JP5839206B2 - 内燃機関およびそのための含水燃料エマルジョン生成・噴射ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関、特に、請求項２０のプリアンブルに記載の大型２ストロークディーゼル機関のような、例えばクロスヘッドユニフロー型の大型２ストローク燃焼機関に関する。本発明は、さらに、そのような機関用のＷＩＦ生成・噴射ポンプに関し、ここでＷＩＦは、請求項１のプリアンブルに記載の含水燃料エマルジョン（ｗａｔｅｒ ｉｎ ｆｕｅｌ ｅｍｕｌｓｉｏｎ）を表わす。

例えば、船舶において使用されるような、従来型大型２ストロークディーゼル機関においては、重油が燃料として使用される。ＮＯ_ｘ排出を低減するために、例えば、吸入空気を冷却することによるか、または給気に水を加えることによるか、または再循環された排出ガスを冷却するか、またはそれに水を加えることによって、原動機内で燃焼温度を下げる試みがなされている。

さらに別のアプローチは、燃料、例えばディーゼル天然ガスまたは重油中に水を混合することである。このために、混合室内で水と燃料を混合して、次いで、このように生成された含水エマルジョン（ＷＩＦ）を燃焼室中に噴射することが、独国特許出願第ＤＥ４１００８３２Ａ１から知られている。

さらに、独国特許出願第ＤＥ１９８１２０１１Ａ１から、噴射ノズルを介して内燃機関中にＷＩＦを噴射することが知られている。ＷＩＦは、噴射室内で噴射ノズルにおいて生成される。ＷＩＦ噴射ノズルの噴射室は、高圧燃料供給ラインに接続されるとともに、給水ラインを介して、水昇圧器の水室と接続されている。水と燃料は、噴射室においてＷＩＦに混合される。

水昇圧器の水室は、シリンダ内で往復可能に駆動されるピストンによって画定される。ピストンを駆動するために、燃料供給ライン内の燃料の圧力が使用される。このために、燃料供給ラインは、通路と制御弁の配列を介して、燃料チャンバに接続されており、この燃料チャンバ内に、拡大された直径を有する水昇圧器のピストンの断面が往復可能に受け入れられる。通路と制御弁の配列に応じて、燃料圧力がピストンの拡径部分の前方側へ誘導されるか、または後方側へ誘導されるかに応じて、水室に低圧水が充填されるか、またはすでに水室内にある水が排出される。水室内の水と、水室と燃料室の間のリング室に供給された燃料との境界において、水と燃料のいくらかの混合がある。しかしながら、これは、水室から排出された水が供給される、噴射ノズルにおける噴射室内の水と燃料の混合と比較すると、少量のＷＩＦにすぎず、重量を伴わない。

しかしながら、燃料室が高圧燃料で充填されるときに、水がすべて燃料室中に供給されるように、水昇圧器および燃料噴射器を時間設定するのは複雑で困難な作業である。

独国特許出願第ＤＥ４１００８３２Ａ１ 独国特許出願第ＤＥ１９８１２０１１Ａ１

本発明の目的は、特に上記のタイプの内燃機関の燃料供給管内で、含水燃料エマルジョンを、簡便で低コストの構造を用いて、ＷＩＦの水／燃料比の許容できる精度で、生成することを可能にすることである。

この目的は、請求項１に記載のＷＩＦ生成・噴射ポンプ、およびこのＷＩＦ生成・噴射ポンプが設けられた、請求項２０に記載の内燃機関によって達成される。

本発明によれば、含水燃料エマルジョン（ＷＩＦ）を生成するための、ＷＩＦ生成・噴射ポンプが提案され、このポンプは、内燃機関、例えば、ディーゼル機関のクロスヘッドユニフロー型の機関のような、特に大型２ストローク機関の燃料供給側に設置されるか、または設置可能である。

ＷＩＦ生成・噴射ポンプは、例えば上記に引用した独国特許出願第ＤＥ４１００８３２Ａ１から、一般的に知られているように、一般的には２段噴射ポンプ、または２つの圧力室を備える昇圧ポンプに類似する構成を有する。しかしながら、本発明によれば、ＷＩＦ生成は、噴射ポンプまたは昇圧器、すなわち噴射弁の直近の高圧燃料ポンプの内部で実施される。高圧燃料ポンプにつながる管がエマルジョンで満たされていないことは有利である。これによって、エマルジョン混合燃料と純正燃料との間の迅速な変更が可能になる。また、高圧燃料ポンプにつながる管が蒸気で満たされることがないので、「停電（ｂｌａｃｋ ｏｕｔ）」状態においても有利である。本発明はＷＩＦに制約されることはなく、第２液体を水と異なる燃料、例えば、乳化剤で富ませた水の中に混合するのにも使用されることが理解される。

