专利名称：二循环发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及二循环发动机，特别涉及向汽缸的内部直接喷射(直喷)燃料的二循环 发动机。
本申请基于2010年8月5日在日本提出申请的特愿2010 — 176002号、以及2010 年9月8日在日本提出申请的特愿2010 - 201041号主张优先权，这里引用其内容。
背景技术：
二循环发动机(也称作二冲程发动机)是在汽缸的内部活塞每往复I次、吸气、压 缩、燃烧、排气就做I次循环的往复式发动机。一般而言，二循环发动机在汽缸的内部具备 喷射器等的燃料喷射口，通过在扫气口及排气口被封闭的状态下对燃烧室内进行燃料喷 射，防止燃料的漏气。
作为该二循环发动机，例如已知有在下述专利文献I中记载的二循环改性气体发 动机。该二循环发动机是在汽缸的上部具备排气口、在汽缸的下部具备扫气口的单向流动 型二循环发动机。在该二循环发动机中，也在排气完成后，在活塞位于比扫气口靠上方而燃 烧室被封闭的压缩行程中将改性气体向燃烧室内喷射。
此外，基于图7、图8更详细地说明以往的单向流动式的二循环发动机。图7是有 关以往例的二循环发动机的扫气行程时的概略结构图，图8是其气体燃烧(爆炸)时的概略 结构图。作为这样的二循环发动机的主燃料，可以使用可燃性气体。在以下的以往技术的 说明中，进行作为可燃性气体而以液化天然气(LNG)为主燃料的情况下的说明。
二循环发动机具备筒状的汽缸衬筒4b、将该汽缸衬筒4b的外周的台阶部卡合到 上部壁2a中央的开口部中而保持的壳体10、在壳体10的图中向右侧开口的开口部2b上安 装的扫气箱12、安装在汽缸衬筒4b的上表面上的中空状的汽缸盖4a。进而，二循环发动机 具备从上方安装在汽缸盖4a的中央的开口部中的排气阀壳50。
在汽缸衬筒4b的中空部(内周)中可上下移动地嵌合着圆柱状的活塞3。活塞3通 过将向下方延伸的活塞棒70保持在安装于轴环部2c的中央的填料盒80中而被保持在汽 缸衬筒4b及壳体10上，所述轴环部2c设在壳体10的下方内侧。面临与壳体10的开口部 2b相连的空间11，在汽缸衬筒4b的侧壁上形成多个扫气口 9。扫气口 9如图4所示，在活 塞3处于下死点的状态下，从壳体10的空间11将空气取入到汽缸衬筒4b的内部。
在汽缸盖4a上，朝向形成在其下部的燃烧室100，以斜向相互面对的方式设置有 燃料喷射口 13和先导喷射阀5。在排气阀壳50上，形成有从向燃烧室100开口的底部朝向 斜上方的排气口 6。此外，在排气阀壳50上，上下运动自如地轴支承着在下端部具有排气阀 7的排气阀棒140。排气阀7将燃烧室100和排气口 6开闭。排气阀棒140通过排气阀驱 动装置8而上下运动，通过排气阀7将燃烧室100和排气口 6开闭。
如图8所示，燃料喷射口 13经由高压泵170、蒸发器180、压力调整阀19与LNG箱 160连接。高压泵170受电动机20驱动。此外，先导喷射阀5连接在燃料喷射泵21上。
接着，说明这样的结构的二循环发动机的动作。
在图7所示的扫气行程时，在活塞3处于下死点的状态下，从扫气箱12供给的空 气被从壳体10的空间11取入到汽缸衬筒4b的内部。此外，同时在排气阀7为开状态的期 间中，残留在燃烧室100中的燃烧气体被从排气阀壳50的排气口 6向外部排气。然后，活 塞3在汽缸衬筒4b内上升(朝向燃烧室100移动)，如果排气阀7成为闭状态，则流入到汽 缸衬筒4b内的空气被压缩。
图8表示活塞3到达上死点、空气被最大压缩的状态。在此状态下将从LNG箱160 供给的LNG使用由电动机20驱动的高压泵170加压，在通过蒸发器180气化后，一边通过 压力调整阀19调整压力一边从燃料喷射口 13朝向燃烧室100喷射。
同时，将从未图示的液体燃料箱供给的液体燃料通过燃料喷射泵21向先导喷射 阀5供给，从先导喷射阀5朝向燃烧室100喷射。液体燃料在燃烧室100内自燃，通过该火 焰，喷射到燃烧室100中的高压的LNG气体点火(爆炸)。通过该爆炸力(压力)，活塞3在汽 缸衬筒4b内以高速下降(朝向下死点移动)。接着成为图7所示的状态。
另外，作为与上述二循环发动机关联的技术，除了专利文献I以外，还有专利文献2、3所记载的技术。
