JP7031458B2 - 可変圧縮装置及びエンジンシステム - Google Patents

Description

本発明は、可変圧縮装置及びエンジンシステムに関するものである。

例えば、特許文献１には、クロスヘッドを有する大型往復ピストン燃焼エンジンが開示されている。特許文献１の大型往復ピストン燃焼エンジンは、重油などの液体燃料と天然ガス等の気体燃料との両方での稼働が可能とされるデュアルフュエルエンジンである。特許文献１の大型往復ピストン燃焼エンジンは、液体燃料による稼働に適する圧縮比と気体燃料による稼働に適する圧縮比との双方に対応するため、油圧によりピストンロッドを移動させることで圧縮比を変更させる調整機構をクロスヘッド部分に設けている。

特開２０１４－２０３７５号公報

上述のような圧縮比を変更する圧縮調整装置においては、圧縮比を高める方向においてピストンロッドの移動を規制する規制部材を設けることがある。高圧縮比で運転する際には、規制部材に対してピストンロッドが当接することとなる。しかしながら、例えば、エンジン始動時等のように燃焼室内に燃焼圧力が発生していない状態においてピストンロッドが移動される際には、ピストンロッドが規制部材に衝突することで、規制部材に大きな力が加わる可能性がある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ピストンロッドから規制部材に加わる衝突エネルギを抑制することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための第１の手段として、昇圧された作動流体が供給されることでピストンロッドが圧縮比を高める方向に移動される流体室の一部を形成する流体室形成部材と、上記ピストンロッドの圧縮比を高める方向への移動を規制する規制部材とを有する可変圧縮装置であって、上記規制部材またはピストンロッドに固定され、上記規制部材と上記ピストンロッドとの衝突エネルギを弾性変形により吸収する吸収部材を有する、という構成を採用する。

第２の手段として、上記第１の手段において、上記流体室形成部材に対して上記規制部材を固定するボルトを有し、上記吸収部材は、上記規制部材と上記ボルトの頭部との間に設けられる、という構成を採用する。

第３の手段として、上記第２の手段において、上記吸収部材は、上記規制部材と上記ピストンロッドとの間に設けられる、という構成を採用する。

第４の手段として、上記第１の手段において、上記規制部材は、上記吸収部材が嵌合される凹部を有する、という構成を採用する。

第５の手段として、エンジンシステムは、上記第１～第４の手段に記載の可変圧縮装置を備える、という構成を採用する。

本発明によれば、吸収部材が弾性変形することにより、規制部材にピストンロッドが衝突する際の衝突エネルギを吸収することができる。したがって、規制部材がピストンロッドから受ける衝突エネルギを減少させることができ、規制部材にかかる衝撃を減少させることができる。

本発明の一実施形態におけるエンジンシステムの断面図である。 本発明の一実施形態におけるエンジンシステムの一部を示す模式断面図である。 本発明の一実施形態におけるエンジンシステムの変形例を示す模式断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る可変圧縮装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

［第１実施形態］
本実施形態のエンジンシステム１００は、例えば大型タンカなど船舶に搭載され、図１に示すように、エンジン１と、過給機２００と、制御部３００（制御手段）とを有している。なお、本実施形態においては、過給機２００を補機として捉え、エンジン１（主機）と別体として説明する。但し、過給機２００をエンジン１の一部として構成することも可能である。

エンジン１は、多気筒のユニフロー掃気ディーゼルエンジンとされ、天然ガス等の気体燃料を重油などの液体燃料と共に燃焼させるガス運転モードと、重油などの液体燃料を燃焼させるディーゼル運転モードとを有している。なお、ガス運転モードでは、気体燃料のみを燃焼させても良い。このようなエンジン１は、架構２と、シリンダ部３と、ピストン４と、排気弁ユニット５と、ピストンロッド６と、クロスヘッド７と、油圧部８と、連接棒９と、クランク角センサ１０と、クランク軸１１と、掃気溜１２と、排気溜１３と、空気冷却器１４とを有している。また、シリンダ部３、ピストン４、排気弁ユニット５及びピストンロッド６により、気筒が構成されている。

