(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮されるガスを含む圧縮室と、前記圧縮室内の圧縮ピストンの運動によって前記ガスを圧縮する圧縮ピストンと、圧縮されたガスを前記圧縮室から引き出させるための弁手段と、圧縮中に前記ガスから熱を吸収するために前記圧縮室に液体を噴霧するための噴霧器と、加圧された液体供給源と、前記液体供給源から前記噴霧器に液体を供給するように配設されたダクトとを備えたガス圧縮機であって、前記液体供給源は、第１ダクト及び第２ダクトを介して前記噴霧器に接続されており、前記第１ダクトにおける液体の流れは第１制御弁により制御するように構成されており、前記第２ダクトにおける液体の流れは第２制御弁により制御するように構成されており、前記第１制御弁よりも上流において前記液体供給源及び前記第１ダクトは第３ダクトの上流端に接続されており、当該第３ダクトの下流端は前記第１制御弁及び前記第２制御弁の間において前記第２ダクトに接続されており、前記第３ダクトは、その中を流れる液体の慣性が前記第１ダクトを流れる液体の慣性よりも大きくなるよう寸法設定されている、ガス圧縮機。
【請求項２】
前記圧縮ピストンが上記圧縮室において下死点から上死点に移動する過程において、前記第１制御弁が閉じた状態で先に前記第２制御弁が開き、当該第２制御弁が開いた状態のままで、その後に前記第１制御弁が開くように構成されている、請求項１に記載のガス圧縮機。
【請求項３】
前記液体供給源が圧縮ガスによって加圧された液体の貯蔵器を含む、請求項１または２に記載のガス圧縮機。
【請求項４】
前記貯蔵器内の前記液体を加圧するために前記圧縮室から加圧ガスを供給するように配設された手段をさらに含む、請求項３に記載のガス圧縮機。
【請求項５】
前記貯蔵器がアキュムレータであり、前記アキュムレータの上流で前記圧縮室からガスおよび液体を受け取る分離器と、前記分離器内の液体を前記アキュムレータに供給する手段と、前記分離器から前記アキュムレータへ供給される前記液体を冷却する冷却器とをさらに含む、請求項３または４に記載のガス圧縮機。
【請求項６】
前記液体供給源から前記第３ダクトを介して前記噴霧器と並設された追加の噴霧器へ液体を供給する第４ダクトと、当該第４ダクトにおける液体の流れを制御する第３制御弁とをさらに含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載のガス圧縮機。
【請求項７】
前記第４ダクトは、その中を流れる液体の慣性が前記第３ダクトを流れる液体の慣性よりも小さくなるように寸法設定されている、請求項６に記載のガス圧縮機。
【請求項８】
前記第３ダクトの下流端は、前記第４ダクトにも接続される分岐ダクトを介して前記第２ダクトに接続されている、請求項６に記載のガス圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ガス圧縮機に関し、特に、圧縮中のガス温度を制御するために液体が圧縮室内に噴霧される往復ガス圧縮機に関する。
【０００２】
圧縮の熱を吸収する手段として圧縮シリンダ内に液体を噴霧する概念は多数の刊行物に記載されており、当業界で「湿式圧縮」と呼ばれる。該技術は、液体を微細な液滴の霧に分割するノズルを通してシリンダ内に液体を噴霧することを含む。液滴はガス空間を移動し、最終的にシリンダ表面に衝突する。ガス空間内にある間、液滴は、圧縮されるガスと密着接触しかつ大きい表面積を持ち、熱をガスから効率的に引き出すことが可能なヒートシンクとなり、それによってガスの温度上昇を制限し、圧縮に要する仕事を低減する。
【０００３】
