JP4510126B2 - 大型２サイクルディーゼルエンジンのための排気バルブ、このようなエンジンにおけるＮＯｘ形成削減のためのプロセス、及びこのようなエンジン - Google Patents

Description

本発明は、第１の発想によれば、大型の２サイクルディーゼルエンジン（ｔｗｏ ｓｔｒｏｋｅ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ）のための排気バルブに関し、さらなる発想によれば、このような大型の２サイクルディーゼルエンジンにおけるＮＯｘ形成の削減のためのプロセスに関し、またさらなる発想によれば、このような大型の２サイクルディーゼルエンジンに関する。

燃焼温度のピーク及びこれに伴うＮＯｘの生成は、燃焼したガスが燃焼室の新しい充気に加えられる際に減少させることができる、ということが一般的に知られている。この目的のために、排気ガスの一部を再循環することが既に提案されてきた（特許文献１）。しかし、排気ガスだけでなく掃気もまた排気管に達し、排気ガスが掃気で希釈され、再循環された排気ガスを高酸素濃度にし、よって高いＮＯｘ形成を引き起こす危険がある。さらにこれに伴う実質的な欠点は、高価で複雑な再循環装置が必要とさること、及びこのような装置がエンジンの近傍の入手し難い空間を占有してしまうことである。

特許文献２は、排気バルブによって制御される排気開口部を有する２サイクルのディーゼルエンジンについて記載している。この排気バルブの下面は凹面とされており、リムによって仕切られた対称的な空洞を形成している。この理由は、燃料供給チューブと射出ノズルとが排気バルブの中に一体化されることである。ＮＯｘの削減のために排気バルブの下面の凹部のリム領域内のネストの方法で燃焼ガスを保存することは記載されていない。排気バルブの下面の空洞の寸法に対しても同様である。

独国特許第１０１１６６４３号明細書 英国特許第２２２７０５５号明細書

この従来技術から始めて、ＮＯｘの形成の削減に好適な、改良された排気バルブを作ることが本発明の目的である。

本発明のさらなる目的は、ＮＯｘの形成の削減のための改良されたプロセスを作ることである。

本発明のさらなる目的は、改良された大型の２サイクルディーゼルエンジンを設計することである。

第１の目的は、請求項１による排気バルブによって解決される。

第２の目的は、請求項９によるプロセスによって解決される。

さらなる目的は、請求項１４によるディーゼルエンジンによって解決される。

この教示によって、次の燃焼のための空気に添加されるべき燃焼ガスの適正な量が、燃焼室と同軸に配置された排気開口部を制御する排気バルブの下面のリム領域中に設けられた排気ガスのネストの方法で燃焼室中に保存される。燃焼室中に保持される燃焼ガスは、新鮮な空気によって希釈されないので、酸素濃度が非常に低い。したがって、保持されたガスの少ない量だけでＮＯｘ排出の効果的な削減及び排気バルブ材料における好ましい温度分布のためには十分である。前記空洞のさらなる手段は排気バルブの質量であり、よってこの燃焼室内のガスへの熱伝導は削減される。

付加された着想の有益な発展形と有利な実施形態とが従属請求項に記載されている。

以下に、図面に示された本発明の実用的な例が記載される。

（本発明のタイプの）大型の２サイクルディーゼルエンジンの縦断面図である。 本発明による開状態の排気バルブを有する、図１の１つのシリンダーの上部領域の図である。 閉状態の排気バルブを有する図２の構成の図である。 図３におけるＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。

図１に示されるようなタイプのディーゼルエンジンは、通常船の推進又は大きな固定式発電装置に使用される。この明細書及び特許請求の範囲における、上、下、横などの用語は、垂直なシリンダー軸を有する縦型のエンジンの図１に示されるようなピストン、シリンダー、燃焼室、及び排気バルブの本質的に相対的な位置を意味している。他の方向の用語は状況に応じて解釈されるべきである。

図１に示されるディーゼルエンジンは、クロスヘッドタイプの大型２サイクルディーゼルエンジンである。１つのこのようなエンジンに対しては通常、より多くのシリンダーが、一列のＩ字型配列としてもうけられていることが多く、他の配列、例えばＶ字型、Ｘ字型、Ｙ字型配列などもまた知られている。これらシリンダー２のうちの１つは、図１の断面図に見ることができる。シリンダー２のそれぞれは燃焼室３を含み、この燃焼室３の下方は往復運動するピストン（組立体）４によって仕切られており、このピストン（組立体）４によって燃焼室の容積を増加／減少させることができる。

