燃气发动机的制作方法

1.本发明涉及一种使氢气等燃烧性良好的气体燃烧的燃气发动机。


背景技术：

2.近年来，由于地球变暖等问题，要求实现使二氧化碳的排放量为零的所谓的零排放。因此，在已有的使用重油等化石燃料作为燃料的发动机中难以实现零排放，所以最近对使用氢气等分子结构中不含碳的可燃气体的燃气发动机进行了大量开发。
3.例如，在下述专利文献1中，提出了使用氢气作为燃料的氢燃料发动机。在该专利文献1中记载了如下内容：在氢燃料发动机中，为了抑制火花塞附近的温度上升而使燃烧气体中的nox浓度降低，在气缸的缸内设置对置的两个火花塞和两个燃料喷射阀，通过同时对这两个火花塞进行点火，由此缩短燃烧火焰的传播距离来抑制火花塞附近的温度上升。
4.当然，与现有的使用化石燃料作为燃料的发动机相比，在使氢气这样燃烧性良好的气体燃烧的情况下，燃料急剧燃烧，火花塞周围的温度急剧升高，因此燃烧气体(废气)中的nox量增加，所以需要如专利文献1那样通过设置两个火花塞来减少各个火花塞周围的燃料总量，从而降低燃烧温度。
5.专利文献1：日本公开专利公报特公昭58-12457号公报


技术实现要素：

[0006]-发明要解决的技术问题-[0007]
如上述专利文献1所述，如果在气缸的缸内设置两个燃料喷射阀和两个火花塞，并同时对两个火花塞进行点火，则燃烧火焰的传播距离确实会变短。
[0008]
但是，由于两个燃烧同时发生在一个缸内，因而缸内的压力急剧升高，有可能对气缸施加大的热负荷。如果像这样对气缸施加大的热负荷，则需要提高气缸或活塞等的缸内内表面的耐压性或火花塞的安装强度等，从而需要提高发动机自身的刚性，存在发动机制造成本增加的问题，而且，由于会急剧地燃烧，因此存在作为有害物质的nox的排放量依然较多的问题。
[0009]
本发明正是为解决上述技术问题而完成的，其目的在于：提供一种使燃烧性良好的气体燃烧的燃气发动机，在该燃气发动机中，在气缸的缸内设置喷射燃料气体的多个燃料喷射阀而使燃烧性良好，并且不会对气缸等施加大的热负荷，从而不需要提高发动机自身的刚性，而且还能够抑制nox的排放量。
[0010]-用于解决技术问题的技术方案-[0011]
为了实现该目的，本发明涉及一种使氢气等燃烧性良好的气体燃烧的燃气发动机，其特征在于：在气缸的缸内设置多个喷射燃料气体的燃料喷射阀，该燃气发动机包括点火部件，该点火部件使从所述多个燃料喷射阀喷射的多个气体聚集团内的一个气体聚集团比其他气体聚集团先燃烧。
[0012]
具体而言，在第一方面的发明中，涉及一种使氢气等燃烧性良好的气体燃烧的燃
[0026]
如以上说明的那样，根据本发明，多个气体聚集团一个一个地依次燃烧，由气缸缸内的燃烧引起的压力上升就会缓慢地产生。
[0027]
因此，在使燃烧性良好的气体燃烧的燃气发动机中，在气缸的缸内设置喷射燃料气体的多个燃料喷射阀而使燃烧性良好，并且不会对气缸等施加大的热负荷，从而能够不需要提高发动机自身的刚性。也能够抑制nox的排放量。
附图说明
[0028]
图1是示出本发明的第一实施方式所涉及的燃气发动机的结构的示意简图；
[0029]
图2是说明燃气发动机的直流扫气方式的图，图2(a)是气缸下部的详细剖视图，图2(b)是气缸下部的横向剖视图；
[0030]
图3是第一实施方式的气缸盖的详细剖视图；
[0031]
图4是示出第一实施方式的气缸盖的顶面的图；
[0032]
图5是第一实施方式的燃气发动机的控制系统的系统框图；
[0033]
图6是示出第一实施方式的燃气发动机的燃烧状态的图，图6(a)是燃烧初期的图，图6(b)是燃烧后期的图；
[0034]
图7是示出由第一实施方式的燃烧产生的放热率(rohr)的变化的图；
