JP4550991B2 - 燃料・水噴射内燃機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料噴射ポンプから燃料通路を経て供給された高圧の燃料と、水供給ポンプから供給された水とを１つの燃料噴射弁から燃焼室内に噴射するように構成された燃料・水噴射内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
デイーゼル機関においては、窒素酸化物（ＮＯｘ）低減のための有効な技術として、燃料噴射弁から燃料と水とを燃焼室内に噴射する燃料・水噴射デイーゼル機関が提案されている。
かかる技術の一つとして、本件出願人の出願に係る特許第２７７２１１４号の発明がある。図１０はかかる発明の構成を示し、図において、００１は燃料噴射ポンプ、３は燃料噴射弁、０１は燃料タンク、０２は燃料給油ポンプ、０１９は水タンク、０１８は水供給ポンプ、０１６は燃料噴射弁への水の供給を制御する制御弁、０２０は該制御弁０１６に開閉制御するコントロール装置である。
【０００３】
かかる燃料・水噴射デイーゼル機関において、水タンク０１９より水供給ポンプ０１８によって圧送された水は水供給管０１７を通り前記制御弁０１６に送られる。燃料噴射ポンプ００１の燃料吐出休止期間中に、前記コントロール装置０２０を介して前記制御弁０１６は開弁され、所定量の水を供給管０１５を介して前記燃料噴射弁３の水供給路０２１に送り込む。
このとき、燃料噴射ポンプ００１の逆止弁０７の開弁圧力Ｐｒ、前記水供給路０２１の燃料弁内逆止弁４の開弁圧力Ｐｐ、燃料噴射弁３の針弁０１１の開弁圧力Ｐ０とすると、
Ｐ０＞Ｐｒ、Ｐ０＞Ｐｐ
と設定されているため、前記燃料噴射弁３の水供給路０２１に供給された水は、燃料弁内逆止弁４を経て水通路０３０及び燃料と水との合流部０３１を通り燃料通路０２２内に流入する。
【０００４】
前記燃料通路０２２内の合流部０３１よりも燃料噴射ポンプ００１側にある燃料は該燃料噴射ポンプ００１の方向に高圧燃料管０８を通して押し戻される。その結果、前記燃料噴射弁３内には油溜部０１２及び該油溜部０１２から合流部０３１までの容積分の燃料で満たされ、該合流部０３１の上流側の燃料通路０２２には所定量の水が満たされ、さらにその上流側には再び燃料が満たされた層状状態となっている。
【０００５】
次いで、前記燃料噴射ポンプ００１の吐出が開始されて燃料噴射弁３内の燃料が圧縮され、圧力が上昇して該燃料噴射弁３の開弁圧力Ｐ０以上になると、針弁０１１が開かれ噴射が開始される。該噴射は、前記のように層状状態にある燃料及び水のうち、先ず燃料が噴射され、着火遅れ期間を経た後、燃焼を開始する。
引き続き水が燃焼中の先行燃料噴霧火炎をめがけて噴射される。このとき噴射される水も噴霧となってその内部に燃焼室内の空気を取り込んでいるため、先行噴射された燃料に空気を供給する形となって燃焼が活発化される。
そして、最後に残りの燃料が、先行した水噴霧の中に噴射され燃焼する。かかる燃料と水の噴射に伴う熱的影響により火炎の温度上昇が抑えられ、ＮＯｘの発生が抑制される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示される特許第２７７２１１４号の発明においては、燃料噴射弁３に燃料と水とを層状に充填した後、高圧燃料により燃焼室内に押し出して噴射し、かかる燃料と水の噴射に伴う熱的影響により火炎の温度上昇が抑えられ、ＮＯｘの発生が抑制される。
しかしながら、かかる従来技術にあっては、燃料噴射弁３への注水量を、コントロール装置０２０により制御弁０１６のストローク及び開弁タイミングを変化させて制御しているため、所要の注水量及び注水タイミングを得るには該制御弁０１６の制御精度を高く維持することを要し、注水制御に困難を伴う。
また、かかる従来技術にあっては、前記のように、制御弁０１６を高い制御精度で以って制御操作することから、該制御弁０１６について高精度のタイミング制御を行うコントロール装置０２０、該制御弁０１６に操作力を付与するための作動油圧発生装置及び電気的駆動装置等の制御操作機器を必要とするため、装置コストが高騰する。等の問題点を有している。
【０００７】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、比較的簡単な制御方法で以って高精度の注水制御を行い得、かつ注水量の制御操作機器の装置コストが低減された燃料・水噴射内燃機関を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、請求項１記載の発明として、燃料と水とを燃焼室に噴射する燃料・水噴射内燃機関であって、燃料噴射ポンプと連通する燃料通路と逆止弁とを内蔵しかつ該燃料通路と合流する水供給路とを有する燃料噴射弁と、前記燃料噴射ポンプが休止している間に所定量の水を前記水供給路を通じて合流部から前記燃料通路内に供給する水供給手段を備えるとともに、前記燃料噴射弁の油溜部の容積と前記合流部から油溜部までの容積の合計が全燃料噴射量の５％以上７５％以下である燃料・水噴射内燃機関において、
水供給ポンプから水通路を経た水が収容される水室内の圧力と該水室に対し注水ピストンを隔てて形成された作動油室内の圧力との圧力差により前記水を前記燃料噴射弁に圧送する、注水ピストン装置を前記水通路に設けるとともに、作動油入口通路から導入された作動油を加圧して前記注水ピストン装置の作動油室に作動油通路を経て送給する作動油ポンプを設け、
該注水ピストン装置は、ピストンが、シリンダからなる水室内を往復摺動自在に嵌合され、前記圧力差により移動せしめられる自由ピストンにて構成され、前記水室出口の前記水通路には前記燃料噴射弁に向かう流れのみを可能とする注水逆止弁が設けられるとともに、前記水室入口の前記水通路には該水室に向かう流れのみを可能とする注水逆止弁が設けられ、
更に前記作動油ポンプは、プランジャバレル内に往復摺動自在に嵌合されたプランジャの往復動によりプランジャ室内の作動油を前記注水ピストン装置に送出すると共に、該プランジャの有効行程を変化させることにより作動油送出流量を調整可能に構成し、且つ前記作動油ポンプに設けられた作動油カムのプロフィールを所要の形状に設定することにより、該作動油ポンプによる作動油の供給タイミングを調整可能に構成し、
前記作動油カムのプロフィール形状を、前記燃料噴射ポンプの燃料吐出休止期間中に、作動油ポンプの作動油カムの回転により作動油室に入った高圧の作動油を前記注水ピストンの作動油室側に作用させて前記注水ピストンの水室内に導入されていた水を燃料噴射弁に送り込ませるプロフィール形状に設定したことを特徴とする燃料・水噴射内燃機関を提案する。
【００１１】
請求項２ないし３記載の発明は、ジャーク式ポンプからなる前記作動油ポンプの具体的構成に係り、請求項２の発明においては、ジャーク式ポンプからなる前記作動油ポンプは、
前記プランジャ室の圧力により開弁して該プランジャ室内の作動油を前記注水ピストン装置に送出する作動油吐出弁と、前記プランジャ室と前記作動油通路とを前記作動油吐出弁をバイパスする戻り通路に設けられて該作動油通路からプランジャに向かう流れのみを可能とする作動油逆止弁とを備えてなる。
【００１２】
請求項３の発明においては、前記ジャーク式ポンプからなる前記作動油ポンプは、前記プランジャ室と作動油通路との間に、作動油通路面積を縮小する絞り機構を設けてなる。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項１において、前記注水ピストン装置の作動油室と前記作動油ポンプへの作動油入口管に作動油を供給するための作動油タンクとを接続する作動油戻り通路、並びに機関回転数、機関負荷等の機関運転条件により該作動油戻り通路を開閉する電磁弁を設けて、前記作動油タンクから作動油入口通路、作動油ポンプ、作動油通路、注水ピストン装置、電磁弁、及び作動油戻り通路をこの順に経て前記作動油タンクに至る作動油の循環路を形成したことを特徴とする。
【００１４】
かかる発明によれば、通常用いられているジャーク式燃料噴射ポンプ等の、作動油供給タイミング及び作動油流量を調整可能な作動油ポンプにより、作動油供給タイミング及び作動油流量を調整して、作動油を注水ピストン装置に供給あるいはこれを遮断することにより、該注水ピストン装置を作動させ、該注水ピストン装置によって燃料噴射弁への水の供給、遮断をなさしめるようにしたので、ジャーク式燃料噴射ポンプと同様な構造の作動油ポンプの作動油供給タイミング及び作動油流量を調整するのみという比較的簡単な制御手段で、注水量及び注水タイミングを高精度で制御できる。
