JP6092090B2 - 排気弁駆動装置およびこれを備えた内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、カムに駆動されるプランジャから吐出された作動油の油圧により、排気弁の軸端部に設けられたピストンを押圧して排気弁を開くようにした油圧作動式の排気弁駆動装置およびこれを備えた内燃機関に関するものである。

この種の排気弁駆動装置は、油圧を操作することにより、内燃機関の運転負荷に応じて排気弁の開閉タイミングが最適になるように制御することができる。
例えば、舶用の大型の低速２ストロークサイクルディーゼル機関においては、高負荷運転時に排気弁が閉じるタイミングを遅らせることで、筒内ガスの圧縮圧力が高くなり過ぎることを防止して内燃機関の耐久性を高めることができる。また、排気弁が閉じる速度を低下させて排気弁がバルブシートに叩き付けられないようにし、排気弁やバルブシートの損傷や摩耗等を抑制することができる。

これに対し、カムで直接排気弁を駆動する一般的な機械式の排気弁駆動装置では、排気弁の動きがカムのプロファイルに依存するものとなるため、排気弁の開閉タイミングを変更するには、プロファイルの異なる複数のカムを設けたり、レバー比を変更できるロッカーアームを介在させたりする等、複雑な構成を必要とする。したがって、洋上での故障を避けたい舶用内燃機関の排気弁駆動装置としては好ましくない。

特許文献１には、上記のように排気弁が閉じるタイミングを遅らせるようにした油圧作動式の排気弁駆動装置が開示されている。同文献のＦｉｇ．１に示されるように、排気弁５の軸端部に設けられて排気弁５を開弁方向に押圧するピストン１０が大径部と小径部とを備えた二段ピストンであり、このピストン１０がスライドするシリンダ４も大径ボアと小径ボアとを備えた二段筒形状である。

カムに駆動される油圧ポンプから圧送される作動油は、油路１１を経てシリンダ４の小径ボアに供給され、その油圧によってピストン１０が押し下げられ、排気弁５が開く。また、排気弁５が閉じる時は、ピストン１０の小径部がシリンダ４の小径ボアに突入するまでは速い速度で排気弁５が閉じて行き、ピストン１０の小径部がシリンダ４の小径ボア内に突入し始めると、ピストン１０の小径部とシリンダ４の大径部との間に封じ込まれた作動油が、シリンダ４とピストン１０との間の隙間を通ってシリンダ４の小径部に流れ込もうとし、この時の流動抵抗によってピストン１０の動きに緩衝作用が働き、排気弁５の閉弁速度が低下する。このため、排気弁５は比較的ゆっくりした速度で着座し、バルブシートとの衝突による衝撃から守られる。

特開平１−２４４１１１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された排気弁駆動装置では、排気弁５が閉じるタイミングが遅延する度合いが一定であり、例えば排気弁５が閉じるタイミングを遅らせないようにしたり、より遅くしたりすることができなかった。このため、内燃機関の特性を変化させて各種の運転状況に適合させ難かった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、舶用内燃機関に適した簡素な構成によって排気弁が閉じるタイミングを変更できるようにし、内燃機関の特性を運転状況に適合させ得る排気弁駆動装置およびこれを備えた内燃機関を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の排気弁駆動装置およびこれを備えた内燃機関は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる排気弁駆動装置の第１の態様は、内燃機関の排気弁に設けられたピストンと、前記ピストンが収容されるシリンダと、前記シリンダに油圧経路を介して接続されるとともに、カムにより駆動されて前記シリンダに所定の開弁タイミングで間欠的に油圧を供給し、前記ピストンを押圧して前記排気弁を開弁させる油圧供給手段と、前記排気弁を閉弁方向に付勢する閉弁付勢手段と、前記ピストンの頂面に形成されて該ピストンの横断面積よりも小さな頂部面積を有する凸部と、前記シリンダの天井面に形成されて前記ピストンの上昇時に前記凸部が隙間を介して挿入される凹部と、前記凹部の深さを変更するアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する制御手段と、を具備してなることを特徴とする。

上記構成によれば、油圧供給手段がカムに駆動されると、所定の開弁タイミングでシリンダに油圧が供給され、これによりシリンダ内部のピストンが押圧されて排気弁が開かれる。また、シリンダへの油圧が低下すると、閉弁付勢手段の付勢力により排気弁が閉じられる。

排気弁が閉じられる時には、排気弁と一体に動くピストンがシリンダの奥に進み、ピストンの頂面に形成された凸部がシリンダの天井面に形成された凹部に挿入されるまでは速い速度で排気弁が閉じていく。そして、ピストンの凸部がシリンダの凹部に突入し始めると、凸部とシリンダとの間に封じ込まれた作動油が、凸部と凹部との間の狭い隙間を通ってシリンダ外に流出しようとし、この時の大きな流動抵抗によってピストンの動きに緩衝作用が働き、排気弁の閉弁速度が低下する。このため、排気弁は比較的ゆっくりした速度で着座し、バルブシートとの衝突による衝撃から守られる。

