通过液压锁紧密封的双燃料喷射器的制造方法
【专利摘要】一种双燃料喷射器（12）包括喷射器主体（70），所述喷射器主体（70）限定有与液体喷嘴腔室（99）流体连接的液体燃料的入口（57）、与气体喷嘴腔室（91）流体连接的气体燃料入口（48），以及限定有液体喷嘴出口组（96）和气体喷嘴出口组（90）的顶端部件（71）。一种液体针阀元件（78）在喷射器主体（70）中被引导以在与位于液体喷嘴腔室（99）和液体喷嘴出口组（96）之间的第一阀座（180）接触和不接触的位置之间运动。一种气体针阀元件（73）在喷射器主体（70）中被引导以在与位于气体喷嘴腔室（91）和气体喷嘴出口组（90）之间的第二阀座（181）接触和不接触的位置之间运动。用于抑制气体燃料从气体喷嘴腔室（91）向第一燃料内迁移的液压锁紧密封件（93）包括围绕气体针阀元件（73）的引导部段（74）的环形容积（191）。该环形容积（191）通过密封通路（190）与液体喷嘴容积（99）流体连接。单向阀（200）设置于密封通路（190）中，并且可响应于顶端部件（71）中的液体喷嘴腔室（99）中的液体燃料的和气体喷嘴腔室（91）中的气体燃料之间的压力差移动到关闭位置。当气体燃料供给被耗尽和发动机（5）利用双燃料喷射器（12）在应急运行单燃料供给模式下运行时，单向阀（200）可关闭。
【专利说明】通过液压锁紧密封的双燃料喷射器
【技术领域】
[0001]本发明一般地涉及双燃料喷射系统，更具体地涉及在双燃料和单燃料两种模式下运行时的液压密封策略。
【背景技术】
[0002]已知气体燃料发动机相对于压燃式发动机来说能够进行清洁的燃烧。然而，气体燃料难以被成功地点燃(点火)是公知的。一些气体燃料发动机利用火花塞，而其它发动机已知为利用少量的被压缩点燃的蒸馏柴油燃料以进而点燃更大量的气体燃料。在这些发动机中，气体燃料可被供给到发动机进气歧管或者以计量的方式直接进入各个气缸内，其中气体燃料被点燃之前在气缸内与空气混合，所述点燃响应于在接近上死点处预喷射的柴油。
[0003]美国专利6，298，833教导了一种能直接喷射气体和液体燃料到发动机气缸内的双燃料喷射器。该参考文献教导了一种双同心喷嘴阀设计，其中液体柴油燃料是通过小的内孔组通过外针喷射，气体燃料通过成组的同心气体燃料出口通过顶端部件喷射。认识到气体燃料具有低的粘度，并且可能不适合于润滑运动的气体针阀元件以及抑制气体燃料迁移到液体燃料内，该参考文献教导了一种流体密封策略，其中加压液体燃料的环形容积围绕气体针阀元件的引导部段。液体燃料的密封压力保持成等于或稍微高于气体燃料的压力。虽然该参考文献可教导一种有效的策略用于抑制双燃料喷射器内的气体燃料泄漏到液体燃料内，但是它对于利用气体和液体燃料的配备有双燃料系统的发动机的潜在运行模式没有预见问题或教导解决方案。例如，可能存在气体燃料供给被耗尽、发动机需要以所谓的应急运行模式仅使用液体燃料作为燃料源运行的情况。这种运行模式可以在利用双燃料喷射器喷射气体燃料和液体燃料两者的双燃料喷射系统的应用中呈现先前未认识到的问题。
[0004]本发明旨在解决上述一个或多个问题。
【发明内容】
[0005]一方面，一种双燃料喷射器包括喷射器主体，所述喷射器主体限定有与第一喷嘴腔室流体连接的第一燃料入口、与第二喷嘴腔室流体连接的第二燃料入口，以及限定有第一组喷嘴出口和第二组喷嘴出口的顶端部件。第一针阀元件在喷射器主体中被引导以在与设置于第一喷嘴腔室和第一组喷嘴出口之间的第一阀座接触和不接触的位置之间运动。第二针阀元件在喷射器主体中被引导以在与设置于第二喷嘴腔室和第二组喷嘴出口之间的第二阀座接触和不接触的位置之间运动。用于抑制第二燃料从第二喷嘴腔室迁移到第一燃料内的液压锁紧密封件包括围绕第二针阀元件的引导部段的环形容积，并且所述环形容积与第一喷嘴容积通过密封通路流体连接。单向阀被设置于密封通路内，且可响应于顶端部件中的第一喷嘴腔室中的第一燃料和第二喷嘴腔室中的第二燃料之间的压力差而移动到关闭位置。
[0006]一种双燃料系统包括双燃料喷射器，所述双燃料喷射器限定气体燃料入口、气体喷嘴出口组、液体燃料入口和液体喷嘴出口组。双燃料喷射器已在其中设置与气体燃料入口流体连接的气体喷嘴容积，和与液体燃料入口流体连接的液体喷嘴容积。液压锁紧密封件抑制气体燃料在双燃料喷射器内向液体燃料迁移。气体燃料共轨与气体燃料入口流体连接，液体燃料共轨与液体燃料入口流体连接。单向阀设置于液压锁紧密封件的密封通路中，并且可在开启的双燃料供给构型和关闭的单燃料供给构型之间移动。
[0007]又一方面，一种运行双燃料喷射器的方法包括通过将第一针阀元件移动成不接触顶端部件的第一针阀座而通过第一组喷嘴出口喷射第一燃料的步骤。第二燃料通过将第二针阀元件移动成不接触顶端部件的第二针阀座而通过第二组喷嘴出口喷射第二燃料。第二燃料向第一燃料内的迁移通过液压锁紧密封件抑制。第二针阀元件的引导部段通过流经液压锁紧密封件的密封通路中的单向阀的第一燃料被润滑。密封通路由单向阀响应于顶端部件的第一喷嘴腔室中的第一燃料和第二喷嘴腔室中的第二燃料之间的压力差来关闭。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是根据本发明的发动机和双燃料共轨系统的示意图；
[0009]图2是图1的双燃料系统的一部分的侧剖视图；
[0010]图3是图1的双燃料喷射器之一的剖视侧视图；
[0011]图4是图3的燃料喷射器的控制阀部分的局部剖视侧视图；
[0012]图5是类似图4的控制阀部分的放大的剖视图，但是沿燃料喷射器的与图3不同的剖面线剖开；
[0013]图6是图3的燃料喷射器的杆部件的局部透视图；
[0014]图7是图6中所示的杆的端视图；
