JP5755960B2

JP5755960B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP5755960B2
Application number: JP2011154272A
Authority: JP
Inventors: 元幸高橋
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Co Ltd
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: JP2013019364A

Description

本発明は、内燃機関に関する。

内燃機関、例えば、２サイクルのユニフロー型ディーゼル機関では、排気弁箱に１つの排気弁（以下、主弁という）が組み込まれ、この主弁を開閉させて、排気レシーバ（排気集合部）に燃焼ガスを排気すると共に、掃気も行っている。この掃気は、シリンダライナ内壁に設けられた掃気孔より掃気が導入されることにより行われる。また、この排気弁箱には、主弁とは別の副弁と、この副弁を介して分離される高温室と低温室とが設けられている。

そして、主弁の開弁初期（排気の初期）に、シリンダから高い圧力と高い温度の燃焼ガスが高温室に導入され、当該高温室から高温の燃焼ガスを排気するための高温排気通路を通して、排気レシーバ（外部）へ排出される。また、主弁の開弁中期から閉弁するまで（排気の中期から後期）の間に、シリンダ内の残留の燃焼ガスが低温室に導入され、当該低温室から低温ガスを排気するための低温排気通路を通して外部に排出される（例えば、特許文献１参照）。

実開平０２−１４５６１７号公報（図１）

かかる内燃機関においては、より良い機関性能を得るために、燃焼ガスの掃気効率を向上することが望まれている。

本発明は、前記事情に鑑みて創作されたものであり、掃気効率を向上することが可能な内燃機関を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の内燃機関は、シリンダ室が形成されたシリンダと、前記シリンダ室の上部に連通し、前記シリンダ室から排出された低温の排気ガスが導入される低温室、前記低温室の側部に連通する低温排気通路、前記低温室の上部に連通し、前記シリンダ室から排出された高温の排気ガスが導入される高温室、及び、前記高温室の側部に連通する高温排気通路が形成された排気弁箱と、前記シリンダ室と前記低温室との間を開閉する第一の弁と、前記高温室を遮断しつつ前記低温排気通路を開放する第一の状態と、前記高温室を開放しつつ前記低温排気通路を遮断する第二の状態と、を切換可能な第二の弁と、前記低温室の内壁に固定された筒部と、前記筒部の下端から当該筒部の径方向外側へ延設されており、前記第一の弁が前記シリンダ室と前記低温室との間を開けた状態、かつ、前記第二の弁が前記第一の状態となった場合に、前記低温の排気ガスを前記低温排気通路へ案内する案内翼と、を備え、前記低温室の上壁は、前記第一の弁の軸線に対して９０度未満の傾斜角度に形成されており、前記第二の弁は、前記筒部に摺動可能に収容される弁体である円筒部を備え、前記円筒部の下端部には、下に向かうにつれて縮径するスカート部が形成されており、前記筒部の下端は、前記第一の状態における前記円筒部の下端と同じ高さに設定されており、前記スカート部の下面及び前記案内翼の下面は、前記第一の状態において面一となるように設定されていることを特徴とする。

かかる構成によると、排気ガスがシリンダ室から低温室へ導入されて流路方向を変える際の曲がり損失を低減し、有効通路面積を増大させることによって、掃気効率を向上することができる。
また、かかる構成によると、案内翼によって、低温の排気ガスを低温室から低温排気路へと好適に案内することができ、曲がり損失を低減し、掃気効率をさらに向上することができる。

前記第二の状態において、前記円筒部は、当該円筒部の下端部の外周面が前記低温室の内周面に当接することによって前記低温排気通路を遮断することが望ましい。

また、内燃機関は、前記低温排気通路が接続された低温排気管と、前記高温排気通路が接続された高温排気管と、を備え、前記低温排気管は、前記高温排気管よりも上方に配置されていることが望ましい。

かかる構成によると、低温排気管が高温排気管の上方に配置されているので、低温排気通路から低温排気管への排気ガスの流路の曲がりを緩やかにすることによって、掃気効率をさらに向上することができる。

