JP2008248838A - 大型２サイクルディーゼルエンジン用のカム駆動排気弁作動システム - Google Patents

Abstract

【課題】排気弁の開閉タイミングを柔軟に制御する、省エネルギのカム駆動排気弁システムを提供する。
【解決手段】アクチュエータ44の動作は、カム軸駆動の排気弁作動システムの動作から完全に独立したものである。したがって、追加的なガス交換弁46の開閉のタイミングは、状況に従って最適に選択することができる。カム29によって排気弁11を開くように定めた時点より前に、追加的なガス交換弁46を開くことによって、吹き戻しを減じることができる。カム29によって排気弁11を閉じるように定めた時点より後に、追加的なガス交換弁46を開いたままにすることによって、圧縮圧力を減じることができる。グラフ42は、本実施態様によるプロファイリングの可能性を示す。実線の曲線は、排気弁11の動きを表し、破線の曲線は、追加的なガス交換弁46の動きを表す。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関用のカム駆動排気弁作動システムに関し、特に、大型２サイクルディーゼルエンジン用のカム駆動油圧排気弁作動システムに関する。

クロスヘッド型の大型２サイクルディーゼルエンジンは、例えば、大型遠洋航行船舶の推進機関、または発電所の主原動機として使用される。これらの２サイクルディーゼルエンジンは、単に大きさだけでなく、他の内燃機関とは構成が異なる。２サイクルの原理および50℃で粘度700cSt以下の重油（油は室温では流れない）を使用することから、エンジン分野では特有のクラスとなっている。

性能の改善および排気ガス削減への要求から、これらの２サイクルディーゼルエンジン用のコモンレール電子油圧制御の排気弁作動システムが開発されるに至った。これらのシステムの利点は、排気弁を開閉するタイミングを、エンジンの作動条件に合わせて自由に選択できることである。しかし、これらのコモンレール電子油圧式システムは、比較的高価であり、開工程の間に必要以上のエネルギを消費し、閉工程の間にその埋め合わせがなされないことから、従来のカム駆動システムよりも多くのエネルギを消費する。これら２つの欠点は、電子制御エンジンの多数の利点を打ち消してしまうものである。

このような背景の下、本発明は、排気弁の開閉タイミングを柔軟に制御する、省エネルギのカム駆動排気弁システムを提供することを目的とする。

本目的は、クロスヘッド型の大型２サイクルディーゼルエンジンであって、各シリンダが少なくとも１つの排気弁を備える複数のシリンダと、それら複数のシリンダのそれぞれに連関する少なくとも１つの排気弁をそれぞれ作動させるための複数のカムを備える少なくとも１つのカム軸と、複数のシリンダのそれぞれに対応する油圧プッシュロッドとを備え、ここで該油圧プッシュロッドは、カム軸上の対応するカムによって駆動される油圧ピストンポンプをアクチュエータごとに備えるとともに、対応する排気弁を開方向に動かすための油圧アクチュエータと、油圧ピストンポンプを対応する油圧アクチュエータに接続するための作動油管とを排気弁ごとに備え、対応するプッシュロッドに作動油を制御可能に加え又は抜くための装置が、油圧プッシュロッドのそれぞれに接続されていることを特徴とする、クロスヘッド型の大型２サイクルディーゼルエンジンを提供することによって達成される。

油圧プッシュロッドに作動油を制御可能に追加することによって、油圧弁アクチュエータを所望の時間に作動させることができる。したがって、カムが作動する時点より前に作動油管に作動油を加えることによって、カム軸上のカムの形状によって定められる開時点より前に、排気弁を開くことができる。

また、カムの作動期間中に作動油を追加し、カムの作動期間後に抜くことで、カムの形状によって定められる時点より後に排気弁が閉じられるように、排気弁の閉鎖を遅らせることができる。

上記装置は、油圧プッシュロッドのそれぞれに接続された制御可能な加圧作動油源と、油圧プッシュロッドのそれぞれに接続された制御可能な作動油排出口とを備えることが可能である。

