JP2013133782A - ディーゼルエンジンの燃料噴射装置、これを備えたディーゼルエンジン、および船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素で信頼性が高く、且つ低価格な構成により、排気ガス中のＮＯｘ削減効果を向上させるとともに、燃料として重質油を実用化する。
【解決手段】ディーゼルエンジンの燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁に燃料を圧送する増圧ピストンを備えた燃料ポンプユニットと、前記増圧ピストンの動きを制御する蓄圧管制弁ユニットとを備え、前記蓄圧管制弁ユニットには、前記増圧ピストンに付与される油圧の切り替え操作に関わる少なくとも１つの電磁弁（サブ電磁弁３３）が設けられ、該電磁弁（３３）はソレノイド４８を有し、該ソレノイド４８の作用力が複数段階に可変であることを特徴とする。例えばソレノイド４８は、個別に電力を印加される複数のソレノイド４８ａ，４８ｂを有し、これら複数のソレノイド４８ａ，４８ｂに選択的に電力を印加することによって作用力が可変するようになっている。
【選択図】図５

Description

本発明は、特に大型船舶に用いて好適なディーゼルエンジンの燃料噴射装置、これを備えたディーゼルエンジン、および船舶に関するものである。

近年の環境保全に対する関心の高まりに伴い、船舶における主機、例えば、２サイクル大型低速ディーゼルエンジンから排出される排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を大幅に削減する必要性が生じている。例えば特許文献１，２には、大型低速ディーゼルエンジン等から排出される排気ガス中に含まれるＮＯｘ等を削減可能な燃料噴射装置が開示されている。

特許文献１に開示されているディーゼルエンジンの燃料噴射装置は、燃料噴射弁の針弁の弁座への押付け圧力を変化させることにより開弁圧を変化せしめる油圧シリンダ装置と、該油圧シリンダ装置への作動油路に設けられて該作動油路の通路面積を変化させることにより該油圧シリンダ装置による前記針弁の押付け圧力を変化せしめる電磁弁と、エンジンの燃料噴射量の増加に従い開弁圧を上昇せしめるように該燃料噴射量の変化に従い前記電磁弁の開度を変化させて該開弁圧を制御するコントローラとを備えており、エンジン負荷の増大にしたがって針弁の開弁圧を上昇させるように制御している。

上記構成によれば、燃料噴射量の多い高負荷運転時には燃料噴射弁の開弁圧を上昇させて噴射圧力を高くして噴射期間を短くした噴射モードとして燃費を低減し、排煙濃度を良好に保持した運転が可能となるとともに、燃料噴射量の少ない低負荷運転時には開弁圧を低くシフトして初期の噴射率を低くし、燃焼の立ち上がりを抑制してＮＯｘの排出を抑制した運転が可能となる。

また、特許文献２に開示されているディーゼルエンジンの燃料噴射装置は、燃料噴射装置を駆動する作動カムの形状を見直し、燃料の戻り管に設けられる電磁弁の開閉制御によってエンジン負荷に適した噴射率制御により低燃費率、低排気ガス化を達成するべく、前記戻り管および電磁弁を１つの通路及び電磁弁よって構成し、前記作動カムによって形成されるカム速度が立ち上がりから頂部まで等速度部を有さずに増加する特性を有し、前記電磁弁の開閉タイミングをエンジン負荷・回転に応じて制御してカム速度特性の使用期間を変更せしめるコントローラを備えたことを特徴とする。

上記構成によれば、燃料噴射の初期は燃焼室への燃料噴霧量が抑制されることから、燃焼速度が穏やかになり、燃焼室内の高温領域の発生を抑え、ＮＯｘの発生を抑制すると共に、燃料噴射の後期はカム速度が増大し、燃料噴射率及び燃料噴射圧が高くなるので、燃料の微細化が行われ、燃料の燃焼が促進されて粒子状物質の排出を抑制することができる。

特開２００６−２４１９８６号公報 特開２０１１−１０６２７３号公報

ところで、年間を通して莫大な量の燃料を消費する海運業界においては、近頃の世界的な経済不況の影響もあり、船舶に使用できる安価な燃料が模索されており、その有力な候補として重質油の使用が検討されている。重質油は重油に比べて安価であり、燃焼カロリーの面でも遜色がない。

