JP2001234717A

JP2001234717A - 内燃機関のガス交換システムおよびこの種のガス交換システムを操作する方法

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Publication number: JP2001234717A
Application number: JP2001000264A
Authority: JP
Inventors: Alfred Franz Wunder; フランツヴンデルアルフレット; Robert Hofer; ホファーロバート
Original assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Current assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Priority date: 2000-01-06
Filing date: 2001-01-05
Publication date: 2001-08-31
Anticipated expiration: 2021-01-05
Also published as: EP1114918B1; CN1201065C; EP1114918A2; KR100727476B1; KR20010070375A; PL344952A1; CN1302944A; PL199631B1; EP1114918A3; DE50007373D1; JP4576054B2; DK1114918T3

Abstract

(57)【要約】【課題】油圧で起動可能なガス交換弁（２０）と、ガ
ス交換弁（２０）を起動するため、ガス交換弁（２０）
に接続する作動媒体の第１流体システム（３０）とを備
える内燃機関のガス交換システムを提供すること。【解決手段】ガス交換システムは、さらに、油圧媒体
の第２流体システム（４０）、ガス交換弁（２０）を起
動するために第２流体システム（４０）に設けた主制御
弁（５０）、および主制御弁（５０）とガス交換弁（２
０）との間に配置され、一方で第１流体システム（３
０）に接続し、他方で第２流体システム（４０）に接続
することができる媒体分離器（７０）を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関のガス交
換システムに関し、かつ、個々のカテゴリーの独立請求
項のプレアンブルに従ったこの種のガス交換システムを
操作する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の出口弁の油圧作動装置が、欧
州特許出願第ＥＰ‐ａ‐０５３９３２０号から知られ
ている。出口弁の弁体は、油圧制御装置に接続されたサ
ーボ・ピストンを介して作動される。油圧制御装置は、
電磁石によって作動されて制御弁を付勢するパイロット
弁を備える。さらに、油圧媒体を加圧状態で保持する油
圧蓄圧器が設けられている。出口弁を開くには、制御弁
が、対応するパイロット弁の付勢を介して、油圧蓄電圧
器とサーボ・ピストンとの間の流れ接続を開く位置に切
り換えられ、その結果、サーボ・ピストンは加圧された
油圧媒体によって充填され、弁体を開位置へと動作させ
る。出口弁を閉じるには、制御弁が、対応するパイロッ
ト弁の付勢を介して、油圧蓄圧器とサーボ・ピストンと
の間の流れ接続を閉じる位置、同時に油圧媒体が流れ出
してサーボ・ピストンの圧力を逃がすことができる位置
に切り換える。

【０００３】この装置は、実際に価値があることが証明
されているが、それでも欠点が生じる。したがって、例
えば保守、点検または修理作業に関して、シリンダ・キ
ャップを外す必要があり、これに対して油圧システムを
開かなければならない。これによって、通常、細目フィ
ルタによって清浄に維持されている油圧システムの汚染
という深刻な危険が生じる。この種の汚染物質は、特に
パイロット弁および制御弁に損傷を与えることがあり、
これは莫大な修理費がかかる。エンジンのシリンダは全
て同じ油圧システムに接続されるので、この汚染の危険
は、１つのシリンダ・キャップしか開く必要がない場合
でも、全てのシリンダに存在する。また、組立中に漏れ
が生じる危険があり、これは油圧システム全体に影響を
与え、したがってエンジンはもはや始動することができ
ない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この先行技術から開始
し、したがって本発明の目的は、列挙した欠点がもはや
生じないガス交換システムおよびそれを操作する方法を
提案することである。ガス交換システムは、油圧システ
ム、特にパイロット弁および制御弁の汚染の危険なく、
個々のシリンダで修理または保守作業を実施することが
できるようにしなければならない。

【０００５】装置および方法に関してこの目的を満足さ
せる本発明の主題は、個々のカテゴリーの独立請求項の
特徴によって特徴付けられる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】したがって、本発明によ
ると、油圧で作動可能なガス交換弁と、ガス交換弁を作
動させるためにガス交換弁に接続された作業媒体の第１
流体システムとを備える内燃機関のガス交換システムが
提案される。ガス交換システムは、さらに、油圧媒体の
第２流体システム、ガス交換弁の付勢のために第２流体
システムに設けた主制御弁、および主制御弁とガス交換
弁の間に配置されて、一方では第１流体システムに接続
され、他方では第２流体システムに接続することができ
る媒体分離器を備える。

【０００７】媒体分離器によって分離された２つの流体
システムを設けるという措置により、主制御弁で第２流
体システムを開く必要なく、個々のシリンダで修理また
は保守作業を実施することが可能であり、したがってこ
の第２流体システムには汚染または漏れの危険が存在し
ない。さらに、この措置により、個々の各シリンダを内
燃機関から分離することが可能であり、したがってｎ個
のシリンダを有する内燃機関は、例えば（ｎ−１）個の
シリンダで運転を続けながら、その間に、分離されたシ
リンダで修理作業を実施することができる。