架構２は、エンジン１の全体を支持する強度部材であり、クロスヘッド７、油圧部８及び連接棒９が収容されている。また、架構２は、内部において、クロスヘッド７の後述するクロスヘッドピン７ａが往復動可能とされている。

シリンダ部３は、円筒状のシリンダライナ３ａと、シリンダヘッド３ｂとシリンダジャケット３ｃとを有している。シリンダライナ３ａは、円筒状の部材であり、ピストン４との摺動面が内側に形成されている。このようなシリンダライナ３ａの内周面とピストン４とにより囲まれた空間が燃焼室Ｒ１とされている。また、シリンダライナ３ａの下部には、複数の掃気ポートＳが形成されている。掃気ポートＳは、シリンダライナ３ａの周面に沿って配列された開口であり、シリンダジャケット３ｃ内部の掃気室Ｒ２とシリンダライナ３ａの内側とを連通している。シリンダヘッド３ｂは、シリンダライナ３ａの上端部に設けられた蓋部材である。シリンダヘッド３ｂは、平面視において中央部に排気ポートＨが形成され、排気溜１３と接続されている。また、シリンダヘッド３ｂには、不図示の燃料噴射弁が設けられている。さらに、シリンダヘッド３ｂの燃料噴射弁の近傍には、不図示の筒内圧センサが設けられている。筒内圧センサは、燃焼室Ｒ１内の圧力を検出し、制御部３００へと送信している。シリンダジャケット３ｃは、架構２とシリンダライナ３ａとの間に設けられ、シリンダライナ３ａの下端部が挿入された箱状の部材であり、内部に掃気室Ｒ２が形成されている。また、シリンダジャケット３ｃの掃気室Ｒ２は、掃気溜１２と接続されている。

ピストン４は、略円柱状とされ、後述するピストンロッド６と接続されてシリンダライナ３ａの内側に配置されている。また、ピストン４の外周面には不図示のピストンリングが設けられ、ピストンリングにより、ピストン４とシリンダライナ３ａとの間隙を封止している。ピストン４は、燃焼室Ｒ１における圧力の変動により、ピストンロッド６を伴ってシリンダライナ３ａ内を摺動する。

排気弁ユニット５は、排気弁５ａと、排気弁筐５ｂと、排気弁駆動部５ｃとを有している。排気弁５ａは、シリンダヘッド３ｂの内側に設けられ、排気弁駆動部５ｃにより、シリンダ部３内の排気ポートＨを閉塞する。排気弁筐５ｂは、排気弁５ａの端部を収容する円筒形の筐体である。排気弁駆動部５ｃは、排気弁５ａをピストン４のストローク方向に沿う方向に移動させるアクチュエータである。

ピストンロッド６は、一端がピストン４と接続され、他端がクロスヘッドピン７ａと連結された長尺状部材である。ピストンロッド６の端部は、クロスヘッドピン７ａに挿入され、連接棒９が回転可能となるように連結されている。また、ピストンロッド６は、クロスヘッドピン７ａ側端部の一部の径が太く形成された太径部を有している。

クロスヘッド７は、図２に示すように、クロスヘッドピン７ａ（流体室形成部材）と、ガイドシュー７ｂと、蓋部材７ｃ（規制部材）と、複数の固定ボルト７ｄと、コイルスプリング７ｅ（吸収部材）とを有している。クロスヘッドピン７ａは、ピストンロッド６と連接棒９とを移動可能に連結する円柱状部材である。クロスヘッドピン７ａにおけるピストンロッド６の端部が挿入される挿入空間と、ピストンロッド６のフランジとにより、作動油（作動流体）の供給及び排出が行われる油圧室Ｒ３（流体室）が形成される。クロスヘッドピン７ａには、中心よりも下側に、クロスヘッドピン７ａの軸方向に沿って貫通する出口孔Ｏが形成されている。出口孔Ｏは、ピストンロッド６の不図示の冷却流路を通過した冷却油が排出される開口である。内部また、クロスヘッドピン７ａには、油圧室Ｒ３と後述するプランジャポンプ８ｃとを接続する供給流路Ｒ４と、油圧室Ｒ３と後述するリリーフ弁８ｆとを接続するリリーフ流路Ｒ５とが設けられている。

