(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ（２）内に希薄混合比にて空気及び気体が供給され、その後、該空気及び気体が、圧縮工程中にて圧縮され且つ外部からの着火によって着火されるディーゼル型のターボ過給式複式燃料内燃機関（１）の運転方法であって、下死点後、２０°乃至１５０°の圧縮行程のクランク角度間隔の少なくとも一部分の間にてシリンダ当たり多数の噴射ノズル（９）を通じて、上方に動くピストン（１５）とシリンダカバー（１１）との間のシリンダ空隙内で水が空気／気体混合体内に直接、下方への噴霧状態にて噴射される運転方法において、
前記気体は、シリンダカバー（１１）に配置された排気弁（１０）を有するユニフロー掃気型エンジン内の掃気ポート（１２）の周りの領域内へ供給され、
前記水は、前記圧縮工程中において、シリンダ壁近傍の下向きの流れとシリンダ中心軸近傍の上向きの流れを有する少なくとも１つの旋回流を形成することにより前記空気及び気体の混合の促進するために、少なくとも５０バールの圧力で下方に向けて噴射され、
前記水の噴射量は、供給された燃料量の熱量の４２．７ＭＪ当り少なくとも０．７５ｋｇであることとを特徴とする、ディーゼル型のターボ過給式複式燃料内燃機関の運転方法。
【請求項２】
請求項１に記載の運転方法において、１５０乃至５００バールの範囲内の圧力にて前記水が噴射ノズルに供給されることを特徴とする運転方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の運転方法において、水の噴射量が、供給された燃料の量の熱量の４２．７ＭＪ当り０．８５ｋｇから４．０ｋｇの範囲内にあることを特徴とする運転方法。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載の運転方法において、下死点の後、２０°乃至９０°の範囲のクランク角度から成る圧縮行程の少なくとも一部にて水が噴射されることを特徴とする運転方法。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れかに記載の運転方法において、下死点の後、１２０°乃至１５０°、好ましくは９０°乃至１５０°の範囲のクランク角度から成る圧縮行程の少なくとも一部にて水が噴射されることを特徴とする運転方法。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れかに記載の運転方法において、前記気体は、掃気ポート内に配置された気体ポートを通って供給され、前記気体の供給は、前記早期ポートが開くのよりも十分遅くになされるようにしたことを特徴とする運転方法。
【請求項７】
請求項６に記載の運転方法において、運転中、気体／空気混合体が外部からの着火により着火が為される前にその自然着火の限界値に極めて近づくとき、排気弁（１０）の閉鎖タイミングを調整することにより、有効圧縮比が小さくなるようにし、その逆に、気体／空気混合体が自然着火の限界値から隔たるに伴い、有効圧縮比が大きくなるようしたことを特徴とする運転方法。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れかに記載の運転方法において、サイクルの期間中、掃気ポート（１２）とピストン上方のシリンダ空隙との間の流れ連通状態をピストン（１５）が遮断するとき、絶対的な気体の流れが存在するか否かを測定する流量計を前記シリンダへの気体の供給管が備えることを特徴とする運転方法。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れかに記載の運転方法において、エンジンの運転中、各エンジンシリンダの掃気ボックス（１３）から空気の試料を採取することと、該試料の炭化水素を測定し且つ／又は排気温度、又はシリンダ圧力といったシリンダ出力を表す少なくとも１つのシリンダパラメータを測定することと、少なくとも１つのシリンダパラメータについて、荷重から独立した所定の限界値と比較することとを特徴とする運転方法。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れかに記載の運転方法において、エンジン負荷に依存する気体の供給量が、気体の供給圧力により調節されることを特徴とする運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダ内の混合比にて空気及び気体が供給され、その後、圧縮工程中にその空気及び気体が圧縮され、外部からの着火によって着火されるディーゼル型のターボ過給式複式燃料内燃機関の運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
