(57)【要約】【課題】噴射流体が超臨界状態水等の高温で腐食性の強い流体であっても、噴射弁の最重要要素である針弁の作動及び針弁と弁座とのシート機能の低下を防止して、高い耐久性をそなえ高精度の燃料噴射性能を発揮できる高温流体噴射弁及びかかる高温流体噴射弁をそなえた高温水噴射内燃機関を提供する。【解決手段】所定圧力に加圧された超臨界状態水を含む高温流体を針弁室に導き、針弁開閉手段により駆動されてケース部材の内周を往復摺動する針弁のシート部と弁座との着脱によって前記針弁室と噴孔との間の流路を開閉することにより該噴孔からの高温流体の噴射を制御するように構成された高温流体噴射弁であって、前記針弁をステライト材の一体構造に構成したことを特徴とする。【選択図】図１
2007117887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定圧力に加圧された高温流体を針弁室に導き、針弁開閉手段により駆動されてケース部材の内周を往復摺動する針弁のシート部と弁座との着脱によって前記針弁室と噴孔との間の流路を開閉することにより、該噴孔からの高温流体の噴射を制御するように構成された高温流体噴射弁であって、前記針弁をステライト材の一体構造に構成したことを特徴とする高温流体噴射弁。
【請求項２】
前記弁座を、表面硬度がＨｖ（ビッカース硬度）６００以上の鋼材で構成したことを特徴とする請求項１記載の高温流体噴射弁。
【請求項３】
前記弁座を、耐熱鋼材からなる母材の表面にステライト材を肉盛りして構成したことを特徴とする請求項１記載の高温流体噴射弁。
【請求項４】
前記針弁が往復摺動する前記ケース部材を、前記針弁よりも低硬度で耐熱、耐食性をそなえた鋼材で構成したことを特徴とする請求項１記載の高温流体噴射弁。
【請求項５】
所定圧力に加圧された超臨界状態水を高温流体噴射弁の針弁室に導き、針弁開閉手段により駆動される針弁のシート部と弁座との着脱によって前記針弁室と噴孔との間の流路を開閉することにより該噴孔からの超臨界状態水の噴射を制御するように構成された高温水噴射内燃機関であって、前記高温流体噴射弁は、前記針弁をステライト材の一体構造に構成するとともに、前記弁座を表面硬度がＨｖ（ビッカース硬度）６００以上の鋼材または耐熱鋼材からなる母材の表面にステライト材を肉盛りしてなるステライト肉盛材のいずれか一方で構成したことを特徴とする高温水噴射内燃機関。
【請求項６】
前記高温水噴射内燃機関を原動機または原動機の１つとして装備したしたことを特徴とする請求項５記載の高温水噴射内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水噴射式内燃機関、該水噴射式内燃機関を備えた原動機設備等に適用され、所定圧力に加圧された超臨界状態水を含む高温流体を噴射弁の針弁室に導き、針弁開閉手段により駆動される針弁のシート部と弁座との着脱によって前記針弁室と噴孔との間の流路を開閉することにより、該噴孔からの高温流体の噴射を制御するように構成された高温流体噴射弁及びこの高温流体噴射弁をそなえた高温水噴射内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンのシリンダ内に燃料と水とを噴射して燃焼温度を下げ、ＮＯｘ発生量を低減した水噴射式内燃機関が種々提案されているが、該水噴射式内燃機関においては、シリンダ内に水を噴射するための水噴射弁が、ＮＯｘ発生量の低減とともに高いエンジン性能を保持するための最重要要素となっている。
かかる要求に応える水噴射式内燃機関の一つとして、図４に示されるような超臨界状態水を生成して噴射弁からシリンダ内に噴射するようにした高温水噴射内燃機関が本件発明者らによって提案された。
【０００３】
即ち、図４は高温水噴射内燃機関をそなえた発電装置の概略全体構成を示す構成図であり、図において、１００は水噴射内燃機関（以下エンジンという）、１０１は該エンジンに直結駆動される発電機である。１０２は過給機、１０３は空気冷却器、１０６は各シリンダの排気枝管、１０４は排気集合管、１１４は前記過給機１０２出口の排気管である。
１１０は高温側熱交換器、１１１は低温側熱交換器、１１３は水ポンプ、水タンク等からなる給水系である。
【０００４】
