JPH07509767A - 大型２ストークディーゼルエンジンのメインシャフトにおける捩り振動による過剰な応力を減少させる方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 大型２ストークデイーゼルエンジンのメインシャフトにおける捩り振動による過 剰な応力を減少させる方法本発明は船舶の大型２ストークメインエンジンのため のプロペラに連結されたメインシャフトにおける捩り振動による過剰な応力を減 少させる方法に関する。

このようなエンジンにおいては、排気弁の開閉運動及びシリンダへの燃料の射出 はコンピュータにより制御され、エンジンの接線方向の主臨界圧力成分が、エン ジンの連続運転を禁止するが継続運転を必要とするような回転の間隔（インター バル）内でメインシャフトに共鳴捩り振動を生じさせ、回転インターバル中の捩 り応力が所定の大きさを越える可能性がある。

船舶においては、メインエンジンのクランクシャフトはプロペラシャフトを介し て（必要なら、１以上の中間シャフトをも介して）プロペラに接続している。

クランクシャフト、プロペラシャフト及び中間シャフトはエンジンのメインシャ フトを構成する。エンジンが駆動トルクにより発生せしめられるメインシャフト 内の捩り応力に畳重される捩り振動従って過剰応力を生じさせること、及び捩り 振動の振動数がエンジンの回転数に依存することは周知である。顕著な振動度即 ち所謂「主臨界度」の捩り振動の振動数がメインシャフトの固有振動数に一致又 はほぼ一致した場合には、共鳴振動のために大きな捩り応力がシャフト内に発生 する。また、メインシャフトの固有振動数はエンジンの最大連続定格（ＭＣＲ） 地点より低い回転インターバル内に存在することも周知である。それ故、エンジ ンは正常な負荷を達成するために共鳴インターバルで運転しなければならない。

上記回転インターバルにおける応力が過剰になりすぎるのを阻止するために、エ ンジンは機械的な振動減衰器を具備することができる。代わりに、共鳴点がエン ノンの最大連続定格地点の上方へ移動するようにシャフトを剛直にしてもよい。

これらの解決策はいずれも比較的高価であり、エンジン装置を一層重く、一層大 型にしてしまう。エンジンのメインシャフトにおける捩り振動に関する基本概念 及びこのような振動を減少させる既知の方法は、例えば、エル・プリンダム（Ｌ 、　Ｂｒｙｎｄｕｍ）及びニス・ビー・ジャコブセン（Ｓ、Ｂ、　Ｊａｃｏｂｓ ｅｎ）著による１９８８年発行の文献「２ストローク低速デイーゼルエンジンの 振動特性Ｊ　（ＶｉｂｒａｔｉｏｎＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｔ ｗｏ−５ｔｒｏｋｅ　Ｌｏｗ　５ｐｅｅｄ　Ｅｎｇｉｎｅｓ）の第２版に記載さ れている。

燃料射出及び弁運動をコンピュータで制御する近年のエンジンの発展により、各 エンジンサイクル及び各シリンダに対する射出運動を個々に設定することが可能 になった。ヨーロッパ特許出願（ＥＰ−Ａ）第４４７６９７号明細書においては 、振動減衰を必要とすることが経験上知られている回転インターバルにわたって 運転しているときにメインシャフトの捩り応力を支えるために上記技術が使用さ れている。捩り振動を減衰するこの既知の方法の目的は、エンジンの半分のシリ ンダへの燃料の射出を遅らせて、他のエンジンのモーメント分布に関して上記シ リンダのモーメント分布の位相を変位させ、捩り応力の大きさを減少させること である。

しかし、顕著な減少を達成するために必要な位相の変位は、組み合わせが実際に は困難となるような大きさにしなければならないことが計算上判明した。

本発明の目的は、メインシャフトにおける捩り応力を減少させる一層有効な別の 方法を提供することである。

上記に鑑み、上述の方法の特徴とするところは、回転インターバルにわたって負 荷が増大するような状態で運転しているときのエンジンが、少なくとも１つのシ リンダの排気弁をそのシリンダの圧縮行程中に開くように制御され、少な（とも １つの他のシリンダのパワーが圧縮を行わないシリンダからのパワーの不足分だ け増大することである。

