WO2016182000A1 - クロスヘッド型エンジン - Google Patents

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山田　剛
義幸 梅本
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株式会社Ihi
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Definitions

  • the present disclosure relates to a crosshead engine in which a crosshead is fixed to a piston rod.
  • a crosshead In a crosshead type engine that is widely used in marine engines, a crosshead is provided at an end of a piston rod to which a piston is fixed.
  • the connecting rod connects the crosshead and the crankshaft, and the reciprocating motion of the crosshead is converted into the rotational motion of the crankshaft.
  • the engine of Patent Document 1 is such a crosshead type engine.
  • a hydraulic piston is arranged in the crosshead, and the hydraulic piston is operated by the hydraulic pressure, thereby changing the position of the top dead center of the piston and increasing the compression ratio. Variable.
  • the cross head When the hydraulic chamber is provided in the cross head as in Patent Document 1, the cross head may be deformed under the influence of the hydraulic pressure in the hydraulic chamber, and the bearing performance of the cross head pin may be reduced.
  • the present disclosure provides a crosshead type engine capable of suppressing a decrease in bearing performance of a crosshead pin due to an influence of a hydraulic pressure in a hydraulic chamber formed in the crosshead. It is said.
  • a first aspect of the present disclosure is such that a first end of a piston rod to which a piston is fixed and a second end of a connecting rod connected to a crankshaft are arranged via a crosshead.
  • the crosshead is provided with a crosshead bearing provided at the second end of the connecting rod, a crosshead pin pivotally supported by the crosshead bearing, a crosshead pin, and a piston rod first One end side is inserted, and a hydraulic chamber is provided for changing the relative position between the piston and the crosshead pin by applying hydraulic pressure to the first end side of the piston rod, and the crosshead pin is inserted into the hydraulic chamber.
  • a deformation inhibiting layer that is located radially outward of the first end of the piston rod and inhibits the deformation of the crosshead pin due to the hydraulic pressure in the hydraulic chamber.
  • the crosshead engine of the present disclosure it is possible to suppress a decrease in bearing performance of the crosshead pin due to the influence of the hydraulic pressure in the hydraulic chamber formed in the crosshead.
  • the engine it is possible to selectively execute any one of a gas operation mode in which fuel gas that is gaseous fuel is mainly burned and a diesel operation mode in which fuel oil that is liquid fuel is burned.
  • a so-called dual fuel type engine will be described. Further, a description will be given of a case where the engine completes one cycle in two strokes (two-cycle engine, two-stroke engine) and is a uniflow scavenging type in which gas flows in one direction inside the cylinder.
  • the type of engine is not limited to the dual fuel type, the two-cycle type, and the uniflow scavenging type, and may be a crosshead type engine.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining the overall configuration of a uniflow scavenging two-cycle engine 100 (crosshead engine).
  • the uniflow scavenging type two-cycle engine 100 of the present embodiment is used for ships, for example.
  • the Yuniflow scavenging two-cycle engine 100 includes a cylinder 110, a piston 112, a crosshead 114, a connecting rod 116, a crankshaft 118, an exhaust port 120, an exhaust valve 122, and a scavenging port. 124, a scavenging reservoir 126, a cooler 128, a scavenging chamber 130, and a combustion chamber 132.
  • exhaust, intake, compression, combustion, and expansion are performed when the piston 112 is opened in two strokes, an upward stroke and a downward stroke, and the piston 112 reciprocates in the cylinder 110.
  • the piston 112 has an upper end fixed to the piston rod 112a.
  • a cross head pin 114 a in the cross head 114 is connected to the lower end (first end) of the piston rod 112 a, and the cross head 114 reciprocates together with the piston 112.
  • the cross head 114 is restricted from moving in the direction perpendicular to the stroke direction of the piston 112 (left and right direction in FIG. 1) by the cross head shoe 114b.
  • the crosshead pin 114a is inserted into a crosshead bearing 116a provided at the upper end (second end) of the connecting rod 116, is pivotally supported by the crosshead bearing 116a, and supports the second end of the connecting rod 116. Yes.
  • the first end of the piston rod 112 a to which the piston 112 is fixed and the second end of the connecting rod 116 connected to the crankshaft 118 are connected via the crosshead 114.
  • the lower end of the connecting rod 116 is connected to the crankshaft 118 so that the crankshaft 118 rotates with respect to the connecting rod 116.
  • the crankshaft 118 rotates in conjunction with the reciprocation.
  • the exhaust port 120 is an opening provided in the cylinder head 11 0 a above the top dead center of the piston 112, and is opened and closed to exhaust the exhaust gas after combustion generated in the cylinder 110.
  • the exhaust valve 122 is moved up and down at a predetermined timing by an unillustrated exhaust valve driving amount to open and close the exhaust port 120.
  • the exhaust gas exhausted through the exhaust port 120 in this way is supplied to the turbine side of the supercharger C through the exhaust pipe 120a and then exhausted to the outside.