シリンダの凹部は、アクチュエータおよび制御手段によって深さを変更することができる。凹部の深さが小さいと、凸部とシリンダとの間に封じ込まれる作動油の量が少なくなるため、ピストンの緩衝作用が少なくなり、排気弁はカムのプロファイルによって定められた閉弁タイミングに近い、比較的速いタイミングで閉じる。

また、凹部の深さが大きいと、凸部とシリンダとの間に封じ込まれる作動油の量が多くなるため、その排出に時間が掛かるようになり、ピストンの緩衝作用が大きくなる。このため、排気弁はカムのプロファイルによって定められた閉弁タイミングよりも遅いタイミングで閉じる。

このように、シリンダ側に設けられた凹部の深さを変更することによって排気弁が閉じるタイミングを早くしたり遅くしたりできるので、内燃機関の特性を運転状況に適合させることができる。

また、排気弁が閉じるタイミングの変更は、シリンダに設けられた凹部の深さを変更するという簡単な構造で達成できるため、簡素な構成であることが望ましい舶用内燃機関に適している。

上記構成において、前記制御手段は、前記内燃機関の負荷が上がるにつれて前記凹部の深さが大きくなるように前記アクチュエータを制御することが好ましい。
このように制御すれば、内燃機関の負荷が高まるにつれて排気弁が閉じるタイミングが遅くなる。これにより、高負荷運転時に筒内ガスの圧縮圧力が高くなり過ぎることを防止して内燃機関の耐久性を高めることができる。

また、本発明にかかる排気弁駆動装置の参考例は、内燃機関の排気弁に設けられたピストンと、前記ピストンが収容されるシリンダと、前記シリンダに油圧経路を介して接続されるとともに、カムにより駆動されて前記シリンダに所定の開弁タイミングで間欠的に油圧を供給し、前記ピストンを押圧して前記排気弁を開弁させる油圧供給手段と、前記排気弁を閉弁方向に付勢する閉弁付勢手段と、前記油圧供給手段と前記シリンダとを接続する前記油圧経路から分岐するリーク通路と、前記リーク通路の通路面積を変化させる流量調整手段と、前記流量調整手段を制御する制御手段と、を具備し、前記制御手段は、前記油圧供給手段による油圧の供給時に前記シリンダに供給される油量よりも、前記排気弁の閉弁時に前記シリンダから前記油圧供給手段に戻される油量が少なくなるように前記流量調整手段を制御することを特徴とする。

上記構成によれば、前記の第１の態様と同じく、油圧供給手段がカムに駆動されると、所定の開弁タイミングでシリンダに油圧が供給され、これによりシリンダ内部のピストンが押圧されて排気弁が開かれる。また、シリンダへの油圧供給が途絶えると、閉弁付勢手段の付勢力により排気弁が閉じられる。

リーク通路に設けられた流量調整手段からは、油圧供給手段から供給される作動油（油圧）の一部が油圧経路の外部にリークする。これにより、油圧供給手段による加圧時にシリンダに圧送される油量よりも、排気弁の閉弁時にシリンダから油圧供給手段に戻される油量が少なくなるため、排気弁の閉弁時にはピストンが確実にシリンダ内に戻ることができ、このため排気弁を確実に閉じることができる。

流量調整手段を制御することにより、油圧供給手段から供給される作動油を外部にリークさせる量を調整することができる。このリーク量を小さくすると排気弁が閉じる速度が遅くなり、リーク量を大きくすると排気弁が閉じる速度が速くなる。

このように、油圧供給手段によって生成された油圧を外部に逃がすリーク通路に流量調整手段を設けることにより、排気弁が閉じるタイミングを早くしたり遅くしたりできるので、内燃機関の特性を運転状況に適合させることができる。

しかも、排気弁が閉じるタイミングの変更は、油圧経路やシリンダ等にリーク通路と流量調整手段とを設けるという簡単な構造で達成できるため、簡素な構成であることが望ましい舶用内燃機関に適している。

上記構成において、前記制御手段は、前記内燃機関の負荷が上がるにつれて前記リーク通路の通路面積が小さくなるように前記流量調整手段を制御することが好ましい。
このように制御すれば、内燃機関の負荷が上がるにつれて排気弁が閉じるタイミングを遅くし、高負荷運転時に筒内ガスの圧縮圧力が高くなり過ぎることを防止して内燃機関の耐久性を高めることができる。

