JP6080224B2 - ２−ストローク内燃エンジン、２−ストローク内燃エンジンの運転方法及び２−ストロークエンジンの変換方法 - Google Patents

Description

本発明は、上死点と下死点の間で往復するように設けられたピストンを有する少なくとも一つのシリンダーと、燃焼室を画成するシリンダーカバーと、少なくともピストンが下死点にあるときに前記燃焼室へ通ずる前記シリンダーの底部の酸素含有ガス流入口と、前記シリンダー内で前記酸素含有ガス流入口と前記シリンダーカバーとの間に設けられたガス燃料流入口と、前記シリンダーカバーの前記シリンダーの中心軸上に設けられた排気バルブを有する２−ストローク内燃エンジンに関する。

本発明は、また、燃料ガスによる２−ストローク内燃エンジンの駆動方法、及び液体燃料により駆動される２−ストローク内燃エンジンをガスで駆動される２−ストローク内燃エンジンに変換する方法、及び２−ストロークエンジンシリンダーカバーアッセンブリに関する。

重油で駆動される大型２−ストロークロスヘッドヂーゼルエンジンは例えば大型船舶の動力として一般に使用されている。近年、内燃機関においてガス燃料が、そのきわめてクリーンな燃焼プロセスとガスの有用性によりきわめて重要なものとなってきた。排出物と同時に商業的に存続可能かについて、代替的エネルギーの解決に対する要求の認識が増え続けている。

米国特許第5,035,206号は、少なくとも一つのピストンを有するシリンダー、シリンダー内でのピストンの下降運動により露出するシリンダー周囲の酸素含有ガスの流入口手段、酸素含有ガスを露出した前記流入口手段を通して供給する手段、その内部にある排気口手段及びバルブ手段、ヂーゼル燃料を各サイクルに一度注入するヂーゼル注入手段、天然ガスを各サイクルに一度シリンダー内に注入するためのガス注入手段を有し、前記ガス注入手段は、天然ガス分配手段及び酸素含有ガス注入口手段の上部に位置するシリンダーへの開口を有し、これにより、ピストンが完全に下降するときに、前記流入口を露出し始める前に前記分配管を露出させるようにした、天然ガス/ヂーゼル燃料２−ストロークエンジンを開示している。負荷がかかるにつれて、天然ガスが注入される。負荷の増加によりガス量が増加するため、注入器を通して行われるガス注入の開始が前方に進むが、一方、ガス注入の終了又は停止は変わることはない。次の燃焼のための酸素を含む掃気空気が入る間は、ガスバルブ注入器は、管を通して入る天然ガスの制御された量をエンジンのシリンダー内へ注入する。

米国特許第5,035,206号は、運転可能であり、有利なものであるとしても、現在の排気物と効率への期待についての要求をさらに満たすことができるガスで駆動される２−ストロークエンジンに対する要求は存在している。

本発明の目的は、上死点と下死点の間で往復するように設けられたピストンを有する少なくとも一つのシリンダーと、燃焼室を画成するシリンダーカバーと、少なくともピストンが下死点にあるときに前記燃焼室へ通ずる前記シリンダーの底部の酸素含有ガス流入口と、前記シリンダー内で前記酸素含有ガス流入口と前記シリンダーカバーとの間に設けられた燃料ガス流入口と、前記シリンダーカバーに設けられた排気バルブを有する２−ストローク内燃エンジンによって達成される。シリンダーカバーに、予燃焼室ポートを通して燃焼室に通じている少なくとも一つのパイロット点火予燃焼室が設けられていることを特徴としている。

これは、かなりの低圧でガスの利用が可能となるという効果と利益をもたらすものであり、ガス供給システムを安全で構造を実質的に簡略化することを可能とする。ガス燃料の流入口、即ち、ガス注入孔の位置は、ピストンが上死点に向かって運動している間、ガス燃焼室への受け入れの間のガス圧を１MPaより低くなるように選択される。予燃焼室の利用は、燃焼室内で実質的なリーンガス混合体を点火することを容易にし、このことは効率を高めると共に、酸化窒素（NOx）の排出を減少させる。

