JP6812427B2 - Ｓｉｐ潤滑油噴射器を備えた大型低速２ストロークエンジン - Google Patents

Description

本発明は、シリンダ内のピストンの上死点（ＴＤＣ）近くに潤滑油噴射器を備えた、例えば船舶用ディーゼルエンジン、或いは発電所におけるガス又はディーゼルエンジンなどの大型低速２ストロークエンジンに関する。

環境保護への重点的な取り組みにより、船舶用エンジンからの排出物削減に関する努力が行われている。これには、このようなエンジンの潤滑システムを確実に最適化することも必要である。また、これには競争の激化が加わるとともに、船舶の運航コストのかなりの部分であるという理由で油消費の減少という経済的な側面も加わる。油消費の減少によってディーゼルエンジンの寿命が損なわれるべきではないので、潤滑油の減少にも関わらず適切な潤滑を行うことがさらなる懸念となっている。従って、潤滑に関連する着実な改善が必要とされている。

大型低速２ストローク船舶用ディーゼルエンジンの潤滑システムには、シリンダライナ上への潤滑油の直接噴射、又はピストン表面への油クイル（ｏｉｌ ｑｕｉｌｌｓ）の噴射を含む複数の異なるものが存在する。

商業的に「スワールインジェクション型（ＳＩＰ）」と呼ばれている別の方法は比較的新しく、潤滑油の霧状の液滴噴霧物をシリンダ内部の掃気スワール渦（ｓｃａｖｅｎｇｉｎｇ ａｉｒ ｓｗｉｒｌ）内に噴射することに基づく。潤滑油は、螺旋状に上方に向かうスワール渦によってシリンダの上死点(ＴＤＣ)に引き付けられ、薄い均一な層としてシリンダ壁に対して外向きに押し付けられる。この方法は、国際公開第２０１０／１４９１６２号において詳細に説明されている。潤滑油噴射器は、典型的には弁ニードルである往復動式弁部材が内部に設けられた噴射器ハウジングを含む逆止弁である。弁ハウジング内の弁部材は、例えばニードル先端部を用いて、ノズル開口部への潤滑油の経路を正確なタイミングに従って開閉する。現在のＳＩＰシステムでは、霧状の液滴の噴霧が３５〜４０バールの圧力で行われ、この圧力は、シリンダ内に導入される小さな油の噴流と協働するシステムに使用される１０バール未満の油圧よりも実質的に高い。いくつかのタイプのＳＩＰ弁では、高圧の潤滑油を用いてばね式の弁部材をばね力に抗してノズル開口部から離して動かすことにより、ノズル開口部から高圧の油が霧状の液滴として放出されるようになる。油が排出されると弁部材の内部の油圧が低下して、潤滑油噴射器に再び高圧の潤滑油が供給される次の潤滑油サイクルまで弁部材が元々の位置に戻るようになる。

このような大型の船舶用エンジンでは、シリンダ周囲のシリンダ軸に垂直な平面内に複数の噴射器が円形に配置され、各噴射器は、シリンダ内に潤滑油の噴流又は噴霧を送達するための１又は２以上のノズル開口部を先端に含む。船舶用エンジンにおけるＳＩＰ潤滑油噴射器システムの例は、国際公開第０２／３５０６８号、第２００４／０３８１８９号、第２００５／１２４１１２号、第２０１０／１４９１６２号、第２０１２／１２６４８０号、第２０１２／１２６４７３号及び第２０１４／０４８４３８号に開示されており、これらは引用により本明細書に組み入れられる。

従来、エンジンのシリンダには、シリンダの上死点(ＴＤＣ)からシリンダの総ストロークの約１／３を上回る距離に配置される油噴射器のための開口部が構築されている。しかしながら、シリンダの長さを延ばすには、高温であって適切な潤滑の要件が最も重要なＴＤＣ付近のシリンダ内の適切な潤滑を保全するために潤滑ノズルをＴＤＣの方にさらに動かすべきかどうかの考察が必要である。ピストンに直接適用される油クイルについては、Ｍｉｙａｋｅ他による、ＣＩＭＡＣ上海大会２０１３において国際燃焼機関会議によって発表された「論文番号：１７７、ストローク／ボア比の増加に関するシリンダライナ及びピストンリングの潤滑問題（ＰＡＰＥＲ ＮＯ．：１７７ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｌｉｎｅｒ ａｎｄ ｐｉｓｔｏｎ ｒｉｎｇ ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｉｓｓｕｅｓ ｉｎ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｓｔｒｏｋｅ／ｂｏｒｅ ｒａ−ｔｉｏ）」という論文にこのような考察が開示されている。これらの実験では、ＴＤＣから１．２ｍの遠い距離に潤滑弁を配置すると、油が燃焼室に入り込まないことが分かった。燃焼室における油の回復及び硫酸の中和の観点からすれば、潤滑弁をＴＤＣから０．３ｍの近くに再配置すると、油の６７％が燃焼室に入り込むので有利であることが分かった。しかしながら、シリンダ全体の総合的潤滑については、油の２０％が燃焼室に入り込む２段潤滑によって状況が大幅に改善された。

シリンダの上部に油クイルが入り込む場合に比べ、ＳＩＰ弁ノズルからの噴霧の一部がＴＤＣに向かって螺旋状に上向きに引き込まれて燃焼室に入り込み、従ってＳＩＰノズルからＴＤＣまでの距離が長い場合であっても良好な潤滑をもたらすので、ＳＩＰ潤滑には特別な考察が必要である。このことは、クイルによる油の剥離からＳＩＰ潤滑への変化が一般的な状態の改善を証明した理由でもある。これらの理由からも、一般にＳＩＰ噴射器をＴＤＣに近い位置へ動かしてもシリンダライナの修正を正当化する改善は得られないと考えられる。特に、Ｍｉｙａｋｅ他が発見したような油クイル潤滑弁を再配置する改善を期待することはできない。従って、従来の潤滑システムのクイルノズル又はジェットノズルをさらにＴＤＣの方に動かすことは思案できるが、ＳＩＰ潤滑型の潤滑油噴霧では、油を運ぶ螺旋状のスワール渦に起因してこれらの考察は不要と思われる。

