JP2013544338A - 燃料噴射装置、燃料噴射装置を作動する方法、及び内燃機関 - Google Patents

Abstract

本発明は、コモンレールシステムを有する大型内燃機関のための新規な燃料噴射ユニットを議論する。燃料噴射ユニットを作動させる新規な方法が開示される。本発明の燃料噴射ユニット（４）は、少なくとも、燃料噴射ユニットに対して特異な高圧燃料アキュムレータ（８）と、流れヒューズ（１８）と、制御バルブ（１４）を備える第１の燃料噴射バルブ（１０）と、制御バルブ（１６）を備える第２の燃料噴射バルブ（１２）とで構成される。第１の燃料噴射バルブ（１０）は、ディーゼルモードにおける全負荷運転において必要とされる燃料の最大３０％を噴射するためのより小さい燃料噴射バルブである。

Description

本発明は、重油燃料又は軽油燃料を、複数のシリンダを有し且つ請求項１の序文に従ったコモンレール燃料システムを使用する大型の内燃機関のシリンダに噴射するための燃料噴射装置に関する。本発明は、第１の独立の方法の請求項の序文に従った請求項１の燃料噴射装置を作動する方法にも関する。

この明細書において、「大型エンジン」という用語は、シリンダ当たり１５０ｋＷよりも多くの出力を生成し得る内燃機関（エンジン）を指す。この種類の大型エンジンは、例えば、海運船舶内の或いは熱及び／又は電気の製造のための電力プラント内の主推進エンジン又は補助エンジンとして使用されるのが典型的である。

近代的なエンジンにおいて、燃料は燃料噴射バルブ又は噴射器を用いてエンジンのシリンダ内に直接的に噴射される。噴射は圧縮行程の終了部分で比較的遅い段階に起こるので、十分に高い圧力が噴射のために必要とされる。従来的な燃料供給システムでは、各シリンダは独自の噴射ポンプを備え、噴射ポンプは、噴射バルブ及び噴射ノズルを通じて、シリンダの内燃機関内に燃料を送り出す。しかしながら、従来的なシステムの使用及び制御は有意な制限を有し、システムの設定を容易に調節し得ない。加えて、噴射ポンプ内の圧力は異なり得るので、異なるシリンダ内への噴射は異なる圧力の下で起こり、よって、異なる量の燃料をそれぞれもたらし得る。また、従来技術の噴射ノズルは、主に流体力学的であるので、即ち、特定の所定の燃料圧力で開き、圧力が所定の値より下に減少するときに閉じるので、噴射タイミング及び期間の制御は、システムの使用中にも、即ち、エンジンの運転中にも、システム構成部品の摩耗を考慮に入れ得なければならない。

より近年の解決策は、所謂「コモンレール噴射」又は「共通圧力噴射」であり、そこでは、圧力の提供及び燃料の噴射は、互いに機能的に分離されている。燃料は、少なくとも１つの高圧燃料ポンプを用いて、共通圧力供給源、即ち、レール内に送り込まれ、燃料は、共通圧力供給源から、別個のパイプを通じて、各シリンダの噴射器又は噴射バルブ内に至らされる。実際には、噴射器の作動は、十分に短く精密な噴射を得るために、例えば、ソレノイド又はピエゾ電気バルブを用いて、電子的に制御される。

従来的な燃料システムの多数の最も明らかな問題領域は、（約２２００バールまでの）高圧の共通燃料供給及び電子制御燃料噴射バルブの使用によって解決されており、電子制御燃料噴射バルブを用いて、例えば、同じ圧縮行程中にエンジンシリンダ内で数回噴射することが可能である。換言すれば、噴射のタイミング、噴射の期間、及び噴射燃料の品質は、従来技術の燃料噴射ポンプを用いるよりも明らかにより良好に制御され、それによって、ピストンエンジンの通常動作条件におけるエミッションレベルも劇的に減少させられている。

これまでのところ、ディーゼルエンジンは、全負荷でのエミッション（排出）の観点において最適化されている。しかしながら、将来的なエミッションの立法措置は、エミッションレベルが全ての動作条件で最適化されなければならないことを要求する。換言すれば、全負荷スペクトル同調が遂行されなければならない。例えば、現代的なコモンレール燃料システム及び燃料噴射バルブの電子制御の使用さえも所望の結果をもたらさない場合は、低負荷において、或いは、より一般的には、その設計負荷から実質的に離れた負荷においてエンジンを作動させることに関する。究極的な目標は、エンジンのエミッションを、その動作条件を通じて、即ち、低負荷から全負荷まで、最小レベルに維持し得るよう、燃料の噴射を改良することである。

この努力は２つの噴射ノズルを有する噴射バルブの使用をもたらした。例えば、ＵＳ−Ｂ２−７，５５６，０１７は、燃料噴射器を議論しており、燃料噴射器は、加圧燃料を受け入れるよう構成される中空の内部を定める噴射器本体と、第１の燃料吹付けパターンをもたらすよう構成される第１のノズルと、第１の燃料吹付けパターンと異なる第２の燃料吹付けパターンをもたらすよう構成される第２のノズルとを有する。共通源から燃焼空間内に供給される燃料を噴射するよう第１及び第２のノズルを構成し得る。第１のノズルが所定の量の燃料を圧縮行程のより早い段階において噴射し、第２のノズルが所定の量の燃料を圧縮行程のより後の段階に或いは圧縮行程の終わりに噴射するよう、それらのノズルをピストンの圧縮行程中の別個の段階において使用し得る。

ＵＳ−Ｂ１−６，４２２，１９９号は、並列構造の２つのバルブニードルを備えるノズル本体を有する燃料噴射器を議論している。その文献は、バルブニードルの使用のための様々な代替を開示しており、それによって、どの出口開口から燃料を噴射するか、どれぐらい長く燃料を噴射するか、いつ燃料を噴射するかを選択することが可能である。更に、両方の出口開口を同時に開放し得ることも開示されている。

従来技術、ＥＰ−Ａ１−０ ９７２ ９３２も、２つの組の噴射開口を有する噴射バルブを持つ。噴射ニードル部材を持ち上げるとき、少量の第１の組の開口が開き、低負荷運転において必要とされる少量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射する。噴射ニードル部材が更に持ち上げられるとき、他の組の開口が開放させられ、全負荷運転に対応するより多くの燃料がエンジンシリンダ内に噴射させられる。ＪＰ−Ａ−６２１１８０５５は、別個に開放させ得る２つの組の噴射開口を含む他の噴射バルブ構造を教示している。２つの組の噴射開口は、同じ噴射器ホルダ内に並列して配置される２つの噴射バルブと流れ連絡する。

一方の噴射ニードルが他方の噴射ニードルの内側にある２つの噴射ニードル部材を有する噴射バルブも議論されている。ＤＥ−Ａ１−１０ ２００７ ０００ ０３７、ＤＥ−Ｂ４−１０ ２００７ ０００ ０９５、及びＤＥ−Ｃ２−４４ ３２ ６８６を、そのような燃料噴射バルブ構造の例として述べ得る。

双子のニードル構造を有する噴射バルブの使用並びにシリンダ毎の２つの噴射バルブの使用はエレクトロニクスを複雑化させ、燃料噴射のために必要とされる構成部品を倍加させることによって、シリンダヘッドの周囲に追加的な燃料線及び配線を必要とする。換言すれば、各噴射ノズルは、制御バルブと、コモンレールから噴射バルブへの高圧燃料線と、高圧燃料線内の流れヒューズと、戻り燃料のための低圧燃料線と、制御バルブのソレノイド用の配線とを必要とする。流れヒューズは、流れ圧力における変化を検出するために、コモンレールと噴射バルブとの間に装着される構成部品である。例えば、噴射バルブ内の噴射ニードルが目詰まりするならば、噴射バルブが完全に閉じないよう、即ち、噴射器が燃料をシリンダ内に継続的に注ぐのを流れヒューズが妨げないよう、流れヒューズは燃料の供給を停止する。現代的なエンジンでは、シリンダ毎に２つの吸気バルブ及び２つの排気バルブ、即ち、４つのバルブがあるので、シリンダヘッドの頂部表面は、これらの４つのバルブステム及びバルブスプリングを収容しなければならない。加えて、少なくとも、シリンダヘッドに取り付けられるロッカシャフトのための取付けブロックがあり、ロッカアームを作動するプッシュロッド用の開口があることもある。そして、最終的に、二重燃料エンジン（デュアルフューエルエンジン）の問題である場合には、シリンダヘッドの上に配置されるシリンダへの天然ガスの進入を許容するための手段がある。よって、第二の燃料噴射バルブが必要とする追加的な構成部品のための空間は極めて限定的であり、シリンダヘッドにある構成部品の装着及び保守作業を複雑化させる構造をもたらす。

