JP6543679B2 - 大型でターボチャージ付きの２行程圧縮点火内燃機関向けの燃料弁、及びこれを用いた内燃機関 - Google Patents

Description

本開示は、ガスにより動作する燃料供給システムを有する、大型でターボチャージ付きの２行程圧縮点火内燃機関の燃焼室内へ燃料を噴射する燃料弁、および大型の２行程圧縮点火内燃機関の燃焼室内へガスを噴射する方法に関する。

クロスヘッドタイプの大型で低速の２行程圧縮点火式機関は、典型的には、大型の船の推進システム内で、または発電所内の原動機として使用される。これらの機関は、重油または燃料油により動作することが非常に多い。

最近、大型の２行程ディーゼル機関は、ガス、燃料油と水の混合物、石油コークスなどの代替タイプの燃料を取り扱うことが可能であることが求められている。

天然ガスなどの気体燃料は、大型で低速ユニフローのターボチャージ付き２行程内燃機関向けの燃料として使用されると、たとえば重油を燃料として使用した場合と比較して、排気ガス中の硫黄成分ＮＯｘおよびＣＯ２のレベルが大幅に低くなる比較的クリーンな燃料である。

しかし、大型で低速ユニフローのターボチャージ付き２行程内燃機関内で気体燃料を使用することには問題が伴う。それらの問題の１つは、燃焼室内へ噴射した際にガスが圧縮点火しようとする性質および予測可能性であり、このどちらも、圧縮点火された機関内で制御下に置くために不可欠である。したがって、既存の大型で低速ユニフローのターボチャージ付き２行程内燃機関では、適切にタイミングがとれた気体燃料の確実な点火を保証するために、気体燃料の噴射と同時に、油または他の点火液のパイロット噴射が使用される。この問題は、燃料油と水の混合物などの点火するのが難しい他の燃料に類似している。

大型で低速ユニフローのターボチャージ付き２行程内燃機関は、典型的には、大型の外航貨物船の推進に使用され、したがって信頼性が最も重要である。これらの機関の気体燃料による動作は、依然として比較的最近の開発であり、ガスによる動作の信頼性はまだ、従来燃料のレベルに到達していない。したがって、既存の大型で低速の２行程ディーゼル機関はすべて、気体燃料で動作する燃料システムと、燃料油で動作する燃料システムとを有する２重燃料機関であり、したがって燃料油で走行するときしか全出力で動作することができない。

これらの機関の燃焼室は直径が大きいため、典型的には、１つのシリンダにつき３つの燃料噴射弁を備えており、これら３つの燃料噴射弁は、中心排気弁の周りに約１２０°の角度で分離されている。したがって、２重燃料システムの場合、気体燃料の確実な点火を保証するために、１つのシリンダにつき３つの気体燃料弁と、３つの燃料油弁とが存在し、１つの燃料油噴射弁がそれぞれの気体噴射弁に近接して配置されており、したがってシリンダの上部カバーは、比較的密集した場所になっている。

既存の２重燃料機関において、燃料油弁は、気体燃料による動作中にパイロット油噴射を提供するために使用されてきた。これらの燃料油弁は、燃料油で機関を全負荷で動作させるためだけに必要とされる量の燃料油を送達することが可能になるように寸法設定される。しかし、パイロット噴射で噴射される油の量は、排出量の所望の低減を得るために、可能な限り小さくするべきである。全負荷での動作に必要な大きい量を送達することもできるフルサイズの燃料噴射システムによるそのようなわずかな量の投与量は、甚大な技術的問題をもたらし、実際には実現するのが非常に困難であり、したがって既存の機関において、パイロット油の投与量は、１回の燃料噴射事象につき、特に中程度から低負荷で所望される量より多い量となっている。小さいパイロット量を取り扱うことができる追加の小型の噴射システムの代替は、かなり複雑であり、コストがかかる。さらに、追加の小型のパイロット油噴射弁により、シリンダの上部カバーがさらに密集することになる。

概して、いくつかの理由のため、点火液の別個のパイロット噴射により動作することは望ましくない。ＭＣＲ負荷の３％を下回ると、確実な噴射器動作を得るのが困難になることが分かっている。第２に、シリンダの外で行われるあらゆる外部点火は、少なくとも最小量の燃料を必要とし、パイロット噴射の長期的な機能は、それ以上検証されていない。摩耗した燃料ポンプは、パイロット噴射機能を劣化させる可能性があることが予期される。加えて、急速パイロット噴射プロファイルにより、燃料システムの摩耗が増大する可能性があることも予期される。

