JP5780033B2 - ２サイクルエンジンおよび燃料噴射制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダ内部に燃料を直接噴射するユニフロー型の２サイクルエンジンおよび燃料噴射制御方法に関する。

船舶の機関としても用いられる２サイクルエンジン（２ストロークエンジン）は、吸気、圧縮、燃焼、排気といった４つの連続する行程を、シリンダ内部におけるピストン１往復の行程で完了するレシプロエンジンである。例えば、高圧噴射によって燃料油と燃料ガスとを並行して供給するディーゼル型のガスエンジンでは、上死点近傍で燃料ガスおよび燃料を噴射することで、圧縮行程における所望の時点で燃焼ガスを確実に着火させると共に、燃料ガスをシリンダ内で確実に燃焼させて排気系統で燃焼が生じるのを回避している（例えば、特許文献１）。

このような高圧噴射によるガスエンジンでは、圧縮行程でシリンダ内の空気を圧縮し、その高圧の空気に燃料ガスを直接噴射することで燃焼を誘発している。かかる高圧噴射では、掃気ポートおよび排気ポートが閉塞された状態で、燃焼室内に燃料ガスが噴射されるので、燃料ガスの吹き抜けを防ぐことができる。

特許第３４３２０９８号

上述したような高圧噴射によるガスエンジンでは、排気ガスの排気を完了した後に排気ポートを閉塞し、圧縮行程後半で燃料ガスを噴射することで、燃料ガスの着火タイミングを制御することが可能となる。しかし、圧縮行程後半では、燃焼室内圧力が高圧になっているので、燃料ガスを燃焼室内に供給するため、より高い圧力で燃料ガスを噴射しなければならず、そのための高出力の昇圧装置が必要である。

そこで、本願発明者は、圧縮行程の初期段階であるシリンダ内の圧力が比較的低い間に、掃気ポートから吸入された酸化作用のある活性ガスに対して、高い圧力をかけずに燃料ガスを直接噴射する低圧噴射の２サイクルエンジンを検討している。かかる低圧噴射の２サイクルエンジンでは、シリンダ内に排気ガスが未だ存在する状態で、掃気ポートから吸入された活性ガスにのみ燃料ガスを噴射する構造とするため、シリンダ内の比較的下方の内周面に燃料噴射弁（燃料噴射ポート）が設けられている。また、シリンダ内に燃料ガスを満遍なく噴射すべく、燃料噴射弁は、シリンダ内略周方向に間隔を空けて複数設けられる。

低圧噴射の２サイクルエンジンでは、このような複数の燃料噴射弁から燃料ガスを一度に噴射することによって活性ガスの雰囲気中に燃料ガスを一様に散布し、さらに、活性ガスのスワール流に乗せてシリンダ内で流動させる。しかし、船舶等に用いられる大型の２サイクルエンジンでは、シリンダも大きく、掃気ポートから吸入された活性ガスに対して燃料ガスの比率が低くなる。このとき、エンジン負荷の低下に伴って燃料ガスの噴射量が少なくなるように制御されると、一様に散布された燃料ガスの濃度が可燃限界を下回り、所望する燃焼特性を得られないおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑み、燃料ガスの噴射量が少ない場合であっても、エンジンの安定した燃焼特性を得ることが可能な、２サイクルエンジンおよび燃料噴射制御方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の２サイクルエンジンは、シリンダと、シリンダ内を摺動するピストンと、シリンダのストローク方向一端部に設けられ、シリンダ内で生じた排気ガスを排気するために開閉される排気ポートと、シリンダのストローク方向他端部側の内周面に設けられ、ピストンの摺動動作に応じてシリンダ内に活性ガスを吸入する掃気ポートと、シリンダの内周面に設けられた複数の燃料噴射ポートと、燃料噴射ポートにおいて燃料ガスを噴射する複数の燃料噴射弁と、複数の燃料噴射弁における燃焼ガスの噴射タイミングを制御する燃料噴射制御部とを備え、複数の燃料噴射ポートは、シリンダの周方向およびストローク方向に変位しつつ、活性ガスがシリンダ内を流動する方向に配列され、燃料噴射制御部は、複数の燃料噴射ポート間の距離と活性ガスの流速に基づいて定まる時間間隔を空けて、複数の燃料噴射弁に燃料ガスを順次噴射させることを特徴とする。

燃料噴射制御部は、複数の燃料噴射弁のうち、燃料噴射弁とシリンダ内周の中心との結線がシリンダ内周の中心角を等分する位置にある複数の燃料噴射弁が同タイミングで燃料ガスを噴射するように制御してもよい。

