CN105189980B - 供气体操作的内燃活塞式发动机用的燃料系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种供气体操作的内燃活塞式发动机(12)用的燃料系统(10)，该燃料系统包括：气态燃料供给系统(14)、第一液体燃料供给系统(20)和第二液体燃料供给系统(40)以及数个用于将液体燃料引入所述发动机的燃烧室(12’)的第一燃料进入系统(21)和数个用于将液体燃料引入所述燃烧室(12’)的第二燃料进入系统(41)，所述第一燃料进入系统属于并且连接于所述第一液体燃料供给系统(20)，所述第二燃料进入系统属于并且连接于所述第二液体燃料供给系统(40)。供一个燃烧室(12’)用的所述第一液体燃料进入系统(20)和所述第二液体燃料进入系统(40)被配置在单个具有彼此独立的燃料通道的液体燃料喷射器(50)中，并且所述第一液体燃料供给系统(20)和第二液体燃料供给系统(40)共享共用的燃料源(52)。

Description

供气体操作的内燃活塞式发动机用的燃料系统
技术领域
本发明涉及一种供气体操作的内燃活塞式发动机用的燃料系统，该燃料系统包括气态燃料供给系统、第一液体燃料供给系统和第二液体燃料供给系统以及数个用于将液体燃料引入发动机的燃烧室的第一燃料进入系统和数个用于将液体燃料引入燃烧室的第二燃料进入系统，所述第一燃料进入系统属于并且连接于所述第一液体燃料供给系统，所述第二燃料进入系统属于并且连接于所述第二液体燃料供给系统。
背景技术
气体被用来增强内燃活塞式发动机中燃料的浓度。特别是，天然气由于其可获取性和较低的废气排放而被广泛使用。
典型地，作为活塞发动机中的主要燃料的气态燃料被输送至发动机的燃烧室而与空气混合，从而使气体压力不需要太高。该气体通过喷入非常少量的点火燃料而被点燃，所述点火燃料也被称作引燃燃料，其由于燃烧室内存在的工况而被点燃，进而又点燃前述气态燃料。在此情况下，就气态燃料而言，发动机根据奥拓进程运行。一般来说，所述点火燃料为液体燃料，并使用共轨燃料喷射系统进行喷射，该喷射系统使用轻燃料油(LFO)或船用燃油(MFO)。所述共轨燃料喷射系统是具有优点的，这是因为它可以使点燃过程得到控制，从而使排气的成分相对于排放浓度而言是有利的。
在船舶或者是电厂里用作产生动力的发动机中，燃料供给系统必须满足一些特别的要求以确保安全性和可靠性。最重要的这样的要求是在任何情况下都不允许出现发动机意料外的停机。因此，气体发动机一般配有仅基于使用液体燃料的备用燃料供给系统。所述备用燃料供给系统一般为流体机械控制，这是因为流体机械的常规燃料供给系统具有高度可靠性。在例如引燃燃料供给系统中出现影响发动机运行的故障时，发动机从以气态燃料为主要燃料并且使用所输送的液体引燃燃料运行转变为只使用通过流体机械燃料供给系统输送的液体燃料来运行。因此，一般情况下，用来发电的大型气体发动机配备有两个液体燃料喷射系统。
当运行于使用气体作为主燃料并且使用液体燃料作为引燃燃料的所谓气态模式下时，发动机根据奥拓进程来运行，并且当仅使用液体燃料来操作时，发动机根据使用液体燃料作为主燃料的迪塞尔进程来运行，因此仅采用液体燃料即主液体燃料的运行经常被称为迪塞尔模式。
目前，在迪塞尔模式下运行过程中液体燃料的消耗一般比在气态模式下的消耗大数百倍。因此，出于经济的考虑，重燃料油(HFO)被广泛用于在迪塞尔模式下运行的发动机。因此，在气体发动机中就导致要使用两个独立的燃料供给系统，其包括箱体、输送管道、泵、喷射器等，其用于在迪塞尔模式下使用的重燃料油，在另一方面也用于引燃燃料，其一般为轻燃料油(LFO)。这在一定程度上被认为是缺点，这是因为这样使燃料系统在整体技术上变得复杂并且更占用空间。