米国特許第４，５２７，５１６号には、多数のシリンダを備え、そのシリンダの各々が該シリンダの下方部分に形成された一列の掃気ポートと、シリンダカバーに設けられた少なくとも１つの掃気弁とを有し、シリンダのポート列における掃気ポートの１つまで分配管から伸びる１本の管として形成された単一の気体ポートを有する弁制御式の気体供給体を備える、ディーゼル型のターボ過給式複式燃料内燃機関に関して使用される方法が記載されている。この米国特許のエンジンは、速度が約１８００ｒｐｍである、高速の２行程の自動車エンジンであり、この高速度で運転されるエンジンについて明らかにされた欠点は、火炎全面の伝播速度がディーゼル油が燃焼する速度の１／３にしか過ぎないため、気体が燃焼するための時間が殆ど無い点である。
【０００３】
米国特許第５，０３５，２０６号には、気体供給体と、パイロット油の点火装置とを備える、同様の２行程ディーゼルエンジンが記載されている。このエンジンの場合にも、掃気ポートの周りの領域内で気体が供給され、その気体は、掃気ポート列の上方の比較的短い距離の位置にてシリンダ壁に開口する１本の管を通じてシリンダに供給される。この明細書には、ピストンが掃気ポートを遮断した後、気体の噴射が続けて行われると記載されている。この気体の量は、噴射の終了時間ではなくて、開始時間を変更することにより制御される。
【０００４】
米国特許第４，９２４，８２２号から、ディーゼルエンジンに対してＬＮＧタンクから気体を供給することが知られ、その蒸発した気体の残りの分が約２５０バールまで圧縮されて高圧となり、高圧ノズルを通じて噴射される間に、その蒸発した気体の一部を比較的低圧に圧縮して、エンジンの吸気と予め混合させる。気体の一部をエンジンの吸気中に噴射することにより一部の圧縮仕事は回避されるが、この特許では、蒸発した気体の極く一部しか吸気に供給することができず、その理由は、さもなければ、断熱圧縮行程中の温度上昇のため、異常な燃焼状態を引き起こす可能性があるためであると記述している。
【０００５】
国際特許第９６／０８６４１号には、予め混合した空気／燃料が供給され、また、火花プラグによって着火されるオットー型エンジンが記載されている。エンジン効率を高め且つＮＯＸ排出量を少なくするため、燃焼行程中、シリンダ中に水が噴射される。また、特に酸素濃度の濃い吸気の流れも供給することが好ましい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
圧縮の開始前に、シリンダ内に低圧の気体を供給する、上述のディーゼルエンジンの全てには、圧縮行程中、気体／空気混合体が自然着火したり、又は爆発してはならないという条件がある。自然着火するならば、シリンダ内の圧力は、正常な運転時の最高の燃焼圧力を著しく上廻り、また、自然着火が頻発に生じるならば、シリンダ要素が過負荷状態になる可能性がある。通常、自然着火は、燃料の熱量を十分に利用しないことにつながる。
【０００７】
このため、ディーゼルエンジンが低圧で供給された気体を燃料として使用することが可能であるか否かは、シリンダに供給される気体／空気混合体を自然着火の限界値に如何に近くまで制御し得るかで決まる。任意の所定の燃料の場合、自然着火の限界値が小さくなる、即ち、自然着火がより生じ易くなるのは、次の場合である。即ち、遅いエンジン速度、大きいシリンダ径、大きい圧縮比、高圧の給気圧力、及び余剰空気率が１に近いときである。更に、気体をメタン価にて表した場合、メタン価が小さいことはより自然着火し易い燃料であることを意味するから、自然着火の限界値は、大部分、現在の燃料に依存する。
【０００８】
上記のファクタは、上記のディーゼルエンジンを次の何れの設計とするのかを決定することになる。即ち、比較的小さいシリンダボアを有する高速運転ディーゼルエンジンとして設計するか、又は気体の相当な部分が高圧まで圧縮され、その圧縮後に噴射されて、圧縮中に自然着火の可能性が全くない程度までシリンダの中身を希薄に保つエンジンとして設計すべきかが決まる。
【０００９】
本発明の目的は、燃料の必要条件を満たすため低圧にて供給された気体を使用する、従来技術のエンジンにおけるよりも優れた性能を伴って複式燃料ディーゼルエンジンを運転する方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記のことに鑑みて、本発明による方法は、空気／燃料比の結果、少なくともλ＝１．３の余剰空気率となり、下死点後、２０°乃至１５０°の範囲のクランク角度から成る圧縮行程のの少なくとも一部分の間にて、シリンダ当たり多数の噴射ノズルを通じて、上方に動くピストンとシリンダカバーとの間のシリンダ空隙内水が空気/気体混合体内に直接、下方への噴霧状態にて噴射されることと、少なくとも５０バールの圧力にてその水が噴射ノズルに供給されることとを特徴とする。
【００１１】
少なくともλ＝１．３の余剰空気率であることは、正確に燃焼するためには、空気／気体混合体が極めて均質であることが絶対条件である、希薄燃焼の原理にて運転されるエンジンに対する方法であることを意味する。その混合体が過度に不均質であるならば、燃焼室付近の領域は、余剰空気率が極めて大きくなり、その結果、燃料の熱量を有効に活用することができず、燃焼しなかった気体の排出により排気系統に爆発が生じ、燃焼しなかった炭化水素の排出物の形態による、好ましくない環境への影響を招くことになる。燃焼室の別の領域内にて、混合体の濃度は自然着火が生じる程に極めて高濃度となる。十分に均等な気体及び空気の混合体を得ることの問題点は、シリンダから比較的短い距離の位置にて、又はシリンダの内部においてのみ気体が吸気に供給されるとき、特に、顕著となる。