上記課題を解決するために、シリンダと、シリンダ内を摺動するピストンと、シリンダのストローク方向一端部に設けられ、シリンダ内で生じた排気ガスを排気するために開閉される排気ポートと、シリンダのストローク方向他端部側の内周面に設けられ、ピストンの摺動動作に応じてシリンダ内に活性ガスを吸入する掃気ポートと、シリンダの内周面に設けられ、シリンダの周方向およびストローク方向に変位しつつ、活性ガスがシリンダ内を流動する方向に配列された複数の燃料噴射ポートと、燃料噴射ポートにおいて燃料ガスを噴射する複数の燃料噴射弁とを備えた２サイクルエンジンにおいて燃料ガスの噴射を制御する、本発明の燃料噴射制御方法は、複数の燃料噴射ポート間の距離と活性ガスの流速に基づいて定まる時間間隔を空けて、複数の燃料噴射弁に燃料ガスを順次噴射させることを特徴とする。

エンジン負荷を検出し、エンジン負荷が予め定められた閾値以上であれば、複数の燃料噴射弁に、エンジン負荷に応じた噴射量の燃料ガスを同タイミングで噴射させ、エンジン負荷が閾値未満であれば、複数の燃料噴射ポート間の距離と活性ガスの流速に基づいて定まる時間間隔を空けて、複数の燃料噴射弁に、エンジン負荷に応じた噴射量の燃料ガスを順次噴射させてもよい。

本発明の２サイクルエンジンによれば、燃料ガスの噴射量が少ない場合であっても、エンジンの安定した燃焼特性を得ることが可能となる。

２サイクルエンジンの全体構成を示した説明図である。 ２サイクルエンジンの各制御部の動作を説明するための説明図である。 燃料噴射弁の配置例を示した説明図である。 燃料噴射制御部の噴射タイミングの制御例を示した説明図である。 燃料噴射ポートの配置例を示した説明図である。 燃料噴射弁の燃料ガスの噴射タイミングを例示したタイミングチャートである。 燃料噴射弁の燃料ガスの噴射タイミングを例示したタイミングチャートである。 燃料噴射弁の燃料ガスの噴射タイミングを例示したタイミングチャートである。 燃料噴射弁の燃料ガスの噴射タイミングを例示したタイミングチャートである。 エンジン負荷と燃料噴射弁の噴射期間との対応関係を示した説明図である。 燃料噴射弁の燃料ガスの噴射タイミングを例示したタイミングチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（２サイクルエンジン１００）
図１は、２サイクルエンジン１００の全体構成を示した説明図である。本実施形態の２サイクルエンジン１００は、ユニフロー型で形成され、例えば、船舶等に用いられる。具体的に、２サイクルエンジン１００は、シリンダ１１０（シリンダヘッド１１０ａ、シリンダブロック１１０ｂ）と、ピストン１１２と、パイロット噴射弁１１４と、排気ポート１１６と、排気弁駆動装置１１８と、排気弁１２０と、掃気ポート１２２と、掃気室１２４と、燃料噴射ポート１２６と、燃料噴射弁１２８と、ロータリエンコーダ１３０とを含んで構成され、ガバナー（調速機）１５０、燃料噴射制御部１５２、排気制御部１５４等の制御部によって制御される。

２サイクルエンジン１００では、吸気、圧縮、燃焼、排気といった４つの連続する行程を通じて、不図示のクロスヘッドに連結されたピストン１１２がシリンダ１１０内を摺動自在に往復移動する。このようなクロスヘッド型のピストン１１２では、シリンダ１１０内でのストロークを比較的長く形成することができ、ピストン１１２に作用する側圧をクロスヘッドに受けさせることが可能なので、２サイクルエンジン１００の高出力化を図ることができる。さらに、シリンダ１１０とクロスヘッドが収まる不図示のクランク室とが隔離されるので、低質燃料油を用いる場合においても汚損劣化を防止することができる。

パイロット噴射弁１１４は、シリンダ１１０のストローク方向一端部である、ピストン１１２の上死点より上方のシリンダヘッド１１０ａに設けられ、エンジンサイクルにおける所望の時点で適量の燃料油を噴射する。かかる燃料油は、シリンダヘッド１１０ａと、シリンダブロック１１０ｂにおけるシリンダライナと、ピストン１１２とに包囲された燃焼室１４０の熱で自然着火し、僅かな時間で燃焼して、燃焼室１４０の温度を極めて高くするので燃焼ガスを含む予混合気を所望のタイミングで確実に燃焼することができる。

排気ポート１１６は、シリンダ１１０のストローク方向一端部である、ピストン１１２の上死点より上方のシリンダヘッド１１０ａの頂部に設けられた開口部であり、シリンダ１１０内で生じた燃焼後の排気ガスを排気するために開閉される。排気弁駆動装置１１８は、所定のタイミングで排気弁１２０を上下に摺動させ、排気ポート１１６を開閉する。このようにして排気ポート１１６を介して排気された排気ガスは、例えば、不図示の過給機のタービン側に供給された後、外部に排気される。

掃気ポート１２２は、シリンダブロック１１０ｂのストローク方向の、排気ポート１１６の設けられた一端部に対する他端部側の内周面に設けられた開口部であり、ピストン１１２の摺動動作に応じてシリンダ１１０内に活性ガスを吸入する。かかる活性ガスは、酸素、オゾン等の酸化剤、または、その混合気（例えば空気）を含む。掃気室１２４には、不図示の過給機のコンプレッサによって加圧された活性ガス（例えば空気）が封入されており、掃気室１２４とシリンダ１１０内の差圧をもって掃気ポート１２２から活性ガスが吸入される。掃気室１２４の圧力は、ほぼ一定とすることができるが、掃気室１２４の圧力が変化する場合には、掃気ポート１２２に圧力計を設け、その計測値に応じて燃料ガスの噴射量等、他のパラメータを制御してもよい。