专利文献1:特开平8 - 291769号公报 专利文献2 :特开平5 - 332200号公报专利文献3 :特表2000 - 508400号公报。发明内容
在上述以往技术中，在排气完成后的燃烧室内几乎不存在排气气体的压缩行程 中，将燃料向燃烧室内喷射。但是，在压缩行程中，燃烧室内为高压，为了将燃料向燃烧室内 喷射，需要用来以更高的压力喷射燃料的高输出的升压装置。
本发明是鉴于上述问题而做出的，目的是提供一种能够不施加较高的压力而向汽 缸的内部直喷燃料的二循环发动机。
此外，如上述那样，在使用LNG作为燃料的以往的二循环发动机中，向燃烧室的压 缩空气中直接喷射LNG气体而使其燃烧。在此情况下，需要将LNG气体加压到压缩空气压 力以上。通常，LNG气体被加压到250bar左右，燃烧形态为扩散燃烧。
可是，为了将LNG气体加压为高压而需要大容量的高压泵，成本变高。此外，蒸发 器也不得不采用能够承受高压的高成本者。还需要从高压泵到二循环发动机的高压的气体 配管,这也成为拉升成本的主要原因。此外,大容量的高压泵其驱动功率变大,运行成本也 上升。
此外，在进行高压的气体配管的情况下，在振动较大的往复运动内燃机中，有设 计、制作变得困难的缺点。进而，也有因为是高压所以气体泄漏的可能性增加的问题。
本发明是鉴于上述以往的问题而做出的，目的是提供一种低成本且可靠性较高的 二循环发动机。
为了解决上述课题，本发明是一种二循环发动机，具有在汽缸的长度方向一端部 上开闭的排气口、在上述汽缸的长度方向另一端部上开闭的扫气口、和在上述排气口与上 述扫气口之间向上述汽缸的内部喷射燃料的燃料喷射口，在排气口及扫气口的至少任一个 开放的状态下开始燃料的喷射。此外，在此情况下，优选的是，设有燃料喷射控制装置，所述燃料喷射控制装置在从上述排气口进行的上述汽缸的内部的排气气体的排气完成前、从上 述扫气口吸入到上述汽缸的内部的吸入新气层达到上述燃料喷射口的燃料喷射位置后，使 上述燃料喷射口成为开放状态。
通过采用该结构，本发明在汽缸的内部的排气气体的排气完成之前，即在排气口 及扫气口的至少任一个开放的低压状态下，使燃料的喷射开始。由此，能够以比以往低压将 燃料向燃烧室内喷射。此外，本发明将燃料喷射开始时控制为从扫气口吸入到汽缸的内部 的吸入新气层达到燃料喷射口的燃料喷射位置后。由此，能够避免喷射的燃料接触到一部 分残留在汽缸的内部的高温的排气气体，所以能够预防过早点火、实现发动机驱动的稳定 化。
此外，在本发明中，优选的是，上述燃料喷射控制装置在从上述扫气口吸入到上述 汽缸的内部的吸入新气层达到上述燃料喷射口的燃料喷射位置后、且经过用来在排气气体 层与上述燃料喷射位置之间形成上述吸入新气层的延迟时间后，使上述燃料喷射口为开放 状态。
通过采用该结构，本发明在吸入新气层达到燃料喷射位置、进而经过延迟时间后 开始燃料的喷射。通过该延迟时间，在排气气体层与燃料喷射位置之间形成吸入新气层。这 样，该吸入新气层夹设在燃料与排气气体层之间，防止两者的接触。因而，根据本发明，能够 更可靠地预防过早点火。
此外，在本发明中，优选的是，上述燃料喷射控制装置基于上述排气口及上述扫气 口的至少任一个的开放度，使上述燃料喷射口开闭。
通过采用该结构，本发明基于排气口及扫气口的至少任一个的开放度进行燃料喷 射口的开闭控制。根据上述开放度，能够推定在汽缸的内部吸入新气层一边将排气气体层 推出一边达到了哪个位置。
此外，在本发明中，优选的是，上述燃料喷射控制装置基于上述排气口及上述扫气 口中的打开时机较慢者的开放度，使上述燃料喷射口开闭。
通过采用该结构，本发明基于排气口及扫气口中的打开时机较慢者的开放度进行 燃料喷射口的开闭控制。在汽缸的内部吸入新气层一边将排气气体层推出一边达到了哪个 位置取决于打开时机较慢者的开放度的程度较高。因而，根据本发明，能够更正确地推定吸 入新气层达到的位置。
此外，为了达到上述目的，本发明是一种二循环发动机，以液化天然气为主燃料， 具备活塞往复运动的汽缸、向形成在上述汽缸上的空气导入口供给空气的空气供给容器 (扫气箱)、上述汽缸上部的燃烧室、和安装在比上述空气导入口靠上部的上述汽缸上且喷 射上述液化天然气的气体喷射阀、喷射液体燃料的先导喷射阀，所述液体燃料在上述燃烧 室内对上述液化天然气与上述空气的混合气体点火；在将从上述空气供给容器供给的上述 空气用上述活塞压缩的扫气行程中，从上述气体喷射阀喷射上述液化天然气。
