JP2016532050A

JP2016532050A - 燃焼室を持つ対向ピストンエンジンのための二種燃料用構造

Info

Publication number: JP2016532050A
Application number: JP2016533335A
Authority: JP
Inventors: レドン，ファビエン，ジー．; レグナー，ガーハード; ベヌゴパル，リシケシュ
Original assignee: アカーテースパワー，インク．
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2016-10-13
Anticipated expiration: 2034-07-31
Also published as: JP6487439B2; EP3017160A1; US10465616B2; US20160195028A1; CN105492736A; CN105492736B; EP3017160B1; WO2015020867A1

Abstract

多種燃料運転用に装備された圧縮点火対向ピストンエンジンは、少なくとも１つのシリンダと、下死点位置と上死点位置との間で対向運動するようにシリンダ内に摺動自在に配置された一対のピストンと、シリンダの両端部付近に隔置された吸気および排気ポートとを含む。ピストンは、エンジンの圧縮行程中にピストンが上死点位置近傍にあるときに、燃焼室を形成するように構成された端面を含む。少なくとも１つの気体燃料噴射装置は、吸気ポートと排気ポートとの間のシリンダの噴射装置箇所を介して、シリンダのボアと連通する。少なくとも１つの液体燃料噴射装置は、シリンダの噴射装置箇所を介して前記ボアと連通する。気体及び液体の燃料噴射装置に連結された燃料噴射システムは、ピストンが下死点位置と上死点位置の間にあるときに、気体燃料噴射装置に気体燃料の主チャージを噴射させ、液体燃料噴射装置に液体燃料のパイロットチャージを噴射させる。【選択図】図５

Description

［関連出願］
本願は、２０１２年３月２９日に米国特許出願公開第２０１２／００７３５４１号として公開された、２０１１年８月１５日出願の米国特許出願第１３／１３６，９５４号の主題に関連する主題を含む。

［技術分野］
分野は一般的に、圧縮点火型のエンジンに動力を供給するために多種燃料燃焼を利用することに関する。さらに詳しくは、分野は、圧縮行程中に、ピストンが上死点（ＴＣ）に到達する前に、気体燃料の主チャージをシリンダ内に噴射すると共に、液体燃料のパイロットチャージを内部的に形成される燃焼室(shaped combustion chamber)内に噴射して主チャージを点火させるように装備された、２ストロークサイクル対向ピストンエンジンに関する。

性能およびコスト上の理由から、高出力密度エンジンの燃焼システムに２種類以上の燃料を組み込むことは有利になり得る。例えば、メイン燃料チャージを提供する気体燃料（例えば天然ガス（ＮＧ））、およびメイン燃料チャージを点火させる少量のより高い反応性の液体燃料（例えばディーゼル）を使用することによって、圧縮点火エンジンの作動コストを低減することができる。

従来の圧縮点火（ＣＩ）エンジンでは、単一のピストンがシリンダ内に摺動自在に配置される。ピストンはシリンダ内を、ピストンの冠部がシリンダヘッドに最も近づく上死点位置と、冠部がシリンダヘッドから最も遠ざかる下死点（ＢＣ）位置との間で移動する。シリンダ内に導入された空気は、ピストンが圧縮行程中にＴＣに向かって移動するにつれて、ピストンによって圧縮される。空気の圧縮はその温度を上昇させる。ピストンがその圧縮行程の頂部に接近したときに、燃料は加熱された空気中に噴射される。圧縮空気の上昇温度は燃料の自動点火を引き起こし、それによって燃料は自己点火して燃焼し、動力行程でエネルギを放出しかつピストンをＢＣに向かって駆動する。

圧縮点火用に作製された２ストロークサイクル対向ピストンエンジンでは、２つのピストンが、各ピストンのＢＣ近傍に吸気ポートおよび排気ポートを有するシリンダのボア内で冠部と冠部を対向させて摺動自在に配置される。エンジン動作中に、ピストンはボア内をそれらのＴＣ位置とＢＣ位置との間で互いに接近および離反するように移動するので、ポートはピストンの運動によって制御される。シリンダ内に導入された空気は、圧縮行程中にそれぞれのＴＣ位置に向かって移動するピストンによって圧縮される。エンジンは典型的には、ピストン冠のＴＣ位置に近い位置でシリンダに取り付けられた、１つ以上の液体燃料噴射装置を有する。噴射された燃料は圧縮された空気と混合し、空気／燃料混合物は自動点火し、動力行程でピストンをそれらのＢＣ位置に向かって互いに相手から離反するように駆動する。

本願の出願人に譲渡された特許文献１(USP 7,270,108)は、圧縮行程の初期の液体燃料の主チャージの噴射により行程が略完了する時間までに燃料のより完全な蒸発が達成される、２ストロークサイクル対向ピストンエンジンを記載している。ピストンのＴＣ近傍の圧縮空気／燃料混合物への燃料のパイロットチャージの噴射は、主チャージの点火を作動させる。パイロット噴射の制御によって、メイン燃料チャージの点火の正確なタイミングが可能になる。

