WO2014034865A1 - ユニフロー掃気式2サイクルエンジン - Google Patents

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裕 増田
敬之 山田
孝行 廣瀬
喬弘 久下
山田 剛
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株式会社Ihi
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Definitions

  • the present invention relates to a uniflow scavenging two-cycle engine that burns a premixed gas generated by injecting fuel gas into active gas sucked from a scavenging port.
  • a uniflow scavenging two-cycle engine (two-stroke engine) that is also used as a marine engine is provided with an exhaust port at one end in a stroke direction of a piston in a cylinder.
  • a scavenging port is provided on the other end side in the stroke direction.
  • a fuel gas is injected into the sucked active gas to generate a premixed gas, and a combustion action is obtained by compressing the generated premixed gas. Reciprocates within.
  • the cylinder is provided with a fuel injection valve for injecting fuel gas.
  • a fuel injection valve for injecting fuel gas.
  • a plurality of fuel injections are performed in the circumferential direction of the cylinder.
  • a valve is provided, and fuel gas is injected simultaneously from the plurality of fuel injection valves.
  • the fuel gas is simultaneously injected from all the fuel injection valves toward the center of the cylinder. There are cases where it cannot be distributed.
  • the fuel gas can be widely distributed throughout the cylinder, the operation performance can be further improved, and further improvement in fuel gas injection is desired.
  • an object of the present invention is to provide a uniflow scavenging two-cycle engine that can further improve the operation performance by spreading the fuel gas widely throughout the cylinder.
  • a uniflow scavenging two-cycle engine includes a cylinder in which a combustion chamber is formed, a piston that slides in the cylinder, an exhaust port provided at one end of the piston in the stroke direction of the cylinder, and an exhaust port
  • An exhaust valve that opens and closes the cylinder, a scavenging port that is provided on the inner peripheral surface of the cylinder on the other end side in the stroke direction of the piston, and that draws the active gas into the combustion chamber according to the sliding operation of the piston, and from the scavenging port to the combustion chamber
  • a plurality of fuel injection valves for generating a premixed gas by injecting fuel gas into the active gas sucked into the cylinder, the plurality of fuel injection valves being in a direction along the swirling flow of the active gas sucked into the cylinder
  • the first fuel injection valve that injects the fuel gas into the first fuel injection valve and the second fuel injection valve that injects the fuel gas toward the central axis side of the cylinder from the first fuel injection valve are
  • the fuel injection control unit further includes a fuel injection control unit configured to inject fuel gas from the fuel injection valve by controlling the fuel injection valve.
  • the fuel injection control unit includes a first fuel injection valve and a second fuel injection valve. The fuel gas injection control may be varied.
  • the fuel injection control unit may vary the fuel gas injection start timing between the first fuel injection valve and the second fuel injection valve.
  • the fuel injection control unit may vary the number of fuel injection valves that inject the fuel gas according to the operating state of the engine.
  • the fuel injection control unit causes the fuel gas to be injected from the first fuel injection valve when the engine load is less than a preset threshold value, and the engine load is equal to or greater than the preset threshold value.
  • fuel gas may be injected from the first fuel injection valve and the second fuel injection valve.
  • the injection direction of the fuel gas injected by the first fuel injection valve and the second fuel injection valve may be symmetric with respect to the central axis of the cylinder.
  • first fuel injection valve and the second fuel injection valve may have different fuel gas injection angles with respect to the piston stroke direction.
  • the operating performance can be further improved by spreading the fuel gas over the entire cylinder.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing the overall configuration of the uniflow scavenging two-cycle engine 100.
  • the uniflow scavenging two-cycle engine 100 of the present embodiment is used for, for example, ships.
  • the uniflow scavenging two-cycle engine 100 includes a cylinder 110 (cylinder head 110a and cylinder block 110b), a piston 112, a pilot injection valve 114, an exhaust port 116, an exhaust valve driving device 118, an exhaust
  • the valve 120, the scavenging port 122, the scavenging chamber 124, the fuel injection port 126, the fuel injection valve 128, the rotary encoder 130, and the combustion chamber 140 are configured, and a governor (governor) 150, Control is performed by control units such as the fuel injection control unit 152 and the exhaust control unit 154.
  • control units such as the fuel injection control unit 152 and the exhaust control unit 154.
  • a piston 112 connected to a cross head is slidably reciprocated in a cylinder 110 through four successive strokes of intake (supply), compression, combustion, and exhaust.
  • intake supply
  • compression combustion
  • exhaust exhaust
  • the stroke in the cylinder 110 can be formed relatively long, and the side pressure acting on the piston 112 can be received by the cross head, so a uniflow scavenging two-cycle engine
  • the output of 100 can be increased.
  • the cylinder 110 and a crank chamber (not shown) in which the crosshead is accommodated are isolated, deterioration of contamination can be prevented even when using low quality fuel oil.
  • the pilot injection valve 114 is provided in the cylinder head 110a above the top dead center of the piston 112, which is one end of the cylinder 110 in the stroke direction, and injects an appropriate amount of fuel oil at a desired time in the engine cycle.
  • This fuel oil spontaneously ignites with the heat of the combustion chamber 140 surrounded by the cylinder head 110a, the cylinder liner in the cylinder block 110b, and the piston 112, and burns in a short time. Therefore, the premixed gas containing the fuel gas can be reliably burned at a desired timing.
  • the exhaust port 116 is an opening provided at one end of the cylinder 110 in the stroke direction of the piston 112, that is, at the top of the cylinder head 110 a above the top dead center of the piston 112. It is opened and closed to exhaust the exhaust gas.