[0015]图8是根据本发明的一方面的燃料喷射器的底部部分的剖视侧视图；
[0016]图9是根据本发明的另一方面的燃料喷射器的底部部分的剖视侧视图；
[0017]图10是设置于用于图8和图9所示的燃料喷射器的液压锁紧密封件的密封通路中的单向阀的放大的剖视侧视图；
[0018]图11是图10中示出的单向阀的单向阀元件的俯视图；和
[0019]图12是示出在以双燃料供给模式和应急运行(limp home)模式运行时图1的双燃料系统的控制阀位置、气体和液体燃料的轨压以及喷射率相对于时间的一系列图表。
【具体实施方式】
[0020]参见图1，根据本发明的发动机5使用双燃料共轨系统10。发动机5包括发动机壳体6，发动机壳体6限定有多个气缸7，图中仅示出了一个气缸。双燃料系统10包括多个双燃料喷射器12 (仅示出了一个)，所述双燃料喷射器均包括喷射器主体70，所述喷射器主体具有设置成用于将气体燃料和/或液体燃料直接喷入发动机气缸7之一中的顶端部件71。双燃料系统10包括多个外管40和内管50，每个外管40和内管50在管轴(quill)30和燃料喷射器12之一之间伸入发动机壳体6中。每个内管50被压紧在相关联的管轴30上的锥形座和燃料喷射器12之一上的锥形座之间。这样，每个发动机气缸7具有一个相关联的燃料喷射器12、一个外管40、一个内管50和一个管轴30。双燃料系统10包括气体燃料共轨16形式的气体燃料源，所述气体燃料经管轴30之一和在内管50与外管40之间限定的外通路49与每个燃料喷射器12流体连接。液体燃料共轨14形式的液体燃料源经管轴30之一和由内管50限定的内通路51与每个燃料喷射器12流体连接。
[0021]电子控制器15与各个燃料喷射器12进行控制通信以选择性地控制气体和液体燃料喷射动作两者的正时和量。电子控制器15也与被可操作地联接成控制气体燃料共轨16中压力的气体压力控制装置20进行控制通信，并且还与被可操作地联接成控制液体燃料共轨14中压力的液体压力控制装置22进行控制通信。虽然诸如甲烷、丙烷等的各单种气体在本发明的范围内，但是包含各种气体之混合物的天然气特别适用于本发明。此外，液体燃料被选择成能够在发动机5的压缩比下进行压缩点燃。例如，液体燃料可以是蒸馏柴油燃料或适于压缩点燃以进而点燃发动机气缸7之一中的气体燃料量的某种其它液体燃料。这样，在发动机5的通常运行期间，在发动机循环的压缩冲程中的某个时刻将在单个气缸中产生自动点燃的条件，所述发动机循环还包括膨胀冲程、排气冲程和进气冲程。虽然发动机气缸中可以存在液体燃料的压缩点燃条件，但是压力和温度对于自动点燃气体燃料通常是不够高的。
[0022]在所示实施例中，天然气在低温液化天然气罐21中保持为液态。可变排量低温泵由电子控制器15控制成将液化天然气泵送通过过滤器和热交换器而膨胀为保持在储存器中的气体。根据本发明的气体压力控制装置20可包括电子控制阀，所述电子控制阀从供给侦U (储存器)向气体燃料共轨16供给受控量的气体燃料。该用于天然气的所述供给策略在发动机5安装在可动机器(例如采矿卡车等)上时特别适用。另一方面，如果发动机5是静止不动的，则气体压力控制装置可连接到可用天然气源，然后以由电子控制器15控制的方式被压缩并向气体燃料共轨16供给，以在共轨16中维持期望压力。
[0023]向液体燃料共轨14的液体燃料供给在罐23开始。在所示实施例中，液体燃料压力控制装置22包括本领域公知类型的高压共轨燃料泵，其输出可由电子控制器15控制以在液体共轨14中维持某期望压力。为了控制液体燃料共轨14中的压力，其它替换方案可包括固定排量泵和使一定量的燃料返回到罐23的轨压控制阀。这些替换策略中的任一种都在本发明的构想范围内。
[0024]在发动机5用在可动机器中的情况下，本发明设想液化天然气罐21比蒸馏柴油燃料罐23具有更大容量(可能是65%更大容积)，以便在以标准的双燃料供给构型(其中按质量计，输送给发动机5的燃料可能90%以上为天然气的形式，而少于10%为蒸馏柴油燃料的形式)运行时实现这两个罐的预期的消耗比率。罐21和23的尺寸上的这种差异也是由于各种液体的密度和两种燃料的不同发热量，还由于这样的事实，即天然气以液体储存但以气体喷射，而蒸馏柴油燃料以液体储存并以液体喷入发动机5中。当以与标准运行对应的双燃料供给模式运行时，电子控制器15构造成将气体燃料共轨维持在中低压并将液体燃料共轨14维持在中高压。如果发动机5以应急燃料供给模式运行，则电子控制器15可构造成将气体燃料共轨16维持在低压(可能是大气压)并将液体共轨14维持在高压。为了清楚起见，所指明的高压大于所述中高压，所述中高压大于所述中低压，所述中低压大于所述低压。
[0025]参见图2，双燃料共轨系统10包括分别将各个燃料喷射器12与液体和气体共轨14、16流体连接的共轴管轴组件118。虽然本发明的构思可应用于针对不同类型发动机的各种燃料，但是所示实施例特别适用于利用蒸馏柴油燃料进行压缩点燃的气体燃料发动机。换句话说，与双燃料共轨系统10相关联的发动机可主要燃烧从第二共轨16供给的液化天然气，并在一个发动机循环的燃烧动作过程中通过压缩点燃来自共轨14的较少量的蒸馏柴油燃料来点燃发动机燃烧空间中的燃料。
