特開 2022-100247 大型ディーゼル・エンジンを動作させる方法及び大型ディーゼル・エンジン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022100247

(43)【公開日】2022-07-05

(54)【発明の名称】大型ディーゼル・エンジンを動作させる方法及び大型ディーゼル・エンジン

(51)【国際特許分類】

   F02D 19/06 20060101AFI20220628BHJP

   F02D 13/02 20060101ALI20220628BHJP

   F02B 43/00 20060101ALI20220628BHJP

   F02M 67/14 20060101ALI20220628BHJP

【ＦＩ】

F02D19/06 D

F02D13/02 A

F02B43/00 A

F02M67/14

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021192847

(22)【出願日】2021-11-29

(31)【優先権主張番号】202011537492.X

(32)【優先日】2020-12-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(71)【出願人】

【識別番号】515111358

【氏名又は名称】ヴィンタートゥール ガス アンド ディーゼル アーゲー

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】特許業務法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】マルセル オット

(72)【発明者】

【氏名】ワン ジョンシャオ

【テーマコード（参考）】

3G066

3G092

【Ｆターム（参考）】

3G066AA02

3G066AA07

3G066AA08

3G066AA16

3G066AB02

3G066AB05

3G066BA46

3G092AA01

3G092AA02

3G092AA03

3G092AB03

3G092AB07

3G092AC08

3G092AC10

3G092DD07

3G092FA13

3G092FA36

3G092HA01Z

(57)【要約】

【課題】気体モードでのピストン・リングの熱負荷を低減する、二元燃料大型ディーゼル・エンジンの動作方法を提供すること。
【解決手段】本発明によれば、大型ディーゼル・エンジンは、液体燃料が導入される液体モードと、ガスが燃料として導入される気体モードで動作させることができ、且つ少なくとも１つのシリンダを有する。ピストンが、下側反転点と上側反転点との間で軸方向にシリンダ壁に沿って進退可能に配置され、且つシリンダ内に燃焼室を画定するための上面を有する。少なくとも１つのガス導入開口がシリンダ壁に設けられ、気体モードでは、ガス導入開口を通してガスがシリンダ内に導入され、このガスの導入は遅くとも入口距離で終了する。この入口距離は、ガス導入開口からのピストンの上面の軸方向の距離を示し、上側反転点及び下側反転点でのピストンの上面の位置の差によって画定されるストロークの少なくとも１４％である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

二元燃料大型ディーゼル・エンジンとして設計された大型ディーゼル・エンジンを動作させる方法であって、前記大型ディーゼル・エンジンは、液体燃料が燃焼のためにシリンダ（１０）内に導入される液体モードで動作させることができ、またガスが燃料として前記シリンダ（１０）内に導入される気体モードでさらに動作させることができ、前記大型ディーゼル・エンジンは、少なくとも１つのシリンダ（１０）を有し、前記少なくとも１つのシリンダ（１０）内にはピストン（２）が下側反転点（ＵＴ）と上側反転点（ＯＴ）との間でシリンダ壁（１１）に沿って軸方向に往復動可能に配置され、前記ピストン（２）は、前記シリンダ（１０）内に燃焼室（１３）を画定するための上面（２１）を有し、少なくとも１つのガス導入開口（４）が前記シリンダ壁（１１）に設けられ、気体モードにおいて前記ガス導入開口を通して前記ガスが燃料として前記シリンダ（１０）内に導入される、方法において、
気体モードにおいて、前記ガスの導入は入口距離（Ｅ）で終了し、前記入口距離（Ｅ）は、前記軸方向（Ａ）における前記ガス導入開口（４）からの前記ピストン（２）の前記上面（２１）の距離を示し、また前記入口距離（Ｅ）は、前記上側反転点（ＯＴ）及び前記下側反転点（ＵＴ）での前記ピストン（２）の前記上面（２１）の位置の差によって画定されるストローク（Ｓ）の少なくとも１４％である
ことを特徴とする、大型ディーゼル・エンジンを動作させる方法。

【請求項2】

前記入口距離（Ｅ）は前記ストローク（Ｓ）の少なくとも１８％である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記入口距離（Ｅ）は前記ストローク（Ｓ）の少なくとも２０％である、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記入口距離（Ｅ）は前記ストローク（Ｓ）の少なくとも２３％である、請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記入口距離（Ｅ）は前記ストローク（Ｓ）の少なくとも２６％である、請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記入口距離（Ｅ）は前記ストローク（Ｓ）の少なくとも２９％である、請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記入口距離（Ｅ）は前記ストローク（Ｓ）の最大で３５％である、請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法。