シャフトにおける捩り振動の共鳴点において、捩り振動の大きさは、捩り振動を 刺激する程度の振動の個々の７リングの調波成分、即ち、いわゆる主臨界成分に 依存する。個々のシリンダの調波成分の大きさはシリンダの平均圧力及びシリン ダの圧縮圧力に依存する。シャフトに大きな捩り振動が発生する回転数において 、調波成分に対する圧縮要素は平均圧力の要素より僅かに大きい。シリンダの圧 縮行程中に排気弁が開くと、圧縮要素及び平均圧力要素が無くなり、そのシリン ダにおける調波成分は捩り振動を発生させない。他の１以上のシリンダの効果が 増大すると、これらのシリンダの平均圧力が一層増大し、調波成分も一層増大す るが、これらのシリンダにおける調波成分に対する平均圧力の要素が最大圧縮要 素において生じるので、シリンダの調波成分の総和は全体として一層小さくなる 。６気筒エンジンにおいては、共鳴点におけるシリンダの第６番目の調波成分は 、例えば、１つのシリンダを圧縮を行わない状態に設定し、このシリンダの仕事 分を残りのシリンダにより実行させることにより、はぼ７％減少させることがで きる。

共鳴点のそばを回転インターバルが通るときには、本発明の方法により、機械的 な減衰器を使用する必要のない程度又はシャフトシステムを特殊に構成する必要 のない程度に捩り振動の大きさを減少させることができる。

圧縮を行わないシリンダからのパワー不足分はエンジンの他のシリンダに均等に 分配される。これは、該当する回転数のシリンダの通常の平均圧力がその回転数 における単一のシリンダにその通常のパワーの２倍のパワーを生じさせることが できないような大きさのレベルになるほど共鳴点がエンジンの最大連続定格地点 に近くにある場合に、特に有利である。

本発明に係る好ましい方法において、上記回転インターバルの期間中、エンジン の少なくともいくつかのシリンダは各第２サイクル毎に実質上圧縮を行わないよ うに制御され、各第２サイクル毎に、シリンダは当該回転数におけるシリンダの 通常のパワーの２倍のパワーを生じさせる。通常、共鳴点はエンジンの最大連続 定格地点から適当な長い距離だけ離れていて、回転インターバルの直後にシリン ダが２倍のパワーを発生できるようになっている。この作動方法は、共鳴点を通 過中にシリンダの平均熱負荷が実質上一定になるという利点を与える。

本発明の完全な効果は、圧縮を行わない状態と２倍のパワーを発生させる状態と を交互に繰り返すような点火順序でシリンダを制御することにより得ることがで きる。従って、共鳴振動に対するエンジンの圧縮要素の半分が除去される。

圧縮行程中に開（ように設定される排気弁は、圧縮行程中に流出する空気が弁座 を通るときにこの空気に振動により変化する圧力降下を生じさせるような限られ た距離だけ弁座から離れた位置へ適当に移動せしめられる。従って、弁座におい て絞り（スロットル）効果が発生し、これにより、捩り振動を刺激する振動系か らエネルギを除去する。その結果、シリンダの圧縮要素を完全に除去することに より得られる減衰よりも実質上一層大きな捩り振動の減衰が達成できる。その理 由は、スロットリング期間中のエネルギ損失量が捩り振動に顕著な影響を及ぼす ためには、実質上圧縮を行わないシリンダの圧力が排気チャンネル内の圧力より ほんの数バールだけ大きければよいからである。

膨張行程期間中、流入する空気が弁座を通るときにこの空気に圧力降下を生じさ せるような限られた距離だけ弁座から離れた位置で排気弁を開弁状態に保持する ことができ、これにより、エンジンサイクル期間中、減衰のための２つの積極的 な要素が得られる。

以下、本発明の実施例を添付図面を参照して更に詳細に説明する。

第１図は２ストロークデイーゼルエンジンを示す図、第２図はシリンダの平均圧 力の関数としてのコネクティングロッドの第６番目の接線方向圧力成分を示すグ ラフ、 第３図は本発明の方法に係るエンジン運転中のシリンダの第６番目の調和成分を 示す図である。

第１図はクロスヘッド型の大型２ストロークデイーゼルエンジン１を示す。エン ジンの燃焼室２はシリンダライナー３とシリンダカバー４とライナーに支承され たピストン５とにより画定される。

ピストンはピストンロッド６を介してクロスヘッド７に直接連結され、クロスヘ ッドはコネクティングロッド８を介してクランクシャフト１１のスロー１ｏのコ ネクティングロッドピン９に直接連結される。

