(57)【要約】【課題】系全体の応答性を高め、安定した運転を可能とすることができる予混合式２ストローク機関を提供する。【解決手段】シリンダライナ３の掃気ポート１の外側に、開口部５１を有する遮蔽円筒５２が、上下方向に移動可能に嵌合される。遮蔽円筒５２は、油圧シリンダ５３によって上下駆動されるようになっており、油圧シリンダ５３は、保持器５４によってシリンダライナ３に取り付けられている。遮蔽円筒５２が下端位置にあるときは、シリンダライナ３の掃気ポート１と遮蔽円筒５２の開口部５１は全面的に重なる。また、遮蔽円筒５２が上方に移動すると、掃気ポート１と開口部５１は一部重なり、掃気ポート１の下方部は遮蔽円筒５２によって遮蔽される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部の空気を取り入れる掃気開口とその上部の燃料噴射弁を有するシリンダと、前記シリンダ内を往復動するピストンとを備え、前記ピストンが下死点から上死点に移動して前記掃気開口から取り入れられた空気と前記燃料噴射弁から噴射された燃料からなる混合気を圧縮する圧縮行程と、前記混合気の着火による爆発力で前記ピストンが上死点から下死点に移動して前記上死点側に取り付けられる排気弁から排気を行う排気行程との２行程で１周期を完結する予混合式２ストローク機関であって、
前記掃気開口に対面する位置の前記シリンダの外周に、前記掃気開口の開度を調整する遮蔽円筒を上下方向に移動可能に嵌合して配置したことを特徴とする予混合式２ストローク機関。
【請求項２】
外部の空気を取り入れる掃気開口とその上部の燃料噴射弁を有するシリンダと、前記シリンダ内を往復動するピストンとを備え、前記ピストンが下死点から上死点に移動して前記掃気開口から取り入れられた空気と前記燃料噴射弁から噴射された燃料からなる混合気を圧縮する圧縮行程と、前記混合気の着火による爆発力で前記ピストンが上死点から下死点に移動して前記上死点側に取り付けられる排気弁から排気を行う排気行程との２行程で１周期を完結する予混合式２ストローク機関であって、
前記掃気開口に対面する位置の前記シリンダの外周に、前記掃気開口の開度を調整する遮蔽板を水平方向に回転可能に取り付けたことを特徴とする予混合式２ストローク機関。
【請求項３】
燃焼した前記混合気を排気させる排気主管と、排気タービン入口管により前記排気主管と接続される排気タービンと、前記排気タービンと連結され、外部の空気を吸込む空気吸込み管と圧縮空気を送り出すブロワ出口管と燃焼した前記混合気を外部に排出する排気出口管を有する過給機ブロワと、前記排気タービン入口管と前記排気出口管の間に接続され排気バイパス弁を有する排気バイパス管と、前記ブロワ出口管の前記圧縮空気を前記排気タービン側に逃がす機能を有し第１のバイパス弁を有する第１の空気バイパス管と、前記ブロワ出口管の前記圧縮空気を前記空気吸込み管側に逃がす機能を有し第２のバイパス弁を有する第２の空気バイパス管とを備えることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の予混合式２ストローク機関。
【請求項４】
前記遮蔽円筒または前記遮蔽板を駆動制御して前記掃気開口の開度を調整する空燃比制御装置を備えることを特徴とする請求項３記載の予混合式２ストローク機関。
【請求項５】
前記空燃比制御装置は、少なくとも前記排気主管の近傍の空燃比センサの検出信号を取り込むことを特徴とする請求項４記載の予混合式２ストローク機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１往復（２行程＝２ストローク）で１周期とするレシプロエンジンである予混合式２ストローク機関に関し、特に、空燃比調整（制御）技術に特徴のある予混合式２ストローク機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は、従来例に係る予混合式２ストローク機関の一部断面全体構成図である。
【０００３】
掃気ポート１とガス噴射弁２を有するシリンダライナ３が外衣４に取り付けられ、シリンダライナ３の内部にピストン５が挿入されている。シリンダライナ３の上部にはシリンダカバー６が取り付けられ、シリンダカバー６には、排気弁棒７を有する排気弁箱８及びパイロット噴射弁９が装着されている。
【０００４】
排気弁箱８と排気主管１０が結合され、排気主管１０と排気タービン１１が排気タービン入口管１２で結合されている。また、排気バイパス弁１３を有する排気バイパス管１４が排気タービン入口管１２と排気出口管１５の間に接続されている。排気出口管１５は、排気タービン１１の出口に設けられる。
