專利名稱：二循環(huán)發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及二循環(huán)發(fā)動機，特別涉及向汽缸的內(nèi)部直接噴射(直噴)燃料的二循環(huán) 發(fā)動機。
本申請基于2010年8月5日在日本提出申請的特愿2010 — 176002號、以及2010 年9月8日在日本提出申請的特愿2010 - 201041號主張優(yōu)先權(quán)，這里引用其內(nèi)容。
背景技術(shù)：
二循環(huán)發(fā)動機(也稱作二沖程發(fā)動機)是在汽缸的內(nèi)部活塞每往復I次、吸氣、壓 縮、燃燒、排氣就做I次循環(huán)的往復式發(fā)動機。一般而言，二循環(huán)發(fā)動機在汽缸的內(nèi)部具備 噴射器等的燃料噴射口，通過在掃氣口及排氣口被封閉的狀態(tài)下對燃燒室內(nèi)進行燃料噴 射，防止燃料的漏氣。
作為該二循環(huán)發(fā)動機，例如已知有在下述專利文獻I中記載的二循環(huán)改性氣體發(fā) 動機。該二循環(huán)發(fā)動機是在汽缸的上部具備排氣口、在汽缸的下部具備掃氣口的單向流動 型二循環(huán)發(fā)動機。在該二循環(huán)發(fā)動機中，也在排氣完成后，在活塞位于比掃氣口靠上方而燃 燒室被封閉的壓縮行程中將改性氣體向燃燒室內(nèi)噴射。
此外，基于圖7、圖8更詳細地說明以往的單向流動式的二循環(huán)發(fā)動機。圖7是有 關以往例的二循環(huán)發(fā)動機的掃氣行程時的概略結(jié)構(gòu)圖，圖8是其氣體燃燒(爆炸)時的概略 結(jié)構(gòu)圖。作為這樣的二循環(huán)發(fā)動機的主燃料，可以使用可燃性氣體。在以下的以往技術(shù)的 說明中，進行作為可燃性氣體而以液化天然氣(LNG)為主燃料的情況下的說明。
二循環(huán)發(fā)動機具備筒狀的汽缸襯筒4b、將該汽缸襯筒4b的外周的臺階部卡合到 上部壁2a中央的開口部中而保持的殼體10、在殼體10的圖中向右側(cè)開口的開口部2b上安 裝的掃氣箱12、安裝在汽缸襯筒4b的上表面上的中空狀的汽缸蓋4a。進而，二循環(huán)發(fā)動機 具備從上方安裝在汽缸蓋4a的中央的開口部中的排氣閥殼50。
在汽缸襯筒4b的中空部(內(nèi)周)中可上下移動地嵌合著圓柱狀的活塞3?；钊?通 過將向下方延伸的活塞棒70保持在安裝于軸環(huán)部2c的中央的填料盒80中而被保持在汽 缸襯筒4b及殼體10上，所述軸環(huán)部2c設在殼體10的下方內(nèi)側(cè)。面臨與殼體10的開口部 2b相連的空間11，在汽缸襯筒4b的側(cè)壁上形成多個掃氣口 9。掃氣口 9如圖4所示，在活 塞3處于下死點的狀態(tài)下，從殼體10的空間11將空氣取入到汽缸襯筒4b的內(nèi)部。
在汽缸蓋4a上，朝向形成在其下部的燃燒室100，以斜向相互面對的方式設置有 燃料噴射口 13和先導噴射閥5。在排氣閥殼50上，形成有從向燃燒室100開口的底部朝向 斜上方的排氣口 6。此外，在排氣閥殼50上，上下運動自如地軸支承著在下端部具有排氣閥 7的排氣閥棒140。排氣閥7將燃燒室100和排氣口 6開閉。排氣閥棒140通過排氣閥驅(qū) 動裝置8而上下運動，通過排氣閥7將燃燒室100和排氣口 6開閉。
如圖8所示，燃料噴射口 13經(jīng)由高壓泵170、蒸發(fā)器180、壓力調(diào)整閥19與LNG箱 160連接。高壓泵170受電動機20驅(qū)動。此外，先導噴射閥5連接在燃料噴射泵21上。
接著，說明這樣的結(jié)構(gòu)的二循環(huán)發(fā)動機的動作。
在圖7所示的掃氣行程時，在活塞3處于下死點的狀態(tài)下，從掃氣箱12供給的空 氣被從殼體10的空間11取入到汽缸襯筒4b的內(nèi)部。此外，同時在排氣閥7為開狀態(tài)的期 間中，殘留在燃燒室100中的燃燒氣體被從排氣閥殼50的排氣口 6向外部排氣。然后，活 塞3在汽缸襯筒4b內(nèi)上升(朝向燃燒室100移動)，如果排氣閥7成為閉狀態(tài)，則流入到汽 缸襯筒4b內(nèi)的空氣被壓縮。
圖8表示活塞3到達上死點、空氣被最大壓縮的狀態(tài)。在此狀態(tài)下將從LNG箱160 供給的LNG使用由電動機20驅(qū)動的高壓泵170加壓，在通過蒸發(fā)器180氣化后，一邊通過 壓力調(diào)整閥19調(diào)整壓力一邊從燃料噴射口 13朝向燃燒室100噴射。
同時，將從未圖示的液體燃料箱供給的液體燃料通過燃料噴射泵21向先導噴射 閥5供給，從先導噴射閥5朝向燃燒室100噴射。液體燃料在燃燒室100內(nèi)自燃，通過該火 焰，噴射到燃燒室100中的高壓的LNG氣體點火(爆炸)。通過該爆炸力(壓力)，活塞3在汽 缸襯筒4b內(nèi)以高速下降(朝向下死點移動)。接著成為圖7所示的狀態(tài)。
