CN102345543A - 流体分配器和通过流体分配器提供工作流体的方法 - Google Patents

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Abstract

流体分配器和通过流体分配器提供工作流体的方法。用于提供工作流体(2)的流体分配器(1)包括其中设置有供给活塞(4、41)的供给缸(3)，供给活塞将供给缸(3)分为控制空间(5)和供给空间(6)。能够经由控制入口(7)以可预定的控制压力(PS)将控制流体(8)提供到控制空间(5)，使得在出口(10)处能够以可预定的工作压力(PA)得到经由进口(9)提供到供给空间(6)的工作流体(2)。根据本发明，提供压力释放装置(11)，使得能够根据可预定的方案(12)依赖于时间在出口(10)处调节工作流体(2)的工作压力(PA)。本发明还涉及具有流体分配器(1)的内燃机以及通过流体分配器(1)提供工作流体(2)的方法。

Description

流体分配器和通过流体分配器提供工作流体的方法
技术领域
本发明涉及根据各类独立权利要求的流体分配器(dispenser)以及通过流体分配器提供工作流体的方法。
背景技术
例如根据DE-A-10348404或EP-A-2133540，具有用于积聚高压燃料的共轨(common rail)和用于喷射高压燃料的喷射器的燃料喷射系统是已知的。
发明内容
本发明的目的是提供一种装置和方法，该装置和方法在可以按照时间依赖的方式设置工作流体的压力的排出(discharge)间隔中周期性排出工作流体，以例如将燃料喷射到内燃机的燃烧空间中，其中应该使得能够相对于现有技术改进对喷射量的测量，并应该由此建立了依赖于喷射时间的经显著改善的热释放。
满足该目的的本发明的主题的特征在于独立权利要求1、10和12的特征。从属权利要求涉及本发明的特别有利的实施方式。
因此，本发明涉及一种用于提供工作流体的流体分配器，其中该流体分配器包括供给缸(feed cylinder)，该供给缸中设置有供给活塞，该供给活塞将该供给缸分为控制空间和供给空间。控制流体可以经由控制入口(inlet)以预定的控制压力提供到控制空间，使得在出口(outlet opening)处可以按照预定压力得到经由进口(inlet opening)提供到供给空间的工作流体。根据本发明，提供压力释放装置，使得可以根据可预定的方案依赖于时间在出口处对工作流体的工作压力进行调节。
在这方面，压力释放装置直接或者例如经由线路(line)间接地连接到流体缸的控制空间，其中不同实施方式中的压力释放装置还可以交替地或同时地连接到供给空间。这意味着可以通过控制空间中的控制压力的释放或者同时或交替地通过供给空间中的工作压力的释放这两者来执行对工作流体的工作压力的依赖时间的调节。
在最简单的情况下，压力释放装置例如是在控制空间处和/或在供给空间处的简单的压力释放开口，其中压力释放装置优选地是被动或主动可控的限流器(restrictor)和/或阀，特别是可控制的阀。
在这方面，供给缸的供给活塞特别优选地是多级活塞(stepped piston)，特别是压力放大活塞的形状的多级活塞，如主要根据现有技术已知的。
如前面提到的，在实践中压力释放装置是可控制的压力释放装置，其中特别有利地提供控制单元，通过该控制单元可以控制和/或调节该压力释放装置。
在实践中特别相关的实施方式中，流体分配器是针对内燃机的燃料喷射喷嘴的流体分配器或者针对用于内燃机的缸的缸壁的润滑的润滑油装置的流体分配器。
本发明还涉及具有本发明的流体分配器的内燃机，其中该内燃机优选是用于船舶的两冲程大型柴油机。
