JP2013204491A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスが最初に供給される過給機を大型化することなく、当該過給機が許容回転数に達することを防止した構成のエンジンを提供する。
【解決手段】舶用エンジン１は、排気マニホールド７１と、第２過給機２４と、過給機連結管４１と、第１過給機２２と、バイパス管４２と、送出量バルブ４３と、を備える。過給機連結管４１は、第２過給機２４から第１過給機２２へ向かう排気ガスが流れる。バイパス管４２は、排気マニホールド７１と過給機連結管４１とを連結し、排気マニホールド７１から過給機連結管４１へ向かう排気ガスが流れる。送出量バルブ４３は、バイパス管４２に取り付けられ、過給機連結管４１へ送出する排気ガスの量を調整する。
【選択図】図５

Description

本発明は、過給機を２つ備えたエンジンに関する。

従来から、車や船舶等のエンジンにおいて、過給機を２つ備えた構成（二段過給システム）が知られている。二段過給システムでは、シリンダから排出された排気ガスを利用して第１過給機のタービンを回転させることで、空気を圧縮してシリンダ側へ送出する。第２過給機は、第１過給機で圧縮された空気を更に圧縮した後に、当該空気をシリンダへ送出する。これにより、シリンダに供給される空気の流量を増やすことができるので、エンジンの出力を向上させることができる。２段過給機システムでは、以上のようにして給気が行われる。

一方、シリンダから排出された排気ガスは、初めに上記第２過給機に送出される。また、上記の２つの過給機は、過給機連結管によって互いに連結されている。そして、第２過給機が利用した排気ガスは、この過給機連結管によって上記第１過給機へ供給される。特許文献１から３では、この種の二段過給システムを開示する。また、特許文献１から３では、二段過給機システムを適用する対象として、自動車用のエンジン、パワーショベル等の建設機械用のエンジン、及び航空機用のエンジン等が開示されている。

特開２０１１−９９３３２号公報 特開２０１１−１６３２０１号公報 特許第３９５３６３６号公報

ところで、この二段過給システムでは、エンジンの低速トルクを確保するために、通常は上記第２過給機を小型にする構成が採用される。しかし、小型の過給機は、大型の過給機と比較して、排気ガスが供給されたときのタービンの回転数の上昇が著しい。また、第２過給機は、初めに排気ガスが供給される影響もあり、第１過給機と比較して、タービンの回転数が上昇し易い。

そのため、第２過給機を小型化すると、タービンの回転数が許容回転数を超えてしまうことがある。これは、第２過給機に大きな負荷となるため、第２過給機が損傷したり、寿命が縮んだりすることが考えられる。しかし、第２過給機を大型化すると、エンジンの低速トルクを確保することができなくなる。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、排気ガスが最初に供給される過給機を大型化することなく、当該過給機が許容回転数に達することを防止した構成のエンジンを提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の観点によれば、以下の構成のエンジンが提供される。即ち、このエンジンは、排気マニホールドと、前段過給機と、過給機連結管と、後段過給機と、バイパス管と、送出量バルブと、を備える。前記排気マニホールドは、複数のシリンダから排出された排気ガスをまとめる。前記前段過給機は、前記排気マニホールドと接続され、当該排気マニホールドから送出された排気ガスを利用して給気を行う。前記過給機連結管は、前記前段過給機と接続され、当該前段過給機が利用した排気ガスが流れる。前記後段過給機は、前記過給機連結管から送出された排気ガスを利用して給気を行う。前記バイパス管は、前記排気マニホールドと前記過給機連結管とを連結し、前記排気マニホールドから供給された排気ガスを分割することなく前記過給機連結管へ送出する。前記送出量バルブは、前記バイパス管に取り付けられ、前記過給機連結管へ送出する排気ガスの量を調整する。

これにより、送出量バルブを調整することで、前段過給機に許容量以上の排気ガスが送られることを防止できる。従って、前段過給機に掛かる負荷を軽減することができる。また、前段過給機を小型化することができるので、低速トルクを十分に確保することができる。