ＷＯ２０１５／０６２６０７は、弁ニードルと弁ニードルが受け取られる長手方向ボアとの間の隙間を通って点火液が浸出することを可能にし、その結果、少量の点火液が燃料室内で弁座の真上に蓄積し、弁ニードルが揚程を有するときに気体燃料とともに噴射される燃料弁を開示している。噴射液は、気体燃料とともにノズル内の主ボアに入り、点火は、ノズルの遮蔽された環境内で行われる。このシステムは、燃焼室内へ点火流体を噴射する別個のパイロット弁を使用する場合と比較すると、はるかに少量の点火液で十分である。しかし、燃料室へ浸出する点火液の量は、実際のスピンドルの隙間に大きく依存しており、これは製造公差および摩耗のために変動する可能性がある。さらに、このやり方では微量の点火液しか供給することができず、その流量を制御する方法もない。最後に、気体および液圧媒体に対する封止油のすべての要件を満たすことも必要なため、点火媒体のタイプを変更することができない。

この背景に基づき、本出願の目的は、上述した問題を克服しまたは少なくとも低減させる圧縮点火内燃機関向けの燃料弁を提供することである。

この目的は、第１の態様によれば、大型で低速のターボチャージ付き２行程圧縮点火式内燃機関の燃焼室内へ気体燃料を噴射する燃料弁を提供することによって実現され、前記燃料弁は、後端および前端を有する細長い弁ハウジングと、基部から閉じた先端部まで延びる細長いノズル本体、前記基部から前記閉じた先端部まで延びる主ボア、および前記主ボアに連結された複数の噴口を備えるノズルであって、前記細長い弁ハウジングの前記前端に配置され、前記基部が前記前端に連結される、ノズルと、加圧気体燃料源に連結するための前記細長い弁ハウジング内の燃料入口ポートと、前記細長い弁ハウジング内の長手方向ボア内に、前記弁ニードルと前記長手方向ボアとの間に隙間をあけて摺動可能に受け取られた軸方向に変位可能な弁ニードルであって、閉位置および開位置を有し、前記閉位置で弁座に位置し、前記開位置で前記弁座から揚程を有する軸方向に変位可能な弁ニードルと、前記軸方向に変位可能な弁ニードルを前記閉位置と前記開位置との間で制御可能に動かすアクチュエータ・システムであって、前記弁座が、前記細長い弁ハウジング内で前記弁ハウジング内の燃料室と前記細長い弁ハウジングの前記前端内の出口ポートとの間に配置され、前記出口ポートが、前記ノズル内の前記主ボアに直接連結し、前記燃料室が、前記燃料入口ポートに連結され、前記隙間が、前記長手方向ボアの一方の端部で前記燃料室へ開いている、アクチュエータ・システムと、加圧封止液源に連結するための封止油入口ポートと、長手方向ボアの長さに沿って第１の位置で前記封止油入口ポートを前記隙間に連結する封止油供給導管と、加圧点火液源に連結するための点火液入口ポートと、前記軸方向ボアの長さに沿って前記第１の位置より前記燃料室に近い第２の位置で、前記点火液入口ポートから細長い弁ハウジングを通って、前記弁座または前記隙間まで延びる点火液導管とを備える。

気体燃料または、点火するのが困難な燃料を噴射する燃料噴射弁のノズル内へ点火液を供給する利点は、別個のパイロット弁を介した外部のパイロット噴射なしで機関が動作できることである。その代わりに、点火は、気体燃料または点火するのが困難な燃料を噴射する燃料弁のノズル内で行われる。点火液は、ノズル内の燃焼室内で点火し、最初の炎は燃焼室から保護されており、噴射事象に続いてガスを点火する確率がより高くなる。これにより、点火液の消費を著しく低減させることが可能になる。試験では、ＭＣＲ負荷の１％を大きく下回るレベルが可能であることが示された。

たとえば封止油システムとは別個に、点火液の独立した供給を提供することによって、点火液の投与量をより正確かつ確実に制御することができ、点火液のタイプを容易に変更することができる。上流の隙間および供給圧力を変動させることによって、封止油システムの作用を損なうことなく、点火液量の完全な制御が得られる。点火液は、システム油に制限されなくなる。たとえば、ディーゼル油などのより容易に点火される液体を使用することができる。

第１の態様の第１の可能な実装形態によれば、弁ニードルが前記弁座に位置するとき、前記弁座への前記点火液導管は、弁ニードルによって閉鎖される。

第１の態様の第２の可能な実装形態によれば、前記軸方向に変位可能な弁ニードルは、前記ハウジング内に摺動可能に受け取られた軸方向に変位可能な作動ピストンに動作可能に連結され、作動ピストンは、前記ハウジングとともに作動室を画定し、前記作動室は、制御油源に連結するための制御ポートに流体連結される。

