を直接噴射（直噴）する２サイクルエンジンに関する。

２サイクルエンジン（２ストロークエンジンとも称される）は、シリンダの内部でピストンが１往復するごとに、吸気、圧縮、燃焼、排気が１サイクルするレシプロエンジンである。一般に、２サイクルエンジンは、シリンダの内部にインジェクタ等の燃料噴射ポートを備え、掃気ポート及び排気ポートが閉塞された状態で、燃焼室内に燃料噴射することで、燃料の吹き抜けを防ぐ構成となっている。

この２サイクルエンジンとして、例えば、下記特許文献１に記載の２サイクル改質ガスエンジンが知られている。この２サイクルエンジンは、シリンダの上部に排気ポートを備え、シリンダの下部に掃気ポートを備えるユニフロー型２サイクルエンジンである。この２サイクルエンジンにおいても、排気完了後、ピストンが掃気ポートより上方に位置して燃焼室が閉鎖された圧縮行程中に、改質ガスを燃焼室内に噴射する構成となっている。

特開平８−２９１７６９号公報

上記従来技術においては、排気完了後の燃焼室内に排気ガスが殆ど存在しない圧縮行程中に、燃料を燃焼室内へ噴射する構成となっている。しかしながら、圧縮行程中、燃焼室内は高圧になっており、燃料を燃焼室内に噴射するためには、より高い圧力で燃料を噴射するための高出力の昇圧装置が必要となる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、高い圧力をかけずにシリンダの内部に燃料を直噴できる２サイクルエンジンの提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、シリンダの長さ方向一端部において開閉する排気ポートと、上記シリンダの長さ方向他端部において開閉する掃気ポートと、上記排気ポートと上記掃気ポートとの間において上記シリンダの内部に燃料を噴射する燃料噴射ポートとを有する２サイクルエンジンにおいて、上記排気ポートから上記シリンダの内部の排気ガスの排気が完了する前であって、上記排気ポート及び上記掃気ポートの両方が開放された状態で、上記燃料噴射ポートを開放状態とさせる燃料噴射制御装置と、上記燃料噴射ポートが開放状態となった後において、上記掃気ポートが閉塞状態となった後に、上記排気ポートを排気弁によって閉塞状態として上記排気ガスの排気を完了させる排気弁駆動装置と、を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明は、シリンダの内部における排気ガスの排気が完了する前、すなわち、排気ポート及び掃気ポートの両方が開放された低圧状態で、燃料の噴射を開始させる。これにより、従来よりも低圧で、燃料を燃焼室内に噴射することができる。

また、本発明においては、上記燃料噴射制御装置は、上記排気ポートから上記シリンダの内部の排気ガスの排気が完了する前であって、上記掃気ポートから上記シリンダの内部に吸入された吸入新気層が上記燃料噴射ポートの燃料噴射位置に達した後に、上記燃料噴射ポートを開放状態とさせるという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明は、燃料噴射開始時を、掃気ポートからシリンダの内部に吸入された吸入新気層が燃料噴射ポートの燃料噴射位置に達した後となるように制御する。これにより、噴射された燃料が、シリンダの内部に一部残存している高温の排気ガスに接触することを回避できるので、過早着火を予防し、エンジン駆動の安定化を図ることができる。

また、本発明においては、上記燃料噴射制御装置は、上記掃気ポートから上記シリンダの内部に吸入された吸入新気層が上記燃料噴射ポートの燃料噴射位置に達した後で、且つ、排気ガス層と上記燃料噴射位置との間に上記吸入新気層を形成させるための遅れ時間が経過した後に、上記燃料噴射ポートを開放状態とさせるという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明は、吸入新気層が燃料噴射位置に達し、さらに、遅れ時間が経過した後に、燃料の噴射を開始させる。この遅れ時間によって、排気ガス層と燃料噴射位置との間に吸入新気層が形成される。そうすると、この吸入新気層が、燃料と排気ガス層との間に介在して、両者の接触を防止する。したがって、本発明によれば、より確実に過早着火を予防することができる。

