JP2020084972A - 給気弁を備える並列同期エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】小型エンジンは、クロスヘッド化されておらず、シリンダーエリアと、クランクエリアを分離できないので、ガス燃料や燃焼ガスが、クランクエリアに侵入する危険がある。潤滑油の選別や管理などの問題もある。既存の中型クロスヘッド型エンジンは、大型クロスヘッド型を相似形で縮小した構造で、整備面に問題がある。また、個々のシリンダーを単独のエンジン行程で考えるだけでは、今後の燃焼改善や高効率化に対応するには構造的な限界がある。【解決手段】２組のシリンダー２ａを、共用する１組のクロスヘッド３に連結し、同じエンジン行程で運転することにより、これらの問題を解決する。また、頂部給気弁方式を採用することにより、排気ガスの温度による弁別回収、排気弁の廃止、シリンダーヘッド部分の冷却改善など、エンジンの高効率化や環境対策などにも対応できるエンジン構造を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、Ａ列とＢ列の２組のシリンダーの両ピストン２ａを、共用する１組のクロスヘッド３に連結し、両ピストン２ａを同じエンジン行程で運転して、１組のコネクティングロッド４を介して、１本のクランク軸５ｂに回転力を与えるクロスヘッド型２ストローク往復動エンジンの、シリンダー上部に給気弁を装置した場合の構造に関するものである。

従来の２サイクル往復動エンジンでは、シリンダーの下部に設けられた掃気孔より、シリンダー頂部に設けられた排気弁の方向に、シリンダーの下部から上部に燃焼ガスや給気を流す方式（通称ユニフロ方式、以下、頂部排気弁方式という）が用いられている。この頂部排気弁方式では、この排気弁が、燃焼行程で最も高温になる燃焼室の一部を構成していることや、排気弁は常時上下に動き冷却が困難なため、冷却が不足して高温になるので、高温時でも材料強度を維持できる耐熱性の高い合金を使用している。更に、現在の舶用エンジンのようにバナジウムなどが多い燃料を使用する場合は、この排気弁が高温になることによる高温腐食の問題があり、耐腐食性の高い合金を使用している。この高温腐食を抑制するため、燃料中に化学物質を添加する方法が行われる場合もある。

また、従来の頂部排気弁方式では、燃焼により発生した煤などの燃焼残渣物（以下、燃焼残渣物という）を含む燃焼ガスが、その構造上、排気掃気の行程の始めから終わりまで燃焼室付近に存在することになるので、この燃焼残渣物がシリンダー内壁面の潤滑油に付着して残留したり、この燃焼残渣物が、排気弁の閉弁途中の弁通過面積の減少時に弁座付近に付着して残留したりする。その結果、燃焼残渣物中の硫黄成分が空気中の水分と結合し、シリンダー表面などに酸性物資を生成して低温腐食を発生させている。この低温腐食を抑制するため、潤滑油中に中和剤などの化学物質を添加する方法などの対策が、通常的に行われている。

また近年では、主としてエンジン排気ガスの環境問題への対応が有利なことなどより、天然ガスなどを燃料に使用した予混合燃焼方式も使用されているが、この予混合燃焼方式のエンジンでは、前記の燃焼残渣物が、シリンダー１ｂ内で異常な時期に自然発火することにより、シリンダー１ｂ内の天然ガスなどの予混合燃料が過早着火やノッキングの異常燃焼を惹起し、天然ガスなどの予混合燃焼を行うエンジンにおいては、圧縮行程の終段で通常の圧縮温度でも、シリンダー１ｂ内の空気密度の上昇などと相俟って、異常な過早着火やノッキングが発生することがある。その結果、エンジンの運転安定性の低下や、効率の低下を発生させている。

また、従来の頂部排気弁方式では、燃焼残渣物が、特に排気弁の閉弁途中の弁通過面積の減少時に弁座付近に付着堆積して弁機能を阻害したり、この燃焼残渣物の弁座への噛み込みが原因で、いわゆる弁の吹き抜けなどの損傷を発生させるため、整備や修理も頻繁に行うなど運用上の対応も行われている。