かかる高温水噴射内燃機関そなえた発電装置において、前記水噴射内燃機関１００からの排気ガスは各シリンダの排気枝管１０６から排気集合管１０４に入り、該排気集合管１０４に設けられた高温側熱交換器１１０において後述する水との熱交換を行ってから、前記過給機１０２のタービンを駆動し、前記排気管１１４に設けられた低温側熱交換器１１１において後述する水との熱交換を行ってから外部に排出される。
一方、前記給水系１１３から前記低温側熱交換器１１１に導入された水は、該低温側熱交換器１１１において過給機１０２出口の排気ガスと熱交換して第１次の加熱がなされ、次いで前記高温側熱交換器１１０に導入されて排気集合管１０４を通流する高温の排気ガスと熱交換して第２次の加熱がなされて４５０℃以上の超臨界状態水となる。
この超臨界状態水は、高温水管１１２を通って図示しない水噴射弁からエンジン１００のシリンダ内に、図示しない燃料噴射弁からの燃料噴射に対して所定のタイミングで以って噴射される。
また、前記高温水噴射内燃機関は、図４（Ｂ）に示されるように、前記発電機１０１に代えて、プロペラ軸３０１を介してプロペラ３０２を駆動する船舶用推進装置にも適用されている。
【０００５】
また、本件出願人の出願に係る特許文献１（特開２００３−３９２４号公報）の発明においては、所定圧力に加圧された燃料を針弁室に導き、針弁開閉手段により駆動されてノズルチップの内周を往復摺動する針弁のシート部と弁座との着脱によって前記針弁室と噴孔との間の流路を開閉することにより該噴孔からの燃料噴射を制御するように構成された燃料噴射弁において、前記針弁開閉手段を、作動油室と作動油タンクとの間の作動油通路を開閉するパイロット弁の開度を磁界中に配置された磁歪材の磁気歪みにより変化せしめて、前記開閉弁によって作動油通路を閉じることにより針弁のシート部を弁座に着座させて針弁を閉弁し、前記パイロット弁によって作動油通路を開くことにより針弁のシート部と弁座とを離隔して針弁を開弁する超磁歪アクチュエータで構成して、針弁リフトの微小な変位制御を可能とし、高精度の燃料噴射性能を発揮できるように構成している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３９２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図４に示されるような、高温水噴射内燃機関においては、前記低温側熱交換器１１１及び高温側熱交換器１１０において排気ガスによって２段階で加熱され、４５０℃、３５ＭＰａ程度の高温、高圧の超臨界状態水を、水噴射弁からエンジン１００のシリンダ内に、燃料噴射弁からの燃料噴射に対して所定のタイミングで以って噴射することによって、エンジン１００のＮＯｘ発生量を低減するとともに、排気ガスを超臨界状態水によって回収することによりエンジン出力の増大及び熱効率の向上を実現可能となっている。
【０００８】
本件出願人の出願に係る前記特許文献１における燃料噴射弁は、針弁開閉手段として超磁歪アクチュエータとパイロット弁を用いることにより、針弁リフトの微小な変位制御を可能とし、高精度の燃料噴射性能を発揮できるように構成されているが、図４に示されるような高温水噴射内燃機関にかかる燃料噴射弁を適用する場合には、噴射流体が４５０℃程度の高温で腐食性の強い超臨界状態水であるため、このようなほぼ常温に近い燃料で作動する噴射弁では、該噴射弁の最重要要素である針弁の作動及び該針弁と弁座とのシート機能が低下するおそれがあり、かかる問題点の解決が課題となっている。
【０００９】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、噴射流体が超臨界状態水等の高温で腐食性の強い流体であっても、噴射弁の最重要要素である針弁の作動及び針弁と弁座とのシート機能の低下を防止して、高い耐久性をそなえ高精度の燃料噴射性能を発揮できる高温流体噴射弁及びかかる高温流体噴射弁をそなえた高温水噴射内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明はかかる目的を達成するもので、所定圧力に加圧された超臨界状態水を含む高温流体を針弁室に導き、針弁開閉手段により駆動されてケース部材の内周を往復摺動する針弁のシート部と弁座との着脱によって前記針弁室と噴孔との間の流路を開閉することにより、該噴孔からの高温流体の噴射を制御するように構成された高温流体噴射弁であって、前記針弁をステライト材の一体構造に構成したことを特徴とする。
この場合、前記ステライト材は、ステライト♯６あるいはステライト♯１２、焼結ステライトが好適である。