燃料噴射ポート１２６は、シリンダ１１０内周面の中腹部（排気ポート１１６と掃気ポート１２２との間）において、略周方向（厳密な周方向のみならず、ストローク方向への変位を許容する）に所定の間隔を空けて設けられた複数の開口部である。燃料噴射弁１２８は、燃料噴射ポート１２６内に配置され、燃料噴射制御部１５２からの指令を受けて、例えば、ＬＮＧ（液化天然ガス）をガス化した燃料ガスを噴射する。こうしてシリンダ１１０内に燃料ガスが供給される。また、燃料ガスは、ＬＮＧに限らず、例えば、ＬＰＧ（液化石油ガス）、軽油、重油等をガス化したものを適用することもできる。ロータリエンコーダ１３０は、不図示のクランク機構に設けられ、クランクの角度信号（以下、クランク角度信号と言う。）を検出する。

ガバナー１５０は、上位の制御装置から入力されたエンジン出力指令値と、ロータリエンコーダ１３０からのクランク角度信号によるエンジン回転数に基づいて、燃料噴射量を導出し、燃料噴射制御部１５２に出力する。燃料噴射制御部１５２は、ガバナー１５０から入力された燃料噴射量を示す情報と、ロータリエンコーダ１３０からのクランク角度信号に基づいて、燃料噴射弁１２８における燃料ガスの噴射量および噴射タイミングを制御する。

排気制御部１５４は、燃料噴射制御部１５２からの排気弁開閉タイミング信号と、ロータリエンコーダ１３０からのクランク角度信号に基づいて、排気弁駆動装置１１８に排気弁操作信号を出力する。以下、上述した２サイクルエンジン１００のエンジンサイクルにおける各制御部の動作について説明する。

（エンジンサイクルにおける各制御部の動作）
図２は、２サイクルエンジン１００の各制御部の動作を説明するための説明図である。特に図２（ａ）〜（ｆ）は２サイクルエンジン１００の縦断面図を、図２（ｇ）は図２（ａ）〜（ｆ）の状態の時間関係を示すためのタイミングチャートを示している。図２では、２サイクルエンジン１００における４つの行程を排気、吸気、圧縮、燃焼の順で説明する。ここでは、２サイクルエンジン１００に設けられた複数の燃料噴射弁１２８の上記４つの行程における燃料ガス１７４の全体的な噴射タイミングについて言及し、本実施形態で特徴的な複数の燃料噴射弁１２８の個々の燃料ガス１７４の噴射タイミングについては、後ほど詳述する。

燃焼行程後の排気行程では、図２（ａ）の如く、排気ポート１１６および掃気ポート１２２が閉塞状態にあり、シリンダ１１０内は排気ガス１７０で満たされている。燃焼圧によってピストン１１２が下降し下死点に近づくと、排気制御部１５４は排気弁駆動装置１１８を通じて排気弁１２０を開放し、また、ピストン１１２の摺動動作に応じて掃気ポート１２２が開口する。すると、図２（ｂ）に示すように、掃気ポート１２２から活性ガス１７２が吸入され、活性ガスは、燃料ガスの混合を促進するためのスワール１８６を形成しながら上昇し、シリンダ１１０内の排気ガス１７０を排気ポート１１６から押し出す。

活性ガス１７２の吸入に伴う排気ガス１７０と活性ガス１７２との境界が、図２（ｂ）の如く、燃料噴射ポート１２６に達すると、燃料噴射制御部１５２は、複数の燃料噴射弁１２８に燃料ガス１７４の噴射を開始させる。この時、排気ポート１１６および掃気ポート１２２は開放されており、シリンダ１１０内の圧力はまだ低い状態であるため、燃料噴射弁１２８に高い圧力をかけなくとも（低圧でも）、燃料噴射弁１２８は、適切に燃料ガスを噴射することができる。このため、高出力の昇圧装置を設ける必要がない。

ただし、燃料ガスの噴射タイミングが早すぎると、シリンダ１１０の燃焼室に残存する高温の排気ガス１７０に燃料ガス１７４が接触し、排気ガス１７０の熱が燃料ガス１７４に伝わり過早着火が生じるおそれがある。そこで、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、燃料噴射制御部１５２は、掃気ポート１２２からの活性ガス１７２が燃料噴射ポート１２６に達した後、さらに所定時間が経過するのを待って燃料ガス１７４を噴射する。すると、図２（ｃ）のように、燃料ガス１７４と活性ガス１７２とを混合した予混合気１７６と、排気ガス１７０との間に、燃料ガス１７４が混合されていない活性ガス１７２を主成分とする狭入層１７８が生成される。

