(57)【要約】【課題】経済的、効率的かつ低排出な運転を実現することにより、燃焼室への液体燃料の導入をとりわけ良好に行うことを可能にする大型ディーゼルエンジンを提案することにある。【解決手段】シリンダカバーを有し、その中にピストンが上死点と下死点との間を往復運動可能に配置された、少なくとも一つのシリンダを備え、シリンダカバーとピストンによって燃料用の燃焼室が画定され、燃焼室に燃料を導入する燃料噴射ノズルを備えた大型ディーゼルエンジン、特に、長手方向掃気式２ストローク大型ディーゼルエンジンであって、燃料噴射ノズルは、燃焼室の方向に広がる円すい形シートと、オフ位置でシートとの封止を行う閉鎖体とを備え、その閉鎖体は、シートとの間に環状のノズル開口が形成されるよう、持ち上げ運動によってシートから持ち上げることができ、その開口を介して燃料を燃焼室に導入することができる大型ディーゼルエンジンが提案される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダカバー（５）を有し、その中にピストン（３）が上死点と下死点との間を往復運動可能に配置された、少なくとも一つのシリンダ（２）を備え、前記シリンダカバー（５）と前記ピストン（３）によって燃料用の燃焼室（６）が画定され、前記燃焼室（６）に前記燃料を導入する燃料噴射ノズル（７）を備えた大型ディーゼルエンジン、特に、長手方向掃気式２ストローク大型ディーゼルエンジンであって、
前記燃料噴射ノズル（７）は、前記燃焼室（６）の方向に広がる円すい形シート（７３）と、オフ位置で前記シート（７３）との封止を行う閉鎖体（７４）とを備え、その閉鎖体は、前記シート（７３）との間に環状のノズル開口が形成されるよう、持ち上げ運動によって該シート（７３）から持ち上げることができ、その開口を介して前記燃料を前記燃焼室（６）に導入することができることを特徴とする大型ディーゼルエンジン。
【請求項２】
前記ノズル開口の開放流れ断面が可変となるよう、前記閉鎖体（７４）の持ち上げ運動の振幅を調整可能にする起動装置（１０）が前記閉鎖体（７４）に対して設けられることを特徴とする請求項１に記載の大型ディーゼルエンジン。
【請求項３】
前記起動装置（１０）は、油圧起動装置（１０）として構成されていることを特徴とする請求項２に記載の大型ディーゼルエンジン。
【請求項４】
前記閉鎖体（７４）を前記オフ位置の方向にプレロードするバネ要素（７５）が設けられ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大型ディーゼルエンジン。
【請求項５】
前記円すい形シート（７３）は、少なくとも９０°の角度（α）で広がることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の大型ディーゼルエンジン。
【請求項６】
前記円すい形シート（７３）は、９０°より大きな、好ましくは１００°より大きな角度（α）であり、最大１４０°の角度で広がることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の大型ディーゼルエンジン。
【請求項７】
前記燃料噴射ノズル（７）は、前記シリンダ（２）の縦軸（Ａ）と一致するよう、前記シリンダカバー（５）の中心に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の大型ディーゼルエンジン。
【請求項８】
それを介して前記シリンダ（２）から燃焼ガスを排出可能な少なくとも一つの出口弁（８）を備え、
前記出口弁（８）は、前記シリンダカバー（５）の中心から外れて、好ましくは側方に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の大型ディーゼルエンジン。
【請求項９】
それを介して前記シリンダ（２）から燃焼ガスを排出可能な少なくとも一つの出口弁（８）を備え、
前記出口弁（８）は、該出口弁（８）の縦軸が前記シリンダ（２）の縦軸（Ａ）と一致するよう、前記シリンダカバー（５）の中心に配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の大型ディーゼルエンジン。
【請求項１０】
各シリンダ（２）は、それを介して前記シリンダ（２）から燃焼ガスを排出可能な複数の出口弁（８）を有し、
前記出口弁（８）は、シリンダカバー（５）内かつ前記燃料噴射ノズル（７）の周りに配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の大型ディーゼルエンジン。
【請求項１１】
前記燃料噴射ノズル（７）は、前記ピストン（３）内に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の大型ディーゼルエンジン。
【請求項１２】
各シリンダ（２）に対して、複数の燃料噴射ノズル（７）が設けられ、