しかしその反面、重質油は重油よりも分子量が大きくて高粘度であるため、ディーゼルエンジンの燃焼室に噴射されてから着火するまでの時間が長くなる、いわゆる着火遅れの傾向があり、着火不備により燃焼室が劣化することが懸念されている。したがって、従来では重質油を内燃機関の燃料として使用することは困難であった。

特許文献１，２に開示されている燃料噴射装置は、いずれも排気ガス中に含まれるＮＯｘ等の有害物質の排出量を低減させることを可能にしたものであり、改善次第では重質油を燃料に使用することも不可能ではない構成ではあるが、いずれも構造が複雑であり、不調や故障を来す確率が高い上に、燃料噴射装置が高価になる傾向があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、簡素で信頼性が高く、且つ低価格な構成により、排気ガス中のＮＯｘ削減効果を向上させるとともに、燃料として重質油を実用化することができるディーゼルエンジンの燃料噴射装置、これを備えたディーゼルエンジン、および船舶を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
即ち、本発明に係る燃料噴射装置の第１の態様は、ディーゼルエンジンの燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁に前記燃料を圧送する増圧ピストンを備えた燃料ポンプユニットと、前記増圧ピストンの動きを制御する蓄圧管制弁ユニットと、を備え、前記蓄圧管制弁ユニットには、前記増圧ピストンに付与される油圧の切り替え操作に関わる少なくとも１つの電磁弁が設けられ、該電磁弁はソレノイドを有し、該ソレノイドの作用力が複数段階に可変であることを特徴とする。

上記構成の燃料噴射装置によれば、蓄圧管制弁ユニットに設けられて増圧ピストンに付与される油圧の切り替え操作に関わる少なくとも１つの電磁弁のソレノイドの作用力（磁力）が複数段階に可変するため、この電磁弁により油圧の切り替え操作を行われて摺動する増圧ピストンの挙動、例えば増圧ピストンの突き上げ速度を任意に設定することができる。特に、増圧ピストンの突き上げ動作時の初期の突き上げ速度を低下させることにより、重質油を噴射した時の、初期の燃料量が抑えられるため、噴霧の微粒化が進み、着火しやすくなると考えられる。このため、重質油を実用化することができる。

また、このように増圧ピストンの初期の突き上げ速度を低下させることにより、膨張行程の初期には少ない燃料が燃焼されるため、燃焼室の温度が急激に高温化することを防ぎ、燃焼室の高温化により生成されるＮＯｘの削減を図ることができる。

上記の構成は、電磁弁の変更と、制御装置のプログラムの変更のみにより構築できるため、非常に簡素且つ低価格に実現することができる。また、燃料噴射装置の構造を簡素に保ち、不調や故障を来す確率の低い、信頼性の高い燃料噴射装置とすることができる。しかも、既存の燃料噴射装置についても電磁弁の交換と制御装置のプログラム変更を行うだけで容易に実現することができる。

また、本発明に係る燃料噴射装置の第２の態様は、前記第１の態様において、前記蓄圧管制弁ユニットは、開弁時に前記増圧ピストンに高圧オイル通路の油圧を供給して燃料を圧送させる作動油供給弁と、前記作動油供給弁に供給された油圧を逃がすオイルスピル通路とを備え、前記電磁弁は前記オイルスピル通路を開閉する弁であることを特徴とする。

上記構成の燃料噴射装置によれば、作動油供給弁に供給された油圧を逃がすオイルスピル通路に、ソレノイドの作用力が複数段階に可変である電磁弁が設けられたため、電磁弁の開弁速度を変化させることによってオイルスピル通路の開閉速度が変わり、作動油供給弁に供給された油圧を逃がす速度、即ち作動油供給弁の開弁速度が変わる。このため、増圧ピストンの突き上げ速度、つまり燃料噴射の勢いをコントロールすることができる。そして、増圧ピストンによる燃料噴射の勢いを重質油に見合うように設定すれば、重質油をディーゼルエンジンの燃料として実用化することができる。

