JP5837241B2 - 大型２ストローク内燃エンジンおよび大型２ストローク内燃エンジン用排気レシーバー - Google Patents

Description

本発明は、大型２ストローク内燃エンジンおよび大型２ストローク内燃エンジン用排気レシーバーに関する。

発明の背景

大型２ストローク内燃（ディーゼル）エンジンの排気レシーバーは、各シリンダーから４バールまでの圧力で高温排気ガス（排気レシーバー内約４５０°Ｃ）を受ける高負荷部材である。

排気レシーバーは大型であり（１０ｍよりはるかに長く、約２．２ｍまでの直径を有する場合がある）、かつ動作温度が高いことから、排気レシーバーの熱膨張は非常に大きく、その熱膨張によって生じる寸法変化を吸収するため、大型エンジンは、ベローズで隔てられる２つ以上の筐体部に分けられる排気レシーバーを有している。排気レシーバー全体およびそれに属する如何なる部品は断熱層で覆われており、それにより排気レシーバーの外面温度が排気レシーバー内の排気ガス温度未満にほぼ抑えられる。安全規則上、排気レシーバーの外面温度を２２０°Ｃ未満に抑えなければならず、そうすることで、露出したエンジン部品にエンジン燃料やその他オイルが不意に接触しても、それらを発火させるまでの温度に達することはない。実際には、排気レシーバーの外面は非常に良く断熱されており、その表面温度は１５０°Ｃ未満に保たれる。

排気レシーバーは、その長手方向中央部、もしくは一方の端部で、比較的剛性のある主支持体で支持されている。いくつかの可撓性支持体が、通常では剛性支持体の両側に、排気レシーバーの長手方向に沿って配備され、排気レシーバーをエンジン筐体もしくはエンジン主要構造に連結する。従来、可撓性支持体は、排気レシーバーの長手方向に実質的に移動可能にさせる単一の板から形成される。このような可動性は、排気レシーバーの温度上昇または低下に伴って発生する熱膨張や熱収縮を相殺するために必要である。

熱負荷および圧負荷に加え、エンジンの振動によって構造が揺れ、それにより排気レシーバーにかかる機械負荷がさらに増加する。

主支持体は、近接して配置された２つの直立平行板を有し、一方の直立板はエンジン主要構造に強固に連結され、他方の直立板は、排気レシーバーの最下部に固定された、下方突出する主ブラケットに強固に連結されている。これらの近接して配置された２つの直立平行板は、それぞれの上端部付近と下端部付近において、対応する組の可撓性板に連結されることで、排気レシーバー内のガス脈動により発生する長手方向の力が吸収される。

主支持体は、長手方向において排気レシーバーを固定する。下方突出する主ブラケットは、排気レシーバーの最下部において、比較的薄い金属外殻の外側に溶接されている。主ブラケットと排気レシーバーとの間で伝達された力を分配するため、主ブラケットは特定のサイズでなければならない。しかし、主ブラケットは排気レシーバーの金属外殻から下方に突出し、かつ金属外殻を囲む断熱層が下方突出する主ブラケットの周りに延在しなければならないため、排気レシーバーの主ブラケット領域における断熱が困難になる。

さらに、レシーバー内の排気ガス温度は４００°Ｃ以上である。結果として、レシーバーの外にあるブラケットの温度が急激に低下する。この現象は、主ブラケットにおいて応力勾配を引き起こす。この応力勾配は、特に長手方向に延在する主板、および排気レシーバーの金属外殻と主板との間の関連溶接部において起こる。

上記背景に基づき、本発明は、上記問題を少なくとも部分的に解決する排気レシーバーおよびエンジンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、中空内部を有する金属外殻を備えた長尺の略円筒形排気レシーバーを提供する。排気レシーバーは、複数の排気入口および１つ以上の排気出口と、排気レシーバーを、排気レシーバーの横方向よりも排気レシーバーの長手方向において、より可撓性を有する複数の副支持体に連結するための複数の支持点と、排気レシーバーを、排気レシーバーの横方向よりも排気レシーバーの長手方向において、より剛性を有する主支持体に連結するための、長手方向および径方向に延在する主金属板を含む少なくとも１つの主ブラケットとを備える。主金属板の少なくとも一部分は、排気レシーバーの中空内部に突出する。

主ブラケットに、外殻を貫通して排気レシーバーの中空内部に延在する主板を設けることで、外殻から外側に突出する主ブラケットの部分のサイズと表面積が低減される。

外殻から外側に突出する主ブラケットの部分は加熱フィンのように作用するが、排気ガスの熱は損失すべきではなく、例えばターボ過給機で利用されるべきであるため、そのような作用は不利である。そのために、外殻から外側に突出する主ブラケットの部分には、断熱カバーを設ける必要があるが、この断熱カバーを小さくできれば、もしくはその使用を回避できれば有利である。