燃焼に備えて空気を燃料と混合させるために、圧縮行程中にシリンダボア内の給気のバルク運動における乱流を促進することが望ましい。乱流に寄与する給気運動の要素は、渦巻流（スワール流）およびスキッシュ流を含む。一部の態様では、ピストン冠の端面には、タンブル（流）のような追加的なバルク運動成分を発生させるために、これらの要素と相互作用するように設計された形状および輪郭が形成される。関連して、混合プロセスの均等性を高めるべく、燃焼室は複雑な乱流を生み出すように構成されている。例えば、特許文献２および特許文献３に記載された燃焼室の構造を参照されたい。

対向ピストンエンジンが作動すると、燃焼室は、エンジン動作の各サイクルに１回、ピストンがシリンダの中心付近で出会うときに形成される。典型的には、１つの噴射装置または２つ以上の噴射装置が、ピストンのＴＣ位置またはそれに非常に近い位置で、シリンダに取り付けられる。その結果、ピストンがＴＣに位置するときに、噴射装置ヘッドは、ピストンの冠部間に形成された燃焼室に近接して配置される。噴射装置ヘッドとピストン冠との間に発生し得る干渉の問題を回避するために、注意深い設計計画が必要である。複数の噴射装置（おそらく３つ以上）を使用する場合、特に燃焼室の構造によって課せられる制約の観点から、噴射装置の位置が重要である。異なる種類の燃料送達装置（又は燃料分配装置）が燃料送達システムに組み込まれている場合、この問題は、多種燃料燃焼用に作製された対向ピストンエンジンでより顕著になるかもしれない。

米国特許第７２７０１０８号明細書米国特許出願公開第２０１１／０２７１９３２号明細書国際特許公開第ＷＯ２０１２／１５８７５６号公報

シリンダと、シリンダのボア内の１対の対向ピストンと、ピストンにより制御される隔置された吸気ポートおよび排気ポートとを備えた多種燃料用対向ピストン圧縮点火エンジンを作動させる方法は、シリンダ内のピストン間に空気を導入するステップと、圧縮行程時にピストンを互いに相手に向かって移動させるステップと、シリンダの吸気ポートと排気ポートとの間の第１噴射箇所を介して気体燃料の主チャージをシリンダ内のピストン間に噴射するステップとを含む。ピストンの運動に反応して、気体燃料の主チャージは給気と混合され、圧縮される。気体燃料と給気との圧縮混合物を含む燃焼室（一時的に内部形成される燃焼室）はピストンがそれぞれの上死点位置に近づくときに、ピストンの端面間に形成される。気体燃料と空気との圧縮混合物を点火するように働く液体燃料のパイロットチャージは、シリンダの第２噴射箇所を介して燃焼室内に噴射される。

対向ピストン圧縮点火エンジンは、シリンダと、シリンダ内に摺動自在に配置された１対の対向するピストンと、シリンダのそれぞれの端部付近に隔置された吸気および排気ポートと、シリンダの吸気ポートと排気ポートとの間の噴射装置箇所を介してシリンダのボアと連通する少なくとも１つの気体燃料噴射装置と、ピストンが上死点位置の近傍にあるときにシリンダ内に形成される燃焼室（一時的に内部形成される燃焼室）と連通するシリンダの少なくとも１つの液体燃料噴射装置とを含む。少なくとも１つの気体燃料噴射装置および少なくとも１つの液体燃料噴射装置に連結された燃料噴射システムは、ピストンが下死点位置と上死点位置との間にあるときに、少なくとも１つの気体燃料噴射装置に気体燃料をシリンダ内に噴射させ、かつピストンが上死点位置の近傍にあるときに、少なくとも１つのパイロット燃料噴射装置に液体燃料を燃焼室内に噴射させるように働く。

対向ピストンエンジンの略図であり、適切に「先行技術」と明記されている。１対の対向ピストンの一方のピストンの等角図である。１対の対向ピストンの他方のピストンの等角図である。圧縮行程中にＢＣ位置とＴＣ位置との間にある対向ピストンを示す、多種燃料運転用に装備された対向ピストンエンジンのシリンダの側面断面図である。圧縮行程後期にそれぞれのＴＣ位置の近傍にある対向ピストンを示す、図３Ａのシリンダの側面断面図である。図２ＡのピストンのＴＣ位置またはその近傍の端面を示す端面図である。多種燃料運転用に装備された対向ピストンエンジンの燃料噴射システムのブロック図である。図５の燃料噴射システムの制御を示すグラフである。圧縮点火対向ピストンエンジンのための多種燃料用構造の第１の代替的実施形態を示す概念略図である。圧縮点火対向ピストンエンジンのための多種燃料用構造の第１の代替的実施形態を示す概念略図である。圧縮点火対向ピストンエンジンのための多種燃料用構造の第２の代替的実施形態を示す概念略図である。圧縮点火対向ピストンエンジンのための多種燃料用構造の第３の代替的実施形態を示す概念略図である。圧縮点火対向ピストンエンジンのための多種燃料用構造の第４の代替的実施形態を示す概念略図である。圧縮点火対向ピストンエンジンのための多種燃料用構造の第４の代替的実施形態を示す概念略図である。圧縮点火対向ピストンエンジンのための多種燃料用構造の第５の代替的実施形態を示す概念略図である。圧縮点火対向ピストンエンジンのための多種燃料用構造の第６の代替的実施形態を示す概念略図である。圧縮点火対向ピストンエンジンのための多種燃料用構造の第７の代替的実施形態を示す概念略図である。圧縮点火対向ピストンエンジンのための多種燃料用構造の第７の代替的実施形態を示す概念略図である。圧縮点火対向ピストンエンジンのための多種燃料用構造の第８の代替的実施形態を示す概念略図である。圧縮点火対向ピストンエンジンのための多種燃料用構造の第８の代替的実施形態を示す概念略図である。圧縮点火対向ピストンエンジンのための多種燃料用構造の第９の代替的実施形態を示す概念略図である。圧縮点火対向ピストンエンジンのための多種燃料用構造の第９の代替的実施形態を示す概念略図である。

