技术领域
本发明涉及一种用于具有气体燃料供给系统的自燃式内燃机的气体燃料阀，更具体而言，涉及一种用于具有气体燃料供给系统的大型低速单流涡轮增压双冲程内燃机以及先导油喷射的气体燃料阀。
背景技术：
十字头型大型低速双冲程柴油机典型地应用在大型船只的推进系统中或者用作为发电站中的原动机。通常情况下，使用重燃料油或燃料油对这些发动机进行操作。
最近以来，针对大型双冲程柴油机存在这样一种需求，即其能够处理可替代类型的燃料，比如气体、煤泥、石油等等，尤其是气体。
例如，相比于使用重燃料油作为燃料，如天然气等的气体燃料是一种相对清洁的燃料，当用作为大型低速单流涡轮增压双冲程内燃机的燃料时，其会显著地将废气中的硫磺组分、NOX以及CO2降到较低水平。
然而，存在很多与在大型低速单流涡轮增压双冲程内燃机中使用气体燃料相关联的问题。那些问题中的其中一个问题是气体自燃的自动自发及可预测性并且两者对于在自燃式(柴油)发动机中被控制是必不可少的。因此，现有大型低速单流涡轮增压双冲程内燃机利用气体燃料的喷射，同时使用油的先导喷射，来确保气体燃料可靠以及适时的点火。
大型低速单流涡轮增压双冲程内燃机典型地用于大型远洋货船的推进并且因此可靠性至关重要。这些发动机的气体燃料操作仍然是一个相对新近的发展并且利用气体的这种操作的可靠性仍然没有达到传统燃料的水平。因此，现有的大型低速双冲程柴油机都是具有用于操作气体燃料的燃料系统及用于操作燃料油(重燃料油)的燃料系统的双燃料发动机。
由于这些发动机的燃烧室的大的直径，发动机典型地提供有每气缸三个燃料喷射阀，其在中心排气阀周围以大约120度角分隔开来。因此，在双燃料系统的情形下，存在每气缸三个气体燃料阀以及每气缸三个燃料油阀，并且一个燃料油喷射阀被放置得靠近相应的气体喷射阀，以确保气体燃料的可靠点火，并且因此气缸的顶盖为一个相对拥挤的地方。
在现有双燃料发动机中，燃料油阀被用于在操作期间给先导油(pilotoil)喷射提供气体燃料。这些燃料油阀被形成尺寸为以便能够递送在满载下以燃料油方式操作发动机而所需数量的燃料油。然而，在先导喷射中喷射的油的数量应尽可能小以获得所期望的排放物的减少。对于还可以递送用于满载操作所必需的大数量的全尺寸喷射系统而言，这种小量的剂量会引起显著的技术问题，且其在实践中非常难以获得因此在现有发动机中先导油剂量与所期望的相比在每次燃料喷射情形下要使用更多的量。可以处理小先导油量的附加小喷射系统的替代是相当的复杂化并且使得成本增高。此外，附加小先导油喷射阀使得气缸的顶盖更加拥挤。
技术实现要素：
基于上述背景，本申请的一个目标是提供一种来克服或至少减少上述所指问题的用于自燃式内燃机的燃料阀。这个目标通过提供一种用于先导流体喷射以及将气体燃料喷射到自燃式内燃机的燃烧室的燃料阀而实现。所述燃料阀包括：细长的燃料阀壳体，其具有后端以及前端，具有喷嘴孔(56)和封闭尖端的喷嘴，所述喷嘴设置在所述壳体的前端处，所述喷嘴的后端连接至所述壳体的前端，喷嘴中具有囊空间，所述囊空间设置在喷嘴的进口和喷嘴孔之间，并且所述囊空间朝向所述燃料阀壳体开口，气体燃料进口端口，其用于连接到被压缩气体燃料的源以及轴向可移位阀针，其具有闭合位置和打开位置并且搁置在所述闭合位置的座部上并且因此防止从所述气体燃料进口端口至所述喷嘴的流动，在所述打开位置，所述轴向可移位阀针从所述座部提起因而允许从所述气体燃料进口端口至所述喷嘴的流动，致动系统，其使所述轴向可移位阀针在所述闭合位置和所述打开位置之间可控地移动，先导流体端口，其用于连接到所述先导流体的源，先导流体喷射管道，其在所述轴向可移位阀针内轴向延伸，泵室，所述泵室具有流体地连接到所述先导流体端口的进口以及连接到所述先导流体喷射管道的第一端的出口，当所述轴向可移位阀针从所述闭合位置移动到所述打开位置时，所述泵室收缩，并且当所述轴向可移位阀针从所述打开位置移动到所述闭合位置时，所述泵室膨胀，所述先导流体喷射管道的第二端流体连接到所述喷嘴以使得当所述泵室收缩时所述先导油被递送至所述喷嘴。
