JP6061026B2 - 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る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。
本願は、２０１３年５月１０日に日本に出願された特願２０１３−１００５２９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

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）では、シリンダにおけるピストンのストローク方向一端部に掃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排気ポートが設けられている。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、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、燃料ガスと活性ガスの混合が不十分な場合、局所的に燃料ガスの濃度が高くなってしまい、過早着火や未燃ガスの排出等の問題が生じる。そこで、例えば、特許文献１に示されるように、掃気ポートの内壁に連通孔を設け、ノズル管を連通孔から掃気ポートに突出させる。そして、ノズル管から掃気ポート内に燃料ガスを噴射し、活性ガスがシリンダ内に吸入される前に、燃料ガスとの混合を開始することで、シリンダ内における燃料ガスと活性ガスの混合時間を確保する技術が開示されている。

日本国特許第３９０８８５５号公報

しかしながら、上述した特許文献１の構成では、掃気ポートの内壁に連通孔を設ける分、掃気ポートの内壁の強度が低下する。また、掃気ポートが複数設けられている場合、掃気ポートの幅を大きくするため、隣接する掃気ポートの間の隔壁の肉厚が薄くなる。そのため、連通孔を設ける位置によっては、掃気ポートの隔壁の強度が低下することに加え、掃気ポートの隔壁に連通孔を設ける加工すらも困難となる。

本発明は、このような課題に鑑み、掃気ポートから流入する活性ガスに燃料ガスを噴射する構成を、掃気ポートの内壁の強度を低下させることなく、容易な加工で実現することが可能なユニフロー掃気式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、本発明の第一の態様に係るユニフロー掃気式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の一方の端部側に設けられ、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、噴射口がシリンダの外側に位置し、掃気ポートに吸入される活性ガスに燃料ガスを噴射する燃料噴射部と、を備える。

上記第二の態様において、掃気ポートが、ピストンの周方向にそれぞれ離隔して複数設けられ、燃料噴射部の噴射口が、隣り合う掃気ポートの間の隔壁におけるシリンダの径方向外側に位置してもよい。

上記第一または第二の態様において、燃焼噴射部が、燃料ガスが導かれる配管部を有し、配管部が、シリンダの径方向外側にシリンダから離隔し、かつ、シリンダを周方向に沿って囲むとともに、シリンダとは独立して支持されてもよい。

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、燃料噴射部を、その噴射口がシリンダの外側に位置するよう設けたため、掃気ポートから流入する活性ガスに燃料ガスを噴射する構成を、掃気ポートの内壁の強度を低下させることなく、容易な加工で実現することが可能となる。

本発明の第１の実施形態におけ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。 燃料噴射部を説明するための、図１と同じ断面におけるシリンダの一部と燃料噴射部の断面図である。 図２ＡのＩＩ（ｂ）‐ＩＩ（ｂ）線に沿った断面図である。 図２Ｂの矢印ＩＩ（ｃ）に沿った矢視図である。 図２Ｃの破線部分の拡大図である。 本実施形態における各制御部の動作を示す図である。 本発明の第２の実施形態におけるユニフロー掃気式２サイクルエンジンを説明するための図である。

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。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態におけるユニフロー掃気式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、支持部１１４と、パイロット噴射弁１１６と、排気ポート１１８と、排気弁駆動装置１２０と、排気弁１２２と、掃気ポート１２４と、掃気室１２６と、燃料噴射部１２８と、ロータリエンコーダ１３０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クランク室の汚損劣化を防止することができる。

支持部１１４は、土台１１４ａ、係止部１１４ｂ、および、ガイド部１１４ｃを有し、シリンダ１１０を固定し支持する。土台１１４ａには、シリンダ１１０が挿通されるシリンダ孔１１４ｄと、ガイド部１１４ｃが挿通されるガイド孔１１４ｅが形成され、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００全体の荷重を支える。係止部１１４ｂは、シリンダ１１０のシリンダブロック１１０ｂの外周面に設けられた溝に嵌合し、シリンダ孔１１４ｄの上方に位置して、シリンダ１１０を土台１１４ａの上面に係止する。ガイド部１１４ｃは、ピストン１１２からストローク方向に突出するロッド１１２ａが挿通され、ピストン１１２の径方向のぶれを抑える。