前記のエンジンにおいては、前記送出量バルブは、前記バイパス管の中央よりも前記過給機連結管側に取り付けられていることが好ましい。

これにより、送出量バルブに触れる排気ガスの温度を少し下げることができるので、送出量バルブをあまり（又は全く）冷却することなく送出量バルブの固着を防止できる。

前記のエンジンにおいては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、前記排気マニホールドには、前記前段過給機と連結するための排気口と、前記バイパス管と連結するための排気口と、が少なくとも形成されている。双方の前記排気口を接続する仮想線が示す方向と、前記過給機連結管の長手方向と、が同じ方向である。

これにより、過給機連結管が排気マニホールドに沿う合理的なレイアウトが実現できる。また、このレイアウトでは、バイパス管を短くすることができるので、後段過給機へ送出される排気ガスのエネルギー損失を抑えることができる。

前記のエンジンにおいては、前記排気マニホールドと、前記過給機連結管と、が同じ高さとなるように配置されることが好ましい。

これにより、バイパス管を一層短くすることができるので、後段過給機へ送出される排気ガスのエネルギー損失を更に抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る舶用エンジンの斜視図。 舶用エンジンの平面図。 舶用エンジンの正面図。 排気ガスが過給機へ供給される様子を示す斜視図。 給気経路及び排気経路を示す経路図。 排気ガスが過給機へ供給される様子を示す平面図。 給気系の機器の位置関係を示す斜視図。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。初めに、図１から図４までを参照して、舶用エンジン１の全体的な構成を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る舶用エンジン１の斜視図である。図２は、舶用エンジン１の平面図である。図３は、舶用エンジン１の正面図である。図４は、排気ガスが過給機へ供給される様子を示す斜視図である。

なお、以下の説明において、図１に示すように、舶用エンジン（エンジン）１の上下方向を高さ方向と称し、舶用エンジン１のクランクシャフト６１（図２を参照）の長手方向をクランク軸方向と称し、高さ方向及びクランク軸方向の何れとも直交する方向を装置幅方向と称する。また、高さ方向のうち図１の上側（トップカバー１０が配置される側）を上側とする。

本実施形態の舶用エンジン１は、プレジャーボート等の船舶に搭載されるインボードタイプのディーゼルエンジンである。また、この舶用エンジン１には、二段過給システムが採用されている。

舶用エンジン１は、図１に示すように、トップカバー１０を備えている。トップカバー１０は、平板状に構成されており、厚み方向が前記高さ方向と一致するように配置されている。なお、トップカバー１０は、平板状に限られず、少なくとも一部に折曲げ（又は湾曲）が形成された構成であっても良い。このトップカバー１０の下側には、バルブカバー及びシリンダブロック等が配置されている。

舶用エンジン１は、二段過給システムとして、第１過給機（後段過給機）２２と、第１インタークーラ２３と、第２過給機（前段過給機）２４と、第２インタークーラ２５と、それらを接続する給気管２１ａ〜２１ｄと、を備えている。

第１過給機２２は、ハウジングの内部に、タービンとコンプレッサを備えている。タービンは、排気ガスを利用して回転するように構成されている。コンプレッサは、タービンと同じシャフトに接続されており、タービンの回転に伴って回転する。第１過給機２２は、コンプレッサが回転することにより、空気を圧縮して強制的に給気を行うことができる。この構成により、排気ガスを利用してシリンダに供給する空気の流量を増加させることができるので、舶用エンジン１の出力を上げることができる。なお、第１過給機２２によって吸気されることにより、空気が急速に圧縮されるため、当該空気は高温となる。この高温の空気は、給気管２１ａを介して第１インタークーラ２３へ送出される。

第１インタークーラ２３のハウジングの内部には、海水が流れる冷却管が複数配置されている。第１過給機２２から送出された空気は、この冷却管の周囲を流れるように構成されている。この構成により、第１インタークーラ２３は、第１過給機２２から送出された空気を海水との熱交換によって冷却することができる。第１インタークーラ２３によって冷却された空気は、給気管２１ｂを介して第２過給機２４へ送出される。

