JP4195060B2 - 内燃機関の作動パラメータを決定する方法 - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は、内燃機関の作動パラメータを決定する方法であって、最大及び最小のエンジン回転数線並びに該最大エンジン回転数線と最小エンジン回転数線との間に延びている最大及び最小エンジンブレーキ出力線によって境界が決められるエンジン設計レイアウトを提供するエンジンブレーキ出力対エンジン回転数レイアウト線図を使用することによって内燃機関の作動パラメータを決定する方法に関する。

船舶用ディーゼルエンジンの設計においては、上記したような船の性能及び作動プロフィルのための理想的な状態を提供するエンジン設計点の選択のための十分な自由度が存在するレイアウト領域を提供する標準的なエンジンレイアウト線図を使用することは良く知られている。

このようなレイアウト設計の典型的な従来技術による例が図１に示されている。この線図は、対数目盛のエンジンブレーキ出力Ｐ_Ｂ対エンジン回転数ｎを示しており、前記ブレーキ出力は、一般的にエンジン回転数の対数関数Ｐ_Ｂ＝ｃｘｎ^ｉによって表される。

一般的に適用されるレイアウト線図は、２つの一定の平均有効圧力（ＭＥＰ）値に対応する最大出力線Ｌ_１−Ｌ_３及び最小出力線Ｌ_２−Ｌ_４と、最大回転数線Ｌ_１−Ｌ_２と最小回転数線Ｌ_３−Ｌ_４とによって境界が決められている平行四辺形の形状を有している。点Ｌ_１はエンジンの公称最大連続定格を示しており、この平行四辺形によって提供されるレイアウト領域内には、線図内に点Ｍとして示されている所謂推進のための特定のＭＣＲ点を選択する十分な自由度が存在する。通常は、ＭＣＲ点は線図の内側になければならない。なぜならば、線図の内側に無い場合には、プロペラ回転数を変更するか又は異なる主機関を選択しなければならないからである。しかしながら、特別な場合には、点Ｍは最大回転数線Ｌ_１−Ｌ_２の右側に位置させても良い。

もう一つ別の重要なエンジン設計点は、エンジンのターボ過給機が適合され且つエンジンタイミングと圧縮比率とが調整される定格を表す所謂最適化点Ｏである。最適化点Ｏは、エンジンのプロペラ曲線１上に配置されており、典型的には、この点での最適化された出力は、ターボ過給機及びエンジンタイミングが考慮される場合には、点Ｍにおいて出力の８５乃至１００％であろう。特定されたＭＣＲ点Ｍは、特別な場合には線Ｌ_１−Ｌ_２を超えて線図の外側に配置されても良いけれども、最適化点Ｏは常に線図の内側に配置されなければならない。

部分負荷状態では最適化することができない幾つかのタイプの機関においては、最適化点ＯはＭＣＲ点Ｍと一致するであろう。
船の仕様に合致する最適化点Ｏと特定のＭＣＲ点Ｍとを有する装備機関の連続的で且つ過負荷運転のための出力及び回転数の限度は、図２に示された負荷線図によって規定することができる。この線図においては、最大の１００％回転数であり且つ出力基準点である点Ａは、ＭＣＲ点Ｍの特定出力を有する最適化点Ｏを通るプロペラ線１上の点として規定されている。通常は点Ａは点Ｍと一致するが、既に説明したように、特別な場合の点Ｍは例えば主機関軸発電機の取り付けによって連続運転のための最大出力を表す出力線７に沿って点Ａの右側に配置しても良い。

図示された負荷線図のレイアウトにおいては、連続的な機関運転範囲は連続運転に対して許容可能な最大回転数を表す線３によって制限される。ねじり振動状態が許容する場合には、この限度はレイアウト線図内で線Ｌ_１−Ｌ_２によって表される公称最大エンジン回転数の１０５％又は１０７％までも広げても良い。連続運転範囲の更に別の限度は、最大出力線７、燃焼のための十分な空気の供給が利用できる限度を表している線４及び連続運転に対して許容される最大平均有効圧力を表している線５によって提供される。

