JP2016006325A - 2サイクルガスエンジン及び2サイクルガスエンジン用の燃料ガス噴射システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料ガスと空気との予混合化を促進することでNOx(窒素酸化物)の発生を抑制した2サイクルガスエンジンを提供すること。【解決手段】シリンダ2及びシリンダヘッド3と、ピストン4と、掃気ポートと、燃焼室に燃料ガスを噴射する燃料ガス噴射手段と、燃料ガス噴射手段を制御するように構成された制御装置と、を備える。そして、燃料ガス噴射手段が、ピストン4が上死点近傍に位置する時に燃焼室に燃料ガスを噴射する第1燃料ガス噴射装置8Aと、第1燃料ガス噴射装置8Aとは別に構成された、ピストン4が上死点近傍の手前に位置する時に燃焼室に燃料ガスを噴射する第2燃料ガス噴射装置8Bと、から構成される。【選択図】図4
Description
本発明は、2サイクルガスエンジン及び2サイクルガスエンジン用の燃料ガス噴射システムに関する。
従来、天然ガス等の燃料ガスを主燃料、圧縮着火性の良い軽油などの燃料油をパイロット燃料とし、高温雰囲気下の燃焼室内に該燃料油を噴射して自己着火させることで、主燃料である燃料ガスを燃焼させるガスエンジンが公知である。
例えば特許文献1には、燃料ガスなどの圧縮着火性の悪い低セタン価燃料を主燃料とし、圧縮着火性の良い燃料油をパイロット燃料とした二元燃料ディーゼルエンジンが開示されている。この特許文献1のエンジンは、シリンダヘッドに設けられた燃料ガス噴射弁及びパイロット燃料噴射弁を備えており、該燃料ガス噴射弁及びパイロット燃料噴射弁から燃焼室に向けて燃料ガス及びパイロット燃料を噴射することで、高温の燃焼室内でパイロット燃料(燃料油)を自己着火させ、これにより主燃料(燃料ガス)を燃焼せしめるように構成されている。
また例えば特許文献2には、圧縮着火性の悪い燃料ガスを主燃料とし、圧縮着火性の良い軽油や灯油等のディーゼル燃料をパイロット燃料としたガスエンジンが開示されている。この特許文献2のガスエンジンは、シリンダヘッドに設けられた吸気ポート及びディーゼル燃料噴射装置と、シリンダ周壁に設けられた燃料ガス噴射装置を備えている。そして、ピストンが下降する吸入行程時に吸気ポートから燃焼室に空気が導入され、吸入行程後期から圧縮行程後期の間の適正な時期に燃料ガス噴射装置から燃焼室に燃料ガスが噴射されるようになっている。そして、ピストンが上死点近傍まで上昇したタイミングでディーゼル燃料噴射装置から燃焼室にディーゼル燃料が噴射され、燃焼室内でディーゼル燃料が自己着火することで、主燃料である燃料ガスを燃焼せしめるように構成されている。
ところで上述した特許文献1のエンジンは、主燃料とパイロット燃料とが上死点近傍にてほぼ同時に燃焼室に供給されるため、燃焼室に噴射された主燃料は、撹拌される間もなく直ぐに燃焼される。したがって、その主燃料の燃焼形態は拡散燃焼となる。拡散燃焼の場合は、予混合燃焼の場合と比べて均一燃焼が難しく、高温の燃焼領域において、NOx(窒素酸化物)が発生しやすくなるとの問題がある。
また、上述した特許文献2のガスエンジンは、燃焼室内に吸入する空気量を増大させるためになされた発明である。すなわち特許文献2の発明は、従来は吸気ポートから燃料ガスと空気との混合気を導入していたのに対して、吸気ポートからは空気だけを吸入し、別途、燃料ガス噴射装置を備えるように構成されている。そして、該燃料ガス噴射装置によって吸入行程とはタイミングをずらして燃焼室に燃料ガスを噴射することで、吸気ポートから燃焼室内に吸入される空気量を増大させ、これによりエンジン出力の向上を図っている。
このような特許文献2には、予混合化を促進することでNOx(窒素酸化物)の発生を抑制するとの技術的思想は何ら開示されていない。
本発明は上述したような従来技術の課題に鑑みなされた発明であって、燃料ガスと空気との予混合化を促進することでNOx(窒素酸化物)の発生を抑制した2サイクルガスエンジン及び2サイクルガスエンジン用の燃料ガス噴射システムを提供することを目的としている。
本発明の2サイクルガスエンジンは、シリンダ及びシリンダヘッドと、前記シリンダ内に収容されるとともに、前記シリンダの周壁及び前記シリンダヘッドとの間で燃焼室を画成するピストンと、前記シリンダヘッドに設けられ、前記燃焼室に燃料ガスを噴射する燃料ガス噴射手段と、前記シリンダヘッドに設けられ、前記燃焼室内の燃料ガスに点火する点火手段と、前記シリンダの周壁に開口した、前記ピストンが下死点近傍に位置する時に前記燃焼室内に空気を供給する掃気ポートと、前記ピストンが上昇行程にあり、且つ前記ピストンが上死点の10°〜100°手前に位置する時に前記燃料ガス噴射手段によって燃料ガスを噴射させ、さらに前記ピストンが上死点近傍に位置する時に前記燃料ガス噴射手段によって燃料ガスを噴射させるように構成された燃料ガス噴射タイミング制御手段と、前記ピストンが上死点近傍に位置する時に前記点火手段によって前記燃焼室内の燃料ガスに点火する点火タイミング制御手段と、を備えたことを特徴とする。