【００１５】
また、前記のように、ジャーク式燃料噴射ポンプと同様な作動油供給タイミング及び作動油流量を調整可能な作動油ポンプと、シリンダ内にフリーピストン構造の注水ピストンを嵌合した簡単な構造の注水ピストン装置とを組み合わせて燃料噴射弁への水の供給システムを構成したので、従来技術のような電子制御の制御弁、該制御弁のタイミング制御を行うコントロール装置、該制御弁に操作力を付与するための作動油圧発生装置及び電気的駆動装置等の格別な制御操作機器が不要となり、きわめて簡単かつ低コストの装置で以って、燃料・水噴射システムを構成することができる。
【００１６】
また請求項３の発明によれば、絞り機構によって、注水ピストン装置の注水ピストンの振動等を伴う急激な移動を緩和することができ、これによって、注水ピストン装置への作動油の供給が脈動等を伴うことなくなされることとなり、注水ピストン装置による水の供給動作が安定化される。
また、簡単な構造の絞り機構を設ければ済むので、構造が簡単化され低コストとなる。
【００１７】
さらに請求項４の発明によれば、前記作動油タンクから作動油入口通路、作動油ポンプ、作動油通路、注水ピストン装置、電磁弁、及び作動油戻り通路をこの順に経て前記作動油タンクに至る作動油の循環路を形成し、該循環路の作動油戻り通路を電磁弁により機関運転条件に適応したタイミングで開閉するので、作動油が毎サイクル作動油タンクに戻されて該作動油タンクにて冷却されることとなり、作動油の温度上昇が抑制されるとともに、注水ピストン装置における作動油の残圧が完全に除去されて次のステップにおける水の供給が抵抗なくスムーズになされる。これにより、作動油ポンプ及び注水ピストン装置による水の供給作用が安定化される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
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無い限り、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過ぎない。
【００１９】
図１は本発明の第１実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図、図２は第２実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図、
図３は第３実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図、図４は注水ピストン装置の断面図、図５は前記第１実施例における燃料噴射ポンプ及び作動油ポンプの構造を示す断面図、図６は前記第２実施例における燃料噴射ポンプ及び作動油ポンプの構造を示す断面図、図７は前記第３実施例における燃料噴射ポンプ及び作動油ポンプの構造を示す断面図である。図８は前記第１ないし第３実施例における燃料噴射弁の断面図である。図９は前記第１ないし第３実施例の作用説明図である。
【００２０】
図１に示される第１実施例において、１は燃料噴射ポンプで、図５に示されるような公知のジャーク式燃料噴射ポンプからなる。３はその詳細が図８に示されている燃料噴射弁である。また、６はその詳細が図８に示されている作動油ポンプである。
１３は燃料タンク、３１は該燃料タンク１３と前記燃料噴射ポンプ１の燃料入口とを接続する燃料供給管、１２は前記燃料供給管３１に設けられ燃料タンク１３内の燃料を燃料噴射ポンプ１に送給する燃料供給ポンプである。２は前記燃料噴射ポンプ１からの高圧燃料出口と前記燃料噴射弁３の燃料入口とを接続する高圧燃料管である。
【００２１】
５は注水ピストン装置であり詳細は後述する。１１は注水タンク、３４は該注水タンク１１と前記注水ピストン装置５の水入口とを接続する注水管、１０は該注水管３４に設けられて注水タンク１１内の水を注水ピストン装置５に送給する注水ポンプである。３２は前記注水ピストン装置５の水出口と前記燃料噴射弁３の水入口とを接続する注水管である。
１５は作動油タンク、３３は該作動油タンク１５と前記作動油ポンプ６の作動油入口とを接続する作動油入口管、１４は該作動油入口管３３に設けられ作動油タンク１５内の作動油を作動油ポンプ６に送給する作動油供給ポンプである。また、３５は前記作動油ポンプ６の作動油出口と前記注水ピストン装置５の作動油入口とを接続する作動油管である。
【００２２】
前記燃料噴射ポンプ及び作動油ポンプの詳細を示す図５において、１は燃料噴射ポンプで次のように構成されている。
２５はプランジャバレル２４の内周に往復摺動自在に嵌合されたプランジャ、１７は燃料吐出弁、１８は燃料逆止弁であり、該プランジャ２５の上動によりプランジャ室２５ａ内の燃料を高圧に加圧し、該高圧燃料が前記燃料吐出弁１７を押し開いて前記高圧燃料管２に吐出されるようになっている。
該燃料噴射ポンプ１は、前記のように公知のジャーク式燃料噴射ポンプからなり、燃料調整ラック（図示省略）の往復動により前記プランジャ２５の有効行程を変化させることにより、高圧燃料管２に吐出される燃料噴射量を調整するように構成されている。１３は燃料タンク、３１は燃料供給管、１２は燃料供給ポンプである（何れも図１参照）。
１１０は前記燃料調整ラックの位置即ち燃料噴射量を検出するラック位置検出器で、該ラック位置検出器１１０からの燃料調整ラック位置（燃料噴射量）の検出信号は後述するコントローラ１０６に入力される。１１１は機関回転数を検出する回転数検出器で、該回転数検出器１１１からの機関回転数の検出信号も前記コントローラ１０６に入力される。
【００２３】
６は作動油ポンプで次のように構成されている。
１０１はポンプケース、１０２は該ポンプケース１０１の内部に固着されたプランジャバレル、１０３は該プランジャバレル１０２の内周に往復摺動自在に嵌合されたプランジャ、１０３ａは該プランジャバレル１０２内のプランジャ１０３上面に臨んで形成されたプランジャ室、０１１１は前記プランジャバレル１０２に設けられた給油孔である。１１３は前記プランジャ１０３の下端に固定されたタペット、１１５は該タペット１１３に支持されたプランジャスプリングで、該タペット１１３を図１に示す作動油カム１１４に押圧している。
８は前記プランジャ室１０３ａの出口側に設けられた作動油吐出弁で、前記燃料噴射ポンプ１の燃料吐出弁１７と同様な構造を有する。７は作動油逆止弁で、前記燃料噴射ポンプ１の燃料逆止弁１８と同様な構造を有し、
前記燃料吐出弁１７が設けられている吐出弁室と前記プランジャ室１０３ａとを接続する戻り通路に設けられている。
【００２４】
１０９は前記プランジャ１０３の回転機構１１２に噛合される吐出流量調整用のラック、１０８は該ラック１０９に噛合されるピニオンである。１０７はアクチュエータで、後述するコントローラ１０６からの制御信号により作動し、その出力端が前記ピニオン１０８に連結されており、前記アクチュエータ１０７の操作力によりピニオン１０８が回転して前記ラック１０９を往復動せしめ、該ラック１０９に噛合しているプランジャ１０３の回転機構１１２を介してプランジャ１０３を回転させることによりその有効行程を変化させて、作動油管３５を通して前記注水ピストン装置５への作動油流量を調整するように構成されている。
１０６はコントローラで、前記回転数検出器１１１からの機関回転数の検出信号及び前記ラック位置検出器１１０からの燃料調整ラック位置（燃料噴射量）の検出信号が入力され、これらの検出信号に基づき機関の運転状態に対応する作動油流量を算出し、前記アクチュエータ１０７に該作動油流量に相当する操作信号を出力する。
また、１５は作動油タンク、３３は作動油入口管、１４は作動油ポンプである（何れも図１参照）。
【００２５】
