CN103670769A

CN103670769A - 双燃料内燃机的气缸盖的喷射器构型

Info

Publication number: CN103670769A
Application number: CN201310384860.5A
Authority: CN
Inventors: I·朗士瓦格尔; V·亚伯拉罕; J·简森
Original assignee: Caterpillar Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Caterpillar Motoren GmbH and Co KG
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-08-29
Also published as: KR102078882B1; EP2703631A1; KR20140029273A; EP2703631B1; CN103670769B

Abstract

一种喷射器构型包括分别设置在双燃料内燃机的气缸盖（1）的第一喷射器装配孔（20）和第二喷射器装配孔（22）中的第一燃料喷射器（32）和第二燃料喷射器（34）。第一喷射器装配孔（20）沿第一轴线（24）延伸贯穿所述气缸盖（1），且第二喷射器装配孔（22）沿第二轴线（26）延伸贯穿所述气缸盖（1），使得所述第二轴线（26）和所述第一轴线（24）限定出一角（28），该角在10°至25°范围内。由此，通过第一燃料喷射器（32）和第二燃料喷射器（34）所喷射的燃料可在气缸单元（14）内的同一引燃区中引燃。

Description

双燃料内燃机的气缸盖的喷射器构型

技术领域

本发明总体上涉及内燃机的气缸盖，更具体地涉及在双燃料内燃机的气缸盖中的喷射器构型。

背景技术

双燃料内燃机通常能够在液体燃料模式和气体燃料模式下运行。在液体燃料模式下，液体燃料诸如柴油被直接喷射到发动机气缸中或者预燃室中作为燃烧期间唯一的能量源。在气体燃料模式下，气体燃料诸如天然气在气缸的进气口内与空气混合，并且少量的液体燃料被喷射到气缸中或者预燃室中，以引燃气体和气体燃料的混合物。

对于小型双燃料内燃机而言，唯一的液体燃料喷射器可用于在液体燃料模式下喷射液体燃料以及在气体燃料模式下喷射用作引燃燃料的液体燃料。

对于大型双燃料内燃机而言，用于在气体燃料模式下引燃的相对小的量的液体燃料和在液体燃料模式下的相对大的量的液体燃料之间的差异是相当大的。唯一的燃料喷射器不能既在气体燃料模式下喷射相对小的量的液体燃料又在液体燃料模式下喷射相对大的量的液体燃料。

本发明旨在至少部分改善或克服现有系统中的一个或多个方面。

发明内容

根据本发明的一个方面，双燃料内燃机的气缸盖可包括第一喷射器装配孔。该第一喷射器装配孔可沿第一轴线延伸贯通所述气缸盖且可适于容纳第一燃料喷射器。该气缸盖还可包括第二喷射器装配孔。该第二喷射器装配孔可沿第二轴线延伸贯穿所述气缸盖且可适于第二燃料喷射器。所述第二轴线和所述第一轴线可限定出在10°至25°范围内的角。

根据本发明的另一方面，一种用于制造双燃料内燃机的气缸盖的方法可包括：设置沿着第一轴线延伸贯通所述气缸盖且适于容纳第一燃料喷射器的第一喷射器装配孔；以及设置沿着第二轴线延伸贯穿所述气缸盖且适于容纳第二燃料喷射器的第二喷射器装配孔。所述第一轴线和所述第一轴线可限定出在10°至25°范围内的角。

根据以下的描述和附图，本发明的其它特征和方面将是显而易见的。

附图说明

图1示出了双燃料内燃机的气缸盖的燃烧区域面的示意图；

图2是双燃料内燃机的气缸单元的示意剖面图；以及

图3是双燃料内燃机的气缸盖的细节图的示意剖面图。

具体实施方式

下文是本发明的示例性实施例的细节说明。文中描述的和在视图中示出的示例性实施例旨在说明本发明的原理，使得本领域中的普通技术人员能够在不同的环境下并且针对不同的应用来执行和使用本发明。因此，不希望所述示例性实施例是并且它们也不应该被认为是专利保护范围的限制性说明。准确地说，专利保护范围应该由所附权利要求来限定。

