(57)【要約】【課題】往復動ピストン燃焼機関の作動パラメータを予め限定した回転速度範囲内で最適化できる新たな方法に対応する往復動ピストン燃焼機関を得ることである。【解決手段】第１回転速度Ｄ１と第２回転速度Ｄ２との間で、作動パラメータＢの１成分Ｋが、予め定めた値に変更され、燃料が、第１回転速度Ｄ１と第２回転速度Ｄ２との間で第３噴射角度Ｅ３にて噴射され、第３噴射角度Ｅ３が、第１噴射角度Ｅ１より大きいか、又は第２噴射角度Ｅ２より小さい、および／または第１回転速度Ｄ１と第２回転速度Ｄ２との間の排気時に排気弁が作動するさいの排気角度Ａが、第３排気角度Ａ３に変更され、第３排気角度Ａ３が、第１排気角度Ａ１より大きいか、又は第２排気角度Ａ２より小さいことを特徴とする、往復動ピストン燃焼機関の作動パラメータを最適化する方法を使用することにより操作可能であるようにした。【選択図】図２
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
往復動ピストン燃焼機関、特に、シリンダ内に往復動ピストンが配置された縦方向掃気式２サイクル大型ディーゼル機関の作動パラメータ（Ｂ）を最適化する方法を使用することにより操作可能である往復動ピストン燃焼機関であって、該作動パラメータ（Ｂ）は振動であり、且つ該シリンダが排気弁と噴射ノズルとを含み、燃料が、予め定めた噴射角度（Ｅ）で噴射ノズルからシリンダ内へ噴射され、排気弁が排気角度（Ａ）で作動し、往復動ピストン燃焼機関の回転速度（Ｄ）が運転時に変更されることにより、第１回転速度（Ｄ１）では、燃料が第１噴射角度（Ｅ１）で噴射され、かつ排気弁が第１排気角度（Ａ１）で開弁され、第２回転速度（Ｄ２）では、燃料が第２噴射角度（Ｅ２）で噴射され、かつ排気弁が第２排気角度（Ａ２）で作動され、しかも第１噴射角度（Ｅ１）が第２噴射角度（Ｅ２）より大であり、また第１排気角度（Ａ１）が第２排気角度（Ａ２）より大である形式のものにおいて、
第１回転速度（Ｄ１）と第２回転速度（Ｄ２）との間で、作動パラメータ（Ｂ）の１成分（Ｋ）が、予め定めた値に変更され、燃料が、第１回転速度（Ｄ１）と第２回転速度（Ｄ２）との間で第３噴射角度（Ｅ３）にて噴射され、該第３噴射角度（Ｅ３）が、第１噴射角度（Ｅ１）より大きいか、又は第２噴射角度（Ｅ２）より小さい、および／または第１回転速度（Ｄ１）と第２回転速度（Ｄ２）との間の排気時に排気弁が作動するさいの排気角度（Ａ）が、第３排気角度（Ａ３）に変更され、該第３排気角度（Ａ３）が、第１排気角度（Ａ１）より大きいか、又は第２排気角度（Ａ２）より小さいことを特徴とする、往復動ピストン燃焼機関の作動パラメータを最適化する方法を使用することにより操作可能である往復動ピストン燃焼機関。
【請求項２】
１噴射サイクルに第１回転速度（Ｄ１）と第２回転速度（Ｄ２）との間で噴射される燃料量、特に第３噴射角度（Ｅ３）で噴射される燃料量が、１噴射サイクルに第１噴射角度（Ｅ１）及び又は第２噴射角度（Ｅ２）で噴射される燃料量とは異なる、請求項１に記載の往復動ピストン燃焼機関。
【請求項３】
第１回転速度（Ｄ１）と第２回転速度（Ｄ２）との間にシリンダ内へ燃料を噴射する噴射サイクルの持続時間、特に第３噴射角度（Ｅ３）での噴射の持続時間が、第１噴射角度（Ｅ１）及び／又は第２噴射角度（Ｅ２）での燃料噴射の持続時間とは異なる、請求項１、又は請求項２に記載の往復動ピストン燃焼機関。
【請求項４】
少なくとも２噴射ノズルが１シリンダに備えられ、少なくとも１噴射ノズルが、第１回転速度（Ｄ１）と第２回転速度（Ｄ２）との間の噴射サイクル時に少なくとも一時的に閉じられる、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の往復動ピストン燃焼機関。
【請求項５】
第１回転速度（Ｄ１）と第２回転速度（Ｄ２）との間で排気弁が排気角度（Ａ）で作動する持続時間、特に第３排気角度（Ａ３）での排気弁の作動持続時間が、第１排気角度（Ａ１）及び／又は第２排気角度（Ａ２）での作動持続時間と異なる、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の往復動ピストン燃焼機関。
【請求項６】
前記作動パラメータ（Ｂ）が、ねじり振動、縦振動、横振動、ガス脈動のいずれかである、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の往復動ピストン燃焼機関。
【請求項７】
前記作動パラメータ（Ｂ）が、往復動機関の出力、トルク、排気、温度のいずれかである、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の往復動ピストン燃焼機関。
