CN102852686A - 用于大型涡轮增压二冲程柴油发动机的燃料阀 - Google Patents

Abstract

一种用于将燃料喷射到大型涡轮增压二冲程柴油发动机的燃烧室内的燃料阀（1），其具有与阀座（22）配合的、弹性偏置且可轴向移动的阀针（20）；轴向和径向分布在喷嘴（30）之上的多个喷嘴孔（35）；连接至闭合室的电子控制的阀，该电子控制的阀用于将阀针（20）驱动至其阀座，用于非此即彼地将闭合室连接至箱口（18）或连接至燃料入口（16）。

Description

用于大型涡轮增压二冲程柴油发动机的燃料阀

技术领域

本发明涉及用于大型涡轮增压二冲程柴油发动机的燃料阀，特别涉及用于具有十字头的大型涡轮增压流入式二冲程柴油发动机的电子控制的燃料阀。

背景技术

典型地，具有十字头的大型涡轮增压二冲程柴油发动机用作例如集装箱货船的大型远洋船舶中或发电厂中的原动机。

典型地，这些发动机配备有布置在各汽缸盖中的两个或三个燃料阀。燃料阀配备有弹簧偏置的可轴向移动的阀针，所述阀针充当可移动的阀构件。当燃料（典型地，重燃料油）的压力超过预设压力（典型地，350Bar）时，可轴向移动的阀针从其阀座被升起，且允许燃料通过在燃料阀前方的喷嘴流入燃烧室中。

传统的喷嘴具有纵轴线，该纵轴线布置成大致与发动机的汽缸中的活塞的运动方向成10至15度的角度，且喷嘴配备有中心孔以及多个喷嘴孔，多个喷嘴孔引导燃料离开汽缸壁并进入燃烧室。典型地，在由增压空气流入而提供喷射时在燃烧室中的空气中存在漩涡。多数喷嘴孔旨在喷射具有漩涡流的燃料，尽管一些孔可以旨在逆漩涡流喷射燃料。

一种已知的这类燃料阀为MAN Diesel的滑动燃料阀，该燃料阀具有使残余燃料的针阀压力室体积（sac volume）最小化的设计。该已知的燃料阀具有两个位置：在使用中随着所有的喷嘴孔打开或闭合。可轴向移动的阀针的位置由位于上述可轴向移动的阀针上方的阀壳体中的压力室控制。压力室通过节流连接部永久地连接至高压流体源，且通过可闭合的节流连接部连接至排出道（drain）。这种结构导致阀打开期间的大量的排出损失，且导致燃料阀的闭合和打开速度相对较慢。用于控制针阀的高压流体为燃料油。

对降低排放和改进比燃料消耗率（SFC）的持续需求需要进一步开发燃料喷射系统。改进的精度以及更快的打开和闭合运动为关键因素。

在用于具有十字头的大型二冲程单向流（uniflow）式柴油发动机的传统燃料阀中，通过布置在燃料阀壳体中的压力室来控制燃料阀的阀针的打开和闭合，其中，燃料阀壳体位于阀针与喷嘴相对的端部。阀针可滑动地且密封地容纳在燃料阀壳体中的孔中，其中燃料阀壳体具有压力室，所述压力室形成所述孔的端部。压力室中的压力由连接至高压流体入口的节流连接部和连接至箱口的另一节流连接部控制。连接至箱口的连接部可以由电子控制的电磁阀打开和闭合，该电磁阀典型为电磁线圈控制的球阀。连接至箱的节流连接部受到的限制比连接至燃料口的节流连接部受到的限制更少，且由此当电磁阀打开所述连接至箱口的连接部时，压力室中的压力下降。

当电磁阀闭合时，压力室中的压力升高，直至其达到燃料入口中的压力。由压力室与燃料入口之间的压力差和二者之间的连接部中的限制尺寸来确定压力室中的压力上升的速度。

当电磁阀打开时，压力室中的压力下降，直至达到平衡，该平衡是由连接至箱口的连接部中的限制尺寸与连接至燃料口的连接部中的限制尺寸之间的比值确定的。由这两个限制尺寸之间的该平衡来确定压力室中的压力下降的速度。