国際公開第２０１０／１４９１６２号 国際公開第２００２／０３５０６８号 国際公開第２００４／０３８１８９号 国際公開第２００５／１２４１１２号 国際公開第２０１０／１４９１６２号 国際公開第２０１２／１２６４８０号 国際公開第２０１２／１２６４７３号 国際公開第２０１４／０４８４３８号 国際公開第２００５／１２４２１２号

しかしながら、これらのＳＩＰ潤滑システムの明らかな利点にも関わらず、改善のための一般的な揺るぎない動機が存在する。

従って、本発明の目的は、この技術の改善を行うことである。特に、ＳＩＰ弁を用いて潤滑を改善することが目的である。さらなる目的は、大型低速２ストロークエンジン、特に船舶用ディーゼルエンジンにおけるシリンダの摩耗を低減することである。これらの目的は、以下で詳細に説明する、大型低速２ストロークエンジンの潤滑を改善するシステム及び方法によって達成される。

ＳＩＰ潤滑の原理は、噴霧が渦状にＴＤＣに向かって燃焼室を潤滑化するので、油クイル潤滑からの改善であるとその導入以来認識されているが、さらに最近では、ＳＩＰ噴射器をＴＤＣに近付けて配置することによってＳＩＰ潤滑における潤滑の改善が実験的に達成された。特に、ＴＤＣからの相対的距離がピストンの全ストローク距離の１／３ではなく１／８となる地点にＳＩＰ噴霧噴射器を設けたシリンダライナにおいて、摩耗が予想よりも大幅に少ないことが実験的に分かった。シリンダライナ交換後のエンジンの慣らし運転（ｒｕｎ−ｉｎ、ｂｒｅａｋ−ｉｎとも呼ばれる）中には、新品のライナの摩耗が、１０００時間を超えて稼働していたシリンダの摩耗以下であることが分かった。シリンダライナ交換後のエンジンの慣らし運転期間中の摩耗は、慣らし運転後の期間よりもはるかに大きいことが非常に良く知られているので、このことは最大の驚きであった。従って、他の潤滑システムと比べた時のＳＩＰ潤滑の以前の一般的利点及び良好な性能にも関わらず、さらなる改善が可能であった。

ＴＤＣからの相対的距離が全ストロークの１／８となる地点に存在するＳＩＰ噴射器を用いて実験を行ったが、改善されたＳＩＰ潤滑のための距離は、典型的には全ストロークの約１／３である従来のエンジンよりもＴＤＣに近いＳＩＰ噴射器の位置である全ストロークの１／６、さらには１／５に延ばすこともできると考えられる。実験には長い時間が掛かるため、１／６及び１／５の相対的距離でも効果が達成されるという実験的証拠は未だに得られていないが、徹底的な技術的考察及び最初の質的徴候（ｆｉｒｓｔ ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅ ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎｓ）がこれを裏付けると思われる。

ＴＤＣに対するＳＩＰ噴射器の再配置は、ＴＤＣに近い取り付け穴を含むシリンダライナを最初から相応に構成し、又は既存のシリンダライナに元々の取り付け穴よりもＴＤＣに近い新たな取り付け穴を追加することによって行うことができる。

ＴＤＣに近い噴射器取り付け穴を含むシリンダライナの再構成が不可能な場合には、ＳＩＰ噴射器からの噴霧をＴＤＣの方へ、又はＳＩＰ弁の位置と比べてＴＤＣに近いシリンダライナ上の位置へ向けるために、潤滑油の噴霧方向を通常の０〜２０度からＴＤＣに向けてさらに大きな角度に変更することによって、例えばシリンダ軸に対して垂直な平面から測定した時に３０度超、４５度超、さらには６０度超の角度下でＳＩＰ原理の改善を行うこともできる。

ＴＤＣに近い領域の方に噴霧を向けることによる改善は、その領域内に噴霧噴射器の位置が存在するよりも効率が低いと考えられるが、例えばシリンダライナの周囲の構造上の制約に起因して潤滑油噴射器をＴＤＣの十分に近くに設けることができない場合には有用な代案とすることができる。場合によっては、最適化のために有利であると分かっている場合には、ＴＤＣの近くへの噴射器の配置と、ＴＤＣに向けた噴霧という説明した２つの方法を組み合わせることもできる。

大型低速２ストロークエンジンという用語は、例えばシリンダ直径が３０ｃｍを上回る、さらには１００ｃｍを上回る、通常は船舶及び発電所に使用されるサイズを有するエンジンを意図するものである。典型的な対象エンジンはディーゼルエンジンであるが、ガス駆動式エンジンを使用することもできる。この潤滑システム及び方法は、特に船舶における大型低速２ストロークディーゼルエンジンに使用される。

このようなエンジンは複数のシリンダを含み、各シリンダ内には、上死点ＴＤＣと下死点ＢＤＣとの間の全ストロークに対応する距離を長手方向シリンダ軸に沿って往復運動するピストンが存在する。シリンダは、ＴＤＣとＢＤＣとの間のシリンダの外周に沿って、例えば同一の角距離で分布する、外周上の様々な位置においてシリンダ内に潤滑油を噴射する複数の潤滑油噴射器を含み、各潤滑油噴射器は、噴霧を噴出するための開口部を有する噴霧ノズルを含む。ほとんどの潤滑油噴射器は、ノズル内に１つの開口部しか有していないが、噴霧ノズルは複数の開口部を有することもできる。噴霧の方向は、噴霧中の液滴の平均的な方向として定められる。いくつかの実施形態では、最初のノズルからのミストとも呼ばれる霧状の噴霧がシリンダライナに向けられて、外周上の最初のノズルと次のノズルとの間の領域に入り込む。

潤滑油噴射器は、対応するパイプシステムを通じて所定の潤滑油圧で潤滑油噴射器に潤滑油を供給するとともにシリンダ内への潤滑油の噴射タイミングを制御するように構成された制御システムに機能的に接続される。このタイミングは、エンジンの回転にもさらに関連性があり、例えば１回転毎に１回の噴射、又は２回目の回転につき１回の噴射が行われる。噴射のタイミングは、潤滑油噴射器に供給される油の周期的な圧力の増加によって決定される。例えば、潤滑油噴射器内の油圧が一定の閾値を超えると噴射が行われる。

