CN106460640A - 排气静压管支承结构及具备该结构的内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够提高固有振动频率且能够尽可能抑制传递至安装部的弯曲力矩增加的排气静压管支承结构。所述排气静压管支承结构具备：挠性板(32)，其设置在排气静压管(14)与扫气总管(20)之间且具有从下方支承排气静压管(14)的板(32a、32b)，并且板(32a、32b)配置成与排气静压管(14)的长边方向正交；上侧安装板(40)，其对排气静压管(14)固定且与挠性板(32)的上端部连接；及下侧安装板(43)，其对扫气总管(20)固定且与挠性板(32)的下端部连接，挠性板(32)由以中间夹住上侧安装板(40)及下侧安装板(43)的方式连接的一对对置板(32a)和与一侧的对置板(32a)相邻设置的相邻板(32b)构成。

Description

排气静压管支承结构及具备该结构的内燃机
技术领域
本发明涉及一种例如支承向设为静压式的增压器引导排气的排气静压管的排气静压管支承结构及具备该结构的内燃机。
背景技术
在用作船用主机的大型二冲程柴油机(内燃机)中使用静压式增压器。在该静压式增压器中连接有临时积存导入增压器之前的排气的排气静压管。排气静压管为了抑制从柴油机的各缸体排出的排气的脉动而设为具有规定容量的空间的容器。另外，排气静压管也称为排气接收器或排气歧管。
这种排气静压管承受其本身的重量及从各缸体侧产生的气压所引起的荷载，因此通过支承板及挠性板被支承于柴油机主体(参考下述专利文献1)。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4995990号公报
发明的概要
发明要解决的技术课题
支承板通过从下方支承排气静压管而主要承受排气静压管的重量。而且，支承板沿排气静压管的长边方向配置且具有长边方向的刚性，因此能够抑制排气静压管的长边方向的振动。
在支承板的两侧沿排气静压管的长边方向隔着规定间隔设置有多个挠性板。例如作为参考例，示意地如图8所示，挠性板50设置在排气静压管14与扫气总管20之间并通过从下方支承排气静压管14而承受排气静压管14的重量及由气压引起的荷载。而且，挠性板50由与排气静压管14的长边方向正交的横向方向(图8的纸面垂直方向)配置的一对板50a构成，因此能够抑制排气静压管14的横向方向振动。并且，沿排气静压管14的横向方向配置有挠性板50，因此如图8所示的其变形状态，能够向排气静压管14的长边方向挠曲变形。由此，挠性板50可容许由排气静压管14的热量引起的长边方向的伸缩。
近年来随着柴油机的长冲程化，并伴随柴油机的缸体部分的尺寸变长，排气静压管与从下方支承排气静压管的柴油机主体(例如扫气总管)的固定位置的距离有变长的倾向。因此，从下方支承排气静压管的支承板及挠性板的上下方向的长度变长。由此，支承排气静压管的支承板及挠性板的刚性降低，排气静压管的振动变大，由于该振动，可能会损伤为了安装支承板而固定在排气静压管上的安装板或为了安装挠性板而固定在排气静压管上的安装板(参考图8的符号40)、以及为了安装支承板而固定在柴油机主体中的安装板或为了安装挠性板而固定在柴油机主体中的安装板(参考图8的符号43)，而且可能会损伤附属于它们的配管。
为了减少这种排气静压管中产生的振动，作为一般的对策可举出增加支承板及挠性板的板厚以提高刚性，并提高固有振动频率。
然而，在挠性板的情况下，若为了提高固有振动频率而增加板厚，则由于成为高温的排气静压管的长边方向的热伸长位移，将会产生较大的弯曲力矩。该弯曲力矩也被传递至与挠性板连接的安装板，并且可能会在相对于强度相对较低的排气静压管或柴油机主体固定的安装板的固定部产生较大的应力而造成损伤。
