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JP6633270B2 - Uniflow scavenging two-stroke engine - Google Patents
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Description

本発明は、圧縮比が可変であるユニフロー掃気式2サイクルエンジンに関する。   The present invention relates to a uniflow scavenging two-cycle engine having a variable compression ratio.

船舶の機関としても用いられるユニフロー掃気式2サイクルエンジンは、シリンダの一端側に排気ポートが設けられ、他端側に掃気ポートが設けられている。そして、吸気行程において掃気ポートから燃焼室に活性ガスが吸入されると、燃焼作用によって生じた排気ガスが、吸入される活性ガスによって排気ポートから押し出されるようにして排気される。   A uniflow scavenging two-stroke engine, which is also used as a ship engine, is provided with an exhaust port at one end of a cylinder and a scavenging port at the other end. Then, when the active gas is sucked into the combustion chamber from the scavenging port in the intake stroke, the exhaust gas generated by the combustion action is exhausted by being pushed out of the exhaust port by the sucked active gas.

例えば、特許文献1では、シリンダの径方向に対して傾斜させた掃気ポートを設ける構成が記載されている。掃気ポートからシリンダ内に流入する掃気は、スワール流となることから、シリンダ内の排気ガス層と分離状態を維持しやすく、掃気効率が向上する。また、特許文献2では、掃気ポートを所謂スキュードポートとする構成が記載されている。ここでいうスキュードポートは、排気ポート側の部位をシリンダの径方向に対して傾斜させ、排気ポートと反対側の部位をシリンダの径方向に平行になるように歪ませた形状のポートである。掃気ポートをスキュードポートとすることで、掃気が燃焼室に向かう際の速度の平準化が図られる。   For example, Patent Literature 1 describes a configuration in which a scavenging port that is inclined with respect to the radial direction of a cylinder is provided. Since the scavenging gas flowing into the cylinder from the scavenging port becomes a swirl flow, it is easy to maintain a separated state from the exhaust gas layer in the cylinder, and scavenging efficiency is improved. Patent Document 2 describes a configuration in which a scavenging port is a so-called skewed port. The skew port referred to here is a port having a shape in which a portion on the exhaust port side is inclined with respect to the radial direction of the cylinder and a portion on the opposite side to the exhaust port is distorted so as to be parallel to the radial direction of the cylinder. . By making the scavenging port a skewed port, the speed at which the scavenging air travels toward the combustion chamber is leveled.

特許第4395474号公報Japanese Patent No. 4395474 特公平02−26700号公報Japanese Patent Publication No. 02-26700

ところで、例えば、液体燃料と燃料ガスとを使い分けるデュアルフューエルエンジンなどでは、圧縮比を可変とする場合がある。圧縮比が可変であるエンジンにおいて、掃気ポートを特許文献2に記載されているスキュードポートとしたとき、低圧縮比では、掃気の速度が平準化されていることから燃料ガスの吹き抜けが抑えられる。一方、高圧縮比では、液体燃料を噴射するため、燃料ガスの吹き抜けが生じるおそれがなく、掃気の速度を平準化する必要はない。そのため、高圧縮比においては、特許文献1に記載されているスワール流を生じさせるための掃気ポートとした場合に比べ、スワール流が弱くなり、掃気効率を無意味に低下させてしまうことになる。   By the way, for example, in a dual fuel engine that uses liquid fuel and fuel gas properly, the compression ratio may be variable. In an engine having a variable compression ratio, when the scavenging port is a skewed port described in Patent Literature 2, at a low compression ratio, since the scavenging speed is leveled, blow-through of fuel gas is suppressed. . On the other hand, at a high compression ratio, since liquid fuel is injected, there is no danger of fuel gas blowing through, and it is not necessary to level the scavenging speed. Therefore, at a high compression ratio, the swirl flow becomes weaker than when a scavenging port for generating a swirl flow described in Patent Document 1 is used, and the scavenging efficiency is meaninglessly reduced. .

本発明は、このような課題に鑑み、圧縮比に応じて適切な掃気を遂行することが可能なユニフロー掃気式2サイクルエンジンを提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a uniflow scavenging two-cycle engine capable of performing appropriate scavenging according to a compression ratio.

上記課題を解決するために、本発明のユニフロー掃気式2サイクルエンジンは、ピストンが往復動するシリンダの一端側に排気ポートが形成されるとともに、シリンダの他端側に掃気ポートが形成され、低圧縮比モードと、低圧縮比モードよりもピストンの上死点および下死点が排気ポート側に位置する高圧縮比モードとの少なくとも2つの運転モードに切り替えられるユニフロー掃気式2サイクルエンジンであって、低圧縮比モードのとき、掃気ガスに気体燃料を噴射する第1燃料供給部と、高圧縮比モードのとき、第1燃料供給部よりも、シリンダの一端側において、シリンダ内に液体燃料を噴射する第2燃料供給部と、を備え、掃気ポートは、シリンダの外部から内部に向けて、シリンダの径方向に対して傾斜した方向に掃気ガスを導くスワールガイド部と、スワールガイド部よりもシリンダの他端側に設けられ、スワールガイド部よりも、掃気ガスをシリンダの中心側に向けて導く中心ガイド部と、を備え、高圧縮比モード時にピストンが下死点にある場合には、スワールガイド部がピストンと非対向となり、中心ガイド部の少なくとも一部がピストンに対向するとともに、低圧縮比モード時にピストンが下死点にある場合には、中心ガイド部とピストンとが非対向となるか、もしくは、高圧縮比モード時よりもピストンと対向する面積が小さくなることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a uniflow scavenging type two-stroke engine of the present invention has an exhaust port formed at one end of a cylinder in which a piston reciprocates, and a scavenging port formed at the other end of the cylinder. A uniflow scavenging type two-stroke engine which is switched to at least two operation modes of a compression ratio mode and a high compression ratio mode in which a top dead center and a bottom dead center of a piston are located closer to an exhaust port than in a low compression ratio mode. A first fuel supply unit for injecting gaseous fuel into the scavenging gas in the low compression ratio mode, and a liquid fuel in the cylinder at one end of the cylinder with respect to the first fuel supply unit in the high compression ratio mode. comprising a second fuel supply unit for injecting the scavenging port toward the inside from the outside of the cylinder, guide an inclined direction scavenging gas with respect to the radial direction of the cylinder A swirl guide portion, a center guide portion provided on the other end side of the cylinder with respect to the swirl guide portion, and guiding the scavenging gas toward the center side of the cylinder with respect to the swirl guide portion. Is at the bottom dead center, the swirl guide is not opposed to the piston, at least a part of the center guide is opposed to the piston, and when the piston is at the bottom dead center in the low compression ratio mode, The center guide portion and the piston are not opposed to each other, or the area facing the piston is smaller than in the high compression ratio mode.