本发明应该部分地基于这样的认识：能够在液体燃料模式和气体燃料模式下运行的双燃料内燃机可以具有一个以上气缸，每个气缸具有：第一燃料喷射器，其用于在液体燃料模式下喷射相对大的量的液体燃料；以及第二燃料喷射器，其用于在气体燃料模式下喷射相对少的量的液体燃料以用于引燃气缸中的压缩气体燃料空气混合物。

因为气缸中的燃烧室设计目的在于促进均匀分布和燃烧，所以期望通过在液体燃料模式下借助第一燃料喷射器和在气体燃料模式下借助第二燃料喷射器将液体燃料供给至燃烧区域中的相同引燃区。例如，气缸内的往复活塞的燃烧区域面和气缸盖的燃烧区域面设计成使得燃料和空气可在燃烧区域中均匀分布，产生匀质的火焰前锋，避免可能引起爆震的热点和会对燃烧造成不利的其它影响。

因此，所公开的气缸盖允许将第一燃料喷射器和第二燃料喷射器设置成使得第一燃料喷射器和第二燃料喷射器两者的液体燃料的喷射和引燃可定位在燃烧室的相同引燃区域中。

下文将参考图1描述气缸盖1的示例性实施例，其中图1示出了气缸盖1的燃烧区域2。

气缸盖1包括进气门4、排气门6和冷起动喷油器（starter valve）8。

进气门4与进气系统流通地连接。所述进气系统可包括至少一个进气口，例如，针对双燃料内燃机的每个气缸设置一个进气口。所述至少一个进气口可经由至少一个气体燃料进入阀与气体燃料供给系统流通地连接。

排气门6连接至排气系统。所述排气系统可包括微粒过滤器、连接到所述进气系统的废气再循环管路和/或催化剂（例如SCR催化剂和/或氧化催化剂）。

进气系统和排气系统可构造为一级或二级涡轮增压系统。

气缸盖1的其它实施例可各自包括另外数量的进气门4和排气门6。

气缸盖1包括燃烧区域面2。燃烧区域面2指向气缸中的往复活塞。燃烧区域面2包括第一喷射器末端出口10和第二喷射器末端出口12。第一喷射器末端出口10和第二喷射器末端出口12分别是第一喷射器装配孔和第二喷射器装配孔的出口，在下文中将更加详细地说明。

在一些实施例中，气缸盖1还可包括至少一个传感器（未示出），该传感器构造为感测气缸的运行状况，诸如压力和/或温度。所述至少一个传感器可连接到控制单元（例如，控制双燃料内燃机的运行的电子控制模块（ECM））。

下文将参考图2描述气缸盖1的示例性实施例。

双燃料内燃机的气缸单元14包括气缸套16、活塞18和气缸盖1。

气缸套16可设置在发动机气缸体内。发动机气缸体可包括至少一个气缸单元14。

活塞18设置成在双燃料内燃机的运行期间在气缸套16内往复运动。

气缸套16、气缸单元14、气缸盖1和活塞18可包括共同的中央纵轴30。在双燃料内燃机的运行期间，活塞18沿着中央纵轴30往复运动。

例如藉由多个螺栓（未示出）将气缸盖1装配到气缸套16上。气缸盖1包括指向往复活塞18的燃烧区域面2和盖面25。盖面25与燃烧区域面2相对。盖面25可适用于支承气缸遮盖件。

