JP2014020375A - 大型往復ピストン燃焼エンジン、ならびにそのようなエンジンを制御する制御機器および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可変圧縮比の制御に、僅かしか、あるいは全く外部空間が必要ではない、大型往復ピストン燃焼エンジンを提供する。
【解決手段】シリンダライナを備える少なくとも一つのシリンダと、前記シリンダライナ内に可動式に配置された少なくとも一つのピストンと、クランクシャフトハウジング内に回転可能に配置されたクランクシャフトとを有する大型往復ピストン燃焼エンジンであって、前記ピストンは、ピストンロッドを介してクロスヘッドに接続され、前記クロスヘッドは、接続ロッドを介して前記クランクシャフトに接続され、前記クランクシャフトが駆動され、前記クロスヘッドには、制御機器が設けられ、当該往復ピストン燃焼エンジンの圧縮比が制御されることを特徴とする大型往復ピストン燃焼エンジン。
【選択図】図１

Description

本願は、請求項1の前提部分に記載の大型往復ピストン燃焼エンジン、ならびに、それぞれ、請求項12および14の前提部分に記載の、大型往復ピストン燃焼エンジンの圧縮比を制御する制御機器および方法に関する。

往復ピストン燃焼エンジンでは、圧縮比は、燃焼、熱効率および排気ガス放出に対して重要なパラメータである。圧縮比は、通常、最適なエンジン特性が得られるように選定される。しばしば、高負荷エンジン特性が、選定の際に最も重要な点になる。全作動範囲にわたる最適特性のため、可変圧縮比が望ましいが、そのようなシステムの複雑性のため、通常は、定圧縮比を定めるような妥協が行われる。

異なる点火特性を有する異なる燃料品質で稼働することが可能な往復ピストン燃焼エンジンの場合、またはディーゼルサイクルによる液体ディーゼル油と、オットー（otto）サイクルによるガスの両方で稼働することが可能ないわゆるジュアル燃料エンジンの場合、問題は、よりクリティカルになる。ディーゼル油を用いたディーゼルサイクルとガスを用いたオットーサイクルの両方での稼働が可能となる共通の圧縮比範囲は、極めて狭い。そのような場合、ディーゼルサイクルとオットーサイクルの両方に対して、特性的に妥協する必要がある。これは、ある場合には可能であるが、最適エンジン特性では、可変圧縮比が必要となる。

より小型の往復ピストン燃焼エンジンでは、ピストンピンの周囲もしくは主ベアリングの周囲の偏心スリーブまたは偏心シャフト、およびシリンダヘッドとクランクシャフト中心線の間の距離を調節する機構のような、圧縮比を変化させる異なる解決策が知られている。これらの解決策は、しばしば複雑であり、エンジンの大幅な再設計を行わなければ、大型往復ピストン燃焼エンジンに適用することは容易ではない。また、これらの解決策には、大型エンジンにおいて剛性のあるエンジン構造を確立するため、多くの鋼および鉄が必要となる。

また、既知の大型往復ピストン燃焼エンジン、特に、例えば船舶および発電所などにおいて使用される、ディーゼルタイプの大型2ストローク往復ピストン燃焼エンジンは、小型の往復ピストン燃焼エンジンの構造とは異なる構造を有する。既知の大型往復ピストン燃焼エンジンは、それぞれがシリンダライナを備える1または2以上のシリンダと、各シリンダライナ内に可動式に配置された1または2以上のピストンと、クランクシャフトハウジングに回転式に配置されたクランクシャフトとを有し、各々のピストンは、ピストンロッドを介して各クロスヘッドに接続され、各クロスヘッドは、接続ロッドを介してクランクシャフトに接続され、クランクシャフトが駆動される。ピストンロッドは、通常、その長手軸に沿って直線運動的に誘導され、各クロスヘッドは、ピストンロッドの直線移動を、接続ロッドの非直線的な移動に変換する。

大きな可変圧縮比ディーゼルエンジンは、日本特開昭61−197731A号に示されている。記載されているディーゼルエンジンは、圧縮比を変化させるため、移動可能な出口バルブシートを有する。この解決策は、重厚すぎると考えられ、解決策の実施には、比較的多くの鋼が必要となる。

特開昭６１−１９７７３１号公報

本発明の目的は、圧縮比が変化し、可変圧縮比の制御に、僅かしか、あるいは全く外部空間が必要ではない、大型往復ピストン燃焼エンジン、ならびに大型往復ピストン燃焼エンジンの圧縮比を制御する制御機器および方法を提供することである。制御機器は、クロスヘッドまたはピストンに一体化される。

この目的は、本発明による請求項1に記載の大型往復ピストン燃焼エンジンによって、ならびに、それぞれ請求項12および15に記載の制御機器および方法によって、達成される。

本発明による大型往復ピストン燃焼エンジンは、シリンダライナを備える少なくとも一つのシリンダ、シリンダライナ内に可動式に配置された少なくとも一つのピストン、および回転可能に配置され、および／またはクランクシャフトハウジングに保管されたクランクシャフトを有し、何れの場合も、前記ピストンは、ピストンロッドを介してクロスヘッドに接続され、何れの場合も、クロスヘッドは、接続ロッドを介してクランクシャフトに接続され、クランクシャフトが駆動される。また、何れの場合も、クロスヘッド、ピストン、または両方には、往復ピストン燃焼エンジンの圧縮比を制御する制御機器が提供される。クロスヘッドは、通常、ピストンロッドの直線的移動を接続ロッドの非直線的移動に変換する。

大型往復ピストン燃焼エンジンの有意な実施例では、制御機器は、駆動機構を有し、これは、クロスヘッド内もしくはクロスヘッドに提供され、またはピストン内もしくはピストンに提供され、クロスヘッドに対してピストンロッドおよび／またはピストンが移動する。

