JP6301998B2 - 排気弁作動システムを有する大型ターボ過給式２ストローク自己着火式内燃機関 - Google Patents

Description

本開示は、排気弁作動システムを有する大型ターボ過給式２ストローク自己着火式内燃機関に関し、より具体的には、電子制御式排気弁作動システムを有する大型ターボ過給式２ストローク自己着火式内燃機関に関する。

背景

大型ターボ過給式２ストローク自己着火式内燃機関は、一般にコンテナ船などの大型外航船または発電所において原動機として使用されている。

これら機関の各シリンダは、単一の排気弁をシリンダカバーに、すなわちシリンダの頂部に、備え、複数のピストン制御式掃気ポートをシリンダライナの下方領域にリング状に備える。

最近、これら機関の大半は、電子制御式の油圧式排気弁作動システムを備えている。カムシャフト制御式排気弁作動システムに比べ、電子制御式システムでは、融通性および調整可能性を大幅に向上できるので、機関の運転状態の全範囲にわたって排気および燃料消費に関する最適化が可能になる。

電子制御式排気弁作動システムを有する大型ターボ過給式２ストローク自己着火式内燃機関は、かなりの有効受圧面積を有する弁ディスクに作用する燃焼室内の圧力に逆らって、更には排気弁をその座部に向けて付勢する空気ばねの力に逆らって、排気弁を開弁する必要があるという欠点を有する。

したがって、排気弁を開弁するには、初期に極めて大きな力が必要とされる。排気弁が僅かに上昇すれば、排気弁を閉弁方向に付勢するのは空気ばねの力だけになるで、排気弁を開弁するために必要な力は急激に減る。その結果、燃焼室内の圧力に逆らって排気弁を開弁可能にするために極めて高い圧力が排気弁の頂部の油圧アクチュエータに印加されるが、この高い圧力はその後すぐに過剰になり、排気弁の開弁速度を不要な程度にまで加速させ、多くの場合、油圧式排気弁作動システムにキャビテーションを引き起こす。この問題は、低負荷条件下で特に重大である。その理由は、排気弁の作動は、全負荷を捕えて、すなわち、弁ディスクが最大の燃焼圧を受けた状態で、高速開弁するべく較正されているからである。低負荷時、燃焼圧ははるかに低い。その結果、排気弁の開弁速度はより加速され、意図された以上の速度に達して油圧式弁作動システムに負圧、すなわちキャビテーション、を引き起こす。したがって、排気弁の開位置への移動の最終部分で大きく減速する必要がある。

圧送油圧を下げることは、キャビテーションの低減または克服のために有効な解決策ではない。その理由は、排気弁の開弁運動の最初の部分においては燃焼室内の圧力に打ち勝つためにかなり大きな力を発生させる必要があることと対立するからである。

更に、空気ばねの特性はさまざまな運転状態に依存し、かつ継時的に変動するので、空気ばねの特性は相対的に予測不能である。したがって、低負荷時に排気弁の過度な高速化を回避するために、さまざまな機関負荷に備えて機関建造時に弁作動システムを単に較正することは不可能でないにしても極めて困難である。

この問題は最近重大になっている。その理由は、海運会社がそれぞれの船舶を設計速度未満、所謂スロースティーミング、で航行させる、ひいては主機関を最大負荷レベルよりかなり低い負荷レベルで長時間運転する、傾向があることによる。

