JP6222244B2 - ユニフロー掃気式２サイクルエンジン - Google Patents

Description

本発明は、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１２月２４日に日本に出願された特願２０１３−２６５９４４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に沿った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に沿った他端部には、シリンダの周方向に間隔を空けて複数の掃気ポートが設けられている。また、シリンダのうち、掃気ポートと排気ポートの間に位置する壁面には、燃料ガスを噴射する複数の燃料噴射ポートが、シリンダの周方向に間隔を空けて設けられている。それぞれの燃料噴射ポートには、燃料ガスを噴射するノズルが設けられている。

そして、吸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、吸入された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ノズルから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。

また、特許文献１では、シリンダに燃料噴射ポートが設けられる代わりに、それぞれの掃気ポートの内壁に、燃料ガスを噴射するノズルを設けた構成が記載されている。この構成では、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している。上記のように、シリンダに設けた燃料噴射ポートにノズルを配する構成、掃気ポートにノズルを配する構成のいずれであっても、ノズルは、シリンダの周方向に間隔を空けて複数設けられる。また、それぞれのノズルからは、一律に同量の燃料ガスが噴射されている。

特開平１０−２９９５７８号公報

掃気ポートからシリンダ内に流入する活性ガスの流量には、掃気ポートの位置によって差が生じている。そのため、すべてのノズルから一律に同量の燃料ガスを噴射すると、シリンダの周方向の位置によって、燃料ガスの濃度に偏りが生じてしまう。しかし、燃料ガスの濃度が均一となるように、個々のノズルに設けられた噴射バルブを個別に制御するのは、制御が複雑となってしまう。

本発明は、このような課題に鑑み、簡易な噴射制御で燃料ガスを均一に拡散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。

本発明のユニフロー掃気式２サイクルエンジンは、内部をピストンが摺動するシリンダと、シリンダの周方向に互いに離れて設けられた複数の噴射口と、燃料ガスの燃料供給源に対して複数の噴射口を接続する燃料供給路と、燃料供給路において、互いに並列に設けられ、燃料供給源と噴射口とを連通させ、燃料供給源から供給される燃料ガスを噴射口から噴出させる連通位置、および、燃料供給源と噴射口との連通を遮断し、噴射口からの燃料ガスの噴出を停止させる遮断位置に切り換わることで、噴射口からの燃料ガスの噴出を制御する複数の噴射バルブと、噴射バルブを連通位置または遮断位置に切り換えるための作動油を吐出する油圧ポンプと、油圧ポンプに接続され、油圧ポンプから吐出される作動油が導かれる主流路と、主流路から分岐し、主流路から１つまたは複数の噴射バルブへと作動油を導く複数の分岐流路と、複数の分岐流路それぞれに設けられ、主流路から噴射バルブへ作動油を供給し、あるいは、主流路から噴射バルブへの作動油の供給を停止して、噴射バルブを連通位置または遮断位置に切り換える切換バルブと、を備える。また、複数の分岐流路のうちの少なくとも１つの分岐流路は、シリンダの周方向に隣り合う複数の噴射口からの燃料ガスの噴出を制御する１つまたは複数の噴射バルブに接続され、分岐流路に設けられた１つの切換バルブの切り換えにより、隣り合う複数の噴射口からの燃料ガスの噴出が制御される。

噴射口は、燃料ガスおよび活性ガスが混合された予混合気を噴出してもよい。

噴射口は、ピストンのストローク方向に沿った異なる位置に複数設けられ、分岐流路に設けられた１つの切換バルブの切り換えにより、隣り合う複数の噴射口からの燃料ガスの噴出が制御されるとともに、他の分岐流路に設けられた１つの切換バルブの切り換えにより、ピストンのストローク方向の位置が異なる、隣り合う複数の噴射口からの燃料ガスの噴出が制御されてもよい。

分岐流路に設けられた１つの切換バルブの切り換えにより、シリンダの周方向に４つに区分けされた複数の噴射口のうち、１区画に位置する複数の噴射口からの燃料ガスの噴出が制御されてもよい。

本発明のユニフロー掃気式２サイクルエンジンが、シリンダが配される掃気室と、掃気室の径方向外方から掃気室に活性ガスを導く連絡路と、をさらに備えてもよい。

本発明のユニフロー掃気式２サイクルエンジンが、シリンダに設けられ、活性ガスをシリンダ内に流入させるとともに、シリンダ内において活性ガスの旋回流を生じさせるように、シリンダの径方向に対して傾斜する方向に延びる掃気ポートをさらに備え、噴射口は、掃気ポートの内壁、または、掃気ポートの外側に設けられ、連絡路に対向する１区画に位置する複数の噴射口は、連絡路の流路幅の中心位置に対して、旋回流の流れ方向の上流側よりも、旋回流の流れ方向の下流側に多く配されていてもよい。

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、簡易な噴射制御で燃料ガスを均一に拡散させることが可能となる。

