JP2014098347A - デュアルフューエルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】メカ駆動式の燃料噴射ポンプと自動弁の組み合わせで、高信頼性及び低コストのパイロット噴射機能を具現化する燃料噴射システムを備えるデュアルフューエルエンジンを提供する。
【解決手段】液体燃料とガス燃料とを切り換えて運転するデュアルフューエルエンジンに関する。デュアルフューエルエンジンは、前記ガス燃料を燃焼する際に、当該ガス燃料の火種としてパイロット噴射を行う燃料噴射装置を具備し、前記燃料噴射装置は、エンジン回転数で駆動されるジャーク式の燃料噴射ポンプと、前記エンジン回転数の半分で駆動される分配機構と、を含み、前記燃料噴射ポンプから圧送される高圧燃料を前記分配機構によって各シリンダに分配して送油することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、液体燃料とガス燃料を切り換えて運転するデュアルフューエルエンジンに関し、ガス燃料を用いる際の液体燃料のパイロット噴射システムに関する。

特許文献１には、液体燃料とガス燃料との切り換え運転が可能なデュアルフューエルエンジンの構成が開示される。ガス燃料を燃焼させる際は、少量の液体燃料を噴射（パイロット噴射）することによって点火する。この液体燃料は、燃料噴射ポンプからコモンレールを介して燃焼室に供給される。

特開２００５−３０７９７７号公報

コモンレールに蓄圧される液体燃料の圧力は燃料噴射ポンプの回転数に依存しており、大形エンジンのような低いエンジン回転数によって駆動されるポンプでの高圧力の維持は難しいことが知られている。また、コモンレールを使用しない場合においても、低回転数のエンジンによる駆動では安定した高送油率でのパイロット噴射が難しい。
本発明は、メカ駆動式の燃料噴射ポンプを用いて、高信頼性及び低コストのパイロット噴射機能を具現化する燃料噴射システムを備えるデュアルフューエルエンジンを提供する。

本発明は、液体燃料とガス燃料とを切り換えて運転するデュアルフューエルエンジンに関する。デュアルフューエルエンジンは、前記ガス燃料を燃焼する際に、当該ガス燃料の火種としてパイロット噴射を行う燃料噴射装置を具備し、前記燃料噴射装置は、エンジン回転数で駆動されるジャーク式の燃料噴射ポンプと、前記エンジン回転数の半分で駆動される分配機構と、を含み、前記燃料噴射ポンプから圧送される高圧燃料を前記分配機構によって各シリンダに分配して送油することを特徴とする。

前記分配機構は、前記エンジン回転数の半分で回転駆動される分配軸と、前記燃料噴射ポンプの各シリンダから圧送される高圧燃料が流通する高圧管がそれぞれ接続される高圧油路と、前記高圧油路の一つと連通可能であり、前記分配軸を径方向に貫通する入口穴と、前記入口穴の中心部に連通し、前記分配軸の軸方向に設けられる油路と、前記油路の端部から前記分配軸の径方向に沿って分配軸の外周面まで設けられる吐出穴と、前記吐出穴と連通可能であり、前記分配軸の外周面から放射状に設けられる吐出油路とを備えるとともに、前記吐出油路の数は、前記高圧油路の数の二倍であることが好ましい。

前記高圧油路は、前記分配機構の軸断面の一方の半円内に等間隔で設けられ、かつ、他方の半円に対して対称位置となるように配置され、前記分配軸が一回転する間に、前記分配軸の入口穴がそれぞれの高圧油路に二回連通することが好ましい。

より好ましい実施形態では、前記吐出穴の中途部には、前記分配軸の軸方向に沿って設けられるスリット溝が接続され、前記スリット溝は、前記分配軸の外周面に設けられる低圧グルーブに連通し、前記低圧グルーブは、燃料ギャラリーに連通する戻し油路に接続されるとともに、前記吐出油路の吐出部には逆止弁が設けられ、吐出後に前記吐出油路との連通を閉じた前記吐出穴から前記入口穴までの閉じ込め容積は、前記スリット溝、低圧グルーブ及び戻し油路を介して燃料ギャラリー圧に開放される。

