JP5820185B2 - 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、燃料ガス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、燃料ガスを燃焼室内に噴射するためには、より高い圧力で燃料ガスを噴射するための高出力の昇圧装置が必要となる。

また、通常、燃料ガス噴射ポートは、エンジンの最大負荷が確保されるガス量を噴射できるように、その仕様（噴口の大きさ等）が決定されている。しかしながら、負荷変動によってシリンダの内部に噴射すべき単位時間当たりの燃料ガス噴射量が減少すると、燃料ガス噴射ポートから噴射される燃料ガスの勢いが衰え、その噴出長さ（以下、ペネトレーションと称する場合がある）が低下する。

ペネトレーションが低下すると、燃料ガスの濃淡分布が大きくなり、安定燃焼に必要な燃料ガスと空気との均一混合気を形成することが困難となる。他方、当該負荷変動後においても圧力等をかけてペネトレーションを維持させると、早期に燃料ガス噴射が終了してしまうこととなり、十分な混合時間が確保できず、同様に、均一な混合気を形成することが困難となる。

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ガスを直噴でき、且つ、負荷変動によっても均一な混合気を形成できる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側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側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に、上記シリンダの内部への燃料ガスの噴射を開始する燃料ガス噴射ポートと、を有し、上記燃料ガス噴射ポートは、複数設けられており、上記複数の燃料ガス噴射ポートのそれぞれに対応して設けられ、該対応する燃料ガス噴射ポートにおいて上記噴射が可能な開放状態あるいは上記噴射が不可な閉塞状態とさせる複数の開閉部と、上記シリンダの内部に噴射すべき単位時間当たりの燃料ガス噴射量に基づいて、上記複数の開閉部の駆動をそれぞれ独立して制御する開閉部駆動制御装置と、を有する２サイクルエンジンを採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、シリンダの内部における排気ガスの排気が完了する前の低圧状態で、燃料ガスの噴射を開始させる。これにより、従来よりも低圧で、燃料ガスを燃焼室内に噴射することができる。また、本発明は、排気が完了する前、すなわち、空気の流れがある中で燃料ガスの噴射を開始することから、安定燃焼のために、均一な混合気の形成がより重要となる。そこで、本発明では、燃料ガス噴射ポートを複数設け、通常、負荷変動によって燃料ガス噴射ポートの一つ当りの燃料ガス噴射量が減少するところ、開放状態にある燃料ガス噴射ポートの数を減ずる等することにより、燃料ガス噴射ポートの一つ当りの燃料ガス噴射量を増加（確保）させることができる。これにより、低負荷時等、燃料ガス噴射量が少ない場合でも、ペネトレーション長さ及びその長さを維持できる時間を十分に確保することができ、均一な混合気を得ることができる。

また、本発明においては、上記開閉部駆動制御装置は、上記燃料ガス噴射量が第１燃料ガス噴射量から該第１燃料ガス噴射量と異なる第２燃料ガス噴射量に変化したときに、その変化の比率に応じた数で上記燃料ガス噴射ポートを上記開放状態とさせるよう上記制御を行う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、本発明では、燃料ガス噴射量の変化の比率に応じた数で燃料ガス噴射ポートが開放状態となるため、燃料ガス噴射ポートの一つ当りのペネトレーションが負荷の高低やガス量の大小に左右されずに略同一となり、シリンダの内部に形成される混合気の均一性が確保される。

また、本発明においては、上記燃料ガス噴射ポートは、上記シリンダの内周面に沿う周方向に間隔をあけて複数設けられており、上記開閉部駆動制御装置は、上記開放状態となる上記燃料ガス噴射ポートが上記周方向において等間隔の位置関係を有するように上記制御を行う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、本発明では、開放状態にある燃料ガス噴射ポートの数を減じた場合であっても、シリンダの内周面から周方向において常に等間隔で燃料ガスが噴射されるため、シリンダの内部に形成される混合気の均一性が確保される。

