JP6549367B2 - パイロット油噴射を備えたガス燃料供給系を有する自己着火内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、ガス燃料供給系を備えた自己着火内燃機関、詳細には、ガス燃料供給系およびパイロット油（着火イニシエータ）噴射を備えた大型低速ユニフローターボ付き２ストローク内燃機関に関する。

クロスヘッド型の大型低速２ストロークディーゼルエンジンは、通常は、大型船の推進システムで、または発電所の原動機として用いられる。非常に多くの場合、これらのエンジンは重油燃料または燃料油によって作動する。

近年では、代替タイプの燃料、例えばガス、石炭スラリー、石油コークスなど、特にガスを処理することが可能である大型２ストロークディーゼルエンジンに関する要求がある。

天然ガスのようなガス燃料は比較的クリーンな燃料であり、これは、例えば重油燃料を燃料として使用する場合と比較して、大型低速ユニフローターボ付き２ストローク内燃機関用の燃料として使用されるときに排気ガスにおいて著しく低いレベルの硫黄成分、ＮＯ_Ｘ、およびＣＯ_２を生じる。

また一方、大型低速ユニフローターボ付き２ストローク内燃機関でガス燃料を使用することに関連した問題がある。それらの問題のうちの一つは自己着火するガスのウィリングネスおよび予測性であり、そして両方とも自己着火（ディーゼル）エンジンで制御されることが重要である。したがって、既存の大型低速ユニフローターボ付き２ストローク内燃機関は、ガス燃料の信頼性が高くて適切なタイミングの着火を確実にするために、ガス燃料の噴射と同時に油のパイロット噴射を使用する。

大型低速ユニフローターボ付き２ストローク内燃機関は、通常は、大型外航貨物船の推進に用いられて、したがって信頼性は最も重要である。これらのエンジンのガス燃料動作はまだ比較的最近の開発であり、そしてガスによる動作の信頼性は従来燃料のレベルにまだ達していない。したがって、既存の大型低速２ストロークディーゼルエンジンが燃料油だけで全速力で動作できるように、それらは、すべてガス燃料で動作する燃料系および燃料油（重油燃料）で動作する燃料系を備えたデュアル燃料用エンジンである。

これらのエンジンの燃焼室の大口径のため、それらは、通常は、中心排気弁のまわりに約１２０度の角度だけ隔離して、シリンダ当たり３つの燃料噴射弁を備えている。このように、デュアル燃料系の場合は、シリンダ当たり３つのガス噴射弁およびシリンダ当たり３つの燃料油噴射弁があり、１つの燃料油噴射弁は、ガスの信頼性が高い着火を確実にするようにそれぞれのガス噴射弁の近くに配置されて、したがってシリンダの上部カバーは比較的過密な位置である。

既存の二元燃料エンジンにおいて、燃料油弁は、ガス燃料による動作の間にパイロット油（着火イニシエータ）噴射を供給するために用いられている。これらの燃料油弁は、燃料油だけで全荷重でエンジンを作動するために必要とされる量の燃料油を供給することが可能であるような大きさである。しかしながら、パイロット噴射において噴射される油の量は、放出の所望の減少を得るためにできるだけ少なくなければならない。全荷重で動作するために必要な大量を供給することもできるフルサイズの燃料噴射系によるこの種の少量の適用量は、重要な技術的問題を提起し、そして達成するのが実際には非常に困難であり、したがってパイロット油適用量は、既存のエンジンで望ましいより大きい燃料噴射イベント当たりの量であった。

この背景で、本願の目的は、上述した問題を解決するかまたは少なくとも減らす自己着火内燃機関を提供することである。

この目的は、次のような自己着火内燃機関を提供することにより達成される。この機関は、複数のシリンダと、前記シリンダの各々に少なくとも一つ設けられる着火イニシエータ専用弁とを備える。前記シリンダは、燃料弁のノズルからシリンダ内にガス燃料を噴射する、少なくとも一つの前記ガス燃料弁を備え、該少なくとも一つのガス燃料弁は、加圧ガス燃料を前記ガス燃料弁に供給するガス燃料供給導管に接続する入口を有する。前記着火イニシエータ専用弁は、加圧着火イニシエータの供給源に接続する入口と、着火イニシエータを前記ガス燃料供給導管の中に噴射するための出口とを有する。

