JP2016200085A - 燃料供給装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】内燃機関の燃焼室内へ燃料を供給する燃料供給装置であって、リニアアクチュエータと、リニアアクチュエータによって駆動される昇圧用ピストンを有し、昇圧用ピストンが軸方向に往復することにより燃料の吸入と吐出を交互に繰り返す往復式ポンプと、リニアアクチュエータの駆動を制御するコントローラと、を備える。コントローラは、往復式ポンプが燃料を吸入する時の昇圧用ピストンの最大加速度が、昇圧用ピストンが軸方向に往復する振幅および周期と同じ振幅および周期で単振動するように昇圧用ピストンを駆動した場合よりも小さくなるようにリニアアクチュエータを制御する。
【選択図】 図4
Description
近年、低速ディーゼルエンジンの燃料として、NOx、SOx、排出量の少ない天然ガスが注目されている。低速ディーゼルエンジンの燃焼室に高圧の天然ガスを燃料として噴射して燃焼させることで、高熱効率で出力が得られる。
また、クランク軸を用いて往復式ポンプを駆動する場合には、吐出時と吸入時とでピストンの速度は同一であり、吸入時のみの速度は変更できないため、高回転、高出力時においてキャビテーションが発生してしまう。
をさらに備えることが好ましい。
また、前記リニアアクチュエータは、電動シリンダユニットであってもよい。
電動シリンダユニットは、電動モータと、前記電動モータの動力により回転するボールナットと、前記ボールナットが螺合し、軸方向が前記昇圧用ピストンの軸方向と一致した状態で前記昇圧用ピストンと連結され、前記ボールナットの回転により軸方向に移動するボールねじと、を備え、前記コントローラは、前記電動モータを制御することで前記ボールねじの軸方向の移動を制御することが好ましい。
図1に示すように、本実施形態の燃料供給装置10は、液体燃料を昇圧・加熱し、内燃機関90の燃焼室内へ高圧で噴射して供給する装置である。内燃機関90はシリンダ内の燃焼室で燃料を燃焼させ、その熱エネルギーによって仕事をする原動機であり、例えばレシプロエンジン、ガスタービンである。特に、燃料を圧縮着火させるディーゼルエンジンを内燃機関90として用いることが好ましい。以下の実施形態では、内燃機関90として船舶に搭載されるディーゼルエンジンを用いる場合について説明するが、本発明は船舶以外のディーゼルエンジンへの燃料供給装置に適用することもできる。
燃料供給部20A、20B、20Cとの接続部における低圧燃料供給管12内の液体燃料の圧力は、液体燃料タンク11内の液体燃料の温度、液面高さ等に応じた圧力となっている。この圧力を高め有効吸込みヘッド(NPSH:Net Positive Suction Head)を確保し、燃料供給部20A、20B,20Cに液体燃料を供給しやすくするために、液体燃料タンク11は、燃料供給部20A、20B、20Cよりも高い位置に配置されている。
なお、液体燃料タンク11が高い位置に配置できない場合は、液体燃料タンク11に液体燃料を供給するブースターポンプにより液体燃料タンク11内の液体燃料の圧力を高めることで、有効吸込ヘッドを確保してもよい。
往復式ポンプ50は、低圧燃料供給管12から供給される液体燃料を昇圧し、高圧燃料供給管13を介して熱交換器14に供給する。低圧燃料管12および高圧燃料供給管13は、燃料供給部20A、20B、20Cから着脱可能である。
コントローラ21は、制御部80から入力される制御信号により制御され、リニアアクチュエータ30を制御する。また、コントローラ21には、後述するように、往復式ポンプ50のピストンの位置を示す位置信号が入力される。コントローラ21は、位置信号に応じて往復式ポンプ50の吐出量が調節されるようにリニアアクチュエータ30を位置制御する。
ここで、内燃機関90が必要とする所定の範囲の圧力は、内燃機関90の種類や性能に応じて異なる。内燃機関90が船舶用の2ストロークサイクルの低速ディーゼルエンジンであれば、所定の範囲の圧力は、例えば5〜100MPa、好ましくは20〜70MPaであるが、本発明はこれに限定されるものではない。
また、高温燃料供給管15には、圧力計17が設けられている。圧力計17は高温燃料供給管15内の圧力を計測し、計測信号を制御部80に出力する。
制御部80は、燃料供給部20A、20B、20Cに制御信号を出力することで、往復式ポンプ50の吐出量を調整する。往復式ポンプ50の吐出量は、高温燃料供給管15内の圧力が、必要とされる内燃機関90の負荷に応じた圧力となるように調整される。