【０００８】好ましい実施形態では、主制御弁は、開位
置と閉位置とをとることができる制御ピストンを備え、
内燃機関の通常の操作時には、開位置にするとガス交換
弁が開き、閉位置ではガス交換弁が閉じる。主制御弁
は、さらに、閉位置に向かう方向の力で制御ピストンを
偏倚する態様で配置されたばね要素を備える。つまり、
制御ピストンはばね要素の力に抗して開位置へと動作し
なければならない。第２流体システムに圧力がない場
合、ばね要素により制御ピストンは確実に閉位置へと動
作するか、又は閉位置に保持される。したがって、ばね
要素は制御ピストンの閉位置の方向に偏倚力を生成す
る。これは、特に内燃機関の始動時に、第２流体システ
ム内の圧力が蓄積すると、ガス交換弁が短時間開くとい
う望ましくない動作を効果的に回避できるという利点を
有する。

【０００９】特に、古典的な意味で制御シャフトがない
電子式または電気油圧式制御の内燃機関が、主制御弁を
操縦するガス交換システムの第２流体システムに電磁パ
イロット弁を備えることは特に有利である。これによ
り、それぞれ電気または電子制御パルスによってガス交
換弁を起動することが可能である。

【００１０】さらに、ガス交換弁が、ガス交換弁を起動
する段差ピストンとして形成された駆動ピストンを有す
る場合は有利である。すなわち、この措置を通して油圧
エネルギーを節約することができる。

【００１１】本発明により、内燃機関のガス交換システ
ムを操作する方法がさらに提供され、該方法では、ガス
交換弁は作動媒体を通して第１流体システムによって起
動され、主制御弁はガス交換弁を制御する油圧媒体のた
めの第２流体システムによって起動され、主制御弁とガ
ス交換弁との間に配置されて、一方では第１流体システ
ムに接続され、他方では第２流体システムに接続するこ
とができる媒体分離器によって、第１流体システムと第
２流体システムとの間に能動的接続が生成される。

【００１２】既に挙げた理由により、この方法に関し
て、制御ピストンの閉位置に向かう方向の力により、ば
ね要素を介して主制御弁を負荷する場合にも有利であ
り、前記閉位置によって内燃機関の通常の操作状態でガ
ス交換弁が閉じる。

【００１３】本発明による方法の実施形態は、特に、電
子または電気油圧式制御の内燃機関に有利であり、ここ
で主制御弁は、２つの電磁石間で前後に切り替えること
ができる磁気スライダを有する電磁パイロット弁によっ
て操縦される。

【００１４】方法の好ましい実施に従って、パイロット
弁を起動するために以下のステップが実行される。２つ
の電磁石の一方を起動し、磁気スライダの動作の開始を
検出し、磁気スライダの動作開始からパイロット弁の切
換時間にほぼ相当することが好ましい時間が経過した
ら、すぐに電磁石を停止する。

【００１５】この措置により、個々の電磁石は、確実な
切換プロセスに必要な時間より長く作動しないことが保
証される。これは、パイロット弁に生じる熱およびパイ
ロット弁の操作安全性に関して、特に有利である。

【００１６】さらなる有利な措置は、内燃機関を始動す
る前に、好ましくはガス交換弁の閉位置に対応する規定
の位置へと、予め設定されたパルスにより、パイロット
弁を切り替えることから成る。これにより、内燃機関の
始動中に、ガス交換弁の望ましくない始動が生じないこ
とが保証される。

【００１７】本発明によるガス交換システムおよび本発
明による方法は、特に、例えば船舶の駆動部材として、
または発電用固定プラントとして使用するような大型デ
ィーゼル・エンジンに適している。ガス交換システムお
よび方法は、特に、それぞれ純粋に電子的方法または電
気油圧式の方法で制御される、つまり弁および燃料噴射
を制御する制御シャフトがない大型ディーゼル・エンジ
ンにも適している。

【００１８】本発明のさらなる有利な措置および好まし
い実施形態は従属請求項から生ずる。

【００１９】以下では、例示的実施形態および図面を参
照しながら、装置および方法の技術の両方に関してさら
に詳細に説明する。図面は略図であり、一律の縮尺では
ない。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明によるガス交換シ
ステムの好ましい例示的実施形態の一部概略一部断面図
であり、全体が参照記号１０で示されている。ガス交換
システムは、ここではディーゼル・エンジンの出口弁２
０であるガス交換弁と、作動媒体の第１流体システム３
０と、油圧媒体の第２流体システム４０とを備えてい
る。油圧媒体の主制御弁５０、パイロット弁６０および
蓄圧器４１が第２流体システム４０に設けられている。
主制御弁５０と出口弁２０との間には、一方では第１流
体システム３０に接続され、他方では第２流体システム
４０に接続することができる媒体分離器７０が設けられ
ている。第１、第２流体システム間の能動的接続は、媒
体分離器７０によって実現される。