２ストロークサイクルエンジンは、クランク軸の完全な１回転およびクランク軸に接続されたピストンの２行程により１動力サイクルを完了する内燃機関である。２ストロークサイクルエンジンの一例は、２つのピストンが、反対方向の往復運動のために、シリンダのボア内に対向して配置された対向ピストンエンジンである。シリンダは、シリンダのそれぞれの端部の近くに位置する長手方向に隔置された吸気ポートおよび排気ポートを有する。対向ピストンの各々はポートの１つを制御し、ピストンが下死点（ＢＣ）位置まで移動するとポートを開き、ピストンがＢＣから上死点（ＴＣ）位置に向かって移動するとポートを閉じる。ポートの１つは燃焼の生成物をボアから排出するための通路を提供し、もう１つは給気をボア内に導入するように働く。これらはそれぞれ「排気」ポートおよび「吸気」ポートと呼ばれる。

図１は、少なくとも１つのポート付きシリンダ５０を有する２ストロークサイクル対向ピストンエンジン４９を表す。例えば、エンジンは１つのポート付きシリンダ、２つのポート付きシリンダ、３つのポート付きシリンダ、または４つ以上のポート付シリンダを有することができる。各ポート付きシリンダ５０はボア５２と、シリンダ壁のそれぞれの端部に形成または機械加工された、長手方向に隔置される吸気及び排気ポート５４，５６とを有する。吸気及び排気ポート５４，５６の各々は、開口の１つ以上の周方向配列を含み、隣接する開口同士は固体ブリッジによって分離される。説明によっては、各開口は「ポート」と呼ばれる。しかし、そのような「ポート」の周方向配列の構造は、図１に示したポートの構造と何も変わらない。図示した例では、エンジン４９はさらに、２つのクランク軸７１および７２を含む。吸気及び排気ピストン６０，６２は、それらの端面６１および６３が互いに対向する状態で、ボア５２内に摺動自在に配置される。吸気ピストン６０はクランク軸７１に連結され、排気ピストン６２はクランク軸７２に連結される。

図１は、それぞれのＢＣ位置またはその近傍にあるピストンを示す。ピストン６０および６２がＴＣに向かって移動すると、ボア５２内でピストンの端面６１および６３の間に燃焼室が画定される。図では、燃焼室６４は破線間の領域によって表される。燃料は、シリンダ５０の側壁の貫通穴に配置された少なくとも１つの燃料噴射装置ノズル７９を介して、燃焼室内に直接噴射される。燃料は、吸気ポート５６を介してボア内に導入された給気と混合する。空気‐燃料混合物が端面間で圧縮されると、それは燃焼を引き起こす温度に達する。

燃焼室の形状
燃焼に備えて空気を燃料と混合するために、圧縮行程中にシリンダボア内の給気のバルク運動に複雑な乱流を誘発するように設計された燃焼室構造を利用することが望ましい。これに関連して、端面に形状および輪郭を有するピストンは、渦巻（スワール）および内向きのスキッシュと相互作用して、タンブルのような追加のバルク運動要素を生じさせる。例えば、米国特許出願公開第２０１１／０２７１９３２号明細書、国際特許公開第ＷＯ２０１２／１５８７５６号公報、および米国特許出願第１３／８４３６８６号明細書に記載された燃焼室構成を参照されたい。多種燃料用対向ピストンエンジンにおける乱流バルク給気運動を促進するように形作られる代表的燃焼室は、図２Ａおよび図２Ｂに示された対を成す対向ピストンの端面間に形成される。

