JP6737149B2 - エンジン - Google Patents

Description

本開示は、排気弁が排気ポートを開閉するエンジンに関する。

ユニフロー掃気式２サイクルエンジンは、例えば、船舶の機関として用いられる。ユニフロー掃気式２サイクルエンジンでは、シリンダにおけるピストンのストローク方向の一端側に掃気ポートが設けられる。シリンダにおけるピストンのストローク方向の他端側にシリンダカバーが設けられる。シリンダカバーには排気ポートが設けられる。掃気ポートから燃焼室に活性ガスが吸入される。燃料燃焼後の排気ガスは、活性ガスによって排気ポートから押し出される。

排気ポートは排気弁によって開閉される。排気弁の弁体は、開弁時には排気ポートから離隔しているが、排気ポートから排出される排気ガスの流れの妨げとなっている。そのため、排気弁のピストン側に排気ガスが滞留してしまうおそれがある。特許文献１には、シリンダカバー（シリンダヘッド）に周方向に離隔して複数の排気ポートが形成された構成が記載されている。複数の排気ポートの中心には、排気弁のシャフトが挿通される挿通孔が形成される。排気弁の弁体には、シャフトの軸方向に貫通する排気孔が形成される。排気孔は、シリンダカバーのうち、複数の排気ポートと挿通孔との間の内壁に対向している。排気弁が閉じると、排気孔がシリンダカバーの内壁によって閉塞される。

実開昭６３−１９０１１号公報

上記の特許文献１に記載のエンジンでは、複数の排気ポートの周囲、排気孔の周囲、および、挿通孔の周囲のすべてにシート面を形成し、閉弁時のシール性を確保しなければならない。そのため、シート面の設計が複雑となってしまう。

本開示は、このような課題に鑑み、シート面の設計を容易とすることが可能な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、本開示の一態様に係るエンジンは、シート面の内側に開口する排気通路と、シート面に当接する当接部が背面に設けられた弁体を有し、弁体の背面であってシート面の外側に一端が開口し、弁体の正面側に他端が開口する貫通孔が形成された排気弁と、を備える。

貫通孔の他端は、一端よりも弁体の中心側に位置してもよい。

シート面の外側に設けられ、貫通孔側に突出する突出部を備えてもよい。

本開示によれば、シート面の設計を容易と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（エンジン）の全体構成を示す図である。 図１の破線部分の抽出拡大図である。 図３（ａ）、図３（ｂ）は、図２の一点鎖線部分の抽出図である。 図４（ａ）は、排気弁を背面側から見た図である。図４（ｂ）は、排気弁を正面側から見た図である。 図５（ａ）は、第１変形例における図３（ａ）の破線部分に対応する部位の抽出図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）と同じ部位の抽出図である。 図６（ａ）は、第２変形例における図３（ａ）に対応する部位の抽出図である。図６（ｂ）は、第３変形例における図３（ａ）に対応する部位の抽出図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、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、本開示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する。また本開示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（エンジン）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、船舶の機関として用いられる。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、シリンダカバー１１２と、ピストン１１４と、ピストンロッド１１６と、掃気ポート１１８と、掃気溜１２０と、掃気室１２２と、冷却器１２４と、整流板１２６と、ドレインセパレータ１２８と、燃料ガス主管１３０と、燃料噴射装置１３２と、環状配管１３４と、燃料配管１３６と、燃料噴出口１３８と、燃焼室１４０と、パイロット噴射弁１４２と、排気通路１４４と、排気弁１４６と、排気弁駆動装置１４８と、を含んで構成される。図１中、ピストン１１４、排気弁１４６、排気弁駆動装置１４８は、断面ではなく側面図を示す。

ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００では、シリンダ１１０（シリンダライナ１１０ａ）内をピストン１１４が摺動する。ピストン１１４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、膨張が行われる。ピストン１１４には、ピストンロッド１１６の一端が取り付けられる。ピストンロッド１１６の他端には、不図示のクロスヘッドが連結されている。クロスヘッドは、ピストン１１４とともに往復移動する。ピストン１１４の往復移動に伴いクロスヘッドが往復移動する。クロスヘッドの往復移動に連動して、不図示のクランクシャフトが回転する。

