JP6003288B2 - ユニフロー掃気式２サイクルエンジン - Google Patents

Description

本発明は、掃気ポートから吸入された活性ガスに燃料ガスを噴射して生成される予混合気を燃焼させるユニフロー掃気式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ユニフロー掃気式２サイクルエンジン（２ストロークエンジン）は、シリンダにおけるピストンのストローク方向一端部に排気ポートが設けられ、シリンダにおけるピストンのストローク方向他端部側に掃気ポートが設けられている。そして、吸気（給気）行程において掃気ポートから燃焼室に活性ガスが吸入されると、燃焼作用によって生じた排気ガスが、吸入される活性ガスによって排気ポートから押し出されるようにして排気される。このとき、吸入された活性ガスに燃料ガスを噴射して予混合気を生成し、当該生成された予混合気を圧縮することにより燃焼作用が得られ、この燃焼作用によって生じる爆発圧力によってピストンがシリンダ内で往復運動することとなる。

こうしたユニフロー掃気式２サイクルエンジンにおいては、例えば、特許文献１、２に示されるように、排気ポートを開閉する排気弁が設けられており、エンジンの負荷状況や運転状況に応じて、排気弁の開弁タイミングや閉弁タイミングが制御される。排気行程において確実に排気ガスを排出して、排気ガスの滞留をなくすことを考慮すると、排気弁は早期に開弁することが望ましいが、一方で、排気弁の開弁タイミングを早くすると、シリンダ内の圧力が低下してしまい、エンジン出力が低下してしまう。したがって、エンジン効率を考慮した場合には、排気弁の開閉制御において、シリンダ内に排気ガスが滞留することがない範囲で、排気弁の開弁タイミングを極力遅くすることが望ましい。

特開平０３−０６１６１１号公報 特公平０６−０３５８３０号公報

しかしながら、上記のようにして排気弁の開弁タイミングを遅らせると、シリンダ内に排気ガスが滞留する時間が長くなり、場合によっては、掃気ポートを介してシリンダ外部に排気ガスが排出される、所謂ブローバックが生じる可能性がある。このようにしてブローバックが生じると、掃気ポートから一旦排出された排気ガスが、再度掃気ポートから吸入される等して、シリンダ内に吸入される活性ガスの量が低下する。燃焼作用によって生じた排気ガスは、掃気ポートから吸入される活性ガスに比べて極めて高温であるが、低温の活性ガスの吸入量が低下したり、高温の排気ガスの滞留量が増加したりすると、ピストン端面の温度が高くなって、ノッキングや過早着火等の異常燃焼が生じて正常な運転が困難になるおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑み、異常燃焼を回避して常時正常な運転を可能とするユニフロー掃気式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、本発明のユニフロー掃気式２サイクルエンジンは、内部に燃焼室が形成されるシリンダと、シリンダ内を摺動するピストンと、シリンダにおけるピストンのストローク方向一端部に設けられ、燃焼室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、排気ポートを開閉する排気弁と、排気弁を駆動して排気ポートを開弁もしくは閉弁させる排気制御部と、シリンダにおけるピストン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燃焼室に活性ガスを吸入する掃気ポートと、掃気ポートから燃焼室に吸入された活性ガスに燃料ガスを噴射して予混合気を生成する燃料噴射弁と、を備えたユニフロー掃気式２サイクルエンジンにおいて、シリンダの外周面のうち、掃気ポートの上方に配され、予混合気の燃焼作用によって生じた排気ガスが、掃気ポートを介してシリンダ外部に排出されるブローバックを検知するブローバック検知部をさらに備え、排気制御部は、ブローバック検知部によってブローバックが検知された場合に、ブローバックが検知されていない場合よりも、排気弁の開弁タイミングを早くすることを特徴とする。

本発明のユニフロー掃気式２サイクルエンジンによれば、異常燃焼を回避して常時正常な運転が可能となる。

ユニフロー掃気式２サイクルエンジンの全体構成を示す説明図である。 各制御部の動作を示す説明図である。 排気制御部による制御を説明するフローチャートである。

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、本明細書および図面において、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。

図１は、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００の全体構成を示す説明図である。本実施形態のユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００は、例えば、船舶等に用いられる。具体的に、ユニフロー掃気式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、ロータリエンコーダ１３０と、ブローバック検知部１３２と、燃焼室１４０とを含んで構成され、ガバナー（調速機）１５０、燃料噴射制御部１５２、排気制御部１５４等の制御部によって制御される。

ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００では、吸気（給気）、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に受けさせることが可能なので、ユニフロー掃気式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とに囲繞された燃焼室１４０の熱で自然着火し、僅かな時間で燃焼して、燃焼室１４０の温度を極めて高くするので、燃料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におけるピストン１１２のストローク方向の一端側、すなわち、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１１０におけるピストン１１２のストローク方向の他端側の内周面（シリンダブロック１１０ｂ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（排気ポート１１６と掃気ポート１２２との間）において、略周方向（厳密な周方向のみならず、ストローク方向への変位を許容する）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、各燃料噴射ポート１２６内に配置され、燃料噴射制御部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。

ロータリエンコーダ１３０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。

ブローバック検知部１３２は、掃気室１２４に設けられ、燃焼行程において燃焼室１４０（シリンダ１１０内）で生成された排気ガスが、掃気ポート１２２を介して掃気室１２４（シリンダ１１０の外部）に排出されるブローバックの発生有無を検知する。具体的には、ブローバック検知部１３２は、ＣＯ_２センサ、ＮＯｘセンサ等、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）で生成される排気ガス中の成分を検知することで、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）から掃気室１２４へのブローバックの有無を検知する。

なお、ブローバック検知部１３２は、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）から掃気室１２４への排気ガスの流入を検知することができれば、その具体的な構成は特に限定されるものではない。燃焼室１４０（シリンダ１１０内）で生成される排気ガスの温度は、掃気室１２４から燃焼室１４０（シリンダ１１０内）に吸入される活性ガスよりも高温であるため、掃気室１２４内の温度を検知する温度センサによってブローバック検知部１３２を構成することも可能である。

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１３０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、燃料噴射制御部１５２に出力する。

燃料噴射制御部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１３０からのクランク角度信号に基づいて、燃料噴射弁１２８を制御する。

排気制御部１５４は、燃料噴射制御部１５２からの燃料噴射量にかかる信号、ロータリエンコーダ１３０からのクランク角度信号、および、ブローバック検知部１３２からのブローバック検知信号に基づいて、排気弁駆動装置１１８に排気弁操作信号を出力する。以下、上述したユニフロー掃気式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。

図２は、各制御部の動作を示す説明図である。図２（ａ）は、エンジンの所定の運転状況下における各制御部の動作を示しており、図２（ｂ）は、図２（ａ）と同一のエンジンの運転状況下においてブローバックが検知された場合の各制御部の動作を示している。図２（ａ）に示すように、燃焼行程後の排気行程では、排気ポート１１６および掃気ポート１２２が閉塞状態にあり、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）には排気ガスが充満している。

燃焼室１４０の燃焼作用によって生じる爆発圧力により、ピストン１１２が下降し下死点に近づくと、排気制御部１５４は排気弁駆動装置１１８を通じて排気弁１２０を開弁し、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（図２（ａ）に示すｔ１）。すると、掃気ポート１２２から活性ガスが吸入され、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、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）の排気ガスを排気ポート１１６から押し出す。

そして、ピストン１１２が下死点から上死点に向けて上昇する圧縮行程では、掃気ポート１２２が閉口され、活性ガスの吸入が停止される。このとき、排気制御部１５４は、排気弁１２０を開弁状態に維持しており、ピストン１１２の上昇によって、引き続き、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）の排気ガスは、排気ポート１１６から排出される。この間、燃料噴射制御部１５２は、ガバナー１５０から入力された燃料噴射量を示す情報や、ロータリエンコーダ１３０からのクランク角度信号によって導出されるエンジン回転数等に基づいて、燃料噴射弁１２８からシリンダ１１０内に燃料ガスを噴射する。

これにより、掃気ポート１２２から吸入された活性ガスに燃料ガスが噴射され、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）に予混合気が生成される。その後、さらにピストン１１２が上昇して、燃料噴射弁１２８よりも上死点に近づくと、排気制御部１５４は、排気弁１２０を閉弁して排気ポート１１６を閉口する（図２（ａ）に示すｔ３）。

このようにして、燃焼室１４０において予混合気が燃焼することにより、上記のとおりに、排気、吸気、圧縮、燃焼行程が繰り返されることとなる。ここで、燃焼行程において、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）に滞留する排気ガスを低減しつつ、１サイクルにおいて最大限にエンジン出力を確保すべく、排気制御部１５４は、掃気ポート１２２が開口するのとほぼ等しいタイミングで、排気弁１２０を開弁制御する。そのため、掃気ポート１２２が開口した際に、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）に滞留する排気ガスが、掃気ポート１２２を介して掃気室１２４に排出される、所謂ブローバックが生じる可能性がある。