詳細には、本発明のＷＩＦ生成・噴射ポンプは、一般に知られている燃料噴射ポンプまたは昇圧ポンプと同様に、例えば、噴射ノズルを介して、機関の燃焼室またはコモンレールに燃料を供給するための、燃料で充填される第１圧力室または燃料室を有する。燃料室は、燃料シリンダ内で往復駆動可能に配設された燃料ピストンによって画定される。燃料ピストンは、例えば、カム機構によるか、または油圧式で駆動される。ＷＩＦ生成・噴射ポンプは、燃料室内につながる燃料入口管路を備え、それによって燃料吸入期間中に、燃料室が燃料供給管内の燃料源、例えば、低圧燃料ポンプまたは燃料タンクに接続可能で、かつそれによって排出可能となるようにされている。ＷＩＦ生成・噴射ポンプは燃料室から外につながる燃料出口管路をさらに備え、それによって燃料排出期間中に燃料室が燃料供給管内の燃料排出口、特に、機関の噴射弁またはコモンレールに接続可能、かつ排出可能となるようにされている。

さらに、本発明のＷＩＦ生成・噴射ポンプは、第２圧力室、または水、もしくは燃料中で乳化される別の第２液体によって充填される水室を有する。この燃料は、例えばディーゼル油、重油または液化天然ガスとしてもよい。水室は、水シリンダ内に往復駆動可能に配設された水ピストンによって画定される。

圧力昇圧器または２段噴射ポンプから原理的に知られているように、この第２（または、ここでは水）ピストンが、第１（または、ここでは燃料）ピストンを介して駆動される。このために、水シリンダおよび水ピストンは、燃料シリンダおよび燃料ピストンとそれぞれ同軸に配設される。さらに、水シリンダおよび水ピストンは、好ましくは、燃料ピストンの前端と対向する燃料室の前方に配置される。すなわち、燃料シリンダ／燃料ピストンは２段ポンプの第１段を形成し、これに対して、水ピストン／水シリンダは、第１ピストンの駆動と反対の第１段の前端上に第２段を形成する。しかしながら、水ピストン／水シリンダがポンプの第１段を形成するとともに、燃料ピストン／燃料シリンダがポンプの第２段を形成することも可能である、すなわち、燃料ピストン／燃料シリンダを水ピストンの前端に対向する水室の前方に配置することも可能である。

ＷＩＦ生成・噴射ポンプは水室内につながる水入口管路を備え、それによって水吸入期間中に、水室が燃料供給管内の水源、例えば、水ポンプまたは水タンクに接続可能であり、かつそれによって排出可能になるようにされている。ＷＩＦ生成・噴射ポンプは、水室から外に出て、直接的または間接的に燃料室内につながる水出口管路をさらに備え、それによって水排出期間中に、燃料室が水排出期間中の水室からの水によって充填可能であるようにされている。

排出方向への水の流れだけを制約する、逆止弁またはその他の手段を配設してもよい。これは、水室内への流れだけを制約する、水入口管路内の１つまたは複数の逆止弁があってもよいことを意味する。これはさらに、水室から燃料室への方向の流れだけを制約する、水出口管路内の１つまたは複数の逆止弁があってもよいことを意味する。

さらに、排出方向における燃料（最終的に内燃機関の燃料としての役割を果たす、ＷＩＦ生成前の純粋燃料油など、およびＷＩＦ生成後のＷＩＦ）の流れだけを制約する、逆止弁またはその他の手段を配設してもよい。これは、燃料室内への流れだけを制約する、燃料入口管路内の１つまたは複数の逆止弁があってもよいことを意味する。これはさらに、水室から燃料室への方向の流れだけを制約する、燃料出口管路内の１つまたは複数の逆止弁があってもよいことを意味する。水出口管路は、それが燃料室内に直接的につながらない場合には、燃料入口管路内の逆止弁中につながるか、またはそれぞれの逆止弁の下流の燃料入口管路の部分につながってもよい。

本発明のＷＩＦ生成・噴射ポンプを用いると、エマルジョンを噴射する前に、燃料と水またはその他の物質をエマルジョンに、すなわち含水燃料エマルジョン（ＷＩＦ）に混合することのできる、簡単な構成のポンプを得ることができる。特に、水ピストンを駆動するために、燃料ピストンが水ピストンに固定状態で接続されている場合には、ＷＩＦ内の一定比の水を、本発明によるＷＩＦ生成・噴射ポンプを構成するポンプの全負荷範囲を通して、高価な制御技法なしに達成することができる。勿論のこと、水室内の圧力は、水室から燃料室への水の排出を可能にするために、少なくとも水排出期間中は、燃料室内よりも高くなければならない。室内の圧力は、選択されたオリフィスのサイズ、実際の漏洩、および供給された水および燃料の供給圧力、すなわち水ポンプおよび低圧燃料ポンプの供給圧力の問題であり、これらのポンプは、高圧噴射ポンプとして作用する本発明のＷＩＦ生成・噴射ポンプを備え本発明によって提供される内燃機関、例えば、大型２ストロークディーゼル機関における、水源／燃料源としての役割を果たす。