[0026]共轴管轴组件118包括至少部分地设置在块体120中的管轴30。所述管轴包括在第一燃料入口 33和第一燃料出口 34之间延伸的第一燃料通路32，其中第一燃料入口 33与第一共轨14流体连接。管轴30还限定有在第二燃料入口 36和第二燃料出口 37之间延伸的第二燃料通路35，其中第二燃料入口 36与第二共轨16流体连接。管轴30使用已知的硬件(例如配接件)和技术与共轨14和16流体连接。来自第一共轨14的燃料经由穿过内管50的内通路51流过发动机壳体6 (发动机缸盖)，而来自第二共轨16的燃料在限定于内管50和外管40之间的外通路49中流至燃料喷射器12。内管50可以是本领域技术人员熟悉的构造，其中它包括被压紧在管轴30的锥形座38和燃料喷射器12的内锥形座55之间的圆形或锥形的端部。这样，内管50中的流体通路51在管轴30的第一燃料出口 34和燃料喷射器12的内燃料入口 57之间延伸。不与内管50接触的外管40具有比内管50的外径大的内径，以便限定在一端通向管轴30的第二燃料出口 37且在其另一端通向燃料喷射器12的外燃料入口 48的长形外通路49。外管40包括被压紧成与燃料喷射器12的外锥形座46密封接触的圆形或锥形的端部。外燃料入口 48在管40的内径和内管50的外表面之间敞开。这样，燃料喷射器12限定有同心地围绕内锥形座55的外锥形座46。此外，燃料喷射器12包括由内锥形座55围绕的内燃料入口 57，和设置在内锥形座57和外锥形座46之间的外燃料入口 48。
[0027]外管40被压紧在管轴30和燃料喷射器12之间。特别地，外管40包括与外锥形座46密封接触的圆形或锥形的端部和接纳在由管轴30限定的孔中的相对端部。外管40的一个端部41经由设置在外管40和管轴30之间的空间45中的O形圈80来密封。O形圈80通过由旋拧到管轴30上的盖87保持就位的支撑环86抵抗来自第二共轨16的压力而保持就位。外管40被一轴向力压紧在燃料喷射器12的外座46上，该轴向力是由包括与载荷台肩42接触的接触面64的压缩载荷调节器60施加给载荷台肩42的。压缩载荷调节器60包括与由块体120的基底121限定的一组内螺纹配合的外螺纹65，并包括设置在块体120的中空内部124中以便于调节外管40上的压缩载荷的工具接合面62。这样，通过利用压缩载荷调节器60将外管40上的压缩载荷设定成高于一预定阈值以有利于在外锥形座46上实现密封，并通过用O形圈80密封另一端，抑制了来自共轨16的第二燃料向环境的泄漏。
[0028]通过单独载荷调节器66有助于在内管50的相对两端实现密封，该载荷调节器66包括与由块体120的基底121限定的内螺纹配合的螺纹68。载荷调节器66包括位于块体120外侧的工具接合面67，其有利于压缩载荷调节器66沿共同的中心线54运动。换句话说，压缩载荷调节器66沿共同的中心线54向着管轴30推进以将内管50压紧在管轴30的锥形座38和燃料喷射器12的锥形座55之间。由于外管40的一个端部41能在管轴30中滑动，所以作用在内管50和外管40上的相应的压缩载荷能被独立地调节以更好地确保在所有的锥形座38、55和46上实现适当的密封。这样，通过利用压缩载荷调节器66将内管50上的压缩载荷设定成高于一预定阈值，抑制了源自共轨14的第一燃料向第二燃料中的泄漏。此外，来自共轨16的第二燃料向来自共轨14的第一燃料中的泄漏可包括将共轨14中的压力设定得比共轨16中的压力更高。外管40、内管50、压缩载荷调节器60、压缩载荷调节器66、锥形座38、内锥形座55和外锥形座46全都共用一共同的中心线54。除了结合附图所描述的以外，对内管50和外管40中的一者或两者的其它密封策略也在本发明的构想范围内。内燃料入口 51被锥形座55和46围绕，但是外燃料入口 48设置于锥形座55和46之间。
[0029]如所示，管轴30可至少部分地设置在块体120中，块体120包括基底121和可通过多个紧固件126与基底121连接的罩盖122。基底121可包括便于块体120经由螺栓128连接到发动机缸盖(壳体6)上的凸缘。如图所示，管轴30的第一燃料入口 33和第二燃料入口 36可设置在块体120外部。可包括垫片127来调节锥形座38和锥形座57之间的距离以补偿燃料系统和发动机部件中的几何公差。通过O形圈80泄漏到块体120的中空内部124中的第二燃料可经通气口 123通至大气。这样，在共轨16中的燃料在大气压力下不是气态的情况下，可去除通气口 123。除通气口 123之外，中空内部24基本上可通过与管轴30和块体120接触并围绕第一燃料通路32的O形圈81封闭。此外，第二 O形圈82可与管轴30和块体20接触并围绕第二燃料通路35。这样，通气口 123在中空内部24和块体120的暴露于环境中的外表面125之间延伸。
[0030]共轴管轴组件118还可包括凸缘83、套环85和螺栓84以便于实现管轴30和共轨14之间的密封流体连接。虽然共轴管轴组件118被示出为包括分离的块体120和管轴30，但本领域技术人员应认识到这两个部件的功能和结构能合并为单个部件而不脱离本发明。
[0031]现在参见图3-9，每个燃料喷射器12包括两个电子控制阀117、119，所述电子控制阀可以被认为是针控制阀，其经由与电子控制器15进行控制通信的双电磁致动器100各自单独地被致动。特别地，电子控制阀117包括与控制阀元件153可操作地连接的电致动器43，而阀119包括与控制阀元件154可操作地连接的电致动器44。在所示实施例中，两个控制阀117和119是通过与低压排放出口 77连接和断开而在相应针控制腔室95、92中升高和降低压力的三通阀。如图1所示，排放出口 77经排放回流管路24与罐23流体连接。虽然不是必须的，但是每个燃料喷射器12可包括刚好一个排放出口 77。这样，本领域技术人员将认识到，可按照本领域公知的方法利用液体燃料作为液压介质执行用于燃料喷射器12的所有控制功能。图8和9示出燃料喷射器12的底部的两种不同构型。图8示出燃料喷射器具有同心的气体喷嘴出口组90a和成组液体燃料喷嘴出口 96a的构型，而图9示出气体喷嘴出口组90b与成组液体燃料喷嘴出口 96b并排的构型。在图9的实施例中，液体针阀元件78b在喷射器主体70b中被引导以沿中心线79b运动，气体针阀元件73b在喷射器主体70b中被引导以沿与中心线79b平行但偏离中心线79b的中心线89b运动。在图8中双同心燃料喷射器的情况下，气体针阀元件73a和液体针阀元件78a两者均在喷射器主体70a中被引导以沿共同的中心线运动。所述两种不同燃料喷射器构型中的相同特征采用相同的数字来标记，但是在图4的双同心构型的情况下附图标记包括"a"，而在图5的并排构型的情况下包括标记"b"。在两种构型中，相应的气体针阀元件73和液体针阀元件78座落在喷射器主体70的同一顶端部件71上的气体针阀座位置和液体针阀座位置。两个部件71还限定了液体喷嘴出口组96和气体喷嘴出口组90两者。
