JP6866325B2 - 舶用エンジン - Google Patents

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Description

本開示は、舶用エンジンに関する。
舶用エンジンでは、クランクシャフトなどの回転軸系にピストンから起振力が加わると、捩り振動が生じる。エンジン回転数が共振発生範囲に含まれると、回転軸系が共振するおそれがある。そのため、共振発生範囲を含むバードレンジが設定されることがある。エンジン回転数がバードレンジに入ると、エンジン回転数がバードレンジから外れるように、エンジン出力が自動制御される。バードレンジでの航行が維持できないため、操作性が低下する。
そこで、特許文献１では、燃料噴射タイミングもしくは燃料噴射期間を変更し、クランクシャフトの捩り振動の共振点近傍における起振トルク成分を小さくさせるように調整する技術が開示されている。
特許第３００４３０７号公報
特許文献１のように、燃料噴射タイミングもしくは燃料噴射期間を変更して起振トルク成分を小さくさせる場合、熱効率が低下してしまう。
本開示は、このような課題に鑑み、熱効率の低下を抑えつつ、回転軸系の捩り振動の共振応力を抑制することが可能な舶用エンジンを提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る舶用エンジンは、ピストンと、エンジン回転数が、予め設定された共振発生範囲に含まれるとき、クランクシャフトの捩り応力が前記クランクシャフトの許容応力を超えないように、ピストンの上死点位置を下死点側に移動させる下降処理を遂行する圧縮比制御部と、を備え、圧縮比制御部は、下降処理において、捩り応力が許容応力を超えない範囲で許容応力に近づくように、ピストンの上死点位置を制御する。
クランクシャフトの回転変動を検出する検出部を備え、圧縮比制御部は、下降処理において、検出された回転変動から特定される捩り応力が許容応力を超えない範囲で許容応力に近づくように、ピストンの上死点位置をフィードバック制御してもよい。
本開示の舶用エンジンによれば、熱効率の低下を抑えつつ、回転軸系の捩り振動の共振応力を抑制することが可能となる。
舶用エンジンの全体構成を示す説明図である。 ピストンロッドとクロスヘッドピンとの連結部分を抽出した抽出図である。 舶用エンジンの機能ブロック図である。 バードレンジを説明するための図である。 図５（ａ）は、クランクシャフトに作用するトルクと圧縮比の関係を説明するための図である。図５（ｂ）は、図５（a）に示すトルクの変動を調和解析した結果を示す図である。 シリンダ内圧の変化を説明するための図である。 圧縮比制御部による下降処理の流れを示すフローチャートである。
以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
図１は、舶用エンジン１００の全体構成を示す説明図である。図１に示すように、舶用エンジン１００は、シリンダ１１０と、ピストン１１２と、ピストンロッド１１４と、クロスヘッド１１６と、連接棒１１８と、クランクシャフト１２０と、フライホイール１２２と、シリンダカバー１２４と、排気弁箱１２６と、燃焼室１２８と、排気弁１３０と、排気弁駆動装置１３２と、排気管１３４と、掃気溜１３６と、冷却器１３８と、シリンダジャケット１４０と、燃料噴射弁１４２とを含んで構成される。
シリンダ１１０内にピストン１１２が設けられる。ピストン１１２は、シリンダ１１０内を往復移動する。ピストン１１２には、ピストンロッド１１４の一端が取り付けられている。ピストンロッド１１４の他端には、クロスヘッド１１６のクロスヘッドピン１５０が連結される。クロスヘッド１１６は、ピストン１１２とともに往復移動する。ガイドシュー１１６ａによって、クロスヘッド１１６の図１中、左右方向（ピストン１１２のストローク方向に垂直な方向）の移動が規制される。