[0035]
图8是示出第二实施方式的燃气发动机的燃烧状态的图，图8(a)是燃烧初期的图，图8(b)是燃烧后期的图；
[0036]
图9是示出由第二实施方式的燃烧产生的放热率(rohr)的变化的图。
[0037]-符号说明-[0038]
1-燃气发动机；10-气缸；30-燃料喷射阀a；31-燃烧喷射阀b；32-火花塞a(点火部件)；33-火花塞b；40-扫气孔；α、β、γ、λ-氢气聚集团(气体聚集团)。
具体实施方式
[0039]
下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细的说明。以下优选的实施方式是从本质上说明本发明的示例而已，并没有对本发明、本发明的应用对象或其用途加以限制的意图。
[0040]
(第一实施方式)
[0041]
图1是示例出船舶用的燃气发动机1的结构的示意简图，使用该图对燃气发动机1的简要结构进行说明。下面，将船舶用的燃气发动机1简称为“发动机1”。
[0042]
发动机1是包括多个气缸10的直列多缸式燃气发动机。该发动机1构成为采用直流扫气方式的二冲程循环发动机，该发动机安装在油轮、集装箱船、汽车运输船等大型船舶上。需要说明的是，直流扫气方式将在下文中使用图2进行说明。
[0043]
安装在船舶上的发动机1用作推进该船舶的主发动机。即，发动机1的输出轴经由螺旋桨轴(未图示)与船舶的螺旋桨(未图示)相连结。通过使发动机1运转，其输出被传递给螺旋桨，从而推进船舶。
[0044]
尤其是，本实施方式所涉及的发动机1为了实现其长冲程化而构成为所谓的十字头式内燃机。即，在该发动机1中，从下方支承活塞21的活塞杆22和与曲轴23相连的连杆24通过十字头25连结在一起。
[0045]
该发动机1包括位于下方的机座11、设置在机座11上的机架12、以及设置在机架12上的气缸水套(cylinder jacket)13。机座11、机架12以及气缸水套13由沿上下方向延伸的多个系紧螺栓(tie bolt)b
……
和螺母紧固起来。发动机1还包括：设置在气缸水套13内的气缸10、设置在气缸10内的活塞21、以及与活塞21的往复运动联动着旋转的输出轴(例如曲轴23)。
[0046]
机座11构成发动机1的所谓的曲轴箱，在机座11内收纳有曲轴23和支承曲轴23自由旋转的轴承26。连杆24的下端部经由曲柄27与曲轴23连结。
[0047]
在机架12中收纳有一对导板28、28、连杆24以及十字头25。其中，一对导板28、28由沿着活塞轴向设置的一对板状部件构成，并且在发动机1的宽度方向(图1的纸面左右方向)上彼此留出间隔地布置。连杆24以其下端部与曲轴23相连结的状态布置在一对导板28、28之间。连杆24的上端部经由十字头25与活塞杆22的下端部连结。
[0048]
具体而言，十字头25布置在一对导板28、28之间，且沿着各导板28、28在上下方向上滑动。即，一对导板28、28构成为对十字头25的滑动进行引导。十字头25经由十字头销29与活塞杆22和连杆24连接。十字头销29与活塞杆22连接成一体地上下移动，另一方面，十字头销29与连杆24连接成以连杆24的上端部为支点使连杆24转动。
[0049]
气缸水套13布置有作为内筒的气缸套(cylinder liner)14。在气缸套14的内部，布置有上述活塞21。该活塞21沿着气缸套14的内壁在上下方向上进行往复运动。在气缸套14的上部还固定有气缸盖15。气缸盖15与气缸套14一起构成气缸10。
[0050]