  • the scavenging port 124 is a hole penetrating from the inner peripheral surface (the inner peripheral surface of the cylinder liner 11 ⁇ / b> 0 b) on the lower end side of the cylinder 110 to the outer peripheral surface, and a plurality of scavenging ports 124 are provided over the entire periphery of the cylinder 110.
  • the scavenging port 124 sucks the active gas into the cylinder 110 according to the sliding motion of the piston 112.
  • This active gas contains an oxidizing agent such as oxygen and ozone, or a mixture thereof (for example, air).
  • the scavenging reservoir 126 is filled with active gas (for example, air) pressurized by the compressor of the supercharger C, and the active gas is cooled by the cooler 128.
  • active gas for example, air
  • the cooled active gas is pressed into a scavenging chamber 130 formed in the cylinder jacket 110c.
  • the active gas is sucked into the cylinder 110 from the scavenging port 124 due to the differential pressure between the scavenging chamber 130 and the cylinder 110.
  • the cylinder head 110a is provided with a liquid fuel injection valve 134.
  • a liquid fuel injection valve 134 In the gas operation mode, an appropriate amount of fuel oil is injected from the liquid fuel injection valve 134 at a desired point in the engine cycle.
  • the fuel oil is vaporized by the heat of the combustion chamber 132 surrounded by the cylinder head 110a, the cylinder liner 110b, and the piston 112, and is spontaneously ignited and burns in a short time, so that the temperature of the combustion chamber 132 is extremely reduced. Make it high.
  • a gas fuel injection valve (not shown) is provided in the vicinity of the scavenging port 124 or in a portion of the cylinder 110 from the scavenging port 124 to the combustion chamber 132, and is injected from the gaseous fuel injection valve into the cylinder 110.
  • the fuel gas that has flowed in is heated by the combustion heat of the fuel oil, so that it reliably burns at a desired timing.
  • the piston 112 reciprocates mainly by the expansion pressure due to the combustion of fuel gas.
  • the fuel gas is generated, for example, by gasifying LNG soot (liquefied natural gas).
  • LNG liquefied natural gas
  • the fuel gas is not limited to LNG, and for example, LPG (liquefied petroleum gas), light oil, heavy oil, etc. can be gasified and applied.
  • the fuel gas injection from the gaseous fuel injection valve is stopped, and more fuel oil is injected from the liquid fuel injection valve 134 than the fuel oil injection amount in the gas operation mode.
  • the piston 112 reciprocates by an expansion pressure caused by combustion of fuel oil, not fuel gas.
  • the uniflow scavenging two-cycle engine 100 selectively executes one of the gas operation mode and the diesel operation mode.
  • the uniflow scavenging two-cycle engine 100 is provided with a variable mechanism.
  • the variable mechanism will be described in detail.
  • FIG. 2A and 2B are diagrams for explaining a connecting portion between the piston rod 112a and the cross head pin 114a.
  • FIG. 2A shows an enlarged view of a portion surrounded by a one-dot chain line in FIG. 1, and FIG. FIG. 2A shows a cross section taken along line II (b) -II (b) in FIG. 2A.
  • the first end of the piston rod 112a is inserted into the crosshead pin 114a.
  • a connecting hole 160 extending perpendicularly to the axial direction of the crosshead pin 114a (the left-right direction in FIG. 2B) is formed in the crosshead pin 114.
  • a hydraulic chamber 168 is provided in the connection hole 160, and the first end of the piston rod 112 a is inserted (entered) into the hydraulic chamber 168.
  • the first end of the piston rod 112a is inserted into the connection hole 160, whereby the cross head pin 114a and the piston rod 112a are connected.
  • the piston rod 112a has a large-diameter portion 162a in which the outer diameter of the piston rod 112a is larger than the first end, and is positioned closer to the first end than the large-diameter portion 162a.
  • a small-diameter portion 162b having a small outer diameter is also formed.
  • the connecting hole 160 is continuous with the large-diameter hole portion 164a located on the piston 112 side in the connecting hole 160 and the connecting rod 116 side (lower side in FIGS. 2A and 2B) with respect to the large-diameter hole portion 164a.
  • a small-diameter hole 164b having an inner diameter smaller than that of the large-diameter hole 164a.
  • the large-diameter hole 164 a forms the hydraulic chamber 168.
  • the small diameter portion 162b of the piston rod 112a can be inserted into the small diameter hole portion 164b of the connection hole 160, and the large diameter portion 162a of the piston rod 112a is set to a size that can be inserted into the large diameter hole portion 164a of the connection hole 160. Has been.
  • a fixed lid 166 having an outer diameter larger than that of the connection hole 160 is disposed on the upper end (second end) side (the upper side in FIG. 2) of the piston rod 112a with respect to the large diameter portion 162a of the piston rod 112a.
  • the fixed lid 166 is an annular member, and the piston rod 112a is inserted from above.