また、前記エンジン駆動軸と前記燃料噴射ポンプを駆動するカム軸との間に、機械式タイマーを配置し、前記機械式タイマーによって燃料噴射ポンプの噴射タイミングを制御する。

また、前記燃料噴射ポンプのプランジャには、前記プランジャの回転により噴射タイミングを変化させる上部リードと、燃料噴射量を制御する下部リードと、が設けられ、前記プランジャの回転は、電気的に制御されるソレノイドを用いて行われる。

さらに、前記燃料噴射ポンプを駆動するカム軸において、前記エンジン駆動軸と反対側の端部に減速ギアが設けられ、前記減速ギアに歯合するギアが前記分配軸の端部に一体的に成形される。

より好ましくは、前記分配軸及び減速ギアの少なくとも一方の回転数を検出する回転数センサーを設け、前記回転数センサーによって検出される回転数に基づいて、前記ソレノイドの作動を制御する。

本発明によれば、高信頼性及び低コストのパイロット噴射機能を具現化できる。

デュアルフューエルエンジンの構成を示す概略図である。 燃料噴射装置を示す一部断面図である。 分配機構を示す図である。 燃料噴射ポンプからの高圧油路と分配軸の入口穴との接続の様子を示す図であり、図３のＡ−Ａ線断面図である。 分配軸の吐出穴と燃料噴射弁への吐出油路との接続の様子を示す図であり、図３のＢ−Ｂ線断面図である。 分配機構の別実施形態を示す図であり、燃料噴射ポンプからの高圧油路と分配軸の入口穴との接続の様子を示す図である。 分配機構の別実施形態を示す図であり、分配軸の吐出穴と燃料噴射弁への吐出油路との接続の様子を示す図である。

図１は、デュアルフューエルエンジン１の概略構成を示す。デュアルフューエルエンジン１は、軽油等の液体燃料とＬＮＧガス等のガス燃料の二種類の燃料を切り換えて燃焼する原動機である。デュアルフューエルエンジン１は、例えば四サイクルの六気筒エンジンであり、ＬＮＧガスを運搬する船体駆動用の大形主機関に付帯する発電機２等を駆動するための大形補機関である。

図１に示すように、デュアルフューエルエンジン１は、六列のシリンダ３を有し、各シリンダ３に液体燃料を圧送する燃料噴射装置５を備える。各シリンダ３には、燃料噴射装置５から圧送される液体燃料に加えて、ガス燃料が供給される。ガス燃料を燃料する際には、燃焼室にガス燃料が供給されるとともに、燃料噴射装置５によって液体燃料のパイロット噴射が行われ、ガス燃料の火種として用いられる。

シリンダ３内の燃焼室に臨むように燃料噴射弁６及びパイロット弁７が設けられる。燃料噴射弁６及びパイロット弁７は、液体燃料を噴射するための自動弁として構成される。燃料噴射弁６には、ジャーク式の燃料噴射装置（不図示）が接続される。パイロット弁７は、高圧管等の配管を介して燃料噴射装置５と接続される。燃料噴射弁６及びパイロット弁７は、それぞれシリンダ３の燃焼室に臨むように設けられている。
デュアルフューエルエンジン１において、液体燃料を燃焼する際には、燃料噴射弁６を介して所定量の液体燃料が所定のタイミングで噴射される。ガス燃料を燃焼する際には、パイロット弁７を介して液体燃料が火種としてパイロット噴射される。

図２に示すように、燃料噴射装置５は、エンジン回転数で回転駆動される駆動軸１０によって駆動される燃料噴射ポンプ１１、駆動軸１０に接続されて連動回転するカム軸１２、減速機構１５を介して駆動軸１０（カム軸１２）の回転が伝達される分配軸２０、及び、燃料噴射ポンプ５から圧送される燃料を分配軸２０の回転に応じて各シリンダ３に分配して送油する分配機構２１を備える。
駆動軸１０（カム軸１２）は、デュアルフューエルエンジン１の回転数（Ｎ）と同速度で回転駆動される。分配軸２０は、減速機構１５によりカム軸１２の半分の回転数（Ｎ／２）で回転駆動される。

