JP4508411B2 - 燃料・水噴射内燃機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料噴射ポンプから燃料通路を経て供給された高圧の燃料と、水ポンプから供給された水とを１つの燃料噴射弁から燃焼室内に噴射するように構成された燃料・水噴射内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
デイーゼル機関においては、窒素酸化物（ＮＯｘ）低減のための有効な技術として、燃料噴射弁から燃料と水とを燃焼室内に噴射する燃料・水噴射デイーゼル機関が提案されている。
かかる技術の一つとして、本件出願人の出願に係る特許第２７７２１１４号の発明がある。図７はかかる発明の構成を示し、図において、００１は燃料噴射ポンプ、３は燃料噴射弁、０１は燃料タンク、０２は燃料給油ポンプ、０１９は水タンク、０１８は水供給ポンプ、０１６は燃料噴射弁３への水の供給を制御する制御弁、０２０は該制御弁０１６を開閉制御するコントロール装置である。
【０００３】
かかる燃料・水噴射デイーゼル機関において、水タンク０１９より水供給ポンプ０１８によって圧送された水は水供給管０１７を通り前記制御弁０１６に送られる。燃料噴射ポンプ００１の燃料吐出休止期間中に、前記コントロール装置０２０を介して前記制御弁０１６は開弁され、所定量の水を供給管０１５を介して前記燃料噴射弁３の水通路０２１に送り込む。
このとき、燃料噴射ポンプ００１の逆止弁０７の開弁圧力Ｐｒ、前記水通路０２１の燃料弁内逆止弁４の開弁圧力Ｐｐ、燃料噴射弁３の針弁０１１の開弁圧力Ｐ０とすると、
Ｐ０＞Ｐｒ、Ｐ０＞Ｐｐ
と設定されているため、前記燃料噴射弁３内の水通路０２１に供給された水は、燃料弁内逆止弁０１３を経て水通路０３０及び燃料と水との合流部０３１を通り燃料通路０２２内に流入する。
【０００４】
前記燃料通路０２２内の合流部０３１よりも燃料噴射ポンプ００１側にある燃料は該燃料噴射ポンプ００１の方向に高圧燃料管０８を通して押し戻される。その結果、前記燃料噴射弁３内には油溜部０１２及び該油溜部０１２から合流部０３１までの容積分の燃料で満たされ、該合流部０３１の上流側の燃料通路０２２には所定量の水が満たされ、さらにその上流側には再び燃料が満たされた層状状態となっている。
【０００５】
次いで、前記燃料噴射ポンプ００１の吐出が開始されて燃料噴射弁３内の燃料が圧縮され、圧力が上昇して該燃料噴射弁３の開弁圧力Ｐ０以上になると、針弁０１１が開かれ噴射が開始される。該噴射は、前記のように層状状態にある燃料及び水のうち、先ず燃料が噴射され、着火遅れ期間を経た後、燃焼を開始する。引き続き水が燃焼中の先行燃料噴霧火炎をめがけて噴射される。このとき噴射される水も噴霧となってその内部に燃焼室内の空気を取り込んでいるため、先行噴射された燃料に空気を供給する形となって燃焼が活発化される。
そして、最後に残りの燃料が、先行した水噴霧の中に噴射され燃焼する。かかる燃料と水の噴射に伴う熱的影響により火炎の温度上昇が抑えられ、ＮＯｘの発生が抑制される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示される特許第２７７２１１４号の発明においては、燃料噴射弁３に燃料と水とを層状に充填した後、高圧燃料により燃焼室内に押し出して噴射し、かかる燃料と水の噴射に伴う熱的影響により火炎の温度上昇が抑えられ、ＮＯｘの発生が抑制される。
【０００７】
しかしながら、かかる従来技術にあっては、燃料噴射弁３への注水量を、コントロール装置０２０により制御弁０１６のストローク及び開弁タイミングを変化させて制御しているため、所要の注水量及び注水タイミングを得るには該制御弁０１６の制御精度を高く維持することを要し、注水制御に困難を伴う。
【０００８】
さらに、かかる従来技術にあっては、大型舶用デイーゼル機関のようにＣ重油等の粗悪燃料を主燃料とし、これにＡ重油等の燃焼性の良好な燃料を併用している燃料・水噴射デイーゼル機関における、２種類の燃料と水との噴射制御手段については開示されていないため、燃焼性の異なる２種類の燃料を用いる燃料・水噴射デイーゼル機関においては高い燃焼性能を維持してのＮＯｘ低減をなすのは困難を伴う。
等の問題点を有している。
【０００９】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、比較的簡単な制御方法で以って高精度の水噴射制御を行い、２種類の燃料と水とを噴射する内燃機関において高い燃焼性能を維持してＮＯｘ低減を実現できる燃料・水噴射内燃機関を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、本発明は、燃料と水とを燃焼室に噴射する燃料・水噴射内燃機関であって、燃料噴射ポンプと連通する燃料通路と逆止弁とを内蔵し、かつ該燃料通路と合流する水供給路とを有する燃料噴射弁と、前記燃料噴射ポンプが休止している間に所定量の水を前記水供給路を通じて合流部から前記燃料通路内に供給する水供給手段を備えるとともに、前記燃料噴射弁の油溜部の容積と前記合流部から油溜部までの容積の合計が全燃料噴射量の５％以上７５％以下である燃料、水噴射内燃機関において、水ポンプからの水通路を前記燃料通路に接続するとともに、前記水通路に設けられて前記燃料通路内の圧力が該水通路内の圧力よりも低下したとき開弁される注水弁と、水の注入時期及び注入量を調整可能にされ該水を前記注水弁側に圧送する水・燃料注入ポンプを備え、該水・燃料注入ポンプの吐出側を前記水通路に接続してなることを要旨とする燃料・水噴射内燃機関を提案する。
【００１２】
請求項１記載の発明は、前記要旨に加えて、機関の主燃料が供給される主燃料通路と副燃料が供給される副燃料通路とを併設し、前記燃料供給通路に前記燃料供給通路と前記主燃料通路または前記副燃料通路との接続を切り換える燃料側切換弁を設け、さらに前記水通路の前記水・燃料注入ポンプの上流部位に前記副燃料通路を接続し、該接続部に前記水通路と前記副燃料通路との接続あるいは遮断を司る水側切換弁を設けてなることを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、前記要旨に加えて、前記水・燃料注入ポンプを、プランジャバレル内に往復動自在に嵌合されたプランジャを機関の回転に連動されて回転するカムによって往復動させることによりプランジャ室に供給された燃料あるいは水を加圧して前記注水弁側に送出するとともに前記カムのプロフィール及び前記プランジャにおけるリード部の位置変化により前記燃料あるいは水の注入時期および注入量を調整可能にされた往復動式ポンプにて構成し、前記水ポンプ出口側の水通路を入口出口間の差圧により開閉される水逆止弁を介して前記水ポンプから注水弁までの水供給管の途中に接続し、さらに前記水・燃料注入ポンプのプランジャリード部によって開閉される給油口に入口出口間の差圧により開閉される燃料入口弁を介して前記燃料供給通路の途中から分岐された燃料分岐管を接続してなることを特徴とする。
【００１５】
かかる発明によれば、機関の運転終了前における、燃料側切換弁及び水側切換弁の操作により、燃料噴射ポンプ及び燃料噴射弁には前記燃料側切換弁及び燃料用電磁弁を経て性状の良好な副燃料が供給されるとともに、水・燃料注入ポンプにも前記水側切換弁を経て前記副燃料が供給されることにより、機関停止中に燃料噴射ポンプ、燃料噴射弁及び水・燃料注入ポンプには前記副燃料が侵入しあるいは貯められて、水分は完全にフラッシングされこれらの機器内に残存することがなく、該水分による及び水・燃料注入ポンプ及び前記各機器の錆びの発生を防止できる。
【００１６】
請求項３記載の発明は、請求項２に加えて、機関の主燃料が供給される主燃料通路と前記主燃料よりも燃焼性の良好な副燃料が供給される副燃料通路とを併設し、前記燃料供給通路に前記燃料供給通路と前記主燃料通路または前記副燃料通路との接続を切り換える燃料側切換弁を設け、前記燃料供給通路の前記燃料側切換弁よりも下流部位を前記水・燃料注入ポンプの給油口に接続してなることを特徴とする。
【００１７】
かかる発明によれば、前記水・燃料注入ポンプのプランジャを回転させてその有効行程を機関出力あるいは機関回転数に従い変化させ、前記プランジャ室内における水と燃料との割合を調整できることとなる。これにより、高価な制御手段を装備することなく機関の運転状態と連動して水噴射の制御が可能となる。
【００１８】
請求項４記載の発明は、請求項２に加えて、前記水通路の途中に、第２の燃料を供給する第２の燃料供給管を入口出口間の差圧により開閉される送出弁を介して接続し、前記水・燃料注入ポンプのプランジャ吸入行程時に前記第２の燃料を水とともに前記プランジャ室に吸入可能に構成されてなることを特徴とする。
【００１９】
かかる発明によれば、最初の燃料噴射を着火性、燃焼性の良好なＡ重油等の副燃料で行うことにより着火性を確保し、次いで水及び燃焼性に劣るＣ重油等の主燃料を噴射し燃焼させることによりＮＯｘの発生量を低減し、最後に前記副燃料を噴射し燃焼させて後燃えを抑制することができ、これにより、ＮＯｘの発生量を低減しつつ燃焼性に劣る主燃料の完全燃焼を実現できる。
また、かかる発明によれば、前記水・燃料注入ポンプのプランジャを回転させてその有効行程を機関出力あるいは機関回転数に従い変化させ、プランジャ室内における前記副燃料と水及び主燃料との割合を調整できるのに加えて、プランジャ室内に導入されている水と主燃料との割合を可変開閉弁の開度を変化させることにより調整できるので、副燃料、水、主燃料の３つの燃焼媒体を層状にして燃焼室内に噴射することが可能となり、機関の運転状態と連動して水噴射の制御の幅が拡大される。
【００２０】
請求項５記載の発明は、請求項２に加えて、前記水ポンプ下流の水通路に、水を加熱するヒータを設けてなることを特徴とする。
また、請求項６記載の発明は、請求項４に加えて、前記第２の燃料供給管に、第２の燃料を加熱するヒータを設けてなることを特徴とする。
かかる発明によれば、ヒータによって水および粘度の大きい第２の燃料を加熱することにより、粘度を低下させ、送油を容易にするとともに、燃料噴射弁からの噴射時における霧化性能が向上する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００２２】
図１は本発明の第１実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図、図２は第２実施例を示す図１対応図、図３は第３実施例を示す図１対応図、図４は比較例を示すデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図、図5は前記各実施例における燃料噴射ポンプ及び燃料噴射弁の構造を示す断面図、図6は前記各実施例における水・燃料注入ポンプの断面図である。
【００２３】