因而，实践中根据本发明的装置用于提供工作流体的优选的周期性排出，其中在排出间隔期间，工作流体的工作压力可以按照时间依赖的方式设置。在这方面，实践中根据本发明的流体分配器有利地可连接到增压泵、电池或供应箱(supply tank)以提供一定流动压力的工作流体，其中该流动压力优选地在1到20巴之间。具体地说，1到10巴的流动压力是优选的。在这方面，增压泵有利地从存储容器提取工作流体。增压泵经由第一连接装置连接到压力放大活塞。
如通常公知的，供给缸是通常具有两个筒形室(cylindrical chamber)的装置，在筒形室中形成相应的可移动活塞，即控制活塞部和供给活塞部。为此，两个筒形室具有同轴的纵向轴线。两个活塞机械地接合或松开(当接合时从两侧加压)，使得活塞的移位导致两个活塞的同步纵向移动。按照适当的方式，两个筒形室并因此它们的活塞具有不同的截面积，从而形成控制空间和供给空间。这两个活塞可以往复地在相应的流体室中移动，其中活塞在它们的外层表面(mantle surface)处具有适当的密封装置，所述密封装置对外部密封流体室。在控制活塞部和供给部之间可能提供的空间可以充入气体或充入流体，或者控制活塞部和供给活塞部一起形成多级活塞，作为紧凑的主体，特别是形成压力放大活塞。在操作状态中供给空间充入工作流体并且控制空间充入控制流体。因此，控制活塞部和供给活塞部沿公共流体室纵向轴线的相应同步移动可以通过控制流体的压力的受控制的变化而实现。
因此，增压泵优选地通过第一连接装置连接到流体缸的供给空间。第一连接装置包括阀(控制阀或止回阀)，一方面，供给空间通过第一连接装置充入工作流体，另一方面，工作流体经由流体空间的出口按照压力调节的方式排出，其中所排出的工作流体可以具有很高的压力峰值。因此，供给缸的供给空间按照供给压力充入工作流体并且工作流体接着按照以时间调节的压力从供给空间排出。因此，在许多情况下，优选地强制需要止回阀或控制阀，使得在工作流体从供给空间排出期间，它不能向后排出到(充入)线路中。在阀的情况下，这可以用于控制供给空间的充入。依赖于充入的级别(grade)，这还将限定喷射量。
本文中的术语“连接装置”包括管式连接装置或软管式连接装置，以传送诸如气体或液体的流体，其中这些气体或液体可以经受高压。
供给空间具有针对工作流体的出口，工作流体经受了时间调节的工作压力。一方面，供给缸的控制空间优选地经由第一控制阀连接到针对控制流体的高压泵，还可以通过第二连接装置连接到储存器(accumulator)，该储存器用作针对经受了很高压力的控制流体的存储介质。供给缸的控制空间还可以通过第三连接装置连接到第二限流器或可调节限流器和/或另一控制阀，用于在控制空间中存在的控制流体的压力释放。
此外，所述装置具有第一和第二控制阀以及用于测量喷射量和控制压力放大活塞的控制单元，使得可以在排出间隔期间设置供给缸的供给空间的出口处的工作流体的工作压力的时间依赖预定过程。
第一和第二控制阀优选地为3位2通阀(3/2way valve)，其中至少一个控制阀也可以配置为2位2通阀(2/2way valve)。对于2位2通阀，仅发生正常的通流(through-flow)，这意味着发生导通处理或截止处理。对于3位2通阀，另外地存在例如针对线路排放(line venting)的另一连接。
第一控制阀和/或第二控制阀还可以包括作为可移动元件的柱塞线圈(plungercoil)。
优选地，所述装置具有至少一个限流器/可调节限流器，以调节第一控制阀与压力放大活塞之间的控制流体的通流量。这例如使得控制空间中的控制流体的控制压力能够较温和地增加。
在另一优选实施方式中，所述装置具有至少一个限流器，以调节第二控制阀与压力放大活塞之间的来自供给缸的控制空间的控制流体的排出流。这例如使得能够实现控制空间中的较温和的(即，不急剧的)压力降低。
在该方面，这些限流器优选地也由所述控制单元控制，对这些控制阀的控制也需要该控制单元。
根据本发明的装置特别适合于将燃料喷射到往复式活塞内燃机的燃烧空间，特别是喷射到大型柴油机的燃烧空间。
