(57)【要約】【課題】水噴射量を多くするのが困難で、また、水噴射装置が、常に高温・高圧の燃焼ガス中に曝され信頼性を確保するのが難しい。【解決手段】２ストロークディーゼル機関１１のシリンダ７内で往復運動するピストン７が下降して掃気を開始する前又は掃気時に、ピストン７の上部に存在する膨張した高温の排気ガスＧに向けてシリンダ１の側面から水Ｗを噴射して、ピストン上部に近い領域の排気ガスＧを冷却する。このようにシリンダ内の排気ガスＧを外に出さずに中で冷やして再使用することにより、排気ガス温度の低減と次行程で圧縮する空気中の酸素濃度を下げて、効果的なＮＯｘの低減を図る。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２ストロークディーゼル機関のシリンダ内で往復運動するピストンが下降して掃気を開始する前又は掃気時に、ピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガスに向けて又はピストン頂面に向けてシリンダ側面から水を噴射して、ピストン上部に近い領域の排気ガスを冷却するようにした２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法。
【請求項２】
請求項１記載の２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法において、
前記水の噴射時期を、ピストン上死点から７０度〜１８０度のクランク角の範囲とした２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法。
【請求項３】
請求項１記載の２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法において、
前記水の噴射で冷却するピストン上部に近い排気ガスの領域を、ピストンの行程容積の１〜５０％の範囲とした２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法。
【請求項４】
２ストロークディーゼル機関のシリンダ内で往復運動するピストンが下降した掃気時に、ピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガスに向けて又はピストン頂面に向けて掃気ポートから水を噴射して、ピストン上部に近い領域の排気ガスを冷却するようにした２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法において、
前記掃気行程の全域でピストン上部に向けて水を噴射するようにした２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法において、
前記水に代えて蒸気を噴射するようにした２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法。
【請求項７】
シリンダヘッドに設けた排気ガスを排出する排気弁と、シリンダに設けた空気を供給するための掃気ポートと、該シリンダの内部で往復運動するピストンと、前記シリンダの側面にシリンダ内部に向けて設けられた水噴射部材と、該水噴射部材で、前記ピストンが下降して掃気を開始する前又は掃気時のピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガスに向けて又はピストン頂面に向けて水を噴射する水供給装置とを備えた２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減装置。
【請求項８】
請求項７記載の２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減装置において、
前記水供給装置を、機械式又は電気式もしくはそれらを組合わせた構成とし、該水供給装置に、ディーゼル機関運転中に前記水噴射部材からの噴射タイミングと噴射量とを調整する機能を具備させた２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減装置。
【請求項９】
請求項７記載の２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減装置において、
前記水噴射部材を、前記ピストンの中心軸に向けてシリンダの側面から均等に水を噴射する複数個の水噴射弁又は水噴射ノズルで構成した２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減装置。
【請求項１０】
シリンダヘッドに設けた排気ガスを排出する排気弁と、シリンダに設けた空気を供給するための掃気ポートと、該シリンダの内部で往復運動するピストンと、前記掃気ポートからシリンダ内部に向けて水を噴射する水噴射部材と、該水噴射部材で、前記ピストンが下降して掃気ポートが開放した時にピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガスに向けて又はピストン頂面に向けて水を噴射する水供給装置とを備えた２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減装置。