図２Ａおよび図２Ｂにおいて、ピストン８０および９０は、対向ピストンエンジンのポート付きシリンダに燃焼室構造を画定するために相補的なピストン端面構造を持つ、ピストン冠８１および９１をそれぞれ含む。冠８１は、ピストン８０の内側から外向きに突出する凸面部８３を囲む外縁８２と、ピストンの直径方向に延びる細長い裂溝８４とを含む端面構造を有する。図２Ａの通り、細長い裂溝８４は、ピストンの端面の直径と共線的な対称軸８７を有する。外縁８２に形成された直径方向に対向する切欠き８９は対称軸８７と整列し、かつ裂溝８４のそれぞれの端部に開口する。図２Ｂの通り、冠９１は、外縁９２からピストン９０の内側に向かって湾曲する凹面を画定する椀状窪み（ボウル）９３を囲む外縁９２を含む端面構造を有する。直径方向に対向する切欠き９４が、外縁９２および椀状窪み９３の外側に形成される。

次に図３Ａを参照すると、冠８１および９１を含む２つのピストン８０および９０が、ポート付きシリンダ１２０内のそれぞれのＢＣ位置とＴＣ位置との間に示されている。ピストンは、それらの端面を相補的状態に整列させるように、シリンダ１２０のボア１２１内で回転配向される。すなわち、切欠き８９は切欠き９４と整列し、かつ各切欠き対８９、９４は、シリンダ１２０の側壁を貫通して開口する噴射装置ポート１９２と整列した状態に配置される。排気生成物が排気ポート１５６を介してシリンダから流出するときに、給気は吸気ポート１５４を介してシリンダ１２０内に流入する。掃気および空気／燃料混合を目的として、給気が吸気ポートを通過するときに渦巻が形成される。図３Ａの通り、ピストン８０および９０がＢＣからＴＣに向かって移動するときに、吸気及び排気ポート１５４，１５６は閉じ、旋回する給気は冠８１、９１の端面の間でますます圧縮される。図２Ａ、図２Ｂ、および図３Ｂに関連して、ピストン８０および９０がそれらのそれぞれのＴＣ位置を通過すると、対向する凸面部／裂溝‐凹面部８３、８４、および９３は相互に嵌合して、冠８１および９１の端面間に燃焼室１００を形成する。図の通り、裂溝８４の形状を前提として、ピストン８０および９０の端面間に画定される燃焼室空間は、対称軸８７を含む対称面に対して対称であり、細長い楕円形またはそれに非常に近い形状を有し、それは端部に噴射開口を画定する対向切欠き対に遷移する。

図３Ｂに関連して、ピストン８０および９０がＴＣ位置に接近すると、圧縮給気が外縁８２および９２から、凸面‐凹面部８３および９３間に画定される対向湾曲スキッシュ領域に流れる。同時に、シリンダ１２０のボア内の圧縮空気は旋回し続ける。渦巻とスキッシュ流との相互作用は燃焼室１００の各端部にタンブルを発生させる。

多種燃料用構造および動作
これまで説明した圧縮点火対向ピストンエンジンは、シリンダの側壁に沿った複数の噴射箇所を介して少なくとも２種類の燃料を噴射することを可能にする、複数の燃料噴射装置を各シリンダに設けることによって、多種燃料運転用に装備されている。一部の態様では、多種燃料運転は気体燃料、液体燃料、およびおそらく他の燃料を含む。記載する実施例および実施形態では、燃料は天然ガス（ＮＧ）およびディーゼルを含むが、これは単なる例示であって、限定を意図するものではない。

対向パイロット噴射装置を持つ詳細な実施形態
図３Ａ、図３Ｂ、および図４は、多種燃料運転用に装備された圧縮点火対向ピストンエンジンの詳細な実施形態を示す。これらの図には特定の燃焼室の形状に関して燃料噴射装置の特定の配置および動作が示されているが、出願人は、実施形態を例証とし、代替的実施形態のより抽象的な記載の基礎を確立することを意図するものである。この記載において、用語「主噴射」は、燃焼を生じるのに充分な量の燃料の噴射と定義され、用語「パイロット噴射」は、主噴射量を点火させるのに充分な少量の燃料の噴射と定義される。多くの場合、主噴射はパイロット噴射の前に発生する。しかし、主噴射が始まる前にパイロット噴射が開始される場合がある。用語「主チャージ」は主噴射によって噴射される燃料を指し、用語「パイロットチャージ」はパイロット噴射によって噴射される燃料を指す。

図３Ａ、図３Ｂ、および図４の通り、２対の燃料噴射装置が示されている。第１対は主噴射に使用される燃料噴射装置１８０を含み、第２対はパイロット噴射に使用される燃料噴射装置１９０を含む。

図３Ａおよび図４に示す一部の態様では、主噴射装置１８０は、シリンダ１２０の側壁の噴射ポート１８２を介して、ＮＧの主チャージをシリンダボア１２１の対向半径方向に噴射するように配置される。この詳細な実施形態によれば、主噴射の半径方向は、燃焼室１００の対称軸８７に対し横断的である。