【０００５】
過給機ブロワ２１には、空気吸込み管２２とブロワ出口管２３が接続され、ブロワ出口管２３は、空気冷却器２４に接続されている。空気冷却器２４は、外衣４に取り付けられた掃気溜２５の内部に取り付けられている。また、過給機ブロワ２１のブロワ出口管２３には、空気バイパス管２６と空気バイパス管２７が装備され、空気バイパス管２６には、バイパス弁２８が、空気バイパス管２７にはバイパス弁２９が装備されている。
【０００６】
空気吸込み管２２から吸入された空気は、過給機ブロワ２１により加圧されブロワ出口管２３を通り、空気冷却器２４で冷却された後、掃気溜２５を通り掃気ポート１からシリンダライナ３に流入する。シリンダライナ３に流入した空気とガス噴射弁２よりシリンダライナ３内に噴出されるガスにより混合気が形成される。
【０００７】
そして、シリンダライナ３内を下死点から上死点に向けて移動するピストン５により圧縮された混合気にパイロット噴射弁９より液体燃料を噴射し、着火することで混合気を燃焼（爆発）させる。この爆発により、ピストン５は上死点から下死点に向けて移動する。このようにして、ピストン５が１往復（２行程＝２ストローク）することで、１周期の動作が終了する。
【０００８】
燃焼した混合気は、排気弁棒７の開時に排気弁箱８を通り、さらに排気主管１０から排気タービン入口管１２を通って排気タービン１１を駆動し、外部に排出される。排気タービン１１は過給機ブロワ２１と直結しているので、排気タービン１１の駆動により過給機ブロワ２１も駆動される。
【０００９】
ところで、シリンダライナ３内の混合気の空気とガスの混合比（空燃比）を調整して、最大の爆発力（エンジンの出力）を得るためには、掃気ポート１を通りシリンダライナ３に流入する空気量を調整すればよい。即ち、空燃比を調整するためには、過給機ブロワ２１からブロワ出口管２３を通じて供給される空気量を調整すればよい。
【００１０】
過給機ブロワ２１から供給される空気量を調整する方式としては、主として以下の３通りの方式がある。
【００１１】
第１の方式は、排気バイパス弁１３の開度調整により排気タービン１１に流入する排気ガス量を調整し、過給機ブロワ２１の回転数を変化させる方式である。第２の方式は、バイパス弁２８の開度を調整し、ブロワ出口管２３に供給される空気を排気タービン１１に導く方式である。第３の方式は、バイパス弁２９の開度を調整し、ブロワ出口管２３に供給される空気を空気吸込み管２２に戻す方式である。
【００１２】
上述したように従来は、過給機ブロワ２１の回転数変更やバイパスによる過給空気量の調整により空燃比調整を行っていた。しかし、このような従来の空燃比調整方式は、応答が遅く、機関の負荷変動に追従して適性な空燃比を作る時間が不足する欠点がある。
【００１３】
ここで特許文献１には、排ガススタック内にシリンダの燃焼室からの排気ガスによって駆動される過給機のタービンを備え、下流ディフューザ内にタービンにより軸を介して駆動される過給機の圧縮用ロータを備える予混合式２ストローク機関が開示されている。
【００１４】
上記のガス機関においては、シリンダ燃焼室からの排気ガスによりタービンが駆動されると、軸を介してロータが駆動され、給気スタックからの空気はロータに吸入されて圧縮され、ロータで圧縮された圧縮空気は、ディフューザ、空気冷却器、圧力経路を介してインレットレシーバに供給され、該インレットレシーバから掃気開口を通り、掃気としてシリンダの燃焼室に流入する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０１０−１５１１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記特許文献１の予混合式２ストローク機関では、燃焼室に掃気として供給する圧縮空気の流量を変更する際には、出口弁の開度を制御（調整）し、シリンダ燃焼室からの排気ガスの流量を調整して過給機におけるロータの回転数を変更しなければならない。
【００１７】
即ち、上記特許文献１の予混合式２ストローク機関においても、上述した従来技術と同様に、過給機の回転数変更による空燃比調整（制御）技術を採用しており、上述した従来技術の欠点を有している。
【００１８】
