JP5698292B2 - クロスヘッド付き大型往復運動ピストンを装備した内燃機関運転方法とそれに応じた適切な機関 - Google Patents

Description

本発明は、クロスヘッド付き大型往復運動ピストンを装備した内燃機関の運転方法に関するものである。

技術背景

このエンジン（以下、機関をエンジンと称する）は、燃焼室を囲み各ピストンにより区分される少なくとも１個のシリンダを備え、クロスヘッド機能を有する手段を介して回転可能な出力クランクシャフトに連結する前記ピストンを備えている。エンジンの動作周期中に、この燃焼室内では、特に前記燃焼室に直接供給される燃料により燃焼が行われる。前記シリンダの第２の端部から第１の端部に向って、加圧された掃気ガスの導入によって、この燃焼後の掃気が行われる。そして、前記燃焼室において燃焼作用により発生した燃焼生成物は、少なくともその１部が、その後に前記エンジンから大気へ放出される排気ガス中のNOx含有物を減少させるために、再循環に利用される。そして、前記シリンダの第１の端部において、排気口の開口により排気ガスが、再循環ガス排出口の開口により再循環ガスが、前記燃焼室から排出される。

上記のごとき種類のエンジンは、DE 10 2005 057 207 A1特許公報（特許文献１）に記載されており、この公報には、排気口の開口段階の開始前に、再循環ガス排出口の開口段階が開始されることが記述されている。この理由は、希薄化されていない燃焼ガスを、再循環のために確保する必要があるためである。しかし、この燃焼ガスは非常な高温であり加圧されているので、この高温・加圧された燃焼ガスが通過する再循環ガス排出口制御用バルブは、厳しい熱応力を受けることになる。この問題を解消するため、DE 10 2005 057 207 A1特許公報では、燃焼ガスが通過する排気バルブとして、また、 再循環ガスが通過する吸気バルブとして、交互に動作する２個の再循環ガス用バルブを提案している。しかし、このような２個のバルブを配置することは、非常に複雑となり、コスト高になる。

また、米国特許US 2004/0103863 A1（特許文献２）には、エンジンの各動作周期中に、再循環ガス排出口が、数回の開口動作を行う、上記と同種の別のエンジンが記述されている。このエンジンでは、再循環ガス排出口の最初の開口動作は、排気口の開口動作と同時に開始され、その最後の開口動作は、この排気口が閉鎖する前に、既に完了する構成となっている。従って、高温の排気ガスを排出するために保持される動作周期の段階で、再循環ガス排出口を制御するバルブが動作する。このため、再循環ガス排出口を制御するバルブが、バルブの各開口段階中に、高温の排気ガスと接触し、２回以上の開口動作のため、バルブの熱応力は適切に減少されないことが懸念される。

日本特許JP 3213616A（特許文献３）により、上記と同種のもう１個エンジンが、知られている。この特許では、排気口の開口段階に引き続いて、僅かな重複期間を以て、再循環ガス排出口が開口される。従って、再循環ガスは、少量の燃焼成生物しか含んでいないので、NOxの減少効果は非常に小さい。

ドイツ特許出願公開第10 2005 057 207号 明細書 米国特許出願公開第2004/0103863号明細書 特開平３−２１３６１６号公報

上記の従来技術に端を発した本発明の目的は、適切な量の燃焼生成物が再循環可能であるばかりでなく、燃焼ガス・バルブの適切なる冷却が確保され、それにもかかわらず、製造費用を比較的安くできるように、エンジンと、燃焼ガス再循環機能を備えた２行程往復運動のピストンを有するエンジンの運転方法とを、向上させることである。

本発明の目的は、請求項１の特徴を組み合わせた方法と、請求項10の特徴組み合わせによるエンジンと、により実現される。

本発明の主旨は、エンジンの動作周期中に、排気口を開放し、指定されたバルブを数回動作させ、その動作毎にガスを通過させることである。１回の動作周期における指定されたバルブの動作毎に行われる排気口の第１回目の開口段階が、燃焼室の掃気動作開始の少なくとも前に開始され、指定されたバルブの動作毎に行われる排気口の最終回の開口段階が、燃焼室の基本的掃気完了後に実行される。