本発明によれば、内燃機関における掃気効率を向上することができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の要部断面図であり、副弁が第一の状態に切り換えられた状態を示す図である。本発明の実施形態に係る内燃機関の要部断面図であり、副弁が第二の状態に切り換えられた状態を示す図である。本発明の実施形態に係る内燃機関の外観図であり、図１の裏側から見た図である。本発明の実施形態に係る内燃機関の要部断面図であり、副弁及び案内翼を上から見た図である。（ａ）は、本発明の実施形態に係る低温室付近の構造を示す模式図であり、（ｂ）は、従来の低温室付近の構造を示す模式図である。

本発明の内燃機関の排気通路構造の発明を実施するための形態を、図１〜図４を参照して詳細に説明する。図１に示すように、内燃機関Ａは、シリンダ室１ａが形成されたシリンダ（シリンダブロック）１と、排気弁箱１１と、第一の弁である主弁２１と、第二の弁である副弁２５と、案内翼４０と、を備える。

排気弁箱１１は、シリンダブロック１の弁座２に装着されており、排気弁箱１１内に形成された、高温室１２、高温室１２に連通する高温排気通路１３、低温室１４、及び、低温室１４と連通する低温排気通路１５を備える。

低温室１４は、シリンダ室１ａの上部に連通しており、当該低温室１４には、シリンダ室１ａから排出された低温の排気ガス（燃焼ガス及び掃気ガス）が導入される。
低温排気通路１５は、低温室１４の側部に連通している。
高温室１２は、低温室１４の上部に連通しており、高温室１２には、シリンダ室１ａから排出された高温の排気ガス（燃焼ガス）が導入される。詳細には、低温室１４の上壁１４ａには円形の孔部が形成されており、高温室１２と低温室１４とは、かかる孔部を介して連通している。
高温排気通路１３は、高温室１２の側部に連通している。本実施形態において、高温排気通路１３は、図１の紙面奥側に延設されている。

主弁２１は、排気弁箱１１及びシリンダブロック１内に収容されてシリンダ室１ａと排気口２ａとの間を開閉する弁であって、弁座２に着座することによってシリンダ室１ａから排気口２ａへの排気ガスの流れを遮断し、弁座２から離座することによって、シリンダ室１ａから排気口２ａへの排気ガスの流れを許容する。

副弁２５は、排気弁箱１１内に収容されており、高温室１３を遮断しつつ低温排気通路１５を開放する第一の状態（図１）と、高温室１３を開放しつつ低温排気通路１５を遮断する第二の状態（図２）と、を切換可能な弁である。
第一の状態において、シリンダ室１ａから排気口２ａへ導入された（低温の）排気ガスは、高温室１２へ流れずに、排気口２ａから低温排気通路１５を介して排気される。
第二の状態において、シリンダ室１ａから排気口２ａへ導入された（高温の）排気ガスは、低温排気通路１５へ流れずに、排気口２ａから高温室１２を経由して高温排気通路１３へ排気される。

また、内燃機関Ａは、低温排気通路１５と配管５１を介して接続された低温排気管４１（図３参照）と、高温排気通路１３と配管５２を介して接続された高温排気管４２（図３参照）と、を備える。図３に示すように、低温排気管４１は、高温排気管４２よりも上方に配置されている。

図１に戻り、内燃機関Ａは、主弁２１の開弁動作を行わせる図示しない油圧シリンダと、油圧シリンダブロック３０に設けられて副弁２５の切り替え動作を行なう複数の、例えば３本の油圧シリンダ３１（図１には、１本のみ図示）と、主弁２１の弁ステム２２の上部に固定されて主弁２１の復旧動作を行わせる図示しない空気ピストンと、副弁２５の弁ステム２６の上部に固定されて副弁２５の復旧動作を行わせる空気ピストン２９と、主弁２１の空気ピストンと副弁２５の空気ピストン２９を収容して空気圧を付与するための空気ばね室３６を形成するケーシング３５とを備えた構成とされる。

この排気弁箱１１は、一例として、２サイクルのユニフロー型ディーゼル機関に適用した場合を示している。この２サイクルのユニフロー型ディーゼル機関においては、シリンダライナ側壁に吸気口（掃気孔）があり、主弁２１は排気及び掃気を行なう。

