CN107435597B - 具有用于低闪点燃料的燃料喷射系统的内燃机及其燃料阀 - Google Patents

具有用于低闪点燃料的燃料喷射系统的内燃机及其燃料阀 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有用于低闪点燃料的燃料喷射系统的内燃机及其燃料阀。一种大型二冲程涡轮增压式压缩点火十字头型内燃机，包括：多个气缸(1)；用于每个气缸(1)的至少一个增压器(40)，其用于增大燃料压力；用于每个气缸的两个或更多个电子控制燃料阀(50)，其中两个或更多个电子控制燃料阀(50)的入口与至少一个增压器(40)的出口连接；以及电子控制单元(25)，其可操作地连接到至少一个增压器(40)和两个或更多个电子控制燃料阀(50)。电子控制单元(25)被配置为：‑确定燃料喷射事件的开始时间，‑在所确定的开始时间之前激活至少一个增压器，‑在所确定的开始时间打开两个或更多个电子控制燃料阀。

Description

具有用于低闪点燃料的燃料喷射系统的内燃机及其燃料阀
技术领域
本公开涉及具有用于将低闪点燃料喷射到燃烧室中的燃料喷射系统的大型低速运行的二冲程压缩点火十字头型内燃机。
背景技术
大型二冲程单流涡轮增压式压缩点火十字头型内燃机通常用于大型船舶的推进系统或作为发电厂的原动机。绝对的尺寸、重量和功率输出使它们与普通内燃机完全不同，并针对其自身将大型二冲程涡轮增压式压缩点火内燃机归于一类。
十字头型的大型二冲程涡轮增压式压缩点火内燃机通常用于大型船舶的推进系统或作为发电厂的原动机。
大型二冲程压缩点火内燃机通常利用液体燃料(例如，燃料油或重燃料油)运行，但对环境方面的关注增加已经引起向着使用替代型燃料(例如气体、甲醇、煤浆、石油焦等)发展。需求量增加的一组燃料是低燃点燃料。
许多低闪点燃料，如甲醇、乙醇、液化石油气(LPG)、二甲醚(DME)或生物燃料、石脑油、汽油、粗汽油、原油都是相对清洁的燃料，当其用作大型低速单流涡轮增压式二冲程内燃机的燃料时，与例如使用重燃料油作为燃料相比，使得废气中的含硫成分、NOx和CO2水平明显降低。
然而，存在与在大型低速单流涡轮增压式二冲程内燃机中使用低闪点燃料相关的问题。这些问题之一是低闪点，如果低闪点燃料泄漏到内燃机的其它系统之一(例如，润滑油系统)并与另一种流体混合，则低闪点会引起显著问题。低闪点燃料本身易于点燃，其蒸汽容易形成爆炸性混合物。因此，如果低闪点发现进入内燃机的另一系统的路径，则出于安全原因必须要停止内燃机操作并且清洁或更换该系统中的所有液体，这对于内燃机的操作者来说是成本高且难处理的事情。
燃料喷射的定时高度影响柴油机(压缩点火内燃机)中的燃烧压力，因此需要非常精确地控制压缩点火内燃机中的燃料喷射的定时。
本领域中已知的是提供具有共轨型系统的大型二冲程压缩点火内燃机，该系统以通常数百巴(bar)的所需喷射压力(取决于气体类型和内燃机需求)储存并分配气体，其中蓄能器靠近燃料阀。共轨型系统与每个气缸的气缸盖中的两个或三个燃料喷射阀连接。燃料喷射阀是电子控制的，并且通过电子地(信号产生在电子控制单元中，但是到燃料阀的实际信号通常是液压信号，即电子信号在电子控制单元和燃料阀之间被转换成液压信号)控制燃料喷射阀打开的时间(相对于内燃机循环)对燃料喷射进行定时。
在一次喷射事件中进入气缸的燃料量通过从燃料阀打开至燃料阀关闭的时间间隔的长度进行电子控制。为了确保安全并防止不合时的喷射和/或不受限的喷射，在蓄能器和燃料阀之间设置所谓的窗口阀。因此，当例如燃料阀被卡在其打开位置时能够喷射的燃料的最大量是在窗口阀和燃料阀之间的系统中存在的燃料气体的量，这相对较少因此是安全的量。
