(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
船舶内に少なくとも１つのクランク軸（２）とプロペラ軸を備える軸装置を装備した２行程クロスヘッドエンジン（１）であって、多数のシリンダ（Ｃ）と最大連続定格（ＭＣＲ）とを有し、エンジンの軸装置が１つのノードを有する捩れ振動に対する固有振動数を有する、２行程クロスヘッドエンジンにおいて、ＭＣＲがエンジンの最大連続定格であり、Ｃをエンジンのシリンダ数とするならば、ｍがＣ／３≦ｍ≦Ｃ−２の範囲内の整数であるとき、プロペラ（４）を備える軸装置が、１つのノードを有する捩れ振動モードに対する固有振動数がＭＣＲ×ｍの８０％乃至１１０％の範囲にあるような剛性を有し、ｍが前記整数であるとき、軸装置における少なくとも第ｍオーダの調和捩れ振動が最小となるように、エンジンの着火順序が決定されることを特徴とする、２行程クロスヘッドエンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の２行程クロスヘッドエンジンにおいて、エンジンのシリンダ（Ｃ）数が７であり、ｍが４又は３であることを特徴とする、２行程クロスヘッドエンジン。
【請求項３】
請求項１に記載の２行程クロスヘッドエンジンおいて、プロペラ（４）を備える軸装置が、１つのノードを有する捩れ振動モードの固有振動数がＭＣＲ×ｍの値の９８％乃至１０２％の範囲にあるような剛性を有することを特徴とする、２行程クロスヘッドエンジン。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１つによる２行程クロスヘッドエンジンにおいて、エンジン（１）が７つのシリンダを有し、これらのシリンダの着火角度は、シリンダ１について３５９．５°乃至０．５°の範囲、シリンダ７について５１．０°乃至５２．０°の範囲、シリンダ２について１０４．０°乃至１０５．０°の範囲、シリンダ５について１５２．５°乃至１５３．５°の範囲、シリンダ４について２０７．５°乃至２０８．５°の範囲、シリンダ３について２５５．２°乃至２５６．４°の範囲、及びシリンダ６について３０９．７°乃至３１０．７°の範囲にあり、該シリンダは、エンジンの非駆動端から数えて番号をＮｏ．１として番号が付されることを特徴とする、２行程クロスヘッドエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、船舶内に少なくとも１つのクランク軸と、プロペラ軸とを備える軸装置を具備する２行程クロスヘッドエンジンであって、多数のシリンダと、最大連続定格（ＭＣＲ）とを有し、エンジンの軸装置が１つのノードを有する捩れ振動に対する固有振動数を有した、２行程クロスヘッドエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかる推進エンジンに関して、ＭＣＲ、すなわち最大連続定格という語は、エンジンが全エンジン負荷時（１００％負荷）における回転数（ｒｐｍ）に関する伝統的な用語である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
中間の歯車無しにプロペラに直結的に接続されたかかるエンジンの場合、軸装置の長さがプロペラから所望の距離にてエンジンの位置に達するような設計の軸装置を提供することは難しいと考えられる。この問題点は、エンジン室が船尾に配置されて、比較的短い軸装置に対する空間のみを許容するとき、特に顕著となる。軸の長さが比較的短いことは、捩れ振動に対する固有振動数が比較的高い、リジッドな（剛性な）軸装置となる。調整ホイールを軸装置の前端に接続することにより、これをある程度補償することは可能であるが、特に、調整ホイールが能動的な液圧型（捩れ振動ダンパー）であるとき、このことはコスト高につながる。
【０００４】
