JP2014101878A - クロスヘッドおよびカム駆動式排気弁作動システムを有する大型低速ターボ過給式２ストロークユニフロー内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー消費の少ない電子油圧制御式可変タイミング排気弁作動システムの提供。
【解決手段】少なくとも一つの排気弁１１を有する複数のシリンダと、排気カム２９が配される少なくとも一つのカムシャフト２８と、前記シリンダのいずれかの前記排気弁に関連付けられる油圧プッシュロッドとを備える大型低速多気筒ターボ過給式２ストロークユニフロー内燃機関１で、前記排気弁が開いている時間を延長するために、前記排気カムの立ち下がり部がアクティブである期間の間に前記油圧ピストンロッドにある量の油圧油を選択的に加えるように構成され、また、前記カムプロファイルよりも遅れて前記排気弁がその弁座に戻ることを可能にすべく、前記立ち下がり部がアクティブであることを止めた後のある遅延時間後に、前記油圧ピストンロッドに加えた前記量の油圧油を該油圧ピストンロッドから抜き取るように構成される装置５０を備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、クロスヘッドおよびカム駆動式排気弁作動システムを有する大型低速ターボ過給式２ストロークユニフロー内燃機関に関する。

発明の背景

クロスヘッドを有する大型低速２ストローク内燃機関は、少なくとも一つのシリンダと、そのシリンダに受容される往復ピストンとを有する。この形式のエンジンには、ピストンとクランクシャフトとの間にクロスヘッドが配置される。燃焼室は、ピストン、シリンダ内壁、シリンダの一端のシリンダカバーによって画定される。シリンダカバーは排気弁を有する。排気弁は、燃焼残渣を燃焼室から排気ダクトシステムへと排出しうるように制御され、間欠的に動作しうる。このようなエンジンはまた、燃焼室の他端付近で開口部を間欠的に形成する手段を有する。開口部の形成は、燃焼に先立って行われる。これは、圧縮された掃気を開口部を通じて導入し、もう一方の端部へ向けて掃気を行うためである。掃気は酸素を含む。このようなエンジンはまた、圧縮された掃気中に燃料を噴射するための手段を有する。燃料の噴射によって燃焼室内で燃焼が生じる。

このような形式のエンジンは、しばしば「クロスヘッド式大型ターボ過給式２ストロークユニフロー内燃機関」と呼ばれ、起立して直列に並べられた複数のシリンダを有するこれらのシリンダのピストンは、単一のクランクシャフトによって駆動される。これらの型のエンジンは、純粋に２ストロークの動作手順で動作することができる。これらの型のエンジンは、通常、シリンダの直径やピストンストロークの物理的サイズが大きいため、エンジンの高さは住宅なみとなることが多い。大きな直径のシリンダや長いピストンストロークは、比較的低速な回転速度（およそ８０ｒｐｍから２００ｒｐｍ）で数メガワットの出力を、発電所の発電機へ届けたり、またＭＷ以上の出力で外洋航行船を推進させるためである。

性能の向上や燃料効率の向上、排出物低減への要望は、大型２ストロークディーゼルエンジンのために、コモンレール式電子油圧制御型排気弁作動システムの開発を促すことになった。このようなシステムの利点は柔軟性の向上にある。というのも、排気弁の開閉タイミングを、エンジンの動作条件に適合するように、自由に選択することができるからである。しかし、コモンレール式電子油圧制御システムは、どちらかといえば高価であり、カム駆動型の従来システムよりも多くのエネルギーを消費する。これは、開弁過程において、従来よりも多くのエネルギーを必要とするからであり、また、閉弁過程においてエネルギーの回収が行われないからである。これら二つの欠点は、電子制御式エンジンの多くの利点を相殺してしまう。

特開２００９−２０３８６５は、油圧式プッシュロッドを使用するカム駆動型の排気弁動作システムを有する大型２ストロークディーゼルエンジンを開示している。油圧式プッシュロッドは容積制御装置に接続されるが、この容積制御装置は電子制御ユニットの命令下にあり、油圧式プッシュロッドから油圧油を抜き取ることができる。容積制御装置は弾性的に付勢された制御ピストンを有する。制御ピストンは容積制御チャンバを画定する。制御ピストンの特性は、油圧弁を介して電子制御ユニットにより影響を受ける。油圧弁は、制御ピストンにより確定される制御チャンバを油圧アキュムレータに選択的に接続する。排気弁の開閉タイミングを柔軟に制御するこのシステムは、カムシャフト駆動型の排気弁動作システムを有する大型２ストロークディーゼルエンジンにソリューションを提供する。しかしこのソリューションは、どちらかといえば複雑であり、精密な制御を必要とし、圧力ピークから逃れられない。さらに、やはり、排気弁の等差タイミングを柔軟にするにはかなりの量のエネルギーを必要とする。
特開２００９−２０３８６５

このような背景の下、本発明の目的は、柔軟であると共に、比較的単純な構成を有し、且つ少ないエネルギーしか使用しない、カム駆動型の排気弁作動システムを有するクロスヘッド式大型低速ターボ過給型２ストローク内燃機関を提供することである。