此外，在本发明中，优选的是，从上述气体喷射阀的上述液化天然气的喷射在上述 燃烧室上具备的排气阀关闭之前开始、在上述活塞将上述气体喷射阀封闭的状态下结束。
此外，在本发明中，优选的是，向相对于在上述扫气行程中产生的上述空气的旋绕 流反方向，从上述气体喷射阀喷射上述液化天然气。
此外，在本发明中，优选的是，形成有多个的上述空气导入口的开口宽度是不均匀的。
此外，在本发明中，优选的是，上述气体喷射阀以多个级数安装在上述汽缸上。
根据本发明，二循环发动机具有在汽缸的长度方向一端部上开闭的排气口、在上 述汽缸的长度方向另一端部上开闭的扫气口、和在上述排气口与上述扫气口之间向上述汽 缸的内部喷射燃料的燃料喷射口，在排气口及扫气口的至少任一个开放的低压状态下开始 燃料的喷射。由此，能够以比以往低压将燃料向燃烧室内喷射。此外，本发明将燃料喷射开 始时控制为从扫气口吸入到汽缸的内部的吸入新气层达到燃料喷射口的燃料喷射位置后。 由此，能够避免喷射的燃料接触到一部分残留在汽缸的内部的高温的排气气体，所以能够 预防过早点火、实现发动机驱动的稳定化。
因而，在本发明中，能够得到在预防过早点火的同时、能够不施加较高的压力而向 汽缸的内部直喷燃料的二循环发动机。
此外，根据本发明，能够以低成本提供可靠性较高的二循环发动机。
图1是表示本发明的第I实施方式的二循环发动机的整体结构图。
图2A是用来说明本发明的第I实施方式的二循环发动机的燃料喷射动作的图。
图2B是用来说明本发明的第I实施方式的二循环发动机的燃料喷射动作的图。
图2C是用来说明本发明的第I实施方式的二循环发动机的燃料喷射动作的图。
图2D是用来说明本发明的第I实施方式的二循环发动机的燃料喷射动作的图。
图2E是用来说明本发明的第I实施方式的二循环发动机的燃料喷射动作的图。
图2F是用来说明本发明的第I实施方式的二循环发动机的燃料喷射动作的图。
图2G是用来说明本发明的第I实施方式的二循环发动机的燃料喷射动作的图。
图2H是用来说明本发明的第I实施方式的二循环发动机的燃料喷射动作的图。
图21是用来说明本发明的第I实施方式的二循环发动机的燃料喷射动作的图。
图3是用来表示本发明的第I实施方式的二循环发动机的曲柄角度与各口的开放 度的对应关系的曲线图。
图4是有关本发明的第2实施方式的二循环发动机的概略结构图。
图5是图1的II — II截面俯视图。
图6A是扫气口部分的衬筒的剖视图，是图1的II1-1II截面俯视图。
图6B是扫气口部分的衬筒的剖视图，是为了与图6A比较而表示的以往的扫气口 部分的衬筒的剖视图。
图7是有关以往例的二循环发动机的扫气行程时的概略结构图。
图8是有关以往例的二循环发动机的气体燃烧(爆炸)时的概略结构图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示本发明的第I实施方式的二循环发动机的整体结构图。
本实施方式的二循环发动机是例如设在船舶等中的大型的单向流动型二循环气 体发动机，以LNG (液化天然气)为燃料。该图中的附图标记I是发动机主体，在汽缸2的内部，连结在未图示的曲柄机构上的活塞3往复移动。另外，作为活塞3，采用冲程较长的十 字头型活塞。
在汽缸2的上部(长度方向一端部),设有先导喷射阀5及排气口 6。排气口 6在活 塞3的上死点附近、汽缸盖4a的顶部开口。排气口 6具有排气阀7。排气阀7在排气阀驱 动装置8作用下以规定的时机上下运动，使排气口 6开闭。经由排气口 6被排气的排气气 体例如在被向未图示的增压器的涡轮侧供给后被向外部排气。
在汽缸2的下部(长度方向另一端部)设有扫气口 9。扫气口 9通过活塞3的往复 移动而以规定的时机开闭。
扫气口 9在活塞3的下死点附近、汽缸衬筒4b的侧部开口。扫气口 9被由壳体10 形成的空间11包围。
在壳体10上连接着扫气箱12。扫气箱12例如被从未图不的增压器的压缩机侧供 给加压的空气。