本発明の比較例として示す図４において、１はその要部詳細が図５に示されている燃料噴射ポンプで、機関のクランク軸に連動されて回転するカム軸に設けられた燃料カム２０によって往復動せしめられるプランジャ２５によりプランジャ室２７内の燃料を圧送するように構成されている。３はその詳細が図５に示されている燃料噴射弁である。
１３は燃料が収容された燃料タンク、３１は前記燃料タンク１３と前記燃料噴射ポンプ１の燃料入口室２８（図５参照）とを接続する燃料供給管、１２は前記燃料供給管３１に設けられ燃料タンク１３内の燃料タンクを燃料噴射ポンプ１側に送給する燃料供給ポンプである。
２は前記燃料噴射ポンプ１の高圧燃料出口と前記燃料噴射弁３の燃料通路０２２（図５参照）とを接続する高圧燃料管である。
【００２４】
１１は水タンク、３４は該水タンク１１と前記燃料噴射弁３の水通路０２１（図２参照）とを接続する水供給管、１０は該水供給管３４に設けられて水タンク１１内の水を前記燃料噴射弁３に送給する水ポンプである。９は前記水供給管３４の出口側に連通されている燃料噴射弁３内の水通路０２１に設けられた注水弁で、前記水通路０２１側から前記燃料通路０２２及び合流部０３１側に向かう流れのみを許容し、かつその開弁圧力Ｐｐを前記針弁０１１の開弁圧力Ｐ０よりも小さく構成されて、前記高圧燃料管２に連通されている燃料噴射弁３内の燃料通路０２２側の圧力が前記水通路０２１内の圧力よりも低下したとき開弁されるようになっている。
【００２５】
４は前記燃料供給管３１に設けられて該燃料供給管路を開閉する燃料用電磁弁である。該燃料用電磁弁４は常時開弁し通電時に閉弁するノルマルオープン型電磁弁に構成されている。５は前記水供給管３４に設けられて該水供給管路を開閉する水用電磁弁である。該水用電磁弁５は常時閉弁し通電時に開弁するノルマルクローズ型電磁弁に構成されている。
従って、前記主電磁弁４が通電により前記燃料供給管路３１を閉じたとき、前記燃料噴射ポンプ１内のプランジャ２５によりプランジャ室２７内の燃料を高圧に加圧し前記高圧燃料管２を介して燃料噴射弁３に送出し、通電が遮断され燃料供給管路３１を閉じたとき燃料噴射が終了することとなる。
【００２６】
かかる燃料・水噴射デイーゼル機関において、ノルマルオープン型電磁弁に構成されている主電磁弁４に通電して前記燃料供給管路３１を閉じ、前記燃料噴射ポンプ１の燃料カム２０によって往復摺動せしめられるプランジャ２５を上動すると、前記高圧燃料管路２は密閉空間となっているため、該高圧燃料管２内は前記燃料噴射弁３における針弁０１１の開弁圧力Ｐ０以上の高圧に加圧され、該針弁０１１に作用してこれを開弁させ、燃焼室内に噴射される。そして、前記主電磁弁４の通電を解除すれば、燃料噴射ポンプ１のプランジャ室２７内が給油圧となり、燃料噴射が終了する。
【００２７】
次に、前記燃料噴射と次の燃料噴射との間の燃料噴射休止期間（前記燃料用電磁弁４により燃料供給管路３１は開となり、燃料通路内の圧力は前記燃料噴射ポンプ１の燃料逆止弁１８の開弁圧力Ｐｒ程度に低下）に、燃料噴射弁３から燃料とともに水噴射を行うにあたっては、ノルマルクローズ型の水用電磁弁５を開く。これにより、前記水ポンプ１０により圧送された水が注水弁９を押し開き、図4（Ｂ）に示されるように、燃料に続いて燃料噴射弁３内に押し込まれ、次の燃料噴射時に燃料に引き続いて燃焼室内に噴射される。
【００２８】
しかしながら、かかる比較例においては、水の注入量の調整は、水用電磁弁５の開期間によるため、高精度の制御が要求される。
【００２９】
本発明の第１実施例を示す図１において、１はその要部詳細が図５に示されている燃料噴射ポンプで、機関のクランク軸に連動されて回転するカム軸に設けられた燃料カム２０によって往復動せしめられるプランジャ２５によりプランジャ室２７内の燃料を圧送するように構成されている。３はその詳細が図５に示されている燃料噴射弁である。２は前記燃料噴射ポンプ１の高圧燃料出口（図5に示す燃料吐出弁１７）と前記燃料噴射弁３の燃料通路０２２（図５参照）とを接続する高圧燃料管である。
４８は燃焼性の良好なＡ重油が収容されたＡ重油タンク、４６は前記Ａ重油タンク４８と後述する燃料側切換弁４５の一方側の入口とを接続するＡ重油供給管、４９は前記Ａ重油供給管４６に設けられＡ重油タンク４８内のＡ重油を燃料噴射ポンプ１側に送給するＡ重油ポンプである。また、５２は前記Ａ重油供給管４６から分岐されて後述する水側切換弁５３の一方側の入口に接続されるＡ重油分岐管である。
【００３０】
５０は前記Ａ重油よりも燃焼性が劣るＣ重油が収容されたＣ重油タンク、４７は前記Ｃ重油タンク５０と後述する燃料側切換弁４５の他方側の入口とを接続するＣ重油供給管、５１は前記Ｃ重油供給管４７に設けられＣ重油タンク５０内のＣ重油を燃料噴射ポンプ１側に送給するＣ重油ポンプである。
４５は三方切換弁に構成された燃料側切換弁で、一方側の入口が前記Ａ重油供給管４６に、他方側の入口が前記Ｃ重油供給管４７に、もう１つの出口が前記後述する燃料用電磁弁４への燃料供給管３１に夫々接続されており、図示しない弁制御装置により前記燃料供給管３１とＡ重油供給管４６あるいはＣ重油供給管４７との接続を切り換えるものである。
４は前記燃料供給管３１に設けられて該燃料供給管３１を開閉する燃料用電磁弁である。該燃料用電磁弁４は常時開弁し通電時に閉弁するノルマルオープン型電磁弁に構成されている。
【００３１】
前記燃料噴射ポンプ１及び燃料噴射弁３の詳細を示す図５において、１は燃料噴射ポンプで次のように構成されている。
２５はプランジャバレル２４の内周に摺動自在に嵌合され前記燃料カム２０によって往復摺動せしめられるプランジャ、２７はプランジャ室、１７は燃料吐出弁、１８は燃料逆止弁である。２２は連結部材０２７に穿孔された給油孔で前記燃料供給管３１に接続されている。これにより、前記プランジャ２５の上動によってプランジャ室２７内の燃料が高圧に加圧され、該高圧燃料が前記燃料吐出弁１７を押し開いて前記高圧燃料管２に吐出されることとなる。
かかる燃料噴射ポンプ１は，公知のジャーク式燃料噴射ポンプからプランジャ２５の噴射量制御リード及び、燃料調整ラック、ピ二オン等の噴射量調整機構を除去したものである。
【００３２】
前記燃料噴射弁３の詳細を示す図５において、０９は本体、０３３はノズルチップ、０１０は該ノズルチップ０３３の先端部に複数穿孔された噴孔、０１１は該ノズルチップ０３３内に往復摺動可能に嵌合された針弁、０１４は該針弁０１１の開弁圧力Ｐ０を設定する針弁ばね、０１２は前記針弁０１１の先端部が臨む油溜部である。０２２は入口端が前記高圧燃料管２に接続され出口端が前記油溜部０１２に接続される燃料通路である。
【００３３】
０２１は入口端が後述する水供給管３４に接続され出口端が後述する注水弁９を経て前記ノズルチップ０３３下部に形成された水平方向の水通路０３０に接続される水通路である。また、前記水平方向の水通路０３０の出口端は前記燃料通路０２２の下部の前記油溜部０１２よりも上流部位に合流されて合流部０３１を形成している。
また、前記燃料逆止弁１８の開弁圧力Ｐｒ、前記注水弁９の開弁圧力Ｐｐ、燃料噴射弁３の針弁０１１の開弁圧力Ｐ０とすると、これらの関係は、
Ｐ０＞Ｐｒ、Ｐ０＞Ｐｐ、Ｐｒ＞Ｐｐ
のように設定されている。
【００３４】
一方、図１において、１１は水タンク、０５４は該水タンク１１と後述する水側切換弁５３の他方側の入口とを接続する水供給管、１０は該水供給管０５４に設けられて水タンク１１内の水を後述する水・燃料噴射弁ポンプ６０に送給する水ポンプである。
５３は三方切換弁に構成された水側切換弁で、一方側の入口が前記Ａ重油分岐管５２に、他方側の入口が前記水供給管０５４に、もう１つの出口が後述する水・燃料噴射弁ポンプ６０への水供給管５４に夫々接続されており、図示しない弁制御装置により前記水供給管５４とＡ重油分岐管５２あるいは水供給管０５４との接続を切り換えるものである。
【００３５】
６０はその詳細が図６に示されている水・燃料注入ポンプで、機関のクランク軸に連動されて回転するカム軸に設けられた水・燃料用カム６５によって往復動せしめられるプランジャ６１によりプランジャ室６３内の水あるいは燃料を、後述する水供給管３４及び注水弁９を経て前記燃料噴射弁３へ圧送するように構成されている。
３４は前記水・燃料用カム６５の吐出部（吐出弁６４）と前記燃料噴射弁３の水通路０２１（図５参照）とを接続する水供給管である。
９は前記燃料噴射弁３内の水通路０２１に設けられ、前記水供給管３４の出口側に連通された注水弁で、前記水通路０２１側から前記燃料通路０２２及び合流部０３１側に向かう流れのみを許容し、かつその開弁圧力Ｐｐを前記針弁０１１の開弁圧力Ｐ０よりも小さく構成されて、前記高圧燃料管２に連通されている燃料噴射弁３内の燃料通路０２２側の圧力が前記水通路０２１内の圧力よりも低下したとき開弁されるようになっている。
【００３６】
前記水・燃料注入ポンプ６０の詳細を示す図６において、６０は水・燃料注入ポンプで次のように構成されている。
１０１はポンプケース、１０２は該ポンプケース内に固定されたプランジャバレル、６１は該プランジャバレル１０２の内周に摺動自在に嵌合され前記水・燃料用カム６５（図１参照）によって往復摺動せしめられるプランジャである。該プランジャ６１はその上端部に噴射量及び噴射時期調整用のリード部６２が形成されている。６３は該プランジャ６１の上部に形成されたプランジャ室、６４は吐出弁である。
【００３７】
１０３は前記プランジャバレル１０２に穿孔された供給孔で、前記水供給管５４に接続されている。１０５は前記水・燃料用カム６５に当接されるタペット、１０４はプランジャスプリングである。
１０６はラック、１０７は該ラック１０６に噛み合うピニオン、１０８は該ピニオン１０７を回転駆動するアクチュエータ、０６１は前記プランジャ６１の下部に固定されるとともに前記ラック１０６に噛み合って該プランジャ６１を回転させる回転装置であり、前記アクチュエータ１０８によりピニオン１０７を介してラック１０６を往復動させ、該ラック１０６の往復動により回転装置０６１を介してプランジャ６１を回転させることにより前記リード部６２が前記供給孔１０３を閉じる時期を変化させ、これによって水あるいは燃料の噴射量を調整するとともに前記水・燃料用カム６５のプロフィールとの共働により噴射時期を調整するようになっている。
【００３８】
かかる構成からなる燃料・水噴射システムを備えたデイーゼル機関の動作を説明する。
先ず、主燃料にＣ重油を用いて運転する際には、燃料側切換弁４５をＣ重油供給管４７と燃料供給管３１との接続に切り換える。これにより、Ｃ重油ポンプ５１により圧送されたＣ重油がノルマルオープン型電磁弁に構成されている燃料用電磁弁４を通って燃料噴射ポンプ１のプランジャ室２７に流入する。一方Ａ重油を用いて運転する際には、燃料側切換弁４５をＡ重油供給管４６と燃料供給管３１との接続に切り換えればよい。
次いで、前記燃料用電磁弁４に通電して前記燃料供給管路３１を閉じる。この状態で前記燃料噴射ポンプ１の燃料カム２０によって往復摺動せしめられるプランジャ２５を上動すると、前記燃料用電磁弁４の閉鎖により前記高圧燃料管路２は密閉空間となっているため、該高圧燃料管２内は前記針弁０１１の開弁圧力Ｐ０以上の高圧に加圧される。