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図である。 燃料噴射部を説明するための図である。 燃料噴射部を説明するための図である。 噴射バルブの構造について説明するための図である。 噴射バルブの構造について説明するための図である。 油圧系統および予混合気の流れを説明するための図である。 油圧系統および予混合気の流れを説明するための図である。 活性ガスの流れを説明するための図である。 活性ガスの流れを説明するための図である。 シリンダの径方向に延びて形成された掃気ポートを説明するための図である。 各制御部の動作を示す図である。 本発明の第１変形例における油圧系統および予混合気の流れを説明するための図である。 本発明の第１変形例における油圧系統および予混合気の流れを説明するための図である。 本発明の第２変形例における燃料噴射部を説明するための図である。 本発明の第２変形例における燃料噴射部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。

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、燃焼室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、掃気溜１２６と、掃気室１２８と、連絡路１３０と、燃料噴射部１３２と、ロータリエンコーダ１３４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、ピストン１１２の上昇行程および下降行程の２行程の間に、排気、吸気、圧縮、燃焼、膨張が行われて、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内の潤滑油の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。この燃料油は、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１１６の熱で自然着火し、僅かな時間で燃焼して、燃焼室１１６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することができる。

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、排気制御部１５４の制御に応じ、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。

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部にて、シリンダブロック１１０ｂを内周面から外周面まで貫通する孔であり、シリンダ１１０の全周に亘って、それぞれ間隔を空けて複数設けられている。
そして、掃気ポート１２４から、ピストン１１２の摺動に応じてシリンダ１１０内に活性ガスが吸入される。この活性ガスは、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。掃気溜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、シリンダ１１０が収容された掃気室１２８と掃気溜１２６は、連絡路１３０によって連通されている。連絡路１３０は、掃気室１２８の径方向外方に位置する掃気溜１２６から掃気室１２８に活性ガスを導く。

掃気室１２８に流入した活性ガスは、シリンダ１１０内との差圧により掃気ポート１２４から、シリンダ１１０内に吸入される。掃気溜１２６の圧力は、ほぼ一定とすることができるが、掃気溜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。

燃料噴射部１３２は、掃気ポート１２４の径方向外側に配され、燃料ガスを噴出して、噴出した燃料ガスを、掃気ポート１２４からシリンダ１１０内に流入させる。燃料噴射部１３２については、後に詳述する。

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。

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１３４からのクランク角度信号に基づいて、後述する切換バルブを制御する。

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１３４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。

図２Ａおよび図２Ｂは、燃料噴射部１３２を説明するための図であり、図２Ａには、シリンダ１１０の側面図のうち、燃料噴射部１３２近傍を抽出して示す。また、図２Ｂには、図２Ａの破線部分の拡大図を示す。

図２Ａに示すように、燃料噴射部１３２は、シリンダ１１０とは別体に形成された貯留管１３２ａ、１３２ｂを有する。貯留管１３２ａ、１３２ｂ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の部材である。貯留管１３２ａ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、貯留管１３２ｂ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。

貯留管１３２ａ、１３２ｂそれぞれの内部には、環状の貯留室が形成されており、貯留室において、燃料ガスが一時的に貯留される。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１３２ｃ、１３２ｄは、貯留管１３２ａと貯留管１３２ｂの間に直列的に配される。流通管１３２ｃ、１３２ｄの、それぞれの一端は互いに対向して配置されるとともに、流通管１３２ｃの他端は貯留管１３２ａに固定され、流通管１３２ｄの他端は貯留管１３２ｂに固定されている。

流通管１３２ｃは、貯留管１３２ａに連通し、貯留管１３２ａから流入した燃料ガスが流通する。また、流通管１３２ｄは、貯留管１３２ｂに連通し、貯留管１３２ｂから流入した燃料ガスが流通する。このように、流通管１３２ｃと流通管１３２ｄとでは、それぞれ独立した流路が形成される。

図２Ｂに示すように、流通管１３２ｃ、１３２ｄには噴射口１３２ｅが形成されている。噴射口１３２ｅは、流通管１３２ｃ、１３２ｄの内周面と外周面を連通する孔である。したがって、噴射口１３２ｅ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１３２ｅは、シリンダ１１０の周方向に互いに離れて設けられ、流通管１３２ｃ、１３２ｄからシリンダ１１０の周方向に向かって開口している。

噴射バルブ１６０は、貯留管１３２ａ、１３２ｂの内部にそれぞれ設けられている。貯留管１３２ａの内部に設けられた噴射バルブ１６０によって、貯留管１３２ａと流通管１３２ｃとの連通部分が開閉される。また、貯留管１３２ｂの内部に設けられた噴射バルブ１６０によって、貯留管１３２ｂと流通管１３２ｄとの連通部分が開閉される。

噴射バルブ１６０が開弁し、貯留管１３２ａ、１３２ｂから流通管１３２ｃ、１３２ｄに燃料ガスが流入すると、噴射口１３２ｅから燃料ガスが噴出する。そして、掃気溜１２６（掃気室１２８）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１３２の噴射口１３２ｅから燃料ガスが吹きつけられる。このとき、掃気ポート１２４の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燃料ガスの混合を促進することが可能となる。

