JP7192368B2

JP7192368B2 - エンジン

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Publication number: JP7192368B2
Application number: JP2018187958A
Authority: JP
Inventors: 裕増田; 和樹四井
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2018-10-03
Filing date: 2018-10-03
Publication date: 2022-12-20
Anticipated expiration: 2038-10-03
Also published as: JP2020056366A

Description

本開示は、エンジンに関する。

エンジンなどには、燃料噴射装置が設けられる。例えば、特許文献１には、エンジン負荷などの運転状態に応じ、燃料の噴射方向を変更可能な燃料噴射装置が開示されている。具体的には、一対の円板の間に複数の針金が設けられる。一方の円板が圧電素子によって押圧されると、複数の針金が圧縮されながら、他方の円板を回転させる。他方の円板には、複数の分岐燃料通路が形成されており、円板の回転によって分岐燃料通路の開口の向きが変わる。こうして、燃料の噴射方向が変更される。

特開２０１３－２４５５８７号公報

上記の特許文献１に記載の燃料噴射装置では、燃料の噴射方向を可変とする構造が複雑化してしまう。

本開示は、簡易な構造で燃料の噴射方向を可変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、本開示のエンジンは、シリンダと、シリンダの一端に設けられたシリンダヘッドと、シリンダに回転可能に設けられ、シリンダの内部空間に端面を臨ませたノズル部材、および、ノズル部材に形成され、端面に開口する開口部から、ノズル部材の回転軸方向に対して傾斜する方向に延在する第１噴射孔を少なくとも一つ有する燃料噴射装置と、を備え、回転軸方向は、シリンダの径方向であり、第１噴射孔の開口部は、回転軸に対して偏心して配置され、ノズル部材には、１つの第１噴射孔、または、ノズル部材の径方向における開口部の位置が互いに異なる複数の第１噴射孔が形成される。

第１噴射孔は、回転軸方向に対する傾きを異にして、１のノズル部材に複数形成されてもよい。

燃料噴射装置は、ノズル部材に設けられ、端面に開口する開口部からノズル部材の回転軸方向に延在する第２噴射孔を少なくとも一つ備えてもよい。

燃料噴射装置は、端面に対向する被覆部、および、被覆部に形成され回転軸方向に貫通する貫通孔を有するカバー部材を備えてもよい。

本開示のエンジンによれば、簡易な構造で燃料の噴射方向を可変とすることができる。

図１は、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン（エンジン）の全体構成を示す説明図である。図２（ａ）は、図１のうち、左側の燃料噴射装置近傍の抽出図である。図２（ｂ）は、取付孔を、シリンダの径方向の内側から見た図である。図３は、第１噴射孔の傾斜の変化を説明するための図である。図４は、被覆部の作用を説明するための図である。図５は、２つの燃料噴射装置を示す図である。図６（ａ）は、第１変形例における図２（ａ）に対応する部位の図である。図６（ｂ）は、第１変形例における図２（ｂ）に対応する部位の図である。図７（ａ）は、第２変形例における図２（ａ）に対応する部位の図である。図７（ｂ）は、第２変形例における図２（ｂ）に対応する部位の図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の一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）の全体構成を示す説明図である。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。シリンダ１１０の一端側にはシリンダヘッド１１２が設けられる。シリンダ１１０の他端側にはシリンダジャケット１１４が設けられる。シリンダ１１０内にはピストン１１６が配される。

シリンダヘッド１１２は、シリンダ１１０内をシリンダ１１０の中心軸方向（ピストン１１６のストローク方向、以下、単にストローク方向という）に往復移動する。ピストン１１６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１１６には、ピストンロッド１１８の一端が取り付けられている。ピストンロッド１１８の他端には、クロスヘッド１２０が連結されている。

