JP5412570B2 - ターボ過給式大型２ストロークディーゼルエンジンのための燃料ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ターボ過給式大型２ストロークディーゼルエンジンのための燃料ポンプに関し、より具体的には、潤滑性能の劣る、または摩擦を生じてしまうような代替燃料を使用して運転されるターボ過給式大型２ストロークディーゼルエンジンのための燃料ポンプに関する。

発明の背景

クロスヘッド型ターボ過給式大型２ストロークディーゼルエンジンは概して、コンテナ船のような大型遠洋航行船または発電所等の原動機として使用される。

原油価格の高騰に伴い、ジメチルエーテル（dimethyl ether：DME）や石油コークス、石炭スラリーなどの代替燃料を使用して大型２ストロークディーゼルエンジンを運転することが試みられてきた。このような代替燃料は燃料特性において優れているが、潤滑性能において燃料油や重油のような従来の燃料に大きく劣る。潤滑性能の欠如が原因となり、エンジンシリンダの上部にある燃料弁へ高圧燃料を送る高圧燃料ポンプにおいて、いくつかの課題が生じる。

従来型の燃料ポンプは、カムまたは油圧作動レシプロプランジャを、プランジャとボアの間に所定の隙間をあけてボア内に収容した状態で有する。プランジャの外周面とボアの内周面との間の潤滑は燃料油をその所定の隙間にポンプ圧で送り込むことによって提供されていた。しかし、代替燃料を使用する場合、同じような潤滑を得ることはできず、従来型の燃料ポンプは、潤滑性のないそれどころか摩擦を生じてしまうような代替燃料を使用して運転すると、改良をしない限り、焼付きまたは類似の現象が原因となって、機能しなくなってしまうだろう。

特開平１０−３０６７６号公報にはＤＭＥを燃料とするディーゼルエンジンが開示されている。開示において燃料噴射ポンプのプランジャ下部室とカム室とを連絡するための連絡パイプが設置される。気化したDME燃料ガスは、プランジャとプランジャバレルの隙間から流出し、連絡パイプを通ってカム室に流入するようになっており、噴射ポンプのタペット部を通る同ガスのカム室への流れは減少されうる。カム室内に流入したDMEは、カムシャフト、エンジンクランク室およびブローバイガス導管を通って吸気管からエンジンの燃焼室に送り込まれ、燃料として使用される。カム室内の潤滑油の位置は、カム室内に流入したガスによって押し上げられ、結果としてプランジャ下部の潤滑は十分に得られる。
特開平１０−３０６７６号公報

以上を踏まえて、本発明の目的は、上述した種々の問題点および欠点を克服または少なくとも軽減するようなエンジンを提供することである。

本発明の目的は、クロスヘッド型ターボ過給式大型多気筒2ストロークディーゼルエンジンのための燃料ポンプを提供することで達成される。該燃料ポンプは、
主ボアを画定する筐体と、
定められた第１の隙間を空けて前記主ボアに摺動可能に収容される主プランジャであって、前記主ボア内で往復するように構成される主プランジャと、
前記主ボアおよび前記主プランジャによって画定されるポンプ室と、
前記ポンプ室と流体接続される少なくとも1つの燃料入口ポートと、
定められた第２の隙間を空けて第２ボア内に摺動可能に収容される第２プランジャと、
前記第２ボアおよび前記第２プランジャによって画定される第２ポンプ室と、
前記第２ポンプ室と流体接続される潤滑油入口ポートと、
前記主プランジャ内に設置される潤滑油通路であって、該潤滑油通路は前記第２ポンプ室に接続され、前記定められた第１の隙間に通じる、潤滑油通路と、
を備える。

主プランジャ内に潤滑油通路を一体化することにより、前記第１の隙間への、コンパクトかつ効率の良い潤滑/シーリング油供給が提供され、その結果、主ピストンの動きが滑らかになり、該第１の隙間への燃料の流入を防ぐことが可能となる。

本発明のある実施形態において、前記第２プランジャは前記主プランジャを縮径したものであり、また、前記第２ボアは前記主ボアを縮径したものである。従って、前記２つのプランジャは場所を取ることなく、１つの工程で１つの材料から容易に製造される。