气缸盖1包括第一喷射器装配孔20，其沿着第一轴线24从在盖面25内的第一喷射器入口21到在燃烧区域面2内的第一喷射器末端出口10延伸贯穿气缸盖1。

气缸盖1还包括第二喷射器装配孔22，其沿着第二轴线26从在盖面25内的第二喷射器入口23到在燃烧区域面2内的第二喷射器末端出口12延伸贯穿气缸盖1。

第一喷射器装配孔20适于容纳第一燃料喷射器。第一喷射器装配孔20可包括多个沿着其长度方向的具有不同直径和/或形状的部分。

类似地，第二喷射器装配孔22适于容纳第二燃料喷射器。第二喷射器装配孔22可包括多个沿着其长度方向的具有不同直径和/或形状的部分。

第一喷射器装配孔20和第二喷射器装配孔22设置在气缸盖1中使得第一轴线24和第二轴线26限定一角28。角28在从10°至25°的范围内，例如16°。

在一些实施例中，第一轴线21可与中央纵轴30平行或如图2所示与中央纵轴30同轴。

虽然在图2的气缸盖1的示意性剖面图中未示出，但是应当注意到气缸盖1还可包括之前参考图1已经描述的至少一个进气门、至少一个排气门、起动阀和/或传感器。气缸盖1可以包括另外的部件，诸如第一燃料喷射器、第二燃料喷射器、至少一条冷却通道和/或至少一个冷却腔，如将在下文中参考图3描述的。

转到图3，将更详细描述包括燃料喷射器的气缸盖1的示例性实施例的详细视图。

气缸盖1包括第一燃料喷射器32、第二燃料喷射器34、冷却通道40和冷却腔46。

第一燃料喷射器32设置在第一喷射器装配孔20中。第一燃料喷射器32包括在前端且指向所述燃烧区域的第一燃料喷射器末端36。第一燃料喷射器末端36设置在第一喷射器装配孔20的第一喷射器末端部分42内。第一喷射器末端部分42适于容纳第一燃料喷射器末端36。

类似地，第二燃料喷射器34设置在第二喷射器装配孔22中。第二燃料喷射器34包括在前端且指向燃烧区域的第二燃料喷射器末端38。第二燃料喷射器末端38设置在第二喷射器装配孔22的第二喷射器末端部分44内。第二喷射器末端部分44适于容纳第二燃料喷射器末端38。

第一和第二燃料喷射器32、34与液体燃料供给系统流通地连接。此外，第一和第二燃料喷射器32、34可被机械致动和/或电致动以在致动时将液体燃料喷射进气缸单元14中。

在一些实施例中，第一和第二燃料喷射器32、34可包括壳体以保护第一和第二燃料喷射器32、34免受腐蚀并易于装配（例如，藉由螺纹）。

控制单元可连接到第一和第二燃料喷射器32、34从而控制喷射的量和时机。所述控制单元可以是所述ECM的一部分。

第一燃料喷射器32构造成且适于在液体燃料模式下喷射相对大的量的液体燃料，而第二燃料喷射器34构造成且适于在气体燃料模式下喷射用作引燃燃料的相对小的量的液体燃料。换句话说，第一燃料喷射器32构造为主喷射器，第二燃料喷射器34构造为引燃喷射器。

在其它实施例中，第一和第二燃料喷射器32、34的位置可以转换。

冷却通道40与第一喷射器装配孔20和第二喷射器装配孔22相交。此外，冷却通道40适于引导冷却液（诸如冷却水）围绕第一和第二燃料喷射器32、34。

此外，冷却通道40可连接到适于冷却气缸套、气缸盖1和/或第一和第二燃料喷射器32、34的冷却系统。

在一些实施例中，冷却通道40设置成比气缸盖1的盖面25更靠近燃烧区域面2。例如，冷却通道40可与第一喷射器装配孔20在如下区域中相交：此区域位于第一喷射器装配孔20的第一喷射器末端部分42的如下范围内，在此范围内，第一燃料喷射器32的第一燃料喷射器末端36以装配好的状态设置。类似地，冷却通道40可与第二喷射器装配孔22在如下区域中相交：此区域位于第二喷射器装配孔22的第二喷射器末端部分44的如下范围内，在此范围内，第二燃料喷射器34的第二燃料喷射器末端38以装配好的状态设置。

冷却腔46在气缸盖1内部延伸。第一和第二喷射器装配孔20、22与冷却腔46相交。冷却腔46经由第一流体通路间隙52和第二流体通路间隙54与冷却通道40流通地连接。