本発明のユニフロー掃気式2サイクルエンジンによれば、圧縮比に応じて適切な掃気を遂行することが可能となる。   According to the uniflow scavenging two-cycle engine of the present invention, it becomes possible to perform appropriate scavenging according to the compression ratio.

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説明図である。It is an explanatory view showing the whole composition of a uniflow scavenging type two-cycle engine. 第1燃料供給部を説明するための説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a first fuel supply unit. 補助燃料供給部を説明するための説明図である。It is an explanatory view for explaining an auxiliary fuel supply unit. 圧縮比可変機構を説明するための説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a compression ratio variable mechanism. 掃気ポートを説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating a scavenging port. 比較例における掃気の流れを説明するための説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining a flow of scavenging in a comparative example. 本実施形態における掃気の流れを説明するための説明図である。It is an explanatory view for explaining a flow of scavenging in the present embodiment.

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、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。   Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, other specific numerical values, and the like shown in the embodiments are merely examples for facilitating the understanding of the invention, and do not limit the present invention unless otherwise specified. In the specification and the drawings, elements having substantially the same function and configuration will be denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted. Elements not directly related to the present invention will be omitted. I do.

以下の実施形態では、気体燃料である燃料ガスを主に燃焼させるガス運転モードと、液体燃料である燃料油を燃焼させるディーゼル運転モードのいずれかの運転モードを選択的に実行することができる、所謂デュアルフューエル型のユニフロー掃気式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、デュアルフューエル型に限られず、ユニフロー掃気式2サイクルエンジンであればよい。   In the following embodiments, it is possible to selectively execute any one of a gas operation mode in which fuel gas that is gaseous fuel is mainly burned and a diesel operation mode in which fuel oil that is liquid fuel is burned. A so-called dual fuel type uniflow scavenging two-cycle engine will be described. However, the type of engine is not limited to the dual fuel type, and may be any uniflow scavenging two-cycle engine.

図1は、ユニフロー掃気式2サイクルエンジン100の全体構成を示す説明図である。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、クロスヘッド114と、連結棒116と、クランクシャフト118と、排気ポート120と、排気弁駆動装置122と、排気弁124と、掃気ポート126と、掃気室128と、第1燃料供給部130と、補助燃料供給部132と、主燃焼室134aと、副燃焼室134bと、第2燃料供給部136と、ロータリエンコーダ138と、ガバナー140(調速機)と、燃料供給制御部142と、排気制御部144とを含んで構成される。   FIG. 1 is an explanatory diagram showing the overall configuration of a uniflow scavenging two-cycle engine 100. The uniflow scavenging two-stroke engine 100 of the present embodiment is used, for example, for ships. The uniflow scavenging two-cycle engine 100 includes a cylinder 110, a piston 112, a crosshead 114, a connecting rod 116, a crankshaft 118, an exhaust port 120, an exhaust valve driving device 122, an exhaust valve 124, A port 126, a scavenging chamber 128, a first fuel supply section 130, an auxiliary fuel supply section 132, a main combustion chamber 134a, a sub combustion chamber 134b, a second fuel supply section 136, a rotary encoder 138, a governor 140 (governor), a fuel supply control unit 142, and an exhaust control unit 144.

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、排気といった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の他端には、クロスヘッド114が固定されており、クロスヘッド114は、ピストン112とともに往復動する。クロスヘッド114はクロスヘッドシュー114aによって、ピストン112のストローク方向に垂直な方向(図1中、左右方向)の移動が規制されている。   In the uniflow scavenging two-stroke engine 100, the piston 112 reciprocates in the cylinder 110 through four continuous strokes of intake (supply), compression, combustion, and exhaust. One end of a piston rod 112a is fixed to the piston 112. A crosshead 114 is fixed to the other end of the piston rod 112a, and the crosshead 114 reciprocates with the piston 112. The movement of the crosshead 114 in the direction perpendicular to the stroke direction of the piston 112 (the left-right direction in FIG. 1) is restricted by the crosshead shoe 114a.