余剰空気は燃焼プロセスの温度を低下させ、この低下は、生成されるNOxの量を減少させ、また、余剰酸素が利用できるため、燃焼プロセスは、より効率を高め、化学量論的な燃焼に比して同量の燃料でより大きな出力を得ることができる。

本発明の一実施例によれば、シリンダーカバーに少なくとも二つの予燃焼室が設けられ、これらの予燃焼室は、シリンダーの中心軸に対して回転方向に対称的にシリンダーカバーに設けられる。排ガスバルブをシリンダーカバーの中心軸上に設けることが有利である。

本発明の他の実施例によれば、排ガスバルブのタイミングが変化可能に調整できる。

本発明の他の実施例によれば、予燃焼室のそれぞれにパイロット燃料注入器が設けられる。

本発明の他の実施例によれば、エンジンは少なくとも二つのガス燃料注入口がシリンダーの同一の長手方向の位置に設けられる。

本発明の更なる他の実施例によれば、少なくとも二つのガス燃料注入口がシリンダーの周囲に等間隔離れて設けられる。

本発明の目的は以下のステップを有する２−ストローク内燃機関を駆動する方法により達成され、該ステップは：
エンジンの出力ストローク後、ピストンの下方への運動により、ピストンをエンジンのシリンダーの底部における酸素含有ガスの流入口を通過させ、
酸素含有ガスを、前記注入口を通してエンジンの燃焼室内に流入させ、
エンジンの排ガスバルブを開に保ち、
ピストンの上方運動によってピストンをシリンダーの底部の酸素含有ガス流入口を通過させ、それにより、酸素含有ガスが燃焼室内に流入することを阻止し、
シリンダーに設けられた少なくとも一つのガス燃料流入口を通してガス燃料を導入し、前記エンジンの排ガスバルブを閉じ、
燃焼室内の酸素含有ガス及びガス燃料を、ピストンを上死点にむけて動かすことにより圧縮し、エンジンのシリンダーカバーに設けられた少なくとも一つの予燃焼室内で、酸素含有ガスとガス燃料の混合体を点火し、液体燃料を点火する、
ステップ。

本発明の一実施例によれば、液体燃料が予燃焼室内に導入され、液体燃料は前記少なくとも一つの予燃焼室内で圧縮点火により点火される。

本発明の他の実施例によれば、燃料は、少なくとも一つの予燃焼室内でスパーク点火される。

本発明の他の実施例によれば、燃料は少なくとも一つの予燃焼室内のグロープラグからの加熱により点火される。

本発明の他の実施例によれば、圧縮比≧12:1となるようにエンジンを駆動する。

本発明の他の実施例によれば、圧縮比≧12:1となるように排ガスバルブの閉鎖タイミングを制御する。

本発明の他の実施例によれば、ガス燃料を燃焼室内へ、圧力≦1MPAの圧力で導入する。

本発明の他の実施例によれば、例えば、ガス燃料による駆動に支障が生じた場合にのみ、液体燃料によりエンジンを駆動する。

本発明の一態様によると、本発明の目的は、また、液体燃料で駆動される２−ストロークエンジンを、各シリンダーにシリンダーカバーと、酸素含有燃焼ガスをエンジンの各シリンダーのライナーに設けられた燃焼室内へ導入するための流入口を持つガス駆動２−ストロークエンジンへ変換する方法により達成される。

上記方法は、以下のステップを有する。
- エンジンの各シリンダーから既存のシリンダーカバーを除去するステップ、
- 排ガス口と、バルブと、燃焼室内で燃料の点火を容易にするための予燃焼室を持つ新しいエンジンカバーを取り付けるステップ、
- 流入口からシリンダーカバーに向かって所定の距離を置いて、各シリンダーライナーに少なくとも一つの燃料開口を設けるステップ、
- 前記燃料開口に接続してガス燃料絞り弁ユニットを設けるステップ、
- 前記ガス燃料絞り弁ユニットをガス燃料源に接続するステップ。

