JPWO2016072391A1 - ユニフロー掃気式２サイクルエンジン - Google Patents

Abstract

ユニフロー掃気式２サイクルエンジン（１００）は、内部に燃焼室（１２４）が形成されるシリンダ（１１０）と、ピストン（１１２）と、シリンダのうち、ピストンのストローク方向の一端側を囲み、圧縮された活性ガスが導かれる掃気室（１２２）と、シリンダのうち掃気室内に位置する部分に設けられ、ピストンの摺動動作に応じて、掃気室から燃焼室に活性ガスを吸入する掃気ポート（１１８）と、掃気ポートよりもシリンダの径方向外側に設けられ、掃気ポートに吸入される活性ガスに燃料ガスを噴射する燃料噴射口（１２６）と、燃料ガスが貯留された燃料タンク（１４０）から燃料噴射口まで連通する燃料供給路（１４４）を開閉する燃料噴射弁（１２８）と、を備える。また、燃料噴射弁は、掃気室と隔離された隔離空間（１４６）に配される。

Description

本開示は、燃料噴射弁を開弁するとシリンダ内に燃料ガスが供給され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、２０１４年１１月４日に日本に出願された特願２０１４−２２４４５４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掃気ポートが設けられ、他端部側に排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。

例えば、特許文献１に記載のエンジンでは、シリンダに燃料噴射弁が取り付けられ、燃料噴射弁からシリンダ内に燃料ガスが供給されている。また、シリンダの外側に燃料噴射弁が設けられ、掃気ポートから燃料ガスをシリンダ内に供給する構成も考えられる。燃料噴射弁が開弁してシリンダ内に燃料ガスを供給すると、圧縮行程によって燃料ガスおよび活性ガスが圧縮され、燃焼室内において燃料ガスが着火して燃焼する。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。

日本国特開２０１３−７３２０号公報

ところで、燃料噴射弁は、圧縮された活性ガスが充満する掃気室や、掃気室と連通する空間に配置されている。そのため、エンジンの停止時に燃料噴射弁から燃料ガスが漏出すると、圧縮された活性ガス中に燃料ガスが流入してしまう。

本開示は、このような課題に鑑み、圧縮された活性ガス中への燃料ガスの漏出を回避することが可能なユニフロー掃気式２サイクルエンジンの提供を目的としている。

上記課題を解決するために、本開示のユニフロー掃気式２サイクルエンジンに係る第１の態様は、内部に燃焼室が形成されるシリンダと、シリンダ内を摺動するピストンと、シリンダのうち、ピストンのストローク方向の一端側を囲繞し、圧縮された活性ガスが導かれる掃気室と、シリンダのうち掃気室内に位置する部分に設けられ、ピストンの摺動動作に応じて、掃気室から燃焼室に活性ガスを吸入する掃気ポートと、掃気ポートよりもシリンダの径方向外側に設けられ、掃気ポートに吸入される活性ガスに燃料ガスを噴射する燃料噴射口と、燃料ガスが貯留された燃料タンクから燃料噴射口まで連通する燃料供給路を開閉する燃料噴射弁と、を備える。また、燃料噴射弁は、掃気室と隔離された隔離空間に配されている。

本開示のユニフロー掃気式２サイクルエンジンによれば、圧縮された活性ガス中への燃料ガスの漏出を回避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図である。 燃料噴射口を説明するための、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 燃料噴射弁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、本開示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、開示された内容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し、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と、ピストン１１２と、排気ポート１１４と、排気弁１１６と、掃気ポート１１８と、掃気溜１２０と、掃気室１２２と、燃焼室１２４と、燃料噴射口１２６と、燃料噴射弁１２８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、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、ピストン１１２がシリンダ１１０内を摺動する。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。また、ピストンロッド１１２ａの他端には、不図示のクロスヘッドが連結されており、クロスヘッドは、ピストン１１２とともに往復移動する。ピストン１１２の往復移動に伴いクロスヘッドが往復移動すると、そ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。

排気ポート１１４は、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１１６は、排気弁駆動装置１１６ａによって所定のタイミングで上下に摺動され、排気ポート１１４を開閉する。排気ポート１１４が開いているとき排気ポート１１４を介して排気ガスがシリンダ１１０から排気される。

掃気ポート１１８は、シリンダ１１０の下端側の内周面（シリンダライナ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１１８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。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１２０には、不図示のブロワーによって圧縮された活性ガス（例えば空気）が、冷却器１３０によって冷却されて封入されている。圧縮および冷却された活性ガスは、掃気溜１２０内に配置された整流板１３２によって整流された後、ドレインセパレータ１３４で水分が除去される。