同じく図３Ａおよび図４に示す一部の態様では、パイロット噴射装置１９０は、シリンダ１２０の側壁の噴射ポート１９２を介して、ディーゼル燃料のパイロットチャージをシリンダボア１２１の対向半径方向に噴射するように配置される。この詳細な実施形態によれば、燃焼室１００は、シリンダ１２０ならびにピストン８０および９０の長手軸に対して基本的に中心を合わせて配置される。ピストン８０および９０がＴＣの近傍にあるときに、各対の整列した切欠き８９、９４は、燃焼室キャビティ１００へのそれぞれの噴射開口２０３（図３Ｂに最もよく示される）を画定する。各噴射開口２０３は、燃焼室１００の一端にまたはその付近に、その対称軸８７および噴射ポート１９２と整列して位置する。パイロットチャージは２つの対向するパイロット噴射装置１９０から噴射開口を介して噴射され、パイロット燃料プルーム（燃料噴煙）が燃焼室１００に閉じ込められる。

これまで説明した圧縮点火対向ピストンエンジンの多種燃料運転を図５および図６に示す。図５の通り、図３Ａ、図３Ｂ、および図４に関連して記載したように構成かつ装備された１つ以上のポート付きシリンダ１２０は、エンジンブロックまたはスパー２００に支持される。エンジンは、気体燃料供給システム２３０と、液体燃料供給システム２４０と、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）２５０とを含む燃料噴射システム２２０を装備している。主噴射装置１８０は気体燃料システム２３０に作動的に接続され、パイロット噴射装置１９０は液体燃料システム２４０に作動的に接続される。ＥＣＵ２５０は、エンジンセンサ２６０を介してエンジン動作パラメータを検出するために接続される。ＥＣＵ２５０はまた、噴射装置１８０および１９０ならびに燃料システム２３０および２４０の動作を制御するためにも接続される。

図５に示す実施形態用のＥＣＵ２５０による燃料噴射システム２２０の制御を図６のチャートに示す。図６の通り、エンジンの動作は、吸気および排気ポートの両方の閉鎖および圧縮行程の開始を表す「最後のポート閉鎖」（ＬＰＣ）と呼ばれるタイミング事象と同期化される。エンジンサイクル時間は、最後のポートを閉鎖させる、ピストンに接続されたクランク軸の回転度によって示される。回転度はそのクランク軸の回転角（ＣＡ）によって示される。圧縮行程でＣＡが進むにつれて、ピストンの外縁（図２Ａおよび図２Ｂにおける８２または９２）と噴射軸を含むシリンダの直交面との間の距離は変化する（「ピストン位置」）。チャートに描かれた例によれば、最後のポートはＣＡ＝−１２０°またはその付近で閉じ、それはピストンのＢＣ位置を約６０°超えた位置であり、ピストンはそのＴＣ位置を約０°で通過する。シリンダのための１回以上の主噴射は、最後のポート閉鎖から始まる約８０°幅の気体燃料噴射ウィンドウで発生することが好ましいが、必ずしもそうでなくてもよい。最小燃焼室容積はピストンがそれらのそれぞれのＴＣ位置を通過するときに発生し、この実施形態でパイロット噴射がその最大限の効果を発揮するのはこの位置またはその付近であることに留意されたい。チャートに描かれた例によれば、１回以上のパイロット噴射は、最小燃焼室容積に先行する約１０度から約２度のクランク軸角度の期間を有するパイロット液体燃料ウィンドウで発生する

代替的な実施形態
これまで説明した多種燃料用圧縮点火対向ピストンエンジンの根底にある原理は、下述するもの及びおそらくその他を含め、多くの変形例で適用することができる。これらの代替的実施形態を示す図は、図４に倣って、２つの対向ピストン間に形成される燃焼室を通過する、ポート付きシリンダ内の対向ピストンの共線軸に直交する平面部を概略的に示す。特定の形状を有する燃焼室を一緒に形成する２つの対向ピストンは、本書の図２Ａおよび図２Ｂに示すように構成することができる。しかし、これは、異なる形状の燃焼室を一緒に形成する他の対向ピストン構造を排除するものではない。例えば、２つの対向ピストンは、国際特許公開第ＷＯ２０１２／１５８７５６号公報の図３Ａ〜図３Ｄ、米国特許出願公開２０１１／０２７１９３２の図１１、米国特許出願第１３／８４３，６８６号の図５、図９、および図１０、またはそれらの均等物に示されるように構成することができる。代替的実施形態を示す図では、燃焼室構成は、ピストン外縁およびシリンダライナを含む周囲構造を表す円によって境界を定められた開口端付き概略的燃焼室形状を画定する、１対の曲線によって輪郭を描かれる。燃焼室は、開口端を持つ略楕円（または同等の）形状を有することが好ましいが、必ずしもそうでなくてもよい。

図７Ａおよび図７Ｂの通り、圧縮点火対向ピストンエンジンのための二種燃料用構造は、１対の半径方向に対向配置されたディーゼル主噴射装置、及び、半径方向に対向配置されたパイロット噴射装置と対を成す天然ガス（ＮＧ）主噴射装置を含む。全ての噴射装置のための噴射ポートがピストンのＴＣ位置またはその近傍でシリンダに配置されると仮定すると、ポートは周方向配列状態に配置される。各対は一般的に噴射軸に沿って整列される。燃焼室およびピストン設計のトレードオフは、ディーゼル主噴射装置の軸をずらすことを含み、それは燃焼室の幅（Ｗ）を変えることを可能にする。

