JP5452730B2 - ２ストロークエンジン - Google Patents
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Description
本発明は、２ストロークエンジンに関する。
本願は、２０１０年１０月２８日に日本に出願された特願２０１０−２４１８５６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、２０１０年１０月２８日に日本に出願された特願２０１０−２４１８５６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
内燃機関の一つとして、シリンダ内でピストンが１往復するごとに、吸気、圧縮、燃焼、および排気の１サイクルが完了するレシプロエンジンである、２ストロークエンジン（２サイクルエンジン）がある。この２ストロークエンジンには、可燃性ガス（ガス燃料）を主燃料に用いるガスモード運転と、重油（液体燃料）のみを燃料に用いるディーゼルモード運転とを選択できる２ストロークデュアルフューエル機関がある。なお、以下の説明では、可燃性ガスとして液化天然ガス（ＬＮＧ）が用いられる場合を説明する。
図５は、従来の２ストロークデュアルフューエル機関の一例を示す概略図である。この２ストロークデュアルフューエル機関１００は、筒状のシリンダライナ１（シリンダ）と、上部壁２ａがシリンダライナ１の長手方向中間部分に外側から嵌合してシリンダライナ１を保持する中空構造のハウジング２と、このハウジング２の側方に設けた開口部２ｂに装着された空気溜３と、シリンダライナ１の上端に装着されて燃焼室１０を形成し且つ中央に排気弁筺５が装着されたシリンダ蓋４とを備えている。なお、図５において、シリンダライナ１は上下方向に延びて配置されている。
シリンダライナ１内にはピストン６が上下方向に往復動可能に挿入されている。このピストン６から下方へ向けて突出するピストン棒７は、ハウジング２の下部に形成した鍔部２ｃにスタッフィングボックス８を介して摺動可能に保持されている。
また、シリンダライナ１の下端部には、径方向に貫通する複数の掃気ポート１ａが、ハウジング２の中空部２ｄに面するように形成されている。この掃気ポート１ａは、図５に示すように、ピストン６が下死点にあるときに、ハウジング２の中空部２ｄとシリンダライナ１内部とを連通させ、空気溜３からシリンダライナ１内部へ空気Ａを取り入れるための貫通孔である。
シリンダ蓋４には、その下方に形成された燃焼室１０へ向けて液体燃料を噴射するためのパイロット噴射弁１２が斜めに装着されている。このパイロット噴射弁１２には、燃料噴射ポンプ２１が液体燃料タンク２２から吸引した重油（液体燃料）が、燃料高圧管２３を介して供給される。燃料噴射ポンプ２１のピストンは、燃料カム４１がカム軸３９とともに回転することによって駆動される。
排気弁筺５には、下端が燃焼室１０に連通し且つ上端が機関排気経路に接続される排気通路５ａが形成され、周上縁部分が排気弁筺５の下端に接して排気通路５ａの下端部分を閉塞し得る排気弁１３が組み込まれている。
排気弁１３の中心部分には、上方へ向けて突出する排気弁棒１４が接続されている。この排気弁棒１４は排気弁筺５を摺動可能に貫通している。排気弁棒１４は、排気弁駆動部１５によって昇降し、排気弁１３が排気通路５ａの下端を閉塞、あるいは開放する。
シリンダライナ１の長手方向中間部分には複数のガス噴射弁１１が、その噴射口がシリンダライナ１の中心を向き且つ掃気ポート１ａの上方に位置するように装着されている。各ガス噴射弁１１には、ＬＮＧポンプ３１によってＬＮＧタンク１６からＬＮＧが吸引された後、蒸発器３２において気化したガス燃料が、圧力調整弁３３、及びガス制御器３４を経て供給される。このガス制御器３４は、ガス噴射弁１１に対するガス燃料の供給をオン、オフ制御する役割を担っている。また、ＬＮＧポンプ３１は、電動機３５によって駆動される。
更に、図５に示す２ストロークデュアルフューエル機関１００は、掃気圧力センサ３６と、クランク角検出センサ３７と、制御器３８とを備えている。掃気圧力センサ３６は、空気溜３に装着され、この空気溜３内の空気圧を検出する。クランク角検出センサ３７は、燃料噴射ポンプ２１を駆動するカム軸３９の一端に装着されたクランク角検出歯車４０と対向して設けられている。クランク角検出センサ３７は、クランク角検出歯車４０の回転位置からクランク角を検出して、クランク角検出信号を出力する。
制御器３８は、クランク角検出センサ３７が発信するクランク角検出信号に基づき、ガス噴射弁１１よりガス燃料を噴射する時期を判断するとともに、ガス制御器３４に指令信号を送信し、ガス燃料の噴射開始と噴射停止とを制御し得るように構成されている。
更に、制御器３８は、掃気圧力センサ３６が検出した空気溜３内の空気圧の変動に応じてシリンダライナ１へ流入する空気Ａの重量を推定するとともに、ガス制御器３４を作動させ、ガス噴射弁１１からシリンダライナ１内へ供給されるガス燃料の供給量を調整し得るように構成されている。
次に、図５に示す２ストロークデュアルフューエル機関１００のガスモード運転時の動作を説明する。ピストン６が下死点に位置している状態では、過給機（図示せず）から空気溜３に供給された空気Ａが、ハウジング２の中空部２ｄ、シリンダライナ１の掃気ポート１ａを経てこのシリンダライナ１の内部に取り入れられる。このとき、排気弁駆動部１５は、排気弁１３を下降させて排気通路５ａを開放しており、シリンダライナ１へ流入する空気Ａが、燃焼室１０内に残留している燃焼ガスを、排気として排気通路５ａを介して外部へ送り出す。
