内燃机及具备该内燃机的船舶制造技术

本发明专利技术提供一种通过促进缸内的预混合气体的混合来提高燃烧稳定性的内燃机。所述内燃机(1)具备：活塞(13)，在气缸套(9)内进行往复移动；气缸盖(11)，设置于气缸套(9)的一端侧；排气阀(12)，设置于气缸盖(11)；扫气口(10)，设置于气缸套(9)的另一端侧；及预混合气体阀(30)，设置于气缸盖(11)，且向由气缸套(9)及气缸盖(11)形成的缸内喷射气体燃料，预混合气体阀(30)设置于气缸盖(11)，且向通过活塞(13)关闭扫气口(10)之后的活塞(13)以高压喷射气体燃料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种使用气体燃料进行预混合燃烧的内燃机及具备该内燃机的船舶。
技术介绍
近年来，考虑到LNG(液化天然气)等液化气运输船的需要，进行了作为船用主机的双燃料发动机(以下称为“DF发动机”。)的开发(参考下述专利文献1及2)。DF发动机具备燃烧燃油的燃油模式与燃烧LNG等气体燃料的气体燃料模式。另外，气体燃料模式中，作为点火用的先导燃料，通常使用燃油。以往技术文献专利文献专利文献1：日本专利第5395848号公报专利文献2：国际公开第2013/183737号专利技术的概要专利技术要解决的技术课题作为液化气运输船的船用主机使用的DF发动机使用额定转速设为200rpm以下的低速2冲程柴油机。这种DF发动机中，在进行气体燃料模式时存在进行气体燃料的扩散燃烧的扩散燃烧型与进行气体燃料的预混合燃烧的预混合燃烧型。图12中示出扩散燃烧型的DF发动机。扩散燃烧型的DF发动机100具备气缸套101及在气缸套101内进行往复移动的活塞103。气缸套101的上端设有气缸盖105，该气缸盖105上设有1个排气阀107、2个扩散用气体燃料喷射阀109及2个燃油阀111。并且，气缸套103的下方设有扫气口113。如图12所示，通过活塞103关闭扫气口113且还关闭排气阀107之后，通过活塞103上升来压缩缸内的空气。并且，如图13所示，若活塞103到达上止点附近，则从燃油阀111喷射燃油作为先导油，并且与该先导油同时或紧随其后，从扩散用气体燃料喷射阀109喷射例如为约30MPa左右的高压的气体燃料。由此，如图14所示，根据气体燃料的喷射而在缸内进行扩散燃烧(此时，来自燃油阀111的先导油的喷射停止)，通过膨胀冲程，活塞103向下方被推压。基于这种气体燃料的扩散燃烧具备具有与基于柴油机的燃油的扩散燃烧相同水平的燃烧稳定性的优点。但是，利用了基于气体燃料的扩散燃烧的柴油机与利用了基于燃油的扩散燃烧的柴油机相比，能够减少20～30％左右的NOx(氮氧化物)，但由于利用扩散燃烧，因此NOx排出量依然较多，尤其作为船用主机使用时，无法满足国际海事组织(IMO)所规定的TierIII。因此，具有如下问题：在适用了上述TierIII的排气限制海域(ECA；EmissionControlArea)中，若不进行任何NOx减排措施则无法运行。为了减少NOx排出量，可考虑追加SCR(SelectiveCatalyticReduction；选择性催化还原)等排气处理装置或用于减少NOx的EGR(ExhaustGasRecirculation；排气再循环)等附带设备，但会导致初始成本和运行成本增加。图15中示出预混合燃烧型的DF发动机120。另外，对与利用图12～图14进行说明的扩散燃烧型的DF发动机100相同的结构标注相同符号。预混合燃烧型的DF发动机120与图12等所示的扩散燃烧型的DF发动机100相比，喷射气体燃料的喷射阀的位置不同。具体而言，预混合燃烧型的DF发动机120中，在气缸套101的侧部且扫气口113的上方设有2个预混合用气体燃料喷射阀122。如图15所示，通过活塞103关闭扫气口113之后，从预混合用气体燃料喷射阀122喷射气体燃料。从预混合气体燃料喷射阀122喷射的燃烧气体朝向大致水平方向以例如小于1.0MPa的低压进行喷射。由此，预混合从扫气口113导入的空气与气体燃料。并且，如图16所示随着活塞103上升，预混合气体被压缩，若活塞103到达上止点附近，则从燃油阀111喷射先导油并进行点火。由此，如图17所示，在缸内进行基于火焰锋面传播的预混合燃烧(此时，来自燃油阀111的先导油的喷射停止)，通过膨胀冲程，活塞103向下方被推压。基于这种气体燃料的预混合燃烧具有NOx排出量低，且即使不利用上述SCR和EGR也能够通过发动机单独实现上述TierIII的优点。但是，预混合燃烧型的DF发动机120具有产生预混合燃烧特有的过早点火、爆燃等异常燃烧的风险，且具有与扩散燃烧相比，燃烧稳定性差的问题。并且，预混合燃烧型的DF发动机120为喷射低压的气体燃料的结构，因此，气体燃料与空气(扫气)的混合不够充分且混合气体浓度容易变得不均匀。已知过早点火、爆燃等异常燃烧易在局部气体浓度较高(空气过剩率λ低)的位置产生，若仅喷射低压的气体燃料则混合气体浓度变得不均匀，因此，发生异常燃烧的可能性变高。