クロスヘッド114は、連結棒116の一端を軸支している。また、連結棒116の他端は、クランクシャフト118に連結され、連結棒116に対してクランクシャフト118が回転する構造となっている。その結果、ピストン112の往復動に伴いクロスヘッド114が往復動すると、その往復動に連動して、クランクシャフト118が回転することとなる。   The crosshead 114 supports one end of the connecting rod 116. The other end of the connecting rod 116 is connected to the crankshaft 118 so that the crankshaft 118 rotates with respect to the connecting rod 116. As a result, when the crosshead 114 reciprocates with the reciprocation of the piston 112, the crankshaft 118 rotates in conjunction with the reciprocation.

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114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。   In such a crosshead type reciprocating engine, the stroke in the cylinder 110 can be formed relatively long and the lateral pressure acting on the piston 112 can be received by the crosshead 114. The output of the engine 100 can be increased.

排気ポート120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に設けられる。すなわち、排気ポート120は、シリンダ110のうち、ピストン112が往復動する一端側に形成されている。そして、排気ポート120は、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122は、所定のタイミングで排気弁124を上下に摺動させることで排気ポート120を開閉する。このようにして排気ポート120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。   The exhaust port 120 is provided in the cylinder head 110a located above the top dead center position of the piston 112 in FIG. That is, the exhaust port 120 is formed at one end of the cylinder 110 where the piston 112 reciprocates. The exhaust port 120 is opened and closed to exhaust the burned exhaust gas generated in the cylinder 110. The exhaust valve driving device 122 opens and closes the exhaust port 120 by sliding the exhaust valve 124 up and down at a predetermined timing. The exhaust gas exhausted through the exhaust port 120 in this way is supplied to, for example, a turbine side of a supercharger (not shown) and then exhausted to the outside.

掃気ポート126は、シリンダ110の下端側(他端側)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り、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126は、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128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128とシリンダ110内の差圧をもって掃気ポート126から活性ガスが吸入される。掃気室128の圧力は、ほぼ一定とすることができるが、掃気室128の圧力が変化する場合には、掃気ポート126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。   The scavenging port 126 is a hole penetrating from the inner peripheral surface (the inner peripheral surface of the cylinder block 110 b) on the lower end side (the other end side) of the cylinder 110 to the outer peripheral surface, and a plurality of scavenging ports 126 are provided over the entire circumference of the cylinder 110. ing. Then, the scavenging port 126 sucks the active gas into the cylinder 110 according to the sliding operation of the piston 112. Such an active gas includes an oxidizing agent such as oxygen and ozone, or a mixture thereof (for example, air). An active gas (for example, air) pressurized by a compressor of a supercharger (not shown) is sealed in the scavenging chamber 128, and the active gas is sucked from the scavenging port 126 by a pressure difference between the scavenging chamber 128 and the cylinder 110. Is done. The pressure in the scavenging chamber 128 can be substantially constant. However, when the pressure in the scavenging chamber 128 changes, a pressure gauge is provided in the scavenging port 126, and the injection amount of the fuel gas and the like are set in accordance with the measured value. Other parameters may be controlled.

第1燃料供給部130は、掃気ポート126よりシリンダ110の外周側に配置され、ガス運転モードにおいて、活性ガスとともに予混合気(燃料ガス)を、掃気ポート126からシリンダ110内に吸入させる。以下、図2を用いて、第1燃料供給部130について詳述する。   The first fuel supply unit 130 is arranged on the outer peripheral side of the cylinder 110 with respect to the scavenging port 126, and allows the premixed gas (fuel gas) to be sucked into the cylinder 110 from the scavenging port 126 together with the active gas in the gas operation mode. Hereinafter, the first fuel supply unit 130 will be described in detail with reference to FIG.

図2は、第1燃料供給部130を説明するための説明図であり、図2(a)には、シリンダ110の側面図のうち、第1燃料供給部130近傍の抽出図を示す。また、図2(b)には、図2(a)の破線部分の拡大図を示す。   FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the first fuel supply unit 130. FIG. 2A shows an extraction diagram of the vicinity of the first fuel supply unit 130 in the side view of the cylinder 110. FIG. 2B is an enlarged view of a broken line portion in FIG.

図2(a)に示すように、第1燃料供給部130は、シリンダ110とは別体に形成された混合管130a、130bを有する。混合管130a、130bは、それぞれ、シリンダ110の径方向外側を周方向に囲繞する環状部材である。混合管130aは、掃気ポート126よりもピストン112のストローク方向の一端側(図2(a)中、上側)に配され、混合管130bは、掃気ポート126よりもピストン112のストローク方向の他端側(図2(a)中、下側)に配される。   As shown in FIG. 2A, the first fuel supply unit 130 has mixing tubes 130 a and 130 b formed separately from the cylinder 110. Each of the mixing tubes 130a and 130b is an annular member that circumferentially surrounds the outside of the cylinder 110 in the radial direction. The mixing pipe 130a is arranged on one end side (upper side in FIG. 2A) of the piston 112 with respect to the scavenging port 126, and the mixing pipe 130b is arranged with the other end of the piston 112 in the stroke direction with respect to the scavenging port 126. (Lower side in FIG. 2A).

混合管130a、130bそれぞれの内部には、環状に延在する混合室が形成されており、混合室において、燃料ガスおよび活性ガスが混合され予混合気が生成される。   Inside each of the mixing pipes 130a and 130b, an annularly extending mixing chamber is formed, and in the mixing chamber, the fuel gas and the active gas are mixed to generate a premixed gas.