【００１２】
希薄燃焼の原理は、ディーゼルエンジンが低圧にて供給された気体を使用することの可能性を所望の程度まで改善するのに十分でなく、また、実際の混合時に生ずる変動要因の結果として、この原理をディーゼルエンジン内にて実現することは難しい。
【００１３】
圧縮行程中に、気体/空気混合体内に水を直接、噴射することには、多数の効果があり、その効果の各々は、気体／空気混合体を自然着火の限界値から隔たったものにし、これと同時に、希薄燃焼の原理に起因する問題点を軽減し、又は解決するものである。１つの主たる効果は、水の噴射が気体／空気の混合体に物理的な影響を与える点であり、その噴霧状態に噴射された水はシリンダ内に気体を取り込み、シリンダの装荷時に気体及び空気の流入により発生された流れと相違する流れを生じさせ、これにより、シリンダ内にてより均質な混合となり、高濃度混合体領域内での局所的な自然着火が防止される。少なくとも５０バールの圧力にて供給された高圧の水を噴霧状態に下方に噴射して行う噴射は、ピストンがシリンダカバーから遠く離れた距離にある場合であっても、噴射の開始時からシリンダの全体に亙ってシリンダの中身の混合を促進する。
【００１４】
更に、下死点後、２０°乃至１５０°のクランク角度の範囲にて行われる水噴射は、希薄な所定の気体／空気混合体が自然着火する速度を決める化学的反応に介入する。圧縮行程中に噴射された水が蒸発することは気体／空気混合体を冷却させ、圧縮中の低い温度、及び圧縮行程の終了時における低い終了温度の双方は、化学的反応を阻止する程の作用を及ぼす。この反応のもう１つの独立的なファクタは、シリンダ内の現在の圧力である。冷却に伴う圧力降下は、蒸発に伴う圧力上昇よりも約５倍、大きいため、水噴射によって、低圧レベルとなり、その結果、化学的反応が遅れることになる。こうしたファクタの組み合わさった作用は自然着火の虞れを著しく軽減する。上記間隔にて水を噴射することは、空気及び気体の混合体を外部の着火手段で着火する前に行われる。
【００１５】
このことは、基本的構造が不変のエンジン内にて低メタン価の気体を使用したり、又は低余剰空気率、即ち、より高濃度の気体／空気混合体を使用することでエンジンの給気に供給される低圧の気体を利用して、エンジンの燃料の必要条件を主として満たすことを可能にし、また、気体を高圧まで圧縮するというコストの嵩む方法を採用することを不要にするといった多数の利点をもたらす。
【００１６】
本発明による方法の顕著な利点は、ボアが４００ｍｍ以上で全負荷時の速度が約２００ｒｐｍ以下、圧縮比が１：１４以上である、大きいボアを有し、低速度で且つ高圧縮比のディーゼルエンジン内にて低圧で噴射された気体を使用することを可能にする点である。
【００１７】
水は、１５０乃至５００バールの範囲内の圧力にて噴射ノズルに供給されることが好ましい。シリンダの中身を効果的に「撹拌」するためには、水に対し２つ以上の噴射ノズルがなければならず、また、気体及び空気の均一な混合体を得る上で極めて効果的な程度に高圧の噴射圧力となるようにしなければならない。水圧は５００バール以上とすることができるが、このためには、著しい圧縮仕事が必要となる。極めて効率の良い形態において、水の噴射は、気体がシリンダ壁の近くで下方に流れ且つシリンダの軸線付近にて上方に流れることにより、シリンダの中身中に少なくとも１つの旋回流を形成することができる。この旋回流は、流入する空気により形成され且つシリンダの軸線に対して同軸状である円形の円筒状の旋回流と協働し、シリンダ内にて気体を極めて効果的で且つ均質に混合させることにつながる。
【００１８】
自然着火の制限値に対する水噴射の影響は甚大であるから、圧縮行程中、極めて多量の水を噴射し得ることが有利である。水の噴射量は、例えば、供給された燃料の量の熱量の４２．７ＭＪ当り少なくとも０．７５ｋｇ、好ましくはその０．８５ｋｇ乃至２．０ｋｇ又は４．０ｋｇとすることができる。この場合、１ｋｇの油の熱量は約４２．７ＭＪであり、このことから、重量の点から見て、供給された水量は、当該エンジン負荷にてエンジンが燃料油で運転されているならば供給されるであろう油の量に略等しく又はその量を上廻るものとすることができることを認識すべきである。気体の熱量は、その気体の種類及びその組成に応じて多少相違する可能性がある。その量が０．７５ｋｇ以下であるならば、大型の低速エンジンにて自然着火が生じるのを回避することは難しい。４２．７ＭＪの熱量が当り１．０乃至２．０ｋｇの範囲の水量とすることにより、大きい圧縮比が可能となり且つ/又は気体のメタン価が顕著に変動する状態にて運転することを可能にする、極めて均質で且つ希薄な気体／空気混合体並びに熱容量の大きい極めて高湿度の燃焼気体が得られる。また、気体の高圧の圧縮に伴うエネルギーの消費が回避されるという環境上の利点も得られ、また、本発明は、環境に対する影響が最小の状態にて気体被駆動ディーゼルエンジンを製造することを可能にするものである。
