JPWO2019103085A1 - 可変圧縮装置及びエンジンシステム - Google Patents
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Abstract
ピストンロッド(6)と、昇圧された作動流体が供給されることで圧縮比を高める方向にピストンロッド(6)を移動させる流体室(R3)とを有する可変圧縮装置であって、流体室(R3)の底面、または流体室(R3)の底面に接触するピストンロッド(6)の接触面に、溝流路(R6)が形成されている、可変圧縮装置。
Description
本開示は、可変圧縮装置及びエンジンシステムに関する。本願は、2017年11月24日に日本に出願された日本国特願2017−225617号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
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、重油等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ように、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。
上述のような圧縮比を変更する圧縮調整装置を有するエンジンシステムでは、クロスヘッドに設けられた油圧室(流体室)に作動油(作動流体)を供給し、作動流体により流体室に配置されたピストンロッドを持ち上げることで圧縮比を変更している。しかしながら、ピストンロッドが流体室の底面に配置されている場合は、流体室に作動流体を供給する際に、ピストンロッドと流体室の底面との間に流入する作動流体の量が少なく、ピストンロッドと作動流体との受圧面積が小さい。そのため、流体室の底面からピストンロッドを持ち上げることが難しい場合がある。したがって、常にピストンロッドを持ち上げるために必要な作動油の受圧面積を確保しておく必要がある。
本開示は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、可変圧縮装置において、流体室の底面にピストンロッドが当接した状態からでも、作動流体によりピストンロッドを移動できるようにすることを目的とする。
本開示は、上記課題を解決するための第1の態様として、ピストンロッドと、昇圧された作動流体が供給され、圧縮比を高める方向にピストンロッドを移動される流体室とを有する可変圧縮装置であって、流体室の底面、または前記流体室の底面に接触するピストンロッドの接触面に、溝流路が形成されている、可変圧縮装置を採用する。
本開示は、第2の態様として、上記第1の態様において、流体室の底面には、作動流体の供給開口が形成され、溝流路は、供給開口と重なるように形成されている、可変圧縮装置を採用する。
本開示は、第3の態様として、上記第2の態様において、底面、または接触面には、溝流路よりも上記ピストンロッドの径方向外側に、窪部が形成されている、可変圧縮装置を採用する。
第4の態様として、上記第1〜3のいずれかの態様において、溝流路は、環状である、可変圧縮装置を採用する。
第5の態様として、上記第1〜4のいずれかの手段に記載された可変圧縮装置を備える、エンジンシステムを採用する。
本開示によれば、流体室に流入した作動流体が溝流路に流れ込むことで、作動流体がピストンロッドに接触する面積を増加させることができる。これにより、ピストンロッドを作動流体により持ち上げることが容易となる。したがって、流体室の底面にピストンロッドが当接した状態からでも、圧縮比を大きくする方向にピストンロッドを移動させることができる。
以下、図面を参照して、本開示における2ストロークエンジンの一実施形態について説明する。
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の船舶に搭載され、図1に示すように、エンジン1と、過給機200と、制御部300とを有している。なお、本実施形態においては、エンジン1を主機として、過給機200を補機として捉え、エンジン1(主機)と過給機200(補機)とを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であり、天然ガス等の気体燃料を重油等の液体燃料と共に燃焼させるガス運転モードと、重油等の液体燃料を燃焼させるディーゼル運転モードとを実行可能である。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。なお、図1のうち、排気弁ユニット5が設けられている側を上側、後述するクランク軸11が設けられている側を下側とする場合がある。ピストンロッド6の中心軸方向から見る図を平面視と称する場合がある。
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の内部において、クロスヘッド7の後述するクロスヘッドピン7aが、往復動可能に設けられている。