本発明の目的は、振動に関して、軸装置の長さを利用可能な空間に適応させるべく、より大きい自由度を持つ軸装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的に鑑みて、本発明によるエンジンは、ＭＣＲがエンジンの最大連続定格で、Ｃをエンジンのシリンダ数とするならば、ｍがＣ／３≦ｍ≦Ｃ−２の範囲内の整数であるとき、プロペラを備える軸装置が、１つのノードを有する捩れ振動モードに対する固有振動数がＭＣＲ×ｍの８０％乃至１１０％の範囲にあるような剛性を有することを特徴とする。
【０００６】
始動するエンジンが運転速度まで加速すると、軸装置の固有振動数は主振動オーダ（Ｃｘエンジンの回転数（ｒｐｍ）に等しい振動数を有する、いわゆる主要な臨界的オーダ）により急速に抜かれる。軸装置の固有振動数は、ＭＣＲにてＣ×速度（ｒｐｍ）よりも遥かに低いことが好都合である。軸装置に能動的ダンパーを強力に作動させるこれまで通りの必要性を誘発させることなく、軸装置が剛性のままでいられるように、軸装置の固有振動数を制御するために軸装置の剛性が利用される。
【０００７】
１つの好ましい実施の形態において、エンジンのシリンダ数は７であり、ｍは４又は３である。この組み合せは、中間軸を何ら使用することなく、プロペラ軸に直結的に接続されたクランク軸のような、短い軸装置と共に７つのシリンダ推進エンジンを使用することを許容する。
【０００８】
主要な臨界的オーダ以外の振動オーダから得られる捩れ振動を最小にすることが好都合であり、また、このことは、軸装置上に取り付けられた能動的ダンパーによって実現することもできるが、ｍが上述した整数であるとき、本発明に従って、軸装置における少なくとも第ｍオーダの調和捩れ振動が最小となるように、エンジンの着火順序を決定することが特に好都合である。着火順序を適応させることにより特定の状態において選択された振動オーダを最小にするための計算方法は、例えば、日本国特許公開第７−９１２７４号及びデンマーク国特許第１７１６８７号から公知である。最小化は、能動ダンパーの寸法を小さくすることが可能であり、又ダンパーをより簡単な型式に変更し又は完全に省略することさえも可能であることを意味する。
【０００９】
第ｍオーダ（第ｍ次）捩れ振動を最小にすべく着火順序を適応させることにより、プロペラを備える軸装置は、１つのノードを有する捩れ振動モードの固有振動数がＭＣＲ×ｍ値の９８％乃至１０２％の範囲にあるような、剛性を有することができる。このように、第ｍオーダの捩れ振動はＭＣＲにて共振するが、その他の振動オーダがＭＣＲから可能な限り離れているという顕著な利点が得られる一方にて、この振動オーダは最小とされるため、かかる共振は許容可能である。
【００１０】
１つの実施の形態において、エンジンは７つのシリンダを有しており、これらのシリンダの着火角度は、シリンダ１については３５９．５°乃至０．５°の範囲、シリンダ７については５１．０°乃至５２．０°の範囲、シリンダ２については１０４．０°乃至１０５．０°の範囲、シリンダ５については１５２．５°乃至１５３．５°の範囲、シリンダ４については２０７．５°乃至２０８．５°の範囲、シリンダ３については２５５．２°乃至２５６．４°の範囲、及びシリンダ６については３０９．７°乃至３１０．７°の範囲にある。これらのシリンダは、エンジンの非駆動端から数えて１番目のシリンダに番号をＮｏ．１として番号が付してある。この着火順序の場合、第４オーダの捩れ振動は極めて顕著に最小とされ、このため、軸装置の固有振動数を４で割った値がＭＣＲに等しくなり、第４オーダの捩れ振動の共振点にてエンジンは連続的に作動する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明のエンジンの実施の形態に関して、極く概略図的な図面を参照しつつ、以下により詳細に説明する。
【００１２】