【請求項１１】
請求項７〜１０のいずれか１項に記載の２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減装置において、
前記水供給装置に、前記ピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガスに向けて又はピストン頂面に向けて水を噴射する機能に加え、掃気行程の全域でピストン上部に向けて水を噴射する機能を具備させた２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減装置。
【請求項１２】
請求項７〜１１のいずれか１項に記載の２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減装置において、
前記水供給装置に、水に代えて蒸気を噴射する機能を具備させた２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、車両や舶用等に使用される２ストロークディーゼル機関において、排気ガス中の窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という）を低減させる方法とその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、車両や船舶等の２ストロークディーゼル機関は、爆発、膨張するピストン下死点の前後で排気弁を開放し、同時に掃気ポートを開放することにより、燃焼した排気ガスの排出と空気の給気とを同時に行うような給排気の開閉タイミングで運転されている。
【０００３】
また、この種の２ストロークディーゼル機関として、高効率の運転が可能なユニフロー掃気の２ストロークディーゼル機関を採用することがある。このユニフロー掃気は、シリンダヘッドに排気弁を設け、ピストンの下死点に近い位置のシリンダに掃気ポートを設け、ピストンが下がった時にこの掃気ポートからシリンダ内に吸込まれる給気で排気ガスをシリンダヘッドの排気弁から排出するように構成したものである。このユニフロー掃気の場合、ガスの流れが一方通行になるため、迅速な排気と空気の給気で高効率の運転を可能としている。
【０００４】
一方、近年、環境保護の観点から、このような２ストロークディーゼル機関の排気ガス中のＮＯｘを低減させようとする技術が多く提案されている。その方法として、例えば、排気ガスの一部をシリンダ内部に残留させ、掃気終了後の排気弁が閉じた状態で、シリンダヘッドに設けた水噴射弁からシリンダ内部に残留する排気ガスに水を噴射するものがある。図５は、このような２ストロークディーゼル機関におけるバルブタイミングと水噴射タイミングとの関係を示すタイムチャートであり、クランクシャフトの１回転毎に爆発して往復運動するピストンが、クランク角１８０度のピストン下死点からピストン上死点に至る間の排気・給気を行って空気を圧縮している行程の途中で水噴射を行い、残留した排気ガスの温度で水蒸気を発生させている。そのため、この方法によれば、残した排気ガスの温度で水蒸気を発生させて排気ガスを冷却することができ、この排気ガスと水蒸気と新たな空気との混合物は、空気のみと比較して酸素の含有量が少ないので、燃焼過程で発生するＮＯｘを低減することができる、というものである（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、他の従来技術として、シリンダヘッドから水噴射する場合の水噴射ノズルの位置を工夫したもの（例えば、特許文献２参照。）や、燃焼・膨張行程における燃焼ガスの熱エネルギーを利用して水を水蒸気化することによりピストン出力に転化しようとするものがある（例えば、特許文献３参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−５４８４３号公報（第４頁、図１）
【特許文献２】
特開平９−１１２３５４号公報（第２頁、図１）
【特許文献３】
特開平７−２２４７２４号公報（第２頁、図４）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１では、シリンダ内に排気ガスが残留しているとはいえ、空気と混合した排気ガス温度は低下しており、水蒸気になりづらい。そのため水噴射量を多くしてＮＯｘの大幅な低減を図ることはできない。
【０００８】
また、水噴射装置が、高温・高圧に曝される燃焼室上部に設置されているので、高負荷の場合、常に高温・高圧の燃焼ガス中に曝される水噴射装置の信頼性を確保するのは難しい。前記特許文献２も同様である。しかも、これらは水噴射装置によってピストン上死点の圧力が高い位置で水を噴射するため、ピストン周囲のシリンダライナ上部摺動面に形成された潤滑油膜を水で損なう可能性がある。
【０００９】
なお、前記特許文献３では、冷却損失を抑制することはできても、ＮＯｘを低減した運転を安定して継続することができるものではない。
