(57)【要約】【課題】クロスヘッドを有する大型２行程ターボ過給機付き圧縮点火内燃エンジン内に気体燃料を噴射するための燃料バルブ（３０）用のノズル（４０）を提供すること。【解決手段】ノズル（４０）は、主方向および軸Ｘで、ノズル本体の近位端（４１）にあるベース（４２）からノズル本体の遠位端（４４）に延びるノズル本体であって、ベース（４２）は、燃料バルブ（３０）に取り付けるように構成される、ノズル本体と、燃料バルブ（３０）から燃料を受けるためにベース（４２）に開口する入口ポート（４８）と、主方向Ｘで、入口ポート（４８）からノズル本体内に、ベース（４２）と遠位端（４４）の間の中央位置へ延びる主ボア（５０）と、ノズル本体内で、遠位端（４４）の近くに配置された複数のノズル穴（４５）であって、各ノズル穴（４５）が、主ボア（５０）からノズル穴（４５）の１つに延びる個々の供給通路（４９）によって主ボア（５０）に流体接続される、ノズル穴（４５）とを備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロスヘッドを有する大型２行程ターボ過給機付き圧縮点火内燃エンジン内に気体燃料を噴射するための燃料バルブ（３０）用のノズル（４０）であって、
主方向および軸Ｘで、ノズル本体の近位端（４１）にあるベース（４２）からノズル本体の遠位端（４４）に延びるノズル本体を備え、前記ベース（４２）は、前記燃料バルブ（３０）に取り付けるように構成され、
前記ノズル本体は、前記ベース（４２）と前記遠位端（４４）の間に延びる実質的に円筒形の部分（４３）と、
前記燃料バルブ（３０）から燃料を受けるために前記ベース（４２）に開口する入口ポート（４８）と、
前記ノズル本体内で、前記遠位端（４４）に、またはその近くに配置された複数のノズル穴（４５）と、
前記主方向Ｘで、前記入口ポート（４８）から前記ノズル本体内に入り、前記ノズル穴（４５）に延び、それにより前記ノズル穴（４５）を前記入口（４８）に流体接続する主ボア（５０）とを備え、
前記遠位端（４４）は、前記主軸Ｘに対して傾斜して配置される実質的に平面の端部表面（４７）を備える、ノズル（４０）。
【請求項２】
前記端部表面（４７）が、前記主軸（Ｘ）周りで心合わせされる、請求項１に記載のノズル（４０）。
【請求項３】
前記端部表面（４７）が、実質的に円形または楕円形の輪郭を有する、請求項１または２に記載のノズル（４０）。
【請求項４】
前記実質的に円筒形の部分（４３）と前記端部表面（４７）との間に、丸い、または湾曲した外側表面を有する移行エリア（４６）を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のノズル（４０）。
【請求項５】
前記丸い、または湾曲した外側表面が、前記円筒形の部分（４３）の外側表面を前記端部表面（４７）に接続する、請求項１に記載のノズル（４０）。
【請求項６】
前記ノズル穴（４５）が、前記端部表面（４７）の輪郭周りに分散されて前記移行エリア（４６）内に配置される、請求項４または５に記載のノズル（４０）。
【請求項７】
前記ノズル穴（４５）が、前記丸い、または湾曲した表面に開口する、請求項４から６のいずれか一項に記載のノズル（４０）。
【請求項８】
前記ノズル穴（４５）がそれぞれノズル軸（Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩ）を有し、各前記ノズル穴（４５）の前記ノズル軸（Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩ）が、前記主方向Ｘと鈍角αで配置される、請求項１から７のいずれか一項に記載のノズル（４０）。
【請求項９】
前記主軸Ｘに対する各前記ノズル軸（Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩ）の半径方向成分が、１８０度未満、好ましくは１２０度未満、さらに好ましくは１１０度未満の円弧を有する扇形にわたって分散される、請求項１から８のいずれか一項に記載のノズル（４０）。
【請求項１０】
前記主軸Ｘに対する各前記ノズル軸（Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩ）の半径方向成分が、前記扇形にわたって実質的に均等に分散される、請求項１から９のいずれか一項に記載のノズル（４０）。
【請求項１１】
往復ピストン（２１）とシリンダ・カバー（２６）の間に燃焼室（１４）を中に有するシリンダ（１）と、
請求項１から１０のいずれか一項に記載のノズル（４０）が接続された燃料バルブ（３０）とを備え、
前記燃料バルブ（３０）が、前記シリンダ・カバー（２６）内のカバー・ボア内に配置され、前記カバー・ボアが、前記燃焼室（１４）に面する前記シリンダ・カバー（２６）の内側表面（２７）に開口しており、
前記ノズル（４０）の前記端部表面（４７）が、前記カバー・ボアが前記内側表面（２７）に開口するエリア内で前記内側表面（２７）と実質的に平行に配置される、大型２行程圧縮点火エンジン。
【請求項１２】
前記遠位端（４４）が、前記カバー・ボアが前記内側表面（２７）に開口するエリア内で前記内側表面（２７）と実質的に同一平面である、請求項１１に記載のエンジン。
【請求項１３】
前記遠位端（４４）が、前記シリンダ・カバー（２６）の前記内側表面（２７）から前記燃焼室（１４）内にわずかだけ突出する、請求項１１に記載のエンジン。
【請求項１４】
前記内側表面（２７）への前記カバー・ボアの開口が、アンダーカットされる、請求項１２または１３に記載のエンジン。
【請求項１５】