在EP1275840A2中展示了一种直接控制的双同心针喷射器，通过该装置，不同量的燃料可以喷射，从而使内针和外针被设置成在不同的控制压力下打开。该方案的缺点在于针的运行不是完全独立的。
US7556017B2公开了一种燃料喷射器，其中喷射器中设有独立的第一和第二喷嘴，从而能够在发动机不同的运行工况下提供不同的喷射模式。所述喷嘴设置为从共用的燃料源对喷射燃料进行补给。所述喷嘴在喷射器中也配置为占用共用的空间。
公开申请EP1275840A2和US7556017B2都依赖于为喷射器中的两个喷嘴使用共用的燃料供给系统。
EP1586758B1公开了一种气体发动机，其包括气态燃料供给系统、第一液体燃料供给系统和第二液体燃料供给系统，在发动机的每个气缸中具有单独的喷射器，通过改变该喷射器的使用，可以使发动机在不同操作模式下运行。在发动机的第一操作模式下，发动机通过将气态燃料引入到发动机的燃料空气中来运行，由此通过将第一液体燃料喷射到燃烧空气和气态燃料的混合物中来点气体态燃料。该发动机能够在第二操作模式下运行，在该模式下发动机仍然通过将气态燃料引入到发动机的燃烧空气中来运行，并通过将第二液体燃料喷射到燃烧空气和气态燃料的混合物中来点气态燃料。该文献进一步公开了用于两种液体燃料供给系统的燃料都在共用的箱体中，这暗示了燃料供给系统可能共享一个共用的燃料源。
在WO2012/079718A1中，其示出了一种用于气体发动机的燃料供给系统，其中引燃燃料和主液体燃料采用共用的燃料系统，但在每个气缸中具有供引燃燃料和主液体燃料用的独立燃料喷射器。这些喷射器被配置成接收来自共轨的燃料。在共用的燃料轨被用于引燃燃料和主液体燃料这样的方案中，因为在实践中在迪塞尔模式下引燃燃料喷射压力大约是主液体燃料的喷射压力的一半，所以操作上存在挑战。这样，在从气态模式向迪塞尔模式转换或相反转换过程中必须改变轨压力。
此外，在该方案中，喷射器在燃烧室中的位置相对于燃烧进程，至少相对于气态模式和迪塞尔模式下，未必是最优的，这是因为两个喷射器在发动机的气缸盖处都占据较大空间。这也是在设计活塞顶时需要考虑的一个因素。
本发明的目的是提供一种用于气体发动机的燃料系统，其能够解决至少一个现有技术中存在的所述问题。
发明内容
根据本发明的供气体操作的内燃活塞式发动机用的燃料系统包括：气态燃料供给系统、第一液体燃料供给系统和第二液体燃料供给系统以及数个用于将液体燃料引入所述内燃活塞式发动机的燃烧室的第一燃料进入系统和数个用于将液体燃料引入所述燃烧室的第二燃料进入系统，所述第一燃料进入系统属于并且连接于所述第一液体燃料供给系统，所述第二燃料进入系统属于并且连接于所述第二液体燃料供给系统。在所述燃料系统中，供一个燃烧室用的所述第一液体燃料进入系统和所述第二液体燃料进入系统被配置在单个具有彼此独立的燃料通道的液体燃料喷射器中。
根据本发明的实施方式，所述第一液体燃料供给系统和所述第二液体燃料供给系统共享共用的燃料源。有利地，液体燃料供给系统适于采用重燃料油操作。
当运行于气体模式时，气体被用作主燃料而液体燃料被用作引燃燃料来点燃该气体，并且当仅使用液体燃料运行时，发动机采用液体燃料作为主燃料来运行。根据本发明，发动机在采用迪塞尔循环时仅用液体燃料进行操作，且因此采用主液体燃料的运行可以也可以被称为迪塞尔模式。
根据本发明的一个实施方式，第一液体燃料供给系统和第二液体燃料供给系统包括独立并且可分别控制的专用共轨系统。
