JP5842078B1 - 始動空気システムを備えた自己着火式大型低速ターボ過給式２ストローク内燃エンジン - Google Patents

Abstract

クロスヘッド（４１）を備えるユニフロー型大型低速ターボ過給式２ストローク内燃エンジンである。該エンジンは、複数のシリンダ（１ａ〜１ｎ）と圧縮空気供給源（８）を備える。各シリンダ（１ａ〜１ｎ）は、シリンダ（１ａ〜１ｎ）の下端部にまたはその付近に設けられた掃気ポート（１７）と、シリンダ（１ａ〜１ｎ）の上部に設けられ、空気バネ（３０）によってその閉位置に弾圧付勢されるカム制御式排気弁（４ａ〜４ｎ）と、一以上の燃料噴射弁（６ａ〜６ｎ）と、圧縮空気供給源に接続された始動空気弁（１３ａ〜１３ｎ）とを備える。上記エンジンは、始動空気弁（１３ａ〜１３ｎ）を空圧によって独立して作動させるように構成された始動空気分配機（１１）と、始動空気分配機（１１）による始動空気弁（１３ａ〜１３ｎ）の独立作動を無効化する手段をさらに備える。前記無効化する手段は、シリンダ（１ａ〜１ｎ）に対応する排気弁（４）が開いている場合に、始動空気弁（１３ａ〜１３ｎ）の独立作動を無効化するように構成されている。【選択図】図５

Description

本発明は、始動空気システム、クロスヘッドおよびカムシャフトを備える自己着火式大型低速ターボ過給式２ストローク内燃エンジンに関する。

クロスヘッドを備えた大型低速２ストローク内燃エンジンは、一般的に、大型船舶の推進システムまたは発電所の原動機に用いられる。このようなエンジンは、ピストンとクランクシャフトの間に配設されたクロスヘッドを有する。

排出ガス規制は、特に、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量について、厳しいものとなっており、今後もさらに厳しさを増すものと思われる。ＮＯｘの発生は、主に燃焼温度と燃焼室内の酸素量に依存する。排出ガス規制を満たすために、圧縮容量が削減されてきたが、これは、燃焼に使用可能な酸素量を減らすことでＮＯｘの排出量を削減するためである。

排気弁の開閉を制御するカムシャフトを備えたユニフロー型大型低速ターボ過給式２ストローク内燃エンジンの場合、上記圧縮容量の変更は、カムシャフトのカム輪郭の変更によってなされる。

圧縮容量の削減により圧縮圧力は増加する。しかしながら、エンジンの機械的構成上圧縮圧力を大幅に増加させることは不可能であり、よって、圧縮容量を削減した場合には、排気弁を閉じるタイミングを大幅に遅らせる必要があった。

大型低速ターボ過給式２ストローク内燃エンジンは、いわゆる始動空気システムを用いて始動される。始動空気システムは、エンジンのシリンダに適切な順序で圧縮始動空気を注入することでエンジンを始動するように構成されている。始動空気は、動力工程においてシリンダでピストンが下降する際にシリンダに流入する。

公知の自己着火式大型２ストローク内燃エンジンにおいて、始動空気レシーバ内の始動空気は、発電設備または船舶用大型ディーゼルエンジンによって駆動される発電機の発電電力を用いた電動始動空気圧縮機から供給される。

始動空気分配機によって、各シリンダへ始動空気が分配される。該分配機は、クランクシャフトの位置に応じて正しい順序で各シリンダに対応する始動空気弁を開閉する。クランクシャフト位置に関わらず確実にエンジンを始動するためには、一の始動空気弁が開くクランクシャフト位置間隔が３６０°／Ｎｃｙｌより大きくなければならない。これが確保されなければ、始動空気弁がひとつも開かず、何も起きなくなるクランクシャフト位置が出来てしまう。

排気弁の閉タイミングを遅らせると、始動空気弁と排気弁が同時に開く顕著なオーバーラップの原因となる（図６、７参照）。その結果、始動空気は、ピストンにエネルギーを一切伝達することなく、単に始動空気弁から排気ガスレシーバに流れてしまうので、クランクシャフトのトルクに寄与しないまま始動空気が大量に消費される。

