JP7463053B2 - 二元燃料システム、該二元燃料システムを有する内燃機関、及び該内燃機関を動作させるための方法 - Google Patents

Description

本発明は、二元燃料噴射装置に関する。さらに、本発明は、二元燃料システム、内燃機関、およびかかる内燃機関を動作させるための方法に関する。

第１の動作モードにおいて第１の燃料を、および第２の動作モードにおいて第２の燃料を燃焼する二元燃料内燃機関が、慣例から広く知られている。第１の動作モードで燃焼される燃料は、優先的には例えばディーゼルなどの液体燃料である。第２の動作モードで燃焼される第２の燃料は、気体燃料、またはさらには例えばメタノールなどの液体燃料のいずれかであることが可能である。第２の動作モードで、第１の燃料は、優先的には第２の燃料を点火するために使用される。本明細書に示される本発明は、具体的には、いずれの場合も液体燃料を第１の燃料および第２の燃料として燃焼する二元燃料内燃機関に関する。

二元燃料内燃機関は、内燃機関の各シリンダ用の二元燃料噴射装置を備える二元燃料システムを備える。慣例から知られている二元燃料噴射装置は、典型的には第１のノズル弁および複数の第２のノズル弁を備え、第１のノズル弁は、各シリンダの燃焼チャンバ内に第１の燃料を導入する役割を果たし、第２のノズル弁は、各シリンダの燃焼チャンバ内に第２の燃料を導入する役割を果たす。既に説明したように、第１の燃料は、とりわけディーゼルであり、第２の燃料は、とりわけメタノールであり、代替的にはエタノールまたはＬＰＧである。

各ノズル弁の領域において、特に各第２のノズル弁の領域において、各ノズル弁のノズルニードルが、ノズル弁のニードルガイド内で案内され、各ノズル弁のノズルニードルのニードルガイドは、少なくともいくつかのセクションでニードル燃料チャンバを画定する。各ノズル弁の各ニードル燃料チャンバは、供給ラインを経由して所定の燃料圧力を有する各燃料の供給を受け得る。これは、第１のノズル弁の領域およびさらに第２のノズル弁の領域の両方に該当する。

第１のノズル弁を経由して各シリンダの燃焼チャンバ内に導入され得るディーゼル燃料は、各ノズルニードルに対して潤滑化機能をもたらすことが可能であり、さらにこのディーゼル燃料は、無毒性である。対照的に、第２のノズル弁を経由して各シリンダの燃焼チャンバ内に導入され得るメタノールは、潤滑化機能をもたらすことができない一方でさらに有毒性であるため、一方では第２の燃料がニードルガイドを経由して周囲に漏れ入るのを回避し、他方ではニードルガイド内の各ノズルニードルを潤滑化させるために、第２のノズル弁の領域内の各第２のノズル弁のニードルガイドにシーリングおよび潤滑オイルを供給することが慣例的には普通である。

慣例から知られている二元燃料噴射装置では、第２の燃料の燃料圧力が、各第２のノズル弁のニードル燃料チャンバ内において内燃機関の第２の動作モードで優先的に発生し、この燃料圧力は、数百バール、特に約６００バールの規模に相当し得る。この理由から、慣例から知られている二元燃料噴射装置では、第２の燃料の燃料圧力を超過する圧力をシーリングおよび潤滑オイルに与えることが必要であり、したがって、二元燃料噴射装置は、高圧下にあるシーリングおよび潤滑オイルの供給を受けなければならない。これは、複雑かつ不利である。

特許文献１は、第１の燃料用の第１のノズル弁および第２の燃料用の複数の第２のノズル弁を有する先行技術による二元燃料噴射装置を開示している。

独国特許発明第１０２０１４０１４４５２号

ここを出発点として、本発明は、新たなタイプの二元燃料噴射装置、二元燃料システム、内燃機関、およびかかる内燃機関を動作させるための方法を生み出す目的に基づく。

この目的は、請求項１に記載の二元燃料噴射装置により達成される。本発明によれば、第２のノズル弁が、切換弁を割り当てられ、切換弁は、供給ラインを経由して各シリンダの噴射サイクルに応じて第２の燃料を各第２のノズル弁の各ニードル燃料チャンバに供給し、それにより第２の燃料の燃料圧力が、噴射サイクルに応じてニードル燃料チャンバ内に発生する。各第２のノズル弁のニードルガイドは、シーリングおよび潤滑オイルの供給を受け得るニードル潤滑チャンバを少なくともいくつかのセクションにおいて画定し、ニードル潤滑チャンバは、特に各ニードル燃料チャンバ内で第２の燃料の燃料圧力が噴射サイクルに応じて発生する場合に、第２の燃料がニードル潤滑チャンバの領域に進入しないように寸法設定された、各ニードル燃料チャンバからの距離を有する。