摘要

上記に鑑み、本発明の一目的は、上記の各問題を克服する、または少なくとも低減する、ことである。

上記および他の目的は、独立請求項の特徴によって達成される。更なる具現化形態は、従属請求項、本明細書、および図から明らかである。

第１の態様によると、大型ターボ過給式２ストローク自己着火式内燃機関が提供される。前記機関は、複数の掃気ポートをそれぞれの下方領域に備え、かつ排気弁をそれぞれの頂部に備えた複数のシリンダと、弁棒と弁ディスクとを有する排気弁であって、弁ディスクが弁座に当たっている閉位置と開位置との間で両方向に移動可能な排気弁と、ばねピストンが空気ばねシリンダに収容された空気ばねであって、弁棒に作動可能に接続され、かつ排気弁をその閉位置に向けて弾力的に付勢するように構成された空気ばねと、軸穴、前記軸穴に摺動可能かつ密封式に収容されて排気弁の弁棒に接続されたプランジャ、および前記軸穴内に、前記プランジャの片側に、設けられた圧力室を有する油圧アクチュエータであって、前記圧力室が加圧されると排気弁をその開位置に向けて付勢するように構成された油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータに接続された制御可能な加圧作動液源と、排気弁の速度を測定する手段と、前記加圧作動液源に作動可能に接続された制御装置であって、排気弁の測定速度を表す信号を受信し、排気弁の測定速度に応じて前記制御可能な加圧作動液源を制御することによって前記排気弁の速度を制御するように構成された制御装置とを備える。

排気弁の速度を測定することによって、および排気弁の測定速度に応じて油圧式排気弁作動システムに送給される油圧力を調整することによって、排気弁の速度を制御でき、これにより、キャビテーションを引き起こし得る過剰な速度を回避できる。

第１の態様の第１の具現例によると、制御装置は、前記排気弁の座部から開位置までの前記排気弁の移動中の前記排気弁の望ましい最大速度または平均速度を実現するために、排気弁の速度を制御するように構成される。

第１の態様の第２の具現例によると、望ましい最大速度または平均速度は、機関の負荷に依存する。

第１の態様の第３の具現例によると、制御装置は、前記望ましい最大速度または平均速度を実際の機関負荷に応じて調整するように構成される。したがって、油圧式弁作動システムに供給される油圧力の大きさは運転状態に合わせて調整される。

第１の態様の第４の具現例によると、制御装置は、実際の機関負荷に応じた前記望ましい最大速度を方程式から、またはルックアップテーブルから、求める。

第１の態様の第５の具現例によると、前記制御可能な作動液源は比例弁を含む。

第１の態様の第６の具現例によると、比例弁は高圧作動液源に接続され、前記制御装置は、前記比例制御弁の開度を調整することによって、前記排気弁の速度を制御する。

第１の態様の第７の具現例によると、望ましい最大速度または平均速度は、排気弁の十分に高速の開弁を保証するために十分に高い、かつ前記制御可能な作動液源のキャビテーションを回避するために十分に低い、レベルに設定される。

第１の態様の第８の具現例によると、排気弁の速度は所与の機関サイクル数毎に測定される。速度の測定は、機関サイクル毎、または、例えば機関サイクル数の２分の１、３分の１、または他の適したサイクル数毎に行うことができる。大型ターボ過給式２ストローク内燃機関の負荷状態の変化は一般に比較的緩慢であるので、排気弁の実際の速度を機関サイクル毎に測定する必要はない。

第１の態様の第９の具現例によると、前記制御装置は、排気弁の最後に測定された速度に応じて、制御可能な作動液源を制御するように構成される。

上記目的は、第２の態様によると、油圧作動式排気弁を有する大型ターボ過給式２ストローク自己着火式内燃機関の排気弁の最大または平均速度を制御するための方法を提供することによっても達成される。前記方法は、排気弁の閉位置から開位置までの排気弁の移動速度を測定するステップと、排気弁の測定速度に応じて、排気弁に送給される油圧力の大きさを調整するステップとを含む。

第２の態様の第１の具現例によると、本方法は、排気弁の閉位置から開位置までの排気弁の移動のための所定の平均または最大速度を実現するために、排気弁の速度を制御するステップを更に含む。

第２の態様の第２の具現例によると、前記排気弁の速度は、所与の機関サイクル数毎に測定される。

上記の目的は、第３の態様によると、複数の掃気ポートと排気弁とを有する複数のシリンダを備えた大型ターボ過給式２ストローク自己着火式内燃機関を提供することによっても達成される。排気弁は閉位置と開位置との間で両方向に移動可能であり、ばねピストンが空気ばねシリンダ内に収容された空気ばねが排気弁に作動可能に接続され、空気ばねは排気弁をその閉位置に向けて付勢するように構成され、油圧アクチュエータは、油圧アクチュエータが加圧されたときに、排気弁をその開位置に向けて付勢するように構成され、制御可能な加圧作動液源が油圧アクチュエータに接続され、排気弁の速度を測定するための手段が設けられ、制御装置が加圧作動液源に作動可能に接続される。制御装置は排気弁の測定速度を表す信号を受信する。制御装置は、排気弁の測定速度に応じて、制御可能な加圧作動液源を制御することによって排気弁の速度を制御するように構成される。

