JP5877207B2 - 液状燃料および／またはガス状燃料で運転される内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の、液状燃料および／またはガス状燃料で運転される内燃機関に関する。

デュアルフューエル噴射システムによって運転されるこのような内燃機関は、いろいろな実施形が知られており、シリンダの各々に噴射する噴射装置をそれぞれ２個備えている。この噴射装置の一方は、ガス運転時にパイロット噴射するために設けられ、噴射量は、このパイロット噴射に合わせて設計されている。この場合、パイロット噴射は、ガス運転時に生じるガス−空気−混合物を点火するために役立つ。少ない燃料量の噴射に合わせて設計されたこの噴射装置のほかに、液体燃料、特にディーゼル燃料による運転のために、多量の燃料量に合わせて設計された他方の噴射装置が設けられている。

それによって生じる、運転モード「パイロット噴射によるガス運転」と「液体燃料運転」における燃料噴射のために与えられる状況を考慮するために、ガス運転時のパイロット噴射のために設けられた噴射装置にアキュムレータを介して燃料を供給し、この噴射装置のためにコモンレール運転を行い、一方、液体燃料運転のために設けられた噴射装置をポンプ−ノズル−要素として形成することが知られている。

さらに、ガス運転時のパイロット噴射のためおよび液体燃料運転のための液体燃料の別々の噴射を１個のハウジング内で可能にする噴射装置を使用することが知られている。特に最後に述べた解決策は、噴射装置がきわめて複雑になる。

欧州特許出願公開第０９６４１３９号明細書 欧州特許出願公開第１２７５８４０号明細書 独国特許出願公開第３８２４４６７号明細書 米国特許第５２９７５２０号明細書 米国特許第５８９０４５９号明細書 独国特許第１９６２１２９７号明細書

本発明の根底をなす課題は、液体燃料供給に対する、異なる運転モードのための異なる要求を、できるだけ少ないコストで確実にかなえることである。

これは、請求項１の特徴によって達成される。請求項１は、すべての噴射装置を共通のアキュムレータ、特にいわゆるコモンレールに接続することにより、コモンレール内の圧力レベルの考慮に関して専らまたは少なくとも優先的に、ガス運転でのパイロット噴射と液体燃料運転のための必要に応じた確実な噴射のための前提条件を保証することができる。特にこれに補足して、ポンプ側の最低吐出量のための所定の下限値の考慮が合目的であることがわかった。

これは、運転モードについて、アキュムレータへの供給のために設けられた高圧ポンプを適切に管理することによって簡単に達成可能である。この高圧ポンプは、それぞれの需要に対応して作動、作動停止または組みあわせて使用される。

この範囲内で、いろいろなシステムバリエーションを本発明に従って示すことができ、例えばガス運転でのパイロット噴射においてコモンレールへの燃料供給のために、吐出出力の小さなポンプを使用することができる。このポンプは、内燃機関に機械的に連結可能であるかまたは電気的に駆動可能である。この場合、吐出出力を液体燃料運転の需要に調整した少なくとも１個の他のポンプが、特に継手を介して切り離し可能に内燃機関に駆動連結された「大型の」ポンプとして設けられている。

このようなシステムの場合には、特に、液体燃料運転に調整した吐出出力の大きなポンプに対して補助的に、吐出出力の小さなポンプを使用することができる。それによって、この前者のポンプは、最終的に、必要な最大出力の下方にある吐出出力に合わせて設計することが可能である。さらに、「大型の」ポンプは、場合によって作動停止することができるので、パイロット噴射によるガス運転のために、コモンレール供給を、小型のポンプだけを介して行うことができる。

特に本発明の範囲内では、両ポンプが常時運転され、これは、例えば小型のポンプが機械的にまたは好ましくは電気的に駆動される時、吐出出力を液体燃料運転に調整した大型のポンプのための短絡切り換えが行われる時に行われるので、このポンプは十分に無圧で作動し、この場合、ポンプの吐出量は例えば貯蔵容器に排出される。

