(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのプロペラ軸（３）を介して船のプロペラ（４）に直接的に接続されたクランク軸（２）を備える軸装置を有する７シリンダ付き２行程クロスヘッドエンジン（１）において、
７つのシリンダを、クランク軸断面をクランクアームを有する端部から垂直方向を０°となるようにして見たときに、エンジンの前端から又は後端から番号を付けたとき、シリンダＣ１乃至Ｃ７の着火角度（α１乃至α７）が、それぞれ３５８゜乃至２°、１０５．９゜乃至１０９．９°、２５５．１゜乃至２５９．１°、２１１．７゜乃至２１５．７°、１５５．３゜乃至１５９．３°、３１４．６゜乃至３１８．６°及び５７．４°乃至６１．４°の範囲内にあるようにすることにより、２節（ｋ）捩れ振動モードに対する軸装置の固有振動数が、８．５×ＭＣＲ乃至１２．０×ＭＣＲの値（式中、ＭＣＲは、最大連続定格値の最大エンジン負荷時のエンジン回転数（ｒｐｍ）である）の範囲内にあるように前記クランク軸を形成したことを特徴とする、７シリンダ付き２行程クロスヘッドエンジン。
【請求項２】
請求項１による７シリンダ付き２行程クロスヘッドエンジンにおいて、
シリンダＣ１に対し０°、シリンダＣ２に対し１０７．９°、シリンダＣ３に対し２５７．１°、シリンダＣ４に対し２１３．７°、シリンダＣ５に対し１５７．３°、シリンダＣ６に対し３１６．６°及びシリンダＣ７に対し５９．４°の着火角度であることを特徴とする、７シリンダ付き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、少なくとも１つのプロペラ軸を介して船のプロペラに直接的に接続されたクランク軸を備える軸装置を有する７シリンダ付き２行程のクロスヘッドエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
クランク軸とプロペラとを直接的に接続することは、中間軸接続部が何ら歯車を有さず、また、プロペラがクランク軸と同一のｒｐｍであることを意味する。中間軸接続部は、エンジンとプロペラ軸との間の距離に依存して、船体の船尾管を貫通する１つのプロペラ軸と、場合によっては、１つ又は２つ以上の中間軸とを有している。
【０００３】
エンジンのクランク軸は、軸装置及びエンジン双方の必須の要素であるが、エンジン側から見て好ましいクランク軸の設計は、軸装置から見て好ましい設計と相反することが１つの問題点である。７つのシリンダを有する２行程推進エンジンにおいて、エンジンは比較的小さい質量のクランク軸を好む一方、軸装置は、従来から比較的大きい質量の慣性モーメントのクランク軸を必要とするため、この問題点は特に顕著となる。
【０００４】
本発明の１つの目的は、この古典的な問題点に対する新規な解決策を提供することである。
【０００５】
このことに鑑みて、本発明によるエンジンは、２節の捩れ振動モードに対する軸装置の固有振動数が、ＭＣＲ（最大連続定格値）が全エンジン負荷時にてエンジンのｒｐｍである場合、ＭＣＲの８．５倍乃至１２．０倍の範囲にあることを特徴としている。
【０００６】
任意の特別なエンジン寸法の場合、エンジンのＭＣＲは、エンジンにより提供される出力にとって重要であり、シリンダのボア、シリンダの行程距離及び平均圧力の場合と同様に、エンジンの設計の初期の段階にて既知である。２節捩れ振動モードに対する固有振動数が上記範囲内にある軸装置の設計は、その質量に比して捩れ剛さが比較的小さい軸装置を提供し、また、このことは、軸装置をより高強度の材料にて製造し且つその軸装置がより小さい質量を有することを許容する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
より高強度の軸材料を使用することは、材料の応力レベルがより大きくなり、また、定負荷の場合、軸は、より小さい断面積にて形成でき、これにより、より質量にて形成することができることを意味する。縮小した断面積であることは、軸の捩れ剛さが低下することを意味する。固有振動数が８．５×ＭＣＲ以下となるならば、軸は捩れの点にて過度に柔軟となってしまう。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
