JP2013204491A - エンジン - Google Patents

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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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