このように排気ガス１７０と予混合気１７６との間に狭入層１７８が生成されると、高温の排気ガス１７０と予混合気１７６とを接触させることなく、排気ガス１７０を排気ポート１１６から排出することができる。ここでは、狭入層１７８がある程度の厚みを有しているので、排気ガス１７０と狭入層１７８との境界面に揺らぎが生じた場合であっても、予混合気１７６が高温になることを回避することが可能となる。

そして、排気ガス１７０の排出が完了すると排気弁駆動装置１１８は、図２（ｄ）の如く、排気弁１２０を閉じ、圧縮行程に転じたピストン１１２によって掃気ポート１２２も塞がれる。ここでは、狭入層１７８の一部が排気ポート１１６から排出された時点で排気弁１２０を閉じることで、狭入層１７８に混入してきた排気ガス１７０をシリンダ１１０内に残すことなく排出でき、また、予混合気１７６を排気ポート１１６から排出することなく、シリンダ１１０内に適切に予混合気１７６を残すことができる。こうして、過早着火を予防し、エンジン駆動の安定化を図ることができる。

ここで、シリンダ１１０内における活性ガス１７２の上昇速度は、掃気ポート１２２の形状やシリンダ１１０内周と成す角度、掃気室１２４の圧力等に基づいて決まり、また、上昇速度の変化は、排気ポート１１６の開放度（リフト量）と掃気ポート１２２の開放度（開口面積）の少なくともいずれか一方に基づいて推定できる。これらはクランク角度信号から一意に求めることができるので、燃料噴射制御部１５２は、クランク角度信号から燃料ガスの噴射タイミングを設定する。

燃料噴射制御部１５２は、燃料噴射弁１２８を通じて燃料ガス１７４を噴射し続け、図２（ｅ）で示したように、ピストン１１２が燃料噴射ポート１２６に達する前に、燃料ガスの噴射を停止する。このように、燃料噴射制御部１５２による燃料ガスの噴射が一通り完了した後、さらなる圧縮行程を経て予混合気１７６は高圧に圧縮され、さらに、パイロット噴射弁１１４からの燃料油の噴射に基づいて予混合気１７６が着火されて、図２（ｆ）のような燃焼行程が行われる。そして、燃焼行程によりピストン１１２が押し下げられると図２（ａ）の状態に戻り、以後、排気、吸気、圧縮、燃焼の４行程を繰り返す。

このように、本実施形態の２サイクルエンジン１００では、シリンダ１１０内周面の中腹部に燃料噴射弁１２８が設けられるため、シリンダ１１０内に排気ガスが未だ存在する状態で、掃気ポート１２２から吸入された活性ガス１７２にのみ燃料ガス１７４を供給することが可能となり、ひいては低圧噴射によるエンジンの運転が可能となる。ただし、船舶等に用いられる大型の２サイクルエンジン１００では、シリンダ１１０も大きいので、シリンダ１１０内に燃料ガス１７４を満遍なく噴射すべく、燃料噴射弁１２８は、シリンダ１１０内略周方向に間隔を空けて複数設けられている。

図３は、燃料噴射弁１２８の配置例を示した説明図である。図３の例では、シリンダ１１０（シリンダブロック１１０ｂ）内略周方向に所定の間隔（ここでは等間隔）を空けて８つの燃料噴射弁１２８が設けられているとする。エンジン負荷が高い間、シリンダ１１０内に燃料ガス１７４を満遍なく噴射すべく、燃料噴射制御部１５２は、８つの燃料噴射弁１２８（図３中、１２８ａ〜１２８ｈで示す。）に燃料ガス１７４を一度に噴射させ、活性ガス１７２の雰囲気中に燃料ガス１７４を一様に散布する。シリンダ１１０内では、活性ガス１７２によるスワール流が形成されているので、燃料ガス１７４は活性ガス１７２と混合された後、シリンダ１１０内をスワール流に乗って流動する。

しかし、このような船舶等に用いられる大型の２サイクルエンジン１００では、掃気ポートから吸入された活性ガスに対して燃料ガスの比率が低くなる。かかる状況下において、エンジン負荷が低下した場合、そのエンジン負荷の低下に伴い、燃料噴射制御部１５２が燃料ガス１７４の噴射量を各燃料噴射弁１２８に対して一律に少なくなるように制御すると、濃度分布が一様となった燃料ガス１７４の濃度が可燃限界を下回り、所望する燃焼特性を得られないおそれがある。

そこで、燃料噴射制御部１５２は、エンジン負荷が低下して、予混合気１７６における燃料ガス１７４の濃度が可燃限界を下回りそうになると、上記の８つの燃料噴射弁１２８の燃料ガス１７４の噴射タイミングを制御し、予混合気１７６中に、燃料ガス１７４の濃度が可燃限界以上に維持された高濃度領域を生成することを目的とする。この場合、予混合気１７６中の燃料ガス１７４の濃度は均一にはならず、局所的に濃度の高い（可燃限界以上となる）領域（高濃度領域）と濃度の低い領域（低濃度領域）が形成され、濃度分布が偏ることとなる。