【請求項8】

前記入口距離（Ｅ）は前記ストローク（Ｓ）の最大で３３％である、請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

前記ガスの前記導入が導入角で開始され、前記導入角は、前記ガス導入開口（４）の開放が開始されるクランク角を示し、また前記導入角は、前記ピストン（２）が前記入口距離（Ｅ）に位置するときのクランク角よりも１０°～２５°小さい、請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

前記導入角は、前記ピストン（２）が前記入口距離（Ｅ）に位置するときの前記クランク角よりも１５°～２０°小さい、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記シリンダ（１０）から燃焼ガスを排出するための出口弁（３）が、前記シリンダ（１０）内への前記ガスの導入開始前に閉じられる、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の方法。

【請求項12】

前記軸方向（Ａ）に関して同じ高さ（Ｈ）に配置された２つのガス導入開口（４）が設けられる、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の方法。

【請求項13】

各ガス導入開口（４）が、前記軸方向（Ａ）に関して、前記ストローク（Ｓ）の４０％～５５％の高さ（Ｈ）に配置され、前記高さ（Ｈ）は、前記ピストン（２）が前記下側反転点（ＵＴ）にあるときの前記ピストン（２）の前記上面（２１）の位置から測定される、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の方法。

【請求項14】

請求項１から１３までのいずれか一項に記載の方法で動作させることを特徴とする大型ディーゼル・エンジン。

【請求項15】

長手方向掃気式２サイクル大型ディーゼル・エンジンとして設計された、請求項１４に記載の大型ディーゼル・エンジン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、二元燃料大型ディーゼル・エンジンとして設計された大型ディーゼル・エンジンを動作させる方法に関し、且つそれぞれのカテゴリの独立請求項の前段に記載の大型ディーゼル・エンジンに関する。

【背景技術】

【0002】

大型ディーゼル・エンジンは、旧来は重油で作動する。２サイクル又は４サイクル・エンジンとして設計され得る大型ディーゼル・エンジン、例えば長手方向掃気式２サイクル大型ディーゼル・エンジンは、船舶の駆動装置として使用されることが多く、あるいは、例えば電気エネルギーを生成するための大型発電機を駆動するために定常運転で使用されることも多い。エンジンは通常、連続運転で長期間動作し、そのため運転上の安全性及び可動率への要求が高い。その結果、メンテナンス間隔が特に長いこと、摩耗が少ないこと、及び運転材料の経済的な扱いがオペレータにとっての主要な基準となる。大型ディーゼル・エンジンは、通常、内径（ボア）が少なくとも２００ｍｍであるシリンダを有する。今日では、最大９６０ｍｍ又はそれ以上のボアを有する大型エンジンが使用されている。

【0003】

また、経済的及び効率的な動作、排気ガス規制値の遵守、並びに資源の利用可能性の側面において、大型ディーゼル・エンジンのために燃料重油の代替物が現在求められている。この点では、液体燃料、すなわち液体状態で燃焼室内に導入される燃料と、気体燃料、すなわち気体状態で燃焼室内に導入される燃料との両方が使用される。

【0004】

重油の知られている代替物としての液体燃料の実例は、特に石油精製の残渣として残る他の重質炭化水素、アルコール類、特にメタノール若しくはエタノール、ガソリン、ディーゼル燃料、又はエマルジョン若しくは懸濁液もある。例えば、多相超微細噴霧残渣（ＭＳＡＲ：Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ Ｓｕｐｅｒｆｉｎｅ Ａｔｏｍｉｚｅｄ Ｒｅｓｉｄｕｅ）として知られているエマルジョンを燃料として使用することが知られている。よく知られている懸濁液は、炭塵及び水の懸濁液で、これは大型エンジンの燃料としても使用される。気体燃料としては、液化天然ガス（ＬＮＧ：Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）などの天然ガス、液化石油ガス（ＬＰＧ：Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｇａｓ）などの液化ガス、又はエタンが知られている。

【0005】

特に、少なくとも２つの異なる燃料で動作させることができる大型ディーゼル・エンジンも知られており、これによって、動作状況又は動作環境に応じて一方の燃料又は他方の燃料でエンジンを動作させる。

【0006】

２つの異なる燃料で動作させることができる大型ディーゼル・エンジンの１つの実例は、二元燃料大型ディーゼル・エンジンとして設計された大型ディーゼル・エンジンである。これは、液体燃料が燃焼のためにシリンダ内に導入される液体モード、及びガスが燃料としてシリンダ内に導入される気体モードで動作させることができる。

