JP2008169726A - 内燃機関の安全装置 - Google Patents

Abstract

【課題】指圧器、指圧器用弁および圧力逃がし安全弁の温度上昇を防止し、かつ圧力伝達通路内での気体燃料の燃焼を防止する内燃機関の安全装置を提供する。
【解決手段】この内燃機関の安全装置は、吸気通路５ａに連通するシリンダ室４を内部に形成すると共にシリンダ室４に連通する圧力伝達用通路６を有するエンジンブロック(１,２)と、圧力伝達通路６と吸気通路５ａとの間に接続されると共に圧力伝達通路６の圧力が吸気通路５ａの圧力よりも低くなったときに開放するチェック弁５０とを備える。吸気通路５ａの冷気をチェック弁５０を介して圧力伝達用通路６に供給する。
【選択図】図２

Description

この発明は、都市ガス等の気体燃料を主燃料とするガス機関および液体燃料を主燃料とするディーゼル機関等に設置する内燃機関の安全装置に関する。

従来、船舶機関(推進用主機関、発電用補機関)や陸用機関(常用・非常用発電用機関)の各気筒には内燃機関のシリンダ内圧力計測用としての指圧器および指圧器用弁と、シリンダ内圧力の異常上昇時にエンジンを保護するための圧力逃がし安全弁とからなる安全装置が設置されている(特許文献１参照)。

上記安全装置の指圧器、指圧器用弁および圧力逃がし安全弁は、シリンダヘッドの燃焼面から外部まで貫通した圧力伝達用通路穴に連通して設置されている。

上記シリンダヘッドに加工している圧力伝達用通路穴は、上記燃焼面から外部まで貫通しており、この穴の内径は、圧縮比、ひいてはエンジン性能に影響を及ぼさない程度の内径にする必要がある。そのため、穴内径に対して穴長さが非常に長くなる。このため、機関運転中に上記圧力伝達用通路穴の内部において、通路に浸入した燃焼ガスが気柱振動を起こし、圧縮され発熱し、通路末端に設置されている上記安全装置の各部において部材温度が上昇するという問題がある。

また、部材温度が上昇すると、指圧器用弁のシート部の気密性が悪化したり、安全弁のバネが弾力性を減じることにより、設定圧力以下の圧力以下で開弁するという不具合を発生させるという問題がある。

また、ガスエンジンにおいては、気体燃料がこの通路内に浸入し燃焼することで、上述の部材温度の上昇よりも更に高温となり、ガスエンジン特有のノッキング等の異常燃焼を起こすという問題点がある。
実開昭５５−１４５３３９号公報(図２)

そこで、この発明の課題は、指圧器、指圧器用弁および圧力逃がし安全弁の温度上昇を防止し、かつ圧力伝達通路内での気体燃料の燃焼を防止する内燃機関の安全装置を提供することにある。

この課題を解決するために、この発明の内燃機関の安全装置は、
吸気通路に連通するシリンダ室を内部に形成すると共に上記シリンダ室に連通する圧力伝達用通路を有するエンジンブロックと、
上記圧力伝達通路に連結した安全弁と、
上記圧力伝達通路と指圧器との間に接続した指圧器用弁と、
上記圧力伝達通路と上記吸気通路との間に接続されると共に上記圧力伝達通路の圧力が上記吸気通路の圧力よりも低くなったときに開放するチェック弁とを備えることを特徴としている。

この発明によれば、上記圧力伝達通路の圧力が吸気通路の圧力よりも低くなったときに、上記チェック弁が開くので、上記吸気通路から上記圧力伝達通路へ冷気が流入し、上記安全装置の各部において部材温度が上昇するのを防ぐことができる。

また、この発明によれば、上記圧力伝達通路へ冷気が流入して、上記圧力伝達通路内の気体燃料を排出するので、ノッキング等の異常燃焼を起こすことがなくなる。

また、この発明によれば、上記圧力伝達通路へ冷気が流入することによって上記安全装置の各部において部材温度が上昇するのを防ぐことができるので、指圧器用弁のシート部の気密性が悪化したり、安全弁のバネが弾力性を減じることによって、設定圧力以下の圧力以下で開弁することが少なくなる。

この発明によれば、圧力伝達通路と吸気通路との間に接続されると共に圧力伝達通路の圧力が吸気通路の圧力よりも低くなったときに開放するチェック弁を設け、圧力伝達通路に冷気を供給することによっての温度上昇を防止し、かつ圧力伝達通路内での気体燃料の燃焼を防止するができる。