ピストン組立体４は、ピストンロッド６を介してクロスヘッド組立体５に接続されている。クロスヘッド組立体５は、ここでは簡単にクロスヘッドピン７と呼ばれる、既知のタイプの弧を描いて振動するベアリング構造を備える。ピストンロッド６はピストン組立体及びクロスヘッド組立体５に固定されている。クロスヘッド組立体５は、接続ロッド９によってクランクシャフト８に接続され、接続ロッド９は、その一端を弧を描いて振動できるようにクロスヘッドピン７に接続され、多端を当業では既知であるようにクランクシャフトのピンに接続されている。

シリンダー２は下部領域に空気取り入れスロット１０を設けられている。空気取り入れスロット１０は、往復運動するピストン４によって燃焼チャンバーに対して開閉する。空気取り入れスロット１０が開口している場合には空気取り入れスロットを通じて、空気を燃焼室３の中にその掃気と充気のために供給することができる。この明細書及び特許請求の範囲の全体を通じて、ここではまた、大気からの通常の空気以上に“空気”は、このような空気が例えば燃焼チャンバー中に供給される“空気”の全体的な酸素濃度を制御するように混入された他のガス状成分を有することができる。シリンダー２の上部領域において、燃料噴射バルブ１１は、ピストン４が上死点の領域にある場合に、燃焼室３中への燃料の噴射のために配置される。

噴射された燃料の燃焼は、ピストン４の下方への動きを生じさせている。その後、燃焼ガスは、燃焼室３の上端部に、好ましくは同軸に配置された排気開口部１２を通じて排気される。この排気された燃焼ガスは通常は排気ガスと呼ばれている。排気開口部１２は、割り当てられた排気バルブ１３によって制御されている。排気バルブ１３は、ビルトバルブ（ｂｕｉｌｔ ｖａｌｖｅ）又は一体成形バルブとして設計することができる。いずれの場合においても、排気バルブはバルブシャフト１４とこのバルブシャフト１４の下方端に配置されたバルブディスク１５とを有している。大型の２サイクルディーゼルエンジン５の場合には、バルブディスク１５の直径は少なくとも１００ｍｍとするべきである。また、例えば１６０〜２００ｍｍ若しくはさらに大きな直径も可能である。バルブディスク１５の上方のバルブシャフト１４の下方端の領域には、図２にのみ示されているように、排気ガスを通過させることによって排気バルブ１３を回転するために、プロペラブレード１６を設けることができ、図２ではプロペラブレードはその通常の“ねじれ”無しで示されている。

ピストン４の１回の完全な上昇及び完全な下降が成すクランクシャフト８の３６０°の回転は、１回の動作サイクルを形成する。動作サイクルのそれぞれの間に、燃焼室３の充填物の圧縮と、燃料の噴射と、噴射された燃料の燃焼、及び燃焼室３の充気と、排気バルブ１３の解放及び燃焼ガス（いわゆる排気ガス）の排気と、空気取り入れスロット１０の開閉とが行われ、よって燃焼室３は掃気され新しい空気で充気される。空気取り入れスロット１０は、燃焼室３中に供給される空気が燃焼室３の中心軸の周りに回転するように傾斜されていてもよい。

燃焼室３の掃気の間、燃焼ガスの幾分かは燃焼室３中に保持される。燃焼室３中に保持されるこの燃焼ガスは低酸素濃度を有し、最高燃焼温度の低下を引き起こし、したがってＮＯｘの生成レベルの削減を生じさせる。このように、ディーゼルエンジン１のＮＯｘ排出は削減することができる。また、排気バルブ材料及び特にそのバルブディスク１５における温度分布は、このように改良することができる。

このために、バルブディスク１３の下面には、図２及び３に示されているように、回転対称な浅い凹面１７が設けられている。この回転対称な凹面１７はキャビティ１８につながり、このキャビティ１８は、バルブディスクのリム領域によって周上に仕切られ、燃焼室３に向かって開口している。

このキャビティ１８の機能は、排気バルブ１３が図２に示されているように開とされる場合に、燃焼ガスの保持のための鉢状の収集室を作ることである。ピストン４の圧縮動作の間に収集され保持された燃焼ガスは、排気バルブ１３の下面の下側において、鉢状の収集室の内部と外部とにまたがって燃焼ガスのネスト１９を作ることができる。ピストン４の上側には、排気バルブ１３の下面の凹部に対向して回転対称状態に凹面２０が設けられている。これは、図３からわかるように、上述のネストの形成を支援する。

燃料噴射バルブ１１の動作中、燃料は少なくとも部分的に、図３及び４の噴射線２１によって示されているように燃焼ガスのネスト１９の中に、鉢状の収集室の内部と外部とに噴射される。噴射方向は半径方向に対して傾斜しており、よって殆どの燃料は図４の矢印２２に従って回転している新鮮な空気の中に噴射され、少量の部分が保持された燃焼ガスのネスト１９に衝突する。この燃焼ガスは低酸素濃度であるので、燃焼は妨げられ、よって燃焼温度のピークは低下しＮＯｘの形成は減少する。

