JP2009501296A - 機関車エンジン用の共通燃料レール燃料システム - Google Patents

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Abstract

多バンク型ディーゼル機関車エンジン(10)用の共通レール燃料噴射装置(1)。共通レール(20、22)は、エンジンのシリンダ(12)の各バンク(16、18)に近接して配置されて、各それぞれのシリンダに関連した燃料流量制御装置(14)に高圧燃料(30)を供給する。複数の高圧燃料ポンプ(34)は、共通レールのうちの少なくとも1つに高圧燃料を供給する。2つの共通レール間で高圧燃料を移送し、それによって高圧燃料ポンプの1つに故障が発生した場合に、全てのシリンダに対し燃料を連続的に送給するために、流体交差連結管路(38)が設けられる。高圧燃料ポンプは、カムシャフト(50)の歯車駆動端部(58)において接合されたカムシャフトセクション(50a、50b、50c)上に設置された燃料ローブ(64)によって動かされる。カムシャフトのアイドラ端部(60)において接合されたカムシャフトセクション(50d、50e、50f)は、燃料ローブを有するそれらのセクションよりも低いトルク荷重を支持し、またより低い強度の材料で形成することができ或いはより小さいシャフト径を有することができる。
【選択図】 図2

Description

本明細書は、総括的には鉄道機関車の分野に関し、より具体的には、鉄道機関車のディーゼルエンジン用の共通レール燃料システムに関する。
乗用自動車、貨物自動車、船舶及び定置エンジン装置用の火花点火エンジン及び圧縮点火(ディーゼル)エンジンを含む内燃エンジンでは、燃料噴射システムが広く使用されている。そのような燃料噴射システムの1つが、米国特許第6,357,421号に記載されている。共通レール燃料システムは、1つ又はそれ以上の高圧燃料ポンプによって高い圧力(一般的には、1600〜2000バール)に維持された燃料アキュムレータ(レール)を利用している。エンジンのシリンダと関連した燃料噴射器は、燃料レールから燃料を受け、その場合、燃料の送給量は、燃料レール及び噴射ノズル間に配置されたソレノイド弁によって制御される。
米国特許第5,394,851号は、本出願の出願人によって提供されている鉄道機関車の大排気量ターボ過給式中速ディーゼルエンジンにおいて一般に使用している燃料噴射システムについて記載している。そのようなエンジンは、複数のユニット動力組立体を含んでおり、各動力組立体は、シリンダと、シリンダヘッドと、カム駆動式吸気及び排気弁と、燃料噴射システムとを含み、燃料噴射システムは、燃料ポンプ、燃料噴射制御ソレノイド及び燃料噴射ノズルを含んでいる。各燃料ポンプは、エンジンのそれぞれのカムシャフト上に設置された燃料ローブによって駆動される。
米国特許第6,357,421号公報 米国特許第5,394,851号公報 米国特許第5,133,645号公報 米国特許第5,197,438号公報 米国特許第5,201,294号公報 米国特許第5,230,613号公報 米国特許第5,277,156号公報 米国特許第5,313,924号公報 米国特許第5,365,902号公報 米国特許第5,492,099号公報 米国特許第5,605,134号公報 米国特許第6,016,791号公報 米国特許第6,192,863号公報 米国特許第6,349,706号公報 米国特許第6,584,953号公報 米国特許第6,712,045号公報 米国特許第6,848,414号公報 日本特許出願公開第10274075 A号公報 国際特許出願公開第0186139 A号公報 欧州特許出願公開第1143140 A1号公報 独逸特許出願公開第19731643 A1号公報 米国特許第5,433,182 A号公報 米国特許出願公開第2002/062819 A1号公報 Automotive Equipment: Diesel injection technology. Common rail from Bosch for vehicle used in the construction industry and in agriculture. http://www.bosch-presse.de
