专利名称：将液体喷入柴油机气缸内的装置和柴油机的制作方法
技术领域：
本发明涉及将液体喷入柴油机尤其大型柴油机气缸内的装置，此外，本发明涉及带有这类装置的柴油机，尤其是大型柴油机。
尤其在诸如用于船舶推进的大型柴油机中，一种已知和有效的手段是除了喷射燃料外还将水喷入气缸的燃烧室内，从而有效地减少污染的氮氧化物(NOx)排放。为此，例如在活塞在气缸内的一部分压缩冲程期间，可将水独立于燃料喷射(直接喷水)或首先形成水和燃料的乳化液，然后将燃料喷入燃烧室内。
首先，在直流扫气二冲程大型柴油机内，通常在每缸上设置多个，如3个燃料喷咀，它们均匀布置在排气阀的周围，该排气阀在气缸盖内是中心布置的。若这类发动机采用直接喷水来工作，则在气缸盖内通常设置和燃料喷咀相同数量的水喷咀，以达到水在气缸内尽可能均匀的分布，有意冷却火焰，以降低峰值温度。
为控制喷射水或燃料，已知的技术是每缸设置一相应的喷射泵，该泵与喷咀连接，由控制轴上的一个凸轮驱动，这样，喷射发生在相对于工作循环所希望的时间间隔内。
另一方面，按照一般的横杆原理(roil primciple)完成喷射是已知的。要被喷射的液体，如水或燃料，用高压泵被输送到一高压储槽，后者与所有气缸的所有喷咀相连。高压储槽内液体的压力基本上相当于喷射压力。利用控制阀或其它控制装置，此时在高压储槽和相应气缸的喷咀之间的连接于相对于发动机工作循环所希望的时间间隔内被连通，于是喷咀将该液体喷入该气缸。
采用不同于燃料的特定控制由来液压作动这些控制阀或装置，为此，须设置一个具有供应、泵送和阻断装置的单独循环系统。
作为本发明基础的目的是提出一种简单而更经济的装置，利用这种装置，能将诸如水或燃料的液体喷入柴油机、尤其是大型柴油机气缸内。此外，本发明的一个目的是提出一种具有水和/或燃料的简单喷射装置的柴油机、尤其是大型柴油机。
满足这些目的的本发明主题是以相应类别的独立权利要求的特点为特征的。
这样，按照本发明，提供了一种将液体喷入柴油机、尤其是大型柴油机气缸内的装置，它包括至少一个喷嘴，与要被喷射的液体的高压储槽连接，包含一个用于开、闭高压储槽和喷咀之间连接的控制单元和一个用于预控该控制单元的预控装置，该预控装置通过要被喷射的液体预控该控制单元。
由于借助于要被喷射的液体，如水或燃料来预控该控制单元，因此，不再需要专用的控制油用于预控，这样，尤其是装置和制造的成本和复杂性能显著降低。此外，无需特别的措施来彼此封隔不同的介质，如燃料和控制油。
控制装置最好用自己的介质来作动，用要被喷射的液体作动控制装置。即除了要被喷射的液体外，不再需要其它的作动或控制液体来操作整个喷射装置，这样，该装置变得特别简单和经济。
另外的优点是，将控制装置和喷射装置安排或在空间上彼此隔离，即不成为一个结构单元，因为这样能采用简单的普通喷咀。可避免采用设有单独的自动控制作动元件的复杂喷咀，如电磁铁。
控制单元和喷咀在空间上的隔开还能仅用一个控制单元来操作多个与高压储槽相连的喷咀，这是有利的。这样，该控制单元便能开闭所有喷咀与高压储槽的连通。
用于预控该控制单元的预控装置最好包括一个能用磁力作动的阀。
按照一个优选的实施例，该控制装置包括一个带滑座的滑座阀，它能开、闭一条连接于高压储槽和各喷咀之间的输送管路，由于经过该滑座阀，因此能用简单而廉价的措施获得防止不希望的持久喷入气缸的高度安全性。这种措施包括设置一个测量阀滑座位置的传感器。利用该传感器还能监测喷射持续时间。如果该传感器监测到的开启时间太长，则例如能中止对高压储槽的输送，或关闭一紧急阀，以阻止破坏性的持久喷入气缸。
