JP5269928B2 - 大型２サイクルディーゼルエンジンの燃料弁 - Google Patents

Description

本開示は、大型２サイクルディーゼルエンジンの燃料弁に関する。

発明の背景

大型２サイクルディーゼルエンジンは、典型的には、コンテナ船等の大型外航船または発電所における原動機として使用される。

これらのエンジンには、通常各シリンダカバーに２つまたは３つの燃料弁が設置される。燃料弁には、可動弁部材として機能する、ばねの力で付勢される弁ニードルが設けられる。燃料（一般的には重油）の圧力が、予め設定された圧力（一般的には３５０バール）を上回ると、スピンドルがその座部から持ち上がり、燃料が、燃料弁の先端にあるノズルを通って燃焼室に供給されることが可能になる。

従来のノズルは、エンジンのシリンダにおけるピストンの運動方向に対して約１０度から１５度傾けてあり、またシリンダ壁から燃焼室内の方向に燃料を噴射するセンターボアおよび複数のノズルボアが設けられる。普通、燃料噴射時において、燃焼室中の空気は渦を巻いており、多くのノズルボアは渦流に沿って燃料噴射を行うように向きが決められているが、ノズルボアによっては、燃料を渦流内に噴射するように向きが決められているものもある。

ノズル内部の長手方向に設けられるセンターボア内などに残留している燃料、いわゆるサックボリュームは、燃料室に漏出する場合がある。このサックボリュームは正常な燃料燃焼には温度が低すぎる場合に燃料室への漏出しうるので、できる限り漏出を防ぐべきである。この漏出によって、煙が発生したり、ＮＯｘやＶＯＣの排出量が増加したりすることがあり、また、燃料効率が悪化することがある。

これらの排出問題および燃費問題に対する解決策が、残留燃料（サックボリューム）を最小限に抑えるように設計された、ＭＡＮ・ディーゼル・スライド式燃料弁である。

この既知の燃料弁のノズルには複数のボアが設けられ、ノズルからの燃料が噴霧はこれらのボアを通じておこなわれる。全てのボアは、ノズルの先端付近に設けられ、また長手軸に対して同じ位置に設けられる。つまりノズルボアは、燃料噴射器の長手軸に対して放射方向および接線方向に分布することになる。空間的な制限があるため、一部のノズルボアは放射方向に向けられ、他のノズルボアは主に接線方向に向けられる。ノズルボアに対応する孔を有するセンターボアの内部には、遮断のためのスライド又はスリーブが設けられ、噴射が行われた後に、ノズルのセンターボアから燃料が漏出することを防止する。

しかし、フロー条件は最適とは言えず、特に、放射方向よりは接線方向に向けられるノズルボアからのフロー条件は、最適ではない。

このような背景から、本願の目的は、前述の欠点を克服するか、または少なくとも軽減する燃料弁を提供することにある。

この目的は、大型２サイクルディーゼルエンジンの燃焼室内に燃料を噴射するための次のような燃料弁によって達成される。この燃料弁は、前記燃料弁を大型２サイクルディーゼルエンジンのシリンダカバーに搭載するためのヘッドをその最後部に備える燃料弁ハウジングと；軸方向のボアおよび閉じた先端部を備える細長ノズルと；弁座部と協働し、また前記ノズルへの燃料のフローを制御するように構成される、弾性的に付勢される弁ニードルと；前記ノズルの上に分布せしめられる複数のノズル孔であって、前記複数のノズル孔の各々の中心軸線は、前記ノズルの軸方向ボアの中心軸と実質的に交差する、複数のノズル孔と；前記弁ニードルと共に移動する中空の遮断シャフトであって、前記複数のノズル孔を開閉しうるように、前記ノズル内の前記センターボアに軸方向に移動可能に収容される遮断シャフトと；を有し、前記遮断シャフトの或る位置において該遮断シャフトの内部と前記複数のノズル孔とを接続し、前記遮断シャフトの別の位置において該遮断シャフトの内部と前記複数のノズル孔とを遮断するように、前記複数のノズル孔に対応する複数の開口部が前記遮断シャフトに設けられ；さらに前記遮断シャフトは、前記ノズルおよび燃料弁ハウジングに対して回転しないようにされる。

弁ニードルの開閉に合わせてノズル孔を開閉する遮断シャフトを備えることにより、サックボリュームがほぼゼロにまで減少する。一方で、上述のノズル構成および配向によって、適切かつ安定した燃料噴出が実現される。