噴霧液は、例えば英国特許第７２２５２４号、フランス特許第９０３４７１号および国際特許公開第ＷＯ９８／１６７４１号に開示されているように、機械的容積型ポンプによってノズル（単数または複数）を通して噴射することができる。他方、噴霧液は、ドイツ特許第３５７８５８号に開示されるように、圧縮機からの圧縮ガスによって噴射することもできる。本文書に記載された圧縮機は、圧縮シリンダから引き出された圧縮ガスおよび噴霧液を一時的に貯蔵するアキュムレータを含む。アキュムレータの下部は噴霧液を冷却するために熱交換器に接続され、熱交換器の下の冷却された液体を含む貯蔵器はダクトによって圧縮シリンダの噴霧オリフィスに接続される。液体噴霧は、能動制御機構無しでアキュムレータ内の圧力によって駆動されかつ制御される。液体は空気吸込みおよび圧縮の両方の工程中にシリンダ内に噴霧され、圧縮シリンダ内の圧力がアキュムレータ内の圧力に達したときに停止する。
【０００４】
圧縮機からの圧縮ガスは、追加の機械的ポンプの必要性を無くすことによって、圧縮シリンダ内へ液体を噴射するための魅力的駆動手段を提供するが、この方法の欠点は、容積型ポンプによって得られる制御に比較して、シリンダ内への流量に対してもたらす制御が低減されることである。例えば、アキュムレータ内の圧力は圧縮シリンダ内の最終圧力に限定される。また、噴霧液を噴射するために利用可能な圧力はアキュムレータ内の圧力とシリンダ内の圧力の差であり、この差は圧縮行程にわたって低減し、シリンダ圧力がその最終値に近づくと急速に零まで降下する。したがって、噴霧ノズル前後の圧力差に依存する流量もまた圧縮行程にわたって低下し、シリンダ圧力がその最終値に近づくと急速に降下する。しかし、熱の大部分は圧縮の終わりに向かって放出され、したがって、高まる冷却要求を満たすために、流量は圧縮中に高まることが必要である。この要件は容積型ポンプを用いることによって満たすことができるが、それは噴射圧力および流量をシリンダ圧力とは独立して制御させるので、本解決策は追加の機器および動力源が関与する。
【０００５】
ディーゼルエンジンでは、液体噴射システムを使用して、サイクル中にシリンダ内の燃焼空気が高圧になった時点で、制御された量の液体燃料を燃焼シリンダ内に噴射する。燃料噴射は一般的に、要求される高い噴射圧力を達成するために、カム作動式機械的ポンプによって駆動される。別の方法として、燃料を共通加圧貯蔵器に揚送し、次いで小型の超高速作動弁によって各シリンダ内に次々に流入させる「共通レール噴射」が使用される。つい最近では、「水撃」効果を用いて燃料噴射を駆動することが提案された。C. StanおよびE. Hilligerの「Pilot Injection System for Gas Engines using Electronically Controlled Ram Tuned Disel Injection」（ＣＩＭＡＣコングレス１９９８、コペンハーゲン、１４２９〜１４３８頁）は、ディーゼル燃料が循環する閉ループ回路と、入力端が該回路内に付けられた燃料噴射器と、該噴射器との接続部の下流で前記回路に配置された燃料の流動を制御するための電子制御弁とを備えたガスエンジン用のパイロット燃料噴射システムを記載している。噴射器を作動するために、弁が開き、燃料ポンプおよび蓄圧器を含む圧力源によって燃料が回路内に追い込まれる。この段階では、回路内の燃料の圧力が噴射器のしきい圧力未満であるので、燃料は噴射されない。噴射器を作動するために、弁は急速に閉じ、回路内の流動を突然遮断し、燃料を、噴射器を通して噴射するのに充分な圧力波および急激な圧力の増加を発生させる。ピーク圧力はとりわけ弁が閉じる直前の回路内の液体の最終速度に依存し、それは、弁が開いている期間を変化させることによって変化させることができる。圧力波の持続時間は一定しており、圧力振幅とは独立しているので、該システムは、流体回路の圧力を変えることによって噴射量を簡便に制御することができる。しかし、本システムは、噴射持続時間も噴射プロファイルも容易には制御できず、機械的ポンプの作動を必要とする。
【０００６】