本発明のある実施形態において、前記第２プランジャは前記主プランジャと一緒に運動する。従って、主ポンプは簡単かつ確実に制御され（rendered）、該潤滑供給は自動的に燃料噴射イベントとタイミングを合わせることができる。

本発明のある実施形態において、前記潤滑油通路の複数の先端のうちの１つが、前記第２ポンプ室に直接接続される。

本発明のある実施形態において、前記第２ボアは前記主プランジャ内に形成され、前記第２プランジャは前記筐体に固定され、前記ポンプ室を通過して前記第２ボア内へと突出する。従って、燃料ポンプは簡単かつ確実に制御され（rendered）、潤滑油の供給は自動的に燃料噴射イベントとタイミングを合わせることができる。

本発明のある実施形態において、前記潤滑油供給チャネルは、第２ポンプ室と潤滑油通路とを繋ぐ。また潤滑油供給チャネルは、第２プランジャおよびポンプ筐体内に形成される。

本発明のある実施形態において、第２プランジャの直径、前記第１の隙間および前記第２の隙間のサイズは、ポンプストロークの間に潤滑/シーリング油が第１の隙間および第２の隙間からポンプ室へ流れるよう決定される。従って、これにより燃料が第１および第２の隙間へ流入することを防ぎ、また、潤滑/シーリング油は第１および第２の隙間に存在し、主プランジャおよび第２プランジャの動きを滑らかにする。

本発明の上述の目的はまた、
複数のシリンダと、
クロスヘッドと、
潤滑油供給システムと、
前記複数のシリンダに関連した複数の燃料噴射弁と、
低圧燃料供給システムと、
主ボアを画定する筐体を有する燃料ポンプと、
定められた第１の隙間を空けて前記主ボアに摺動可能に収容される主プランジャであって、前記主ボア内で往復するように構成される主プランジャと、
前記ボアおよび前記主プランジャによって画定されるポンプ室と、
前記ポンプ室と流体接続される少なくとも１つの燃料入口ポートであって、該吸気ポートは低圧燃料供給システムに接続される、燃料入口ポートと、
１つまたは複数の燃料弁に接続される燃料出口ポート（２５）と、
定められた第２の隙間を空けて第２ボアに摺動可能に収容される第２プランジャと、
前記第２ボアおよび前記第２プランジャによって画定される第２ポンプ室と、
前記第２ポンプ室と流体接続される潤滑油入口ポートであって、該潤滑油入口ポートは潤滑油供給システムに接続される、潤滑油入口ポートと、
前記主プランジャ内に設置される潤滑油通路であって、前記第２ポンプ室に接続され前記第１の隙間に通じる、潤滑油通路と、
を備えるクロスヘッド型ターボ過給式大型２ストロークユニフロー低速ディーゼルエンジンを提供することで達成される。

本発明の開示に従う燃料ポンプおよび大型２ストロークディーゼルエンジンの目的、特徴、利点および特性は、以下の詳細な説明により、より明確なものとなるだろう。

以下に述べる本発明の詳細な説明において、燃料ポンプは、図面に示す実施例を参照してより詳細に説明される。
例示的実施形態に従う燃料ポンプの断面図である。 別の例示的実施形態に従う燃料ポンプの断面図である。

好適な実施形態の詳細な説明

以下の詳細な説明において、大型２ストロークエンジンのための燃料ポンプ１０は複数の例示的実施形態によって詳述される。図１および図２は例示的実施形態に従った燃料ポンプおよび大型低速ターボチャージ型低速２ストロークディーゼルエンジンの他の部分を示す。

燃料システムには１つ以上の燃料タンクが含まれる。ある特定の燃料のために専用燃料タンクが提供されうる。専用燃料タンクとは、重油用の加熱燃料タンク、攪拌装置を備えた石炭スラリー用のタンク、または石炭・水混合ユニットまたは攪拌装置を備えた石油コークス用のタンクおよび石油コークス・水混合ユニットでありうる。

大型２ストロークディーゼルエンジンの燃料システムには、高圧燃料を複数のエンジンシリンダの上端にある燃料弁に送るための複数の燃料ポンプが備えられる。一般的には、１つの燃料ポンプによって各シリンダに燃料を供給する。重油や石炭スラリー、石油コークス等の燃料は、低圧ポンプによって燃料ポンプ１０に供給される。図１または図２において、燃料タンク、供給システムおよび低圧ポンプは記号（図番１２）により示される。