図３Ａおよび図３Ｂは、噴射バルブ１６０の構造について説明するための図であり、図３Ａには、噴射口１３２ｅからの燃料ガスの噴出を停止させる遮断位置にあるときの噴射バルブ１６０を示し、図３Ｂには、燃料ガスを噴射口１３２ｅから噴出させる連通位置にあるときの噴射バルブ１６０を示す。

流通管１３２ｃと貯留管１３２ａとの連通部に設けられた噴射バルブ１６０と、流通管１３２ｄと貯留管１３２ｂとの連通部に設けられた噴射バルブ１６０とは、上下が逆になっているものの、実質的に構成が等しい。そのため、ここでは、図２Ｂに示す流通管１３２ｃと貯留管１３２ａとの連通部に設けられた噴射バルブ１６０を例に挙げて説明し、図２Ｂに示す流通管１３２ｄと貯留管１３２ｂとの連通部に設けられた噴射バルブ１６０については説明を省略する。

図３Ａおよび図３Ｂに示すように、噴射バルブ１６０は本体１６０ａを含んで構成される。噴射バルブ１６０の本体１６０ａは筒状の部材であって、図中、下側の端部が、貯留管１３２ａと流通管１３２ｃとの連通部分を閉塞している。

噴射バルブ１６０の本体１６０ａには、バネ室１６０ｂが形成されており、バネで構成される弾性部材１６２が配されている。また、本体１６０ａには、バネ室１６０ｂから、図中、上側に貫通する油孔１６０ｃが形成されている。油孔１６０ｃには、後述する油圧ポンプと連通する不図示の油圧ホースが連結されている。

本体１６０ａには、バネ室１６０ｂから、図中、下側に貫通する貫通孔１６０ｄが形成されているとともに、バネ室１６０ｂよりも、図中、下側に、横孔１６０ｅが形成されている。横孔１６０ｅは、本体１６０ａの側部を、その外周面から貫通孔１６０ｄまで径方向に沿って貫通する。噴射バルブ１６０は、上記のように、貯留管１３２ａ内に配されている。したがって、横孔１６０ｅには、上記の貯留管１３２ａ内に充満する燃料ガスが流入する。また、噴射バルブ１６０の貫通孔１６０ｄは、図の下端にて流通管１３２ｃに連通している。

弁体１６４は、円柱状の部材であって、バネ室１６０ｂおよび貫通孔１６０ｄに挿通されている。また、弁体１６４は、バネ室１６０ｂ内に位置する部位に、径方向の外方に突出する突出部１６４ａを有する。弁体１６４のうち、図中、上側に位置する一端は、弁体１６４の軸に垂直な面に平行であるとともに、下側に位置する他端は、弁体１６４の軸に垂直な面面に対して傾斜したテーパ面１６４ｂとなっている。

弾性部材１６２の両端は、突出部１６４ａと、バネ室１６０ｂの図中、上側に位置する内壁に、それぞれ固定されている。弾性部材１６２は引張ばねとして機能し、突出部１６４ａに対して、弾性部材１６２が収縮する向き、すなわち、図中、上側への付勢力を作用させている。

油孔１６０ｃから噴射バルブ１６０の本体１６０ａ内に流入した作動油によって、弁体１６４に油圧が作用しているとき、弁体１６４は、図３Ａに示すように、油圧によって押圧されて、本体１６０ａに対して図の下側に移動する。このとき、横孔１６０ｅは、弁体１６４によって閉塞されている。

貫通孔１６０ｄには、横孔１６０ｅを挟んで、図中、上側と下側にそれぞれシールリング１６６ａ、１６６ｂが設けられている。シールリング１６６ａ、１６６ｂは、横孔１６０ｅに流入した燃料ガスが、本体１６０ａと弁体１６４との隙間から、バネ室１６０ｂ側やテーパ面１６４ｂ側に漏出しないように封止している。

弁体１６４に油圧が作用していないとき、弁体１６４は、図３Ｂに示すように、弾性部材１６２の付勢力によって、本体１６０ａに対して図の上側に移動する。それに伴い、横孔１６０ｅと貫通孔１６０ｄとが連通し、貯留管１３２ａ内に充満する燃料ガスが、横孔１６０ｅから貫通孔１６０ｄに流入する。

そして、燃料ガスは、貫通孔１６０ｄの内壁と、弁体１６４のテーパ面１６４ｂに導かれて、貫通孔１６０ｄから図中、下側に流れ、流通管１３２ｃに流入する。こうして、流通管１３２ｃの噴射口１３２ｅから掃気ポート１２４の外側に燃料ガスが噴出する。

図４Ａおよび図４Ｂは、油圧系統および燃料ガスの流れを説明するための図であり、図４Ａには、噴射バルブ１６０へ作動油を供給する供給状態を示し、図４Ｂには、噴射バルブ１６０への作動油の供給を停止する停止状態を示す。図４Ａおよび図４Ｂ中、作動油の流れを実線で示し、燃料ガスの流れを一点鎖線または破線で示す。図４Ａおよび図４Ｂに示す燃料供給源１６８は、燃料ガスが貯留される燃料タンクから燃料ガスを送り出す燃料ポンプなどで構成される。

