特許 7474830 燃料噴射装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-17

(45)【発行日】2024-04-25

(54)【発明の名称】燃料噴射装置

(51)【国際特許分類】

   F02M 61/14 20060101AFI20240418BHJP

   F02B 23/02 20060101ALI20240418BHJP

【ＦＩ】

F02M61/14 310U

F02M61/14 310A

F02B23/02 C

F02B23/02 M

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2022191698

(22)【出願日】2022-11-30

(62)【分割の表示】P 2018138525の分割

【原出願日】2018-07-24

(65)【公開番号】P2023022223

(43)【公開日】2023-02-14

【審査請求日】2022-11-30

(73)【特許権者】

【識別番号】523216148

【氏名又は名称】株式会社三井Ｅ＆Ｓ ＤＵ

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100175802

【弁理士】

【氏名又は名称】寺本 光生

(74)【代理人】

【識別番号】100169764

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100167553

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 久典

(72)【発明者】

【氏名】青柳 享秀

(72)【発明者】

【氏名】廣瀬 孝行

(72)【発明者】

【氏名】山田 敬之

(72)【発明者】

【氏名】久下 喬弘

(72)【発明者】

【氏名】増田 裕

【審査官】竹村 秀康

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１４／０３４７９６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－１０１８８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２０８１７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｍ ３９／００－７１／０４

Ｆ０２Ｂ ２３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ピストンにより圧縮される２ストロークエンジンの燃焼室に向けてガス燃料を噴射する複数の燃料噴射ノズルを備えるガス燃料噴射装置であって、
少なくとも一対の前記ガス燃料噴射ノズルは、前記ピストンの摺動方向及び前記ピストンの摺動方向と直交する方向から見て、それぞれ異なる噴射角で前記ガス燃料を噴射し、
前記ガス燃料噴射ノズルは、前記ピストンの摺動方向においてそれぞれ異なる位置かつシリンダライナの中心を挟んで互いに対向しない位置に取り付けられることを特徴とすることを特徴とするガス燃料噴射装置。

【請求項2】

前記ピストンの摺動方向に直行する方向を０度とし、前記ピストンの圧縮方向を正とした場合における前記噴射角γ、εは、－３０°以上０°未満に設定され、
前記噴射角γ、εの角度差は、－１５°≦γ－ε＜０、０＜γ―ε≦１０°に設定されることを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。

【請求項3】

請求項１に記載のガス燃料噴射装置と、
前記ピストンと当該ピストンが摺動されると共に前記燃焼室を有するシリンダとを備える前記２ストロークエンジンとを備え、
前記燃焼室内では旋回流が形成されることを特徴とするエンジンシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料噴射装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１には、往復ピストン内燃機関（２ストロークエンジン）へのガス供給システムが開示されている。特許文献１のガス供給システムでは、シリンダに設けられるガス入口ノズル（燃料噴射ノズル）より、燃料ガスをシリンダ内の燃焼空間に供給している。このような燃料噴射ノズルを複数設ける場合、等しい噴射角でそれぞれ対向するように設ける。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－８９８３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、複数の燃料噴射ノズルより等しい噴射角で燃料を噴射する場合、複数の燃料噴射ノズルから等しい位置に向けて燃料が噴射され、燃焼室内において燃料が一部に偏るため、燃焼室における燃料と空気との混合に不均一が生じる。燃焼室において燃料ガス濃度に濃淡が生じると、異常燃焼の原因となる可能性がある。

【0005】

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、燃焼室において燃料と空気とを均一に混合することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、上記課題を解決するための第１の手段として、ピストンにより圧縮される２ストロークエンジンの燃焼室に向けて燃料を噴射する複数の燃料噴射ノズルを備える燃料噴射装置であって、少なくとも一対の上記燃料噴射ノズルは、それぞれ異なる噴射角で上記燃料を噴射する、という構成を採用する。

【0007】

第２の手段として、上記第１の手段において、少なくとも一対の上記燃料噴射ノズルは、上記ピストンの摺動方向から見て、それぞれ異なる噴射角で上記燃料を噴射する、という構成を採用する。

【0008】

第３の手段として、上記第１または第２の手段において、少なくとも一対の上記燃料噴射ノズルは、上記ピストンの摺動方向と直交する方向から見て、それぞれ異なる噴射角で上記燃料を噴射する、という構成を採用する。

【0009】

第４の手段として、上記第３の手段において、少なくとも一対の上記燃料噴射ノズルは、上記ピストンの摺動方向と直交する方向を０°とし、上記ピストンの圧縮方向を正としたときに、上記噴射角が－３０°以上０°以下である、という構成を採用する。