したがって、本発明によれば、高い圧力をかけずにシリンダの内部に燃料ガスを直噴でき、且つ、負荷変動によっても均一な混合気を形成できる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サイクルエンジンの全体構成を示す図である。 本発明の実施形態における燃料ガス噴射ポートの配置及び燃料噴射制御装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態におけるガス噴射弁の構成を示す図である。 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（リフト量、開口面積等）との対応関係を示すグラフである。 本発明の実施形態における２サイクルエンジンにおいて負荷変動が生じた場合の各燃料ガス噴射ポートの状態について説明するための図である。 本発明の実施形態における２サイクルエンジンにおいて負荷変動が生じた場合の各ガス噴射弁の弁リフト量と時間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サイクルエンジンの全体構成を示す図である。
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（長さ方向一端側）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、不図示の排気主管を通って外部に排気される。

シリンダ２の下部（長さ方向他端側）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には、例えば、不図示の空気冷却器を通過した空気が圧送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、燃料ガス噴射ポート１３が設けられている。燃料ガス噴射ポート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。燃料ガス噴射ポート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、それぞれがガス噴射弁（開閉部）１４を有する。ガス噴射弁１４は、燃料噴射制御装置（開閉部駆動制御装置）１５からの指令を受け、燃料ガス噴射ポート１３を開放あるいは閉塞させ、燃料ガスの噴射、噴射停止を行う構成となっている。なお、燃料ガス噴射ポート１３は、２サイクルエンジンの最大負荷が確保されるガス量を噴射できるように、その噴口の大きさと数が決定されている。

図２は、本発明の実施形態における燃料ガス噴射ポート１３の配置及び燃料噴射制御装置１５の構成を示す図である。図３は、本発明の実施形態におけるガス噴射弁１４の構成を示す図である。
図２に示すように、燃料ガス噴射ポート１３は、シリンダ２の内周面に沿う周方向に間隔をあけて複数設けられている。本実施形態では、燃料ガス噴射ポート１３が計８つ（燃料ガス噴射ポート１３Ａ〜１３Ｈ）で設けられ、シリンダ２の内周面に沿う周方向において等間隔（４５°間隔）で配置されている。ガス噴射弁１４は、複数の燃料ガス噴射ポート１３Ａ〜１３Ｈのそれぞれに対応して設けられ、本実施形態では計８つ（ガス噴射弁１４Ａ〜１４Ｈ）で設けられている。

図３に示すように、本実施形態のガス噴射弁１４は、油圧式のポペットバルブ構造を採用している。なお、ガス噴射弁１４としては、他の構造、例えばニードルバルブ構造等を採用しても良い。
ガス噴射弁１４の開動作は、本体２０に形成された作動油圧孔２１より油圧を与えて、ピストン２２を動かし、コイルバネ２３の付勢に抗して弁２４を開くことにより行う。弁２４が開くと、燃料ガス噴射ポート１３が開放され、ガス通路２５に圧送されてくる燃料ガスがシリンダ２の内部に噴射される。

一方、ガス噴射弁１４の閉動作は、作動油圧孔２１における作動油圧を取り去り、コイルバネ２３の付勢によりピストン２２を押し返し、弁２４を閉じることより行う。弁２４が閉じると、弁座シート部２６及び弁フェイス２７によって燃料ガスはシールされるため、燃料ガス噴射ポート１３が閉塞され、ガス通路２５に圧送されてくる燃料ガスがシリンダ２の内部に噴射されなくなる。
なお、符号２８は、ピストン２２がある程度移動すると開口する作動油戻孔であり、符号２９は、コイルバネ２３側にリークした作動油を回収するリーク油回収孔である。

図２に戻り、燃料噴射制御装置１５は、ガス噴射弁１４Ａ〜１４Ｈの駆動をそれぞれ独立して制御する構成となっている。本実施形態の燃料噴射制御装置１５は、ガス噴射弁１４Ａ〜１４Ｈに作動油Ｘを供給する作動油供給配管系３０に設けられた複数の電磁弁３１とそれぞれ電気的に接続されている。本実施形態の電磁弁３１は、複数のガス噴射弁１４Ａ〜１４Ｈのそれぞれに対応して設けられ、本実施形態では不図示であるが計８つで設けられている。

作動油供給配管系３０は、油圧ポンプ３０ａを電動機３０ｂで駆動させることで、作動油Ｘを圧送する構成となっている。作動油供給配管系３０は、ガス噴射弁１４Ａ〜１４Ｈに作動油Ｘを分岐して供給する作動油供給配管３３ａと、ガス噴射弁１４Ａ〜１４Ｈに分岐して供給された作動油Ｘを合流して回収する作動油回収配管３３ｂとを有する。ガス噴射弁１４Ａ〜１４Ｈにはそれぞれ、作動油圧孔２１に接続された作動油圧孔接続配管３３ｃと、作動油戻孔２８に接続された作動油戻孔接続配管３３ｄとが設けられている。