また、燃料供給路１７０は、燃料噴射部１３２の貯留管１３２ａ、１３２ｂおよび流通管１３２ｃ、１３２ｄを含んで構成される、燃料ガスの流路である。そして、燃料供給路１７０は、燃料供給源１６８に対して、上述した燃料噴射部１３２の複数の噴射口１３２ｅを並列に接続する。また、噴射バルブ１６０は、燃料供給路１７０において、流通管１３２ｃ、１３２ｄに対応して、互いに並列に設けられている。

ここでは、図示を省略するが、燃料供給路１７０のうち、貯留管１３２ａ、１３２ｂには、活性ガスが供給される活性ガス供給路が連通しており、貯留管１３２ａ、１３２ｂにおいて、活性ガス供給路からの活性ガスと、燃料供給源１６８からの燃料ガスとが混合される。

噴射バルブ１６０は、上述した連通位置にあるとき、燃料供給源１６８と噴射口１３２ｅとを連通させ、燃料供給源１６８から供給される燃料ガスを噴射口１３２ｅから噴出させる。また、噴射バルブ１６０は、遮断位置にあるとき、燃料供給源１６８と噴射口１３２ｅとの連通を遮断し、噴射口１３２ｅからの燃料ガスの噴出を停止させる。

貯留タンク１７２には、噴射バルブ１６０を連通位置または遮断位置に切り換えるための作動油が貯留される。油圧ポンプ１７４は、貯留タンク１７２から作動油を吸引して吐出する。主流路１７６は、油圧ポンプ１７４に接続され、油圧ポンプ１７４から吐出される作動油が導かれる。分岐流路１７８は、主流路１７６から複数分岐する流路であって、例えば、上述した噴射バルブ１６０の本体１６０ａにおける油孔１６０ｃに接続された油圧ホースを含んで構成される。それぞれの分岐流路１７８は、主流路１７６から個々の噴射バルブ１６０へと作動油を導く。

すなわち、油圧ポンプ１７４から吐出された作動油は、主流路１７６および分岐流路１７８を介して、個々の噴射バルブ１６０の本体１６０ａの油孔１６０ｃに導かれる。

切換バルブ１８０は、例えば、３ポート電磁弁などで構成され、複数の分岐流路１７８それぞれに設けられる。切換バルブ１８０は、燃料噴射制御部１５２の制御に応じ、図４Ａに示すように、主流路１７６から噴射バルブ１６０へ作動油を供給する供給位置、あるいは、図４Ｂに示すように、主流路１７６から噴射バルブ１６０への作動油の供給を停止する停止位置に変位する。

図４Ａに示すように、切換バルブ１８０が供給位置となると、上述したように、弁体１６４に油圧が作用して、噴射バルブ１６０が遮断位置（図３Ａ参照）となる。一方、図４Ｂに示すように、切換バルブ１８０が停止位置になると、弁体１６４に油圧が作用せず、噴射バルブ１６０が連通位置（図３Ｂ参照）となる。

図４Ｂに示すように、停止位置においては、切換バルブ１８０は、主流路１７６と噴射バルブ１６０の油孔１６０ｃとの連通を遮断するとともに、噴射バルブ１６０の油孔１６０ｃと貯留タンク１７２とを連通し、バネ室１６０ｂ内の作動油を貯留タンク１７２に還流させる。こうして、噴射バルブ１６０に油圧が作用しなくなる。このように、切換バルブ１８０は、噴射バルブ１６０を連通位置と遮断位置とで切り換える。

図４Ａおよび図４Ｂに示すように、１つの分岐流路１７８は、複数の噴射バルブ１６０に接続されている。本実施形態では、１つの分岐流路１７８に対して、例えば７つの噴射バルブ１６０が接続されている。分岐流路１７８は、例えば、８つ設けられており、１つの分岐流路１７８に接続された複数の噴射バルブ１６０を、バルブ群Ａ（図４Ａおよび図４Ｂでは、Ａ１、Ａ２、Ａ８で示し、Ａ３〜Ａ７は図示を省略する）と呼ぶ。

それぞれの分岐流路１７８には、１つの切換バルブ１８０が設けられていることから、１つの切換バルブ１８０を切り換えることで、１つのバルブ群Ａが一斉に開閉される。

図５Ａおよび図５Ｂは、活性ガスの流れを説明するための図であり、図５Ａには、掃気溜１２６および掃気室１２８について、ピストン１１２のストローク方向に垂直な面による断面図を示し、図５Ｂには、図５Ａ中、右端に位置する掃気室１２８およびシリンダ１１０の拡大図を示す。図５Ａにおいては、シリンダ１１０の断面の詳細は省略して示す。

図５Ａに示すように、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００は、例えば４気筒エンジンであって、並設された４つの掃気室１２８それぞれに、シリンダ１１０が配されている。各シリンダ１１０には、ピストン１１２、排気弁１２２、および、燃料噴射部１３２など、上述した構成がそれぞれに設けられている。