そして、隣り合う流通管130cのうち、一方は混合管130aに連通し、他方は混合管130bに連通している。そして、流通管130cには、混合管130aまたは混合管130bから流入した予混合気が流通する。   One of the adjacent flow pipes 130c communicates with the mixing pipe 130a, and the other communicates with the mixing pipe 130b. The premixed gas flowing from the mixing pipe 130a or the mixing pipe 130b flows through the flow pipe 130c.

そして、不図示の第1燃料噴射弁が開弁し、図2(b)に示す噴射口130dから予混合気が噴出すると、掃気室128から掃気ポート126に向かって流れる活性ガスに向けて、第1燃料供給部130の噴射口130dから当該予混合気が吹きつけられることとなる。以下では、予混合気を燃料ガスと特に区別する場合を除いて、予混合気を単に燃料ガスと表記する。   Then, when the first fuel injection valve (not shown) is opened and the premixed gas is ejected from the injection port 130d shown in FIG. 2B, the premixed gas is directed from the scavenging chamber 128 toward the active gas flowing toward the scavenging port 126, The premixed air is blown from the injection port 130d of the first fuel supply unit 130. Hereinafter, the premixed gas is simply referred to as the fuel gas, unless the premixed gas is particularly distinguished from the fuel gas.

図1に戻って、補助燃料供給部132は、シリンダヘッド110aに設けられた噴射弁である。ユニフロー掃気式2サイクルエンジン100は、燃焼室として、主燃焼室134aおよび副燃焼室134bを備えている。主燃焼室134a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とに囲繞される。副燃焼室134bは、シリンダヘッド110aの内部に形成され、一端がシリンダヘッド110aから主燃焼室134a側に突出している。   Returning to FIG. 1, the auxiliary fuel supply unit 132 is an injection valve provided on the cylinder head 110a. The uniflow scavenging two-cycle engine 100 includes a main combustion chamber 134a and a sub-combustion chamber 134b as combustion chambers. The main combustion chamber 134a is surrounded by the cylinder head 110a, the cylinder liner in the cylinder block 110b, and the piston 112. The auxiliary combustion chamber 134b is formed inside the cylinder head 110a, and one end protrudes from the cylinder head 110a toward the main combustion chamber 134a.

図3は、補助燃料供給部132を説明するための説明図である。図3では、理解を容易とするため、第2燃料供給部136の図示を省略する。補助燃料供給部132は、図3(a)に示すように、先端が副燃焼室134bに開口しており、ガス運転モードにおいて、副燃焼室134bに向かって燃料油を噴射する。   FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the auxiliary fuel supply unit 132. In FIG. 3, the illustration of the second fuel supply unit 136 is omitted for easy understanding. As shown in FIG. 3A, the auxiliary fuel supply unit 132 has a distal end opened to the auxiliary combustion chamber 134b, and injects fuel oil toward the auxiliary combustion chamber 134b in the gas operation mode.

副燃焼室134bに噴射された燃料油は、図3(b)に示すように、副燃焼室134b内の熱によって着火する。そして、図3(c)に示すように、副燃焼室134bで燃焼した燃料ガスや排気ガスが、火炎と共に主燃焼室134aに噴出し、掃気ポート126からシリンダ110内に吸入された燃料ガスを燃焼させる。   The fuel oil injected into the sub-combustion chamber 134b is ignited by the heat in the sub-combustion chamber 134b, as shown in FIG. Then, as shown in FIG. 3C, the fuel gas and the exhaust gas burned in the sub-combustion chamber 134b are blown out together with the flame into the main combustion chamber 134a, and the fuel gas sucked into the cylinder 110 from the scavenging port 126 is removed. Burn.

図1に戻って、第2燃料供給部136は、シリンダヘッド110aに設けられた噴射弁であり、先端が主燃焼室134aに開口しており、ディーゼル運転モードにおいて、主燃焼室134aに向かって燃料油を噴射する。   Returning to FIG. 1, the second fuel supply unit 136 is an injection valve provided on the cylinder head 110a, and its tip is open to the main combustion chamber 134a. In the diesel operation mode, the second fuel supply unit 136 faces the main combustion chamber 134a. Inject fuel oil.

上記のように、ガス運転モードでは、第1燃料供給部130からシリンダ110内に燃料ガスを供給し、ディーゼル運転モードでは、第2燃料供給部136からシリンダ110内に燃料油を供給する。このとき、ガス運転モードとディーゼル運転モードとでは適切な圧縮比が異なる。具体的には、ガス運転モードでは低圧縮比であって、ディーゼル運転モードでは高圧縮比である。すなわち、ガス運転モード=低圧縮比モードであって、ディーゼル運転モード=高圧縮比モードである。ここでは、圧縮比を可変とするため、ピストンロッド112aとクロスヘッド114との連結部分に圧縮比可変機構が設けられている。   As described above, in the gas operation mode, fuel gas is supplied from the first fuel supply unit 130 into the cylinder 110, and in the diesel operation mode, fuel oil is supplied from the second fuel supply unit 136 into the cylinder 110. At this time, an appropriate compression ratio differs between the gas operation mode and the diesel operation mode. Specifically, the compression ratio is low in the gas operation mode, and is high in the diesel operation mode. That is, the gas operation mode = low compression ratio mode, and the diesel operation mode = high compression ratio mode. Here, in order to make the compression ratio variable, a compression ratio variable mechanism is provided at a connection portion between the piston rod 112a and the crosshead 114.