この点について、本発明によるＷＩＦ生成・噴射ポンプは、燃料源、例えば、低圧燃料ポンプからの燃料を加圧するための高圧噴射ポンプまたは昇圧器と一体化することが特に有利である。これを達成するために、ＷＩＦ生成・噴射ポンプの燃料室は、同時に、昇圧器の作業体積としても、そのまま役立つ。ＷＩＦ生成・噴射ポンプは、大型２ストローク、および特に大型２ストロークディーゼル機関においてよく使用されるので、高圧コモンレールを充填するための昇圧ポンプとして具現化してもよい。すなわち、そのような機関には、既知の昇圧ポンプの代わりに、ＷＩＦ生成・噴射ポンプを設けてもよい。代替的に、ＷＩＦ生成・噴射ポンプは、その他のタイプの燃料ポンプ、例えば、加圧燃料の直接噴射に使用されるポンプ噴射器と一体化することもできる。この場合にはまた、本発明によるＷＩＦ生成・噴射ポンプの燃料室は、ポンプ噴射器の圧力室として、有利に役割を果たす。ＷＩＦ生成・噴射ポンプを、燃料供給管内のより上流で低圧燃料ポンプに一体化することも可能ではあるが、本発明に従って、水混入は、できる限り下流で、すなわち燃料噴射器または高圧昇圧器内で行われることが、腐食の観点において有利である。上述のように、これは、安全の観点、および燃焼のための純粋燃料またはＷＩＦの使用間で迅速な変更を可能にする上で有利である。

特に、ＷＩＦ生成・噴射ポンプがコモンレール供給昇圧ポンプ、ポンプ噴射器、その他に一体化される、このような本発明のさらなる発展に対しては、燃料昇圧または噴射が１つの動作モードでまだ動作している間に、ＷＩＦ生成・噴射ポンプを遮断することが可能であるとともに、別の動作モードにおいて、ＷＩＦ生成（および次いで昇圧および噴射）を起動することができれば、有利である。したがって、燃料とエマルジョン燃料、またはその逆の間で変更を行うことが可能かつ迅速である。

このために、好ましくは、遮断弁が水入口管路内に設けられる。ＷＩＦ生成のために、次いで水入口管路内の遮断弁が開放され、ＷＩＦ生成が不必要である場合には閉鎖される。すなわち、水入口管路内の遮断弁は、開放位置と閉止位置の間で変更することができる。代替的または追加的に、追加の水放出管路を設けることも可能であり、この水放出管路は、水室から外につながるとともに、遮断弁が詰め込まれている。ＷＩＦを生成するために、水放出管路内の遮断弁が閉鎖され、ＷＩＦ生成が不必要である場合には開放される。すなわち、水放出管路内の遮断弁は、開放位置と閉止位置の間で変更することができる。

様々な有利なさらなる発展が、別の従属請求項の主題である。

例えば、水ピストンが燃料ピストンに固定状態で接続されている場合には、これらは、タンデムピストン（ｔａｎｄｅｍ ｐｉｓｔｏｎ）の構造を有する一体部品を形成することもできる。

本発明の一変形形態においては、燃料ピストンの吸入ストローク中に、圧縮ストロークにおいて、水ピストンによって水が加圧されて燃料室内に入る。

このために、水ピストンは、水ピストン用のピストンロッド、すなわち水ピストンロッドによって、燃料ピストンに接続されている。水ピストンロッドは、燃料ピストンの前端から突出しており、この場合に、水ピストンロッドは、水ピストンよりも小さい直径を有し、水シリンダよりも小さい直径を有するピストンロッド通路を通されている。ピストンロッド通路を通る水ピストンロッドの通過は、好ましくは密封されており、すなわち水ピストンロッドとピストンロッド通路の組合せ（ｐａｉｒｉｎｇ）が、シールを形成するか、またはシールが設けられている。次いで、水室は、水ピストンのピストンロッド側に位置させて、それによってピストンロッド通路を通って延びる水ピストンロッドによるか、またはそこで形成されるシールによって、燃料室から離間されるようにすることができる。燃料ピストン・水ピストン・タンデムの吸戻し中に、水室は加圧されて（水ピストン圧縮ストローク）、燃料室は拡張される（燃料ピストン吸引ストローク）。水放出期間を構成するこの段階において、次いで、水は、水放出管路を介して押圧されて、水室から燃料室内に入る。

代替的に、ＷＩＦ生成・噴射ポンプは、燃料（より詳細には、ＷＩＦ）の排出または噴射と同時に、混合室（すなわち、燃料室）内への水の排出が行われ、それによって燃料シリンダの排出ストローク中に、水が、水室からつながる水出口管路を介して押圧されて、燃料室中に入る構造を有する可能性がある。ここで、水ピストンと燃料ピストンは、吸引ストロークおよび排出または圧縮ストロークを、同期して、上述のように、時間オフセットなしに実施する。

このため、水ピストンは、燃料ピストンの前端から突出する突出部として形成するか、または水ピストンロッドによって燃料ピストンに接続されてもよく、水室は、水ピストンに対して燃料室と反対側にあるので、水室は水ピストンの前端の前方にあり、したがって少なくとも水シリンダ内の水ピストンによって、燃料室から離隔されている。好ましくは、少なくとも水ピストンによる水室と燃料室の間隔は、シールを形成するか、またはシール、例えば水ピストンまたは水ピストンロッドのまわりに巻きつけられたシールリングが設けられている。