用于大型二冲程压缩点火内燃机的已知共轨型气态燃料供给系统在基于LPG或具有相对高的压缩性的任何其它类似的低闪点燃料运行时具有缺点。LPG的注射压力需要高达600巴，这意味着包括所有阀、蓄能器、管道等在内的共轨系统需要针对该高压设计。此外，具有窗口阀的安全性概念不太适用于像LPG这样的致密气体，因为首先，窗口阀和燃料阀之间的气体通道需要具有非常小的体积，其次，由于关闭窗口阀而引起的高频振荡，导致确保泄漏检测所必需的对气体通道压力的监测非常困难。
使用增压泵和用于喷射液化气体(例如，LPG)的燃料压力受控制的燃料阀也是本领域已知的。该概念具有与之相关的问题，即LPG的可压缩性相当大并且取决于压力、温度和气体组成。因此，增压器的致动与实际气体喷射之间的延迟取决于这些参数，这将使得内燃机控制，即喷射量，特别是喷射定时非常困难。这是一个显著问题，因为喷射定时在压缩点火内燃机中至关重要。
因此，需要提供一种用于LPG和类似的低闪点燃料的燃料供应系统，其安全、便宜并且提供了对进入气缸的燃料的定时的准确控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种克服或至少减少上述问题的大型二冲程涡轮增压式压缩点火十字头型内燃机。
上述和其它目的通过独立权利要求的特征来实现。从从属权利要求、说明书和附图中，进一步的实现形式是显而易见的。
根据第一方面，提供了一种大型二冲程涡轮增压式压缩点火十字头型内燃机，包括：
多个气缸；
用于每个气缸的至少一个增压器，所述至少一个增压器用于增大燃料压力；
用于每个气缸的两个或更多个电子控制燃料阀，其中所述两个或更多个电子控制燃料阀的入口与所述至少一个增压器的出口连接；以及
电子控制单元，其可操作地连接到所述至少一个增压器和所述两个或更多个电子控制燃料阀，所述电子控制单元被配置为：
-确定燃料喷射事件的开始时间，
-在所确定的开始时间之前启动所述至少一个增压器，
-在所确定的启动时间打开所述两个或更多个电子控制燃料阀。
通过提供一种具有增压器的燃料供应系统，所述增压器从在内燃机循环中充分地在燃料喷射事件的最早可行的开始之前的时刻增大输送到燃料阀的压力，直到结合燃料阀的燃料喷射事件的最迟可行的结束，其中燃料阀的打开和关闭是电子控制的而与供应燃料的压力无关，燃料供应系统能够具有以下优点：
-不需要大型气体储器，
-不需要在过去已经引起了很多问题的窗口阀，
-能够准确控制喷射定时和持续时间；
-不需要大型气体储器，
-通过监控增压器压力容易获得用于泄漏的GI喷射阀的在线检查，
-能够在液压侧测量增压器压力，这比在燃料侧更简单且更容易，
-尽管有源自共轨的喷射阀，仍然可以进行喷射压力控制和调整，
-在燃料阀泄漏的情况下，没有气体被携带到供气侧中。
根据第一方面的第一可行实现方式，电子控制单元被配置为针对每个内燃机循环确定用于所述多个气缸中的每个气缸的所述开始时间。
根据第一方面的第二可行实现方式，电子控制单元被配置为在所确定的开始时间之前启动所述至少一个增压器达由所述电子控制单元确定的时间长度。
根据第一方面的第三可行实现方式，电子控制单元被配置为使用固定的时间长度、从存储在所述电子控制单元中的查找表获得的时间长度或由所述电子控制单元使用存储在所述电子控制单元中的算法确定的时间长度。
根据第一方面的第四可行实现方式，所述电子控制燃料阀的打开和关闭由来自所述电子控制单元的控制信号控制。
根据第一方面的第五可行实现方式，所述电子控制燃料阀的打开和关闭与供应到电子控制燃料阀的燃料的压力无关。