本发明的柴油机，尤其是大型柴油机，特别是直流扫气二冲程柴油机，具有至少一个本发明的喷射装置。该装置能用于喷射燃料、喷射水或喷射水一燃料乳化液。
本发明主题的其它有利措施和优选实施例由从属权利要求得到。
下面参照示例性实施例和
本发明。在简图中所表示的是不按比例制作的，其中图1是本发明装置的第一示例实施例的部分记有标号的视图；图2是第一示例实施例的记有标号的视图；图3是第二示例实施例的记有标号的视图。
在参照示例实施例关于本发明的将液体喷入柴油机气缸中的装置的下面说明中，主要涉及用该装置将水喷入直流扫气二冲程大型柴油机气缸内的应用场合。然而，该装置并不限于这类应用。它还能按模拟方式用于燃料喷射或水-燃料乳化液喷射。此外，本发明不限于二冲程柴油机，还能用于其它型式的柴油机，诸如四冲程柴油机。
图1表示本发明装置的第一示例实施例的部分记有标号的视图。它以标号1整个地表示。在该实施例中，设有3个喷咀2，它们全都被安置在直流扫气二冲程大型柴油机的同一气缸的缸盖内(未示)。在各一喷咀2上端接一连接管27，要被喷射的液体-在本例中为水-在喷射压力下经该管到达相应的喷咀。这些连接管27全通至公共输送管7的一部分7a，该部连于贮有被喷液体的高压贮槽3。该高压贮槽3，例如被设计成一耐高压纵管，诸如在常见的，方法中所常见的。此外，还设有控制单元4，它能开闭通至输送管7的通道，从而开、闭通至输送管7的部分7a的高压贮槽3和喷咀2之间的连接。控制单元4以这种方式控制喷射。控制单元4可由预控装置预控，它包括一磁力作动阀5，在下面还要详细说明。高压泵8将要被喷射的液体喷入高压贮槽3。在喷射水的情况下，例如以大约400巴的压力将水输入高压贮槽3内。
控制单元4包括一带壳体60的滑座阀6，在该壳体内设置一长孔B，以接纳阀滑座61。阀滑座61包括下列部件，它们沿纵轴线A的方向连续安置阀滑座61的一轴向端构成一大致圆柱控制活塞611；一大致杆形第一轴612与之毗连，该轴612的直径小于控制活塞611；第一轴612归并到第二轴613，后者的直径大于前者的直径；在第二轴613上，毗连一大致杆第三轴614，后者的直径小于第二轴613的直径；在第三轴614上，毗连一封闭件615，它构成阀滑座61的另一轴向端。封闭件615包括一盘形封闭部615a，后者的直径与第二轴的直径基本上是一样的，还包括一大致圆锥座部615b，按照滑座阀的原理，它与设在长孔B内的阀座62配合。
在控制活塞611的区域，长孔B的直径这样选定，使控制活塞611在该长孔B内受导向，并沿轴向可移动。长孔B的这部分就轴向尺寸来说长于控制活塞611，因此，控制活塞611的两端面分别与壳体60的内壁界定第一控制腔S1和第二控制腔S2。在第一轴612的区域，长孔B的直径大致相当于第一轴612的外径，因此第一轴612在长孔B内被导向，并可移动。在第二和第二轴613、614的区域内，长孔B的直径大致相当于第二轴613的外径，因此，第二轴在长孔B内被导向并可移动。由于第三轴614的直径小于第二轴613，在第三轴614和壳体60的内壁之间形成一环形空间68。长孔B的这部分终止于盘形封闭部615a的区域。长孔B轴向邻近于圆盘形封闭部615a处有一加宽部，它构成一阀腔67，阀腔67的轴向端构成阀座62。在阀座62的另一端形成一前腔69，该前腔有一待喷液体的进口63。在该前腔内，最好还设有一复位弹簧(未示)，它作用在阀滑座61上，并将其偏压在阀座62上。