各燃料噴射ノズル（７）は、前記燃焼室（６）の方向に広がる円すい形シート（７３）と、オフ位置で前記シート（７３）との封止を行う閉鎖体（７４）とを備え、その閉鎖体は、前記シート（７３）との間に環状のノズル開口が形成されるよう、持ち上げ運動によって該シート（７３）から持ち上げることができ、その開口を介して前記燃料を前記燃焼室（６）に導入することができることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の大型ディーゼルエンジン。
【請求項１３】
液体燃料を前記燃焼室（６）に導入して燃焼させる液体モードで運転可能であり、同時に、ガスを燃料として前記燃焼室（６）に導入するガスモードでも運転可能なデュアルフューエル大型ディーゼルエンジンとして構成されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の大型ディーゼルエンジン。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の構成を有する大型ディーゼルエンジンの運転方法であって、
前記燃焼室（６）への前記燃料の導入についての噴射プロセスをあらかじめ定め、そのあらかじめ定められた噴射プロセスに従った前記燃料の導入中に前記閉鎖体（７４）の持ち上げ運動の振幅を変更することを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記燃料は、最大５００バールの噴射圧力で各燃料噴射ノズルに供給されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大型ディーゼルエンジン、特に、長手方向掃気式２ストローク大型ディーゼルエンジンに関し、各カテゴリの独立請求項のプリアンブルに記載の大型ディーゼルエンジンの運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
大型ディーゼルエンジン、例えば、長手方向掃気式２ストローク大型ディーゼルエンジンは、しばしば船舶の駆動装置として、又は、例えば電気エネルギーを生成するための大型発電機の駆動等の定置運転においても使用される。この点において、一般にエンジンは相当長い時間にわたり連続的に運転されるものであり、このことが動作の安全性及び使用可能性に関する要求を高めている。結果として、オペレータにとっては、特に、長い点検間隔、低い摩耗性、及び、経済的な燃料の扱いが重要な基準となる。例えば、大型ディーゼルエンジンや大型エンジンは、通常、その内径（ボア）が少なくとも２００ｍｍのシリンダを備えている。最近では、最大９６０ｍｍ以上のボアを有する大型エンジンが使用されている。
【０００３】
排気の質、特に排気ガス内の窒素酸化物の濃度もここ数年重要性を増す主要な側面となっている。これは特に、大型２ストロークディーゼルエンジンに関し、汚染物質で高度に汚染された従来の重油の燃焼だけでなく、ディーゼル油又は他の燃料の燃焼がより大きな問題となるという結果を招いている。その理由として、排ガス基準の順守がますます困難になり、技術的に複雑さが増しているため、費用が高くなってしまうこと、又は結局はそれらの順守がもはや有意に可能ではないということが挙げられる。
【０００４】
実際、そのためにいわゆる「デュアルフューエルエンジン」の必要性が従来より存在している。これは、２つの異なる燃料で運転することが可能なエンジンである。ガスモードでは、ＬＮＧ（液化天然ガス）などの天然ガス等のガスや、内燃機関を駆動するのに適した他のガス又はガス混合物を燃焼に使用する一方で、液体モードでは、ディーゼル油や重油等の適切な液体燃料を同じエンジンで燃焼させることができる。
【０００５】
本願の範囲内において、「大型ディーゼルエンジン」という用語は、燃料の自己着火で特徴付けられるディーゼル運転だけではなく、燃料の外部着火で特徴付けられるオットー運転で運転できる大型エンジンや、これら２つの運転の混合形態で運転できる大型エンジンを包含する。更に、大型ディーゼルエンジンという用語は、特に、上記のデュアルフューエルエンジンや、燃料の自己着火を他の燃料の外部着火に使用するような大型エンジンをも含む。
【０００６】
液体モードでは、燃料は通常、シリンダの燃焼室に直接導入され、自己着火の原理に従い燃焼される。ガスモードでは、シリンダの燃焼室に着火可能な混合物を生成するために、オットー原理に従って、気体状態のガスを掃気空気と混合することが良く知られている。この低圧方法において、適切なタイミングで少量の液体燃料をシリンダの燃焼室に又は予燃焼室に噴射し、その燃料が空気・ガス混合物の着火を生じさせることによって、混合物は通常、シリンダ内で着火される。運転中、デュアルフューエルエンジンは、ガスモードから液体モードへ、又はその逆に切り替えることができる。
【０００７】
大型ディーゼルエンジンを重油やディーゼル油等の液体燃料で運転する場合、シリンダの燃焼室への燃料の導入は通常、ノズル本体とノズルヘッドとを備える燃料噴射ノズルの使用によって実現される。ノズルヘッドは、アトマイザとも称される。原則として、燃料を燃焼室内に噴射する複数のノズル開口が、ノズルヘッドには設けられ、それを介して、例えば、最大８００バール以上の高圧で燃焼室へと燃料噴射が行われる。噴射処理を開始又は終了するために、燃料噴射ノズルには、バルブシートと作用してノズル開口への通路を開いたり閉じたりする可動ノズルニードルが設けられる。