再循環ガス・バルブの第１回目の開口段階が、動作行程の早期に実行されるので、その後大気中に放出される排気ガスのNOx成分を適切に減少するために、非常に有益な再循環を行う目的に対して、この第１回目の開口段階中に希薄化していない燃焼ガスを獲得することは、有益である。しかし、再循環ガス・バルブの本来の機能実行期間における高温ガスによる弊害があるが、この再循環ガス・バルブの開口段階をさらに導入する事により、この弊害は有利に改善される。何故ならば、このさらに導入した開口段階は、比較的低い掃気ガス温度が燃焼室に存在する間に発生し、この再循環ガス・バルブから流入する中程度に加圧されたガス流により、熱応力を受けた再循環バルブが良好に冷却される結果をもたらすからであり、さらに、次の動作サイクル期間で次の熱影響が次に発生する前の時点で発生するので、熱応力がかなり小さくなって安全に機能することになり、従って前記バルブの長寿命化をもたらすことになるからである。さらに、本発明の利点は、１個の再循環ガス・バルブで十分であり、シリンダ毎にこのような複数のバルブは全く不必要であり、簡易で低コストの製作が可能となることである。

本発明によるクロスヘッド付き大型往復運動ピストンを備えた内燃機関の概略図である。 上部死点後のクランク角度に対する、ガス通過時の開口面積とシリンダ圧力の関係を示す線図である。

以下に、本発明の動作例を、添付の図面を参考にして、詳細に説明する。

有益な発展性と、上位の発想を有するさらに有用な実施例を、下位の請求項に詳述する。

そこで、ピストンの圧縮上昇行程中の時間帯は、再循環ガス・バルブが最終回の開口段階に関して有益な可能性があることが、従来から確認されてきた。この時間帯は、排気バルブの閉塞後に、可能な限り早く発生し、これが有益なのである。この結果、このピストンの上昇行程中にピストンによる圧縮加熱により多くの動作が行われる前の時点で、最低温度・最低圧力の状態にあり故に最も希薄な状態にある掃気ガスが、燃焼室を去ることが可能であり、この掃気ガスが再循環ガス・バルブの周囲を冷却する。このような最終回の開口段階は、上部死点後の250〜280度のクランク角度付近で、発生することが好ましい。

本発明が使用される主な分野は、船舶推進用、そして／または、発電所の運転用などに使用される一方向流掃気式２行程ディーゼル・エンジン、そして／または、同ガス・エンジンとして利用されるクロスヘッド付き大型往復運動ピストンを備えた内燃機関の分野である。

図１に示すエンジンは、通常は数列のシリンダ２が配置されるが、少なくとも１個のシリンダ２が配置されるクランクケース１を備えている。各シリンダ２は、燃焼室４の移動区画として動作する往復運動ピストン３を備えている。ピストン３は、ピストン・ロッド６、クロスヘッド７と連接棒８により、クランクケース１に配置されたクランクシャフト５と連動している。シリンダ２の下部（第２の端部に位置する）には、掃気ポート９が、細長い間隙として配置されている。この掃気ポート９は、ピストン3が通過可能であり、ピストン３により制御される。掃気ポート９の領域において、各シリンダ２が掃気ガス通路10に囲まれており、この掃気ガス通路10は、掃気ガス・ライン12により、共通の掃気ガス受容器11に接続されている。シリンダの前記第２の端部から対向する上端部（第１の端部）へ向って、加圧された掃気ガスを導入による、ピストン３の動作過程中に、燃焼室４の一方向掃気が行われ、その後、燃焼が起こり、燃焼ガスを生成される。この燃焼は、通常は燃焼室に噴射する燃料噴射手段により（図示なし）供給される燃料によって発生する。通常は噴射の形式で行われるこの燃料供給は、一連の動作として実行される。しかしまた、着火用のパイロット噴射として、燃料の１部を早期に導入し、その後、主噴射を行うことも可能である。エンジン動作用に可燃性ガスを使用する場合、この可燃性ガスの着火用のパイロット噴射によっても、主噴射は可能である。通常、燃料は、燃焼室４へ直接導入される。しかしまた、予燃焼室を有する燃焼室が配置されている場合には、その予燃焼室へのパイロット噴射として、早期に１部の燃料を導入することも可能である。