前記燃料噴射弁３の詳細を示す図８において、０９は本体、０３３はノズルチップ、０１０は該ノズルチップ０３３の先端部に複数穿孔された噴孔、０１１は該ノズルチップ０３３内に往復摺動可能に嵌合された針弁、０１４は該針弁０１１の開弁圧力を設定する針弁ばね、０１２は前記針弁０１１の先端部が臨む油溜部である。０２２は入口端が前記高圧燃料管２に接続され出口端が前記油溜部０１２に接続される燃料通路である。０２１は入口端が前記注水ピストン装置５からの注水管３２に接続され出口端が前記ノズルチップ０３３下部に形成された水通路０３０に接続される水供給通路である。また、前記水通路０３０の出口端は前記燃料通路０２２の下部に合流されて合流部０３１を形成している。
【００２６】
４は前記水供給通路０２１に設けられた燃料弁内逆止弁で、前記注水管３２側から合流部０３１側に向かう流れのみを許容するように、かつその開弁圧力Ｐｐを前記針弁０１１の開弁圧力Ｐ０よりも小さく構成されている。
以上に示された燃料噴射弁３の基本構造は図１０に示される特許第２７７２１１４号の発明における燃料噴射弁と同様である。
【００２７】
前記注水ピストン装置の詳細を示す図４において、５１はシリンダ、５２は該シリンダ５１内に往復摺動自在に嵌合された注水ピストン、５６は該注水ピストン５２の外周部に嵌挿されたシールリングである。前記シリンダ５１内は、前記注水ピストン５２により水室５３と作動油室５４とに区画されており、該注水ピストン５２は、前記作動油室５４と水室５３との圧力差により移動せしめられる自由ピストンにて構成される。
【００２８】
前記作動油室５４には、前記作動油ポンプ６からの作動油が前記作動油管３５及び作動油入口５５を経て導入されるようになっている。９は入口側の注水逆止弁で、前記注水管３４に接続され該注水管３４側から水室５３に向かう流れのみを許容するように、球状の弁体９ａを所定の開弁圧力に設定されたばね９ｂにて押圧して構成されている。また、１６は出口側の注水逆止弁で、前記注水管３２に接続され前記水室５３側から該注水管３２に向かう流れのみを許容するように、球状の弁体１６ａを所定の開弁圧力に設定されたばね１６ｂにて押圧して構成されている。
【００２９】
かかる構成からなる燃料・水噴射システムを備えたデイーゼル機関の運転時において、注水タンク１１内の水が注水ポンプ１０によって加圧されて、前記注水ピストン装置５の水室５３内の圧力が作動油室５４側の圧力つまり作動油ポンプ６の作動油逆止弁７の開弁圧力よりも大きくなると、前記注水タンク１１より注水ポンプ１０によって圧送された水は注水管３４を通り前記注水逆止弁９を押し開けて前記注水ピストン装置の水室５３に導入される。
一方、作動油ポンプ６においては、作動油カム１１４がリフトせず、プランジャ１０３が下方にあるとき、作動油タンク１５内の作動油が作動油供給ポンプ１４により作動油入口管３３を及び給油孔０１１１を経てプランジャ室１０３ａに導入される。
そして、前記燃料噴射ポンプ１の燃料吐出休止期間中に、作動油ポンプ６の作動油カム１１４の回転によりタペット１１３及びプランジャ１０３が押し上げられると、プランジャ室１０３ａ内の作動油は該プランジャ１０３により加圧されて作動油吐出弁８を押し上げて作動油管３５を通り注水ピストン装置５の作動油室５４に入る。
【００３０】
該作動油室５４に入った高圧の作動油は注水ピストン５２の作動油室側５２ｂに作用し、該作動油の圧力と水室側５２ａに作用する水の圧力との圧力差により、
前記注水ピストン５２は図１、４の左方つまり水室５３の容積を縮小する方向に移動せしめられ、これにより該水室５３内に導入されていた水は注水逆止弁１６を押し開け、注水管３２を通って燃料噴射弁３の水供給路０２１に送り込まれる。
このとき、燃料噴射ポンプ１の燃料逆止弁１８の開弁圧力Ｐｒ、前記水供給路０２１の燃料弁内逆止弁４の開弁圧力Ｐｐ、燃料噴射弁３の針弁０１１の開弁圧力Ｐ０とすると、
Ｐ０＞Ｐｒ、Ｐ０＞Ｐｐ
と設定されているため、前記燃料噴射弁３の水供給路０２１に供給された水は、燃料弁内逆止弁４を経て水通路０３０及び燃料と水との合流部０３１を通り燃料通路０２２内に流入する。
【００３１】
前記燃料通路０２２内の合流部０３１よりも燃料噴射ポンプ１側にある燃料は該燃料噴射ポンプ１の方向に高圧燃料管２を通して押し戻される。その結果、前記燃料噴射弁３内には油溜部０１２及び該油溜部０１２から合流部０３１までの容積分の燃料で満たされ、該合流部０３１の上流側の燃料通路０２２には所定量の水が満たされ、さらにその上流側には再び燃料が満たされた層状状態となっている。
次いで、図９の“燃料噴射”状態に示すように、前記燃料噴射ポンプ１の吐出が開始されて燃料噴射弁３内の燃料が圧縮され、圧力が上昇して該燃料噴射弁３の開弁圧力Ｐ０以上になると、針弁０１１が開かれ噴射が開始される。該噴射は、前記のように層状状態にある燃料及び水のうち、先ず燃料が噴射され、着火遅れ期間を経た後、燃焼を開始する。引き続き水が燃焼中の先行燃料噴霧火炎をめがけて噴射される。このとき噴射される水も噴霧となってその内部に燃焼室内の空気を取り込んでいるため、先行噴射された燃料に空気を供給する形となって燃焼が活発化される。
そして、最後に残りの燃料が、先行した水噴霧の中に噴射され燃焼する。かかる燃料と水の噴射に伴う熱的影響により火炎の温度上昇が抑えられ、ＮＯｘの発生が抑制される。
【００３２】
前記作動時において、前記コントローラ１０６には、前記回転数検出器１１１からの機関回転数の検出信号及び前記ラック位置検出器１１０からの燃料調整ラック位置（燃料噴射量）の検出信号が入力される。そして、該コントローラ１０６は、これらの検出信号に基づき機関の運転状態に対応する作動油流量を算出し、前記アクチュエータ１０７に該作動油流量に相当する操作信号を出力する。
該アクチュエータ１０７の操作力によりピニオン１０８が回転して前記ラック１０９が往復動せしめられ、該ラック１０９に噛合しているプランジャ１０３の回転機構１１２を介してプランジャ１０３を回転することによりその有効行程が変化し、前記注水ピストン装置５への作動油流量が調整される。これにより、該作動油によって前記燃料噴射弁３に供給される水の量が調整される。
また、前記作動油ポンプ６に設けられた作動油カム１１４のプロフィールを所要の形状に設定することにより、該作動油ポンプ６による作動油の供給タイミングを調整し、これにより、前記注水ピストン装置５による燃料噴射弁３への水の供給タイミングを調整することができる。
【００３３】
かかる実施例によれば、通常用いられているジャーク式燃料噴射ポンプと同様な構造の作動油ポンプ６により、作動油供給タイミング及び作動油流量を調整して、作動油を注水ピストン装置５に供給あるいはこれを遮断することにより、該注水ピストン装置５を作動させ、該注水ピストン装置５によって燃料噴射弁３への水の供給、遮断をなさしめるようにしたので、ジャーク式燃料噴射ポンプと同様な構造の作動油ポンプ６の作動油供給タイミング及び作動油流量を調整するのみという比較的簡単な制御手段で、注水量及び注水タイミングを高精度で制御できる。
また、前記のように、ジャーク式燃料噴射ポンプと同様な構造の作動油ポンプ６と、シリンダ５１内にフリーピストン構造の注水ピストン５２を嵌合した簡単な構造の注水ピストン装置５とを組み合わせて燃料噴射弁３への水の供給システムを構成したので、従来技術のような格別な電子制御装置が不要となり、きわめて簡単かつ低コストの装置で以って、燃料・水噴射システムを構成することができる。
【００３４】
図２及び図６に示される第２実施例においては、前記作動油ポンプ６の吐出部において、前記第１実施例における作動油吐出弁８及び作動油逆止弁７を除去し、これに代えて絞り機構４０を設けている。
かかる実施例によれば、作動油ポンプ６と注水ピストン装置５との間の作動油通路に絞り機構４０を設けたので、該絞り機構４０によって、前記注水ピストン装置５の注水ピストン５２の振動等を伴う急激な移動を緩和することができ、これによって、注水ピストン装置５への作動油の供給が脈動等を伴うことなくなされることとなり、注水ピストン装置５による水の供給動作が安定化される。
また、第１実施例のような作動油吐出弁８及び作動油逆止弁７に比べて、簡単な構造の絞り機構４０を設ければ済むので、構造が簡単化され低コストとなる。
その他の構成は前記第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【００３５】
