CN105927435B - 用于大型二冲程自点火内燃发动机的燃料阀 - Google Patents

用于大型二冲程自点火内燃发动机的燃料阀 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于将燃料喷射到大型二冲程自点火内燃发动机的燃烧室中的燃料阀(1)，其具有朝向阀座(22)弹性地偏置的阀针(20)。当阀针(20)从阀座(22)提起时，致使燃料压力沿着打开方向推动阀针(20)的有效压力表面显著地增加。在阀针(20)上设有互补有效压力表面(29)。当互补有效压力表面(29)暴露于燃料压力时互补有效压力表面(29)产生朝向阀座(22)推动阀针(20)的力。

Description

用于大型二冲程自点火内燃发动机的燃料阀
技术领域
本公开涉及用于大型二冲程自点火内燃发动机的燃料阀，具体地涉及用于将燃料油喷射到具有十字头的大型涡轮增压二冲程单流内燃发动机的燃烧室中。
背景技术
大型二冲程内燃发动机通常在诸如集装箱船的大型远洋船舶或发电厂中用作原动机。
这些发动机通常设有布置在每个汽缸盖中的两个或三个燃料阀。如图1中所示，传统燃料阀具有与发动机的汽缸中的活塞的移动方向大致成10度到15度角度布置的纵向轴线。燃料阀前端设有突出到燃烧室中的喷嘴。喷嘴设有轴向孔与将燃料远离汽缸壁引导到燃烧室中的多个喷嘴孔。通常，在喷射的时刻，燃烧室中的清扫空气中具有漩涡并且大部分的喷嘴孔被引导为利用漩涡的流动喷射燃料，尽管喷嘴孔中的一个可以引导为将燃料喷射到漩涡中。
燃料阀设有弹簧偏置的阀针，其用作可移位阀构件。当燃料的压力超过例如350巴的预设压力时，阀针从其阀座提起并且允许燃料经由燃料阀前部的喷嘴流动到燃烧室中。
大型二冲程自点火涡轮增压内燃发动机的最大燃烧压力非常高，例如200巴，并且因此难以在喷射事件下以显著高于燃烧压力的压力提供燃料。
用于大型二冲程自点火涡轮增压内燃发动机的已知燃料阀具有的构造使得闭合压力(即，使阀针返回到其阀座的压力)低于打开压力(即，使阀针从其阀座提起的压力)。这是因为，抵抗弹簧或者其它弹性装置的偏置而作用在阀针的打开方向上的有效压力表面在阀从阀座提起的瞬间增加。因此，在燃料阀中的压力显著地下降到燃料阀打开的压力以下之前，阀针将不会返回到其阀座。在喷射事件的末尾形成的低压能够导致燃料不被以足够压力喷射通过喷嘴孔，因此导致在喷射事件的最后部分过程中喷射的燃料的次于最佳的燃烧。
发明内容
在此背景上，本申请的目的是提供一种克服或者至少减少了上述缺点的燃料阀。
根据第一方面通过提供用于将燃料喷射到大型二冲程自点火内燃发动机的燃烧室中的燃料阀实现了此目的，此燃料阀包括：
具有后端与前端的细长阀壳体；以及
中空喷嘴，其具有第一轴向孔、多个喷嘴孔与闭合前端，此喷嘴布置在阀壳体的前端；
轴向可移位阀针，其可滑动地容纳在阀壳体中的第二轴向孔中，此阀针构造为控制燃料到喷嘴的流动，
阀针与阀壳体中的阀座配合并且阀针通过弹性偏置朝向阀座弹性地偏置；
在阀座的上游的压力室，其围绕阀针的一部分并且连接到阀壳体中的燃料入口端口，
当阀针从阀座提起时阀针允许燃料从压力室流动到喷嘴并且当阀针放置在阀座上时阀针防止燃料从压力室流动到喷嘴，
当放置在阀座上时阀针具有第一有效压力表面，此第一有效压力表面在燃料压力的影响下在阀针上产生与弹性偏置相对的第一力，
当压力室中的压力超过预设压力阈值时该力致使阀针从阀座提起，