根据本发明的一个实施方式，第一液体燃料供给系统和第二液体燃料供给系统包括共用泵、控制装置和控制系统，该控制系统被配置为将第一共轨系统中的燃料压力维持在第一设定值，并将第二共轨系统中的燃料压力维持在第二设定值。
根据本发明的一个实施方式，第一共轨系统包括泵和/或控制系统，该控制系统被配置为将第一共轨系统中的燃料压力维持在第一设定值。
根据本发明的一个实施方式，第二共轨系统包括泵和/或控制系统，该控制系统被配置为将第二共轨系统中的燃料压力维持在第二设定值。
根据本发明的一个实施方式，燃料系统包括控制系统，该控制系统被配置为将第二共轨系统中的燃料压力维持在第二设定值，该第二设定值是第一设定值的两倍。
根据本发明的一个实施方式，所述第一液体燃料供给系统包括共轨系统，并且所述第二液体燃料供给系统包括流体机械喷嘴和专用的喷射脉动泵，所述流体机械喷嘴包括弹簧加载的喷嘴针，该弹簧加载的喷嘴针能够通过施加抵抗将该喷嘴针朝其关闭位置推动的弹簧的燃料压力而被打开
根据本发明的一个实施方式，第一液体燃料供给系统和第二液体燃料供给系统在共用的燃料源处分支。
根据本发明的一个实施方式，所述燃料进入系统包括具有针阀的喷嘴，在所述针阀中设置有具有引导部的针，所述引导部具有筒状外表面，并且该筒状外表面设置有径向延伸的槽。
根据本发明的一个实施方式，所述针的引导部设置有至少一个螺旋槽。
根据本发明的一个实施方式，所述引导部设置有至少双螺旋槽。
根据本发明的一个实施方式，所述引导部设置有沿径向限定的槽和纵向连接槽。
根据本发明的一个实施方式，所述引导部设置有反向螺旋槽。
根据本发明的一个实施方式，所述槽具有15至20μm的深度L，并且在所述筒状外表面和安装所述槽的筒状腔之间具有3至5μm的间隙。
附图说明
在下文中，将结合所附的示例性示意图对本发明进行说明。
图1示出了根据本发明的一个实施方式的供气体操作的发动机用的燃料系统，
图2示出了根据本发明的一个实施方式的供气体操作的发动机用的液体燃料供给系统，
图3示出了根据本发明的另一个实施方式的供气体操作的发动机用的液体燃料供给系统，
图4示出了根据本发明的另一个实施方式的供气体操作的发动机用的燃料系统，以及
图5中的a)至d)示出了根据本发明的液体燃料喷射器中的控制针阀的细节的实施方式。
具体实施方式
图1示意性地示出了供气体操作的发动机12用的燃料系统10，其是关于三个气缸及其气缸盖来示出的。该燃料系统包括气态燃料供给系统14，其在本实施方式中包括气态燃料源16，该气态燃料源16与针对发动机的每个气缸布置的气体进入阀18相连。在该实施方式中，气体进入阀与入口气体通道相连。
该燃料系统还包括第一液体燃料供给系统20和第二燃料供给系统40。在发动机的各个气缸中，为第一燃料供给系统和第二燃料供给系统现均配备了液体燃料进入系统21、41。燃料进入系统属于并连接于相对应的液体燃料供给系统。换句话说，在多气缸发动机中，具有数个配置为将液体燃料引入发动机的燃烧室的第一燃料进入系统21，以及数个配置为将液体燃料引入每个气缸中的燃烧室12’的第二燃料进入系统41。与液体燃料供给系统相连接的燃料进入系统包括控制针，该控制针被配置为控制燃料到燃烧室的进入。在根据本发明的燃料系统中，设有配备两个控制针22、42的一个液体燃料喷射器50，换句话说，供一个燃烧室用的第一燃料进入系统和第二燃料进入系统被布置到单个液体燃料喷射器中。所述燃料进入系统在它们各自的压力侧(供给侧)就流体流动而言彼此是独立的，也即是说，在喷射器中，燃料空间彼此没有流体连接。当通过这种方法安装于发动机中时，发动机的每个气缸中只有一个喷射器，这在很多方面都是有利的。例如，气缸盖的构造就得以简化。