[0032]无论利用哪种构型的燃料喷射器，气体针阀元件73将包括暴露于气体喷嘴容积91中的流体压力的开启液压面69和暴露于气体针控制腔室92中的流体压力的关闭液压面61。另一方面，液体针阀元件78将包括暴露于液体喷嘴腔室99中的流体压力的开启液压面59和暴露于液体针控制腔室95的流体压力的关闭液压面58。气体针阀元件73是气体直接控制针阀53的一部分，液体针阀元件是液体直接控制针阀52的一部分。
[0033]如图3所示，双电磁致动器100可用于将所述两个控制阀117和119独立地控制成不同构型，以提供非喷射构型、液体或柴油燃料喷射构型、气体燃料喷射构型，甚至是组合喷射构型。双电磁致动器100被不出为处于其非喷射构型,其中第一衔铁101处于未通电位置，第二衔铁103处于未通电位置，且杆140处于第一角度取向，其在所示实施例中是水平的(见图6)。第一衔铁101连接至引导件106，引导件106连接至推动件110，推动件进而接触控制阀元件154。推动件110与阀元件154接触但不连接，使得两者实际上可以在超程期间分开以抑制反弹和不必要的燃料喷射。衔铁101、引导件107和推动件110被相对较弱的超程弹簧109偏压而接触控制阀元件154。较强的偏压弹簧114偏压控制阀元件154使其接触锥形座156，从而关闭阀腔室161与连接至排放出口 77的低压通路76之间的流体连接。这样，当第一电致动器44未通电时，推动件110与阀元件154接触，阀元件154本身处于接触状态以关闭在喷射器主体70的堆叠部件158中形成的锥形座156。如图4和5中最佳地示出的，针控制腔室92始终经由Z孔口 175与液体喷嘴供给通路98流体连接。当控制阀元件154在其接触锥形座156的向上位置时，针控制腔室92也经由压力通信通路177通过阀腔室161和A孔口 173与液体喷嘴供给通路98流体连接。压力通信通路177包括F孔口 171，其在一端通过平阀座161敞开，且在其相对端与液体喷嘴供给通路98流体连接。这样，F孔口 171和A孔口 173在液体喷嘴腔室98和针阀控制腔室92之间流体串联。当第一电致动器44通电以使衔铁101从初始气隙位置朝向最终气隙位置运动，从而借助于推动件110使阀元件154从与锥形阀座156接触被推动至与平阀座161接触以关闭F孔口171时，流体连接被阻断。当这发生时，针控制腔室92变成经由A孔口 173、阀腔室161并经过锥形座156流体连接到低压排放通路76，该针控制腔室92可被认为是排放通路76的一部分。
[0034]这样，控制阀元件154被迫在锥形阀座156和平阀座151之间对应阀的行程距离运动，所述阀的行程距离等于衔铁从其初始气隙位置移动到其最终气隙位置的行程距离。当第一电致动器44断电时，相对较强的弹簧114推动控制阀元件154离开平阀座151移动至与锥形座156接触。当控制阀元件154接触锥形座156时，推动件110、引导件107和衔铁101可继续运动超出初始气隙位置且到达超程位置，此时超程弹簧109进一步压缩。当这发生时，推动件110实际上可移动以不与控制阀元件154接触。该动作抑制控制阀元件154反弹离开其锥形座156，从而抑制二次燃料喷射。当控制阀元件154移动离开平阀座151时，针控制腔室92中的压力将迅速上升，用液体燃料再填充针控制腔室92的动作通过经由Z孔口 175以及并联地经由F孔口 171和A孔口 173与液体喷嘴供给通路98的两个流体连接被加速。虽然不是必须的，但是F孔口可比Z孔口小，Z孔口可比A孔口小。在所有情况下，F、A和Z孔口的尺寸的数量级相同，这意味着没有一个孔口比流动区域中的任何其它孔口大十倍以上。针控制腔室92与气体直接控制针阀53相关联，气体直接控制针阀53包括暴露于其中的流体压力的关闭液压面61。
[0035]第二针控制阀117包括管道，其可与针控制阀119的管道相同，但由与双电磁致动器100相关联的第二电致动器43控制。然而，与所述具有控制阀119的共轴致动布置不同，针控制阀117经由包括杆140的连杆机构可操作地联接至电致动器43。电子控制的针控制阀117包括衔铁103，该衔铁103连接至引导件106并随着引导件106 —起移动，该引导件106通过绕枢销141枢转的杆140连接至推动件112。相对较弱的超程弹簧111偏压导向件106和推动件112以使其与控制阀元件153接触。相对较强的弹簧113偏压控制阀元件153以使其与锥形座155接触。这样，当电磁线圈104断电时，衔铁103逐渐停止于初始气隙位置，推动件112将与控制阀元件153接触。当在此未喷射构型中时，针控制腔室95经由Z孔口 174和并联地经由F孔口 170与A孔口 172与液体喷嘴供给通路98流体连接。压力通路176在一端连接至液体喷嘴供给通路98，并且在其相对端包括通过平阀座150敞开的F孔口 170。如同控制阀元件154，控制阀元件153被迫在平阀座150和锥形座155之间运动。当线圈104通电时，衔铁103将从其初始气隙位置朝向最终气隙位置运动。当这发生时，引导件106作用在杆140的一侧，使其绕枢销141从初始角度取向朝第二角度取向枢转以向下移动推动件112，从而推动阀元件153与锥形座155断开接触并移动至与平阀座150接触，从而关闭F孔口 170。当这发生时，针控制腔室95变成经由A孔口 172、阀腔室160和经过锥形阀座155流体连接到低压排放通路76，针控制腔室95可以被认为是低压排放通路76的一部分。针控制腔室95与液体直接控制针阀52相关联，它包括暴露于其中的流体压力的关闭液压面58。