以下に、例示的な概略図を参照して本願発明を説明する。

本発明の実施例による２−ストロークエンジンを示す図である。 本発明の実施例による２−ストロークエンジンの駆動を説明する図である。 本発明の実施例による２−ストロークエンジンの詳細を示す図である。

図１は２−ストーロクエンジン１０を概略的に示す。エンジンは本体部１２とエンジン１０の複数のシリンダーユニットからなるシリンダーユニット１４を有している。エンジンは、更に、燃料の燃焼に使用される酸素含有ガスの流入管を備えている。この流入管は、酸素含有ガス流入口１８を通してエンジン内に供給される加圧された酸素含有ガスを供給するためのコンプレッサユニットに接続されている。酸素含有ガス流入口１８はシリンダー壁２０に周囲に設けられた複数の開口を有している。酸素含有ガス流入口１８は、ピストン２４がその下死点又はその近傍にある間、燃焼室２２に開口するようにシリンダー２０の底部に設けられる。燃焼室２２は、エンジンのシリンダー２０、ピストン２４及びシリンダーカバー２６によって画成される。シリンダーカバー２６には、内部の、有利な位置としてシリンダーの中心軸線上に、排気バルブ２８が設けられる。図１からわかるように、エンジンはクロスヘッドエンジンである。エンジンは、更に、シリンダー内で酸素含有ガス流入口１８とシリンダーカバー２６の間に、ガス燃料流入口３０が設けられている。ガス燃料流入口３０は、好ましくは長手軸方向に、ピストン２４が、シリンダーカバーの方向へ動く間、流入口３０を覆い、高温で高圧のガス状体の燃焼ガスがガスバルブと供給システムを通過することを防ぐような位置に設けられる。

本発明の一実施例によれば、ガス燃料流入口３０は、図３に示されるように、シリンダー２０のライナー２０内に置換可能な別体のインサート３０’を有している。インサート３０’は所定の流路断面のような特定の特性を持つ開口を有している。このようなインサートは、例えば、使用される燃料ガスの熱容量の値に応じた所定の断面積に適合するように変えることができる。

ガス燃料流入口３０には、制御バルブシステムが設けられており、それにより、ピストンがシリンダー２０内のガス燃料流入口３０より下に位置している間にも、ガスの流入がピストンの位置とは独立して制御される。ガス燃料流入口３０はガス源３２に接続され、そこからガス燃料が圧力≦1MPaの圧力で燃焼室に導入される。

図１において、1aと1bの断面図にエンジンのシリンダーのI-I, II-IIの断面が示されている。シリンダーカバー２６には、燃焼室２２に開口している３個のパイロット点火予燃焼室ポート３４が設けられている。各ポート３４はシリンダーカバー２６のパイロット点火予燃焼室３６に接続している。また、パイロット燃料インジェクター３８がパイロット燃料を予燃焼室３６内に噴射するために設けられている。このように、本実施例による２−ストロークエンジンのシリンダーカバーアセンブリーは、有利なことに、排ガスバルブ及びポート、少なくとも一つの予燃焼室及びそこに設けられた液体燃料インジェクター３８のための少なくとも一つのノズル孔を有している。

予燃焼室３６は、燃焼室２２内での実質的にリーンガス混合体を点火するための高い運動エネルギーを与えるために使用され、より良好な早期着火の伝播を与える。予燃焼室では、本実施例によると、燃焼室２２から入るリーン酸素含有ガス/ガス混合体は、予余剰の酸素の状態で反応する液体燃料の注入及び燃焼室３６内における圧力及び温度条件の域を超える自己発火によって点火される。