第２過給機２４は、第１過給機２２と同等の構成であり、図４に示すように、タービンが内蔵されたタービンハウジング２４ａと、コンプレッサが内蔵されたコンプレッサハウジング２４ｂと、を備える。第２過給機２４は、第１インタークーラ２３から送出された空気を圧縮することができる。この圧縮された空気は、上記と同様に高温となる。そして、この高温の空気は、給気管２１ｃを介して第２インタークーラ２５へ送出される。なお、排気ガスが第１過給機２２及び第２過給機２４へ供給される構成の詳細は後述する。

第２インタークーラ２５は、第１インタークーラ２３と同等の構成であり、第２過給機２４から送出された空気を海水との熱交換によって冷却する。第２インタークーラ２５によって冷却された空気は、給気管２１ｄを介して、給気マニホールド２８へ送出される。

前記トップカバー１０の内側のシリンダヘッドには、コモンレール式の燃料噴射機構が配置されている。舶用エンジン１は、シリンダへ供給された圧縮空気を更に圧縮した後に、この燃料噴射機構によって燃料を噴射することで、ピストンを上下に駆動する。これにより、舶用エンジン１は、動力を発生させることができる。

また、舶用エンジン１は、図３等に示すように、フライホイールハウジング６２と、オイルパン６３と、オイルフィルタ２６と、を備える。

フライホイールハウジング６２は、クランク軸方向の第１過給機２２側の端部に配置されている。フライホイールハウジング６２内のフライホイールには、図略のクラッチ等を介してトランスミッション７５が連結される。このトランスミッション７５には、船舶の推進装置等が連結される。これにより、舶用エンジン１の出力を推進装置等に伝達したり遮断したりすることができる。

オイルパン６３は、高さ方向においてトップカバー１０と反対側の面（底面）に配置されている。オイルパン６３は、エンジン内部（シリンダ等の主運動系の部品等）へ供給されるエンジンオイルを溜めておくための部材である。オイルパン６３に溜められているエンジンオイルは、図略のオイルポンプによって、エンジン内部へ送出される。

オイルポンプによって送出されたエンジンオイルは、オイルフィルタ２６を通過する。これにより、エンジンオイルに含まれる金属粉やゴミ等を取り除くことができる。本実施形態では、オイルフィルタ２６は、２つのフィルタ（フルフローフィルタ及びバイパスフィルタ）を備えている。

次に、図４から図６までを参照して、排気ガスの流れ、特に第１過給機２２及び第２過給機２４へ排気ガスを供給する構成について説明する。図５は、給気経路及び排気経路を示す経路図である。図６は、排気ガスが第１過給機２２及び第２過給機２４へ供給される様子を示す平面図である。

図５に示すように、複数（本実施形態では６つ）のシリンダから排出された排気ガスは、排気マニホールド７１によって１又は複数（本実施形態では１つ）にまとめられ、排気口７２から排出される。なお、排気マニホールド７１は、装置幅方向の第２過給機２４側の端部に配置される（図４等を参照）。以下、それぞれの排気口７２から排出された排気ガスの流れについて説明する。

図５に示すように、第２インタークーラ２５側の排気口７２には、ＥＧＲ管５１が接続される。このＥＧＲ管５１は、ＥＧＲクーラ５２で冷却された後に、給気マニホールド２８へ送出される。また、ＥＧＲ管５１にはＥＧＲバルブ５３が取り付けられており、給気マニホールド２８へ供給する排気ガスの流量を調整することができる。

中央の排気口７２には、第２過給機２４が接続される。これにより、第２過給機２４へ排気ガスを供給することができる。また、第２過給機２４のタービンハウジング２４ａ内を通りタービンを回転させた排気ガスは、過給機連結管４１を介して、第１過給機２２へ送出される。

上述のように、第２過給機２４は、低速トルクを確保するために小型であることが好ましい。しかし、小型の過給機は多量の排気ガスが供給された場合に許容された回転数を超えることで破損する可能性がある。