【０００８】
好ましくは経済的、効率的かつ低排出な運転及び最低限の燃料消費に関して、燃焼室内の通常ねじれた流れの空気にできる限り最適に液体燃料を導入する努力がなされている。高圧下での燃料の噴射、その噴霧、燃焼室の空気のねじれた流れによって、好ましくは効率的かつ低排出な燃焼プロセスを行うために考え得る最良の混合物が燃焼室において形成されるはずである。このため、すでにさまざまなノズルヘッドが数多く知られており、例えば、異なる角度で燃焼室又はねじれた空気の流れに導入されるいくつかの燃料噴流により良好な混合物を形成するため、通常、複数のノズル開口を備えている。当然のことながら、良好な混合物を形成するために、一つのシリンダにつき複数の燃料噴射ノズルを設けることも知られており、大型ディーゼルエンジンではかなり一般的である。その各燃料噴射ノズルのノズルヘッドは、いくつかのノズル開口を有していてもよい。すべての既知の設計にもかかわらず、燃焼室に燃料を導入する最良の方法に関しては依然として改善の余地がある。
【０００９】
燃焼室への燃料の導入に関して知られているまた別の問題としては、ノズル開口への燃料の通路を開いたり閉じたりするバルブシートが通常ノズル開口から少し離れて配置され、ノズルヘッドがさらされる大きい熱負荷、機械的負荷、化学的負荷から保護することに起因するものがある。機械的負荷はとりわけ、高い噴射圧力に基づくものである。熱負荷は、燃焼室内の高温や燃焼温度と、新たに供給される掃気空気又は給気の温度との間の極端な温度変化によって生じる。一方、化学的負荷は、主に、高温腐食や熱間腐食によるものである。
【００１０】
これらの理由のために、止まり穴として設計された長手方向ボアが通常、ノズルヘッドのバルブシートの下流に設けられ、ボアがそこから分岐してノズル開口へと通じる。
【００１１】
バルブシートとノズル開口との間の空間的距離には、以下のような問題がある。燃料噴射の終わりに、ノズルニードルは、止まり穴内のバルブシートの下流（すなわちバルブシートとノズル開口との間）の燃料が送給圧力から切り離されるように、バルブシート内に押圧される。この燃料部分が、ノズルヘッドへの望ましくない付着になる可能性があり、噴射の終了後、それが、悪い形で霧化されてノズル開口から燃焼室内に入ったり、燃焼室内に滴り落ちたりして、そこでほとんど又は全く燃焼されない可能性がある。これは、燃料消費量の増加や、特に窒素酸化物ＮＯｘを含む排気ガス汚染、並びに、燃焼室及び排気ガスを流通させる部品の全ての部分における未燃燃料の付着につながる。
【００１２】
本発明は、燃焼室への液体燃料の導入に関連するこれらの問題に対処するものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従って、このような技術水準から、本発明の目的は、特に経済的、効率的かつ低排出な運転を実現することにより、燃焼室への液体燃料の導入をとりわけ良好に行うことを可能にする大型ディーゼルエンジン、特に、長手方向掃気式２ストローク大型ディーゼルエンジンを提案することにある。さらに、本発明の目的は、燃焼室への液体燃料の導入を特に好適に行うことを可能にする、大型ディーゼルエンジンの運転方法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
これらの問題を解決する本発明は、各カテゴリーの独立請求項の構成によって特徴付けられる。
【００１５】
本発明によれば、少なくとも一つのシリンダを備えた大型ディーゼルエンジン、特に長手方向掃気式２ストローク大型ディーゼルエンジンが提案される。このエンジンは、シリンダカバーを有し、その中にピストンが上死点と下死点との間を往復運動可能に配置され、シリンダカバーとピストンによって燃料用の燃焼室が画定され、燃焼室に燃料を導入する燃料噴射ノズルを備え、燃料噴射ノズルは、燃焼室の方向に広がる円すい形シートと、オフ位置でシートとの封止を行う閉鎖体とを備え、その閉鎖体は、シートとの間に環状のノズル開口が形成されるよう、持ち上げ運動によってシートから持ち上げることができ、その開口を介して燃料を燃焼室に導入することができる。
【００１６】
本発明に係る大型ディーゼルエンジンでは、シリンダの燃焼室への燃料の導入を行う燃料噴射ノズルのノズル開口は、環状のノズル開口として設計され、それは燃焼室の方向に円すい形状に広がるシートによって画定される。その結果、燃料は、中空の円すい形又は中空の円すい台の形状で燃焼室へと導入される。このように燃料噴流が中空の円すい形状を有することにより、燃料が燃焼室内でとりわけ良好な空間的広がりを有することになり、掃気空気又は給気との非常に良好な、特に、均一な混合物の形成につながる。これにより、特に効率的かつ低排出な燃焼が可能となる。また、中空円すい形状の燃料噴流には大きな乱流が広がり、それによって、ねじりが加えられた給気の流れとの混合が積極的に促進されることが分かっている。このような燃焼室における特に好適な混合物の形成により、大型ディーゼルエンジンの経済的、効率的かつ低排出な運転が可能となる。
【００１７】