在气缸盖15上设置有排气阀18，该排气阀18在未图示的气门传动装置的驱动下进行工作。排气阀18与气缸10以及活塞21的顶面一起划分出燃烧室17，其中，气缸10由气缸套14和气缸盖15构成。排气阀18使该燃烧室17与排气管19之间连通或断开。排气管19具有与燃烧室17相连通的排气口(未图示)，排气阀18构成为打开、关闭该排气口。
[0051]
气缸盖15划分出燃烧室17的顶面16。如下文所述，在该顶面16上设置有多个燃料喷射阀(燃料喷射阀a、燃料喷射阀b)30、31。在该实施方式中，在各气缸10设置有两个燃料喷射阀(燃料喷射阀a、燃料喷射阀b)30、31。
[0052]
图2是说明在气缸10内生成空气的回旋流的直流扫气方式的图，图2(a)是气缸下部的详细剖视图，图2(b)是气缸下部的横向剖视图。
[0053]
如图2所示，在上述气缸10下部的气缸套14上设置有多个扫气孔40
……
，该多个扫气孔40
……
从气缸套14的外部吸入空气。如图2(b)所示，该扫气孔40
……
以相对于气缸套14的切线方向稍微倾斜的形态开口。
[0054]
因此，如图2所示，一旦空气通过扫气孔40
……
被吸入气缸10内，就会在气缸10的缸内产生空气的回旋流。
[0055]
如上所述，在气缸10内产生空气的回旋流，由此如下文所述的那样在气体的燃烧中发挥有效的作用。
[0056]
接着，使用图3和图4，对本实施方式的发动机的气缸盖15附近的详细结构进行说明。图3是第一实施方式的气缸盖的详细剖视图，图4是示出第一实施方式的气缸盖的顶面的图。
[0057]
在该气缸盖15上，如上所述，排气阀18设置成位于顶面16的中央部分，在该顶面16上设置有多个燃料喷射阀(燃料喷射阀a、燃料喷射阀b)30、31。具体而言，在顶面16的倾斜
面的大致对角位置设置有两个燃料喷射阀(燃料喷射阀a、燃料喷射阀b)30、31。从这些燃料喷射阀(燃料喷射阀a、燃料喷射阀b)30、31喷射作为可燃气体的氢气。需要说明的是，由于将氢气供往这些燃料喷射阀30、31为止的供给路径等是公知结构，因此省略详细的说明。
[0058]
在气缸盖15的顶面16上还设置有作为点火部件的火花塞(火花塞a、火花塞b)32、33，火花塞(火花塞a、火花塞b)32、33设置在沿周向稍微偏离燃料喷射阀(燃料喷射阀a、燃料喷射阀b)30、31的位置处。与上述燃料喷射阀(燃料喷射阀a、燃料喷射阀b)30、31相同，该火花塞32、33(火花塞a、火花塞b)也设置有多个。
[0059]
在本实施方式中，该火花塞(火花塞a、火花塞b)32、33沿周向偏离燃料喷射阀(燃料喷射阀a、燃料喷射阀b)30、31的偏离量设定为约10
°
～45
°
左右。但是，该周向上的偏离量优选根据燃料喷射阀(燃料喷射阀a、燃料喷射阀b)30、31的性能、喷射的氢气量、喷射速度以及空气回旋流的回旋速度等适当地设定。
[0060]
该火花塞(火花塞a、火花塞b)32、33通过对由燃料喷射阀(燃料喷射阀a、燃料喷射阀b)30、31喷射出的氢气(氢气聚集团)施加火花而点燃该氢气，从而使该氢气燃烧。如上所述，利用火花塞(火花塞a、火花塞b)32、33使氢气燃烧，由此能够使发动机1产生适当的作为燃气发动机的燃烧。
[0061]
接着，对本实施方式的发动机1的控制系统的系统块的概要进行说明。
[0062]
如图5所示，本实施方式的发动机控制系统具有：启动发动机1的启动开关51、控制发动机1的转速的操纵手柄52、切换燃烧状态的模式的选择开关53、以及检测外部环境并输入该外部环境信息的环境传感器54，来作为输入部件。根据来自这些输入部件的信息，由发动机控制单元50进行运算处理。在该发动机控制单元50上连接有存储部件55，从该存储部件55中提取要在运算处理中使用的各种数据和规定的映射信息等。
