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JP6524788B2 - 燃料噴射装置およびエンジン - Google Patents

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JP6524788B2 JP2015096718A JP2015096718A JP6524788B2 JP 6524788 B2 JP6524788 B2 JP 6524788B2 JP 2015096718 A JP2015096718 A JP 2015096718A JP 2015096718 A JP2015096718 A JP 2015096718A JP 6524788 B2 JP6524788 B2 JP 6524788B2
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Description

本発明は、油圧で作動する作動ピストンを備えた油圧駆動式の燃料噴射装置、および、エンジンに関する。
エンジンには、燃焼室に燃料を供給するための燃料噴射装置が設けられる。例えば、特許文献1に記載されているように、油圧駆動式の燃料噴射装置では、作動油の油圧が油圧室に作用することでピストンが押圧される。そして、ピストンの変移によって燃料噴射弁が開閉することで、燃料の供給または停止が制御される。
特表2001−527614号公報
ところで、油圧駆動式の燃料噴射装置では、油圧室には作動油が充満しており、燃料噴射弁を開閉するだけでは、作動油の流動があまりないため、時間経過に伴って油圧室や油圧室近傍の油路の作動油の温度が上昇したり、逆に低下したりする。その結果、作動油の粘度が変化し、燃料噴射弁の開閉のタイミングや期間にばらつきが生じ、作動精度が低下してしまう場合があった。
本発明は、このような課題に鑑み、作動油の温度変化を抑制することで燃料噴射弁の作動精度を向上することが可能な燃料噴射装置、および、エンジンを提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明の、燃料の供給を停止する閉弁状態と、燃料を供給する開弁状態とに変移する燃料噴射弁を備えた燃料噴射装置は、作動油を吐出する油圧ポンプと、油圧ポンプに接続される油圧室が設けられたケーシングと、ケーシング内に摺動自在に設けられ、油圧室内の圧力が予め設定された閾値未満の場合に、燃料噴射弁を閉弁状態に維持する待機位置に保持され、油圧室内の圧力が閾値以上になると、燃料噴射弁を開弁状態とする作動位置に作動する作動ピストンと、作動ピストンに形成され、作動ピストンが待機位置に保持されている間、油圧ポンプから吐出された作動油を油圧室に導くか、もしくは、油圧ポンプから油圧室に導かれた作動油を油圧室から排出するバイパス孔と、を備えたことを特徴とする。
作動ピストンは、油圧室に臨みバイパス孔の一端が開口する受圧面、バイパス孔の他端が開口し受圧面と異なる面を有し、ケーシングには、作動ピストンが待機位置に保持された状態で、バイパス孔の他端に対向し、作動ピストンが作動位置に動すると、バイパス孔の他端と非対向となる排出口が設けられ、作動ピストンが待機位置に保持されている間、油圧室と排出口とが連通してバイパス孔を作動油が流通し、作動ピストンが作動位置に動すると、油圧室と排出口との連通が遮断されてもよい。
油圧ポンプから吐出された作動油を油圧室に導く第1切換位置、および、油圧ポンプから吐出された作動油を排出口に導く第2切換位置に切り換えられる切換バルブを備えてもよい。
上記課題を解決するために、本発明のエンジンは、上記の燃料噴射装置を備えることを特徴とする。
本発明によれば、作動油の温度変化を抑制することで燃料噴射弁の作動精度を向上することが可能となる。
ユニフロー掃気式2サイクルエンジンの全体構成を示す説明図である。 燃料噴射口を説明するための説明図である。 燃料噴射装置を説明するための説明図である。 燃料噴射装置および作動油の流れを説明するための第1の図である。 燃料噴射装置および作動油の流れを説明するための第2の図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
