JP2012097756A - 内燃機関用噴射システム - Google Patents

Abstract

【課題】二次媒体の過熱を回避すること。
【解決手段】本発明は、燃焼室に燃料を直接噴射するための気筒毎に１つの噴射装置（２）と、少なくとも燃料タンクならびに燃料を送出するためのディスプレーサとして形成された往復動ポンプ部材（５）を含んだ燃料供給系（３）とを有し、ポンプ部材（５）は二次媒体によって油圧動作可能であり、ポンプ部材（５）は二次媒体を通す油圧管（８）が開口していることで二次媒体の圧がかかる動作室（９）に案内され、油圧管（８）にメインポンプ（７）が配置されているように構成した、特に燃料または燃料成分として液化ガスが用いられる内燃機関用噴射システム（１）に関する。二次媒体の過熱を回避するため、動作室（９）内に排油管（１８）が開口し、排油管に遮断機構（１９）が配置され、動作室（９）は少なくとも１回の噴射インターバルの間に二次媒体によって排油可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室に燃料を直接噴射するための気筒毎に１つの噴射装置と、少なくとも燃料タンクならびに燃料を送出するためのディスプレーサとして形成された往復動ポンプ部材を含んだ燃料供給系とを有し、前記ポンプ部材は二次媒体によって油圧動作可能であり、前記ポンプ部材は二次媒体を通す油圧管が開口していることで二次媒体の圧がかかる動作室に案内され、前記油圧管にメインポンプが配置されているように構成した、特に燃料または燃料成分として液化ガスが用いられる内燃機関用噴射システムに関する。
さらに本発明は、戻しばねによって閉方向に付勢されて、燃料によって開放されるように形成されたニードル弁と、噴射方向には開放しているばね付勢された逆止弁の配置された少なくとも１つの燃料流路を内蔵するケーシングとを有する、燃料としての液化ガスで稼動される内燃機関用噴射装置に関する。さらに本発明は、液化ガス、特にジメチルエーテルで稼動される自己着火式内燃機関を稼動するための方法に関する。さらに本発明は、前記方法を実施するための内燃機関に関する。

オーストリア登録実用新案第００１６２３号（特許文献１）から、燃料を送出するためのディスプレーサとして形成されるとともに二次媒体によって作動させられる往復動ポンプ部材を有し、燃料としての液化ガスで稼動される内燃機関用噴射システムが知られている。上記ポンプ部材は、二次媒体を通す油圧管とのみ連結された動作室に接して案内される。この動作室内では二次媒体の循環は行われないため、二次媒体の過熱が生じうる。

液化ガスとくにＤＭＥ（ジメチルエーテル）は、ＮＯ_ｘおよび粒子の放出が特に少ないために、燃料が燃焼室に直接噴射される自己着火式内燃機関用の代替燃料と見なされている。ただし問題なのは、この液化ガス燃料の粘性が低いため、エンジン停止後に燃焼室内への内部漏れが生ずる点である。この漏れは、安全上のリスクとなり、内燃機関の損傷をもたらすことがある。

米国特許第６１８９５１７号（特許文献２）から、内側に向かって開くニードル弁を有する液化ガス燃料用噴射装置が知られている。燃料流路に配置された逆止弁によって漏れは効果的に回避される。この逆止弁は燃料圧力が所定のレベルを下回ると直ちに、例えば、内燃機関が停止されると直ちに、燃料流路の流れ断面を封鎖する。その際、燃料を液状に保つことを可能にするシステム内残存圧力は維持される。短所は、内側に向かって開くニードル弁のためその噴射孔断面積がごく僅かに限定され、幾何的ならびに強度上の限界が生じ、これにより、噴射圧力の引き上げが制限される点である。

欧州公開第０２４６２２０号（特許文献３）から、ディーゼル内燃機関にポペット弁付き噴射装置を使用することは公知となっている。ただし、ポペット弁タイプの噴射装置にはディーゼル燃料の場合、ポペット弁領域に沈着が生じ、これによって漏れがもたらされるという短所がある。

ディーゼル燃料で駆動される内燃機関の燃焼の質は、液体燃料の霧化の程度ならびにその後の気化および蒸気と気中酸素との混合に直接に依存している。霧化を向上させるためディーゼル燃料を特に高圧たとえば２０００ｂａｒの高圧で燃焼室に噴射することは公知である。こうした対策により、非常に低いスモーク発生率を達成することは可能であるが、所要の噴射圧力が高いため、特別な高コスト噴射システムが必要となる。

さらに、酸素含有燃料たとえばジメチルエーテル（ＤＭＥ）またはその他のアルコール類の燃焼時には、化学結合された酸素を含まない燃料の場合よりも有害物質発生量が低いことが知られている。