前記内側表面（２７）が、前記ノズル穴（４５）からの噴流のための空間を提供するために、前記内側表面（２７）への前記カバー・ボアの開口に接続された切欠きを備える、請求項１２から１４のいずれか一項に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、クロスヘッドを有する大型ターボ過給機付き２行程自己点火内燃エンジンのシリンダ内に燃料を噴射するための燃料バルブ用のノズルに関し、詳細には、クロスヘッドを有する大型ターボ過給機付き２行程自己点火内燃エンジンのシリンダ内に気体燃料または低引火点燃料を噴射するための燃料バルブ用のノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
大型ターボ過給機付き２行程自己点火クロスヘッド内燃エンジンは、典型的には、コンテナ船など大型の航洋船内の、または発電所内の原動機として使用される。
【０００３】
これらのエンジンのシリンダは、シリンダ・カバー内、すなわちシリンダの上部で中央に配置された単一の排気バルブと、シリンダ・ライナの下部領域にある輪になったピストン制御式掃気ポートとを備える。これらの掃気ポートは、燃焼室内のガスに渦を生み出すために傾いている。
【０００４】
２つまたは３つの燃料バルブが、シリンダ・カバー内に、中央に配置された排気バルブ周りに配置され、それらのノズルが燃焼室内に張り出している。これらの燃料バルブは、シリンダ・カバー内で周囲に配置され、ノズルのノズル穴は、シリンダ壁から離れ、燃焼室内へと、渦と共に方向付けられる。場合によっては、ノズルの単一のノズル穴が、燃焼室内で渦に逆らって方向付けられる。
【０００５】
ノズルは、燃料バルブの前方または遠位端に取り付けられる。燃料バルブは、近位または後端がシリンダ・カバーの上部表面から突出した細長いハウジングを備え、細長い燃料バルブ・ハウジングは、シリンダ・カバーを通って延び、細長い燃料バルブ・ハウジングの前方または遠位端にあるノズルは、燃焼室内に突出する。
【０００６】
クロスヘッド・タイプの大型２行程ディーゼル・エンジン用の知られているノズルは、典型的には、細長いノズル本体を有し、このノズル本体は、ノズル本体の遠位端にあるノズルのベースから、ノズル本体の先端または遠位端に位置する、またはその近くに位置する下行ノズル・ボアに通じる中央主ボアを有する円筒形区間を備える。先端または遠位端は、丸形または平坦とすることができるが、閉じられている。なぜなら、ノズル・ボアは、ピストンに向かって下向きに方向付けられてはならないからである。したがって、ノズル・ボアは、ノズルの主軸に対して、典型的にはおおよそエンジン・シリンダの主軸に対して横方向に方向付けられる。典型的には、各ノズルは、３つから７つのノズル・ボアを備え、これらのノズル・ボアは、すべて主ボアに接続される。
【０００７】
ノズル本体は、燃焼室内に突出しているので、燃焼室の高温ガスにさらされ、したがってノズル本体の一部は、最大約４００℃の比較的高い温度に達することになる。入来燃料は、従来の重油作動のエンジンの場合、約１４０℃である。したがって、ノズル・ボアを通ってノズルを離れる主ボア内の入来燃料は、ノズル本体の外側表面を取り囲むガスより著しく低い温度を有する。したがって、ノズル本体の材料は、かなりの温度勾配にさらされ、材料内に応力を引き起こす。
【０００８】
近年、クロスヘッド・タイプの大型２行程ディーゼル・エンジンを気体燃料で運転する傾向がある。これらの燃料は、実質的に低い温度、典型的には約５０℃から８０℃で主ボアに入る。したがって、燃焼室内のガスの温度は実質的に変化しないため、これらの気体燃料は、ノズル本体の材料を著しく大きい温度勾配にさらす。
【０００９】
また、近年、クロスヘッド・タイプの大型２行程ディーゼル・エンジンを低引火点燃料で運転する傾向もある。これらの低引火点燃料もまた、約５０℃から８０℃の温度でノズル内の主ボアに入り、したがって、これらの低引火点燃料もまた、ノズルの材料を、重油に比べたとき、より大きい温度勾配にさらす。
【００１０】
ノズルの知られているものは、燃焼室内の高い動作温度のガスと、噴射される燃料／ガスの高い冷却効果にさらされたとき、材料の熱疲労によりノズル穴間に割れを起こす。
【００１１】
気体燃料または低引火点燃料で運転されるエンジンに関してノズル本体の材料がさらされる高い温度勾配は、ノズル本体材料内、特にノズル穴が位置するノズルのエリア内に割れが形成されるリスクを高める。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記に鑑みて、本発明の目的は、前述の問題を克服する、または少なくとも低減するクロスヘッド・タイプの大型２行程ディーゼル・エンジン内に気体燃料を噴射するための燃料バルブ用のノズルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前述および他の目的は、独立請求項の特徴によって達成される。さらに、実装形態は、従属請求項、説明、および図から明らかになる。
【００１４】
第１の態様によれば、クロスヘッドを有する大型２行程ターボ過給機付き圧縮点火内燃エンジン内に気体燃料を噴射するための燃料バルブ用のノズルであって、主方向および軸で、ノズル本体の近位端にあるベースからノズル本体の遠位端に延びるノズル本体を備え、ベースは、燃料バルブに取り付けるように構成され、ノズル本体は、ベースと遠位端の間に延びる実質的に円筒形の部分と、燃料バルブから燃料を受けるためにベースに開口する入口ポートと、ノズル本体内で、遠位端に、またはその近くに配置された複数のノズル穴と、主方向Ｘで、入口ポートからノズル本体内に入り、ノズル穴に延び、それによりノズル穴を入口に流体接続する主ボアとを備え、遠位端は、主軸Ｘに対して傾斜して配置される実質的に平面の端部表面を備える、ノズルが提供される。
【００１５】
