JP5841660B2 - 多シリンダピストンエンジン - Google Patents

Description

本発明は請求項１の前文に従った多シリンダピストンエンジンに関する。

船舶の推進システムにおいて使用される或いは電力を生成するための大型内燃機関は、負荷変化に迅速に反応し得なければならない。ターボ過給式の内燃機関の問題は、所謂ターボラグである。ターボラグは、ターボ過給機（ターボチャージャ）が効果的に作動する状態に達するための負荷増大の後に要求される時間を指す。特に初期負荷が低いとき、ターボ過給機は増大する燃焼空気要求に直ちに完全に応答し得ず、これは負荷が急激に増大するときにエンジンの回転速度の減少を招く。エンジンが部分負荷で運転されるときには、燃焼空気の欠乏も起こり得る。

ターボラグに関する問題の１つの可能な解決策は、ターボ過給機を電気モータで支援することである。ターボラグを減少させるためや同様に他の動作条件における利用可能な燃焼空気の量を増大させるための他の解決策は、追加的な加圧空気をターボ過給機のコンプレッサ内に或いは直接的にエンジンのシリンダ内に導入することである。米国特許第６，５７１，７７０Ｂ１号は、ディーゼルエンジンを作動させる方法を開示しており、その方法では、エンジンが部分負荷又は過渡負荷下で動作するときの吸気弁の閉塞後、追加的な酸素含有ガスが始動ガス弁を通じて燃焼空間に供給される。上述の特許は、酸素含有ガスを供給する弁がどのように制御されるかを開示していない。

本発明の目的は、エンジンのシリンダ内への追加的な酸素含有ガスの噴射を制御するための簡単で確実な手段を含む、多シリンダ内燃機関の改良を提供することである。本発明に従ったエンジンの特徴的な機能は、請求項１の特徴部分において与えられる。

本発明に従った多シリンダピストンエンジンは、エンジンのシリンダ内に燃焼空気を導入するための手段と、エンジンの各シリンダのための少なくとも１つのカム作動される弁持上げ装置とを含む。弁持上げ装置は、ガス交換弁を開くように配置され、エンジンは、追加的な酸素含有ガスをエンジンのシリンダ内に導入するための構成を更に含み、その構成は、追加的な酸素含有ガスを供給するための圧力媒体源と、圧力媒体をシリンダ内に導入するために各シリンダと接続される噴射弁と、圧力媒体源を噴射弁に接続するための手段と、噴射弁の動作を制御するためのエンジンの各シリンダ用の制御弁とを含む。各制御弁は、それぞれのシリンダのガス交換カムによって作動させられるように構成される。

本発明は幾つかの利点を有する。本発明は追加的な酸素含有ガスの噴射の簡単な制御を可能にする。エンジンのシリンダの数に拘わらず同じカムを使用し得る。

本発明のある実施態様によれば、ガス交換カムは制御弁を作動させるためにガス交換カムの基本円より下に配置される部分を含む。制御弁がガス交換カムの基本円よりも下にあるガス交換カムの部分によって作動させられるときには、簡単で確実な制御機構を達成し得る。

本発明のある実施態様によれば、弁持上げ装置がガス交換カムの基本円よりも下にあるガス交換カムの部分と係合させられるときに、制御弁は圧力媒体が噴射弁に流れることを可能にするよう構成される。

本発明のある実施態様によれば、制御弁は弁持上げ装置によって移動可能である弁部材を含む。

本発明のある実施態様によれば、弁持上げ装置がガス交換カムの基本円よりも下にあるガス交換カムの部分と係合させられるときに、弁持上げ装置は弁部材をガス交換カムに向かって押すプランジャを含む。

本発明のある実施態様によれば、弁部材は圧力媒体の圧力によって弁持上げ装置に向かって押される。

本発明のある実施態様によれば、噴射弁は圧力媒体の圧力によって動作させられるよう構成される。

本発明のある実施態様によれば、ガス交換カムは排気カムである。噴射弁を制御するために排気カムが使用されるときに、基本円よりも下にあるカムの部分はカムのローブから遠く離れている。これは弁持上げ装置の円滑な動作を保証する。カム作動される排気弁を備える２行程サイクルにおいてさえも本発明を使用し得る。

本発明のある実施態様によれば、追加的な酸素含有ガスをエンジンのシリンダ内に導入するための構成は、エンジンのシリンダ内への圧力媒体の噴射を始動させるための主空気支援弁を含む。

