JP6460114B2 - レシプロエンジン - Google Patents

Description

本開示は、燃料の爆発圧力によってピストンが往復動するレシプロエンジンに関する。
本願は、２０１４年９月１８日に日本に出願された特願２０１４−１９０３２５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

近年、エンジンにおける燃料の燃焼方式が複数開発されている。例えば、特許文献１では、エンジンに搭載するノズルとして、液体燃料を噴射するノズルと、気体燃料（燃料ガス）を噴射するノズルの双方を備える構成が記載されている。このような構成においては、液体燃料を噴射して着火させたところに、燃料ガスを噴射することで燃焼を拡大させることが可能となる。

日本国特開２０１３−１２４５８６号公報

上記のように、液体燃料を噴射するノズルと、燃料ガスを噴射するノズルの双方を備える構成において、シリンダ内に噴射された液体燃料や燃料ガスの一部の燃焼が急速に進んで局所的に高温となり、ＮＯｘなどの排気規制物質が発生してしまうことがある。

本開示は、このような課題に鑑み、液体燃料および燃料ガスの燃焼に伴うＮＯｘの発生を抑制することが可能なレシプロエンジン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、本開示は、シリンダ内に形成される燃焼室で生じる爆発圧力により、シリンダ内でピストンが往復動するレシプロエンジンであって、液体燃料を燃焼室に供給する液体燃料供給部と、燃焼室における燃焼により生じ、燃焼室から排気された排気ガスであるＥＧＲガス、および、燃料ガスをシリンダ内に供給するガス供給部と、を備える。

本開示によれば、液体燃料および燃料ガスの燃焼に伴うＮＯｘの発生を抑制することが可能となる。

ユニフロー掃気式２サイクルエンジンの全体構成を示す図である。 掃気ポートを説明するための図である。 掃気ポートを説明するための図である。 シリンダへの燃料ガス、液体燃料、および、ＥＧＲガスの供給経路の概略を示すブロック図である。 燃焼室における各供給部の配置を説明するための図である。 燃焼室における各供給部の配置を説明するための図である。 燃焼室への液体燃料、燃料ガス、および、ＥＧＲガスの供給を説明するための図である。 燃焼室への液体燃料、燃料ガス、および、ＥＧＲガスの供給を説明するための図である。 第１変形例における各供給部の配置を説明するための図である。 第２変形例における各供給部の配置を説明するための図である。 第３変形例における各供給部の配置を説明するための図である。 第４変形例におけるシリンダへの燃料ガス、液体燃料、および、ＥＧＲガスの供給経路の概略を示すブロック図である。 第４変形例における燃焼室における各供給部の配置を説明するための図である。 第４変形例における燃焼室における各供給部の配置を説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示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、開示された内容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、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、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、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

以下の実施形態では、シリンダ内部をガスが一方向に流れるユニフロー掃気式２サイクルエンジンについて説明する。しかし、エンジンの種類は、ユニフロー掃気式、２サイクル型に限られず、シリンダ内に形成される燃焼室で生じる爆発圧力により、シリンダ内でピストンが往復動するレシプロエンジンであればよい。

図１は、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００（レシプロエンジン）の全体構成を示す図である。本実施形態のユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００は、例えば、船舶等に用いられる。ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００は、シリンダ１１０と、ピストン１１２と、排気ポート１１４と、排気弁駆動装置１１６と、排気弁１１８と、掃気ポート１２０と、掃気室１２２と、燃焼室１２４と、ロータリエンコーダ１２６と、ガバナー（調速機）１２８と、供給制御部１３０と、排気制御部１３２とを含んで構成される。

ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００では、吸気（給気）、圧縮、燃焼、排気からなる４つの連続する行程を通じて、ピストン１１２がシリンダ１１０内を往復動する。
ピストン１１２には、ピストンロッド１１２ａの一端が固定されている。ピストンロッド１１２ａは、不図示のクロスヘッドに連結されており、ピストン１１２がシリンダ１１０内を摺動しつつ往復動すると、クロスヘッドおよび連結棒を介してクランクシャフトが回転する。このようなクロスヘッド型のレシプロエンジンでは、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、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００の高出力化を図ることができる。

