(57)【要約】  排気装置（２８０）は、複数の燃焼室（１００−１〜１００−６）から排出された気体を過給機（２０４）に導く第１の導管（２５１、２５２）と、前記第１の導管の内部に設けられ、前記気体を前記過給機に導く第２の導管（２６１、２６２、２６３）と、各燃焼室に対応して設けられ、前記気体を前記第１の導管または前記第２の導管に導く複数の弁（２７１−１〜２７１−６、２７２）とを有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃焼室から排出された気体を過給機に導く第１の導管と、
前記第１の導管の内部に設けられ、前記気体を前記過給機に導く第２の導管と、
各燃焼室に対応して設けられ、前記気体を前記第１の導管または前記第２の導管に導く複数の弁と
を有する排気装置。
【請求項２】
前記第２の導管は、
それぞれ１つの弁に接続された複数の第１の接続管と、
前記複数の第１の導管部に接続された１の集合管と、
前記１の集合管と前記過給機とを接続する第２の接続管と
を有する
ことを特徴とする請求項１記載の排気装置。
【請求項３】
前記気体が前記第１の導管および前記第２の導管のうちいずれか一方のみへ流入するように、前記複数の燃焼室を含む内燃機関の負荷に応じて前記弁を制御する制御部を更に有する
請求項１または２記載の排気装置。
【請求項４】
前記制御部は、
前記負荷が所定値より小さい場合は前記気体を前記第２の導管へ導き、
前記負荷が前記所定値以上の場合は前記気体を前記第１の導管へ導く
ことを特徴とする請求項３記載の排気装置。
【請求項５】
複数の燃焼室を有する内燃機関と、
前記内燃機関に圧縮空気を供給する過給機と、
前記複数の燃焼室から排出された気体を前記過給機に導く第１の導管と、
前記第１の導管の内部に設けられ、前記気体を前記過給機に導く第２の導管と、
各燃焼室に対応して設けられ、前記気体を前記第１の導管または前記第２の導管に導く複数の弁と
を有する動力発生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の過給機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関からの排気の圧力によって空気を圧縮し、これを当該内燃機関に供給する過給機が知られている。船舶用の大型ディーゼルエンジンにおいては、動圧過給方式と静圧過給方式が知られている。静圧過給方式とは、排気管を一度集合管に導入するなどして排気圧力の時間変動をならし、なるべく一定の圧力が過給機に供給されるようにする方式である。動圧過給方式とは、排気過程で特段の圧力調整を行わない方式をいう。【０００３】
動圧過給方式は、一般的に、エンジンが低負荷の状態にある場合に適している。動圧過給方式では、シリンダ内に供給される空気の圧力（掃気圧力）が一時的に落ち込むタイミングが存在する。排気圧力に対して掃気圧力が低くなると、排気を完了させるのに時間がかかり、次の燃焼サイクルをスムーズに実行できなくなる可能性がある。これを防ぐため、排気のタイミングを早めるなど（具体的にはピストンが下がりきらない位置で排気弁を開ける）が必要となる。この結果、燃焼エネルギーをピストンの運動エネルギーに変換する際のエネルギーロスが大きくなる。エネルギーのロスの増大は燃費の低下を意味する。
逆に、静圧過給方式は、一般的に、高負荷の場合に適している。静圧過給方式においては、排気がスムーズに行えるため、排気タイミングの調整等に起因した、燃焼エネルギーをピストンの運動エネルギーに変換する際におけるエネルギーロスが小さい。しかし、低負荷では、排気のエネルギーを掃気圧力に変換する過程におけるエネルギーのロスが大きくなる。換言すると、排気エネルギーを最大限に利用することができない。【０００４】
複数のシリンダを有する内燃機関からそれぞれ排出され過給機に供給される前のガスの圧力を、エンジンの負荷状態に応じて調整する排気機構の技術が特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２４６８９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の技術においては、排気ガスの経路の容積を可変にすることで、過給機に供給される排気ガスの圧力を調整する。しかし、排気経路に伸縮する膜素材が用いられているため、装置の信頼性が十分でない場合がある。
