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KR102312788B1 - 선박용 엔진 - Google Patents

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KR102312788B1
KR102312788B1 KR1020207021327A KR20207021327A KR102312788B1 KR 102312788 B1 KR102312788 B1 KR 102312788B1 KR 1020207021327 A KR1020207021327 A KR 1020207021327A KR 20207021327 A KR20207021327 A KR 20207021327A KR 102312788 B1 KR102312788 B1 KR 102312788B1
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요시유키 우메모토
도시히코 시미즈
다카히로 다키모토
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가부시키가이샤 아이에이치아이
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Abstract

선박용 엔진(100)은, 피스톤과, 엔진 회전수가, 미리 설정된 공진 발생 범위에 포함될 때, 피스톤의 상사점 위치를 하사점 측으로 이동시키는 하강 처리를 수행하는 압축비 제어부(182)를 구비한다. 기하학적인 압축비를 내리므로, 연료 분사 타이밍이나 배기 밸브의 밸브폐쇄 타이밍을 지각 제어하는 경우와 비교하여, 열효율의 저하를 억제하면서, 회전축 시스템의 토션 진동의 공진 응력을 억제하는 것이 가능해진다.

Description

선박용 엔진
본 개시는, 선박용 엔진에 관한 것이다. 본 출원은 2018년 3월 16일에 제출된 일본국 특허 출원 제2018―050004호에 기초한 우선권의 이익을 주장하는 것이며, 그 내용은 본 출원에 포함된다.
선박용 엔진에서는, 크랭크샤프트(crankshaft) 등의 회전축 시스템에 피스톤으로부터 기진력(起振力; excitation force)이 가해지면, 토션(torsion; 비틀림) 진동이 생긴다. 엔진 회전수가 공진(共振) 발생 범위에 포함되면, 회전축 시스템이 공진할 우려가 있다. 그러므로, 공진 발생 범위를 포함하는 바드 레인지(barred range)가 설정되는 경우가 있다. 엔진 회전수가 바드 레인지에 들어가면, 엔진 회전수가 바드 레인지로부터 벗어나도록, 엔진 출력이 자동 제어된다. 바드 레인지에서의 항행(航行)이 유지될 수 없으므로, 조작성이 저하된다.
따라서, 특허문헌 1에서는, 연료 분사 타이밍 또는 연료 분사 기간을 변경하고, 크랭크샤프트의 토션 진동의 공진점(共振点) 근방에서의 기진 토크(excitation torque) 성분이 작아지도록 조정하는 기술이 개시되어 있다.
일본 특허 제3004307호 공보
특허문헌 1과 같이, 연료 분사 타이밍 또는 연료 분사 기간을 변경하여 기진 토크 성분을 작아지게 하는 경우, 열효율이 저하된다.
본 개시는, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 열효율의 저하를 억제하면서, 회전축 시스템의 토션 진동의 공진 응력을 억제할 수 있는 선박용 엔진을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 태양(態樣)에 관한 선박용 엔진은, 피스톤과, 엔진 회전수가, 미리 설정된 공진 발생 범위에 포함될 때, 피스톤의 상사점 위치를 하사점 측으로 이동시키는 하강 처리를 수행하는 압축비 제어부를 구비한다.
압축비 제어부는, 엔진 회전수가 공진 발생 범위에 포함될 때, 크랭크샤프트의 토션 응력(torsional stress)이, 크랭크샤프트의 허용 응력에 가까워지도록, 피스톤의 상사점 위치를 제어해도 된다.
선박용 엔진은, 크랭크샤프트의 회전 변동을 검출하는 검출부를 구비하고, 압축비 제어부는, 검출된 회전 변동으로부터 특정되는 토션 응력이 허용 응력에 가까워지도록, 피스톤의 상사점 위치를 피드백 제어해도 된다.
본 발명의 선박용 엔진에 의하면, 열효율의 저하를 억제하면서, 회전축 시스템의 토션 진동의 공진 응력을 억제하는 것이 가능해진다.
도 1은, 선박용 엔진의 전체 구성을 나타낸 설명도이다.