主軸に対してある傾斜角で実質的に平坦な端部表面を提供することにより、個々のノズル穴間の間隔を依然として比較的大きく保つことができる短いノズルを提供することが可能であり、したがって、エンジンの動作中非常にノズルを高温にすることになる、ノズル本体の長さが燃焼室内に実質的に突出することを回避し、またノズル・ボア同士が密に離間されることを回避し、それにより、個々のノズル穴間に非常に少ないノズル本体材料しか残さない。両態様は、燃焼室からの熱、およびノズルに供給される燃料からの相対的な冷たさにさらされることによる割れの形成に耐えるためのノズルの能力を改善する。
【００１６】
第１の態様の第１の可能な実装によれば、端部表面が、主軸周りで心合わせされる。
【００１７】
第１の態様の第２の可能な実装によれば、端部表面が、実質的に円形または楕円形の輪郭を有する。
【００１８】
第１の態様の第３の可能な実装によれば、ノズルは、実質的に円筒形の部分と端部表面との間に、丸い、または湾曲した外側表面を有する移行エリアを備える。
【００１９】
第１の態様の第４の可能な実装によれば、丸い、または湾曲した外側表面が、円筒形の部分の外側表面を端部表面に接続する。
【００２０】
第１の態様の第５の可能な実装によれば、ノズル穴が、端部表面の輪郭周りに分散されて移行エリア内に配置される。
【００２１】
第１の態様の第６の可能な実装によれば、ノズル・ボアが、丸い、または湾曲した表面に開口する。
【００２２】
第１の態様の第７の可能な実装によれば、ノズル穴がそれぞれノズル軸を有し、各ノズル穴のノズル軸が、主方向Ｘと鈍角αで配置される。
【００２３】
第１の態様の第８の可能な実装によれば、主軸Ｘに対する各ノズル穴のノズル軸の半径方向成分が、１８０度未満、好ましくは１２０度未満、さらに好ましくは１１０度未満の円弧を有する扇形にわたって分散される。
【００２４】
第１の態様の第９の可能な実装によれば、主軸Ｘに対する各ノズル軸の半径方向成分が、扇形にわたって実質的に均等に分散される。
【００２５】
第２の態様によれば、往復ピストンとシリンダ・カバーの間に燃焼室を中に有するシリンダと、第１の態様またはそのいずれかの実装に記載のノズルが接続された燃料バルブとを備え、燃料バルブが、シリンダ・カバー内のカバー・ボア内に配置され、カバー・ボアが、燃焼室に面するシリンダ・カバーの内側表面に開口しており、ノズルの端部表面が、カバー・ボアが内側表面に開口するエリア内で内側表面と実質的に平行に配置される、大型２行程圧縮点火エンジンが提供される。
【００２６】
第２の態様の第１の可能な実装によれば、ノズルの遠位端が、カバー・ボアが内側表面に開口するエリア内でシリンダ・カバーの内側表面と実質的に同一平面である。
【００２７】
第２の態様の第２の可能な実装によれば、遠位端が、シリンダ・カバーの内側表面から燃焼室内にわずかだけ突出する。
【００２８】
第２の態様の第３の可能な実装によれば、内側表面へのカバー・ボアの開口が、アンダーカットされる。
【００２９】
第２の態様の第４の可能な実装によれば、内側表面が、ノズル穴からの噴流のための空間を提供するために、内側表面へのカバー・ボアの開口に接続された切欠きを備える。
【００３０】
本発明のこれら、および他の態様は、下記の実施形態から明らかになろう。
【００３１】
本開示の以下の詳細部分では、本発明について、図面に示されている例示的な実施形態を参照してより詳細に述べる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】例示的な一実施形態による大型２行程圧縮点火ターボ過給機付きエンジンの前端および一方の側面を示す立面図である。
【図２】図１のエンジンの後端および他方の側面を示す立面図である。
【図３】その吸気および排気システムを有する図１によるエンジンの概略図である。
【図４】図１から図３のエンジン内で使用するための燃料バルブの立面図である。
【図５】図４の燃料バルブと共に使用するためのノズルの立面図である。
【図６】図５のノズルの透過側面図である。
【図７】図５のノズルの上面図、断面図、および長手方向断面図を集めたものである。
【図８】図１から図３のエンジンのシリンダ・カバー内に設置された図５のノズルを示す断面図である。
【図９】様々な構成要素間の角度を示す図４のノズルの長手方向断面図である。
【図１０】別の実施形態によるノズルの長手方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下の詳細な説明では、燃料バルブと共に使用するためのノズル、およびそのノズルおよび燃料バルブが使用される大型２行程エンジンについて、例示的な実施形態により述べる。図１から図３は、クランクシャフト２２およびクロスヘッド２３を有する大型低速ターボ過給機付き２行程ディーゼル・エンジンを示す。図３は、その吸気および排気システムを有する大型低速ターボ過給機付き２行程ディーゼル・エンジンの概略図を示す。この例示的な実施形態では、エンジンは、直列で６本のシリンダ１を有する。大型ターボ過給機付き２行程ディーゼル・エンジンは、典型的には、エンジン・フレーム２４によって担持される５本から１６本の間のシリンダを直列で有する。このエンジンは、たとえば、航洋船内の主エンジンとして、または発電所で発電機を運転するための静止型エンジンとして使用されることがある。エンジンの総出力は、たとえば５，０００〜１１０，０００ｋＷに及ぶことがある。
【００３４】
このエンジンは、２行程ユニフロー・タイプのディーゼル（圧縮点火）エンジンであり、輪になったピストン制御式ポートの形態の掃気ポート１９がシリンダ１の下部領域にあり、排気バルブ４がシリンダ１の上部にある。したがって、燃焼室内の流れは、常に底部から上部であり、したがって、このエンジンは、いわゆるユニフロー・タイプのものである。掃気は、掃気だめ２から各シリンダ１の掃気ポート１９に送られる。シリンダ１内の往復ピストン２１が掃気を圧縮し、シリンダ・カバー２６内に配置された２つまたは３つの燃料バルブ３０を介して燃料が噴射される。燃焼が続き、排気ガスが生成される。排気バルブ４が開かれたとき、排気ガスは、関連のシリンダ１に関連付けられた排気ダクト２０を通って排気ガスだめ３に流入し、第１の排気導管１８を通ってターボ過給機５のタービン６に進み、そこから排気ガスは、第２の排気導管７を通って流れ去る。タービン６は、シャフト８を通じて、空気入口１０を介して供給を受ける圧縮機９を駆動する。