掃気室１２２は、掃気溜１２０と連通するとともに、シリンダ１１０のうち、ピストン１１２のストローク方向の一端側（図１中、下側）を囲んでおり、圧縮、冷却、および、水分の除去が為された活性ガスが導かれる。

掃気ポート１１８は、シリンダ１１０（シリンダライナ１１０ｂ）のうち掃気室１２２内に位置する部分に設けられており、ピストン１１２の摺動動作に応じた掃気室１２２とシリンダ１１０内の差圧を利用して、掃気室１２２からシリンダ１１０内に活性ガスを吸入する。シリンダ１１０に吸入された活性ガスは、ピストン１１２によって燃焼室１２４に導かれる。

図２は、燃料噴射口１２６を説明するための図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線断面を示す。図２に示すように、燃料噴射口１２６は、掃気ポート１１８よりもシリンダ１１０の径方向外側に設けられる。詳細には、燃料噴射口１２６は、隣り合う掃気ポート１１８の間に、シリンダ１１０の外表面に対向して設けられる。また、燃料噴射口１２６は、ピストン１１２のストローク方向に沿った掃気ポート１１８の形成範囲内に位置している。

本実施形態では、掃気ポート１１８がユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００の全周囲に亘って複数設けられ、掃気ポート１１８に合わせて燃料噴射口１２６も、シリンダ１１０の周方向に亘って複数設けられている。詳細には、それぞれの掃気ポート１１８に対し燃料ガスが導かれる燃料配管１３６が１つずつ、ピストン１１２のストローク方向に延びて存在している。この構造では、燃料配管１３６は、隣り合う掃気ポート１１８の間におけるシリンダ１１０の外表面の径方向外側に配置されているため、燃料配管１３６によって活性ガスの流れが阻害され難い。また、燃料噴射口１２６は、燃料配管１３６の側面に、隣り合う燃料配管１３６側に向け形成された開口となっている。

燃料配管１３６のうち、排気ポート１１４側（図１中、上側）には、環状配管１３８が配置されている。環状配管１３８は、シリンダ１１０の径方向外側をシリンダ１１０の周方向に環状に囲む配管であって、燃料配管１３６と連通している。環状配管１３８には、燃料ガスが貯留された燃料タンク１４０から燃料ガスが導かれる。

燃料噴射口１２６は、燃料タンク１４０から環状配管１３８を介して供給された燃料ガスを、掃気ポート１１８に吸入される活性ガスに噴射する。その結果、燃料ガスは、図２中、破線の矢印で示すように、活性ガスの流れに合流して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、燃焼室１２４に導かれる。

図２では、燃料噴射口１２６が、隣り合う燃料配管１３６側に向け形成される場合について説明したが、燃料噴射口１２６は、噴射された燃料ガスが活性ガスとともに掃気ポート１１８に吸入されればよく、例えば、掃気ポート１１８側に向けて開口させるなどのように、燃料噴射口１２６を燃料配管１３６のいずれの箇所に設けてもよい。

また、図２では、燃料配管１３６と掃気ポート１１８が同数、配置されている場合について説明したが、燃料配管１３６と掃気ポート１１８の配置数が異なっていてもよく、例えば、２つの掃気ポート１１８ごとに１つの燃料配管１３６が設けられていてもよい。

また、図１に示すように、シリンダヘッド１１０ａには、パイロット噴射弁１４２が設けられる。そして、エンジンサイクルにおける所望の時点で適量の燃料油がパイロット噴射弁１４２から噴射される。この燃料油は、シリンダヘッド１１０ａと、シリンダライナ１１０ｂと、ピストン１１２とに囲まれてシリンダ１１０の内部に形成された燃焼室１２４の熱で気化して燃料ガスとなる。そして、燃料油が気化した燃料ガスが自然着火し僅かな時間で燃焼して、燃焼室１２４の温度を極めて高くする。その結果、燃焼室１２４に導かれた燃料ガスを、所望のタイミングで確実に燃焼させることができる。ピストン１１２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。

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。また、燃料ガスには、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。

燃料噴射弁１２８は、燃料タンク１４０から燃料噴射口１２６まで連通する燃料供給路１４４のうち、燃料配管１３６や環状配管１３８よりも上流側に設けられる。そして、燃料噴射弁１２８は、燃料供給路１４４を開閉し、燃料噴射口１２６からの燃料ガスの噴射を制御する。

図３は、燃料噴射弁１２８を説明するための図であり、燃料噴射弁１２８の概略断面を示す。図３に示すように、燃料噴射弁１２８は、例えば、油圧式の開閉弁であって、油圧室１２８ａへ作動油が圧入されると、図３に（ａ）で示すように、弁体１２８ｂが、バネ１２８ｃの付勢力に抗して、図３中、左側に移動して閉弁する。また、油圧室１２８ａへの作動油の圧入力が弱められると、図３に（ｂ）で示すように、弁体１２８ｂが、バネ１２８ｃの付勢力によって、図３中、右側に移動して開弁する。