도 2는, 피스톤 로드와 크로스헤드핀(crosshead pin)과의 연결 부분을 추출한 추출도이다.
도 3는, 선박용 엔진의 기능 블록도이다.
도 4는, 바드 레인지를 설명하기 위한 도면이다.
도 5의 (a)는, 크랭크샤프트에 작용하는 토크와 압축비의 관계를 설명하기 위한 도면이다. 도 5의 (b)는, 도 5의 (a)에 나타낸 토크의 변동을 조화(調和) 해석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은, 실린더 내압(內壓)의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은, 압축비 제어부에 의한 하강 처리의 흐름을 나타낸 플로우차트이다.
이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다. 실시형태에 나타내는 치수, 재료, 그 외에 구체적인 수치 등은, 이해를 용이하게 하기 위한 예시에 지나지 않고, 특별히 한정하는 경우를 제외하고, 본 개시를 한정하는 것은 아니다. 그리고, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능, 구성을 가지는 요소에 대해서는, 동일한 부호를 부여함으로써 중복 설명을 생략한다. 또한, 본 개시에 직접 관계가 없는 요소(要素; component)는 도시를 생략한다.
도 1은, 선박용 엔진(100)의 전체 구성을 나타낸 설명도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 선박용 엔진(100)은, 실린더(110)와, 피스톤(112)과, 피스톤 로드(114)와, 크로스헤드(116)와, 연접봉(連接棒; connecting rod)(118)과, 크랭크샤프트(120)와, 플라이휠(122)과, 실린더 커버(124)와, 배기 밸브 케이스(126)와, 연소실(128)과, 배기 밸브(130)와, 배기 밸브 구동 장치(132)와, 배기관(134)과, 소기류(掃氣溜; scavenge reservoir)(136)와, 냉각기(138)와, 실린더 쟈켓(140)과, 연료 분사 밸브(142)를 포함하여 구성된다.
실린더(110) 내에 피스톤(112)이 설치된다. 피스톤(112)은, 실린더(110) 내를 왕복 이동한다. 피스톤(112)에는, 피스톤 로드(114)의 일단(一端)이 장착되어 있다. 피스톤 로드(114)의 타단에는, 크로스헤드(116)의 크로스헤드 핀(150)이 연결된다. 크로스헤드(116)는, 피스톤(112)과 함께 왕복 이동한다. 가이드 슈(guide shoe)(116a)에 의해, 크로스헤드(116)의 도 1 중, 좌우 방향[피스톤(112)의 스트로크 방향에 수직인 방향]의 이동이 규제된다.
크로스헤드 핀(150)은, 연접봉(118)의 일단에 설치된 크로스헤드 베어링(118a)에 축지지된다. 크로스헤드 핀(150)은, 연접봉(118)의 일단을 지지하고 있다. 피스톤 로드(114)의 타단과 연접봉(118)의 일단은, 크로스헤드(116)를 통해 접속된다.
연접봉(118)의 타단은, 크랭크샤프트(120)에 연결된다. 연접봉(118)에 대하여 크랭크샤프트(120)가 회전 가능하다. 피스톤(112)의 왕복 이동에 따라 크로스헤드(116)가 왕복 이동하면, 크랭크샤프트(120)가 회전한다.
크랭크샤프트(120)에는, 플라이휠(122)이 장착된다. 플라이휠(122)의 외주면(外周面) 근방에는, 회전 센서 Sa 및 펄스 카운터 Sb(검출부)가 설치된다. 회전 센서 Sa는, 엔진 회전수를 검출한다. 펄스 카운터 Sb는, 크랭크각을 검출한다. 예를 들면, 플라이휠(122)의 외주면에는 도시하지 않은 돌기가 소정 간격으로 복수 형성된다. 회전 센서 Sa, 펄스 카운터 Sb는, 플라이휠(122)의 돌기로부터 엔진 회전수, 크랭크각을 검출해도 된다.