燃料噴射ポンプ１１は、シリンダ３の気筒数の半分の数で配列されるシリンダを有するジャーク式列形の噴射ポンプである。本実施形態では、燃料噴射ポンプ１１は、シリンダ３の六列配列に応じて三列配列が採用されている。
燃料噴射ポンプ１１は、カム軸１２に固定されるカム１３、カム１３の回転によって摺動するプランジャ１４を備える。プランジャ１４の摺動によって燃料噴射ポンプ１１に供給される液体燃料を加圧するとともに、液体燃料を分配機構２１に圧送する。

カム軸１２において、駆動軸１０と接続される側と反対側端部（反駆動側端部）に減速ギア１６が嵌合されている。また、減速ギア１６の二倍の歯数を有するギア１７が分配軸２０に一体的に設けられている。これらのギア１６・１７は歯合しており、ギア１６・１７を介してカム軸１２の回転を分配軸２０に伝達することにより減速機構１５を構成している。

プランジャ１４は、ソレノイド３０によって回転可能である。ソレノイド３０は、電気制御により作動されるアクチュエータであり、プランジャ１４のラックに当接するロッドを有する。
プランジャ１４には、上部リード及び下部リードが形成されている。ソレノイド３０を作動させることによってプランジャ１４を回転させて、上部リードにより燃料噴射のタイミングを制御するとともに、下部リードによって燃料噴射量を制御する。

駆動軸１０とカム軸１２との間には、機械式タイマー４０が配置されている。機械式タイマー４０は、ウェイト遠心力とばね荷重の釣り合いで角度位相を変化させるものであり、プランジャ１４による燃料噴射のタイミングを制御する。

ギア１６の回転数を検出する回転数センサー３１が配置されている。回転数センサー３１によって検出された回転数に基づいてソレノイド３０の作動が制御される。
また、本実施形態ではカム軸１２に嵌合されたギア１６の回転数を検出しているが、カム軸１２の回転数をセンシングする構成としても良く、燃料噴射ポンプ１１を駆動するカム軸１２の回転数を検出できれば良い。

以上のように、カム軸１２の回転は、減速機構１５を介して分配軸２０に伝達され、その分配軸２０の回転により分配機構２１に圧送される液体燃料を分配して、各シリンダ３に供給する。
図３に示すように、分配機構２１は、燃料噴射ポンプ１１の各シリンダから圧送される高圧燃料が流通する高圧管５０がそれぞれ接続される高圧油路５１、高圧油路５１の一つと連通可能であり、分配軸２０の径方向全域に渡って設けられる入口穴５２、入口穴５２の中心部（分配軸２０の軸心部分）に連通するように分配軸２０の軸方向に設けられる油路５３、油路５３の端部から分配軸２０の径方向に沿って分配軸２０の外周面まで設けられる吐出穴５４、吐出穴５４と連通可能であり、分配軸２０の外周面から放射状に複数設けられる吐出油路５５、及び、吐出油路５５の端部に配置されるコネクタ５６を備える。各コネクタ５６は、各シリンダ３に接続される。

図４に示すように、高圧油路５１は、分配軸２０の径方向に沿って三つ設けられており、分配機構２１の軸断面の一方の半円（１８０°）内に設けられる。高圧油路５１は、半円内に等間隔（６０°間隔）で設けられ、他方の半円に対して対称位置となるように配置される。より詳しくは、半円の９０°位置に一つ、その両側方にそれぞれ６０°の間隔をあけて二つ設けられる。
それぞれの高圧油路５１には燃料噴射ポンプ１１からの各高圧管５０が接続され、燃料噴射タイミングに応じて高圧管５０から分配軸２０内に高圧の液体燃料が供給される。

分配軸２０に設けられる入口穴５２は、分配軸２０を径方向に貫通するように設けられる。入口穴５２において、高圧油路５１と連通する側と反対側の端部は本体部の内壁によって塞がれる。これにより、入口穴５２は、分配軸２０の回転に伴って、高圧油路５１のうちの一つと連通する。分配軸２０が一回転する間に、入口穴５２は、高圧油路５１Ａ→５１Ｂ→５１Ｃ→５１Ａ→５１Ｂ→５１Ｃの順に連通し、それぞれの高圧油路５１に二回ずつ連通する。