本发明还涉及通过流体分配器提供工作流体的方法，其中该流体分配器包括供给缸，该供给缸中设置有供给活塞，使得该供给缸被分为控制空间和供给空间。控制流体可以经由控制入口按照可预定的控制压力提供到控制空间，使得在出口处可以按照可预定的工作压力得到经由进口提供到供给空间的工作流体。根据本发明，提供压力释放装置，使得可以根据预定的方案依赖于时间在出口处对工作流体的工作压力进行调节。
特别优选地，提供可控制压力释放装置作为压力释放装置，其中为了测量工作流体，特别地由该可控制压力释放装置控制和/或调节供给活塞的速度。
在实践中，使得在连续工作阶段中流体分配器可以周期性地得到工作流体，并且为了在预定工作阶段中测量工作流体，可以有利地使用前一工作阶段的工作参数，例如可以使用来自前一工作阶段的供给活塞的活塞速度。
在根据本发明的方法中，针对来自流体分配器的预定量的工作流体的周期性排出，优选地通过增压泵来预压缩工作流体，并且特别地工作流体被引导到往复的压力放大活塞或经路径控制的压力放大活塞。此后，工作流体在排出间隔期间从压力放大活塞特别有利地按照受控或经调节的方式排出，其中该压力放大活塞由具有受控的控制压力的控制流体按照时间依赖的方式启动(actuate)。在排出间隔期间，工作流体的工作压力可以按照时间依赖的方式被设置在从0到3000巴的范围中，优选地在从0到2000巴的范围中。
优选地在每个排出间隔期间生成不同长度并且在时间上分开的两个不同的排出脉冲(impulse)。
优选地，每个排出间隔还包括预排出脉冲、主排出脉冲和后排出脉冲，其中预排出脉冲和后排出脉冲优选地相对于主排出脉冲为短的持续时间。具体地说，预排出脉冲和后排出脉冲的持续时间优选地为主排出脉冲的脉冲持续时间的2％到20％之间。此外，在排出脉冲期间也可以在时间上调节工作流体的工作压力。
在时间上经调节的工作流体的密封可以通过具有5到1000巴的压力的加压控制流体实现。在这方面，在优选的实施方式中，控制流体通过第一控制阀被引导到压力放大活塞，以用于控制流体相对于工作流体的到活塞的相对侧的受控的供应，这意味着到供给缸的控制空间。此外，供给缸的控制空间中的控制流体优选地由第二控制阀按照受控或经调节的方式进行压力释放。控制阀以及可能还存在的附加限流器的启动有利地通过电子控制单元来进行。
工作流体和控制流体可以具有相同的化学成分。工作流体和/或控制流体可以是油、水、燃料或气体(液态/气态)。优选地，工作流体是燃料，其中该燃料被喷射到往复式活塞内燃机的燃烧空间中。
优选地，经压力调节的工作流体经由线路支路被引导到喷射喷嘴并被引导到限流器，并且随后被引导到调整活塞(setting piston)的膨胀空间并同时引导到喷油针冲程装置(needle stroke device)的环形空间，以实现喷油针冲程装置中的喷油针元件的受控打开和闭合过程。该调整活塞还可以被工作流体冲击并且被闭合/被控制。
根据本发明的装置允许喷射处理期间的预喷洒(spray)和后喷洒、可变压力的设置、喷射量的精确测量、从压力放大活塞到喷射阀的很小的压力降低、在喷射的持续时间期间的快速喷洒终止和可变的喷射量(即，可变的喷射速率)。
附图说明
下面将参照示意图描述本发明。附图中：
图1为根据本发明的第一流体分配器的示意图；
图2为根据本发明的流体分配器的第二简化实施方式；
图3为根据本发明的用于柴油机的燃料喷射的流体分配器的另一实施方式；
图4为根据本发明的在流体分配器中的工作流体的工作压力的随时间的变化(timely run)的示意图。
具体实施方式
参照图1，在下面将说明根据本发明的流体分配器的很简单的第一实施方式，下面将全部由标号1来指代流体分配器。