另外，作為與上述二循環(huán)發(fā)動機關聯(lián)的技術(shù)，除了專利文獻I以外，還有專利文獻2、3所記載的技術(shù)。
專利文獻1:特開平8 - 291769號公報 專利文獻2 :特開平5 - 332200號公報專利文獻3 :特表2000 - 508400號公報。發(fā)明內(nèi)容
在上述以往技術(shù)中，在排氣完成后的燃燒室內(nèi)幾乎不存在排氣氣體的壓縮行程 中，將燃料向燃燒室內(nèi)噴射。但是，在壓縮行程中，燃燒室內(nèi)為高壓，為了將燃料向燃燒室內(nèi) 噴射，需要用來以更高的壓力噴射燃料的高輸出的升壓裝置。
本發(fā)明是鑒于上述問題而做出的，目的是提供一種能夠不施加較高的壓力而向汽 缸的內(nèi)部直噴燃料的二循環(huán)發(fā)動機。
此外，如上述那樣，在使用LNG作為燃料的以往的二循環(huán)發(fā)動機中，向燃燒室的壓 縮空氣中直接噴射LNG氣體而使其燃燒。在此情況下，需要將LNG氣體加壓到壓縮空氣壓 力以上。通常，LNG氣體被加壓到250bar左右，燃燒形態(tài)為擴散燃燒。
可是，為了將LNG氣體加壓為高壓而需要大容量的高壓泵，成本變高。此外，蒸發(fā) 器也不得不采用能夠承受高壓的高成本者。還需要從高壓泵到二循環(huán)發(fā)動機的高壓的氣體 配管,這也成為拉升成本的主要原因。此外,大容量的高壓泵其驅(qū)動功率變大,運行成本也 上升。
此外，在進行高壓的氣體配管的情況下，在振動較大的往復運動內(nèi)燃機中，有設 計、制作變得困難的缺點。進而，也有因為是高壓所以氣體泄漏的可能性增加的問題。
本發(fā)明是鑒于上述以往的問題而做出的，目的是提供一種低成本且可靠性較高的 二循環(huán)發(fā)動機。
為了解決上述課題，本發(fā)明是一種二循環(huán)發(fā)動機，具有在汽缸的長度方向一端部 上開閉的排氣口、在上述汽缸的長度方向另一端部上開閉的掃氣口、和在上述排氣口與上 述掃氣口之間向上述汽缸的內(nèi)部噴射燃料的燃料噴射口，在排氣口及掃氣口的至少任一個 開放的狀態(tài)下開始燃料的噴射。此外，在此情況下，優(yōu)選的是，設有燃料噴射控制裝置，所述燃料噴射控制裝置在從上述排氣口進行的上述汽缸的內(nèi)部的排氣氣體的排氣完成前、從上 述掃氣口吸入到上述汽缸的內(nèi)部的吸入新氣層達到上述燃料噴射口的燃料噴射位置后，使 上述燃料噴射口成為開放狀態(tài)。
通過采用該結(jié)構(gòu)，本發(fā)明在汽缸的內(nèi)部的排氣氣體的排氣完成之前，即在排氣口 及掃氣口的至少任一個開放的低壓狀態(tài)下，使燃料的噴射開始。由此，能夠以比以往低壓將 燃料向燃燒室內(nèi)噴射。此外，本發(fā)明將燃料噴射開始時控制為從掃氣口吸入到汽缸的內(nèi)部 的吸入新氣層達到燃料噴射口的燃料噴射位置后。由此，能夠避免噴射的燃料接觸到一部 分殘留在汽缸的內(nèi)部的高溫的排氣氣體，所以能夠預防過早點火、實現(xiàn)發(fā)動機驅(qū)動的穩(wěn)定 化。
此外，在本發(fā)明中，優(yōu)選的是，上述燃料噴射控制裝置在從上述掃氣口吸入到上述 汽缸的內(nèi)部的吸入新氣層達到上述燃料噴射口的燃料噴射位置后、且經(jīng)過用來在排氣氣體 層與上述燃料噴射位置之間形成上述吸入新氣層的延遲時間后，使上述燃料噴射口為開放 狀態(tài)。
通過采用該結(jié)構(gòu)，本發(fā)明在吸入新氣層達到燃料噴射位置、進而經(jīng)過延遲時間后 開始燃料的噴射。通過該延遲時間，在排氣氣體層與燃料噴射位置之間形成吸入新氣層。這 樣，該吸入新氣層夾設在燃料與排氣氣體層之間，防止兩者的接觸。因而，根據(jù)本發(fā)明，能夠 更可靠地預防過早點火。
此外，在本發(fā)明中，優(yōu)選的是，上述燃料噴射控制裝置基于上述排氣口及上述掃氣 口的至少任一個的開放度，使上述燃料噴射口開閉。
通過采用該結(jié)構(gòu)，本發(fā)明基于排氣口及掃氣口的至少任一個的開放度進行燃料噴 射口的開閉控制。根據(jù)上述開放度，能夠推定在汽缸的內(nèi)部吸入新氣層一邊將排氣氣體層 推出一邊達到了哪個位置。
此外，在本發(fā)明中，優(yōu)選的是，上述燃料噴射控制裝置基于上述排氣口及上述掃氣 口中的打開時機較慢者的開放度，使上述燃料噴射口開閉。
通過采用該結(jié)構(gòu)，本發(fā)明基于排氣口及掃氣口中的打開時機較慢者的開放度進行 燃料噴射口的開閉控制。在汽缸的內(nèi)部吸入新氣層一邊將排氣氣體層推出一邊達到了哪個 位置取決于打開時機較慢者的開放度的程度較高。因而，根據(jù)本發(fā)明，能夠更正確地推定吸 入新氣層達到的位置。
此外，為了達到上述目的，本發(fā)明是一種二循環(huán)發(fā)動機，以液化天然氣為主燃料， 具備活塞往復運動的汽缸、向形成在上述汽缸上的空氣導入口供給空氣的空氣供給容器 (掃氣箱)、上述汽缸上部的燃燒室、和安裝在比上述空氣導入口靠上部的上述汽缸上且噴 射上述液化天然氣的氣體噴射閥、噴射液體燃料的先導噴射閥，所述液體燃料在上述燃燒 室內(nèi)對上述液化天然氣與上述空氣的混合氣體點火；在將從上述空氣供給容器供給的上述 空氣用上述活塞壓縮的掃氣行程中，從上述氣體噴射閥噴射上述液化天然氣。