  • a recess 114c that is recessed in the radial direction of the crosshead pin 114a is formed on the outer peripheral surface of the crosshead pin 114a, and a fixed lid 166 is fitted inside the recess 114c.
  • the fixed lid 166 is identified as a cross head pin 114a by a bolt B through a nut N.
  • the hydraulic chamber 168 is divided into a first hydraulic chamber 168a (hydraulic chamber) and a second hydraulic chamber 168b (hydraulic chamber).
  • the first hydraulic chamber 168a includes a step surface due to a difference in outer diameter between the large diameter portion 162a and the small diameter portion 162b, an inner peripheral surface of the large diameter hole portion 164a, and a step due to a difference in inner diameter between the large diameter hole portion 164a and the small diameter hole portion 164b. Surrounded by a face.
  • the second hydraulic chamber 168b is surrounded by the end surface on the upper end side of the piston rod 112a, the inner peripheral surface of the large diameter hole 164a, and the fixed lid 166 in the large diameter portion 162a. That is, the large-diameter hole portion 164a (hydraulic chamber 168) is divided vertically by the large-diameter portion 162a of the piston rod 112a.
  • a first hydraulic chamber 168a is formed by a large-diameter hole 164a that is partitioned below the large-diameter portion 162a in FIG. 2 with the large-diameter portion 162a as a boundary, and is larger than the large-diameter portion 162a in FIG.
  • a second hydraulic chamber 168b is formed by a large-diameter hole 164a partitioned in the middle and upper side.
  • Each of the first hydraulic chamber 168a and the second hydraulic chamber 168b is connected to an oil passage (not shown), and hydraulic fluid discharged from the hydraulic pump is guided to the first hydraulic chamber 168a and the second hydraulic chamber 168b.
  • the depth at which the piston rod 112a enters the connection hole 160 differs depending on the hydraulic pressure acting on each of the first hydraulic chamber 168a and the second hydraulic chamber 168b.
  • the state when the hydraulic pressure acts on the first hydraulic chamber 168a and the second hydraulic chamber 168b will be described in detail.
  • FIG. 3A and 3B are diagrams illustrating changes in the relative positions of the piston rod 112a and the cross head pin 114a.
  • FIG. 3A shows a state where the piston rod 112a has entered the coupling hole 160 shallowly
  • FIG. A state in which the piston rod 112a has entered the connection hole 160 deeply is shown.
  • the first hydraulic chamber 168a has a variable length in the stroke direction of the piston 112.
  • a deformation suppression layer 170 is provided.
  • FIG. 4 is a view for explaining the deformation suppression layer 170 and shows a cross-sectional view of the crosshead pin 114a taken along the arrow IV in FIG. 3A.
  • a plurality of buffer holes 172 are provided in the circumferential direction of the connection hole 160 on the bottom surface 114 d of the recess 114 c of the cross head 114.
  • the plurality of buffer holes 172 are formed at intervals along the circumferential direction of the piston rod 112a, and extend to the radially outer side of the hydraulic chamber 168 along the stroke direction of the piston 112 (see FIGS. 3A and 3B). ).
  • the deformation suppression layer 170 points to a portion of the cross head 114 where the buffer hole 172 is formed, and is located radially outward on the first end side of the piston rod 112a inserted into the hydraulic chamber 168. . Since the deformation suppression layer 170 is formed, even if the inner wall of the hydraulic chamber 168 is deformed by the hydraulic pressure in the hydraulic chamber 168, this deformation is caused by the piston rods of the individual buffer holes 172 constituting the deformation suppression layer 170. Absorbed by deformation along the radial direction of 112a. As a result, the deformation hardly progresses to the outside of the deformation suppression layer 170. Therefore, the deformation of the cross head pin 114a is suppressed, and the deterioration of the bearing performance of the cross head pin 114a can be suppressed.
  • FIGS. 5A to 5C are diagrams for explaining the deformation suppressing layer 270 and the cylindrical members 272, 372, and 472 in the modified example.
  • the hydraulic chamber 168 is formed surrounded by an annular cylindrical member 272.
  • the cylindrical member 272 is inserted into the large-diameter portion 162a of the piston rod 112a and is accommodated in the large-diameter hole portion 164a formed in the cross head pin 114a, and is sealed by the fixed lid 166.
  • a space S is formed by radially separating the inner peripheral surface of the large-diameter hole 164a and the outer peripheral surface of the cylindrical member 272 in the radial direction.
  • the deformation suppression layer 270 is the space S, and even if the cylindrical member 272 is deformed by the hydraulic pressure of the hydraulic chamber 168, the deformation is absorbed by the space S constituting the deformation suppression layer 270, and the deformation suppression layer 270 reaches the outside. Deformation does not propagate. As a result, deformation outside the deformation suppression layer 270 is suppressed, and it is possible to suppress a decrease in bearing performance of the cross head pin 114a.
  • the cylindrical member 372 (deformation suppressing member) of the second modified example and the cylindrical member 472 (deformation suppressing member) of the third modified example are respectively extracted and shown.