排気バルブ１３の下面の凹面１７は、図２に示されているように、仮想の直接的支持平面２３に対する上昇の最大がバルブディスク１５の外径の２％〜１０％の範囲内にあるように設計されており、バルブディスク１５の外径の２％〜１０％の範囲は、上述のように１００ｍｍ〜１６０ｍｍ若しくはそれより大きくすることができる。好ましくはこの範囲はバルブディスク１５の外径の５％〜７％であり、よりこのましくは６％〜６．５％である。凹面１７の上昇のこの寸法取りによって、保存される燃焼ガスの容積は十分となる。鉢状のキャビティ１８はさらに、その容積が燃焼室３の最も小さくなった状態の容積の０．５％〜３％の範囲内であるように設計され、燃焼室３の容積が最も小さい状態は、ピストン４が上死点に達した場合である。好ましくはこの範囲は燃焼室３の最小の容量の１％〜２％の範囲であり、より好ましくは１．６％〜１・７％の範囲である。

キャビティ１８の容積は燃焼室３の全容積の増大につながる場合がある。このような増大を回避するために、補償手段が設けられる。望ましい補償を達成するために、ピストン４の最上レベルは凹部を有しないピストンを有する構造と同等に上昇させることができる。これは、ピストン４の上面に対応する厚みの頂層を設けることによって行うことができる。好ましい他の可能な形態によれば、対応する厚みのシム層をピストン組立体４に割り当てられた２つの支持領域の間に挿入することができる。図１に示された好ましい実施形態においては、シム層２４はピストンロッド６とクロスヘッドピン７とのそれぞれの相互の支持領域の間に挿入されているように示されている。

上述においては、本発明の好ましい実施形態が説明された。しかし、本発明はこれに限定されるわけではない。例えば、バルブディスクの下面に保護層を設けることも考えられる。本発明の保護範囲は添付の特許請求の範囲に特定される。

２・・・シリンダー
３・・・燃焼室
４・・・ピストン
５・・・クロスヘッド組立体
６・・・ピストンロッド
７・・・クロスヘッドピン
８・・・クランクシャフト
９・・・接続ロッド
１０・・・空気取り入れスロット
１１・・・燃料噴射バルブ
１２・・・排気開口部
１３・・・排気バルブ
１４・・・バルブシャフト
１５・・・バルブディスク
１６・・・プロペラブレード
１８・・・キャビティ
１９・・・ネスト
２４・・・シム
２３・・・仮想の支持平面

Claims (23)