排気弁の閉タイミングを遅らせることは、始動空気弁と排気弁の両方が開き、よって、始動空気がエンジン排気システムに送出されるオーバーラップ期間があるため、特に、シリンダ数の少ないエンジンの場合、エンジンの始動に不都合である。固定ピッチプロペラに連結された船舶用エンジンに要求される後進（リバース）始動の場合、該オーバーラップは特に顕著なものとなる。

公知のエンジンでは、排気弁の開弁期間を短縮することで始動空気の損失を削減することが試みられてきた。しかしながら、このアプローチは排気弁の閉タイミングを大幅に早めることになり、エンジン始動時の圧縮労力を著しく増加させることとなり、その結果、エンジンの始動性能が低下してしまう。

上記背景において、本願の目的は、上記の問題を解消するか、または少なくとも低減する始動空気システムを備えた大型低速ターボ過給式２ストローク内燃エンジンを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、クロスヘッドを備えるユニフロー型大型低速ターボ過給式２ストローク内燃エンジンを提供する。このエンジンは、複数のシリンダと、圧縮空気供給源とを備え、各シリンダは、前記シリンダの下端部にまたはその付近に設けられた掃気ポートと前記シリンダの上部に設けられ、空気バネによってその閉位置に弾圧付勢されるカム制御式排気弁と、一以上の燃料噴射弁と、前記圧縮空気供給源に接続された始動空気弁とを備える。前記エンジンはさらに、始動空気弁を空圧によって独立して作動させるように構成された始動空気分配機と、前記始動空気分配機による前記始動空気弁の独立作動を無効化する手段とを備え、前記無効化する手段は、前記複数のシリンダのうちの一つのシリンダの前記排気弁が開いている場合、該シリンダの前記始動空気弁の独立作動を無効化するように構成される。

あるシリンダの排気弁が開いている場合には、そのシリンダの始動空気弁の開弁を阻止する無効化手段を備えることで、始動空気がエンジン始動に寄与することなく排気システムへ送出されることが防がれる。これにより，エンジン始動時の圧縮労力を増加させることなく始動空気の損失が防がれる。排気弁の作動に使用される油圧式プッシュロッドの圧力損失により全排気弁が常に閉位置に戻るので、エンジン始動の最初期においては、無効化手段を使用する必要はなく、始動空気による完全に効果的な初期始動ストロークが得られ、これにより、該エンジンの始動性能が大幅に改善され、始動空気消費量が削減される。

本発明の第１の態様の第１の実装形態によれば、前記始動空気弁の独立作動を無効化する手段が、空圧信号導管に無効化弁を備え、前記無効化弁が前記始動空気分配機を前記始動空気弁に接続する第１の位置と前記始動空気分配機を周囲空気に連通させる第２の位置を有する。

本発明の第１の態様の第２の実装形態によれば、前記無効化弁の位置が、シリンダの排気弁の位置によって制御される。

本発明の第１の態様の第３の実装形態によれば、前記無効化弁が前記第１の位置に弾圧付勢されるとともに空圧制御圧力によって第２の位置に移動可能であり、前記空圧制御圧力は、シリンダの排気弁の前記空気バネの圧力である。

本発明の第１の態様の第４の実装形態によれば、前記始動空気分配機が、所定の作動順序に従って、それぞれの前記始動空気弁を独立作動させるように構成されている。

本明細書に開示されるエンジンの、さらなる目的、特徴、効果および特性は、その詳細な記述によって明らかにされるであろう。

以下の詳細説明において、本発明を、図に示される例示実施形態を参照して、より詳細に説明する。

本発明の一例示実施形態に係る大型２ストロークディーゼルエンジンの正面図である。 本発明の図１の大型２ストロークエンジンの側面図である。 本発明の図１の大型２ストロークエンジンの断面図である。 本発明の始動空気システムを備えた図１〜３の大型内燃エンジンを示す図である。 本発明の一例示実施形態に係る無効化手段を備えた図４のエンジンの一のシリンダを示す図である。 本発明の他の例示実施形態に係る無効化手段を備えた図４のエンジンの一のシリンダを示す図である。 本発明の後進動作におけるシリンダの排気弁および始動空気弁の開弁期間を示す円形図である。 本発明の前進動作におけるシリンダの排気弁および始動空気弁の開弁期間を示す円形図である。