図５に示すように、吐出油路５５は、分配軸２０の径方向に沿って放射状に六つ設けられており、分配軸２０の軸心を中心として等間隔（６０°間隔）に配置される。各吐出油路５５にはコネクタ５６が接続され、コネクタ５６を介して各シリンダ３に連通する。
分配軸２０に設けられる吐出穴５４は、分配軸２０の回転に伴って吐出油路５５のうちの一つと連通する。分配軸２０が一回転する間に、吐出穴５４は、吐出油路５５Ａ→５５Ｂ→５５Ｃ→５５Ｄ→５５Ｅ→５５Ｆの順に連通する。本実施形態では、対称位置に配置される吐出油路の組み合わせ（５５Ａ・５５Ｄ、５５Ｂ・５５Ｅ、５５Ｃ・５５Ｆ）はそれぞれ同じシリンダ３と接続されている。

分配軸２０は、エンジン回転数の半分の回転で駆動されている。つまり、燃料噴射ポンプ１１の噴射タイミングは、分配軸２０の回転タイミングの二倍となるが、上記のような構成を採用することによって、噴射タイミングと同期した吐出タイミングを実現している。
このように、エンジン回転数の低い大形機関においても、エンジン回転数と同じ回転数で燃料噴射ポンプ１１を駆動することで、少量の噴射となるパイロット噴射でも高送油率での安定した噴射を確保できる。従って、メカ駆動式の燃料噴射ポンプ１１と自動弁として配置されるパイロット噴射弁７との組み合わせで、高信頼性及び低コストのパイロット噴射機能を具現化できる。
また、エンジン回転数の半分の回転数によって駆動される分配機構２１を備えることで、低コストで信頼性の高い噴射装置を具現化できる。そして、燃料噴射ポンプ１１の各列に接続される高圧配管５０の数の二倍の数だけ配置される吐出油路５５を有することで、シリンダ３の数の半分の列数の燃料噴射ポンプ１１で対応できるため、小型化も可能である。

図３に示すように、吐出穴５４の中途部には、スリット溝５７が接続される。スリット溝５７は、軸方向に沿って油路５３の逆方向に向けて設けられており、吐出穴５４に連通する。スリット溝５７の他側は、分配軸２０の外周面に設けられる低圧グルーブ５８と連通し、さらに低圧グルーブ５８を介して戻し油路５９に連通する。戻し油路５９には、開閉を制御する制御弁が設けられる。つまり、分配軸２０内では、入口穴５２、油路５３、吐出穴５４と、スリット溝５７及び低圧グルーブ５８との圧力は同じになっている。
コネクタ５６には逆止弁が内装されており、吐出後に油路５３と吐出穴５４との連通が閉じた際に、吐出経路に残された液体燃料がスリット溝５７及び低圧グルーブ５８を経て戻し油路５９に介して燃料ギャラリーに戻される。これにより、油路５３内の圧力が燃料ギャラリー圧に開放され、吐出毎に適切な圧力の液体燃料を供給可能となる。

図６及び図７に分配機構２１の別実施形態を示す。ここでは、八気筒のデュアルフューエルエンジン１に対して、四列配列の燃料噴射ポンプ１１を適用した例を示す。
図６に示すように、高圧油路５１は、分配機構２１の軸断面の一方の半円内に分配軸２０の径方向に沿って四つ設けられる（５１Ａ〜５１Ｄ）。各高圧油路５１は、４５°の等間隔で配置されており、他方の半円と合わせたときに対称位置となるように配置される。
図７に示すように、吐出油路５５は、分配軸２０の径方向に沿って放射状に八つ設けられる（５５Ａ〜５５Ｈ）。各吐出油路５５は、４５°の等間隔をあけて配置される。分配軸２０の回転に伴って、吐出穴５４と一つの吐出油路５５とが連通する。各吐出油路５５は、各シリンダ３と接続されており、四列配列の燃料噴射ポンプ１１を用いて、八気筒のデュアルフューエルエンジン１のシリンダ３に液体燃料を圧送する。

