JP6137341B2 - クロスヘッド型エンジン - Google Patents

Description

本発明は、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、２０１４年１月２０日に日本に出願された特願２０１４−００８１０２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、ピストンの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。連結棒（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のエンジンであって、ピストンロッドとクランクシャフトとを複数のリンクで連結する構成である。そして、リンクの姿勢を変更することで、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２００７−２４７４１５号公報

エンジンの圧縮比を可変とする場合、上述した特許文献１に記載のエンジンでは、複数のリンクによる連結構造など、構造が複雑となってしまう。また、単純に、ピストンロッドと、クロスヘッド本体をピストンロッドに固定するクロスヘッドピンとの間に、シム板を介在させる構成が考えられる。このような構成においては、エンジンの圧縮比を変える場合、厚みの異なるシム板に換装することが想定されるが、この場合、エンジンの圧縮比を変える度に、エンジンを停止しなければならない。

本発明は、このような課題に鑑み、簡易な構造で、エンジンを稼働させたまま圧縮比を変更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、本発明のクロスヘッド型エンジンは、シリンダと、シリンダ内を摺動するピストンと、ピストンに一端が固定されたピストンロッドと、ピストンロッドの他端側に連結され、ピストンと一体に往復移動するクロスヘッドと、一端がクロスヘッドに支持される連結棒と、連結棒に連結され、ピストンおよびクロスヘッドの往復移動に連動して回転するクランクシャフトと、ピストンロッドとクロスヘッドのピストンのストローク方向の相対的な位置を変更することで、ピストンの上死点および下死点の位置を可変とする可変機構と、を備える。
また、可変機構は、クロスヘッドに設けられ、ピストンロッドの端部が進入された油圧室と、油圧室に作動油を供給、もしくは、油圧室から作動油を排出し、ピストンロッドの端部の、油圧室に対するストローク方向の進入位置を調整する油圧調整機構と、を備える。

油圧調整機構が、内部に作動油が導かれるポンプシリンダと、ポンプシリンダ内をストローク方向に移動するとともに一端がポンプシリンダから突出するプランジャとを有し、プランジャがポンプシリンダ内に押し込まれることで、ポンプシリンダ内の作動油を油圧室に供給するプランジャポンプをさらに備え、プランジャポンプが、クロスヘッドとともにストローク方向に移動し、クロスヘッドの往復移動の力に対向する反力を受けてプランジャがポンプシリンダ内に押し込まれてもよい。

油圧調整機構が、プランジャポンプのストローク方向の移動に伴ってプランジャに接触する第１カム板と、第１カム板を移動させ、第１カム板の姿勢もしくはプランジャに対する相対位置を変化させる第１アクチュエータと、をさらに備え、プランジャは、第１カム板の姿勢もしくは相対位置に応じて、第１カム板とのストローク方向における接触位置が変化するとともに、接触位置によってポンプシリンダに対する最大押し込み量が設定されてもよい。

第１カム板が、プランジャの一端に接触する傾斜面を有し、第１アクチュエータは、第１カム板をストローク方向と交差する方向に移動させてもよい。

油圧調整機構が、油圧室から排出された作動油が流通する内部流路が形成された本体と、内部流路をストローク方向に移動して内部流路を閉塞する閉位置と内部流路における作動油の流通を可能とする開位置とに変位する弁体と、一端が弁体とストローク方向に対向するとともに他端が本体から突出するロッドとを有し、ロッドが本体内に押し込まれることで、弁体がロッドに押圧されて開位置に変位するスピル弁をさらに備え、スピル弁が、クロスヘッドとともにストローク方向に移動し、クロスヘッドの往復移動の力に対向する反力を受けてロッドが本体内に押し込まれてもよい。

油圧調整機構が、スピル弁のストローク方向の移動に伴ってロッドに接触する第２カム板と、第２カム板を移動させ、第２カム板の姿勢もしくはロッドに対する相対位置を変化させる第２アクチュエータと、をさらに備え、ロッドは、第２カム板の姿勢もしくは相対位置に応じて、第２カム板とのストローク方向における接触位置が変化するとともに、接触位置によってスピル弁に対する最大押し込み量が設定されてもよい。