【００３９】
これにより、プランジャ室２７内の燃料は燃料吐出弁１７を押し開け、高圧燃料管２から燃料噴射弁３の燃料通路０２２を経て油溜部０１２に達し，前記針弁０１１に作用してこれを開弁させ、燃焼室内に噴射される。そして、前記燃料用電磁弁４の通電を解除すれば、プランジャ室２７内が給油圧となり、燃料噴射が終了する。
かかるＣ重油あるいはＡ重油噴射時における燃料噴射タイミングつまり燃料噴射開始時期及び燃料噴射終了時期は前記燃料用電磁弁４の開閉時期によって調整し、燃料噴射量は該燃料用電磁弁４が閉じている期間並びに前記燃料カム２０のリフト（カムプロフィール）によって調整する。
【００４０】
次に、前記水・燃料注入ポンプ６０の作動及び燃料用電磁弁４の開閉操作により、燃料噴射弁３から燃料とともに水噴射を行うにあたっては、前記ノルマルオープン型の燃料用電磁弁４の通電解除により燃料噴射が終了した後、高圧燃料管２内を含む燃料通路内の圧力が前記燃料噴射ポンプ１の燃料逆止弁１８の開弁圧力Ｐｒ程度に低下する。一方、図示しない弁制御装置により水側切換弁５３を作動させ、前記水供給管５４と水ポンプ１０側の水供給管０５４とを接続して、前記水・燃料注入ポンプ６０のプランジャ６１の下降時に供給孔１０３を経てプランジャ室６３内に水を供給する。
【００４１】
そして、前記燃料用電磁弁４により燃料供給管路３１が開となり、燃料通路内の圧力が前記燃料噴射ポンプ１の燃料逆止弁１８の開弁圧力Ｐｒ程度に低下した圧力状態での、次のサイクルの燃料噴射までの間の燃料噴射休止期間における所定期間内に、前記水・燃料注入ポンプ６０が作動し、機関のクランク軸に連動される水・燃料用カム６５によって往復動せしめられるプランジャ６１の上動によりプランジャ室６３内の水を前記水供給管３４内に押し出し、注水弁９が開弁せしめられる。
このとき、前記燃料噴射ポンプ１の燃料逆止弁１８の開弁圧力Ｐｒ、前記注水弁９の開弁圧力Ｐｐ、燃料噴射弁３の針弁０１１の開弁圧力Ｐ０とすると、これらの関係が、
Ｐ０＞Ｐｒ、Ｐ０＞Ｐｐ、Ｐｒ＞Ｐｐ
のように設定されているため、前記注水弁９の開弁により燃料噴射弁３の水通路０２１に供給された水は、前記注水弁９を経て水通路０３０及び燃料と水との合流部０３１を通り燃料通路０２２内に流入する。
【００４２】
前記燃料通路０２２内の合流部０３１よりも燃料噴射ポンプ１側にある燃料（Ｃ重油あるいはＡ重油）は該燃料噴射ポンプ１の方向に高圧燃料管２を通して押し戻される。その結果、前記燃料噴射弁３内には油溜部０１２及び該油溜部０１２から合流部０３１までの容積分の燃料で満たされ、該合流部０３１の上流側の燃料通路０２２には所定量の水が満たされ、さらにその上流側には再び燃料が満たされた層状状態となっている。
【００４３】
次いで、前記燃料噴射ポンプ１の吐出が開始されて燃料噴射弁３内の燃料が加圧され、圧力が上昇して該燃料噴射弁３の開弁圧力Ｐ０以上になると、針弁０１１が開かれ噴射が開始される。該噴射は、前記のように層状状態にある燃料及び水のうち、先ず燃料が噴射され、着火遅れ期間を経た後、燃焼を開始する。引き続き水が燃焼中の先行燃料噴霧火炎をめがけて噴射される。このとき噴射される水も噴霧となってその内部に燃焼室内の空気を取り込んでいるため、先行噴射された燃料に空気を供給する形となって燃焼が活発化される。
そして、最後に残りの燃料が、先行した水噴霧の中に噴射され燃焼する。かかる燃料と水の噴射に伴う熱的影響により火炎の温度上昇が抑えられ、ＮＯｘの発生が抑制される。
【００４４】
かかる実施例によれば、燃料側切換弁４５を切り換えることにより、Ｃ重油とＡ重油のように燃焼性の異なる２種類の燃料の燃料噴射ポンプ１及び燃料噴射弁３への供給を切り換え、燃料噴射ポンプ１への燃料供給管３１に設けられた燃料用電磁弁４の開閉時期及び開閉期間によって燃料噴射タイミング及び噴射量を調整することができるとともに、水供給管路５４、３４に前記水・燃料注入ポンプ６０を設けて、該前記水・燃料注入ポンプ６０のリード部６２の位置により水の注入時期及び注入量を調整して、燃料噴射から次のサイクルの燃料噴射までの間の燃料噴射休止期間における所定期間内に、水を、前記水・燃料注入ポンプ６０により注水弁９を介して燃料噴射弁３に供給することができる。
【００４５】
機関の運転終了前においては、前記燃料側切換弁４５によりＡ重油供給管４６と燃料供給管３１とを接続するとともに、前記水側切換弁５３によりＡ重油分岐管５２とを接続して、所定時間運転を継続した後、機関を停止する。
運転終了前におけるかかる操作により、燃料噴射ポンプ１及び燃料噴射弁３には前記燃料側切換弁４５及び燃料用電磁弁４を経て性状の良好なＡ重油が供給されるとともに、水・燃料注入ポンプ６０にも前記水側切換弁５３を経て前記Ａ重油が供給されている。この状態で機関を停止することにより、機関停止中に燃料噴射ポンプ１、燃料噴射弁３及び水・燃料注入ポンプ６０にはＡ重油が侵入しあるいは貯められて、水分は完全にフラッシングされこれらの機器内に残存することはなく、該水分による及び水・燃料注入ポンプ６０及び前記各機器の錆びの発生を防止できる。
【００４６】
図２に示される第２実施例においては、前記水・燃料注入ポンプ６０のプランジャ６１により開閉される供給孔１０３に前記Ｃ重油あるいはＡ重油を導く一方、プランジャ室６３に水ポンプ１０からの水を導き、該水・燃料注入ポンプ６０により水とＣ重油あるいはＡ重油とを層状にして燃料噴射弁３に供給するように構成されている。
【００４７】
即ち、図２において、前記燃料側切換弁４５の出口側に接続される燃料供給管３１の途中から分岐された燃料分岐管０６６は、前記水・燃料注入ポンプ６０の供給孔１０３（図６参照）に接続されている。０６５は前記燃料分岐管０６６に設けられた燃料入口弁で、前記燃料側切換弁４５から前記水・燃料注入ポンプ６０側に向かう流れのみを許容するように構成されている。
【００４８】
また、前記水・燃料注入ポンプ６０の出口側には前記第１実施例のような吐出弁６４を備えてなく、該水・燃料注入ポンプ６０のプランジャ室６３に水供給管３４を直接接続し、さらに該水供給管３４の途中に水供給管０５４を接続している。６７は該水供給管０５４に設けられたヒータで、Ｃ重油運転の場合に水を予熱するものである。６６は前記水供給管０５４の前記ヒータの下流側に設けられた水逆止弁で、前記水供給管０５４内と前記水供給管３４内との差圧により開閉されるようになっている。
また、前記燃料入口弁０６５の開弁圧力は、前記水逆止弁６６の開弁圧力よりも大きく設定されている。さらに、燃料の供給圧力は水の供給圧力よりも高く設定してある。
【００４９】
かかる実施例において、燃料としてＣ重油を使用するＣ重油運転の場合には、前記燃料側切換弁４５によりＣ重油供給管４７と燃料供給管３１とを接続する。この状態で前記水・燃料注入ポンプ６０のプランジャ６１が下降せしめられると、該プランジャ６１のリード部６２により供給孔１０３が開かれるまでは、プランジャ室６３及びこれに連通されている水供給管３４の圧力が低下し，前記水逆止弁６６の開弁圧力よりも小さくなると、該水逆止弁６６が開き、前記水ポンプ１０からの水が水供給管３４を通って前記プランジャ室６３に導入される。
【００５０】
さらに前記プランジャ６１が下降してそのリード部６２が前記供給孔１０３を開くと、前記Ｃ重油ポンプ５１により圧送されたＣ重油が前記燃料入口弁６５を押し開きプランジャ室６３に流入する。これにより、図２（Ｂ）に示すように、燃料通路には水と燃料（Ｃ重油）とが層状になって貯められることとなる。
前記プランジャ室６３内における水とＣ重油との割合は、前記プランジャ６１の最上位置から前記リード部６２が前記供給孔１０３を開くまでのストローク即ちプランジャ６１の有効行程によってきまり、前記アクチュエータ１０８及びラック１０６によりプランジャ６１を回転させて、前記有効行程を機関出力あるいは機関回転数に従い変化させ、前記水とＣ重油との割合を調整できる。
【００５１】
そして、前記プランジャ６１が上昇行程に入ると燃料入口弁０６５が閉じ、前記プランジャ室６３内に貯められている水及びＣ重油は該プランジャ６１の上動により，該プランジャ室６３から前記水供給管３４を通って、前記注水弁９を押し開いて燃料噴射弁３に入り、前記第１実施例と同様に、水通路０３０及び燃料通路０２２に層状に押し込まれた後、前記燃料噴射ポンプ１からの燃料（Ｃ重油）により燃焼室内に噴射せしめられる。
尚、運転終了前における、燃料噴射ポンプ１、燃料噴射弁３及び水・燃料注入ポンプ６０のＡ重油による水分のフラッシング動作については、前記第１実施例と同様になすことができる。
【００５２】
かかる第２実施例においては、前記アクチュエータ１０８及びラック１０６によりプランジャ６１を回転させてその有効行程を機関出力あるいは機関回転数に従い変化させ、前記プランジャ室６３内における水とＣ重油との割合を調整できることとなる。これにより、高価な制御手段を装備することなく機関の運転状態と連動して水噴射モードの制御が可能となる。
その他の構成は前記第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【００５３】
図３に示される第３実施例においては、前記水・燃料注入ポンプ６０のプランジャ６１により開閉される供給孔１０３にＡ重油を導く一方、プランジャ室６３に水ポンプ１０からの水及びＣ重油を導くとともに、水の供給管路に可変絞りの開閉弁７２を設け、前記水・燃料注入ポンプ６０により水とＣ重油、並びにＡ重油を層状にして燃料噴射弁３に供給するように構成されている。尚、前記可変弁絞りの開閉弁７２はＣ重油側に設けても、あるいはＣ重油、水の両側に設けても良い。
【００５４】
即ち、図３において、前記Ａ重油ポンプ４９の吐出口は前記燃料供給管３１に直接接続され、該燃料供給管３１の前記燃料用電磁弁４上流側から分岐されたＡ重油分岐管７０は、前記水・燃料注入ポンプ６０の供給孔１０３（図６参照）に接続されている。０６５は前記Ａ重油分岐管７０に設けられた燃料入口弁で、前記燃料供給管３１から前記水・燃料注入ポンプ６０側に向かう流れのみを許容するように構成されている。
【００５５】
また、前記水・燃料注入ポンプ６０の出口側には前記第１実施例のような吐出弁６４を備えてなく、該水・燃料注入ポンプ６０のプランジャ室６３に水供給管３４を直接接続している。さらに該水供給管３４の途中には、前記水ポンプ１０からの水供給管０５４を接続するとともに、前記Ｃ重油ポンプ５１からのＣ重油供給管０７１を接続している。
６７は該水供給管０５４に設けられたヒータで、Ｃ重油運転の場合に水を予熱するものである。６６は前記水供給管０５４の前記ヒータ６７の下流側に設けられた水逆止弁で、前記水供給管０５４内と前記水供給管３４内との差圧により開閉されるようになっている。７２は前記水供給管０５４の前記水逆止弁６６の下流側に設けられた可変開閉弁である。