在没有特殊独立的小型喷射系统的情形下，可以通过将先导流体喷射结合到气体燃料阀来喂送小剂量的先导流体。无需额外的控制。当气体燃料阀工作时，会自动产生先导流体喷射压力并且与被期望点燃的气体燃料一起被喷射。
在实施例中，燃料阀还包括类似止回阀的装置，其设置在所述先导流体端口和所述泵室之间以用于防止从所述泵室至所述先导流体端口的流动。
在实施例中，燃料阀还包括先导流体供给管道，其将所述先导流体端口流体连接到所述泵室。
在实施例中，燃料阀还包括类似止回阀的装置，其设置在所述先导流体喷射管道中以防止在所述先导流体喷射管道中朝向所述泵室的流动。
在实施例中，所述喷嘴在所述喷嘴进口与所述喷嘴孔之间具有囊空间，并且所述先导流体喷射管道的第二端终止在所述轴向可移位阀针的尖端处，并且所述先导流体喷射管道的第二端构造为将所述先导流体喷射到所述喷嘴中的囊空间中。
在实施例中，所述轴向可移位阀针可操作地连接到轴向可移位的致动活塞，所述轴向可移位的致动活塞可滑动地被接收在所述壳体的钻孔中并且与所述壳体一起来限定致动室，所述致动室流体连接到用于连接到控制油的源的控制端口。
在实施例中，所述泵室被限定在所述致动活塞内的气缸与固定泵活塞之间
在实施例中，燃料阀还包括气体燃料室，其设置在所述壳体中并包围所述轴向可移位阀针的一部分。
在实施例中，所述座部位于所述喷嘴的上游，并且优选地所述座部位于包围所述轴向可移位阀针的一部分的气体燃料室和所述囊空间之间。
在实施例中，所述先导流体供给管道在所述壳体中延伸并且轴向延伸通过所述固定泵活塞以将所述先导流体端口流体连接到所述泵室。
在实施例中，所述先导流体喷射管道终止在所述座部上以使得当所述轴向可移位阀针搁置在所述座部上时所述泵室与所述喷嘴之间的流体连接被关闭。
上述目标还通过提供一种自燃式内燃机来实现，其具有多个气缸、气体燃料供给系统、先导流体供给系统、上面限定的被提供在发动机气缸处的一个或多个气体燃料阀，并且所述气体燃料阀连接到所述气体燃料供给系统以及所述先导流体供给系统。
根据本公开气体燃料阀的进一步的目标、特征、益处以及特性通过下面的详细描述将会变得显而易见。
附图说明
在以下本说明书的详细部分中，参考附图中所示的示例性实施例来对本发明进行更详细的描述，其中：
图1是根据示例实施例的大型双冲程柴油机的主视图，
图2是图1的大型双冲程发动机的侧视图，
图3是根据图1的大型双冲程发动机的图形表示，以及
图4是用图形表示的气体燃料系统的示例实施例的横截面视图，其中，该系统利用了气缸上部的图1发动机的先导油喷射；
图5是用图形表示的图4实施例的气缸以及气体燃料喷射系统的俯视图，
图6是根据本发明示例实施例的用在图1所示的发动机中的气体燃料喷射阀的横截面视图，
图7是图6一部分的详细视图，
图8是用在如图1所示的发动机中的气体燃料喷射阀另一示例实施例的详细横截面视图，
图9是应用到根据图6和图8的实施例的立体图。
具体实施方式