上記装置は、対応するシリンダに連関するカムの作動段階前、または作動中に、油圧プッシュロッドに所定量の作動油を追加するように構成することが可能である。

上記装置は、対応するシリンダに連関するカムの作動中、またはその後に、油圧プッシュロッドから所定量の作動油を抜くように構成することが可能である。

加えられる量又は抜かれる量は、変化させることが可能である。

上記装置は、加圧作動油源または作動油排出口に油圧プッシュロッドを交互に接続するように構成した電子制御油圧弁を備えることが可能である。

上記装置は、電子制御油圧弁と油圧プッシュロッドとの間に容量リミッタをさらに備えることが可能である。

上記エンジンは、排気弁に動作可能に連結された位置センサをさらに備え、電子制御油圧弁は、位置センサからの信号に応答して制御される。

エンジンは、閉方向に排気弁を動かすための弾性部材を排気弁ごとに備えることが可能である。

本目的はまた、クロスヘッド型の大型２サイクルディーゼルエンジンであって、各シリンダが少なくとも１つの排気弁を備える複数のシリンダと、それら複数のシリンダのそれぞれに連関する少なくとも１つの排気弁をそれぞれ作動させるための複数のカムを備える少なくとも１つのカム軸とを備え、さらに、カム軸上の対応するカムによって駆動される油圧ピストンポンプをアクチュエータごとに備え、排気弁を開方向に動かすための油圧アクチュエータ及び油圧ピストンポンプを対応するアクチュエータに接続するための作動油管を排気弁ごとに備え、さらに、各シリンダに連関する追加的なガス交換弁と、カム軸とは独立に、追加的なガス交換弁の開閉を制御する作動システムとを備えるクロスヘッド型の大型２サイクルディーゼルエンジンを提供することによって達成される。

カム軸とは独立に制御することが可能な追加的なガス交換弁を設けることによって、排気弁が閉じる前に追加的なガス交換弁を開いて、および／または排気弁が閉じた後に追加的なガス交換弁を開けたままにして、圧縮圧力およびシリンダからの吹き戻しを制御できるようになる。

上記作動システムは、追加的なガス交換弁の開閉を電子的に制御することが可能である。

上記追加的なガス交換弁は、排気弁と比較して比較的に小さくすることが可能である。

上記追加的なガス交換弁は、排気ガス受に対応するシリンダを接続することが可能である。

上記追加的なガス交換弁は、掃気受に対応するシリンダを接続することが可能である。

上記作動システムは、追加的なガス交換弁に動作可能に接続された油圧アクチュエータをさらに備えることが可能である。

上記作動システムは、対応するシリンダの吹き戻しおよびその圧縮圧力を制御するように構成することが可能である。

作動システムは、排他的に圧縮圧力を制御するように構成することが可能である。

本発明による大型２サイクルディーゼルエンジンのさらなる目的、機能、利点、および特性は、以下の詳細な説明によって明らかになろう。

好適な実施形態の詳細な説明

本説明の以下の詳細部分において、図面に示される例示的な実施態様を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。

図１および２は、それぞれ、本発明の好適な実施態様によるエンジン1の断面図および縦断面図を示したものである（シリンダ一本）。エンジン1は、クロスヘッド型の単流低速２サイクルクロスヘッドディーゼルエンジンであり、船舶の推進システムまたは発電所の主原動機とすることが可能である。これらのエンジンは、一般に直列で4乃至14のシリンダを有する。エンジン1は、クランク軸3のための主軸受を備える台板2から組み立てられる。

クランク軸3は、半組立型である。半組立型とは、焼嵌め連結によって主ジャーナルと連結される、鍛鋼または鋳鋼スローで形成されるものである。

台板2は、単一の部品で形成するか、または生産設備に従った好適なサイズの部分に分割することができる。台板は、側壁と、軸受支えを備える溶接横桁とで構成される。横桁は、従来技術において、「横断桁」とも称される。油受58は、台板2の底部に溶接され、強制潤滑および冷却油システムからの戻り油を回収する。