【0010】

第５の手段として、上記第３の手段において、全ての上記燃料噴射ノズルは、上記ピストンの摺動方向と直交する方向を０°とし、上記ピストンの圧縮方向を正としたときに、上記噴射角が０°以下である、という構成を採用する。

【0011】

第６の手段として、上記第１～５のいずれかの手段において、上記燃料噴射ノズルは、上記ピストンの摺動方向においてそれぞれ異なる位置に取り付けられる、という構成を採用する。

【0012】

第７の手段として、ピストンと上記ピストンが摺動されると共に燃焼室を有するシリンダとを有する２ストロークエンジンと、第１～６のいずれかの手段の燃料噴射装置とを備え、上記燃焼室内では、旋回流が形成される、という構成を採用する。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、少なくとも一対の燃料噴射ノズルが、異なる噴射角で燃料を噴射する。これにより、燃焼室内のガスの流れに対して、各燃料噴射ノズルが異なる位置に向けて燃料を噴射することができ、燃焼室内において噴射された燃料が空気と混合しやすくなる。したがって、燃焼室において燃料と空気とを均一に混合することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の一実施形態におけるエンジンシステムの断面図である。

【図2】本発明の一実施形態におけるエンジンシステムが備えるシリンダライナの模式断面図であり、（ａ）がピストン摺動方向から見た図であり、（ｂ）がピストン摺動方向と直交する方向から見た図である。

【図3】本発明の一実施形態におけるエンジンシステムの燃料の混合度合を示すグラフである。

【図4】本発明の一実施形態におけるエンジンシステムが備えるシリンダライナの変形例を示す模式断面図である。

【図5】本発明の一実施形態におけるエンジンシステムが備えるシリンダライナの変形例を示す模式断面図である。

【図6】本発明の一実施形態におけるエンジンシステムが備えるシリンダライナの変形例を示す模式断面図である。

【図7】本発明の一実施形態におけるエンジンシステムが備えるシリンダライナの変形例を示す模式断面図である。

【図8】本発明の一実施形態におけるエンジンシステムが備えるシリンダライナの変形例を示す模式断面図である。

【図9】本発明の一実施形態におけるエンジンシステムが備えるシリンダライナの変形例を示す模式断面図である。

【図10】本発明の一実施形態におけるエンジンシステムが備えるシリンダライナの変形例を示す模式断面図である。

【図11】本発明の一実施形態におけるエンジンシステムが備えるシリンダライナの変形例を示す模式断面図である。

【図12】本発明の一実施形態におけるエンジンシステムが備えるシリンダライナの変形例を示す模式断面図である。

【図13】本発明の一実施形態におけるエンジンシステムが備えるシリンダライナの変形例を示す模式断面図である。

【図14】本発明の一実施形態におけるエンジンシステムが備えるシリンダライナの変形例を示す模式断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照して、本発明におけるエンジンシステム１００の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

【0016】

［第１実施形態］
本実施形態のエンジンシステム１００は、例えば大型タンカなど船舶に搭載され、図１に示すように、エンジン１と、燃料噴射装置１５と、過給機２００と、制御部３００と、とを有している。なお、本実施形態においては、過給機２００を補機として捉え、エンジン１（主機）と別体として説明する。但し、過給機２００をエンジン１の一部として構成することも可能である。

【0017】

エンジン１は、多気筒のユニフロー掃気ディーゼルエンジン（２ストロークエンジン）とされ、天然ガス等の気体燃料を重油などの液体燃料と共に燃焼させるガス運転モードと、重油などの液体燃料を燃焼させるディーゼル運転モードとを有している。なお、ガス運転モードでは、気体燃料のみを燃焼させても良い。このようなエンジン１は、架構２と、シリンダ部３と、ピストン４と、排気弁ユニット５と、ピストンロッド６と、クロスヘッド７と、連接棒９と、クランク角センサ１０と、クランク軸１１と、掃気溜１２と、排気溜１３と、空気冷却器１４とを有している。また、シリンダ部３、ピストン４、排気弁ユニット５及びピストンロッド６により、気筒が構成されている。

【0018】

架構２は、エンジン１の全体を支持する強度部材であり、クロスヘッド７及び連接棒９が収容されている。また、架構２は、内部において、クロスヘッド７の後述するクロスヘッドピン７ａが往復動可能とされている。