【請求項８】
作動パラメータ（Ｂ）の前記成分（Ｋ）が、１位数及び／又はより高い位数のフーリエ成分（Ｋ）であり、特にねじり振動のフーリエ成分である、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の往復動ピストン燃焼機関。
【請求項９】
燃料噴射時の前記噴射角度（Ｅ）及び／又は排気弁作動時の前記排気角度（Ａ）が、電子式に決定される、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の往復動ピストン燃焼機関。
【請求項１０】
前記往復動ピストン燃焼機関が、定圧で作動するターボチャージ式直列１４シリンダ機関であり、少なくとも２ターボチャージャーを含んでいる、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載された往復動ピストン燃焼機関。
【請求項１１】
異なる２シリンダの２ピストンの回転角度差が３６０°／１４の整数倍の値から予め定めた偏差を有するように、前記往復動ピストン燃焼機関が構成される、請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載された往復動ピストン燃焼機関。
【請求項１２】
前記往復動ピストン燃焼機関が、定圧で作動するターボチャージ式直列１４シリンダ機関であり、少なくとも２ターボチャージャーを含み、シリンダ内への燃料噴射及び／又は排気弁起動の時点が電子式に調節可能であり、その場合、異なる２シリンダの２ピストンの回転角度差が、３６０°／１４の整数倍の値から予め定めた偏差を有している、請求項１１に記載された往復動ピストン燃焼機関。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、特許請求の範囲の各独立請求項の前文に記載した、往復動ピストン燃焼機関の作動パラメータを最適化する方法及び往復動燃焼機関に関するものである。
往復動ピストン機関等の複合的なシステムでは、作動パラメータの全配列を調整し、最適化して、変化する条件下で問題のない作動を可能にせねばならない。「作動パラメータ」という用語は、本願の文脈では、往復動ピストン燃焼機関の作動条件に関係するパラメータ、又は該作動条件を特徴付けるパラメータを意味するものと理解されたい。例えば、燃料消費量、汚染物質排出量、振動の振幅、ガス脈動及びその他内燃機関の作動条件を説明するあらゆるパラメータの成分が本願の意味での作動パラメータと理解されたい。
【背景技術】
【０００２】
種々の作動パラメータが往復動ピストン燃焼機関の回転速度に従属して変化することは周知である。特に、特定の作動パラメータは、極めて特定された、多少の差はあれ狭く限定された回転速度範囲内でのみ、予め限定した公差の外の極端な値をとり、これらの回転速度範囲の外では、予め定めた公差範囲内の値をとることが知られている。
このような振る舞いの例としては、例えば特許文献１に記載されたガス脈動、又は例えば船舶や陸上での電気エネルギー発生に使用される大型ディーゼル機関のねじり振動等の特定種類の振動が挙げられる。
前述の振動又はガス脈動は、数学的に記述する場合、公知の形式でフーリエ成分により分析するのが便利であり、特定の位数までフーリエ級数に展開できる。
【０００３】
したがって、例えば、フーリエ成分は、往復動ピストン機関のシリンダ数に応じて、狭く限定された速度範囲内で特定位数の最大値に合計されることで、その回転速度範囲内で許容しがたい強振動を発生させることがあることが知られている。
フーリエ成分のこのような最大振動の発生を抑制、又は許容レベルまで低減するためには、種々の措置が公知である。例えば、特定のねじり振動条件の軽減、すなわち特定位数の特定フーリエ成分の低減のために、大型ディーゼル機関のクランクに釣合い重りを付けることが知られている。このような措置では、例えば回転速度に従属するねじり振動等の作動パラメータの変化は、当然のことながら十分には、又はまったく制御できない。
【０００４】
特に制御が困難なのは、例えば、船舶に組み付けられた大型ディーゼル機関の場合のねじり振動である。この種のディーゼル機関は、据え付けられた船舶と一緒に１つの振動系を構成しているので、据え付けられた状態で、振動のフーリエ成分が、狭く限定された回転速度範囲内で回転速度に従属して特定位数の最大値に往々にして合計される。このため、同じ機関でも非組み付け状態では、例えば試験台上では発生しない正確には予想不可能な形式の共振が発生する。これは、船舶全体の精密な幾何形状及び正確な構成が、極小の細部までは不明な結果、細部のすべては予想モデルで考えることができないためである。したがって、予め対応するシミュレーションに、細部のすべては組み込むことができない。