オーストリア登録実用新案第００１０１８号（特許文献４）から、燃料に少量のジメチルエーテルを加えることによって自然着火燃料を生成する方法が知られている。
さらに、オーストリア登録実用新案第００２９５８号（特許文献５）、オーストリア登録実用新案第００１９２４号（特許文献６）、オーストリア特許第４０８１３０号（特許文献７）、同第４０８１３１号（特許文献８）およびオーストリア登録実用新案第００１６２３号から、燃料としての液化ガスで稼動される内燃機関用噴射システムが知られている。

新規開発された高セタン価の液化ガス燃料たとえばジメチルエーテルは環境温度時に３０ｂａｒ以下の蒸気圧を有し、自然着火燃料として使用することが可能である。酸素が結合されているために、燃料としてのジメチルエーテルの使用は、燃焼および放出に非常に好適な効果をもたらす。

さらに、内燃機関のＮＯ_ｘ放出は排気再循環によって低減させることができることが公知である。排気再循環により、燃焼温度と共にＮＯ_ｘ放出の発生を大幅に減少させることが可能である。この効果を達成するのに、従来の燃料で稼動される内燃機関では比較的高い排気再循環率が必要であり、ＮＯ_ｘ放出を１ｇ／ｋＷｈ〜２ｇ／ｋＷｈ低減させるのに、約４０％〜６０％の排気再循環率が必要である。再循環される排気量は、従来の燃料を使用する場合、スス微粒子の発生によって制限されている。ＮＯ_ｘ放出を１ｇ／ｋＷｈ〜２ｇ／ｋＷｈ程度減少させるのに、従来の内燃機関では４０％〜６０％の比較的高い排気再循環率が必要である。

オーストリア登録実用新案第００１６２３号 米国特許第６１８９５１７号 欧州公開第０２４６２２０号 オーストリア登録実用新案第００１０１８号 オーストリア登録実用新案第００２９５８号 オーストリア登録実用新案第００１９２４号 オーストリア特許第４０８１３０号 オーストリア特許第４０８１３１号

本発明の目的は、上記の短所を回避すると共に、動作室における二次媒体の過熱を回避することである。本発明のさらにもう１つの目的は、より高い噴射速度を可能にすると同時に内燃機関停止後の燃焼室内への漏れを回避することである。本発明の目的はさらに、自己着火式内燃機関の放出をさらに低減させることである。

前記課題を解決するため、本発明では、前記動作室内に排油管が開口し、前記排油管に遮断機構が配置され、前記動作室は少なくとも１回の噴射インターバルの間に二次媒体によって排油可能である。その際、さらに好ましくは、前記動作室の排油中、前記油圧管は戻り管と連通可能とされている。

前記遮断機構は前記動作室の方向には開放している逆止弁によって形成することができる。

本発明の特に簡単な一実施形態において、前記メインポンプは圧力室に案内される少なくとも１つのポンプピストンを有し、前記油圧管は前記圧力室と連結されており、前記圧力室は前記ポンプピストンの少なくとも１ポジションにおいて前記戻り管と連通可能であり、好ましくは、前記ポンプピストンは制御エッジを有し、前記制御エッジは前記ポンプピストンの少なくとも１行程において、前記ポンプピストンを収容するシリンダのシリンダ壁に配置されて前記戻り管と連通した制御孔を通過するように構成されている。

前記ポンプ部材は多段ピストンとしてかまたは同径ピストンとして形成することができる。

前記排油管には好ましくは圧力源を経て二次媒体が供給される。噴射インターバルの間に前記メインポンプのポンプピストンによって前記油圧管と前記戻り管との間の流体連通が解除される。つまり、前記ポンプピストンの制御エッジは前記ポンプピストンのシリンダ壁に配置されて前記戻り管とつながっている孔を通過し、これによって、二次媒体が前記排油管と前記油圧管との間を流れて、前記動作室を排油することができる。

高い噴射速度を達成するため、前記ニードル弁は外側に向かって開くように形成され、好ましくは弁座当り部を有している。

ポペット弁として形成されたニードル弁はより大きな噴射断面積が可能となり、これによって、より大量の燃料がより短時間の間に噴射されることができる。これは燃焼プロセスに好適に作用する。

さらに、弁座当り部を有したニードル弁の使用は、噴射断面積がノズル孔の数と大きさによって制限されないという利点を有している。したがって、より低い噴射圧力で遥かに高速の流れ速度を実現することができる。傘状の噴射形状は燃焼室内における燃料分散を促進する。