【００１１】
かかる発明によれば、高温強度が大きく、高硬度で高い耐摩耗性と高い耐腐食性とをそなえたステライト材を針弁に適用したので、噴射流体が４５０℃、３５ＭＰａ程度の超臨界状態水のような高温、高圧の流体であっても、かかる高温、高圧の腐食性流体の作動に伴う針弁の強度低下および腐食疲労の発生、及び針弁と弁座とのシート部の摩耗を回避できる。これにより噴射流体として、前記のような高温、高圧の腐食性流体を用いても、針弁リフトの微小な変位制御を可能とした高精度の燃料噴射性能を発揮でき、高い耐久性をそなえた高温流体噴射弁が得られる。
また、針弁は形状が簡単で、円柱体の削り出し加工で容易に加工成形でき、被削性が良好でないステライト材を用いても、加工性を損なうことなく針弁を製作できる。
【００１２】
かかる発明において、前記針弁のシート部が着座する弁座としては、次のように構成するのが好ましい。
（１）前記弁座を、前記弁座を、表面硬度がＨｖ（ビッカース硬度）６００以上の鋼材で構成する（請求項２）。具体的には、耐摩耗性を重視して、浸炭鋼、工具鋼等の高硬度鋼が好適である。
このように構成すれば、ノズルチップに弁座を機械加工によって一体形成できるので、構造が簡単で、低コストになる。
【００１３】
（２）前記弁座を、耐熱鋼材からなる母材の表面にステライト材を肉盛りして構成する（請求項３）。
このように構成すれば、たとえばＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４４０、ＪＩＳ−ＳＵＨ０３１材のような耐熱鋼材の表面に、高硬度で高い耐摩耗性と高い耐腐食性とをそなえたステライト材を肉盛りして弁座の着座面とすることにより、弁座の着座面の摩耗及び腐食摩耗を抑制でき、ステライト材からなる針弁と組み合わせることにより、高い耐久性をそなえた高温流体噴射弁が得られる。
【００１４】
また、かかる発明において、前記針弁が往復摺動する前記ケース部材を、前記針弁よりも低硬度で、耐熱、耐食性をそなえた鋼材で構成する（請求項４）。
このように構成すれば、内面を針弁が往復摺動するケース部材を、たとえばＪＩＳ−ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４４０、ＳＵＨ３材のような針弁よりも低硬度で、耐熱、耐食性をそなえた耐熱鋼材で構成することより、腐食性環境中での高温強度が大きく、且つ針弁との間の摺動なじみ性が良好となり、針弁の耐焼付き性が向上するとともに、作動性能が上昇する。
【００１５】
以上のような、特徴を有する高温流体噴射弁を、所定圧力に加圧された超臨界状態水を高温流体噴射弁の針弁室に導き、針弁開閉手段により駆動される針弁のシート部と弁座との着脱によって前記針弁室と噴孔との間の流路を開閉することにより該噴孔からの超臨界状態水の噴射を制御するように構成された高温水噴射内燃機関に用いる（請求項５）ことにより、噴射流体が超臨界状態水等の高温で腐食性の強い流体であっても、針弁の作動及び針弁と弁座とのシート機能の低下を防止して、高い耐久性をそなえ高精度の燃料噴射性能を発揮できる高温水噴射内燃機関を提供できる。
尚、前記高温流体には、高温水及び超臨界状態水等の高温、高圧水を含む。
また、本発明は、前記のように構成された高温水噴射内燃機関を原動機または原動機の一つとして装備した原動機設備にも適用できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高温強度が大きく、高硬度で高い耐摩耗性と高い耐腐食性とをそなえたステライト材を針弁に適用したので、高温、高圧の腐食性流体の作動に伴う針弁の強度低下および腐食疲労の発生、及び針弁と弁座とのシート部の摩耗を回避でき、噴射流体として高温、高圧の腐食性流体を用いても、針弁リフトの微小な変位制御を可能とした高精度の燃料噴射性能を発揮でき、高い耐久性をそなえた高温流体噴射弁が得られる。
また、針弁は形状が簡単であるため、円柱体の削り出し加工で容易に加工成形でき、被削性が良好でないステライト材を用いても、加工性を損なうことなく針弁を製作できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【実施例１】
【００１８】