【００１９】
下死点の後、即ち、掃気ポートが閉じられた以降であって且つ圧縮行程の最初の部分の間にて、約２０°乃至９０°の範囲のクランク角度から成る圧縮行程の少なくとも一部にて、水を噴射することが有利である。圧縮行程の開始時における水の蒸発に起因する温度降下は、それ自体、圧縮行程の終了時における最終温度をそれに応じて低下させることになるが、この完全な冷却効果に加えて、圧縮中の温度上昇の程度が少ないため、これに対応して最終温度を低下させることができる。このようにして、圧縮行程の開始時に水を噴射することは２つの効果がある。
【００２０】
圧縮行程の開始時に水を噴射する方法の補充又はその代替例として、下死点後、１２０°乃至１５０°、好ましくは９０°乃至１５０°の範囲のクランク角度から成るその少なくとも一部にて水を噴射することができる。この角度範囲において、この圧縮は温度レベルを上昇させ且つ噴射された水を急激に蒸発させ、このため、シリンダ要素の表面に多量に水が付着することがなく、また、これと同時に、時間の点からみれば、圧縮行程中に水噴射の作用が具体化され得ない程に遅い速度で水が噴射されることもない。水の噴射は、より早期に開始し且つ／又はより遅く終了するようにし、また、断続的に為されるようにすることも可能であるのは勿論である。
【００２１】
シリンダカバーに配置された排気弁を有し、下方シリンダ部分に設けられたシリンダの掃気ポートの周りの領域内にて気体が供給され、気体ポートが、好ましくは掃気ポート内に配置され、気体ポートが掃気ポートよりも著しく遅く開くようにした、２行程ユニフロー掃気型エンジンを複式燃料エンジンとしたならば、本発明の方法は、特に有利である。かかるユニフロー掃気型エンジンにおいて、掃気ポートに対する領域内に気体ポートを配置することにより、シリンダ内に直接、気体が供給され、その供給された気体がシリンダの掃気中に排気系統内にわざと流れ出ないようにすることは公知である。掃気ポート内に気体ポートを設けるという好適な配置は、流入する気体が流入する空気中に直接、吐出され、吐出された直後にその流入する空気と混合されるから、混合の点から見て、顕著な利点をもたらす。
【００２２】
エンジン全体の構成要素が決定されたならば、自然着火を引き起こす化学的反応の原因となる多数のファクタも決定する。しかしながら、燃料の品質及び／また外部の状態の変動といった、化学的反応過程のその他のファクタに対してエンジンの運転を連続的に対応させることもできる。即ち、気体／空気混合体が外部からの着火により着火が為される前にその自然着火限界値に極めて近づくとき、排気弁の閉鎖タイミングを調整することにより、有効圧縮比が小さくなるようにし、また、その逆に、自然着火限界値から隔たるに伴い、有効圧縮比が大きくなるようにすることができる。有効圧縮比のこの連続的で且つ迅速な運転調節は、有効行程中の膨張比が圧縮行程中の排気弁の閉鎖タイミングにより影響を受けないから、エンジンの効率に何ら顕著な影響を与えることなく、変化する運転状態にて気体／空気混合体を自然着火の限界値付近に保つことを可能にする。
【００２３】
エンジンの安全性を考慮するならば、シリンダエンジンへの気体の供給管は、次のような設計のものとすることが好ましい。即ち、サイクルの期間中、ピストンが掃気ポートとピストン上方のシリンダ空隙との間の流れ連通状態を遮断するとき、絶対的な気体の流れが存在するか否かを測定する流量計を備えるような気体の供給管の設計とすることが好ましい。絶対的な気体の流れが全く存在しない期間中、全体的な流れを監視することは、気体供給管内にてその他の点では正常に機能する制御弁の弁座に僅かな漏洩があることに起因して少しでも気体が漏洩するならば、その漏洩を検出することを可能にし、また、制御弁の正常な遮断機能が急に不良となったことも直ちに検出することができる。
【００２４】
流量を監視する形態の代替例又はその補充として、エンジンの運転中、各エンジンシリンダの掃気ボックスから空気の試料を採取しその試料の炭化水素を測定し且つ／又は排気温度、又はシリンダ圧力といったシリンダ出力を表す少なくとも１つのシリンダパラメータを測定し、少なくとも１つのシリンダパラメータについて荷重から独立的な所定の限界値と比較することができる。シリンダの外側にて給気への気体の漏洩が生じているか、即ち、シリンダの下方部分を取り巻く掃気ボックスに気体が漏洩しているかどうかを炭化水素を測定することで把握することができる。漏洩があれば、空気中の気体の含有量は所定の所期の気体供給量よりも増す、即ち、気体／空気の混合体はより高濃度となるから、漏洩があれば、例えば、自動着火の形態による排気温度の上昇及び／又は燃焼の乱れが生ずる。かかる状態は、突然で極めて急激なシリンダ圧力の上昇として検出可能である。このように、圧力及び温度を測定するセンサによって気体の漏洩を検出することができる。こうしたセンサは周知であり、従来の方法で運転されるディーゼルエンジンに関して十分に試験されている。気体の漏洩を検出するために公知のセンサを使用することは、例えば、気体の漏洩を検出し且つ作動不良なシリンダ、又はエンジン全体への気体の供給を遮断する形態にて迅速な復旧動作を行うことを可能にする。
