JP5009467B2 - 燃料噴射方法と装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は特許請求の範囲の請求項１の序で述べているように部分負荷作動においてデイーゼル構造型式の往復運動ピストン燃焼機関のシリンダの燃焼室に燃料を噴射する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヂーゼル構造型式のゆっくり作動している２ストロークの往復運動ピストン燃焼機関のシリンダの燃焼室へ燃料を噴射する方法が欧州特許明細書第０７７５８２１号から知られている。負荷の全体範囲に亘って連続して作動している噴射ノズルである、２個から４個までの噴射ノズルを使用して燃料は燃焼室内へ噴射される。特に部分負荷作動の間、一回のパワーストロークに対して決められている燃料の量が１個のみの噴射ノズルによって噴射され、次のパワーストロークにおいて前記量の燃料が第２の噴射ノズルを介して噴射され、そのため各パワーストロークの間必要な量の燃料が各噴射ノズルを介して交互に噴射される。
【０００３】
前記のような噴射方法の欠点は特に部分負荷作動時に、燃焼室において不完全燃焼が発生し、その結果燃焼の排ガスが高い比率の可視煙を有することである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的はより有利に作動するような仕方でヂーゼル構造型式の往復運動ピストン燃焼機関を作動させることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は特許請求の範囲の請求項１に記載の特徴を有する方法によって達成される。従属項２から９までは本方法の別な有利な段階に関するものである。
【０００６】
前記目的は少なくとも２個の噴射ノズルが各燃焼室に付属している、部分負荷作動時ヂーゼル構造型式の往復運動ピストン燃焼機関のシリンダの燃焼室内へ燃料を噴射する方法であって、少なくとも２回の一連のデューティサイクルの間前記噴射ノズルの少なくとも１個では燃料が何ら噴射されず、その後少なくとも２回の一連のデューティサイクルの間別な噴射ノズルによって燃料が何ら噴射されないことを特徴とする方法によって特に達成される。
【０００７】
この方法は燃焼室により高温ゾーンが発生しうるようにする。好適な方法においては、長期の作動において燃焼ゾーンにおいてより高い温度を発生するように少なくとも３分間、好ましくは１０から３０分の時間燃料は同じ噴射ノズルによって非対称に噴射される。本方法の利点は前記欧州特許明細書第０７７５８２１号に開示されているものとは対照的に熱負荷変動の数が減少することであり、材料の疲労に対して好ましい作用を有する点である。燃焼ゾーンでの、あるいはその周囲での局部的により高い温度は可視煙を減少させる。１個のみのノズルによる燃料の噴射はこのノズルを介して燃料が一時的により長く噴射されるという利点を有し、その結果安定し、再現性のある噴射が得られる。噴射の間個々のノズルの間で連続して変化することは熱負荷変動の数が増えるという欠点を有する。
【０００８】
当該技術分野の専門家には、例えば欧州特許明細書第０７７５８２１号からも、燃焼室での不均一な温度分布は、例えば高温ゾーンにおいて高温腐蝕が発生する可能性があるため問題であることが一般に知られている。更に、当該技術分野の専門家には、非均一な温度分布はシリンダやピストンにおいて大きな応力を発生させ、これも材料の疲労を増すことが知られている。このように、当該技術分野の専門家はこのような知識があるため可能な限り燃焼室における非均一な温度分布を排除しようとする。
【０００９】
しかしながら、驚くべきことに部分負荷作動の間特に１個のみのノズルを開放することによって以下の利点が得られることが判明した。
− 同じ個所で燃焼が行われるため、燃焼ゾーンにおいてより高い温度の局部的な高温ゾーンが発生する。このため、燃料をより完全に燃焼させ、燃焼排ガス内の可視煙の比率が低くなる。
− 非均一な温度分布にもかかわらず、部分負荷においては温度レベルが全体的に低いので、ピストンにおいても問題となる高温腐蝕は何ら発生しない。
− 本発明による噴射方法を通して熱負荷変動の数が減少し、そのため材料疲労を低減するので、各デューティサイクルにおけるノズルの変化とは対照的に例えば、ピストン、シリンダキャップおよび出口弁のような燃焼室の構成要素の寿命が延びる。
【００１０】
燃料は各々の場合に単一のノズルを介して噴射されることが好ましい。
【００１１】
部分負荷作動は燃焼室における、かつ燃焼室の構成要素での全体温度レベルを低くする。従って、非均一な温度分布によって発生する燃焼室の構成要素のより高い応力は制限されるので、燃焼室の構成要素においては過剰の、すなわち危険な応力は発生しない。局部的により高い燃焼室の温度による高温腐蝕の発生も全体温度レベルが低いため排除される。
【００１２】
本発明による方法は全負荷の１５％未満の、特に全負荷の１％から３％の間の部分負荷の極めて低い部分負荷作動に対して特に適している。
【００１３】
本発明による方法は部分負荷作動において環境に優しい燃焼を可能とし、光学的に厄介な灰色あるいは黒色の排ガスの煙が排除されるという決定的な利点を有する。このことは特に船舶用のヂーゼル機関に対して有利である。