このように構成される本発明の2サイクルガスエンジンは、燃焼室に燃料ガスを噴射する燃料ガス噴射手段と、燃焼室内の燃料ガスに点火する点火手段と、ピストンが下死点近傍に位置する時に燃焼室内に空気を供給する掃気ポートと、ピストンが上死点の10°〜100°手前に位置する時に燃料ガス噴射手段によって燃料ガスを噴射させ、さらにピストンが上死点近傍に位置する時に燃料ガス噴射手段によって燃料ガスを噴射させるように構成された燃料ガス噴射タイミング制御手段と、前記ピストンが上死点近傍に位置する時に前記点火手段によって前記燃焼室内の燃料ガスに点火する点火タイミング制御手段と、を備えている。
このような本発明によれば、ピストンが上死点の10°〜100°手前に位置する時に燃料ガスを噴射し、さらにピストンが上死点近傍に位置する時に燃料ガスを噴射するとともに、点火手段によって燃焼室内の燃料ガスに点火するように構成されているため、ピストンが上死点の10°〜100°手前に位置する時に噴射された燃料ガスと空気との予混合化が促進される。このため、燃焼全体に占める拡散燃焼の割合が低下し、NOx(窒素酸化物)の発生を抑制することができる。
また、このような本発明の2サイクルガスエンジンは、例えばエンジンコントロールユニット(ECU)等によって構成される燃料ガス噴射タイミング制御手段によって燃料ガスの噴射タイミングを制御するだけで構成することができる。したがって、新たな追加装置等を必要とすることなく、既存の2サイクルガスエンジンにおいて簡単に予混合化を促進することが可能である。
また上記発明において、前記燃料ガス噴射手段が、前記ピストンが上死点近傍に位置する時に前記燃焼室に燃料ガスを噴射する第1燃料ガス噴射手段と、該第1燃料ガス噴射手段とは別に構成された、前記ピストンが上死点の10°〜100°手前に位置する時に前記燃焼室に燃料ガスを噴射する第2燃料ガス噴射手段と、を有するように構成することができる。
このように、燃料ガス噴射手段が、第1燃料ガス噴射手段と第2燃料ガス噴射手段とに別々に構成されていれば、第1燃料ガス噴射手段と第2燃料ガス噴射手段とで、燃料ガスの噴射方向や圧力条件等を異ならしめることができる。すなわち、ピストンが上死点の10°〜100°手前に位置する時と、ピストンが上死点近傍にある時とでは、燃料ガスの好ましい噴射方向やその噴射圧力は異なったものとなる。よって本発明をこのように構成することで、ピストンがいずれの位置にある時でも、最適な噴射方向及び噴射圧力で燃焼室に燃料ガスを噴射することが可能となる。
本発明の2サイクルガスエンジンは、シリンダ及びシリンダヘッドと、前記シリンダ内に収容されるとともに、前記シリンダの周壁及び前記シリンダヘッドとの間で燃焼室を画成するピストンと、前記シリンダヘッドに設けられ、前記燃焼室に燃料ガスを噴射する燃料ガス噴射手段と、前記シリンダの周壁に開口した、前記ピストンが下死点近傍に位置する時に前記燃焼室内に空気を供給する掃気ポートと、前記ピストンが上昇行程にあり、且つ前記ピストンが上死点近傍の手前に位置する時に前記燃料ガス噴射手段によって燃料ガスを噴射させ、さらに前記ピストンが上死点近傍に位置する時に前記燃料ガス噴射手段によって燃料ガスを噴射させるように構成された燃料ガス噴射タイミング制御手段と、を備える。そして、前記燃料ガス噴射手段が、前記ピストンが上死点近傍に位置する時に前記燃焼室に燃料ガスを噴射する第1燃料ガス噴射装置と、前記第1燃料ガス噴射装置とは別に構成された、前記ピストンが上死点近傍の手前に位置する時に前記燃焼室に燃料ガスを噴射する第2燃料ガス噴射装置と、から構成される。
本発明の2サイクルガスエンジンは、シリンダ及びシリンダヘッドと、前記シリンダ内に収容されるとともに、前記シリンダの周壁及び前記シリンダヘッドとの間で燃焼室を画成するピストンと、前記シリンダヘッドに設けられ、前記燃焼室に燃料ガスを噴射する燃料ガス噴射手段と、前記シリンダの周壁に開口した、前記ピストンが下死点近傍に位置する時に前記燃焼室内に空気を供給する掃気ポートと、前記燃料ガス噴射手段を制御するように構成された制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記ピストンが上昇行程にあり、且つ前記ピストンが上死点近傍の手前に位置する時に前記燃料ガス噴射手段によって燃料ガスを噴射させ、さらに前記ピストンが上死点近傍に位置する時に前記燃料ガス噴射手段によって燃料ガスを噴射させるように構成される。そして、前記燃料ガス噴射手段が、前記ピストンが上死点近傍に位置する時に前記燃焼室に燃料ガスを噴射する第1燃料ガス噴射装置と、前記第1燃料ガス噴射装置とは別に構成された、前記ピストンが上死点近傍の手前に位置する時に前記燃焼室に燃料ガスを噴射する第2燃料ガス噴射装置と、から構成される。