特開２０１２−８７７８１ 特開２０１２−１６７６６４

天然ガスなどを燃料とする予混合燃焼方式エンジンでは、拡散燃焼を行う通常のディーゼルエンジンに比べて圧縮比を意図的に低くして、前記の高温部の温度を低下させて、過早着火やノッキングを抑制することで対応している。しかし、圧縮比を下げることは必然的にエンジンの理論効率を下げることになり、燃料消費率が悪化するという問題を生じている。また、この問題を抑制するため、単位シリンダー当たりの出力を制限しなければならず、同一出力のディーゼルエンジンに比べてエンジンが大型になるという問題を生じている。

また、従来の排気弁方式では、排気弁はエンジン稼働中、常時上下に動いているため、排気弁本体の冷却には自ずと限度があり、燃焼室を構成する部品であるピストン、シリンダーライナーおよびシリンダーヘッドの中では排気弁が最も高温になり、排気弁の機械的強度を維持する目的で、高級な耐熱合金を使用するため、経済的な問題を生じている。また、前記の高温腐食や低温腐食を抑制する目的で、ニッケルなどの高級な耐腐食合金を使用するため、経済的な問題を生じている。

また、排気ガスの環境対策やエンジン効率向上対策のため、排気ガスの排出時に排気ガス温度の高低により排気ガスを弁別して、温度の低い排気ガスを過給機に供給しない（バイパスさせる）方式を採用することや、排気ガス環境対策のため、エンジンの内部で排気ガスを還流する方式（＝内部ＥＧＲ）や、エンジン内部で脱硝する方式（＝内部ＳＣＲ）を採用することも有用であるが、従来の頂部排気弁方式エンジンでは、その構造上、この対応が非常に難しい。

また、従来の頂部排気弁方式では、予混合燃焼時に、エンジンの基本的な構造が原因で、天然ガスなどのガス状燃料が、未燃焼の状態のままで大気に放出（メタンスリップ）され、環境に悪影響を与えている。

また、従来の単列１組のシリンダーでは、シリンダー内径が大きく、冷却が不充分になり、特にピストンやシリンダーヘッドなど高温になる部品は、熱分布が不均等になることによる亀裂発生などの問題や、過熱された部分による予混合燃焼させる燃料の異常な過早着火や、ノッキング発生の問題がある。

そこで、本発明は、従来の単列１組のシリンダーを、同じエンジン行程で運転する２組のシリンダーに分割してシリンダー内径を小さくし、また、従来の頂部排気弁方式を、シリンダー頂部に給気弁９を設置する方式（以下、頂部給気弁方式という）に変更して、これらの問題を解決する。即ち、本発明は、シリンダーの頂部に設けた給気弁９より、２組に分割した両シリンダー１ｂの上部から下部の、従来とは逆の方向に燃焼ガスや給気を流し、燃焼ガスは、シリンダー１ｂの下部に設置した排気孔８ａから、シリンダー１ｂの外部に排出するエンジン構造とすることで、これらの問題を解決する。

本発明は、従来、燃焼中はもとより、排気掃気の行程中の終始に亘り、温度の高い燃焼ガスに晒されていた従来の排気弁に代えて給気弁９を装置することにより、排気掃気の行程の開始と同時に、温度の低い給気（一般には摂氏４０度程度の空気）が給気弁９を流れ給気弁９自体を冷却できるので、給気弁９の最高表面温度を、従来の排気弁のそれ（一般に舶用大型ディーゼルエンジンでは約摂氏７００度）に比べて低い、概ね摂氏４５０度程度まで低下できる。この結果、給気弁９の最高表面温度を、天然ガスの自発火温度を下回る温度に常時維持できるので、天然ガスを予混合燃焼する方式のエンジンにおいては、過早着火やノッキングの問題を、抑制あるいは回避できる。また、このことは、当然ある範囲で現状以上に圧縮比を増加させることが可能なことを意味しており、エンジン効率の向上も可能となるし、単シリンダー当たりのエンジン出力も増加可能となる。

また、本発明は、排気掃気の行程の開始と同時に、この給気弁９から供給する給気により、燃焼室付近に滞留している燃焼残渣物を含む燃焼ガスを速やかに給気と置換して、この燃焼ガス等を、シリンダー１ｂの下部にある排気孔８ａの方向に流して、シリンダー１ｂの外部に排出する。この結果、燃焼室内は、この給気により冷却されて各部位の温度が低下し、また、異常な自然発火の原因（火種）となる燃焼残渣物も燃焼室付近から除去されるので、過早着火やノッキングを抑制あるいは回避できる。

