JP5926372B2 - マルチシリンダピストンエンジン - Google Patents

Description

本発明は請求項１の前段によるマルチシリンダピストンエンジンに関する。エンジンは、始動装置及びエンジンの各シリンダに対して少なくとも１つのカム操作バルブリフト装置を有し、バルブリフト装置はガス交換バルブを開くように構成される。

船の又は発電所で電気及び／又は熱を作り出すための主又は補助エンジンとして使用される大型内燃機関は通常、クランクシャフトを回転させるためにエンジンのシリンダに連続的に噴射される圧縮空気を使用することによって始動される。始動空気を貯蔵するために必要なエネルギ及びスペースを節約するために始動空気の消費を最小化することが望まれ、したがって空気噴射の正確な制御が必要とされる。

特許文献１は、マルチシリンダピストンエンジンのための始動システムを開示する。パイプシステムが、圧力媒体源をエンジンの各シリンダに接続する。各シリンダは、圧力媒体をシリンダに導入するための始動空気バルブを備える。各始動バルブは、制御バルブによって制御される。始動システムは、エンジンの回転部品と機械的に接続している制御部品を有するタイミング装置を備える。この種の始動装置は、始動空気噴射の正確なタイミングを保証するが、欠点は制御空気が別々の制御空気パイプで各制御バルブに届けられなければならないことである。また、異なるタイミング装置が異なる数のシリンダを持つエンジンに対して設計される必要がある。

ＷＯ２００７／００３６９３ Ａ１

本発明の目的は、改良された始動装置を持つマルチシリンダピストンエンジンを提供することである。本発明によるエンジンは、請求項１の特徴部分によって特徴付けられる。

本発明によれば、マルチシリンダピストンエンジンは、エンジンの各シリンダに対して少なくとも１つのカム操作バルブリフト装置を有し、バルブリフト装置はガス交換バルブを開くように構成される。始動装置は、圧力媒体源、エンジンのシリンダに圧力媒体を導入するための少なくとも１つの始動バルブ、圧力媒体源を始動バルブに接続するための手段、及び始動バルブを備えるエンジンの各シリンダに対する始動バルブの動作を制御するための制御バルブ、を有する。各制御バルブは、それぞれのシリンダのガス交換カムによって操作されるように構成される。

本発明は幾つかの利点を有する。始動バルブはガス交換カムによって制御されるので、別々の始動カムが必要とされない。同一のカムがエンジンのシリンダの数にかかわらず使用されることができ、異なる数のシリンダを持つエンジンに対して異なる始動カムを設計する必要もない。始動空気は、各シリンダに対する別々のダクトの代わりに１つの始動空気ダクトでシリンダに分配され得る。これは、スペースと材料の両方を節約する。本発明はまた、始動空気噴射の信頼できる且つ正確な制御を可能にする。

本発明の実施形態によれば、制御バルブを操作する各ガス交換カムは、制御バルブを操作するためのカムの基礎円より下に配置された部分を有する。制御バルブがガス交換カムの基礎円の下にあるガス交換カムの部分によって操作されるとき、単純且つ信頼できる制御機構が実現され得る。同一のカムが異なる数のシリンダを持つエンジンに対して使用されることができ、始動空気タイミングのための別々の調整は必要とされない。

本発明の実施形態によれば、各制御バルブは、圧力媒体源及びそれぞれの始動バルブと制御空気ダクトを介して流れ連通する。

本発明の実施形態によれば、制御バルブは、バルブリフト装置がガス交換カムの基礎円より下にあるガス交換カムの部分と係合するとき、始動バルブを開くために圧力媒体が始動バルブに流れることを可能にするように構成される。

本発明の実施形態によれば、各制御バルブは、バルブリフト装置によって移動可能なバルブ部材を有する。

本発明の実施形態によれば、バルブリフト装置は、バルブリフト装置がガス交換カムの基礎円より下にあるガス交換カムの部分と係合するとき、バルブ部材をガス交換カムに向かって押すプランジャを有する。