上記発明において、前記シリンダヘッドの頂部に設けられ、排気ポートを開閉する排気バルブをさらに備え、前記第1燃料ガス噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲に設けられ、前記第2燃料ガス噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲に設けられ、前記第2燃料ガス噴射装置から噴射される燃料ガスの噴射方向と前記ピストンの進退方向に対して直交する方向とのなす角度が、前記第1燃料ガス噴射装置から噴射される燃料ガスの噴射方向と前記ピストンの進退方向に対して直交する方向とのなす角度よりも、大きくなるように構成される。
また、本発明の2サイクルガスエンジン用の燃料ガス噴射システムは、燃焼室に燃料ガスを噴射するように構成される第1燃料ガス噴射装置、及び前記第1燃料ガス噴射装置とは別に構成された第2燃料ガス噴射装置、を有する燃料ガス噴射手段と、ピストンが上昇行程にあり、且つ前記ピストンが上死点近傍の手前に位置する時に前記第2燃料ガス噴射装置によって燃料ガスを噴射させ、さらに前記ピストンが上死点近傍に位置する時に前記第1燃料ガス噴射装置によって燃料ガスを噴射させるように構成された制御装置と、を備える。
また、本発明の2サイクルガスエンジンは、シリンダ及びシリンダヘッドと、前記シリンダ内に収容されるとともに、前記シリンダの周壁及び前記シリンダヘッドとの間で燃焼室を画成するピストンと、前記シリンダヘッドに設けられ、前記燃焼室に燃料ガスを噴射する燃料ガス噴射手段と、前記シリンダヘッドに設けられ、前記燃焼室に燃料油を噴射して自己着火させることで前記燃焼室内の燃料ガスに点火する燃料油噴射装置と、前記シリンダの周壁に開口した、前記ピストンが下死点近傍に位置する時に前記燃焼室内に空気を供給する掃気ポートと、前記燃料ガス噴射手段および前記燃料油噴射装置を制御するように構成された制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記ピストンが上昇行程にあり、且つ前記ピストンが上死点近傍の手前に位置する時に前記燃料ガス噴射手段によって燃料ガスを噴射させ、さらに前記ピストンが上死点近傍に位置する時に前記燃料ガス噴射手段によって燃料ガスを噴射させるとともに、前記燃料油噴射装置から前記燃焼室に燃料油を噴射させるように構成される。そして、前記燃料ガス噴射手段が、前記ピストンが上死点近傍に位置する時に前記燃焼室に燃料ガスを噴射する第1燃料ガス噴射装置と、前記第1燃料ガス噴射装置とは別に構成された、前記ピストンが上死点近傍の手前に位置する時に前記燃焼室に燃料ガスを噴射する第2燃料ガス噴射装置と、を有する。
上記発明において、前記シリンダヘッドの頂部に設けられ、排気ポートを開閉する排気バルブをさらに備え、前記第1燃料ガス噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲に設けられ、前記第2燃料ガス噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲に設けられる。そして、前記第2燃料ガス噴射装置から噴射される燃料ガスの噴射方向と前記ピストンの進退方向に対して直交する方向とのなす角度が、前記第1燃料ガス噴射装置から噴射される燃料ガスの噴射方向と前記ピストンの進退方向に対して直交する方向とのなす角度よりも、大きくなるように構成される。
上記発明において、前記シリンダヘッドの頂部に設けられ、排気ポートを開閉する排気バルブをさらに備え、前記第1燃料ガス噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲に設けられ、前記第2燃料ガス噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲に設けられる。そして、前記燃料油噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲であって、前記第2燃料ガス噴射装置よりも前記第1燃料ガス噴射装置に近い位置に設けられる。
上記発明において、前記シリンダヘッドの頂部に設けられ、排気ポートを開閉する排気バルブをさらに備え、前記第1燃料ガス噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲に設けられ、前記第2燃料ガス噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲に設けられる。そして、前記燃料油噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲であって、前記第1燃料ガス噴射装置よりも前記排気バルブに近い位置に設けられる。