トータル１２時間の運転当たり限られた期間例えば１時間の過負荷運転に対して利用可能とされる付加的な範囲は、線４、５及び７と点線６との間の領域によって提供される。
このように、レイアウト及び負荷線図に基づいて、主機関の作動パラメータは、負荷線図線４、５、７及び６によって限定されている領域内で時間の制限がなく連続的な作動を可能にするように決定され、線１と４との間の領域は、浅瀬、荒れた天候において及び加速中、すなわち如何なる実際の時間制限が無い非定常運転に対して利用することができる。

しばらく運転した後に、船舶の船こく及びプロペラは汚れ、プロペラの運転が比較的重くなる。すなわち、プロペラ曲線６は線６から線２へ向かって左に動き、船舶の速度を維持するために余分な出力が推進に必要とされる。

穏やかな天候状態においては、プロペラの重い運転程度は、船こくを浸漬する必要があること及び恐らくはプロペラを磨くことが必要であることを指示するであろう。
図１におけるレイアウト線図は、固定ピッチのプロペラを作動させ且つ主機関によって駆動される軸発電機を備えていないエンジンのための一般的な平行四辺形レイアウトの使用方法の典型的な例である。最適化点Ｏの選択は著しい影響を有し、図１に示されている汚れた船こくのためのエンジン曲線２上で通常選択されるであろう。次いで、点Ａは、プロペラ曲線１、２と点Ｍを通る一定の出力線７との間の交点に見出すことが出来る。図示されている特別な場合には、点Ａは点Ｍと一致するであろう。

ひとたび点Ａがレイアウト線図間において見つけられると、ディーゼルエンジンの実際の負荷限界線を示すために、図３に示されているような対応する負荷線図を引くことができる。

図１乃至３に示されているレイアウト線図及び負荷線図の一般的な使用方法についての更なる詳細を知るためには、１９９２年５月にＭＡＮ Ｂ＆Ｗ Ｄｉｅｓｅｌによって発行された文献“Ｂａｓｉｃ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｓｈｉｐ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ”を参照することができる。

船舶用ディーゼルエンジンのエンジン運転パラメータを決定するためのエンジンレイアウト線図と負荷線図との一般的な使用方法とこのようなエンジンの設計とを比較すると、本発明の目的は、運転パラメータの決定のための新規で且つ改良された方法を提供すること及び特別な燃料オイルの消費に著しく影響を及ぼすことなく且つピストン、ピストンロッド、クロスヘッド、コネクタロッド及びクランクシャフトのような活発な動荷重がかかるエンジン構成部品の設計に影響を及ぼすことなく且つこのような部品からのエンジンの重量への寄与を増すことなく特にレイアウト領域の高回転数領域内でのエンジンの最適化のために高い動力の出力を可能にするエンジンの設計を提供することである。

以下の記載から明らかになるように、この目的及びその他の目的を達成するために、本発明による方法は、最大及び最小エンジン回転数線（Ｌ _１ −Ｌ _２ ，Ｌ _３ −Ｌ _４ ）と該最大エンジン回転数線（Ｌ _１ −Ｌ _２ ）と最小エンジン回転数線（Ｌ _３ −Ｌ _４ ）との間に延びている最大及び最小エンジンブレーキ出力線（Ｌ _１ −Ｌ _３ ，Ｌ _２ −Ｌ _４ ）とによって境界が
定められたエンジン設計レイアウト領域を提供するエンジンブレーキ出力対エンジン回転数のレイアウト線図を使用することによって、前記最大エンジン回転数線（Ｌ _１ −Ｌ _２ ）と最小エンジン回転数線（Ｌ _３ −Ｌ _４ ）との間でのエンジン回転数の変化のために、動荷重を受けるエンジン部品（１１〜１３）に作用する最大派生力（Ｆｒ）を一定のレベルに維持しつつ、前記エンジンブレーキ出力対エンジン回転数のレイアウト線図に従ってエンジンブレーキ出力を決定し、それによって、平均有効燃焼圧力（ＭＥＰ）を増大させ且つ最大燃焼圧力（Ｐ _ｍａｘ ）を増大させるように改良した最大エンジンブレーキ出力線（Ｌ _１ −Ｌ _３ ）を提供するようにしている。

本発明は、エンジン回転数を増すことによって、上記したレイアウト線図及び負荷線図の一般的な使用と比較してエンジン回転数が増すにつれて平均有効燃焼圧力及び最大燃焼圧力を増すために利用されていない能力を利用することができるという認識に基づいている。なぜならば、燃焼チャンバ内の圧力の増加の結果としてピストンに作用する高いガス圧力は、エンジン回転数を上げる際に動荷重がかかるエンジン部品の往復運動する質量からの慣性力の増加によって打ち消され、このようにして、動荷重がかかるエンジン構成部品に作用する最大の派生力を一定のレベルに維持しつつ圧力の増加を可能にするからである。

実施形態の詳細な説明

極めて概略的な添付図面を参照して本発明を更に説明する。
本発明によるエンジンは、船の推進のための船舶用機関として使用される２−ストローククロスヘッドエンジンであるのが好ましい。このエンジンは、プロペラ軸装置を介してプロペラに結合されており、プロペラ軸装置は少なくともプロペラ軸と恐らくは１以上の中間軸とおそらくは伝達装置とを含むことができる。エンジンは、典型的には、２５ｃｍ乃至１３０ｃｍの範囲内のシリンダ穴と、５０ｒｐｍ乃至３００ｒｐｍの範囲内の最大エンジン回転数とを有することができる。このタイプのエンジンによって生じる出力は、４つのシリンダを有する小径エンジンの場合の１５００ｋＷから１２個以上のシリンダを有する大径エンジンの場合の１２０，０００ｋＷ以上までの範囲に亘ることができる。このエンジンは、例えば、１４バール（１．４ＭＰａ）乃至２０バール（２．０ＭＰａ）、典型的には１４．５バール（１．４５ＭＰａ）乃至１９バール（１．９ＭＰａ）の範囲内の平均有効燃焼圧力を有することができ且つ例えば１２０バール（１２ＭＰａ）乃至１９０バール（１９ＭＰａ）の範囲内の最大燃焼圧力を有することができる。

多シリンダ船舶ディーゼルエンジンの各シリンダにおいては、図４のシリンダ断面図によって示されているように、燃焼チャンバ８に供給される燃料−空気混合物の点火は、典型的には、ピストン９が通常ＴＤＣと称される上死点を通過する若干前又は直後になされる下向きの矢印によって示されているような燃焼ガス圧力Ｆｇをピストンに生じさせるようにタイミングが取られる。ピストン９の直線的な運動は、ピストンロッド１０、クロスヘッド１１及び連結棒１２を介してクランクシャフト１３に伝達され、それによって、船のプロペラに結合されている主駆動シャフトを回転させるために矢印ｎによって示される方向の回転にされる。

エンジンの運転中に、往復運動し回転するエンジン部品は、上向きの矢印によって示されているように、ピストンが通常ＢＤＣと称される下死点を通過した後に往復及び回転するエンジン部品９〜１３の戻りストロークのための慣性力Ｆｉを発生する。慣性力Ｆｉは、ｒｐｍで測定される高い回転エンジン回転数に従って増加する。

これによって、エンジンの作動中に、クロスヘッド１１、連結棒１２及びベアリング１４を備えたクランクシャフト１３を含んでいる各シリンダの動荷重がかけられる各シリンダの部品は、燃焼ガスの力Ｆｇ及び慣性力Ｆｉのベクトル和である派生力Ｆｒに曝されるであろう。

図５及び６は、全シリンダサイクルにおける力Ｆｇ、Ｆｉ及びＦｒの振動のグラフ表示である。Ｆｇ、Ｆｉ及びＦｒは、ＴＤＣ位置に対応する０°からＢＤＣ位置を通って３６０°でＴＤＣ位置に戻るクランク角度の位置Ｖの変化によって測定され、図１及び３のレイアウト線図及び負荷線図における各々Ｌ_３での最小回転数及びＬ_１での最大回転数に対応するエンジン回転数に対するものである。

図示されているように、燃焼ガス圧力Ｆｇは、燃焼ストローク中に、燃焼点での最大値から燃焼チャンバ８の最大体積に対応するピストン９のＢＤＣ位置での最小値まで低下し、一方、慣性力Ｆｉの変化はガス圧力Ｆｇのものと逆であり、それによって、慣性力Ｆｉの最小と最大が燃焼ガス圧力Ｆｇの最大値と最小値とにほぼ対応するクランクシャフト角度位置で生じるであろう。更に図示されているように、慣性力Ｆｉは、ＴＤＣ位置の一方の側でのクランクシャフト角度の２７０°の位置と９０°の位置との間のシリンダサイクルの一部分の間で燃焼ガス圧力Ｆｇと反対方向に作用し、一方、ＢＤＣ位置の側での９０°と２７０°との間のサイクルの残りの部分では、慣性力Ｆｉはガス圧力Ｆｇと同じ方向に作用するであろう。

図５の表示によって示されているように、動荷重がかけられるエンジン部品に作用する派生力Ｆｒは、燃焼ガス圧力の変化に似た変化を示すであろうが、慣性力Ｆｉの作用により最大値が比較的低く最小値が比較的高い。

図５に示されているように、最小回転数と最大出力運転に対する慣性力のためのＦｉ曲線の最大値は、動荷重を受けるエンジン部品が曝される最大力Ｆｍａｘを表し、この力は、この理由により、クロスヘッド、連結棒及びベアリングを備えたクランクシャフトのようなこれらのエンジン部品の設計及び寸法において使用される決定的に重要パラメータである。

図６における表示と図５における表示との比較から明らかであるように、慣性力Ｆｉは、上記したように回転数の増加と共に増大するであろう。その結果、レイアウト線図の点Ｌ_１における最大回転数と最大出力運転に対して図６に示されたＦｇ曲線は、最小回転数及び最大出力運転に対する図５に示されたＦｇ曲線と同一であり、図６におけるＦｒ曲線上の最大値は、臨界的な設計パラメータとして使用される最大の力Ｆｍａｘより低く、二重矢印１５によって示されているように利用されていない出力能力を残している。

図５及び６によって示されているように、最小回転数運転と最大回転数運転との間の力の関係を認識することによって、本発明による方法は、点Ｌ_１における最大出力が増大せしめられた図７に示されている変形させた改良されたレイアウト線図を使用することによるこの利用されていない力を利用するようにしている。

図７の改良されたレイアウト線図による最大回転数及び最大出力運転を示している図８のグラフ表示に示されているように、点Ｌ_１における最大出力の増大は、最大回転数及び最大出力運転のためのＦｒ曲線上の最大値を、レイアウト線図の点Ｌ_３の最小回転数及び最大出力運転に適合するＦｍａｘ値のレベル又はこのレベルより低いがこれに出来るだけ近いレベルまで持ち上げるように選択されるのが好ましく且つ最も重要である。

結果として、レイアウト線図の一般的な形状は、図１に示され且つ図７において点線で示されている平行四辺形形状から台形形状に変わるであろう。
図９及び１０におけるグラフ教示においては、平均有効圧力ＭＥＰ、最大圧力Ｐ_ｍａｘ、動荷重を受けるエンジン部品の最大派生力Ｆｒ_ｍａｘ及び特別な燃料オイル消費ＳＦＯＣに関するレイアウト線図の改良の効果は、各々、ｂ）、ｃ）、ｄ）及びｅ）に図示されている。図９における表示は、図１における一般的な平行四辺形のレイアウト線図の使用に適合し、これによって、ＭＥＰとＰ_ｍａｘとは、最小回転数点Ｌ_３と最大回転数Ｌ_１との間で一定に維持され、一方、Ｆｒ_ｍａｘは同じく図５の表示によって示されているように減少し、ＳＦＯＣは一定に維持される。