掃気ポート１１８は、シリンダ１１０の内周面から外周面まで貫通する孔である。掃気ポート１１８は、シリンダ１１０の周方向（以下、単に周方向という）に亘って複数設けられている。掃気ポート１１８は、ピストン１１４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。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。

活性ガス（例えば空気）は、不図示のブロワーによって圧縮される。圧縮された活性ガスは、冷却器１２４によって冷却される。冷却された活性ガスは、掃気溜１２０に封入される。活性ガスは、掃気溜１２０内に配置された整流板１２６によって整流される。整流された活性ガス中に含まれる水分は、ドレインセパレータ１２８で除去される。

掃気室１２２は、掃気溜１２０と連通する。掃気室１２２は、シリンダ１１０のうち、ピストン１１４のストローク方向（以下、単にストローク方向と称す）の一端側（図１中、下側）を囲繞している。水分が除去された活性ガスは、掃気室１２２に導かれる。

掃気室１２２には、掃気ポート１１８が開口している。ピストン１１４は、掃気ポート１１８より下側まで下降する。このとき、活性ガスは、掃気室１２２とシリンダ１１０内の差圧によって、掃気室１２２からシリンダ１１０内に掃気ポート１１８を通って吸入される。

燃料ガス主管１３０は、不図示の燃料タンクに連通する。燃料ガス主管１３０は、燃料噴射装置１３２を介して環状配管１３４と連通している。燃料ガス主管１３０には、燃料タンクから燃料ガスが導かれている。燃料噴射装置１３２が駆動すると、燃料ガス主管１３０の燃料ガスが環状配管１３４に流入する。

ここで、燃料ガスは、例えば、ＬＮＧ（液化天然ガス）をガス化して生成されるものとする。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。

環状配管１３４は、シリンダ１１０の径方向外側（以下、単に径方向外側という）に位置する。また、環状配管１３４は、掃気ポート１１８より、図１中、上側に配されており、シリンダ１１０の周方向に環状に延在する。環状配管１３４は、シリンダ１１０を囲繞する。環状配管１３４のうち、掃気ポート１１８側には複数の燃料配管１３６が設けられている。燃料配管１３６は、ストローク方向に延在する。燃料配管１３６は、複数の掃気ポート１１８それぞれに対して１つずつ配される。

燃料配管１３６は、シリンダ１１０のうち、隣り合う掃気ポート１１８の間の壁面に対向している。燃料配管１３６のうち、この壁面との対向部位には、燃料噴出口１３８が形成されている。燃料配管１３６（燃料噴出口１３８）は、掃気ポート１１８に合わせて、シリンダ１１０の周方向に亘って複数設けられている。

燃料噴出口１３８は、環状配管１３４に流入した燃料ガスを、掃気ポート１１８に吸入される活性ガスに噴射する。噴射された燃料ガスは、活性ガスの流れに合流する。燃料ガスは、活性ガスとともに掃気ポート１１８からシリンダ１１０内に吸入される。

燃焼室１４０は、ピストン１１４が上死点側にあるとき、シリンダカバー１１２（シリンダヘッド）と、シリンダライナ１１０ａと、ピストン１１４とに囲繞されてシリンダ１１０の内部に形成される。シリンダ１１０に吸入された活性ガスおよび燃料ガスは、ピストン１１４によって燃焼室１４０に導かれる。

パイロット噴射弁１４２は、シリンダカバー１１２に設けられる。パイロット噴射弁１４２の先端は、燃焼室１４０に突出している。エンジンサイクルにおける所望の時点で、パイロット噴射弁１４２から適量の燃料油が燃焼室１４０内に噴射される。燃料油は、燃焼室１４０の熱で気化する。燃料油が気化して自然着火し、僅かな時間で燃焼して、燃焼室１４０の温度が極めて高くなる。こうして、燃焼室１４０に導かれて圧縮された燃料ガスが燃焼する。ピストン１１４は、主に燃料ガスの燃焼による膨張圧によって往復移動する。