関連するハウジング１３を有する排気弁１２はカバー４に装着しである。排気弁 は液圧駆動ユニット１４により液圧的に作動せしめられ、この駆動ユニットは電 気機械弁により制御され、コンピュータ１６からワイヤ１５を介して伝達される 制御信号により作動せしめられる。

カバー４に装着した燃料弁１７は燃焼室２へ霧化した燃料を供給できる。ソレノ イド弁により制御され液圧式に駆動せしめられる燃料ポンプ１８はワイヤ２゜を 介してコンピュータ１６から受けた制御信号に応答して圧力導管１９を介して燃 料弁へ燃料を供給する。信号伝達ワイヤ２１を介して、コンピュータ１６はエン ジンの１分間当りの現在の回転数に関する情報を受け取る。回転数はエンジンの タコメータから得てもよいし、エンジンのメインシャフトに装着され３６００の シャフト回転のエンジンサイクルの分数（一部）を構成するインターバルのため のエンジンの現在の角度位置及び回転速度を決定する角度検出器及びインディケ ータから得てもよい。コンピュータが燃料射出時間、関連する燃料量及び排気弁 の開閉時間を決定したとき、燃料ポンプ１８及び駆動ユニット１４はシリンダに とって正しいエンジンサイクルのモーメントで作動せしめられる。

エンジンが固定のパワー発生ディーゼルエンジンである場合は、メインシャフト はエンノンのクランクシャフト、及び、必要なら、エンジンにより駆動せしめら れる発電機への連結ロッドから成る。エンジンが船舶のメインエンジンである場 合は、上述のメインシャフトはクランクシャフト、プロペラシャフト、及び、必 要なら、任意の中間シャフトから成る。

コネクティングロッドを介して伝達される圧縮力ＦＫは、第１図に示すように、 半径方向の成分ＦＲと接線方向の成分ＦＴとに分解される。メインシャフトの固 有振動数付近での回転インターバルにおいては、コネクティングロッドピン上の 可変の接線方向の力Ｆ丁はメインシャフトに共鳴振動を発生させる。シャフトの 固有振動の最低モード（ｌ波節）はシリンダの数に対応する種類の捩り振動の調 波成分によるある回転数で大きなエネルギを受ける。その理由は、個々のシリン ダの点火の位相がこの種類の振動の期間だけ変位しており、この種類の振動のす べての接線方向の刃要素がシャフトの最低固有振動を強めるからである。

以下、６気筒エンジンを例にとって説明する。シリンダの平均圧力とこのシリン ダの振動の第６番目の接線方向の成分の振幅との間の関係を第２図に示す。縦軸 の目盛りは０バールの平均圧力での振幅と比較した振幅の相対寸法を示す。燃料 がシリンダへ射出されていないとき、平均圧力は０バールであり、第６番目の接 線方向成分の大きさは、ノリンダ内の空気の圧縮の結果としてピストンに生じる 力により振幅の大きさＫを決定する地点Ａで表されることが分かる。メインシャ フトにおける捩り振動の共鳴点は、エンジンの平均圧力が第２図のグラフの地点 Ｂに対応する約６バールとなるようなエンジン負荷において通常束じる。この地 点Ｂにおいては、接線方向成分は地点Ａでの成分より約８０％大きく、圧縮要素 にと平均圧力要素Ｂ、とから成る。１２バールの平均圧力においては、接線方向 成分の振幅は地点Ｃで生じ、その大きさは地点Ａでの成分の約２．９倍である。

地点Ｃでの接線方向成分は圧縮要素にと平均圧力要素ｃ１とから成る。

次に、本発明に係る方法の一例を説明する。コンピュータ１６が、ワイヤ２１を 介して受け取った回転数信号に基づき、エンジンがメインシャフトの共鳴点付近 の回転インターバルに入っていると判断したとき、少なくとも１つのシリンダの ための排気弁１２がピストンの圧縮行程中に開き、燃焼室内に圧力を発生させな いようにする。それ故、コネクティングロッドピン９はピストン５、ピストンロ ッド６、クロスヘッド７及びコネクティングロッド８の運動による慣性力のみを 受け、ピストンの上昇行程に対しては第２図の地点りにて示しピストンの下降行 程に対しては地点Ｄ′にて示すように、小さな第６番目の接線方向成分を生じさ せる。