制御機器は、例えば、1または2以上の以下の部材を有しても良い：回転可能な偏心クロスヘッドピン、クロスヘッドピンと嵌め合わされる回転可能な偏心ブッシュ、クロスヘッドピン、ブッシュ、または両方を回転させる回転機構、ならびにクロスヘッド、ブッシュ、または両方をロックするロック機構。

制御機器は、任意で、ピストンロッド、例えばピストンロッドの端部に接続された第1のネジ部、第1のネジ部と嵌め合わされる第2のネジ部、および回転機構を有しても良く、回転機構は、第1または第2のネジ部を回転するため、クロスヘッド内もしくはクロスヘッド、またはピストン内もしくはピストンに提供される。

これとは別にまたはこれに加えて、制御機器は、少なくとも一つのくさび状部分、対応部分、例えば、作動の際には、くさび状部分およびピストンロッドの両方に接続されるくさび状対応部分、ならびに駆動機構を有し、この駆動機構は、くさび状部分、対応部分、または両方を移動させる。

大型往復ピストン燃焼エンジンのさらに別の有意な実施例では、制御機器は、ピストンロッドに平行に、ピストンロッドに対してピストンを動かすガイド、または可動式のもしくは移動可能なインサートを有するピストンヘッドと、ピストンロッドに対してピストンを動かす、またはピストンもしくはピストンロッドに対してピストンヘッドを動かす、またはピストンヘッドもしくはピストンに対してインサートを動かす駆動機構とを有する。

前述の実施例に記載の回転機構または駆動機構は、油圧駆動される点で有意である。

別の有意な実施例では、制御機器は、クロスヘッドに配置され、油圧を発生させる油圧スイングポンプを有し、該スイングポンプは、例えば環状セグメントの形態を有する中空空間と、例えば密閉方式で中空空間にフィッティングされたスイングピストンとを有し、中空空間またはスイングピストンは、動作時に接続ロッドが移動した際に、スイングピストンが中空空間内で振動するように、接続ロッドの端部に接続される。

本発明は、さらに、大型往復ピストン燃焼エンジンの圧縮比を制御する制御機器を有し、往復ピストン燃焼エンジンは、シリンダライナを備える少なくとも一つのシリンダと、シリンダライナ内に可動式に配置された少なくとも一つのピストンと、回転式に配置されおよび／またはクランクシャフトハウジングに保管されたクランクシャフトとを有し、各ピストンは、ピストンロッドを介してそれぞれのクロスヘッドに接続され、各クロスヘッドは、接続ロッドを介してクランクシャフトに接続され、クランクシャフトが駆動される。本発明による制御機器は、何れの場合も、クロスヘッドの一部として構成され、またはクロスヘッドに一体化され、またはクロスヘッドピンに一体化される。

有意な実施例では、制御機器は、クロスヘッドに対して、ピストンと同じ方向に、ピストンロッドを移動させる駆動機構を有する。

本発明は、さらに、大型往復ピストン燃焼エンジンの圧縮比を制御する方法を有し、
当該方法は、
大型往復ピストン燃焼エンジンを提供するステップを有し、
前記大型往復ピストン燃焼エンジンは、シリンダライナを備える少なくとも一つのシリンダと、前記シリンダライナ内に可動式に配置された少なくとも一つのピストンと、クランクシャフトハウジング内に回転可能に配置され、および／または保管されたクランクシャフトと、を有し、
前記ピストンは、何れの場合も、ピストンロッドを介してクロスヘッドに接続され、
前記クロスヘッドは、何れの場合も、接続ロッドを介して、前記クランクシャフトに接続され、前記クランクシャフトが駆動される。

当該方法は、さらに、各クロスヘッドおよび／または各ピストンに、前記往復ピストン燃焼エンジンの圧縮比を制御する制御機器を提供するステップと、
異なる点火特性を有する異なる燃料品質が供給された場合、または燃料供給がディーゼル油からガスもしくはガスからディーゼル油に変化した場合、前記圧縮比を変化させるステップと、
を有する。

本発明による大型往復ピストン燃焼エンジンは、2ストロークまたは4ストロークのエンジンとして実現されても良く、例えば、160mmを超えもしくは200mmを超えるシリンダボアを有する4ストロークエンジン、または270mmよりも大きなもしくは300mmよりも大きな直径を有するシリンダボアを有する2ストロークエンジンとして、実現される。また、大型往復ピストン燃焼エンジンは、ディーゼルタイプの大型往復ピストン燃焼エンジンとして実現されても良い。

本発明による大型往復ピストン燃焼エンジン、ならびに大型往復ピストン燃焼エンジンの圧縮比を制御する制御機器および方法は、制御機器が大型往復ピストン燃焼エンジンのクロスヘッドまたはピストンと一体化できるという利点、および実施のために外部空間が僅かしか、あるいはほとんど必要ではなくなるという利点を有する。従って、既存の大型往復ピストン燃焼エンジンに、可変の圧縮比制御を後付けすることが可能となる。

実施例および変形例の前述の記載は、単なる一例に過ぎない。別の有意な実施例は、従属請求項および図面から明らかである。また、本願において、示され図示された実施例からの個々の特徴、および示され図示された変形例からの個々の特徴は、新たな実施例を構成するため、相互に組み合わせても良い。