そのような場合、機関が船舶に組み付けられた後に、前記共振に影響を与えること、例えば適宜に共振を抑制することは極めて難しい。
【０００５】
今日まで、これらの問題は、対処されはしたが、厄介な又は複雑な機械式の措置でしかに対処されてこなかった。例えば釣合い重りは、後から考えてクランク軸に付加取り付けできるが、クランク軸が組み付け済みの状態ではかなりの困難が伴う。加えて、それには、対応回転速度に応じた完全な１シリーズの試験運転を含む最適化が必要であることは言うまでもない。最悪の場合には、回転速度に従属する効果は、この措置では、もはや全く是正されないか、又は不十分にしか是正されない。
特殊な例では、この回転速度に従属する効果は是正できる。例えばカム軸のカムは、大型ディーゼル機関の回転速度に応じて調節できるが、それによって、当然、大型ディーゼル機関のトルク及び性能が低下し、燃料消費量が増加する。このため、かなりの付加的な構成面の費用が、短所に関連して必要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】西独国実用新案出願公開第２０  ２００４  ００２  １８５号明細書
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本考案の目的は、往復動ピストン燃焼機関の作動パラメータを予め限定した回転速度範囲内で最適化できる新たな方法を得ることである。更に、本考案の目的は、それに対応する往復動ピストン燃焼機関を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
これらの目的を、技術面で方法的に満足させ、かつ装置の観点から満足させる本考案の客体は、各カテゴリーの独立請求項により特徴付けられている。
各独立請求項は、本考案の特に好ましい実施例に関係している。
【０００９】
本考案は、したがって、往復動ピストン燃焼機関、特に単流掃気式２サイクル大型ディーゼル機関の作動パラメータを最適化する方法に関する。往復動ピストン燃焼機関は、シリンダ内に配置された往復動ピストンを含み、その場合、シリンダは排気弁と噴射ノズルとを有し、燃料がシリンダ内へ予め定めた噴射角度で噴射ノズルを用いて噴射され、排気弁が排気角度で作動せしめられる。作動中、往復動ピストン燃焼機関の回転速度は変化し、燃料が、第１回転速度では第１噴射角度で噴射され、排気弁が第１排気角度で開かれ、第２回転速度では第２噴射角度で噴射され、排気弁が第２排気角度で作動する。第１噴射角度は、第２噴射角度より大であるか又は該角度と等しく、第１排気角度は、第２排気角度より大であるか又は該角度と等しい。第１回転速度と第２回転速度との間で、シリンダ内のガス圧力勾配は変化するので、作動パラメータの１成分は予め限定した値に変化する。
【００１０】
本考案にとって重要なのは、したがって、往復動ピストン燃焼機関の作動パラメータの１成分が最適化されることだが、この最適化は、第１回転速度と第２回転速度との間の予め定めた回転速度範囲内で処置がとられることで、作動パラメータの１成分が予め定めた値に変化するように、シリンダ内のガス圧勾配を変化させることによって行われる。
したがって、例えばねじり振動、ガス脈動、汚染物質の排出、機関の出力等の作動パラメータを最適化する場合、例えば、燃料噴射、排気弁の起動等の特定動作が行われるさいのクランク角度等の制御パラメータは、第１回転速度から開始して、第１回転速度と第２回転速度との間で回転速度を予め定めた値だけ加速又は減速させることで変更でき、次いで再び第２クランク角度に設定しなおすことができる。
【００１１】
作動パラメータの最適化のための処置、すなわち作動パラメータの１成分を第１回転速度と第２回転速度との間の予め定めた値に変更する型、仕方、量は、特定の往復動ピストン燃焼機関の構造及び種類にだけでなく、特に、往復動ピストン燃焼機関が組み付けられた例えば船舶に左右されることがある。したがって、当業者は、実際には、本考案の教説を適用する場合、以下で詳述するパラメータの正確な調節を実施する付加的な簡単な試みを避けることはできない。本考案の教説により、最終的には、詳細なパラメータ、例えば第３噴射角度又は第３排気角度を決定するための正確な値が得られるが、この値は、場合場合で幾分変化しよう。