根据第一方面的第六可行实现方式，电子控制单元被配置为确定燃料喷射事件的持续时间，并且其中电子控制单元被配置为在所述持续时间结束时关闭所述至少两个电子控制燃料阀并被配置为在所述持续时间结束时停用所述至少一个增压器。
根据第一方面的第七可行实现方式，每个燃料阀包括长形阀壳体，并且其中所述增压器布置在所述长形阀壳体内。
根据第一方面的第八可行实现方式，增压器包括：容纳在所述阀壳体中的第一孔中的泵活塞(80)，在所述第一孔中在所述泵活塞的一侧具有泵室；以及容纳在所述阀壳体中的第二孔中的致动活塞，在所述第二孔(84)中在所述致动活塞的一侧具有致动室，其中，所述泵活塞与所述致动活塞连接以与其一致地移动，所述致动室与致动流体端口连接，所述泵室具有与所述燃料阀的喷嘴的喷嘴孔流体连接的出口。
根据第一方面的第九可行实现方式，燃料阀设置有阀针，其控制燃料向所述燃料阀的喷嘴的喷嘴孔的流动，所述阀针的位置优选地由控制信号而非由燃料压力控制。
根据第一方面的第十可行实现方式，增压器和所述燃料阀适于基于低闪点燃料运行，所述低闪点燃料优选为比燃料油更可压缩的低闪点燃料。
根据第一方面的第十一可行实现方式，内燃机还包括用于将密封液供应到增压器的孔和可滑动地容纳在增压器的所述孔中的泵活塞之间的间隙的管道。
根据第一方面的第十二可行实现方式，内燃机还包括用于将密封液供应到燃料阀的孔和可滑动地容纳在燃料阀的所述孔中的阀针之间的间隙的管道。
根据第二方面，提供了一种用于将低闪点液体燃料喷射到大型低速运行二冲程涡轮增压式自燃式内燃机的燃烧室中的燃料阀，所述燃料阀包括：
具有后端和前端的长形燃料阀壳体；
具有多个喷嘴孔的喷嘴，所述喷嘴布置在所述长形阀壳体的前端；
所述长形阀壳体中的燃料入口，用于连接到加压液体低闪点燃料源；
所述长形燃料阀壳体中的致动流体端口，用于连接到致动流体源；
可滑动地容纳在所述燃料阀中的纵向孔中的可轴向移位的阀针，所述阀针具有关闭位置和打开位置，并且所述阀针朝向所述关闭位置偏置，其中，当所述阀针处于其打开位置时，所述阀针允许燃料从燃料腔流向所述多个喷嘴孔，并且当所述阀针处于其关闭位置时，所述阀针防止燃料从所述燃料腔流向所述多个喷嘴孔，所述阀针可操作地连接到阀针致动活塞，其中所述致动活塞的压力表面面向所述燃料阀中的阀针致动室，所述阀针致动室与所述燃料阀中的阀针致动流体端口流体连接；
容纳在所述阀壳体中的第一孔中的泵活塞，在所述第一孔中在所述泵活塞的一侧具有泵室；以及
容纳在所述阀壳体中的第二孔中的致动活塞，在所述第二孔(84)中在所述致动活塞的一侧具有致动室，所述泵活塞与所述致动活塞连接以与其一致地移动；
其中，所述致动室与致动流体端口连接，
所述泵室具有与所述燃料腔流体连接的出口和与所述燃料入口流体连接的入口。
通过提供具有增压器和阀针的燃料阀(其中阀针的提起由致动压力而非燃料压力控制)，产生了能够处理比普通燃料油更可压缩的低闪点燃料的燃料阀，而不需要共轨系统。
根据第二方面的第一可行实现方式，燃料阀包括：用于连接到加压密封液源的密封液入口；和将所述密封液入口(70)连接到所述第一孔以用于密封所述第一孔中的所述泵活塞的管道。
根据第二方面的第二可行实现方式，燃料阀还包括将所述密封液入口连接到所述纵向孔以用于密封所述纵向孔中的所述阀针的管道。
根据第二方面的第三可行实现方式，所述泵活塞(80)的有效压力面积小于所述致动活塞的有效压力面积。
根据第二方面的第四可行实现方式，喷嘴是固定到所述长形阀壳体的前端的喷嘴主体的一部分。
根据第二方面的第五可行实现方式，入口位于所述泵活塞中。