主弁２１の開弁動作は、高圧の油圧によって動作する前記油圧シリンダが弁ステム２２を図中下方に押動することにより行われる。また、その閉弁動作（復旧動作）は、弁ステム２２に取り付けられた前記空気ピストンが、弁ステム２２を図中上方に引き上げることにより行われる。即ち、前記空気ピストンの下方に形成された空気ばね室３６内の空気圧が、主弁２１の閉弁動作の作動源となっている。

図２に示すように、副弁２５の切り替え動作は、油圧シリンダブロック３０に設けられた複数の油圧シリンダ３１が高圧の油圧によって動作して、空気ピストン２９を図中上方に押動することにより行われる。また、その復旧動作は、油圧シリンダ３１の油圧を逃がし、空気ピストン２９により弁ステム２６を図中下方に押動することにより行われる。即ち、空気ピストン２９の上方に形成された空気ばね室３６内の空気圧が、副弁２５の復旧動作の作動源となっている。

副弁２５は、直円筒形状をなす弁体である円筒部２５ｃを備え、円筒部２５ｃの外径が排気弁箱１１の排気口１１ａよりも僅かに小径とされ、円筒部２５ｃの内径（副弁内径）が弁座２の排気口２ａと略同径とされる。尚、排気弁箱１１の排気口１１ａは、弁座２の排気口２ａよりも大径とされる。副弁２５の円筒部２５ｃは、その内周面が弁ステム２６の外周面に、複数の板状の輻（スポーク）２５ａにより連設されている。シリンダ室１ａから主弁２１を介して排出された排気ガスは、これらの輻２５ａの間を通して高温室１２内に排出される。副弁２５には、先端に後端（図中上端）から先端（図中下端）に向って縮径するスカート部２５ｂが形成される。

案内翼４０は、低温排気通路１５に設けられた扇形の板状部材である。案内翼４０の基端は、副弁２５の円筒部２５ｃが摺動可能に収容された筒部１７の下端に取り付けられており、案内翼４０の先端の両縁は、低温排気通路１５の内壁に取り付けられている。図１に示すように、本実施形態において、筒部１７の下端は、第一の状態における円筒部２５ｃの下端と同じ高さであり、第一の状態において、スカート部２５ｂの下面と案内翼４０の下面とはほぼ面一となるように設定されている。なお、主弁２１の軸線と案内翼４０の先端との距離Ｒは、シリンダ室１ａのシリンダ径の０．５〜０．７倍に設定されている。また、低温排気通路１５の底面と案内翼４０とがなす角度αは、５〜１５°に設定されている。また、案内翼４０の扇形の角度β（図３参照）は、５０〜７０°に設定されている。

副弁２５は、主弁２１が開弁し始めた初期（排気の初期）において、空気ピストン２９により図２に示す位置に切り替えられており、スカート部２５ｂが排気弁箱１１の排気口１１ａ内に挿入され、かつ後端の外周面が排気口１１ａの内周面に摺接し、弁座２の排気口２ａを通してシリンダ室１ａと連通する。

そして、副弁２５が円筒部２５ｃ内の板状の輻２５ａの間を通してシリンダ室１ａと高温室１２とを連通させると共に、その円筒部２５ｃにより低温室１４を閉塞する。これにより、シリンダ室１ａ内の高温高圧の排気ガスが高温室１２に排出され、高温室１２から高温排気通路１３へ排出される。

副弁２５は、主弁２１の開弁の中期から後期（閉弁）までの間、空気弁２９が油圧シリンダ３１により図１に示す位置に押し上げられて低温室１４側に切り替えられる。これにより、円筒部２５ｃの上端が弁座１６に着座し、高温室１２が閉塞される。そして、低温室１４がシリンダ室１ａに連通されてシリンダ室１ａ内の残留の（低温の）排気ガスが、排気弁箱１１の排気口１１ａから低温室１４へ排出される。