【００２１】図１Ａは、拡大図で主制御弁５０、パイロ
ット弁６０および媒体分離器７０を示す。

【００２２】以下では、ガス交換システム１０が、例え
ば、船舶または発電用定常プラントの駆動部材として使
用することができる電子制御大型ディーゼル・エンジン
１（図２）の一部である、適用の具体例を述べる。より
よく理解するため、図２は、通常の複数のシリンダ２を
有する大型ディーゼル・エンジン１を概略断面図で示
す。大型ディーゼル・エンジン１は、縦方向に掃気する
低速２ストローク・クロスヘッド大型ディーゼル・エン
ジンとして設計され、電子式または電気油圧式制御であ
る。つまりガス交換および噴射を機械油圧制御するため
に、古典的な意味の制御シャフトがない。

【００２３】これらのエンジンでは、噴射、ガス交換お
よび適宜、スタータ・システムなどの補助システムを操
作する油圧システムが、パイロット弁によって制御され
ることができ、パイロット弁は制御装置からの電気信号
によって起動される。この制御装置は、クランクシャフ
トの角度、エンジンの回転速度、および場合によっては
さらに状態変数により、個々の理想的時間間隔および個
々の理想的燃料噴射量、およびそれぞれ出口弁の開閉タ
イミングを決定し、それに応じて電気制御信号をパイロ
ット弁に送信し、これは次に関連する油圧システムを起
動する。この非常に汎用性のある電気油圧制御により、
噴射およびガス交換を大型ディーゼル・エンジンの全て
の操作状態において単純な方法で最適化し、機械の個々
の作業サイクルに適用することができる。というのは、
噴射ポンプまたはストローク付与ポンプなどの起動要素
とピストンとの位置が、もう機械的に強制結合されない
からである。

【００２４】大型ディーゼル・エンジン１（図２）は、
クランクシャフト・ギア３ａおよび後者と噛み合う歯車
４を介して、高圧ポンプ５を駆動するクランクシャフト
３を有し、高圧ポンプは、例えば最大２０００バールの
高圧の燃料を、ライン６を通して燃料アキュムレータ７
に送り、これは本明細書では詳細には述べない噴射シス
テムに供給している。さらに、クランクシャフト３によ
って同様に駆動され、例えば圧油や制御オイルなどの油
圧媒体を、ライン４２を介して第２流体システムの蓄圧
器４１に送るポンプ８が設けられている。当然、燃料を
送る複数の高圧ポンプ５および／または油圧媒体を送る
複数のポンプ８が設けられてもよい。

【００２５】燃料アキュムレータ７および蓄圧器４１
は、それぞれの場合、エンジンに沿って延在する管状構
成要素として形成される。

【００２６】同様に、図２にはシリンダ２から燃焼ガス
を追い出す出口弁２０が図示されている。以下のガス交
換システムの説明は、１つのみのシリンダに関する。し
かし、各シリンダの出口弁には電磁パイロット弁６０お
よび媒体分離器７０を設けることが明白であり、この場
合、全ての主制御弁および全てのパイロット弁はそれぞ
れ、共通レールの原理に従って蓄圧器４１に接続され、
蓄圧器によって加圧された油圧媒体が供給される。これ
は、図１では、参照記号Ｚの矢印で指示される。油圧媒
体は、蓄圧器４１内で例えば約２００バールの圧力下に
ある。

【００２７】閉止弁４４を有する供給ライン４３は蓄圧
器４１に接続されている。閉止弁４４の後に、供給ライ
ンは、パイロット弁６０に接続する枝路４３ａおよび主
制御弁５０の入口５１に接続する枝路４３ｂに分岐して
いる。パイロット弁６０の出口は、ライン６５を介して
主制御弁５０の制御入口５２に接続している。

【００２８】図３は、非常に概略的な図でパイロット弁
６０の例示的実施形態を示し、これはスライダ構造の双
安定電磁３／２方向弁として形成されている。パイロッ
ト弁６０は磁気弁スライダ６２を備え、これはハウジン
グ６１内に変位可能な状態で配置され、中心に逃げ穴６
２１がある中空シリンダとして設計される。ハウジング
６１には供給通路６３、戻り通路６４および消費通路６
６が設けられている。中心逃げ穴６２１は、横穴６４１
を介して戻り路に接続している。供給通路６３は供給ラ
イン４３の枝路４３ａに接続し、戻り路６４は、油圧媒
体の戻りシステム４９に通じるライン４７に、消費通路
６６は、主制御弁５０の制御入口５２に通じるライン６
５に接続している。

【００２９】磁気弁スライダ６２は、２つの電磁石６７
ａ、６７ｂによって２つの位置で前後に切り替えること
ができ、供給通路６３と消費通路６６との間の流れ接続
は、弁スライダ６２の第１位置では開き、これは図３で
図示されている。第２位置では、消費通路６６は戻り通
路６４に接続している。

【００３０】パイロット弁６０を開位置から他方へと可
能な限り迅速に、つまり遅延時間なく切り替えることが
できるよう、電磁石６７ａ、６７ｂは非常に低い誘導率
を有し、これは巻数を可能な限り少なくし、コイル本体
に渦電流損が少ない材料を使用することによって、達成
することができる。切替時間、つまりパイロット弁６０
を一方の位置から他方へ切り替えるのに必要な時間は、
例えば１ミリ秒の半分しかない。また、この切替時間は
一定である。つまり非常に高い程度まで再現可能であ
る。パイロット弁６０の起動については、以下でさらに
述べる。