クロスヘッドピン１５０は、連接棒１１８の一端に設けられたクロスヘッド軸受１１８ａに軸支される。クロスヘッドピン１５０は、連接棒１１８の一端を支持している。ピストンロッド１１４の他端と連接棒１１８の一端は、クロスヘッド１１６を介して接続される。
連接棒１１８の他端は、クランクシャフト１２０に連結される。連接棒１１８に対してクランクシャフト１２０が回転可能である。ピストン１１２の往復移動に伴いクロスヘッド１１６が往復移動すると、クランクシャフト１２０が回転する。
クランクシャフト１２０には、フライホイール１２２が取り付けられる。フライホイール１２２の外周面近傍には、回転センサＳａおよびパルスカウンタＳｂ（検出部）が設けられる。回転センサＳａは、エンジン回転数を検出する。パルスカウンタＳｂは、クランク角を検出する。例えば、フライホイール１２２の外周面には不図示の突起が所定間隔で複数形成される。回転センサＳａ、パルスカウンタＳｂは、フライホイール１２２の突起からエンジン回転数、クランク角を検出してもよい。
シリンダカバー１２４は、シリンダ１１０の上端に設けられる。シリンダカバー１２４には、排気弁箱１２６が挿通される。排気弁箱１２６の一端は、ピストン１１２に臨んでいる。排気弁箱１２６の一端には、排気ポート１２６ａが開口する。排気ポート１２６ａは、燃焼室１２８に開口する。燃焼室１２８は、シリンダカバー１２４とシリンダ１１０とピストン１１２に囲繞されてシリンダ１１０の内部に形成される。
燃焼室１２８には、排気弁１３０の弁体が位置する。排気弁１３０のロッド部には、排気弁駆動装置１３２が取り付けられる。排気弁駆動装置１３２は、排気弁箱１２６に配される。排気弁駆動装置１３２は、排気弁１３０をピストン１１２のストローク方向に移動させる。
排気弁１３０がピストン１１２側に移動して開弁すると、シリンダ１１０内で生じた燃焼後の排気ガスが、排気ポート１２６ａから排気される。排気後、排気弁１３０が排気弁箱１２６側に移動して、排気ポート１２６ａが閉弁される。
排気管１３４は、排気弁箱１２６および過給機Ｃに取り付けられる。排気管１３４の内部は、排気ポート１２６ａおよび過給機Ｃのタービンに連通する。排気ポート１２６ａから排気された排気ガスは、排気管１３４を通って過給機Ｃのタービン（不図示）に供給された後、外部に排気される。
また、過給機Ｃのコンプレッサ（不図示）によって、活性ガスが加圧される。ここで、活性ガスは、例えば、空気である。加圧された活性ガスは、掃気溜１３６において、冷却器１３８によって冷却される。シリンダ１１０の下端は、シリンダジャケット１４０で囲繞される。シリンダジャケット１４０の内部には、掃気室１４０ａが形成される。冷却後の活性ガスは、掃気室１４０ａに圧入される。
シリンダ１１０の下端側には、掃気ポート１１０ａが設けられる。掃気ポート１１０ａは、シリンダ１１０の内周面から外周面まで貫通する孔である。掃気ポート１１０ａは、シリンダ１１０の周方向に離隔して複数設けられている。
ピストン１１２が掃気ポート１１０ａより下死点側に移動すると、掃気室１４０ａとシリンダ１１０内の差圧によって、掃気ポート１１０ａからシリンダ１１０内に活性ガスが吸入される。
また、シリンダカバー１２４には、燃料噴射弁１４２が設けられる。燃料噴射弁１４２の先端は燃焼室１２８側に向けられる。燃料噴射弁１４２は、燃焼室１２８に液体燃料（燃料油）を噴出する。液体燃料が燃焼し、その膨張圧によってピストン１１２が往復移動する。
図２は、ピストンロッド１１４とクロスヘッドピン１５０との連結部分を抽出した抽出図である。図２に示すように、クロスヘッドピン１５０のうち、ピストン１１２側の外周面には、平面部１５２が形成される。平面部１５２は、ピストン１１２のストローク方向に対して、大凡垂直な方向に延在する。