【００１４】
例えば、３個あるいは４個の噴射ノズルが燃焼室に付属する。ヂーゼル機関は負荷の関数として以下の作動モードで作動可能である。
全負荷作動においては、燃料は全ての３個あるいは４個の噴射ノズルを介して燃焼室に供給される。
全負荷の２５％から１５％の間の第１の部分負荷範囲において、燃料は２個の噴射ノズルを介して燃焼室に噴射される。
全負荷の１５％未満の第２の部分負荷範囲において、燃料は３個あるいは４個の噴射ノズルのうちの１個のみを介して燃焼室に供給される。
【００１５】
３種類の作動モードの一つへの切り替えの間の噴射ノズルへの、あるいは噴射ノズルからの切り替えはヒステレシスを有する切り替え機能により有利に実行される。このように、例えば、第１の部分負荷範囲から始まって、第２の部分負荷範囲による作動モードへの切り替えが全負荷の１２．５％の部分負荷において行われ、一方第２の部分負荷範囲から始まって、第１の部分負荷範囲による作動モードへの切り替えが全負荷の１７．５％の部分負荷において行われるような仕方で第１と第２の部分負荷の間で切り替えを行なうことができる。
【００１６】
一方の作動モードから他方の作動モードへの切り替えは、例えば時間制御を使用し、そのため所定の限界値以下に低下、あるいはそれを超過した後ある時間、例えば２０秒の後別な作動モードへの切り替えが行われるような仕方で行なうことが可能である。一方の作動モードから他方の作動モードへの切り替えはまた迅速に行なうことが可能なので、別な作動モードへの切り替えは例えば５％のより大きな負荷変動において直ちに行われる。
【００１７】
本発明を実施例を参照して以下説明する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下の説明において、デューティサイクルとは往復運動ピストン燃焼機関の作動の間行われ、特に弁の作動、燃料の噴射、燃焼、および燃焼ガスの排出からなるプロセスを意味するものと理解される。２ストロークの機関においては、デューティサイクルは通常、一回転が終わると完了し、一方４ストロークの機関においてはデューティサイクルは２回転が終わると完了する。
【００１９】
図１は複数のシリンダ１１とピストン１０とを備え、クランクシャフト２と、燃料の供給と、出口弁１３の運動との間の協働が電子的に制御される２ストロークのヂーゼル機関１を示す。燃料は配管６とアキュムレータ５とを介して、高圧ポンプ４によって噴射ノズル１２に供給される。圧力ポンプ７と、配管９と、アキュムレータ８とからなる油圧系統が出口弁１３の位置決めを行なうようにしうる。長手方向に掃気する２ストロークのヂーゼル機関１は中央配置の出口弁１３と、シリンダカバーの周囲に配置された複数の噴射ノズル１２とを有する。この種の２ストロークのヂーゼル機関１は通常２個から４個の燃料噴射ノズル１２を有する。
【００２０】
図２の（ａ）は周囲に、規則的な間隔で配置された３個の噴射ノズル１２ａ，１２ｂ，１２ｃを備えたシリンダ１１の燃焼室を概略図示する。この方法の例では、各々の場合、１個の噴射ノズル１２ａが使用される部分負荷作動を示す。このように、燃料１４ａは噴射ノズル１２ａを介して噴射され、図示したこの時点では燃料１４ａは噴射ノズル１２ｂおよび１２ｃを介しては噴射されない。少なくとも２回の一連のデューティサイクルの間は燃料１４ａは噴射ノズル１２ａを介して噴射され、次に、少なくとも２回の一連のデューティサイクルの間燃料１４ａは噴射ノズル１２ｂのみを介して噴射され、次に少なくとも２回の別な一連のデューティサイクルの間、噴射ノズル１２ｃのみを介して噴射される。特に有利な方法においては、燃料は概ね２回以上の一連のデューティサイクル、例えば１０から３０分の間、単一の噴射ノズル１２ａから供給される。次に、同じ時間の間、燃料は噴射ノズル１２ｂを介して、次に噴射ノズル１２ｃを介して供給される。この方法は燃焼室において非均一な温度をもたらし、従って、結果的に煙の少ない燃焼を行なう、高温の燃焼ゾーンをもたらす。燃料は先ず、噴射ノズル１２ａを介して、次に噴射ノズル１２ｂを介して、次に噴射ノズル１２ｃを介して噴射させることができる。
【００２１】
噴射ノズルの順序は、それらが噴射ノズル１２ｃ，噴射ノズル１２ｂ，噴射ノズル１２ａの順序で作動するように置き換えることも可能である。
【００２２】
図２の（ｂ）は各々の場合に２個の噴射ノズル１２ａ，１２ｂが同時に使用されるような部分負荷作動の方法の例を示す。図２の（ａ）に示す実施例と同様に、燃料１４ａ，１４ｂは同様に少なくとも２回の一連のデューティサイクルの間噴射ノズル１２ａ，１２ｂのみを介して供給され、次に少なくとも２回の一連のデューティサイクルの間噴射ノズル１２ｂ，１２ｃのみを介して供給され、次に噴射ノズル１２ｃ，１２ａを介して供給される。この方法は連続的に繰り返される。図２の（ａ）で説明したように、別な対の噴射ノズル１２ｂ，１２ｃに切り替えが行なわれるまでは５から６０分の間、特に１０から３０分の間、同じ２個の噴射ノズル１２ａ，１２ｂを介して燃料１４ａ，１４ｂを噴射することが特に有利である。
【００２３】
