JP2810455B2 - 内燃機関におけるガス状燃料の増圧装置及び増圧方法 - Google Patents

内燃機関におけるガス状燃料の増圧装置及び増圧方法

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は種々の加圧ガス状燃料供給部から、燃料受
入装置への燃料を加圧して噴射するための新規な装置に
関する。
特にこの発明は種々の加圧源から容積型機関のシリン
ダに、ガス状燃料を加圧して噴射させる増圧装置に関す
る。
従来の技術 利用が容易であり、また比較的低コストで微粒子の放
射を減少させるために、加圧天然ガスがディーゼルエン
ジン用の混合物として用いられる。空気と天然ガスとを
混合することによってディーゼルエンジンの燃料を作る
一般的な方法は、部分負荷作業にとって不適当であり、
燃料と空気の混合物は燃えにくく、効率が低下し、粒体
が過剰となる。そしてこれに加えるに、ある負荷条件下
でデトーネーションを起すという問題がある。これらの
問題は広い範囲なわたる負荷と速度を超えてエンジンに
天然ガスを送入することによって、ディーゼル燃料の置
換を制限することとなる。
ディーゼルエンジンにおいて吸込マニホルド内に天然
ガスを噴射して使用する「天然けん蒸法」について多く
のことが行われ、これはパイロットディーゼル点火のた
めに、ディーゼル燃料を小容量のシリンダ中に噴射す
る。
この方法には大略つぎのような問題がある。
（１） 低負荷において、絞り操作をすることなくディ
ーゼル運転をする際、気体状燃料と空気との混合体（ほ
ぼ均質）は、満足な燃料のためには余りにも可然成分が
少なく、燃料効率は受入れがたい。一部負荷におけるデ
ィーゼル燃料の消費の矯正がむずかしい。一部負荷にお
ける多くの操作に関する出願がなされているが、これら
は燃料代替の基本的目的に合致していない。
（２） 一部負荷運転において低効率のため、未燃焼炭
化水素と一酸化物が許容限度を超えて増大する。
（３） 天然ガスのパイロットディーゼル点火を満足に
行うことにより、エンジン加圧負荷（最大加圧レベルと
デトーネーションの発生）は、有害であってエンジンに
損害を与える。典型的にはエンジンが下り坂にあって、
急速な燃焼伝達によるノッキングがある場合の混合物の
強さにある。
ガスと空気との予混合物のもつ問題は、余りにも可燃
成分が低く、吸込空気を絞ることによって軽減される。
しかしこれはターボチャージャエンジンでは実行できな
い。なぜならばコンプレッサのサージを起すという危険
があるからである。また絞り操作はディーゼル運転の固
有の利点を取り除く。
発明が解決しようとする課題 問題は一部負荷の際、空気を予熱することによって軽
減される。しかしこれは反射にターボチャージャや運転
に影響を与え、デトーネーションの危険を増大する。制
御システムが負荷及び速度に対して加熱度を調整するた
めに必要であり、低負荷において排気熱が満足すべきか
否かに疑問がある。
制御システムが負荷と速度に対して、ディーゼル油と
気体との比率を変えるために考案された。受容すること
ができる運転を提供するために、エンジンの詳細な性能
データがエンジン制御のためにコンピュータに貯えられ
る。このようなシステムの開発には費用がかかり、燃料
の低消費低放出、エンジンの耐久性及び高い燃料代替等
について解決しなければならない問題がある。
「自然くん蒸方法」が当面する問題は、燃焼チャンバ
の１つの型に固有のものではない。もし一部負荷運転間
の放出、燃料経済及びエンジンの耐久性が重要であるな
ら、空気と気体との予混合はディーゼルにおける燃料供
給にとって適当ではない。
また他の方法の「時間噴射」が、２ストローク型ディ
ーゼルエンジンに天然ガスを噴射するために提供され
た。これは吸込口内への天然ガスの噴出時間にかかるも
のであり、排出口を出た汚損ガスを避け、低負荷でシリ
ンダ内にガス層を持ち、圧縮とディーゼルパイロット点
火後に燃焼することができる。出願人の知っているこの
方法は効率、耐久性、広負荷範囲における洗浄運転、速
度、高圧の燃料代替性の諸点において必要とされる改良
がなされていない。
ディーゼル運転時においてシリンダチャンバに燃料を
直接噴射する大きな利点は、全負荷範囲において充分で
安定した燃料を保証することである。これは燃料の割合
が燃え易い限度内である範囲内において、燃焼が起るか
らであり、天然ガスはディーゼル燃料より利点をもち、
ミクロンサイズの粒子に霧化する必要がなく、高い噴射
圧力及び噴射プランジャに格別きびしい公差を要求しな
い。ディーゼル噴射のため、もっとも高効率運転のため
に1000atmの圧力が必要とされる。それは天然ガスにと
って200atmで満足されることを示す。
加圧天然ガスの噴射部をもつ大きな孔のディーゼルの
満足すべき運転は、北米で証明され、これはJ.F.Wakeno
ll,C.B.O'Noal,and Q.A.Baker,の「ハイプレッシャー
レート サイクル ダイレクト インジェクション オ
ブ ナチュラル ガス イン ア レール メジュアム
スピード デイーゼル エンジン（High−Pressnre L
ate Cycle Direct Injection of Natural Gas in a Rai
l Medium Speed Diesel Engine）」、SAE Technical Pa
per 872041,in Norway,see Einang,P.M.Korea,9.,Kuams