図３及び図６に示される第３実施例において、３６は前記注水ピストン装置５の作動油室５４と前記作動油タンク１５とを接続する作動油戻り管、３００は該作動油戻り管３６の管路を開閉する電磁弁であり、該作動油戻り管３６及び電磁弁３００を設けることにより、 前記作動油タンク１５から作動油入口管３３、作動油供給ポンプ１４、作動油入口管３３、作動油ポンプ６、作動油管３５、注水ピストン装置５、電磁弁３００、及び作動油戻り管３６をこの順に経て前記作動油タンク１５に至る作動油の循環路を形成している。
【００３６】
３０１は電磁弁駆動装置で、前記第１、第２実施例と同様にクランク軸、カム軸等の回転軸３０３の回転数検出信号が回転数検出器１１１から入力されるとともに、機関の負荷あるいは出力等の機関負荷の検出信号が負荷検出器３０４から入力される。
そして該電磁弁駆動装置３０１においては、前記作動油ポンプ６から作動油が注水ピストン装置５の作動油室５４に供給され、該注水ピストン装置５の注水ピストン５２が図４の左動して水室５３内の水を前記燃料噴射弁３に送出した後、前記電磁弁３００を開き、作動油室５４内の作動油を作動油戻り管３６を介して作動油タンク１５に戻す。
また、前記電磁弁駆動装置３０１においては、前記回転数検出信号及び機関負荷の検出信号に基づき機関の運転条件に適応した開閉タイミングでもって電磁弁３００を開閉操作する。
かかる操作により、作動油室５４内の作動油の残圧は完全に除去され、次のステップにおける水室５３内への水の供給が抵抗なくスムーズになされる。
【００３７】
かかる実施例によれば、前記作動油タンク１５から、作動油供給ポンプ１４、作動油ポンプ６、注水ピストン装置５、電磁弁３００、及び作動油戻り管３６をこの順に経て前記作動油タンク１５に至る作動油の循環路を形成し、該循環路の作動油戻り通路を電磁弁３００により機関運転条件に適応したタイミングで開閉するので、作動油が毎サイクル作動油タンク１５に戻されて該作動油タンク１５にて冷却されることとなり、作動油の温度上昇が抑制されるとともに、作動油室５４内の作動油の残圧が完全に除去されて次のステップにおける水室５３内への水の供給が抵抗なくスムーズになされる。これにより、作動油ポンプ６及び注水ピストン装置５による水の供給作用が安定化される。
【００３８】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、作動油ポンプにより作動油供給タイミング及び作動油流量を調整して、作動油を注水ピストン装置に供給あるいはこれを遮断することにより、該注水ピストン装置によって燃料噴射弁への水の供給、遮断をなさしめるようにしたので、通常用いられているジャーク式燃料噴射ポンプと同様な構造の作動油ポンプの作動油供給タイミング及び作動油流量を調整するのみという比較的簡単な制御手段で、注水量及び注水タイミングを高精度で制御できる。
【００３９】
また、前記のように、作動油供給タイミング及び作動油流量を調整可能な作動油ポンプと、シリンダ内にフリーピストン構造の注水ピストンを嵌合した簡単な構造の注水ピストン装置とを組み合わせて燃料噴射弁への水の供給システムを構成したので、従来技術のような電子制御による格別な制御操作機器が不要となり、きわめて簡単かつ低コストの装置で以って、燃料・水噴射システムを構成することができる。
【００４０】
また、請求項３のように構成すれば、絞り機構によって、注水ピストン装置の注水ピストンの振動等を伴う急激な移動を緩和することができ、これによって、注水ピストン装置への作動油の供給が脈動等を伴うことなくなされることとなり、注水ピストン装置による水の供給動作が安定化される。
また、簡単な構造の絞り機構を設ければ済むので、構造が簡単化され低コストとなる。
【００４１】
さらに、請求項４のように構成すれば、前記作動油タンクから、作動油ポンプ、注水ピストン装置、電磁弁、及び作動油戻り通路をこの順に経て前記作動油タンクに至る作動油の循環路を形成し、該循環路の作動油戻り通路を電磁弁により機関運転条件に適応したタイミングで開閉するので、作動油が毎サイクル作動油タンクに戻されて該作動油タンクにて冷却されることとなり、作動油の温度上昇が抑制されるとともに、注水ピストン装置における作動油の残圧が完全に除去されて次のステップにおける水の供給が抵抗なくスムーズになされる。これにより、作動油ポンプ及び注水ピストン装置による水の供給作用が安定化される。
【００４２】
以上、要するに本発明によれば、作動油供給タイミング及び作動油流量を調整可能な作動油ポンプと、シリンダ内にフリーピストン構造の注水ピストンを嵌合した簡単な構造の注水ピストン装置とを組み合わせるという、比較的簡単な制御手段で以って高精度の注水量及び注水タイミング制御を行い得るとともに、注水量の制御操作機器の装置コストが低減された燃料・水噴射内燃機関を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図である。
【図２】 第２実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図である。
【図３】 第３実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図である。
【図４】 注水ピストン装置の断面図である。
【図５】 前記第１実施例における燃料噴射ポンプ及び作動油ポンプの構造を示す断面図である。
【図６】 前記第２実施例における燃料噴射ポンプ及び作動油ポンプの構造を示す断面図である。
【図７】 前記第３実施例における燃料噴射ポンプ及び作動油ポンプの構造を示す断面図である。
【図８】 前記第１ないし第３実施例における燃料噴射弁の断面図である。
【図９】 前記第１ないし第３実施例の作用説明図である。
【図１０】 従来技術を示す要部構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料噴射ポンプ
２ 高圧燃料管
３ 燃料噴射弁
４ 燃料弁内逆止弁
５ 注水ピストン装置
６ 作動油ポンプ
７ 作動油逆止弁
８ 作動油吐出弁
９ 注水逆止弁
１０ 注水ポンプ
０１０ 噴孔
１１ 注水タンク
０１１ 針弁
１２ 燃料供給ポンプ
０１２ 油溜部
１３ 燃料タンク
１４ 作動油供給ポンプ
１５ 作動油タンク
１６ 注水逆止弁
１７ 燃料吐出弁
１８ 燃料逆止弁
２４ プランジャバレル
２５ プランジャ
３２ 注水管
０３１ 合流部
３４ 注水管
３５ 作動油管
３６ 作動油戻り管
４０ 絞り機構
５１ シリンダ
５２ 注水ピストン
５３ 水室
５４ 作動油室
１０２ プランジャバレル
１０３ プランジャ
１０３ａ プランジャ室
１０６ コントローラ
１０７ アクチュエータ
１０９ ラック
１１０ ラック位置検出器
１１１ 回転数検出器
１１４ 作動油カム
３００ 電磁弁
３０１ 電磁弁駆動装置
３０４ 負荷検出器
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料噴射ポンプから燃料通路を経て供給された高圧の燃料と、水供給ポンプから供給された水とを１つの燃料噴射弁から燃焼室内に噴射するように構成された燃料・水噴射内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
デイーゼル機関においては、窒素酸化物（ＮＯｘ）低減のための有効な技術として、燃料噴射弁から燃料と水とを燃焼室内に噴射する燃料・水噴射デイーゼル機関が提案されている。
かかる技術の一つとして、本件出願人の出願に係る特許第２７７２１１４号の発明がある。図１０はかかる発明の構成を示し、図において、００１は燃料噴射ポンプ、３は燃料噴射弁、０１は燃料タンク、０２は燃料給油ポンプ、０１９は水タンク、０１８は水供給ポンプ、０１６は燃料噴射弁への水の供給を制御する制御弁、０２０は該制御弁０１６に開閉制御するコントロール装置である。
【０００３】
かかる燃料・水噴射デイーゼル機関において、水タンク０１９より水供給ポンプ０１８によって圧送された水は水供給管０１７を通り前記制御弁０１６に送られる。燃料噴射ポンプ００１の燃料吐出休止期間中に、前記コントロール装置０２０を介して前記制御弁０１６は開弁され、所定量の水を供給管０１５を介して前記燃料噴射弁３の水供給路０２１に送り込む。
このとき、燃料噴射ポンプ００１の逆止弁０７の開弁圧力Ｐｒ、前記水供給路０２１の燃料弁内逆止弁４の開弁圧力Ｐｐ、燃料噴射弁３の針弁０１１の開弁圧力Ｐ０とすると、
Ｐ０＞Ｐｒ、Ｐ０＞Ｐｐ