また、本発明においては、上記燃料噴射制御装置は、上記排気ポート及び上記掃気ポートの少なくともいずれか一方の開放度に基づいて、上記燃料噴射ポートを開閉させるという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明は、排気ポート及び掃気ポートの少なくともいずれか一方の開放度に基づいて、燃料噴射ポートの開閉制御を行う。上記開放度からは、シリンダの内部において吸入新気層が、排気ガス層を押し出しつつどの位置まで達したかを推定できる。

また、本発明においては、上記燃料噴射制御装置は、上記排気ポート及び上記掃気ポートのうち、開きタイミングの遅い方の開放度に基づいて、上記燃料噴射ポートを開閉させるという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明は、排気ポート及び掃気ポートのうち、開きタイミングの遅い方の開放度に基づいて、燃料噴射ポートの開閉制御を行う。シリンダの内部において吸入新気層が、排気ガス層を押し出しつつどの位置まで達したかは、開きタイミングの遅い方の開放度に依存する度合いが高い。したがって、本発明によれば、より正確に、吸入新気層が達した位置を推定できる。

本発明によれば、シリンダの長さ方向一端部において開閉する排気ポートと、上記シリンダの長さ方向他端部において開閉する掃気ポートと、上記排気ポートと上記掃気ポートとの間において上記シリンダの内部に燃料を噴射する燃料噴射ポートとを有する２サイクルエンジンにおいて、上記排気ポートから上記シリンダの内部の排気ガスの排気が完了する前であって、上記排気ポート及び上記掃気ポートの両方が開放された状態で、上記燃料噴射ポートを開放状態とさせる燃料噴射制御装置と、上記燃料噴射ポートが開放状態となった後において、上記掃気ポートが閉塞状態となった後に、上記排気ポートを排気弁によって閉塞状態として上記排気ガスの排気を完了させる排気弁駆動装置と、を有するという構成を採用することによって、従来よりも低圧で、燃料を燃焼室内に噴射することができる。
また、本発明によれば、上記燃料噴射制御装置は、上記排気ポートから上記シリンダの内部の排気ガスの排気が完了する前であって、上記掃気ポートから上記シリンダの内部に吸入された吸入新気層が上記燃料噴射ポートの燃料噴射位置に達した後に、上記燃料噴射ポートを開放状態とさせることによって、燃料が、シリンダの内部に一部残存している高温の排気ガスに接触することを回避できるので、過早着火を予防し、エンジン駆動の安定化を図ることができる。
したがって、本発明では、過早着火を予防しつつ、高い圧力をかけずにシリンダの内部に燃料を直噴できる２サイクルエンジンが得られる。

本発明の実施形態における２サイクルエンジンを示す全体構成図である。 本発明の実施形態における２サイクルエンジンの燃料噴射動作を説明するための図である。 本発明の実施形態における２サイクルエンジンのクランク角度と各ポートの開放度との対応関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態における２サイクルエンジンを示す全体構成図である。
本実施形態の２サイクルエンジンは、例えば船舶等に設けられる大型のユニフロー型２サイクルガスエンジンであり、ＬＮＧ（液化天然ガス）を燃料とする。同図における符号１は、エンジン本体であり、シリンダ２の内部において、不図示のクランク機構に連結されたピストン３が往復移動する構成となっている。なお、ピストン３としては、ストロークが長いクロスヘッド型ピストンを採用している。

シリンダ２の上部（長さ方向一端部）には、パイロット噴射弁５及び排気ポート６が設けられている。排気ポート６は、ピストン３の上死点近傍であって、シリンダヘッド４ａの頂部において開口している。排気ポート６は、排気弁７を有する。排気弁７は、排気弁駆動装置８によって所定のタイミングで上下動し、排気ポート６を開閉させる構成となっている。排気ポート６を介して排気された排気ガスは、例えば、不図示の過給機のタービン側に供給された後、外部に排気される構成となっている。