在汽缸2的中腹部(中间部)设有燃料喷射口 13。燃料喷射口 13在排气口 6与扫 气口 9之间向汽缸2的内部上侧(燃烧室)喷射将LNG气化的燃料气体。燃料喷射口 13在 汽缸衬筒4b的周向上隔开间隔设有多个，分别具有燃料喷射阀14。燃料喷射阀14接受来 自燃料喷射控制装置15的指令，将燃料喷射口 13开闭，进行燃料气体的喷射、喷射停止。
对于燃料喷射控制装置15，从调节器(调速器)16输入关于燃料喷射量的指令。调 节器16基于被输入的发动机输出指令值、和来自设在未图示的曲柄机构中的旋转编码器 17的发动机转速信号输出燃料喷射量。此外，将在旋转编码器17中检测出的曲柄角度信号 向燃料喷射控制装置15及发动机控制装置18输入。
发动机控制装置18基于曲柄角度信号，向排气阀驱动装置8输出排气阀操作信 号。此外，在发动机控制装置18与燃料喷射控制装置15的相互间，进行包括排气阀开闭时 机信号的规定的信息的交换。并且，燃料喷射控制装置15基于上述输入，将规定的燃料喷 射量以规定的时机向汽缸2内喷射燃料气体。
具体而言，燃料喷射控制装置15基于曲柄角度信号、排气阀开闭时机信号，掌握 排气口 6的开放度、扫气口 9的开放度，向燃料喷射阀14输出燃料喷射阀操作信号，进行燃 料喷射口 13的开闭控制。使燃料喷射口 13成为开放状态的燃料气体的燃料喷射时机设定 为从排气口 6进行的汽缸2内部的排气气体的排气完成前、从扫气口 9吸入到汽缸2的内 部的吸入新气层达到燃料喷射口 13的燃料喷射位置后。此外，本实施方式的燃料喷射时机 还设定为经过用来在排气气体层与燃料喷射位置之间形成吸入新气层的延迟时间后。
以下，参照图2A 图21及图3，对在燃料喷射控制装置15的控制下进行的特征性 的燃料喷射动作进行说明。
图2A 图21是用来说明本发明的实施方式的二循环发动机的燃料喷射动作的 图。图3是表示本发明的实施方式的二循环发动机的曲柄角度与各口的开放度(升程量、开 口面积等)的对应关系的曲线图。另外，在图2A 图21中，附图标记A表示排气气体层，附 图标记B表示吸入新气层，附图标记C表示燃料气体与空气混合的预混合气层。
图2A表示燃烧后的膨胀行程。此时，排气口 6及扫气口 9处于封闭状态，汽缸2 的内部被用排气气体层A充满。
从图2A起，活塞3进一步降低，如果曲柄角度达到规定角度，则通过发动机控制装置18，排气阀驱动装置8驱动，排气阀7降低，将排气口 6开放(步骤S1:参照图2B及图3)。
从图2B起，活塞3再进一步降低，如果曲柄角度达到规定角度，则通过活塞3成为 封闭状态的扫气口 9被开放(步骤S2 :参照图2C及图3)。并且，当活塞3达到下死点时，扫 气口 9被完全开放(参照图2D)。
吸气从排气口 6及扫气口 9打开的步骤S2开始。并且，被从扫气口 9吸入到汽缸 2的内部的吸入新气层B —边将排气气体层A推起，一边将汽缸2的内部从下方朝向上方充满。
当吸入新气层B达到设有燃料喷射口 13的燃料喷射位置后，通过燃料喷射控制装 置15，燃料喷射阀14驱动，开始从燃料喷射口 13的燃料气体的喷射(参照图2E及图3)。
此时，由于排气口 6及扫气口 9是开放状态的排气中，所以汽缸2的内部是低压。 因而，能够从燃料喷射口 13以比压缩中的压力低压将燃料气体向汽缸2的内部喷射。因此， 即使不设置高输出的升压装置，也能够将燃料气体向燃烧室内喷射。
但是，此时处于在燃烧室内残留有一部分高温的排气气体的状态。假如对高温的 排气气体层A中喷吹燃料气体、两者接触，则有发生过早点火的情况。因此，在本实施方式 中，将燃料喷射时机控制为从扫气口 9吸入到汽缸2的内部的吸入新气层B达到燃料喷射 口 13的燃料喷射位置后。如果是吸入新气层B达到燃料喷射口 13的燃料喷射位置后，则 也加上是单向流动(单流)，吸入新气层B将排气气体层A推出，所以能够避免喷射的燃料气 体与一部分残留在汽缸2的内部的高温的排气气体接触。因此，能够预防过早点火而实现 发动机驱动的稳定化。
进而，在本实施方式中，将燃料喷射时机设定为吸入新气层B达到燃料喷射位置 后且经过用来在排气气体层A与燃料喷射位置之间形成吸入新气层B的延迟时间后。通过 该延迟时间，形成在排气气体层A与燃料喷射位置之间的吸入新气层B夹设在排气气体层 A与预混合气层C之间，防止两者的接触(参照图2E)。作为具体的作用，即使燃料气体从燃 料喷射口 13以规定幅度喷射、扩散，也能够通过夹设的吸入新气层B阻止与排气气体层A 的接触。进而，通过使吸入新气层B夹设在两者间，能够预防伴随着因排气气体层A的界面 的摇摆造成的向燃料喷射位置的侵入的预想不到的过早点火。因而，通过该延迟时间，使排 气气体层A与预混合气层C之间夹设吸入新气层B，由此能够更可靠地预防过早点火。