本考案による方法の一好適実施例では、燃料が第１回転速度と第２回転速度との間で第３噴射角度で噴射されるが、この第３噴射角度は、第１噴射角度より大きい、もしくは第２噴射角度より小さい。
【００１２】
このことは、噴射サイクルが行われる又は開始されるさいの噴射角度、ひいてはクランク角度が、回転速度に応じて第１噴射角度から第２噴射角度へ変更されることを意味する。第１噴射角度と第２噴射角度との間の噴射角度は、回転速度に従属して、また第１噴射角度と第２噴射角度とに対して、少なくとも１つの最大値及び／又は１つの最小値をとる。
往復動ピストン燃焼機関の作動パラメータ、例えば振動、ガス脈動、汚染物質の排出、その他の内燃機関の作動パラメータのどの成分を最適化すべきかに応じて、シリンダ内へ燃料を噴射する噴射角度は、最初、第１回転速度から始まって回転速度の増減につれて第１回転速度と第２回転速度との間で最小値に引き下げられ、再び第２噴射角度値へ高められるか、又はその逆である。このことは、第１回転速度から始まって回転速度の増減につれて、シリンダ内への燃料噴射角度が、最初、第１回転速度と第２回転速度との間で最大値に引き上げられ、その後で第２噴射角度に引き下げることも可能だということである。
【００１３】
幾つかの特定のケースでは、シリンダ内への燃料の噴射角度は、既述の形式よりより複雑な形式で、第１回転速度と第２回転速度との間の回転速度に従属して変更できることが理解されよう。
噴射角度の変更は、作動パラメータの１成分を予め定めた値に変更又は最適化することができるように、シリンダ内のガス圧勾配を変化させる唯一の可能性では全くない。
【００１４】
本考案の方法の第２好適実施例では、第１回転速度と第２回転速度との間で噴射される燃料量、特に第３噴射角度で噴射される燃料量は、第１噴射角度及び／又は第２噴射角度で１噴射サイクルに噴射される燃料量とは異なっている。
特定噴射サイクルで噴射される燃料量の変更は種々の形式で実現できる。
したがって、本考案による方法の１変化形では、第１回転速度と第２回転速度との間でシリンダ内へ燃料を噴射する噴射サイクルの持続時間、特に第３噴射角度での噴射サイクルの持続時間を、第１噴射角度及び／又は第２噴射角度での燃料噴射の持続時間とは異なるようにすることで、１特定噴射サイクルに第３噴射角度では、第１噴射角度及び／又は第２噴射角度でよりも幾分多いか、又は幾分少ない燃料がシリンダ内へ噴射される。
【００１５】
別の変化形では、少なくとも２噴射ノズルがシリンダ毎に備えられ、少なくとも一方の噴射ノズルが、第１回転速度と第２回転速度との間で少なくとも一時的に閉じられることで、噴射燃料量が変更される。最後に説明した２つの噴射燃料量変更の可能性を組み合わせることで利便性が得られることも理解できよう。
本考案の方法、つまり往復動ピストン燃焼機関の作動パラメータを最適化する方法を実現する別の可能性は、第１回転速度と第２回転速度との間で排気弁を適宜に制御することにより得られる。
【００１６】
このため、別の一実施例では、排気時に排気弁が第１回転速度と第２回転速度との間で作動するさいの排気角度が、第３排気角度に変更され、この第３排気角度は、第１排気角度より大きいか、又は第２排気角度より小さい。
このことは、機関シリンダからの燃焼ガスの排出時又は排出開始時のクランク角度、言い換えると排気弁の作動時のクランク角度である排気角度が、第１回転速度に従属して第１排気角度から第２排気角度の回転速度に変更され、それによって、第１排気角度と第２排気角度との間の排気角度が、第１排気角度と第２排気角度とに関連する回転速度に従属して少なくとも１最大値及び／又は１最小値をとることを意味する。
【００１７】
往復動ピストン燃焼機関の作動パラメータ、例えば振動、ガス脈動、汚染物質の排出、その他の内燃機関の作動パラメータのどの成分を最適化すべきかに応じて、シリンダ内へ燃料を噴射する噴射角度は、最初、第１回転速度から始まって回転速度につれて、第１回転速度と第２回転速度との間で最小値に引き下げられ、次いで第２噴射角度値へ高められるか、又はその逆である。このことは、第１回転速度から始まって回転速度の増減につれて、排気時に排気弁が作動するさいの噴射角度が、最初、第１回転速度と第２回転速度との間で最大値に引き上げられ、その後で、また第２噴射角度の値に引き下げることが可能だということである。
幾つかの特定のケースの場合、排気角度を、第１回転速度と第２回転速度との間の回転速度に従属的に、既述の形式でより複雑な形式で変更可能であることも理解されよう。
【００１８】