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が摺動する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、周方向に沿って配列された複数の掃気ポートSが形成されている。各掃気ポートSは、シリンダライナ3aの内周面及び外周面に開口する開口を備え、シリンダジャケット3cの内部の掃気室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、蓋部材であり、シリンダライナ3aの上端部に設けられている。シリンダヘッド3bは、平面視において中央部に形成された排気ポートHを備え、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内の圧力を検出して制御部300に送信している。シリンダジャケット3cは、円筒状の部材であり、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、内部に形成された掃気室R2を備える。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、略円柱状の部材であり、後述するピストンロッド6と接続され、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の外周面に設けられている不図示のピストンリングにより、ピストン4とシリンダライナ3aとの間隙が封止されている。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、円筒形の筐体であり、排気弁5aのシリンダ部3から遠い端部が収容されている。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、長尺状の部材であり、一端部がピストン4と接続され、他端部がクロスヘッドピン7aと連結されている。ピストンロッド6の他端部は、クロスヘッドピン7aに挿入され、連接棒9は、回転可能にクロスヘッドピン7aに連結されている。また、ピストンロッド6は、他端部の一部分の径がピストンロッド6のその他の部分の径よりも太いフランジを有している。
クロスヘッド7は、クロスヘッドピン7aと、ガイドシュー7bと、蓋部材7cとを有している。クロスヘッドピン7aは、円柱状の部材であり、ピストンロッド6と連接棒9とを移動可能に連結する。クロスヘッドピン7aは、ピストンロッド6の他端部が挿入される挿入空間を備える。この挿入空間において、ピストンロッド6のフランジとの間に、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。ピストンロッド6のフランジの下面と、油圧室R3の底面となる挿入空間の底面とは、互いに平行である。また、クロスヘッドピン7aには、図3に示すように、油圧室R3の底面において、環状の溝流路R6と、溝流路R6の径方向外側に形成される環状の窪部R7とが設けられている。溝流路R6は、後述する供給流路R4の開口及びリリーフ流路R5の開口と平面視して重なるように形成されている。窪部R7は、油圧室R3の底面にその外縁に沿って環状に形成されている。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排出口Oが形成されている。排出口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(潤滑流体)が流通して排出される開口である。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を回動可能に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、回転運動を規制されており、ピストン4のストローク方向に沿う直線方向以外の方向に沿う移動も規制されている。蓋部材7cは、環状部材であり、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のシリンダ部3から遠い端部が挿入されている。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に伝達している。
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、及び制御部300は、本開示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から受けた指示に基づいて、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に供給するポンプである。供給ポンプ8aは、船舶のバッテリ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、固定されて移動しない供給ポンプ8aとの間において、揺動可能に設けられている。
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に供給する。また、シリンダ8c2の供給流路R4に近い端部に設けられた作動油を吐出する開口に、第1逆止弁8dが設けられている。また、シリンダ8c2の側周面に設けられた作動油を吸入する開口に、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から受け取る指示に基づいてプランジャ8c1を往復運動させる。
第1逆止弁8dは、弁体がシリンダ8c2の内側に向けて付勢されていることにより閉弁している構造とされ、油圧室R3に供給された作動油がシリンダ8c2に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の弁体を付勢する付勢部材の付勢力(開弁圧力)より大きくなると、弁体がシリンダ8c2内の作動油に押されることにより開弁する。第2逆止弁8eは、弁体がシリンダ8c2の外側に向けて付勢されていることにより閉弁している構造とされ、シリンダ8c2に供給された作動油が供給ポンプ8aに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の弁体を付勢する付勢部材の付勢力(開弁圧力)より大きくなると、弁体が供給ポンプ8aから供給される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、第2逆止弁8eの開弁圧力よりも高い開弁圧力を備える。そのため、予め設定された圧縮比でエンジンシステムが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されることはない。