第２カム板が、ロッドの一端に接触する傾斜面を有し、第２アクチュエータが、第２カム板をストローク方向と交差する方向に移動させてもよい。

本発明のクロスヘッド型エンジンによれば、簡易な構造で、エンジンを稼働させたまま圧縮比を変更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示す図である。 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ための、図１の一点鎖線で囲まれた部分の拡大図である。 図２ＡのＩＩ（ｂ）―ＩＩ（ｂ）線に沿った断面図である。 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ための図である。 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ための図である。 プランジャポンプおよびスピル弁の配置を説明するための図である。 油圧調整機構の構成を説明するための図である。 プランジャポンプの構成を説明するための図である。 プランジャポンプの構成を説明するための図である。 スピル弁の構成を説明するための図である。 スピル弁の構成を説明するための図である。 可変機構の動作を説明するための図である。 可変機構の動作を説明するための図である。 可変機構の動作を説明するための図である。 可変機構の動作を説明するための図である。 クランク角とプランジャポンプおよびスピル弁の動作タイミングを説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明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、本発明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、また本発明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、１周期が２サイクル（２ストローク）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、本発明が適用されるエンジンの種類は、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サイクルエンジン１００（クロスヘッド型エンジン）の全体構成を示す図である。本実施形態のユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００は、例えば、船舶等に用いられる。具体的に、ユニフロー掃気式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、連結棒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行程の間に、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の一端が固定されている。また、ピストンロッド１１２ａの他端には、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、連結棒１１６の一端に設けられた孔に挿通されており、連結棒１１６の一端を支持している。また、連結棒１１６の他端は、クランクシャフト１１８に連結され、連結棒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１１０ａ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気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置によって所定のタイミングで上下に摺動され、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気ガスは、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１１０ｂ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から、ピストン１１２の摺動動作に応じてシリンダ１１０内に活性ガスが吸入される。かかる活性ガスは、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内の差圧によって掃気ポート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、不図示のパイロット噴射弁が設けられる。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パイロット噴射弁から噴射される。かかる燃料油は、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の熱で気化して燃料ガスとな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。その結果、シリンダ１１０に流入した燃料ガスを、所望のタイミングで確実に燃焼することができる。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、重油等をガス化したものを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、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パイロット噴射弁から噴射される。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ための図であり、図２Ａには、図１の一点鎖線で囲まれた部分の拡大図を示し、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の他端が挿入される。具体的に、クロスヘッドピン１１４ａ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は油圧室となっており、この油圧室に、ピストンロッド１１２ａの他端（端部）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の他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。

より詳細には、ピストンロッド１１２ａには、ピストンロッド１１２ａの外径が一端側よりも大きい大径部１６２ａと、大径部１６２ａよりも他端側に位置し、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、ピストン１１２側に位置する大径穴部１６４ａと、大径穴部１６４ａに対して連結棒１１６側に、大径穴部１６４ａと連続して形成され、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。

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に挿入可能な寸法となっている。小径穴部１６４ｂの内周面には、Ｏリングで構成される第１シール部材Ｏ_１が配される。

ピストンロッド１１２ａの大径部１６２ａよりピストンロッド１１２ａの一端側には、連結穴１６０よりも外径が大きい固定蓋１６６が固定されている。固定蓋１６６は、環状部材であって、ピストンロッド１１２ａがピストンロッド１１２ａの一端側から挿通されている。ピストンロッド１１２ａが挿通される固定蓋１６６の内周面には、Ｏリングで構成される第２シール部材Ｏ_２が配される。

クロスヘッドピン１１４ａの、ピストン１１２側を向く外周面には、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に固定蓋１６６が当接する。

また、クロスヘッドピン１１４ａの内部のうち、ピストンロッド１１２ａとクロスヘッドピン１１４ａとの連結部分には、第１油圧室１６８ａ（油圧室）および第２油圧室１６８ｂが形成されている。

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た空間である。

第２油圧室１６８ｂは、大径部１６２ａのうち、ピストンロッド１１２ａの一端側の端面と、大径穴部１６４ａの内周面と、固定蓋１６６によって囲まれた空間である。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が、ピストンロッド１１２ａの一端側と他端側とに区画される。そして、ピストンロッド１１２ａの大径部１６２ａよりも他端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、ピストンロッド１１２ａの大径部１６２ａよりも一端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には、供給油路１７０ａおよび排油路１７０ｂが連通している。供給油路１７０ａは、一端が大径穴部１６４ａの内周面（大径穴部１６４ａと小径穴部１６４ｂの内径差による段差面）に開口し、他端が後述するプランジャポンプに連通している。排油路１７０ｂは、一端が大径穴部１６４ａと小径穴部１６４ｂの内径差による段差面に開口し、他端が後述するスピル弁に連通している。

第２油圧室１６８ｂには、固定蓋１６６の内壁面に開口する補助油路１７０ｃが連通している。補助油路１７０ｃは、固定蓋１６６とクロスヘッドピン１１４ａとの当接部分を介してクロスヘッドピン１１４ａの内部を通り、油圧ポンプに連通している。

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ための図であり、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に非圧縮性の作動油を供給した状態で第１油圧室１６８ａを密閉すると、作動油が非圧縮性であることから、図３Ａの状態を維持可能となっている。

そして、スピル弁が開口すると、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、作動油が第１油圧室１６８ａから排油路１７０ｂを通ってスピル弁側に排出される。その結果、図３Ｂに示すように、第１油圧室１６８ａのピストン１１２のストローク方向の長さが短くなる。一方、第２油圧室１６８ｂは、ピストン１１２のストローク方向の長さが長くなる。

第１油圧室１６８ａおよび第２油圧室１６８ｂのピストン１１２のストローク方向の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。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を可変としている。

ところで、図３Ｂに示す状態でピストン１１２が上死点に到達したとき、クロスヘッドピン１１４ａの、ピストン１１２のストローク方向の位置は、連結棒１１６によって固定されている。一方、ピストンロッド１１２ａは、クロスヘッドピン１１４ａに連結されているものの、第２油圧室１６８ｂの分だけ、そのストローク方向に遊びが生じている。

そのため、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００の回転数によってはピストンロッド１１２ａの慣性力が大きくなり、ピストンロッド１１２ａがピストン１１２側に移動しすぎてしまう可能性がある。このように上死点位置のずれが生じないように、第２油圧室１６８ｂには、補助油路１７０ｃを介して油圧ポンプからの油圧を作用させ、ストローク方向に沿ったピストンロッド１１２ａの移動を抑えている。