本発明による大型往復ピストン燃焼エンジンの実施例である。 本発明による制御機器の実施例を通る断面図である。 本発明による制御機器の実施例を通る断面図である。 図2Aおよび2Bに示した実施例のロック機構の実施例である。 図2Aおよび2Bに示した実施例の回転機構の実施例を通る断面図である。 図2Aおよび2Bに示した実施例の回転機構の実施例を通る断面図である。 図2Aおよび2Bに示した実施例の回転機構の実施例を通る断面図である。 本発明による制御機器の第2の実施例の断面図である。 本発明による制御機器の第3の実施例の断面図である。 本発明による制御機器の第3の実施例の断面図である。 図2乃至4に示した実施例の回転機構の実施例を通る断面図である。 図2乃至4に示した実施例の回転機構の実施例を通る断面図である。 本発明による制御機器の第4の実施例の断面図である。 本発明による制御機器の第5の実施例の断面図である。 本発明による制御機器の第6の実施例の断面図である。 本発明による制御機器の第7の実施例の断面図である。 本発明による制御機器の第8の実施例の断面図である。 本発明による制御機器の第8の実施例の断面図である。 本発明による制御機器の第9の実施例の断面図である。 本発明による制御機器の第9の実施例の断面図である。 本発明による制御機器の第10の実施例の断面図である。 本発明による制御機器の第10の実施例の断面図である。 本発明による制御機器の第10の実施例の断面図である。 本発明による制御機器の第11の実施例の断面図である。 本発明による制御機器の第11の実施例の断面図である。 本発明による制御機器の第11の実施例の断面図である。 本発明による制御機器の第12の実施例の断面図である。 本発明による制御機器の第13の実施例の断面図である。 本発明による制御機器の第13の実施例の断面図である。 本発明による制御機器の第13の実施例の断面図である。 本発明による制御機器の第14の実施例の断面図である。 本発明による制御機器のスイングポンプの実施例である。

以下、図面を参照して、特定の実施例に基づき、本発明についてより詳しく説明する。

図1には、本発明による大型往復ピストン燃焼エンジン1の実施例を示す。エンジン1は、シリンダライナ4を備える少なくとも一つのシリンダと、シリンダライナ内に可動式に配置された少なくとも一つのピストン6と、クランクシャフトハウジングに回転可能に配置され、および／または保管されたクランクシャフト2とを有する。ピストン6は、何れの場合も、ピストンロッド7を介してクロスヘッド8に接続され、クロスヘッドは、何れの場合も、接続ロッド9を介してクランクシャフト2に接続され、クランクシャフトが駆動される。また、各クロスヘッド、各ピストン、またはその両方には、制御機器が提供され、往復ピストン燃焼エンジンの圧縮比が制御される。圧縮比を制御する制御機器の通常の実施例は、以下の図面を参照して以下に記載する。

クロスヘッドは、通常、ピストンロッドの直線的移動を、接続ロッドの非直線的移動に変換する。シリンダライナ4は、通常、シリンダカバーにより上方で密閉されており、ピストンとシリンダカバーの間のシリンダ内で、燃焼空間3が形成される。

また、大型往復ピストン燃焼エンジン1は、任意で、1または2以上の以下の部材を有しても良い：掃気空気の入口用のシリンダライナ4の下側部分の1または2以上の掃気開口5、燃料噴射のためシリンダカバーに配置された1または2以上の噴射ノズル12、排気ガスの放出を制御するための少なくとも一つの出口バルブ13、ならびに排気バルブの動作および／またはクランクシャフト位置に関連して圧縮比を制御する制御機器のタイミングを制御する電子制御ユニット25。

大型往復ピストン燃焼エンジンの有意な実施例では、制御機器は、クロスヘッド8、またはクロスヘッドピン、またはピストン6に提供された駆動機構を有し、クロスヘッドに対してピストンロッド7がピストンと同じ方向に移動する。

図2Aおよび2Bには、本発明による制御機器の実施例を通る断面を示す。この実施例では、制御機器10は、クロスヘッド8の一部を形成し、回転可能な偏心クロスヘッドピン14を有する。また、図2Aおよび2Bには、制御機器10が属する大型往復ピストン燃焼エンジンの一部が示されている。大型往復ピストン燃焼エンジンの記載として、前述の図1の図面を参照した記載が提供される。

制御機器10は、クロスヘッドピンをロックして、これが回転することを抑制するロック機構を有することが有意である。図2Cには、図2Aおよび2Bの実施例のロック機構16の実施例を示す。ロック機構は、ロックピン16aを有し、これは、活性化時にクロスヘッドピン14と嵌め合わせることができる。ロックピン16aは、例えば、油圧バルブで活性化されても良い。

以下、「ガス力」と言う用語は、ガス圧縮により、および／または燃焼空間での燃焼により、ピストン6に作用する力を意味する。「マス力」と言う用語は、ピストン6およびピストンロッド7のような部材の移動により行使される慣性力を意味する。

偏心クロスヘッドピン14は、ロック機構が解除されている場合、定められた角度内で自由に回転できる。ピストン6およびピストンロッド7を介して偏心クロスヘッドピンに作用するガス力およびマス力により、クロスヘッドピンは、図2Bに示すように、下死点（BDC）における低圧縮比位置まで回転する。従って、各周期の間の燃焼により、あるサイクルから次のサイクルにおいて、高圧縮比から低圧縮比への切り換えが可能になる。

低圧縮比から高圧縮比への切り替えは、ピストン上死点（TDC）近傍で可能になる。切り換え時の各サイクルの間、シリンダ内で燃焼は生じない。一つの完全な燃焼周期の間、排気ガスバルブは開であることが好ましい。ピストンに作用するガス力が存在しない場合、TDCにおいて、マス力が主要な力となり、高圧縮比位置までクロスヘッドピンが回転する。

偏心クロスヘッドピンがその上死点にあり、または下死点にある場合、ガス力またはマス力によりこれを回転させることは難しい場合がある。従って、クロスヘッドピンの回転角の範囲は、180゜未満、または180゜よりも僅かに小さい値に、制限することが有意である。

