JP5965234B2 - ユニフロー式2ストロークエンジン - Google Patents
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Description
まず、本発明の実施形態に係るユニフロー式2ストロークエンジン(以下、単に「エンジン」と称する)100の概略について説明する。図1は、本実施形態に係るエンジン100のブロック図である。本実施形態に係るエンジン100は、大型船舶用のディーゼルエンジンであって、燃焼室10と、過給機20と、補助ブロア30と、掃気管40と、排気管50と、外部EGRユニット60と、制御装置70と、を備えている。以下、これらの各構成要素について順に説明する。
次に、燃焼室10の構造について説明する。図1に示すように、本実施形態の燃焼室10は、シリンダ11と、ピストン12と、排気弁13と、を有している。また、排気弁13は可変バルブ装置14によって開閉される。以下、これらの各構成要素について順に説明する。
次に、排気弁13の動作について説明する。本実施形態における排気弁13の動作を説明する前に、まず通常の(従来の)動作について説明する。2ストロークエンジンでは、掃気、圧縮、燃焼、排気の1サイクルが2ストローク(ピストン12が1往復する間)で行われる。図2は排気弁13の通常の動作を示した図である。図2のAからHはピストン12が下死点から上死点に達し、さらに下死点に至るまでの排気弁13の位置を示している。図2に示すように、ピストン12が下死点にあるとき(A)、排気弁13は全開(開度100%)である。このとき、エンジン100は掃気行程にある。すなわち、掃気ポート15と排気弁13はいずれも開いており、掃気ポート15から流入した新気が既燃ガスを排気弁13側へ押し出す。この掃気行程は、ピストン12が上昇しはじめても一定期間続く(B、C)。
次に、本実施形態のエンジン100が低負荷領域にあるときの排気弁13の動作について説明する。なお、低負荷領域とはエンジン100の最大負荷の例えば35%以下であるときをいう。ここで、図4はエンジン100が低負荷領域にあるときの排気弁13の動作を示した図である。図2の場合と同様に、図4のAからHはピストン12が下死点から上死点に達し、さらに下死点に至るまでの排気弁13の位置を示している。なお、排気弁13の開閉は、制御装置70が可変バルブ装置14を制御することにより行われる。図4に示すように、ピストン12が下死点にあるとき(A)、排気弁13は全開(開度100%)である。また掃気ポート15も開いた状態にある。そのため、掃気ポート15からは新気(正確には既燃ガスも含まれる)がシリンダ11内に流入するとともにシリンダ11内の既燃ガスが排気弁13から外部(排気管50)へと押し出される。つまり、このときシリンダ11内は掃気行程にある。
以上のとおり、本実施形態ではプリクローズ制御が行われるが、プリクローズ制御を行った結果、新気が入りにくくなり、部材温度(シリンダ11、ピストン12、又は排気弁13の温度)が上昇する場合がある。新気は既燃ガスに比べて温度が低く、新気がシリンダ11内に流入しなくなると新気による冷却の効果が低下するからである。そして、部材温度が上昇しすぎると、シリンダ11、ピストン12、又は排気弁13が変形したり破損したり不具合が生じるおそれがある。そのため、部材温度が一定以下になるよう制御する必要がある。具体的には、部材温度が上限温度を超えた場合には、新気の流入量を増やす制御、つまり既燃ガスの排出量を増やす制御を行う。
次に、本実施形態のエンジン100が高負荷領域及び中負荷領域にあるときの排気弁13の動作について説明する。なお、高負荷領域とはエンジン100の最大負荷の例えば85%以上のときをいい、中負荷領域とはエンジン100の最大負荷の例えば35%〜85%のときをいう。ここで、図7はエンジン100が低負荷領域にあるときの排気弁13の動作を示した図である。図2及び図4の場合と同様に、図7のAからHはピストン12の下死点から上死点に達し、さらに下死点に至るまでの排気弁13の位置を示している。図7に示すように、高負荷領域及び中負荷領域における排気弁13の動作は、掃気行程中に一旦排気弁13の開度を縮小させるプリクローズ制御が行われている。このように、図7のAからCまでは、図4のAからCまでと同じである。また、圧縮行程(D)についても、通常の動作と同じである。そこで、ここでは図7のEからHに示す排気弁13の動作について説明する。
