JP6091008B2 - 排気弁動弁機構、ディーゼルエンジン及び排気弁動弁機構の排気弁冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、排気弁動弁機構、ディーゼルエンジン及び排気弁動弁機構の排気弁冷却方法に関する。

近年、舶用ディーゼルエンジンは、出力向上に伴って燃焼室の壁面温度が上昇する傾向にある。特に、一般的に無冷却式である排気弁は、底面部が高温の燃焼ガスに接して温度上昇するので、摩耗による排気弁の損耗が報告されている。このような排気弁の損耗は、排気弁が大きく冷却が困難な大口径エンジン（ピストン直径６０ｃｍ以上）ほど大きな問題となる。
従来の舶用ディーゼルエンジンにおいては、排気弁の材質変更等により損耗の低減を図ることが行われている。

また、下記の特許文献１には、例えば２サイクル大型ディーゼルエンジンの一つのガス通路に配置されるバルブの内部に、ガス状の冷媒、または、少なくとも部分的にガス状の状態に遷移可能な複数の成分からなる冷媒を送り込む冷却機構が開示されている。

特表２０１３−５２２５１３号公報

上述したように、近年の船舶主機用ディーゼルエンジンは、高出力化に伴って排気弁の損耗が問題となっている。しかし、船舶主機用ディーゼルエンジンの信頼性や耐久性を向上させるためにも、排気弁を効率よく冷却することが望まれる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、排気弁を冷却して信頼性や耐久性を向上させることができる排気弁動弁機構、ディーゼルエンジン及び排気弁動弁機構の排気弁冷却方法を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る排気弁動弁機構は、圧縮された作動油によって上部動弁機構へ伝達される駆動力を用いて開かれる排気弁を備えた排気弁動弁機構において、前記排気弁の弁体内部に形成されて前記作動油の一部を導入する冷媒循環流路と、前記上部動弁機構の筐体を貫通して設けられた排油流路とを備え、前記排気弁が開いたとき、前記冷媒循環流路の出口開口と前記排油流路の入口開口とが連通して前記作動油の一部に流れを生じさせ、前記排気弁が閉じたとき、前記冷媒循環流路の前記出口開口が塞がれて前記作動油の流れが留まることを特徴とするものである。

このような排気弁動弁機構によれば、排気弁の弁体内部に形成されて作動油の一部を導入する冷媒循環流路と、上部動弁機構の筐体を貫通して設けられた排油流路とを備え、排気弁の開閉動作時に、冷媒循環流路の出口開口と排油流路の入口開口とが連通して作動油の一部に流れを生じさせるので、排気弁動弁機構に用いる作動油の一部を有効利用して排気弁を確実に冷却することができる。

上記の発明において、前記排油流路には流量制御部を設けることが好ましく、これにより、冷却に使用する作動油の流量を適切に制御することができる。なお、好適な流量制御部としては、オリフィスの他、負荷に応じて流路断面積を最適化できるサーボ弁等を例示できる。

上記の発明において、下部動弁機構のピストンストロークは、前記排気弁の開閉動作に必要な値に対して前記作動油の排油量に応じた値を加えて設定されることが好ましく、これにより、排気弁の冷却により一部の作動油が排油流路へ流出する排油量を補うことができる。すなわち、下部動弁機構のピストンストロークは、作動油による排気弁冷却を行わない場合と比較して、排油量に相当する作動油供給量分だけ長い値に設定すればよい。

上記の発明において、前記冷媒循環流路の出口開口と前記排油流路の入口開口とが連通する位置は、排気弁リフトＬが、シート部面積と通路最小面積とを等しくした排気弁リフト量（Ｌ１）以上（Ｌ≧Ｌ１）となるように設定されることが好ましく、これにより、エンジン性能に影響を与えることなく作動油の一部を利用した排気弁冷却が可能になる。

本発明に係るディーゼルエンジンは、上記の排気弁動弁機構を備える。

本発明に係る排気弁動弁機構の排気弁冷却方法は、圧縮された作動油によって上部動弁機構へ伝達される駆動力を用いて開かれる排気弁を備えた排気弁動弁機構の排気弁冷却方法において、前記排気弁が開いたとき冷却媒体として前記作動油の一部を弁体内部に導入して循環させ、前記排気弁が閉じたとき前記作動油を前記弁体内部に導入しないことを特徴とするものである。