パイロット噴射弁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とに囲まれた燃焼室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。そのため、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させることができる。

排気ポート１１８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１２０は、所定のタイミングで排気弁１２２を上下に摺動させ、排気ポート１１８を開閉する。このようにして排気ポート１１８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１２４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（一方の端部）側の内周面（シリンダブロック１１０ｂの内周面）から外周面まで貫通する孔であり、シリンダ１１０の全周囲に亘って、それぞれ離隔して複数設けられている。
そして、掃気ポート１２４は、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１２６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１２６とシリンダ１１０内の差圧をもって掃気ポート１２４から活性ガスが吸入される。掃気室１２６の圧力は、ほぼ一定とすることができるが、掃気室１２６の圧力が変化する場合には、掃気ポート１２４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。

図２Ａ〜Ｄは、燃料噴射部１２８を説明するための図であり、図２Ａは、図１と同じ断面におけるシリンダ１１０の一部と燃料噴射部１２８を示し、図２Ｂは、図２ＡのＩＩ（ｂ）‐ＩＩ（ｂ）線に沿った断面を示し、図２Ｃは、図２Ｂの矢印ＩＩ（ｃ）に沿った矢視図を示す。また、図２Ｄは、図２Ｃの破線部分の拡大図を示す。図２Ａ〜Ｄにおいて、理解を容易とするため、燃料噴射部１２８の断面構造、および、ピストン１１２については図示を省略する。

図２Ａに示すように、燃料噴射部１２８は、シリンダ１１０とは別体に形成された混合管１２８ａ、１２８ｂを有する。混合管１２８ａ、１２８ｂは、それぞれ、シリンダ１１０の径方向外側を周方向に沿って囲む環状部材である。混合管１２８ａは、掃気ポート１２４よりもピストン１１２のストローク方向の一端側（図２Ａ中、上側）に配され、混合管１２８ｂは、掃気ポート１２４よりもピストン１１２のストローク方向の他端側（図２Ａ中、下側）に配される。

図２Ａに示すように、シリンダ１１０の外周面において、混合管１２８ａの上側に形成された溝１１０ｃには、リング１５６ａが嵌合しており、リング１５６ａによって混合管１２８ａの上側への移動を規制している。同様に、シリンダ１１０の外周面において、混合管１２８ｂの下側に形成された溝１１０ｄには、リング１５６ｂが嵌合しており、リング１５６ｂによって混合管１２８ｂの下側への移動を規制している。

また、図２Ｂに示すように、混合管１２８ｂは、シリンダ１１０をそれぞれ周方向に沿って半周ずつ囲む２つの部材１５８ａ、１５８ｂで構成され、部材１５８ａ、１５８ｂそれぞれの両端部に設けられた突出部１５８ｃ、１５８ｄをチェーンやナットなどで締結されている（所謂Ｇカップリング）。すなわち、混合管１２８ｂはシリンダ１１０を外周側から締め付けており、混合管１２８ｂとシリンダ１１０の接触部分の摩擦力によっても、混合管１２８ｂの図２Ａ中、上下方向の移動が制限される。ここでは、混合管１２８ｂの固定手段について説明したが、混合管１２８ａも、混合管１２８ｂと同様の構造で締結されている。

混合管１２８ａ、１２８ｂそれぞれの内部には、環状に延びる混合室が形成されており、ＬＮＧ（液化天然ガス）をガス化した燃料ガスが流れる燃料配管（図示せず）、および、活性ガスが流れる活性配管（図示せず）と、開閉弁１２８ｃを介して連通している。
そして、混合室において、燃料配管からの燃料ガスおよび活性配管からの活性ガスが混合され予混合気が生成される。ここで、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。

流通管１２８ｄは、図２Ｃに示すように、混合管１２８ａと混合管１２８ｂの間に配され、両端がそれぞれ混合管１２８ａと混合管１２８ｂに固定されている。また、図２Ｄに示すように、流通管１２８ｄは、シリンダ１１０の外周面のうち、隣り合う掃気ポート１２４の間に設けられる隔壁１２４ａに対向する位置（掃気ポート１２４の隔壁１２４ａの径方向外側）に、隔壁１２４ａごとに１つずつ配される。