一度、高濃度領域が形成されると、その後のスワール等の影響を受けても、濃度分布の偏りは、ある程度維持されるため、燃焼行程の際には、予混合気１７６の高濃度領域が確実に着火されて、安定した燃焼特性を得ることができる。

しかし、噴射された燃料ガス１７４がシリンダ１１０内で拡散することや、スワール流が形成されていることを踏まえると、上記の高濃度領域の形成は容易ではない。本実施形態の燃料噴射制御部１５２は、以下のように、燃料ガス１７４の高濃度領域を形成する。

図４は、燃料噴射制御部１５２の噴射タイミングの制御例を示した説明図である。図４（ａ）および図４（ｂ）は、説明の便宜上、シリンダ１１０（シリンダブロック１１０ｂ）の一部を示しており、複数の燃料噴射弁１２８のうち、シリンダ１１０内周面の図面奥行き側に設けられた２つの燃料噴射弁１２８ａ、１２８ｂのみについて説明している。また、図４（ｃ）は、燃料噴射制御部１５２による燃料噴射弁１２８ａ、１２８ｂの噴射タイミングを示している。

図４を用いて説明する構成では、燃料噴射弁１２８ａ、１２８ｂの開口部である２つの燃料噴射ポート１２６は、活性ガス１７２がシリンダ１１０内を流動するスワール１８６の方向に配列されている。

ここで、２つの燃料噴射ポート１２６の相対位置は、厳密な周方向に配列されておらず、スワール流が旋回しながら上昇する分、シリンダ１１０ストローク方向にも変位している。ただし、スワール１８６の周方向の流速を比較的速くすれば、スワール１８６のストローク方向の上昇を無視できるので、燃料噴射ポート１２６を厳密に周方向に配列したとしても本実施形態の目的を達成することができる。スワール１８６の流動方向や流速は、上述したように掃気ポート１２２の形状やシリンダ１１０内周と成す角度、掃気室１２４の圧力等によって決まる。

燃料噴射制御部１５２は、２つの燃料噴射ポート１２６間の距離と活性ガス１７２（スワール１８６）の流速に基づいて定まる時間間隔（ここでは第１時間）を空けて、２つの燃料噴射弁１２８に燃料ガス１７４を順次噴射させる。

例えば、船舶等に用いられる大型の２サイクルエンジン１００では、掃気ポート１２２から吸入された活性ガス１７２が、図４（ａ）に示すように、スワール１８６を形成している。燃料噴射制御部１５２は、燃料噴射弁１２８ａに、活性ガス１７２と燃料ガス１７４とを混合すべく、図４（ｃ）における（ａ）の期間で、燃料ガス１７４を噴射させる。そうすると、噴射された燃料ガス１７４は、図４（ａ）に示したスワール１８６に従って矢印の方向に流動する。

そして、図４（ｃ）に示すように、燃料噴射制御部１５２は、燃料噴射弁１２８ａが燃料ガス１７４を噴射してから、予め求めておいた第１時間後に燃料噴射弁１２８ｂに燃料ガス１７４を噴射させる。そうすると、図４（ｂ）の如く、燃料噴射弁１２８ｂから噴射された燃料ガス１７４は、燃料噴射弁１２８ａから噴射された燃料ガス１７４に混合され、燃料ガス１７４の濃度が高くなる領域同士が重なることとなる。ここで、燃料噴射弁１２８ａや燃料噴射弁１２８ｂの燃料ガス１７４の噴射期間は燃料ガス１７４の必要量に応じて任意に決めることができる。

このように、燃料噴射制御部１５２が、複数の燃料噴射弁１２８に、スワール１８６の流動に合わせ、同一の領域に重ねて燃料ガス１７４を噴射させる構成により、燃焼室１４０内の予混合気１７６において、燃料ガス１７４の濃度分布を偏らせることができ、少なくとも可燃限界以上の濃度を有する高濃度領域を形成することが可能となる。以下、燃料噴射ポート１２６の配置と、燃料噴射制御部１５２による燃料噴射弁１２８の制御を具体的に述べる。

図５は、燃料噴射ポート１２６の配置例を示した説明図である。ここでは、シリンダ１１０内略周方向に８つの燃料噴射ポート１２６が設けられ、その燃料噴射ポート１２６内にはそれぞれ燃料噴射弁１２８が設けられている。かかる８つの燃料噴射ポート１２６は、図３で示したように、燃料噴射ポート１２６とシリンダ１１０断面内周の中心との結線がシリンダ１１０断面内周の中心角を８つに等分するように配置され、即ち、隣接する燃料噴射ポート１２６間が中心角４５°分離隔して配置され、また、スワール１８６の流動方向に配列されている。ここでは、説明の便宜上、スワール１８６の上流から下流への方向に従って燃料噴射弁１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃ、１２８ｄ、１２８ｅ、１２８ｆ、１２８ｇ、１２８ｈとしている。

そして、燃料噴射制御部１５２は、８つの燃料噴射ポート１２６間の距離と活性ガス１７２の流速に基づいて定まる時間間隔を空けて、８つの燃料噴射弁１２８に燃料ガス１７４を順次噴射させる。