下面的详细描述中，参考在示例实施例中的大型双冲程低速涡轮增压内燃机(柴油机)对自燃式内燃机进行描述。图1、图2及图3示出了一种具有曲轴42和十字头43的大型低速涡轮增压双冲程柴油机。图3示出了一种具有进气系统和排气系统的大型低速涡轮增压双冲程柴油机的图形表示。在这个示例实施例中，发动机具有六个排成一行的气缸1。大型低速涡轮增压双冲程柴油机典型地具有由发动机框架13承载的四至十四个排成一行的气缸。该发动机、比如可以被用作为远洋船舶的主发动机或者可以被用作为用于操作发电站中的发生器的固定发动机。例如，发动机总输出的范围为1000kW至110000kW。
在这个示例实施例中的发动机为双冲程单流型的柴油机，其在气缸1的较低区域处具有扫气口并且在气缸1的顶部处具有中心排气阀4。扫气被从扫气接收器2传递到各个气缸1的扫气口。气缸1中的活塞41压缩扫气，从气缸盖子中的燃料喷射阀来喷射燃料，接下来燃烧并产生了废气。当排气阀4被打开时，废气流动通过与气缸1相关联的废气导管进入到废气接收器3并且继续向前通过第一废气管道18至涡轮增压器5的涡轮6，所述废气从涡轮6经由第二废气管道通过节能器28流动到出口29并且进入到大气中。涡轮6经由轴来驱动通过空气进口10来供给新鲜空气的压缩机9，压缩机9将压缩的扫气递送到通向扫气接收器2的扫气管道11。
管道11中的扫气通过用于冷却扫气的中间冷却器12，这使处于大于200摄氏度的压缩机降至36摄氏度与80摄氏度之间的一个温度。
冷却的扫气通过由电动马达17驱动的辅助鼓风机16传递至扫气接收器2，其中鼓风机16在发动机低载荷条件下或部分载荷条件下对扫气流进行增压。在更高发动机载荷条件下，涡轮增压器9递送经充分压缩的扫气并且随后通过止回阀15来绕过辅助鼓风机16。
图4和图5示出了根据本发明示例实施例的多个气缸1中的一个气缸的顶部。气缸1的顶盖48具有3个气体燃料阀50以从燃料阀50的出口(比如喷嘴)而将气体燃料喷射到气缸1的燃烧室中。这个示例实施例示出了每气缸三个气体燃料阀50，但是应该理解的是单个或两个气体燃料阀可以是充足的，这取决于燃烧室的尺寸。气体燃料阀50具有连接到气体燃料供给管道62的进口53，其中，气体燃料供给管道62将经压缩的气体燃料供给到气体燃料阀50。这三个气体燃料阀50中的一个通过供给管道62进行供给，另外两个气体燃料阀50通过供给管道63进行供给。在这个实施例中，供给管道62、63为顶盖48中的钻孔，其连接到与气缸1相关联的气体收集器60。气体收集器60从包括气体储罐和高压泵的气体供给系统(未示出)来接收高压气体。
气体燃料阀50还具有连接到诸如船用柴油、生物柴油、润滑油、重燃料油或二甲醚(DME)的被压缩的先导流体或先导油57的源，并且用于喷射先导油。先导油/先导流体的源具有这样一种压力，其至少稍微高于气体燃料60的源的压力。在此后的描述中，先导流体被称为先导油，但是应该理解的是这个术语也包含并不是油的先导流体。
在这个示例实施例中的每个气缸1设置有气体燃料收集器60。气体燃料收集器60包括处于高压(比如大约300巴(bar))的大量燃料气体，所述燃料气体准备被递送到气缸1的燃料阀50。气体燃料供给管道62、63在所涉及的气缸1的气体燃料收集器60和相应气体燃料阀50之间延伸。
窗口阀61布置在气体燃料收集器60的出口处并且窗口阀61控制气体燃料从气体燃料收集器60流动到气体燃料供给管道62、63。
3个燃料油阀49设置在顶盖48中以利用燃料油对发动机进行操作。以公知方式将燃料油阀连接到高压燃料油的源。
发动机具有控制发动机的操作的电子控制单元ECU。信号线将电子控制单元ECU连接到气体燃料阀50、连接到燃料油阀49以及连接到窗口阀61。