本発明は、複数の燃焼室を有する内燃機関を過給するシステムにおいて、信頼性の高い、排気圧力を調整する機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、一の態様において、複数の燃焼室から排出された気体を過給機に導く第１の導管と、前記第１の導管の内部に設けられ、前記気体を前記過給機に導く第２の導管と、各燃焼室に対応して設けられ、前記気体を前記第１の導管または前記第２の導管に導く複数の弁とを有する排気装置を提供する。
好ましい態様において、前記第２の導管は、それぞれ１つの弁に接続された複数の第１の接続管と、前記複数の第１の導管部に接続された１の集合管と、前記１の集合管と前記過給機とを接続する第２の接続管とを有する。
好ましい態様において、前記気体が前記第１の導管および前記第２の導管のうちいずれか一方のみへ流入するように、前記複数の燃焼室を含む内燃機関の負荷に応じて前記弁を制御する制御部を更に有する。
好ましい態様において、前記制御部は、前記負荷が所定値より小さい場合は前記気体を前記第２の導管へ導き、前記負荷が前記所定値以上の場合は前記気体を前記第１の導管へ導く。
本発明は、他の観点において、複数の燃焼室を有する内燃機関と、前記内燃機関に圧縮空気を供給する過給機と、前記複数の燃焼室から排出された気体を前記過給機に導く第１の導管と、前記第１の導管の内部に設けられ、前記気体を前記過給機に導く第２の導管と、各燃焼室に対応して設けられ、前記気体を前記第１の導管または前記第２の導管に導く複数の弁と、を有する動力発生システムを提供する。【０００８】
本発明によれば、複数の燃焼室を有する内燃機関を過給するシステムにおいて、信頼性の高い、排気圧力を調整する機構が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】動力発生システム１の外観を示す模式図。
【図２】動力発生システム１の断面の模式図。
【図３】動力発生システム１の機能ブロック図。
【図４】排気装置２８０の詳細図。
【符号の説明】
【００１０】
１・・・動力発生システム、１０・・・内燃機関、１００・・・シリンダユニット、３０１・・・台座、３０２・・・台座、１０１・・・燃焼室、１０２・・・クランクケース、１０３・・・シリンダヘッド、１０４・・・排気弁、１０５・・・排気弁駆動制御装置、２７１・・・第１弁、２７２・・・第２弁、２５１・・・第１集合管、２５２・・・第１連結管、２６１・・・第２集合管、２６２・・・第２連結管、２６３・・・第３連結管、２０１・・・排気管、２０５・・・給気管、２０４・・・過給機、２０６・・・冷却器、２０７・・・掃気トランク、２０９・・・給気管、２８０・・・排気装置、２９０・・・導管、２８１・・・弁制御部、１２０・・・エンジン制御部、２１１・・・タービン、２１２・・・コンプレッサ、２１３・・・センサ、２１５・・・排出口、２１６・・・給気口
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明の一実施例に係る動力発生システム１の外観を模式的に示す。なお、以下の図においては、必要に応じて一部の構造要素が捨象される。
動力発生システム１は船体の中央付近に設けられる。船首から船尾に向かう方向をＸ（＋Ｘ）、鉛直方向をＺ、左舷から右舷に向かう方向をＹ（＋Ｙ）とする。すなわち、この船体には、クランクシャフト（図示略）の回転軸はＸ方向に平行に設置され、クランクシャフトの先端にはプロペラ（図示略）が設けられる。各シリンダユニット１００において、燃料の燃焼によって生じる圧力エネルギーを機械的な力に変換し、クランクシャフトを通じてプロペラを動かすことで推進力を発生させる。
【００１２】
動力発生システム１は、内燃機関１０と、内燃機関１０に付随する構造（排気系〜過給系〜給気系）に大別される。内燃機関１０は船体の動力源である。本実施例においては、内燃機関１０は２サイクルディーゼルエンジンである。内燃機関１０は、船体に固定された台座３０１に設置される。
内燃機関１０は複数のシリンダユニット１００からなる。この例では、内燃機関１０はシリンダユニット１００−１〜１００−６の計６つのシリンダユニットからなるが、これは一例であって、シリンダユニットは２つ以上であればよい。