２節の捩れ振動に対する現在の固有振動数の場合、第９オーダー乃至第１１オーダーの捩れ振動は、軸の捩れ応力に寄与する可能性がある。幾つかの場合、この寄与率は、全体的な応力レベルにとって実質的に重要でない一方、その他の場合、特に、主軸受ジャーナルにおいて、応力は望ましい値よりも大きくなる可能性がある。この後者の場合、第１１オーダーの振動に対する捩れ振動の寄与率の合計値が変化する程度が少なくなるように、エンジンの着火角度を調節することにより補償することができる。かかる実施の形態の場合、７つのシリンダをエンジンの前端から、又は後端から番号を付けるならば、シリンダＣ１乃至Ｃ７の着火角度（α１乃至α７）は、それぞれ３５８゜乃至２°、１０５．９゜乃至１０９．９°、２５５．１゜乃至２５９．１°、２１１．７゜乃至２１５．７°、１５５．３゜乃至１５９．３°、３１４．６゜乃至３１８．６°及び５７．４゜乃至６１．４°の範囲にあり、最も好ましくは、シリンダＣ１に対する着火角度が０°、シリンダＣ２に対する着火角度が１０７．９°、シリンダＣ３に対する着火角度が２５７．１°、シリンダＣ４に対する着火角度が２１３．７°、シリンダＣ５に対する着火角度が１５７．３°、シリンダＣ６に対する着火角度が３１６．６°、及びシリンダＣ７に対する着火角度が５９．４°となるようにする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、極く概略図面を参照しつつ、本発明によるエンジンの実施の形態を以下により詳細に説明する。
【００１０】
図１には、例えば、油及び／又はガスを燃料とするディーゼル型の７シリンダ付き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、当該出願人の型式ＭＣとすることができる。シリンダボアは、例えば、３５乃至１１０ｃｍの範囲とし、行程距離は、例えば、８０ｃｍ乃至４００ｃｍの範囲とし、平均圧力は、例えば、１８００ｋＰａ（１８バール）乃至２１００ｋＰａ（２１バール）の範囲とし、シリンダ当たりの出力は、例えば、４００ｋＷ乃至７０００ｋＷ以上の範囲とすることができる。このエンジンは７つのシリンダを備えるインラインエンジンである。
【００１１】
エンジンの軸装置は、所望に応じて、プロペラ軸に直接的に又は少なくとも１つの中間の軸５を介する方法の何れかにて、プロペラ４と共にプロペラ軸３に直接的に接続されたクランク軸２にて形成されている。所望であるならば、クランク軸とプロペラ軸との間にクラッチを更に挿入してもよい。プロペラが可変ピッチのＣＰ型であるならば、クランク軸とプロペラ軸との間において油分配軸が存在して、この油分配軸を通じて、液圧流体を、そのピッチを調節するためプロペラに又はプロペラから通すことができる。これと代替的に、プロペラは一定ピッチのＦＰ型としてもよい。
【００１２】
図２には、２節の捩れ振動モードの一例が図示されている。Ｃ１乃至Ｃ７は、エンジン内のシリンダの位置を示す一方、Ｐはプロペラ４の位置を示す。図示したグラフｄはその振動モードにおける軸の相対的な捩れ撓みを示す、すなわち、当該軸方向における実際の撓みを軸の最大捩れ撓みで割った値を示す。グラフｄと水平軸線との間の交点ｋは、捩れ振動の節の位置を示す。グラフｄは１つの特定の実施例にのみ適用され、軸装置の設計はグラフの軌跡及び節の位置に影響を与えることは明らかである。
【００１３】
軸装置は、ｎ＝１２１０ｃｐｍの場合の２節捩れ振動モードに対する固有振動数を有する。この固有振動数は、軸装置の剛さとその質量との間の比率によって周知の方法にて決定される。このエンジンは、ＭＣＲ＝１０７ｒｐｍにおける出力が９８４０ｋＷであり、平均圧力が１４００ｋＰａ（１４バール）の７Ｌ６０ＭＣである。エンジンのボアは６００ｍｍであり、行程距離は１９４４ｍｍである。船舶に搭載した後、比燃料消費量を減少させ得るようにエンジンがより低ｒｐｍにて全負荷状態で作動するように変更することが望ましいならば、軸装置への変更を必要とせずに、ＭＣＲを１０１ｒｐｍまで減少させることができ、またより大きい出力となるようにより高ｒｐｍにて全負荷状態で作動するようにエンジンを変更することが望ましいならば、当該エンジンに対して構造的に決定された上限値である１２３ｒｐｍにＭＣＲを変更することができる。
【００１４】
クランク軸は、引張り強度σ0.2が６１０Ｎ／ｍｍ2のスチールにて出来ており、捩れ振動の結果としての主要軸受ジャーナルにおける許容可能な公称応力の上限値は３０Ｎ／ｍｍ2である。軸装置は、約３７ｎｒａｄ／Ｎｍの捩れ可撓性を有する。
【００１５】
