CN105909425B - 用于双燃料发动机的气体配量阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于双燃料发动机(17)的气体配量阀(1)，其具有可移位的阻塞体(6)，该阻塞体在贴靠到阀座(5)上的位置中关闭气体配量阀(1)并且在从阀座(5)抬起的位置中打开气体配量阀(1)。气体配量阀(1)能在气体运行模式中和在液态燃料运行模式中操纵，在气体运行模式中，气体配量阀(1)将燃料气体通过气体通道(13)配量到双燃料发动机(17)的进气管(15)中，在液态燃料运行模式中，气体配量阀(1)克服在进气管(15)中存在的压力保持密封地关闭。阀座(5)沿着阀座引导部(4)可移动地设置，阀座(5)在气体运行模式中由于气体通道(13)中的燃料气体压力而远离阻塞体(6)地压靠到气体配量阀(1)中的止挡(20)上并且保持在该阀座的适合运行的位置中，并且阀座(5)在液态燃料运行模式中由进气管(15)中的压力密封地压靠到阻塞体(6)上。

Description

用于双燃料发动机的气体配量阀
技术领域
本发明涉及一种用于双燃料发动机的气体配量阀，该气体配量阀具有可移位的阻塞体，该阻塞体在贴靠到阀座上的位置中关闭气体配量阀并且在从阀座抬起的位置中打开气体配量阀，其中，所述气体配量阀能在气体运行模式中和在液态燃料运行模式中操纵，在所述气体运行模式中，所述气体配量阀将燃料气体通过气体通道配量到双燃料发动机的进气管中，在所述液态燃料运行模式中，所述气体配量阀克服在所述进气管中存在的压力保持密封地关闭。
背景技术
这种类型的气体配量阀例如用作用于大型燃气发动机的进气管增压装置，该进气管增压装置可以在两种运行方式中运行，亦即一方面以燃料气体运行(气体运行模式)并且另一方面以液态燃料运行(液态燃料运行模式)。根据发动机，作为液态燃料可以使用例如柴油、生物柴油、燃油、重油等等，对于气体运行模式，作为燃料气体可以使用例如天然气、沼气、生物气等等。在用于液化天然气油轮的发动机中，从所运输的液化天然气(LNG)中提取用于气体运行模式的燃料气体，从而自身的装载也用作动力燃料。
可以在气体运行模式和液态燃料运行模式中运行的发动机通常称为双燃料发动机，其中，不仅大排量发动机、而且较小的发动机例如为了运行小型发电站或发电机可以构造为双燃料发动机。
在按照所谓的“端口-燃料-原理”(Ported-Fuel-Prinzip)工作的双燃料发动机中，在气体运行模式中将燃料气体引入到发动机的进气管中。与此不同，也存在将燃料气体直接地引入到燃烧室中的发动机，但这要求气体配量阀的完全另外的特性。
在按照端口-燃料-原理”工作的双燃料发动机中，在气体运行模式中，气体配量阀调节燃料气体到发动机的进气管中的输送，在那里，燃料气体被混入通过涡轮增压机压缩的增压空气。在此，在气体配量阀中的燃料气体压力明显高于通过涡轮机的空气增压，从而气体配量阀的关闭体在阀位置关闭的情况下总是固定地压靠到阀座的止挡面上。由此，对于关闭体仅必须(例如通过复位弹簧)施加小的复位力。为了借助电磁体打开阀，关闭体克服复位弹簧和燃料气体压力的共同作用的力从阀座抬起，从而燃料气体能够配量地流入到进气管中。
在液态燃料运行模式中，燃料气体的输送中断并且气体配量阀关闭。通过中断气体供应，气体配量阀的内部中的压力降低，但同时进气管中的压力保持大小不变，因为双燃料发动机还处于运行中并且被供以液态燃料。因此，仅比较微小尺寸的复位弹簧将关闭元件压到阀座上。因为复位弹簧在气体运行模式中克服磁铁工作，因此，弹簧力受限制并且因此在增压空气的增压和阀内部中的压力之间的最大压差也受限制。因此，在进气压力高的情况下，关闭元件可以从阀座抬起并且被压缩的空气和污物可能侵入到阀中。在传统的阀中，抬起可能例如已经在压差为0.5巴时逆着主方向发生。