その他のさらなる発展は、水出口管路の構成に関する。燃料入口管路、燃料出口管路（すなわち、ＷＩＦ用の出口管路）、および水入口管路は、それぞれのシリンダのシリンダ壁の中を通る通路として実現することもできることは比較的明らかであるが、互いに択一的に実装するか、または共存させることもできる、水出口管路の配設に対する異なる代替案が存在する。

第１に、水出口管路の位置、およびその中を通る要素については異なる可能性がある。第２に、その全体で水出口管路を形成する水出口通路の数について異なる可能性があり、第３には、その水出口通路の数が１より大きい場合には、水出口管路を互いに形成する水出口通路の位置について異なる可能性がある。

一般に、水出口管路は、水室から燃料室中へとつながる１つまたは複数の水出口通路によって表わしてもよい。その数の水出口通路は、水ピストン（および、存在する場合には、水ピストンロッド）の中を通ってもよい。

例えば、その数の水通路、または一般的には、水出口管路は、不均衡を避けるために、好ましくは水ピストンの軸（同時に、燃料ピストンの軸）上の直線通路を含んでもよい。その燃料室側において、ある数の半径方向に配設された出口部分が続いてもよく、この部分を通過して、水出口通路の出口部分の出口穴が半径方向に配設された、水ピストンのリングセグメントが燃料室の内部にある限り、すなわち出口穴が、壁セグメント（例えば、ピストンロッド通路）によって覆われるか、または閉鎖されて、この壁部分が、水ピストンまたは水ピストンロッドの周辺を包囲することによって、燃料室と水室を離間させるほど遠くまで、水ピストンが、水室の方向に移動されない限り、水を燃料室内に導入することも可能である。水室の側において、水ピストンを通過する水出口通路の入口セグメントは、水ピストンの周辺面で終わる半径方向に拡がる入口部分のリングとして構成してもよい。そうすると、これらの入口セグメントは、水ピストンが燃料室に向かってそれほど遠くまで移動されず、その結果、それらのオリフィスが水室の内側にあり、水室と燃料室を離間させる壁セグメントによって覆われたり、閉鎖されたりしない限り、開放されている。

しかしながら、水ピストンの中を軸方向に通る水出口通路の水室入口オリフィスを軸方向を向いたピストン表面内に設定することも可能である。水室が水ピストンに対して燃料室と反対側にある、そのようなさらなる発展において、水ピストンを通る水出口通路の入口は、単に、その軸方向に延びる部分と整列させて、それによって水室に向かうオリフィスが水ピストンの軸上にあるようにしてもよい。水室が水ピストンに対して燃料室と同じ側にある、さらなる発展においては、水通路に面する軸方向ピストン表面から開始する同軸に配設された入口部分のリングを、半径方向に延びる通路部分によって、水ピストンの中を軸方向に通る中心軸方向に延びる通路部分へ接続してもよい。

水ピストンを通る水出口通路の燃料室側開口に、燃料ピストン上に水ピストンを固定することによって、軸方向通路セグメントと整列された中心延長が不可能となる。水出口通路のオリフィスを燃料室に向いた軸方向向きの燃料ピストン表面に配設することが望ましい場合には、上記で説明した水室側の入口部分に類似して、燃料室と対向する軸方向向きの燃料ピストン表面中で終わる同軸に配設された出口部分のリングがあってもよく、その出口部分は、半径方向に延びる通路部分によって、中心軸延長チャネル部分へと接続され、次いで、この部分は、水ピストンの中を通るとともに、それがある場合には、水ピストンロッドの中を通るだけではなく、水ピストンに直接的に、または水ピストンロッドを介して取り付けられている、燃料ピストンの中にも幾分か入らなければならない。

別の構成においては、水出口管路は、ハウジングの壁セグメント、例えば、水ピストンロッドの周辺を包囲する壁セグメント、または燃料ピストンの前端表面から突出して、水ピストンの一部を形成するか、または水ピストンを燃料ピストンと固定状態で接続する突出部の中を通る、ある数の水出口通路からなるか、またはそれを備えることも可能である。燃料内で水を良好に分布させるためには、１つの水出口通路だけが設けられるだけでなく、例えば、燃料ピストン・水ピストン・タンデムの軸のまわりに同軸に配列された、水出口通路のリングが設けられると有利である。

そのようなハウジング内部出口通路構成は、水ピストンの同じ側にある水室および燃料室についてのさらなる発展において、直線通路によって比較的簡単に達成することも可能であるが、水室が水ピストンに対して燃料ピストンと反対側にある場合には、ハウジング内部水出口通路によって、水室と燃料室とを接続することも可能である。水出口通路（複数を含む）がその中を通るハウジングの壁は、そのときは、水ピストンの周辺を包囲するシリンダ壁である。水出口通路（複数を含む）の入口オリフィス（複数を含む）は、そのときは、周辺水シリンダ表面または遠位の軸方向を向いた水シリンダ表面に配置するとともに、それぞれの壁内部水出口通路の真っ直ぐ軸方向に延びている部分に、例えば、半径方向交差ボア（ｒａｄｉａｌ ｃｒｏｓｓ ｂｏｒｅ）によって、接続しなくてはならない。このようにして、水出口通路は、任意の選択された場所において、燃料室内に導いてもよい。