この目的は、次のような機関によって達成される。この機関はクロスヘッドを備える大型低速多気筒ターボ過給式２ストロークユニフロー内燃機関であって：それぞれ少なくとも一つの排気弁及び少なくとも一つの弁座を備え、それぞれ前記弁座に着座する閉鎖位置と、開放位置との間を移動しうる、複数のシリンダと；前記排気弁のいずれかに関連付けられる気体バネであって、対応する前記排気弁を閉鎖位置の方向へ及び前記弁座へと付勢する気体バネと；それぞれ対応する前記排気弁を作動するためのカムプロファイルを有する複数の排気カムであって、それぞれ開弁のための立ち上がり部と、閉弁のための立ち下がり部、前記立ち上がり部を前記立ち下がり部につなぐドエル部、前記立ち下がり部を前記立ち上がり部につなぐベースサークル部とを有する複数の排気カムが配されている少なくとも一つのカムシャフトと；前記シリンダのいずれかの前記排気弁に関連付けられる油圧プッシュロッドと；を備える。ここで前記油圧プッシュロッドは、前記クランクシャフトのいずれかの排気カムによって駆動されるポンプピストンを備える油圧ピストンポンプと、関連する前記排気弁を開放方向に移動させるように該排気弁に作用するアクチュエータピストンを備える油圧アクチュエータと、前記油圧ピストンポンプと前記油圧アクチュエータ等を接続する油圧経路と、前記ポンプピストンと前記アクチュエータピストンとの間に存在する前記油圧プッシュロッド内の油圧油と、を備える。前記機関はさらに、前記排気弁が開いている時間を延長するために、前記立ち下がり部がアクティブである期間の間に前記油圧ピストンロッドにある量の油圧油を選択的に加えるように構成され、また、前記カムプロファイルにより定められる閉鎖時点よりも遅れて前記排気弁がその弁座に戻ることを可能にすべく、前記立ち下がり部がアクティブであることを止めた後のある遅延時間後に、前記油圧ピストンロッドに加えた前記量の油圧油を該油圧ピストンロッドから抜き取るように構成される装置を備える。

前記気体バネは、開弁ストロークの最後の減速域において、カムローラーがカムからジャンプしてしまうことを防止しうるように十分に"強く"または"堅く"構成される。このため、停留相（ドエルフェーズ；ｄｗｅｌｌ ｐｈａｓｅ）において、油圧プッシュロッドの圧力は高い。これは気体バネが完全に圧縮されているからである。これは、停留相において油圧油を加えるためには高い圧力が必要であり、従って、特別な対策を取らない限り、油圧プッシュロッドから油圧油を抜き取る時に、大きな量のエネルギーを失うことを意味する。特別な対策というのは、抜き取られる油圧油のエネルギーを保存しておくための対策であって、先行技術ではかなり複雑なソリューションによってその対策を行っている。カムの立ち下がり部がアクティブになると、油圧プッシュロッド内の圧力は著しく減少し、このフェーズの間に油圧油を加えることにより、油圧油を、かなり低い圧力の下で加えることができる。そして、加えるためにはかなり小さなエネルギーしか必要とせず、複雑なエネルギーに保存システムは必要ない。

ある実施形態において、前記排気弁がその開放位置に停留し、前記排気カムの前記ドエル部がアクティブであるときに、前記気体バネを圧縮することは、前記油圧プッシュロッド内の油圧油に停留圧力を生じさせ、前記装置は、前記停留圧力よりも低い圧力で、前記量の油圧油を前記油圧プッシュロッドへ押し入れようとするように構成される。前記気体バネは、前記排気弁がその開放位置に停留し、前記排気カムの前記ドエル部がアクティブであるときに、前記油圧プッシュロッド内の油圧油に停留圧力を生じさせ、前記装置（５０）は、前記停留圧力よりも低い圧力で、前記量の油圧油を前記油圧プッシュロッドへ押し入れようとするように構成される。

排気弁が閉じられる段階における油圧プッシュロッド内の圧力に対応する圧力である量の油圧油を追加するように仕向けることにより、油圧ブッシュロットへの油圧油の流入がスムーズになり、系の中で圧力振動が生じることを防ぐことができる。

ある実施形態において、前記装置はさらに：完全に後退した位置と完全に前進した位置との間のストロークを有し、その一方の側に、前記油圧プッシュロッド内の前記油圧油と流体的につながっている調節室を有する調節室と；前記調節ピストンに作用する電子制御式の作動システムであって、前記ドエル部分がアクティブである間に、前記調節ピストンを、前記完全に後退した位置から前記完全に前進した位置の方へ、前記調節室内の圧力に対応する力で付勢することを開始するように構成される、前記電子制御式の作動システムとを備える。ここで、前記立ち下がり部がアクティブになって、前記油圧プッシュロッド内の油圧油の圧力が前記停留圧力よりも下がるまでは、前記調節ピストンがその前進方向への移動を始めないように、前記調節室内の圧力は前記停留圧力より低い。

調節ピストンをその完全後退位置から動き始めるようにすることにより、油圧油が逆流するというリスクを何ら負わずに、停留段階の圧力に打ち勝つために必要な力よりも大幅に小さな力で、調節ピストンを付勢することが可能になる。

ある実施形態において、前記電子制御式作動システムは、前記ドエル部分がアクティブである間に、前記調節ピストンを、その完全に後退した位置から前進位置の方へ付勢することを開始するように構成され、また前記電子制御式作動システムは、前記遅延時間が経過するまで前記付勢することを続け、その後、前記調節ピストンが前記完全に後退した位置へと戻ることを許すか又は戻るように強いるように構成される。

このため、油圧ピストンロッドへの油圧油の流入開始のタイミングは自律的に制御され、複雑かつ正確な制御システムは不要である。また、この特徴は、油圧プッシュロッドへの油圧油の流入が滑らかに始まることを確かにし、有害な圧力ピークは回避できる。

ある実施形態において、前記調節ピストンは、該調節ピストンをその前進方向へ付勢する拡張ピストンにつながっており、また前記調節ピストンは、該調節ピストンをその後退方向へ付勢する戻りピストンにつながっている。

ある実施形態において、前記拡張ピストンは自身に関係付けられる作用室を有し、該作用室は電子制御式油圧弁に接続され、該電子制御式油圧弁は前記作用室を圧力源又はタンクに接続する。

ある実施形態において、前記装置は、前記拡張ピストンと、前記戻りピストンと、前記電子制御式油圧弁とを備える。

ある実施形態において、前記電子制御式油圧弁は電子制御ユニットに接続される。

ある実施形態において、前記戻りピストンの直径は前記拡張ピストンの直径よりも小さく、前記戻りピストンは自身に関係付けられる作用室を有し、該作用室は前記圧力源に持続的に接続されている。このため制御システムはシンプルに保たれる。