  • the cylindrical member 272 is deformed by receiving the hydraulic pressure in the hydraulic chamber 168.
  • the cylindrical members 372 and 472 are reinforced.
  • the cylindrical member 372 and the cylindrical member 472 are disposed between the deformation suppression layer 270 (gap S) and the hydraulic chamber 168, similarly to the cylindrical member 272.
  • the cylindrical member 372 of the second modified example is composed of an inner cylinder 372a and an outer cylinder 372b, which are assembled together by shrink fitting or cold fitting, and the inner cylinder 372a and outer cylinder 372b, respectively. Residual stress is generated inside.
  • the cylindrical member 472 of the third modified example includes an inner tube 472a and a reinforcing fiber layer 472b formed by winding reinforcing fibers around the outer periphery of the inner tube 472a.
  • These cylindrical members 372 and 472 have higher strength than the cross head pin 114a.
  • the deformation of the cylindrical members 372 and 472 is suppressed within the range of the gap S that forms the deformation suppression layer 270, and the cross It becomes possible to suppress a decrease in bearing performance of the head pin 114a.
  • the deformation suppressing layer 170 includes a plurality of buffer holes 172 .
  • a plurality of buffer holes 172 are provided on the piston rod 112a. It is good also as an annular groove (gap) connected in the circumferential direction.
  • the deformation suppression layer 170 can be formed by simple processing.
  • the cylindrical member 372 of a 2nd modification and the cylindrical member 472 of a 3rd modification are the internal peripheral surfaces of the large diameter hole part 164a formed in the crosshead pin 114a. It may be arranged on the side. In this case, since deformation of the cylindrical members 372 and 472 is suppressed, deformation outside the deformation suppression layer 170 by the deformation suppression layer 170 is further suppressed.
  • the present disclosure can be used for a crosshead engine in which a crosshead is fixed to a piston rod.

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Abstract

クロスヘッド型エンジンのクロスヘッドは、連接棒の第２端に設けられたクロスヘッド軸受と、クロスヘッド軸受に軸支されたクロスヘッドピン（１１４ａ）と、クロスヘッドピンに設けられ、ピストンロッド（１１２ａ）の第１端側が挿入されるとともに、ピストンロッドの第１端側に油圧を作用させて、ピストンとクロスヘッドピンとの相対的な位置を変化させる油圧室（第１油圧室（１６８ａ）および第２油圧室（１６８ｂ）と、クロスヘッドピンに設けられ、油圧室に挿入されたピストンロッドの第１端の径方向外方に位置し、油圧室内の油圧によるクロスヘッドピンの変形を抑止する変形抑止層（１７０）と、を備える。