エミッション及び燃料噴射バルブの動作が追加的に注目されなければならない他の場合は、二重燃料エンジン又は三重燃料エンジン、即ち、天然ガス及び軽油燃料又は重油燃料の両方を使用するエンジンに関する。シリンダ毎の２つの噴射バルブの使用、通常は１つのより小さい噴射バルブと他のより大きな噴射バルブの使用は、二重燃料エンジンにおいて既に知られている。通常の連続的な運転において、天然ガスは、主燃料であり、天然ガスは、より小さい噴射バルブを用いて噴射されるパイロット燃料を用いて、エンジンシリンダ内で点火される。より大きな噴射バルブは、殆どの場合、エンジンの始動段階において使用される。それは各シリンダ内で燃焼が安定的であるまで使用され、然る後、ガス吸気行程を開始し得る。他の滅多に生じないより大きな噴射バルブの使用は、何らかの理由によりシリンダ内へのガス吸気が正しく機能しないときである。そのような場合には、所謂バックアップ燃料をシリンダ内に送り込むために、より大きな噴射バルブが使用される。パイロット燃料供給システムがコモンレール燃料供給システムを利用することは通常の慣行である。しかしながら、バックアップ燃料供給システムは、従来的な噴射システムであり、そこでは、各シリンダのために、並びに、各ポンプ線ノズルのために、ジャークポンプがあり、ジャークポンプからノズルへの圧力線がある。そのようなシステムでは、ジャークポンプの各行程は、ポンプ線ノズルを開き、特定の量の燃料をシリンダ内に噴射する。しばしば、パイロット燃料及びバックアップ燃料の燃料システムは別個であり、２つの異なる燃料タンクから既に始動している。

上記に議論した二重燃料エンジンの燃料システムの存在が実際に意味するものは、エンジンの各シリンダのために、一方では、パイロット燃料のコモンレールシステムによって必要とされる構成部品、即ち、流れヒューズと、コモンレール燃料供給源から流れヒューズへの高圧燃料線と、制御バルブと、流れヒューズから噴射バルブへの高圧燃料線と、噴射バルブ自体と、噴射バルブから低圧流体貯槽への低圧燃料線とを備え、他方では、バックアップ燃料システムの構成部品、即ち、噴射圧力を作り出す燃料噴射ポンプと、燃料噴射ポンプと噴射バルブとの間の燃料線と、燃料噴射バルブから低圧燃料貯槽への戻り燃料線と、噴射バルブとを備える、エンジンが提供されなければならないことである。よって、シリンダヘッドの上のバルブスプリング間の空間が、異なる構成部品で充填され、それによって、構成部品の装着及び保守の両方が複雑化されるのは明らかである。

また、上記で既に議論したように、従来的な燃料噴射システムは摩耗の影響を受け易く、それは燃料噴射システムの使用における様々な問題を引き起こす。噴射ポンプの使用に含まれる費用及び危険性は、注目を必要とする更に他の問題を形成する。当然、２つの液体燃料システムの並列的な使用も、費用、誤作動の危険性、及びシステムによって要求される空間の両方を増大させる。

本発明の１つの目的は、シリンダヘッド及びエンジンの周囲内に位置付けられなければならない構成部品の数が従来術の構造に比べて減少させられるような噴射バルブ構造を設計することである。

本発明の他の目的は、二重燃料エンジンにおけるディーゼル燃料の使用に含まれるエミッションを低下させ、パイロットモードから主ディーゼルモードへの迅速な切換えを可能にすることである。

本発明の更に他の目的は、二重燃料エンジンにおけるディーゼルバックアップ燃料の使用に含まれる費用を減少させることである。

本発明の更に他の目的は、二重燃料エンジンにおけるディーゼルバックアップ燃料の使用に含まれる構成部品故障の危険性を最小限化させることである。

本発明の少なくとも１つの目的は、シリンダヘッドへの組立てに適した並びに少なくとも１つの高圧燃料ポンプを備えるコモンレール燃料システムを有する内燃機関のシリンダに燃料を噴射するのに適した燃料噴射ユニットであって、当該燃料噴射ユニットは、コモンレール燃料システムに接続され、コモンレール燃料システムは、第１の制御バルブを備える第１の燃料噴射バルブと、第２の制御バルブを備える第２の燃料噴射バルブとを主として含み、当該燃料噴射ユニットは、第１の噴射バルブ及び第２の噴射バルブに燃料を供給するために使用される高圧燃料アキュムレータを更に含む燃料噴射ユニットによって満足される。

本発明の少なくとも１つの目的は、請求項１の燃料噴射ユニットを作動させる方法であって、燃料噴射ユニットは、コモンレールシステムに接続され、コモンレールシステムは、少なくとも、燃料噴射ユニットに特異な高圧燃料アキュムレータと、第１の制御バルブを備える第１の燃料噴射バルブと、第２の制御バルブを備える第２の燃料噴射バルブとで主として構成され、
当該方法は、燃料噴射ユニットを以下のモードのうちの１つにおいて作動させるステップを含み、前記モードは、
低負荷運転において、第１の噴射バルブを唯一の燃料噴射手段として使用することによる、並びに、全負荷運転において、第２の噴射バルブを燃料噴射手段として使用することによる、ディーゼルモードと、
連続的な運転において、第１の噴射バルブをパイロット燃料噴射手段として使用することによる、並びに、ガス燃料誤作動運転において、第２の噴射バルブを主ディーゼル燃料噴射手段として使用することによる、ガスモードとを含む、方法によって満足される。

本発明の少なくとも１つの目的は、シリンダヘッドを備える複数のシリンダを有し且つコモンレール燃料システムを利用する大型内燃機関であって、各シリンダヘッドは、請求項１乃至１３のうちのいずれかに従った燃料噴射ユニットを備える大型内燃機関によって満足される。

本発明の燃料噴射ユニット及びそのような燃料噴射ユニットの動作方法の他の特徴的な機能は、付属の従属項から明らかになるであろう。

本発明は、上述の問題の少なくとも１つを解決するとき、数多くの利点をもたらし、それらのうちの幾つかを以下に列挙する。

● 二重燃料エンジン及びディーゼルエンジンの両方において燃料システムの構造を単純化し、主燃料噴射システム及びパイロット燃料噴射システムの構成部品の有意な共用を省略し且つ／或いは組み合わせ得る。

● 特に二重燃料エンジンにおいて、パイロットモード及び主ディーゼルモードの両方に共通のレール及び流れヒューズを利用することによって、バックアップ燃料の供給のためにジャークポンプに基づく燃料システムを配置する必要を除去する。

● 従来技術の燃料システムにおいて必要とされる有意な量の構成部品を排除することによって、燃料システムを構成する費用を削減する。

● 燃料システムの据付け及び保守を単純化する。

● ディーゼルエンジン及びディーゼルモードにおいて運転する二重燃料エンジンの両方において、特に低負荷運転におけるエミッションを削減する。

● アキュムレータと燃料噴射バルブとを互いに可能な限り近接させることによって、アキュムレータと燃料噴射バルブとの間の高圧燃料線内の圧力損失を削減する。

● ニードル開放を向上させる。

● ソレノイド及び制御バルブをノズルニードルの直ぐ上に適合することによるソレノイド及び制御バルブを用いた応答速度の向上。

● アキュムレータをノズルに近接して配置することに起因してアキュムレータとノズルとの間のパルスの量及び強度を減少させることによる多数の噴射圧力スパイクの改良。

● アキュムレータが噴射ノズルに近接するとき、アキュムレータをより小さく作製し得る。

● より小さい噴射ノズルは、より小さい嚢容積(sac volume)をもたらし、それによって、嚢容積内に留まる燃料はより少ない。その結果、エミッションは削減される。

しかしながら、列挙される利点は任意的であるに過ぎず、上記利点の１つ又はそれよりも多くが得られるか否かは、本発明が実施される方法に依存することが理解されなければならない。

以下、添付の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

本発明の好適実施態様に従った燃料供給構成を示す概略図である。

添付の図面は、本発明の燃料噴射ユニットを概略的に例示している。複数のシリンダを有する内燃機関のコモンレールシステムから高圧燃料油を導入する高圧燃料線を参照番号２によって示している。燃料線２はシリンダヘッドの側で走るのが好ましいが、シリンダヘッドの内側又はシリンダヘッドの上のいずれかを走るように配置してもよい。本発明の燃料噴射ユニットは、参照番号４を有し、明瞭性のために、断面線ボックスで示している。よって、高圧燃料線２は、接続パイプ６を用いて、高圧液体燃料（軽油燃料、重油燃料、液体バイオ燃料（ＬＢＦ）、原油（ＣＲＯ）のいずれか）を噴射ユニット４に送る。接続パイプ６は、シリンダヘッドの頂部表面付近で、シリンダヘッドの内側を走るのが有利である。燃料噴射ユニット４は、高圧燃料油を受け入れるためのアキュムレータ８を備える。この実施態様において、アキュムレータ８は、実質的に垂直な位置に配置される長い圧力容器である。アキュムレータ８がシリンダヘッド頂部表面より完全に上にあるのも可能であるが、多かれ少なかれ利用可能な空間があるならば、アキュムレータ８をシリンダヘッド内に配置し得る。本発明の燃料噴射ユニット４の本質的な機能は、エンジンシリンダが必要とする全ての液体燃料と共にエンジンシリンダを提供することを目的とする実体が、少なくとも２つの燃料噴射バルブ１０，１２及びそれらの制御バルブ１４，１６と組み合わせられた単一の高圧燃料アキュムレータ８で構成されることである。