液化ガス燃料はスス沈着を生じずに燃焼するため、弁座当り部の領域に沈着が生ずることはない。

放出の低減は、排気が燃焼室内に再循環され、その際、排気再循環率を４０％以下、好ましくは３０％以下、特に好ましくは２０％以下とすることによって実現することができる。排気再循環率はシリンダ内における再循環排気量と給気量との比として定義される。驚くべきことに、ジメチルエーテルを使用する場合には１０〜２０％の排気再循環率ですでに、従来のディーゼル燃料を使用する際に４０％〜６０％の高い排気再循環率で達成されたのと同程度の窒素酸化物の低減が可能であることが明らかとなった。この効果はジメチルエーテル中の直接の炭素結合の欠如と結合された酸素とによって説明することができる。

本発明による噴射システムの第１の実施形態を示す図 本発明による噴射システムの第２の実施形態を示す図 ニードル弁閉時の本発明による噴射装置の縦断面図 ニードル弁開時の噴射装置を示す図 排気再循環率をＮＯ_ｘ量と相関させて示すグラフ

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

図１および図２はそれぞれ、ここでは図示されていない内燃機関の燃焼室に液化ガス燃料を直接噴射するための噴射装置２を備えた内燃機関用の噴射システム１を示している。噴射装置２には燃料供給系３を経て液化ガス燃料が供給される。燃料供給方向には開放している逆止弁が符号２０で表されている。液化ガス燃料は不図示の燃料ポンプによって燃料タンクから取り出される。

噴射装置２は、ポンプシリンダ４内を移動するポンプ部材５を有したポンプ・ノズルユニットとして形成されており、ここでは、ポンプ部材は多段（段差）ピストンとして形成されている。

ポンプ部材５は専用の油圧回路を有する作動装置６を通じて駆動される。この作動装置６はメインポンプ７と、ポンプ部材５と接して案内する動作室９内に開口する油圧管８とを備えている。油圧管８は、吸入・戻り管１０を経て油圧タンク１１から二次媒体の供給を受けるメインポンプ７から延びている。メインポンプ７はピストンポンプとして形成され、カム１２によって作動させられるポンプピストン１３を有し、このピストンはシリンダ１４内を移動するように支持されている。ポンプピストン１３の往復移動に際して、ポンプピストン１３の制御エッジ１５はシリンダ１４のシリンダ壁１４ａに配設された孔１６を通過しながら往復動するため、吸引・戻り管１０とメインポンプ７の圧力室１７との間に流体流通が作り出される。

動作室９内にはさらに、逆止弁１９の配置された排油管１８が開口している。排油管１８は、場合によりさらに別のポンプを介して油圧タンク１１と連結することも可能である。

孔１６がポンプピストン１３の移動によって開放されると、動作室９は排油管１８を通じて排油掃除されることができ、これによって、作動媒体と動作室９は冷却されて、過熱が回避される。

図１は、二次媒体の制御がポンプピストン１３の制御螺旋２１によって行われる実施形態を示している。ポンプピストン１３の螺旋形状によって制御タイミングが調整される。

図２に示した実施形態にはたとえば電磁作動式制御弁２２が設けられており、この制御弁を通じて二次媒体の制御時点を制御することができる。

図３および図４は、継手１０３から出発する燃料流路１０４が内部に配置されたケーシング１０２を有する液化ガス燃料用噴射装置１０１を示している。燃料流路１０４には逆止弁１０５が設けられている。噴射方向には開放している逆止弁１０５は、ばね１０６によって付勢された球１０７を有しており、ばね１０６はピストン１０８を介して球１０７に作用している。球１０７は弁座１０９に押し付けられている。

ケーシング１０２にはさらに、閉鎖ばね１１１によって閉ポジションに保持された弁座当り部１１３付きの、外側に向かって開くニードル弁１１０が配置されている。燃料流路１０４はばね室１１２内に開口しており、戻しばね１１１の力に抗してニードル弁１１０に作用する。この噴射装置１０１は、ニードル弁が外側に向かって開くように形成されるとともに、弁座当り部１１３を設けている点で、従来のディーゼル燃料噴射装置とは異なっている。

休止状態においてニードル弁１１０と逆止弁１０５とは閉じられている。噴射装置１０１内の圧力が弁座１０９とばね１０６とによって決定される値を上回ると、逆止弁１０５が開いて、液化ガス燃料が加圧下でばね室１１２内に達する。

逆止弁１０５は、閉圧力が開圧力よりも遥かに低いため、内燃機関の通常運転の間、開いたままである。内燃機関が停止されると直ちに燃料圧力は逆止弁１０５の閉圧力以下に下降し、これにより、燃焼室内に達する漏れ量は、最大で逆止弁１０５とニードル弁１１０の弁座当り部１１３との間に残存している液体燃料量のみとなる。