と設定されているため、前記燃料噴射弁３の水供給路０２１に供給された水は、燃料弁内逆止弁４を経て水通路０３０及び燃料と水との合流部０３１を通り燃料通路０２２内に流入する。
【０００４】
前記燃料通路０２２内の合流部０３１よりも燃料噴射ポンプ００１側にある燃料は該燃料噴射ポンプ００１の方向に高圧燃料管０８を通して押し戻される。その結果、前記燃料噴射弁３内には油溜部０１２及び該油溜部０１２から合流部０３１までの容積分の燃料で満たされ、該合流部０３１の上流側の燃料通路０２２には所定量の水が満たされ、さらにその上流側には再び燃料が満たされた層状状態となっている。
【０００５】
次いで、前記燃料噴射ポンプ００１の吐出が開始されて燃料噴射弁３内の燃料が圧縮され、圧力が上昇して該燃料噴射弁３の開弁圧力Ｐ０以上になると、針弁０１１が開かれ噴射が開始される。該噴射は、前記のように層状状態にある燃料及び水のうち、先ず燃料が噴射され、着火遅れ期間を経た後、燃焼を開始する。
引き続き水が燃焼中の先行燃料噴霧火炎をめがけて噴射される。このとき噴射される水も噴霧となってその内部に燃焼室内の空気を取り込んでいるため、先行噴射された燃料に空気を供給する形となって燃焼が活発化される。
そして、最後に残りの燃料が、先行した水噴霧の中に噴射され燃焼する。かかる燃料と水の噴射に伴う熱的影響により火炎の温度上昇が抑えられ、ＮＯｘの発生が抑制される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示される特許第２７７２１１４号の発明においては、燃料噴射弁３に燃料と水とを層状に充填した後、高圧燃料により燃焼室内に押し出して噴射し、かかる燃料と水の噴射に伴う熱的影響により火炎の温度上昇が抑えられ、ＮＯｘの発生が抑制される。
しかしながら、かかる従来技術にあっては、燃料噴射弁３への注水量を、コントロール装置０２０により制御弁０１６のストローク及び開弁タイミングを変化させて制御しているため、所要の注水量及び注水タイミングを得るには該制御弁０１６の制御精度を高く維持することを要し、注水制御に困難を伴う。
また、かかる従来技術にあっては、前記のように、制御弁０１６を高い制御精度で以って制御操作することから、該制御弁０１６について高精度のタイミング制御を行うコントロール装置０２０、該制御弁０１６に操作力を付与するための作動油圧発生装置及び電気的駆動装置等の制御操作機器を必要とするため、装置コストが高騰する。等の問題点を有している。
【０００７】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、比較的簡単な制御方法で以って高精度の注水制御を行い得、かつ注水量の制御操作機器の装置コストが低減された燃料・水噴射内燃機関を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、請求項１記載の発明として、燃料と水とを燃焼室に噴射する燃料・水噴射内燃機関であって、燃料噴射ポンプと連通する燃料通路と逆止弁とを内蔵しかつ該燃料通路と合流する水供給路とを有する燃料噴射弁と、前記燃料噴射ポンプが休止している間に所定量の水を前記水供給路を通じて合流部から前記燃料通路内に供給する水供給手段を備えるとともに、前記燃料噴射弁の油溜部の容積と前記合流部から油溜部までの容積の合計が全燃料噴射量の５％以上７５％以下である燃料・水噴射内燃機関において、
水供給ポンプから水通路を経た水が収容される水室内の圧力と該水室に対し注水ピストンを隔てて形成された作動油室内の圧力との圧力差により前記水を前記燃料噴射弁に圧送する、注水ピストン装置を前記水通路に設けるとともに、作動油入口通路から導入された作動油を加圧して前記注水ピストン装置の作動油室に作動油通路を経て送給する作動油ポンプを設け、
該注水ピストン装置は、ピストンが、シリンダからなる水室内を往復摺動自在に嵌合され、前記圧力差により移動せしめられる自由ピストンにて構成され、前記水室出口の前記水通路には前記燃料噴射弁に向かう流れのみを可能とする注水逆止弁が設けられるとともに、前記水室入口の前記水通路には該水室に向かう流れのみを可能とする注水逆止弁が設けられ、
更に前記作動油ポンプは、プランジャバレル内に往復摺動自在に嵌合されたプランジャの往復動によりプランジャ室内の作動油を前記注水ピストン装置に送出すると共に、該プランジャの有効行程を変化させることにより作動油送出流量を調整可能に構成し、且つ前記作動油ポンプに設けられた作動油カムのプロフィールを所要の形状に設定することにより、該作動油ポンプによる作動油の供給タイミングを調整可能に構成し、
前記作動油カムのプロフィール形状を、前記燃料噴射ポンプの燃料吐出休止期間中に、作動油ポンプの作動油カムの回転により作動油室に入った高圧の作動油を前記注水ピストンの作動油室側に作用させて前記注水ピストンの水室内に導入されていた水を燃料噴射弁に送り込ませるプロフィール形状に設定したことを特徴とする燃料・水噴射内燃機関を提案する。
【００１１】
請求項２ないし３記載の発明は、ジャーク式ポンプからなる前記作動油ポンプの具体的構成に係り、請求項２の発明においては、ジャーク式ポンプからなる前記作動油ポンプは、
前記プランジャ室の圧力により開弁して該プランジャ室内の作動油を前記注水ピストン装置に送出する作動油吐出弁と、前記プランジャ室と前記作動油通路とを前記作動油吐出弁をバイパスする戻り通路に設けられて該作動油通路からプランジャに向かう流れのみを可能とする作動油逆止弁とを備えてなる。
【００１２】
請求項３の発明においては、前記ジャーク式ポンプからなる前記作動油ポンプは、前記プランジャ室と作動油通路との間に、作動油通路面積を縮小する絞り機構を設けてなる。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項１において、前記注水ピストン装置の作動油室と前記作動油ポンプへの作動油入口管に作動油を供給するための作動油タンクとを接続する作動油戻り通路、並びに機関回転数、機関負荷等の機関運転条件により該作動油戻り通路を開閉する電磁弁を設けて、前記作動油タンクから作動油入口通路、作動油ポンプ、作動油通路、注水ピストン装置、電磁弁、及び作動油戻り通路をこの順に経て前記作動油タンクに至る作動油の循環路を形成したことを特徴とする。
【００１４】
かかる発明によれば、通常用いられているジャーク式燃料噴射ポンプ等の、作動油供給タイミング及び作動油流量を調整可能な作動油ポンプにより、作動油供給タイミング及び作動油流量を調整して、作動油を注水ピストン装置に供給あるいはこれを遮断することにより、該注水ピストン装置を作動させ、該注水ピストン装置によって燃料噴射弁への水の供給、遮断をなさしめるようにしたので、ジャーク式燃料噴射ポンプと同様な構造の作動油ポンプの作動油供給タイミング及び作動油流量を調整するのみという比較的簡単な制御手段で、注水量及び注水タイミングを高精度で制御できる。
【００１５】
また、前記のように、ジャーク式燃料噴射ポンプと同様な作動油供給タイミング及び作動油流量を調整可能な作動油ポンプと、シリンダ内にフリーピストン構造の注水ピストンを嵌合した簡単な構造の注水ピストン装置とを組み合わせて燃料噴射弁への水の供給システムを構成したので、従来技術のような電子制御の制御弁、該制御弁のタイミング制御を行うコントロール装置、該制御弁に操作力を付与するための作動油圧発生装置及び電気的駆動装置等の格別な制御操作機器が不要となり、きわめて簡単かつ低コストの装置で以って、燃料・水噴射システムを構成することができる。
【００１６】
また請求項３の発明によれば、絞り機構によって、注水ピストン装置の注水ピストンの振動等を伴う急激な移動を緩和することができ、これによって、注水ピストン装置への作動油の供給が脈動等を伴うことなくなされることとなり、注水ピストン装置による水の供給動作が安定化される。
また、簡単な構造の絞り機構を設ければ済むので、構造が簡単化され低コストとなる。
【００１７】