このような排気弁動弁機構の排気弁冷却方法によれば、排気弁の開閉動作時に冷却媒体として作動油の一部を弁体内部に導入して循環させるので、排気弁の動弁機構に用いる作動油の一部を有効利用して排気弁を確実に冷却することができる。

上述した本発明によれば、排気弁の動弁機構に用いる作動油の一部を有効利用して確実に冷却できるようになり、排気弁の信頼性や耐久性を向上させることができる。また、作動油の一部を有効利用するので、新たな冷媒及び冷媒供給系統を設ける場合と比較して構造変更が容易である。

本発明に係る排気弁動弁機構、ディーゼルエンジン及び排気弁動弁機構の排気弁冷却方法の一実施形態を示す図で、上部動弁機構に導入した作動油の一部を弁体内部に導く冷媒循環流路の分岐部を示す要部断面図である。 排気弁の弁体内部に設けられた冷媒循環流路を示す要部断面図である。 排気弁の開閉動作に伴う冷媒循環流路及び排油流路の連通（流動）状態を示す要部断面図であり、（ａ）は両流路が連通しないため作動油が非流動の状態、（ｂ）は両流路が連通して作動油が流動する状態である。 下部動弁機構のピストンストロークを示す断面図で、（ａ）は従来構造、（ｂ）は作動油の一部を排気弁冷却に利用する場合の構造である。 排気弁リフト、シート部面積及びシート最小面積を示す説明図である。 冷媒循環流路及び排油流路の連通位置について好ましい設定の説明図であり、（ａ）はクランク角度に対する排気弁リフトの関係、（ｂ）はクランク角度に対する開口面積の関係を示している。 冷媒循環流路及び排油流路の連通位置について好ましくない設定の説明図であり、（ａ）はクランク角度に対する排気弁リフトの関係、（ｂ）はクランク角度に対する開口面積の関係を示している。 作動油を圧縮して下部動弁機構から上部動弁機構へ伝達される駆動力を用いて開かれる排気弁を備えた排気弁動弁機構の概略構成図であり、下部動弁機構として電子制御式を採用した排気弁の構成例を示している。 作動油を圧縮して下部動弁機構から上部動弁機構へ伝達される駆動力を用いて開かれる排気弁を備えた排気弁動弁機構の概略構成図であり、下部動弁機構としてカム式を採用した排気弁の構成例を示している。

以下、本発明に係る排気弁動弁機構、ディーゼルエンジン及び排気弁動弁機構の排気弁冷却方法の一実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態のディーゼルエンジンは、例えば船舶主機用ディーゼルエンジンであり、作動油を圧縮して下部動弁機構１０から上部動弁機構２０へ伝達される駆動力を用いて開かれる排気弁５を備えた排気弁動弁機構４を備えている。

図８に示す排気弁構造において、気筒１内に形成された燃焼室２の上部に連通して排気流路３が設けられ、この排気流路３を開閉するようにして排気弁動弁機構４を備えた排気弁５が設けられている。
図８に示す排気弁動弁機構４は、下部動弁機構１０及び上部動弁機構２０を備えている。この排気弁動弁機構４は、下部動弁機構１０で圧縮した作動油を上部動弁機構２０へ供給して伝達される駆動力を用い、上部動弁機構２０の空気ばね２１に押し上げられて閉じた状態にある排気弁５を、作動油の圧力により押し下げて開くものである。なお、図中の符号６は、下部動弁機構１０と上部動弁機構２０との間を接続する作動油流路である。

図８に示す下部動弁機構１０は、メインバルブ１１ａ，１１ｂを備えた電磁弁ユニット１１を操作し、油圧シリンダ１２内のピストン１３を押し上げる電子制御式であるが、これに限定されることはない。例えば図９に示す排気弁動弁機構４Ａのように、下部動弁機構１０Ａとしてピストン１３をカム１５により押し上げるカム式を採用してもよい。図９において、図中の符号１６はピストン１３を下向きに付勢しているばねである。
なお、電子制御式の排気弁動弁機構４及びカム式の排気弁動弁機構４Ａは、何れの機構を採用しても後述する上部動弁機構２０側の構成及び動作は同じである。

