JP2019019801A - 可変圧縮装置及びエンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンの回転方向の移動を規制して、ピストンのシリンダライナに対する摺動特性が変化することを防止すること。【解決手段】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６が圧縮比を高める方向に移動される流体室（油圧室Ｒ３）を有する可変圧縮装置であって、ピストンロッドの外周面に形成される突起部と、蓋部材７ｃのピストンロッドが挿入される貫通孔の内周面に形成される凹部とが噛合うことにより、ピストンロッドの回転方向への移動を規制する規制部材として機能する。【選択図】図２

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、圧縮比を変更可能とす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

上記のようなエンジンの調整機構においては、圧縮比が一定のピストン燃焼エンジンと異なり、ピストンロッドがクロスヘッドに対して移動可能とされているため、ピストンロッドがクロスヘッドピンに固定されていない。このため、ピストンロッドがクロスヘッドピンに対して回転する可能性がある。ピストンロッドが回転することでピストンが回転し、ピストンのシリンダライナに対する摺動特性が変化する可能性がある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ピストンの回転方向の移動を規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可変圧縮装置に係る第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を有する可変圧縮装置であって、上記ピストンロッドの回転方向への移動を規制する規制部材を備える、という構成を採用する。

可変圧縮装置に係る第２の手段として、上記第１の手段において、上記規制部材は、上記ピストンロッドの下方から上記ピストンロッドの開口に挿入される規制ピンを有する、という構成を採用する。

可変圧縮装置に係る第３の手段として、上記第１の手段において、上記規制部材は、上記ピストンロッドの開口に挿入される規制ピンを有する、という構成を採用する。

エンジンシステムに係る第１の手段として、上記第１〜３のいずれかの手段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、規制部材により、ピストンロッドの回転方向への移動が規制され、これに伴ってピストンロッドに接続されたピストンの回転方向への移動が規制される。これにより、ピストンのシリンダライナに対する摺動特性が変化することを防止できる。

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部分断面図である。 本発明の一実施形態における可変圧縮装置の一部の拡大断面図である。 本発明の一実施形態における可変圧縮装置の変形例を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態における可変圧縮装置の変形例を示す部分断面図である。

以下、図面を参照して、本発明におけるエンジンシステム１００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。

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とを備えている。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、図１及び図２に示すように、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とを備えている。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、円筒状のシリンダカバー３ａと、シリンダライナ３ｂと、シリンダヘッド３ｃとシリンダジャケット３ｄとを備えている。シリンダライナ３ｂは、シリンダカバー３ａに収容される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３ｂ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３ｂ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３ｂ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３ｄ内部の掃気室Ｒ２とシリンダライナ３ｂの内側とを連通している。シリンダヘッド３ｃは、シリンダカバー３ａの上端部に設けられた蓋部材である。シリンダヘッド３ｃ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３ｃには、不図示の燃料噴射弁が設けられている。シリンダジャケット３ｄは、架構２とシリンダカバー３ａとの間に設けられ、シリンダライナ３ｂの下端部が挿入された円筒状の部材であり、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３ｄ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３ｂ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３ｂ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３ｂ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とを備えている。排気弁５ａは、シリンダヘッド３ｃ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、図３（ａ）に示すように、ピストンロッド６は、後述する蓋部材７ｃの内側に配置される部位において、外周面に複数の突起が断続的に形成されることにより、外周面に凹凸が形成されている。ピストンロッド６の上記凹凸は、セレーションとして機能する。

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とを備えている。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り、ピストンロッド６の端部が挿入される挿入空間に、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。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。さらに、クロスヘッド７には、クロスヘッドピン７ａと、蓋部材７ｃとを連通し、ピストンロッド６の周面及びクロスヘッドピン７ａの周面に開口する補助流路Ｒ６が形成されている。

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、回転運動と、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。また、蓋部材７ｃは、ピストンロッド６が挿入される貫通孔の内周面に、ピストンロッド６の外周の突起と対応する凹部が形成されている。ピストンロッド６の突起部と蓋部材７ｃの凹部とが噛み合うことにより、蓋部材７ｃは、ピストンロッド６の回転を規制する規制部材として機能する。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とを備えている。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、本発明における可変圧縮装置として機能する。さらに、供給ポンプ８ａ、揺動管８ｂ、プランジャポンプ８ｃ、第１逆止弁８ｄ及び第２逆止弁８ｅは、本発明における昇圧流体供給部に相当する。

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とを備えている。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とを備えている。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３ｄ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、不図示の吸気ポートから吸入した空気を加圧して燃焼室Ｒ１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、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。

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３ｂ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、自然着火する。また、液体燃料の場合には、燃焼室Ｒ１において温度上昇することにより気化し、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。

このような本実施形態における可変圧縮装置によれば、ピストンロッド６の突起と蓋部材７ｃの凹部とが係合することにより、ピストンロッド６の回転方向への移動が規制され、これに伴ってピストン４の回転方向への移動が規制される。これにより、ピストン４の摺動特性が変化することを防止できる。

また、本実施形態における可変圧縮装置によれば、ピストンロッド６及び蓋部材７ｃに加工を施すことにより、回転方向への移動を規制している。このため、規制部材が油圧室Ｒ３に与える影響を最小限とすることができ、エンジン１の性能への影響が少ない。

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。

ピストンロッド６及び蓋部材７ｃのセレーションの形状は、上記実施形態の図３（ａ）の形状に限定されるものではない。セレーションは、ピストンロッド６に設けられたシールリングが干渉しない位置であれば、ピストンロッド６の下端部（油圧室Ｒ３よりも下側の位置）と、クロスヘッドピン７ａの内周面とに設けられても良い。また、例えば、図３（ｂ）に示すように、ピストンロッド６の周面の突起は、細かいピッチで多数設けられてもよい。また、図３（ｃ）に示すように、ピストンロッド６の突起は、先端が尖った形状とされてもよい。
さらに、ピストンロッド６の表面の潤滑油の廃油を掻き取るスタッフィングボックスと、ピストンロッド６のスタッフィングボックスと当接する位置とにセレーション加工が施されるものとしてもよい。

また、ピストンロッド６及び蓋部材７ｃにセレーションが形成されず、図４に示すように、ピストンロッド６の太径部の上面部に開口が形成されると共に、エンジン１は、移動規制部１５を備えるものとしてもよい。移動規制部１５は、ピストンロッド６の太径部の上方において周方向に等間隔で複数設けられる規制ピン１５ａを有し、規制ピン１５ａがピストンロッド６の開口に挿入されることで、ピストンロッド６の回転方向への移動を規制することができる。なお、規制ピン１５ａは、溶接または締り嵌め等により、蓋部材７ｃに固定されている。また、規制ピン１５ａは、ピストンロッド６の太径部の外側に設けられるものとしてもよい。
また、移動規制部１５が駆動部１５ｂを有しても良い。駆動部１５ｂは、ピストンロッド６の高圧縮比方向及び低圧縮比方向への移動に伴って、制御部３００からの指示に基づいて、規制ピン１５ａを昇降させ、規制ピン１５ａをピストンロッド６の開口に挿入可能とする。

さらに、図５に示すように、移動規制部１５は、ピストンロッド６の太径部の下方に設けられる規制ピン１５ｃを有してもよい。この場合には、ピストンロッド６の太径部の上面部に開口が形成され、上記開口に規制ピン１５ｃが挿入されることで、ピストンロッド６の回転方向への移動を規制することができる。なお、この場合にも同様に、駆動部１５ｂを設けることも可能である。

１ エンジン
２ 架構
３ シリンダ部
３ａ シリンダカバー
３ｂ シリンダライナ
３ｃ シリンダヘッド
３ｄ 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
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
１５ 移動規制部
１５ａ 規制ピン
１５ｂ 駆動部
１５ｃ 規制ピン
１００ エンジンシステム
２００ 過給機
３００ 制御部
Ｈ 排気ポート
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
Ｒ６ 補助流路
Ｓ 掃気ポート

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を有する可変圧縮装置であって、
   前記ピストンロッドの回転方向への移動を規制する規制部材を備えることを特徴とする可変圧縮装置。
2. 前記規制部材は、前記ピストンロッドの下方から前記ピストンロッドの開口に挿入される規制ピンを有することを特徴とする請求項１記載の可変圧縮装置。
3. 前記規制部材は、前記ピストンロッドの開口に挿入される規制ピンを有す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、クロスヘッドピン上端側の外周面に凹凸形状を有することを特徴とする請求項１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備えることを特徴とするエンジンシステム。

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