また、本発明に係る燃料噴射装置の第３の態様は、前記第２の態様において、前記オイルスピル通路は、前記作動油供給弁に供給された油圧を急速に解放するクイックオイルスピル通路と、前記作動油供給弁に供給された油圧を徐々に解放するスローオイルスピル通路とを備えて構成されており、前記電磁弁は前記クイックオイルスピル通路に設けられていることを特徴とする。

上記構成の燃料噴射装置によれば、電磁弁を閉弁状態に保つ、電磁弁を速く開弁する、電磁弁をゆっくり開弁する、といった選択を行うことにより、作動油供給弁に供給された油圧を、スローオイルスピル通路のみからゆっくり解放させたり、スローオイルスピル通路とクイックオイルスピル通路の両方から急速に解放させたり、中間的な速度で解放させたりすることができる。これにより、増圧ピストンの突き上げ動作の設定範囲がより増大し、燃料の種類に応じた噴射形態を選択することができる。このため、特に重質油のような難着火性の燃料の燃焼状態を改善することができる。

また、本発明に係る燃料噴射装置の第４の態様は、前記第２または第３の態様において、電磁弁は、開弁時の初速が遅く、途中で速くなることを特徴とする。

上記構成の燃料噴射装置によれば、増圧ピストンの突き上げ動作による燃料噴射の勢いが、初期は弱く、途中から強くなるため、燃焼室で多量の燃料が一気に燃えることによる燃焼室温度の上昇とＮＯｘ排出量の増大を抑制することができる。

しかも、増圧ピストンの初期の突き出し速度を遅くしてディーゼルエンジンの膨張行程時に少量の燃料を先行投入することが可能となり、これによって燃焼室内に火種が作られた後に、より多くの燃料が噴射される形態となるため、重質油のような難着火性の燃料の燃焼状態を大幅に改善することができる。

また、本発明に係る燃料噴射装置の第５の態様は、前記第１から第４のいずれかの態様において、該電磁弁は、個別に電力を印加される複数のソレノイドを有し、これら複数のソレノイドに選択的に電力を印加することによって作用力が可変することを特徴とする。

上記構成の燃料噴射装置によれば、簡素で故障しにくい構造により電磁弁の作用力を可変式にし、前述の各作用・効果を奏することができる。

また、本発明に係るディーゼルエンジンは、前記第１から第５のいずれかの態様の燃料噴射装置を備えたことを特徴とする。

上記のディーゼルエンジンによれば、簡素で信頼性が高く、且つ低価格な構成により、排気ガス中のＮＯｘを削減して環境規制に適合させ、しかも低価格な重質油を燃料として実用化することができる。

また、本発明に係る船舶は、前記ディーゼルエンジンを主機として搭載したことを特徴とするため、低価格且つ簡素で信頼性の高い構成により、排気ガス中のＮＯｘを削減して環境規制に適合させ、しかも低価格な重質油を燃料として実用化し、経済性を高めることができる。

以上のように、本発明に係るディーゼルエンジンの燃料噴射装置、これを備えたディーゼルエンジン、および船舶によれば、ＮＯｘ排出量を削減して環境規制に適合させながら、燃料として低価格な重質油が使用可能な経済性の高いディーゼルエンジンおよび船舶を海運業界に提供し、社会に大きく貢献することができる。

本発明の実施形態に係る燃料噴射装置の全体構成を示す縦断面図である。 増圧ピストンが突出位置にあり、サブ電磁弁が開弁した状態にある蓄圧管制弁ユニットの概略構成図である。 増圧ピストンが引込み位置にあり、サブ電磁弁が開弁した状態にある蓄圧管制弁ユニットの概略構成図である。 増圧ピストンが突出位置にあり、サブ電磁弁が閉弁した状態にある蓄圧管制弁ユニットの概略構成図である。 本発明の一実施形態を示すサブ電磁弁の縦断面図である。 サブ電磁弁のソレノイド稼働状態と作用力との関係をグラフで示す図である。 サブ電磁弁のソレノイド稼働状態と、ソレノイドの作用力と、スプール弁のリフト量と、燃料噴射量と、熱発生量との関係をグラフで示す図である。