排気ポート１１４は、ピストン１１２の上死点位置より図１中、上側に位置するシリンダヘッド１１０ａ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１１６は、所定のタイミングで排気弁１１８を上下に摺動させることで排気ポート１１４を開閉する。このようにして排気ポート１１４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。また、排気ポート１１４から排気された排気ガスの一部は、ＥＧＲガスとしてシリンダ１１０内に還流する。ＥＧＲガスの供給経路については後に詳述する。

掃気ポート１２０は、シリンダ１１０の下端側（図１中、下側）にて、シリンダ１１０を、その内周面（シリンダブロック１１０ｂの内周面）から外周面まで貫通する孔である。

図２ＡおよびＢは、掃気ポート１２０を説明するための図であり、図２Ａには、シリンダ１１０の掃気ポート１２０近傍の側面図を示し、図２Ｂには、図２ＡのＩＩ（ｂ）―ＩＩ（ｂ）線に沿った断面を示す。

図２ＡおよびＢに示すように、掃気ポート１２０は、シリンダ１１０の全周囲に亘って、複数設けられている。そして、掃気ポート１２０から、ピストン１１２の摺動動作に応じてシリンダ１１０内に活性ガスが吸入される。この活性ガスは、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。

掃気ポート１２０は、シリンダ１１０の外部から内部に向けて、シリンダ１１０の径方向に対して傾斜した方向に掃気ガスを導く形状となっている。具体的には、掃気ポート１２０は、シリンダ１１０の径方向に対して傾斜した方向に延びている。また、シリンダ１１０の全周に亘って設けられたいずれの掃気ポート１２０についても、径方向に対する傾斜がほぼ等しくなっている。その結果、図２Ｂ中、矢印で示すように、掃気はスワール流となってシリンダ１１０内を上昇して排気ポート１１４側に流れる。

図１に戻って、掃気室１２２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１２２とシリンダ１１０内の差圧により掃気ポート１２０から活性ガスが吸入される。掃気室１２２の圧力は、ほぼ一定とすることができるが、掃気室１２２の圧力が変化する場合には、掃気ポート１２０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。

燃焼室１２４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とに囲まれる空間である。燃焼室１２４には、液体燃料供給部、燃料ガス供給部、ＥＧＲ供給部によって、液体燃料、燃料ガス（気体燃料）、および、ＥＧＲガスが供給される。これらの供給部について、理解を容易とするため図１では図示を省略し後述する。

ロータリエンコーダ１２６は、不図示のクランクシャフトに設けられ、クランクシャフトの角度信号（以下、クランク角度信号と言う。）を検出する。

ガバナー１２８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１２６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、液体燃料、燃料ガス、ＥＧＲガスそれぞれの噴射量を導出し、供給制御部１３０に出力する。

供給制御部１３０は、ガバナー１２８から入力された液体燃料、燃料ガス、ＥＧＲガスそれぞれの噴射量を示す情報と、ロータリエンコーダ１２６からのクランク角度信号に基づいて、液体燃料供給部、燃料ガス供給部、ＥＧＲ供給部を制御する。

排気制御部１３２は、供給制御部１３０からの液体燃料、燃料ガス、ＥＧＲガスそれぞれの噴射量を示す情報、および、ロータリエンコーダ１２６からのクランク角度信号に基づいて、排気弁駆動装置１１６に排気弁操作信号を出力する。

図３は、シリンダ１１０への燃料ガス、液体燃料、および、ＥＧＲガスの供給経路の概略を示すブロック図である。燃料ガス貯留部１３４および液体燃料貯留部１３６は、例えばタンクなどで構成され、燃料ガス貯留部１３４には燃料ガスが貯留され、液体燃料貯留部１３６には液体燃料が貯留される。燃料ガス貯留部１３４に貯留された燃料ガス、および、液体燃料貯留部１３６に貯留された液体燃料は、それぞれ、燃料ガス供給路１３４ａ、および、液体燃料供給路１３６ａを通って、シリンダ１１０内に供給される。

また、排気流路１１４ａは、上記の排気ポート１１４に連通する排気ガスの流路である。排気流路１１４ａには、三方弁１３８が設けられており、三方弁１３８は、燃焼室１２４における燃焼により発生し排気ポート１１４からシリンダ１１０外に排気された排気ガスを、エキゾーストマニホールド１４０側に導く。また、三方弁１３８は、排気ガスの一部を、シリンダ１１０に還流する還流路１４２に導く。本実施形態では、シリンダ１１０に還流する排気ガスをＥＧＲガスと呼称する。

