(57)【要約】【課題】従来の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、燃焼ガスや燃焼残渣物がシリンダー内部に残留し易く各種の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を開閉する浮動式ピストンスカート２ｇを設けて、シリンダー１ｂの上部より下部に燃焼ガスや給気を流す。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。また、排気孔８ａより燃焼ガス等をシリンダー外に排出し、これらの自然発火による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、排気弁の整備間隔等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と、シリンダー１ｂの下部に排気孔８ａと、エンジン行程に同期して排気孔８ａを開閉する浮動ピストンスカート２ｇと、を設置し、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、給気弁９よりシリンダー１ｂ内に供給し、シリンダー１ｂの下部に設けた排気孔８ａから、燃焼ガスをシリンダー１ｂ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より供給する時に、給気ダクト７内に設置した予混合燃料供給弁１５ｂから、シリンダー１ｂの内部に、予混合燃焼させる燃料を給気に混合して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】
エンジン行程に同期して排気孔８ａを開閉する機構において、膨張排気の行程で下降したピストンクラウン２ａが、浮動ピストンスカート２ｇを押し下げることにより排気孔８ａを開口し、その後、給気圧縮の行程で上昇したピストンクラウン２ａが、浮動ピストンスカート２ｇから離脱することにより、浮動ピストンスカート２ｇが排気孔８ａを閉口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】
前記のピストンクラウン２ａが浮動ピストンスカート２ｇに接触する時に、ピストンクラウン２ａと浮動ピストンスカート２ｇの間の空気を圧縮することにより、この接触衝撃を緩和することを特徴とするピストンクラウン２ａおよび浮動ピストンスカート２ｇ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、往復動エンジンのシリンダー１ｂの頂部に設置して、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と、シリンダー１ｂの下部に設けた排気孔８ａと、その排気孔８ａの開閉をエンジン行程に同期して管制する浮動ピストンスカート２ｇを備えた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１ｂ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、シリンダー内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という問題を生じている。
【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を閉口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、本発明では、ピストンクラウン２ａからピストンスカート２ｂを切り離して浮動させ、シリンダー下部に設けた排気孔付近をエンジン行程に同期して上下させて、排気孔８ａを開閉する機構を新たに考案してこの問題を解決する。
【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、本発明では、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排気ガスを速やかに空気と置換して、この燃焼ガスを、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と置換して、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内の給気に旋回流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２ａと、に囲まれ���空間に滞留する未燃焼の天然ガスなどを、排気行程において、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のうち（１）は、本発明の実施形態を示すエンジン構造の断面図で、行程途中の状態を示す。また、この構造の補足説明のため、下記内容の図面、説明を記載してある。（２）断面図（Ａ−Ａ部分）  （３）断面図（接触緩衝機能説明）  （４）膨張排気行程例  （５）給気圧縮行程例
【図２】  ピストンがＢＤＣ位置における状態の断面図を示す。
【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。従来の頂部排気弁方式における排気弁を給気弁９に変更し、排気ガスや掃気や給気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の外に排出する構造である。
【００２３】  ピストンクラウン２ａが下死点（以下、ＢＤＣという）付近にあり排気孔８ａを塞いでいる時以外は、浮動ピストンスカート２ｇが、排気孔８ａを塞ぎ排気ガスがシリンダー１ｂ方向へ逆流するのを防止する。ピストンクラウン２ａが下降してＢＤＣ付近で浮動ピストンスカート２ｇに接触した後、ピストンクラウン２ａは、浮動ピストンスカート２ｇのスプリング５１を圧縮して、浮動ピストンスカート２ｇを下方に押し下げて排気孔８ａを開口し、排気ガスは、排気ダクト８に流れて排気掃気の行程が行われる。図２に、ピストンクラウン２ａがＢＤＣ位置ある時の状態を示す。図１および図２では説明の便宜上、スプリング５１は１個として記載してあるが、同じ個所に複数個設置しても、また異なる位置に複数個を設置してもよい。
【００２４】  ピストンクラウン２ａが下降して、ＢＤＣ付近で浮動ピストンスカート２ｇに接触する直前に、ピストンクラウン２ａの下部と、浮動ピストンスカート２ｇの上部との間にある空気が、ピストンクラウン２ａの下部に設置された衝撃緩衝コーン２ｆの作用により圧縮されるので、両者が接触する時の衝撃は緩衝される。なお、ピストンがＢＤＣ付近では、ピストンスピードが限りなく０（ゼロ）に近くなっているので、本来この衝撃は少ない。図１の（３）に、この接触緩衝の機能を示す。
【００２５】  ピストンクラウン２ａがＢＤＣ付近から上昇する時は、浮動ピストンスカート２ｇは、スプリング５１の圧縮力が無くなりピストンクラウン２ａの下部との接触がなくなるまで上昇し、この過程で浮動ピストンスカート２ｇは、ピストンクラウン２ａに代わり排気孔８ａを閉口して、排気ガスがシリンダー１ｂ側に逆流することを防止する。
【００２６】  シリンダー１ｂの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内への給気の供給は、適宜自動で開閉される給気弁９により行う。図１では説明の便宜上、給気弁９は１個として記載してあるが、給気弁９は必要に応じて構造上可能であれば何個でも設置してよい。また、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、排気面積の必要に応じてシリンダーの周囲に何個でも、また何段でも設置してよい。
【００２７】  図１には、説明の便宜上、予混合燃料供給弁１５ｂと拡散燃料噴射弁１４ａをそれぞれ１個記載してあるが、これらの燃料供給装置は、給気ダクト７の内部あるいはシリンダー１ｂの外部に、各種の供給装置を必要な個数設置してよい。
【００２８】  図２に、ピストンがＢＤＣ位置の時の状態を示す。ピストンクラウン２ａが、この位置より上方向に移動すれば、排気孔８ａは、ピストンクラウン２ａ、続いて浮動ピストンスカート２ｂにより閉口され、排気ガスがシリンダー１ｂ側への逆流を管制する。
【００２９】  図１の（４）に、排気掃気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の開弁時期は、そのエンジンに求められる排気掃気行程に応じ自由に設定できる。液体燃料噴射弁１４ａの閉弁時期も自由に設定できる。
【００３０】  図１の（５）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置できる。また、予混合燃料供給弁１５ｂの開閉時期も必要に応じて自由に設定できる。また、給気弁９の閉弁時期も自由に設定できる。
【符号の説明】
【００３１】  １ｂ        シリンダー
２ａ        ピストンクラウン
２ｃ        ピストンリング
２ｄ        ピストンロッド
２ｅ        気密装置
２ｆ        接触緩衝用コーン
２ｇ        浮動ピストンスカート
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
１４ａ        拡散燃焼噴射弁
１５ｂ        予混合燃料供給弁
５１          スプリング
【図１】
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【図２】
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