另外，在汽缸2的内部，吸入新气层B —边将排气气体层A推出一边达到哪个位 置，可以基于排气口 6的开放度(升程量)及扫气口 9的开放度(开口面积)的至少任一个来 推定。在本实施方式中，扫气口 9的开放度与活塞3的位置即曲柄角度对应，所以基于排气 口 6的开放时机设定燃料喷射时机(参照图3)。
排气口 6的开放时机可以通过排气阀驱动装置8改变，根据发动机的负荷，有与扫 气口 9的开放时机前后相差的情况。因为该理由，也在本实施方式中基于排气口 6的开放 时机设定了燃料喷射时机。
如果活塞3越过下死点而开始上升，则开始将扫气口 9封闭(参照图2F)。此时，继 续燃料喷射，在与排气气体层A之间夹设吸入新气层B的状态下，预混合气层C将汽缸2的 内部充满。
从图2F起，活塞3进一步上升，如果曲柄角度达到规定角度，则为开放状态的扫气 口 9被活塞3封闭(步骤S3 :参照图2G及图3)。此时，由于排气口 6还没有被封闭，所以继续低压下的燃料喷射。
从图2G起，活塞3再进一步上升，如果曲柄角度达到规定角度，则排气阀7上升到 头，排气口 6被封闭，排气完成(步骤S4 :参照图2H及图3)。此时，排气气体层A的几乎全 部被排气，但在本实施方式中，由于在排气气体层A与预混合气层C之间夹设吸入新气层B， 所以发生富余，能够进行夹设的吸入新气层B的一部分漏气的状态下的排气口 6的封闭。由 此，能够将排气气体层A的几乎全部排气并防止预混合气层C的漏气。
压缩从排气口 6及扫气口 9关闭的步骤S4开始。燃料喷射继续直到燃烧室的压 力变高前的压缩行程前半。但是，在达到升压装置的性能极限的压力之前使燃料喷射结束。 至少在活塞3达到燃料喷射位置之前、即达到汽缸2的中腹部之前，由燃料喷射控制装置15 将燃料喷射阀14关闭，燃料喷射结束(参照图21)。
然后，如果活塞3达到上死点而预混合气层C被压缩，则进行点火，通过燃烧产生 的排气气体将活塞3推下，回到图2A的状态。
通过以上，发动机的I循环中的燃料喷射动作结束。
因而，根据上述本实施方式，在具有在汽缸2的上部开闭的排气口 6、在汽缸2的下 部开闭的扫气口 9、和在排气口 6与扫气口 9之间对汽缸2的内部喷射燃料气体的燃料喷射 口 13的单向流动型二循环气体发动机中，通过采用具有在从排气口 6进行的汽缸2的内部 的排气气体的排气完成之前、从扫气口 9吸入到汽缸2的内部的吸入新气层B达到燃料喷 射口 13的燃料喷射位置之后使燃料喷射口 13成为开放状态的燃料喷射控制装置15的结 构，在汽缸2的内部的排气气体的排气完成之前、即在排气口 6及扫气口 9的至少任一个被 开放的低压状态下开始燃料喷射。由此，能够以比以往低压将燃料向燃烧室内喷射。此外， 本实施方式将燃料喷射开始时控制为从扫气口 9吸入到汽缸2的内部的吸入新气层B达到 燃料喷射口 13的燃料喷射位置后。由此，能够避免喷射的燃料与一部分残留在汽缸2的内 部的高温的排气气体接触，所以能够预防过早点火而实现发动机驱动的稳定化。
因而，在本实施方式中，能够得到在预防过早点火的同时、能够不施加较高的压力 而向汽缸2的内部直喷燃料的单向流动型二循环气体发动机。
以上，参照附图对本发明的优选的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上 述实施方式。在上述实施方式中表示的各构成部件的各形状及组合等是一例，在不从本发 明的主旨脱离的范围中能够基于设计要求等进行各种变更。
例如，在上述实施方式中，对于燃料喷射控制装置15基于排气口 6的开放度进行 燃料喷射口 13的开闭控制的结构进行了说明，但本发明并不限定于该结构。
例如，也可以是燃料喷射控制装置15基于扫气口 9的开放度进行燃料喷射口 13 的开闭控制的结构，此外也可以基于排气口 6及扫气口 9的开放度进行燃料喷射口 13的开 闭控制。