これを回避するため、第２過給機２４には、排気マニホールド７１と過給機連結管４１とを接続するウエストゲート通路４６が配置される（図５を参照）。これにより、排気マニホールド７１から排出された排気ガスのうち一部を、第２過給機２４を介さずに、第１過給機２２へ送出することができる。また、ウエストゲート通路４６にはバルブ４７が取り付けられている。これにより、第２過給機２４のタービンハウジング２４ａへ供給する排気ガスの流量を調整することができる。

なお、本実施形態では、図５に示すように、このウエストゲート通路４６は、第２過給機２４内に配置される。これにより、ウエストゲート通路４６の大きさは、第２過給機２４の大きさに制約される。

このように、ウエストゲート通路４６を備えることで、タービンハウジング２４ａへ供給される排気ガスの量を減らすことができる。

しかし、仮にバルブ４７を完全に開放した場合であっても、排気マニホールド７１から排出される排気ガスの量によっては、過剰な排気ガスがタービンハウジング２４ａに流れ込む場合がある。この場合、第２過給機２４が損傷する可能性がある。

本実施形態では、この課題を解決するために、第１過給機２２側の端部の排気口７２と、過給機連結管４１と、を接続するバイパス管４２を配置している（図５を参照）。これにより、排気マニホールド７１が排出した排気ガスを直接的に（ウエストゲート通路４６や第２過給機２４を介することなく）第１過給機２２へ送出することができる。

また、バイパス管４２には、送出量バルブ４３が取り付けられている。これにより、第１過給機２２へ供給する排気ガスの流量を調整することができる。また、この送出量バルブ４３は容量が大きく、完全に開放した場合は、シリンダから排出される排気ガスの全量を排出可能であるものとする。

次に、バイパス管４２を短くするためのレイアウトについて説明する。シリンダから排出された直後の排気ガスは、温度及び圧力が高く、エネルギーが高い。そのため、シリンダから過給機までの経路を短くすることで、排気ガスのエネルギーの損失を抑えることができ、過給機を効率良く動作させることができる。

そのため、本実施形態では、以下のようなレイアウトを採用している。即ち、図６に示すように、本実施形態では、排気マニホールド７１の長手方向は、クランク軸方向と、一致している。従って、排気口７２は、クランク軸方向に並べて形成されている。そのため、排気口７２を接続した仮想線Ｌ１は、クランク軸方向を示す。

一方、第１過給機２２及び第２過給機２４は、クランク軸方向に並べて配置されている。従って、これらを連結する過給機連結管４１は、長手方向がクランク軸方向となるように配設される。以上から、排気口７２を接続した仮想線Ｌ１が示す方向と、過給機連結管４１の長手方向は一致する。

これにより、過給機連結管４１を排気マニホールド７１に近づけることで、バイパス管４２を短くすることができる。また、本実施形態では、過給機連結管４１と排気マニホールド７１の高さが等しいため、バイパス管４２を一層短くすることができる。

また、図６に示すように、バイパス管４２は、過給機連結管４１の中央よりも第１過給機２２側に接続される。このようにバイパス管４２を配置することで、排気ガスが過給機連結管４１をあまり流れることなく第１過給機２２に達する。従って、排気ガスのエネルギーの損失を防止できる。

次に、送出量バルブ４３の位置及び送出量バルブ４３の冷却について説明する。

上述のように、排気マニホールド７１から排出された直後の排気ガスは高温であるため、使用環境及び材質等によっては、送出量バルブ４３が固着してしまう可能性がある。

この点、本実施形態では、送出量バルブ４３を過給機連結管４１よりに配置することで、送出量バルブ４３に接する排気ガスの温度を少し低くすることができる。具体的には、図６に示すように、送出量バルブ４３は、バイパス管４２の中央よりも第１過給機２２側に取り付けられている。

また、送出量バルブ４３の位置だけでは固着が防げない場合、冷却水等で冷却することで、固着を防止することができる。特に、排気マニホールド７１が水冷式である場合、排気マニホールド７１を流れる冷却水の一部を送出量バルブ４３の周囲まで流すことで、簡単な構成で送出量バルブ４３を冷却できる。特に本実施形態では、バイパス管４２の長さが短いため、冷却管の長さをあまり長くすることなく、送出量バルブ４３を冷却できる。なお、このとき、排気ガスを冷却せずに送出量バルブ４３だけが冷却されることが好ましい。