クロスヘッド１２０は、ピストン１１６と一体となってストローク方向に往復移動する。クロスヘッドシュー１２２によって、ストローク方向に垂直な方向（図１中、左右方向）に向うクロスヘッド１２０の移動が規制される。連結棒１２４は、クロスヘッド１２０およびクランクシャフト１２６に連結される。クロスヘッド１２０の往復移動に伴う連結棒１２４の動作により、クランクシャフト１２６が回転する。

シリンダヘッド１１２には、排気弁箱１２８が取り付けられる。燃焼室１３０は、ピストン１１６が上死点側にあるとき、シリンダヘッド１１２、排気弁箱１２８、および、ピストン１１６に囲繞されてシリンダ１１０の内部に形成される。

排気弁箱１２８には、排気ポート１３２が形成される。排気ポート１３２は、ピストン１１６の上死点よりも、鉛直上側に位置する。排気弁箱１２８には、不図示の排気弁駆動装置が設けられる。排気弁１３４は、排気弁駆動装置によってストローク方向に移動する。排気弁１３４の移動によって排気ポート１３２が開閉する。

排気弁１３４の開弁時、排気ガスは排気ポート１３２を通って燃焼室１３０から排気される。排気ガスは、排気管１３６を通って過給機１３８のタービンを回転させる。この回転動力により、過給機１３８のコンプレッサが活性ガスを圧縮して冷却器１４０に送出する。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。冷却器１４０は、圧縮された活性ガスを冷却する。冷却された活性ガスは、掃気溜１４２に送出される。掃気溜１４２は、掃気室１４４に連通する。

掃気室１４４は、シリンダジャケット１１４の内部に形成される。シリンダ１１０の他端側は、掃気室１４４内に位置する。シリンダ１１０のうち、掃気室１４４内に位置する部位には、掃気ポート１４６が形成される。掃気ポート１４６は、掃気室１４４に開口する。

掃気ポート１４６は、シリンダ１１０の内周面から外周面まで貫通する。掃気ポート１４６は、シリンダ１１０の周方向（以下、単に周方向という）に離隔して複数設けられる。掃気ポート１４６は、シリンダ１１０のうち、ピストン１１６の下死点よりも上死点側に位置する。

ピストン１１６の冠面が掃気ポート１４６よりも下死点側に移動したとき、掃気室１４４とシリンダ１１０内圧との差圧により、掃気ポート１４６からシリンダ１１０の内部空間Ｓに、活性ガスが吸入される。

シリンダ１１０のうち、シリンダジャケット１１４よりも鉛直上側（ピストン１１６の上死点側）には、取付孔１４８が形成される。取付孔１４８は、シリンダ１１０の内周面から外周面まで貫通する。取付孔１４８は、シリンダ１１０の中心軸を挟んで２つ設けられる。それぞれの取付孔１４８には、燃料噴射装置１５０が設けられる。図１では、燃料噴射装置１５０を簡略化して示す。

ここでは、燃料噴射装置１５０が２つ設けられる場合について説明した。ただし、燃料噴射装置１５０は、周方向に離隔して３つ以上設けられてもよい。この場合、シリンダ１１０には、燃料噴射装置１５０と同数の取付孔１４８が形成される。

燃料噴射装置１５０は、シリンダ１１０の内部空間Ｓに吸入された活性ガスに、燃料ガスを噴射する。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。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が用いられてもよい。

燃料ガスは、活性ガスと混合されながら、ピストン１１６の上昇に伴って燃焼室１３０に向って流れつつ圧縮される。シリンダヘッド１１２には、不図示のパイロット噴射弁が設けられる。パイロット噴射弁から燃料油が燃焼室１３０内に噴射される。燃料油は、燃焼室１３０内のガスの熱で気化する。燃料油が気化して自然着火し、燃焼室１３０の温度が上昇する。そして、燃料ガスと活性ガスの混合気が燃焼する。ピストン１１６は、燃料ガスの燃焼による膨張圧によって往復移動する。