図１（Ａ）は本発明の実施例に係る針弁及びノズルチップ近傍の拡大縦断面図（図３のＺ部拡大図）、（Ｂ）は弁座の第２例を示す部分断面図である。図２は針弁の側面図である。図３は前記実施例に係る高温高圧水噴射式内燃機関の磁歪アクチュエータを含む水噴射弁の縦断面図である。
図１〜３において、２００は水噴射弁、１は該噴射弁２００の噴射弁本体、３は該噴射弁本体１の先端部にノズルナット４０により締付け固定されたノズルチップ、４は該ノズルチップ３の先端部に複数個穿孔された噴孔、６は該噴孔４に連通されるサック部である。
０３１は針弁ケース、５は針弁で、図１のように該針弁５はその嵌合径部５ｃを前記針弁ケース０３１に穿孔された針弁孔１ｚ内に往復摺動可能に嵌合されている。前記針弁ケース０３１はこれの針弁孔１ｚ内を前記針弁５が往復摺動するので、たとえばＪＩＳ−ＳＵＳ４１０材、ＳＵＳ４４０、ＳＵＨ３材のような針弁５よりも低硬度で、耐熱、耐食性をそなえた耐熱鋼材で構成している。
また、前記針弁５の先端には円錐状のシート部５ａが形成され、該シート部５ａが前記ノズルチップ３の上端部に形成された弁座３ａに着脱することにより、針弁室５ｂ（詳細は後述）とサック部６及び噴孔４とを連通及び遮断するようになっている。５ｚは針弁中心である。
【００１９】
８は前記噴射弁本体１と下部１ａとの間に介装されたスペーサである。１０は本体側締付ナットで、該本体側締付ナット１０を前記噴射弁本体１の下部にねじ込むことにより、前記スペーサ８を、針弁ケース０３１の上面と噴射弁本体１の下面との間に流体密に挟着している。
４０はノズルナットで、図１のように、前記針弁ケース０３１の下部のねじ部４ａにねじ込まれて、前記ノズルチップ３の上面と前記針弁ケース０３１の下面との接合面２３を流体密に締め付けている。２４は前記ノズルチップ３と針弁ケース０３１との位置合わせのためのノックピンである。図１において２２は針弁５の摺動部潤滑用の潤滑油が供給される潤滑油通路である。
５ｂは前記針弁５の外周面が臨んで形成された針弁室、７は該針弁室５ｂへの噴射流体（この実施例では超臨界状態水）の入口、７ａは入口コネクタであり、噴射流体入口管（図示省略）からの高温の噴射流体が噴射流体入口７を経て該針弁室５ｂに導入されるようになっている。
【００２０】
２７は作動油入口、１２は該作動油入口２７から導入された作動油が収容される作動油室である。９は前記作動油室１２内の作動油圧力を前記針弁５に伝達する連結部材である。
３０は超磁歪アクチュエータ、３１は該超磁歪アクチュエータ３０によって作動されるパイロット弁であり、該パイロット弁３１により前記作動油室１２と作動油タンク（図示省略）への戻り通路とを開閉して、前記針弁５を開閉するようになっている。
【００２１】
かかる構成からなる高温水噴射内燃機関の運転時において、前記針弁５が閉じた状態においては、前記超磁歪アクチュエータ３０によりパイロット弁３１は閉じられ、作動油室１２内の作動油圧力が前記連結部材９の上面に作用している。
そして、前記超磁歪アクチュエータ３０の磁石に電流を付与して超磁歪材（いずれも図示省略）を変位させこれに連結された前記パイロット弁３１をリフトさせて作動油室１２と作動油タンク（図示省略）への戻り通路とを連通させると、作動油室１２内の作動油が前記戻り通路を介して作動油タンク側に排出され、前記針弁５に作用する作動油室１２内の作動油による力と針弁室５ｂ内の噴射流体による力とが平衡する位置にて針弁５が整定されて該針弁５が開弁され、針弁室５ｂ内の噴射流体がサック部６を経て噴孔４からシリンダ内に噴射される。
【００２２】
前記針弁５の詳細を示す図２において、５ｃは嵌合径部で、前記針弁ケース０３１に穿孔された針弁孔１ｚ内に往復摺動可能に嵌合される。５ｆは細径部で図１のように該細径部５ｆの外周と前記針弁ケース０３１の下部孔０３１ａの内周との間には前記針弁室５ｂが形成される。５ｅは針弁頂部で、該針弁頂部５ｅの上端面５ｄが、前記連結部材９の下面に当接して、該連結部材９に作用する作動油圧力が該上端面５ｄから針弁５に伝達されるようになっている。
前記のように、該針弁５の先端には円錐状のシート部５ａが形成され、図１のように該シート部５ａが前記ノズルチップ３の上端部に形成された弁座３ａに着脱することにより、前記針弁室９と油溜め６及び噴孔４とを連通及び遮断するようになっている。
【００２３】
本発明の実施例においては、前記針弁５をステライト材、具体的にはステライト♯１２、焼結ステライトの一体構造に構成している。