Description

クロスヘッド型エンジン
　本開示は、ピストンロッドにクロスヘッドが固定されたクロスヘッド型エンジンに関する。
　本願は、２０１５年５月１１日に日本に出願された特願２０１５－９６７１６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
舶用エンジンに多く採用されているクロスヘッド型エンジンでは、ピストンが固定されるピストンロッドの端部にクロスヘッドが設けられている。連接棒（コネクティングロッド）は、クロスヘッドとクランクシャフトを連結しており、クロスヘッドの往復運動がクランクシャフトの回転運動に変換される。
特許文献１のエンジンは、このようなクロスヘッド型エンジンで、クロスヘッド内に油圧ピストンが配され、油圧ピストンが油圧によって作動することで、ピストンの上死点の位置を変化させて圧縮比を可変としている。
日本国特開２０１４－０２０３７５号公報
特許文献１のように、クロスヘッド内に油圧室を設ける場合、油圧室内の油圧の影響を受けてクロスヘッドが変形し、クロスヘッドピンの軸受性能が低下する可能性がある。
本開示は、このような課題に鑑み、クロスヘッド内に形成された油圧室内の油圧の影響による、クロスヘッドピンの軸受性能の低下を抑制することが可能なクロスヘッド型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、本開示の第一の態様は、ピストンが固定されるピストンロッドの第１端、および、クランクシャフトに連結される連接棒の第２端が、クロスヘッドを介して接続されるクロスヘッド型エンジンに関し、クロスヘッドが、連接棒の第２端に設けられたクロスヘッド軸受と、クロスヘッド軸受に軸支されたクロスヘッドピンと、クロスヘッドピンに設けられ、ピストンロッドの第１端側が挿入されるとともに、ピストンロッドの第１端側に油圧を作用させて、ピストンとクロスヘッドピンとの相対的な位置を変化させる油圧室と、クロスヘッドピンに設けられ、油圧室に挿入されたピストンロッドの第１端の径方向外方に位置し、油圧室内の油圧によるクロスヘッドピンの変形を抑止する変形抑止層と、を備える。
本開示のクロスヘッド型エンジンによれば、クロスヘッド内に形成された油圧室内の油圧の影響による、クロスヘッドピンの軸受性能の低下を抑制することが可能となる。
ユニフロー掃気式２サイクルエンジンの全体構成を説明する図である。 ピストンロッドとクロスヘッドピンとの連結部分を説明する図である。 ピストンロッドとクロスヘッドピンとの連結部分を説明する図である。 ピストンロッドとクロスヘッドピンの相対的な位置の変化を説明する図である。 ピストンロッドとクロスヘッドピンの相対的な位置の変化を説明する図である。 変形抑止層を説明する図である。 変形例における変形抑止層および円筒部材を説明する図である。 変形例における円筒部材を説明する図である。 変形例における円筒部材を説明する図である。
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施形態について詳細に説明する。本実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、開示の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し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
以下の実施形態では、気体燃料である燃料ガスを主に燃焼させるガス運転モードと、液体燃料である燃料油を燃焼させるディーゼル運転モードのいずれかの運転モードを選択的に実行することができる、所謂デュアルフューエル型のエンジンについて説明する。また、２行程で１サイクルを完結するエンジン（２サイクルンジン、２ストロークエンジン）で、あって、シリンダ内部をガスが一方向に流れるユニフロー掃気式である場合について説明する。しかし、エンジンの種類は、デュアルフューエル型、２サイクル型、ユニフロー掃気式に限られず、クロスヘッド型のエンジンであればよい。
図１は、ユニフロー掃気式２サイクルンジン１００ （クロスヘッド型エンジン）の全体構成を説明する図である。本実施形態のユニフロー掃気式２サイクルンジン１００は、例えば、船舶等に用いられる。具体的に、ユ二フロー掃気式２サイクルエンジン１００は、シリンダ１１０と、ピストン１１２と、クロスヘッド１１４と、連接棒１１６と、クランクシャフト１１８と、排気ポート１２０と、排気弁１２２と、掃気ポート１２４と、掃気溜１２６と、冷却器１２８と、掃気室１３０と、燃焼室１３２とを含んで構成される。
ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００では、ピストン１１２の上昇行程および下降行程の２行程の開に、排気、吸気、圧縮、燃焼、膨張が行われて、ピストン１１２がシリンダ１１０内を往復移動する。ピストン１１２には、ピストンロッド１１２ａの上端が固定されている。また、ピストンロッド１１２ａの下端（第１端）には、クロスヘッド１１４におけるクロスヘッドピン１１４ａが連結されており、クロスヘッド１１４は、ピストン１１２とともに往復移動する。クロスヘッド１１４はクロスヘッドシュー１１４ｂによって、ピストン１１２のストローク方向に垂直な方向（図１中、左右方向）の移動が規制されている。
