(57)【要約】ピストン蒸気エンジンの作動流体を注入するための注入器。それは注入器ニードル弁、プランジャを作動させる針、および、ソレノイドで制御されたバルブを有する注入器ノズルを組み込む。それは、連続的に動作流体貯蔵部（４）に供給される作動流体によって特徴付けられ、一方で、サーボコントロールの目的のための流体は、連続的にサーボ流体貯蔵部（１０）に供給される。注入器ニードル弁（１）は、動作流体貯蔵部（４）、さらにサーボ流体貯蔵部（１０）を通過するプランジャ（２）に連結される。プランジャ（２）の上部は、サーボ制御装置室（１１）に位置するプランジャ圧力面（６）によって覆われる。サーボ制御装置室（１１）は、フィードオリフィス（１２）によって、サーボ流体貯蔵部（１０）に連結される。プランジャ（２）は、サーボ流体貯蔵部（１０）に位置する圧力肩（７）を有する。サーボ制御装置室（１１）は、流出室（２１）にサーボ流体を放出するブリード弁（１３）にブリードオリフィス（１５）によって連結される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
注入器ニードル弁、ニードル弁を制御するプランジャ、および、バルブを制御するソレノイドを有する注入器ノズルを組み込んでいる特に高効率フラッシュ蒸気ピストンエンジンのためのピストン蒸気エンジンの動作流体の注入器であって、
高圧および高温下の動作流体は、連続した方法で動作流体貯蔵部（４）に供給され、一方で、サーボ流体は連続方法でサーボ流体貯蔵部（１０）に供給され、また一方で、注入器のノズル（３）を閉じる注入器ニードル弁（１）は、サーボ流体貯蔵部（１０）と同様に動作流体貯蔵部（４）を通過するプランジャ（２）に連結されかつサーボ流体貯蔵部（１０）にフィードオリフィス（１２）によって連結されるサーボ制御装置室（１１）に位置する圧力面（６）によって覆われ、また前記プランジャ（２）は、前記サーボ流体貯蔵部（１０）に配置された圧力肩（７）を有し、前記サーボ制御装置室（１１）は、サーボ流体流出連結管に連結される流出室（２１）にサーボ流体を導くブリード弁（１３）にブリードオリフィス（１５）によって連結されることを特徴とする注入器。
【請求項２】
請求項１に記載の注入器であって、前記フラッシュ室または作業シリンダへの作動流体の注入の前記開始は、前記サーボ制御室（１１）および前記サーボ流体貯蔵部（１０）のそれの間の油圧の違いによって開始される注入器。
【請求項３】
請求項２に記載の注入器であって、前記サーボ制御室（１１）およびサーボ流体貯蔵部（１０）間の前記油圧の違いは、流出連結管（１６）によって前記サーボ流体タンク（図示せず）に連結する前記流出室（２１）と前記ブリードオリフィス（１５）を連結するブリード弁（１３）の開閉によって生じる注入器。
【請求項４】
請求項２または３に記載の注入器であって、ブリード弁（１３）は、ソレノイド（１４）によって制御される前記ブリード弁（１３）のブリード弁ニードル弁（２３）を経由してブリードオリフィス（１５）と流出室（２１）を連結する注入器。
【請求項５】
請求項１、２、３、または４に記載の注入器であって、前記動作流体貯蔵部（４）に位置する温度および圧力センサ（１８）を有することを特徴とする注入器。
【請求項６】
請求項１、２、３、または４に記載の注入器であって、前記注入器ニードル弁（１）のためのポジションセンサ（１７）を有することを特徴とする注入器。
【請求項７】
請求項６に記載の注入器であって、前記注入器ニードル弁（１）の前記ポジションセンサ（１７）は前記サーボ流体貯蔵部（１０）に位置することを特徴とする注入器。
【請求項８】
請求項１、２、３、４、５、６、または７に記載の注入器であって、前記温度および圧力センサ（１８）および注入器ニードル弁（１）ポジションセンサ（１７）からの出力は、前記エンジンの前記動作を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）に供給されることを特徴とする注入器。
【請求項９】