シート又は閉鎖体の全周にわたって延在する環状のノズル開口は、そのノズル開口の環状形状により燃料の噴霧がすでに行われ、その結果、燃焼室へと進入した燃料が中空の円すい形状に広がることから、既知の大型ディーゼルエンジンと比較して、燃料の噴射圧力を特に低下させることが可能になるという利点もある。従って、本発明に係る大型ディーゼルエンジンは、例えば、１００から５００バールの噴射圧力で運転可能である。低い噴射圧力は、燃料消費に直接良い影響を与える。燃料を加圧する作業が必要ではなくなるため、燃料消費が低下する。
【００１８】
大型ディーゼルエンジンの既知の燃料噴射ノズルと比較して、本発明に係る提案された解決法の別の利点としては、本発明に係る大型ディーゼルエンジンの燃料噴射ノズルは、噴射処理が終わった後にそこから燃焼室内に滴り落ちることもある止まり穴ひいては止まり穴ボリュームを有さないということが挙げられる。閉鎖体は空間的に直接シート上に設けられることにより、ノズル開口自体を制限したり閉鎖したりするため、閉鎖体又はノズル開口の下流には止まり穴ボリュームやデッドボリュームが存在しない。噴射処理の終わりに閉鎖体とシートとによって封止作業が行われることにより、燃焼室への燃料の侵入を直ちに食い止める。大型ディーゼルエンジンの既知の燃料噴射ノズルにおけるバルブシートとノズル開口との間の空間的距離に起因する上記問題も、本発明に係る実施例によって解決され、それに関連する悪影響も回避される。これによっても、大型ディーゼルエンジンの経済的かつ低排出な運転に関して有利な効果が得られる。特に、燃焼室及び排気ガスに接触する部品内におけるコークス化や残留物の堆積が少なくとも低減し、その結果、耐用年数が延びたり、点検間隔が長くなったりする。
【００１９】
好適な実施例によれば、ノズル開口の開放流れ断面が可変となるよう、閉鎖体の持ち上げ運動の振幅を調整可能にする起動装置が閉鎖体に対して設けられる。ここで得られる利点としては、燃料が燃焼室に流れるのに利用可能な流れ断面が、閉鎖体がシートとの封止を行うオフ位置に対応するゼロから、閉鎖体の持ち上げ運動の最大振幅によって得られる最大オン位置に対応する最大値までの実質的にいかなる値にも調整可能であることが挙げられる。
【００２０】
このため、開放流れ断面も噴射処理中に変更可能であり、すなわち、噴射処理中に噴射される燃料の経時的な量を、制御された方法で閉鎖体の持ち上げを変更することにより能動的に調整可能である。この完全に柔軟な燃料導入方法によって、燃料噴射を最適化することが可能となる。例えば、燃料の中空円すい形状の燃焼室への侵入深さを制御することができる。さらに、噴射処理、すなわち、閉鎖体の持ち上げひいては開放流れ断面を変更することにより、噴射プロセス中に燃焼室に導入される燃料の経時的な量に対して影響を与えたり、それを調整することが制御された方法で可能となる。特に、所望の噴射プロセスをあらかじめ定め、閉鎖体の持ち上げの対応する変化によってこれを実現することが可能である。このような所望の噴射プロセスは、例えば、アイドル回転数から部分負荷及び全負荷までの負荷範囲全体にわたって燃料噴射を最適化できるよう、エンジンを運転する負荷範囲によって決めることができる。また、さまざまな部品、例えば、一つ又は複数の燃料噴射ノズルの部品、排気システムの部品、もしくはガス交換システムやピストンの部品の温度に関して、噴射プロセスを最適化することもできる。
【００２１】
このような開放流れ断面の変更は、通常、２つの位置、すなわち、燃料を燃焼室へと流すために固定の所定流れ断面を開放するオン位置と、燃焼室へと燃料が流れないオフ位置との間でのシフトしか行えない大型ディーゼルエンジンの既知の燃料噴射ノズルと比較しても大きな利点である。このように、噴射処理中は開放流れ断面が固定される。従って、燃焼室への燃料の流れは、噴射圧力又は燃料蓄圧器（レール）内の圧力に少なくともほぼ正比例する。これは、燃焼室への燃料の質量流量が噴射圧力を介してしか調整できないことを意味する。その一方で、流れ断面が可変な本発明の好適な実施例では、燃焼室への燃料の質量流量は、噴射圧力が一定であっても、燃料の質量流量を噴射プロセス中に制御された方法で変更可能であるという点では、噴射圧力から少なくとも大きく分離されている。ここで得られる利点としては、例えば、最良の噴霧について、噴射圧力を最適化することができるということである。
【００２２】
大型ディーゼルエンジン内に作用する力について、起動装置は、油圧起動装置として構成されていれば好ましい。
【００２３】
また、有利な対策として、閉鎖体をオフ位置の方向にプレロードするバネ要素が設けられる。これにより、閉鎖体は、噴射前後にシートとの封止を行い、バネの力に反して噴射を行うためだけにシートから持ち上げられる。
【００２４】
大型ディーゼルエンジン内の燃焼室の最大直径は、その噴射中のシリンダの縦軸方向の高さに比べて比較的大きいため、円すい形シートは、少なくとも９０°の角度で広がっていることが好ましい。これにより、燃焼室内において、燃料が良好な空間的広がりを有することになる。
【００２５】
円すい形シートは、９０°より大きな、好ましくは１００°より大きな角度（α）であり、最大１４０°の角度で広がることが特に好ましい。
【００２６】
