JP6603498B2 - 船舶用の内燃機関の改造方法 - Google Patents

Description

この発明は、船舶用の内燃機関の改造方法に関する。

燃焼によってピストンを軸方向に往復作動させるシリンダと、該ピストンの往復作動によって回転作動するクランク軸とを有する内燃機関本体を備えた船舶用の内燃機関が従来公知であるが、近年のエネルギー問題の高まりによって、燃費の向上を目的とした種々の船舶用の内燃機関が開発されている。

例えば、発電機を有するハイブリット過給機と、ＶＴＩ過給機とを組合せ、それぞれを適切に作動させることによって、燃料消費量を低減させる特許文献１に示す船舶用の内燃機関が公知になっている。

特開２０１４−４７７２９号公報

上記文献の船舶用の内燃機関では、燃料消費量が低減される航行速度が一定範囲内に設定されているが、運搬業等の特定の業界では、輸送コストのさらなる削減を目的として、航行速度自体を低く抑える運用が行われており、このような場合に、既存の内燃機関をそのまま用いると、航行速度が上記一定の範囲内に収まらなくなり、逆に燃料消費率が悪化することがある。
また、内燃機関自体を低速用のものに交換した場合には、燃料消費率は良好になる一方で、交換コストが高くなり、全体としてはコスト高になる。

本発明は、既存のものをそのまま用いて、減速航行時の燃料消費率を向上させる船舶用の内燃機関の改造方法を提供することを課題とする。

本発明の船舶用の内燃機関の改造方法は、燃焼によってピストンを軸方向に往復作動させるシリンダ及び該ピストンの往復作動によって回転作動するクランク軸を有する内燃機関本体を、標準状態と比較して出力を低下させることにより、減速航行時の燃料消費率を向上させる低速状態に機械的に可逆的に改変することを特徴とする。

タービンを有する過給機を複数設け、該複数の過給機の内から予め選定された一の過給機に対して、内燃機関本体からの排気ガスの供給の有無を切換えることにより、上記改変による出力調整量を、該過給機一台分に設定するものとしてもよい。

前記過給機の設置数を増加させることにより、上記出力調整量が小さく設定する一方で、前記過給機の設置数を減少させることにより、上記出力調整量を大きく設定するものとしてもよい。

標準状態と比較して出力を低下させることにより、減速航行時の燃料消費率を向上させる低速状態に機械的に可逆的に改変することができるため、減速航行時の燃料消費率を良好に保持することが可能になるとともに、高速航行をさせたい場合には、仕様を元に戻すことも可能になり、様々な運用に対応可能になり、汎用性も高い。

本発明の船舶用の内燃機関を適用したディーゼルエンジンの要部の構造を概念的に示す概念図である。 （Ａ），（Ｂ）は、第１改変機構による低速状態への切換の前後の状態をそれぞれ示す配管図である。 第２改変機構を設けた連係機構の構造を示す側面図である。 クロスヘッドピンの構成を示す斜視図である。 クロスヘッド軸受の構成を示す斜視図である。 （Ａ）は標準状態時の第３改変機構の要部正面図であり、（Ｂ）は低速状態時の第３改変機構の要部正面図である。 （Ａ）はある船舶におけるプロペラ回転数に対する必要出力のグラフであり、図中の二点鎖線は本ディーゼルエンジンが改造を含めたセッティングにより対応可能な範囲を示しており、（Ｂ）は本ディーゼルエンジンの出力に対する燃料消費率の特性グラフであり、標準状態と低速状態のそれぞれのセッティングに対応している。

図１は、本発明の船舶用の内燃機関を適用したディーゼルエンジンの要部の構造を概念的に示す概念図である。図示する内燃機関は、重油を燃料とするユニフロー掃気ディーゼルエンジンであり、クロスヘッド型を採用し、大型の船舶用の動力機関として搭載される。

このディーゼルエンジンは、動力を発生させる内燃機関本体１と、複数の過給機２とを備えている。

上記内燃機関本体１は、上下方向に延びるシリンダ３と、該シリンダ３の直下に配置されたクランクシャフト（クランク軸）４が内装されるクランクケース６とを有している。

シリンダ３は、船舶に推進方向に複数並べて配置されている。このシリンダ３の上端部は、シリンダヘッド７によって構成され、このシリンダ３の内周側の空間には、自身の軸方向にスライド移動自在となるようにピストン８が収容支持されている。シリンダ３内における該ピストン８の上方側の空間は、燃料が燃焼される燃焼室３ａになる。