図２（ａ）は、図１のうち、左側の燃料噴射装置１５０近傍の抽出図である。図２（ｂ）は、取付孔１４８を、シリンダ１１０の径方向の内側から見た図である。図２（ａ）に示すように、シリンダ１１０の外周面には、窪み部１１０ａが形成される。窪み部１１０ａは、シリンダ１１０の外周面における周囲の部位よりも、シリンダ１１０の径方向の内側に窪んでいる。取付孔１４８は、窪み部１１０ａに開口する。

燃料噴射装置１５０は、ノズル部材１６０を有する。ノズル部材１６０の本体部１６２は、大凡円柱形状である。本体部１６２のうち、シリンダ１１０の径方向の内側の端面１６４は、シリンダ１１０の内部空間Ｓに臨む（面する）。本体部１６２には、２つの第１噴射孔１６６が形成される。第１噴射孔１６６の開口部１６６ａは、端面１６４に開口する。

本体部１６２のうち、シリンダ１１０の径方向の外側（端面１６４と反対側）の端面１６８には、大穴１７０が開口する。大穴１７０のうち、シリンダ１１０の径方向の内側は、先細りの円錐形状となっている。第１噴射孔１６６のうち、シリンダ１１０の径方向の外側（開口部１６６ａと反対側）の端部は、大穴１７０に開口する。

本体部１６２の端面１６８は、窪み部１１０ａの底面よりもシリンダ１１０の径方向の外側に突出する。本体部１６２の外周面のうち、窪み部１１０ａの底面よりも突出した部位は、歯車となっている。

カバー部材１８０は、大凡円筒形状である。カバー部材１８０のうち、シリンダ１１０の径方向の外側の端部には、フランジ部１８２が形成される。フランジ部１８２は、環状であり、カバー部材１８０の外周面からカバー部材１８０の径方向の外側に突出する。フランジ部１８２は、窪み部１１０ａに嵌め込まれる。図２（ａ）では、カバー部材１８０のうち、フランジ部１８２を含む上側の一部を破断させて図示を省略する。

カバー部材１８０は、収容穴１８４を有する。収容穴１８４は、カバー部材１８０のうち、シリンダ１１０の径方向の外側の端面１８６に開口する。収容穴１８４のうち、シリンダ１１０の径方向の内側には、底面部１８８が設けられる。底面部１８８は、収容穴１８４の底面を形成する。底面部１８８は、ストローク方向の中心側が、シリンダ１１０の径方向の内側に突出する向きに湾曲する。

カバー部材１８０は、取付孔１４８に挿通されて取り付けられる。カバー部材１８０の収容穴１８４には、ノズル部材１６０が挿通される。ノズル部材１６０の端面１６４は、カバー部材１８０の底面部１８８から離隔する。ノズル部材１６０は、カバー部材１８０（収容穴１８４）に対して回転可能である。ここでは、ノズル部材１６０の回転軸方向（以下、単に回転軸方向という）は、ストローク方向に対して垂直な方向であり、シリンダ１１０の径方向である。

図２（ｂ）に示すように、底面部１８８は、被覆部１８８ａを有する。被覆部１８８ａは、ノズル部材１６０の端面１６４に、シリンダ１１０の径方向の内側から対向する。被覆部１８８ａには、貫通孔１８８ｂが形成される。以下の図では、貫通孔１８８ｂをクロスハッチングで示す。貫通孔１８８ｂは、底面部１８８を回転軸方向に貫通する。

蓋部材１９０は、大凡円板形状である。蓋部材１９０の外径は、フランジ部１８２の外径と大凡等しい。図２（ａ）では、蓋部材１９０のうち、上側の一部を破断させて図示を省略する。蓋部材１９０には、連通孔１９２が形成される。連通孔１９２は、蓋部材１９０を回転軸方向に貫通する。連通孔１９２は、ノズル部材１６０の大穴１７０に対向する。