燃料噴射ノズルの配置については、いくつかの変形例が可能である。好適な実施例として、燃料噴射ノズルは、シリンダの縦軸と一致するよう、シリンダカバーの中心に配置されている。
【００２７】
特に、シリンダカバーの中心に配置される本実施例では、それを介してシリンダから燃焼ガスを排出可能な少なくとも一つの出口弁を備えることが好ましく、この出口弁は、シリンダカバーの中心から外れて、好ましくは側方に配置されている。
【００２８】
また別の好適な実施例によれば、それを介してシリンダから燃焼ガスを排出可能な少なくとも一つの出口弁を備え、この出口弁は、該出口弁の縦軸がシリンダの縦軸と一致するよう、シリンダカバーの中心に配置されている。
【００２９】
また別の好適な実施例では、各シリンダは、それを介してシリンダから燃焼ガスを排出可能な複数の出口弁を有し、その出口弁がシリンダカバー内かつ燃料噴射ノズルの周りに配置されている。本実施例では、各シリンダがシリンダカバーの燃料噴射ノズルの周りに配置された４つの出口弁を有していれば特に好ましい。
【００３０】
また別の好適な実施例では、燃料噴射ノズルは、ピストン内に配置されている。特に、燃料噴射ノズルの本発明に係る実施例によれば、既知の大型ディーゼルエンジンよりもはるかに低い燃料噴射圧力での大型ディーゼルエンジンの運転が可能となるため、燃料噴射ノズルが燃焼室内に突出するよう、燃料噴射ノズルをピストン内に、好ましくは、燃焼室に対向するピストンの表面の中心に設けることができる。
【００３１】
また別の好適な対策として、各シリンダに対して、複数の燃料噴射ノズルが設けられ、各燃料噴射ノズルは、燃焼室の方向に広がる円すい形シートと、オフ位置でシートとの封止を行う閉鎖体とを備え、その閉鎖体は、シートとの間に環状のノズル開口が形成されるよう、持ち上げ運動によって該シートから持ち上げることができ、その開口を介して燃料を燃焼室に導入することができる。
【００３２】
特に、本発明に係る大型ディーゼルエンジンは、液体燃料を燃焼室に導入して燃焼させる液体モードで運転可能であり、同時に、ガスを燃料として燃焼室に導入するガスモードでも運転可能なデュアルフューエル大型ディーゼルエンジンとして設計されている。また、デュアルフューエル大型ディーゼルエンジンとしての設計では、エンジンは、具体的には、長手方向掃気式２ストローク大型ディーゼルエンジンとして設計することができる。
【００３３】
さらに、本発明によれば、大型ディーゼルエンジンの運転方法が提案される。その大型ディーゼルエンジンは、本発明に係る構成を有し、燃料噴射ノズルによって燃料を燃焼室に導入し、燃料噴射ノズルは、燃焼室の方向に広がる円すい形シートと、オフ位置でシートとの封止を行う閉鎖体とを備え、その閉鎖体は、シートとの間に環状のノズル開口が形成されるよう、持ち上げ運動によってシートから持ち上げることができ、その開口を介して燃料を燃焼室に導入することができる。燃焼室への燃料の導入についての噴射プロセスをあらかじめ定め、そのあらかじめ定められた噴射プロセスに従った燃料の導入中に閉鎖体の持ち上げ運動の振幅を変更することが好ましい。
【００３４】
燃料は、最大５００バールの噴射圧力で各燃料噴射ノズルに供給されることが好ましい。
【００３５】
本発明の更なる利点となる手法及び設計は、従属請求項に記載されている。
【００３６】
以下、本発明を、実施例に基づき、以下の図面を参照してさらに詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る大型ディーゼルエンジンの実施例のシリンダを示す概略長手方向断面図である。
【図２】図１からの大型ディーゼルエンジンの燃料噴射ノズルの概略長手方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明の以下の説明において、例示的性質に基づき、実施に特に重要な大型ディーゼルエンジンの場合について述べる。この大型ディーゼルエンジンは、長手方向掃気式２ストローク大型ディーゼルエンジンとして設計され、船舶の主要駆動装置として使用される。当然のことながら、本発明はこのタイプの大型ディーゼルエンジンやその使用に限定されるものではなく、一般の大型ディーゼルエンジンを指すものである。例えば、大型ディーゼルエンジンは、４ストロークエンジンとして設計することもできる。すでに上述したように、本願の範囲内において、「大型ディーゼルエンジン」という用語は、燃料の自己着火で特徴付けられるディーゼル運転だけではなく、燃料のポジティブ着火で特徴付けられるオットー運転で運転できる大型エンジンや、これら２つの運転の混合形態で運転できる大型エンジンを包含する。さらに、大型ディーゼルエンジンという用語は、特に、一方では、ガス、例えば、天然ガスを燃焼させるガスモードで運転可能であり、他方では、メタノール、ガソリン、ディーゼル油、重油などの適切な液体燃料又は他の適切な液体燃料を燃焼させる液体モードで運転可能な上記のデュアルフューエルエンジンも含む。
【００３９】
図１は、その全体を符号１で示し、長手方向掃気式２ストローク大型ディーゼルエンジンとして設計された、本発明に係る大型ディーゼルエンジンの実施例のシリンダ２を示す概略長手方向断面図である。