追加的に、単一の流れヒューズ１８が、高圧燃料アキュムレータ８と燃料噴射バルブ１０，１２との間で、燃料供給線２０内に配置されている。流れヒューズ１８の目的は、燃料がシリンダ内に噴射されるのが望ましいときにのみ、燃料がシリンダ内に噴射されるのを確認することである。流れヒューズ１８は、流れ圧力における変化を検出することによってその仕事を遂行し、流れヒューズ１８は、異常な圧力降下状況の場合には、流れに影響を及ぼす。例えば、バルブが漏れているならば、より一般的には、流れヒューズの下流にある噴射バルブのいずれかの噴射ニードルが開いたままであるならば、流れヒューズ１８は、噴射バルブへの燃料の供給を停止する。

本発明に関連して、燃料噴射バルブ１０，１２並びにそれらの制御バルブ１４，１６は、任意の従来的な構成であり得る。よって、そのような従来的な構成の構成及び動作に関する一般的な議論は、添付の概略図を適切に言及する。燃料噴射バルブ１０（一例として使用され、基本的に、噴射バルブ１２の構成及び動作は類似する）は、燃料空間２４を有する燃料噴射本体２２を含み、噴射バルブ１０の残部は、燃料空間２４内に配置される。燃料噴射本体２２は、エンジンシリンダの燃焼チャンバに面するその端部に、出口開口を有するノズル先端２８を備えるノズル本体を備え、燃料は、出口開口を介して、エンジンシリンダ内に噴射される。燃料噴射ニードル３０が、燃料空間２４内に中心的に配置される。（図１中の下方に示す）燃料噴射ニードル３０の端部は、ニードルバルブ部材３２を形成し、ニードルバルブ部材３２は、ニードルバルブ部材３２がノズル開口付近で着座表面から（燃料噴射ニードル３０全体と共に）持ち上げられない限り、燃料空間２４と噴射ノズル開口との間の流れ接続を遮断する。燃料噴射ニードル３０の反対側の端部で、ニードルの端部は、鍔（環）(collar)内に滑動可能に配置され、ニードルの端部と共に、燃料空間内に配置される円筒形チャンバ３４を形成し、円筒形チャンバ３４内では、全燃料圧力が優勢であるのが普通である。燃料圧力は、チャンバ３４内の噴射ニードル３０の上方端部に対して作用し、噴射ニードル３０を下向きに押し、それはニードルバルブ部材３２を着座表面に押し付けることを効果的に意味する。換言すれば、円筒形チャンバ３４は、バルブオリフィス板３８の流路を介して、燃料アキュムレータ８内で優勢な高圧燃料と直接的に連絡する。鍔をバルブオリフィス板３８に対して維持するよう、鍔３６の下には、噴射ニードルの肩部と鍔の下方端部との間に配置されるバネ４０がある。全燃料圧力が噴射ニードル３０の全表面に対して作用するように、燃料噴射本体２２の燃料空間２４は、高圧燃料線２０／２０’及び流れヒューズ１８を介して、高圧燃料供給源、即ち、アキュムレータ８と直接的に連絡する。燃料空間２４で開口する噴射ニードル３０の表面は、噴射ニードル３０を取り囲む内部２４の燃料圧力が噴射ニードル３０及びニードルバルブ部材３２をノズル開口から離れる方向に上向きに持ち上げがちであるように寸法取られる。しかしながら、円筒形チャンバ３４内の噴射ニードルの端部に対して作用する全燃料圧力に由来する力は、燃料空間２４内で噴射ニードル表面に対して作用する燃料圧力によって創成される反力に拘わらず、ニードルバルブ部材３２を閉塞状態に維持する。

燃料噴射が望ましいとき、エンジンの制御ユニットが活性化される、即ち、ソレノイドを用いて制御バルブ１４を開放するように、噴射バルブ（１０，１２）の動作は、制御バルブ（１４，１６）によって案内される。活性化されるとき、制御バルブ１４は、噴射ニードル端部の上で、バルブオリフィス板３８を介して、低圧燃料線４４に沿って円筒形チャンバ３４から低圧燃料貯槽４２への流れ接続を開放する。同時に、チャンバ３４内の圧力は解放され、それによって、燃料噴射本体２２の燃料空間２４内で噴射ニードル表面に作用する燃料圧力は、ニードルバルブ部材３２を着座表面から持ち上げ、噴射が開始し得る。噴射が終了されるべきとき、エンジン制御ユニットは、ソレノイド内の電流を止めることによって、制御バルブ１４がその休止状態、即ち、その閉塞位置に戻るのを可能にし、それによって、制御バルブ１４は、円筒形チャンバ３４から低圧貯槽４２への連絡を遮断する。同時に、円筒形チャンバ３４及びバルブオリフィス板３８を介した押圧燃料貯槽８から低圧燃料貯槽４２への連絡は遮断され、それによって、噴射ニードル３０の上方端部にある円筒形チャンバ３４は加圧される。噴射ニードル３０の端部に作用する全燃料圧力は、噴射ニードル３０及びそのニードルバルブ部材３２を着座表面に対して下方に押し込み、それによって、燃料噴射本体内の燃料空間２４とノズル開口との間の接続を遮断する。前述のように、第２の噴射バルブ１２の動作及び構成は、上記に議論した第１の噴射バルブ１０と類似し得る。

上記で議論した燃料噴射ユニット４は、燃料噴射バルブ１０，１２の先端２８，４８が実質的にシリンダヘッド下方表面２６のレベルで燃焼室内に延びるよう、シリンダヘッド４６を通じて挿入されるように構成される。もし望ましければ、１つの先端が他の先端よりも深く燃焼室内に延びるように構成し得る。より一般的に言えば、より大きいノズル又は燃料噴射バルブ１２の先端４８は、より小さいノズルの先端２８とは異なる下方表面２６から測定される高さで延在し得る。しかしながら、本発明の好適実施態様によれば、より小さいノズル１０の先端２８は、より大きいノズル１２の先端４８よりも、シリンダヘッド４６の下方表面２６からのより小さい高さで配置される。

本発明の好適実施態様によれば、両方のニードルはエンジンシリンダの燃焼室内に延びなければならないので、２つの噴射バルブの噴射ニードルがユニット内で並列して配置されるよう、燃料噴射ユニット４の様々な構成部品が配置される。しかしながら、残余の構成部品をより自由に位置付け得る。換言すれば、バルブオリフィス板３８，５０は噴射バルブ１０，１２の上方端部で物理的に並列されるのが可能であるが、１つのバルブオリフィス板が噴射バルブに直接的に取り付けられ、他方のバルブオリフィス板が燃料パイプを用いて他の噴射バルブに取り付けられるのも同様に可能である。同様に、制御バルブ１４，１６はバルブオリフィス板３８，５０に直接的に取り付けられるのが可能であるが、制御バルブの少なくとも一方が、可能であれば両方が、燃料パイプ／複数の燃料パイプを用いてバルブオリフィス板／複数のバルブオリフィス板と連絡することも同様に可能である。そして、最後に、類似の選択肢が、流れヒューズ１８の位置決めにも当て嵌まる。換言すれば、流れヒューズ１８をオリフィス板の少なくとも一方に直接的に締結し得る。しかしながら、流れヒューズ１８を配置するより自然な方法は、流れヒューズをアキュムレータ８と結合させ、バルブオリフィス板への接続及び燃料パイプを用いた噴射本体の燃料空間への接続を配置することである。よって、数多くの異なる代替があり、それらの内から、人は彼の必要に最良に適合するものをどれでも選択し得る。

図１は、燃料圧力アキュムレータ８が制御バルブ及び燃料噴射バルブの上にあるという点を除き、燃料圧力アキュムレータ８の場所を具体的に説明したり示したりしていない。しかしながら、これは自然な構成である。何故ならば、流れヒューズ１８を介して高圧燃料を燃料噴射バルブ１０，１２及びバルブオリフィス板３８，５０に導入するのがアキュムレータ８だからである。本発明の好適実施態様によれば、各シリンダのための燃料圧力アキュムレータは、エンジンのシリンダヘッド内に少なくとも部分的に配置される。このようにして、アキュムレータ８を囲むシリンダヘッド構成は、例えば、アキュムレータのための支持ケーシングとして作用し得る。しかしながら、アキュムレータをシリンダヘッド４６の頂部レベルよりも完全に上に位置付け得るが、空間の大きさが十分であるならば、アキュムレータを燃料噴射ユニットのために割り当てられる空間内のシリンダヘッド内にも適合させ得る。上記の選択肢において、高圧燃料用の接続パイプ６は、シリンダヘッド４６の頂部表面付近（上又は下のいずれか）を走り、高圧燃料アキュムレータ８に終端するのが好ましい。しかしながら、接続パイプ６がアキュムレータ８と流れヒューズ１８との間の高圧燃料線２０内で終端してもよい。更なる実現可能な選択肢は、アキュムレータがシリンダヘッド４６の頂部表面付近内を走る接続パイプ６の延長又は置換として構成されることである。換言すれば、アキュムレータを、シリンダヘッド４６の頂部表面の上で或いは少なくとも部分的に下で、シリンダヘッド４６の頂部表面と平行に（通常は水平に）位置付け得る。接続パイプ６はアキュムレータ８をシリンダヘッドの側で走る高圧燃料レールに接続し、それによって、エンジンの全ての噴射ユニット４が同じ圧力で燃料を受け取るのが好ましい。その場合、レールは１つ又はそれよりも多くの高圧燃料ポンプに結合させられ、コモンレールシステムのための燃料圧力を創成する。