また、本発明により、給気弁９の最高表面温度を、概ね摂氏４５０度程度に下げることが可能となるので、給気弁９の材質に高級な耐熱合金を使用することを回避できる。また、この温度低下により、高温腐食を抑制あるいは回避できるので、高級な耐腐食合金の使用を回避できる。

また、本発明は、燃焼完了後速やかに、燃焼で発生した燃焼ガスや燃焼残渣物を、給気弁９から供給する空気により置換し、迅速に排気ガスとしてシリンダーの外部に排出できるので、この燃焼ガス中に含まれている硫黄成分が、燃焼室付近で結露して発生する低温腐食を抑制あるいは回避できる。

また、本発明は、給気弁９の開閉時期と同期して、排気孔８ａが全て閉口した後に、予混合燃料供給弁１５ｂより、予混合燃料をシリンダー１ｂ内に供給できるので、従来の頂部排気弁方式の予混合燃焼方式時において発生していた燃料供給時に未燃焼の燃料ガスが大気に漏洩（メタンスリップ）することを、抑制あるいは回避できる。また同時に本発明は、エンジンの構造上避けがたいところの、シリンダー１ｂと、ピストンリング２ｃと、ピストン２ａに囲まれた空間に滞留する未燃焼のガス状燃料（例：天然ガス）を、排気行程でピストン２ａの上端が排気孔８ａの上面を開口した時に、シリンダー１ｂ内から高温の排気ガスが噴出し、ここに滞留している未燃焼のガス状燃料をこの高温の排気ガスで吹き飛ばして燃焼させるので、未燃焼のガス状燃料が、大気へ漏洩（メタンスリップ）することを抑制あるいは回避できる。

また、本発明では、空間的に余裕のあるシリンダー１ｂの下部に排気孔８ａを設けるので、設計の自由度が増加し、排気ガスの温度による弁別回収が行い易くなる。

また、本発明により、単列１組のシリンダーを、２組のシリンダー群に分割できるので、シリンダー１個の場合に比べて、シリンダー内径を約３０パーセント小さくできるので、特に燃焼室を構成するピストンなどの温度分布の均等化が行い易くなり、熱応力の不均等による部品の損傷を抑制あるいは回避できる。また、効果的な冷却が行えるので、予混合燃焼の異常な過早着火やノッキングの発生を抑制あるいは回避できる。

実施形態を示すエンジン構造の断面図を示す。 実施形態を示すエンジン構造の平面図を示す。なお、フライホール５ｇ側のシリンダーのみ、説明の便宜上、内部構造の一部を記載してあるが、全シリンダーとも基本的に同じ構造である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。

図１に、この構造の断面的な概念を示す。Ａ列とＢ列の２組のシリンダーの両ピストン２ａを、同じエンジン行程で運転し、両ピストン２ａの往復動を、共用する１組のクロスヘッド３を介して、コネクティングロッド４に伝達し、クランクアーム５ａを介して、クランク軸５ｂに回転力を与える基本構造である。

シリンダーエリア１ｘと、クランクエリア５ｘは、Ａ列とＢ列の両ピストンロッド気密装置２ｅにより隔離されている。クロスヘッド３の両端にはスラストシュー３ｂが設けられており、エンジン架台６に固定されたスラストガイド３ａ上を摺動して、コネクティングロッド４により発生する横方向スラストを受ける。１組のクロスヘッド３は、１組のコネクティングロッド４に連結されていて、１組のクランクアーム５ａを介して、１本のクランク軸５ｂに回転力を与える。クランク軸５ｂの回転方向は右回転でも左回転でもよい。

エンジンの頂部に給気ダクト７を装置する。この給気ダクト７の内部には予混合燃料供給弁１５ｂと給気弁９を、それぞれ１個以上、そのエンジンに必要な個数を設置する。これらの弁は、物理的に可能であれば、燃焼室連結器１ｃ上に集約して設置してもよいし、Ａ列またはＢ列のシリンダーにそれぞれ、あるいはいずれかのシリンダーに集約して設置してもよい。

Ａ列とＢ列のシリンダー１ｂの両燃焼室を、燃焼室連結器１ｃで連結すれば、この両燃焼室と燃焼室連結器１ｃを、１個の燃焼室と看做して使用できる。予混合燃焼させる燃料（例：天然ガス）は、給気ダクト７に設置した予混合燃料供給弁１５ｂから給気弁９を経て、燃焼室連結器１ｃ内および両シリンダー１ｂ内に供給される。拡散燃焼させる燃料（例：石油燃料）は、拡散燃料噴射弁１４ｂより燃焼室内に噴射する。予混合燃料の着火は、独自の適当な着火装置を備えることもできるし、この拡散燃料の自発火炎をパイロット炎として使用することもできる。