【００３５】
圧縮機９は、加圧された給気を、給気だめ２に通じる給気導管１１に送達する。導管１１内の掃気は、給気を冷却するためのインタークーラ１２を通過する。冷却された給気は、電気モータ１７によって駆動される補助ブロワ１６を介して通り、補助ブロワは、低負荷または部分負荷状態で給気流を加圧し、給気だめ２に送る。より高い負荷では、ターボ過給機圧縮機９は、十分な圧縮された掃気を送達し、そのとき補助ブロワ１６は、逆止バルブ１５を介してバイパスされる。
【００３６】
シリンダは、シリンダ・ライナ５２内に形成される。シリンダ・ライナ５２は、エンジン・フレーム２４によって支持されるシリンダ・フレーム２５によって担持される。
【００３７】
図４は、シリンダ・カバー２６内の貫通ボア内に装着される２つまたは３つの燃料バルブ３０の１つを示し、燃料バルブ３０の後端３２は、シリンダ・カバーの上側から突出し、ノズル４０の遠位端（先端）は、燃焼室内にわずかに突出するか、または燃焼室と同一平面である。燃料バルブ３０は、細長い燃料バルブ本体３１を備え、その遠位（前）端にノズル・ホルダ３３がある。ノズル・ホルダは、ノズル４０を細長い燃料バルブ本体３１に接続する。気体燃料または液体燃料など燃料は、燃料バルブ３０によって制御および時間調整されて、ノズル４０を介して燃焼室１４に送達される。
【００３８】
図５から図９は、ノズル４０の例示的な一実施形態を示す。ノズル４０は、近位端のベース４２から、ノズル４０の先端を形成する遠位端４４に延びるノズル本体を有する。ノズル本体の円筒形の部分４３は、ベースから遠位端４４に延びる。
【００３９】
ノズル本体は、好適な材料、たとえば当技術分野で周知の好適な合金製である。
【００４０】
遠位端（先端）４４は、円形または楕円形の輪郭を有する実質的に平面の端部表面４７を備える。端部表面４７は、中間部分４６において湾曲した、または丸い表面を介して円筒形の部分に接続する。端部表面４７は、主軸Ｘに対して角度βで傾斜して配置される。端部表面４７は、主軸Ｘ周りで心合わせされることが好ましい。傾斜角βは、図８でわかるように、ノズルが配置されるシリンダ・カバーのエリア内で燃焼室１４に面するシリンダ・カバー２６の表面と、端部表面４７が実質的に平行であることが確実になるように選択される。
【００４１】
燃料バルブ３０およびノズル４０がシリンダ・カバー２６の内側表面に配置されるカバー・ボアの開口は、陥凹エリア５１を提供するように丸いことが好ましい。一実施形態では、陥凹エリア５１は、ノズル・ボア４５からの噴流のための空間を提供するために、シリンダ・カバー２６の内側表面内の切欠きに接続する。
【００４２】
遠位端４４、特に端部表面４７は、カバー・ボアが内側表面２７に開口するエリア内でシリンダ・カバー２６の内側表面２７と実質的に同一平面であることが好ましい。
【００４３】
あるいは、ノズル４０の遠位端４４は、図８に示されているように、シリンダ・カバー２６の内側表面２７から燃焼室１４内にわずかだけ突出する。
【００４４】
ノズル４０は、複数のノズル穴４５を備える。ノズル４０は、任意の望ましい数のノズル穴４５、好ましくは２つから７つの間のノズル穴４５、さらに好ましくは３つから６つの間のノズル穴４５、最も好ましくは５つまたは６つのノズル穴４５を備える。本例示的な実施形態によるノズル４０は、６のノズル穴４５を備える。
【００４５】
好ましくは、ノズル穴４５は、中間部分４６において、すなわち遠位端４４の近く、または遠位端４４内で湾曲した、または丸い表面に開口する。しかし、ノズル穴４５は、前記端部表面４７に部分的に開口しても、前記円筒形の部分４３に部分的に開口してもよい。
【００４６】
ノズル穴４５はそれぞれノズル軸Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩを有する。各穴４５のノズル軸Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩは、主方向Ｘと鈍角αで配置される。鈍角αは、ノズル穴４５のそれぞれについて異なることができる。主軸Ｘに対する各ノズル軸Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩの半径方向成分は、１８０度未満、好ましくは１２０度未満、さらに好ましくは１１０度未満の円弧を有する扇形にわたって分散される。主軸Ｘに対する各ノズル軸（Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩ）の半径方向成分は、個々のノズル穴４５間のノズル本体材料の量を最大にするために、扇形にわたって実質的に均等に分散される。
【００４７】
ベース４２は、前記燃料バルブ３０から燃料を受けるために入口ポート４８を備える。主ボア５０は、前記入口ポート４８から、主軸および方向Ｘに沿った方向で、ノズル本体内に、また円筒形の部分４３内に、ノズル本体の中央位置へ延びる。中央位置では、主ボア５０は、それぞれノズル・ボア４５に接続される複数の個々の供給通路４９に接続する。
【００４８】
主ボア５０と個々の供給通路４９との間の移行は、燃料バルブ３０のバルブ・ニードル（図示せず）のための座として働くことができる。
【００４９】
供給通路４９は、個々の供給通路４９間で実質的に等しい量のノズル本体材料を有するために、円筒形区間４３内で実質的に均等に分散される。
【００５０】
主ボア５０の断面積は、供給通路４９の総断面積より実質的に大きい。供給通路４９の総断面積は、ノズル穴４５の総断面積に実質的に等しい。供給通路は、実質的に直線のチャネルまたは実質的に直線のボアである。