本発明に係る排気レシーバーによれば、主板を介した熱損失、最終的には横板を介した熱損失が低減され、断熱カバーの使用を回避できる、もしくは断熱カバーを少なくとも簡略化および小型化できる。さらに、排気レシーバーの主支持体領域における断熱が簡易化される。

また、外殻から外側に突出する主ブラケットの部分の温度が、排気レシーバーの約４００°Ｃの内部温度に対して急激に低下する。この現象は、主板、および主板を外殻とブラケットの横板に連結する関連溶接部において応力勾配を引き起こす。

本発明に係る排気レシーバーによれば、外殻から外側に突出する主ブラケットの部分が小型化され、それに応じて応力勾配も低減できる。従って、エンジン運転中、ブラケットの温度がより均一になる。

一実施形態において、主支持体は、長手方向よりも垂直方向において、より可撓性を有する。

一実施形態において、主支持体は、垂直方向に可撓性を発生させる構成要素を含む。垂直方向に可撓性を発生させる当該構成要素は、水平方向に延在する板の積重体で形成してもよい。

一実施形態において、主金属板は、中空内部に突出し、かつ外殻の外部からも突出する。

一実施形態において、ブラケットは、中空内部に少なくとも部分的に突出する１つ以上の横金属板を備え、当該１つ以上の横金属板は主金属板に連結されている。

一実施形態において、主金属板は、使用目的位置に応じて排気レシーバーに対して下方に突出し、主金属板は下向き縁部を有し、下向き縁部は、主ブラケットを主支持体に取り付けるための取付面として構成される。

一実施形態において、下向き縁部には、主金属板内へ上方に延在するねじ穴が設けられている。これにより、主金属板を主支持体に連結するための実用的配置が提供される。

一実施形態において、主金属板は、水平方向に延在する金属板の積重体を介して主支持体に連結される。これにより、支持構造と排気レシーバーとの間において、垂直方向に必要な可撓性が与えられることで、主支持体自体は垂直方向の可撓性を有する必要がない。

一実施形態において、主金属板は、中空内部から溶接部にて溶接することにより、外殻に連結され、好ましくは、排気レシーバーの外部から溶接部にて溶接することにより、外殻に連結される。

ブラケットに、外殻を貫通して排気レシーバーの中空内部に延在する主板を設けることで、主板を排気レシーバーの外殻に連結するための溶接を、外殻に対して及び外殻内部から行うことができ、よってより強固かつ頑丈な連結を実現できる。

さらに、上記目的を達成するために、エンジン主要構造と、上記排気レシーバーと、主支持体と、排気レシーバーの下に配置され、排気レシーバーをエンジン主要構造上で支持する複数の副支持体とを備える大型２ストロークディーゼルエンジンを提供する。副支持体は排気レシーバーの長手方向に沿って配備され、各副支持体は、排気レシーバーに取り付けられた上端部と、エンジン主要構造に取り付けられた下端部とを有する。

本発明に係る排気レシーバーおよびエンジンのさらなる目的、特徴、利点、および性質に関しては、以下、詳細な説明により明かされる。

従来の排気レシーバーを有する大型２ストローク内燃エンジンの長手側面図である。 図１に示すエンジンの後端面図である。 大型２ストローク内燃エンジン用の従来の排気レシーバーの側面図である。 図３の従来の排気レシーバーの詳細図である。 主ブラケットの一部分の図を含む、図３に示す排気レシーバーの従来の主ブラケットの斜視図である。 図３に示す排気レシーバーの下部およびその主ブラケットの断面図である。 本発明の一実施形態に係る排気レシーバーの下半分の断面図である。 図７に示すブラケットの一部分の詳細図である。 図７に示す排気レシーバーの下部中央部分、および主ブラケットの斜視切開図である。

好適な実施形態の詳細説明

以下、本明細書の詳細部分において、本発明を、図面に示す実施形態を用いて、より詳細に説明する。

図１および図２は、それぞれ側面図および端面図であって、主要構造１を有する大型２ストローク内燃（ディーゼル）エンジンの一実施形態を示す。本実施形態では、当該エンジンはクロスヘッドを有するユニフロー低速２ストローククロスヘッドディーゼルエンジンであり、船舶における推進システムもしくは発電所におけるエンジンであってもよい。このようなエンジンは、通常一列に配置された４〜１４個のシリンダーを有する。当該エンジンは、クランク軸用の主軸受を有する台板２により構成される（図面において、クランク軸の端部に取り付けられたはずみ車３のみ視認可能）。台板２に関しては、製造設備に応じて、一体として構成されていてもよいし、適正寸法の複数部分に分けられていてもよい。