ピストン６が上昇してシリンダライナ１の掃気ポート１ａを塞ぐと、制御器３８は、クランク角検出センサ３７が発信するクランク角検出信号に基づき、ガス噴射弁１１よりガス燃料を噴射する時期を判断するとともに、ガス制御器３４に指令信号を送信し、ガス噴射弁１１によるガス燃料の噴射が開始され、シリンダライナ１の内部で空気Ａとガス燃料とが混合される。また、排気弁駆動部１５は、排気弁１３を上昇させて排気通路５ａを閉塞する。ガス燃料は、ピストン６の上昇に伴って圧縮されるので、シリンダライナ１内へのガス燃料の噴射圧を高くしなくてもよい。
ピストン６がシリンダライナ１のガス噴射弁１１取付個所を通過するときに、制御器３８は、クランク角検出センサ３７が発信するクランク角検出信号に基づき、ガス噴射弁１１よりガス燃料を噴射する時期を判断するとともに、ガス制御器３４に指令信号を送信し、ガス噴射弁１１によるガス燃料の噴射を停止する。
ピストン６が上死点に到達し、空気Ａとガス燃料との混合気体が最も圧縮されたときに、パイロット噴射弁１２から燃焼室１０へ向けて液体燃料を噴射すると、この液体燃料は燃焼室１０の内部で自発火する。この火炎により空気Ａとガス燃料との混合気体が着火爆発し、このときの爆発圧力によりピストン６が下降して、このピストン６は下死点に到達する。
ピストン６が下死点に到達すると、過給機（図示せず）から空気溜３に供給された空気Ａが、ハウジング２の中空部２ｄ、シリンダライナ１の掃気ポート１ａを経てこのシリンダライナ１の内部に取り入れられる状態になるとともに、排気弁駆動部１５が、排気弁１３を下降させて排気通路５ａを開放する。その後、上述したような予混合燃焼が繰り返される。
更に、図５に示す２ストロークデュアルフューエル機関１００において、ガス噴射弁１１でのガス燃料の噴射を止め、パイロット噴射弁１２による液体燃料の噴射のみを実行すれば、ディーゼルモード運転が行われる。
すなわち、ピストン６が上死点に到達し、空気Ａが最も圧縮されたときに、パイロット噴射弁１２から液体燃料を燃焼室１０へ向けて噴射すると、この液体燃料は燃焼室１０の内部で自発火して着火爆発し、このときの爆発圧力によりピストン６が下降する。
なお、２ストロークエンジンのうち、２ストロークデュアルフューエル機関に関連する先行技術文献情報としては、下記の特許文献１がある。
図５に示す２ストロークデュアルフューエル機関１００では、シリンダライナ１内に供給した空気Ａとガス燃料との混合気をピストン６で圧縮した後、パイロット噴射弁１２から燃焼室１０へ液体燃料を噴射してこの混合気を着火爆発させる予混合燃焼を採用している。そのため、シリンダライナ１へのガス燃料の噴射圧を高くしなくてもよい、という利点がある。もっとも、正常な燃焼が行われるようにするには、混合気の空燃比が適正である必要がある。なお、空燃比とは、シリンダライナ１内の空気Ａとガス燃料との重量比であり、一般的には空気Ａの重量をガス燃料の重量で割ったものを示すが、以下、この重量比とは、エンジンに供給された実際の燃料と空気の混合比（空燃比）と理論空燃比（完全燃焼時の空燃比）との比率（空気過剰率）であって、エンジンに吸入される混合気の空燃比を理論空燃比で割ったものを示す場合がある。
一例として、ガス燃料としてＬＮＧを用いる場合、適正な空燃比の範囲は、完全燃焼時の理論空燃比の１〜２倍程度である。
一例として、ガス燃料としてＬＮＧを用いる場合、適正な空燃比の範囲は、完全燃焼時の理論空燃比の１〜２倍程度である。
しかしながら、空気溜３を経てシリンダライナ１へ流入する空気Ａの重量は、空気溜３よりも空気流通方向上流側に配置される過給機（図示せず）の吸込み空気温度や、過給機から吐出される空気を冷却する空気冷却器の出口空気温度の影響を受けて変化する。このため、先に述べたような空気溜３内の空気圧の変動からシリンダライナ１へ流入する空気Ａの重量を推定する方法では、この空気Ａの重量を正しく推定できない可能性がある。よって、目標とする空燃比と実際の空燃比とに乖離が生じてしまい、効率的で安定した燃焼（機関の運転）を維持することが困難になる可能性がある。
本発明は上述した実情に鑑みてなされたもので、ガスモード運転時に適正な空燃比が得られる２ストロークエンジンを提供することを目的としている。
本発明によれば、２ストロークエンジンは、可燃性ガスを主燃料に用いるガスモード運転を少なくとも実行可能であり、複数のシリンダと、前記複数のシリンダにそれぞれ設けられる排気弁と、空燃比制御器と、を備える。
また、この空燃比制御器は、ガスモード運転時に、前記複数のシリンダ内の平均空燃比を算出するとともに、前記複数のシリンダに供給される空気量を調節することにより前記平均空燃比を制御する機能と、各前記シリンダ内の空燃比をそれぞれ算出するとともに、前記排気弁の閉止時機を調節することにより前記空燃比を制御する機能とを有している。
また、この空燃比制御器は、ガスモード運転時に、前記複数のシリンダ内の平均空燃比を算出するとともに、前記複数のシリンダに供給される空気量を調節することにより前記平均空燃比を制御する機能と、各前記シリンダ内の空燃比をそれぞれ算出するとともに、前記排気弁の閉止時機を調節することにより前記空燃比を制御する機能とを有している。
この場合、前記可燃性ガスとして、ＬＮＧを気化させたガスを用い、前記空燃比制御器は、ガスモード運転時に、算出された前記平均空燃比が１．５に近付くように前記複数のシリンダに供給される空気量を調節するとともに、算出された前記空燃比が１．０〜２．５の範囲になるように前記排気弁の閉止時機を調節してもよい。なお、上記空燃比（上記平均空燃比）は、シリンダ内における混合気の空燃比（一般的な空燃比）を理論空燃比で割った比率である。
また、本発明の２ストロークエンジンは、前記複数のシリンダにそれぞれ接続される排気枝管と、前記複数のシリンダから送出される排気を前記排気枝管を介して集める排気主管と、前記排気弁を開閉する排気弁駆動部と、前記複数のシリンダに空気を供給する空気供給管に空気流通方向上流端が連通している空気逃し管と、前記空気逃し管に組み込まれた空気逃し弁と、前記排気主管内の空燃比を計測する排気主管空燃比センサと、各前記排気枝管内の空燃比をそれぞれ計測する排気枝管空燃比センサと、クランク角度を検出するクランク角検出センサと、をさらに備えてもよい。
