JP3795425B2 - 内燃機関を制動及び逆転させるためのプロセス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直接連結された推進器と、往復ピストンと少なくとも１つの第１気体用バルブと少なくとも１つの第２気体用バルブとを有する少なくとも１つのシリンダと、を備えた回転内燃機関を制動するための制動プロセスに関するものである。
【０００２】
より詳しく言えば、本発明は、上記制動プロセスを採用したディーゼルエンジンを逆転させるための逆転プロセスに関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
多くの目的のために、回転内燃機関を迅速にかつ効率的に制動し逆転させる必要がある。
【０００４】
内燃機関が特に船舶の主エンジンとして使用された場合、船舶の慣性のために、内燃機関への燃料供給を停止した後も長い時間回転し続ける傾向がある。しかしながら、衝突の危険を回避するためには、船舶をより迅速に停止させ逆行させることが必要になる場合がある。
【０００５】
少なくとも大型船舶の場合にはほぼ全ての場合にディーゼルエンジンである例えば船舶用エンジンを制動するために、空気圧手段を用いることが公知である。
【０００６】
船舶の主エンジンである回転ディーゼルエンジンを空気圧方式で制動し逆転させる方法は、米国特許第4,038,825号明細書から公知である。この場合、制動プロセスの間、始動用バルブは常に開口状態に保持される。この際、回転エンジンは、始動空気ダクトを通じて空気を往復移動させるポンプ作用を奏する。この際奏されるポンプ作用が制動効果を生み出す。
【０００７】
例えばディーゼルエンジンを制動するための装置及び方法は、米国特許第5,787,858号明細書から公知である。圧縮行程の間、エンジンの排気バルブは部分開口状態とされる。従って、バルブを通過する空気は絞られる。
【０００８】
絞り作用に起因する損失が制動効果を生み出す。この特許文献はまた、圧縮・膨張両行程において排気バルブを部分開口状態とすることにより２ストローク制動サイクルにおいて４ストロークエンジンを制動することが可能であることにも言及している。
【０００９】
２ストロークディーゼルエンジンの制動及び逆転を開始するための方法及び装置は、欧州特許第1 048 844公開公報から公知である。圧縮圧力は、上死点において排気バルブを通じて排出される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
内燃機関を制動または逆転させる上記公知の装置及び方法に共通することは、得られる制動効果が全ての場合に十分とは言えないことである。
【００１１】
本発明の目的は、簡単な形態で機能しかつ前述した公知技術の場合より強力な制動力によって回転内燃機関を制動することのできる冒頭に述べた類いの制動プロセスを提供することである。
【００１２】
本発明の第２の目的は、上記制動プロセスを採用することによって、ディーゼルエンジンを迅速かつ効果的に逆転させるための逆転プロセスを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた新規かつ独自な本発明の特徴は、エンジンへの燃料供給を遮断すること、そして、制動プロセスの間、少なくとも１つの第１バルブを閉鎖状態に保ち、少なくとも１回の２行程制動サイクルにおいてピストンが下死点近傍の第１位置から上死点近傍の第２位置へと移動する間、少なくとも１つの第２バルブを閉鎖状態に保ちかつ後続する第２位置から第１位置への移動の少なくとも第１部分では開放状態に保つことにある。
【００１４】
例えば船舶用の大型エンジンは、通常、複数のシリンダを備えている。制動プロセスは、これら複数のシリンダに対して２行程、すなわち、エンジンが空気を圧縮するために必要なエネルギを供給し、これによってエンジン自体に制動作用が働く圧縮行程と、後続の膨張行程で作用する。
【００１５】
制動プロセスとして可能な変更形態は、各シリンダにおいて圧縮圧力が解放されたら直ちに第２バルブを閉鎖し、第２位置から第１位置へとさらにピストンが移動する膨張行程の間に負圧を発生させることによって構成される。
【００１６】