ＳＩＰ原理では、各潤滑油噴射器が、シリンダ内に延びるノズルを有する。このノズルは、所定の閾値の潤滑油圧で潤滑油が供給された時に、油ミストとも呼ばれる霧状の潤滑油の液滴を含む噴霧を供給するように寸法決めされる。

制御システムは、ピストンがＴＤＣに向かう移動時に潤滑油噴射器を通る前に潤滑油噴射器がシリンダ内の掃気空気に噴霧を噴射して、ＴＤＣに向かう掃気空気の渦状の動きを利用して霧状の液滴をＴＤＣに向かう方向に運ぶことによって掃気空気内に霧状の液滴を拡散させてシリンダ壁上に分散させるようにも構成される。

具体的に言えば、シリンダ内の潤滑油噴射器のノズルは、ＴＤＣからの第１の特定の距離がピストンの全ストロークの１／５以下の割合となる地点に配置される。例えば、この第１の特定の距離は、全ストロークの１／６未満、１／７未満又は１／８未満である。

エンジンの稼働中に適切なＳＩＰ潤滑を行うために、潤滑油の霧状の液滴を含む噴霧は、ピストンがＴＤＣに向かう移動時に潤滑油噴射器を通る前に潤滑油噴射器によってシリンダ内の掃気空気に繰り返し噴射される。掃気空気内では、ＴＤＣに向かう掃気空気の渦運動によって霧状の液滴がＴＤＣに向かう方向に運ばれるので、霧状の液滴は、拡散してシリンダ壁上に分散する。

噴霧の霧化は、潤滑油噴射器内の潤滑油の圧力がノズルにおいて高まることによって生じる。この圧力は１０バールよりも高く、通常、この高圧噴射では２５バール〜１００バールである。例えば３０〜８０バール、任意に３５〜５０バールである。

例えば、潤滑油噴射器は、油ミストとも呼ばれる噴霧状又は霧状の液滴を放出する０．１〜１ｍｍの、例えば０．２〜０．５ｍｍの開口部を有する噴霧ノズルを含む。

また、粘度も霧化に影響を与える。船舶用エンジンで使用されるＥｘｘｏｎＭｏｂｉｌ（登録商標）社のＭｏｂｉｌｇａｒｄ（商標）５６０ＶＳなどの潤滑油は、４０℃で約２２０ｃＳｔ、１００℃で２０ｃＳｔの典型的な動粘性率を有し、これは２０２〜３７ｍＰａ・ｓの動粘性係数に相当する。船舶用エンジンに使用される他の潤滑油には、他のＭｏｂｉｌｇａｒｄ（商標）油、及びＣａｓｔｒｏｌ（登録商標）社のＣｙｌｔｅｃｈ油があり、これらは４０〜１００℃ではほぼ同じ粘度を有し、例えばノズル開口部の直径が０．１〜０．８ｍｍの時に全て霧化に有用であり、潤滑油は、開口部において３０〜８０バールの圧力と、３０〜１００℃又は４０〜１００℃の温度とを有する。

シリンダライナから中心シリンダ軸に向かう方向である半径方向に油が噴射されないことは、ＳＩＰ潤滑の常である。代わりに、潤滑油噴射器のノズル開口部は、シリンダ壁に向かって、半径方向成分よりも大きな接線成分を有する噴霧方向に向けられる。半径方向成分は、潤滑油噴射器からシリンダの中心のシリンダ軸に向かう方向と平行であり、接線成分は、シリンダと接線方向に平行である。例えば、最初のノズルからの霧状の噴霧は、シリンダライナに向かって外周上の最初のノズルと次のノズルとの間の領域内に向けられる。多くの場合、ノズルは、シリンダ軸に対して垂直な平面におけるシリンダの周囲のノズル間の角距離が同一の状態で配置される。

シリンダライナは、この方向における噴霧の伝播がシリンダライナからの材料によって妨げられるのを防がないように、ノズル開口部から噴霧方向に沿って延びる溝を潤滑油噴射器毎に含むことが有利である。

新たなシリンダライナのＴＤＣからの第１の特定の距離に最初から潤滑油噴射器用の取り付け穴を設けることもできるが、システムは、例えば元々の取り付け穴よりもＴＤＣの近くにシリンダライナを貫いて取り付け穴を開けることによって追加の取り付け穴を定めるような噴射器の改造にも有用である。任意に、離れた距離における元々の取り付け穴とＴＤＣに近い追加の穴の両方を潤滑油噴射器の取り付けに使用することもできるが、多くの場合、ＴＤＳから離れた距離における取り付け穴は塞がれて潤滑には使用されない。

例えば、ＴＤＣからの特定の距離がシリンダの全ストロークの１／５を上回る、例えば全ストロークの１／４を上回る、又は１／３を上回る地点に潤滑油噴射器のための第１の取り付け穴の組を設ける。その後、ＴＤＣからの第１の特定の距離がシリンダの全ストロークの１／５以下となる、例えば全ストロークの１／６以下、或いは全ストロークの１／７以下又は１／８以下となる地点に第２の取り付け穴の組を定めることによってシリンダを修正する。その後、第２の取り付け穴の組に潤滑油噴射器を取り付け、この第２の取り付け穴の組を用いて噴霧噴射を行う。しかしながら、通常は全ストロークの１／８よりも近い距離は不要である。

いくつかの実用的な実施形態では、潤滑油噴射器が噴射器ハウジングを含み、噴射器ハウジングをシリンダ壁に取り付けた時に、噴射器ハウジングの一端におけるノズル先端部がシリンダ内に到達する。例えば、このノズル先端部は噴射器ハウジングの一体部分であるが、常にそうであるとは限らない。シリンダライナに噴霧のための溝を設けた場合には、ノズル先端部が溝内に到達する。ノズル先端部は、噴射器ハウジング内の内部空洞からノズル先端部の壁部を貫いて延びる開口部を含み、加圧された潤滑油は、内部空洞からこの開口部を通じて噴射器ハウジング外に放出される。噴射器ハウジングの内部には、噴射器の開状態と閉状態との間で往復運動的に摺動する弁部材が取り付けられる。弁部材は、潤滑油が開口部に接近するのを防ぐ閉状態にある時は、ノズルの開口部を密封して覆う。弁部材は、ノズルの開口部からの油の放出段階中に内部空洞からの潤滑油を開口部に接近させる開状態中には、ノズルの開口部から離れて移動する。潤滑油の放出は、チャンバ内の圧力が十分に減少することによって停止する。弁部材の往復運動は、ピストンの動きに従う正しいタイミングで繰り返し行われる。