ロック機構は、素早く動作することが有意であり、この場合、あるエンジン周期内での圧縮比の変化が可能となる。圧縮比は、異なるシリンダ内で順次切り換えられることが好ましく、これにより、高負荷での連続的な動作が可能になる。各エンジン周期の間、燃焼が生じるため、高圧縮比から低圧縮比への切り替えは、エンジンパワーに大きなロスが生じない範囲で実施されるが、低圧縮比から高圧縮比の変化は、パワーのロスを生じさせる。圧縮比の切り替えを可能にするため、一回の点火をスキップする必要があるためである。

一般に、システムは、電子制御されたエンジンを要し、これにより、個々の排気バルブの制御、およびクランクシャフト位置に関するロック機構の制御タイミングの制御が可能になる。

この種のシステムの利点は、圧縮比が素早く切り換えられ、システムにより、あるサイクルから別のサイクルへの変化が可能になることである。別の利点は、ロック機構のみを制御すれば良く、切り換えに必要となる油の量が抑制されることである。一方、マス力はエンジン速度に依存するため、システムの運転には、ある程度のエンジン速度が必要となる。

必要な場合、制御機器10は、クロスヘッドピン14を回転させ、圧縮比の変化を支援する回転機構を有しても良い。図2D、2E、2Fには、図2Aおよび2Bの実施例用の回転機構11の実施例を示す。示された回転機構は、歯車または歯形セクタ14aを有し、これは、クロスヘッドピン14に接続される。回転機構は、さらに、歯車と嵌合するラック11a、および該ラックを駆動するピストン18を有する。また、回転機構は、任意で、回転抑制ピン14cと、該回転抑制ピンと適合された切り欠き14bとを有し、これらはクロスヘッドピンの回転を抑制するため、該クロスヘッドピン14に提供される。

そのような回転機構の利点は、エンジンの非稼働時に圧縮比を変更できることである。

図3には、本発明による制御機器の第2の実施例を通る断面を示す。この実施例では、制御機器10は、クロスヘッド8の一部を形成するとともに、回転可能な偏心クロスヘッドピン14と、ベアリングシェル15とを有する。また、図3には、ピストンロッド7の一部と、接続ロッド9の一部が示されており、制御機器は、通常、これらに接続される。

図3に示した制御機器10の機能は、前述の図2A乃至2Fに示した制御機器の機能とほぼ等しい。

図3に示した制御機器10は、ベアリングの高負荷部分において、ベアリングシェルが閉止され、このためベアリングの摩耗および維持が従来のベアリングの構成と変わらない点で有意である。

図4Aおよび4Bには、本発明による制御機器の第3の実施例を通る断面を示す。この実施例では、制御機器10は、クロスヘッド8の一部を形成し、回転可能な偏心クロスヘッドピン14と、回転可能でクロスヘッドピンの偏心部分を取り囲むブッシュ15.2と、非回転式のベアリングシェル15.1とを有する。また、図4Aおよび4Bには、ピストンロッド7の一部が示されており、通常、この部分に制御機器が接続される。

例えば、低圧縮比から高圧縮比に切り換える場合、偏心クロスヘッドピン14は、例えば、図4Aに示すように、時計周りに回転する一方、ブッシュ15.2は、半時計周りに回転する。これにより、制御機器は、図4Bに示す高圧縮比の位置まで移動する。低圧縮比から高圧縮比への変化の間、クロスヘッドピンおよびブッシュが同調して回転すると、ピストンロッド7は、角度のずれが生じないように上方に移動する。

図4Aおよび4Bに示す制御機器10は、低圧縮比から高圧縮比への変化の際、およびその逆の変化の際に、ピストンロッドがシリンダライナと平行に維持される点で有意である。

制御機器は、クロスヘッドピン14およびブッシュ15.2を回転する、1つまたは2つの回転機構を有することが有意である。図5Aおよび5Bには、図4Aおよび4Bの実施例に適した回転機構11の実施例を示す。回転機構は、円筒状または扇形の空間11bを有し、これは、分割壁11dにより、2つの半割れ部分に分割される。回転機構は、円筒状または扇形空間11内に回転可能に配置された1もしくは2以上のベーン11c、ならびに図5Aおよび5Bには示されていない側壁を有し、該側壁は各側において、円筒状または扇形空間11およびベーンを軸方向にシールする。

図5Aでは、ベーンは、分割壁11dの一方の側に接近して配置され、図5Bでは、分割壁の他方の側に接近して配置される。分割壁11dとベーンの間に印加される圧力p₁が、円筒状または扇形空間11の残りの部分における圧力p₂よりも高い場合、ベーンは、図5Aに示した位置から図5Bに示した位置に回転する。

本発明による制御機器の第4の有意な実施例は、図6Aに示されている。示された制御機器10は、通常可動式の少なくとも一つのくさび状部分17.1と、例えばくさび状対応部分のような、作動の際に、くさび状部分およびピストンロッド7の両方と接続される対応部分17.2と、くさび状部分、対応部分、またはその両方を動かす駆動機構18a−dとを有する。制御機器は、さらに、ピストン7aを有し、該ピストン7aは、ピストンロッドの下端に配置され、これにエンジン油圧力が印加され、作動時には、ピストンロッド7の位置は、常に対応部分17.2と接続されるように維持される。通常、制御機器10は、クロスヘッド8に提供され、クロスヘッド8は、ピストンロッド7と接続ロッド9を接続することができる。

図6Aに示した制御機器は、さらに、ガイドレール18bと、該ガイドレール上を移動可能に配置され、くさび状部分17.1に接続されたガイドシュー18aと有し、これにより、くさび状部分は、クロスヘッド8に対して相互に移動できる。ガイドレールは、例えば、平行アーム18dおよび油圧ピストン18cを介して、静止表面に接続され、くさび状部分17.1がピストンロッド7とクロスヘッドピン14の間に押し付けられ、クロスヘッドとピストンの間の距離が増加し、さらには圧縮比が上昇する。