【００３１】主制御弁５０は制御ピストン５６を有し、
これには図１および図１Ａに示す開位置と閉位置とをと
ることができる。以下でさらに説明するように、エンジ
ン１の通常の操作では、開位置で出口弁２０が開き、閉
位置で閉じる。主制御弁５０は、さらに、第１および第
２接続部５３、５４を備え、それらを介して主制御弁５
０は媒体分離器７０および戻り流開口５５に接続され、
それらを通して油圧媒体は主制御弁５０から流出し、閉
止弁４５を設けたライン４７に入ることができる。この
ライン４７は、油圧媒体の戻りシステム４９に接続され
る。したがって、本明細書では主制御弁５０は４／２方
向弁である。

【００３２】制御ピストン５６は、ばね力が制御ピスト
ン５６を閉位置に動かす、または、閉位置に保持するよ
うに配置されたばね要素５７によって偏倚される。この
偏倚力により、圧力のない状態、つまり加圧した油圧媒
体が充填されていない場合、制御ピストン５６が閉位置
をとるか、閉位置に留まることが保証される。したがっ
て、制御ピストン５６は、ばね要素５７の力に対抗して
開位置へと動作しなければならない。本明細書で述べる
例示的実施形態では、ばね要素５７は、一方端で図示の
とおりに制御ピストン５６の上端面に、他方では主制御
弁５０のハウジングに固定された渦巻ばねとして形成さ
れている。制御ピストン５６の端面は、ばね要素５７が
装填され、制御ピストンが閉位置にある場合は中心穴を
介して戻り流開口５５に接続され、したがって端面とハ
ウジングの間の空間に浸透していた油圧媒体は流出する
ことができる。

【００３３】媒体分離器７０は分離ピストン７２を備
え、これはハウジング７３内に配置され、図では上方に
ある一方の端面７２１が、第１流体システムの作動媒体
のチャンバ７１を画定している。主制御弁５０への２つ
の接続部５３、５４は、図のとおりに分離ピストンの上
端面７２１の下で、両方とも媒体分離器７０へと開いて
いる。したがって、分離ピストン７２は、第１流体シス
テムの作動媒体を第２流体システムの作動媒体から分離
する。図のとおりの端面７２１の上で、媒体分離器７０
のチャンバ７１は開口７４を介して第１流体システム３
０に接続している。

【００３４】作動媒体の第１流体システムは、媒体分離
器７０の開口７４を出口弁２０に接続する圧力ライン３
１と、一方では閉止弁３３および逆止弁３４を介して圧
力ライン３１に接続され、他方では作動媒体を供給ライ
ン３２に送るポンプ（図示せず）へと接続する作動媒体
の供給ライン３２とを備える。

【００３５】作動媒体として適しているのは、例えば潤
滑油またはモータ・オイルであり、これは例えば大型デ
ィーゼル・エンジン１の潤滑油システムから取る。第１
流体システム３０の作動媒体および第２流体システム４
０の作動媒体は、両方の流体システム３０、４０のため
に大型ディーゼル・エンジン１の同じオイル供給から得
たオイルなどと同じ物質でよい。しかし、第２流体シス
テム４０の方が汚染物質に対して敏感な構成要素を含む
ので、第２流体システム４０に導入されるオイルは、第
１流体システムに導入されるオイルより密に濾過される
か、洗浄される。当然、第１流体システム３０の作動媒
体として、第２流体システム４０の作動媒体とは異なる
物質を使用することも可能である。

【００３６】出口弁２０は、位置に応じてシリンダ２の
燃焼室と、燃焼室を排気ガス・システムに接続する出口
ラインとの間の接続を開閉する弁体２１を備える。さら
に、出口弁２０は、弁体２１を起動する駆動ピストン２
２を備える。弁体２１は、空気ばね２３によって図１に
示す閉位置に保持される。図の駆動ピストン２２の上
で、圧力ライン３１が出口弁２０に対して開き、したが
って駆動ピストン２２の端面には作動媒体で圧力を負荷
することができる。

