JP2013533416A - ディーゼルエンジン及びガスエンジン用二重燃料噴射バルブ - Google Patents

ディーゼルエンジン及びガスエンジン用二重燃料噴射バルブ Download PDF

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Abstract

本発明は、ディーゼルエンジン及びガスエンジン用二重燃料噴射バルブに関し、燃料バルブに流入する２種類の燃料を利用し、初期噴射時には、ウォーミングアップとパイロット（Ｐｉｌｏｔ）噴射を行い、その後、メイン燃料の噴射を行うことにより、燃焼時において順次に二重燃料を使用して燃料噴射の性能を高めた燃料噴射バルブを提供することを課題とする。
本発明の実施例によるシリンダーに燃料を噴射するディーゼル機関又はガスエンジン用燃料噴射バルブは、高圧パイプを通して同一燃料系列又は異なる燃料系列の１次燃料及び２次燃料が注入される流路が内部に形成された燃料バルブブロックと、前記燃料バルブブロックに形成された流路を通して注入された２次燃料の圧力差に応じて上昇し、パイロットノズルホールを通して１次燃料を噴射するシリンダー型ニードルバルブと、前記シリンダー型ニードルバルブを加圧して１次燃料を噴射した後、連結されている流路を通して流入した２次燃料の圧力差により上昇して１次燃料をメインノズルホールから噴射するメインニードルバルブと、を含む。

Description

本発明は、ディーゼルエンジン及びガスエンジン用二重燃料噴射バルブに関し、より詳細には、外部の圧力ポンプを利用せず、内部のポンプ構造を利用して１次燃料を１次的に噴射し、１次燃料の噴射時に利用された圧力を２次燃料の噴射のためのポンプ圧力として利用するハイブリッド型燃料噴射バルブに関する。
一般的に、従来のディーゼルエンジンは、開放圧力（ｏｐｅｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）より高い圧力の燃料が流入すると開かれ、開放圧力より低い圧力の燃料が流入すると閉じる、１つのニードルバルブとバネとを備えている。燃料ポンプで形成された高圧の燃料が燃料噴射バルブに流入する場合において、燃料噴射バルブ中で開放圧力より高い圧力が形成されると、燃料の圧力がバネのニードルバルブへの弾性力を超えることでニードルバルブが持ち上げられ、ノズルの端部に形成された複数のノズル孔を通して燃料がシリンダーに噴射される。
このような従来の方法は、予め定められた１つの開放圧力にしたがってすべてのノズル孔が開放される、１つのメカニズムを有している。よって、開放圧力に達した後は、開放圧力より更に高い圧力が燃料噴射バルブに流入しても、所定数のノズル孔を通して持続的に噴射するしかない。
一方、ガスエンジンの場合、２つの燃料噴射バルブを用いており、一方の燃料噴射バルブがパイロットバルブで、他方の燃料噴射バルブがガスを主に使用するバルブという２つのバルブ又は２つのニードルシリンダーを備え、これに応じてバルブへの２種類の燃料供給路のために２つのバルブに適切な燃料管路を設けなければならないため、タイミングを合わせるための２つのガバナー、リンク装置等が必要となる。
図８は、従来の燃料噴射バルブの代表的な形態である、Ｗａｒｔｓｉｌａ-Ｓｕｌｚｅｒ方式、ＭＡＮ-Ｂ＆Ｗ方式、及び中型エンジン用方式の燃料噴射バルブを示す。
まず、Ｗａｒｔｓｉｌａ-Ｓｕｌｚｅｒ方式の燃料噴射バルブにおいては、燃料の圧力が開放圧力を超えるものの、更に高圧でない場合は、燃料がノズルに加工されたノズル孔を通してシリンダー内に噴射されるのではなく、シリンダーに流れ込むような形態となっている。さらに、燃料噴射が終了しても、閉じられているニードルバルブとノズル孔との空間（ＳＡＣ ｖｏｌｕｍｅ）が大きいことから、この空間に残っている残存燃料がシリンダーに流れ込んでしまい、様々な問題が生じる。