また、前記空燃比制御器は、ガスモード運転時に、前記排気主管空燃比センサの計測値から前記平均空燃比を算出するとともに、前記空気逃し弁の開度を調節することにより前記平均空燃比を制御する機能と、前記排気枝管空燃比センサの計測値から前記空燃比をそれぞれ算出するとともに、前記クランク角検出センサの検出値に基づいて前記排気弁駆動部による前記排気弁の閉止時機を調節することにより前記空燃比を制御する機能と、を有してもよい。
また、前記空燃比制御器は、ガスモード運転時に、前記排気主管空燃比センサの計測値から前記平均空燃比を算出するとともに、前記空気逃し弁の開度を調節することにより前記平均空燃比を制御する機能と、前記排気枝管空燃比センサの計測値から前記空燃比をそれぞれ算出するとともに、前記クランク角検出センサの検出値に基づいて前記排気弁駆動部による前記排気弁の閉止時機を調節することにより前記空燃比を制御する機能と、を有してもよい。
また、本発明の２ストロークエンジンは、前記排気主管に集められた排気のエネルギーを回転運動に変換する過給機タービンと、前記過給機タービンにより駆動され且つ空気を昇圧させて前記複数のシリンダに供給する過給機ブロワと、をさらに備えてもよい。
また、前記空気供給管の空気流通方向上流端が前記過給機ブロワの空気出口に連通していてもよい。
また、前記空気供給管の空気流通方向上流端が前記過給機ブロワの空気出口に連通していてもよい。
また、前記空気逃し管の空気流通方向下流端が前記過給機ブロワの空気入口に連通していてもよい。
また、前記空気逃し管の空気流通方向下流端が前記過給機タービンの排気入口に連通していてもよい。
本発明の２ストロークエンジンによれば、下記のような優れた作用効果を得ることができる。
（１）ガスモード運転時に、排気主管空燃比センサの計測値から複数のシリンダ内の平均空燃比を算出し、空気逃し弁の開度を調節することによりこの平均空燃比を制御して、機関全体としての空燃比を適正な値に保つことができる。
（２）また、排気枝管空燃比センサの計測値から各シリンダ内の空燃比を算出し、排気弁駆動部による排気弁の閉止時機を調節することによりこの空燃比を制御して、各シリンダの空燃比を適正な値に保つことができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
［第１実施形態］
図１は本発明の第１の実施形態における２ストロークデュアルフューエル機関の概略図である。本実施形態の２ストロークデュアルフューエル機関１０１（２ストロークエンジン）において、シリンダライナ１、ハウジング２、空気溜３、シリンダ蓋４、排気弁筺５、ピストン６、ピストン棒７、スタッフィングボックス８、ガス噴射弁１１、パイロット噴射弁１２、排気弁１３、排気弁棒１４、及び排気弁駆動部１５によって構成される機関本体は、図５に示す２ストロークデュアルフューエル機関１００と同等である。図１において、図５に示す２ストロークデュアルフューエル機関１００の構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図１は本発明の第１の実施形態における２ストロークデュアルフューエル機関の概略図である。本実施形態の２ストロークデュアルフューエル機関１０１（２ストロークエンジン）において、シリンダライナ１、ハウジング２、空気溜３、シリンダ蓋４、排気弁筺５、ピストン６、ピストン棒７、スタッフィングボックス８、ガス噴射弁１１、パイロット噴射弁１２、排気弁１３、排気弁棒１４、及び排気弁駆動部１５によって構成される機関本体は、図５に示す２ストロークデュアルフューエル機関１００と同等である。図１において、図５に示す２ストロークデュアルフューエル機関１００の構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
ガス噴射弁１１ヘガス燃料を供給する手段の構成は、従来の２ストロークデュアルフューエル機関と同様である。ガス噴射弁１１には、図５におけるＬＮＧポンプ３１によってＬＮＧタンク１６からＬＮＧが吸引された後、蒸発器３２において気化したガス燃料が、圧力調整弁３３、及びガス制御器３４を経て供給される。
また、パイロット噴射弁１２へ液体燃料を供給する手段の構成も、従来の２ストロークデュアルフューエル機関と同様である。パイロット噴射弁１２には、図５における燃料噴射ポンプ２１が液体燃料タンク２２から吸引した液体燃料（重油）が、燃料高圧管２３を介して供給される。
図１に示す２ストロークデュアルフューエル機関１０１は、シリンダライナ１を複数備えている。複数のシリンダライナ１には、排気弁筺５がそれぞれ設けられている。また、２ストロークデュアルフューエル機関１０１は、燃焼室１０から排気通路５ａを経て外部へ送り出される排気Ｇを集める排気主管５１と、この排気主管５１に集められた排気Ｇのエネルギーで空気Ａを昇圧させる過給機５２と、この過給機５２が昇圧させた空気Ａを冷却する空気冷却器５３と有している。
排気主管５１は、複数の排気弁筺５が共用する排気管である。各排気弁筺５の排気通路５ａには、複数の排気枝管５４の排気流通方向上流端がそれぞれ接続されている。排気主管５１には、各排気枝管５４の排気流通方向下流端が接続されている。
過給機５２は、排気主管５１に集められた排気Ｇのエネルギーを回転運動に変換するタービン５５（過給機タービン）と、このタービン５５により駆動され且つ空気Ａを昇圧させるブロワ５６（過給機ブロワ）とを備えている。
タービン５５の排気入口には、タービン入口管５７の排気流通方向下流端が接続され、このタービン入口管５７の排気流通方向上流端は、排気主管５１に接続されている。また、タービン５５の排気出口には、タービン出口管５８の排気流通方向上流端が接続され、このタービン出口管５８の排気流通方向下流端は、消音器（図示せず）を介して大気開放されている。