【００２５】
エンジン負荷に依存する気体の供給量は、気体の吐出圧力により適宜に調節することができる。公知の供給方法と異なり、噴射期間に適応させることにより、圧力制御状態下での供給は、例えば、掃気ポートが開いている角度範囲の約２／３に対応する略一定のクランク角度の範囲の間にて燃料を供給することを可能にする。比較的少量の気体のみを噴射する場合、著しく長い時間をかけて、気体の噴射が為され、シリンダ内にて気体と空気とをより均質に混合させることができる。この効果は、シリンダの中身の領域内にて不燃状態の虞れを生じる、極めて希薄な混合体の場合に特に重要なことである。
【００２６】
また、本発明は、多数のシリンダを有し、そのシリンダの各々が、シリンダの下方部分に形成された１列の掃気ポートと、シリンダカバーに設けられた少なくとも１つの排気弁とを有し、多数の気体ポートが形成された弁制御式の気体供給体を有する排気弁を備える、ディーゼル型ターボ過給複式燃料内燃機関にも関するものである。低圧にて供給された気体により燃料の必要条件を満たし、自動車のエンジンよりも低速度のより大きい寸法のエンジンの条件を満たすため、本発明によるエンジンは、気体ポートが形成されたシリンダの各々が、ピストンとシリンダカバーとの間のシリンダ空隙内に高圧にて水を噴射する少なくとも１つの水噴射装置を有することと、現在のシリンダ圧力よりも高圧の圧力、好ましくは著しく高圧の水を水噴射装置に供給する給水装置を備えることとを特徴としている。水の噴射は、上述したような有利な点をもたらす。
【００２７】
一つの実施の形態において、ピストンに向けて下方に水が噴射され且つシリンダの内面から適宜に離れるように、水噴射装置のノズル穴が方向決めされている。上述したように、下方に噴霧した状態で水を噴射する結果、シリンダの中身の全体が下方に且つ上方に強力に循環され、そのため優れた混合状態が得られる。ノズル穴がシリンダ壁内にて適宜な半径方向距離の位置に配置されるならば、シリンダの長手方向軸線に対して略平行な噴射方向となる。ノズル穴が内面に近い位置に配置されるならば、噴射は、シリンダの内面から離れる方向、即ち、内面から下方に離れる方向に向けて適宜に方向決めすることができる。このことは、噴射した水の噴霧分が潤滑油の膜を破壊し、許容し得ないシリンダの摩耗を生じさせることになるような、ピストンリングに対してシリンダの走行面に水が直接、衝突しないという利点をもたらす。
【００２８】
速度が２５０ｒｐｍ以下で、シリンダボアが少なくとも２３０ｍｍの２行程クロスヘッドエンジンとすることができる程度にまで、水噴射は自然着火の虞れを抑制することができる。パイロット燃料の熱量を別にして、少なくとも全負荷時、低圧にて噴射された気体によりエンジンの燃料の必要条件を満たすことが可能である。
【００２９】
一つの好適な実施の形態において、気体ポートは掃気ポート内に開口し、シリンダの周りを伸長し且つ遮断弁を内蔵する気体供給管と連通する環状チャンバから気体がこの気体ポートに供給される。このことは、気体ポートが掃気ポートよりも高方の位置に配置されることに関して、気体がシリンダ内に流動する空気内に直接、吐出され、その結果、極めて均質な混合状態が実現されるという利点をもたらす。また、シリンダ当たり多数の気体ポートに対し気体を分配する環状チャンバを使用することは、空気中の気体の分配を促進する。
【００３０】
上述した炭化水素の測定計は、経済的に有利な点として、幾つかのシリンダに共通したものとすることができる一方、そのシリンダが気体量の試料をその炭化水素の測定計に供給するようにする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
次に、概略図を参照しつつ、本発明の実施の形態に関して以下により詳細に説明する。
【００３２】
図１には、船を推進し、又は静止型発電装置内で発電するためのディーゼル型２行程クロスヘッドエンジン１が図示されている。エンジンが発電機を駆動し、又は可調節ピッチのプロペラに接続されているとき、このエンジンは、通常、該エンジンの負荷と独立的に、所定の一定の速度にて運転される。このことは、速度が自然着火限界値に種々の影響を及ぼさない点にて、本発明にとって、１つの利点であると考えられる。また、該エンジンは、その速度がエンジン負荷と共に変化する、図示しない船のプロペラに直接、接続することができる。
【００３３】