排気管２０１はシリンダユニット１００ごとに設けられ、各シリンダユニット１００からの排気ガスを排気装置２８０に導く。排気装置２８０は、排気ガスを過給機（図１では捨象されている）に導く。過給機は外部の空気を取り入れ、取り入れた空気を排気ガスの圧力エネルギーを利用して圧縮する。圧縮された空気は掃気トランク２０７を介して各シリンダユニット１００に供給される。
排気装置２８０を含む内燃機関１０に付随する構造体は、台座３０２によって固定される。台座３０２は内燃機関の筐体に固定される。台座３０２によって、作業者がこの上でメンテナンス等の作業を行うことができるようになっている。
【００１３】
図２は動力発生システム１の断面の模式図である。図２を用いて、動力発生システム１における気体（吸入される空気および排気ガス）の流れを中心に動力発生システム１の構造を説明する。
各シリンダユニット１００は同一の構造であるので、シリンダユニット１００−１を例にとって説明する。ただし、各シリンダユニット１００の動作タイミング（給気−排気サイクル）は必ずしも一致している必要はない。
シリンダユニット１００は、燃焼室１０１、クランクケース１０２、シリンダヘッド１０３、排気弁１０４、排気弁駆動制御装置１０５からなる。燃焼室１０１は、シリンダライナやピストン、給気口（図示略）などを含み、空気（圧縮空気）と燃料とが内部に導入され燃焼が行われる。燃料は、図示せぬ燃料制御装置によって、予め定められたタイミングに従ってシリンダヘッド１０３を介して燃焼室１０１内に供給される。クランクケース１０２は、連接棒やクロスヘッド等を含み、ピストンの上下運動をクランクシャフトの回転運動に変換する。シリンダヘッド１０３は、排気弁１０４を収容する。排気弁１０４は、燃焼室１０１から排出された排気ガスを適切なタイミングで排気管２０１から排出する。排気弁駆動制御装置１０５は、油圧によって、予め設定されたタイミングに従って排気弁１０４を開閉させる。
【００１４】
各排気管２０１を通じて排出された排気ガスは、各排気管２０１に接続された排気装置２８０に導入される。排気装置２８０は、第１弁２７１（第１弁２７１−１〜第１弁２７１〜６）と、導管２９０Ａ、導管２９０Ｂ、第２弁２７２を有する。導管２９０Ａおよび導管２９０Ｂは、それぞれ排気ガスを過給機２０４に導く構造体であって、例えばステンレス鋼板やアルミ合金板等の高温・高圧、耐食性に優れている素材を成形することによって製造される。なお、必要に応じてその表面に断熱目的等のための加工を施してもよい。より具体的には、導管２９０Ａは第１集合管２５１および第１連結管２５２によって構成される。導管２９０Ｂは、第２連結管２６２、第２集合管２６１、第３連結管２６３によって構成され、導管２９０Ａの内部に設けられる。
【００１５】
第１弁２７１は第１集合管２５１の表面に設けられる。第２弁２７２は、第１連結管２５２の表面に設けられる。第１弁２７１および第２弁２７２は、電磁弁や電動弁等の、排気ガスの流路を決定する弁であって、制御信号に基づいて弁の開閉（より具体的には、弁が取りうる少なくとも第１の状態と第２の状態のうちいずれか一方を選択すること）を行う。より具体的には、第１弁２７１は、一方が排気管２０１に、他方が第２連結管２６２および第１集合管２５１に接続されている。第１弁２７１は、排気管２０１を通じて流入する排気ガスを、弁の状態に応じて導管２９０Ａおよび導管２９０Ｂのいずれか一方に導く。第２弁２７２は、第１弁２７１が排気ガスの経路として導管２９０Ａを選択しているときは、導管２９０Ａを過給機２０４とを連結し、導管２９０Ｂに選択されているときは、導管２９０Ｂと過給機２０４とを連結する。
【００１６】
過給機２０４は、外部から空気を取り入れ、排気ガスのエネルギーによって取り入れた空気を圧縮する。圧縮された空気は、給気管２０５を介して冷却器２０６に導かれる。なお、エネルギーを失った排気ガスは過給機２０４から排出される。冷却器２０６は、例えば水冷方式を採用し、空気を冷却する。冷却された空気は給気管２０９を介して掃気トランク２０７に供給される。掃気トランク２０７は、各シリンダユニット１００の側壁と接する。掃気トランク２０７には、各シリンダユニット１００の側面下部に複数設けられた掃気口に対応する位置に孔が設けられる。ピストンが最下点位置にある状態で、この孔を介してシリンダ内部は掃気トランク２０７と連通し、この孔を介して各燃焼室１０１内に圧縮空気が供給される。
【００１７】
