特許 7500891 内燃機関

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-07

(45)【発行日】2024-06-17

(54)【発明の名称】内燃機関

(51)【国際特許分類】

   F02M 21/02 20060101AFI20240610BHJP

   F02B 25/04 20060101ALI20240610BHJP

   F02M 26/05 20160101ALI20240610BHJP

【ＦＩ】

F02M21/02 S

F02B25/04

F02M26/05

【請求項の数】 10

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2024018690

(22)【出願日】2024-02-09

【審査請求日】2024-04-10

(31)【優先権主張番号】PA 2023 70078

(32)【優先日】2023-02-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DK

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】519441006

【氏名又は名称】マン・エナジー・ソリューションズ、フィリアル・エフ・マン・エナジー・ソリューションズ・エスイー、ティスクランド

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】ステファン・マイヤー

(72)【発明者】

【氏名】ペーテル・ショルダガー

(72)【発明者】

【氏名】ヨハン・ハルト

(72)【発明者】

【氏名】マーク・ホフマン

(72)【発明者】

【氏名】クリスチャン・モルク

(72)【発明者】

【氏名】カー・ムン・パン

(72)【発明者】

【氏名】エリック・ボードイン

【審査官】津田 真吾

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－１６１７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－３６７８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／０４３３１２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－１５４１８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｍ ２１／０２

Ｆ０２Ｍ ２６／００

Ｆ０２Ｄ １９／０２

Ｆ０２Ｄ ２１／０８

Ｆ０２Ｂ ２５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つのシリンダ（１０１）と、シリンダカバー（１１３）と、ピストン（１０３）と、燃料ガスタンクに接続可能な燃料ガス供給システムと、掃気空気システム（１１１）と、を備える２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関（１００）に燃料ガスを導入する方法であって、前記シリンダ（１０１）は、シリンダ壁を有し、前記シリンダカバー（１１３）は、前記シリンダ（１０１）の上部に配置され、排気弁（１０４）を有し、前記ピストン（１０３）は、下死点と上死点との間で中心軸（１１４）に沿って前記シリンダ（１０１）内に可動に配置され、前記掃気空気システム（１１１）は、掃気スワール（２０２）が前記中心軸（１１４）の周りを回転して形成されるように、前記シリンダ（１０１）内に掃気空気を導入するように構成された、前記シリンダ（１０１）の底部に配置された掃気空気入口（１０２）を有し、前記燃料ガス供給システムは、前記シリンダ（１０１）のために、前記シリンダ壁内に少なくとも部分的に配置された第１の燃料ガスノズル（２０８）を介して、圧縮ストローク中に前記シリンダ（１０１）内に燃料ガスを導入するように構成された第１の燃料ガス弁（１０５、２０４）を備え、前記燃料ガスを前記掃気空気入口（１０２）からの掃気空気と混合できるようにし、掃気空気と燃料ガスとの混合気を着火させる前に圧縮することを可能にし、燃料ガスが、前記掃気スワール方向（２０２）と逆の方向において角度Ａで半径方向（２１１）に対して角度を付けられている第１のノズル軸（２０５）に沿って、前記第１の燃料ガス弁（１０５、２０４）を介して前記シリンダ（１０１）内に導入され、ここにおいて、一定量の排気ガスが、過早着火の増大されたリスクに対処するために、排気ガス再循環（ＥＧＲ）システム（１３０）を使用して、前記シリンダ（１０１）に供給されることを特徴とする、方法。

【請求項2】

前記燃料ガス供給システムは、前記シリンダ（１０１）のために、前記シリンダ壁内に少なくとも部分的に配置された第２の燃料ガスノズル（２０９）を介して、前記圧縮ストローク中に前記シリンダ（１０１）内に燃料ガスを導入するように構成された第２の燃料ガス弁（２０６）を更に備え、前記燃料ガスを前記掃気空気入口（１０２）からの掃気空気と混合できるようにし、掃気空気と燃料ガスとの前記混合気を着火させる前に圧縮することを可能にし、燃料ガスは、前記掃気スワール方向（２０２）と逆の方向において角度Ｂで前記半径方向（２１１）に対して角度を付けられている第２のノズル軸（２０７）に沿って、前記第２の燃料ガス弁（２０６）を介して前記シリンダ（１０１）内に導入される、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第１の燃料ガス弁（１０５、２０４）及び前記第２の燃料ガス弁（２０６）は、前記シリンダ（１０１）においてほぼ同じ高さに配置されている、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記第１の燃料ガス弁（１０５、２０４）は、前記第２の燃料ガス弁（２０６）と実質的に対向して配置されている、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

前記第１の燃料ガスノズル（２０８）は、第１のノズル開口部（４９０）と、第２のノズル開口部（４９２）と、を備え、燃料ガスは、前記第１のノズル軸（２０５）に沿って、前記第１のノズル開口部（４９０）を介して、及び、前記掃気スワール方向（２０２）と逆の方向において前記半径方向（２１１）に対して角度を付けられている第３のノズル軸（４９１）に沿って、前記第２のノズル開口部（４９２）を介して、前記シリンダ（１０１）内に導入される、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

