JP2016200138A - 燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】往復式ポンプから吐出される燃料の供給量を内燃機関の負荷に応じて調整することができる燃料供給装置を提供する。【解決手段】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軸方向に往復する昇圧用ピストンを有し、昇圧用ピストンが軸方向の第１の方向に移動したときに燃料を吸入し、昇圧用ピストンが軸方向の第２の方向に移動したときに燃料を昇圧して吐出する往復式ポンプと、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、を備える燃料供給装置である。コントローラは、リニアアクチュエータにより昇圧用ピストンのストローク長を内燃機関の負荷に応じて調整することで、昇圧用シリンダから吐出される燃料の容量を調整する。【選択図】 図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関に燃料を供給する燃料供給装置に関する。

従来の船舶においては、低速での出力が可能であり、プロペラに直結して駆動することができる、２ストロークサイクルの低速ディーゼルエンジンが用いられている。
近年、低速ディーゼルエンジンの燃料として、ＮＯ_ｘ、ＳＯ_ｘ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。

例えばクランク軸を用いて回転運動を往復運動に変えることで、往復式ポンプを駆動することが行われている。クランク軸を用いて往復式ポンプのピストンを駆動する場合、ピストンストロークがクランク軸によって定まるため、ピストンストロークを自由に調整することができない。また、複数の往復式ポンプを同一のクランク軸によって駆動する場合、往復式ポンプのそれぞれを独立して制御することができなかった。

一方、特許文献１には、液体の燃料を、往復式ポンプを用いて昇圧してエンジンに供給する装置が記載されている。特許文献１の装置では、往復式ポンプのピストンを左右方向に駆動しており、ピストンを駆動するリニアアクチュエータとして、「線形油圧モータ」（油圧シリンダユニット）が用いられている。特許文献１では、油圧シリンダユニットへ油圧ポンプから供給する作動油の方向を方向切替弁で切り替えることにより、往復式ポンプのピストンの移動方向を切り替えている。油圧シリンダユニットを用いる場合、クランク軸を用いる場合よりも、低速で往復式ポンプを駆動することができる。また、ピストンが一定の速度で移動するようにピストン行程を制御することができるという利点がある。

特表２００５−５０４９２７号公報

ところで、クランク軸駆動の往復式ポンプを用いて内燃機関に燃料を供給する燃料供給装置では、内燃機関の負荷に応じて燃料の供給量を調整する場合、往復式ポンプの往復周期を変更する必要がある。しかし、往復式ポンプの往復周期を変更すると、燃料の圧力や流量が往復周期に応じて変動し、最適な流量を実現することが困難な場合があり特に低出力時が困難である。
クランク軸駆動往復ポンプの場合、荷重が一方向であり特に接合棒のシリンダ側軸受への潤滑条件は低回転時、非常に厳しい状態になり軸受の異常摩耗、焼付け発展する可能性が高い。従ってクランク軸駆動往復式ポンプの場合、低容量が必要な場合は、ポンプ吐出量を適時多くし、必要量に対する余分な量はバイパスして対応しなければならない。このためこれが動力損失となっていた。

そこで、本発明は、往復式ポンプの往復周期を変更しなくても往復式ポンプから吐出される燃料の供給量を任意に調整することができる燃料供給装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、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の第１の方向に移動したときに前記燃料を吸入し、前記昇圧用ピストンが軸方向の第２の方向に移動したときに前記燃料を昇圧して吐出する往復式ポンプと、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、前記リニアアクチュエータにより前記昇圧用ピストンのストローク長を前記内燃機関の負荷に応じて調整することで、前記昇圧用シリンダから吐出される燃料の容量を調整することを特徴とする。

本発明の第２の態様は、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、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、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の第１の方向に移動したときに前記燃料を吸入し、前記昇圧用ピストンが軸方向の第２の方向に移動したときに前記燃料を昇圧して吐出する往復式ポンプと、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、前記制御部は、前記コントローラのそれぞれを制御して、前記リニアアクチュエータのそれぞれにより前記昇圧用ピストンのそれぞれのストローク長を調整することで、前記昇圧用シリンダのそれぞれから吐出される燃料の容量の合計を調整することを特徴とする。