流通管１２８ｄには、混合管１２８ａに連通するものと、混合管１２８ｂに連通するものがあり、これらがシリンダ１１０の周方向に交互に配されている。すなわち、隣り合う流通管１２８ｄのうち、一方は混合管１２８ａに連通し、他方は混合管１２８ｂに連通している。そして、流通管１２８ｄには、混合管１２８ａまたは混合管１２８ｂから流入した燃料ガスを含む予混合気が流通する。

また、図２Ｄに示すように、流通管１２８ｄには噴射口１２８ｅが形成されている。噴射口１２８ｅは、流通管１２８ｄの内周面と外周面を連通する孔である。すなわち、噴射口１２８ｅは、隣り合う掃気ポート１２４の間におけるシリンダ１１０の径方向外側（シリンダ１１０の外側）に位置している。また、噴射口１２８ｅは、流通管１２８ｄからシリンダ１１０の周方向に向かって開口している。

そして、後述する燃料噴射制御部１５２からの指令を受けて、開閉弁１２８ｃが開弁すると、唯一開口している噴射口１２８ｅから予混合気が噴出する。すると、掃気室１２６から掃気ポート１２４に向かって流れる活性ガスに向けて、燃料噴射部１２８の噴射口１２８ｅから予混合気が吹きつけられる。このとき、掃気ポート１２４近傍における活性ガスには渦流が生じており、渦流によって活性ガスと予混合気の混合を促進することが可能となる。

また、本実施形態では、燃料噴射制御部１５２をシリンダ１１０の径方向外側にシリンダ１１０とは別体に設けている。そのため、掃気ポート１２４の隔壁１２４ａの強度を低下させることなく、かつ、掃気ポート１２４の隔壁１２４ａへの難易度の高い加工を要すことなく、容易な加工で燃料噴射部１２８を構成することが可能となる。

また、噴射口１２８ｅが形成される流通管１２８ｄは、隣り合う掃気ポート１２４の間におけるシリンダ１１０の径方向外側に位置している。そのため、流通管１２８ｄが掃気ポート１２４に流通する活性ガスの流れを妨げる事態を回避できる。

図１に戻って、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。

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、開閉弁１２８ｃ（図２Ａ参照）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、および、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、排気弁駆動装置１２０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３は、各制御部の動作を説明する図である。図３に示すように、燃焼行程後の排気行程では、排気ポート１１８および掃気ポート１２４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１２０を通じて排気弁１２２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１２４が開口する（図３に示すｔ１）。すると、掃気ポート１２４から活性ガスが吸入される。

そして、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、開閉弁１２８ｃを開弁して、燃料噴射部１２８から掃気ポート１２４におけるシリンダ１１０の径方向外側に予混合気を噴射させる。これにより、掃気ポート１２４に吸入される前の活性ガスに予混合気が含まれる。

予混合気は、活性ガスと、予混合気に含まれる燃料ガスと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１１８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、燃料噴射制御部１５２は、開閉弁１２８ｃを閉弁し、燃料噴射部１２８から掃気ポート１２４内への燃料ガスの噴射が停止する。また、掃気ポート１２４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１２２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１１８から排出される。

その後、さらにピストン１１２が上昇すると、排気制御部１５４は、排気弁１２２を閉弁して排気ポート１１８を閉口する（図３に示すｔ２）。そして、燃焼室１４０の燃焼作用によって爆発が生じる。

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。

（第２の実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態における燃料噴射部２２８およびその支持構造について説明する。第２の実施形態では、上記第１の実施形態と燃料噴射部２２８およびその支持構造のみが異なるので、ここでは上記第１の実施形態と同じ構成については説明を省略し、構成が異なる燃料噴射部２２８およびその支持構造についてのみ説明する。

図４は、第２の実施形態におけるユニフロー掃気式２サイクルエンジン２００を説明するための説明図である。図４においては、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン２００の構造のうち、制御系の機能部、シリンダブロック１１０ｂより上側の構成、および、掃気室１２６については図示を省略する。

燃料噴射部２２８は、第１の実施形態における燃料噴射部１２８と実質的に同じ構成であるが、活性ガスと燃料ガスが導かれる混合管２２８ａ、および、混合管（配管部）２２８ｂは、シリンダ１１０に当接せず、シリンダ１１０の径方向外側にてシリンダ１１０から離隔した状態で、シリンダ１１０を周方向に沿って囲んでいる。