因此，由所述限制来确定阀针打开和闭合的速度，且阀针的打开和闭合运动都固有地慢于所期望的速度。

在燃料喷射事件期间，电磁阀是打开的。当电磁阀打开时，经过受限制的连接部的流动代表大渗漏流动，且与该渗漏流动相关的能量损失是相当大的，这是因为燃料入口处的压力非常高，通常为300bar或更高。

当前对更低的排放和改进的比燃料消耗率（SFC）的需求需要燃料阀更快地反应，并且需要降低通过渗漏油而损失的能量。

发明内容

在此背景下，本发明的目的在于，提供一种燃料阀，该燃料阀可以至少部分地满足上述要求，且至少部分地克服上述缺点。

本发明限定了一种用于将燃料喷射到大型二冲程柴油发动机的燃烧室中的燃料阀，其具有：与阀座配合的、弹性偏置且可轴向移动的阀针；连接至闭合室的电子控制导向阀，其用于将该阀针驱动至其阀座，以用于选择性地、例如非此即彼地将闭合室连接至箱口或燃料入口。

通过提供用于将燃料喷射到具有十字头的大型二冲程柴油发动机的燃烧室内的电子控制燃料阀来实现上述目的，该燃料阀包括：燃料阀壳体；细长的喷嘴；用于连接至高压燃料源的燃料入口；用于将高压燃料入口连接至喷嘴的管道；与阀座配合的、弹性偏置且可轴向移动的阀针，其被设置为控制燃料从燃料入口至喷嘴的流动，由此，该轴向可移动的阀针的升高允许从燃料入口至喷嘴的流动；阀壳体中的闭合室，当对闭合室加压时，其以第一有效表面面积作用在阀针上且朝向阀座驱动阀针；阀壳体中的打开室，所述打开室与第一管道流体连接，以由所述源（P）对所述打开室（70）中的压力进行增压，所述打开室以第二有效表面面积作用在阀针上且驱动阀针离开阀座；控制管道，其将闭合室直接连接至电子控制导向阀的阀口，该电子控制导向阀配备有连接至箱口的阀口以及连接至燃料入口的阀口，该电子控制阀被设置为选择性地将控制管道连接至箱口或连接至燃料入口，用于电子控制阀杆的升高。

使用用于控制压力室中的压力（所述压力朝向阀座，即：闭合室，驱动阀针）的电子控制导向阀，通过选择性地将控制管道连接至箱口或连接至燃料入口，可以显著降低渗漏油流动。阀针的打开和闭合可以是电子控制的，且阀针可以被更快地打开和更快地闭合，这产生了更好的燃料喷射控制。这些措施产生了更低的比燃料消耗且降低了排放。

优选地，电子控制阀为滑阀（spool valve）。

在一实施方式中，滑阀配备有第一压力室，该第一压力室作用在片轴上且将片轴驱动至一位置，该该位置处，控制管道连接至燃料入口。

滑阀也可配备有第二压力室，该第二压力室作用在片轴（spool）上且将片轴驱动至一位置，该该位置处，控制管道连接至箱口。

在另一实施方式中，压力室配备有连接至燃料入口的节流连接部以及连接至箱口的另一节流连接部，连接至箱口的节流连接部受到的限制比连接至燃料入口的节流连接部受到的限制更少，且其中燃料阀（1）还包括电子控制的电磁阀，用于打开和闭合连接至箱口的节流连接部。

优选地，电磁阀为电磁线圈控制的球阀。该结构允许使用成品（off-the shelf）类型的电磁阀来控制片轴的位置。

在一实施方式中，连接至箱口的、受到限制的连接部被定位于阀壳体的内部。

在一实施方式中，连接至箱口的、受到限制的连接部被定位为延伸通过滑阀的片轴。

在一实施方式中，喷嘴为具有轴向孔和闭合前部的喷嘴，且阀针与配汽轴一致地（in unison with）运动，该配汽轴与阀针一致地运动且可轴向移位地容纳在喷嘴中的中心孔中，用于打开和闭合喷嘴孔。