[0063]
将由该发动机控制单元50运算出的输出信号分别发送到作为输出部件的燃料喷射阀a30、燃料喷射阀b31、火花塞a32、火花塞b33。
[0064]
本实施方式的发动机1的控制系统具有上述结构，从而适当地控制发动机1的运转状态。
[0065]
接着，使用图6和图7对本实施方式的发动机的运转状态进行说明。图6是示出燃烧状态的图，图6(a)是燃烧初期的图，图6(b)是燃烧后期的图。图7是示出由本实施方式的燃烧产生的放热率(rohr)的变化的图。
[0066]
如图6(a)所示，在燃烧初期，从两个燃料喷射阀，具体而言，从燃料喷射阀a30和燃料喷射阀b31分别等量地喷射作为燃料的氢气。该被喷射出来的氢气在气缸10的缸内构成氢气聚集团α、氢气聚集团β。
[0067]
其中，只有从燃料喷射阀a30喷射出的氢气聚集团α被火花塞a32点燃。如上所述，与同时点燃两个氢气聚集团α、β而使两个氢气聚集团α、β燃烧的情况相比，当仅一个氢气聚集团α被点燃而燃烧时，能够抑制由燃烧引起的压力上升。
[0068]
之后，如图6(b)所示，因氢气聚集团α燃烧而产生的火焰α在气缸10的缸内环绕半周，追上从燃料喷射阀b31喷射出的氢气聚集团β后，点燃氢气聚集团β，然后，使氢气聚集团β也燃烧。即，氢气聚集团β不是被火花塞b33(参考图6(a))点燃，而是被先燃烧的氢气聚集团的火焰α点燃而燃烧的。
[0069]
由于处于这样的燃烧状态，因此在本实施方式的发动机1中，放热率(rohr)如图7
所示的那样产生变化。需要说明的是，在该图中，纵轴是放热率(rohr)的值，横轴是活塞21从上止点附近朝向下止点移动时所经过的时间的值。
[0070]
在该图中，实线所示的值是两个氢气聚集团α、β被两个火花塞(火花塞a、火花塞b)32、33同时点燃而燃烧时的值，虚线所示的值是本实施方式中燃烧时的值。
[0071]
从该图可知，在两个氢气聚集团α、β同时被两个火花塞(火花塞a、火花塞b)32、33点燃的情况(实线的情况)下，放热率(rohr)的值急剧上升，然后在短时间内减小。如上所述，当放热率(rohr)急剧升高时，有可能对气缸10的缸内施加大的热负荷。于是，需要提高气缸10和活塞21等的缸内内表面的耐压性、火花塞32、33的安装强度等，并需要提高发动机1自身的刚性，从而产生发动机制造成本增加的问题。而且，由于燃料还在一个相对较小的区域内时就会燃烧掉，因此局部空间的温度上升，从而导致仍然会处于产生很多nox的状态。
[0072]
相对于此，在本实施方式的情况(虚线的情况)下，放热率(rohr)的值缓慢升高，然后虽然暂时减小，但会再次上升，之后缓慢地减小。如上所述，通过使放热率(rohr)的值缓慢增加并长时间维持，由此在本实施方式中，不会对气缸10的缸内施加大的热负荷。因此，不需要提高气缸10、活塞2i等的缸内内表面的耐压性、火花塞32、33的安装强度等，从而也就不需要提高发动机1自身的刚性。由于燃料的扩散区域扩大，燃烧区域扩大，因此与同时被两个火花塞点燃的情况相比，温度上升量减少，从而能够抑制nox产生。
[0073]
因此，能够抑制制造发动机的成本。即，根据本实施方式，即使在使氢气这样的燃烧性良好的气体燃烧的情况下，也不需要提高发动机1自身的刚性。
[0074]
如上所述，在本实施方式中涉及一种使燃烧性良好的氢气燃烧的发动机1，其特征在于：在该发动机1中设置气缸10，该气缸10呈圆筒状且内部成为燃烧室17，在该气缸10内的彼此分离的位置处，设置喷射氢气的多个燃料喷射阀(燃料喷射阀a、燃料喷射阀b)30、31，发动机1包括火花塞(火花塞a)32，该火花塞(火花塞a)32使从该多个燃料喷射阀(燃料喷射阀a、燃料喷射阀b)30、31喷射的多个氢气聚集团α、β中的一个氢气聚集团α比其他氢气聚集团β先燃烧。