【0007】

少なくとも２つ又はそれ以上の異なる液体燃料又は気体燃料で動作させることができる大型ディーゼル・エンジンは、現在使用している燃料に応じて異なる動作モードで動作させることが多い。ディーゼル運転としばしば呼ばれる動作モードでは、一般的に、燃料の燃焼は燃料の圧縮着火又は自己着火の原理に従って行われる。オットー運転としばしば呼ばれるモードでは、燃焼は、発火性の予め混合された空気－燃料混合気の火花点火によって行われる。この火花点火は、例えば点火プラグを用いた、例えば電気的な火花によって行うことができ、又は、噴射された少量の燃料が自己着火し、次いでこれが別の燃料の火花点火を引き起こすことでも行うことができる。自己着火を意図した少量の燃料が、燃焼室に接続された予燃焼室に噴射されることが多い。

【0008】

さらに、オットー運転及びディーゼル運転で知られている混合形態も知られている。

【0009】

本出願の枠組み内では、「大型ディーゼル・エンジン」という用語は、少なくともディーゼル運転で動作させることができるそのようなエンジンを指す。特に、「大型ディーゼル・エンジン」という用語は、ディーゼル運転に加えて別のモード、例えばオットー運転で動作させることができる二元燃料大型エンジンも含む。

【0010】

本出願の枠組み内では、「気体モード」又は「気体モードでの動作」という用語は、トルクを発生させる燃焼のためにガス又は気体燃料のみを燃料として使用することを指す。上述したように、火花点火を行うために、予め混合された空気－燃料混合気の火花点火のための少量の自己着火液体燃料、例えば重油を気体モードで噴射することは可能であり、またごく一般的でもあるが、それにもかかわらず、トルクを発生させる燃焼プロセスは、すべてガス又は気体燃料で動作させる。

【0011】

少量の液体燃料の自己着火による火花点火のこのプロセスは、パイロット噴射と呼ばれることもある。このパイロット噴射は、大型エンジンを液体モードで動作させるときに液体燃料を燃焼室内に噴射することとは一切関係がない。パイロット噴射には、液体モードでの液体燃料の噴射用とは異なる噴射装置が通常使用される。またパイロット噴射では、少量の液体燃料を直接燃焼室内に噴射するのではなく、チャネルを介して燃焼室に接続された少なくとも１つの予燃焼室に噴射することが多い。

【0012】

また、そのような大型ディーゼル・エンジンを、低圧プロセスを用いて気体モードで動作させることも知られており、すなわち、ガスが気体状態でシリンダ内に導入され、このガスの噴射圧は最大５０ｂａｒ、好ましくは最大２０ｂａｒである。この目的のため、シリンダ壁には少なくとも１つのガス導入開口が設けられ、気体モードではこの導入開口を通じてガスがシリンダ内に導入される。実際には、２つのガス導入開口が、シリンダ軸に対して径方向反対側に設けられることが多い。ガス導入開口は、ピストン運動の下側反転点と上側反転点との間の高さであって、シリンダ内に圧縮がまだ発生していないか、又は少なくとも実質的な圧縮がまだ発生していない限り、ピストンの上方への移動中にシリンダ内にガスが導入され得る高さに配置される。

【0013】

ガスの導入は、遅くともピストンがその上方移動中にガス導入開口を通過する直前に完了されなければならない。

【0014】

気体モードでの動作の１つの問題は、出口弁が閉じ、ガスの導入が終了された後に圧縮量が増加するにつれて、ピストンと、ピストンがストローク運動の最中にそれに沿って移動するシリンダ壁との間の領域にも、ガスが押し込まれることである。ピストンの上側領域とシリンダ壁との間のこの空隙は、ピストン・リングによって底部で画定される。複数のピストン・リングが設けられる場合、第１のピストン・リング、すなわち、燃焼室に最も近く配置されたピストン・リングが、ピストンの上側領域とシリンダ壁との間の空隙型の領域を底部で画定する。この空隙型の領域にもガス又は気体燃料が充填されているので、ピストン・リング又は第１のピストン・リングは、燃焼プロセス中に非常に高い熱負荷を受け、これにより、ピストン・リングの摩耗又はその他の熱により引き起こされる劣化が増加する。同様の熱により引き起こされる問題は、ピストン・リング、及び特に第１のピストン・リングが配置されるピストン溝において、又はピストン溝内でも発生し得る。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

本発明は、この問題を解決しようとするものである。

【0016】

したがって本発明の目的は、気体モードで動作させることもできる二元燃料大型ディーゼル・エンジンとして設計された大型ディーゼル・エンジンを動作させる方法を提案することであり、この方法では、熱負荷、特にピストン・リング又は第１のピストン・リングの熱負荷が、気体モードにおいて著しく低減される。さらに、本発明の目的は、そのような方法で動作させる大型ディーゼル・エンジンを提案することである。