図4は、圧縮比可変機構146を説明するための説明図であり、ピストンロッド112aとクロスヘッド114との連結部分を抽出して示す。ガス運転モードにおいては、低圧縮比とするため、図4(a)に示すように、ピストンロッド112aとクロスヘッドピン114bは、直接連結されている。   FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the compression ratio variable mechanism 146, and shows a connection portion between the piston rod 112a and the crosshead 114 in an extracted manner. In the gas operation mode, the piston rod 112a and the crosshead pin 114b are directly connected, as shown in FIG.

一方、ディーゼル運転モードにおいては、高圧縮比とするため、図4(b)に示すように、ピストンロッド112aとクロスヘッドピン114bとの間にシム板148を挟むことで、ピストン112の上死点および下死点の位置を、排気ポート120側にシフトさせる。こうして、圧縮比可変機構146によって、上死点における主燃焼室134aの容積を縮小し圧縮比を高めることができる。   On the other hand, in the diesel operation mode, the shim plate 148 is interposed between the piston rod 112a and the crosshead pin 114b as shown in FIG. And the position of the bottom dead center is shifted to the exhaust port 120 side. Thus, the compression ratio variable mechanism 146 can reduce the volume of the main combustion chamber 134a at the top dead center and increase the compression ratio.

図1に戻って、ロータリエンコーダ138は、クランクシャフト118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。   Returning to FIG. 1, the rotary encoder 138 is provided on the crankshaft 118, and detects a crankshaft angle signal (hereinafter, referred to as a crank angle signal).

ガバナー140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138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、燃料供給制御部142に出力する。   The governor 140 derives a fuel injection amount based on an engine output command value input from a host control device and an engine speed based on a crank angle signal from the rotary encoder 138, and outputs the fuel injection amount to the fuel supply control unit 142.

燃料供給制御部142は、ガバナー140から入力された燃料噴射量を示す情報、運転モードを示す情報、および、ロータリエンコーダ138からのクランク角度信号に基づいて、第1燃料供給部130および第2燃料供給部136を制御する。   The fuel supply control unit 142 controls the first fuel supply unit 130 and the second fuel supply unit 130 based on the information indicating the fuel injection amount input from the governor 140, the information indicating the operation mode, and the crank angle signal from the rotary encoder 138. The supply unit 136 is controlled.

排気制御部144は、燃料供給制御部142からの燃料噴射量を示す情報、運転モードを示す情報、および、ロータリエンコーダ138からのクランク角度信号に基づいて、排気弁駆動装置122に排気弁操作信号を出力する。   The exhaust control unit 144 sends an exhaust valve operation signal to the exhaust valve driving device 122 based on the information indicating the fuel injection amount from the fuel supply control unit 142, the information indicating the operation mode, and the crank angle signal from the rotary encoder 138. Is output.

図5は、掃気ポート126を説明するための説明図であり、図5(a)には、シリンダ110の側面図のうち、掃気ポート126近傍を抽出して示し、図5(b)には、図5(a)におけるIV(b)‐IV(b)線断面を示し、図5(c)には、図5(a)におけるIV(c)‐IV(c)線断面を示す。   FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the scavenging port 126. FIG. 5 (a) shows the vicinity of the scavenging port 126 extracted from the side view of the cylinder 110, and FIG. 5 (a) shows a cross section taken along line IV (b) -IV (b), and FIG. 5 (c) shows a cross section taken along line IV (c) -IV (c) in FIG. 5 (a).

掃気ポート126のうち、図5(a)中、破線で示す、ピストン112のストローク方向の中心よりも、ストローク方向の一端側(図5(a)中、上側)は、スワールガイド部126aとなっている。また、スワールガイド部126aよりもシリンダ110のストローク方向の他端側(図5(a)中、下側)は、中心ガイド部126bとなっている。   One end of the scavenging port 126 in the stroke direction (the upper side in FIG. 5A) with respect to the stroke direction center of the piston 112 shown by a broken line in FIG. 5A serves as a swirl guide portion 126a. ing. The other end of the cylinder 110 in the stroke direction (lower side in FIG. 5A) than the swirl guide 126a is a center guide 126b.

スワールガイド部126aは、図5(b)に示すように、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、スワールガイド部126aは、シリンダ110の径方向に対して傾斜した方向に延在している。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126についても、スワールガイド部126aの傾斜は大凡等しくなっている。その結果、図5(b)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120側に流れる。   As shown in FIG. 5B, the swirl guide portion 126a has a shape that guides scavenging gas from the outside of the cylinder 110 to the inside in a direction inclined with respect to the radial direction of the cylinder 110. Specifically, the swirl guide 126a extends in a direction inclined with respect to the radial direction of the cylinder 110. In addition, the inclination of the swirl guide portion 126a is substantially equal in any of the scavenging ports 126 provided over the entire circumference of the cylinder 110. As a result, as shown by the arrow in FIG. 5B, the scavenging air becomes a swirl flow, rises in the cylinder 110, and flows toward the exhaust port 120 side.

中心ガイド部126bは、図5(c)に矢印で示すように、スワールガイド部126aよりも掃気ガスをシリンダ110の中心側に向けて導く形状となっている。具体的には、中心ガイド部126bは、シリンダ110の中心に向かって開口しており、シリンダ110の径方向に延在している。その結果、図5(c)中、矢印で示すように、掃気はシリンダ110の径方向中心側に向かいながら、シリンダ110内を上昇して排気ポート120側に流れる。   The center guide portion 126b has a shape that guides the scavenging gas toward the center of the cylinder 110 more than the swirl guide portion 126a, as indicated by an arrow in FIG. 5C. Specifically, the center guide portion 126b is open toward the center of the cylinder 110 and extends in the radial direction of the cylinder 110. As a result, as shown by an arrow in FIG. 5C, the scavenging air rises inside the cylinder 110 and flows toward the exhaust port 120 while moving toward the radial center of the cylinder 110.