そして、燃料噴射部２２８を支持するため、基台２０２、および、支持棒２０４が配されている。基台２０２は、シリンダ１１０のストローク方向の一端側において、土台１１４ａに固定される環状部材であって、シリンダ１１０より外径が大きく、ピストン１１２のロッド１１２ａが挿通されている。また、基台２０２の下面２０２ｂには、土台１１４ａに合わせて段差が形成されており、基台２０２の上面２０２ａがほぼ水平に維持される。

支持棒２０４は、基台２０２の上面２０２ａに固定される棒状の部材であって、一端が基台２０２に固定されるとともに、他端が混合管２２８ｂを支持する。そして、燃料噴射部２２８の流通管２２８ｄは、一端が混合管２２８ａに固定され、他端が混合管２２８ｂに固定される。

すなわち、燃料噴射部２２８は、支持棒２０４を介して基台２０２に固定され支持されており、シリンダ１１０とは非接触となっている。シリンダ１１０は、支持部１１４によって支持されており、支持部１１４による支持を解除すれば、燃料噴射部２２８を取り外すことなくシリンダ１１０を上側に引っ張り上げることができる。そのため、メンテナンス時など、シリンダ１１０の取り外しが容易となり、作業性が向上する。

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、上述した実施形態では、混合管１２８ａ、１２８ｂは、Ｇカップリング構造、および、リング１５６ａ、１５６ｂの双方でシリンダ１１０に固定される場合について説明したが、Ｇカップリング構造、および、リング１５６ａ、１５６ｂのいずれか一方でシリンダ１１０に固定されてもよい。

また、上述した実施形態では、燃料噴射部１２８、２２８が、混合管１２８ａ、１２８ｂ、２２８ａ、２２８ｂ、開閉弁１２８ｃ、流通管１２８ｄ、２２８ｄ、噴射口１２８ｅで構成される場合について説明したが、噴射口１２８ｅがシリンダ１１０の径方向外方に位置し、掃気ポート１２４に吸入される活性ガスに燃料ガスを噴射すれば、どのような構成であってもよい。

また、上述した実施形態では、噴射口１２８ｅが隣り合う掃気ポート１２４の間におけるシリンダ１１０の径方向外側に位置する場合について説明したが、噴射口１２８ｅは、掃気ポート１２４の正面に位置してもよいし、掃気ポート１２４より、ピストン１１２のストローク方向の一端側や他端側にずれて位置してもよい。

また、上述した実施形態では、掃気室１２６から掃気ポート１２４に向かって流れる活性ガスに向けて、燃料噴射部１２８から燃料ガスと活性ガスとの予混合気を噴出させる場合について説明した。しかし、燃料噴射部１２８から燃料ガスのみを噴射し、シリンダ１１０内における活性ガスとの混合により、予混合気を生成させる構成としてもよい。

本発明は、掃気ポートから吸入される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、２００ 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
１１４ 支持部
１２４ 掃気ポート
１２４ａ 隔壁
１２８、２２８ 燃料噴射部
１２８ｅ 噴射口
２０２ 基台

Claims (3)

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前記ピストンのストローク方向の一方の端部側に設けられ、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、
   噴射口が前記シリンダの外側に位置し、前記掃気ポートに吸入される活性ガスに燃料ガスを噴射する燃料噴射部と、を備え、
   前記燃焼噴射部は、
   前記シリンダの外周面に環状に設けられ、前記掃気ポートを挟む状態で対向配置された一対の混合管と、
   当該一対の混合管に差し渡すように、かつ、複数の前記掃気ポート間の隔壁に対向する位置に設けられた複数の流通管とを備え、
   前記噴射口は、複数の前記流通管に設けられるユニフロー掃気式２サイクルエンジン。
2. 複数の前記流通管は、前記シリンダの周方向において一対の前記混合管に対して交互に連通する請求項１に記載のユニフロー掃気式２サイクルエンジン。
3. 前記噴射口は、複数の前記流通管において前記シリンダの周方向に開口する請求項１または２に記載のユニフロー掃気式２サイクルエンジン。
   
   
   

Images