クロスヘッドピン１５０には、ピン穴１５４が形成される。ピン穴１５４は、平面部１５２に開口する。ピン穴１５４は、平面部１５２からストローク方向に沿ってクランクシャフト１２０側（図２中、下側）に延在する。
クロスヘッドピン１５０の平面部１５２には、カバー部材１６０が設けられる。カバー部材１６０は、締結部材１６２によってクロスヘッドピン１５０の平面部１５２に取り付けられる。カバー部材１６０は、ピン穴１５４を覆う。カバー部材１６０には、ストローク方向に貫通するカバー孔１６０ａが設けられる。
ピストンロッド１１４は、大径部１１４ａおよび小径部１１４ｂを有する。大径部１１４ａの外径は、小径部１１４ｂの外径よりも大きい。大径部１１４ａは、ピストンロッド１１４の他端に形成される。大径部１１４ａは、クロスヘッドピン１５０のピン穴１５４に挿通される。小径部１１４ｂは、大径部１１４ａよりピストンロッド１１４の一端側に形成される。小径部１１４ｂは、カバー部材１６０のカバー孔１６０ａに挿通される。
油圧室１５４ａは、ピン穴１５４の内部に形成される。ピン穴１５４は、大径部１１４ａによってストローク方向に仕切られる。油圧室１５４ａは、大径部１１４ａで仕切られたピン穴１５４の底面１５４ｂ側の空間である。
底面１５４ｂには、油路１５６の一端が開口する。油路１５６の他端は、クロスヘッドピン１５０の外部に開口する。油路１５６の他端には、油圧配管１７０が接続される。油圧配管１７０には、油圧ポンプ１７２が連通する。油圧ポンプ１７２と油路１５６との間に逆止弁１７４が設けられる。逆止弁１７４によって油路１５６側から油圧ポンプ１７２側への作動油の流れが抑制される。油圧ポンプ１７２から油路１５６を介して油圧室１５４ａに作動油が圧入される。
また、油圧配管１７０のうち、油路１５６と逆止弁１７４の間には分岐配管１７６が接続される。分岐配管１７６には、切換弁１７８が設けられる。切換弁１７８は、例えば、電磁弁である。油圧ポンプ１７２の作動中、切換弁１７８は閉弁される。油圧ポンプ１７２の停止中、切換弁１７８が開弁すると、油圧室１５４ａから分岐配管１７６側に作動油が排出される。切換弁１７８のうち、油路１５６と反対側は、不図示のオイルタンクに連通する。排出された作動油は、オイルタンクに貯留される。オイルタンクは、油圧ポンプ１７２に作動油を供給する。
油圧室１５４ａの作動油の油量に応じて、大径部１１４ａがストローク方向にピン穴１５４の内周面を摺動する。その結果、ピストンロッド１１４がストローク方向に移動する。ピストン１１２は、ピストンロッド１１４と一体に移動する。こうして、ピストン１１２の上死点位置が可変となる。
すなわち、舶用エンジン１００は、圧縮比可変機構Ｖを備える。圧縮比可変機構Ｖは、上記の油圧室１５４ａ、および、ピストンロッド１１４の大径部１１４ａを含んで構成される。圧縮比可変機構Ｖは、ピストン１１２の上死点位置を移動させることで、圧縮比を可変とする。
ここでは、一つの油圧室１５４ａが設けられる場合について説明した。しかし、大径部１１４ａで仕切られたピン穴１５４のうち、カバー部材１６０側の空間も油圧室としてもよい。この油圧室は、油圧室１５４ａと併用されても、単独で用いられてもよい。
図３は、舶用エンジン１００の機能ブロック図である。図３では、主に圧縮比可変機構Ｖの制御に関する構成を示す。図３に示すように、舶用エンジン１００は、制御装置１８０を備える。制御装置１８０は、例えば、ＥＣＵ（Engine Control Unit）で構成される。制御装置１８０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等で構成され、舶用エンジン１００全体を制御する。また、制御装置１８０は、圧縮比制御部１８２として機能する。