図１０によって示されているように、本発明による方法によって提供されるレイアウト線図の変形例は、ＭＥＰ及びＰ_ｍａｘを点Ｌ_３から点Ｌ_１まで増大させ、一方、ＦｒｍａｘばかりでなくＳＦＯＣは一定のままである。点Ｌ_３での最小エンジン回転数から点Ｌ_１での最大エンジン回転数までの増加は、実際のエンジンのタイプ例えばシリンダの数、固定ピッチのためのエンジンの設定又は制御可能なピッチ動作、主駆動軸によるＳ軸発電機の作動等に依存するであろう。この変形例においては、最小エンジン回転数線（Ｌ _３ −Ｌ _４ ）は最大エンジン回転数線（Ｌ _１ −Ｌ _２ ）の８０乃至９０％の範囲内され、点Ｌ _１ における平均有効燃焼圧力ＭＥＰは、点Ｌ _３ における平均有効燃焼圧力ＭＥＰの１０３ないし１０７％であり、最大燃焼圧力Ｐ _ｍａｘ の増加は、点Ｌ _１ における最大燃焼圧力Ｐ _ｍａｘ が点Ｌ _３ における平均有効燃焼圧力ＭＥＰの１０７ないし１０９％である。

図１１には、レイアウト線図の更に別の変形例が示されており、変形された最大出力線（Ｌ_１−Ｌ_３）は段階状の変化を示しており、平均有効燃焼圧力（ＭＥＰ）及び最大燃焼圧力（Ｐ_ｍａｘ）を各段階でほぼ一定のレベルに保ちつつ、最小エンジン回転数と最大エンジン回転数との間の多数の段階での平均有効燃焼圧力（ＭＥＰ）の増加及び最大燃焼圧力（Ｐ_ｍａｘ）の増大を可能にしている。

この変形例によって、変形されたレイアウト線図のより用途が広く且つ融通の利く使用方法を実際的な用途に適用することができる。
本発明の方法は、図５に示された表示によって得られるＦ_ｍａｘの値を含む一般的な設計パラメータ及び判定基準の使用によって、動荷重を受けるエンジン部品の設計及び寸法の決定を可能にするけれども、燃焼チャンバ内の高い圧力荷重を考慮に入れるようにシリンダの設計を改良すること例えばシリンダ頂部のキャップ部材と結合部材（通常は主機関ブロックと結合するためのステーボルト）とによる適当な補強によって、最大回転数での運転におけるＭＥＰ及びＰ_ｍａｘの増加を補償する必要があるかも知れない。

概して、本発明の方法の価値のある効果は、クロスヘッド、連結棒及びクランクシャフトのような動荷重を受けるエンジン部品のための一般的な臨界的設計及び寸法決定基準を維持しつつ、高い平均有効圧力ＭＥＰ及び最大圧力Ｐ_ｍａｘを可能にするように決定し且つ選択することができ、それによって、特別な燃料オイルの消費に著しく影響を及ぼすことなく連続的な高回転数運転のための高い動力出力を得るようにできることである。

本発明によって提供される付加的な出力能力は、当該技術において知られている手段によって各シリンダサイクル中に吸引弁及び排出弁のための着火点及び作動点のような燃焼プロセスの運転パラメータを適切に制御することによって付与することができる。

図１は、上記した船舶用ディーゼルエンジンのパラメータの決定及び設計のための一般的なレイアウト線図及び負荷線図の例を示している線図である。 図２は、上記した船舶用ディーゼルエンジンのパラメータの決定及び設計のための一般的なレイアウト線図及び負荷線図の例を示している線図である。 図３は、上記した船舶用ディーゼルエンジンのパラメータの決定及び設計のための一般的なレイアウト線図及び負荷線図の例を示している線図である。 図４は、動荷重がかけられたエンジン構成部品に作用する船舶用ディーゼルエンジンの例のシリンダの断面図である。 図５は、図１に示したレイアウト線図の低回転数領域及び高回転数領域における図４に示したエンジンのシリンダの燃焼サイクル中におけるガス圧力、慣性力及び運転されているエンジンの構成部品に作用する派生力の変化をクランク角度の関数として表したグラフである。 図６は、図１に示したレイアウト線図の低回転数領域及び高回転数領域における図４に示したエンジンのシリンダの燃焼サイクル中におけるガス圧力、慣性力及び運転されているエンジンの構成部品に作用する派生力の変化をクランク角度の関数として表したグラフである。 図７は、本発明による方法において使用される改造されたレイアウト線図の一つの例を示している線図である。 図８は、図７に示されたレイアウト線図の比較的高回転数側の端部におけるガス圧力、慣性力及び派生力の変化の図６のグラフに対応するグラフである。 図９は、図１におけるレイアウト線図を使用することにより得られる平均有効燃焼力、最大燃焼圧力、派生力及び燃料オイル消費率のグラフである。 図１０は、図７におけるレイアウト線図を使用することにより得られる平均有効燃焼力、最大燃焼圧力、派生力及び燃料オイル消費率のグラフである。 図１１は、本発明の方法において使用するためのレイアウト線図の更に別の変形例を示している線図である。