【課題を解決するための手段】

【0017】

これらの目的を達成する本発明の主題は、それぞれのカテゴリの独立請求項の構成を特徴とする。

【0018】

したがって、本発明によれば、液体燃料が燃焼のためにシリンダ内に導入される液体モードで動作させることができ、ガスが燃料としてシリンダ内に導入される気体モードでさらに動作させることができる、二元燃料大型ディーゼル・エンジンとして設計された大型ディーゼル・エンジンを動作させる方法であって、大型ディーゼル・エンジンが、ピストンが下側反転点と上側反転点との間で軸方向にシリンダ壁に沿って進退可能（すなわち往復動可能）に配置された、少なくとも１つのシリンダを備え、ピストンが、シリンダ内の燃焼室を画定する上面を有し、少なくとも１つのガス導入開口がシリンダ壁に設けられ、気体モードではこの導入開口を通じてガスが燃料としてシリンダ内に導入され、気体モードではガスの導入が入口距離において終了され、入口距離が、軸方向におけるガス導入開口からのピストンの上面の距離を示し、入口距離が、上側反転点及び下側反転点でのピストンの上面の位置の差によって画定されるストロークの少なくとも１４％である、大型ディーゼル・エンジンを動作させる方法が提案される。

【0019】

したがって、本発明による方法では、シリンダ内へのガスの導入は、気体モードにおいて、下側反転点から上側反転点へのピストン運動に関して、きわめて初期に終了される。ガスを導入するプロセス全体は、このように、ピストン位置に関してきわめて初期に、すなわち、ピストンの上面が軸方向に関してガス導入開口からまだ離れているときに行われる。この手段により、ガス導入が終了されたとき、ピストンの上面と噴射されたガスとの間に配置されるエア・クッションが依然として存在する。ピストンのさらなる圧縮運動中には、このエア・クッションも圧縮され、特に、ピストンとシリンダ壁との間の空隙型の領域にガスが押し込まれるのを防ぐ。ピストンの上側領域、すなわち、特にピストンの上面及びピストン溝、並びに第１のピストン・リングは、このエア・クッションによって、燃焼プロセス中に発生する熱から非常により良好に保護される。このように、特に第１のピストン・リングははるかに低温のままであり、これによって熱により引き起こされる摩耗又は熱により引き起こされる劣化が大幅に低減される。

【0020】

出口弁の閉鎖は、導入ガスがガス導入開口から出口弁を通って排気システム内に直接スリップすることが、少なくとも可能な限り、好ましくは完全に回避されるように適合されていることが好ましい。

【0021】

ガスの導入が好ましくは遅くとも終了される最適な入口距離は、具体的な設計、及び、特にシリンダの幾何形状、例えばピストンのストローク、又は下側反転点からガス導入開口の軸方向における距離にも依存する。しかしながら、大型エンジンの動作パラメータ、例えばエンジンを動作させる負荷も、最適な入口距離に影響を与え得る。以下では、様々な適用例で実証されている、入口距離のいくつかの好ましい制限値を示す。

【0022】

本発明による方法のいくつかの適用例では、入口距離がストロークの少なくとも１８％であると有利である。

【0023】

本発明による方法のいくつかの適用例では、入口距離がストロークの少なくとも２０％であると有利である。

【0024】

本発明による方法のいくつかの適用例では、入口距離がストロークの少なくとも２３％であると有利である。

【0025】

本発明による方法のいくつかの適用例では、入口距離がストロークの少なくとも２６％であると有利である。

【0026】

本発明による方法のいくつかの適用例では、入口距離がストロークの少なくとも２９％であると有利である。

【0027】

一方、大きすぎる入口距離を選択しないことが有利であることも実証されており、その理由は、ガスがきわめて初期に導入される場合、出口弁が閉じる前に超過量の導入ガスが掃気プロセスによって排気ガスと共に出口弁を通じて排出されることになる恐れがあるからである。これは、メタン・スリップとして知られる問題につながり得る。メタンは、気体モードの燃料として一般的に使用される気体燃料に、典型的には高い割合で含まれる。メタンが未燃焼状態で排気システムに入ると、排気ガス中のメタン濃度が著しく上昇する。メタンは非常に環境に有害な物質であることが知られているので、可能な限りメタン・スリップを回避する努力がなされている。メタンは非常に強力な温室効果ガスであり、二酸化炭素の少なくとも２５倍高い温室効果があることが知られており、これは、いわゆる「エネルギー効率設計指標（ＥＥＤＩ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｄｅｘ）」の計算に大きな悪影響を与える可能性があり、したがって効率的で低排出なエンジン動作という観点ではマイナスの効果を有する。

