JP5811538B2 - ２サイクルエンジン - Google Patents

Description

本発明は、ユニフロー型の２サイクルエンジンに関する。

船舶の機関としても用いられる２サイクルエンジン（２ストロークエンジン）は、吸気、圧縮、燃焼、排気といった４つの連続する行程を、シリンダ内部におけるピストン１往復の行程で完了するレシプロエンジンである。例えば、高圧噴射によって燃料油と燃料ガスとを並行して供給するディーゼル型のガスエンジンでは、上死点近傍で燃料ガスおよび燃料を噴射することで、圧縮行程における所望の時点で燃焼ガスを確実に着火させると共に、燃料ガスをシリンダ内で確実に燃焼させて排気系統で燃焼が生じるのを回避している（例えば、特許文献１）。このような高圧噴射によるガスエンジンでは、圧縮行程でシリンダ内の空気を圧縮し、その高圧の空気に燃料ガスを直接噴射することで燃焼を誘発している。

燃焼後、排気ポートから排出される排気ガスには燃焼により生じた窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれる。また、燃焼室が高温、高圧状態になると窒素酸化物の排出量が増加する。しかし、環境への配慮から窒素酸化物の排出量を抑制するのが望ましい。そこで、燃料を噴射する燃料噴射部と独立して、燃焼室の中央部から超臨界水を燃焼室内に向かって均等に噴射する超臨界水噴射部を設け、シリンダ内温度に応じて超臨界水を噴射して、シリンダ内温度を下げ、ひいては窒素酸化物の排出量を抑制する技術が知られている（例えば、特許文献２）。

特許第３４３２０９８号 特許第４３３５５３３号

上述したような高圧噴射によるガスエンジンでは、排気ガスの排気を完了した後に排気ポートを閉塞し、圧縮行程後半で燃料ガスを噴射することで、燃料ガスの着火タイミングを制御することが可能となる。しかし、圧縮行程後半では，燃焼室内圧力が高圧になっているので、燃料ガスを燃焼室内に供給するため、より高い圧力で燃料ガスを噴射しなければならず、そのための高出力の昇圧装置が必要である。

そこで、本願発明者は、圧縮行程の初期段階であるシリンダ内の圧力が比較的低い間に、掃気ポートから吸入された酸化作用のある活性ガスに対して、高い圧力をかけずに燃料ガスを直接噴射する低圧噴射の２サイクルエンジンを検討している。かかる低圧噴射の２サイクルエンジンでは、シリンダ内に排気ガスが未だ存在する状態で、掃気ポートから吸入された活性ガスにのみ燃料ガスを噴射するため、シリンダ内の比較的下方の内周面に燃料噴射弁（燃料噴射ポート）が間隔を空けて複数設けられる。したがって、掃気ポートから吸入された活性ガスと燃料噴射弁から噴射した燃料ガスの予混合気において、複数の燃料噴射弁に近い領域と遠い領域とで、それぞれ噴射した燃料ガスの濃度に差が生じ得る。また、船舶等に用いられる大型の２サイクルエンジンでは、そのような濃度分布の偏りも顕著に現れる。

このような低圧噴射の２サイクルエンジンにおいて窒素酸化物の排出を抑制するため、特許文献２の技術を採用したとしても、燃料ガスの濃度分布が均一ではない予混合気に対し、超臨界水等の不活性物質が均一に行き渡るため、燃焼ガスの濃度の低い領域に無駄に不活性物質が供給され、また、燃焼ガスの濃度が高いところでは燃焼時の温度を低減するのに十分な量の不活性物質を得られないおそれがある。

また、特許文献２の技術では、燃焼行程での超臨界水の噴射を前提としており、低圧噴射の２サイクルエンジンにおける燃焼行程では、予混合気中の燃料ガスの濃度分布もスワール（横渦流）やタンブル（縦渦流）等により様々に変化しているので、その濃度分布を推測することはできない。たとえ濃度分布を推測できたとしても、燃料ガスの濃度が高い領域に対し独立して不活性物質を供給するのは困難を極める。

さらに、低圧噴射の２サイクルエンジンでは、燃料噴射弁を低圧噴射にしているにも拘わらず、特許文献２の技術のように、圧縮後の高圧噴射を前提とする水噴射部を設けると、結局、高出力の昇圧装置を要することになってしまい、低圧噴射としたことの意義が半減してしまう。

本発明は、このような課題に鑑み、低圧噴射によるエンジンの運転において、少量の不活性物質で効果的に窒素酸化物を削減することが可能な、２サイクルエンジンを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の２サイクルエンジンは、シリンダと、シリンダ内を摺動するピストンと、シリンダのストローク方向一端部に設けられ、シリンダ内で生じた排気ガスを排気するために開閉される排気ポートと、シリンダのストローク方向他端部側の内周面に設けられ、ピストンの摺動動作に応じてシリンダ内に活性ガスを吸入する掃気ポートと、シリンダの内周面の中腹部に位置し、排気行程において排気ポートが閉じられる前から燃料ガスを噴射する燃料噴射弁と、噴射された燃料ガスと衝突するように不活性物質を噴射する不活性物質噴射弁と、を備え、不活性物質噴射弁は、燃料噴射弁に対して、噴射された燃料ガスがシリンダ内を流動する円周方向に所定の間隔を空けて配置され、燃料噴射弁が燃料ガスを噴射してから、活性ガスの流速と、燃料噴射弁と不活性物質噴射弁との距離とに基づいて定まる所定時間後に不活性物質を噴射することを特徴とする。