水出口管路の少なくとも一部を形成するために、水室と燃料室を接続することは、望ましくない場合でも、実際には完全に回避可能ではないことが多く、そのさらなる可能性は、水ピストン／水シリンダ組合せおよび／または水ピストンロッド／ピストンロッド包囲壁組合せにおけるいくらかの漏洩を受け入れることである。

特に、水ピストンをその軸のまわりに回し、水出口管路を、水ピストンおよび／または水ピストンロッドを一部通過して、およびハウジング壁を一部通過して延ばすことによって、ＷＩＦ生成を分離可能とすることも考えられ、この場合に、接続は、水ピストンロッドの周辺壁内のオリフィス、および水ピストンロッド通路形成壁内のそれぞれのオリフィスの場所としてもよく、この接続は、燃料ピストン・水ピストン・タンデムの各往復によって、その範囲が越えられる。オリフィスは、軸方向に長くしてもよい。

ＷＩＦ内の水滴の大きさを小さくすることがさらに望ましい。したがって、水出口管路／通路（複数を含む）を通過する、および特にそこから出る流れの中に乱流を生成する手段、例えば、絞りまたは鋭利な縁部などが有利な場合がある。この意味においてさらに有利なことは、水出口管路の端部、すなわち燃料室内への各水出口通路のオリフィスに、噴霧ノズルを設けるか、または好ましくは燃料室内に排出された水を効率的に霧化する霧化器を設けることである。

別のさらなる発展は、燃料タンク内への水出口通路の端部において、上記の噴霧ノズルまたは霧化器における圧力損失を補償することに関する。水室への追加の圧力を達成するために、別の加圧室が水ピストンに対して水室と反対側に設けられる。加圧室は、油圧によって、例えば、ポンプを介して供給される加圧媒体（水、油、その他）によって、充填可能にしてもよい。好ましくは、水ピストンの移動に合わせて適正に時間設定するために、加圧室は、水室の充填および排出と逆同期して、充填および排出が可能である。これを達成するために、他方の通路が閉鎖されている間に、加圧媒体入口通路または加圧媒体出口通路を開放するように適切に制御された電磁バルブを配設してもよい。さらに好ましくは、加圧室の充填（および排出）は、例えば、加圧媒体入口通路内に配置された遮断弁を介して、または圧力開放口中への出口通路を開放するとともに、入口通路を閉鎖する位置にある切換え可能な電磁弁を介して、分離可能である。

さらに、水ピストンは、場合によっては燃料ピストンもそうであるが、プランジャとして、すなわち、それぞれの室にシリンダ壁と密封接触することなく入り込むピストンとして形成してもよい。そのとき、このシールは、それぞれのピストンロッドまたはプランジャのピストンロッド状部分、および包囲壁セグメントの周辺に配置することができる。

水ピストンに対して燃料室と反対側に水室を有する、さらなる発展においては、ピストンタンデムの吸入期間中に、水および燃料のほぼ同じ供給圧力を有して、ＷＩＦにおける水／燃料比を一定に保持することが有利である。

本発明の好ましい実施形態を、添付の図面と合わせて説明する。

従来技術による大型２ストロークディーゼル機関用の燃料昇圧ポンプの斜視図である。 図１に示される昇圧ポンプの断面図である。 本発明の一実施形態による、ＷＩＦ生成・噴射ポンプと一体化された昇圧ポンプを示す図である。 本発明の別の実施形態による、ＷＩＦ生成・噴射ポンプと一体化された昇圧ポンプを示す図である。

例示のためだけに従来技術の昇圧ポンプを示す図１および２において、図３および４における対応する要素と類似の機能を有する要素は、それらの対応する要素と同じ参照符号が付けられているが、アポストロフィで印が付けられている。昇圧ポンプ全体は、Ａで表わされている。これは、大型２ストロークディーゼル機関の噴射弁のすぐ上流に使用される従来型昇圧ポンプである。この昇圧ポンプは、燃料供給管の上流側に接続される燃料吸気管路５’、および噴射弁に接続される燃料出口管路７’を有する。

昇圧器は、２つの部分に形成されたハウジング３’を有する油圧シリンダとして形成され、ハウジング３’内にピストン１’が往復可能に受け入れられて、このピストンは２段構成を有して、その下方の大径の段がハウジングの下方部分におけるそれぞれのボアの中に密封状態で受け入れられ、同時に、その上方のプランジャ状の段がハウジング３’の上方部分と一緒に燃料室９’を画定しており、この燃焼室９’は、吸気管路５’によって燃料供給側へ、かつ燃料排気管路７’によって噴射弁へと接続されている。

以下では、本発明の実施形態を、図３および４を参照して説明するが、これらの図は、図１および２に示されているもののような昇圧ポンプに一体化されたＷＩＦ生成・噴射ポンプにおける領域を模式的に示している。図３および４における領域は、図２における細部ＩＩＩに対応する。