当从阀座提起时阀针具有额外的第二有效压力表面，当阀针从阀座提起时此第二有效压力表面在燃料压力的影响下在阀针上形成与弹性偏置相对的附加的第二力，
阀针设有第三有效压力表面，当阀针从阀座提起时此第三有效压力表面在燃料压力的影响下在阀针上形成与弹性偏置结合的第三力。
通过提供协助弹性偏置装置朝向阀座推动阀针的第三有效压力表面，能够完全地或部分抵消在加压燃料的影响下产生远离阀座推动阀构件的力的有效压力表面在阀针从阀座提起的瞬间起显著地增加的事实。因此，增加的有效压力表面的导致闭合压力低于打开压力的负面作用可以部分地或完全地消除。因此，能够设计具有等于打开压力或者仅略微地低于打开压力的闭合压力的燃料阀。通过此设计，喷射压力可以在整个喷射事件中保持较高，以确保在整个喷射事件过程中将燃料喷射到燃烧室中。
根据第一方面的第一实施方式，第三有效压力表面具有产生第三力基本上抵消附加第二力的尺寸。
根据第一方面的第二实施方式，第三有效压力表面面向限定在阀针与阀壳体之间的第二压力室。
根据第一方面的第三实施方式，优选地仅当阀针提起时第二压力室连接到第一压力室或第一轴向孔。
根据第一方面的第四实施方式，第二压力室通过阀针中的压力通道连接到第一压力室或第一轴向孔。
根据第一方面的第五实施方式，压力通道的第一端通向第二压力室并且压力通道的第二端通向第一轴向孔或者通向当阀针放置在阀座上时阀针的表面的与阀座接触的部分。
根据第一方面的第六实施方式，当阀针放置在阀座上时第二开口闭合。
根据第一方面的第七实施方式，当阀针放置在阀座上时阀针的与阀座接触的部分在第二端周围密封接触。
根据第一方面的第八实施方式，通过阀针中的第三轴向孔以及容纳在第三轴向孔中的柱塞限定第二压力室。
根据第一方面的第九实施方式，第一柱塞是固定不动的的并且其中柱塞密封地适配在第三轴向孔的内部。
根据第一方面的第十实施方式，通过阀壳体中的第四轴向孔和容纳在第四轴向孔中的柱塞限定第二压力室。
据第一方面的第十一实施方式，第二柱塞是固定不动的的并且此柱塞密封地适配在第四孔内部。
根据第一方面的第十二实施方式，喷嘴设有分布在喷嘴的侧面上的多个喷嘴孔，优选地，喷嘴孔中的全部或至少大部分紧密地成角度地隔开。
根据第一方面的第十三实施方式，燃料阀还包括中空切断轴(cut-off shaft)，中空切断轴与阀针完全一致地移动并且轴向可移位地容纳在喷嘴中的轴向孔中以打开与闭合喷嘴孔，切断轴优选地设有与多个喷嘴孔对应的多个开口以便在中空切断轴的一个位置处将喷嘴孔联接到中空切断轴的内部，并且在中空切断轴的另一个位置处使喷嘴孔与中空切断轴的内部断开连接。
根据第一方面的第十四实施方式，阀壳体在其最后端设有头部以在大型二冲程自点火内燃发动机的汽缸的汽缸盖中安装燃料阀。
根据第二方面通过提供燃料阀以将燃料喷射到大型二冲程自点火内燃发动机的燃烧室中实现了上述目的，使得阀针朝向阀座弹性地偏置，当阀针从阀座提起时致使燃料压力沿着打开方向推动阀针的在阀针上的有效压力表面显著增加，在阀针上设有互补有效压力表面，当此互补有效压力表面暴露到燃料压力时，此互补有效压力表面产生朝向阀座推动阀针的力。
通过详细的描述，根据本公开的燃料阀的其它目的、特征、优点与特性将变得显而易见。
附图说明
在下面的本说明书的详细部分中，将参照附图中示出的示例性实施方式更加详细地说明此燃料阀，在附图中:
图1是现有技术燃料阀的纵向截面；
图2是以较大比例示出的图1中示出的燃料阀的最前面部分的纵向截面，燃料阀的最前面部分与实例实施方式一致并且阀针示出为放置在阀阀座上；