三方弁１３８の開度は、例えば、上記の供給制御部１３０の制御に応じ、シリンダ１１０内に噴射するＥＧＲガスの噴射量に合わせて調整される。

還流路１４２には、圧縮機１４４および熱交換器１４６が設けられており、還流路１４２を流通する排気ガス（ＥＧＲガス）は、圧縮機１４４によって高圧になるとともに、熱交換器１４６によって冷却された後、シリンダ１１０内に供給される。

図４ＡおよびＢは、燃焼室１２４における各供給部の配置を説明するための図であり、図４Ａには、図１のＩＶ（ａ）―ＩＶ（ａ）線に沿った断面を示し、図４Ｂには、図４ＡのＩＶ（ｂ）矢視図を示す。図４ＡおよびＢでは、理解を容易とするため、シリンダ１１０内の燃焼室１２４および各供給部のみを概略的に示す。

図４ＡおよびＢに示すように、シリンダ１１０（シリンダヘッド１１０ａ）には、液体燃料供給部１４８、燃料ガス供給部１５０（ガス供給部）、および、ＥＧＲ供給部１５２（ガス供給部）が設けられている。各供給部（液体燃料供給部１４８、燃料ガス供給部１５０、および、ＥＧＲ供給部１５２）は、それぞれ、噴射ノズルで構成され、供給制御部１３０の制御によって作動する。

液体燃料供給部１４８は、液体燃料供給路１３６ａの下流端に連通し、液体燃料貯留部１３６に貯留された液体燃料をシリンダ１１０（燃焼室１２４）内に噴射（供給）する。

燃料ガス供給部１５０は、燃料ガス供給路１３４ａの下流端に連通し、燃料ガス貯留部１３４に貯留された燃料ガスをシリンダ１１０（燃焼室１２４）内に噴射する。

ＥＧＲ供給部１５２は、本実施形態では、２つの噴射ノズル（第１ＥＧＲ供給部１５２ａ、第２ＥＧＲ供給部１５２ｂ）で構成されており、それぞれ、還流路１４２の下流端に連通し、還流路１４２を流通するＥＧＲガスをシリンダ１１０（燃焼室１２４）内に噴射する。

また、図４Ａに白抜き矢印で示すように、燃焼室１２４においては、掃気ポート１２０から流入した活性ガスによるスワール流が発生している。このとき、第１ＥＧＲ供給部１５２ａは、燃料ガス供給部１５０よりも、スワール流の流れ方向の上流側に、例えば、シリンダ１１０の半周の範囲内に配置されている。また、第２ＥＧＲ供給部１５２ｂは、液体燃料供給部１４８よりも、僅かに、スワール流の流れ方向の上流側に、例えば、シリンダ１１０の半周の範囲内に配置されている。この範囲は、例えば、液体燃料供給部１４８の位置を起点として、スワール流の流れ方向の上流側に、シリンダ１１０の周方向の半分までの領域である。

図５ＡおよびＢは、燃焼室１２４への液体燃料、燃料ガス、および、ＥＧＲガスの供給を説明するための図である。図５Ａに示すように、先に、第１ＥＧＲ供給部１５２ａおよび第２ＥＧＲ供給部１５２ｂからＥＧＲガスが噴射される。厳密には、第１ＥＧＲ供給部１５２ａからＥＧＲガスが噴射された後、第２ＥＧＲ供給部１５２ｂからＥＧＲガスが噴射される。

その後、図５Ｂに示すように、液体燃料供給部１４８から液体燃料が噴射される。そして、液体燃料が自着火した後、燃料ガス供給部１５０から燃料ガスが噴射される。このとき、液体燃料供給部１４８の液体燃料の噴射方向には、スワール流に乗って第２ＥＧＲ供給部１５２ｂから噴射されたＥＧＲガスが流れてきており、液体燃料供給部１４８は、このＥＧＲガスに向かって液体燃料を噴射する。

また、燃料ガス供給部１５０の燃料ガスの噴射方向には、スワール流に乗って第１ＥＧＲ供給部１５２ａから噴射されたＥＧＲガスが流れてきており、燃料ガス供給部１５０は、このＥＧＲガスに向かって燃料ガスを噴射する。