【００４０】
「大型ディーゼルエンジン」という用語は、船舶の駆動装置として、又は、例えば電気エネルギーを生成するための大型発電機の駆動等の定置運転においても通例使用されるエンジンを指す。大型ディーゼルエンジン１のシリンダ２は、通常、少なくとも約２００ｍｍの内径（ボア）をそれぞれ有する。
【００４１】
この大型ディーゼルエンジン１は、それ自体が周知である方法で複数のシリンダ２、例えば、６から１２個又はそれ以上のシリンダを備えており、そのうちの１つだけが図１に示されている。シリンダ２の縦軸を符号Ａで示す。図示のように、シリンダ２は、その上端がシリンダカバー５によって閉じられている。各シリンダ２には、上死点と下死点との間を往復運動可能に構成されたピストン３が設けられ、その上面３１は、シリンダカバー５と共に燃焼室６を画定している。ピストン３は、通常、ピストンロッド３２を介して図示しないクロスヘッドと接続され、そのクロスヘッドは、プッシュロッドを介してクランク軸と接続されている。
【００４２】
燃焼室５内には、燃料噴射ノズル７が突出し、その燃料噴射ノズルによって、液体燃料、例えば、重油やディーゼル油を燃焼室６に導入することができる。本実施例では、燃料噴射ノズル７は、シリンダ２の縦軸Ａと一致するよう、すなわち、燃料噴射ノズル７の軸Ｃがシリンダ２の縦軸Ａ上に位置するよう、シリンダカバー５の中心に配置されている。この燃料噴射ノズル７は、詳しくは示されないが、該燃料噴射ノズル７に加え、例えば、通常コモンレール蓄圧器として設計される燃料用蓄圧器、制御弁、ポンプ、接続線などのさらなる構成要素を備えた噴射装置の一部である。
【００４３】
また、シリンダカバー５には出口弁８も設けられ、その出口弁を介して、燃焼ガスをシリンダ２から排出して、図示しない排気システムに供給することができる。本実施例では、この出口弁８は中心から外れて、すなわち、シリンダカバー５の側方に配置されている。
【００４４】
２ストロークエンジンとしての設計及び４ストロークエンジンとしての設計の両方に関して、例えば、噴射装置の細部、ガス交換システム、排気システム、掃気や給気を行うターボ過給システム、チェックシステム、大型ディーゼルエンジン１用の制御システムなど、大型ディーゼルエンジン１の構造や個々の構成要素は当業者にはよく知られているため、それらのさらなる説明はここでは不要である。
【００４５】
上記大型ディーゼルエンジン１は、電子制御式エンジンとして構成され、特に、ガス交換システムと各燃料の導入が電子的に制御されている。すなわち、出口弁８の駆動及び噴射装置又はガス供給システム（ガスモードでの運転の場合）の駆動が、エンジン１のチェック装置及び制御装置からの電気信号又は電子信号により行われる。このような電子制御を行うことにより、個々のシリンダ２への燃料供給の開始や終了、出口弁８の開弁時間又は出口弁８の閉弁時間などの運転パラメータが自由に選択可能となり、例えば、機械的結合を介した作業サイクルにおける特定のクランク角に縛られないため、最大限の柔軟性が得られるという利点がある。
【００４６】
ここで説明する長手方向掃気式２ストローク大型ディーゼルエンジン１の実施例では、通常、各シリンダ２又はシリンダライナーの下部に掃気スロット（図示せず）が設けられ、掃気スロットが開いている限り、ターボ過給機によって充填圧力下で提供された給気や掃気がそれらを介してシリンダ２へと流入することができるよう、シリンダ２内のピストン３の運動によって周期的に開閉される。ピストン３が上方へ移動すると、掃気スロットが閉じて、出口弁８が閉弁するとすぐに、ねじりが加えられた給気の圧縮がシリンダ２内で開始する。そして、ピストン３がその上死点付近にくると、上記燃料噴射ノズル７によって、ねじりが加えられた圧縮空気へ液体燃料が導入され、燃料と空気の混合物の自己着火が生じる。燃焼後及びピストンの下方移動中は、出口弁８が開弁され、それを介して燃焼ガスをシリンダ２から排気システムへと排出することができる。
【００４７】
燃料噴射ノズル７について、以下にさらに詳しく説明する。よりよく理解するために、図１からの大型ディーゼルエンジン１の燃料噴射ノズル７の概略長手方向断面図を図２に示す。
【００４８】
燃焼室６内に突出する燃料噴射ノズル７は、加圧燃料を収容する圧力室７２が設けられたハウジング７１を備えている。この圧力室７２には燃料供給部９が通じ、その燃料供給部を介して、燃料が図示しない燃料貯留部から、例えば、コモンレールシステムの蓄圧器から圧力室７２へと流入することができる。
【００４９】
燃料噴射ノズル７は、その燃焼室と対向する端部、ここでは、燃料噴射ノズル７のハウジング７１の端部に円すい形シート７３を有する。このシート７３は、燃焼室６の方向に広がり、燃料噴射ノズル７の軸Ｃの周りに対称的に延在する。シート７３は、円すい台のシェル面として構成され、その円すい台は、燃料噴射ノズル７の軸Ｃに対応する対称軸を有する。この円すい台ひいてはシート７３は、少なくとも９０°の角度αで広がっている。
【００５０】
