JP6492542B2 - ユニフロー掃気式２サイクルエンジン - Google Patents

Description

本発明は、燃料の爆発圧力によってピストンが往復動するユニフロー掃気式２サイクルエンジンに関する。

近年、エンジンでは燃料の燃焼方式が複数開発されている。例えば、特許文献１では、燃焼室に噴射された燃料に、点火プラグが発生させたプラズマによってエネルギーを付与し、温度上昇した燃料が着火するエンジンが記載されている。

また、点火プラグのような着火機構を設けず、燃料が自己着火燃焼する燃焼方式も開発されている。例えば、ＲＣＣＩ（Reactivity Controlled Compression Ignition）は、着火性の異なる２種類の燃料を燃焼室にそれぞれ噴射し、圧縮行程で２種類の燃料を圧縮することで、２種類の燃料のうち着火性の高い方の燃料から着火し、燃焼を制御する燃焼方式である。

特開２０１３−５７２６８号公報

上記のＲＣＣＩでは、着火性の異なる２種類の燃料を用意しなければならない。そのため、１種類の燃料で済む場合に比べ、燃料の調達、貯留などの処理にかかる費用が増加する。

本発明は、このような課題に鑑み、ＲＣＣＩによる燃焼方式において、コストを低減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、本発明のユニフロー掃気式２サイクルエンジンは、シリンダ内に形成される主燃焼室で生じる爆発圧力により、シリンダ内でピストンが往復動するユニフロー掃気式２サイクルエンジンであって、シリンダに設けられた掃気ポートと、掃気ポートよりも、シリンダの外周側に配される第１燃料供給部と、シリンダ内に形成され主燃焼室に連通する副燃焼室に設けられる第２燃料供給部と、第２燃料供給部に供給される燃料に対して、反応性を高める改質処理を施す改質部と、燃料を貯留する燃料貯留部と、燃料貯留部から第１燃料供給部まで燃料を導く第１供給ラインと、燃料貯留部もしくは第１供給ラインから改質部を介して第２燃料供給部まで燃料を導く第２供給ラインと、を備えることを特徴とする。

第１燃料供給部から主燃焼室へ燃料を供給させた後、第２燃料供給部から副燃焼室に改質処理が施された燃料を供給させる燃料供給制御部をさらに備えてもよい。

改質部は、第２燃料供給部に供給される燃料を、プラズマとしてもよい。

本発明によれば、ＲＣＣＩによる燃焼方式において、コストを低減す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説明図である。 第１燃料供給部を説明するための説明図である。 燃料ガスの供給経路の概略を示すブロック図である。 主燃焼室における燃料ガスの燃焼を説明するための説明図である。 変形例における燃料ガスの燃焼を説明するための説明図である。

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。

以下の実施形態では、シリンダ内部をガスが一方向に流れるユニフロー掃気式２サイクルエンジンについて説明する。しかし、エンジンの種類は、ユニフロー掃気式、２サイクル型に限られず、シリンダ内に形成される燃焼室で生じる爆発圧力により、シリンダ内でピストンが往復動するレシプロエンジンであればよい。

図１は、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００（レシプロエンジン）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。ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００は、シリンダ１１０と、ピストン１１２と、排気ポート１１４と、排気弁駆動装置１１６と、排気弁１１８と、掃気ポート１２０と、掃気室１２２と、第１燃料供給部１２４と、第２燃料供給部１２６と、主燃焼室１２８ａと、副燃焼室１２８ｂと、ロータリエンコーダ１３０と、ガバナー（調速機）１３２と、燃料供給制御部１３４と、排気制御部１３６とを含んで構成される。

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、ピストン１１２がシリンダ１１０内を往復動する。ピストン１１２には、ピストンロッド１１２ａの一端が固定されている。ピストンロッド１１２ａは、不図示のクロスヘッドに連結されており、ピストン１１２がシリンダ１１０内を摺動自在に往復動すると、クロスヘッドおよび連結棒を介してクランクシャフトが回転する。このようなクロスヘッド型のレシプロエンジンでは、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。

排気ポート１１４は、ピストン１１２の上死点位置より図１中、上側に位置するシリンダヘッド１１０ａ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１１６は、所定のタイミングで排気弁１１８を上下に摺動させることで排気ポート１１４を開閉する。このようにして排気ポート１１４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１２０は、シリンダ１１０の下端側の内周面（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１２０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１２２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１２２とシリンダ１１０内の差圧をもって掃気ポート１２０から活性ガスが吸入される。掃気室１２２の圧力は、ほぼ一定とすることができるが、掃気室１２２の圧力が変化する場合には、掃気ポート１２０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。