そのため、シリンダ１１０内に供給された液体燃料および燃料ガスの周囲では、局所的にＥＧＲガスの濃度が高くなっている。その結果、燃料ガスおよび液体燃料の周囲の酸素濃度の低下や、ＥＧＲガスに含まれる二酸化炭素ガスや水蒸気などの比熱が大きいガスの影響により、局所的かつ過度な温度上昇が抑えられ、ＮＯｘの発生量が低減される。

また、ＥＧＲガスは、燃焼室１２４のうち、液体燃料および燃料ガスが始めに供給される部分近傍にのみ供給される。そのため、燃焼室１２４内全域にＥＧＲガスを供給する構成に比べ、ＥＧＲガスの供給量を抑えることが可能となる。

また、第１ＥＧＲ供給部１５２ａおよび第２ＥＧＲ供給部１５２ｂは、それぞれ、燃料ガス供給部１５０、液体燃料供給部１４８よりもスワール流の上流側に設けられている。そのため、スワール流に乗って流れ、適度に拡散したＥＧＲガスに、燃料ガスおよび液体燃料が噴射される。その結果、燃料ガスや液体燃料がＥＧＲガスに接触しやすく、ＮＯｘの発生量がさらに低減される。

図６Ａ〜Ｃは、本実施形態の第１変形例、第２変形例、および、第３変形例における各供給部の配置を説明するための図である。図６Ａ〜Ｃでは、理解を容易とするため、液体燃料供給部１４８および第２ＥＧＲ供給部１５２ｂについては図示を省略している。

図６Ａに示すように、第１変形例では、燃料ガス供給部１５０よりもスワール流の流れ方向の下流側に、第１ＥＧＲ供給部２５２ａが配置されている。そして、第１ＥＧＲ供給部２５２ａは、スワール流の流れ方向の上流側に向かってＥＧＲガスを噴射する。このように、第１ＥＧＲ供給部２５２ａは、燃料ガス供給部１５０よりも、スワール流の下流側に配されてもよい。

ここでは、第１ＥＧＲ供給部２５２ａは、燃料ガス供給部１５０と、燃料ガスの噴射方向にほぼ対向する向きに配置されている。しかしながら、少なくとも、第１ＥＧＲ供給部２５２ａから噴射されたＥＧＲガスの流路上に、燃料ガス供給部１５０から噴射された燃料ガスの流路が交差する位置関係であればよい。

また、第２変形例では、図６Ｂに示すように、燃料ガス供給部１５０よりもスワール流の流れ方向の上流側に第１ＥＧＲ供給部３５２ａ１が配され、下流側に第１ＥＧＲ供給部３５２ａ２が配されている。上流側の第１ＥＧＲ供給部３５２ａ１は、スワール流の流れ方向の下流側に向かってＥＧＲガスを噴射し、下流側の第１ＥＧＲ供給部３５２ａ２は、スワール流の流れ方向の上流側に向かってＥＧＲガスを噴射する。

また、第３変形例では、図６Ｃに示すように、燃料ガス供給部１５０よりもスワール流の流れ方向の上流側に２つの第１ＥＧＲ供給部４５２ａ１、４５２ａ２が配され、下流側に第１ＥＧＲ供給部４５２ａ３が配されている。上流側の第１ＥＧＲ供給部４５２ａ１、４５２ａ２は、スワール流の流れ方向の下流側に向かってＥＧＲガスを噴射し、下流側の第１ＥＧＲ供給部４５２ａ３は、スワール流の流れ方向の上流側に向かってＥＧＲガスを噴射する。

第２変形例および第３変形例に示すように、第１ＥＧＲ供給部３５２ａ１、３５２ａ２、４５２ａ１、４５２ａ２、４５２ａ３は、２個以上配置されてもよい。

上述した第１〜第３変形例のいずれにおいても、第１ＥＧＲ供給部２５２ａ、３５２ａ１、３５２ａ２、４５２ａ１、４５２ａ２、４５２ａ３は、燃料ガス供給部１５０から燃料ガスが噴射される位置に、燃料ガス供給部１５０から燃料ガスが噴射される時点で、ＥＧＲガスが適度に拡散した状態で位置するように、配置および噴射タイミングが設定される。

また、第１〜第３変形例では、上述した実施形態において、第１ＥＧＲ供給部１５２ａの構成を変更する場合について例示した。ここでは、冗長な説明となることを避けるため詳述はしないが、第２ＥＧＲ供給部１５２ｂについても、同様の変更が可能である。