また、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００は、比較的低速の回転数で用いられるため、ピストンロッド１１２ａの慣性力が小さい。したがって、第２油圧室１６８ｂに供給する油圧が低くても、上死点位置のずれを抑えることができる。

また、ピストンロッド１１２ａには、ピストンロッド１１２ａ（大径部１６２ａ）の外周面から径方向内側に向かう流路穴１７２が設けられている。また、クロスヘッドピン１１４ａには、クロスヘッドピン１１４ａの外周面側から連結穴１６０（大径穴部１６４ａ）まで貫通する貫通孔１７４が設けられている。貫通孔１７４は、油圧ポンプと連通している。

また、流路穴１７２と貫通孔１７４は、ピストンロッド１１２ａの径方向にて対向しており、流路穴１７２と貫通孔１７４が連通している。流路穴１７２の外周面側の端部は、流路穴１７２の他の部位よりも、ピストン１１２のストローク方向（図３ＡおよびＢ中、上下方向）の流路幅が広く形成されており、図３ＡおよびＢに示すように、ピストンロッド１１２ａとクロスヘッドピン１１４ａの相対的な位置が変わっても、流路穴１７２と貫通孔１７４の連通状態が維持される。

ピストンロッド１１２ａ（大径部１６２ａ）の外周面には、流路穴１７２の外周面側の端部をピストンロッド１１２ａの軸方向に挟むように、Ｏリングで構成される第３シール部材Ｏ_３、第４シール部材Ｏ_４が配される。

大径部１６２ａは、流路穴１７２の分だけ、大径穴部１６４ａの内周面に対向する面積が小さくなり、大径穴部１６４ａに対して傾き易くなる。これに対し、小径部１６２ｂが小径穴部１６４ｂにガイドされることで、ピストンロッド１１２ａのストローク方向に対する傾きが抑えられている。

そして、ピストンロッド１１２ａの内部には、ピストン１１２のストローク方向に延び、ピストン１１２およびピストンロッド１１２ａを冷却する冷却油が流通する冷却油路１７６が形成されている。冷却油路１７６は、その内部に配された、ピストン１１２のストローク方向に延びる冷却管１７８によってピストンロッド１１２ａの径方向外側の往路１７６ａと内側の復路１７６ｂに分けられている。流路穴１７２は、冷却油路１７６のうちの往路１７６ａに開口している。

油圧ポンプから供給された冷却油は、貫通孔１７４、流路穴１７２を介して冷却油路１７６の往路１７６ａに流入する。往路１７６ａと復路１７６ｂは、ピストン１１２の内部で連通しており、往路１７６ａを流れた冷却油は、ピストン１１２の内壁に到達すると復路１７６ｂを通って、小径部１６２ｂ側に戻る。冷却油路１７６の内壁およびピストン１１２の内壁に冷却油が接触することで、ピストン１１２が冷却される。

また、クロスヘッドピン１１４ａには、クロスヘッドピン１１４ａの軸方向に延びる出口孔１８０が形成されており、小径穴部１６４ｂは、出口孔１８０に連通している。ピストン１１２を冷却した後に、冷却油路１７６から小径穴部１６４ｂに流入した冷却油は、出口孔１８０を通って、クロスヘッドピン１１４ａ外に排出され、タンクに還流する。

第１油圧室１６８ａおよび第２油圧室１６８ｂに供給される作動油と、冷却油路１７６に供給される冷却油は、いずれも同じタンクに還流して同じ油圧ポンプで昇圧される。そのため、油圧を作用させる作動油の供給と、冷却用の冷却油の供給を、１つの油圧ポンプで遂行でき、コストを低減することが可能となる。

ピストン１１２の圧縮比を可変とする可変機構には、上記の第１油圧室１６８ａに加えて、第１油圧室１６８ａの油圧を調整する油圧調整機構を含んで構成される。続いて、油圧調整機構について詳述する。

図４は、プランジャポンプ１８２およびスピル弁１８４の配置を説明するための図であり、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００のうち、クロスヘッド１１４近傍の外観および部分断面を示す。プランジャポンプ１８２およびスピル弁１８４は、それぞれ、図４にクロスハッチングで示すクロスヘッドピン１１４ａに固定されている。

プランジャポンプ１８２およびスピル弁１８４それぞれの下方には、クロスヘッド１１４の往復移動をガイドする２つのガイド板１８６ａに両端が固定され、両ガイド板１８６ａを支持する機関架橋１８６ｂが配されている。機関架橋１８６ｂには、第１カム板１８８および第２カム板１９０が載置されており、第１カム板１８８および第２カム板１９０は、それぞれ、第１アクチュエータ１９２および第２アクチュエータ１９４によって、機関架橋１８６ｂ上を図４中、左右の向きに移動可能となっている。

プランジャポンプ１８２およびスピル弁１８４は、ピストン１１２のストローク方向にクロスヘッドピン１１４ａと一体に往復移動する。一方、第１カム板１８８および第２カム板１９０は、機関架橋１８６ｂ上にあって、機関架橋１８６ｂに対してピストン１１２のストローク方向には移動しない。