本発明による二元燃料噴射装置では、第２の燃料が各シリンダの噴射サイクルに応じて各第２のノズル弁のニードル燃料チャンバに供給され、したがってそれにより第２の燃料の燃料圧力が各第２のノズル弁のニードル燃料チャンバ内において永久的に発生するのではなく、各噴射サイクルに応じて発生するに過ぎないということにより、ちょうどニードル燃料チャンバとシーリングおよび潤滑オイルの供給を受けるニードル潤滑チャンバとの間の距離が所定の様式で寸法設定されるということと同様に、高圧下のシーリングおよび潤滑オイルをなくすことが可能となる。

また、対照的に、オイルのシーリング機能および潤滑化機能は、特にシーリングおよび潤滑オイルのオイル圧力が第２の動作モードにおいて第２の燃料の燃料圧力未満である場合でも、完全に確保され得る。各第２のノズル弁のニードル燃料チャンバとニードル潤滑チャンバとの間の距離は、特に各ニードル燃料チャンバ内でシーリングおよび潤滑オイルのオイル圧力よりも高い第２の燃料の燃料圧力が発生するように寸法設定されることにより、第２の燃料は、ニードル潤滑チャンバの領域に進入しない。その限りにおいて、シーリングおよび潤滑オイルのシーリングおよび潤滑化機能は、完全に実現され得る。

本発明の有利なさらなる展開によれば、二元燃料噴射装置は、複数の第２のノズル弁を備え、第２のノズル弁は、共通切換弁を割り当てられる。これは、二元燃料噴射装置の単純な設計の一実施形態にとって有利である。

有利なさらなる展開によれば、切換弁は、二元燃料噴射装置の基体の外部に配置される。これにより、切換弁を簡単に交換することが可能となる。

二元燃料システムは、請求項７において定義され、内燃機関は、請求項９において定義される。内燃機関を動作させるための方法は、請求項１０に定義される。

本発明の好ましいさらなる展開が、従属請求項および以下の説明から得られる。本発明の例示の実施形態が、非限定的な図面を用いてさらに詳細に説明される。

二元燃料システムのブロック図である。 閉状態にある第２のノズル弁の領域における二元燃料システムの二元燃料噴射装置からの抜粋図である。 第２のノズル弁が開状態にある図２からの抜粋図である。

本明細書に示される本発明は、二元燃料噴射装置と、二元燃料システムと、かかる二元燃料噴射装置を有する内燃機関と、二元燃料内燃機関を動作させるための方法とに関する。

図１は、二元燃料内燃機関１、または内燃機関のシリンダ２の領域における二元燃料内燃機関１の二元燃料システムの非常に概略的な抜粋を示す。シリンダ２のシリンダヘッド３およびピストン４が示されるが、シリンダヘッド３およびピストン４は、各シリンダ２の燃焼チャンバ５をいくつかのセクションにおいて画定する。

シリンダヘッド３は、各シリンダ２ごとに二元燃料噴射装置６を受け、図示する例示の実施形態では二元燃料噴射装置６は、第１のノズル弁７を備え、第１の燃料８が、この第１のノズル弁７を経由してシリンダ２の燃焼チャンバ５内に導入され得る。また、二元燃料噴射装置６は、複数の第２のノズル弁９を備え、第２の燃料１０が、これらの複数の第２のノズル弁９を経由してシリンダ２の燃焼チャンバ５内に導入され得る。

第１の燃料８は、第１の液体燃料であり、特にディーゼルである。第２の燃料１０は、やはり液体燃料であり、特にメタノール、エタノール、またはＬＰＧ（液化石油ガス）である。

各シリンダ２の二元燃料噴射装置６の第１のノズル弁７は、第１の燃料供給システム１１の補助により第１の燃料の供給を受けることが可能である。第１の燃料は、第１の燃料供給システム１１の第１の燃料タンク１２内に用意されており、第１の燃料タンク１２から出ると各第１の燃料ポンプ１３を介して各シリンダ２に、すなわち各シリンダ２の各二元燃料噴射装置６に供給され得る。各第１の燃料ポンプ１３は、いわゆるシリンダごとのプラグインポンプであることが可能であり、これは、例えば少なくとも１，５００バールまたは１，５００～２，５００バールの間の規模である第１の燃料圧力を第１の燃料に与える。

