(57)【要約】【課題】エンジン頂部に排気弁を設置する方式では、排気弁の冷却が不足して過熱する。また、エンジンの下部から上部に燃焼ガスや給気を流すため、未燃焼燃料の残留や燃焼ガスやその残渣物がシリンダー内部に残留し易く問題を引き起こしている。【解決手段】排気弁方式を改め、給気弁９と排気孔８ａとこの排気孔８ａを開閉する機構を設けて、シリンダー１ｂの上部より下部に給気や燃焼ガスを流す。この給気（空気）により給気弁９自体を冷却し、燃焼ガスを燃焼室付近から速やかに除去する。同時に燃焼ガスやその残渣物をシリンダーの外部に排出し、これらの自然発火が原因の予混合燃焼時の過早着火やノッキングの発生を回避する。また、従来の排気弁の温度が上昇するために使用していた高級な合金の使用を回避し、また、排気弁が高温になることに起因する整備の問題も併せて解決するエンジンの構造を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンのシリンダー１ｂの上部に給気弁９を設置して、この給気弁９より、燃料の燃焼のための空気と燃焼ガスの掃気のための空気（以下、これらを総称して給気という）を、シリンダー１ｂの上部から下部の方向に供給し、燃焼ガスや燃焼残渣物をシリンダー１ｂの下部に設けた排気孔８ａからシリンダーの外部に排出することを特徴とするエンジン。
【請求項２】
前記の給気を、シリンダー１ｂの上部に設置した給気弁９より供給するに時に、予混合燃焼させる燃料を、給気ダクト７の内部の給気に混入させて、給気弁９の弁傘上部を含む給気弁９の上流側に設置した旋回付与羽根９ａにより、給気に適度な旋回力を付与してシリンダー１ｂの内部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。
【請求項３】
前記の予混合燃料を、予混合燃料供給弁１５ｂからシリンダー１ｂに供給する場合において、この予混合燃料が、排気孔８ａからシリンダー１ｂの外部に排出されることのない時期にこの燃料の供給を開始し、給気弁９が閉弁する以前にこの燃料の供給を終了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。
【請求項４】
ピストンクラウン２ａが、シリンダー１ｂの下部に設けた排気孔８ａを開口して、燃焼ガスをシリンダー１ｂの外部に排出するときに、ピストンクラウン２ａと、ピストンリング２ｃと、シリンダー１ｂと、で囲まれた空間に残留している未燃焼の燃料を、シリンダー１ｂ内より排気ダクト８に噴出する高温の排気ガスでこの空間から散逸させ、この排気ガスの熱で燃焼させることにより、未燃焼燃料の大気への漏洩を防止することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、燃料の燃焼のための空気と排気ガスの掃気のための空気を、シリンダー１ｂへ供給する給気弁９をエンジンのシリンダー１ｂの上部に設置して、シリンダー１ｂの下部に設けた排気孔８ａと、その排気孔８ａをエンジン行程に同期して管制する機能を装置したことを特徴とするエンジンの構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  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、常時上下に動く排気弁の冷却が困難なため冷却が不足して排気弁が高温になるので、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。【０００３】  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、燃焼ガス中の硫黄成分が結露して空気中の水分と結合し、シリンダー表面に酸性物資を生じ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。【０００４】  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。【０００５】  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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ／２０１４／１１５５７２  Ａ１
【特許文献２】ＷＯ／２０１５／１０８１３８  Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  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。【０００８】  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ヘッド、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表面が最も高温になり、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、前期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。【０００９】  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導かない（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内部ＥＧＲやエンジン内部ＳＣＲを使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。【００１０】  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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  そこで、本発明は、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ものである。即ち、本発明では、シリンダーの頂部に設けた給気弁９により、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。【００１２】  この頂部給気弁方式を採用し、給気弁９から給気をシリンダー１ｂ内に供給するには、シリンダー１ｂの下部に設けた排気孔８ａを、エンジン行程に同期して自動で開閉することが必要になるが、エンジンのストローク／シリンダー内径比の小さいエンジンでは、この排気孔８ａを開閉するのに十分なストローク方向の長さを有するピストンスカート２ｂを、ピストンクラウン２ａの下部に固定設置することで実現できる。一方、現在の大型船舶で主流になっている低速ロングストロークエンジンでは、前記のような固定式ピストンスカート２ｂは、その長さの面で非現実的な方法であり採用できないので、新たに考案した手法で対応するが、この内容は別途特許願を提出しているので、ここでは説明を割愛する。
