JP6493999B2 - 大型ターボ過給機付き２行程圧縮点火内燃エンジンのシリンダ内に燃料を噴射するための燃料バルブ用のノズル - Google Patents

Description

本開示は、クロスヘッドを有する大型ターボ過給機付き２行程自己点火内燃エンジンのシリンダ内に燃料を噴射するための燃料バルブ用のノズルに関し、詳細には、クロスヘッドを有する大型ターボ過給機付き２行程自己点火内燃エンジンのシリンダ内に気体燃料または低引火点燃料を噴射するための燃料バルブ用のノズルに関する。

大型ターボ過給機付き２行程自己点火クロスヘッド内燃エンジンは、典型的には、コンテナ船など大型の航洋船内の、または発電所内の原動機として使用される。

これらのエンジンのシリンダは、シリンダ・カバー内、すなわちシリンダの上部で中央に配置された単一の排気バルブと、シリンダ・ライナの下部領域にある輪になったピストン制御式掃気ポートとを備える。これらの掃気ポートは、燃焼室内のガスに渦を生み出すために傾いている。

２つまたは３つの燃料バルブが、シリンダ・カバー内に、中央に配置された排気バルブ周りに配置され、それらのノズルが燃焼室内に張り出している。これらの燃料バルブは、シリンダ・カバー内で周囲に配置され、ノズルのノズル穴は、実質的な方向で、シリンダ壁から離れ、燃焼室内へと、渦と共に方向付けられる。場合によっては、ノズルの単一のノズル穴が、燃焼室内で渦に逆らって方向付けられる。

ノズルは、燃料バルブの前方または遠位端に取り付けられる。燃料バルブは、近位または後端がシリンダ・カバーの上部表面から突出した細長いハウジングを備え、細長い燃料バルブ・ハウジングは、シリンダ・カバーを通って延び、細長い燃料バルブ・ハウジングの前方または遠位端にあるノズルは、燃焼室内に突出する。

クロスヘッド・タイプの大型２行程ディーゼル・エンジン用の知られているノズルは、典型的には、細長いノズル本体を有し、このノズル本体は、ノズル本体の遠位端にあるノズルのベースから、ノズル本体の先端または遠位端に位置する、またはその近くに位置する下行ノズル・ボアに通じる中央主ボアを有する円筒形区間を備える。先端または遠位端は、丸形または平坦とすることができるが、閉じられている。なぜなら、ノズル・ボアは、ピストンに向かって下向きに方向付けられてはならないからである。したがって、ノズル・ボアは、ノズルの主軸に対して、典型的にはおおよそエンジン・シリンダの主軸に対して横方向に方向付けられる。典型的には、各ノズルは、３つから７つのノズル・ボアを備え、これらのノズル・ボアは、すべて主ボアに接続される。

ノズル本体は、燃焼室内に突出しているので、燃焼室の高温ガスにさらされ、したがってノズル本体の一部は、最大約４００℃の比較的高い温度に達することになる。入来燃料は、従来の重油作動のエンジンの場合、約１４０℃である。したがって、ノズル・ボアを通ってノズルを離れる主ボア内の入来燃料は、ノズル本体の外側表面を取り囲むガスより著しく低い温度を有する。したがって、ノズル本体の材料は、かなりの温度勾配にさらされ、材料内に応力を引き起こす。

近年、クロスヘッド・タイプの大型２行程ディーゼル・エンジンを気体燃料で運転する傾向がある。これらの燃料は、実質的に低い温度、典型的には約５０℃から８０℃で主ボアに入る。したがって、燃焼室内のガスの温度は実質的に変化しないため、これらの気体燃料は、ノズル本体の材料を著しく大きい温度勾配にさらす。

また、近年、クロスヘッド・タイプの大型２行程ディーゼル・エンジンを低引火点燃料で運転する傾向もある。これらの低引火点燃料もまた、典型的には約５０℃から８０℃の温度でノズル内の主ボアに入り、したがって、これらの低引火点燃料もまた、ノズルの材料を、重油に比べたとき、より大きい温度勾配にさらす。

特開昭５５−０６９７５４号は、大型ニードル・バルブと、大型ニードル・バルブを開くために必要とされる圧力より低い圧力で開く小型ニードル・バルブとを提供し、またこれらのニードル・バルブに対応するノズル穴を提供することによって、エンジン出力が上昇しているとき、および低下しているとき、燃料放出のために理想的な状態を維持するためのノズルを備える燃料バルブを開示している。