图3是以较大比例示出的图2中示出的燃料阀的喷嘴的侧视图，其中，阀针从阀座提起；
图4是以较大比例示出的通过图1中示出的燃料阀的最前面部分的纵向截面，燃料阀的最前面部分与图2的实例实施方式一致并且阀针示出为从阀座提起；
图5是以较大比例示出的通过图1中示出的燃料阀的最前面部分的纵向截面，燃料阀的最前面部分与另一个实例实施方式一致并且阀针示出为放置在阀座上；以及
图6是以较大比例示出的通过图1中示出的燃料阀的最前面部分的纵向截面，燃料阀的最前面部分与又一个实例实施方式一致并且阀针示出为放置在阀座上。
具体实施方式
图1示出了用于将燃料，诸如例如燃料油或重燃料油或类似燃料，喷射到大型二冲程自点火内燃发动机的燃烧室中的已知的燃料阀1。图1中示出的燃料阀1具有细长壳体10，此细长壳体在其最后端具有头部14，通过头部14燃料阀1以已知方式利用螺栓可以固定到大型二冲程柴油发动机的汽缸盖并且与燃料泵(未示出)连接。头部14包括与通道17流动连接的燃料油入口16。通道17延伸穿过止回阀12到达在阀壳体10中轴向地可移位的阀针20。阀针20通过诸如例如螺旋线弹簧的闭合弹簧18偏置到其阀座22。阀壳体10的前端保持中空喷嘴54，中空喷嘴具有优选闭合的尖端，此尖端突出穿过阀壳体10并且当燃料阀1安装在汽缸盖上时进入到发动机汽缸(未示出)的燃烧室中。中空喷嘴54具有第一轴向孔57、多个喷嘴孔55与闭合的前部。
图2至图4示出了燃料阀壳体10的最前面部分30(在图1中的中断线圆圈中的部分)，阀针20与喷嘴54更加详细并且与实例实施方式一致。闭合弹簧18将阀针20推动到其阀座22。图2示出了放置在阀座22上的阀针20。在此位置处，从燃料油入口16到喷嘴54的燃料的流体流动被阻挡。图5示出了已经从阀座22提起的阀针20。在此位置处，从燃料油入口16到喷嘴的燃料的流体流动不被阀针20阻挡。
阀针20承载最前面切断轴40，最前面切断轴40比阀针20的最后面部分更细，并且切断轴40突出到喷嘴54中的第一轴向孔57中。
喷嘴54设有第一轴向孔57并且具有多个喷嘴孔55，燃料通过喷嘴孔55喷射到燃烧室中。因此，在燃料喷射过程中，燃料的射流来自于每个喷嘴孔55。
在实例实施方式中(未示出)，喷嘴孔55分布喷嘴54上以便在分布它们时使它们之间沿着纵向范围具有间距。在示出的实施方式中，孔仅分布于喷嘴的径向范围上。在一个实例实施方式中，喷嘴孔55径向分布并且径向地指向不同但紧密隔开的方向，以便通过来自喷嘴孔55的燃料射流覆盖燃烧室的一个扇区。
在一个实例实施方式中，切断轴40与阀针20由一块材料制成。切断轴40是中空的并且切断轴40的中空内部连接到阀座22下游的空间。因此，当阀针20从其阀座提起时，流动路径17一直从燃料油入口16延伸到切断轴40的中空内部。
轴向可移位的阀针20可滑动地容纳在阀壳体10中的第二轴向孔33中，即在阀壳体10的最前端部分30中的心轴引导件53中。阀针20构造为控制燃料到喷嘴54的流动。阀针20与阀壳体中的阀座22配合并且阀针20通过例如由闭合弹簧18产生的弹性偏置朝向阀座22弹性地偏置。阀座22优选地包括用于与阀针20上的配合表面邻接的锥形表面。阀针的表面的部分42成形为与阀座22的锥形表面密封地接合。