  • the exhaust valve driving device 118 opens and closes the exhaust port 116 by sliding the exhaust valve 120 up and down at a predetermined timing. The exhaust gas exhausted through the exhaust port 116 in this manner is supplied to the turbine side of a turbocharger (not shown) and then exhausted to the outside.
  • the scavenging port 122 is an opening provided on the inner peripheral surface (the inner peripheral surface of the cylinder block 110 b) on the other end side in the stroke direction of the piston 112 in the cylinder 110, and the cylinder 110 according to the sliding operation of the piston 112.
  • the active gas is inhaled inside.
  • This active gas contains an oxidizing agent such as oxygen and ozone, or a mixture thereof (for example, air).
  • the scavenging chamber 124 is filled with active gas (for example, air) pressurized by a compressor of a supercharger (not shown), and the active gas is sucked from the scavenging port 122 with a differential pressure in the scavenging chamber 124 and the cylinder 110. .
  • the pressure in the scavenging chamber 124 can be substantially constant. However, when the pressure in the scavenging chamber 124 changes, a pressure gauge may be provided in the scavenging port 122 and other parameters such as the fuel gas injection amount may be controlled in accordance with the measured value.
  • the fuel injection port 126 has a predetermined interval on the inner circumferential surface of the cylinder 110 (between the exhaust port 116 and the scavenging port 122) in a substantially circumferential direction (allowing displacement not only in the strict circumferential direction but also in the stroke direction).
  • a substantially circumferential direction allowing displacement not only in the strict circumferential direction but also in the stroke direction.
  • the fuel injection valve 128 is disposed in each fuel injection port 126 and receives a command from the fuel injection control unit 152 and injects, for example, fuel gas obtained by gasifying LNG (liquefied natural gas). In this way, the fuel gas is supplied into the cylinder 110. Further, the fuel gas is not limited to LNG, and for example, gasified LPG (liquefied petroleum gas), light oil, heavy oil, or the like can be applied.
  • LNG liquefied natural gas
  • the rotary encoder 130 is provided in a crank mechanism (not shown) and detects a crank angle signal (hereinafter referred to as a crank angle signal).
  • the governor 150 derives the fuel injection amount based on the engine output command value input from the host controller and the engine speed based on the crank angle signal from the rotary encoder 130, and outputs the fuel injection amount to the fuel injection control unit 152.
  • the fuel injection control unit 152 controls the fuel injection valve 128 with a control signal based on the information indicating the fuel injection amount input from the governor 150 and the crank angle signal from the rotary encoder 130.
  • the exhaust control unit 154 outputs an exhaust valve operation signal to the exhaust valve driving device 118 based on the fuel injection information amount from the fuel injection control unit 152 and the crank angle signal from the rotary encoder 130.
  • the operation of each control unit in the engine cycle of the above-described uniflow scavenging two-cycle engine 100 will be described.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing the operation of each control unit. As shown in FIG. 2, in the expansion stroke after the combustion stroke, the exhaust port 116 and the scavenging port 122 are in a closed state, and the combustion chamber 140 (inside the cylinder 110) is filled with exhaust gas.
  • the exhaust control unit 154 opens the exhaust valve 120 through the exhaust valve driving device 118, and the piston 112 slides.
  • the scavenging port 122 opens according to the operation (t1 shown in FIG. 2).
  • the active gas is sucked from the scavenging port 122, and the active gas rises while forming a swirl (swirl flow) for promoting the mixing of the fuel gas, and the exhaust gas in the combustion chamber 140 (in the cylinder 110) is discharged. Push out from the exhaust port 116.
  • the scavenging port 122 is closed and the suction of the active gas is stopped.
  • the exhaust control unit 154 maintains the exhaust valve 120 in an open state, and the exhaust gas in the combustion chamber 140 (inside the cylinder 110) continues to be exhausted from the exhaust port 116 as the piston 112 rises.
  • the fuel injection control unit 152 causes the piston 112 to change the fuel injection valve 128 based on the information indicating the fuel injection amount input from the governor 150, the engine speed derived from the crank angle signal from the rotary encoder 130, and the like.
  • the fuel gas is injected from the fuel injection valve 128 into the cylinder 110 (t2 shown in FIG. 2).
  • the fuel gas is injected into the active gas sucked from the scavenging port 122, and a premixed gas is generated in the combustion chamber 140 (inside the cylinder 110). Thereafter, when the piston 112 further rises and approaches the top dead center of the fuel injection valve 128, the exhaust control unit 154 closes the exhaust valve 120 and closes the exhaust port 116 (t3 shown in FIG. 2).
  • the premixed gas burns in the combustion chamber 140, and thus, exhaust, intake (supply), compression, combustion, and expansion strokes are repeated as described above.
  • the fuel injection valve 128 is configured as follows in order to spread the fuel gas widely throughout the cylinder 110 (combustion chamber 140).
  • 3A, 3B and 3C are diagrams for explaining the injection direction of the fuel gas.
  • 3A shows a horizontal cross section of the position where the fuel injection port 126 is formed in the cylinder 110
  • FIG. 3B shows a cross section taken along line III (b) -III (b) in FIG. 3A
  • FIG. 3B shows a cross section taken along line III (c) -III (c) in FIG. 3A.
  • FIG. 3A in the uniflow scavenging two-cycle engine 100 of the present embodiment, eight fuel injection ports 126 are formed in a cylinder 110, and fuel injection valves 128 (see FIG. 3A, FIG. 3B and FIG. 3C are indicated by reference numerals 128a and 128b).