本発明の上記および他の態様は、以下に説明する実施形態（単数または複数）から明らかになるであろう。

本開示の以下の詳細な説明の部分においては、図面に示されている各例示的実施形態を参照して、本発明をより詳細に説明する。

一例示的実施形態による大型２ストローク自己着火式ターボ過給式機関の前端と片側とを示す立面図である。 図１の機関の後端ともう一方の側とを示す立面図である。 図１による機関およびその吸気および排気系の模式表現である。 図１による機関の排気弁の断面図である。 図１の機関の電気油圧式排気弁作動システムを示す図である。 図１の機関用の排気弁の開弁運動とそれに対応する油圧とを示すグラフである。 従来（従来技術）の機関用の排気弁の開弁運動とそれに対応する油圧とを示すグラフである。

詳細な説明

以下の詳細な説明においては、大型の２ストローク内燃機関を例示的実施形態によって説明する。図１〜図３は、クランクシャフト４２と複数のクロスヘッド４３とを有する大型低速ターボ過給式２ストロークディーゼル機関を示す。図３は、大型低速ターボ過給式２ストロークディーゼル機関およびその吸気および排気系を模式表現で示す。この例示的実施形態において、機関は６つのシリンダ１を一列状に有する。大型ターボ過給式２ストロークディーゼル機関は、一般に、機関フレーム４５によって担持された５から１６の間の数のシリンダを一列状に有する。この機関は、例えば、大型外航船における主機関として、または発電所において発電機を作動させるための定置式機関として、使用され得る。この機関の総出力は、例えば、５，０００〜１１０，０００ｋＷにわたり得る。

この機関は、ピストン制御式ポートの形態の掃気ポート２２をシリンダ１の下方領域にリング状に複数有し、かつ排気弁４をシリンダ１の頂部に有する２ストロークユニフロー型ディーゼル（自己着火式）機関である。したがって、燃焼室内の流れは、常に底部から頂部に向かう。したがって、この機関は所謂ユニフロー型である。掃気は、掃気受け２から個々のシリンダ１の掃気ポート２２に送られる。シリンダ１内の往復動ピストン４１が掃気を圧縮すると、燃料が噴射され、引き続き燃焼が起こり、排気ガスが発生する。排気弁４の開弁時、排気ガスは当該シリンダ１に対応付けられた排気管路３５を通って排気受け３に流れ込み、そこから第１の排気導管１８を通ってターボチャージャ５のタービン６に流れ、そこから排気ガスは第２の排気導管７を通って流出する。タービン６は、シャフト８を介して、圧縮機９を駆動し、吸気口１０から供給された給気を加圧する。

圧縮機９は、給気受け２に通じる給気導管１１に加圧された給気を送給する。導管１１内の掃気は、給気を冷却するためのインタークーラ１２を通過する。冷却された給気は、低負荷または部分負荷状態では、電気モータ１７によって駆動されて給気流を加圧する補助ブロア１６を介して、給気受け２に進む。より高い負荷では、ターボチャージャの圧縮機９が十分に圧縮された掃気を送給する。この場合、掃気は逆止弁１５を通り、補助ブロア１６を迂回する。

各シリンダは、シリンダライナ５２に形成される。各シリンダライナ５２は、機関フレーム４５によって支持されるシリンダフレーム４６によって担持される。

図４に示されているように、排気弁４は、弁ディスク２５を一端に有する弁スピンドル２３を備える。弁スピンドル２３は、弁ハウジングの軸穴に摺動可能かつ密封式に収容される。弁ハウジングは、管路３５の一部も画成する。弁ハウジングは、その下端に周弁座６を画成する。排気弁４が図４に示されているその閉位置にあるとき、弁ディスク２５は周弁座６に当たっている。

