JP2014152774A

JP2014152774A - クロスヘッドを有する大型低速２ストローク内燃機関用排気弁装置

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Publication number: JP2014152774A
Application number: JP2014002087A
Authority: JP
Inventors: Hansen Jens Noerby; イェンスノービー・ハンセン; Poul Cenker; ポウルセンケル
Original assignee: MAN Energy Solutions Filial af MAN Energy Solutions SE; MAN Diesel and Turbo Filial af MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions Filial af MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2013-02-08
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2014-08-25
Anticipated expiration: 2034-01-09
Also published as: KR101525218B1; KR20140101289A; CN103742218B; CN103742218A; DK177676B1; JP5543040B1

Abstract

【課題】大型低速２ストロークユニフローディーゼル機関用排気弁装置の閉弁時の制動精度の向上。
【解決手段】排気弁１と、油圧アクチュエータと、プランジャ１０'を備え、前記ボアと前記プランジャ１０'との間に作動室６０を画定し、加圧されるときに前記開放行程を行い、タンクに接続されるときに戻り行程を行わせる油圧アクチュエータと、油圧制御弁１１７とを有し、作動室６０は油圧制御弁１１７を介して高圧油圧流体の前記供給源または前記タンクに選択的に接続可能であり、さらに、前記作動室６０を油圧制御弁１１７に接続する油圧通路８０、８５を有し、前記排気弁１の開放行程の最終部分および戻り行程の最初部分の間に動作する流れ制限を備え、少なくとも前記戻り行程の最初部分の間に前記油圧通路８０、８５内の前記流れ制限を迂回させるバイパス装置１１７、１９５、１９７を有する。
【選択図】図３

Description

本出願は、クロスヘッドを有する大型の低速（ｓｌｏｗ−ｒｕｎｎｉｎｇ）２ストローク内燃機関用排気弁装置に関する。より特定的には、本発明は、電子的に制御される油圧弁を介して油圧排気弁アクチュエータに接続された高圧油圧流体の供給源を備える排気弁装置に関する。この油圧アクチュエータは、ボアの端部と、排気弁に接続された往復動プランジャまたはピストンとの間に画定される作動室を備える。

たとえば船舶の原動機など、クロスヘッド型の大型低速２ストロークユニフローディーゼル機関は次第に大きくなってきている。それに伴い、こうした機関に対する排気弁も大きくなっている。これらの機関のより大型のものに対する排気弁は、高さ１メートルから２メートルになることがある。こうした排気弁の弁スピンドルは数百キロの重量になることがある。各機関サイクルに対して、機関シリンダの燃焼室を排気するために排気弁が開閉する必要がある。クロスヘッド型の大型２ストロークディーゼル機関については、通常動作における開閉は１分間当り６０から２００回になり得る。重量のある弁スピンドルが何らかの停止具または端面に当接することによる損傷を防ぐために、弁スピンドルの開放移動は制動されて、あらゆるこうした停止面に接触する前に停止される必要がある。したがって、通常こうした排気弁には開放行程制動装置の端部が設けられている。こうした開放行程制動装置の端部は、弁スピンドルの一部の上に形成された円錐面の形を取ってもよく、この円錐面はスピンドルボアの部分の側壁と協働して作動室への油圧流体供給を閉じる。こうした機構の例が特開２００４−０８４６７０号に示されている。こうした円錐形の面は、適切に働くために弁スピンドルの長手方向にかなりの伸長を有する必要があり、もし弁スピンドルの温度が変われば弁スピンドルの長さの実質的な変化がもたらされることがあり、制動精度が失われる。機関および排気弁部分の温度は、たとえば機関荷重条件の違いなどによって変わり、特に機関が低温状態から徐々に動作温度になる始動時に変化する。機関のこうした温度の違いのために、排気弁スピンドルは膨張および収縮し、かつ中にスピンドルが装着されているハウジングとは異なる比率で膨張および収縮する。機関が大きくなるほど排気弁も大きくなり、弁スピンドルも大きくなる。したがって弁スピンドルの膨張および収縮も大きく、上に説明したとおりに排気弁の動作条件に影響することがある。したがって円錐形の表面が長いほど、開放相における最後の弁スピンドルの制動精度に影響を与える危険性が高まる。さらに、開放行程制動装置の端部は、排気弁の戻り行程の最初の部分においても動作しており、これは排気弁の閉鎖運動精度および再現性に悪影響をもたらす。

国際公開第２００６／１０８４３８号は、請求項１のプリアンサンブルによる大型低速ディーゼル機関を開示している。

特開２００４−０８４６７０号国際公開第２００６／１０８４３８号

この背景に基づき、本発明の目的は、先行技術に関連する問題を解決するか、または少なくとも低減させる、弁開放行程の最後に排気弁を減速および停止させる制動装置を有する排気弁装置を提供することである。

この目的は、クロスヘッドおよび複数のシリンダを有する大型低速２ストロークユニフローディーゼル機関用排気弁（１）装置を提供することによって達成され、この排気弁装置は、排気弁であって、排気弁のディスクが機関のシリンダのシリンダカバー内の弁座上にある閉鎖位置と、シリンダ内の燃焼室の掃気のために排気弁のディスクが弁座上にない開放位置との間で開放可能であることによって排気弁は開放行程と戻り行程とにおいて移動する、排気弁と、排気弁に作動的に接続されたガスバネであって、このガスバネによって排気弁は閉鎖位置に向けて弾力的に付勢される、ガスバネと、排気弁のスピンドルに作動的に接続された油圧アクチュエータであって、この油圧アクチュエータはボア内に受け入れられたプランジャを備え、かつこのボアとプランジャとの間に作動室を画定し、この作動室は、作動室が加圧されるときに開放行程を行い、かつ作動室がタンクに接続されるときに排気弁に戻り行程を行わせるためのものである、油圧アクチュエータと、高圧油圧流体の供給源と、油圧流体を戻すタンクと、電子制御ユニットに作動的に接続された電子制御された油圧弁と、を備え、作動室は電子制御された油圧弁を介して高圧油圧流体の供給源またはタンクに選択的に接続可能であり、この排気弁装置はさらに、作動室を電子制御された油圧弁に接続する油圧通路を備え、この油圧通路は排気弁の開放行程の最終部分および戻り行程の最初部分の間に動作する流れ制限を備え、この排気弁装置はさらに、少なくとも戻り行程の最初部分の間に油圧通路の可変の流れ制限を選択的に迂回させるバイパス装置を備える。