連接棒8は、クロスヘッド軸受22にクランク軸3を接続する。クロスヘッド軸受22は、垂直案内面23との間を案内される。

溶接設計のＡ形フレームボックス4は、台板2に載置される。フレームボックス4は、溶接設計である。フレームボックス4の排気側には、各シリンダのための逃し弁を備え、フレームボックス4のカム軸側には、各シリンダのための大型ヒンジ付ドアを備える。クロスヘッド案内面23は、フレームボックス4内に一体化される。

シリンダフレーム5は、フレームボックス4の上部に載置される。控えボルト27は、台板2と、フレームボックス4と、シリンダフレーム5とを接続し、その構造を統一的に保持する。控えボルト27は、油圧ジャッキで締め付けられる。

シリンダフレーム5は、１つ以上の部分に鋳造され、最終的には一体型カム軸筐体25とともに鋳造されるか、または溶接設計である。別の実施態様（図示せず）によれば、カム軸28は、シリンダフレームに取り付けられた、別個のカム軸筐体内に収容される。

シリンダフレーム5は、掃気空間を浄化して、カム軸側から掃気口およびピストンリングを検査するためのアクセスカバーを備える。シリンダフレーム5は、シリンダライナ6と共に掃気空間を形成する。掃気受9は、その開口側とともにシリンダフレーム5にボルトで固定される。シリンダフレームの底部にはピストン棒のスタッフィングボックスがあり、これは、掃気のためのシールリングと、油スクレーパリングとを備え、排気物がフレームボックス4および台板2の空間に侵入しないようにして、この空間に存在する全ての軸受を保護する。

ピストン13は、ピストンクラウンと、ピストンスカートとを含む。ピストンクラウンは、耐熱鋼製であり、溝の上面および下面の両方に硬質クロムをメッキした、4つの環状溝を有する。

ピストン棒14は、4本のネジでクロスヘッド22に接続される。ピストン棒14は、冷却油パイプと連動してピストン13に対する冷却油の出入口を形成する、２つの同軸孔（図では明らかでない）を有する。

シリンダライナ6は、シリンダフレーム5によって担持される。シリンダライナ6は、合金鋳鉄製であり、低位のフランジによってシリンダフレーム5内に懸架される。ライナーの最上部は、鋳鉄製の冷却ジャケットで囲まれる。シリンダライナ6は、シリンダ潤滑用のドリル孔（図示せず）を有する。

シリンダは単流型であり、エアボックス内に位置する掃気口7を有し、エアボックスには、掃気受9（図１）からターボチャージャ10（図１）で加圧された掃気が供給される。

エンジンには、4乃至9シリンダのエンジンに対してはエンジンの後端部に、10以上のシリンダのエンジンに対しては排気側に配置される、１つ以上のターボチャージャ10が取り付けられる。

ターボチャージャ10への吸気は、ターボチャージャの吸気消音器（図示せず）を介して、エンジンルームから直接行われる。空気は、ターボチャージャ10から、給気パイプ（図示せず）、空気冷却器（図示せず）、および掃気受9を経て、シリンダライナ6の掃気口7に導かれる。

エンジンは、電動の掃気ブロワー（図示せず）を備える。ブロワーの吸引側は、空気冷却器の後ろの掃気空間に接続される。空気冷却器と掃気受との間には、補助ブロワーが空気を供給するときに自動的に閉じる、逆止め弁（図示せず）が取り付けられる。補助ブロワーは、低負荷および中負荷状態でのターボチャージャ圧縮機を支援する。

燃料弁40は、シリンダカバー12内に同心円状に載置される。圧縮行程の終わりに、噴射弁40は、それらの噴射ノズルを介して、燃焼室15に高圧で細かい霧状の燃料を噴射する。排気弁11は、シリンダカバー12内のシリンダ上部中央に載置される。膨張行程の終わりに、エンジンのピストン13が掃気口7を過ぎて下行する前に排気弁11が開くことによって、ピストン13の上の燃焼室15内の燃焼ガスが、排気受17に開口する排気流路16を通って流出し、燃焼室15内の圧力が軽減される。排気弁11は、ピストン13が上向きに動く間は、再び閉じる。排気弁11は、油圧で作動する。