エンジンの各シリンダは交互位相状態で作動する。従って、エンジンにおける１または複数のシリンダから圧縮行程の後に排出された空気は、エンジンの空気通路を経由して排気段階にあるシリンダへと自動的に流入する。つまり、制動プロセスに利用される空気は、エンジンの空気通路内部を循環するだけである。従って、制動用空気がエンジンの他の構成要素、例えばディーゼルエンジンのターボチャージャーに負荷を与えることはなく、これは好ましいことである。
【００１７】
制動用空気がエンジンの空気通路内を流動する際、空気の温度は上昇する傾向にある。過度の温度上昇を防止するために、時々、例えば制動サイクル１０回毎に、エンジンのシリンダに本来のバルブサイクルを行わせることによって、加熱された制動用空気を新鮮な低温の空気に交換することができる。
【００１８】
一般的な内燃機関はディーゼルエンジンである。ディーゼルエンジンは、ディーゼルエンジンのシリンダの各々に接続された始動用空気源から始動空気配管を通じて供給される始動用空気によって始動される。始動空気配管には始動用主バルブが設けられ、各シリンダにはさらに始動用バルブが設けられている。
【００１９】
２ストロークディーゼルエンジンにおける各シリンダには、さらに排気バルブが設けられている。２ストロークディーゼルエンジンの制動は、始動用主バルブを閉鎖状態に保ち、排気バルブを第１バルブとし、始動用バルブを第２バルブとすることで、あるいは、その逆にすることにより行うことができる。その際、制動用空気は始動空気配管内を循環する。
【００２０】
４ストロークディーゼルエンジンの各シリンダには、始動用バルブに加えてさらに吸気バルブと排気バルブとが設けられている。このような構成の４ストロークディーゼルエンジンでは、各シリンダのバルブのうちの２つを少なくとも１つの第１バルブとして機能させ第３のバルブを第２バルブとして機能させるという形態で、３種類の制動プロセスが可能である。３種類のいずれの場合でも、制動プロセスの間、始動用主バルブは閉鎖状態に保たれる。
【００２１】
ディーゼルエンジンが船舶用の主エンジンとして用いられる場合、上記のようにしてエンジンを制動するだけでなく、エンジンを逆転・再始動させて船舶のスクリューを逆回転させ、能動的に船舶を制動することが要求される場合がある。
【００２２】
従来、このような逆転操作は、エンジン回転数が所定値に低下するまで船舶を惰性航行させ、次いで、始動用空気を逆方向に供給し、始動用バルブを開口させ回転方向が逆になるまで開口状態を保ち、回転速度を燃料噴射が可能なレベルまで高め、始動用バルブを閉鎖することにより行われる。
【００２３】
本発明の制動プロセスによってエンジンを制動した場合、極めて迅速かつ効率的にエンジンを逆転させることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、非限定的な実施形態を示す添付図面を参照しながら、本発明を詳細に説明する。
【００２５】
図１は、２ストロークディーゼルエンジンの概略図である。この図では、３つのシリンダ１ａ，１ｂ，１ｃのみ示している。これらのシリンダは、本発明による制動プロセスにおける３つの異なる段階にある。
【００２６】
各シリンダ内にはピストン２ａ，２ｂ，２ｃが配置され、各ピストンは、ピストンロッド３ａ，３ｂ，３ｃと、クロスヘッド４ａ，４ｂ，４ｃと、コネクティングロッド５ａ，５ｂ，５ｃとを介してクランク６に作動連結されている。
【００２７】
各シリンダには、掃気空気ダクト８と連通する掃気ポート７ａ，７ｂ，７ｃが設けられている。
【００２８】
ディーゼルエンジンは、始動空気配管１０及びコネクティングダクト１１ａ，１１ｂ，１１ｃを経由してシリンダ１ａ，１ｂ，１ｃに接続された始動用空気源９から供給される始動用空気によって始動される。
【００２９】
始動空気配管には始動用主バルブ１２が設けられ、シリンダ１ａ，１ｂ，１ｃの各々には、始動用空気を遮断・導入するための始動用バルブ１３ａ，１３ｂ，１３ｃが設けられている。
【００３０】
各シリンダ１ａ，１ｂ，１ｃは、さらに、排気ダクト１５ａ，１５ｂ，１５ｃに組合された排気バルブ１４ａ，１４ｂ，１４ｃを備えている。
【００３１】
図１は、図示のエンジンのための制動プロセスの一例を示している。
【００３２】