dal,R.,Haneen,T.,and Sarolen,A.の「ハイプレッシャ
ー デイジタリイ コントロールド インジェクション
オブ ガセオンズ フューエル イン ア ディーゼ
ル エンジン，ウイズ スペシャル レファレンス ト
ウ ボイル−オフ フロム エルエヌジー タンカース
（High−Pressure,Digitally Controlled Injection of
Gaseons Fuel in a Diesel Engine,with Special Ref
erence to Boil−Off from LNG Tankers）」及びProcee
dings CIMAC Conf.,June 1983;and Japan,see Miyake,
M.,Biwa,T.,Endoh,Y.,Shimotsu,M.,Murakami,S.,Komod
a,T.,の「ザ デベロップメント オブ ハイデュプッ
ト，ハイリー エフシエント ガス バーニング ディ
ーゼル エンジン（The Developmentof High Output,Hi
ghly Efficient Gas Burning Diesel Engines）」にみ
られる。これらのエンジンのための気体状燃料は一定の
高圧に役立つ。Wakenell外の装置は、Southwest Resear
ch Instituteで行われ、２ストローク自動車ディーゼ
ルエンジンの21.59cm（8.5″）の孔に直接天然ガスを噴
射したものである。天然ガスは液体状態（LNG）で貯蔵
され、高圧力でポンプされ、5,000psi（40atm）の噴射
圧力により気体状に霧化された。気体噴射分がディーゼ
ル噴射器に配置され、小さなディーゼル噴射器がシリン
ダヘッドにおける「テストコック」孔に配置された。２
％パイロットディーゼル燃料（天然ガス98％）より少な
い燃料で全力が発揮され、温度効率は100％ディーゼル
運転よりわずかに低かった。ノールウエーの装置は、Tr
ondheimのProfessor Arthur Saarstenの指導のもとで、
２ストールクの単一シリンダエンジンの300mmの大きな
孔にメタンガスを直接噴射することで使われた。噴射圧
力は150〜160atmの範囲内であった。ディーゼル噴射器
は改変されないままで、孔はガス噴射弁のためにシリン
ダヘッドに設けられた。エネルギの割合が73％の天然ガ
ス燃料で、温度効率は100％のディーゼルオイルで運転
したときより、わずかに良好となった。試験においてガ
ス噴射は、100％ディーゼルよりわずかに高い煙を生
じ、NOXは約24％減少した。
日本のものは三井造船株式会社で使用され、シリンダ
内におけるガス噴射速度につき、４ストロークエンジン
の420mmの大径孔の単一シリンダに対して試験された。
ガスは約250atmで噴射された。一連の試験においてパイ
ロットディーゼル燃料は、わかれたディーゼル噴射シス
テムを介して噴射された。５％の低いディーゼルパイロ
ット燃料エネルギを入力し、85％のエンジン負荷におけ
る全体の効率は、ディーゼル燃料油をフルに使った場合
と同じであった。改良された燃料噴射ノズルは、ディー
ゼルパイロット燃料を一体的に噴射して満足すべき特性
を示した。全体としての結果は100ディーゼル運転にお
ける天然ガス燃料においてえられる特性とほぼ同等のも
のであった。
自動車内に液体状態で天然ガスを非常に低い温度下
で、よく熱絶縁されたタンクに貯蔵することにより、エ
ンジンシリンダに噴射される前に、液体は容易に圧縮さ
れて噴霧化される。しかし自動車用LNGを噴霧化するこ
とはあまり好ましいことではなく、むしろ加圧天然ガス
（CNG）が有効である。ディーゼルエンジンの大きな孔
に対する経験は直接中程度の大きさの孔のエンジンに適
用できないが、天然ガスをこれらのエンジンに直接噴射
して満足に燃焼することができた。
エンジンに対する問題は、ガスが一定供給圧力では有
効でないことである。
CNGのために、ガス貯蔵の安全上限は約200atmであ
り、これは必要とされる噴射圧力に近い。しかしながら
タンク内に貯蔵されたエネルギの93％をうるために、圧
力は再燃料化する前に約20atmに低下させることが許さ
れる。20atmから200atmに再圧縮するに必要なエネルギ
は、1atmから200atmに圧縮するために要するエネルギの
小さな一部にすぎない。車輌に外部コンプレッサを設け
るには、設備費用とエンジンの一部の改変による付加的
な駆動手段とを必要とする。
CNGを直接ディーゼルエンジンに噴射するにはつぎの
ような手段をもつことが望ましい。
（ｉ）他のエンジン部品を改変することのない、通常の
噴射器、 （ii）天然ガスを必要に応じてシリンダ内に噴射するよ
うに加圧し、ガス供給圧力を200atmから20atmmに替える
手段、 （iii）点火のためにディーゼル点火燃料を同時に噴射
する手段、 （iv）噴射量、タイミング及び周期の正確な制御ができ
る手段、 （ｖ）つぎのような代表的な商業的噴射システム、すな
わち（ａ）多段ポンプ、（ｂ）圧力タイムシステム、
（ｃ）噴射システム、 （vi）どのような組成の天然ガスにも適応できる手段。
CNGは運転レベル、特にその圧力が比較的低レベルに
低下するように加圧されなければならない。車輌に外部
コンプレッサを設けるには設備費用が必要である。補助
的駆動部材を設けることが必要であり、そのためにエン
ジンの改変が必要となる。
２つのアメリカ特許が燃料噴射システムを開示してい
る。