【００１０】
そこで、本願発明は、高負荷でも、近年の地球的な環境保護の観点から要望されている更なるＮＯｘの低減が可能な、２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法とその装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本願発明に係る２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法は、２ストロークディーゼル機関のシリンダ内で往復運動するピストンが下降して掃気を開始する前又は掃気時に、ピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガスに向けて又はピストン頂面に向けてシリンダ側面から水を噴射して、ピストン上部に近い領域の排気ガスを冷却するようにしている。これにより、ピストンが下降して掃気を開始する前又は掃気時に、ピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガス中またはピストン頂面に噴射された水が水蒸気となってピストン上部に近い領域の排気ガス温度を下げることができる。また、シリンダ内の排気ガスを外に出さずに中で冷やして再使用することにより、他の構成を要することなく、排気ガス温度の低減と次行程で圧縮する空気中の酸素濃度を下げて、効果的なＮＯｘの低減を図ることができる。
【００１２】
前記２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法において、前記水の噴射時期を、ピストン上死点から７０度〜１８０度のクランク角の範囲とすれば、水の噴射はシリンダライナ（シリンダ）の下方となり、シリンダライナ上方に形成された重要性の高い潤滑油膜を水で損なうことなく排気ガスの温度を下げることができる。
【００１３】
また、前記２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法において、前記水の噴射で冷却するピストン上部に近い排気ガスの領域を、ピストンの行程容積の１〜５０％の範囲とすれば、排気行程終了時のシリンダ内に冷却された排出ガスを安定した量で残すことができる。
【００１４】
さらに、２ストロークディーゼル機関のシリンダ内で往復運動するピストンが下降した掃気時に、ピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガスに向けて又はピストン頂面に向けて掃気ポートから水を噴射して、ピストン上部に近い領域の排気ガスを冷却するようにすれば、ピストンが下降した掃気時に、ピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガス中またはピストン頂面に噴射された水が水蒸気となってピストン上部に近い領域の排気ガス温度を下げることができる。このように、シリンダ内の排気ガスを外に出さずに中で冷やして再使用することにより、排気ガス温度の低減と次行程で圧縮する空気中の酸素濃度を下げて、効果的なＮＯｘの低減を図ることができる。
【００１５】
その上、前記いずれかの２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法において、前記掃気行程の全域でピストン上部に向けて水を噴射するようにすれば、水噴射量の調整や十分な水噴射量の供給により更なるＮＯｘの低減を図ることができる。
【００１６】
また、前記いずれかの２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減方法において、前記水に代えて蒸気を噴射するようにすれば、より短時間で気化させる必要がある使用条件において、迅速な排気ガスの冷却を行ってＮＯｘを低減させることができる。
【００１７】
一方、本願発明に係る２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減装置は、シリンダヘッドに設けた排気ガスを排出する排気弁と、シリンダに設けた空気を供給するための掃気ポートと、該シリンダの内部で往復運動するピストンと、前記シリンダの側面にシリンダ内部に向けて設けられた水噴射部材と、該水噴射部材で、前記ピストンが下降して掃気を開始する前又は掃気時のピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガスに向けて又はピストン頂面に向けて水を噴射する水供給装置とを備えている。これにより、シリンダに設けた掃気ポートから空気を供給してシリンダヘッドの排気弁から排出するように構成したユニフロー掃気の２ストロークディーゼル機関において、ピストンが下降して掃気を開始する前又は掃気時に、ピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガス中またはピストン頂面に噴射された水が水蒸気となってピストン上部に近い領域の排気ガス温度を下げるので、排気ガス温度の低減と、次行程で圧縮する空気の酸素濃度を下げて、効率的なＮＯｘの低減を図ることができる。