シリンダ２の下部（長さ方向他端部）には、掃気ポート９が設けられている。掃気ポート９は、ピストン３の往復移動によって所定のタイミングで開閉する構成となっている。掃気ポート９は、ピストン３の下死点近傍であって、シリンダライナ４ｂの側部において開口している。掃気ポート９は、筐体１０によって形成された空間１１に囲まれている。筐体１０には、掃気チャンバ１２が接続されている。掃気チャンバ１２は、例えば、不図示の過給機のコンプレッサ側から、加圧された空気が供給されてくる構成となっている。

シリンダ２の中腹部（中間部）には、燃料噴射ポート１３が設けられている。燃料噴射ポート１３は、排気ポート６と掃気ポート９との間においてシリンダ２の内部（燃焼室）に、ＬＮＧをガス化した燃料ガスを噴射する構成となっている。燃料噴射ポート１３は、シリンダライナ４ｂの周方向に間隔をあけて複数設けられ、それぞれが燃料噴射弁１４を有する。燃料噴射弁１４は、燃料噴射制御装置１５からの指令を受け、燃料噴射ポート１３を開閉し、燃料ガスの噴射、噴射停止を行う構成となっている。

燃料噴射制御装置１５は、ガバナー（調速機）１６から燃料噴射量に関する指令が入力される構成となっている。ガバナー１６は、入力されたエンジン出力指令値と、不図示のクランク機構に設けられたロータリエンコーダ１７からのエンジン回転数信号とに基づいて、燃料噴射量を出力する構成となっている。また、ロータリエンコーダ１７において検出されたクランク角度信号は、燃料噴射制御装置１５及びエンジン制御装置１８に入力される。

エンジン制御装置１８は、クランク角度信号に基づいて、排気弁駆動装置８に排気弁操作信号を出力する構成となっている。また、エンジン制御装置１８と燃料噴射制御装置１５との相互間においては、排気弁開閉タイミング信号を含む所定の情報のやりとりが行われる。そして、燃料噴射制御装置１５は、上記入力に基づき、所定の燃料噴射量を、所定のタイミングで、シリンダ２内に、燃料ガスを噴射させる構成となっている。

具体的に、燃料噴射制御装置１５は、クランク角度信号、排気弁開閉タイミング信号に基づき、排気ポート６の開放度、掃気ポート９の開放度を把握して、燃料噴射弁１４に燃料噴射弁操作信号を出力し、燃料噴射ポート１３の開閉制御を行う構成となっている。燃料噴射ポート１３を開放状態とさせる燃料ガスの燃料噴射タイミングは、排気ポート６からシリンダ２内部の排気ガスの排気が完了する前であって、掃気ポート９からシリンダ２の内部に吸入された吸入新気層が燃料噴射ポート１３の燃料噴射位置に達した後に、設定されている。また、本実施形態の燃料噴射タイミングは、さらに、排気ガス層と燃料噴射位置との間に吸入新気層を形成させるための遅れ時間が経過した後に、設定されている。

以下、図２及び図３を参照して、燃料噴射制御装置１５の制御の下に行われる特徴的な燃料噴射動作について説明する。
図２は、本発明の実施形態における２サイクルエンジンの燃料噴射動作を説明するための図である。図３は、本発明の実施形態における２サイクルエンジンのクランク角度と各ポートの開放度（リフト量、開口面積等）との対応関係を示すグラフである。なお、図２中、符号Ａは、排気ガス層を示し、符号Ｂは、吸入新気層を示し、符号Ｃは、燃料ガスと空気が混合した予混合気層を示す。

図２（ａ）は、燃焼後の膨張行程を示す。この時、排気ポート６及び掃気ポート９は閉塞状態にあり、シリンダ２の内部が排気ガス層Ａで満たされている。
図２（ａ）から、さらにピストン３が下がり、クランク角度が所定角度に達すると、エンジン制御装置１８によって排気弁駆動装置８が駆動し、排気弁７が下がり、排気ポート６が開放される（ステップＳ１：図２（ｂ）及び図３参照）。

