特許 7421854 エンジン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-17

(45)【発行日】2024-01-25

(54)【発明の名称】エンジン

(51)【国際特許分類】

   F02B 75/32 20060101AFI20240118BHJP

   F01M 1/06 20060101ALI20240118BHJP

   F16C 7/02 20060101ALI20240118BHJP

   F16C 9/04 20060101ALI20240118BHJP

   F16J 1/14 20060101ALI20240118BHJP

【ＦＩ】

F02B75/32 B

F01M1/06 C

F01M1/06 Q

F16C7/02

F16C9/04

F16J1/14

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2018003363

(22)【出願日】2018-01-12

(65)【公開番号】P2019124133

(43)【公開日】2019-07-25

【審査請求日】2020-09-10

【審判番号】

【審判請求日】2022-09-20

(73)【特許権者】

【識別番号】523216148

【氏名又は名称】株式会社三井Ｅ＆Ｓ ＤＵ

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100175802

【弁理士】

【氏名又は名称】寺本 光生

(74)【代理人】

【識別番号】100169764

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100167553

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 久典

(72)【発明者】

【氏名】増田 裕

(72)【発明者】

【氏名】井口 敬徳

【合議体】

【審判長】河端 賢

【審判官】中尾 麗

【審判官】倉橋 紀夫

(56)【参考文献】

【文献】特開平０５－０９９２１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１８４１４７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－０５７４００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２０８４４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６３－１２３７２４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０９－２７３５３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１６－０１５０２２０（ＫＲ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

F02B 75/32

F16C 7/02

F16C 9/04

F16J 1/14

F01M 1/06

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ピストンと接続されるピストンロッドと、前記ピストンロッドの一端に設けられるクロスヘッドピンとを備え、クロスヘッドピンにより前記ピストンロッドと軸受部材とが接続される２ストロークエンジンにおいて、
前記クロスヘッドピンは、前記クロスヘッドピンの中心よりも前記ピストンロッド側に偏倚した位置に設置された空洞部を有し、
前記空洞部は、前記クロスヘッドピンの軸方向に貫通するとともに前記ピストンロッドの軸芯を中心として対称となる２箇所の位置に設けられた貫通孔であることを特徴とするエンジン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンジンに関するものである。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１には、高い油膜特性を維持しつつ負荷能力をより向上させたクロスヘッド軸受が開示されている。このクロスヘッド軸受は、エンジンにおけるピストンロッドとクランク軸とを接続する部材であり、ピストンロッドの往復動を回転運動に変換する機構の一部を構成している。内側の軸（クロスヘッドピン）が往復動方向に移動され、コネクティングロッドと接続された外側のクロスヘッド軸受が回転することにより、軸を中心としてコネクティングロッドを回転させる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００７－３２７５６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

このようなクロスヘッドピンと軸受部とを有するエンジンにおいては、燃焼圧力によりピストンロッドが押し下げられ、クロスヘッドピンに対してピストンロッドの延在方向に向けて断続的に荷重がかけられる。このとき、クロスヘッドピンは、クロスヘッドピンの中心を挟んでピストンロッドと対向する位置に軸受部との摺動面がある。燃焼圧力がクロスヘッドピンに伝わり、クロスヘッドピンの摺動面が変形すると、軸受部との間の軸受性能が悪化する可能性がある。

【0005】

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、エンジンにおいて、クロスヘッドピンの軸受部との摺動面の変形を防止することにより、摺動面の油膜を維持することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、上記課題を解決するための第１の手段として、ピストンと接続されるピストンロッドと、上記ピストンロッドの一端に設けられるクロスヘッドピンとを備え、クロスヘッドピンによりピストンロッドと軸受部材とが接続される２ストロークエンジンにおいて、上記クロスヘッドピンは、上記クロスヘッドピンの中心よりも上記ピストンロッド側に変位した位置に設置された空洞部を有する、という構成を採用する。