【００５１】
入口ポート４８は、一実施形態では、主ボア５０の直径より大きい直径を有するボアによって形成される。あるいは、入口ポート４８は、主ボアと同じ直径を有することができる。
【００５２】
ノズル４０は、ノズル穴４５のより広い広がり、したがってノズル穴４５間のより多くのノズル材料、したがって割れ形成に対するよりよい抵抗をもたらす。さらに、ノズル４０は、実質的に均一な燃料噴流を生み出すために、ノズル穴のそれぞれに対して均一な入口状態を提供する。
【００５３】
図１０は、ノズル４０の別の実施形態を示し、これは、主ボア５０がノズル穴４５へ完全に延び、主ボア５０とノズル穴４５の間の供給通路なしでノズル穴４５に直接燃料を供給することを除いて、上記の実施形態と本質的に同一である。
【００５４】
本明細書では、本発明について様々な実施形態と共に述べた。しかし、図面、本開示、および添付の特許請求の範囲を研究すれば、当業者なら、特許請求されている発明を実施する際に、開示されている実施形態に対する他の変形形態を理解し行うことができる。特許請求の範囲では、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える、含む）」という語が他の要素またはステップを除外せず、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、複数であり得ることが明記されていない構成が複数であり得ることを除外しない。相互に異なる従属請求項内にいくつかの手段が記載されていることだけで、これらの手段の組合せを、有利にするために使用することができないことを示すことにはならない。
【００５５】
特許請求の範囲で使用される符号は、範囲を限定するものと解釈されないものとする。
【図１】
2018096377.tif 000003
【図２】
2018096377.tif 000004
【図３】
2018096377.tif 000005
【図４】
2018096377.tif 000006
【図５】
2018096377.tif 000007
【図６】
2018096377.tif 000008
【図７】
2018096377.tif 000009
【図８】
2018096377.tif 000010
【図９】
2018096377.tif 000011
【図１０】
2018096377.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成30年4月13日(2018.4.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、クロスヘッドを有する大型ターボ過給機付き２行程自己点火内燃エンジンのシリンダ内に燃料を噴射するための燃料バルブ用のノズルに関し、詳細には、クロスヘッドを有する大型ターボ過給機付き２行程自己点火内燃エンジンのシリンダ内に気体燃料または低引火点燃料を噴射するための燃料バルブ用のノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
大型ターボ過給機付き２行程自己点火クロスヘッド内燃エンジンは、典型的には、コンテナ船など大型の航洋船内の、または発電所内の原動機として使用される。
【０００３】
これらのエンジンのシリンダは、シリンダ・カバー内、すなわちシリンダの上部で中央に配置された単一の排気バルブと、シリンダ・ライナの下部領域にある輪になったピストン制御式掃気ポートとを備える。これらの掃気ポートは、燃焼室内のガスに渦を生み出すために傾いている。
【０００４】
２つまたは３つの燃料バルブが、シリンダ・カバー内に、中央に配置された排気バルブ周りに配置され、それらのノズルが燃焼室内に張り出している。これらの燃料バルブは、シリンダ・カバー内で周囲に配置され、ノズルのノズル穴は、シリンダ壁から離れ、燃焼室内へと、渦と共に方向付けられる。場合によっては、ノズルの単一のノズル穴が、燃焼室内で渦に逆らって方向付けられる。
【０００５】
ノズルは、燃料バルブの前方または遠位端に取り付けられる。燃料バルブは、近位または後端がシリンダ・カバーの上部表面から突出した細長いハウジングを備え、細長い燃料バルブ・ハウジングは、シリンダ・カバーを通って延び、細長い燃料バルブ・ハウジングの前方または遠位端にあるノズルは、燃焼室内に突出する。
【０００６】
クロスヘッド・タイプの大型２行程ディーゼル・エンジン用の知られているノズルは、典型的には、細長いノズル本体を有し、このノズル本体は、ノズル本体の遠位端にあるノズルのベースから、ノズル本体の先端または遠位端に位置する、またはその近くに位置する下行ノズル・ボアに通じる中央主ボアを有する円筒形区間を備える。先端または遠位端は、丸形または平坦とすることができるが、閉じられている。なぜなら、ノズル・ボアは、ピストンに向かって下向きに方向付けられてはならないからである。したがって、ノズル・ボアは、ノズルの主軸に対して、典型的にはおおよそエンジン・シリンダの主軸に対して横方向に方向付けられる。典型的には、各ノズルは、３つから７つのノズル・ボアを備え、これらのノズル・ボアは、すべて主ボアに接続される。
【０００７】
ノズル本体は、燃焼室内に突出しているので、燃焼室の高温ガスにさらされ、したがってノズル本体の一部は、最大約４００℃の比較的高い温度に達することになる。入来燃料は、従来の重油作動のエンジンの場合、約１４０℃である。したがって、ノズル・ボアを通ってノズルを離れる主ボア内の入来燃料は、ノズル本体の外側表面を取り囲むガスより著しく低い温度を有する。したがって、ノズル本体の材料は、かなりの温度勾配にさらされ、材料内に応力を引き起こす。
【０００８】
近年、クロスヘッド・タイプの大型２行程ディーゼル・エンジンを気体燃料で運転する傾向がある。これらの燃料は、実質的に低い温度、典型的には約５０℃から８０℃で主ボアに入る。したがって、燃焼室内のガスの温度は実質的に変化しないため、これらの気体燃料は、ノズル本体の材料を著しく大きい温度勾配にさらす。