排気通路１４４は、燃焼室１４０の、図１中、上側に形成される。シリンダ１１０内において燃料ガスが燃焼して排気ガスが生じる。排気通路１４４は、排気ガスを排出するために開閉される。排気弁１４６は、排気弁駆動装置１４８によって所定のタイミングで上下に摺動され、排気通路１４４を開閉する。燃料ガスの燃焼後、排気弁１４６が開弁すると、掃気ポート１１８から流入した活性ガス（掃気）によって、シリンダ１１０内の排気ガスが排気通路１４４から押し出される。

図２は、図１の破線部分の抽出拡大図である。以下の図では、理解を容易とするため、ピストン１１４およびパイロット噴射弁１４２の図示を省略する。図２に示すように、シリンダカバー１１２には、カバー孔１１２ａが設けられている。カバー孔１１２ａは、燃焼室１４０の上側においてストローク方向に貫通する。カバー孔１１２ａには、排気弁箱１５０の一端が挿通される。排気弁箱１５０には、排気通路１４４が形成されている。排気通路１４４は、燃焼室１４０と連通する。排気通路１４４は、図１中、右上に向かって湾曲して延在する。排気通路１４４は、図１中、大凡右側に開口している。

排気弁１４６は、弁体１６０およびシャフト１８０を有している。弁体１６０は、燃焼室１４０の内側に配される。弁体１６０は、大凡円錐形状の本体部１６２を有する。本体部１６２のうち、図２中、下側の正面１６４（触火面）は、ピストン１１４に対してストローク方向に対向する。正面１６４は、ストローク方向に対して大凡垂直な面方向に延在している。

弁体１６０の本体部１６２のうち、図２中、上側（正面１６４と反対側）の背面１６６は、テーパ面となっている。背面１６６は、正面１６４から離隔するほど（図２中、上側へ向かうほど）、外径が小さくなる向きに傾斜している。背面１６６の中心には、シャフト１８０が設けられる。シャフト１８０は、背面１６６から、図２中、上側（正面１６４と反対側）に突出する。シャフト１８０は、ストローク方向に延在している。

図１に示すように、排気弁箱１５０には、排気弁箱１５０の上端１５２から排気通路１４４までストローク方向に貫通するシャフト孔１５４が設けられている。シャフト孔１５４には、シャフト１８０が挿通されている。シャフト１８０は、排気弁箱１５０を貫通する。シャフト１８０の先端は、排気弁箱１５０から突出している。

排気弁駆動装置１４８は、シャフト１８０のうち、排気弁箱１５０から突出した部位をストローク方向に駆動する。弁体１６０は、シャフト１８０とともに、図１中、上下に移動し、排気通路１４４のうち、燃焼室１４０側の開口部１４４ａ（排気ポート）を開閉する。

図２に示すように、例えば、排気通路１４４が閉弁する直前に、排気弁１４６の正面１６４側に排気ガスが滞留する場合がある。これは、弁体１６０が、排気通路１４４から排出される排気ガスの流れの妨げとなるためである。また、スワール流がある場合、掃気のうち、シリンダ１１０の外周側の流速に対し、中心側の流速が遅くなる。そのため、排気弁１４６の正面１６４近傍の排気ガスが、排気通路１４４に押し出され難い。

図３（ａ）、図３（ｂ）は、図２の一点鎖線部分の抽出図である。ただし、図３（ａ）、図３（ｂ）では、排気弁１４６を断面で示す。また、図３（ｂ）は、排気弁１４６が排気通路１４４を閉弁した状態を示す。