  • the fuel injection valve 128 is in a direction along the swirl of the active gas sucked into the cylinder 110 (combustion chamber 140), that is, the swirl flow (broken arrow indicated by reference numeral 200 in FIGS. 3A, 3B, and 3C) (FIG. 3A, 3B and 3C, a first fuel injection valve 128a that injects fuel gas in the direction of the solid arrow indicated by reference numeral 202, and the center axis side of the cylinder 110 from the first fuel injection valve 128a (this embodiment).
  • the second fuel injection valve 128b for injecting the fuel gas toward the central axis of the cylinder 110 toward the center arrow in FIG. 3A, FIG. 3B and FIG. .
  • the direction along the swirling flow (swirl) of the active gas is not limited to the case where the flow direction of the active gas and the injection direction of the fuel gas are completely coincident with each other, and the fuel gas flows in the flow of the active gas. If there is a relationship to ride smoothly.
  • an angle ⁇ (see FIG. 3A) formed by the swirling flow direction (flow direction) of the active gas and the fuel gas injection direction is 0 ° ⁇ ⁇ 90.
  • the fuel gas injected from the second fuel injection valve 128b is placed closer to the central axis side of the cylinder 110 than the fuel gas injected from the first fuel injection valve 128a. That's fine.
  • the second fuel injection valve 128b injects fuel gas toward the center axis of the cylinder 110 vertically upward from the horizontal direction.
  • the valve 128a injects fuel gas in the horizontal direction.
  • the injection angle in the vertical direction of the fuel gas injected from the first fuel injection valve 128a and the second fuel injection valve 128b may be set as appropriate. Therefore, for example, the fuel gas may be injected vertically from the horizontal direction from the first fuel injection valve 128a, or the fuel gas is injected from the second fuel injection valve 128b in the horizontal direction. Also good.
  • the first fuel injection valve 128 a and the second fuel injection valve 128 b are connected to the piston 112. It is desirable to vary the fuel gas injection angle with respect to the stroke direction. Further, as in this embodiment, the fuel gas is injected from the first fuel injection valve 128a in the horizontal direction, and the fuel gas is injected from the second fuel injection valve 128b vertically upward from the horizontal direction. Test results have been obtained that the fuel gas tends to be uniform in the cylinder 110 when injected.
  • an opening for ejecting fuel gas is provided at the tip of the first fuel injection valve 128a and the second fuel injection valve 128b.
  • the angle of the opening provided at the tip is inclined in a direction along the swirl (swirl flow), so that the fuel gas can be injected in the illustrated direction. It has become.
  • the first fuel injection valve 128a and the second fuel injection valve 128b only need to be able to inject fuel gas in a desired direction, and the specific configuration may be appropriately designed.
  • the first fuel injection valves 128a and the second fuel injection valves 128b are arranged alternately in the circumferential direction of the cylinder 110 and at regular intervals. ing. Therefore, the injection direction of the fuel gas injected by the first fuel injection valve 128 a and the second fuel injection valve 128 b is symmetric with respect to the central axis of the cylinder 110.
  • the fuel injection valve 128 includes the first fuel injection valve 128a and the second fuel injection valve 128b, so that even if the fuel gas is simultaneously injected from all the fuel injection valves 128, the adjacent fuel injections The fuel gas injected from the valve 128 is less likely to interfere, and the fuel gas can be spread widely throughout the cylinder 110 (combustion chamber 140). Therefore, the driving performance can be improved as compared with the conventional case.
  • the above description is based on the assumption that fuel gas is simultaneously injected from the first fuel injection valve 128a and the second fuel injection valve 128b.
  • the fuel injection control unit 152 performs the following control, for example, so that the uniformity of the fuel gas in the cylinder 110 (combustion chamber 140) can be further improved.
  • FIG. 4 is a flowchart for explaining an example of control of the fuel injection valve 128 by the fuel injection control unit 152.
  • the process shown in FIG. 4 is started when, for example, the information on the fuel injection amount is input from the governor 150 to the fuel injection control unit 152.
  • Step S301 When the information is input to the fuel injection amount from the governor 150, the fuel injection control unit 152 causes the piston 112 to move to the first dead center side lower than the fuel injection valve 128 based on the signal input from the rotary encoder 130. While determining whether it is in a position, and when the piston 112 has not reached the first position (No in Step S301), it waits until the piston 112 reaches the first position.
  • Step S302 If it is determined that the piston 112 has reached the first position based on the signal input from the rotary encoder 130 (Yes in step S301), the fuel injection valve 128 causes a predetermined amount of fuel gas from the first fuel injection valve 128a. To spray.
  • Step S303 Then, based on the signal input from the rotary encoder 130, the fuel injection control unit 152 causes the piston 112 to be closer to the top dead center than the first position and to be closer to the bottom dead center than the fuel injection valve 128. While determining whether it is in a certain 2nd position, and when piston 112 has not reached the 2nd position (No of Step S303), it waits until piston 112 reaches the 2nd position.
  • Step S304 When it is determined that the piston 112 has reached the second position based on the signal input from the rotary encoder 130 (Yes in step S303), the fuel injection valve 128 causes the fuel gas of the predetermined amount from the second fuel injection valve 128b. To spray.
  • the fuel injection control unit 152 makes the fuel gas injection start timing different between the first fuel injection valve 128a and the second fuel injection valve 128b, the first fuel injection valve 128a.