在第一轴612和第二轴613之间的过渡区内，长孔B有一加宽部，它构成传感器12的测量腔M，以测量阀滑座61的位置。
输送管7的一端连于高压贮槽，另一端连于滑座阀6的进口63，因此，在前腔69内待喷液体基本上处于跟高压槽3内相同的压力下，即喷射压力下。环形空间68有一输出口64，它通至喷咀2输送管的部分7a。通至喷咀2的三连接管路27自该部7a分叉。
第一控制腔S1经一第一控制管路10连于高压贮槽3，而第二控制腔S2经第二控制管路11连于高压贮槽3。来自高压贮槽3的第二控制管路11在分叉点111分叉成通至第二控制腔S2的第一分叉11a和一适至磁力作动阀5的第二分叉116，借助于磁力作动阀，能开、闭通至回流管14的通道。在分叉点111的上游，设有一限流器13，它被制成流通断面收缩区，因此，在限流器13区域内的流通断面小于第二控制管路的第二分叉11b的流通断面。
磁力作动阀5，例如被设计成一带有一电力激磁线圈的电磁阀-或简称磁力阀5，在作动时，它将一弹簧加载的阀杆自关闭位置移至开启位置。借助于一未示的供电和激磁装置，以已知的方式作动该磁力阀5。
喷咀2按本来已知的方式设计成常规的喷咀，具有一弹簧加载的针阀，它与针阀座相配合。若喷咀2中的液体压力大于由弹簧产生的将针阀压入针阀座的偏置压力(开启压力)，则针阀升离阀座，并开启通至喷孔的通道，液体经该通道被喷入气缸的燃烧室。若液体压下降到低于关闭压力，则由弹簧产生的偏置压力超主要作用，针阀被密封地压入针阀座内，使喷射终止。
若柴油机以直接喷水工作，则有可能采用所谓的串联喷咀，为喷咀2，其中设有两条具有各自相关喷孔的独立喷射腔道，一条喷射腔道用于喷水，另一条喷射腔道用于燃料喷射。
当然，也可在所有情况下采用单独的喷咀来喷水和喷燃料。
喷水由控制单元4控制，后者由预控装置预控，它包括磁力阀5。下面，参照第一示例性实施例详细说明本发明装置的操作方法。高压泵8将待喷射的水提高到喷射压力，并将其输入高压储槽3。水自那里经输送管7和进口63流入滑座阀6的前腔69，后者同样处在喷射压力下。只要不发生喷射，该滑座阀6总是处在其封闭位置上，使输送管关闭。在此关闭位置上，阀滑座61的封闭件615关闭了输送管的部分7a和处在滑座阀6上游的输送管7的部分之间的连通。此时，封闭件615的封闭作用是双重的。一方面，按照滑座阀的原理，座部615b被压入阀座62内；另一方面，按照滑座阀的原理圆盘形封闭部615a封闭了阀腔67和环形空间68之间的连通。磁力阀5同样处在封闭位置，这意味着第二分叉11b和回流管14之间的连通被关闭。由于第二控制腔S2经第二控制管路11和其第一分叉11a连于高压贮槽3，因此待喷的液体也处在控制腔S2内的喷射压力下。由于第一控制管路10的缘故，喷射压力也出现在第一控制腔S1内。结果，在所有情况下，在两控制腔S1、S2和前腔69内均出现相同的压力。控制活塞611的直径，第一轴612的直径和伸入前腔69的阀滑座61该端的直径彼此以这样方式匹配，使一方面液体前腔69内作用于阀滑座61的封闭件615上而另一方面在第二控制腔S2内作用于控制活塞611上的各力的总和大于液体在第一控制腔S1内作用于控制活塞611上的力。结果，座部615b被密封地压入阀座62内，因此，液体根本不能进入连接管27内。