少なくとも１つのシリンダ（１０１）と、シリンダカバー（１１３）と、ピストン（１０３）と、燃料ガスタンクに接続可能な燃料ガス供給システムと、掃気空気システム（１１１）と、を備える２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関（１００）であって、前記シリンダ（１０１）は、シリンダ壁を有し、前記シリンダカバー（１１３）は、前記シリンダ（１０１）の上部に配置され、排気弁（１０４）を有し、前記ピストン（１０３）は、下死点と上死点との間で中心軸（１１４）に沿って前記シリンダ（１０１）内に可動に配置され、前記掃気空気システム（１１１）は、掃気スワール（２０２）が前記中心軸（１１４）の周りを回転して形成されるように、掃気空気を導入するように構成された、前記シリンダ（１０１）の底部に配置された掃気空気入口（１０２）を有し、前記燃料ガス供給システムは、前記シリンダ（１０１）のために、第１のノズル軸（２０５）に沿って、前記シリンダ壁内に少なくとも部分的に配置された第１の燃料ガスノズル（２０８）を介して、圧縮ストローク中に前記シリンダ（１０１）内に燃料ガスを導入するように構成された第１の燃料ガス弁（１０５、２０４）を備え、前記燃料ガスを前記掃気空気入口（１０２）からの掃気空気と混合できるようにし、掃気空気と燃料ガスとの混合気を着火させる前に圧縮することを可能にし、前記第１のノズル軸（４０５）が、前記掃気スワール方向（２０２）と逆の方向において角度Ａで半径方向（２１１）に対して角度を付けられており、ここにおいて、前記機関（１００）が、過早着火のリスクに対処するために、前記シリンダ（１０１）に一定量の排気ガスを供給するように構成された排気ガス再循環ＥＧＲシステム（１３０）を更に備えることを特徴とする、２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関（１００）。

【請求項7】

前記燃料ガス供給システムは、前記シリンダ（１０１）のために、前記シリンダ壁内に少なくとも部分的に配置された第２の燃料ガスノズル（２０９）を介して、前記圧縮ストローク中に前記シリンダ（１０１）内に燃料ガスを導入するように構成された第２の燃料ガス弁（２０６）を更に備え、前記燃料ガスを前記掃気空気入口（１０２）からの掃気空気と混合できるようにし、掃気空気と燃料ガスとの前記混合気を着火させる前に圧縮することを可能にし、燃料ガスは、前記掃気スワール方向（２０２）と逆の方向において角度Ｂで前記半径方向（２１１）に対して角度を付けられている第２のノズル軸（２０７）に沿って、前記第２の燃料ガス弁（２０６）を介して前記シリンダ（１０１）内に導入される、請求項６に記載の２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関（１００）。

【請求項8】

前記第１の燃料ガス弁（１０５、２０４）及び前記第２の燃料ガス弁（２０６）は、前記シリンダ（１０１）においてほぼ同じ高さに配置されている、請求項７に記載の２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関（１００）。

【請求項9】

前記第１の燃料ガス弁（１０５、２０４）は、前記第２の燃料ガス弁（２０６）と実質的に対向して配置されている、請求項８に記載の２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関（１００）。

【請求項10】

前記第１の燃料ガスノズル（２０８）は、第１のノズル開口部（４９０）と、第２のノズル開口部（４９２）と、を備え、燃料ガスは、前記第１のノズル軸（２０５）に沿って、前記第１のノズル開口部（４９０）を介して、及び、前記掃気スワール方向（２０２）と逆の方向において前記半径方向（２１１）に対して角度を付けられている第３のノズル軸（４９１）に沿って、前記第２のノズル開口部（４９２）を介して、前記シリンダ内に導入される、請求項６～９のいずれか一項に記載の２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関（１００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関に燃料ガスを導入する方法及び２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関に関する。

【背景技術】

【0002】

２ストローク内燃機関は、コンテナ船、ばら積み貨物船、及びタンカのような船舶において推進機関として使用される。内燃機関からの不要な排気ガスの低減は、ますます重要になっている。

【0003】

不要な排気ガスの量を低減させるための効果的な方法が、燃料油、例えば、重油（ＨＦＯ）から、燃料ガスに切り替えることである。燃料ガスは、圧縮ストロークの終わりにシリンダ内に噴射され得、ここで、それは、シリンダ内のガスが圧縮されたときに到達する高温によって、又はパイロット燃料の着火によってのいずれかで、即座に着火され得る。しかしながら、圧縮ストロークの終わりにシリンダ内に燃料ガスを噴射することは、シリンダ内の高圧を克服するために、噴射より前に燃料ガスを圧縮するための高圧ガス圧縮機を必要とする。

【0004】

しかしながら、高圧ガス圧縮機は、製造及び保守整備が高価且つ複雑である。高圧圧縮機の必要性を回避するための１つの方法が、シリンダ内の圧力が著しくより低い圧縮ストローク中に燃料ガスを噴射するように構成された燃料ガス弁を有することである。

【0005】

しかしながら、圧縮ストローク中にシリンダ内に燃料ガスを有することは、過早着火のリスクをもたらす。これは、過早着火が機関部品のより高い摩耗をもたらし、それを回避するための方策がより低い効率をもたらすので、問題となる。

【0006】

シリンダ内の燃料ガスの分布の均一性が、過早着火を回避するための主要パラメータであることは周知である。

【0007】

従って、当技術分野における多くの関心は、燃料ガスの分布の均一性が改善されるような方法で、シリンダ内に燃料ガスを導入し得る燃料ガス供給システムを設計することに向けられてきた。

【0008】

ＵＳ２０１５０１６７５５３８には、燃料ガスが掃気空気スワールの方向に沿って噴射され、それによって、より高い均一性が達成されるようなシステムが開示されている。

【0009】

別の例が、ＷＯ２０２１１１０２２９に開示されており、ここで、燃料ガスは、均一性を増大させるために、パルス状に噴射される。

【0010】

別の例が、ＪＰ２０２００１６１７１に開示されており、ここで、燃料噴射装置は、２ストローク機関の燃焼室に向けて燃料を噴射するための複数の燃料噴射ノズルを含む。

【0011】

現代の燃料ガス供給システムは、過早着火が効果的に対処され得る状態に到達しているが、燃料消費を更に改善し、不要な排気ガスの排出を低下させることが依然として課題となっている。