以下、この発明を図示の形態のより詳細に説明する。

図１は、この発明の内燃機関の安全装置の実施形態の主要部の断面図である。図２は、図１の要部拡大断面図である。

まず、この実施形態の安全装置を取り付ける内燃機関の要部について説明する。

内燃機関は、シリンダ１と、その上端に設けシリンダ１の上端開口を閉塞するシリンダヘッド２と、上記シリンダ１の内部にあって上下動するピストン３とを備える。上記シリンダ１と上記シリンダヘッド２とがエンジンブロックを構成している。また、この内燃機関は、上記シリンダ１、シリンダヘッド２およびピストン３が形成する燃焼室４に空気を供給する給気管５と、上記シリンダヘッド２を上記燃焼室４から外部に貫通した小径の穴からなる圧力伝達通路６に連通した安全装置１０を備える。

上記給気管５は、上記シリンダヘッド２の側面に取り付けられ、上記燃焼室４に供給する冷気の給気通路である。吸気する空気は、図示しない過給機により加圧され、さらに、空気冷却器により５０度程度まで冷却されている。上記シリンダヘッド２には、上記給気管５の取り付け位置から上記燃焼室４まで上記給気管５の内径に略等しい径の吸気通路５ａが穿たれ、この吸気通路５ａは、上記燃焼室４に開口している開口５ｂを有している。この開口５ｂには、シリンダヘッド２の外部まで貫通するロッド５ｄを有する吸気弁５ｃが設けられている。この吸気弁５ｃは、上記ロッド５ｄを介して図示しない適宜手段によって上下動し、上記開口５ｂを開閉する。

上記安全装置１０は、本体部材１１と、この本体部材１１に取り付けた指圧器用弁２０と、上記本体部材１１に取り付けた指圧器３０と、上記本体部材１１に取り付けた安全弁４０と、同じく上記本体部材１１に取り付けたチェック弁５０とから構成される。

上記本体部材１１は、シリンダヘッド２の圧力伝達通路６の開口位置にボルト等によって取り付けられる。図２に示すように、この本体部材１１は、圧力伝達通路６と連通する圧力伝達通路６２と、指圧器用弁２０を装着する装着孔１２と、安全弁４０を装着する装着孔１３と、チェック弁５０を装着する装着孔１４が穿たれている。圧力伝達通路６２および装着孔１２、１３、１４の一端は、それぞれ、それらの一端を同一の空間１５に開口して臨ませてある。

さらに、本体部材１１には、装着孔１２に連通する貫通孔１６が穿たれており、この貫通孔１６に指圧器３０が装着される。

図２に示すように、指圧器用弁２０は、弁体２１と小径ロッド部２２と雄ネジ部２３と頭部２４とが順に連なって一体に構成されている。この指圧器用弁２０は、装着孔１２内に装着し、頭部２４のみを本体部材１１から突出させている。また、弁体２１は、上記空間１５に臨ませて装着孔１２の開口１２ａを開閉する。上記雄ネジ部２３は、上記頭部２４を回転することによって、上記装着孔１２に形成した雌ネジ部１２ｂに螺合して指圧器用弁２０を固定すると共に弁体２１を閉止の状態にする一方、頭部２４を逆回転することによって、弁体２１を開放の状態にする。

また、指圧器３０は、装着孔１２のうち、小径ロッド部２２が位置する箇所に一端を開口した貫通孔１６の他端側開口に連通するようにして本体部材１１に取り付けられている。この指圧器３０は、装着孔１２の開口１２ａを開放にしたときに、圧力伝達通路６，６２、空間１５および装着孔１２内を介して、燃焼室４の圧力を計測する。

また、安全弁４０は、側面に排気孔４８が形成された筒体４１と、筒体４１内に摺動自在に内蔵した弁体４４とを備える。この筒体４１は、一方端側の取付け部４２と、他端側を閉塞する蓋部４３とを有する。また、安全弁４０は、筒体４１内にあって、蓋部４３と弁体４４との間に内挿して弁体４４を取付部４２側に付勢するバネ部材４５とを有している。また、取付け部４２は断面中央部に貫通孔４２ａを有すると共に外周に雄ネジ４２ｂを有する。