실린더 커버(124)는, 실린더(110)의 상단(上端)에 설치된다. 실린더 커버(124)에는, 배기 밸브 케이스(126)가 삽통(揷通)된다. 배기 밸브 케이스(126)의 일단은, 피스톤(112)에 면하고 있다. 배기 밸브 케이스(126)의 일단에는, 배기 포트(126a)가 개구된다. 배기 포트(126a)는, 연소실(128)에 개구된다. 연소실(128)은, 실린더 커버(124)와 실린더(110)와 피스톤(112)에 위요(圍繞)되어 실린더(110)의 내부에 형성된다.
연소실(128)에는, 배기 밸브(130)의 밸브체가 위치한다. 배기 밸브(130)의 로드부에는, 배기 밸브 구동 장치(132)가 장착된다. 배기 밸브 구동 장치(132)는, 배기 밸브 케이스(126)에 배치된다. 배기 밸브 구동 장치(132)는, 배기 밸브(130)를 피스톤(112)의 스트로크 방향으로 이동시킨다.
배기 밸브(130)가 피스톤(112) 측으로 이동하여 밸브를 개방하면, 실린더(110) 내에서 생긴 연소 후의 배기 가스가, 배기 포트(126a)로부터 배기된다. 배기 후, 배기 밸브(130)가 배기 밸브 케이스(126) 측으로 이동하여, 배기 포트(126a)가 밸브폐쇄된다.
배기관(134)은, 배기 밸브 케이스(126) 및 과급기(過給機; supercharger)(C)에 장착된다. 배기관(134)의 내부는, 배기 포트(126a) 및 과급기(C)의 터빈과 연통된다. 배기 포트(126a)로부터 배기된 배기 가스는, 배기관(134)을 통해 과급기(C)의 터빈(도시하지 않음)에 공급된 후, 외부로 배기된다.
또한, 과급기(C)의 압축기(도시하지 않음)에 의해, 활성 가스가 가압된다. 여기서, 활성 가스는, 예를 들면, 공기이다. 가압된 활성 가스는, 소기류(scavenge reservoir)(136)에 있어서, 냉각기(138)에 의해 냉각된다. 실린더(110)의 하단(下端)은, 실린더 쟈켓(140)과 위요된다. 실린더 쟈켓(140)의 내부에는, 소기실(掃氣室; scavenge chamber)(140a)이 형성된다. 냉각 후의 활성 가스는, 소기실(140a)에 압입(壓入)된다.
실린더(110)의 하단 측에는, 소기 포트(110a)가 설치된다. 소기 포트(110a)는, 실린더(110)의 내주면으로부터 외주면까지 관통하는 구멍이다. 소기 포트(110a)는, 실린더(110)의 주위 방향으로 이격되어 복수 설치되어 있다.
피스톤(112)이 소기 포트(110a)보다 하사점 측으로 이동하면, 소기실(140a)과 실린더(110) 내의 차압(差壓)에 의해, 소기 포트(110a)로부터 실린더(110) 내에 활성 가스가 흡입된다.
또한, 실린더 커버(124)에는, 연료 분사 밸브(142)가 설치된다. 연료 분사 밸브(142)의 선단은 연소실(128) 측을 향해진다. 연료 분사 밸브(142)는, 연소실(128)에 액체 연료(연료 오일)를 분출한다. 액체 연료가 연소되고, 그 팽창압에 의해 피스톤(112)이 왕복 이동한다.
도 2는, 피스톤 로드(114)와 크로스헤드 핀(150)과의 연결 부분을 추출한 추출도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 크로스헤드 핀(150) 중, 피스톤(112) 측의 외주면에는, 평면부(152)가 형성된다. 평면부(152)는, 피스톤(112)의 스트로크 방향에 대하여, 대강 수직인 방향으로 연장된다.
크로스헤드 핀(150)에는, 핀홀(pin hole)(154)이 형성된다. 핀홀(154)은, 평면부(152)에 개구된다. 핀홀(154)은, 평면부(152)로부터 스트로크 방향을 따라 크랭크샤프트(120) 측(도 2 중, 하측)으로 연장된다.