本発明の実施形態によれば、バルブ部材は、圧力媒体の圧力によってバルブリフト装置に向かって押される。

本発明の実施形態によれば、ガス交換カムは吸気カムである。始動空気噴射は、上死点近くで開始され、排気バルブが開くクランク角の近くで終了する。吸気カムが始動バルブを制御するために使用されるとき、基礎円より下にあるカムの部分はカムの突出部から遠くにある。基礎円より下の部分の形状はしたがって、突出部の形状によって決まらない。基礎円より下の部分がカムの突出部の近くにある場合、基礎円より下の部分形状に幾つかの制限があり得る。

本発明の実施形態によれば、各吸気カムは、可変の吸気バルブ閉鎖の操作を制御するために、カムの基礎円より下に配置された第２の部分を有し、カムの基礎円より下に配置された部分もこの第２の部分より下に配置される。

本発明の実施形態によれば、ガス交換カムは排気カムである。制御バルブが排気カムによって操作されるとき、本発明は、カム操作排気バルブを持つ２ストロークエンジンでも使用され得る。

本発明の実施形態によれば、２ストロークエンジンでは、エンジンの少なくとも３つのシリンダが始動バルブを備え、４ストロークエンジンでは、エンジンの少なくとも５つのシリンダが始動バルブを備える。

本発明の実施形態によれば、エンジンの全てのシリンダが始動バルブを備える。同一のカムプロファイル及びバルブリフト装置がエンジンの全てのシリンダに対して使用できるので、全てのシリンダに始動バルブを与えることが実際的である。

本発明の実施形態によれば、各制御バルブは、圧力媒体を制御バルブに導入するための吸入通路、始動バルブを開くために圧力媒体を始動バルブに導入するための排出通路、及び制御バルブがガス交換カムによって作動されないとき、圧力媒体を制御バルブの外に放出するためのドレン通路、を有する。

本発明の実施形態によれば、始動装置は、エンジンの始動を開始するための主始動バルブを有する。

図１は、内燃機関の始動システムを概略的に示す。 図２は、ガス交換バルブ及び始動バルブを持つシリンダヘッドの一部の単純化された断面図を示す。 図３は、本発明の実施形態による運転の異なるステージでのエンジンの吸気カム及び始動バルブの制御装置を示す。 図４は、本発明の実施形態による運転の異なるステージでのエンジンの吸気カム及び始動バルブの制御装置を示す。 図５は、本発明の実施形態による運転の異なるステージでのエンジンの吸気カム及び始動バルブの制御装置を示す。 図６は、本発明の実施形態による運転の異なるステージでのエンジンの吸気カム及び始動バルブの制御装置を示す。 図７は、本発明の他の実施形態によるエンジンの吸気カム及び始動バルブの制御装置を示す。 図８は、本発明の他の実施形態による内燃機関の始動システムを概略的に示す。 図９は、エンジンの排気カム及び空気噴射バルブの制御装置を示す。 図１０は、異なるクランク角におけるカムフォロワの垂直位置を示す。 図１１は、ＶＩＣを持つエンジンの異なるクランク角におけるカムフォロワの垂直位置を示す。

本発明の実施形態が今、添付の図面を参照してより詳細に説明される。

図１はピストンエンジン２０の始動装置を概略的に示す。図１の例では、エンジン２０は６つのシリンダ１９を有するが、エンジン２０は例えば直列又はＶ型に配置された任意の妥当な数のシリンダ１９を有し得る。エンジン２０は、発電所で電力及び／又は熱を作り出すために又は船舶の主又は補助エンジンとして使用されるような、大型内燃機関である。図１に示される実施形態では、全てのシリンダ１９は、エンジン２０を始動するために、圧縮空気等、圧力媒体をシリンダ１９に導入するための手段を備える。しかし、多くのシリンダを持つエンジンでは、エンジンの全てのシリンダが始動のために使用される必要はない。４ストロークエンジンの場合、シリンダの少なくとも５つへの始動空気噴射が、初期クランクシャフト位置に関係なくエンジンを始動することを可能にするために必要とされる。２ストロークエンジンでは、３つのシリンダで十分である。エンジンがクランクシャフトをより良い始動位置に回転させるための手段を備える場合、より少ない数の始動空気噴射を備えるシリンダでも十分である。しかし、本発明による始動装置は、エンジン２０の各シリンダ１９に始動空気を噴射するための同一の手段の使用を可能にするので、始動のためにエンジン２０の全てのシリンダ１９を使用することが実際的である。