図８の通り、圧縮点火対向ピストンエンジンのための二種燃料用構造は、２つの半径方向に対向配置されたディーゼル主噴射装置と、２つの半径方向に対向配置されたＮＧ主噴射装置とを含む。これは、エンジンの動作状態によって、いずれかの燃料がエンジンをフルパワーにすることを可能にするために望ましい。この構造はまた、燃焼室およびピストンのジオメトリに対する少ない制約で、圧縮行程中にいつでも噴射することを可能にする。主チャージが気体燃料である場合、ディーゼル主ディーゼル噴射装置は、天然ガスだけで作動するときにはＮＧ混合気を点火させるための手段を提供するように動作し、ディーゼルだけで作動するときにはフルパワー能力を達成するように動作することに留意されたい。すなわち、主ディーゼル噴射装置のいずれか一方または両方が、短いディーゼルパイロットバーストまたは主ディーゼル全噴射を達成するように動作されることができる。

図９の通り、圧縮点火対向ピストンエンジンのための二種燃料用構造は、２つの半径方向に対向配置されたディーゼル主噴射装置と、単一の位置からＮＧ主噴射およびディーゼルパイロット噴射を可能にする単一の二重ノズル噴射装置とを含む。この構造は燃焼室の幅を変えることを可能にする。

図１０Ａおよび図１０Ｂの通り、圧縮点火対向ピストンエンジンのための二種燃料用構造は、半径方向に対向配置されたディーゼル主／パイロット噴射装置と対を成すディーゼル主噴射装置と、ＮＧ主噴射装置とを含む。ディーゼル主／パイロット噴射装置は、１つのノズルがディーゼル主噴射用の大きさに作られ、もう１つがディーゼルパイロット噴射用の大きさに作られた、二重ノズル装置であることが好ましい。図１０Ａでは、燃焼室開口の幅は図１０Ｂより大きい。図１０Ａの構造では、主噴射装置は全て、圧縮行程全体を通して動作することができる。図１０Ｂのより狭い幅は、ＮＧ主噴射装置の潜在的な動作時間を最小容積に達する前の所定のクランク角度に制限する。

図１１の通り、圧縮点火対向ピストンエンジンのための二種燃料用構造は、半径方向に対向配置された２つのディーゼル主／パイロット噴射装置と、半径方向に対向配置された２つのＮＧ主噴射装置とを含む。図１０Ｂの構造と同様に、より狭い幅の燃焼室開口は全て、ＮＧ主噴射装置の潜在的な動作時間を最小容積に達する前の所定のクランク角度に制限する。

図１２の通り、圧縮点火対向ピストンエンジンのための二種燃料用構造は、半径方向に対向配置された２つのディーゼル主噴射装置と、半径方向に対向配置された２つのＮＧ主噴射装置とを含む。主チャージが気体燃料である場合、ディーゼル主ディーゼル噴射装置は、天然ガスだけで作動するときにはＮＧ混合気を点火するための手段を提供し、ディーゼルだけで作動するときにはフルパワー能力を達成するように設計されることに留意されたい。すなわち、主ディーゼル噴射装置は短いバーストを提供するように設計され、あるいは純粋ディーゼル全噴射を達成するように制御されることができる。

図１３Ａおよび図１３Ｂの通り、圧縮点火対向ピストンエンジンのための二種燃料用構造は、半径方向に対向配置された１対の多機能噴射装置を含む。図１３Ａでは、該構造は、２つの半径方向に対向配置された複合ディーゼルおよびＮＧ主（二種燃料）噴射装置を含む。この構造は、複数の噴射装置による燃焼室内への侵入を最小化する。図１３Ｂでは２つの噴射装置は、天然ガス混合気を点火させるためにディーゼル燃料のパイロット噴射用の第３の小さいノズルを含む。これらの構造は両方とも、エンジンがディーゼルまたはＮＧのどちらでも全負荷で作動することを可能にする。用途によっては、ＮＧ９５％の置換限度（ディーゼル５％およびＮＧ９５％）を達成することができるように、専用のより小さいパイロット噴射が利用可能である。これらの構成のどちらも、圧縮行程全体を通してＮＧを噴射することができ、したがって燃焼室およびピストンの構造に対し制約が課せられることはない。

図１４Ａおよび図１４Ｂの通り、圧縮点火対向ピストンエンジンのための二種燃料用構造は、半径方向に対向配置された多機能噴射装置と対を成すディーゼル主噴射装置を含む。図１４Ａでは、ディーゼル主ディーゼル噴射装置は、コストを削減しかつ構造を簡素化する複合ディーゼルおよびＮＧ主噴射装置と対を成す。この構造の実施形態では、ディーゼルおよびＮＧの両方で全エンジン負荷が達成される。コスト削減または簡素化のために、複合ディーゼルおよびＮＧ主噴射装置は燃焼室の片側にのみ配置される。図１４Ｂの構造では、パイロット噴射が天然ガス混合気の点火を達成するように、複合噴射装置に第３の小さいノズルが追加される。