ある実施形態において、前記機関は、前記クランクシャフト又は前記カムシャフトの角度位置を示す位置センサを更に備える。また前記電子制御式油圧弁は、前記排気弁の閉弁を遅らせるためにアクティブにされ、ここで前記遅らせることは、所望の圧縮圧と掃気圧との比のマップに基づく変換マップに基づいて制御された遅延量に基づいてなされる。

ある実施形態において、前記電子制御ユニットは、前記排気弁がその弁座に戻り、前記調節ピストンもその後退位置に対応する弁座に戻ることができるように、前記立ち下がり部がアクティブであることを止めた時点からある程度遅れて、前記戻りピストンに関係付けられる前記作用室をタンクに接続するように、前記電子制御式油圧弁に指示するように構成される。

前記目的は、次のような方法によっても達成される。この方法は、クロスヘッドを備える大型低速多気筒ターボ過給式２ストロークユニフロー内燃機関を制御する方法であるが、前記機関は、それぞれ少なくとも一つの排気弁及び少なくとも一つの弁座を備える複数のシリンダと；前記排気弁のいずれかに関連付けられる気体バネであって、対応する前記排気弁を閉鎖位置の方向へ及び前記弁座へと付勢する、気体バネと；それぞれ対応する前記排気弁を作動するためのカムプロファイルを有する複数の排気カムであって、それぞれが配されている少なくとも一つのカムシャフトと；前記シリンダのいずれかの前記排気弁に関連付けられて、該排気弁に前記カムプロファイルを伝達する油圧プッシュロッドであって、油圧油を有する油圧プッシュロッドと；を備え、前記排気弁が前記カムプロファイルにより制御される動作シーケンスを有し、前記カムプロファイルは開弁のための立ち上がり部と、閉弁のための立ち下がり部、前記立ち上がり部を前記立ち下がり部につなぐドエル部、前記立ち下がり部を前記立ち上がり部につなぐベースサークル部とを有し；前記気体バネの付勢力は、停留期間において前記油圧プッシュロッド中の前記油圧油に所定の停留圧を生じさせる；ように構成される。そして前記方法は：前記立ち下がり部がアクティブである期間において、前記停留期間中の前記油圧プッシュロッド中の前記油圧油にある量の油圧油を加えること、ただし前記加えることは、前記停留期間中に前記油圧プッシュロッドに存在する圧力よりも小さな圧力で行うことと；前記立ち下がり部がアクティブであることを止めた時点からある程度遅れて、前記油圧プッシュロッド中の油圧油から前記加えた量の油圧油を抜き取ることと；を含む。

ある実施形態において、前記加えられる油圧油は、完全に後退した位置と完全に前進した位置との間のストロークを有し、その一端側に調節室を有する、調節ピストンによって加えられ、前記調節室は前記油圧プッシュロッドと油圧油をやりとりできるようにされている。そして前記方法は、前記ドエル部分がアクティブである間に、前記調節ピストンを、前記完全に後退した位置から前記完全に前進した位置の方へ付勢することを開始することを含む。ただし、前記調節ピストンを付勢する力は、前記調節室の圧力が前記停留期間中の圧力よりも小さくなるようなものであり、このため前記調節ピストンは、前記立ち下がり部がアクティブになって前記油圧プッシュロッド内の前記油圧油の圧力が前記停留期間中の圧力よりも小さくなるまで、その前進方向への移動を始めることができない。

ある実施形態において、前記油圧プッシュロッド内の油圧油から前記加えた量の油圧油を抜くことを始める時間は、前記クランクシャフトの角度位置を示す信号に基づいて決定される。

ある実施形態において、前記油圧プッシュロッド内の油圧油から前記加えた量の油圧油を抜くことを始める時間は、関連するシリンダの燃焼室の圧縮圧を制御するために用いられる。

本発明に従う、カム駆動式排気弁作動システムを有するクロスヘッド式大型低速ターボ過給型２ストローク内燃機関、及び本発明に従う方法の更なる目的や特徴、利点や性質は、以下の詳細説明により明らかになるであろう。

本明細書の以下の詳細説明部分においては、図面に示される例示的な実施形態を参照して発明がより詳細に説明される。
本発明の例示的実施形態に従うエンジンの断面図である。 図１に描かれるエンジンの一つのシリンダ部分の縦方向の断面図である。 図１に描かれるエンジンの上部の詳細な断面図である。この図は排気弁及び排気弁作動システムの例示的実施形態を描いている。 図１に描かれるエンジンの排気弁、油圧ピストンロッド、カムシャフトの断面図である。この図はまた、油圧ピストンロッドに選択的に油圧油を加える装置も描いている。 図４の一部分の断面図であり、カムプロファイル（カムの輪郭）に対して排気弁の開弁時間を延ばす装置の例示的実施形態を描いている。 図１のエンジンの排気弁作動システムの例示的実施形態を概念的に表したものである。 カムプロファイルの例示的実施形態を詳しく描いたものである。 従来のカム駆動式弁作動システムを用いた場合の、図１に描かれるエンジンの弁の開閉プロファイルをグラフ化したものである。 従来のカム駆動式弁作動システムと、アクティブなカムプロファイルに対して排気弁の開弁時間を延長する装置とを、図１に描かれるエンジンに用いた場合の、弁の開閉プロファイルをグラフ化したものである。 図９に描かれるグラフの閉弁過程を詳しく描いたものである。 図９のグラフに、排気弁作動システム内の油圧油の圧力と、油圧プッシュロッド内の圧力を更に描いたものである。