さらに、上記シート７３と相互作用するよう構成された閉鎖体７４が設けられている。このため、閉鎖体７４は、その燃焼室と対向する端部に円すい部７４１を備え、その円すい画定面がシート７３と相互作用する。この円すい部７４１は、例えば、シート７３が広がる角度αと同じ円すい角を有して構成されている。燃焼室６から離れる方向に向かう側では、バー形状部７４２が上記円すい部７４１に隣接し、そのバー形状部７４２は、円筒状であり、軸Ｃの方向に延在し、それと同心である。そのバー形状部７４２の円すい部７４１から離れる方向に向かう端部には、軸Ｃと同心円状に構成され、閉鎖体７４用の起動装置１０の駆動要素１１と相互作用するディスク状要素７４３が設けられている。起動装置１０は、油圧起動装置として構成されることが好ましい。すなわち、駆動要素１１の移動が油圧力によって行われる。
【００５１】
これらの円すい部７４１、バー形状部７４２、ディスク状要素７４３を有する閉鎖体７４は、燃料噴射ノズル７のハウジング７１の中心に配置され、軸Ｃと同心円状である。そして、圧力室７２の中心を通って、燃焼室に対向する燃料噴射ノズル７の端部から延在している。この閉鎖体７４は、軸Ｃに対して回転対称に構成及び配置されていることが好ましい。
【００５２】
上記閉鎖体７４は、その円すい部７４１がシート面７３で画定されたキャビティに収容されるようハウジング７１に配置されている。オフ位置において、閉鎖体７４は、圧力室７２から燃焼室６へと燃料が流れないよう円すい形シート７３で封止するよう作用する。この閉鎖体７４をそのオフ位置の方向にプレロードするためのバネ７５が設けられ、このバネは、一方では閉鎖体７４のディスク状要素７４３に、他方では軸Ｃと同心円状に延在するハウジング７１の肩部７１１に自身を支持する。バネ７５は、閉鎖体７４のバー形状部７４２の周りに配置され、図示のように上方へ向けられたディスク状要素７４３に力を印加する。この力によって、閉鎖体７４が円すい形シート７３内に封止するよう押圧される。
【００５３】
燃焼室６に燃料を導入するためには、シート７３と閉鎖体７４の円すい部７４１との間に環状のノズル開口が形成されるよう、燃焼室６の方向に向けられた持ち上げ運動により起動装置１０で上記閉鎖体をシート７３から持ち上げる。この開口を介して、燃料が圧力室７２から燃焼室６へと流入することができる。図１及び図２は、開口状態の燃料噴射ノズル７をそれぞれ示している。
【００５４】
このように、燃料は、シート７３と閉鎖体７４の円すい部７４１の円すい形の構造のため、中空の円すい形噴流として燃焼室６へと導入される。そのため、燃料は、中空円すい形状に広がり、燃料の噴霧がとりわけ良好に行われ、燃焼室６において、給気との混合が非常に良好に行われることになる。
【００５５】
上記起動装置１０は、シート７３と閉鎖体７４との間のノズル開口の開放流れ断面が可変となるよう、閉鎖体７４の持ち上げ運動の振幅を調整可能に構成されることが好ましい。このため、起動装置１０は、図示のように制御可能かつ調整可能な値だけ駆動要素１１を下方に移動させ、それにより駆動要素１１がディスク状要素７４３を介して燃焼室６の方向にバネ７５の力に反してシート７３から閉鎖体７４を持ち上げる。この場合、閉鎖体の持ち上げ運動の振幅は選択又は変更可能である。これは、燃料が燃焼室６に流れるのに利用可能な流れ断面が、閉鎖体７４がシート７３との封止を行うオフ位置に対応するゼロから、閉鎖体７４の持ち上げ運動の最大振幅によって得られる最大オン位置に対応する最大値までの実質的にいかなる値にも調整可能であることを意味する。具体的には、閉鎖体７４の持ち上げ運動の振幅、ひいてはシート７３と閉鎖体７４との間の開放流れ断面も噴射処理中に変更可能である。これにより、噴射プロセス、すなわち、燃焼室６に導入される燃料の経時的な量を能動的に制御及び調整可能となる。
【００５６】
必要に応じて、閉鎖体７４は、そのバー形状部７４２に複数の羽根７６を有し得ることが好ましく、これらの羽根は、耐トルク性の方法で閉鎖体７４にそれぞれ接続されている。燃料噴射ノズルが開放している場合、圧力室７２を流れる燃料によって羽根７６に力が生じ、それによって閉鎖体７４が燃料噴射ノズル７の軸Ｃの周りを回転する。この回転運動により、周囲を考慮した負荷、具体的には、シート７３の負荷及び閉鎖体７４の円すい部７４１の負荷が均一となる。それによって、摩耗及びその他の劣化の影響が最小限に抑えられる。
【００５７】
この大型ディーゼルエンジン１の運転中は、噴射圧力下の燃料が常に圧力室７２に充填され、この燃料は、燃料供給部９を介して圧力室内に流入することができる。例えば、燃料は、噴射圧力下で、コモンレールシステムの蓄圧器から提供される。燃料噴射ノズルの閉鎖体７４がシート７３との封止を行うオフ位置にある限り、圧力室７２から燃焼室６へと燃料が流れることはない。噴射処理を開始するためには、例えば、大型ディーゼルエンジン１のチェック装置又は制御装置により信号を用いて起動装置１０を誘導し、図示のように、駆動要素１１の下方移動により閉鎖体７４の所定の振幅の持ち上げ運動を生じさせる。それによって、閉鎖体７４が燃焼室６の方向に所定の距離だけシート７３から持ち上げられる。その際、閉鎖体７４の円すい部７４１と円すい形シート７３との間で環状のノズル開口が開放し、その開口を介して燃料が圧力室７２から燃焼室６へと流入することができる。この場合、環状のノズル開口の開放流れ断面は、閉鎖体７４の持ち上げ運動の振幅によってあらかじめ定められ、ひいては制御された方法で調整可能であり、変更可能である。そして、燃焼室６では自己発火により燃焼プロセスが開始するが、この燃焼プロセスは、通常、噴射処理が完了する前にすでに大型ディーゼルエンジン１内で開始している。