クロスヘッドピン１１４ａは、連接棒１１６の上端（第２端）に設けられたクロスヘッド軸受１１６ａに挿通されて、クロスヘッド軸受１１６ａに軸支されるとともに、連接棒１１６の第２端を支持している。このように、ピストン１１２が固定されるピストンロッド１１２ａの第１端、および、クランクシャフト１１８に連結される連接棒１１６の第２端が、クロスヘッド１１４を介して接続されている。
また、連接棒１１６の下端は、クランクシャフト１１８に連結され、連接棒１１６に対してクランクシャフト１１８が回転する構造となっている。その結果、ピストン１１２の往復移動に伴いクロスヘッド１１４が往復移動すると、その往復移動に連動して、クランクシャフト１１８が回転する。
排気ポート１２０は、ピストン１１２の上死点より上方のシリンダヘッド１１ ０ａに設けられた開口部であり、シリンダ１１０内で生じた燃焼後の排ガスを排気するために開閉される。排気弁１２２は、不図示の排気弁駆動装量によって所定のタイミングで上下に移動され、排気ポート１２０を開閉する。このようにして排気ポート１２０を介して排気された排ガスは、排気管１２０ａを介して過給機Ｃのタービン側に供給された後、外部に排気される。
掃気ポート１２４は、シリンダ１１０の下端側の内周面（シリンダライナ１１ ０ｂの内周面）から外周面まで貫通する孔であり、シリンダ１１０の全周囲に亘って、複数設けられている。そして、掃気ポート１２４は、ピストン１１２の摺動動作に応じてシリンダ１１０内に活性ガスを吸入する。この活性ガスは、酸素、オゾン等の酸化剤、または、その混合気（例えば空気）を含む。
掃気溜１２６には、過給機Ｃのコンプレッサによって加圧された活性ガス（例えば空気）が封入されており、冷却器１２８によって活性ガスが冷却されている。冷却された活性ガスはシリンダジャケット１１０ｃ内に形成された掃気室１３０に圧入される。そして、掃気室１３０とシリンダ１１０内の差圧により、掃気ポート１２４からシリンダ１１０内に活性ガスが吸入される。
また、シリンダヘッド１１０ａには、液体燃料噴射弁１３４が設けられる。ガス運転モードにおいては、エンジンサイクルにおける所望の時点で適量の燃料油が液体燃料噴射弁１３４から噴射される。この燃料油は、シリンダヘッド１１０ａと、シリンダライナ１１０ｂと、ピストン１１２とに囲まれた燃焼室１３２の熱で気化するとともに自然着火し、僅かな時間で燃焼して、燃焼室１３２の温度を極めて高くする。また、掃気ポート１２４近傍、または、シリンダ１１０のうち、掃気ポート１２４から燃焼室１３２までの部位に不図示の気体燃料噴射弁が設けられており、気体燃料噴射弁から噴射されてシリンダ１１０内に流入した燃料ガスは、燃料油の燃焼熱によって昇温されることで、所望のタイミングで確実に燃焼する。ピストン１１２は、主に燃料ガスの燃焼による膨張圧によって往復移動する。
ここで、燃料ガスは、例えば、ＬＮＧ （液化天然ガス）をガス化して生成される。また、燃料ガスには、ＬＮＧに限らず、例えば、ＬＰＧ（液化石油ガス）、軽油、重油等をガス化して適用することもできる。
一方、ディーゼル運転モードにおいては、気体燃料噴射弁からの燃料ガスの噴射が停止されるとともに、液体燃料噴射弁１３４から、ガス運転モードにおける燃料油の噴射量よりも多量の燃料油が噴射される。ピストン１１２は、燃料ガスではなく、燃料油の燃焼による膨張圧によって往復移動する。
このように、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００は、ガス運転モードとディーゼル運転モードのいずれかの運転モードを選択的に実行する。そして、それぞれの選択モードに応じてピストン１１２の圧縮比を可変とするため、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００には、可変機構が設けられている。以下、可変機構について詳述する。
図２ＡおよびＢは、ピストンロッド１１２ａとクロスヘッドピン１１４ａとの連結部分を説明する図であり、図２Ａには、図１の一点鎖線で囲まれた部分を抽出した拡大図を示し、図２Ｂには、図２ＡのＩＩ（ｂ）－ＩＩ（ｂ）線に沿った断面を示す。
図２ＡおよびＢに示すように、クロスヘッドピン１１４ａには、ピストンロッド１１２ａの第１端が挿入される。具体的に、クロスヘッドピン１１４ には、クロスヘッドピン１１４ａの軸方向（図２Ｂ中、左右方向）に垂直に延びる連結穴１６０が形成されている。この連結穴１６０の内部には油圧室１６８が設けられ、この油圧室１６８にピストンロッド１１２ａの第１端が挿入（進入）されている。このように、連結穴１６０にピストンロッド１１２ａの第１端が挿入されることで、クロスヘッドピン１１４ａと、ピストンロッド１１２ａが連結される。
より詳細に説明すると、ピストンロッド１１２ａには、ピストンロッド１１２ａの外径が第１端よりも大きい大径部１６２ａと、大径部１６２ａよりも第１端側に位置し、大径部１６２ａよりも外径が小さい小径部１６２ｂが形成されている。