【００３７】大型ディーゼル・エンジンを制御する電子
制御装置は、例えば大型ディーゼル・エンジンの全体的
制御のための中央ユニット９０を備え、各シリンダには
制御モジュール９１を備え、それによってシリンダ別の
機能が制御される。個々のシリンダの制御モジュール９
１は、データ・バスを介して中央ユニット９０に接続し
ている。中央ユニット９０は、さらに、シャフト・エン
コーダ（図示せず）に接続し、これによってクランクシ
ャフト３の回転速度およびクランクシャフトの角度を、
したがって個々のピストンの位置を決定することができ
る。安全上の理由から、通常は２つの自律シャフト・エ
ンコーダが設けられている。シャフト・エンコーダは、
クランクシャフト３に駆動接続される。クランクシャフ
ト３とシャフト・エンコーダとの同期を監視するため、
シャフト・エンコーダごとに基準エンコーダも設ける。
シャフト・エンコーダから受信した信号、および適宜他
のデータからの助けにより、中央ユニット９０は大型デ
ィーゼル・エンジン１の習慣的な望ましい操作状態を決
定し、必要な情報を個々の制御モジュール９１に伝送す
る。制御モジュールは、瞬間的負荷および瞬間的回転速
度を考慮に入れ、個々のシリンダの最も好ましい噴射回
数および量、およびガス交換弁、例えば出口弁２０の起
動時点を決定して、それに応じて電気制御信号を個々の
パイロット弁に送信し、噴射およびガス交換を制御す
る。制御モジュール９１とパイロット弁６０との接続
は、図１には図示されていない。

【００３８】次に、以下でガス交換システム１０が機能
する方法について、大型ディーゼル・エンジン１の通常
の操作状態を参照しながら説明する。出口弁２０の弁体
２１および主制御弁５０の制御ピストン５６は、それぞ
れの場合、図１および図１Ａで示した閉位置にあり、媒
体分離器７０の分離ピストン７２は、図で示した下部に
突き当たる初期位置にあるものとする。圧力ライン３１
および分離ピストン７２の上のチャンバ７１は作動媒体
で充填されている。

【００３９】次に、出口弁２０を開くと、このシリンダ
２の制御モジュール９１が、それに対応する電気信号を
パイロット弁６０に与える。次に、パイロット弁は図１
に示す位置へと閉じて、枝路４３ａとライン６５との間
の流れ接続を開き、したがって油圧媒体は蓄圧器４１か
ら主制御弁５０の制御入口５２へと流れ、制御ピストン
５６の下側に圧力を充填する。制御ピストンは、その結
果、ばね要素５７の力に対抗して図の上方向へと動き、
最初に戻り流開口５５を閉じ、次に入口５１を開く。こ
れで、制御ピストン５６は開位置になる。制御ピストン
５６の開位置で、分離ピストン７２の下の空間は、枝路
４３ｂ、入口５１および第２接続部５４を介して蓄圧器
４１に接続し、したがって油圧媒体は図の分離ピストン
７２の下側に圧力を充填する。これにより、分離ピスト
ン７２が上昇する。この動作は、油圧ロッドとして作用
する圧力ライン３１中の作動媒体を通して、出口弁の駆
動ピストン２２に伝達される。作動媒体による圧力充填
の結果、駆動ピストン２２は、空気ばね２３の力に対抗
して弁体２１を開位置へと動かす。

【００４０】出口弁２０を閉じるために、パイロット弁
６０が電気信号の結果として第２位置に切り替わり、こ
れが蓄圧器４１とライン６５との流れ接続を閉じ、した
がって制御ピストン５６の下側がもはや蓄圧器４１と接
続しなくなる。ばね要素５７の力により、制御ピストン
５６が図の下側に動いて、入口５１を閉じ、これによっ
て蓄圧器４１と分離ピストン７２の下側との流れ接続が
閉じて、主制御弁５０の戻り流開口５５が開く。これ
で、主制御弁５０は閉位置になり、第１接続部５３と戻
り流開口５５との間の流れ接続が開き、したがって油圧
媒体は第１接続部５３およびライン４７を介して分離ピ
ストン７２の下の空間から流出し、戻りシステム４９に
入ることができる。

【００４１】出口弁２０の空気ばね２３の結果、駆動ピ
ストン２２は図の上方向に押され、作動媒体をプロセス
の圧力ライン３１へと移動させる。出口弁２０が閉じ
る。圧力ライン３１内へと移動した作動媒体により、媒
体分離器７０の分離ピストン７２が図の下側に押され、
プロセス内で油圧媒体を下側から主制御弁５０の制御ピ
ストン５６を介して戻りシステム４９へと移動させる。
空気バネ２３の動作により、分離ピストン７２は図１お
よび図１Ａに示した明確な初期位置へとほぼ移動する。
例えば出口弁２０に設けた通気孔などによる連続的通気
（図示せず）により、多少の作動媒体が、油圧ロッドと
して作用する圧力ライン３１から連続的に失われる。こ
の通気は、出口弁２０の開放相の間は遮断され、これは
駆動ピストン２２の位置によって自動的に行うことが好
ましい。ガス交換弁２０を次に切り替えるまでの間、通
気および漏れ損によって失われた作動媒体は、供給ライ
ン３２および逆止弁３４を介して元に戻され、それによ
り分離ピストン７２は完全に初期位置へと動かされる。

【００４２】分離ピストン７２を有する媒体分離器７０
は、清浄な油圧媒体を含む第２流体システム４０を、通
常はこれより汚染し、それほど密に濾過されていない作
動媒体を含む第１流体システム３０から、一方では第１
流体システムと第２流体システムとの間に能動的な接触
が存在し、他方では、第２流体システムへの作動媒体の
浸透が効果的に防止されるように分離する機能を有す
る。通常の運転では、分離ピストン７２の下には分離ピ
ストンの上より高い圧力が存在することが保証され、し
たがって作動媒体は分離ピストンを越えて第２流体シス
テムへと浸透することができない。しかし、他方で、第
２流体システム４０から油圧媒体が漏れ、分離ピストン
７２を越えて第１流体システム３０へと流れることが可
能である。しかし、これは懸念を生じさせるものではな
い。純度に関して、第１流体システム３０の要件の方が
低いからである。