第一液体燃料供给系统20和第二燃料供给系统40均配备有专用燃料轨23、43，即，收集器。即使未示出，所述收集器可以是单个部件，或者也可以由多个互相连接的部件组成。由此，则可以在轨23、43中维持不同的压力，从而使每个收集器中的压力对于其中燃料的目的使用而言是合适或者是最优的。
在发动机气体模式运行期间，第二收集器43中的压力被维持在预定的怠速压力值，其小于运行压力，但仍保证可以足够迅速地达到所述运行压力，从而改变发动机的运行模式。各个控制针22、42经由流熔断器(flow fuse)24、44连接到相对应的燃料轨23、43，所述流熔断器被布置在针和轨之间。所述流熔断器是一种只允许特定量的流体在单次喷射期间流过的装置，并且，如果一个针持续地泄露，该流熔断器会阻止流动。各个轨23、43通过高压泵26、46分别连接到共用的燃料源52。即使没有在所有的图中示出，燃料供给系统20、40还是配备有低压泵26’、46’。轨中的压力通过控制这些高压泵来控制。共享同一个燃料源(例如，燃料箱)意味着，在实践中第一燃料供给系统20和第二燃料供给系统40使用同样的燃料，这在船舶中是非常有用的，这是因为该方案节省了相当大的空间并且比使用单独的燃料更加操作方便。第一液体燃料供给系统和第二液体燃料供给系统优选在共用的燃料源处分支，并且从流动方面来看，在其压力侧一直到发动机的燃烧室都是完全分离的。由此，这两个燃料系统的操作和它们的构造可以设置为服务于它们分别作为引燃燃料供给系统或主液体燃料供给系统的实际使用需要。如图1所示，喷嘴还共享共用的燃料回流通道54，经由该回流通道，一部分燃料可以被输送会燃料箱52。
第一液体供给系统被配置为喷射气态模式下使用的引燃燃料，即，点火燃料，而第二燃料供给系统被配置为喷射迪塞尔模式下使用的主液体燃料。第一燃料的喷射量小于主液体燃料的喷射量，并且由此用于第一燃料的燃料进入系统21在外形上也小于用于主液体燃料的燃料进入系统41。第一燃料进入系统和第二燃料进入系统可以在距离气缸盖上表面不同的距离处经由喷射孔通向燃烧室。为了经受在迪赛摩尔模式下发动机正常运行时所需的压力，第二燃料供给系统被配置为能够经受第一燃料供给系统所配置的能够受到压力的1.7到2.5倍的压力。
第一共轨系统23和第二共轨系统43均包括高压泵26、46和/或控制系统56，该高压泵和/或控制系统被配置为将第二共轨系统中的燃料压力维持在第二设定值，该第二设定值是第一设定值的两倍。此处，所述控制系统被示出为一个共用系统，其指的是可以存在控制两个燃料系统的共用控制装置的事实，但是应该推测出也可以使用独立而能够在需要的程度上相互连通的装置。每个轨中的压力被测量并被传送到控制系统56中，该控制系统基于测量信号和设定的目标压力值来独立地控制泵26和46的运行。
在图2中示出了第一液体燃料供给系统20和第二燃料供给系统40的一个实施方式，在其中展示了液体燃料喷射器50的更多细节。燃料喷射器50具有主体部，第一燃料进入装置22和第二燃料进入装置42分别配置于所述主体部中。燃料进入装置42、22在这里具有基本相似的构造，但它们优选根据其作为引燃燃料和主液体燃料喷射的使用目的来进行设计。每个轨23、43都独立地通过高压泵26、46连接于共用的燃料源52。这里，燃料供给系统也配备有低压泵26”，其对于轨23、43也是共用的。轨中的压力通过控制高压泵来控制。