  • the fuel gas injected from the fuel gas and the fuel gas injected from the second fuel injection valve 128b are less likely to interfere with each other, and the uniformity of the fuel gas in the cylinder 110 (combustion chamber 140) can be improved. .
  • the fuel gas is injected from the second fuel injection valve 128b, but after the fuel gas is injected from the second fuel injection valve 128b, the first The fuel gas may be injected from the fuel injection valve 128a.
  • the uniformity of the fuel gas in the cylinder 110 can be improved by making the fuel gas injection start timing different between the first fuel injection valve 128a and the second fuel injection valve 128b. Can be improved.
  • an optimal combustion action is brought about according to the operating state of the engine.
  • FIG. 5 is a flowchart for explaining another example of control of the fuel injection valve 128 by the fuel injection control unit 152.
  • the process shown in FIG. 5 is started when, for example, the information on the fuel injection amount is input from the governor 150 to the fuel injection control unit 152.
  • Step S401 When the information is input to the fuel injection amount from the governor 150, the fuel injection control unit 152 causes the piston 112 to move to the first dead center side lower than the fuel injection valve 128 based on the signal input from the rotary encoder 130. While determining whether it is in a position, and when the piston 112 has not reached the first position (No in Step S401), it waits until the piston 112 reaches the first position.
  • Step S402 If it is determined that the piston 112 has reached the first position based on the signal input from the rotary encoder 130 (Yes in step S401), the fuel injector 128 causes the fuel gas of a predetermined amount from the first fuel injector 128a. To spray.
  • Step S403 the fuel injection control unit 152 determines whether the engine load is equal to or greater than a preset threshold based on information related to the fuel injection amount input from the governor 150. As a result, if it is determined that the engine load is greater than or equal to the threshold, the process proceeds to step S404. If it is determined that the engine load is less than the threshold (No in step S403), the process ends.
  • Step S404 If it is determined in step S403 that the engine load is greater than or equal to the threshold (Yes in step S403), the fuel injection control unit 152 determines that the piston 112 is in the first position based on the signal input from the rotary encoder 130. When the piston 112 is not at the second position while determining whether or not the second position is at the top dead center side and at the bottom dead center side from the fuel injection valve 128 ( Step S404 No) waits until the piston 112 reaches the second position.
  • Step S405 When it is determined that the piston 112 has reached the second position based on the signal input from the rotary encoder 130 (Yes in step S404), the fuel injection valve 128 receives a predetermined amount of fuel gas from the second fuel injection valve 128b. To spray.
  • the fuel injection control unit 152 injects the fuel gas from the first fuel injection valve 128a or the first fuel injection valve 128a and the second fuel injection according to the engine load. Fuel gas is injected from both the valve 128b.
  • the fuel injection valve 128a and the second fuel injection valve 128b are alternately arranged as described above, the fuel gas is injected only from the first fuel injection valve 128a. The interference of the fuel gas injected from the adjacent fuel injection valve 128 can be further reduced.
  • the fuel injection control unit 152 when the engine load is less than a preset threshold value, fuel gas is injected from the first fuel injection valve 128a, and the engine load is set to a preset threshold value.
  • the fuel gas is injected from the first fuel injection valve 128a and the second fuel injection valve 128b has been described.
  • the fuel gas is spread uniformly throughout the entire cylinder 110, and when the temperature of the combustion chamber 140 is low, such as when the engine is started, the combustion action should be reliably brought about. In some cases, it may be preferable to inject the fuel gas locally.
  • the fuel injection control unit 152 appropriately changes the fuel gas injection control between the first fuel injection valve 128a and the second fuel injection valve 128b according to the operating state of the engine. Can enable normal and stable operation.
  • first fuel injection valves 128a and second fuel injection valves 128b are provided, but the number of first fuel injection valves 128a and second fuel injection valves 128b are different. Moreover, these arrangements are not particularly limited.
  • the present invention can be used in a uniflow scavenging two-cycle engine that burns a premixed gas generated by injecting fuel gas into active gas sucked from a scavenging port. Further, the operating performance is further improved by spreading the fuel gas over the entire cylinder.