台板２には、Ａ字形状に溶接されたフレームボックス４が取り付けられている。フレームボックス４の排気側には、各シリンダー用のリリーフ弁が設けられている。一方、フレームボックス４のカム軸側には、各シリンダー用の大きな開き戸が設けられている。また、フレームボックス４には、クロスヘッド案内面（図不示）が一体形成されている。

フレームボックス４の上には、シリンダーフレーム５が取り付けられている。ステーボルト（図不示）は、台板２とフレームボックス４とシリンダーフレーム５とを連結することで当該構造を保つ。シリンダーフレーム５は各シリンダー６を保持する。エンジンにおける各シリンダー６は、排気路を介して排気レシーバー１６の入口１５に接続されている。シリンダーフレーム５は、シリンダーライナー６とともに掃気空間を形成する。掃気レシーバー９はシリンダーフレーム５にボルト固定されている。各シリンダーライナー６の内部には、ピストン（図不示）が収容されている。ピストン棒（図不示）によって、ピストンの下部とクロスヘッド（図不示）の上部とが接続される。各シリンダーライナー６は、シリンダーフレーム５に保持されている。

エンジンは、エンジン側部または後端部に配置された、１つ以上のターボ過給機１０を備える。シリンダーはユニフロー型であり、エアボックス内に掃気口（図不示）を有する。ターボ過給機１０によって加圧された掃気は、当該掃気口を介して、掃気レシーバー９に供給される。ターボ過給機１０に対する吸気は、ターボ過給機１０の吸気消音器（図不示）を介して、エンジン室から直接行われる。ターボ過給機１０からの空気は、空気冷却器１１、給気管１２、および掃気レシーバー９を介して、シリンダーライナー６の掃気口へ導かれる。エンジンには、油圧駆動式または電動式の補助掃気送風機１３が設けられている。補助送風機１３は、低負荷および中負荷状況において、ターボ過給機圧縮機を補助する。

シリンダーカバー１４におけるシリンダーの上部中央には、排気弁（図不示）が取り付けられている。膨張ストロークの終端で、エンジンピストンが掃気口を通過する前に排気弁が開く。これにより、ピストン上部の燃焼室における燃焼ガスが、排気路開口部を経由して排気レシーバー１６に流出し、燃焼室内の圧力が解放される。ピストンが上昇する際、排気弁は再度閉じられる。点検カバーは、メンテナンスやオーバーホールの際、作業員の排気レシーバー１６へのアクセスを可能にする。

図１に示すように、排気レシーバー１６は、エンジン主要構造１の掃気レシーバー９に支持されていることが好ましい。もしくは、別の実施形態では、排気レシーバー１６は、フレームボックス４やシリンダーフレーム５等、他のエンジン主要構造に、後述する主支持体２２および複数の副支持体２１を介して取り付けられていてもよい。図１に説明を戻すと、排気レシーバー１６は、主支持体２２により掃気レシーバー９上で支持されている。主支持体２２は、長手方向に略剛性を有し、垂直方向に比較的可撓性を有するため、排気レシーバー１６はその支持構造に対して垂直方向に移動可能である。このような排気レシーバー１６と支持構造との間の相対移動は、エンジンおよび／または排気レシーバー１６の垂直振動によって生じる過大な力を防ぐために必要である。本実施形態では、主支持体２２は排気レシーバー１６の中央部に設けられることで、排気レシーバー１６の中央部が掃気レシーバー９に対して固定される。主支持体２２は排気レシーバー１６に対して中央に配置されることが好ましいが、必ずしも厳密に中央に配置させなければならないわけではなく、僅かにずれていてもよい。あるいは、主支持体２２は、排気レシーバー１６の長手方向端部付近に配置されていてもよい。図示するように、排気レシーバー１６はさらに複数の副支持体２１を介して掃気レシーバー９に取り付けられている。副支持体２１は、横方向および垂直方向に比較的剛性を有するが、排気レシーバー１６の長手方向には比較的可撓性を有する。すなわち、副支持体は横方向よりも長手方向に、より可撓性を有する。各副支持体２１は、基本的には、排気レシーバー１６の長手軸に対して横に延在する垂直金属板からなる。この金属板に関しては、その下端部がエンジン主要構造１に固定され、その上端部が適切なブラケットにより排気レシーバー１６に固定されている。