本発明のある実施態様によれば、各噴射弁はシリンダヘッド内に配置される。

本発明のある実施態様によれば、噴射弁は圧力媒体をシリンダ内に直接的に導入するよう配置される。

本発明のある実施態様によれば、噴射弁は始動弁である。始動空気をシリンダ内に導入するために使用される同じ弁を、酸素含有ガスをシリンダ内に導入するためにも使用するのが実用的である。

追加的な酸素含有ガスをシリンダ内に導入するための構成を備える内燃機関を示す概略図である。 エンジンのシリンダヘッドとシリンダ内に追加的な空気を導入する弁とを示す概略図である。 エンジンの排気カムと追加的な空気をシリンダ内に導入する手段のための制御構成とを示す概略図である。 エンジンの排気カムと追加的な空気をシリンダ内に導入する手段のための制御構成とを示す概略図である。 エンジンの排気カムと追加的な空気をシリンダ内に導入する手段のための制御構成とを示す概略図である。 エンジンの排気カムと追加的な空気をシリンダ内に導入する手段のための制御構成とを示す概略図である。 異なるクランク角度でのカムフォロアの垂直位置を示すグラフである。

次に、添付の図面を参照して、本発明の実施態様をより詳細に記載する。

図１は、追加的な酸素含有ガスをピストンエンジン２０のシリンダ１９内に導入するための構成を備えるピストンエンジン２０を概略的に示している。追加的な酸素含有ガスは、点火前ではあるが通常吸気の終了後にピストンエンジン２０のシリンダ１９内に導入される圧力媒体である。４行程サイクルエンジンにおいて、これは圧力媒体がそのシリンダ１９の吸気弁の閉塞後にシリンダ１９内に導入されることを意味する。圧力媒体は、例えば、加圧空気又は純酸素であり得る。コンプレッサによって加圧空気を製造し得る。従って、加圧空気は多くの用途に適する。この記載において、「追加的な燃焼空気」という用語は、圧力媒体のために使用されている。しかしながら、本発明は圧力媒体のような空気の使用に限定されない。

図１の実施例において、エンジン２０は、６個のシリンダ１９を含むが、エンジン２０は、例えば直列に又はＶ構造に配置された、任意の合理的な数のシリンダ１９を含み得る。エンジン２０は、発電所で電気及び／又は熱を生成するために使用されるエンジンのような或いは船舶内の主エンジン又は補助エンジンのような大型内燃機関である。追加的な燃焼空気は、圧力媒体源として作用する空気タンク１８内に貯蔵され、追加的な燃焼空気を空気タンク１８から空気ダクト２６内でエンジン２０のシリンダ１９内に導入し得る。空気タンク１８をコンプレッサ（図示せず）で充填し得る。エンジン２０の各シリンダ１９は、追加的な燃焼空気をシリンダ１９内に導入するための噴射弁１０を備える。噴射弁１０は、追加的な燃焼空気をシリンダ１９内に噴射するために使用されるだけの別個の弁であり得るし、或いは、噴射弁１０は、始動空気をシリンダ１内に導入するために使用される同じ弁であり得る。図２に示されているのは、シリンダヘッド２３との関係における噴射弁１０である。エンジン２０の各シリンダは、その独自のシリンダヘッド２３を備える。シリンダヘッド２３は、吸気ダクト３２を備え、燃焼空気は吸気ダクト３２を通じてシリンダ１９内に導入され、シリンダヘッド２３は、シリンダ１９からの排ガスを案内するための排気ダクト３３を備える。１つ又はそれよりも多くの吸気弁２４及び１つ又はそれよりも多くの排気弁２５は、シリンダ１９と吸気ダクト３２及び排気ダクト３３との間の接続を開閉するよう配置される。噴射弁１０は、追加的な燃焼空気をシリンダ１９内に直接的に導入するよう配置される。

各噴射弁１０の動作は、それぞれの制御弁１２によって制御される。エンジン２０の各シリンダ１９は、１つよりも多くの噴射弁１０も備え得る。各シリンダ１９が、例えば２つの噴射弁１０を備えるならば、両方の噴射弁１０を同じ制御弁１２によって制御し得る。制御弁１２は、空気ダクト２６に接続される。空気ダクト２６は、エンジン２０の空気支援が使用中のときの制御のための主空気支援弁１７を備える。噴射弁１０及び制御弁１２の実施例が図３−６に簡略化された例示として示されている。