ガイドシュー７ｂは、クロスヘッドピン７ａを支持する部材であり、クロスヘッドピン７ａに伴ってピストン４のストローク方向に沿って不図示のガイドレール上を移動する。ガイドシュー７ｂがガイドレールに沿って移動することにより、クロスヘッドピン７ａは、ピストン４のストローク方向に沿う直線方向以外への移動が規制される。蓋部材７ｃは、クロスヘッドピン７ａの上部に固定され、ピストンロッド６の端部が挿入される環状部材である。

固定ボルト７ｄは、頭部７ｄ１と軸部７ｄ２とを有し、軸部７ｄ２が蓋部材７ｃに設けられたボルト孔に挿入され、蓋部材７ｃをクロスヘッドピン７ａに対して固定する。また、固定ボルト７ｄは、頭部７ｄ１が蓋部材７ｃから離間されており、頭部７ｄ１と蓋部材７ｃとの間にコイルスプリング７ｅ（吸収部材）が挿入されている。コイルスプリング７ｅは、固定ボルト７ｄの頭部７ｄ１により、蓋部材７ｃにおけるクロスヘッドピン７ａと当接しない面（上面）に固定され、蓋部材７ｃをクロスヘッドピン７ａに向けて（下方向に向けて）付勢している。このようなクロスヘッド７は、ピストン４の直線運動を連接棒９へと伝達している。

図２に示すように、油圧部８は、供給ポンプ８ａと、揺動管８ｂと、プランジャポンプ８ｃと、プランジャポンプ８ｃが有する第１逆止弁８ｄ及び第２逆止弁８ｅと、リリーフ弁８ｆとを有している。また、ピストンロッド６、クロスヘッド７、油圧部８、制御部３００は、本発明における可変圧縮装置として機能する。

供給ポンプ８ａは、制御部３００からの指示に基づいて、不図示の作動油タンクから供給される作動油を昇圧してプランジャポンプ８ｃへと供給するポンプである。供給ポンプ８ａは、船舶の発電機の電力により駆動され、燃焼室Ｒ１に液体燃料が供給されるよりも前に稼働することが可能である。揺動管８ｂは、供給ポンプ８ａと各気筒のプランジャポンプ８ｃとを接続する配管であり、クロスヘッドピン７ａに伴って移動するプランジャポンプ８ｃと、固定された供給ポンプ８ａとの間において、揺動可能とされている。

プランジャポンプ８ｃは、クロスヘッドピン７ａに固定されており、棒状のプランジャ８ｃ１と、プランジャ８ｃ１を摺動可能に収容する筒状のシリンダ８ｃ２と、プランジャ駆動部８ｃ３とを有している。プランジャポンプ８ｃは、プランジャ８ｃ１が不図示の駆動部と接続されることで、シリンダ８ｃ２内を摺動し、作動油を昇圧して油圧室Ｒ３へと供給する。また、シリンダ８ｃ２には、端部に設けられた作動油の吐出側の開口に第１逆止弁８ｄが設けられ、側周面に設けられた吸入側の開口に第２逆止弁８ｅが設けられている。プランジャ駆動部８ｃ３は、プランジャ８ｃ１に接続され、制御部３００からの指示に基づいてプランジャ８ｃ１を往復動させる。