本発明では、圧縮されるガスを含む圧縮室と、圧縮室内の圧縮ピストンの運動によってガスを圧縮する圧縮ピストンと、圧縮ガスを圧縮室から引き出させるための弁手段と、圧縮中にガスから熱を吸収するために圧縮室に液体を噴霧するための噴霧器と、加圧された液体供給源と、加圧供給源から噴霧器に液体を供給するように構成されたダクトとを備えたガス圧縮機であって、供給源が噴霧器を通して圧縮室内に送られる液体を加速させるように構成され、圧縮中に噴霧器を通る質量流量の加速率を制御するために、ダクトの寸法がその中の液体の慣性を画定するような大きさに作られ、供給源と圧縮室との間の圧力差が高いときには圧縮室内への液体の流量が実質的に低下し、供給源と圧縮室との間の圧力差が低いときには実質的に高くなるようにしたガス圧縮機を提供する。
【０００７】
有利なことに、本発明は、加圧供給源と噴霧器との間の流路内の液体の慣性を使用して圧縮室内への液体の流量を制御する。例えば、圧縮中に噴霧器を通る液体の加速率および減速率を制御するように慣性を画定することができる。こうして、加圧された供給源と圧縮シリンダとの間の圧力差は大きいが発熱率が低い、圧縮の初期段階では、噴霧器を通る液体の加速率を節制または制限し、圧縮室への液体の流量を制限するように、液体の慣性を画定することができる。有利なことに、これにより、圧縮の早期段階で要求される控え目な熱吸収力を提供するのにちょうど充分な量の液体だけがガス中に存在するように、流量を制御することが可能になる。有利なことに、慣性はエネルギーを消費したり、消散することなく質量流量を低減する手段を提供し、エネルギーは液体に貯蔵され、圧縮室内の圧力の増加に抗して、液体を噴霧器を通して追い込み続けるために使用される。慣性はまた、圧力がその最終値に近づいたときに圧縮室内の圧力およびしたがって圧縮の熱が急速に上昇するまで、噴霧器を通る最高流量を遅延させる手段をも提供する。高流量時には流動抵抗が急激に増加するので、流量の増加はある程度制限される。さらに、慣性は噴霧器を通る液体の減速率をも制御する。例えば、高い慣性は、圧縮の終わり付近で、加圧された供給源と圧縮室との間の圧力差の減少にもかかわらず、流れを比較的高い流速に維持させる。
【０００８】
上記の通り、液体の加速および減速に対する制御の程度は、慣性を画定することによって提供される。しかし、流動制御を増強するために、弁を設けて噴霧器を通る流れのタイミングを制御することが好ましい。したがって、弁を使用して、空気吸込み期間中は圧縮室内に水が噴射されるのを防止することができる。この時間中、熱は発生せず、効率的な冷却を行わない水の噴射は単に、この水をシリンダから高圧で追い出すために圧縮機のピストンによって仕事をしなければならないので、寄生動力損失を増加するだけである。弁により、効率的な熱伝達が発生し得るところまで圧縮下の空気の温度が上昇するまで、噴射の開始を遅延させることができる。高速で作動する圧縮機では、温度が上昇し始めたときにシリンダ内に水を分散させるために、空気吸込み期間中に水の噴射を開始することが得策であるかもしれない。この場合にも、最小限の水の利用による有益な冷却効果を最大にするために、弁を使用して噴射の開始を制御することができる。弁はまた、圧縮期間の終わりに流れを迅速に停止させるためにも使用することができる。これは、管内の流れの運動エネルギーの一部を失わせるかもしれない。しかし、噴射が不必要に空気放出期間にまで延長されるのを防止する。
【０００９】
ダクト内の液体の慣性はその長さに比例し、それによって画定される流路の断面積に反比例し、したがって慣性はこれらのパラメータに従って簡便に制御される。
【００１０】
ダクトの寸法は、ピストンを駆動する基準クランクシャフトのクランク角が少なくとも３０°、より好ましくは少なくとも４５°、最も好ましくは少なくとも６０°の期間中に、噴霧器を通る質量流量が増加するように慣性を画定するような大きさに作られることが好ましい。
【００１１】
有利なことに、本発明は、容積型ポンプを必要とせずに、かつ圧縮室から引き出される圧縮ガスより高い圧力の圧縮源を必要とせずに、圧縮中に流量を制御することを可能にする。便利なことに、加圧された供給源は、圧縮ガスによって加圧された液体の貯蔵器を含むことができ、便利なことに、加圧ガスは圧縮室によって供給することができる。