始動用主バルブ１２は閉鎖されている。シリンダ１ａにおいてピストンは、クランク６の上方変位に伴って矢印で示す方向に移動している。始動用バルブ１３ａ及び排気バルブ１４ａの双方が閉鎖されているので、シリンダ内に捕捉されている空気は圧縮される。
【００３３】
シリンダ１ｂは、ピストン２ｂが上死点からまさに矢印方向に下降し始めた第２段階にある。始動用バルブ１３ｂは既に開口され、一方、排気バルブ１４ｂは閉鎖状態に保たれている。上死点近傍で始動用バルブ１３ｂが開口されると、シリンダ１ｂ内の圧縮された圧力は解放され、空気は、コネクティングダクト１１ｂ及び始動空気配管１０を経由して、排気段階にあり始動用バルブ及び排気ポートが開口されている他のシリンダへと流動する。
【００３４】
シリンダ３ｃは、まさに排気段階にある。ピストン２ｃは掃気ポート７ｃの直ぐ下にあり、再び上昇しようとしている。ピストンが掃気ポートを通過すると直ちに始動用バルブは閉鎖され、シリンダ１ａのように圧縮行程が開始する。
【００３５】
この図から分かるように、制動用空気は始動空気配管を通じて個々のシリンダ間を往復移動し、いかなる時点でも、例えばエンジンのターボチャージャー（図示せず）等、エンジンの他の構成要素に負荷を与えることはない。
【００３６】
変更形態として、制動プロセスの間、始動用バルブを常時閉鎖した受動バルブとし、排気バルブを開閉する能動バルブとすることによっても制動プロセスを実現できることに留意されたい。
【００３７】
圧縮行程及び膨張行程からなる制動サイクルにおけるシリンダ内の圧力を図３にグラフで示す。
【００３８】
上死点ＴＤの左側に位置する曲線Ｋ１は、上死点に向かうピストンの移動に伴って増大して行く圧力を示している。この時点で能動バルブが開口されない場合、圧力は、曲線Ｋ１とは逆に、すなわち、上死点の右側に示す対称曲線Ｋ２に従って減少する。従って、曲線Ｋ１，Ｋ２は、エンジンの摩擦損失、及び圧縮・膨張に先立ってシリンダ内で生じる熱損失に起因する平均圧力のわずかな損失以外には制動作用が存在しない中立２ストロークサイクルを示している。
【００３９】
上死点近傍で能動バルブが開口された場合、シリンダ内の圧力は、瞬時にではなく、バルブ面積及び背圧に応じて、例えば、上死点の直ぐ右側に示す曲線Ｋ３に従って減少する。この場合、２ストロークサイクルは、もはや中立状態ではない。こうして、曲線Ｋ２とＫ３との間のハッチング領域に対応する積極的な制動作用が得られる。
【００４０】
図２は、例えばディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンである４ストロークエンジンを示す概略図である。この図では、３つのシリンダ１６ａ，１６ｂ，１６ｃのみ示している。これらのシリンダは、本発明による制動プロセスにおける３つの異なる段階にある。
【００４１】
各シリンダ内にはピストン１７ａ，１７ｂ，１７ｃが配置され、ピストンは、ピストンロッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃを介してクランク１９に作動連結されている。
【００４２】
各シリンダは、吸気バルブ２０ａ，２０ｂ，２０ｃと排気バルブ２１ａ，２１ｂ，２１ｃとを備えている。図にはさらに、コネクティングダクト２３ａ，２３ｂ，２３ｃに組合された吸気ダクト２２、及び排気ダクト２４ａ，２４ｂ，２４ｃを示している。
【００４３】
図２に示す４ストロークエンジンの場合も、制動サイクルは２行程で行われる。
【００４４】
シリンダ１６ａでは、ピストン１７ａが上死点に向けて矢印で示す上方向に移動する際に空気が圧縮される。その際、吸気バルブ２０ａ及び排気バルブ２１ａの双方は閉鎖されている。
【００４５】
シリンダ１６ｂでは、圧縮行程がまさに終了したところである。排気バルブ２１ｂはなおも閉鎖されているが、吸気バルブ２０ｂは既に開口され、圧縮圧力は吸気ダクト２２へと解放され、空気は、吸気ダクト２２を経由して下死点付近の状態にあるシリンダへと流動する。矢印で示すように、ピストン１７ｂは、下死点に向けて下降して行く膨張行程にある。
【００４６】
シリンダ１６ｃでは、ピストン１７ｃが、丁度、膨張行程を完了し、矢印で示すように圧縮行程を開始しようとしている。排気バルブ２１ｃは閉鎖され、一方吸気バルブ２１ｃは、圧縮行程の開始時点で閉鎖されようとしている。
【００４７】