例えば、潤滑油噴射器は、制御システムからの潤滑油を潤滑油噴射器の内部空洞内に所定の圧力で受け入れる。内部空洞は、ノズルと弁部材との間に設けられて、弁部材がノズル開口部から離れて移動すると内部チャンバの容量が増加するようになる。加圧された油は、内部チャンバに入り込むと弁部材を、例えば弁部材の肩部を圧迫して内部チャンバの容量を増加させ、圧力が所定の閾値圧よりも増加すると、弁部材がノズル開口部から変位して道を空け、内部空洞からの潤滑油がノズルの開口部を通じて放出されるようになる。内部空洞内に高圧をもたらすために、弁部材は、ノズルの開口部を覆って閉じる位置に向かってばねによって初期応力を与えられることが有利である。繰り返される潤滑サイクル毎に、例えば２５〜１００バールの、通常は３０〜８０バールの圧力などの高圧で潤滑油が内部空洞内に給送され、弁部材を開口部から離して移動させる。例えば、弁部材は、内部空洞の容量を増加させて弁部材に対する潤滑油の圧力がばねによって弁部材に加えられる圧力よりも大きくなった時点でノズルから潤滑油を排出するために、加圧された潤滑油によって押圧される肩部を有する。この場合、ばね圧は、噴霧を放出するための閾値圧を決定する。

弁部材を移動させる別の方法例は、例えば弁部材に接続された磁気応答性のコア又はシェルを移動させるソレノイドなどの電気機械的システムである。この場合、弁部材は、開口部が霧状の噴霧を供給するほど十分に油圧が高い時にのみ移動する。

ＳＩＰ原理に関する噴霧噴射器の例は、上述した国際公開第０２／３５０６８号、第２００４／０３８１８９号、第２０１２／１２６４８０号、第２０１２／１２６４７３号、及び第２０１４／０４８４３８号に記載されている。潤滑制御システムは、国際公開第２０１０／１４９１６２号において詳細に説明されている。これらの開示は、引用により本明細書に組み入れられる。

例えば噴射器取り付けのための接近が冷却キャップによって防がれおり、或いはシリンダライナの内側に改造の際に破損する冷却チャネルが設けられていることによって、シリンダライナの第１の特定の距離のできるだけ近くに噴射器のための取り付け穴を設けることができない場合には、上述した方法とは異なる、以下でさらに詳細に説明する方法を使用することができる。この方法は、ＴＤＣの近くに潤滑油噴射器を設ける場合ほど効率的とは考えられない。しかしながら、先行技術に対しては潤滑を改善させると思われる。大まかに言えば、以下の方法は、ＴＤＣに向かう潤滑油の噴霧方向を通常の０〜２０度から３０度よりも大きな角度に、例えば４５度、さらには６０度よりも大きな角度に変更したＳＩＰ潤滑法である。この角度は、シリンダ軸に対して垂直な平面から測定される。例えば、この角度は３０〜８０度であり、任意に４５〜８０度又は６０〜８０度である。ＴＤＣに向かう噴霧方向を変更することにより、潤滑油がスワール渦によってＴＤＣの方に運ばれやすくなる。換言すれば、噴霧の傾斜角を大きくすると、スワール渦がＴＤＣに向けて燃焼室内に油を運ぶのに役立つ。

通常、ＴＤＣの近くに潤滑油噴射器を取り付ける際には、ＴＤＣに向かうこのような大きな傾斜角の噴霧方向は不要である。しかしながら、原理上は、上述したようなＴＤＣに近い潤滑油噴射器の取り付けと、２０度よりも大きな傾斜角の噴霧方向とを組み合わせることができる。

例えば、ＴＤＣからの特定の距離がピストンの全ストロークの１／５を上回る、例えば全ストロークの１／４を上回る地点に潤滑油噴射器を設ける。多くのエンジンでは、ＴＤＣからの距離が全ストロークの約１／３以上となる地点に潤滑油噴射器が設けられる。この時、潤滑油噴射器は、ＴＤＣと、ＴＤＣからの第１の特定の距離がピストンの全ストロークの１／５未満となる、例えば全ストロークの１／６以下、１／７以下又は１／８以下となる地点との間に位置するシリンダライナ上の領域に噴霧方向を向けて取り付けられる。

例えば、この噴霧方向はシリンダ壁に向けられ、潤滑油噴射器からシリンダの中心軸に向かう方向に平行な半径方向成分よりもシリンダの接線方向に平行な接線成分の方が大きい。噴霧方向の角度に関しては、潤滑油噴射器のノズルからシリンダ内に噴霧の大部分を妨げられずに噴霧方向に伝播できるようにする対応する溝を用いてシリンダライナを調整することができる。

本明細書における噴霧という用語は、油ミストとも呼ばれる霧状に放出された潤滑油を表す用語として使用するものである。ディーゼル油もある程度の潤滑特性を有しているにも関わらず、特にはるかに粘度が高いことから、潤滑油という用語については、ディーゼル油とは異なる潤滑油のために使用する。

噴霧が最初のノズルによって半径方向ではなくむしろ準接線方向に、すなわち接線との間の角度が小さい状態でシリンダ内に向けられるようにして、外周上の最初のノズルと次のノズルとの間のシリンダライナ上に油を噴霧するために、ライナには、噴霧を準接線経路上でシリンダ内に伝播できるようにする溝が設けられる。噴霧の方向をＴＤＣに近い領域に向ける場合には、噴霧を妨げられずにこのような方向に伝播できるようにする溝をシリンダライナ内に設けることが有利である。例えば、この溝は、調整方向における噴霧の伝播を妨げることなく、噴霧方向の自由な調整を可能にする、半球状である。

噴霧方向の接線成分は、スワール渦が油ミストをＴＤＣに向かう螺旋状の移動時に加速させるのを支援する。しかしながら、原理上は、上述したようにＴＤＣに角度が向いた半径方向の噴射も可能である。