此外，在本發(fā)明中，優(yōu)選的是，從上述氣體噴射閥的上述液化天然氣的噴射在上述 燃燒室上具備的排氣閥關閉之前開始、在上述活塞將上述氣體噴射閥封閉的狀態(tài)下結(jié)束。
此外，在本發(fā)明中，優(yōu)選的是，向相對于在上述掃氣行程中產(chǎn)生的上述空氣的旋繞 流反方向，從上述氣體噴射閥噴射上述液化天然氣。
此外，在本發(fā)明中，優(yōu)選的是，形成有多個的上述空氣導入口的開口寬度是不均勻的。
此外，在本發(fā)明中，優(yōu)選的是，上述氣體噴射閥以多個級數(shù)安裝在上述汽缸上。
根據(jù)本發(fā)明，二循環(huán)發(fā)動機具有在汽缸的長度方向一端部上開閉的排氣口、在上 述汽缸的長度方向另一端部上開閉的掃氣口、和在上述排氣口與上述掃氣口之間向上述汽 缸的內(nèi)部噴射燃料的燃料噴射口，在排氣口及掃氣口的至少任一個開放的低壓狀態(tài)下開始 燃料的噴射。由此，能夠以比以往低壓將燃料向燃燒室內(nèi)噴射。此外，本發(fā)明將燃料噴射開 始時控制為從掃氣口吸入到汽缸的內(nèi)部的吸入新氣層達到燃料噴射口的燃料噴射位置后。 由此，能夠避免噴射的燃料接觸到一部分殘留在汽缸的內(nèi)部的高溫的排氣氣體，所以能夠 預防過早點火、實現(xiàn)發(fā)動機驅(qū)動的穩(wěn)定化。
因而，在本發(fā)明中，能夠得到在預防過早點火的同時、能夠不施加較高的壓力而向 汽缸的內(nèi)部直噴燃料的二循環(huán)發(fā)動機。
此外，根據(jù)本發(fā)明，能夠以低成本提供可靠性較高的二循環(huán)發(fā)動機。


圖1是表示本發(fā)明的第I實施方式的二循環(huán)發(fā)動機的整體結(jié)構(gòu)圖。
圖2A是用來說明本發(fā)明的第I實施方式的二循環(huán)發(fā)動機的燃料噴射動作的圖。
圖2B是用來說明本發(fā)明的第I實施方式的二循環(huán)發(fā)動機的燃料噴射動作的圖。
圖2C是用來說明本發(fā)明的第I實施方式的二循環(huán)發(fā)動機的燃料噴射動作的圖。
圖2D是用來說明本發(fā)明的第I實施方式的二循環(huán)發(fā)動機的燃料噴射動作的圖。
圖2E是用來說明本發(fā)明的第I實施方式的二循環(huán)發(fā)動機的燃料噴射動作的圖。
圖2F是用來說明本發(fā)明的第I實施方式的二循環(huán)發(fā)動機的燃料噴射動作的圖。
圖2G是用來說明本發(fā)明的第I實施方式的二循環(huán)發(fā)動機的燃料噴射動作的圖。
圖2H是用來說明本發(fā)明的第I實施方式的二循環(huán)發(fā)動機的燃料噴射動作的圖。
圖21是用來說明本發(fā)明的第I實施方式的二循環(huán)發(fā)動機的燃料噴射動作的圖。
圖3是用來表示本發(fā)明的第I實施方式的二循環(huán)發(fā)動機的曲柄角度與各口的開放 度的對應關系的曲線圖。
圖4是有關本發(fā)明的第2實施方式的二循環(huán)發(fā)動機的概略結(jié)構(gòu)圖。
圖5是圖1的II — II截面俯視圖。
圖6A是掃氣口部分的襯筒的剖視圖，是圖1的II1-1II截面俯視圖。
圖6B是掃氣口部分的襯筒的剖視圖，是為了與圖6A比較而表示的以往的掃氣口 部分的襯筒的剖視圖。
圖7是有關以往例的二循環(huán)發(fā)動機的掃氣行程時的概略結(jié)構(gòu)圖。
圖8是有關以往例的二循環(huán)發(fā)動機的氣體燃燒(爆炸)時的概略結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式
以下，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。
圖1是表示本發(fā)明的第I實施方式的二循環(huán)發(fā)動機的整體結(jié)構(gòu)圖。
本實施方式的二循環(huán)發(fā)動機是例如設在船舶等中的大型的單向流動型二循環(huán)氣 體發(fā)動機，以LNG (液化天然氣)為燃料。該圖中的附圖標記I是發(fā)動機主體，在汽缸2的內(nèi)部，連結(jié)在未圖示的曲柄機構(gòu)上的活塞3往復移動。另外，作為活塞3，采用沖程較長的十 字頭型活塞。
在汽缸2的上部(長度方向一端部),設有先導噴射閥5及排氣口 6。排氣口 6在活 塞3的上死點附近、汽缸蓋4a的頂部開口。排氣口 6具有排氣閥7。排氣閥7在排氣閥驅(qū) 動裝置8作用下以規(guī)定的時機上下運動，使排氣口 6開閉。經(jīng)由排氣口 6被排氣的排氣氣 體例如在被向未圖示的增壓器的渦輪側(cè)供給后被向外部排氣。
在汽缸2的下部(長度方向另一端部)設有掃氣口 9。掃氣口 9通過活塞3的往復 移動而以規(guī)定的時機開閉。