燃料噴射弁と不活性物質噴射弁とは、互いの噴射軸が交差するまたは平行となるように配置されてもよい。

排気ガスにおける窒素酸化物の含有量または温度を検出する検出部をさらに備え、不活性物質噴射弁は、検出部が検出した窒素酸化物の含有量または温度が所定の閾値を超えると、不活性物質を噴射してもよい。

不活性物質は、不活性ガス、水蒸気、または、水であってもよい。

本発明の２サイクルエンジンによれば、低圧噴射によるエンジンの運転において、少量の不活性物質で効果的に窒素酸化物を削減することが可能となる。

第１の実施形態における２サイクルエンジンの全体構成を示した説明図である。 ２サイクルエンジンの各制御部の動作を説明するための説明図である。 燃料噴射弁と不活性物質噴射弁との配置例を示したシリンダの横断面図である。 燃料噴射弁と不活性物質噴射弁との他の配置例を示した説明図である。 燃料噴射弁と不活性物質噴射弁との他の配置例を示した説明図である。 不活性物質噴射制御装置の制御処理を説明するためのタイミングチャートである。 第２の実施形態における２サイクルエンジンの全体構成を示した説明図である。 燃料噴射弁と不活性物質噴射弁との配置例を示した説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（第１の実施形態：２サイクルエンジン１００）
図１は、第１の実施形態における２サイクルエンジン１００の全体構成を示した説明図である。本実施形態の２サイクルエンジン１００は、ユニフロー型で形成され、例えば、船舶等に用いられる。具体的に、２サイクルエンジン１００は、シリンダ１１０（シリンダヘッド１１０ａ、シリンダブロック１１０ｂ）と、ピストン１１２と、パイロット噴射弁１１４と、排気ポート１１６と、排気弁駆動装置１１８と、排気弁１２０と、掃気ポート１２２と、掃気室１２４と、燃料噴射ポート１２６と、燃料噴射弁１２８と、不活性物質噴射ポート１３０と、不活性物質噴射弁１３２と、ロータリエンコーダ１３４と、検出部１３６とを含んで構成され、ガバナー（調速機）１５０、燃料噴射制御装置１５２、不活性物質噴射制御装置１５４、排気制御装置１５６等の制御部によって制御される。

２サイクルエンジン１００では、吸気、圧縮、燃焼、排気といった４つの連続する行程を通じて、不図示のクロスヘッドに連結されたピストン１１２がシリンダ１１０内を摺動自在に往復移動する。このようなクロスヘッド型のピストン１１２では、シリンダ１１０内でのストロークを比較的長く形成することができ、ピストン１１２に作用する側圧をクロスヘッドが受けるため、２サイクルエンジン１００の高出力化を図ることができる。さらに、シリンダ１１０とクロスヘッドが収まる不図示のクランク室とが隔離されるので、低質燃料油を用いる場合においても汚損劣化を防止することができる。

パイロット噴射弁１１４は、シリンダ１１０のストローク方向一端部である、ピストン１１２の上死点より上方のシリンダヘッド１１０ａに設けられ、エンジンサイクルにおける所望の時点で適量の燃料油を噴射する。かかる燃料油は、シリンダヘッド１１０ａと、シリンダブロック１１０ｂにおけるシリンダライナと、ピストン１１２とに包囲された燃焼室１３８の熱で自然着火し、僅かな時間で燃焼して、燃焼室１３８の温度を極めて高くするので燃焼ガスを含む予混合気を所望のタイミングで確実に燃焼することができる。

排気ポート１１６は、シリンダ１１０のストローク方向一端部である、ピストン１１２の上死点より上方のシリンダヘッド１１０ａの頂部に設けられた開口部であり、シリンダ１１０内で生じた燃焼後の排気ガスを排気するために開閉される。排気弁駆動装置１１８は、所定のタイミングで排気弁１２０を上下に摺動させ、排気ポート１１６を開閉する。このようにして排気ポート１１６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。

掃気ポート１２２は、シリンダブロック１１０ｂのストローク方向の、排気ポート１１６が設けられた一端部に対する他端部側の内周面に設けられた開口部であり、ピストン１１２の摺動動作に応じてシリンダ１１０内に活性ガスを吸入する。かかる活性ガスは、酸素、オゾン等の酸化剤、または、その混合気（例えば空気）を含む。掃気室１２４には、不図示の過給機のコンプレッサによって加圧された活性ガス（例えば空気）が封入されており、掃気室１２４とシリンダ１１０内の差圧をもって掃気ポート１２２から活性ガスが吸入される。掃気室１２４の圧力は、ほぼ一定とすることができるが、掃気室１２４の圧力が変化する場合には、掃気ポート１２２に圧力計を設け、その計測値に応じて燃料ガスの噴射量等、他のパラメータを制御してもよい。