各シリンダ２の二元燃料噴射装置６の第２のノズル弁９は、第２の燃料供給システム１４を経由して第２の燃料の供給を受けることが可能である。第２の燃料は、第２の燃料供給システム１４の第２の燃料タンク１５内に用意されている。第２の燃料供給システム１４の第２の燃料ポンプ１６が、第２の燃料タンク１５から出る第２の燃料を燃料貯蔵ユニット１７内に送達し、この燃料貯蔵ユニット１７内において特に約６００バールの規模である燃料は第２の燃料圧力で用意される。この貯蔵ユニット１７から出て、第２の燃料は、第２のノズル弁９に供給されることが可能であり、貯蔵ユニット１７と各二元燃料噴射装置６の第２のノズル弁９との間には切換弁１８が結合され、この切換弁１８は、第２の燃料圧力を有する第２の燃料を第２のノズル弁９に永久的に供給するわけではなく、第２のノズル弁９が各シリンダ２の燃焼チャンバ５内に第２の燃料１０を実際に噴射する時点における各シリンダの噴射サイクルに応じて供給するに過ぎない。

さらに、図１は、シーリングおよび潤滑オイル用のリザーバ２０を有するシーリングおよび潤滑オイルシステム１９を示し、このシーリングおよび潤滑オイルは、特に各二元燃料噴射装置６のノズル弁の領域内でシーリング機能および潤滑化機能をもたらすために二元燃料噴射装置６に供給され得る。

図２および図３は、各シリンダ２の燃焼チャンバ５内に第２の燃料を噴射する役割を果たす、第２のノズル弁９の領域内の二元燃料噴射装置６からの抜粋を示す。図２では、図示される第２のノズル弁９は閉じられ、図３では、この第２のノズル弁９は開かれる。

したがって、図２および図３に示す二元燃料噴射装置６の第２のノズル弁９は、ニードルガイド２２内で上下に可動に案内されるノズルニードル２１を備え、このニードルガイド２２は、二元燃料噴射装置６の基体２３により形成される。各第２のノズル弁９のニードルガイド２２は、少なくともいくつかのセクションにおいてニードル燃料チャンバ２４を画定し、このニードル燃料チャンバ２４は、各切換弁１８と、シリンダ２のまたは二元燃料噴射装置６の切換弁１８から各ニードル燃料チャンバ２４に至る第２の燃料用の供給ライン２５とを経由して噴射サイクルに応じて第２の燃料の供給を受け得る。

既に説明したように、二元燃料噴射装置６の第２のノズル弁９に割り当てられる切換弁１８は、各第２のニードル弁９の各ニードル燃料チャンバ２４に第２の燃料を供給せず、しかし各シリンダ２の噴射サイクルに応じて供給するに過ぎない。そのため、第２の燃料の燃料圧力は、各シリンダ２の噴射サイクルに応じてニードル燃料チャンバ２４内に発生し、すなわち具体的には図３による各第２のノズル弁９が開かれた時に、すなわちノズルニードル２１の輪郭部２６がニードルガイド２２の対応する弁座２７から離れて引き上げられた時に発生する。具体的には、対照的に図２によれば、各第２のノズル弁９が、ノズルニードル２１の輪郭部２６がニードルガイド２２の弁座２７に対接して載置されることに起因して閉じられた時に、切換弁１８は、閉じられ、それによりニードル燃料チャンバ２４は、供給ライン２５を経由して第２の燃料の供給を受けず、およびしたがって第２の燃料の燃料圧力は、ニードル燃料チャンバ２４内に発生しない。

図３では、第２のノズル弁９が開いた状態での第２の燃料の流れが、実線矢印で示され、これは、開いた切換弁１８から出ると供給ライン２５を経由してニードル燃料チャンバ２４へと供給され、ノズルニードル２１が弁座２７から離れて引き上げられた状態において、二元燃料噴射装置６の基体２３中のオリフィス２８を経由して各シリンダ２の燃焼チャンバ５内に導入され得る。これと比較して、図３は、各ニードル燃料チャンバ２４内で第２のノズル弁９がそれぞれ閉じられた状態では、第２の燃料が供給されないことを破線で示す。供給されない理由は、この場合には、切換弁１８が閉じられ、それによりニードル燃料チャンバ２４内の第２のノズル弁９が閉じられた状態において、第２の燃料の燃料圧力が発生しないからである。図３の状態では、シーリングおよび潤滑オイルは、ニードル燃料チャンバ２４の領域に流入することが可能である。