なお、内燃機関90により駆動される推進用プロペラ(図示せず)の回転数を計測し、回転数に応じて高温燃料供給管15内の圧力を調整してもよい。
図2、図3において、上下方向は鉛直方向と一致し、左右方向は水平方向と一致する。以下の説明では、鉛直方向の上方向を「上方」、上方の部分を「上部」、鉛直方向の下方を「下方」、下方向の部分を「下部」という。なお、以下の説明では、軸方向が鉛直方向となるように配置されたリニアアクチュエータ30および往復式ポンプ50について説明するが、本発明はこれに限らず、軸方向が水平方向となる場合や角度を持たせた方向となるように配置されたリニアアクチュエータ30および往復式ポンプ50を用いてもよい。
図2、図3に示すように、油圧シリンダユニット(リニアアクチュエータ30)は、電動モータ31、油圧ポンプ32、第1の油圧配管33、第2の油圧配管34、固定部40、油圧シリンダ41、油圧ピストン42、等を備える。
油圧シリンダユニットは、架台100の天板101に設けられている。天板101は脚102により支持されており、脚102は船体の甲板や内底板等の構造体に固定される。
電動モータ31がサーボモータである場合、電動モータ31の正逆の回転方向に応じて油圧ポンプ32から作動油が吐出される方向が切り替わる。例えば、電動モータ31の正回転時には、油圧ポンプ32は第1の油圧配管33内の作動油を吸引し、吸引した作動油を第2の油圧配管34側へ吐出する。また、電動モータ31の逆回転時には、油圧ポンプ32は第2の油圧配管34内の作動油を吸引し、吸引した作動油を第1の油圧配管33側へ吐出する。この場合、第1の油圧配管33および第2の油圧配管34に方向切替弁は不要である。
一方、電動モータ31がインバータモータである場合、作動油が流れる方向は、第1の油圧配管33および第2の油圧配管34に設けられる方向切替弁(図示せず)によって変更する。
なお、第1の油圧配管33および第2の油圧配管34内の作動油の流量、圧力は、油圧ポンプ32の吐出量によって決定される。電動モータ31がサーボモータである場合、電動モータ31がインバータモータである場合のいずれの場合も、作動油の流量、圧力は電動モータ31の回転数によって調整することができる。
油圧ピストン42はダブルロッド型であり、油圧シリンダ41の上部および下部から外部へ突出するピストンロッド47を有している。ピストンロッド47は油圧ピストン42とともに上下動する。油圧ピストン42がダブルロッド型であるため、油圧ピストン42が上昇したときの上側チャンバ43aの容積の減少量と下側チャンバ43bの容積の増加量とが等しい。油圧ピストン42はシングルロッド型であっても良い。ただし、この場合は移動する作動油の量が変化することによる圧力変動が生じるので脈動防止タンクを設けるのが望ましい。
油圧シリンダ41のピストンロッド47が貫通する部分には、ブッシュ46が設けられている。ブッシュ46内にはオイルシールが組み込まれている。ブッシュ46はピストンロッド47を上下動可能に支持するとともに、作動油収容空間43から作動油が漏出することを防いでいる。
往復式ポンプ50として、例えば特許第5519857号に記載されているのと同様の構造を有する往復式ポンプを用いることができる。
具体的には、往復式ポンプ50は、昇圧用シリンダ51と、昇圧用ピストン52と、シリンダライナ53と、カバー54と、弁箱60と、等を有する。
昇圧用シリンダ51は内部に昇圧用ピストン52、シリンダライナ53、および弁箱60を収容する空間を有し、昇圧シリンダ51の下端部にはカバー54が固定されている。カバー54によってシリンダライナ53および弁箱60は昇圧用シリンダ51内で固定されている。
カバー54には、鉛直方向に貫通する吐出口56が設けられている。吐出口56は高圧燃料供給管13と接続されている。
また、昇圧用ピストン52の上端部には、位置センサが設けられる。位置センサは、昇圧用ピストン52の鉛直方向の位置を検出し、位置信号をコントローラ21に出力する。なお、位置信号を用いて、昇圧用ピストン52の変位を時間微分することにより、昇圧用ピストン52の速度を求めることができる。すなわち、位置センサを速度センサとしても用いることができる。さらに、昇圧用ピストン52の速度を時間微分することにより、昇圧用ピストン52の加速度を求めることができる。すなわち、位置センサを加速度センサとしても用いることができる。
なお、位置センサを油圧シリンダ41に取り付けてもよい。