Abstract

本発明のユニフロー掃気式2サイクルエンジン(100)は、シリンダ(110)と、シリンダ内を摺動するピストン(112)と、シリンダの一端部に設けられた排気ポート(116)と、排気ポートを開閉する排気弁(120)と、シリンダにおけるピストンのストローク方向他端部側の内周面に設けられ、ピストンの摺動動作に応じて燃焼室(140)に活性ガスを吸入する掃気ポート(122)と、掃気ポートから燃焼室に吸入された活性ガスに燃料ガスを噴射して予混合気を生成する複数の燃料噴射弁(128)と、を備える。複数の燃料噴射弁は、シリンダ内に吸入された活性ガスの旋回流に沿って燃料ガスを噴射する第1の燃料噴射弁と、第1の燃料噴射弁よりもシリンダの中心軸側に向けて燃料ガスを噴射する第2の燃料噴射弁と、を少なくとも含む。

Description

ユニフロー掃気式2サイクルエンジン
 本発明は、掃気ポートから吸入された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、2012年8月31日に日本に出願された特願2012-191121号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
 例えば、特許文献1に示されるように、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)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他端部側に掃気ポートが設けられている。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。
 この場合、吸入された活性ガスに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。このように、シリンダには燃料ガスを噴射する燃料噴射弁が設けられているが、船舶用の2サイクルエンジンなど、シリンダの径が大きい2サイクルエンジンにおいては、シリンダの周方向に複数の燃料噴射弁を設け、これら複数の燃料噴射弁から同時に燃料ガスを噴射する。
日本国特開2012-77742号公報
 しかしながら、複数の燃料噴射弁が設けられた従来の2サイクルエンジンにおいては、全ての燃料噴射弁から、シリンダの中心に向けて同時に燃料ガスが噴射されるため、シリンダ内の全体に広く燃料ガスを行き渡らせることができない場合がある。2サイクルエンジンにおいて、シリンダ内の全体に広く燃料ガスを行き渡らせることができれば、より運転性能を向上することができ、燃料ガスの噴射についてさらなる改良が望まれている。
 そこで、本発明は、シリンダ内の全体に広く燃料ガスを行き渡らせることで、より運転性能を向上することができるユニフロー掃気式2サイクルエンジンを提供することを目的とする。
 本発明に係るユニフロー掃気式2サイクルエンジンは、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、シリンダにおけるピストンのストローク方向一端部に設けられた排気ポートと、排気ポートを開閉する排気弁と、シリンダにおけるピストンのストローク方向他端部側の内周面に設けられ、ピストンの摺動動作に応じて燃焼室に活性ガスを吸入する掃気ポートと、掃気ポートから燃焼室に吸入された活性ガスに燃料ガスを噴射して予混合気を生成する複数の燃料噴射弁と、を備え、複数の燃料噴射弁は、シリンダ内に吸入された活性ガスの旋回流に沿う方向に燃料ガスを噴射する第1の燃料噴射弁と、この第1の燃料噴射弁よりもシリンダの中心軸側に向けて燃料ガスを噴射する第2の燃料噴射弁と、を少なくとも含む。
 また、燃料噴射弁を制御することにより、この燃料噴射弁から燃料ガスを噴射させる燃料噴射制御部をさらに備え、燃料噴射制御部は、第1の燃料噴射弁と第2の燃料噴射弁とで、燃料ガスの噴射制御を異ならせてもよい。
 また、燃料噴射制御部は、第1の燃料噴射弁と第2の燃料噴射弁とで、燃料ガスの噴射開始時期を異ならせてもよい。
 また、燃料噴射制御部は、エンジンの運転状況に応じて、燃料ガスを噴射させる燃料噴射弁の数を異ならせてもよい。
 また、燃料噴射制御部は、エンジンの負荷が予め設定された閾値未満である場合には、第1の燃料噴射弁から燃料ガスを噴射させ、エンジンの負荷が予め設定された閾値以上である場合に、第1の燃料噴射弁および第2の燃料噴射弁から燃料ガスを噴射させてもよい。
 また、第1の燃料噴射弁および第2の燃料噴射弁によって噴射される燃料ガスの噴射方向は、シリンダの中心軸に対して対称でもよい。
 また、第1の燃料噴射弁および第2の燃料噴射弁は、ピストンのストローク方向に対する燃料ガスの噴射角度を互いに異ならせてもよい。
 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、シリンダ内の全体に広く燃料ガスを行き渡らせることで、より運転性能を向上することができる。
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。 各制御部の動作を示す説明図である。 燃料ガスの噴射方向を説明する図である。 燃料ガスの噴射方向を説明する図である。 燃料ガスの噴射方向を説明する図である。 燃料噴射制御部による燃料噴射弁の制御の一例を説明するフローチャートである。 燃料噴射制御部による燃料噴射弁の制御の他の例を説明するフローチャートである。
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。本発明の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、本発明を限定しない。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。具体的には、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、排気ポート116と、排気弁駆動装置118と、排気弁120と、掃気ポート122と、掃気室124と、燃料噴射ポート126と、燃料噴射弁128と、ロータリエンコーダ130と、燃焼室140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、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、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とに囲繞された燃焼室140の熱で自然着火し、僅かな時間で燃焼して、燃焼室140の温度を極めて高くするので、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116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118は、所定のタイミングで排気弁120を上下に摺動させ、排気ポート116を開閉する。