【００４３】さらに、出口弁２０の弁体２１の動作は、
端位置の領域で、つまり個々の動作の最後に向かって、
分離ピストン７２によって減衰される。

【００４４】好ましい実施形態では、ガス交換弁２０の
駆動ピストン２２は段差ピストンとして形成される。図
１に示すように、駆動ピストン２２は、大きい方のピス
トン２２ａと、大きい方のピストン２２ａと同心状に移
動可能な状態で配置された小さい方のピストン２２ｂと
を備える。これにより、燃焼室内の燃焼ガスの圧力およ
び空気ばね２３の圧力に対抗して弁体２１を開くため、
出口弁２０を開くには最初に、より大きな力が必要であ
る。燃焼ガスの圧力が既に部分的に減少した後、弁体２
１を完全に開位置へと移動させ、そこに保持するために
は、小さめの力しか必要ではない。出口弁２０の開放時
には、大きいピストンおよび小さいピストン２２ａ、２
２ｂが最初に、シリンダ２内に存在する圧力に対抗し
て、図の下側にともに移動する。所定の弁ストロークの
後、大きい方のピストン２２ａは、減衰した状態で当て
２４に遭遇し、その結果、それ以上は移動しない。弁ス
トロークの残りの部分は、小さい力しか必要とせず、小
さい方のピストン２２ｂによって実行され、これはこの
時静止している大きい方のピストン２２ａを下降させ
る。段差ピストンとしてのこの駆動ピストン２２の設計
により、油圧エネルギーは大幅に、例えば約３０％節約
することができる。

【００４５】制御シャフトがない大型ディーゼル・エン
ジン１では、クランクシャフト３の位置と、出口弁の開
閉時点それぞれとの相関は、もはや強制的に与えられな
い。したがって、出口弁２０は２つのセンサ、例えば通
路測定センサ２５を備え、この場合、弁体２１の動作ま
たは位置を検出するため、測定コーン２６を弁体２１に
しっかり接続する。通路測定センサ２５の測定信号は、
信号ライン（図示せず）を介して電子制御装置に電送さ
れ、したがって電子制御装置は実際の開閉時点が分か
る。センサ２５の測定信号に基づき、制御装置は、ガス
交換弁の動作が所望の値に一致するか認識して、不具合
が生じた場合は対応策を開始し、例えば流体の噴射を停
止して関連のシリンダを切断することができる。冗長性
の理由から、２つのセンサ２５を設ける。

【００４６】したがって、電子制御装置の助けにより、
出口弁２０の所望の開閉時点を予め決定することができ
る。パイロット弁６０の遅延時間に差がある可能性があ
り、油圧変動、空気ばね２３の圧力変動、ガス交換シス
テム１０全体の摩擦の影響差があるので、開閉時点の調
整を実行することが好ましい。

【００４７】媒体分離器７０によって分離され、ガス交
換弁２０を油圧で起動する２つの流体システム３０、４
０の結果、第２流体システム４０を開く必要なく、シリ
ンダ２のシリンダ・キャップを開くことが可能である。
また、シリンダ２の油圧システムは遮断弁３３、４４、
４５によってエンジンの残りの部分から遮断することが
できるので、ｎ個のシリンダのエンジンを、シリンダの
数を減らして、例えば（ｎ−１）個のシリンダで操作し
続けることが可能である。したがって、大型ディーゼル
・エンジン１を切る必要なく、個々のシリンダで修理ま
たは保守作業を実行することができる。

【００４８】操作の安全性を高めるためのさらなる有利
な措置は、弁体２１またはそれに接続された部品が、破
損せずに機械的当たりに遭遇するのを防止する板ばね２
７を出口弁２０に設けることである。本明細書で述べる
例示的実施形態では、弁体２１にしっかり接続された測
定コーン２６が、開動作中に板ばね２７に対抗して上昇
できるように板ばね２７を配置する。何らかの理由で出
口弁２０が完全に閉じない場合は、駆動ピストン２２も
図１に示す閉位置にならない。出口弁２０を次に開く間
に、分離ピストン７２が作動媒体の全量を圧力ライン３
１に送ると、出口弁２０または弁体２１がそれぞれ、制
動なしで当たりに高速で突き当たる。大きい質量を与え
られた弁体２１の高い運動エネルギーの結果、これは深
刻な損傷につながることがある。これを防止するため、
板ばね２７を設け、その中に測定コーン２６が入り、運
動エネルギーを吸収し、したがって弁体２１が制動され
る。