図３および４に示された本発明の実施形態によれば、燃料プランジャ１、１０１の前方ピストン表面の前方に（または上記の図３および４に）、追加の水シリンダ４、１０４があり、この水シリンダは、燃料プランジャ１’と広範に対応するが、その上部に水ピストン２、１０２との取付装置を保持し、この水ピストン２、１０２は、燃料ピストン１、１０１に固定された状態で、端部において従来型のカムシャフトによって、燃料ピストン１、１０１を介して駆動されるとともに、水シリンダ内部に水室１０、１１０を画定している。

水室１０、１１０は、水入口管路６、１０６によって、給水装置、例えば図３に示されているような水ポンプ２０に接続されている。さらに、水室１０、１１０は、水出口管路８、１０８を介して燃料室９、１０９に接続されている。水出口管路８、１０８は、いくつかの水出口通路、図３および４の実施形態においては、２つの水出口通路によって形成されている。その他の実施形態においては、３つ以上の水出口通路のリングによって形成されてもよい。燃料室９、１０９内の燃料中に小さい水滴を注入するために、各水出口通路の燃料室側端に霧化器１７、１１７が設けられており、それによってこのように準備されたＷＩＦ（含水燃料エマルジョン）内に微細な水の分布を達成することができるようにされている。

燃料室９、１０９から燃料入口管路５、１０５中への燃料またはＷＩＦの逆流を防止するために、および燃料出口管路７、１０７内にすでにある燃料またはＷＩＦの燃料室９、１０９中への逆流を防止するために、燃料入口通路５、１０５および燃料出口通路７、１０７にも逆止弁１３、１１３および１４、１１４が設けられている。

同様に、水室１０、１１０内の水の水入口管路６、１０６中への逆流を防ぐために、水入口通路６、１０６には、逆止弁１５、１１５が設けられている。さらに、水入口管路６、１０６内に遮断弁１８、１１８が設けられて、それによってＷＩＦ生成が不必要な状況、例えば、機関の冷間始動段階において遮断できるようにされている。この効果は、図３に示される追加の水放出管路（この実施形態に限定はされないが）によってさらに支援してもよく、この水放出管路は、ＷＩＦ生成のために遮断弁１９によって閉鎖してもよく、またＷＩＦ生成が望ましくないときには、開放することもできる。

また、図３の実施形態と合わせた場合にだけ示されているように、この実施形態に限定はされないが、水出口管路８、１０８を形成する水出口通路のそれぞれには、水室１０から燃料室９内への方向の流れだけを制約して、逆流を防止するために逆止弁が設けられている。

図３および４に示された実施形態間の主要な差は、水室１０、１１０それぞれの位置にある。図３においては、水室１０は水ピストン２の下方に配設されており、これは水ピストン２に対して燃料室９と同じ側を意味し、図４においては、水室１１０は水ピストン１０２の上方にあり、これは水ピストン１０２に対して燃料室１０９と反対側を意味する。

結果として、図３の実施形態においては、水ピストン２が水ピストンロッド１１によって燃料ピストン１に固定して接続されているので、燃料ピストン１の吸入ストローク中に、水が燃料室９に圧入される。水ピストンロッド１１が、ＷＩＦ生成・噴射ポンプのハウジングの壁セグメントによって形成されるピストンロッド通路にスライド可能に受け入れられて、水出口管路８のバイパス下での水室１０と燃料室９の間の流体の流れに少なくとも予期しない漏洩が発生しないことを確実にするために、この組合せによってシールが形成されるか、またはシールが設けられることを理解されたい。

それとは逆に、図４の実施形態においては、水ピストン１０２が、燃料ピストン１０１の上部の軸方向を向いた表面から突出する突出部の上端部として構成されているので、燃料ピストン１０１の排出（または、圧縮）ストローク中に、水が水室１１０から燃料室１０９内に排出される。

両実施形態において、水ピストンと燃料ピストンの機械連結によって、このように構成された燃料ピストン・水ピストン・タンデムの全速度範囲にわたり、ＷＩＦ内の水が一定割合となる。

さらに、図３の実施形態において、水ピストン２は、水室１０を形成するために、水ピストンロッド１１よりも大きい直径を有さなくてはならず、これに対して図４の実施形態においては、水ピストン１０２は、（図示のように）燃料ピストン１０１の実質的に一定の直径を有して突出してもよく、または図３と同様に、ピストンロッドの直径と比較して拡大された直径を有する水ピストンを保持するピストンロッド状突出部を有してもよく、または図４における破線で示されるように、ピストンロッドよりも小さい直径を有する水ピストンを保持するピストンロッド状突出部を有してもよい。

図４に破線によって示されるように、水シリンダも小さい直径を有する場合には、押圧力をより小さい体積に集中させて、それによって外部の対策なしに燃料室内よりも水室において、より高い圧力を達成するために、後者は、ピストンロッド包囲壁セグメントとして有用である。別の方法では、燃料室において水を駆動するために、水は燃料よりも高い供給圧でそれぞれの室に供給してもよく、そうでなければ水ピストン（ロッド）と水シリンダおよび／または水ピストンロッド通路との組合せにおいてよりも、燃料ピストンと燃料シリンダとの組合せにおいて、漏洩をより多くさせる可能性がある。