ブロワ５６の空気入口には、ブロワ入ロ管５９の空気流通方向下流端が接続され、このブロワ入ロ管５９の空気流通方向上流端は、エアフィルタ（図示せず）を介して大気開放されている。また、ブロワ５６の空気出口には、ブロワ出口管６０（空気供給管）の空気流通方向上流端が接続されている。
この過給機５２は、ディーゼル機関と同様な液体燃料のみによる運転（ディーゼルモード運転）時に必要な空気量を確保できる性能を有している。
空気冷却器５３は、空気出口がハウジング２側を向くように空気溜３に内装されている。空気冷却器５３の空気入口とブロワ出口管６０の空気流通方向下流端とは、冷却器入口管６１を介して接続されている。
図１に示す２ストロークデュアルフューエル機関１０１の特徴部分は、ガスモード運転時に、過給機５２のブロワ５６の空気出口から送出される空気Ａの一部を、このブロワ５６の空気入口へ戻すとともに、排気弁１３の閉止時機をディーゼルモード運転時に比べて遅らせ、適正な空燃比が得られるように構成した点にある。
２ストロークデュアルフューエル機関１０１は、空気流通方向上流端が過給機５２のブロワ５６の空気出口に連通し且つ空気流通方向下流端が過給機５２のブロワ５６の空気入口に連通する空気逃し管６２と、この空気逃し管６２に組み込まれた空気逃し弁６３と、この空気逃し弁６３の弁体を駆動して開度を調整するモータ６４と、排気主管５１内の空燃比を計測する排気主管空燃比センサ６５と、各排気枝管５４内の空燃比を計測する排気枝管空燃比センサ６６と、を備えている。さらに、２ストロークデュアルフューエル機関１０１は、クランク軸に嵌合して装着されたクランク角検出歯車６７と、このクランク角検出歯車６７の回転位置からクランク角を検出してクランク角検出信号を出力するクランク角検出センサ６８と、ディーゼルモード運転またはガスモード運転を選択するための指令器６９と、空燃比制御器７０と、を備えている。
指令器６９は空燃比制御器７０へ、ディーゼルモード運転信号またはガスモード運転信号のいずれかを択一的に出力するように構成されている。
空燃比制御器７０は、指令器６９からディーゼルモード運転信号を受信した際に、空気逃し弁６３の弁体を駆動するモータ６４を作動させて空気逃し弁６３を閉じる機能と、クランク角検出センサ６８の検出値に基づいて、排気弁１３が定常状態で開閉するための信号を排気弁駆動部１５に送信する機能とを有している。
ここで言う定常状態とは、図２に示すように、ピストン６の上死点からクランク角度で８０°以上３００°以下の範囲が排気弁１３の開区間となる状態を示す。なお、図２においてωはクランク軸の回転方向を表している。
また、空燃比制御器７０は、指令器６９からガスモード運転信号を受信した際に、排気主管空燃比センサ６５の計測値（排気主管５１内の空燃比）から、予め実験により得た算出式を用いて計測値に見合う複数のシリンダライナ１内の平均空燃比を算出するとともに、空気逃し弁６３の弁体を駆動するモータ６４を作動させて空気逃し弁６３の開度を調節することにより上記平均空燃比を制御する機能を有している。
さらに、空燃比制御器７０は、排気枝管空燃比センサ６６の計測値（排気枝管５４内の空燃比）から、予め実験により得た算出式を用いて計測値に見合う各シリンダライナ１内の空燃比を算出するとともに、クランク角検出センサ６８の検出値に基づいて排気弁１３の閉止時機を調節するための信号を排気弁駆動部１５に送信することにより上記空燃比を制御する機能を有している。
なお、排気主管空燃比センサ６５および排気枝管空燃比センサ６６は、空燃比を直接計測するセンサであってもよいが、空燃比制御器７０が空燃比を算出するための情報を取得するセンサ、すなわち排ガス中の排ガス濃度（例えばＯ２濃度）を計測するセンサであってもよい。
さらに、空燃比制御器７０は、排気枝管空燃比センサ６６の計測値（排気枝管５４内の空燃比）から、予め実験により得た算出式を用いて計測値に見合う各シリンダライナ１内の空燃比を算出するとともに、クランク角検出センサ６８の検出値に基づいて排気弁１３の閉止時機を調節するための信号を排気弁駆動部１５に送信することにより上記空燃比を制御する機能を有している。
なお、排気主管空燃比センサ６５および排気枝管空燃比センサ６６は、空燃比を直接計測するセンサであってもよいが、空燃比制御器７０が空燃比を算出するための情報を取得するセンサ、すなわち排ガス中の排ガス濃度（例えばＯ２濃度）を計測するセンサであってもよい。
より詳細には、空燃比制御器７０は、指令器６９からガスモード運転信号を受信した際に、排気主管空燃比センサ６５の計測値から、予め実験により得た算出式を用いて計測値に見合う複数のシリンダライナ１内の平均空燃比を算出するとともに、この平均空燃比が１．５に近付くように、空気逃し弁６３の弁体を駆動するモータ６４を作動させて空気逃し弁６３の開度を調節する機能を有している。
さらに、空燃比制御器７０は、排気枝管空燃比センサ６６の計測値から、予め実験により得た算出式を用いて計測値に見合う各シリンダライナ１内の空燃比を算出するとともに、この空燃比が１．０〜２．５の範囲になるように、クランク角検出センサ６８の検出値に基づいて、排気弁１３の閉止時機を調節する信号を排気弁駆動部１５に送信する機能を有している。
なお、上記空燃比（上記平均空燃比）は、シリンダライナ１内における混合気の空燃比（一般的な空燃比）を理論空燃比で割った比率（空気過剰率）である。すなわち、シリンダライナ１内の空燃比（一般的な空燃比）を適切に制御するために、空気過剰率を制御指標として用いている。
さらに、空燃比制御器７０は、排気枝管空燃比センサ６６の計測値から、予め実験により得た算出式を用いて計測値に見合う各シリンダライナ１内の空燃比を算出するとともに、この空燃比が１．０〜２．５の範囲になるように、クランク角検出センサ６８の検出値に基づいて、排気弁１３の閉止時機を調節する信号を排気弁駆動部１５に送信する機能を有している。