圧縮比制御部１８２は、油圧ポンプ１７２および切換弁１７８を制御して、ピストン１１２の上死点位置を移動させる。具体的に、制御装置１８０は、回転センサＳａからエンジン回転数を示す信号を受信する。制御装置１８０は、パルスカウンタＳｂからクランク角を示す信号を受信する。そして、圧縮比制御部１８２は、回転センサＳａからの信号が示すエンジン回転数が、予め設定された共振発生範囲に含まれるとき、ピストン１１２の上死点位置を下死点側に移動させる下降処理を遂行する。
図４は、バードレンジＡを説明するための図である。図４中、横軸はエンジン回転数を示し、縦軸はクランクシャフト１２０などの回転軸系に作用する捩り応力を示す。図４に示すように、回転軸系には、エンジン回転数に応じて、捩り応力の許容応力（図４中、許容応力線τ１）、および、限界応力（図４中、限界応力線τ２）が設けられる。許容応力は、安全に使用できる範囲内にある応力の限界値である。限界応力は、破棄されずに耐え得る最大限度の応力である。
回転軸系にピストン１１２から起振力が加わると、捩り振動が生じる。このとき、回転軸系が共振してしまうと、捩り応力（図４中、高圧縮比捩り応力τａ、低圧縮比捩り応力τｂ）が極端に上昇してしまう。そのため、従来の舶用エンジンでは、設計によっては、捩り応力が許容応力を超えてしまう可能性があった。
このような設計の舶用エンジンでは、バードレンジＡが設けられる。エンジン回転数がバードレンジＡに入ると、エンジン回転数がバードレンジＡから外れるように、エンジン出力が自動制御される。そのため、捩り応力の上昇区間が短縮される。しかし、バードレンジＡでの航行が維持できないため、操作性が低下する。
図５（ａ）は、クランクシャフト１２０に作用するトルクと圧縮比の関係を説明するための図である。図５（ｂ）は、図５（a）に示すトルクの変動を調和解析した結果を示す図である。図５（ａ）、図５（ｂ）中、縦軸はクランクシャフト１２０に作用するトルクを示す。図５（ａ）、図５（ｂ）中、横軸はクランク角を示す。
図５（ｂ）では、３次成分までを図示し、４次成分以降は図示を省略する。図５（ｂ）に示すように、１次成分、２次成分、３次成分と高次成分になるほど、振幅は小さくなる。すなわち、図５（ａ）に示す解析元のトルクの変動における振幅への影響は、１次成分が最も大きい。
１次成分における振幅は、図５（ｂ）に破線で示す低圧縮比の場合、実線で示す高圧縮比の場合よりも小さい。これは、圧縮比を下げることで、起振力（起振トルク）が抑えられたことを示す。トルクの変動に起因する上記の捩り応力も、低圧縮比の場合には、高圧縮比の場合よりも小さくなる。
そこで、圧縮比制御部１８２は、回転センサＳａからの信号が示すエンジン回転数が、予め設定された共振発生範囲に含まれるとき、ピストン１１２の上死点位置を下死点側に移動させる下降処理を遂行する。共振発生範囲は、例えば、捩り応力が許容応力を超えてしまう可能性があるエンジン回転数の範囲である。
例えば、図４に示すバードレンジＡが共振発生範囲として設定されているとする。図４では、高圧縮比捩り応力τａが、許容応力線τ１を超える。この場合、圧縮比制御部１８２は、クランクシャフト１２０の捩り応力が、クランクシャフト１２０の許容応力に近づくように、ピストン１１２の上死点位置を下死点側に移動させる（下降処理）。
具体的に、パルスカウンタＳｂからの信号によってクランク角が特定されることから、その変動からクランクシャフト１２０の回転変動が特定される。すなわち、パルスカウンタＳｂは、クランクシャフト１２０の回転変動を検出する検出部として機能する。圧縮比制御部１８２は、パルスカウンタＳｂによって検出された回転変動から捩り応力を導出する。そして、圧縮比制御部１８２は、捩り応力が許容応力に近づくように、ピストン１１２の上死点位置をフィードバック制御する。