【発明の概要】

【0012】

第１の態様によれば、本発明は、少なくとも１つのシリンダと、シリンダカバーと、ピストンと、燃料ガスタンクに接続可能な燃料ガス供給システムと、掃気空気システムと、を備える２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関に燃料ガスを導入する方法に関し、シリンダは、シリンダ壁を有し、シリンダカバーは、シリンダの上部に配置され、排気弁を有し、ピストンは、下死点と上死点との間で中心軸に沿ってシリンダ内に可動に配置され、掃気空気システムは、掃気スワールが中心軸の周りを回転して形成されるように、シリンダ内に掃気空気を導入するように構成された、シリンダの底部に配置された掃気空気入口を有し、燃料ガス供給システムは、シリンダのために、シリンダ壁内に少なくとも部分的に配置された第１の燃料ガスノズルを介して、圧縮ストローク中にシリンダ内に燃料ガスを導入するように構成された第１の燃料ガス弁を備え、燃料ガスを掃気空気入口からの掃気空気と混合できるようにし、掃気空気と燃料ガスとの混合気を着火させる前に圧縮することを可能にし、ここで、燃料ガスは、掃気スワール方向と逆の方向において角度Ａで半径方向に対して角度を付けられている第１のノズル軸に沿って、第１の燃料ガス弁を介してシリンダ内に導入され、シリンダ内の圧縮ストロークの終わりにおける燃料ガスの分布が、第１のノズル軸が掃気スワール方向に沿って角度Ａで角度を付けられた場合に生じたであろうシリンダ内の燃料ガスの分布と比較して、より均一性が低くなることをもたらし、それによって、過早着火の増大されたリスクをもたらし、ここで、一定量の排気ガスが、過早着火の増大されたリスクに対処するために、排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムを使用して、シリンダに供給される。

【0013】

驚くべきことに、燃料ガスのより均一性の低い分布が生じるように燃料ガスを噴射し、それと同時に、過早着火の増大されたリスクに対処するために、ＥＧＲシステムを使用することによって、改善された燃料消費量、構成要素に対する低減された熱負荷、及びより低い排出がもたらされることが分かった。

【0014】

スワール方向に沿った方向における燃料ガスの通常の噴射は、燃料ジェットが対向するライナ壁に衝突することをもたらし、これは、シリンダ内でガスを急速に垂直方向に拡散させるのに役立つ。これは、特に、２つ以下等の少数の燃料ガス弁を備える燃料ガス供給システムについて、及び、特に、これら燃料ガス弁がシリンダ内で実質的に同じ高さに配置されているときに、燃料ガスの非常に均一な分布をもたらす。

【0015】

スワール方向と逆の方向における燃料ガスの噴射もまた、燃料ジェットが対向するライナ壁に衝突することをもたらすが、それほど積極的にではなく、結果として、垂直方向の拡散が低減される。これは、特に、２つ以下等の少数の燃料ガス弁を備える燃料ガス供給システムについて、及び、特に、これら燃料ガス弁がシリンダ内で実質的に同じ高さに配置されているときに、燃料ガスのより均一性の低い分布をもたらす。逆スワールガス噴射（against-swirl gas injection）は、ガスが壁からより離れて燃焼すると見られので、高い壁温度を低減させるために使用され得、それによって、燃料効率を増大させることが分かった。

【0016】

第１のノズル軸は、第１の方向ベクトルに沿って延在する。第１の方向ベクトルは、中心軸に垂直である平面に配置された半径方向成分及び接線方向成分を備える。第１の方向ベクトルは、オプションで、垂直方向成分を更に備え得る。角度Ａは、半径方向と、第１の方向ベクトルの半径方向成分及び接線方向成分によって形成される２次元ベクトルとの間で測定される。

【0017】

燃料ガスの分布の均一性は、典型的に、計算流体力学シミュレーションを使用して推定される。シリンダ及びガス供給システムをモデル化することによって、圧縮ストロークの任意の点（any point）での任意の容積の燃焼室における燃料ガスの濃度が推定され得る。圧縮ストロークの終わりにおける燃料ガスの分布の均一性は、圧縮ストロークの終わりに燃焼室をＮ個の等しいサイズの容積に分割することによって決定され得る。Ｎ個の容積の各容積について、燃料ガスの濃度が決定され得、それによって、分布が形成されることを可能にする。次いで、分布の標準偏差等の任意の好適な統計的尺度が、燃料ガスの分布の均一性を決定するために使用され得る。Ｎを増大させる（それによって、各容積のサイズを低減させる）ことによって、分布は、より高い精度で決定され得る。Ｎの好適な値は、統計的尺度、例えば、標準偏差が、実質的な定常状態に達するまで、値を増分的に増大させることによって、反復的に求められ得る。

【0018】

内燃機関は、好ましくは、１シリンダ当たり少なくとも４００ｋＷのパワーを有する海洋船舶を推進するための、ユニフロー掃気を有する大型低速ターボチャージャ付き２ストローククロスヘッド型内燃機関である。内燃機関は、内燃機関によって生成された排気ガスによって駆動され且つ掃気空気を圧縮するように構成されたターボチャージャを備え得る。内燃機関は、燃料ガスで動くときのオットーサイクルモードと、代替燃料、例えば、重油又は船舶用ディーゼル油で動くときのディーゼルサイクルモードと、を有する複式燃料機関であり得る。このような複式燃料機関は、代替燃料を噴射するためのそれ自体の専用燃料供給システムを有しており、この燃料供給システムはまた、燃料ガスと掃気空気との混合気を着火させるためのオットーサイクルモードで動作するとき、パイロット燃料の噴射のために使用され得る。

【0019】

内燃機関は、パイロット燃料の必要な量だけが使用されるように、ちょうどの量が燃料ガスと掃気との混合気に着火させることができるように正確にその分量をはかられた、例えば、重油又は船舶用ディーゼル油等の、少量のパイロット燃料を噴射することが可能であるパイロット燃料システム等の専用着火システムを備え得る。このようなパイロット燃料システムは、構成要素のサイズが大きいことにより本目的に好適でない代替燃料用の専用燃料供給システムと比較して、サイズがはるかに小さく、正確に一定量のパイロット燃料を噴射するのにより好適である。