本発明の範囲内において特に、液体燃料運転のために必要な吐出出力に調整した１個だけのポンプ、場合によっては段階的に作動停止可能な複数のポンプを設けることができる。特に、アキュムレータ、とりわけコモンレールに供給するために液体燃料の全体需要に調整したこのようなポンプが１個だけ設けられているときには、本発明の範囲内において、このポンプを、特に短絡切り換えによって、最小吐出量に制限することができる。この最小吐出量は、パイロット噴射によるガス運転時の液体燃料需要に一致し、この液体需要は、液体燃料運転の燃料量のほんの一部に相当する。これにより、ガス運転の場合のパイロット噴射時には、液体燃料運転時よりも低い圧力で運転することができる。液体燃料運転のためには約２，０００バールまでの圧力で運転され、ガス運転の場合のパイロット噴射時には約１，０００バールの圧力で運転される。というのは、ガス運転により、噴射に続いて、噴射された液体燃料の燃焼が、ガス−空気−混合物で行われるからである。

パイロット噴射によるガス運転のための噴射装置と液体燃料運転のための噴射装置にアキュムレータから燃料が供給されるが、このアキュムレータの圧力レベルを本発明に従って運転に依存して可変調節することにより、高圧ポンプをそれぞれポンプ要素の内部潤滑のために必要な最低吐出量で運転するための良好な前提条件が提供される。最低吐出量は、最大ポンプ吐出量の約２％である。ポンプがモータでの運転時にほとんどの場合その可能な吐出量の約５０〜８０％の範囲内で運転されるので、故障を防止するために、全負荷噴射量の約３〜５％がポンプによって吐出される。アイドリングのために必要な噴射量が全負荷噴射量の約１０％であるので、これは液体燃料運転時に問題ではない。

ガス運転時のパイロット噴射のために必要な、パイロット噴射装置を介して噴射される燃料量は、きわめて少ない。従って、ポンプの確実な作動を保証することができるようにするためには、本発明に係る手段を講じなければならない。これは、基本的には本発明に従い、ポンプがどのように運転されるかにもかかわらず、アキュムレータのために可変の圧力レベルが維持可能であることによって達成される。これは、アキュムレータに供給された吐出量が、アキュムレータ内の圧力レベルに依存して運転に応じて可変であることによって経済的に可能である。これは、ポンプまたはアキュムレータに対して適切に影響を及ぼすことによって、相応にポンプを作動停止するまでポンプの吐出出力を変更することによっておよび／またはポンプ回路内でまたはアキュムレータに続いて適切に短絡切り換えすることによって考慮することができる。

本発明の他の詳細と特徴は、特許請求の範囲、明細書および図面から明らかになる。

液体燃料とガス状燃料で運転される内燃機関を運転するためのシステムバリエーションを示す。 液体燃料とガス状燃料で運転される内燃機関を運転するためのシステムバリエーションを示す。 液体燃料とガス状燃料で運転される内燃機関を運転するためのシステムバリエーションを示す。

図１〜図３の図示はそれぞれ、内燃機関、特に例えば船舶機関等のような大型内燃機関を前提とする。全体を１で示した内燃機関は本実施の形態では、６個のシリンダ２を備え、いわゆるデュアルフューエルマシンとして運転される。これは、シリンダの図示していないそれぞれの燃焼室に、運転モードに応じてガス状形態および／または液状形態の燃料が供給されることを意味する。この場合、ガス状燃料は、燃焼室内でガス−空気−混合物として存在し、図において燃焼室へのこのガス−空気−混合物の供給は、それぞれ矢印４によって示され、そしてガス−空気−混合物としての供給に補足して点火のためにパイロット噴射が行われる。

例えば重油で作動させられる液体燃料運転のための液体燃料の供給は、噴射装置５を介して行われる。この噴射装置５は、アキュムレータ６に接続され、このアキュムレータは、本実施例では、それぞれシリンダ２の列に沿って配置された２つのコモンレール７によって形成されている。

このコモンレールにはそれぞれ噴射装置８が接続され、この噴射装置を介してガス運転時のパイロット噴射が行われる。点火補助としてのこのパイロット噴射のために、噴射装置５を介しての噴射による液体燃料運転時よりもはるかに少ない燃料量が、それぞれのシリンダ２に噴射される。これに相応して、噴射装置８は、象徴的に示すように、噴射装置５よりもはるかに小さく形成可能である。