若现在开始喷射，则磁力阀被供电和激磁单元自其封闭位置带至开启位置，这样，第二控制管路11的第二分叉11b与回流管14之间的连接被接通。由于流通断面在分叉点111上游被限流器13缩小，因此，液体自第二控制腔S2流出，经第一和第二分叉11a、11b流入回流管14，这样，使第二控制腔S2，从而使界定它的控制活塞611的端面卸压。因此，现在第二控制腔S2内的压力比第一控制腔S1和前腔69内的压力低。这样，液体作用在阀滑座61上的各力被这样限定，使阀滑座移入其开启位置一移至图中的右侧，这意味着由液体压力加载的这些表面彼此以这样方式匹配，使液体作用在第一控制腔S1内控制活塞611上的力大于液体作用在前腔69内和卸压的第二控制腔S2内的阀滑座61上的力的总和。
在开启运动期间，封闭件615的座部615b开始升离阀座62，使液体能自前腔69流入阀腔67。然而，在这过程中，圆盘形封闭部615a也开始关闭通至环形空间68的通道。直到阀滑座61的开启运动进行到该封闭部615a基本上完全处于阀腔67内时，通至环形空间68的通道才畅通。现在喷射开始。液体自阀腔67流入环形空间68，自那里经出口64流入输送管的部分7a，然后经连接管27流至喷咀2，经喷咀2液体被喷入气缸。
为使喷射终止，将磁力阀5关闭。这样，液体经第二控制管路11和其第一分叉11a再次流入第二控制腔S2，因此，在第二控制腔内再次建立喷射压力。于是阀滑座61再移入其封闭位置，即移至图中左侧。封闭部615a关闭阀腔67和环形空间68之间的通道，而座部615a再次被密封地压入阀座62内。因此，不再有液体能流入连接管27，从而那里的液体压力下降到低于喷咀2的关闭压力。喷射中止。
在本发明装置中，控制喷射的控制单元4就这样通过待喷射的液体，即在本文所述的示例性实施例中，借助于磁力阀5和两控制管路10，11，进行预控。这样，无需单独的控制液体，诸如控制油，供预控之用，因此，也无需带有相关泵阀等另外的液压油循环系统，这样，本发明的装置特别简单和经济。
此外，在本文所述的示例性实施例中，滑座阀6用它自己的介质作动，这意味着滑座阀6的开闭是通过待喷射液体本身进行的。这样，除了需要待喷射的液体来完全控制喷射外，无需其它的作动或控制液体，如各种特定的控制油。
如已提到的，在前腔69中也可设有一复位弹簧，它作用于阀滑座61，并使其对阀座62施以偏压。这一措施是有利的，因为当该装置仍然处在压力下时，也就是说，例如关闭时，阀滑座61由此也处于一限定的位置，即它的封闭位置。
此外，尤其是由于滑座阀6的存在，用简单的手段便能获得对不希望的有害的持久喷入气缸的高度安全性，这是特别有利的。在开闭时，若阀滑座61在其一部分行程后发生粘住，则这种持久喷射会出现。在第一实施例中，出于这理由，设置了突入滑座阀6的测量室M内的传感器12。该传感器12连于一未示的监测和控制单元，并最好用无点监测阀滑座61在其开、闭运动中的位置。例如，该传感器12可被设计成一近程或距离传感器，它检测在第一和第二轴612、613之间的过渡区位置，并将其传输给监测和控制单元。所有的传感器本身是公知的，借助于它可测量阀滑座61的位置，例如磁性的感应的或光学的传感器，均适于作为传感器12。在阀滑座61上还可设有一个借助于传感器12能检测到的标记。