【0020】

パイロット燃料は、内燃機関の燃焼室に流体的に接続されている予燃室に噴射され得る。代替として、パイロット燃料は、複数の予燃室、例えば、内側予燃室及び外側予燃室を備える予燃室セット内に噴射され得る。代替として、燃料ガスと掃気空気との混合気は、スパークプラグ又はレーザ着火装置を備える手段によって着火され得る。各シリンダには、シリンダの底部に１つ以上の掃気空気入口と、シリンダの上部に排気出口と、が設けられ得る。

【0021】

ＥＧＲシステムは、一定量の排気ガスを引き込むように構成されたＥＧＲレシーバを備え得る。一例として、排気ガスの１０％～６０％、又は排気ガスの３０％～５０％が、ＥＧＲレシーバによって引き込まれ得る。ＥＧＲシステムは、排気ガスの温度を最初に低下させるように構成されたプレスプレーを更に備え得る。ＥＧＲシステムはまた、排気ガスの温度を低下させるように構成されたクーラースプレーを備え得る。クーラースプレーは、プレスプレーの下流に配置され得る。ＥＧＲシステムはまた、水ミスト捕集器を備え得る。水ミスト捕集器は、クーラースプレーの下流に配置され得る。ＥＧＲシステムはまた、排気ガスの圧力を増大させるように構成された送風機を備え得る。送風機は、水ミスト捕集器の下流に配置され得る。送風機は、排気ガスの圧力を掃気空気圧に戻すまで、又は掃気空気圧よりわずかに高くまで増大させるように構成され得る。ＥＧＲシステムは、掃気空気システムに排気ガスを供給するように構成され得る。

【0022】

いくつかの実施形態では、第１の燃料ガス弁は、圧縮ストローク中、下死点から０度～１６０度内で、下死点から０度～１３０度内で、又は下死点から０度～９０度内で、シリンダ内に燃料ガスを噴射するように構成されている。

【0023】

燃料ガスの例は、天然ガス、メタン、エタン、液化石油ガス、及びアンモニアである。

【0024】

いくつかの実施形態では、角度Ａは、５度～３５度である。

【0025】

いくつかの実施形態では、第１の燃料ガスノズルは、第１のノズル開口部と、第２のノズル開口部と、を備え、燃料ガスは、第１のノズル軸に沿って、第１のノズル開口部を介して、及び、掃気スワール方向と逆の方向において半径方向に対して角度を付けられている第３のノズル軸に沿って、第２のノズル開口部を介して、シリンダ内に導入される。

【0026】

いくつかの実施形態では、燃料ガス供給システムは、シリンダのために、シリンダ壁内に少なくとも部分的に配置された第２の燃料ガスノズルを介して、圧縮ストローク中にシリンダ内に燃料ガスを導入するように構成された第２の燃料ガス弁を更に備え、燃料ガスを掃気空気入口からの掃気空気と混合できるようにし、掃気空気と燃料ガスとの混合気を着火させる前に圧縮することを可能にし、ここで、燃料ガスは、掃気スワール方向と逆の方向において角度Ｂで半径方向に対して角度を付けられている第２のノズル軸に沿って、第２の燃料ガス弁を介してシリンダ内に導入され、シリンダ内の圧縮ストロークの終わりにおける燃料ガスの分布が、第２のノズル軸が掃気スワール方向に沿って角度Ｂで角度を付けられた場合に生じたであろうシリンダ内の燃料ガスの分布と比較して、より均一性が低くなることをもたらし、それによって、過早着火の増大されたリスクをもたらす。

【0027】

第２のノズル軸は、第２の方向ベクトルに沿って延在する。第２の方向ベクトルは、中心軸に垂直である平面に配置された半径方向成分及び接線方向成分を備える。第２の方向ベクトルは、オプションで、垂直方向成分を更に備え得る。角度Ｂは、半径方向と、第２の方向ベクトルの半径方向成分及び接線方向成分によって形成される２次元ベクトルとの間で測定される。

【0028】

いくつかの実施形態では、角度Ａと角度Ｂとの間の差は、１０度より小さい（less than）か、又は５度より小さくなる。

【0029】

いくつかの実施形態では、第１の燃料ガス弁及び第２の燃料ガス弁は、シリンダにおいてほぼ同じ高さに配置されている。

【0030】

第１の燃料ガス弁及び第２の燃料ガス弁は、第１の燃料ガス弁と第２の燃料ガス弁との間の高さにおける距離が、上死点と下死点との間の距離の２０％より小さい、上死点と下死点との間の距離の１０％より小さい、又は上死点と下死点との間の距離の５％より小さい場合、ほぼ同じ高さに配置され得る。

【0031】

いくつかの実施形態では、燃料ガス供給システムは、２つ以下の燃料ガス弁を備える。

【0032】

いくつかの実施形態では、第１の燃料ガス弁は、第２の燃料ガス弁と実質的に対向して配置されている。

【0033】

第２の態様によれば、本発明は、少なくとも１つのシリンダと、シリンダカバーと、ピストンと、燃料ガスタンクに接続可能な燃料ガス供給システムと、掃気空気システムと、を備える２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関に関し、シリンダは、シリンダ壁を有し、シリンダカバーは、シリンダの上部に配置され、排気弁を有し、ピストンは、下死点と上死点との間で中心軸に沿ってシリンダ内に可動に配置され、掃気空気システムは、掃気スワールが中心軸の周りを回転して形成されるように、掃気空気を導入するように構成された、シリンダの底部に配置された掃気空気入口を有し、燃料ガス供給システムは、シリンダのために、第１のノズル軸に沿って、シリンダ壁内に少なくとも部分的に配置された第１の燃料ガスノズルを介して、圧縮ストローク中にシリンダ内に燃料ガスを導入するように構成された第１の燃料ガス弁を備え、燃料ガスを掃気空気入口からの掃気空気と混合できるようにし、掃気空気と燃料ガスとの混合気を着火させる前に圧縮することを可能にし、ここで、第１のノズル軸は、掃気スワール方向と逆の方向において角度Ａで半径方向に対して角度を付けられており、ここで、機関は、過早着火のリスクに対処するために、シリンダに一定量の排気ガスを供給するように構成された排気ガス再循環ＥＧＲシステムを更に備える。