本発明者達は、機関車用途における多シリンダ型ディーゼルエンジンに燃料送給するために高圧共通レール燃料システムを利用することに関連した特定の利点を認識している。そのような利点は、その他のシステムを用いて可能であるよりも大きな精度及び柔軟性で各シリンダへの燃料送給を制御することができることにより得られる。しかしながら、本発明者達はまた、先行技術の共通レール燃料システムが有しており、機関車用途にとって特に問題である特定の限界についても認識している。例えば、燃料レールは通常、燃料噴射ノズルにおける燃料圧力変動を最小にするために、その関連したシリンダに近接して配置される。機関車用途によく見られるように、2つのシリンダバンクを含むエンジンの場合には、米国特許第5,133,645号に示されているように、一般的に2つの別個のレールを設けて、2つのシリンダバンクに対して独立して燃料を供給している。2つのレールのいずれかに対する燃料供給の故障が発生した場合には、そのようなエンジンのシリンダの半分は、不作動状態になるが、このことは、先行技術の貨物自動車用途においては、重大問題として認識されてこなかった。しかしながら、機関車用途に対する公知の共通レール燃料システムの適用は、機関車を故障モードに陥り易い状態のまま放置することになり、エンジンが傾斜軌道に沿って列車を動かし続けるのに十分な原動力を提供し得ないことにより、列車を立ち往生させるおそれがある。そのような故障モードは、鉄道産業においては極めて望ましくない。
図1は、多バンク多シリンダ型ディーゼル機関車エンジン用途における共通レール燃料補給法の利点の利用を可能にする改良型燃料噴射装置1を示している。図1は、12個のシリンダ12を備えた機関車エンジン10の概略図である。各シリンダ12は、シリンダ、シリンダヘッド、ピストン、吸気及び排気弁、並びに燃料流量制御装置14を含む動力組立体の一部とすることができる。燃料流量制御装置14は、燃料噴射ノズルと、該燃料噴射ノズルへの燃料の送給を制御するソレノイド弁とを含むことができる。シリンダ12は、左バンク16と右バンク18とにグループ分けされる。左バンク及び右バンクという用語は、エンジンに関する命名慣行として当技術分野において一般に使用されており、本明細書においては限定することを目的とした用語であると解釈すべきではない。
燃料噴射装置の左バンク共通燃料レール20は、左シリンダバンク16に近接して配置され、右バンク共通燃料レール22は、右シリンダバンク18に近接して配置される。それぞれのレール20、22から流量制御装置14に高圧燃料を送給する高圧燃料供給管路24を実施可能なだけ短く保つように、レール20、22は、実施可能なだけシリンダ12に近接して設置するのが有利である。低圧燃料供給管路26は、補給燃料30を収容した燃料タンク28と、タンク28から流量調整弁36を介して1つ又はそれ以上の高圧燃料ポンプ34に燃料30を送給する低圧燃料ポンプ32とを含む。燃料レール20、22内の圧力は、いずれかの公知の閉ループ制御装置(図示せず)を用いて弁36を通る燃料30の送給量を制御することによって、所望の圧力範囲内に維持される。
左バンク共通燃料レール20及び右バンク共通燃料レール22間における燃料30の移送のために、流体交差連結管路38を設けるのが有利である。他の実施形態では、他の構成も考えることができるが、図1の3つの高圧ポンプ34は、全て左バンク共通レール20に近接して配置され、かつ高圧供給管路40を介して左共通レール20に燃料を供給するように連結される。他の用途では、1つ又はそれ以上のそのような高圧燃料ポンプ34を右共通レール22に燃料30を送給するように設けることができることが、当業者には分かるであろう。例えば、1つのV−16型ディーゼルエンジン装置では、2つの高圧燃料ポンプを使用して左レールに燃料を供給することができ、また2つの高圧燃料ポンプを使用して右レールに燃料を供給することができる。図1の実施形態では、高圧燃料は、左共通レール20から交差連結管路38を介して右共通レール22に供給される。他の実施形態は、燃料噴射装置1の機械的及び流体的設計を最適化する所望に応じて、燃料レール間に1つよりも多くの交差連結管路を有することができる。高圧ポンプの1つに故障が発生した場合に、複数の高圧ポンプ34及び流体交差連結管路38は、協働して、シリンダ12の全てを連続的に作動させるように燃料30を送給するのを可能にする。交差連結管路38の位置は、図1に概略的に示しているが、他の実施形態では、交差連結管路38は、高圧ポンプ34に一層近接して設置することができることが、当業者には分かるであろう。