請求項８に記載の注入器であって、前記電子制御装置（ＥＣＵ）は、制御信号を前記ソレノイド（１４）に送信することを特徴とする注入器。
【請求項１０】
請求項９に記載の注入器であって、前記電子制御装置（ＥＣＵ）は、上死点（ＴＤＣ）の前の２０°から前記エンジンの作動ピストンの上死点（ＴＤＣ）の後の１０°の範囲において、動作流体の注入または一連の注入の開始の前記タイミングを調整することを特徴とする注入器。
【請求項１１】
請求項９に記載の注入器であって、前記電子制御装置（ＥＣＵ）は、クランクシャフト角変位の０°から１６０°までの範囲内で動作流体の注入または一連の注入の開始の継続時間を調整することを特徴とする注入器。
【請求項１２】
請求項１に記載の注入器であって、前記プランジャ（２）は、前記サーボ流体貯蔵部（１０）の下で前記注入器の本体の前記中心部分に位置する前記動作流体密封機構（１９）によって前記注入器の本体に密封されることを特徴とする注入器。
【請求項１３】
請求項１に記載の注入器であって、前記プランジャ（２）は、前記プランジャ（２）の前記上部および前記注入器の上部本体間で前記注入器本体の上の部分に配置された前記サーボ流体密封機構（２０）によって、前記注入器の本体に密封されることを特徴とする注入器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に高効率のフラッシュ蒸気ピストンエンジン向けのピストン蒸気機関に作動流体を注入するための注入器である。動作流体注入器の課題は、すべての作業行程の開始時に、２００‐４００ｂａｒの間で前もって加圧され、摂氏２５０‐３５０℃に加熱された特定の量の作動流体をエンジンのフラッシュ室または直接作業シリンダに、各々の作業サイクルの間、１回の注入または一連の注入で注入することである。これらのパラメータは、使用される作動流体によって変化する可能性がある。作動流体は、その蒸発圧力を超えた圧力の下にあり、したがって、注入器のノズルに達するまで、それは液体段階のままである。注入器ノズルがそれを放出し、その圧力が低下するまで作動流体は蒸発しない。作動流体は、水、アルコール、炭化水素、エステルまたはこれらの媒体の混合物であってもよい。
【背景技術】
【０００２】
ピストン蒸気機関は長い歴史を有し、それらを改善し、それらの効率を増加させる多くのアイディアが提案されてきた。これらのアイディアのうちの１つは、高温および圧力の蒸気がクランクシャフトによって作動する機械的な調時歯車により動く吸気弁を通じて作業シリンダに直接入れられる従来の方法を排除することを提案している。これの代わりに、高圧下の熱水は、直接シリンダに、またはそこで蒸発する加熱された予室（フラッシュ室）に注入される。この手段によって作成された蒸気は、膨張によりエンジンのピストン上の作業を実行するシリンダに入る。熱水が霧状にされ、それから過熱状態に達するためにさらに加熱される、シリンダの前に接近して位置する加熱されたフラッシュ室に圧力下の熱水を注入するアイディアは、ドイツ特許Ｎｏ．６８９９６１から公知である。この特許の記述において、水はフィードポンプによって加圧され、それが最初に加熱される熱交換器に供給される。それからクランクシャフトで作動する機械的な注入ポンプによって第２の熱交換器に汲み出され、エンジンの作業シリンダの前にあるフラッシュ室に位置する注入弁に供給される。バーナーはフラッシュ室を加熱し、燃焼ガスは両方の熱交換器において供給水を加熱するために利用される。ピストン蒸気機関の作業シリンダの前に位置するフラッシュ室に水を注入するための類似した解決法は、スイス特許Ｎｏ．２４３９０３から公知である。この配置において、エンジンのクランクシャフトから機械的に作動するポンプは水を加圧し、それを熱交換器に供給し、そこで水は（フラッシュ室を加熱するために最初に使われた）バーナーの燃焼ガスによって加熱され、機械的に作動する注入器バルブに送る。
【０００３】