ブローバックが生じると、掃気ポート１２２から掃気室１２４に排気ガスが排出されるため、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）への活性ガスの吸入量が低下したり、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）に滞留する排気ガスの量が増加したりする。排気ガスは、活性ガスに比べて極めて高温であるため、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）における排気ガスの相対量が増加すると、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）が高温になり過ぎてしまい、ピストン１１２の端面の温度が高くなって、ノッキングや過早着火等の異常燃焼が生じるおそれがある。

そこで、本実施形態においては、吸気（給気）行程で、ブローバック検知部１３２によってブローバックが検知された場合に、図２（ｂ）に示すように、次の排気行程において、排気制御部１５４が、排気弁１２０の開弁タイミングを早めるように制御する。より詳細に説明すると、図２（ａ）および図２（ｂ）において、エンジンの負荷状況（運転状況）が一定であれば、排気制御部１５４は、本来、ピストン１１２がａ１位置に到達したところで、排気弁１２０を開弁制御する。

しかしながら、ブローバック検知部１３２によってブローバックが検知された場合には、排気制御部１５４は、ピストン１１２がａ１位置よりも、距離Ｌだけ、上死点側にあるａ２位置に到達したところで、排気弁１２０を開弁制御する。つまり、排気制御部１５４は、ブローバック検知部１３２によってブローバックが検知された場合には、ブローバックが検知されていない場合よりも、排気弁１２０の開弁タイミングを、距離Ｌ分だけ早く制御することとなる。

このように、ブローバックが検知された場合に、排気弁１２０の開弁タイミングを早めれば、掃気ポート１２２の開口時に、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）の圧力が低下し、本来、吸入すべき量の活性ガスを、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）に吸入させることができる。これにより、以後のブローバックを回避することができ、エンジンの正常な運転を確保することができる。また、ブローバックの検知時において、通常よりも活性ガスの吸入量を増加させることで、一度上昇した燃焼室１４０（シリンダ１１０内）の温度を低下させることができ、継続的にブローバックが生じてしまう事態を確実に回避することができる。以下に、上記の排気制御部１５４の具体的な制御について説明する。

図３は、排気制御部１５４による制御を説明するフローチャートである。なお、この図３に示す処理は、ロータリエンコーダ１３０から入力される信号に基づき、ピストン１１２が上死点位置に到達したと判断した場合に開始される。

（ステップＳ２０１）
排気制御部１５４は、燃料噴射制御部１５２から入力される燃料噴射量にかかる情報に基づいて、予め記憶されている運転状況マップを参照して、排気弁１２０を開弁するタイミングとなるピストン１１２の位置（以下、単に開弁位置という）、および、排気弁１２０を閉弁するタイミングとなるピストン１１２の位置（以下、単に閉弁位置という）を導出する。なお、詳しい説明は省略するが、運転状況マップには、燃料噴射量（エンジンの負荷状況）に応じて、排気弁１２０を開閉するタイミング、すなわち、排気弁駆動装置１１８に対して開弁制御および閉弁制御を開始する際のピストン１１２の位置が記憶されている。燃料噴射制御部１５２が燃料噴射制御を行うと、噴射した燃料噴射量にかかる情報が排気制御部１５４に出力され、排気制御部１５４は、入力された情報を一時的に記憶する。そして、ピストン１１２が上死点位置に到達すると、記憶している燃料噴射量にかかる情報に基づいて、運転状況マップを参照して、開弁位置および閉弁位置を導出する。

（ステップＳ２０２）
次に、排気制御部１５４は、ブローバック検知部１３２からブローバック検知信号が入力されているかを判定する。その結果、ブローバック検知信号が入力されていると判定した場合にはステップＳ２０４に処理を移し、ブローバック検知信号は入力されていないと判定した場合にはステップＳ２０３に処理を移す。

（ステップＳ２０３）
上記ステップＳ２０２においてブローバック検知信号は入力されていないと判定した場合には、排気制御部１５４は、ロータリエンコーダ１３０から入力される検知信号に基づいて、ピストン１１２が、上記ステップＳ２０１で導出した開弁位置に到達したか否かを判定する。そして、ピストン１１２が開弁位置に到達するまで待機するとともに、ピストン１１２が開弁位置に到達したと判定したところで、ステップＳ２０５に処理を移す。