通过详细的说明，根据本发明的燃料阀的其他目的、特征、优点和特性将变得显而易见。

附图说明

在接下来的本发明的详细说明部分中，将参考附图中示出的示例性实施方式更加详细地解释本发明，其中：

图1为燃料阀的示例性实施方式的纵剖面，以及

图2为燃料阀的另一个示例性实施方式的纵剖面。

具体实施方式

在图1中示出的根据一示例性实施方式的燃料阀1具有外部壳体10，该外部壳体在其末端具有燃料入口16以及燃料出口或箱口18。入口16连接至高压燃料源P，例如来自燃油泵或来自普通燃油分配管的燃料油、重燃料油。出口18连接至到回油管路以及箱T。

燃料阀1可通过已知的方式安装在具有十字头的大型二冲程涡轮增压单向流式柴油发动机的汽缸盖中，且与燃料泵（未示出）连接。

燃料入口16与管道17流动连接。管道17延伸至阀针20的阀座，该阀针在阀壳体10的轴向孔中可轴向移位。阀针20通过闭合弹簧23向其阀座22偏置。当燃料阀1安装在汽缸盖上时，阀壳体10的最前面的部分夹持住从阀壳体10凸出且伸入到发动机汽缸的燃烧室中（未示出）的喷嘴30。

图1示出了安置（rest）在阀座22上的阀针20。在该位置上，燃料从燃料油入口16至喷嘴30的流体流动被阻塞。阀座22上方的室25连接至管道17，以接收被增压的燃料。

阀针20有最前部的配汽轴40，该配汽轴比阀针20的末端部分细，且该配汽轴40凸出伸入到喷嘴30内的中心孔33中。因此，当阀针20在壳体10中的孔中轴向移位时，配汽轴40在喷嘴30的中心孔内轴向移位。

喷嘴30还配备有多个喷嘴孔35，燃料通过这多个喷嘴孔从中心孔33被喷射到燃烧室中。因此，在燃料喷射事件期间，从喷嘴孔35射出燃料。

在一示例性实施方式中，配汽轴40与阀针20被制成为整块材料。配汽轴40是中空的，且配汽轴40的中空内部连接至阀座22的下游空间。因此，当阀针20从其阀座被升起时，流动路径从燃料油入口16一直延伸至配汽轴40的中空内部。

管道19连接至出口18，且管道19收集回流的油流（return oilflow），这将在下文中更加详细地进行解释。

配汽轴40的最前面的部分是圆柱形的，且精确地嵌入中心孔33中。

阀的上部（附图中的上部）为大致圆柱形的扩径（enlarged diameter）部分43，且该部分43可滑动地容纳在阀壳体10中的轴向孔45中，使得该部分43可以作为阀壳体10中的活塞。形成在阀壳体10的上部（附图中的上部）中的封闭室46被设置于驱动部分43之上。用于将阀针20驱动至其阀座22上的弹簧23被容纳在封闭室46中，且作用于驱动部分43的顶部。封闭室46中的压力作用在阀针20上，以使阀针20在闭合方向上具有有效表面面积A1。

打开室70用于在打开方向上驱动阀针20，其位于部分43之下，且通过孔72连接至管道17。因此，当燃料入口16连接至增压燃料源（例如燃料泵）时，打开室70始终被增压。打开室70中的压力作用在阀针20上，以使阀针20在打开方向上具有有效表面面积A2。

孔52形成在阀壳体中。在图1中，该孔轴向地定向。然而，该孔52也可具有其他定向，例如径向或切向的定向，或者位于这两种定向中间的定向也是可能的。片轴或滑件53可滑动地容纳在轴向孔52中，且通过片轴53的位置来确定流向和流自朝向轴向孔52打开的三个端口的流动。

通过管道57，其中一个端口连接至管道17，管道17通过燃料入口16连接至增压燃料源。另一个端口通过管道58连接至管道19，且第三个端口通过控制管道59连接至闭合室46。

片轴53的缩径部分55在片轴53的下部位置上（附图中的下部）将控制管道59与管道57连接，且在片轴53的上部位置上（附图中的上部）（图1中所示）将控制管道59与管道58连接。在片轴53的上部位置上，闭合室46连接至出口或箱口18（排出道），且在片轴53的下部位置上，闭合室46连接至增压（高压）燃料源。