このようにして排気ポート116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122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側の内周面(シリンダブロック110bの内周面)に設けられた開口部であり、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。掃気室124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、掃気室124とシリンダ110内の差圧をもって掃気ポート122から活性ガスが吸入される。掃気室124の圧力は、ほぼ一定とすることができる。しかしながら、掃気室124の圧力が変化する場合には、掃気ポート122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。
 燃料噴射ポート126は、シリンダ110内周面(排気ポート116と掃気ポート122との間)において、略周方向(厳密な周方向のみならず、ストローク方向への変位を許容する)に所定の間隔を空けて設けられた複数(本実施形態では8個)の開口部である。
 燃料噴射弁128は、各燃料噴射ポート126内に配置され、燃料噴射制御部152からの指令を受けて、例えば、LNG(液化天然ガス)をガス化した燃料ガスを噴射する。このようにしてシリンダ110内に燃料ガスが供給される。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。
 ロータリエンコーダ130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130からのクランク角度信号に基づいて、燃料噴射弁128を制御信号によって制御する。
 排気制御部154は、燃料噴射制御部152からの燃料噴射情報量、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118に排気弁操作信号を出力する。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2は、各制御部の動作を示す説明図である。図2に示すように、燃焼行程後の膨張行程では、排気ポート116および掃気ポート122が閉塞状態にあり、燃焼室140(シリンダ110内)には排気ガスが充満している。
 燃焼室140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118を通じて排気弁120を開弁し、また、ピストン112の摺動動作に応じて掃気ポート122が開口する(図2に示すt1)。これにより、掃気ポート122から活性ガスが吸入され、活性ガスは、燃料ガスの混合を促進するためのスワール(旋回流)を形成しながら上昇し、燃焼室140(シリンダ110内)の排気ガスを排気ポート116から押し出す。
 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122が閉口され、活性ガスの吸入が停止される。このとき、排気制御部154は、排気弁120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140(シリンダ110内)の排気ガスは、排気ポート116から排出される。この間、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130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、ピストン112が燃料噴射弁128よりも下死点側にあるときに、燃料噴射弁128からシリンダ110内に燃料ガスを噴射する(図2に示すt2)。
 これにより、掃気ポート122から吸入された活性ガスに燃料ガスが噴射され、燃焼室140(シリンダ110内)に予混合気が生成される。その後、さらにピストン112が上昇して、燃料噴射弁128よりも上死点に近づくと、排気制御部154は、排気弁120を閉弁して排気ポート116を閉じる(図2に示すt3)。
 このようにして、燃焼室140において予混合気が燃焼することにより、上記のとおりに、排気、吸気(給気)、圧縮、燃焼、膨張行程が繰り返される。エンジンの運転状況にもよるが、例えば、エンジンの定格運転状態において、燃料ガスが局所的に噴射されてしまい、シリンダ110(燃焼室140)内において、燃料ガスが行き渡らない部分が生じると、場合によっては、ノッキングや過早着火等が生じ、運転性能が低下する可能性がある。そこで、本実施形態においては、シリンダ110内(燃焼室140)の全体に広く燃料ガスを行き渡らせるべく、燃料噴射弁128を次のように構成している。
 図3A、図3B及び図3Cは、燃料ガスの噴射方向を説明する図である。図3Aは、シリンダ110における燃料噴射ポート126が形成された位置の水平方向の断面を示し、図3Bは、図3AにおけるIII(b)-III(b)線の断面を示し、図3Cは、図3AにおけるIII(c)-III(c)線の断面を示している。図3Aに示すように、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、シリンダ110に8つの燃料噴射ポート126が形成されており、これら8つの燃料噴射ポート126それぞれに燃料噴射弁128(図3A、図3B及び図3Cでは符号128a、128bで示す)が設けられている。
 燃料噴射弁128は、シリンダ110(燃焼室140)内に吸入された活性ガスのスワールすなわち旋回流(図3A、図3B及び図3C中、符号200で示す破線矢印)に沿う方向(図3A、図3B及び図3C中、符号202で示す実線矢印方向)に燃料ガスを噴射する第1の燃料噴射弁128aと、この第1の燃料噴射弁128aよりもシリンダ110の中心軸側(本実施形態ではシリンダ110の中心軸、図3A、図3B及び図3C中、符号204で示す白抜き矢印方向)に向けて燃料ガスを噴射する第2の燃料噴射弁128bと、を有して構成される。
 ここで、活性ガスの旋回流(スワール)に沿う方向というのは、活性ガスの流動方向と、燃料ガスの噴射方向とが完全に一致している場合に限らず、活性ガスの流れに燃料ガスがスムーズに乗る関係にあればよい。具体的には、シリンダ110の水平方向の断面において、活性ガスの旋回流の方向(流動方向)と、燃料ガスの噴射方向とのなす角度α(図3A参照)が、0°<α<90°であればよく、このとき、第2の燃料噴射弁128bから噴射される燃料ガスが、第1の燃料噴射弁128aから噴射される燃料ガスよりも、シリンダ110の中心軸側に向かっていればよい。