着火イニシエータ専用弁によって着火イニシエータをガス燃料弁の上流に噴射することによって、小型の、したがって精密な弁を使用することが可能になり、それによって燃料油の適用量をより正確なものとし、またパイロット燃料の消費量を減少させることを可能にする。

さらに、着火イニシエータをガス燃料弁の上流に噴射することによって、小型で敏感な着火イニシエータ弁が燃焼室の厳しい環境にさらされることが回避される。そのうえ、着火イニシエータを燃料弁の上流のガス燃料に噴射することによって、着火イニシエータの噴射のタイミングは比較的重要でなくなり、したがって着火イニシエータ噴射のタイミングの制御が容易になり、そのために先進的な技術を用いる必要がなくなる。

ある実施形態において、各シリンダはガス燃料アキュムレータを備え、そしてガス燃料供給導管は、ガス燃料アキュムレータと関係するシリンダの少なくとも一つのガス燃料弁の間に伸び、そして少なくとも一つの着火イニシエータ専用弁の出口は、パイロット燃料油をガス燃料供給導管の中に噴射するように構成される。

ある実施形態において、ウインドウ弁はガス燃料アキュムレータの出口に配置され、そしてウインドウ弁はガス燃料アキュムレータからガス燃料供給導管までのガス燃料の流れを制御する。

ある実施形態において、少なくとも一つのガス燃料弁が閉じているときに、少なくとも一つの着火イニシエータ専用弁は着火イニシエータを噴射するように構成される。

ある実施形態において、ガス燃料弁がガス燃料噴射イベントを実行する前に、少なくとも一つの着火イニシエータ専用弁は着火イニシエータを噴射するように構成される。

ある実施形態において、少なくとも一つの着火イニシエータ専用弁は、着火イニシエータをガス燃料供給導管の中に霧化する。

ある実施形態において、ガス燃料系の調子が悪いときに、エンジンは、港に帰るか非常用パワーのために小型燃料油弁を使用するように構成される。

ある実施形態において、シリンダの一つ以上は、燃料油をシリンダの中に噴射するために複数の標準またはフルサイズの燃料油噴射弁を備えている。

ある実施形態において、少なくとも一つの着火イニシエータ専用弁は各ガス燃料弁と関連している。

ある実施形態において、エンジンはさらに、少なくとも一つのガス燃料弁および少なくとも一つの着火イニシエータ専用弁を制御し作動させるように構成される電子制御ユニットを備える。

本開示による自己着火内燃機関のさらなる目的、特徴、利点、および特性は詳細な説明により明らかになる。

この説明の以下の詳細部分において、本発明は、図面に示される例示的実施形態を参照してさらに詳細に説明される。
例示の実施形態による大型２ストロークディーゼルエンジンの正面図である。 図１の大型２ストロークエンジンの側面図である。 図１による大型２ストロークエンジンの線図である。 シリンダの上部の図１のエンジンのパイロット油噴射を備えたガス燃料系の例示の実施形態の断面線図である。 図４の実施形態のシリンダおよびガス燃料噴射系の上面線図である。 別の例示の実施形態のシリンダおよびガス燃料噴射系の上面線図である。

実施形態の詳細な説明

以下の詳細な説明において、自己着火内燃機関は、例示の実施形態の大型２ストローク低速ターボ付き内燃（ディーゼル）機関を参照して説明される。図１、２、および３は、クランクシャフト４２およびクロスヘッド４３を備えた大型低速ターボ付き２ストロークディーゼルエンジンを示す。図３は、その吸排気系を備えた大型低速ターボ付き２ストロークディーゼルエンジンの線図を示す。この例示の実施形態において、エンジンは６つのシリンダ１を一列に備えている。大型低速ターボ付き２ストロークディーゼルエンジンは、通常は、エンジンフレーム１３により担持される、４〜１４のシリンダを一列に備えている。エンジンは、例えば、外航船の主エンジンとして、または発電所の発電機を作動するための定置エンジンとして用いることができる。エンジンの全体出力は、例えば、５，０００〜１１０，０００ｋＷでありえる。