【0007】

第２の手段として、上記第１の手段において、上記空洞部は、複数設けられる、という構成を採用する。

【0008】

第３の手段として、上記第２の手段において、上記空洞部は、上記クロスヘッドピンに沿う方向に向けて形成される、という構成を採用する。

【0009】

第４の手段として、上記第１の手段において、上記空洞部は、上記ピストンに供給される潤滑流体の排出口である、という構成を採用する。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、クロスヘッドピンの中心よりもピストンロッド側に変位した位置に設置された空洞部の周囲の剛性が低下し、空洞部の周囲が弾性変形することで、ピストンロッドから受けた荷重を分散させることができる。これにより、クロスヘッドピンの中心を挟んでピストンロッドと対向する位置においてクロスヘッドピンが変形することがなく、クロスヘッドピンの軸受部との摺動面の変形を防ぐことにより、摺動面の油膜を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態におけるエンジンの断面図である。

【図2】本発明の一実施形態におけるエンジンの備えるクロスヘッドピンを示す模式断面図である。

【図3】本発明の一実施形態におけるエンジンの備えるクロスヘッドピンの変形例を示す模式断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照して、本発明における２ストロークエンジンの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

【0013】

［第１実施形態］
本実施形態のエンジンシステム１００は、例えば大型タンカなど船舶に搭載され、図１に示すように、エンジン１と、過給機２００と、制御部３００とを有している。なお、本実施形態においては、過給機２００を補機として捉え、エンジン１（主機）と別体として説明する。但し、過給機２００をエンジン１の一部として構成することも可能である。

【0014】

エンジン１は、多気筒のユニフロー掃気ディーゼルエンジンとされ、天然ガス等の気体燃料を重油などの液体燃料と共に燃焼させるガス運転モードと、重油などの液体燃料を燃焼させるディーゼル運転モードとを有している。なお、ガス運転モードでは、気体燃料のみを燃焼させても良い。このようなエンジン１は、架構２と、シリンダ部３と、ピストン４と、排気弁ユニット５と、ピストンロッド６と、クロスヘッド７と、揺動管８と、連接棒９と、クランク角センサ１０と、クランク軸１１と、掃気溜１２と、排気溜１３と、空気冷却器１４とを有している。また、シリンダ部３、ピストン４、排気弁ユニット５及びピストンロッド６により、気筒が構成されている。

【0015】

架構２は、エンジン１の全体を支持する強度部材であり、クロスヘッド７及び連接棒９が収容されている。また、架構２は、内部において、クロスヘッド７の後述するクロスヘッドピン７ａが往復動可能とされている。

【0016】

シリンダ部３は、円筒状のシリンダライナ３ａと、シリンダヘッド３ｂとシリンダジャケット３ｃとを有している。シリンダライナ３ａは、円筒状の部材であり、ピストン４との摺動面が内側に形成されている。このようなシリンダライナ３ａの内周面とピストン４とにより囲まれた空間が燃焼室Ｒ１とされている。また、シリンダライナ３ａの下部には、複数の掃気ポートＳが形成されている。掃気ポートＳは、シリンダライナ３ａの周面に沿って配列された開口であり、シリンダジャケット３ｃ内部の掃気室Ｒ２とシリンダライナ３ａの内側とを連通している。シリンダヘッド３ｂは、シリンダライナ３ａの上端部に設けられた蓋部材である。シリンダヘッド３ｂは、平面視において中央部に排気ポートＨが形成され、排気溜１３と接続されている。また、シリンダヘッド３ｂには、不図示の燃料噴射弁が設けられている。さらに、シリンダヘッド３ｂの燃料噴射弁の近傍には、不図示の筒内圧センサが設けられている。筒内圧センサは、燃焼室Ｒ１内の圧力を検出し、制御部３００へと送信している。シリンダジャケット３ｃは、架構２とシリンダライナ３ａとの間に設けられ、シリンダライナ３ａの下端部が挿入された円筒状の部材であり、内部に掃気室Ｒ２が形成されている。また、シリンダジャケット３ｃの掃気室Ｒ２は、掃気溜１２と接続されている。