1. アメリカ特許第4406404号は「ディーゼル燃料噴射
ノズル」に関し、1983年９月27日にHorino外によって出
願され、ディーゼルエンジンシリンダの燃焼室に燃料を
噴射する方法が開示されている。加圧空気を燃焼室から
受入るための空気チャンバを形成するノズル内に設けら
れたプランジャを含んでいる。プランジャと一体的に形
成され、ノズル内にニードル弁が形成され、噴射される
燃料を受入れる燃料チャンバがある。ノズルに取付けら
れたノズルチップは燃焼室に直接開口している予め混合
チャンバに据え付けられ、さらに空気チャンバと燃料チ
ャンバとに連通している。このようにして加圧ストロー
クの終点にプランジャが下降することにより、燃料チャ
ンバからの燃料は、空気チャンバからの加圧空気と、燃
焼室内に導入するに先立って予め混合される。
この発明は、「燃料チャンバからの燃料が、燃焼室に
導入されるに先立って、空気チャンバからの加圧空気に
予め混合チャンバ内において、予め混合される」ことを
開示している。そしてこの装置は、「ディーゼル燃料」
のみに関するものである。したがって圧縮点火エンジン
へ送入する気体状燃料を、どのようにして加圧して噴射
するかという問題につき、天然ガスまたはその取扱いに
つき開示するところがない。
この発明は、天然ガスの加圧点火に必要な事項である
液状ディーゼル燃料のパイロット噴射につき開示すると
ころがない。また増圧装置に関しても開示していない。
2. アメリカ特許第4201160号発明は、「燃料噴射シス
テム」に関し、内燃機関の燃焼チャンバに燃料を供給す
るための燃料噴射システムを開示している。この燃料入
口と、燃料チャンバへ燃料を導く出口とをもっている燃
料噴射ノズルを有する。シリンダにピストンが設けら
れ、その一端は燃焼チャンバ内に圧力を加える。シリン
ダの他端にはノズルの入口が設けられ、弁が設けられて
燃料噴射ポンプが、ピストンが燃焼チャンバ内におい
て、圧力を上昇させるまで内部を移動してしまうまで、
ノズルの入口と連通しないように保たれる。内部移動を
している間、燃料はピストンによってノズルへ変位し、
燃焼チャンバへ所定料のパイロット燃料を供給する。
この発明は、燃料噴射器が燃料の小部分の早期噴射を
実現するための補助噴射器を有し、それは「燃料の主部
分は主ポンプによってノズルへ供給される」ということ
になっている。全燃料は単一ユニットによっては供給さ
れない。
またこの発明は、燃料の増圧装置「増圧装置を作動
し、加圧空気の圧力を少なくとも２倍にし、燃料の圧力
を増加する装置」を開示していない。
そこで本発明の目的は、種々の圧力供給源から（点火
源として供給できる伴出された液体燃料を使用可能とす
るように）、内燃機関のシリンダにガス状燃料を加圧し
て噴射する新規な装置を提供するにある。もし伴出した
液体燃料が点火するのに必要ならば、高速でガス噴出で
なされて液体燃料を霧化する。この発明は第１に適用さ
れるのは圧縮点火エンジンであり、第２に適用されるの
はスパーク、触媒表面および高温表面点火エンジンであ
る。
本発明は、内燃機関における気体状燃料のための増圧
装置と増圧方法に関し、加圧ガス又は加圧流体が増圧手
段に使用され、増圧手段は内燃機関のシリンダへ急速に
燃料を噴射するために、内燃機関へ供給されるガス状燃
料の圧力を増大する。増圧手段駆動用のガス又は流体の
源は、それに限定されるものではないが、内燃機関のシ
リンダからの加圧空気又は燃焼ガスを含み、外部コンプ
レッサからの加圧空気は、高圧ディーゼル燃料、加圧潤
滑油、ターボチャージャ又はスーパーチャージャによっ
て加圧された空気もしくは、エアコンディショニングコ
ンプレッサからの加圧フレオンを加圧する。
本発明にかかる内燃機関は容積型エンジンである。
本発明におけるガス状燃料は、可変加圧型ガス状燃料
供給装置で供給されたものである。好ましい実施例にお
いて、内燃機関において燃焼用に用いられるガス状燃料
の増圧装置は、シリンダチャンバを有し、下記のものを
具えている。
（ａ） 大小径チャンバ9,16と、 （ｂ） 大小径チャンバ9,16の内部に設けられていて、
大径端部と小径端部とを有する往復動増圧部材４と、 （ｃ） シリンダチャンバ26又は他の供給源から加圧気
体を、大小径チャンバ9,16の増圧部材４の大径端部に導
入する導入手段と、 （ｄ） 大小径チャンバ9,16の増圧部材４の小径端部に
ガス状燃料を供給する燃料供給手段10に設けられた一方
向手段12と、 （ｅ） 増圧部材４の小径部において、シリンダチャン
バ26へガス状燃料を噴射する噴射ノズル８と、 （ｆ） 噴射ノズル８が閉鎖されているとき、加圧気体
導入部15を開口し、噴射ノズル８が開口しているとき、
加圧ガス導入部15を閉鎖するように、開口と閉鎖を同期
して行うタイミング手段19と、 ディーゼルシステムにガス状燃料を直接噴射できるよ
うにするために、この装置はつぎの手段をもっている。
（ｉ）他のエンジン部品を改変することのない、通常の
噴射器、 （ii）天然ガス又は他のガス状燃料を必要に応じてシリ
ンダ内に噴射するように加圧する。ガス供給圧力を200a
tmから20atmに代える手段、 （iii）点火のためにディーゼル点火燃料、又は他の追
加的な点火のための、もしくは交互点火方法、すなわち
スパークプラグ、触媒表面又は高温表面点火に用いられ
る手段、 （iv）噴射量、タイミング及び周期の正確な制御できる
手段、 （ｖ）つぎのような代表的な商業的噴射システム、すな