エンジンは、この例示の実施形態において、シリンダ１の下部領域に掃気ポート、そしてシリンダ１の上部に中心排気弁４を備えた２ストロークユニフロー型のディーゼルエンジンである。掃気は掃気レシーバー２から個々のシリンダ１の掃気ポート（図示せず）へ通過する。シリンダ１のピストン４１は掃気を圧縮し、燃料はシリンダ・カバーの燃料噴射弁から噴射され、燃焼が続いて、排気ガスが発生する。排気弁４が開かれているときに、排気ガスは、シリンダ１と関連した排気ダクトを通って排気ガスレシーバー３へ、そして前方へ第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へ流れ、そこから排気ガスは、第２の排気導管を通ってエコノマイザ２８を経由して出口２９に、そして大気中に流出する。軸によって、タービン６は、吸気口１０を経由して新鮮な空気を供給される圧縮器９を駆動する。圧縮器９は、掃気レシーバー２に通じる掃気導管１１へ加圧掃気を供給する。

導管１１の掃気は、約２００℃で圧縮器から離れる掃気を３６〜８０℃の温度に冷却するためにインタークーラ１２を通過する。

冷却掃気は、エンジンの低いまたは部分的な負荷状態で掃気流を加圧する電気モーター１７により駆動される補助ブロワ１６を経由して掃気レシーバー２へ通過する。より高いエンジン負荷で、ターボチャージャ圧縮器９は十分に圧縮された掃気を供給し、その場合、補助ブロワ１６は逆止弁１５を経由してバイパスされる。

図４および５は、例示の実施形態による複数のシリンダ１のうちの一つの上部を示す。シリンダ１の上部カバー４８は、ガス燃料を燃料弁５０の出口、例えばノズル５１からシリンダ１の燃焼室の中に噴射するための３つのガス燃料弁５０を備えている。燃料弁のノズル５１は細長い燃料弁の先端に設けられ、そしてノズル５１は燃焼室の中に噴射する。ノズル５１は、いろいろな方向へガスを散布するために複数のノズル孔を備えることができる。この例示の実施形態はシリンダ当たり３つのガス燃料弁５０を示すが、燃焼室のサイズに応じて、単一または２つのガス燃料弁が充分でありえることを理解すべきである。ガス燃料弁５０は、加圧ガス燃料をガス燃料弁５０に供給するガス燃料供給導管に接続する入口を有する。３つのガス燃料弁５０のうちの一つは供給導管６２により供給され、３つのガス燃料弁５０のうちの別の一つは供給導管６３により供給され、そして３つのガス燃料弁５０のうちの第３は供給導管６４により供給される。この実施形態において、供給導管６２、６３、６４は、シリンダ１と関連したガスアキュムレータ６０に連結する上部カバー４８のドリル孔である。ガスアキュムレータ６０は、ガスタンクおよび高圧ポンプを含むガス供給系（図示せず）から高圧ガスを受け入れる。

示された実施形態において、専用パイロット油（着火イニシエータ）弁５５は各ガス燃料弁５０と関連しているが、シリンダ１毎に少なくとも一つの専用パイロット油弁５５を有することが十分でありえると理解される。

パイロット油弁５５は、加圧パイロット油５７の供給源、例えば舶用ディーゼルまたは他のタイプの着火イニシエータに接続する入口と、すなわち、ガス燃料弁５０に流れるガス燃料の流れにおいて、パイロット油燃料をそれぞれのガス燃料供給導管６２、６３、６４の中に噴射するための出口とを有する。パイロット油弁５５は上部カバー４８の適切な孔に配置されて、パイロット油弁５５のノズルは燃料供給導管６２、６３、６４の中に突出している。

各シリンダ１は、この例示の実施形態において、ガス燃料アキュムレータ６０を備える。ガス燃料アキュムレータ６０は、高圧の下でシリンダ１の燃料弁５０に供給される準備ができているガス燃料の量を含む。ガス燃料供給導管６２、６３、６４は、ガス燃料アキュムレータ６０と関係するシリンダ１のそれぞれのガス燃料弁５０の間に伸びる。パイロット油弁５５の出口（ノズル）は、すなわちそれぞれのガス燃料弁５０の上流で、それぞれのガス燃料供給導管６２、６３、６４の中にパイロット燃料油を噴射するように構成される。好ましくは、専用パイロット油弁５５は、パイロット油をそれぞれのガス燃料供給導管６２，６３，６４の中に霧化する。