電磁弁３１は、作動油供給配管３３ａを作動油圧孔接続配管３３ｃに接続させると共に作動油回収配管３３ｂを作動油戻孔接続配管３３ｄに接続させる第１モードと、作動油供給配管３３ａを非接続状態とさせると共に作動油回収配管３３ｂを作動油圧孔接続配管３３ｃと作動油戻孔接続配管３３ｄとに接続させる第２モードと、に切り替え可能に構成されている。

したがって、電磁弁３１が第１モードのときは、作動油Ｘが作動油供給配管３３ａから作動油圧孔接続配管３３ｃに作動油Ｘが供給され、ガス噴射弁１４が開動作を行い、燃料ガス噴射ポート１３が開放されて、燃料ガスが噴射する。また、電磁弁３１が第２モードのときは、作動油Ｘが作動油圧孔接続配管３３ｃに供給されず、ガス噴射弁１４が閉動作を行い、燃料ガス噴射ポート１３が閉塞されて、燃料ガスの噴射が停止する。

図１に戻り、燃料噴射制御装置１５は、ガバナー（調速機）１６から燃料ガス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、シリンダ２の内部に噴射すべき単位時間当たりの燃料ガス噴射量（エンジンの１サイクル当りの燃料ガス噴射量）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、所定の燃料ガス噴射量を、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。

次に、図４及び図５を参照して、燃料噴射制御装置１５の制御の下に行われる燃料噴射動作について説明する。
図４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５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４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４（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は閉塞されており、シリンダ２の内部が排気ガス層Ａで満たされている。
図４（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４（ｂ）及び図５参照）。

図４（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により閉塞されていた掃気ポート９が開放される（ステップＳ２：図４（ｃ）及び図５参照）。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４（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、燃料ガス噴射ポート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によってガス噴射弁１４が駆動し、燃料ガス噴射ポート１３からの、燃料ガスの噴射が開始される（図４（ｅ）及び図５参照）。
この時、排気ポート６及び掃気ポート９が開放されて排気中であるため、シリンダ２の内部は、低圧である。したがって、燃料ガス噴射ポート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。

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が燃料ガス噴射ポート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が燃料ガス噴射ポート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４（ｅ）参照）。具体的な作用としては、燃料ガス噴射ポート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５参照）。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４（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４（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４（ｇ）及び図５参照）。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４（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４（ｈ）及び図５参照）。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によってガス噴射弁１４が閉じられて、燃料噴射が終了する（図４（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４（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。

続いて、図６及び図７を参照して、上記２サイクルエンジンにおいて負荷変動が生じた場合に、燃料噴射制御装置１５の制御の下に行われるガス噴射弁１４Ａ〜１４Ｈの動作について説明する。
図６は、本発明の実施形態における２サイクルエンジンにおいて負荷変動が生じた場合の各燃料ガス噴射ポート１３の状態について説明するための図である。図７は、本発明の実施形態における２サイクルエンジンにおいて負荷変動が生じた場合の各ガス噴射弁１４の弁リフト量と時間との対応関係を示すグラフである。なお、図６（ａ）〜（ｃ）と図７（ａ）〜（ｃ）とはそれぞれ対応しており、図６（ａ）及び図７（ａ）は高負荷時を示し、図６（ｂ）及び図７（ｂ）は部分負荷時（中負荷時）を示し、図６（ｃ）及び図７（ｃ）は低負荷時を示す。

図６（ａ）に示す高負荷時（例えば最大負荷の７０％〜８０％程度の通常運転時の負荷）、燃料噴射制御装置１５は、当該高負荷時におけるシリンダ２の内部に噴射すべき単位時間当りの所定の燃料ガス噴射量（第１燃料ガス噴射量）に基づいて、複数のガス噴射弁１４の駆動をそれぞれ独立して制御する。本実施形態の燃料噴射制御装置１５は、高負荷時、全てのガス噴射弁１４Ａ〜１４Ｈを駆動させて、対応する全ての燃料ガス噴射ポート１３Ａ〜１３Ｈにおいて上述のタイミングでの燃料噴射動作が可能な開放状態とさせる制御を行う。