シリンダ２の上部には、割り当てられた再循環ガス・バルブ16により制御される再循環ガス排出口15とともに、割り当てられた排気バルブ14により制御される排気口が設けられている。排気バルブ14と再循環ガス・バルブ16は、エンジンの走行パラメータに従って制御される割り当てられた独立のアクチュエータにより動作する。各シリンダ２の排気口13は、屈曲管17により、１個以上の総てのエンジン・シリンダに共通の排気受容器18に接続されている。排気受容器18に集められた排気は、ターボ過給器19へ導かれ、ターボ過給器19は、排気ガスにより駆動されるタービンと、空気冷却器21を含む空気導管20を経由した空気を、掃気ガス受容器11に供給する圧縮機と、で構成されている。図示しないが、ガス処理用、そして／または、エネルギー利用などの装置が、図１に示す流路の様々な場所に挿入され、設置されてもよい。

ターボ過給器のタービンを通過して行く排気ガスは、ここでは、直接に周囲領域に放出される。この放出される排気ガスは、NOxの含有量が低い事が望ましい。この目的を達成するために、燃焼室４内の燃焼により発生する燃焼ガスが、一部再循環される。この目的のために、再循環ガス排出口15は、再循環導管22に接続される。掃気導管20などにおいて、この再循環導管22は、図１に示す動作例における掃気ガス受容器11などの掃気ガスシステムの任意の機能内へ、入り込むことが出来る。再循環導管22は、再循環ガス受容器23に接続され、再循環ガス受容器23は、シリンダ２の再循環ガス排出口15に接続するライン24により再循環ガスの供給を受ける。本例では、再循環ガス受容器23の下流には、流量制御用の制御バルブ26が配置されている。ここでは、この制御バルブ26の下流には、再循環ガス処理装置25が設けられ、この装置は、例えば、気体洗浄装置 、冷却器、水霧捕集器が含まれる。

図１で説明する流路は、純粋に説明用のシステム例であって、いくつかの典型的な構成要素と排気と掃気ガス用に必要な一般的流路から成っている。勿論、いくつかの処理装置は省略されてもよく、圧縮機の下流とタービンの上流における内部流路には、その他の適切な処理装置を含むことが可能である。特許請求の範囲内で、このシステム以外の処理装置もまた、圧縮機の上流、そして／または、タービンの下流に、備えていてもよい。さらに、再循環導管22は、掃気ポートと圧縮機の間の任意の個所で、掃気流路に接続されてもよい。勿論、上述以外の機能装置を、備えていてもよい。

図２の線図において、グラフ30は燃焼室４に向う掃気ポート９の開口面積を示し、グラフ31は排気口13の開口面積を示し、グラフ32a, 32bは再循環ガス排出口15の開口面積を示している。グラフ33は、シリンダ圧力、すなわち、燃焼室４内の圧力を表している。横軸は、クランクシャフト５の回転位置を、１回の動作周期における、クランク角度100度から300度の範囲のクランクシャフト５の回転位置、下死点（BDC）に対応する180度の位置、上死点（TDC）に対応する０度と360度（横軸の範囲外となっている）の位置、として示している。

図２から解かるように、グラフ30で示される掃気ポート９と、グラフ31で示される排気口13とは、１回の動作周期の期間中に、１回だけ、開口される。これとは対照的に、再循環ガス排出口15は、二つのグラフ32a, 32bが示すように、１回の動作周期中に、数回開口される。従って、再循環ガス・バルブ16用のアクチュエータは、グラフ32a, 32bに対応してバルブ16が開口するように制御される。通常、二回の開口段階32a, 32bが設けられる。第１回目の開口段階は、再循環用の希薄化されていない燃焼成生物の収集を目的とする。最後回（第２回目）の開口段階は、再循環ガス・バルブ16とその周囲環境の冷却を目的とする。