圧縮空気は、始動空気タンク１８に貯蔵される。この始動空気タンク１８から、圧縮空気は始動空気ダクト２６でエンジン２０のシリンダ１９に導入され得る。空気の代わりに、他の加圧ガスもまた使用され得る。始動空気タンク１８は、コンプレッサ（図示せず）によって充填され得る。始動のために使用されるエンジン２０の各シリンダ１９は、始動バルブ１０を備える。図２には、シリンダヘッド２３に関連して始動バルブ１０が示される。シリンダヘッド２３はまた、燃焼空気をそれぞれのシリンダ１９に導入するための吸気ダクト３２、及び排気ガスをシリンダ１９から外に案内するための排気ダクト３３を備える。１つ又は複数の吸気バルブ２４及び１つ又は複数の排気バルブ２５が、シリンダ１９と吸気及び排気ダクト３２、３３との間の接続を開閉するために、シリンダヘッド２３に配置される。各始動バルブ１０の動作は、それぞれの制御バルブ１２によって制御される。エンジン２０の各シリンダ１９はまた、１つより多い始動バルブ１０を備えることもできる。各シリンダ１９が例えば２つの始動バルブ１０を備える場合、両方のバルブ１０は同じ制御バルブ１２によって制御されることができる。制御バルブ１２は、始動空気ダクト２６に接続される。始動空気ダクト２６は、エンジン２０が始動されるとき制御するための主始動バルブ１７を備える。始動バルブ１０及び制御バルブ１２の例は図３−６の単純化された図に示される。

本発明の実施形態によれば、始動装置は、バルブリフト装置４及びガス交換カム１を有する。ガス交換カム１は、カムプロファイル２をより良く示すために垂直軸周りに９０度回転されて図に示される。ガス交換カム１のカムプロファイル２は、基礎円２ａ、突出部２ｂ及び基礎円２ａより下に配置された部分２ｃを有する。「基礎円より下」の表現は、カムプロファイル２のその部分の半径が基礎円２ａの半径より小さいことを意味する。基礎円２ａより下の部分２ｃの半径は、全部分２ｃにわたって一定である必要はない。図３−６に示された実施形態では、ガス交換カム１は吸気カムであり、バルブリフト装置４はエンジン２０の吸気バルブ２４を開くように構成される。同一のカムリフト装置４がエンジン２０の排気バルブ２５を開くために使用され得る。

カムリフト装置４は、ボディ部５及びボディ部５の内部に配置される往復プランジャ６を有する。プランジャ６は、プッシュロッド８を持上げるように配置される。カムフォロワ３がベアリングを使ってプランジャ６に取り付けられる。ボディ部５とプランジャ６との間のコイルスプリング７がカムフォロワ３をカムプロファイル２に押し付ける。リフト装置は従来の方法で動く。カムフォロワ３が基礎円２ｃより下にあるカムプロファイル２の部分２ｃにあるとき、プランジャ６は最下位置にある。ボディ部５はストッパ面９を備え、カムフォロワ３が基礎円２ａを離れて基礎円２ａより下の部分２ｃに入る、又はその逆のとき、プッシュロッド８及び吸気バルブ２４の位置が変化しないように、このストッパ面９に対して、プッシュロッド８は支えられ得る。吸気カム１が回転すると、カムフォロワ３は後にカムプロファイル２の突出部２ｂと係合するようになる。プランジャ６及びプッシュロッド８は上方に動かされ、吸気バルブ２４が開かれる。図４には、吸気バルブ２４が完全に開かれた状態が示される。