例えば、図４に示す例では、高圧縮比捩り応力τａが許容応力線τ１を超えないように、ピストン１１２の上死点位置が下死点側に移動する。ただし、フィードバック制御によって、捩り応力は、許容応力線τ１から大きく下回らずに許容応力線τ１近傍に位置する。
このように、圧縮比制御部１８２が下降処理を遂行するため、共振が発生しても捩り応力が抑えられる。そのため、上記のように、エンジン回転数がバードレンジＡから外れるように、エンジン出力が自動制御される必要がない。すなわち、バードレンジＡでの航行も維持可能となることから、操作性が向上する。
また、上記のフィードバック制御により、ピストン１１２の上死点位置を不要なまでに下死点側に移動することが回避される。すなわち、捩り応力が許容応力線τ１以下となる範囲で、できるだけ圧縮比が高く維持される。圧縮比が高く維持されることで熱効率の低下が抑制される。
図６は、シリンダ内圧の変化を説明するための図である。図６中、縦軸はシリンダ内圧を示し、横軸はクランク角を示す。図６に破線で示すように、バードレンジＡが設定されていない場合、そのままではシリンダ内圧は圧力Ｐｍａｘ−ｂまで上昇する。その結果、上記のように、設計によっては、捩り応力τａが許容応力を超えてしまう可能性がある。
そこで、燃料噴射タイミングを遅角制御することが考えられる。例えば、破線の凡例における燃料噴射タイミングＴａｂよりも遅い燃料噴射タイミングＴｃを採用したとする。この場合、図６に一点鎖線で示すように、シリンダ内圧は圧力Ｐｍａｘ−ｃまで抑えられる。しかし、燃焼前のシリンダ内圧Ｐｂｃが変わらずに圧力Ｐｍａｘ−ｃが低下するため、爆発度（Ｐｍａｘ−ｃ／Ｐｂｃ）が低下してしまう。
上記の下降処理によって圧縮比が低下した場合、図６中、実線で示すように、燃焼前のシリンダ内圧Ｐａが低下する。さらに、シリンダ内圧の最高圧力も圧力Ｐｍａｘ−ａまで低下する。その結果、燃料噴射タイミングを遅角制御した場合に比べて、爆発度も高くなる。すなわち、熱効率の低下が抑制される。
また、圧縮比可変機構Ｖを備えずに排気弁１３０の閉弁タイミングを遅角制御する場合が考えられる。この場合、幾何学的な圧縮比は可変できないが、理論圧縮比を下げることができる。ここで、バードレンジＡは、常用域を避けて低負荷領域となるように、回転軸系が設計される。低負荷領域では過給機Ｃが十分に機能しないため、掃気室１４０ａの空気が十分に圧縮されない。そのため、燃焼室１２８内の空気量が低下し易い。このような状況で、排気弁１３０の閉弁タイミングを遅角制御すると、燃焼室１２８内の空気量がさらに減少して熱効率が悪化してしまう。
舶用エンジン１００では、上記のように、圧縮比可変機構Ｖによって圧縮比を下げることから、燃料噴射タイミングや排気弁１３０の閉弁タイミングを遅角制御する場合に比べて、熱効率の低下を抑えつつ、回転軸系の捩り振動の共振応力を抑制することが可能となる。
図７は、圧縮比制御部１８２による下降処理の流れを示すフローチャートである。図７に示す処理は、所定周期で繰り返し実行される。
（Ｓ２００）
圧縮比制御部１８２は、エンジン回転数が共振発生範囲に含まれるか否かを判定する。共振発生範囲に含まれれば、Ｓ２０２に処理を移す。共振発生範囲に含まれなければ、当該下降処理を終了する。
（Ｓ２０２）
圧縮比制御部１８２は、パルスカウンタＳｂによって検出された回転変動から捩り応力を導出する。
（Ｓ２０４）
圧縮比制御部１８２は、捩り応力が許容応力を超えない範囲で許容応力に近づくように、ピストン１１２の上死点位置をフィードバック制御し、当該下降処理を終了する。