具体的には、磁歪式位置センサ70は、センサプローブ71(磁歪線)と、環状マグネット72と、検出器73とを有する。センサプローブ71は空洞部48内に鉛直方向に設けられる。環状マグネット72は中央にセンサプローブ71が挿入された状態で、センサプローブ71に沿って昇圧用ピストン52とともに上下動するように昇圧用ピストン52の上端部に取り付けられる。センサプローブ71の一端にはセンサプローブ71に生じる歪みを検出する検出器73が設けられている。センサプローブ71に電流パルス信号を与えると、センサプローブ71を中心とする円周方向の磁場が生じる。センサプローブ71のマグネット72と同じ高さの位置では、センサプロ−ブ71の軸方向に磁場が与えられるため、軸方向に対して斜め方向の合成磁場が生じる。これにより、センサプローブ71に局部的なねじり歪みが生じる。検出器73はこのねじり歪みを検出することで、マグネット72の高さ方向の位置を検出し、昇圧用ピストン52の高さ方向の位置を示す位置信号をコントローラ21に出力する。
吐出流路61は弁箱60を鉛直方向に貫通するように設けられている。吐出流路61の内部には、吐出用弁体62が鉛直方向に移動可能に収容されている。吐出流路61の上端部側は内径が吐出用弁体62の外径よりも小さい細径部となっている。細径部の下側開口は、吐出用弁体62が配置される弁座63となっている。吐出用弁体62および弁座63により吐出弁が構成される。
吐出流路61の弁箱60の下側の開口はカバー54の吐出口56と対向する位置に設けられている。
吸入流路64の弁箱60の上面側の開口の外周部は吸入用弁体65用の弁座66となっており、弁座66の上部に吸入用弁体65が鉛直方向に移動可能に設けられている。吸入用弁体65および弁座66により吸入弁が構成される。
次に、電動モータにサーボモータを使用したリニアアクチュエータ30および往復式ポンプ50の動作について説明する。
まず、電動モータ31により油圧ポンプ32を駆動し、図2に示すように、上側チャンバ43a内の作動油を上側貫通孔44から排出し、第1の油圧配管33、第2の油圧配管34を経て下側貫通孔45から下側チャンバ43b(第1チャンバ)へ供給する。すると、下側チャンバ43bの容積が大きくなり、上側チャンバ43aの容積が小さくなるように、油圧ピストン42が作動油収容空間43内で上昇する。なお、第1の油圧配管33および第2の油圧配管は分岐等を有さないため、上側チャンバ43aから流出した作動油は全て下側チャンバ43bへ供給される。
また、図4の一点鎖線は昇圧用ピストンがクランク駆動される場合(単振動する場合)の昇圧用ピストンの速度の時間変化である。昇圧用ピストンがクランク駆動される場合も、ピストン速度が正である時間t0からt1にかけて往復式ポンプ50は燃料を吐出し、ピストン速度が負である時間t1からt4にかけて往復式ポンプ50は燃料を吸入する。
なお、対比のために、本実施形態の場合(実線)と単振動の場合(一点鎖線)とで周期およびストロークを同一としている。すなわち、時間t0からt1にかけて(吐出時)の速度の積分値は、本実施形態の場合(実線)と単振動の場合(一点鎖線)とで同一である。同様に、時間t1からt4にかけて(吸入時)の速度の積分値は、本実施形態の場合(実線)と単振動の場合(一点鎖線)とで同一である。
一方、昇圧用ピストンが単振動する場合(一点鎖線)、昇圧用ピストン52の加速度が最大となるときは吸入開始時(t1)であり、最大加速度は図4の一点鎖線のt1における傾きの絶対値である。
なお、対比のために、本実施形態の場合(実線)と単振動の場合(一点鎖線)とで周期およびストロークを同一としている。すなわち、本実施形態の場合(実線)の時間t0からt1にかけて(吐出時)の速度の積分値は、単振動の場合(一点鎖線)の時間t0からt2にかけて(吐出時)の速度の積分値と同一である。同様に、本実施形態の場合(実線)の時間t1からt5にかけて(吸入時)の速度の積分値は、単振動の場合(一点鎖線)の時間t2からt5にかけて(吸入時)の速度の積分値と同一である。
一方、昇圧用ピストンが単振動する場合(一点鎖線)、昇圧用ピストン52の加速度が最大となるときは吸入開始時(t2)であり、最大加速度は図5の一点鎖線のt2における傾きの絶対値である。
また、図5に示すように、燃料を吸入する期間(t1からt5までの間)を吐出する期間(t0からt1までの間)よりも長くすることで、吸入時の昇圧用ピストン52の最大速度(実線のt3からt4までの間の速度の絶対値)を単振動の場合よりも小さくすることができる。このため、最大速度まで加速するための加速度の最大値を小さくすることができる。