【0019】

シリンダ部３は、シリンダライナ３ａと、シリンダヘッド３ｂとシリンダジャケット３ｃとを有している。シリンダライナ３ａは、円筒状の部材であり、ピストン４との摺動面が内側に形成されている。このようなシリンダライナ３ａの内周面とピストン４とにより囲まれた空間が燃焼室Ｒ１とされている。燃焼室Ｒ１内は、略円柱状の空間であり、内部のガスが燃焼室Ｒ１の中心の周りを一定の方向に旋回する流れが形成されている。なお、以下の説明においては、燃焼室Ｒ１におけるガスの旋回方向をスワール方向として説明している。また、シリンダライナ３ａの下部には、複数の掃気ポートＳが形成されている。掃気ポートＳは、シリンダライナ３ａの周面に沿って配列された開口であり、シリンダジャケット３ｃ内部の掃気室Ｒ２とシリンダライナ３ａの内側とを連通している。シリンダヘッド３ｂは、シリンダライナ３ａの上端部に設けられた蓋部材である。シリンダヘッド３ｂは、平面視において中央部に排気ポートＨが形成され、排気溜１３と接続されている。また、シリンダヘッド３ｂには、不図示の燃料噴射弁が設けられている。シリンダジャケット３ｃは、架構２とシリンダライナ３ａとの間に設けられ、シリンダライナ３ａの下端部が挿入された円筒状の部材であり、内部に掃気室Ｒ２が形成されている。また、シリンダジャケット３ｃの掃気室Ｒ２は、掃気溜１２と接続されている。

【0020】

ピストン４は、略円柱状とされ、後述するピストンロッド６と接続されてシリンダライナ３ａの内側に配置されている。また、ピストン４の外周面には不図示のピストンリングが設けられ、ピストンリングにより、ピストン４とシリンダライナ３ａとの間隙を封止している。ピストン４は、燃焼室Ｒ１における圧力の変動により、ピストンロッド６を伴ってシリンダライナ３ａ内を摺動する。

【0021】

排気弁ユニット５は、排気弁５ａと、排気弁筐５ｂと、排気弁駆動部５ｃとを有している。排気弁５ａは、シリンダヘッド３ｂの内側に設けられ、排気弁駆動部５ｃにより、シリンダ部３内の排気ポートＨを閉塞する。排気弁筐５ｂは、排気弁５ａの端部を収容する円筒形の筐体である。排気弁駆動部５ｃは、排気弁５ａをピストン４のストローク方向に沿う方向に移動させるアクチュエータである。

【0022】

ピストンロッド６は、一端がピストン４と接続され、他端がクロスヘッドピン７ａと連結された長尺状部材である。ピストンロッド６の端部は、クロスヘッドピン７ａに固定され、連接棒９が回転可能となるように連結されている。

【0023】

クロスヘッド７は、クロスヘッドピン７ａと、ガイドシュー７ｂと、を有している。クロスヘッドピン７ａは、ピストンロッド６と連接棒９とを移動可能に連結する円柱状部材である。

【0024】

ガイドシュー７ｂは、クロスヘッドピン７ａを回動可能に支持する部材であり、クロスヘッドピン７ａに伴ってピストン４のストローク方向に沿って不図示のガイドレール上を移動する。ガイドシュー７ｂがガイドレールに沿って移動することにより、クロスヘッドピン７ａは、回転運動と、ピストン４のストローク方向に沿う直線方向以外への移動が規制される。このようなクロスヘッド７は、ピストン４の直線運動を連接棒９へと伝達している。

【0025】

図１に示すように、連接棒９は、クロスヘッドピン７ａと連結されると共にクランク軸１１と連結されている長尺状部材である。連接棒９は、クロスヘッドピン７ａに伝えられたピストン４の直線運動を回転運動に変換している。クランク角センサ１０は、クランク軸１１のクランク角を計測するためのセンサであり、制御部３００へとクランク角を算出するためのクランクパルス信号を送信している。

【0026】

クランク軸１１は、気筒に設けられる連接棒９に接続された長尺状の部材であり、それぞれの連接棒９により伝えられる回転運動により回転されることで、例えばスクリュー等に動力を伝える。掃気溜１２は、シリンダジャケット３ｃと過給機２００との間に設けられ、過給機２００により加圧された空気が流入する。また、掃気溜１２には、空気冷却器１４が内部に設けられている。排気溜１３は、各気筒の排気ポートＨと接続されると共に過給機２００と接続される管状部材である。排気ポートＨより排出されるガスは、排気溜１３に一時的に貯留されることにより、脈動を抑制した状態で過給機２００へと供給される。空気冷却器１４は、掃気溜１２内部の空気を冷却する装置である。