掃氣口 9在活塞3的下死點附近、汽缸襯筒4b的側(cè)部開口。掃氣口 9被由殼體10 形成的空間11包圍。
在殼體10上連接著掃氣箱12。掃氣箱12例如被從未圖不的增壓器的壓縮機側(cè)供 給加壓的空氣。
在汽缸2的中腹部(中間部)設有燃料噴射口 13。燃料噴射口 13在排氣口 6與掃 氣口 9之間向汽缸2的內(nèi)部上側(cè)(燃燒室)噴射將LNG氣化的燃料氣體。燃料噴射口 13在 汽缸襯筒4b的周向上隔開間隔設有多個，分別具有燃料噴射閥14。燃料噴射閥14接受來 自燃料噴射控制裝置15的指令，將燃料噴射口 13開閉，進行燃料氣體的噴射、噴射停止。
對于燃料噴射控制裝置15，從調(diào)節(jié)器(調(diào)速器)16輸入關于燃料噴射量的指令。調(diào) 節(jié)器16基于被輸入的發(fā)動機輸出指令值、和來自設在未圖示的曲柄機構(gòu)中的旋轉(zhuǎn)編碼器 17的發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號輸出燃料噴射量。此外，將在旋轉(zhuǎn)編碼器17中檢測出的曲柄角度信號 向燃料噴射控制裝置15及發(fā)動機控制裝置18輸入。
發(fā)動機控制裝置18基于曲柄角度信號，向排氣閥驅(qū)動裝置8輸出排氣閥操作信 號。此外，在發(fā)動機控制裝置18與燃料噴射控制裝置15的相互間，進行包括排氣閥開閉時 機信號的規(guī)定的信息的交換。并且，燃料噴射控制裝置15基于上述輸入，將規(guī)定的燃料噴 射量以規(guī)定的時機向汽缸2內(nèi)噴射燃料氣體。
具體而言，燃料噴射控制裝置15基于曲柄角度信號、排氣閥開閉時機信號，掌握 排氣口 6的開放度、掃氣口 9的開放度，向燃料噴射閥14輸出燃料噴射閥操作信號，進行燃 料噴射口 13的開閉控制。使燃料噴射口 13成為開放狀態(tài)的燃料氣體的燃料噴射時機設定 為從排氣口 6進行的汽缸2內(nèi)部的排氣氣體的排氣完成前、從掃氣口 9吸入到汽缸2的內(nèi) 部的吸入新氣層達到燃料噴射口 13的燃料噴射位置后。此外，本實施方式的燃料噴射時機 還設定為經(jīng)過用來在排氣氣體層與燃料噴射位置之間形成吸入新氣層的延遲時間后。
以下，參照圖2A 圖21及圖3，對在燃料噴射控制裝置15的控制下進行的特征性 的燃料噴射動作進行說明。
圖2A 圖21是用來說明本發(fā)明的實施方式的二循環(huán)發(fā)動機的燃料噴射動作的 圖。圖3是表示本發(fā)明的實施方式的二循環(huán)發(fā)動機的曲柄角度與各口的開放度(升程量、開 口面積等)的對應關系的曲線圖。另外，在圖2A 圖21中，附圖標記A表示排氣氣體層，附 圖標記B表示吸入新氣層，附圖標記C表示燃料氣體與空氣混合的預混合氣層。
圖2A表示燃燒后的膨脹行程。此時，排氣口 6及掃氣口 9處于封閉狀態(tài)，汽缸2 的內(nèi)部被用排氣氣體層A充滿。
從圖2A起，活塞3進一步降低，如果曲柄角度達到規(guī)定角度，則通過發(fā)動機控制裝置18，排氣閥驅(qū)動裝置8驅(qū)動，排氣閥7降低，將排氣口 6開放(步驟S1:參照圖2B及圖3)。
從圖2B起，活塞3再進一步降低，如果曲柄角度達到規(guī)定角度，則通過活塞3成為 封閉狀態(tài)的掃氣口 9被開放(步驟S2 :參照圖2C及圖3)。并且，當活塞3達到下死點時，掃 氣口 9被完全開放(參照圖2D)。
吸氣從排氣口 6及掃氣口 9打開的步驟S2開始。并且，被從掃氣口 9吸入到汽缸 2的內(nèi)部的吸入新氣層B —邊將排氣氣體層A推起，一邊將汽缸2的內(nèi)部從下方朝向上方充滿。
當吸入新氣層B達到設有燃料噴射口 13的燃料噴射位置后，通過燃料噴射控制裝 置15，燃料噴射閥14驅(qū)動，開始從燃料噴射口 13的燃料氣體的噴射(參照圖2E及圖3)。
此時，由于排氣口 6及掃氣口 9是開放狀態(tài)的排氣中，所以汽缸2的內(nèi)部是低壓。 因而，能夠從燃料噴射口 13以比壓縮中的壓力低壓將燃料氣體向汽缸2的內(nèi)部噴射。因此， 即使不設置高輸出的升壓裝置，也能夠?qū)⑷剂蠚怏w向燃燒室內(nèi)噴射。
但是，此時處于在燃燒室內(nèi)殘留有一部分高溫的排氣氣體的狀態(tài)。假如對高溫的 排氣氣體層A中噴吹燃料氣體、兩者接觸，則有發(fā)生過早點火的情況。因此，在本實施方式 中，將燃料噴射時機控制為從掃氣口 9吸入到汽缸2的內(nèi)部的吸入新氣層B達到燃料噴射 口 13的燃料噴射位置后。如果是吸入新氣層B達到燃料噴射口 13的燃料噴射位置后，則 也加上是單向流動(單流)，吸入新氣層B將排氣氣體層A推出，所以能夠避免噴射的燃料氣 體與一部分殘留在汽缸2的內(nèi)部的高溫的排氣氣體接觸。因此，能夠預防過早點火而實現(xiàn) 發(fā)動機驅(qū)動的穩(wěn)定化。