排気弁の戻り行程の最初部分の間に油圧通路の制限を迂回させる装置を提供することによって、動きのばらつきをもたらして精度を損なう戻り行程の低速かつ遅延部分を回避でき、それによって排気弁の閉鎖時期がより精密に制御可能となる。排気弁の閉鎖時期は、次のサイクルに対する圧縮圧力を定めるために決定的なものであるため、閉鎖時期が正確かつ再現可能であることは非常に重要である。

ある実施形態において、バイパス装置は電子制御された弁を備えるバイパス通路を備える。

別の実施形態において、バイパス装置は逆止弁を備えるバイパス通路を備える。

ある実施形態において、可変の制限は、ボア内に設けられた制御端縁と協働する、プランジャ内の軸方向に向けられたスリット（１９）を一つ以上備える。

ある実施形態において、油圧通路は、作動室の頂部または端部におけるポートを介して作動室に接続するか、またはボアの側壁内のポートに接続する。

ある実施形態において、排気弁装置はさらに、油圧制御された弁および油圧制御されたバイパス弁に接続された電子制御ユニットを備え、制御装置は、可変の制限が動作する戻り行程の部分の間に油圧制御されたバイパス弁を開くために構成される。

ある実施形態において、電子制御されたバイパス弁は電子制御された油圧弁の一体化した部分である。

ある実施形態において、電子制御された弁は、電子制御されたバイパス弁の機能に割り当てられた一つのポートおよび一つの制御端縁を有する比例型スプール弁である。

ある実施形態において、制限はプランジャ内の狭いボアによって形成される。

本発明による排気弁のさらなる目的、特徴、利点および特性は、詳細な説明から明らかになるであろう。

本記載の以下の詳細部分においては、図面に示される例示的実施形態を参照しながら本発明をより詳細に説明する。

クロスヘッド型の大型２ストロークユニフローディーゼル機関の上側部分を示す断面図である。例示的実施形態による排気弁を示す断面図である。図２の排気弁の上側部分の詳細を示す断面図である。図２および図３の排気弁の上側部分に形成される、例示的実施形態の発明による排気弁のスピンドルのスピンドルエクステンダを示す断面図である。例示的実施形態によるスピンドルの上側部分を示す斜視図である。排気弁の開閉サイクルの間のスピンドルの移動の異なる相における、排気弁のアクチュエータ部分における油圧流体の流れを示す断面図である。弁が閉じていて開放できる状態であるときの頂部位置にあるスピンドルを示す図である。排気弁の開閉サイクルの間のスピンドルの移動の異なる相における、排気弁のアクチュエータ部分における油圧流体の流れを示す断面図である。下向きの運動中の位置にあるスピンドルを示す図である。排気弁の開閉サイクルの間のスピンドルの移動の異なる相における、排気弁のアクチュエータ部分における油圧流体の流れを示す断面図である。スピンドルが下向きの運動の制動相に入るときの位置にあるスピンドルを示す図である。排気弁の開閉サイクルの間のスピンドルの移動の異なる相における、排気弁のアクチュエータ部分における油圧流体の流れを示す断面図である。最も伸長した位置にあるスピンドル、すなわち排気弁が完全に開いているときのスピンドルを示す図である。排気弁の開閉サイクルの間のスピンドルの移動の異なる相における、排気弁のアクチュエータ部分における油圧流体の流れを示す断面図である。排気弁の閉鎖開始時の油圧流体の流れを示す図である。排気弁の開閉サイクルの間のスピンドルの移動の異なる相における、排気弁のアクチュエータ部分における油圧流体の流れを示す断面図である。制動室の流出が始まるときの位置にあるスピンドルを示す図である。排気弁の開閉サイクルの間のスピンドルの移動の異なる相における、排気弁のアクチュエータ部分における油圧流体の流れを示す断面図である。本発明による装置を有する排気弁と有さない排気弁との動きを示すグラフである。

好ましい実施形態の詳細な説明

以下においては、クロスヘッドが設けられた大型低速２ストロークユニフロー燃焼機関に関して、本発明による排気弁装置を説明する。本発明による排気弁装置は、好ましい実施形態によって説明される。

図１は、クロスヘッドを有する大型低速２ストロークユニフローディーゼル機関に用いられるユニフロー型のシリンダ１００を示す。クロスヘッドを有する大型低速２ストロークユニフローディーゼル機関は通常、線状に配置された３個から１６個のシリンダを有する。各シリンダ１００は、空気ボックス１０３内に置かれた掃気ポート１０２を有し、ここには掃気レシーバ（図示せず）から、たとえばターボチャージャ（図示せず）などによって加圧された掃気が供給される。この内燃機関は船の推進機関であってもよいし、発電所の固定原動機であってもよい。

排気弁１は、シリンダカバー１２４内で各シリンダ１００の頂部の中央に設置される。機関の膨張行程の最後に、該当するシリンダ内に受け取られた機関ピストン１０５が下に行って掃気ポート１０２を通過する前に排気弁１が開くことによって、ピストン１０５の上の燃焼室１０６内の燃焼ガスが、排気ガスレシーバ１０８内に向けて開いている排気通路１０７を通って流出し、新鮮な掃気またはガスがシリンダ１００の内側の燃焼室に入る。排気弁１は、たとえばその後の燃焼に対する所望の有効圧縮比／圧縮圧力などに依存し得る調整可能な時期におけるピストン１０５の上向きの移動の際に再び閉じる。閉鎖運動の間、排気弁１は空気バネ１２３によってシリンダカバー内の自身の弁座に向けて駆動される。つまり、排気弁１は空気バネ１２３によって自身の弁座に向けて弾力的に付勢される。