要約すれば、ＳＩＰ潤滑における潤滑の改善は、ピストンの全ストロークの１／５未満、例えば１／８以下の割合よりもＴＤＣの近くにＳＩＰ噴射器を配置することによって達成される。この配置は、従来のエンジンよりもＴＤＣに近い。この配置は、シリンダライナを再構成することによって、或いはシリンダに新たな取り付け穴を追加することによって実現することができる。このような再構成が不可能な場合には、例えばシリンダ軸に対して垂直な平面から測定した時に３０度を上回る、４５度を上回る、又は６０度を上回る角度下でＴＤＣの方に、或いはＳＩＰ弁の位置に比べてＴＤＣに近い位置の方に噴霧を向けることによってＳＩＰ原理の改善を達成することもできる。また、説明した２つの方法を組み合わせることもできる。

以下、図面を参照しながら本発明をさらに詳細に説明する。

例えば船舶用ディーゼルエンジンなどの大型低速２ストロークエンジンにおけるシリンダ潤滑システムを示す平面図である。 例えば船舶用ディーゼルエンジンなどの大型低速２ストロークエンジンにおけるシリンダ潤滑システムを示す概略的側面図である。 １つのタイプの潤滑油噴射器を示す図である。 別のタイプの潤滑油噴射器を示す図である。 さらに別のタイプの潤滑油噴射器を示す図である。 ２つのシリンダをＴＤＣに近い潤滑油噴射器に修正したエンジンの実験データを示す図である。

図１に、例えば船舶用ディーゼルエンジンなどの大型低速２ストロークエンジンのシリンダの２分の１を示す。シリンダ１は、シリンダ壁３の内側にシリンダライナ２を含む。シリンダ壁３の内部には、円に沿って分布する複数の潤滑油噴射器４が設けられ、隣接する噴射器４間の角距離は同一である。噴射器４は、潤滑供給管路９を通じて潤滑装置ポンプ及びコントローラシステム１１からの潤滑油を受け取る。通常、供給される油は、例えば５０〜６０度の特定温度に加熱される。潤滑油の一部は、潤滑油戻り管路１０によってポンプに戻される。潤滑装置ポンプ及びコントローラシステム１１は、エンジンのシリンダ１内のピストンの動きと同期した正確なタイミングのパルスで噴射器４に加圧潤滑油を供給する。この同期のために、潤滑装置ポンプ及びコントローラシステム１１は、クランク軸の速度、負荷及び位置を含むエンジンの実際の状態及び動きのパラメータをモニタするコンピュータを含み、クランク軸の位置は、シリンダ内におけるピストンの位置を示す。

各噴射器４は、油ミストとも呼ばれる潤滑油の霧状の噴霧７を高圧下でシリンダ１内に放出する開口部を備えたノズル５を有する。例えば、ノズル開口部は、０．１〜０．８ｍｍの直径、例えば０．２〜０．５ｍｍの直径を有し、１０〜１００バールの、例えば２５〜１００バールの、又は典型的には３０〜８０バールの圧力で、潤滑油の小さな噴流とは対照的に潤滑油を微細噴霧の形に霧化する。シリンダ１内の掃気空気のスワール渦９は、潤滑油がシリンダライナ２上に均一に分布するように噴霧８をシリンダライナ２に押し付ける。この潤滑システムは、当分野では「スワールインジェクション型（ＳＩＰ）」として知られている。通常、シリンダライナ２には、噴射器からの噴霧が２つの隣接するノズルの間の領域を潤滑化するようにシリンダ壁に沿った方向に、又は図示のようにさらに長く、非半径方向に伝播するのに十分な空間をもたらしてスワール渦による潤滑油の輸送を支援する、図示のような溝６が設けられる。

図１ｂには、中心シリンダ軸３３に沿って下死点ＢＤＣとシリンダ頂部３５のわずかに下方の上死点ＴＤＣとの間で往復運動しているピストン３２を含むシリンダ２の概略図を示す。潤滑油噴射器のＴＤＣからの距離Ｄは、ＴＤＣからの長さの観点から表すことも、或いは本明細書で行っているようにＴＤＣとＢＤＣとの間の距離である全ストロークの割合の観点から表すこともできる。

図２ａに、第１のタイプの潤滑油噴射器４ａを示す。この噴射器の一般化原理は、単一のノズル開口部については国際公開第０２／３５０６８号、第２００４／０３８１８９号又は第２００５／１２４２１２号に開示されているものと同様であり、或いは複数のノズル開口部については国際公開第２０１２／１２６４８０号に開示されている通りである。これらの参考文献には、ここに示す噴射器の機能に加えたさらなる技術的詳細及び説明が示されており、ここでは便宜上これらについて繰り返さない。

噴射器４ａは、ノズル先端部１３を有する噴射器ハウジング１２を含み、ノズル先端部１３の一端は噴射器ハウジング１２と一体化される。ノズル先端部１３には、潤滑油を放出するノズル開口部１４’を有するノズル１４が設けられる。ノズル１４は、ノズル開口部１４’からノズル先端部１３の壁部２１を貫いて噴射器ハウジング１２の円筒状の内部空洞１５内に延びるダクト２０も含む。噴射器ハウジング１２の内部には、弁部材１６が設けられる。弁部材１６は、滑り軸受２３内で往復運動するように摺動案内されるステム（ｓｔｅｍ）１７を含み、ステム１７は、図示の実施形態では噴射器ハウジング１２内の別個の静止部分であるが、それ自体を噴射器ハウジング１２の一部とすることもできる。噴射器ハウジング１２の内部空洞１５内には、ステム１７の同軸的な長手方向延長部としての弁ニードル１８が設けられる。弁ニードル１８は、内部空洞１５の直径よりも小さな直径を有し、弁ニードル１８の端部における例えば円錐形の端部などのニードル先端部２２がダクト１４の第２の端部における弁座１９から後退した時に潤滑が弁ニードル１８に沿ってダクト２０に流れてノズル開口部１４’から放出され、ダクト２０が開いて潤滑油がノズル開口部１４’に流れてここから放出されるようになっている。弁部材１６及び弁ニードル１８の位置は、弁部材１６の反対端に適度なばね圧が作用することによってノズル先端部１３により初期応力を受け、弁ニードル１８を有する弁部材１６は、空洞１５内の油圧の増加によって弁座１９から離れて後方にオフセットされる。油の放出は、油圧による弁部材１６の変位がばねからの初期応力に打ち勝った時に行われる。このように、放出される油の圧力はばね力によって調整される。このことは、本明細書で引用する先行技術文献においてさらに詳細に説明されている。