そして該針弁５のシート部５ａが着座するノズルチップ３の上端部に形成された弁座３ａの部分を表面硬度がＨｖ（ビッカース硬度）６００以上の耐食、耐熱鋼材で構成している。前記弁座３ａの部分は、耐摩耗性を重視して、浸炭鋼、工具鋼等の高硬度鋼が好適である。
【００２４】
かかる実施例によれば、高温強度が大きく、高硬度で高い耐摩耗性と高い耐腐食性とをそなえたステライト材を針弁５に適用したので、図４に示す高温水噴射内燃機関のように、噴射流体が４５０℃、３５ＭＰａ程度の超臨界状態水という高温、高圧の流体であっても、かかる高温、高圧の腐食性流体の作動に伴う針弁５の強度低下および腐食疲労の発生、及び針弁５と弁座３ａとのシート部の摩耗を回避できる。
これにより噴射流体として、前記のような高温、高圧の腐食性流体を用いても、針弁リフトの微小な変位制御を可能とした高精度の燃料噴射性能を発揮でき、高い耐久性をそなえた高温流体噴射弁が得られる。
さらに、図２のように前記針弁５は形状が簡単で、円柱体の削り出し加工及び研磨加工によって容易に加工成形でき、被削性が良好でないステライト材を用いても、加工性を損なうことなく且つ格別な加工工数を要することなく針弁５を製作できる。
【００２５】
また、前記ノズルチップ３の上端部に形成された弁座３ａの部分を、浸炭鋼、工具鋼等の、表面硬度がＨｖ（ビッカース硬度）６００以上の耐食、耐熱鋼材で構成しているので、ノズルチップ３の上端部に弁座３ａを機械加工によって一体形成できることとなり、ノズルチップ３の弁座３ａ形成部の構造が簡単になって、ノズルチップ３が低コストになる。
また、前記針弁５の嵌合径部５ｃが往復摺動する針弁ケース０３１を、たとえばＪＩＳ−ＳＵＳ４１０材のような針弁５よりも低硬度で、耐熱、耐食性をそなえた耐熱鋼材で構成しているので、腐食性環境中での高温強度が大きく且つ針弁５との間の摺動なじみ性が良好となり、該針弁５の耐焼付き性が向上するとともに、作動性能が上昇する。
【００２６】
また、前記弁座弁座３ａの他の例は、図１（Ｂ）のように、たとえばＪＩＳ−ＳＵＨ０３１材のような耐熱鋼材からなる母材の表面にステライト材２９を肉盛りして構成している。
このように構成すれば、前記耐熱鋼材からなる母材の表面に、高硬度で高い耐摩耗性と高い耐腐食性とをそなえたステライト材２９を肉盛りして弁座３ａの着座面を形成することにより、該弁座３ａの着座面の摩耗及び腐食摩耗を抑制でき、ステライト材からなる針弁５と組み合わせることにより、高い耐久性をそなえた高温流体噴射弁が得られる。
【００２７】
本発明は、前記実施例のような発電装置用の高温水噴射内燃機関機の他、図４（Ｂ）に示されるような、プロペラ軸３０１を介してプロペラ３０２を駆動する船舶用推進装置用としての高温水噴射内燃機関にも適用できる。
また、本発明は、前記のように構成された高温水噴射内燃機関を原動機または原動機の一つとして装備した原動機設備にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明によれば、噴射流体が超臨界状態水等の高温で腐食性の強い流体であっても、噴射弁の最重要要素である針弁の作動及び針弁と弁座とのシート機能の低下を防止できて、高い耐久性をそなえ高精度の燃料噴射性能を発揮できる高温流体噴射弁及びかかる高温流体噴射弁をそなえた高温水噴射内燃機関を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】（Ａ）は本発明の実施例に係る針弁及びノズルチップ近傍の拡大縦断面図（図３のＺ部拡大図）、（Ｂ）は弁座の第２例を示す部分断面図である。
【図２】前記実施例に係る針弁の側面図である。
【図３】前記実施例に係る高温水噴射内燃機関の磁歪アクチュエータを含む水噴射弁の縦断面図である。
【図４】（Ａ）は高温水噴射内燃機関をそなえた発電装置の概略全体構成を示す構成図、（Ｂ）は船舶用推進装置の部分構成図である。
【符号の説明】
【００３０】
１    噴射弁本体
３    ノズルチップ
４    噴孔
５    針弁
５ｂ    針弁室
９    連結部材
１２    作動油室
２９    ステライト
３０    超磁歪アクチュエータ
３１    パイロット弁
０３１    針弁ケース
２００    水噴射弁
【図１】
2007117887.tif 000003
【図２】
2007117887.tif 000004
【図３】
2007117887.tif 000005
【図４】
2007117887.tif 000006