【0028】

したがって、入口距離がストロークの最大３５％であることが好ましい。

【0029】

いくつかの適用例では、入口距離がストロークの最大３３％であることが好ましい。

【0030】

好ましい実施例によると、ガスの導入は導入角で開始され、導入角は、ガス導入開口の開放が開始されるクランク角を示し、導入角は、ピストンが入口距離に位置するクランク角よりも１０°～２５°小さい。

【0031】

いくつかの適用例では、導入角が、ピストンが入口距離に位置するクランク角よりも１５°～２０°小さいことが好ましい。

【0032】

例えば全負荷の５０％未満の低負荷又は小負荷での部分負荷運転において特に有利な別の好ましい手段は、ガスをシリンダ内に導入し始める前に、シリンダから燃焼ガスを排出するための出口弁を閉じることである。このように、燃焼室で燃焼プロセスが行われる前に、導入ガス又はその一部が排気システム内に直接戻って排出され得ることを回避することができる。

【0033】

特に好ましくは、軸方向に対して同じ高さに配置された２つのガス導入開口が設けられる。ここで、２つのガス導入開口は、シリンダ壁に径方向反対側に配置されることが特に好ましい。

【0034】

さらに、各ガス導入開口が、軸方向に対して、ストロークの４０％～５５％の高さに配置され、高さは、ピストンが下側反転点にあるときのピストンの上面の位置から測定されることが好ましい。

【0035】

さらに、本発明による方法で動作させる大型ディーゼル・エンジンが、本発明によって提案される。

【0036】

好ましくは、大型ディーゼル・エンジンは、長手方向掃気式２サイクル大型ディーゼル・エンジンとして設計される。

【0037】

本発明のさらに有利な手段及び実施例は、従属請求項から得られる。

【0038】

以下では、実施例に基づいて、及び図面に基づいて、本発明をより詳細に説明する。図面においては、以下が示される。

【図面の簡単な説明】

【0039】

【図1】本発明による大型ディーゼル・エンジンの一実施例のシリンダの概略断面図である。

【図2】図１と同様であるが、ピストンが入口距離にある、概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0040】

「大型ディーゼル・エンジン」という用語は、通常、船舶の主駆動装置として使用されるか、又は、例えば電気エネルギーを生成するための大型発電機を駆動するために定常運転でも使用されるエンジンを指す。典型的には、大型ディーゼル・エンジンのシリンダは、それぞれ少なくとも約２００ｍｍの内径（ボア）を有する。「長手方向掃気式」という用語は、掃気空気又は給気空気が下端部の領域でシリンダ内に導入されることを意味する。

【0041】

以下の本発明の説明では、二元燃料大型ディーゼル・エンジン、すなわち、２つの異なる燃料で動作させることができるエンジンとして設計された大型ディーゼル・エンジンについて言及している。特に、二元燃料大型ディーゼル・エンジンは、液体燃料のみがシリンダの燃焼室内に噴射される液体モードで動作させることができる。通常、液体燃料、例えば重油又はディーゼル油は、適切なタイミングで燃焼室内に直接噴射され、そこで自己着火のディーゼル原理に従って着火する。大型ディーゼル・エンジンは、燃料として働くガス、例えば液化天然ガス（ＬＮＧ）などの天然ガス若しくは液化石油ガス（ＬＰＧ）又はエタンが、予め混合された空気－燃料混合気の形態で燃焼室において着火される気体モードで動作させることもできる。

【0042】

上記ですでに説明したように、「気体モード」又は「気体モードでの動作」という用語は、大型ディーゼル・エンジンが、この気体モードでガス又は気体燃料のみで動作し、任意選択で少量の自己着火燃料、例えば重油又はディーゼル油が、空気－ガス混合気の火花点火のためだけに燃焼室又は予燃焼室若しくは複数の予燃焼室の中に導入される（パイロット噴射）ように、本出願の枠組みにおいて理解されるべきである。

【0043】

特に、大型ディーゼル・エンジンは、低圧プロセスに従い気体モードで動作し、すなわち、ガスが気体状態でシリンダ内に導入され、これによって、ガスがシリンダ内に導入される噴射圧は最大５０ｂａｒ、及び好ましくは最大２０ｂａｒである。空気－ガス混合気は、オットーの原理に従い燃焼室で火花点火される。通常、少量の自己着火液体燃料（例えばディーゼル油又は重油）を適切な瞬間に燃焼室又は予燃焼室若しくは複数の予燃焼室の中に導入し、次いでこの燃料が自己着火し、燃焼室内の空気－燃料混合気の火花点火を引き起こすことによって、この火花点火は引き起こされる。