以下に、本発明の実施形態について、図１〜図７を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料噴射装置の全体構成を示す縦断面図である。この燃料噴射装置１は、例えば船舶の主機として搭載される２サイクル大型低速ディーゼルエンジンに付設され、重質油を燃料としてディーゼルエンジンに供給するように構成されたものである。

燃料噴射装置１は、図示しないディーゼルエンジンの燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁２と、この燃料噴射弁２に燃料を圧送する増圧ピストン４を備えた燃料ポンプユニット５と、増圧ピストン４の動きを制御する蓄圧管制弁ユニット７とを主な構成要素として備えている。蓄圧管制弁ユニット７は箱状に形成されてディーゼルエンジンのシリンダーブロック側面等に設置され、塔状に形成された燃料ポンプユニット５が蓄圧管制弁ユニット７の上面に気筒数分立設されている。燃料噴射弁２は所定圧が加わると開弁する針弁式であり、燃料分配管８を介して燃料ポンプユニット５の頂部に接続されている。

燃料ポンプユニット５の内部で増圧ピストン４は鉛直方向に摺動することができ、図１、図３に示すように蓄圧管制弁ユニット７の上面に当接した引込み位置と、図２、図４に示すように上方に突出した突出位置との間をスライドできる。増圧ピストン４は、その上半分をなす小径部４ａと、下半分をなす大径部４ｂとが一体に形成された段付ピストン（異径ピストン）状であり、リターンスプリング１０によって常に引込み位置側に付勢されている。小径部４ａの上面は、燃料ポンプユニット５の内部に形成された燃料圧縮室１２の床面を構成している。このため、増圧ピストン４が上方に摺動すると燃料圧縮室１２の容積が減少する。燃料圧縮室１２の上部には逆止弁１３を介して燃料噴射弁２に繋がる燃料分配管８が接続され、燃料圧縮室１２の側部には燃料インレット１４と燃料アウトレット１５が繋がっている。

上記のように構成された燃料ポンプユニット５において、燃料圧縮室１２内には燃料インレット１４から燃料が充填される。本実施形態においては燃料として重質油が用いられ、重質油は加熱されて粘度を低減されて供給される。後述するように、増圧ピストン４の大径部４ｂの下面には蓄圧管制弁ユニット７から油圧が付与される。これにより、増圧ピストン４が引込み位置から突出位置に移動し、小径部４ａの上面によって燃料圧縮室１２内に充填された燃料が圧縮される。小径部４ａの上面の面積は、油圧を受ける大径部４ｂの下面の面積よりも小さいため、油圧力が増圧されて燃料圧縮室１２内の燃料を圧縮する。そして、燃料の圧力が燃料分配管８を経て燃料噴射弁２に伝わり、この燃圧が燃料噴射弁２の開弁圧を上回ると燃料噴射弁２が開弁して燃料がディーゼルエンジンの燃焼室に噴射される。なお、燃料圧縮室１２内の余剰な燃料は燃料アウトレット１５から戻される。

一方、蓄圧管制弁ユニット７の内部には、増圧ピストン４の下面に油圧を付与する高圧オイル通路１８が形成されている。図２は蓄圧管制弁ユニット７の概略構成図である。高圧オイル通路１８には、図示しないオイルポンプおよび高圧油タンク１９から高圧な作動油が供給される。高圧オイル通路１８は、作動油供給弁２１と作動油スピル弁２２によって開閉制御される。これらの弁２１，２２は、それぞれリターンスプリング２３，２４によって開弁方向に常時付勢されている。また、蓄圧管制弁ユニット７の内部には低圧オイル通路２７が形成されており、これに高圧オイル通路１８および低圧油タンク２８が接続されている。

さらに、蓄圧管制弁ユニット７には、作動油供給弁２１と作動油スピル弁２２の作動を制御するメイン電磁弁３０と、作動油供給弁２１に供給された油圧を逃がすオイルスピル通路３１とが設置されている。オイルスピル通路３１は、作動油供給弁２１に供給された油圧を急速に解放するクイックオイルスピル通路３１ａと、作動油供給弁２１に供給された油圧を徐々に解放するスローオイルスピル通路３１ｂとを備えて構成されている。クイックオイルスピル通路３１ａには後に詳述するサブ電磁弁３３が設けられ、スローオイルスピル通路３１ｂには通路面積を縮小させるオリフィス３４が設けられている。サブ電磁弁３３は、増圧ピストン４に付与される油圧の切り替え操作に関わる電磁弁である。