由具体的本发明的申请人提交的AT 509737 A1公开了一种用于将气态的动力燃料输送到内燃机的增压空气流中的干式运转的气阀。所述阀特别是研发用于大型发动机并且也可以用于双燃料发动机，但是其中，可能出现上面提出的问题。这种类型的阀的可转换的压差大约处于10巴(在没有压力平衡的情况下)，其中，该值此外与阀类型和阀座中的流动狭缝的数量有关。增压空气压力通常处于0和9巴[g]之间的范围内并且燃料气体压力处于0和10巴[g]之间的范围内，其中，燃料气体压力在气体运行中相应地调节到恰好存在的增压空气压力上。
与将燃料气体吹入到增压空气中的气体配量阀相反，存在如下气体配量阀，该气体配量阀设置用于将气体直接配量到燃烧室中。因为在双燃料发动机中燃烧室中的压力可能为直至200巴(在纯燃气发动机中直至大约150巴)，所以这些阀具有与将燃料气体引入到增压空气中的气体配量阀完全不同的结构。对于喷射到燃烧室中来说，气体配量阀必须具有附加的止回阀，以便阻止在点燃之后不出现从燃烧室到燃料气体阀中的逆火。
同样由具体的本发明的申请人提交的AT 502512 A4公开了一种这样的用于往复式燃气发动机的燃烧室的燃料气体阀，其中，止回阀整合到燃料气体阀中。该燃料气体阀具有可运动的阀座板，该阀座板由单独的止回弹簧压靠到止挡上，并且作为止回阀起作用，以便阻止在燃烧室侧的压力峰值时(例如在点燃之后)打开阀。在此，用于阀座板的止回弹簧必须比用于关闭体的阀弹簧强得多地构造，因为作为止回阀起作用的阀座板必须在每次偏转之后快速地回到其工作位置中，以便确保燃料气体阀在接下来的进气循环中及时打开。这种类型的阀的可调节的压差通常处于17.5巴[g]。
在将燃料气体直接配量到燃烧室中的燃料气体阀(例如AT502512A4的阀)和将燃料气体配量到进气管中的、并且是本说明书的主题的气体配量阀(这种阀也称为“端口燃料注射器”)之间的主要的功能上的区别在于，直接喷射是高动态的过程，该过程必须发生在每个换气(Ladungswechsel)的过程中，而在将燃料气体供给到进气管中的情况下涉及准静态的过程。
发明内容
具体的本发明的目的在于，实现一种用于双燃料发动机的气体配量阀，该气体配量阀保证安全的气体运行模式并且此外保证在双燃料发动机的液态燃料运行模式期间气体配量阀总是关闭并且保持密封。
按照本发明，该目的通过一种文首提及类型的气体配量阀得以实现，在该气体配量阀中，所述阀座沿着阀座引导部可移动地设置，其中，所述阀座在气体运行模式中由于气体通道中的燃料气体压力而远离所述阻塞体地压靠到气体配量阀中的止挡上并且保持在该阀座的适合运行的位置中，并且其中，所述阀座在液态燃料运行模式中由所述进气管中的压力密封地压靠到所述阻塞体上。阻塞体在液态燃料运行模式中通常在关闭的位置中由阀门弹簧压靠到阀座上，该阀座由此压靠到止挡上。只要进气管中的压力变得这样大，使得从进气管而来作用到阀座上的力超过阀门弹簧的力，阀座就远离止挡移动并且同样克服阀门弹簧的力将阻塞体推到阀内部中。一旦阻塞体已经达到其最大偏转，就达到最大偏转位置。当进气管中的压力减少时，阀门弹簧能够将包括阻塞体和阀座的单元又压回到初始位置中，直至阀座又贴靠在止挡上。在阀座整体移动期间，阻塞体保持固定地压靠到阀座上。由此，阻塞体从阀座上不期望地抬起是不可能的，并且在液态燃料运行模式期间由此引起地打开阀是不可能的。