このように、掃気ポート126は所謂スキュードポートとなっている。掃気ポート126をスキュードポートとした場合の作用および課題について、図6を用いて説明する。   Thus, the scavenging port 126 is a so-called skewed port. The operation and problems when the scavenging port 126 is a skewed port will be described with reference to FIG.

図6は、比較例における掃気の流れを説明するための説明図であり、ピストン112が下死点位置にある状態において、図6(a)には、第1比較例の掃気の流れを示し、図6(b)には、第2比較例の掃気の流れを示す。第1比較例では、掃気ポートS全体がスワールガイド部Saとなっており、第2比較例では、掃気ポートSがスキュードポートとなっているものとする。 FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the flow of scavenging in the comparative example. FIG. 6A shows the flow of scavenging in the first comparative example in a state where the piston 112 is at the bottom dead center position. FIG. 6B shows a scavenging flow of the second comparative example. In the first comparative example, the whole scavenging ports S 1 is has a swirl guide portion S 1 a, in the second comparative example, it is assumed that the scavenging port S 2 is a skewed port.

図6(a)に示すように、第1比較例においては、掃気ポートS全体がスワールガイド部Saであることから、掃気の流れにおいてスワール流(図6(a)中、矢印で示す)が強くなり、掃気がシリンダ110内の排気ガス層と分離状態を維持しやすく、掃気効率が向上する。 As shown in FIG. 6 (a), in the first comparative example, since the overall scavenging port S 1 is a swirl guide portion S 1 a, swirl flow in the scavenging flow (in FIG. 6 (a), arrows ), The scavenging is easily maintained in a separated state from the exhaust gas layer in the cylinder 110, and the scavenging efficiency is improved.

一方、図6(a)中、破線で示された、掃気の排気ポート120側への速度分布を見るとわかるように、シリンダ110の径方向中心部分において、速度低下が生じやすい。このとき、例えば、ガス運転モード(低圧縮比モード)の場合、掃気に燃料ガスを混入させることから、掃気の速度分布に偏りがあると、燃料ガスが未燃のまま排気ポート120から吹き抜けてしまうおそれがある。   On the other hand, as can be seen from the velocity distribution of the scavenging air to the exhaust port 120 side indicated by the broken line in FIG. 6A, the velocity tends to decrease at the radial center portion of the cylinder 110. At this time, for example, in the case of the gas operation mode (low compression ratio mode), the fuel gas is mixed into the scavenging gas. Therefore, if there is a bias in the scavenging speed distribution, the fuel gas blows out from the exhaust port 120 without being burned. There is a possibility that it will.

そこで、第2比較例のように、掃気ポートSをスキュードポートとすると、中心ガイド部Sbによって、掃気がシリンダ110の径方向中心側に向かうことから、シリンダ110の径方向中心側において、排気ポート120に向かう速度が向上する。その結果、図6(b)中、破線で示すように、掃気の排気ポート120側への速度分布が、第1比較例よりも平準化され、燃料ガスの吹き抜けを抑えられる。 Therefore, as in the second comparative example, when the scavenging port S 2 and skewed port, the central guide portion S 2 b, since the scavenging toward the radial center side of the cylinder 110, the radial center side of the cylinder 110 At, the speed toward the exhaust port 120 is improved. As a result, as shown by a broken line in FIG. 6B, the velocity distribution of the scavenging air to the exhaust port 120 side is leveled as compared with the first comparative example, and the blow-through of the fuel gas can be suppressed.

しかし、掃気ポートSをスキュードポートとすると、中心ガイド部Sbが設けられている分、図6(b)に矢印で示すように、スワール流が第1比較例よりも弱まってしまう。例えば、ディーゼル運転モード(高圧縮比モード)の場合、ガス運転モードのように第1燃料供給部130から燃料ガスが噴射されないので、吹き抜けの心配がなく、掃気ガスと排気ガスとの分離状態を維持することを優先すべきであるが、第2変形例ではスワール流が弱いことから、掃気効率が低下してしまう。 However, when the scavenging port S 2 and skewed port, minutes of the center guide portion S 2 b are provided, as shown by the arrows in FIG. 6 (b), the swirl flow is weakened than the first comparative example . For example, in the case of the diesel operation mode (high compression ratio mode), since the fuel gas is not injected from the first fuel supply unit 130 as in the gas operation mode, there is no fear of blow-through, and the state of separation between the scavenging gas and the exhaust gas is reduced. The maintenance should be given priority, but in the second modified example, since the swirl flow is weak, the scavenging efficiency is reduced.

図7は、本実施形態における掃気の流れを説明するための説明図であり、図7(a)には、ガス運転モードにおいてピストン112が下死点位置にある状態を示し、図7(b)には、ディーゼル運転モードにおいてピストン112が下死点位置にある状態を示す。   FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the flow of scavenging in the present embodiment. FIG. 7A shows a state in which the piston 112 is at the bottom dead center position in the gas operation mode, and FIG. () Shows a state in which the piston 112 is at the bottom dead center position in the diesel operation mode.

