JP6115045B2 - ユニフロー掃気式２サイクルエンジン - Google Patents

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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。
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、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といった問題が生じる。そこで、例えば、特許文献１に示されるように、燃料ガスを噴射するノズル管を掃気ポート内に設け、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構成が考えられる。
特許第３９０８８５５号
しかしながら、上述した特許文献１の構成では、ノズル管の開口が掃気ポートの出口付近（シリンダの内側）に配され、掃気ポート内で掃気ポートの貫通方向に整流された後の活性ガスの流れに沿って燃料ガスが合流する。そのため、合流後の活性ガスと燃料ガスの混合が進みにくかった。
本発明は、このような課題に鑑み、噴射した燃料ガスを活性ガスに効率的に混合させ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、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、前記シリンダの外側に設けられ前記掃気ポートに対向する開口部を有し、該開口部の中心線の延長上に該掃気ポートが位置し、該掃気ポートに吸入される活性ガスに該開口部から燃料ガスを噴射する燃料噴射部と、を備え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、噴射した燃料ガスを活性ガスに効率的に混合させることが可能となる。
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。 掃気ポートの外観図である。 掃気ポートの内周壁の図２におけるＩＩＩ矢視図である。 シリンダのうち、燃料噴射部が設けられた位置のピストンのストローク方向に垂直な断面を示す。 各制御部の動作を示す説明図である。 第２の実施形態におけるユニフロー掃気式２サイクルエンジンのシリンダにおける、図４に対応する位置の断面図を示す。
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、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、燃料噴射部１２６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（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、複数設けられている。そして、掃気ポート１２２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。
図２は、掃気ポート１２２の外観図であり、図２（ｂ）には、図２（ａ）の破線で囲まれた部分の拡大図を示す。図２（ａ）、（ｂ）に示すように、掃気ポート１２２のうち、シリンダ１１０の外周面１１０ｃ側には、掃気室１２４から流入する活性ガスの流れを整流するためのテーパ１２２ａが形成されている。
燃料噴射部１２６は、不図示の燃料噴射弁と連通する燃料噴射ポートで構成され、掃気ポート１２２それぞれに設けられ、掃気ポート１２２を形成するシリンダ１１０の壁部のうち、このテーパ１２２ａに開口する。すなわち、燃料噴射部１２６は、掃気ポート１２２のテーパ１２２ａに開口する開口部１２６ａを有する。
図３は、掃気ポート１２２の内周壁の図２におけるＩＩＩ矢視図である。図３に、テーパ１２２ａを含めた掃気ポート１２２の貫通方向（図３中、左右方向）の幅における、中間位置を破線の直線で示す。
図３に示すように、燃料噴射部１２６の開口部１２６ａは、シリンダ１１０における掃気ポート１２２の貫通方向の幅の中心よりも、シリンダ１１０の外周面１１０ｃ側（外側）に設けられる。
図４は、シリンダ１１０のうち、燃料噴射部１２６が設けられた位置のピストン１１２のストローク方向に垂直な断面を示す。図４（ｂ）には、図４（ａ）の破線で囲まれた部分の拡大図を示す。また、図４（ｂ）中、矢印は活性ガスの流れを示す。
上記のように、燃料噴射部１２６には、不図示の燃料噴射弁が連通しており、当該燃料噴射弁は、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。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。
すると、掃気ポート１２２を流通する活性ガスに向けて、燃料噴射部１２６から当該燃料ガスが噴出することとなる。
このとき、燃料噴射部１２６の開口部１２６ａの位置が、掃気ポート１２２のうち、シリンダ１１０の壁部の内周面側に寄り過ぎると、掃気ポート１２２内で掃気ポート１２２の貫通方向に整流された後の活性ガスの流れに沿って燃料ガスが合流することとなる。そのため、合流後の活性ガスと燃料ガスの混合が進み難い。
ところで、掃気ポート１２２に流入する活性ガスは、特に、掃気ポート１２２の上流側のエッジ１２２ｂ近傍において、過流となって流れが乱れ易い。