詳細説明

以下の詳細説明において、大型低速２ストローク内燃エンジンを例示実施形態を用いて説明する。図１〜３に、クランクシャフト４２およびクロスヘッド４３を備えた大型低速ターボ過給式２ストロークディーゼルエンジンを示す。図３は、大型低速ターボ過給式２ストロークディーゼルエンジンの吸気・排気システムの断面図である。本例示実施形態のエンジンは、例示目的のみのため、４個のシリンダ１を有するものとする。本発明の態様を逸脱しない範囲で、シリンダ１の他の任意の数が利用し得ることは明らかである。大型ターボ過給式２ストロークディーゼルエンジンは、典型的には、エンジンフレーム４５に支持される、４〜１６個のシリンダを一列に有する。上記エンジンは、例えば、大洋航行船舶の主エンジンとして用いられる。エンジンの総出力は、例えば、５０００〜１１００００ｋＷの範囲であってもよい。

上記エンジンは、ユニフロー型自己着火式２ストローク（ディーゼル）エンジンであって、シリンダ１の下部に掃気ポート１７を備え、シリンダ１の上部に排気弁４を備える。上記エンジンは、例えば、船舶用ディーゼル燃料、重質油、またはガス（ＬＰＧ、ＬＮＧ、メタノールおよび／またはエタノール）などの、各種燃料によって動作可能である。掃気は、掃気レシーバ２から各シリンダ１の掃気ポート１７へと通過する。シリンダ１内のピストン４１は掃気を圧縮し、燃料が注入されると燃焼が起き、排気ガスが発生する。排気弁４が開かれると、排気ガスは関係するシリンダ１と関連付けられた排気管７を介して排気ガスレシーバ３へと流入し、さらに、前方へ進んで、第１の排気導管を介して１次（一定圧力）ターボチャージャ５のタービンへ流れ、排気ガスはそこから第２の排気導管を介して流出する。空気流入口からの供給を受け、ターボチャージャ５のタービンはシャフトを介して圧縮機を駆動する。圧縮機は、圧縮された掃気を掃気レシーバ２に至る掃気導管に送達する。一の実施形態（図示略）においては、上記エンジンが一以上の１次ターボチャージャを備えていてもよい。

掃気レシーバ２は、例えば、金属プレートから構築された長尺空洞円筒体を有し、空洞円筒体を形成する実質的に円形断面の輪郭を有する。各シリンダ１の掃気ポート１７が開かれ掃気が取り入れられることに起因する圧力変動を防止するために、つまり、掃気レシーバ２を略一定圧力に維持するために、掃気レシーバ２は充分な断面径と大きな全体積を有する。

排気ガスレシーバ３は、例えば、金属プレートから構築された長尺空洞円筒体を有し、実質的に円形断面の輪郭を有する。シリンダ１からの排気ガスは、排気ガスレシーバ３内へと延在する各排気管７を介して、排気ガスレシーバ３に流入する。各シリンダ１の排気弁４が開かれ排気ガスが排気ガスレシーバ３へと高速送出されることに起因する圧力変動を防止するために、つまり、排気ガスレシーバ３を略一定圧力に維持するために、排気ガスレシーバ３は充分な断面径と大きな全体積を有する。

始動空気システムを図４および図５を参照して説明する。上記エンジンは複数個（「ｎ個」）のシリンダ１ａ〜１ｎを有し、各シリンダ１ａ〜１ｎは往復運動するピストン４１ａ〜４１ｎを収容する。

ピストン４１ａ〜４１ｎは、上部に燃焼室４４を備えたシリンダ１ａ〜１ｎ内に摺動可能に収容され、排気通路への排気ガスの流れは排気弁４ａ〜４ｎおよび油圧式排気弁アクチュエータ３３によって制御される。油圧式排気ガス弁用リニアアクチュエータ３３は、従来通りに、油圧式プッシュロッド （図示略）を介してカムシャフト（図示略）に接続されている。