第一压力室24刚好布置在阀座22的上游、围绕阀针20的一部分并且经由通道17连接到燃料入口端口16。当阀针20从阀座22提起时，阀针20允许燃料从压力室24流动到喷嘴54，并且当阀针20放置在阀座20上时，阀针20防止燃料从压力室24流动到喷嘴54。
当放置在阀座22上时，阀针20具有第一有效压力表面26，此第一有效压力表面在燃料压力的影响下在阀针20上产生与弹性偏置相对的第一力，即，沿着提升方向的力。第一有效压力表面26暴露于第一压力室24中的压力，并且当第一压力室24中的燃料的压力超过预设燃料压力阈值时，阀针20被抵抗弹性偏置从阀座22提起。
当阀针20从阀座22提起时，阀针20的附加的第二有效压力表面27变得有效。第二有效压力表面27设置在阀针20上的与阀座22接合的位置处并且从那里略微地更加向前。第二有效压力表面27受到阀座22的下游的第一孔57中的燃料压力并且受到第一压力室24与第一轴向孔57之间的过渡中的燃料压力的影响。当在第一孔57中具有加压燃料时，即当阀针20被从阀座22提起时，第二有效压力表面27在阀针20上形成与弹性偏置相对的附加的第二力。
阀针20设有第三有效压力表面29，当阀针20从阀座22提起时此第三有效压力表面在燃料压力的影响下产生在阀针20上的第三力与弹性偏置结合。第三力作用在与弹性偏置相同的方向，即，作用在第一力与第二力的相对的方向。
优选地，第三有效压力表面29具有致使第三力基本上抵消附加的第二力的尺寸(有效表面积)。第三有效压力表面29的尺寸可以选择为使得燃料阀的闭合压力略微地低于燃料阀的打开压力。
第三有效压力表面29面向限定在阀针20与阀壳体10，即阀壳体的最前端部分30之间的第二压力室32。仅当提起阀针20时第二压力室32才连接到第一压力室24。对此，第二压力室32通过阀针20中的压力通道34连接到第一压力室24。
通道34的第一端45通向第二压力室32，并且通道34的第二端46通向当阀针20放置在阀座22上时阀针20的表面的与阀座22接触的部分42。在本实施方式中，通道34设有布置在阀针20的直径上相对两侧处的两个开口46。然而，应该理解的是单个开口46是足够的。
因此，当阀针20放置在阀座22上时，第二开口46闭合。通过阀针20的部分42与当阀针20放置在阀座22上时与此部分42接触的阀座22的表面之间在第二端46周围的密封接触确保了这一点。
第二压力室32布置在阀壳体10，即阀壳体10的最向前部分30中的第四轴向孔23中。第二柱塞59是阀针20的一部分并且容纳在第四轴向孔23中并且划定第二压力室32的界限。第二柱塞59密封地适配在第四轴向孔23内部。
因此，在操作中，当供给到燃料阀1的燃料的压力超过预设压力阈值时阀针20被从其阀座提起。此时第一压力室24中的作用在第一有效压力表面26上的压力产生沿着提升方向的力，此力足够大以克服闭合弹簧18的弹性偏置并且阀针20被从阀座22提起。
因此，燃料能够流动经过阀座22到第一轴向孔57中并且进入到中空切断轴40中，并且通过喷嘴孔55到燃烧室中。
当加压燃料进入第一轴向孔57时，该加压燃料现在还作用在第二有效压力表面27上，并且由作用在第二有效压力表面27上的压力产生的第二力与第一力结合。
当阀针20提起时，第二开口46不再闭合并且第三压力室32因此被加压。因此，第三有效压力表面29受到加压燃料的影响并且产生第三力，该第三力与弹性偏置结合朝向阀座22推动阀针20。