また、油圧ピストン42および昇圧用ピストン52を鉛直方向に移動させるため、反作用として油圧シリンダ41および昇圧用シリンダ51もまた鉛直方向の力を受ける。このため、油圧ピストン42および昇圧用ピストン52を駆動しても、油圧シリンダ41および昇圧用シリンダ51の設置場所には水平方向に作用する力が働かないため、油圧シリンダ41および昇圧用シリンダ51を容易に固定することができる。また、油圧シリンダ41および昇圧用シリンダ51の設置に必要な床面積を小さくすることができる。
また、複数の燃料供給部20A、20B、20Cは独立して制御可能であるため、内燃機関90の燃料需要に応じて稼動する燃料供給部の数を変更することもできる。
また、上記説明においては、船舶に搭載する燃料供給装置について説明したが、本発明はこれに限られることはない。リニアアクチュエータ30および往復式ポンプ50は任意の構造体上に設置することができる。例えば、自動車の車体上にリニアアクチュエータ30および往復式ポンプ50を搭載してもよいし、建物の躯体の床上にリニアアクチュエータ30および往復式ポンプ50を設置してもよい。
図6は、電動シリンダユニットをリニアアクチュエータ30として用いた燃料供給部を示す図である。なお、図2、図3と同様の構成については、同符号を付して説明を割愛する。
電動シリンダユニットは、電動モータ31、歯車35a、35b、ボールナット37、ボールねじ38を備える。
歯車35aは電動モータ31の動力で回転し、歯車35aの回転は歯車35bに伝達される。
歯車35bはボールナット37と一体に設けられており、歯車35aの回転をボールナット37に伝達する。
ボールナット37はボールねじ38と螺合しており、歯車35bとともに回転する。
ボールねじ38の下端は連結部49により昇圧用ピストン52の上端と連結されている。ボールナット37が回転することでボールねじ38は軸方向に移動する。ボールねじ38が軸方向に移動することで、昇圧用ピストン52もまた軸方向に移動する。
本変形例においても、リニアアクチュエータ30として油圧シリンダユニットを用いた場合と同様の効果が得られる。
なお、ポンプ設置場所が非防爆箇所、あるいは第二種危険場所の場合には、歯車35a、35bの代わりに、プーリおよびタイミングベルトを用いて電動モータ31の回転をボールナットに伝達してもよい。
11 液体燃料タンク
12 低圧燃料供給管
13 高圧燃料供給管
14 熱交換器
15 高温燃料供給管
16 調圧弁
17 圧力計
20A、20B、20C 燃料供給部
21 コントローラ
30 リニアアクチュエータ
31 電動モータ
32 油圧ポンプ
33 第1の油圧配管
34 第2の油圧配管
35a、35b 歯車
37 ボールナット
38 ボールねじ
41 油圧シリンダ
42 油圧ピストン
42b、52b ピストンリング
43 作動油収容空間
43a 上側チャンバ
43b 下側チャンバ
47 ピストンロッド
48 断熱空洞部
49 連結部
50 往復式ポンプ
51 昇圧用シリンダ
51a、52a ライダーリング
52 昇圧用ピストン
53 シリンダライナ
54 カバー
55 吸入口
56 吐出口
57 ロッドパッキン部
60 弁箱
61 吐出流路
62 吐出用弁体
63、66 弁座
64 吸入流路
65 吸入用弁体
70 位置センサ
80 制御部
90 内燃機関
Claims (8)
- 内燃機関の燃焼室内へ燃料を供給する燃料供給装置であって、
リニアアクチュエータと、
前記リニアアクチュエータによって駆動され軸方向に往復する昇圧用ピストンを有し、前記昇圧用ピストンが軸方向に往復することにより前記燃料の吸入と吐出を交互に繰り返す往復式ポンプと、
前記リニアアクチュエータの駆動を制御するコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、前記往復式ポンプが前記燃料を吸入する時の前記昇圧用ピストンの最大加速度が、前記昇圧用ピストンが軸方向に往復する振幅および周期と同じ振幅および周期で単振動するように前記昇圧用ピストンを駆動した場合よりも小さくなるように前記リニアアクチュエータを制御する、燃料供給装置。 - 内燃機関の燃焼室内へ燃料を供給する燃料供給装置であって、
低圧の燃料が供給される低圧燃料供給管と、
前記燃焼室内へ供給される高圧の燃料が供給される高圧燃料供給管と、
前記低圧燃料供給管と前記高圧燃料供給管との間に設けられ、前記低圧燃料供給管内の燃料を昇圧してそれぞれ前記高圧燃料供給管に供給する複数の燃料供給部と、