前記遮断シャフトの前記複数の開口部は、前記弁ニードルがその座部から持ち上がる際に、前記複数のノズル孔に重なり合ってもよい。

前記遮断シャフトの前記複数の開口部は、前記弁ニードルがその座部に着座している際に、前記複数のノズル孔に重なり合わないようであってもよい。

実施形態によっては、前記弁ニードルがその座部から持ち上がると、前記遮断シャフトの前記中空内部が前記燃焼弁の入口ポートに接続される。

好ましくは、前記弁ニードルおよび前記遮断シャフトは、単一部品として形成される。

ある実施形態では、前記複数のノズル孔は、前記ノズルの長手方向に沿って見たときに互いに重なり合わないように、該ノズルの長手方向に配されてもよい。

別の実施形態では、前記複数のノズル孔は、前記ノズルの長手方向に沿って見たときに、その位置が実質的に重なる前記ノズル孔のペアがあるように配されてもよい。

本発明の別の目的は、大型２サイクルディーゼルエンジンの燃料室内に燃料を噴射するためのクロスヘッド式大型２サイクルディーゼルエンジンにおける、次のような燃料弁の使用を提供することである。この燃料弁は、前記燃料弁を大型２サイクルディーゼルエンジンのシリンダカバーに搭載するためのヘッドをその最後部に備える燃料弁ハウジングと；軸方向のボアおよび閉じた先端部を備える細長ノズルと；弁座部と協働し、また前記ノズルへの燃料のフローを制御するように構成される、弾性的に付勢される弁ニードルと；前記ノズルの上に分布せしめられる複数のノズル孔であって、前記複数のノズル孔の各々の中心軸線は、前記ノズルの軸方向ボアの中心軸と実質的に交差する、複数のノズル孔と；前記弁ニードルと共に移動する中空の遮断シャフトであって、前記複数のノズル孔を開閉しうるように、前記ノズル内の前記センターボアに軸方向に移動可能に収容される遮断シャフトと；を有し、 前記遮断シャフトの或る位置において該遮断シャフトの内部と前記複数のノズル孔とを接続し、前記遮断シャフトの別の位置において該遮断シャフトの内部と前記複数のノズル孔とを遮断するように、前記複数のノズル孔に対応する複数の開口部が前記遮断シャフトに設けられ；さらに前記遮断シャフトは、前記ノズルおよび燃料弁ハウジングに対して回転しないようにされる。

本発明に従う燃料弁に関するさらなる目的、特徴、利点および特性は、以下の詳細な説明より明らかになる。

本説明の以下の詳細な部分において、図面に示される例示的実施形態を参照して、本発明についてより詳細に説明する。
燃料弁の例示的実施形態の縦断面図である。 図１に図示する燃料弁の先端部の拡大縦断面図であり、弁ニードルは閉鎖位置で示される。 図１に示す燃料弁のノズルの拡大縦断面図である。 図３に示すノズルの立面図である。 図１に示す燃料弁の弁ニードルおよび遮断シャフトの軸方向断面拡大図である。 図５に示す弁ニードルおよび遮断シャフトの立面図である。 図１に示す燃料弁のノズルの代替実施形態の立面図である。 図７に示すノズルの軸方向断面拡大図である。 図７および図８に示すノズルと組み合わせて使用されるような、弁ニードルの代替実施形態の立面図である。

好適な実施形態の詳細な説明

図１に図示する燃料弁１は、細長い外部ハウジング１０を有する。ハウジング１０は、その最後部にヘッド１４を有する。このヘッド１４によって、燃料弁１が、既知の方式で、大型２サイクルディーゼルエンジンのシリンダカバーに搭載され、燃料ポンプ（図示せず）に接続されうる。ヘッド１４は燃料給油口１６を備え、燃料給油口１６は導管１７と流体的に繋がっている。この導管は、逆止め弁１２を通って、弁ハウジング１０のボア内で軸方向に移動可能な弁ニードル２０へと延びている。弁ニードル２０は、閉鎖ばね１８によってその座部２２方向に付勢される。弁ハウジング１０の先端部は、燃焼弁１がシリンダカバー上に装着された状態で、弁ハウジング１０を通ってエンジンシリンダ（図示せず）の燃焼室内に突出するノズル３０を保持する。