ガス弁２００には、不図示の燃料配管が連結される。ガス弁２００のうち、シリンダ１１０の径方向の内側の端部には、窪みが形成され、蓋部材１９０が嵌め込まれる。ガス弁２００のうち、蓋部材１９０の連通孔１９２に対向する部位には、不図示の噴射口が形成される。燃料配管から供給された燃料ガスは、開弁時、噴射口から連通孔１９２に流出する。

ガス弁２００の上側には、アクチュエータ２１０が設けられる。アクチュエータ２１０は、電動式や油圧式が用いられる。アクチュエータ２１０の出力軸２１２は歯車となっており、第１歯車２２０に噛合する。第１歯車２２０は、第２歯車２２２に噛合する。第２歯車２２２は、上記のノズル部材１６０の外周面の歯車に噛合する。第１歯車２２０、第２歯車２２２は、蓋部材１９０およびフランジ部１８２に軸支される。

アクチュエータ２１０の回転動力は、第１歯車２２０、第２歯車２２２を介してノズル部材１６０に伝達される。アクチュエータ２１０の回転動力を受けて、ノズル部材１６０は、カバー部材１８０の収容穴１８４内で回転する。

上記のノズル部材１６０の第１噴射孔１６６は、開口部１６６ａから回転軸方向に対して傾斜する方向に延在する。そのため、アクチュエータ２１０の回転動力によってノズル部材１６０が回転すると、第１噴射孔１６６の傾斜の向きが変わる。

図３は、第１噴射孔１６６の傾斜の変化を説明するための図である。図２（ａ）では、第１噴射孔１６６は、開口部１６６ａに向かうほど、下側（ピストン１１６の下死点側）に近づく向きに傾斜する。この状態から、例えば、ノズル部材１６０が１８０度回転したとする。この場合、図３に示すように、第１噴射孔１６６は、開口部１６６ａに向かうほど、上側（ピストン１１６の上死点側）に近づく向きに傾斜することになる。

上記のように、燃料噴射装置１５０では、第１噴射孔１６６が、開口部１６６ａから回転軸方向に対して傾斜する方向に延在する。そのため、ノズル部材１６０を回転させる簡易な構造で燃料の噴射方向を可変とすることが可能となる。

例えば、低負荷時、燃料ガスの噴射方向が反スワール方向となる向きに、第１噴射孔１６６を配置してもよい。この場合、第１噴射孔１６６は、開口部１６６ａに向かうほど、スワール方向の後方側となる向きに傾斜することになる。また、燃料ガスの噴射方向は、スワール方向および反スワール方向に向かわずにシリンダ１１０の中心軸に向かっていてもよい。いずれにしても、低負荷時、燃料ガスが拡散し難く、少ない燃料量でも着火性が改善する。

また、高負荷時、燃料ガスの噴射方向が水平対向よりも下側となる向きに、第１噴射孔１６６を配置してもよい。この場合、第１噴射孔１６６は、開口部１６６ａに向かうほど、下側となる向きに傾斜することになる。このとき、燃料ガスの噴射方向がスワール方向となる向きに、第１噴射孔１６６を配置してもよい。この場合、第１噴射孔１６６は、開口部１６６ａに向かうほど、スワール方向の前方側となる向きに傾斜することになる。

上記の制御により、高負荷時、燃料ガスが拡散し易く、燃料量が多くても、燃料ガスが活性ガス中に拡散して異常燃焼を抑制できる。また、第１噴射孔１６６は、開口部１６６ａに向かうほど下側となる向きに傾斜する方が、上側となる向きに傾斜する場合よりも、排気ポート１３２からの燃料ガスの吹き抜けが抑制される。

また、第１噴射孔１６６は、回転軸方向に対する傾きを異にして、１のノズル部材１６０に２つ形成される。そのため、高負荷時、燃料ガスが活性ガス中に拡散して異常燃焼を抑制できる。ここで、第１噴射孔１６６は、３つ以上設けられてもよい。