【発明の効果】
【００１３】  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然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根絶できる。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。【００１４】  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。【００１５】  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排気弁表面に発生している高温腐食を抑制あるいは回避でき高級な合金の使用を回避できる。【００１６】  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から供給する温度の低い空気により置換して、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。【００１７】  また、本発明は、給気弁９よりシリンダー１ｂ内に給気を供給する時に、給気弁９の弁傘の形状や、その上流側に設置する旋回付与羽根により、シリンダー１ｂ内の給気に旋回力を与えることができるので、シリンダー１ｂ内の排気ガスをこの給気の旋回流の内側に閉じ込めて意図的に残留できるので、排気ガス環境対策のためエンジン内部ＥＧＲ（排気ガス還流）を使用する場合の対応が容易になる。また、給気弁９より、この給気の旋回流に混入させて尿素水をシリンダー１ｂ内に供給できるので、内部ＳＣＲ（脱硝）を使用する場合の対応が容易になる。【００１８】    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で発生していた予混合燃焼方式における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、ピストンクラウン���ａに囲まれた空間に滞留する未燃焼の天然ガスなどを、排気行程でピストンクラウン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天然ガスなどをこの高温の排気ガスで吹き飛ばして燃焼させるので、未燃焼の天然ガスなどの大気への漏洩（メタンスリップ）を抑制あるいは回避できる。【００１９】    また、本発明では、シリンダー１ｂの下部に排気孔８ａを設けるので、関連機器の設置や制御の設計自由度が増加し、排気ガスの温度による弁別回収が行い易くなる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】  図１の（１）は、この実施形態を示すエンジン構造の断面図である。また、この構造の補足説明のため下記内容の図を記載してある。（２）膨張排気行程例  （３）給気圧縮行程例
【発明を実施するための形態】
【００２１】  以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
【００２２】  図１にこの構造の概念を示す。従来のエンジンのシリンダー頂部に設置されている排気弁を給気弁９に変更し、掃気や給気のための空気をシリンダー１ｂの上部から下部の方向に流し、排気ガスは排気孔８ａからシリンダー１ｂの外部に排出する。
【００２３】  シリンダー頂部には外部から空気を導入する給気ダクト７を設け、シリンダー１ｂ内への空気の供給は、適宜自動で開閉される給気弁９により行う。給気弁９の上流側には、給気に旋回力を与える旋回付与羽根９ａを設けて適度な羽根角度に設定できる。なお、旋回付保羽根の角度を一定値に固定できる場合は、給気弁９の弁傘上に設けてもよい。
【００２４】  図１では、燃料供給装置例として予混合燃料供給弁１５ｂの場合について記載してあるが、その他の燃料供給装置は、給気ダクト７の内部、あるいはシリンダー１ｂの外部に必要に応じて何個でも設置してよい。
【００２５】  図１の（１）では、ピストンが下死点（以下ＢＤＣという）の状態を示す。ピストンヘッド２ａがこの位置より上方向に移動すれば、シリンダー１ｂに設けられた排気孔８ａは、ピストンスカート２ｂにより自動的に閉鎖され、排気ガスがシリンダー側に逆流するのを防止する。
【００２６】  図１では説明の便宜上、排気孔８ａは左右に１箇所として記載してあるが、シリンダー１ｂの周囲に排気面積の必要に応じて何個でも、また何段でも設置してよい。
また、図１では例示的にピストンスカート２ｂの場合について記載してあるが、排気孔８ａをエンジン行程に合わせて適宜開閉できる機能があれば、ピストンスカート２ｂ以外の構造、例えば排気逆止弁や、浮動するピストンスカートなど、エンジン行程に合わせてこのダンパーを開閉する他の方法でもよい。
【００２７】  図１の（２）に、膨張、排気、掃気の行程の一般的な事例を示す。排気孔８ａの開口開始時期は、シリンダー１ｂに設けたこの排気孔８ａの位置により固定されるが、給気弁９の開弁開始時期は、そのエンジンに求められる排気掃気の行程に応じ自由に設定を変更できる。
【００２８】  図１の（３）に、給気圧縮行程の一般的な事例を示す。排気孔８ａの閉口開始時期はシリンダー１ｂに設けた排気孔８ａの位置により固定されるが、給気弁９の閉弁時期は、そのエンジンに求められる給気圧縮行程に応じて自由に設定できる。また、燃料供給時期も適宜設定できる。
【符号の説明】
【００２９】  １ｂ        シリンダー
２ａ        ピストンクラウン
２ｂ        ピストンスカート
２ｃ        ピストンリング
４          クランク連結機構
６          エンジン架台
７          給気ダクト
８          排気ダクト
８ａ        排気孔
８ｍ        排気集合管
９          給気弁
９ａ        旋回付与羽根
１５ｂ        予混合燃料供給弁
【図１】
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