シリンダ３の上部に位置するシリンダヘッド７には、排気ガスが上方に排出する排気ポート３ｂが開口形成されるとともに、シリンダ３の下部寄り部分の周壁には、掃気ポート３ｃが周方向に沿って複数開口形成されている。上記排気ポート３ｂは、ＯＨＶ方式の排気弁９によって、開閉される。

２サイクルのディーゼルエンジンでは、燃料及びエア等を混合してなる混合気が燃焼室３ａ内で爆発すると、ピストン８が下方にスライド移動し、排気弁９が開作動する。この爆発時に発生した燃焼室３ａ内の排気ガスが、排気ポート３ｂから排気される。

上記爆発時の衝撃によって、ピストン８が掃気ポート３ｃよりも下方にスライド移動し、新気が該掃気ポート３ｃから燃焼室３ａ内に流入する。その後、ピストン８がシリンダ３内を再び上昇し、これに伴って、燃焼室３ａ内の圧力が上昇し、この圧力が所定以上になると、燃焼室３ａ内の混合気が爆発し、以下、このサイクルを繰返す。ちなみに、新気（エア）が導入された燃焼室３ａ内に、燃料を噴霧することにより、混合気が構成される。

排気ポート３ｂから排気される排気ガスは、シリンダ３の斜め上方に配置された排気マニホールド１１に送られる。一方、掃気ポート３ｃを介して、シリンダ３内の新気を送る掃気マニホールド１２が、シリンダ３の下部外周側に設けられている。

上記過給機２は、前記排気マニホールド１１内の排気ガスによって駆動され、掃気マニホールド１２内に供給する新気の圧力を上昇させる。ちなみに、この過給機２は、複数設けられている。この他、圧縮された新気は、インタークーラ１３によって、冷却された後に、掃気マニホールド１１に供給される。

上記クランクケース６内には、シリンダ３毎に、上下方向に延びる筒状のガイド１４が設けられている。各ガイド１４は、対応するシリンダ３と同一軸心であって且つ該シリンダ３の直下に配置されている。このガイド１４内には、クロスヘッド１６が、軸方向（上下方向）にスライド自在に作動可能な構成で収容支持されている。

このクロスヘッド１６は、ピストン８から垂直方向下方側に一体的に延設されたピストンロッド１７の下端部と、下端部がクランクピン１５によってクランクシャフト４に回転自在に連結されているコンロッド（コネクティングロッド）１８の上端部とを、回動自在に連結し、これによって、ピストン８と、クランクシャフト４とを動力伝動可能に機械的に連結させる連係機構１９を構成している。言換えると、ピストン８とクランクシャフト４とは、連係機構１９を介して、機械的に連結され、ピストン８のシリンダ３の軸方向への往復作動によって、クランクシャフト４が回転駆動される。

このクランクシャフト４は、継手によって、船舶のスクリュープロベラに直接接続してもよいし、或いは、減速機を介して、スクリュープロペラに動力を伝動させてもよい。ちなみに、減速機等を介す場合には、クランクシャフト４を推進方向に向けることは必須ではなくなる。

このディーゼルエンジンは、プロペラや船体によって、燃料消費率を最良とする航行速度（回転数）が常用速度（常用回転数）として定まるが、この常用速度が２０ノットに定められている場合に、これよりも遅い速度（例えば、１８ノット）で、航行すると、燃料消費率が悪化する。これを防止するため、このディーゼンルエンジンには、燃費を最良とする航行速度を、常用速度よりも低速とする低速状態に、機械的に可逆的に改変する改変機構（改変手段）を複数設けている。すなわち、このディーゼルエンジンにおける上記改変前の本来の状態が標準状態であり、該ディーゼルエンジン（特に、内燃機関本体１）は、上記改変によって、標準状態よりも出力が低下し、この出力特性の変更によって、減速航行時の燃料消費率を良好とする。