エンジンパワーの減少を回避するために、コンピュータは圧縮を行わないシリン ダの仕事分を補償する。これは、残りのシリンダの内の１又はそれ以上のシリン ダのパワーを対応的に増大させることにより行う。第２図に地点Ｂで作動させる べき単一のシリンダが圧縮を行わない状態に設定され、コンピュータが他の単一 のシリンダに２倍のパワーを発生させるようにした場合は、こめシリンダは地点 Ｃで作動する。従って、１．８の合計接線方向成分要素に＋ＩＬが除去され、そ の代わりに、地点Ｃで作動するシリンダが２．９の要素Ｋ　十Ｃ＋を発生させる 。

それ故、地点Ｂでの２つのシリンダの作動に比べて、接線方向成分は０．　７だ け少な（なることが分かる。６個のシリンダの各々が１．８の要素を有するので 、既知の方法でエンジンを運転させた場合は、単一のシリンダを圧縮を行わない 状態で作動させたときには、合計の接線方向成分の要素は（０，７Ｘ１００）／ （６Ｘ１．８）％＝６．５％だけ減少する。この減少は機械的な捩り振動減衰器 の使用の必要性を排除するのに十分なものである。メインシャフトにおける捩り 振動を更に減少させたい場合は、６個の／リングのうち２個又は３個のシリンダ を圧縮を行わない状態で作動させる。３個の場合は、第６番目の接線方向成分が 約２０％減少する。

個々の７リングの第６番目の接線方向成分をクランクシャフトの角度の関数とし て第３図に示す。エンジンが２ストロークエンジンなので、完全エンジンサイク ルはクランクシャフトの３６００の回転に相当する。シリンダ１−４は通常の平 均圧力で作動し、シリンダ５は圧縮を行わない状態で作動し、シリンダ６は２倍 の平均圧力で作動する。シリンダ５からの慣性要素はそれ自体バランスをくずす 。その理由は、これらの要素が他のシリンダからの接線方向成分の要素に対して 同位相及び違位相で交互に作用するからである。上述のように、通常の作動中は 、シリンダ５．６からの合計要素は他の２つのシリンダからの合計要素より実質 上小さい。

共鳴点近傍での回転インターバル外でエンジンが加速された場合、シリンダは通 常の方法で制御される。

共鳴点での回転インターバルはエンジン装置の設計に応じて決定することができ 、これをコンピュータに記憶させることができる。そして、エンジンの実際の回 転数が回転インターバルの内にあるか外にあるかに応じて、本発明の方法又は普 通の方法に従って制御を行うように回転インターバルを選択する。代わりに、メ インンヤフトの位置及び回転速度を測定する装置を設けてシャフトの運動に関す る情報をコンピュータ１６へ送り、コンピュータ１６が、この情報に基づき、７ ヤフトの捩り振動が所定の限界値を越えたか否かを決定できるようにしてもよい 。この場合、コンピュータは本発明の方法に従ってエンジンを制御するように切 り換えを行い、シャフトの回転数が、高過ぎるレベルの振動を伴う回転数から十 分に遠のくと経験上知られた所定の大きさに変化したときには、コンピュータは 通常のエンジン制御が得られるように切り換えを行う。

接線方向成分全体の大きさを上述のように減少させることにより、メインンヤフ トの過剰な捩り応力を減衰のないレベルの６５−７０％まで減少させることがで きる。

一般振動科学から、振動系に減衰器を採用することにより共鳴点近傍における調 和振動の振幅の最大値を減少させることができることは周知である。エンジンの メインンヤフトにおける捩り振動はエンジンの可動部分間に生じる摩擦力により 減衰される。エンジンの効率を考慮すれば、摩擦減衰はできる限り最小にすべき である。本発明の方法は、共鳴点を通過中にのみ有効で共鳴インターバルの外側 での回転数においてはエンジンの効率に影響を及ぼさないような一時的な減衰を 振動系に導入できるという利点を与える。これは、弁の通路で振動が変化するス ロットル損失を流出空気に与えるような位置で、圧縮を行わないシリンダの排気 弁を開くように設定することにより、達成される。エンジンの最大圧縮圧力は通 常約１３０バールである。シリンダ内の圧縮圧力が５ないし１５バールにしかな らないような開位置に排気弁を設定した場合、シリンダの上述の圧縮要素は完全 圧縮時の圧縮要素に比べれば無視できる程度のものであるが、排気チャンネル内 での圧力に対する空気の絞り（スロットリング）におけるエネルギ損失が捩り振 動の最大振幅を減衰させ、メインシャフトにおける過剰な応力を減少させる。