燃料噴射ポート１２６は、シリンダ１１０内周面の中腹部（排気ポート１１６と掃気ポート１２２との間）において、周方向に所定の間隔を空けて設けられた複数の開口部である。燃料噴射弁１２８は、燃料噴射ポート１２６内に配置され、燃料噴射制御装置１５２からの指令を受けて、例えば、ＬＮＧ（液化天然ガス）をガス化した燃料ガスを噴射する。こうしてシリンダ１１０内に燃料ガスが供給される。また、燃料ガスは、ＬＮＧに限らず、例えば、ＬＰＧ（液化石油ガス）、軽油、重油等をガス化したものを適用することもできる。

不活性物質噴射ポート１３０は、シリンダ１１０内周面の中腹部（排気ポート１１６と掃気ポート１２２との間）において、周方向に所定の間隔を空けて設けられた複数の開口部であり、燃料噴射ポート１２６に対応して配置される。不活性物質噴射弁１３２は、不活性物質噴射ポート１３０内に配置され、不活性物質を噴射する。不活性物質は、窒素、アルゴン等の不活性ガス（不活性ガスに活性ガスの含有率の低いガスを含む場合もある）、水蒸気、その混合気、または、水（噴霧）を含む。

例えば、不活性物質として水蒸気を利用する場合、船舶の機関であればボイラ等において常に水蒸気が生成されているため、水蒸気を生成するための特別な装置を設けなくて済む。また、２サイクルエンジン１００においても排気ガスから熱を回収して水蒸気を生成することができる。燃料噴射弁１２８および不活性物質噴射弁１３２に関しては、後ほど詳述する。ロータリエンコーダ１３４は、不図示のクランク機構に設けられ、クランクの角度信号（以下、クランク角度信号と言う。）を検出する。また、検出部１３６は、排気ポート１１６から排出された排気ガスにおける窒素酸化物の含有量または温度を検出する。

ガバナー１５０は、上位の制御装置から入力されたエンジン出力指令値と、ロータリエンコーダ１３４からのクランク角度信号によるエンジン回転数に基づいて、燃料噴射量を導出し、燃料噴射制御装置１５２に出力する。燃料噴射制御装置１５２は、ガバナー１５０から入力された燃料噴射量を示す情報と、ロータリエンコーダ１３４からのクランク角度信号に基づいて、燃料噴射弁１２８における燃料ガスの噴射量および噴射タイミングを制御する。不活性物質噴射制御装置１５４は、燃料噴射制御装置１５２からの燃料ガスの噴射量および噴射タイミングの制御指令と、ロータリエンコーダ１３４からのクランク角度信号に基づいて、不活性物質噴射弁１３２の不活性物質の噴射量および噴射タイミングを制御する。

排気制御装置１５６は、燃料噴射制御装置１５２からの排気弁開閉タイミング信号と、ロータリエンコーダ１３４からのクランク角度信号に基づいて、排気弁駆動装置１１８に排気弁操作信号を出力する。以下、上述した２サイクルエンジン１００のエンジンサイクルにおける各制御部の動作について説明する。

（エンジンサイクルにおける各制御部の動作）
図２は、２サイクルエンジン１００の各制御部の動作を説明するための説明図である。特に図２（ａ）〜（ｆ）は２サイクルエンジン１００の縦断面図を、図２（ｇ）は図２（ａ）〜（ｆ）の状態の時間関係を示すためのタイミングチャートを示している。ここでは、２サイクルエンジン１００における４つの行程を排気、吸気、圧縮、燃焼の順で説明する。ここでは理解を容易にするため、特に燃料噴射弁１２８の燃料ガスの噴射について言及し、不活性物質噴射弁１３２による不活性物質の噴射については後ほど詳述する。

燃焼行程後の排気行程では、図２（ａ）の如く、排気ポート１１６および掃気ポート１２２が閉塞状態にあり、シリンダ１１０内は排気ガス１７０で満たされている。燃焼圧によってピストン１１２が下降し下死点に近づくと、排気制御装置１５６は排気弁駆動装置１１８を通じて排気弁１２０を開放し、また、ピストン１１２の摺動動作に応じて掃気ポート１２２が開口する。すると、図２（ｂ）に示すように、掃気ポート１２２から活性ガス１７２が吸入され、活性ガスは、燃料ガスの混合を促進するためのスワールを形成しながら上昇し、シリンダ１１０内の排気ガス１７０を排気ポート１１６から押し出す。

活性ガス１７２の吸入に伴う排気ガス１７０と活性ガス１７２との境界が、図２（ｂ）の如く、燃料噴射ポート１２６に達すると、燃料噴射制御装置１５２は、燃料噴射弁１２８に燃料ガス１７４の噴射を開始させる。この時、排気ポート１１６および掃気ポート１２２は開放されており、シリンダ１１０内の圧力はまだ低い状態であるため、燃料噴射弁１２８に高い圧力をかけなくとも（低圧でも）、燃料噴射弁１２８は、適切に燃料ガスを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る必要がない。

ただし、燃料ガスの噴射タイミングが早すぎると、シリンダ１１０の燃焼室に残存する高温の排気ガス１７０に燃料ガス１７４が接触し、排気ガス１７０の熱が燃料ガス１７４に伝わり過早着火が生じるおそれがある。そこで、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、燃料噴射制御装置１５２は、掃気ポート１２２からの活性ガス１７２が燃料噴射ポート１２６に達した後、さらに所定時間が経過するのを待って燃料ガス１７４を噴射する。すると、図２（ｃ）のように、燃料ガス１７４と活性ガス１７２とを混合した予混合気１７６と、排気ガス１７０との間に、燃料ガスが混合されていない活性ガス１７２を主成分とする狭入層１７８が生成される。