【０００９】
また、近年、クロスヘッド・タイプの大型２行程ディーゼル・エンジンを低引火点燃料で運転する傾向もある。これらの低引火点燃料もまた、約５０℃から８０℃の温度でノズル内の主ボアに入り、したがって、これらの低引火点燃料もまた、ノズルの材料を、重油に比べたとき、より大きい温度勾配にさらす。
【００１０】
ノズルの知られているものは、燃焼室内の高い動作温度のガスと、噴射される燃料／ガスの高い冷却効果にさらされたとき、材料の熱疲労によりノズル穴間に割れを起こす。
【００１１】
気体燃料または低引火点燃料で運転されるエンジンに関してノズル本体の材料がさらされる高い温度勾配は、ノズル本体材料内、特にノズル穴が位置するノズルのエリア内に割れが形成されるリスクを高める。
【００１２】
欧州特許出願公開第３００２４４４号明細書には、大型２ストローク自己着火内燃機関の燃焼室に気体燃料およびパイロット燃料を噴射するための燃料弁が開示されている。前記燃料弁は、後端及び前端を有する細長い燃料弁ハウジングと、ノズル孔および閉じた先端を有する中空ノズルと、加圧気体燃料の供給源に接続される気体燃料入口ポートと、閉位置および開位置を有し、閉位置で座部に載置されて、前記気体燃料入口ポートから前記ノズルへの流れを阻止する、軸方向に移動可能な弁ニードルとを含む。開位置では、前記軸方向に移動可能なニードルが前記座部からリフトして、前記気体燃料入口ポートから前記ノズルまでの流れが可能になる。前記燃料弁は、前記軸方向に移動可能な弁ニードルを閉位置と開位置との間で制御可能に動かすためのアクチュエータシステムと、パイロット燃料の供給源に接続されるパイロット燃料ポートと、前記軸方向に移動可能なニードル内で軸方向に走るパイロット燃料噴射導管と、前記パイロット燃料ポートに流体接続する入口および前記パイロット燃料供給導管の第１の端に接続する出口を有するポンプ室とを更に備える。前記軸方向に移動可能なニードルが閉位置から開位置に移動するときに、前記ポンプ室は縮小し、前記軸方向に移動可能なニードルが開位置から閉位置に移動するときに、前記ポンプ室は拡大する。前記ポンプ室が縮小するときに、パイロット燃料が前記ノズルに供給されるように、前記パイロット燃料噴射導管の第２の端が前記ノズルに流体接続する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記に鑑みて、本発明の目的は、前述の問題を克服する、または少なくとも低減するクロスヘッド・タイプの大型２行程ディーゼル・エンジン内に気体燃料を噴射するための燃料バルブ用のノズルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前述および他の目的は、独立請求項の特徴によって達成される。さらに、実装形態は、従属請求項、説明、および図から明らかになる。
【００１５】
第１の態様によれば、クロスヘッドを有する大型２行程ターボ過給機付き圧縮点火内燃エンジン内に気体燃料を噴射するための燃料バルブ用のノズルであって、主方向および軸で、ノズル本体の近位端にあるベースからノズル本体の遠位端に延びるノズル本体を備え、ベースは、燃料バルブに取り付けるように構成され、ノズル本体は、ベースと遠位端の間に延びる実質的に円筒形の部分と、燃料バルブから燃料を受けるためにベースに開口する入口ポートと、ノズル本体内で、遠位端に、またはその近くに配置された複数のノズル穴と、主方向Ｘで、入口ポートからノズル本体内に入り、ノズル穴に延び、それによりノズル穴を入口に流体接続する主ボアとを備え、遠位端は、主軸Ｘに対して傾斜して配置される実質的に平面の端部表面を備える、ノズルが提供される。
【００１６】
主軸に対してある傾斜角で実質的に平坦な端部表面を提供することにより、個々のノズル穴間の間隔を依然として比較的大きく保つことができる短いノズルを提供することが可能であり、したがって、エンジンの動作中非常にノズルを高温にすることになる、ノズル本体の長さが燃焼室内に実質的に突出することを回避し、またノズル・ボア同士が密に離間されることを回避し、それにより、個々のノズル穴間に非常に少ないノズル本体材料しか残さない。両態様は、燃焼室からの熱、およびノズルに供給される燃料からの相対的な冷たさにさらされることによる割れの形成に耐えるためのノズルの能力を改善する。
【００１７】
第１の態様の第１の可能な実装によれば、端部表面が、主軸周りで心合わせされる。
【００１８】
第１の態様の第２の可能な実装によれば、端部表面が、実質的に円形または楕円形の輪郭を有する。
【００１９】
第１の態様の第３の可能な実装によれば、ノズルは、実質的に円筒形の部分と端部表面との間に、丸い、または湾曲した外側表面を有する移行エリアを備える。
【００２０】
第１の態様の第４の可能な実装によれば、丸い、または湾曲した外側表面が、円筒形の部分の外側表面を端部表面に接続する。
【００２１】
第１の態様の第５の可能な実装によれば、ノズル穴が、端部表面の輪郭周りに分散されて移行エリア内に配置される。
【００２２】
第１の態様の第６の可能な実装によれば、ノズル・ボアが、丸い、または湾曲した表面に開口する。
【００２３】
第１の態様の第７の可能な実装によれば、ノズル穴がそれぞれノズル軸を有し、各ノズル穴のノズル軸が、主方向Ｘと鈍角αで配置される。
【００２４】
第１の態様の第８の可能な実装によれば、主軸Ｘに対する各ノズル穴のノズル軸の半径方向成分が、１８０度未満、好ましくは１２０度未満、さらに好ましくは１１０度未満の円弧を有する扇形にわたって分散される。
【００２５】
第１の態様の第９の可能な実装によれば、主軸Ｘに対する各ノズル軸の半径方向成分が、扇形にわたって実質的に均等に分散される。
【００２６】