図1は、ユニフロー掃気式2サイクルエンジン100の全体構成を示す説明図である。本実施形態のユニフロー掃気式2サイクルエンジン100(エンジン)は、例えば、船舶等に用いられる。具体的に、ユニフロー掃気式2サイクルエンジン100は、シリンダ110と、ピストン112と、排気ポート114と、排気弁116と、掃気ポート118と、掃気溜120と、掃気室122と、燃焼室124と、燃料噴射口126と、燃料噴射装置128と、冷却器130と、整流板132と、ドレインセパレータ134と、燃料配管136と、環状配管138と、燃料ガス主管140と、パイロット噴射弁142と、燃料供給路144とを含んで構成される。
ユニフロー掃気式2サイクルエンジン100では、ピストン112の上昇行程および下降行程の2行程の間に、排気、吸気、圧縮、燃焼、膨張が行われて、ピストン112がシリンダ110内を摺動する。ピストン112には、ピストンロッド112aの一端が固定されている。また、ピストンロッド112aの他端には、不図示のクロスヘッドが連結されており、クロスヘッドは、ピストン112とともに往復移動する。ピストン112の往復移動に伴いクロスヘッドが往復移動すると、その往復移動に連動して、不図示のクランクシャフトが回転することとなる。
排気ポート114は、ピストン112の上死点より上方のシリンダヘッド110aに設けられた開口部であり、シリンダ110内で生じた燃焼後の排気ガスを排気するために開閉される。排気弁116は、排気弁駆動装置116aによって所定のタイミングで上下に摺動され、排気ポート114を開閉する。排気ポート114が開いているとき排気ポート114を介して排気ガスがシリンダ110から排気される。
掃気ポート118は、シリンダ110の下端側の内周面(シリンダライナ110bの内周面)から外周面まで貫通する孔であり、シリンダ110の全周囲に亘って、複数設けられている。そして、掃気ポート118は、ピストン112の摺動動作に応じてシリンダ110内に活性ガスを吸入する。かかる活性ガスは、酸素、オゾン等の酸化剤、または、その混合気(例えば空気)を含む。
掃気溜120には、不図示のブロワーによって圧縮された活性ガス(例えば空気)が、冷却器130によって冷却されて封入されている。圧縮および冷却された活性ガスは、掃気溜120内に配置された整流板132によって整流された後、ドレインセパレータ134で水分が除去される。
掃気室122は、掃気溜120と連通するとともに、シリンダ110のうち、ピストン112のストローク方向の一端側(図1中、下側)を囲繞しており、圧縮、冷却、および、水分の除去が為された活性ガスが導かれる。
掃気ポート118は、シリンダ110(シリンダライナ110b)のうち掃気室122内に位置する部分に設けられており、ピストン112の摺動動作に応じ、掃気室122とシリンダ110内の差圧をもって、掃気室122からシリンダ110内に活性ガスを吸入する。シリンダ110に吸入された活性ガスは、ピストン112によって燃焼室124に導かれることとなる。
図2は、燃料噴射口126を説明するための説明図であり、図1のII−II線断面を示す。図2に示すように、燃料噴射口126は、掃気ポート118よりもシリンダ110の径方向外側に設けられる。詳細には、燃料噴射口126は、隣り合う掃気ポート118の間におけるシリンダ110の外表面に対向して設けられる。また、燃料噴射口126は、掃気ポート118におけるピストン112のストローク方向の範囲内に位置している。
ここでは、掃気ポート118がユニフロー掃気式2サイクルエンジン100の全周囲に亘って複数設けられていることから、掃気ポート118に合わせて燃料噴射口126も、シリンダ110の周方向に亘って複数設けられている。詳細には、それぞれの掃気ポート118に対し燃料ガスが導かれる燃料配管136が1つずつ、ピストン112のストローク方向に延在している。ここでは、燃料配管136は、隣り合う掃気ポート118の間におけるシリンダ110の外表面の径方向外側に配置されており、燃料配管136によって活性ガスの流れが阻害され難い。また、燃料噴射口126は、燃料配管136のうち、隣り合う燃料配管136側に形成された開口となっている。