以上に示したように、本実施形態の舶用エンジン１は、排気マニホールド７１と、第２過給機２４と、過給機連結管４１と、第１過給機２２と、バイパス管４２と、送出量バルブ４３と、を備える。排気マニホールド７１は、複数のシリンダから排出された排気ガスをまとめる。第２過給機２４は、排気マニホールド７１と接続され、当該排気マニホールド７１から送出された排気ガスを利用して給気を行う。過給機連結管４１は、第２過給機２４と接続され、当該第２過給機２４が利用した排気ガス及びウエストゲート通路４６を経由した排気ガスが流れる。第１過給機２２は、過給機連結管４１から送出された排気ガスを利用して給気を行う。バイパス管４２は、排気マニホールド７１と過給機連結管４１とを連結し、排気マニホールド７１から送出された排気ガスを分割することなく過給機連結管４１へ送出する。送出量バルブ４３は、バイパス管４２に取り付けられ、過給機連結管４１へ送出する排気ガスの量を調整する。

これにより、送出量バルブ４３を調整することで、第２過給機２４に許容量以上の排気ガスが送られることを防止できる。従って、第２過給機２４に掛かる負荷を軽減することができる。また、第２過給機２４を小型化することができるので、低速トルクを十分に確保することができる。

また、本実施形態の舶用エンジン１において、送出量バルブ４３は、バイパス管４２の中央よりも過給機連結管４１側に取り付けられている。

これにより、送出量バルブ４３に触れる排気ガスの温度を少し下げることができるので、送出量バルブ４３をあまり（又は全く）冷却することなく送出量バルブ４３の固着を防止できる。

また、本実施形態の舶用エンジン１において、複数の排気口７２を接続する仮想線Ｌ１が示す方向と、過給機連結管４１の長手方向と、が同じ方向である。

これにより、過給機連結管４１が排気マニホールド７１に沿う合理的なレイアウトが実現できる。また、このレイアウトでは、バイパス管４２を短くすることができるので、第１過給機２２へ送出される排気ガスのエネルギー損失を抑えることができる。

また、本実施形態の舶用エンジン１において、排気マニホールド７１と、過給機連結管４１と、が同じ高さとなるように配置される。

これにより、バイパス管４２を一層短くすることができるので、第１過給機２２へ送出される排気ガスのエネルギー損失を更に抑えることができる。

次に、本実施形態の二段過給システムを構成する機器及びオイルフィルタ２６の配置について様々な観点から説明する。なお、以下の説明では、二段過給システムを構成する機器（第１過給機２２、第１インタークーラ２３、第２過給機２４、及び第２インタークーラ２５）及びオイルフィルタ２６をまとめて「過給機等」と称することがある。

初めに、平面図（図２）を参照して、過給機等の平面図における配置について説明する。なお、前述のようにトップカバー１０の厚み方向と高さ方向とは一致するので、本実施形態において平面図は、「トップカバー１０の厚み方向で見た図」と称することもできる。

第１過給機２２は、舶用エンジン１のクランク軸方向の一端部に配置されている。第１インタークーラ２３、第２過給機２４、第２インタークーラ２５は、全て舶用エンジン１の装置幅方向の一端部に配置されている。そして、これらの３つの機器は、第１インタークーラ２３が第１過給機２２に近くなるように、クランク軸方向に並べて配置されている。オイルフィルタ２６は、舶用エンジン１のクランク軸方向の他端部（トランスミッション７５側と反対側の端部）に配置されている。

また、本実施形態の過給機等は、全て、互いに重ならないように配置されている。これにより、トップカバー１０に乗ってメンテナンスを行う作業者にとって、他の機器を取り外すことなくメンテナンスが可能であるため、作業性が良好なレイアウトが実現されている。