ノズルの知られているものは、燃焼室内の高い動作温度のガスと、噴射される燃料／ガスの高い冷却効果にさらされたとき、材料の熱疲労によりノズル穴間に割れを起こす。

気体燃料または低引火点燃料で運転されるエンジンに関してノズル本体の材料がさらされる高い温度勾配は、ノズル本体材料内、特にノズル穴が位置するノズルのエリア内に割れが形成されるリスクを高める。

上記に鑑みて、本発明の目的は、前述の問題を克服する、または少なくとも低減するクロスヘッド・タイプの大型２行程ディーゼル・エンジン内に気体燃料を噴射するための燃料バルブ用のノズルを提供することである。

前述および他の目的は、独立請求項の特徴によって達成される。さらに、実装形態は、従属請求項、説明、および図から明らかになる。

第１の態様によれば、クロスヘッドを有する大型２行程ターボ過給機付き圧縮点火内燃エンジン内に気体燃料を噴射するための燃料バルブ用のノズルであって、主方向および軸で、ノズル本体の近位端にあるベースからノズル本体の遠位端に延びるノズル本体であって、ベースは、燃料バルブに取り付けるように構成される、ノズル本体と、燃料バルブから燃料を受けるためにベースに開口する入口ポートと、主方向で、入口ポートからノズル本体内に、近位端と遠位端の間の中央位置へ延びる主ボアと、ノズル本体内で、遠位端に、またはその近くに配置された複数のノズル穴であって、各ノズル穴が、主ボアからノズル穴の１つに延びる個々の供給通路によって主ボアに流体接続される、ノズル穴とを備えるノズルが提供される。

ノズル本体内の中央位置からノズル穴に延びる個々の供給通路を設けることにより、ノズル・ボア間の材料の厚さが著しく増大され、燃焼室内の比較的冷えた燃料と高温ガスの間の温度勾配によって引き起こされる材料応力が低減され、この組合せは、ノズル本体材料内の割れ形成のリスクを著しく低減する。各ノズル穴用に別個の供給通路があるので、ノズル穴間により多くのノズル材料があり、それによりノズル穴周囲の周りの応力レベルを下げる。したがって、ノズル穴周りの材料内のより低い内部応力が達成され、それにより割れ形成のリスクを低減する。

第１の態様の第１の可能な実装によれば、ノズル穴がノズル軸を有し、ノズル軸が、主方向と鈍角で配置される。

第１の態様の第２の可能な実装によれば、供給通路が、主方向と平行であるか、または主方向と鈍角である方向で主ボアから延びる。

第１の態様の第３の可能な実装によれば、各ノズル穴が、供給通路に接続され、関連のノズル穴のノズル軸が関連の供給通路に対して鈍角または直角である。

第１の態様の第４の可能な実装によれば、遠位端が、好ましくは実質的に円形の輪郭を有する実質的に平面の端部表面を備え、端部表面が、好ましくは主方向と鋭角で配置される。

第１の態様の第５の可能な実装によれば、ノズル本体が、ベースと遠位端の間に延びる実質的に円筒形の部分を備える。

第１の態様の第６の可能な実装によれば、ノズル本体が、実質的に円筒形の部分を端部表面の輪郭に接続する丸い外側表面を有する移行エリアを備える。

第１の態様の第７の可能な実装によれば、ノズル穴が、移行エリア内に配置され、好ましくは端部表面の輪郭周りに分散される。

第１の態様の第８の可能な実装によれば、主ボアの断面積が、供給通路の断面積より実質的に大きい。

第１の態様の第９の可能な実装によれば、供給通路の断面積が、ノズル穴の断面積に実質的に等しい。

第１の態様の第１０の可能な実装によれば、入口ポートが、主ボアの直径より大きい直径を有するボアによって形成される。

第１の態様の第１１の可能な実装によれば、供給通路が、実質的に直線のチャネルまたは実質的に直線のボアである。

本発明のこれら、および他の態様は、下記の実施形態から明らかになろう。

本開示の以下の詳細部分では、本発明について、図面に示されている例示的な実施形態を参照してより詳細に述べる。

例示的な一実施形態による大型２行程圧縮点火ターボ過給機付きエンジンの前端および一方の側面を示す立面図である。 図１のエンジンの後端および他方の側面を示す立面図である。 その吸気および排気システムを有する図１によるエンジンの概略図である。 図１から図３のエンジン内で使用するための燃料バルブの立面図である。 図４の燃料バルブと共に使用するためのノズルの立面図である。 図５のノズルの透過側面図である。 図５のノズルの上面図、断面図、および長手方向断面図を集めたものである。 図１から図３のエンジンのシリンダ・カバー内に設置された図５のノズルを示す断面図である。 様々な構成要素間の角度を示す図４のノズルの長手方向断面図である。 別の実施形態によるノズルの長手方向断面図である。