掃気導管２６は、ピストン制御式掃気ポート１７に掃気を送達する。シリンダ１ａ〜１ｎの上面カバーは、燃料をシリンダ１ａ〜１ｎの燃焼室に注入するための燃料弁６ａ〜６ｎを一以上備える。

各シリンダ１ａ〜１ｎの上面カバーには始動空気弁１３ａ〜１３ｎも設けられており、これらの始動空気弁１３ａ〜１３ｎは始動空気システムに作動可能に接続されている。

始動空気システムは、始動空気レシーバ９を一以上備え、一実施形態においては、始動空気レシーバ９内の圧縮空気は、約３０ｂａｒの圧力になるように、インタークーラーを備えた一以上の２段または３段電動始動空気圧縮機８によって導管を介して補充される。

始動空気レシーバ９の総容量は、始動空気レシーバ９を再充填することなく、前進と後進のエンジン始動を交互に複数回、例えば、１２回、行うのに充分なものである。

始動空気レシーバ９は、圧力上昇を設計圧力の１０％増に制限するためのリリーフ弁（図示略）を備えている。一実施形態においては、始動空気レシーバ９内の圧力を検出するための圧力センサ（図示略）を備えることができる。一実施形態における始動空気レシーバ内の初期圧力は、約３０ｂａｒであり、エンジンを少なくとも数回始動するのに十分な圧力とされる。

通常、始動空気圧縮機８は２台設けられており、一の始動空気レシーバ９または複数のレシーバ９を空の状態からおよそ一時間で完全充填することができる。

各始動空気圧縮機８は、電動駆動モータによって駆動される。該駆動モータの電力は大型低速２ストローク内燃エンジンの発電設備によって供給される。

始動空気導管１２は、始動空気レシーバ９と各始動空気弁１３ａ〜１３ｎをマニホールドを介して流体接続する。

始動空気分配機１１は、各始動空気弁１３ａ〜１３ｎの作動タイミングを正しく確保する。一実施形態においては、上記始動空気分配機１１は、各シリンダに一つずつカム回りの半径方向に配設された、一連のパイロット弁を備える。該分配機は、エンジン（クランクシャフト位置）に合わせたタイミングでカムシャフトにより駆動され、始動空気弁１３ａ〜１３ｎを正しい順序で開閉する。

他の実施形態においては、始動空気分配機１１はロータリーディスクを備え、該ロータリーディスクにはディスクが収容されるハウジングの通気孔に対応する穴が設けられている。該ロータリーディスクは、エンジン（クランクシャフト位置）に合わせたタイミングでカムシャフトにより駆動され、始動空気弁１３ａ〜１３ｎを正しい順序で開閉する。

始動空気分配機１１は、各空圧信号導管１５ａ〜１５ｎを介して各始動空気弁１３ａ〜１３ｎの制御口に接続されている。各空圧信号導管１５ａ〜１５ｎには無効化弁１６ａ〜１６ｎが設けられている。始動空気弁１３ａ〜１３ｎには開位置と閉位置があり、始動空気弁１３ａ〜１３ｎは、その閉位置に弾圧付勢されている。始動空気弁１３ａ〜１３ｎは、その制御口が加圧されるとその開位置へと付勢される。

エンジン始動が必要とされる場合は、主弁１０が開かれ、始動空気弁１３ａ〜１３ｎの流入口が加圧される。各始動空気弁１３ａ〜１３ｎは、空圧信号導管１５ａ〜１５ｎを介して伝達される始動空気分配機１１からの空圧信号によって正しい順番で作動され、よって、シリンダ１ａ〜１ｎには、始動空気分配機１１の制御下で、始動空気レシーバ９から導管１２を介して始動空気が供給される。

始動空気弁１３ａ〜１３ｎは、エンジンを始動するために、一以上のシリンダ１ａ〜１ｎが始動空気レシーバ９から圧縮空気の供給を受けられるように、互いに独立して制御することができる。