また、本発明に係る内燃機関は、上記のいずれかに記載の排気弁駆動装置を備えていることを特徴とする。

これにより、舶用内燃機関に適した簡素な構成でありながら、排気弁が閉じるタイミングを変更できるようにし、内燃機関の特性を運転状況に適合させることができる。

以上のように、本発明に係る排気弁駆動装置およびこれを備えた内燃機関によれば、舶用内燃機関として好適である簡素な構成により、排気弁が閉じるタイミングを変更することができ、これによって内燃機関の特性を運転状況に適合させ、内燃機関の信頼性および耐久性を高めるとともに、省燃費化等に貢献することができる。

本発明の第１実施形態に係る排気弁駆動装置を示す概略構成図である。 図１のII部拡大図であり、（ａ）はピストンの凸部がシリンダの凹部に挿入される前の状態を示し、（ｂ）はピストンの凸部がシリンダの凹部に挿入され始めた状態を示す縦断面図である。 ピストンの凸部とシリンダの凹部の別な形状例を示す図であり、（ａ）はピストンの凸部がシリンダの凹部に挿入される前の状態を示し、（ｂ）はピストンの凸部がシリンダの凹部に挿入され始めた状態を示す縦断面図である。 （ａ）は第１実施形態におけるカムリフト量、（ｂ）は同じく作動油圧、（ｃ）は同じく排気弁リフト量をそれぞれ示すグラフである。 本発明の参考実施形態に係る排気弁駆動装置を示す概略構成図である。 （ａ）は参考実施形態におけるカムリフト量、（ｂ）は同じく作動油圧、（ｃ）は同じく排気弁リフト量をそれぞれ示すグラフである。

以下に、本発明に係る排気弁駆動装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る排気弁駆動装置を示した概略構成図である。この排気弁駆動装置１は、船舶主機用ディーゼルエンジン（内燃機関）に設けられている。

船舶主機用ディーゼルエンジン（以下「ディーゼルエンジン」という。）は、例えば低速２ストロークサイクル機関とされており、下方から給気して上方へ排気するように一方向に掃気されるユニフロー型が採用されている。ディーゼルエンジンからの出力は、図示しないプロペラ軸を介してスクリュープロペラに直接的または間接的に接続されている。

排気弁駆動装置１は、図１に示されているように、ディーゼルエンジンのシリンダヘッド３に形成された排気流路を開閉する排気弁５と、排気弁５に設けられたピストン７と、ピストン７が収容されるシリンダ９と、シリンダ９に油圧を供給する油圧経路１１および油圧供給装置１３（油圧供給手段）と、排気弁５を閉弁方向（図１では上方）に付勢する空気バネ装置１５（閉弁付勢手段）と、アクチュエータ１７および制御装置１９（制御手段）と、を備えている。

ピストン７は、上下方向に延在する排気弁５の軸部５ａ上端に接続されており、排気弁５の開閉に伴ってシリンダ９内を上下方向に往復動するようになっている。ピストン７とシリンダ９とによって形成された油圧室２１には、油圧経路１１の一端１１ａが接続されている。また、この油圧室２１からはオリフィス用経路２５が延出しており、このオリフィス用経路２５には固定絞りとされたオリフィス２７が設けられている。なお、排気弁５は、空気バネ装置１５によって常時閉弁方向（上方）に付勢されている。

油圧供給装置１３は、プランジャ３１と、シリンダ３３と、カム３５とを備えて構成されている。プランジャ３１はシリンダ３３内に摺動自在に挿入され、図示しない付勢手段によって常にシリンダ３３から抜ける方向（下方）に付勢されているプランジャ３１とシリンダ３３とによって形成された加圧室３７には油圧経路１１の他端１１ｂが接続されている。

プランジャ３１の下部には接続軸３９を介してカムローラ４１が軸支されている。カムローラ４１は、下方に配置されたカム３５の外周面、即ちカムプロファイル上を転動する。カム３５は、ディーゼルエンジンのクランク軸と同期して回転するカム軸４３に一体的に設けられている。

油圧経路１１には、分岐点１１ｃから低圧作動油供給経路４５が分岐している。この低圧作動油供給経路４５には逆止弁４７を介して図示しない低圧作動油源が接続されており、排気弁５を開閉する際に用いるベースとなる油圧が供給される。油圧経路１１内の油圧が所定値以下になった場合には、逆止弁４７が開いて低圧作動油供給経路４５から作動油（油圧）が補充される。また、逆止弁４７は、油圧経路１１内の圧力が所定値以上の場合、即ちプランジャ３１による加圧行程時には閉じられる。

図２（ａ），（ｂ）にも示すように、ピストン７の頂面には、その中央部に円柱状の凸部７ａが形成されている。この凸部７ａの頂部面積は、ピストン７の横断面積よりも小さい。例えば、ピストン７の直径が８０ミリであるとすれば、凸部７ａの直径は５０ミリ程度、凸部７ａの頂面からの高さは６０ミリ程度を例示することができるが、この寸法、あるいはこの直径の比率に限定されるものではない。