[0036]虽然不是必须的，平座150和151以及所有的F、A和Z孔口 170-175可以是单个堆叠部件157的一部分，该堆叠部件157是喷射器主体70的一部分。锥形座155和156可通过喷射器主体70的第二堆叠部件158来限定。应注意的是，双电磁致动器100利用其上安装有线圈102和104两者的共同的或共用的定子105。这样，移动衔铁101或衔铁103或两者所需的磁通由共用的定子105载持。
[0037]如图6和7中最佳地示出的，杆140可成形为与引导件106和推动件112线接触，以便减少关于在枢销141的任一侧上的杆臂的长度的不确定性。可通过在枢销141的下侧设有接收杆140的顶部边缘的凹槽144来约束杆140沿枢销141的运动，如图7中最佳地示出。同样，杆40的顶面可包括用于接纳枢销141的缺口来抑制杆140沿着垂直于枢销141的方向运动。捕捉螺钉146可用于杆140在燃料喷射器12的初始定位。捕捉螺钉146还可在制造和处理过程中抑制杆140脱开。最后，当正确安装时，有可能在杆140和捕捉螺钉146之间具有微小的间隔距离，以避免燃料喷射器12的通常的运行过程中两者之间相互作用。虽然由杆140在控制阀元件153和衔铁103之间设置联接可增加几何公差，但是衔铁103从其初始气隙位置到最终气隙位置的衔铁行程距离应等于控制阀元件153从与平阀座150接触向与锥形阀座155接触的行程距离。
[0038]当燃料喷射器12处于非喷射构型、电磁线圈102和104两者都断电时，衔铁101和103处于它们的初始气隙位置，推动件110和112与相应的阀元件154和153接触。此夕卜，针控制腔室92和95中的压力较高并且由于与液体共轨14通畅地流体连接而大约等于液体共轨14中的压力。控制阀元件154和153都处于其与相应的锥形座156和155接触的向上位置，从而分别关闭控制腔室92和95与排放出口 77之间的流体连接。此外，在非喷射构型中，针控制腔室92和95通过各自的F孔口 171、170，各自的A孔口 173、172和各自的Z孔口 175、174与液体喷嘴腔室99流体连接。
[0039]在气体燃料喷射构型中，线圈102通电时，衔铁101已从其初始气隙位置移动到其最终气隙位置，导致控制阀元件154从与锥形座156接触移动成与平阀座151接触，从而关闭F孔口 171。同样地，在液体喷射构型中，线圈104通电导致衔铁103从其初始气隙位置移动到其最终气隙位置以便从第一角度取向朝第二角度取向向下移动推动件112以使控制阀元件153从与锥形座155接触被向下推动成与平阀座150接触，以关闭F孔口 170。当在组合喷射构型中时，两个线圈102和104都通电，相关联的衔铁和其他部件如上述那样移动。杆140在燃料喷射器12处于气体燃料喷射构型或者非喷射构型中的任一构型时处于一个角度取向，而在燃料喷射器12处于液体燃料喷射构型或组合喷射构型中的任一构型时处于另一角度取向。
[0040]在图8和9的两种构型的燃料喷射器12中，气体针阀元件73完全设置在喷射器主体70内部，其中一引导面75在喷射器主体70的引导元件72中在第一压力控制腔室92和气体喷嘴腔室91之间延伸。气体喷嘴腔室91始终与气体燃料共轨16流体连接，且由此处于与气体燃料共轨16大致相同的压力。气体针阀元件73的引导部段74和引导元件72限定环形容积191的一部分，所述环形容积始终经由与液体喷嘴供给通路98流体连接的密封通路190与液体共轨14流体连接，它也始终与液体喷嘴腔室99流体连接。该结构有助于保持引导间隙193中的润滑性能。共同地，环形体积191和密封通路190可被认为是液压锁紧密封件93，它抑制气体燃料从气体喷嘴腔室91沿导轨间隙193迁移进入设在压力控制腔室92中的液体燃料。由于液体燃料压力通常比气体燃料的压力高，可预期的是，在通常的双燃料运行期间液体燃料可从液压锁紧密封件漏入气体喷嘴腔室91。在每次气体燃料喷射动作中，已经漏入气体喷嘴腔室91的微小量的液体燃料将又一次在通常运行期间被喷射到气缸中，并在适当的时候燃烧。因从液压锁紧密封件93泄漏而进入燃烧空间的液体燃料的量很低，以至于基本上不影响整体的气体燃料和液体燃料的总的热量释放。然而，考虑到该少量的液体燃料的热释放的双燃料供给策略也将落入本发明的保护范围之内。
[0041]单向阀200设置于密封通路190内，并且可响应于燃料喷射器12内的液体燃料和气体燃料之间的压力差而移动到关闭位置。图10和11中放大显示根据本发明的单向阀200的一个示例实施例的详细结构。单向阀200包括单向阀元件201，它通常借助于偏压弹簧208朝向开启位置偏压，如图所示。单向阀元件201可包括引导面204，其与喷射器主体70的孔壁205相互作用而进行引导，使得单向阀元件201在从其所示开启位置向下朝其由虚线示出的关闭位置移动时沿着直线运动。当处于向下的关闭位置时，单向阀元件201与平阀座202发生接触以关闭密封通路190。单向阀元件201的运动和定位受到液压力的影响，该液压力是从密封通路190的下游部段作用于液压面207上的液压力与偏压弹簧208抵抗由密封通路190的上游部段作用于液压面206上的液压力的预压力的合力。单向阀元件限定了密封通路190的一部段203。