メイン電磁弁３０は、例えば円柱状のスプール弁３７を２つのソレノイド３８，３９で軸方向に移動させる構造である。図２では大幅に簡略化されているが、スプール弁３７には周方向に沿って複数のスプール溝３７ａ，３７ｂが刻設されている。上側のソレノイド３８がＯＮになると、ソレノイド３８の作用力（磁力）によりスプール弁３７が引き上げられて図２の位置となる。この時には、作動油供給弁２１の背面に油圧を供給するオイル通路４１がスプール溝３７ａを介してオイルスピル通路３１に連通する。このため、オイル通路４１がオイルスピル通路３１を経て低圧オイル通路２７に連通し、作動油供給弁２１の背面に掛かる油圧が逃げるため、作動油供給弁２１はリターンスプリング２３の付勢力に押圧されて開弁する。

同時に、高圧オイル通路１８から延びてＹ字状に分岐する分配通路４２の一方の分岐管４２ａがスプール弁３７の外周面により閉塞され、他方の分岐管４２ｂがスプール溝３７ｂを介して、作動油スピル弁２２に油圧を供給するオイル通路４３に連通する。このため、高圧オイル通路１８の油圧が分配通路４２（分岐管４２ｂ）とオイル通路４３を経て作動油スピル弁２２の背面に油圧を掛け、これにより作動油スピル弁２２がリターンスプリング２４の付勢力に抗して閉弁する。

上記のように作動油供給弁２１が開弁し、作動油スピル弁２２が閉弁するため、高圧オイル通路１８の油圧が増圧ピストン４の下面に掛かり、増圧ピストン４が突出位置に突き上げられて前述の如く燃料ポンプユニット５から燃料噴射弁２に燃料が圧送される。

また、下側のソレノイド３８がＯＮになると、ソレノイド３８の作用力によりスプール弁３７が引き下げられて図３の位置となる。この時には、オイルスピル通路３１がスプール弁３７の外周面により閉塞される一方、分配通路４２の分岐管４２ａがスプール溝３７ａを介してオイル通路４１に連通する。このため、高圧オイル通路１８の油圧が作動油供給弁２１の背面に油圧を掛け、これにより作動油供給弁２１がリターンスプリング２３の付勢力に抗して閉弁する。同時に、オイル通路４３がスプール溝３７ｂを介して低圧オイル通路２７に連通するため、作動油スピル弁２２の背面に掛かっていた油圧が低圧オイル通路２７に抜けて作動油スピル弁２２はリターンスプリング２４の付勢力に押圧されて開弁する。なお、低圧オイル通路２７には逆止弁４５が設けられており、高圧オイル通路１８の油圧がオイルスピル通路３１側に流れないようになっている。

上記のように作動油供給弁２１が閉弁し、作動油スピル弁２２が開弁するため、増圧ピストン４の下面に掛かっていた高圧オイル通路１８の油圧が解除され、増圧ピストン４がリターンスプリング１０の付勢力により引込み位置に押し下げられる。なお、ここでは説明しないが、スプール弁３７のスプール溝３７ａ，３７ｂの形状次第では、作動油供給弁２１と作動油スピル弁２２の両方が開弁するといった場合もあり得る。そして、上記のように作動油供給弁２１と作動油スピル弁２２とが交互に、もしくは所定のシーケンスで開弁および閉弁を繰り返すことにより、増圧ピストン４が引込み位置と突出位置の間を往復して燃料の噴射が連続的に行われる。

ところで、クイックオイルスピル通路３１ａに設けられたサブ電磁弁３３は、メイン電磁弁３０と同様な円柱状のスプール弁４７を１つのソレノイド４８で軸方向に移動させる構造である。例えばスプール弁４７は直立しており、ソレノイド４８はスプール弁４７の上部に配置されている。スプール弁４７には周方向に沿ってスプール溝４７ａが刻設されている。ソレノイド４８がＯＮになると、図２および図３に示すように、ソレノイド４８の作用力（磁力）によりスプール弁４７が引き上げられ、スプール溝４７ａを介してクイックオイルスピル通路３１ａが連通する。ソレノイド４８がＯＦＦになると、図４に示すようにスプール弁４７が重力により降下してスプール溝４７ａがクイックオイルスピル通路３１ａからずれ、クイックオイルスピル通路３１ａが遮断される。