在一个有利的实施方式中，所述阀座可以具有朝向所述阻塞体定向的并且从该阀座伸出的关闭体引导部，所述阻塞体可移动地支承在该关闭体引导部上。这不仅实现了由AT 509737A1已知的在气体运行模式中的优点，而且此外具有如下按照本发明的优点：在液态燃料运行模式中，包括阀座、关闭体引导部和关闭体的单元共同运动，并且在阀座的引导部和关闭体的引导部之间可能不出现容许误差，该容许误差可能在阀座的运动期间妨碍在阀座上的紧密性。
以有利的方式，所述阀座可以构造为圆形的、同心的多个狭缝。在此，关闭体具有相应数量的同心的环，这些环通过绕周边分布的径向段相互连接，并且为了关闭阀压靠到阀座的同心的狭缝上并且密封所述狭缝。由此，能够实现最小的阀行程。
在本发明的另一个有利的构造方案中，所述关闭体可以与锚板连接，该锚板由电磁体操纵。在此，以有利的方式，所述电磁体设置在磁体基座中，该磁体基座居中地设置在所述气体通道中。由此，能够实现非常紧凑的结构方式。
在一个有利的实施方案中，所述气体配量阀可以是干式运转的气体配量阀。
按照本发明，以有利的方式在所述阀座引导部中在所述止挡的两侧上分别设置有密封元件，以便保护止挡免遭污物。
附图说明
下面参考附图1至3详细阐述具体的本发明，所述附图示例地、示意地并且不受限制地示出本发明的有利的构造方案。附图中：
图1以沿着主轴的剖视图示出按照本发明的气体配量阀；
图2示出配备有气体配量阀的双燃料发动机的气缸的示意图；以及
图3示出配备有气体配量阀的双燃料发动机的气缸的示意图。
具体实施方式
在图1中示出的按照本发明的气体配量阀1具有壳体2，在该壳体中设置有气体通道13，该气体通道由所配量的燃料气体流过。燃料气体穿过气体入口12到达气体配量阀1中，流过气体通道13并且穿过气体出口14到达进气管15中，该进气管引导到双燃料发动机17(图3)的燃烧室16。在气体出口14的区域中设有阀座5，该阀座具有圆形的、同心的多个狭缝8，所述狭缝可以由关闭体6选择性地关闭和开启。关闭体6具有相应数量的同心的环25，所述环通过绕周边分布的径向段相互连接，并且为了关闭阀而压靠到阀座5的同心的狭缝8上并且密封所述狭缝。
为了操纵在图1中示出的气体配量阀1，在气体通道13中设置有磁体基座18，在该磁体基座中设有电磁体7。当电磁体7被激活时，该电磁体7克服复位弹簧9的力将锚板11和与基该础板11连接的关闭体6拉到打开的阀位置中。在关闭体6上设置有止挡环21，该止挡环在打开的阀位置中贴靠到磁体基座18的止挡面22上。只要电磁体7被去激活，包括锚板11、止挡环22和关闭体6的单元就由复位弹簧9压离电磁体7，并且关闭体6贴靠到阀座5上。阀座5可移动地支承在阀座引导部4中并且由燃料气体的压力压靠到止挡20上，从而阀座5的位置在双燃料发动机17的气体运行模式期间总是限定的。阀座引导部4和止挡20构造在阀座套3的内壁上，该阀座套与壳体2连接。
图1中示出的位置相应于在气体运行模式中的关闭的阀位置，其中，止挡环21和磁体基座18的止挡面22之间的间距相应于阀间隙x。
阀座5的面对关闭体6的表面与阀座5的面对进气管15的表面的比例这样选择，使得燃料气体的由气体通道13作用到阀座5上的压力在气体运行模式期间沿轴向方向总是对阀座5施加与由进气管15中的最大压力沿反方向施加到阀座5上的力相比更大的力。由此保证，阀座5在气体运行模式期间总是保持在通过止挡20限定的位置中，从而阀座5的功能相应于在传统气体配量阀中的固定的阀座的功能。由此，使阀座5朝止挡20那边预紧的附加的张紧装置或弹簧不是必需的。