隣り合う掃気室１２８は、互いに接続路１８２によって連通されており、掃気室１２８には、連絡路１３０の他に、接続路１８２からも活性ガスが流入する。

連絡路１３０および接続路１８２には、流通する活性ガスの流量を測定する流量計１８４が設けられている。流量計１８４は、例えば、活性ガスの流れの向きまで特定可能な構成であってもよいし、流量計１８４が活性ガスの流れの向きまでは特定できずとも、燃料噴射制御部１５２が、それぞれのシリンダ１１０への掃気タイミングに基づいて、活性ガスの流れの向きを判定してもよい。

図５Ｂに示すように、流通管１３２ｃ、１３２ｄは、シリンダ１１０の周方向に４つの区画Ｂ１〜Ｂ４に区分けされている。そして、流通管１３２ｃ、１３２ｄそれぞれに設けられた噴射口１３２ｅも、流通管１３２ｃ、１３２ｄが属する区画Ｂ１〜Ｂ４に区分けされている。

区画Ｂ１に属する噴射口１３２ｅのうち、流通管１３２ｃに設けられた噴射口１３２ｅは、バルブ群Ａ１によって燃料ガスの噴出が制御される。区画Ｂ１に属する噴射口１３２ｅのうち、流通管１３２ｄに設けられた噴射口１３２ｅは、バルブ群Ａ２によって燃料ガスの噴出が制御される。

区画Ｂ２に属する噴射口１３２ｅのうち、流通管１３２ｃに設けられた噴射口１３２ｅは、バルブ群Ａ３によって燃料ガスの噴出が制御される。区画Ｂ２に属する噴射口１３２ｅのうち、流通管１３２ｄに設けられた噴射口１３２ｅは、バルブ群Ａ４によって燃料ガスの噴出が制御される。

区画Ｂ３に属する噴射口１３２ｅのうち、流通管１３２ｃに設けられた噴射口１３２ｅは、バルブ群Ａ５によって燃料ガスの噴出が制御される。区画Ｂ３に属する噴射口１３２ｅのうち、流通管１３２ｄに設けられた噴射口１３２ｅは、バルブ群Ａ６によって燃料ガスの噴出が制御される。

区画Ｂ４に属する噴射口１３２ｅのうち、流通管１３２ｃに設けられた噴射口１３２ｅは、バルブ群Ａ７によって燃料ガスの噴出が制御される。区画Ｂ４に属する噴射口１３２ｅのうち、流通管１３２ｄに設けられた噴射口１３２ｅは、バルブ群Ａ８によって燃料ガスの噴出が制御される。

すなわち、分岐流路１７８に設けられた１つの切換バルブ１８０の切り換えにより、シリンダ１１０の周方向に４つに区分けされた複数の噴射口１３２ｅのうち、１区画に位置する、流通管１３２ｃ、または、流通管１３２ｄのいずれかに設けられた噴射口１３２ｅからの燃料ガスの噴出が制御される。

掃気室１２８に流入する活性ガスは、連絡路１３０や接続路１８２に近い方が、圧力が高く、掃気ポート１２４から流入する流量が多くなりやすい。そのため、すべての噴射口１３２ｅから一律に同量の燃料ガスを噴出すると、活性ガスの流入量が多い掃気ポート１２４の近くでは燃料ガスの濃度が薄く、活性ガスの流入量が少ない掃気ポート１２４の近くでは燃料ガスの濃度が濃くなってしまう。

掃気室１２８内における活性ガスの圧力分布は、流量計１８４の測定値などから推定することができる。そこで、掃気ポート１２４ごとの活性ガスの流入量に応じた燃料ガスが噴出されるように、予め流量計１８４の測定値に対応付けて、切換バルブ１８０の切り換えタイミングが設定されている。燃料噴射制御部１５２は、流量計１８４の測定値と予め設定された切換バルブ１８０の切り換えタイミングに基づき、切換バルブ１８０を制御する。

具体的には、燃料噴射制御部１５２は、活性ガスの圧力が高く、活性ガスの流入量が多いと推定される掃気ポート１２４近傍の噴射口１３２ｅからは、長期間、噴射バルブ１６０を開くことで燃料ガスの噴出量を多くする。一方、活性ガスの圧力が低く、活性ガスの流入量が少ないと推定される掃気ポート１２４近傍の噴射口１３２ｅからは、短期間、噴射バルブ１６０を開くことで燃料ガスの噴出量を少なくする。

上述したように、１つの切換バルブ１８０を切り換えることで、１つのバルブ群Ａを一斉に開閉することができ、燃料ガスの噴射制御を簡易に遂行しつつ、燃料ガスの濃度の偏りを抑え、燃料ガスを均一に拡散させることが可能となる。

また、掃気室１２８内は、シリンダ１１０の周方向に沿って、活性ガスの圧力が近い４つの領域Ｃ１〜Ｃ４に分けられる。そのため、噴射口１３２ｅを、シリンダ１１０の周方向に４つに区分けしてバルブ群Ａを構成することで、少ない切換バルブ１８０の制御で、燃料ガスを効率的に拡散させることが可能となる。

また、図５Ｂに示すように、掃気ポート１２４は、シリンダ１１０内において活性ガスの旋回流（スワール）を生じさせるように、シリンダ１１０の径方向に対して傾斜する方向に延びている。換言すれば、掃気ポート１２４は、シリンダ１１０の径方向の中心からずれた位置に向かう流路となっている。図５Ｂにおいて、旋回流の流れ方向を矢印で示す。