図７（ａ）に示すように、負荷に対する燃料ガス噴射量は、通常、１サイクル当りのガス弁噴射時間Ｔで制御される。ガス弁噴射時間Ｔには、弁全開時間ｔと、弁開時間ｔ_ｏと、弁閉時間ｔ_ｃとが含まれる。すなわち、ガス噴射弁１４の開閉動作は、所定の質量を持つ弁２４の動きで行われるため、ガス弁噴射時間Ｔには、ガス流量が不十分で、十分なペネトレーション（燃料ガス噴出長さ）が確保できない弁開時間ｔ_ｏと弁閉時間ｔ_ｃとが含まれる。したがって、混合気（予混合気層Ｃ）の均一性を確保する上では、十分なペネトレーションが確保できる弁全開時間ｔが長いほど好ましい。

図６（ｂ）に示す部分負荷時（ここでは、高負荷時を１００％とするとその５０％の負荷時を意味する）、燃料噴射制御装置１５は、当該部分負荷時における燃料ガス噴射量に基づいて、複数のガス噴射弁１４の駆動をそれぞれ独立して制御する。本実施形態の燃料噴射制御装置１５は、部分負荷時、ガス噴射弁１４Ａ、１４Ｃ、１４Ｅ、１４Ｇを駆動させて、対応する燃料ガス噴射ポート１３Ａ、１３Ｃ、１３Ｅ、１３Ｇにおいて上述のタイミングでの燃料噴射動作が可能な開放状態とさせる制御を行う一方で、ガス噴射弁１４Ｂ、１４Ｄ、１４Ｆ、１４Ｈの駆動を停止させて、対応する燃料ガス噴射ポート１３Ｂ、１３Ｄ、１３Ｆ、１３Ｈにおいて上述のタイミングでの燃料噴射動作が不可な閉塞状態とさせる制御を行う。

図７（ｂ）に示すように、負荷変動が生じた場合でも、弁開時間ｔ_ｏと弁閉時間ｔ_ｃとは、ガス弁噴射時間Ｔの長さにかかわらず同じである。ここで、高負荷（１００％）から部分負荷（５０％）にエンジンの負荷が変動すると、それに伴い燃料ガス噴射量も第１燃料ガス噴射量（１００％）から第２燃料ガス噴射量（５０％）に変化する。このため、高負荷時と同様に、全てのガス噴射弁１４Ａ〜１４Ｈを駆動させて、対応する全ての燃料ガス噴射ポート１３Ａ〜１３Ｈを開放状態とした場合のガス弁噴射時間Ｔ（図７（ｂ）において点線で示す）は、高負荷時と比べて相対的に短くなる。

そうすると、部分負荷時では、ガス弁噴射時間Ｔにおける弁開時間ｔ_ｏ及び弁閉時間ｔ_ｃが占める割合が大きくなり、十分な混合時間（弁全開時間ｔ）が確保できず、均一な混合気を形成することが困難となる。一方で、ガス弁噴射時間Ｔを確保しようとして、燃料ガス供給圧力を小さくする等して、燃料ガス噴射ポート１３の一つ当りの燃料ガス噴射量（ガス流量）を減少させると、燃料ガスの勢いが衰えペネトレーションが短く（例えば半分に）なり、シリンダ２の内周面近傍の燃料ガス濃度が大きく、シリンダ２の中心部の燃料ガス濃度が小さくなる等、燃料ガスの濃淡分布が大きくなって、同様に、均一混合気を形成することが困難となる。また、本実施形態では、図４に示すように排気が完了する前、すなわち、空気の流れがある中で燃料ガスの噴射を開始することから、安定燃焼のためには、均一な混合気の形成がより重要となる。

そこで、本実施形態では、燃料噴射制御装置１５によって、燃料ガス負荷変動が生じた場合には、その燃料ガス噴射量に基づいて、上述のタイミングでの燃料噴射動作を行う燃料ガス噴射ポート１３の数を減ずるように制御することとしている。これにより、燃料ガス噴射ポート１３のガス弁噴射時間Ｔ´（図７（ｂ）において実線で示す）を出来るだけ長くして、しかも全体としての燃料ガス噴射量を減少させることができる。また、開放状態となる燃料ガス噴射ポート１３の数を減ずることにより、燃料ガス噴射ポート１３の一つ当りの燃料ガス噴射量を増加（確保）させることができる。したがって、燃料ガス噴射量が少なくなった場合でも、ペネトレーションの長さ及びその長さを維持できる弁全開時間ｔ´を十分に確保することができ、結果、均一な混合気を得ることができる。