図２の（ａ）と図２の（ｂ）とに示す２種類の方法の実施例は、より長く、かつより安定した噴射を持続させ、燃焼室において一時的に非均一な温度分布を達成し、あるいは部分負荷作動の間より高温の燃焼ゾーンをもたらすように既存ノズルの極一部を開放することによってシリンダ１１当たり２個から４個の噴射ノズル１２を備えた２ストロークあるいは４ストロークのヂーゼル機関において燃料１４ａ，１４ｂを非対称に噴射しうる多数の可能性のうちの２例のみを示したものである。
【００２４】
全負荷の１％から１５％までの極めて低い部分負荷において、各場合に１個のみの噴射ノズル１２ａ，１２ｂ，１２ｃが使用される図２ａに示す方法が特に有利である。噴射ノズル１２ａ，１２ｂ，１２ｃは呼称負荷で作動するような寸法にされている。従って、有利な噴射を達成するためには、低い部分負荷において１個の噴射ノズル１２ａ，１２ｂ，１２ｃを介して燃焼室へ比較的少量の燃料を供給することが有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】２ストロークのジーゼル機関の概略図である。
【図２】（ａ）は１個の使用中の噴射ノズルを備えた燃焼室の平面図である。（ｂ）は２個の使用中の噴射ノズルを備えた燃焼室の平面図である。
【符号の説明】
１ ヂーゼル機関
２ クランクシャフト
４、７ 圧力ポンプ
５、８ アキュムレータ
１０ ピストン
１１ シリンダ
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 噴射ノズル
１３ 出口弁
１４ａ，１４ｂ 燃料

Claims (11)

1. シリンダカバーにおいて円周方向に互いに隔たり離れて配置された少なくとも２個の噴射ノズル（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）が各燃焼室に付属しているヂーゼル構造型式の２ストローク又は４ストロークの往復ピストン燃焼機関（１）のシリンダ（１１）の燃焼室内へ部分負荷作動時燃料（１４ａ，１４ｂ）を噴射する方法において、一デューティサイクルは、２ストロークの機関においては一回転が終わると完了し、４ストロークの機関においては２回転が終わると完了するとした場合、一連の複数回のデューティサイクルの間前記噴射ノズル（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）の少なくとも一方では何ら燃料が噴射されず、その後一連の複数回のデューティサイクルの間燃料（１４ａ，１４ｂ）が別な噴射ノズル（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）によって何ら燃料が噴射されないような仕方で、各燃焼室に付属している噴射ノズル（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）により燃料（１４ａ，１４ｂ）が交互に噴射され、前記一連の複数回のデューティサイクルの時間は５分から６０分であり燃焼室内に高温の燃焼ゾーンをもたらす非均一な温度分布を達成することを特徴とするヂーゼル機関のシリンダの燃焼室に燃料を噴射する方法。
2. 燃料がそこを通して噴射される２個、３個あるいは４個の噴射ノズルが各燃焼室に付属していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 燃料が連続して少なくとも２回同じ噴射ノズルによって噴射され、その後燃料が連続して少なくとも２回別な噴射ノズルによって噴射されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 燃料が毎回噴射ノズルの一方によって交互に噴射され、燃料が少なくとも２回の一連のデューティサイクルの間同じ噴射ノズルによって噴射されることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
5. 燃料が少なくとも３分間の時間同じ噴射ノズルによって連続して噴射されることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
6. 燃料が５から６０分の間の時間同じ噴射ノズルによって噴射されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
7. 往復運動ピストン燃料機関が全負荷の１０％未満の部分負荷で作動することを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
8. 往復運動ピストン燃焼機関が４ストロークあるいは２ストロークのヂーゼル機関として作動することを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
9. 燃料が部分負荷作動の間１個、２個、あるいは３個の噴射ノズルによって噴射されることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
10. 請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法を使用して作動する往復運動ピストン燃焼機関。
11. 燃料が１０から３０分の間の時間同じ噴射ノズルによって噴射されることを特徴とする請求項４に記載の方法。

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