図４は、被覆部１８８ａの作用を説明するための図である。ノズル部材１６０の回転角度が、図２（ｂ）に示す角度（以下、第１角度という）のとき、２つの第１噴射孔１６６の開口部１６６ａは、いずれも、貫通孔１８８ｂに臨んでいる（面している、対向している）。２つの開口部１６６ａは、いずれも、シリンダ１１０の内部空間Ｓに露出している。この状態から、図２（ｂ）中、反時計回りに大凡１２５度、ノズル部材１６０が回転すると、図４に示す状態となる（以下、第２角度という）。

図４では、ノズル部材１６０の径方向の外側の第１噴射孔１６６（以下、単に外側の第１噴射孔１６６という）の開口部１６６ａは、貫通孔１８８ｂに臨んでいる。一方、ノズル部材１６０の径方向の内側の第１噴射孔１６６の開口部１６６ａ（以下、単に内側の第１噴射孔１６６という）は、被覆部１８８ａに臨んでいる。すなわち、内側の第１噴射孔１６６の開口部１６６ａは、シリンダ１１０の内部空間Ｓに露出せずに、閉じられている。

このように、被覆部１８８ａは、ノズル部材１６０の回転角度が第１角度のときには、内側の第１噴射孔１６６に対して非対向であり、回転角度が第２角度のときには、内側の第１噴射孔１６６に対して対向する。すなわち、被覆部１８８ａは、ノズル部材１６０の回転角度に応じ、内側の第１噴射孔１６６を開閉する。

例えば、高負荷時、図２（ｂ）に示すように、被覆部１８８ａが開口部１６６ａをいずれも閉じず、多量の燃料ガスが拡散して噴射される。低負荷時、図４に示すように、被覆部１８８ａが一方の開口部１６６ａのみを閉じて、少量の燃料ガスがまとまって噴射される。こうして、負荷に応じた燃料噴射が可能となる。

図５は、２つの燃料噴射装置１５０を示す図である。上記のように、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００には、２つの燃料噴射装置１５０が設けられる。図５中、左側の燃料噴射装置１５０の第１噴射孔１６６と、右側の燃料噴射装置１５０の第１噴射孔１６６とでは、傾斜の向きが異なっている。この場合、燃料ガスが拡散され易い。また、２つの燃料噴射装置１５０の第１噴射孔１６６の傾斜の向きが、同じ向きとなるように、アクチュエータ２１０が作動してもよい。この場合、燃料ガスが拡散され難い。

図６（ａ）は、第１変形例における図２（ａ）に対応する部位の図である。図６（ｂ）は、第１変形例における図２（ｂ）に対応する部位の図である。図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、内側の第１噴射孔１６６は、上述した実施形態と同様である。そして、ノズル部材１６０には、外側の第１噴射孔１６６の代わりに、第２噴射孔２６６が設けられる。

第２噴射孔２６６の開口部２６６ａは、ノズル部材１６０の端面１６４に開口する。第２噴射孔２６６は、開口部２６６ａから回転軸方向（ストローク方向に垂直な方向、シリンダ１１０の径方向）に延在する。第２噴射孔２６６は、第１噴射孔１６６と同様、大穴１７０に開口する。

第２噴射孔２６６は、回転軸方向に延在することから、ノズル部材１６０が回転しても、噴射方向が変わらない。例えば、シリンダ１１０の大凡中心軸側に向かって第２噴射孔２６６から燃料が噴射されることで、燃料ガスの拡散が抑制される。

また、第２噴射孔２６６の開口部２６６ａは、上記の外側の第１噴射孔１６６の開口部１６６ａと同様、第２角度のときでも、被覆部１８８ａによって閉じられない。そのため、低負荷時、第２角度として内側の第１噴射孔１６６を閉じたうえで、第２噴射孔２６６からのみ燃料ガスが噴射されることになる。その結果、燃料ガスの拡散が一層抑制される。また、第２噴射孔２６６は、１のノズル部材１６０に２つ以上形成されていてもよい。