図２（ｂ）から、またさらにピストン３が下がり、クランク角度が所定角度に達すると、ピストン３により閉塞状態とされていた掃気ポート９が開放される（ステップＳ２：図２（ｃ）及び図３参照）。そして、ピストン３が下死点に達するときには、完全に掃気ポート９が開放される（図２（ｄ）参照）。
吸気は、排気ポート６及び掃気ポート９が開いたステップＳ２から開始される。そして、掃気ポート９からシリンダ２の内部に吸入された吸入新気層Ｂは、排気ガス層Ａを押し上げつつ、シリンダ２の内部を下方から上方に向けて満たして行く。

吸入新気層Ｂが、燃料噴射ポート１３が設けられた燃料噴射位置に達した後、燃料噴射制御装置１５によって燃料噴射弁１４が駆動し、燃料噴射ポート１３からの、燃料ガスの噴射が開始される（図２（ｅ）及び図３参照）。
この時、排気ポート６及び掃気ポート９が開放状態の排気中であるため、シリンダ２の内部は、低圧である。したがって、燃料噴射ポート１３からは、圧縮中における圧力よりも低圧で、燃料ガスをシリンダ２の内部に噴射することができる。このため、高出力の昇圧装置を設けずとも、燃料ガスを燃焼室内に噴射することが可能となる。

但し、この時、燃焼室内には、高温の排気ガスが一部残存している状態にある。仮に、高温の排気ガス層Ａ中に、燃料ガスが噴き付けられ、両者が接触すると、過早着火が生じてしまう場合がある。このため、本実施形態では、燃料噴射タイミングを、掃気ポート９からシリンダ２の内部に吸入された吸入新気層Ｂが燃料噴射ポート１３の燃料噴射位置に達した後となるように制御している。吸入新気層Ｂが燃料噴射ポート１３の燃料噴射位置に達した後であれば、ユニフロー（単流）であることも相俟って吸入新気層Ｂが排気ガス層Ａを押し出すので、噴射された燃料ガスが、シリンダ２の内部に一部残存している高温の排気ガスに接触してしまうことを回避できる。このため、過早着火を予防し、エンジン駆動の安定化を図ることができる。

さらに、本実施形態では、燃料噴射タイミングを、吸入新気層Ｂが燃料噴射位置に達した後で、且つ、排気ガス層Ａと燃料噴射位置との間に吸入新気層Ｂを形成させるための遅れ時間が経過した後に、設定している。この遅れ時間によって排気ガス層Ａと燃料噴射位置との間に形成された吸入新気層Ｂは、排気ガス層Ａと予混合気層Ｃとの間に介在し、両者の接触を防止する（図２（ｅ）参照）。具体的な作用としては、燃料噴射ポート１３から燃料ガスが所定幅で噴射・拡散しても、介在する吸入新気層Ｂによって、排気ガス層Ａとの接触を阻止することができる。さらに、両者間に吸入新気層Ｂを介在させることによって、排気ガス層Ａの界面の揺らぎによる燃料噴射位置への侵入に伴う予期せぬ過早着火を予防することができる。したがって、この遅れ時間によって、排気ガス層Ａと予混合気層Ｃとの間に吸入新気層Ｂを介在させることによって、より確実に過早着火を予防することができる。

なお、シリンダ２の内部において吸入新気層Ｂが、排気ガス層Ａを押し出しつつどの位置まで達したかは、排気ポート６の開放度（リフト量）及び掃気ポート９の開放度（開口面積）の少なくともいずれか一方に基づいて推定できる。本実施形態では、掃気ポート９の開放度は、ピストン３の位置、すなわち、クランク角度により一に定まるので、排気ポート６の開放タイミングに基づいて、燃料噴射タイミングを設定している（図３参照）。排気ポート６の開放タイミングは排気弁駆動装置８により可変であり、エンジンの負荷に応じて、掃気ポート９の開放タイミングと前後する場合がある。この理由からも、本実施形態では、排気ポート６の開放タイミングに基づいて、燃料噴射タイミングを設定している。