１：デュアルフューエルエンジン、３：シリンダ、５：燃料噴射装置、７：パイロット弁、１０：駆動軸、１１：燃料噴射ポンプ、１２：カム軸、１５：減速機構、２０：分配軸、２１：分配機構、３０：ソレノイド、４０：機械式タイマー、５０：高圧管、５１：高圧油路、５２：入口穴、５３：油路、５４：吐出穴、５５：吐出油路、５６：コネクタ

Claims (8)

1. 液体燃料とガス燃料とを切り換えて運転するデュアルフューエルエンジンであって、
   前記ガス燃料を燃焼する際に、当該ガス燃料の火種としてパイロット噴射を行う燃料噴射装置を具備し、
   前記燃料噴射装置は、エンジン回転数で駆動されるジャーク式の燃料噴射ポンプと、前記エンジン回転数の半分で駆動される分配機構と、を含み、前記燃料噴射ポンプから圧送される高圧燃料を前記分配機構によって各シリンダに分配して送油することを特徴とするデュアルフューエルエンジン。
2. 前記分配機構は、
   前記エンジン回転数の半分で回転駆動される分配軸と、
   前記燃料噴射ポンプの各シリンダから圧送される高圧燃料が流通する高圧管がそれぞれ接続される高圧油路と、
   前記高圧油路の一つと連通可能であり、前記分配軸を径方向に貫通する入口穴と、
   前記入口穴の中心部に連通し、前記分配軸の軸方向に設けられる油路と、
   前記油路の端部から前記分配軸の径方向に沿って分配軸の外周面まで設けられる吐出穴と、
   前記吐出穴と連通可能であり、前記分配軸の外周面から放射状に設けられる吐出油路とを備えるとともに、
   前記吐出油路の数は、前記高圧油路の数の二倍である請求項１に記載のデュアルフューエルエンジン。
3. 前記高圧油路は、前記分配機構の軸断面の一方の半円内に等間隔で設けられ、かつ、他方の半円に対して対称位置となるように配置され、
   前記分配軸が一回転する間に、前記分配軸の入口穴がそれぞれの高圧油路に二回連通する請求項２に記載のデュアルフューエルエンジン。
4. 前記吐出穴の中途部には、前記分配軸の軸方向に沿って設けられるスリット溝が接続され、前記スリット溝は、前記分配軸の外周面に設けられる低圧グルーブに連通し、前記低圧グルーブは、燃料ギャラリーに連通する戻し油路に接続されるとともに、
   前記吐出油路の吐出部には逆止弁が設けられ、吐出後に前記吐出油路との連通を閉じた前記吐出穴から前記入口穴までの閉じ込め容積は、前記スリット溝、低圧グルーブ及び戻し油路を介して燃料ギャラリー圧に開放される請求項２又は３に記載のデュアルフューエルエンジン。
5. 前記エンジン回転数で駆動される駆動軸と、前記駆動軸に接続され、前記燃料噴射ポンプを駆動するカム軸との間に、機械式タイマーを配置し、前記機械式タイマーによって燃料噴射ポンプの噴射タイミングを制御する請求項１から４の何れか一項に記載のデュアルフューエルエンジン。
6. 前記燃料噴射ポンプのプランジャには、前記プランジャの回転により噴射タイミングを変化させる上部リードと、燃料噴射量を制御する下部リードと、が設けられ、
   前記プランジャの回転は、電気的に制御されるソレノイドを用いて行われる請求項１から５の何れか一項に記載のデュアルフューエルエンジン。
7. 前記燃料噴射ポンプを駆動するカム軸において、前記エンジン駆動軸と反対側の端部に減速ギアが設けられ、前記減速ギアに歯合するギアが前記分配軸の端部に一体的に成形される請求項６に記載のデュアルフューエルエンジン。
8. 前記分配軸及び減速ギアの少なくとも一方の回転数を検出する回転数センサーを設け、前記回転数センサーによって検出される回転数に基づいて、前記ソレノイドの作動を制御する請求項７に記載のデュアルフューエルエンジン。

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