しかし、内燃機関の作動パラメータを最適化するために、排気弁が起動される時点を、言い換えると排気弁起動時の排気角度を変更できるだけではなく、排気弁の開弁の持続時間、又は時間に従属する正確な開閉経過も、作動パラメータの成分に影響を与えることができる。
したがって、本考案による方法の別の実施例では、第１回転速度と第２回転速度との間の排気角度での排気弁の動作持続時間、特に第３排気角度での排気弁の動作持続時間が、第１排気角度及び／又は第２排気角度での排気弁の動作持続時間とは異なっている。
【００１９】
このことは、第１回転速度と第２回転速度との間で、排気弁が第３排気角度で開く持続時間が、それぞれ第１回転速度及び／又は第２回転速度のさいに排気弁が開かれる持続時間より例えば長く及び／又は短くすることができることを意味する。このことと関連して、この形式で作動パラメータの成分を特に好都合に是正又は変更できる場合、各場合に、排気弁が往復動ピストン燃焼機関の１サイクル時に第１回転速度と第２回転速度との間で開く持続時間は、複雑な形式での回転速度の関数である。
ここに記載した本考案の方法による好適実施例のすべては、要求に応じて組み合わせることができることは、自明のことであり、当業者には、当然、周知のことである。
【００２０】
本考案の方法によれば、振動、特にねじり振動、縦振動、横振動、ガス脈動は、特に有利に最適化できる。振動過程は、すなわち、既述のように、全体の幾何形状、例えば船舶に据え付けられた大型ディーゼル機関の幾何形状に従属する共振を発生させることがあり、しかも、機関の回転速度に従属する異なる形式かつ異なる強さで励起されることがある。したがって、例えば、１４シリンダのディーゼル機関では、１４シリンダのディーゼル機関に限らないが、ねじり振動のフーリエ成分は、特定の状況では合計されて最大値に達するが、この最大値は、特定回転速度、例えば７０回転毎分（ＲＰＭ）から１２０ＲＰＭの間の回転速度では、船舶の安全運転が、もはや保証されないほど高い値になることがある。
【００２１】
意外なことに、本考案により、例えばシリンダ内への燃料量噴射角度が、約８０ＲＰＭでの第１クランク角度と約９５ＲＰＭでの第２クランク角度との間である場合、約１°又は２°だけ調節される。すなわち、燃料が、第１回転速度及び第２回転速度でより幾分後に、第１回転速度と第２回転速度との間で噴射される場合、その回転速度範囲内で特定フーリエ成分（例えば、ねじり振動の１１位数のフーリエ成分）は、大型ディーゼル機関の安全運転が再び保証される程度まで低減できる。
まったく同じような形式で、例えば振動成分は、他の作動パラメータの成分もだが、次のようにすることで最適化又は変更できる。すなわち、第１回転速度と第２回転速度との間での噴射角度の変更と同時に又は択一的に、噴射燃料量及び／又は排気弁の作動のための排気角度及び／又は排気弁作動の持続時間が、第１回転速度と第２回転速度との間で適宜に変更されるようにするのである。
【００２２】
特に有利な形式の場合、本考案の方法は、電子式カム軸を有する大型ディーゼル機関、例えばヴェルトシレ（Ｗａｅｒｔｓｉｌａｅ）社製エンジン及びＲＴ‐フレックス（ＲＴ‐Ｆｌｅｘ）型又はズルツァー（Ｓｕｌｚｅｒ）ＲＴＡ等の、特に１４シリンダを有する機関で実施されるが、ただし１４シリンダに限定はされない。電子式カム軸を有する機関では、シリンダへの燃料噴射時の噴射角度及び又は排気弁作動時の排気角度、並びに噴射弁及び又は排気弁の作動持続時間は、次のようにすることによって完全に自由選択できる。すなわち、噴射弁及び又は排気弁を、クランク角とは無関係に自由選択可能な時点に及び又は自由選択可能な持続時間にわたり、コンピュータ援用式制御器又は調整器を使用して開弁又は閉弁するのである。このようにして、噴射時点及び／又は噴射持続時間の変更によって、及び／又は排気弁の開弁時間及び／又は排気弁の開弁持続時間にわたって、又は噴射角度及び／又は排気角度の変更によって、作動パラメータ、例えばねじり振動を、特に簡単な形式で最適化でき、それ以上の複雑な機械的措置、例えばクランク軸への重り取り付け又はカム軸の調節等は不要である。
【００２３】
これと関連して、明らかになったことは、本考案の方法を使用することによって、往復動ピストン燃焼機関の他の作動パラメータ、例えばＤＥ  ２０２００４００２１８５  Ｕ１によるガス脈動、出力、トルク、排気、往復動ピストン燃焼機関の構成部品の温度が、有利な形式で効果的かつ簡単に最適化できることである。
実際に重要な一変化形では、作動パラメータの最適化又は変更されるべき成分は、１位数及び／又はそれ以上の高い位数のフーリエ成分、特にねじり振動のフーリエ成分である。