第１逆止弁８ｄは、シリンダ８ｃ２の内側に向けて弁体が付勢されることで閉弁する構造とされ、油圧室Ｒ３に供給された作動油がシリンダ８ｃ２へと逆流することを防止している。また、第１逆止弁８ｄは、シリンダ８ｃ２内の作動油の圧力が第１逆止弁８ｄの付勢部材の付勢力（開弁圧力）以上となると、弁体が作動油に押されることにより開弁する。第２逆止弁８ｅは、シリンダ８ｃ２の外側に向けて付勢されており、シリンダ８ｃ２に供給された作動油が供給ポンプ８ａへと逆流することを防止している。また、第２逆止弁８ｅは、供給ポンプ８ａから供給される作動油の圧力が第２逆止弁８ｅの付勢部材の付勢力（開弁圧力）以上となると、弁体が作動油に押されることにより開弁する。なお、第１逆止弁８ｄは、開弁圧力が第２逆止弁８ｅの開弁圧力よりも高く、予め設定された圧縮比で運転される定常運転時においては、供給ポンプ８ａから供給される作動油の圧力により開弁することはない。

リリーフ弁８ｆは、クロスヘッドピン７ａに設けられ、本体部８ｆ１と、リリーフ弁駆動部８ｆ２とを有している。本体部８ｆ１は、油圧室Ｒ３及び不図示の作動油タンクに接続される弁である。リリーフ弁駆動部８ｆ２は、本体部８ｆ１の弁体に接続され、制御部３００からの指示に基づいて本体部８ｆ１を開閉弁する。リリーフ弁８ｆがリリーフ弁駆動部８ｆ２により開弁することで、油圧室Ｒ３に貯留された作動油が作動油タンクに戻される。

図１に示すように、連接棒９は、クロスヘッドピン７ａと連結されると共にクランク軸１１と連結されている長尺状部材である。連接棒９は、クロスヘッドピン７ａに伝えられたピストン４の直線運動を回転運動に変換している。クランク角センサ１０は、クランク軸１１のクランク角を計測するためのセンサであり、制御部３００へとクランク角を算出するためのクランクパルス信号を送信している。

クランク軸１１は、気筒に設けられる連接棒９に接続された長尺状の部材であり、それぞれの連接棒９により伝えられる回転運動により回転されることで、例えばスクリュー等に動力を伝える。掃気溜１２は、シリンダジャケット３ｃと過給機２００との間に設けられ、過給機２００により加圧された空気が流入する。また、掃気溜１２には、空気冷却器１４が内部に設けられている。排気溜１３は、各気筒の排気ポートＨと接続されると共に過給機２００と接続される管状部材である。排気ポートＨより排出されるガスは、排気溜１３に一時的に貯留されることにより、脈動を抑制した状態で過給機２００へと供給される。空気冷却器１４は、掃気溜１２内部の空気を冷却する装置である。

過給機２００は、排気ポートＨより排出されたガスにより回転されるタービンにより、不図示の駆動されたブロア等により機関外部から吸入した空気を加圧して早期溜１２に供給する装置である。

制御部３００は、船舶の操縦者による操作等に基づいて、燃料の供給量等を制御するコンピュータである。また、制御部３００は、油圧部８を制御することにより、燃焼室Ｒ１における圧縮比を変更する。具体的には、制御部３００は、筒内圧センサからの信号に基づいてピストンロッド６の位置情報を取得し、プランジャポンプ８ｃ、供給ポンプ８ａ及びリリーフ弁８ｆを制御し、油圧室Ｒ３における作動油の量を調整することにより、ピストンロッド６の位置を変更させて圧縮比を変更する。さらに、制御部３００は、ピストンロッド６の位置情報に基づいて、注油装置１５の注油量及び注油タイミングを変更する。

このようなエンジンシステム１００は、不図示の燃料噴射弁より燃焼室Ｒ１に噴射された燃料を着火、爆発させることによりピストン４をシリンダライナ３ａ内で摺動させ、クランク軸１１を回転させる装置である。詳述すると、燃焼室Ｒ１に供給された気体燃料は、掃気ポートＳより流入した空気と混合された後、ピストン４が上死点方向に向けて移動することにより圧縮されて温度が上昇し、この時液体燃料を着火源として少量噴射することで燃焼する。また、液体燃料の場合には、燃焼室Ｒ１において圧縮された空気に噴射されることで燃焼する。