図6Bには、本発明による制御機器の第5の有意な実施例を示す。示された制御機器10は、通常可動式の少なくとも一つのくさび状部分17.1と、例えばくさび状対応部分のような、作動時にくさび状部分およびピストンロッド7の双方と接続される対応部分17.2と、油圧ピストン18cのような、クロスヘッド8（内）に配置され、くさび状部分、対応部分またはその両方を動かす駆動機構とを有する。制御機器は、さらに、ピストン7aを有し、ピストン7aは、ピストンロッドの下端に配置され、これにエンジン油圧力が印加され、作動時には、ピストンロッド7は、常に対応部分17.2と接続されるように維持される。

図6Bに示した制御機器は、さらに、図示されていない管を担持するニーレバー18eと、油圧ピストン18cへの油供給用の制御バルブ21とを有する。制御バルブが活性化されると、油圧ピストン18cに油圧が印加され、くさび状部分17.1がピストンロッド7とクロスヘッドピン14の間に押し付けられ、クロスヘッドとピストンの間の距離が増加し、さらには圧縮比が上昇する。

図7には、本発明による制御機器の第6の実施例を通る断面を示す。この実施例では、制御機器10は、クロスヘッド8の一部を形成し、通常可動式の少なくとも一つのくさび状部分17.1と、例えばくさび状対応部分のような、作動時にくさび状部分およびピストンロッド7の双方に接続される対応部分17.2と、くさび状部分、対応部分、またはその両方を動かす駆動機構18.1、18.2とを有する。制御機器は、さらに、図示されていない、ピストンロッドの下端に配置された油圧ピストンを有し、ここにエンジン油圧が印加されると、ピストンロッド7は、作動時に常に対応部分17.2と接続されるように維持される。通常、制御機器10は、クロスヘッド8（内）に提供され、例えば中空クロスヘッドピンにおいて、クロスヘッドピン14（内）に提供されることが好ましい。

図7に示した駆動機構は、2つの油圧ピストン18.1、18.2を有する。これらは、例えば、くさび状部分17.1の対向する両側に接続され、それぞれ、くさび状部分を、ピストンロッド7とクロスヘッドピン14の間に押し付け、クロスヘッドとピストンの間の距離が増加し、圧力比が上昇する。あるいはくさび状部分が高圧縮比位置から移動し、クロスヘッドとピストンの間の距離が減少し、これにより圧縮比が低下する。

油圧ピストン18.1、18.2のいずれかに圧力が印加される。サーボ油を使用することができ、くさびの力集中効果のため、適正な低油圧（200バール未満）で十分である。標準的な回転ユニオンを、ニーレバーに適用できる。くさび状部分は、いずれかの側の停止位置まで押し付けられ、ピストンからの力による影響を受けなくなり、すなわち繰り返し圧縮がなくなり油が加熱され、損失がなくなり、油の循環が必要ではなくなる。ただし、圧縮比は、連続的に調節する必要はない。

図8には、本発明による制御機器の第7の実施例を通る断面を示す。この実施例では、制御機器10は、クロスヘッド8の一部を形成するとともに、通常可動式の少なくとも一つのくさび状部分17.1、17.1’と、例えばくさび状対応部分のような、例えばピストンロッド7に提供された対応部分17.2と、くさび状部分、くさび状対応部分、またはその両方を動かす駆動機構18.3とを有する。制御機器は、さらに、図示されていない、ピストンロッドの下端に配置された油圧ピストンを有し、ピストンロッド7は、作動時に常にくさび状部分17.1および／もしくは17.1’、ならびに対応部分17.2と接続されるように維持される。通常、制御機器10は、クロスヘッド8（内）に提供され、好ましくはクロスヘッドピン14（内）に提供され、例えば図8に示すように、中空のクロスヘッドピン内に提供される。

図8に示した制御機器は、対応部分17.2のいずれかの側に配置された2つのくさび状部分17.1、17.1’を有し、駆動機構は、くさび状部分を横断するねじ込みボルト18.3を有し、このボルトは、2つの部分を有する。第1の部分は、第1のくさび状部分のねじ穴と嵌め合わされる右ネジを有し、第2の部分は、第2のくさび状部分のねじ穴と嵌め合わされる左ネジを有する。クロスヘッドとピストンの間の距離、すなわち圧縮比は、くさび状部分17.1、17.2が相互に対して移動するように、ねじ込みボルト18.3を回転させることにより上昇する。一方、クロスヘッドとピストンの間の距離、すなわち圧縮比は、くさび状部分が相互に遠ざかるように、ねじ込みボルトを反対方向に回転することにより、減少する。

図8に示した制御機器10は、圧縮比が連続的に調節できる点で有意である。

図9Ａおよび9Ｂには、本発明による制御機器の第8の実施例を通る断面を示す。この実施例では、制御機器10は、クロスヘッド8の一部を形成するとともに、通常可動式の少なくとも一つのくさび状部分17.1と、例えば図9Bに示すくさび状対応部分のような、作動時にピストンロッド7と接続される対応部分17.2と、くさび状部分、くさび状対応部分、またはその両方を動かす駆動機構18.1、18.2とを有する。くさび状部分17.1およびくさび状対応部分17.2は、複動式であり、それぞれ、図9A、9Bに示すような油圧ピストン18.2、18.2で駆動される。制御機器は、さらに、ピストンロッド7の下端に配置された油圧ピストン7aを有し、ピストンロッドは、作動時に常にくさび状部分17.1および対応部分17.2と接続されるように維持される。通常、制御機器10は、クロスヘッド8（内）に提供され、クロスヘッドピン14（内）、例えば図9Aおよび9Bに示すような中空クロスヘッドピン内に提供されることが好ましい。