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体である。リリーフ弁駆動部8f2は、本体部8f1に接続され、制御部300から受け取る指示に基づいて本体部8f1を開閉させる。リリーフ弁8fがリリーフ弁駆動部8f2により開くことで、油圧室R3内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、長尺状の部材であり、一端部がクロスヘッドピン7aと連結され、他端部がクランク軸11と連結されている。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、クランク角を算出するためのクランクパルス信号を制御部300に送信している。
クランク軸11は、長尺状の部材であり、各気筒に設けられる連接棒9に接続され、連接棒9により伝えられる回転運動により回転する。これにより、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、管状部材であり、各気筒の排気ポートHと接続されていると共に過給機200と接続されている。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に供給される。空気冷却器14は、掃気溜12の内部にある空気を冷却する。
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、不図示の吸気ポートから吸入した空気を加圧して掃気ポートSを介して燃焼室R1に供給する。
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が、プランジャポンプ8c、供給ポンプ8a、及びリリーフ弁8fを制御することにより、油圧室R3内における作動油の量を調整する。これにより、ピストンロッド6の位置を変更し、圧縮比を変更する。
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させ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。詳述すると、燃焼室R1に供給された燃料は、掃気ポートSより流入した加圧空気と混合された後、ピストン4がストローク方向のうち上死点に向かう方向に移動することにより、圧縮され、温度上昇し、自然着火する。また、燃料が液体燃料である場合には、燃焼室R1において、液体燃料は、温度上昇し、気化し、自然着火する。
そして、燃焼室R1内の燃料が自然着火して急激に膨張することにより、ピストン4には、ストローク方向のうち下死点に向かう方向に圧力がかかる。これにより、ピストン4がピストンロッド6を伴い下死点に向かう方向に移動し、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から燃焼室R1に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が開く。これにより、燃焼室R1内の排気ガスが、加圧空気により排気ポートHを介して排気溜13に押し出される。
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、供給ポンプ8aによりプランジャポンプ8cに作動油が供給される。そして、制御部300によりプランジャポンプ8cが駆動され、プランジャポンプ8cにより作動油を、ピストンロッド6を持ち上げることが可能な圧力を備えるまで加圧し、油圧室R3に作動油が供給される。このとき、供給流路R4に流入した作動油は、供給流路R4のうち油圧室R3に近い開口(供給開口)に平面視して重なるように設けられた溝流路R6に流れ込む。そして、油圧室R3の底面に形成されている溝流路R6に流れ込んだ作動油の圧力により、油圧室R3の底面からピストンロッド6のフランジが持ち上がり、持ち上げられたフランジと油圧室R3の底面との隙間にさらに作動油が流入する。これにより、ピストンロッド6が上方に移動され、ピストン4の上死点が上方(すなわち、排気ポートHの近く)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、リリーフ弁8fが開くことにより油圧室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に押し出される。これにより、油圧室R3内の作動油が減少し、ピストンロッド6が下方(すなわち、クランク軸11の近く)に移動し、ピストン4の上死点が下方に移動される。
本実施形態によれば、供給流路R4に流入した作動油を溝流路R6に流入させることにより、作動油がピストンロッド6のフランジに接触する面積を増加させることができる。これにより、ピストンロッド6を作動油により持ち上げることが容易となり、圧縮比を大きくする方向にピストンロッド6を移動させることが容易となる。また、油圧室R3から作動油を排出する際には、溝流路R6により、リリーフ流路R5の油圧室R3に近い開口(排出開口)に作動油を案内することができ、より素早く油圧室R3から作動油を排出することができる。