図３は、動力発生システム１の機能ブロック図である。図３を用いて動力発生システム１の制御機構を中心に動力発生システム１の機能について説明する。上述の通り、各燃焼室１０１からの排気ガスは対応する排気管２０１を通じて排気装置２８０に導かれ、各第１弁２７１の状態によって導管２９０Ａおよび導管２９０Ｂのいずれかに導かれ、第２弁２７２を介して過給機２０４へ導かれる。各第１弁２７１および第２弁２７２は、制御部２８１によって制御される。制御部２８１はプロセッサ等によって実現され、制御信号Ｓ１およびＳ２を第１弁２７１、第２弁２７２に出力する。制御信号Ｓ１、Ｓ２は、弁の状態を指定する。
【００１８】
導管２９０Ａまたは導管２９０Ｂのどちらの排気ルートを選択するか、および第１弁２７１や第２弁２７２の作動（切替）タイミングの決定は、一の態様において、エンジン制御部１２０から出力されるエンジンの負荷状態を表す情報（Ｓ３）に基づいて行う。例えば、制御部２８１は所定の時間が経過するごとにその瞬間のエンジンの負荷状態を表す情報を取得し、ルートの選択に用いる。あるいは、負荷状態を所定期間計測し、当該所定期間ごとに計測した平均値を用いて排気ルートの選択を行ってもよい。
エンジン制御部１２０は、プロセッサやセンサ等によって実現され、燃焼の状態や負荷の状態（例えば定格出力値や常用出力値を基準とした割合で表現される）に関する情報を取得し、予め記憶された制御プログラムに従って各燃焼室１０１内に供給する燃料の量やタイミング、および各燃焼室１０１における排気弁１０４の開閉タイミングを制御する。
【００１９】
ルートの選択については、例えば、負荷が所定の基準値よりも小さい場合は排気ガスが導管２９０Ｂに導かれるように第１弁２７１および第２弁２７２を制御し、負荷が所定の基準値（例えば定格出力の５０％）以上の場合は排気ガスが導管２９０Ａに導かれるようにする。この場合、制御信号の供給タイミング（すなわち第２弁２７２および全ての複数の第１弁２７１の動作タイミング）は同一である。すなわち、全ての弁の開閉は同時に行われる。この制御方法を採用することにより、内燃機関１０の負荷に応じて最適な排気ルートが選択され、燃費が改善する。なお、所定の基準値に範囲を持たせてもよい。例えば、計測した負荷の変化が一定の範囲（例えば４０％〜６０％）にある間は、５０％を跨いでも現在選択されているルートを維持することとしてもよい。あるいは、負荷の変化が５０％を跨がなくても、単位時間当たりのその変動幅（変化率）が所定値よりも大きい場合は、排気ルートを変更することとしてもよい。
【００２０】
過給機２０４に供給された排気ガスは、過給機２０４内のタービン２１１に流入し、タービン２１１を作動させる。タービン２１１はタービン軸とタービン翼などから構成される。タービン軸の回転力によってコンプレッサ２１２を作動させる。なお、排気装置２８０とは別に、ウェストゲートバルブなどの圧力調整機構が過給機２０４に備わっていてもよい。コンプレッサ２１２は給気口２１６から外気を取り込んで圧縮し、冷却器２０６、および掃気トランク２０７を介して、各シリンダユニット１００の燃焼室１０１へ供給される。タービン２１１を通過した排気ガスは排出口２１５から排出される。センサ２１３は過給機２０４に供給される排気ガスの圧力を検出する。検出した情報（Ｓ４）は、必要に応じて制御部２８１に出力され、エンジンの負荷状態を推定する情報として弁の制御に利用されてもよい。
【００２１】
図４は、排気装置２８０の詳細な構造図である。第１集合管２５１は、断面直径がφ１、長さＬの円筒状の管である。第２集合管２６１は直径がφ２、長さＬの円筒状の管である。各管の直径は以下の関係を満たす。
φ１＞φ２＞φ４・・・（１）
φ１＞φ３＞φ４・・・（２）
φ１／φ３  ＞  φ２／φ４・・・（３）
第１弁２７１は、内径φ３の各排気管２７１のうち、内径φ４の各排気管２６２の入り口部分のみが塞がれた第１状態と、内径φ３の各排気管２７１のうち内径φ４の各排気管２６２の入り口部分が開放され、それ以外の部分が塞がれた第２状態のいずれかを実現する。第１状態にあるときは、排気ガスは外側の導管２９０Ａのみに導かれ、第２状態にあるときは、排気ガスは内側の導管２９０Ｂのみに導かれる。
