JP6451485B2 - 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。

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機構となっている。

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あって、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。

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おそれがある。

本発明は、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、本発明の、ピストンが固定されるピストンロッドの一端、および、クランクシャフトに連結される連接棒の一端が、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は、クロスヘッドが、連接棒の一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、ピストンロッドの一端側が挿入されるとともに、ピストンロッドの一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一端側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、を備えたことを特徴とする。

変形抑止層は、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てもよい。

変形抑止層は、クロスヘッドピンに形成された空隙であってもよい。

クロスヘッドピンよりも強度の高い変形抑止部材が、変形抑止層と油圧室との間に配置されてもよい。

本発明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示す説明図である。 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説明図である。 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説明図である。 変形抑止層を説明するための説明図である。 変形例における変形抑止層および円筒部材を説明するための説明図である。

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、２行程で１サイクルを完結するエンジン（２サイクルエンジン、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サイクルエンジン１００（クロスヘッド型エンジン）の全体構成を示す説明図である。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の上端が固定されている。また、ピストンロッド１１２ａの下端（一端）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の一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の一端を支持している。このように、ピストン１１２が固定されるピストンロッド１１２ａの一端、および、クランクシャフト１１８に連結される連接棒１１６の一端が、クロスヘッド１１４を介して接続されている。

また、連接棒１１６の他端は、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が回転することとなる。

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。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内の差圧をもって掃気ポート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、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。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とに囲繞された燃焼室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ものとする。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、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２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説明図であり、図２（ａ）には、図１の一点鎖線部分を抽出した拡大図を示し、図２（ｂ）には、図２（ａ）のＩＩ（ｂ）―ＩＩ（ｂ）線断面を示す。

図２（ａ）、（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の一端が挿入される。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２（ｂ）中、左右方向）に垂直に延在する連結穴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の一端が挿入（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の一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の外径が一端よりも大きい大径部１６２ａと、大径部１６２ａよりも一端側に位置し、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２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に挿入可能な寸法関係となっている。

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が上端側から挿通される。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に固定蓋１６６が当接する。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に固定されている。

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繞される。

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によって囲繞される。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３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説明図であり、図３（ａ）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３（ｂ）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３（ａ）の状態を維持可能となっている。

そして、図３（ａ）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３（ｂ）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。

すなわち、クロスヘッドピン１１４ａに設けられた油圧室１６８は、ピストンロッド１１２ａの一端側が挿入されるとともに、ピストンロッド１１２ａの一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を可変としている。

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が変形することがある。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を説明するための説明図であり、クロスヘッドピン１１４ａの図３（ａ）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。緩衝穴１７２は、ピストンロッド１１２ａの周方向に間隔を維持して複数形成され、油圧室１６８の径方向外側まで延在している（図３（ａ）、（ｂ）参照）。

変形抑止層１７０は、クロスヘッド１１４のうち、緩衝穴１７２が形成された部分の層であって、油圧室１６８に挿入されたピストンロッド１１２ａの一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、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５は、変形例における変形抑止層２７０および円筒部材２７２、３７２、４７２を説明するための説明図である。図５（ａ）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によって囲繞されて形成される。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５（ｂ）、（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ことから、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５（ｂ）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それぞれの部材内部には残留応力が生じている。

図５（ｃ）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の範囲に抑えられて、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は、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を燃焼室１３２の内周面に嵌入してもよい。この場合、円筒部材３７２、４７２によって変形が抑制されることから、変形抑止層１７０によって変形抑止層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、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。

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 円筒部材（変形抑止部材）
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一端、および、クランクシャフトに連結される連接棒の一端が、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、
   前記クロスヘッドは、
   前記連接棒の一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一端側が挿入されるとともに、該ピストンロッドの一端側に油圧を作用させて、前記ピストンと該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一端側の径方向外方に位置し、該油圧室内の油圧による該クロスヘッドピンの変形を抑止する変形抑止層と、
   を備えたことを特徴とするクロスヘッド型エンジン。
2. 前記変形抑止層は、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ことを特徴とする請求項１に記載のクロスヘッド型エンジン。
3. 前記変形抑止層は、前記クロスヘッドピンに形成された空隙であることを特徴とする請求項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ことを特徴とする請求項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。

Images