一方、シリンダ９の天井面には、その中央部に円柱孔状の凹部９ａが形成されている。この凹部９ａの内径は、ピストン７が上昇した時に、ピストン７の凸部７ａが数ミリ程度の隙間を介して挿入される寸法に設定されている。

凹部９ａの深さｈは、ゼロから凸部７ａの高さと同じ高さまでの範囲で変更することができる。例えば、シリンダ９の頂部の構造は、中心部に位置する円柱状の固定部材９ｂの周囲に、円筒状の可動部材９ｃが密に、且つ上下に相対移動可能に設けられた構造となっており、固定部材９ｂの下方、且つ可動部材９ｃの内周側の空間が凹部９ａとなる。なお、油圧経路１１は固定部材９ｂの下面に開口している。

そして、図１に示すアクチュエータ１７で可動部材９ｃを上下に移動させることで、凹部９ａの深さｈを変更することができる。例えば、固定部材９ｂの外周面と可動部材９ｃの内周面との間をネジ対偶とし、アクチュエータ１７の動力で可動部材９ｃを固定部材９ｂに対して相対回転させることにより、可動部材９ｃを上下に移動させて凹部９ａの深さを変更することが考えられる。なお、シリンダ９の内周面と可動部材９ｃの外周面との間をネジ対偶としてもよい。

また、図１に示す制御装置１９は、アクチュエータ１７を制御して可動部材９ｃの上下位置を設定する。例えば、制御装置１９は、ディーゼルエンジンの負荷が上がるにつれて凹部９ａの深さが大きくなるようにアクチュエータ１７を制御する。

次に、上記のように構成された排気弁駆動装置１の動作について説明する。
油圧供給装置１３のカム３５（カム軸４３）が回転すると、カムローラ４１がカム３５のカムプロファイルをなぞって回転しながら上下に移動し、その上下移動が接続軸３９を介してプランジャ３１をシリンダ３３内で上下に摺動させる。

プランジャ３１がシリンダ３３内で上方に摺動すると、加圧室３７に充填されている作動油が加圧され、この作動油が油圧経路１１を経てシリンダ９とピストン７との間の油圧室２１に圧送される。この作動油の油圧により油圧室２１の容積が拡張し、ピストン７が空気バネ装置１５の付勢力に抗して押し下げられ、排気弁５が開かれる。排気弁５の開弁量はカム３５のベース円３５ａからの高さによって決定される。

また、カム３５が下方に回動すると、プランジャ３１が図示しない付勢手段によって下方に押し戻され、加圧室３７および油圧室２１に加わっていた油圧が低圧作動油供給経路４５から供給される弱いベース油圧にまで降下する。このため、排気弁５が空気バネ装置１５の付勢力により押し上げられて閉じられ、これによりピストン７が上昇して油圧室２１の容積が最小になり、油圧室２１の作動油が油圧経路１１を経てシリンダ３３の加圧室３７に戻される。

このように、油圧供給装置１３は、カム３５に駆動されてシリンダ９に所定の開弁タイミングで間欠的に油圧を供給し、ピストン７を押圧して排気弁５を開弁させる。

なお、プランジャ３１による加圧時には、油圧室２１内の作動油の少量が、オリフィス用経路２５のオリフィス２７から油圧経路１１の外部へと排出されるようになっている。これにより、プランジャ３１による加圧時に加圧室３７から油圧室２１に送られる油量よりも、排気弁５の閉弁時に油圧室２１から加圧室３７に戻される油量を少なくし、ピストン７をシリンダ９の最上部まできちんと上昇させて排気弁５を確実に閉じることができる。オリフィス２７から排出された分の作動油は、プランジャ３１がカム３５に押圧されていない時に低圧作動油供給経路４５から油圧経路１１に補充される。

図４は、カム３５のリフト量（ａ）と、油圧室２１内の作動油圧（ｂ）と、排気弁５のリフト量（ｃ）との関係を示すグラフである。図４（ｂ），（ｃ）において、実線で示す線は、図２（ａ）に示す凹部９ａの深さｈがゼロの時の作動油圧と排気弁リフト量である。

時刻ｔ０にてカム３５のプロファイルに従いカムリフト量が増大してプランジャ３１が押し上げられ始めると、油圧室２１の作動油圧がベース圧力から上昇し始める。時刻ｔ１にてカムリフト量が最大値に達し、プランジャ３１が上死点まで押し上げられ、作動油圧が最大値に達すると、時刻ｔ２にて、油圧室２１の油圧が空気バネ装置１５の付勢力および筒内圧力に打ち勝ってピストン７を押し下げる。