电子控制单元ECU构造为正确安排针对气体燃料阀的喷射事件的时间并且控制供给到气体燃料阀50的气体燃料的剂量。
电子控制单元ECU打开以及闭合窗口阀61以确保在由气体燃料阀50控制的气体燃料喷射事件开始之前供给管道62、63填充有高压气体燃料。
图6、图7以及图9示出了一种燃料阀50，其用于将气体燃料喷射到自燃式内燃机的燃烧室中以及用于喷射先导油。燃料阀50具有设有最后端59的细长的壳体52及在前端处的喷嘴54。最后端59设置有包括控制端口72、先导油端口78以及气体泄漏检测端口86的多个端口。最后端59被扩大以形成头部并且在头部设置有孔94以用于接收将燃料阀50固定在气缸顶盖48中的螺栓(未示出)。壳体52以及燃料喷射阀50的其他组件示例性地由钢(诸如无锈钢)来制成。
喷嘴54具有在长度上分布、且在喷嘴54上径向布置的喷嘴孔56。这个实施例中的喷嘴54的尖端被闭合。喷嘴54的后部连接到壳体52的前端，其中喷嘴54中的囊空间55朝向壳体52开口。
轴向可移位阀针61可滑动地被接收在壳体52的孔中。阀针61具有一个尖端，其构造为与形成在壳体52中的座部69密封啮合。在实施例中，座部69设置成接近壳体52的前端。壳体52设置有用于(比如通过气体燃料供给管道62、63)连接到被压缩的气体燃料的源60的气体燃料进口端口53。气体燃料进口端口53连接到位于壳体52中且包围阀针61一部分的的气体燃料室58。座部69位于气体燃料室58和囊空间55之间，以使得当阀针61提起时，气体燃料可以从气体燃料室58流动到囊空间55。经由囊空间55，气体燃料可以通过喷嘴孔56进入发动机的燃烧室。
轴向可移位阀针61具有闭合位置以及打开位置。在闭合位置，轴向可移位阀针61搁置在座部69上。在其闭合位置，轴向可移位阀针61因此防止了从气体燃料进口端口53至喷嘴54的流动。在其打开位置，轴向可移位阀针61从座部69提起了，因而允许从气体燃料进口端口53至喷嘴54的流动。
预紧螺旋弹簧66作用在轴向可移位阀针61上并且使得轴向可移位阀针61朝向在座部69上的其闭合位置偏置。然而，应该理解的是诸如气压或油压的其他手段可以被提供以使阀针61朝向其闭合位置偏置。在实施例中，螺旋弹簧66的一端与壳体52的后端啮合并且螺旋弹簧66的另一端与在阀针61的后端处的加宽部分或者凸缘83啮合，从而可以通过致动活塞64来形成阀针61的后端。
气体燃料阀50设置有用于使轴向可移位阀针61在其闭合位置和其打开位置之间可控地移动的致动器系统。在这个实施例中，致动器系统包括轴向可移位致动活塞64，其可滑动地被接收在壳体52的圆柱部分中。致动活塞64与壳体52一起来限定致动室74。在这个实施例中，致动活塞64是轴向可移位阀针61的主要部分及最后面部分。然而，应该理解的是，致动活塞64可以以多种手段(诸如通过螺纹连接、或者通过焊接)来可操作地连接到阀针61，并且优选地致动活塞64与阀针61移动一致，尽管这不是先决条件。
致动室74通过控制油管道70连接到控制油端口72。控制油端口72连接到电子控制油阀96，该电子控制油阀96进而连接到高压油97的源。电子控制油阀96优选地为开/关类型并且从电子控制单元ECU接收电子控制信号来控制喷射事件。
在其他实施例(未示出)中，可以通过其他致动装置，诸如螺线管或线性电马达来对阀针进行致动。
致动活塞64优选地设置有朝向壳体后端打开的同心气缸并且固定活塞87可滑动地被接收在这个气缸中。致动活塞64相对于固定活塞87是可移位的。致动活塞64中的气缸与固定活塞87一起来限定泵室80。