なお、上記空燃比（上記平均空燃比）は、シリンダライナ１内における混合気の空燃比（一般的な空燃比）を理論空燃比で割った比率（空気過剰率）である。すなわち、シリンダライナ１内の空燃比（一般的な空燃比）を適切に制御するために、空気過剰率を制御指標として用いている。
図２に示すように、掃気ポート１ａの開区間は、ディーゼルモード運転時またはガスモード運転時のいずれにおいても、ピストン６の上死点からクランク角度で１００°以上２６０°以下の範囲である。
排気弁１３の開区間は、ディーゼルモード運転時は、ピストン６の上死点からクランク角度で８０°以上３００°以下の範囲である。また、ガスモード運転時では、排気弁駆動部１５により排気弁１３の閉時機をクランク角度で最大３２０°とし、排気弁１３の開区間をディーゼルモード運転時に比べて拡大している。
図３はディーゼルモード運転時の空燃比の負荷に対する空気量と、ガスモード運転時の空燃比の負荷に対する空気量とを示すグラフである。ガスモード運転時の空燃比は、ディーゼルモード運転時における空燃比よりも低い１．０〜２．５の範囲に設定されている。
次に、図１に示す２ストロークデュアルフューエル機関１０１の動作を説明する。
空燃比制御器７０は、指令器６９からディーゼルモード運転信号が送信されていると、空気逃し弁６３の弁体を駆動するモータ６４を作動させて空気逃し弁６３を閉じる。これにより、過給機５２のブロワ５６が送出する空気Ａの全量が、空気溜３からハウジング２を経てシリンダライナ１内に流入する。
更に、パイロット噴射弁１２から燃焼室１０へ向けて液体燃料を噴射すると、図３に示すように、ディーゼルモード運転時における空燃比は、ガスモード運転時における空燃比の範囲である１．０〜２．５よりも高くなる。
空燃比制御器７０は、クランク角検出センサ６８の検出値に基づいて排気弁駆動部１５に信号を送信し、図２に示すように、ピストン６の上死点からクランク角度で８０°以上３００°以下の範囲で排気弁１３が開くように制御する。
また、空燃比制御器７０は、指令器６９からガスモード運転信号が送信されると、排気主管空燃比センサ６５の計測値（排気主管５１内の空燃比）から、予め実験により得た算出式を用いて計測値に見合う複数のシリンダライナ１内の平均空燃比を算出するとともに、この平均空燃比が１．５に近付くように、空気逃し弁６３の弁体を駆動するモータ６４を作動させて空気逃し弁６３の開度を拡げる。
空気逃し弁６３の開度が拡げられると、過給機５２のブロワ５６が送出する空気Ａの一部は、空気溜３からハウジング２を経てシリンダライナ１内に流入するものの、空気Ａの残りは、空気逃し管６２を経てブロワ５６の空気入口へ戻る。そのため、図３に示すように、ディーゼルモード運転から平均空燃比１．５を目標値としたガスモード運転に移行させる「空気逃し制御」が行われる。つまり、各シリンダライナ１内へ流入する空気Ａの量を減少させ、機関全体としての空燃比を下げることができる。
なお、複数のシリンダライナ１内の算出された平均空燃比が１．５であっても、複数のシリンダライナ１のうちの一つでは、ガスモード運転時の空燃比の上限値である２．５を上回っている場合がある。
そこで、空燃比制御器７０は、排気枝管空燃比センサ６６の計測値（排気枝管５４内の空燃比）から、予め実験により得た算出式を用いて計測値に見合う各シリンダライナ１内の空燃比を算出するとともに、この空燃比が１．０〜２．５の範囲になるように、クランク角検出センサ６８の検出値に基づいて、排気弁１３の閉止時機を遅らせる信号を排気弁駆動部１５に送信し、空気Ａの一部を排気通路５ａを介してシリンダライナ１外へ排出する。
特定のシリンダライナ１内の算出された空燃比が２．５を上回っている場合には、図２に示すように、排気弁１３の閉時機をクランク角度で最大３２０°として、排気弁１３の開区間を拡大する。すなわち、図３に示すように、個々のシリンダライナ１内の算出された空燃比を１．０〜２．５とする「排気弁閉時機遅延制御」が行われるので、各シリンダライナ１内の空燃比を適正な値に保つことができる。
更に、外乱によって機関負荷が変動する場合は、上記「空気逃し制御」を行うのみでは適正な空燃比になるまでの時間が長くなる（応答性が低い）可能性があるが、上記「排気弁閉時機遅延制御」を行うことにより、適正な空燃比になるまでの時間を短縮する（応答性が高い）ことができる。
また、排気主管空燃比センサ６５が故障した場合には、排気枝管空燃比センサ６６のみによって各シリンダライナ１内の空燃比の適正化を図ることができる。
［第２実施形態］
図４は本発明の第２の実施形態における２ストロークデュアルフューエル機関の概略図である。本実施形態の２ストロークデュアルフューエル機関１０２（２ストロークエンジン）において、シリンダライナ１、ハウジング２、空気溜３、シリンダ蓋４、排気弁筺５、ピストン６、ピストン棒７、スタッフィングボックス８、ガス噴射弁１１、パイロット噴射弁１２、排気弁１３、排気弁棒１４、及び排気弁駆動部１５によって構成される機関本体は、図５に示す２ストロークデュアルフューエル機関１００と同等である。図４において、図５に示す２ストロークデュアルフューエル機関１００または図１に示す２ストロークデュアルフューエル機関１０１の構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図４は本発明の第２の実施形態における２ストロークデュアルフューエル機関の概略図である。本実施形態の２ストロークデュアルフューエル機関１０２（２ストロークエンジン）において、シリンダライナ１、ハウジング２、空気溜３、シリンダ蓋４、排気弁筺５、ピストン６、ピストン棒７、スタッフィングボックス８、ガス噴射弁１１、パイロット噴射弁１２、排気弁１３、排気弁棒１４、及び排気弁駆動部１５によって構成される機関本体は、図５に示す２ストロークデュアルフューエル機関１００と同等である。図４において、図５に示す２ストロークデュアルフューエル機関１００または図１に示す２ストロークデュアルフューエル機関１０１の構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