在通常的双燃料供给运行期间，当液体燃料压力高于气体燃料压力但处于同一数量级时，液压面206和207可以随预压弹簧208的强度确定尺寸，从而使单向阀200保持在其开启位置，如所示。另一方面，当气体燃料的压力下降(也许降至大气压力)、气体燃料供给已被耗尽时，液体燃料压力的幅度可以比气体喷嘴腔室91内的残留气体燃料压力大一个或多个数量级。这样大的压力差应克服弹簧208以导致单向阀200移动到关闭位置，其中单向阀元件201与平阀座202在该位置接触。当正常工作时，气体燃料的压力低，燃料系统10仅使用液体柴油以单燃料供给模式运行以供给发动机5动力时，单向阀200可以基本上减少或甚至消除液体燃料漏入气体喷嘴腔室91。这种运行模式有时被称为应急运行模式。本领域技术人员将会理解，单向阀200可以采取各种各样的结构形式，而不脱离本发明。在图8的实施例的情况下，液压锁紧密封件93、单向阀200和两个气体针阀元件73与液体针阀元件78的相应的引导部段被布置在喷射器主体70的引导部件72中。
[0042]工业实用性
[0043]本发明的双燃料共轨系统10 —般可应用于在相关发动机的燃烧空间中使用两种燃料的任何发动机。这两种燃料可以是处于两种不同压力的相同燃料，或如所示实施例中那样可以是不同燃料。本发明尤其可应用于使用较大量的天然气的气体燃料发动机，其中通过来自共轨14的少量蒸馏柴油燃料的压缩点火来点燃所述天然气。本发明的共轴管轴组件118可有利于两种燃料通过与发动机5的各个燃料喷射器12相关联且穿过发动机缸盖的单个孔向安装在发动机5的缸盖6中的燃料喷射器12的运动。该策略在发动机之中和周围节省了宝贵的空间，并潜在地避免燃料容器连接至通向曲轴箱的泄漏路径。本发明的F、A、Z三通控制阀可潜在地应用于任何燃料喷射器，它可以是单一的燃料喷射器或如所示的双燃料喷射器。
[0044]通过利用螺栓接到发动机缸盖的外表面上的块体120，可利用分离的载荷调节器60和66独立地将内管50和外管40分别加载到燃料喷射器12的锥形座57和46上，以抑制所述燃料之间的燃料泄漏并抑制燃料泄漏到燃料喷射器12外部的环境中，同时考虑了与各个燃料喷射器流体连接相关的微小尺寸差异。
[0045]当运行时，处于第一压力的第一燃料(蒸馏柴油)从第一共轨14经第一燃料通路32移动通过内管50并进入燃料喷射器12中。处于第二压力的第二燃料(天然气)从第二共轨16经第二燃料通路35移动通过外管40和内管50之间的外通路49并进入燃料喷射器12中。通过将共轨14中的压力设定为中高压(可能约40MPa)以高于被设定为中低压(可能约35MPa)的共轨16中的压力，可抑制第二燃料向第一燃料中的泄漏。抑制液体燃料向气体燃料中的泄漏包括利用压缩载荷调节器66将内管50上的压缩载荷设定成大于第一预定阈值以在管50的两端产生适当的密封力。通过利用第二载荷调节器60将外管40上的压缩载荷设定为大于第二预定阈值以在外管40和燃料喷射器12之间形成密封，可抑制第二燃料向环境的泄漏。通过包括与外管40接触的至少一个O形圈(例如O形圈80)，可抑制气体燃料向环境的泄漏。但是，本领域技术人员将认识到，也可使用其它的同心管供给结构而不会脱离本发明。然而，在所示实施例中，可通过利用第一和第二压缩载荷调节器60和66分别单独地调节外管40和内管50中的压缩载荷而适应发动机5和燃料系统10的各个部件中的泄漏和几何公差差异。
[0046]气体或液体燃料喷射动作分别通过使燃料喷射器12从非喷射构型改变成气体燃料喷射构型或液体燃料喷射构型而启动。这种喷射动作通过使燃料喷射器12从气体或液体燃料喷射构型改变回到非喷射构型而结束。由于除了杆140之外，管道和部件对于气体燃料喷射动作或液体燃料喷射动作的任一者是类似的，因此所述燃料喷射器为执行气体或液体燃料喷射动作的任一者的运行将为简洁起见而合并。燃料喷射动作的启动包括通过移动控制阀元件154、155以脱开与锥形座156、155的接触而降低针控制腔室92、95中的压力，从而开通液体喷嘴腔室99和排放出口 77之间通过Z孔口 175、174，针控制腔室92、95及A孔口 173的流体连接。控制阀元件154、153被移动至与平阀座151、150接触，从而通过F孔口 171、170关闭液体喷嘴腔室99和针控制腔室92、95之间的流体连接。在液体燃料喷射动作的情况下，该动作伴随着使杆140从第一角度取向朝第二角度取向转动。结束喷射动作的步骤包括通过使控制阀元件154、155从与平阀座151、150接触移动成与锥形座156、155接触，从而将针控制腔室92、95与液体喷嘴腔室99经由Z孔口 175、174和并联地经由F孔口 171、170流体连接，来增加相关的针阀控制腔室92、95中的压力。在液体燃料喷射动作的情况下，这些动作伴随着将杆从第二角度取向转回到第一角度取向。
[0047]在组合喷射动作期间，两个控制阀元件154和153如上述那样移动。本领域技术人员将理解，燃料喷射器12可通过首先启动气体燃料喷射动作，一段时间之后变成组合的燃料喷射动作。很短的时间之后，组合的燃料喷射动作可通过液体染料喷射动作被结束而成为气体燃料喷射动作。再过一段时间后，气体燃料喷射事件可被结束。例如，气体燃料的喷射可在上死点之前一段时间开始，并在膨胀冲程期间经过上死点之后相当长的期间继续。然而，液体燃料喷射动作可能相对较短，并发生在上死点处或其附近，以便引起较大量气体燃料由于液体燃料压缩点燃而燃烧。