第１の態様の第３の可能な実装形態によれば、前記主ボアは、前記基部へ開いている。

第１の態様の第４の可能な実装形態によれば、前記点火液源は、前記気体燃料源の圧力より高い圧力を有する。

第１の態様の第５の可能な実装形態によれば、前記封止油供給導管は、前記封止油入口ポートを前記隙間に流体連結するように、前記軸方向に変位可能な弁ニードル内を長手方向に延びる。

第１の態様の第６の可能な実装形態によれば、前記軸方向に変位可能な弁ニードルは、燃料室が軸方向に変位可能な弁ニードルの一部分を取り囲むように、前記長手方向ボアから前記燃料室内へ突出する。

第２の態様によれば、大型で低速ターボチャージ付きの２行程圧縮点火内燃機関が提供され、この機関は、複数のシリンダ、高圧気体燃料供給システム、高圧点火液供給システム、高圧封止油システムを有し、第１の態様またはその可能な実装形態のいずれか１つに記載の１つまたは複数の燃料弁が、機関のシリンダに設けられ、前記燃料弁は、前記高圧気体燃料供給システム、前記高圧封止油システム、および前記点火液供給システムに連結される。

第２の態様の第１の可能な実装形態によれば、前記機関は、他の点火機器を使用することなく、前記燃料室内に蓄積した点火液の助けを借りて、気体燃料を圧縮点火するように構成される。

第２の態様の第２の可能な実装形態によれば、前記機関は、ノズル内の主ボア内へ気体と水の混合燃料が入る際に前記気体燃料を点火するように構成される。

第２の態様の第３の可能な実装形態によれば、前記高圧気体燃料供給システムは、前記気体燃料を高圧で前記燃料弁へ送達し、前記点火液源は、前記気体燃料源の圧力より高い圧力で前記点火液を送達するように構成される。

第２の態様の第４の可能な実装形態によれば、封止油源は、前記気体燃料源の圧力より高い、好ましくは前記点火液源の圧力より高い圧力で、前記封止油を送達するように構成される。

本開示による気体燃料弁、機関、および方法のさらなる目的、特徴、利点、および特性は、詳細な説明から明らかになる。

本説明の以下の詳細部分では、本発明について、図面に示す例示的な実施形態を参照して、より詳細に説明する。

例示的な実施形態による大型の２行程ディーゼル機関の正面図である。 図１の大型の２行程機関の側面図である。 図１による大型の２行程機関の図である。 シリンダの上部部分の図１の機関の気体燃料システムの例示的な実施形態の断面図である。 図４の実施形態のシリンダおよび気体燃料噴射システムの上面図である。 本発明の例示的な実施形態による図１に示す機関で使用するための気体燃料噴射弁の断面図である。 図６の断面の詳細図である。 図８は、図６の燃料噴射弁の前端に取り付けられたノズルの詳細断面図である。図８ａは、図６の第１の実施形態による燃料噴射弁の弁ニードルおよび弁座の領域の詳細図である。図８ｂは、第２の例示的な実施形態による燃料噴射弁の弁ニードルおよび弁座の領域の詳細図である。図８ｃは、第３の例示的な実施形態による燃料噴射弁の弁ニードルおよび弁座の領域の詳細図である。 図６の燃料弁の立面図である。 シリンダ・カバー内に設置された燃料弁を示す、図６〜９の燃料弁とともに使用するためのノズルの断面図である。

以下の詳細な説明では、圧縮点火式内燃機関について、例示的な実施形態における大型で低速のターボチャージ付き２行程内燃（ディーゼル）機関を参照して説明する。図１、図２、および図３は、大型で低速のターボチャージ付き２行程ディーゼル機関を、クランクシャフト４２およびクロスヘッド４３とともに示す。図３は、大型で低速のターボチャージ付き２行程ディーゼル機関の図を、その吸気および排気システムとともに示す。この例示的な実施形態では、機関は、一列になった４つのシリンダ１を有する。大型で低速のターボチャージ付き２行程ディーゼル機関は、典型的には、一列になった４〜１４個のシリンダを有し、これらのシリンダは、機関フレーム１３によって保持される。この機関は、たとえば、外航船における主機関として、または発電所内の発電機を動作させるための定置機関として、使用することができる。この機関の総出力は、たとえば、１，０００〜１１０，０００ｋＷの範囲とすることができる。

機関は、この例示的な実施形態では、２行程ユニフロータイプのディーゼル機関であり、シリンダ１の下部領域に位置する掃気ポートと、シリンダ１の上部に位置する中心排気弁４とを有する。掃気は、個々のシリンダ１の掃気レシーバ２から掃気ポート（図示せず）へ送られる。シリンダ１内のピストン４１は、掃気を圧縮し、シリンダ・カバー内の燃料噴射弁から燃料が噴射され、燃焼が継続し、排気ガスが生成される。排気弁４が開放されると、排気ガスは、シリンダ１に付随する排気ダクトを通って排気ガス・レシーバ３内へ流れ、第１の排気導管１８を通ってターボチャージャ５のタービン６へ進み、ターボチャージャ５から第２の排気導管を通って流れ、エコノマイザ２８を介して出口２９から大気中へ流れ出る。シャフトにより、タービン６は圧縮器９を駆動する。圧縮器９には、空気入口１０を介して新鮮な空気が供給される。圧縮器９は、加圧された掃気を掃気導管１１へ送達する。掃気導管１１は、掃気レシーバ２につながっている。