前記昇圧用ピストンの少なくとも１つのストローク長は、他の昇圧用ピストンのストローク長と異なるように調整されてもよい。

前記制御部は、前記昇圧用ピストンの速度および前記ストローク長を調整することで、前記昇圧用シリンダから燃料が吐出される時間長さあるいはタイミングを調整してもよい。

前記ストローク長は、前記昇圧用シリンダ内の容積が最小となる前記昇圧用ピストンの位置を基準として設定されることが好ましい。

前記ストローク長は、前記内燃機関が必要とする燃料の量に応じた長さとなるように調整されることが好ましい。

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、軸方向が前記昇圧用ピストンの軸方向と一致す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ことが好ましい。

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、
をさらに備えることが好ましい。

前記昇圧用ピストンの位置を検出する位置センサをさらに有することが好ましい。
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。

本発明によれば、コントローラによってリニアアクチュエータを制御して、昇圧用ピストンのストローク長を調整することで、昇圧用シリンダから吐出される燃料の容量を内燃機関の負荷に応じて調整することができる。

本実施形態の燃料ガス供給装置の概略の構成図である。 燃料吸引時のリニアアクチュエータ３０および往復式ポンプ５０の断面図である。 燃料吐出時のリニアアクチュエータ３０および往復式ポンプ５０の断面図である。 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。

以下、本発明の実施形態に係る燃料供給装置を図面に基づいて説明する。
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。

燃料供給装置１０は、図１に示すように、液体燃料タンク１１と、低圧燃料供給管１２と、複数の燃料供給部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃと、高圧燃料供給管１３と、熱交換器１４と、高温燃料供給管１５と、調圧弁１６と、圧力計１７と、制御部８０と、を備える。燃料供給装置１０のこれらの構成要素は全て船舶に搭載される。

液体燃料タンク１１は、内燃機関９０に供給される燃料を液体の状態で貯留する。液体燃料タンク１１に貯留される液体燃料として、例えば、液化メタン、液化エタン、液化プロパン等を用いることができる。液体燃料タンク１１は、低圧燃料供給管１２と接続されており、低圧燃料供給管１２を介して液体燃料を燃料供給部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃに供給する。
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。

燃料供給部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃは、低圧燃料供給管１２と高圧燃料供給管１３との間に並列に設けられている。燃料供給部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃは、それぞれ、コントローラ２１と、リニアアクチュエータ３０と、往復式ポンプ５０とを備える。
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。

リニアアクチュエータ３０は往復式ポンプ５０のピストンを駆動するものである。リニアアクチュエータ３０を用いることで、クランク軸を用いる場合よりも往復式ポンプ５０のピストンを低速で駆動することや、ピストン行程において往復式ポンプの液流入始め、液昇圧始め、液昇圧終了時以外は、ピストンが一定の速度で移動するように駆動制御することができる。リニアアクチュエータ３０として、例えば、油圧シリンダユニット、電動シリンダユニット等を用いることができる。本実施形態では、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る場合について説明する。
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。

なお、図１においては、３つの燃料供給部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃが低圧燃料供給管１２と高圧燃料供給管１３との間に並列に設けられているが、燃料供給部の数はこれに限られず、供給する燃料の量に応じて任意に変更することができる。

熱交換器１４は、入口側が高圧燃料供給管１３と接続され、出口側が高温燃料供給管１５と接続されている。熱交換器１４は、高圧燃料供給管１３を介して供給される昇圧後の液体燃料を加熱する。液体燃料を加熱する熱源として、例えば、液体燃料タンク１１で発生するボイルオフガスの燃焼熱を用いることができる。例えば、ボイルオフガスの燃焼熱で加熱した温水との熱交換により液体燃料を加熱してもよい。

高温燃料供給管１５には、調圧弁１６が設けられており、高温燃料供給管１５の一端は熱交換器１４と、他端は内燃機関９０の燃焼室と接続されている。熱交換器１４で加熱後の液体燃料は、調圧弁１６により内燃機関９０が必要とする所定の範囲の圧力に調圧された後、高温燃料供給管１５を介して内燃機関９０の燃焼室に供給される。調圧弁１６は制御部８０により制御される。
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には、内燃機関９０から内燃機関９０の負荷を示す信号が入力される。内燃機関９０の負荷を示す信号は、例えば、回転数を示す信号である。
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。