図２ｂに、第２のタイプの潤滑油噴射器４ｂを示す。この噴射器の一般化原理は、国際公開第２０１４／０４８４３８号に開示されているものと同様である。この参考文献には、ここに示す噴射器の機能に加えたさらなる技術的詳細及び説明も示されており、ここでは便宜上これらについて繰り返さない。

噴射器４ｂは、ノズル先端部１３を有する噴射器ハウジング１２を含み、ノズル先端部１３の一端は噴射器ハウジング１２と一体化される。ノズル先端部１３には、潤滑油を放出するノズル開口部１４’が設けられる。噴射器ハウジング１２の空洞１５内には、弁部材１６が設けられ、弁部材１６はステム１７と、噴射器ハウジング１２のノズル先端部１３に円筒状の空洞部分１５’内で摺動可能に配置された円筒状の密封頭部１５とを含む。弁部材１６の位置は、ばね２６によってノズル先端部１３から離れて後方に初期応力を受け、チャネル２８を通じてバネ２６の力に抗してステムの後部２７に作用する油圧によって前方にオフセットされる。弁部材１６が前方に押し出されることにより、密封頭部２５がノズル開口部１４’を通り過ぎて離れて摺動して、潤滑油が内部空洞１５からノズル開口部１４’を通って流れて放出できるようにならない限り、ノズル開口部１４’は、ノズル先端部１３における円筒状の空洞部分１５’に当接する密封頭部２５によって密封して覆われる。

図２ｃに、第３のタイプの潤滑油噴射器４ｃを示す。この噴射器の一般化原理は、国際公開第２０１２／１２６４７３号に開示されているものと同様である。この参考文献には、ここに示す噴射器の機能に加えたさらなる技術的詳細及び説明も示されており、ここでは便宜上これらについて繰り返さない。

噴射器４２は、ノズル先端部１３を有する噴射器ハウジング１２を含み、ノズル先端部１３では、ノズル１４にダクト２０と、ダクト２０の第１の端部におけるノズル開口部１４’とが設けられる。ダクト２０は、ノズル開口部１４’からノズル先端部１３の壁部２１を貫いて噴射器ハウジング１２の内部空洞１５内に延びる。噴射器ハウジング１２の空洞１５内には、滑り軸受２３内で往復運動するように摺動案内されるステム１７を含む弁部材１６が設けられ、ステム１７は、この実施形態では噴射器ハウジング内の別個の静止部として示しているが、それ自体を噴射器ハウジング１２の一部とすることもできる。弁部材１６の位置は、ばね２６によってノズル先端部１３に向かって前方に初期応力を受ける。国際公開第２０１２／１２６４７３号に開示されている１つの考えられる後退機構では、電気コイルが、対応する電磁的応答部分を備えた弁部材に電磁力を与える。しかしながら、原理上は、弁部材１６に作用する空洞１５内の油圧を高めることによってバネ２６の力に抗して弁部材１６を後方にオフセットさせる好適な構成によるものも可能である。ステム１７の同軸的な長手方向延長部としての弁部材１６は、ニードル先端部２２の一部としての密封ボール部材２８が固定された弁ニードル１８を含み、ニードル先端部２２は、弁が閉じた状態では弁座１９に押しつけられてダクト２０を閉じ、弁が開いた状態では、潤滑油が内部空洞１５からボール２８を含むニードル先端部２２を通過してダクト２０内に入り込んでノズル開口部１４’から放出できるようになる距離だけ弁座１９からオフセットされる。内部空洞１５は、Ｏリング３１によって噴射器ハウジング１２内の残り部分に向かって後方に密封される。

噴射器ハウジングの典型的な寸法は、直径が１０〜３０ｍｍであって長さが５０〜１３０ｍｍであるが、後端に供給管路が接続された噴射器は若干長くすることもできる。弁部材１６は、典型的な長さが４０〜８０ｍｍであってステムにおける直径が５〜７ｍｍであり、弁ニードル１８では直径がこれよりも小さい。ハウジング先端部１３の典型的な直径は、噴射器ハウジング１２の全体的なサイズに応じて６〜１０ｍｍである。ノズル開口部１４’の直径は、０．１〜１ｍｍであり、例えば０．２ｍｍ〜０．７ｍｍである。

図３に、ＭＡＮ Ｂ＆Ｗ（登録商標）社製のタイプ９Ｓ９０ＭＥ−Ｃ９．２−ＴＩＩの船舶用ディーゼルエンジンの測定値を示す。４つのシリンダについて最大ライナ摩耗を測定した。第１のシリンダＣｙｌ．１及び第２のシリンダＣｙｌ．２では、それぞれ１６００及び１８００時間の稼動後にこれらのライナを同様のタイプの、ただしＴＤＣからの距離が全ストロークの約１／８となる地点に噴射器のための取り付け穴を設け、ＨＪＬ Ｌｕｂｔｒｏｎｉｃ（商標）システムに接続されたＳＩＰ噴射器を取り付けた新品のライナに変更した。第３のシリンダＣｙｌ．３及びさらなるシリンダＣｙｌ．４では、それぞれ従来の逆止弁による１２００及び５００時間の稼動後にＳＩＰ噴射器を取り付けた。

全てのＳＩＰ噴射器には、ＨＪＬ Ｌｕｂｔｒｏｎｉｃ（商標）システムから潤滑油を供給した。ＨＪ Ｌｕｂｔｒｏｎｉｃ（商標）システムは、電子的に制御された油圧潤滑装置であり、シリンダ油の消費を抑えてシリンダ条件を最適化するように負荷に応じた潤滑を行ってピストンストローク毎に新鮮なシリンダ油を送出する。ＨＪ Ｌｕｂｔｒｏｎｉｃ（商標）システムは、システムとエンジンのフライホイール回転との同期に関する情報を受け取って、エンジン負荷情報をシステムの制御パラメータとして使用するローカルコントローラによって電子的に動作する、各シリンダで電子的に制御されるシリンダ潤滑装置に基づく。各々のシリンダ潤滑装置の制御が可能である。