導管１１内の掃気は、約２００℃で圧縮器を出て、掃気を３６〜８０℃の温度まで冷却するための中間冷却器１２を通る。

冷却された掃気は、電気モータ１７によって駆動される補助ブロワ１６を介して進む。補助ブロワ１６は、ターボチャージャ５の圧縮器９が掃気レシーバ２にとって十分な圧力を送達していないとき、すなわち機関の低負荷状態または部分負荷条件にあるとき、掃気流を加圧する。機関負荷がより高い場合、ターボチャージャ圧縮器９は、十分な圧縮掃気を送達し、このとき補助ブロワ１６は、逆止め弁１５を介して迂回される。

図４および図５は、例示的な実施形態による複数のシリンダ１のうちの１つの上部を示す。シリンダ１の上部カバー４８は、ノズルなどの燃料弁５０の出口からシリンダ１内の燃焼室内へ気体燃料を噴射する３つの燃料弁５０を備える。

本開示では、「気体燃料」は、大気圧および周囲温度で気相になるあらゆる燃焼可能な燃料として広く定義される。

この例示的な実施形態は、１つのシリンダにつき３つの燃料弁５０を示すが、燃焼室のサイズに応じて、１つのシリンダにつき単一または２つの気体燃料弁５０でも十分となりうることを理解されたい。燃料弁５０は、高圧気体燃料を燃料弁５０へ供給する気体燃料供給導管６２に連結された入口５３を有する。３つの燃料弁５０のうちの１つは、供給導管６２によって供給され、他の２つの燃料弁５０は、供給導管６３によって供給される。この実施形態では、供給導管６２、６３は、上部カバー４８内にあけられた孔であり、これらの孔は、シリンダ１に付属するガス蓄積器６０に連結される。ガス蓄積器６０は、ガス・タンクおよび高圧ポンプを含むガス供給システム（図示せず）から高圧ガスを受け取る。

燃料弁５０はまた、多かれ少なかれ一定の差だけ気体燃料の圧力より高い高圧の加圧封止油源５７に連結された入口を有する。封止油源５７は、気体燃料源６０の圧力を少なくともわずかに上回る圧力を有する。好ましくは、良好な封止および潤滑特性を有する専用の封止油が、封止油として使用される。そのような封止油は、市販されており、封止油はより良好な封止および潤滑特性を有するが、点火するのがより困難であるという点で、たとえば燃料油とは異なる。

燃料弁５０はまた、多かれ少なかれ一定の差だけ気体燃料の圧力より高い圧力の加圧点火液源４４に連結された入口を有する。燃料弁５０へ送達される点火液４４の圧力はまた、好ましくは、封止油の圧力および気体燃料の圧力より一定の差だけ低い。

各シリンダ１は、この例示的な実施形態では、気体燃料蓄積器６０を備える。気体燃料蓄積器６０は、シリンダ１の燃料弁５０へ送達する準備ができた状態の気体燃料の量を、高圧（たとえば、約３００バール）下で収容する。気体燃料供給導管６２、６３は、気体燃料蓄積器６０と当該シリンダ１のそれぞれの気体燃料弁５０との間に延びる。

気体燃料蓄積器６０の出口にウィンドウ弁６１が配置され、ウィンドウ弁６１は、気体燃料蓄積器６０から気体燃料供給導管６２、６３への気体燃料の流れを制御する。

機関を燃料油で動作させるための３つの燃料油弁４９が、上部カバー４８内に設けられる。燃料油弁は、よく知られているように、高圧燃料油源に連結される。一実施形態（図示せず）では、機関は気体燃料のみで動作するように構成され、この実施形態では、機関は燃料弁を有していない。

機関は、機関の動作を制御する電子制御ユニットＥＣＵを備える。信号線により、電子制御ユニットＥＣＵが気体燃料弁５０、燃料油弁４９、およびウィンドウ弁６１に接続される。

電子制御ユニットＥＣＵは、気体燃料弁に対する噴射事象のタイミングを正確にとり、気体燃料の投与量を気体燃料弁５０により制御するように構成される。

電子制御ユニットＥＣＵは、気体燃料弁５０によって制御される気体燃料噴射事象の開始前に供給導管６２、６３が高圧気体燃料で充填されることを確実にするように、ウィンドウ弁６１を開放および閉鎖する。