わち（ａ）多段ポンプ、（ｂ）圧力タイムシステム、
（ｃ）噴射システム、 （vi）どのような組成の天然ガスにも適応できる手段。
本発明は現在の技術の水準を超えて新規であり、可変
圧力源から外部の高圧コンプレッサを必要としないで、
高圧ガス状燃料がえられる。圧縮ストローク中にえられ
る加圧空気の一部、又は燃焼ガスを用いることによっ
て、増圧部材を駆動し、この増圧部材はそれ単一で又は
補助的なカムと共働してシリンダチャンバ内へ急速にガ
スを噴射するのに充分なように、ガス状燃料の圧力を増
大する。増圧部材はまた車輌のエアブレーキと共通して
用いられる低加圧空気の供給手段によっても駆動され
る。このシステムは「ガス送風」パイロット液体燃料噴
射手段としても用いられる。この発明はパイロット液体
燃料点火用に限定されず、グロープラグまたはスパーク
補助点火と共存する。
本発明の１つの目的は、ディーゼルエンジンにおい
て、高効率で低公害の状態でガス状燃料を使用すること
にあり、向絞り運転における高圧縮比という利点を示
す。
本発明は、道路またはレール上のディーゼル、低速道
又は海岸のディーゼルを積載加圧ガス貯蔵タンク、もし
くははガス供給圧力が200atmより低下した際のガス供給
ステーションにおいて、液体噴射手段の変位のために用
いられる。本発明の幾つかの改変が制御システムとは別
のエンジン改変を必要とすることなく、噴射器の簡単な
変位のために許される。多の変形はディーゼルエンジン
ヘッドの新設計にとって適当に示される。
本発明の基本的原理を説明するために、加圧ガス（又
は高圧燃焼ガス）がシリンダチャンバ、又は他の高圧流
体源から提供されて用いられ、増圧手段内においてシリ
ンダチャンバへ噴射するために、充分に高い圧力となる
ようにガス状燃料を加圧する。
つぎの計算がこの発明の改変のために行われる。説明
の目的のために、200atmの噴射圧力の天然ガス燃料が用
いられる。またタンクからの最小供給圧力が20atmであ
る。この天然ガスのための10対１の圧力比率は、約10
1/1.3＝６容積比と等しい。単一の圧縮段階で実行でき
る。
増圧手段の容積は増圧手段に入ってくるCNGの容積に
よる。20atmで300KのCNGはつぎのような密度を有する。
１リットルのシリンダのために、ターボチャージャ密
度比は1.3:1であって、容積効率は0.9で、１サイクル毎
の空気せっ取量はつぎのようである。
Ma＝ρａηvVd＝1.2（1.3）0.9（１×10-3）0.0014kg このメタンに対する化学量論的燃料−空気量の比は、
1:17.16kg/kgで１ストローク当り天然ガスの最大噴射量
は、約つぎのようである。
MgMg/200.00007kg ストローク毎に加圧される天然ガスの最大値はつぎの
ようである。
増圧手段のピストンのストロークＬ＝35mmで、このピ
ストンのCNG側の直径は約つぎのようである。
最大加圧空気圧力は、80〜100atm台であり、空気側の
ピストンの直径は、ガス側のピストンの直径の であって、約20mmである。つづいて厚さは2mmで、増圧
手段の外側直径は24mmである。
増圧手段の空気側の変位は約11000mm3であって、エン
ジンピストンの変位の約1.1％、又はクリアランス量の
約20％である。エンジンターボチャージャが低加圧圧力
を補償するために必要である。
この例は燃料に先立ってシリンダチャンバからの加圧
空気を用いることのみに関する。これとは反対に高圧燃
焼生成物は共通のアキュムレータを加圧するのに用いら
れる。
実 施 例 この発明の実施例について図面を参照して説明する。
図面にはその概略が示され、第1,第2,第３図には、増圧
手段２の１つの機械的な実施例とその動作順序が示され
ている。第１図に示されたもの（ディーゼルエンジン
用）は、２つの可動部分をもち、それはピストンからな
る増圧部材４と弁棒６であり、弁棒６は空気入口７を介
して加圧空気を、増圧部材４の頂部表面に矢印で示すよ
うに供給する。ガス噴射前に増圧手段２の底部にある噴
射ノズル８が閉鎖し、シリンダチャンバ26からの加圧ガ
スは、増圧部材４を上昇させることにより弁棒６と入口
15とを経て、増圧部材４の上部の大径端部が位置する大
径チャンバ９に移送される。第１図はシリンダチャンバ
26からの加圧ガスが、入口７及び増圧部材４の頂部に、
入口15及び増圧部材４の下降で送入される。圧力がガス
供給手段10内における圧力の半分を超えると、増圧部材
４は増圧手段２の小径チャンバ16内を下降して、小径チ
ャンバ16内のガスを加圧し、一方向弁からなる一方向手
段12によって小径チャンバ16は閉鎖されて、小径チャン
バ16内のガス圧力を200atmまで増大する。ディーゼル燃
料は燃料供給手段17を介してシリンダチャンバ26内に供
給される。
第３図に示すように、噴射時にガス噴射弁14は弁棒６
の機械的、水力的、空力的又は電磁的作動による下降に
よって開口する。カムからなるタイミング手段19が第1,
第2,第３図に示されており、弁棒６は当接板21によっ
て、第２図において頂部に示された距離だけ下降する。
この突然のノズル開口による小径チャンバ16内のガス圧
力の解放は、同時にシリンダチャンバ26から増圧部材４
の頂部へ、入口15を経て小径チャンバ16を介しての流通
を阻止する。シリンダチャンバ26への燃料噴射は水滴20
によって図示されている。
第３図に示したように、タイミング手段19による弁棒
６の下降運動が終点に達すると弁棒６は上昇し、ガス噴
射弁14は再度シール状態となる。増圧部材４の頂部の大