【００５８】
この噴射処理を停止するには、駆動要素１１によって閉鎖体７４に印加された力を、例えば、油圧駆動要素１１の圧力除去装置により“オフ”にする。その結果、バネ７５のスプリング力によって閉鎖体７４がオフ位置に移動され、そこに保持される。そして、圧力室７２から燃焼室６へとこれ以上燃料が流れ込まなくなり、噴射処理が終了する。
【００５９】
この大型ディーゼルエンジン１の運転に関して特に有利な点は、ノズル開口の開放流れ断面が可変な本実施例において、噴射プロセス、すなわち、噴射処理中に導入される燃料の経時的な量が制御された方法で調整可能であり、ひいては最適化可能であるということである。よって、噴射処理に関して、例えば、大型ディーゼルエンジン１の運転に用いる電流負荷に応じて、所望の噴射プロセスをあらかじめ定めることができる。そして、起動装置１０は、その所望の噴射プロセスを実現する方法で、閉鎖体７４の持ち上げ振幅により、噴射処理中に環状ノズル開口の開放流れ断面を変更する。そこで、燃料の中空円すい形噴流Ｂの噴射率（時間当たりの燃料の質量流量）と侵入深さとの両方を制御された方法で調整することができる。具体的には、時間当たりの燃料の質量流量は、少なくとも大体において、開放流れ断面を変更することにより調整可能なため、噴射圧力から分離される。これにより、全体的に見て、噴射に関する柔軟性が非常に高くなる。
【００６０】
円すい形シート７３とそれと相互作用する閉鎖体とを有する本発明に係る構成は、特に、燃料の噴射に用いられる噴射圧力を、従来の大型ディーゼルエンジンと比較して、大幅に低減可能であるという利点も有する。これは、具体的には、燃焼室に進入する燃料の中空円すい形状の噴霧度がすでに高く、燃料が燃焼室６の広い空間領域に広がり、中空円すい形状において大きな乱流をすでに有し、それによって、燃焼室において給気のねじれた流れとの混合が非常に良好に行われることになるからである。これにより、例えば、最大５００バールの噴射圧力で、経済的、効率的かつ低排出な方法により大型ディーゼルエンジン１を運転することが可能となる。たった３５０バールの噴射圧力であっても、大型ディーゼルエンジン１を全負荷で安全かつ経済的に運転するには十分である。全負荷運転では、噴射圧力が少なくとも３００バールであることが好ましく、部分負荷運転では、噴射圧力又はコモンレールシステムの蓄圧器の圧力を、例えば、１５０バールまでさらに低下させることもできる。
【００６１】
ノズル開口を開放するために、閉鎖体７４を燃焼室６の方向に又は燃焼室６内へと移動させることによってもまた別の利点が得られる。それによって、仮にあったとしても、既知の燃料噴射ノズルの止まり穴ボリュームに対応するほんのわずかなボリュームしか存在しない。従って、本発明に係る実施例は、そのような止まり穴やボリュームによる上記問題に対処する。
【００６２】
シート７３が燃焼室６の方向に開く角度αの適切な選択は、特に、噴射時の燃焼室６の形状によって決まる。この角度αに関しては、少なくとも１００°、とりわけ１１０°から１４０°の範囲の値が有利であることが分かっている。
【００６３】
燃料噴射ノズル７の配置については、いくつかの変形例が可能である。図１を参照して説明したシリンダカバー５の中心に燃料噴射ノズル７を配置し、出口弁８を中心から外れて側方に配置する構成に加えて、例えば、出口弁８をシリンダカバー５の中心に配置し、一つ又は複数の燃料噴射ノズル７を中心から外れて、例えば、シリンダカバーの側方に設けることも可能である。また別の変形例として、図１に示すように、燃料噴射ノズル７をシリンダカバー５の中心に配置し、そのシリンダカバー５の中心の燃料噴射ノズル７の周りに配置された複数の出口弁８を設ける。この変形例では、４つの出口弁８を設けることが好ましい。
【００６４】
当然のことながら、シリンダ２ごとに複数の燃料噴射ノズル７を設け、各燃料噴射ノズル７が、燃焼室６の方向に広がる円すい形シート７３と、オフ位置でシート７３との封止を行う閉鎖体７４とを備え、その閉鎖体は、シート７３との間に環状のノズル開口が形成されるよう、持ち上げ運動によってシート７３から持ち上げることができるような実施例も可能である。
【００６５】
さらなる変形例として、特に、最大５００バールの低い噴射圧力で、燃料噴射ノズル７をピストン３に配置する。この場合、燃料噴射ノズル７は、ピストン３の上面３１から燃焼室６へと突出するよう、ピストン３の中心に配置されることが好ましい。そして、この燃料噴射ノズル７への燃料の供給は、ピストンロッド３２を介して行われることが好ましい、すなわち、燃料供給部９がピストンロッド３２内に延在している。
【図１】
2018193996.tif 000003
【図２】
2018193996.tif 000004
【外国語明細書】
2018193996000001.pdf