図６、図７、図８、図８ａ、図９、および図１０は、第１の例示的な実施形態による圧縮点火内燃機関の燃焼室内へ気体燃料を噴射しかつ点火液を送達する燃料弁５０を示す。

燃料弁５０は、細長い弁ハウジング５２を有し、細長い弁ハウジング５２は、最後端８８と、前端に位置するノズル５４とを有する。最後端８８は、噴射液ポート４６、制御ポート７２、封止油ポート７８、およびガス漏れ検出ポート８６を含む複数のポートを備える。最後端８８は、ヘッドを形成するように広がっており、燃料弁５０をシリンダ・カバー４８内で固定するボルト（図示せず）を受け取るためのボア９４をヘッド内に備える。本実施形態では、燃料弁は、中心排気弁４の周りに配置され、すなわちシリンダ・ライナの壁に比較的近接して配置される。燃料噴射弁５０の細長い弁ハウジング５２および他の構成要素、ならびにノズルは、一実施形態では、ステンレス鋼などの鋼から作られる。

中空ノズル５４は、ノズル５４の主ボア５５（中空の内部、サック容積とも呼ばれる）に連結された噴口５６を備え、噴口５６は、ノズル５４中に径方向に分散され、一実施形態では、ノズル中に長手方向にもある程度分散される。主ボア５５に連結された噴口は、軸方向では、閉じた先端部５９に近接して配置される。噴口５６の径方向の分布は、本実施形態では、約５０°の比較的狭い範囲にわたっており、噴口の径方向の向きは、噴口５６（実際には、そこから誘導される燃料ジェット）がシリンダ・ライナ１の壁から離れる方へ誘導されるようになっている。さらに、噴口５６は、掃気ポート１９の傾斜した構成によって引き起こされる燃焼室内の掃気の旋回の方向とほぼ同じ方向に誘導される。

ノズル５４の先端部５９は閉鎖されており、すなわち最先端部５９に位置する噴口５６は存在しない。ノズル５４の後部または基部５１は、細長い弁ハウジング５２の前端に連結されており、ノズル５４内の主ボア５５は、細長い燃料弁ハウジング５２の前端内に位置する出口ポート６８の方へ開いている。主ボア５５は、基部５１から閉じた先端部５９まで延びる長手方向ボアであり、細長い弁ハウジング５２内の前端内で弁座６９の下の開口／出口ポート６８に連結するようにノズル５４の後部へ開いている。

細長い弁ハウジング５２内の長手方向ボア７７内に厳密に画定された隙間をあけて、軸方向に変位可能な弁ニードル６１が摺動可能に受け取られる。弁ニードル６１は、細長い弁ハウジング５２内に形成された弁座６９と封止係合するように構成された先端部を有する。一実施形態では、弁座６９は、細長い弁ハウジング５２の前端に近接して配置される。細長い弁ハウジング５２は、たとえば気体燃料供給導管６２、６３を介して加圧気体燃料源６０に連結するための気体燃料入口ポート５３を備える。気体燃料入口ポート５３は、細長い弁ハウジング５２内に位置する燃料室５８に連結し、燃料室５８は、弁ニードル６１の前方部分を取り囲む。弁座６９は、燃料室５８とサック容積５５との間に位置し、したがって気体燃料は、弁ニードル６１が揚程を有するとき、燃料室５８から主ボア５５へ流れることができる。気体燃料は、主ボア５５から噴口５６を介してシリンダ１の燃焼室内へ噴射される。

軸方向に変位可能な弁ニードル６１は、閉位置および開位置を有する。閉位置において、軸方向に変位可能な弁ニードル６１は弁座６９に位置する。したがって閉位置において、弁ニードル６１は、気体燃料入口ポート５３からノズル５４内の主ボア５５への流れを防止する。開位置において、弁ニードル６１は、弁座６９から揚程を有し、それによって気体燃料入口ポート５３からノズル５４内の主ボアへの流れを可能にする。

予圧をかけた巻きばね６６が、弁ニードル６１に作用し、弁ニードル６１を弁座６９に位置する閉位置の方へ付勢する。しかし、弁ニードル６１を閉位置の方へ付勢するために、気圧または油圧などの他の手段を設けることもできることが理解される。一実施形態では、巻きばね６６の一方の端部は、細長い弁ハウジング５２の後端に係合し、巻きばね６６の他方の端部は、弁ニードル６１の後端に位置する広がった区画またはフランジ８３に係合し、それによって弁ニードル６１の後端は、作動ピストン６４によって形成される。