一方、ＭＡＮ-Ｂ＆Ｗ方式の燃料噴射バルブは、ＳＡＣ ｖｏｌｕｍｅを減らすために、スライド方式のニードルバルブを採択しているが、開放圧力を超える圧力に対しては柔軟に対処することができない。すなわち、ＳＡＣ ｖｏｌｕｍｅは固定されている。
他方、中型エンジン用方式の場合、ＭＡＮ-Ｂ＆Ｗ方式とＷａｒｔｓｉｌａ-Ｓｕｌｚｅｒ方式を補完してＳＡＣ ｖｏｌｕｍｅを減らすために、ニードルを最大限燃焼室側に形成したことで、ニードルを開閉する時に、ノズルの耐久性が良くないという問題がある。
すなわち、図８に示すように、一定の圧力で開放するためにバネの弾性力を高め、燃料バルブ以外の装置（つまり、燃料バルブ自体で圧力を高めず、燃料バルブ入口の以前にポンプを追加して圧力を高める）において燃料圧力を高めることで、開放圧力を調整しており、１つの燃料しか使用できないという問題がある。
さらに、図８の下部に示す二重燃料噴射装置１と二重燃料噴射装置２のように、二重燃料のための燃料噴射バルブは、２つのシリンダーを作動するため、２つのガバナーと２つのリンクが必要となる。つまり、１次燃料と２次燃料とを高圧形成するための２つの高圧ポンプが必要となり、更には、別途のインジェクター内に冷却のためのラインを設けなければならず、構造が複雑であるという問題もある。
本発明は、上記した従来技術の問題点を解決するために工夫したものであり、燃料バルブに流入する２種類の燃料を利用して、初期噴射時には、ウォーミングアップとパイロット（Ｐｉｌｏｔ）噴射を行い、その後、メイン燃料の噴射を行い、燃焼時において順次に二重燃料を使用することで、燃料噴射の性能を高めた二重燃料噴射バルブを提供することを課題とする。
また、本発明は、別途の２つのポンプを必要とせず、１つのポンプにより２つのインジェックターホールを開放するように、ピストンを押して１次燃料を加圧して噴射を行い、その圧力で２次燃料のニードルバルブを開放して２次燃料の噴射を行うハイブリッド型で構成され、燃料の効率を高めるとともに、有害ガス（Ｓｍｏｋｅ，ＮＯｘ）を減らした二重燃料噴射バルブを提供することを他の課題とする。
上記課題を解決するための本発明によるディーゼルエンジン及びガスエンジン用二重燃料噴射バルブは、シリンダーに燃料を噴射するディーゼル機関又はガスエンジン用燃料噴射バルブにおいて、高圧パイプを通して同一燃料系列又は異なる燃料系列の１次燃料及び２次燃料が注入される流路が内部に形成された燃料バルブブロックと、前記燃料バルブブロックに形成された流路を通して注入された２次燃料の圧力差に応じて上昇し、パイロットノズルホールを通して１次燃料を噴射するシリンダー型ニードルバルブと、前記シリンダー型ニードルバルブを加圧して１次燃料を噴射した後、連結されている流路を通して流入した２次燃料の圧力差により上昇して１次燃料をメインノズルホールから噴射するメインニードルバルブと、を含む
本発明の他の特徴によるディーゼルエンジン及びガスエンジン用二重燃料噴射バルブは、
前記シリンダー型ニードルバルブは、上部に形成され、溝が加工された加圧用ピストンヘッド部と、下部が前記加圧用ピストンヘッド部に挿入され、一箇所に燃料加圧用ホールが形成され、１次燃料ピストンバネによって弾性支持される１次燃料加圧ピストンと、残圧維持バルブ及び燃料主通路パイプと流路によって連結され、２次燃料の圧力を受けて前記１次燃料加圧ピストンの上部を加圧する圧力ピストンと、１次燃料を噴射するように加圧された圧力ピストンを復帰するために、その上部と流路が連結された残圧維持バルブと、を含む。
本発明の更に他の特徴によるディーゼルエンジン及びガスエンジン用二重燃料噴射バルブは、前記１次燃料シリンダー型ニードルバルブが閉じられると、１次燃料は、圧力が低下し、メインニードルバルブの下部に位置した２次燃料の冷却領域であるＡチャンバー領域を経由して、１次燃料排出口を通して外部に排出される。