制御バルブ１４，１６は、流れ通路４４を用いて低圧燃料源４２に接続される。上記で議論した実施態様の１つにおける高圧接続パイプ６のように、シリンダヘッド内を少なくとも部分的に走るよう流れ通路４４を構成し得る。しかしながら、そのようなことが望ましいならば、戻り流れ通路は、シリンダヘッド４６の上を走ってもよい。そして、最終的に、制御バルブ１４，１６は、配線（図示せず）を用いてエンジン制御ユニット（図示せず）に接続される。

本発明の燃料噴射ユニットは、多くの異なる用途において、特に海運船舶及び電力ステーションの両方において使用される。しかしながら、これらの２つの用途並びに以下により詳細に議論する用途は、コンパクトな双子のニードル噴射ユニットを適用し得る膨大な数の異なる使用の有利な実施例に過ぎないことが理解されるべきである。

本発明の噴射ユニットを、軽油燃料、重油燃料、液体バイオ燃料（ＬＢＦ）、又は原油（ＣＲＯ）のような液体燃料を唯一の燃料として使用する大型ディーゼルエンジンにおいて有利に使用し得る。そのような場合には、より小さい噴射バルブが、より大きな噴射バルブを適合させ得ない低負荷運転において使用される。より小さい噴射バルブを用いて、噴射の調節及び制御をより正確に遂行し、それによって、煤煙、ＨＣ、ＮＯｘのようなエミッション、及び燃料消費との両方を最小限化し得る。全ての利点の主な理由は、より小さい燃料噴射バルブがノズル先端内により小さい噴射開口を有し、噴射の終了後にノズル内に残る残留油のためのより小さい嚢空洞(sac cavity)を有することである。嚢(sac)は噴射ニードル着座表面と噴射開口との間に残される空洞である。より小さいノズルの他の適用可能な使用をエンジンの始動段階に或いはエンジンが休止しているときに見出し得る。

本発明の噴射ユニットを大型二重燃料エンジンにおいても有利に使用し得る。そのようなエンジンは、時折、ガスエンジンと呼ばれる。何故ならば、それらの主要な燃料は、天然ガスであるのが普通だからである。ガスは、燃焼空気と共に、エンジンの吸気バルブを通じてエンジンシリンダ内に入れられる。しかしながら、ガスエンジンは、ガスを点火するために、所謂パイロット燃料を必要とする。ガス吸気及びパイロット燃料噴射の両方は電子的に制御される。これが保証するのは、各シリンダのために個別に正しい空燃費を設定し得ること、並びに、安全且つ安定的な燃焼を保証しながら最小の量のパイロット燃料を噴射し得ることである。本発明の燃料噴射ユニットは、ガス吸気システム内に問題が起こる場合にエンジンの確実且つ連続的な運転を保証する容易且つ簡単な方法をもたらし、或いは、エンジンは、何らかの他の理由のためにディーゼルモードにおいて駆動される。本発明の燃料噴射ユニットを使用することによって、エンジンが完全にディーゼルモードで運転するときに主燃料を噴射するために、より大きな噴射バルブを使用し得る。エンジンがガスモードで駆動されるか或いはディーゼルモードにおいて駆動されるかに拘わらず、少なくとも時折、冷却目的のために、より小さい噴射バルブが使用されるのが好ましい。

エンジンをディーゼルモードにおいて運転させるときには、即ち、何らかの理由のために、天然ガスを使用しない二重燃料エンジン、或いは、軽油燃料、重油燃料、ＬＢＦ、又はＣＲＯを単に使用するエンジンの問題であるときには、異なる速度形状の噴射図(rate shape injection diagram)をもたらすために、本発明の噴射ユニットを使用し得る。２つの噴射バルブからの噴射のタイミングを適切に合わせることによって、上記を達成し得る。換言すれば、噴射バルブの動作を別個に制御し得るので、各噴射のタイミング、期間、及び量を個別に調節することが可能であり、それによって、最適な速度成形(rate shaping)を達成可能である。よって、例えば、２つの噴射バルブからの噴射が順番に、同時に、或いは、部分的に重なり合って起こるよう調節することが可能である。また、２つの噴射バルブからの噴射が別々に起こるよう、所謂分割噴射を使用するよう本発明の噴射ユニットを制御し得る。

２つの噴射バルブの寸法取りに関して、次のガイドラインを述べ得る。二重燃料エンジンにおいて、一方では、１％未満のパイロット燃料装荷を噴射し得るよう（１％未満の全負荷燃料消費を意味する）、他方では、ディーゼルモードにおける低負荷又は休止運転のために約３０％までのパイロット燃料装荷を噴射し得るよう、より小さい噴射バルブを寸法取らなければならない。より小さいエンジンの正しい寸法取りは、低負荷運転におけるＮＯｘ、ＨＣ、及び煤煙エミッションの制御の改良ももたらす。実現可能な追加的な選択肢は、より小さい噴射バルブがより小さい噴射吹付け開口も備えることである。これは二重燃料ガスモード運転並びに低負荷ディーゼルモード運転における点火改良物として特に有利である。本来的に、より大きい噴射バルブは、ディーゼルモード運転において１００％全負荷をカバーし得なければならない。

２つの噴射バルブに関する最終的な機能は、燃料コークス化問題からのノズル開口閉塞を防止するためにディーゼルモード及びガスモードの両方において規則的な所定の間隔及び／又は最適化された間隔で燃料を噴射するよう、両方の噴射バルブを構成し得ることである。異なる運転条件のために間隔を固定し得るし、或いは、特別に各個別の場合のためにエンジン制御ユニットによって間隔を決定し得る。

上記は、内燃機関の新規且つ発明的な燃料噴射ユニット及びそのような燃料噴射ユニットを動作する方法の例示的な記載に過ぎないことが理解されるべきである。上記の明細書は特定の種類の燃料噴射バルブ及び特定の種類の制御バルブを議論するが、バルブの種類は本発明を議論した種類に限定しないことが理解されるべきである。例えば、ソレノイドによって制御バルブを開く代わりに、閉じてもよい。同様に、燃料噴射の閉塞構造(closer structure)は、上記で議論したものと異なり得る。上記説明は本発明を如何様にも限定するものと理解されてはならず、本発明の全体的な範囲は、付属の請求項によってのみ定められる。上記の記載から、そのような組み合わせが本記載又は図面に特別に示されていないとしても、本発明の別個の機能を他の別個の機能との関係において使用し得ることが理解されなければならない。

本発明は、重油燃料又は軽油燃料を、複数のシリンダを有し且つ請求項１の序文に従ったコモンレール燃料システムを使用する大型の内燃機関のシリンダに噴射するための燃料噴射装置に関する。本発明は、第１の独立の方法の請求項の序文に従った請求項１の燃料噴射装置を作動する方法にも関する。

この明細書において、「大型エンジン」という用語は、シリンダ当たり１５０ｋＷよりも多くの出力を生成し得る内燃機関（エンジン）を指す。この種類の大型エンジンは、例えば、海運船舶内の或いは熱及び／又は電気の製造のための電力プラント内の主推進エンジン又は補助エンジンとして使用されるのが典型的である。

近代的なエンジンにおいて、燃料は燃料噴射バルブ又は噴射器を用いてエンジンのシリンダ内に直接的に噴射される。噴射は圧縮行程の終了部分で比較的遅い段階に起こるので、十分に高い圧力が噴射のために必要とされる。従来的な燃料供給システムでは、各シリンダは独自の噴射ポンプを備え、噴射ポンプは、噴射バルブ及び噴射ノズルを通じて、シリンダの内燃機関内に燃料を送り出す。しかしながら、従来的なシステムの使用及び制御は有意な制限を有し、システムの設定を容易に調節し得ない。加えて、噴射ポンプ内の圧力は異なり得るので、異なるシリンダ内への噴射は異なる圧力の下で起こり、よって、異なる量の燃料をそれぞれもたらし得る。また、従来技術の噴射ノズルは、主に流体力学的であるので、即ち、特定の所定の燃料圧力で開き、圧力が所定の値より下に減少するときに閉じるので、噴射タイミング及び期間の制御は、システムの使用中にも、即ち、エンジンの運転中にも、システム構成部品の摩耗を考慮に入れ得なければならない。

より近年の解決策は、所謂「コモンレール噴射」又は「共通圧力噴射」であり、そこでは、圧力の提供及び燃料の噴射は、互いに機能的に分離されている。燃料は、少なくとも１つの高圧燃料ポンプを用いて、共通圧力供給源、即ち、レール内に送り込まれ、燃料は、共通圧力供給源から、別個のパイプを通じて、各シリンダの噴射器又は噴射バルブ内に至らされる。実際には、噴射器の作動は、十分に短く精密な噴射を得るために、例えば、ソレノイド又はピエゾ電気バルブを用いて、電子的に制御される。

従来的な燃料システムの多数の最も明らかな問題領域は、（約２２００バールまでの）高圧の共通燃料供給及び電子制御燃料噴射バルブの使用によって解決されており、電子制御燃料噴射バルブを用いて、例えば、同じ圧縮行程中にエンジンシリンダ内で数回噴射することが可能である。換言すれば、噴射のタイミング、噴射の期間、及び噴射燃料の品質は、従来技術の燃料噴射ポンプを用いるよりも明らかにより良好に制御され、それによって、ピストンエンジンの通常動作条件におけるエミッションレベルも劇的に減少させられている。