ポンプシリンダを備えた主プランジャ１４は、シリンダ筐体内の主ボア１５またはポンプバレル１６内に摺動自在に収容される。このとき、主プランジャ１４と主ボア１５との間には、定められた第１の隙間が設けられる。主プランジャ１４は、エンジンによって駆動されるカムシャフトによって加力方向に動かされ、プランジャばねにより元の位置に戻される。または、主プランジャ１４は油圧により加力方向に動かされ、プランジャばねもしくは燃料圧により元の位置に戻される。図１においてカムまたは油圧は矢印１７により示される。油圧は比例弁（図示せず）により制御される。比例弁は電子制御ユニットにより制御される。比例弁を備える電子油圧制御により、燃料噴射のレートシェーピングや様々な噴射タイミングの制御が可能になる。

種々のエンジンで使用されるカム駆動式ポンプは逆転運動可能である。回転の逆方向において、噴射タイミングはカムに関連してローラー位置の変更により制御される。カム駆動式ポンプは可変噴射タイミングポンプ（Variable Injection Timing：VIT）である。

主圧力室１９とは反対側に位置する、主プランジャの長手方向の末端部には、流出油を集油チャネルへと導く傘部１３が設けられる。また、主プランジャのこの末端部は駆動プランジャ１７の第１の端部に隣接する。カムもしくは油圧１７は駆動プランジャの他方の端部１６で働く。

燃料ポンプがカム駆動である場合、主プランジャ１４のストローク長は固定され、主プランジャ１４はカムシャフトの一回転ごとにフルストロークを動き、吸入ストロークおよび圧縮ストロークを行う。しかし、カム駆動式の燃料ポンプ１０において、有効なストローク、つまりポンプストロークに関連づけられる排出量は、よく知られている方法で可変とすることができる。この方法は、図示しない遮断エッジを、主プランジャの調整可能な回転位置と組み合わせることによって行われる。

ポンプ室１９は主プランジャ１４上部および主ボア１５の一方の終端の内壁との間の、ポンプ筐体１１内に画定される。

ポンプ室１９は導管２１によって入口ポート２３および出口ポート２５に接続される。

燃料入口ポート２３は燃料供給導管２７を介して燃料供給システム１２に接続される。出口ポート２５はエンジンシリンダ（図示せず）の燃料弁(図示せず)に接続される。燃料供給導管２７内の逆止弁２８は、燃料の燃料供給システム１２への逆流を防止する。

吸入ストロークの間、主プランジャ１４は燃料入口ポート２３を介して燃料をポンプ室１９へ吸引する。

ポンプストロークの間、ポンプ室１９内に圧力が加えられていく。圧力がある閾値を超えると、燃料弁が開き、燃料がポンプ室１９から出口ポート２５へと送られる。

第２プランジャ３０は主プランジャ１４から延伸する。本実施形態において、第２プランジャ３０は、主プランジャ１４と中心軸を同じくし、主プランジャ１４と一体となっているが、第２プランジャ３０および主プランジャ１４は独立した２つの要素が結合したものであってもよいことを理解されたい。第２プランジャ３０は、主プランジャ１４から主ポンプ室１９を通って、ポンプ筐体１１内に形成される第２ボアへと延伸する。第２プランジャ３０は摺動可能であり、また定められた第２の隙間を空けて第２ボア内に往復しうるように収容される。第２ポンプ室３２は、第２ボアおよび第２プランジャ３０により画定される。第２ポンプ室は潤滑油入口ポート３４に接続される。低圧潤滑油ポンプ３６は、潤滑油またはシーリング油を、潤滑油/シーリング油タンク３８から潤滑油/シーリング油供給ライン４０を経由して潤滑油入口ポート３４へ供給する。

潤滑油通路４２は主プランジャ１４内に配される。潤滑油通路４２の一端は第２ポンプ室１９に接続され、該通路のもう一端は、第１の隙間につながる。潤滑油通路４２は、その複数の先端が、それぞれ径方向および軸方向に離れたいくつかの位置で第１の隙間につながるように、枝分かれしていてもよい。