図５は、油圧調整機構１９６の構成を説明するための図である。図５に示すように、油圧調整機構１９６は、プランジャポンプ１８２と、スピル弁１８４と、第１カム板１８８と、第２カム板１９０と、第１アクチュエータ１９２と、第２アクチュエータ１９４と、第１切換弁１９８と、第２切換弁２００と、位置センサ２０２と、油圧制御部２０４とを含んで構成される。

プランジャポンプ１８２は、ポンプシリンダ１８２ａと、プランジャ１８２ｂとを含んで構成される。ポンプシリンダ１８２ａの内部には、油圧ポンプＰに連通する油路を介して、作動油が導かれる。プランジャ１８２ｂは、ポンプシリンダ１８２ａ内をストローク方向に移動するとともに、その一端がポンプシリンダ１８２ａから突出する。

第１カム板１８８は、ピストン１１２のストローク方向に対して傾斜する傾斜面１８８ａを有し、プランジャポンプ１８２のストローク方向の下方に配置されている。そして、プランジャポンプ１８２がクロスヘッドピン１１４ａとともにストローク方向に移動すると、下死点に近いクランク角において、ポンプシリンダ１８２ａから突出したプランジャ１８２ｂの一端が、第１カム板１８８の傾斜面１８８ａに接触する。

そして、プランジャ１８２ｂは、第１カム板１８８の傾斜面１８８ａから、クロスヘッド１１４の往復移動の力に対向する反力を受けて、ポンプシリンダ１８２ａ内に押し込まれる。プランジャポンプ１８２は、プランジャ１８２ｂがポンプシリンダ１８２ａ内に押し込まれることで、ポンプシリンダ１８２ａ内の作動油を第１油圧室１６８ａに供給（圧入）する。

第１アクチュエータ１９２は、例えば、第１切換弁１９８を介して供給される作動油の油圧によって作動し、第１カム板１８８をストローク方向と交差する方向（ここでは、ストローク方向に垂直な方向）に移動させる。すなわち、第１アクチュエータ１９２は、第１カム板１８８の移動により、第１カム板１８８のプランジャ１８２ｂに対する相対位置を変化させる。

このように、第１カム板１８８がストローク方向に垂直な方向に移動すると、プランジャ１８２ｂと第１カム板１８８とのストローク方向における接触位置が相対変化する。例えば、図５中、左側に第１カム板１８８が移動すると、接触位置はストローク方向の上方に変位し、図５中、右側に第１カム板１８８が移動すると、接触位置はストローク方向の下方に変位する。そして、この接触位置によってポンプシリンダ１８２ａに対する最大押し込み量が設定される。

スピル弁１８４は、本体１８４ａと、弁体１８４ｂと、ロッド１８４ｃとを含んで構成される。スピル弁１８４の本体１８４ａの内部には、第１油圧室１６８ａから排出された作動油が流通する内部流路が形成されている。弁体１８４ｂは、本体１８４ａ内の内部流路に配される。ロッド１８４ｃの一端が本体１８４ａ内の弁体１８４ｂに対向するとともに、他端が本体１８４ａから突出している。

第２カム板１９０は、ストローク方向に対して傾斜する傾斜面１９０ａを有し、ロッド１８４ｃのストローク方向の下方に配置されている。そして、スピル弁１８４がクロスヘッドピン１１４ａとともにストローク方向に移動すると、下死点に近いクランク角において、スピル弁１８４の本体１８４ａから突出したロッド１８４ｃの一端が、第２カム板１９０の傾斜面１９０ａに接触する。

そして、ロッド１８４ｃは、第２カム板１９０の傾斜面１９０ａから、クロスヘッド１１４の往復移動の力に対向する反力を受けて、本体１８４ａ内に押し込まれる。スピル弁１８４は、ロッド１８４ｃが本体１８４ａ内に所定量以上押し込まれることで弁体１８４ｂが移動し、スピル弁１８４の内部流路を作動油が流通可能となって、第１油圧室１６８ａからタンクＴに向かって作動油が排出される。

第２アクチュエータ１９４は、例えば、第２切換弁２００を介して供給される作動油の油圧によって作動し、第２カム板１９０をストローク方向と交差する方向（ここでは、ストローク方向に垂直な方向）に移動させる。すなわち、第２アクチュエータ１９４は、第２カム板１９０の移動により、第２カム板１９０のロッド１８４ｃに対する相対位置を変化させる。

第２カム板１９０の相対位置に応じて、ロッド１８４ｃと第２カム板１９０とのストローク方向における接触位置が変化する。例えば、図５中、左側に第２カム板１９０が移動すると、接触位置はストローク方向の上方に変位し、図５中、右側に第２カム板１９０が移動すると、接触位置はストローク方向の下方に変位する。そして、この接触位置によってスピル弁１８４に対する最大押し込み量が設定される。

位置センサ２０２は、ピストンロッド１１２ａのストローク方向の位置を検知して、ストローク方向の位置を示す信号を出力する。

油圧制御部２０４は、位置センサ２０２からの信号を取得し、ピストンロッド１１２ａとクロスヘッドピン１１４ａの相対的な位置を特定する。そして、ピストンロッド１１２ａとクロスヘッドピン１１４ａの相対的な位置が、設定位置となるように、第１アクチュエータ１９２および第２アクチュエータ１９４を駆動させて、第１油圧室１６８ａ内の油圧（作動油の油量）を調整する。