【００１８】
また、前記２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減装置において、前記水供給装置を、機械式又は電気式もしくはそれらを組合わせた構成とし、該水供給装置に、ディーゼル機関運転中に前記水噴射部材からの噴射タイミングと噴射量とを調整する機能を具備させれば、ディーゼル機関の運転中に最適な水噴射タイミングと噴射量とに調整することができ、運転効率を維持しながらＮＯｘの低減を図ることができる。
【００１９】
さらに、前記２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減装置において、前記水噴射部材を、前記ピストンの中心軸に向けてシリンダの側面から均等に水を噴射する複数個の水噴射弁又は水噴射ノズルで構成すれば、複数個の水噴射弁又は水噴射ノズルによって、短時間で水を均等に噴射して水蒸気にすることができる。
【００２０】
また、シリンダヘッドに設けた排気ガスを排出する排気弁と、シリンダに設けた空気を供給するための掃気ポートと、該シリンダの内部で往復運動するピストンと、前記掃気ポートからシリンダ内部に向けて水を噴射する水噴射部材と、該水噴射部材で、前記ピストンが下降して掃気ポートが開放した時にピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガスに向けて又はピストン頂面に向けてに水を噴射する水供給装置とを備え、シリンダに設けた掃気ポートから空気を供給してシリンダヘッドの排気弁から排出するように構成したユニフロー掃気の２ストロークディーゼル機関において、ピストンが下降して掃気を開始する前又は掃気時に、ピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガス中またはピストン頂面に噴射された水が水蒸気となってピストン上部に近い領域の排気ガス温度を下げるので、排気ガス温度の低減と、次行程で圧縮する空気の酸素濃度を下げて、効率的なＮＯｘの低減を図ることができる。
【００２１】
しかも、前記いずれかの２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減装置において、前記水供給装置に、前記ピストン上部に存在する膨張した高温の排気ガスに向けて又はピストン頂面に向けて水を噴射する機能に加え、掃気行程の全域でピストン上部に向けて水を噴射する機能を具備させれば、掃気開始前又は掃気時の水噴射に加え、掃気行程の全域で更に微量の水噴射を行うことによって更なるＮＯｘの低減を図ることができる。
【００２２】
さらに、前記いずれかの２ストロークディーゼル機関の窒素酸化物低減装置において、前記水供給装置に、水に代えて蒸気を噴射する機能を具備させれば、より短時間で気化させる必要がある使用条件において、迅速な排気ガスの冷却を行ってＮＯｘを低減させることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本願発明の第１実施形態に係る２ストロークディーゼル機関を示す縦断面図であり、図２は同２ストロークディーゼル機関のバルブタイミングと水噴射タイミングとの関係を示すタイムチャートである。なお、図１は模式的に示している。
【００２４】
図１に示すように、シリンダ１の上部にシリンダヘッド２が設けられ、このシリンダヘッド２に排気弁４が設けられている。６は排気口である。シリンダ１の下部には掃気ポート３が設けられており、掃気室５に供給された空気が掃気ポート３からシリンダ１の内部に供給されるように構成されている。シリンダ１の内部には、図の上下方向に往復運動するピストン７が設けられている。この２ストロークディーゼル機関１１は、排気ガスを排出するための排気弁をシリンダヘッド２に設け、空気を供給するための掃気ポート３をシリンダ１の下部に有するユニフロー掃気の２ストロークディーゼル機関である。なお、実際にはシリンダ１内にシリンダライナが設けられるが、この明細書では、シリンダライナを含む構成をシリンダ１として示す。また、排気弁４の駆動機構、点火機構は省略されている。
【００２５】
そして、シリンダ１の側部の掃気ポート３に近い上部位置には、ピストン７が下降して上部が掃気ポート３付近に位置した時に、ピストン上部の排気ガスＧに向けて水Ｗを噴射する水噴射部材８が設けられている。この水噴射部材８は、図示する例では左右対称に設けられている。この水噴射部材８の数は限定されるものではなく、ピストン７が下降して掃気を開始する前又は掃気の時に、ピストン７の上部の排気ガスＧに向けて効率良く水Ｗを噴射できる数と配置であればよい。なお、水噴射部材８の好ましい配置としては、ピストン７の中心部に向けて均等に水Ｗを噴射できるような配置がよい。また、水噴射部材８の配置として、シリンダ１内では低圧、低温となるピストン７が下降して掃気ポート３が開く前のシリンダ側面としている。図示する例では、ピストン７が下降して掃気が開始される前にピストン上部の排気ガスＧに水Ｗを噴射する例を示しており、二点鎖線で示すピストン上部に近い領域Ｖ２の排気ガスＧを冷却している。