根据图1的用于提供工作流体2的流体分配器1包括供给缸3，供给缸3中设置有供给活塞4，以将供给缸3分为控制空间5和供给空间6。控制流体8可以经由控制入口7按照预定的控制压力PS提供到控制空间5，使得在出口10处可以按照预定的工作压力PA得到经由进口9提供到供给空间6的工作流体2。根据本发明，提供压力释放装置11，该压力释放装置11在该简单示例中仅为用作限流器的细的释放通道11，使得可以根据预定的方案12依赖于时间在出口10处调节工作流体2的工作压力PA。
自然地，仅一些针对工作压力PA的时间依赖过程的不同预定方案12可以利用充当静态限流器的简单释放通道5来实现，如在图1中示意性示出的。因此，在参照图2和图3的以下内容中，将描述对实践更重要的其它实施方式。
图2示出根据本发明的流体分配器1的第二简化实施方式，该流体分配器1在供给缸3的出口10处以可变工作压力PA提供工作流体2，供给缸3的工作压力PA和流体的量可按照时间依赖的方式变化，并且在预定的时间间隔期间可按照时间依赖的方式设置。供给活塞4、41在这方面被形成为具有控制活塞部411和供给活塞部412的压力放大活塞41，使得在控制活塞部411处存在的控制压力PS可以按照本身已知的方式放大工作压力PA。流体分配器1连接到增压泵80，以经由第一连接装置85按照一定流动压力向供给缸3的供给空间6提供工作流体2。第一连接装置85还包括止回阀70。如已经提到的，供给空间6具有出口10，该出口10用于在时间上经调节的工作压力PA下的工作流体2。
供给缸3的供给空间6被循环地充入具有一定流动压力的工作流体2。此后，工作流体2分别从供给空间6经由出口10按照在时间上经调节的高压力排出。
供给空间6具有两个筒形室，其中分别设置有供给活塞4、41的控制活塞部411和供给活塞部412。这两个筒形室具有同轴的纵向轴线，其中控制活塞部411和供给活塞部412机械地接合，使得在控制活塞部411沿纵向轴线移位时，导致供给活塞部412的同步的纵向移动。这两个筒形室以及被设置为可在这两个筒形室中往复移动的控制活塞部411和供给活塞部412具有两个不同的截面，使得可以形成较小的供给空间6和较大的控制空间5。控制活塞部411和供给活塞部412优选地在它们的外层表面处具有密封装置，例如密封圈或迷宫式密封，为了简洁在图2中没示出这些密封装置。
一方面，供给缸3的控制空间5经由第一控制阀30连接到针对控制流体8的高压泵10，并且还通过第二连接装置15连接到针对高压的控制流体8的储存器20。连接装置15、85优选地分别由管或经加强的压力稳定的软管组成。接下来，供给缸3的控制空间5通过第三连接装置45连接到压力释放装置11，压力释放装置11被形成为用于在控制空间5中存在的控制流体8的压力降低的第二控制阀。流体分配器1还信号连接到控制单元60，以控制供给活塞4、41以及第一和第二控制阀30、40、11。在这方面，控制阀40同时是图2和图3中的压力释放装置11。在供给缸3的供给空间6的出口10处的工作流体2的工作压力PA的时间依赖预定过程直接取决于在供给缸3的控制空间5中的压力过程，其中压力放大活塞41由控制单元60控制。
在这方面，压力放大活塞41的控制优选地通过控制阀30、40、11借助于控制空间5的入口限制和出口限制来进行。由于可调节的限流器32、42等，使得可以影响供给活塞4、41的速度。
在这方面，例如当根据本发明的流体分配器1在其中对供给活塞4、41的冲程进行测量的往复式活塞内燃机的燃料喷射系统中使用时，控制单元60具体地用于喷射量的测量。如果供给活塞4、41的冲程在时间上被区分开，则可以按照本身已知的方式获得供给活塞4、41的活塞速度。由此确定的供给活塞4、41的活塞速度随后可以用于调节下一次喷射的活塞速度。
工作流体2和控制流体8可以是任何流体或气体类型的介质。优选地，流体分配器1用于由水、燃料或油组成的工作流体2。控制流体8可以是与工作流体2相同的流体，但也可以与工作流体2不同。因而，流体分配器1可以包括两个分开的流体回路，或者工作流体2和控制流体8的化学成分可以不同。