【0044】

ここで説明する実施例では、クロスヘッド駆動を備えた長手方向掃気式二元燃料２サイクル大型ディーゼル・エンジンとして設計された大型ディーゼル・エンジンに言及している。

【0045】

高度に概略化された表現で、図１は、大型ディーゼル・エンジンの本実施例の複数のシリンダのうちの１つのシリンダを示し、シリンダは全体として参照符号１０で示されている。シリンダ１０の内部には、ピストン２がそれ自体知られている方法で配置され、下側反転点ＵＴと上側反転点ＯＴとの間で軸方向Ａにシリンダ壁１１に沿って進退可能に配置されている。軸方向Ａは、シリンダ１０のシリンダ軸によって画定される。

【0046】

ピストン２は、シリンダ・カバー１２と共に、燃焼プロセスが行われる燃焼室１３を画定する上面２１を有する。ピストン２は、少なくとも１つの第１のピストン・リング２２（図２）を有するが、典型的には複数のピストン・リングを有し、ピストン・リングのそれぞれは、ピストン２の周囲に沿って延在するピストン溝２３に配置される。

【0047】

クロスヘッド駆動で知られているように、ピストン２はピストン・ロッド６を介してクロスヘッド（図示せず）に連結され、クロスヘッドはプッシュ・ロッド（図示せず）を介してクランクシャフト（図示せず）に連結され、それにより、ピストン２の移動は、ピストン・ロッド６、クロスヘッド、及びプッシュ・ロッドを介してクランクシャフトに伝達され、クランクシャフトを回転させる。

【0048】

そのような大型ディーゼル・エンジンの、液体モードのための噴射システム（図示せず）、気体モードのためのガス供給システム、掃気空気若しくは給気空気を供給するためのガス交換、排気システム（図示せず）又はターボチャージャ・システム（図示せず）、並びに検査システム及び制御システム（図示せず）などの、大型ディーゼル・エンジンの構造及び個別の構成要素は、２サイクル・エンジンとしての設計並びに４サイクル・エンジンとしての設計の両方において当業者によく知られているので、ここでは追加の説明は必要ない。

【0049】

本発明の理解には十分であるので、図１では、これらの構成要素のうち１つの出口弁３だけが示され、同様に気体モードでシリンダ１０内に燃料として働くガスが導入される２つのガス導入開口４が示されている。２つのガス導入開口４は、好ましくは径方向反対側になるようにシリンダ壁１１に配置される。他の実施例では、当然ながら、１つのガス導入開口４のみ、又は３つ以上のガス導入開口４を設けてもよい。また、複数のガス導入開口を軸方向Ａに対して異なる高さに設けることも可能である。

【0050】

現代の大型ディーゼル・エンジンでは、検査システム及び制御システムは電子システムであり、これを用いて通常すべてのエンジン又はシリンダの機能、特に気体モードと液体モードとの両方での噴射（噴射の開始及び終了）、及び出口弁の動作を調節、制御、又は調整することができる。

【0051】

ここで説明される長手方向掃気式２サイクル大型ディーゼル・エンジンの実施例では、通常、各シリンダ１０又は各シリンダ・ライナの下側領域に掃気スロット５が設けられ、掃気スロット５はシリンダ１０内のピストン２の移動によって周期的に開閉され、これにより、給気レシーバ（図示せず）内に給気圧力下でターボチャージャによって供給される掃気空気が、掃気スロット５が開いている限り、掃気スロット５を通じてシリンダ１０内に流入することができる。これは、図１では、参照符号Ｌを付した２つの矢印で示されている。シリンダ・ヘッド又はシリンダ・カバー１２には、ほぼ中央に配置された出口弁３が設けられ、この出口弁３を通じて、燃焼プロセスの後に燃焼ガスをシリンダ１０から排気システム（図示せず）内に排出することができる。排気システムは、燃焼ガスの少なくとも一部をターボチャージャのタービン（図示せず）に方向付け、ターボチャージャの圧縮機が給気空気を給気レシーバ内に給気空気圧力下で供給する。

【0052】

液体モードにおいてシリンダ１０の燃焼室１３に液体燃料を導入するために、１つ又は複数の燃料噴射ノズルが設けられ（図示せず）、これらのノズルは、例えば、シリンダ・カバー１２において出口弁３の近傍に配置される。例えば、重油又はディーゼル油を液体モードで液体燃料として燃焼させてもよい。