エンジン２０の各シリンダ１９は、バルブ部材２２を有する始動バルブ１０を備える。始動バルブ１０はスプリング１１によって閉じたままにされる。始動バルブ１０の動作を制御するために、各バルブリフト装置４は制御バルブ１２を備える。カムフォロワ３が基礎円２ａより下にあるカムプロファイル２の部分２ｃと係合するとき、プランジャ６は、図５に示されるように、制御バルブ１２内のバルブ部材１３を下方に押す。

エンジン２０を始動するために、主始動バルブ１７が開かれる。これは、始動空気が始動空気ダクト２６に入って制御バルブ１２に流れることを可能にする。圧縮空気は、吸入通路１４を経由して制御バルブ１２に入る。カムフォロワ３が吸気カム１の基礎円２ａ又は突出部２ｂにあるバルブリフト装置４と接続するこれらの制御バルブ１２では、圧縮空気は制御バルブ１２内のバルブ部材１３を上方に図４に示された位置に押す。バルブ部材１３はしたがって、圧縮空気がドレン通路１６を通って制御バルブ１２の外に流れることを可能にする。空気はドレン通路１６から例えば機関室に放出される。対照的に、カムフォロワ３が吸気カム１の基礎円２ａより下の部分２ｃにあるバルブリフト装置４と接続するこれらの制御バルブ１２では、プランジャ６は、図５に示されたように、バルブ部材１３を下方に押す。これは、吸入通路１４とドレン通路１６との間の接続を閉じ、始動空気は始動バルブ１０に流れる。空気は、制御空気入口２７を通って始動バルブ１０のバルブ部材２２より上の空間に導入され、空気圧はバルブ部材２２を下方に押し、始動バルブ１０を開く。始動空気はしたがって、始動空気タンク１８から始動空気ダクト２６に入り始動バルブ１０へ、そして始動空気入口２８を通ってエンジン２０のシリンダ１９に流れ、ピストンを下方に押しエンジン２０のクランクシャフトを回転させる。

カムシャフトがさらに回転するとき、カムフォロワ３は、吸気カム１のカムプロファイル２の基礎円２ａより下の部分２ｃを離れ、再び基礎円２ａに入る。吸入通路１４の圧力及びスプリング１１によって上方に押されているときに始動バルブ１０のバルブ部材２２によって作られた圧力は、したがって、バルブ部材１３を制御バルブ１２内で上方に押す。その結果として、吸入通路１４と制御バルブ１２のドレン通路１６との間の接続が、図６に見られるように、再び開き、それぞれのシリンダ１９への始動空気噴射が終了する。始動空気は、エンジン２０が始動するまで、エンジン２０のシリンダ１９に連続的（順）に噴射される。エンジン２０が始動するとき、主始動バルブ１７は閉じられ得る。

基礎円２ａより下の部分２ｃが異なる位置にある、異なるカムプロファイル２を用いて、排気バルブ２５を開くために使用されるこれらのカムリフト装置４はまた始動バルブを制御するために使用され得る。しかし、基礎円２ａより下の部分２ｃはカムプロファイル２の突出部２ｂから離れて配置され得るので、この目的のために吸気カムを使用することが有利である。これは、カムリフト装置４及び制御バルブ１２の滑らかな動作を確実にする。

図７には、本発明の僅かに異なる実施形態が示される。この実施形態では、プッシュロッド８は、プッシュロッド８とプランジャ６との間に配置されたピストン３０によって動かされる。プッシュロッド８とプランジャ６との間の隙間を取り除くための第２のスプリング２９がピストン３０とプランジャ６との間に配置される。カムフォロワ３がカムプロファイル２の基礎円２ａより下にあるカムプロファイル２の部分２ｃと係合するとき、ギャップ３１がプランジャ６とピストン３０との間に形成される。第２のスプリング２９は、ギャップがプッシュロッド８とピストン３０との間またはプッシュロッド８の上端とロッカアームとの間に形成されないように、ピストン３０をプッシュロッド８の端部に対して保持する。これは、バルブリフト装置４の滑らかな動作を確実にする。