７３は前記Ｃ重油供給管０７１に設けられたヒータで、Ｃ重油運転の場合に該Ｃ重油を予熱するものである。７１は前記Ｃ重油供給管０７１の前記ヒータ７３の下流側に設けられたＣ重油逆止弁で、前記Ｃ重油供給管０７１内と前記水供給管３４内との差圧により開閉されるようになっている。
また、前記燃料入口弁６５の開弁圧力は、前記水逆止弁６６の開弁圧力及び該水逆止弁６６と同一に設定されたＣ重油逆止弁７１の開弁圧力よりも大きく設定されている。
【００５６】
かかる実施例において、先ず、Ａ重油ポンプ４９からＡ重油を前記燃料用電磁弁４を介して燃料噴射ポンプ１に送った後、該燃料用電磁弁４を閉じて、前記第１実施例と同様にプランジャにより加圧して燃料噴射弁３に送り、該燃料噴射弁３から燃焼室内に噴射する。
そして、前記燃料用電磁弁４の開弁により噴射が終了し、次の噴射までの燃料噴射休止期間中の前記水・燃料用カム６５により決められた時期に前記水・燃料注入ポンプ６０のプランジャ６１が下降せしめられると、該プランジャ６１のリード部６２により供給孔１０３が開かれるまでは、プランジャ室６３及びこれに連通されている水供給管３４の圧力が低下し，前記水逆止弁６６の開弁圧力及び該水逆止弁６６と同一に設定されたＣ重油逆止弁７１の開弁圧力よりも小さくなると、該水逆止弁６６及びＣ重油逆止弁７１が開き、前記水ポンプ１０からの水及びＣ重油ポンプ５１からのＣ重油が水供給管３４を通って前記プランジャ室６３方向に導入される。
【００５７】
さらに前記プランジャ６１が下降してそのリード部６２が前記供給孔１０３を開くと、前記Ａ重油ポンプ４９により圧送されたＡ重油が前記燃料入口弁６５を押し開きプランジャ室６３に流入する。これにより、前記プランジャ室６３内には、図３（Ｂ）に示すように、水及びＣ重油とＡ重油が層状になって貯められることとなる。
前記プランジャ室６３内における水及びとＣ重油とＡ重油との割合は、前記プランジャ６１の最上位置から前記リード部６２が前記供給孔１０３を開くまでのストローク即ちプランジャ６１の有効行程によってきまり、前記アクチュエータ１０８及びラック１０６によりプランジャ６１を回転させて、前記有効行程を機関出力あるいは機関回転数に従い変化させ、前記水及びとＣ重油とＡ重油との割合を調整できる。
また、プランジャ室６３内に導入されている水とＣ重油との割合は、前記可変開閉弁７２の開度を変化させることにより水の流量を変化させて調整できる。
【００５８】
そして、前記プランジャ６１が上昇行程に入ると燃料入口弁が閉じ、前記プランジャ室６３内に貯められているＡ重油と水及びＣ重油とは該プランジャ６１の上動により，該プランジャ室６３から前記水供給管３４を通って、前記注水弁９を押し開いて燃料噴射弁３に入り、前記第１、第２実施例と同様に、水通路０３０及び燃料通路０２２に層状に押し込まれる。
【００５９】
次いで、燃料用電磁弁４が閉じ、前記燃料噴射ポンプ１からＡ重油の吐出が開始されて燃料噴射弁３内に層状に押し込まれているＡ重油と水及びＣ重油が，前記燃料噴射ポンプ１からのＡ重油に押し出されて噴射され、最後にＡ重油が、先行した燃料及び水噴霧の中に噴射され燃焼する。
尚、運転終了前における、燃料噴射ポンプ１、燃料噴射弁３及び水・燃料注入ポンプ６０のＡ重油による水分のフラッシング動作については、前記第１、第２実施例と同様になすことができる。
【００６０】
かかる第３実施例においては、最初の燃料噴射を着火性、燃焼性の良好なＡ重油で行うことにより着火性を確保し、次いで水及びＣ重油を噴射し燃焼させることによりＮＯｘの発生量を低減し、最後にＡ重油を噴射し燃焼させて後燃えを抑制することができ、これにより、ＮＯｘの発生量を低減しつつ燃焼性に劣るＣ重油の完全燃焼を実現できる。
【００６１】
また、かかる第３実施例においては、前記アクチュエータ１０８及びラック１０６によりプランジャ６１を回転させてその有効行程を機関出力あるいは機関回転数に従い変化させ、前記プランジャ室６３内におけるＡ重油と水及びＣ重油との割合を調整できるのに加えて、プランジャ室６３内に導入されている水とＣ重油との割合を前記可変開閉弁７２の開度を変化させることにより調整できるので、Ａ重油、水、Ｃ重油の３つの燃焼媒体を層状にして燃焼室内に噴射することが可能となり、機関の運転状態と連動して水噴射モードの制御の幅が拡大される。
【００６２】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、燃料側切換弁を切り換えることにより、燃焼性の異なる２種類の燃料の燃料噴射ポンプ及び燃料噴射弁への供給を切り換え、燃料噴射ポンプへの燃料供給通路に設けられた燃料用電磁弁の開閉時期及び開閉期間によって燃料噴射タイミング及び噴射量を調整することができるとともに、水供給通路に設けられた水・燃料注入ポンプのリード部の位置により水の注入時期及び注入量を調整して、水を燃料噴射から次のサイクルの燃料噴射までの間の燃料噴射休止期間における所定期間内に、前記水・燃料注入ポンプにより注水弁を介して燃料噴射弁に供給することができる。
これにより、燃料と水とを適正な噴射時期及び所要の噴射量で以って噴射、燃焼させて、高い燃焼性能を維持しつつＮＯｘ低減が可能となる。
【００６３】
また、機関の運転終了前における、燃料側切換弁及び水側切換弁の操作により、燃料噴射ポンプ及び燃料噴射弁には前記燃料側切換弁及び燃料用電磁弁を経て性状の良好な副燃料が供給されるとともに、水・燃料注入ポンプにも前記水側切換弁を経て前記副燃料が供給されることにより、機関停止中に燃料噴射ポンプ、燃料噴射弁及び水・燃料注入ポンプには前記副燃料が侵入しあるいは貯められて、水分は完全にフラッシングされこれらの機器内に残存することがなく、該水分による及び水・燃料注入ポンプ及び前記各機器の錆びの発生を防止できる。
【００６４】
また、請求項３のように構成すれば、水・燃料注入ポンプのプランジャを回転させてその有効行程を機関出力あるいは機関回転数に従い変化させ、前記プランジャ室内における水とＣ重油との割合を調整できることとなり、これにより高価な制御手段を装備することなく機関の運転状態と連動して水噴射モードの制御が可能となる。
【００６５】
さらに、請求項４のように構成すれば、最初の燃料噴射を着火性、燃焼性の良好なＡ重油等の副燃料で行うことにより着火性を確保し、次いで水及び燃焼性に劣るＣ重油等の主燃料を噴射し燃焼させることによりＮＯｘの発生量を低減し、最後に前記副燃料を噴射し燃焼させて後燃えを抑制することができ、これにより、ＮＯｘの発生量を低減しつつ燃焼性に劣る主燃料の完全燃焼を実現できる。
また、前記水・燃料注入ポンプのプランジャを回転させてその有効行程を機関出力あるいは機関回転数に従い変化させ、プランジャ室内における前記副燃料と水及び主燃料との割合を調整できるのに加えて、プランジャ室内に導入されている水と主燃料との割合を可変開閉弁の開度を変化させることにより調整できるので、副燃料、水、主燃料の３つの燃焼媒体を層状にして燃焼室内に噴射することが可能となり、機関の運転状態と連動して水噴射モードの制御の幅が拡大される。
【００６６】
要するに本発明によれば、２種類の燃料と水とを噴射する内燃機関において、比較的簡単な制御手段で以って高精度の水噴射制御を行うことができるとともに、水噴射の制御操作機器の装置コストが低減され、高い燃焼性能を維持してＮＯｘ低減を実現できる燃料・水噴射内燃機関が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図である。
【図２】 第２実施例を示す図１対応図である。
【図３】 第３実施例を示す図１対応図である。
【図４】 比較例を示すデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図である。
【図５】 前記各実施例における燃料噴射ポンプ及び燃料噴射弁の構造を示す断面図である。
【図６】 前記各実施例における水・燃料注入ポンプの断面図である。
【図７】 従来技術における水・燃料注入ポンプの断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料噴射ポンプ
２ 高圧燃料管
３ 燃料噴射弁
４ 燃料用電磁弁
９ 注水弁
１０ 水ポンプ
０１０ 噴孔
１１ 水タンク
０１１ 針弁
１２ 燃料供給ポンプ
０１２ 油溜部
１３ 燃料タンク
１７ 燃料吐出弁
１８ 燃料逆止弁
２０ 燃料カム
２２ 給油孔
０２１ 水通路
０２２ 燃料通路
２４ プランジャバレル
２５ プランジャ
２７ プランジャ室
３１ 燃料供給管
０３１ 合流部
３４ 水供給管
４５ 燃料側切換弁
４６ Ａ重油供給管
４７ Ｃ重油供給管
４９ Ａ重油ポンプ
５１ Ｃ重油ポンプ
５２、７０ Ａ重油分岐管
５３ 水側切換弁
５４、０５４ 水供給管
６０ 水・燃料注入ポンプ
６１ プランジャ
６２ リード部
６３ プランジャ室
６４ 吐出弁
６５ 水・燃料用カム
６６ 水逆止弁
０６６ 燃料分岐管
６７、７３ ヒータ
１０２ プランジャバレル
１０３ 供給孔
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料噴射ポンプから燃料通路を経て供給された高圧の燃料と、水ポンプから供給された水とを１つの燃料噴射弁から燃焼室内に噴射するように構成された燃料・水噴射内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
デイーゼル機関においては、窒素酸化物（ＮＯｘ）低減のための有効な技術として、燃料噴射弁から燃料と水とを燃焼室内に噴射する燃料・水噴射デイーゼル機関が提案されている。
かかる技術の一つとして、本件出願人の出願に係る特許第２７７２１１４号の発明がある。図７はかかる発明の構成を示し、図において、００１は燃料噴射ポンプ、３は燃料噴射弁、０１は燃料タンク、０２は燃料給油ポンプ、０１９は水タンク、０１８は水供給ポンプ、０１６は燃料噴射弁３への水の供給を制御する制御弁、０２０は該制御弁０１６を開閉制御するコントロール装置である。
【０００３】
かかる燃料・水噴射デイーゼル機関において、水タンク０１９より水供給ポンプ０１８によって圧送された水は水供給管０１７を通り前記制御弁０１６に送られる。燃料噴射ポンプ００１の燃料吐出休止期間中に、前記コントロール装置０２０を介して前記制御弁０１６は開弁され、所定量の水を供給管０１５を介して前記燃料噴射弁３の水通路０２１に送り込む。
このとき、燃料噴射ポンプ００１の逆止弁０７の開弁圧力Ｐｒ、前記水通路０２１の燃料弁内逆止弁４の開弁圧力Ｐｐ、燃料噴射弁３の針弁０１１の開弁圧力Ｐ０とすると、
Ｐ０＞Ｐｒ、Ｐ０＞Ｐｐ
と設定されているため、前記燃料噴射弁３内の水通路０２１に供給された水は、燃料弁内逆止弁０１３を経て水通路０３０及び燃料と水との合流部０３１を通り燃料通路０２２内に流入する。
【０００４】