気体燃料弁５０は、軸方向に変位可能な弁ニードル６１を閉位置と開位置との間で制御可能に動かすアクチュエータ・システムを備える。この実施形態では、アクチュエータ・システムは、細長い弁ハウジング５２の筒部内に摺動可能に受け取られた軸方向に変位可能な作動ピストン６４を含む。作動ピストン６４は、細長い弁ハウジング５２とともに作動室７４を画定する。この実施形態では、作動ピストン６４は、軸方向に変位可能な弁ニードル６１の一体化された最後部である。しかし、作動ピストン６４は、ねじ連結または溶接などの様々なやり方で弁ニードル６１に動作可能に連結することができ、好ましくは作動ピストン６４は、弁ニードル６１とともに動くが、これは必要条件ではないことが理解される。

作動室７４は、制御油導管７０を介して制御油ポート７２に流体連結される。制御油ポート７２は、電子制御油弁９６（図４）に連結され、電子制御油弁９６は、高圧制御油源９７に連結される。電子制御油弁９６は、好ましくは、開閉タイプであり、電子制御ユニットＥＣＵからの電気制御信号を受け取って、噴射事象を制御する。

他の実施形態（図示せず）では、弁ニードルは、ソレノイドまたはリニア電気モータなどの他の作動手段によって作動させることができる。

作動ピストン６４は、ハウジングの後端の方へ開いている好ましくは同心円状のシリンダを備え、このシリンダ内に、固定ピストン８７が摺動可能に受け取られる。作動ピストン６４は、固定ピストン８７に対して変位可能である。作動ピストン６４内のシリンダは、固定ピストン８７とともに、作動ピストン６４が軸方向に動くための空間を提供する小室８０を画定する。

細長い弁ハウジング５２は、封止油源５７に連結するための封止油ポート７８を備える。封止油供給導管７６が、細長い弁ハウジング５２内で固定ピストン８７を通って軸方向に延び、封止油ポート７８を小室８０に流体連結する。

封止油送達導管の第２の部分は、弁ニードル内をボア８２と同軸に延びる。径方向のチャネル（図示せず）が、軸方向に変位可能な弁ニードル６１内をボア８２から軸方向に変位可能な弁ニードル６１の外面まで延び、軸方向ボア７７の長さに沿って位置Ｐ１で細長い弁ハウジング５２と軸方向に可動の弁ニードル６１との間の隙間へ封止油が供給されることを可能にし、それによって弁ニードル６１を潤滑および封止する。封止油は、位置Ｐ１から隙間を通って、上方へ作動室７４まで流れ、また下方へ燃料室５８に向かって流れる。封止液のうち作動室８５へ流れる部分は、制御油と混合する。これは、制御油に実質的な影響を与えない。

本実施形態では、封止油のうち燃料室５８へ流れる部分は、点火液入口ポート４６から位置Ｐ１より位置Ｐ２で燃料室５８に近い隙間へ延びる点火液導管４５によって隙間へ供給される点火液の圧力に接触する。点火液入口ポート４６は、加圧点火液源４４に連結される。封止油の圧力は、点火液の圧力より高いため、封止油は、点火液が封止油システム内へ逆流して漏れるのを防止する。

図８ａに示すように、点火液導管４５を介して隙間へ送達される点火流体は、隙間の軸方向の長さに沿って燃料室５８まで移動し、燃料室５８の底部、すなわち弁座６９のすぐ上に蓄積し、軸方向に可動の弁ニードル６１は、弁座６９に位置する。

隙間の寸法は、軸方向に可動の弁部材６１が弁座６９に位置する機関サイクルの時間内に燃料室５８の底部に適当な量の点火液が収集されるように厳密に制御および選択される。点火液の適当な量は、確実で安定した点火をもたらすのに十分な量であり、たとえば機関サイズおよび負荷に応じて、たとえば０．１ｍｇ〜２００ｍｇの範囲内とすることができる。隙間の寸法は、たとえば粘性などの点火液の特性に関連して、点火液源が、気体燃料源の圧力を上回る差である圧力を有するとき、適当な大きさの点火液の一定の流れが実現されるように選択される。

細長い弁ハウジング５２内のガス漏れ検出チャネル８４が、ガス漏れの検出のためのガス漏れ検出ポート８６へつながる。

気体燃料の噴射事象は、気体燃料弁５０の開放時間の長さを通じて、電子制御ユニットＥＣＵによって制御され、すなわち１回の噴射事象で噴射されるガスの量は、開放時間の長さによって決まる。したがって、電子制御ユニットＥＣＵからの信号を受けて、作動室７４内の制御油圧力が上昇し、弁ニードル６１が弁座６９から持ち上げられ、閉位置から開位置へ動く。弁ニードル６１は、制御油圧力が上昇したときは常に、閉位置から開位置への全行程を実行し、作動室７４内の圧力の上昇により、作動ピストン６４は、巻きばね６６の力に逆らって、ノズル５４および弁座６９から離れる方へ軸方向に付勢される。