【００１２】
該貯蔵器はアキュムレータであることが好ましく、該圧縮機は、アキュムレータの上流にあり圧縮室からガスおよび液体を受け取る分離器と、分離器内の液体をアキュムレータに供給する手段と、分離器からアキュムレータに供給される液体を冷却する冷却器とをさらに備える。アキュムレータの使用によりポンプシステムは上流回路から隔離される。それが無ければ、上流配管の慣性が噴霧器を通しての揚水に影響を及ぼす。さらに、別個のアキュムレータと分離器を設けることによって、圧縮室で吸収された熱を液体から抽出するために設ける冷却器のために空間が得られる。
【００１３】
貯蔵器から噴霧器へ液体を供給するために、さらなるダクトを設けることが好ましい。さらなるダクトの寸法は、その中の液体の慣性が、第１ダクトの寸法によって画定される慣性とは異なるように画定されるような大きさに作られることが好ましい。さらなるダクト中の液体の流れを制御するために、さらなる弁を設けることが好ましい。本構成により、弁およびさらなる弁の制御下で、慣性が低い方のダクトは、より高い質量を噴霧器に早く通過させるために使用することができ、慣性が高い方のダクトは、より高い流量を噴霧器に遅れて通過させるために使用することができる。
【００１４】
ガス圧縮機は液体を圧縮機内に噴霧するための追加の噴霧器をさらに含むことができ、追加の噴霧器を通る流れがさらなる弁によって制御される。本構成は、噴霧器がピストンの運動の方向に変位した圧縮室内の様々な位置の方向に液体を向けるように配設されたときに、特に有利であるかもしれない。例えば、１つの噴霧器は圧縮室の端に隣接した容積内に液体を噴霧するように配設することができ、他の噴霧器は圧縮室の端から間隔をおいて配置された容積内に液体を噴霧するように配設することができる。異なる慣性を持つダクトを使用して異なる噴霧器に給水することにより、圧縮期間中に個々の噴霧器を通る流量が異なることができるように、噴霧器を通して圧縮室内に入る液体の流量を個々に制御することが可能である。
【００１５】
上記の通り、該ダクトおよびさらなるダクトを相互に全く別個に設けることができる。しかし、それらを分岐ダクトによって接続することが好ましい。これにより、一方の噴霧器を通る流れを遮断することができ、それにより、遮断された噴霧器への流れは分岐ダクトを通して他方の噴霧器に向けられる。こうして、一方の噴霧器が圧縮機ピストンで覆われたときに、分岐ダクトの上流の水の運動エネルギーの恩恵を損ねることなく、本噴霧器を遮断することができる。分岐ダクトを使用する場合、弁およびさらなる弁は分岐ダクトの下流に置き、ダクトの一方に分岐ダクトが結合する場所の上流で該ダクトに第３弁を設けることが好ましい。通常、第３弁は低い方の慣性の上流ダクト内に配置される。この場合、第３弁は、低い慣性のダクトの流れが開始されるポイントを制御する機能を引き受ける。
【００１６】
また、本発明では、圧縮中にガス圧縮機内のガスの温度を制御する方法であって、該ガス圧縮機が、圧縮されるガスを含む圧縮室と、圧縮室内の圧縮ピストンの運動によってガスを圧縮する圧縮ピストンと、加圧された液体供給源と、加圧供給源から圧縮室へ液体を供給するように配設されたダクトとを備えており、供給源にダクトを通る液体を加速させることによって圧縮室内に液体を噴霧するステップと、供給源と圧縮室との間の圧力差が高いときには圧縮室内への液体の流量が実質的に低減され、供給源と圧縮室との間の圧力差が低いときには実質的に増加されるようにダクト内の液体の慣性が画定される寸法にダクトを作ることによって、圧縮中の圧縮室内への質量流量の加速率を制御するステップとを含む方法を提供する。
【００１７】