以下の詳細な説明では、燃料バルブと共に使用するためのノズル、およびそのノズルおよび燃料バルブが使用される大型２行程エンジンについて、例示的な実施形態により述べる。図１から図３は、クランクシャフト２２およびクロスヘッド２３を有する大型低速ターボ過給機付き２行程ディーゼル・エンジンを示す。図３は、その吸気および排気システムを有する大型低速ターボ過給機付き２行程ディーゼル・エンジンの概略図を示す。この例示的な実施形態では、エンジンは、直列で６本のシリンダ１を有する。大型ターボ過給機付き２行程ディーゼル・エンジンは、典型的には、エンジン・フレーム２４によって担持される５本から１６本の間のシリンダを直列で有する。このエンジンは、たとえば、航洋船内の主エンジンとして、または発電所で発電機を運転するための静止型エンジンとして使用されることがある。エンジンの総出力は、たとえば５，０００〜１１０，０００ｋＷに及ぶことがある。

このエンジンは、２行程ユニフロー・タイプのディーゼル（圧縮点火）エンジンであり、輪になったピストン制御式ポートの形態の掃気ポート１９がシリンダ１の下部領域にあり、排気バルブ４がシリンダ１の上部にある。したがって、燃焼室内の流れは、常に底部から上部であり、したがって、このエンジンは、いわゆるユニフロー・タイプのものである。掃気は、掃気だめ２から各シリンダ１の掃気ポート１９に送られる。シリンダ１内の往復ピストン２１が掃気を圧縮し、シリンダ・カバー２６内に配置された２つまたは３つの燃料バルブ３０を介して燃料が噴射される。燃焼が続き、排気ガスが生成される。排気バルブ４が開かれたとき、排気ガスは、関連のシリンダ１に関連付けられた排気ダクト２０を通って排気ガスだめ３に流入し、第１の排気導管１８を通ってターボ過給機５のタービン６に進み、そこから排気ガスは、第２の排気導管７を通って流れ去る。タービン６は、シャフト８を通じて、空気入口１０を介して供給を受ける圧縮機９を駆動する。

圧縮機９は、加圧された給気を、給気だめ２に通じる給気導管１１に送達する。導管１１内の掃気は、給気を冷却するためのインタークーラ１２を通過する。冷却された給気は、電気モータ１７によって駆動される補助ブロワ１６を介して通り、補助ブロワは、低負荷または部分負荷状態で給気流を加圧し、給気だめ２に送る。より高い負荷では、ターボ過給機圧縮機９は、十分な圧縮された掃気を送達し、そのとき補助ブロワ１６は、逆止バルブ１５を介してバイパスされる。

シリンダは、シリンダ・ライナ５２内に形成される。シリンダ・ライナ５２は、エンジン・フレーム２４によって支持されるシリンダ・フレーム２５によって担持される。

図４は、シリンダ・カバー２６内の貫通ボア内に装着される２つまたは３つの燃料バルブ３０の１つを示し、燃料バルブ３０の後端３２は、シリンダ・カバーの上側から突出し、ノズル４０の遠位端（先端）は、燃焼室内にわずかに突出するか、または燃焼室と同一平面である。燃料バルブ２６は、細長い燃料バルブ本体３１を備え、その遠位（前）端にノズル・ホルダ３３がある。ノズル・ホルダは、ノズル４０を細長い燃料バルブ本体３１に接続する。気体燃料または液体燃料など燃料は、燃料バルブ３０によって制御および時間調整されて、ノズル４０を介して燃焼室２６に送達される。

図５から図９は、ノズル４０の例示的な一実施形態を示す。ノズル４０は、近位端のベース４２から、ノズル４０の先端を形成する遠位端４４に延びるノズル本体を有する。ノズル本体の円筒形の部分４３は、ベースから遠位端４４に延びる。