上記発明において、前記シリンダヘッドの頂部に設けられ、排気ポートを開閉する排気バルブをさらに備え、
前記第1燃料ガス噴射装置、前記第2燃料ガス噴射装置、及び前記燃料油噴射装置は、夫々同じ数だけ複数設けられている。そして、前記第1燃料ガス噴射装置、前記第2燃料ガス噴射装置、及び前記燃料油噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲に、夫々円周方向に等間隔で配置されている。
前記第1燃料ガス噴射装置、前記第2燃料ガス噴射装置、及び前記燃料油噴射装置は、夫々同じ数だけ複数設けられている。そして、前記第1燃料ガス噴射装置、前記第2燃料ガス噴射装置、及び前記燃料油噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲に、夫々円周方向に等間隔で配置されている。
上記発明において、前記燃焼室を上方から視認した場合に、前記第1燃料ガス噴射装置の噴射方向の中心ラインは、前記第1燃料ガス噴射装置とシリンダ中心とを結んだラインに対して、前記燃料油噴射装置が設けられていない側である一方側に向かって延在し、前記燃料油噴射装置の噴射方向の中心ラインは、前記燃料油噴射装置とシリンダ中心とを結んだラインに対して、前記第1燃料ガス噴射装置が設けられている側である一方側に向かって延在する。
上記発明において、前記燃焼室を上方から視認した場合に、前記第2燃料ガス噴射装置の噴射方向の中心ラインと、前記第2燃料ガス噴射装置とシリンダ中心とを結んだラインとが一致する。
上記発明において、前記2サイクルガスエンジンが船舶用エンジンである。
本発明によれば、ピストンが上死点の10°〜100°手前に位置する時に燃料ガスを噴射し、燃料ガスと空気との予混合化を促進させて燃焼全体に占める拡散燃焼の割合を低下させることで、NOx(窒素酸化物)の発生を抑制した2サイクルガスエンジン及び2サイクルガスエンジン用の燃料ガス噴射システムを提供することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限り、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限り、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図1、図2は、本発明の2サイクルガスエンジンの基本構成を説明するための概略図であり、(a)は上面図、(b)は断面図である。先ず、図1及び図2を用いて、本発明の2サイクルガスエンジンの基本構成について説明する。
本発明の2サイクルガスエンジン1は、図1及び図2に示したように、円筒状のシリンダ2と、該シリンダ2の上端側に結合されたシリンダヘッド3と、シリンダ2の内部に進退自在に収容されたピストン4とを備えている。そして、これらシリンダ2の周壁2aと、シリンダヘッド3と、ピストン4の頂面4aとの間にて燃焼室cが画成されている。なお、図中の符号5は、ピストンリングを示している。
また、シリンダ2の下方側の周壁2aには掃気ポート6が開口している。この掃気ポート6は、下死点近傍に位置するピストン4の頂面4a(図中に二点鎖線で表示)よりも上方の位置に形成されており、ピストン4が下死点近傍に位置する時に、掃気ポート6から燃焼室cに空気が供給されるようになっている。また、シリンダヘッド3の頂部には排気ポートが開口するとともに、該排気ポートを開閉する排気バルブ7が設けられている。この排気バルブ7は、ピストン4が上昇行程にある掃気行程時において、ピストン4が上死点の手前約100°の位置に到達するまで開放される。そして、掃気ポート6から燃焼室cに供給される空気によって、燃焼室cに残留する前行程の排ガスが掃気されるようになっている。
また図1に示したように、シリンダヘッド3には、燃焼室cに燃料ガス8aを噴射する燃料ガス噴射装置8(燃料ガス噴射手段)が設けられるとともに、同じく燃焼室cに圧縮着火性の良い燃料油10aを噴射する燃料油噴射装置10(点火手段)が設けられている。この燃料ガス噴射装置8及び燃料油噴射装置10は、シリンダ中心oを回転中心として円周方向に180°離れた位置に夫々2つ形成されている。
なお本実施形態では、燃料ガス噴射装置8及び燃料油噴射装置10には、夫々4つの噴孔が設けられている。また本発明において、上述した燃料ガス噴射装置8及び燃料油噴射装置10の設置数は特に限定されず、例えば1つであっても構わない。しかしながら、シリンダヘッド3の頂部に排気バルブ7が設けられる本実施形態にあっては、複数個の燃料ガス噴射装置8及び燃料油噴射装置10が、夫々円周方向に等間隔で配置されるのが好ましい。