好適な実施形態の詳細な説明

図１及び図２は、本発明の例示的実施形態を、断面図及び縦方向の断面図で示したものである。描画の都合上、シリンダを１本しか描くことができなかったが、実際には少なくとも４本のシリンダがエンジンに備えられている。エンジン１は、クロスヘッド式の低速２ストロークユニフロー型エンジンであり、船舶の推進システムや発電所の主機関として用いられうる。このようなエンジンは、通常、４本から１４本のシリンダを直列に備えている。またこのようなエンジンは、例えば、外洋航行船の主機関や、発電所において発電機を動かすための固定型のエンジンとして用いられることができる。エンジンの全出力は、例えば、５０００ｋＷから１１００００ｋＷでありうる。

エンジン１は、クランクシャフト３のための主軸受を備えるベッドプレート２から組み立てられる。クランクシャフト３は半組み立て型である。半組み立て型のクランクシャフトは、鍛造または鋳造の鉄のスローを、焼嵌めによって主ジャーナルに接合することにより作られる。ベッドプレート２は、単一の部材から作られることもあるが、製造施設に応じて複数の部分に分けて作られることもある。ベッドプレートは、側壁と、溶接された横桁（ｃｒｏｓｓ ｇｉｒｄｅｒ）から構成される。横桁は軸受支持部を有する。本願の技術分野において、横桁はまた、横断桁（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｇｉｒｄｅｒ）とも呼ばれる。オイルパン４３はベッドプレート２の底部に溶接され、強制循環及び冷却油系から戻ってくるオイルを集める。

連接棒８はクランクシャフト３をクロスヘッドベアリング２２に接続する。クロスヘッドベアリング２２は、複数の縦案内版２３の間を案内される。

ベッドプレート２の上には、溶接設計によるＡ型のフレームボックス４が設置される。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、各シリンダのために安全弁（ｒｅｌｉｅｆ ｖａｌｖｅ）が設けられる。一方クランクシャフトの側には、各シリンダのために大きなヒンジドアが設けられる。クロスヘッド案内板２３はフレームボックス４に統合されている。

クレームボックス４の上部には、シリンダフレーム５が設置される。ベッドプレート２、フレームボックス４、シリンダフレーム５を連結し一体化するには、ステーボルト２７が用いられる。ステーボルト２７は油圧ジャッキによって締め付けられる。

シリンダフレーム５は鋳造によって一つ又は複数の部品として製造され、最終的にはカムシャフトハウジング２５を統合するように組み立てられる。シリンダフレーム５は溶接設計であることもある。図示されていない別の実施例では、カムシャフト２８は、シリンダフレーム５に取り付けられる独立のカムシャフトハウジングに収められる。

シリンダフレーム５には、掃気のためのスペースを掃除し、掃気ポートやピストンリングをカムシャフトの側から検査するための開閉カバーが設けられる。シリンダフレーム５は、シリンダライナ６と共に、掃気のためのスペースを形成する。掃気受け９は、その開口側においてシリンダフレーム５にボルト付けされる。シリンダフレームの底部には、ピストンロッドのためのスタフィングボックスが設けられる。スタフィングボックスには掃気のためのシーリングリングと、排気生成物がフレームボックス４やベッドプレート２内の空間へ漏れ出ていくことを防ぐためのオイルスクレーパリングとが設けられている。このようにして、この空間に存在するすべての軸受が保護されている。

ピストン１３は、ピストン冠とピストンスカートとを有する。ピストン冠は耐熱性のスチールで作られており、４本のリング溝を有する。これらのリング溝の上部及び下部の両方には硬質クロムメッキが施される。

ピストンロッド１４は、クロスヘッド２２に四つのネジで連結される。図からは見えないが、ピストンロッド１４は２つの同軸のボアを有しており、冷却油管と共に、ピストン１３のための冷却油の入口及び出口を形成する。

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は合金鋳鉄から製造され、低い位置に設けられるフランジによってシリンダフレーム５内に吊設される。シリンダライナの最上部は鋳鉄による冷却ジャケットにより囲まれている。図示されていないが、シリンダライナ６にはシリンダ潤滑のためのドリル穴が設けられている。

このシリンダはユニフロー型であり、エアボックス内に掃気ポート７が設けられている。エアボックスには、ターボ過給機１０（図１）により圧縮された掃気が、掃気受け９（図１）から供給される。

４−９気筒のエンジンの場合、一つ又は複数のターボ過給機１０は、エンジンの後端に取り付けられる。１０気筒以上のエンジンの場合、ターボ過給機１０は、排気側に取り付けられる。

ターボ過給機１０へのエアの取り入れは、ターボ過給器の吸気消音器（図示されていない）を通してエンジンルームから直接に行われる。エアは、ターボ過給機１０から、給気管（図示されていない）・エア冷却器（図示されていない）・掃気受け９を介して、シリンダライナ６の掃気ポート７へと導かれる。

エンジン１には、電動の掃気ブロアも設けられる（図示されていない）。ブロアの吸引側は、エア冷却器の後段の掃気スペースに繋がっている。エア冷却器と掃気受けとの間には、図示されていない逆止め弁が設けられており、補助ブロアがエアを供給する場合には自動的に閉じるようになっている。補助ブロアはエンジンの付加が低または中程度の場合に、ターボ過給機による圧縮を補助する。

シリンダカバー１２には、複数の燃料弁４０が同心円状に設置されている。圧縮行程の最終段階において、燃料噴射弁４０は、その噴射ノズルから高圧の燃料を細かい霧状に燃焼室１５内に噴射する。排気弁１１は、シリンダの頂部中央に設置される。排気弁１１はシリンダカバー１２に設置される。排気弁が閉じられている時、排気弁は、シリンダライナ６の頂部プレートに設けられる弁座１８のところで止まっている。膨張行程の最終段階において、排気弁１１は、ピストン１３が掃気ポート７を超えて下に下がる前に開弁する。それによって、燃焼室１５においてピストン１３より上にある燃焼ガスは、排気ガス受けに開口する排気経路１６を通って流れ出し、燃焼室１５の圧力は解放される。排気弁１１は、ピストン１３の上昇運動の間に再び閉じる。