【0017】

ピストン４は、略円柱状とされ、後述するピストンロッド６と接続されてシリンダライナ３ａの内側に配置されている。また、ピストン４の外周面には不図示のピストンリングが設けられ、ピストンリングにより、ピストン４とシリンダライナ３ａとの間隙を封止している。ピストン４は、燃焼室Ｒ１における圧力の変動により、ピストンロッド６を伴ってシリンダライナ３ａ内を摺動する。

【0018】

排気弁ユニット５は、排気弁５ａと、排気弁筐５ｂと、排気弁駆動部５ｃとを有している。排気弁５ａは、シリンダヘッド３ｂの内側に設けられ、排気弁駆動部５ｃにより、シリンダ部３内の排気ポートＨを閉塞する。排気弁筐５ｂは、排気弁５ａの端部を収容する円筒形の筐体である。排気弁駆動部５ｃは、排気弁５ａをピストン４のストローク方向に沿う方向に移動させるアクチュエータである。

【0019】

ピストンロッド６は、一端がピストン４と接続され、他端がクロスヘッドピン７ａと連結された長尺状部材である。ピストンロッド６の端部は、クロスヘッドピン７ａに挿入され、連接棒９が回転可能となるように連結されている。また、ピストンロッド６は、クロスヘッドピン７ａ側端部の一部の径が太く形成された太径部を有している。

【0020】

クロスヘッド７は、クロスヘッドピン７ａと、ガイドシュー７ｂとを有している。クロスヘッドピン７ａは、ピストンロッド６と連接棒９とを移動可能に連結する円柱状部材である。図２に示すように、クロスヘッドピン７ａには、中心よりも下側に、クロスヘッドピン７ａの軸方向に沿って貫通する排出口Ｏが形成されている。排出口Ｏは、ピストンロッド６の不図示の冷却流路を通過した冷却油（潤滑流体）が排出される開口である。クロスヘッドピン７ａは、排出口Ｏがクロスヘッドピン７ａの上方（ピストンロッド６側）に変位した位置に設けられている。これにより、クロスヘッドピン７ａは、ピストンロッド６から荷重を受けた際に排出口Ｏの近傍の部位が弾性変形することにより排出口Ｏの形状が変化し、連接棒９との接触面が変形することを防止できる。したがって、クロスヘッドピン７ａは、ピストンロッド６から受けた荷重によって、クロスヘッドピン７ａの中心を挟んでピストンロッド６と対向する連接棒９との摺動部位が変形することがなく、摺動面の油膜を維持できるので、円滑な摺動を保持することができる。

【0021】

ガイドシュー７ｂは、クロスヘッドピン７ａを回動可能に支持する部材であり、クロスヘッドピン７ａに伴ってピストン４のストローク方向に沿って不図示のガイドレール上を移動する。ガイドシュー７ｂがガイドレールに沿って移動することにより、クロスヘッドピン７ａは、回転運動と、ピストン４のストローク方向に沿う直線方向以外への移動が規制される。

【0022】

図１に戻り、揺動管８は、クロスヘッドピン７ａと不図示の潤滑油供給ポンプとを接続する配管である。この揺動管８は、揺動可能とされ、一端がクロスヘッドピン７ａと共に上下方向に移動すると共に、他端が潤滑油供給ポンプと共に固定された状態で設置されている。

【0023】

図１に示すように、連接棒９は、クロスヘッドピン７ａと連結されると共にクランク軸１１と連結されている長尺状部材である。連接棒９は、長尺状部材であり、一端が軸受部材として機能し、クロスヘッドピン７ａが回転可能に接続されている。これにより、連接棒９は、クロスヘッドピン７ａに伝えられたピストン４の直線運動を回転運動に変換している。クランク角センサ１０は、クランク軸１１のクランク角を計測するためのセンサであり、制御部３００へとクランク角を算出するためのクランクパルス信号を送信している。