【0034】

いくつかの実施形態では、燃料ガス供給システム及びシリンダは、第１のノズル軸が掃気スワールの方向に沿って角度Ａで配置されたであろう場合に、圧縮ストロークの終わりにシリンダ内の燃料ガスのより均一な分布が生じたであろうように設計される。

【0035】

いくつかの実施形態では、第１の燃料ガス弁は、圧縮ストローク中、下死点から０度～１６０度内で、下死点から０度～１３０度内で、又は下死点から０度～９０度内で、シリンダ内に燃料ガスを噴射するように構成されている。

【0036】

燃料ガスの例は、天然ガス、メタン、エタン、液化石油ガス、及びアンモニアである。

【0037】

いくつかの実施形態では、第１の燃料ガスノズルは、第１のノズル開口部と、第２のノズル開口部と、を備え、燃料ガスは、第１のノズル軸に沿って、第１のノズル開口部を介して、及び、掃気スワール方向と逆の方向において半径方向に対して角度を付けられている第３のノズル軸に沿って、第２のノズル開口部を介して、シリンダ内に導入される。

【0038】

いくつかの実施形態では、角度Ａは、５度～３５度である。

【0039】

いくつかの実施形態では、燃料ガス供給システムは、シリンダのために、シリンダ壁内に少なくとも部分的に配置された第２の燃料ガスノズルを介して、圧縮ストローク中にシリンダ内に燃料ガスを導入するように構成された第２の燃料ガス弁を更に備え、燃料ガスを掃気空気入口からの掃気空気と混合できるようにし、掃気空気と燃料ガスとの混合気を着火させる前に圧縮することを可能にし、ここで、燃料ガスは、掃気スワール方向と逆の方向において角度Ｂで半径方向に対して角度を付けられている第２のノズル軸に沿って、第２の燃料ガス弁を介してシリンダ内に導入される。

【0040】

いくつかの実施形態では、角度Ａと角度Ｂとの間の差は、１０度より小さいか、又は５度より小さくなる。

【0041】

いくつかの実施形態では、燃料ガス供給システム及びシリンダは、第２のノズル軸が掃気スワールの方向に沿って角度Ｂで配置されたであろう場合に、圧縮ストロークの終わりにシリンダ内の燃料ガスのより均一な分布が生じたであろうように設計される。

【0042】

いくつかの実施形態では、第１の燃料ガス弁及び第２の燃料ガス弁は、シリンダにおいてほぼ同じ高さに配置されている。

【0043】

第１の燃料ガス弁及び第２の燃料ガス弁は、第１の燃料ガス弁と第２の燃料ガス弁との間の高さにおける距離が、上死点と下死点との間の距離の２０％より小さい、上死点と下死点との間の距離の１０％より小さい、又は上死点と下死点との間の距離の５％より小さい場合、ほぼ同じ高さに配置され得る。

【0044】

いくつかの実施形態では、第１の燃料ガス弁は、第２の燃料ガス弁と実質的に対向して配置されている。

【0045】

いくつかの実施形態では、燃料ガス供給システムは、２つ以下の燃料ガス弁を備える。

【0046】

本発明の異なる態様は、上記及び以下で説明されるような、２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関に燃料ガスを導入する方法及び２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関としてを含む、異なる方法で実装され得、上記で説明された態様の少なくとも１つに関連して説明された利益及び利点のうちの１つ以上をそれぞれもたらし、上記で説明された及び／又は従属請求項において開示される態様の少なくとも１つに関連して説明された好ましい実施形態に対応する１つ以上の好ましい実施形態をそれぞれ有する。更に、本明細書で説明される態様のうちの１つに関連して説明される実施形態は、他の態様にも等しく適用され得ることが理解されよう。

【0047】

本発明の上記及び／又は追加の目的、特徴、及び利点は、添付の図を参照して、本発明の実施形態の以下の例示的且つ非限定的な詳細な説明によって更に解明されることになる。

【図面の簡単な説明】

【0048】

【図1】図１は、本発明の一実施形態による、２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関の断面図を概略的に示す。

【図2】図２は、本発明の一実施形態による、２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関のシリンダの断面図を概略的に示す。

【図3a】図３ａは、図２の部分の拡大図を示す。

【図3b】図３ｂは、図２の部分の拡大図を示す。

【図4a】図４ａは、本発明の一実施形態による、２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関のシリンダの断面図を概略的に示す。

【図4b】図４ｂは、本発明の一実施形態による、２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関のシリンダの断面図を概略的に示す。