ノズル本体は、好適な材料、たとえば当技術分野で周知の好適な合金製である。

遠位端（先端）４４は、円形または楕円形の輪郭を有する実質的に平面の端部表面４７を備える。端部表面４７は、中間部分４６において湾曲した、または丸い表面を介して円筒形の部分に接続する。端部表面４７は、主軸Ｘに対して角度βで傾斜して配置される。端部表面４７は、主軸Ｘ周りで心合わせされることが好ましい。傾斜角βは、図８でわかるように、ノズルが配置されるシリンダ・カバーのエリア内で燃焼室１４に面するシリンダ・カバー２６の表面と、端部表面４７が実質的に平行であることが確実になるように選択される。

燃料バルブ２６およびノズル４０がシリンダ・カバー２６の内側表面に配置されるカバー・ボアの開口は、陥凹エリア５１を提供するように丸いことが好ましい。一実施形態では、陥凹エリア５１は、ノズル・ボア４５からの噴流のための空間を提供するために、シリンダ・カバー２６の内側表面内の切欠きに接続する。

遠位端４４、特に端部表面４７は、カバー・ボアが内側表面２７に開口するエリア内でシリンダ・カバー２６の内側表面２７と実質的に同一平面であることが好ましい。

あるいは、ノズル４０の遠位端４４は、図８に示されているように、シリンダ・カバー２６の内側表面２７から燃焼室１４内にわずかだけ突出する。

ノズル４０は、複数のノズル穴４５を備える。ノズル４０は、任意の望ましい数のノズル穴４５、好ましくは２つから７つの間のノズル穴４５、さらに好ましくは３つから６つの間のノズル穴４５、最も好ましくは５つまたは６つのノズル穴４５を備える。本例示的な実施形態によるノズル４０は、６のノズル穴４５を備える。

好ましくは、ノズル穴４５は、中間部分４６において、すなわち遠位端４４の近く、または遠位端４４内で湾曲した、または丸い表面に開口する。しかし、ノズル穴４５は、前記端部表面４７に部分的に開口しても、前記円筒形の部分４３に部分的に開口してもよい。

ノズル穴４５はそれぞれノズル軸Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩを有する。各穴４５のノズル軸Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩは、主方向Ｘと鈍角αで配置される。鈍角αは、ノズル穴４５のそれぞれについて異なることができる。主軸Ｘに対する各ノズル軸Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩの半径方向成分は、１８０度未満、好ましくは１２０度未満、さらに好ましくは１１０度未満の円弧を有する扇形にわたって分散される。主軸Ｘに対する各ノズル軸（Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩ）の半径方向成分は、個々のノズル穴４５間のノズル本体材料の量を最大にするために、扇形にわたって実質的に均等に分散される。

ベース４２は、前記燃料バルブ２６から燃料を受けるために入口ポート４８を備える。主ボア５０は、前記入口ポート４８から、主軸および方向Ｘに沿った方向で、ノズル本体内に、また円筒形の部分４３内に、ノズル本体の中央位置へ延びる。中央位置では、主ボア５０は、それぞれノズル・ボア４５に接続される複数の個々の供給通路４９に接続する。

主ボア５０と個々の供給通路４９との間の移行は、燃料バルブ２６のバルブ・ニードル（図示せず）のための座として働くことができる。

供給通路４９は、個々の供給通路４９間で実質的に等しい量のノズル本体材料を有するために、円筒形区間４３内で実質的に均等に分散される。

主ボア５０の断面積は、供給通路４９の断面積より実質的に大きい。供給通路４９の断面積は、ノズル穴４５の断面積に実質的に等しい。供給通路は、実質的に直線のチャネルまたは実質的に直線のボアである。

入口ポート４８は、一実施形態では、主ボア５０の直径より大きい直径を有するボアによって形成される。あるいは、入口ポート４８は、主ボアと同じ直径を有することができる。

ノズル４０は、ノズル穴４５のより広い広がり、したがってノズル穴４５間のより多くのノズル材料、したがって割れ形成に対するよりよい抵抗をもたらす。さらに、ノズル４０は、実質的に均一な燃料噴流を生み出すために、ノズル穴のそれぞれに対して均一な入口状態を提供する。