片轴53的上部部分（图1中的上部）形成为活塞部分73，该活塞部分73的直径大于片轴53的其余部分的直径（在其他实施方式中，片轴53的上部部分73的直径等于或小于片轴53的其余部分的直径）。上方的（图1中的上方）压力室75在向下的方向上（图1中向下）作用在片轴53上，以将片轴53驱动至一位置，在该位置，闭合室46连接至增压（高压）燃料源P。

下方的（图1中的下方）另一压力室77在向上的方向上（图1中向上）作用在片轴53上，以将片轴53驱动至一位置，在该位置，闭合室46连接至出口18（排出道）。压力室77通过管道17永久连接至增压燃料源P。

受到限制的连接部82，例如以具有孔口84的管道的形式，充当节流阀，将压力室75连接至管道19，且因此将压力室75连接至箱口18（排出道）。

可由连接至电磁阀88的球阀85来打开和闭合该受到限制的连接部，其中该弹簧偏置的是弹簧偏置的。球阀85的弹簧将该球阀驱动至其阀座。激活电磁阀88将使球从其阀座逆着弹簧89的作用而升高。

受到限制的连接部，例如以具有孔口86的管道83的形式，充当节流阀，将压力室75连接至管道17，且因此将压力室75连接至燃料入口16。

由燃油压力和孔口84与86之间的平衡来控制片轴53的位置。

当激活电磁阀88时，球阀85的阀座被打开，且压力室75通过孔口84连接至出口18（排出道）。因为孔口86的流动面积小于孔口84的流动面积，压力室75中的燃料油压力降低。压力室75中压力的下降将使片轴53在压力室77的压力的影响下向上移动，且封闭室46将通过控制管道59被连接至管道19和出口18。因此，封闭室46中的压力将下降，且作用在有效压力面积A2上的打开室70中的燃料油压力将使阀针20向上运动（升起），且燃料油将流过阀座22，且由此流至喷嘴孔35，以喷射到燃烧室中。

当电磁阀88未被激活时，球阀85将通过弹簧89的作用返回到其阀座，且借助于燃料油流动通过孔口86，压力室75中的压力将升高，且片轴53将开始向下移动，这是因为作用在片轴53上的压力室75的有效压力面积大于作用在片轴53上的压力室77的有效压力面积。当片轴53已经移动了特定距离时，控制管道59将被连接至管道57，而该管道57又被连接至管道17，且由此连接至增压燃料源P。因此，由于有效压力面积A1大于有效压力面积A2，封闭室46中的压力将升高，使阀针20向下移动，直至将阀针20安置在其阀座22上，且阻止燃料油经由阀座22流至喷嘴孔35。

活塞部分73之下的环形室93通过管道95连接至管道19，且因此连接至箱口。因此，没有力作用在活塞部分53的环形区域上。

当系统上不存在燃料油压力时，弹簧23将保持阀针20与阀座22的啮合。

通过提供导向阀来控制阀针的位置，在阀针升起的时间内的渗漏燃油量显著降低。

片轴53充当3/2向阀，因此，可使用球阀或座阀来代替片轴53。因此，在一实施方式中，由球阀代替片轴53，且在另一实施方式中，由座阀代替片轴53。

在一实施方式中，电磁阀88连接至电子控制元件50，例如发动机的电子控制元件。因此，由电子控制元件50来确定是否激活电磁阀88，由此，由电子控制元件50来控制燃油喷射事件的开始和结束。

根据另一实施方式，片轴53被直接连接至电子驱动器且然后根据驱动器的运动而受控。

图2示出了本发明的一实施方式，除了阀针20未配备有配汽轴之外，该实施方式基本与图1所示的实施方式相同。喷嘴30和阀针的结构比图1所示的实施方式更简单。然而，喷嘴30中的针阀压力室体积大于图1所示的实施方式。

上文中所描述的实施方式也可以期望的配置结合。

本公开的教导具有多个优点。不同的实施方式或实现方案可产生一个或多个下述优点。应注意，这些优点并非穷举，且还具有未在此处描述的其他优点。本公开的教导的一个优点在于，其提供了一种用于大型二冲程柴油发动机的、允许对燃料喷射事件进行精确控制的燃料阀。本发明的燃料阀的另一优点在于，其降低了渗漏油损失。本发明的燃料阀的又一优点在于，针阀能够更快速地响应控制信号。