燃料室５８（図８ａ）の底部に蓄積された点火液は、まずノズル５４内の主ボア５５に入り、それに気体燃料が続き、すなわち気体燃料が点火液を前方へ押して主ボア５５に入れる。したがって、燃料室５８内に蓄積された点火液は、気体燃料の直前にノズル５４内の主ボア５５に入る。燃料弁５０の開放の直前、主ボア５５は、燃焼室内の掃気の圧縮のため、圧縮された高温空気および残留している未燃焼気体燃料の混合物で充填されている（噴口５６は、燃焼室から主ボア５５内への空気の流れを可能にする）。したがって、燃料弁５０の開放直後、高温の圧縮空気、点火液、および気体燃料が、主ボア５５内に存在する。これは、すでに中空ノズル５４内にある気体燃料の点火をもたらす。

噴射事象の終わりに、ＥＣＵは、作動室７４からの圧力を除去し、巻きばね６６の力により、弁ニードル６１が弁座６９に戻る。

一実施形態（図示せず）では、作動手段は、ソレノイドまたはリニア電気モータを備え、ピストンおよび制御油は必要とされない。

上述した実施形態に本質的に同一である第２の例示的な実施形態によれば、点火液は、隙間ではなく弁座６９へ送達される。この実施形態について、図８ｂを参照して示す。点火液導管４５は、弁座６９へ開いている。弁ニードル６１の円錐形の先端部の開き角度は、円錐形の弁座６９の開き角度よりわずかに鋭く、したがって弁ニードルの先端部と弁座６９との間の間隙は狭い。この狭い間隙により、弁ニードル６１がその弁座６９に位置する間に、点火液４７が燃料室５８内で弁座６９およびその真上に蓄積することが可能になる。

上述した実施形態に本質的に同一である第３の例示的な実施形態によれば、点火液は、隙間ではなく弁座６９へ送達される。この実施形態について、図８ｃを参照して示す。点火液導管４５は、弁座６９へ開いている。弁ニードル６１の円錐形の先端部の開き角度は、円錐形の弁座６９の開き角度に実質上同一であり、したがって弁ニードル６１は、弁ニードル６１が弁座６９に位置するとき、弁座への点火液導管４５の開口を閉鎖する。点火液は、弁ニードルが揚程を有するとき、弁座６９へ開いている点火液導管４５を通って弁座６９へ送達される。この実施形態では、適当な量の点火液の送達は、短い期間で行われる必要があり、したがって点火液の供給圧力および／または点火液供給導管４５の断面積が、上述した実施形態に比べて増大する。

圧縮点火内燃機関は、加圧気体燃料を第１の高圧で機関の燃料弁５０に供給することによって動作される。封止油は、第２の高圧で燃料弁５０へ供給される。第２の高圧は、第１の高圧より高い。点火液は、第３の高圧で燃料弁５０へ供給される。第３の高圧は、第１の高圧より低く、また第２の高圧より低い。

気体燃料の噴射は、中空ノズル５４の上で弁座６９と協働する変位可能な弁ニードル６１により制御される。弁座６９の上に燃料室５８が配置される。燃料室５８は、気体燃料で加圧される。図８ａ、図８ｂ、および図８ｃによる実施形態では、弁ニードル６１が弁座６９に位置する期間中、小さい連続する点火液流は燃料室５８へ送達され、点火液４７は弁座６９の上に蓄積する。気体燃料噴射事象は、軸方向に可動の弁ニードル６１を弁座６９から持ち上げ、それによって蓄積した点火液を気体燃料の直前に中空噴射ノズル５４内の主ボア５５に入れることによって開始される。次いで気体燃料は、点火液の助けを借りてノズル５４内で点火する。

図８ｃの実施形態の場合、点火液は、弁ニードル６１が揚程を有するとき、弁座６９へ送達され、したがって気体燃料および点火液は、噴射ノズル４５内の主ボアへ同時に送達される。

機関は、他の点火機器を使用することなく、点火液の助けを借りて、噴射された気体燃料を圧縮点火するように構成される。

機関は、ノズル５４内の主ボアに入ると気体燃料を点火するように構成される。

一実施形態では、ノズル５４は、機関サイクル全体にわたって２００℃を上回るように保たれる。一実施形態では、中空ノズル５４内の温度は、圧縮行程の終わりで約６００℃である。

特許請求の範囲で使用する「備える」という用語は、他の要素またはステップを排除しない。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排除しない。電子制御ユニットは、特許請求の範囲に記載するいくつかの手段の機能を満たすことができる。

特許請求の範囲で使用される参照符号は、範囲を限定すると解釈されるものではない。

本発明について、例示の目的で詳細に説明したが、そのような詳細は、その目的のためだけであり、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明に変更を加えることができることが理解される。