本考案による一好適変化形では、作動パラメータの特定成分（例えばねじり振動の１１位数のフーリエ成分）のみが、噴射サイクル及び又は排気弁の作動にかかわる既述の措置により最適化又は変更される。
【００２４】
言うまでもなく、ねじり振動又は他の振動又は別種の振動の１位数及び又はより高い位数のフーリエ成分も、最適化又は変更され、簡単な例では、第１と第２の回転速度の間での噴射サイクル及び又は排気弁の作動に関する既述の／図示の措置により最小化できる。この関連では、フーリエ成分は、周知のように、往復動ピストン燃焼機関の基礎回転振動時に現れる成分と、２重振動時に現れる２位数の成分と、往復動ピストン燃焼機関のｎ重の回転振動時に現れるｎ位数の対応成分とを意味する。
既述のように、実際に特に重要な本考案による方法の一実施例では、燃料噴射時のクランク角度及び又は排気弁作動時の排気角度は、電子式に決定される。このことは、例えばカム軸の調節又は噴射ノズルの機械式駆動装置の調節等の機械的な処置は行わないことを意味する。
【００２５】
本考案の方法は、特に、定圧作動するターボチャージ式１４シリンダ直列型内燃機関に使用するのに好適であり、該機関は、少なくとも２ターボチャージャーを含む機関、及び／又は順次点火式の少なくとも２シリンダ内の２ピストンの回転角度差が３６０°／１４の整数倍からの予め定めた偏差を有するように構成された機関である。
このことは、異なるシリンダ内の２ピストン間のクランク角度差は、従来の１４シリンダ機関で周知のように、正確に３６０°／１４の整数倍ではないことを意味する。むしろ、クランク角度の差は、特定角度量だけ一定の角度ピッチから外れることができ、また一定でない角度ピッチを有することができる。
クランク軸のこの一定でないピッチにより、異なる作動パラメータ、例えば出力、有害物質の排出量、ガス脈動、あらゆる種類の振動、その他の作動パラメータが、クランク軸の一定角度ピッチの場合、つまり異なる２シリンダ内の２ピストン間のクランク角度差が常に正確に３６０°／１４の整数倍である場合より、理想的な値に設定できる。
【００２６】
本考案の方法と組み合わせて、例えば内燃機関が船舶に組み付けられている場合、船舶の特定の幾何形状も必ず作動パラメータの最適化に含まれるように、回転速度に従属させて１つ以上の作動パラメータを最適化できる。
加えて、本考案は、本考案の方法により操作可能な往復動ピストン燃焼機関に関するものである。
これと関連して、本考案は、実際に特に重要な往復動ピストン燃焼機関の一実施例にかかわり、該機関は、定圧作動するターボチャージ式単列１４シリンダ機関であり、少なくとも２ターボチャージャーを含み、更に、シリンダ内への燃料噴射時点が電子式に制御されるように構成されており、この場合、好ましくは少なくとも２シリンダ内の２ピストン間の回転角度差は、３６０°／１４の整数倍の予め定めた偏差を有するのが好ましいが、不可欠ではない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】先行技術により公知のように、回転速度の関数である作動パラメータの１成分の特性を示す図。
【図２】本考案の方法により最適化された、回転速度の関数である作動パラメータの１成分の特性を示す図。
【考案を実施するための形態】
【００２８】
以下で、本考案を略示図につき詳細に説明する。
図１は、作動パラメータＢ´の成分Ｋ´の特性を回転速度Ｄ´の関数として示す略示図であり、このことは、先行技術により周知である。以下では、プライムを付した符号は、すべて先行技術にかかわり、プライムが付されていない符号は本考案にかかわるものである。
図１では、横軸に往復動ピストン燃焼機関の回転速度Ｄ´がとられ、シリンダへの燃料噴射が特定回転速度Ｄ´で行われるさいの噴射角度Ｅ´が、左縦軸にとられている。
ここで観察されるのは、図１の極めて簡略な図解では、軸の相応の縮尺を計算に入れると、先行技術の問題点を示すためには、噴射角度Ｅ´の代わりに排気角度Ａ´を使用できる。問題点の論証と図解とは比ゆ的に行う。分かり易くするために、先行技術の問題点を以下で説明する一方、回転速度に従属する噴射角度変更を考察する。
【００２９】
前述の説明に従って、正の噴射角度Ｅ´が実線で示されている。言い換えると、噴射角度Ｅ´は、数学的に縦軸の正の方向に示されており、正の噴射角度Ｅ´は、噴射が負の噴射角度Ｅ´の場合より相応に遅く行われることを意味する。０°の噴射角度は、燃料噴射が、対応するシリンダ内のピストンの上死点で行われることを意味する。