本発明は、上記従来技術の課題を解消し、系全体の応答性を高め、安定した運転を可能とすることができる予混合式２ストローク機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、外部の空気を取り入れる掃気開口とその上部の燃料噴射弁を有するシリンダと、前記シリンダ内を往復動するピストンとを備え、前記ピストンが下死点から上死点に移動して前記掃気開口から取り入れられた空気と前記燃料噴射弁から噴射された燃料からなる混合気を圧縮する圧縮行程と、前記混合気の着火による爆発力で前記ピストンが上死点から下死点に移動して前記上死点側に取り付けられる排気弁から排気を行う排気行程との２行程で１周期を完結する予混合式２ストローク機関であって、前記掃気開口に対面する位置の前記シリンダの外周に、前記掃気開口の開度を調整する遮蔽円筒を上下方向に移動可能に嵌合して配置したことを特徴とする予混合式２ストローク機関に係るものである。
【００２０】
また、本発明は、外部の空気を取り入れる掃気開口とその上部の燃料噴射弁を有するシリンダと、前記シリンダ内を往復動するピストンとを備え、前記ピストンが下死点から上死点に移動して前記掃気開口から取り入れられた空気と前記燃料噴射弁から噴射された燃料からなる混合気を圧縮する圧縮行程と、前記混合気の着火による爆発力で前記ピストンが上死点から下死点に移動して前記上死点側に取り付けられる排気弁から排気を行う排気行程との２行程で１周期を完結する予混合式２ストローク機関であって、前記掃気開口に対面する位置の前記シリンダの外周に、前記掃気開口の開度を調整する遮蔽板を水平方向に回転可能に取り付けたことを特徴とする予混合式２ストローク機関に係るものである。
【００２１】
上記において、燃焼した前記混合気を排気させる排気主管と、排気タービン入口管により前記排気主管と接続される排気タービンと、前記排気タービンと連結され、外部の空気を吸込む空気吸込み管と圧縮空気を送り出すブロワ出口管と燃焼した前記混合気を外部に排出する排気出口管を有する過給機ブロワと、前記排気タービン入口管と前記排気出口管の間に接続され排気バイパス弁を有する排気バイパス管と、前記ブロワ出口管の前記圧縮空気を前記排気タービン側に逃がす機能を有し第１のバイパス弁を有する第１の空気バイパス管と、前記ブロワ出口管の前記圧縮空気を前記空気吸込み管側に逃がす機能を有し第２のバイパス弁を有する第２の空気バイパス管とを備えることが好ましい。
【００２２】
また、上記において、前記遮蔽円筒または前記遮蔽板を駆動制御して前記掃気開口の開度を調整する空燃比制御装置を備えることが好ましい。
【００２３】
さらに、上記において、前記空燃比制御装置は、少なくとも前記排気主管の近傍の空燃比センサの検出信号を取り込むことが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の予混合式２ストローク機関によれば、掃気ポートの開口面積を変化させ、シリンダライナに取り込まれる空気量を調整するようにしたので、系全体の応答性が高まり、安定した運転が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る予混合式２ストローク機関の一部断面全体構成図である。
【図２】図１のＡ部拡大図である。
【図３】図２におけるシリンダライナの下方部分の外観図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る予混合式２ストローク機関のシリンダライナ下方部の断面図（図２に相当）である。
【図５】図４のＢ部分の拡大図である。
【図６】図５の上視図である。
【図７】図４のＣ−Ｃ線断面上視図である。
【図８】駆動ピンの移動軌跡とそれに伴う遮蔽板の回転の様子を示す模式図である。
【図９】従来例に係る予混合式２ストローク機関の一部断面全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る予混合式２ストローク機関の一部断面全体構成図である。
【００２８】
まず、その構成を説明する。
【００２９】
掃気ポート（掃気開口）１とガス噴射弁（燃料噴射弁）２を有するシリンダライナ（シリンダ）３が外衣４に取り付けられ、シリンダライナ３の内部に、上下に往復動するピストン５が挿入されている。シリンダライナ３の上部にはシリンダカバー６が取り付けられ、シリンダカバー６には、排気弁棒（排気弁）７を有する排気弁箱８及びパイロット噴射弁９が装着されている。
【００３０】
排気弁箱８と排気主管１０が結合され、排気主管１０と排気タービン１１が排気タービン入口管１２で結合（接続）されている。また、排気バイパス弁１３を有する排気バイパス管１４が排気タービン入口管１２と排気出口管１５の間に接続されている。排気出口管１５は、排気タービン１１の出口に設けられる。
【００３１】