このように排気ガス１７０と予混合気１７６との間に狭入層１７８が生成されると、高温の排気ガス１７０と予混合気１７６とを接触させることなく、排気ガス１７０を排気ポート１１６から排出することができる。ここでは、狭入層１７８がある程度の厚みを有しているので、排気ガス１７０と狭入層１７８との境界面に揺らぎが生じた場合であっても、予混合気１７６が高温になることを回避することが可能となる。

そして、排気ガス１７０の排出が完了すると排気弁駆動装置１１８は、図２（ｄ）の如く、排気弁１２０を閉じ、圧縮行程に転じたピストン１１２によって掃気ポート１２２も塞がれる。ここでは、狭入層１７８の一部が排気ポート１１６から排出された時点で排気弁１２０を閉じることで、狭入層１７８に混入してきた排気ガス１７０をシリンダ１１０内に残すことなく排出でき、また、予混合気１７６を排気ポート１１６から排出することなく、シリンダ１１０内に適切に予混合気１７６を残すことができる。こうして、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。

ここで、シリンダ１１０内における活性ガス１７２の上昇速度は、排気ポート１１６の開放度（リフト量）と掃気ポート１２２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、これらはクランク角度信号から一意に求めることができるので、燃料噴射制御装置１５２は、クランク角度信号から燃料ガスの噴射タイミングを設定する。

燃料噴射制御装置１５２は、燃料噴射弁１２８を通じて燃料ガス１７４を噴射し続け、図２（ｅ）で示したように、ピストン１１２が燃料噴射ポート１２６に達する前に、燃料ガスの噴射を停止する。このように、燃料噴射制御装置１５２による燃料ガスの噴射が一通り完了した後、さらなる圧縮行程を経て予混合気１７６は高圧に圧縮され、さらに、パイロット噴射弁１１４からの燃料油の噴射に基づいて予混合気１７６が着火されて、図２（ｆ）のような燃焼行程が行われる。そして、燃焼行程によりピストン１１２が押し下げられると図２（ａ）の状態に戻り、以後、排気、吸気、圧縮、燃焼の４行程を繰り返す。

ところで、排気ポート１１６から排出される排気ガス１７０には窒素酸化物が含まれており、燃焼室が高温、高圧状態になると窒素が酸化し易くなって、窒素酸化物の排出量が増加する。窒素酸化物は有害物質であるため、その排出を抑制しなければならない。かかる窒素酸化物を抑制するためには、燃焼温度を低下させることが考えられる。

本実施形態では、燃焼室に燃料ガス１７４と共に不活性物質を供給して、燃焼温度を低下させ、窒素酸化物の排出量を抑制する。かかる不活性物質は、自体が燃焼反応を起こさないので、温度の上昇に寄与することはなく、不活性物質を予混合気１７６に加えることで、シリンダ１１０内全体の熱容量を増加させることができ、結果的に燃焼温度の上昇を抑制することが可能となる。

ただし、上述したように、本実施形態の低圧噴射の２サイクルエンジンでは、燃料噴射ポート１２６がシリンダ１１０内周面の中腹部に、複数並置される形で配置されており、高圧噴射の２サイクルエンジンのように高圧の活性ガス１７２雰囲気中に一様に燃料ガス１７４を噴射するのと異なり、予混合気１７６中の燃料ガス１７４の濃度分布が燃料噴射弁１２８に近い領域と遠い領域とで偏ることがある。さらに、船舶等に用いられる大型の２サイクルエンジンでは、そのような濃度分布の偏りも顕著になり、かつ、スワール等によって内周面近傍とその中心近傍とでも濃度分布が異なる場合も生じ得る。

このような状況下では、例えば、燃焼行程において、圧縮された予混合気１７６に不活性物質を一様に供給すると、燃料ガス１７４の濃度分布が均一ではない予混合気１７６に対し、不活性物質が均一に行き渡るため、燃焼ガスの濃度の低い領域に無駄に不活性物質が供給され、また、燃焼ガスの濃度が高いところでは燃焼時の温度を低減するのに十分な量の不活性物質を得られないおそれがある。したがって、不活性物質を供給する際に、その濃度分布を把握し、燃料ガス１７４の濃度が高い領域にのみ不活性物質を供給するのが望ましいが、燃焼行程の時点では、燃料ガス１７４の濃度分布もスワール等により様々に変化しているので、予混合気１７６中の燃料ガス１７４の濃度分布を推測することはできない。たとえ濃度分布を推測できたとしても、燃料ガス１７４の濃度が高い領域に対し個々に不活性物質を供給するのは困難を極める。

さらに、船舶等に用いられる大型の２サイクルエンジンでは、燃料ガス１７４を燃焼室全体に均一に供給するのは難しく、特に、本実施形態のような低圧噴射の２サイクルエンジン１００では、燃料ガス１７４を噴射する際の燃焼室の体積が大きいため、濃度分布の偏りも大きくなる。また、上述したスワール等によってシリンダ１１０の内周面近傍とその中心近傍とでも濃度分布が異なる場合も生じ得る。このように濃度分布が偏る場合には、燃料ガス１７４の濃度が高い領域に、より多くの不活性物質を供給し、また、燃料ガス１７４の濃度が低い領域には不活性物質の供給を抑制する構成が必要である。