排気弁１は、油圧で駆動されるアクチュエータ１０９によって開かれる。加圧された油圧流体、たとえば油圧油などは、アクチュエータ１０９上のポート８０と、コンソール１１３によって支持されるディストリビュータブロック１１２の頂面上の制御ポートとを接続する圧力導管１１０を通って高圧にて供給される。コンソール１１３は、たとえば２００バールから５００バールの範囲、たとえば３００バールなどであってもよい圧力にて共通レール（図示せず）から供給される油圧流体のための高圧導管１１４に接続される。共通レールは、燃料噴射システムのための高圧流体の供給源の役割をしてもよい。

共通レール内の油圧流体は、弁アクチュエータ１０９を直接駆動するために用いられてもよいし、たとえば燃料油などであってもよい共通レール内の油圧流体と弁アクチュエータ１０９用の油圧流体とを分離する圧力増幅器／分離器を介して間接的に駆動するために用いられてもよい。共通レール燃料システムの圧力は、たとえば運転速度および荷重条件など、機関の動作状態に依存して変動する。典型的に、大型２ストロークディーゼル機関に対する共通レール燃料システムの圧力は、８００バールから２０００バールの間で変動する。

弁アクチュエータ１０９に対する専用の共通レールが用いられるとき、油圧流体は貯蔵タンク（図示せず）からポンプ場（図示せず）を通って供給されてもよく、油圧流体はたとえば標準的な油圧油などであってもよいが、好ましくは機関の潤滑油が油圧流体として用いられ、システムは機関の油溜めから給油を受ける。

機関の各シリンダ１００は電子制御ユニット１１５に関連付けられてもよく、電子制御ユニット１１５はワイヤ１１６を通じて一般的な同期および制御信号を受け取り、電子制御信号を、たとえばワイヤ１１８を通じて制御弁１１７などに送信し、たとえばワイヤ１７３を通じて空気バネ１２３に送信する。シリンダごとに一つの制御ユニット１１５があってもよいし、いくつかのシリンダが同じ電子制御ユニット１１５に関連付けられてもよい。加えて、電子制御ユニット１１５はすべてのシリンダに共通の全体制御ユニット（図示せず）からの信号を受け取ってもよい。

代替的には（図示せず）、空気バネ１２３および／または油圧制御弁１１７がカム、すなわち機械的油圧制御によって制御されてもよい。

油圧制御弁１１７はあらゆる通常のタイプのものであってもよく、好ましくはスプール弁などの比例弁である。図３に示されるとおり、電子制御された比例６／３ウェイスプール弁は、本発明とともに用いるために好適であろう。本例示的実施形態において、制御弁１１７は、電子制御されたソレノイド動作比例弁１１７の形のいわゆるＦＩＶＡ（ＦｕｅｌＩｎｊｅｃｔｉｏｎ＆ＶａｌｖｅＡｃｔｉｖａｔｉｏｎ）弁である。本実施形態における制御弁１１７は、３つのランドと、タンクに接続された２つのポートと、供給および戻り導管を介してポート８０に接続されたポート１９１と、戻り導管１９５、ならびにチャネル８５および導管１９５の間の流体接続を確立するポート１９７を介してチャネル８５に接続されたポート１９３とを有する６／３ウェイスプール弁である。この制御弁は、中に主スプール６２が配されたハウジングと、電気的に駆動されるパイロット弁（図示せず）と、電子レギュレータ（図示せず）と、線形位置送信機（図示せず）とを備える。レギュレータは、電子制御ユニット１１５からのコマンド信号と、線形位置送信機からのフィードバックスプール位置信号とを受信する。レギュレータは、周知の閉ループの態様でスプールの位置を制御する。

排気弁１の開放が望ましいときは、制御ユニット１１５からの制御信号が制御弁１１７を作動させることによって、高圧の油圧流体が圧力導管１１０および油圧流体供給ポート８０に自由に近付けるようにする。排気弁１が閉鎖されるときは、制御弁１１７が再作動されて、戻りライン１２２への接続によって導管１１０内の高圧が失われるようにする。油圧アクチュエータが減圧されることによって、空気バネ１２３が排気弁１をその閉鎖位置に向けさせる。

図２は、シリンダ１００の上側部分および排気弁１の断面をより詳細に示す。排気弁１は、たとえば図１と同様にクロスヘッド型の大型２ストロークユニフローディーゼル機関に対して用いられる種類のものである。

排気弁１は弁ディスク３から垂直に突出するスピンドル（またはステム）１０を有し、スピンドル１０は底部または下端部１２と、上端部１１と、中央部分１３とを有する。スピンドル１０は伸長した形であり、長手軸Ａを有する。

図２において、排気弁の開放位置は、シリンダカバー１２４と一体化した弁座４に接触している閉鎖位置の弁ディスク３の位置から距離Ｄだけ下にある、点線で示された弁ディスク３'によって示される。スピンドル１０の中央部分１３は、空気シリンダ１２６内で圧力封止し、かつ長手方向に移動可能であるようにスピンドル上に固定して装着されたバネピストン１２５を支持する。バネピストン１２５の下には、好適な弁１５６を介して加圧空気供給部（図示せず）に接続されたバネ室１２７があり、それによって、たとえば４．５バールの超過圧力など、予め定められた最小圧力の加圧空気がバネ室に満たされ続ける。これによって空気バネ１２３が提供され、空気バネ１２３はスピンドル１０に上向きの付勢を与えて弁ディスク３を弁座４に向けて動かす。たとえば３バールから１０バールなど、他の空気圧も用いられ得る。最小圧力は、空気バネ１２３の所望のバネ特性に従って選択される。いくつかの異なるシリンダのバネ室１２７を相互接続することも可能だが、好ましくは各バネ室１２７が加圧空気供給部における逆止弁によって個々に分断される。バネ室１２７内の加圧空気は、バネピストン１２５および結果としてスピンドル１０に対する持続性の上向きの力を生成する。よって弁ディスク３は弁座４に向けて、すなわち上方向に永続的に駆動される。バネピストン１２５が油圧弁アクチュエータ１０９（下記を参照）によって下向きに移動されて、逆止弁１５６によって流出を防止されたバネ室１２７内の空気を圧縮するとき、上向きの力は増加する。