크로스헤드 핀(150)의 평면부(152)에는, 커버 부재(160)가 설치된다. 커버 부재(160)는, 체결 부재(162)에 의해 크로스헤드 핀(150)의 평면부(152)에 장착된다. 커버 부재(160)는, 핀홀(154)을 덮는다. 커버 부재(160)에는, 스트로크 방향으로 관통하는 커버 구멍(160a)이 형성된다.
피스톤 로드(114)는, 대경부(大徑部)(114a) 및 소경부(小徑部)(114b)를 구비한다. 대경부(114a)의 외경(外徑)은, 소경부(114b)의 외경보다 크다. 대경부(114a)는, 피스톤 로드(114)의 타단에 형성된다. 대경부(114a)는, 크로스헤드 핀(150)의 핀홀(154)에 삽통된다. 소경부(114b)는, 대경부(114a)보다 피스톤 로드(114)의 일단측에 형성된다. 소경부(114b)는, 커버 부재(160)의 커버 구멍(160a)에 삽통된다.
유압실(154a)은, 핀홀(154)의 내부에 형성된다. 핀홀(154)은, 대경부(114a)에 의해 스트로크 방향으로 구획된다. 유압실(154a)은, 대경부(114a)에 의해 칸막이 된 핀홀(154)의 바닥면(154b) 측의 공간이다.
바닥면(154b)에는, 오일 통로(oil passage)(156)의 일단이 개구된다. 오일 통로(156)의 타단은, 크로스헤드 핀(150)의 외부에 개구된다. 오일 통로(156)의 타단에는, 유압(油壓) 배관(170)이 접속된다. 유압 배관(170)에는, 유압 펌프(172)가 연통된다. 유압 펌프(172)와 오일 통로(156)와의 사이에 체크 밸브(174)가 설치된다. 체크 밸브(174)에 의해 오일 통로(156) 측으로부터 유압 펌프(172) 측으로의 작동유의 흐름이 억제된다. 유압 펌프(172)로부터 오일 통로(156)를 통해 유압실(154a)에 작동유가 압입된다.
또한, 유압 배관(170) 중, 오일 통로(156)와 체크 밸브(174)의 사이에는 분기(branching) 배관(176)이 접속된다. 분기 배관(176)에는, 전환 밸브(178)가 설치된다. 전환 밸브(178)는, 예를 들면, 전자(電磁) 밸브이다. 유압 펌프(172)의 작동 중, 전환 밸브(178)는 밸브폐쇄된다. 유압 펌프(172)의 정지(停止) 중, 전환 밸브(178)가 밸브를 개방하면, 유압실(154a)로부터 분기 배관(176) 측에 작동유가 배출된다. 전환 밸브(178) 중, 오일 통로(156)와 반대측은, 도시하지 않은 오일 탱크와 연통된다. 배출된 작동유는, 오일 탱크에 저류로 된다. 오일 탱크는, 유압 펌프(172)에 작동유를 공급한다.
유압실(154a)의 작동유의 오일량에 따라, 대경부(114a)가 스트로크 방향으로 핀홀(154)의 내주면(內周面)을 슬라이딩한다. 그 결과, 피스톤 로드(114)가 스트로크 방향으로 이동한다. 피스톤(112)는, 피스톤 로드(114)와 일체로 이동한다. 이와 같이 하여, 피스톤(112)의 상사점 위치가 가변으로 된다.
즉, 선박용 엔진(100)은, 압축비 가변(可變) 기구(機構)(V)를 구비한다. 압축비 가변 기구(V)는, 상기한 유압실(154a), 및 피스톤 로드(114)의 대경부(114a)를 포함하여 구성된다. 압축비 가변 기구(V)는, 피스톤(112)의 상사점 위치를 이동시킴으로써, 압축비를 가변으로 한다.
여기서는, 1개의 유압실(154a)이 설치되는 경우에 대하여 설명하였다. 그러나, 대경부(114a)에 의해 칸막이 된 핀홀(154) 중, 커버 부재(160) 측의 공간도 유압실로 해도 된다. 이 유압실은, 유압실(154a)과 병용되어도, 단독으로 이용되어도 된다.