本発明の更に他の特徴によるディーゼルエンジン及びガスエンジン用二重燃料噴射バルブは、前記メインニードルバルブの周りには、ブッシュが設けられ、前記ブッシュは、パイロット燃料である１次燃料とＢチャンバーに流入したメイン燃料との２次燃料が混ざることを防止し、メインノズルホールの高温をＡチャンバー領域で熱交換しながら冷却させる。
本発明は、二重燃料を使用するエンジンのための燃料噴射バルブ装置において、２つのポンプを必要とせず、１つのポンプによって、バルブ内部で２つのニードルを作動して高圧でポンピングを行うことで、高圧で二重燃料をポンピングして噴射することができる。
また、本発明は、順次に２種類の燃料が混ざらず燃焼室内に噴射して燃焼させ、２種類の燃料を利用した燃焼パターン、即ち、ＭＤＯ＋ＨＦＯと、ＭＤＯ＋ガス燃料による効果で、燃焼室内の有害ガス（Ｓｍｏｋｅ，Ｎｏｘ）を減らすとともに、燃費を改善することができる。
本発明の実施例による二重燃料噴射バルブの実施例を示す断面図である。 図１の一部を拡大して示す図面である。 本発明の実施例による二重燃料噴射バルブにおいて、ＨＦＯ，ＧＡＳ燃料が二重燃料圧力ピストンを加圧する前で、ＭＤＯ燃料の開放作動前の状態を示す図面である。 本発明の実施例による二重燃料噴射バルブにおいて、ＨＦＯ，ＧＡＳ燃料の圧力で圧力ピストンを押してポンピングを行い、１次燃料（パイロット燃料、ＭＤＯ）の開放時期、つまり、燃料圧の作動後、燃料を排出する状態を示す図面である。 本発明の実施例による二重燃料噴射バルブにおいて、メイン燃料の開放時期、つまり、燃料圧の作動後、燃料を排出する状態を示す図面である。 本発明の実施例による二重燃料噴射バルブにおいて、ハイブリッドノズルブロックの下段部を切開して示す図面である（右側は、メイン燃料のための注油口であり、左側は、パイロット燃料のための注油口である）。 本発明の実施例による二重燃料噴射バルブにおいて、１次燃料及び２次燃料を冷却及び排出するためのチャンバーを含むノズルの全体を示す内部構造図である。 従来の燃料噴射バルブと二重燃料噴射装置を示す図面である。
以下、本発明による燃料噴射バルブ装置の作動について詳細に説明する。一方、本発明を説明するにおいて、関連する公知機能又は公知構成に関する具体的な説明が本発明の要旨の理解の妨げになると判断される場合は、その詳細な説明を省略する。
図１は、本発明の実施例による二重燃料噴射バルブの実施例を示す断面図であり、図２は、図１の一部を拡大して示す図面である。本発明の実施例による二重燃料噴射バルブは、同じ系列の燃料又は二重燃料を噴射することのできる燃料噴射バルブに関する。大型船舶用エンジン、中型エンジン、ガスエンジンのシリンダーに、燃料ポンプ又はガス管路から排出された燃料の圧力とバネの弾性力により燃料を噴射する燃料噴射バルブにおいて、１つのバルブと２つの管路によって２種類の燃料を噴射する。これによって、二重燃料を使用するエンジンに適用できるとともに、ニードルがノズルの底まで延びるように形成され、１次的噴射、２次的噴射によるＳＡＣ Ｖｏｌｕｍｅを最小化して、ディーゼル機関、ガスエンジンの燃焼性能及び燃費を向上させる。
また、１次燃料と２次燃料を使用するにおいて、外部の高圧ポンプを利用し又は電子装置による制御で二重燃料を制御する方式とは異なり、本発明においては、２次燃料からの加圧で１次燃料を内部でポンピングする方式であり、２次燃料を冷却するのに噴射が終わった１次燃料を使用する。