進而，在本實施方式中，將燃料噴射時機設定為吸入新氣層B達到燃料噴射位置 后且經(jīng)過用來在排氣氣體層A與燃料噴射位置之間形成吸入新氣層B的延遲時間后。通過 該延遲時間，形成在排氣氣體層A與燃料噴射位置之間的吸入新氣層B夾設在排氣氣體層 A與預混合氣層C之間，防止兩者的接觸(參照圖2E)。作為具體的作用，即使燃料氣體從燃 料噴射口 13以規(guī)定幅度噴射、擴散，也能夠通過夾設的吸入新氣層B阻止與排氣氣體層A 的接觸。進而，通過使吸入新氣層B夾設在兩者間，能夠預防伴隨著因排氣氣體層A的界面 的搖擺造成的向燃料噴射位置的侵入的預想不到的過早點火。因而，通過該延遲時間，使排 氣氣體層A與預混合氣層C之間夾設吸入新氣層B，由此能夠更可靠地預防過早點火。
另外，在汽缸2的內(nèi)部，吸入新氣層B —邊將排氣氣體層A推出一邊達到哪個位 置，可以基于排氣口 6的開放度(升程量)及掃氣口 9的開放度(開口面積)的至少任一個來 推定。在本實施方式中，掃氣口 9的開放度與活塞3的位置即曲柄角度對應，所以基于排氣 口 6的開放時機設定燃料噴射時機(參照圖3)。
排氣口 6的開放時機可以通過排氣閥驅(qū)動裝置8改變，根據(jù)發(fā)動機的負荷，有與掃 氣口 9的開放時機前后相差的情況。因為該理由，也在本實施方式中基于排氣口 6的開放 時機設定了燃料噴射時機。
如果活塞3越過下死點而開始上升，則開始將掃氣口 9封閉(參照圖2F)。此時，繼 續(xù)燃料噴射，在與排氣氣體層A之間夾設吸入新氣層B的狀態(tài)下，預混合氣層C將汽缸2的 內(nèi)部充滿。
從圖2F起，活塞3進一步上升，如果曲柄角度達到規(guī)定角度，則為開放狀態(tài)的掃氣 口 9被活塞3封閉(步驟S3 :參照圖2G及圖3)。此時，由于排氣口 6還沒有被封閉，所以繼續(xù)低壓下的燃料噴射。
從圖2G起，活塞3再進一步上升，如果曲柄角度達到規(guī)定角度，則排氣閥7上升到 頭，排氣口 6被封閉，排氣完成(步驟S4 :參照圖2H及圖3)。此時，排氣氣體層A的幾乎全 部被排氣，但在本實施方式中，由于在排氣氣體層A與預混合氣層C之間夾設吸入新氣層B， 所以發(fā)生富余，能夠進行夾設的吸入新氣層B的一部分漏氣的狀態(tài)下的排氣口 6的封閉。由 此，能夠?qū)⑴艢鈿怏w層A的幾乎全部排氣并防止預混合氣層C的漏氣。
壓縮從排氣口 6及掃氣口 9關閉的步驟S4開始。燃料噴射繼續(xù)直到燃燒室的壓 力變高前的壓縮行程前半。但是，在達到升壓裝置的性能極限的壓力之前使燃料噴射結(jié)束。 至少在活塞3達到燃料噴射位置之前、即達到汽缸2的中腹部之前，由燃料噴射控制裝置15 將燃料噴射閥14關閉，燃料噴射結(jié)束(參照圖21)。
然后，如果活塞3達到上死點而預混合氣層C被壓縮，則進行點火，通過燃燒產(chǎn)生 的排氣氣體將活塞3推下，回到圖2A的狀態(tài)。
通過以上，發(fā)動機的I循環(huán)中的燃料噴射動作結(jié)束。
因而，根據(jù)上述本實施方式，在具有在汽缸2的上部開閉的排氣口 6、在汽缸2的下 部開閉的掃氣口 9、和在排氣口 6與掃氣口 9之間對汽缸2的內(nèi)部噴射燃料氣體的燃料噴射 口 13的單向流動型二循環(huán)氣體發(fā)動機中，通過采用具有在從排氣口 6進行的汽缸2的內(nèi)部 的排氣氣體的排氣完成之前、從掃氣口 9吸入到汽缸2的內(nèi)部的吸入新氣層B達到燃料噴 射口 13的燃料噴射位置之后使燃料噴射口 13成為開放狀態(tài)的燃料噴射控制裝置15的結(jié) 構(gòu)，在汽缸2的內(nèi)部的排氣氣體的排氣完成之前、即在排氣口 6及掃氣口 9的至少任一個被 開放的低壓狀態(tài)下開始燃料噴射。由此，能夠以比以往低壓將燃料向燃燒室內(nèi)噴射。此外， 本實施方式將燃料噴射開始時控制為從掃氣口 9吸入到汽缸2的內(nèi)部的吸入新氣層B達到 燃料噴射口 13的燃料噴射位置后。由此，能夠避免噴射的燃料與一部分殘留在汽缸2的內(nèi) 部的高溫的排氣氣體接觸，所以能夠預防過早點火而實現(xiàn)發(fā)動機驅(qū)動的穩(wěn)定化。
因而，在本實施方式中，能夠得到在預防過早點火的同時、能夠不施加較高的壓力 而向汽缸2的內(nèi)部直噴燃料的單向流動型二循環(huán)氣體發(fā)動機。
以上，參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式進行了說明，但本發(fā)明并不限定于上 述實施方式。在上述實施方式中表示的各構(gòu)成部件的各形狀及組合等是一例，在不從本發(fā) 明的主旨脫離的范圍中能夠基于設計要求等進行各種變更。
例如，在上述實施方式中，對于燃料噴射控制裝置15基于排氣口 6的開放度進行 燃料噴射口 13的開閉控制的結(jié)構(gòu)進行了說明，但本發(fā)明并不限定于該結(jié)構(gòu)。
例如，也可以是燃料噴射控制裝置15基于掃氣口 9的開放度進行燃料噴射口 13 的開閉控制的結(jié)構(gòu)，此外也可以基于排氣口 6及掃氣口 9的開放度進行燃料噴射口 13的開 閉控制。