図２から図６は、弁ニードル２０およびノズル３０をより詳細に示す。閉鎖ばね１８は、弁ニードル２０をその座部２２方向に付勢する。図２は、弁座部２２上に着座する弁ニードル２０を示す。この位置にある時、燃料は、燃料給油口１６からノズル３０への燃料の流れは阻止されている。

弁ニードル２０は、弁ニードル２０の最後部よりも細い最前部遮断シャフト４０を有する。遮断シャフト４０はノズル３０内のセンターボア３３内に突出する。

ノズル３０には、センターボア３３および複数のノズル孔３５が設けられる。燃料は、これらの孔を通って燃焼室内に噴射される。したがって燃料が噴射される間、燃料は複数のノズル孔３５の各々から噴出する。

複数のノズル孔３５は、ノズル３０上に、その長手方向に沿って、間隔を空けて配される。そして、ノズル孔３５の寸法を考慮しても、長手方向においてノズル孔３５は重なり合わない。さらに、各ノズル孔３５は径方向に分散して設けられ、径方向において様々な方向に向けられる。これによって、複数のノズル孔３５から生じる燃料噴出は燃焼室の広範囲に及ぶ。

ある実施形態では、ノズル孔３５はノズルに穴を開けることで形成される。各ノズル孔３５の中心軸３６は、センターボア３３の中心軸３４とほぼ交差する。すなわち、ノズル孔３５の中心軸３６は、接線方向に向けられるのではなく、全てセンターボア３３の中心軸３４の方に向けられる。ノズル孔３５の中心軸３６は、センターボア３３の中心軸３４と厳密に交差する必要はないが、ノズル孔３５の範囲は、センターボア３３の中心軸３４に対して実質的に接線方向であるべきではない。

図３で分かるように、ノズル孔３５の中心軸３６と、センターボア３３の中心軸とのなす角は、垂直でなくともよい。

ある例示的実施形態では、遮断シャフト４０は弁ニードル２０と一体型の構成要素として作製される。遮断シャフト４０は中空であり、遮断シャフト４０の中空内部は、弁座部２２の下流にある空間に接続する。したがって、弁ニードル２０がその座部から持ち上がる場合、流路１７は燃料給油口１６から遮断シャフト４０の中空内部にまで延長する。

遮断シャフト４０の先端部は円筒状であり、センターボア３３内にぴったりフィットする。この遮断シャフト４０の先端部には、それぞれノズル孔３５のいずれかに対応する複数の開口部４５が設けられる。弁ニードル２０の角度位置、ひいては遮断シャフト４０の角度位置は、ピン４８によって定められる。ピン４８は、弁ニードル２０が弁ハウジング１０に対して回転することを防止する。これにより、弁ニードル２０が座部２２から持ち上がる際に、遮断シャフト４０の各開口部４５は、確実に各ノズル孔３５に重なり合う。

作動中、弁ニードル２０は、燃料弁１に供給される燃料圧力が所定の値を上回る際に、その座部から持ち上がる。この時点で燃料は、遮断シャフト４０の中空部分に流入し、さらにこの時点でノズル孔３５及びそれに開口位置が重なる開口部４５を通って、燃焼室内に流入することができる。燃料噴射過程の最終段階において、燃料弁１への燃料の供給が中断されると、低下した燃料圧力は弁ニードル２０をその弁座部２２から浮かせた状態を維持することができなくなり、閉鎖ばね１８が、弁ニードル２０をその弁座部２２に向かって付勢する。遮断シャフト４０が弁ニードル２０と一体となって移動することから、遮断シャフト４０も燃料弁１の前方に向かって軸方向に移動する。弁ニードル２０がその座部２２上に着座する位置では、遮断シャフトの各開口部４５は各ノズル孔３５と開口位置が重ならなくなる。したがって、ノズル内（実際は遮断シャフト４０中空部）の燃料は行き場を失い、燃料室内に漏出することができなくなる。

したがって、サックボリューム（燃料噴射過程が終了した後にノズルから漏れ出しうる燃料の体積）は、各ノズル孔３５の最適な配置によって、実質的にゼロになる。

図７、図８および図９は本発明の別の実施形態を図示する。この別の実施形態は各ノズルボア３５の配置が多少異なること以外は、上述の実施形態と本質的に同じである

各ノズルボア３５は、２つのノズルボア３５がペアをなすように配置され、各ペアは、ノズル３０の長手方向に沿う軸上で実質的に同一の位置に配される。上述の実施形態のように、各ノズルボア３５は、前述と同一の方式で前述と同一の理由により、放射状に配置される。本実施形態の利点として、ノズル３０が長手方向に短くなることによって、燃焼サイクル中の熱注入を減少させることが可能になることが挙げられる。