在阀滑座61的开启运动期间，一当传感器12检测到的阀滑座61行程超过一预定极限值，为0.4mm时，在监测和控制单元中滑座阀6便记录为开启。该极限值是这样选定的，使座部615b确实升离阀座62，即前腔69和阀腔67之间的流通连接已开启，但由于圆盘形封闭部615a的覆盖阀腔67和环形空间68之间的连接仍然被关闭。一当滑座阀6被记录为开启，滑座阀6开启的时间长度便被测定。若该时间长度超过了由所希望的喷射持续时间和容差时间组成的预定极限，则该太长的开启时间被认为是由监测和控制单元造成的故障。作为防止持久喷射的一个措施，此时监测和控制单元可切断高压油泵8或关闭例如设置在输送管7内的安全阀或开启配置在高压泵8的喷咀2之间的流通连接中的流出阀。
若阀滑座6在一个上述极限值(超出该值滑座阀被记录为开启的行程后，例如在其开始运动中被粘住，则通过经圆盘形封闭部516a的泄漏和通过第一、第二轴612、613和长孔B内壁之间的运转间隙的匹配防止了可能建立的压力。为此，在第一和第二轴612、613以本身已知的方式设置一些槽，这些槽沿圆周方向绕相应部分延伸。
图2以简图表示一个在柴油机、尤其在大型柴油机实施的第一示例性实施例的变型。其中简略地示出了两个气缸30，每一气缸在其缸盖内有三个喷咀2、经该喷咀可将燃料或水或燃料一水乳化液喷入气缸30。相对于每一气缸30，设置一个在所有情况下带有一滑座阀6的单独的控制单元，后者在所有情况下由一预控装置以已说明的方式进行预控制，该预控装置在所有情况下都包括一磁力阀5。在图2中以极简化的方式在所有情况下用分别在磁力阀5和滑座阀6之间或在磁力阀5和高压贮槽3之间的单根连接管仅表示出两个控制管路10和11(参图1)。然而，相对于每个滑座阀6，用上面已说明的同样方式由待喷射的液体对滑座阀6进行预控。
高压贮槽3被设计为一根沿发动机延伸的耐压长管(公用横杆)。该预控控制管路10、11连于高压贮槽。为每缸30的喷咀2设置一单独的输送管7，该输送管连于高压贮槽3，它可由相应的相关滑座阀6开、闭，借助于这些滑座阀能以已说明的方式控制液体喷入相应的相关气缸30。在每一输送管7内设有一阻断阀71，它可由手动或未示的监控装置作动。若故障分别在一个气缸30上或一个相关的滑座阀上出现，则可关闭相关的阻断阀71，而喷射装置能继续工作，自然不再喷入出现故障的气缸30中。
与第一实施例相反，在本文所述的一个变型中在控制管路10、11内设有一减压阀DR，以降低滑座阀6或控制单元4相对于喷射压力的预控压力。在该变型中，当滑座阀6关闭时，便在第一控制腔S1，和第二控制腔S2内出现与喷射压力相比已降低的压力。显然，为预控进行压力加载的表面，即尤其是控制活塞611的端面，以这样方式适于降低的预控液体压力，使上述滑座阀6的操作方法仍然得到保证。一回流管减压阀DR通至高压泵8的供给贮器80。
相对喷射压力降低预控压力的优点在于喷射装置实际上能以所希望的任何喷射压力工作，因为预控压力基本上与喷射压力无关。在极高的喷射压力下，如1000巴，是特别有利的，在二冲程大型柴油机中燃料喷射通常在这一压力下进行。
与图2所示相同，有一初级泵82，它将液体自一主槽81经过滤器83输送供给贮器80，高压泵8在那里获得液体。在高压泵8和高压贮槽3之间可设置另一分叉，它通至用于缓冲压力推进的贮槽8a。贮槽8a连接于经限压阀8b进入供给贮器80的一条回流管。
图3表示本发明的喷射装置的第二实施例标号含义与图1和图2一样。和第一实施例主要不同在于相对于在不同气缸30的多个喷咀2设置一个带有一公用滑座阀6的公用控制单元4。此外，对第一实施例的说明对第二实施例也相似地保持相同。
