本发明涉及根据权利要求1的前序部分定义的用于将水注入活塞发动机的气缸中的注水器。
背景技术：
随着排放标准对有害氮氧化物(nox)、一氧化碳(co)、挥发性碳氢化合物(hc)、颗粒物(pm)和其他内燃发动机排放设置越来越严格的要求，发动机制造商不得不寻找满足要求的新方式。同时，应该提高发动机的燃料效率，以减少二氧化碳(co2)排放并且确保发动机的经济运行。
通常，可通过降低燃烧室中的温度来减少nox排放。这样做的一种方式是应用注水。水可被直接注入燃烧室中或进入歧管中，以降低燃烧室中的温度，从而减少nox排放。将水直接注入气缸中的优点在于，与水注入进入歧管中相比，需要的水量较少。另一方面，直接注水的缺点在于，放置注水器需要气缸处于严苛条件下。通常，仅在某些操作条件下利用注水。当利用注水时，流过注水器的水作为冷却介质起作用，降低注水器的温度。当未利用注水时，这种冷却效果不可用，并且注水器的温度容易升高到引起热腐蚀的水平。另一方面，当利用注水时，流过注水器的水甚至会使注水器的温度过度降低，使注水器遭受冷腐蚀。冷腐蚀是指硫酸在表面凝结并使其劣化的现象。因此，注水器会遭受热腐蚀和冷腐蚀二者。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于将水注入活塞发动机的气缸中的改进型注水器。在权利要求1的特征部分中，给出了根据本发明的注水器的特征化特征。
根据本发明的一种注水器，该注水器包括：至少一个喷嘴孔，水能通过其注入所述气缸中；进水口，其用于接纳待注入的水；水通道，其将所述进水口连接于所述喷嘴孔；以及注入器针，其用于打开和闭合所述进水口和所述喷嘴孔之间的流体连通。所述注水器还包括用于接纳冷却水流的冷却水空间。
所述冷却水空间有助于调节注水器的温度，从而延长注水器的寿命。
根据本发明的一个实施方式，在所述水通道和所述冷却水空间之间布置有流动路径，所述流动路径用于允许水从所述水通道流入所述冷却水空间中。因此，可从注水器中直接带出用于调节注水器温度的水，而不需要用附加外部管道将水引入冷却水空间中。
根据本发明的一个实施方式，所述流动路径被配置成将引入所述水通道中的水中的至少30％传递到所述冷却水空间中。这样确保了实现足够的温度调节效果。
根据本发明的另一个实施方式，所述流动路径被配置成在水从所述水通道流入所述冷却水空间中时引起所述水通道中的压力的至少70％的压降。当所述水通道和所述冷却水空间之间的流动路径被配置成引起压降时，可使水温升高。当利用注水时，冷却水空间中的水因此可使注水器的表面温度升高并且防止冷腐蚀。
根据本发明的另一个实施方式，所述水通道和所述冷却水空间之间的所述流动路径包括一个部分，所述部分具有被配置成引起从所述水通道流入所述冷却水空间中的水的压降的有限横截面流动面积。
根据本发明的一个实施方式，所述流动路径包括凹槽，水被布置成从所述水通道通过所述凹槽流入所述冷却水空间中，并且所述凹槽被配置成降低水的压力。根据本发明的一个实施方式，所述凹槽布置在所述注入器针中。通过在所述注入器针中布置凹槽，在所述注入器针和所述注水器的主体之间形成水膜。这样改善了注水器的摩擦性能。根据本发明的一个实施方式，所述凹槽呈螺旋形。因此，围绕注入器针的压力分布是均匀的，并且注入器针集中在孔内，注入器针被布置成在所述孔内移动。通过使凹槽呈螺旋形，可通过改变凹槽的节距(pitch)来提供不同的凹槽长度。
根据本发明的一个实施方式，所述凹槽的宽度至多为100μm。
在根据本发明的内燃发动机中，发动机的每个气缸都设置有限定在上文中的注水器。
附图说明
以下，将参照附图来更详细地描述本发明的实施方式，在附图中：
图1示意性示出内燃发动机的注水系统；
图2示出用于内燃发动机的注水系统的注水器和该注水器的致动器的剖视图；
图3示出图2的注水器的放大剖视图；以及