また、図６（ｃ）に示す低負荷時（ここでは、高負荷時を１００％とするとその２５％の負荷時を意味する）、燃料噴射制御装置１５は、当該低負荷時における燃料ガス噴射量に基づいて、複数のガス噴射弁１４の駆動をそれぞれ独立して制御する。本実施形態の燃料噴射制御装置１５は、低負荷時、ガス噴射弁１４Ａ、１４Ｅを駆動させて、対応する燃料ガス噴射ポート１３Ａ、１３Ｅにおいて上述のタイミングでの燃料噴射動作が可能な開放状態とさせる制御を行う一方で、ガス噴射弁１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ、１４Ｆ、１４Ｇ、１４Ｈの駆動を停止させて、対応する燃料ガス噴射ポート１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｆ、１３Ｇ、１３Ｈにおいて上述のタイミングでの燃料噴射動作が不可な閉塞状態とさせる制御を行う。

高負荷（１００％）から低負荷（２５％）にエンジンの負荷が変動すると、それに伴い燃料ガス噴射量も第１燃料ガス噴射量（１００％）から第２燃料ガス噴射量（２５％）に変化する。この低負荷時においても、部分負荷時と同様に、燃料噴射制御装置１５によって、その燃料ガス噴射量に基づいて、上述のタイミングでの燃料噴射動作を行う燃料ガス噴射ポート１３の数を減ずるように制御することによって、図７（ｃ）に示すように、燃料ガス噴射ポート１３のガス弁噴射時間Ｔ´´を出来るだけ長くして、しかも全体としての燃料ガス噴射量を減少させることができる。また、ペネトレーションの長さ及びその長さを維持できる弁全開時間ｔ´´を十分に確保することができ、結果、均一な混合気を得ることができる。

本実施形態の燃料噴射制御装置１５は、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示すように、燃料ガス噴射量が第１燃料ガス噴射量から該第１燃料ガス噴射量と異なる第２燃料ガス噴射量に変化したときに、その変化の比率に応じた数で、燃料ガス噴射ポート１３を開放状態とさせるよう制御を行う構成となっている。すなわち、図６（ｂ）に示す部分負荷時には、第１燃料ガス噴射量（１００％）から第２燃料ガス噴射量（５０％）に変化するが、その変化の比率（２分の１）に応じた数である４つ（８つの２分の１）の燃料ガス噴射ポート１３を開放状態とさせるよう制御を行う。また、図６（ｃ）に示す低負荷時には、第１燃料ガス噴射量（１００％）から第２燃料ガス噴射量（２５％）に変化するが、その変化の比率（４分の１）に応じた数である２つ（８つの４分の１）の燃料ガス噴射ポート１３を開放状態とさせるよう制御を行う。

この構成によれば、燃料ガス噴射量の変化の比率に応じた数で燃料ガス噴射ポート１３が開放状態となるため、燃料ガス噴射ポート１３の一つ当りのペネトレーションが負荷の高低やガス量の大小に左右されずに略同一となり、シリンダ２の内部に形成される混合気の均一性が確保される。すなわち、各燃料ガス噴射ポート１３が上流側で合流等しており、所定の燃料ガス供給圧力を共通して受けている場合、部分負荷時には燃料ガス噴射量と共に燃料ガス供給圧力も小さく（例えば２分の１に）なるが、その変化の比率に応じて開放状態となる燃料ガス噴射ポート１３の数が２分の１になることから、閉塞状態となる燃料ガス噴射ポート１３の分の圧力が、開放状態となる燃料ガス噴射ポート１３の圧力に加算され、燃料ガス噴射ポート１３の一つ当りの圧力が確保されるので、ペネトレーションが負荷の高低やガス量の大小に左右されず略同一に維持されることとなる。