本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种能够提高固有振动频率且尽可能抑制传递至安装部的弯曲力矩的增加的具备挠性板的排气静压管支承结构及具备该结构的内燃机。
用于解决技术课题的手段
本发明的第1方式为一种排气静压管支承结构，其临时积存从内燃机主体排出的排气，并且将长边轴线沿水平方向延伸的排气静压管相对于所述内燃机主体支承，所述排气静压管支承结构具备：第1支承部，其设置在所述排气静压管与所述内燃机主体之间且具有从下方支承该排气静压管的第1板状体，并且该第1板状体配置成与所述水平方向正交；上侧安装部，其对所述排气静压管固定且安装在所述第1板状体的上端部；及下侧安装部，其对所述内燃机主体固定且安装在所述第1板状体的下端部，所述第1板状体由以中间夹住所述上侧安装部及所述下侧安装部的方式连接的一对对置板状体和至少与一侧的该对置板状体相邻设置的相邻板状体构成。
根据本方式，第1支承部通过从下方支承排气静压管来承受排气静压管的重量。而且，第1支承部通过以与水平方向正交的方式配置的第1板状体，抑制与水平方向正交的方向即横向方向的振动。并且，第1板状体配置成与水平方向正交，因此能够向排气静压管的长边方向挠曲变形。由此，第1支承部以容许由排气静压管的热量引起的长边方向的伸缩的方式变形。
根据本方式，将第1板状体设定成，除了一对对置板状体之外还设置与对置板状体相邻的相邻板状体。如此通过设为共计3片以上的板状体，能够提高排气静压管的横向方向的固有振动频率。并且，并非增加一对对置板状体中的一侧或两侧的板厚，而是减小每一片的板厚并增加板状体的片数来增加整体的合计板厚以提高第1支承部的刚性。由此，能够抑制从第1板状体的端部传递至上侧安装部及下侧安装部的弯曲力矩的增加，因此通过抑制上侧安装部及下侧安装部中所产生的应力的增加，能够避免将上侧安装部及下侧安装部固定在排气静压管及内燃机主体上的固定部的损伤。
作为安装第1支承部的下端的内燃机主体，典型地可举出扫气总管。
排气静压管的长边轴线无需与水平方向严格一致地延伸，可根据组装精度等关系在规定范围内从水平方向倾斜。
上述排气静压管支承结构中，所述对置板状体与所述相邻板状体可设为相同板厚。
通过将对置板状体与相邻板状体设为相同板厚，能够不增加额外的成本而进行制造。并且，对置板状体及相邻板状体各自的板厚优选小于夹入于对置板状体中的上侧安装部或下侧安装部的板厚。
上述排气静压管支承结构中，可具备第2支承部，其设置在所述排气静压管与所述内燃机主体之间且具有从下方支承该排气静压管的第2板状体，并且沿所述水平方向配置该第2板状体。
第2支承部通过从下方支承排气静压管来承受排气静压管的重量。而且，第2支承部通过沿水平方向配置的第2板状体，抑制水平方向即排气静压管长边轴线方向的振动。
本发明的第2方式为具备上述排气静压管支承结构的内燃机。
根据本方式，具备上述发明所述的排气静压管支承结构，因此即使将内燃机长冲程化而第2支承部变长，也能够抑制排气静压管的横向方向的振动且避免安装部的损伤而支承排气静压管。
发明效果
本发明能够提高与排气静压管的长边方向正交的横向方向的固有振动频率，并且能够尽可能抑制传递至安装部的弯曲力矩的增加。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式所涉及的柴油机的概要结构图。
图2是从排气静压管侧观察图1的柴油机时的侧视图。
图3是放大表示图2的排气静压管周围的侧视图。
图4是放大表示图3的挠性板的主视图。
图5是放大表示图3左端的挠性板的侧视图。
图6是进一步放大表示图5的挠性板的侧视图。
图7是表示本发明的一实施方式所涉及的挠性板的变形状态的侧视图。
图8是表示作为参考例的挠性板的变形状态的侧视图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。