在阀座5的中间设置有销轴状的关闭体引导部10，该关闭体引导部与阀座5固定地连接并且从阀座5朝锚板那边伸出。在打开和关闭气体配量阀1时，关闭体6在关闭体引导部10上滑动并且在打开运动和关闭运动期间由该关闭体引导部定位、定心和引导。
在双燃料发动机17的液态燃料运行模式期间，电磁体7被去激活并且复位弹簧9将关闭体6压靠到阀座5上，从而气体配量阀1保持关闭。当燃料气体供应被关闭时，气体通道13中的气体压力减小。因此，关闭体6仅仅以复位弹簧9的力压到阀座5上，其中，在以液态燃料运行双燃料发动机17时还保持进气管15中的压力。在传统的阀中，在进气管压力和阀内部中的气体压力之间的压差和在运行涡轮增压机时产生的压力峰值于是可能导致:通过阀座的狭缝作用到关闭体上的压力超过复位弹簧的力，这在传统换气阀中会导致关闭体从阀座抬起，并且增压空气与包含在其中的污物会侵入到气体配量阀中，由此，该气体配量阀可能承担损害。因为复位弹簧的较高的弹簧力也会要求电磁体的较大的尺寸，因此考虑：弹簧力保持尽可能小，以便将气体配量阀的成本和尺寸减小到最低程度。因此，增大弹簧力通常是不期望的。
反之，在图1中示出的按照本发明的气体配量阀1中，阀座5通过止挡20仅克服朝进气管15方向的运动被固定。因为进气管15中的压力不仅作用到关闭体6的环25的由于阀座5的狭缝8而处于开敞的面上，而且作用到可运动的阀座5的朝向进气管15定向的大得非常多的面，即使在复位弹簧9的张紧力更确切地说小的情况下，进气管15中的压力也不可能使关闭体6从阀座5抬起，因为阀座5会继续压靠到关闭体6上，并且阀座5与关闭体引导部10和关闭体6一起作为一个单元轴向朝向阀内部运动，直至止挡环21靠在磁体基座18的止挡面22上。如果进气管15中的压力再次减少，则复位弹簧将包括关闭体6、阀座5和关闭体引导部10的单元又压回到初始位置，在该初始位置中阀座5靠在止挡20上。在包括关闭体6、阀座5和关闭体引导部10的单元整体偏转运动时，在液态发动机燃料运行模式期间确保气体配量阀的密封功能。
阀座引导部4相对于阀座5借助于两个密封元件23、24进行密封，所述密封元件分别设置在止挡20的阶梯部的上方和下方。密封元件23、24优选是O形环，所述O形环设置在阀座5的周面上的环形槽中。除了密封功能之外，密封元件23、24在阀座5运动时还作为用于污物的刮擦器起作用，所述污物侵入到阀座5和阀座套3之间的缝隙中。为了确保密封功能，虽然单个的密封元件就足够，但有利的是，从两侧保护止挡20免遭污物，因为在污物贴靠在止挡20上时，不再精确地限定阀座5的静止位置(亦即在气体运行模式期间的位置)，并且如果阀座倾斜地设置在阀座引导部4中，则在阻塞体完全抬起的情况下，关闭体6和阀座之间的间距发生改变或者甚至(径向观察)是不均匀的。
图2示出配备有按照本发明的气体配量阀1的双燃料发动机17的气缸31的示意图。气体配量阀1在进气管中恰好设置在换气阀19的上游。气体配量阀1在图2中示意性示出，其中，气体输送装置的可能的技术上的实施方案对本领域技术人员来说是已知的，该气体输送装置例如可以构造为包围进气管15的环形管道，该环形管道具有通到进气管15中的开口。换气阀19在吸气循环中按照活塞27的位置以已知的方式打开和关闭通往气缸31的燃烧室16的入口。换气阀19由凸轮轴28操纵。第二凸轮轴28'操纵第二换气阀19'，以便在排气循环中将排气排出到排气管道29中。在气体配量阀1被去激活的液态燃料运行模式期间，通过直接喷射装置29将液态的燃料以已知的方式直接喷射到燃烧室16中。