代替的に、本発明は、その最も広い意味で、圧縮されるガスを含む圧縮室と、圧縮室内の圧縮ピストンの運動によってガスを圧縮する圧縮ピストンと、圧縮ガスを圧縮室から引き出させるための弁手段と、圧縮中にガスから熱を吸収するために圧縮室に液体を噴霧するための噴霧器と、加圧された液体供給源と、加圧供給源から噴霧器に液体を供給するように構成されたダクトとを備えたガス圧縮機であって、供給源が噴霧器を通して圧縮室内に送られる液体を加速させるように構成され、圧縮中に噴霧器を通る質量流量の加速率を制御するために、ダクトの寸法がその中の液体の慣性を画定するような大きさに作られ、圧縮室の圧力が供給源の圧力より高いときには液体を圧縮室内に噴射できるようにしたガス圧縮機と定義することができる。
【００１８】
供給源と圧縮室との間の負の圧力勾配に抗して液体の噴射を可能にするために、本発明は、圧縮室の圧力およびしたがって燃焼熱がその最高状態となるピストン行程の後半部付近で液体を噴射することができる。
【００１９】
本発明のこの態様は、圧縮中にガス圧縮機内のガスの温度を制御する方法であって、該ガス圧縮機が、圧縮されるガスを含む圧縮室と、圧縮室内の圧縮ピストンの運動によってガスを圧縮する圧縮ピストンと、加圧された液体供給源と、加圧供給源から圧縮室へ液体を供給するように配設されたダクトとを備えており、供給源にダクトを通る液体を加速させることによって圧縮室内に液体を噴霧するステップと、圧縮室の圧力が供給源の圧力より高いときに液体が圧縮室内に噴射されるように液体の慣性が画定される寸法にダクトを作ることによって、圧縮中の圧縮室内への質量流量の加速率を制御するステップとを含む方法にも敷衍する。
【００２０】
【００２１】
本発明の第１態様に関連して好適な特徴は、上記で提起した本発明の代替定義にも同等に適用される。
【００２２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
図１および２は、液体の供給源が圧縮機の排気圧力であり、かつ加圧供給源と噴霧ノズルとの間の流路内の液体の慣性が無視できるほど小さい場合のクランク角の関数としての噴霧ノズルの流量および噴霧ノズル前後の圧力の例をそれぞれ示す。圧縮ピストンは−１８０°のクランク角で下死点にあり、０°のクランク角で上死点にあり、この例では−３０°のクランク角で吐出し弁が開く。圧縮中に圧縮室内の圧力は上昇するので、最大液体噴射率は、これらの図に示す通り、圧縮プロセスの開始時に、すなわち−１８０°のクランク角で発生する。該圧縮機は上死点より約３０°前で所望の圧力に達し、この位置から先では、圧縮室内の圧力は加圧液体供給源と同じである。したがって、加圧供給源と圧縮室との間の差圧およびしたがって流量は零に低下し、その位置から上死点まで零に留まる。
【００２４】
しかし、この型の噴射プロファイルは、近等温圧縮を確保するためには最適でないかもしれない。往復圧縮機では、圧縮仕事の大部分は圧縮行程の終わり付近で行われ、そのとき圧力は急速に上昇し、それに伴って圧縮熱の発生率が急速に上昇する。したがって、シリンダ内の圧力がその最終値に近づくときに、圧縮室中を通過する噴射液体の冷却力およびしたがって冷却液の質量が、熱エネルギーの急速な増加を吸収するのに充分であることが重要である。しかし、図１では、液体噴射率は、圧縮の終わり付近で急速に低下する。また、図１で、圧縮仕事およびしたがって発熱が比較的低く、噴霧液滴によってもたらされる大きい冷却力が必要ない圧縮の初期段階では、流量が高い。圧縮の処理段階中は弁を使用して流量を制限することができるが、弁はエネルギーを消散させ、それは望ましくない。また、このような弁の使用は、プロセスの後の方で供給源とシリンダとの間の圧力差がずっと小さくなったときに噴射率の助けにならない。
【００２５】