图4示出从另一个方向看的图3的注水器的剖视图。
具体实施方式
在图1中示出内燃发动机1的注水系统。发动机1是大型活塞发动机，诸如船舶的主发动机或辅助发动机或在发电厂用于发电的发动机。发动机1可借直接注入发动机1的气缸2中的诸如轻质燃料油、船用柴油或重质燃料油的液体燃料进行操作。燃料注入系统可以基于共轨原理或单独的燃料注入泵。另选地，发动机1可以是可能进行液体引燃燃料注入的利用气态燃料的气体发动机或可利用不同类型的燃料进行操作的多燃料发动机。为了清楚的缘故，图1中未示出发动机1的燃料注入系统。
图1示出了四个气缸2，但是发动机1可包括任何合理数量的气缸2，这些气缸可例如成直线或以v形配置来布置。注水系统的目的是使水能够注入发动机1的气缸2中，以降低气缸2中的峰值温度并且减少发动机1的nox排放。发动机1的每个气缸2均设置有注水器3。注水器3被布置成将水直接注入气缸2中。注水器3可例如布置在发动机1的气缸盖中，使得每个注水器3的一端伸入气缸2中并且允许水注入燃烧室中。注水系统包括泵4，泵4对水加压并且经由供水管道5将水从水箱7供应到注水器3。注水系统还可包括用于加压注水用水的高压泵和用于供给高压泵的单独的低压泵。注水系统还可包括多个低压泵和/或高压泵。
注水优选地是在压缩冲程期间或在燃烧期间发生的，但是也可以在进气冲程期间注水。如果在压缩冲程期间或在燃烧期间将水注入气缸2中，则注水压力需要超过注水期间气缸2中的主要压力。优选地，注水压力为至少100巴。
图2示出根据本发明的一个实施方式的注水器3以及致动器18。注水器3具有第一端3a和第二端3b。假如发动机1的气缸2垂直布置，注水器3的第一端3a是上端。注水器3的第二端3b是伸入气缸2中的下端。注水器3的主要部分位于气缸2的外部，例如，位于相应气缸2的气缸盖的内部。注水器3包括主体14，主体14可附接于气缸盖。注水器3的第二端3b设置有喷嘴部分8。喷嘴部分8包括一个或更多个喷嘴孔9，水通过喷嘴孔9注入气缸2中。注水器3还包括注入器针10，注入器针10用于控制注水定时和注入气缸2中的水量。在图2中，注入器针10被示出处于闭合位置。每个注水器3均设置有致动器18，致动器18用于将注入器针10从闭合位置提升到打开位置。致动器18可以是例如气动、电动或液压致动器。在图2的实施方式中，致动器18是气动致动器。致动器18包括弹簧19，弹簧19将注入器针10朝向闭合位置偏置。致动器18还包括控制活塞20，控制活塞20布置在流体室21中。当加压空气被引入流体室21中时，控制活塞20克服弹簧19的力背离注水器3移动。推杆22将控制活塞21的移动传递到注入器针10。因此，注入器针10朝向打开位置移动。注水系统的每个注水器3均可被独立地控制。注水系统包括控制单元(未示出)，控制单元被配置成控制水注入发动机1的气缸2中。
每个注水器3均设置有可在图4中看到的进水口11。水通过进水口11被引入注水器3中。注水器3内部的水通道12、13将进水口11连接于喷嘴部分8。水通道包括第一部分12，第一部分12将进水口11连接于高压通道23。高压通道23围绕注入器针10并且用于储存待注入的水。水通道的第二部分13将高压通道23连接于注水器3的喷嘴部分8。水通道的第二部分13围绕注入器针10布置。
为了控制注水器3的温度，注水器3设置有冷却水空间24。在附图的实施方式中，冷却水空间24是毗邻喷嘴部分8布置的环形腔室。冷却水空间24可接纳冷却水流，冷却水流可根据注水器3的初始温度和冷却水的温度来降低或升高注水器3的表面温度。因此，冷却水流可用于防止注水器3被热腐蚀和冷腐蚀。如果燃烧室内的注水器3的表面温度太低，则硫酸可在注水器3的外表面上凝结，从而引起冷腐蚀。另一方面，如果表面温度高，则注水器3遭受热腐蚀。注入发动机1的气缸2中的水经由水通道12、13和喷嘴开口9流过注水器3，并且降低注水器3的温度。在传统的注水器中，所注入水的冷却效果会使注水器的温度过度降低并且使注水器遭受冷腐蚀。当未利用注水时，注水器的温度会变得过高。通过为注水器3设置冷却水空间24并且将水在合适温度下引入冷却水空间24中，可将注水器3的表面温度保持在所期望水平。