これまでのところ、ディーゼルエンジンは、全負荷でのエミッション（排出）の観点において最適化されている。しかしながら、将来的なエミッションの立法措置は、エミッションレベルが全ての動作条件で最適化されなければならないことを要求する。換言すれば、全負荷スペクトル同調が遂行されなければならない。例えば、現代的なコモンレール燃料システム及び燃料噴射バルブの電子制御の使用さえも所望の結果をもたらさない場合は、低負荷において、或いは、より一般的には、その設計負荷から実質的に離れた負荷においてエンジンを作動させることに関する。究極的な目標は、エンジンのエミッションを、その動作条件を通じて、即ち、低負荷から全負荷まで、最小レベルに維持し得るよう、燃料の噴射を改良することである。

この努力は２つの噴射ノズルを有する噴射バルブの使用をもたらした。例えば、ＵＳ−Ｂ２−７，５５６，０１７は、燃料噴射器を議論しており、燃料噴射器は、加圧燃料を受け入れるよう構成される中空の内部を定める噴射器本体と、第１の燃料吹付けパターンをもたらすよう構成される第１のノズルと、第１の燃料吹付けパターンと異なる第２の燃料吹付けパターンをもたらすよう構成される第２のノズルとを有する。共通源から燃焼空間内に供給される燃料を噴射するよう第１及び第２のノズルを構成し得る。第１のノズルが所定の量の燃料を圧縮行程のより早い段階において噴射し、第２のノズルが所定の量の燃料を圧縮行程のより後の段階に或いは圧縮行程の終わりに噴射するよう、それらのノズルをピストンの圧縮行程中の別個の段階において使用し得る。

ＵＳ−Ｂ１−６，４２２，１９９号は、並列構造の２つのバルブニードルを備えるノズル本体を有する燃料噴射器を議論している。その文献は、バルブニードルの使用のための様々な代替を開示しており、それによって、どの出口開口から燃料を噴射するか、どれぐらい長く燃料を噴射するか、いつ燃料を噴射するかを選択することが可能である。更に、両方の出口開口を同時に開放し得ることも開示されている。

従来技術、ＥＰ−Ａ１−０ ９７２ ９３２も、２つの組の噴射開口を有する噴射バルブを持つ。噴射ニードル部材を持ち上げるとき、少量の第１の組の開口が開き、低負荷運転において必要とされる少量の燃料をエンジンシリンダ内に噴射する。噴射ニードル部材が更に持ち上げられるとき、他の組の開口が開放させられ、全負荷運転に対応するより多くの燃料がエンジンシリンダ内に噴射させられる。ＪＰ−Ａ−６２１１８０５５は、別個に開放させ得る２つの組の噴射開口を含む他の噴射バルブ構造を教示している。２つの組の噴射開口は、同じ噴射器ホルダ内に並列して配置される２つの噴射バルブと流れ連絡する。

一方の噴射ニードルが他方の噴射ニードルの内側にある２つの噴射ニードル部材を有する噴射バルブも議論されている。ＤＥ−Ａ１−１０ ２００７ ０００ ０３７、ＤＥ−Ｂ４−１０ ２００７ ０００ ０９５、及びＤＥ−Ｃ２−４４ ３２ ６８６を、そのような燃料噴射バルブ構造の例として述べ得る。

追加的に、ＵＳ−Ａ−２００７／０２４６５６１は、加圧燃料を受け入れるよう構成される中空内部を定める噴射器本体と、第１の燃料吹付けパターンを提供するよう構成される第１のノズルと、第１の燃料吹付けパターンと異なる第２の燃料吹付けパターンを提供するよう構成される第２のノズルとを有する、燃料噴射器を開示している。共通源から供給される燃料を燃焼空間内に噴射するよう第１及び第２のノズルを構成し得る。燃料噴射器は、第１及び第２のノズルにそれぞれ対応する、第１及び第２のニードルバルブ部材を更に含む。第２のニードルバルブ部材が第１のニードルバルブ部材から離間するが、第１のニードルバルブ部材に近接する状態で、第１及び第２のニードルバルブ部材を噴射器本体の中空内部内に位置付け得る。

双子のニードル構造を有する噴射バルブの使用並びにシリンダ毎の２つの噴射バルブの使用はエレクトロニクスを複雑化させ、燃料噴射のために必要とされる構成部品を倍加させることによって、シリンダヘッドの周囲に追加的な燃料線及び配線を必要とする。換言すれば、各噴射ノズルは、制御バルブと、コモンレールから噴射バルブへの高圧燃料線と、高圧燃料線内の流れヒューズと、戻り燃料のための低圧燃料線と、制御バルブのソレノイド用の配線とを必要とする。流れヒューズは、流れ圧力における変化を検出するために、コモンレールと噴射バルブとの間に装着される構成部品である。例えば、噴射バルブ内の噴射ニードルが目詰まりするならば、噴射バルブが完全に閉じないよう、即ち、噴射器が燃料をシリンダ内に継続的に注ぐのを流れヒューズが妨げないよう、流れヒューズは燃料の供給を停止する。現代的なエンジンでは、シリンダ毎に２つの吸気バルブ及び２つの排気バルブ、即ち、４つのバルブがあるので、シリンダヘッドの頂部表面は、これらの４つのバルブステム及びバルブスプリングを収容しなければならない。加えて、少なくとも、シリンダヘッドに取り付けられるロッカシャフトのための取付けブロックがあり、ロッカアームを作動するプッシュロッド用の開口があることもある。そして、最終的に、二重燃料エンジン（デュアルフューエルエンジン）の問題である場合には、シリンダヘッドの上に配置されるシリンダへの天然ガスの進入を許容するための手段がある。よって、第二の燃料噴射バルブが必要とする追加的な構成部品のための空間は極めて限定的であり、シリンダヘッドにある構成部品の装着及び保守作業を複雑化させる構造をもたらす。

エミッション及び燃料噴射バルブの動作が追加的に注目されなければならない他の場合は、二重燃料エンジン又は三重燃料エンジン、即ち、天然ガス及び軽油燃料又は重油燃料の両方を使用するエンジンに関する。シリンダ毎の２つの噴射バルブの使用、通常は１つのより小さい噴射バルブと他のより大きな噴射バルブの使用は、二重燃料エンジンにおいて既に知られている。通常の連続的な運転において、天然ガスは、主燃料であり、天然ガスは、より小さい噴射バルブを用いて噴射されるパイロット燃料を用いて、エンジンシリンダ内で点火される。より大きな噴射バルブは、殆どの場合、エンジンの始動段階において使用される。それは各シリンダ内で燃焼が安定的であるまで使用され、然る後、ガス吸気行程を開始し得る。他の滅多に生じないより大きな噴射バルブの使用は、何らかの理由によりシリンダ内へのガス吸気が正しく機能しないときである。そのような場合には、所謂バックアップ燃料をシリンダ内に送り込むために、より大きな噴射バルブが使用される。パイロット燃料供給システムがコモンレール燃料供給システムを利用することは通常の慣行である。しかしながら、バックアップ燃料供給システムは、従来的な噴射システムであり、そこでは、各シリンダのために、並びに、各ポンプ線ノズルのために、ジャークポンプがあり、ジャークポンプからノズルへの圧力線がある。そのようなシステムでは、ジャークポンプの各行程は、ポンプ線ノズルを開き、特定の量の燃料をシリンダ内に噴射する。しばしば、パイロット燃料及びバックアップ燃料の燃料システムは別個であり、２つの異なる燃料タンクから既に始動している。

上記に議論した二重燃料エンジンの燃料システムの存在が実際に意味するものは、エンジンの各シリンダのために、一方では、パイロット燃料のコモンレールシステムによって必要とされる構成部品、即ち、流れヒューズと、コモンレール燃料供給源から流れヒューズへの高圧燃料線と、制御バルブと、流れヒューズから噴射バルブへの高圧燃料線と、噴射バルブ自体と、噴射バルブから低圧流体貯槽への低圧燃料線とを備え、他方では、バックアップ燃料システムの構成部品、即ち、噴射圧力を作り出す燃料噴射ポンプと、燃料噴射ポンプと噴射バルブとの間の燃料線と、燃料噴射バルブから低圧燃料貯槽への戻り燃料線と、噴射バルブとを備える、エンジンが提供されなければならないことである。よって、シリンダヘッドの上のバルブスプリング間の空間が、異なる構成部品で充填され、それによって、構成部品の装着及び保守の両方が複雑化されるのは明らかである。

また、上記で既に議論したように、従来的な燃料噴射システムは摩耗の影響を受け易く、それは燃料噴射システムの使用における様々な問題を引き起こす。噴射ポンプの使用に含まれる費用及び危険性は、注目を必要とする更に他の問題を形成する。当然、２つの液体燃料システムの並列的な使用も、費用、誤作動の危険性、及びシステムによって要求される空間の両方を増大させる。

本発明の１つの目的は、シリンダヘッド及びエンジンの周囲内に位置付けられなければならない構成部品の数が従来術の構造に比べて減少させられるような噴射バルブ構造を設計することである。