そこで、本実施形態の不活性物質噴射弁１３２は、燃料噴射弁１２８で噴射された燃料ガス１７４の拡散が進行しないうちに、その燃料ガス１７４（燃料ガス１７４の濃度が高い領域）に向けて不活性物質を噴射する。こうして、スワール等によって濃度分布が変化する前の段階で、燃料ガス１７４の濃度が高い領域と不活性物質の濃度が高い領域とを混合することができる。また、燃料ガス１７４と不活性物質とが一度混合しさえすれば、その後のスワール等の影響を受けても、燃料ガス１７４と不活性物質とがほぼ等しい軌跡を描いて流動するため、濃度が高い領域同士が混合している状態を維持することができる。

このように、燃料ガス１７４と不活性物質とを混合するため、燃料噴射弁１２８と不活性物質噴射弁１３２とは、互いが噴射する燃料ガス１７４と不活性物質とが衝突する位置、例えば、互いの噴射軸（噴射方向）が交差するように配置される。

図３は、燃料噴射弁１２８と不活性物質噴射弁１３２との配置例を示したシリンダ１１０の横断面図である。例えば、図３（ａ）のように、燃料噴射弁１２８を、シリンダ１１０の内周面に等間隔となるように４つ設け、不活性物質噴射弁１３２もそれに対応して等間隔に４つ設け、さらに、燃料噴射弁１２８の噴射軸１８０と不活性物質噴射弁１３２の噴射軸１８２とを円周面の法線方向に向くように構成したとする。したがって、燃料噴射弁１２８の噴射軸１８０と不活性物質噴射弁１３２の噴射軸１８２とは鋭角を成して交差している。

そして、不活性物質噴射弁１３２は、燃料噴射弁１２８が噴射した燃料ガス１７４と衝突するように不活性物質１８４を噴射する。こうして、燃料ガス１７４と不活性物質１８４とが接触、混合し、図３（ａ）の如く、燃料ガス１７４の濃度が高い領域と不活性物質１８４の濃度が高い領域とが重なることとなる。

また、ここでは、不活性物質噴射弁１３２が燃料ガス１７４に向けて不活性物質１８４を噴射しているように表現しているが、結果的に燃料ガス１７４が存在するところに不活性物質１８４が混合されればよく、噴射後の燃料ガス１７４が到達するであろう領域に、予め不活性物質１８４を噴射してもよい。したがって、燃料噴射弁１２８の燃料ガス１７４の噴射タイミングと不活性物質噴射弁１３２の不活性物質１８４の噴射タイミングは、その時間差が両者を重ねるのに十分に短い時間であれば、その前後、または同時であるか否かは任意に定めることができる。

また、燃料ガス１７４と不活性物質１８４との噴射方向における濃度分布が等しくなるように、燃料噴射弁１２８の燃料ガス１７４の噴射圧力と不活性物質噴射弁１３２の不活性物質１８４の噴射圧力を等しくするのが望ましい。さらに、燃料噴射弁１２８の燃料ガス１７４の噴射タイミングと不活性物質噴射弁１３２の不活性物質１８４の噴射タイミングに時間差がある場合、例えば、各弁のノズルの口径を調整することで、後から噴射される弁に係る噴射圧力を先に噴射される弁より高めて、燃料ガス１７４と不活性物質１８４との噴射方向の濃度分布を等しくしてもよい。

また、燃料ガス１７４と不活性物質１８４とを、より密度の高い状態で混合するために、燃料噴射弁１２８の噴射軸１８０と不活性物質噴射弁１３２の噴射軸１８２とを、より大きな角度を成して交差させてもよい。例えば、図３（ａ）における燃料噴射ポート１２６の開口部と不活性物質噴射ポート１３０の開口部との距離関係を変えずに、図３（ｂ）の如く、不活性物質噴射弁１３２の噴射軸１８２のみを法線より燃料噴射弁１２８側に傾ける。かかる構成では、燃料噴射弁１２８の噴射軸１８０と不活性物質噴射弁１３２の噴射軸１８２との交点が円周面に近づくため、燃料ガス１７４と不活性物質１８４とが、噴射後の、より早い時点で混合し始める。したがって、スワール等の影響が少ない段階で、燃料ガス１７４の濃度が高い領域と不活性物質１８４の濃度が高い領域とを確実に混合させることができ、濃度が高い領域同士が重なっている状態を維持し易くなる。