図２および図３によれば、各第２のノズル弁９のニードルガイド２２は、シーリングおよび潤滑オイルの供給を受け得るニードル潤滑チャンバ２９を少なくともいくつかのセクションにおいて画定する。図２および図３に示す破線矢印によれば、各ニードル潤滑チャンバ２９は、一方では各ニードルガイド２２内の各シーリングニードル２１を潤滑させ、他方では第２の燃料がニードルガイド２２を経由して周囲に漏れ入り得るのを回避するために、シーリングおよび潤滑オイルシステム１９のオイルタンク２０から出るシーリングおよび潤滑オイルの供給を受け得る。

ここで、二元燃料噴射装置６の各第２のノズル弁９のノズルニードル２１の軸方向すなわち移動方向に見た場合に、ニードル燃料チャンバ２４とニードル潤滑チャンバ２９との間の距離Ｘは、特にニードル燃料チャンバ２４内において第２の燃料の燃料圧力（図３を参照）が噴射サイクルに応じて発生する場合に、ニードル燃料チャンバ２４から出る第２の燃料が、ニードル潤滑チャンバ２９の方向へとニードルガイド２２を経由して移動することが可能となるが、ニードル潤滑チャンバ２９の領域には進入せず、それによりしたがってシーリングおよび潤滑オイルが、特にシーリングおよび潤滑オイルの圧力が第２の燃料の燃料圧力よりも低い場合でも、ニードル潤滑チャンバ２９から変位されることが不可能となるように、寸法設定される。

したがって、本発明による二元燃料噴射装置６では、第２のノズル弁９は、各シリンダ２の噴射サイクルに応じて各ニードル燃料チャンバ２４に第２の燃料を供給可能にし、したがってそれによりニードル燃料チャンバ２４内における第２の燃料の燃料圧力が、永久的には発生せず各噴射サイクルに応じて発生するに過ぎないものとなるように、切換弁１８を割り当てられる。ニードル燃料チャンバ２４から所定の距離Ｘを有するニードル潤滑チャンバ２９は、第２の燃料の燃料圧力よりも低いオイル圧力を有するシーリングおよび潤滑オイルを永久的に供給される。典型的には、第２の燃料の燃料圧力は、約６００バールであり、シーリングおよび潤滑オイルのオイル圧力は、１００バール未満であり、例えば約１０バールである。ニードル燃料チャンバ２４とニードル潤滑チャンバ２９との間の所定の距離Ｘにより、第２の燃料は、特に噴射サイクルに応じて第２の燃料の燃料圧力がニードル燃料チャンバ２４内に発生する場合には、実際にニードル潤滑チャンバ２９の方向に移動し得るが、ニードル潤滑チャンバ２９の領域に進入せず、したがってニードル潤滑チャンバ２９からシーリングおよび潤滑オイルを変位させない。したがって、ニードル燃料チャンバ２４とニードル潤滑チャンバ２９との間の距離Ｘは、噴射サイクルに応じて、および優先的にはさらにシーリングおよび潤滑オイルのオイル圧力と第２の燃料の燃料圧力との間の圧力差に応じて寸法設定される。

既に説明したように、二元燃料噴射装置６は、優先的には第１の中央の第１のノズル弁７と、複数の第２のノズル弁９とを備え、これらの第２のノズル弁９は、第１のノズル弁７の上方に位置決めされる。各シリンダ２の二元燃料噴射装置６の複数の第２のノズル弁９は、共通切換弁１８が割り当てられ、この共通切換弁１８は、二元燃料噴射装置６の基体２３の外部に配置され、したがって容易に交換することが可能である。

１ 内燃機関
２ シリンダ
３ シリンダヘッド
４ ピストン
５ 燃焼チャンバ
６ 二元燃料噴射装置
７ ノズル弁
８ 第１の燃料
９ ノズル弁
１０ 第２の燃料
１１ 燃料供給システム
１２ リザーバ
１３ 燃料ポンプ
１４ 燃料供給システム
１５ リザーバ
１６ 燃料ポンプ
１７ リザーバ
１８ 切換弁
１９ シーリングおよび潤滑オイルシステム
２０ リザーバ
２１ ノズルニードル
２２ ニードルガイド
２３ 基体
２４ ニードル燃料チャンバ
２５ 供給ライン
２６ 輪郭部
２７ 弁座
２８ オリフィス
２９ ニードル潤滑チャンバ

Claims (7)