燃料噴射弁１２８の先端部１２８ｄは、環状配管１３８と連通しており、図３に（ａ）で示す状態では、燃料タンク１４０から燃料噴射口１２６までの流路が遮断される。また、図３に（ｂ）で示す状態では、燃料タンク１４０から燃料噴射口１２６までの流路が連通する。

ところで、燃料噴射弁１２８が、例えば、圧縮された活性ガスが充満する掃気室１２２や掃気室１２２と連通する位置に配置された場合、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００の停止時、燃料噴射弁１２８から燃料ガスが漏出すると、圧縮された活性ガス中に燃料ガスが流入してしまう。

そこで、燃料噴射弁１２８は、図１に示すように、掃気室１２２と隔離された隔離空間１４６に設けられている。図１の場合、隔離空間１４６は、掃気室１２２と隔壁１４８によって隔離されている。すなわち、隔離空間１４６は、掃気室１２２と連通する掃気溜１２０とも隔離されている。言い換えれば、隔離空間１４６は、圧縮された活性ガスが充満する空間から隔離された空間となっている。

また、燃料噴射弁１２８の先端部１２８ｄは、隔壁１４８に設けられた貫通孔１４８ａに挿入されており、貫通孔１４８ａと先端部１２８ｄとの隙間は閉じられている。

そのため、隔離空間１４６には、掃気室１２２に充満する圧縮された活性ガスがほとんど流入しない。よって、圧縮された活性ガス中への燃料ガスの漏出を回避することが可能となる。

また、隔離空間１４６には、ガス検知センサ１５０のガス検知管１５０ａが配置されている。ガス検知センサ１５０は、ガス検知管１５０ａの先端から流入した気体中に燃料ガスが含まれるか否かを判定し、燃料ガスの漏出を検知する。隔離空間１４６では活性ガスが流入しないため、気体の流れが掃気室１２２に比べて少ない。したがって、隔離空間１４６内に燃料ガスが漏出した場合、少量の漏出であっても、気体の流れで燃料ガスの濃度が低下せずに早期の検出が可能となる。

また、隔離空間１４６は、ほぼ密閉された構造となっており、外気の流入もほとんどない。そのため、隔離空間１４６内に燃料ガスが漏出した場合、外気によって燃料ガスの濃度が低下せずに、さらなる早期検出が可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な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と了解される。

上述した実施形態では、掃気ポート１１８および燃料噴射口１２６が、シリンダ１１０の周方向に亘って複数設けられる場合について説明したが、掃気ポート１１８および燃料噴射口１２６は少なくとも１つあればよい。また、シリンダ１１０の周方向に配置される掃気ポート１１８と燃料噴射口１２６の数が異なっていてもよい。

また、上述した実施形態では、ガス検知センサ１５０を備える場合について説明したが、ガス検知センサ１５０は本開示に必須の構成ではない。

また、上述した実施形態では、隔離空間１４６が密閉構造である場合について説明したが、隔離空間１４６が密閉構造でなく、外気が隔離空間１４６に流入してもよい。

本開示は、燃料噴射弁を開弁するとシリンダ内に燃料ガスが供給され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 掃気ポート
１２２ 掃気室
１２４ 燃焼室
１２６ 燃料噴射口
１２８ 燃料噴射弁
１４０ 燃料タンク
１４４ 燃料供給路
１４６ 隔離空間
１５０ ガス検知センサ

Claims (3)

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、
   前記シリンダのうち、前記ピストンのストローク方向の一端側を囲み、圧縮された活性ガスが導かれる掃気室と、
   前記シリンダのうち前記掃気室内に位置する部分に設けられ、前記ピストンの摺動動作に応じて、前記掃気室から前記燃焼室に活性ガスを吸入する掃気ポートと、
   前記掃気ポートよりも前記シリンダの径方向外側に設けられ、前記掃気ポートに吸入される前記活性ガスに燃料ガスを噴射する燃料噴射口と、
   前記燃料ガスが貯留された燃料タンクから前記燃料噴射口まで連通する燃料供給路を開閉する燃料噴射弁と、
   を備え、
   前記燃料噴射弁が、前記掃気室と隔離された隔離空間に配されるユニフロー掃気式２サイクルエンジン。
2. 前記隔離空間に配置され、前記隔離空間における前記燃料ガスの漏出を検出するガス検知センサをさらに備える請求項１に記載のユニフロー掃気式２サイクルエンジン。
3. 前記隔離空間が密閉構造である請求項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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