图1中示出本发明的实施方式所涉及的十字头型柴油机(内燃机)1的概要。该图所示的柴油机1例如用作LNG船或集装箱船等的船用主机，并且采用低速二冲程一工作循环的直流扫气方式。
柴油机1具备位于下方的台板3、设置在台板3上的构架5及设置在构架5上的夹套7。这些台板3、构架5及夹套7通过沿上下方向延伸的多个拉紧螺栓(未图示)被一体紧固固定。
在夹套7中设置有缸套9，在缸套9的下端侧形成有多个扫气口10。在缸套9的上端设置有缸体罩11。在缸体罩11中设置有排气阀12。如此，采用如下直流扫气方式，即从设置在缸套9的下端侧的扫气口10空气作为扫气从下方导入于缸体内，并且从位于缸体内的上方的排气阀12排出排气。
从各气筒的排气阀12所排出的排气在排气静压管14中集中后输送至增压器16。增压器16中，通过所导入的排气使未图示的排气涡轮旋转，由此使同轴连接的未图示的压缩机旋转。压缩机压缩从外部收进的空气，被压缩的空气通过空气冷却器18进行冷却后被引向扫气总管20。导入于扫气总管20的压缩空气被引向上述的扫气口10。
在由缸套9及缸体罩11形成的空间内可往复移动地设置有活塞13。在活塞13的下端可转动地安装有活塞杆15的上端。
台板3设为曲轴箱且设置有曲轴17。从曲轴提取的旋转输出可传递至船舶的推进用螺旋桨。在曲轴17的上端可转动地连接有连接杆19的下端。
在构架5上设置有可转动地连接活塞杆15与连接杆19的十字头21。即，活塞杆15的下端及连接杆19的上端与十字头21连接。十字头21可沿着上下方向延伸的一对滑动板23而沿上下方向往复移动。
如图1及图2所示，排气静压管14呈将长边轴线沿水平方向延伸的圆筒形状。另外，排气静压管14的长边轴线无需与水平方向严格一致地延伸，可根据组装精度等关系在规定范围内从水平方向倾斜。
排气静压管14的长边方向(参考图3)与柴油机1的长边方向(发动机长边方向)一致。另外，排气静压管14的长边方向无需与柴油机1的长边方向严格一致，可根据组装精度等关系在规定范围内从柴油机1的长边方向倾斜。
排气静压管14的大小也依赖于所使用的柴油机1的机种，但长边方向的尺寸为3～20m，直径为1～2m。并且，当柴油机1的缸体数多且串联排列缸体时，有时将排气静压管14沿长边方向排列多个并将排气静压管之间用具有可挠性的连接管来连接。
相对于柴油机1主体侧的扫气总管20，排气静压管14从下方得以支承。具体而言，在排气静压管14与扫气总管20之间，设置有具有支承板(第2支承部)30及挠性板(第1支承部)32的排气静压管支承结构。
如图3所示，支承板30通过从扫气总管20向上方向立设并从下方支承排气静压管14而承受排气静压管14的重量。支承板30设置在排气静压管14的重心位置即长边方向上的中央位置，因此主要承受排气静压管14的重量。在此，排气静压管14的长边方向上的中央位置并非指严格意义上的中央位置，也可以是在规定范围内从中央位置偏离的位置。并且，本实施方式中，支承板30位于排气静压管14的重心位置，但可在从排气静压管14的重心偏离的位置设置支承板30。
支承板30沿排气静压管14的长边方向配置且呈将上边作为短边的梯形形状。支承板30例如由铁类金属制的对置的一对板(第2板状体)构成，各个板以彼此之间隔着规定间隙重叠的状态来配置。
支承板30的上端相对于通过焊接等固定在排气静压管14的下端的安装部34，通过多个螺栓35及螺母等得以刚性固定。支承板30的下端相对于通过螺栓37等固定在扫气总管20的上部的安装部36，通过多个螺栓及螺母等得以刚性固定。支承板30设为沿排气静压管14的长边方向配置的板状体，因此在长边方向具有较高的弯曲刚性，从而能够抑制排气静压管14的长边方向的振动。
如此，支承板30主要承受排气静压管14的重量，并且发挥抑制排气静压管14的长边方向的振动的作用。