これら燃料ガス噴射装置8及び燃料油噴射装置10は、図1及び図2に示したように、エンジンコントロールユニット(ECU)12とケーブル14を介して接続されている。またECU12はクランク軸17の回転角を検出するクランク角センサ15とケーブル16を介して接続されている。そして、クランク角センサ15からクランク軸17の回転角にかかる信号を受信することで、ピストン4の位相を検知するようになっている。そして燃料ガス噴射装置8及び燃料油噴射装置10は、ECU12から送信される信号に基づいて、所定のタイミングで燃焼室cに燃料ガス8a及び燃料油10aを噴射するようになっている。そして図1に示したように、ピストン4が上死点近傍に位置している時に、燃料ガス噴射装置8及び燃料油噴射装置10から燃料ガス8a及び燃料油10aをほぼ同時に噴射することで、高温雰囲気下にある燃焼室c内において圧縮着火性の良い燃料油10aが自己着火し、これによりほぼ同時に噴射された燃料ガス10aが燃焼し、図2に示したように、燃焼室cの内部に燃焼火炎fが生成されるようになっている。
すなわちECU12は、本発明における燃料ガス噴射タイミング制御手段を構成するとともに、ピストン4が上死点近傍に位置する時に燃料噴射装置10によって燃焼室c内の燃料ガスに点火する本発明の点火タイミング制御手段を構成している。なお、本発明において上死点近傍とは、ピストン4が上死点前10°から上死点後20°までの範囲に位置している状態を意味するものとする。
<第1の実施形態>
次に、本発明の第1の実施形態の2サイクルエンジンについて図3を基に説明する。
図3は、本発明の第1の実施形態にかかる2サイクルガスエンジンを説明するための概略図であり、(a)はピストン4が上死点の10°〜100°手前に位置している状態、(b)はピストン4が上死点の約5°手前に位置している状態、(c)はピストン4が上死点に位置している状態、を夫々示している。
次に、本発明の第1の実施形態の2サイクルエンジンについて図3を基に説明する。
図3は、本発明の第1の実施形態にかかる2サイクルガスエンジンを説明するための概略図であり、(a)はピストン4が上死点の10°〜100°手前に位置している状態、(b)はピストン4が上死点の約5°手前に位置している状態、(c)はピストン4が上死点に位置している状態、を夫々示している。
本実施形態の2サイクルガスエンジン1は、ピストン4が上昇行程にあり、且つピストン4が上死点の10°〜100°手前に位置する時(図3(a)に示した状態)に、上述したECU12(燃料ガス噴射タイミング制御手段)から送信される信号に基づいて、燃料ガス噴射装置8から燃焼室cに燃料ガス8bが噴射されるようになっている。このように、ピストン4が上死点の10°〜100°手前に位置する時に燃焼室cに燃料ガス8bが噴射されると、ピストン4がさらに上死点近傍まで上昇する過程において、噴射された燃料ガス8bと燃焼室cの内部の空気とが混じり合って予混合化が促進される。そして、図3(b)に示したように、燃焼室cの内部に混合気20が生成される。
そしてピストン4が上死点近傍(例えば上死点の約5°手前)に達した時に、上述したECU12(燃料ガス噴射タイミング制御手段および点火タイミング制御手段)から送信される信号に基づいて、燃料ガス噴射装置8から燃料ガス8aが噴射されるとともに、燃料油噴射装置10から燃料油10aが噴射される。
すると上述したように、圧縮着火性の良い燃料油10aが自己着火し、これにより噴射された燃料ガス8aも燃焼する。そして図3(c)に示したように、燃焼室cの内部に燃焼火炎fが生成される。そして、この燃焼火炎fが上述した混合気20に伝播して、燃焼室cの全体で爆発的な燃焼が発生するようになっている。
このように本実施形態の2サイクルガスエンジン1は、ピストン4が上死点の10°〜100°手前に位置する時に燃料ガス8bを噴射し、さらにピストン4が上死点近傍に位置する時に燃料ガス8aと燃料油10aとを噴射するように構成されている。したがって、ピストン4が上死点の10°〜100°手前に位置する時に噴射された燃料ガス8bと空気との予混合化が促進されて混合気20が生成されることで、燃焼形態の一部が予混合燃焼となる。このため、燃焼形態の全部が拡散燃焼である従来のガスエンジンと比べて、NOx(窒素酸化物)の発生を抑制することができる。
また本実施形態の2サイクルガスエンジン1は、ECU12によって構成される燃料ガス噴射タイミング制御手段によって、燃料ガス噴射装置8の噴射タイミングを制御するだけで構成される。よって、新たな追加装置等を必要とすることなく、既存の2サイクルガスエンジンにおいて簡単に予混合化を促進することが可能である。
<第2の実施形態>
次に、本発明の第2の実施形態の2サイクルエンジンについて図4を基に説明する。
図4は、本発明の第2の実施形態にかかる2サイクルガスエンジンを説明するための概略図であり、(a)はピストン4が上死点の10°〜100°手前に位置している状態、(b)はピストン4が上死点の約5°手前に位置している状態、(c)はピストン4が上死点に位置している状態、を夫々示している。
次に、本発明の第2の実施形態の2サイクルエンジンについて図4を基に説明する。