吸気バルブ２０ａを制動プロセスの際に開閉する能動バルブとし、排気バルブ２１ａを常時閉鎖の受動バルブとする替わりに、それらを逆にしてもよい。
【００４８】
図２に示すエンジンにおける本発明による制動プロセスは、図１を参照しながら説明した制動プロセスと同様に２行程制動サイクルとして機能するので、制動プロセスの詳細については説明を省略する。
【００４９】
エンジン駆動される船舶が他の物体と衝突することを回避する緊急状況では、船舶の制動は、迅速かつ効果的に行われなければならない。エンジンへの燃料供給を遮断するだけでは、船舶は減速するものの、特に大型船舶の場合には、停止するまでに、さらに数キロメートル航行してしまう。このような方法は、切迫した衝突を回避するためには十分でない場合がある。
【００５０】
従って、船舶のスクリューを積極的な制動に利用する必要がある。エンジンがスクリューに直接連結された２ストロークエンジンである場合、エンジンを制動し、逆転させ、逆回転方向に再始動させなければならない。
【００５１】
このプロセスは、図４に示す座標系における曲線に従って行われる。図４において、横軸は時間を示し、縦軸はスクリューの回転数を示している。回転数は横軸においてゼロである。横軸の上方でスクリューは正回転し、下方では逆回転している。始動用空気及び燃料は、ハッチングで示す時間領域において供給される。
【００５２】
時刻Ａにおいて、エンジンへの燃料供給が遮断される。時刻Ｂにおいて、制動プロセスが開始される。制動プロセスは、エンジンが適切な回転数に制動される時刻Ｃまで継続される。この時点で始動用空気が供給される。始動用空気は、始め、さらにエンジンを制動し、次いで、回転数がゼロになる時刻Ｄにおいて、エンジンの回転方向を逆転させる。始動用空気は、スクリューが逆方向に回転している時刻Ｅにおいて、燃料噴射によってエンジンが始動しスクリューを駆動するのに十分なトルクを発生する回転数にまで回転数を高め、始動用バルブは閉鎖される。スクリューは逆方向に回転しながら回転速度を増し、船舶を能動的に制動する。
【００５３】
回転速度Ｃ，Ｅは、始動用空気が上記プロセスを実行できるよう、相応に選択されることに留意されたい。
【００５４】
図４から分かるように、回転速度ＢからＣへとエンジンを制動するためには比較的長い時間がかかる。この時間は、本発明の制動プロセスによってエンジンを制動することによって大幅に削減することができる。従って、船舶の制動距離を大幅に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 複数のシリンダを備えた２ストロークディーゼルエンジンの３つのシリンダを概略的に示す図である。
【図２】 複数のシリンダを備えた４ストロークディーゼルエンジンの３つのシリンダを概略的に示す図である。
【図３】 内燃機関が有するシリンダ内の制動サイクルにおける圧力を示すグラフである。
【図４】 逆転・再始動の各段階におけるエンジン回転数を示すグラフである。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ シリンダ
２ａ，２ｂ，２ｃ，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ ピストン
７ａ，７ｂ，７ｃ 掃気ポート
９ 始動用空気源（圧縮空気源）
１０ 始動空気配管
１２ 始動用主バルブ
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 始動用バルブ（第１ガスバルブまたは第２ガスバルブ）
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ 排気バルブ（第１ガスバルブまたは第２ガスバルブ）
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 吸気バルブ（第１ガスバルブまたは第２ガスバルブ）
ＢＤ 下死点
ＴＤ 上死点

Claims (10)

1. 直接的に連結された推進器を有し、往復ピストン（２；１７）と少なくとも１つの第１・第２ガスバルブ（１３；１４；２０；２１）とを含む複数のシリンダ（１；１６）を備えた回転内燃機関、すなわち、複数のシリンダ（１；１６）に設けられた排気バルブ（１４）及び始動用バルブ（１３）と、前記始動用バルブ（１３）に接続された始動空気配管（１０）と、エンジンを始動させるための始動用空気を供給する圧縮空気源（９）と、前記始動空気配管（１０）における前記圧縮空気源（９）と前記始動用バルブ（１３）との間に設けられた始動用主バルブ（１２）と、を備えたディーゼルエンジンを制動するための制動プロセスにおいて、