【００２６】
しかも、ピストン７が下降して掃気を開始する前は、シリンダ１内では低圧、低温であるが、大気と比較すれば高圧、高温であるため、噴射された水は瞬間的に蒸発して排気ガスＧの温度を下げることができる。
【００２７】
また、この実施形態では、水を噴射する時期として、掃気が開始される前に水を噴射する例を示しているが、この水Ｗを噴射する時期としては、クランク角がピストン上死点から７０度〜１８０度の範囲であれば、水の噴射はシリンダ１の下方となり、シリンダ１の上方に形成された重要性の高い潤滑油膜を水で損なうことなく排気ガスＧの温度を下げることができる。この水を噴射する時期としては、クランク角がピストン上死点から９０度〜１６０度の範囲が好ましい。
【００２８】
さらに、この例では、水Ｗの噴射で冷却するピストン上部に近い排気ガスＧの領域を、ピストン７の全行程容積Ｖ１の約２０〜２５％の容積Ｖ２としている。この水Ｗの噴射で冷却するピストン上部の排気ガスＧの領域としては、ピストン７の行程容積の１〜５０％の容積、好ましくは１０〜３０％の容積とすれば、排気行程終了時のシリンダ１内に冷却された排気ガスＧを安定して残すことができる。前記容積Ｖ２は、ディーゼル機関の排気量や出力、ＮＯｘ低減率に応じて決定すればよい。
【００２９】
一方、前記水噴射部材８は、供給管９によって水供給装置１０と接続されている。この水供給装置１０によって水噴射部材８に水が供給される。水供給装置１０としては、例えば、機械式（カム駆動式ポンプ）、または電気式（電磁弁付の水噴射弁）、もしくはそれらの組合わせによって構成することができ、運転中に噴射タイミング及び噴射量の調整を行うことが可能なように構成されている。この水供給装置１０は、ディーゼル機関１１を制御する図示しない制御装置と接続されており、ピストン７の位置や給気弁３、排気弁４の開閉タイミングと連動するように構成されている。
【００３０】
したがって、水供給装置１０による水Ｗの噴射タイミング及び噴射量の調整は、変化するディーゼル機関の運転条件に応じた制御装置からの信号により、運転効率を保ちながらＮＯｘの低減を図ることができる最適な噴射タイミングと噴射量とに調整される。このように連動させて制御する機能は、コンピュータ等によって実現することができる。
【００３１】
図２に示すように、このような２ストロークディーゼル機関のバルブタイミングと水噴射タイミングとしては、例えば、クランクシャフトの回転角が０度のピストン上死点から爆発・膨張によって下降するピストン７が、ピストン上死点から約１００度のクランク角で排気弁４が開き始め、その後、約１２０度のクランク角で掃気ポート３が開き始め、この掃気ポート３から流入した空気で排気を押出すように構成される。
【００３２】
そして、この実施形態における水噴射タイミングは、ピストン７が下降して掃気ポート３が開く前後のクランク角が約９０度〜１６０度の間に、水噴射部材８からピストン上部の領域の排気ガスＧに向けて水Ｗが噴射される。この例では排気ガスＧに向けて水Ｗを噴射しているが、ピストン７の頂面に向けて噴射するようにしてもよい。この場合も水の噴射はシリンダ１の下方となり、シリンダ１の上方に形成された重要性の高い潤滑油膜を水で損なうことなく排気ガスＧの温度を下げることができる。しかも、燃焼後の高温の排気ガスＧに水Ｗを噴射するので、噴射した水Ｗは気化し易く、ピストン上部の排気ガスＧを効率良く冷却することができる。
【００３３】
また、このように水Ｗを噴射して冷却する排気ガスＧの領域としては、ピストン７の行程容積Ｖ１の１〜５０％の範囲で、ピストン７の上部に近い排気ガスの領域が冷却されている。この例では、冷却する容積として、ピストン７の行程容積Ｖ１の１０〜３０％が冷却される。
【００３４】
その後、水噴射が止められ、ピストン７は下死点を経て上昇しながら掃気ポート３を閉じ、排気弁４が閉じられて、圧縮、点火、燃焼、排気が繰り返される。
【００３５】
このようにしてシリンダ内に残される排気ガスＧが混ざった空気としては、前記したようにしてピストン７の上部の冷却された排気ガスＧが、掃気時に供給される空気と混ざって排気弁４側へと排出されるので、排気弁４からは上部の排気ガスＧから排出されて、ピストン７の上部に近い領域Ｖ２の冷却された排気ガスＧと混ざった空気を効率良くシリンダ１内に残すことができる。つまり、ピストン７の上部の冷却した排気ガスＧで排気弁４側の排気ガスＧを押出し、冷却した排気ガスＧの部分が最後に残るようにしている。
【００３６】
そのため、このようにしてシリンダ１内に残した排気ガスＧとの混合物は、冷却された排気ガスＧが新たな空気に混ざっているので、新たな空気のみに比べて酸素の含有量が少なく、また温度を比較的低くできるため、後の燃焼過程で発生するＮＯｘを大幅に低減することができる。
【００３７】
図３は本願発明の第２実施形態に係る２ストロークディーゼル機関を示す縦断面図であり、図４は同２ストロークディーゼル機関のバルブタイミングと水噴射タイミングとの関係を示すタイムチャートである。なお、図３は模式的に示している。また、上述した第１実施形態と同一の構成には、同一符号を付して説明する。