Claims (9)

1. 大型で低速のターボチャージ付き２行程圧縮点火式内燃機関の燃焼室内へ気体燃料を噴射する燃料弁（５０）であって、
   後端および前端を有する細長い弁ハウジング（５２）と、
   基部（５１）から閉じた先端部（５９）まで延びる細長いノズル本体、前記基部（５１）から前記閉じた先端部（５９）まで延びる主ボア（５５）、および前記主ボア（５５）に連結された複数の噴口（５６）を備えるノズル（５４）であって、
   前記細長い弁ハウジング（５２）の前記前端に配置され、前記基部（５１）が前記前端に連結される、ノズル（５４）と、
   加圧気体燃料源（６０）に連結するための前記細長い弁ハウジング（５２）内の燃料入口ポート（５３）と、
   前記細長い弁ハウジング（５２）内の長手方向ボア（７７）内に、前記弁ニードル（６１）と前記長手方向ボア（７７）との間に隙間をあけて摺動可能に受け取られた軸方向に変位可能な弁ニードル（６１）であって、閉位置および開位置を有し、前記閉位置で弁座（６９）に位置し、前記開位置で前記弁座（６９）から揚程を有する軸方向に変位可能な弁ニードル（６１）と、
   前記軸方向に変位可能な弁ニードル（６１）を前記閉位置と前記開位置との間で制御可能に動かすアクチュエータ・システムであって、
   前記弁座（６９）が、前記細長い弁ハウジング（５２）内で前記弁ハウジング（５２）内の燃料室（５８）と前記細長い弁ハウジング（５２）の前記前端内の出口ポート（６８）との間に配置され、
   前記出口ポート（６８）が、前記ノズル（５４）内の前記主ボア（５５）に直接連結し、
   前記燃料室（５８）が、前記燃料入口ポート（５３）に連結され、
   前記隙間が、前記長手方向ボア（７７）の一方の端部で前記燃料室（５８）へ開いている、アクチュエータ・システムと、
   加圧封止油源（５７）に連結するための封止油入口ポート（７８）と、
   前記長手方向ボア（７７）の長さに沿って第１の位置（Ｐ１）で前記封止油入口ポート（７８）を前記隙間に連結する封止油供給導管（７６）と、
   加圧点火液源（４４）に連結するための点火液入口ポート（４６）とを備える燃料弁（５０）において、
   前記軸方向ボア（７７）の前記長さに沿って前記第１の位置（Ｐ１）より前記燃料室（５８）に近い第２の位置（Ｐ２）で、
   前記点火液入口ポート（４６）から前記細長い弁ハウジング（５２）を通って、
   前記隙間まで延びる点火液導管（４５）を特徴とする燃料弁。
2. 前記弁ニードル（６１）が前記弁座（６９）に位置するとき、前記弁座（６９）への前記点火液導管（４５）の開口が、前記弁ニードル（６１）によって閉鎖される、請求項１に記載の燃料弁。
3. 前記軸方向に変位可能な弁ニードル（６１）が、前記ハウジング内に摺動可能に受け取られた軸方向に変位可能な作動ピストン（６４）に動作可能に連結され、前記作動ピストン（６４）が、前記ハウジング（５２）とともに作動室（７４）を画定し、前記作動室（７４）が、制御油源（９７）に連結するための制御ポート（７２）に流体連結される、請求項１または２に記載の燃料弁。
4. 前記主ボア（５５）が、前記基部（５１）へ開いている、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料弁。
5. 前記点火液源（４４）が、前記液体燃料源（６０）の圧力より高い圧力を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料弁。
6. 前記封止油供給導管（７６）が、前記封止油入口ポート（７８）を前記隙間に流体連結するように、前記軸方向に変位可能な弁ニードル（６１）内を長手方向に延びる、請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料弁。
7. 大型で低速ターボチャージ付きの２行程圧縮点火内燃機関であって、複数のシリンダ（１）、高圧気体燃料供給システム、高圧点火液供給システム、高圧封止油システムを有し、請求項１から６のいずれか一項に記載の１つまたは複数の燃料弁が、前記機関の前記シリンダ内に設けられ、前記燃料弁（５０）が、前記高圧気体燃料供給システム、前記高圧封止油システム、および前記点火液供給システムに連結される、機関。
8. 前記ノズル（５４）内の前記主ボア（５５）内へ前記燃料が入る際に前記気体燃料を点火するように構成される、請求項７に記載の機関。
9. 前記高圧気体燃料供給システムが、前記気体燃料を高圧で前記燃料弁（５０）へ送達し、前記点火液源（４４）が、前記気体燃料源の圧力より高い圧力で前記点火液を送達するように構成される、請求項７または８に記載の機関。