本発明の他の目的は、二重燃料エンジンにおけるディーゼル燃料の使用に含まれるエミッションを低下させ、パイロットモードから主ディーゼルモードへの迅速な切換えを可能にすることである。

本発明の更に他の目的は、二重燃料エンジンにおけるディーゼルバックアップ燃料の使用に含まれる費用を減少させることである。

本発明の更に他の目的は、二重燃料エンジンにおけるディーゼルバックアップ燃料の使用に含まれる構成部品故障の危険性を最小限化させることである。

本発明の少なくとも１つの目的は、シリンダヘッドへの組立てに適した並びに少なくとも１つの高圧燃料ポンプを備えるコモンレール燃料システムを有する内燃機関のシリンダに燃料を噴射するのに適した燃料噴射ユニットであって、当該燃料噴射ユニットは、コモンレール燃料システムに接続され、コモンレール燃料システムは、第１の制御バルブを備える第１の燃料噴射バルブと、第２の制御バルブを備える第２の燃料噴射バルブと、第１の噴射バルブ及び第２の噴射バルブに燃料を供給するために使用される高圧燃料アキュムレータとを主として含み、燃料噴射ユニットは、高圧燃料アキュムレータと第１及び第２の燃料噴射バルブとの間で高圧燃料アキュムレータの下流に配置される流れヒューズを更に含む燃料噴射ユニットによって満足される。

本発明の少なくとも１つの目的は、請求項１の燃料噴射ユニットを作動させる方法であって、燃料噴射ユニットは、コモンレールシステムに接続され、コモンレールシステムは、少なくとも、燃料噴射ユニットに特異な高圧燃料アキュムレータと、第１の制御バルブを備える第１の燃料噴射バルブと、第２の制御バルブを備える第２の燃料噴射バルブとで主として構成され、
当該方法は、燃料噴射ユニットを以下のモードのうちの１つにおいて作動させるステップを含み、前記モードは、
低負荷運転において、第１の噴射バルブを唯一の燃料噴射手段として使用することによる、並びに、全負荷運転において、第２の噴射バルブを燃料噴射手段として使用することによる、ディーゼルモードと、
連続的な運転において、第１の噴射バルブをパイロット燃料噴射手段として使用することによる、並びに、ガス燃料誤作動運転において、第２の噴射バルブを主ディーゼル燃料噴射手段として使用することによる、ガスモードとを含む、方法によって満足される。

本発明の少なくとも１つの目的は、シリンダヘッドを備える複数のシリンダを有し且つコモンレール燃料システムを利用する大型内燃機関であって、各シリンダヘッドは、請求項１乃至１３のうちのいずれかに従った燃料噴射ユニットを備える大型内燃機関によって満足される。

本発明の燃料噴射ユニット及びそのような燃料噴射ユニットの動作方法の他の特徴的な機能は、付属の従属項から明らかになるであろう。

本発明は、上述の問題の少なくとも１つを解決するとき、数多くの利点をもたらし、それらのうちの幾つかを以下に列挙する。

● 二重燃料エンジン及びディーゼルエンジンの両方において燃料システムの構造を単純化し、主燃料噴射システム及びパイロット燃料噴射システムの構成部品の有意な共用を省略し且つ／或いは組み合わせ得る。

● 特に二重燃料エンジンにおいて、パイロットモード及び主ディーゼルモードの両方に共通のレール及び流れヒューズを利用することによって、バックアップ燃料の供給のためにジャークポンプに基づく燃料システムを配置する必要を除去する。

● 従来技術の燃料システムにおいて必要とされる有意な量の構成部品を排除することによって、燃料システムを構成する費用を削減する。

● 燃料システムの据付け及び保守を単純化する。

● ディーゼルエンジン及びディーゼルモードにおいて運転する二重燃料エンジンの両方において、特に低負荷運転におけるエミッションを削減する。

● アキュムレータと燃料噴射バルブとを互いに可能な限り近接させることによって、アキュムレータと燃料噴射バルブとの間の高圧燃料線内の圧力損失を削減する。

● ニードル開放を向上させる。

● ソレノイド及び制御バルブをノズルニードルの直ぐ上に適合することによるソレノイド及び制御バルブを用いた応答速度の向上。

● アキュムレータをノズルに近接して配置することに起因してアキュムレータとノズルとの間のパルスの量及び強度を減少させることによる多数の噴射圧力スパイクの改良。

● アキュムレータが噴射ノズルに近接するとき、アキュムレータをより小さく作製し得る。

● より小さい噴射ノズルは、より小さい嚢容積(sac volume)をもたらし、それによって、嚢容積内に留まる燃料はより少ない。その結果、エミッションは削減される。

しかしながら、列挙される利点は任意的であるに過ぎず、上記利点の１つ又はそれよりも多くが得られるか否かは、本発明が実施される方法に依存することが理解されなければならない。

以下、添付の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

本発明の好適実施態様に従った燃料供給構成を示す概略図である。

添付の図面は、本発明の燃料噴射ユニットを概略的に例示している。複数のシリンダを有する内燃機関のコモンレールシステムから高圧燃料油を導入する高圧燃料線を参照番号２によって示している。燃料線２はシリンダヘッドの側で走るのが好ましいが、シリンダヘッドの内側又はシリンダヘッドの上のいずれかを走るように配置してもよい。本発明の燃料噴射ユニットは、参照番号４を有し、明瞭性のために、断面線ボックスで示している。よって、高圧燃料線２は、接続パイプ６を用いて、高圧液体燃料（軽油燃料、重油燃料、液体バイオ燃料（ＬＢＦ）、原油（ＣＲＯ）のいずれか）を噴射ユニット４に送る。接続パイプ６は、シリンダヘッドの頂部表面付近で、シリンダヘッドの内側を走るのが有利である。燃料噴射ユニット４は、高圧燃料油を受け入れるためのアキュムレータ８を備える。この実施態様において、アキュムレータ８は、実質的に垂直な位置に配置される長い圧力容器である。アキュムレータ８がシリンダヘッド頂部表面より完全に上にあるのも可能であるが、多かれ少なかれ利用可能な空間があるならば、アキュムレータ８をシリンダヘッド内に配置し得る。本発明の燃料噴射ユニット４の本質的な機能は、エンジンシリンダが必要とする全ての液体燃料と共にエンジンシリンダを提供することを目的とする実体が、少なくとも２つの燃料噴射バルブ１０，１２及びそれらの制御バルブ１４，１６と組み合わせられた単一の高圧燃料アキュムレータ８で構成されることである。

追加的に、単一の流れヒューズ１８が、高圧燃料アキュムレータ８と燃料噴射バルブ１０，１２との間で、燃料供給線２０内に配置されている。流れヒューズ１８の目的は、燃料がシリンダ内に噴射されるのが望ましいときにのみ、燃料がシリンダ内に噴射されるのを確認することである。流れヒューズ１８は、流れ圧力における変化を検出することによってその仕事を遂行し、流れヒューズ１８は、異常な圧力降下状況の場合には、流れに影響を及ぼす。例えば、バルブが漏れているならば、より一般的には、流れヒューズの下流にある噴射バルブのいずれかの噴射ニードルが開いたままであるならば、流れヒューズ１８は、噴射バルブへの燃料の供給を停止する。

本発明に関連して、燃料噴射バルブ１０，１２並びにそれらの制御バルブ１４，１６は、任意の従来的な構成であり得る。よって、そのような従来的な構成の構成及び動作に関する一般的な議論は、添付の概略図を適切に言及する。燃料噴射バルブ１０（一例として使用され、基本的に、噴射バルブ１２の構成及び動作は類似する）は、燃料空間２４を有する燃料噴射本体２２を含み、噴射バルブ１０の残部は、燃料空間２４内に配置される。燃料噴射本体２２は、エンジンシリンダの燃焼チャンバに面するその端部に、出口開口を有するノズル先端２８を備えるノズル本体を備え、燃料は、出口開口を介して、エンジンシリンダ内に噴射される。燃料噴射ニードル３０が、燃料空間２４内に中心的に配置される。（図１中の下方に示す）燃料噴射ニードル３０の端部は、ニードルバルブ部材３２を形成し、ニードルバルブ部材３２は、ニードルバルブ部材３２がノズル開口付近で着座表面から（燃料噴射ニードル３０全体と共に）持ち上げられない限り、燃料空間２４と噴射ノズル開口との間の流れ接続を遮断する。燃料噴射ニードル３０の反対側の端部で、ニードルの端部は、鍔（環）(collar)内に滑動可能に配置され、ニードルの端部と共に、燃料空間内に配置される円筒形チャンバ３４を形成し、円筒形チャンバ３４内では、全燃料圧力が優勢であるのが普通である。燃料圧力は、チャンバ３４内の噴射ニードル３０の上方端部に対して作用し、噴射ニードル３０を下向きに押し、それはニードルバルブ部材３２を着座表面に押し付けることを効果的に意味する。換言すれば、円筒形チャンバ３４は、バルブオリフィス板３８の流路を介して、燃料アキュムレータ８内で優勢な高圧燃料と直接的に連絡する。鍔をバルブオリフィス板３８に対して維持するよう、鍔３６の下には、噴射ニードルの肩部と鍔の下方端部との間に配置されるバネ４０がある。全燃料圧力が噴射ニードル３０の全表面に対して作用するように、燃料噴射本体２２の燃料空間２４は、高圧燃料線２０／２０’及び流れヒューズ１８を介して、高圧燃料供給源、即ち、アキュムレータ８と直接的に連絡する。燃料空間２４で開口する噴射ニードル３０の表面は、噴射ニードル３０を取り囲む内部２４の燃料圧力が噴射ニードル３０及びニードルバルブ部材３２をノズル開口から離れる方向に上向きに持ち上げがちであるように寸法取られる。しかしながら、円筒形チャンバ３４内の噴射ニードルの端部に対して作用する全燃料圧力に由来する力は、燃料空間２４内で噴射ニードル表面に対して作用する燃料圧力によって創成される反力に拘わらず、ニードルバルブ部材３２を閉塞状態に維持する。