排気弁１１は油圧プッシュロッドにより駆動される。各油圧ブッシュロッドは、それぞれ排気弁１１を、カムシャフト２８上の対応する排気カム２９に接続する。空気ばね３８は、排気弁が、排気カム２９の閉弁のための立下りに追随して弁座１８に戻ることを確実にする。

図３から図７は、本発明に従う排気弁作動システムの例示的実施形態を描いている。これらの実施形態は、全て単一のシリンダに対して描かれている。複数のシリンダを有するエンジンの場合、各シリンダに対して同じ構成が設けられる。ただし、カムシャフト２８は１本でよく、それによって複数の排気カム２９を担持することができる。従って排気弁作動システムは、複数のカム２９を有するカムシャフト２８を備える。ただし図にはカムは一つしか描かれていない。ピストンポンプ３１のピストンに接続されるローラー３０が、カムの表面（カムのプロファイル）に追随して動く。ピストンポンプ３１は管３６を介し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の上部に設置され、排気弁１１のステムの上部に作用するアクチュエータピストン３５を有している。排気弁１１のステムには、ガススプリング３８も接続されており、ガススプリング３８の圧力室のガス圧が、排気弁１１を閉弁方向および弁座１８へと付勢する。ガススプリング３８は、ローラー３０が、カムプロファイルの立下り部分の面に接触し続けるために十分な力を提供するように構成される。

このように動作する、カム２９と排気弁１１との間の接続部分は、油圧プッシュロッドと呼ばれる。油圧プッシュロッドは油圧ピストンポンプ３１，油圧アクチュエータ３４，油圧管３６を含む。油圧アクチュエータ３４は、排気弁１１を動かすように作用するアクチュエータピストン３５を含む。油圧管３６は、油圧ピストンポンプ３１と油圧アクチュエータ３４とを接続する。油圧プッシュロッドの内部の、ポンプピストン３２とアクチュエータピストン３５との間には、油圧油が存在する。

油圧アクチュエータ３４に圧力がかけられると、油圧アクチュエータ３４は排気弁１１を開弁方向に付勢する。排気弁１１の位置は、図示されないセンサによって計測されている。このセンサはエンジンの電子制御ユニット９０に接続されている。運転中、カムシャフト２８は、クランクシャフト３に同調して回転する。カム２９プロファイルはピストンポンプ３１の動きを決定する。カム２９は、開弁のための立ち上がり部７１と、閉弁のための立ち下がり部７３、立ち上がり部７１を立ち下がり部７３につなぐドエル（停留）部７２、立ち下がり部７３を立ち上がり部７１につなぐベースサークル部７０とを有する。

カムシャフト２８は矢印Ａで示された方向に回転する。ベース部７０から立ち上がり部７１への移行部が破線Ｉで示されており、立ち上がり部７１からドエル部７２への移行部が破線ＩＩで、ドエル部７２から立ち下がり部７３への移行部が破線ＩＩＩで、立ち下がり部７３からベース部７０への移行部が破線ＩＶで示されている。カムシャフト２８が矢印Ａで示された方向に回転すると、ベース部７０の次に立ち上がり部７１がアクティブになり、立ち上がり部７１の次はドエル部７２がアクティブになり、ドエル部７２の次は立ち下がり部７３がアクティブになり、立ち下がり部７３の次はベース部７０がアクティブになる。図８には、これらの破線に対応する破線が描かれている。図８は、カムプロファイルで定まる排気弁の開弁プロファイルのグラフが示されている。

ベース部７０がアクティブであり、排気弁１１が弁座上に位置している間は、ガススプリング３８はそれほど圧縮されておらず、油圧プッシュロッド内の圧力は低いレベルにある。図８は、純粋にカムプロファイルによりのみ基づく排気弁の開弁プロファイルのグラフを示している図であるが、この図において、排気弁１１が弁座上に位置している期間は「着座期間」と表示されており、破線ＩＶと破線Ｉの間の期間として示されている。立ち上がり部７１がアクティブになる期間において、排気弁１１はその弁座１８上の閉弁位置から開弁位置へと移動し、油圧プッシュロッド内の圧力は、ガススプリング３８の圧縮が高まることによって、高いレベルへと増大していく。図８において、この期間は「開弁期間」と表示されており、破線Ｉと破線ＩＩの間の期間として示されている。ドエル部７２がアクティブである期間では、油圧プッシュロッドの圧力は、期間の開始を除いてほぼ一定に保たれており（図１１参照）、ガススプリング３８が完全に圧縮されているために、油圧プッシュロッドの圧力も高レベルに保たれている。図８において、この期間は「停留期間」と表示されており、破線ＩＩと破線ＩＩＩの間の期間として示されている。立ち下がり部７３がアクティブである期間において、油圧プッシュロッドの圧力は高レベルから低レベルへと下がる。図８において、この期間は「閉弁期間」と表示されており、破線ＩＩＩと破線ＩＶの間の期間として示されている。

油圧プッシュロッドの圧力は、ガススプリング３８の作用によってのみ決定されるわけではない。図１１からわかるように、関連する質量の加速や減速にも影響される。だが、圧力の変化は概して上述の通りである。

容積型ポンプピストン３２が上方に移動すると、油圧油も、管３６を通じてバルブアクチュエータ３４へと移動させられる。アクチュエータ３４は、排気弁１１を、燃焼室及びガススプリング３８の圧力に抗して開弁させる。容積型ポンプピストン３２が下方に移動すると、ガススプリング３８は、排気弁１１および排気弁アクチュエータ３４を上方へ移動するように付勢し、排気弁アクチュエータ３４内の液体が容積型ポンプ３１へ戻るように仕向ける。排気弁１１の開放運動中に排気弁アクチュエータ３４へ届けられたエネルギーの殆どはガススプリングに蓄積される。そしてそのエネルギーは、排気弁アクチュエータ３４の戻り行程の間に容積型ポンプ３１で作られた圧力によって、クランクシャフト２８へ返される。このため、排気弁１１を開くために必要な油圧エネルギーのうち、失われるのはほんの少しの部分のみである。