図５にはシリンダ１ａひとつのみが示され、参照されていることに注目すべきである。しかしながら、これに加え、本説明は他のシリンダ１ｂ〜１ｎのいずれにも適用される。

一実施形態における無効化手段は、無効化弁１６ａ〜１６ｎを備える。図５に示されるように、無効化弁１６ａは２つの位置を有する。図示された第１の位置においては、無効化弁１６ａは始動空気分配機１１を始動空気弁１３ａの制御口に接続する。第２の位置においては、無効化弁１６ａは始動空気分配機１１を周囲空気に連通させ、始動空気分配機１１からの空圧信号が始動空気弁１３ａへ到達することを阻止する。無効化弁１６ａは第１の位置に弾圧付勢されている。無効化弁１６ａは制御口を備え、該制御口に空気圧を加えることで第２の位置に付勢可能である。本例示実施形態の制御口は、空圧信号導管１９ａを介して空気バネ３０のバネチャンバ３４に接続されている。

空気バネ３０は、バネピストン３１が摺動可能に収容されるシリンダを備えている。バネピストン３１は排気弁４の弁竿に固定されている。
油圧式リニアアクチュエータ３３は、排気弁４を図示された開位置に移動させるため、バネチャンバ３４内の圧力に抗って弁竿およびバネピストン３１を下方に付勢する。油圧式リニアアクチュエータ３３は、従来通りに、カムシャフトのカム（図示略）によって作動されるピストンポンプ（図示略）に接続された油圧式プッシュロッドを介して、油圧を受ける。

油圧式リニアアクチュエータ３３によって排気弁４が開位置に移動されると、バネチャンバ３４内の圧力が上昇し、空圧信号導管１９ａがこの圧力上昇を無効化弁１６ａの制御口に伝達することで、排気弁４が開いている時には始動空気弁１３ａが作動できないように、無効化弁１６ａをその第２の位置へ移動させるとともに空圧信号導管１５ａを周囲空気（例えば、機関室）に連通させる。

排気弁４が閉じられると、バネチャンバ３４内の圧力が低下し、無効化弁１６ａがその第１の位置に戻り、空圧信号導管１５ａにおいて始動空気分配機１１からの空圧信号が無効化されなくなり、よって、始動空気弁１３ａが作動可能となり、エンジン始動に使用可能となる。

図５に図示された実施形態と同様の他の実施形態においても、無効化手段は二方無効化弁１６ａ〜１６ｎを備える。しかしながら、本実施形態の二方無効化弁は、始動空気分配機１１からの空圧信号を信号導管１５ａ〜１５ｎを介して対応する始動空気弁１３ａ〜１３ｎに伝達可能とする位置に弾圧付勢されている。無効化弁１６ａ〜１６ｎの第２の位置においては、始動空気分配機１１からの空圧信号の対応する始動空気弁１３ａ〜１３ｎへの伝達は遮断される。無効化弁１６ａ〜１６ｎの制御口に空気圧を加えることで、無効化弁１６ａ〜１６ｎを付勢し第２の位置に移動させることができる。無効化弁１６ａ〜１６ｎの制御口は、信号導管１９ａ〜１９ｎを介して空気バネ３０のシリンダに設けられた通気孔に接続されている。通気孔は、排気弁４が閉じている時には、バネピストン３１下方のバネチャンバ３４と連通するように配置され、排気弁４が開位置にある時には、バネピストン３１上方の空気チャンバ３５と連通するように配置される。バネチャンバ３４内の圧力は、空気チャンバ３５内の圧力よりも大幅に高い。よって、排気弁４が閉じている場合、無効化弁１６ａ〜１６ｎの制御口において高圧となり、無効化弁１６ａ〜１６ｎは、始動空気分配機１１からの空圧信号が対応する始動空気弁１３ａ〜１３ｎに到達可能となる第１の位置に配置され、排気弁４が開いている場合、無効化弁１６ａ〜１６ｎの制御口において低圧となり、無効化弁１６ａ〜１６ｎは、始動空気分配機１１からの空圧信号が対応する始動空気弁１３ａ〜１３ｎへ到達することを阻止する第２の位置に配置され、始動空気分配機１１からの信号が無効化される。

図示されない実施形態において、無効化弁として、圧力センサまたは排気弁の位置を示す位置センサからの電気信号を受信する電子制御弁を用いることができる。本実施形態の圧力センサは油圧式プッシュロッドに接続可能である。さらに、一実施形態においては、始動空気弁として、圧力センサまたは排気弁の位置を検出する位置センサからの信号に基づいて無効化信号を受信する電子制御弁を用いることができる。