これにより、排気弁５のリフト量が増大して、時刻ｔ３にて排気弁５が全開となる。この時、ピストン７が押し下げられるに伴い、油圧室２１の容積が拡張するため、油圧室２１内の油圧は急激に減少するが、排気弁５を開弁させておくのに必要な油圧は維持される。このため、カム３５のプロファイルに従いプランジャ３１が上死点に維持されている期間は、排気弁５のリフト量も最大で維持されており、排気弁５は開弁状態を保持される。

時刻ｔ５にてカム３５のプロファイルに従いカムリフト量が減少してプランジャ３１が下降し始めると、油圧室２１の作動油圧も低下し始める。作動油圧が所定値を下回ると、空気バネ装置１５の付勢力および筒内圧力が打ち勝ち、時刻ｔ６からピストン７が上方へと押し上げられることによって排気弁５のリフト量が減少し始める。カム３５のリフト量がゼロになってプランジャ３１が下死点まで下げられると、排気弁５が時刻ｔ７にて全閉となる。また、油圧経路１１の作動油圧がベース圧力に戻る。

図２（ａ）に示すように、シリンダ９の固定部材９ｂに対して可動部材９ｃが下げられて深さｈの凹部９ａが形成されている時には、排気弁５が閉じると、排気弁５と一体に動くピストン７がシリンダ９の奥に進むことによって油圧室２１の容積が減少し、油圧室２１内に充填されている作動油が油圧経路１１から放出されて加圧室３７に戻される。

この時、ピストン７の凸部７ａがシリンダ９の凹部９ａに挿入されるまでは、油圧室２１内の作動油がスムーズに油圧経路１１に流れ込むため、ピストン７は比較的速い速度でシリンダ９の奥に進み、排気弁５は速い速度で閉じていく。そして、図２（ｂ）に示すように、凸部７ａが凹部９ａに挿入され始めると、油圧室２１が、凸部７ａの周囲に形成される部屋２１ａと、凹部９ａの内部に形成される部屋２１ｂとに分断される。

部屋２１ｂにある作動油は、そのまま油圧経路１１からスムーズに排出されるが、部屋２１ａに封じ込まれた作動油は、部屋２１ａと部屋２１ｂとの間の狭い隙間を通って部屋２１ｂに流れ込んでから油圧経路１１より排出される。このため、作動油が隙間を通る際に伴う多大な流動抵抗によってピストン７の動きに緩衝作用（クッション作用）が働き、排気弁５の閉弁速度が低下し、排気弁５が完全に閉じるまでのタイミングが遅延される。

凹部９ａの深さｈが小さければ、部屋２１ａから部屋２１ｂに流れ込まなければならない油量が少なくなるため、ピストン７の上昇運動に緩衝作用が加わる時間が短くなる。このため、排気弁５はカム３５のプロファイルによって定められた閉弁タイミングに近い、比較的速いタイミングで閉じる。

また、凹部９ａの深さｈが大きくなるにつれ、部屋２１ａから部屋２１ｂに流れ込まなければならない油量が多くなっていくため、その排出に時間が掛かるようになり、ピストン７の上昇運動に緩衝作用が加わる時間も長くなる。このため、排気弁５はカム３５のプロファイルによって定められた閉弁タイミングよりも大きく遅れたタイミングで閉じる。

このように、ピストン７の上昇行程の終了間際に、ピストン７の凸部７ａがシリンダ９の凹部９ａに挿入されると、部屋２１ｂに封じ込まれる作動油の流動抵抗が生じるために、油圧室２１（部屋２１ａ）内の圧力Ｐ１，Ｐ２が、図４（ｂ）中に破線で示すように急激に上昇する。圧力Ｐ１は凹部９ａの深さｈが小さい時の圧力上昇率を示し、圧力Ｐ２は凹部９ａの深さｈが大きい時の圧力上昇率を示している。

こうして油圧室２１内の圧力Ｐ１，Ｐ２が急激に高まるため、図４（ｃ）中に破線Ｌ１，Ｌ２で示すように、排気弁５が閉じる間際には、そのリフト量の減少率が緩やかな傾きとなる。排気弁５のリフト量の減少率は、油圧室２１内の圧力がＰ１の時に破線Ｌ１で示すものとなり、油圧室２１内の圧力がＰ２の時に破線Ｌ２で示すものとなる。つまり、凹部９ａの深さｈが大きくなるほど排気弁５が完全に閉じるまでの時間が長くなる（閉弁タイミングが遅くなる）。このため、排気弁５は比較的ゆっくりした速度でバルブシート（弁座）に着座し、バルブシートとの衝突による衝撃から守られる。