図4は、本発明の第2の実施形態にかかる2サイクルガスエンジンを説明するための概略図であり、(a)はピストン4が上死点の10°〜100°手前に位置している状態、(b)はピストン4が上死点の約5°手前に位置している状態、(c)はピストン4が上死点に位置している状態、を夫々示している。
本実施形態の2サイクルガスエンジン1は、上述した実施形態と異なり、燃料ガス噴射手段が第1燃料ガス噴射手段(第1の燃料ガス噴射装置8A)と第2燃料ガス噴射手段(第2の燃料ガス噴射装置8B)とに別々に構成されている。第1の燃料ガス噴射装置8Aは、例えば上述した実施形態における燃料ガス噴射装置8と同じ位置、同じ向きに、同じ数だけ配置されている。一方、第2の燃料ガス噴射装置8Bは、図4に示したように、2つの第1の燃料ガス噴射装置8A、8Aの中間の位置に、シリンダ中心oを回転中心として円周方向に180°離れた位置に夫々2つ形成されている。また、第1の燃料ガス噴射装置8A及び第2の燃料ガス噴射装置8Bは、上述したECU12(燃料ガス噴射タイミング制御手段)に夫々接続されているものとする。
そして図4(a)に示したように、ECU12から送信される信号に基づいて、ピストン4が上昇行程中の上死点の10°〜100°手前に位置する時に、第2の燃料ガス噴射装置8Bから燃焼室cに向かって燃料ガス8bが噴射される。また図4(b)に示したように、ECU12(燃料ガス噴射タイミング制御手段)から送信される信号に基づいて、ピストン4が上死点近傍(例えば上死点の約5°手前)に達した時に、第1の燃料ガス噴射装置8Aから燃焼室cに向かって燃料ガス8aが噴射される。また上述した実施形態と同様に、ECU12(点火タイミング制御手段)から送信される信号に基づいて、燃料ガス8aが噴射されるのとほぼ同時に、燃料油噴射装置10から燃料油10aが噴射されるようになっている。
このように、本発明の燃料ガス噴射手段が第1燃料ガス噴射手段(第1の燃料ガス噴射装置8A)と第2燃料ガス噴射手段(第2の燃料ガス噴射装置8B)とに別々に構成されていれば、第1の燃料ガス噴射装置8Aと第2の燃料ガス噴射装置8Bとで、燃料ガスの噴射方向を異ならしめることができる。したがって図4に示したように、第2の燃料ガス噴射装置8Bから噴射される燃料ガス8bの噴射方向を、第1の燃料ガス噴射装置8Aから噴射される燃料ガス8aの噴射方向よりも下方に向けることで、燃料ガス8bを燃焼室cの内部にて撹拌させ、燃料ガス8bの予混合化を促進させることができる。また、ピストン4が上死点の10°〜100°手前に位置する時は、ピストン4が上死点近傍にある場合よりも燃焼室cの内部の圧力は低い状態である。このため、第2の燃料ガス噴射装置8Bとして、第1の燃料ガス噴射装置8Aとは異なる、その使用圧力に合った適当な噴射装置を採用することができる。
以上、本発明の2サイクルガスエンジン1によれば、ピストン4が上昇行程にあり、且つピストン4が上死点の10°〜100°手前に位置する時に燃料ガス噴射手段(燃料ガス噴射装置8又は第2の燃料ガス噴射装置8B)から燃料ガス8bを噴射することで、燃料ガス8bと空気との予混合化を促進し、燃焼全体に占める拡散燃焼の割合を低下させることで、NOx(窒素酸化物)の発生を抑制した2サイクルガスエンジンを提供することができる。
以上、本発明の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。
例えば上述した実施形態では、点火手段を燃料油噴射装置10によって構成していた。そして上述したように、ECU12(点火タイミング制御手段)から送信される信号に基づいて、燃料油噴射装置10から圧縮着火性の高い燃料油10aを高温雰囲気下の燃焼室c内に噴射することで、燃焼室c内の燃料ガスに点火するように構成していた。しかしながら本発明の点火手段はこれに限定されず、例えば、シリンダヘッド3に設けられた点火プラグを点火手段とし、ECU12(点火タイミング制御手段)から送信される信号に基づいて点火プラグを起動させ、該点火プラグにて生成される火花によって燃焼室c内の燃料ガスに点火するように構成してもよいものである。
本発明の2サイクルガスエンジンは、建設機械用、大型車両用、発電用等、特に船舶用エンジンとして好適に用いることができる。
1 2サイクルガスエンジン、
2 シリンダ
2a 周壁
3 シリンダヘッド
4 ピストン
4a 頂面
5 ピストンリング
6 掃気ポート
7 排気バルブ
8 燃料ガス噴射装置(燃料ガス噴射手段)
8A 第1の燃料ガス噴射装置(第1燃料ガス噴射手段)
8B 第2の燃料ガス噴射装置(第2燃料ガス噴射手段)
8a 燃料ガス
10 燃料油噴射装置
10a 燃料油
12 ECU(燃料ガス噴射タイミング制御手段及び点火タイミング制御手段)
14、16 ケーブル
15 クランク角センサ
17 クランク軸
20 混合気
2 シリンダ
2a 周壁
3 シリンダヘッド
4 ピストン