【0053】

気体モードでのガス供給又はガスの導入のために、それ自体知られているガス供給システムが提供され、そのうち２つのガス導入開口４のみが図１及び図２に表されている。ガス導入開口４は、ガス導入ノズルを備えたガス導入弁としてそれぞれ設計されることが好ましい。

【0054】

図１では、ピストン２が上側反転点ＯＴにあるときの位置が実線で、ピストン２が下側反転点ＵＴにあるときの位置が点線で示されている。ピストン２が上側反転点ＯＴにあるときにピストン２の上面２１が位置する軸方向Ａに対する位置と、ピストン２が下側反転点ＵＴにあるときにピストン２の上面２１が位置する位置との間の距離が、ストロークＳとして示されている。ストロークＳを画定する上側反転点ＯＴと下側反転点ＵＴとの間のこの距離は、大型ディーゼル・エンジンで数メートル、例えば最大３メートルを超え得る。

【0055】

図１では、様々なクランク角が左側に追加で示されている。クランク角は、クランクシャフトの位置を示し、それ自体知られている方法で、大型ディーゼル・エンジンの作動サイクルを特徴づける。クランク角１８０°では、ピストン２は下死点とも呼ばれる下側反転点ＵＴにあり、クランク角３６０°では、ピストン２は上死点とも呼ばれる上側反転点ＯＴにある。２サイクル・エンジンとして設計されている場合、全作動サイクルは３６０°を有する。ピストン２が３６０°のクランク角のときと同じ位置、すなわち上側反転点ＯＴにある０°のクランク角から開始し、ピストン２は、１８０°での下側反転点ＵＴに到達するまで膨張行程中下方に移動する。続く圧縮行程中、ピストン２が再び上方に移動し、再び３６０°での上側反転点ＯＴに到達するまで移動する。燃料の火花点火又は自己着火は、典型的には圧縮行程中にピストン２が上側反転点ＯＴに到達する直前に起こる。

【0056】

本発明は、詳細には、大型ディーゼル・エンジンの気体モードでの動作に関する。

【0057】

ガス導入開口４はシリンダ壁１１に高さＨで配置され、高さＨは、軸方向Ａに対してピストン２の上側反転点ＯＴと下側反転点ＵＴとの間のほぼ中間である。この高さＨは、ピストン２が下側反転点ＵＴにあるときの、軸方向Ａにおけるガス導入開口４とピストン２の上面２１との間の距離を示す。この距離の絶対値は、当然ながら大型ディーゼル・エンジンの具体的な設計に依存し、特にストロークＳにも依存するので、高さＨはストロークＳに対する割合として示される。

【0058】

例えば高さＨが５０％の場合、ガス導入開口４は、軸方向Ａに対して、上側反転点ＯＴにあるピストン２の上面２１の位置と下側反転点ＵＴにあるピストン２の上面２１の位置との間の厳密に中間に配置される。高さＨが５０％より小さい場合、ガス導入開口４は軸方向Ａに対して下側反転点ＵＴにより近く配置される。高さＨが５０％より大きい場合、ガス導入開口４は軸方向Ａに対して上側反転点ＯＴにより近く配置される。

【0059】

ガス導入開口４が具体的な適用例で配置される高さＨは、とりわけ、シリンダ１０上又はその近傍の、ガス供給システムのために利用可能なスペースにも依存する。ガス導入開口４が、軸方向Ａに対して、ストロークＳの少なくとも４０％且つ最大５５％である高さＨに配置されることが、多くの適用例で有用であることが実証されている。

【0060】

本発明によると、大型ディーゼル・エンジンを気体モードで動作させる場合、ガスの導入は入口距離Ｅにおいて終了され、入口距離Ｅは、軸方向Ａにおけるガス導入開口４からのピストン２の上面の距離を示し、入口距離ＥはストロークＳの少なくとも１４％である。

【0061】

これは、以下において、図１及び図２に表された実施例に基づいてより詳細に説明される。

【0062】

図２では、入口距離Ｅにあるピストン２、すなわち、それぞれの作動サイクルにおいて、シリンダ１０内へのガスの導入がちょうど終了したときのピストン２の位置が、実線で示されている。これは、ガス導入開口４の閉プロセス後、ガス導入開口４がちょうど完全に閉じられ、それによりシリンダ１０内にそれ以上ガスが流入しない時点を指す。さらに、図２では、ピストン２が下側反転点ＵＴにあるときのピストン２の位置が点線で示されている。