此外，吸入新气层B —边将排气气体层A推出一边达到哪个位置取决于打开时机 较慢者的开放度的程度较高，所以燃料喷射控制装置15也可以基于排气口 6及扫气口 9中 的打开时机较慢者的开放度进行燃料喷射口 13的开闭控制。
此外，由于排气口 6及扫气口 9的开放度取决于曲柄角度，所以燃料喷射控制装置 15也可以基于曲柄角度进行燃料喷射口 13的开闭控制。
此外，如上述实施方式那样，在船舶用的二循环发动机中是一边将发动机输出保持为一定一边驱动的形态，所以扫气箱12内的压力大致是一定的，但在能够频繁地改变发 动机输出的二循环发动机的情况下，有吸气侧的压力变化的情况。该情况例如也可以在扫 气口 9侧设置压力计、添加该计测结果、燃料喷射控制装置15进行燃料喷射口 13的开闭控 制。
此外，例如在上述实施方式中对于将气体燃料喷射的形态进行了说明，但本发明 也可以对于喷射液体燃料的形态应用。此外，关于燃料，也可以不是使用LNG的形态，例如 对于使用LPG (液化石油气体)、轻油、重油等或其他可燃性气体的形态也能够应用本发明。
接着，参照附图对本发明的第2实施方式进行说明。
图4是有关本发明的第2实施方式的二循环发动机的概略结构图。对于与图7、图 8所示的以往例相同的部位赋予相同的附图标记。
以液化天然气(LNG)为主燃料的二循环发动机具备以下的结构。即，具备筒状的 汽缸衬筒(汽缸)4b、将该汽缸衬筒4b的外周的台阶部卡合到上部壁2a中央的开口部中而 保持的壳体10、在壳体10的图中向右侧开口的开口部2b上安装的扫气箱12 (空气供给容 器)、安装在汽缸衬筒4b的上表面上的中空状的汽缸盖4a。进而，二循环发动机具备从上方 安装到汽缸盖4a的中央的开口部中的排气阀壳50。
在汽缸衬筒4b的中空部(内周面)中可上下移动(往复运动)地嵌合着圆柱状的活 塞3。活塞3通过向下方延伸的活塞棒70保持在安装于轴环部2c的中央上的填料盒80中 而被保持在汽缸衬筒4b及壳体10上，所述轴环部2c设在壳体10的下方内侧。面临连接 到壳体10的开口部2b上的空间11，在汽缸衬筒4b的侧壁上形成多个扫气口(空气导入口) 9。扫气口 9如图4所示，在活塞3处于下死点的状态下，从壳体10的空间11向汽缸衬筒 4b的内部取入空气。
在汽缸盖4a上，朝向形成在其下部的燃烧室100倾斜地设置先导喷射阀5。在排 气阀壳50上，形成从向燃烧室100开口的底部朝向斜上方的排气口 6。此外，在排气阀壳 50上，上下运动自如地轴支承着在下端部具有排气阀7的排气阀棒140。排气阀7将燃烧 室100和排气口 6开闭。排气阀棒140通过排气阀驱动装置8而上下运动，通过排气阀7 将燃烧室100和排气口 6开闭。
先导喷射阀5连接在燃料喷射泵21上。燃料喷射泵21从液体燃料箱22接受液 体燃料的供给，经由燃料高压管23向先导喷射阀5供给。先导喷射阀5也可以是直接喷射 式或副室式。
进而，本实施方式的二循环发动机采用以下的结构。
本实施方式的二循环发动机将喷射LNG气体的燃料喷射口 13以任意的数量、使其 喷射口面临汽缸衬筒4b的内部而安装在汽缸衬筒4b上。其安装位置如图4所示那样是扫 气口 9的上部。燃料喷射口 13与LNG箱160经由LNG泵31、蒸发器32、压力调整阀33、气 体控制器34连接。LNG泵31由电动机35驱动。
这里，LNG泵31、蒸发器32、压力调整阀33、电动机35与以往相比为容量、输出较 小的低规格、低成本的结构。此外，气体控制器34将向燃料喷射口 13的LNG气体的供给开 启、关闭控制。
本实施方式的二循环发动机具备接受扫气压力传感器36及曲柄角检测传感器37 的输出、控制压力调整阀33、气体控制器34、电动机35的控制装置(控制器)。这里，扫气压力传感器36安装在扫气箱12的表面上，检测扫气箱12内的空气压。
曲柄角检测传感器37与安装在凸轮轴39的一端上的曲柄角检测齿轮40面对，安 装在凸轮轴39上的燃料凸轮41使燃料喷射泵21的活塞上下运动，驱动燃料喷射泵21。
图5是图4的II 一 II截面俯视图，图6A、图6B是扫气口部分的衬筒的剖视图，图 6A是图4的III 一 III截面俯视图，图6B是为了与图6A比较而表示的以往的扫气口部分 的衬筒的剖视图。关于图5、图6A、图6B的说明在以下的动作说明中进行。
接着，说明这样构成的二循环发动机的动作。