任意選択で、図３に示すように、水シリンダ４内部であるが、水ピストン２に対して水室１２の反対側に設けられた追加の加圧室１２があってもよく、この加圧室１２は、霧化器１７における圧力損失を補償するために、加圧媒体で充填される。水ピストン１０２が、それを燃料ピストン１０１に接続するピストンロッドよりも大きい直径を有する場合には、図示されていないが、原理的には、図４の実施形態においてもそのような加圧室を設けることが可能である。

図３に示すように、加圧室は、２つの経路間で切換え可能な電磁弁２２によって、加圧媒体ポンプ２０または排出容器２１に選択的に接続可能であり、その電磁弁２２は、加圧室１２の加圧媒体入口通路内に配置される。弁２２の切換えは水室１０の充填および排出に逆同期させてもよく、それによって追加の圧力が、燃料室９内に排出される水を補助して、それを妨害しないように、または弁２２を、加圧室１２を排出容器２１に接続する位置に切り換えて、追加の加圧を遮断することもできるようにしてもよい。

水出口管路８、１０８、およびそれぞれ、水出口管路８、１０８を形成する水出口通路については、それらは、図３における水出口管路８で示されるようにポンプのハウジングの壁セグメントを通過して引き出すこと、および／または図４における水出口管路１０８で示されるように、水ピストン１０２を通過して引き出すことも可能である。図３におけるハウジング内部水出口管路８は、短くて湾曲がなく、また図４におけるピストン内部水出口管路１０８は、この実施形態においては、ハウジング内部のものよりも短いようであるが、原理的には、図４の構成を有する実施形態において、ハウジング内部水出口通路も可能であるとともに、図３の構成において、ピストン内部水出口通路（複数を含む）も可能である。さらに、燃料室内への水出口通路（複数を含む）の口部の位置は、所望に応じて構成してもよく、例えば図４における破線を参照されたい。同じことが、水室における水出口通路（複数を含む）の入口オリフィス（複数を含む）についても当てはまる。

示された実施形態に対する様々な変更形態が、本発明から逸脱することなく、考えられる。

Claims (21)