図１５Ａおよび図１５Ｂの通り、圧縮点火対向ピストンエンジンのための二種燃料用構造は、半径方向に対向配置されたディーゼル噴射装置と対を成すＮＧ主噴射装置を含む。図１５Ａは、２つの噴射装置、即ち主ディーゼル噴射装置および主ＮＧ噴射装置が燃焼室で互いに対向する、単純でコスト効率的な構造を示す。この構造は、純粋ディーゼル燃料混合気または全天然ガス混合気のいずれかによる全負荷動作を可能にする。主チャージが気体燃料である場合、ディーゼル主ディーゼル噴射装置は、天然ガスだけで作動するときにはＮＧ混合気を点火させるための手段を提供し、ディーゼルだけで作動するときにはフルパワー能力を達成するように設計されることに留意されたい。すなわち、主ディーゼル噴射装置は短いバーストを提供するように設計され、あるいは純粋ディーゼル全噴射を達成するように制御することができる。図１５Ｂは、主ＮＧ噴射装置と対向ディーゼルパイロット噴射装置とを使用する２噴射装置構成を示す。この構成では、ディーゼルパイロットは全負荷要件を満たすために必要な流量をもたらさないので、全負荷動作はＮＧ（天然ガス）でしか達成できない。

更なる代替的実施形態
ＮＧまたはディーゼル燃料の主チャージは、シリンダボアに対して半径方向または接線方向に噴射することができ、かつ、さらに吸気および排気ポートの１つに向かって長手方向に噴射することができる。ディーゼル燃料のパイロットチャージは、燃焼室の対称軸に沿った方向または対称軸を横切る方向に噴射することができる。

本明細書および添付図面は単なる例証を目的とするものであり、開示の範囲をいかなる形でも狭めるものと解釈すべきではない。本開示の完全かつ公正な範囲および趣旨から逸脱することなく、開示した実施形態に対し様々な改変を施すことができることを、当業者は理解されるであろう。さらに、記載した主題の他の態様、特徴、および利点は、添付した図面および添付した特許請求の範囲を精査することにより明白になるであろう。

８０ピストン
９０ピストン
１２０シリンダ
１２１シリンダのボア
１５４吸気ポート
１５６排気ポート
１８０主噴射装置
１９０パイロット噴射装置
２２０燃料噴射システム