ハウジング１２８は、空気バネ１２３の周囲および上に空洞１２９を画定する。この空洞は排出管ドレイン（図示せず）に接続されているため、空洞は大気圧を有する。

油圧弁アクチュエータ１０９は、アクチュエータシリンダ１３１と、スピンドル１０のアクチュエータ部分１０'とから構築される。アクチュエータシリンダ１３１はハウジング１２８の頂部によって支持されてもよいし、図示されるとおり、アクチュエータシリンダ１３１およびハウジング１２８が一体片に形成されてもよい。

ここで図３を参照すると、スピンドル１０のアクチュエータ部分１０'はアクチュエータシリンダ１３１内の中央ボア６に受け入れられ、このアクチュエータシリンダは弁アクチュエータ１０９のための静止ハウジングを形成し、中央ボア６はスピンドルボア５の上側部分を形成する。中央ボア６は頂部クロージャ１３２によってアクチュエータシリンダ１３１の頂部で閉鎖されており、かつアクチュエータシリンダ１３１の底部に対して開いていることによって、中央ボア６はスピンドルボア５の残りの部分と連絡する。中央ボア６は、ハウジング１２８およびさらに排気弁１の下側部分の中にスピンドルボア５と同軸に配置される。スピンドルのアクチュエータ部分１０'は、中央ボア６においてプランジャを形成する。

ここで、排気弁１の弁アクチュエータ１０９の頂部の拡大図を示す図４を参照すると、アクチュエータシリンダ１３１の中央ボア６は、異なる直径（または断面積）を有する同軸部分に分割されている。すなわち、最上部分６'は最大直径を有し、中間部分６''は中間の直径を有し、最下部分６'''は最も狭い直径を有する。最上部分６'と中間部分６''との間に第１の上向きのレッジ７が形成されている。中間部分６''と最下部分６'''との間に第２の上向きのレッジ８が形成されている。たとえば図３および図６Ａに示されるとおり、中央ボア６の最下部分６'''は弁アクチュエータ１０９の底端部に延在しており、そこで弁アクチュエータ１０９は空気バネ１２３に接続される。中央ボア６の最下部分６'''は底部クロージャ１３３（図３を参照）によって閉じられる。底部クロージャ１３３は、スピンドル１０のアクチュエータ部分１０'の下側部分の第２の直径低減部分１６''を受け取る開口を有する。図３を参照すると、中央ボア６の最下部分６'''には２つの室が形成される。それらの室は、中央ボア６の最下部分６'''の第１の広がった部分６５'と、中央ボア６の最下部分６'''の第２の広がった部分６５''との形である。第１の広がった部分６５'は第２の広がった部分６５''の上に形成される。第１の広がった部分６５'はポート８３を通じてチャネル８５と連絡し、チャネル８５はアクチュエータシリンダ１３１内に形成されている。第２の広がった部分６５''はポート８０を通じて圧力導管１１０と連絡する。第１の広がった部分６５'および第２の広がった部分６５''の間には中間部分６６が形成され、中間部分６６は中央ボア６の最下部分６'''の一部であって、同じ直径または断面積を有する。中間部分６６は、上側端縁６６'（図６Ａを参照）と、中央ボア６の最下部分６'''の表面に平行な表面を有する壁６６''と、下側端縁６６'''とを有する。

図５から認識され得るとおり、スピンドル１０のアクチュエータ部分１０'は上側部分１４を有する。上側部分１４は直径ｄ１を有する。この直径ｄ１は、中央ボア６の最下部分６'''内で摺動するように適合される。アクチュエータ部分１０'は３つの部分に分割された下側部分をさらに有し、その３つの部分とは第１の直径低減部分１６'と、上側部分１４と同じ直径ｄ１を有する封止部分１６と、封止部分１６の下の第２の直径低減部分１６''とである。第１の直径低減部分１６'と第２の直径低減部分１６''とは同じ直径（または円筒形でない場合は断面積）を有してもよいし、それらが異なる直径を有してもよいが、それらはどちらも上側部分１４および封止部分１６の直径よりも小さい。一番下に位置する第２の部分１６''は、空気バネ１２３内のスピンドル１０の中央部分１３に接続される。

封止部分１６は（底部クロージャ１３３とともに）、（大気圧が優勢である）室または空洞１２９に油圧油が漏れないように中央ボア６を封止する。

スピンドル１０のアクチュエータ部分１０'の上側部分１４の上端部１４'には上側環状表面１５が形成される。上側部分１４の下端部１４''と第１の直径低減部分１６'との間に下向きのレッジ１８が形成される。第１の直径低減部分１６'と部分１６との間に上向きのレッジ１７が形成される。部分１６と第２の直径低減部分１６''との間に下向きのレッジ１７'が形成される。

上側部分１４の下端部１４''の外表面には少なくとも一つのスリット１９が形成される。単数または複数のスリット１９は、スピンドル１０の長手軸Ａに平行な長手方向を有して伸長しており、上側部分１４の下端部１４''内の凹みまたは溝として形成される。各スリット１９は上端部１９'および下端部１９''を有する。各スリット１９は、その下端部１９''と、スリット１９がその中に開いている下向きのレッジ１８とに向かって増加する深さを有する。スリットが単体で提供されてもよいし、上側部分１４の周囲に配置されたスリットの組があってもよい。好ましくは３から２０個のスリット１９が存在する。２つ以上のスリット１９があるとき、それらのスリットはすべて（軸Ａの方向に上端部１９'から下端部１９''まで）同じ長さであってもよい。代替的な実施形態（図示せず）においては、それらのスリット１９が異なる長さを有する。

別の実施形態（図示せず）において、スリット１９は代替的に、中央ボア６の最下部分６'''の一部である中間部分６６の壁に形成されてもよい。単数または複数のスリット１９は、スピンドル１０の長手軸Ａに平行な長手方向を有して伸長しており、中間部分６６内の凹みまたは溝として形成される。各スリット１９は上端部１９'および下端部１９''を有する。各スリット１９は、その上端部１９'と、中間部分６６の上側端縁６６' と、スリット１９がその中に開いている第１の広がった部分６５'とに向かって増加する深さを有する。スリットが単体で提供されてもよいし、中間部分６６の周囲に配置されたスリットの組があってもよい。好ましくは３から２０個のスリット１９が存在する。２つ以上のスリット１９があるとき、それらのスリットはすべて（軸Ａの方向に上端部１９'から下端部１９''まで）同じ長さであってもよい。代替的な実施形態（図示せず）においては、それらのスリット１９が異なる長さを有する。