この排気ガスは、副弁２５の先端に設けられたスカート部２５ｂの傾斜している外周面に沿って、低温室１４内へ円滑に導かれる。これにより、シリンダ室１ａから排出された排気ガスが低温室１４に良好に導入される。

従来の内燃機関においては、図５（ｂ）に示すように、低温室１１４は、当該低温室１１４の上壁１１４ａの主弁１２１の軸線に対する傾斜角度は、９０度に形成されていた。これに対して、図５（ａ）に示すように、本発明の実施形態に係る内燃機関Ａの低温室１４は、当該低温室１４の上壁１４ａ（の下面）の主弁２１の軸線に対する傾斜角度θが、９０度未満（例えば、６０度）に形成されている。また、低温排気路１５は、低温室１４の上壁１４ａと同じ傾斜角度で延設されている。
したがって、本発明の実施形態に係る内燃機関Ａは、低温の排気ガスがシリンダ室１ａから低温室１４へ導入されて流路方向を低温排気路１５方向へ変える際の角度が鈍角となるので、かかる部位における曲がり損失を低減し、有効通路面積を増大させることによって、掃気効率を向上することができる。

また、本発明の実施形態に係る内燃機関Ａは、案内翼４０を備えているので、低温の排気ガスを低温室１４から低温排気路１５へと好適に案内することができ、曲がり損失を低減し、掃気効率をさらに向上することができる。

また、本発明の実施形態に係る内燃機関Ａは、低温排気管４１が高温排気管４２の上方に配置されているので、低温排気通路１５→配管５１→低温排気管４１という低温の排気ガスの流路の曲がりを緩やかにすることによって、掃気効率をさらに向上することができる。

本発明の内燃機関は、前記した実施形態に係る２サイクルのユニフロー型ディーゼル機関に限定されるものではなく、主弁と副弁とを有する内燃機関であれば、どのような形式の内燃機関にも適用することが可能である。また、装置の簡略化のため、案内翼４０を省略することも可能である。

Ａ内燃機関
１シリンダブロック（シリンダ）
１ａシリンダ室
２ａ排気口
１１排気弁箱
１２高温室
１３高温排気通路
１４低温室
１４ａ上壁
１５低温排気通路
２１主弁（第一の弁）
２５副弁（第二の弁）
４０案内翼

Claims

シリンダ室が形成されたシリンダと、
前記シリンダ室の上部に連通し、前記シリンダ室から排出された低温の排気ガスが導入される低温室、前記低温室の側部に連通する低温排気通路、前記低温室の上部に連通し、前記シリンダ室から排出された高温の排気ガスが導入される高温室、及び、前記高温室の側部に連通する高温排気通路が形成された排気弁箱と、
前記シリンダ室と前記低温室との間を開閉する第一の弁と、
前記高温室を遮断しつつ前記低温排気通路を開放する第一の状態と、前記高温室を開放しつつ前記低温排気通路を遮断する第二の状態と、を切換可能な第二の弁と、
前記低温室の内壁に固定された筒部と、
前記筒部の下端から当該筒部の径方向外側へ延設されており、前記第一の弁が前記シリンダ室と前記低温室との間を開けた状態、かつ、前記第二の弁が前記第一の状態となった場合に、前記低温の排気ガスを前記低温排気通路へ案内する案内翼と、
を備え、
前記低温室の上壁は、前記第一の弁の軸線に対して９０度未満の傾斜角度に形成されており、
前記第二の弁は、前記筒部に摺動可能に収容される弁体である円筒部を備え、
前記円筒部の下端部には、下に向かうにつれて縮径するスカート部が形成されており、
前記筒部の下端は、前記第一の状態における前記円筒部の下端と同じ高さに設定されており、
前記スカート部の下面及び前記案内翼の下面は、前記第一の状態において面一となるように設定されている
ことを特徴とする内燃機関。
前記第二の状態において、前記円筒部は、当該円筒部の下端部の外周面が前記低温室の内周面に当接することによって前記低温排気通路を遮断する
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
前記低温排気通路が接続された低温排気管と、
前記高温排気通路が接続された高温排気管と、
を備え、
前記低温排気管は、前記高温排気管よりも上方に配置されている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関。