ガス噴射弁１１へガス燃料を供給する手段の構成は、従来の２ストロークデュアルフューエル機関と同様である。ガス噴射弁１１には、図５におけるＬＮＧポンプ３１によってＬＮＧタンク１６からＬＮＧが吸引された後、蒸発器３２において気化したガス燃料が、圧力調整弁３３、及びガス制御器３４を経て供給される。
また、パイロット噴射弁１２へ液体燃料を供給する手段の構成も、従来の２ストロークデュアルフューエル機関と同様である。パイロット噴射弁１２には、図５における燃料噴射ポンプ２１が液体燃料タンク２２から吸引した液体燃料（重油）が、燃料高圧管２３を介して供給される。
また、機関本体に付属する排気主管５１、排気枝管５４、過給機５２のタービン５５、過給機５２のブロワ５６、空気冷却器５３は、図１に示す２ストロークデュアルフューエル機関１０１と同等である。
図４に示す２ストロークデュアルフューエル機関１０２の特徴部分は、ガスモード運転時に、過給機５２のブロワ５６の空気出口から送出される空気Ａの一部を、同じ過給機５２のタービン５５の排気入口（作動ガス入口）へ導くとともに、排気弁１３の閉止時機をディーゼルモード運転時に比べて遅らせ、適正な空燃比が得られるように構成した点にある。
２ストロークデュアルフューエル機関１０２は、空気流通方向上流端が過給機５２のブロワ５６の空気出口に連通し且つ空気流通方向下流端が過給機５２のタービン５５の排気入口（作動ガス入口）に連通する空気逃し管７１と、この空気逃し管７１に組み込まれた空気逃し弁７２と、この空気逃し弁７２の弁体を駆動して開度を調整するモータ７３と、排気主管５１内の空燃比を計測する排気主管空燃比センサ６５と、各排気枝管５４内の空燃比を計測する排気枝管空燃比センサ６６と、を備えている。さらに、２ストロークデュアルフューエル機関１０２は、クランク軸に嵌合して装着されたクランク角検出歯車６７と、このクランク角検出歯車６７の回転位置からクランク角を検出してクランク角検出信号を出力するクランク角検出センサ６８と、ディーゼルモード運転またはガスモード運転を選択するための指令器６９と、空燃比制御器７４と、を備えている。
指令器６９は空燃比制御器７４へ、ディーゼルモード運転信号またはガスモード運転信号のいずれかを択一的に出力するように構成されている。
空燃比制御器７４は、指令器６９からディーゼルモード運転信号を受信した際に、空気逃し弁７２の弁体を駆動するモータ７３を作動させて空気逃し弁７２を閉じる機能と、クランク角検出センサ６８の検出値に基づいて、排気弁１３が定常状態で開閉するための信号を排気弁駆動部１５に送信する機能とを有している。
ここで言う定常状態とは、図２に示すように、ピストン６の上死点からクランク角度で８０°以上３００°以下の範囲が排気弁１３の開区間となる状態を示す。なお、図２においてωはクランク軸の回転方向を表している。
また、空燃比制御器７４は、指令器６９からガスモード運転信号を受信した際に、排気主管空燃比センサ６５の計測値（排気主管５１内の空燃比）から、予め実験により得た算出式を用いて計測値に見合う複数のシリンダライナ１内の平均空燃比を算出するとともに、空気逃し弁７２の弁体を駆動するモータ７３を作動させて空気逃し弁７２の開度を調節することにより上記平均空燃比を制御する機能を有している。
さらに、空燃比制御器７４は、排気枝管空燃比センサ６６の計測値（排気枝管５４内の空燃比）から、予め実験により得た算出式を用いて計測値に見合う各シリンダライナ１内の空燃比を算出するとともに、クランク角検出センサ６８の検出値に基づいて排気弁１３の閉止時機を調節するための信号を排気弁駆動部１５に送信することにより上記空燃比を制御する機能を有している。
さらに、空燃比制御器７４は、排気枝管空燃比センサ６６の計測値（排気枝管５４内の空燃比）から、予め実験により得た算出式を用いて計測値に見合う各シリンダライナ１内の空燃比を算出するとともに、クランク角検出センサ６８の検出値に基づいて排気弁１３の閉止時機を調節するための信号を排気弁駆動部１５に送信することにより上記空燃比を制御する機能を有している。
より詳細には、空燃比制御器７４は、指令器６９からガスモード運転信号を受信した際に、排気主管空燃比センサ６５の計測値から、予め実験により得た算出式を用いて計測値に見合う複数のシリンダライナ１内の平均空燃比を算出するとともに、この平均空燃比が１．５に近付くように、空気逃し弁７２の弁体を駆動するモータ７３を作動させて空気逃し弁７２の開度を調節する機能を有している。
さらに、空燃比制御器７４は、排気枝管空燃比センサ６６の計測値から、予め実験により得た算出式を用いて計測値に見合う各シリンダライナ１内の空燃比を算出するとともに、この空燃比が１．０〜２．５の範囲になるように、クランク角検出センサ６８の検出値に基づいて、排気弁１３の閉止時機を調節する信号を排気弁駆動部１５に送信する機能を有している。
なお、上記空燃比（上記平均空燃比）は、シリンダライナ１内における混合気の空燃比（一般的な空燃比）を理論空燃比で割った比率である。
さらに、空燃比制御器７４は、排気枝管空燃比センサ６６の計測値から、予め実験により得た算出式を用いて計測値に見合う各シリンダライナ１内の空燃比を算出するとともに、この空燃比が１．０〜２．５の範囲になるように、クランク角検出センサ６８の検出値に基づいて、排気弁１３の閉止時機を調節する信号を排気弁駆動部１５に送信する機能を有している。
なお、上記空燃比（上記平均空燃比）は、シリンダライナ１内における混合気の空燃比（一般的な空燃比）を理論空燃比で割った比率である。
図２に示すように、掃気ポート１ａの開区間は、ディーゼルモード運転時またはガスモード運転時のいずれも、ピストン６の上死点からクランク角度で１００°以上２６０°以下の範囲である。