同時に、作動パラメータＢ´の成分Ｋ´の大きさは、右縦軸にとられており、該成分の回転速度従属性は破線で略示されている。水平の破線Ｋ´ｍａｘは許容可能な最大値Ｋ´ｍａｘを示している。作動パラメータＢ´の成分Ｋ´は、内燃機関の作動状態では、この最大値を超えることを許されない。成分Ｋ´は、例えば、ねじり振動のフーリエ成分Ｋ´であってよい。
【００３０】
図１に示した回転速度Ｄ´に従属する噴射角度Ｅ´の図は、船舶の大型ディーゼル機関が回転速度ゼロから機関の全負荷作動時の最大回転速度Ｄ´ｍａｘまでの加速に典型的なものである。低回転速度Ｄ´で、例えば船舶が港を出る場合、燃料は、特定の回転速度まで正の第１噴射角度Ｅ´Ａで操作される。通常、正の第１噴射角度Ｅ´Ａは、例えば約３°まで達する。すなわち、上死点へ達した後、約３°で噴射される。この噴射角度Ｅ´は、図１に略示したように、回転速度Ｄ´まで一定に維持されるが、この回転速度は、最大定格回転速度Ｄ´ｍａｘの約７０％に相応する。その理由は、噴射が、好ましくは、低回転速度域で正のクランク角度Ｅ´で行われることが、例えば黒煙発生の望ましい低減となりうるからだが、その場合には、しかし、燃料消費量が増大する。
【００３１】
内燃機関の回転速度Ｄ´を更に定格回転速度Ｄ´ｍａｘまで加速することにより、シリンダ内への燃料噴射時の噴射角度Ｅ´は、例えば、回転速度Ｄ´が増すにつれて勾配が線形に下降する形式で連続的に負の値Ｅ´Ｅまで減少するが、次いで、噴射角度Ｅ´Ｅは、再び最大回転速度Ｄ´ｍａｘに戻る。噴射角度Ｅ´Ｅは、これにより、例えば、大型ディーゼル機関が、全負荷時に回転速度Ｄ´ｍａｘで理想的に作動し、かつ例えば燃費が最小化されることを保証する。
【００３２】
これと関連して、図１から明らかに見て取れるように、回転速度Ｄ´に従属する作動パラメータＢ´の成分Ｋ´の大きさは、特徴的な傾向を示している。ここに説明した例では、作動パラメータＢ´の成分Ｋ´は、Ｄ´１とＤ´２との間の回転速度域内に或る型の共振位置を有している。このことは、Ｄ´１とＤ´２との間の狭く限定された回転速度域内で、成分Ｋ´の大きさが、許容可能な最大値Ｋ´ｍａｘを明らかに超えて増大するため、この回転速度域内では、大型ディーゼル機関が、もはや最適作動が不可能なことを意味している。最悪の場合、共振が、安全条件にかなりの悪影響を与えることがある。例えば、作動パラメータＢ´が、ねじり振動であり、成分Ｋ´が、Ｄ´１とＤ´２との間の回転速度範囲内で船舶自体が傷むほど強くなる場合が、それである。
【００３３】
例えば、船舶に機関を据え付けた後に、図１に示すような作動パラメータＢ´の成分Ｋ´の図表又は類似の図表を知って、作動パラメータＢ´の成分Ｋ´の大きさを許容可能な最大限界値Ｋ´ｍａｘ以下に低減しようと試みる場合には、部分的に上述した極めて高額の費用を要する複雑な機械的な処置をとる必要があった。
図２には、これに対し、以下、符号１で示す本考案による方法の作動パラメータＢの成分Ｋを最適化した場合の図表が、略示されている。これに関連して、本考案による作動パラメータＢの成分Ｋの変更又は最適化を、図の噴射角度Ｅの変更の例により更に詳細に説明する。作動パラメータＢの成分Ｋは、既に詳述した別の措置により類似の形式で変更できるので、説明は、噴射角度Ｅの例に限定でき、別の図を参照して排気弁の作動を再説する必要はない。特に、排気弁に関係する本考案の方法の重要な変化形は既に詳しく説明したので、当業者は、以下の説明を排気弁の作動に直ちに転用できよう。
【００３４】
図１同様に、往復動ピストン燃焼機関の回転速度Ｄは横軸にとられ、特定回転速度でのシリンダ内への燃料噴射時の噴射角度Ｅは、左縦軸にとられている。右縦軸には作動パラメータＢの成分Ｋの大きさが記録されている。
図示のように、正の噴射角度Ｅは再度昇するように記録されており、このことは、正の噴射角度Ｅが数学的に正の縦軸方向に記録されていることを意味し、正の噴射角度Ｅは、負の噴射角度Ｅの場合より相応に噴射が遅いことを意味している。０°の噴射角度は、燃料噴射が、対応シリンダの上死点で生じることを意味する。
同時に、既述のように、作動パラメータＢの成分Ｋの大きさは右縦軸にとられており、その回転速度従属性は破線で略示されている。破線Ｋｍａｘは、許容可能な最大値Ｋｍａｘを表し、内燃機関の作動状態では、作動パラメータＢの成分Ｋは、この最大値を超えることは許されない。作動パラメータＢの成分Ｋは、例えばねじり振動のフーリエ成分Ｋとすることができる。
【００３５】