このように、シリンダ９側に設けられた凹部９ａの深さを変更することにより、排気弁５が閉じるタイミングを、カム３５のカムプロフィールにより規定される閉弁タイミングに近付けたり、規定の閉弁タイミングよりも遅くしたりすることができるので、ディーゼルエンジンの特性を運転状況に適合させることができる。

また、排気弁５が閉じるタイミングの変更は、シリンダ９に設けられた凹部９ａの深さを変更する、即ちシリンダ９の固定部材９ｂに対して可動部材９ｃをアクチュエータ１７で軸方向に相対移動させるという簡単な構造で達成できるため、簡素な構成であることが望ましい舶用のディーゼルエンジンに適した構造とすることができる。

さらに、制御装置１９は、ディーゼルエンジンの負荷が増大するにつれて凹部９ａの深さｈが大きくなるようにアクチュエータ１７を制御する。このため、ディーゼルエンジンの負荷が高まるにつれて排気弁５が閉じるタイミングが遅くなる。これにより、高負荷運転時に筒内ガスの圧縮圧力が高くなり過ぎることを防止してディーゼルエンジンの耐久性を高めることができる。

図３（ａ），（ｂ）は、ピストン７の凸部７ａとシリンダ９の凹部９ａの別な形状例を示す縦断面図である。
ここでは、ピストン７の頂面に設けられている凸部７ａが、ピストン７の頂面の周囲から円筒状に突出するように形成されている。一方、シリンダ９の天井面に設けられている凹部９ａは、天井面の周囲に筒状の凹みとして形成される。つまり、図２（ａ），（ｂ）に示す凸部７ａと凹部９ａの径方向の内外位置関係を逆転させたものとなっている。

凹部９ａの深さｈは、ゼロから凸部７ａの高さと同じ高さまでの範囲で変更することができる。例えば、シリンダ９の頂部の中心に設けられた円柱状の可動部材９ｄが上下に移動できるようになっており、この可動部材９ｄがシリンダ９の天井面から突き出した時に、シリンダ９の内周面と可動部材９ｄの外周面との間に凹部９ａが形成される。

可動部材９ｄの外径は、ピストン７が上昇した時に、ピストン７の凸部７ａが数ミリ程度の隙間を介して可動部材９ｄの周囲を取り囲む寸法に設定されている。可動部材９ｄは、図１に示すアクチュエータ１７によって上下に駆動され、これによって凹部９ａの深さｈが変更される。なお、油圧経路１１は可動部材９ｄの下面に開口している。

図３（ａ）に示すように、シリンダ９の可動部材９ｄが下がって深さｈの凹部９ａが形成されている時において、排気弁５が閉じると、排気弁５と一体に動くピストン７がシリンダ９の奥に進むことによって油圧室２１の容積が減少し、油圧室２１内に充填されている作動油が油圧経路１１から放出されて加圧室３７に戻される。

この時、ピストン７の凸部７ａがシリンダ９の凹部９ａに挿入されるまでは、油圧室２１内の作動油がスムーズに油圧経路１１に流れ込むため、ピストン７は比較的速い速度でシリンダ９の奥に進み、排気弁５は速い速度で閉じていく。そして、図３（ｂ）に示すように、凸部７ａが凹部９ａに挿入され始めると、油圧室２１が、凸部７ａの内周側に形成される部屋２１ａと、凹部９ａの内部に形成される部屋２１ｂとに分断される。

部屋２１ａにある作動油は、そのまま油圧経路１１からスムーズに排出されるが、部屋２１ｂに封じ込まれた作動油は、部屋２１ｂと部屋２１ａとの間の狭い隙間を通って部屋２１ａに流れ込んでから油圧経路１１より排出される。このため、作動油が隙間を通る際に伴う多大な流動抵抗によってピストン７の動きに緩衝作用（クッション作用）が働き、排気弁５の閉弁速度が低下し、排気弁５が完全に閉じるまでのタイミングが遅延される。これにより、排気弁５をバルブシートとの衝突による衝撃から守るとともに、ディーゼルエンジンの特性を運転状況に適合させることができる。

この作動油の流動抵抗による緩衝作用（クッション作用）が作用する時間の長さは、図２（ａ），（ｂ）の構造の場合と同様に、凹部９ａの深さｈが大きくなるほど長くなる。即ち、凹部９ａの深さｈを大きくするほど排気弁５の閉弁タイミングを遅くすることができる。

この図３（ａ），（ｂ）の構成によれば、凹部９ａの高さを変更する構造を、図２（ａ），（ｂ）に示した構造よりも簡素にすることができる。

［参考実施形態］
図５は、本発明の参考実施形態に係る排気弁駆動装置を示した概略構成図である。この排気弁駆動装置５１において、第１実施形態の排気弁駆動装置１と異なる点は、ピストン７の頂面の凸部およびシリンダ９の天井面の凹部が無いことと、油圧経路１１の分岐点１１ｄからリーク通路５３が分岐し、その途中にリーク通路５３の通路面積を変化させる可変オリフィス５５（流量調整手段）が接続されていることである。その他の部分の構成および作用は第１実施形態の排気弁駆動装置１を同様であるため、各部に同一の符号を付して説明を省略する。