上部動弁機構２０は、排気弁５が上下方向に移動して排気流路３を開閉する動作を可能にするため、軸部５ａの上下方向移動を可能に支持する開閉動作支持部材である。この上部動弁機構２０は、上述した空気ばね２１に加えて、下部動弁機構１０から供給される作動油を受け入れるシリンダ部２２内に設置されたピストン２３を備えている。このピストン２３は、軸部５ａの上端部に取り付けられて一体に動作する。
また、軸部５ａは、空気ばね２１と傘部５ｂとの間において、軸受部２４で上下方向のスライドが可能に支持されている。

このように、作動油を圧縮して下部動弁機構１０，１０Ａから上部動弁機構２０へ伝達される駆動力を用いて開かれる排気弁５を備えた船舶主機用ディーゼルエンジンの排気弁動弁機構４は、本実施形態において、図１〜図３に示すように、排気弁５の弁体内部に形成されて作動油の一部を導入する冷媒循環流路３０と、上部動弁機構２０の筐体２５を貫通して設けられた排油流路４０とを備えている。そして、冷媒循環流路３０及び排油流路４０は、排気弁５の開閉動作時において、冷媒循環流路３０の出口開口３１と排油流路４０の入口開口４１とが連通し、冷媒循環流路３０に導入される作動油の一部に流れを生じさせる。

冷媒循環流路３０は、作動油の入口３２がシリンダ部２２内に連通するようピストン２３に開口し、ピストン２３及び軸部５ａの内部を通って傘部５ｂに至る。傘部５ｂの内部に設けられる冷媒循環流路３０は、可能な限り底面に近い位置を全周にわたって通り、再度軸部５ａを通って出口開口３１に至る。すなわち、温度上昇しやすい排気弁５の傘部５ｂについては、できるだけ表面に近い位置を全周にわたって通る冷媒循環流路３０を設けることが望ましい。
また、排気弁５が閉じた状態において、出口開口３１は空気ばね２１の内部に開口するが、出口開口３１からの作動油流出を防止するため、フランジ２６の上面に固定してリング壁２７を設けてある。この結果、出口開口３１は、排気弁５の開閉動作範囲において、排油流路４０の入口開口４１と連通する位置を除いて、軸受部２４からリング壁２７まで壁面により塞がれた状態となる。

排油流路４０は、上部動弁機構２０の筐体２５を貫通して設けられ、その入口開口４１は、排気弁５が開となり、冷媒循環流路３０の出口開口３１と連通する位置にある。そして、排油流路４０の他端は、図示省略の作動油タンクに接続されている。
また、排油流路４０の適所には、例えば筐体２５の外壁面近傍等に、作動油の流出流量を制御する流量制御部としてオリフィス４２を設けてある。このオリフィス４２は、作動油の流出量が過大になることを防止するものである。なお、オリフィス４２に代えて、負荷に応じて流路断面積を最適化できるサーボ弁等を採用してもよい。

上述した本実施形態によれば、排気弁５が全閉の状態では、下部動弁機構１０からの作動油供給がなく、従って、排気弁５は空気ばね２１から上向きの付勢を受けてシート面に密着している。このとき、冷媒循環流路３０内の作動油は、作動油の供給がないことに加えて出口開口３１が塞がれているため、流動することなく流路内に留まっている。
しかし、下部動弁機構１０が動作すると作動油流路６を流れる作動油の流れ（矢印Ｆ）が生じ、上部動弁機構２０のシリンダ部２２内に流入する。このため、ピストン２３には作動油の圧力が作用し、軸部５ａを下向きに押し下げる力が発生するので、この力が空気ばねの付勢に打ち勝つことにより、ピストン２３及び排気弁５が押し下げられて排気流路３は開状態となる。