第２プランジャ３０は主プランジャ１４と一緒に運動する。ポンプストロークの間、第２ポンプ室３２もまた加圧される。第２ポンプ室３２内の圧力は潤滑油/シーリング油の質量流量（mass flow）の関数である。さらに、潤滑油/シーリング油の質量流量は、主プランジャと主ボアの間の定められた第１の隙間および第２プランジャ３０と第２ボアの間の定められた第２の隙間に依存する。

第２プランジャ３０の往復運動は、シーリング油または潤滑油の大きな圧を生み出す。この油圧は第２プランジャ３０の直径、定められた第１の隙間および定められた第２の隙間のサイズによって決まる。シーリング油/潤滑油は第２の隙間から漏出し、最終的には主ポンプ室内に到達し、さらに燃料油または排油と混合する。第１の隙間、第２の隙間および第２プランジャ３０の直径は、各隙間から流出し主ポンプ室１９に流入するシーリング/潤滑油の実際の圧力が、主ポンプ室１９内の実際の圧力よりも高くなるように互いに定められる。

大型２ストロークディーゼルエンジンの燃料噴射圧は、今日では約800バールであり、これは将来的には更に高くなると見込まれる。ポンプストロークの間、第１および第２の隙間のシーリング油/潤滑油の圧力は、ポンプストロークの圧力よりも少なくとも50バール高くなくてはならない。ポンプストローク中の隙間のシーリング油/潤滑油の圧力がポンプ室内の燃料油圧よりも高くなるようにするためには、第２ポンプ室３２の最高圧力は主ポンプ室の最高圧力よりも約100バール高くなくてはならない。それによって、前記隙間から主ポンプ室へ、シーリング油/潤滑油を制御された速度で流入させるようにすることができ、また、燃料油が前記隙間へ流れ込まないようにすることができる。

第２プランジャ３０および主プランジャ１４は一体となって運動するため、シーリング/潤滑油圧の供給は燃料噴射と同時に行われ、各プランジャ-ボア間の所定の２つの隙間に燃料油が流入することを防ぎ、その結果焼付きを防ぐ。

圧力の低い期間に燃料油が所定の隙間に入り込むことを防止するために、潤滑油ポンプ３６は燃料油供給圧よりもわずかに高い圧力でシーリング/潤滑油を供給しなければならない。

図２は本発明の別の例示的実施形態に従う燃料ポンプを示す。この実施形態は基本的には図１に従う実施形態と同じであるが、第２プランジャ３０がポンプ筐体１１に固定されていること、また、第２プランジャ３０が主ポンプ室１９から主プランジャ３０の一端に形成される第２ボア内へ突出している、という点で異なる。このため第２ポンプ室３２は、第２のプランジャ３０および第２ボアにより画定され、主プランジャ１４の内側に形成される。第２プランジャと第２ボアとの間には、定められた第２の隙間が設けられる。シーリング油/潤滑油入口ポート３４と第２ポンプ室３２を接続するシーリング/潤滑油供給導管３３は、ポンプ筐体１１内部および第２プランジャ３０内部に形成される。

主プランジャ１３が油圧アクチュエータまたはカム１７によってポンプストロークを行うように制御されるときには、図１に従う例示的実施形態と同様に、第２プランジャが第２ボア内に押し込まれ、その結果自動的に燃料噴射イベントと同時にシーリング/潤滑油が供給される。２つの隙間のサイズおよび第２ピストンの直径については、図１に従う実施形態と同様である。

上述の本発明の複数の実施形態における第２プランジャ３０は、シリンダ様の形状をしている。しかし、第２プランジャは断面形状が楕円のような別の適切な形状であってもよく、もしくは、中央が空洞となる環状の断面形状を有していてもよいことを理解されたい。さらに、第２ピストンが、１つの大型ピストンのかわりに２つの小型ピストンであってもよいことを理解されたい。

潤滑油またはシーリング油という語句は、重油、燃料油（ディーゼル）または専用の潤滑油のような、適当な潤滑特性を有するいかなる液体をも含むものであると広く解釈されるべきものである。

特許請求の範囲において使用される「備える」「有する」という語句は他の要素やステップを除外しない。特許請求の範囲において使用される単数の表現は複数のものを除外しない。単一のプロセッサまたは他のユニットが、特許請求の範囲において列挙される複数の手段の機能を満たしてもよい。