도 3은, 선박용 엔진(100)의 기능 블록도이다. 도 3에서는, 주로 압축비 가변 기구(V)의 제어에 관한 구성을 나타낸다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 선박용 엔진(100)은, 제어 장치(180)를 구비한다. 제어 장치(180)는, 예를 들면, ECU(Engine Control Unit)로 구성된다. 제어 장치(180)는, 중앙 처리 장치(CPU), 프로그램 등이 저장된 ROM, 공작물 영역으로서의 RAM 등으로 구성되고, 선박용 엔진(100) 전체를 제어한다. 또한, 제어 장치(180)는, 압축비 제어부(182)로서 기능한다.
압축비 제어부(182)는, 유압 펌프(172) 및 전환 밸브(178)를 제어하여, 피스톤(112)의 상사점 위치를 이동시킨다. 구체적으로, 제어 장치(180)는, 회전 센서 Sa로부터 엔진 회전수를 나타내는 신호를 수신한다. 제어 장치(180)는, 펄스 카운터 Sb로부터 크랭크각을 나타내는 신호를 수신한다. 그리고, 압축비 제어부(182)는, 회전 센서 Sa로부터의 신호가 나타내는 엔진 회전수가, 미리 설정된 공진 발생 범위에 포함될 때, 피스톤(112)의 상사점 위치를 하사점 측으로 이동시키는 하강 처리를 수행한다.
도 4는, 바드 레인지(A)를 설명하기 위한 도면이다. 도 4 중, 가로축은 엔진 회전수를 나타내고, 세로축은 크랭크샤프트(120) 등의 회전축 시스템에 작용하는 토션 응력을 나타낸다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 회전축 시스템에는, 엔진 회전수에 따라, 토션 응력의 허용 응력(도 4 중, 허용 응력선 τ1), 및 한계 응력(도 4 중, 한계 응력선 τ2)이 설치된다. 허용 응력은, 안전하게 사용할 수 있는 범위 내에 있는 응력의 한계값이다. 한계 응력은, 파기되지 않고 견딜 수 있는 최대 한도의 응력이다.
회전축 시스템에 피스톤(112)으로부터 기진력이 가해지면, 토션 진동이 생긴다. 이 때, 회전축 시스템이 공진하여 버리면, 토션 응력(도 4 중, 고압축비 토션 응력 τa, 저압축비 토션 응력 τb)이 극단적으로 상승해 버린다. 그러므로, 종래의 선박용 엔진에서는, 설계에 따라서는, 토션 응력이 허용 응력을 초과하여 버릴 가능성이 있었다.
이와 같은 설계의 선박용 엔진에서는, 바드 레인지(A)가 형성된다. 엔진 회전수가 바드 레인지(A)에 들어가면, 엔진 회전수가 바드 레인지(A)로부터 벗어나도록, 엔진 출력이 자동 제어된다. 그러므로, 토션 응력의 상승 구간이 단축된다. 그러나, 바드 레인지(A)에서의 항행이 유지될 수 없으므로, 조작성이 저하된다.
도 5의 (a)는, 크랭크샤프트(120)에 작용하는 토크와 압축비의 관계를 설명하기 위한 도면이다. 도 5의 (b)는, 도 5의 (a)에 나타낸 토크의 변동을 조화 해석한 결과를 나타낸 도면이다. 도 5의 (a), 도 5의 (b) 중, 세로축은 크랭크샤프트(120)에 작용하는 토크를 나타낸다. 도 5의 (a), 도 5의 (b) 중, 가로축은 크랭크각을 나타낸다.
도 5의 (b)에서는, 3차 성분까지를 도시하고, 4차 성분 이후는 도시를 생략한다. 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이, 1차 성분, 2차 성분, 3차 성분과 고차(高次) 성분이 되는 만큼, 진폭은 작아지게 된다. 즉, 도 5의 (a)에 나타낸 해석원(analysis source)의 토크의 변동에서의 진폭에 대한 영향은, 1차 성분이 가장 크다.