図7(a)に示すように、ガス運転モード(低圧縮比モード)においては、第2比較例と同様、中心ガイド部126bによって、掃気がシリンダ110の径方向中心側に向かう。そのため、図7(a)中、破線で示すように、掃気の排気ポート120側への速度分布が、第1比較例よりも平準化され、燃料ガスの吹き抜けを抑えられる。   As shown in FIG. 7A, in the gas operation mode (low compression ratio mode), as in the second comparative example, the scavenging air is directed toward the radial center of the cylinder 110 by the center guide portion 126b. Therefore, as shown by the broken line in FIG. 7A, the velocity distribution of the scavenging air to the exhaust port 120 side is more leveled than in the first comparative example, and the blow-through of the fuel gas can be suppressed.

一方、図7(b)に示すように、ディーゼル運転モード(高圧縮比モード)においては、ガス運転モード(低圧縮比モード)よりもピストン112の上死点位置および下死点位置が、排気ポート120側にシフトしている。このシフトにより、ディーゼル運転モード(高圧縮比モード)においては、ピストン112が下死点にあるときに、中心ガイド部126bが、ピストン112の径方向にピストン112(ピストン112の側壁)と対向する位置関係となっている。そのため、中心ガイド部126bからは、シリンダ110内に掃気がほとんど流入せず、掃気は、大凡、スワールガイド部126aからシリンダ110内に流入することとなる。その結果、図7(b)に矢印で示すように、スワール流が強くなり、掃気効率が向上する。   On the other hand, as shown in FIG. 7B, in the diesel operation mode (high compression ratio mode), the top dead center position and the bottom dead center position of the piston 112 are lower than in the gas operation mode (low compression ratio mode). It has shifted to the port 120 side. Due to this shift, in the diesel operation mode (high compression ratio mode), when the piston 112 is at the bottom dead center, the center guide portion 126b faces the piston 112 (the side wall of the piston 112) in the radial direction of the piston 112. It is a positional relationship. Therefore, the scavenging air hardly flows into the cylinder 110 from the center guide portion 126b, and the scavenging air generally flows into the cylinder 110 from the swirl guide portion 126a. As a result, as shown by the arrow in FIG. 7B, the swirl flow becomes strong, and the scavenging efficiency is improved.

このように、ピストン112の下死点位置によって、掃気ポート126(スキュードポート)の中心ガイド部126bの実質的な開口具合を調整することで、圧縮比に応じた適切な掃気を遂行することが可能となる。   As described above, by adjusting the substantial opening degree of the center guide portion 126b of the scavenging port 126 (skew port) according to the position of the bottom dead center of the piston 112, it is possible to perform appropriate scavenging according to the compression ratio. Becomes possible.

上述した実施形態では、低圧縮比モード時にピストン112が下死点にある場合には、中心ガイド部126bとピストン112とが非対向となる場合について説明した。しかし、中心ガイド部126bは、低圧縮比モード時に、少なくとも高圧縮比モード時よりもピストン112と対向する面積が小さくなればよい。   In the above-described embodiment, the case where the center guide portion 126b and the piston 112 are not opposed to each other when the piston 112 is at the bottom dead center in the low compression ratio mode has been described. However, it is sufficient that the area of the center guide portion 126b facing the piston 112 is smaller in the low compression ratio mode than at least in the high compression ratio mode.

また、上述した実施形態では、スワールガイド部126aと中心ガイド部126bとで1つの掃気ポート126を形成する場合について説明したが、スワールガイド部126aと中心ガイド部126bは、個別のポートとして形成されてもよいし、2つのポートが一部連結されて形成されてもよい。   In the above-described embodiment, the case where one scavenging port 126 is formed by the swirl guide 126a and the center guide 126b has been described. However, the swirl guide 126a and the center guide 126b are formed as separate ports. Alternatively, two ports may be partially connected and formed.

また、上述した実施形態では、第1燃料供給部130は、燃料ガスと活性ガスを混合した予混合気を、噴射口130dから噴出する場合について説明したが、予混合気ではなく燃料ガスを噴射口130dから噴射する構成であってもよい。   Further, in the above-described embodiment, the case has been described where the first fuel supply unit 130 ejects the premixed gas obtained by mixing the fuel gas and the active gas from the injection port 130d, but the fuel gas is injected instead of the premixed gas. The structure which injects from the mouth 130d may be sufficient.

また、上述した実施形態では、第1燃料供給部130は、掃気ポート126よりもシリンダ110の外周側に配置され、掃気ポート126から燃料ガスをシリンダ110内に吸入させる場合について説明した。しかし、第1燃料供給部130は、シリンダ110内に燃料ガスを供給すれば、いずれに配置されてもよい。   Further, in the above-described embodiment, the case where the first fuel supply unit 130 is arranged on the outer peripheral side of the cylinder 110 with respect to the scavenging port 126 and the fuel gas is sucked into the cylinder 110 from the scavenging port 126 has been described. However, the first fuel supply unit 130 may be provided at any position as long as it supplies fuel gas into the cylinder 110.

また、上述した実施形態では、圧縮比可変機構146は、シム板148の有無によってピストン112の上死点および下死点の位置を可変とする構成である場合について説明したが、圧縮比が可変となる機構であれば、ピストン112やピストンロッド112aの長さを油圧によって調整するなど、他の構成であってもよい。   Further, in the above-described embodiment, the case where the variable compression ratio mechanism 146 is configured to change the positions of the top dead center and the bottom dead center of the piston 112 depending on the presence or absence of the shim plate 148 is described. Other configurations may be used as long as the length of the piston 112 or the piston rod 112a is adjusted by hydraulic pressure.