径チャンバ９は再びシリンダチャンバ26と連通し、シリ
ンダチャンバ26、大径チャンバ９内の圧力が（排出及び
吸入ストローク中）、ガス噴射弁14の地点で小径チャン
バ16内に閉じ込められた圧力以下に低下する。この小径
チャンバ16内に閉じ込められたガスの圧力が、第１図に
みられる増圧部材４のトップ位置に復帰し、それによっ
てガス供給手段10を介しての小径チャンバ16内へ供給ガ
スを充填することとなる。増圧部材４の下降運動は肩部
18によって制限される。第３図において、弁22は開口状
態で示され、シリンダチャンバ26に空気が送入される。
ガス噴射弁14の下方には第5,第6,第７図に示すように、
多孔球体28が位置して、この多孔球体はシリンダチャン
バ26への噴射燃料の散乱を助ける。
供給圧力が高いとき、増圧部材４の移動とエンジンシ
リンダからの消耗は少ない。
第１図に示されていないが、全体を通しての特徴点は
つぎのようである。
（ｉ）エンジン負荷によって供給される燃料を計量する
手段、 （ii）「ガスブラスト」によるよりもガス状燃料弁孔へ
液体ディーゼル燃料を提供し、適宜の点火源に供給する
のに充分な量を噴射し、 （iii）運輸業界で使用されるDDA.Caterpi−llar,Cummi
ns,International Harvestorエンジン等のディーゼルエ
ンジンのためのディーゼル燃料噴射器の交替品となり、
このような交替はエンジン噴射タイミング方法にあり、
噴射器交替の外はエンジンの改変を必要とせず、 （iv）天然ガス以外の燃料が適用可能であり、 （ｖ）機械的、水力的、気力的または電磁的弁棒作動の
ための機能的配置をもち、 （vi）シリンダ内の増圧手段を交替し、第１シリンダか
ら第２シリンダへのガス供給を強めるため、燃焼圧力を
用いるシリンダ間の増圧手段の交替。
第4,第5,第６図には、この発明の３つの他の実施例が
示されている。第４図には噴射ノズルの変形が示され、
ガス噴射弁14の下に多孔球体28がない。多孔球体28はこ
の場合には不要である。第５図には他の増圧部材４が示
されている。第５図に示す増圧部材は逆向きとなってい
る。ガス供給手段10はこの実施形態では高い位置にあ
る。
第６図には増圧手段２と結合された外部の圧力ガスタ
ンク30が示されている。加圧ガスタンク30は多量の圧縮
気体容量を具えている。第６図には又一方向手段34を有
するライン32が示されていて、小径チャンバ16内の圧力
を大径チャンバ９と連通することができる。これは弁棒
６と入口15との代りに用いられる。第７図には増圧手段
２に結合される別個のディーゼル噴射器36が示されてい
る。
第８図にはこの発明の他の実施例が示されており、増
圧部材４は不等面積の表面38.40における圧力差によっ
て駆動される。圧力は加圧ガスタンク42から引出され、
この加圧ガスタンク42は一方向手段44を介して、シリン
ダチャンバ26から高圧ガスを受入れる。これらの受入れ
られた加圧ガスは、タイミング手段19によって作動され
る滑動スプール弁を有する切換弁46によって誘導され
る。タイミング手段19は図示しないエンジンクランクと
同期し、そのカム周期はエンジン駆動中異動負荷レベル
をカウントして調整される。増圧部材４の小面積表面40
に封止された燃料ガスは圧力解放弁48を介して、約200
気圧にセットされ、シリンダチャンバ26に漏洩される前
に加圧される。このシステムは前記したものより複雑な
ものとなっているが、増圧部材４が加圧気体貯蔵手段42
からの高圧により早期作動をし、切換弁46を早期作動さ
せる。
第9,第10図には他の実施例が示されている。第９図に
は単一又は複数シリンダを有するエンジンのための単一
の増圧手段50が示されており、このエンジンは２つの増
圧部材表面52,54に異る圧力を受ける。増圧部材51の表
面の狭い突起56は、ボール弁58をその弁座に押圧し、増
圧部材51が頂上の死点（第９図参照）の近くにあると
き、加圧気体貯蔵手段60から大径チャンバ53へ高圧気体
を送入する。他の小径チャンバ55内の膨脹気体は、大径
チャンバ53の側部に設けられたポート62を介して大径チ
ャンバ53から出る。
第９図にはまたチェック弁からなる一方向手段68と復
帰ライン70とが示されており、これらは突起66によって
作動されるとき、小径チャンバ55内の気体を加圧気体貯
蔵手段60に通過させる。増圧部材51の小径部は小径チャ
ンバ55内の燃料ガスを加圧するように作動する。この加
圧燃料ガスは一方向手段72を通過して、燃料ガスタンク
64に貯蔵され、この燃料ガスタンク64は個々の燃料供給
ライン（ただ１つの燃料供給手段17が示されている）が
図示されていない個々のシリンダチャンバ26へ高圧燃料
ガスを供給する。各シリンダチャンバはタイミング手段
19又は他の部材によって作動される２重燃料噴射器をも
っている。増圧部材51はエンジン速度とは独立したスピ
ードで運動するが、エンジンシリンダからの高圧気体の
有効性の減少によりエンジン速度が低下するとき速度低
下をする。この実施例は比較的簡単で、エンジンの始動
時に、増圧部材51を始動させるために補助的機構が必要
である。この実施形態は増圧器及びタンクが限定的なエ
ンジンチャンバ領域から離れて位置するので、ハードウ
エアを設けるのが容易である。
第10図に示す実施例は、第９図に示す実施例と同様で
あるが、増圧手段67は切換弁71によって作動されるタイ
ミング手段69によって制御される。この機構は第８図に