複数の副支持体２１は、主支持体２２の両側に、排気レシーバー１６の長手方向に沿って配備されている。各副支持体２１は板構造により構成される。当該板構造は、排気レシーバー１６の温度上昇または低下に伴って発生する、エンジン筐体／掃気レシーバー９（あるいは排気レシーバー１６が取り付けられている別のエンジン構造（図不示））に対する排気レシーバー１６の、温度誘発による長手方向の如何なる伸縮にも追従する。エンジン運転中、シリンダーの燃焼室からの高温ガスは、排気レシーバー１６に集められる。したがって、エンジン運転中は、排気レシーバー１６に使用される材料の熱膨張により、排気レシーバー１６の長さが増加する。大型２ストロークディーゼルエンジンにおける排気レシーバー１６の全長は５〜３５メートルであるため、長手方向における膨張はかなり大きくなる可能性がある（数センチ程度）。排気レシーバー１６の横方向振動を防止するため、副支持体２１は、排気レシーバー１６の横方向に対する弾性をほとんどもしくは全く有さない。

従来では、１０〜２５ｍｍ程度の厚みを有する単一直立板が副支持体２１として用いられている。従来、各直立板は掃気レシーバー９にボルト固定されており、さらに板の主面が排気レシーバー１６の横方向に向くように、すなわち長尺な排気レシーバー１６の長手軸に対して垂直になるように、排気レシーバー１６にボルト固定されている。

熱損失を防止し、さらに排気レシーバーの外面温度を２２０°Ｃ未満に保つために、排気レシーバー１６の外殻は断熱層１７で覆われている。これにより、露出したエンジン部品にエンジン燃料やその他オイルが不意に接触しても、それらを発火させるまでの温度に達することはない。断熱層１７は薄い金属板の外層を含む。排気レシーバー１６の断熱層１７の外面は非常に良く断熱されており、その表面温度は１５０°Ｃ未満に保たれる。

図３〜図６は、図１のエンジンにおけるものに類似する、従来の長尺の排気レシーバー１６を示す。排気レシーバー１６には、エンジン１の各シリンダーの排気湾曲部に接続する複数の排気入口１５が設けられている。ここで示す実施形態では、排気レシーバー１６には、１つ以上のターボ過給機１０の入口に接続する２つの径方向出口１９が設けられている。

排気レシーバー１６の外殻３３は断熱層１７で覆われている。ただし、排気レシーバー１６を主支持体２２に連結する主ブラケットは、別体の断熱カバー１８を必要とする。当該ブラケットは不規則な形状を有するため、断熱カバー１８も同様に不規則かつ複雑な形状を有し、さらにサイズが大きい。

図５および図６に示すように、排気レシーバー接続用の従来のブラケットは、互いに溶接され、かつ排気レシーバー１６の外殻３３の下部に溶接された、主金属板２５および多数の横金属板を備える。主金属板２５は、排気レシーバー１６の外殻３３の下部から径方向および下方に突出し、排気レシーバー１６の中空内部２０に突出する部分は有さない。

主支持体２２は、排気レシーバーに対して垂直方向および長手方向に延在する、近接して配置された２つの平行板を有する。２つの平行板は、２組の可撓性金属板２９によって互いに接続されている。可撓性金属板の上側の１組は図６に示す一方、下側の１組は図示されていないが、主支持体の２つの平行板の下端部またはその近辺に配置されている。主支持体２２の平行板構成により、主支持体２２に垂直方向の可撓性を持たせる一方、垂直軸回りおよび水平軸回りの回転を防止し、必要な長手方向の剛性を確保する。

さらに、可撓性金属板により、排気レシーバーの局所変形が低減される。また、角剛性が増加する。より大きな剛性により、主支持体２２の振動に対する限度が上げられる。

図７〜図９は、本発明の実施形態に係る、主ブラケットを有する排気レシーバー１６を示す。主ブラケットは、排気レシーバー１６を主支持体２２に連結する。主支持体は、上記のような垂直方向に可撓性を与える２つの平行板を有していてもよいし、より簡単な構成でもよく、新規の排気レシーバー１６と主ブラケットとともに用いられるためには必ずしも可撓性を有さなくてもよい。

主ブラケットは、長手方向および径方向に延在する主金属板２５を備える。主金属板２５の少なくとも一部分２６が外殻３３を貫通して排気レシーバー１６の中空内部２０に突出する。主金属板２５の別の部分２７は、排気レシーバー１６の外殻３３からその下部領域に突出する。