挠性板32从扫气总管20向上方向立设且在支承板30的侧方设置有多个(图3中为4个)，并通过从下方支承排气静压管14而承受排气静压管14的重量。挠性板32的数量根据排气静压管14的长边方向的尺寸适当确定，但优选至少设置在排气静压管14的两端。这是因为能够有效地抑制排气静压管14的长边方向的中央位置上的铅垂轴线周围的振动(所谓的偏转方向的振动)。
挠性板32以与排气静压管14的长边方向正交的方式配置，且设为沿与该长边方向正交的方向(以下称为“排气管横向方向”。参考图4)延伸的板状体，因此在排气管横向方向具有较高的弯曲刚性。因此，挠性板32能够抑制排气静压管14的排气管横向方向的振动。并且，挠性板32以沿排气管横向方向延伸的方式配置，因此能够向排气静压管14的长边方向挠曲变形(例如参考图7)。由此，挠性板32能够以容许由排气静压管14的热量引起的长边方向的伸缩的方式变形。
如此，挠性板32容许排气静压管14的长边方向的热变形且在各位置承受排气静压管14的重量，并发挥抑制排气管横向方向的振动的作用。
图4中示出从正面观察挠性板32时的图。如该图所示，挠性板32的上端相对于安装在排气静压管14上且向下方突出的上侧安装板(上侧安装部)40，通过多个螺栓41a及螺母41b(参考图5)等得以刚性固定。具体而言，如图5所示，以将构成挠性板32的多个板(第1板状体)32a、32b从上侧安装板40的两侧夹入的状态固定挠性板32的上端。
如图4所示，挠性板32的下端相对于在扫气总管20的上部通过螺栓45(参考图6)等固定的下侧安装板(下侧安装部)43，通过多个螺栓44a(参考图5)及螺母44b等得以固定。具体而言，如图5所示，以从下侧安装板43的两侧夹入构成挠性板32的多个板32a、32b的状态固定挠性板32的下端。
如图6所示，挠性板32由铁类金属制的多个板32a、32b构成。具体而言，挠性板32由以夹住上下安装部40、43的方式对置配置的一对对置板32a、32a及以与一侧(图6中为左侧)的对置板32a的外侧重叠的状态配置的相邻板32b构成。本实施方式中，设为共计3片构成挠性板32的板。但板的数量也可以是4片以上，也可与另一侧(图6中为右侧)的对置板32a重叠的方式设置相邻板32b。
3片的各个板32a、32b的形状均设为大致相同的形状，且具有相同的板厚t、相同的上下固定部间距离L1及相同的宽度b(参考图4)。板32a、32b的板厚t设为5mm以上，根据机种可设为10mm以上或14mm以上，进而可设为20mm以上。固定部间距离L1设为600mm以上，根据机种可设为1000mm以上，进而可设为2000mm以上。
并且，固定部间距离L1相对于板32a、32b的宽度b(L1/b)大于1，根据机种呈所述值为1.5以上进而为2.0以上的纵长形状。
另外，各个板的形状无需为严格意义上的相同形状，只要是具有作为由各个板构成的挠性板的功能，则可适当改变各个板的形状。并且，各个板可采用不同的板厚t。但各个板的板厚t优选薄于上安装板40、下安装板43的板厚T，并且，累计各个板的板厚t的合计板厚由挠性板32所要求的设计强度来确定。
本实施方式的挠性板32，不是一对2片板，而是由3片板32a、32b构成，以下对该优点进行说明。
由排气静压管14的热伸长引起的挠性板32的弯曲力矩M由下式来表示。
M＝6·E·n·I1·δmax/L1^2[kgf-mm]…… (1)
在此，上式中的各要素如下。
E：纵弹性系数(21000kgf/mm2)
n：构成挠性板的板的片数
I1：板的横向方向中心线的截面二次矩
b：板的宽度(mm)
t：板的厚度(mm)
L1：板的固定部之间长度(mm)
δmax：热伸长量(mm)
截面二次矩I1由下式来表示。
I1＝b·t^3/12[mm4]
若用该关系来变形式(1)，则成为下式。
M＝E·n·b·t^3·δmax/(2·L1^2)[kgf-mm]…… (2)