【0027】

燃料噴射装置１５は、不図示の燃料タンクに接続されると共に、図２（ａ）に示すように、シリンダライナ３ａの内周面より、燃焼室Ｒ１に向けて燃料を噴射する装置である。本実施形態においては、燃料噴射装置１５は、第１ノズル１５ａ及び第２ノズル１５ｂの２本（一対）のノズルを燃料噴射ノズルとして備えている。

【0028】

第１ノズル１５ａ及び第２ノズル１５ｂは、不図示の燃料ポンプと接続され、シリンダライナ３ａの内側に向けて燃料を噴射する。第１ノズル１５ａ及び第２ノズル１５ｂは、シリンダライナ３ａの中心を挟んで対向する位置より突出して設けられている。
第１ノズル１５ａは、ピストン４の摺動方向（上下方向）から見て、図２（ａ）に示すように、シリンダライナ３ａの中心に対して、α°傾いた方向に向けて燃料を噴射する。また、第２ノズル１５ｂは、上下方向から見て、図２（ａ）に示すように、シリンダライナ３ａの中心に対して、噴射角がβ°（β≠α）傾いた方向に向けて燃料を噴射する。さらに、第１ノズル１５ａは、図２（ｂ）に示すように、上下方向から直交する方向（水平方向）から見て、水平方向に対して噴射角がγ°傾いた方向に向けて燃料を噴射する。また、第２ノズル１５ｂは、図２（ｂ）に示すように、ピストン４の摺動方向と直交する方向（水平方向）から見て、水平方向に対してε°（ε≠γ）傾いた方向に向けて燃料を噴射する。
上述のように、第１ノズル１５ａと第２ノズル１５ｂとは、燃焼室Ｒ１の中心から偏心した方向であって、互いに異なる噴射角で燃料を噴射可能とされている。

【0029】

過給機２００は、排気ポートＨより排出されたガスにより回転されるタービンにより、不図示の吸気ポートから吸入した空気を加圧して燃焼室Ｒ１に供給する装置である。

【0030】

制御部３００は、船舶の操縦者による操作等に基づいて、燃料の供給量等を制御するコンピュータである。

【0031】

このようなエンジンシステム１００は、不図示の燃料噴射弁より燃焼室Ｒ１に噴射された燃料を着火、爆発させることによりピストン４をシリンダライナ３ａ内で摺動させ、クランク軸１１を回転させる装置である。詳述すると、燃焼室Ｒ１に供給された燃料は、掃気ポートＳより流入した空気と混合された後、ピストン４が上死点方向に向けて移動することにより圧縮されて温度が上昇し、自然着火する。また、液体燃料の場合には、燃焼室Ｒ１において温度上昇することにより気化し、自然着火する。

【0032】

そして、燃焼室Ｒ１内の燃料が自然着火することで急激に膨張し、ピストン４には下死点方向に向けた圧力がかかる。これにより、ピストン４が下死点方向に移動し、ピストン４に伴ってピストンロッド６が移動され、連接棒９を介してクランク軸１１が回転される。さらに、ピストン４が下死点に移動されることで、掃気ポートＳより燃焼室Ｒ１へと加圧空気が流入する。排気弁ユニット５が駆動することで排気ポートＨが開き、燃焼室Ｒ１内の排気ガスが、加圧空気により排気溜１３へと押し出される。

【0033】

図３は、本実施形態におけるエンジンシステムの燃料の混合度合を示すグラフである。図３のグラフにおいて、混合度合は、グラフの下側に向かう程良好であるものとする。（ａ）は、上下方向における噴射角の変位（変位角γ，ε）を変えた際の混合度合を示している。なお、変位角は、水平方向を０とし、上方向（圧縮方向）を＋としている。また、（ｂ）は、上下方向における第１ノズル１５ａ及び第２ノズル１５ｂの角度差（γ－ε）を変えた際の混合度合を示している。変位角が－３０°≦γ，ε≦０°の範囲において、特に混合度合が良好であることがわかる。同様に、角度差が－１５°≦γ－ε≦１０°の範囲において特に混合度合が良好であることがわかる。

【0034】

また、（ｃ）は、水平方向における噴射角の変位（変位角α，β）を変えた際の混合度合を示している。なお、変位角は、中心軸方向を０とし、スワール方向を＋としている。特に、変位角がγ，ε≦－７．５°及び１２．５°≦γ，εの範囲において、混合度合が良好であることがわかる。