図５は、サブ電磁弁３３のより詳細な縦断面図である。ソレノイド４８は、例えば内側ソレノイド４８ａと、外側ソレノイド４８ｂとを有する２重ソレノイドである。これら内外のソレノイド４８ａ，４８ｂは、コイルの巻数を異ならせる等の手段により、同じ電圧が印加された場合には内側ソレノイド４８ａよりも外側ソレノイド４８ｂの方が強い作用力を発揮するように設定されている。例えば、外側ソレノイド４８ｂの作用力は内側ソレノイド４８ａの作用力の約２倍に設定されている。

内側ソレノイド４８ａと外側ソレノイド４８ｂには個別に電力を印加できるよう、それぞれ電源５１，５２とスイッチ５３，５４が設けられている。このため、スイッチ５３，５４の操作如何により、内側ソレノイド４８ａと外側ソレノイド４８ｂに選択的に電力を印加し、ソレノイド４８の作用力を複数段階に変化させることができる。

例えば、図６に示すように、内側ソレノイド４８ａのみに電力を印加した時には作用力Ｆ１、外側ソレノイド４８ｂのみに電力を印加した時には作用力Ｆ２、両方のソレノイド４８ａ，４８ｂに同時に電力を印加した時には作用力Ｆ３、というように、ソレノイド４８の作用力を３段階に変化させることができる。この操作は図示しない制御装置によって行われる。

サブ電磁弁３３が閉じてクイックオイルスピル通路３１ａが遮断された状態で、メイン電磁弁３０が図３の状態から図４の状態に変化した場合は、前述の通り作動油供給弁２１の背面に油圧を供給していたオイル通路４１がスプール溝３７ａを介してオイルスピル通路３１に連通する。この時にはオイル通路４１の油圧はスローオイルスピル通路３１ｂからしか低圧オイル通路２７側に逃げることができない。低圧オイル通路２７には通路面積を縮小させるオリフィス３４が設けられているため、オイル通路４１の油圧は流動抵抗を伴いながら徐々に解放され、作動油供給弁２１が低速で開弁する。このため、高圧オイル通路１８の油圧が一気に増圧ピストン４に加わることがなく、増圧ピストン４は最も遅い速度で突出する。したがって、燃料噴射弁２から噴射される燃料の噴射量（時間あたりの噴射量）が少なくなる。

また、サブ電磁弁３３が開弁してクイックオイルスピル通路３１ａが連通している状態で、メイン電磁弁３０が図３の状態から図４の状態に変化した場合には、作動油供給弁２１の背面に供給されていた油圧がオイル通路４１とクイックオイルスピル通路３１ａを通って一気に低圧オイル通路２７側に逃げることができるため、作動油供給弁２１は高速で開弁する。このため、高圧オイル通路１８の油圧が一気に増圧ピストン４に加わり、増圧ピストン４は最も速い速度で突出する。したがって、燃料噴射弁２から噴射される燃料の噴射量（時間あたりの噴射量）が多くなる。

ここで、サブ電磁弁３３のソレノイド４８の作用力を変化させることで、サブ電磁弁３３によって油圧の切り替え操作を行われて開閉する増圧ピストン４の挙動、例えば増圧ピストン４の突き上げ速度を任意に設定し、燃料噴射弁２からの燃料噴射量を調整することができる。

即ち、サブ電磁弁３３のソレノイド４８の作用力を弱くすれば、スプール弁４７の開弁速度が遅くなり、クイックオイルスピル通路３１ａが開かれるまでに時間が掛かる。このため、作動油供給弁２１の開弁速度は、サブ電磁弁３３が閉弁している時よりは速くなるものの、比較的低速で開弁する。したがって、燃料噴射弁２から噴射される燃料の噴射量が減少する傾向となる。逆に、ソレノイド４８の作用力を強くすれば、燃料噴射弁２から噴射される燃料の噴射量が増大する傾向となる。