空気ばねピストン６７を含む空気ばね６６は、排気弁４をその閉位置に向けて弾力的に付勢するように構成される。空気ばねピストン６７は、弁棒２３に固定される。空気ばねピストン６７は、摺動可能かつ密封式にハウジングの軸穴に収容される。空気ばねピストン６７の下にばね室６９があり、ばね室６９が加圧されると、空気ばねピストン６７を上方に付勢する。ばね室６９の適正な加圧を保証するために、ばね室６９は、逆止弁を介して、空圧源に接続される。

弁スピンドル２３の頂部にプランジャ６１が設けられる。プランジャ６１は、弁ハウジングの軸穴６３に摺動可能かつ密封式に収容される。圧力室６２が軸穴６３内に、プランジャ６１の上方に、形成され、ポート６４に流体連通する。プランジャ６１の頂部には、排気弁４がその座部２６に向かう排気弁４の閉弁運動の最終部分を抑制するための抑制構成が設けられるが、ここでは詳細に説明しない。

圧力室６２が加圧されると、プランジャ６１は、排気弁をその開位置に向けて、すなわち下方に（図４の向きのように下方に）付勢する。

図５を参照すると、排気弁４は、空気ばね６６の力と弁ディスク２５に作用する燃焼室内の燃焼圧の力とに逆らって、電子制御式比例弁８０からの制御油によって起動される２段排気弁アクチュエータ７０によって油圧で開かれる。図５に開位置で示されている排気弁４は、制御油の圧力が除去されると、空気ばね６６によって再び閉じられる。

電気油圧式排気弁作動システムは、２段排気弁アクチュエータ７０を備える。２段排気弁アクチュエータ７０は、排気弁の頂部において油圧管６５を介して油圧アクチュエータ６０に接続される。油圧管６５の一端は、ポート６４に接続される。油圧管６５の他端は、２段排気弁アクチュエータ７０内のポンプ室７５に接続される。

ポンプピストン７４が２段弁アクチュエータ７０の軸穴に収容される。ポンプ室７５がこの軸穴内に、ポンプピストン７５の上方に、画成される。２段排気弁アクチュエータ７０には、同心の第１および第２プランジャ７１、７２が設けられる。第１プランジャ７１はポンプピストン７４に直接接続され、第２プランジャ７２は第１プランジャ７１を摺動可能に取り囲む。第１プランジャ７１はポンプピストン７４のストローク全体にわたってアクティブであるが、第２プランジャ７２の運動はポンプストロークの開始時に限定される。この周知の構造により、ポンプストロークの最初の部分で利用可能な高圧が存在し、ポンプストロークのその後の部分は第１プランジャ７１のみが発生させる低圧で行われることが保証される。

圧力室７７が第１および第２プランジャ７１、７２の自由端に作用する。圧力室７７は、制御油などの高圧作動流体の源８１に、比例制御弁８０を介して、接続される。比例制御弁８０は、その複数の位置のうちの１つにおいて、圧力室７７を高圧作動流体源８１に接続する。比例制御装置８０はその複数の位置のうちの別の位置において、圧力室７７をタンクに接続する。制御弁８０は比例弁である。すなわち、制御弁８０は上記の両位置の間の何れの中間位置でも占めることができるので、作動流体を通過させる制御弁８０の開度のサイズを徐々に変化させることができる。したがって、２段排気弁アクチュエータ７０に送給される油圧力を比例式に制御できるので、如何なる具体的なニーズにも調整可能である。制御弁８０は電子制御式弁である。すなわち、電子信号に応じて制御弁８０の位置を変えることができる。

制御弁８０は、電子制御ユニット５０（制御装置５０）によって制御される。電子制御ユニット５０は、制御弁８０の位置を決定するために、信号を信号ケーブル経由で制御弁８０に送出する。

排気弁４には、排気弁４の速度を測定するためのセンサ８２が設けられる。センサ８２は、排気弁４の速度を表す信号を発生させる。センサ８２は信号ケーブル経由で電子制御ユニット５０に接続されるので、排気弁４の速度は電子制御ユニットに通知される。排気弁の速度は、間接的にも測定可能である。例えば、圧力管６５を通る流量を測定することによって、またはポンプピストン７４の速度を測定することによって、排気弁の速度を測定できる。