   ‐前記エンジンへの燃料供給を遮断する段階と、
   ‐制動プロセスの間、前記少なくとも１つの第１バルブ（１３；１４；２０；２１）を閉鎖状態に保つ段階と、
   ‐少なくとも１回の２行程制動サイクルにおいて前記ピストン（２；１７）が下死点近傍の第１位置から上死点近傍の第２位置へと移動する間、前記少なくとも１つの第２バルブ（１３；１４；２０；２１）を閉鎖状態に保ち、続いて、前記ピストン（２；１７）が前記第２位置から前記第１位置へと移動する間であって少なくとも前記第２位置から前記第１位置へのこの移動の開始領域では、前記少なくとも１つの第２バルブ（１３；１４；２０；２１）を開放状態に保つ段階と；を含むことを特徴とする制動プロセス。
2. ２ストロークディーゼルエンジンを制動するために適用される請求項１に記載の制動プロセスであって、前記少なくとも１つの第１ガスバルブは排気バルブ（１４）であり、前記少なくとも１つの第２ガスバルブは始動用バルブ（１３）であり、前記始動用主バルブ（１２）を制動プロセスの間、閉鎖することを特徴とする制動プロセス。
3. ２ストロークディーゼルエンジンを制動するために適用される請求項１に記載の制動プロセスであって、前記少なくとも１つの第１ガスバルブは始動用バルブ（１３）であり、前記少なくとも１つの第２ガスバルブは排気バルブ（１４）であり、前記始動用主バルブ（１２）を制動プロセスの間、選択的に閉鎖可能とすることを特徴とする制動プロセス。
4. 前記少なくとも１回の制動サイクルにおける前記第１ピストン位置は、前記ピストンが、前記少なくとも１つのシリンダ（１）の壁部に設けられた掃気ポート（７）を上方に向けて通過する位置、または、前記ピストンが上方に向けて前記掃気ポート（７）を通過した直後の位置であることを特徴とする請求項２または３に記載の制動プロセス。
5. 前記少なくとも１つの第１ガスバルブは吸気バルブ（２０）であり、前記少なくとも１つの第２ガスバルブは排気バルブ（２１）であり、前記始動用主バルブ（１２）を制動プロセスの間、閉鎖することを特徴とする請求項１に記載の制動プロセス。
6. 前記少なくとも１つの第１ガスバルブは排気バルブ（２１）であり、前記少なくとも１つの第２ガスバルブは吸気バルブ（２０）であり、前記始動用主バルブ（１２）を制動プロセスの間、閉鎖することを特徴とする請求項１に記載の制動プロセス。
7. ４ストロークディーゼルエンジンを制動するために適用される請求項１に記載の制動プロセスであって、前記少なくとも１つの第１ガスバルブは始動用バルブ（１３）であり、前記少なくとも１つの第２ガスバルブは吸気バルブ及び排気バルブ（２０，２１）であり、前記始動用主バルブ（１２）を制動プロセスの間、閉鎖することを特徴とする制動プロセス。
8. 前記エンジンは、所定数の制動サイクルの後に少なくとも１回の吸気行程及びそれに続く排気行程を実行するように構成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の制動プロセス。
9. 前記内燃機関は、船舶のスクリューを駆動するためのディーゼルエンジンであることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の制動プロセス。
10. ディーゼルエンジンを逆転させるプロセスであって、
    前記エンジンの回転速度を所定値まで制動する段階と；始動用主バルブ（１２）を開口させ、回転方向が逆になり前記エンジンの回転数が燃料噴射によって始動できる回転数に上昇するまで開口状態を維持する段階と；始動用バルブ（１３）を逆回転における上死点直後から下死点直前まで開口させる段階と；前記始動用バルブ（１３）を、前記エンジンが逆転を始めてから所定の時間が経過した時刻に対応するＥ点で閉鎖する段階と；Ｅ点で燃料を噴射する段階と；を含む逆転プロセスにおいて、
    前記エンジンは、請求項２から９のいずれか１項に記載の制動プロセスによって制動されることを特徴とする逆転プロセス。

Images