液体燃料タンク１１、低圧燃料供給管１２、リニアアクチュエータ３０、往復式ポンプ５０、高圧燃料供給管１３、熱交換器１４、高温燃料供給管１５、調圧弁１６、圧力計１７は、危険区域に配置される。一方、コントローラ２１および制御部８０は、一般に非防爆対応品であるが、防爆対応ができていない場合には、危険区域から防爆隔壁により隔離された非危険区域に配置するか、危険区域から十分に距離を隔てた非防爆区域に配置しなければならない。

次に、図２、図３を用いて、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の具体的な構成について詳細に説明する。なお、以下の説明では、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る場合について説明するが、リニアアクチュエータ３０は油圧シリンダユニットに限られるものではない。
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。

本実施形態においては、リニアアクチュエータ３０および往復式ポンプ５０が軸方向を鉛直方向に向けて配置される。なお、図２、図３においては、リニアアクチュエータ３０の下方に往復式ポンプ５０が配置される例について説明するが、リニアアクチュエータ３０の上方に往復式ポンプ５０が配置されてもよい。

〔油圧シリンダユニット〕
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は天板１０１の上部に設けられている。電動モータ３１はコントローラ２１によって制御され、油圧ポンプ２３を駆動する。電動モータ３１には、例えばインバータモータ又はサーボモータが用いられる。

油圧ポンプ３２は天板１０１の上部に設けられている。油圧ポンプ３２は電動モータ３１により駆動され、油圧シリンダ４１内に作動油を供給することで油圧ピストン４２を鉛直方向に移動させる。作動油としては、石油系作動油、合成系作動油、水成形作動油等から任意の作動油を採用することができる。

油圧ポンプ３２は第１の油圧配管３３および第２の油圧配管３４と接続されている。油圧ポンプ３２は電動モータ３１によって駆動される。
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。

固定部４０は天板１０１に設けられた開口１０１ａ内に配置された状態で天板１０１に固定されている。固定部４０の上部には油圧シリンダ４１が固定され、固定部４０の下部には往復式ポンプ５０が固定されている。固定部４０は中空の筒状であり、内部に空洞部４８が設けられている。

油圧シリンダ４１は、作動油を収容する作動油収容空間４３を有し、軸方向が鉛直方向となるように天板１０１の上面に載置される。また、油圧シリンダ４１の側壁には、作動油収容空間４３の上端部に通じる上側貫通孔４４、および、作動油収容空間４３の下端部に通じる下側貫通孔４５が設けられている。上側貫通孔４４の外側開口部は第１の油圧配管３３と接続されており、下側貫通孔４５の外側開口部は第２の油圧配管３４と接続されている。

油圧ピストン４２には、ピストンリング４２ｂが設けられている。油圧ピストン４２は、ピストンリング４２ｂを油圧シリンダ４１の作動油収容空間４３の内壁面と接触させながら鉛直方向に移動可能に作動油収容空間４３内に収容されているライダーリング４２ａは油圧ピストン４２が鉛直方向に移動するときの水平方向の振れを補正する役割を果たす。ピストンリング４２ｂは油圧ピストン４２と作動油収容空間４３の内壁面との隙間を塞ぐ役割を果たす。

油圧ピストン４２は作動油収容空間４３を油圧ピストン４２よりも上側の上側チャンバ４３ａと油圧ピストン４２よりも下側の下側チャンバ４３ｂとに区画する。
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。

空洞部４８内には、ピストンロッド４７の下端部と、往復式ポンプ５０の昇圧用ピストン５２の上端部とを連結する連結部４９が設けられている。連結部４９はピストンロッド４７の上下動に伴い、空洞部４８内で上下動する。尚、連結部４９は、油圧シリンダのピストンロッド４７と往復式ポンプ５０のピストン５２の軸芯ズレ調整機能を持っている。

空洞部４８には、往復式ポンプ５０からのガス漏れ防止の観点から外部から室温の窒素ガスが供給されている。窒素ガスは往復式ポンプ５０のロッドパッキン部５７に供給してもよい。空洞部４８が設けられることで、往復式ポンプ５０内の低温熱源（液体燃料）への熱伝導が抑制され、ピストンロッド４７を介して作動油収容空間４３内の高温熱源（作動油）が冷却されるのを防ぐことができる。なお、防爆形ヒータや吸熱フィンを設けることで高温熱源が冷却されることを防いでもよい。