電子制御ユニット５０は、排気弁４の開弁運動中、排気弁４の速度を監視する。電子制御ユニット５０は、一実施形態において、排気弁４がその開弁運動中に到達する最大速度を決定するように構成される。別の実施形態において、電子制御ユニット５０は、排気弁４がその開弁運動中に達成する平均速度を決定するように構成される。

一実施形態において、電子制御ユニット５０は、排気弁４の速度を機関サイクルごとに測定するように構成される。ただし、排気弁４の速度の測定は、機関サイクル数の２分の１、３分の１、またはそれ以下の頻度で行えば十分であり得ることを理解されたい。

電子制御ユニット５０は、最後に測定された排気弁４の平均または最大速度に基づき、排気弁の次の上昇事象のための制御弁８０の開度を決定する。

電子制御ユニット５０は、機関のクランク角度を通知され、機関サイクル内の適切な位置において排気弁４の開弁を開始する。電子制御ユニット５０は、決定された開度に開弁するための制御信号を制御弁８０に送出する。これにより、制御弁８０は決定された開度まで開弁し、高圧制御油は圧力室７７と第１プランジャ７１とを加圧し、第２プランジャ７２は、その移動の最初の部分の間、ポンプピストンをポンプ室７５内に付勢する。これにより、ポンプ室７５は加圧され、圧力管６５経由で、排気弁４の頂部の排気弁アクチュエータ６０の圧力室６２も加圧される。

上記のように、圧力室６２内の作動液の圧力は、燃焼室内の圧力に逆らって、および空気ばね６６の力に逆らって、排気弁４を開弁させる。制御弁８０の開度は実際の運転状態に合わせて調整されるので、排気弁４はその開弁運動中、キャビテーションを油圧系に引き起こさない望ましい平均または最大速度に達する。

望ましい最大速度は、機関の運転状態に依存しうる。特に、排気弁４のために望ましい最大速度は、機関負荷が低い場合より、機関負荷が高い場合の方が通常大きい。例えば、望ましい最大速度を、例えば、最大機関負荷で２．２ｍ／ｓにし、４％の機関負荷で１．８ｍ／ｓにすることができる。

開弁運動中の排気弁４の望ましい速度を決定するために、電子制御ユニット５０は、機関稼働テストからの較正データに基づくルックアップテーブル、または機関稼働テストからの較正データを使用する方程式、を備えることができる。

排気弁４の望ましい速度は、排気ガスを適正に排出するために十分高速で、しかし油圧式排気弁作動システムのキャビテーションを回避するために十分低速で、排気弁４が開弁するように、選択される。

電子制御ユニット５０は、機関サイクル中の適切な時点で排気弁を閉弁させるべく構成される。この時点に達すると、電子制御ユニット５０は、圧力室７７をタンクに接続するべく制御弁８０を制御する。その後、空気ばね６６の動作によって、排気弁４はその閉位置に戻る。

上記の実施形態は、排気弁の頂部において圧力管によって油圧アクチュエータに接続された２段弁アクチュエータを使用する。ただし、２段または１段排気弁アクチュエータと油圧アクチュエータとを含む完全な油圧式構成は、その全体を排気弁の頂部に配置可能であるので、これら要素を接続する圧力管を一切必要とせず、これら要素の全てが、一実施形態においては、排気弁の頂部に一体ユニットを形成することができることを当業者は理解されるであろう。

図６は、本発明による機関用の排気弁４の開弁運動Ｘと排気弁アクチュエータ６０に加わる油圧Ｐとを示すグラフを示す。図７は、従来（従来技術）の機関用の排気弁の開弁運動Ｘと排気弁アクチュエータに加わる油圧Ｐとを示すグラフを示す。

本発明による機関において、目標（所望）速度は１．８ｍ／ｓであると述べた。負荷は、両機関に対して４％に設定された。従来の機関においては、排気弁の速度が制御されない。２つのグラフの違いは明らかである。本発明による機関においては、排気弁の初期開弁後の圧力降下ははるかに小さく、ゼロまたはマイナスにならないが、従来の機関においては、排気弁の初期開弁後の圧力降下はより大きく、ゼロまたはマイナスになり、キャビテーションを引き起こす。