捩れ振動の変化が望ましくない程に大きいならば、その応力を減少させる幾つかの可能な方法がある。応力レベルは、シリンダの出力に依存する励起力の大きさの関数であり、また質量弾性系及びエンジンのｒｐｍに依存し、またエンジンサイクル中どの時点で励起力が作用するかに依存して、シリンダの着火角度によりより特定的に決定されるいわゆるベクトル合計値に依存する振動装置の動的状態の関数である。
【００１６】
エンジンが特定の出力を有すること、及び可能な限りクランク軸は振動状態の影響を受けないことが望ましいため、質量−弾性系への変化及び励起力の大きさの変化を回避することが好ましい。
【００１７】
ベクトル合計値に関して、２節捩れ振動モードに対する振動寄与分は時間と共に変化する、個々のシリンダのトルク寄与分から成っている。周知の仕方にて、これらの振動寄与分は調波成分に分解することができ、その各ｉ番目のオーダーに対し、共振回転数ωi＝ｎ／ｉが存在し、この時点にて振動オーダーは軸装置の固有振動数と共振する。船の推進エンジンは、典型的に、主としてそのＭＣＲにて連続的に作動するため、ＭＣＲ付近のｒｐｍにて共振する調波成分を検討することが特に妥当である。２節捩れ振動モードに対する固有振動数が８．５×ＭＣＲ乃至１２．０×ＭＣＲの範囲にある場合、第９オーダー乃至第１２オーダーの振動を検討することができる。
【００１８】
この検討は、着火オーダー（着火順序）がシリンダＣ１、Ｃ７、Ｃ２、Ｃ５、Ｃ４、Ｃ３、Ｃ６であり、着火角度が等しい、すなわち、各着火間の回転角度が３６０／７°＝５１．４°のＭＣ型７シリンダ付きエンジンにて開始することができる。これに基づいて、第９オーダー乃至第１２オーダーの振動に対するベクトル合計値が小さくなる着火角度が計算される。
【００１９】
特に有利な着火角度の組み合わせは図３に図示されており、シリンダＣ１に対し０°、シリンダＣ２に対し１０７．９°、シリンダＣ３に対し２５７．１°、シリンダＣ４に対し２１３．７°、シリンダＣ５に対し１５７．３°、シリンダＣ６に対し３１６．６°及びシリンダＣ７に対し５９．４°である。これらの着火角度は、第９オーダー乃至第１２オーダーの振動に対するベクトル合計値が著しく小さく、また、軸装置の自由力、第一及び第二順位のモーメント、案内力又は軸方向への振動のようなその他の振動パラメータを無効にする方向に何ら顕著に変化させることはない。第９オーダー、第１０オーダー、第１１オーダー及び第１２オーダーの捩れ振動が、エンジンが連続的に作動するための点付近にてその共振点を有するように軸装置の固有振動数が選ばれることにも拘らず、これらの着火角度は、捩れ振動を減衰させる作用可能な部材を必要とせずに、軸装置を製造することを可能にする。これら着火角度は２°以内の角度範囲内で変更が可能である。第９乃至第１２オーダーの捩れ振動に対する有利な程に小さい寄与分を実現し得るようにその他の組みの着火角度とすることも可能である。
【００２０】
請求項２及び請求項３に記載した着火角度を有利に適用することのできる７シリンダ付きエンジンのその他の例は、ＭＣＲが９７ｒｐｍのとき出力が２１２８０ｋＷのエンジン７Ｋ８０ＭＣ−Ｃ、ＭＣＲが１０４ｒｐｍのときＭＲの最大出力が３９９７０ｋＷの７Ｋ９８ＭＣ−Ｃ、例えば、ボアが９００ｍｍ、８４０ｍｍ、７００ｍｍ、５００ｍｍ及び４６０ｍｍのその他のエンジン寸法のものである。
【００２１】
上述した着火角度は、多少不均一な着火オーダーを提供し、この場合、個々の着火間のクランク軸の回転は、それぞれ５９．４°、４８．５°、４９．４°、５６．４°、４３．４°、５９．５°及び４３．４°である。
【００２２】
軸装置の固有振動数が１２×ＭＣＲよりも著しく大きいならば、所望の効果は過度に不十分となり、更に、第１３又はより高いオーダーの振動から振動寄与部が生ずる可能性がある。
【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】２節捩れ振動モードの外形図である。
【図３】図１のエンジンの着火角度の一例を示す線図である。
【符号の説明】
１  ７シリンダ付きクロスヘッドエンジン
２  クランク軸                  ３  プロペラ軸
４  プロペラ                    ５  中間軸
【図１】
0004156247.tif 000002
【図２】
0004156247.tif 000003
【図３】
0004156247.tif 000004