拡散燃料の噴射は、Ａ列とＢ列の両燃焼室および燃焼室連結器１ｃを１個の燃焼室と看做して、シリンダー頂面に水平な方向に噴射できるので、従来の単列１組のシリンダーの場合に比べて、燃料の噴霧範囲が広くなり、燃焼改善に寄与できる。なお、ピストン頂面の水平な方向に噴射される拡散燃焼する燃料の噴射圧力、噴射角度、噴射流長さ等は、燃料の性状などに応じて自由に選択できる。

また、このピストン頂面に水平な方向に拡散燃料を噴射することにより、ピストン頂部に従来のような深い凹み部を設ける必要が無くなるので、ピストンの熱分布改善に寄与できる。また、従来発生していたこの凹み部に燃焼残渣物が堆積するのを改善できるので、燃焼残渣物の異常な自然発火などを改善でき、予混合燃料の過早着火やノッキングの抑制や回避に寄与できる。

クロスヘッド３には、テレスコピック型潤滑油供給装置２ｆを装置している。外部に設置した潤滑油ポンプより当該装置２ｆに供給されたピストン冷却用潤滑油は、クロスヘッド３の内部の油穴から、両ピストンロッド２ｄ内の油穴を経由して、ピストン２ａの内部に供給される。ピストン２ａを冷却した潤滑油は、ピストンロッドの戻り油穴から、クランクエリア５ｘに戻る。テレスコピック方式に代えて、スイングレバー方式も採用できる。

図２に、この構造の平面的な概念を示す。この図では、例示的にＡ列４シリンダーと、Ｂ列４シリンダーの、合計８シリンダーのエンジンの場合を示しているが、２シリンダー単位で、シリンダー総数は自由に選択できる。また、この図では、カム軸駆動装置５ｉを設置する場合を示しており、クランク軸５ｂの中央部からカム軸駆動動力を取り出しているが、カム軸駆動動力の取り出しは、フライホイール５ｇ側でも、または、フライホイール５ｇの反対側でも自由に選択できるのは、従来のエンジンと同様である。

１ｂ シリンダー
１ｃ 燃焼室連結器
１ｘ シリンダーエリア
２ａ ピストン
２ｃ ピストンリング
２ｄ ピストンロッド
２ｅ ピストンロッド気密装置
２ｆ テレスコピック式潤滑油供給装置
３ａ スラストガイド
３ｂ スラストシュー
３ｃ クロスヘッドピン
４ コネクティングロッド
５ａ クランクアーム
５ｂ クランク軸
５ｃ クランクピン
５ｉ カム軸駆動装置
５ｘ クランクエリア
６ エンジン架台
７ 給気ダクト
８ 排気ダクト
８ｍ 排気集合管
１４ｂ 拡散燃料供給弁
１５ｂ 予混合燃料供給弁

Claims (3)

1. 同じエンジン行程で運転される２組のシリンダー（以下、Ａ列、Ｂ列と称する）の両ピストン２ａを、共用する１組のクロスヘッド３に連結し、１組のコネクティングロッド４を介して、１本のクランク軸５ｂに伝達する構造と、このエンジンの上部に、燃料の燃焼のための空気と燃焼ガスを排出するための空気（以下、これらを総称して給気という）を供給する給気弁９と、Ａ列およびＢ列の両シリンダー１ｂの下部に、燃料の燃焼で発生した燃焼ガスや燃焼残渣物を、シリンダーの外部に排出する排気孔８ａと、を備えることを特徴とするエンジン。
2. 前記のエンジンにおいて、Ａ列とＢ列のシリンダー１ｂの両燃焼室を、燃焼室連結器１ｃにより連結し、この両燃焼室および燃焼室連結器１ｃを、１個の燃焼室と看做して拡散燃焼させる燃料、および／または、予混合燃焼させる燃料を、シリンダー１ｂ内に供給することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
3. 前記の拡散燃焼させる燃料を、Ａ列シリンダー１ｂ内、および／または、Ｂ列シリンダー１ｂ内に噴射する場合において、その燃料をピストン頂面に水平な方向に噴射することを特徴とする請求項１および請求項２に記載のエンジン。