本実施形態では、主ブラケットは、中空内部２０に突出する１つ以上の横金属板２８を備え、横金属板２８は、好ましくは溶接によって、主金属板２５の部分２６に連結される。一実施形態では、横金属板２８は、好ましくは外殻３３の内部から溶接することによって、外殻３３の内側に連結される。

排気レシーバー１６の使用目的位置に応じて、主金属板２５は排気レシーバー１６に対して下方に突出する。また、主金属板２５は、主金属板２５を主支持体２２に取り付けるための水平延在取付面として構成される下向き縁部を有する。

ここに、下向き縁部には、主金属板２５内へ上方に延在するねじ穴３０が、長手方向に間隔をあけて配列されている。主金属板２５の主支持体２２への連結に関しては、ねじボルト（図不示）をねじ穴３０に螺入し、それに対応する大きさと間隔で配列された穴を有する主支持体２２の板を主金属板２５に締め付けることによってなされる。

また、主金属板２５の金属外殻３３への連結に関しては、繰り返し中空内部２０から溶接部３５にて溶接し、さらに好ましくは、排気レシーバー１６の外部から溶接部３６にて溶接することによってなされる。

主金属板２５は、中空内部２０に突出する部分２６と、外殻３３の外部へと突出する部分２７とを有する。これら２つの部分は、主金属板２５と外殻３３との交差部に一致する水平線によって分けられている。

主金属板２５は、例えば鋼板等の１枚の金属板から製造してもよいし、あるいは、鋼板等の複数の金属板から製造してもよい。

断熱層は、主ブラケット領域においても外殻３３を覆ってもよく、主ブラケットが本発明によって形成される場合、主ブラケット用の別体の断熱カバーの使用を回避できる。

以上、本発明について例を目的として詳細に説明したが、このような詳細はその目的のみのためであって、発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者によって変更を加えることができる。

Claims (7)

1. 中空内部（２０）を有する金属外殻（３３）を備えた長尺の略円筒形排気レシーバー（１６）であって、大型２ストローク内燃機関用の排気レシーバー（１６）において、
   複数の排気入口（１５）および１つ以上の排気出口（１９）と、
   前記排気レシーバー（１６）を、前記排気レシーバー（１６）の横方向よりも前記排気レシーバー（１６）の長手方向においてより可撓性を有する複数の副支持体（２１）に連結するための複数の支持点と、
   前記排気レシーバー（１６）を、前記排気レシーバー（１６）の横方向よりも前記排気レシーバー（１６）の長手方向においてより剛性を有する主支持体（２２）に連結するための、長手方向および径方向に延在する主金属板（２５）を含む少なくとも１つの主ブラケットとを備え、
   前記主金属板（２５）の少なくとも一部分（２６）は、前記排気レシーバー（１６）の前記中空内部（２０）に径方向に突出し、
   前記主金属板（２５）の別の一部分（２７）は、前記外殻（３３）の外部から径方向に突出する、
   排気レシーバー（１６）。
2. 前記主ブラケットは、前記中空内部（２０）に少なくとも部分的に突出する１つ以上の横金属板（２８）を備え、前記１つ以上の横金属板（２８）は前記主金属板（２５）に連結されている請求項１に記載の排気レシーバー（１６）。
3. 前記主金属板（２５）は、前記排気レシーバー（１６）の使用目的位置に応じて前記排気レシーバー（１６）に対して下方に突出し、前記主金属板（２５）は下向き縁部を有し、前記下向き縁部は、前記主金属板（２５）を前記主支持体（２２）に取り付けるための取付面として構成される請求項１に記載の排気レシーバー（１６）。
4. 前記下向き縁部には、前記主金属板（２５）内へ上方に延在するねじ穴（３０）が設けられている請求項３に記載の排気レシーバー（１６）。
5. 前記主金属板（２５）は、前記中空内部（２０）から溶接部（３５）にて溶接することにより、前記外殻（３３）に連結される請求項１に記載の排気レシーバー（１６）。
6. 前記主金属板（２５）は、前記排気レシーバー（１６）の外部から溶接部（３６）にて溶接することにより、前記外殻（３３）に連結される請求項５に記載の排気レシーバー（１６）。
7. エンジン主要構造（１）と、
   請求項１から６のいずれかに記載の排気レシーバー（１６）と、
   主支持体（２２）と、
   前記排気レシーバー（１６）の下に配置され、前記排気レシーバー（１６）を前記エンジン主要構造（１）上で支持する複数の副支持体（２１）とを備える大型２ストロークディーゼルエンジン。