具体的には、過給機２側に設けた改変機構が、第１改変機構になり、連係機構１９側に設けた改変機構が、第２改変機構になり、シリンダ３側に設けた改変機構が、第３改変機構になる。

図２（Ａ），（Ｂ）は、第１改変機構による低速状態への切換の前後の状態をそれぞれ示す配管図である。複数の各供給管２２から吸気された新気は、掃気マニホールド１２に供給される。一方、排気マニホールド１１の排気ガスは、複数の分岐管２３に分岐され、その後、この複数の分岐管２３が合流して、排気管２４になり、外部に排気される。

過給機２は、一の分岐管２３と、一の供給管２２に至る範囲に設けられている。そして、過給機２は、分岐管２３側に設置されたタービン２ａと、供給管２２側に設置されたコンプレッサ２ｂとを有し、排気ガスによって、タービン２ａが作動し、コンプレッサ２ｂを駆動させ、供給管２２から掃気マニホールド１２に供給されるエアを圧縮する。この供給管２２の途中には、上述した通り、インタークーラ１３が設けられ、圧縮されたエア（新気）が冷却される。

第１改変機構は、この複数の過給機２の内、一部の過給機２（以下、「対象過給機２Ａ」と呼び、図示する例では左右真ん中の過給機２）を駆動させないように、機械的に可逆可能に切換える。具体的には、この対象過給機２Ａのタービン２ａが設置された分岐管２３における該タービン２ａの上流側には、該タービン２ａへの排気ガスの供給経路の開閉切換を行う切換弁（開閉部材）２６を設けている。

この切換弁２６によって上記供給経路が閉塞されている時には、該対象過給機２Ａのタービン２ａが設置された分岐管２３における該タービン２ａの下流側も、開閉切換可能な切換弁２７によって閉塞される他、この対象過給機２Ａのコンプレッサ２ｂによって加圧される供給管２２における該コンプレッサ２ｂの上流側（具体的には、この供給管２２の流入側端部）と、下流側（具体的には、この供給管２２の掃気マニホールド１２への流出側端部）も、開閉切換可能な切換弁２８，２９によって、それぞれ閉塞される。

該構成の第１改変機構によれば、各切換弁２６，２７，２８，２９の閉塞によって、低速状態への切換が行われる一方で、各切換弁２６，２７，２８，２９の開放によって、低速状態から元の状態（標準状態）への切換が行われる。

第１改変機構の上記構成によれば、過給機２が設置された内燃機関であれば、どのようなものにも設けることが可能であり、且つ弁を設ければよいため、汎用性が高く、設置も容易である。ちなみに、減速航行時には、過給機２一台あたりの排気ガス流入量が低下し、タービン２ａによる圧縮効率が低下するが、上記のように作動する過給機２を減らすことによって、作動させる過給機２の一台あたりの圧縮効率を向上させることが可能になる。

図３は、第２改変機構を設けた連係機構の構造を示す側面図であり、図４は、クロスヘッドピンの構成を示す斜視図であり、図５は、クロスヘッド軸受の構成を示す斜視図である。上記クロスヘッド１６は、クランクシャフト４と平行なクロスヘッドピン３１と、該クロスヘッドピン３１を軸回りに回動可能に支持するクロスヘッド軸受３２とを有している。

クロスヘッドピン３１の軸方向中央部の外周面側には、ピストンロッド１７の下端部に一体的に成形された方形フランジ状の接続部１７ａを嵌合収容させる凹部３１ａが、方形状に切欠き形成されて設けられている。

この凹部３１ａに、接続部１７ａを嵌合収容させてボルト固定させることにより、ピストンロッド１７の下端部が、クロスヘッドピン３１に取付固定される。また、この凹部３１ａの底面と、接続部１７ａとの間には、該凹部３１ａに少なくとも一部を嵌合収容させた状態（図示する例では、略全部を嵌合収容させた状態）で、方形板状の圧縮シム（調整部材）３３を介挿し、これを接続部１７ａと共に、ボルト締めさせてもよい。