图3示出配备有气体配量阀的双燃料发动机17的示意图，该双燃料发动机具有六个气缸，所述气缸分别按照图2构造。增压空气通过共同的增压空气输送装置30经由各个进气管15供应给气缸31。在每个进气管15上设置有一个气体配量阀1，该气体配量阀在气体运行模式中将燃料气体供应给气缸31，并且每个气缸还设有一个用于液态燃料运行的直接喷射装置26。
附图标记
1 气体配量阀
2 壳体
3 阀座套
4 阀座引导部
5 阀座
6 关闭体
7 电磁体
8 狭缝
9 复位弹簧
10 关闭体引导部
11 锚板
12 气体入口
13 气体通道
14 气体出口
15 进气管
16 燃烧室
17 双燃料发动机
18 磁体基座
19、19' 换气阀
20 止挡
21 止挡环
22 止挡面
23 气体通道侧的密封元件
24 进气管侧的密封元件
25 环
26 直接喷射装置
27 活塞
28、28' 凸轮轴
29 排气管道
30 增压空气输送装置
31 气缸

Claims (8)

1.用于双燃料发动机(17)的气体配量阀(1)，该气体配量阀具有可移位的阻塞体(6)，该阻塞体在贴靠到阀座(5)上的位置中关闭气体配量阀(1)并且在从阀座(5)抬起的位置中打开气体配量阀(1)，其中，所述气体配量阀(1)能在气体运行模式中和在液态燃料运行模式中操纵，在所述气体运行模式中，所述气体配量阀(1)将燃料气体通过气体通道(13)配量到双燃料发动机(17)的进气管(15)中，在所述液态燃料运行模式中，所述气体配量阀(1)克服在所述进气管(15)中存在的压力保持密封地关闭，其特征在于，所述阀座(5)沿着阀座引导部(4)可移动地设置，其中，所述阀座(5)在气体运行模式中由于气体通道(13)中的燃料气体压力而远离所述阻塞体(6)地压靠到气体配量阀(1)中的止挡(20)上并且保持在该阀座的适合运行的位置中，并且其中，所述阀座(5)在液态燃料运行模式中由所述进气管(15)中的压力密封地压靠到所述阻塞体(6)上。
2.根据权利要求1所述的气体配量阀(1)，其特征在于，所述阀座(5)具有朝向所述阻塞体(6)定向的并且从该阀座(5)伸出的关闭体引导部(10)，所述阻塞体(6)可移动地支承在该关闭体引导部上。
3.根据权利要求1所述的气体配量阀(1)，其特征在于，所述阀座(5)构造为圆形的、同心的多个狭缝(8)。
4.根据权利要求2所述的气体配量阀(1)，其特征在于，所述阀座(5)构造为圆形的、同心的多个狭缝(8)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的气体配量阀(1)，其特征在于，所述阻塞体(6)与锚板(11)连接，该锚板由电磁体(7)操纵。
6.根据权利要求5所述的气体配量阀(1)，其特征在于，所述电磁体(7)设置在磁体基座(18)中，该磁体基座居中地设置在所述气体通道(13)中。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的气体配量阀(1)，其特征在于，所述气体配量阀(1)是干式运转的气体配量阀。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的气体配量阀(1)，其特征在于，在所述阀座引导部(4)中在所述止挡(20)的两侧上分别设置有密封元件(23、24)。
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