具体的には、本発明の実施例による二重燃料噴射バルブは、高圧パイプを通して１次燃料及び２次燃料が注入される流路が内部に形成された燃料バルブブロック（Ｆｕｅｌ ｖａｌｖｅ Ｂｌｏｃｋ，１１０）と、燃料バルブの全体を囲むノズルホルダー（Ｎｏｚｚｌｅ ｈｏｌｄｅｒ，１００）と、２次燃料の圧力に応じて昇降する１次燃料ピストンバネ５０３及びニードルバネ（ｎｅｅｄｌｅ ｓｐｒｉｎｇ、１３５）と、２次燃料の圧力に応じて昇降し、１次燃料を噴射するシリンダー型ニードルバルブ５０６と、１次燃料を噴射した２次燃料の圧力に応じて昇降し、１次燃料を噴射するメインニードルバルブ１４３と、パイロット（Ｐｉｌｏｔ）燃料である１次燃料を下部に位置したシリンダーに噴射するパイロットノズルホール（Ｐｉｌｏｔ ｎｏｚｚｌｅ ｈｏｌｅ、１６０）と、メイン燃料である２次燃料を下部に位置したシリンダーに噴射するメインノズルホール（Ｍａｉｎ ｎｏｚｚｌｅ ｈｏｌｅ、１６１）が加工された二重ハイブリッドノズルブロック１４０を含む。
このような構成を有する本発明の実施例による二重燃料噴射バルブは、二重燃料、つまり、ＨＦＯ、ＭＤＯのようなディーゼルエンジンに使用される燃料と、天然ガスを利用したガス燃料とを１つの燃料噴射バルブにおける２つのノズルで噴射することができ、同じ系列の燃料である場合、例えば、ＨＦＯをメイン燃料である２次燃料とし、ＭＤＯをパイロット燃料である１次燃料とする場合にも、効果的に噴射することができる。
また、二重燃料を使用する場合には、例えば、１次燃料としてＭＤＯを使用して点火し、メイン燃料である２次燃料としてガスを利用して噴射することができる。
以下、本発明の実施例による二重燃料噴射バルブについて、より具体的に説明する。
２次燃料であるメイン燃料に関わる構成が設けられるシリンダー軸の内部には、ニードルバネ１３５の弾性力を調整するためのバネ弾性力ボルト１４１と、このバネ弾性力ボルト１４１によって弾性力が調節された状態を固定し、上段部に形成された弾性力調節ナット２００が設けられている。
本発明において使用される１次燃料は、パイロット燃料主通路１３１を通し、パイロットノズルホール１６０まで低圧で待機する。この１次燃料は、２次燃料の周囲を冷却（Ｃｏｏｌｉｎｇ）しながら、インジェクター内を循環（Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）する。
一方、メイン燃料である２次燃料は、１つのポンプから圧力を受け、主燃料主通路１７０を通して流入し、１次燃料（例えば、ＭＤＯ、軽油等）を加圧するための圧力ピストン５０１を押し、これによって、１次燃料ピストンバネ５０３によって支持されているメインピストンである１次燃料加圧ピストン５０２が降下し、シリンダー型ニードルバルブ５０６の中にある１次燃料を、高圧に加圧して断面積による圧力差によってシリンダー型ニードルバルブ５０６が作動して、１次燃料噴射ホールであるパイロットノズルホール１６０に噴射する。
噴射終了後は、１次燃料を加圧した圧力ピストン５０１が復帰する必要があり、このため、残圧維持バルブ３００を通して圧力を放出し、その結果、圧力ピストンが復帰する。
また、圧力ピストン５０１を押した後は、メイン燃料である２次燃料（ＨＦＯ，ＧＡＳ等）は、Ｂチャンバー３０２の領域に至り、メインノズルホール１６１の入口で待機する。高圧によってメインニードルバルブ１４３が開放され、メイン燃料である２次燃料はメインノズルホール１６１から噴射される。
このように、１次燃料及び２次燃料の２種類の燃料を使用する二重燃料噴射バルブにおいては、パイロット燃料である１次燃料が、メイン燃料である２次燃料の圧力を受けてシリンダー型ニードルバルブ５０６内で高圧を形成し、１次燃料の噴射が行われた後は、１次燃料へ加圧した後の２次燃料がそれ自体の高圧でメインニードルバルブ１４３を開放するに必要な圧力差を提供する。
ここで、パイロット燃料としては、普通のディーゼルエンジンで燃焼噴霧が優れるＭＤＯ（ＭＡＲＩＮＥ ＤＩＥＳＥＬ ＯＩＬ）が挙げられ、メイン燃料である２次燃料としては、ＨＦＯ（ＨＥＡＶＹ ＦＵＥＬ ＯＩＬ）が挙げられる。
一方、ガスエンジンの場合は、パイロット燃料としては、ＭＤＯが挙げられ、メイン燃料としては、ＬＮＧや一般的なガスエンジンに使用されるガスが挙げられる。