第２の態様によれば、往復ピストンとシリンダ・カバーの間に燃焼室を中に有するシリンダと、第１の態様またはそのいずれかの実装に記載のノズルが接続された燃料バルブとを備え、燃料バルブが、シリンダ・カバー内のカバー・ボア内に配置され、カバー・ボアが、燃焼室に面するシリンダ・カバーの内側表面に開口しており、ノズルの端部表面が、カバー・ボアが内側表面に開口するエリア内で内側表面と実質的に平行に配置される、大型２行程圧縮点火エンジンが提供される。
【００２７】
第２の態様の第１の可能な実装によれば、ノズルの遠位端が、カバー・ボアが内側表面に開口するエリア内でシリンダ・カバーの内側表面と実質的に同一平面である。
【００２８】
第２の態様の第２の可能な実装によれば、遠位端が、シリンダ・カバーの内側表面から燃焼室内にわずかだけ突出する。
【００２９】
第２の態様の第３の可能な実装によれば、内側表面へのカバー・ボアの開口が、アンダーカットされる。
【００３０】
第２の態様の第４の可能な実装によれば、内側表面が、ノズル穴からの噴流のための空間を提供するために、内側表面へのカバー・ボアの開口に接続された切欠きを備える。
【００３１】
本発明のこれら、および他の態様は、下記の実施形態から明らかになろう。
【００３２】
本開示の以下の詳細部分では、本発明について、図面に示されている例示的な実施形態を参照してより詳細に述べる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】例示的な一実施形態による大型２行程圧縮点火ターボ過給機付きエンジンの前端および一方の側面を示す立面図である。
【図２】図１のエンジンの後端および他方の側面を示す立面図である。
【図３】その吸気および排気システムを有する図１によるエンジンの概略図である。
【図４】図１から図３のエンジン内で使用するための燃料バルブの立面図である。
【図５】図４の燃料バルブと共に使用するためのノズルの立面図である。
【図６】図５のノズルの透過側面図である。
【図７】図５のノズルの上面図、断面図、および長手方向断面図を集めたものである。
【図８】図１から図３のエンジンのシリンダ・カバー内に設置された図５のノズルを示す断面図である。
【図９】様々な構成要素間の角度を示す図４のノズルの長手方向断面図である。
【図１０】別の実施形態によるノズルの長手方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下の詳細な説明では、燃料バルブと共に使用するためのノズル、およびそのノズルおよび燃料バルブが使用される大型２行程エンジンについて、例示的な実施形態により述べる。図１から図３は、クランクシャフト２２およびクロスヘッド２３を有する大型低速ターボ過給機付き２行程ディーゼル・エンジンを示す。図３は、その吸気および排気システムを有する大型低速ターボ過給機付き２行程ディーゼル・エンジンの概略図を示す。この例示的な実施形態では、エンジンは、直列で６本のシリンダ１を有する。大型ターボ過給機付き２行程ディーゼル・エンジンは、典型的には、エンジン・フレーム２４によって担持される５本から１６本の間のシリンダを直列で有する。このエンジンは、たとえば、航洋船内の主エンジンとして、または発電所で発電機を運転するための静止型エンジンとして使用されることがある。エンジンの総出力は、たとえば５，０００〜１１０，０００ｋＷに及ぶことがある。
【００３５】
このエンジンは、２行程ユニフロー・タイプのディーゼル（圧縮点火）エンジンであり、輪になったピストン制御式ポートの形態の掃気ポート１９がシリンダ１の下部領域にあり、排気バルブ４がシリンダ１の上部にある。したがって、燃焼室内の流れは、常に底部から上部であり、したがって、このエンジンは、いわゆるユニフロー・タイプのものである。掃気は、掃気だめ２から各シリンダ１の掃気ポート１９に送られる。シリンダ１内の往復ピストン２１が掃気を圧縮し、シリンダ・カバー２６内に配置された２つまたは３つの燃料バルブ３０を介して燃料が噴射される。燃焼が続き、排気ガスが生成される。排気バルブ４が開かれたとき、排気ガスは、関連のシリンダ１に関連付けられた排気ダクト２０を通って排気ガスだめ３に流入し、第１の排気導管１８を通ってターボ過給機５のタービン６に進み、そこから排気ガスは、第２の排気導管７を通って流れ去る。タービン６は、シャフト８を通じて、空気入口１０を介して供給を受ける圧縮機９を駆動する。
【００３６】
圧縮機９は、加圧された給気を、給気だめ２に通じる給気導管１１に送達する。導管１１内の掃気は、給気を冷却するためのインタークーラ１２を通過する。冷却された給気は、電気モータ１７によって駆動される補助ブロワ１６を介して通り、補助ブロワは、低負荷または部分負荷状態で給気流を加圧し、給気だめ２に送る。より高い負荷では、ターボ過給機圧縮機９は、十分な圧縮された掃気を送達し、そのとき補助ブロワ１６は、逆止バルブ１５を介してバイパスされる。
【００３７】
シリンダは、シリンダ・ライナ５２内に形成される。シリンダ・ライナ５２は、エンジン・フレーム２４によって支持されるシリンダ・フレーム２５によって担持される。
【００３８】
図４は、シリンダ・カバー２６内の貫通ボア内に装着される２つまたは３つの燃料バルブ３０の１つを示し、燃料バルブ３０の後端３２は、シリンダ・カバーの上側から突出し、ノズル４０の遠位端（先端）は、燃焼室内にわずかに突出するか、または燃焼室と同一平面である。燃料バルブ３０は、細長い燃料バルブ本体３１を備え、その遠位（前）端にノズル・ホルダ３３がある。ノズル・ホルダは、ノズル４０を細長い燃料バルブ本体３１に接続する。気体燃料または液体燃料など燃料は、燃料バルブ３０によって制御および時間調整されて、ノズル４０を介して燃焼室１４に送達される。
【００３９】
図５から図９は、ノズル４０の例示的な一実施形態を示す。ノズル４０は、近位端のベース４２から、ノズル４０の先端を形成する遠位端４４に延びるノズル本体を有する。ノズル本体の円筒形の部分４３は、ベースから遠位端４４に延びる。