ウインドウ弁６１は、ガス燃料アキュムレータ６０の出口に配置され、そしてウインドウ弁６１は、ガス燃料アキュムレータ６０からガス燃料供給導管６２、６３、６４までのガス燃料の流れを制御する。

エンジンは、エンジンの動作を制御する電子制御ユニットＥＣＵを備えている。信号回線は、電子制御ユニットＥＣＵをガス燃料弁５０、燃料油弁５５、およびウインドウ弁６１に接続する。

電子制御ユニットＥＣＵは、ガス燃料弁のための噴射イベントを正しく計時して、ガス燃料弁５０によるガス燃料の適用量を制御するように構成される。関連するガス燃料弁５０が閉じているときに、専用パイロット油弁５５および電子制御ユニットＥＣＵは、パイロット油を噴射するように構成される。

ある実施形態において、ガス燃料弁５０がガス燃料噴射イベントを実行する前に、専用パイロット油弁５５および電子制御ユニットＥＣＵはパイロット油を噴射するように構成される。供給導管６２、６３、６４が、ガス燃料弁５０により制御されるガス燃料噴射イベントの開始前に高圧ガス燃料で満たされることを確実にするように、電子制御ユニットＥＣＵはウインドウ弁６１を開閉する。実施形態によっては、供給導管６２、６３、６４がアキュムレータ６０からの高圧ガス燃料で満たされたあと、そしてウインドウ弁６１がその閉位置に戻ったあとに、パイロット油噴射は電子制御ユニットＥＣＵの制御下で実行される。ウインドウ弁６１の閉鎖とガス燃料弁５０の開放の間の時間帯において、パイロット油は噴射される。この時間帯内のタイミングは決定的でなく、したがって、パイロット油噴射イベントのタイミングおよび長さの制御は非常に正確である必要はなく、そしてパイロット油噴射は、比較的低圧力のパイロット油（すなわちパイロット燃料を燃焼室の中に直接霧化するために必要な圧力より著しく低い圧力）によって実行することができる。実施形態によっては、噴射イベント当たりのパイロット油の量は、エンジン負荷に関係なく一定である。

ある実施形態において、シリンダは、燃料油を燃焼室の中に直接噴出する小型燃料油弁を備え、そしてこの実施形態において、ガス燃料系が故障するかまたは他の理由のために調子が悪いときに、電子制御ユニットＥＣＵは、港に帰るためのパワーか非常用パワーのために小さい燃料油弁を使用するように構成される。この点に関して、電子制御ユニットＥＣＵは、帰港／非常事態モードにおいて、小型燃料噴射弁が起動することを確実にし、そしてＥＣＵは、エンジンサイクルと関連して適切なタイミングで燃料油噴射イベントを実行する。それらの容量が全負荷でエンジンを作動するために必要な容量より著しく小さいので、小型燃料油弁は「小型」と分類される。これらの小型燃料油弁は、実施形態によっては、エンジンを始動し、そしてエンジンを逆転させるためにも用いる。

別の実施形態において、エンジンは、不活性または低酸素含有量のガス（例えば排気ガス）を供給するために、不活性または低酸素含有量のガス系を備えている。この不活性または低酸素含有量のガス系は、ガス燃料供給系の故障の場合に供給導管６２、６３、６４内にガス流を生成するために用いる。ガス燃料供給系が故障した場合、加圧不活性ガスは供給導管６２、６３、６４に供給され、そしてパイロット油は専用パイロット油弁５５によって不活性ガスに噴射される。ガス燃料弁５０は、港に帰るためのパワーか非常用パワーを供給するために、不活性ガスとパイロット油の混合物をシリンダの中に噴射する。可能ならば、専用パイロット油弁５５による港に帰るためのパワーか非常用パワーは、パイロット油弁によって処理できるパイロット油の最大適用量により実行される。