前記燃料通路０２２内の合流部０３１よりも燃料噴射ポンプ００１側にある燃料は該燃料噴射ポンプ００１の方向に高圧燃料管０８を通して押し戻される。その結果、前記燃料噴射弁３内には油溜部０１２及び該油溜部０１２から合流部０３１までの容積分の燃料で満たされ、該合流部０３１の上流側の燃料通路０２２には所定量の水が満たされ、さらにその上流側には再び燃料が満たされた層状状態となっている。
【０００５】
次いで、前記燃料噴射ポンプ００１の吐出が開始されて燃料噴射弁３内の燃料が圧縮され、圧力が上昇して該燃料噴射弁３の開弁圧力Ｐ０以上になると、針弁０１１が開かれ噴射が開始される。該噴射は、前記のように層状状態にある燃料及び水のうち、先ず燃料が噴射され、着火遅れ期間を経た後、燃焼を開始する。引き続き水が燃焼中の先行燃料噴霧火炎をめがけて噴射される。このとき噴射される水も噴霧となってその内部に燃焼室内の空気を取り込んでいるため、先行噴射された燃料に空気を供給する形となって燃焼が活発化される。
そして、最後に残りの燃料が、先行した水噴霧の中に噴射され燃焼する。かかる燃料と水の噴射に伴う熱的影響により火炎の温度上昇が抑えられ、ＮＯｘの発生が抑制される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示される特許第２７７２１１４号の発明においては、燃料噴射弁３に燃料と水とを層状に充填した後、高圧燃料により燃焼室内に押し出して噴射し、かかる燃料と水の噴射に伴う熱的影響により火炎の温度上昇が抑えられ、ＮＯｘの発生が抑制される。
【０００７】
しかしながら、かかる従来技術にあっては、燃料噴射弁３への注水量を、コントロール装置０２０により制御弁０１６のストローク及び開弁タイミングを変化させて制御しているため、所要の注水量及び注水タイミングを得るには該制御弁０１６の制御精度を高く維持することを要し、注水制御に困難を伴う。
【０００８】
さらに、かかる従来技術にあっては、大型舶用デイーゼル機関のようにＣ重油等の粗悪燃料を主燃料とし、これにＡ重油等の燃焼性の良好な燃料を併用している燃料・水噴射デイーゼル機関における、２種類の燃料と水との噴射制御手段については開示されていないため、燃焼性の異なる２種類の燃料を用いる燃料・水噴射デイーゼル機関においては高い燃焼性能を維持してのＮＯｘ低減をなすのは困難を伴う。
等の問題点を有している。
【０００９】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、比較的簡単な制御方法で以って高精度の水噴射制御を行い、２種類の燃料と水とを噴射する内燃機関において高い燃焼性能を維持してＮＯｘ低減を実現できる燃料・水噴射内燃機関を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、本発明は、燃料と水とを燃焼室に噴射する燃料・水噴射内燃機関であって、燃料噴射ポンプと連通する燃料通路と逆止弁とを内蔵し、かつ該燃料通路と合流する水供給路とを有する燃料噴射弁と、前記燃料噴射ポンプが休止している間に所定量の水を前記水供給路を通じて合流部から前記燃料通路内に供給する水供給手段を備えるとともに、前記燃料噴射弁の油溜部の容積と前記合流部から油溜部までの容積の合計が全燃料噴射量の５％以上７５％以下である燃料、水噴射内燃機関において、水ポンプからの水通路を前記燃料通路に接続するとともに、前記水通路に設けられて前記燃料通路内の圧力が該水通路内の圧力よりも低下したとき開弁される注水弁と、水の注入時期及び注入量を調整可能にされ該水を前記注水弁側に圧送する水・燃料注入ポンプを備え、該水・燃料注入ポンプの吐出側を前記水通路に接続してなることを要旨とする燃料・水噴射内燃機関を提案する。
【００１２】
請求項１記載の発明は、前記要旨に加えて、機関の主燃料が供給される主燃料通路と副燃料が供給される副燃料通路とを併設し、前記燃料供給通路に前記燃料供給通路と前記主燃料通路または前記副燃料通路との接続を切り換える燃料側切換弁を設け、さらに前記水通路の前記水・燃料注入ポンプの上流部位に前記副燃料通路を接続し、該接続部に前記水通路と前記副燃料通路との接続あるいは遮断を司る水側切換弁を設けてなることを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、前記要旨に加えて、前記水・燃料注入ポンプを、プランジャバレル内に往復動自在に嵌合されたプランジャを機関の回転に連動されて回転するカムによって往復動させることによりプランジャ室に供給された燃料あるいは水を加圧して前記注水弁側に送出するとともに前記カムのプロフィール及び前記プランジャにおけるリード部の位置変化により前記燃料あるいは水の注入時期および注入量を調整可能にされた往復動式ポンプにて構成し、前記水ポンプ出口側の水通路を入口出口間の差圧により開閉される水逆止弁を介して前記水ポンプから注水弁までの水供給管の途中に接続し、さらに前記水・燃料注入ポンプのプランジャリード部によって開閉される給油口に入口出口間の差圧により開閉される燃料入口弁を介して前記燃料供給通路の途中から分岐された燃料分岐管を接続してなることを特徴とする。
【００１５】
かかる発明によれば、機関の運転終了前における、燃料側切換弁及び水側切換弁の操作により、燃料噴射ポンプ及び燃料噴射弁には前記燃料側切換弁及び燃料用電磁弁を経て性状の良好な副燃料が供給されるとともに、水・燃料注入ポンプにも前記水側切換弁を経て前記副燃料が供給されることにより、機関停止中に燃料噴射ポンプ、燃料噴射弁及び水・燃料注入ポンプには前記副燃料が侵入しあるいは貯められて、水分は完全にフラッシングされこれらの機器内に残存することがなく、該水分による及び水・燃料注入ポンプ及び前記各機器の錆びの発生を防止できる。
【００１６】
請求項３記載の発明は、請求項２に加えて、機関の主燃料が供給される主燃料通路と前記主燃料よりも燃焼性の良好な副燃料が供給される副燃料通路とを併設し、前記燃料供給通路に前記燃料供給通路と前記主燃料通路または前記副燃料通路との接続を切り換える燃料側切換弁を設け、前記燃料供給通路の前記燃料側切換弁よりも下流部位を前記水・燃料注入ポンプの給油口に接続してなることを特徴とする。
【００１７】
かかる発明によれば、前記水・燃料注入ポンプのプランジャを回転させてその有効行程を機関出力あるいは機関回転数に従い変化させ、前記プランジャ室内における水と燃料との割合を調整できることとなる。これにより、高価な制御手段を装備することなく機関の運転状態と連動して水噴射の制御が可能となる。
【００１８】
請求項４記載の発明は、請求項２に加えて、前記水通路の途中に、第２の燃料を供給する第２の燃料供給管を入口出口間の差圧により開閉される送出弁を介して接続し、前記水・燃料注入ポンプのプランジャ吸入行程時に前記第２の燃料を水とともに前記プランジャ室に吸入可能に構成されてなることを特徴とする。
【００１９】
かかる発明によれば、最初の燃料噴射を着火性、燃焼性の良好なＡ重油等の副燃料で行うことにより着火性を確保し、次いで水及び燃焼性に劣るＣ重油等の主燃料を噴射し燃焼させることによりＮＯｘの発生量を低減し、最後に前記副燃料を噴射し燃焼させて後燃えを抑制することができ、これにより、ＮＯｘの発生量を低減しつつ燃焼性に劣る主燃料の完全燃焼を実現できる。
また、かかる発明によれば、前記水・燃料注入ポンプのプランジャを回転させてその有効行程を機関出力あるいは機関回転数に従い変化させ、プランジャ室内における前記副燃料と水及び主燃料との割合を調整できるのに加えて、プランジャ室内に導入されている水と主燃料との割合を可変開閉弁の開度を変化させることにより調整できるので、副燃料、水、主燃料の３つの燃焼媒体を層状にして燃焼室内に噴射することが可能となり、機関の運転状態と連動して水噴射の制御の幅が拡大される。
【００２０】
請求項５記載の発明は、請求項２に加えて、前記水ポンプ下流の水通路に、水を加熱するヒータを設けてなることを特徴とする。
また、請求項６記載の発明は、請求項４に加えて、前記第２の燃料供給管に、第２の燃料を加熱するヒータを設けてなることを特徴とする。
かかる発明によれば、ヒータによって水および粘度の大きい第２の燃料を加熱することにより、粘度を低下させ、送油を容易にするとともに、燃料噴射弁からの噴射時における霧化性能が向上する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００２２】
図１は本発明の第１実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図、図２は第２実施例を示す図１対応図、図３は第３実施例を示す図１対応図、図４は比較例を示すデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図、図5は前記各実施例における燃料噴射ポンプ及び燃料噴射弁の構造を示す断面図、図6は前記各実施例における水・燃料注入ポンプの断面図である。
【００２３】
本発明の比較例として示す図４において、１はその要部詳細が図５に示されている燃料噴射ポンプで、機関のクランク軸に連動されて回転するカム軸に設けられた燃料カム２０によって往復動せしめられるプランジャ２５によりプランジャ室２７内の燃料を圧送するように構成されている。３はその詳細が図５に示されている燃料噴射弁である。
１３は燃料が収容された燃料タンク、３１は前記燃料タンク１３と前記燃料噴射ポンプ１の燃料入口室２８（図５参照）とを接続する燃料供給管、１２は前記燃料供給管３１に設けられ燃料タンク１３内の燃料タンクを燃料噴射ポンプ１側に送給する燃料供給ポンプである。
２は前記燃料噴射ポンプ１の高圧燃料出口と前記燃料噴射弁３の燃料通路０２２（図５参照）とを接続する高圧燃料管である。
【００２４】
１１は水タンク、３４は該水タンク１１と前記燃料噴射弁３の水通路０２１（図２参照）とを接続する水供給管、１０は該水供給管３４に設けられて水タンク１１内の水を前記燃料噴射弁３に送給する水ポンプである。９は前記水供給管３４の出口側に連通されている燃料噴射弁３内の水通路０２１に設けられた注水弁で、前記水通路０２１側から前記燃料通路０２２及び合流部０３１側に向かう流れのみを許容し、かつその開弁圧力Ｐｐを前記針弁０１１の開弁圧力Ｐ０よりも小さく構成されて、前記高圧燃料管２に連通されている燃料噴射弁３内の燃料通路０２２側の圧力が前記水通路０２１内の圧力よりも低下したとき開弁されるようになっている。
【００２５】
４は前記燃料供給管３１に設けられて該燃料供給管路を開閉する燃料用電磁弁である。該燃料用電磁弁４は常時開弁し通電時に閉弁するノルマルオープン型電磁弁に構成されている。５は前記水供給管３４に設けられて該水供給管路を開閉する水用電磁弁である。該水用電磁弁５は常時閉弁し通電時に開弁するノルマルクローズ型電磁弁に構成されている。
従って、前記主電磁弁４が通電により前記燃料供給管路３１を閉じたとき、前記燃料噴射ポンプ１内のプランジャ２５によりプランジャ室２７内の燃料を高圧に加圧し前記高圧燃料管２を介して燃料噴射弁３に送出し、通電が遮断され燃料供給管路３１を閉じたとき燃料噴射が終了することとなる。
【００２６】