相对于此，上述专利文献1中公开有，通过从设有气体喷射阀的高度位置朝向与缸体轴向正交的方向以低压喷射气体燃料，不会使气体燃料朝向成为热点的缸体顶部、排气阀而与从扫气口导入的扫气混合，从而可不将气体燃料设为高压而进行预混合。但是，该专利文献1中记载的喷射方法也存在由于气体燃料的喷射方向为水平方向，因此未有效利用燃烧空间的上部(图15(b)的符号A所示的区域)，而预混合不够充分的问题。因此，利用预混合燃烧的DF发动机中，具有为了避免异常燃烧不得不降低压缩比来运行，导致热效率下降的问题。并且，越是较高Pme(缸内平均有效压力)的高负荷下的运行，越容易发生异常燃烧且燃烧稳定性下降，因此，即使如上述那样降低几何学的压缩比也很难高负荷运行，进而需要对负荷(即Pme)进行限制。尤其，作为船用主机使用DF发动机时具有如下问题：在适用了上述TierIII的ECA中，无法进行高负荷运行，而导致降低船舶的运行自由度。本专利技术是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种促进缸内的预混合气体的混合来提高燃烧稳定性的内燃机及具备该内燃机的船舶。用于解决技术课题的手段本专利技术的第1方式的内燃机具备：气缸套；活塞，在该气缸套内进行往复移动；气缸盖，设置于所述气缸套的一端侧；排气阀，设置于该气缸盖；扫气口，设置于所述气缸套的另一端侧；及第1气体燃料喷射阀，设置于所述气缸盖，且向由所述气缸套及所述气缸盖形成的缸内喷射气体燃料作为预混合燃烧用燃料，所述第1气体燃料喷射阀向由所述活塞关闭所述扫气口之后的该活塞喷射所述气体燃料。本专利技术的第1方式中，将第1气体燃料喷射阀设于气缸盖，朝向通过活塞关闭扫气口之后的活塞(例如从上方朝向下方)喷射气体燃料。由此，能够有效利用通过活塞关闭扫气口之后的燃烧空间的活塞往复移动方向(例如上下方向)并将气体燃料喷射至整体，可促进气体燃料与氧化剂气体的混合。因此，能够增加局部气体燃料浓度变高的局部最小λ(λ为空气过剩率)，通过尽可能避免过早点火、爆燃等异常燃烧，能够提高燃烧稳定性。并且，由于能够尽可能避免过早点火、爆燃等异常燃烧，因此，与以往的预混合发动机相比，能够减小压缩比的降低量，且能够使热效率的降低最小化，也能够在较高Pme(缸内平均有效压力)的高负荷下运行。作为喷射气体燃料的时刻，优选在活塞关闭扫气口之后且气体燃料不会从排气阀泄露到系统外部的范围，具体而言，例如为140以上且20degBTDC以下(BTDC为BeforeTopDeadCentre)，优选设为100以上且60degBTDC以下。另外，本方式的第1气体燃料喷射阀与排气阀同样地设置于气缸盖，以远离排气阀的方式喷射气体燃料，因此，即使在排气阀完全关闭之前，也能够开始气体燃料的喷射。如此在关闭排气阀之前开始气体燃料的喷射，则能够确保气体燃料与氧化剂气体混合的时间较多，因此能够更均匀地混合。作为排气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种内燃机，其特征在于，具备：气缸套；活塞，在该气缸套内进行往复移动；气缸盖，设置于所述气缸套的一端侧；排气阀，设置于该气缸盖；扫气口，设置于所述气缸套的另一端侧；及第1气体燃料喷射阀，设置于所述气缸盖，且向由所述气缸套及所述气缸盖形成的缸内喷射气体燃料，所述第1气体燃料喷射阀向由所述活塞关闭所述扫气口之后的该活塞喷射所述气体燃料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.05 JP 2014-1168341.一种内燃机，其特征在于，具备：气缸套；活塞，在该气缸套内进行往复移动；气缸盖，设置于所述气缸套的一端侧；排气阀，设置于该气缸盖；扫气口，设置于所述气缸套的另一端侧；及第1气体燃料喷射阀，设置于所述气缸盖，且向由所述气缸套及所述气缸盖形成的缸内喷射气体燃料，所述第1气体燃料喷射阀向由所述活塞关闭所述扫气口之后的该活塞喷射所述气体燃料。2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述活塞的冲程与所述气缸套的内径的比即缸径冲程比设为3以上。3.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，从所述第1气体燃料喷射阀喷射的气体燃料的压力，以绝对压力设为1.0MPa以上且50MPa以下。4.根据权利要求1至3中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述气缸盖设有向所述缸内喷射...

【专利技术属性】
技术研发人员：驹田耕之，平冈直大，渡边壮太，石田裕幸，
申请(专利权)人：三菱重工业株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP