JP4592770B2 - カムシャフトを備える大型２サイクルディーゼルエンジンの可変バルブタイミング - Google Patents

Description

本出願は、カムシャフトで動作する排気弁を有する大型２サイクルディーゼルエンジンに関し、具体的には、可変タイミングによりカムシャフトで動作する排気弁を有する大型２サイクルディーゼルエンジンに関する。

高燃料使用効率および低排出という側面は、大型２サイクルディーゼルエンジンの設計において非常に重要である。電子制御式可変バルブタイミングを備える排気弁作動システムを適用することで、これらのエンジンの燃料使用効率を向上させる試みがこれまでに為されてきた。一般的に、これらの既知の可変タイミングバルブ作動システムは、それぞれの油圧排気弁アクチュエータへの油圧の流れを制御するポンプステーションおよび油圧弁システムなどの高圧油圧作動油源で動作する。高圧油圧作動油は、燃焼室の圧力に反発して排気弁を開放する排気弁アクチュエータと、油圧が除去される際に排気を再び閉鎖する空気バネの圧力に動力を供給する。

既知の電子制御式可変バルブタイミングシステムによって確かに燃焼効率は改善されるものの、排気弁の開放に使用される油圧エネルギーが、排気弁の再閉鎖時に消散されるため、全体的な燃料使用効率を大幅に改善することはできない。カムシャフトで動作する排気弁システムを有する従来の大型２サイクルディーゼルエンジンにおいては、排気弁の開放に必要なエネルギーの大部分は、排気弁の閉鎖時にカムシャフトに返される。したがって、最適燃焼効率をわずかに下回るにも関わらず、これらの従来の２サイクルディーゼルエンジンは、電子制御式可変バルブタイミングエンジンの全体燃料使用効率とほぼ同様の全体燃料使用効率を有する。

このような背景の下、本出願は、それ自体ほとんどエネルギーを消費しない電子制御式可変タイミング排気弁作動システムの燃焼効率を提供する排気弁作動システムを提供することを目的とする。

本目的は、各々少なくとも１つの排気弁を備える複数のシリンダと、前記複数のシリンダの各々の前記少なくとも１つの排気弁を作動するための複数のカムを有する少なくとも１つのカムシャフトと、前記カムシャフト上の各カムによってそれぞれ駆動される複数の油圧ピストンポンプと、 前記排気弁の各々に備えられる、該排気弁を開放方向に移動するための油圧アクチュエータと、前記排気弁の各々に備えられる、前記油圧ピストンポンプを前記油圧アクチュエータと接続するための油圧管と、前記排気弁の各々に備えられる、該排気弁を閉鎖位置に付勢するための弾性部材とを備える、クロスヘッド型大型２サイクルディーゼルエンジンであって、前記油圧管は、油圧作動油を前記油圧管から選択的に吸い込み、または油圧作動油を前記油圧管に選択的に戻す、油圧作動油の油量調節部を含む油量制御装置に接続される、クロスヘッド型大型２サイクルディーゼルエンジンを提供することによって達成される。

油量制御装置を前記油圧管に接続することによって、前記カムシャフトのカムに画定されるプロファイルに対して、前記排気弁の開放の遅延および前記排気の閉鎖の早期化が可能になる。したがって、従来のカムシャフト作動システムの有益なエネルギー回収効果が保持されるため、それ自体がほとんどエネルギーを使用しない可変バルブタイミングシステムが提供される。

好ましくは、油圧作動油の吸収および戻しは、エンジンの電子制御装置からのコマンドに基づいて実行される。

前記油量制御装置は、前記油圧管に接続される油量制御チャンバを画定する制御ピストンを備えてもよい。

前記制御ピストンは、弾性的に付勢されることができる。

前記制御ピストンは、前記油量制御チャンバに対向する第１の制御チャンバを画定してもよい。

前記制御ピストンは、前記油量制御チャンバに対向する第２の制御チャンバを画定してもよい。

前記第１の制御チャンバは、油圧弁を介して前記第２の制御チャンバに接続可能である。

前記第２の制御チャンバは、第１の油圧アキュムレータに接続されてもよい。

前記第１の油圧制御チャンバは、油圧弁を介して第２の油圧アキュムレータに接続されてもよい。

前記油圧管の圧力が、前記排気弁の開放に必要な圧力よりも低い値である既定値を上回る場合、ならびに制御装置全体が、前記排気弁の開放を遅延させる状態にある場合、前記油量制御装置は、油圧作動油の既定油量を前記油圧管から吸い込むように構成可能である。

前記油圧管の圧力が、前記開放位置に前記排気弁を維持する必要な圧力に等しくなり、前記排気弁の閉鎖を進行させる場合、前記油量制御装置は、油圧作動油の既定油量を前記油圧管から吸い込むように構成可能である。

本発明に係る大型２サイクルディーゼルエンジンのさらなる目的、特徴、利点、および特性は、詳細な説明によって明白になる。

好適な実施形態の詳細な説明

本説明の以下の詳細部分において、図示される例示的実施形態を参照して本発明についてさらに詳しく説明する。

図１は、本発明の好適な実施形態に係るエンジンのシリンダ１のうちの１つの、エンジンの前面から見た断面図である。エンジンは、ターボチャージ付きユニフロー低速２サイクルクロスヘッド型ディーゼルエンジンであり、船の推進機関または発電所の原動力であってもよい。これらのエンジンには、通常、３本から１４本のシリンダが一列に存在する。

ピストン２はシリンダ１に収容され、その２つで燃焼室３を画定する。ピストンロッド４は、ピストン２をクロスヘッド（図示せず）に連結する。シリンダ１は、ユニフロー型であり、掃気孔５がその下端に設けられ、排気弁６がその上端に設けられる。シリンダ１は、ターボチャージャー（図示せず）に加圧された掃気が供給される掃気受け（図示せず）から空気を受ける。

カムシャフト７は、エンジンの長さに沿って延在する。カムシャフト７は、排気カム、インジケータカム、推力ディスク、および収縮鎖車をシャフトに備える１つの部品である。排気カムは鉄製であり、硬化ローラー溝を有する。

排気弁６は、シリンダカバー内のシリンダ上部の中央に取付けられる。膨張ストロークの終わりに、エンジンピストン２が掃気孔５を通過する前に、排気弁６が開放することによって、ピストン２上の燃焼室３の燃焼ガスが排気路開口部を通って排気受け８に流出し、燃焼室の圧力が解放される。排気弁６は、ピストン２が上方に移動する間に再び閉鎖する。排気弁６は、空気バネ９によって上方に駆動される。

排気弁６は、エンジンの長さに沿って延在するカムシャフトのハウジング内に配置されるカムシャフト７によって開放される。

各排気弁６の油圧排気弁アクチュエータ１０は、圧力パイプ１１を介してピストンポンプ１２に接続される。本実施形態において、１つのピストンポンプ１２および１つの排気弁６がシリンダ毎に存在するが、複数のピストンポンプまたは複数の排気弁がシリンダ毎に存在してもよい（図示せず）。

ピストンポンプ１２は、ローラーガイドハウジング上に取付けられる。ローラーは、カムシャフト７上のそれぞれのカムに従動する。したがって、ピストンポンプ１２は、カムシャフト７によって作動される。

ピストンポンプ１２、圧力パイプ１１、および油圧アクチュエータ１０は、油圧プッシュロッドを一体に形成し、排気弁６をカムシャフト上のカムに従動させるようにする。

分岐管１３は、圧力パイプ１１を油量適応装置１４に接続する。油量適応装置１４は、圧力パイプ１１からの油圧作動油の吸収及び／又は圧力パイプ１１への油圧作動油の追加／戻しが可能である。油量適応装置は、エンジンの電子制御装置に接続される。

図２〜４は、油量制御装置１４についてさらに詳細に示す。

図２の油量制御装置１４は第１の動作状態にあり、ここで装置は、圧力パイプ１１から油圧作動油を吸い込んでおらず、また、圧力パイプ１１へ油圧作動油を追加もしない。

油量制御装置１４は段階的制御ピストン１５を備え、この段階的制御ピストン１５は、制御装置１４の段付きボア内に収容される。ピストン１５の最大直径部１７は、分岐管１３を介して圧力パイプ１１に接続される油量制御チャンバ１６を画定する。制御ピストン１５の中間直径部１８は、１９において第１の制御チャンバを画定し、最小直径部２０は、第２の制御チャンバ２１を画定する。

第１の制御チャンバ１９は、流量制限部２３を介してシステム圧力（高圧油圧作動油源）に接続される。

第２の制御チャンバ２１は、第１の油圧アキュムレータ２２に接続され、また、流量制限部２４を介してシステム圧力（高圧油圧作動油源）に接続される。

管２５は、エンジン制御装置により作動可能であるソレノイドを有する油圧式４／３方弁２６に第１の制御チャンバ１９を接続する。別の管２７は、第２の制御チャンバ２１を４／３方弁２６に接続する。管２８は、４／３方弁２６を第２の油圧アキュムレータ２９に接続する。本実施形態において、４／３方弁２６は比例弁であるが、実施形態において、バルブ２６はオン／オフ型であってもよい。

４／３方弁２６が図２の位置にある場合、ピストンは中間位置に固定される。ある実施形態において、制御容積１９と制御容積２１の合計は、油量制御チャンバ１６の容積と実質的に等しい。管２５、２７を介した第１の制御ボリューム１９と第２の制御ボリューム２１からの流れは、４／３方弁２６に遮断されることによって、ピストン１５は移動できない（流量制限部２３を通る流れは、非常に少なく、かつ作動油の漏れを補うためだけのものであるため、第１の制御チャンバ１９内の作動油は閉じ込められることから、流量制限部２３を通る流れは無視できる）。

したがって、４／３方弁２６がこの位置にあり、カムシャフトがピストンポンプ１２を作動する場合、従動する圧力パイプ１１の圧力が大幅に増加しても、制御ピストン１５は移動しない。

エンジン制御装置が４／３方弁２６に図３の位置に移動するように命令すると、管２５は管２７と接続され、第１の制御チャンバ１９の油圧作動油は、第２の制御チャンバ２１側に流れること、およびその逆方向に流れることが可能になる。第２の制御チャンバ２１の油圧作動油は、油の圧力が十分高ければ、第１の油圧アキュムレータ２２に流入することができる。

圧力パイプ１１の圧力が、既定圧力、例えば１００バールを越えると、油量制御チャンバ１６の圧力は制御ピストン１５を付勢して移動させ、第１および第２の制御チャンバ１９、２１の油圧作動油を第１の油圧アキュムレータ２２へ押出する。制御ピストン１５が移動して、かつ油量制御チャンバ１６が油圧作動油を吸収するときの圧力パイプ１１の圧力は、排気弁６が開放する圧力よりも低くなるように選択される。したがって、排気弁６の開放は、制御ピストン１５がその端位置に到達して、作動油が油量制御チャンバ１６にこれ以上流入しない位置に移動するまで遅延される。この時点で、圧力パイプ１１の圧力は、再び増大し始め、排気弁が開放し始める圧力に到達する。

排気弁を開放位置に維持する圧力パイプ１１の圧力は、上述の既定圧力（例えば、１００バール）よりも低く、制御ピストン１５は、排気弁６の開放ストロークの終わりに中間位置に戻る。したがって、油量制御チャンバ１６の油圧作動油は圧力パイプ１１に戻り、排気弁６が確実に完全開放されるようにする。

図４の位置に移動するように、エンジン制御装置が４／３方弁２６にコマンド出すと、管２５は管２８と接続され、第１の制御チャンバ１９の油圧作動油は、第２の油圧アキュムレータ２９に流入可能になる。第２の制御チャンバ２１の油圧作動油は、第１の油圧アキュムレータ２２に流入可能になり、またその逆方向の流入も可能である。

４／３方弁２６がこの位置にある場合、排気弁６を開放位置に維持する圧力パイプ１１の圧力は、ピストン１５を右側に移動させて、かつ第１の制御チャンバ１９の油圧作動油を第２の油圧アキュムレータ２９へと付勢し、第２の制御チャンバ２１の油圧作動油を第１の油圧アキュムレータ２２へと付勢するほど十分高い。これらの特徴は、制御ピストン１５のそれぞれの部分１７、１８、２０の有効表面の大きさ、ならびに第１の油圧アキュムレータ２２および第２の油圧アキュムレータ２９の特徴を選択することによって得られる。

図５に示されるように、油量適応装置１４の特徴によって、排気弁開放の遅延ならびに排気弁閉鎖の早期化が電子制御装置の制御下で可能になる。図５のグラフにおいて、線３０は圧力パイプ１１の圧力を表し、線３１は排気弁の実位置を示す。圧力パイプ１１の圧力が破線３２（上述の既定圧力を表す）を越えると、制御ピストン１５は右側に移動し、圧力パイプ１１の圧力が破線３２を下回ると、４／３方弁が図３に示す位置にある場合に制御ピストン１５は左側に移動する。

図５のグラフの下部において、排気弁６の標準的な開放プロファイルが実線で示され、考えられる開放遅延および閉鎖早期化が破線で示される。

本発明の教示には多くの利点がある。種々の実施形態または実現により、以下の利点のうちの１つ以上がもたらされてもよい。これは全てを網羅するリストではなく、本明細書に記載されていないその他の利点が存在してもよいことに留意されたい。本出願の教示の一利点は、それ自体ほとんどエネルギーを消費しない可変バルブタイミングシステムを備える大型２サイクルディーゼルエンジンを提供することにある。本出願の教示の別の利点は、従来のカムシャフト動作に基づく可変バルブタイミングシステムを提供することにある。

本出願の教示が説明のために詳細に記載されたが、この詳細が単にその目的のためだけでなく、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その教示を変形できることを理解されたい。

請求項で使用される際の用語、「備える」は、その他の要素または工程を除外しない。請求項で使用される際の単数形の用語は、複数形を除外しない。単一の処理装置またはその他のユニットは、請求項に挙げられるいくつかの手段の機能を遂行してもよい。

本発明の実施形態に係るエンジンのシリンダの断面図である。 第１の状態における、本発明の実施形態に係る油量制御装置を示す図である。 第２の状態における、図２の油量制御装置を示す図である。 第３の状態における、図３の油量制御装置を示す図である。 本発明の実施形態に係るエンジンおよび油量制御装置の動作を示すグラフである。

Claims (3)

1. 各々少なくとも１つの排気弁を備える複数のシリンダと、
   前記複数のシリンダの各々の前記少なくとも１つの排気弁を作動するための複数のカムを有する少なくとも１つのカムシャフトと、
   前記カムシャフト上の各カムによってそれぞれ駆動される複数の油圧ピストンポンプと、
   前記排気弁の各々に備えられる、該排気弁を開放方向に移動するための油圧アクチュエータと、
   前記排気弁の各々に備えられる、前記油圧ピストンポンプを前記油圧アクチュエータと接続するための油圧管と、
   前記排気弁の各々に備えられる、該排気弁を閉鎖位置に付勢するための弾性部材と、
   を備える、クロスヘッド型大型２サイクルディーゼルエンジンであって、
   前記油圧管は、油圧作動油を前記油圧管から選択的に吸い込み、または油圧作動油を前記油圧管に選択的に戻す、油圧作動油の油量調節部を有する油量制御装置に接続され、
   前記油量制御装置は、前記油圧管に接続される油量制御チャンバを画定する制御ピストンを備え、
   前記制御ピストンは弾性的に付勢され、
   前記制御ピストンは、前記油量制御チャンバに対向する第１の制御チャンバと、前記油量制御チャンバに対向する第２の制御チャンバとを画定し、
   前記第２の制御チャンバは、第１の油圧アキュムレータに接続され、
   前記第１の制御チャンバは、油圧弁が第１状態にあるとき、該油圧弁を介して前記第２の制御チャンバに接続され、
   前記第１の制御チャンバは、前記油圧弁が第２状態にあるとき、該油圧弁を介して第２の油圧アキュムレータに接続される、
   クロスヘッド型大型２サイクルディーゼルエンジン。
2. 前記油圧弁が前記第１状態にあり、前記油圧管の圧力が、前記排気弁の開放に必要な圧力よりも低い値である既定値を上回る場合、ならびに制御装置全体が、前記排気弁の開放を遅延させる状態にある場合、前記油量制御装置は、油圧作動油の既定油量を前記油圧管から吸い込むように構成される、請求項１に記載のクロスヘッド型大型２サイクルディーゼルエンジン。
3. 前記油圧弁が前記第２状態にあり、前記油圧管の圧力が、前記開放位置に前記排気弁を維持する必要な圧力に等しくなり、前記排気弁の閉鎖を進行させる場合、前記油量制御装置は、油圧作動油の既定油量を前記油圧管から吸い込むように構成される、請求項１または２に記載のクロスヘッド型大型２サイクルディーゼルエンジン。

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