導管２９０Ａが選択されている場合、排気ガスは、全ての排気管２０１からの排気ガスが合流する第１集合管２５１において圧力の時間変化が滑らかにされた後過給機２０４に供給される。導管２９０Ｂが選択されている場合、全ての第２連結管２６２からの排気ガスが合流する第２集合管２６１において若干圧力の時間変化が滑らかにされるが、第１集合管２５１と第２集合管２６１の容積の違いにより、その効果は導管２９０Ａの場合よりも小さい。換言すると、導管２９０Ａが従来の静圧過給方式に相当し、導管２９０Ｂのルートは従来の動圧過給方式に相当する。つまり、排気装置２８０は静圧過給方式と動圧過給方式を機械的に切り替えている機能を有すると把握できる。
【００２２】
上記実施例によれば、内燃機関１０の負荷状態に応じて燃費向上に適した排気経路を選択することができる。上記実施例においては、膜などの柔軟素材を用いていないため、伸縮を繰り返すことによる劣化の虞がない。また、弁を耐食性の高い金属等で形成することができるので、高温・高圧の排気ガスに晒されることに起因する部材の劣化の虞もない。
また、従来の過給システムに比べて、選択可能な複数の排気経路が付加されているにも関わらず、一の経路を他の経路の内部に設けているので、装置全体が大型化する虞が少ない。また、上記実施例の発明は、内燃機関１０や、過給機２０４とその下流の装置群の配置などには影響を与えない。よって、過給システム全体を一から設計し直すような必要はなく、従来の内燃機関１０と過給機とを接続する部分の構造を上記実施例に係る排気装置２８０に取付け変えるだけで、上記効果を得ることができる。
【００２３】
＜変形例＞
弁の形状や取付け位置は、上述した例に限られない。例えば、排気管２０１の後段に、入り口が１つで出口が２つの分岐管であって、各分岐のいずれか一方が閉じられ他方が開かれている状態を実現する機構を、第１弁２７１に替えて設けてもよい。すなわち、本発明の排気装置は、取りうる２以上の排気ルートのうちいずれか一つを選択する機能を有していればよい。
また、第１弁２７１および第２弁２７２は、排気ガスを導管２９０Ａおよび２９０Ｂの両方に導く状態を実現させてもよい。この場合、取りうる状態は（１）排気ガス導管２９０Ａのみを流れる状態、（２）排気ガスが導管２９０Ｂのみを流れる状態、（３）排気ガスが導管２９０Ａと導管２９０Ｂとを流れる状態の３つが存在する。このように、各排気ルートは別途独立したものではなく、一の排気ルートと他の一の排気ルートとに共通する空間が存在してもよい。
要するに、本発明の排気装置は、複数の燃焼室から排出された気体を過給機に導く第１の導管と、前記第１の導管の内部に設けられ、前記気体を前記過給機に導く第２の導管と、各燃焼室に対応して設けられ、前記気体を前記第１の導管または前記第２の導管に導く複数の弁とを有する。
【００２４】
導管２９０Ｂの管の形状やサイズは、導管２９０Ｂが導管２９０Ａの内部に設けられている限り、上述したに限らない。例えば、φ２＝φ４であってもよい。すなわち、導管２９０Ｂの排気ルートにおいては、導管２９０Ａの排気ルートに比べれば小さいものの、排気圧力の変動を抑制する機能または圧力の時間変動を均一化する機能を有していてもよいし、そのような機能を実質的に有していなくてもよい。
【００２５】
制御部２８１は、内燃機関１０が高負荷の状態にある場合に、導管２９０Ａと導管２９０Ｂの両方に排気ガスを流入させるように第１弁２７１を制御してもよい。こうすることで、集合管の実効容量が増え、圧力の平滑化の効果が向上する。
【００２６】
第１集合管２５１および第２集合管２６１を複数設けてもよい。換言すると、内燃機関１０を構成する全てのシリンダユニット１００に対して１つの排気装置２８０を設けるのではなく、一部のシリンダユニット群ことに１つの排気装置２８０を設けてもよい。例えば、シリンダユニット１００−１〜１００−３に対して、第１弁２７１−１〜第１弁２７１−３と、１つの導管２９０Ａと１つの導管２９０Ｂとを設け、シリンダユニット１００−３〜１００−６に対して、第１弁２７１−４〜第１弁２７１−６と、他の１つの導管２９０Ａと他の１つの導管２９０Ｂとを設ける。
【００２７】
本発明は、ディーゼル以外の内燃機関、例えば、ガソリンエンジン等のレシプロエンジンであって排気エネルギーを利用した過給機構を有する原動機にも適用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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