示す実施例に近似していて、同実施例について述べた説
明が適用できることが当業者にとって容易に理解するこ
とができる。第９図に示すように、高圧燃料ガスは燃料
ガスタンク64に貯蔵されて、ここから分配される。また
各チャンバはそれぞれ２重燃料噴射器を持っている。
第11図に示す実施例は、第９図に示す実施例と同様で
あるが、増圧器は外部コンプレッサ73（空気ブレーキま
たは空気始動コンプレッサ）からの圧力空気によって作
動される。
第12図に示す実施例は、第11図に示す実施例と同様で
あるが、増圧器は外部ポンプ74からの圧力流体（ディー
ゼル油または潤滑油）によって作動される。液体は復流
ライン77を経て切換弁71によりタンク78に復流する。
第13図に示す実施例は、第９図に示す実施例と同様で
あるが、増圧手段を駆動するためのシリンダチャンバ26
からの加圧気体は、ポート75を介してエンジンシリンダ
頭部のポート75を介して増圧手段へ供給される。第14図
に示す実施例は、第12図に示す実施例と同様であるが、
増圧手段67はカム駆動プランジャ75からの高圧流体（デ
ィーゼル油または潤滑油）によって作動される。高圧流
体は増圧部材４の径端部に作用し、増圧部材４の大径部
によって、大径チャンバ内にある燃料ガスを加圧する。
排出流体は復流部77を経て切換弁71によりタンク78に復
流する。
前記の説明により当業者には明らかなように、多くの
変換及び改変が特許請求の範囲を逸脱しない限り可能で
ある。したがって発明の技術的範囲は特許請求の範囲の
記載に基いて定められる。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の第１実施例の縦断正面図、第２図は
同上の前期の作動状態を示す同様の図面、第３図は同後
期の作動状態を示す同様の図面、第４図はこの発明の第
２実施例の縦断正面図、第５図は同第３実施例の縦断正
面図、第６図は同第４実施例の縦断正面図、第６図は同
第５実施例の縦断正面図、第８図は同第６実施例の縦断
正面図、第９図は同第７実施例の縦断正面図、第10図は
同第８実施例の縦断正面図、第11図は同第９実施例の縦
断正面図、第12図は同第10実施例の縦断正面図、第13図
は同第11実施例の縦断正面図、第14図は同第12実施例の
縦断正面図である。 ２……増圧手段、４……増圧部材 ６……弁棒、７……入口 ８……噴射ノズル、９……大径チャンバ 10……燃料供給手段、12……一方向手段 14……ガス噴射弁、15……入口 16……小径チャンバ、17……燃料供給手段 18……肩部、19……タイミング手段 20……水滴、21……当接板 22……弁、24……ピストン 26……シリンダチャンバ、28……多孔球体 30……加圧ガスタンク、32……ライン 34……一方向手段、36……ディーゼル噴射器 38……表面、40……表面 42……加圧ガスタンク、44……一方向手段 46……切換弁、48……圧力解放弁 50……増圧手段、51……増圧部材 52……増圧部材表面、53……大径チャンバ 54……増圧部材表面、55……小径チャンバ 56……突起、58……一方向手段 59……チャンバ、60……加圧ガスタンク 62……出口、64……加圧燃焼ガスタンク 66……突起、67……増圧手段 68……一方向手段、69……タイミング手段 70……復帰ライン、71……切換弁 72……一方向手段、73……外部コンプレッサ 74……外部ポンプ、75……ポート 77……復流ライン、78……タンク
フロントページの続き (72)発明者 ロナルド ジェイ．ピエリック カナダ国，ヴイ５ダブリュ ３ケー９ ブリティッシュ コロンビア，バンクー バー，ロス ストリート 5344番地 (72)発明者 ケイ．ブリュース ホジンス カナダ国，ヴイ４ケー ３ワイ９ ブリ ティッシュ コロンビア，デルタ，カネ リ クレセント 4724番地 (56)参考文献 実開 昭62−95151（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−197301（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F02M 21/00 - 21/12

Claims (44)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】内燃機関のシリンダチャンバ26又は他の高
    圧ガス源からの加圧気体を用いて増圧部材４を作動する
    大径チャンバ９と、内部に収納したガス状燃料の圧力
    を、前記増圧部材４の作動によって増大させる小径チャ
    ンバ16と、小径チャンバ16内の前記増圧ガス状燃料をシ
    リンダチャンバ26に急速に噴射する噴射ノズル８を具え
    ているガス状燃料の増圧装置。
  2. 【請求項２】内燃機関は容積型機関からなり、大径チャ
    ンバ９と小径チャンバ16とは、シリンダによって構成さ
    れ、大径チャンバ９の直径は小径チャンバ16の直径より
    大きくなっている請求項１に記載のガス状燃料の増圧装
    置。
  3. 【請求項３】ガス状燃料は可変圧ガス状燃料供給源より
    供給される請求項１又は２に記載のガス状燃料の増圧装
    置。
  4. 【請求項４】シリンダチャンバ26をもつ内燃機関に用い
    られるガス状燃料の増圧装置であって （ａ） 大小径チャンバ9,16と、 （ｂ） 大小径チャンバ9,16の内部に設けられていて、