シリンダ１が、重油のような燃料油だけのエンジンの動作のために燃料油をシリンダ１の中に直接噴射するための複数（この実施形態において、３つ）の燃料油噴射弁５２を備えていることを除いて、図６に示す実施形態は図４および５の実施形態と基本的に同一である。燃料弁がパイロット燃料噴射用にも供するエンジンとは対照的に、燃料油弁５２がガス燃料弁５０からのガス燃料に着火する際のアシストを必要としないので、それらはガス燃料弁５５から離れて配置することができる。（重油）燃料油弁５２によって、エンジンは、必要に応じて（重油）燃料油だけによって作動することができる。燃料弁５２は、実施形態によっては、エンジンが（重油）燃料油で全負荷で作動できる程十分に大きい。

請求項で用いられている「備える」という用語は、他の要素または段階を除外しない。請求項で用いられている「一つの（ａ）」または「一つの（ａn）」という用語は、複数を除外しない。電子制御ユニットは、請求項において詳述されるいくつかの手段の機能を履行できる。

請求項において用いる参照符号は、範囲を制限するものとして解釈してはならない。

本発明が説明のために詳述されたけれども、それは単に説明のためだけであって、本発明の範囲を逸脱せずに当業者によって様々な変形がなされうると理解されたい。

Claims (9)

1. 複数のシリンダ（１）と、前記シリンダ（１）の各々に少なくとも一つ設けられるパイロット油専用弁（５５）とを備える自己着火内燃機関であって、
   前記シリンダ(１) は、ノズルからシリンダ内にガス燃料を噴射する、少なくとも一つのガス燃料弁（５０）を備え、
   前記少なくとも一つのガス燃料弁（５０）は、加圧ガス燃料を前記ガス燃料弁（５０）に供給するガス燃料供給導管（６２、６３、６４）に接続する入口を有し、
   前記パイロット油専用弁（５５）は、加圧パイロット油の供給源（５７）に接続する入口を有し、
   前記パイロット油専用弁（５５）は更に、パイロット油を前記ガス燃料供給導管（６２、６３、６４）の中に噴射及び霧化するためのノズルを有する、
   内燃機関。
2. 前記複数のシリンダ（１）は、各々ガス燃料アキュムレータ（６０）を備え、
   前記ガス燃料供給導管（６２、６３、６４）は、前記ガス燃料アキュムレータ（６０）と、前記少なくとも一つのガス燃料弁（５０）との間を走る、
   請求項１に記載の内燃機関。
3. ウインドウ弁（６１）が前記ガス燃料アキュムレータ（６０）の出口に配置され、
   前記ウインドウ弁（６１）は、前記ガス燃料アキュムレータ（６０）から前記ガス燃料供給導管（６２、６３、６４）までのガス燃料の流れを制御する、
   請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記少なくとも一つのガス燃料弁（５０）が閉じているときに、前記少なくとも一つのパイロット油専用弁（５５）が前記パイロット油を噴射するように構成される請求項２または３に記載の内燃機関。
5. 前記ガス燃料弁（５０）がガス燃料噴射イベントを実行する前に、前記少なくとも一つのパイロット油専用弁（５５）が前記パイロット油を噴射するように構成される請求項２〜４のいずれか一項に記載の内燃機関。
6. 前記シリンダには少なくとも一つの小型燃料油弁が設けられ、該小型燃料油弁は、ガス燃料系の調子が悪いときの帰港パワーか非常用パワーのために、前記シリンダの中に燃料を直接噴射するように構成される、請求項１から５のいずれかに記載の内燃機関。
7. 前記シリンダ（１）のうちの一つ以上が、燃料油を前記シリンダ（１）の中に噴射するために複数の燃料油噴射弁（５２）を備えている請求項１から６のいずれかに記載の内燃機関。
8. 前記少なくとも一つのパイロット油専用弁（５５）は、前記少なくとも一つのガス燃料弁（５０）のいずれかのための前記ガス燃料供給導管の中に前記パイロット油を噴射及び霧化する、請求項１から７のいずれかに記載の内燃機関。
9. 前記少なくとも一つのガス燃料弁（５０）および前記少なくとも一つのパイロット油専用弁（５５）を制御し作動させるように構成される電子制御ユニット（ＥＣＵ）をさらに備える請求項１から８のいずれかに記載の内燃機関。

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