そして、燃焼室Ｒ１内の燃料が燃焼することで急激に膨張し、ピストン４には下死点方向に向けた圧力がかかる。これにより、ピストン４が下死点方向に移動し、ピストン４に伴ってピストンロッド６が移動され、連接棒９を介してクランク軸１１が回転される。さらに、ピストン４が下死点に移動されることで、掃気ポートＳより燃焼室Ｒ１へと加圧空気が流入する。排気弁ユニット５が駆動することで排気ポートＨが開き、燃焼室Ｒ１内の排気ガスが、加圧空気により排気溜１３へと押し出される。

圧縮比を大きくする場合には、制御部３００により供給ポンプ８ａが駆動され、プランジャポンプ８ｃに作動油が供給される。そして、制御部３００は、プランジャポンプ８ｃを駆動して作動油を、ピストンロッド６を持ち上げることが可能な圧力となるまで加圧し、油圧室Ｒ３へと作動油を供給する。油圧室Ｒ３の作動油の圧力により、ピストンロッド６の端部が持ち上がり、これに伴ってピストン４の上死点位置が上方（排気ポートＨ側）に移動される。

圧縮比を小さくする場合には、制御部３００によりリリーフ弁８ｆが駆動され、油圧室Ｒ３と不図示の作動油タンクとが連通状態となる。そして、ピストンロッド６の荷重が油圧室Ｒ３の作動油にかかり、油圧室Ｒ３内の作動油がリリーフ弁８ｆを介して作動油タンクへと押し出される。これにより、油圧室Ｒ３の作動油が減少し、ピストンロッド６が下方（クランク軸１１側）に移動され、これに伴ってピストン４の上死点位置が下方に移動される。

ピストンロッド６が高圧縮比方向に移動される際には、ピストンロッド６が蓋部材７ｃに当接する。このとき、蓋部材７ｃは、僅かにクロスヘッドピン７ａから持ち上がるが、コイルスプリング７ｅの付勢力によりクロスヘッドピン７ａへと戻る。これにより、ピストンロッド６から受ける衝突エネルギは、コイルスプリング７ｅにより吸収され、蓋部材７ｃに大きな力が加わることを防止できる。

また、本実施形態においては、ピストンロッド６とコイルスプリング７ｅとが当接しないため、ピストンロッド６が高圧縮比方向に移動される際に、コイルスプリング７ｅによりピストンロッド６の移動が妨げられることがない。

［第２実施形態］
続いて、上記第１実施形態の変形例を第２実施形態として、図３を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一の構成部材については符号を同一とし、説明を省略する。

本実施形態におけるエンジン１は、固定ボルト７ｄにコイルスプリング７ｅが挿入されておらず、蓋部材７ｃのピストンロッド６のフランジと当接する面（下面）に等間隔で複数設けられた凹部７ｃ１に複数のコイルスプリング７ｅが嵌合されている。すなわち、コイルスプリング７ｅは、ピストンロッド６のフランジと、蓋部材７ｃとの間に設けられている。なお、コイルスプリング７ｅが完全に圧縮された状態において、蓋部材７ｃとフランジとは当接しない。

このような本実施形態によれば、高圧縮比方向に向けてピストンロッド６が移動される際に、ピストンロッド６は、蓋部材７ｃと当接するよりも前にコイルスプリング７ｅと当接し、コイルスプリング７ｅが弾性変形することで、衝突エネルギが吸収され、移動速度が低下する。これにより、ピストンロッド６が蓋部材７ｃに対して激しく衝突することを防止できる。

さらに、本実施形態においては、ピストンロッド６が蓋部材７ｃに接触するよりも前にコイルスプリング７ｅと接触するため、より効果的に蓋部材７ｃへの衝撃を防止することができる。