さらなる実施形態（図示せず）において、上述のとおりのスリット１９は、中間部分６６と、スピンドル１０の上側部分１４の下端部１４''とに形成される。

本出願において、スリット、溝および凹みとは、別の表面に対して凹んで形成された底面を有する構成であることを理解されたい。ここでの他の表面とは、スピンドル１０の円筒形の上側部分１４の外表面である。スリット１９が中央ボア６の最下部分６'''の中間部分６６に形成される場合は、他の表面とはその場所におけるボア６の壁である。

ピストン９０は、（スピンドルボア５の上側部分を形成する）中央ボア６内に摺動可能に配置される。ピストン９０は、円筒形の主部分９１と、主部分９１の上に配置されたカラー９２とを有する。ピストン９０は、スピンドル１０の上側部分１４をその上端部１１において摺動可能に受け入れるために適合された中央ボア９０'を有する。カラー９２は、ピストン９０の主部分９１よりも大きな直径（または断面積）を有する。主部分９１の直径は、中央ボア６の中間（ｍｉｄｄｌｅ）部分６''（代替的に仲介（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ）部分６''と呼ばれる）内に摺動可能に配置されるように微小な隙間を伴って適合される。カラー９２の直径は、中央ボア６の最上部分６'内に摺動可能に配置されるように微小な隙間を伴って適合される。ピストン９０の中央ボア９０'内の主部分９１とカラー９２との間に下向きの内部レッジ９３が形成されている。内部レッジ９３は、スピンドル１０の上側環状表面１５の少なくとも外側部分と係合するために適合される。ピストン９０はさらに、カラー９２上に形成された上向きの上側表面９４を有する。このカラー９２上の上側表面９４は、スピンドル１０の上側環状表面１５と同様にリング形である。しかし、上側表面９４の表面積はスピンドル１０の上側環状表面１５の面積よりもかなり大きい。

ピストン９０の外表面上のカラー９２と主部分９１との間には下向きの外部レッジ９５が形成されている。主部分９１はさらに下側表面９６を有する。この下側表面９６はリング形または環状である。

頂部クロージャ１３２内には制動室８１が形成されており、制動室８１は中央ボア６の最上部分６'内に開いている。制動室８１は、排気弁１の開放相の際の油圧流体のための入口と、排気弁の閉鎖の際の出口とを提供し、かつスピンドルの上向きの動きを制動する（さらに下記を参照）。制動室８１はアクチュエータシリンダ１３１内の中央ボア６内に開いている。

前述のとおり、ピストン９０はスピンドル１０の上端部１１において上側部分１４に対して摺動してもよく、かつ中央ボア６の部分６'、６''および６'''に対して摺動してもよい。

中央ボア６の上側部分６'と、頂部クロージャ１３２の下向きの表面１３２'と、制動室８１と、ピストン９０の上向きの頂部表面と、スピンドル１０の上端部１１との間に、可変体積弁作動室６０が定められる。可変体積弁作動室６０も制動室８１を備える。好ましくは、中央ボア６の上側部分６'および制動室８１は、円錐形の表面３２の最下部分と制動室８１の壁との間の微小な隙間を介して永続的に流体連絡している。代替的または付加的に、スリット３９の組が中央ボア６の上側部分６'および制動室の間の永続的な流体連絡を可能にする。

上述のとおり、油圧流体はポート８０を介して弁アクチュエータ１０９に供給され、かつそこから排出される。ポート８０は圧力導管１１０に接続しており、圧力導管１１０の端部１１０'が図６Ａにみられる。圧力導管１１０を介して、ポート８０は制御弁１１７によって高圧供給源および戻りライン１２２に交互に接続される。

可変体積弁作動室６０は、制動室８１内のポート８２、導管８５（図６Ａを参照）、およびポート８３を介して第１の圧力室６５に接続される。第１の圧力室６５は、以下のものの間に画定される。
・中央ボア６の最下部分６'''、
・スピンドル１０の上側部分１０'の部分１４、
・中央ボア６の第１の広がった部分６５'、
・中央ボア６の第２の広がった部分６５''、ならびに
・スピンドル１０の上側１６'および下側１６''の直径低減部分の間に形成された、スピンドル１０の封止部分１６。

供給ポート８０は第２の広がった部分６５''に接続する。第２の広がった部分６５''は、中央ボア６の部分６''''（図３を参照）を通じて第１の広がった部分に接続する。少なくとも一つのポート８３は、第１の広がった部分６５'をチャネル８５（ポート８３当り一つのチャネル８５）に接続する。各チャネル８５は、チャネル８５と制動室８１との間のポート８２を通じて制動室８１に接続する。

再び図４を参照すると、スピンドルの上端部１１内のボア２０の中にスライダ３０が形成されており、このスライダはバネ４０によって上方向に付勢されており、かつ（軸Ａに平行な）ボア２０の長手方向に摺動可能である。スライダ３０は上向きの表面３１と、排気弁を閉鎖する際にスピンドル１０の上向きの移動を制動するために上述の制動室８１と協働するために適合された円錐形の表面３２（図５を参照）とを有する。スライダ３０はスピンドル長さ調整機構として作用する。他の実施形態においては、代替的にスピンドル１０の上端部１１がスピンドル長さ調整機構なしで形成されることによって、スピンドルが固定長を有してもよい。この場合（図示せず）には上向きの表面３１が環状表面１５と同一平面上にあってもよく、対応する円錐形の表面３２がスピンドル１０の上側部分１４の上端部の上に直接形成されてもよい。

図６Ａ〜６Ｇを参照して、排気弁の開閉サイクルを説明する。この実施形態において、電気油圧制御弁は、２つの独立した電気油圧制御弁１２０および１２１によって形成される。電気油圧制御弁１２０は電子制御ユニットからのコマンドによってポート８０を圧力の供給源か、またはタンクに選択的に接続するように構成され、電気油圧制御弁１２１は電子制御ユニットからのコマンドによってポート１９７をタンクに接続するか、またはポート１９７のタンクへの接続を閉鎖するように選択的に構成される。