従って、再循環ガス排出口15の第１回目の開口段階（グラフ32a）は、遅くとも、排気口13の開口動作と同時に開始され、燃焼室の掃気の開始時には、実質的に完了していることが好ましい。図２の例では、掃気ポート９の開口段階は、上死点通過後のクランク角度が140度〜220度の間であり、この角度は下死点前後の左右対称的な40度の範囲である。また、排気口13の開口段階は、上死点通過後のクランク角度が120度〜240度の範囲であり、この角度は下死点前後の左右対称的な60度の範囲である。上記の二つの角度間隔は、下死点に対して対称である場合を説明したが、本特許請求の範囲のエンジンにおいては、この中間値（下死点）が含まれていればよく、その結果、これらの角度間隔は、下死点の周囲に非対称に位置されてもよい。再循環ガス・バルブ16の第１回目の開口段階（グラフ32a）は、排気口13の開口段階開始より前のクランク角度５度付近 で開始され、この第１の開口終了段階は、掃気ポート９の開口開始と約10度 のクランク角度だけ重なるのみであり、その結果、この干渉領域において、掃気ポート９が僅かに開きながら、再循環ガス・バルブ16の方は、ほとんど完全に閉鎖し、従って、低圧・低温の掃気ガスにより、収集された再循環ガスが希薄化される重大な危険は生じない。

上述のごとく、グラフ33は、燃焼室４内の圧力に対応している。この圧力は、排気口13の開口と共に減少し、掃気ポート９の開口期間中に、燃焼室４内は、掃気システムの圧力と同じ圧力になっている。上死点通過後のクランク角度220度と240度の各角度付近で、図２に示す例において発生する掃気ポート９と排気口13の閉鎖後、燃焼室４内の圧力は、ピストン３の上昇行程によって上昇する。その結果、33aに示すように、燃焼室４の圧力は、ゆっくりと上昇するが、しかし、グラフ33の右端における33bに示すように、漸次増加して行く。

再循環ガス排出口15の第２の開口段階（グラフ32b）は、燃焼室４内における圧力が、上記した漸次増加を開始する前に、完了しなければならない。一方、第２回目の開口段階は、掃気ポート９と排気口13の閉鎖後に、開始されなければならない。図２に示す例において、再循環ガス排出口15の第２回目の開口段階は、グラフ32bに示すように、上死点通過後のクランク角度250度から280度付近で発生し、これにより、上記の条件が達成される。上記角度の値は、±10度のクランク角度に近似する。第２回目の開口段階は、ここでは、第１回目の開口段階よりも若干短くなっている。

再循環ガス排出口15の第２回目の開口段階が無い場合には、この燃焼室の圧力は、図２の破線に従って増加する。33cで図示されるように、この第２回目の開口動作により、この圧力増加は多少遅延することになる。33bの曲線から解るように、グラフ32bの第２回目の開口動作は、第２回目の開口段階（33b、33ｃの上の破線）が無い場合に比較して、燃焼室の圧力が僅かに減少する結果となる。このような圧力減少は、しかし、例えば、掃気システム圧力を若干増加させること、早期に排気バルブを閉鎖させること等により、容易に補償することが可能である。しかし、再循環ガス・バルブ16の第２回目の開口動作はまた、燃焼室４内の圧縮圧力の制御に使用する事ができる。

図２に示す曲線は、明快な説明を行うための、典型的例である。本発明の任意の特定実施例に関して、関連するエンジンの曲線は、最大値、曲線の形状、またクランク角度に関する若干の相互位置などは、異なっていてもよい。さらに、特に曲線30と31が180度（すなわち、下死点）付近で、概略対称である場合を説明したが、本発明には関係がないが、これは他の方法によって実行してもよい。ここでの本発明の創意は、第２回目の開口動作中に（グラフ32b）、再循環ガス・バルブ16を経由し再循環ガス排出口15を通して、燃焼室４から、冷却ガスを排出するための圧力は、燃焼室が、上昇行程するピストンにより閉鎖されることで、実現されることにある。