また、本実施形態においては、蓋部材７ｃにおけるコイルスプリング７ｅが設置される位置に凹部７ｃ１が形成されており、コイルスプリング７ｅが凹部７ｃ１に嵌合されて固定されている。これにより、コイルスプリング７ｅが所定の位置からずれることがなく、常に一定の位置においてコイルスプリング７ｅとピストンロッド６とが当接し、効果的に衝突エネルギを吸収することができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

上記実施形態においては、吸収部材としてコイルスプリング７ｅを備えるものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、吸収部材としてコイルスプリング７ｅの代わりに、ゴムなどを備えるものとしてもよい。

上記第１実施形態においては、コイルスプリング７ｅを固定ボルト７ｄの頭部と蓋部材７ｃとの間に配設するものとしたが、本発明はこれに限定されない。コイルスプリング７ｅは、固定ボルト７ｄと別に設けられたバネ固定部材と、蓋部材７ｃとの間に設けられてもよい。

また、コイルスプリング７ｅは、蓋部材７ｃに設けられず、ピストンロッド６のフランジにおける蓋部材７ｃと当接する面に設けられるものとしてもよい。

また、上記実施形態においては、コイルスプリング７ｅは、蓋部材７ｃに対して嵌合または固定ボルト７ｄにより直接固定されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。コイルスプリング７ｅは、例えば、ワッシャ等の他の部材を介して間接的に蓋部材７ｃまたはピストンロッド６に固定されるものとしてもよい。

１ エンジン
２ 架構
３ シリンダ部
３ａ シリンダライナ
３ｂ シリンダヘッド
３ｃ シリンダジャケット
４ ピストン
５ 排気弁ユニット
５ａ 排気弁
５ｂ 排気弁筐
５ｃ 排気弁駆動部
６ ピストンロッド
７ クロスヘッド
７ａ クロスヘッドピン
７ｂ ガイドシュー
７ｃ 蓋部材
７ｄ 固定ボルト
７ｅ コイルスプリング
８ 油圧部
８ａ 供給ポンプ
８ｂ 揺動管
８ｃ プランジャポンプ
８ｃ１ プランジャ
８ｃ２ シリンダ
８ｃ３ プランジャ駆動部
８ｄ 第１逆止弁
８ｅ 第２逆止弁
８ｆ リリーフ弁
８ｆ１ 本体部
８ｆ２ リリーフ弁駆動部
８ｇ 昇圧ポンプ
９ 連接棒
１０ クランク角センサ
１１ クランク軸
１２ 掃気溜
１３ 排気溜
１４ 空気冷却器
１００ エンジンシステム
２００ 過給機
３００ 制御部
Ｈ 排気ポート
Ｓ 掃気ポート
Ｏ 出口孔
Ｒ１ 燃焼室
Ｒ２ 掃気室
Ｒ３ 油圧室
Ｒ４ 供給流路
Ｒ５ リリーフ流路

Claims (5)

1. 昇圧された作動流体が供給されることでピストンロッドが圧縮比を高める方向に移動される流体室の一部を形成する流体室形成部材と、前記ピストンロッドの圧縮比を高める方向への移動を規制する規制部材とを有する可変圧縮装置であって、
   前記規制部材または前記ピストンロッドに固定され、前記規制部材と前記ピストンロッドとの衝突エネルギを弾性変形により吸収する吸収部材を有することを特徴とする可変圧縮装置。
2. 前記流体室形成部材に対して前記規制部材を固定するボルトを有し、
   前記吸収部材は、前記規制部材と前記ボルトの頭部との間に設けられることを特徴とする請求項１記載の可変圧縮装置。
3. 前記吸収部材は、前記規制部材と前記ピストンロッドとの間に設けられることを特徴とする請求項１記載の可変圧縮装置。
4. 前記規制部材は、前記吸収部材が嵌合される凹部を有することを特徴とする請求項３記載の可変圧縮装置。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の可変圧縮装置を有することを特徴とするエンジンシステム。

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