本開示の教示は、多数の利点を有する。異なる実施形態または実装は、以下の利点のうちの１つ以上をもたらしうる。これが、包括的なリストではなく、本明細書に説明されない他の利点も存在してもよいことに留意されたい。本開示の教示の一利点として、最適なノズルボア構成と極めて少ないサックボリュームとを併せ持つ大型２サイクルディーゼルエンジンの燃料弁を提供することが挙げられる。本開示の別の利点として、最適なノズルボア構成と極めて少ないサックボリュームおよびノズル長を短くしたノズルとを併せ持つ燃料弁を提供することが挙げられる。

本願から教示される事項について例示目的のために詳細に説明したが、これまでの詳細が単に当該目的のためのものであること、ならびに本出願の教示の範囲から逸脱することなく、当業者が変更を加えてもよいことを理解されたい。

用語の「備える」は、請求項において使用する際、他の要素またはステップを除外しない。請求項における単数形の用語は、複数形を除外しない。単一のプロセッサまたは他のユニットは、請求項に列挙するいくつかの手段の機能を実行してもよい。

Claims (7)

1. 大型２サイクルディーゼルエンジンの燃焼室内に燃料を噴射するための燃料弁（１）であって、
   前記燃料弁（１）を大型２サイクルディーゼルエンジンのシリンダカバーに搭載するためのヘッド（１４）をその最後部に備える燃料弁ハウジング（１０）と、
   軸方向のボアおよび閉じた先端部を備える細長ノズル（３０）と、
   弁座部（２２）と協働し、また前記ノズル（３０）への燃料のフローを制御するように構成される、弾性的に付勢される弁ニードル（２０）と、
   前記ノズル（３０）の長手方向に分布せしめられる複数のノズル孔（３５）であって、前記複数のノズル孔（３５）の各々の中心軸線（３６）は、前記ノズル（３０）の軸方向ボア（３３）の軸方向の中心軸（３４）と交差する、複数のノズル孔（３５）と、
   前記弁ニードル（２０）と共に移動する中空の遮断シャフト（４０）であって、前記複数のノズル孔（３５）を開閉しうるように、前記ノズル（３０）内の前記センターボア（３３）で、持ち上げられた位置と閉鎖位置との間で軸方向に移動可能に収容される遮断シャフト（４０）と、
   を有し、
   前記遮断シャフト（４０）の前記持ち上げられた位置において、該遮断シャフト（４０）の内部と前記複数のノズル孔（３５）とを接続し、前記遮断シャフトの前記閉鎖位置において、該遮断シャフト（４０）の内部と全ての前記ノズル孔（３５）とを遮断するように、前記複数のノズル孔（３５）に対応する複数の開口部（４５）が前記遮断シャフト（４０）に設けられ、
   さらに前記遮断シャフト（４０）は、前記ノズル（３０）および燃料弁ハウジング（１０）に対して回転しないようにされる、
   燃料弁。
2. 前記遮断シャフト（４０）の前記複数の開口部（４５）は、前記弁ニードル（２０）がその座部（２２）から持ち上がる際に、前記複数のノズル孔（３５）に重なり合う、請求項１に記載の燃料弁（１）。
3. 前記遮断シャフト（４０）の前記複数の開口部（４５）は、前記弁ニードル（２０）がその座部（２２）に着座している際に、前記複数のノズル孔（３５）に重なり合わない、請求項１に記載の燃料弁（１）。
4. 前記弁ニードル（２０）がその座部（２２）から持ち上がると、前記遮断シャフト（４０）の前記中空内部が前記燃焼弁（１）の入口ポート（１６）に接続される、請求項１に記載の燃料弁（１）。
5. 前記弁ニードル（２０）と前記遮断シャフト（４０）とは単一部品として形成される、請求項１に記載の燃料弁（１）。
6. 前記複数のノズル孔（３５）は、前記ノズル（３０）の長手方向に沿って見たときに互いに重なり合わないように、該ノズル（３０）の長手方向に互いに間隔を開けて配される、請求項１に記載の燃料弁（１）。
7. 前記複数のノズル孔（３５）は、前記ノズル（３０）の長手方向の端部からの距離がほぼ等しいノズル孔のペアがあるように配される、請求項１に記載の燃料弁（１）。

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