このエンジン１は、エンジンフレームボックス３から突き出す多数のシリンダ２を有している。油のようなパイロット燃料に対する共通の供給管４は、ピストンポンプとすることのできる燃料ポンプ５に対して、パイロット燃料を供給し、エンジンサイクルの所望の調節可能な時点にて、このポンプは、周知の複式燃料の原理に従って、少なくとも１つの燃料噴射装置５′を介してシリンダ２内にパイロット燃料を噴射し、燃焼を開始させることができる。パイロット燃料により外部から着火することに代えて、本発明によるエンジンは、電動の着火装置のような別の熱源によって外部から着火させる設計とすることができる。この電動の着火装置は、それ自体、公知の前燃焼室内に配置することができる。この前燃焼室には、シリンダの燃焼室６よりも高濃度の気体／空気混合体が供給される。
【００３４】
パイロット燃料を噴射する前の圧縮行程中、シリンダ内の空気には、噴射時において、有利な程に低圧にて吐出される気体の形態の主燃料が供給される。この気体の圧力は、例えば、１５バール以下とし、また、１０バール以下であることもしばしばである。この圧力は、圧縮仕事を殆ど必要とせず、また複雑でない圧縮機械があればよい。以下に、更に詳細に説明するように、気体の圧力は可変とすることができる。
【００３５】
エンジン１は、真水、又は別の適当な種類の水の供給源（図示せず）から成る給水装置を有している。これらの水は、管７を介して高圧発生器８に供給され、該高圧発生器は定期的に水で充填され、水噴射装置９への所望の給水圧力に対応する圧力に圧縮された空気で加圧される。タンク内にて水と空気とを薄膜以外の任意の他の方法で互いに分離した状態に保つことが望ましいならば、タンクには、水の上に浮いて且つ水に空気圧力を伝達する、空気充填ボールのような何らかの浮き具を設けることができる。このようにして、極めて高圧の水圧を発生させることが可能となり、また、ピストンが水中にて部分的に移動する、ポンプシリンダ内の潤滑状態を考慮に入れることなく、多量の水をシリンダに吐出することが可能となる。この水は、エンジンサイクルに従って時間制御された制御弁を開け且つ閉じることにより、シリンダの水噴射装置９に供給することができる。この制御弁は、クランク軸の現在の角度位置に対する信号を受け取る制御装置により電子的に制御することができる。圧縮圧力の増大を考慮するため、圧縮行程中、水圧を変化させ且つ増大させることができる。
【００３６】
周知の方法にて、水噴射装置９の各々は、内部の座部を有する弁ハウジングと、給水源と噴霧ノズルとの間の接続を遮断すべく、ばねによって座部に対して押し付けられた可動のスライダとを備えている。水の噴射が開始されるように弁が作動すると、このスライダは、座部から離れる方向に変位される。この動作は、例えば、制御弁によって行うことができる。この制御弁は、スライダの下面に加わる水圧の作用のため開き、これにより、水圧がスライダを座部から離れるように変化させる。もう一つの別の可能性は、制御オイルを使用してスライダを座部から離れるように変位させることである。この場合、弁の開閉機能は、水圧と独立したものとすることができる。噴射装置の下端付近にある噴霧ノズルは、下方に向けられており、このため噴射された水がシリンダ壁を直接、打撃することはない。噴霧ノズルによって放出された水ジェット（噴霧）は、例えば、シリンダの長手方向に対して０°乃至２０°の範囲の角度にて下方に向けることができる。噴射ノズルの種々の角度は、シリンダ中身内にて水を比較的均一に分配し、また、一部、シリンダ壁の付近にて下方に流れる少なくとも１つの旋回流を発生させ、また、シリンダの中心軸線付近にて上向きの流れを発生させ得るように異なる方向に方向決めすることができる。ピストンが掃気ポートを完全に遮断する位置にあるとき、そのジェットの方向がピストンの外周内を伸びるように噴霧器ノズルの方向を設定することが望ましい。噴霧しようとする水量、及び所望の分配量に依存して、１つ又は２つ以上の水噴射装置９を設けることができる。
【００３７】
エンジンには、エンジン負荷と共に変化する圧力にて掃気及び給気が供給される。エンジンが部分負荷、即ち低負荷にて運転されているとき、被駆動の補助ブロアによって増強される、１つ以上のターボ過給機によって掃気及び給気を供給することができる。
【００３８】
このエンジンは、中速、又は高速エンジンとすることができるが、シリンダカバー１１内にてシリンダの頂部に形成された排気弁１０と、掃気ボックス１３により取り巻かれた下方シリンダに形成された１列の掃気ポート１２とを有する低速エンジンであることが好ましい。この掃気ボックス１３は、開口部１４を介して、掃気受け具３０のような、加圧した掃気の供給体と連通している。この掃気受け具は、幾つかのシリンダに共通した長い圧力容器とすることができる。この掃気ボックス１３は、各シリンダに対し別個のものとすることができる。即ち、シリンダ間にて横断壁により相互に分離させることができ、また、クランクハウジングと空気供給体とを効果的に分離させるため、エンジンフレームボックス内で中間の底部１４により下方にその境が設定されるものとすることができる。シリンダ内のピストン１５は、ピストンロッド詰めボックス１７内にて中間の底部を貫通するピストンロッド１６に取り付けられる。別の実施の形態において、掃気ボックスは、幾つか又は全てのシリンダに共通したものとすることができる。