エンジン停止時には、油圧式プッシュロッドが徐々に圧力を失うので、空気バネ３０の効果により全ての排気弁４が閉位置に戻される。このため、クランクシャフトの位置に関わらず、エンジン始動の初期段階において始動空気弁１３ａ〜１３ｎはどれひとつとして無効化されることがなく、エンジン始動の初期段階において、無効化または排気ガスレシーバへの圧力損失を伴わない始動空気が最大充填された状態での起動が達成され、エンジン始動性能が大幅に改善される。

図７に、エンジンを「後進」始動するための排気弁の開弁期間５２および始動空気弁の開弁期間５１を示す。「後進」始動するには、上記２つの期間のオーバーラップは極めて顕著なものとなる。

図８に、「前進」始動するための排気弁の開弁期間５２および始動空気弁の開弁期間５１を示す。「前進」始動するには、上記２つの期間のオーバーラップは非常に顕著なものとなる。

特許請求の範囲において用いられる「備える」（「含む」；"ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ"）という用語は、他の要素又は工程を除外しないものとする。特許請求の範囲において用いられる"ａ"又は"ａｎ"という用語は複数を除外しないものとする。

特許請求の範囲において用いられる符号は、範囲を限定するものとして解釈されてはならない。

本発明を例示を目的として詳述してきたが、上記詳細は、単にその例示を目的としたものであり、本発明の要旨を逸脱しない範囲において当業者によって変更が為され得る。

Claims (5)

1. クロスヘッド（４１）を備えるユニフロー型大型低速ターボ過給式２ストローク内燃エンジンであって、
   複数のシリンダ（１ａ〜１ｎ）と、
   圧縮空気供給源（８）と、
   を備え、
   前記複数のシリンダ（１ａ〜１ｎ）の各々は、
   ・ 前記シリンダ（１ａ〜１ｎ）の下端部にまたはその付近に設けられた掃気ポート（１７）と、
   ・ 前記シリンダ（１ａ〜１ｎ）の上部に設けられ、空気バネ（３０）によってその閉位置に弾圧付勢されるカム制御式排気弁（４ａ〜４ｎ）と、
   ・ 一以上の燃料噴射弁（６ａ〜６ｎ）と、
   ・ 前記圧縮空気供給源に接続された始動空気弁（１３ａ〜１３ｎ）と、
   を備え、
   前記エンジンはさらに、
   始動空気弁（１３ａ〜１３ｎ）を空圧によって独立して作動させるように構成された始動空気分配機（１１）と、
   前記始動空気分配機（１１）による前記始動空気弁（１３ａ〜１３ｎ）の独立作動を無効化する手段と、
   を備え、前記無効化する手段は、前記複数のシリンダのうちの一つのシリンダの前記排気弁が開いている場合、該シリンダの前記始動空気弁の独立作動を無効化するように構成される、エンジン。
2. 前記始動空気弁（１３ａ〜１３ｎ）の独立作動を無効化する手段が、空圧信号導管（１５ａ〜１５ｎ）に無効化弁（１６ａ〜１６ｎ）を備え、
   前記無効化弁（１６ａ〜１６ｎ）が、前記始動空気分配機（１１）を前記始動空気弁（１３ａ〜１３ｎ）に接続する第１の位置と、前記始動空気分配機（１１）を周囲空気に連通させる第２の位置とを有する、
   請求項１に記載のエンジン。
3. 前記無効化弁（１６ａ〜１６ｎ）の位置が、シリンダ（１ａ〜１ｎ）の排気弁（４）の位置によって制御される請求項１に記載のエンジン。
4. 前記無効化弁（１６ａ〜１６ｎ）が前記第１の位置に弾圧付勢されるとともに空圧制御圧力によって第２の位置に移動可能であり、前記空圧制御圧力は、シリンダ（１ａ〜１ｎ）の排気弁（４）の前記空気バネ（３０）の圧力である請求項３に記載のエンジン。
5. 前記始動空気分配機（１１）が、所定の作動順序に従って、それぞれの前記始動空気弁（１３ａ〜１３ｎ）を独立作動させるように構成されている請求項１に記載のエンジン。

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