Claims (4)

1. 最大及び最小エンジン回転数線（Ｌ_１−Ｌ_２，Ｌ_３−Ｌ_４）と該最大エンジン回転数線（Ｌ_１−Ｌ_２）と最小エンジン回転数線（Ｌ_３−Ｌ_４）との間に延びている最大及び最小エンジンブレーキ出力線（Ｌ_１−Ｌ_３，Ｌ_２−Ｌ_４）とによって境界が定められたエンジン設計レイアウト領域を提供するエンジンブレーキ出力対エンジン回転数のレイアウト線図を使用することによって内燃機関の運転パラメータを決定するための方法であって、
   前記最大エンジン回転数線（Ｌ_１−Ｌ_２）と最小エンジン回転数線（Ｌ_３−Ｌ_４）との間でのエンジン回転数の変化のために、動荷重を受けるエンジン部品（１１〜１３）に作用する最大派生力（Ｆｒ）を一定のレベルに維持しつつ、前記エンジンブレーキ出力対エンジン回転数のレイアウト線図に従ってエンジンブレーキ出力を決定し、それによって、平均有効燃焼圧力（ＭＥＰ）を増大させ且つ最大燃焼圧力（Ｐ_ｍａｘ）を増大させるように改良した最大エンジンブレーキ出力線（Ｌ _１ −Ｌ _３ ）を提供するようにしたことを特徴とする内燃機関の運転パラメータを決定するための方法。
2. 請求項１に記載の内燃機関の運転パラメータを決定するための方法であって、
   最小エンジン回転数線（Ｌ _３ −Ｌ _４ ）を最大エンジン回転数線（Ｌ _１ −Ｌ _２ ）の８０乃至９０％の範囲内とし、点Ｌ_１における平均有効燃焼圧力ＭＥＰが、点Ｌ_３における平均有効燃焼圧力ＭＥＰの１０３ないし１０７％であるようになされていることを特徴とする内燃機関の運転パラメータを決定するための方法。
3. 請求項１に記載の内燃機関の運転パラメータを決定するための方法であって、
   最小エンジン回転数線（Ｌ _３ −Ｌ _４ ）を最大エンジン回転数線（Ｌ _１ −Ｌ _２ ）の８０ないし９０％の範囲内とし、最大燃焼圧力Ｐ_ｍａｘの増加が、点Ｌ_１における最大燃焼圧力Ｐ_ｍａｘが点Ｌ_３における平均有効燃焼圧力ＭＥＰの１０７ないし１０９％であるようになされていることを特徴とする内燃機関の運転パラメータを決定するための方法。
4. 請求項１ないし３のうちのいずれか一の項に記載の内燃機関の運転パラメータを決定するための方法であって、
   前記改良された最大出力線（Ｌ_１−Ｌ_３）が段階状の変化を示して、各段階において平均有効燃焼圧力ＭＥＰ及び最大燃焼圧力Ｐ_ｍａｘをほぼ一定のレベルに維持しつつ、平均有効燃焼圧力ＭＥＰと最大燃焼圧力Ｐ _ｍａｘ とを最小エンジン回転数と最大エンジン回転数との間で複数の段階で増加させるようにしたことを特徴とする、内燃機関の運転パラメータを決定するための方法。

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