共享相同的燃料源(例如，燃料箱)意味着，在实践中第一液体燃料供给系统20和第二燃料供给系统40使用相同的燃料，这在船舶中是非常有用的，这是因为该方案节省了相当大的空间并且比使用单独的燃料更加操作方便。控制针通过加压燃料来进行操作，所述加压燃料具有通向与针相连的活塞62的两侧的通道。燃料在喷射端的相反侧的压力可以通过阀部件60进行释放，该阀部件由致动器58控制。降低控制针上方(图中)的压力允许位于针下方(图中)的喷射端的压力提起针并促使发生喷射。将通向回流通道57的泄压连接关闭会使压力再次回升到高于控制针，从而促使针返回闭合位置。在针上方可以设置一个辅助弹簧来对控制针在将压力转化为纵向力的区域之外的力平衡施加影响。
图3描述了第一液体燃料供给系统20和第二燃料供给系统40的一个实施方式，其中液体燃料喷射器50具有主体部，第一燃料进入装置22和第二燃料进入装置42分别配置于所述主体部中。用于引燃燃料的燃料进入装置22在这里具有与图2中基本相似的构造。因此，第一液体燃料供给系统包括共轨系统23、22，并且第二液体燃料供给系统40包括流体机械喷嘴43，该流体机械喷嘴包括位于喷嘴针之上的弹簧45，该弹簧不断地将针朝其关闭位置推动。喷嘴针可以通过施加抵抗弹簧负载的燃料压力而被打开。这里，燃料系统包括供每一个流体机械喷嘴43用的专用的喷射脉动泵47。该脉动泵47可以通过例如发动机的凸轮轴51来操作。
在图4中示出了本发明的一个实施方式，其与图1相比基本类似，但其没有为第一液体燃料供给系统和第二液体燃料供给系统单独配置泵，而是为其配备了共用泵46’和布置于泵46’的出口处的控制装置64，该控制装置64用来将第一共轨系统中的燃料压力保持在第一设定值，并将第二共轨系统中的燃料压力维持在第二设定值。控制装置64受控制系统56的控制。所述第二设定值优选为两倍于第一设定值。
根据本发明的一个实施方式，燃料进入系统包括具有控制针阀22、44的喷嘴，其中设置有具有引导部43的针，该引导部具有筒状外表面，并且该筒状外表面设置有至少一个径向延伸的细槽2。在图5中示出了引导部的多个实施方式，图5的a)中是具有至少一个螺旋槽2的引导部，图5中的b)是具有双螺旋槽2的引导部，图5中的c)是具有沿径向限定的槽2和纵向连接槽的引导部，并且图5中的d)是具有反向螺旋槽2的引导部。
槽具有15至20μm的深度L，并且在外表面和安装所述槽的筒状腔之间具有3至5μm的间隙W。螺旋被平衡，这意味着通过在该部位上合适地布置螺旋槽的作用在于辅助销的对中并且辅助销与其将要安装进去的孔的对齐。
通过这些实施方式，对于尤其是重燃料油(HFO)的运行得到了改善，这是因为这些实施方式相当程度地改善了销的润滑，最小化了针粘结和卡滞。
尽管本发明在本文中通过目前被认为是最优选的示例进行了描述，但仍要理解到本发明不局限于这些公开的实施方式，而是旨在包括在本发明的范围内对其特征做出的不同的组合和变形以及多个其他的应用。与任何实施方式相关联的细节都可以结合其他实施方式而使用，当这种结合在将技术上可行时。

Claims (15)

1.一种供气体操作的内燃活塞式发动机(12)用的燃料系统(10)，该燃料系统包括：气态燃料供给系统(14)、第一液体燃料供给系统(20)和第二液体燃料供给系统(40)以及数个用于将液体燃料引入所述内燃活塞式发动机的燃烧室(12’)的第一燃料进入系统(21)和数个用于将液体燃料引入所述燃烧室(12’)的第二燃料进入系统(41)，所述第一燃料进入系统属于并且连接于所述第一液体燃料供给系统(20)，所述第二燃料进入系统属于并且连接于所述第二液体燃料供给系统(40)，其特征在于，供一个燃烧室(12’)用的所述第一液体燃料进入系统(20)和所述第二液体燃料进入系统(40)被配置在单个具有彼此独立的燃料通道的液体燃料喷射器(50)中，并且所述第一液体燃料供给系统(20)和所述第二液体燃料供给系统(40)共享共用的燃料源(52)。