本発明の他の実施例によれば、グロープラグ３６”が組み立てられ、点火、即ちスパークプラグ３６’がパイロット燃料に代るガスの点火を達成することを支援するために使用される。予燃焼室の形状は、実際の点火の方法によって異なる。グロープラグを有する場合又は有しない場合であっも、パイロット燃料の点火は通常のスパーク予燃焼室点火システムに比べてより高い点火エネルギーを与える。効率的な循環と燃料ガスと注入されるパイロット燃料の迅速な混合が達成されるため、一般的には、予燃焼室内に導入される酸素含有ガス混合体と注入されるパイロット燃料の迅速且つ反復可能な混合が要求される。

予燃焼室の設置は、予燃焼室及び燃焼室内における反復可能で高出力の燃焼をもたらし、このことは高いエンジン効率と燃焼の安定性を増大させる結果をもたらす。この結果は、また、エンジン出力に対して相対的に有害な排出物を減少させる。ガス燃料の圧力は１MPaより小さいことが望ましい。

図１の断面図１aにも見られるように、予燃焼室３６はシリンダーカバー２６内に回転方向に対称的に等間隔で離れて設けられる。このことは、燃焼室２２の断面に関して、燃焼の均一な分布を与える。

図１の断面１bでは、エンジンは少なくとも二つのガス燃料流入口３０がシリンダーの同一長手方向の位置に設けられる。また、ガス燃料流入口３０はシリンダー２０の周囲に対して等しい間隔で回転方向に離れて設けられる。

本発明の一実施例によると、２−ストロークエンジンのシリンダーカバー２６は回転方向に均等に離れて設けられた３個の予燃焼室３６有し、各予燃焼室の間には、同様に回転方向に等間隔でバックアップ燃料インジェクター３７が設けられている。これは、図１の1a及び１bに示されている。このバックアップインジェクターは液体燃料のためのインジェクターである。パイロット燃料インジェクターが、実際には、ガス燃料を点火するだけが可能であるのに対し、このバックアップ燃料インジェクターは、液体燃料でエンジンを駆動することにより得られる出力の１００％の出力で駆動できるような規模とされる。

このように、このエンジンは、例えば、ガス燃料での駆動に支障が生じた場合にこの燃料インジェクターを使用するだけで、液体燃料により駆動することが可能となる。

２−ストロークエンジン１０の駆動方法が、エンジンのワーキングサイクルの異なるステージを示す図２の部分図２a,２b,２cを参照して説明される。部分図２aはエンジンの出力ストローク後の掃気フェーズを示す。ピストン２４は、出力ストロークの下降運動により、シリンダー２０の底部の酸素含有ガス流入口１８を通過する。ピストン２４は下死点にあり、空気のような酸素含有ガスがエンジンの燃焼室内に流入可能となる。流入口はコンプレッサーに連通しているため、ガスは加圧されて燃焼室内に入り込む（流入口と流出口の圧力差が流れを引き起こす）。同時に排ガスバルブ２８が開に維持され、したがって、燃焼室から燃焼ガスの除去が行われ、一方、新鮮な空気が燃焼室内に入る。

次に、ピストン２４の上昇運動が開始し、ピストンはその上昇運動によりシリンダー２０の底部の酸素含有ガス流入口１８を通過し、この状態は図２bに示されている。これにより、酸素含有ガスの燃焼室内への流入は停止する。図２bのステージにおいては排ガスバルブ２８の閉鎖が始まる。それは燃料注入の後に始まる。ここでガス燃料がガス燃料流入口３０を通してシリンダー２０内へ導入され、排ガスバルブ２８が閉じられる。ガス燃料の導入と排ガスバルブの閉鎖のタイミングは、不燃ガス燃料が掃気動作により逃げないように制御される。ピストンの位置は、クランクシャフト、連結ロッド、ピストンロッド及びピストンの形状によって決定される。ピストンが上死点に向けて電荷による点火が起きるまで運動することにより、酸素含有ガスとガス燃料は燃焼室内で圧縮される。これは、図２の２cに示される。酸素含有ガスとガス燃料の混合体は、シリンダーカバー２６内に設けられた予燃焼室３６内に液体燃料３８を導入することにより点火される。ガス燃料を伴う液体燃料と酸素は予燃焼室内で点火し、予燃焼室は燃焼室に開口しているため、予燃焼室内の燃焼が主燃焼室内に膨張するため、続けて燃焼室内の電荷は点火する。