図６〜図９は、図５のように配置された燃料噴射弁１２８の燃料ガス１７４の噴射タイミングを例示したタイミングチャートである。図６では、スワール１８６がシリンダ１１０内を周方向に１周旋回する１旋回周期に燃料噴射弁１２８が１回ずつ燃料ガス１７４を噴射する例を示している。ここでは、燃料噴射弁１２８それぞれの燃料ガス１７４の噴射期間は、１旋回周期を８等分した時間、即ち１／８旋回周期に相当する時間と短いが、図４を用いて説明したように、燃料噴射弁１２８ａから噴射された燃料ガス１７４は、スワール１８６に乗って流動し、下流に位置する各燃料噴射弁１２８の近傍に位置した際、さらに各燃料噴射弁１２８から噴射された燃料ガス１７４が次々と加わるので、その濃度が高くなり、局所的に高濃度領域が生成されることとなる。

また、ここでは、８つの燃料噴射弁１２８がそれぞれ１／８旋回周期分、燃料ガス１７４を継続して噴射する例を挙げているが、噴射時間を短くしたり、間欠的に噴射したり、噴射の開始や終了タイミングをずらして噴射してもよい。

このような高濃度領域の量（数）は、各燃料噴射弁１２８から１旋回周期中に燃料ガス１７４を噴射する期間によって調整することができる。例えば、図６では、各燃料噴射弁１２８が１旋回周期のうち、１／８旋回周期ずつ燃料ガス１７４を噴射しているが、これを、図７（ａ）に示すように、２／８旋回周期とすることで、単位時間当たりに、図６で生成される高濃度領域の２倍の大きさの高濃度領域が生成され、また、図７（ｂ）に示すように、４／８旋回周期とすることで、単位時間当たりに、図６で生成される高濃度領域の４倍の大きさの高濃度領域が生成される。

ただし、各燃料噴射弁１２８において、図７に示したように、２／８旋回周期や４／８旋回周期分連続して燃料ガス１７４を噴射すると、例えば、高濃度領域がシリンダ１１０周方向の一部に偏ることとなり、周方向のシリンダ１１０断面において濃度分布が均一ではなくなる。特に、ここでは、８つの燃料噴射弁１２８が旋回周期単位で周期的に燃料ガス１７４を噴射しているため、複数の旋回周期で生成される複数の高濃度領域は、ストローク方向に均等な間隔（１旋回周期におけるスワール１８６の上昇分）を空けて生じるものの、周方向のシリンダ１１０断面において同じ位置に偏ることとなる。

そこで、燃料噴射制御部１５２は、８つの燃料噴射弁１２８のうち、燃料噴射弁１２８とシリンダ１１０内周の中心との結線がシリンダ１１０内周の中心角を等分する位置にある複数の燃料噴射弁１２８、例えば、周方向に対向する２つの燃料噴射弁１２８や周方向のシリンダ１１０断面内周の中心角を４つに等分する（９０°分離隔した）４つの燃料噴射弁１２８が同タイミングで燃料ガス１７４を噴射するように制御する。

例えば、燃料噴射制御部１５２は、図８（ａ）に示すように、各燃料噴射弁１２８が１旋回周期のうち合計して２／８旋回周期の期間、燃料ガス１７４を噴射するように制御すると共に、周方向に対向する２つの燃料噴射弁１２８（例えば、燃料噴射弁１２８ａと燃料噴射弁１２８ｅ）が同タイミングで燃料ガス１７４を噴射するように制御する。このような構成により、単位時間当たりに、図６で生成される高濃度領域の２倍の大きさの高濃度領域が生成されると共に、周方向のシリンダ１１０断面においても濃度分布のバランスをとることができ、濃度の重心がシリンダ１１０の中心軸となるので、エンジンの安定した燃焼特性を得ることができる。

また、燃料噴射制御部１５２は、図８（ｂ）に示すように、各燃料噴射弁１２８が１旋回周期のうち合計して４／８旋回周期の期間、燃料ガス１７４を噴射するように制御すると共に、周方向に対向する周方向のシリンダ１１０断面内周の中心角を４つに等分する燃料噴射弁１２８（例えば、燃料噴射弁１２８ａと燃料噴射弁１２８ｃと燃料噴射弁１２８ｅと燃料噴射弁１２８ｇ）が同タイミングで燃料ガス１７４を噴射するように制御する。このような構成により、単位時間当たりに、図６で生成される高濃度領域の４倍の大きさの高濃度領域が生成されると共に、図８（ａ）の場合と同様、周方向のシリンダ１１０断面においても濃度分布のバランスをとることができ、エンジンの安定した燃焼特性を得ることができる。