当燃料到燃料阀1的供给在燃料喷射过程的末尾处是非连续时，减小的燃料压力不再能够保持阀针20远离其阀座22，并且闭合弹簧18将阀针20轴向向前地推动到阀座22。由于存在第三有效压力表面29，阀针20将以可以通过选择第三有效压力表面29的尺寸而确定的闭合压力返回到其座。在一个实施方式中，第三有效压力表面29的尺寸选择为使得闭合压力略微地小于打开压力。
由于切断轴40与阀针20完全一致地移动，因此切断轴40也朝向燃料阀1的前部轴向地移动。
图5示出了本发明的另一个实施方式，除了第二压力室32由阀针20中的第三轴向孔25与容纳在第三轴向孔25中的柱塞58限定以外，与上述实施方式基本上相同。第一柱塞58是固定不动的的并且密封地适配在第三轴向孔内部。
此外，第二端46(可以)布置为使得其通向第一孔57并且在此实施方式中当阀针20放置在阀座22上时第二端46不闭合。
上面实施方式可以结合，即如图6中所示，其中，由阀针20中的第三轴向孔25和容纳在第三轴向孔25中的柱塞58与具有当阀针20放置在阀座22上时闭合的第二端46的压力通道34结合而限定压力室32。
另选地，第二端46可以布置为使得其通向参照图2至图4示出的实施方式中的第一孔57。
尽管出于说明的目的详细地描述了本发明的教导，但是应该理解的是此细节仅用于此目的，并且其中在不偏离本申请教导的范围的情况下本领域中的技术人员可以对其作出修改。
如在权利要求中使用的术语“包括”不排除其它的元件或步骤。如在权利要求中使用的术语“一个”“一”不排除多个。单个处理器或者其它单元可以实现在权利要求中列举的几个装置的功能。

Claims (12)

1.一种用于将燃料喷射到大型二冲程自点火内燃发动机的燃烧室中的燃料阀(1)，所述燃料阀包括：
具有后端与前端的细长阀壳体(10)；以及
中空喷嘴(54)，其具有第一轴向孔(57)、多个喷嘴孔(55)与闭合前端，所述喷嘴(54)布置在所述阀壳体(10)的前端；
轴向可移位阀针(20)，其可滑动地容纳在所述阀壳体(10)中的第二轴向孔(33)中，所述阀针(20)构造为控制燃料到所述喷嘴(54)的流动，
所述阀针(20)与所述阀壳体中的阀座(22)配合并且所述阀针(20)通过弹性偏置朝向所述阀座(22)弹性地偏置；
在所述阀座(22)上游布置在所述阀壳体中的压力室(24)，所述压力室围绕所述阀针(20)的一部分并且连接到所述阀壳体(10)中的燃料入口端口(16)，
当所述阀针(20)从所述阀座(22)提起时所述阀针(20)允许燃料从所述压力室(24)流动到所述喷嘴(54)，并且当所述阀针(20)放置在所述阀座(22)上时所述阀针(20)防止燃料从所述压力室(24)流动到所述喷嘴(54)，当放置在所述阀座(22)上时所述阀针(20)具有第一有效压力表面(26)，所述第一有效压力表面(26)在燃料压力的影响下在所述阀针(20)上产生与所述弹性偏置相对的第一力，
当所述压力室(24)中的燃料压力超过预设压力阈值时所述力致使所述阀针(20)从所述阀座(22)提起，
当从所述阀座(22)提起时所述阀针(20)具有附加的第二有效压力表面(27)，当所述阀针(20)从所述阀座(22)提起时，所述第二有效压力表面在燃料压力的影响下在所述阀针(20)上产生与所述弹性偏置相对的附加的第二力，
所述阀针(20)设有第三有效压力表面(29)，当且仅当所述阀针(20)从所述阀座(22)提起时，所述第三有效压力表面在燃料压力的影响下在所述阀针(20)上产生与所述弹性偏置结合的第三力，
所述第三有效压力表面(29)面向限定在所述阀针(20)与所述阀壳体(10)之间的第二压力室(32)，