排気タービン１１と連結される過給機ブロワ２１には、外部の空気を吸込む空気吸込み管２２と圧縮空気を送り出すブロワ出口管２３が接続され、ブロワ出口管２３は、空気冷却器２４に接続されている。空気冷却器２４は、外衣４に取り付けられた掃気溜２５の内部に取り付けられている。また、過給機ブロワ２１のブロワ出口管２３には、空気バイパス管（第１の空気バイパス管）２６と空気バイパス管（第２の空気バイパス管）２７が装備され、空気バイパス管２６には、バイパス弁（第１のバイパス弁）２８が、空気バイパス管２７にはバイパス弁（第２のバイパス弁）２９が装備されている。
【００３２】
空気バイパス管２６は、ブロワ出口管２３内の圧縮空気を排気タービン１１側に逃がし、空気バイパス管２７は、ブロワ出口管２３内の圧縮空気を空気吸込み管２２側に逃がす機能を有する。
【００３３】
排気弁棒７の上端には、排気弁棒駆動ピストン３１が取り付けられており、排気弁棒駆動油圧管３２からの油圧により、排気弁棒７は、クランク軸と連動して排気弁を開閉するようになっている。
【００３４】
また、本実施の形態の予混合式２ストローク機関は、排気弁箱８と排気主管１０の間の排気管１０ａに、空燃比センサ３３が排気主管１０の近傍に位置するように配置され、掃気溜２５に過給空気圧センサ３４が配置されている。また、クランク軸付歯車３５の周囲には、パルスセンサ３６と負荷検出センサ３７が配置されている。
【００３５】
また、本実施の形態の予混合式２ストローク機関には、パイロット噴射弁９を制御するパイロット噴射弁制御装置３８、ガス噴射弁２を制御するガス噴射弁制御装置３９、後述する油圧シリンダを制御する油圧シリンダ制御装置４０が備えられる。さらに、本実施の形態の予混合式２ストローク機関には、ＣＰＵで構成される空燃比制御装置４１が備えられる。
【００３６】
空燃比制御装置４１は、空燃比センサ３３、過給空気圧センサ３４、パルスセンサ３６及び負荷検出センサ３７からの検出信号を取り込んで、パイロット噴射弁制御装置３８、ガス噴射弁制御装置３９、油圧シリンダ制御装置４０を制御するようになっている。また、空燃比制御装置４１は、各弁１３、２８、２９に取り付けられたモータ４２、４３、４４のオン、オフを制御するようになっている。
【００３７】
本実施の形態の予混合式２ストローク機関の主要部である図１のＡ部の構成は、図２以下で後述する。
【００３８】
次に、その動作を説明する。
【００３９】
空気吸込み管２２から吸入された空気は、過給機ブロワ２１により加圧されブロワ出口管２３を通り、空気冷却器２４で冷却された後、掃気溜２５を通り掃気ポート１からシリンダライナ３に流入する。シリンダライナ３に流入した空気とガス噴射弁２よりシリンダライナ３内に噴出されるガスにより混合気が形成される。
【００４０】
そして、シリンダライナ３内を下死点から上死点に向けて移動する（圧縮行程）ピストン５により圧縮された混合気にパイロット噴射弁９より液体燃料を噴射し、着火することで混合気を燃焼（爆発）させる。この爆発により、ピストン５は上死点から下死点に向けて移動する（排気行程）。このようにして、ピストン５が１往復（２行程＝２ストローク）することで、１周期の動作が終了（完結）する。
【００４１】
燃焼した混合気は、排気弁棒７の開時に排気弁箱８を通り、さらに排気主管１０から排気タービン入口管１２を通って排気タービン１１を駆動し、外部に排出される。排気タービン１１は過給機ブロワ２１と直結しているので、排気タービン１１の駆動により過給機ブロワ２１も駆動される。
【００４２】
前述したように、本発明は、シリンダライナ３内の空燃比調整技術に特徴がある。以下にその詳細を説明する。
【００４３】
図２は、図１のＡ部拡大図である。シリンダライナ３と外衣４の下方部分が断面で示されている。また、図３は、図２におけるシリンダライナ３の下方部分の外観図である。
【００４４】
図２、図３に示すように、シリンダライナ３の掃気ポート１の外側（外周）に、開口部５１を有する遮蔽円筒５２が、上下方向に移動可能に嵌合（装備）される。遮蔽円筒５２は、油圧シリンダ５３によって上下駆動されるようになっており、油圧シリンダ５３は、保持器５４によってシリンダライナ３に取り付けられている。
【００４５】
ここで、遮蔽円筒５２が下端位置にあるときは、シリンダライナ３の掃気ポート１と遮蔽円筒５２の開口部５１は全面的に重なる。言い換えると、遮蔽円筒５２が下端位置にあるときは、掃気ポート１は掃気溜２５に完全に露出する。
【００４６】