図３（ｂ）に示すように、燃焼室１４０の内壁面１９０（排気弁箱１５０のうち、燃焼室１４０に対向する壁面１５６）には、シート面１９２が形成される。シート面１９２は、閉弁時、弁体１６０の背面１６６に当接する。シート面１９２は、環状に形成される。排気通路１４４は、シート面１９２の内側（シリンダ１１０の径方向内側、以下、単に径方向内側という）に開口する。排気通路１４４は、シート面１９２と離隔している。シート面１９２は、排気通路１４４の開口部１４４ａを周方向に亘って囲繞する。

以下、弁体１６０のうち、閉弁時にシート面１９２と当接する部位を当接部１６８と称す。当接部１６８は、シート面１９２と同様、環状に形成される。図３（ａ）に示すように、シート面１９２と当接部１６８は、開弁時、ストローク方向に対向する。

弁体１６０の本体部１６２には、貫通孔１７０が形成されている。貫通孔１７０は、本体部１６２を、正面１６４から背面１６６まで貫通する。貫通孔１７０の一端１７２は、背面１６６のうち、当接部１６８の径方向外側（外側）に位置する。すなわち、貫通孔１７０の一端１７２は、シート面１９２の径方向外側に位置する。

貫通孔１７０の他端１７４は、一端１７２より径方向内側（中心側）に位置する。貫通孔１７０の他端１７４は、例えば、排気通路１４４の内周面１４４ｂより径方向内側に位置する。貫通孔１７０は、ストローク方向に対して傾斜する。

図４（ａ）は、排気弁１４６を背面１６６側から見た図である。図４（ｂ）は、排気弁１４６を正面１６４側から見た図である。理解を容易とするため、図４（ａ）中、当接部１６８の径方向の幅中心を破線で示す。図４（ａ）に示すように、貫通孔１７０の一端１７２は、周方向に離隔して複数形成される。図４（ｂ）に示すように、貫通孔１７０の他端１７４は、周方向に離隔して複数形成される。貫通孔１７０は、周方向に離隔して複数形成される。

上記のように、排気通路１４４が閉弁する直前に、排気弁１４６の正面１６４側には、排気ガスが滞留する場合がある。貫通孔１７０を設けることで、排気ガスが貫通孔１７０を通って背面１６６側に導かれる。そのため、排気ガスが効率的に排出される。また、貫通孔１７０の一端１７２は、シート面１９２の径方向外側に開口している。そのため、１つのシート面１９２を設ければ、閉弁時における燃焼室１４０のシール性が確保される。その結果、シート面１９２を複数設ける必要がなくなり、シート面１９２の設計が容易となる。

また、貫通孔１７０の他端１７４は、一端１７２より径方向内側（中心側）に位置する。そのため、弁体１６０の正面１６４の中心付近に滞留する排気ガスが、効率的に貫通孔１７０に導かれる。排気ガスが一層効率的に排出される。

図５（ａ）は、第１変形例における図３（ａ）の破線部分に対応する部位の抽出図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）と同じ部位の抽出図である。図５（ｂ）には、図５（ａ）に示される状態よりも閉弁タイミングに近い状態を示す。

第１変形例では、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、燃焼室１４０の内壁面１９０に、突出部１９４が形成される。突出部１９４は、内壁面１９０のうち、シート面１９２よりも径方向外側に位置する。突出部１９４は、当接部１６８よりも径方向外側に位置する。突出部１９４は、例えば、周方向に亘って形成される。

図５（ｂ）に示すように、閉弁の直前、突出部１９４は、貫通孔１７０の一端１７２にストローク方向に対向する。弁体１６０の径方向外側を回り込んだ排気ガスは、内壁面１９０と背面１６６との隙間Ｓを排気通路１４４に向って流れる。隙間Ｓは、排気通路１４４に向って徐々に狭くなっている。

隙間Ｓのうち、貫通孔１７０の一端１７２近傍では、突出部１９４によって、隙間Ｓの流路断面積が急激に変化する。排気通路１４４側に向って、流路断面積が縮小した後、さらに排気通路１４４側において流路断面積が拡大する。そのため、排気ガスの流速は、突出部１９４近傍で増大する。ベンチュリー効果により、貫通孔１７０の一端１７２における排気ガスの圧力が低下する。その結果、排気ガスが、貫通孔１７０の他端１７４から一端１７２側に導かれ易くなる。排気ガスが一層効率的に排出される。