【００４９】既に言及した連続的通気、例えば圧力ライ
ン３１と駆動ピストン２２との間に設けられ、出口弁２
０の開放相中のみ閉鎖する連続的通気、さらに避けられ
ない漏れ損失の結果、空気ばね２３は、油圧システムの
混乱中、ガス交換弁２０が特定の時間の後に自動的に閉
じることを保証する。パイロット弁６０が、通常の運転
状態で出口弁２０を開くことになる位置にあっても、大
型ディーゼル・エンジン１が停止中の場合も、同じこと
が当てはまる。

【００５０】本明細書で述べる例示的実施形態の特定の
利点は、主制御弁５０のばね要素５７が制御ピストン５
６に閉位置へ向かう方向に偏倚力をかける、つまり制御
ピストン５６を閉位置に動かすか、制御ピストン５６を
閉位置に保持するような方向に向けた力を制御ピストン
５６に加える、という点に見られる。したがって、蓄圧
器４１に圧力がない場合、例えば大型ディーゼル・エン
ジン１の始動前に、制御ピストン５６が閉位置にあるこ
とが保証される。この措置により、蓄圧器４１に圧力が
蓄積する間、または大型ディーゼル・エンジンを始動
中、始動空気がシリンダ２から逃げるような、出口弁２
０の望ましくない短時間の開放を防止することができ
る。

【００５１】次に、以下でパイロット弁６０の起動の好
ましい手順を、図４に関連して述べる。弁ドライバは、
例えば制御モジュール９１に一体化され、充電により電
磁石６７ａ、６７ｂ（図３）を起動することができ、パ
イロット弁６０を電気的に起動するために設けられる。
パイロット弁６０が、例えば図３に示す開位置から閉位
置へと切り替わると、弁ドライバが制御モジュール９１
から適正な時点で制御パルスを受信する。この制御パル
スの結果、弁ドライバは励磁電流を、対応する電磁石、
この場合は電磁石６７ｂのコイルに供給する。図４は、
時間ｔの関数として励磁電流Ｉのプロットを示す。時間
ｔ_aで、弁ドライバが励磁電流Ｉをオンに切り替え、そ
れによって電磁石６７ｂを起動する。適切なセンサによ
り、磁気スライダ６２が動作を開始する時点ｔ_bを検出
する。起動していない電磁石６７ａのコイルは、特に磁
気スライダ６２の動作開始を検出するセンサとして働く
ことができる。スライダ６２の動作を通して、つまり電
圧がこのコイルに誘導され、これは動作の開始として弁
ドライバで検出し、登録することができる。動作開始が
検出された後、弁ドライバは所定の間隔Δｔだけ待ち、
次に時点ｔ_cで励磁電流Ｉをオフに切り替え、それによ
って電磁石６７ｂが動作を停止する。間隔Δｔは、パイ
ロット弁６０の切替時間にほぼ相当するよう選択するこ
とが好ましく、したがって例えば約２分の１ミリ秒であ
る。コイル６７ｂの励磁電流がオフに切り替わった後、
他の電磁石６７ａを起動することにより、パイロット弁
６０が開位置に切り替わるまで、磁気弁スライダ６２
は、残留磁気の結果として電磁石６７ｂに、したがって
ここでは閉位置に残る。

【００５２】磁気弁スライダ６２の動作開始後、間隔Δ
ｔが経過すると速やかに励磁電流をオフに切り替える措
置により、パイロット弁を確実に切り替えるために必要
な電流が最適化され、それによってパイロット弁６０の
過熱または損傷が防止される。

【００５３】安全性の理由から、弁ドライバの電流の最
大継続時間は予め決定されている。最も遅い時点ｔ
_dで、弁スライダ６２の動作が検出されたか否かに関係
なく、励磁電流が自動的に切られる（図４では破線で図
示）。その結果、電磁石のコイルを電流が流れることが
できる最大時間、つまり（ｔ_d−ｔ_a）は予め決定され、
したがって不具合が生じても、パイロット弁６０の過熱
が排除される。

【００５４】パイロット弁６０を起動するために本明細
書で述べた手順は、ガス交換弁のパイロット弁に制限さ
れず、同様の方法で内燃機関の全ての電磁パイロット弁
にも適であり、したがって例えば噴射システムおよびス
タータ・システムのパイロット弁にも適である。

【００５５】さらなる好ましい措置は、予め設定したパ
ルスにより、大型ディーゼル・エンジン１を始動する間
のガス交換システムの閉位置に対応することが好ましい
確定した位置に、パイロット弁６０を切り替えることで
ある。したがって、例えばエンジンの停止が長くなる
と、パイロット弁は、双安定性の弁なので、不確定な位
置または未知の位置にある可能性がある。始動中にガス
交換弁２０が不意に起動するのを避けるため、電子制御
装置が所定のパルスを弁ドライバに送信し、これがパイ
ロット弁を確定した位置に切り替える。これはガス交換
システムの場合、閉位置であることが好ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるガス交換システムの例示的実施形
態の一部概略一部断面図である。