ピストン３が下死点を過ぎて上昇し始めると、掃気ポート９が閉塞され始める（図２（ｆ）参照）。この時、燃料噴射は、継続されており、排気ガス層Ａとの間に吸入新気層Ｂが介在した状態で、予混合気層Ｃがシリンダ２の内部を満たして行く。
図２（ｆ）から、さらにピストン３が上がり、クランク角度が所定角度に達すると、開放状態とされていた掃気ポート９がピストン３により閉塞される（ステップＳ３：図２（ｇ）及び図３参照）。この時、排気ポート６は、未だ閉塞されていないので、低圧での燃料噴射は継続される。

図２（ｇ）から、またさらにピストン３が上がり、クランク角度が所定角度に達すると、排気弁７が上がりきり、排気ポート６が閉塞され、排気が完了する（ステップＳ４：図２（ｈ）及び図３参照）。この時、排気ガス層Ａの殆どすべてが排気されることとなるが、本実施形態では、排気ガス層Ａと予混合気層Ｃとの間に吸入新気層Ｂを介在させているので余裕が生まれ、介在した吸入新気層Ｂの一部が吹き抜けた状態での排気ポート６の閉塞が可能となる。これにより、排気ガス層Ａの殆どすべてを排気しつつ、予混合気層Ｃの吹き抜けを防ぐことができる。

圧縮は、排気ポート６及び掃気ポート９が閉じたステップＳ４から開始される。燃料噴射は、燃焼室の圧力が高くなる前の圧縮行程前半まで継続する。もっとも、昇圧装置の性能限界の圧力に達する前には、燃料噴射を終了させる。少なくとも、ピストン３が、燃料噴射位置に達する前、すなわち、シリンダ２の中腹部に達する前には、燃料噴射制御装置１５によって燃料噴射弁１４が閉じられて、燃料噴射が終了する（図２（ｉ）参照）。
その後、ピストン３が上死点まで達し、予混合気層Ｃが圧縮されると、着火が行われ、燃焼により生じた排気ガスが、ピストン３を押し下げて、図２（ａ）の状態に戻る。
以上により、エンジンの１サイクルにおける燃料噴射動作が終了する。

したがって、上述の本実施形態によれば、シリンダ２の上部において開閉する排気ポート６と、シリンダ２の下部において開閉する掃気ポート９と、排気ポート６と掃気ポート９との間においてシリンダ２の内部に燃料ガスを噴射する燃料噴射ポート１３とを有するユニフロー型２サイクルガスエンジンにおいて、排気ポート６からシリンダ２の内部の排気ガスの排気が完了する前であって、掃気ポート９からシリンダ２の内部に吸入された吸入新気層Ｂが燃料噴射ポート１３の燃料噴射位置に達した後に、燃料噴射ポート１３を開放状態とさせる燃料噴射制御装置１５を有するという構成を採用することによって、シリンダ２の内部における排気ガスの排気が完了する前、すなわち、排気ポート６及び掃気ポート９の両方が開放された低圧状態で、燃料噴射を開始させる。これにより、従来よりも低圧で、燃料を燃焼室内に噴射することができる。また、本実施形態は、燃料噴射開始時を、掃気ポート９からシリンダ２の内部に吸入された吸入新気層Ｂが燃料噴射ポート１３の燃料噴射位置に達した後となるように制御する。これにより、噴射された燃料が、シリンダ２の内部に一部残存している高温の排気ガスに接触することを回避できるので、過早着火を予防し、エンジン駆動の安定化を図ることができる。
したがって、本実施形態では、過早着火を予防しつつ、高い圧力をかけずにシリンダ２の内部に燃料を直噴できるユニフロー型２サイクルガスエンジンが得られる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、燃料噴射制御装置１５が、排気ポート６の開放度に基づいて、燃料噴射ポート１３の開閉制御を行う構成について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。
例えば、燃料噴射制御装置１５が、掃気ポート９の開放度に基づいて、燃料噴射ポート１３の開閉制御を行う構成であっても良いし、また、排気ポート６及び掃気ポート９の開放度に基づいて、燃料噴射ポート１３の開閉制御を行う構成であっても良い。