特許請求の範囲において使用される参照符号は本発明の範囲を制限すると解釈されるべきではない。

本発明は例示目的で詳述されているが、これらの詳述は説明のためのものであり、本発明の本質を逸脱しない範囲で当業者がこれを変更することが可能であることは理解されたい。

Claims (7)

1. クロスヘッド型ターボ過給式大型低速多気筒２ストロークディーゼルエンジンのための燃料ポンプ（１０）であって、該燃料ポンプは；
   内部に主ボア（１５）が形成された筐体（１１）と、
   定められた第１の隙間を空けて前記主ボア（１５）内に摺動可能に収容される主プランジャ（１４）であって、前記主ボア（１５）内で往復するように構成される主プランジャ（１４）と、
   前記ボア（１５）および前記主プランジャ（１４）によって画定される主ポンプ室（１９）と、
   前記主ポンプ室（１９）と流体接続される少なくとも１つの燃料出口ポート（２５）と、
   燃料源に接続する少なくとも１つの燃料入口ポート（２３）であって、前記主ポンプ室（１９）に流体接続される燃料入口ポート（２３）と、
   定められた第２の隙間を空けて第２ボア内に摺動可能に収容される、第２プランジャ（３０）と、
   前記第２ボアおよび前記第２プランジャ（３０）によって画定される第２ポンプ室（３２）と、
   潤滑油源に接続する潤滑油入口ポート（３４）であって、前記第２ポンプ室（３２）と流体接続される潤滑油入口ポート（３４）と、
   前記主プランジャ（１４）内に設けられる潤滑油通路（４２）であって、前記第２ポンプ室（３２）に接続されると共に前記主プランジャ（１４）内を延伸し、それによって前記主プランジャと前記主ボアとの間の前記第１の隙間へと通じるように設けられる、潤滑油通路（４２）と、
   を備え、
   さらに前記燃料ポンプは、
   ・ 前記第２ボアが、前記筐体（１１）内に形成される、前記主ボア（１５）の縮径した延長部分であり、前記第２プランジャ（３０）が、前記主プランジャ（１４）を縮径した延長部分であるように構成されるか、または、
   ・ 前記第２ボアが、前記主プランジャ（１４）内に形成されるボアであり、前記第２プランジャ（３０）は、前記筐体（１１）に対してその位置を変えず、前記ポンプ室（１９）から前記第２ボア内に突出するように構成され、
   さらに前記燃料ポンプは、前記第２プランジャ（３０）の直径、前記第１の隙間および前記第２の隙間のサイズは、ポンプストロークの間に潤滑油又はシーリング油が前記第１の隙間および前記第２の隙間から前記ポンプ室（１９）へ流れ込むように定められる、
   燃料ポンプ。
2. 前記潤滑油通路（４２）は前記第２プランジャ（３０）を貫通しそして前記主プランジャ（１４）内を延伸するように設けられる、請求項１に記載の燃料ポンプ。
3. 前記第２プランジャ（３０）は前記主プランジャ（１４）と一緒に運動する、請求項１に記載の燃料ポンプ。
4. 前記潤滑油通路（４２）の複数の先端のうちの１つが、前記第２ポンプ室（３２）に直接接続されている、請求項１に記載の燃料ポンプ。
5. 前記第２ポンプ室（３２）と潤滑油入口ポート（３４）を接続する潤滑油供給チャネル（３３）を含む燃料ポンプであって、前記潤滑油供給チャネル（３３）は前記第２プランジャ（３０）内および前記ポンプ筐体（１１）内に形成される、請求項１に記載の燃料ポンプ。
6. 複数のシリンダと、
   クロスヘッドと、
   潤滑油供給システムと、
   前記複数のシリンダに関連した複数の燃料弁と、
   低圧燃料供給システムと、
   請求項１に記載の燃料ポンプと、
   を備える、ターボ過給式大型２ストロークユニフロー低速ディーゼルエンジン。
7. 前記第２プランジャ（３０）内に設けられ前記第２ポンプ室（３２）に開口する第２の潤滑油通路（３３）を更に備える、請求項６に記載のエンジン。

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