図１の動作例において、２回実行される再循環ガス排出口15の開口段階中に、再循環ガス受容器23は、燃焼室４から排出されたガスで充填される。受容器23においては、受容ガスの混合が起こり、全ての混合ガスが、再循環導管22を経由して再循環され、処理装置25全体に導入される。しかし、適切な手段により、第１回目の開口段階のガスと第２回目の開口段階のガスが、異なる下流流路へ分流することも可能であり、特別な例として問題にされる可能性もある。従って、第１回目の開口段階のガスが、処理装置25全体に導入することも可能あり、その一方、第２回目の開口段階のガスが、受容器23と処理装置25を迂回して別の循環路に導かれて、処理装置25の下流で、または、この装置の気体洗浄器の少なくとも下流で、第１回目の開口段階のガスと合流させることが可能である。その他の実施例においては、第２回目の開口段階のガスが開放されるか、または、他の場所で何かに使用するという可能性も、また存在する。

本発明を有益に実現する手段として、新しく生産されるエンジンに配置することが可能である。また一方、発明したエンジンの提供方法として、必要な新型手段を、以下に述べる特許請求範囲のいずれにも含まれてない従来型の既存エンジンに組み込むことである。従来のCGRやEGRのシステムを備えていないエンジンに対して新しい手段を組込む場合、必要な理論的、物理的制御要素に排気再循環導管を追加して、少なくとも１個の再循環ガス排出バルブ16を、現存するシリンダヘッドに、または、採用された代替シリンダヘッドに、取り付けることが実質的に必要である。既に従来のCGRバルブ、CGR流路を備えたエンジンを本発明のエンジンに改造する新しい手段は、必要な理論的、物理的制御要素の追加・改造を行い、少なくとも１個の再循環ガス排出バルブ16に対して、新型の遅延開口段階（グラフ32b）を設けることである。

説明を明確にするため、特許請求範囲におけるシリンダの動作周期と順序は、排気バルブ14を有するシリンダの、上死点における第１の端部から始まる二つの連続するピストンの全行程（下降行程と上昇行程）として、説明を特定した。勿論、再循環ガス排出口手段15の第１回目の開口時期（グラフ32a）と、その最終開口時期（グラフ32b）との特徴的位置が、掃気ポート９の開口動作と、ピストンの行程が第１のシリンダ端部へ向う間のシリンダの第１の端部へ向う掃気ガス入気終了時期との、各々に、本発明と同様に関連している限りにおいては、勿論、このエンジンの動作原理の周期的性質に起因する、方法とエンジン双方に関する冒頭の請求範囲は拡張されて、シリンダの動作周期に関して、その他の定義を含むものである。

Claims (14)