燃焼室１０６から燃焼ガスまたは排気ガスを排出するために排気弁１が開放されるとき、燃焼室１０６内の圧力は非常に高い。したがって、排気弁１を開放するために、弁ディスク３と弁スピンドル１０との初期の下向きの移動の際に大きな力が必要とされる。以下に説明されるとおり、ピストン９０は弁アクチュエータ１０９の圧力表面の有効面積を増加させることによってこの初期相を助ける。

排気弁１を開くために、制御弁１１７はポート８０に高圧流体を供給し、その油圧流体は第１の圧力室６５および（チャネル８５を介して）可変体積弁作動室６０を加圧する。その流れは図６Ａ中の矢印によって示される。第１の圧力室６５において、油圧流体は、上側の直径低減部分１６'とスピンドル１０の部分１６との間の上向きのレッジ１７に作用する。第１の圧力室６５およびその機能についてのさらなる詳細が以下に提供される。

チャネル８５によって提供される流体接続を通じた油圧流体の流入によって、制動室８１および中央ボア６の最上部分６'を備える可変体積弁作動室６０内の圧力が増加する。その圧力がスライダ３０の表面３１、スピンドル１０の上側表面１５、およびピストン９０の上側表面９４に作用することによって、スピンドル１０をピストン９０とともに下方向に動かす。

図６Ｂにおける矢印は、第１の圧力室６５に油圧流体が流入して内部の圧力を増加させていることを示す。その圧力がスピンドルの部分１６の上向きのレッジ１７に作用することによって、スピンドルを下方向に押して排気弁１を開く。

油圧流体は可変体積弁作動室６０内の圧力を増加させ、その圧力がピストン９０の上側表面９４、上側環状表面１５、およびスピンドル１０の上側部分１１の上側表面３１（ならびに上向きのレッジ１７）に作用する。下向きの内部レッジ９３は、スピンドル１０の上側環状表面１５の部分に当接する。これによってスピンドル１０およびピストン９０が下方向に押される（図６Ｂを参照）。

下方向にある距離だけ移動した後、ピストン９０の下向きの外部レッジ９５は、中央ボア６の最上および中間部分６'、６''の間の上向きのレッジ７に到達してそれに当接する前に停止する。図６Ｂを参照。

中央ボア６のボア最上部分６''内の伸長した凹みとして形成された伸長軸Ｂに平行な溝９９（図４を参照）は、ピストン９０の上の空間およびピストン９０の下の空間の間を油圧流体が通ることを可能にする。ピストン９０が下向きに押されるとき（下側表面９５の面積は上向きの表面９４の面積よりも小さい）、油圧流体はピストン９０の下から上に通される。単数または複数の溝９９は、中央ボア６の最上および中間部分６'、６''の間に形成されたレッジ７よりもある距離だけ上にて終止する。ピストン９０の下向きの外部レッジ９５が単数または複数の溝９９の底部を通過するとき、油圧流体がピストン９０の下の空間から上の空間に通ることが妨げられる。これによってピストン９０の下の空間の圧力が増加し、それによってピストン９０の下向きの移動が減速して最終的に停止する。そのために小さい油圧燃料圧力室が形成されて、ピストン９０の下向きの移動を制動するために用いられ、この室は油圧バネと似た働きをする。

よって、スピンドル１０がその下向きの移動を継続している間にピストン９０の下向きの移動が停止される。図６Ｃを参照。ピストンのさらなる下向きの移動は妨げられる。図６Ｃにおいて、ピストン９０はまだ上向きのレッジ７によって静止しているが、スピンドル１０はその下向きの移動を継続している。アクチュエータ部分１０'の上側部分１４は、ピストン９０に対して下に移動している。

よって、ピストン９０は、排気弁の開放中に可変体積弁作動室６０内の圧力が作用するためのより大きい面積を提供することによって加速機構として作用し、燃焼室１０６の高圧に対抗して排気弁を開くのを助ける。一旦弁ディスク３が弁座４から離されると、燃焼ガスが排気導管１０７を通って室１０６から出ることによって、燃焼室１０６内の圧力が低減される。したがって、排気弁１が完全に開くように下方向に動かし続けるために必要な力は、開放の初期相よりもかなり小さくなる。よってピストン９０が止まった後は、可変体積弁作動室６０内の圧力は、スピンドル１０の上側部分１１の上側環状表面１５と上側表面３１（ここでは上側表面３１がスライダ３０の上に設けられる）とのみに作用する。

それによって、スピンドル１０の上側部分１４の下向きのレッジ１８が可変体積弁作動室６０への油圧流体の流れを分断するまでスピンドル１０はその下向きの移動を続け、次いでスピンドル１０は減速を始めて停止する。これについて以下にさらに詳細に説明する。

排気弁１の開放相におけるスピンドル１０の下向きの移動の際に、スピンドル１０の上側部分１４の下向きのレッジ１８は、上側および下側の広がった部分６５'および６５''の間に形成された中央ボアの中間部分６６の上側端縁６６'を通過する。この状況は図６Ｃに示される。上側端縁６６'を通過することによって、チャネル８５および結果的に可変体積弁作動室６０への流れの分断が始まる。スピンドル１０の上側部分１４の下端部に形成された単数または複数のスリット１９は、スリット１９の上端部１９'が中央ボアの中間部分６６の上側端縁６６'を通過するまで、可変体積弁作動室６０への流れを可能にする。よってスリット１９の下端部１９''から上端部１９'まで、スリット１９は可変体積弁作動室６０に対する徐々に減少する流れ面積を提供する。図６Ｃにおいて、これは短くされた矢印３０３によって示される。可変体積弁作動室６０への流れが徐々に低減することによって、可変体積弁作動室６０内の圧力が、上方向に作用する空気バネ１２３によって与えられる圧力によって釣り合わされるために、スピンドル１０の下向きの動きの制動がもたらされる。

図６Ｄにおいては、スリット１９の上端部１９'が上側端縁６６'を通過した様子が示される。可変体積弁作動室６０への流れはない。さらに、スピンドル１０がさらに短い距離だけ下向きに移動することによって、スピンドル１０の部分１６の下向きのレッジ１７'が底部クロージャ１３３に当接しそうになっている。スピンドル１０は制動されて停止される。燃焼室１０６が完全に排気されるまで、（図６Ｄの矢印３０４によって示されるとおり）レッジ１７および可変体積弁作動室６０にはなおも圧力が働くことによって、空気バネ１２３によって与えられる圧力と釣り合いを取り、排気弁１の開放を維持する。