可変オリフィス５５の絞り量は制御装置５７（制御手段）によって制御される。制御装置５７は、ディーゼルエンジンの負荷が上がるにつれてリーク通路５３の通路面積が小さくなるように可変オリフィス５５の絞り量を制御する。なお、可変オリフィス５５の代わりに流量調整弁等を設けてもよい。

この排気弁駆動装置５１によれば、第１実施形態の排気弁駆動装置１と同じく、油圧供給装置１３がカム３５に駆動されると、所定の開弁タイミングでシリンダ９に油圧が供給され、これによりシリンダ９内部のピストン７が押圧されて排気弁５が開かれる。また、シリンダ９への油圧供給が途絶えると、空気バネ装置１５の付勢力により排気弁５が閉じられる。

リーク通路５３に設けられた可変オリフィス５５からは、油圧供給装置１３から供給される作動油（油圧）の一部が油圧経路１１の外部にリークする。これにより、油圧供給装置１３による加圧時にシリンダ９に圧送される油量よりも、排気弁５の閉弁時にシリンダ９から油圧供給装置１３に戻される油量が少なくなる。このため、排気弁５の閉弁時にはピストン７をシリンダ９内の最上部まできちんと上昇させて排気弁５を確実に閉じることができる。

可変オリフィス５５を制御することにより、油圧供給装置１３から供給される作動油を外部にリークさせる量を調整することができる。このリーク量を小さくすると排気弁５が閉じる速度が遅くなり、リーク量を大きくすると排気弁５が閉じる速度が速くなる。

このように、油圧供給装置１３とシリンダ９との間の油圧経路１１から分岐するリーク通路５３に可変オリフィス５５を設けることによって排気弁５が閉じるタイミングを早くしたり遅くしたりできるので、ディーゼルエンジンの特性を運転状況に適合させることができる。

しかも、排気弁５が閉じるタイミングの変更は、油圧経路１１にリーク通路５３と可変オリフィス５５とを設けるという簡単な構造で達成できるため、簡素な構成であることが望ましい舶用のディーゼルエンジンには適している。なお、リーク通路５３は必ずしも油圧経路１１から分岐させなくてもよく、例えばシリンダ９から分岐させてもよい。

図６は、排気弁駆動装置５１におけるカム３５のリフト量（ａ）と、油圧室２１内の作動油圧（ｂ）と、排気弁５のリフト量（ｃ）との関係を示すグラフである。基本的な動作は図４で説明した第１実施形態の排気弁駆動装置１の場合と同様であるため、重複する説明は省略する。

リーク通路５３の可変オリフィス５５の絞り量が最小であると、排気弁５の閉弁時に、油圧室２１内の作動油があまり多くリークせずに油圧供給装置１３に戻されるため、シリンダ９内でピストン７が上昇するのに時間が掛かる。したがって、油圧室２１内における作動油圧の低下状況は、図６（ｂ）中に実線で示すように、カム３５のリフト量の減少量に見合ったものとなる。また、排気弁５のリフト量の減少状況は、図６（ｃ）中に実線で示すようになり、排気弁５が閉じられるタイミングが遅くなる。

そして、可変オリフィス５５の絞り量が拡大されると、油圧室２１内の作動油がリークする量が多くなるため、油圧室２１内から油圧供給装置１３に戻される作動油の量が減り、シリンダ９内でピストン７が上昇する時間が短縮される。したがって、油圧室２１内における作動油圧の低下状況は、図６（ｂ）中に破線で示すように、カム３５のリフト量の減少量よりも速く低下するようになる。また、排気弁５のリフト量の減少状況は、図６（ｃ）中に破線で示すようになり、排気弁５が閉じられるタイミングが早くなる。

前述のように、制御装置５７は、ディーゼルエンジンの負荷が上がるにつれてリーク通路５３の通路面積が小さくなるように可変オリフィス５５の絞り量を制御する。このため、ディーゼルエンジンの負荷が上がるにつれて排気弁５が閉じるタイミングを遅くし、高負荷運転時に筒内ガスの圧縮圧力が高くなり過ぎることを防止してディーゼルエンジンの耐久性を高めることができる。

なお、変形例として、図５中に破線で示すように、油圧室２１と油圧経路１１との間を接続するリーク通路５３ａを設け、このリーク通路５３ａに可変オリフィス５５ａを設けて、排気弁５の閉弁時にピストン７が上昇する時間を調整できるようにしてもよい。