図３は、本発明による排気弁作動システムの第１の実施態様を示す。排気弁作動システムは、単一のシリンダについて示される実施態様の全てに対するものである。マルチシリンダエンジンでは、各シリンダに対して同じ条件となる。排気弁作動システムは、カム29（１つのみ図示する）を備えるカム軸28を含む。ローラー30は、カムの表面に従い、容積式ポンプ32のピストンに接続される。容積式ポンプ32は、コンジット（作動油管）36を経て排気弁アクチュエータ34に接続される。排気弁アクチュエータ34は、排気弁11の軸に作用する。ガススプリング38も排気弁の軸に接続され、ガススプリング38の圧力室内のガス圧力は、閉方向に排気弁11を動かす。弁アクチュエータ34が加圧されると、そのガス圧力が開方向に排気弁を動かす。排気弁の位置は、エンジンの電子制御システムに接続されたセンサ39で測定される。動作中に、カム軸28は、エンジンのクランク軸と一致して、当該のピストンの上死点（Top Dead Center）を示す「TDC」の表示の上の矢印の方向に回転する。カム29の形状は、容積式ポンプ32の動作を決定する。容積式ポンプ32が上方向へ移動すると、作動油がコンジット36を経て弁アクチュエータ34に圧入される。アクチュエータ34は、燃焼室内およびガススプリング38の圧力に逆らって排気弁11を開かせる。容積式ポンプ32が下方向へ移動すると、ガススプリング38が排気弁および排気弁アクチュエータ34を上方向に動かし、それによって排気弁アクチュエータ34内の油圧油は、容積式ポンプ32内に逆流する。排気弁11の開口動作中に排気弁アクチュエータ34に伝達されたほとんどのエネルギは、排気弁アクチュエータ34の戻り行程中に容積式ポンプ32において生じた圧力によって、カム軸28に戻される。したがって、排気弁11を開くために必要な油圧エネルギのごく一部しか放散されない。カム29によって定められる開口プロファイルを、グラフ42内の下側の細い曲線で表す。

本実施態様による排気弁システムは、容量リミッタ41を経てコンジット36に接続された１つのポートを有する、3/2弁33をさらに含む。3/2弁33の入口は、加圧作動油源49に接続され、3/2弁33の出口は、ドレインまたはタンクに接続される。

3/2弁33は、電子制御システムによって電子的に制御される。動作中に、3/2弁33は、動作サイクル時の所望の時点で、コンジット36への作動油の追加および除去を行うことができる。グラフ42は、コンジット36への作動油の追加および除去を行うことによって生じる可能性を示したものである。グラフ42の上側の曲線は、ある容量の作動油がコンジット36に追加されたときの、排気弁11の位置を表す。排気弁11は、カム29が作動し始める前に、3/2弁33でコンジット36に作動油を追加することによって、カム29の形状によって定められるよりも早く開くことができる。さらなる量の作動油は、3/2弁33の位置を変化させることによって、カム29によって定められたように排気弁を閉じる時点より前または後に除去することができる。容量リミッタ41によって、コンジット36に追加またはこれから除去される量が多くなりすぎないようにする。さらなる量の作動油が、カム29の形状によって定められた排気弁11の閉時点より前に除去されたとき、排気弁はカム29によって定められたように閉じる。さらなる量の作動油が、カム29の形状によって定められた排気弁11の閉時点より後に除去された場合、排気弁は、より長い間開いたままになる。本実施態様による排気弁作動システムは、プロファイリングの可能性、すなわち、排気弁11を開くタイミングの変更、および排気弁11を閉じるタイミングの変更を提供する。3/2段-弁33を制御することによって、本実施態様による排気弁作動システムは、エンジンサイクル中の所望の時点で、グラフ42の上方と下方の曲線の間を変化させることが可能になる。シリンダからの吹き戻しおよび圧縮圧力は、排気弁11を開閉するタイミングを変化させることによって調整することができる。排気弁11を開閉する最適なタイミング／プロファイリングのためのアルゴリズムおよびデータは、電子制御システムに格納され、動作条件およびエンジン特性に基づいて適用される。