２つの噴射間におけるばね室１１２内の圧力は低すぎて、ニードル弁１１０を開放することはできない。ただし、燃料圧力が十分に高まると、ニードル弁１１０は開放されて、燃料は燃焼室内に達することができる。

図５は、排気再循環率ＥＧＲをジメチルエーテルで稼動される内燃機関と従来のディーゼル内燃機関とのそれぞれのＮＯ_ｘ量と相関させて示したグラフである。ジメチルエーテルで稼動される内燃機関２０１については、従来のディーゼル内燃機関２０２の場合よりも遥かに低い排気再循環率ＥＧＲで同じく低いＮＯ_ｘ放出が実現することが明らかに読み取られる。

したがって、その他の有害物放出たとえば炭化水素または一酸化炭素放出の増大なしに、比較的低い再循環排気量ですでに大幅なＮＯ_ｘ放出低減を達成することが可能である。

排気再循環率が非常に低いため排気再循環システムの寸法を遥かに小形化することが可能であり、このことが特に排気再循環とポンピングロスとによるエンジンロスを低減することに貢献する。

Claims (10)

1. 燃焼室に燃料を直接噴射するための気筒毎に１つの噴射装置（２）と、少なくとも燃料タンクならびに燃料を送出するためのディスプレーサとして形成された往復動ポンプ部材（５）を含んだ燃料供給系（３）とを有し、前記ポンプ部材（５）は二次媒体によって油圧動作可能であり、前記ポンプ部材（５）は二次媒体を通す油圧管（８）が開口していることで二次媒体の圧がかかる動作室（９）に案内され、前記油圧管（８）にメインポンプ（７）が配置されているように構成した、特に燃料または燃料成分として液化ガスが用いられる内燃機関用噴射システム（１）であって、
   前記動作室（９）内に排油管（１８）が開口し、前記排油管に遮断機構（１９）が配置され、前記動作室（９）は少なくとも１回の噴射インターバルの間に二次媒体によって排油可能であることを特徴とする噴射システム（１）。
2. 前記動作室（９）の排油中、前記油圧管（８）は戻り管（１０）と連通可能であり、この場合、前記戻り管は前記メインポンプ（７）の吸引管であることを特徴とする請求項１に記載の噴射システム（１）。
3. 前記メインポンプ（７）は圧力室（１７）に案内される少なくとも１つのポンプピストン（１３）を有し、前記油圧管（８）は前記圧力室（１７）と連結されており、前記圧力室（１７）は前記ポンプピストン（１３）の少なくとも所定ポジションにおいて前記戻り管（１０）と連通可能であることを特徴とする、請求項１または２に記載の噴射システム（１）。
4. 前記ポンプピストン（１３）は制御エッジを有し、前記制御エッジは前記ポンプピストン（１３）の少なくとも１行程において、前記ポンプピストン（１３）を収容するシリンダのシリンダ壁（１４ａ）に配置されて前記戻り管（１０）と連通した制御孔（１６）を通過することを特徴とする請求項３に記載の噴射システム（１）。
5. 前記遮断機構（１９）は前記動作室（９）の方向には開放している逆止弁によって形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の噴射システム（１）。
6. 前記ポンプ部材（５）は多段ピストンとして形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の噴射システム（１）。
7. 前記排油管（１８）に圧力源を経て二次媒体が供給可能であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の噴射システム。
8. 戻しばね（１１１）によって閉方向に付勢されて、燃料によって開放されるように形成されたニードル弁（１１０）と、ばね付勢されるとともに噴射方向には開放している逆止弁（１０５）が配置された少なくとも１つの燃料流路（１０４）を有するケーシング（１０２）とを備えた、燃料としての液化ガスで稼動される内燃機関用噴射装置（１０１）であって、
   前記ニードル弁（１１０）は外側に向かって開くように形成されて、弁座当り部（１１３）を有することを特徴とする噴射装置（１０１）。
9. 液化ガス、特にジメチルエーテルで稼動される自己着火式内燃機関を稼動するための方法であって、
   排気が燃焼室内に再循環され、その際、排気再循環率は４０％以下、好ましくは３０％以下、特に好ましくは２０％以下であることを特徴とする方法。
10. 比較的少量の排気を再循環する排気再循環システムが設けられ、その際、排気再循環率は４０％以下、好ましくは３０％以下、特に好ましくは２０％以下であることを特徴とする請求項９に記載の方法を実施するための内燃機関。

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