さらに請求項４の発明によれば、前記作動油タンクから作動油入口通路、作動油ポンプ、作動油通路、注水ピストン装置、電磁弁、及び作動油戻り通路をこの順に経て前記作動油タンクに至る作動油の循環路を形成し、該循環路の作動油戻り通路を電磁弁により機関運転条件に適応したタイミングで開閉するので、作動油が毎サイクル作動油タンクに戻されて該作動油タンクにて冷却されることとなり、作動油の温度上昇が抑制されるとともに、注水ピストン装置における作動油の残圧が完全に除去されて次のステップにおける水の供給が抵抗なくスムーズになされる。これにより、作動油ポンプ及び注水ピストン装置による水の供給作用が安定化される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
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無い限り、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過ぎない。
【００１９】
図１は本発明の第１実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図、図２は第２実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図、
図３は第３実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図、図４は注水ピストン装置の断面図、図５は前記第１実施例における燃料噴射ポンプ及び作動油ポンプの構造を示す断面図、図６は前記第２実施例における燃料噴射ポンプ及び作動油ポンプの構造を示す断面図、図７は前記第３実施例における燃料噴射ポンプ及び作動油ポンプの構造を示す断面図である。図８は前記第１ないし第３実施例における燃料噴射弁の断面図である。図９は前記第１ないし第３実施例の作用説明図である。
【００２０】
図１に示される第１実施例において、１は燃料噴射ポンプで、図５に示されるような公知のジャーク式燃料噴射ポンプからなる。３はその詳細が図８に示されている燃料噴射弁である。また、６はその詳細が図８に示されている作動油ポンプである。
１３は燃料タンク、３１は該燃料タンク１３と前記燃料噴射ポンプ１の燃料入口とを接続する燃料供給管、１２は前記燃料供給管３１に設けられ燃料タンク１３内の燃料を燃料噴射ポンプ１に送給する燃料供給ポンプである。２は前記燃料噴射ポンプ１からの高圧燃料出口と前記燃料噴射弁３の燃料入口とを接続する高圧燃料管である。
【００２１】
５は注水ピストン装置であり詳細は後述する。１１は注水タンク、３４は該注水タンク１１と前記注水ピストン装置５の水入口とを接続する注水管、１０は該注水管３４に設けられて注水タンク１１内の水を注水ピストン装置５に送給する注水ポンプである。３２は前記注水ピストン装置５の水出口と前記燃料噴射弁３の水入口とを接続する注水管である。
１５は作動油タンク、３３は該作動油タンク１５と前記作動油ポンプ６の作動油入口とを接続する作動油入口管、１４は該作動油入口管３３に設けられ作動油タンク１５内の作動油を作動油ポンプ６に送給する作動油供給ポンプである。また、３５は前記作動油ポンプ６の作動油出口と前記注水ピストン装置５の作動油入口とを接続する作動油管である。
【００２２】
前記燃料噴射ポンプ及び作動油ポンプの詳細を示す図５において、１は燃料噴射ポンプで次のように構成されている。
２５はプランジャバレル２４の内周に往復摺動自在に嵌合されたプランジャ、１７は燃料吐出弁、１８は燃料逆止弁であり、該プランジャ２５の上動によりプランジャ室２５ａ内の燃料を高圧に加圧し、該高圧燃料が前記燃料吐出弁１７を押し開いて前記高圧燃料管２に吐出されるようになっている。
該燃料噴射ポンプ１は、前記のように公知のジャーク式燃料噴射ポンプからなり、燃料調整ラック（図示省略）の往復動により前記プランジャ２５の有効行程を変化させることにより、高圧燃料管２に吐出される燃料噴射量を調整するように構成されている。１３は燃料タンク、３１は燃料供給管、１２は燃料供給ポンプである（何れも図１参照）。
１１０は前記燃料調整ラックの位置即ち燃料噴射量を検出するラック位置検出器で、該ラック位置検出器１１０からの燃料調整ラック位置（燃料噴射量）の検出信号は後述するコントローラ１０６に入力される。１１１は機関回転数を検出する回転数検出器で、該回転数検出器１１１からの機関回転数の検出信号も前記コントローラ１０６に入力される。
【００２３】
６は作動油ポンプで次のように構成されている。
１０１はポンプケース、１０２は該ポンプケース１０１の内部に固着されたプランジャバレル、１０３は該プランジャバレル１０２の内周に往復摺動自在に嵌合されたプランジャ、１０３ａは該プランジャバレル１０２内のプランジャ１０３上面に臨んで形成されたプランジャ室、０１１１は前記プランジャバレル１０２に設けられた給油孔である。１１３は前記プランジャ１０３の下端に固定されたタペット、１１５は該タペット１１３に支持されたプランジャスプリングで、該タペット１１３を図１に示す作動油カム１１４に押圧している。
８は前記プランジャ室１０３ａの出口側に設けられた作動油吐出弁で、前記燃料噴射ポンプ１の燃料吐出弁１７と同様な構造を有する。７は作動油逆止弁で、前記燃料噴射ポンプ１の燃料逆止弁１８と同様な構造を有し、
前記燃料吐出弁１７が設けられている吐出弁室と前記プランジャ室１０３ａとを接続する戻り通路に設けられている。
【００２４】
１０９は前記プランジャ１０３の回転機構１１２に噛合される吐出流量調整用のラック、１０８は該ラック１０９に噛合されるピニオンである。１０７はアクチュエータで、後述するコントローラ１０６からの制御信号により作動し、その出力端が前記ピニオン１０８に連結されており、前記アクチュエータ１０７の操作力によりピニオン１０８が回転して前記ラック１０９を往復動せしめ、該ラック１０９に噛合しているプランジャ１０３の回転機構１１２を介してプランジャ１０３を回転させることによりその有効行程を変化させて、作動油管３５を通して前記注水ピストン装置５への作動油流量を調整するように構成されている。
１０６はコントローラで、前記回転数検出器１１１からの機関回転数の検出信号及び前記ラック位置検出器１１０からの燃料調整ラック位置（燃料噴射量）の検出信号が入力され、これらの検出信号に基づき機関の運転状態に対応する作動油流量を算出し、前記アクチュエータ１０７に該作動油流量に相当する操作信号を出力する。
また、１５は作動油タンク、３３は作動油入口管、１４は作動油ポンプである（何れも図１参照）。
【００２５】
前記燃料噴射弁３の詳細を示す図８において、０９は本体、０３３はノズルチップ、０１０は該ノズルチップ０３３の先端部に複数穿孔された噴孔、０１１は該ノズルチップ０３３内に往復摺動可能に嵌合された針弁、０１４は該針弁０１１の開弁圧力を設定する針弁ばね、０１２は前記針弁０１１の先端部が臨む油溜部である。０２２は入口端が前記高圧燃料管２に接続され出口端が前記油溜部０１２に接続される燃料通路である。０２１は入口端が前記注水ピストン装置５からの注水管３２に接続され出口端が前記ノズルチップ０３３下部に形成された水通路０３０に接続される水供給通路である。また、前記水通路０３０の出口端は前記燃料通路０２２の下部に合流されて合流部０３１を形成している。
【００２６】
４は前記水供給通路０２１に設けられた燃料弁内逆止弁で、前記注水管３２側から合流部０３１側に向かう流れのみを許容するように、かつその開弁圧力Ｐｐを前記針弁０１１の開弁圧力Ｐ０よりも小さく構成されている。
以上に示された燃料噴射弁３の基本構造は図１０に示される特許第２７７２１１４号の発明における燃料噴射弁と同様である。
【００２７】
前記注水ピストン装置の詳細を示す図４において、５１はシリンダ、５２は該シリンダ５１内に往復摺動自在に嵌合された注水ピストン、５６は該注水ピストン５２の外周部に嵌挿されたシールリングである。前記シリンダ５１内は、前記注水ピストン５２により水室５３と作動油室５４とに区画されており、該注水ピストン５２は、前記作動油室５４と水室５３との圧力差により移動せしめられる自由ピストンにて構成される。
【００２８】
前記作動油室５４には、前記作動油ポンプ６からの作動油が前記作動油管３５及び作動油入口５５を経て導入されるようになっている。９は入口側の注水逆止弁で、前記注水管３４に接続され該注水管３４側から水室５３に向かう流れのみを許容するように、球状の弁体９ａを所定の開弁圧力に設定されたばね９ｂにて押圧して構成されている。また、１６は出口側の注水逆止弁で、前記注水管３２に接続され前記水室５３側から該注水管３２に向かう流れのみを許容するように、球状の弁体１６ａを所定の開弁圧力に設定されたばね１６ｂにて押圧して構成されている。