また、吸入新気層Ｂが、排気ガス層Ａを押し出しつつどの位置まで達したかは、開きタイミングの遅い方の開放度に依存する度合いが高いので、燃料噴射制御装置１５が、排気ポート６及び掃気ポート９のうち、開きタイミングの遅い方の開放度に基づいて、燃料噴射ポート１３の開閉制御を行う構成であっても良い。
また、排気ポート６及び掃気ポート９の開放度は、クランク角度に依存するので、燃料噴射制御装置１５が、クランク角度に基づいて燃料噴射ポート１３の開閉制御を行う構成であっても良い。

また、上記実施形態のように、船舶用の２サイクルエンジンにおいては、エンジン出力を一定に保ちつつ駆動する形態であるので、掃気チャンバ１２内の圧力はほぼ一定であるが、エンジン出力を頻繁に可変する２サイクルエンジンの場合は、吸気側の圧力が変化する場合がある。この場合は、例えば、掃気ポート９側に圧力計を設け、該計測結果を加味して、燃料噴射制御装置１５が、燃料噴射ポート１３の開閉制御を行う構成であっても良い。

また、例えば、上記実施形態では、ガス燃料を噴射する形態について説明したが、本発明は液体燃料を噴射する形態についても適用することができる。また、燃料についても、ＬＮＧを用いる形態でなく、例えば、ＬＰＧ（液化石油ガス）、軽油、重油等を用いる形態についても本発明を適用することができる。

２…シリンダ、６…排気ポート、７…排気弁、８…排気弁駆動装置、９…掃気ポート、１３…燃料噴射ポート、１５…燃料噴射制御装置、Ａ…排気ガス層、Ｂ…吸入新気層、Ｃ…予混合気層

Claims (5)

1. シリンダの内部において往復移動するピストンと、前記シリンダの長さ方向一端部において開閉する排気ポートと、前記シリンダの長さ方向他端部において開閉する掃気ポートと、前記排気ポートと前記掃気ポートとの間において前記シリンダの内部に燃料を噴射する燃料噴射ポートとを有する２サイクルエンジンにおいて、
   前記排気ポートから前記シリンダの内部の排気ガスの排気が完了する前であって、前記排気ポート及び前記掃気ポートの両方が開放された状態で、前記燃料噴射ポートを開放状態とさせる燃料噴射制御装置と、
   前記燃料噴射ポートが開放状態となった後において、前記掃気ポートが閉塞状態となった後に、前記排気ポートを排気弁によって閉塞状態として前記排気ガスの排気を完了させる排気弁駆動装置と、を有し、
   前記燃料噴射制御装置は、前記掃気ポート及び前記排気ポートの両方が閉塞された後も継続して前記燃料噴射ポートを開放状態とさせ、その後、少なくとも、前記ピストンが前記燃料噴射ポートの燃料噴射位置に達する前には、前記燃料噴射ポートを閉塞状態とさせることを特徴とする２サイクルエンジン。
2. 前記燃料噴射制御装置は、前記排気ポートから前記シリンダの内部の排気ガスの排気が完了する前であって、前記掃気ポートから前記シリンダの内部に吸入された吸入新気層が前記燃料噴射ポートの燃料噴射位置に達した後に、前記燃料噴射ポートを開放状態とさせることを特徴とする請求項１に記載の２サイクルエンジン。
3. 前記燃料噴射制御装置は、前記掃気ポートから前記シリンダの内部に吸入された吸入新気層が前記燃料噴射ポートの燃料噴射位置に達した後で、且つ、排気ガス層と前記燃料噴射位置との間に前記吸入新気層を形成させるための遅れ時間が経過した後に、前記燃料噴射ポートを開放状態とさせることを特徴とする請求項２に記載の２サイクルエンジン。
4. 前記燃料噴射制御装置は、前記排気ポート及び前記掃気ポートの少なくともいずれか一方の開放度に基づいて、前記燃料噴射ポートを開閉させることを特徴とする請求項２または３に記載の２サイクルエンジン。
5. 前記燃料噴射制御装置は、前記排気ポート及び前記掃気ポートのうち、開きタイミングの遅い方の開放度に基づいて、前記燃料噴射ポートを開閉させることを特徴とする請求項４に記載の２サイクルエンジン。

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