第一和第二流体通路间隙52、54分别是第一喷射器装配孔20和第一燃料喷射器32之间的间隙以及第二喷射器装配孔22和第二燃料喷射器34之间的间隙。

冷却腔46和冷却通道40可以是发动机冷却系统的一部分，该冷却系统使冷却液（诸如冷却水）循环通过例如双燃料内燃机的发动机气缸体中的多个冷却通道和冷却腔、至少一个气缸套和/或至少一个气缸盖。

在如图3所示的构型中，第二喷射器末端出口12设置在与第二轴线26垂直的平面内，和/或第一喷射器末端出口10设置在与第一轴线24垂直的平面内。

第一喷射器末端出口10围绕第一中心点48延伸，第二喷射器末端出口12围绕第二中心点50延伸。

在一些实施例中，第一中心点48和第二中心点50在垂直于第一轴线24的方向上彼此分开距离A，该距离A在40mm至60mm的范围内，例如，51mm。

在一些实施例中，第一中心点48和第二中心点50在第一轴线24的方向上彼此分开距离B，该距离B在10mm至20mm的范围内，例如15mm。

如参考图2已经说明的那样，第一喷射器装配孔20和第二喷射器装配孔22设置在气缸盖1内使得第一轴线24和第二轴线26限定一角28。该角28在10°至25°的范围内，例如16°。

其它实施例可包括关于距离A和B的长度以及角28的其它容许通过第一燃料喷射器和第二燃料喷射器将液体燃料喷射在位于气缸单元内的燃烧区域的相同引燃区域中的组合（也被称为喷射器构型）。

双燃料内燃机可包括至少一个气缸单元14。每个气缸单元14包括：至少一个气缸盖1；设置在第一喷射器装配孔20内的第一燃料喷射器32；和设置在第二喷射器装配孔22内的第二燃料喷射器34。

工业实用性

在下文中，将参考图1至图3对设置在双燃料内燃机的气缸单元14的气缸盖1内的喷射器构型的上述示例性实施例的基本运行进行描述。

在双燃料内燃机在液体燃料模式下正常运行期间，来自进气系统的增压空气/充气经由打开的进气门4被供给到气缸单元14中。活塞16在朝向气缸盖1的燃烧区域面2移动时压缩气缸单元14内的增压空气。因此，增压空气的温度升高。相对大的量的液体燃料借助第一燃料喷射器32被喷射至被压缩的热的增压空气并且由于气缸单元14内的高压和高温而自燃。初始引燃定位于在第一燃料喷射器末端36前面的引燃区域中。

在双燃料内燃机在气体燃料模式下正常运行期间，增压空气在经由打开的进气门4被供给至气缸单元14之前与气体燃料混合。活塞16在朝向气缸盖1的燃烧区域面2移动时压缩气缸单元14内的由增压空气和气体燃料构成的混合物。由此，混合物的温度上升。液体燃料用作引燃燃料，因为相对小的量的液体燃料借助第二燃料喷射器34被喷射至被压缩的热的由增压空气和气体燃料构成的混合物，并且由于气缸单元14内的高压和高温而自燃，类似于液体燃料模式。

应当注意，由于第一燃料喷射器32和第二燃料喷射器34的喷射器构型，气缸单元14中的引燃区域是同一区域。所述引燃区域位于第一燃料喷射器末端36和第二燃料喷射器末端38两者的前面。如前所述，具体的喷射器构型基于角28、距离A和距离B。公开的构型确保了在液体燃料模式下通过第一燃料喷射器32以相对大的量被喷射的液体燃料在与在气体燃料模式下通过第二燃料喷射器34以相对小的量被喷射的液体燃料相同的引燃区域中引燃。由于气缸单元14的内表面和引燃区域的特定设计，在液体燃料模式和气体燃料模式两种模式下形成了匀质的火焰前锋。

在双燃料内燃机的运行期间，气缸盖1以及第一和第二燃料喷射器32、34会因为由气缸单元14内的燃烧引起的热传递而升温。流过冷却通道40和冷却腔46的冷却液降低气缸盖1以及第一和第二燃料喷射器32、34的温升。冷却液可以是例如冷却水，并且可进一步循环通过双燃料内燃机的其它部件（例如气缸套16）。