Claims

シリンダと、
それぞれの下死点位置と上死点位置との間で対向運動するように前記シリンダ内に摺動自在に配置された一対のピストンであって、当該二つのピストンは、それらがエンジンの圧縮行程中に上死点位置の近傍にあるときに燃焼室を形成するように構成された端面を含んでなる、一対のピストンと、
前記シリンダのそれぞれの端部付近に隔置された吸気ポートおよび排気ポートと、
前記吸気ポートと前記排気ポートとの間のシリンダの噴射装置箇所を介して、前記シリンダのボアと連通する少なくとも１つの気体燃料噴射装置と、
前記燃焼室の開口と整列するシリンダの噴射装置箇所を介して前記シリンダのボアと連通する少なくとも１つの液体燃料噴射装置と、
前記少なくとも１つの気体燃料噴射装置および前記少なくとも１つの液体燃料噴射装置に連結された燃料噴射システムであって、前記ピストンが下死点位置と上死点位置との間にあるときには、前記少なくとも１つの気体燃料噴射装置に気体燃料の主チャージを噴射させ、前記ピストンが上死点位置の近傍にあるときには、前記少なくとも１つの液体燃料噴射装置に液体燃料のパイロットチャージを噴射させるように動作可能である、燃料噴射システムと、
を備えた多種燃料用対向ピストンエンジン。
前記吸気ポートと前記排気ポートとの間のシリンダの噴射装置箇所を介して、前記シリンダのボアと連通する別の液体燃料噴射装置を更に備え、
前記燃料噴射システムは、前記別の燃料噴射装置に連結されており、前記ピストンが下死点位置と上死点位置との間にあるときに、前記別の燃料噴射装置に液体燃料の主チャージを噴射させるように動作可能である、
ことを特徴とする請求項１に記載の多種燃料用対向ピストンエンジン。
前記少なくとも１つの気体燃料噴射装置は、前記吸気ポートと前記排気ポートとの間でシリンダの直径方向に対向配置された噴射装置箇所を介して、前記シリンダのボアと連通する一対の気体燃料噴射装置を含み、
前記少なくとも１つの液体燃料噴射装置は、前記吸気ポートと前記排気ポートとの間でシリンダの直径方向に対向配置された噴射装置箇所を介して、前記シリンダのボアと連通する一対の液体燃料噴射装置を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の多種燃料用対向ピストンエンジン。
前記少なくとも１つの気体燃料噴射装置および前記少なくとも１つの液体燃料噴射装置は、単一の二重ノズル噴射装置に結合され、当該単一の二重ノズル噴射装置は、前記吸気ポートと前記排気ポートとの間でシリンダの直径方向に対向配置された噴射装置箇所を介して、前記シリンダのボアと連通する一対の液体燃料噴射装置を更に含んでいる、
ことを特徴とする請求項１に記載の多種燃料用対向ピストンエンジン。
前記少なくとも１つの液体燃料噴射装置は、単一の二重ノズル噴射装置で第２の液体燃料噴射装置と結合されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の多種燃料用対向ピストンエンジン。
前記少なくとも１つの気体燃料噴射装置は、前記吸気ポートと前記排気ポートとの間でシリンダの直径方向に対向配置された噴射装置箇所を介して、前記シリンダのボアと連通する一対の気体燃料噴射装置を含み、
前記少なくとも１つの液体燃料噴射装置は、前記吸気ポートと前記排気ポートとの間でシリンダの直径方向に対向配置された噴射装置箇所を介して、前記シリンダのボアと連通する一対の二重ノズル液体燃料噴射装置を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の多種燃料用対向ピストンエンジン。
前記少なくとも１つの気体燃料噴射装置および前記少なくとも１つの液体燃料噴射装置は、半径方向に対向配置された一対の多機能又は多種燃料用の燃料噴射装置を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の多種燃料用対向ピストンエンジン。
前記燃料噴射システムは、前記少なくとも１つの気体燃料噴射装置に、最後のポート閉鎖後から始まると共に最小容積のクランク軸角度以前に約８０度のクランク軸角度にわたって気体燃料の主チャージを噴射させるように動作可能である、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の多種燃料用対向ピストンエンジン。
請求項１に記載の多種燃料用対向ピストン圧縮点火エンジンを作動させる方法であって、
前記ピストン間で前記シリンダ内に給気を導入するステップと、
圧縮行程で前記ピストンを互いに相手に向かって移動させるステップと、
前記吸気ポートと前記排気ポートとの間のシリンダの少なくとも１つの主噴射箇所を介して、前記ピストン間のシリンダ内に気体燃料の主チャージを噴射するステップと、
上死点位置に向かう前記ピストンの動きに応じて、気体燃料の主チャージと給気との混合物を圧縮するステップと、
前記ピストンがそれぞれの上死点位置に近づくにつれて、前記ピストンの端面間に気体燃料と給気との前記圧縮混合物を含む燃焼室を形成するステップと、
気体燃料と給気との前記圧縮混合物を点火するように作用可能な液体燃料のパイロットチャージを、前記シリンダの少なくとも１つのパイロット噴射箇所と整列した燃焼室の開口内に噴射するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
燃焼室を形成するステップは、前記ピストンの端面を対向させながら一緒に移動させ、ボアの直径方向に軸を持つ細長い半楕円形状を含む燃焼室を画定することを含み、
液体燃料のパイロットチャージを噴射するステップは、液体燃料の少なくとも１つの流れを前記軸に沿って噴射することを含む、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
液体燃料のパイロットチャージを噴射するステップは、液体燃料の２つの流れを前記ボアの半径方向に対向する方向に噴射することを含む、ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
気体燃料の主チャージを噴射するステップは、前記主チャージの少なくとも一部分を、シリンダの少なくとも１つの主噴射箇所を介して、前記吸気及び排気ポートの一方に向かう方向に噴射することを含む、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
燃焼室を形成するステップは、前記ピストンの端面を対向させながら一緒に移動させ、ボアの直径方向に軸を持つ細長い半楕円形状を含む燃焼室を画定することを含み、
液体燃料のパイロットチャージを噴射するステップは、液体燃料の少なくとも１つの流れを前記軸に沿って噴射することを含む、ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
気体燃料の主チャージを噴射するステップは、最後のポート閉鎖後から始まると共に最小容積のクランク軸角度以前に約８０度のクランク軸角度にわたって、圧縮行程の期間中に気体燃料の主チャージを噴射することを含む、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
液体燃料のパイロットチャージを噴射するステップは、圧縮行程において、最小容積のクランク軸角度より約１０度から約２度前のクランク軸角度の期間中に液体燃料のパイロットチャージを噴射することを含む、ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
気体燃料の主チャージを噴射するステップは、圧縮行程中の、最後のポート閉鎖後から始まって最小容積のクランク軸角度より約６０度前のクランク軸角度で終了する期間の間、気体燃料の主チャージを噴射することを含む、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
液体燃料のパイロットチャージを噴射するステップは、圧縮行程において、最小容積のクランク軸角度より約１０度から約２度前のクランク軸角度の期間中に液体燃料のパイロットチャージを噴射することを含む、ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
液体燃料のパイロットチャージを噴射するステップは、圧縮行程において、最小容積のクランク軸角度より約１０度から約２度前のクランク軸角度の期間中に液体燃料のパイロットチャージを噴射することを含む、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
気体燃料の主チャージを噴射するステップは、液体燃料のパイロットチャージを噴射するステップが開始される前に完了する、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
液体燃料のパイロットチャージを噴射するステップは、気体燃料の主チャージを噴射するステップが完了する前に開始される、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。