[0075]
这样一来，多个氢气聚集团α、β一个一个地依次燃烧。即，不是多个氢气聚集团α、β同时燃烧，而是一个氢气聚集团α先燃烧，然后其他氢气聚集团β受到先燃烧的氢气聚集团α的火焰的影响而燃烧。
[0076]
因此，多个氢气聚集团α、β一个一个地依次燃烧，燃烧变得缓慢，从而气缸10缸内的压力缓慢地上升。
[0077]
因此，在使燃烧性良好的氢气燃烧的发动机1中，在气缸10的缸内设置喷射燃料即氢气的多个燃料喷射阀(燃料喷射阀a、燃料喷射阀b)30、31而使燃烧性良好，并且不会对气缸10等施加大的热负荷，从而能够不需要提高发动机1自身的刚性。也能够抑制nox的排放量。
[0078]
在本实施方式中，将使吸入气缸10的缸内的空气产生回旋流的扫气孔40
……
设置在气缸10的下部，由燃料喷射阀(燃料喷射阀a、燃料喷射阀b)30、31喷射的氢气聚集团α、β借助该空气的回旋流而回旋。
[0079]
这样一来，由燃料喷射阀(燃料喷射阀a、燃料喷射阀b)30、31喷射出的氢气聚集团α、β在该空气的回旋流的作用下在气缸10内回旋。
[0080]
因此，在一个氢气聚集团α先燃烧，其他氢气聚集团β受到先燃烧的氢气聚集团α的影响而燃烧时，其他氢气聚集团β在空气回旋流的作用下更容易受到火焰的影响，从而能够缩短燃烧间隔。
[0081]
因此，即使在燃烧期间比同时点燃多个氢气聚集团的燃烧期间长的状态下，也能够使多个氢气聚集团α、β依次燃烧时的各燃烧的间隔变短，伴随压力上升而平稳地产生压力变动，从而不会对发动机1的旋转产生不良影响。
[0082]
(第二实施方式)
[0083]
接着，使用图8和图9对第二实施方式进行说明。与图6相同，图8是示出第二实施方式的燃烧状态的图，图8(a)是燃烧初期的图，图8(b)是燃烧后期的图。与图7相同，图9是示出由第二实施方式的燃烧产生的放热率(rohr)的变化的图。需要说明的是，由于作为前提的发动机1的结构与第一实施方式相同，因此省略说明。
[0084]
在该第二实施方式中，燃料喷射阀a30的氢气的喷射量比燃料喷射阀b31的氢气的喷射量少。因此，如图8(a)所示，从燃料喷射阀a30喷射的氢气聚集团γ比从燃料喷射阀b31喷射的氢气聚集团λ小。
[0085]
在该第二实施方式中，也利用火花塞32仅点燃从燃料喷射阀a30喷射的氢气聚集团γ。在该情况下，与同时点燃两个氢气聚集团γ、λ而使其燃烧的情况相比，也能够抑制压力上升。
[0086]
然后，如图8(b)所示，在该第二实施方式中，因氢气聚集团γ燃烧而产生的火焰γ也在气缸10内环绕半周，追上从燃料喷射阀b31喷射出的氢气聚集团λ后，点燃氢气聚集团λ，从而氢气聚集团λ也燃烧。
[0087]
在该第二实施方式中，如图9的虚线所示，仅第一个氢气聚集团γ燃烧时放热率(rohr)较低，当第二个氢气聚集团λ也加入燃烧时放热率(rohr)变高。
[0088]
这是与第一实施方式的不同之处。如上所述，第一个氢气聚集团γ燃烧时放热率(rohr)较低，当第二个氢气聚集团λ也加入燃烧时放热率(rohr)变高，由此能够得到发动机的理想的燃烧状态。
[0089]
即，在理论上发动机的燃烧状态是：所有的燃烧都发生在活塞位于上止点时，爆发能量全部被转换为活塞下降的动能，但在实际的发动机中，一部分的爆发能量会作为热能逃逸到气缸、活塞等中。因此，使所有的燃烧都在活塞位于上止点时进行是没有效率的。如果使所有的燃烧都发生在上止点附近，则燃烧温度急剧升高，因此nox的产生量也会增加。
[0090]