在一些实施例中，因为冷却通道40与第一和第二燃料喷射器末端部分42、44相交，所以冷却液可围绕第一和第二燃料喷射器末端36、38流动。

燃烧之后，废气通过打开的排气门4离开气缸单元14而进入到排气系统中。

上述的气缸盖可用于双燃料内燃机的直线构型、V型构型、W型构型或其它已知构型的气缸。

以下将描述制造双燃料内燃机的气缸盖1的方法。

所述方法包括设置沿着第一轴线24延伸贯穿气缸盖1的第一喷射器装配孔20的方法步骤。第一喷射器装配孔20适于容纳第一燃料喷射器32。具体地，第一喷射器装配孔20沿着第一轴线24从在盖面25内的第一喷射器入口21到在燃烧区域面2内的第一喷射器末端出口10延伸贯穿气缸盖1。所述方法还包括设置沿着第二轴线26延伸贯穿气缸盖1的第二喷射器装配孔22的方法步骤。第二喷射器装配孔22适于容纳第二燃料喷射器34。具体地，第二喷射器装配孔22沿着第二轴线26从在盖面25内的第二喷射器入口26到在燃烧区域面2内的第二喷射器末端出口12延伸贯穿气缸盖1。第二轴线26和第一轴线24限定出在10°至25°范围内的角28。

第一轴线24可与气缸套16的中央纵轴30平行或同轴。

所述方法还包括在气缸盖1中设置冷却通道40的方法步骤。该冷却通道与第一喷射器装配孔20和第二喷射器装配孔22相交。

所述方法还可包括在气缸盖1中设置冷却腔46使得第一喷射器装配孔20和第二喷射器装配孔22与冷却腔46相交的方法步骤。

气缸盖1可包括燃烧区域面2，并且设置沿着第二轴线26的第二喷射器装配孔22的方法步骤可包括在燃烧区域面2内在垂直于第二轴线26的平面内设置第二喷射器末端出口12的方法步骤。替代地或额外地，设置沿着第一轴线24的第一喷射器装配孔20的方法步骤还包括在燃烧区域面2内在垂直于第一轴线24的平面内设置第一喷射器末端出口10的方法步骤。

所述方法还包括将第一燃料喷射器32设置在第一喷射器装配孔20内和将第二燃料喷射器34设置在第二喷射器装配孔22内的方法步骤。

本文中，术语“双燃料内燃机”可以指这样的内燃机，其可用作固定式动力供应系统（诸如用于产热和/或电的发电厂）的主发动机或副发动机以及用在轮船/货船（诸如巡洋舰、货船、集装箱船、油轮）和其它交通工具中。用于内燃机的燃料可包括柴油、船用柴油、重燃油、代用燃料或其混合物，以及天然气。

虽然本文已经描述了本发明的优选实施例，但是可以包含多种改进和变形而不脱离下述权利要求的范围。

Claims

1.一种双燃料内燃机的气缸盖（1），包括：

第一喷射器装配孔（20），其沿第一轴线（24）延伸贯穿所述气缸盖（1）到第一喷射器末端出口（10）且适于容纳第一燃料喷射器（32）；以及

第二喷射器装配孔（22），其沿第二轴线（26）延伸贯穿所述气缸盖（1）到第二喷射器末端出口（12）且适于容纳第二燃料喷射器（34）；其中

所述第二轴线（26）和所述第一轴线（24）限定在10°至25°范围内的角（28），所述第一喷射器末端出口（10）和所述第二喷射器末端出口（12）在所述第一轴线（24）的方向上且在与该第一轴线（24）垂直的方向上彼此分隔使得由所述第一燃料喷射器（32）喷射的液体燃料和由所述第二燃料喷射器（34）喷射的液体燃料在同一引燃区域内引燃。

2.根据权利要求1所述的气缸盖（1），其特征在于，所述气缸盖（1）构造为用于装配在气缸套（16）上，所述气缸套（16）包括中央纵轴（30），所述第一轴线（24）与所述中央纵轴（30）平行或同轴。