ちなみに、圧縮シム３３は、上記構成によって、厚みの異なるものに交換可能であり、この圧縮シム３３の素材としては、弾性変形可能な合成樹脂材や金属等の硬質性の素材等、様々なものを採用することが可能である。なお、接続部１７ａは、その少なくとも一部を、凹部３１ａ内に収容させれば、必ずしも嵌合させる必要はなく、この場合には、接続部１７ａの平面視サイズを、凹部３１ａの平面視サイズよりも若干小さく設定する。

クロスヘッド軸受３２は、コンロッド１８の上端側からクランクシャフト４と平行な両方向に突出形成され且つ断面視で上方が開放された半円の円弧状をなす下側分割片３４と、この下側分割片３４の内周面にクロスヘッドピン３１の外周面の下部分を収容させた状態で、クロスヘッドピン３１の外周面の上部分に沿う円弧状に形成された一対の上側分割片３６とを有している。

一対の上側分割片３６を、クランクシャフト４と平行な方向に並べ、該一対の上側分割片３６と、下側分割片３４との間に、クロスヘッドピン３１を挟持するように収容させた状態で、上下の分割片３４，３６同士をボルト固定して締着させると、クロスヘッドピン３１が軸回りに回転自在に支持される。クロスヘッドピン３１は、上記した通り、ピストンロッド１７の下端部に固定されるため、結果として、コンロッド１８は、ピストンロッド１７に回動可能に支持される。

上記連係機構１９によれば、圧縮シム３３の有無や圧縮シム３３を設ける場合におけるその厚みの選択によって、該連係機構１９におけるピストン８からクランクシャフト４への動力伝動経路の長さを変更することが可能であり、これによって、ピストン８のシリンダ３内での往復作動範囲を変化させ、その結果、出力特性も変更することが可能になる。

言換えると、圧縮シム３３の有無を選択可能で、且つ厚みの異なる圧縮シム３３に交換可能な連係機構１９によって、上記第２改変機構が構成される。具体的には、標準状態時には、厚みの薄い圧縮シム３３（図５に実線で示す圧縮シム３３）を採用し、低速状態時には、厚みのある圧縮シム３３（図５に仮想線で示す圧縮シム３３）を採用するようにしてもよいし、或いは、標準状態時には、圧縮シム３３を省略し、低速状態時には、圧縮シム３３を介挿するようにしてもよい。

第２改変機構の上記構成によれば、クロスヘッド型の内燃機関であれば、どのようなものにも設けることが可能であり、汎用性が高い他、ピストン８の作動範囲の変更によって、圧縮比等、出力特性を決定する要素を直接変更できるため、調整も容易である。ちなみに、減速航行時には、シリンダ３への新気（エヤ）の流入量が減るため、ピストン８による圧縮時の圧力が低下するが、これを防止するために、圧縮比を高くすることが必要であり、このため、ピストンの作動範囲を上記のようにして、変更させている。

図６（Ａ）は標準状態時の第３改変機構の要部正面図であり、（Ｂ）は低速状態時の第３改変機構の要部正面図である。前記シリンダ３内を冷却させる冷却水の流路である冷却路３７を、該シリンダ３の周壁部内における上部側に形成している。この冷却路３７は、シリンダ３の外周面側まで延設されてスペースが拡大された露出部３７ａを構成している。

冷却路３７におけるシリンダ３の外周面から露出した露出部３７ａ以外の部分である本体部３７ｂは、径細に形成され、シリンダ３の軸方向に沿うように湾曲形成されている。この冷却路３７に冷却水を供給する工程と、排出する工程とを繰返すことにより、シリンダ３内（特に、燃焼室３ａ）が冷却される。

この本体部３７ｂの内周面の少なくとも一部に、弾性変形可能な筒状のインシュレーションチューブ（断熱部材）３８を嵌合挿入すると、冷却水の冷機がシリンダ３の周壁に伝導され難くなり、その結果、冷却水と、シリンダ３内（特に、燃焼室３ａ）との熱交換効率が低くなり、冷却効率が低下する。

そして、このインシュレーションチューブ３８の挿入の有無の切換や、その長さを変更することによって、冷却効率を適宜変更し、本ディーゼルエンジンの上記改変を可逆的に行うことが可能になる。