図1の燃料噴射装置1は、連続的な全出力運転、又は高圧ポンプ34の1つを不作動状態にした選択低減出力レベルの運転を行うように設計することができる。各高圧ポンプ34の流体容量は、例えば全出力運転時における総エンジン燃料流要求量の約50%になるよう選択することができる。このようにして、万一3つの高圧燃料ポンプ34の1つが故障した場合には、残りの2つの作動しているポンプ34が、全出力運転状態にある全てのシリンダ12に対して全燃料流量を供給し続けることができる。図示するように高圧ポンプ34の全てが左レール20内にのみ燃料を供給する場合において或いは高圧ポンプ34の1つ、2つ又は3つが右レール22内に燃料30を供給するような他の実施形態においても、交差連結管路38の機能によって、この能力が存在する。
図1の燃料噴射装置1は、新規なエンジン10における当初装置として取り付けることができ、或いは米国特許第5,394,851号に示されているような燃料噴射装置を元々利用していた既存のエンジン内に後から取り付けることができる。そのような先行技術のシステムは、エンジンの各動力組立体ユニットのストロングバック(取付けブラケット)上に取り付けられたカム駆動機械式燃料ポンプを含んでいる。そのような12シリンダ型エンジンを図1の改良型燃料噴射装置1を含むように変更する場合には、12個の元の燃料ポンプを除去して、元のポンプの3つの代わりに、それぞれのストロングバック上に3つの高圧燃料ポンプ34を取り付ける。高圧ポンプ34を受け入れないストロングバックの貫通孔は、密閉する必要がある可能性がある。図1の左バンク16のような、高圧ポンプ34を取り付けたシリンダ12のバンクの場合には、カムシャフト設計における変更が必要となる可能性がある。元のカムセクションの幾つかは、変更したエンジン内で使用することができる。図2を参照しながら進める以下のパラグラフにおいて一層完全に説明するように、本発明者達は、本燃料噴射装置1の利点をさらに拡大するために、カムシャフト設計における変更の必要性を革新的に押し進めた。
図2は、図1のエンジン10の1つの実施形態で使用することができるようなカムシャフト50、52の斜視図である。左カムシャフト50は、左バンク16のシリンダ12と組合せて使用され、また右カムシャフト52は、右バンク18のシリンダ12と組合せて使用される。各カムシャフト50、52は、被駆動端部58における駆動歯車54、56と、反対側アイドラ端部60とを含む。それぞれの弁ローブ62に機械的エネルギーを供給して各動力組立体の吸気及び排気弁(図示せず)を動かすようにするために、駆動歯車54、56からトルクが伝達される。それぞれの燃料ローブ64に機械的エネルギーを供給してそれぞれの高圧燃料ポンプ34に動力を与えるためにも、駆動歯車54からトルクが伝達される。カムシャフト50、52は、各カムセクションがエンジン10の1つのシリンダ12/動力組立体と関連するようにして、複数のカムセクションを接合することによって組み立てられる。左カムシャフト50は、カムセクション50a、50b、50c、50d、50e及び50fを含む。どのカムセクションも、それぞれの動力組立体の吸気及び排気弁用の弁ローブ62を含む。カムセクションは、交互に燃料ローブ64を含み又は燃料ローブ64を含まない。図1のカムセクション50a、50b及び50cは、燃料ローブ64を含む。ローブ64は、例えば1つの実施形態では40°ずつのように、角度的に互いにずらして燃料レール20に対して一層一定な燃料供給圧力を与えるようにすることができる。有利なことには、燃料ローブ64を含むカムセクション50a、50b及び50cの各々は、カムシャフト50の被駆動端部58に近接して設置し、燃料ローブを含まないカムセクションは、駆動歯車54と燃料ローブ64を含むいずれかのセクションとの間には設置されない。