図１０には、カムフォロワ３の位置のグラフが示される。破線は排気バルブ２５のカムフォロワの位置を示し、実線は吸気バルブ２４のカムフォロワの位置を示す。また、プランジャ６は同じ曲線をたどる。プッシュロッド８及びバルブリフトも、図３−６の実施形態におけるストッパ面９又は図７の実施形態のピストン／スプリング構成２９、３０により、プッシュロッド８の垂直位置が負になり得ないということを除いて、同じ曲線をたどる。水平軸より下の領域は、吸気バルブリフト装置４のカムフォロワ３がどのように基礎円２ａより下の部分２ｃと係合するかを示す。始動空気噴射は、この段階の間で行われ、図に示された実施形態では圧縮工程中の上死点（ＴＤＣ）直線で開始し、動力工程中の上死点後約９０度のクランク角度まで続く。

図１１は、可変吸気バルブ閉鎖（ＶＩＣ）を備えるエンジンのカムフォロワの垂直位置を示す。この実施形態では、吸気カムプロファイルは、吸気バルブ閉鎖タイミングを制御するために基礎円より下に配置された部分を有する。始動バルブを制御するための他の部分が吸気バルブ閉鎖タイミングを制御する部分より下に配置される。

図８には、本発明の他の実施形態が示され、始動空気ダクト２６及び始動空気タンク１８はまた、エンジン２０のシリンダ１９に追加の燃焼空気を導入するためにも使用される。用語「追加の燃焼空気」はここでは、点火前であるが通常の吸気が終了した後のエンジン２０のシリンダ１９に導入される空気を指す。４ストロークエンジンでは、これは、追加の燃焼空気がシリンダ１９の吸気バルブの閉鎖後にシリンダに導入されることを意味する。追加の燃焼空気は、エンジン負荷が急に増加するような状況においてターボラグを減らすために、エンジン２０のシリンダ１９に導入され得る。図８の実施形態では、エンジン２０は、制御バルブ１２を始動空気タンク１８に接続する制御空気ダクト２１を備える。主始動バルブ１７は制御空気ダクト２１に配置される。始動空気ダクト２６は閉鎖バルブ３４を備える。エンジン２０の各シリンダ１９は、追加の燃焼空気のシリンダ１９への噴射を制御するための第２の制御バルブ１２’を備える。第２の制御バルブ１２’は、第２の制御空気ダクト２１’を用いて始動空気タンク１８に接続される。第２の制御空気ダクト２１’は、追加の燃焼空気の噴射がいつオンにされるか制御するための空気噴射制御バルブ１７’を備える。図８の実施形態では、始動バルブ１０は、追加の燃焼空気をシリンダ１９に導入するためにも使用される。しかし、別個のバルブも使用され得る。制御空気ダクト２１は、追加の燃焼空気がエンジン２０に導入されるとき追加の燃焼空気がそれぞれの制御バルブ１２を通って漏れることを防ぐために、各制御バルブ１２から下流にチェックバルブ３２を備える。同様に、第２の制御空気ダクト２１’は、エンジン２０の始動中に始動空気が第２の制御バルブ１２’を通って漏れることを防ぐために、各制御バルブ１２’から下流に第２のチェックバルブ３２’を備える。

第２の制御バルブ１２’は、図９に示されるように、エンジン２０の排気カム１’によって操作される。排気バルブ２５を開くために使用されるバルブリフト装置４は、吸気バルブ２４を開くために使用されるバルブリフト装置４と同一であり得る。排気カム１’のカムプロファイル２’は、吸気カム１のカムプロファイル２と異なるが、その他の点では、第２の制御バルブ１２’は第１の制御バルブ１２と同じ方法で作動される。排気カム１’では、基礎円２’より下の部分２ｃ’がカムプロファイル２’の突出部２ｂ’から離れて配置され得るので、第２の制御バルブ１２’を操作するために排気カム１’を使用することは有利である。しかし、第２の制御バルブ１２’を操作するために吸気カム１を使用すること及び第１の制御バルブ１２を操作するために排気カム１’を使用することも可能である。第２の制御バルブ１２’は、第１の制御バルブ１２と同一であり、バルブ部材１３’、吸入通路１４’、放出通路１５’、及びドレン通路１４’を有する。