〔往復式ポンプ〕
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の上端部は固定部４０の下端部に固定されている。昇圧用シリンダ５１の側壁は架台１００の脚１０２に固定されている。昇圧用シリンダ５１の上側部分にはロッドパッキン部５７が設けられている。
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。

昇圧用シリンダ５１の側壁には、内部に弁箱６０が固定される高さの位置に、吸入口５５が設けられている。吸入口５５は低圧燃料供給管１２と接続されている。
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。

ここで、弁箱６０が昇圧用ピストン５２よりも下方に設けられており、昇圧用ピストン５２を鉛直上方に移動したときに昇圧用シリンダ５１の内部であって昇圧用ピストン５２の下部に燃料を吸入するため、往復式ポンプ５０の吸入口５５をより低い位置に配置することができる。吸入口５５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内の液体燃料の液面の高さと吸入口５５の高さとの差に比例する圧力となる。このため、吸入口５５をより低い位置に配置することで、吸入口５５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を高めることができる。これにより、吸入口５５から昇圧用シリンダ５１内への燃料の供給を容易にすることができる。

昇圧用ピストン５２の上端部は、連結部４９によってピストンロッド４７の下端部と連結されており、昇圧用ピストン５２はピストンロッド４７と連動して上下動する。
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。
なお、位置センサを油圧シリンダ４１に取り付けてもよい。

位置センサとして、例えば、磁歪式位置センサ７０や超音波センサを用いることができる。ここでは磁歪式位置センサを使用した場合について説明する。
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。

昇圧用ピストン５２の下部にはライダーリング５２ａおよびピストンリング５２ｂが設けられている。昇圧用ピストン５２はライダーリング５２ａおよびピストンリング５２ｂをシリンダライナ５３の内壁面と接触させながら鉛直方向に移動可能にシリンダライナ５３内に収納されている。ロッドパッキン部５７にもライダーリング５１ａが装備されている。これらのライダーリング５１ａ、５２ａは、昇圧用ピストン５２が鉛直方向に移動するときの水平方向の振れを補正する役割を果たす。ピストンリング５２ｂは昇圧用ピストン５２とシリンダライナ５３の内壁面との隙間を塞ぎ、先端の昇圧された液体燃料の圧力を封止する役割を果たす。

弁箱６０は昇圧用シリンダ５１内でシリンダライナ５３の下部に固定されている。弁箱６０には、吐出流路６１、吐出用弁体６２、吸入流路６４、吸入用弁体６５、等が設けられている。
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は弁箱６０の外側壁から弁箱６０の上面であって昇圧用ピストン５２の位置に連通する位置に設けられている。吸入流路６４の弁箱６０の外側壁側の開口は昇圧用シリンダ５１の吸入口５５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。

ロッドパッキン部５７は、空洞部４８に接続されており、液体燃料が気化したガスを外気へ漏洩させないようシールリングを装備してシールしている。ピストンリング５２ｂによりシールできず漏洩した液体燃料は低圧下で気化し、このロッドパッキン部５７でシールされる。液体燃料が気化したガスの外部への漏洩を防止するため、空洞部４８に窒素ガスを供給する代わりにこのロッドパッキン部５７へ供給してもよい。

〔リニアアクチュエータおよび往復式ポンプの動作〕
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。

油圧ピストン４２が上昇すると、連結部４９でピストンロッド４７の下端部と連結されている昇圧用ピストン５２がシリンダライナ５３内で上昇する。すると、吸入用弁体６５が弁座６６から離れて上昇し、吸入口５５から供給される液体燃料が吸入流路６４を通ってシリンダライナ５３の内部であって昇圧用ピストン５２の下部の空間に流入する。このとき、吐出用弁体６２は弁座６３を塞いだ状態である。

次に、コントローラ２１により電動モータ３１の回転方向を切り替え、油圧ポンプ３２を図２とは反対方向に駆動し、図３に示すように、下側チャンバ４３ｂ内の作動油を下側貫通孔４５から排出し、第２の油圧配管３４、第１の油圧配管３３を経て上側貫通孔４４から上側チャンバ４３ａへ供給する。すると、下側チャンバ４３ｂの容積が小さくなり、上側チャンバ４３ａの容積が大きくなるように、油圧ピストン４２が作動油収容空間４３内で下降する。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、下側チャンバ４３ｂから流出した作動油は全て上側チャンバ４３ａへ供給される。