また、各燃料噴射弁１２８の噴射期間が１旋回周期のうち合計して６／８旋回周期である等、シリンダ１１０内周の中心角を等分することができない場合であっても、図９（ａ）に示すように、６／８旋回周期を連続させることなく、３／８旋回周期分の噴射を等間隔で繰り返すことで、図８に示した場合同様に、周方向のシリンダ１１０断面においても濃度分布のバランスをとることができる。ただし、各燃料噴射弁１２８の噴射期間が１旋回周期のうち合計して７／８旋回周期である等、シリンダ１１０内周の中心角を等分することができない場合には、図９（ｂ）のように、アンバランスになってしまうが、高濃度領域がシリンダ１１０周方向の一方向に偏るものではないため、即ち、周方向のシリンダ１１０断面において、高濃度領域の占有率が対向する半周面で最大４：３の差しか生じないため、エンジンの燃焼特性にさほどの影響を与えない。

続いて、上述した燃料噴射弁１２８の噴射タイミングとエンジン負荷との関係を説明する。図１０は、エンジン負荷と燃料噴射弁１２８の噴射期間との対応関係を示した説明図である。ここでは、まず、エンジン負荷が検出され、エンジン負荷が、予め定められた閾値、例えば２０％以上である場合、燃料噴射制御部１５２は、燃料噴射弁１２８における１サイクルの燃料ガス１７４の噴射総量をエンジン負荷に応じてリニアに変化させ、各燃料噴射弁１２８に、噴射総量を燃料噴射弁１２８の総数（ここでは８）で按分した燃料ガス１７４を同タイミングで噴射させる。ここで、燃料ガス１７４の噴射総量は単位時間の噴射量と噴射期間の積で表されるが、単位時間の噴射量は、燃料噴射弁１２８の噴射圧とシリンダ１１０内の圧力の差圧で決まるので、ここでは、図１０に示すように噴射総量を噴射期間で調整する。また、図１０では、説明の便宜のため、エンジン負荷と噴射期間との関係を一次曲線で示しているが、実際は、他の様々なパラメータを含む複数次の曲線で示される。

エンジン負荷が高い場合には、燃料噴射制御部１５２は、図５に示す８つの燃料噴射弁１２８を同タイミングかつ連続的に噴射し、その噴射期間は、図１０に示すように、エンジン負荷に応じて変更される。したがって、エンジン負荷が低下すると、それに伴って噴射期間も短くなる。しかし、エンジン負荷が閾値（ここでは２０％）を下回った場合においてまで、燃料ガス１７４の噴射期間を８つの燃料噴射弁１２８で一律に短くすると、上述したように、濃度分布が一様となった燃料ガス１７４の濃度が可燃限界を下回り、所望する燃焼特性を得られないおそれがある。そこで、エンジン負荷が２０％を下回ると、燃料噴射制御部１５２は、図６〜図９を用いて説明したように、所定の時間間隔を空けて燃料ガス１７４を順次噴射することとし、任意の時点で噴射する燃料噴射弁１２８の数をエンジン負荷に応じて段階的に調整する。

例えば、エンジン負荷が１７．５％〜２０％の間、燃料噴射制御部１５２は、図９（ｂ）に示したように、１旋回周期のうち各燃料噴射弁１２８の噴射期間の合計が７／８旋回周期となるように制御するので、任意の時点で噴射する燃料噴射弁１２８の数は７つとなる。そして、エンジン負荷が２．５％下がる毎に、燃料噴射制御部１５２は、１旋回周期のうち各燃料噴射弁１２８の噴射期間の合計を１／８旋回周期ずつ段階的に下げることで、任意の時点で噴射する燃料噴射弁１２８の数を段階的に下げる。

例えば、燃料噴射制御部１５２は、エンジン負荷が１５．０％〜１７．５％の間、図９（ａ）に示したように、１旋回周期のうち各燃料噴射弁１２８の噴射期間の合計が６／８旋回周期となるように制御し、エンジン負荷が１０％〜１２．５％の間、図８（ｂ）に示したように、１旋回周期のうち各燃料噴射弁１２８の噴射期間の合計が４／８旋回周期となるように制御し、エンジン負荷が５．０％〜７．５％の間、図８（ａ）に示したように、１旋回周期のうち各燃料噴射弁１２８の噴射期間の合計が２／８旋回周期となるように制御し、エンジン負荷が２．５％〜５．０％の間、図６に示したように、１旋回周期のうち各燃料噴射弁１２８の噴射期間の合計が１／８旋回周期となるように制御する。

このように、燃料噴射制御部１５２が、複数の燃料噴射弁１２８に、スワール１８６の流動による同一の領域に燃料ガス１７４を重ねて噴射させることで、全燃料噴射弁１２８から噴射する燃料ガス１７４の総量は少なくなるものの、少なくとも可燃限界以上の濃度を有する高濃度領域を形成することが可能となるので、エンジンの安定した燃焼特性を得ることができる。

ここでは、説明の便宜のため、燃料噴射制御部１５２の制御が切り換わるエンジン負荷を２０％としたが、かかる％に限られず、２サイクルエンジン１００の構成や燃料噴射弁１２８の数や配置に応じて任意の％とすることができるのは言うまでもない。