此外，吸入新氣層B —邊將排氣氣體層A推出一邊達到哪個位置取決于打開時機 較慢者的開放度的程度較高，所以燃料噴射控制裝置15也可以基于排氣口 6及掃氣口 9中 的打開時機較慢者的開放度進行燃料噴射口 13的開閉控制。
此外，由于排氣口 6及掃氣口 9的開放度取決于曲柄角度，所以燃料噴射控制裝置 15也可以基于曲柄角度進行燃料噴射口 13的開閉控制。
此外，如上述實施方式那樣，在船舶用的二循環(huán)發(fā)動機中是一邊將發(fā)動機輸出保持為一定一邊驅(qū)動的形態(tài)，所以掃氣箱12內(nèi)的壓力大致是一定的，但在能夠頻繁地改變發(fā) 動機輸出的二循環(huán)發(fā)動機的情況下，有吸氣側(cè)的壓力變化的情況。該情況例如也可以在掃 氣口 9側(cè)設置壓力計、添加該計測結(jié)果、燃料噴射控制裝置15進行燃料噴射口 13的開閉控 制。
此外，例如在上述實施方式中對于將氣體燃料噴射的形態(tài)進行了說明，但本發(fā)明 也可以對于噴射液體燃料的形態(tài)應用。此外，關于燃料，也可以不是使用LNG的形態(tài)，例如 對于使用LPG (液化石油氣體)、輕油、重油等或其他可燃性氣體的形態(tài)也能夠應用本發(fā)明。
接著，參照附圖對本發(fā)明的第2實施方式進行說明。
圖4是有關本發(fā)明的第2實施方式的二循環(huán)發(fā)動機的概略結(jié)構(gòu)圖。對于與圖7、圖 8所示的以往例相同的部位賦予相同的附圖標記。
以液化天然氣(LNG)為主燃料的二循環(huán)發(fā)動機具備以下的結(jié)構(gòu)。即，具備筒狀的 汽缸襯筒(汽缸)4b、將該汽缸襯筒4b的外周的臺階部卡合到上部壁2a中央的開口部中而 保持的殼體10、在殼體10的圖中向右側(cè)開口的開口部2b上安裝的掃氣箱12 (空氣供給容 器)、安裝在汽缸襯筒4b的上表面上的中空狀的汽缸蓋4a。進而，二循環(huán)發(fā)動機具備從上方 安裝到汽缸蓋4a的中央的開口部中的排氣閥殼50。
在汽缸襯筒4b的中空部(內(nèi)周面)中可上下移動(往復運動)地嵌合著圓柱狀的活 塞3。活塞3通過向下方延伸的活塞棒70保持在安裝于軸環(huán)部2c的中央上的填料盒80中 而被保持在汽缸襯筒4b及殼體10上，所述軸環(huán)部2c設在殼體10的下方內(nèi)側(cè)。面臨連接 到殼體10的開口部2b上的空間11，在汽缸襯筒4b的側(cè)壁上形成多個掃氣口(空氣導入口) 9。掃氣口 9如圖4所示，在活塞3處于下死點的狀態(tài)下，從殼體10的空間11向汽缸襯筒 4b的內(nèi)部取入空氣。
在汽缸蓋4a上，朝向形成在其下部的燃燒室100傾斜地設置先導噴射閥5。在排 氣閥殼50上，形成從向燃燒室100開口的底部朝向斜上方的排氣口 6。此外，在排氣閥殼 50上，上下運動自如地軸支承著在下端部具有排氣閥7的排氣閥棒140。排氣閥7將燃燒 室100和排氣口 6開閉。排氣閥棒140通過排氣閥驅(qū)動裝置8而上下運動，通過排氣閥7 將燃燒室100和排氣口 6開閉。
先導噴射閥5連接在燃料噴射泵21上。燃料噴射泵21從液體燃料箱22接受液 體燃料的供給，經(jīng)由燃料高壓管23向先導噴射閥5供給。先導噴射閥5也可以是直接噴射 式或副室式。
進而，本實施方式的二循環(huán)發(fā)動機采用以下的結(jié)構(gòu)。
本實施方式的二循環(huán)發(fā)動機將噴射LNG氣體的燃料噴射口 13以任意的數(shù)量、使其 噴射口面臨汽缸襯筒4b的內(nèi)部而安裝在汽缸襯筒4b上。其安裝位置如圖4所示那樣是掃 氣口 9的上部。燃料噴射口 13與LNG箱160經(jīng)由LNG泵31、蒸發(fā)器32、壓力調(diào)整閥33、氣 體控制器34連接。LNG泵31由電動機35驅(qū)動。
這里，LNG泵31、蒸發(fā)器32、壓力調(diào)整閥33、電動機35與以往相比為容量、輸出較 小的低規(guī)格、低成本的結(jié)構(gòu)。此外，氣體控制器34將向燃料噴射口 13的LNG氣體的供給開 啟、關閉控制。
本實施方式的二循環(huán)發(fā)動機具備接受掃氣壓力傳感器36及曲柄角檢測傳感器37 的輸出、控制壓力調(diào)整閥33、氣體控制器34、電動機35的控制裝置(控制器)。這里，掃氣壓力傳感器36安裝在掃氣箱12的表面上，檢測掃氣箱12內(nèi)的空氣壓。
曲柄角檢測傳感器37與安裝在凸輪軸39的一端上的曲柄角檢測齒輪40面對，安 裝在凸輪軸39上的燃料凸輪41使燃料噴射泵21的活塞上下運動，驅(qū)動燃料噴射泵21。
圖5是圖4的II 一 II截面俯視圖，圖6A、圖6B是掃氣口部分的襯筒的剖視圖，圖 6A是圖4的III 一 III截面俯視圖，圖6B是為了與圖6A比較而表示的以往的掃氣口部分 的襯筒的剖視圖。關于圖5、圖6A、圖6B的說明在以下的動作說明中進行。
接著，說明這樣構(gòu)成的二循環(huán)發(fā)動機的動作。