本実施例に従う排気弁作動システムは、ある量の油圧油を油圧プッシュロッドに加え、また加えた量の油圧油を抜き取る装置５０を備える。油圧プッシュロッドに油圧油を追加する目的は、排気弁１１の閉弁時点（弁頭が弁座１８に着座する時点）を、カムプロファイルで定まる閉弁時点よりも遅らせることである。すなわち、図７において破線ＩＶがカムプロファイルに交差する位置、および図８において破線ＩＶが時間軸に交差する時点に対応して、カムプロファイルにより定まる閉弁時点よりも遅らせることである。

閉弁時点の遅延量、すなわち遅延時間の長さは、シリンダ６内における掃気の圧縮圧を可変制御するために用いられる。必要とされる遅延量は、運転条件に基づいて、電子制御ユニット９０によって定められる。運転条件とは、例えばエンジンの負荷、掃気圧、ｒｐｍ、その他の運転条件に関するパラメータである。これらの運転条件は、様々なセンサによって、電子制御ユニット９０に伝えられる。また、エンジをンのタイプに応じたエンジンマップなどを用いて伝えられる。エンジンマップは、必要とされる圧縮圧と掃気圧の比のテーブルを含んでいることができる。この比は排気弁閉角度に関する無次元の評価値である。遅延量に関する電子制御ユニット９０の決定は、運転者により選択された運転モードや、エンジンの地理的位置に基づいて自動的に選択された運転モードに依存する場合もある。例えば運転モードは、燃料の節約を重視するモードと、ＮＯｘに関する条件を重視するモードとの間で切り替えられることができる。

本実施例において、装置５０はピストンポンプ３１に取り付けられ、管６３を介して油圧プッシュロッドと油圧油をやり取りする。管６３は、その一部がピストンポンプ３１内に設けられている。なお装置５０の位置は別の場所であってもよいことは注意されたい。しかし、好ましくは油圧プッシュロッドの近くがよく、すなわち排気弁アクチュエータ３４に位置することがこのましい。

本実施例において、装置５０はハウジング５１を有すると共に、ハウジング５１の内部に設けられるシリンダに受容される調節ピストン５２を備えている。シリンダ及び調節ピストン５２は、調節ピストン５２の一方の側に調節室５３を確定する。運転中、調節室５３は油圧油で満たされる。調節ピストン５２は、最も後退した位置と、最も前進した位置との間のストロークを有する。最後退位置および最前進位置は、物理的なエンドストップによって定められる。例えば、調節ピストンをシリンダ内の対応するエンド部に当接させるようにすることで、当該位置を定める。エンドストップは、油圧プッシュロッドに加えられる油圧油の最大量が既定の量（これはあまり多くない量である）を超えないようにすることを確かにする。調節室５３と油圧プッシュとの間では、管６３を介して油圧油をやり取りできるようになっている。

調節ピストン５２は拡張ピストン５４に関係付けられており、拡張ピストン５４は調節ピストン５２をその前進方向へ付勢する。調節ピストン５２はまた、戻りピストン５６に関係付けられており、戻りピストン５６は、調節ピストン５２をその後退方向へ付勢する。拡張ピストン５４は、自身に関連する作用室５５を有する。作用室５５は電子制御式の３／２油圧弁６９に接続されている。油圧弁６９は、その位置に応じて、作用室５５を油圧源８０またはタンクに選択的に接続する。油圧源は、好ましくは、制御室５２に加えられるべき力に適合するように選ばれた一定の圧力を提供する。実施形態によっては、制御ピストン５２の寸法（直径）及び拡張ピストン５４の寸法（直径）は、一定の基準圧力に基づいて選択され、油圧源は圧縮圧の制御の手段としては用いられない。

電子制御弁６９は電子制御ユニット９０に接続され、電子制御ユニットが電子制御弁６９の位置を決定する。

戻りピストン５６の直径は拡張ピストン５４の直径よりも小さい。戻りピストン５６は関連する作用室５７を有する。作用室５７は、管６０によって、油圧源８０に常に接続されている。例えば電子制御弁が作用室５５を油圧源８０に接続し、作用室５５及び５７の両方に圧力がかけられている場合、拡張ピストン５４と戻りピストン５６との直径の差は、調節ピストン５２をその前進方向へと付勢する。調節ピストンをその前進方向に付勢する力の大きさは、油圧油が油圧プッシュロッドの方へと強いられる圧力を決定する。図８から１１に見られるように、この力に対応する圧力は、カムの立ち下がり部がアクティブになる期間の中央付近で油圧油が油圧プッシュロッド内へと移動を始めるように選択される。またこの時の圧力は、停留期間における安定的な圧力のおよそ１／３である。

排気弁１１が開いている時間を延長する必要があると電子制御ユニット９０が決定すると、電子制御ユニット９０は、調節ピストン５２を、その完全に後退した位置から前進位置へと付勢することを開始する。図９−１１において電子制御弁への信号の形に見られるように、この付勢は、ドエル部分７２がアクティブである期間（すなわち停留フェーズ）に開始する。電子制御弁６９が、調節ピストン９０を前進させることを開始する時点は、それが、調節ピストン５２によって生成される圧力未満に油圧プッシュロッド内の圧力が低下する時点の前である限り、それほど正確でなくともよい。調節ピストン５２をその前進位置へと付勢する力は調節室５３の圧力に相当するものであり、調節室５３の圧力は停留フェーズの圧力よりも低いことから、カムの立ち下がり部７３がアクティブになって油圧プッシュロッド内の圧力が停留フェーズの圧力から下がるまで、調節ピストン５２はその前進位置への移動を始めることができない。この事情も図９から１１に示されている。