図７は、サブ電磁弁３３におけるソレノイド４８の稼働状態およびエンジンのクランク角を横軸に取り、ソレノイド４８の作用力と、スプール弁４７のリフト量と、燃料噴射量と、熱発生量とを縦軸に取って、これらの相関関係をグラフに表したものである。なお、ここに示すクランク角は、圧縮上死点付近において燃料が噴射される間の微小な角度、例えば上死点前１５度〜上死点後１０度程度の範囲を具体例として挙げることができる。そして、本実施形態では、サブ電磁弁３３の開弁時の初速が遅く、途中で速くなるように、ソレノイド４８の内側ソレノイド４８ａと外側ソレノイド４８ｂに選択的に電力を印加している。

例えば、図７において、燃料噴射の開始時（０）からクランク角が上死点前５度に達するまでの区間Ａでは内側ソレノイド４８ａのみに電力が印加され、クランク角が上死点前５度〜上死点後５度となる区間Ｂでは外側ソレノイド４８ｂのみに電力が印加され、クランク角が上死点後５度〜上死点後１０度となる区間Ｃでは内側ソレノイド４８ａと外側ソレノイド４８ｂの両方に電力が印加される制御が行われている。これにより、前述の通りソレノイド４８の作用力がＦ１→Ｆ２→Ｆ３と段階的に変化する。

これに伴い、スプール弁４７のリフト量が後上りに増加して行くものの、区間Ａにおいては立ち上がり方が非常になだらかなものになる。このため、増圧ピストン４の初期の突き上げ速度が低く抑えられ、増圧ピストン４の突き上げ動作に伴う燃料噴射の勢いが、区間Ａでは弱く、区間Ｂから区間Ｃに移行するにつれて強くなる傾向となる。したがって、ディーゼルエンジンの膨張行程時に少量の燃料を先行投入することが可能となり、これによって燃焼室内に火種部分が作られた後に、より多くの燃料が噴射される形態となるため、重質油のような難着火性の燃料の燃焼状態を大幅に改善することができる。

しかも、このように増圧ピストン４の突き上げ動作による燃料噴射の勢いが、初期は弱く、途中から強くなるため、燃焼室で多量の燃料が一気に燃えることによる燃焼室温度の上昇とＮＯｘ排出量の増大を抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態の燃料噴射装置１によれば、サブ電磁弁３３のソレノイド４８の作用力を複数段階に可変できるようにしたことにより、増圧ピストン４の突き上げ速度を任意に設定することができる。特に、増圧ピストン４の突き上げ動作時の初期の突き上げ速度を低下させることにより、燃焼室における重質油の燃焼状態を改善し、ディーゼルエンジンの燃料として重質油を実用化することができる。

また、このように増圧ピストン４の初期の突き上げ速度を低下させることにより、膨張行程の初期には少ない燃料が燃焼されるため、燃焼室の温度が急激に高温化することを防いで排気ガス中のＮＯｘ削減を図ることができる。

本構成は、サブ電磁弁３３の変更と、これを制御する制御装置のプログラムの変更のみにより構築できるため、非常に簡素且つ低価格に実現することができる。また、燃料噴射装置１の構造を簡素に保ち、不調や故障を来す確率の低い、信頼性の高いものにすることができる。しかも、既存の燃料噴射装置についても電磁弁の交換と制御装置のプログラム変更を行うだけで容易に実現することができる。

ところで、上記実施形態では、作動油供給弁２１に供給された油圧を逃がすオイルスピル通路３１が、作動油供給弁２１に供給された油圧を急速に解放するクイックオイルスピル通路３１ａと、作動油供給弁２１に供給された油圧を徐々に解放するスローオイルスピル通路３１ｂとを備えて構成されており、そのスローオイルスピル通路３１ｂの方に、ソレノイド４８の作用力を複数段階に変更できるサブ電磁弁３３を設けている。