阀壳体52设置有用于连接到先导油57的源的先导油端口78。先导油供给管道76将先导油端口78流体连接到泵室80。止回阀82设置在先导油端口78和泵室80之间以防止从泵室80到先导油端口78的流动。
先导油喷射管道67在轴向可移位阀针61内轴向延伸。泵室80具有通过先导油供给管道76流体连接到先导油端口78的进口以及连接到先导油喷射管道67的第一端的出口。
先导油喷射管道67的第二端终止在轴向可移位阀针61的尖端处并且先导油喷射管道67的第二端构造为将先导油喷射到喷嘴54中的囊空间55中。
当轴向可移位阀针61从闭合位置移动到打开位置时泵室80收缩，从而使致动活塞64朝向壳体52的最后端移动。
当轴向可移位阀针61从打开位置移动到闭合位置时泵室80膨胀，从而使致动活塞64远离壳体52的最后端移动。
先导油喷射管道67的第二端被流体连接到喷嘴54以使得当泵室80收缩时先导油被递送到喷嘴54。当泵室80膨胀时，通过先导油供给管道76从前导阀57的源给泵室80补充先导油。
气体燃料阀50包括设置在先导油喷射管道67中的止回阀65以防止先导油喷射管道中的流朝向泵室80流动。
先导油供给管道76在壳体52中延伸并且轴向延伸通过固定活塞87以将先导油端口78流体连接到泵室80。
径向密封通道85在轴向可移位阀针61中从先导油喷射管道67延伸至轴向可移位阀针61的外表面，以允许先导油被供给到壳体52和阀针之间的间隙，从而润滑以及密封阀针61，因此允许将先导油用作为密封油。
壳体52中的气体泄漏检测通道84通向气体泄漏检测端口86以允许对气体泄漏的检测。
经由气体燃料阀50打开时间的长短来通过电子控制单元ECU对气体燃料的喷射事件进行控制。因此，在收到电子控制单元ECU的信号时，致动室74中控制油压上升并且以移动方式将阀针61从座部69提升以从其闭合位置提升至打开位置。当控制油压上升时，阀针61总是执行从其闭合位置至其打开位置的全冲程并且在致动室74中增加的压力抵抗在远离喷嘴54和座部69的轴线方向上的螺旋弹簧66的力来驱使致动活塞64。
在移动期间，泵室80收缩并且先导油被从泵室80压出，并且经由先导油喷射管道67，先导油从轴向可移位阀针61的尖端被喷射到囊空间55中。因此，在实施例中不管发动机的载荷如何，每个喷射事件的先导油的量是固定的。致动活塞64的冲程和固定泵活塞87的直径确定在每个喷射事件中所递送的先导油的量。因此，通过选择致动活塞64的合适冲程以及泵活塞87的合适直径来获得每个喷射事件中所需的先导油的量。
图8中所示的实施例本质上等同于图6和图7中的实施例，除了先导油喷射管道67在阀针61的尖端附近劈开为两端皆位于座部69的两个通道68、以使得当轴向可移位阀针61搁置在座部69上时泵室80和喷嘴54之间的流体连接被闭合之外。因此，这个实施例在没有：用于防止从先导油喷射管道67的第二端朝向泵室80的流动的止回阀的情况下可以实施。
在实施例(未示出)中，致动装置包括螺线管或线性电马达并且控制油不是需要的。在实施例中，泵室可以通过这样一种活塞来限定，其相对于壳体中的气缸是可移位的，但是该活塞并非可操作地连接到阀针并且具有分离致动装置，并且这个活塞无需与阀针移动一致。
权利要求中所使用的术语“包括”不排斥其他元件或步骤。权利要求中使用的“一个”或“这个”不排斥多个。电子控制单元可以实现在权利要求中所引用的几个装置的功能。权利要求中使用的参考标记不应视为对保护范围的限制。
虽然为了阐述的目的已经详细描述了本发明，应该理解的是，这种详细仅仅用于那个目的，并且在不脱离本发明保护范围的前提下，本领域技术人员可以做出多种变化。