図２には、回転速度Ｄに従属する噴射角度Ｅの既知の特性線が、部分的に示されている。この特性線は、船舶の大型ディーゼル機関が、回転速度０から全負荷最大回転速度Ｄｍａｘまで加速されるさいに典型的なものである。この場合、大型ディーゼル機関は全負荷で作動せしめられる。回転速度Ｄが低い場合、例えば船舶が港を出るさいには、燃料は、特定回転速度Ｄまで正の噴射角度ＥＡで噴射される。通常、この噴射角度ＥＡは、例えば約３°であり、このことは、上死点から約３°のところで噴射されることを意味する。この噴射角度ＥＡは、図１に略示されているように、指定最大回転速度Ｄｍａｘの約７０％に相当する回転速度Ｄまで一定に維持できる。噴射が低い範囲の正の噴射角度で行われる理由は、例えば、図１について既に説明したように、黒鉛発生の望ましい低減であるが、このことは、しかし、例えば燃費の増大という代価を払わねばならない。
【００３６】
更に指定回転速度Ｄｍａｘまで機関の回転速度Ｄを加速することで、シリンダ内への燃料噴射角度Ｅは、始め、第１段階で連続的に、例えば回転速度の増大につれて線形に下降する形式の勾配で減少し、本考案による方法の一段階が行われた後、更に負の値ＥＥまで減少し、次いで噴射角度ＥＥは最大回転速度Ｄｍａｘまで維持される。噴射角度ＥＥは、例えば大型ディーゼル機関が、最大回転速度Ｄｍａｘで全負荷時に最適作動し、かつ燃費が例えば最小化されることを保証する。
このことと関連して、作動パラメータＢの成分Ｋの大きさは、回転速度Ｄに従属する特性線を示す。ここに示した例では、作動パラメータＢの成分Ｋは、Ｄ１とＤ２の間の回転速度域内に、図１に示した先行技術の例に似た或る型の共振位置を有している。
しかし、図１に示した先行技術と異なり、作動パラメータＢの成分Ｋの大きさは、狭く限定されたＤ１とＤ２との間の回転速度域内で増大するが、許容可能な最大値Ｋｍａｘを超えることはなく、特に、許容可能な最大値Ｋｍａｘ以下にとどまるので、機関もＤ１とＤ２との間の回転速度域内で最適かつ安全に作動する。
【００３７】
作動パラメータＢの成分Ｋの値の最小化は、図２に明瞭に認められ、かつ、該成分Ｋは、例えばねじり振動Ｂのフーリエ成分Ｋとすることができるが、該成分Ｋの最小化は、本考案により次のようにすることで達せられる。すなわち、第１回転速度Ｄ１のさい、燃料が第１噴射角度Ｅ１で噴射され、第２回転速度Ｄ２のさい、燃料が第２噴射角度Ｅ２で噴射されるようにし、しかも、そのさい、第１噴射角度Ｅ１が第２噴射角度Ｅ２より大となるようにし、かつまた燃料噴射時の噴射角度Ｅが、第１と第２の回転速度Ｄ１，Ｄ２の間で、第１と第２の噴射角度Ｅ１，Ｅ２より大きい第３噴射角度Ｅ３に変更されるようにするのである。
第１回転速度Ｄ１と第２回転速度Ｄ２との間の狭く限定された回転速度範囲内で、このように噴射角度Ｅを変更することにより、作動パラメータＢの成分Ｋの大きさは、許容可能な最大値Ｋｍａｘより明らかに小さい値に減少するが、この値は、シリンダ内への燃料噴射時の、回転速度に従属する噴射角度Ｅを本考案により変更することなしには、許容可能な最大値Ｋｍａｘを超えることになろう。
【００３８】
図２の例により示した本考案の方法１の好適実施例は、概略は簡単に理解でき、かつ第１回転速度Ｄ１と第２回転速度Ｄ２との間の狭く限定された回転速度範囲内での燃料噴射角度Ｅの変更は、種々の要求及び／又は機関構造及び／又は船舶構造に応じて、又はどの作動パラメータを最適化すべきかに応じて、別の特性線を有し得ることが理解されよう。例えば、第１回転速度Ｄ１と第２回転速度Ｄ２との間での噴射角度Ｅは、局所的な最小値を含むか、又はより複雑なプロットを有することもあり得る。特に、低い回転速度Ｄでの噴射時点を決定する噴射角度ＥＡは、また高回転速度Ｄでの噴射時点を決定するクランク軸ＥＥより小さいことは疑いない。更に、ＥＥ同様にＥＡも、正又は負の値を有することができる。噴射角度Ｅの絶対値と特性的な回転速度Ｄとは、特に船舶のみでなく機関の構成や、最適化すべき作動パラメータに従属し、かつ相応に変化できる。
【符号の説明】
【００３９】
Ａ´  公知の方法の場合の排気角度
Ｂ´  公知の方法の場合の作動パラメータ
Ｄ´  公知の方法の場合の往復動ピストン燃焼機関回転速度
Ｅ´  公知の方法の場合の噴射角度
Ｋ´  公知の方法の場合の作動パラメータＢ´の１成分
Ａ  本考案の方法の場合の排気角度
Ａ１  第１排気角度
Ａ２  第２排気角度
Ａ３  第３排気角度
Ｂ  本考案の方法の場合の作動パラメータ
Ｄ  本考案の方法の場合の往復動ピストン燃焼機関回転速度
Ｄ１  第１回転速度
Ｄ２  第２回転速度
Ｅ  噴射角度
ＥＡ  負の噴射角度
ＥＥ  クランク角度
Ｅ１  第１噴射角度
Ｅ２  第２噴射角度
Ｅ３  第３噴射角度
Ｋ  作動パラメータの成分
Ｋｍａｘ  許容可能な最大値
【図１】
0003174346.tif 000003
【図２】
0003174346.tif 000004