液体燃料３８は予燃焼室３６内で圧縮点火により点火される。燃料物質の燃焼の間及びその後、出力ストロークが生じ、最終的に図２aの状態となる。

ここで図１に戻ると、エンジンには制御システム４０が設けられており、この制御システムはエンジンのクランクシャフトの４２の位置のプローブ４４により情報を読み取る。制御システムはパイロット燃料インジェクター３８とシリンダーカバー２６の排ガスバルブをを駆動するように接続されている。このように、特に、排ガスバルブ２８のタイミングは可変に制御可能であり、また、ピストン２４の位置に対して固定した関係でなく制御可能である。したがって、排ガスバルブ２８のタイミングと位置はエンジンの実際の駆動状況に基づいて制御することが可能である。好ましくは、エンジンは実効圧縮比≧１２：１となるように駆動される。本発明の一実施例によると、排ガスバルブの閉鎖を掃気ステージ又は圧縮ステージの間のピストン２４の位置に相関させて制御することにより、実効圧縮比≧１２：１となるように制御される。

制御システム４０は、また、ガス燃料流入口３０の駆動とタイミングを、ピストン２４の位置との関係において制御するように設けられる。

以上、本発明を現時点で最も好ましいと考えられる例により説明してきたが、本発明は、記載された実施例に限定されるものでなく、種々の組み合わせや改変、また、本発明の範囲内に含まれる種々の応用をもカバーするものと理解されるべきである。上述の実施例に関連して述べられた詳細な事項は、その組み合わせが技術的に可能な場合は、他の実施例にも適用することができる。

Claims (17)