ピストン蒸気機関のための複雑な配置は、ドイツ特許Ｎｏ．８２８９８８から公知である。これには、主エンジンと別に、供給水送水ポンプ、バーナー空気ファン、コンデンサ・ファンを駆動するのに役に立ち、さらにスタータ・モーターとして作用する二次的なエンジンが組み込まれている。注入ポンプは、エンジンクランクシャフトから機械的に動かされ、主エンジンのシリンダヘッドに位置する注入器バルブを提供して共給水を加圧する。液体燃料を使用しているバーナーからの燃焼ガスは、主エンジンの作業シリンダの壁を加熱する。
【０００４】
類似した配置は、ドイツ公開公報（Ｏｆｆｅｎｌｅｇｕｎｇｓｓｃｈｒｉｆｔ）Ｎｏ．１９０９００７から公知である。他の公表ＰＣＴ  ＷＯ  ９８／５５７３４（ＤＥ １９７２３７４８．７）は、特に動力車両向けのピストン蒸気機関の解決法を提供する。これは、蒸発器に連結される連続的な作業水フィードポンプからの強制送り循環、および、シリンダブロックに対称的に配置される対向するシリンダを個別に囲む過熱装置を使用する。バーナーで供給される空気もまた、シリンダを囲む外被を通過することによって前もって加熱される。作業媒体は、連続的に燃料を燃やすか、または蓄熱ヒータから熱を引くことによって、超臨界温度および圧力まで加熱される。作業媒体は、空所を有さず、またシリンダの膨張の後、シリンダ壁ポートを通じて排出される電磁気ピストン弁を経由して作業シリンダに送られる。電力が、制御している電子磁石から除去されるとすぐに、ばねはピストン弁を閉じる。この方法は、開始点および開口部の継続時間に関して、注入器バルブの動作の非常に良好な可撓性を可能にする。この特許において、圧力の下の熱水は、フラッシュ室ではなく、直接シリンダに注入される。この特許においてまた提案されるのは、加熱はされず加圧された水によってバルブを作動する方法である。これは、注入器の機械的な部分を冷却する機能を実行し、適切にその密封機構機能を保証する。
【０００５】
米国特許Ｎｏ．４，４２６，８４７（ドイツ公開公報Ｎｏ．３０４９０２４と同一である）は、外部の燃焼を有するピストン熱機関を記載し、ここで、エネルギーは、エンジンのシリンダに高温かつ高圧で液体の水の直接注入により作業領域に供給される。水は、熱交換をする役割を持つ。水の一部は注入の間、蒸発し、ピストンを動かす。液体の水はシリンダから除去され、注入の前に再加熱されるように外部の熱交換器に戻される。上述した配置のすべては、２工程サイクルの原則で機能しているピストンエンジンに関する。作動流体は、直接作業シリンダまたは物理的にシリンダと連結される予室に注入される一般に高圧の下の熱水である。引用された特許の本文において、注入器がどのように作動するか、または、主にクランクシャフトに取り付けられたカムまたはクランク配置によって、機械的に作動する注入器を記載する本文は、明示されていない。このような配置において、注入器ポンプは、注入の瞬間の直前に、水圧の増加を引き起こし、その後に水圧は、それから開く注入器のニードル弁に作用するバルブスプリングの抵抗性を克服し、シリンダまたは予室への注入の実行を可能にする。
【０００６】
上述したテキストは、主に水注入器とエンジンのクランクシャフトを連結する剛性機構によって生じるピストン蒸気機関の低い熱効率において起こるいくつかの障害および欠点によって特徴付けられる。これは、注入の継続時間および注入された作業媒体（水）の量を変化させるのを困難にする。
【発明の開示】
【０００７】
発明によれば、動作流体の注入器は、差動油圧がソレノイドを用いて達成される配置で、ばね圧力によって補助される差動油圧によって開閉される。これは、注入器の開閉が機械的または電磁気アクチュエータのいずれかにより直接影響を受けるような以前の特許において提案された不十分な解決法とは異なる。
【０００８】
発明によれば、注入器は、圧力によって熱い作動流体を予室またはフラッシュ室に注入し、直接シリンダに注入しない。これは、電磁気で制御された注入器が直接シリンダに水を注入する記載された従来技術とは逆である。
【０００９】
発明によれば、注入器はその動作において加圧され、熱せられていないサーボ流体をさらに利用する。これは、サーボ動力を提供する、ソレノイドを冷やす、ニードル弁ポジションセンサの電気要素を冷やす、および、熱い動作流体貯蔵部からの熱的な分離を提供するために利用される。