油圧ピストン４２が下降すると、連結部４９でピストンロッド４７の下端部と連結されている昇圧用ピストン５２がシリンダライナ５３内で下降する。すると、シリンダライナ５３の内部であって昇圧用ピストン５２の下部の空間に吸入された液体燃料が吐出用弁体６２を押し下げて弁座６３から離し、吸入流路６４を通って吐出口５６から排出される。このとき、吸入用弁体６５は弁座６６を塞いだ状態である。

このように、電動モータ３１の回転方向を切り替え、油圧ポンプ３２の駆動方向を切り替えることで、上側チャンバ４３ａと下側チャンバ４３ｂとの間で作動油を交互に行き来させ、油圧ピストン４２および昇圧用ピストン５２を鉛直方向に往復移動させ、吸入口５５から吸入した液体燃料を昇圧して吐出口５６から吐出することができる。
なお、電動モータにインバータモータを使用したリニアアクチュエータ３０の場合は、方向切替弁により作動油の流れ方向を切り替えることで上側チャンバ４３ａと下側チャンバ４３ｂとの間で作動油を交互に行き来させ、油圧ピストン４２および昇圧用ピストン５２を鉛直方向に往復移動させ、吸入口５５から吸入した液体燃料を昇圧して吐出口５６から吐出することができる。

本実施形態においては、コントローラ２１によってリニアアクチュエータ３０を制御して、昇圧用ピストン５２のストローク長を調整することで、昇圧用シリンダ５１から吐出される燃料の吐出量を調整することができる。ここで、昇圧用シリンダ５１から吐出される燃料の吐出量は、昇圧用ピストン５２の断面積と速度の積となる。このため、リニアアクチュエータ３０によって昇圧用ピストン５２の速度を調整することで、昇圧用シリンダ５１から吐出される燃料の吐出量を調整することができる。例えば、内燃機関９０が必要とする燃料の量（燃料需要）に応じて吐出量を調節することができる。
例えば、港湾内等で船速が遅く、低負荷である場合には、内燃機関９０の回転数を小さく（例えば６０ｒｐｍに）する。このとき、圧力計１７により計測される圧力が比較的低圧（例えば２０ＭＰａ）となるように、昇圧用シリンダ５１から吐出される燃料の吐出量を調整する。
一方、例えば、外洋等で船速が速く、高負荷である場合には、内燃機関９０の回転数を多く（例えば１２０ｒｐｍに）する。このとき、圧力計１７により計測される圧力が比較的高圧（例えば７０ＭＰａ）となるように、昇圧用シリンダ５１から吐出される燃料の吐出量を調整する。
上記以外の場合でも、負荷に応じて内燃機関９０の回転数を調節するために、圧力計１７により計測される圧力が所望の回転数に応じた圧力となるように、昇圧用シリンダ５１から吐出される燃料の吐出量を調整する。

吐出量を調節するには、例えば、昇圧用ピストン５２の往復のサイクルの時間長さ、タイミングあるいはストローク長を調節する方法がある。例えば、昇圧用ピストン５２のストローク長を２倍にすることで、往復式ポンプ５０からの１サイクル当たりの燃料の吐出量を２倍にすることができる。
ここで、ストロークは、昇圧用ピストン５２が上下方向に往復するときの最下点から最上点までの高さである。ストロークはシリンダライナ５３内における昇圧用ピストン５２の最下部の位置を基準として設定される。昇圧用ピストン５２の最下部の位置は、シリンダライナ５３の内部であって昇圧用ピストン５２の下部の空間の容積が最小となる位置である。この位置を基準としてストロークを調整することで、ストロークをどのように設定しても、往復式ポンプ５０内の液体燃料は各サイクルで全て吐出されることとなる。

また、昇圧用ピストン５２の速度およびストローク長を調整することで、昇圧用シリンダ５１から燃料が吐出される時間長さあるいはタイミングを調整することができる。例えば、昇圧用ピストン５２の速度を一定としたままストローク長を２倍にすることで、往復式ポンプ５０からの単位時間当たりの燃料の吐出量を一定としたまま、吐出時間を２倍にすることができる。
また、吸入および吐出を１サイクルとするとき、吐出時間と吸入時間との比を調整することで、１サイクルの時間を一定としたままで吐出量を調節することができる。