かかる燃料・水噴射デイーゼル機関において、ノルマルオープン型電磁弁に構成されている主電磁弁４に通電して前記燃料供給管路３１を閉じ、前記燃料噴射ポンプ１の燃料カム２０によって往復摺動せしめられるプランジャ２５を上動すると、前記高圧燃料管路２は密閉空間となっているため、該高圧燃料管２内は前記燃料噴射弁３における針弁０１１の開弁圧力Ｐ０以上の高圧に加圧され、該針弁０１１に作用してこれを開弁させ、燃焼室内に噴射される。そして、前記主電磁弁４の通電を解除すれば、燃料噴射ポンプ１のプランジャ室２７内が給油圧となり、燃料噴射が終了する。
【００２７】
次に、前記燃料噴射と次の燃料噴射との間の燃料噴射休止期間（前記燃料用電磁弁４により燃料供給管路３１は開となり、燃料通路内の圧力は前記燃料噴射ポンプ１の燃料逆止弁１８の開弁圧力Ｐｒ程度に低下）に、燃料噴射弁３から燃料とともに水噴射を行うにあたっては、ノルマルクローズ型の水用電磁弁５を開く。これにより、前記水ポンプ１０により圧送された水が注水弁９を押し開き、図4（Ｂ）に示されるように、燃料に続いて燃料噴射弁３内に押し込まれ、次の燃料噴射時に燃料に引き続いて燃焼室内に噴射される。
【００２８】
しかしながら、かかる比較例においては、水の注入量の調整は、水用電磁弁５の開期間によるため、高精度の制御が要求される。
【００２９】
本発明の第１実施例を示す図１において、１はその要部詳細が図５に示されている燃料噴射ポンプで、機関のクランク軸に連動されて回転するカム軸に設けられた燃料カム２０によって往復動せしめられるプランジャ２５によりプランジャ室２７内の燃料を圧送するように構成されている。３はその詳細が図５に示されている燃料噴射弁である。２は前記燃料噴射ポンプ１の高圧燃料出口（図5に示す燃料吐出弁１７）と前記燃料噴射弁３の燃料通路０２２（図５参照）とを接続する高圧燃料管である。
４８は燃焼性の良好なＡ重油が収容されたＡ重油タンク、４６は前記Ａ重油タンク４８と後述する燃料側切換弁４５の一方側の入口とを接続するＡ重油供給管、４９は前記Ａ重油供給管４６に設けられＡ重油タンク４８内のＡ重油を燃料噴射ポンプ１側に送給するＡ重油ポンプである。また、５２は前記Ａ重油供給管４６から分岐されて後述する水側切換弁５３の一方側の入口に接続されるＡ重油分岐管である。
【００３０】
５０は前記Ａ重油よりも燃焼性が劣るＣ重油が収容されたＣ重油タンク、４７は前記Ｃ重油タンク５０と後述する燃料側切換弁４５の他方側の入口とを接続するＣ重油供給管、５１は前記Ｃ重油供給管４７に設けられＣ重油タンク５０内のＣ重油を燃料噴射ポンプ１側に送給するＣ重油ポンプである。
４５は三方切換弁に構成された燃料側切換弁で、一方側の入口が前記Ａ重油供給管４６に、他方側の入口が前記Ｃ重油供給管４７に、もう１つの出口が前記後述する燃料用電磁弁４への燃料供給管３１に夫々接続されており、図示しない弁制御装置により前記燃料供給管３１とＡ重油供給管４６あるいはＣ重油供給管４７との接続を切り換えるものである。
４は前記燃料供給管３１に設けられて該燃料供給管３１を開閉する燃料用電磁弁である。該燃料用電磁弁４は常時開弁し通電時に閉弁するノルマルオープン型電磁弁に構成されている。
【００３１】
前記燃料噴射ポンプ１及び燃料噴射弁３の詳細を示す図５において、１は燃料噴射ポンプで次のように構成されている。
２５はプランジャバレル２４の内周に摺動自在に嵌合され前記燃料カム２０によって往復摺動せしめられるプランジャ、２７はプランジャ室、１７は燃料吐出弁、１８は燃料逆止弁である。２２は連結部材０２７に穿孔された給油孔で前記燃料供給管３１に接続されている。これにより、前記プランジャ２５の上動によってプランジャ室２７内の燃料が高圧に加圧され、該高圧燃料が前記燃料吐出弁１７を押し開いて前記高圧燃料管２に吐出されることとなる。
かかる燃料噴射ポンプ１は，公知のジャーク式燃料噴射ポンプからプランジャ２５の噴射量制御リード及び、燃料調整ラック、ピ二オン等の噴射量調整機構を除去したものである。
【００３２】
前記燃料噴射弁３の詳細を示す図５において、０９は本体、０３３はノズルチップ、０１０は該ノズルチップ０３３の先端部に複数穿孔された噴孔、０１１は該ノズルチップ０３３内に往復摺動可能に嵌合された針弁、０１４は該針弁０１１の開弁圧力Ｐ０を設定する針弁ばね、０１２は前記針弁０１１の先端部が臨む油溜部である。０２２は入口端が前記高圧燃料管２に接続され出口端が前記油溜部０１２に接続される燃料通路である。
【００３３】
０２１は入口端が後述する水供給管３４に接続され出口端が後述する注水弁９を経て前記ノズルチップ０３３下部に形成された水平方向の水通路０３０に接続される水通路である。また、前記水平方向の水通路０３０の出口端は前記燃料通路０２２の下部の前記油溜部０１２よりも上流部位に合流されて合流部０３１を形成している。
また、前記燃料逆止弁１８の開弁圧力Ｐｒ、前記注水弁９の開弁圧力Ｐｐ、燃料噴射弁３の針弁０１１の開弁圧力Ｐ０とすると、これらの関係は、
Ｐ０＞Ｐｒ、Ｐ０＞Ｐｐ、Ｐｒ＞Ｐｐ
のように設定されている。
【００３４】
一方、図１において、１１は水タンク、０５４は該水タンク１１と後述する水側切換弁５３の他方側の入口とを接続する水供給管、１０は該水供給管０５４に設けられて水タンク１１内の水を後述する水・燃料噴射弁ポンプ６０に送給する水ポンプである。
５３は三方切換弁に構成された水側切換弁で、一方側の入口が前記Ａ重油分岐管５２に、他方側の入口が前記水供給管０５４に、もう１つの出口が後述する水・燃料噴射弁ポンプ６０への水供給管５４に夫々接続されており、図示しない弁制御装置により前記水供給管５４とＡ重油分岐管５２あるいは水供給管０５４との接続を切り換えるものである。
【００３５】
６０はその詳細が図６に示されている水・燃料注入ポンプで、機関のクランク軸に連動されて回転するカム軸に設けられた水・燃料用カム６５によって往復動せしめられるプランジャ６１によりプランジャ室６３内の水あるいは燃料を、後述する水供給管３４及び注水弁９を経て前記燃料噴射弁３へ圧送するように構成されている。
３４は前記水・燃料用カム６５の吐出部（吐出弁６４）と前記燃料噴射弁３の水通路０２１（図５参照）とを接続する水供給管である。
９は前記燃料噴射弁３内の水通路０２１に設けられ、前記水供給管３４の出口側に連通された注水弁で、前記水通路０２１側から前記燃料通路０２２及び合流部０３１側に向かう流れのみを許容し、かつその開弁圧力Ｐｐを前記針弁０１１の開弁圧力Ｐ０よりも小さく構成されて、前記高圧燃料管２に連通されている燃料噴射弁３内の燃料通路０２２側の圧力が前記水通路０２１内の圧力よりも低下したとき開弁されるようになっている。
【００３６】
前記水・燃料注入ポンプ６０の詳細を示す図６において、６０は水・燃料注入ポンプで次のように構成されている。
１０１はポンプケース、１０２は該ポンプケース内に固定されたプランジャバレル、６１は該プランジャバレル１０２の内周に摺動自在に嵌合され前記水・燃料用カム６５（図１参照）によって往復摺動せしめられるプランジャである。該プランジャ６１はその上端部に噴射量及び噴射時期調整用のリード部６２が形成されている。６３は該プランジャ６１の上部に形成されたプランジャ室、６４は吐出弁である。
【００３７】
１０３は前記プランジャバレル１０２に穿孔された供給孔で、前記水供給管５４に接続されている。１０５は前記水・燃料用カム６５に当接されるタペット、１０４はプランジャスプリングである。
１０６はラック、１０７は該ラック１０６に噛み合うピニオン、１０８は該ピニオン１０７を回転駆動するアクチュエータ、０６１は前記プランジャ６１の下部に固定されるとともに前記ラック１０６に噛み合って該プランジャ６１を回転させる回転装置であり、前記アクチュエータ１０８によりピニオン１０７を介してラック１０６を往復動させ、該ラック１０６の往復動により回転装置０６１を介してプランジャ６１を回転させることにより前記リード部６２が前記供給孔１０３を閉じる時期を変化させ、これによって水あるいは燃料の噴射量を調整するとともに前記水・燃料用カム６５のプロフィールとの共働により噴射時期を調整するようになっている。
【００３８】
かかる構成からなる燃料・水噴射システムを備えたデイーゼル機関の動作を説明する。
先ず、主燃料にＣ重油を用いて運転する際には、燃料側切換弁４５をＣ重油供給管４７と燃料供給管３１との接続に切り換える。これにより、Ｃ重油ポンプ５１により圧送されたＣ重油がノルマルオープン型電磁弁に構成されている燃料用電磁弁４を通って燃料噴射ポンプ１のプランジャ室２７に流入する。一方Ａ重油を用いて運転する際には、燃料側切換弁４５をＡ重油供給管４６と燃料供給管３１との接続に切り換えればよい。
次いで、前記燃料用電磁弁４に通電して前記燃料供給管路３１を閉じる。この状態で前記燃料噴射ポンプ１の燃料カム２０によって往復摺動せしめられるプランジャ２５を上動すると、前記燃料用電磁弁４の閉鎖により前記高圧燃料管路２は密閉空間となっているため、該高圧燃料管２内は前記針弁０１１の開弁圧力Ｐ０以上の高圧に加圧される。
【００３９】
これにより、プランジャ室２７内の燃料は燃料吐出弁１７を押し開け、高圧燃料管２から燃料噴射弁３の燃料通路０２２を経て油溜部０１２に達し，前記針弁０１１に作用してこれを開弁させ、燃焼室内に噴射される。そして、前記燃料用電磁弁４の通電を解除すれば、プランジャ室２７内が給油圧となり、燃料噴射が終了する。
かかるＣ重油あるいはＡ重油噴射時における燃料噴射タイミングつまり燃料噴射開始時期及び燃料噴射終了時期は前記燃料用電磁弁４の開閉時期によって調整し、燃料噴射量は該燃料用電磁弁４が閉じている期間並びに前記燃料カム２０のリフト（カムプロフィール）によって調整する。
【００４０】
次に、前記水・燃料注入ポンプ６０の作動及び燃料用電磁弁４の開閉操作により、燃料噴射弁３から燃料とともに水噴射を行うにあたっては、前記ノルマルオープン型の燃料用電磁弁４の通電解除により燃料噴射が終了した後、高圧燃料管２内を含む燃料通路内の圧力が前記燃料噴射ポンプ１の燃料逆止弁１８の開弁圧力Ｐｒ程度に低下する。一方、図示しない弁制御装置により水側切換弁５３を作動させ、前記水供給管５４と水ポンプ１０側の水供給管０５４とを接続して、前記水・燃料注入ポンプ６０のプランジャ６１の下降時に供給孔１０３を経てプランジャ室６３内に水を供給する。
【００４１】
そして、前記燃料用電磁弁４により燃料供給管路３１が開となり、燃料通路内の圧力が前記燃料噴射ポンプ１の燃料逆止弁１８の開弁圧力Ｐｒ程度に低下した圧力状態での、次のサイクルの燃料噴射までの間の燃料噴射休止期間における所定期間内に、前記水・燃料注入ポンプ６０が作動し、機関のクランク軸に連動される水・燃料用カム６５によって往復動せしめられるプランジャ６１の上動によりプランジャ室６３内の水を前記水供給管３４内に押し出し、注水弁９が開弁せしめられる。
このとき、前記燃料噴射ポンプ１の燃料逆止弁１８の開弁圧力Ｐｒ、前記注水弁９の開弁圧力Ｐｐ、燃料噴射弁３の針弁０１１の開弁圧力Ｐ０とすると、これらの関係が、