【0063】

ガス導入開口４が、例えば、開くためのストローク運動によって弁座から持ち上げられ、閉じるためのストローク運動によって弁座に押し込まれ、それにより弁座と相互作用して密封状態になる弁体を備えるガス導入弁として設計されている場合、入口距離Ｅは、弁体が弁座にちょうど完全に再挿入され、弁座と相互作用して密封状態になり、それによりガス導入開口４を通じてシリンダ１０内にそれ以上ガスが流入できなくなる時点での、ピストン２の上面２１とガス導入開口４との間の軸方向Ａの距離である。

【0064】

ガス噴射の始まりとは、類似した同様の手法で、シリンダ１０内へのガス噴射がちょうど始まるとき、例えば、弁体のストローク運動による弁体の弁座からの持ち上げがちょうど始まるときの時点又はピストン２の位置を意味する。

【0065】

例えば、弁体の最大ストロークが１００％で、１００％のストロークはガス導入開口４が完全に開いている弁体の位置に対応し、０％のストロークは弁体が弁座と相互作用して密封状態になる弁体の位置に対応する場合、ガス噴射の開始は、弁体のストロークが０％からちょうど増加し始める時点である。ガス噴射の終了は、弁体のストロークがちょうど再び０％の値をとる時点である。

【0066】

ガス導入開口４の他の設計についても同様である。ガス噴射の開始は、ガス導入開口４を通るガスの流れがちょうど始まる時点（又はクランク角で測定されたピストン２の位置）として示される。ガス噴射の終了は、ガス導入開口４を通るガスの流れがちょうど終了された時点（又はクランク角で測定されたピストン２の位置）として示される。

【0067】

したがって、入口距離Ｅは、ガス噴射の終了時のガス導入開口４からピストン２の上面２１の距離である。

【0068】

本発明によると、入口距離ＥはストロークＳの少なくとも１４％である。これは、ガス噴射の終了時に、ピストン２の上面２１がガス導入開口４から依然としてストロークＳの少なくとも１４％離れていることを意味する。作動サイクルのきわめて初期にシリンダ１０内へのガス噴射がこのように終了される結果、ガス噴射が終了されるとき、ピストン２の上面２１上にはピストン２の上面２１と導入ガスとの間に配置されたエア・クッションが存在する。このエア・クッションにより、第１のピストン・リング２２によって底部で画定されている、ピストン２とシリンダ壁１１との間の環状空隙領域へのガスの侵入が、少なくとも広い範囲で防止される。したがって、エア・クッションは、ピストン２の上面２１と第１のピストン・リング２２との両方、及びピストン溝２３にかかる熱負荷を低減する。

【0069】

入口距離Ｅの最適値は、本発明による方法の具体的な適用例、特に、本発明による方法で動作させる大型ディーゼル・エンジンの設計に依存する。

【0070】

実際には、本発明による方法のいくつかの適用例では、入口距離ＥがストロークＳの少なくとも１８％であると有利であることが示されている。

【0071】

いくつかの適用例では、入口距離ＥがストロークＳの少なくとも２０％であると有利である。

【0072】

いくつかの適用例では、入口距離ＥがストロークＳの少なくとも２３％であると有利である。

【0073】

いくつかの適用例では、入口距離ＥがストロークＳの少なくとも２６％であると有利である。

【0074】

いくつかの適用例では、入口距離ＥがストロークＳの少なくとも２９％であると有利である。

【0075】

実際には、大きすぎる入口距離Ｅを選択すると、かなりのメタン・スリップが発生する恐れがあるので、大きすぎる入口距離Ｅを選択しないことが有利であることも実証されている。

【0076】

したがって、入口距離Ｅは、ストロークＳの最大３５％であることが好ましい。

【0077】

いくつかの適用例では、入口距離ＥがストロークＳの最大３３％であることが有利である。

【0078】

燃焼に必要な量のガスをシリンダ１０内に導入するには時間を要するので、ガスの導入は、ピストン２が入口距離Ｅに位置するクランク角よりも好ましくは１０°～２５°小さい導入角で開始されることが好ましい。導入角は、このように、ガス導入開口４の開放が開始されるクランク角、すなわち、シリンダ１０内へのガスの導入が始まるクランク角を示す。その結果、シリンダ内へのガスの導入は、少なくとも１０°且つ最大２５°のクランク角範囲にわたって行われることが好ましい。

【0079】

いくつかの適用例では、導入角が、ピストン２が入口距離Ｅに位置するクランク角よりも少なくとも１５°且つ最大２０°小さいことが好ましい。

【図1】

【図2】

【外国語明細書】