図３および４は、加圧供給源とノズルとの間の流路が流量のプロファイルを変化させるのに充分な慣性を持つ場合のクランク角の関数としての噴霧ノズルの流量および噴霧ノズル前後の圧力の例をそれぞれ示す。再び、加圧供給源は圧力室の最終圧力と同じ圧力であり、吐出し弁は上死点より前に約３０°で開く。図３では、流路内の液体の慣性が曲線ＡからＣの間で増加し、図４では圧縮の後半の段階で噴霧ノズル前後の圧力差が曲線ＤからＦまで増加する。図３および４を参照すると、ガス圧が液体に作用するので、流路内の液体が加速される率は、慣性の増加と共に減少する。したがって、圧縮の早期段階で流れが始まるときに、慣性は、流量および噴霧ノズル前後の差圧を低減することによって、効果的な圧力降下を引き起こす。こうして、慣性を使用して、圧縮中に噴霧器を通る液体流量の増加率を制御することができる。
【００２６】
配管および噴霧器による抵抗損失もまた、加圧供給源と圧縮室との間の圧力降下を生み出す。これにより、圧縮室が供給源圧力に達する前に液体は減速し始め、この効果は図３で、上死点より前に３０％で吐出し弁が開く前に低下する流量によって示される。しかし、圧縮室の圧力の増加によって生じる減速中に、液体の慣性は減速率を低下し、慣性が無い場合に比較して噴霧器前後の差圧の有効な増加を生み出し、それによって、圧縮室の圧力がその最終値に近づくときに噴霧器の比較的高い質量流量を維持し、かつガス圧がその最終値に達した後に圧縮室への質量流量を維持する。
【００２７】
長さＬおよび内部断面積Ａのダクト内の液体の慣性Ｉは、式Ｉ＝Ｌ／Ａによって与えられる。
【００２８】
慣性によるダクトに沿った圧力降下は次式の通りである。
Ｐ2−Ｐ1＝Ｉ  ｄＷ／ｄｔ  ｍ-1
ここでＷはｋｇ／秒単位の質量流量、
Ｐは圧力（Ｎ／ｍ2）である。
【００２９】
こうして、液体が圧力供給源によって加速されているときに、慣性は有効な圧力降下および質量流量の加速の低下を引き起こし、圧縮室内の圧力上昇および配管の摩擦損失によって液体が減速されているときに、慣性は液体を減速力に反して作用させ、有効な圧力増加を引き起こす。
【００３０】
ダクトの長さまたは内径を変えるとダクトの抵抗にも影響するので、慣性の効果は噴射プロファイルの形を変化させる一方、抵抗は噴霧器の圧力降下および流量の両方の大きさに影響する。
【００３１】
図５は、加圧供給源と圧縮室との間の接続ダクト内の液体がどちらの場合も同様の慣性を持つ２つの場合を示すが、下の曲線Ｈは曲線Ｇよりずっと高い流動抵抗およびしたがってより低い流量およびより低い噴霧器圧力降下を持つ。
【００３２】
抵抗はダクトの長さに比例し、ダクト径の５乗に反比例するので、慣性とは異なる仕方で変化する。したがって、適切なダクトの断面積および長さを選択することにより、かつ弁の開閉時間の選択により、所望のプロファイルを得ることができる。流量はまた、貯水器からの圧力を絞ることによっても低下させることができ、それは慣性特性に悪影響を及ぼすことなく流量抵抗を上昇させる方法を提供する。
【００３３】
流量を絞り、あるいは高い流動抵抗を持つと、液体供給システムの損失を導く。液体供給貯蔵器が高圧になり、常時この全圧を噴霧器に使用することは望ましくないので、これは時には受け入れられる。しかし、行程の終わり付近で、損失は最小化し、慣性効果を使用して優れた圧力降下および流量を確実にしなければならない。損失を最小かするために、ダクトの断面積を小さくしすぎてはならず、したがって高い慣性を確実にするために、配管およびダクトの長さは比較的長くする必要がある。
【００３４】
本発明の一例を今から図６に関連して説明する。シリンダ１は、往復圧縮ピストン３によってガスが圧縮される圧縮室２を画定する。圧縮されるガスは、ガス入口弁５の制御下でガス入口管路４を通して圧縮室２内に供給される。
【００３５】
圧縮動作中、水が微細水滴の噴霧として、縦方向に間隔配置された上部６および下部７環状ノズルマニホルドを通して噴射される。ノズルの構成については、国際特許公開第ＷＯ９６／１６７４１号により詳細に記載されている。
【００３６】