このように、油圧調整機構１９６は、第１油圧室１６８ａに作動油を供給、もしくは、第１油圧室１６８ａから作動油を排出する。続いて、プランジャポンプ１８２およびスピル弁１８４の具体的な構成について詳述する。

図６ＡおよびＢは、プランジャポンプ１８２の構成を説明するための図であり、プランジャ１８２ｂの中心軸を含む面による断面を示す。図６Ａに示すように、ポンプシリンダ１８２ａには、油圧ポンプＰから供給された作動油が流入する流入口１８２ｃと、ポンプシリンダ１８２ａから第１油圧室１６８ａに向かって作動油が排出される排出口１８２ｄが設けられている。

流入口１８２ｃから流入した作動油は、ポンプシリンダ１８２ａ内の貯油室１８２ｅに貯留される。そして、図６Ｂに示すように、プランジャ１８２ｂがポンプシリンダ１８２ａに押し込まれると、貯油室１８２ｅの作動油は、プランジャ１８２ｂに押圧されて、排出口１８２ｄから第１油圧室１６８ａに供給される。

付勢部１８２ｆは、例えば、コイルバネで構成され、一端がポンプシリンダ１８２ａに固定されるとともに、他端がプランジャ１８２ｂに固定されている。そして、プランジャ１８２ｂがポンプシリンダ１８２ａに押し込まれると、プランジャ１８２ｂを押し戻す付勢力をプランジャ１８２ｂに作用させる。

そのため、図６Ｂに示す状態で、クロスヘッドピン１１４ａの移動に伴って、プランジャ１８２ｂが第１カム板１８８から離れる向きに移動すると、プランジャ１８２ｂは、付勢部１８２ｆの付勢力に従って、図６Ａに示す位置に戻る。抜け止め部材１８２ｇは、プランジャ１８２ｂがポンプシリンダ１８２ａから抜け落ちないように、プランジャ１８２ｂのポンプシリンダ１８２ａから突出する方向への移動を規制する。このようなプランジャ１８２ｂの移動の過程において、流入口１８２ｃから貯油室１８２ｅに作動油が流入する。貯油室１８２ｅに流入した作動油は、次にプランジャ１８２ｂがポンプシリンダ１８２ａに押し込まれるときに、排出口１８２ｄから第１油圧室１６８ａに向かって供給される。

流入口１８２ｃと貯油室１８２ｅを連通する油路には、逆止弁１８２ｈが設けられており、貯油室１８２ｅから流入口１８２ｃに向かって作動油が逆流しない構造となっている。

また、貯油室１８２ｅと排出口１８２ｄを連通する油路には、逆止弁１８２ｉが設けられており、排出口１８２ｄから貯油室１８２ｅに向かって作動油が逆流しない構造となっている。

２つの逆止弁１８２ｈ、１８２ｉによって、作動油は、流入口１８２ｃから排出口１８２ｄに向かって一方向に流れる。

図７ＡおよびＢは、スピル弁１８４の構成を示す図であり、ロッド１８４ｃの中心軸を含む面による断面を示す。図７Ａに示すように、スピル弁１８４の本体１８４ａには、第１油圧室１６８ａから排出された作動油が流入する流入口１８４ｄと、スピル弁１８４の本体１８４ａ内からタンクＴに向かって作動油が排出される排出口１８４ｅが設けられている。

流入口１８４ｄから流入した作動油は、本体１８４ａ内の内部流路１８４ｆを流通する。弁体１８４ｂは、内部流路１８４ｆに配されており、内部流路１８４ｆをストローク方向に移動可能となっている。

そして、弁体１８４ｂは、ストローク方向に移動することで、図７Ａに示すように内部流路１８４ｆを閉塞する閉位置と、図７Ｂに示すように内部流路１８４ｆにおける作動油の流通を可能とする開位置とに変位する。

ロッド１８４ｃの一端は弁体１８４ｂとストローク方向に対向しており、ロッド１８４ｃが本体１８４ａ内に押し込まれることで、弁体１８４ｂがロッド１８４ｃに押圧されて図７Ｂに示す開位置に変位する。

付勢部１８４ｇは、例えば、コイルバネで構成され、一端がスピル弁１８４の本体１８４ａに固定されるとともに、他端が弁体１８４ｂに固定されている。付勢部１８４ｇは、常時、弁体１８４ｂが内部流路１８４ｆを閉塞する向きに付勢力を作用させている。そして、ロッド１８４ｃは、スピル弁１８４の本体１８４ａに押し込まれると、付勢部１８４ｇの付勢力に抗して弁体１８４ｂを押圧する。このとき、付勢部１８４ｇは、弁体１８４ｂを押し戻す付勢力を弁体１８４ｂに作用させる。

そのため、図７Ｂに示すように弁体１８４ｂが開位置にあるとき、クロスヘッドピン１１４ａの移動に伴って、ロッド１８４ｃが第２カム板１９０から離れると、弁体１８４ｂは、付勢部１８４ｇの付勢力に従って、図７Ａに示す閉位置に戻る。このとき、抜け止め部材１８４ｈは、ロッド１８４ｃがスピル弁１８４の本体１８４ａから抜け落ちないように、本体１８４ａから突出する方向へのロッド１８４ｃの移動を規制する。