本実施形態では、掃気ポート１２２のうち、活性ガスが流入する部分に燃料ガスが噴射される。すなわち、掃気ポート１２２の貫通方向の流れの上流側において、活性ガスに燃料ガスが噴射されるため、エッジ１２２ｂ近傍における活性ガスの渦流によって、活性ガスと燃料ガスの混合が促進される。
また、燃料噴射部１２６を、掃気ポート１２２を形成するシリンダ１１０の壁部に開口する燃料噴射ポートで構成することで、掃気ポート１２２に流入する活性ガスに燃料ガスを確実に衝突させることが可能となる。
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、燃料噴射弁を制御する。
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５は、各制御部の動作を示す説明図である。図５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５に示すｔ１）。すると、掃気ポート１２２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、燃料噴射弁を開弁して、燃料噴射部１２６から掃気ポート１２２内に燃料ガスを噴射させる。これにより、掃気ポート１２２に吸入される活性ガスに燃料ガスが噴射され、燃焼室１４０（シリンダ１１０内）で予混合気が生成される。
予混合気は、活性ガスと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、燃料噴射制御部１５２は、燃料噴射弁を閉弁し、燃料噴射部１２６から掃気ポート１２２内への燃料ガスの噴射が停止する。また、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。
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１２０を閉弁して排気ポート１１６を閉口する（図５に示すｔ２）。
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。
（第２の実施形態）
続いて、第２の実施形態における燃料噴射部２２６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２２６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２２６についてのみ説明する。
図６は、第２の実施形態におけるユニフロー掃気式２サイクルエンジンのシリンダ１１０における、図４に対応する位置の断面図を示す。図６（ｂ）には、図６（ａ）の破線で囲まれた部分の拡大図を示す。また、図６（ｂ）中、矢印は活性ガスの流れを示す。
図６（ａ）に示すように、第２の実施形態の燃料噴射部２２６は、シリンダ１１０からシリンダ１１０の径方向外方に離隔して、シリンダ１１０の外周を囲繞する環状のパイプ２２６ａで構成される。
当該パイプ２２６ａには、図６（ｂ）に示すように、掃気ポート１２２それぞれに対向する位置に、パイプ２２６ａの内部と外部を連通する開口部２２６ｂが設けられている。
燃料噴射部２２６（パイプ２２６ａ）は、不図示の燃料噴射弁と連通しており、燃料噴射弁が開くと、パイプ２２６ａの内部を流通した燃料ガスが開口部２２６ｂから掃気ポート１２２に向けて噴出する。
すなわち、本実施形態の燃料噴射部２２６は、第１の実施形態の燃料噴射部１２６と同様、シリンダ１１０における掃気ポート１２２の貫通方向の幅の中心よりも、シリンダ１１０の外周面１１０ｃ側（外側）に設けられる。
そして、図６（ｂ）に示すように、開口部２２６ｂが掃気ポート１２２を形成するシリンダ１１０の壁部のうち、テーパ１２２ａに向けて開口しているため、掃気ポート１２２を流通する活性ガスに向けて、燃料噴射部２２６から当該燃料ガスが噴出することとなる。
このとき、掃気ポート１２２の貫通方向の流れの上流側において、活性ガスに燃料ガスが噴射されるため、掃気ポート１２２の上流側のエッジ１２２ｂ近傍における活性ガスの渦流によって、活性ガスと燃料ガスの混合が促進される。
上述した実施形態では、掃気ポート１２２のうち、シリンダ１１０の外周面１１０ｃ側にテーパ１２２ａが形成される場合について説明したが、テーパ１２２ａを形成せずともよい。この場合、第１の実施形態における燃料噴射部１２６は、掃気ポート１２２を形成するシリンダ１１０の壁部のうち、テーパ１２２ａが形成されていない部位であって、シリンダ１１０における掃気ポート１２２の貫通方向の幅の中心よりも、シリンダ１１０の外周面１１０ｃ側に開口して設けられる。
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、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 …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
１１８ …排気弁駆動装置
１２０ …排気弁
１２２ …掃気ポート
１２６、２２６ …燃料噴射部

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、
    前記シリンダの外側に設けられ前記掃気ポートに対向する開口部を有し、該開口部の中心線の延長上に該掃気ポートが位置し、該掃気ポートに吸入される活性ガスに該開口部から燃料ガスを噴射する燃料噴射部と、
    を備え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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