【図１Ａ】拡大図での図１の詳細である。

【図２】大型ディーゼル・エンジンの断面図である。

【図３】パイロット弁の非常に概略的な図である。

【図４】パイロット弁の起動を示すグラフである。

【符号の説明】

１大型ディーゼル・エンジン２シリンダ３クランクシャフト３ａクランクシャフト・ギア４歯車５高圧ポンプ６ライン７燃料アキュムレータ８ポンプ１０ガス交換システム２０出口弁２１弁体２２駆動ピストン２２ａ大きい方のピストン２２ｂ小さい方のピストン２３空気ばね２４当て２５通路測定センサ２６測定コーン２７板ばね３０第１流体システム３１圧力ライン３２供給ライン３３閉止弁４０第２流体システム４１蓄圧器４２ライン４３供給ライン４３ａ枝路４３ｂ枝路４４閉止弁４５閉止弁４７ライン４９戻りシステム５０主制御弁５２制御入口５３第１接続部５４第２接続部５５戻り流開口５６制御ピストン５７ばね要素６０パイロット弁６１ハウジング６２磁気弁スライダ６３供給通路６４戻り通路６５ライン６６消費通路６７ａ電磁石６７ｂ電磁石７０媒体分離器７１チャンバ７２分離ピストン７３ハウジング７４開口９０中央ユニット９１制御モジュール６２１逃げ穴６４１横穴７２１上端面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】油圧で起動するガス交換弁（２０）と、
該ガス交換弁（２０）を起動するため、該ガス交換弁
（２０）に接続された作動媒体の第１流体システム（３
０）とを備える内燃機関のガス交換システムにおいて、
油圧媒体の第２流体システム（４０）と、前記ガス交換
弁（２０）を付勢するために前記第２流体システム（４
０）に設けた主制御弁（５０）と、該主制御弁（５０）
と前記ガス交換弁（２０）との間に配置され、一方で前
記第１流体システム（３０）に接続され、他方で前記第
２流体システム（４０）に接続することができる媒体分
離器（７０）とを特徴とするガス交換システム。
【請求項２】前記主制御弁（５０）が開位置と閉位置
とをとることができる制御ピストン（５６）を備え、該
制御ピストンは、内燃機関の通常の操作中、開位置では
前記ガス交換弁（２０）を開き、閉位置では前記ガス交
換弁（２０）を閉じる、請求項１に記載のガス交換シス
テム。
【請求項３】前記主制御弁（５０）が、閉位置に向か
う方向の力を前記制御ピストン（５６）に加えるような
態様で配置されたばね要素（５７）を備える、請求項２
に記載のガス交換システム。
【請求項４】前記主制御弁（５０）を操縦するために
前記第２流体システム（４０）に設けられた電磁パイロ
ット弁（６０）を備える、請求項１から請求項３までの
いずれか１項に記載のガス交換システム。
【請求項５】前記ガス交換弁（２０）が、該ガス交換
弁（２０）を起動する駆動ピストン（２２）を有し、該
駆動ピストン（２２）が段差ピストン（２２ａ、２２
ｂ）として形成されている、請求項１から請求項４まで
のいずれか１項に記載のガス交換システム。
【請求項６】ガス交換弁（２０）が第１流体システム
（３０）によって作動媒体を介して油圧で起動される、
内燃機関のガス交換システムを操作する方法において、
ガス交換弁（２０）を付勢する主制御弁（５０）が油圧
媒体の第２流体システム（４０）によって起動され、第
１、第２流体システム（３０、４０）間の能動的接続が
媒体分離器（７０）によって生成され、該媒体分離器
は、前記主制御弁（５０）と前記ガス交換弁（２０）と
の間に配置され、一方で前記第１流体システム（３０）
に接続され、他方で前記第２流体システム（４０）に接
続することができる方法。
【請求項７】前記主制御弁（５０）の制御ピストン
（５６）が、ばね要素（５７）によって該制御ピストン
（５６）の閉位置へ向かう方向の力で偏倚され、前記閉
位置は内燃機関の通常の操作状態でガス交換弁（２０）
を閉じる位置である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】前記主制御弁（５０）が、２つの電磁石
（６７ａ、６７ｂ）の間で前後に切り替えることができ
る磁気スライダ（６２）を有する電磁パイロット弁（６
０）によって操縦される、請求項６または７に記載の方
法。
【請求項９】前記パイロット弁（６０）を起動するた
め、前記２つの電磁石（６７ａ、６７ｂ）の一方を起動し、磁気スライダ（６２）の動作の開始を検出し、磁気スライダの動作開始から、好ましくは前記パイロッ
ト弁の切替時間にほぼ対応する間隔（Δｔ）が経過した
ら、速やかに前記電磁石（６７ａ）の動作を停止する、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】前記パイロット弁（６０）は、内燃機
関の始動前に、前記ガス交換弁（２０）の前記閉位置に
対応することが好ましい確定位置に、予め設定されたパ
ルスを介して切り替えられる、請求項８または９に記載
の方法。
【請求項１１】請求項１から請求項５までのいずれか
１項による、または請求項６から請求項１０までのいず
れか１項の方法で操作されるガス交換システムを備えた
大型ディーゼル・エンジン。