热伸长量δmax、板的固定部之间长度L1及板宽度b由柴油机1主体侧的设计确定，因此在此可视为常数。因此，若将E、b、δmax及L1设为常数，则式(2)能够如下式变形。
M∝n·t^3…… (3)
从上式可知，通过排气静压管14的热伸长产生的挠性板32的固定部中的弯曲力矩M与板的片数n成正比例，与板的板厚t的3次方成正比例。
上式(3)所示的弯曲力矩M经由挠性板32的各个板的固定部分别传递至上侧安装板40及下侧安装板43。通过该弯曲力矩M在上侧安装板40及下侧安装板43中产生下式所示的应力σ。
σ＝M/Z[kgf/mm2]…… (4)
在此，上式中的各要素如下。
Z：各个安装板40、43的截面系数(Z＝b1·T^2/12)
T：各个安装板40、43的厚度(mm)
b1：各个安装板40、43的宽度(mm)
安装板40、43的厚度T及宽度b1由排气静压管14及柴油机1主体侧的设计确定，因此在此可视为常数。因此，若将T、b1、Z设为常数，则上式(4)能够如下式变形。
σ∝M…… (5)
因而，由式(3)及式(5)可导出下式(6)。
σ∝M∝n·t^3…… (6)
从上式可知，安装板40、43中所产生的应力与从挠性板32传递至安装板40、43的弯曲力矩M成正比例，并且与板的片数n成正比例，与板的板厚t的3次方成正比例。
接着，对排气静压管14及支承排气静压管14的挠性板32的排气管横向方向的固有振动频率fEC进行探讨。固有振动频率fEC由下式来表示。
fEC＝(k1/m)^0.5/(2·π)[Hz]…… (7)
在此，上式中的各要素如下。
k1：排气管横向方向的弹簧常数
I2：板的长边方向中心线的截面二次矩
m：排气静压管14的质量
另外，弹簧常数k1及截面二次矩I2由下式来表示。
k1＝3·E·n·I2/L1^3
I2＝t·b^3/12[mm4]
若将这些代入上式(7)，则成为下式。
fEC＝(3·E·n·t·b^3/(12·m·L1^3))^0.5/(2·π)
＝11.5·((n·t·b^3)/(m·L1^3))^0.5[Hz]……(8)
排气静压管14的质量m由排气静压管的容积及强度来确定，因此在此可视为常数。因此，若将E、b、m及L1设为常数，则能够如下式变形。
fEC∝(n·t)^0.5……(9)
根据上式，挠性板的排气管横向方向的固有振动频率fEC与板的片数的0.5次方成正比例，与板的板厚的0.5次方成正比例。
当因板的片数n或板厚t的改变而从挠性板32传递至安装板40、43的弯曲力矩M变化，随此而安装板40、43中所产生的应力σ变化时，为了避免应力σ增加而损伤上安装板40、下安装板43，需要在改变板的片数n或板厚t的前后至少使应力σ(弯曲力矩M)恒定。为此，由上式(6)可导出下式。
t∝(1/n)^(1/3)…… (10)
从上式(10)可知，当变更为2片板且其应力σ与1片板所承受的应力σ相同时，重叠2片设为(1/2)^(1/3)＝约0.8倍的板厚的板即可。即，只要是小于约0.8倍的板厚的板，则与1片板的情形相比板中所产生的应力变小。
当以片数n或板厚t的改变前后使弯曲力矩M为恒定的方式根据上式(10)确定板厚t时，挠性板32的排气管横向方向的固有振动频率fEC从式(9)成为下式。
fEC∝n^(1/3)…… (11)
从上式可知，当以片数n或板厚t的改变前后弯曲力矩M不变化的方式确定各个板的板厚t时，越增加板的片数n，挠性板32的横向方向的固有振动频率fEC与板片数的1/3次方成正比例而变得越大。
并且，由式(6)及式(9)可如下理解。即，与其不改变挠性板的固有振动频率而使用设为板厚t的1片板，不如使用即使是相同板厚t也将其设为一半板厚即0.5t的2片板，如此能够使安装板40、43中所产生的应力σ变小。