電子制御ユニット９０は、完全後退位置から前進方向へ調節ピストン５２を付勢することを、ドエル部分７２がアクティブである期間に開始する。これは、油圧プッシュロッドの高圧が調節ピストンを後退させないようにするためである。調節ピストン５２は、物理的なエンドストップによって後退できないようになっている。

図９から１１に見られるように、電子制御ユニット９０は、カムプロファイルにより定められる閉弁期間の終了時点（破線ＩＶに対応する時点）の後に所定の遅延時間が経過するまで、調節ピストン５２を付勢することを続けるように構成される。その後、電子制御ユニット９０は、調節ピストン５２をその完全後退位置へと戻すように付勢する。これは、作用室５５をタンクに接続するように制御弁６４の位置を切り替え、戻りピストン５６に作用する作用室５７の油圧油の圧力が、調節ピストン５２に対して、その後退方向へ作用する力を発生するようにすることにより、行われる。調節ピストン５２の戻り運動は、調節室５３の圧力によって補助される。調節ピストン５２がその後退位置へと戻る動きは、以前に加えられた量の油圧油を抜き取る作用を呈する。このため、排気弁１１がその弁座１８へ戻って閉弁することを可能にする。

排気弁１１の閉弁の遅延長さは、エンジンのシリンダ６における圧縮圧に顕著な影響を及ぼす。従って、遅延の長さは非常に重要であり、正確に制御される。排気弁１１の閉鎖の望ましい遅延長さの決定は上述の通りであり、また、望ましい圧縮圧と掃気圧との比のマップに基づく変換マップを使用することを含んでもよい。

装置５０は、上に説明された実施例とは異なるように構成されることもできる。停留圧（ドエル圧）未満且つベース圧より大きな圧力で、ある量の油圧油を油圧プッシュロッドへ押し入れうるように構成され、また、押し込もうとすることを始める時点がドエル期間（停留期間）（すなわちカムの立ち下がり部がアクティブになる前）であって、立ち下がり部のアクティブ期間が終了する時点（すなわち破線ＩＶがカムプロファイルに交差する位置に対応する時点）の後の制御された遅延時間の後に、油圧プッシュロッドから前記量の油圧油を引き抜くように構成される、如何なる装置も、本発明で使用されるに適当である。

特許請求の範囲において使用される「備える」「有する」「含む」との語句は、その他の要素が含まれることを除外しない。特許請求の範囲において単数で記載されている要素であっても、それが複数供えられることを除外しない。

例示のために本発明を詳細に説明してきたが、これらの詳細説明は例示の目的のためだけに提供されたものであって、本発明の範囲を逸脱せずに当業者により様々な変形がなされうる。

Claims (15)