以上、説明した２サイクルエンジン１００では、局所的な燃料ガス１７４の高濃度領域を生成することができるので、エンジン負荷が低い等、燃料ガス１７４の噴射量が少ない場合であっても、エンジンの安定した燃焼特性を得ることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態において、図７（ａ）に示したように、燃料噴射制御部１５２は、複数の燃料噴射弁１２８に、それぞれ異なるタイミングで制御しているが、かかる場合に限らず、例えば、図１１に示すように、複数の燃料噴射弁１２８のうち、隣接する燃料噴射弁１２８の組み合わせ（例えば、燃料噴射弁１２８ａと燃料噴射弁１２８ｂ）を噴射タイミングの制御対象とし、その組み合わせと他の組み合わせとの噴射タイミングが異なるとしてもよい。図１１では８つの燃料噴射弁１２８を２つの燃料噴射弁１２８単位で分ける例を示しているが、かかる組み合わせの数は２に制限されないことは言うまでもない。また、かかる組み合わせは隣接する燃料噴射弁１２８同士に限られず、離隔する燃料噴射弁１２８同士を組み合わせることもできる。

また、上述した実施形態では、複数の燃料噴射弁１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃ、１２８ｄ、１２８ｅ、１２８ｆ、１２８ｇ、１２８ｈに、スワール１８６の上流から下流への方向に従って順次燃料ガス１７４を噴射させる構成を説明したが、燃料ガス１７４はスワール１８６の流動に同期して噴射されれば足り、燃料噴射弁１２８を１または複数置きに噴射させる構成をとることもできる。

本発明は、シリンダ内部に燃料を直接噴射するユニフロー型の２サイクルエンジンおよび燃料噴射制御方法に利用することができる。

１００ …２サイクルエンジン
１１０ …シリンダ
１１２ …ピストン
１１６ …排気ポート
１１８ …排気弁駆動装置
１２０ …排気弁
１２２ …掃気ポート
１２４ …掃気室
１２６ …燃料噴射ポート
１２８ …燃料噴射弁
１５２ …燃料噴射制御部
１７２ …活性ガス
１７４ …燃料ガス
１８６ …スワール

Claims (4)

1. シリンダと、
   前記シリンダ内を摺動するピストンと、
   前記シリンダのストローク方向一端部に設けられ、該シリンダ内で生じた排気ガスを排気するために開閉される排気ポートと、
   前記シリンダのストローク方向他端部側の内周面に設けられ、前記ピストンの摺動動作に応じて該シリンダ内に活性ガスを吸入する掃気ポートと、
   前記シリンダの内周面に設けられた複数の燃料噴射ポートと、
   前記燃料噴射ポートにおいて燃料ガスを噴射する複数の燃料噴射弁と、
   前記複数の燃料噴射弁における燃焼ガスの噴射タイミングを制御する燃料噴射制御部と、
   を備え、
   前記複数の燃料噴射ポートは、前記シリンダの周方向およびストローク方向に変位しつつ、前記活性ガスが前記シリンダ内を流動する方向に配列され、
   前記燃料噴射制御部は、前記複数の燃料噴射ポート間の距離と前記活性ガスの流速に基づいて定まる時間間隔を空けて、前記複数の燃料噴射弁に前記燃料ガスを順次噴射させることを特徴とする２サイクルエンジン。
2. 前記燃料噴射制御部は、前記複数の燃料噴射弁のうち、該燃料噴射弁と前記シリンダ内周の中心との結線が該シリンダ内周の中心角を等分する位置にある複数の燃料噴射弁が同タイミングで燃料ガスを噴射するように制御することを特徴とする請求項１に記載の２サイクルエンジン。
3. シリンダと、該シリンダ内を摺動するピストンと、該シリンダのストローク方向一端部に設けられ、該シリンダ内で生じた排気ガスを排気するために開閉される排気ポートと、該シリンダのストローク方向他端部側の内周面に設けられ、該ピストンの摺動動作に応じて該シリンダ内に活性ガスを吸入する掃気ポートと、該シリンダの内周面に設けられ、該シリンダの周方向およびストローク方向に変位しつつ、該活性ガスが該シリンダ内を流動する方向に配列された複数の燃料噴射ポートと、該燃料噴射ポートにおいて燃料ガスを噴射する複数の燃料噴射弁とを備えた２サイクルエンジンにおいて該燃料ガスの噴射を制御する燃料噴射制御方法であって、
   前記複数の燃料噴射ポート間の距離と前記活性ガスの流速に基づいて定まる時間間隔を空けて、前記複数の燃料噴射弁に前記燃料ガスを順次噴射させることを特徴とする燃料噴射制御方法。
4. エンジン負荷を検出し、
   前記エンジン負荷が予め定められた閾値以上であれば、前記複数の燃料噴射弁に、エンジン負荷に応じた噴射量の燃料ガスを同タイミングで噴射させ、
   前記エンジン負荷が前記閾値未満であれば、前記複数の燃料噴射ポート間の距離と前記活性ガスの流速に基づいて定まる時間間隔を空けて、前記複数の燃料噴射弁に、前記エンジン負荷に応じた噴射量の燃料ガスを順次噴射させることを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射制御方法。