    大径端部と小径端部とを有する往復動増圧部材４と、 （ｃ） シリンダチャンバ26又は他の供給源から加圧気
    体を、大小径チャンバ9,16内の増圧部材４の大径端部に
    導入する加圧気体導入部15と、 （ｄ） 大小径チャンバ9,16内の増圧部材４の小径端部
    に、ガス状燃料を供給する燃料供給手段10に設けられた
    一方向手段12と、 （ｅ） 小径チャンバ16内の増圧部材４の小径端部か
    ら、シリンダチャンバ26へガス状燃料を噴射する噴射ノ
    ズル８と、 （ｆ） 噴射ノズル８が閉鎖されているとき、加圧気体
    導入部15を開口し、噴射ノズル８が開口しているとき、
    加圧気体導入部15を閉鎖するように、開口と閉鎖を同期
    して行うタイミング手段19と、 を具えている内燃機関におけるガス状燃料の増圧装置。
  5. 【請求項５】一方向手段12は、小径チャンバ16内の増圧
    部材４の小径端部に供給されたガス状燃料が逆流するの
    を阻止する請求項４に記載のガス状燃料の増圧装置。
  6. 【請求項６】小径チャンバ16内の増圧部材４の小径端部
    から、シリンダチャンバ26へ噴射されるガス状燃料は弁
    棒６によって制御され、この弁棒６は大径チャンバ９
    と、増圧部材４の大径端部において連接している請求項
    ５に記載のガス状燃料の増圧装置。
  7. 【請求項７】弁棒６の内部は、中空となっていてシリン
    ダチャンバ26又は他の供給源から加圧気体を、大径チャ
    ンバ９内の増圧部材４の大径端部へ、弁棒６の内部を介
    して導入するのを許容し、同時に中空チャンバの増圧手
    段４の小径端部からシリンダチャンバ26へガス状燃料が
    噴射されるのを阻止するようになっている請求項６に記
    載のガス状燃料の増圧装置。
  8. 【請求項８】弁棒６は、大小径チャンバ内に配置され、
    増圧部材４と弁棒は、シリンダチャンバ26の近くの大小
    径チャンバ9,16の一端に配置された噴射ノズル８を交互
    に開閉するために、大小径チャンバ9,16内に軸方向に往
    復動するように設けられている請求項７に記載のガス状
    燃料の増圧装置。
  9. 【請求項９】増圧部材４には、弁棒９が上下動可能とな
    っている請求項８に記載のガス状燃料の増圧装置。
  10. 【請求項１０】弁棒６がノズル開口位置にあるとき、大
    小径チャンバ9,16内の増圧部材４の小径端部からガス状
    燃料が噴射されるのを許容し、シリンダチャンバ26から
    の加圧気体が弁棒６を介して増圧位置にある大径端部に
    おいて、大径チャンバ９内に導入することが不可能とな
    っている請求項９に記載のガス状燃料の増圧装置。
  11. 【請求項１１】弁棒６がノズル閉鎖位置にあるとき、シ
    リンダチャンバ26からの加圧気体が弁棒６を介して、増
    圧位置にある大径端部において、大径チャンバ９内に導
    入される請求項10に記載のガス状燃料の増圧装置。
  12. 【請求項１２】タイミング手段はエンジンクランクと同
    期するカムからなる請求項11に記載のガス状燃料の増圧
    装置。
  13. 【請求項１３】タイミング手段はエンジンクランクと同
    期する電気的タイミング部材からなる請求項11に記載の
    ガス状燃料の増圧装置。
  14. 【請求項１４】タイミング手段はエンジンクランクと同
    期する液体作動部材からなる請求項13に記載のガス状燃
    料の増圧装置。
  15. 【請求項１５】タイミング手段はエンジンクランクと同
    期する気体作動部材からなる請求項11に記載のガス状燃
    料の増圧装置。
  16. 【請求項１６】燃料供給手段からの液体燃料が、ノズル
    ８が開口位置にあるとき、シリンダチャンバ26が噴射さ
    れる請求項12に記載のガス状燃料の増圧装置。
  17. 【請求項１７】燃料供給手段17からの液体燃料は、ノズ
    ル８が開口位置にあるときシリンダチャンバ26内に噴射
    される請求項12に記載のガス状燃料の増圧装置。
  18. 【請求項１８】シリンダチャンバ26からの加圧気体は、
    増圧手段２の大径チャンバ９内の大径端部に導入される
    前に、加圧ガスタンク30に運ばれる請求項４に記載のガ
    ス状燃料の増圧装置。
  19. 【請求項１９】一方向手段34は、シリンダチャンバ26か
    ら加圧ガスタンク30への気体の流れを制御する請求項18
    に記載のガス状燃料の増圧装置。
  20. 【請求項２０】切換弁46が、加圧ガスタンク42から大径
    チャンバ９内の増圧部材４の大径端部への気体の流れを
    制御する請求項19に記載のガス状燃料の増圧装置。
  21. 【請求項２１】切換弁46はエンジンクランクと同期する
    カムによって制御される請求項20に記載のガス状燃料の
    増圧装置。
  22. 【請求項２２】一方向手段58は、増圧部材51の大径端部
    が大径チャンバ53内にあるとき、加圧ガスタンク60と、
    大径チャンバ53との間に位置する増圧部材51によって作
    動される請求項18に記載のガス状燃料の増圧装置。
  23. 【請求項２３】一方向手段72は、チャンバ55の小径端部
    と、加圧燃料ガスタンク64とを連結する気体燃料供給ラ
    インに設けられている請求項22に記載のガス状燃料の増