図４は、本発明による排気弁作動システムの第２の実施態様を示すが、次の差異を除いて図３を参照して説明した実施態様と本質的に同一である。3/2弁を、油圧制御サーボ弁35に置き換えている。サーボ弁は、加圧作動油源49およびタンクに接続される。サーボ弁35は、エンジンの電子制御システムによって電気的に制御される、制御弁37によって油圧制御される。エンジンの電子制御システムは、位置センサ39からの信号を使用して、サーボ弁35の適切な位置を判断する。グラフ42は、本実施態様によって得ることができる、排気弁11を開閉するためのプロファイルを変化させる可能性を示す。コンジット36に追加または除去される作動油の量を自由に選択することができるが、その量は図３の実施態様における容量リミッタによって決定されているので、本実施態様によって、上方と下方の曲線間におけるあらゆる位置を得ることができる。したがって、本実施態様は、排気弁11を開閉するプロファイリングにおける柔軟性をさらに高める。

図５は、本発明の第３の実施態様を示す。本実施態様では、油圧弁作動システムは、コンジット36によって油圧弁アクチュエータ34に接続された容積式ポンプ32を含む、油圧プッシュロッドシステムも使用する。しかし、本実施態様では、シリンダ6は、追加的なガス交換弁46を備える。追加的なガス交換弁46は、排気弁11と比較して相対的に小型であり、排気ガスコンジットに小さな開口部を提供する。追加的なガス交換弁46は、エンジンの電子制御システムによって制御される小型の油圧アクチュエータ44によって開閉される。アクチュエータ44の動作は、カム軸駆動の排気弁作動システムの動作から完全に独立したものである。したがって、追加的なガス交換弁46の開閉のタイミングは、状況に従って最適に選択することができる。カム29によって排気弁11を開くように定めた時点より前に、追加的なガス交換弁46を開くことによって、吹き戻しを減じることができる。カム29によって排気弁11を閉じるように定めた時点より後に、追加的なガス交換弁46を開いたままにすることによって、圧縮圧力を減じることができる。グラフ42は、本実施態様によるプロファイリングの可能性を示す。実線の曲線は、排気弁11の動きを表し、破線の曲線は、追加的なガス交換弁46の動きを表す。

図６は、本発明の第４の実施態様を示すが、追加的なガス交換弁46がダクト47を経て掃気受に接続されていることを除いて、図５を参照して説明した実施態様と本質的に同一である。したがって、本実施態様では、追加的なガス交換弁によって、圧縮圧力だけを調整することができる。グラフ42は、本実施態様によるプロファイリングの可能性を示す。実線の曲線は、排気弁11の動きを表し、破線の曲線は、追加的なガス交換弁46の動きを表す。

請求項で用いられる用語「〜を備える」は、他の要素を除外するものではない。請求項で用いられる用語のうち、「複数の」と記されていないものは、複数を除外するものではない。

本発明を例証のために詳述したが、この詳細は単にその目的のためのものであり、当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく変更できると理解されたい。

本発明によるエンジンの断面図である。 図１に示されるエンジンの１つのシリンダセクションの縦断面図である。 本発明による排気弁作動システムの第１の実施態様をシンボリックに示した図である。 本発明による排気弁作動システムの第２の実施態様をシンボリックに示した図である。 本発明による排気弁作動システムの第３の実施態様をシンボリックに示した図である。 本発明による排気弁作動システムの第４の実施態様をシンボリックに示した図である。

Claims (16)