1. 内燃機関の二元燃料システムであって、
   前記内燃機関の各シリンダ（２）のそれぞれは、二元燃料噴射装置（６）を有し、
   第１の燃料供給システム（１１）であって、第１の燃料が前記第１の燃料供給システム（１１）を経由して各々の前記二元燃料噴射装置（６）に供給され得る、第１の燃料供給システム（１１）を有し、
   第２の燃料供給システム（１４）であって、第２の燃料が前記第２の燃料供給システム（１４）を経由して各々の前記二元燃料噴射装置（６）に供給され得る、第２の燃料供給システム（１４）を有し、
   シーリングおよび潤滑オイルシステム（１９）であって、各々の前記二元燃料噴射装置（６）が前記シーリングおよび潤滑オイルシステム（１９）を経由して前記シーリングおよび潤滑オイルの供給を受け得る、シーリングおよび潤滑オイルシステム（１９）を有し、
   前記第２の燃料供給システム（１４）は、所定の燃料圧力を前記第２の燃料に与え、
   前記シーリングおよび潤滑オイルシステム（１９）は、前記第２の燃料の前記燃料圧力よりも低い所定のオイル圧力を前記シーリングおよび潤滑オイルに与える、内燃機関の二元燃料システムにおいて、
   前記二元燃料噴射装置（６）が、
   少なくとも１つの第１のノズル弁（７）であって、第１の燃料が、前記少なくとも１つの第１のノズル弁（７）を経由して前記各シリンダ（２）の燃焼チャンバ（５）内に導入されることが可能である、少なくとも１つの第１のノズル弁（７）と、
   前記第１のノズル弁（７）の周囲に配置された複数の第２のノズル弁（９）であって、第２の燃料が、前記複数の第２のノズル弁（９）を経由して前記各シリンダ（２）の前記燃焼チャンバ（５）内に導入されることが可能である、複数の第２のノズル弁（９）と、を有し、
   各々の前記複数の第２のノズル弁（９）の領域において、各々の前記複数の第２のノズル弁（９）のノズルニードル（２１）が、前記第２のノズル弁（９）のニードルガイド（２２）内で案内され、前記ニードルガイド（２２）が、ニードル燃料チャンバ（２４）を少なくともいくつかのセクションにおいて画定し、前記ニードル燃料チャンバ（２４）は、供給ライン（２５）を経由して所定の燃料圧力を有する前記第２の燃料の供給を受けることが可能であり、
   各々の前記複数の第２のノズル弁（９）の前記領域において、前記ニードルガイド（２２）は、一方では前記第２の燃料が前記ニードルガイド（２２）を経由して周囲に漏れ入るのを回避し、他方では前記ニードルガイド（２２）内で前記ノズルニードル（２１）を潤滑化するために、シーリングおよび潤滑オイルの供給を受け得る、二元燃料システム。
2. 各々の前記複数の第２のノズル弁（９）には、切換弁（１８）が割り当てられ、前記切換弁（１８）は、前記供給ライン（２５）を経由して前記各シリンダ（２）の噴射サイクルに応じて前記第２の燃料を各々の前記複数の第２のノズル弁（９）の前記ニードル燃料チャンバ（２４）に供給し、それにより前記第２の燃料の燃料圧力が、前記噴射サイクルに応じて前記ニードル燃料チャンバ（２４）内に発生し、
   各々の前記複数の第２のノズル弁（９）の前記ニードルガイド（２２）は、前記シーリングおよび潤滑オイルの供給を受け得るニードル潤滑チャンバ（２９）を少なくともいくつかのセクションにおいて画定し、前記ニードル潤滑チャンバ（２９）は、前記ニードル燃料チャンバ（２４）内で前記噴射サイクルに応じた前記燃料圧力が発生する場合に、前記第２の燃料が前記ニードル潤滑チャンバ（２９）の領域に進入しないように寸法設定された、前記ニードル燃料チャンバ（２４）からの距離（Ｘ）を有することを特徴とする、請求項１に記載の二元燃料システム。
3. 単一の中央の第１のノズル弁（７）を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の二元燃料システム。
4. 前記複数の第２のノズル弁（９）には、共通切換弁（１８）が割り当てられてい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二元燃料システム。
5. 前記切換弁（１８）は、前記二元燃料噴射装置（６）の基体（２３）の外部に配置されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の二元燃料システム。
6. 少なくとも１つのシリンダ（２）を有し、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の二元燃料システムを有する、内燃機関。
7. 請求項６に記載の内燃機関を動作させるための方法であって、各々の前記複数の第２のノズル弁（９）は、各々の前記シリンダ（２）の噴射サイクルに応じて前記第２の燃料の供給を受ける、方法。