エンジン２０は、エンジン２０の各シリンダ１９のために、弁持上げ装置４と、ガス交換カム１とを含む。カムプロファイル２をより良く例示するために、ガス交換カム１は、その垂直軸の周りで９０℃回転されて図面中に示されている。ガス交換カム１のカムプロファイル２は、基本円２ａと、ローブ２ｂと、基本円２ａよりも下に配置される部分２ｃとを含む。「基本円よりも下」という表現は、カムプロファイル２のその部分の半径が基本円２ａの半径よりも小さいことを意味する。部分２ｃの半径は一定である必要はない。図３−６に示す実施態様において、ガス交換カム１は排気カムであり、弁持上げ装置４はエンジン２０の排気弁２５を開放するよう配置される。基本円よりも下の部分２ｃをカム１のローブ２ｂから離して配置し得るので、噴射弁１０を作動させるために排気カムを使用することは有益である。これは弁持上げ装置４及び制御弁１２の円滑な動作を保証する。しかしながら、エンジン２０の吸気弁２４を開くために、同じカム持ち上げ装置４を使用し得る。基本円２ａよりも下の部分２ｃが異なる位置にある異なるカムプロファイル２を用いるならば、制御弁１２を作動させるために吸気カムも使用し得る。

カム持ち上げ装置４は、本体部分５と、本体部分５の内側に配置される往復動するプランジャ６とを含む。プランジャ６は、プッシュロッド８を持ち上げるために配置される。カムフォロア３が軸受を用いてプランジャ６に取り付けられる。本体部分５とプランジャ６との間のコイルバネ７が、カムフォロア３をカムプロファイル２に対して押す。プッシュロッド８とプランジャ６との間にはピストン３０がある。プッシュロッド８とピストン３０との間の遊びを解消するための第２のバネ２９が、ピストン３０とプランジャ６との間に配置される。カムフォロア３がカムプロファイル２の基本円２ａよりも下にあるカムプロファイルの部分２ｃと係合するときには、図５に示すように、プランジャ６とピストン３０との間に間隙３１が形成される。プッシュロッド８とピストン３０との間に或いはプッシュロッド８の上端部とロッカーアーム（図示せず）との間に間隙が形成されないように、第２のバネ２９はピストン３０をプッシュロッド８の端部に対して維持する。これは弁持上げ装置４の円滑な動作を保証する。ピストン３０及び第２のバネ２９の代わりに、カム持ち上げ装置４は、排気弁２５が基本円２ａよりも下にあるカムプロファイル２の部分２ｃによって影響されないことを保証する幾つかの他の構成を備え得る。例えば、カム持ち上げ装置４は、カムフォロアが基本円２ａよりも下にあるカムプロファイル２の部分２ｃに入るときに、プッシュロッド８がプランジャ６に従うのを防止するストップ表面を備え得る。

弁持上げ構成は従来的な方法で作動する。カムフォロア３が基本円２ａよりも下にあるカムプロファイル２の部分２ｃの上にあるとき、プランジャ６はその最低の位置にある。排気カム１が回転させられるとき、カムフォロア３はカムプロファイル２のローブ２ｂと最終的に係合させられるようになる。プランジャ６及びプッシュロッド８は上向きに移動させられ、排気弁２５は開放させられる。図４に示されているのは、排気弁２５が完全に開放させられた状況である。

エンジン２０の各シリンダ１９は、弁部材２２を含む噴射弁１０を備える。噴射弁１０はバネ１１によって閉塞状態に維持される。噴射弁１０の動作を制御するために、各弁持上げ装置４は制御弁１２を備える。カムフォロア３が基本円２ａよりも下にあるカムプロファイル２の部分２ｃと係合させられるとき、プランジャ６は、図５に示すように、制御弁１２の内側の弁部材１３を下向きに押す。

エンジン２０の空気支援システムを始動させるために、主空気支援弁１７が開放させられる。これは追加的な燃焼空気が空気ダクト２６に流入して制御弁１２に至ることを可能にする。加圧空気は入口通路１４を介して制御弁１２に進入する。カムフォロア３が排気カム１の基本円２ａ又はローブ２ｂの上にある弁持上げ装置４と接続している制御弁１２において、空気圧力は制御弁１２の内側の弁部材１３を上向きに押して図４に示される位置にする。よって、弁部材１３は加圧空気が排出通路１６を通じて制御弁１２から流出するのを可能にする。空気は、排出通路から、例えば、エンジン室内に解放される。対照的に、カムフォロア３が排気カム１の基本円２ａよりも下の部分２ｃの上にある弁持上げ装置４と接続する制御弁１２において、プランジャ６は、図５に示すように、弁部材１３を下向きに押す。これは入口通路１４と排出通路１６との間の接続を閉じ、加圧空気が出口通路１５を通じてそれぞれの噴射弁１０に流れるのを可能にする。空気は制御空気入口１７を通じて噴射弁１０の弁部材２２より上に導入され、そこでは、空気圧力は弁部材２２を下向きに押し、噴射弁１０を開く。よって、追加的な燃焼空気は空気ダクト２６内で空気タンク１８から噴射弁１０に流れ、そして、空気入口２８を通じてエンジン２０のシリンダ１９に流入する。