図８Ａ〜Ｄは、可変機構の動作を説明するための図である。図８Ａでは、ロッド１８４ｃと第２カム板１９０の接触位置が比較的高い位置となるように、第２カム板１９０の相対位置が調整されている。そのため、下死点に近いクランク角において、スピル弁１８４の本体１８４ａにロッド１８４ｃが深くまで押し込まれ、スピル弁１８４が開いて、第１油圧室１６８ａから作動油が排出される。このとき、第２油圧室１６８ｂには油圧ポンプＰの油圧が作用していることから、ピストンロッド１１２ａとクロスヘッドピン１１４ａの相対的な位置が安定して保持されている。

この状態において、ピストン１１２の上死点は低くなっている（クロスヘッドピン１１４ａ側に近くなっている）。すなわち、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００の圧縮比は小さくなっている。

そして、油圧制御部２０４は、ＥＣＵ（Engine Control Unit）などの上位の制御部からユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００の圧縮比を大きくする指示を受けると、図８Ｂに示すように、第２カム板１９０を図８Ｂ中、右側に移動させる。その結果、ロッド１８４ｃと第２カム板１９０の接触位置が低くなり、下死点に近いクランク角においても、ロッド１８４ｃが本体１８４ａ内に押し込まれなくなり、ピストン１１２のストローク位置に拘わらず、スピル弁１８４が閉じた状態に維持される。すなわち、第１油圧室１６８ａ内の作動油が排出されなくなる。

そして、油圧制御部２０４は、図８Ｃに示すように、第１カム板１８８を図８Ｃ中、左側に移動させる。その結果、プランジャ１８２ｂと第１カム板１８８の接触位置が高くなる。そして、下死点に近いクランク角において、プランジャ１８２ｂが第１カム板１８８からの反力によってポンプシリンダ１８２ａ内に押し込まれると、ポンプシリンダ１８２ａ内の作動油が第１油圧室１６８ａに圧入される。

その結果、油圧によってピストンロッド１１２ａが押し上げられ、図８Ｃに示すように、ピストンロッド１１２ａとクロスヘッドピン１１４ａの相対的な位置が変位し、ピストン１１２の上死点が高くなる（クロスヘッドピン１１４ａ側から遠くなる）。すなわち、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００の圧縮比は大きくなる。

プランジャポンプ１８２は、ピストン１１２の１ストローク毎に、プランジャポンプ１８２の貯油室１８２ｅに蓄えられた作動油を、第１油圧室１６８ａに圧入する。この実施形態では、貯油室１８２ｅの最大容積に対して、第１油圧室１６８ａの最大容積が複数倍ある。そのため、プランジャポンプ１８２がピストン１１２のストローク何回分、動作をするかによって、第１油圧室１６８ａに圧入される作動油の量を調整し、ピストンロッド１１２ａの押し上げ量を調整することが可能となっている。

ピストンロッド１１２ａとクロスヘッドピン１１４ａの相対的な位置が所望の位置となると、油圧制御部２０４は、第１カム板１８８を図８Ｄ中、右側に移動させ、プランジャ１８２ｂと第１カム板１８８の接触位置を低くする。こうして、下死点に近いクランク角においても、プランジャ１８２ｂがポンプシリンダ１８２ａ内に押し込まれることがなく、プランジャポンプ１８２が作動しなくなる。すなわち、第１油圧室１６８ａへの作動油の圧入が停止する。

こうして、油圧調整機構１９６は、第１油圧室１６８ａに対するストローク方向のピストンロッド１１２ａの進入位置を調整する。可変機構は、油圧調整機構１９６によって第１油圧室１６８ａの油圧を調整し、ピストンロッド１１２ａとクロスヘッド１１４のストローク方向の相対的な位置を変更することで、ピストン１１２の上死点および下死点の位置を可変とする。

図９は、クランク角とプランジャポンプ１８２およびスピル弁１８４の動作タイミングを説明するための図である。図９においては、説明の便宜上、第１カム板１８８の傾斜面１８８ａとの接触位置が異なる２つのプランジャポンプ１８２を並べて示すが、実際には、プランジャポンプ１８２は１つであって、第１カム板１８８が移動することで、プランジャポンプ１８２との接触位置が変位する。また、スピル弁１８４および第２カム板１９０は図示を省略する。

図９に示すように、下死点手前から下死点までのクランク角の範囲を角ａとし、下死点から角ａと同じ大きさの位相角分のクランク角の範囲を角ｂとする。また、上死点手前から上死点までのクランク角の範囲を角ｃとし、上死点から角ｃと同じ大きさの位相角分のクランク角の範囲を角ｄとする。

プランジャポンプ１８２と第１カム板１８８の相対位置が、図９中、右側に示すプランジャポンプ１８２で示される状態であるとき、プランジャポンプ１８２のプランジャ１８２ｂは、第１カム板１８８の傾斜面１８８ａと、クランク角が角ａの開始位置で接触を開始し、下死点を超えて角ｂの終了位置で接触が解除される。図９中、プランジャポンプ１８２のストローク幅を幅ｓで示す。