この安全弁４０は、本体部材１１の雌ネジを有する装着孔１３に上記取付け部４２の雄ネジ４２ｂを螺合して本体部材１１に装着され、貫通孔４２ａを通じて空間１５と筒体４１内とが連通し、弁体４４によって貫通孔４２ａの筒体４１側の開口を開閉するようになっている。

上記バネ部材４５の弾性力は調節自在であり、燃焼室４内の圧力が所定の圧力以上になったときは、圧力伝達通路６,６２、空間１５、貫通孔４２ａを介して燃焼室４内の気体が弁体４４をバネ部材４５の弾性力に抗して押し上げ、当該気体が筒体４１の側面に形成された排気孔４８から排出され、燃焼室４内の圧力を逃がす。

また、図２に示すように、チェック弁５０は、筒体５１と、この筒体５１の一端内周に設けた雌ネジに螺合すると共に断面中央部に貫通孔５２ａを有するニップル５２と、筒体５１の他端外周に形成された雄ねじに螺合して取り付けたカップリング５３と、上記貫通孔５２ａの外側開口を開閉する弁部材５４とを備えている。

この弁部材５４は、貫通孔５２ａの外側開口を開閉する弁体５４ａと、この貫通孔５２ａを貫通して筒体５１内に突出するロッド部５４ｂと、このロッド部５４ｂの外周にあってニップル５２の端面とロッド部５４ｂの端部との間に設けたバネ部材５４ｃとを有している。このバネ部材５４ｃの端部は、ロッド部５４ｂの先端に螺合されたナット５４ｄに当接され、ロッド部５４ｂへのナット５４ｄの螺合量を調節することで、バネ部材５４ｃの弾性力を調節できる。このバネ部材５４ｃは、その弾性力でもって、弁体５４ａが貫通孔５２ａの開口を閉止するように弁部材５４を付勢している。

また、カップリング５３は、上記給気管５に一端が接続された連通管５５の他端を上記チェック弁５０の筒体５１に接続している。この連通管５５を介して、給気管５内の冷気を上記チェック弁５０に送り込み、上記燃焼室４の圧力が上記給気管５内の給気圧よりも低いときに上記バネ部材５４ｃの弾性力に抗して上記弁体５４ａを押し出す。そして、上記給気管５内の冷気は、貫通孔５２ａ、空間１５、圧力伝達通路６２,６を介して燃焼室４内に流入する。

次に、この実施形態の動作について説明する。

図３は、シリンダ内(燃焼室)の圧力と容積の関係を示す図である。図４は、図３における圧力側スケールを拡大した図である。なお、図３、図４において、縦軸目盛は圧力単位(ｂａｒ)であり、横軸目盛は上死点での燃焼室４の体積を０％とし、下死点での燃焼室４の体積を１００％として表している。

４サイクルエンジンは、吸気・圧縮・爆発(膨張)・排気の行程を繰り返す。この行程における実測した上記シリンダ１内の燃焼室４の圧力(Ｐ)と容積(Ｖ)との関係を図３に示す。上記吸気弁５ｃを降下させて上記開口５ｂを開放すると共に上記ピストン３を降下させると、上記給気管５から上記シリンダ１内に冷気が吸気され、上記シリンダ１内の燃焼室４の容積は増加するが圧力は増加しない(図３のＡ線)。次いで、上記吸気弁５ｃを上昇させて上記開口５ｂを閉止すると共に上記ピストン３を上昇させると、上記シリンダ１内の燃焼室４の容積は減少すると共に圧力は次第に増加する(図３のＢ線)。上記シリンダ１内の圧力が所定圧に達すると燃料が爆発し上記シリンダ１内の燃焼室４の気体が膨張する。この爆発で上記シリンダ１内の圧力は急激に上昇し、その圧力によって上記ピストン３が押し下げられ上記シリンダ１内の容積が増加して次第に圧力が低下する(図３のＣ線)。次いで、図示しない排出弁が開放されると共に上記ピストン３が上昇することによって、上記シリンダ１内の燃焼ガスが排出されると共に低圧の状態で容積が減少する(図３のＤ線)。