燃料噴射が望ましいとき、エンジンの制御ユニットが活性化される、即ち、ソレノイドを用いて制御バルブ１４を開放するように、噴射バルブ（１０，１２）の動作は、制御バルブ（１４，１６）によって案内される。活性化されるとき、制御バルブ１４は、噴射ニードル端部の上で、バルブオリフィス板３８を介して、低圧燃料線４４に沿って円筒形チャンバ３４から低圧燃料貯槽４２への流れ接続を開放する。同時に、チャンバ３４内の圧力は解放され、それによって、燃料噴射本体２２の燃料空間２４内で噴射ニードル表面に作用する燃料圧力は、ニードルバルブ部材３２を着座表面から持ち上げ、噴射が開始し得る。噴射が終了されるべきとき、エンジン制御ユニットは、ソレノイド内の電流を止めることによって、制御バルブ１４がその休止状態、即ち、その閉塞位置に戻るのを可能にし、それによって、制御バルブ１４は、円筒形チャンバ３４から低圧貯槽４２への連絡を遮断する。同時に、円筒形チャンバ３４及びバルブオリフィス板３８を介した押圧燃料貯槽８から低圧燃料貯槽４２への連絡は遮断され、それによって、噴射ニードル３０の上方端部にある円筒形チャンバ３４は加圧される。噴射ニードル３０の端部に作用する全燃料圧力は、噴射ニードル３０及びそのニードルバルブ部材３２を着座表面に対して下方に押し込み、それによって、燃料噴射本体内の燃料空間２４とノズル開口との間の接続を遮断する。前述のように、第２の噴射バルブ１２の動作及び構成は、上記に議論した第１の噴射バルブ１０と類似し得る。

上記で議論した燃料噴射ユニット４は、燃料噴射バルブ１０，１２の先端２８，４８が実質的にシリンダヘッド下方表面２６のレベルで燃焼室内に延びるよう、シリンダヘッド４６を通じて挿入されるように構成される。もし望ましければ、１つの先端が他の先端よりも深く燃焼室内に延びるように構成し得る。より一般的に言えば、より大きいノズル又は燃料噴射バルブ１２の先端４８は、より小さいノズルの先端２８とは異なる下方表面２６から測定される高さで延在し得る。しかしながら、本発明の好適実施態様によれば、より小さいノズル１０の先端２８は、より大きいノズル１２の先端４８よりも、シリンダヘッド４６の下方表面２６からのより小さい高さで配置される。

本発明の好適実施態様によれば、両方のニードルはエンジンシリンダの燃焼室内に延びなければならないので、２つの噴射バルブの噴射ニードルがユニット内で並列して配置されるよう、燃料噴射ユニット４の様々な構成部品が配置される。しかしながら、残余の構成部品をより自由に位置付け得る。換言すれば、バルブオリフィス板３８，５０は噴射バルブ１０，１２の上方端部で物理的に並列されるのが可能であるが、１つのバルブオリフィス板が噴射バルブに直接的に取り付けられ、他方のバルブオリフィス板が燃料パイプを用いて他の噴射バルブに取り付けられるのも同様に可能である。同様に、制御バルブ１４，１６はバルブオリフィス板３８，５０に直接的に取り付けられるのが可能であるが、制御バルブの少なくとも一方が、可能であれば両方が、燃料パイプ／複数の燃料パイプを用いてバルブオリフィス板／複数のバルブオリフィス板と連絡することも同様に可能である。そして、最後に、類似の選択肢が、流れヒューズ１８の位置決めにも当て嵌まる。換言すれば、流れヒューズ１８をオリフィス板の少なくとも一方に直接的に締結し得る。しかしながら、流れヒューズ１８を配置するより自然な方法は、流れヒューズをアキュムレータ８と結合させ、バルブオリフィス板への接続及び燃料パイプを用いた噴射本体の燃料空間への接続を配置することである。よって、数多くの異なる代替があり、それらの内から、人は彼の必要に最良に適合するものをどれでも選択し得る。

図１は、燃料圧力アキュムレータ８が制御バルブ及び燃料噴射バルブの上にあるという点を除き、燃料圧力アキュムレータ８の場所を具体的に説明したり示したりしていない。しかしながら、これは自然な構成である。何故ならば、流れヒューズ１８を介して高圧燃料を燃料噴射バルブ１０，１２及びバルブオリフィス板３８，５０に導入するのがアキュムレータ８だからである。本発明の好適実施態様によれば、各シリンダのための燃料圧力アキュムレータは、エンジンのシリンダヘッド内に少なくとも部分的に配置される。このようにして、アキュムレータ８を囲むシリンダヘッド構成は、例えば、アキュムレータのための支持ケーシングとして作用し得る。しかしながら、アキュムレータをシリンダヘッド４６の頂部レベルよりも完全に上に位置付け得るが、空間の大きさが十分であるならば、アキュムレータを燃料噴射ユニットのために割り当てられる空間内のシリンダヘッド内にも適合させ得る。上記の選択肢において、高圧燃料用の接続パイプ６は、シリンダヘッド４６の頂部表面付近（上又は下のいずれか）を走り、高圧燃料アキュムレータ８に終端するのが好ましい。しかしながら、接続パイプ６がアキュムレータ８と流れヒューズ１８との間の高圧燃料線２０内で終端してもよい。更なる実現可能な選択肢は、アキュムレータがシリンダヘッド４６の頂部表面付近内を走る接続パイプ６の延長又は置換として構成されることである。換言すれば、アキュムレータを、シリンダヘッド４６の頂部表面の上で或いは少なくとも部分的に下で、シリンダヘッド４６の頂部表面と平行に（通常は水平に）位置付け得る。接続パイプ６はアキュムレータ８をシリンダヘッドの側で走る高圧燃料レールに接続し、それによって、エンジンの全ての噴射ユニット４が同じ圧力で燃料を受け取るのが好ましい。その場合、レールは１つ又はそれよりも多くの高圧燃料ポンプに結合させられ、コモンレールシステムのための燃料圧力を創成する。

制御バルブ１４，１６は、流れ通路４４を用いて低圧燃料源４２に接続される。上記で議論した実施態様の１つにおける高圧接続パイプ６のように、シリンダヘッド内を少なくとも部分的に走るよう流れ通路４４を構成し得る。しかしながら、そのようなことが望ましいならば、戻り流れ通路は、シリンダヘッド４６の上を走ってもよい。そして、最終的に、制御バルブ１４，１６は、配線（図示せず）を用いてエンジン制御ユニット（図示せず）に接続される。

本発明の燃料噴射ユニットは、多くの異なる用途において、特に海運船舶及び電力ステーションの両方において使用される。しかしながら、これらの２つの用途並びに以下により詳細に議論する用途は、コンパクトな双子のニードル噴射ユニットを適用し得る膨大な数の異なる使用の有利な実施例に過ぎないことが理解されるべきである。

本発明の噴射ユニットを、軽油燃料、重油燃料、液体バイオ燃料（ＬＢＦ）、又は原油（ＣＲＯ）のような液体燃料を唯一の燃料として使用する大型ディーゼルエンジンにおいて有利に使用し得る。そのような場合には、より小さい噴射バルブが、より大きな噴射バルブを適合させ得ない低負荷運転において使用される。より小さい噴射バルブを用いて、噴射の調節及び制御をより正確に遂行し、それによって、煤煙、ＨＣ、ＮＯｘのようなエミッション、及び燃料消費との両方を最小限化し得る。全ての利点の主な理由は、より小さい燃料噴射バルブがノズル先端内により小さい噴射開口を有し、噴射の終了後にノズル内に残る残留油のためのより小さい嚢空洞(sac cavity)を有することである。嚢(sac)は噴射ニードル着座表面と噴射開口との間に残される空洞である。より小さいノズルの他の適用可能な使用をエンジンの始動段階に或いはエンジンが休止しているときに見出し得る。