【0024】

クランク軸１１は、気筒に設けられる連接棒９に接続された長尺状の部材であり、それぞれの連接棒９により伝えられる回転運動により回転されることで、例えばスクリュー等に動力を伝える。掃気溜１２は、シリンダジャケット３ｃと過給機２００との間に設けられ、過給機２００により加圧された空気が流入する。また、掃気溜１２には、空気冷却器１４が内部に設けられている。排気溜１３は、各気筒の排気ポートＨと接続されると共に過給機２００と接続される管状部材である。排気ポートＨより排出されるガスは、排気溜１３に一時的に貯留されることにより、脈動を抑制した状態で過給機２００へと供給される。空気冷却器１４は、掃気溜１２内部の空気を冷却する装置である。

【0025】

過給機２００は、排気ポートＨより排出されたガスにより回転されるタービンにより、不図示の吸気ポートから吸入した空気を加圧して燃焼室Ｒ１に供給する装置である。

【0026】

このようなエンジンシステム１００は、不図示の燃料噴射弁より燃焼室Ｒ１に噴射された燃料を着火、爆発させることによりピストン４をシリンダライナ３ａ内で摺動させ、クランク軸１１を回転させる装置である。詳述すると、燃焼室Ｒ１に供給された燃料は、掃気ポートＳより流入した空気と混合された後、ピストン４が上死点方向に向けて移動することにより圧縮されて温度が上昇し、自然着火する。また、液体燃料の場合には、燃焼室Ｒ１において温度上昇することにより気化し、自然着火する。

【0027】

そして、燃焼室Ｒ１内の燃料が自然着火することで急激に膨張し、ピストン４には下死点方向に向けた圧力がかかる。これにより、ピストン４が下死点方向に移動し、ピストン４に伴ってピストンロッド６が移動され、連接棒９を介してクランク軸１１が回転される。さらに、ピストン４が下死点に移動されることで、掃気ポートＳより燃焼室Ｒ１へと加圧空気が流入する。排気弁ユニット５が駆動することで排気ポートＨが開き、燃焼室Ｒ１内の排気ガスが、加圧空気により排気溜１３へと押し出される。

【0028】

また、燃焼室Ｒ１における燃焼圧力が高まり、ピストンロッド６が下方（架構２側）へと移動される際には、クロスヘッドピン７ａは、ピストンロッド６から下方に向けて荷重を受ける。クロスヘッドピン７ａは、上方に偏心した位置に排出口Ｏが形成されることにより、排出口Ｏ近傍の部位（ピストンロッド６側の部位）の剛性が低くなるように設定されている。したがって、クロスヘッドピン７ａは、ピストンロッド６から受けた荷重により排出口Ｏ近傍の部位が弾性変形することにより排出口Ｏの形状が変化し、連接棒９との接触面側の部位に荷重が伝わることがない。これにより、クロスヘッドピン７ａは、ピストンロッド６から受けた荷重によって、クロスヘッドピン７ａの中心を挟んでピストンロッド６と対向する連接棒９との摺動部位に大きな荷重が加わって変形することがなく、摺動面の油膜を維持できるので、円滑な摺動を保持することができる。

【0029】

さらに、本実施形態においては、排出口Ｏが平面視で円形の開口を有している。これにより、排出口Ｏの形成が容易となると共に、荷重が加えられた際に排出口Ｏの縁部からクラックが発生することを防止している。

【0030】

また、本実施形態によれば、排出口Ｏがクロスヘッドピン７ａの上方（ピストンロッド６側）に偏心した位置に設けられることにより、連接棒９との接触面側の部位の剛性が高まり、連接棒９との接触面の変形を防止することができる。また、クロスヘッドピン７ａに形成される開口の数を減少させることができ、クロスヘッドピン７ａ全体の強度を担保することができる。