1. 内燃機関において、含水燃料エマルジョン（ＷＩＦ）を生成し噴射するためのＷＩＦ生成・噴射ポンプであって、
   燃料シリンダ（３、１０３）内に往復駆動可能に配設された燃料ピストン（１、１０１）によって画定された燃料室（９、１０９）であって、燃料吸引期間中に、前記燃料室（９、１０９）を燃料源に接続するための燃料入口管路（５、１０５）が設けられるとともに、燃料排出期間中に、前記燃料室（９、１０９）を燃料排出口へ接続するための燃料出口管路（７、１０７）が設けられている、前記燃料室（９、１０９）と、
   水シリンダ（４、１０４）内に往復駆動可能に配設された水ピストン（２、１０２）によって画定された水室（１０、１１０）であって、水吸入期間中に、前記水室（１０、１１０）を水源に接続するための水入口管路（６、１０６）が設けられた、前記水室（１０、１１０）と、
   前記水室（１０、１１０）から外につながる水出口管路（８、１０８）と
   を有するＷＩＦ生成・噴射ポンプにおいて、
   水排出期間中に前記燃料室（９、１０９）が前記水室（１０、１１０）からの水で充填可能となるように、前記水出口管路（８、１０８）が前記水室（１０、１１０）から前記燃料室（９、１０９）内へ、または前記燃料入口管路（５、１０５）内へとつながり、
   前記水シリンダ（４、１０４）および前記水ピストン（２、１０２）が、前記燃料シリンダ（３、１０３）および前記燃料ピストン（１、１０１）と同軸に配設され、
   前記水ピストン（２、１０２）は前記燃料ピストン（１、１０１）を介して駆動されることを特徴とするＷＩＦ生成・噴射ポンプ。
2. 前記水ピストン（２、１０２）が、前記燃料ピストン（１、１０１）に固定状態で接続されている請求項１に記載のＷＩＦ生成・噴射ポンプ。
3. 前記水ピストン（２）が、前記燃料ピストン（１）の前端から突出する水ピストンロッド（１１）によって、前記燃料ピストン（１）に接続されており、前記水ピストンロッド（１１）は、前記水ピストン（２）よりも小さい直径を有し、前記水シリンダ（４）よりも小さい直径を有するピストンロッド通路を通されており、前記水室（１０）は、前記水ピストン（２）の前記ピストンロッド側に位置し、前記ピストンロッド通路内の前記水ピストンロッド（１１）によって、前記燃料室（９）と離間されている請求項２に記載のＷＩＦ生成・噴射ポンプ。
4. 前記水出口管路は、前記水ピストンロッドと、前記ピストンロッド通路を形成する壁部分との間の漏洩によって少なくとも部分的に構成される請求項３に記載のＷＩＦ生成・噴射ポンプ。
5. 前記水出口管路（８）は、円筒形の水ピストンロッド包囲壁の中を通る、ある数の水出口通路によって少なくとも部分的に構成されている請求項３または４に記載のＷＩＦ生成・噴射ポンプ。
6. 前記水出口管路は、前記水ピストンロッドの中を通るある数の水出口通路によって少なくとも部分的に構成されている請求項３、４または５に記載のＷＩＦ生成・噴射ポンプ。
7. 加圧室（１２）が、前記水ピストン（２）に対して前記水室（１０）と反対側に位置し、油圧によって充填可能である請求項３から６のいずれか１項に記載のＷＩＦ生成・噴射ポンプ。
8. 前記水ピストン（１０２）が、前記燃料ピストン（１０１）の前端から突出する突出部として形成されるか、または前記水ピストンロッドによって前記燃料ピストンに接続されており、前記水室（１１０）が前記水ピストン（１０２）の前端上にあって、前記水シリンダ（１０４）内の、少なくとも前記水ピストン（１０２）によって前記燃料室（１０９）と離間されている請求項２に記載のＷＩＦ生成・噴射ポンプ。
9. 前記水出口管路は、前記水ピストンと、前記水ピストンの周辺を包囲する前記水シリンダの壁部分との間の漏洩によって少なくとも部分的に構成されている請求項８に記載のＷＩＦ生成・噴射ポンプ。
10. 前記水出口管路が、前記水シリンダのシリンダ壁の中を通るある数の水出口通路によって少なくとも部分的に構成されている請求項８または９に記載のＷＩＦ生成・噴射ポンプ。
11. 前記水出口管路（１０８）が、前記水ピストン（１０２）の中を通るある数の水出口通路によって少なくとも部分的に構成されている請求項８、９または１０に記載のＷＩＦ生成・噴射ポンプ。
12. 各水出口通路には、前記水室（１０、１１０）から前記燃料室（９、１０９）への方向の流れだけを制約する逆止弁（１６）が設けられている請求項５、６、７、１０または１１のいずれか１項に記載のＷＩＦ生成・噴射ポンプ。
13. 前記燃料室（９、１０９）中への水出口通路の各開口に、霧化器（１７、１１７）が設けられている請求項５、６、７、１０、１１または１２のいずれか１項に記載のＷＩＦ生成・噴射ポンプ。
14. 水加圧ピストンが、前記水室に対して前記水シリンダと反対側に位置し、油圧によって充填可能である請求項８から１３のいずれか１項に記載のＷＩＦ生成・噴射ポンプ。
15. 前記燃料ピストン（１、１０１）がプランジャ（１、１０１）である請求項１から１４のいずれか１項に記載のＷＩＦ生成・噴射ポンプ。
16. 前記水ピストン（２、１０２）がプランジャ（２、１０２）である請求項１から１５のいずれか１項に記載のＷＩＦ生成・噴射ポンプ。
17. 前記ＷＩＦ生成・噴射ポンプが、コモンレール中に、または機関の燃焼室中に、直接、噴射しようとする燃料源からの燃料を加圧するための昇圧器として形成されており、前記燃料室（９、１０９）が、前記燃料ピストン（１、１０１）によって圧力をかけられる、昇圧器の作業体積としての役割を果たす請求項１から１６のいずれか１項に記載のＷＩＦ生成・噴射ポンプ。
18. 燃料昇圧が動作中である間、ＷＩＦ生成を遮断する手段は、前記水入口管路（６、１０６）内に設けられた遮断弁（１８、１１８）、および／または遮断弁（１９）を設けられた前記水室（１０）から外につながる追加の水放出管路を有し、前記水入口管路（６、１０６）内の前記遮断弁（１８、１１８）は、ＷＩＦ生成のための開放位置と、ＷＩＦ生成の遮断のための閉鎖位置とを有し、および／または前記水放出管路内の前記遮断弁（１９）は、ＷＩＦ生成のための閉鎖位置と、ＷＩＦ生成の遮断用の開放位置とを有する請求項１から１７のいずれか１項に記載のＷＩＦ生成・噴射ポンプ。
19. 前記燃料室（９、１０９）、前記水室（１０、１１０）、および前記水出口管路（８、１０８）が共通のハウジング内に収容されており、前記燃料入口管路（５、１０５）は、前記ハウジングの壁部分の中を通って、前記燃料室（９、１０９）を前記ハウジングの燃料入口ポートに接続し、前記水入口管路（６、１０６）は、前記ハウジングの壁部分の中を通って、前記水室（１０、１１０）を前記ハウジングの水入口ポートに接続し、前記燃料出口管路（７、１０７）は、壁部分の中を通って、前記燃料室（９、１０９）を前記ハウジングの燃料出口ポートに接続している請求項１から１８のいずれか１項に記載のＷＩＦ生成・噴射ポンプ。
20. 請求項１から１９のいずれか１項に記載のＷＩＦ生成・噴射ポンプを有する内燃機関。
21. 前記燃料入口管路（５、１０５）に接続された前記燃料源と、前記燃料出口管路（７、１０７）に接続された前記燃料排出口と、前記水出口管路（８、１０８）に接続された前記水源とを有する請求項２０に記載の内燃機関。
    

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