【００３８】
図３に示すように、シリンダ１の上部にシリンダヘッド２が設けられ、このシリンダヘッド２に排気弁４が設けられている。６は排気口である。シリンダ１の下部には掃気ポート３が設けられており、掃気室５に供給された空気が掃気ポート３からシリンダ１の内部に供給されるように構成されている。シリンダ１の内部には、図の上下方向に往復運動するピストン７が設けられている。この２ストロークディーゼル機関１３は、排気ガスを排出するための排気弁をシリンダヘッド２に有し、空気を供給するための掃気ポート３をシリンダ１の下部に有するユニフロー掃気の２ストロークディーゼル機関である。なお、実際にはシリンダ１内にシリンダライナが設けられるが、この明細書では、シリンダライナを含む構成をシリンダ１として示す。また、排気弁４の駆動機構、点火機構は省略されている。
【００３９】
そして、掃気ポート３には、ピストン７が下降して掃気ポート３が開いた時に、ピストン上部の排気ガスＧに向けて水Ｗを噴射する水噴射部材１２が設けられている。この水噴射部材１２は、図示する例では左右対称に設けられている。この水噴射部材１２の数は限定されるものではなく、ピストン７が下降して掃気する時に、ピストン７の上部の排気ガスＧ又はピストン頂面に向けて効率良く水Ｗを噴射できる数と配置であればよい。この水噴射部材１２の好ましい配置としては、ピストン７の中心軸、すなわちシリンダ１の中心部に向けて均等に水Ｗを噴射できるような配置にすれば、シリンダ１内にほぼ均等に水噴射して排気ガスＧをほぼ均等に冷却できるのでよい。また、水噴射部材１２の配置として、シリンダ１内では低圧、低温となるピストン７が下降した掃気時の掃気ポート３としている。図示する例では、ピストン７が下降して掃気が開始された時にピストン上部の排気ガスＧに水Ｗを噴射する例を示しており、二点鎖線で示すピストン上部に近い領域Ｖ２の排気ガスＧを冷却している。
【００４０】
しかも、ピストン７が下降して掃気を開始する時の排気ガスＧは、シリンダ１内では低圧、低温であるが、大気と比較すれば高圧、高温であるため、噴射された水は瞬間的に蒸発して排気ガスＧの温度を下げることができる。
【００４１】
また、この実施形態では、水を噴射する時期として、掃気が開始された時に水を噴射する例を示しているが、クランクシャフトの回転角がピストン上死点から約１２０度〜１８０度の範囲であれば、水の噴射はシリンダ１の下方となり、シリンダ１の上方に形成された重要性の高い潤滑油膜を水で損なうことなく排気ガスＧの温度を下げることができる。この水Ｗを噴射する時期としては、ディーゼル機関の排気量や出力、ＮＯｘ低減率に応じて、掃気ポート３が開いている間で設定すればよい。
【００４２】
さらに、この例では、水Ｗの噴射で冷却するピストン上部に近い排気ガスＧの領域を、ピストン７の全行程容積Ｖ１の約２０〜２５％の容積Ｖ２としている。この水Ｗの噴射で冷却するピストン上部の排気ガスＧの領域としては、ピストン７の行程容積の１〜５０％の容積、好ましくは１０〜３０％の容積とすれば、排気行程終了時のシリンダ１内に冷却された排気ガスＧを安定して残すことができる。前記容積Ｖ２は、ディーゼル機関の排気量や出力、ＮＯｘ低減率に応じて決定すればよい。
【００４３】
一方、前記水噴射部材１２は、供給管９によって水供給装置１０と接続されている。この水供給装置１０によって水噴射部材１２に水が供給される。水供給装置１０としては、例えば、機械式（カム駆動式ポンプ）、または電気式（電磁弁付の水噴射弁）、もしくはそれらの組合わせによって構成することができ、運転中に噴射タイミング及び噴射量の調整を行うことが可能なように構成されている。この水供給装置１０は、ディーゼル機関１１を制御する図示しない制御装置と接続されており、ピストン７の位置や掃気ポート３、排気弁４の開閉タイミングと連動するように構成されている。
【００４４】
したがって、水供給装置１０による水Ｗの噴射タイミング及び噴射量の調整は、変化するディーゼル機関の運転条件に応じた制御装置からの信号により、運転効率を保ちながらＮＯｘの低減を図ることができる最適な噴射タイミングと噴射量とに調整される。このように連動させて制御する機能は、コンピュータ等によって実現することができる。
【００４５】
図４に示すように、このような２ストロークディーゼル機関のバルブタイミングと水噴射タイミングとしては、例えば、クランクシャフトの回転角が０度のピストン上死点から爆発・膨張によって下降するピストン７が、ピストン上死点から約１００度のクランク角で排気弁４が開き始め、その後、約１２０度のクランク角で掃気ポート３が開き始め、この掃気ポート３から流入した空気で排気を押出すように構成される。
【００４６】