【発明を実施するための形態】

【0049】

以下の説明では、添付の図面への参照がなされ、これは、本発明がどのように実施され得るかを例示として示す。

【0050】

図１は、本発明の一実施形態による、海洋船舶を推進するための２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関１００の断面図を概略的に示す。２ストローク内燃機関１００は、掃気空気システム１１１と、排気ガスレシーバ１０８と、ターボチャージャ１０９と、を備える。２ストローク内燃機関は、複数のシリンダ１０１（断面図には単一のシリンダのみが示されている）を有する。各シリンダ１０１は、掃気スワール１２０が中心軸１１４の周りを回転して形成されるように、掃気空気を導入するように構成された、シリンダの底部に配置された掃気空気入口１０２を備える。各シリンダは、ピストン１０３と、シリンダの上部に配置されたシリンダカバー１１３と、シリンダカバー１１３において配置された排気弁１０４と、第１の燃料ガス弁１０５（概略的にのみ例示されている）と、を更に備える。ピストン１０３は、その最も低い位置（下死点）に示されている。ピストン１０３は、クランクシャフト（図示せず）に接続されたピストン棒を有する。ピストン１０３は、下死点と上死点との間で中心軸１１４に沿ってシリンダ内に可動に配置されている。第１の燃料ガス弁１０５は、第１のノズル軸（図示せず）に沿って、第１の燃料ガスノズルを介して、圧縮ストローク中にシリンダ１０１内に燃料ガスを導入するように構成され、燃料ガスを掃気空気入口１０２からの掃気空気と混合できるようにし、掃気空気と燃料ガスとの混合気を着火させる前に圧縮することを可能にする。第１の燃料ガスノズルは、シリンダカバー１１３と掃気空気入口１０２との間のシリンダ壁内に少なくとも部分的に配置されている。第１のノズル軸は、掃気スワール方向１２０と逆の方向において角度Ａで半径方向に対して角度を付けられている。機関は、排気ガス再循環ＥＧＲシステム１３０を更に備える。機関は、例えば、重油又は船舶用ディーゼル油等の、少量のパイロット燃料を噴射することが可能であるパイロット燃料システム等の専用着火システム１１５を更に備える。パイロット燃料は、内燃機関の燃焼室に流体的に接続されている予燃室に噴射され得る。代替として、パイロット燃料は、複数の予燃室、例えば、内側予燃室及び外側予燃室を備える予燃室セット内に噴射され得る。代替として、専用着火システム１１５は、予燃室セットの予燃室においてオプションで配置されたスパークプラグ又はレーザ着火装置を備える手段によって、燃料ガスと掃気空気との混合気を着火し得る。各シリンダには、シリンダの底部に１つ以上の掃気空気入口と、シリンダの上部に排気出口と、が設けられ得る。

【0051】

燃料ガス供給システム及びシリンダ１０１は、第１のノズル軸が掃気スワール１２０の方向に沿って角度Ａで配置されたであろう場合に、圧縮ストロークの終わりにシリンダ１０１内の燃料ガスのより均一な分布が生じたであろうように設計され得る。従って、掃気スワール方向１２０と逆の方向においてノズル軸を配置することによって、過早着火のリスクが増大する。しかしながら、ＥＧＲシステム１３０は、過早着火の増大されたリスクに効果的に対処するために使用され得る。一例として、ＥＲＧシステム１３０を使用して再循環される排気ガスの量は、第１のノズル軸が掃気スワールの方向に沿って角度Ａで配置されたであろう場合に再循環されたであろう量と比較して、わずかに増大され得る。

【0052】

燃料ガスのより均一性の低い分布が生じるように燃料ガスを噴射し、それと同時に、過早着火の増大されたリスクに対処するために、ＥＧＲを使用することによって、改善された燃料消費量、構成要素に対する低減された熱負荷、及びより低い排出がもたらされることが分かった。

【0053】

図２は、本発明の一実施形態による、２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関のシリンダ２０１の断面図を概略的に示す。図２の上部の拡大図が図３ａに示され、図２の下部の拡大図が図３ｂに示される。機関は、シリンダ壁内に少なくとも部分的に配置された第１の燃料ガス弁２０４及び第２の燃料ガス弁２０６を備える燃料ガス供給システムを備える。第１の燃料ガス弁２０４は、第１の燃料ガスノズル２０８を介して、圧縮ストローク中にシリンダ２０１内に燃料ガスを導入するように構成され、第２の燃料ガス弁２０６は、第２の燃料ガスノズル２０９を介して、圧縮ストローク中にシリンダ内に燃料ガスを導入するように構成され、それによって、燃料ガスを掃気空気入口からの掃気空気と混合できるようにし、掃気空気と燃料ガスとの混合気を着火させる前に圧縮することを可能にする。燃料ガスは、掃気スワール方向２０２と逆の方向において角度Ａで半径方向に対して角度を付けられている第１のノズル軸２０５に沿って、第１の燃料ガス弁２０４を介してシリンダ内に導入される。第１のノズル軸２０５は、第１の方向ベクトルに沿って延在する。第１の方向ベクトルは、シリンダ２０１の中心軸に垂直である平面（図２及び図３ａ～図３ｂの平面）に配置された半径方向成分２１１及び接線方向成分２１０を備える。第１の方向ベクトルは、オプションで、垂直方向成分を更に備え得る。角度Ａは、半径方向と、第１の方向ベクトルの半径方向成分２１１及び接線方向成分２１０によって形成される２次元ベクトル２１２との間で測定される。燃料ガスは、掃気スワール方向２０２と逆の方向において角度Ｂで半径方向２１１に対して角度を付けられている第２のノズル軸２０７に沿って、第２の燃料ガス弁２０６を介してシリンダ内に導入される。掃気スワール方向２０２とは逆に角度Ａ／Ｂで角度を付けられた第１のノズル軸２０５及び第２のノズル軸２０７を有することは、シリンダ内の圧縮ストロークの終わりにおける燃料ガスの分布が、第１のノズル軸２０５及び第２のノズル軸２０７が掃気スワール方向２０２に沿って角度Ａ／Ｂで角度を付けられた場合に生じたであろうシリンダ内の燃料ガスの分布と比較して、より均一性が低くなることをもたらす。