燃料配管136のうち、排気ポート114側(図1中、上側)には、環状配管138が配置されている。環状配管138は、シリンダ110の径方向外側をシリンダ110の周方向に環状に囲繞する配管であって、燃料配管136と連通している。環状配管138には、燃料ガスが貯留された燃料ガス主管140から燃料ガスが導かれる。
燃料噴射口126は、燃料ガス主管140から環状配管138を介して供給された燃料ガスを、掃気ポート118に吸入される活性ガスに噴射する。その結果、燃料ガスは、図2中、破線の矢印で示すように、活性ガスの流れに合流して活性ガスとともに掃気ポート118からシリンダ110内に吸入され、燃焼室124に導かれる。
ここでは、燃料噴射口126は、隣り合う燃料配管136側に向けて開口される場合について説明したが、燃料噴射口126は、噴射された燃料ガスが活性ガスとともに掃気ポート118に吸入されればよく、例えば、掃気ポート118側に向けて開口させるといったように、燃料噴射口126をいずれの箇所に設けてもよい。
また、ここでは、燃料配管136と掃気ポート118が同数、配置されている場合について説明したが、燃料配管136と掃気ポート118の配置数が異なっていてもよく、例えば、2つの掃気ポート118ごとに1つの燃料配管136が設けられていてもよい。
また、図1に示すように、シリンダヘッド110aには、パイロット噴射弁142が設けられる。そして、エンジンサイクルにおける所望の時点で適量の燃料油がパイロット噴射弁142から噴射される。かかる燃料油は、シリンダヘッド110aと、シリンダライナ110bと、ピストン112とに囲繞されてシリンダ110の内部に形成された燃焼室124の熱で気化する。そして、燃料油が気化して自然着火し僅かな時間で燃焼して、燃焼室124の温度を極めて高くする。その結果、燃焼室124に導かれた燃料ガスを、所望のタイミングで確実に燃焼させることができる。ピストン112は、主に燃料ガスの燃焼による膨張圧によって往復移動する。
ここで、燃料ガスは、例えば、LNG(液化天然ガス)をガス化して生成されるものとする。また、燃料ガスは、LNGに限らず、例えば、LPG(液化石油ガス)、軽油、重油等をガス化したものを適用することもできる。
燃料噴射装置128は、燃料ガス主管140から燃料噴射口126まで連通する燃料供給路144のうち、燃料配管136や環状配管138よりも上流側に設けられる。そして、燃料噴射装置128は、燃料供給路144を開閉し、燃料噴射口126からの燃料ガスの噴射を制御する。
図3は、燃料噴射装置128を説明するための説明図であり、図1中、シリンダ110の左側に配された燃料噴射装置128の概略断面を示す。図1中、シリンダ110の右側に配された燃料噴射装置128については、構造が実質的に同等であるため詳細な説明は省略する。
図3に示すように、燃料噴射装置128のケーシング146は、2つの外壁部材146a、146bによって構成されている。外壁部材146aは、外壁部材146bよりも、図3中、右側(シリンダ110側)に位置しており、内部に燃料ガスが流通するガス流路148が形成される。
ガス流路148のうち、図3中、右側に開口する一端148aは環状配管138と連通し、図3中、上側に開口する他端148bはフランジ部材150に連結された配管を介して燃料ガス主管140と連通する。
また、外壁部材146aには、外壁部材146bに対向する対向面152に突出部154が設けられている。突出部154は、対向面152から外壁部材146b側に突出している。突出部154の基端側の外周には、環状の窪み156が形成されている。
そして、突出部154には、外壁部材146b側からガス流路148まで貫通する貫通孔158が形成されている。貫通孔158には、ガス流路148側から燃料噴射弁160の一端160aが挿通される。燃料噴射弁160の他端側には弁体160bが形成されている。弁体160bによってガス流路148の一端148aが開閉される。すなわち、燃料噴射弁160は、燃料の供給を停止する閉弁状態(図3(a))と、燃料を供給する開弁状態(図3(b))とに変移する。
外壁部材146bには、外壁部材146aとの対向面162に、外壁部材146a側の窪み156と同じ内径の対向孔164が設けられている。対向孔164の底面には、対向孔164よりも小径な小径孔166が形成されている。そして、対向孔164の内部には弾性バネ168が配置され、その一端168aが窪み156まで延在して固定される。また、弾性バネ168の他端168bは、スプリング受け170に固定されている。