参照符号５０５は、加圧用ピストンヘッド部（Ｐｉｓｔｏｎ Ｈｅａｄ）であり、参照符号１３４は、残圧が放出された燃料及び空気を排出するための排出口（Ｄｒａｉｎ Ｌｉｎｅ）、参照符号１４２は、バネ支持部（Ｓｐｒｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔ）である。
図３は、本発明の実施例による二重燃料噴射バルブにおいて、ＨＦＯ，ＧＡＳ燃料が二重燃料圧力ピストンを加圧する前で、ＭＤＯ燃料の開放作動する前の状態を示す図面である。
図示されたように、１次燃料は、図１及び図２に示すパイロット燃料主通路１３１を通して高圧でない一般的な圧力で流入し、パイロットノズルホール１６０まで待機している。すなわち、１次燃料及び２次燃料が待機している状態であり、２次燃料のポンピングが行われる前は、１次燃料は、低圧で流入し、圧力ピストン５０１からシリンダー型ニードルバルブ５０６までの付近で停まっている。また、圧力ピストン５０１によって加圧されていない状態では、燃料加圧用ホール５０４が開放しており、１次燃料は、パイロットノズルホール１６０付近まで待機している。
図４は、本発明の実施例による二重燃料噴射バルブにおいて、ＨＦＯ，ＧＡＳ燃料の圧力で圧力ピストンを押してポンピングを行い、１次燃料（例えば、パイロット燃料、ＭＤＯ）の開放時期、つまり、燃料圧の作動後、燃料を排出する状態を示す図面である。２次燃料の移動経路は、２次元で示された図１乃至図３からはよく確認できないが、３次元で示された図７において「２次燃料入口」と示された部分である。
メイン燃料である２次燃料の圧力は、図２に拡大して示す燃料加圧用ホール５０４の位置に応じて高圧になり、燃料加圧用ホール５０４が圧力ピストン５０１及び１次燃料加圧ピストン５０２の順次的な圧力伝達によって燃料加圧用ホール５０４が下方へ押されると、シリンダー内部に更に圧力を加え始め、高圧を形成する。これによって、高圧が加えられたシリンダー型ニードルバルブ５０６は、上下の圧力差で作動され、その結果、１次燃料は、開放されるパイロットノズルホール１６０を通して噴射される。
１次燃料の噴射が終了すると、圧力ピストン５０１及び１次燃料加圧ピストン５０２を復帰するための残圧維持バルブ３００から圧力が放出し、ピストンが復帰する。これと同時に、１次燃料シリンダー型ニードルバルブ５０６が閉じられ、１次燃料は、再度圧力が低下し、メインニードルバルブ１４３の下部に位置した２次燃料の冷却領域（Ｃｏｏｌｉｎｇ ａｒｅａ）のＡチャンバー３０１領域へ流入する。その後、１次燃料は、高温の２次燃料を冷却させた後、図１に示す１次燃料排出口１３９を通して噴射バルブの外部へ排出される。
図５は、本発明の実施例による二重燃料噴射バルブにおいて、メイン燃料の開放時期、つまり、燃料圧の作動後、燃料を排出する状態を示す図面である。図５に示されたように、図４に関連して説明したことのある、１次燃料を加圧させた２次燃料の高圧は、Ｂチャンバー領域３０２まで到達した後、メインニードルバルブ１４３の周囲に停まり、その圧力が面積による圧力差によってメインニードルバルブ１４３を開放し、２次燃料であるメイン燃料がメインノズルホール１６１を通して噴射される。
また、ブッシュ１３０は、パイロット燃料である１次燃料とメイン燃料である２次燃料が混ざらないようにするブッシュ装置（Ａｎｔｉ-Ｃｏｎｆｕｓｅｄ Ｆｕｅｌ Ｂｕｓｈ）の役割を果たすとともに、メインノズルホール１６１の高温をＡチャンバー３０１領域で熱交換しながら冷却させる役割も果たす。
図６は、本発明の実施例による二重燃料噴射バルブにおけるハイブリッドノズルブロックを示す。右側は、メイン燃料のための注油口であり、左側は、パイロット燃料のための注油口である。