以上、添付図面を参照しながら一実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上述した実施形態では、２サイクル型、ユニフロー掃気式、クロスヘッド型の舶用エンジン１００を例に挙げて説明した。しかし、エンジンの種類は、２サイクル型、ユニフロー掃気式、クロスヘッド型に限られない。少なくとも舶用エンジンであればよい。
また、上述した実施形態では、液体燃料が用いられる場合について説明した。しかし、例えば、気体燃料が用いられてもよい。この場合、燃料噴射弁１４２に加えて、気体燃料噴射弁が、掃気ポート１１０ａ近傍、または、シリンダ１１０のうち、掃気ポート１１０ａからシリンダカバー１２４までの部位に設けられる。燃料ガスは、気体燃料噴射弁から噴射された後、シリンダ１１０内に流入する。燃料噴射弁１４２から少量の液体燃料が噴射されると、その燃焼熱によって、燃料ガスおよび活性ガスの混合気が着火されて燃焼する。燃料ガスは、ＬＮＧ、ＬＰＧ（液化石油ガス）、軽油、重油等をガス化したものである。また、舶用エンジン１００は、例えば、気体燃料と液体燃料を使い分けるデュアルフューエル型であってもよい。
また、上述した実施形態では、圧縮比制御部１８２は、エンジン回転数が共振発生範囲に含まれるとき、クランクシャフト１２０の捩り応力が、クランクシャフト１２０の許容応力に近づくように、ピストン１１２の上死点位置を制御する場合について説明した。しかし、圧縮比制御部１８２は、少なくとも、エンジン回転数が共振発生範囲に含まれるとき、ピストン１１２の上死点位置を下死点側に移動させる下降処理を遂行すればよい。
また、上述した実施形態では、圧縮比制御部１８２は、検出された回転変動から特定される捩り応力が許容応力に近づくように、ピストン１１２の上死点位置をフィードバック制御する場合について説明した。しかし、フィードバック制御が行われなくともよい。
また、上述した実施形態では、圧縮比制御部１８２は、回転センサＳａからの信号が示すエンジン回転数が、予め設定された共振発生範囲に含まれるとき、下降処理を遂行する場合について説明した。しかし、圧縮比制御部１８２は、エンジン回転数の代わりにエンジン回転数に大凡連動するほかのパラメータを用いてもよい。いずれにしても、エンジン回転数が予め設定された共振発生範囲に含まれるとき、下降処理が遂行されればよい。
また、上述した実施形態では、圧縮比可変機構Ｖの一例を示したが、圧縮比可変機構は、ピストン１１２の上死点位置を変えて圧縮比を変更できれば、どのような構成であってもよい。例えば、油圧ポンプ１７２の代わりに、特開２０１６−２１１４６２号広報に記載されたような油圧発生装置が設けられてもよい。
本開示は、舶用エンジンに利用することができる。
１００ 舶用エンジン
１１２ ピストン
１２０ クランクシャフト
１８２ 圧縮比制御部
Ｓｂ パルスカウンタ（検出部）

Claims (2)

  1. ピストンと、
    エンジン回転数が、予め設定された共振発生範囲に含まれるとき、クランクシャフトの捩り応力が前記クランクシャフトの許容応力を超えないように、前記ピストンの上死点位置を下死点側に移動させる下降処理を遂行する圧縮比制御部と、
    を備え、
    前記圧縮比制御部は、前記下降処理において、前記捩り応力が前記許容応力を超えない範囲で前記許容応力に近づくように、前記ピストンの上死点位置を制御する舶用エンジン。
  2. 前記クランクシャフトの回転変動を検出する検出部を備え、
    前記圧縮比制御部は、前記下降処理において、検出された前記回転変動から特定される前記捩り応力が前記許容応力を超えない範囲で前記許容応力に近づくように、前記ピストンの上死点位置をフィードバック制御する請求項１に記載の舶用エンジン。
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