さらに、燃料ガス１７４と不活性物質１８４とが実質的に衝突すれば、燃料噴射弁１２８の噴射軸１８０と不活性物質噴射弁１３２の噴射軸１８２とを交差させずに、例えば図３（ｃ）のように、略平行となるように配置してもよい。燃料噴射弁１２８から噴射された燃料ガス１７４や不活性物質噴射弁１３２から噴射された不活性物質１８４は、燃料噴射ポート１２６や不活性物質噴射ポート１３０から流出する際に、ある程度拡散する。したがって、燃料噴射弁１２８の噴射軸１８０と不活性物質噴射弁１３２の噴射軸１８２とが略平行に配されていたとしても、噴射された燃料ガス１７４と不活性物質１８４とが完全に平行に吹き抜けるわけではなく、拡散した領域同士が接触して、燃料ガス１７４と不活性物質１８４とが混合される。したがって、燃料ガス１７４と不活性物質１８４とが衝突する距離にあれば、燃料噴射弁１２８の噴射軸１８０と不活性物質噴射弁１３２の噴射軸１８２とが略平行に配置されていてもよいこととなる。

このような不活性物質噴射弁１３２（不活性物質噴射ポート１３０）は、燃料噴射弁１２８（燃料噴射ポート１２６）の近傍で有れば、その配置に制限はなく、円周方向（左右）またはストローク方向（上下）のいずれに配置されてもよい。また、燃料噴射弁１２８と不活性物質噴射弁１３２との噴射軸同士がいずれの方向で交差してもよく、または、略平行となっていてもよい。上述した例では、燃料噴射ポート１２６と不活性物質噴射ポート１３０とを独立して形成しているが、例えば、燃料噴射ポート１２６内に燃料噴射弁１２８と不活性物質噴射弁１３２とを並置することもできる（ポート共有）。

また、図３（ｄ）に示すように、不活性物質噴射弁１３２を燃料噴射弁１２８と一体的に形成し、燃料ガス１７４と不活性物質１８４とを予め混合して噴射することもできる。かかる構成により、燃料ガス１７４と不活性物質１８４とが混合された状態で噴射されるので、燃料ガス１７４の濃度が高い領域と不活性物質１８４の濃度が高い領域とを確実に重ねることが可能となる。

上述した例では、１つの燃料噴射弁１２８に対して１つの不活性物質噴射弁１３２を対応させているが、かかる場合に限られず、１対複数、または複数対１とすることもできる。

図４は、燃料噴射弁１２８と不活性物質噴射弁１３２との他の配置例を示した説明図である。図４は、説明の便宜上、シリンダ１１０の一部を示しており、シリンダ１１０内周面の図面奥行き側に設けられた複数の燃料噴射弁１２８のうちの任意の１つの燃料噴射弁１２８と、それに対応する４つの不活性物質噴射弁１３２のみを示している。ここでは、４つの不活性物質噴射弁１３２（不活性物質噴射ポート１３０）が１つの燃料噴射弁１２８（燃料噴射ポート１２６）の周囲に配されている。したがって、１つの燃料噴射弁１２８から噴射された燃料ガス１７４が４つの不活性物質噴射弁１３２から噴射された不活性物質１８４に包まれ、燃料ガス１７４が拡散する過程で混合される。したがって、スワール等によって燃料ガス１７４が様々な方向に拡散したとしても、燃料ガス１７４の濃度が高い領域と不活性物質１８４の濃度が高い領域とを確実に重ねることが可能となる。

また、不活性物質噴射弁１３２は、燃料噴射弁１２８に対して、噴射された燃料ガス１７４がシリンダ１１０内を流動する方向に配置されてもよく、その場合に、不活性物質噴射弁１３２は、燃料噴射弁１２８が燃料ガス１７４を噴射してから所定時間後に不活性物質１８４を噴射する。

図５は、燃料噴射弁１２８と不活性物質噴射弁１３２との他の配置例を示した説明図である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、説明の便宜上、シリンダ１１０の一部を示しており、シリンダ１１０内周面の図面奥行き側に設けられた複数の燃料噴射弁１２８のうちの任意の１つの燃料噴射弁１２８と、それに対応する１つの不活性物質噴射弁１３２のみを示している。また、図５（ｃ）は、各噴射弁の噴射タイミングを示している。図５を用いて説明する構成では、図３と異なり、燃料噴射弁１２８と不活性物質噴射弁１３２との距離が円周方向およびストローク方向に離隔することを許容している。

例えば、船舶等に用いられる大型の２サイクルエンジンでは、掃気ポート１２２から吸入された活性ガス１７２が、図５（ａ）に示すように、スワール１８６を形成している。燃料噴射弁１２８は、活性ガス１７２と燃料ガス１７４とを混合すべく、図５（ｃ）における（ａ）のタイミングで、燃料ガス１７４を噴射する。そうすると、噴射された燃料ガス１７４は、図５（ａ）に示したスワール１８６に従って矢印の方向に流動する。

そして、図５（ｃ）に示すように、不活性物質噴射弁１３２は、燃料噴射弁１２８が燃料ガス１７４を噴射してから、予め求めておいた所定時間後に不活性物質１８４を噴射する。所定時間は、スワールの想定流速と、燃料噴射弁１２８と不活性物質噴射弁１３２との距離（燃料噴射ポート１２６と不活性物質噴射ポート１３０との距離）とに基づいて予め定められている。そうすると、図５（ｂ）の如く、不活性物質噴射弁１３２から噴射された不活性物質１８４は、燃料ガス１７４に混合され、燃料ガス１７４の濃度が高い領域と不活性物質１８４の濃度が高い領域が重なることとなる。