本発明が、上述の実施形態に限定されることはなく、添付の特許請求の範囲の範囲内で変化し得ることが当業者には理解されるであろう。

Claims (14)

1. マルチシリンダピストンエンジンの各シリンダに対して少なくとも１つのカム操作バルブリフト装置を有し、前記バルブリフト装置はガス交換バルブを開くように構成され、
   前記エンジンはさらに、
   − 圧力媒体源、
   − 前記エンジンのシリンダに圧力媒体を導入するための少なくとも１つの始動バルブ、
   − 前記圧力媒体源を前記始動バルブに接続するための手段、及び
   − 始動バルブの動作を制御するために、前記始動バルブを備える前記各シリンダに対する制御バルブ、を備える、
   始動装置を有する、マルチシリンダピストンエンジンであって、
   各前記制御バルブは、それぞれの前記シリンダのガス交換カムによって操作されるように構成される、
   エンジン。
2. 前記制御バルブを操作する各前記ガス交換カムは、前記制御バルブを操作するための前記カムの基礎円より下に配置された部分を有する、
   請求項１に記載のエンジン。
3. 各前記制御バルブは、前記圧力媒体源及びそれぞれの前記始動バルブと制御空気ダクトを介して流れ連通する、
   請求項１又は２に記載のエンジン。
4. 各前記制御バルブは、前記バルブリフト装置が前記ガス交換カムの前記基礎円より下にある前記ガス交換カムの前記部分と係合するとき、前記始動バルブを開くために前記圧力媒体が前記始動バルブに流れることを可能にするように構成される、
   請求項３に記載のエンジン。
5. 各前記制御バルブは、前記バルブリフト装置によって移動可能なバルブ部材を有する、
   請求項４に記載のエンジン。
6. 前記バルブリフト装置は、前記バルブリフト装置が前記ガス交換カムの前記基礎円より下にある前記ガス交換カムの前記部分と係合するとき、前記バルブ部材を前記ガス交換カムに向かって押すプランジャを有する、
   請求項５に記載のエンジン。
7. 前記バルブ部材は、前記圧力媒体の圧力によって前記バルブリフト装置に向かって押される、
   請求項５又は６に記載のエンジン。
8. 前記ガス交換カムは前記吸気カムである、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載のエンジン。
9. 各前記吸気カムは、可変の吸気バルブ閉鎖の操作を制御するために、前記カムの前記基礎円より下に配置された第２の部分を有し、前記カムの前記基礎円より下に配置された前記部分も前記第２の部分より下に配置される、
   請求項８に記載のエンジン。
10. 前記ガス交換カムは前記排気カムである、
    請求項１乃至７のいずれか１項に記載のエンジン。
11. ２ストロークエンジンでは、前記エンジンの少なくとも３つの前記シリンダが前記始動バルブを備え、４ストロークエンジンでは、前記エンジンの少なくとも５つの前記シリンダが前記始動バルブを備える、
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のエンジン。
12. 前記エンジンの全ての前記シリンダが前記始動バルブを備える、
    請求項１１に記載のエンジン。
13. 各前記制御バルブは、前記圧力媒体を前記制御バルブに導入するための吸入通路、前記始動バルブを開くために前記圧力媒体を前記始動バルブに導入するための排出通路、及び前記制御バルブが前記ガス交換カムによって作動されないとき、前記圧力媒体を前記制御バルブの外に放出するためのドレン通路、を有する、
    請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のエンジン。
14. 前記始動装置は、前記エンジンの始動を開始するための主始動バルブを有する、
    請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のエンジン。

Images