Ｐ０＞Ｐｒ、Ｐ０＞Ｐｐ、Ｐｒ＞Ｐｐ
のように設定されているため、前記注水弁９の開弁により燃料噴射弁３の水通路０２１に供給された水は、前記注水弁９を経て水通路０３０及び燃料と水との合流部０３１を通り燃料通路０２２内に流入する。
【００４２】
前記燃料通路０２２内の合流部０３１よりも燃料噴射ポンプ１側にある燃料（Ｃ重油あるいはＡ重油）は該燃料噴射ポンプ１の方向に高圧燃料管２を通して押し戻される。その結果、前記燃料噴射弁３内には油溜部０１２及び該油溜部０１２から合流部０３１までの容積分の燃料で満たされ、該合流部０３１の上流側の燃料通路０２２には所定量の水が満たされ、さらにその上流側には再び燃料が満たされた層状状態となっている。
【００４３】
次いで、前記燃料噴射ポンプ１の吐出が開始されて燃料噴射弁３内の燃料が加圧され、圧力が上昇して該燃料噴射弁３の開弁圧力Ｐ０以上になると、針弁０１１が開かれ噴射が開始される。該噴射は、前記のように層状状態にある燃料及び水のうち、先ず燃料が噴射され、着火遅れ期間を経た後、燃焼を開始する。引き続き水が燃焼中の先行燃料噴霧火炎をめがけて噴射される。このとき噴射される水も噴霧となってその内部に燃焼室内の空気を取り込んでいるため、先行噴射された燃料に空気を供給する形となって燃焼が活発化される。
そして、最後に残りの燃料が、先行した水噴霧の中に噴射され燃焼する。かかる燃料と水の噴射に伴う熱的影響により火炎の温度上昇が抑えられ、ＮＯｘの発生が抑制される。
【００４４】
かかる実施例によれば、燃料側切換弁４５を切り換えることにより、Ｃ重油とＡ重油のように燃焼性の異なる２種類の燃料の燃料噴射ポンプ１及び燃料噴射弁３への供給を切り換え、燃料噴射ポンプ１への燃料供給管３１に設けられた燃料用電磁弁４の開閉時期及び開閉期間によって燃料噴射タイミング及び噴射量を調整することができるとともに、水供給管路５４、３４に前記水・燃料注入ポンプ６０を設けて、該前記水・燃料注入ポンプ６０のリード部６２の位置により水の注入時期及び注入量を調整して、燃料噴射から次のサイクルの燃料噴射までの間の燃料噴射休止期間における所定期間内に、水を、前記水・燃料注入ポンプ６０により注水弁９を介して燃料噴射弁３に供給することができる。
【００４５】
機関の運転終了前においては、前記燃料側切換弁４５によりＡ重油供給管４６と燃料供給管３１とを接続するとともに、前記水側切換弁５３によりＡ重油分岐管５２とを接続して、所定時間運転を継続した後、機関を停止する。
運転終了前におけるかかる操作により、燃料噴射ポンプ１及び燃料噴射弁３には前記燃料側切換弁４５及び燃料用電磁弁４を経て性状の良好なＡ重油が供給されるとともに、水・燃料注入ポンプ６０にも前記水側切換弁５３を経て前記Ａ重油が供給されている。この状態で機関を停止することにより、機関停止中に燃料噴射ポンプ１、燃料噴射弁３及び水・燃料注入ポンプ６０にはＡ重油が侵入しあるいは貯められて、水分は完全にフラッシングされこれらの機器内に残存することはなく、該水分による及び水・燃料注入ポンプ６０及び前記各機器の錆びの発生を防止できる。
【００４６】
図２に示される第２実施例においては、前記水・燃料注入ポンプ６０のプランジャ６１により開閉される供給孔１０３に前記Ｃ重油あるいはＡ重油を導く一方、プランジャ室６３に水ポンプ１０からの水を導き、該水・燃料注入ポンプ６０により水とＣ重油あるいはＡ重油とを層状にして燃料噴射弁３に供給するように構成されている。
【００４７】
即ち、図２において、前記燃料側切換弁４５の出口側に接続される燃料供給管３１の途中から分岐された燃料分岐管０６６は、前記水・燃料注入ポンプ６０の供給孔１０３（図６参照）に接続されている。０６５は前記燃料分岐管０６６に設けられた燃料入口弁で、前記燃料側切換弁４５から前記水・燃料注入ポンプ６０側に向かう流れのみを許容するように構成されている。
【００４８】
また、前記水・燃料注入ポンプ６０の出口側には前記第１実施例のような吐出弁６４を備えてなく、該水・燃料注入ポンプ６０のプランジャ室６３に水供給管３４を直接接続し、さらに該水供給管３４の途中に水供給管０５４を接続している。６７は該水供給管０５４に設けられたヒータで、Ｃ重油運転の場合に水を予熱するものである。６６は前記水供給管０５４の前記ヒータの下流側に設けられた水逆止弁で、前記水供給管０５４内と前記水供給管３４内との差圧により開閉されるようになっている。
また、前記燃料入口弁０６５の開弁圧力は、前記水逆止弁６６の開弁圧力よりも大きく設定されている。さらに、燃料の供給圧力は水の供給圧力よりも高く設定してある。
【００４９】
かかる実施例において、燃料としてＣ重油を使用するＣ重油運転の場合には、前記燃料側切換弁４５によりＣ重油供給管４７と燃料供給管３１とを接続する。この状態で前記水・燃料注入ポンプ６０のプランジャ６１が下降せしめられると、該プランジャ６１のリード部６２により供給孔１０３が開かれるまでは、プランジャ室６３及びこれに連通されている水供給管３４の圧力が低下し，前記水逆止弁６６の開弁圧力よりも小さくなると、該水逆止弁６６が開き、前記水ポンプ１０からの水が水供給管３４を通って前記プランジャ室６３に導入される。
【００５０】
さらに前記プランジャ６１が下降してそのリード部６２が前記供給孔１０３を開くと、前記Ｃ重油ポンプ５１により圧送されたＣ重油が前記燃料入口弁６５を押し開きプランジャ室６３に流入する。これにより、図２（Ｂ）に示すように、燃料通路には水と燃料（Ｃ重油）とが層状になって貯められることとなる。
前記プランジャ室６３内における水とＣ重油との割合は、前記プランジャ６１の最上位置から前記リード部６２が前記供給孔１０３を開くまでのストローク即ちプランジャ６１の有効行程によってきまり、前記アクチュエータ１０８及びラック１０６によりプランジャ６１を回転させて、前記有効行程を機関出力あるいは機関回転数に従い変化させ、前記水とＣ重油との割合を調整できる。
【００５１】
そして、前記プランジャ６１が上昇行程に入ると燃料入口弁０６５が閉じ、前記プランジャ室６３内に貯められている水及びＣ重油は該プランジャ６１の上動により，該プランジャ室６３から前記水供給管３４を通って、前記注水弁９を押し開いて燃料噴射弁３に入り、前記第１実施例と同様に、水通路０３０及び燃料通路０２２に層状に押し込まれた後、前記燃料噴射ポンプ１からの燃料（Ｃ重油）により燃焼室内に噴射せしめられる。
尚、運転終了前における、燃料噴射ポンプ１、燃料噴射弁３及び水・燃料注入ポンプ６０のＡ重油による水分のフラッシング動作については、前記第１実施例と同様になすことができる。
【００５２】
かかる第２実施例においては、前記アクチュエータ１０８及びラック１０６によりプランジャ６１を回転させてその有効行程を機関出力あるいは機関回転数に従い変化させ、前記プランジャ室６３内における水とＣ重油との割合を調整できることとなる。これにより、高価な制御手段を装備することなく機関の運転状態と連動して水噴射モードの制御が可能となる。
その他の構成は前記第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【００５３】
図３に示される第３実施例においては、前記水・燃料注入ポンプ６０のプランジャ６１により開閉される供給孔１０３にＡ重油を導く一方、プランジャ室６３に水ポンプ１０からの水及びＣ重油を導くとともに、水の供給管路に可変絞りの開閉弁７２を設け、前記水・燃料注入ポンプ６０により水とＣ重油、並びにＡ重油を層状にして燃料噴射弁３に供給するように構成されている。尚、前記可変弁絞りの開閉弁７２はＣ重油側に設けても、あるいはＣ重油、水の両側に設けても良い。
【００５４】
即ち、図３において、前記Ａ重油ポンプ４９の吐出口は前記燃料供給管３１に直接接続され、該燃料供給管３１の前記燃料用電磁弁４上流側から分岐されたＡ重油分岐管７０は、前記水・燃料注入ポンプ６０の供給孔１０３（図６参照）に接続されている。０６５は前記Ａ重油分岐管７０に設けられた燃料入口弁で、前記燃料供給管３１から前記水・燃料注入ポンプ６０側に向かう流れのみを許容するように構成されている。
【００５５】
また、前記水・燃料注入ポンプ６０の出口側には前記第１実施例のような吐出弁６４を備えてなく、該水・燃料注入ポンプ６０のプランジャ室６３に水供給管３４を直接接続している。さらに該水供給管３４の途中には、前記水ポンプ１０からの水供給管０５４を接続するとともに、前記Ｃ重油ポンプ５１からのＣ重油供給管０７１を接続している。
６７は該水供給管０５４に設けられたヒータで、Ｃ重油運転の場合に水を予熱するものである。６６は前記水供給管０５４の前記ヒータ６７の下流側に設けられた水逆止弁で、前記水供給管０５４内と前記水供給管３４内との差圧により開閉されるようになっている。７２は前記水供給管０５４の前記水逆止弁６６の下流側に設けられた可変開閉弁である。
７３は前記Ｃ重油供給管０７１に設けられたヒータで、Ｃ重油運転の場合に該Ｃ重油を予熱するものである。７１は前記Ｃ重油供給管０７１の前記ヒータ７３の下流側に設けられたＣ重油逆止弁で、前記Ｃ重油供給管０７１内と前記水供給管３４内との差圧により開閉されるようになっている。
また、前記燃料入口弁６５の開弁圧力は、前記水逆止弁６６の開弁圧力及び該水逆止弁６６と同一に設定されたＣ重油逆止弁７１の開弁圧力よりも大きく設定されている。
【００５６】
かかる実施例において、先ず、Ａ重油ポンプ４９からＡ重油を前記燃料用電磁弁４を介して燃料噴射ポンプ１に送った後、該燃料用電磁弁４を閉じて、前記第１実施例と同様にプランジャにより加圧して燃料噴射弁３に送り、該燃料噴射弁３から燃焼室内に噴射する。
そして、前記燃料用電磁弁４の開弁により噴射が終了し、次の噴射までの燃料噴射休止期間中の前記水・燃料用カム６５により決められた時期に前記水・燃料注入ポンプ６０のプランジャ６１が下降せしめられると、該プランジャ６１のリード部６２により供給孔１０３が開かれるまでは、プランジャ室６３及びこれに連通されている水供給管３４の圧力が低下し，前記水逆止弁６６の開弁圧力及び該水逆止弁６６と同一に設定されたＣ重油逆止弁７１の開弁圧力よりも小さくなると、該水逆止弁６６及びＣ重油逆止弁７１が開き、前記水ポンプ１０からの水及びＣ重油ポンプ５１からのＣ重油が水供給管３４を通って前記プランジャ室６３方向に導入される。
【００５７】
さらに前記プランジャ６１が下降してそのリード部６２が前記供給孔１０３を開くと、前記Ａ重油ポンプ４９により圧送されたＡ重油が前記燃料入口弁６５を押し開きプランジャ室６３に流入する。これにより、前記プランジャ室６３内には、図３（Ｂ）に示すように、水及びＣ重油とＡ重油が層状になって貯められることとなる。
前記プランジャ室６３内における水及びとＣ重油とＡ重油との割合は、前記プランジャ６１の最上位置から前記リード部６２が前記供給孔１０３を開くまでのストローク即ちプランジャ６１の有効行程によってきまり、前記アクチュエータ１０８及びラック１０６によりプランジャ６１を回転させて、前記有効行程を機関出力あるいは機関回転数に従い変化させ、前記水及びとＣ重油とＡ重油との割合を調整できる。