尽管以说明为目的详细地描述了本申请的教导，应理解，这样的细节仅用于该目的，且本领域一般技术人员可在不脱离本申请的教导范围的情况下对其进行变型。

权利要求中使用的术语“包括”不排除其他元件或步骤。权利要求中使用的术语“一个”或“一”不排除多个。单个信号处理器或其他元件可实现权利要求中所列举的多个装置的功能。

Claims (10)

1.一种用于将燃料喷射到具有十字头的大型二冲程柴油发动机的燃烧室内的电子控制的燃料阀（1），所述燃料阀包括：

燃料阀壳体（10）；

喷嘴（30）；

用于连接至高压燃料源（P）的燃料入口（16）；

由于将所述高压燃料入口（16）连接至所述喷嘴（30）的第一管道（17）；

弹性偏置的、且可轴向移动的阀针（20），其与阀座（22）相配合，且被设置为用于控制燃料从燃料入口（16）至喷嘴（30）的流动，由此，所述轴向可移动的阀针（20）的升高允许从所述燃料入口（16）至所述喷嘴（30）的流动；

阀壳体（10）中的闭合室（46），其以第一有效表面面积（A1）作用在阀针（20）上且在增压时朝向阀座（22）驱动所述阀针（20）；

阀壳体（10）中的打开室（70），所述打开室与所述第一管道流体连接，以由所述源（P）增压，所述打开室（70）中的压力以第二有效表面面积（A2）作用在阀针（20）上且驱动所述阀针（20）离开阀座（22）；

将所述闭合室（46）直接连接至电子控制导向阀的阀口的控制管道（59）；

所述电子控制导向阀配备有连接至所述箱口（18）的阀口以及连接至所述燃料入口（16）的阀口；

所述电子控制的阀被设置为选择性地将控制管道（59）连接至所述箱口（18）或连接至所述燃料入口（16），以用于电子控制阀杆（20）的升高。

2.根据权利要求1所述的燃料阀（1），其中，所述电子控制的阀为滑阀。

3.根据权利要求1所述的燃料阀（1），其中，所述电子控制的阀为球阀或座阀。

4.根据权利要求2所述的燃料阀（1），其中，所述滑阀配备有第一压力室（75），所述第一压力室作用在片轴（53）上，且将所述片轴（53）驱动至一位置，在所述位置，所述控制管道（59）连接至所述燃料入口（16）。

5.根据权利要求4所述的燃料阀（1），其中，所述滑阀配备有第二压力室（77），所述第二压力室作用在片轴（53）上，且将所述片轴（53）驱动至一位置，在所述位置，所述控制管道（59）连接至所述箱口（18）。

6.根据权利要求5所述的燃料阀（1），其中，所述第一压力室（75）配备有连接至燃料入口（16）的第一节流连接部（83）以及连接至箱口（18）的第二节流连接部（82），其中，连接至所述箱口（18）的所述第二节流连接部（82）受到的限制少于连接至燃料入口（16）的第一节流连接部（83）受到的限制，且其中，所述燃料阀（1）还包括用于打开和闭合所述连接至箱口（18）的节流连接部的电子控制的电磁阀。

7.根据权利要求6所述的燃料阀（1），其中，所述电磁阀为电磁线圈控制的球阀（85）。

8.根据权利要求6所述的燃料阀（1），其中，连接至箱口（18）的、受到限制的连接部（82）被定位在阀壳体内。

9.根据权利要求2所述的燃料阀（1），其中，所述滑阀的片轴（53）被连接至电子驱动器，所述电子驱动器控制所述片轴（53）的位置。

10.根据权利要求1所述的燃料阀（1），其中，所述喷嘴为带有轴向孔和封闭的前部的喷嘴（30），所述阀针与配汽轴（40）一致地运动，所述配汽轴与阀针（20）一致地运动且可轴向移位地容纳在喷嘴（30）中的中心孔（33）中，以用于打开和闭合所述喷嘴孔（35）。

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