所述第二压力室(32)通过所述阀针(20)中的第三轴向孔(25)以及容纳在所述第三轴向孔(25)中的第一柱塞(58)限定，所述第一柱塞(58)是固定不动的并且所述第一柱塞(58)密封地适配在所述第三轴向孔(25)内部，从而界定所述第二压力室(32)，或者
所述第二压力室(32)通过所述阀壳体(10)中的第四轴向孔(23)以及容纳在所述第四轴向孔(23)中的第二柱塞(59)限定，所述第二柱塞(59)是所述阀针(20)的一部分并且所述第二柱塞(59)密封地适配在所述第四轴向孔(23)内部，从而界定所述第二压力室(32)。
2.根据权利要求1所述的燃料阀(1)，其中，所述第三有效压力表面(29)具有致使所述第三力基本上抵消所述附加的第二力的尺寸。
3.根据权利要求2所述的燃料阀(1)，其中，优选地仅当所述阀针提起时，所述第二压力室(32)连接到所述第一压力室(24)或所述第一轴向孔(57)。
4.根据权利要求3所述的燃料阀(1)，其中，所述第二压力室(32)通过所述阀针(20)中的通道(34)连接到所述第一压力室或所述第一轴向孔(57)。
5.根据权利要求4所述的燃料阀(1)，其中，所述通道(34)的第一端(45)通向所述第二压力室(32)，并且所述通道(34)的第二端(46)通向所述第一轴向孔(57)或者通向当所述阀针(20)放置在所述阀座(22)上时所述阀针(20)的表面的与所述阀座(22)接触的部分(42)。
6.根据权利要求5所述的燃料阀(1)，其中，当所述阀针(20)放置在所述阀座(22)上时，所述第二开口(46)是闭合的。
7.根据权利要求6所述的燃料阀(1)，其中，所述部分(42)与当所述阀针(20)放置在所述阀座(22)上时所述阀座(22)的与所述部分(42)接触的表面在所述第二端(46)周围密封接触。
8.根据权利要求1所述的燃料阀(1)，其中，所述第一柱塞(58)是固定不动的并且其中所述第一柱塞(58)密封地适配在所述第三轴向孔(25)内部。
9.根据权利要求1所述的燃料阀(1)，其中，所述第二柱塞(59)是固定不动的并且其中所述第二柱塞(59)密封地适配在所述第四轴向孔(23)内部。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的燃料阀，其中，所述喷嘴(54)设有分布在所述喷嘴(54)的侧面上的多个喷嘴孔(55)，优选地，所述喷嘴孔中的全部或至少大部分紧密地成角度地隔开。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的燃料阀，还包括中空切断轴(40)，所述中空切断轴与所述阀针(20)一致地移动并且轴向可移位地容纳在所述喷嘴(54)中的所述轴向孔(57)中以打开与闭合所述喷嘴孔(55)，所述切断轴(40)优选地设有与所述多个喷嘴孔(55)对应的多个开口，以便在所述中空切断轴的一个位置处将所述喷嘴孔(55)连接到所述中空切断轴(40)的内部并且在所述中空切断轴的另一个位置处将所述喷嘴(55)孔从所述中空切断轴(40)的内部断开连接。
12.根据权利要求1-10中任一项所述的燃料阀，所述阀壳体(10)在其最后端设有头部(14)，以将所述燃料阀(1)固定到大型二冲程自点火内燃发动机的汽缸的汽缸盖。
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