従って、カムシャフト50の歯車駆動端部58に最も近接した接合セクションは、燃料ローブ64を含むことができ、また歯車駆動端部58から最も遠い接合セクションは、燃料ローブ64を含まない。このようにして、燃料ローブ64を含まないセクション50d、50e、50fを通して伝達されるトルク値は、燃料ローブ64を含むカムシャフトセクション50a、50b、50cを通して伝達されるトルク値よりも小さい。このことは、燃料ローブを含まないカムシャフトセクションを燃料ローブを含むセクションよりも小さい荷重支持能力を有するように設計することを可能にする。このことは、それらカムシャフトセクションをより小さいシャフト径を有するように設計することによって、或いは燃料ローブを含むカムシャフトセクションの材料の対応する強度値よりも低い強度値(例えば、引張強度又は剪断強度のような)を有する材料を利用することによって達成することができる。従って、燃料ローブを含まないカムシャフトセクションの製造コストは、燃料ローブを含むカムシャフトセクションの製造コストよりも低くかつ/又は燃料ローブを含む先行技術のカムシャフトセクションのコストよりも低くすることができる。図1の実施形態を利用した後取付け用途の場合には、元の右カムシャフトは、所定の位置に残しておくことができ、また図2のカムシャフト50を組み立てるために、ポンプと関連した左カムシャフトのカムセクションのみを取り換えることが必要となる。交換用カムシャフトは、完全に新規のユニットとすることができ、或いは交換したカムシャフトのセクションを使用して組み立てることもできる。
本明細書では、本発明の様々な実施形態を示しかつ説明してきたが、そのような実施形態は単なる例示のために提示しているに過ぎないことは、明らかであろう。本明細書における本発明から逸脱することなく、多数の変形、変更及び置換えを行うことができる。従って、本発明は特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲によってのみ限定されることを、意図している。
共通レール燃料噴射装置を組み込んだ多シリンダ型ディーゼル機関車エンジンの概略図。 図1のエンジン内で使用するカムシャフトの斜視図。
符号の説明
1 改良型燃料噴射装置
10 機関車エンジン
12 シリンダ
14 燃料流量制御装置
16 左バンク
18 右バンク
20 左バンク共通燃料レール
22 右バンク共通燃料レール
24 高圧燃料供給管路
26 低圧燃料供給管路
28 燃料タンク
30 補給燃料
32 低圧燃料ポンプ
34 高圧燃料ポンプ
36 燃料流量調整弁
38 流体交差連結管路
40 高圧供給管路
50 左カムシャフト
52 右カムシャフト
50a〜50f カムセクション
54、56 駆動歯車
58 被駆動端部
60 アイドラ端部
62 弁ローブ
64 燃料ローブ

Claims (20)

  1. 左バンクのシリンダ及び右バンクのシリンダを含む多シリンダ型ディーゼル機関車エンジン用の燃料噴射装置であって、
    前記左バンクのシリンダに近接して配置された左バンク共通レールと、
    前記右バンクのシリンダに近接して配置された右バンク共通レールと、
    低圧燃料供給管路と、
    前記低圧燃料供給管路から低圧燃料を受けかつ前記左バンク共通レール及び右バンク共通レールの少なくとも1つに高圧燃料を供給する複数の高圧燃料ポンプと、
    前記左バンク共通レール及び右バンク共通レール間で燃料を移送するための流体交差連結管路と、を含み、
    各左バンクシリンダが、それぞれの燃料噴射制御装置を介して前記左バンク共通レールから燃料を受け、
    各右バンクシリンダが、それぞれの燃料噴射制御装置を介して前記右バンク共通レールから燃料を受け、
    前記高圧ポンプの1つに故障が発生した場合に、前記複数の高圧ポンプ及び流体交差連結管路が協働して、前記シリンダの全てを連続的に作動させるように燃料を送給するのを可能にする、
    燃料噴射装置。
  2. 各バンクのシリンダと関連したカムシャフトをさらに含み、
    各カムシャフトが、複数の接合セクションを含み、前記接合セクションが、前記それぞれのカムシャフトの歯車駆動端部から反対側アイドラ端部まで延び、各カムシャフトセクションが、交互に燃料ローブを含むか又は燃料ローブを含まず、