因此，如本实施方式，在设为一对2片板的情况下，不是增加一侧或两侧板的板厚来实现固有振动频率的增加，而是设定成除了一对板32a之外还增加了相同板厚的相邻板32b的3片板32a、32b，由此能够实现固有振动频率的增加，并且能够避免传递至安装板40、43的力矩M的增加。
如上所述，根据本实施方式发挥以下的作用效果。
在柴油机1的运转中，各种时刻排气从多个缸体被引向排气静压管14。在排气静压管14内，排气的脉动被抑制，排气的能量转换为静压。此时，对排气静压管14施加从柴油机1主体传递的振动、排气压力的影响及排气静压管14的自重等，因此通过支承板30及挠性板32从下方支承排气静压管14。
排气静压管14的主要重量通过设置在长边方向的大致中央位置的支承板30来支承。排气静压管14的长边方向的振动通过沿长边方向延伸的支承板30来抑制。
另一方面，排气静压管14的各长边方向位置上的一部分荷载通过挠性板32来支承。排气静压管14的横向方向的振动通过沿排气静压管14的横向方向延伸的挠性板32来抑制。并且，如图7所示，排气静压管14的长边方向上的热伸长通过挠性板32向排气静压管14的长边方向挠曲变形而得以容许。
本实施方式中，将挠性板32设定成，除了一对对置板32a之外，还将与这些对置板32a相同板厚的相邻板32b与对置板32a相邻设置。如此设定共计3片板，由此能够提高横向方向的固有振动频率。
并且，并非增加板的板厚，而是通过增加板的片数来增加整体的合计板厚以提高挠性板32的刚性。如此，即使提高挠性板32的刚性，也并非采用厚的1片板而是组合将其分割而得到的薄板，因此能够抑制从挠性板32的固定部传递至上侧安装部40及下侧安装部43的弯曲力矩的增加，并通过抑制上侧安装部40及下侧安装部43中所产生的应力的增加，能够避免固定在排气静压管14及扫气总管20上的固定部的损伤。
另外，上述的实施方式中，采用了用作船用主机的大型柴油机，但本发明并不限定于此，只要是具备排气静压管的设备也能够适用于其他内燃机中。
并且，上述的实施方式中，将挠性板下端的连接处设为扫气总管来进行了说明，但本发明并不限定于此，只要是用于连接挠性板下端的适当的内燃机主体侧的结构即可。
并且，上述的实施方式中，设为具备支承板30的结构来进行了说明，但也可以是不使用支承板30而仅用挠性板32来支承排气静压管14的结构。
符号说明
1-柴油机(内燃机)，9-缸套，14-排气静压管，16-增压器，20-扫气总管，30-支承板(第2支承部)，32-挠性板(第1支承部)、32a-对置板(对置板状体)，32b-相邻板(相邻板状体)，40-上侧安装板(上侧安装部)、43-下侧安装板(下侧安装部)。

Claims (4)

1.一种排气静压管支承结构，其临时积存从内燃机主体排出的排气，并且将长边轴线沿水平方向延伸的排气静压管相对于所述内燃机主体支承，所述排气静压管支承结构的特征在于，具备：
第1支承部，其设置在所述排气静压管与所述内燃机主体之间且具有从下方支承该排气静压管的第1板状体，并且该第1板状体配置成与所述水平方向正交；
上侧安装部，其对所述排气静压管固定且安装在所述第1板状体的上端部；及
下侧安装部，其对所述内燃机主体固定且安装在所述第1板状体的下端部，
所述第1板状体由以中间夹住所述上侧安装部及所述下侧安装部的方式连接的一对对置板状体和至少与一侧的该对置板状体相邻设置的相邻板状体构成。
2.根据权利要求1所述的排气静压管支承结构，其中，
所述对置板状体与所述相邻板状体被设为相同板厚。
3.根据权利要求1或2所述的排气静压管支承结构，具备第2支承部，其设置在所述排气静压管与所述内燃机主体之间且具有从下方支承该排气静压管的第2板状体，并且沿所述水平方向配置该第2板状体。
4.一种内燃机，其特征在于，具备权利要求1至3中任一项所述的排气静压管支承结构。
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