また、プランジャポンプ１８２と第１カム板１８８の相対位置が、図９中、左側に示すプランジャポンプ１８２で示される状態であるとき、プランジャポンプ１８２のプランジャ１８２ｂは、クランク角が下死点となる位置で傾斜面１８８ａと接触するものの、プランジャ１８２ｂはポンプシリンダ１８２ａに押し込まれることなく、すぐに接触が解除される。

このように、プランジャポンプ１８２は、クランク角が角ａの範囲にあるとき動作する。具体的には、クランク角が角ａの範囲にあるとき、プランジャポンプ１８２は、作動油を第１油圧室１６８ａに圧入する。

また、スピル弁１８４は、クランク角が角ｂの範囲にあるとき動作する。具体的には、クランク角が角ｂの範囲にあるとき、スピル弁１８４は、作動油を第１油圧室１６８ａから排出する。

ここでは、プランジャポンプ１８２は、クランク角が角ａの範囲にあるとき動作し、スピル弁１８４は、クランク角が角ｂの範囲にあるとき動作する場合について説明した。しかし、プランジャポンプ１８２は、クランク角が角ｃの範囲にあるとき動作し、スピル弁１８４は、クランク角が角ｄの範囲にあるとき動作してもよい。この場合、クランク角が角ｃの範囲にあるとき、プランジャポンプ１８２は、作動油を第１油圧室１６８ａに圧入する。また、クランク角が角ｄの範囲にあるとき、スピル弁１８４は、作動油を第１油圧室１６８ａから排出する。

上死点や下死点以外のストローク範囲でプランジャポンプ１８２やスピル弁１８４を動作させる場合、第１カム板１８８、第２カム板１９０、第１アクチュエータ１９２、第２アクチュエータ１９４などを、プランジャポンプ１８２やスピル弁１８４の往復移動に同期させて移動させなければならない。しかし、本実施形態のように、上死点や下死点付近で、プランジャポンプ１８２やスピル弁１８４を動作させることで、このような同期機構を設けずともよく、コストを低減することが可能となる。

ただし、クランク角が下死点を挟んだ角度範囲（角ａ、角ｂ）においてプランジャポンプ１８２およびスピル弁１８４が動作する場合の方が、シリンダ１１０内の圧力は低いことから、プランジャポンプ１８２から第１油圧室１６８ａに作動油を容易に圧入することが可能となる。また、スピル弁１８４から排出される作動油の油圧も低く、キャビテーションの発生を抑え、スピル弁１８４を作動させる荷重を低く抑えることが可能となる。さらに、作動油の圧力が高いことからピストン１１２の位置が不安定になるといった事態を回避することが可能となる。

上述したように、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００は、ピストンロッド１１２ａおよびクロスヘッド１１４のピストン１１２のストローク方向の相対的な位置を変更する可変機構を備え、簡易な構造で、稼働させたまま圧縮比を変更することが可能となる。

また、連結穴１６０に対するピストンロッド１１２ａの進入位置を、油圧によって調整する構成を採用しているため、高温に対する耐久性に優れ、かつ、圧縮比の微調整も遂行可能となる。

また、クロスヘッド１１４の往復移動の力を利用して、プランジャポンプ１８２が作動油を第１油圧室１６８ａに圧入する構成であることから、高圧を発生させる油圧ポンプが不要となり、コストを低減することが可能となる。

また、第１カム板１８８と第１アクチュエータ１９２によって、ポンプシリンダ１８２ａに対するプランジャ１８２ｂの最大押し込み量が調整可能であることから、作動油の圧入量を調整して、圧縮比の微調整が容易に可能となる。例えば、１ストロークで貯油室１８２ｅの最大容積分の作動油を、第１油圧室１６８ａに圧入してもよいし、第１カム板１８８の相対位置を調整して、１ストロークで貯油室１８２ｅの最大容積の半分の量の作動油を、第１油圧室１６８ａに圧入してもよい。このように、１ストロークで第１油圧室１６８ａに圧入する作動油の量を、貯油室１８２ｅの最大容積の範囲内で任意に設定することが可能となる。

例えば、第１油圧室１６８ａから作動油が漏れる場合、その漏れ量分を補充できるように、常に、プランジャポンプ１８２から作動油を第１油圧室１６８ａに圧入するように、１ストロークで第１油圧室１６８ａに圧入する作動油の量を設定してもよい。

また、第１カム板１８８に傾斜面１８８ａを設けていることから、第１アクチュエータ１９２は、第１カム板１８８を水平方向に移動させるだけで、１ストロークで第１油圧室１６８ａに圧入する作動油の量を容易に設定することができる。

また、クロスヘッド１１４の往復移動の力を利用して、スピル弁１８４を開閉する構成であることから、スピル弁１８４を開くために、高圧を発生させる油圧ポンプが不要となり、コストを低減することが可能となる。

また、第２カム板１９０と第２アクチュエータ１９４によって、スピル弁１８４の本体１８４ａに対するロッド１８４ｃの最大押し込み量が調整可能であることから、１ストローク当たりの作動油の排出量を調整して、圧縮比の微調整が容易に可能となっている。

また、第２カム板１９０に傾斜面１９０ａを設けていることから、第２アクチュエータ１９４は、第２カム板１９０を水平方向に移動させるだけで、１ストロークで第１油圧室１６８ａから排出する作動油の量を容易に設定することができる。