図７（ａ）は、第２変形例における図２（ａ）に対応する部位の図である。図７（ｂ）は、第２変形例における図２（ｂ）に対応する部位の図である。図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、外側の第１噴射孔１６６は、上述した実施形態と同様である。そして、ノズル部材１６０には、内側の第１噴射孔１６６の代わりに、第２噴射孔３６６が設けられる。

第２噴射孔３６６は、第２噴射孔２６６と同様の構成である。第２噴射孔３６６の開口部３６６ａは、ノズル部材１６０の端面１６４に開口する。第２噴射孔３６６は、開口部３６６ａから回転軸方向に延在する。第２噴射孔３６６は、大穴１７０に開口する。

また、第２噴射孔３６６の開口部３６６ａは、上記の内側の第１噴射孔１６６の開口部１６６ａと同様、第２角度のとき、被覆部１８８ａによって閉じられる。このとき、外側の第１噴射孔１６６のみから、燃料ガスが噴射されることとなる。また、第２噴射孔３６６は、１のノズル部材１６０に２つ以上形成されていてもよい。

以上、添付図面を参照しながら本開示の一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本開示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、上述した燃料噴射装置１５０の構成が用いられてもよい。

また、上述した実施形態および各変形例では、内側の第１噴射孔１６６、および、第２噴射孔３６６が、第２角度で被覆部１８８ａに閉じられ、外側の第１噴射孔１６６、および、第２噴射孔２６６が、第２角度でも被覆部１８８ａに閉じられない場合について説明した。ただし、内側の第１噴射孔１６６、および、第２噴射孔３６６が、第２角度でも被覆部１８８ａに閉じられないで、外側の第１噴射孔１６６、および、第２噴射孔２６６が、第２角度で被覆部１８８ａに閉じられてもよい。

また、上述した実施形態および各変形例では、カバー部材１８０に被覆部１８８ａおよび貫通孔１８８ｂが形成される場合について説明した。しかし、被覆部１８８ａおよび貫通孔１８８ｂは必須の構成ではない。

本開示は、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）
１１０シリンダ
１１２シリンダヘッド
１５０燃料噴射装置
１６０ノズル部材
１６４端面
１６６第１噴射孔
１６６ａ開口部
１６８端面
１８０カバー部材
１８６端面
１８８ａ被覆部
１８８ｂ貫通孔
２６６第２噴射孔
２６６ａ開口部
３６６第２噴射孔
３６６ａ開口部
Ｓ内部空間

Claims

シリンダと、
前記シリンダの一端に設けられたシリンダヘッドと、
前記シリンダに回転可能に設けられ、前記シリンダの内部空間に端面を臨ませたノズル部材、および、前記ノズル部材に形成され、前記端面に開口する開口部から、前記ノズル部材の回転軸方向に対して傾斜する方向に延在する第１噴射孔を少なくとも一つ有する燃料噴射装置と、
を備え、
前記回転軸方向は、前記シリンダの径方向であり、
前記第１噴射孔の開口部は、前記回転軸に対して偏心して配置され、
前記ノズル部材には、１つの前記第１噴射孔、または、前記ノズル部材の径方向における開口部の位置が互いに異なる複数の前記第１噴射孔が形成されるエンジン。
前記第１噴射孔は、前記回転軸方向に対する傾きを異にして、１の前記ノズル部材に複数形成される請求項１に記載のエンジン。
前記燃料噴射装置は、
前記ノズル部材に設けられ、前記端面に開口する開口部から前記ノズル部材の回転軸方向に延在する第２噴射孔
を少なくとも一つ備える請求項１または２に記載のエンジン。
前記燃料噴射装置は、
前記端面に対向する被覆部、および、前記被覆部に形成され前記回転軸方向に貫通する貫通孔を有するカバー部材
を備える請求項１から３のいずれか１項に記載のエンジン。