第１燃料供給部１２４は、掃気ポート１２０よりシリンダ１１０の外周側に配置され、活性ガスとともに予混合気（燃料ガス）を、掃気ポート１２０からシリンダ１１０内に吸入させる。以下、図２を用いて、第１燃料供給部１２４について詳述する。

図２は、第１燃料供給部１２４を説明するための説明図であり、図２（ａ）には、シリンダ１１０の側面図のうち、第１燃料供給部１２４近傍の抽出図を示す。また、図２（ｂ）には、図２（ａ）の破線部分の拡大図を示す。

図２（ａ）に示すように、第１燃料供給部１２４は、シリンダ１１０とは別体に形成された混合管１２４ａ、１２４ｂを有する。混合管１２４ａ、１２４ｂは、それぞれ、シリンダ１１０の径方向外側を周方向に囲繞する環状部材である。混合管１２４ａは、掃気ポート１２０よりもピストン１１２のストローク方向の一端側（図２（ａ）中、上側）に配され、混合管１２４ｂは、掃気ポート１２０よりもピストン１１２のストローク方向の他端側（図２（ａ）中、下側）に配される。

混合管１２４ａ、１２４ｂそれぞれの内部には、環状に延在する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。

そして、隣り合う流通管１２４ｃのうち、一方は混合管１２４ａに連通し、他方は混合管１２４ｂに連通している。そして、流通管１２４ｃには、混合管１２４ａまたは混合管１２４ｂから流入した予混合気が流通する。

そして、不図示の第１燃料噴射弁が開弁し、図２（ｂ）に示す噴射口１２４ｄから予混合気が噴出すると、掃気室１２２から掃気ポート１２０に向かって流れる活性ガスに向けて、第１燃料供給部１２４の噴射口１２４ｄから当該予混合気が吹きつけられることとなる。以下では、予混合気を燃料ガスと特に区別する場合を除いて、予混合気を単に燃料ガスと表記する。

図１に戻って、第２燃料供給部１２６は、シリンダヘッド１１０ａに設けられた噴射弁である。ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００は、燃焼室として、主燃焼室１２８ａおよび副燃焼室１２８ｂを備えている。主燃焼室１２８ａ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とに囲繞される。副燃焼室１２８ｂは、シリンダヘッド１１０ａの内部に形成され、一端がシリンダヘッド１１０ａから主燃焼室１２８ａ側に突出している。第２燃料供給部１２６は、先端が副燃焼室１２８ｂに開口しており、副燃焼室１２８ｂに向かって後述する改質部によって改質された燃料ガスを噴射する。

ロータリエンコーダ１３０は、不図示のクランクシャフトに設けられ、クランクシャフトの角度信号（以下、クランク角度信号と言う。）を検出する。

ガバナー１３２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、燃料供給制御部１３４に出力する。

燃料供給制御部１３４は、ガバナー１３２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、第１燃料供給部１２４（第１燃料噴射弁）および第２燃料供給部１２６を制御する。

排気制御部１３６は、燃料供給制御部１３４からの燃料噴射量を示す情報、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１１６に排気弁操作信号を出力する。

図３は、燃料ガスの供給経路の概略を示すブロック図である。図３中、矢印は燃料ガスの流れを示す。燃料貯留部１３８は、燃料ガスを貯留するタンクである。第１燃料供給部１２４および第２燃料供給部１２６には、同一の燃料貯留部１３８に貯留された燃料ガスが供給される。

第１供給ライン１４０および第２供給ライン１４２は、例えば、配管で構成され、燃料ガスの流路となる。第１供給ライン１４０は、燃料貯留部１３８から第１燃料供給部１２４まで燃料ガスを導く。第２供給ライン１４２は、第１供給ライン１４０から分岐する配管であって、第１供給ライン１４０から改質部１４４を介して第２燃料供給部１２６まで燃料ガスを導く。

改質部１４４は、チャンバーおよび電界発生装置などで構成される。そして、改質部１４４は、チャンバー内に流入した燃料ガスに、電界発生装置が生成した電界によって電圧を印加し、加速された燃料ガスの電子とガス分子とを衝突電離させることで、燃料ガスを非平衡プラズマ状態とし、第２燃料供給部１２６に供給する。このように、第２燃料供給部１２６に供給される燃料ガスに対して、反応性を高める改質処理を施す。