【００２９】
かかる構成からなる燃料・水噴射システムを備えたデイーゼル機関の運転時において、注水タンク１１内の水が注水ポンプ１０によって加圧されて、前記注水ピストン装置５の水室５３内の圧力が作動油室５４側の圧力つまり作動油ポンプ６の作動油逆止弁７の開弁圧力よりも大きくなると、前記注水タンク１１より注水ポンプ１０によって圧送された水は注水管３４を通り前記注水逆止弁９を押し開けて前記注水ピストン装置の水室５３に導入される。
一方、作動油ポンプ６においては、作動油カム１１４がリフトせず、プランジャ１０３が下方にあるとき、作動油タンク１５内の作動油が作動油供給ポンプ１４により作動油入口管３３を及び給油孔０１１１を経てプランジャ室１０３ａに導入される。
そして、前記燃料噴射ポンプ１の燃料吐出休止期間中に、作動油ポンプ６の作動油カム１１４の回転によりタペット１１３及びプランジャ１０３が押し上げられると、プランジャ室１０３ａ内の作動油は該プランジャ１０３により加圧されて作動油吐出弁８を押し上げて作動油管３５を通り注水ピストン装置５の作動油室５４に入る。
【００３０】
該作動油室５４に入った高圧の作動油は注水ピストン５２の作動油室側５２ｂに作用し、該作動油の圧力と水室側５２ａに作用する水の圧力との圧力差により、
前記注水ピストン５２は図１、４の左方つまり水室５３の容積を縮小する方向に移動せしめられ、これにより該水室５３内に導入されていた水は注水逆止弁１６を押し開け、注水管３２を通って燃料噴射弁３の水供給路０２１に送り込まれる。
このとき、燃料噴射ポンプ１の燃料逆止弁１８の開弁圧力Ｐｒ、前記水供給路０２１の燃料弁内逆止弁４の開弁圧力Ｐｐ、燃料噴射弁３の針弁０１１の開弁圧力Ｐ０とすると、
Ｐ０＞Ｐｒ、Ｐ０＞Ｐｐ
と設定されているため、前記燃料噴射弁３の水供給路０２１に供給された水は、燃料弁内逆止弁４を経て水通路０３０及び燃料と水との合流部０３１を通り燃料通路０２２内に流入する。
【００３１】
前記燃料通路０２２内の合流部０３１よりも燃料噴射ポンプ１側にある燃料は該燃料噴射ポンプ１の方向に高圧燃料管２を通して押し戻される。その結果、前記燃料噴射弁３内には油溜部０１２及び該油溜部０１２から合流部０３１までの容積分の燃料で満たされ、該合流部０３１の上流側の燃料通路０２２には所定量の水が満たされ、さらにその上流側には再び燃料が満たされた層状状態となっている。
次いで、図９の“燃料噴射”状態に示すように、前記燃料噴射ポンプ１の吐出が開始されて燃料噴射弁３内の燃料が圧縮され、圧力が上昇して該燃料噴射弁３の開弁圧力Ｐ０以上になると、針弁０１１が開かれ噴射が開始される。該噴射は、前記のように層状状態にある燃料及び水のうち、先ず燃料が噴射され、着火遅れ期間を経た後、燃焼を開始する。引き続き水が燃焼中の先行燃料噴霧火炎をめがけて噴射される。このとき噴射される水も噴霧となってその内部に燃焼室内の空気を取り込んでいるため、先行噴射された燃料に空気を供給する形となって燃焼が活発化される。
そして、最後に残りの燃料が、先行した水噴霧の中に噴射され燃焼する。かかる燃料と水の噴射に伴う熱的影響により火炎の温度上昇が抑えられ、ＮＯｘの発生が抑制される。
【００３２】
前記作動時において、前記コントローラ１０６には、前記回転数検出器１１１からの機関回転数の検出信号及び前記ラック位置検出器１１０からの燃料調整ラック位置（燃料噴射量）の検出信号が入力される。そして、該コントローラ１０６は、これらの検出信号に基づき機関の運転状態に対応する作動油流量を算出し、前記アクチュエータ１０７に該作動油流量に相当する操作信号を出力する。
該アクチュエータ１０７の操作力によりピニオン１０８が回転して前記ラック１０９が往復動せしめられ、該ラック１０９に噛合しているプランジャ１０３の回転機構１１２を介してプランジャ１０３を回転することによりその有効行程が変化し、前記注水ピストン装置５への作動油流量が調整される。これにより、該作動油によって前記燃料噴射弁３に供給される水の量が調整される。
また、前記作動油ポンプ６に設けられた作動油カム１１４のプロフィールを所要の形状に設定することにより、該作動油ポンプ６による作動油の供給タイミングを調整し、これにより、前記注水ピストン装置５による燃料噴射弁３への水の供給タイミングを調整することができる。
【００３３】
かかる実施例によれば、通常用いられているジャーク式燃料噴射ポンプと同様な構造の作動油ポンプ６により、作動油供給タイミング及び作動油流量を調整して、作動油を注水ピストン装置５に供給あるいはこれを遮断することにより、該注水ピストン装置５を作動させ、該注水ピストン装置５によって燃料噴射弁３への水の供給、遮断をなさしめるようにしたので、ジャーク式燃料噴射ポンプと同様な構造の作動油ポンプ６の作動油供給タイミング及び作動油流量を調整するのみという比較的簡単な制御手段で、注水量及び注水タイミングを高精度で制御できる。
また、前記のように、ジャーク式燃料噴射ポンプと同様な構造の作動油ポンプ６と、シリンダ５１内にフリーピストン構造の注水ピストン５２を嵌合した簡単な構造の注水ピストン装置５とを組み合わせて燃料噴射弁３への水の供給システムを構成したので、従来技術のような格別な電子制御装置が不要となり、きわめて簡単かつ低コストの装置で以って、燃料・水噴射システムを構成することができる。
【００３４】
図２及び図６に示される第２実施例においては、前記作動油ポンプ６の吐出部において、前記第１実施例における作動油吐出弁８及び作動油逆止弁７を除去し、これに代えて絞り機構４０を設けている。
かかる実施例によれば、作動油ポンプ６と注水ピストン装置５との間の作動油通路に絞り機構４０を設けたので、該絞り機構４０によって、前記注水ピストン装置５の注水ピストン５２の振動等を伴う急激な移動を緩和することができ、これによって、注水ピストン装置５への作動油の供給が脈動等を伴うことなくなされることとなり、注水ピストン装置５による水の供給動作が安定化される。
また、第１実施例のような作動油吐出弁８及び作動油逆止弁７に比べて、簡単な構造の絞り機構４０を設ければ済むので、構造が簡単化され低コストとなる。
その他の構成は前記第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【００３５】
図３及び図６に示される第３実施例において、３６は前記注水ピストン装置５の作動油室５４と前記作動油タンク１５とを接続する作動油戻り管、３００は該作動油戻り管３６の管路を開閉する電磁弁であり、該作動油戻り管３６及び電磁弁３００を設けることにより、 前記作動油タンク１５から作動油入口管３３、作動油供給ポンプ１４、作動油入口管３３、作動油ポンプ６、作動油管３５、注水ピストン装置５、電磁弁３００、及び作動油戻り管３６をこの順に経て前記作動油タンク１５に至る作動油の循環路を形成している。
【００３６】
３０１は電磁弁駆動装置で、前記第１、第２実施例と同様にクランク軸、カム軸等の回転軸３０３の回転数検出信号が回転数検出器１１１から入力されるとともに、機関の負荷あるいは出力等の機関負荷の検出信号が負荷検出器３０４から入力される。
そして該電磁弁駆動装置３０１においては、前記作動油ポンプ６から作動油が注水ピストン装置５の作動油室５４に供給され、該注水ピストン装置５の注水ピストン５２が図４の左動して水室５３内の水を前記燃料噴射弁３に送出した後、前記電磁弁３００を開き、作動油室５４内の作動油を作動油戻り管３６を介して作動油タンク１５に戻す。
また、前記電磁弁駆動装置３０１においては、前記回転数検出信号及び機関負荷の検出信号に基づき機関の運転条件に適応した開閉タイミングでもって電磁弁３００を開閉操作する。
かかる操作により、作動油室５４内の作動油の残圧は完全に除去され、次のステップにおける水室５３内への水の供給が抵抗なくスムーズになされる。
【００３７】
かかる実施例によれば、前記作動油タンク１５から、作動油供給ポンプ１４、作動油ポンプ６、注水ピストン装置５、電磁弁３００、及び作動油戻り管３６をこの順に経て前記作動油タンク１５に至る作動油の循環路を形成し、該循環路の作動油戻り通路を電磁弁３００により機関運転条件に適応したタイミングで開閉するので、作動油が毎サイクル作動油タンク１５に戻されて該作動油タンク１５にて冷却されることとなり、作動油の温度上昇が抑制されるとともに、作動油室５４内の作動油の残圧が完全に除去されて次のステップにおける水室５３内への水の供給が抵抗なくスムーズになされる。これにより、作動油ポンプ６及び注水ピストン装置５による水の供給作用が安定化される。