図６は、シリンダ１１０の径方向に延びて形成された掃気ポートＰを説明するための図である。図６に示す構成においては、シリンダ１１０内において、活性ガスの圧力が近い領域は、領域Ｃ１〜Ｃ４のようになっている。例えば、領域Ｃ３については、連絡路１３０を中心に、シリンダ１１０の周方向に、時計回り側も反時計回り側も、ほぼ均等に存在している。

一方、図５Ｂに示すように、旋回流を生じさせるように掃気ポート１２４を形成すると、活性ガスの圧力が近い領域Ｃ１〜Ｃ４は、図６に示す位置よりもシリンダ１１０の周方向にずれる。

そこで、本実施形態では、連絡路１３０に対向する１区画（図５Ｂに示す例では、区画Ｂ３）は、連絡路１３０に対して、旋回流の流れ方向の上流側（時計回り側）よりも、旋回流の流れ方向の下流側（反時計回り側）に長く（広く）存在するように構成している。すなわち、連絡路１３０に対向する１区画に位置する複数（ここでは、７つ）の流通管１３２ｃ、１３２ｄが備える噴射口１３２ｅは、連絡路１３０の流路幅の中心位置に対して、旋回流の流れ方向の上流側（時計回り側）よりも、旋回流の流れ方向の下流側（反時計回り側）に多く配されるよう、区画Ｂ３が区分けされている。このように、活性ガスの圧力分布に合わせて、噴射口１３２ｅの区分けをし、同一区画内に位置するバルブ群Ａを制御することで、掃気ポート１２４に流入する活性ガスの流量に応じた燃料ガスを、適切に噴出可能となる。

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７は、各制御部の動作を示す図である。図７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１１６（シリンダ１１０内）には排気ガスが充満している。

燃焼室１１６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、その後、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７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１３４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、燃料噴射部１３２から掃気ポート１２４におけるシリンダ１１０の径方向外側で燃料ガスを噴射させる。これにより、掃気ポート１２４に吸入される前の活性ガスに燃料ガスが含まれる。

このとき、燃料噴射制御部１５２は、流量計１８４の測定値に基づいて、複数の切換バルブ１８０をそれぞれ個別に制御して、バルブ群Ａ１〜Ａ８をそれぞれ開弁させて、燃料ガスを噴出させる。そして、燃料噴射制御部１５２は、複数の切換バルブ１８０をそれぞれ個別に制御して、バルブ群Ａ１〜Ａ８をそれぞれ閉弁させて、燃料ガスの噴出を停止させる。

このとき、バルブ群Ａ２、Ａ４、Ａ６、Ａ８の切り換えにより、流通管１３２ｄに設けられた隣り合う複数の噴射口１３２ｅからの燃料ガスの噴出が制御される。また、他の分岐流路１７８に設けられたバルブ群Ａ１、Ａ３、Ａ５、Ａ７の切り換えにより、流通管１３２ｃに設けられた、ピストン１１２のストローク方向の位置が異なる、隣り合う複数の噴射口１３２ｅからの燃料ガスの噴出が制御される。

そして、流通管１３２ｄに設けられた噴射口１３２ｅからの燃料ガスの噴出を制御するバルブ群Ａ２、Ａ４、Ａ６、Ａ８の方が、流通管１３２ｃに設けられた噴射口１３２ｅからの燃料ガスの噴出を制御するバルブ群Ａ１、Ａ３、Ａ５、Ａ７よりも、開弁タイミングおよび閉弁タイミングが早い。

そのため、掃気ポート１２４がピストン１１２によって徐々に閉塞されるタイミングに合わせて、燃料ガスの噴出が停止される。流通管１３２ｃに設けられた噴射口１３２ｅと、流通管１３２ｄに設けられた噴射口１３２ｅのように、ピストン１１２のストローク方向の位置が異なる噴射口１３２ｅについて、バルブ群Ａを分けて構成することで、ピストン１１２のストローク方向の位置に応じた適切な噴射制御が可能となる。

また、連絡路１３０や接続路１８２に近い噴射口１３２ｅからの燃料ガスの噴出を制御するバルブ群Ａ３〜Ａ６は、他のバルブ群Ａ１、Ａ２、Ａ７、Ａ８よりも、開弁期間が長い。そのため、連絡路１３０や接続路１８２に近く、活性ガスの流量が多いと推定される掃気ポート１２４に近い噴射口１３２ｅからは、連絡路１３０や接続路１８２から離れていて、活性ガスの流量が少ないと推定される掃気ポート１２４に近い噴射口１３２ｅよりも、多くの燃料ガスを噴出することができ、燃料ガスの濃度の均一化を図ることが可能となる。

ただし、図７に示したバルブ群Ａの開閉タイミングは一例である。掃気室１２８内の圧力分布は、隣り合う他のシリンダ１１０の掃気などの影響を受けるため、図７に示すバルブ群Ａの制御とは異なる制御が行われることもある。