そして、この実施形態における水噴射タイミングは、ピストン７が下降して掃気ポート３が開いた時のクランクシャフト回転角が約１２０度〜１８０度の間に、水噴射部材１２からピストン上部の領域の排気ガスＧに向けて水Ｗが噴射される。この例では排気ガスＧに向けて水Ｗを噴射しているが、ピストン７の頂面に向けて噴射するようにしてもよい。この水Ｗの噴射時期は、掃気ポート３が開いている間の好ましいタイミングに設定される。この場合も水の噴射はシリンダ１の下方となり、シリンダ１の上方に形成された重要性の高い潤滑油膜を水で損なうことなく排気ガスＧの温度を下げることができる。しかも、燃焼後の高温の排気ガスＧに水Ｗを噴射するので、噴射した水Ｗは気化し易く、ピストン上部の排気ガスＧを効率良く冷却することができる。
【００４７】
また、このように水Ｗを噴射して冷却する排気ガスＧの領域としては、ピストン７の行程容積Ｖ１の１〜５０％の範囲で、ピストン７の上部に近い排気ガスの領域が冷却されている。この例では、冷却する容積として、ピストン７の行程容積Ｖ１の１０〜３０％が冷却される。
【００４８】
その後、水噴射が止められ、ピストン７は下死点を経て上昇しながら掃気ポート３を閉じ、排気弁４が閉じられて、圧縮・点火・燃焼、排気が繰り返される。
【００４９】
このようにしてシリンダ内に残される排気ガスＧが混ざった空気としては、前記したようにしてピストン７の上部の冷却された排気ガスＧが、掃気時に供給される空気と混ざって排気弁４側へと排出されるので、排気弁４からは上部の排気ガスＧから排出されて、ピストン７の上部に近い領域Ｖ２の冷却された排気ガスＧと混ざった空気を効率良くシリンダ１内に残すことができる。つまり、ピストン７の上部の冷却した排気ガスＧで排気弁４側の排気ガスＧを押出し、冷却した排気ガスＧの部分が最後に残るようにしている。
【００５０】
そのため、このようにしてシリンダ１内に残した排気ガスＧとの混合物は、冷却された排気ガスＧが新たな空気に混ざっているので、新たな空気のみに比べて酸素の含有量が少なく、また温度を比較的低くできるため、後の燃焼過程で発生するＮＯｘを大幅に低減することができる。
【００５１】
このように、本願発明では、多くの構成を要することなく、シリンダ１内の排気ガスを外に出さずに中で冷やして効果的に再使用する、内部クール排気再循環方式で、排気ガス温度の低減と次行程で圧縮する空気中の酸素濃度を下げて、更なるＮＯｘの低減を安定して図ることができる。
【００５２】
また、冷却した排気ガスＧによって空気との混合物の温度を低くすることができるので、ピストン７等の燃焼室の構成を冷却して燃焼面温度を低くすることもできる。
【００５３】
なお、前記いずれの実施形態も、それぞれの実施の形態における水の噴射に加え、掃気ポート３が開いている掃気行程の全域で行うことにより、水噴射量を増加して更なるＮＯｘの低減の増加を図ることもできる。この水噴射量は、水供給装置１０によって調整することができ、燃焼条件等に応じて調整される。
【００５４】
また、前記水の代わりに蒸気を噴射するようにすれば、より短時間で気化させる必要がある使用条件において、ＮＯｘを安定して低減させることができる。この場合、水供給装置１０に蒸気供給機能が追加される。
【００５５】
さらに、上述した実施形態は一実施形態であり、本願発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本願発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
【００５６】
【発明の効果】
本願発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載するような効果を奏する。
【００５７】
シリンダ内の排気ガスを外に出さずに中で冷やして再使用することにより、高負荷でも排気ガス温度の低減と次行程で圧縮する空気中の酸素濃度を下げて、安定した更なる窒素酸化物の低減を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の第１実施形態に係る２ストロークディーゼル機関を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す２ストロークディーゼル機関のバルブタイミングと水噴射タイミングとの関係を示すタイムチャートである。
【図３】本願発明の第２実施形態に係る２ストロークディーゼル機関を示す縦断面図である。
【図４】図３に示す２ストロークディーゼル機関のバルブタイミングと水噴射タイミングとの関係を示すタイムチャートである。
【図５】従来の２ストロークディーゼル機関における、バルブタイミングと水噴射タイミングとの関係を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１…シリンダ
２…シリンダヘッド
３…掃気ポート
４…排気弁
５…掃気室
６…排気口
７…ピストン
８…水噴射部材
９…供給管
１０…水供給装置
１１…２ストロークディーゼル機関
１２…水噴射部材
１３…２ストロークディーゼル機関
Ｇ…排気ガス
Ｗ…水
Ｖ１，Ｖ２…容積
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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