[0048]每个电子控制阀117和119包括有助于抑制阀反弹的超程特征，从而少不良二次喷射的可能性，并促进燃料喷射器部件的快速沉降以缩短在需要关闭联接喷射的动作中的停留时间。这样，当燃料喷射动作结束时，各线圈102或104被断电。当这发生时，相应的偏压弹簧114或113向上推压阀元件154、153，同时各联接抵抗各超程弹簧111和109的作用。这样，电枢101、103从最终气隙位置向初始气隙位置运动。当电枢达到其初始气隙位置时，控制阀154、153将通过与锥形座156、155接触而突然停止。然而，推动件110、112和相关联的引导件107、106将继续与电枢101、103 —起朝向超程位置移动超出初始气隙位，而相应的推动器110、112同时移动与控制阀元件154、153断开接触。该超程运动最终由各超程弹簧109、111接纳，然后所述超程弹簧促使衔铁101、103返回初始气隙位置，各推动件110、112恢复与阀元件154、153的接触，但没有足够的冲击能量来推动阀元件154、153离开它们的锥形座156、155以导致不期望的二次喷射动作。
[0049]本发明的控制阀结构提供了比前几个结构微妙而重要的优点。首先通过利用锥形座以使排放出口 77从各自的针控制腔室95、92分开，在燃料喷射器在发动机循环中的多数时间期间，当不发生喷射时燃料泄漏几乎为零。这是与利用平座的控制阀相比较，其中喷射动作之间几乎不可避免地发生一些泄漏。通过包括一个F孔口和为控制阀117、119增加三通功能使得在F孔口在喷射动作期间关闭，力在各自的针控制腔室95和92中累积的速率和为后续喷射动作再填充的速率与不具有F孔口的燃料喷射器相比被加速。通过使F孔口穿过平阀座开通，不再需要使锥形座156、155的中心与平座151、150的中心紧密对齐，因为平座是完全可以容忍不对齐的。通过允许电致动器断电期间在喷射动作结束时从控制阀断开联接，构建燃料喷射器的几何公差可以放宽，同时还抑制由阀反弹造成的不期望的二次喷射动作。
[0050]根据本发明的燃料系统10还包括相比于已知的双燃料系统具有优点的几个精巧功能。其中包括经由用于各个气体和液体系统的独立阀和独立电致动器来进行独立的喷射控制。这样，燃料喷射器12可被控制成仅喷射气体燃料，仅喷射液体燃料，同时喷射气体和液体燃料两者，当然还具有不发生喷射时的非喷射模式。此外，双电磁致动器100节省空间而不牺牲性能。虽然通过将液体燃料共轨14维持在比气体燃料共轨16高的压力可总体上抑制气体燃料进入液体燃料中，但是其它的精巧但重要的特征有助于防止这种泄漏。还通过将液体燃料供给设置在内管50中并将向喷射器12的气体燃料供给设置在内管50和外管40之间的外通路49中来抑制交叉泄漏问题。通过同心地设置这些通路，各个燃料喷射器12能经由穿过发动机壳体6 (缸盖)的一个通路而不是两个通路而被供给两种燃料。通过暴露于液体柴油燃料，可保持燃料喷射器12内的运动部件的润滑性能。例如，即使气体针阀组件73的一端始终暴露于气体喷嘴腔室91中的气体燃料中，利用液体柴油燃料也可维持与气体针阀组件73相关联的引导间隙93以保持润滑性。
[0051]通过利用同心供给策略，本发明的燃料系统10展示了利用最小的发动机气缸盖修改来改造现有发动机的潜在机会。所述几种构型的燃料喷射器12的结构还通过将气体燃料喷嘴出口 90和液体燃料喷嘴出口 96两者设置在单个顶端部件71中而不是通过本领域已知类型的某些嵌套针策略，抑制了气体燃料向发动机气缸中的泄漏。这样，本发明的燃料喷射器12通过使各个气体和液体针结构在它们的运动、坐落和偏压特征方面独立，避免了累积公差和其它的不可靠性。该策略使得利用相同控制信号进行一致操作的燃料喷射器能更好地实现批量生产。最后，本发明的发动机5设想了通常的双燃料供给模式和其中仅喷射液体燃料的应急运行模式。例如，如果在气体燃料系统中发生故障或者如果气体燃料供给被耗尽，则电子控制器15可使得或允许发动机从双燃料供给模式切换到应急运行模式。
[0052]如图12中最佳地示出，双燃料供给模式的特征在于在相同的发动机循环中大的气体喷射量138和液体燃料的小量喷射135。另一方面，应急运行模式(单燃料供给模式)的特征可在于无气体喷射但有大量的液体燃料喷射136。此外，通常的双燃料供给模式的特征在于气体和液体共轨16和14分别维持在中低压和中高压。另一方面，应急运行模式的特征可在于气体燃料共轨被允许下降至或维持在低压，而液体共轨14中的压力被升高至高压133 (可能大于lOOMPa)。当以双燃料供给模式运行时，相对少量的液体蒸馏柴油燃料喷射被压缩点火以进而点燃至少部分地在先前被喷入发动机气缸中的相对大量的气体燃料。另一方面，在应急运行模式中，发动机5用作有些传统的柴油发动机，其中在压缩冲程的上死点处或上死点附近喷射相对大量的液体燃料以在喷射后立刻以已知的方式进行点火。这样，在双燃料供给构型中，电子控制器15将包括配置成控制液体燃料共轨14和气体燃料共轨16之间的低的压力差的燃料系统控制算法。然而，在应急运行或单燃料供给模式中，燃料系统的控制算法可配置成控制液体燃料共轨14和气体燃料共轨16之间的高的压力差。
[0053]尽管发动机5和燃料系统10以应急运行模式运行的情况比较少见和稀有，本发明认识到的是，液压锁紧密封件93可产生新的以前未认识到的问题，即液体燃料泄漏在气体喷嘴腔室91中潜在的累积并且向气体共轨16退回的问题。这种迁移通过关闭单向阀200而减少。当恢复气体燃料供给时，燃料系统10将切换回到双燃料供给模式。当这发生时，气体燃料共轨16将被升高压力，气体燃料喷射动作可以重新开始。同时，双燃料供给模式中的液体燃料和气体燃料之间的相对较小的压力差，将允许单向阀200重新开启以保持气体针阀元件73的润滑性。
[0054]本说明书仅用于例述的目的，且不应当解释为以任何方式缩小本发明的范围。这样，本领域技术人员将认识到，可对当前所公开的实施例作出各种变型而不会背离本发明的全部和恰当的范围和精神。通过对附图和所附权利要求的审查可清楚看到本发明的其它方面、特征和优点。
【权利要求】