また、本実施形態の燃料噴射制御装置１５は、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示すように、開放状態となる燃料ガス噴射ポート１３の数を減じた場合であっても、当該開放状態となる燃料ガス噴射ポート１３がシリンダ２の内周面の周方向において等間隔の位置関係を有するよう制御を行う構成となっている。すなわち、図６（ｂ）に示す部分負荷時には、燃料ガス噴射ポート１３を、一つ置きの９０°間隔で開放状態とさせるよう制御を行う。また、図６（ｃ）に示す低負荷時には、燃料ガス噴射ポート１３を、三つ置きの１８０°間隔で開放状態とさせるよう制御を行う。
この構成によれば、シリンダ２の内周面から周方向において常に等間隔で燃料ガスが噴射されるため、負荷変動によって開放状態にある燃料ガス噴射ポート１３の数を減じた場合であっても、シリンダ２の内部に形成される混合気の均一性を確保することができる。

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、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に、シリンダ２の内部への燃料ガスの噴射を開始する燃料ガス噴射ポート１３と、を有し、燃料ガス噴射ポート１３は、複数設けられており、複数の燃料ガス噴射ポート１３のそれぞれに対応して設けられ、該対応する燃料ガス噴射ポート１３において上記噴射が可能な開放状態あるいは上記噴射が不可な閉塞状態とさせる複数のガス噴射弁１４と、シリンダ２の内部に噴射すべき単位時間当たりの燃料ガス噴射量に基づいて、複数のガス噴射弁１４の駆動をそれぞれ独立して制御する燃料噴射制御装置１５と、を有するユニフロー型２サイクルガスエンジン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の低圧状態で、燃料ガスの噴射を開始させて、従来よりも低圧で、燃料ガスを燃焼室内に噴射させると共に、部分負荷時や低負荷時等、燃料ガス噴射量が少ない場合でも、ペネトレーション長さ及びその長さを維持できる時間を十分に確保して、均一な混合気を得ることができる。
したがって、本実施形態によれば、高い圧力をかけずにシリンダ２の内部に燃料ガスを直噴でき、且つ、負荷変動によっても均一な混合気を形成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、上述のタイミングでの燃料噴射動作を実行させる燃料噴射制御系と、上述のタイミングでの燃料噴射動作を可能あるいは不可とさせる開閉部駆動制御系とを別個に分けて設けてもよいが、上記実施形態のように、開閉部をガス噴射弁１４とし、開閉部駆動制御装置を燃料噴射制御装置１５として、燃料噴射制御系と開閉部駆動制御系とを装置構成として共通化することにより、装置構成の簡略化、部品点数の削減等を図ることができる。

また、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、燃料ガス噴射ポート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、燃料ガス噴射ポート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、燃料ガス噴射ポート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、燃料ガス噴射ポート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ガス噴射ポート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、ＬＮＧを用いたガス燃料を噴射する形態について説明したが、本発明は他のガス燃料、例えばＬＰＧ（液化石油ガス）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、９…掃気ポート、１３…燃料ガス噴射ポート、１４…ガス噴射弁（開閉部）、１５…燃料噴射制御装置（開閉部駆動制御装置）、３０…作動油供給配管系、３１…電磁弁

Claims (2)

1. シリンダの長さ方向一端側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側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に、前記シリンダの内部への燃料ガスの噴射を開始する燃料ガス噴射ポートと、を有し、
   前記燃料ガス噴射ポートは、前記シリンダの内周面に沿う周方向に間隔をあけて複数設けられており、
   前記複数の燃料ガス噴射ポートのそれぞれに対応して設けられ、該対応する燃料ガス噴射ポートにおいて前記噴射が可能な開放状態あるいは前記噴射が不可な閉塞状態とさせる複数の開閉部と、
   前記シリンダの内部に噴射すべき単位時間当たりの燃料ガス噴射量に基づいて、前記複数の開閉部の駆動をそれぞれ独立して制御する開閉部駆動制御装置と、を有し、
   前記開閉部駆動制御装置は、前記開放状態となる前記燃料ガス噴射ポートが前記周方向において等間隔の位置関係を有するように前記制御を行うことを特徴とする２サイクルエンジン。
2. 前記開閉部駆動制御装置は、前記燃料ガス噴射量が第１燃料ガス噴射量から該第１燃料ガス噴射量と異なる第２燃料ガス噴射量に変化したときに、その変化の比率に応じた数で前記燃料ガス噴射ポートを前記開放状態とさせるよう前記制御を行う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。

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