図１には、例えば、油及びガスの両者又はその何れか一方を燃料として使用することのできるディーゼル型の大口径の大形低速クロスヘッドエンジン１が図示されている。かかるエンジンの構造は周知であり、例えば、少なくとも５つのシリンダを有する、当該出願人のＭＣ型とすることができる。シリンダの口径は、例えば、２４乃至１００ｃｍの範囲とし、シリンダ当たりの出力は、３００乃至６０００ｋＷ以上の範囲とすることができる。このエンジンは、典型的に、インラインエンジンであるが、二重インラインエンジン又はＶエンジンとすることもできる。エンジンの軸装置は、プロペラ４を備えたプロペラ軸３と接続されるクランク軸２、プロペラ軸に対して直結的に又は少なくとも１つの中間軸５を介して随意に接続することのできるクランク軸２を備えている。所望であるならば、クランク軸とプロペラ軸との間に継手を更に介在させることができる。プロペラが可変ピッチのＣＣＰ型であるならば、クランク軸とプロペラ軸との間に油分配装置の軸６を設けることができ、この軸６を通じて、液圧流体をプロペラに又はプロペラから運び、そのプロペラのピッチを設定することができる。
【００１３】
図２には、剛性の（リジッドな）軸装置を有するエンジンにおける第一オーダの捩れ振動モードが図示されている。アラビア数字１乃至７は、エンジンのシリンダの位置を示し、Ｐは、プロペラ４の位置を示す。描いた曲線ｄは、振動モードにて生ずる相対捩れ回転、すなわち、当該軸方向位置における実際の回転数を軸の最大の捩れ回転数で割った値を示す。曲線ｄと水平軸線との間の交点ｋは、捩れ振動に対するノードの位置を示す。曲線ｄは、一つの特定の実施の形態にのみ適用され、軸装置の設計は、曲線の軌跡及びｋの位置に影響を及ぼすことは明らかである。
【００１４】
図３には、７つのシリンダを有し、ＭＣＲが１４５ｒｐｍのエンジンの一例が図示されている。プロペラは、一定のピッチを有するＦＰ型である。軸装置は、また、ｎ＝５８０ｃｐｍの１つのノードを有する捩れ振動モードに対する固有振動数を備えている（図２）。１つのノードを有する捩れ振動モードに対する振動の寄与成分は、個々のシリンダから経時的に変化するトルクの寄与成分から成っている。周知の方法にて、これらの振動寄与成分は、調和成分に分解することができ、その各オーダに対して１つの共振点がある、すなわち、振動オーダが軸装置の固有振動数と共振するときの速度（ｒｐｍ）が存在する。種々の調和振動オーダの共振点は、ｎが現在のオーダであるとき、５８０／ｎにて規定された速度（ｒｐｍｓ）の位置にある。エンジンは７つのシリンダを有するから、主要な臨界的振動オーダは、第７オーダであり、その共振点は、８２．９ｒｐｍの位置にある一方、第４振動オーダに対する共振点はＭＣＲに対応する１４５ｒｐｍの位置にある。例えば、より大きい直径又はより短い長さのであるように軸を設計とすることにより、軸装置をより剛性に形成するならば、固有振動数はより高くなり、このことは、共振点を図３の右方向に向けて移動させることになる。これに対応して、例えば、より高強度の軸材料を使用し且つより小さい直径の軸の設計とすること等により、軸装置をより可撓性に形成し、これにより、軸装置の固有振動数をより低くすることが可能であり、このことは、共振点を図３の左方向に向けて更に移動させることになる。
【００１５】
また、図３は、０．８×ＭＣＲよりは大きく且つ１．１×ＭＣＲよりは小さい間隔ｒ、及び０．９８×ＭＣＲよりは大きく且つ１．０２×ＭＣＲよりは小さい間隔Ｒの双方に第４オーダの捩れ振動が位置することを示す。このように、軸装置の固有振動数はＭＣＲ×４の８０％乃至１１０％の範囲、及びＭＣＲ×４の９８％乃至１０２％の範囲の双方に位置している。
【００１６】
エンジンの着火順序を決定しようとするとき、シリンダのデータは既知で、これに基づいて、その計算のために選択した幾つかの境界条件を基礎として最適な着火順序を計算する。ＭＣＲが第４オーダの捩れ振動に対する共振点に位置する剛性の軸装置を備える上記エンジンの例に基づいて、これらの第４オーダの捩れ振動の最小化を境界条件として選択することができる。上記の日本国特許公開公報の計算方法及びＭＡＮ  Ｂ＆Ｗ  ディーゼルＡ／Ｓからのグトリシ（ＧＴＯＲＳＩ）のような、プロペラの軸装置における捩れ振動計算のための標準的なソフトウェアの両者又はその何れか一方を使用することができる。図４には、第４オーダの捩れ寄与成分が完全に無視できる程度まで最適化された７シリンダエンジン用の着火順序が図示されている。着火角度は、シリンダ１について０°、シリンダ７について５１．５°、シリンダ２について１０４．５°、シリンダ５について１５３．０°、シリンダ４について２０８．