排気弁１３の開区間は、ディーゼルモード運転時は、ピストン６の上死点からクランク角度で８０°以上３００°以下の範囲である。また、ガスモード運転時では、排気弁駆動部１５により排気弁１３の閉時機をクランク角度で最大３２０°とし、排気弁１３の開区間をディーゼルモード運転時に比べて拡大している。
図３はディーゼルモード運転時の空燃比の負荷に対する空気量と、ガスモード運転時の空燃比の負荷に対する空気量とを示すグラフである。ガスモード運転時の空燃比は、ディーゼルモード運転時における空燃比よりも低い１．０〜２．５の範囲に設定されている。
次に、図４に示す２ストロークデュアルフューエル機関１０２の動作を説明する。
空燃比制御器７４は、指令器６９からディーゼルモード運転信号が送信されていると、空気逃し弁７２の弁体を駆動するモータ７３を作動させて空気逃し弁７２を閉じる。これにより、過給機５２のブロワ５６が送出する空気Ａの全量が、空気溜３からハウジング２を経てシリンダライナ１内に流入する。
更に、パイロット噴射弁１２から燃焼室１０へ向けて液体燃料を噴射すると、図３に示すように、ディーゼルモード運転時における空燃比は、ガスモード運転時における空燃比の範囲である１．０〜２．５よりも高くなる。
空燃比制御器７４は、クランク角検出センサ６８の検出値に基づいて排気弁駆動部１５に信号を送信し、図２に示すように、ピストン６の上死点からクランク角度で８０°以上３００°以下の範囲で排気弁１３が開くように制御する。
また、空燃比制御器７４は、指令器６９からガスモード運転信号が送信されると、排気主管空燃比センサ６５の計測値（排気主管５１内の空燃比）から、予め実験により得た算出式を用いて計測値に見合う複数のシリンダライナ１内の平均空燃比を算出するとともに、この平均空燃比が１．５に近付くように、空気逃し弁７２の弁体を駆動するモータ７３を作動させて空気逃し弁７２の開度を拡げる。
空気逃し弁７２の開度が拡げられると、過給機５２のブロワ５６が送出する空気Ａの一部は、空気溜３からハウジング２を経てシリンダライナ１内に流入するものの、空気Ａの残りは、空気逃し管７１を経てタービン５５の排気入口（作動ガス入口）へ導かれる。そのため、図３に示すように、ディーゼルモード運転から平均空燃比１．５を目標値としたガスモード運転に移行させる「空気逃し制御」が行われる。つまり、各シリンダライナ１内へ流入する空気Ａの量を減少させ、機関全体としての空燃比を下げることができる。
なお、複数のシリンダライナ１内の算出された平均空燃比が１．５であっても、複数のシリンダライナ１のうちの一つでは、ガスモード運転時の空燃比の上限値である２．５を上回っている場合がある。
そこで、空燃比制御器７４は、排気枝管空燃比センサ６６の計測値（排気枝管５４内の空燃比）から、予め実験により得た算出式を用いて計測値に見合う各シリンダライナ１内の空燃比を算出するとともに、この空燃比が１．０〜２．５の範囲になるように、クランク角検出センサ６８の検出値に基づいて、排気弁１３の閉止時機を遅らせる信号を排気弁駆動部１５に送信し、空気Ａの一部を排気通路５ａを介してシリンダライナ１外へ排出する。
特定のシリンダライナ１内の算出された空燃比が２．５を上回っている場合には、図２に示すように、排気弁１３の閉時機をクランク角度で最大３２０°として、排気弁１３の開区間を拡大する。すなわち、図３に示すように、個々のシリンダライナ１内の算出された空燃比を１．０〜２．５とする「排気弁閉時機遅延制御」が行われるので、各シリンダライナ１内の空燃比を適正な値に保つことができる。
更に、外乱によって機関負荷が変動する場合は、上記「空気逃し制御」を行うのみでは適正な空燃比になるまでの時間が長くなる（応答性が低い）可能性があるが、上記「排気弁閉時機遅延制御」を行うことにより、適正な空燃比になるまでの時間を短縮する（応答性が高い）ことができる。
また、排気主管空燃比センサ６５が故障した場合には、排気枝管空燃比センサ６６のみによって各シリンダライナ１内の空燃比の適正化を図ることができる。
なお、本発明の２ストロークデュアルフューエル機関は、上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変更を加えることが可能である。
例えば、上述した実施の形態では、可燃性ガスを主燃料に用いるガスモード運転と、液体燃料のみを燃料に用いるディーゼルモード運転とを選択的に実行可能な２ストロークデュアルフューエル機関が説明されている。しかしながら、可燃性ガスを主燃料に用いるガスモード運転を少なくとも実行可能な２ストロークエンジンであれば、本発明を適用することが可能である。
また、上述した実施の形態では、２ストロークエンジンに過給機が設けられているが、この過給機が設けられない構成であってもよい。空気比制御器はモータの駆動を制御して空気逃し弁の開度を調節しているが、空気比制御器がエンジンのシリンダに供給される空気量を調整できるのであれば、他の構成を用いてもよい。
また、上述した実施の形態では、可燃性ガス（ガス燃料）としてＬＮＧが用いられているが、これに限定されず、水素ガス、炭化水素系ガス（メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等）、アルコール系ガス燃料等の、可燃性を有するガスを用いることができる。
また、可燃性ガスとしてＬＮＧ以外のガスを用いる場合は、空燃比制御器の制御の態様を適宜変更してよい。上述した実施の形態では、空燃比制御器は、算出された平均空燃比が１．５に近付くように空気逃し弁の開度を調節するとともに、算出された空燃比が１．０〜２．５の範囲になるように排気弁駆動部による排気弁の閉止時機を調節しているが、使用する可燃性ガスに応じて上記平均空燃比および上記空燃比の制御目標を適宜変更してよい。