1. 燃焼室（４）を囲み各ピストン（３）により区分される少なくとも１個のシリンダ（２）を有し、クロスヘッド機能を有する手段（７）を経由して、回転可能な出力クランクシャフト（５）に連結されたピストン（３）を有し、エンジンの動作周期中に前記燃焼室（４）内で燃焼が行われ、前記シリンダ（２）の第２の端部から第１の端部に向って、加圧された掃気ガスの導入により、燃焼後の掃気が実施される、クロスヘッド付き大型往復運動ピストンを備える内燃機関の運転方法において、
   前記燃焼室（４）内の燃焼により発生した燃焼成生物の少なくともその１部を、その後前記エンジンから大気中に放出される排気ガスのNOx含有量を減少させるために、再循環させ、
   前記シリンダ（２）の第１の端部において、排気ガスが排気口（13）の開口により、さらに、再循環ガスが再循環ガス排出口（15）の開口により、前記燃焼室（４）を通過し、エンジンの前記動作周期中に、再循環ガス排出口(15)が数回開口され、その開口の度にガスを通過させ、
   少なくとも燃焼室（４）の掃気開始前に、再循環ガス排出口(15)の第１回目の開口段階が開始され、シリンダの第１の端部に向う前記ピストン行程の動作中であって、シリンダの第２の端部における掃気ガスの燃焼室（４）への導入動作が基本的に完了した後に、再循環ガス排出口(15)の最終回の開口段階が実行されることを特徴とするクロスヘッド付き大型往復運動ピストンを備える内燃機関の運転方法。
2. 再循環ガス排出口（15）の第１回目の開口段階が、遅くとも排気口（13）の開口と同時に開始され、燃焼室（４）の掃気開始時には、前記第１回目の開口段階が、基本的に終了していることを特徴とする、請求項１記載の運転方法。
3. 再循環ガス排出口（15）の第２回目の開口段階が、排気口（13）の閉鎖後に開始される最終回の開口段階であることを特徴とする、請求項１又は２記載の運転方法。
4. 再循環ガス排出口(15)の最終回の開口段階が、上死点通過後の250±10度のクランク角度の範囲で開始されることを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の運転方法。
5. 再循環ガス排出口(15)の最終回の開口段階が、上死点通過後の280±10度のクランク角度の範囲で終了することを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の運転方法。
6. 再循環ガス排出口(15)の最終回の開口段階が、上死点通過後の240〜290度のクランク角度の範囲であることを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載の運転方法。
7. 再循環ガス排出口(15)の最終回の開口段階の長さが、再循環ガス排出口(15)の第１回目の開口段階の長さよりも短いことを特徴とする、請求項１〜６の何れか１項に記載の運転方法。
8. 同一周期中の総ての開口段階において、再循環ガス排出口(15)を経由して燃焼室（４）を通過する全てのガスは、通常、再循環されることを特徴とする、請求項１〜７の何れか１項に記載の運転方法。
9. 第１回目の開口段階中に、再循環ガス排出口(15)を経由して燃焼室（４）を通過するガスは、排気ガス再循環に使用される一方で、同一周期中に、その後の開口期間中に通過するガスは、再循環ガス排出口(15)の下流で分流されて、他の用途に使用可能であることを特徴とする、請求項１〜7の何れか１項に記載の運転方法。
10. 燃焼室（４）を囲み、各ピストン（３）により区分される少なくとも１個のシリンダ（２）を有し、
    クロスヘッド機能を有する手段（７）を経由して、回転可能な出力クランクシャフト（５）に連結された前記ピストン（３）を有し、
    少なくとも１個の燃焼ガスの排気口手段（13）と、少なくとも１個の再循環ガス排出口手段(15)と、を前記シリンダ（２）の第１の端部に有し、
    両手段（13、15）は、各々指定されたバルブ手段（14, 16）により、独自に制御可能であり、
    第１のシリンダ端部に向って掃気ガスを吸気し、前記ピストン（３）により制御される、少なくとも１個の掃気ポート（９）を前記シリンダ（２）の第２の端部に有し、ピストンの２つの連続する全行程中に、再循環ガス排出口手段（15）に指定された各再循環バルブ手段（16）が数回開口される、クロスヘッド付き大型往復運動ピストンを備える内燃機関において、
    掃気ポート（９）が前記シリンダの第１の端部に向けて掃気を行うために開口される少なくとも前に、再循環ガス排出口（15）の第１回目の開口段階が開始され、前記シリンダの第１の端部に向う前記ピストン（３）行程の動作中と、前記シリンダの第１の端部に向かう掃気ガスが掃気ポート（９）を通じて吸気される動作が基本的に完了した後に、再循環ガス排出口(15)の最終回の開口段階が実行されることを特徴とするクロスヘッド付き大型往復運動ピストンを備える内燃機関。
11. 再循環ガス排出口手段（15）に割り当てられた各バルブ手段（16）が、二つの連続するピストンの全行程間に２回開口され、第２回目と最終回の開口段階が、排気バルブ手段（14）の閉鎖後に実行されることを特徴とする、請求項10に記載の機関。
12. 再循環ガス・バルブ手段(16)の最終回の開口段階が、上死点通過後の250±10度と280±10度のクランク角度の範囲にあることを特徴とする、請求項10又は11記載の機関。
13. 指定された再循環ガス排出口（15）に接続された１個以上の排気ガス再循環導管（24, 22）をさらに備え、指定された再循環ガス排出口（15）の第１回目の開口段階において、前記排気ガス再循環導管は、燃焼室（４）を通過したガスで充填されることを特徴とする、請求項10〜12の何れか１項に記載の機関。
14. １個以上のガス処理装置及び制御装置（25, 26）を排気ガス再循環導管（24, 22）に備え、前記排気ガス再循環導管は、掃気ポート（９）に通じる加圧された掃気ガス用導管（12, 20）に、さらに取り付けられることを特徴とする、請求項13に記載の機関。
    

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