図６（ａ）は、第２変形例における図３（ａ）に対応する部位の抽出図である。図６（ｂ）は、第３変形例における図３（ａ）に対応する部位の抽出図である。図６（ａ）に示すように、第２変形例における貫通孔２７０は、一端２７２から他端２７４に向って流路断面積が縮小する。図６（ｂ）に示すように、第３変形例における貫通孔３７０は、一端３７２から他端３７４に向って流路断面積が拡大する。第２変形例、第３変形例に示すように、貫通孔２７０、３７０は、流路断面積が変化してもよい。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示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、上述した実施形態および各変形例では、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００を例に挙げて説明した。しかし、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００に限らず、他のエンジン（例えば、４サイクルエンジンなど）に、上述した排気弁１４６の構成を適用してもよい。

また、上述した実施形態および各変形例では、弁体１６０は、大凡円錐形状の本体部１６２を有する場合について説明した。しかし、本体部１６２の形状は、円錐形状に限らない。

また、上述した実施形態および各変形例では、燃料噴出口１３８が掃気ポート１１８の外側に配される場合について説明した。しかし、シリンダ１１０のうち、掃気ポート１１８と排気通路１４４の間に燃料噴射ポートを設け、燃料噴射ポートからシリンダ１１０内に燃料を噴射してもよい。

また、上述した実施形態および各変形例では、燃料噴出口１３８から供給された燃料ガスが燃焼する場合について説明した。しかし、パイロット噴射弁１４２から供給された液体燃料のみが燃焼する構成であってもよい。また、燃料ガスが燃焼するガス燃焼モードと、液体燃料が燃焼する液体燃焼モードが選択的に実行されてもよい（デュアルフューエル型エンジン）。

また、上述した実施形態および各変形例では、シート面１９２が排気弁箱１５０の壁面１５６に形成される場合について説明した。しかし、燃焼室１４０の内壁面１９０であれば、他の部材にシート面１９２が形成されてもよい。

また、上述した第１変形例では、突出部１９４が排気弁箱１５０の壁面１５６に形成される場合について説明した。しかし、燃焼室１４０の内壁面１９０であれば、他の部材に突出部１９４が形成されてもよい。

また、上述した実施形態および各変形例では、貫通孔１７０、２７０、３７０の他端１７４、２７４、３７４は、一端１７２、２７２、３７２よりも弁体１６０の中心側に位置する場合について説明した。しかし、貫通孔１７０、２７０、３７０の他端１７４、２７４、３７４は、一端１７２、２７２、３７２よりも弁体１６０の外側に位置してもよい。貫通孔１７０、２７０、３７０の他端１７４、２７４、３７４は、一端１７２、２７２、３７２と、径方向の位置が同じであってもよい。

本発明は、排気弁が排気ポートを開閉する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（エンジン）
１４４ 排気通路
１４６ 排気弁
１６０ 弁体
１６４ 正面
１６６ 背面
１６８ 当接部
１７０ 貫通孔
１７２ 一端
１７４ 他端
１９２ シート面
１９４ 突出部
２７０ 貫通孔
２７２ 一端
２７４ 他端
３７０ 貫通孔
３７２ 一端
３７４ 他端

Claims (3)

1. シート面の内側に開口する排気通路と、
   前記シート面に当接する当接部が背面に設けられた弁体を有し、前記弁体の背面であって前記シート面の外側に一端が開口し、前記弁体の正面側に他端が開口する貫通孔が形成された排気弁と、
   を備えるエンジン。
2. 前記貫通孔の他端は、一端よりも前記弁体の中心側に位置する請求項１に記載のエンジン。
3. 前記シート面の外側に設けられ、前記貫通孔側に突出する突出部を備える請求項１または２に記載のエンジン。

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