根据第二方面的第六可行实现方式，在所述入口中设置有第一单向阀，所述第一单向阀被配置为允许低闪点燃料通过所述入口流入所述泵室并防止从所述泵室流入所述入口。
根据第二方面的第七可行实现方式，所述泵室的出口通过一个或多个燃料通道连接到所述燃料腔。
根据第二方面的第八可行实现方式，在所述一个或多个燃料通道中设置有第二单向阀，所述第二单向阀被配置为允许低闪点燃料从所述泵室流向所述燃料腔，并防止从所述燃料腔流向所述泵室。
根据第二方面的第九可行实施方式，所述阀针在所述关闭位置靠在阀座上，并且所述阀针在所述打开位置从所述阀座提起。
根据第三方面，提供了一种用于将低闪点液体燃料喷射到大型低速运行二冲程涡轮增压式自燃式内燃机的燃烧室中的燃料阀，所述燃料阀包括：
具有后端和前端的长形燃料阀壳体；
具有多个喷嘴孔的喷嘴，所述喷嘴布置在所述长形阀壳体的前端；
所述长形燃料阀壳体中的燃料入口，用于连接到加压液体低闪点燃料源；
所述长形燃料阀壳体中的致动流体端口，用于连接到致动流体源；
可滑动地容纳在所述燃料阀中的纵向孔中的可轴向移位的阀针，所述阀针具有关闭位置和打开位置，并且所述阀针朝向所述关闭位置偏置，当所述阀针处于其打开位置时，所述阀针允许燃料从燃料腔流向所述多个喷嘴孔，并且当所述阀针处于其关闭位置时，所述阀针防止燃料从所述燃料腔流向所述多个喷嘴孔(56)；
容纳在所述阀壳体中的第一孔中的泵活塞，在所述第一孔中在所述泵活塞的一侧具有泵室；
容纳在所述阀壳体中的第二孔中的致动活塞，在所述第二孔中在所述致动活塞的一侧具有致动室，所述泵活塞与所述致动活塞连接以与其一致地移动，其中，所述致动室与致动流体端口连接，所述泵室具有与所述燃料腔流体连接的出口和与所述燃料入口流体连接的入口；
密封液入口，用于连接到加压密封液源；
将所述密封液入口连接到所述第一孔以用于密封所述第一孔中的所述泵活塞的管道；
在沿所述纵向孔的长度的第一位置处将所述密封液入口连接到所述纵向孔以用于密封所述纵向孔中的所述阀针的管道；
在沿所述纵向孔的长度的第二位置处将所述低闪点燃料供应端口连接到所述纵向孔的管道，所述第二位置比所述第一位置更靠近所述燃料腔。
通过在第二位置(比所述密封液的第一位置更靠近所述燃料腔的位置)处设置将低闪点燃料供应端口连接到所述纵向孔的管道，高密封油不必抵抗数百巴的增大的燃料压力(喷射压力)进行密封(这将需要更高的密封液压力)。反而，允许燃料以明显低于喷射压力的压力泄漏回燃料供应系统。因此，通过与燃料供应端口的连接，阀针与纵向孔之间的间隙中的高压燃料区域被削弱，而且密封液仅需要抵抗低得多的燃料供给压力进行密封。
根据第三方面的第一可行实现方式，所述阀针在所述关闭位置靠在阀座上，并且所述阀针在所述打开位置从所述阀座提起。
根据第三方面的第二可行实现方式，喷嘴具有固定到所述长形阀壳体的前端的喷嘴主体。
根据第三方面的第三种可能的实现方式，阀座位于所述喷嘴的尖端中。
根据第三方面的第四可行实现方式，纵向孔至少部分地形成在所述喷嘴主体中。
根据第三方面的第五种可能的实现方式，所述阀针的提起由燃料压力控制。
本发明的这些和其它方面将从下面描述的实施方式中显而易见。
附图说明
在本公开的以下详细部分中，将参考附图中示出的示例性实施方式更详细地解释本发明，其中：
图1是根据示例性实施方式的大型二冲程柴油机的立视正视图，
图2是图1的大型二冲程内燃机的立视侧视图，
图3是根据图1的大型二冲程内燃机的示意图，
图4是用于将低闪点燃料喷射到图1和图2的内燃机中的燃料喷射系统的示意图，
图5是根据实施方式的燃料阀的立视图，
图6至图9是图5的燃料阀的截面图，