そして、連結穴１６０は、連結穴１６０におけるピストン１１２側に位置する大径穴部１６４ａと、大径穴部１６４ａに対して連接棒１１６側（図２ＡおよびＢ中、下側）に連続し、大径穴部１６４ａよりも内径が小さい小径穴部１６４ｂとを有している。このうち、大径穴部１６４ａが油圧室１６８を形成している。
ピストンロッド１１２ａの小径部１６２ｂは、連結穴１６０の小径穴部１６４ｂに挿入可能であって、ピストンロッド１１２ａの大径部１６２ａは、連結穴１６０の大径穴部１６４ａに挿入可能なサイズに設定されている。
ピストンロッド１１２ａの大径部１６２ａよりピストンロッド１１２ａの上端（第２端）側（図２中、上側）には、連結穴１６０よりも外径が大きい固定蓋１６６が配置される。固定蓋１６６は環状部材であって、ピストンロッド１１２ａが上方から挿通される。また、クロスヘッドピン１１４ａの外周面には、クロスヘッドピン１１４ａの径方向に窪んだ窪み１１４ｃが形成されており、この窪み１１４ｃの内部に固定蓋１６６が嵌合する。そして、固定蓋１６６は、ナットＮを介しボルトＢによってクロスヘッドピン１１４ａに同定されている。
また、油圧室１６８は、第１油圧室１６８ａ（油圧室）および第２油圧室１６８ｂ（油圧室）に分割されている。第１油圧室１６８ａは、大径部１６２ａと小径部１６２ｂの外径差による段差面と、大径穴部１６４ａの内周面と、大径穴部１６４ａと小径穴部１６４ｂの内径差による段差面によって囲まれる。
第２油圧室１６８ｂは、大径部１６２ａのうち、ピストンロッド１１２ａの上端側の端面と、大径穴部１６４ａの内周面と、固定蓋１６６によって囲まれる。つまり、ピストンロッド１１２ａの大径部１６２ａによって大径穴部１６４ａ（油圧室１６８） が上下に区画される。そして、大径部１６２ａを境にして、大径部１６２ａよりも図２中、下側に区画された大径穴部１６４ａによって第１油圧室１６８ａが形成され、大径部１６２ａよりも図２中、上側に区画された大径穴部１６４ａによって第２油圧室１６８ｂが形成されている。
第１油圧室１６８ａおよび第２油圧室１６８ｂには、それぞれ、不図示の油路が連通しており、油圧ポンプから吐出された作動油が導かれる。第１油圧室１６８ａおよび第２油圧室１６８ｂのそれぞれに作用する油圧によって、ピストンロッド１１２ａが連結穴１６０に進入する深さが異なる。以下、第１油圧室１６８ａおよび第２油圧室１６８ｂへ油圧が作用したときの状態について詳述する。
図３ＡおよびＢは、ピストンロッド１１２ａとクロスヘッドピン１１４ａの相対的な位置の変化を説明する図であり、図３Ａでは、ピストンロッド１１２ａが連結穴１６０に浅く進入した状態を示し、図３Ｂでは、ピストンロッド１１２ａが連結穴１６０に深く進入した状態を示す。
第１油圧室１６８ａは、ピストン１１２のストローク方向の長さが可変となっており、第１油圧室１６８ａに作動油を供給した状態で第１油圧室１６８ａを密閉すると、図３Ａの状態を維持可能となっている。
そして、図３Ａの状態から圧縮比を変更する場合には、ピストン１１２の往復移動によるピストンロッド１１２ａおよびクロスヘッドピン１１４ａからの圧縮荷重によって、作動油を第１油圧室１６８ａから不図示の油路を介して排出するとともに、第２油圧室１６８ｂに作動油を供給する。
これにより、図３Ｂに示すように、ピストン１１２のストローク方向に沿った第１油圧室１６８ａの長さが短くなる。一方、第２油圧室１６８ｂでは、ピストン１１２のストローク方向に沿った長さが長くなる。
第１油圧室１６８ａおよび第２油圧室１６８ｂのピストン１１２のストローク方向に沿った長さが変更された分、ピストンロッド１１２ａがクロスヘッドピン１１４ａの連結穴１６０（油圧室）に進入する進入位置（進入深さ）が変化する。
すなわち、クロスヘッドピン１１４ａに設けられた油圧室１６８では、ピストンロッド１１２ａの第１端側が挿入されるとともに、ピストンロッド１１２ａの第１端側に油圧を作用させて、ピストン１１２とクロスヘッドピン１１４ａとの相対的な位置を変化させる。このように、ピストンロッド１１２ａとクロスヘッドピン１１４ａの相対的な位置を変化させることで、ピストン１１２の上死点および下死点の位置が可変となる。
しかし、クロスヘッド１１４内に油圧室１６８を設ける場合、油圧室１６８内の油圧の影響を受けてクロスヘッド１１４が変形する可能性がある。このような変形を抑制するため、本実施形態では、変形抑止層１７０が設けられている。
図４は、変形抑止層１７０を説明するための図であり、クロスヘッドピン１１４ａの図３ＡにおけるＩＶ矢視図を示す。クロスヘッド１１４の窪み１１４ｃの底面１１４ｄには、連結穴１６０の周方向に複数の緩衝穴１７２が設けられている。複数の緩衝穴１７２は、ピストンロッド１１２ａの周方向に沿って間隔を維持して形成され、ピストン１１２のストローク方向に沿って、油圧室１６８の径方向外側まで延びている（図３ＡおよびＢ参照）。
変形抑止層１７０は、クロスヘッド１１４のうち、緩衝穴１７２が形成された部分を指しており、油圧室１６８に挿入されたピストンロッド１１２ａの第１端側の径方向外方に位置している。変形抑止層１７０が形成されていることから、油圧室１６８内の油圧によって油圧室１６８の内壁が変形しても、この変形が、変形抑止層１７０を構成する個々の緩衝穴１７２の、ピストンロッド１１２ａの径方向に沿った変形により吸収される。その結果、変形抑止層１７０の外側まで変形が進展し難い。そのため、クロスヘッドピン１１４ａの変形が抑止され、クロスヘッドピン１１４ａの軸受性能の低下を抑制することが可能となる。