図10Aおよび10Bには、本発明による制御機器の第9の実施例の断面を示す。この実施例では、制御機器は、複数のくさび状部分17.1と、複数のくさび状対応部分17.2とを有し、これらは複動式であり、相互に嵌め合わされ、それぞれ、油圧ピストン18.1、18.2によって駆動される。図10Aでは、くさび状部分および複数のくさび状対応部分は、油圧ピストン18.1、18.2により相互に対して押し付けられ、ピストンロッド7は、高圧縮比位置に対応する上部位置に移動する。図10Bでは、くさび状部分および複数のくさび状対応部分は、相互に遠ざかるように移動し、ピストンロッド7は、低圧縮比位置に相当する低部位置に移動する。

図10Aおよび10Bに示す実施例は、図9Aおよび9Bに示す実施例の変形例である。従って、追加の特徴および可能な変形は、前述の図9Aおよび9Bの記載から考慮される。

図11A、11Bおよび11Cには、本発明による制御機器の第10の実施例を通る断面を示す。この実施例では、制御機器10は、クロスヘッド8の一部を形成するとともに、少なくとも一つの油圧ピストン7aを有し、これは、ピストンロッド7と接続するように提供され、ピストンロッドは、クロスヘッドに対して上下に移動する。必要な場合、クロスヘッド8に第2の油圧ピストン18が提供され、くさび17.1、17.1’は、ピストンロッド7の円錐部分に対して半径方向に押し動かされ、ピストンロッドは、それぞれ、高および低圧縮比位置に対応する上部または底部位置に固定される。通常、制御機器10は、クロスヘッドピン14（内）に提供される。

図12A、12B、12Cに示された本発明による制御機器の第11の実施例では、制御機器10は、第1のネジ部19.1および第2のネジ部19.2と、回転機構11とを有し、第1のネジ部19.1は、例えばピストンロッドの端部でピストンロッド7と接続され、第2のネジ部19.2は、第1のネジ部と嵌合され、回転機構は、クロスヘッド8（内）またはピストン（内）に提供され、第1または第2のネジ部を回転させる。制御機器は、さらに、油圧ピストン7aを有し、これは、ピストンロッド7の低端部に配置され、ピストンロッドは、作動時に常に第1および／または第2のネジ部と接続するように維持される。通常、制御機器10は、クロスヘッド8（内）に提供され、クロスヘッドピン（内）に提供されることが好ましい。

図12Cに示した回転機構11は、例えば、ピニオン19aと嵌合する歯形ラック11aを有し、これは、第1または第2のネジ部19.1、19.2と結合される。歯形ラックには、両端において、複動ピストンまたはピストン18.1、18.2のいずれかが提供されることが好ましく、これにより歯形ラックが動かされる。図12Aおよび12Cでは、左側の第1のピストン18.1が活性化されると、歯形ラック11aが反対側に移動し、第1のネジ部19.1が回転し、ピストンロッド7は、高圧縮比位置に対応する上部位置に至る。図12Bでは、反対側の第2のピストン18.2が活性化されると、歯形ラックは左側に移動し、第1のネジ部が回転し、ピストンロッド7は、低圧縮比位置に相当する底部位置に至る。

図13には、本発明による制御機器の第12の実施例の断面を示す。この実施例では、制御機器10は、ピストンロッド7上に可動式に配置されたピストン6を有する。制御機器は、通常、ピストンを軸方向に誘導する1または2以上のガイド6bと、例えば、ピストンロッド7に対してピストン6を移動させる油圧シリンダ18とを有する。ピストンは、任意で、リングサポート6aを有しても良く、リングサポートは、ピストンと一緒に移動し、またはピストンロッドに対して固定される。

図14A、14B、14Cには、本発明による制御機器の第13の実施例の断面を示す。この実施例では、制御機器10は、軸方向に移動可能な内部6cを備えるピストンヘッドを有する。ピストンは、さらに、リングサポート6bおよび／またはガイドもしくは誘導表面を有し、ピストンヘッドの内部を軸方向に誘導する。ピストンヘッドの内部と外部の間のシールは、例えば、燃焼側での気密ピストンリング6dにより実施され、図14Cに示すように、冷却側では油圧シールがなされる。2つのシールの間の空間はベント接続6eを介して下側で、ピストンに対して通気されることが有意である。通常、制御機器10は、ピストン6の一部を形成し、あるいはピストン（内）に提供される。

ピストンヘッドの内部の移動は、例えば、油圧式に行われ、ピストンヘッドとピストンロッドの間の油チャンバに、直接負荷が加わる。この場合、ピストンロッドに沿った管またはボア孔が必要となる。

さらなる可能な態様は、油圧ピストン18への接続ピース18aとして、冷却油出口用の管を使用することである。これは、例えば、クロスヘッド8（内）、あるいはクロスヘッドピン（内）に配置される。この駆動機構を用いて、ピストン6に低軸力が加わる期間中にのみ、上方の移動がなされる（TDC前約90゜）。ピストンからの冷却油は、上方移動の間、逆止バルブを介して、ピストンヘッドとピストンロッドの間のチャンバに誘導される。ガス力およびマス力は、駆動機構によってではなく、この油体積によって得られることが好ましい。

この油圧システムの利点は、供給システムによって、（必要な圧力の）少量の油しか、供給されないことである；ピストンヘッドの下側のチャンバに入る多くの油量は、このチャンバと冷却油供給の間の圧力差によって維持される。このチャンバの大きな油圧表面によって、エンジンサイクルの間、油圧、およびピストンヘッドの内部と外部の間の相対移動が緩和される。

前述の油圧システムの代わりに、前述のまたは以降の実施例の一つからの駆動機構を使用して、ピストンヘッドの内部を上昇させても良い。この場合も、システムを小さく維持し、システムに固有の弾力性による過負荷を抑制するため、ピストンヘッド位置に油チャンバを使用して、ガス力およびマス力を利用することが有意である。