冷却水从水通道12、13引入冷却水空间24中。因此，不需要用注水器3外部的附加冷却水管道将冷却水供应到冷却水空间24中。注水器3设置有冷却水出口15，冷却水可通过冷却水出口15从冷却水空间24引入图1中示出的返回管道6中。冷却水可经由返回管道6供给到水箱7中。作为将水从冷却水空间24返回回到水箱7的替代方式，可从注水系统排放水。出口管道26将冷却水空间24连接于冷却水出口15。
为了将水从水通道12、13引入冷却水空间24中，注水器3设置有将水通道12、13和冷却水空间24连接的内部流动路径16、17。流动路径16、17被配置成在水从水通道12、13流入冷却水空间24中时引起水的压降。压降优选地为水通道12、13中的水压力的至少70％。冷却水空间24中的水的合适压力在5-15巴的范围内。该压降使水的温度升高。因此，在利用注水的情形下，注水器3的表面温度升高。另一方面，当未利用注水时，尽管水的温度升高，冷却水空间24中的水流也使注水器3的表面温度降低。因此，注水器3的表面温度可在发动机1的不同运行条件下保持在所期望的范围内。因此，有效地减少了注水器3的腐蚀。
水通道12、13和冷却水空间24之间的流动路径16、17被配置成将水流的所期望部分传送到冷却水空间24中。例如，经由进水口11引入注水器3中的水中的30％-70％可被布置成在利用注水时流入冷却水空间24中。当未利用注水时，自然地，引入注水器3中的所有水都流入冷却水空间24中。
在附图的实施方式中，水通道12、13和冷却水空间24之间的流动路径16、17包括布置在注入器针10中的凹槽16。凹槽16处于注入器针10的外表面上。水经由凹槽16流入针阻尼通道25中。针阻尼通道25中的水作为阻尼介质起作用，其使注入器针10的打开和闭合运动阻尼。冷却水管道17将针阻尼通道25连接于冷却水空间24。
凹槽16的尺寸设计被配置成，使得实现了进入冷却水空间24中的合适流速和合适压降。因此，凹槽16在与凹槽16中的水流动方向垂直的平面中的至少一个尺寸被配置成小得足以实现足够的压降。凹槽16可在其他方向上更大。凹槽16的宽度可以是例如小于100μm。另选地，或除此之外，凹槽16的深度可小于100μm。
注入器针10中的凹槽16是螺旋形。利用螺旋形凹槽，水的压力被均匀施加到注入器针10上。因此，压力集中在注入器针10上，从而确保注入器针10在注水器3打开和闭合期间平稳地移动。通过调节节距，改变凹槽16的长度，并且凹槽16可被配置成产生所期望的压降和冷却水流。凹槽16的节距不需要是恒定的，而是它可以是变化的。在注入器针10和注水器3的主体14之间形成的水膜也改善了注水器3的摩擦性能。许多不同的凹槽轮廓是可能的。凹槽16的横截面轮廓可以是例如半圆形、矩形、钟形或v形。注入器针10可包括两个或更多个凹槽16，而非仅仅一个凹槽16。凹槽16也可布置在注水器3的主体14中。
可按某种其他方式来实现水通道12、13和冷却水空间24之间的压降作为凹槽16的替代。例如，水通道12、13和冷却水空间24之间的流动路径可以例如设置有开口，这些开口的横截面流动面积被确定尺寸以在水从水通道12、13流入冷却水空间24中时引起预定压降。流动路径还可包括含多孔材料的截面，水被布置成从水通道12、13通过该截面流入冷却水空间24中。然而，与被配置成引起压降的开口相比，注入器针10中或注水器3的主体14中的微槽具有能避免空化问题的益处。
本领域的技术人员应该理解，本发明不限于上述实施方式，而是可在随附权利要求书的范围内变化。例如，燃料喷射器可被集成于注水器。