スリット１９は、排気弁１の開放の際にスピンドルの下向きの動きを制動するための先行技術の解決策に対して、大きな改善を提供することが示された。円錐形の面ではなくスリット１９を適用することによって、完全に開いた位置にあるときの排気弁１の振動がさらに低減された。

図６Ｅは、圧力が中止され、空気バネ１２３によって与えられる圧力によってスピンドルが上向きの移動を開始する直前の瞬間の状況を示す。レッジ１７上の圧力は低減される。なおも室６５'を塞いでいるスピンドル１０の上側部分１４によって、可変体積弁作動室６０とポート８０との間の流れはなおも阻止されている。

燃焼室１０６が掃気されたとき、排気弁１を閉じるために、図６Ｆに示されるとおり、制御弁１１７（または制御弁１２０および１２１）が電気油圧制御弁１１７の位置を変更してポート８０およびポート１９７がタンクに接続されるようにし、油圧流体がポート１９７および８０を通って逆流することを可能にすることによって、油圧流体供給の圧力が中止される。空気バネ１２３はスピンドル１０を上向きにさせることによって、２次圧力室６５および可変体積弁作動室６０内の油圧流体を押し出す。戻る流れはスリット１９による流れ制限を通過する必要がないため、制御弁１１７（または制御弁１２０および１２１）が位置を変えた瞬間からタンクへの逆流が受ける抵抗は比較的小さい（特にスリットによる制限が最も強い排気弁の戻り行程の最初部分において、流れのわずかな部分はなおもスリットを通るが、タンクへの逆流の大部分はポート１９７および導管１９５を介して進む）。

図６Ｇにおいて、レッジ１８は室６５'を通過しており、図面（図６Ｇ）における長い方の矢印によって示されるとおり、両方のポート８０および１９７を介した可変体積弁作動室６０からの流れに対する完全なアクセスを提供する。

図６Ｆに示される状況においては、スピンドル１０自体のみが上向きに移動しており、ピストン９０はなおも上向きのレッジ７の上で静止している。よって、上側表面３１および環状表面１５のみが可変体積弁作動室６０から油圧流体を押し出す。

スピンドル１０が上向きに移動するとき、図６Ｇに示されるとおり、スピンドル１０の上側環状表面１５は最終的にピストン９０の下向きの内部レッジ９３に当接し、スピンドル１０とともにピストン９０がその下側の静止位置（ピストン９０の外部レッジ９５が上向きのレッジ７の上で静止しているところ）から上方向に動かす。

ピストンの上側表面９４は組み合わされた表面１５および３１よりも大きいため、可変体積弁作動室６０内の油圧流体にはかなり大きくなった表面積が作用することになる。これによってスピンドル１０の上向きの移動の制動がもたらされる。

スピンドル１０の上向きの移動は制動し、スピンドル１０の上側部分１１の頂部の円錐形の表面３２が制動室８１に入るときに最終的に停止して、中央ボア６の上側部分６'と制動室８１との間の流体接続を徐々に閉鎖する。円錐形の表面３２が制動室に突入するとき、ポート８０を通じて制動室から油圧液を強制的に出すことによって残りの運動エネルギのほとんどが吸収され、スピンドル１０の上側部分１１の上側表面３１は頂部クロージャ１３２の下向きの表面１３２'に穏やかに当接する。図６Ｇは、スピンドル１０がその頂部位置に到達し、排気弁１が閉じられて新たな開閉サイクルの準備ができている状況を示す。

排気導管１０７内に置かれた、弁スピンドル１０の部分の上の羽根２１４の組は、排気ガスが排気導管１０７を流れるとき、すなわち排気弁１が開いているときにスピンドル１０を強制的に回転させる。それによって、排気弁が開くたびにスピンドル１０が少なくともわずかに回転する。こうして確実な形で、弁ディスク３、弁座４ならびにスピンドル１０およびスピンドルボア５の当接レッジがより均一に摩耗する。

図７は、排気弁１の開閉運動を示すグラフである。排気弁の動きが鉛直軸に表され、時間が水平軸に表されている。

破線は本発明を使用していない排気弁１の動きを表し、すなわちこれは、排気弁の閉鎖運動の最初の部分において、作動室６０から排出される油圧流体が、スリット１９による制限を通らなければならないときの曲線である。これによって、排気弁の開放運動の開始における遅延が生じる。ｔ＝Ｔ_Ｏにおいて、電子制御された油圧弁１１７は、電子制御ユニット１１５からのコマンドの下、作動室を高圧流体の供給源に接続するように位置を変えることによって、弁開放相を開始する。ｔ＝Ｔ_Ｃにおいて、電子制御された油圧制御弁１１７は、電子制御ユニット１１５からのコマンドにより、作動室６０をタンクに接続するように位置を変えることによって、弁閉鎖相を開始する。閉鎖時期の最初部分における流れに対する制限によって、開放運動が減速されるとともに、閉鎖運動の再現性が悪影響を受ける。これは電子制御された油圧制御弁１１７が閉鎖相を開始する時期を制御することによって排気弁の実際の閉鎖時期を正確に定めることができないことを意味する。しかしながら、その後の圧縮圧力を精密に制御するために、排気弁の精密な閉鎖時期制御は非常に重要である。

実線は、本発明を使用している、すなわち排気弁の閉鎖行程の最初部分において作動室をタンクに接続する油圧通路における制限を迂回させる配置を有する排気弁１の動きを表す。ここにみられるとおり、ｔ＝Ｔ_Ｃの直後の排気弁の開放運動には実質的に遅延がない。排気弁の閉鎖運動はより再現性が高いことも分かり、よって排気弁の閉鎖運動が始まる時期を制御することによって、排気弁の正確な閉鎖時期が的確に制御され得る。