図７は、本実施形態の第４変形例におけるシリンダ１１０への燃料ガス、液体燃料、および、ＥＧＲガスの供給経路の概略を示すブロック図である。図７に示すように、第４変形例においては、還流路１４２における熱交換器１４６の下流側に、混合室５５４が設けられている。

また、燃料ガス供給路５３４ａは、混合室５５４に接続されている。混合室５５４においては、熱交換器１４６から供給されたＥＧＲガスと、燃料ガス貯留部１３４から供給された燃料ガスが混合される。

図８ＡおよびＢは、第４変形例における燃焼室１２４における各供給部の配置を説明するための図である。図８Ａには、第４変形例における図４Ａに対応する位置の断面を示し、図８Ｂには、図８ＡのＶＩＩＩ（ｂ）矢視図を示す。図８ＡおよびＢでは、理解を容易とするため、シリンダ１１０内の燃焼室１２４および各供給部のみを概略的に示す。

上述した実施形態では、シリンダヘッド１１０ａに第１ＥＧＲ供給部１５２ａおよび燃料ガス供給部１５０が設けられる構成について説明したが、第４変形例においては、図８ＡおよびＢに示すように、第１ＥＧＲ供給部１５２ａおよび燃料ガス供給部１５０が設けられていない代わりに、ガス供給部５５６が設けられている。

ガス供給部５５６は、還流路１４２の下流端に連通し、還流路１４２の下流端を流通する、混合室５５４で混合された、燃料ガスおよびＥＧＲガスの予混合ガスをシリンダ１１０内に噴射する。

このように、混合室５５４で予め燃料ガスとＥＧＲガスを混合することで、燃料ガスとＥＧＲガスの混合が十分に進み、ＮＯｘをさらに低減することが可能となる。

上述した実施形態および変形例では、掃気ポート１２０によってスワール流が生じる構成について説明したが、掃気ポート１２０がシリンダ１１０の径方向に延び、スワール流を発生させない構成であってもよい。

以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について説明したが、本開示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開示の技術的範囲に属するものと了解される。

本開示は、燃料の爆発圧力によってピストンが往復動するレシプロエンジンに利用することができる。

１００ ユニフロー掃気式２サイクルエンジン（レシプロエンジン）
１１０ シリンダ
１１２ ピストン
１２０ 掃気ポート
１２４ 燃焼室
１４８ 液体燃料供給部
１５０ 燃料ガス供給部（ガス供給部）
１５２ ＥＧＲ供給部（ガス供給部）
１５２ａ、２５２ａ、３５２ａ１、３５２ａ２、４５２ａ１、４５２ａ２、４５２ａ３ 第１ＥＧＲ供給部
１５２ｂ 第２ＥＧＲ供給部
５５６ ガス供給部

Claims (2)

1. シリンダ内に形成される燃焼室で生じる爆発圧力により、前記シリンダ内でピストンが往復動するレシプロエンジンであって、
   液体燃料を前記燃焼室に直接供給する液体燃料供給部と、
   前記燃焼室における燃焼により生じ、前記燃焼室から排気された排気ガスであるＥＧＲガス、および、燃料ガスを前記シリンダ内に供給するガス供給部と、
   前記シリンダに形成され、前記シリンダ内に活性ガスを流入させるとともに、この活性ガスによってスワール流を生じさせる掃気ポートと
   を備え、
   前記ガス供給部は、前記ＥＧＲガスを前記シリンダ内に供給する第１ＥＧＲ供給部および第２ＥＧＲ供給部と、前記燃料ガスを前記シリンダ内に供給する燃料ガス供給部と、を含み、
   前記燃料ガス供給部は、前記第１ＥＧＲ供給部から前記シリンダ内に供給されたＥＧＲガスに向かって、前記燃料ガスを供給し、
   前記液体燃料供給部は、前記第２ＥＧＲ供給部から前記シリンダ内に供給されたＥＧＲガスに向かって、前記液体燃料を供給し、
   前記第１ＥＧＲ供給部は、前記燃料ガス供給部より、前記スワール流の上流側に配置され、
   前記第２ＥＧＲ供給部は、前記液体燃料供給部より、前記スワール流の上流側に配置されている
   レシプロエンジン。
2. 前記ガス供給部は、前記ＥＧＲガスを前記燃料ガスと混合した予混合ガスを、前記シリンダ内に供給する請求項１に記載のレシプロエンジン。

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