燃料噴射弁160の一端160aは、スプリング受け170を貫通し、スプリング受け170から一端160aが、小径孔166の内部まで突出している。スプリング受け170は、燃料噴射弁160に固定されており、図3(a)では、弾性バネ168の付勢力によって燃料噴射弁160が、図3中、左側に付勢されることで弁体160bがガス流路148の一端148aを閉じている。
上記のように、小径孔166の内部には、燃料噴射弁160の一端160aが位置しており、燃料噴射弁160の一端160aには、作動ピストン172が接触している。作動ピストン172は、小径孔166に挿入されるとともに、小径孔166を、図3中、左右方向に摺動自在な寸法となっており、燃料噴射弁160の一端160aが接触する作動ピストン172の一端172aに対し、反対側の他端172bは、小径孔166の底面166aに対向する。
油圧室174は、小径孔166と作動ピストン172とで囲繞されて形成される。すなわち、作動ピストン172の他端172bは、油圧室174に対向する受圧面となっている。
また、外壁部材146bには、油圧室174に連通する導油孔176が形成されており、導油孔176を介して油圧室174に作動油が導入される。油圧室174に導入された作動油によって油圧室174内の油圧が昇圧され、弾性バネ168の付勢力より油圧による押圧力が大きくなると、図3(b)に示すように、燃料噴射弁160が、図3中、右側に押圧されて、ガス流路148の一端148aが開く。
逆に、油圧室174内の油圧が降下し、弾性バネ168の付勢力より油圧による押圧力が小さくなると、図3(a)に示すように、燃料噴射弁160が、図3中、左側に押圧されて、ガス流路148の一端148aが閉じる。
すなわち、弾性バネ168の付勢力によって油圧室174内の油圧の閾値が設定されており、作動ピストン172は、油圧室174内の圧力が閾値未満の場合に、燃料噴射弁160を閉弁状態に維持する待機位置に保持される(図3(a))。そして、作動ピストン172は、油圧室174内の圧力が閾値以上になると、燃料噴射弁160を開弁状態とする作動位置に作動する(図3(b))。
排出口178は、作動ピストン172が挿入された小径孔166から、外壁部材146bの外部まで貫通する孔であって、作動ピストン172の摺動に伴って油圧室174から対向孔164側に漏出する作動油を外壁部材146b外に排出する。
また、作動ピストン172にはバイパス孔180が設けられる。バイパス孔180の一端180aは、作動ピストン172の他端172b(受圧面)に開口するとともに、他端180bを小径孔166の内壁と摺動する摺動面172cに開口させる。以下、バイパス孔180および作動油の流れについて詳述する。
図4、図5は、燃料噴射装置128および作動油の流れを説明するための図であり、図4には、燃料噴射弁160が閉じている状態を示し、図5には、燃料噴射弁160が開いている状態を示す。
図4、図5に示すように、作動油タンク184には、作動油を吐出する油圧ポンプ186が接続されている。そして、油圧ポンプ186の吐出口には第1供給管190が接続されており、この第1供給管190に、2位置3ポートを備える切換バルブ188のPポートが接続されている。第1供給管190からは、排出口178まで延在する循環用管192が分岐しており、循環用管192には絞り弁194が設けられている。
また、切換バルブ188のAポートと、導油孔176は、作動油入口管196によって連通され、切換バルブ188のTポートと、作動油タンク184は、戻り管198によって連通される。作動油タンク184内には、気泡除去用の板部材184aが複数配置されるとともに、不図示のヒータによって作動油タンク184内の作動油が温められている。
切換バルブ188が図4に示す切換位置にあるとき、切換バルブ188のPポートが遮断され、AポートとTポートが連通されており、油圧室174は、作動油入口管196、戻り管198を介して作動油タンク184と連通する。そのため、油圧室174に油圧が作用せず、燃料噴射弁160は弾性バネ168の付勢力によって閉じられている。