その後、活性ガスおよび燃料ガスは、活性ガスと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１１６（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、掃気ポート１２４が閉口され、活性ガスの吸入が停止される（図７に示すｔ２）。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１１６（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。

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７に示すｔ３）。そして、燃焼室１１６内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１１６において燃料ガス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、膨張行程が繰り返される。

図８Ａおよび図８Ｂは、本発明の第１変形例における油圧系統および予混合気の流れを説明するための図である。上述した実施形態では、噴射バルブ１６０は、流通管１３２ｃ、または、流通管１３２ｄのいずれかに設けられた噴射口１３２ｅからの予混合気の噴出を制御する構成について説明した。そして、上述した実施形態において、噴射口１３２ｅは、図２Ｂに示すように、流通管１３２ｃに、ピストン１１２のストローク方向に沿った異なる位置に複数設けられ、流通管１３２ｄに、ピストン１１２のストローク方向に沿った異なる位置に複数設けられる。

第１変形例においては、１つの噴射バルブ１６０に対し、ピストン１１２のストローク方向の位置が同じであって、シリンダ１１０の周方向に隣り合う複数の噴射口２３２ｅが接続されている。分岐流路１７８は、例えば、８つ設けられており、１つの分岐流路１７８は、１つ噴射バルブ１６０の油孔１６０ｃに接続されている。そして、噴射口２３２ｅは、接続されている噴射バルブ１６０ごとに、８つの噴射口群Ｄ（図８Ａおよび図８Ｂに、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ８で示し、Ｄ３〜Ｄ７は図示を省略する）に分類される。

そして、分岐流路１７８に設けられた１つの切換バルブ１８０の切り換えにより、１つの噴射バルブ１６０の開閉が制御される。１つの噴射バルブ１６０は、１つの噴射口群Ｄからの予混合気の噴出を制御する。

すなわち、１つの切換バルブ１８０の切り換えにより、１つの噴射口群Ｄ（シリンダ１１０の周方向に隣り合う複数の噴射口２３２ｅ）からの予混合気の噴出を制御する構成となっている。そのため、上述した実施形態と同様、予混合気の噴射制御を簡易に遂行しつつ、燃料ガスの濃度の偏りを抑え、燃料ガスを均一に拡散させることが可能となる。

上述した実施形態および第１変形例では、燃料噴射部１３２からは活性ガスと混合される前の燃料ガスが噴出される場合について説明した。しかし、燃料噴射部において、燃料ガスと活性ガスが予混合されてもよい。以下、このような燃料噴射部３３２について説明する。

図９Ａおよび図９Ｂは、本発明の第２変形例における燃料噴射部３３２を説明するための図であり、図９Ａには、シリンダ１１０の側面図のうち、燃料噴射部３３２の近傍を抽出して示す。また、図９Ｂには、図９Ａの破線部分の拡大図を示す。

図９Ａに示すように、燃料噴射部３３２は、シリンダ１１０とは別体に形成された混合管３３２ａ、３３２ｂを有する。混合管３３２ａ、３３２ｂ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の部材である。混合管３３２ａ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９Ａ中、上側）に配され、混合管３３２ｂ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９Ａ中、下側）に配される。

混合管３３２ａ、３３２ｂそれぞれの内部には、環状の混合室が形成されており、混合室において、燃料ガスおよび活性ガスが混合され予混合気が生成される。

流通管１３２ｃは、混合管３３２ａに連通し、混合管３３２ａから流入した燃料ガスを含む予混合気が流通する。また、流通管１３２ｄは、混合管３３２ｂに連通し、混合管３３２ｂから流入した燃料ガスを含む予混合気が流通する。

そして、噴射バルブ１６０が開弁し、混合管３３２ａ、３３２ｂから流通管１３２ｃ、１３２ｄに予混合気が流入すると、噴射口１３２ｅから予混合気が噴出する。そして、掃気溜１２６（掃気室１２８）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３３２の噴射口１３２ｅから予混合気が吹きつけられる。

上述した実施形態では、噴射口１３２ｅは、ピストン１１２のストローク方向に沿った異なる位置に複数設けられ、流通管１３２ｃに設けられた噴射口１３２ｅと流通管１３２ｄに設けられた噴射口１３２ｅとで、予混合気の噴出を制御する切換バルブ１８０を個別に設ける場合について説明した。しかし、１つの切換バルブ１８０で、流通管１３２ｃ、１３２ｄの両方に設けられた噴射口１３２ｅからの予混合気の噴出を制御してもよい。また、ピストン１１２のストローク方向の位置は、すべての噴射口１３２ｅで同じであってもよい。

また、上述した実施形態および変形例では、噴射口１３２ｅは、掃気ポート１２４よりもシリンダ１１０の外側に配された流通管１３２ｃ、１３２ｄに設けられた開口である場合について説明したが、掃気ポート１２４の内周面に設けられた開口であってもよい。

また、上述した実施形態および変形例では、分岐流路１７８に設けられた１つの切換バルブ１８０の切り換えにより、シリンダ１１０の周方向に４つに区分けされた複数の噴射口１３２ｅのうち、１区画に位置する複数の噴射口１３２ｅからの燃料ガスの噴出が制御される場合について説明した。しかし、噴射口１３２ｅの区分けは、シリンダ１１０の周方向に２つ以上に分けられれば、４つでなくてもよい。