図７は、本発明の実施例による二重燃料噴射バルブにおいて、１次燃料及び２次燃料を冷却及び排出するためのチャンバーを含むノズルの全体を示す内部構造図である。図示されたように、１次燃料は、一部が加圧され噴射され、残りはＡチャンバーに流入して２次燃料を冷却した後、１次燃料出口を通して排出される。一方、２次燃料は、１次燃料用ピストンを加圧した後、Ｂチャンバーに流入する。
以上、本発明に従った望ましい実施形態について説明したが、本発明は、この実施形態に限定されず、本発明の技術分野に属する通常の知識を有する者であれば、本発明の範囲及び要旨を外れずに種々の変形及び変更が可能であることは自明である。
１００ ノズルホルダー
１１０ 燃料バルブブロック
１３０ ブッシュ
１３１ パイロット燃料主通路
１３４ 排出口
１３５ ニードルバネ
１３９ １次燃料排出口
１４０ 二重ハイブリッドノズルブロック
１４１ バネ弾性力調整ボルト
１４２ バネ支持部
１４３ メインニードルバルブ
１６０ パイロットノズルホール
１６１ メインノズルホール
１７０ 燃料主通路パイプ
２００ 弾性力調整ナット
３００ 残圧維持バルブ
５０１ 圧力ピストン
５０２ １次燃料加圧ピストン
５０３ １次燃料加圧ピストンバネ
５０４ 燃料加圧用ホール
５０５ 加圧用ピストンヘッド部
５０６ シリンダー型ニードルバルブ
３０１ Ａチャンバー
３０２ Ｂチャンバー

Claims (4)

  1. シリンダーに燃料を噴射するディーゼル機関又はガスエンジン用燃料噴射バルブにおいて、
    高圧パイプを通して同一燃料系列又は異なる燃料系列の１次燃料及び２次燃料が注入される流路が内部に形成された燃料バルブブロックと、
    前記燃料バルブブロックに形成された流路を通して注入された２次燃料の圧力差に応じて上昇し、パイロットノズルホールを通して１次燃料を噴射するシリンダー型ニードルバルブと、
    前記シリンダー型ニードルバルブを加圧して１次燃料を噴射した後、連結されている流路を通して流入した２次燃料の圧力差により上昇して１次燃料をメインノズルホールから噴射するメインニードルバルブと、を含む
    ことを特徴とするディーゼルエンジン及びガスエンジン用二重燃料噴射バルブ。
  2. 前記シリンダー型ニードルバルブは、
    上部に形成され、溝が加工された加圧用ピストンヘッド部と、
    下部が前記加圧用ピストンヘッド部に挿入され、一箇所に燃料加圧用ホールが形成され、１次燃料ピストンバネによって弾性支持される１次燃料加圧ピストンと、
    残圧維持バルブ及び燃料主通路パイプと流路によって連結され、２次燃料の圧力を受けて前記１次燃料加圧ピストンの上部を加圧する圧力ピストンと、
    １次燃料を噴射するように加圧された圧力ピストンを復帰するために、その上部と流路が連結された残圧維持バルブと、を含む
    ことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン及びガスエンジン用二重燃料噴射バルブ。
  3. 前記１次燃料シリンダー型ニードルバルブが閉じられると、１次燃料は、圧力が低下し、メインニードルバルブの下部に位置した２次燃料の冷却領域であるＡチャンバー領域を経由して、１次燃料排出口を通して外部に排出される
    ことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン及びガスエンジン用二重燃料噴射バルブ。
  4. 前記メインニードルバルブの周りには、ブッシュが設けられ、
    前記ブッシュは、パイロット燃料である１次燃料とＢチャンバーに流入したメイン燃料との２次燃料が混ざることを防止し、メインノズルホールの高温をＡチャンバー領域で熱交換しながら冷却させる
    ことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン及びガスエンジン用二重燃料噴射バルブ。
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