（ステップＳ２０４）
一方、上記ステップＳ２０２においてブローバック検知信号が入力されていると判定した場合には、排気制御部１５４は、ロータリエンコーダ１３０から入力される検知信号に基づいて、ピストン１１２が、上記ステップＳ２０１で導出した開弁位置よりも、距離Ｌだけ上死点側の位置に到達したか否かを判定する。そして、ピストン１１２が、開弁位置よりも距離Ｌだけ上死点側の位置に到達するまで待機するとともに、ピストン１１２が開弁位置よりも距離Ｌだけ上死点側の位置に到達したと判定したところで、ステップＳ２０５に処理を移す。

（ステップＳ２０５）
ステップＳ２０５において、排気制御部１５４は、排気弁駆動装置１１８を制御して、排気弁１２０を開弁制御する。これにより、ブローバックが検知されていない場合には、運転状況マップに規定されたタイミングで排気弁１２０が開弁し、ブローバックが検知されている場合には、運転状況マップに規定されたタイミングよりも早いタイミングで、排気弁１２０が開弁することとなる。

（ステップＳ２０６）
次に、排気制御部１５４は、ロータリエンコーダ１３０から入力される検知信号に基づいて、ピストン１１２が、上記ステップＳ２０１で導出した閉弁位置に到達したか否かを判定する。そして、ピストン１１２が閉弁位置に到達するまで待機するとともに、ピストン１１２が閉弁位置に到達したと判定したところで、ステップＳ２０７に処理を移す。

（ステップＳ２０７）
上記ステップＳ２０６において、ピストン１１２が閉弁位置に到達したと判定した場合には、排気制御部１５４は、排気弁駆動装置１１８を制御して、排気弁１２０を閉弁制御する。これにより、運転状況マップに規定されたタイミングで排気弁１２０が閉弁することとなる。

以上のように、ブローバックが検知された場合には、ブローバックが検知されていない場合よりも、排気弁１２０が早く開弁されるので、高温の排気ガスがシリンダ１１０内に滞留するのを回避することができ、よってノッキングや過早着火等の異常燃焼を回避して、正常な運転が可能となる。

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。

例えば、上記実施形態においては、ブローバックが検知された場合には、ブローバックが検知されていない場合よりも、排気弁１２０の開弁位置を、運転状況に拘わらず、距離Ｌだけ移動させることとした。換言すれば、上記実施形態においては、ブローバックが検知された場合に、運転状況とは無関係に、一定のタイミングで排気弁１２０の開弁タイミングを早めることとした。しかしながら、例えば、排気弁１２０の開弁タイミングをどの程度早めるかを、運転状況に応じて予め設定しておき、ブローバックが検知されたときの運転状況に応じて、排気弁１２０の開弁タイミングを制御することとしてもよい。

本発明は、掃気ポートから吸入された活性ガスに燃料ガスを噴射して生成される予混合気を燃焼させるユニフロー掃気式２サイクルエンジンに利用することができる。

１００ …ユニフロー掃気式２サイクルエンジン
１１０ …シリンダ
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 …ブローバック検知部
１４０ …燃焼室
１５４ …排気制御部

Claims (1)

1. 内部に燃焼室が形成されるシリンダと、
   前記シリンダ内を摺動するピストンと、
   前記シリンダにおけるピストンのストローク方向一端部に設けられ、前記燃焼室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、
   前記排気ポートを開閉する排気弁と、
   前記排気弁を駆動して前記排気ポートを開弁もしくは閉弁させる排気制御部と、
   前記シリンダにおけるピストン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前記燃焼室に活性ガスを吸入する掃気ポートと、
   前記掃気ポートから前記燃焼室に吸入された活性ガスに燃料ガスを噴射して予混合気を生成する燃料噴射弁と、を備えたユニフロー掃気式２サイクルエンジンにおいて、
   前記シリンダの外周面のうち、前記掃気ポートの上方に配され、前記予混合気の燃焼作用によって生じた排気ガスが、該掃気ポートを介して該シリンダ外部に排出されるブローバックを検知するブローバック検知部をさらに備え、
   前記排気制御部は、
   前記ブローバック検知部によって前記ブローバックが検知された場合に、前記ブローバックが検知されていない場合よりも、前記排気弁の開弁タイミングを早くすることを特徴とするユニフロー掃気式２サイクルエンジン。

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