1.一种双燃料喷射器(12)，包括: 喷射器主体(70)，其限定有与第一喷嘴腔室流体连接的第一燃料入口(57)、与第二喷嘴腔室流体连接的第二燃料入口(48)，以及限定有第一组喷嘴出口(96)和第二组喷嘴出口(90)的顶端部分(71)； 第一针阀元件(78)，其在喷射器主体(70)中被引导以在与位于第一喷嘴腔室(99)和第一组喷嘴出口(96)之间的第一阀座接触和不接触的位置之间移动； 第二针阀元件(73)，其在喷射器主体(70)中被引导以在与位于第二喷嘴腔室(91)和第二组喷嘴出口(90)之间的第二阀座接触和不接触的位置之间移动； 液压锁紧密封件(93)，其用于抑制所述第二燃料从第二喷嘴腔室(91)向第一燃料内迁移，所述液压锁紧密封件(93)包括围绕所述第二针阀元件(73)的引导部段(74)的环形容积(191)，并且环形容积(191)与所述第一喷嘴容积(99)通过密封通路(190)流体连接；和 单向阀(200)，其设置于密封通路(190)中，可响应于顶端部件(71)中的第一喷嘴腔室(99)中的第一燃料和第二喷嘴腔室(91)中的第二燃料之间的压力差而移动至关闭位置。
2.根据权利要求1所述的双燃料喷射器(12)，其特征在于，所述单向阀(200)包括弹簧(208),所述弹簧(208)偏压所述单向阀元件(201)使其远离平阀座(202); 所述单向阀元件(201)限定密封通路(190)的一部段(203);并且 所述单向阀元件(201)具有与由所述喷射器主体(70)限定的孔壁(205)相互作用的引导件。
3.根据权利要求2所述的双燃料喷射器(12)，其特征在于，所述单向阀元件(201)在单向阀(200 )的上游具有暴露于密封通路(190 )中的流体压力的第一液压面(206 )，并且在单向阀(200)的下游具有暴露于密封通路(190)中的流体压力的第二液压面(207)。
4.根据权利要求1所述的双燃料喷射器(12)，其特征在于，所述第一针阀元件(78)包括设置于所述第一喷嘴腔室(99)中的开启液压面(59)和设置于第一控制腔室(95)中的关闭液压面(58);以及 第二针阀元件(73)包括设置于所述第二喷嘴腔室中的开启液压面(69)和设置于第二控制腔室(92)中的关闭液压面(61)； 第一和第二控制腔室(95，92)中的每个与第一喷嘴腔室(99)流体连接。
5.一种双燃料系统(10)，包括: 双燃料喷射器(12)，其限定有气体燃料入口(48)、气体喷嘴出口组(90)、液体燃料入口(57)和液体喷嘴出口组(96)，并具有设置在其中的与气体燃料入口(48)流体连接的气体喷嘴容积(91)，和与液体燃料入口(57)流体连接的液体喷嘴容积(99)，还包括用于抑制燃料气体向液体燃料内迁移的液压锁紧密封件(93); 气体燃料共轨(16)，其与双燃料喷射器(12)的气体燃料入口(48)流体连接； 液体燃料共轨(14)，其与液体燃料入口流体连接；和 单向阀(200)，其设置于液压锁紧密封件(93)的密封通路(190)中，并且可在开启双燃料供给构型和关闭单燃料供给构型之间运动。
6.根据权利要求5所述的双燃料系统(10)，其特征在于，其包括电子控制器(15)，所述电子控制器(15)与气体压力控制装置(20)、液体压力控制装置(22)和双燃料喷射器(12)控制通信； 所述电子控制器(15)包括设置成在双燃料供给构型中在液体燃料共轨(14)和气体燃料共轨(16)之间控制低的压力差，且配置成在单燃料供给构型中在液体燃料共轨(14)和气体燃料共轨(16)之间控制高的压力差的燃料系统控制算法。
7.根据权利要求6所述的双燃料系统(10)，其特征在于，所述双燃料喷射器(12)包括气体针阀元件(73)，其在与气体针阀座接触以阻断气体喷嘴出口组(90)和气体喷嘴容积(91)的第一位置和不与气体针阀座接触以使气体喷嘴容积(91)与气体喷嘴出口组(90)流体连接的第二位置之间运动； 双燃料喷射器(12)包括液体针阀元件(78)，其在与液体针阀座接触以阻断液体喷嘴出口组(96)和液体喷嘴容积(99)的第一位置和不与液体针阀座接触以使液体喷嘴容积(99)与液体喷嘴出口组(96)流体连接的第二位置之间移动；以及 喷射器主体(70)的顶端部件(71)，其限定了气体针阀座、气体喷嘴出口组、液体针阀座和液体喷嘴出口组。
8.根据权利要求7所述的双燃料系统，其特征在于，气体针阀元件(73)和液体针阀元件(78)的相应的引导部段(74)与所述液压锁紧密封件(93)、所述单向阀(200)设置在喷射器主体(70)的引导部件(72)中。
9.一种运行双燃料喷射器(12)的方法，包括以下步骤: 借助于移动第一针阀元件(78)使之不与顶端部件(71)的第一针阀座接触来通过第一组喷嘴出口(96)喷射第一燃料； 借助于移动第二针阀元件(73)使之不与顶端部件(71)的第二针阀座接触来通过第二组喷嘴出口(90)喷射第二燃料； 借助于液压锁紧密封件(93)抑制第二燃料向第一燃料内迁移； 通过流经液压锁紧密封件(93 )的密封通路(190 )中的单向阀(200 )的第一燃料润滑第二针阀元件的引导部段(74); 响应于顶端部件(71)中的第一喷嘴腔室(99)中的第一燃料和第二喷嘴腔室(91)中的第二燃料之间的压力差，通过单向阀(200 )关闭所述密封通路(190 )。
10.根据权利要求9所述的方法，包括从双燃料构型转换成单燃料构型的步骤； 所述转换步骤包括提高第一燃料和第二燃料之间的压力差，将单向阀(200)从开启配置移动至关闭配置。
【文档编号】F02D19/06GK103764994SQ201280042438
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年8月29日 优先权日:2011年8月31日
【发明者】金会山, M·F·索马斯 申请人:卡特彼勒公司