また、プランジャ室６３内に導入されている水とＣ重油との割合は、前記可変開閉弁７２の開度を変化させることにより水の流量を変化させて調整できる。
【００５８】
そして、前記プランジャ６１が上昇行程に入ると燃料入口弁が閉じ、前記プランジャ室６３内に貯められているＡ重油と水及びＣ重油とは該プランジャ６１の上動により，該プランジャ室６３から前記水供給管３４を通って、前記注水弁９を押し開いて燃料噴射弁３に入り、前記第１、第２実施例と同様に、水通路０３０及び燃料通路０２２に層状に押し込まれる。
【００５９】
次いで、燃料用電磁弁４が閉じ、前記燃料噴射ポンプ１からＡ重油の吐出が開始されて燃料噴射弁３内に層状に押し込まれているＡ重油と水及びＣ重油が，前記燃料噴射ポンプ１からのＡ重油に押し出されて噴射され、最後にＡ重油が、先行した燃料及び水噴霧の中に噴射され燃焼する。
尚、運転終了前における、燃料噴射ポンプ１、燃料噴射弁３及び水・燃料注入ポンプ６０のＡ重油による水分のフラッシング動作については、前記第１、第２実施例と同様になすことができる。
【００６０】
かかる第３実施例においては、最初の燃料噴射を着火性、燃焼性の良好なＡ重油で行うことにより着火性を確保し、次いで水及びＣ重油を噴射し燃焼させることによりＮＯｘの発生量を低減し、最後にＡ重油を噴射し燃焼させて後燃えを抑制することができ、これにより、ＮＯｘの発生量を低減しつつ燃焼性に劣るＣ重油の完全燃焼を実現できる。
【００６１】
また、かかる第３実施例においては、前記アクチュエータ１０８及びラック１０６によりプランジャ６１を回転させてその有効行程を機関出力あるいは機関回転数に従い変化させ、前記プランジャ室６３内におけるＡ重油と水及びＣ重油との割合を調整できるのに加えて、プランジャ室６３内に導入されている水とＣ重油との割合を前記可変開閉弁７２の開度を変化させることにより調整できるので、Ａ重油、水、Ｃ重油の３つの燃焼媒体を層状にして燃焼室内に噴射することが可能となり、機関の運転状態と連動して水噴射モードの制御の幅が拡大される。
【００６２】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、燃料側切換弁を切り換えることにより、燃焼性の異なる２種類の燃料の燃料噴射ポンプ及び燃料噴射弁への供給を切り換え、燃料噴射ポンプへの燃料供給通路に設けられた燃料用電磁弁の開閉時期及び開閉期間によって燃料噴射タイミング及び噴射量を調整することができるとともに、水供給通路に設けられた水・燃料注入ポンプのリード部の位置により水の注入時期及び注入量を調整して、水を燃料噴射から次のサイクルの燃料噴射までの間の燃料噴射休止期間における所定期間内に、前記水・燃料注入ポンプにより注水弁を介して燃料噴射弁に供給することができる。
これにより、燃料と水とを適正な噴射時期及び所要の噴射量で以って噴射、燃焼させて、高い燃焼性能を維持しつつＮＯｘ低減が可能となる。
【００６３】
また、機関の運転終了前における、燃料側切換弁及び水側切換弁の操作により、燃料噴射ポンプ及び燃料噴射弁には前記燃料側切換弁及び燃料用電磁弁を経て性状の良好な副燃料が供給されるとともに、水・燃料注入ポンプにも前記水側切換弁を経て前記副燃料が供給されることにより、機関停止中に燃料噴射ポンプ、燃料噴射弁及び水・燃料注入ポンプには前記副燃料が侵入しあるいは貯められて、水分は完全にフラッシングされこれらの機器内に残存することがなく、該水分による及び水・燃料注入ポンプ及び前記各機器の錆びの発生を防止できる。
【００６４】
また、請求項３のように構成すれば、水・燃料注入ポンプのプランジャを回転させてその有効行程を機関出力あるいは機関回転数に従い変化させ、前記プランジャ室内における水とＣ重油との割合を調整できることとなり、これにより高価な制御手段を装備することなく機関の運転状態と連動して水噴射モードの制御が可能となる。
【００６５】
さらに、請求項４のように構成すれば、最初の燃料噴射を着火性、燃焼性の良好なＡ重油等の副燃料で行うことにより着火性を確保し、次いで水及び燃焼性に劣るＣ重油等の主燃料を噴射し燃焼させることによりＮＯｘの発生量を低減し、最後に前記副燃料を噴射し燃焼させて後燃えを抑制することができ、これにより、ＮＯｘの発生量を低減しつつ燃焼性に劣る主燃料の完全燃焼を実現できる。
また、前記水・燃料注入ポンプのプランジャを回転させてその有効行程を機関出力あるいは機関回転数に従い変化させ、プランジャ室内における前記副燃料と水及び主燃料との割合を調整できるのに加えて、プランジャ室内に導入されている水と主燃料との割合を可変開閉弁の開度を変化させることにより調整できるので、副燃料、水、主燃料の３つの燃焼媒体を層状にして燃焼室内に噴射することが可能となり、機関の運転状態と連動して水噴射モードの制御の幅が拡大される。
【００６６】
要するに本発明によれば、２種類の燃料と水とを噴射する内燃機関において、比較的簡単な制御手段で以って高精度の水噴射制御を行うことができるとともに、水噴射の制御操作機器の装置コストが低減され、高い燃焼性能を維持してＮＯｘ低減を実現できる燃料・水噴射内燃機関が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図である。
【図２】 第２実施例を示す図１対応図である。
【図３】 第３実施例を示す図１対応図である。
【図４】 比較例を示すデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図である。
【図５】 前記各実施例における燃料噴射ポンプ及び燃料噴射弁の構造を示す断面図である。
【図６】 前記各実施例における水・燃料注入ポンプの断面図である。
【図７】 従来技術における水・燃料注入ポンプの断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料噴射ポンプ
２ 高圧燃料管
３ 燃料噴射弁
４ 燃料用電磁弁
９ 注水弁
１０ 水ポンプ
０１０ 噴孔
１１ 水タンク
０１１ 針弁
１２ 燃料供給ポンプ
０１２ 油溜部
１３ 燃料タンク
１７ 燃料吐出弁
１８ 燃料逆止弁
２０ 燃料カム
２２ 給油孔
０２１ 水通路
０２２ 燃料通路
２４ プランジャバレル
２５ プランジャ
２７ プランジャ室
３１ 燃料供給管
０３１ 合流部
３４ 水供給管
４５ 燃料側切換弁
４６ Ａ重油供給管
４７ Ｃ重油供給管
４９ Ａ重油ポンプ
５１ Ｃ重油ポンプ
５２、７０ Ａ重油分岐管
５３ 水側切換弁
５４、０５４ 水供給管
６０ 水・燃料注入ポンプ
６１ プランジャ
６２ リード部
６３ プランジャ室
６４ 吐出弁
６５ 水・燃料用カム
６６ 水逆止弁
０６６ 燃料分岐管
６７、７３ ヒータ
１０２ プランジャバレル
１０３ 供給孔
Claims (6)
- 燃料と水とを燃焼室に噴射する燃料・水噴射内燃機関であって、燃料噴射ポンプと連通する燃料通路と逆止弁とを内蔵し、かつ該燃料通路と合流する水供給路とを有する燃料噴射弁と、前記燃料噴射ポンプが休止している間に所定量の水を前記水供給路を通じて合流部から前記燃料通路内に供給する水供給手段を備えるとともに、前記燃料噴射弁の油溜部の容積と前記合流部から油溜部までの容積の合計が全燃料噴射量の５％以上７５％以下である燃料、水噴射内燃機関において、水ポンプからの水通路を前記燃料通路に接続するとともに、前記水通路に設けられて前記燃料通路内の圧力が該水通路内の圧力よりも低下したとき開弁される注水弁と、水の注入時期及び注入量を調整可能にされ該水を前記注水弁側に圧送する水・燃料注入ポンプを備え、該水・燃料注入ポンプの吐出側を前記水通路に接続してなり、
更に機関の主燃料が供給される主燃料通路と副燃料が供給される副燃料通路とを併設し、前記燃料供給通路に前記燃料供給通路と前記主燃料通路または前記副燃料通路との接続を切り換える燃料側切換弁を設け、さらに前記水通路の前記水・燃料注入ポンプの上流部位に前記副燃料通路を接続し、該接続部に前記水通路と前記副燃料通路との接続あるいは遮断を司る水側切換弁を設けてなることを特徴とする燃料・水噴射内燃機関。 - 燃料と水とを燃焼室に噴射する燃料・水噴射内燃機関であって、燃料噴射ポンプと連通する燃料通路と逆止弁とを内蔵し、かつ該燃料通路と合流する水供給路とを有する燃料噴射弁と、前記燃料噴射ポンプが休止している間に所定量の水を前記水供給路を通じて合流部から前記燃料通路内に供給する水供給手段を備えるとともに、前記燃料噴射弁の油溜部の容積と前記合流部から油溜部までの容積の合計が全燃料噴射量の５％以上７５％以下である燃料、水噴射内燃機関において、水ポンプからの水通路を前記燃料通路に接続するとともに、前記水通路に設けられて前記燃料通路内の圧力が該水通路内の圧力よりも低下したとき開弁される注水弁と、水の注入時期及び注入量を調整可能にされ該水を前記注水弁側に圧送する水・燃料注入ポンプを備え、該水・燃料注入ポンプの吐出側を前記水通路に接続してなり、
更に前記水・燃料注入ポンプを、プランジャバレル内に往復動自在に嵌合されたプランジャを機関の回転に連動されて回転するカムによって往復動させることによりプランジャ室に供給された燃料あるいは水を加圧して前記注水弁側に送出するとともに前記カムのプロフィール及び前記プランジャにおけるリード部の位置変化により前記燃料あるいは水の注入時期および注入量を調整可能にされた往復動式ポンプにて構成し、前記水ポンプ出口側の水通路を入口出口間の差圧により開閉される水逆止弁を介して前記水燃料注入ポンプから注水弁までの水供給管の途中に接続し、さらに前記水・燃料注入ポンプのプランジャリード部によって開閉される給油口に入口出口間の差圧により開閉される燃料入口弁を介して前記燃料供給通路の途中から分岐された燃料分岐管を接続してなることを特徴とする燃料・水噴射内燃機関。 - 機関の主燃料が供給される主燃料通路と副燃料が供給される副燃料通路とを併設し、前記燃料供給通路に前記燃料供給通路と前記主燃料通路または前記副燃料通路との接続を切り換える燃料側切換弁を設け、前記燃料供給通路の前記燃料側切換弁よりも下流部位を前記水・燃料注入ポンプの給油口に接続してなることを特徴とする請求項２記載の燃料・水噴射内燃機関。
- 前記水通路の途中に、第２の燃料を供給する第２の燃料供給管を入口出口間の差圧により開閉される送出弁を介して接続し、前記水・燃料注入ポンプのプランジャ吸入行程時に前記第２の燃料を水とともに前記プランジャ室に吸入可能に構成されてなることを特徴とする請求項２記載の燃料・水噴射内燃機関。
- 前記水ポンプ下流の水通路に、水を加熱するヒータを設けてなることを特徴とする請求項２記載の燃料・水噴射内燃機関。
- 前記第２の燃料供給管に、第２の燃料を加熱するヒータを設けてなることを特徴とする請求項４記載の燃料・水噴射内燃機関。
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