以上説明したように、本発明の第１実施形態に係る排気弁駆動装置１，参考実施形態に係る排気弁駆動装置５１、およびこれを備えたディーゼルエンジンによれば、舶用のディーゼルエンジンに適した簡素な構成により、排気弁５が閉じるタイミングを変更可能にし、ディーゼルエンジンの特性を運転状況に適合させ、内燃機関の信頼性および耐久性を高めるとともに、省燃費化等にも貢献することができる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更や改良を加えることができ、このように変更や改良を加えた実施形態も本発明の権利範囲に含まれるものとする。

１，５１ 排気弁駆動装置
５ 排気弁
７ ピストン
７ａ 凸部
９ シリンダ
９ａ 凹部
１１ 油圧経路
１３ 油圧供給装置（油圧供給手段）
１５ 空気バネ装置（閉弁付勢手段）
１７ アクチュエータ
１９，５７ 制御装置（制御手段）と、
２１ 油圧室
３１ プランジャ
３５ カム
３７ 加圧室
５３ リーク通路
５５ 可変オリフィス（流量調整手段）

Claims (5)

1. 内燃機関の排気弁に設けられたピストンと、
   前記ピストンが収容されるシリンダと、
   前記シリンダに油圧経路を介して接続されるとともに、カムにより駆動されて前記シリンダに所定の開弁タイミングで間欠的に油圧を供給し、前記ピストンを押圧して前記排気弁を開弁させる油圧供給手段と、
   前記排気弁を閉弁方向に付勢する閉弁付勢手段と、
   前記ピストンの頂面に形成されて該ピストンの横断面積よりも小さな頂部面積を有する凸部と、
   前記シリンダの天井面に形成されて前記ピストンの上昇時に前記凸部が隙間を介して挿入される凹部と、
   前記凹部の深さを変更するアクチュエータと、
   前記アクチュエータを制御する制御手段と、
   を具備してなり、
   前記シリンダは、中心部に位置する円柱状の第１部材と、前記第１部材の周囲に設けられ前記第１部材に対して相対移動可能である円筒状の第２部材とを有し、
   前記第１部材の下面が前記第２部材の下面よりも上方に位置し、前記凹部は、前記第１部材の下方かつ前記第２部材の内周側の空間であり、
   前記アクチュエータは、前記第２部材を移動することによって、前記凹部の深さを変更することを特徴とする排気弁駆動装置。
2. 内燃機関の排気弁に設けられたピストンと、
   前記ピストンが収容されるシリンダと、
   前記シリンダに油圧経路を介して接続されるとともに、カムにより駆動されて前記シリンダに所定の開弁タイミングで間欠的に油圧を供給し、前記ピストンを押圧して前記排気弁を開弁させる油圧供給手段と、
   前記排気弁を閉弁方向に付勢する閉弁付勢手段と、
   前記ピストンの頂面に形成されて該ピストンの横断面積よりも小さな頂部面積を有する凸部と、
   前記シリンダの天井面に形成されて前記ピストンの上昇時に前記凸部が隙間を介して挿入される凹部と、
   前記凹部の深さを変更するアクチュエータと、
   前記アクチュエータを制御する制御手段と、
   を具備してなり、
   前記シリンダは、中心部に位置する円柱状の第３部材を有し、
   前記第３部材の下面が前記シリンダの天井面よりも下方に位置し、前記凹部は、前記シリンダの内周面と前記第３部材の外周面との間の空間であり、
   前記アクチュエータは、前記第３部材を移動することによって、前記凹部の深さを変更することを特徴とする排気弁駆動装置。
3. 前記制御手段は、前記内燃機関の負荷が上がるにつれて前記凹部の深さが大きくなるように前記アクチュエータを制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の排気弁駆動装置。
4. 内燃機関の排気弁に設けられたピストンと、
   前記ピストンが収容されるシリンダと、
   前記シリンダに油圧経路を介して接続されるとともに、カムにより駆動されて前記シリンダに所定の開弁タイミングで間欠的に油圧を供給し、前記ピストンを押圧して前記排気弁を開弁させる油圧供給手段と、
   前記排気弁を閉弁方向に付勢する閉弁付勢手段と、
   前記ピストンの頂面に形成されて該ピストンの横断面積よりも小さな頂部面積を有する凸部と、
   前記シリンダの天井面に形成されて前記ピストンの上昇時に前記凸部が隙間を介して挿入される凹部と、
   前記凹部の深さを変更するアクチュエータと、
   前記内燃機関の負荷が上がるにつれて前記凹部の深さが大きくなるように前記アクチュエータを制御する制御手段と、
   を具備してなることを特徴とする排気弁駆動装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の排気弁駆動装置を備えていることを特徴とする内燃機関。

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