1차 성분에서의 진폭은, 도 5의 (b)에 파선(破線)으로 나타내는 저압축비의 경우, 실선으로 나타낸 고압축비의 경우보다 작다. 이것은, 압축비를 내림으로써, 기진력(기진 토크)이 억제된 것을 나타낸다. 토크의 변동에 기인하는 상기한 토션 응력도, 저압축비의 경우에는, 고압축비의 경우보다 작아지게 된다.
따라서, 압축비 제어부(182)는, 회전 센서 Sa로부터의 신호가 나타내는 엔진 회전수가, 미리 설정된 공진 발생 범위에 포함될 때, 피스톤(112)의 상사점 위치를 하사점 측으로 이동시키는 하강 처리를 수행한다. 공진 발생 범위는, 예를 들면, 토션 응력이 허용 응력을 초과하여 버릴 가능성이 있는 엔진 회전수의 범위이다.
예를 들면, 도 4에 나타낸 바드 레인지(A)가 공진 발생 범위로서 설정되어 있는 것으로 한다. 도 4에서는, 고압축비 토션 응력 τa가, 허용 응력선 τ1을 초과한다. 이 경우, 압축비 제어부(182)는, 크랭크샤프트(120)의 토션 응력이, 크랭크샤프트(120)의 허용 응력에 가까워지도록, 피스톤(112)의 상사점 위치를 하사점 측으로 이동시킨다(하강 처리).
구체적으로, 펄스 카운터 Sb로부터의 신호에 의해 크랭크각이 특정되므로, 그 변동으로부터 크랭크샤프트(120)의 회전 변동이 특정된다. 즉, 펄스 카운터 Sb는, 크랭크샤프트(120)의 회전 변동을 검출하는 검출부로서 기능한다. 압축비 제어부(182)는, 펄스 카운터 Sb에 의해 검출된 회전 변동으로부터 토션 응력을 도출한다. 그리고, 압축비 제어부(182)는, 토션 응력이 허용 응력에 가까워지도록, 피스톤(112)의 상사점 위치를 피드백 제어한다.
예를 들면, 도 4에 나타낸 예에서는, 고압축비 토션 응력 τa가 허용 응력선τ1을 초과하지 않도록, 피스톤(112)의 상사점 위치가 하사점 측으로 이동한다. 단, 피드백 제어에 의해, 토션 응력은, 허용 응력선 τ1보다 크게 하회하지 않고 허용 응력선 τ1 근방에 위치한다.
이와 같이, 압축비 제어부(182)가 하강 처리를 수행하므로, 공진이 발생해도 토션 응력이 억제된다. 그러므로, 상기한 바와 같이, 엔진 회전수가 바드 레인지(A)로부터 벗어나도록, 엔진 출력이 자동 제어될 필요가 없다. 즉, 바드 레인지(A)에서의 항행도 유지 가능해지므로, 조작성이 향상된다.
또한, 상기한 피드백 제어에 의해, 피스톤(112)의 상사점 위치가 하사점 측으로 이동하는 것이 회피된다. 즉, 토션 응력이 허용 응력선τ1 이하로 되는 범위에서, 가능한 한 압축비가 높게 유지된다. 압축비가 높게 유지됨으로써 열효율의 저하가 억제된다.
도 6은, 실린더 내압의 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 6 중, 세로축은 실린더 내압을 나타내고, 가로축은 크랭크각을 나타낸다. 도 6에 파선으로 나타낸 바와 같이, 바드 레인지(A)가 설정되어 있지 않은 경우, 그대로는 실린더 내압은 압력 Pmax―b까지 상승한다. 그 결과, 상기한 바와 같이, 설계에 따라서는, 토션 응력 τa가 허용 응력을 초과하여 버릴 가능성이 있다.
따라서, 연료 분사 타이밍을 지각 제어(retarding control)하는 것을 생각할 수 있다. 예를 들면, 파선의 범례에서의 연료 분사 타이밍 Tab보다 늦은 연료 분사 타이밍 Tc를 채용한 것으로 한다. 이 경우, 도 6에 1점 쇄선(鎖線)으로 나타낸 바와 같이, 실린더 내압은 압력 Pmax ―c까지 억제된다. 그러나, 연소 전방의 실린더 내압 Pbc가 변함없이 압력 Pmax ―c가 저하되므로, 폭발도(degree of explosion)(Pmax―c/Pbc)가 저하된다.