图10示出了图5的燃料阀的替选喷嘴，以及
图11是示出将低闪点燃料喷射到图1和图2的内燃机中的方法的流程图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，将在示例性实施方式中参考具有十字头的大型二冲程低速涡轮增压式压缩点火内燃机来描述内燃机，但是应当理解，内燃机可以是另一种类型，例如具有或不具有涡轮增压、具有或不具有废气再循环的二冲程奥托型、四冲程奥托型或柴油型。
图1、图2和图3示出了具有曲轴8和十字头9的大型低速涡轮增压式二冲程柴油内燃机。图3示出了具有进气系统和排气系统的大型低速涡轮增压式二冲程柴油内燃机的示意图。在该示例性实施方式中，内燃机具有成行的六个气缸。大型低速涡轮增压式二冲程柴油内燃机通常具有成行的四个气缸到十四个气缸，所述气缸由内燃机机架11承载的气缸架23承载。该内燃机可以例如用作海洋船舶中的主内燃机或用作用于运行发电厂中的发电机的固定内燃机。内燃机的总输出可以例如在1,000kW至110,000kW的范围内。
在该示例性实施方式中，内燃机是二冲程单流型压缩点火内燃机，具有在气缸衬套1的下部区域处的扫气口18和在气缸衬套1的顶部处的中央排气阀4。扫气从扫气容器2被传送到各个气缸1的扫气口18。气缸衬套1中的活塞10压缩扫气，通过气缸盖22中的燃料阀50喷射燃料，接着发生燃烧并产生废气。
当排气阀4打开时，排气通过与气缸1相连的排气管道流入排气容器3并且通过第一排气管道19前往涡轮增压器5的涡轮6，排气通过第二排气管道从涡轮6离开，经过节能器20流到出口21并进入大气中。涡轮6通过轴驱动经由空气入口12供应新鲜空气的压缩机7。压缩机7将加压扫气输送到通向扫气容器2的扫气管道13中。扫气管道13中的扫气经过用于冷却扫气的中间冷却器14。
经冷却的扫气经过由电动机17驱动的辅助鼓风机16，其在涡轮增压器5的压缩机7不能为扫气容器2输送足够的压力时，即在内燃机低负荷或部分负荷条件下对扫气流加压。在较高的内燃机负荷下，涡轮增压器压缩机7输送足够的经压缩扫气，则经由止回阀15绕过辅助鼓风机16。
内燃机采用低闪点燃料(例如，LPG、甲醇或石脑油)运行，并且由低闪点燃料供应系统30在基本稳定的压力和温度下以液体或超临界形式供应。然而，根据低闪点燃料供应系统的细节和所供应的气体类型，温度和压力的微小变化是不可避免的。此外，也可能发生低闪点燃料的组成的微小变化。
低闪点燃料供应系统30经由供应管道31在相对低的供应压力(例如8至100巴压力)下向燃料喷射阀50供应低闪点燃料。
图4是示出经由供应管道31接收低闪点燃料的燃料喷射系统的图。燃料喷射系统包括用于将燃料加压到喷射压力的增压器40。增压器40在第一控制阀41的控制下被液压致动，且燃料阀50在第二控制阀45的控制下被液压致动。
图4中的图示出了用于单个气缸1的燃料喷射系统，具有一个增压器40和三个燃料喷射阀50。替代三个，每个气缸1也可以有两个燃料阀50。每个气缸1将需要供应两个或三个燃料阀50的增压器40。
增压器40包括连接到较小直径柱塞的大直径柱塞以与其一致地移动。大直径柱塞和小直径柱塞容纳在增压器40的壳体中的相应的匹配孔中。大直径柱塞面向致动室，该致动室在第一控制阀41的控制下被供应有高压液压流体或储罐。
小直径柱塞面向泵室，该泵室通过单向阀连接到燃料供应管线31并连接到用于将高压燃料输送到燃料阀50的高压燃料供应管线35。单向阀阻止燃料从高压燃料供应管线35回流到泵室。当致动室连接到储罐时，供应管线31中的燃料的压力足以使增压器40进行回流冲程。位置传感器34感测大直径柱塞和小直径柱塞的位置。诸如密封油的密封液被供应到大直径活塞和容纳其的孔之间的间隙，以防止燃料泄漏到压力室中并与液压流体混合。压力传感器36感测高压燃料供给管线35中的压力。