また、シリンダ部２２に流入した作動油の一部は、入口３２から冷媒循環流路３０に流入する。そして、図３（ｂ）に示すように、出口開口３１及び入口開口４１の位置が一致または略一致して互いに連通状態になると、冷媒循環流路３０内の作動油は、図中に矢印ｆで示すように流れて排気弁５を冷却する。このとき、排気弁５を冷却した作動油は排油流路４０からオリフィス４２に流量制御されて流出し、この流出分を補充するようにして新たな作動油が入口３２から流入してくる。このため、冷媒循環流路３０内の作動油は、排気弁５が作動して作動油の排油流路４０と連通するタイミングでのみ流路内を循環して流れ、温度の低い作動油により効率よく確実に排気弁５を冷却する。

ところで、下部動弁機構１０，１０Ａのピストンストロークは、すなわち油圧シリンダ１２内のピストン１３に与えられたピストンストロークは、排気弁５の冷却により一部の作動油（矢印ｆ）が排油流路４０へ流出する排油量を補うため、排気弁開閉動作に必要な値に対して、作動油の排油量に応じた値を加えて設定することが望ましい。

具体的には、図４（ａ）に示す従来のピストンストロークＨに対して、図４（ｂ）に示すように、排油量を補うためのピストンストロークΔＨを加えたピストンストローク（Ｈ＜Ｈ+ΔＨ）に設定する。すなわち、下部動弁機構１０に設定される本実施形態のピストンストロークは、排気弁冷却を行わない場合（従来構造）と比較して、排油量に相当する作動油供給量分だけ長い値に設定すればよい。
なお、図４（ａ），（ｂ）は電子制御式の排気弁動弁機構４を示しているが、カム式の排気弁動弁機構４Ａについても同様である。

また、冷媒循環流路３０の出口開口３１と排油流路４０の入口開口４１とが連通する位置（冷却油流路の連通位置）は、エンジン性能に影響を与えることなく作動油の一部を利用した排気弁冷却を可能とする設定が望ましい。このため、図５に示すように、実線で示す全閉位置と想像線で示す排気弁５の開位置とにより定まる排気弁リフトＬについては、排気弁５とシート部との間に形成されるシート部面積Ｓａと、排気流路３に設定されている通路最小面積Ｓｂとが等しい排気弁リフト量をＬ１として、排気弁リフトＬがＬ１以上（Ｌ≧Ｌ１）となるように設定する。

図６は、冷媒循環流路３０及び排油流路４０の連通位置について、好ましい設定の説明図である。図６（ａ）は、クランク角度に対する排気弁リフトの関係を示し、図６（ｂ）は、クランク角度に対する開口面積（シート部面積Ｓａ）の関係を示している。
排気弁５の排気弁リフト及び開口面積は、クランク角度が進むにつれて大きくなり、所定のクランク角度範囲内で一定値を維持した後に小さくなって閉じる。なお、図中の実線表示は排気弁冷却を行わない場合であり、破線表示が排気弁冷却により変化する部分である。

一方、排気に使用される有効面積は、図６（ｂ）に網掛けを施した領域であり、シート部面積（開口面積）Ｓａが通路最小面積Ｓｂより小さい領域の面積となる。
そして、図６（ａ）に示すように、通路最小面積Ｓｂに対応するクランク角度の排気弁リフトＬが、「シート部面積Ｓａ＝通路最小面積Ｓｂ」の排気弁リフト量Ｌ１となる。
従って、冷却油通路の連通位置については、排気弁リフトＬが通路最小面積Ｓｂに対応する排気弁リフトＬ１より大きな値となる領域に設定すれば、排気弁冷却により生じる面積の減少は排気に使用される有効面積の網掛け外となるため、エンジン性能に影響することなく排気弁冷却を行うことができる。