    前記高圧ポンプの各々が、前記カムシャフトセクションのそれぞれ1つ上に配置されたそれぞれの燃料ローブによって動かされ、
    前記燃料ローブを含まないどのカムシャフトセクションも、該それぞれのカムシャフトのそれぞれの歯車駆動端部とそのそれぞれのカムシャフトの燃料ローブを含むカムシャフトセクションと間に配置されないで、前記燃料ローブを含まないカムシャフトセクションを通して伝達されるトルク値が、前記燃料ローブを含むカムシャフトセクションを通して伝達されるトルク値よりも小さくなるようになる、
    請求項1記載の燃料噴射装置。
  3. 前記燃料ローブを含まないカムシャフトセクションが、前記燃料ローブを含むカムシャフトセクションのシャフト径よりも小さいシャフト径を含むことをさらに特徴とする、請求項2記載の燃料噴射装置。
  4. 前記燃料ローブを含まないカムシャフトセクションが、前記燃料ローブを含むカムシャフトセクションの材料の対応する強度値よりも低い強度値を示す材料を含むことをさらに特徴とする、請求項2記載の燃料噴射装置。
  5. 前記燃料ローブを含むカムシャフトセクションの全てが、前記カムシャフトのうちの第1のカムシャフトの歯車駆動端部に近接して接合され、前記カムシャフトのうちの第2のカムシャフトが、前記燃料ローブを含むカムシャフトセクションを含まないことをさらに特徴とする、請求項2記載の燃料噴射装置。
  6. 6つの左バンクシリンダ及び6つの右バンクシリンダを含むディーゼル機関車エンジンにおいて利用されるような燃料噴射装置であって、
    前記低圧燃料供給管路から低圧燃料を受けかつ前記左バンク共通レール及び右バンク共通レールの少なくとも1つに高圧燃料を提供する3つの高圧ポンプをさらに含み、
    前記3つの高圧ポンプが、第3の高圧ポンプに故障が発生した場合に該高圧ポンプのいずれか2つがエンジンを全出力状態に維持することができるような寸法になっている、
    請求項1に記載の燃料噴射装置。
  7. 前記左及び右シリンダバンクのうちの第1のシリンダバンクと関連した第1のカムシャフトと、
    前記左及び右シリンダバンクのうちの第2のシリンダバンクと関連した第2のカムシャフトと、をさらに含み、
    前記第1のカムシャフトが、該第1のカムシャフトの歯車駆動端部から該第1のカムシャフトの反対側アイドラ端部まで延びる6つの接合セクションを含み、
    前記第1のカムシャフトの歯車駆動端部に最も近接した3つの接合セクションが各々、燃料ローブを含み、また前記第1のカムシャフトの歯車駆動端部から最も遠い3つの接合セクションが、燃料ローブを含まず、
    前記第2のカムシャフトが、該第2のカムシャフトの歯車駆動端部から該第2のカムシャフトの反対側アイドラ端部まで延びる6つの接合セクションを含み、
    前記第2のカムシャフトのセクションが、燃料ローブを含ない、
    請求項6記載の燃料噴射装置。
  8. 前記燃料ローブを含まないカムシャフトセクションが、前記燃料ローブを含むカムシャフトセクションのシャフト径よりも小さいシャフト径を含むことをさらに特徴とする、請求項6記載の燃料噴射装置。
  9. 前記燃料ローブを含まないカムシャフトセクションが、前記燃料ローブを含むカムシャフトセクションの材料の対応する強度値よりも小さい強度値を示す材料を含むことをさらに特徴とする、請求項6記載の燃料噴射装置。
  10. 第1のバンクのシリンダと、
    第2のバンクのシリンダと、
    前記第1のバンクのシリンダに近接して配置された第1の共通レールと、
    前記第2のバンクのシリンダに近接して配置された第2の共通レールと、
    低圧燃料供給管路と、
    前記低圧燃料供給管路から低圧燃料を受けかつ前記第1の共通レール及び第2の共通レールの少なくとも1つに高圧燃料を供給する複数の高圧燃料ポンプと、
    前記第1のバンクの各シリンダと関連して、前記第1の共通レールから前記第1のバンクのそれぞれのシリンダへの燃料の流れを制御するようになった燃料流量制御装置と、