【0054】

第２のノズル軸２０５は、第２の方向ベクトルに沿って延在する。第２の方向ベクトルは、シリンダ２０１の中心軸に垂直である平面に配置された半径方向成分２１４及び接線方向成分２１３を備える。第２の方向ベクトルは、オプションで、垂直方向成分を更に備え得る。角度Ｂは、半径方向と、第２の方向ベクトルの半径方向成分２１４及び接線方向成分２１３によって形成される２次元ベクトル２１５との間で測定される。

【0055】

図４ａは、本発明の一実施形態による、２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関のシリンダの断面図を概略的に示す。圧縮ストローク中に燃料ガスをシリンダ内に導入するための第１の燃料ガスノズル４０９が示されている。第１の燃料ガスノズル４０９は、主ノズル流路４９４と、二次ノズル流路４９３と、を備える。主ノズル流路４９４は、第１のノズル開口部４９０を有し、二次ノズル流路４９３は、第２のノズル開口部４９２を有する。燃料ガスは、第１のノズル軸４０５に沿って、第１のノズル開口部４９０を介して、及び、第３のノズル軸４９１に沿って、第２のノズル開口部４９２を介して、シリンダ内に導入される。第１のノズル軸４０５と第２のノズル軸４９１との両方が、掃気スワール方向４０２と逆の方向において半径方向に対して角度を付けられている。

【0056】

図４ｂは、本発明の一実施形態による、２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関のシリンダの断面図を概略的に示す。圧縮ストローク中に燃料ガスをシリンダ内に導入するための第１の燃料ガスノズル４０９が示されている。第１の燃料ガスノズル４０９は、主ノズル流路４９４と、二次ノズル流路４９３と、を備える。主ノズル流路４９４は、第１のノズル開口部４９０を有し、二次ノズル流路４９３は、第２のノズル開口部４９２を有する。燃料ガスは、第１のノズル軸４０５に沿って、第１のノズル開口部４９０を介して、及び、第３のノズル軸４９１に沿って、第２のノズル開口部４９２を介して、シリンダ内に導入される。第１のノズル軸４０５は、掃気スワール方向４０２と逆の方向において半径方向に対して角度を付けられており、第３のノズル軸４９１は、掃気スワール方向４０２に沿った方向において角度を付けられている。

【0057】

燃料ガスノズルに（主ノズル流路に加えて）二次ノズル流路を設けることによって、燃料ガスと掃気空気との所望の混合気を供給するより多くの可能性が可能になり、これによって、燃費及び排出特性が更に最適化され得る。

【0058】

いくつかの実施形態が詳細に説明され示されてきたが、本発明はこれらに制限されず、以下の特許請求の範囲において定義される主題の範囲内で、他の方法でも具現化され得る。特に、本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が利用され得、構造的及び機能的な修正が行われ得ることが理解されるべきである。

【0059】

いくつかの手段を列挙する装置の請求項では、これらの手段のいくつかは、ハードウェアの同一のアイテムによって具現化され得る。ある特定の方策が、相互に異なる従属請求項において記載されているか、又は異なる実施形態において説明されているという事実だけで、これらの方策の組合せが有利に使用され得ないことを示すものではない。

【0060】

本明細書で使用される場合、「備える／備えている」という用語は、述べられる特徴、整数、ステップ又は構成要素の存在を明記するようにとらえられるが、１つ以上のその他の特徴、整数、ステップ、構成要素又はそのグループの存在又は追加を排除するものではないことが強調されるべきである。