また、溝流路R6が供給流路R4の油圧室R3に近い開口(供給開口)に平面視して重なるように設けられていることにより、供給流路R4から油圧室R3に流入した作動油を溝流路R6に案内することが容易である。したがって、ピストンロッド6を作動油により持ち上げることがより容易となり、圧縮比を大きくする際の応答性を向上させることができる。
また、本実施形態によれば、溝流路R6の外側に窪部R7が形成されていることにより、窪部R7に空気または作動油が予め貯留されている。これにより、低圧縮比の時(圧縮比が小さい時)に、ピストンロッド6のフランジと油圧室R3の底面とが密着することを防止している。したがって、より高圧縮比になる方向(圧縮比が大きくなる方向)にピストンロッド6を移動させる時に、ピストンロッド6のフランジを、油圧室R3の底面に貼り付かせることなく、スムーズに油圧室R3の底面から離間させることができる。
また、本実施形態によれば、溝流路R6を環状に形成していることにより、供給流路R4から油圧室R3に供給された作動油が周方向に広がる。これにより、供給流路R4から油圧室R3に供給された作動油を素早く広い面積に案内することができる。
以上、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、本開示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、溝流路R6が環状に形成されているが、本開示はこれに限定されない。溝流路R6は、例えば、格子状に形成されていてもよい。この場合、溝流路R6の表面積をより大きくすることができるため、作動油をより効率的に素早く広い面積に案内することができる。
また、溝流路R6は、例えば、螺旋状に形成されていてもよい。この場合にも、溝流路R6の表面積をより大きくすることができるため、作動油をより効率的に素早く広い面積に案内することができる。
また、上記実施形態においては、窪部R7が環状に形成されているが、本開示はこれに限定されない。窪部R7は、例えば、油圧室R3の底面にその外縁に沿って等間隔に形成される複数の窪みでもよい。この場合にも、上記実施形態と同様に、ピストンロッド6のフランジの貼り付きを防止することができる。なお、窪部R7は、油圧室R3の底面に形成されていなくてもよく、例えば、ピストンロッド6のフランジ面に形成されていてもよい。また、窪部R7は、溝流路R6の内側に形成されていてもよい。
また、上記実施形態においては、油圧室R3に溝流路R6が形成されているが、本開示はこれに限定されない。溝流路は、ピストンロッド6のフランジの下面(油圧室R3の底面と接触する接触面)に形成されていてもよい。この場合も、溝流路は、供給流路R4の開口及びリリーフ流路R5の開口と平面視して重なるように形成されている。ただし、この場合、ピストンロッド6に加工を行うことで溝流路を形成できるため、加工が容易である。
本開示によれば、流体室に流入した作動流体が溝流路に流れ込むことで、作動流体がピストンロッドに接触する面積を増加させることができる。これにより、ピストンロッドを作動流体により持ち上げることが容易となる。したがって、流体室の底面にピストンロッドが当接した状態でも、圧縮比を大きくする方向にピストンロッドを移動させることができる。
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
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
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
O 排出口
R1 燃焼室
R2 掃気室
R3 油圧室
R4 供給流路
R5 リリーフ流路
R6 溝流路
R7 窪部
S 掃気ポート
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
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
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
O 排出口
R1 燃焼室
R2 掃気室
R3 油圧室
R4 供給流路
R5 リリーフ流路
R6 溝流路
R7 窪部
S 掃気ポート
Claims (6)
- ピストンロッドと、昇圧された作動流体が供給されることで圧縮比を高める方向に前記ピストンロッドを移動させる流体室とを有する可変圧縮装置であって、
前記流体室の底面、または前記流体室の底面に接触する前記ピストンロッドの接触面に、溝流路が形成されている、可変圧縮装置。 - 前記底面には、前記作動流体の供給開口が形成され、
前記溝流路は、前記供給開口と重なるように形成されている、請求項1記載の可変圧縮装置。 - 前記底面、または前記接触面には、前記溝流路よりも前記ピストンロッドの径方向外側に、窪部が形成されている、請求項2記載の可変圧縮装置。
- 前記底面、または前記接触面には、前記溝流路よりも前記ピストンロッドの径方向内側に、窪部が形成されている、請求項2記載の可変圧縮装置。
- 前記溝流路は、環状である請求項1〜4のいずれか一項に記載の可変圧縮装置。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の可変圧縮装置を有するエンジンシステム。
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DK3715600T3 (da) | 2023-04-24 |
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