図15には、本発明による制御機器の第14の実施例の断面を示す。この実施例では、制御機器10は、例えば、ピストンロッド7の下端に配置された油圧シリンダ18’内にピストン18を有し、ピストンロッドが上下に移動される。通常、制御機器10は、クロスヘッド8（内）に提供され、クロスヘッドピン（内）に提供されることが好ましい。必要な場合、制御バルブ21が提供され、油圧ピストン18の上部および下部の移動が制御される。

負荷状態では、ピストンロッドを上方に動かすのに必要な力は、比較的大きい。従って、マス力およびガス力が最小に達するTDC前の約90゜の僅かの期間中に、この実施例を行うことが推奨される。

別の有意な実施例では、本発明による制御機器は、油圧を発生するスイングポンプを有し、例えば、これを使用して、制御機器の駆動機構において、油圧ピストンが活性化される。ただし、以下に示すスイングポンプは、本発明の用途とは独立に使用される、回転移動から接合部に圧力を生じさせる独自の部材と見なしても良い。

図16には、本発明による制御機器のスイングポンプの実施例を示す。この実施例では、スイングポンプ22は、例えば、環状セグメントの形態を有する中空空間と、例えば、中空空間に密閉式に固定された、スイングピストン22ａとを有し、中空空間またはスイングピストンは、接続ロッド9の端部に接続され、作動時に接続ロッドが移動すると、スイングピストン22は、中空空間で振動する。

中空空間は、例えば、図16に示すように、クロスヘッド8（内）、またはクロスヘッドピン（内）に提供され、スイングピストン22aは、接続ロッド9の上端、例えば、接続ロッドの上部ベアリングのベアリングカバーに提供される。スイングポンプ22は、直線移動ピストンのような、バネを有する第2のピストン22bを有することが有意であり、第2のピストンは、圧力蓄積器22c、例えば逆止バルブのような制御バルブ、および／またはピストンロッドもしくはエンジンピストンの移動のタイミング制御として機能する。

本発明による大型往復ピストン燃焼エンジンでは、接続ロッドのスイング移動は、エンジン角がTDC後90゜および270゜で、最大の振幅に達し、一つの最大振幅は、例えば、TDC後270゜において、スイングポンプによって生じる最大圧力に相当する。これは、ピストンロッドまたはエンジンピストンの上方移動が生じた時の正確な時間に対応する。従って、スイングポンプの高圧を用いて、エンジン角がTDC後270゜において、エンジンピストンが上昇する。TDC後180゜の後の90゜において、スイングピストンの油入口が開となり、システム油圧がポンプに再充填される。エンジンのいくつかの周期の間、エンジンピストンは、高圧縮比位置に対応するその上部位置に上昇する。

エンジンピストンが下側に向かうと、スイングポンプの圧力は、図15に示したピストンロッド7において、油圧ピストン18の上側に誘導される。主として下方に作用するガス力とマス力とにより、エンジンピストンが下方の底部位置まで移動し、すなわちあるエンジンサイクルにおいて、低圧縮比位置までの移動が可能になる。

以下、図1乃至図16を参照して、大型往復ピストン燃焼エンジンの圧縮比を制御する本発明による方法の実施例について説明する。この実施例では、本方法は、大型往復ピストン燃焼エンジン1を提供するステップを有し、この燃焼エンジンは、シリンダライナ4を備える少なくとも一つのシリンダと、シリンダライナ内に配置された可動式の少なくとも一つのピストン6と、クランクシャフトハウジング内に回転式に配置されたクランクシャフト2とを有し、何れの場合も、ピストン6は、ピストンロッド7を介してクロスヘッドピン8に接続され、何れの場合も、クロスヘッドは、クランクシャフトを駆動する接続ロッド9を介してクランクシャフト2に接続される。また、本方法は、各クロスヘッド8および／または各ピストン6に、制御機器10を提供するステップを有し、往復ピストン燃焼エンジン1の圧縮比が制御される。本方法は、さらに、異なる点火特性を有する異なる燃料品質が供給された際に、あるいは例えばディーゼル油からガスもしくはガスからディーゼル油のように、燃料供給が変化した際に、圧縮比を変更するステップを有する。

圧縮比の変化は、移動部材に作用するマス力を利用して、行われることが有意である。従って、低圧縮比から高圧縮比への変化は、ピストンが上死点に向かって上方に移動した際に行われ、高圧縮比から低圧縮比への変化は、ピストンが下死点に向かって下方に移動した際に行われる。

前述の実施例およびその変更例による、大型往復ピストン燃焼エンジン、ならびに大型往復ピストン燃焼エンジンの圧縮比を制御する制御機器および方法は、制御機器が大型往復ピストン燃焼エンジンのクロスヘッド、またはピストンに一体化される点で有意である。この場合、僅かしか、あるいは全く外部空間が必要ではなくなる。

１ 本発明による大型往復ピストン燃焼エンジン
２ クランクシャフト
４ シリンダライナ
５ 掃気開口
６ ピストン
７ ピストンロッド
８ クロスヘッド
９ 接続ロッド
１０ 制御機器
１１ 回転機構
１２ 噴射ノズル
１３ 出口バルブ
１４ クロスヘッドピン
１６ａ ロックピン
２２ スイングポンプ
２５ 電子制御ユニット

Claims (14)