如图4所示，在活塞3处于下死点的状态下，将由扫气箱12供给的空气从壳体10 的空间11取入到汽缸衬筒4b的内部。此时，内燃机在扫气状态下排气阀7为开状态，所以 通过流入空气残留在燃烧室100中的燃烧气体被从排气阀壳50的排气口 6向外部排气。
在空气流入时，一般而言(在以往中)，如图6B所示，因为扫气口 9相对于汽缸衬筒 4b的轴芯倾斜的形状，在汽缸衬筒4b的内部产生空气的旋绕流50。然后，活塞3在汽缸衬 筒4b内上升(朝向燃烧室100移动)，如果将扫气口 9封堵，则排气阀7成为闭状态，流入到 汽缸衬筒4b内的空气被压缩。在空气的压缩中也保存着旋绕流50的角运动量，所以旋绕 流50没有消失。
这里，在排气阀7成为关闭之前，从燃料喷射口 13将LNG气体向汽缸衬筒4b的内 部喷射。LNG气体的喷射与以往例同样如以下这样进行。即，将从LNG箱160供给的LNG使 用由电动机35驱动的LNG泵31加压，在通过蒸发器32气化后，一边通过压力调整阀33调 整压力一边经过气体控制器34从燃料喷射口 13朝向汽缸衬筒4b内部喷射。
进而，如果在这里具体表示二循环发动机的驱动条件，则扫气口 9的开区间在距 活塞3的上死点(TDC)的曲柄角度上为100°以上260°以下的范围，排气阀7的开区间在 距活塞3的上死点(TDC)的曲柄角度上为80°以上300°以下的范围。此外，从燃料喷射 口 13的LNG气体的喷射区间在由活塞3压缩的扫气行程中的将扫气口 9关闭且将排气阀 7打开的条件下，在距活塞3的上死点(TDC)的曲柄角度上为220°以上330°以下的范围。
在本实施方式的二循环发动机中，由于将LNG气体的供给在活塞3的压缩行程(扫 气行程)中进行，所以LNG泵31不需要如图8所示的以往的高压泵170那样使LNG成为高 压到250bar (巴)。由LNG泵31加压的气体压力可以是约20bar左右，能够抑制为远低于 以往。即，LNG泵31可以是比以往的高压泵170低容量且价格低的结构。
LNG气体如图5所示，被从燃料喷射口 13向与旋绕流50反向(反方向)喷射(喷射 方向51)。这样，通过与旋绕流50反向地喷射LNG气体，能够将空气与LNG气体均匀地混 合。另外，如图5所示，在本实施方式的二循环发动机中，在汽缸衬筒4b上以等角度安装有 8个燃料喷射口 13。燃料喷射口 13也可以设为多个上下多级，以将LNG气体与空气均匀地 混合。
此外，在本实施方式的二循环发动机中，如图6A所示，多个扫气口 9的开口宽度不 均匀地形成(开口宽度LI〉开口宽度L2)。因此，从各扫气口 9向汽缸衬筒4b内流入的空气 流速变得不同，发生局部性的紊流，所以能够将空气与LNG气体均匀地混合。
这里，如果采用图5的喷射方向51的形态、和图6A的扫气口 9的开口宽度不均匀 地形成的形态的两者，则能够得到理想的空气与LNG气体的均匀混合状态，但通过任一个 的采用也能够起到相应的效果。
当活塞3将燃料喷射口 13横截时(将燃料喷射口 13封闭时)，通过气体控制器34 将向燃料喷射口 13的LNG气体的供给停止。在活塞3到达上死点、LNG气体与空气的混合 气体被最大压缩的状态下，将从液体燃料箱22供给的液体燃料通过燃料喷射泵21经由燃 料高压管23向先导喷射阀5供给。并且，将该液体燃料从先导喷射阀5朝向燃烧室100喷 射。液体燃料在燃烧室100内自燃，通过该火焰，压缩的混合气体点火(爆炸)。通过该爆炸 力(压力)，活塞3在汽缸衬筒4b内以高速下降(朝向下死点移动)。
此外，在本实施方式的二循环发动机中，曲柄角检测传感器37根据安装在凸轮轴 39上的曲柄角检测齿轮40的旋转位置检测曲柄角，将其检测信号向控制装置38发送。控 制装置38基于该检测信号判断从燃料喷射口 13喷射LNG气体的时机，向气体控制器34指 令，控制LNG气体的喷射的开始和停止。
此外，控制装置38基于二循环发动机的负荷状态或由安装在扫气箱12上的扫气 压力传感器36检测的扫气压力，调整LNG气体的压力来控制混合气体的空燃比。也可以使 燃料喷射泵21或排气阀驱动装置8为电子控制。