在第二实施例中，设置了一个控制喷入两气缸30的公用控制单元4.为控制单元4的预控，再次设置了一磁力阀5、控制单元4包括一个由磁力阀5以已说明的方式进行预控的共用滑座阀6。该控制单元4还包括一个三通阀90，它被设置在该滑座阀的之后，并且，取决于开启位置，它将滑座阀6的出口64或连通于一个气缸30的这些喷咀2或连通于另一气缸30的喷咀2。
通过采用仅用一个公用的预控控制单元4控制喷入多个气缸30的措施，使该装置的价格和复杂性降低，变得更加经济。因为具有较少的控制单元，故障的几率也较低。自然，也能用一个公用的控制单元4以类似的方式对喷入多于两个不同的气缸30进行控制。
如上所述，本发明的液体喷射装置以相似的方式适用于喷射水或燃料或水-燃料乳化液。按照本发明，在大型柴油机中还能提供一个喷射水装置，和另一个喷射燃料的装置。
权利要求
1.一种将液体喷入柴油机、尤其是大型柴油机气缸内的装置，包括至少一个连于高压待喷液体贮槽(3)的喷咀(2)；一个用以开、闭高压贮槽(3)和喷咀(2)之间的连接的控制单元(4、6)；一个用以预控该控制单元(4，6)的预控装置(5)；其特征在于预控装置(5)藉待喷液体预控该控制装置(4，6)。
2.按权利要求1所述的装置，其特征在于该控制单元(4，6)由其自己的介质作动，因此待喷液体作动该控制单元(4，6)。
3.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于该控制单元(4，6)和喷咀(2)在空间上是隔离的。
4.按上述权利要求之一所述的装置，其特征在于包括多个连于高压贮槽(3)的喷咀(2)，所述控制单元(4，6)能开、闭所有喷咀(2)到高压贮槽(3)的连接。
5.按上述权利要求之一所述的装置，其特征在于控制单元(4，6)和预控装置(5)均连接于高压贮槽(3)。
6.按上述权利要求之一所述的装置，其特征在于所述预控装置包括一个磁力作动阀(5)。
7.按上述权利要求之一所述的装置，其特征在于设置一减压阀(DR)以降低控制单元(4，6)的预控压力。
8.按上述权利要求之一所述的装置，其特征在于控制单元(4，6)包括一个带一阀滑座(61)的滑座阀(6)，它能开、闭连接在高压贮槽(3)和各喷咀(2)之间的一条输送管(7)。
9.按权利要求9所述的装置，其特征在于包括一个用于测量阀滑座(61)位置的传感器(12)，利用它能监测喷射持续时间。
10.柴油机，尤其是大型柴油机，包括至少一个按上述权利要求之一所述的喷射装置。
11.按权利要求10所述的柴油机，其特征在于每气缸(30)设置一个带预控装置(5)的单独的控制单元(4，6)。
12.按权利要求10或11所述的柴油机，其特征在于包括至少一个供不同气缸(30)上的多个喷咀(2)公用的控制单元(4，6)。
全文摘要
一种将液体喷入柴油机、尤其是大型柴油机气缸内的装置,包括至少一个连于高压待喷液体贮槽(3)的喷嘴(2);一个用以开、闭高压贮槽(3)和喷嘴(2)之间的连接的控制单元(4,6);一个用以预控该控制单元(4,6)的预控装置(5),该预控装置(5)藉待喷液体控制该控制单元(4,6)。此外,建议了一台包括一个这类装置的柴油机。
文档编号F02M43/00GK1251880SQ9912157
公开日2000年5月3日 申请日期1999年10月19日 优先权日1998年10月20日
发明者T·耶尔德勒姆 申请人:瓦特西拉Nsd施韦兹公司