図５Ａ～Ｃは、変形例における変形抑止層２７０および円筒部材２７２、３７２、４７２を説明する図である。図５Ａに示す第１変形例においては、油圧室１６８は、環状の円筒部材２７２によって囲まれて形成される。円筒部材２７２は、ピストンロッド１１２ａの大径部１６２ａが挿通されるとともに、クロスヘッドピン１１４ａに形成された大径穴部１６４ａに収容されており、固定蓋１６６によって封止される。
大径穴部１６４ａの内周面と円筒部材２７２の外周面とは径方向に離隔して空隙Ｓが形成されている。変形抑止層２７０は、この空隙Ｓであって、油圧室１６８の油圧によって円筒部材２７２が変形しても、変形抑止層２７０を構成する空隙Ｓによって変形が吸収され、変形抑止層２７０の外側まで変形が伝搬しない。その結果、変形抑止層２７０の外側の変形が抑止され、クロスヘッドピン１１４ａの軸受性能の低下を抑制することが可能となる。
図５ＢおよびＣでは、それぞれ、第２変形例の円筒部材３７２ （変形抑止部材）および第３変形例の円筒部材４７２ （変形抑止部材）を抽出して示す。第１変形例では、円筒部材２７２が油圧室１６８の油圧を受けて変形する。このとき、変形量が大きくなり過ぎると作動油の漏出などが生じる可能性があるため、第２変形例および第３変形例では、円筒部材３７２、４７２を強化している。円筒部材３７２および円筒部材４７２は、円筒部材２７２と同様、変形抑止層２７０（空隙Ｓ）と油圧室１６８との間に配置される。
図５Ｂに示すように、第２変形例の円筒部材３７２は、内筒３７２ａと外筒３７２ｂで構成されており、焼嵌め、または、冷嵌めによって互いに組み付けられ、内筒３７２ａおよび外筒３７２ｂそれぞれの内部には残留応力が生じている。
図５Ｃに示すように、第３変形例の円筒部材４７２は、内筒４７２ａと、内筒４７２ａの外周に強化繊維を巻き付けて形成した強化繊維層４７２ｂで構成される。これらの円筒部材３７２、４７２は、クロスヘッドピン１１４ａよりも強度が高い。
第２変形例および第３変形例によれば、油圧室１６８の油圧が高くなっても、円筒部材３７２、４７２の変形が変形抑止層２７０を構成する空隙Ｓの範囲内に抑えられて、クロスヘッドピン１１４ａの軸受性能の低下を抑制することが可能となる。
上述した実施形態では、変形抑止層１７０が、複数の緩衝穴１７２を含んで構成される場合について説明したが、複数の緩衝穴１７２の代わりに、例えば、複数の緩衝穴１７２をピストンロッド１１２ａの周方向に連結したような環状の溝（空隙）としてもよい。ただし、変形抑止層１７０を、複数の緩衝穴１７２を含む構成とすることで、簡易な加工で変形抑止層１７０を形成できる。
また、上述した実施形態の変形抑止層１７０を設けるとともに、第２変形例の円筒部材３７２や第３変形例の円筒部材４７２を、クロスヘッドピン１１４ａに形成された大径穴部１６４ａの内周面側に配置してもよい。この場合、円筒部材３７２、４７２の変形が抑制されることから、変形抑止層１７０による変形抑止層１７０の外側の変形が一層抑制される。
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について説明したが、本開示はかかる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
本開示は、ピストンロッドにクロスヘッドが固定されたクロスヘッド型エンジンに利用することができる。
Ｓ　空隙
１００　ユニフロー掃気式２サイクルエンジン（クロスヘッド型エンジン）
１１２　ピストン
１１２ａ　ピストンロッド
１１４　クロスヘッド
１１４ａ　クロスヘッドピン
１１６　連接棒
１１６ａ　クロスヘッド軸受
１１８　クランクシャフト
１６８　油圧室
１６８ａ　第１油圧室（油圧室）
１６８ｂ　第２油圧室（油圧室）
１７０　変形抑止層
３７２、４７２　円筒部材（変形抑止部材）

Claims (4)

  1. ピストンが固定されるピストンロッドの第１端、および、クランクシャフトに連結される連接棒の第２端が、クロスヘッドを介して接続されるクロスヘッド型エンジンであって、
    前記クロスヘッドが、
    前記連接棒の第２端に設けられたクロスヘッド軸受と、
    前記クロスヘッド軸受に軸支されたクロスヘッドピンと、
    前記クロスヘッドピンに設けられ、前記ピストンロッドの第１端側が挿入されるとともに、前記ピストンロッドの第１端側に油圧を作用させて、前記ピストンと前記クロスヘッドピンとの相対的な位置を変化させる油圧室と、
    前記クロスヘッドピンに設けられ、前記油圧室に挿入された前記ピストンロッドの第１端の径方向外方に位置し、前記油圧室内の油圧による前記クロスヘッドピンの変形を抑止する変形抑止層と、
    を備えるクロスヘッド型エンジン。
  2. 前記変形抑止層が、前記ピストンロッドの周方向に間隔を維持して形成された複数の緩衝穴を含んで構成される請求項１に記載のクロスヘッド型エンジン。
  3. 前記変形抑止層が、前記クロスヘッドピンに形成された空隙である請求項１に記載のクロスヘッド型エンジン。
  4. 前記クロスヘッドピンよりも強度の高い変形抑止部材が、前記変形抑止層と前記油圧室との間に配置される請求項１から３のいずれか１項に記載のクロスヘッド型エンジン。
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