4a 頂面
5 ピストンリング
6 掃気ポート
7 排気バルブ
8 燃料ガス噴射装置(燃料ガス噴射手段)
8A 第1の燃料ガス噴射装置(第1燃料ガス噴射手段)
8B 第2の燃料ガス噴射装置(第2燃料ガス噴射手段)
8a 燃料ガス
10 燃料油噴射装置
10a 燃料油
12 ECU(燃料ガス噴射タイミング制御手段及び点火タイミング制御手段)
14、16 ケーブル
15 クランク角センサ
17 クランク軸
20 混合気
Claims (12)
- シリンダ及びシリンダヘッドと、
前記シリンダ内に収容されるとともに、前記シリンダの周壁及び前記シリンダヘッドとの間で燃焼室を画成するピストンと、
前記シリンダヘッドに設けられ、前記燃焼室に燃料ガスを噴射する燃料ガス噴射手段と、
前記シリンダの周壁に開口した、前記ピストンが下死点近傍に位置する時に前記燃焼室内に空気を供給する掃気ポートと、
前記ピストンが上昇行程にあり、且つ前記ピストンが上死点近傍の手前に位置する時に前記燃料ガス噴射手段によって燃料ガスを噴射させ、さらに前記ピストンが上死点近傍に位置する時に前記燃料ガス噴射手段によって燃料ガスを噴射させるように構成された燃料ガス噴射タイミング制御手段と、
を備え、
前記燃料ガス噴射手段が、
前記ピストンが上死点近傍に位置する時に前記燃焼室に燃料ガスを噴射する第1燃料ガス噴射装置と、
前記第1燃料ガス噴射装置とは別に構成された、前記ピストンが上死点近傍の手前に位置する時に前記燃焼室に燃料ガスを噴射する第2燃料ガス噴射装置と、から構成されることを特徴とする2サイクルガスエンジン。 - シリンダ及びシリンダヘッドと、
前記シリンダ内に収容されるとともに、前記シリンダの周壁及び前記シリンダヘッドとの間で燃焼室を画成するピストンと、
前記シリンダヘッドに設けられ、前記燃焼室に燃料ガスを噴射する燃料ガス噴射手段と、
前記シリンダの周壁に開口した、前記ピストンが下死点近傍に位置する時に前記燃焼室内に空気を供給する掃気ポートと、
前記燃料ガス噴射手段を制御するように構成された制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記ピストンが上昇行程にあり、且つ前記ピストンが上死点近傍の手前に位置する時に前記燃料ガス噴射手段によって燃料ガスを噴射させ、さらに前記ピストンが上死点近傍に位置する時に前記燃料ガス噴射手段によって燃料ガスを噴射させるように構成され、
前記燃料ガス噴射手段が、
前記ピストンが上死点近傍に位置する時に前記燃焼室に燃料ガスを噴射する第1燃料ガス噴射装置と、
前記第1燃料ガス噴射装置とは別に構成された、前記ピストンが上死点近傍の手前に位置する時に前記燃焼室に燃料ガスを噴射する第2燃料ガス噴射装置と、から構成されることを特徴とする2サイクルガスエンジン。 - 前記シリンダヘッドの頂部に設けられ、排気ポートを開閉する排気バルブをさらに備え、
前記第1燃料ガス噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲に設けられ、
前記第2燃料ガス噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲に設けられ、
前記第2燃料ガス噴射装置から噴射される燃料ガスの噴射方向と前記ピストンの進退方向に対して直交する方向とのなす角度が、前記第1燃料ガス噴射装置から噴射される燃料ガスの噴射方向と前記ピストンの進退方向に対して直交する方向とのなす角度よりも、大きくなるように構成されることを特徴とする請求項1または2のいずれか一項に記載の2サイクルガスエンジン。 - 燃焼室に燃料ガスを噴射するように構成される第1燃料ガス噴射装置、及び前記第1燃料ガス噴射装置とは別に構成された第2燃料ガス噴射装置、を有する燃料ガス噴射手段と、
ピストンが上昇行程にあり、且つ前記ピストンが上死点近傍の手前に位置する時に前記第2燃料ガス噴射装置によって燃料ガスを噴射させ、さらに前記ピストンが上死点近傍に位置する時に前記第1燃料ガス噴射装置によって燃料ガスを噴射させるように構成された制御装置と、
を備えることを特徴とする2サイクルガスエンジン用の燃料ガス噴射システム。 - シリンダ及びシリンダヘッドと、
前記シリンダ内に収容されるとともに、前記シリンダの周壁及び前記シリンダヘッドとの間で燃焼室を画成するピストンと、
前記シリンダヘッドに設けられ、前記燃焼室に燃料ガスを噴射する燃料ガス噴射手段と、
前記シリンダヘッドに設けられ、前記燃焼室に燃料油を噴射して自己着火させることで前記燃焼室内の燃料ガスに点火する燃料油噴射装置と、
前記シリンダの周壁に開口した、前記ピストンが下死点近傍に位置する時に前記燃焼室内に空気を供給する掃気ポートと、