【００４０】
ノズル本体は、好適な材料、たとえば当技術分野で周知の好適な合金製である。
【００４１】
遠位端（先端）４４は、円形または楕円形の輪郭を有する実質的に平面の端部表面４７を備える。端部表面４７は、中間部分４６において湾曲した、または丸い表面を介して円筒形の部分に接続する。端部表面４７は、主軸Ｘに対して角度βで傾斜して配置される。端部表面４７は、主軸Ｘ周りで心合わせされることが好ましい。傾斜角βは、図８でわかるように、ノズルが配置されるシリンダ・カバーのエリア内で燃焼室１４に面するシリンダ・カバー２６の表面と、端部表面４７が実質的に平行であることが確実になるように選択される。
【００４２】
燃料バルブ３０およびノズル４０がシリンダ・カバー２６の内側表面に配置されるカバー・ボアの開口は、陥凹エリア５１を提供するように丸いことが好ましい。一実施形態では、陥凹エリア５１は、ノズル・ボア４５からの噴流のための空間を提供するために、シリンダ・カバー２６の内側表面内の切欠きに接続する。
【００４３】
遠位端４４、特に端部表面４７は、カバー・ボアが内側表面２７に開口するエリア内でシリンダ・カバー２６の内側表面２７と実質的に同一平面であることが好ましい。
【００４４】
あるいは、ノズル４０の遠位端４４は、図８に示されているように、シリンダ・カバー２６の内側表面２７から燃焼室１４内にわずかだけ突出する。
【００４５】
ノズル４０は、複数のノズル穴４５を備える。ノズル４０は、任意の望ましい数のノズル穴４５、好ましくは２つから７つの間のノズル穴４５、さらに好ましくは３つから６つの間のノズル穴４５、最も好ましくは５つまたは６つのノズル穴４５を備える。本例示的な実施形態によるノズル４０は、６のノズル穴４５を備える。
【００４６】
好ましくは、ノズル穴４５は、中間部分４６において、すなわち遠位端４４の近く、または遠位端４４内で湾曲した、または丸い表面に開口する。しかし、ノズル穴４５は、前記端部表面４７に部分的に開口しても、前記円筒形の部分４３に部分的に開口してもよい。
【００４７】
ノズル穴４５はそれぞれノズル軸Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩを有する。各穴４５のノズル軸Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩは、主方向Ｘと鈍角αで配置される。鈍角αは、ノズル穴４５のそれぞれについて異なることができる。主軸Ｘに対する各ノズル軸Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩの半径方向成分は、１８０度未満、好ましくは１２０度未満、さらに好ましくは１１０度未満の円弧を有する扇形にわたって分散される。主軸Ｘに対する各ノズル軸（Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、ＶＩ）の半径方向成分は、個々のノズル穴４５間のノズル本体材料の量を最大にするために、扇形にわたって実質的に均等に分散される。
【００４８】
ベース４２は、前記燃料バルブ３０から燃料を受けるために入口ポート４８を備える。主ボア５０は、前記入口ポート４８から、主軸および方向Ｘに沿った方向で、ノズル本体内に、また円筒形の部分４３内に、ノズル本体の中央位置へ延びる。中央位置では、主ボア５０は、それぞれノズル・ボア４５に接続される複数の個々の供給通路４９に接続する。
【００４９】
主ボア５０と個々の供給通路４９との間の移行は、燃料バルブ３０のバルブ・ニードル（図示せず）のための座として働くことができる。
【００５０】
供給通路４９は、個々の供給通路４９間で実質的に等しい量のノズル本体材料を有するために、円筒形区間４３内で実質的に均等に分散される。
【００５１】
主ボア５０の断面積は、供給通路４９の総断面積より実質的に大きい。供給通路４９の総断面積は、ノズル穴４５の総断面積に実質的に等しい。供給通路は、実質的に直線のチャネルまたは実質的に直線のボアである。
【００５２】
入口ポート４８は、一実施形態では、主ボア５０の直径より大きい直径を有するボアによって形成される。あるいは、入口ポート４８は、主ボアと同じ直径を有することができる。
【００５３】
ノズル４０は、ノズル穴４５のより広い広がり、したがってノズル穴４５間のより多くのノズル材料、したがって割れ形成に対するよりよい抵抗をもたらす。さらに、ノズル４０は、実質的に均一な燃料噴流を生み出すために、ノズル穴のそれぞれに対して均一な入口状態を提供する。
【００５４】
図１０は、ノズル４０の別の実施形態を示し、これは、主ボア５０がノズル穴４５へ完全に延び、主ボア５０とノズル穴４５の間の供給通路なしでノズル穴４５に直接燃料を供給することを除いて、上記の実施形態と本質的に同一である。
【００５５】
本明細書では、本発明について様々な実施形態と共に述べた。しかし、図面、本開示、および添付の特許請求の範囲を研究すれば、当業者なら、特許請求されている発明を実施する際に、開示されている実施形態に対する他の変形形態を理解し行うことができる。特許請求の範囲では、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える、含む）」という語が他の要素またはステップを除外せず、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、複数であり得ることが明記されていない構成が複数であり得ることを除外しない。相互に異なる従属請求項内にいくつかの手段が記載されていることだけで、これらの手段の組合せを、有利にするために使用することができないことを示すことにはならない。
【００５６】
特許請求の範囲で使用される符号は、範囲を限定するものと解釈されないものとする。