上述した実施形態では、第１アクチュエータ１９２および第２アクチュエータ１９４は、第１カム板１８８および第２カム板１９０の、プランジャ１８２ｂおよびロッド１８４ｃに対する相対位置を変化させる場合について説明した。しかし、第１アクチュエータ１９２および第２アクチュエータ１９４は、第１カム板１８８および第２カム板１９０の姿勢を変えることで、第１カム板１８８および第２カム板１９０との接触位置を変えてもよい。

また、上述した実施形態では、油圧調整機構１９６として、プランジャポンプ１８２およびスピル弁１８４の両方を備える場合について説明したが、プランジャポンプ１８２およびスピル弁１８４のいずれか一方のみを備えてもよいし、プランジャポンプ１８２およびスピル弁１８４をいずれも備えなくてもよい。いずれにせよ、油圧調整機構１９６は、第１油圧室１６８ａに作動油を供給、もしくは、第１油圧室１６８ａから作動油を排出し、ピストンロッド１１２ａの端部の、第１油圧室１６８ａに対するストローク方向の進入位置を調整することができれば、そのための具体的な構成に限定はない。

以上、添付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、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発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、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。

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）
１１０ シリンダ
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 連結棒
１１８ クランクシャフト
１６０ 連結穴（油圧室）
１６８ａ 第１油圧室（油圧室）
１７６ 冷却油路
１８２ プランジャポンプ
１８２ａ ポンプシリンダ
１８２ｂ プランジャ
１８４ スピル弁
１８４ａ 本体
１８４ｂ 弁体
１８４ｃ ロッド
１８４ｆ 内部流路
１８８ 第１カム板
１８８ａ 傾斜面
１９０ 第２カム板
１９０ａ 傾斜面
１９２ 第１アクチュエータ
１９４ 第２アクチュエータ
１９６ 油圧調整機構

Claims (5)

1. シリンダと、
   前記シリンダ内を摺動するピストンと、
   前記ピストンに一端が固定されたピストンロッドと、
   前記ピストンロッドの他端側に連結され、前記ピストンと一体に往復移動するクロスヘッドと、
   一端が前記クロスヘッドに支持される連結棒と、
   前記連結棒に連結され、前記ピストンおよび前記クロスヘッドの往復移動に連動して回転するクランクシャフトと、
   前記ピストンロッドと前記クロスヘッドの前記ピストンのストローク方向の相対的な位置を変更することで、前記ピストンの上死点および下死点の位置を可変とする可変機構と、
   を備え、
   前記可変機構が、
   前記クロスヘッドに設けられ、前記ピストンロッドの端部が進入された油圧室と、
   前記油圧室に作動油を供給、もしくは、前記油圧室から作動油を排出し、前記ピストンロッドの端部の、前記油圧室に対する前記ストローク方向の進入位置を調整する油圧調整機構と、
   内部に作動油が導かれるポンプシリンダと、前記ポンプシリンダ内を前記ストローク方向に移動するとともに一端が前記ポンプシリンダから突出するプランジャとを有し、前記プランジャが前記ポンプシリンダ内に押し込まれることで、前記ポンプシリンダ内の作動油を前記油圧室に供給するプランジャポンプと、
   前記プランジャポンプの前記ストローク方向の移動に伴って前記プランジャに接触する第１カム板と、前記第１カム板を移動させ、前記第１カム板の姿勢もしくは前記プランジャに対する相対位置を変化させる第１アクチュエータとを備えるクロスヘッド型エンジン。
2. 前記第１カム板が、前記プランジャの一端に接触する傾斜面を有し、前記第１アクチュエータが、前記第１カム板を前記ストローク方向と交差する方向に移動させる請求項１に記載のクロスヘッド型エンジン。
3. 前記油圧調整機構が、前記油圧室から排出された作動油が流通する内部流路が形成された本体と、前記内部流路を前記ストローク方向に移動して前記内部流路を閉塞する閉位置と前記内部流路における作動油の流通を可能とする開位置とに変位する弁体と、一端が前記弁体と前記ストローク方向に対向するとともに他端が前記本体から突出するロッドとを有し、前記ロッドが前記本体内に押し込まれることで、前記弁体が前記ロッドに押圧されて開位置に変位するスピル弁をさらに備え、
   前記スピル弁が、前記クロスヘッドとともに前記ストローク方向に移動し、前記クロスヘッドの往復移動の力に対向する反力を受けて前記ロッドが前記本体内に押し込まれる請求項１または２に記載のクロスヘッド型エンジン。
4. 前記油圧調整機構が、前記スピル弁の前記ストローク方向の移動に伴って前記ロッドに接触する第２カム板と、前記第２カム板を移動させ、前記第２カム板の姿勢もしくは前記ロッドに対する相対位置を変化させる第２アクチュエータと、をさらに備え、
   前記ロッドは、前記第２カム板の姿勢もしくは相対位置に応じて、前記第２カム板との前記ストローク方向における接触位置が変化するとともに、前記接触位置によって前記スピル弁に対する最大押し込み量が設定される請求項３に記載のクロスヘッド型エンジン。
5. 前記第２カム板が、前記ロッドの一端に接触する傾斜面を有し、
   前記第２アクチュエータが、前記第２カム板を前記ストローク方向と交差する方向に移動させる請求項４に記載のクロスヘッド型エンジン。

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