以上のとおり、掃気管40内で火災が生じるおそれのある低負荷領域では遅延開放制御が行われず、中負荷領域及び高負荷領域のみで遅延開放制御が行われる。ただし、本実施形態では、より安全を期して、中負荷領域及び高負荷領域であっても、掃気管40内で火災が起きないように制御を行う。具体的には、制御装置70はオイルミスト濃度測定器41から掃気管40内のオイルミスト濃度を取得し、このオイルミスト濃度が所定値(上限濃度)を超えたと判定すると、遅延開放制御を停止する。つまり、掃気管40内のオイルミスト濃度が一定の濃度を超えて火災の発生しやすい状態になった場合には、たとえエンジン100が中負荷領域又は高負荷領域にあったとしても、遅延開放制御を停止し、排気弁13が開放されるタイミングを通常の運転のタイミングに戻す。これにより、エンジン100のより安全な運用が可能となる。
11 シリンダ
12 ピストン
13 排気弁
14 可変バルブ装置
15 掃気ポート
40 掃気管
60 外部EGRユニット(外部NOx低減装置)
100 エンジン(ユニフロー式2ストロークエンジン)
Claims (9)
- 下部に掃気ポートが形成されたシリンダと、
前記シリンダ内を往復し前記掃気ポートを開閉するピストンと、
圧縮された新気を一旦収容して前記掃気ポートに供給する掃気管と、
前記シリンダの上部に配置された排気弁と、
前記排気弁を任意のタイミングで開閉する可変バルブ装置と、を備え、
燃焼行程後に前記排気弁が、前記掃気ポートが開きはじめるタイミングと同じタイミングで開きはじめることで、既燃ガスの一部を前記排気弁から排出しないように構成されている、ユニフロー式2ストロークエンジン。 - 低負荷領域にあるときには、前記排気弁が、前記掃気ポートが開きはじめるタイミングよりも早いタイミングで開くように構成されている、請求項1に記載のユニフロー式2ストロークエンジン。
- 前記掃気管内のオイルミスト濃度が所定の上限濃度を超えたとき、前記排気弁が、前記掃気ポートが開きはじめるタイミングよりも早いタイミングで開くように構成されている、請求項1に記載のユニフロー式2ストロークエンジン。
- 掃気行程中に前記排気弁の開度が一回又は複数回縮小するように構成されている、請求項1乃至3のうちいずれか一の項に記載のユニフロー式2ストロークエンジン。
- 掃気行程中に前記排気弁の開度が縮小するサイクルと、掃気行程中は前記排気弁の開度が一定のままであるサイクルが混在するように構成されている、請求項4に記載のユニフロー式2ストロークエンジン。
- 前記シリンダ、前記ピストン、又は前記排気弁の温度が所定の上限温度を超えたとき、掃気行程中は前記排気弁の開度が縮小しない、掃気行程中に縮小する前記排気弁の最小開度が大きくなる、掃気行程中に前記排気弁の開度が縮小する回数が減る、又はこれらが組み合わせて行われるように構成されている、請求項4に記載のユニフロー式2ストロークエンジン。
- 前記シリンダ、前記ピストン、又は前記排気弁の温度が所定の上限温度を超えたとき、掃気行程中に前記排気弁の開度が縮小するサイクルの頻度が減るように構成されている、請求項5に記載のユニフロー式2ストロークエンジン。
- 外部NOx低減装置をさらに備え、
低負荷領域から中負荷領域に移行したとき、前記外部NOx低減装置の利用負荷を下げ、中負荷領域から低負荷領域に移行したとき、前記外部NOx低減装置の利用負荷を上げるように構成されている、請求項2に記載のユニフロー式2ストロークエンジン。 - 外部NOx低減装置をさらに備え、
前記シリンダ、前記ピストン、又は前記排気弁の温度が前記所定の上限温度を超えたとき、前記外部NOx低減装置の利用負荷を上げるように構成されている、請求項6又は7に記載のユニフロー式2ストロークエンジン。
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