工作流体2的部分系统包括供应容器75、增压泵80、包括止回阀的第一连接装置85以及具有针对工作流体2的输出10的供给缸3的供给空间6，该输出10可以关于流体量和流体压力在时间上变化。
控制流体8的部分系统包括存储容器500、高压泵100、储存器20、第二连接装置15和供给缸3的控制空间5、以及位于控制空间5与高压泵100和储存器20之间的第一控制阀30，并且包括连接到控制空间5的压力释放装置11，该压力释放装置11被配置为第二控制阀11。被配置为第二控制阀的压力释放装置11用于控制空间5中的受控的压力降低和/或压力释放，这意味着控制流体8从控制空间5的排出。
在图2中示出的具体实施方式中，从压力释放装置11排出的控制流体8(即，从第二控制阀排出的控制流体8)被引导回到用于工作流体2的存储容器75中。因此，在图2中示出的具体实施方式中，使用在化学成分方面相同的流体作为工作流体2和控制流体8。如果控制流体8和工作流体2在化学上不同，则必须使排出物43进入用于控制流体的存储容器500，而不是进入工作流体的存储容器75。
图3示意性示出根据本发明的用于将燃料喷射到柴油机(优选的，两冲程大型柴油机)中的流体分配器1的另一实施方式。除了参照图2描述的组件以外，根据图3的装置包括内燃机的连接到安全阀95的喷射阀93，安全阀95连接到供给缸3的供给空间6的出口10。在这方面，安全阀95一方面连接到增压泵80并经由第一连接装置85通过返回线路86分别连接到止回阀70，并且另一方面，安全阀95通过线路87连接到供给缸3的供给空间6的出口10。喷射阀93连接到安全阀95的输出线路或者直接连接到线路87。替代常规的喷射阀93，还可以使用具有磁阀的电子控制喷射阀97。接着通过供应线路94将燃料直接引导到内燃机的燃烧空间。
高压泵10和储存器20提供压力在5到500巴之间的控制流体(在本示例中为柴油)。压力放大活塞41按照控制活塞部411和供给活塞部412的截面的比率增大喷射系统93、97中的压力直到所希望的喷射压力。储存器20中的压力和控制活塞部411对供给活塞部412的表面比率根据期望的最高喷射压力而相应地选择。实际的喷射压力取决于压力放大活塞41的控制活塞部411处的压力，这通过控制阀30、40、11和限流器32、42在控制流体8的流入或流出上进行限制。两个控制阀30、40、11和限流器32、42的这种控制相对于现有技术能够更平稳地增加喷射压力，并且使得能够在喷射和喷射中断(预喷射或后喷射)期间调节喷射压力。限流器32、42的控制可以经由控制阀或流动控制阀30、40、11进行。例如阀的行程可以通过磁体或音圈阀控制。与第二控制阀40、11组合的第一控制阀30加强了压力放大活塞41的反作用力并减少了其反应时间。控制阀30、40、11中的一个可以被配置为2位2通阀。要喷射的燃料量由低压泵80经由止回阀70以1至10巴的流动压力充入。阀95是防止当喷油针(jet needle)保持打开时燃料流入内燃机的燃烧空间的安全阀。对于喷射，通过控制单元98，使用常规喷射阀93或设置有磁阀的电子控制喷射阀97。该电子控制喷射阀97的优点在于：可以完成喷射并且很快速地完成喷射，而与活塞运动无关，这降低了引擎的HC排放和NOx排放的烟的形成。
图4示出供给缸3的供给空间6的出口10处的工作流体2的排出间隔期间工作压力PA的变化的示意图。在横坐标上示出了时间t，在纵坐标上示出了供给缸3的出口10处的工作压力PA。图4示出具有三个排出脉冲(即，预排出脉冲V、主排出脉冲H和后排出脉冲N)的排出间隔的可预定方案12。预排出脉冲V和后排出脉冲N仅具有短的脉冲持续时间。此外，工作压力PA非常急剧地增加，短时间保持恒定并接着再次急剧降低。主排出脉冲示出了脉冲持续时间的工作压力PA的经调节的变化。图4示出了在预定脉冲长度的主排出脉冲期间的三个示例性压力变化。实线表示急剧但恒定的压力增加，直到最大值，其中后者在压力随后下降回到0之前保持基本恒定达特定时段。工作压力PA的虚线变化表示工作压力PA的恒定增加，直到工作压力PA急剧下降的时间点，这意味着在特定时间帧不存在工作压力PA的恒定值。点划线表示工作压力PA的经调节的变化，其中工作压力首先连续增加，接着连续下降，直到平均值，并接着在主排出脉冲H之前恒定地增加到最大，接着急剧地下降，但持续地到0。