2.如权利要求1所述的供气体操作的内燃活塞式发动机用的燃料系统，其特征在于，所述第一液体燃料供给系统(20)和所述第二液体燃料供给系统(40)包括独立可控的专用共轨系统。
3.如权利要求2所述的供气体操作的内燃活塞式发动机用的燃料系统，其特征在于，所述第一液体燃料供给系统和所述第二液体燃料供给系统包括共用泵(46’)、控制装置(64)以及控制系统(56)，该控制系统被配置为将第一共轨系统(23)中的燃料压力维持在第一设定值并将第二共轨系统(43)中的燃料压力维持在第二设定值。
4.如权利要求3所述的供气体操作的内燃活塞式发动机用的燃料系统，其特征在于，所述第一共轨系统包括泵(26)和/或控制系统(56)，所述控制系统被配置为将所述第一共轨系统中的燃料压力维持在第一设定值。
5.如权利要求3所述的供气体操作的内燃活塞式发动机用的燃料系统，其特征在于，所述第二共轨系统包括泵(46)和/或控制系统(56)，所述控制系统被配置为将所述第二共轨系统中的燃料压力维持在第二设定值。
6.如权利要求3至5中任一项所述的供气体操作的内燃活塞式发动机用的燃料系统，其特征在于，所述燃料系统包括控制系统(56)，该控制系统被配置为将所述第二共轨系统中的燃料压力维持在第二设定值，该第二设定值是所述第一设定值的两倍。
7.如权利要求1所述的供气体操作的内燃活塞式发动机用的燃料系统，其特征在于，所述第一液体燃料供给系统包括共轨系统(23)，并且所述第二液体燃料供给系统包括流体机械喷嘴和专用的喷射脉动泵(47)，所述流体机械喷嘴包括弹簧加载的喷嘴针，该弹簧加载的喷嘴针能够通过施加抵抗将该喷嘴针朝其关闭位置推动的弹簧的燃料压力而被打开。
8.如权利要求1所述的供气体操作的内燃活塞式发动机用的燃料系统，其特征在于，所述第一液体燃料供给系统和所述第二液体燃料供给系统在所述共用的燃料源(52)处分支。
9.如权利要求1所述的供气体操作的内燃活塞式发动机用的燃料系统，其特征在于，所述第一液体燃料供给系统和所述第二液体燃料供给系统适于采用重燃料油进行操作。
10.如权利要求1所述的供气体操作的内燃活塞式发动机用的燃料系统，其特征在于，所述燃料进入系统包括具有针阀的喷嘴，在所述针阀中设置有具有引导部的针，所述引导部具有筒状外表面，并且该筒状外表面设置有径向延伸的槽(2)。
11.如权利要求10所述的供气体操作的内燃活塞式发动机用的燃料系统，其特征在于，所述槽(2)是至少一个螺旋细槽。
12.如权利要求10所述的供气体操作的内燃活塞式发动机用的燃料系统，其特征在于，所述槽(2)是双螺旋细槽。
13.如权利要求10所述的供气体操作的内燃活塞式发动机用的燃料系统，其特征在于，所述引导部还设置有纵向连接细槽。
14.如权利要求10所述的供气体操作的内燃活塞式发动机用的燃料系统，其特征在于，所述槽(2)是反向螺旋细槽。
15.如权利要求10至14中任一项所述的供气体操作的内燃活塞式发动机用的燃料系统，其特征在于，所述槽(2)具有15至20μm的深度L，并且在所述筒状外表面和安装所述槽的筒状腔之间具有3至5μm的间隙W。
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