カムシャフトが更に回転すると、カムフォロア３は排気カム１のカムプロファイル２の基本円２ａよりも下の部分２ｃを離れ、基本円２ａに再び進入する。よって、入口通路１４内の圧力及び噴射弁１０の弁部材２２によって生み出される圧力は、バネ１１によって上向きに押されるときに、制御弁１２の内側で弁部材１３を上向きに押し得る。結果的に、図６に見ることができるように、制御弁１２の排出通路１６と入口通路１４との間の接続は再び開き、それぞれのシリンダ１９内への空気噴射は終了させられる。

図７にグラフトして示されているのは、異なるクランク角でのカムフォロア３の位置である。破線は吸気弁のカムフォロアの位置を示しており、実線は排気弁のカムフォロアの位置を示している。プランジャ６も同じ曲線を辿る。弁持上げ装置４のピストン／バネ２９，３０の故にプッシュロッド８の垂直位置が負になり得ないことを除き、プッシュロッド８及び弁リフトも同じ曲線を辿る。水平軸より下の領域は、排気弁持ち上げ装置４のカムフォロア３が基本円２ａよりも下の部分２ｃとどのように係合するかを示している。追加的な燃焼空気の噴射はこの段階中に起こり、図示の実施態様において、それは吸気行程中の下死点（ＢＤＣ）の直ぐ前に開始し、圧縮行程中のＢＤＣ後の約９０度のクランク角まで続く。

本発明は上述の実施態様に限定されず、付属の請求項の範囲内で異なり得ることが当業者に理解されよう。

Claims (11)

1. 多シリンダピストンエンジンであって、
   当該エンジンのシリンダ内に燃焼空気を導入するための手段と、
   当該エンジンの各シリンダのための少なくとも１つのカム作動される弁持上げ装置とを含み、該弁持上げ装置は、ガス交換弁を開放するように配置され、当該エンジンは、追加的な酸素含有ガスを当該エンジンの前記シリンダ内に導入するための構成を更に含み、該構成は、
   − 前記追加的な酸素含有ガスを供給するための圧力媒体源と、
   − 前記圧力媒体を前記シリンダ内に導入するために各シリンダと接続される噴射弁と、
   − 前記圧力媒体源を前記噴射弁に接続するための手段と、
   − 前記噴射弁の動作を制御するための当該エンジンの各シリンダ用の制御弁とを含み、
   各制御弁は、それぞれのシリンダのガス交換カムによって作動させられるよう配置され、前記ガス交換カムは、前記制御弁を作動させるために前記ガス交換カムの基本円より下に配置される部分を含むことを特徴とする、
   多シリンダエンジン。
2. 前記弁持上げ装置が前記ガス交換カムの前記基本円よりも下にある前記ガス交換カムの前記部分と係合させられるとき、前記制御弁は圧力媒体が前記噴射弁に流れることを可能にするよう構成されることを特徴とする、請求項１に記載のエンジン。
3. 前記制御弁は、前記弁持上げ装置によって移動可能である弁部材を含むことを特徴とする、請求項２に記載のエンジン。
4. 前記弁持上げ装置が前記ガス交換カムの前記基本円よりも下にある前記ガス交換カムの前記部分と係合させられるとき、前記弁持上げ装置は前記弁部材を前記ガス交換カムに向かって押すプランジャを含むことを特徴とする、請求項３に記載のエンジン。
5. 前記弁部材は、前記圧力媒体の圧力によって前記弁持上げ装置に向かって押されることを特徴とする、請求項３又は４に記載のエンジン。
6. 前記噴射弁は、前記圧力媒体の圧力によって動作させられるよう構成されることを特徴とする、請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載のエンジン。
7. 前記ガス交換カムは、排気カムであることを特徴とする、請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載のエンジン。
8. 前記構成は、当該エンジンの前記シリンダ内への前記圧力媒体の噴射を始動させるための主空気支援弁を含むことを特徴とする、請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載のエンジン。
9. 各噴射弁は、シリンダヘッド内に配置されることを特徴とする、請求項１乃至８のうちのいずれか１項に記載のエンジン。
10. 前記噴射弁は、前記圧力媒体を前記シリンダ内に直接的に導入するよう配置されることを特徴とする、請求項１乃至９のうちのいずれか１項に記載のエンジン。
11. 前記噴射弁は、始動弁であることを特徴とする、請求項１乃至１０のうちのいずれか１項に記載のエンジン。

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