また、上述した実施の形態では、空燃比制御器は、算出された平均空燃比が特定の数値に近付くように、空気逃し弁の開度を拡げているが、使用する可燃性ガスに応じて空気逃し弁の開度を狭めるように制御してもよい。また、空燃比制御器は、算出された空燃比が特定の数値範囲になるように、排気弁駆動部による排気弁の閉止時機を遅らせているが、使用する可燃性ガスに応じて排気弁の閉止時機を早めるように制御してもよい。
また、上述した実施の形態では、空燃比制御器は、算出された平均空燃比が特定の数値に近付くように、空気逃し弁の開度を拡げているが、使用する可燃性ガスに応じて空気逃し弁の開度を狭めるように制御してもよい。また、空燃比制御器は、算出された空燃比が特定の数値範囲になるように、排気弁駆動部による排気弁の閉止時機を遅らせているが、使用する可燃性ガスに応じて排気弁の閉止時機を早めるように制御してもよい。
また、上述した実施の形態では、空気逃し管の空気流通方向下流端が、過給機ブロワの空気入口または過給機タービンの排気入口に接続されている。しかし、空気逃し管の空気流通方向下流端が過給機ブロワまたは過給機タービンに接続されることは必ずしも要求されず、例えば空気逃し管の空気流通方向下流端が大気開放されていてもよい。過給機から吐出される空気を空気逃し管を介して機関の外部に一部放出することによっても、シリンダに供給される空気量を減少させ、シリンダ内の空燃比を調節することが可能である。
また、上述した実施の形態では、クランク角検出信号を出力するクランク角検出センサは、クランク軸に嵌合して装着されたクランク角検出歯車の回転位置からクランク角を検出しているが、これに限定されず、クランク軸の回転位置またはピストン位置等からクランク角を検出してもよい。
また、パイロット噴射弁が噴射する液体燃料として重油が用いられているが、他の可燃性を有する液体を用いてもよい。
本発明の２ストロークエンジンは、可燃性ガスを主燃料に用いるガスモード運転を少なくとも実行可能な２ストロークエンジンに適用可能である。
１ シリンダライナ（シリンダ）
１３ 排気弁
１５ 排気弁駆動部
５１ 排気主管
５２ 過給機
５４ 排気枝管
５５ タービン（過給機タービン）
５６ ブロワ（過給機ブロワ）
６０ ブロワ出口管（空気供給管）
６２ 空気逃し管
６３ 空気逃し弁
６５ 排気主管空燃比センサ
６６ 排気枝管空燃比センサ
６８ クランク角検出センサ
７０ 空燃比制御器
７１ 空気逃し管
７２ 空気逃し弁
７４ 空燃比制御器
１０１ ２ストロークデュアルフューエル機関（２ストロークエンジン）
１０２ ２ストロークデュアルフューエル機関（２ストロークエンジン）
Ａ 空気
Ｇ 排気
１３ 排気弁
１５ 排気弁駆動部
５１ 排気主管
５２ 過給機
５４ 排気枝管
５５ タービン（過給機タービン）
５６ ブロワ（過給機ブロワ）
６０ ブロワ出口管（空気供給管）
６２ 空気逃し管
６３ 空気逃し弁
６５ 排気主管空燃比センサ
６６ 排気枝管空燃比センサ
６８ クランク角検出センサ
７０ 空燃比制御器
７１ 空気逃し管
７２ 空気逃し弁
７４ 空燃比制御器
１０１ ２ストロークデュアルフューエル機関（２ストロークエンジン）
１０２ ２ストロークデュアルフューエル機関（２ストロークエンジン）
Ａ 空気
Ｇ 排気
Claims (5)
- 可燃性ガスを主燃料に用いるガスモード運転を少なくとも実行可能な２ストロークエンジンにおいて、
複数のシリンダと、
前記複数のシリンダにそれぞれ設けられる排気弁と、
空燃比制御器と、を備え、
該空燃比制御器は、ガスモード運転時に、
前記複数のシリンダ内における混合気の空燃比を理論空燃比で割った比率である平均空燃比を算出するとともに、前記複数のシリンダに供給される空気量を調節することにより前記平均空燃比を制御する機能と、
各前記シリンダ内の空燃比をそれぞれ算出するとともに、前記排気弁の閉止時機を調節することにより前記空燃比を制御する機能と、を有し、
前記可燃性ガスとして、ＬＮＧを気化させたガスを用い、
前記空燃比制御器は、前記平均空燃比が１．５に近付くように前記複数のシリンダに供給される空気量を調節するとともに、算出された前記空燃比が１．０〜２．５の範囲になるように前記排気弁の閉止時機を調節する２ストロークエンジン。 - 前記複数のシリンダにそれぞれ接続される排気枝管と、
前記複数のシリンダから送出される排気を前記排気枝管を介して集める排気主管と、
前記排気弁を開閉する排気弁駆動部と、
前記複数のシリンダに空気を供給する空気供給管に、空気流通方向上流端が連通している空気逃し管と、
前記空気逃し管に組み込まれた空気逃し弁と、
前記排気主管内の空燃比を計測する排気主管空燃比センサと、
各前記排気枝管内の空燃比をそれぞれ計測する排気枝管空燃比センサと、
クランク角度を検出するクランク角検出センサと、をさらに備え、
前記空燃比制御器は、ガスモード運転時に、
前記排気主管空燃比センサの計測値から前記平均空燃比を算出するとともに、前記空気逃し弁の開度を調節することにより前記平均空燃比を制御する機能と、
前記排気枝管空燃比センサの計測値から前記空燃比をそれぞれ算出するとともに、前記クランク角検出センサの検出値に基づいて前記排気弁駆動部による前記排気弁の閉止時機を調節することにより前記空燃比を制御する機能と、を有している請求項１に記載の２ストロークエンジン。 - 前記排気主管に集められた排気のエネルギーを回転運動に変換する過給機タービンと、
前記過給機タービンにより駆動され且つ空気を昇圧させて前記複数のシリンダに供給する過給機ブロワと、をさらに備え、
前記空気供給管の空気流通方向上流端が前記過給機ブロワの空気出口に連通している請求項２に記載の２ストロークエンジン。 - 前記空気逃し管の空気流通方向下流端が前記過給機ブロワの空気入口に連通している請求項３に記載の２ストロークエンジン。
- 前記空気逃し管の空気流通方向下流端が前記過給機タービンの排気入口に連通している請求項３に記載の２ストロークエンジン。
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