1. クロスヘッド（２２）を備える大型低速多気筒ターボ過給式２ストロークユニフロー内燃機関（１）であって、
   それぞれ少なくとも一つの排気弁（１１）及び少なくとも一つの弁座（１８）を備え、それぞれ前記弁座に着座する閉鎖位置と、開放位置との間を移動しうる、複数のシリンダと；
   前記排気弁（１１）のいずれかに関連付けられる気体バネ（３８）であって、対応する前記排気弁（１１）を閉鎖位置の方向へ及び前記弁座へと付勢する、気体バネ（３８）と；
   それぞれ対応する前記排気弁（１１）を作動するためのカムプロファイルを有する複数の排気カム（２９）であって、それぞれ開弁のための立ち上がり部（７１）と、閉弁のための立ち下がり部（７３）、前記立ち上がり部を前記立ち下がり部につなぐドエル部（７２）、前記立ち下がり部を前記立ち上がり部につなぐベースサークル部（７０）とを有する複数の排気カムが配されている少なくとも一つのカムシャフト（２８）と；
   前記シリンダのいずれかの前記排気弁に関連付けられる油圧プッシュロッドと；
   を備え、前記油圧プッシュロッドが、
   前記クランクシャフト（２８）のいずれかの排気カム（２９）によって駆動されるポンプピストン（３２）を備える油圧ピストンポンプ（３１）と、
   関連する前記排気弁を開放方向に移動させるように該排気弁に作用するアクチュエータピストン（３５）を備える油圧アクチュエータ（３４）と、
   前記油圧ピストンポンプと前記油圧アクチュエータ等を接続する油圧経路（３６）と、
   前記ポンプピストン（３２）と前記アクチュエータピストン（３５）との間に存在する前記油圧プッシュロッド内の油圧油と、を備え、
   前記機関はさらに、前記排気弁が開いている時間を延長するために、前記立ち下がり部がアクティブである期間の間に前記油圧ピストンロッドにある量の油圧油を選択的に加えるように構成され、また、前記カムプロファイルにより定められる閉鎖時点よりも遅れて前記排気弁がその弁座に戻ることを可能にすべく、前記立ち下がり部がアクティブであることを止めた後のある遅延時間後に、前記油圧ピストンロッドに加えた前記量の油圧油を該油圧ピストンロッドから抜き取るように構成される装置（５０）を備える、機関。
2. 前記排気弁がその開放位置に停留し、前記排気カムの前記ドエル部がアクティブであるときに、前記気体バネを圧縮することは、前記油圧プッシュロッド内の油圧油に停留圧力を生じさせ、前記装置（５０）は、前記停留圧力よりも低い圧力で、前記量の油圧油を前記油圧プッシュロッドへ押し入れようとするように構成される、請求項１に記載の機関。
3. 前記装置（５０）がさらに：
   完全に後退した位置と完全に前進した位置との間のストロークを有し、その一方の側に、前記油圧プッシュロッド内の前記油圧油と流体的につながっている調節室（５３）を有する調節室（５２）と；
   前記調節ピストンに作用する電子制御式の作動システムであって、前記ドエル部分がアクティブである間に、前記調節ピストンを、前記完全に後退した位置から前記完全に前進した位置の方へ、前記調節室内の圧力に対応する力で付勢することを開始するように構成される、前記電子制御式の作動システムとを備え；
   ここで、前記立ち下がり部がアクティブになって、前記油圧プッシュロッド内の油圧油の圧力が前記停留圧力よりも下がるまでは、前記調節ピストンがその前進方向への移動を始めないように、前記調節室内の圧力は前記停留圧力より低い、請求項１に記載の機関。
4. 前記電子制御式作動システムは、前記ドエル部分がアクティブである間に、前記調節ピストンを、その完全に後退した位置から前進位置の方へ付勢することを開始するように構成され、
   また前記電子制御式作動システムは、前記遅延時間が経過するまで前記付勢することを続け、その後、前記調節ピストンが前記完全に後退した位置へと戻ることを許すか又は戻るように強いるように構成される、
   請求項３に記載の機関。
5. 前記調節ピストンは、該調節ピストンをその前進方向へ付勢する拡張ピストン（５４）につながっており、また前記調節ピストン（５２）は、該調節ピストンをその後退方向へ付勢する戻りピストン（５６）につながっている、請求項３に記載の機関。
6. 前記拡張ピストンは自身に関係付けられる作用室（５５）を有し、該作用室は電子制御式油圧弁（６９）に接続され、該電子制御式油圧弁は、前記作用室を圧力源（８０）又はタンクに選択的に接続する、請求項５に記載の機関。
7. 前記装置（５０）は前記拡張ピストンと、前記戻りピストンと、前記電子制御式油圧弁とを備える、請求項６に記載の機関。
8. 前記電子制御式油圧弁は電子制御ユニット（９０）に接続される、請求項７に記載の機関。
9. 前記戻りピストンの直径は前記拡張ピストンの直径よりも小さく、
   前記戻りピストンは自身に関係付けられる作用室（５７）を有し、該作用室は前記圧力源（９０）に持続的に接続されている、請求項６に記載の機関。
10. 前記クランクシャフト（３）又は前記カムシャフト（２８）の角度位置を示す位置センサを更に備える請求項８に記載の機関であって、前記電子制御式油圧弁は、前記排気弁の閉弁を遅らせるためにアクティブにされ、ここで前記遅らせることは、所望の圧縮圧と掃気圧との比のマップに基づく変換マップに基づいて制御された遅延量に基づいてなされる、機関。
11. 前記排気弁がその弁座（１８）に戻り、前記調節ピストンもその後退位置に対応する弁座に戻ることができるように、前記電子制御ユニット（９０）は、前記立ち下がり部がアクティブであることを止めた時点からある程度遅れて、前記戻りピストンに関係付けられる前記作用室（５５）をタンクに接続するように、前記電子制御式油圧弁（６９）に指示するように構成される、請求項９に記載の機関。
12. クロスヘッドを備える大型低速多気筒ターボ過給式２ストロークユニフロー内燃機関（１）を制御する方法であって、
    ただし前記機関（１）は、それぞれ少なくとも一つの排気弁（１１）及び少なくとも一つの弁座（１８）を備える複数のシリンダと；前記排気弁（１１）のいずれかに関連付けられる気体バネ（３８）であって、対応する前記排気弁（１１）を閉鎖位置の方向へ及び前記弁座へと付勢する、気体バネ（３８）と；それぞれ対応する前記排気弁（１１）を作動するためのカムプロファイルを有する複数の排気カム（２９）であって、それぞれが配されている少なくとも一つのカムシャフト（２８）と；前記シリンダのいずれかの前記排気弁に関連付けられて、該排気弁に前記カムプロファイルを伝達する油圧プッシュロッドであって、油圧油を有する油圧プッシュロッドと；を備え、前記排気弁が前記カムプロファイルにより制御される動作シーケンスを有し、前記カムプロファイルは開弁のための立ち上がり部（７１）と、閉弁のための立ち下がり部（７３）、前記立ち上がり部を前記立ち下がり部につなぐドエル部（７２）、前記立ち下がり部を前記立ち上がり部につなぐベースサークル部（７０）とを有し；前記気体バネを付勢する力が、停留期間において前記油圧プッシュロッド中の前記油圧油に所定の停留圧を生じさせる；ように構成される機関であり、
    前記方法は：
    前記立ち下がり部がアクティブである期間において、前記停留期間中の前記油圧プッシュロッド中の前記油圧油にある量の油圧油を加えること、ただし前記加えることは、前記停留期間中に前記油圧プッシュロッドに存在する圧力よりも小さな圧力で行うことと；
    前記立ち下がり部がアクティブであることを止めた時点からある程度遅れて、前記油圧プッシュロッド中の油圧油から前記加えた量の油圧油を抜き取ることと；
    を含む、方法。
13. 前記加えられる油圧油は、完全に後退した位置と完全に前進した位置との間のストロークを有し、その一端側に調節室（５３）を有する、調節ピストン（５２）によって加えられ、前記調節室は前記油圧プッシュロッドと油圧油をやりとりできるようにされており、
    前記方法は、前記ドエル部分がアクティブである間に、前記調節ピストンを、前記完全に後退した位置から前記完全に前進した位置の方へ付勢することを開始することを含み、ただし、前記調節ピストンを付勢する力は、前記調節室の圧力が前記停留期間中の圧力よりも小さくなるようなものであり、このため前記調節ピストンは、前記立ち下がり部がアクティブになって前記油圧プッシュロッド内の前記油圧油の圧力が前記停留期間中の圧力よりも小さくなるまで、その前進方向への移動を始めることができない、請求項１２に記載の方法。
14. 前記油圧プッシュロッド内の油圧油から前記加えた量の油圧油を抜くことを始める時間は、前記クランクシャフトの角度位置を示す信号に基づいて決定される、請求項１２に記載の方法。
15. 前記油圧プッシュロッド内の油圧油から前記加えた量の油圧油を抜くことを始める時間は、関連するシリンダの燃焼室の圧縮圧を制御するために用いられる、請求項１４に記載の方法。

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