また、上述した実施形態および変形例では、掃気ポート１２４は、シリンダ１１０内において活性ガスの旋回流を生じさせるように、シリンダ１１０の径方向に対して傾斜する方向に延びる場合について説明した。しかし、掃気ポート１２４は、旋回流を生じさせるように構成せず、シリンダ１１０の径方向に延びてもよい。

また、上述した実施形態および変形例では、すべての分岐流路１７８が、シリンダ１１０の周方向に隣り合う複数の噴射口１３２ｅ、２３２ｅからの予混合気の噴出を制御する１つまたは複数の噴射バルブ１６０に接続される場合について説明した。しかし、少なくとも１つの分岐流路１７８が、シリンダ１１０の周方向に隣り合う複数の噴射口１３２ｅ、２３２ｅからの予混合気の噴出を制御する１つまたは複数の噴射バルブ１６０に接続されていればよい。

また、上述した実施形態および変形例では、噴射バルブ１６０は、弁体１６４に油圧が作用すると、遮断位置となり、弁体１６４に油圧が作用しなくなると、連通位置となる場合について説明した。しかし、噴射バルブ１６０は、弁体１６４に油圧が作用すると、連通位置となり、弁体１６４に油圧が作用しなくなると、遮断位置となる構成であってもよい。

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、本発明の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
１２４ 掃気ポート
１２８ 掃気室
１３０ 連絡路
１３２ｅ、２３２e 噴射口
１６０ 噴射バルブ
１６８ 燃料供給源
１７０ 燃料供給路
１７４ 油圧ポンプ
１７６ 主流路
１７８ 分岐流路
１８０ 切換バルブ

Claims (3)

1. 内部をピストンが摺動するシリンダと、
   前記シリンダの周方向に互いに離れて設けられた複数の噴射口と、
   燃料ガスの燃料供給源に対して複数の前記噴射口を接続する燃料供給路と、
   前記燃料供給路において、互いに並列に設けられ、前記燃料供給源と前記噴射口とを連通させ、前記燃料供給源から供給される燃料ガスを前記噴射口から噴出させる連通位置、および、前記燃料供給源と前記噴射口との連通を遮断し、前記噴射口からの燃料ガスの噴出を停止させる遮断位置に切り換わることで、前記噴射口からの燃料ガスの噴出を制御する複数の噴射バルブと、
   前記噴射バルブを前記連通位置または前記遮断位置に切り換えるための作動油を吐出する油圧ポンプと
   前記油圧ポンプに接続され、前記油圧ポンプから吐出される作動油が導かれる主流路と、
   前記主流路から分岐し、前記主流路から１つまたは複数の前記噴射バルブへと作動油を導く複数の分岐流路と、複数の前記分岐流路それぞれに設けられ、前記主流路から前記噴射バルブへ作動油を供給し、あるいは、前記主流路から前記噴射バルブへの作動油の供給を停止して、前記噴射バルブを前記連通位置または前記遮断位置に切り換える切換バルブと、
   前記シリンダが配される掃気室と、
   前記掃気室の径方向外方から前記掃気室に活性ガスを導く連絡路と
   を備え、
   複数の前記分岐流路のうちの少なくとも１つの分岐流路は、前記シリンダの周方向に隣り合う複数の噴射口からの燃料ガスの噴出を制御する１つまたは複数の前記噴射バルブに接続され、前記分岐流路に設けられた１つの切換バルブの切り換えにより、隣り合う複数の噴射口からの燃料ガスの噴出が制御され、
   前記分岐流路に設けられた１つの切換バルブの切り換えにより、前記シリンダの周方向に複数に区分けされた前記複数の噴射口のうち、１区画に位置する複数の噴射口からの燃料ガスの噴出が制御され、
   前記シリンダに設けられ、前記活性ガスを前記シリンダ内に流入させるとともに、前記シリンダ内において前記活性ガスの旋回流を生じさせるように、前記シリンダの径方向に対して傾斜する方向に延びる掃気ポートをさらに備え、
   前記噴射口は、前記掃気ポートの内壁、または、前記掃気ポートの外側に設けられ、
   前記連絡路に対向する１区画に位置する前記複数の噴射口は、前記連絡路の流路幅の中心整理位置に対して、前記旋回流の流れ方向の上流側よりも、前記旋回流の流れ方向の下流側に多く配されている
   ユニフロー掃気式２サイクルエンジン。
2. 前記噴射口は、燃料ガスおよび活性ガスが混合された予混合気を噴出する請求項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、前記ピストンのストローク方向に沿った異なる位置に複数設けられ、前記分岐流路に設けられた１つの切換バルブの切り換えにより、隣り合う複数の噴射口からの燃料ガスの噴出が制御されるとともに、他の分岐流路に設けられた１つの切換バルブの切り換えにより、前記ピストンのストローク方向の位置が異なる、隣り合う複数の噴射口からの燃料ガスの噴出が制御される請求項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。

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