前記燃料ガス噴射手段および前記燃料油噴射装置を制御するように構成された制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記ピストンが上昇行程にあり、且つ前記ピストンが上死点近傍の手前に位置する時に前記燃料ガス噴射手段によって燃料ガスを噴射させ、さらに前記ピストンが上死点近傍に位置する時に前記燃料ガス噴射手段によって燃料ガスを噴射させるとともに、前記燃料油噴射装置から前記燃焼室に燃料油を噴射させるように構成され、
前記燃料ガス噴射手段が、
前記ピストンが上死点近傍に位置する時に前記燃焼室に燃料ガスを噴射する第1燃料ガス噴射装置と、
前記第1燃料ガス噴射装置とは別に構成された、前記ピストンが上死点近傍の手前に位置する時に前記燃焼室に燃料ガスを噴射する第2燃料ガス噴射装置と、を有することを特徴とする2サイクルガスエンジン。 - 前記シリンダヘッドの頂部に設けられ、排気ポートを開閉する排気バルブをさらに備え、
前記第1燃料ガス噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲に設けられ、
前記第2燃料ガス噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲に設けられ、
前記第2燃料ガス噴射装置から噴射される燃料ガスの噴射方向と前記ピストンの進退方向に対して直交する方向とのなす角度が、前記第1燃料ガス噴射装置から噴射される燃料ガスの噴射方向と前記ピストンの進退方向に対して直交する方向とのなす角度よりも、大きくなるように構成されることを特徴とする請求項5に記載の2サイクルガスエンジン。 - 前記シリンダヘッドの頂部に設けられ、排気ポートを開閉する排気バルブをさらに備え、
前記第1燃料ガス噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲に設けられ、
前記第2燃料ガス噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲に設けられ、
前記燃料油噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲であって、前記第2燃料ガス噴射装置よりも前記第1燃料ガス噴射装置に近い位置に設けられることを特徴とする請求項5又は6に記載の2サイクルガスエンジン。 - 前記シリンダヘッドの頂部に設けられ、排気ポートを開閉する排気バルブをさらに備え、
前記第1燃料ガス噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲に設けられ、
前記第2燃料ガス噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲に設けられ、
前記燃料油噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲であって、前記第1燃料ガス噴射装置よりも前記排気バルブに近い位置に設けられることを特徴とする請求項5から7の何れか一項に記載の2サイクルガスエンジン。 - 前記シリンダヘッドの頂部に設けられ、排気ポートを開閉する排気バルブをさらに備え、
前記第1燃料ガス噴射装置、前記第2燃料ガス噴射装置、及び前記燃料油噴射装置は、夫々同じ数だけ複数設けられており、
前記第1燃料ガス噴射装置、前記第2燃料ガス噴射装置、及び前記燃料油噴射装置は、前記シリンダヘッドにおける前記排気バルブの周囲に、夫々円周方向に等間隔で配置されていることを特徴とする請求項5から8の何れか一項に記載の2サイクルガスエンジン。 - 前記燃焼室を上方から視認した場合に、
前記第1燃料ガス噴射装置の噴射方向の中心ラインは、前記第1燃料ガス噴射装置とシリンダ中心とを結んだラインに対して、前記燃料油噴射装置が設けられていない側である一方側に向かって延在し、
前記燃料油噴射装置の噴射方向の中心ラインは、前記燃料油噴射装置とシリンダ中心とを結んだラインに対して、前記第1燃料ガス噴射装置が設けられている側である一方側に向かって延在することを特徴とする請求項5から9の何れか一項に記載の2サイクルガスエンジン。 - 前記燃焼室を上方から視認した場合に、
前記第2燃料ガス噴射装置の噴射方向の中心ラインと、前記第2燃料ガス噴射装置とシリンダ中心とを結んだラインとが一致することを特徴とする請求項5から10の何れか一項に記載の2サイクルガスエンジン。 - 前記2サイクルガスエンジンが船舶用エンジンであることを特徴とする請求項1から3、及び請求項5から11のいずれか一項に記載の2サイクルガスエンジン。
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JP2015153437A JP2016006325A (ja) | 2015-08-03 | 2015-08-03 | 2サイクルガスエンジン及び2サイクルガスエンジン用の燃料ガス噴射システム |
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