このとき、油圧ポンプ186で昇圧された作動油は、絞り弁194を通って排出口178に流入する。排出口178は、作動ピストン172が図4に示す待機位置に保持された状態で、バイパス孔180の他端180bに対向しており、作動油は、排出口178からバイパス孔180を介して油圧室174に流入する。
そして、油圧室174に流入した作動油は、導油孔176および作動油入口管196を介して切換バルブ188のAポートに流れる。切換バルブ188のAポートは、Tポートと連通しており、作動油は、Aポート、Tポート、戻り管198を介して作動油タンク184に環流する。
このように、作動ピストン172が待機位置に保持された状態では、油圧ポンプ186から油圧室174に導かれた作動油をバイパス孔180が油圧室174から排出することで作動油を循環させている。これにより、作動油タンク184で温められた作動油が循環することとなり、循環経路の作動油の温度低下を抑制して燃料噴射弁160の作動精度を向上することが可能となる。また、バイパス孔180が作動ピストン172に設けられていることから、循環する作動油によって作動ピストン172の温度低下も抑制可能となる。さらに、作動油の循環経路に作動油タンク184が含まれることから、作動油タンク184内において板部材184aによる気泡の消泡を図ることが可能となる。
一方、切換バルブ188が図5に示す切換位置にあるとき、切換バルブ188のTポートが遮断され、PポートとAポートが連通されており、油圧室174は、作動油入口管196および第1供給管190を介して油圧ポンプ186と連通する。そのため、油圧室174に油圧が作用し、燃料噴射弁160は油圧によって押圧されて開く。
このように、切換バルブ188は、油圧ポンプ186から吐出された作動油を油圧室174に導く第1切換位置(図5)、および、油圧ポンプ186から吐出された作動油を排出口178に導く第2切換位置(図4)に切り換えられる。
作動ピストン172が図5に示す作動位置に作動すると、排出口178は、バイパス孔180の他端180bと非対向となり、バイパス孔180の他端180bは、小径孔166の内壁によって閉塞される。その結果、油圧ポンプ186で昇圧された作動油は、循環用管192側に流入するが、絞り弁194によって減圧されることから、作動ピストン172の動作には影響しない。
また、バイパス孔180の流路断面は、作動ピストン172の受圧面に対して十分に小さいことから、燃料噴射弁160が閉じた状態から開いた状態になるとき、バイパス孔180から排出口178を介して排出される、油圧室174の作動油の排出量が抑制される。そのため、燃料噴射弁160を開くときの応答性の低下を抑制することが可能となる。
上述した実施形態では、バイパス孔180は、作動ピストン172が待機位置に保持されている間、油圧ポンプ186から吐出された作動油を油圧室174に導く場合について説明した。しかし、バイパス孔180は、作動ピストン172が待機位置に保持されている間、油圧ポンプ186から吐出された作動油を、油圧室174から排出してもよい。この場合、例えば、油圧ポンプ186を可変容量型として吐出圧を下げ、油圧室174の油圧が上記の閾値以上とならないように制御する。いずれにしても、バイパス孔180を介して作動油が流動すれば、作動油の温度低下を抑制して燃料噴射弁160の作動精度を向上することが可能となる。
また、上述した実施形態では、ケーシング146に排出口178が設けられ、排出口178は、作動ピストン172が待機位置に保持された状態で、バイパス孔180の他端180bに対向し、作動ピストン172が作動位置に作動すると、バイパス孔180の他端180bと非対向となる。そして、作動ピストン172が待機位置に保持されている間、油圧室174と排出口178とが連通してバイパス孔180を作動油が流通し、作動ピストン172が作動位置に作動すると、油圧室174と排出口178との連通が遮断される場合について説明した。しかし、排出口178は必須の構成ではなく、排出口178とバイパス孔180が対向するか否かによって、油圧室174と排出口178との連通状態が変わる構成でなくてもよい。ただし、排出口178とバイパス孔180を上記位置関係とすることで、作動ピストン172が待機位置から作動位置側に動けば、バイパス孔180の他端180bが閉塞され、燃料噴射弁160を開くときの応答性の低下を抑制することが可能となる。また、上述した実施形態では、作動ピストン172が待機位置から作動位置側に僅かに動けば、作動位置に到る前に、バイパス孔180の他端180bが閉塞されることから、燃料噴射弁160を開くときの応答性の低下を一層抑制することができる。