０°、シリンダ３について２５５．９°、及びシリンダ６について３１０．０°である。この着火順序に対して、図５には、捩れ応力から得られる応力レベルが図示されており、この応力レベルは８３ｒｐｍの速度付近のとき、すなわち、主要な臨界的な第７オーダの捩り振動の共振点で高い一方、第４、第５及び第６オーダの捩れ振動からは認識可能な寄与成分は何ら存在しないことが分かる。１６０ｒｐｍ以上の速度のとき、曲線は、第３オーダの捩れ振動オーダからの十分な寄与成分に対応する上昇曲線を示すが、これらの寄与成分は、エンジンの速度が１６０ｒｐｍを越えることはないため、エンジンの作動にとって何ら重要ではない。８３ｒｐｍ付近にて応力が顕著なことに関して、８３ｒｐｍ付近の速度範囲における連続的作動は不可能であるが、始動時、エンジンは、連続的作動が可能である、より高速度までその範囲を通じて加速し得るようにエンジンの制御装置を設計することは周知のことである。
【００１７】
図６に図示したエンジン１は、７つのシリンダ（Ｃ＝７）を有し、クランク軸の前端にて、エンジンには、受動型の調整ホイール７が設けられている。このエンジンは、３５０ｍｍのボアを有し、ＭＣＲが１７０ｒｐｍで且つ全プロペラピッチのときのエンジンの出力は４３００ｋＷである。エンジンのクランク軸は、船尾端にて調整ホイール８を保持し、また、中間軸５、油分配装置の軸６及びプロペラ軸３を介して、ＣＣＰプロペラ４に接続されている。中実な中間軸は、長さ０．５ｍ、外径３３０ｍｍ、捩れ撓み５．１ｎｒａｄ／Ｎｍである。中空の油分配装置の軸は、長さ１．３ｍ、外径３８０ｍｍ、内径１２０ｍｍ、捩れ撓み７．８ｎｒａｄ／Ｎｍである。中空のプロペラ軸は、長さ４．５ｍ、外径３５０ｍｍ、内径１２０ｍｍ、捩れ撓み３７．７ｎｒａｄ／Ｎｍである。軸装置の捩れ振動に対する固有振動数は６８４ｃｐｍである。プロペラ軸の長さは、主として、船尾管よりも長くなければならないという必要条件によって決まる。
【００１８】
エンジンの着火順序は、シリンダ１について０°、シリンダ７について５１．５°、シリンダ２について１０４．５°、シリンダ５について１５３．０°、シリンダ４について２０８．０°、シリンダ３について２５５．５°、及びシリンダ６について３１０．０°である。この着火順序の場合、捩れ応力に起因する応力レベルは、ＭＣＲ付近にて小さい応力を有する、図５に示したものと同様に、対応する好都合の曲線を有する。
【００１９】
これに対応して、本発明は、極めて短い軸装置が望まれる、５、６、８、９、１０又は１１のシリンダのような他のシリンダ数のエンジンに適用可能である。軸装置における顕著な捩れ振動を生じることなく、船舶にてより船尾にプロペラに直結的に接続された推進エンジンを配置することができるようにするため、これに対応して、プロペラを有する軸装置は、本発明に従って、ｍがＣ／３乃至Ｃ−２の範囲における整数、Ｃがエンジン内のシリンダ数であるとき、１ノードの捩れ振動に対する固有振動数が全エンジン負荷時におけるｒｐｍのｍ倍の値の８０乃至１１０％の範囲にあるような剛性を有するようにする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるクロスヘッドエンジンの図である。
【図２】１つのノードを有する捩れ振動モードの線図である。
【図３】７シリンダエンジンのＭＣＲに対する捩れ振動の共振点の位置の一例を示す線図である。
【図４】図３のエンジンの着火順序の一例を示す線図である。
【図５】図３のエンジンの軸装置における捩れ振動の線図である。
【図６】本発明によるエンジンの別の実施の形態の図である。
【符号の説明】
１  ２行程クロスヘッドエンジン  ２  クランク軸
３  プロペラ軸                ４  ＣＣＰプロペラ
５  中間軸                    ６  軸
７  調整ホイール              ８  調整ホイール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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