1. シリンダライナを備える少なくとも一つのシリンダと、前記シリンダライナ内に可動式に配置された少なくとも一つのピストンと、クランクシャフトハウジング内に回転可能に配置されたクランクシャフトとを有する大型往復ピストン燃焼エンジンであって、
   前記ピストンは、何れの場合も、ピストンロッドを介してクロスヘッドに接続され、前記クロスヘッドは、何れの場合も、接続ロッドを介して前記クランクシャフトに接続され、前記クランクシャフトが駆動され、
   前記クロスヘッドには、何れの場合も、制御機器が設けられ、当該往復ピストン燃焼エンジンの圧縮比が制御され、および／または
   前記ピストンには、何れの場合も、制御機器が設けられ、当該往復ピストン燃焼エンジンの圧縮比が制御されることを特徴とする大型往復ピストン燃焼エンジン。
2. 前記クロスヘッドは、前記ピストンロッドの直線移動を前記接続ロッドの非直線移動に変換することを特徴とする請求項1に記載の大型往復ピストン燃焼エンジン。
3. 前記制御機器は、クロスヘッドまたはクロスヘッドピンに提供された駆動機構を有し、
   該駆動機構は、前記ピストンロッドおよび／またはピストンを、前記クロスヘッドに対して移動させることを特徴とする請求項1または2に記載の大型往復ピストン燃焼エンジン。
4. 前記制御機器は、回転可能な偏心クロスヘッドピンを有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の大型往復ピストン燃焼エンジン。
5. 前記制御機器は、クロスヘッドピンと嵌め合わされる偏心ブッシュを有し、
   前記ブッシュは、回転可能であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載の大型往復ピストン燃焼エンジン。
6. 前記制御機器は、前記クロスヘッドピン、前記ブッシュ、もしくは両方を回転させる回転機構を有し、および／または
   前記クロスヘッドピン、前記ブッシュ、もしくは両方をロックするロック機構を有することを特徴とする請求項4または5に記載の大型往復ピストン燃焼エンジン。
7. 前記制御機器は、第1のネジ部と、該前記第1のネジ部と嵌め合わされる第2のネジ部と、回転機構とを有し、
   前記第1のネジ部は、前記ピストンロッドと接続され、特に前記ピストンロッドの端部に接続され、
   前記回転機構は、前記クロスヘッドまたは前記ピストンに提供され、前記第1または第2のネジ部を回転することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一つに記載の大型往復ピストン燃焼エンジン。
8. 前記制御機器は、少なくとも一つのくさび状部分と、対応部分、特にくさび状対応部分と、駆動機構とを有し、
   前記対応部分は、作動時に、前記くさび状部分および前記ピストンロッドの両方に接続され、
   前記駆動機構は、前記くさび状部分、前記対応部分、または両方を動かすことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一つに記載の大型往復ピストン燃焼エンジン。
9. 前記制御機器は、前記ピストンを前記ピストンロッドに対して平行に動かすガイド、または可動式のもしくは可動インサートを有するピストンヘッドを有し、
   前記制御機器は、さらに、駆動機構を有し、該駆動機構は、
   前記ピストンロッドに対して前記ピストンを移動させ、または
   前記ピストンもしくはピストンロッドに対して前記ピストンヘッドを移動させ、または
   前記ピストンヘッドもしくはピストンに対して前記インサートを移動させることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一つに記載の大型往復ピストン燃焼エンジン。
10. 前記回転機構または前記駆動機構は、油圧式に駆動されることを特徴とする請求項3乃至9のいずれか一つに記載の大型往復ピストン燃焼エンジン。
11. 前記制御機器は、前記クロスヘッドに配置された、油圧を発生する油圧スイングポンプを有し、
    該スイングポンプは、中空空間、特に、環状セグメントの形態を有する中空空間と、前記中空空内に固定されたスイングピストンと、を有し、
    前記中空空間または前記スイングピストンは、接続ロッドの端部に接続され、前記スイングピストンは、作動時に前記接続ロッドが移動した際に、前記中空空間内で振動することを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一つに記載の大型往復ピストン燃焼エンジン。
12. 大型往復ピストン燃焼エンジンを制御する制御機器であって、
    前記往復ピストン燃焼エンジンは、シリンダライナを備える少なくとも一つのシリンダと、前記シリンダライナ内に可動式に配置された少なくとも一つのピストンと、クランクシャフトハウジング内に回転可能に配置されたクランクシャフトとを有し、
    各ピストンは、ピストンロッドを介してそれぞれのクロスヘッドに接続され、
    各クロスヘッドは、接続ロッドを介して前記クランクシャフトに接続され、前記クランクシャフトが駆動され、
    当該制御機器は、何れの場合も、前記クロスヘッドの一部として構成され、または前記クロスヘッドもしくは前記クロスヘッドピンに一体化されることを特徴とする制御機器。
13. 当該制御機器は、駆動機構を有し、該駆動機構は、前記ピストンと同じ方向に、前記ピストンロッドを前記クロスヘッドに対して移動させることを特徴とする請求項12に記載の制御機器。
14. 大型往復ピストン燃焼エンジンの圧縮比を制御する方法であって、
    当該方法は、
    大型往復ピストン燃焼エンジンを提供するステップを有し、
    前記大型往復ピストン燃焼エンジンは、シリンダライナを備える少なくとも一つのシリンダと、前記シリンダライナ内に可動式に配置された少なくとも一つのピストンと、クランクシャフトハウジング内に回転可能に配置されたクランクシャフトと、を有し、
    前記ピストンは、何れの場合も、ピストンロッドを介してクロスヘッドに接続され、
    前記クロスヘッドは、何れの場合も、接続ロッドを介して、前記クランクシャフトに接続され、前記クランクシャフトが駆動され、
    当該方法は、さらに、各クロスヘッドおよび／または各ピストンに、前記往復ピストン燃焼エンジンの圧縮比を制御する制御機器を提供するステップと、
    異なる点火特性を有する異なる燃料品質が供給された場合、または燃料供給がディーゼル油からガスもしくはガスからディーゼル油に変化した場合、前記圧縮比を変化させるステップと、
    を有することを特徴とする方法。

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