図４は、主燃焼室１２８ａにおける燃料ガスの燃焼を説明するための説明図であり、主燃焼室１２８ａ近傍の断面を示す。図４では、理解を容易とするため、活性ガス中に拡散した燃料ガスを粒子状に図示する。

第１燃料供給部１２４は、燃料供給制御部１３４の制御に応じ、上記のように、掃気ポート１２０からシリンダ１１０内に燃料ガスを吸入させる。第１燃料供給部１２４から供給された燃料ガスは、圧縮行程において、活性ガスと混合されながら活性ガスと共に圧縮され、図４（ａ）に示すように、主燃焼室１２８ａ内に拡散した状態となっている。すなわち、第１燃料供給部１２４からシリンダ１１０内に流入した燃料ガスは、主燃焼室１２８ａに供給されることとなる。

そして、第２燃料供給部１２６は、燃料供給制御部１３４の制御に応じ、改質処理が施された燃料ガスを副燃焼室１２８ｂ内に噴射する。

このように、燃料供給制御部１３４は、第１燃料供給部１２４から主燃焼室１２８ａ（シリンダ１１０）へ燃料ガスを供給させた後、第２燃料供給部１２６から副燃焼室１２８ｂに改質処理が施された燃料ガスを供給させる。

副燃焼室１２８ｂ内に噴射された燃料ガスは、主燃焼室１２８ａにおいて拡散している第１燃料供給部１２４から供給された燃料ガスよりも反応性が高く、主燃焼室１２８ａよりも容積が小さい副燃焼室１２８ｂで拡散しており濃度が濃い。そして、不図示の点火プラグなどによって、図４（ｂ）に示すように、主燃焼室１２８ａより早く副燃焼室１２８ｂ内で燃料ガスが着火する。

その後、図４（ｃ）に示すように、副燃焼室１２８ｂで燃焼した燃料ガスや排気ガスが、火炎とともに主燃焼室１２８ａに噴出する。そして、主燃焼室１２８ａ内に拡散している燃焼ガスにも燃焼が拡がる。

このように、着火性の異なる２種類の燃料を用いる燃焼方式は、ＲＣＣＩ（Reactivity Controlled Compression Ignition）と呼称されており、２種類の燃料を用いることで、燃料燃焼を適切に制御し、排気ガス中に含まれるＮＯｘを低減することが可能となる。

本実施形態では、同種の燃料ガスに対し、一方は改質処理を施し、他方は改質処理を施さないことで、着火性の異なる２種類の燃料ガスとして用いている。そのため、予め別種の燃料ガスを用意する場合に比べ、燃料ガスの調達、貯留などの処理にかかる費用が少ない。また、２種類の燃料ガスそれぞれに個別の燃料タンクを設ける必要がないことから、燃料タンクの数を削減することが可能となる。

図５は、変形例における燃料ガスの燃焼を説明するための説明図であり、主燃焼室１２８ａ近傍の断面を示す。図５では、図４と同様、理解を容易とするため、活性ガス中に拡散した燃料ガスを粒子状に図示する。

変形例においては、上述した実施形態と異なり、副燃焼室１２８ｂを備えず、燃焼室は主燃焼室１２８ａのみで構成されている。第２燃料供給部２２６は、主燃焼室１２８ａに開口しており、直接、主燃焼室１２８ａに向かって、改質処理が施された燃料ガスを供給する。

図５（ａ）に示すように、主燃焼室１２８ａ内に、第１燃料供給部１２４から供給された燃料ガスが拡散した状態で、図５（ｂ）に破線で示すように、第２燃料供給部２２６は、改質処理が施された燃料ガスを主燃焼室１２８ａ内に噴射する。

その後、さらにピストン１１２が上死点に向かっていく過程で、図５（ｃ）に示すように、改質処理が施された燃料ガスが改質前の燃料ガスと混合し、最も着火し易い状態となったものから着火し、主燃焼室１２８ａ内に拡散している燃料ガスに燃焼が拡がっていく。

このように、変形例においては、改質処理が施された燃料ガスは、主燃焼室１２８ａ内に噴出した後、着火することから、主燃焼室１２８ａ内における改質処理が施された燃料ガスの拡散や着火位置などを、ある程度調整可能となる。