図１０は、ノズル４０の別の実施形態を示し、これは、主ボア５０がノズル穴４５へ完全に延び、主ボア５０とノズル穴４５の間の供給通路なしでノズル穴４５に直接燃料を供給することを除いて、上記の実施形態と本質的に同一である。

本明細書では、本発明について様々な実施形態と共に述べた。しかし、図面、本開示、および添付の特許請求の範囲を研究すれば、当業者なら、特許請求されている発明を実施する際に、開示されている実施形態に対する他の変形形態を理解し行うことができる。特許請求の範囲では、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える、含む）」という語が他の要素またはステップを除外せず、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、複数であり得ることが明記されていない構成が複数であり得ることを除外しない。相互に異なる従属請求項内にいくつかの手段が記載されていることだけで、これらの手段の組合せを、有利にするために使用することができないことを示すことにはならない。

特許請求の範囲で使用される符号は、範囲を限定するものと解釈されないものとする。

Claims (14)

1. クロスヘッド（２２）を有する大型２行程ターボ過給機付き圧縮点火内燃エンジン内に気体燃料を噴射するための燃料バルブ（２６）用のノズル（４０）であって、
   主方向および軸（Ｘ）で、ノズル本体の近位端（４１）にあるベース（４２）からノズル本体の遠位端（４４）に延びるノズル本体であって、前記ベース（４２）は、前記燃料バルブ（２６）に取り付けるように構成される、ノズル本体と、
   前記ノズル本体内で、前記遠位端（４４）に、またはその近くに配置された複数のノズル穴（４５）と、
   前記燃料バルブ（２６）から燃料を受けるために前記ベース（４２）に開口する入口ポート（４８）と、
   前記入口ポート（４８）から前記ノズル本体内へと前記主方向（Ｘ）に延在し、前記近位端（４１）と前記遠位端（４４）との間の中央位置まで延びる主ボア（５０）とを備え、
   各ノズル穴（４５）は、前記主ボア（５０）から前記ノズル穴（４５）の１つに延びる個々の供給通路（４９）によって、前記中央位置において前記主ボア（５０）に流体接続されているノズル。
2. 前記ノズル穴（４５）がノズル軸（Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩ）を有し、前記ノズル軸（Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩ）が、前記主方向（Ｘ）と鈍角（α）で配置される、請求項１に記載のノズル（４０）。
3. 前記供給通路（４９）が、前記主方向（Ｘ）と平行であるか、または前記主方向（Ｘ）と鈍角である方向で前記主ボア（５０）から延びる、請求項１または２に記載のノズル（４０）。
4. 各ノズル穴（４５）は、ノズル穴（４５）のノズル軸線（Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩ）を供給通路（４９）に対して鈍角または直角にして、供給通路（４９）に接続されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のノズル（４０）。
5. 前記遠位端（４４）が、平面の端部表面（４７）を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載のノズル（４０）。
6. 前記平面の端部表面（４７）は、円形または楕円形の輪郭を有する、請求項５に記載のノズル（４０）。
7. 前記平面の端部表面（４７）は、前記主方向（Ｘ）と鋭角（β）で配置される、請求項５または６に記載のノズル（４０）。
8. 前記ノズル本体が、前記ベース（４２）と前記遠位端（４４）の間に延びる円筒形の部分（４３）を備える、請求項５から７のいずれか一項に記載のノズル（４０）。
9. 前記ノズル本体が、前記円筒形の部分（４３）を前記端部表面（４７）の輪郭に接続する湾曲した、または丸い外側表面を有する移行エリア（４６）を備える、請求項８に記載のノズル（４０）。
10. 前記ノズル穴（４５）が、前記移行エリア（４６）内に配置される、請求項９に記載のノズル（４０）。
11. 上記ノズル穴（４５）が、前記端部表面（４７）の輪郭周りに分散される、請求項１０に記載のノズル（４０）。
12. 前記主ボア（５０）の断面積が、前記供給通路（４９）の断面積より大きい、請求項１から１１のいずれか一項に記載のノズル（４０）。
13. 前記供給通路（４９）の断面積が、前記ノズル穴（４５）の断面積に等しい、請求項１から１２のいずれか一項に記載のノズル（４０）。
14. 前記入口ポート（４８）が、前記主ボア（５０）の直径より大きい直径を有するボアによって形成される、請求項１から１３のいずれか一項に記載のノズル（４０）。