従って、圧縮要素が実質上減少するため及び変化するスロットリングが振動を減 衰するため、捩り振動による過剰な応力は減少せしめられる。

スロットリングにより一層大きな減衰を得たい場合は、ピストンの膨張行程中排 気弁を僅かに開いた状態とし、排気レシーバか−らのガスをシリンダ内へ流入さ せ、弁座によりガスを絞るようにする。弁座と弁との間の距離は圧縮行程と膨張 行程とで等しくする必要はない。

Ｆ／６．２ フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＥ、ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、ＰＴ、ＳＥ） 、０Ａ（ＢＦ、ＢＪ、ＣＦ、ＣＧ、　ＣＩ、　ＣＭ、　ＧＡ、　ＧＮ、　ＭＬ、 　ＭＲ，ＮＥ、　ＳＮ。

ＴＤ、　ＴＧ）、　ＡＴ、　ＡＵ、　ＢＢ、　ＢＧ、　ＢＲ，ＢＹ。

ＣＡ、ＣＨ，ＣＺ、ＤＥ、ＤＫ、ＥＳ、ＦＩ、ＧＢ、ＨＵ、ＪＰ、ＫＰ、ＫＲ， ＫＺ、ＬＫ、ＬＵ、ＬＶ、ＭＧ、　ＭＮ、ＭＷ、ＮＬ、Ｎｏ、ＮＺ、ＰＬ、ＰＴ 、Ｒ○。

ＲＵ、ＳＤ、ＳＥ、ＳＫ、ＵＡ、ＵＳ、ＵＺ、ＶＮ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．排気弁（１２）の開閉運動及びシリンダヘの燃料射出をコンピュータ（１６ ）により制御し、エンジンの連続運転を禁止するが継続運転を必要とするような 回転インターバル内でエンジンの主臨界接線方向圧力成分がメインシャフトに共 鳴捩り振動を生じさせ、上記回転インターバル期間中の捩り応力が所定の大きさ を越える可能性があるような船舶の大型２ストロークメインエンジン（１）のた めのプロペラに連結されたメインシャフト（１１）における捩り振動による過剰 な応力を減少させる方法において、 上記回転インターバルにわたって負荷を増大させるような状態で運転している上 記エンジンが、少なくとも１つの上記シリンダの圧縮行程中当該シリンダの上記 排気弁を開弁状態に設定して該シリンダを圧縮を行わない状態で作動させるよう に制御され、他のシリンダのうちの少なくとも１つのシリンダのパワーを上記圧 縮を行わないシリンダのパワー不足分だけ増大させることを特徴とする方法。
2. ２．請求の範囲第１項に記載の方法において、上記圧縮を行わないシリンダのパ ワー不足分を上記エンジン（１）の残りのシリンダに均等に分配することを特徴 とする方法。
3. ３．請求の範囲第１項又は第２項に記載の方法において、上記回転インターバル 期間中、上記エンジン（１）の少なくともいくつかの上記シリンダが各第２サイ クル毎に実質上圧縮を行わない状態となるように当該シリンダが制御され、上記 各第２サイクル毎に、該シリンダが所定の回転数で通常のパワーの実質上２倍の パワーを発生させることを特徴とする方法。
4. ４．請求の範囲第３項に記載の方法において、点火順序に関して、上記シリンダ が圧縮を行わない状態と２倍のパワーを発生させる状態とを交互に繰り返すよう に制御されることを特徴とする方法。
5. ５．請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の方法において、圧縮行程 中に開弁状態に設定される上記排気弁が、圧縮行程中に流出する空気が弁座を通 るときにその空気に圧力降下を生じさせるような限られた距離だけ上記弁座から 離れた位置へ、移動せしめられることを特徴とする方法。
6. ６．請求の範囲第５項に記載の方法において、流入する空気が上記弁座を通ると きにその空気に圧力降下を生じさせるような限られた距離だけ当該升座から離れ た位置で、膨張行程期間中に、上記気弁を開弁状態に保持することを特徴とする 方法。