【0035】

また、本実施形態によれば、第１ノズル１５ａ及び第２ノズル１５ｂは、水平方向から見て異なる噴射角で燃料を噴射する。これにより、第１ノズル１５ａ及び第２ノズル１５ｂは、それぞれ上下方向において異なる位置に向けて燃料を噴射する。このため、各燃料噴射ノズルから噴射された燃料がそれぞれ異なる位置で周囲の空気と混合され、燃焼室Ｒ１において、燃料と空気とが均一に混合される。

【0036】

また、本実施形態によれば、第１ノズル１５ａ及び第２ノズル１５ｂは、上下方向から見て、異なる噴射角で燃料を噴射する。これにより、第１ノズル１５ａ及び第２ノズル１５ｂは、それぞれ水平方向において異なる位置に向けて燃料を噴射する。このため、噴射された燃料がそれぞれ異なる位置で周囲の空気と混合され、燃焼室Ｒ１において、燃料と空気とが均一に混合される。

【0037】

また、本実施形態によれば、燃焼室Ｒ１において旋回流が形成されているため、燃料と空気とがより均一に混合されやすくなる。

【0038】

以上、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、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

【0039】

図４～１４は、上記実施形態の変形例である。図４～１４における実線、一点鎖線、二点鎖線及び破線の矢印は燃料噴射ノズルの噴射方向を示しており、太い矢印はスワール方向を示す。図４（ｂ）に示すように、２本の燃料噴射ノズルを上下方向において互いに異なる位置に設けることも可能である。この場合、２本の燃料噴射ノズルは、さらに互いに離れた位置に向けて燃料を噴射するため、燃料をより均一とすることができる。
また、図４（ｃ）、（ｄ）に示すように、２本の燃料噴射ノズルは、上下方向から見て、中心を挟んで互いに対向しない位置に設けられるものとしてもよい。すなわち、複数の燃料噴射ノズルを設ける際に、各燃料噴射ノズルは、シリンダライナ３ａの周方向においてそれぞれ不均等な間隔で設けられるものとしてもよい。

【0040】

図４に示すように、２本の燃料噴射ノズルがスワール方向に向けて傾斜した噴射角で燃料を噴射してもよく、また、図５、６に示すように、２本の燃料噴射ノズルのうち少なくとも１本がスワール方向と反対の方向に向けて傾斜した噴射角で燃料を噴射するものとしてもよい。

【0041】

なお、燃料噴射ノズルをスワール方向に向けて傾斜させて噴射させる場合、シリンダライナ３ａの内壁面近傍に燃料を案内することができ、従来の燃料噴射方法と比較して、燃焼室Ｒ１内の燃料の混合性を向上させることができる。
また、燃料噴射ノズルをスワール方向と反対の方向に傾斜させて噴射させる場合、燃焼室Ｒ１内の流れに速度差を生じさせ、乱流を発生させることができる。これにより、燃焼室Ｒ１内において燃料ガスが拡散され、混合性を向上させることができる。

【0042】

燃料噴射ノズルは、３本以上設けられるものとしてもよい。一例として図７～１４に示すように、燃料噴射ノズルは、４本設けられるものとしてもよい。この場合、図７～９に示すように、燃料噴射ノズルは、２本ずつ等しい噴射角で燃料を噴射するものとしてもよい。また、図１０～１４に示すように、４本の燃料噴射ノズルは、それぞれシリンダライナ３ａの内周面の１つの位置に２本ずつ設けられ、４本それぞれが異なる噴射角で燃料を噴射するものとしてもよい。

【0043】

また、本発明は、燃焼室Ｒ１内において旋回流を形成しない構成についても適用可能である。

【符号の説明】

【0044】

１ エンジン
２ 架構
３ シリンダ部
３ａ シリンダライナ
３ｂ シリンダヘッド
３ｃ シリンダジャケット
４ ピストン
５ 排気弁ユニット
５ａ 排気弁
５ｂ 排気弁筐
５ｃ 排気弁駆動部
６ ピストンロッド
７ クロスヘッド
７ａ クロスヘッドピン
７ｂ ガイドシュー
９ 連接棒
１０ クランク角センサ
１１ クランク軸
１２ 掃気溜
１３ 排気溜
１４ 空気冷却器
１５ 燃料噴射装置
１５ａ 第１ノズル
１５ｂ 第２ノズル
１００ エンジンシステム
２００ 過給機
３００ 制御部
Ｈ 排気ポート
Ｏ 出口孔
Ｒ１ 燃焼室
Ｒ２ 掃気室
Ｓ 掃気ポート

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】