しかし、図７（ａ），（ｂ）に示すように、冷却油通路の連通が排気に使用される有効面積内の領域で行われると、作動油の一部が冷却に使用されて開弁操作に使用できる量が減少するので、排気弁５が開弁して燃焼室２内の燃焼排ガスを排出する際には、排気弁リフト及び開口面積の遅延が生じる。すなわち、破線で示す排気弁リフト及び開口面積は、排気に使用される有効面積内において実線表示よりクランク角度が進んだ方向に移動するので、このような遅延により図７（ｂ）に示すハッチング部の面積が減少し、この結果、ガス交換不良によるエンジン性能が悪化することとなる。換言すれば、冷却油通路の連通位置について、排気弁リフトＬが通路最小面積Ｓｂに対応する排気弁リフトＬ１より大きな値となる領域に設定することにより、図７（ｂ）のハッチング部に相当する領域は排気に使用される有効面積外となり、この結果、ガス交換不良によるエンジン性能の悪化を防止することができる。

また、上述した本実施形態の船舶主機用ディーゼルエンジンの排気弁動弁機構４，４Ａは、作動油を圧縮して下部動弁機構１０，１０Ａから上部動弁機構２０へ伝達される駆動力を用いて開かれる排気弁５の排気弁冷却方法として、排気弁５の開閉動作時に冷却媒体として排気弁動弁機構４，４Ａで使用する作動油の一部を弁体内部に導入して循環させることが可能になり、この結果、排気弁動弁機構４，４Ａに用いる作動油の一部を有効利用して排気弁５を確実に冷却することができる。

このように、上述した本実施形態によれば、排気弁動弁機構４，４Ａに用いる作動油の一部を有効利用して確実に冷却できるようになり、排気弁５の信頼性や耐久性を向上させることができる。また、作動油の一部を有効利用するので、新たな冷媒及び冷媒供給系統を設ける場合と比較して船舶主機用ディーゼルエンジンの構造変更が容易である。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえば類似する舶用主機以外のディーゼルエンジンにも適用可能であるなど、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１ 気筒
２ 燃焼室
３ 排気流路
４，４Ａ 排気弁動弁機構
５ 排気弁
５ａ 軸部
５ｂ 傘部
６ 作動流路
１０，１０Ａ 下部動弁機構
１１ 電磁弁ユニット
１２ 油圧シリンダ
１３ ピストン
１５ カム
１６ ばね
２０ 上部動弁機構
２１ 空気ばね
２２ シリンダ部
２３ ピストン
２４ 軸受部
２５ 筐体
２６ フランジ
２７ リング壁
３０ 冷媒循環流路
３１ 出口開口
３２ 入口
４０ 排油流路
４１ 入口開口
４２ オリフィス（流量制御部）

Claims (6)

1. 圧縮された作動油によって上部動弁機構へ伝達される駆動力を用いて開かれる排気弁を備えた排気弁動弁機構において、
   前記排気弁の弁体内部に形成されて前記作動油の一部を導入する冷媒循環流路と、前記上部動弁機構の筐体を貫通して設けられた排油流路とを備え、
   前記排気弁が開いたとき、前記冷媒循環流路の出口開口と前記排油流路の入口開口とが連通して前記作動油の一部に流れを生じさせ、前記排気弁が閉じたとき、前記冷媒循環流路の前記出口開口が塞がれて前記作動油の流れが留まることを特徴とする排気弁動弁機構。
2. 前記排油流路に流量制御部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の排気弁動弁機構。
3. 下部動弁機構のピストンストロークは、前記排気弁の開閉動作に必要な値に対して前記作動油の排油量に応じた値を加えて設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の排気弁動弁機構。
4. 前記冷媒循環流路の出口開口と前記排油流路の入口開口とが連通する位置は、排気弁リフトＬが、シート部面積と通路最小面積とを等しくした排気弁リフト量（Ｌ１）以上（Ｌ≧Ｌ１）となるように設定されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の排気弁動弁機構。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の排気弁動弁機構を備えるディーゼルエンジン。
6. 圧縮された作動油によって上部動弁機構へ伝達される駆動力を用いて開かれる排気弁を備えた排気弁動弁機構の排気弁冷却方法において、
   前記排気弁が開いたとき冷却媒体として前記作動油の一部を弁体内部に導入して循環させ、前記排気弁が閉じたとき前記作動油を前記弁体内部に導入しないことを特徴とする排気弁動弁機構の排気弁冷却方法。

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