因此，在活塞从上止点下降、燃烧室的容积增加时，通过产生更多的燃烧(与最初的放热率(rohr)相比，增大第二放热率(rohr))，由此能够将作为热能损失掉的一部分的能量也作为动能使用。通过使大量燃烧发生在到达上止点以后，由此还能够抑制燃烧温度，因此也能够抑制nox的产生量。
[0091]
这样一来，根据该第二实施方式的燃烧，能够得到发动机的理想的燃烧状态。
[0092]
如上所述，在本实施方式中进行如下控制：使从燃料喷射阀a30喷射的氢气聚集团γ的量比从燃料喷射阀b31喷射的氢气聚集团λ的量少。
[0093]
这样一来，由燃烧产生的放热率(rohr)的波形在燃烧的前半段较小，而在燃烧的后半段变大。
[0094]
因此，在活塞位于上止点附近且燃烧室小的燃烧初期，通过减少热量来抑制热能
的损失，也抑制燃烧温度，由此减少了nox的产生，并且在活塞离开上止点且燃烧室较大的燃烧后期，通过增加热量来最大限度地获得热能的效果，燃烧温度也不怎么上升，因此nox也难以产生。
[0095]
因此，能够得到发动机的更理想的燃烧状态。
[0096]
(其他实施方式)
[0097]
接着，对其他实施方式进行说明。
[0098]
首先，关于点火部件，在上述的第一实施方式等中采用的是一般的火花塞，但只要是促进气体燃烧的点火部件，也可以是电热塞或热球等。
[0099]
关于点火部件的数量，在上述实施方式中，与燃料喷射阀对应地设置了两个，但也可以是一个。而且，在设置两个点火部件的情况下，例如，也可以按照以下方式进行控制：按照发动机起动的时刻或每隔一定期间切换进行工作的点火部件。
[0100]
进而，关于燃烧的气体，也不限于氢气，也可以是甲烷、丙烷、异丁烷等可燃性气体。
[0101]-产业实用性-[0102]
综上所述，本发明在使氢气等燃烧性良好的气体燃烧的燃气发动机中是有用的。

技术特征：
1.一种燃气发动机，该燃气发动机使氢气等燃烧性良好的气体燃烧，其特征在于：在所述燃气发动机中设置气缸，该气缸呈圆筒状且内部成为燃烧室，在该气缸内的彼此分离开的位置处，设置喷射气体的多个燃料喷射阀，所述燃气发动机包括点火部件，该点火部件使从该多个燃料喷射阀喷射的多个气体聚集团内的至少一个气体聚集团比其他气体聚集团先燃烧。2.根据权利要求1所述的燃气发动机，其特征在于：在所述燃气发动机中设置回旋流生成部件，该回旋流生成部件使吸入所述气缸的缸内的空气产生回旋流，由所述燃料喷射阀喷射的气体聚集团在所述空气的回旋流的作用下产生回旋。3.根据权利要求1或2所述的燃气发动机，其特征在于：所述燃料喷射阀由第一燃料喷射阀和第二燃料喷射阀构成，所述第一燃料喷射阀喷射先燃烧的气体聚集团，所述第二燃料喷射阀喷射后燃烧的气体聚集团，所述燃气发动机包括控制部件，该控制部件使从所述第一燃料喷射阀喷射的气体聚集团的量比从所述第二燃料喷射阀喷射的气体聚集团的量少。

技术总结
本发明公开了一种燃气发动机。只有从燃料喷射阀A(30)喷射的氢气聚集团(α)被火花塞A(32)点燃。之后，由氢气聚集团(α)燃烧而产生的火焰(α)在气缸(10)的缸内环绕半周，追上从燃料喷射阀B(31)喷射出的氢气聚集团(β)，并点燃氢气聚集团(β)，然后使氢气聚集团(β)也燃烧。本发明为一种使燃烧性良好的气体燃烧的燃气发动机，在气缸的缸内设置喷射燃料气体的多个燃料喷射阀而使燃烧性良好，并且不会对气缸等施加大的热负荷，从而不需要提高发动机自身的刚性，而且还能够抑制NOx的排放量。而且还能够抑制NOx的排放量。而且还能够抑制NOx的排放量。


技术研发人员：上田哲司
受保护的技术使用者：日本发动机股份有限公司
技术研发日：2022.10.12
技术公布日：2023/7/3