상기한 하강 처리에 의해 압축비가 저하된 경우, 도 6 중, 실선으로 나타낸 바와 같이, 연소 전방의 실린더 내압 Pa가 저하된다. 또한, 실린더 내압의 최고 압력도 압력 Pmax ―a까지 저하된다. 그 결과, 연료 분사 타이밍을 지각 제어한 경우에 비하여, 폭발도도 높아진다. 즉, 열효율의 저하가 억제된다.
또한, 압축비 가변 기구(V)를 구비하지 않고 배기 밸브(130)의 밸브폐쇄 타이밍을 지각 제어하는 경우를 생할 수 있다. 이 경우, 기하학적인 압축비는 가변할 수 없지만, 이론 압축비를 내릴 수 있다. 여기서, 바드 레인지(A)는, 상용역(常用域)을 피해 저부하 영역으로 되도록, 회전축 시스템이 설계된다. 저부하 영역에서는 과급기(C)가 충분히 기능하지 않으므로, 소기실(140a)의 공기가 충분히 압축되지 않는다. 그러므로, 연소실(128) 내의 공기량이 저하하기 쉽다. 이와 같은 상황에서, 배기 밸브(130)의 밸브폐쇄 타이밍을 지각 제어하면, 연소실(128) 내의 공기량이 더 감소하여 열효율이 악화된다.
선박용 엔진(100)에서는, 상기한 바와 같이, 압축비 가변 기구(V)에 의해 압축비를 내리므로, 연료 분사 타이밍이나 배기 밸브(130)의 밸브폐쇄 타이밍을 지각 제어하는 경우와 비교하여, 열효율의 저하를 억제하면서, 회전축 시스템의 토션 진동의 공진 응력을 억제하는 것이 가능해진다.
도 7은, 압축비 제어부(182)에 의한 하강 처리의 흐름을 나타낸 플로우차트이다. 도 7에 나타낸 처리는, 소정 주기로 반복하여 실행된다.
(S200)
압축비 제어부(182)는, 엔진 회전수가 공진 발생 범위에 포함되는지의 여부를 판정한다. 공진 발생 범위에 포함되면, (S202)로 처리를 이행한다. 공진 발생 범위에 포함되지 않으면, 상기 하강 처리를 종료한다.
(S202)
압축비 제어부(182)는, 펄스 카운터 Sb에 의해 검출된 회전 변동으로부터 토션 응력을 도출한다.
(S204)
압축비 제어부(182)는, 토션 응력이 허용 응력을 초과하지 않는 범위에서 허용 응력에 가까워지도록, 피스톤(112)의 상사점 위치를 피드백 제어하고, 상기 하강 처리를 종료한다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 일 실시 형태에 대하여 설명하였으나, 본 개시는 상기 실시형태에 한정되지 않는 것은 물론이다. 당업자이면, 특허 청구의 범위에 기재된 범주에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 이를 수 있는 것은 명백하고, 이들에 대해서도 당연하게 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.
예를 들면, 전술한 실시형태에서는, 2사이클형, 유니플로우(uniflow) 소기식(掃氣式; scavenging type), 크로스헤드형(crosshead type)의 선박용 엔진(100)을 예로 들어 설명하였다. 그러나, 엔진의 종류는, 2사이클형, 유니플로우 소기식, 크로스헤드형에 한정되지 않는다. 적어도 선박용 엔진이면 된다.