また、ここでは、スワールによって流動する燃料ガス１７４に向けて不活性物質噴射弁１３２が不活性物質１８４を噴射する構成を例示しているが、かかる場合に限られず、先に不活性物質１８４が噴射され、スワールによって流動する不活性物質１８４に向けて燃料噴射弁１２８が燃料ガス１７４を噴射する構成とすることもできる。

上述した不活性物質噴射弁１３２により、燃焼室内の予混合気１７６において、燃料ガス１７４の濃度分布が偏る場合においても、燃料ガス１７４の濃度が高い領域に、より多くの不活性物質１８４を供給することができ、また、燃料ガス１７４の濃度が低い領域に対する不活性物質１８４の無駄な供給を抑制することが可能となる。したがって、少量の不活性物質１８４で効果的に窒素酸化物を削減することができる。さらに、シリンダ１１０内が高温になった場合の、燃料ガス１７４の着火タイミングのずれから生じるノッキング等を防止することも可能となる。

また、上述したように燃料噴射制御装置１５２は、シリンダ１１０内が比較的低圧な間に燃料噴射弁１２８に燃料ガス１７４を噴射させ、同様に、不活性物質噴射制御装置１５４もシリンダ１１０内が比較的低圧な間に不活性物質噴射弁１３２に不活性物質１８４を噴射させている。したがって、いずれも低圧噴射が可能となり、高出力の昇圧装置が不要となる。

さらに、燃料の酸化効率も上がるため、窒素酸化物同様、燃焼室が高温、高圧時に発生する一酸化炭素（ＣＯ）の排出量や粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）も低減することが可能となる。

続いて、不活性物質噴射制御装置１５４の制御処理について説明する。図６は、不活性物質噴射制御装置１５４の制御処理を説明するためのタイミングチャートである。特に図６（ａ）は、窒素酸化物の変動軌跡を、図６（ｂ）、（ｃ）は、燃料噴射弁１２８および不活性物質噴射弁１３２の噴射タイミングを示している。排気ポート１１６の下流に配置された検出部１３６は、例えば、排気ポート１１６から排出された排気ガスにおける窒素酸化物の含有量を検出し、不活性物質噴射制御装置１５４は、検出部１３６が検出した窒素酸化物の含有量と所定の閾値とを常に比較している。この間、燃料噴射制御装置１５２は、図６（ｂ）に示すように、燃料噴射弁１２８に継続的に燃料ガス１７４を噴射させている。

そして、検出部１３６が検出した窒素酸化物の含有量が所定の閾値を超えると、図６（ｃ）に示すように、不活性物質噴射制御装置１５４は、燃料噴射弁１２８で噴射された燃料ガス１７４と衝突するように、不活性物質噴射弁１３２に不活性物質１８４を噴射させる。ここでは、窒素酸化物が所定の閾値を超えた後に不活性物質１８４を噴射しているので、厳密には１サイクル遅延することになるが、エンジン負荷は、サイクル単位で急激に変化しないので、その遅れが問題になることはない。

また、ここでは、検出部１３６に窒素酸化物の含有量を検出させているが、排気ポート１１６から排出された排気ガスの温度を検出して、その温度が閾値を超えた場合に、不活性ガスを噴射することもできる。さらに、他の様々な方法により燃焼室内の温度を予測し、温度が所定の閾値より高くなることが予測されると、不活性物質１８４の噴射を開始して、窒素酸化物の生成を抑制することも可能である。さらに、検出部１３６がシリンダ１１０内でのノッキングの有無も検出できる場合、不活性物質噴射制御装置１５４は、ノッキングが発生した次のサイクルにおいて、不活性物質噴射弁１３２に不活性物質１８４を噴射させることもできる。

（第２の実施形態：２サイクルエンジン２００）
図７は、第２の実施形態における２サイクルエンジン２００の全体構成を示した説明図である。第２の実施形態の２サイクルエンジン２００は、第１の実施形態における２サイクルエンジン１００同様、シリンダ１１０（シリンダヘッド１１０ａ、シリンダブロック１１０ｂ）と、ピストン１１２と、パイロット噴射弁１１４と、排気ポート１１６と、排気弁駆動装置１１８と、排気弁１２０と、掃気ポート１２２と、掃気室１２４と、燃料噴射ポート１２６と、燃料噴射弁１２８と、不活性物質噴射ポート１３０と、不活性物質噴射弁１３２と、ロータリエンコーダ１３４と、検出部１３６とを含んで構成され、ガバナー（調速機）１５０、燃料噴射制御装置１５２、不活性物質噴射制御装置１５４、排気制御装置１５６等の制御部によって制御される。かかる構成における各部の機能は、第１の実施形態における構成要素として既に述べた各部の機能と実質的に等しいので、ここでは同一の符号を付して重複説明を省略する。

第１の実施形態と第２の実施形態との相違点は、燃料噴射ポート１２６および不活性物質噴射ポート１３０が、シリンダ１１０内周面ではなく、掃気ポート１２２の内周面に設けられている点である。かかる場合、ピストン１１２が掃気ポート１２２に達するタイミングで、燃料噴射制御装置１５２は燃料ガス１７４の噴射を開始し、併せて、不活性物質噴射制御装置１５４は、不活性物質１８４の噴射を開始して、噴射された燃料ガス１７４および不活性物質１８４と、掃気室１２４からの活性ガス１７２とが混合された予混合気１７６が燃焼室１３８に吸入される。ここで、燃料噴射制御装置１５２および不活性物質噴射制御装置１５４は、掃気ポート１２２が開口している間の所定のタイミングまで、燃料ガス１７４および不活性物質１８４を噴射し続ける。