1. クロスヘッド型の大型２サイクルディーゼルエンジンであって、
   各シリンダが少なくとも１つの排気弁を備える複数のシリンダと、
   前記複数のシリンダのそれぞれに連関する前記少なくとも１つの排気弁をそれぞれ作動させるための複数のカムを備える少なくとも１つのカム軸と、
   前記複数のシリンダのそれぞれに対応する油圧プッシュロッドとを備え、ここで前記油圧プッシュロッドは、前記カム軸上の対応するカムによって駆動される油圧ピストンポンプをアクチュエータごとに備えるとともに、対応する前記排気弁を開方向に動かすための油圧アクチュエータと、前記油圧ピストンポンプを対応する前記油圧アクチュエータに接続するための作動油管とを排気弁ごとに備え、
   対応する前記プッシュロッドに作動油を制御可能に加え又は抜くための装置が、前記油圧プッシュロッドのそれぞれに接続されていることを特徴とする、クロスヘッド型の大型２サイクルディーゼルエンジン。
2. 前記装置は、前記油圧プッシュロッドのそれぞれに接続された制御可能な加圧作動油源と、前記作動油管のそれぞれに接続された制御可能な作動油排出口と、を備える請求項１に記載のエンジン。
3. 前記装置は、対応する前記シリンダに連関する前記カムの作動前、または作動中に、前記作動油管に所定量の作動油を加えるように構成される、請求項１または２に記載のエンジン。
4. 前記装置は、対応する前記シリンダに連関する前記カムの作動中、または作動後に、前記油圧プッシュロッドから所定量の作動油を抜くように構成される、請求項３に記載のエンジン。
5. 前記装置は、加圧作動油源または作動油排出口に前記油圧プッシュロッドを交互に接続するように構成した電子制御油圧弁を備える、請求項３に記載のエンジン。
6. 前記電子制御油圧弁と前記油圧プッシュロッドとの間に容量リミッタをさらに備える、請求項５に記載のエンジン。
7. 前記排気弁に対して動作可能に連結される位置センサをさらに備え、前記電子制御油圧弁は、前記位置センサからの信号に応答して制御される、請求項５に記載のエンジン。
8. 閉方向に前記排気弁を動かすための弾性部材を排気弁ごとにさらに備える、請求項１に記載のエンジン。
9. クロスヘッド型の大型２サイクルディーゼルエンジンであって、
   各シリンダが少なくとも１つの排気弁を備える複数のシリンダと、
   前記複数のシリンダのそれぞれに連関する前記少なくとも１つの排気弁をそれぞれ作動させるための複数のカムを備える少なくとも１つのカム軸とを備え、さらに、
   前記カム軸上の対応するカムによって駆動される油圧ピストンポンプをアクチュエータごとに備え、
   前記排気弁を開方向に動かすための油圧アクチュエータ及び前記油圧ピストンポンプを対応する前記アクチュエータに接続するための作動油管を排気弁ごとに備え、さらに、
   各シリンダに連関する追加的なガス交換弁と、
   前記カム軸とは独立に、前記追加的なガス交換弁の開閉を制御する作動システムと、
   を備えるクロスヘッド型の大型２サイクルディーゼルエンジン。
10. 前記作動システムは、前記追加的なガス交換弁の開閉を電子的に制御する、請求項９に記載のエンジン。
11. 前記追加的なガス交換弁は、前記排気弁と比較して相対的に小さい、請求項１０に記載のエンジン。
12. 前記追加的なガス交換弁は、排気ガス受に、対応する前記シリンダを接続する、請求項１に記載のエンジン。
13. 前記追加的なガス交換弁は、掃気受に、対応する前記シリンダを接続する、請求項１に記載のエンジン。
14. 前記作動システムは、前記追加的なガス交換弁に動作可能に接続される油圧アクチュエータをさらに備える、請求項１０に記載のエンジン。
15. 前記作動システムは、対応する前記シリンダの吹き戻しを制御するように構成される、請求項９に記載のエンジン。
16. 前記作動システムは、その圧縮圧力を制御するように構成される、請求項９に記載のエンジン。

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