図１から図６を参照して説明された実施形態と本質的に同じである本発明の別の例示的実施形態（図示せず）において、開放行程の最終部分および戻り行程の最初部分の間に動作する流れ制限は、排気弁１のステム内のスリットによって形成されていない。代わりに、その制限はプランジャ内の狭いボアによって形成される。プランジャは弁スピンドルの端部に配置される。プランジャには作動室に向かって開いた凹みが設けられる。電子制御された油圧制御弁は、プランジャ内に形成されてプランジャの半径方向の外表面を凹みに接続する半径方向のボア２８５と協働するチャネルを介して、作動室をタンクまたは高圧油圧流体の供給源に選択的に接続する。電子制御された油圧制御弁は、電子制御ユニットに接続される。作動室にはポートが接続しており、それは排気弁の開放行程の際にもプランジャによって遮断されない。このポートは、導管を介して電子制御されたバイパス弁に接続される。電子制御されたバイパス弁２２１が開放位置にあるとき、それは導管をタンクに接続する。電子制御ユニットからのコマンドの下で、排気弁の戻り行程の最初部分の際に、電子制御されたバイパス弁は作動室をタンクに接続する。よって排気弁の戻り行程の最初部分は、ボアによる流れ制限によって妨げられないため、戻り行程の最初部分が再現可能かつ迅速となる。

上述の空気バネ１２３は、ある実施形態においては、第１のピストンを収縮位置に向けて促す戻り行程圧力室およびピストン表面積によって置換されてもよい。この実施形態（図示せず）は、ピストンを収縮位置に促すために圧力戻り行程室に加圧油圧流体を供給し得る、少し変更された制御弁を必要とする。第１のピストンの位置に対する戻り行程圧力室内の圧力を制御するために、前述のものと同じ原理が用いられてもよい。

例示目的で本出願の教示を詳細に説明してきたが、こうした詳細は単に例示目的のためであって、本出願の教示の範囲から逸脱することなく当業者によって変更が行われてもよいことを理解されたい。

特許請求の範囲において用いられる「含む」や「備える」という用語は、他の構成要素またはステップを排除するものではない。請求項において用いられる単数形の用語は、その複数形を排除するものではない。単一のプロセッサまたは他のユニットが、特許請求の範囲に述べられるいくつかの手段の機能を果たしてもよい。

Claims

クロスヘッドおよび複数のシリンダ（１００）を有する大型低速２ストロークユニフローディーゼル機関用排気弁装置であって、前記排気弁装置は、
・前記排気弁のディスク（３）が前記機関のシリンダ（１００）のシリンダカバー（１２４）内の弁座（４）上にある閉鎖位置と、前記シリンダ（１００）の燃焼室（１０１）の掃気のために前記排気弁（１）のディスク（３）が前記弁座（４）上にない開放位置との間で開放可能である排気弁（１）であって、それによって前記排気弁（１）は開放行程および戻り行程において移動する、前記排気弁（１）と、
・前記排気弁（１）に作動的に接続されたガスバネ（１２３）であって、前記ガスバネ（１２３）によって前記排気弁（１）は前記閉鎖位置に向けて弾力的に付勢される、ガスバネ（１２３）と、
・前記排気弁（１）のスピンドル（１０）に作動的に接続された油圧アクチュエータ（１０９）であって、前記油圧アクチュエータ（１０９）はボア（６）内に受け入れられたプランジャ（１０'）を備え、かつ前記ボア（６）と前記プランジャ（１０'）との間に作動室（６０）を画定し、前記作動室（６０）は、前記作動室（６０）が加圧されるときに前記開放行程を行い、かつ前記作動室（６０）がタンクに接続されるときに前記排気弁（１）に前記戻り行程を行わせるためのものである、油圧アクチュエータ（１０９）と、
・高圧油圧流体の供給源と、
・油圧流体を戻すタンクと、
・電子制御ユニット（１１５）に作動的に接続された、電子制御された油圧制御弁（１１７、１２０）と、
を備え、
・前記作動室（６０）は前記電子制御された油圧制御弁（１１７）を介して前記高圧油圧流体の供給源または前記タンクに選択的に接続可能である、前記排気弁装置であって、
・前記作動室（６０）を前記電子制御された油圧制御弁（１１７）に接続する油圧通路（８０、８５）であって、
・前記排気弁（１）の前記開放行程の最終部分および前記戻り行程の最初部分の間に動作する流れ制限（１９）を備える、前記油圧通路（８０、８５）と、
・少なくとも前記戻り行程の最初部分の間に前記油圧通路（８０、８５）内の前記流れ制限（１９）を迂回させるバイパス装置（１１７、１２１）と、
を備えることを特徴とする、排気弁装置。
前記バイパス装置は、電子制御された弁（１１７、１２１）を備えるバイパス通路（１９５）を備える、請求項１に記載の排気弁装置。
前記制限は、前記プランジャ内の狭いボアによって形成される、請求項１に記載の排気弁装置。
前記可変の制限は、前記ボア（６）内に設けられたレッジ（６６''）と協働する、前記プランジャ（１０'）内の一つ以上の軸方向に向けられたスリット（１９）を備える、請求項１または２に記載の排気弁（１）装置。
前記油圧通路（８０、８５）は、前記作動室の頂部または端部におけるポート（８１）を介して前記作動室（６０）に接続するか、または前記作動室（６０）の側壁内のポート（２９７）に接続する、請求項１または３に記載の排気弁装置。
前記電子制御された油圧弁（１１７、１２０）および前記油圧制御されたバイパス弁（１２１）に接続された電子制御ユニット（１１５）をさらに備え、前記電子制御ユニット（１１５）は、前記制限が動作する前記戻り行程の前記部分の間に前記油圧制御されたバイパス弁（１２１）を開くために構成される、請求項２に記載の排気弁装置。
前記電子制御されたバイパス弁（１２１）は、前記電子制御された油圧弁（１１７）の一体化した部分である、請求項２に記載の排気弁装置。
前記電子制御された油圧制御弁（１１７）は、前記電子制御されたバイパス弁の機能に割り当てられた一つのポートおよび一つの制御端縁を有する比例型スプール弁である、請求項１に記載の排気弁装置。
前記制限は、前記プランジャ（１０'）の半径方向の外表面を前記プランジャ（１０'）内の軸方向の凹みに接続する半径方向の通路によって形成され、前記軸方向の凹みは前記作動室（６０）に対して開いている、請求項１に記載の排気弁装置。