低温圧縮ガスは噴射された水と一緒に、ガス出口弁９の制御下で圧縮室２からガス出口管路８を通して引き出される。圧縮ガスおよび水は分離器１０に送られ、そこでガスと水は分離される。ガスはその後の加熱および膨張のために管路１１を通して除去される。水は熱交換器１２に送られ、そこで冷却される。回収された熱はサイクルの別の部分で、または空間暖房のために使用することができ、あるいは排出することができる。熱交換器１２を出た水はアキュムレータ１３に送られる。圧縮可能ガスを含んでいるアキュムレータ１３は、慣性管系内に短時間高流量を送り出すことができる。本アキュムレータは慣性流動を提供する配管の上流限界として働く。
【００３７】
液体は、以下で述べる通り、ダクトおよび弁のシステムを通してノズルマニホルド６、７に送られる。第１ダクト１４はアキュムレータ１３を、上部ノズルマニホルド６に通じている第２ダクト１５に接続する。第１ダクト１４内の流れは第１制御弁１６によって制御され、第２ダクト１５内の流れは第１制御弁の下流の第２制御弁１７によって制御される。第１ダクト１４は比較的低い慣性を持つので、弁１６が開くときに、第１ダクト１４内の流れは急速に加速する。第３ダクト１８は、比較的高い慣性を持ちアキュムレータ１３から通じている大きいＵ字形曲管から成り、第３ダクト１８より長さの短い第４ダクト１９は第３ダクト１８を下部ノズルマニホルド７に接続する。第４ダクト１９内の流れは、第３制御弁２０によって制御される。第３ダクト１８の流れは第１ダクト１４の流れより早く始まり、したがって第２制御弁１７および第３制御弁２０によって制御されるので、第３ダクト１８には弁は必要無い。分岐ダクト２１は第１ダクト１４および第２ダクト１５を第３ダクト１８および第４ダクト１９に接続する。
【００３８】
第１ないし第３制御弁１６、１７、２０は、流体スプール弁などの高速作動弁である。他方、シリンダ１の弁５、９は一般的にポペット弁である。
【００３９】
噴射が始まる前に、２つの制御弁１６、１７、２０は全て閉じる。噴射は通常、第２制御弁１７および第３制御弁２０の両方を開くことによって、圧縮の開始直後に開始される。これは、図７Ａおよび７Ｂに−１６５°付近から始まるように示されている。制御弁１７、２０は同時に開くことができ、あるいは一方を他方より前に開くことができる。例えば、水がシリンダ１の下部まで浸透するための時間がより多く得られるので、第３制御弁２０を先に開くことができる。したがって、圧縮の早期部分の間に、両方のノズルマニホルド６、７に水が流れ、図７Ｂに示すように流量が上昇する。第１制御弁１６はこの時点でまだ閉じているので、第３ダクトの高い慣性のため、流量は比較的ゆっくりと上昇する。
【００４０】
ピストン３がシリンダ１内を上昇するにつれて、仕事率およびしたがってシリンダ１への熱入力が増加する。したがって水噴射率をより急速に増加することが望ましくなり、したがって約−１３０°で第１制御弁１６が開く。第１制御弁１６の上流の第１ダクト１４は低い慣性を持つので、両方のノズルマニホルドへの流量が急速に増加する。図７Ｂは、アキュムレータ１３からの直接経路が１つ多い上部マニホルド６で特に、その結果生じる流量の増加を示す。第１制御弁１６を開くことによってもたらされる流量の上昇は、ノズルおよび関連配管からの増加する流動抵抗を克服するのに役立つ。
【００４１】
圧縮段階の終わり近くで、仕事および熱入力がその最大限に近くなるとき、ピストン１は下部ノズルマニホルド７からの流れを妨害し始め、あるいは完全に遮断する。これは一般的におよそ−５０°のクランク角のときである。下部マニホルド７からのさらなる水の噴射は、その大半が単にピストンに当たるだけであって冷却には有意に貢献しないので、無駄になる。この時点で第３制御弁２０は閉じて、下部マニホルド７への流れを遮断する。これはまた、水を全部上部ノズルマニホルド６に流させる効果も持ち、図７Ａに示すようにこの圧力の上昇をもたらす。またこの図から明らかな通り、この段階後の下部マニホルド７はシリンダの圧力に従動するだけである。この時点で上流のダクト１４、１５、１８、１９、２１にはまだ有意の運動エネルギーがあるので、第３弁２０を閉じると、シリンダ１の頂部の比較的狭い空間に流れを向かわせるように配設された上部マニホルド６のノズルへの流量にさらなる上昇がもたらされる。第３弁２０を閉じることによって生じる圧力上昇は、急速に上昇するシリンダの圧力に打ち勝つのに充分であり、したがって図７Ａに示すように−３０°で圧縮が終わるまで、上部マニホルドへの高い流量が延長される。シリンダの圧力が供給源の圧力より高くなっても、上死点の前の４０°から２０°の間のクランク角で水が噴射される程度まで圧力は上昇する。