    圧装置。
  24. 【請求項２４】出口62が増圧手段50の小径チャンバ55の
    壁体に設けられていて、増圧手段４が大径チャンバ53の
    端部の近くの位置にあるとき、大気中に開口している請
    求項23に記載のガス状燃料の増圧装置。
  25. 【請求項２５】出口62が増圧手段50の小径チャンバ55の
    壁体に設けられていて、増圧部材が小径チャンバ55の端
    部の近くにあるとき、大気中に開口している請求項22に
    記載のガス状燃料の増圧装置。
  26. 【請求項２６】加圧燃料ガスタンク64と、一方向手段72
    とが増圧手段50の小径チャンバ55の端部と、ノズルとを
    連結する導管に設けられている請求項25に記載のガス状
    燃料の増圧装置。
  27. 【請求項２７】弁棒はエンジンクランクと同期するタイ
    ミング手段19によって制御される請求項26に記載のガス
    状燃料の増圧装置。
  28. 【請求項２８】切換弁46が加圧ガスタンク42から、増圧
    部材４の大径端部及び小径端部への加圧気体の流れを交
    互に制御する請求項18に記載のガス状燃料の増圧装置。
  29. 【請求項２９】圧力解放弁48が、増圧手段２の小径チャ
    ンバ16の端部からシリンダチャンバへ26の気体状燃料の
    流れを制御する請求項28に記載のガス状燃料の増圧装
    置。
  30. 【請求項３０】内燃機関は加圧ガスタンク42へ加圧気体
    を供給する複数のシリンダチャンバ26をもっている請求
    項28に記載のガス状燃料の増圧装置。
  31. 【請求項３１】内燃機関は複数のシリンダチャンバ26
    と、加圧燃料ガスタンク64からガス状燃料を供給される
    複数のチャンバとを有する請求項23又は28に記載のガス
    状燃料の増圧装置。
  32. 【請求項３２】内燃機関は加圧ガスを加圧ガスタンクに
    供給する複数のシリンダチャンバ26を有する請求項23に
    記載のガス状燃料の増圧装置。
  33. 【請求項３３】増圧手段２は噴射部材の内部にある請求
    項４に記載のガス状燃料の増圧装置。
  34. 【請求項３４】増圧手段２は噴射部材の外部にある請求
    項４に記載のガス状燃料の増圧装置。
  35. 【請求項３５】シリンダヘッドチャンバはシリンダチャ
    ンバ26から、加圧気体を大径チャンバ９の端部に導入す
    るライン32を有する請求項４に記載のガス状燃料の増圧
    装置。
  36. 【請求項３６】エンジンの吸入弁または排出弁の位置
    は、シリンダチャンバ26から、大径チャンバ９の端部に
    導入させるところとなっている請求項４に記載のガス状
    燃料の増圧装置。
  37. 【請求項３７】噴射手段に隣接する通路は、エンジンシ
    リンダ26から大径チャンバの端部への加圧気体の導入を
    許容する請求項６に記載のガス状燃料の増圧装置。
  38. 【請求項３８】外部コンプレッサ73からの加圧気体が、
    大径チャンバ53の端部に導入される請求項４に記載のガ
    ス状燃料の増圧装置。
  39. 【請求項３９】外部ポンプ74からの加圧流体が、大径チ
    ャンバ内の増圧部材４の端部に導入される請求項４に記
    載のガス状燃料の増圧装置。
  40. 【請求項４０】ポンプ74からの高圧流が、増圧手段67の
    小径チャンバ内の増圧部材４の端部に導入されて、増圧
    部材４の大径端部がガス状燃料が加圧される請求項４に
    記載のガス状燃料の増圧装置。
  41. 【請求項４１】タイミング手段はエンジンクランクと同
    期する電磁流体作動手段からなる請求項４に記載のガス
    状燃料の増圧装置。
  42. 【請求項４２】内燃機関のシリンダチャンバ26に導入さ
    れるガス状燃料を増圧する方法であって、 （ａ） 内部に配置された増圧部材４をもつ増圧手段２
    の内部へガス状燃料を送入し、増圧部材４は圧力気体を
    大小径チャンバ9,16向けに分離し、ガス状燃料はノズル
    ８によって内燃機関に連結された小径チャンバ16に送入
    され、 （ｂ） 増圧作動源又はシリンダチャンバ26から増圧手
    段２の大径チャンバ９に加圧気体又は加圧液体を送入
    し、その送入点で大径チャンバ９内の気体圧または液体
    圧は、増圧部材４を移動して小径チャンバ26の圧力を増
    加し、 （ｃ） ノズル８を介して小径チャンバ16内の加圧ガス
    状燃料をシリンダチャンバ26内へ送入させ、それと同時
    に増圧作動源から増圧手段４の大径チャンバ９への加圧
    気体又は加圧液体の供給を停止し、 （ｄ） ノズル８を閉鎖し、それと同時に加圧気体導入
    部15を開口して、増圧手段４を（ａ）工程となるように
    リセットし、それによって小径チャンバ16内にガス状燃
    料を充填させるガス状燃料の増圧方法。
  43. 【請求項４３】大小径チャンバに対向する増圧手段の表
    面面積は、互いに等しくなっている請求項42に記載のガ
    ス状燃料の増圧方法。
  44. 【請求項４４】大小径チャンバに対向する増圧手段の表
    面面積は、不等となっている請求項42に記載のガス状燃
    料の増圧方法。
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