 また、ここでは、第2の燃料噴射弁128bは、図3Bに示すように、シリンダ110の中心軸に向かって、水平方向よりも鉛直上方に向けて燃料ガスを噴射し、第1の燃料噴射弁128aは、図3Cに示すように、水平方向に向けて燃料ガスを噴射する。ただし、第1の燃料噴射弁128aおよび第2の燃料噴射弁128bから噴射される燃料ガスの、鉛直方向における噴射角度は、適宜設定すればよい。したがって、例えば、第1の燃料噴射弁128aから、水平方向よりも鉛直上方に燃料ガスを噴射してもよいし、第2の燃料噴射弁128bから、水平方向に向けて燃料ガスを噴射してもよい。
 第1の燃料噴射弁128aおよび第2の燃料噴射弁128bから噴射される燃料ガスが互いに干渉することを考慮すると、第1の燃料噴射弁128aおよび第2の燃料噴射弁128bは、ピストン112のストローク方向に対する燃料ガスの噴射角度を異ならせることが望ましい。また、本実施形態のように、第1の燃料噴射弁128aから、水平方向に向けて燃料ガスを噴射し、第2の燃料噴射弁128bから、水平方向よりも鉛直上方に向けて燃料ガスを噴射した方が、シリンダ110内において燃料ガスが均一になりやすいという試験結果が得られている。
 詳しい説明は省略するが、第1の燃料噴射弁128aおよび第2の燃料噴射弁128bの先端には、燃料ガスを噴出するための開口が設けられている。このとき、第1の燃料噴射弁128aにおいては、先端に設けられた開口の角度が、スワール(旋回流)に沿う方向に傾けられており、これによって、図示の方向に燃料ガスが噴射可能となっている。ただし、第1の燃料噴射弁128aや第2の燃料噴射弁128bは、所望の方向に燃料ガスを噴射することができればよく、その具体的な構成は適宜設計すればよい。
 そして、図3Aに示すように、本実施形態では、第1の燃料噴射弁128aおよび第2の燃料噴射弁128bを、シリンダ110の周方向に交互に、かつ、等間隔を維持して配置している。したがって、第1の燃料噴射弁128aおよび第2の燃料噴射弁128bによって噴射される燃料ガスの噴射方向は、シリンダ110の中心軸に対して対称となる。
 このように、燃料噴射弁128が、第1の燃料噴射弁128aおよび第2の燃料噴射弁128bを備えることにより、全ての燃料噴射弁128から同時に燃料ガスを噴射したとしても、隣接する燃料噴射弁128から噴射される燃料ガスが干渉しにくくなり、シリンダ110(燃焼室140)内において、広く全体に燃料ガスを行き渡らせることが可能となる。従って、従来に比して運転性能を向上することができる。
 上記では、第1の燃料噴射弁128aおよび第2の燃料噴射弁128bから同時に燃料ガスを噴射することを前提として説明した。しかしながら、燃料噴射制御部152が、例えば、以下のような制御を行うことで、シリンダ110(燃焼室140)内における燃料ガスの均一性をより向上することが可能となる。
 図4は、燃料噴射制御部152による燃料噴射弁128の制御の一例を説明するフローチャートである。なお、この図4に示す処理は、例えば、ガバナー150から燃料噴射量に前記情報が燃料噴射制御部152に入力された場合に開始される。
(ステップS301)
 燃料噴射制御部152は、ガバナー150から燃料噴射量に前記情報が入力されると、ロータリエンコーダ130から入力される信号に基づき、ピストン112が、燃料噴射弁128よりも下死点側の第1位置にあるか否かを判定するとともに、ピストン112が第1位置に到達していない場合(ステップS301のNo)は、ピストン112が第1位置に到達するまで待機する。
(ステップS302)
 ロータリエンコーダ130から入力される信号に基づき、ピストン112が、第1位置に到達したと判定すると(ステップS301のYes)、燃料噴射弁128は、第1の燃料噴射弁128aから所定量の燃料ガスを噴射させる。
(ステップS303)
 そして、燃料噴射制御部152は、ロータリエンコーダ130から入力される信号に基づき、ピストン112が、第1位置よりも上死点側であって、かつ、燃料噴射弁128よりも下死点側にある第2位置にあるか否かを判定するとともに、ピストン112が第2位置に到達していない場合(ステップS303のNo)は、ピストン112が第2位置に到達するまで待機する。
(ステップS304)
 ロータリエンコーダ130から入力される信号に基づき、ピストン112が、第2位置に到達したと判定すると(ステップS303のYes)、燃料噴射弁128は、第2の燃料噴射弁128bから所定量の燃料ガスを噴射させる。
 上記の処理によれば、燃料噴射制御部152が、第1の燃料噴射弁128aと第2の燃料噴射弁128bとで、燃料ガスの噴射開始時期を異ならせるので、第1の燃料噴射弁128aから噴射される燃料ガスと、第2の燃料噴射弁128bから噴射される燃料ガスとが、より干渉しにくくなり、シリンダ110(燃焼室140)内における燃料ガスの均一性を向上することができる。
 ここでは、第1の燃料噴射弁128aから燃料ガスを噴射した後に、第2の燃料噴射弁128bから燃料ガスを噴射するが、第2の燃料噴射弁128bから燃料ガスを噴射した後に、第1の燃料噴射弁128aから燃料ガスを噴射してもよい。いずれにしても、第1の燃料噴射弁128aと第2の燃料噴射弁128bとで、燃料ガスの噴射開始時期を異ならせることで、シリンダ110(燃焼室140)内における燃料ガスの均一性を向上することができる。
 また、本実施形態のユニフロー掃気式2サイクルエンジン100によれば、エンジンの運転状況に応じて、最適な燃焼作用がもたらされる。
 図5は、燃料噴射制御部152による燃料噴射弁128の制御の他の例を説明するフローチャートである。なお、この図5に示す処理は、例えば、ガバナー150から燃料噴射量に前記情報が燃料噴射制御部152に入力された場合に開始される。
(ステップS401)
 燃料噴射制御部152は、ガバナー150から燃料噴射量に前記情報が入力されると、ロータリエンコーダ130から入力される信号に基づき、ピストン112が、燃料噴射弁128よりも下死点側の第1位置にあるか否かを判定するとともに、ピストン112が第1位置に到達していない場合(ステップS401のNo)は、ピストン112が第1位置に到達するまで待機する。
(ステップS402)
 ロータリエンコーダ130から入力される信号に基づき、ピストン112が、第1位置に到達したと判定すると(ステップS401のYes)、燃料噴射弁128は、第1の燃料噴射弁128aから所定量の燃料ガスを噴射させる。