次に、図４に、図３に示した上記行程のうち吸気行程と排気行程のPV線図を拡大すると共に上記給気管５内の圧力(図４のE線)との関係を示す。この図４を参照すると、Ｄ線で示す排気行程やＡ線で示す吸気行程において、上記シリンダ１内の圧力は、上記Ｅ線で示す給気管５内の圧力よりも低くなっていることが分る。特に、Ａ線で示す吸気行程において、圧力が低くなるのは、上記ピストン３によるポンピング効果および上記シリンダヘッド２の吸気通路５ａの流入抵抗や吸気弁５ｃの抵抗が要因と考えられる。

この図３,図４のPV線図に示される状態を踏まえて、この実施形態の作用を説明する。

上記シリンダ内燃焼室４内で燃料が爆発すると燃焼室４内は高圧状態になる。この高圧の圧力気体は、圧力伝達通路６、６２を経て、空間１５に達する。上記指圧器用弁２０を開放すると上記空間１５内の圧力が貫通孔１６を経て上記指圧器３０に伝達され、上記指圧器３０によって気体圧力の大きさが計測される。この計測された気体圧力の値が所定の値と異なるときは、エンジン故障の恐れがあるので、エンジン部品等の点検、調整、交換等を行う。

また、上記空間１５の圧力は、安全弁４０の貫通孔４２ａを経て、弁体４４を押し上げようとする。このとき、気体圧力の大きさが、安全弁４０の設定値よりも大きいときに、弁体４４がバネ部材４５の弾性力に抗して押し上げられ、貫通孔４２ａ内の高圧気体が安全弁４０の排気孔４８から外部に排出され、圧力を逃がすことができる。

また、Ｄ線で示す排気行程とＡ線で示す吸気行程において、燃焼室４内の圧力がＥ線で示す給気管５内の圧力よりも低くなる。すなわち、上記チェック弁５０の上流側の圧力が下流側の圧力よりも高くなるので、弁部材５４の弁体５４ａがバネ部材５４ｃの弾性力に抗して移動してニップル５２の貫通孔５２ａの開口を開放する。すると、給気管５内の冷気が、連通管５５、チェック弁５０内、空間１５、圧力伝達通路６２,６を介して、燃焼室４に流入する。

その結果、圧力伝達通路６２、６は、流入した冷気で冷却されると共に燃焼ガスが圧力伝達通路６２、６内から燃焼室４に排出され、かつ、ガスエンジンの場合は、ガス燃料が圧力伝達通路６２、６内に浸入するのを防ぐことができる。ひいては、安全装置１０の全体が冷却され、装置各部において部材温度が上昇するのを防ぐことができる。

また、この実施形態によれば、圧力伝達通路６，６２の圧力が給気管５の圧力よりも低くなったときに、給気管５から圧力伝達通路６、６２へ冷気が流入し、安全装置１０の各部において部材温度が上昇するのを防ぐことができる。また、特にガスエンジンの場合、この実施形態によれば、圧力伝達通路６、６２へ冷気が流入し、圧力伝達通路６，６２に気体燃料が浸入しないので、ノッキング等の異常燃焼を起こすことが少なくなる。

また、この実施形態によれば、圧力伝達通路６，６２へ冷気が流入することによって上記安全装置１０の各部において部材温度が上昇するのを防ぐことができるので、指圧器用弁２０のシート部の気密性が悪化するのを抑制できると共に、安全弁４０のバネ部材４５の弾力性が低下することを抑制できることによって、安全弁４０が設定圧力以下の圧力以下で開弁することを防げる。

この発明の内燃機関の安全装置の実施形態の主要部の断面図である。 図１の要部拡大断面図である。 シリンダ内の圧力と容積の関係を示すＰＶ線図である。 図３における圧力側スケールを拡大した図である。

符号の説明

１ シリンダ
２ シリンダヘッド
３ ピストン
５ 給気管
６ 圧力伝達通路
１０ 安全装置
２０ 指圧器用弁
３０ 指圧器
４０ 安全弁
５０ チェック弁
５５ 連通管

Claims (1)

1. 吸気通路に連通するシリンダ室を内部に形成すると共に上記シリンダ室に連通する圧力伝達通路を有するエンジンブロックと、
   上記圧力伝達通路に連結した安全弁と、
   上記圧力伝達通路と指圧器との間に接続した指圧器用弁と、
   上記圧力伝達通路と上記吸気通路との間に接続されると共に上記圧力伝達通路の圧力が上記吸気通路の圧力よりも低くなったときに開放するチェック弁と
   を備えることを特徴とする内燃機関の安全装置。

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