それぞれの運転モードにおいて、噴射装置５、８を介して非常に異なる燃料量がそれぞれの燃焼室に噴射でき、かつ異なる運転モードにおいて異なる燃料−空気−混合物に基づいて、噴射される液体燃料の準備のための異なる条件が生じるので、異なる噴射圧力で噴射を行うことができ、しかも液体燃料運転のためにパイロット噴射よりも高い噴射圧力で噴射することができる。パイロット噴射のための噴射圧力は、液体燃料運転のための噴射圧力の約半分であり、この液体燃料運転では２０００バールのオーダーまでの噴射圧力で噴射される。

異なる噴射圧力と、大きく異なる噴射量との観点から、アキュムレータ６への燃料の供給は本発明に従い次のように行われる。すなわち、すべての運転モードにおける液体燃料による運転のための圧力レベルよりも低い、ガス運転でのパイロット噴射のために必要とされる圧力レベルで、アキュムレータ６に供給された燃料量が、特にポンプの内部潤滑の観点から保証すべきである下側限界値よりも多くなるように行われる。

これは、図１の変形例の場合、複数のポンプ９が設けられていることによって達成される。このポンプのうちの少なくとも１個は、そのポンプ出力が液体燃料運転のために必要な吐出量に調整された大型のポンプ１０であり、ポンプ出力が小さな他のポンプ１１は、少なくとも、所定の最低吐出量を供給する吐出出力に合わせて設計されている。その際、所定の最低吐出量は、ポンプ要素の内部潤滑のために必要な吐出量に等しく、ポンプの全負荷吐出量の約２％である。

これは、図１の実施例では、小型のポンプ１１に関連して達成される。この小型のポンプは、場合によっては変速機１２に対する機械的な継手を介して持続的に駆動される。しかしながら、小型のポンプは、図２に示すように、電動機１３を介して電気的に駆動してもよい。

この両者の場合、それぞれ大型のポンプ１０は、内燃機関１に機械的に駆動連結されている。これは、図１と図２において、駆動連結中の継手１４による、変速機１２に対する駆動連結によって示されている。この継手を介して、１個または複数の大型のポンプ１０が作動停止可能である。

従って、図１と図２に示した両解決策では、小型のポンプ１１の駆動時に大型のポンプ１０を作動および作動停止することによって、吐出出力を変更することができる。それによって、図１と図２の実施例に関連して全体的に見て、小型のポンプ１１の作動時に１個または２個の大型のポンプ１０の運転によって段階をつけた吐出出力の提供が可能であり、しかも場合によっては大型の両ポンプ１０を作動停止させ、ポンプ１１を介して下限値として設定された吐出量を提供することが可能である。特に小型のポンプ１１を電気駆動する場合には、これに関してさらに拡張されたやり方が提供される。

ポンプ１０、１１の高圧側の接続管１５は、アキュムレータ６に接続し、実線で示してある。低圧側の接続管１６は破線で示してある。

図３は、液体燃料運転時の内燃機関１への供給と、ガス運転時のパイロット噴射のためのポンプシステム１７を示している。同様に、２個の大型ポンプ１０が設けられている。この場合、しかし、このポンプ１０は、図示のように内燃機関１または内燃機関１の変速機１２に持続的に駆動連結されている。小さな出力を有するポンプ１１として同様に、電動機１３を介して駆動されるポンプが設けられている。この場合、ポンプ１１としてラジアルポンプが示してある。この実施の形態の場合、ポンプ１１のための電動式駆動装置の代わりに、図１の図示に類似して、例えば変速機１２を介して、ポンプ１１を内燃機関に対して機械的に駆動連結することができる。

図３のポンプシステム１７は、実線で示した、アキュムレータ６に対する高圧側の接続部１５を備えている。この接続部には、アキュムレータ６への吐出方向とは反対の方向の流れを遮断する逆止弁１８が設けられている。低圧側へのポンプ１０、１１の接続管２１は、破線で示してあり、大きな出力のポンプ１０の接続部１９には、遮断弁２０が設けられ、この遮断弁は、２／２方向制御弁として形成されていると有利である。この遮断弁は、アキュムレータ６へ吐出を行うポンプ運転のために閉鎖され、短絡運転のために開放される。

同様に１５で示した、アキュムレータ６に至る小さな出力のポンプ１１の接続部は、同様に、吐出方向とは反対の方向の流れを遮断する逆止弁１８を介して保護されているので、ラジアルポンプとして形成されたアキュムレータ６のポンプ１１を介しての低圧側に対する短絡が不可能である。接続管２１を介して形成される低圧側に対する接続部は、ポンプ１０、１１のための共通の吸込み側供給連結部としての働きをする。