上述した実施形態および変形例では、燃焼室で燃焼する燃料として、気体の燃料である燃料ガスが用いられる場合について説明したが、液体燃料を用いてもよい。

また、上述した実施形態および変形例では、改質部１４４は、第２燃料供給部１２６、２２６に供給される燃料ガスを、非平衡プラズマ状態とする場合について説明した。しかし、改質部１４４は、第２燃料供給部１２６、２２６に供給される燃料ガスに反応性を高める処理を施せばよく、非平衡プラズマ状態とする処理に限らず、例えば、燃料ガスを触媒に接触させて活性化する処理を施してもよい。ただし、燃料ガスをプラズマ状態とすることで、燃料ガスに高いエネルギーを付与することができ、燃料ガスの燃焼を一層促進することが可能となる。また、改質部１４４が、燃料ガスをプラズマ状態とする場合、プラズマの種別は問わない。ただし、非平衡プラズマは、プラズマの中でも比較的小さいエネルギーで生成できることから、燃料ガスを非平衡プラズマとする構成を採用すれば、改質部１４４による改質処理のコストを抑えることが可能となる。

また、上述した実施形態および変形例では、同一の燃料貯留部１３８から第１燃料供給部１２４および第２燃料供給部１２６、２２６に燃料ガスが供給される場合について説明したが、第１燃料供給部１２４および第２燃料供給部１２６、２２６それぞれに１つずつ、燃料貯留部１３８を設けてもよい。

また、上述した実施形態および変形例では、第２供給ライン１４２は、第１供給ライン１４０から分岐し、第１供給ライン１４０から改質部１４４を介して第２燃料供給部１２６、２２６まで燃料ガスを導く場合について説明したが、第２供給ライン１４２は、直接、燃料貯留部１３８から改質部１４４を介して第２燃料供給部１２６、２２６まで燃料ガスを導いてもよい。ただし、第２供給ライン１４２が第１供給ライン１４０から分岐する構成とすることで、第１供給ライン１４０および第２供給ライン１４２の双方に要する配管の全長を短くすることが可能となる。

また、上述した実施形態および変形例では、第１燃料供給部１２４は、燃料ガスと活性ガスを混合した予混合気を、噴射口１２４ｄから噴出する場合について説明したが、予混合気ではなく燃料ガスを噴射口１２４ｄから噴射する構成であってもよい。

また、上述した実施形態および変形例では、第１燃料供給部１２４は、掃気ポート１２０よりもシリンダ１１０の外周側に配置され、掃気ポート１２０から燃料ガス（予混合気）をシリンダ１１０内に吸入させる場合について説明した。しかし、第１燃料供給部１２４は、シリンダ１１０内に燃料ガスを供給すれば、いずれに配置されてもよい。例えば、４サイクルエンジンの場合、第１燃料供給部１２４を、吸気ポートに接続された吸気流路内に配置してもよい。

また、上述した実施形態および変形例では、第２燃料供給部１２６は、シリンダヘッド１１０ａに設けられる場合について説明したが、第２燃料供給部１２６は、燃焼室に改質された燃料ガスを噴射できれば、任意の位置に配置してよい。

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、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、燃料の爆発圧力によってピストンが往復動す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（レシプロエンジン）
１１０ シリンダ
１１２ ピストン
１２４ 第１燃料供給部
１２６、２２６ 第２燃料供給部
１２８ａ 主燃焼室（燃焼室）
１２８ｂ 副燃焼室（燃焼室）
１３４ 燃料供給制御部
１３８ 燃料貯留部
１４０ 第１供給ライン
１４２ 第２供給ライン
１４４ 改質部

Claims (3)

1. シリンダ内に形成される主燃焼室で生じる爆発圧力により、該シリンダ内でピストンが往復動するユニフロー掃気式２サイクルエンジンであって、
   前記シリンダに設けられた掃気ポートと、
   前記掃気ポートよりも前記シリンダの外周側に配される第１燃料供給部と、
   前記シリンダ内に形成され前記主燃焼室に連通する副燃焼室に設けられる第２燃料供給部と、
   前記第２燃料供給部に供給される燃料に対して、反応性を高める改質処理を施す改質部と、
   燃料を貯留する燃料貯留部と、
   前記燃料貯留部から前記第１燃料供給部まで燃料を導く第１供給ラインと、
   前記燃料貯留部もしくは前記第１供給ラインから前記改質部を介して前記第２燃料供給部まで燃料を導く第２供給ラインと、
   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。
2. 前記第１燃料供給部から前記主燃焼室へ燃料を供給させた後、前記第２燃料供給部から前記副燃焼室に前記改質処理が施された燃料を供給させる燃料供給制御部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のユニフロー掃気式２サイクルエンジン。
3. 前記改質部は、前記第２燃料供給部に供給される燃料を、プラズマとすることを特徴とする請求項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。

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