如圖4所示，在活塞3處于下死點的狀態(tài)下，將由掃氣箱12供給的空氣從殼體10 的空間11取入到汽缸襯筒4b的內(nèi)部。此時，內(nèi)燃機在掃氣狀態(tài)下排氣閥7為開狀態(tài)，所以 通過流入空氣殘留在燃燒室100中的燃燒氣體被從排氣閥殼50的排氣口 6向外部排氣。
在空氣流入時，一般而言(在以往中)，如圖6B所示，因為掃氣口 9相對于汽缸襯筒 4b的軸芯傾斜的形狀，在汽缸襯筒4b的內(nèi)部產(chǎn)生空氣的旋繞流50。然后，活塞3在汽缸襯 筒4b內(nèi)上升(朝向燃燒室100移動)，如果將掃氣口 9封堵，則排氣閥7成為閉狀態(tài)，流入到 汽缸襯筒4b內(nèi)的空氣被壓縮。在空氣的壓縮中也保存著旋繞流50的角運動量，所以旋繞 流50沒有消失。
這里，在排氣閥7成為關閉之前，從燃料噴射口 13將LNG氣體向汽缸襯筒4b的內(nèi) 部噴射。LNG氣體的噴射與以往例同樣如以下這樣進行。即，將從LNG箱160供給的LNG使 用由電動機35驅(qū)動的LNG泵31加壓，在通過蒸發(fā)器32氣化后，一邊通過壓力調(diào)整閥33調(diào) 整壓力一邊經(jīng)過氣體控制器34從燃料噴射口 13朝向汽缸襯筒4b內(nèi)部噴射。
進而，如果在這里具體表示二循環(huán)發(fā)動機的驅(qū)動條件，則掃氣口 9的開區(qū)間在距 活塞3的上死點(TDC)的曲柄角度上為100°以上260°以下的范圍，排氣閥7的開區(qū)間在 距活塞3的上死點(TDC)的曲柄角度上為80°以上300°以下的范圍。此外，從燃料噴射 口 13的LNG氣體的噴射區(qū)間在由活塞3壓縮的掃氣行程中的將掃氣口 9關閉且將排氣閥 7打開的條件下，在距活塞3的上死點(TDC)的曲柄角度上為220°以上330°以下的范圍。
在本實施方式的二循環(huán)發(fā)動機中，由于將LNG氣體的供給在活塞3的壓縮行程(掃 氣行程)中進行，所以LNG泵31不需要如圖8所示的以往的高壓泵170那樣使LNG成為高 壓到250bar (巴)。由LNG泵31加壓的氣體壓力可以是約20bar左右，能夠抑制為遠低于 以往。即，LNG泵31可以是比以往的高壓泵170低容量且價格低的結(jié)構(gòu)。
LNG氣體如圖5所示，被從燃料噴射口 13向與旋繞流50反向(反方向)噴射(噴射 方向51)。這樣，通過與旋繞流50反向地噴射LNG氣體，能夠?qū)⒖諝馀cLNG氣體均勻地混 合。另外，如圖5所示，在本實施方式的二循環(huán)發(fā)動機中，在汽缸襯筒4b上以等角度安裝有 8個燃料噴射口 13。燃料噴射口 13也可以設為多個上下多級，以將LNG氣體與空氣均勻地 混合。
此外，在本實施方式的二循環(huán)發(fā)動機中，如圖6A所示，多個掃氣口 9的開口寬度不 均勻地形成(開口寬度LI〉開口寬度L2)。因此，從各掃氣口 9向汽缸襯筒4b內(nèi)流入的空氣 流速變得不同，發(fā)生局部性的紊流，所以能夠?qū)⒖諝馀cLNG氣體均勻地混合。
這里，如果采用圖5的噴射方向51的形態(tài)、和圖6A的掃氣口 9的開口寬度不均勻 地形成的形態(tài)的兩者，則能夠得到理想的空氣與LNG氣體的均勻混合狀態(tài)，但通過任一個 的采用也能夠起到相應的效果。
當活塞3將燃料噴射口 13橫截時(將燃料噴射口 13封閉時)，通過氣體控制器34 將向燃料噴射口 13的LNG氣體的供給停止。在活塞3到達上死點、LNG氣體與空氣的混合 氣體被最大壓縮的狀態(tài)下，將從液體燃料箱22供給的液體燃料通過燃料噴射泵21經(jīng)由燃 料高壓管23向先導噴射閥5供給。并且，將該液體燃料從先導噴射閥5朝向燃燒室100噴 射。液體燃料在燃燒室100內(nèi)自燃，通過該火焰，壓縮的混合氣體點火(爆炸)。通過該爆炸 力(壓力)，活塞3在汽缸襯筒4b內(nèi)以高速下降(朝向下死點移動)。
此外，在本實施方式的二循環(huán)發(fā)動機中，曲柄角檢測傳感器37根據(jù)安裝在凸輪軸 39上的曲柄角檢測齒輪40的旋轉(zhuǎn)位置檢測曲柄角，將其檢測信號向控制裝置38發(fā)送?？?制裝置38基于該檢測信號判斷從燃料噴射口 13噴射LNG氣體的時機，向氣體控制器34指 令，控制LNG氣體的噴射的開始和停止。
此外，控制裝置38基于二循環(huán)發(fā)動機的負荷狀態(tài)或由安裝在掃氣箱12上的掃氣 壓力傳感器36檢測的掃氣壓力，調(diào)整LNG氣體的壓力來控制混合氣體的空燃比。也可以使 燃料噴射泵21或排氣閥驅(qū)動裝置8為電子控制。
本實施方式的二循環(huán)發(fā)動機由于在低壓下使用LNG，所以能夠采用便宜的LNG泵 及蒸發(fā)器，能夠降低成本。此外，由于LNG為低壓，所以配管及氣體泄漏對策變得容易，能夠 使安全性提高。此外，由于LNG為低壓，所以操作員的運轉(zhuǎn)操作變得容易。進而，由于以LNG 為主燃料，所以能夠改善SOx、NOx, CO2的環(huán)境問題。