【００１０】
発明の本質は、注入器ノズル、注入器ニードル弁、注入器ニードル弁を制御するプランジャ、および、バルブを制御しているソレノイドを組み込む特に高効率ピストン・フラッシュ蒸気機関向けのピストン蒸気機関の動作流体注入器であって、高圧下かつ高温の動作流体は、動作流体貯蔵部に連続的に供給され、それに対して、高圧下のサーボ流体は連続的にサーボ流体貯蔵部に供給され、ノズルを閉じる注入器ニードル弁は、圧力面を形成するプランジャの上部がサーボ流体貯蔵部への供給開口部を経て連結される制御室の中に位置する動作流体貯蔵部およびサーボ流体貯蔵部を通過するプランジャに連結されることによって特徴付けられることである。プランジャは、サーボ流体貯蔵部に位置する圧力肩を形成する襟部を有し、一方で制御室は、流出連結管に連結される流出室にサーボ流体を導くブリード弁を有するブリードオリフィスを経て連結される。
【００１１】
動作流体のエンジンのフラッシュ室または作業シリンダへの注入の開始および継続時間は、制御室およびサーボ流体貯蔵部間の差動油圧によって制御される。制御室およびサーボ流体貯蔵部間の油圧の差異は、ブリードオリフィスと、供給槽にサーボ流体を導く流出連結管に交替で連結される流出室とを連結するブリード弁の開閉によって生じる。ブリードオリフィスと流出室を連結するブリード弁は、ソレノイドによって制御される。
注入器は、温度および動作流体貯蔵部に位置する圧力センサと適合する。注入器はまた、注入器ニードル弁ポジションセンサを有する。
【００１２】
注入器ニードル弁ポジションセンサは、サーボ流体貯蔵部に位置する。温度、圧力およびニードル弁ポジションセンサからの出力は、エンジンの動作を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）に送られる。ＥＣＵは、ソレノイドに制御信号を送る。ＥＣＵは、注入器の開口、または、エンジンの作動ピストンの上死点（ＴＤＣ）前の２０°からエンジンの作動ピストンの上死点（ＴＤＣ）後の１０°の範囲の一連の開口の瞬間を制御する。ＥＣＵは、クランクシャフト角変位の０°から１６０°までの注入または一連の注入の継続時間を制御する。注入器のプランジャは、サーボ流体貯蔵部の下の注入器の本体の中心部に位置する動作流体密封機構により注入器の本体に密封される。注入器のプランジャはまた、注入器のプランジャの上部および注入器の上部本体の間の注入器の本体の上の部分に位置するサーボ流体密封機構により注入器の本体に密封される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
発明によれば、注入器は、そのより低い部分においてノズル３、および、プランジャばね８によって注入器ノズル３のシートに対して封止される注入器ニードル弁１を有する。注入器ニードル弁は、動作の間、熱される材料の熱膨張によって生じる注入器ニードル弁１およびプランジャ２のわずかな不整列を可能にする特別なナックル継手によってプランジャ２に連結される。注入器本体に位置する注入器のプランジャ２は、熱水（動作流体）貯蔵部４、熱水封じ１９によって封止される注入器本体の上部を通過し、さらに冷水（サーボ流体）貯蔵部１０を通過する。その上端部で、プランジャ２は圧力面６によっておおわれる一方で、圧力面６の下で、プランジャは、冷水貯蔵部１０内で配置された圧力肩を形成する襟７を有する。冷水貯蔵部１０は、制御室１１のプランジャ圧力面６の上に位置する調整されたフィードオリフィス１２によってサーボ系制御室１１に連結される。制御室１１は、その針がソレノイド１４によって制御されるブリード弁１３を有する調整されたブリードオリフィス１５によって、注入器の上部で連結される。ブリード弁１３の流出物は、使用されたサーボ流出水を冷水槽に戻す流出連結管１６によって連結される流出室２１に流出する。温度および圧力センサ１８は、熱水貯蔵部４に位置し、これらは連続的に熱水貯蔵部の温度および圧力をモニタリングする。ニードル弁１ポジションセンサ１７は、冷水貯蔵部１０に位置する。ニードル弁ポジションセンサ１７は、永久に固定されたコイル、および、プランジャ２に固定する電機子からなる。プランジャ２の動きは、センサのコイル１７の磁界の変化として検出される。温度および圧力センサ１８および注入器ニードル弁１のポジションセンサ１７からの出力は、エンジンの動作を最適化する目的を有して電子制御装置（ＥＣＵ）に送信される。