したがって、本発明は、キャビテーションに起因する損傷を回避するための有効な方法を提供する。

本願明細書においては、さまざまな実施形態と併せて本発明を説明してきた。ただし、当業者は、開示されている実施形態の他の変形例を図面、本開示、および添付の請求項の検討から理解し、本発明の実施において実行できるであろう。特許請求の範囲において、用語「を備えた／含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は他の要素またはステップを排除せず、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は複数形を排除しない。いくつかの方策が互いに異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これら方策の組み合わせを有利に使用できないことを示すものではない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと一緒に、またはその一部として、供給された光記憶媒体またはソリッドステート媒体などの適した媒体上に記憶／分散され得るが、インターネットまたは他の有線または無線遠隔通信システムを介するなど、他の形態でも分散され得る。

特許請求の範囲に使用されている参照符号は、本発明の範囲を限定するものとは解釈されるべきではない。

Claims (7)

1. クロスヘッドを有する大型ターボ過給式２ストローク自己着火式内燃機関であって、
   複数の掃気ポート（２２）をそれぞれの下方領域に有し、かつ排気弁（４）をそれぞれの頂部に有する複数のシリンダ（１）と、
   弁棒（２３）と弁ディスク（２５）とを有する排気弁（４）であって、前記弁ディスク（２５）が弁座（２６）に当たっている閉位置と開位置との間で両方向に移動可能な排気弁（４）と、
   空気ばねピストン（６７）が空気ばねシリンダ（６９）に収容された、単動式の空気ばね（６６）であって、前記弁棒（２３）に作動可能に接続され、前記排気弁（４）をその閉位置に向けて弾力的に付勢するように構成された空気ばね（６６）と、
   軸穴（６３）と、前記軸穴（６３）に摺動可能かつ密封式に収容されて前記排気弁（４）の前記弁棒（２３）に接続されたプランジャ（６１）と、前記軸穴（６３）内に、前記プランジャ（６１）の片側に、設けられた圧力室（６２）とを有する、単動式の油圧アクチュエータ（６０）であって、前記圧力室（６２）が加圧されたときに、前記排気弁（４）をその開位置に向けて付勢するように構成された油圧アクチュエータ（６０）と、
   前記油圧アクチュエータ（６０）に接続された制御可能な加圧作動液源（８０，８１）であって、高圧作動液源（８１）に接続される比例弁（８０）を有する加圧作動液源（８０，８１）と、
   前記排気弁（４）の速度を測定する手段（８２）と、
   前記加圧作動液源（８０，８１）に作動可能に接続された制御装置（５０）であって、前記排気弁（４）の速度を測定する前記手段（８２）により測定された、前記排気弁（４）の測定速度を表す信号を受信するように構成されると共に、前記排気弁（４）の前記測定速度に応じて前記制御可能な加圧作動液源（８０，８１）を制御することによって、前記排気弁（４）の速度を制御するように構成された制御装置（５０）と、
   を備え、前記制御装置（５０）は、前記排気弁の前記座部から前記開位置までの移動中に前記排気弁を望ましい最大速度または平均速度に到達させるために、測定された前記排気弁（４）の速度に応じて前記比例弁（８０）の開度を調節することにより、前記排気弁（４）の開弁運動の速度を制御するように構成される、機関。
2. 前記望ましい最大速度または平均速度は前記機関の負荷に依存する、請求項１に記載の機関。
3. 前記制御装置（５０）は、前記望ましい最大速度または平均速度を実際の機関負荷に応じて調整するように構成される、請求項２に記載の機関。
4. 前記制御装置（５０）は、前記実際の機関負荷に応じた前記望ましい最大速度を方程式から、またはルックアップテーブルから、決定する、請求項３に記載の機関。
5. 前記望ましい最大速度または平均速度は、前記排気弁（４）の十分に高速の開弁を保証するために十分に高い、かつ前記制御可能な作動液源（８０，８１）のキャビテーションを回避するために十分に低い、レベルに設定される、請求項１〜４の何れか１項に記載の機関。
6. 前記排気弁（４）の速度は、所与の機関サイクル数ごとに測定される、請求項１〜５の何れか１項に記載の機関。
7. 前記制御装置（５０）は、前記排気弁（４）の最後に測定された速度に応じて前記制御可能な作動液源（８０，８１）を制御するように構成される、請求項１〜６の何れか１項に記載の機関。