    前記第2のバンクの各シリンダと関連して、前記第2の共通レールから前記第2のバンクのそれぞれのシリンダへの燃料の流れを制御するようになった燃料流量制御装置と、
    前記第1の共通レール及び第2の共通レール間で燃料を移送するための流体交差連結管路と、
    を含む内燃エンジン。
  11. 前記高圧ポンプの全てが、前記第1の共通レールに燃料を送給し、
    前記流体交差連結管路が、前記第1の共通レールから前記第2の共通レールに燃料を送給する、
    ことをさらに特徴とする、請求項10記載のエンジン。
  12. 前記第1のバンクのシリンダと関連した、被駆動端部からアイドラ端部まで延びる複数の接合セクションを含む第1のカムシャフトと、
    前記第2のバンクのシリンダと関連した、被駆動端部からアイドラ端部まで延びる複数の接合セクションを含む第2のカムシャフトと、
    その各々がそれぞれの高圧ポンプを動かすための燃料ローブを含みかつその各々が第1の値のトルクを伝達する第1のグループのセクションと、
    燃料ローブを含まずかつその各々が前記第1の値のトルクよりも小さい第2の値のトルクを伝達する第2のグループのセクションと、
    をさらに含む、請求項10記載のエンジン。
  13. 前記第2のグループのセクションが各々、前記第1のグループのセクションのシャフト径よりも小さいシャフト径を含む、請求項12記載のエンジン。
  14. 前記第2のグループのセクションが各々、前記第1のグループのセクションの対応する強度値よりも低い強度値を示す材料を含む、請求項12記載のエンジン。
  15. 共通レール燃料装置を使用するように多バンク多シリンダ型ディーゼル機関車エンジンを改造する方法であって、
    前記エンジンの各バンクに近接して共通レールを取り付ける段階と、
    少なくとも1つの高圧燃料ポンプを取り付けて、前記レールのうちの第1のレールに高圧燃料を送給するようにする段階と、
    前記レール間に流体交差連結管路を取り付けて、前記レールのうちの第1のレールから該レールのうちの第2のレールに高圧燃料を送給するようにする段階と、
    前記それぞれのバンクのシリンダに近接した前記共通レールから前記エンジンの各それぞれのシリンダと関連した燃料噴射制御装置に高圧燃料を送給する段階と、
    を含む方法。
  16. 複数の高圧燃料ポンプを設けて、前記レールのうちの少なくとも1つに高圧燃料を送給するようにする段階と、
    前記複数の高圧燃料ポンプの1つが作動していない状態で、前記シリンダの全てに燃料を供給することによって前記エンジンが選択出力レベルを生成することができるように、該複数の高圧燃料ポンプの各々の容量を選択する段階と、
    をさらに含む、請求項15記載の方法。
  17. 1つのバンクのシリンダに近接して前記高圧燃料ポンプの全てを取り付ける段階と、
    前記エンジンの2つの元のカムシャフトの1つを、その各々が前記高圧燃料ポンプのそれぞれ1つを動かすための燃料ローブを含む複数の接合セクションを被駆動端部に含む交換用カムシャフトと取り換える段階と、
    前記2つの元のカムシャフトの第2のカムシャフトを取り換えない段階と、
    をさらに含む、請求項16記載の方法。
  18. 前記エンジンの元のカムシャフトを、前記高圧燃料ポンプを動かすための燃料ローブを含む第1のセクションを被駆動端部に含む交換用カムシャフトと取り換える段階をさらに含む、請求項15記載の方法。
  19. 前記被駆動端部において第1のシャフト径を含む第1のセクションと、前記被駆動端部とは反対側のアイドラ端部において前記第1のシャフト径よりも小さい第2のシャフト径を含む第2のシャフトセクションとを備えた交換用カムシャフトを形成する段階をさらに含む、請求項17記載の方法。
  20. 前記被駆動端部において第1の強度値を示す第1の材料を含む第1のセクションと、前記被駆動端部とは反対側のアイドラ端部において前記第1の強度値よりも小さい第2の強度値を示す第2の材料を含む第2のシャフトセクションとを備えた交換用カムシャフトを形成する段階をさらに含む、請求項17記載の方法。
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