【００３８】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、作動油ポンプにより作動油供給タイミング及び作動油流量を調整して、作動油を注水ピストン装置に供給あるいはこれを遮断することにより、該注水ピストン装置によって燃料噴射弁への水の供給、遮断をなさしめるようにしたので、通常用いられているジャーク式燃料噴射ポンプと同様な構造の作動油ポンプの作動油供給タイミング及び作動油流量を調整するのみという比較的簡単な制御手段で、注水量及び注水タイミングを高精度で制御できる。
【００３９】
また、前記のように、作動油供給タイミング及び作動油流量を調整可能な作動油ポンプと、シリンダ内にフリーピストン構造の注水ピストンを嵌合した簡単な構造の注水ピストン装置とを組み合わせて燃料噴射弁への水の供給システムを構成したので、従来技術のような電子制御による格別な制御操作機器が不要となり、きわめて簡単かつ低コストの装置で以って、燃料・水噴射システムを構成することができる。
【００４０】
また、請求項３のように構成すれば、絞り機構によって、注水ピストン装置の注水ピストンの振動等を伴う急激な移動を緩和することができ、これによって、注水ピストン装置への作動油の供給が脈動等を伴うことなくなされることとなり、注水ピストン装置による水の供給動作が安定化される。
また、簡単な構造の絞り機構を設ければ済むので、構造が簡単化され低コストとなる。
【００４１】
さらに、請求項４のように構成すれば、前記作動油タンクから、作動油ポンプ、注水ピストン装置、電磁弁、及び作動油戻り通路をこの順に経て前記作動油タンクに至る作動油の循環路を形成し、該循環路の作動油戻り通路を電磁弁により機関運転条件に適応したタイミングで開閉するので、作動油が毎サイクル作動油タンクに戻されて該作動油タンクにて冷却されることとなり、作動油の温度上昇が抑制されるとともに、注水ピストン装置における作動油の残圧が完全に除去されて次のステップにおける水の供給が抵抗なくスムーズになされる。これにより、作動油ポンプ及び注水ピストン装置による水の供給作用が安定化される。
【００４２】
以上、要するに本発明によれば、作動油供給タイミング及び作動油流量を調整可能な作動油ポンプと、シリンダ内にフリーピストン構造の注水ピストンを嵌合した簡単な構造の注水ピストン装置とを組み合わせるという、比較的簡単な制御手段で以って高精度の注水量及び注水タイミング制御を行い得るとともに、注水量の制御操作機器の装置コストが低減された燃料・水噴射内燃機関を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図である。
【図２】 第２実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図である。
【図３】 第３実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図である。
【図４】 注水ピストン装置の断面図である。
【図５】 前記第１実施例における燃料噴射ポンプ及び作動油ポンプの構造を示す断面図である。
【図６】 前記第２実施例における燃料噴射ポンプ及び作動油ポンプの構造を示す断面図である。
【図７】 前記第３実施例における燃料噴射ポンプ及び作動油ポンプの構造を示す断面図である。
【図８】 前記第１ないし第３実施例における燃料噴射弁の断面図である。
【図９】 前記第１ないし第３実施例の作用説明図である。
【図１０】 従来技術を示す要部構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料噴射ポンプ
２ 高圧燃料管
３ 燃料噴射弁
４ 燃料弁内逆止弁
５ 注水ピストン装置
６ 作動油ポンプ
７ 作動油逆止弁
８ 作動油吐出弁
９ 注水逆止弁
１０ 注水ポンプ
０１０ 噴孔
１１ 注水タンク
０１１ 針弁
１２ 燃料供給ポンプ
０１２ 油溜部
１３ 燃料タンク
１４ 作動油供給ポンプ
１５ 作動油タンク
１６ 注水逆止弁
１７ 燃料吐出弁
１８ 燃料逆止弁
２４ プランジャバレル
２５ プランジャ
３２ 注水管
０３１ 合流部
３４ 注水管
３５ 作動油管
３６ 作動油戻り管
４０ 絞り機構
５１ シリンダ
５２ 注水ピストン
５３ 水室
５４ 作動油室
１０２ プランジャバレル
１０３ プランジャ
１０３ａ プランジャ室
１０６ コントローラ
１０７ アクチュエータ
１０９ ラック
１１０ ラック位置検出器
１１１ 回転数検出器
１１４ 作動油カム
３００ 電磁弁
３０１ 電磁弁駆動装置
３０４ 負荷検出器
Claims (4)
- 燃料と水とを燃焼室に噴射する燃料・水噴射内燃機関であって、燃料噴射ポンプと連通する燃料通路と逆止弁とを内蔵しかつ該燃料通路と合流する水供給路とを有する燃料噴射弁と、前記燃料噴射ポンプが休止している間に所定量の水を前記水供給路を通じて合流部から前記燃料通路内に供給する水供給手段を備えるとともに、前記燃料噴射弁の油溜部の容積と前記合流部から油溜部までの容積の合計が全燃料噴射量の５％以上７５％以下である燃料・水噴射内燃機関において、
水供給ポンプから水通路を経た水が収容される水室内の圧力と該水室に対し注水ピストンを隔てて形成された作動油室内の圧力との圧力差により前記水を前記燃料噴射弁に圧送する、注水ピストン装置を前記水通路に設けるとともに、作動油入口通路から導入された作動油を加圧して前記注水ピストン装置の作動油室に作動油通路を経て送給する作動油ポンプを設け、
該注水ピストン装置は、ピストンが、シリンダからなる水室内を往復摺動自在に嵌合され、前記圧力差により移動せしめられる自由ピストンにて構成され、前記水室出口の前記水通路には前記燃料噴射弁に向かう流れのみを可能とする注水逆止弁が設けられるとともに、前記水室入口の前記水通路には該水室に向かう流れのみを可能とする注水逆止弁が設けられ、
更に前記作動油ポンプは、プランジャバレル内に往復摺動自在に嵌合されたプランジャの往復動によりプランジャ室内の作動油を前記注水ピストン装置に送出すると共に、該プランジャの有効行程を変化させることにより作動油送出流量を調整可能に構成し、且つ前記作動油ポンプに設けられた作動油カムのプロフィールを所要の形状に設定することにより、該作動油ポンプによる作動油の供給タイミングを調整可能に構成し、
前記作動油カムのプロフィール形状を、前記燃料噴射ポンプの燃料吐出休止期間中に、作動油ポンプの作動油カムの回転により作動油室に入った高圧の作動油を前記注水ピストンの作動油室側に作用させて前記注水ピストンの水室内に導入されていた水を燃料噴射弁に送り込ませるプロフィール形状に設定したことを特徴とする燃料・水噴射内燃機関。 - ジャーク式ポンプからなる前記作動油ポンプは、前記プランジャ室の圧力により開弁して該プランジャ室内の作動油を前記注水ピストン装置に送出する作動油吐出弁と、前記プランジャ室と前記作動油通路とを前記作動油吐出弁をバイパスする戻り通路に設けられて該作動油通路からプランジャに向かう流れのみを可能とする作動油逆止弁とを備えてなることを特徴とする請求項１記載の燃料・水噴射内燃機関。
- 前記ジャーク式ポンプからなる前記作動油ポンプは、前記プランジャ室と作動油通路との間に、作動油通路面積を縮小する絞り機構を設けてなることを特徴とする請求項１記載の燃料・水噴射内燃機関。
- 前記注水ピストン装置の作動油室と前記作動油ポンプへの作動油入口管に作動油を供給するための作動油タンクとを接続する作動油戻り通路、並びに機関回転数、機関負荷等の機関運転条件により該作動油戻り通路を開閉する電磁弁を設けて、前記作動油タンクから作動油入口通路、作動油ポンプ、作動油通路、注水ピストン装置、電磁弁、及び作動油戻り通路をこの順に経て前記作動油タンクに至る作動油の循環路を形成したことを特徴とする請求項１記載の燃料・水噴射内燃機関。
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