また、上述した実施形態では、燃焼室として、主燃焼室134aおよび副燃焼室134bを備え、ガス運転モードにおいて、副燃焼室134bで燃焼した燃料ガスを主燃焼室134aに噴射させる構成について説明した。しかし、副燃焼室134bを設けず、主燃焼室134aにおいて、少量の燃料油を噴射するなどして、掃気ポート126から吸入された燃料ガスを着火させる構成であってもよい。   Further, in the above-described embodiment, the configuration in which the main combustion chamber 134a and the sub-combustion chamber 134b are provided as the combustion chambers and the fuel gas burned in the sub-combustion chamber 134b is injected into the main combustion chamber 134a in the gas operation mode has been described. . However, the fuel gas sucked from the scavenging port 126 may be ignited by injecting a small amount of fuel oil into the main combustion chamber 134a without providing the sub-combustion chamber 134b.

また、上述した実施形態では、副燃焼室134bに少量の燃料油を噴射させて、副燃焼室134b内の燃料ガスを着火させる場合について説明したが、副燃焼室134b内の燃料ガスを点火プラグで着火させてもよい。   In the above-described embodiment, the case where a small amount of fuel oil is injected into the sub-combustion chamber 134b to ignite the fuel gas in the sub-combustion chamber 134b has been described. May be ignited.

また、上述した実施形態では、低圧縮比モードと高圧縮比モードの2つのモードを設ける場合について説明したが、圧縮比の異なる3以上のモードを設けてもよく、3以上のモードのうち、少なくとも2つのモードが上述した低圧縮比モードと高圧縮比モードに対応すればよい。   Further, in the above-described embodiment, a case has been described in which two modes of the low compression ratio mode and the high compression ratio mode are provided. However, three or more modes having different compression ratios may be provided. It is sufficient that at least two modes correspond to the above-described low compression ratio mode and high compression ratio mode.

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。   As described above, the preferred embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, but it goes without saying that the present invention is not limited to such embodiments. It is obvious to those skilled in the art that various changes or modifications can be conceived within the scope of the claims, and it is understood that these also naturally belong to the technical scope of the present invention. Is done.

本発明は、圧縮比が可変であるユニフロー掃気式2サイクルエンジンに利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a uniflow scavenging two-cycle engine having a variable compression ratio.

100 ユニフロー掃気式2サイクルエンジン
110 シリンダ
112 ピストン
120 排気ポート
126 掃気ポート
126a スワールガイド部
126b 中心ガイド部
130 第1燃料供給部
136 第2燃料供給部
100 Uniflow scavenging two-stroke engine 110 Cylinder 112 Piston 120 Exhaust port 126 Scavenging port 126a Swirl guide 126b Central guide 130 First fuel supply 136 Second fuel supply

Claims (1)

ピストンが往復動するシリンダの一端側に排気ポートが形成されるとともに、該シリンダの他端側に掃気ポートが形成され、低圧縮比モードと、該低圧縮比モードよりも該ピストンの上死点および下死点が該排気ポート側に位置する高圧縮比モードとの少なくとも2つの運転モードに切り替えられるユニフロー掃気式2サイクルエンジンであって、
前記低圧縮比モードのとき、掃気ガスに気体燃料を噴射する第1燃料供給部と、
前記高圧縮比モードのとき、前記第1燃料供給部よりも、前記シリンダの一端側において、該シリンダ内に液体燃料を噴射する第2燃料供給部と、
を備え、
前記掃気ポートは、
前記シリンダの外部から内部に向けて、該シリンダの径方向に対して傾斜した方向に掃気ガスを導くスワールガイド部と、
前記スワールガイド部よりも前記シリンダの他端側に設けられ、該スワールガイド部よりも、前記掃気ガスを該シリンダの中心側に向けて導く中心ガイド部と、
を備え、
前記高圧縮比モード時に前記ピストンが下死点にある場合には、前記スワールガイド部が該ピストンと非対向となり、前記中心ガイド部の少なくとも一部が該ピストンに対向するとともに、前記低圧縮比モード時に該ピストンが下死点にある場合には、該中心ガイド部と該ピストンとが非対向となるか、もしくは、該高圧縮比モード時よりも該ピストンと対向する面積が小さくなることを特徴とするユニフロー掃気式2サイクルエンジン。
An exhaust port is formed at one end of the cylinder in which the piston reciprocates, and a scavenging port is formed at the other end of the cylinder. The low compression ratio mode and the top dead center of the piston are lower than the low compression ratio mode. And a uniflow scavenging two-stroke engine switched to at least two operation modes, and a high compression ratio mode in which a bottom dead center is located on the exhaust port side,
A first fuel supply unit that injects gaseous fuel into the scavenging gas when in the low compression ratio mode;
In the high compression ratio mode, a second fuel supply unit that injects liquid fuel into the cylinder at one end of the cylinder than the first fuel supply unit;
With
The scavenging port is
From the outside of the cylinder toward the inside, a swirl guide section for guiding scavenging gas in a direction inclined with respect to the radial direction of the cylinder,
A center guide portion provided on the other end side of the cylinder with respect to the swirl guide portion, and guiding the scavenging gas toward the center side of the cylinder with respect to the swirl guide portion;
With
When the piston is at the bottom dead center in the high compression ratio mode, the swirl guide portion is not opposed to the piston, and at least a part of the center guide portion is opposed to the piston, and the low compression ratio When the piston is at the bottom dead center in the mode, the center guide portion and the piston are not opposed to each other, or the area facing the piston is smaller than in the high compression ratio mode. Features a uniflow scavenging two-cycle engine.
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