これら実施例では、１個のみのポンプによって、従って大きな出力のポンプ１０によって作動可能であることは示していない。このポンプは、吐出量を調節可能であるので、場合によってはこのポンプの吐出量を調節するだけで、アキュムレータ６への高圧供給が可能であり、このポンプの吐出量を、ポンプの運転信頼性のために必要な最低吐出量に調節することができる。互いに出力を連結し、アキュムレータ６を形成するコモンレールのために、圧力制限弁２２を介して共通の保護部が設けられている。

１ 内燃機関
２ シリンダ
５ 噴射装置
６ アキュムレータ
７ コモンレール
８ 噴射装置
９ ポンプ
１０ 大型のポンプ
１１ 小型のポンプ
１２ 変速機
１３ 電動機
１４ 継手
１５ 高圧側の接続管
１６ 低圧側の接続管
１７ ポンプシステム
１８ 逆止弁
１９ 接続部
２０ 遮断弁
２２ 圧力制御弁

Claims (9)

1. 液体燃料またはガス状燃料によって切り換え可能に運転される内燃機関（１）において、この内燃機関が、ガス運転時に液体燃料のパイロット噴射によって作動し、液体燃料による運転時の前記内燃機関（１）のシリンダ（２）への液体燃料の噴射のためおよびガス運転時の前記パイロット噴射のために、別個の噴射装置（５、８）が設けられ、これら噴射装置が、液体燃料を供給するために共通のアキュムレータ（６）に接続され、このアキュムレータが、少なくとも１個のポンプ（９）を介して燃料を供給され、前記アキュムレータ（６）に供給される燃料量が、圧力レベルに依存して可変であり、しかもガス運転時の前記パイロット噴射のための圧力レベルが、液体燃料による運転のための圧力レベルよりも低く、アキュムレータ（６）に供給される燃料量がポンプの吐出量の下限値よりも多くなるようにされていること、前記アキュムレータ（６）への燃料供給のために、ポンプ出力に段階をつけた少なくとも２個の別々のポンプ（１０、１１）が設けられ、これらポンプのうちの小さな出力のポンプ（１１）が、少なくとも、ガス運転時のパイロット噴射のために必要な吐出量を供給することを特徴とする内燃機関。
2. 前記液体燃料運転およびパイロット噴射によるガス運転で、液体燃料を前記シリンダ（２）に噴射するために、それぞれ互いに独立して運転される噴射装置（５、８）が設けられ、これら噴射装置（５、８）が、液体燃料による運転時に、前記パイロット噴射のための燃料量よりも多い燃料量をそれぞれ噴射するように設計されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記噴射装置（５、８）が、１個のユニットにまとめられていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記ポンプ（１０、１１）のうち、少なくとも１個または複数のポンプ（１０）が、大型のポンプとして、そのポンプ出力を液体燃料運転に必要な吐出量に調整されていること、前記ポンプ（１０、１１）の少なくとも１個、即ち液体燃料運転のための吐出量に調整したポンプ（１０）が作動停止可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関。
5. 前記ポンプ（１０、１１）のうちの少なくとも１個、即ち吐出出力を液体燃料運転のための吐出出力に調整したポンプ（１０）が、継手（１４）を介して分離可能に前記内燃機関（１）に連結されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関。
6. 前記ポンプ（１０、１１）のうち、ポンプ出力の小さなポンプ（１１）が、前記内燃機関（１）に駆動連結されている、および／または電動機（１３）を介して駆動可能であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関。
7. 前記ポンプ（１０、１１）のうちの少なくとも１個、即ちポンプ出力の大きなポンプ（１０）が、前記アキュムレータ（６）への燃料供給のために前記内燃機関（１）に持続的に駆動連結され、前記内燃機関を介して直接的に駆動されるかまたは電気的に駆動される、ポンプ出力の小さなポンプ（１１）が選択的に作動可能であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関。
8. 前記ポンプ（１０、１１）のうちの少なくとも１個、即ちポンプ出力の大きなポンプ（１０）が、短絡運転で運転可能であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の内燃機関。
9. 前記アキュムレータ（６）が、吐出出力を調節可能な１個のポンプ（１０）を介して燃料を供給されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の内燃機関。

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