另外，如果將通過燃料噴射口 13的LNG氣體的供給停止、僅為通過先導噴射閥5 的液體燃料的噴射，則也可以使二循環(huán)發(fā)動機作為以往的柴油機工作。
此外,與第I實施方式同樣，在第2實施方式中,燃料也并不限定于LNG氣體,可以 普遍應用可燃性氣體。
根據(jù)上述第2實施方式的二循環(huán)發(fā)動機，能夠得到與上述第I實施方式的二循環(huán) 發(fā)動機同樣的效果。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性在本發(fā)明中，能夠得到在預防過早點火的同時、能夠不施加較高的壓力而向汽缸的內(nèi) 部直噴燃料的二循環(huán)發(fā)動機。
此外，根據(jù)本發(fā)明，能夠提供低成本且可靠性較高的二循環(huán)發(fā)動機。
附圖標記說明 2汽缸6排氣口9掃氣口(空氣導入口)13燃料噴射口 15燃料噴射控制裝置 A排氣氣體層 B吸入新氣層 C預混合氣層 4a汽缸襯筒12掃氣箱(空氣供給容器)3活塞100燃燒室5先導噴射閥 7排氣閥 160 LNG 箱 31 LNG 泵 18,32蒸發(fā)器 33壓力調(diào)整閥 34氣體控制器 38控制裝置 50旋繞流 51噴射方向。
權(quán)利要求
1.一種二循環(huán)發(fā)動機，具有在汽缸的長度方向一端部上開閉的排氣口、在上述汽缸的長度方向另一端部上開閉的掃氣口、和在上述排氣口與上述掃氣口之間向上述汽缸的內(nèi)部噴射燃料的燃料噴射口，其特征在于， 在排氣口及掃氣口的至少任一個開放的狀態(tài)下開始燃料的噴射。
2.如權(quán)利要求1所述的二循環(huán)發(fā)動機，其特征在于， 具有燃料噴射控制裝置，所述燃料噴射控制裝置在從上述排氣口進行的上述汽缸的內(nèi)部的排氣氣體的排氣完成前、從上述掃氣口吸入到上述汽缸的內(nèi)部的吸入新氣層達到上述燃料噴射口的燃料噴射位置后，使上述燃料噴射口成為開放狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的二循環(huán)發(fā)動機，其特征在于， 上述燃料噴射控制裝置在從上述掃氣口吸入到上述汽缸的內(nèi)部的吸入新氣層達到上述燃料噴射口的燃料噴射位置后、且經(jīng)過用來在排氣氣體層與上述燃料噴射位置之間形成上述吸入新氣層的延遲時間后，使上述燃料噴射口為開放狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求1或2所述的二循環(huán)發(fā)動機，其特征在于， 上述燃料噴射控制裝置基于上述排氣口及上述掃氣口的至少任一個的開放度，使上述燃料噴射口開閉。
5.如權(quán)利要求4所述的二循環(huán)發(fā)動機，其特征在于， 上述燃料噴射控制裝置基于上述排氣口及上述掃氣口中的打開時機較慢者的開放度，使上述燃料噴射口開閉。
6.如權(quán)利要求1所述的二循環(huán)發(fā)動機，其特征在于， 是以可燃性氣體為主燃料的二循環(huán)發(fā)動機，在上述汽缸內(nèi)部活塞往復運動，還具備向形成在上述汽缸上的掃氣口供給空氣的掃氣箱、上述汽缸上部的燃燒室、和噴射液體燃料的先導噴射閥，所述液體燃料在上述燃燒室內(nèi)對上述可燃性氣體與上述空氣的混合氣體點火，上述燃料噴射口安裝在比上述掃氣口靠上部的上述汽缸上； 在將從上述掃氣箱供給的上述空氣用上述活塞壓縮的掃氣行程中，從上述燃料噴射口噴射上述可燃性氣體。
7.如權(quán)利要求6所述的二循環(huán)發(fā)動機，其特征在于， 從上述燃料噴射口的上述可燃性氣體的噴射在上述燃燒室上具備的排氣閥關閉之前開始、在上述活塞將上述燃料噴射口封閉的狀態(tài)下結(jié)束。
8.如權(quán)利要求6或7所述的二循環(huán)發(fā)動機，其特征在于， 向相對于在上述掃氣行程中產(chǎn)生的上述空氣的旋繞流反方向，從上述燃料噴射口噴射上述可燃性氣體。
9.如權(quán)利要求6 8中任一項所述的二循環(huán)發(fā)動機，其特征在于， 形成有多個的上述掃氣口的開口寬度是不均勻的。
10.如權(quán)利要求6 9中任一項所述的二循環(huán)發(fā)動機，其特征在于， 上述燃料噴射口以多個級數(shù)安裝在上述汽缸上。
全文摘要
一種二循環(huán)發(fā)動機，具有在汽缸的長度方向一端部上開閉的排氣口、在上述汽缸的長度方向另一端部上開閉的掃氣口、和在上述排氣口與上述掃氣口之間向上述汽缸的內(nèi)部噴射燃料的燃料噴射口，在排氣口及掃氣口的至少任一個開放的狀態(tài)下開始燃料的噴射。
文檔編號F02M21/02GK103026034SQ201180038100
公開日2013年4月3日 申請日期2011年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月5日
發(fā)明者廣瀨孝行, 山田剛, 足利泰宜, 山田敬之, 久下喬弘, 瀧本崇弘, 野村守 申請人:株式會社 Ihi