【００４２】
吐出し弁９が開いたとき、水撃による容認できない圧力を生じることなく、水流をできるだけ迅速に遮断することが望ましい。これは、第２制御弁１７を適切な時間スケールにわたって閉じることによって行うことができる。最後に、次のサイクルの準備のために、第１制御弁１６も閉じられる。
【００４３】
本実施形態は、液体の噴射を駆動する圧力源として分離器１０内の圧縮空気を使用していることに留意されたい。しかし、従来のポンプなど、別の源からポンプシステム用の圧力を導出することも同等に可能である。他方、アキュムレータ１３の機能は、分離器とアキュムレータとの間の全ての上流配管の慣性が慣性ポンプシステムの挙動に影響しないように、圧力変動を均すことである。おそらく、アキュムレータは従来のポンプを使用する代替システムでも必要とされるであろう。
【００４４】
冷却器としての熱交換器１２およびアキュムレータ１３の代替例として、タンク１０の底部に冷却器を設けることが可能である。これは冷却液がその中を流れるコイル管の形を取ることができる。この構成は、熱交換器１２の必要性を排除するだけでなく、アキュムレータ１３の必要性も無くすることができる。この場合、依然として必要な慣性を提供するように配管を構成することができるように、分離器１０はシリンダ１に充分に接近していなければならない。
【００４５】
図６は、第３ダクト１８によって要求される慣性が単一のＵ字形曲管によって達成できることを示しているが、これは用途によっては充分でないかもしれない。密閉空間内で所望の管慣性を達成する代替手段は、管に多数のコイルを持つこと、あるいは多数のＵ字形曲管と直管を直列に接続し合って、一部の熱交換器の設計で使用されているものと同様の蛇行形状構成を形成することを含む。
【００４６】
追加ノズルマニホルドに、それらを通る流れを制御するために追加の弁を設けることができる。また、アキュムレータ１３に追加ダクトを接続することができる。これらの追加ダクトは異なる慣性を持つことができ、またこれらのダクト内の流れが異なる時間に始まるように制御するために弁を持つこともできる。単一の分岐ダクトで、アキュムレータ１３から出ている全てのダクトを様々な噴霧器に通じている全てのダクトに接続することができる。代替的に、例えば２つ以上の分岐ダクトを含めて、選択的に接続を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  液体の慣性が無視できるほど小さい状態でクランク角の関数としての液体の流量の変化を示すグラフである。
【図２】  液体の慣性が無視できるほど小さい状態でクランク角の関数としての噴霧ノズル前後の圧力差の変化を示すグラフである。
【図３】  液体の慣性が増加するときのクランク角の関数としての液体の流量の変化を示すグラフである。
【図４】  液体の慣性が増加するときのクランク角の関数としての噴霧ノズル前後の圧力差の変化を示すグラフである。
【図５】  同様の液体の慣性を画定する２つの異なる値のダクト抵抗について、クランク角の関数としての噴霧ノズル前後の圧力差の変化を示すグラフである。
【図６】  本発明の一実施形態を示す略図である。
【図７Ａ】  図６に示した実施形態について、クランク角の関数としての圧力の変化を示すグラフである。
【図７Ｂ】  図６に示した実施形態について、クランク角の関数としての質量流量の変化を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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