(ステップS403)
 そして、燃料噴射制御部152は、ガバナー150から入力される燃料噴射量に係る情報等に基づき、エンジン負荷が予め設定された閾値以上であるかを判定する。その結果、エンジン負荷が閾値以上であると判定した場合にはステップS404に処理を移し、エンジン負荷が閾値未満であると判定した場合には(ステップS403のNo)、前記処理を終了する。
(ステップS404)
 上記ステップS403において、エンジン負荷が閾値以上であると判定した場合には(ステップS403のYes)、燃料噴射制御部152は、ロータリエンコーダ130から入力される信号に基づき、ピストン112が、第1位置よりも上死点側であって、かつ、燃料噴射弁128よりも下死点側にある第2位置にあるか否かを判定するとともに、ピストン112が第2位置に到達していない場合(ステップS404のNo)は、ピストン112が第2位置に到達するまで待機する。
(ステップS405)
 ロータリエンコーダ130から入力される信号に基づき、ピストン112が、第2位置に到達したと判定すると(ステップS404のYes)、燃料噴射弁128は、第2の燃料噴射弁128bから所定量の燃料ガスを噴射させる。
 上記の処理によれば、燃料噴射制御部152が、エンジンの負荷に応じて、第1の燃料噴射弁128aから燃料ガスを噴射する、または、第1の燃料噴射弁128aと第2の燃料噴射弁128bとの双方から燃料ガスを噴射する。つまり、エンジンの運転状況に応じて、燃料ガスを噴射させる燃料噴射弁128の数を異ならせることで、最適量の燃料ガスを、所望のタイミングで、最適な期間に亘って噴射させることが可能となる。特に、上記のように、第1の燃料噴射弁128aと第2の燃料噴射弁128bとが交互に配置されている場合において、第1の燃料噴射弁128aからのみ燃料ガスを噴射する際には、隣接する燃料噴射弁128から噴射される燃料ガスの干渉を一層低減することができる。
 燃料噴射制御部152の制御の一例として、エンジンの負荷が予め設定された閾値未満である場合には、第1の燃料噴射弁128aから燃料ガスを噴射させ、エンジンの負荷が予め設定された閾値以上である場合に、第1の燃料噴射弁128aおよび第2の燃料噴射弁128bから燃料ガスを噴射させる場合について説明した。しかしながら、例えば、エンジンの定格運転状態では、シリンダ110内全体に広く、均一に燃料ガスを行き渡らせ、エンジンの起動時等、燃焼室140の温度が低い場合には、燃焼作用を確実にもたらすべく、燃料ガスを局所的に噴射することが好ましい場合もある。このように、エンジンの運転状況に応じて、燃料噴射制御部152が、第1の燃料噴射弁128aと第2の燃料噴射弁128bとで、燃料ガスの噴射制御を適宜異ならせることで、常時、正常かつ安定的な運転を可能にすることができる。
 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、本発明はこのような実施形態に限定されない。当業者であれば、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と了解される。
 例えば、上記実施形態においては、第1の燃料噴射弁128aと第2の燃料噴射弁128bとを同数設けるが、第1の燃料噴射弁128aおよび第2の燃料噴射弁128bの数が異なっていてもよいし、また、これらの配置も特に限定されない。
 本発明は、掃気ポートから吸入された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。また、シリンダ内の全体に広く燃料ガスを行き渡らせることで、より運転性能が向上する。
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
116  排気ポート
120  排気弁
122  掃気ポート
128  燃料噴射弁
128a  第1の燃料噴射弁
128b  第2の燃料噴射弁
140  燃焼室
152  燃料噴射制御部

Claims (7)

  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、
     前記シリンダにおける前記ピストンのストローク方向一端部に設けられた排気ポートと、
     前記排気ポートを開閉する排気弁と、
     前記シリンダにおける前記ピストンのストローク方向他端部側の内周面に設けられ、前記ピストンの摺動動作に応じて前記燃焼室に活性ガスを吸入する掃気ポートと、
     前記掃気ポートから前記燃焼室に吸入された活性ガスに燃料ガスを噴射して予混合気を生成する複数の燃料噴射弁と、を備え、
     前記複数の燃料噴射弁は、
     前記シリンダ内に吸入された活性ガスの旋回流に沿う方向に燃料ガスを噴射する第1の燃料噴射弁と、前記第1の燃料噴射弁よりも前記シリンダの中心軸側に向けて燃料ガスを噴射する第2の燃料噴射弁と、を少なくとも含むユニフロー掃気式2サイクルエンジン。
  2.  前記燃料噴射弁を制御することにより、前記燃料噴射弁から燃料ガスを噴射させる燃料噴射制御部をさらに備え、
     前記燃料噴射制御部は、
     前記第1の燃料噴射弁と前記第2の燃料噴射弁とで、燃料ガスの噴射制御を異ならせる請求項1記載のユニフロー掃気式2サイクルエンジン。
  3.  前記燃料噴射制御部は、
     前記第1の燃料噴射弁と前記第2の燃料噴射弁とで、燃料ガスの噴射開始時期を異ならせる請求項2記載のユニフロー掃気式2サイクルエンジン。
  4.  前記燃料噴射制御部は、
     前記エンジンの運転状況に応じて、燃料ガスを噴射させる燃料噴射弁の数を異ならせる請求項2または3記載のユニフロー掃気式2サイクルエンジン。
  5.  前記燃料噴射制御部は、
     前記エンジンの負荷が予め設定された閾値未満である場合には、前記第1の燃料噴射弁から燃料ガスを噴射させ、
     前記エンジンの負荷が予め設定された閾値以上である場合に、前記第1の燃料噴射弁および前記第2の燃料噴射弁から燃料ガスを噴射させる請求項4記載のユニフロー掃気式2サイクルエンジン。
  6.  前記第1の燃料噴射弁および前記第2の燃料噴射弁によって噴射される燃料ガスの噴射方向は、前記シリンダの中心軸に対して対称である請求項1~5のいずれかに記載のユニフロー掃気式2サイクルエンジン。
  7.  前記第1の燃料噴射弁および前記第2の燃料噴射弁は、前記ピストンのストローク方向に対する燃料ガスの噴射角度を互いに異ならせる請求項1~6のいずれか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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