在本实施方式中，第一控制阀41包括优选成比例的第一液压控制的三向阀42。第一三向阀42经由致动管道44连接到致动室，并连接到高压液压流体源和储罐。第一三向阀42被配置为将致动室选择性地连接到储罐或高压液压流体源。由于第一液压控制的三向阀42在实施方式中是比例阀，其能够在到高压液压流体源和储罐的连接之间呈现任何中间位置。第一三向阀42的位置由第一较小二向阀43控制，并且第一较小二向阀43的位置被电子控制。第一较小二向阀43经由第一信号线缆26连接到电子控制单元25。在实施方式中，第一控制阀41由单独的电子控制单元控制，该电子控制单元主要用于维护安全性，并将会在已检测到安全问题(例如气体泄漏)时停用增压器。可替选地，第一控制阀连接到由内燃机安全系统控制的高压液压流体源。
高压燃料供应管线35被分成三条高压燃料供应管线35-1、35-2、35-3，即每一条高压燃料供应管线用于向每个燃料阀50供应高压低闪点燃料。在每个气缸具有两个燃料阀50的实施方式中，高压燃料供应管线35将分成两条管线。
每个燃料阀50通过密封油供应管线37连接到密封油供应源且与密封油回流管线连接。在实施方式中，通过燃料阀50的流动密封油相对大，使得密封油也用作燃料阀50的冷却介质。
每个燃料阀50连接到燃料阀致动信号管道48。燃料阀致动信号管道48中的压力由第二控制阀45控制，第二控制阀45在实施方式中包括第二液压控制的比例三向阀46和第二较小电子控制二向阀47。第二液压控制的三向阀46优选地是比例阀，并且构造成将致动信号管道48连接到高压液压流体源或储罐。由于第二液压控制的三向阀46在实施方式中是比例阀，所以它能够在到高压液压流体源和储罐的连接之间呈现任何中间位置。第二三向阀46的位置由第二较小二向阀47控制，而第二较小二向阀47的位置被电子控制。第二较小二向阀47经由第三信号线缆28连接到电子控制单元25。电子控制单元25经由第二信号线缆27被通知第二三向阀46的位置。
电子控制单元25通过图4中示出为虚线的信号线缆接收来自多个传感器的信号。来自多个传感器的信号包括，例如，吹扫压力和温度、排气压力和温度以及曲轴角度和速度；但是应注意，该列表并不详尽并且将取决于内燃机的构造，例如其是否包括排气再循环、其是否包括涡轮增压器等。电子控制单元25控制燃料喷射阀50，即电子控制单元确定燃料阀31何时打开并确定打开时间的持续时间。电子控制单元25还控制增压器40的操作。
燃料喷射的定时高度影响大型二冲程涡轮增压式柴油机(压缩点火内燃机)中的燃烧压力。燃料阀50相对于曲轴角度或相对于内燃机循环的打开定时很大程度上决定燃烧压力。燃料阀50的打开持续时间决定了进入气缸1的燃料量，其中持续时间增加导致进入气缸1的燃料量增加。
电子控制单元25被配置为通过经由第三信号线缆28到控制阀45的电子信号来控制燃料阀的打开定时。在接收到信号时，电子控制阀切换位置并将致动信号管道48连接到高压液压流体源。致动信号管道48中的高压打开燃料阀50。
为了确保在燃料阀50打开时具有足够的喷射压力的燃料准备被喷射，电子控制单元25在打开燃料阀50之前启动增压器40。增压器40的预先启动对于在相对可压缩的低闪点燃料中增强压力是必要的。电子控制单元25可以被配置为在将燃料阀55打开固定的预定时长(例如从测试运行获得)之前启动增压器40，或电子控制单元25可以被配置为使用存储在电子控制单元25中的算法来确定启动增压器40和打开燃料阀50之间的适当时间。在实施方式中，算法可以将例如内燃机负荷、内燃机转速和燃料特性考虑在内。