【００３９】
気体源１８は、エンジンの気体系統に気体を供給する。圧力調整装置１９は、分配管２０内の気体の供給圧力を制御し、この分配管２０は、遮断弁を有する枝管２１を介して各シリンダ２と接続されている。気体が低圧にてタンクから蒸発し、又は外部の供給管から吐出されるならば、装置１９は、気体を可調節状態にて圧縮することができる。また、多少、より高い気体圧力にて気体を供給源から供給することも可能であり、この場合、装置１９は、可調節型スロットルとすることができる。
【００４０】
図２に図示するように、このエンジンが２行程のユニフロー掃気型ディーゼルエンジンであるならば、掃気過程の第一の部分の間に供給された掃気は、排気弁１０が閉じて、次の燃焼のためシリンダに空気が充填される前に、排気装置内に直接、流動するため、エンジンの吸気内にて気体を予め混合させることは許容し得ない。このため、この気体は、シリンダに直接、供給される、シリンダに対する気体供給体の一つの好適な実施の形態が図３及び図４に図示されている。
【００４１】
シリンダの直ぐ脇に並んで、枝管２１は、中央遮断弁、即ち制御弁２２を有している。該制御弁２２は、エンジンサイクルの適宜な時点にて、カバーリング２４で外方に閉じられる溝として、シリンダ壁に形成された環状チャンバ２３に対する気体の供給体を開き且つ閉じる。環状チャンバ２３から、幾つかのノズル管２５が掃気ポートに形成された気体ポートまで気体を流動させる。ノズル管の数は、４つ乃至６つが外周に沿って均一に配分されたものとすることができる。最も均一な気体／空気の混合体を得るため、掃気ポートの各々は１つの気体ポートを有することができる。簡単な実施の形態において、この気体ポートは、ノズル管の出口開口部であるが、膨張行程の終了時に環状チャンバ２３に対する高温気体の逆流（ケッチング）を防止するため、ノズル管内に非戻り弁を内蔵することも可能である。ノズル管をボア内に配置することに代えて、ボアは環状チャンバ２３から簡単な方法で形成し、掃気ポートの上方壁、又は掃気ポートがシリンダの内面に一致する隅部にて下方に且つ内方に斜めに形成することができる。この場合、該開口部は気体ポートを構成する。
【００４２】
図示しない別の実施の形態において、掃気ポートの上方に近い位置に幾つかの気体噴射弁が配置されている。該気体噴射弁の数及び配置は上述したように形成し、シリンダの周りを伸長する共通の管から気体が供給されるようなものとする。この管への気体の供給は、シリンダ近くに配置された電子的制御弁により制御される。気体噴射弁は、シリンダ壁のボア内に配置され、シリンダの内面に対して皿穴状に形成されており、また、１つ又は２つの穴を有し、排気期間の開始時に逆流を防止する非戻し弁が設けられた簡単なノズルとすることができる。
【００４３】
制御弁２２の供給側にて、枝管２１は、特定の時間間隔の間、少量の絶対的な気体の流れを測定することのできる流量計を備えることができる。該流量計は、オリフィスを有し、また、該オリフィスにおける圧力降下を検出する関連するセンサを有するようにすることができる。該流量計は、特定の時間間隔中の圧力変化の平均値を測定することができる。
【００４４】
シリンダへの気体の供給は、エンジンサイクルの特定で且つ略一定の間隔の間に行うことができる。通常、特定のクランク回転角度で表現される、掃気ポートが開いている期間を１００の部分の期間として分けるならば、約３０乃至約９５の部分の期間の間に、気体の供給を有利に行うことができる。上方に移動するピストンにより掃気ポートが閉じられる直前に気体の供給が停止するため、エゼクタの効果により環状チャンバから残留する気体が排出され、このため、ピストン下方の空隙内に気体が漏洩する虞れは最小程度となる。
【００４５】
この量の調節は、現在のエンジン負荷にて掃気圧力よりも高圧に又はそれよりも低圧となるように圧力調節装置１９によって気体の吐出圧力を調節することで適宜に行うことができる。余剰空気率を通常、約λ＝２の一定の値に保とうとするならば、シリンダ内の燃料の量は空気量に依存する一方、その空気量は掃気の圧力に依存する。排気被駆動ターボ過給機を備えるエンジンの掃気の圧力はエンジン負荷と共に変化するため、特定のエンジン負荷、又は急激な負荷の変化時に、コンプレッサの後に掃気を吹き出して、出力を急激に変化させることを含む、エンジンの出力の制御を実施することが必要となる。
【００４６】
図５には、異なるエンジン寸法に対する自然着火の限界値が余剰空気率λの関数として図示されている。実線の曲線は、６００ｒｐｍの速度の中速エンジンに対する比率を示す。余剰空気率λ＝２の場合、ピストンが上死点に達するときに自然着火が生ずるが、理論的には、気体／空気混合体をより希薄（より大きいλの値）にするならば、自然着火の限界値は大きくなることが理解される。しかしながら、実際には、より希薄であるならば、燃焼は益々不安定となり且つ不完全燃焼となるため、極めて希薄な混合体を使用することはできない。外部からの着火は、通常、上死点前後の５°の範囲内にて生ずるため、自然着火の限界値は、上死点の前、５°以下であってはならない。