Claims (15)

1.一种用于提供工作流体(2)的流体分配器，其中所述流体分配器包括供给缸(3)，所述供给缸(3)中设置有供给活塞(4、41)，所述供给活塞(4、41)将所述供给缸(3)分为控制空间(5)和供给空间(6)，并且其中能够经由控制入口(7)按照可预定的控制压力(PS)将控制流体(8)提供到所述控制空间(5)，使得在出口(10)处能够按照可预定的工作压力(PA)得到经由进口(9)提供到所述供给空间(6)的工作流体(2)，
所述流体分配器的特征在于：提供压力释放装置(11)，使得能够根据可预定的方案(12)依赖于时间在所述出口(10)处调节所述工作流体(2)的工作压力(PA)。
2.根据权利要求1所述的流体分配器，其中，所述压力释放装置(11)连接到所述控制空间(5)。
3.根据权利要求1或2中的任何一项所述的流体分配器，其中，所述压力释放装置(11)连接到所述供给空间(6)。
4.根据前述权利要求中任何一项所述的流体分配器，其中，所述压力释放装置(11)是限流器。
5.根据前述权利要求中任何一项所述的流体分配器，其中，所述供给活塞(4)是压力放大活塞(41)形状的多级活塞(4)。
6.根据前述权利要求中任何一项所述的流体分配器，其中，所述压力释放装置(11)是可控制的压力释放装置(11)。
7.根据权利要求6所述的流体分配器，其中，提供控制单元，通过所述控制单元能够控制和/或调节所述压力释放装置(11)。
8.根据前述权利要求中任何一项所述的流体分配器，其中，所述流体分配器是用于燃料喷射喷嘴的流体分配器。
9.根据权利要求1至7中任何一项所述的流体分配器，其中，所述流体分配器是用于内燃机的润滑油设备的流体分配器。
10.一种内燃机，其具有根据权利要求1至9中的一项所述的流体分配器。
11.根据权利要求10所述的内燃机，其中，所述内燃机是两冲程大型柴油机。
12.一种通过流体分配器(1)提供工作流体(2)的方法，其中所述流体分配器(1)包括供给缸(3)，所述供给缸(3)中设置有供给活塞(4)，使得所述供给缸(3)被分为控制空间(5)和供给空间(6)，并且其中经由控制入口(7)按照可预定的控制压力(PS)将控制流体(8)提供到所述控制空间(5)，使得在出口(10)处能够按照可预定的工作压力(PA)得到经由进口(9)提供到所述供给空间(6)的工作流体(2)，所述方法的特征在于：提供压力释放装置(11)，使得能够根据可预定的方案(12)依赖于时间在所述出口(10)处调节所述工作流体(2)的工作压力(PA)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，可控制的压力释放装置(11)被设置为所述压力释放装置(11)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，为了测量所述工作流体(2)，通过所述可控制的压力释放装置(11)控制和/或调节所述供给活塞(4)的速度。
15.根据权利要求13或14中任何一项所述的方法，其中，在连续工作阶段中由所述流体分配器(1)周期性地提供所述工作流体(2)，并且为了在预定工作阶段中测量所述工作流体(2)，使用前一工作阶段的工作参数。
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