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運転稼動する燃料供給部の数を変更することもできる。

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、各燃料供給部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃから高圧燃料供給管１３に吐出される液体燃料の圧力の合計値が一定となるように、各昇圧用ピストン５２の速度や位置を調節することができる。例えば、２つの燃料供給部２０Ａ、２０Ｂを用いる場合、燃料供給部２０Ａから高圧燃料供給管１３に吐出される液体燃料の圧力の増加量と、燃料供給部２０Ｂから高圧燃料供給管１３に吐出される液体燃料の圧力の減少量とが同一となるようにそれぞれの昇圧用ピストン５２の速度を調節することで、圧燃料供給管１３に吐出される液体燃料の圧力を一定とし、脈動を防止することができる。

また、昇圧用ピストン５２の鉛直方向の位置を検出する位置センサを設けることで、確実に昇圧用ピストン５２の速度や位置を調節することができる。

また、本実施形態においては、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、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、ピストンリング４２ｂ、５２ｂ、ライダーリング５１ａ、５２ａが局所的に摩耗することがない。

また、サーボモータを用いる場合、油圧シリンダ４１内へ供給する作動油の流れ方向を油圧ポンプ３２の正逆回転方向によって切り替えることで油圧ピストン４２の移動方向を切り替えることができる。この場合は、作動油の流れ方向を方向切替弁で切り替えないため、油圧ポンプ３２を定格回転数で運転し続ける必要がない。このため、油圧ポンプ３２を定格回転数で運転し続ける場合と比較してエネルギー消費を低減することができる。

また、複数の燃料供給部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃが低圧燃料供給管１２と高圧燃料供給管１３との間に並列に設けられているため、燃料供給部の数を容易に変更することができる。また、複数の燃料供給部のうち、いずれかにトラブルが発生したときや、メンテナンスを行うときでも、その何れかの燃料供給部を取り外し、他の燃料供給部を駆動し続けることができる。
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、昇圧用ピストン５２の鉛直方向の位置を検出する位置センサを設けることで、確実に昇圧用ピストン５２の速度や位置を調節することができる。

なお、上記説明においては、３台の燃料供給部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃを用いる場合について説明したが、本発明はこれに限らず、任意の数の燃料供給部を用いることができる。また、往復式ポンプ５０の形状は図２、図３に示される形状のものに限定されることなく、任意の形状の往復式ポンプを用いることができる。
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。

＜変形例＞
図４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。
尚、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。

１０ 燃料供給装置
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 (10)

1. 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の第１の方向に移動したときに前記燃料を吸入し、前記昇圧用ピストンが軸方向の第２の方向に移動したときに前記燃料を昇圧して吐出する往復式ポンプと、
   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、前記リニアアクチュエータにより前記昇圧用ピストンのストローク長を前記内燃機関の負荷に応じて調整することで、前記昇圧用シリンダから吐出される燃料の容量を調整する、燃料供給装置。
2. 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、
   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の第１の方向に移動したときに前記燃料を吸入し、前記昇圧用ピストンが軸方向の第２の方向に移動したときに前記燃料を昇圧して吐出する往復式ポンプと、
   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、
   前記制御部は、前記コントローラのそれぞれを制御して、前記リニアアクチュエータのそれぞれにより前記昇圧用ピストンのそれぞれのストローク長を調整することで、前記昇圧用シリンダのそれぞれから吐出される燃料の容量の合計を調整する、燃料供給装置。
3. 前記昇圧用ピストンの少なくとも１つのストローク長は、他の昇圧用ピストンのストローク長と異なるように調整される、請求項２に記載の燃料供給装置。
4. 前記制御部は、前記昇圧用ピストンの速度および前記ストローク長を調整することで、前記昇圧用シリンダから燃料が吐出される時間長さあるいはタイミングを調整する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料供給装置。
5. 前記ストローク長は、前記昇圧用シリンダ内の容積が最小となる前記昇圧用ピストンの位置を基準として設定される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料供給装置。
6. 前記ストローク長は、前記内燃機関が必要とする燃料の量に応じた長さとなるように調整される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料供給装置。
7. 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、軸方向が前記昇圧用ピストンの軸方向と一致す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１〜６のいずれか一項に記載の燃料供給装置。
8. 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７に記載の燃料供給装置。
9. 前記昇圧用ピストンの位置を検出する位置センサをさらに有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料供給装置。
10. 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１〜６のいずれか一項に記載の燃料供給装置。