本实施方式的二循环发动机由于在低压下使用LNG，所以能够采用便宜的LNG泵 及蒸发器，能够降低成本。此外，由于LNG为低压，所以配管及气体泄漏对策变得容易，能够 使安全性提高。此外，由于LNG为低压，所以操作员的运转操作变得容易。进而，由于以LNG 为主燃料，所以能够改善SOx、NOx, CO2的环境问题。
另外，如果将通过燃料喷射口 13的LNG气体的供给停止、仅为通过先导喷射阀5 的液体燃料的喷射，则也可以使二循环发动机作为以往的柴油机工作。
此外,与第I实施方式同样，在第2实施方式中,燃料也并不限定于LNG气体,可以 普遍应用可燃性气体。
根据上述第2实施方式的二循环发动机，能够得到与上述第I实施方式的二循环 发动机同样的效果。
产业上的可利用性在本发明中，能够得到在预防过早点火的同时、能够不施加较高的压力而向汽缸的内 部直喷燃料的二循环发动机。
此外，根据本发明，能够提供低成本且可靠性较高的二循环发动机。
附图标记说明 2汽缸6排气口9扫气口(空气导入口)13燃料喷射口 15燃料喷射控制装置 A排气气体层 B吸入新气层 C预混合气层 4a汽缸衬筒12扫气箱(空气供给容器)3活塞100燃烧室5先导喷射阀 7排气阀 160 LNG 箱 31 LNG 泵 18,32蒸发器 33压力调整阀 34气体控制器 38控制装置 50旋绕流 51喷射方向。
权利要求
1.一种二循环发动机，具有在汽缸的长度方向一端部上开闭的排气口、在上述汽缸的长度方向另一端部上开闭的扫气口、和在上述排气口与上述扫气口之间向上述汽缸的内部喷射燃料的燃料喷射口，其特征在于， 在排气口及扫气口的至少任一个开放的状态下开始燃料的喷射。
2.如权利要求1所述的二循环发动机，其特征在于， 具有燃料喷射控制装置，所述燃料喷射控制装置在从上述排气口进行的上述汽缸的内部的排气气体的排气完成前、从上述扫气口吸入到上述汽缸的内部的吸入新气层达到上述燃料喷射口的燃料喷射位置后，使上述燃料喷射口成为开放状态。
3.如权利要求1或2所述的二循环发动机，其特征在于， 上述燃料喷射控制装置在从上述扫气口吸入到上述汽缸的内部的吸入新气层达到上述燃料喷射口的燃料喷射位置后、且经过用来在排气气体层与上述燃料喷射位置之间形成上述吸入新气层的延迟时间后，使上述燃料喷射口为开放状态。
4.如权利要求1或2所述的二循环发动机，其特征在于， 上述燃料喷射控制装置基于上述排气口及上述扫气口的至少任一个的开放度，使上述燃料喷射口开闭。
5.如权利要求4所述的二循环发动机，其特征在于， 上述燃料喷射控制装置基于上述排气口及上述扫气口中的打开时机较慢者的开放度，使上述燃料喷射口开闭。
6.如权利要求1所述的二循环发动机，其特征在于， 是以可燃性气体为主燃料的二循环发动机，在上述汽缸内部活塞往复运动，还具备向形成在上述汽缸上的扫气口供给空气的扫气箱、上述汽缸上部的燃烧室、和喷射液体燃料的先导喷射阀，所述液体燃料在上述燃烧室内对上述可燃性气体与上述空气的混合气体点火，上述燃料喷射口安装在比上述扫气口靠上部的上述汽缸上； 在将从上述扫气箱供给的上述空气用上述活塞压缩的扫气行程中，从上述燃料喷射口喷射上述可燃性气体。
7.如权利要求6所述的二循环发动机，其特征在于， 从上述燃料喷射口的上述可燃性气体的喷射在上述燃烧室上具备的排气阀关闭之前开始、在上述活塞将上述燃料喷射口封闭的状态下结束。
8.如权利要求6或7所述的二循环发动机，其特征在于， 向相对于在上述扫气行程中产生的上述空气的旋绕流反方向，从上述燃料喷射口喷射上述可燃性气体。
9.如权利要求6 8中任一项所述的二循环发动机，其特征在于， 形成有多个的上述扫气口的开口宽度是不均匀的。
10.如权利要求6 9中任一项所述的二循环发动机，其特征在于， 上述燃料喷射口以多个级数安装在上述汽缸上。
全文摘要
一种二循环发动机，具有在汽缸的长度方向一端部上开闭的排气口、在上述汽缸的长度方向另一端部上开闭的扫气口、和在上述排气口与上述扫气口之间向上述汽缸的内部喷射燃料的燃料喷射口，在排气口及扫气口的至少任一个开放的状态下开始燃料的喷射。
文档编号F02M21/02GK103026034SQ201180038100
公开日2013年4月3日 申请日期2011年8月4日 优先权日2010年8月5日
发明者广濑孝行, 山田刚, 足利泰宜, 山田敬之, 久下乔弘, 泷本崇弘, 野村守 申请人:株式会社 Ihi