【００１４】
注入された水を置き換えかつ水の蒸発を妨げるために貯蔵部内の圧力を十分なレベルに維持する目的を有して、圧力下にある熱水は、接続５を通じて連続的に熱水貯蔵部４に供給される。
【００１５】
プランジャ２および注入器のニードル弁１の軸方向の移動は、プランジャばね８のばね圧力と結合してプランジャ２のプランジャ圧力面６およびプランジャ２の圧力肩７上に作用する差動油圧によって、誘発される。これが生じるサーボ機構は、冷水（サーボ流体）貯蔵部１０に供給される冷たい加圧された水の連結管９からなる。冷水貯蔵部１０は、フィードオリフィス１２を通じてサーボ機構の制御チャンバ１１を供給する。ソレノイド１４によって制御されたブリード弁１３が閉じられた場合、サーボ機構の制御室１１の圧力は冷水貯蔵部１０の圧力に近いかまたは等しく、プランジャ２の圧力面６上の圧力はプランジャ２の圧力肩７上の圧力に等しい。ブリード弁１３が開く場合、サーボ機構の制御室１１は、ブリードオリフィス１５を通じて水を解放する。
【００１６】
ブリードオリフィス１５と同様にフィードオリフィス１２は調整されるので、ブリードオリフィス１５を通じた冷水の流出はフィードオリフィス１２を通じた水の流入より大きい。これは、サーボ機構の制御室１１の水圧の落下の理由であり、注入器のノズル３のニードル弁１と共にプランジャ２の動きを引き起こし、注入器のノズル３を開けるように交替でプランジャ２の圧力面６上の圧力を下げる。ノズル３が開けられるたびに、メーターで測定された量の加圧された水は熱水貯蔵部４から放出され、この水は、フラッシュ室に、または、直接高度に霧状にされた液滴の形で作業シリンダに注入される。ブリード弁１３を通じて放出された水は、流出連結管１６によって冷水の水槽に導かれる。
【００１７】
注入の開始点または一連の注入はピストンの上死点（ＴＤＣ）に関して測定され、上死点（ＴＤＣ）の前から２０°および上死点（ＴＤＣ）の後の１０°の間で変化する。注入の継続時間または一連の注入はクランクシャフト角変位の度合いで測定され、０°から最高１６０°まで変化する可能性がある。実際の開始点および継続時間は、動力需要およびエンジンのトルク必要条件によって変化する。
【００１８】
注入器は、連続的に熱水貯蔵部４の状態をモニタリングする温度および圧力センサ１８を備え、さらにニードル弁１のポジションセンサ１７は、固定された静止コイルおよびプランジャ２に取り付けられた電機子からなる。プランジャの動きは、この手段によって、センサ１７のコイルの磁界の変化として検出される。これらのセンサの出力は、エンジンの動作を最適化するために電子制御装置（ＥＣＵ）に供給される。
【００１９】
注入器のノズル３のニードル弁１に連結されるプランジャ２は、注入器の３つの領域：熱水貯蔵部４、冷水貯蔵部１０およびサーボ機構の制御室１１を通過する。熱水封１９および冷水封２０は、これらの３つの領域間の効果的な隔離を提供する。
【００２０】
サーボ機構からの供給とは別の冷水の流動は、隣接した熱水貯蔵部４の高温から熱水封１９を保護する。これは、密封機構１９の適切な場所によって達成される。冷たい水も電気要素（基線センサ・コイル１７さらに注入器に位置するソレノイド１４）のための冷却媒体として作用し、注入器を囲む熱い外部の要素からそれらを保護する。
【００２１】
注入器の動作は、５段階に分割されることができる：
１．エンジンは作動していない‐注入器は閉じている：
エンジンが作動していないので、送水ポンプは作動せず、それゆえに、システム内で油圧は存在しない。注入器の要素に作動している唯一の圧力源は、プランジャばね８の圧力およびソレノイドばね２２の圧力である。
【００２２】
２．エンジンは作動している‐注入器は閉じている：