本発明の噴射ユニットを大型二重燃料エンジンにおいても有利に使用し得る。そのようなエンジンは、時折、ガスエンジンと呼ばれる。何故ならば、それらの主要な燃料は、天然ガスであるのが普通だからである。ガスは、燃焼空気と共に、エンジンの吸気バルブを通じてエンジンシリンダ内に入れられる。しかしながら、ガスエンジンは、ガスを点火するために、所謂パイロット燃料を必要とする。ガス吸気及びパイロット燃料噴射の両方は電子的に制御される。これが保証するのは、各シリンダのために個別に正しい空燃費を設定し得ること、並びに、安全且つ安定的な燃焼を保証しながら最小の量のパイロット燃料を噴射し得ることである。本発明の燃料噴射ユニットは、ガス吸気システム内に問題が起こる場合にエンジンの確実且つ連続的な運転を保証する容易且つ簡単な方法をもたらし、或いは、エンジンは、何らかの他の理由のためにディーゼルモードにおいて駆動される。本発明の燃料噴射ユニットを使用することによって、エンジンが完全にディーゼルモードで運転するときに主燃料を噴射するために、より大きな噴射バルブを使用し得る。エンジンがガスモードで駆動されるか或いはディーゼルモードにおいて駆動されるかに拘わらず、少なくとも時折、冷却目的のために、より小さい噴射バルブが使用されるのが好ましい。

エンジンをディーゼルモードにおいて運転させるときには、即ち、何らかの理由のために、天然ガスを使用しない二重燃料エンジン、或いは、軽油燃料、重油燃料、ＬＢＦ、又はＣＲＯを単に使用するエンジンの問題であるときには、異なる速度形状の噴射図(rate shape injection diagram)をもたらすために、本発明の噴射ユニットを使用し得る。２つの噴射バルブからの噴射のタイミングを適切に合わせることによって、上記を達成し得る。換言すれば、噴射バルブの動作を別個に制御し得るので、各噴射のタイミング、期間、及び量を個別に調節することが可能であり、それによって、最適な速度成形(rate shaping)を達成可能である。よって、例えば、２つの噴射バルブからの噴射が順番に、同時に、或いは、部分的に重なり合って起こるよう調節することが可能である。また、２つの噴射バルブからの噴射が別々に起こるよう、所謂分割噴射を使用するよう本発明の噴射ユニットを制御し得る。

２つの噴射バルブの寸法取りに関して、次のガイドラインを述べ得る。二重燃料エンジンにおいて、一方では、１％未満のパイロット燃料装荷を噴射し得るよう（１％未満の全負荷燃料消費を意味する）、他方では、ディーゼルモードにおける低負荷又は休止運転のために約３０％までのパイロット燃料装荷を噴射し得るよう、より小さい噴射バルブを寸法取らなければならない。より小さいエンジンの正しい寸法取りは、低負荷運転におけるＮＯｘ、ＨＣ、及び煤煙エミッションの制御の改良ももたらす。実現可能な追加的な選択肢は、より小さい噴射バルブがより小さい噴射吹付け開口も備えることである。これは二重燃料ガスモード運転並びに低負荷ディーゼルモード運転における点火改良物として特に有利である。本来的に、より大きい噴射バルブは、ディーゼルモード運転において１００％全負荷をカバーし得なければならない。

２つの噴射バルブに関する最終的な機能は、燃料コークス化問題からのノズル開口閉塞を防止するためにディーゼルモード及びガスモードの両方において規則的な所定の間隔及び／又は最適化された間隔で燃料を噴射するよう、両方の噴射バルブを構成し得ることである。異なる運転条件のために間隔を固定し得るし、或いは、特別に各個別の場合のためにエンジン制御ユニットによって間隔を決定し得る。

上記は、内燃機関の新規且つ発明的な燃料噴射ユニット及びそのような燃料噴射ユニットを動作する方法の例示的な記載に過ぎないことが理解されるべきである。上記の明細書は特定の種類の燃料噴射バルブ及び特定の種類の制御バルブを議論するが、バルブの種類は本発明を議論した種類に限定しないことが理解されるべきである。例えば、ソレノイドによって制御バルブを開く代わりに、閉じてもよい。同様に、燃料噴射の閉塞構造(closer structure)は、上記で議論したものと異なり得る。上記説明は本発明を如何様にも限定するものと理解されてはならず、本発明の全体的な範囲は、付属の請求項によってのみ定められる。上記の記載から、そのような組み合わせが本記載又は図面に特別に示されていないとしても、本発明の別個の機能を他の別個の機能との関係において使用し得ることが理解されなければならない。

Claims (18)

1. シリンダヘッドへの組立てに適した並びに少なくとも１つの高圧燃料ポンプを備えるコモンレール燃料システムを有する内燃機関のシリンダに燃料を噴射するのに適した燃料噴射ユニットであって、
   当該燃料噴射ユニットは、前記コモンレール燃料システムに接続され、前記コモンレール燃料システムは、第１の制御バルブを備える第１の燃料噴射バルブと、第２の制御バルブを備える第２の燃料噴射バルブとを主として含み、
   当該燃料噴射ユニットは、前記第１の噴射バルブ及び前記第２の噴射バルブに燃料を供給するために使用される高圧燃料アキュムレータを更に含むことを特徴とする、
   燃料噴射ユニット。
2. 前記アキュムレータは、前記内燃機関のコモンレール燃料システムの一部を形成する高圧燃料ポンプと流れ連絡して配置されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料噴射ユニット。
3. 前記高圧燃料アキュムレータは、実質的に水平な位置に配置されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料噴射ユニット。
4. 前記高圧燃料アキュムレータは、前記シリンダヘッド内に少なくとも部分的に位置付けられることを特徴とする、請求項１、２、又は３に記載の燃料噴射ユニット。
5. 前記高圧燃料アキュムレータは、実質的に垂直な位置に配置されることを特徴とする、請求項１、２、又は４に記載の燃料噴射ユニット。
6. 前記流れヒューズは、前記アキュムレータと前記第１及び第２の燃料噴射バルブとの間で、前記高圧燃料アキュムレータの下流に配置されることを特徴とする、請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載の燃料噴射ユニット。
7. 前記内燃機関は、二重燃料エンジンであり、前記第１の燃料噴射バルブは、パイロット燃料噴射バルブであることを特徴とする、請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載の燃料噴射ユニット。
8. 前記第２の燃料噴射バルブは、主液体燃料噴射バルブであることを特徴とする、請求項７に記載の燃料噴射ユニット。
9. 前記第１の燃料噴射バルブは、異なる速度形状の噴射図又は分割噴射をもたらすためにディーゼル運転において使用されることを特徴とする、請求項１乃至８のうちのいずれか１項に記載の燃料噴射ユニット。
10. 特に、液体燃料を用いて低負荷で前記内燃機関を運転するときの煤煙エミッションを最小限化するために、前記第１の燃料噴射バルブは、前記内燃機関の全負荷運転において必要とされる燃料の３０％未満を噴射するよう設計されることを特徴とする、請求項１乃至９のうちのいずれか１項に記載の燃料噴射ユニット。
11. 各燃料噴射バルブは、ノズル先端を有し、該ノズル先端は、前記シリンダヘッドの下方表面から測定された、異なる高さに配置されることを特徴とする、請求項１乃至１０のうちのいずれか１項に記載の燃料噴射ユニット。
12. 前記第１の燃料噴射バルブは、より小さい噴射開口と、より小さい嚢とを有する、より小さい燃料噴射バルブであることを特徴とする、請求項１乃至１１のうちのいずれか１項に記載の燃料噴射ユニット。
13. 前記第１の燃料噴射バルブの前記先端は、前記シリンダヘッドの前記下方表面からのより小さい高さに配置されることを特徴とする、請求項１０又は１０及び１１に記載の燃料噴射ユニット。
14. 請求項１に記載の燃料噴射ユニットを作動させる方法であって、
    前記燃料噴射ユニットは、前記コモンレールシステムに接続され、前記コモンレールシステムは、少なくとも、前記燃料噴射ユニットに特異な高圧燃料アキュムレータと、第１の制御バルブを備える第１の燃料噴射バルブと、第２の制御バルブを備える第２の燃料噴射バルブとで主として構成され、
    当該方法は、
    前記燃料噴射ユニットを、以下のモードのうちの１つにおいて作動させるステップを含み、前記モードは、
    低負荷運転において、前記第１の噴射バルブを唯一の燃料噴射手段として使用することによる、並びに、全負荷運転において、前記第２の噴射バルブを前記燃料噴射手段として使用することによる、ディーゼルモードと、
    連続運転において、前記第１の噴射バルブを前記パイロット燃料噴射手段として使用することによる、並びに、ガス燃料誤作動運転において、前記第２の噴射バルブを前記主ディーゼル燃料噴射手段として使用することによる、ガスモードと、を含むことを特徴とする、
    方法。
15. ディーゼルモードにおいて、部分的に重なり合う方法において或いは別個にのみ、前記噴射バルブからの噴射が同時に起こるよう構成することによって、異なる速度形状の噴射図又は分割噴射をもたらすために、前記第１及び第２の噴射バルブを順番付けることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 前記バルブの遮断を防止するために、前記第１の噴射バルブ及び前記第２の噴射バルブから特定の間隔で噴射することを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
17. 液体燃料を用いて低負荷で前記内燃機関を運転するとき、特に煤煙エミッションを最小限化するために、前記第１の噴射バルブによって全負荷運転によって必要とされる前記燃料の最大３０％を噴射することを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
18. シリンダヘッドを備える複数のシリンダを有し且つコモンレール燃料システムを利用する大型内燃機関であって、各シリンダヘッドは、請求項１乃至１３のうちのいずれか１項に記載の燃料噴射ユニットを備えることを特徴とする、大型内燃機関。

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