1. ２サイクルタイプの大型のディーゼルエンジンの排気開口部（１２）を制御するために設計され、バルブシャフト（１４）の下端に配置されたバルブディスク（１５）を有し、燃焼室（３）に面する前記バルブディスク（１５）の下面には、連続した同一平面からなる内壁を形成している状態で回転対称なキャビティ（１８）として設計された鉢状部が設けられ、前記キャビティは周状に仕切られているとともに下方に向かって開口している排気バルブにおいて、
   前記鉢状部の下側であって鉢状部の内部及び外部にまたがって燃焼ガスのネストが形成され、該ネスト中の前記鉢状部の内部及び外部に燃料の少なくとも一部分が噴射され、
   燃焼ガスの保持のために、前記バルブディスク（１５）を直接的に支持する仮想の平面（２３）に対する、凹状に形成された前記バルブディスク（１５）の下面の最大の上昇が、前記バルブディスク（１５）の外径の２〜１０％の範囲内にあることを特徴とする排気バルブ。
2. 前記バルブディスク（１５）を直接的に支持する前記仮想の平面（２３）に対する、前記凹状に形成されたバルブディスク（１５）の下面の最大の上昇が、前記バルブディスク（１５）の外径の５〜７％の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の排気バルブ。
3. 前記バルブディスク（１５）を直接的に支持する前記仮想の平面（２３）に対する、前記凹状に形成されたバルブディスク（１５）の下面の最大の上昇が、前記バルブディスク（１５）の外径の６〜６．５％の範囲内にあることを特徴とする請求項２に記載の排気バルブ。
4. 前記排気バルブ（１３）の前記バルブディスク（１５）の外径が少なくとも１００ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気バルブ。
5. 前記排気バルブ（１３）の前記バルブディスク（１５）の外径が少なくとも１６０ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載の排気バルブ。
6. 燃焼ガスの保持のために前記鉢状部として設計された前記キャビティ（１８）を有する前記バルブディスク（１５）には、前記バルブディスクの下面に保護層が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気バルブ。
7. 前記排気バルブはビルトバルブとして設計され、前記バルブディスク（１５）は前記バルブシャフト（１４）に取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気バルブ。
8. 前記バルブシャフト（１４）にはプロペラブレードが設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気バルブ。
9. ２サイクルタイプの大型のディーゼルエンジン（１）におけるＮＯｘの形成の削減のためのプロセスであって、
   前記ディーゼルエンジンは少なくとも１つの燃焼室（３）を有し、該燃焼室は中に同軸に配置された排気開口部（１２）を有するとともに、請求項１〜８のいずれか一項に記載の排気バルブ（１３）によって制御され、前記燃焼室（３）では、動作サイクルのそれぞれにおいて、燃料の噴射と、燃料の燃焼と、燃焼ガスの排出と、前記燃焼室（３）の掃気、新鮮な空気による充気、及び充填物の圧縮と、が行われ、前回燃焼ガスの幾分かが今回燃焼の前に空気に添加され、前記空気に添加された燃焼ガスは、前記排気バルブ（３）の下面に凹状に形成されたリム領域に設けられた燃焼ガスのネスト（１９）を形成するという方法によって前記燃焼室（３）中に保持される、プロセス。
10. 前記燃焼室（３）に供給される新鮮な空気は、前記燃焼室の中心軸の周りに回転されることを特徴とする請求項９に記載のプロセス。
11. 燃料の噴射において、燃料は少なくとも部分的に前記排気バルブ（３）の下面に設けられた燃焼ガスの前記ネスト（１９）の外側から前記ネストの中に噴射されることを特徴とする請求項９又は１０に記載のプロセス。
12. 前記排気バルブ（３）は、完全に閉じられた位置に無い間は、前記排気バルブの軸の周りに回転させられることを特徴とする請求項９又は１０に記載のプロセス。
13. 殆どの燃料は前記新鮮な空気の中に噴射されることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のプロセス。
14. 往復運動するピストン（４）によって仕切られた燃焼室（３）を有する２サイクルタイプの大型ディーゼルエンジンであって、少なくとも１つの請求項１〜８のいずれか一項に記載の排気バルブ（１３）を有することを特徴とする大型ディーゼルエンジン。
15. 別様に付加された燃焼室（３）の、前記バルブディスク（１５）の下面の前記キャビティ（１８）によって生じた容積は、凹状のバルブディスクを有さない構成に比べて、前記ピストン（４）の上面のレベルを上昇させることによって補償されることを特徴とする請求項１４に記載の大型ディーゼルエンジン。
16. 前記ピストンの上面の上昇を補償するために、シム層（２４）が前記ピストン組立体（４）に割り当てられた２つの支持領域の間に設けられていることを特徴とする請求項１５に記載の大型ディーゼルエンジン。
17. クロスヘッドのピンは、前記クロスヘッド（５）構造体に支持されたピストンロッド（６）を介して前記ピストン組立体（４）に接続されており、シム層（２４）は前記クロスヘッドピン（７）と前記ピストンロッド（６）との間に挿入されていることを特徴とする前記クロスヘッドを有する請求項１５に記載の大型ディーゼルエンジン。
18. 前記バルブディスク（１５）の下面の前記キャビティ（１８）の容積は、前記ピストン（４）が上死点に達したときに、前記燃焼室（３）の容積の０．５〜３．０％の範囲内にあることを特徴とする、前記クロスヘッドを有する請求項１４又は１５に記載の大型ディーゼルエンジン。
19. 前記バルブディスク（１５）の下面の前記キャビティ（１８）の容積は、前記ピストン（４）が上死点に達したときに、前記燃焼室（３）の容積の１〜２％の範囲内にあることを特徴とする前記クロスヘッドを有する請求項１８に記載の大型ディーゼルエンジン。
20. 前記バルブディスク（１５）の下面の前記キャビティ（１８）の容積は、前記ピストン（４）が上死点に達したときに、前記燃焼室（３）の容積の１．６〜１．７％の範囲内にあることを特徴とする前記クロスヘッドを有する請求項１９に記載の大型ディーゼルエンジン。
21. 前記ピストン（４）は、前記排気バルブ（１３）の凹状の下面（１７）に対向する凹状の上側（２０）を有することを特徴とする前記クロスヘッドを有する請求項１４又は１５に記載の大型ディーゼルエンジン。
22. 前記燃焼室（３）において、燃料噴射バルブ（１１）は、前記排気バルブ（１３）の凹状の下面（１７）の外に配置されていることを特徴とする前記クロスヘッドを有する請求項１９に記載の大型ディーゼルエンジン。
23. 前記燃焼室のシリンダーのうちの少なくとも１つが請求項９に記載のプロセスによって操作される燃焼室を有することを特徴とする前記クロスヘッドを有する請求項１９に記載の大型ディーゼルエンジン。

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