また、上述した実施形態では、第1切換位置、および、第2切換位置に切り換えられる切換バルブ188を備える場合について説明した。しかし、上記のように、油圧ポンプ186を可変容量型として吐出圧を下げ、油圧室174の油圧が閾値以上とならないように制御すれば、切換バルブ188は必須の構成ではない。ただし、切換バルブ188を設けることで、油圧ポンプ186を可変容量型とせずに一定の出力で動作させていても、燃料噴射弁160の開閉を切り換えることが可能となる。
また、上述した実施形態では、作動油を作動油タンク184に循環させて昇温することで作動油の温度低下を抑制する場合について説明した。しかし、例えば、作動油タンク184の作動油を冷却する冷却器を設け、作動油を作動油タンク184に循環させて冷却することで作動油の温度上昇を抑制してもよい。
また、上述した実施形態では、燃料噴射装置128は、燃料ガス主管140から燃料噴射口126まで連通する燃料供給路144に設けられる場合について説明した。しかし、燃料噴射装置128は、例えば、パイロット噴射弁142を開閉して燃料油の噴射処理を遂行してもよい。この場合、燃料噴射弁160は、パイロット噴射弁142となる。すなわち、燃料噴射装置128が噴射する燃料は、燃料ガスであっても液体燃料であってもよい。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明は、油圧で作動する作動ピストンを備えた油圧駆動式の燃料噴射装置、および、エンジンに利用することができる。
100 ユニフロー掃気式2サイクルエンジン(エンジン)
128 燃料噴射装置
146 ケーシング
160 燃料噴射弁
172 作動ピストン
172b 他端(受圧面)
172c 摺動面(受圧面と異なる面)
174 油圧室
178 排出口
180 バイパス孔
180a 一端
180b 他端
186 油圧ポンプ
188 切換バルブ

Claims (4)

  1. 燃料の供給を停止する閉弁状態と、燃料を供給する開弁状態とに変移する燃料噴射弁を備えた燃料噴射装置であって、
    作動油を吐出する油圧ポンプと、
    前記油圧ポンプに接続される油圧室が設けられたケーシングと、
    前記ケーシング内に摺動自在に設けられ、前記油圧室内の圧力が予め設定された閾値未満の場合に、前記燃料噴射弁を閉弁状態に維持する待機位置に保持され、該油圧室内の圧力が閾値以上になると、該燃料噴射弁を開弁状態とする作動位置に作動する作動ピストンと、
    前記作動ピストンに形成され、該作動ピストンが前記待機位置に保持されている間、前記油圧ポンプから吐出された作動油を前記油圧室に導くか、もしくは、該油圧ポンプから該油圧室に導かれた作動油を該油圧室から排出するバイパス孔と、
    を備えたことを特徴とする燃料噴射装置。
  2. 前記作動ピストンは、
    前記油圧室に臨み前記バイパス孔の一端が開口する受圧面、該バイパス孔の他端が開口し該受圧面と異なる面を有し
    前記ケーシングには、
    前記作動ピストンが前記待機位置に保持された状態で、前記バイパス孔の他端に対向し、該作動ピストンが前記作動位置に動すると、該バイパス孔の他端と非対向となる排出口が設けられ、
    前記作動ピストンが前記待機位置に保持されている間、前記油圧室と前記排出口とが連通して前記バイパス孔を作動油が流通し、該作動ピストンが前記作動位置に動すると、該油圧室と該排出口との連通が遮断されることを特徴とする請求項1に記載の燃料噴射装置。
  3. 前記油圧ポンプから吐出された作動油を前記油圧室に導く第1切換位置、および、該油圧ポンプから吐出された作動油を前記排出口に導く第2切換位置に切り換えられる切換バルブを備えたことを特徴とする請求項2に記載の燃料噴射装置。
  4. 前記請求項1から3のいずれか1項に記載の燃料噴射装置を備えることを特徴とするエンジン。
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