図８は、燃料噴射弁１２８と不活性物質噴射弁１３２との配置例を示した説明図である。図８（ａ）〜（ｃ）では、燃料噴射弁１２８と不活性物質噴射弁１３２とがそれぞれ燃料噴射ポート１２６と不活性物質噴射ポート１３０とに連接され、図８（ａ）は、掃気ポート１２２の内周面上部に燃料噴射ポート１２６および不活性物質噴射ポート１３０を配置した例を示し、図８（ｂ）は、掃気ポート１２２の内周面下部に燃料噴射ポート１２６および不活性物質噴射ポート１３０を配置した例を示し、図８（ｃ）は、掃気ポート１２２の内周面上部と下部の両方に燃料噴射ポート１２６および不活性物質噴射ポート１３０を配置した例を示している。ここでは、燃料噴射ポート１２６および不活性物質噴射ポート１３０と、掃気ポート１２２とが鋭角を成して交わっているが、鋭角に限らず、様々な角度をとることができる。

また、図８（ｄ）〜（ｆ）では、燃料噴射ポート１２６に、燃料噴射弁１２８と不活性物質噴射弁１３２とが一体的に形成されており、図８（ｄ）は、掃気ポート１２２の内周面上部に燃料噴射ポート１２６を配置した例を示し、図８（ｅ）は、掃気ポート１２２の内周面下部に燃料噴射ポート１２６を配置した例を示し、図８（ｆ）は、掃気ポート１２２の内周面上部と下部の両方に燃料噴射ポート１２６を配置した例を示している。また、ここでは、燃料噴射弁１２８の流路と不活性物質噴射弁１３２の流路とが垂直に交わる例を挙げているが、かかる角度も制限されない。

図８（ａ）〜（ｆ）のいずれの構成においても、燃料噴射制御装置１５２および不活性物質噴射制御装置１５４による燃料ガス１７４および不活性物質１８４の噴射タイミングは、図６を用いて説明したタイミングに準じる。このように、不活性物質噴射弁１３２が、燃料噴射弁１２８で噴射された燃料ガス１７４の拡散が進行しない掃気ポート１２２内で、その燃料ガス１７４（燃料ガス１７４の濃度が高い領域）に向けて不活性物質１８４を噴射することで、シリンダ１１０内においてスワール等により濃度分布が変化する前の段階で、燃料ガス１７４の濃度が高い領域と不活性物質１８４の濃度が高い領域とを混合することができる。また、燃料ガス１７４と不活性物質１８４とが一度混合しさえすれば、その後のスワール等の影響を受けても、燃料ガス１７４と不活性物質１８４とがほぼ等しい軌跡を描いて流動するため、濃度が高い領域同士が混合している状態を維持することができる。こうして、少量の不活性物質１８４で効果的に窒素酸化物を削減することが可能となる。

以上、添付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、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、ユニフロー型の２サイクルエンジンに利用することができる。

１００ …２サイクルエンジン
１１０ …シリンダ
１１０ａ …シリンダヘッド
１１０ｂ …シリンダブロック
１１２ …ピストン
１１６ …排気ポート
１２０ …排気弁
１２２ …掃気ポート
１２８ …燃料噴射弁
１３２ …不活性物質噴射弁
１３６ …検出部
１８０、１８２ …噴射軸

Claims (4)

1. シリンダと、
   前記シリンダ内を摺動するピストンと、
   前記シリンダのストローク方向一端部に設けられ、該シリンダ内で生じた排気ガスを排気するために開閉される排気ポートと、
   前記シリンダのストローク方向他端部側の内周面に設けられ、前記ピストンの摺動動作に応じて該シリンダ内に活性ガスを吸入する掃気ポートと、
   前記シリンダの内周面の中腹部に位置し、排気行程において前記排気ポートが閉じられる前から燃料ガスを噴射する燃料噴射弁と、
   噴射された前記燃料ガスと衝突するように不活性物質を噴射する不活性物質噴射弁と、
   を備え、
   前記不活性物質噴射弁は、前記燃料噴射弁に対して、噴射された前記燃料ガスが前記シリンダ内を流動する円周方向に所定の間隔を空けて配置され、前記燃料噴射弁が前記燃料ガスを噴射してから、前記活性ガスの流速と、該燃料噴射弁と該不活性物質噴射弁との距離とに基づいて定まる所定時間後に不活性物質を噴射することを特徴とする２サイクルエンジン。
2. 前記燃料噴射弁と前記不活性物質噴射弁とは、互いの噴射軸が交差するまたは平行となるように配置され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. 前記排気ガスにおける窒素酸化物の含有量または温度を検出する検出部をさらに備え、
   前記不活性物質噴射弁は、前記検出部が検出した前記窒素酸化物の含有量または温度が所定の閾値を超えると、不活性物質を噴射することを特徴とする請求項１または２に記載の２サイクルエンジン。
4. 前記不活性物質は、不活性ガス、水蒸気、または、水であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の２サイクルエンジン。

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