【0031】

［第２実施形態］
第１実施形態の変形例を第２実施形態として説明する。なお、第１実施形態と同一の構成は符号を同一とし、説明を省略する。
本実施形態における２ストロークエンジンは、クロスヘッドピン７ａに、クロスヘッドピン７ａの中心よりもピストンロッド６側かつ排出口Ｏよりもピストンロッド６側に、ピストンロッド６の軸芯を中心として対称となる２箇所に位置に貫通孔Ｒ３（空洞部）が設けられている。また、貫通孔Ｒ３は、図２における平面視で、円形の開口とされ、内側が円柱状の空洞部とされる。なお、貫通孔Ｒ３は、排出口Ｏよりも内径の小さい孔とされる。

【0032】

本実施形態においては、貫通孔Ｒ３が、ピストンロッド６の軸芯を中心として対称となるように設置されている。これにより、クロスヘッドピン７ａのピストンロッド６側の部位の剛性が、ピストンロッド６の軸芯の右側と左側とでバラつくことを防止できる。したがって、クロスヘッドピン７ａのピストンロッド６側の部位は、ピストンロッド６の軸芯を中心として左右対称に弾性変形し、クロスヘッドピン７ａの中心を挟んでピストンロッド６と対向する連接棒９との摺動部位が変形することを防げる。

【0033】

また、本実施形態においては、貫通孔Ｒ３がクロスヘッドピン７ａの軸心方向に沿って複数設けられている。これにより、クロスヘッドピン７ａの上部領域を変形させやすくすると共に、貫通孔Ｒ３の径を小さくしても、クロスヘッドピン７ａを弾性変形させることができ、クロスヘッドピン７ａの強度への影響を少なくしつつ貫通孔Ｒ３を設けることができる。また、貫通孔Ｒ３を設けることにより、クロスヘッドピン７ａを軽量化することができる。

【0034】

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

【0035】

上記第２実施形態においては、貫通孔Ｒ３を２つ設けるものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、貫通孔Ｒ３は、３つ以上設けることも可能である。この場合、貫通孔Ｒ３の内径をより小さくすることが可能である。また、貫通孔Ｒ３は、開口が長円状としても良い。

【0036】

また、上記実施形態においては、空洞部が貫通孔（貫通孔Ｒ３、排出口Ｏ）としているが、本発明はこれに限定されない。例えば、クロスヘッドピン７ａは、空洞部として、貫通していない穴や、外表面に開口を有さず、内側のみに形成される空洞を有することとしても良い。

【0037】

また、上記実施形態においては、一般的な２ストロークエンジンについて説明したが、本発明は、油圧によりピストンロッドを燃焼室に対して上下動させて圧縮比を変更する可変圧縮装置を有する２ストロークエンジンについても適用可能である。

【符号の説明】

【0038】

１ エンジン
２ 架構
３ シリンダ部
３ａ シリンダライナ
３ｂ シリンダヘッド
３ｃ シリンダジャケット
４ ピストン
５ 排気弁ユニット
５ａ 排気弁
５ｂ 排気弁筐
５ｃ 排気弁駆動部
６ ピストンロッド
７ クロスヘッド
７ａ クロスヘッドピン
７ｂ ガイドシュー
７ｃ 蓋部材
８ 揺動管
９ 連接棒
１０ クランク角センサ
１１ クランク軸
１２ 掃気溜
１３ 排気溜
１４ 空気冷却器
１００ エンジンシステム
２００ 過給機
３００ 制御部
Ｈ 排気ポート
Ｏ 排出口
Ｒ１ 燃焼室
Ｒ２ 掃気室
Ｒ３ 貫通孔
Ｓ 掃気ポート

【図1】

【図2】

【図3】