또한, 전술한 실시형태에서는, 액체 연료가 사용되는 경우에 대하여 설명하였다. 그러나, 예를 들면, 기체(氣體) 연료가 이용되어도 된다. 이 경우, 연료 분사 밸브(142)에 더하여, 기체 연료 분사 밸브가, 소기 포트(110a) 근방, 또는 실린더(110) 중, 소기 포트(110a)로부터 실린더 커버(124)까지의 부위에 설치된다. 연료 가스는, 기체 연료 분사 밸브로부터 분사(噴射)된 후, 실린더(110) 내로 유입된다. 연료 분사 밸브(142)로부터 소량의 액체 연료가 분사되면, 그 연소열에 의해, 연료 가스 및 활성 가스의 혼합기(混合氣)가 착화되어 연소한다. 연료 가스는, LNG, LPG(액화 석유 가스), 경유, 중유 등을 가스화한 것이다. 또한, 선박용 엔진(100)은, 예를 들면, 기체 연료와 액체 연료를 구분하는 듀얼 연료형이라도 된다.
또한, 전술한 실시형태에서는, 압축비 제어부(182)는, 엔진 회전수가 공진 발생 범위에 포함될 때, 크랭크샤프트(120)의 토션 응력이, 크랭크샤프트(120)의 허용 응력에 가까워지도록, 피스톤(112)의 상사점 위치를 제어하는 경우에 대하여 설명하였다. 그러나, 압축비 제어부(182)는, 적어도, 엔진 회전수가 공진 발생 범위에 포함될 때, 피스톤(112)의 상사점 위치를 하사점 측으로 이동시키는 하강 처리를 수행하면 된다.
또한, 전술한 실시형태에서는, 압축비 제어부(182)는, 검출된 회전 변동으로부터 특정되는 토션 응력이 허용 응력에 가까워지도록, 피스톤(112)의 상사점 위치를 피드백 제어하는 경우에 대하여 설명하였다. 그러나, 피드백 제어가 행해지지 않아도 된다.
또한, 전술한 실시형태에서는, 압축비 제어부(182)는, 회전 센서 Sa로부터의 신호가 나타내는 엔진 회전수가, 미리 설정된 공진 발생 범위에 포함될 때, 하강 처리를 수행하는 경우에 대하여 설명하였다. 그러나, 압축비 제어부(182)는, 엔진 회전수 대신에 엔진 회전수에 대강 연동(連動)하는 것 외의 파라미터를 사용해도 된다. 어느 것으로 해도, 엔진 회전수가 미리 설정된 공진 발생 범위에 포함될 때, 하강 처리가 수행되면 된다.
또한, 전술한 실시형태에서는, 압축비 가변 기구(V)의 일례를 나타냈으나, 압축비 가변 기구는, 피스톤(112)의 상사점 위치를 바꾸어 압축비를 변경할 수 있으면, 어떠한 구성이라도 된다. 예를 들면, 유압 펌프(172) 대신에, 일본 공개특허 제2016-211462호 공보에 기재된 것과 같은 유압 발생 장치가 설치되어도 된다.
[산업 상의 이용 가능성]
본 개시는, 선박용 엔진에 이용할 수 있다.
100: 선박용 엔진, 112: 피스톤, 120: 크랭크샤프트, 182: 압축비 제어부, Sb: 펄스 카운터(검출부)

Claims (3)

  1. 피스톤; 및
    엔진 회전수가, 미리 설정된 공진(共振) 발생 범위에 포함될 때, 크랭크샤프트(crankshaft)의 토션 응력(torsional stress)이 상기 크랭크샤프트의 허용 응력을 초과하지 않도록, 상기 피스톤의 상사점 위치를 하사점 측으로 이동시키는 하강 처리를 수행하는 압축비 제어부;
    를 포함하고,
    상기 압축비 제어부는, 상기 하강 처리에 있어서, 상기 토션 응력이 상기 허용 응력을 초과하지 않는 범위에서 상기 허용 응력에 가까워지도록, 상기 피스톤의 상사점 위치를 제어하는,
    선박용 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 크랭크샤프트의 회전 변동을 검출하는 검출부를 더 포함하고,
    상기 압축비 제어부는, 상기 하강 처리에 있어서, 검출된 상기 회전 변동으로부터 특정되는 상기 토션 응력이 상기 허용 응력을 초과하지 않는 범위에서 상기 허용 응력에 가까워지도록, 상기 피스톤의 상사점 위치를 피드백 제어하는, 선박용 엔진.
  3. 삭제
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