図３の曲線を変化の前後で比較すると、異なる摩耗速度を表す傾斜の違いがグラフから分かる。摩耗の速度は、逆止弁では約０．０８ｍｍ／１０００時間であったのに対し、ＳＩＰ Ｌｕｂｔｒｏｎｉｃ（商標）（登録商標）噴射システムでは約０．０３ｍｍ／１０００時間であった。

やはり図３で分かるように、１／８の距離のＳＩＰ弁と１／３の距離のＳＩＰ弁は、ほぼ同じ摩耗速度を示す。最初の稼動期間中の摩耗は、慣らし運転期間を終えたシリンダライナの摩耗よりもはるかに高くなるはずであるため、このことは最も驚くべき結果である。最初の稼動期間中の摩耗が慣らし運転期間を終えたシリンダライナの摩耗よりもはるかに高いことは当分野の常識であり、Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｌｅｔｔｅｒ ＳＬ２０１４−５８７／ＪＡＰと呼ばれるＭＡＮ（登録商標）による文献の５ページにも記載されている。１／８ストロークの位置に噴射器を含む新品ライナの慣らし運転段階中の摩耗が予想よりもはるかに低く、さらにはＴＤＣからストロークの１／３に位置するＳＩＰ噴射器で予想されるよりも低かったので、ＴＤＣからの距離がストロークの１／３ではなく１／８の地点に噴霧噴射器を有するＳＩＰシステムを使用すれば、はるかに良好な潤滑が行われると解釈することができる。この驚きは、一般に当分野では掃気空気がライナに沿ってＴＤＣまで潤滑油を効率的に分布させると考えられていた事実に由来する。しかしながら、図３に示すこれらの実験結果では、ＴＤＣからの距離が１／３ではなく１／８の地点に潤滑油噴射器を配置すると、ＴＤＣの付近により低い摩耗、従ってより良好な潤滑が得られるという点で異なることが証明された。

これらの実験は、ＴＤＣからの距離が全ストロークの１／８（０．１２５）の地点において行ったものであるが、全ストロークの１／７又は１／６、さらには１／５（＝０．２０）の値までは効果が顕著であるのに対し、全ストロークの１／３の距離では、船舶用ディーゼルエンジンにおけるＳＩＰ噴射器を用いた様々な以前の測定と比べて驚くほど改善された効果は観察されなかったと考えることが合理的である。

Claims (18)