また、油圧シリンダ５３の作用により、遮蔽円筒５２が上方に移動すると（図２、図３の状態）、掃気ポート１と開口部５１は一部重なり、掃気ポート１の下方部は遮蔽円筒５２によって遮蔽される。これにより、掃気ポート１を介してシリンダライナ３内に取り込まれる空気量を低減することができる。即ち、掃気ポート１の実開口面積を変化させることで、シリンダライナ３内に取り込まれる空気量を調整し、空燃比を制御することができる。即ち、遮蔽円筒５２は、掃気ポート１の開度を調整する機能を有する。
【００４７】
具体的には、図１で説明したように、空燃比制御装置４１は、空燃比センサ３３、過給空気圧センサ３４、パルスセンサ３６及び負荷検出センサ３７からの検出信号を取り込んで、油圧シリンダ制御装置４０を制御する。油圧シリンダ５３は、油圧シリンダ制御装置４０によって駆動制御されるので、空燃比制御装置４１の判断により、油圧シリンダ５３を駆動制御し、遮蔽円筒５２を上下して掃気ポート１の実開口面積を変化させ、常に適正な空燃比制御を行うことができる。
【００４８】
さらに詳細に空燃比制御装置４１の機能を説明する。空燃比センサ３３の検出信号により空気量が多いと空燃比制御装置４１が判断した場合、空燃比制御装置４１は、油圧シリンダ制御装置４０に指令して遮蔽円筒５２を上昇させ、掃気ポート１の開口面積を小さくする。それにより、シリンダライナ３内に取り込まれる空気量を低減して、所定の空燃比にすることができる。
【００４９】
また、掃気溜２５より供給される空気量が、機関定格出力で必要とされる空気量よりも十分多くなるように、排気タービン１１と過給機ブロワ２１をマッチングしておく。そして、空燃比制御装置４１は、通常運転では、排気バイパス弁１３やバイパス弁２８またはバイパス弁２９を開き、必要な空気量となるように減少して掃気溜２５に空気を供給する。
【００５０】
空燃比制御装置４１は、負荷検出センサ３７で得られた負荷に対応するＬＮＧを、ガス噴射弁制御装置３９を用いてガス噴射弁２に供給する。しかし、このＬＮＧ量に対応する空気量が不足する場合は、空燃比制御装置４１は、排気バイパス弁１３やバイパス弁２８またはバイパス弁２９を閉じ、遮蔽円筒５２を下端位置に戻し、掃気ポート１を全開にして、掃気溜２５に十分な空気を供給する。
【００５１】
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る予混合式２ストローク機関のシリンダライナ下方部の断面図（図２に相当）である。また、図５は、図４のＢ部分の拡大図、図６は、図５の上視図、図７は、図４のＣ−Ｃ線断面上視図、図８は、駆動ピンの移動軌跡とそれに伴う遮蔽板の回転の様子を示す模式図である。
【００５２】
シリンダライナ３の外側に、掃気ポート１を開閉する遮蔽板６１が、水平方向に回転可能に取り付けられる。具体的には、図５に示すように、シリンダライナ３の外側には、掃気ポート１の上下端近傍に保持環６２（６２ａ、６２ｂ）が固定されており、遮蔽板６１の上下の固定側端部に形成されたヒンジピン６３（６３ａ、６３ｂ）がこの保持環６２に係合されている。
【００５３】
また、保持環６２の外周には、駆動環６４が回転自在に嵌合されており、その駆動溝６５に、遮蔽板６１の回転側上端に形成された駆動ピン６６が嵌合されている（図８参照）。駆動環６４は、油圧シリンダ５３により保持環６２の周囲を所定の範囲内で回転するようになっている（図６参照）。
【００５４】
油圧シリンダ５３の作用により駆動環６４が回転すると、駆動溝６５に嵌合する駆動ピン６６の位置が変わり、その結果、遮蔽板６１がヒンジピン６３を中心として回転し、掃気ポート１の開口面積を変化させる。これにより、掃気ポート１に取り込まれる空気量を制御することができる。この空燃比制御は、第１の実施の形態と同様に、空燃比制御装置４１の判断によってなされる。
【００５５】
尚、本発明の予混合式２ストローク機関では、燃料としてガスを使用する場合について説明したが、燃料として油を使用することも可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１  掃気ポート
２  ガス噴射弁
３  シリンダライナ
５  ピストン
７  排気弁棒
１０  排気主管
１１  排気タービン
１２  排気タービン入口管
１３  排気バイパス弁
１４  排気バイパス管
１５  排気出口管
２２  空気吸込み管
２３  ブロワ出口管
２６、２７  空気バイパス管
２８、２９  バイパス弁
３３  空燃比センサ
４１  空燃比制御装置
５２  遮蔽円筒
６１  遮蔽板
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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