以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］ 少なくとも１つのシリンダ（１０１）と、シリンダカバー（１１３）と、ピストン（１０３）と、燃料ガスタンクに接続可能な燃料ガス供給システムと、掃気空気システム（１１１）と、を備える２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関（１００）に燃料ガスを導入する方法であって、前記シリンダ（１０１）は、シリンダ壁を有し、前記シリンダカバー（１１３）は、前記シリンダ（１０１）の上部に配置され、排気弁（１０４）を有し、前記ピストン（１０３）は、下死点と上死点との間で中心軸（１１４）に沿って前記シリンダ（１０１）内に可動に配置され、前記掃気空気システム（１１１）は、掃気スワール（２０２）が前記中心軸（１１４）の周りを回転して形成されるように、前記シリンダ（１０１）内に掃気空気を導入するように構成された、前記シリンダ（１０１）の底部に配置された掃気空気入口（１０２）を有し、前記燃料ガス供給システムは、前記シリンダ（１０１）のために、前記シリンダ壁内に少なくとも部分的に配置された第１の燃料ガスノズル（２０８）を介して、圧縮ストローク中に前記シリンダ（１０１）内に燃料ガスを導入するように構成された第１の燃料ガス弁（１０５、２０４）を備え、前記燃料ガスを前記掃気空気入口（１０２）からの掃気空気と混合できるようにし、掃気空気と燃料ガスとの混合気を着火させる前に圧縮することを可能にし、燃料ガスが、前記掃気スワール方向（２０２）と逆の方向において角度Ａで半径方向（２１１）に対して角度を付けられている第１のノズル軸（２０５）に沿って、前記第１の燃料ガス弁（１０５、２０４）を介して前記シリンダ（１０１）内に導入され、ここにおいて、一定量の排気ガスが、過早着火の増大されたリスクに対処するために、排気ガス再循環（ＥＧＲ）システム（１３０）を使用して、前記シリンダ（１０１）に供給されることを特徴とする、方法。
［２］ 前記燃料ガス供給システムは、前記シリンダ（１０１）のために、前記シリンダ壁内に少なくとも部分的に配置された第２の燃料ガスノズル（２０９）を介して、前記圧縮ストローク中に前記シリンダ（１０１）内に燃料ガスを導入するように構成された第２の燃料ガス弁（２０６）を更に備え、前記燃料ガスを前記掃気空気入口（１０２）からの掃気空気と混合できるようにし、掃気空気と燃料ガスとの前記混合気を着火させる前に圧縮することを可能にし、燃料ガスは、前記掃気スワール方向（２０２）と逆の方向において角度Ｂで前記半径方向（２１１）に対して角度を付けられている第２のノズル軸（２０７）に沿って、前記第２の燃料ガス弁（２０６）を介して前記シリンダ（１０１）内に導入される、［１］に記載の方法。
［３］ 前記第１の燃料ガス弁（１０５、２０４）及び前記第２の燃料ガス弁（２０６）は、前記シリンダ（１０１）においてほぼ同じ高さに配置されている、［１］又は［２］に記載の方法。
［４］ 前記第１の燃料ガス弁（１０５、２０４）は、前記第２の燃料ガス弁（２０６）と実質的に対向して配置されている、［３］に記載の方法。
［５］ 前記第１の燃料ガスノズル（２０８）は、第１のノズル開口部（４９０）と、第２のノズル開口部（４９２）と、を備え、燃料ガスは、前記第１のノズル軸（２０５）に沿って、前記第１のノズル開口部（４９０）を介して、及び、前記掃気スワール方向（２０２）と逆の方向において前記半径方向（２１１）に対して角度を付けられている第３のノズル軸（４９１）に沿って、前記第２のノズル開口部（４９２）を介して、前記シリンダ（１０１）内に導入される、［１］～［４］のいずれか一項に記載の方法。
［６］ 少なくとも１つのシリンダ（１０１）と、シリンダカバー（１１３）と、ピストン（１０３）と、燃料ガスタンクに接続可能な燃料ガス供給システムと、掃気空気システム（１１１）と、を備える２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関（１００）であって、前記シリンダ（１０１）は、シリンダ壁を有し、前記シリンダカバー（１１３）は、前記シリンダ（１０１）の上部に配置され、排気弁（１０４）を有し、前記ピストン（１０３）は、下死点と上死点との間で中心軸（１１４）に沿って前記シリンダ（１０１）内に可動に配置され、前記掃気空気システム（１１１）は、掃気スワール（２０２）が前記中心軸（１１４）の周りを回転して形成されるように、掃気空気を導入するように構成された、前記シリンダ（１０１）の底部に配置された掃気空気入口（１０２）を有し、前記燃料ガス供給システムは、前記シリンダ（１０１）のために、第１のノズル軸（２０５）に沿って、前記シリンダ壁内に少なくとも部分的に配置された第１の燃料ガスノズル（２０８）を介して、圧縮ストローク中に前記シリンダ（１０１）内に燃料ガスを導入するように構成された第１の燃料ガス弁（１０５、２０４）を備え、前記燃料ガスを前記掃気空気入口（１０２）からの掃気空気と混合できるようにし、掃気空気と燃料ガスとの混合気を着火させる前に圧縮することを可能にし、前記第１のノズル軸（４０５）が、前記掃気スワール方向（２０２）と逆の方向において角度Ａで半径方向（２１１）に対して角度を付けられており、ここにおいて、前記機関（１００）が、過早着火のリスクに対処するために、前記シリンダ（１０１）に一定量の排気ガスを供給するように構成された排気ガス再循環ＥＧＲシステム（１３０）を更に備えることを特徴とする、２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関（１００）。
［７］ 前記燃料ガス供給システムは、前記シリンダ（１０１）のために、前記シリンダ壁内に少なくとも部分的に配置された第２の燃料ガスノズル（２０９）を介して、前記圧縮ストローク中に前記シリンダ（１０１）内に燃料ガスを導入するように構成された第２の燃料ガス弁（２０６）を更に備え、前記燃料ガスを前記掃気空気入口（１０２）からの掃気空気と混合できるようにし、掃気空気と燃料ガスとの前記混合気を着火させる前に圧縮することを可能にし、燃料ガスは、前記掃気スワール方向（２０２）と逆の方向において角度Ｂで前記半径方向（２１１）に対して角度を付けられている第２のノズル軸（２０７）に沿って、前記第２の燃料ガス弁（２０６）を介して前記シリンダ（１０１）内に導入される、［６］に記載の２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関（１００）。
［８］ 前記第１の燃料ガス弁（１０５、２０４）及び前記第２の燃料ガス弁（２０６）は、前記シリンダ（１０１）においてほぼ同じ高さに配置されている、［７］に記載の２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関（１００）。
［９］ 前記第１の燃料ガス弁（１０５、２０４）は、前記第２の燃料ガス弁（２０６）と実質的に対向して配置されている、［８］に記載の２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関（１００）。
［１０］ 前記第１の燃料ガスノズル（２０８）は、第１のノズル開口部（４９０）と、第２のノズル開口部（４９２）と、を備え、燃料ガスは、前記第１のノズル軸（２０５）に沿って、前記第１のノズル開口部（４９０）を介して、及び、前記掃気スワール方向（２０２）と逆の方向において前記半径方向（２１１）に対して角度を付けられている第３のノズル軸（４９１）に沿って、前記第２のノズル開口部（４９２）を介して、前記シリンダ内に導入される、［６］～［９］のいずれか一項に記載の２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関（１００）。

【要約】

２ストロークユニフロー掃気式クロスヘッド型内燃機関に燃料ガスを導入する方法が開示される。燃料ガスは、掃気スワール方向と逆の方向において角度Ａで半径方向に対して角度を付けられている第１のノズル軸に沿って、第１の燃料ガス弁を介してシリンダ内に導入され、シリンダ内の圧縮ストロークの終わりにおける燃料ガスの分布が、第１のノズル軸が掃気スワール方向に沿って角度Ａで角度を付けられた場合に生じたであろうシリンダ内の燃料ガスの分布と比較して、より均一性が低くなることをもたらし、それによって、過早着火の増大されたリスクをもたらし、ここで、一定量の排気ガスが、過早着火の増大されたリスクに対処するために、排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムを使用して、シリンダに供給される。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3a】

【図3b】

【図4a】

【図4b】