エンジンが作動しているので、送水ポンプは、熱水貯蔵部４に加圧された熱水、および、冷水貯蔵部１０に加圧された冷水を供給する。ソレノイドは作動していないので、ブリード弁１３はブリードオリフィス１５を閉じる。この時に、サーボ制御室１１の圧力は、冷水貯蔵部１０の圧力に近い。プランジャ２上のプランジャばね８によって出される圧力と共に、プランジャ２の圧力面６に出される圧力は、圧力肩７に出され、ノズル３を閉じるように保つ圧力を克服する。それゆえに、ノズル３は閉じたままである。
【００２３】
３.エンジンは作動している‐注入器は開いている‐注入の開始：
ソレノイド１４は、ソレノイド１４によって生じる力はソレノイドばね２２の力を克服し、ブリード弁はすぐに開くことを確実にする電子制御装置（ＥＣＵ）からの高い初期電流を備える。その高い初期電流は、ソレノイド１４が電機子を保持するのに十分なレベルにほとんど近いほど減少する。電流のこのような減少は、活性化後、ソレノイドの磁性の空隙は相当に小さいという事実によって可能である。ブリードオリフィス１５が開く場合、冷水は、流入室２１へブリード弁を経由して制御室１１から流れ、そこから、流出連結管１６を経て、水（サーボ流体）槽に戻る。ブリードオリフィス１５の開口部は、サーボ制御室１１の圧力をプランジャ２の圧力肩７に出される圧力以下に低下させる。プランジャ２の圧力面６およびプランジャ２の圧力肩７間の差圧は、プランジャ２のプランジャばね８によって出される圧力に克服するのに十分である。注入器のノズル３のニードル弁１が開き、作業シリンダまたはフラッシュ室への熱水の注入は開始する。
【００２４】
４．エンジンは作動している−注入器は全開である：
注入器ノズル３が開く速度は、ブリードオリフィス１５およびフィードオリフィス１２を通じた流動間の違いによって制御される。ブリードオリフィス１５およびフィードオリフィス１２間の流動によって形成された水のクッションによって止められるまで、注入器のプランジャ２は上方へ移動する。注入器のノズル３はここで完全に開けられ、熱水は、熱水貯蔵部４および熱水供給システム圧力に近い圧力でフラッシュ室または作業シリンダに注入される。
【００２５】
５. エンジンは作動している−注入器は閉じている−注入の終わり：
ソレノイド１４を通じた電流の流れが中断するとすぐに、ソレノイドばね２２は、ブリード弁１３のブリード弁ニードル弁２３を下方に移動させ、ブリード弁１３はブリードオリフィス１５を閉じる。ブリードオリフィス１５の閉鎖は、フィードオリフィス１２を経た冷水貯蔵部１０の水の流入の結果であるサーボ制御装置室１１の圧力の増加を引き起こす。サーボ制御室１１の圧力が、（プランジャ２のプランジャばね８およびプランジャ２の圧力肩７に作用している油圧から）プランジャ２に作用する対向する力の総計を克服する十分なレベルまで上がる場合、注入器のノズル３の注入器ニードル弁１は閉じ、注入が終わる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
ピストン蒸気機関のための注入器の動作流体は、発明によれば、自家動力、携帯型および固定されたマシンに動力を供給するピストン蒸気機関と同様に、外部の燃焼ピストン蒸気機関において、特に陸地での車両、海洋船および航空機を動かす目的のピストン蒸気機関における産業上の適用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
本発明による動作流体ピストン蒸気機関の注入器は、添付の図面においてその最高の形状で表される
【図１】注入器の部分的な概略的な形状を表す。
【図２】フラッシュ室への動作流体注入の開始および継続時間を示すタイミング図を表す。
【図１】
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【図２】
2008513669.tif 000004
【国際調査報告】
2008513669.tif 000005
2008513669.tif 000006
2008513669.tif 000007