1. 上死点と下死点の間で往復するように設けられたピストンを有する少なくとも一つのシリンダーと、燃焼室を画成するシリンダーカバーと、少なくともピストンが下死点にあるときに前記燃焼室へ通ずる前記シリンダーの底部の酸素含有ガス流入口と、前記シリンダー内で前記酸素含有ガス流入口と前記シリンダーカバーとの間に設けられたガス燃料流入口と、前記シリンダーカバーに設けられた排ガスバルブを有し、
   前記シリンダーカバーに、予燃焼室ポートを通して燃焼室に通じている少なくとも一つの前記燃焼室内の実質的にリーンガス混合体を点火するための液体燃料が導入されるパイロット点火予燃焼室と、液体燃料を噴射するバックアップインジェクターが設けられ、前記排ガスバルブのタイミングが可変に調整可能であることを特徴とする２−ストローク内燃エンジン。
2. 前記エンジンは、不燃ガス燃料が掃気動作において逃げることのないように、パイロット燃料インジェクターを駆動するように接続された制御システムと、ガス燃料流入口と、排ガスバルブが設けられることを特徴とする、請求項１に記載の２−ストローク内燃エンジン。
3. 前記排ガスバルブは前記シリンダーの中心軸線上に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の２−ストローク内燃エンジン。
4. 前記シリンダーカバーに、予燃焼室ポートを通じて前記燃焼室内に開口している複数のパイロット点火予燃焼室が設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の２−ストローク内燃エンジン。
5. 前記予燃焼室は前記シリンダーカバーに前記シリンダーの中心軸に対して回転方向に対称的に設けられていることを特徴とする、請求項４に記載の２−ストローク内燃エンジン。
6. 前記予燃焼室の夫々にはパイロット燃料インジェクターが設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の２−ストローク内燃エンジン。
7. 前記予燃焼室の夫々にはグロープラグが設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の２−ストローク内燃エンジン。
8. 前記予燃焼室の夫々にはスパークプラグが設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の２−ストローク内燃エンジン。
9. 前記エンジンは前記シリンダーの長手方向の同一の位置に少なくとも二つのガス燃料流入口を有していることを特徴とする、請求項１に記載の２−ストローク内燃エンジン。
10. 前記エンジンは前記シリンダーの周囲に均等の距離を置いて少なくとも二つのガス燃料流入口が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の２−ストローク内燃エンジン。
11. エンジンの出力ストローク後、ピストンの下方への運動により、ピストンをエンジンのシリンダーの底部における酸素含有ガスの流入口を通過させ、酸素含有ガスを、前記流入口を通してエンジンの燃焼室内に流入させるステップと、
    エンジンの排ガスバルブを開に保つステップと、
    ピストンの上方運動によってピストンをシリンダーの底部の酸素含有ガス流入口を通過させ、それにより、酸素含有ガスが燃焼室内に流入することを阻止しするステップと、
    シリンダーに設けられた少なくとも一つのガス燃料流入口を通してガス燃料を導入し、前記エンジンの排ガスバルブを閉じるステップを有し、
    前記燃焼室に酸素含有ガスとガス燃料の混合体であるリーンガス混合体を供給するステップと、
    燃焼室内の前記リーンガス混合体を、ピストンを上死点にむけて動かすことにより圧縮し、エンジンのシリンダーカバーに設けられた少なくとも一つの予燃焼室内に液体燃料を供給して点火し、これにより、前記燃焼室内の前記リーンガス混合体を点火するステップと、
    前記エンジンの駆動の間、エンジンの実効圧縮比を制御するため、前記排ガスバルブの閉鎖タイミングを可変に調節するステップと、
    ガス燃料による駆動に支障が生じた場合に、エンジンにシリンダーカバーに設けた液体燃料インジェクターのみを使用して液体燃料でエンジンを駆動することを特徴とする、２−ストローク内燃機関を駆動する方法。
12. 液体燃料を前記予燃焼室に導入し、少なくとも一つの予燃焼室における圧縮点火により前記液体燃料を点火することを特徴とする、請求項１１に記載のステップ２−ストローク内燃機関を駆動する方法。
13. 前記液体燃料を少なくとも一つの予燃焼室内でスパーク点火により点火することを特徴とする、請求項１１に記載の２−ストローク内燃機関を駆動する方法。
14. 前記液体燃料を少なくとも一つの予燃焼室内でグロープラグからの加熱により点火することを特徴とする、請求項１１に記載の２−ストローク内燃機関を駆動する方法。
15. 実効圧縮比が実効圧縮比≧１２：１となるように排ガスバルブの閉鎖タイミングを制御することを特徴とする、請求項１１に記載の２−ストローク内燃機関を駆動する方法。
16. 前記ガス燃料を前記燃焼室内に圧力≦１MPaで導入することを特徴とする、請求項１１に記載の２−ストローク内燃機関を駆動する方法。
17. 液体燃料で駆動される２−ストロークエンジンを、各シリンダーにシリンダーカバーと、酸素含有燃焼ガスをエンジンの各シリンダーのライナーに設けられた燃焼室内へ導入するための流入口を持つリーン燃焼ガス駆動２−ストロークエンジンへ変換する方法であって、
    − エンジンの各シリンダーから既存のシリンダーカバーを除去するステップと、
    − 排ガス口と、バルブと、燃焼室内で燃料の点火を容易にするための液体燃料が供給される予燃焼室と、ガス燃料による駆動に支障が生じた場合に燃焼室内に液体燃料を供給するバックアップインジェクターを持つ新しいエンジンカバーを取り付けるステップと、
    − 前記流入口からシリンダーカバーに向かって所定の距離を置いて、各シリンダーライナーに少なくとも一つの燃料開口を設けるステップと、
    − 前記燃料開口に接続して制御弁を設けるステップと、
    − 前記制御弁をガス燃料源に接続するステップ、を有する方法。

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