例えば、図６（Ａ）に示す状態は、インシュレーションチューブ３８を、本体部３７ｂの内周における手前側部分のみに設け、冷却効率（熱交換効率）を向上させる標準状態である一方で、同図（Ｂ）に示す状態は、インシュレーションチューブ３８を、本体部３７ｂの内周における略全体に設け、冷却効率（熱交換効率）を低下させる低速状態である。

第３改変機構の上記構成によれば、既に存在する冷却路３７を利用し、この冷却路３７へのインシュレーションチューブ３８の挿入の有無、或は挿入するインシュレーションチューブ３８の長さ変更という簡易な構成によって、冷却能力を変更できるため、設置コストが安価になる。ちなみに、減速航行時には、シリンダ３内で発生する熱量も低くなり、これによって、熱効率が低下し、これがシリンダ３の内壁面の結露に繋がり、排気ガス中の硫黄と化学反応して、硫酸が発生し、この硫酸によって、本ディーゼルエンジンの腐食が進むことになるが、これを防止する目的で、上記のように冷却を制限している。

以上のように構成されるディーゼルエンジンによれば、３つの改変機構の全て又は一部を可逆的に改変することによって、標準状態から低速状態への切換、低速状態から標準状態への切換を行う改造を行うことが可能になる。具体的には、第１改変機構のみで用いる場合と、第１改変機構及び第２改変機構を組合せて用いる場合と、第１改変機構及び第３改変機構を組合せて用いる場合と、第２改変機構及び第３改変機構を組合せて用いる場合がある。

なお、第１改変機構のみによって、改造を行う方法によれば、内燃機関本体１に複数設けられた過給機２の内から予め定められた一の過給機２（図２に示す例では、中央側の過給機２）に対して、内燃機関本体１からの排気ガスの供給の有無を切換えることにより、上記改変による出力調整量が、該過給機２一台分に設定される。

そして、ディーゼルエンジン（全体）の出力が変化しないように過給機２の設置数を増減させると、過給機２の一台分の出力上昇値が変化するため、出力調整量の変更が容易になる。具体的には、全体の出力が一定又は略一定になるように、過給機２の設置数を増加させた場合、個々の過給機２による出力上昇値は小さくなるため、調整量は細かくなる一方で、このように、第１改変機構のみを用いる改造方法によれば、調整量も自在に設定できる。

図７（Ａ）はある船舶におけるプロペラ回転数に対する必要出力のグラフであり、図中の二点鎖線は本ディーゼルエンジンが改造を含めたセッティングにより対応可能な範囲を示しており、（Ｂ）は本ディーゼルエンジンの出力に対する燃料消費率の特性グラフであり、標準状態と低速状態のそれぞれのセッティングに対応している。同図に示す通り、このような改造方法（船舶用の内燃機関の改造方法）によれば、標準状態と、低速状態との間で、自在にセッティング可能になり、さらには、燃料消費率を最小とする航行速度は、標準状態よりも低速状態の方が、低速になるため、運航計画に併せて、適宜セッティングを行う。

１ 内燃機関本体（エンジン本体）
２ 過給機
２ａ タービン
３ シリンダ
４ クランクシャフト（クランク軸）
８ ピストン
１８ コンロッド（コネクティングロッド）
１９ 連係機構
３１ クロスヘッドピン
３２ クロスヘッド軸受
３７ 冷却路
３８ インシュレーションチューブ

Claims (1)

1. 船舶用の内燃機関の改造方法であって、
   燃焼によってピストンを軸方向に往復作動させるシリンダ及び該ピストンの往復作動によって回転作動するクランク軸を有する内燃機関本体を、標準状態と比較して出力を低下させることにより、減速航行時の燃料消費率を向上させる低速状態に機械的に可逆的に改変し、
   タービンを有する過給機を複数設け、
   該複数の過給機の内から予め選定された一の過給機に対して、内燃機関本体からの排気ガスの供給の有無を切換えることにより、上記改変による出力調整量を、該過給機一台分に設定し、
   全体の出力が変化しないように前記過給機の設置数を増加させることにより、上記出力調整量を小さく設定する一方で、該設置数を減少させることにより、上記出力調整量を大きく設定する
   ことを特徴とする船舶用の内燃機関の改造方法。

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