【００４７】
図示した曲線は特定の気体に適用される。３５０ｍｍのボアを有し、それに対応して速度が２０９ｒｐｍの低速度の大型のエンジンにて同一のメタン価の気体が使用されるならば、自動着火の限界値は、曲線ｂで示す状態となる。λが増大することの効果は低速度のとき著しく少なくなり、また、自然着火の限界値は、妥当なエンジン運転に対して極めて過小であることが明確に理解される。従って、速度１２３ｒｐｍ及びボア６００ｍｍのエンジンに対する曲線ｃ、及び速度９４ｒｐｍでボア９００ｍｍのエンジンに対する曲線ｄは、更に大型のエンジンの場合、状態は更に悪化することを示す。
【００４８】
ボア３５０ｍｍで速度２０９ｒｐｍのエンジンに基づいて、図６には、そのエンジンの運転状態の変化が概略で図示されている。この場合、曲線ｂは実線である。曲線ｅはシリンダ圧力を１０バールだけ降下させる効果を示し、この圧力降下は、例えば、エンジンサイクルの後の段階となる迄、圧縮が開始しないように排気弁を多少長く開いたままに保つことにより、エンジンの圧縮比を小さくすることで行うことができる。この自然着火の限界値は、改善されていると考えられるが、十分であるには程遠い。このため、例えば、燃料のメタン価の微かな変化をも補正すべく自然着火の限界値を連続的に微調整するためには、有効圧縮比を変更することが唯一の妥当な方策である。
【００４９】
本発明に従って水を噴射する効果は遥かに顕著であり、これは、曲線ｆ及び曲線ｇで例示されており、この場合、同等量の燃料油のそれぞれ重量比で１００％及び１２５％に対応した量の水を噴射する。即ち、供給された燃料４２．７ＭＪ当り、それぞれ１．０ｋｇ及び１．２５ｋｇの水が噴射される。より多量の水であれば、水の噴射は著しく大きい効果を与えると考えられる。
【００５０】
図７には、３５０ｍｍのボア及び２０９ｒｐｍの速度のエンジン内の圧縮行程中にシリンダ圧力Ｐｃｙｌ及びシリンダ温度Ｔｃｙｌが発生する状態が示されており、これらは、それぞれ、水を噴射しない場合が曲線ｈ、ｉで、燃料油の同等量の１００％に対応する水を噴射した場合が圧力曲線ｊ及び温度曲線ｋで示してある。上死点前の最後の９０°の回転の間で水噴射の顕著な効果が生ずるのが分かる。例えば、断続的に噴射し、又は水の噴射圧力を変化させることにより、圧縮行程中の水の噴射量（時間当たりの量）を変化させるならば、下死点後の９０°乃至１５０°の角度範囲にて最大の噴射量となるようにすることが好ましい。
【００５１】
燃料の量と同等又はそれ以上の量にて圧縮行程中にシリンダの中身の全体に直接、強力に水を噴射することにより、本発明は、主燃料として低圧で噴射された気体を燃焼する大型の２行程のディーゼルエンジンでも運転することを可能にし、このため、着火促進剤として高圧で噴射された燃料のみが使用される。また、本発明は、より高速度にて運転する小型の気体／ディーゼルエンジン内にて低メタン価の気体を使用するためにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるディーゼルエンジンの側面図である。
【図２】図１のエンジン内のシリンダに沿った縦断面図である。
【図３】シリンダの下方領域の部分図である。
【図４】一つの好適な実施の形態の気体ポートのより大きい縮尺による部分図である。
【図５】余剰空気率の関数として且つある運転パラメータに対して図示した、エンジン内の気体に対する自然着火の限界値を示す概略図である。
【図６】図５と異なる運転パラメータに対して図示した、自然着火の限界値を示す概略図である。
【図７】水噴射を行う場合、及び水噴射を行わない場合のそれぞれのシリンダ内の圧力及び温度変化の過程を示す線図である。
【符号の説明】
１  ２行程クロスヘッドエンジン  ２  シリンダ
３  エンジンフレームボックス    ４  供給管
５  燃料ポンプ                  ５′  燃料噴射装置
６  燃料室                      ７  管
８  高圧発生器                  ９  水噴射装置
１０  排気弁                    １１  シリンダカバー
１２  掃気ポート                １３  掃気ボックス
１４  開口部                    １５  ピストン
１６  ピストンロッド            １７  ピストンロッド収納ボックス
１８  気体源                    １９  圧力調整装置
２０  分配管                    ２１  枝管
２２  中央遮断弁／制御弁        ２３  環状チャンバ
２４  カバーリング              ２５  ノズル管
３０  掃気受け具
【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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