次に、正面図（図３）を参照して、過給機等の高さ方向の位置について説明する。本実施形態では、トップカバー１０の上面が舶用エンジン１の上面の一部を構成している。また、オイルパン６３の下面が舶用エンジン１の下面の一部を構成している。従って、オイルパン６３の下面からトップカバー１０の上面までの長さを舶用エンジン１の高さと言うことができる。以下では、図３に示すように、この舶用エンジン１の高さの半分を「基準高さ」と称する。

このとき、過給機等は、全て、この基準高さよりも上側（トップカバー１０側）に配置される。より詳細には、過給機等の上端だけでなく、その中心部及び下端も基準高さよりも上側に配置されている。また、第１過給機２２、第１インタークーラ２３、及び第２インタークーラ２５の上面は、舶用エンジン１の上面と略一致するように配置されている。

この構成により、過給機等が舶用エンジン１の上部に位置しているので、トップカバー１０に乗ってメンテナンスを行う作業者にとって、当該過給機等にアクセスし易い（作業性が良好な）レイアウトが実現されている。

次に、給気系の機器の位置関係を示す斜視図（図７）を参照して、給気管２１ａ〜２１ｄの長さを比較する。

ここで、給気管２１ａの長さとは、第１過給機２２から第１インタークーラ２３までの空気の経路の長さであり、他の給気管についても同様である。そのため、本実施形態では、給気管の長さを比較することで、シリンダへ供給される空気の経路の長さを比較することができる。

本実施形態では、「給気管２１ａの長さ＜給気管２１ｂの長さ」が成立するとともに「給気管２１ｃの長さ＜給気管２１ｄの長さ」が成立する。

この構成により、高温の空気が通る給気管２１ａ及び給気管２１ｃを比較的短くすることができる。従って、給気管全体のうち断熱材等で覆う必要がある部分を短くできるので、コストを低減することができる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

舶用エンジン１を構成する部品の形状及びレイアウトは例示であり、適宜変更することができる。例えば、シリンダ数、過給機及びインタークーラの配置等は、要求されるサイズや仕様等に応じて変更することができる。

本発明を適用する対象は、舶用の主機又は補機のどちらであっても良い。また、船舶に限られず、自動車用又は作業車用のエンジンであっても良い。

１ 舶用エンジン（エンジン）
１０ トップカバー
１１ 仕切り部
２１ａ〜２１ｄ 給気管
２２ 第１過給機（後段過給機）
２３ 第１インタークーラ
２４ 第２過給機（前段過給機）
２５ 第２インタークーラ
４１ 過給機連結管
４２ バイパス管
４３ 送出量バルブ
７１ 排気マニホールド
７２ 排気口

Claims (4)

1. 複数のシリンダから排出された排気ガスをまとめる排気マニホールドと、
   前記排気マニホールドと接続され、当該排気マニホールドから送出された排気ガスを利用して給気を行う前段過給機と、
   前記前段過給機と接続され、当該前段過給機が利用した排気ガスが流れる過給機連結管と、
   前記過給機連結管から送出された排気ガスを利用して給気を行う後段過給機と、
   前記排気マニホールドと前記過給機連結管とを連結し、前記排気マニホールドから供給された排気ガスを分割することなく前記過給機連結管へ送出するバイパス管と、
   前記バイパス管に取り付けられ、前記過給機連結管へ送出する排気ガスの量を調整する送出量バルブと、
   を備えることを特徴とするエンジン。
2. 請求項１に記載のエンジンであって、
   前記送出量バルブは、前記バイパス管の中央よりも前記過給機連結管側に取り付けられていることを特徴とするエンジン。
3. 請求項１又は２に記載のエンジンであって、
   前記排気マニホールドには、前記前段過給機と連結するための排気口と、前記バイパス管と連結するための排気口と、が少なくとも形成されており、
   双方の前記排気口を接続する仮想線が示す方向と、前記過給機連結管の長手方向と、が同じ方向であることを特徴とするエンジン。
4. 請求項３に記載のエンジンであって、
   前記排気マニホールドと、前記過給機連結管と、が同じ高さとなるように配置されることを特徴とするエンジン。

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