1. 大型低速２ストロークエンジンを潤滑化する方法であって、前記エンジンは、全ストロークに対応する上死点ＴＤＣと下死点ＢＤＣとの間の距離を長手方向シリンダ軸（３３）に沿って往復運動するピストン（３２）を内部に含むシリンダ（１）を備え、前記シリンダ（１）は、前記ＴＤＣと前記ＢＤＣとの間の前記シリンダ（１）の外周に沿って分布して前記シリンダ（１）内に潤滑油を噴射する複数の潤滑油噴射器（４）を有し、前記方法は、
   前記潤滑油噴射器（４）に、噴霧内の液滴の平均方向である噴霧方向に前記噴霧を放出する開口部（１４’）を有する噴霧ノズル（１４）を設けるステップと、
   前記エンジンの稼動中に、前記ピストン（３２）が前記ＴＤＣに向かう移動中に前記潤滑油噴射器（４）を通過する前に、潤滑油の霧状の液滴を含む噴霧を前記潤滑油噴射器（４）によって前記シリンダ（１）内の掃気空気内に繰り返し噴射するステップと、
   前記霧状の液滴を前記掃気空気内に拡散させるステップと、
   前記ＴＤＣに向かう前記掃気空気の渦運動（９）を利用して前記霧状の液滴を前記ＴＤＣに向かう方向に運ぶことによって前記霧状の液滴をシリンダ壁（３）上に分散させるステップと、
   を含み、前記方法は、
   前記シリンダ（１）内の前記ＴＤＣからの第１の特定の距離（Ｄ）に前記潤滑油噴射器（４）を設けるステップをさらに含み、前記第１の特定の距離（Ｄ）は、前記ピストン（３２）の前記全ストロークの１／５以下である、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記第１の特定の距離（Ｄ）は、前記ピストン（３２）の前記全ストロークの１／６以下である、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の特定の距離（Ｄ）は、前記ピストン（３２）の前記全ストロークの１／８以下である、
   請求項１に記載の方法。
4. 前記方法は、高圧噴射のため、前記潤滑油を前記潤滑油噴射器（４）に２５バール〜１００バールの圧力で供給するステップを含む、
   請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記方法は、前記潤滑油噴射器（４）に、前記噴霧を放出する０．１〜０．８ｍｍの直径の開口部（１４’）を有する噴霧ノズル（１４）を設けるステップを含む、
   請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 前記方法は、前記潤滑油噴射器（４）の前記ノズル（１４）から前記シリンダ（１）内へ前記シリンダ壁（３）に向かう前記噴霧方向に前記噴霧の大部分を妨げられずに伝播できるようにする溝（６）をシリンダライナ（２）に設けるステップを含み、前記噴霧方向は、前記潤滑油噴射器（４）から前記シリンダ（１）の中心軸（３３）に向かう方向に平行な半径方向成分よりも前記シリンダ（１）の接線方向に平行な接線成分の方が大きい、
   請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 前記方法は、潤滑油噴射器（４）を前記ＴＤＣに近付ける改造であり、前記シリンダ（１）の前記ＴＤＣからの前記全ストロークの１／５の割合を上回る特定の距離に潤滑油噴射器（４）のための第１の取り付け穴の組を設けるステップと、前記シリンダの前記ＴＤＣからの前記全ストロークの１／５の割合未満の前記第１の特定の距離（Ｄ）に第２の取り付け穴の組を定めることによって前記シリンダ（１）を修正するステップと、前記第２の取り付け穴の組に前記潤滑油噴射器（４）を取り付けるステップと、前記第２の取り付け穴の組を前記噴霧の噴射に使用するステップとを含む、
   請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 前記方法は、前記第１の取り付け穴の組を塞ぐステップと、前記第２の取り付け穴のみを前記潤滑油噴射器のために使用するステップとをさらに含む、
   請求項７に記載の方法。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の大型低速２ストローク船舶用ディーゼルエンジン潤滑化方法の使用。
10. 大型低速２ストロークエンジンを潤滑化するシステムであって、前記エンジンは、全ストロークに対応する上死点ＴＤＣと下死点ＢＤＣとの間の距離を長手方向シリンダ軸（３３）に沿って往復運動するピストン（３２）を内部に含むシリンダ（１）を備え、前記シリンダ（１）は、前記ＴＤＣと前記ＢＤＣとの間の前記シリンダ（１）の外周に沿って分布して前記シリンダ（１）内に潤滑油を噴射する複数の潤滑油噴射器（４）を有し、
    前記潤滑油噴射器（４）は、噴霧内の液滴の平均方向である噴霧方向に前記噴霧を放出する開口部（１４’）を有する噴霧ノズル（１４）を含み、
    前記潤滑油噴射器（４）は、前記潤滑油噴射器（４）に所定の潤滑油圧で潤滑油を供給するとともに、前記シリンダ（１）内への潤滑油の噴射タイミングを制御するように構成された制御システム（１１）に機能的に接続され、
    前記潤滑油噴射器（４）には、前記潤滑油が前記所定の潤滑油圧で供給された時に潤滑油の霧状の液滴を含む噴霧を供給するように寸法決めされたノズル開口部（１４’）を有する、前記シリンダ（１）内に延びるノズル（１４）が設けられ、
    前記制御システム（１１）は、前記潤滑油噴射器（４）に、前記ピストン（３２）が前記ＴＤＣに向かう移動中に前記潤滑油噴射器（４）を通過する前に前記噴霧を前記シリンダ（１）内の掃気空気内に噴射させて、前記霧状の液滴を前記掃気空気内に拡散させ、前記ＴＤＣに向かう前記掃気空気の渦運動（９）を利用して前記霧状の液滴を前記ＴＤＣに向かう方向に運ぶことによって前記霧状の液滴をシリンダ壁（３）上に分散させるように構成され、
    前記シリンダ内の前記潤滑油噴射器の前記ノズル（１４）は、前記ＴＤＣから第１の特定の距離（Ｄ）に配置され、前記第１の特定の距離（Ｄ）は、前記ピストン（３２）の前記全ストロークの１／５以下である、
    ことを特徴とするシステム。
11. 前記第１の特定の距離（Ｄ）は、前記ピストンの前記全ストロークの１／６以下である、
    請求項１０に記載のシステム。
12. 前記第１の特定の距離（Ｄ）は、前記ピストンの前記全ストロークの１／８以下である、
    請求項１１に記載のシステム。
13. 前記所定の油圧は、２５バール〜１００バールである、
    請求項１０から１２のいずれか１項に記載のシステム。
14. 前記潤滑油噴射器（４）は、前記噴霧を放出する０．１〜０．８ｍｍの開口部（１４’）を有する噴霧ノズル（１４）を含む、
    請求項１０から１３のいずれか１項に記載のシステム。
15. 前記潤滑油噴射器（４）は、前記潤滑油噴射器（４）から前記シリンダの中心軸（３３）に向かう方向に平行な半径方向成分よりも前記シリンダ（１）の接線方向に平行な接線成分の方が大きい噴霧方向をもたらすように前記シリンダ壁（３）に差し向けられた開口部（１４’）を有するノズル（１４）を含み、シリンダライナ（２）は、前記シリンダ壁（３）に差し向けられた経路上で前記ノズル開口部から前記噴霧方向に沿って前記噴霧の大部分が妨げられずに伝播するように前記ノズル開口部（１４’）から前記噴霧方向に沿って延びる、各潤滑油噴射器（４）のための溝（６）を含む、
    請求項１０から１４のいずれか１項に記載のシステム。
16. 前記潤滑油噴射器（４）は、噴射器ハウジング（１２）を含み、前記噴射器ハウジング（１２）は、該噴射器ハウジング（１２）が前記シリンダ壁（３）に取り付けられた時に前記溝（６）内に到達するノズル先端部（１３）を一端に含み、前記ノズル先端部（１３）には、開口部（１４’）を有する噴霧ノズル（１４）が設けられ、前記ノズル（１４）の前記開口部（１４’）は、前記噴射器ハウジング（１２）内の内部空洞（１５）から前記ノズル先端部（１３）の壁部（２１）を貫いて延びて、前記内部空洞（１５）からの潤滑油を前記ノズル（１４）の前記開口部（１４’）を通じて前記噴射器ハウジング（１２）から放出し、前記噴射器ハウジング（１２）の内部には、前記噴射器（４）の開状態と閉状態との間で往復運動するように取り付けられた弁部材（１６）が設けられ、前記弁部材（１６）は、前記開口部（１４’）に潤滑油が接近するのを防ぐ前記閉状態にある時は前記ノズル（１４）の前記開口部（１４’）を密封して覆い、前記開口部（１４’）からの油の放出段階中に前記内部空洞（１５）からの前記潤滑油を前記ノズル（１４）の前記開口部（１４’）に接近させる開状態中には前記開口部（１４’）から離れて移動可能である、
    請求項１５に記載のシステム。
17. 前記弁部材（１６）は、ばね（２６）による初期応力を受けて前記ノズル（１４）の前記開口部（１４’）を覆い、前記潤滑油噴射器（４）は、前記制御システム（１１）からの潤滑油を、パイプシステム（９）を介して可変圧力で前記内部空洞（１５）内に受け入れて、前記内部空洞（１５）内の前記潤滑油の圧力を対応して繰り返し高めることによって前記弁部材（１６）を前記開口部（１４’）から離すように繰り返し移動させ、前記内部空洞（１５）からの前記潤滑油を前記ノズル（１４）の前記開口部（１４’）を通じて放出するように構成される、
    請求項１６に記載のシステム。
18. 請求項１０から１７のいずれか１項に記載のエンジン潤滑化システムを備えた大型低速２ストローク船舶用ディーゼルエンジン。