3.根据权利要求1或2所述的气缸盖（1），还包括：

冷却通道（40），

所述第一喷射器装配孔（20）和所述第二喷射器装配孔（22）与所述冷却通道（40）相交。

4.根据权利要求3所述的气缸盖（1），其特征在于：

所述第一喷射器装配孔（20）包括第一喷射器末端部分（42），和

所述第二喷射器装配孔（22）包括第二喷射器末端部分（44），所述第一喷射器末端部分（42）以及所述第二喷射器末端部分（44）与所述冷却通道（40）相交。

5.根据前述权利要求中任一项所述的气缸盖（1），其特征在于，

所述气缸盖（1）包括冷却腔（46），

所述第一喷射器装配孔（20）和所述第二喷射器装配孔（22）与所述冷却腔（46）相交。

6.根据前述权利要求中任一项所述的气缸盖（1），其特征在于，所述气缸盖（1）还包括燃烧区域面（2），所述燃烧区域面（2）具有在与所述第二轴线（26）垂直的平面内的第二喷射器末端出口（12）和/或在与所述第一轴线（24）垂直的平面内的第一喷射器末端出口（10）。

7.根据权利要求6所述的气缸盖（1），其特征在于，所述第一喷射器末端出口（10）围绕第一中心点（48）延伸，所述第二喷射器末端出口（12）围绕第二中心点（50）延伸，

所述第一中心点（48）和所述第二中心点（50）在垂直于所述第一轴线（24）的方向上彼此隔开40mm至60mm，和/或在所述第一轴线（24）的方向上彼此隔开10mm至20mm。

8.根据前述权利要求中任一项所述的气缸盖（1），还包括：

第一燃料喷射器（32），其设置在所述第一喷射器装配孔（20）内，尤其构造用于喷射主燃料；

第二燃料喷射器（34），其设置在所述第二喷射器装配孔（22）内，尤其构造用于喷射引燃燃料。

9.一种用于制造双燃料内燃机的气缸盖（1）的方法，包括：

设置沿着第一轴线（24）延伸贯穿所述气缸盖（1）、适于容纳第一燃料喷射器（32）的第一喷射器装配孔（20）；以及

设置沿着第二轴线（26）延伸贯穿所述气缸盖（1）、适于容纳第二燃料喷射器（34）的第二喷射器装配孔（22），所述第二轴线（26）和所述第一轴线（24）限定出在10°至25°范围内的角（28）。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述气缸盖（1）构造为用于装配在气缸套（16）上，所述气缸套（16）包括中央纵轴（30），所述第一轴线（24）与所述中央纵轴（30）平行或同轴。

11.根据权利要求9或10所述的方法，还包括：

在所述气缸盖（1）中设置与所述第一喷射器装配孔（20）和所述第二喷射器装配孔（22）相交的冷却通道（40）。

12.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，还包括：

在所述气缸盖（1）中设置冷却腔（46）使得所述第一喷射器装配孔（20）和所述第二喷射器装配孔（22）与该冷却腔（46）相交。

13.根据权利要求9-12中任一项所述的方法，其特征在于，所述气缸盖（1）包括燃烧区域面（2），设置沿着所述第二轴线（26）的所述第二喷射器装配孔（22）的方法步骤包括在所述燃烧区域面（2）内在垂直于所述第二轴线（26）的平面内设置第二喷射器末端出口（12），和/或设置沿着所述第一轴线（24）的所述第一喷射器装配孔（20）的方法步骤包括在所述燃烧区域面（2）内在垂直于所述第一轴线（24）的平面内设置第一喷射器末端出口（10）。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一喷射器末端出口（10）围绕第一中心点（48）延伸，所述第二喷射器末端出口（12）围绕第二中心点（50）延伸，并且所述第一中心点（48）和所述第二中心点（50）在垂直于所述第一轴线（24）的方向上彼此隔开40mm至60mm，和/或在所述第一轴线（24）的方向上彼此隔开10mm至20mm。

15.根据权利要求9-14中任一项所述的方法，还包括：

将第一燃料喷射器（32）设置在所述第一喷射器装配孔（20）内；以及

将第二燃料喷射器（34）设置在所述第二喷射器装配孔（22）内。