上記構成によれば、サブ電磁弁３３を閉弁状態に保つ、サブ電磁弁３３を速く開弁する、サブ電磁弁３３をゆっくり開弁する、といった選択を行うことにより、作動油供給弁２１に供給された油圧を、スローオイルスピル通路３１ｂのみからゆっくり解放させたり、スローオイルスピル通路３１ｂとクイックオイルスピル通路３２ａの両方から急速に解放させたり、中間的な速度で解放させたりすることができる。これにより、増圧ピストン４の突き上げ動作の設定範囲がより増大し、燃料の種類に応じた噴射形態を選択することができる。このため、特に重質油のような難着火性の燃料の燃焼状態を改善することができる。

サブ電磁弁３３のソレノイド４８の作用力を複数段階に変更可能にする構造として、本実施形態では、ソレノイド４８を内側ソレノイド４８ａと外側ソレノイド４８ｂとを有する２重ソレノイドとし、各々のソレノイド４８ａ，４８ｂに個別に、且つ選択的に電力が印加される構成としたため、サブ電磁弁３３を簡素で故障しにくい構造とし、しかもサブ電磁弁３３の作用力を可変式にして、前述の各作用・効果を奏することができる。

また、この燃料噴射装置１を備えたディーゼルエンジン、およびこのディーゼルエンジンを主機として搭載した船舶によれば、ＮＯｘ排出量を削減して環境規制に適合させつつ、燃料として低価格な重質油を使用可能にし、その経済性を高めて海運業界等に貢献することができる。

なお、本発明は上記実施形態の構成のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更や改良を加えることができ、このように変更や改良を加えた実施形態も本発明の権利範囲に含まれるものとする。
例えば、上記実施形態では、サブ電磁弁３３の作用力を可変できるようになっているが、サブ電磁弁３３に限らず、メイン電磁弁３０や、増圧ピストン４に付与される油圧の切り替え操作に関わる他の電磁弁の作用力を可変できるようにしてもよい。

また、電磁弁の作用力を可変する構造として、上記実施形態ではソレノイド４８を内側ソレノイド４８ａと外側ソレノイド４８ｂからなる２重ソレノイドとしているが、この構造に限らず、例えば単一のソレノイドに印加する電圧を変更することで作用力をより多段階に変化させるようにしてもよい。

１ 燃料噴射装置
２ 燃料噴射弁
４ 増圧ピストン
５ 燃料ポンプユニット
７ 蓄圧管制弁ユニット
１８ 高圧オイル通路
２１ 作動油供給弁
３１ オイルスピル通路
３１ａ クイックオイルスピル通路
３１ｂ スローオイルスピル通路
３３ サブ電磁弁
３４ オリフィス
４７ スプール弁
４８ ソレノイド
４８ａ 内側ソレノイド
４８ｂ 外側ソレノイド

Claims (7)

1. ディーゼルエンジンの燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁に前記燃料を圧送する増圧ピストンを備えた燃料ポンプユニットと、
   前記増圧ピストンの動きを制御する蓄圧管制弁ユニットと、を備え、
   前記蓄圧管制弁ユニットには、前記増圧ピストンに付与される油圧の切り替え操作に関わる少なくとも１つの電磁弁が設けられ、
   該電磁弁はソレノイドを有し、該ソレノイドの作用力が複数段階に可変であることを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射装置。
2. 前記蓄圧管制弁ユニットは、
   開弁時に前記増圧ピストンに高圧オイル通路の油圧を供給して燃料を圧送させる作動油供給弁と、
   前記作動油供給弁に供給された油圧を逃がすオイルスピル通路と、を備え、
   前記電磁弁は前記オイルスピル通路を開閉する弁であることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射装置。
3. 前記オイルスピル通路は、前記作動油供給弁に供給された油圧を急速に解放するクイックオイルスピル通路と、前記作動油供給弁に供給された油圧を徐々に解放するスローオイルスピル通路とを備えて構成されており、前記電磁弁は前記クイックオイルスピル通路に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射装置。
4. 前記電磁弁は、開弁時の初速が遅く、途中で速くなることを特徴とする請求項２または３に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射装置。
5. 該電磁弁は、個別に電力を印加される複数のソレノイドを有し、これら複数のソレノイドに選択的に電力を印加することによって作用力が可変することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のディーゼルエンジンの燃料噴射装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の燃料噴射装置を備えたことを特徴とするディーゼルエンジン。
7. 請求項６に記載のディーゼルエンジンを主機として搭載したことを特徴とする船舶。

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