前記複数の燃料供給部を制御する制御部と、
を備え、
前記燃料供給部のそれぞれは、
内燃機関の燃焼室内へ燃料を供給する燃料供給装置であって、
リニアアクチュエータと、
前記リニアアクチュエータによって駆動され軸方向に往復する昇圧用ピストンを有し、前記昇圧用ピストンが軸方向に往復することにより前記燃料の吸入と吐出を交互に繰り返す往復式ポンプと、
前記リニアアクチュエータの駆動を制御するコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、前記往復式ポンプが前記燃料を吸入する時の前記昇圧用ピストンの最大加速度が、前記昇圧用ピストンが軸方向に往復する振幅および周期と同じ振幅および周期で単振動するように前記昇圧用ピストンを駆動した場合よりも小さくなるように前記リニアアクチュエータを制御し、
前記制御部は、前記複数の燃料供給部のいずれか1つの昇圧用シリンダが燃料を吐出するときに、他の燃料供給部の昇圧用シリンダが燃料を吸入するように前記コントローラのそれぞれを制御する、燃料供給装置。 - 前記コントローラは、前記往復式ポンプが前記燃料を吸入するときの前記昇圧用ピストンの加速度が最大となるときが、前記往復式ポンプが前記燃料の吸入を開始するときよりも後、かつ前記燃料の吸入を開始するときから前記周期の1/4の時間が経過するよりも前となるように前記リニアアクチュエータを制御する、請求項1又は2に記載の燃料供給装置。
- 前記往復式ポンプは、昇圧用ピストンを鉛直方向に移動可能に収容する昇圧用シリンダを有し、
前記昇圧用ピストンが鉛直上方向に移動することにより前記昇圧用シリンダの内部であって前記昇圧用ピストンの下部に前記燃料を吸入し、前記昇圧用ピストンが鉛直下方向に移動することにより前記燃料を昇圧して吐出する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料供給装置。 - 前記昇圧用ピストンの軸方向の速度を検出する速度センサをさらに有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の燃料供給装置。
- 前記リニアアクチュエータは、油圧シリンダユニットであって、
作動油を収容する作動油収容空間を有し、軸方向が鉛直方向となるように配置された油圧シリンダと、
前記油圧シリンダ内で軸方向に移動可能に設けられ、前記作動油収容空間を第1チャンバと第2チャンバとに区画する油圧ピストンと、
前記油圧ピストンと前記昇圧用ピストンとを連結するピストンロッドと、
前記第1チャンバに作動油を供給することで前記油圧ピストンを軸方向の第1の方向に移動させ、前記第2チャンバに作動油を供給することで前記油圧ピストンを軸方向の第2の方向に移動させる油圧ポンプと、
前記油圧ピストンが軸方向に往復するように前記油圧ポンプを駆動する電動モータとを備え、
前記コントローラは、前記電動モータを制御することで前記油圧ピストンの前記油圧シリンダ内での移動を制御する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の燃料供給装置。 - 前記油圧シリンダユニットは、
一端が前記油圧ポンプと接続され、他端が前記第1チャンバと接続され、前記油圧ポンプから吐出される全ての作動油を前記第1チャンバに供給し、前記第1チャンバから排出される全ての作動油を前記油圧ポンプに戻す密閉された第1の油圧配管と、
一端が前記油圧ポンプと接続され、他端が前記第2チャンバと接続され、前記油圧ポンプから吐出される全ての作動油を前記第2チャンバに供給し、前記第2チャンバから排出される全ての作動油を前記油圧ポンプに戻す密閉された第2の油圧配管と、
をさらに備える、請求項6に記載の燃料供給装置。 - 前記リニアアクチュエータは、電動シリンダユニットであって、
電動モータと、
前記電動モータの動力により回転するボールナットと、
前記ボールナットが螺合し、軸方向が前記昇圧用ピストンの軸方向と一致した状態で前記昇圧用ピストンと連結され、前記ボールナットの回転により軸方向に移動するボールねじと、
を備え、
前記コントローラは、前記電動モータを制御することで前記ボールねじの軸方向の移動を制御する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の燃料供給装置。
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