通过及时启动增压器40，在电子控制单元25指示燃料阀50打开之前，高压供应管线35-1、35-2和35-3中的压力被增强到几百巴(可以多达600巴)的适当喷射压力。
电子控制单元25被配置为基于多个参数(例如，内燃机负荷、内燃机转速和燃料特性)来确定燃料阀的打开持续时间，并且当已经达到喷射事件所需的持续时间时，电子控制单元关闭燃料阀50。同时，电子控制单元25指示增压器40进行回流冲程，即通过指示第一控制阀41将致动室连接到储罐而重新填充泵室并将致动室耗空，由此燃料供应管线31中的压力使增压器40进行用燃料填充泵室的回流冲程，并且排空致动室的液压流体。
在上述实施方式中，增压器40和燃料阀50是单独的物理单元。在实施方式中，增压器40是燃料阀50的集成部分。
具有这种集成式增压器的燃料阀50的实施方式在图5至图9中示出。
图5是具有长形阀壳体52的燃料阀50的立体图，喷嘴54固定到长形阀壳体52的前端。喷嘴54设置有多个喷嘴孔56，用于产生到燃烧室的燃料喷射。喷嘴54可移除地固定到长形阀壳体52，使得如果喷嘴54将失效或磨损，则能够容易地更换。
图6、图7、图8和图9示出了燃料阀50的不同截面图。燃料阀50包括长形阀壳体52，其具有最后端和在其前端的喷嘴54。喷嘴54是附接到阀壳体52的前端的单独主体。阀壳体52的最后端设置有多个端口，包括控制端口86、致动流体端口78和气体泄漏检测端口(未示出)。当燃料阀50安装在气缸盖中时，最后端被扩大以形成从气缸盖突出的头部。在本实施方式中，燃料阀50围绕中央排气阀4放置，即相对靠近气缸衬套的壁。长形阀壳体52和燃料喷射阀50的其它部件以及喷嘴在实施方式中由钢(例如，工具钢或不锈钢)制成。
喷嘴54设置有喷嘴孔，其连接到喷嘴54中的内部，并且喷嘴孔沿不同方向布置，从而将燃料分配在燃烧室中。喷嘴孔由于燃料阀50在气缸盖中所处的位置而远离相对在附近的气缸衬套定向。喷嘴孔布置在喷嘴54的尖端56中。此外，喷嘴孔被定向成使得它们处于与燃烧室中扫气由于扫气口的构造而打旋(该打旋是单流型大型二冲程涡轮增压式内燃机的众所周知的特征)的方向大致相同的方向。
喷嘴54连接到阀壳体52的前端，该阀壳体52套筒57，该套筒57固定并围绕喷嘴主体55的一部分，围绕中间部分53并围绕长形阀壳体52的远端部分。喷嘴主体55设置有纵向孔，阀针61容纳在该纵向孔中。在纵向孔的最靠近尖端56的部分中，纵向孔的直径大于阀针61的直径。纵向孔与阀针61之间的空间形成燃料腔58。纵向孔的中间部分与阀针61具有非常小的间隙。喷嘴主体55中的纵向孔的与喷嘴54的尖端56最远的部分具有与阀针61的扩大直径部分匹配的扩大直径。阀针61的扩大直径部分形成阀针致动活塞62，其中阀针致动活塞62的压力表面朝向喷嘴54中的阀针致动室88。阀针致动室88通过控制管道87流体连接到控制端口86。
纵向孔的扩大直径部分与中间部分53中的弹簧室96对准。弹簧室96与长形阀壳体52中的纵向孔对准。长形阀壳体52中的纵向孔的最靠近长形阀壳体52的远端的远端部分具有与弹簧室96的直径对应的直径。螺旋线弹簧68在长形阀壳体52中的纵向孔的远端部分与阀针61的扩大的直径部分62之间延伸。阀针61通过预张紧的螺旋弹簧68被弹性地朝其关闭位置偏置。螺旋弹簧68是螺旋线弹簧，其被容纳在长形燃料阀壳体52中的弹簧室96中。螺旋线弹簧68将阀针61朝向喷嘴54的尖端56偏置到其关闭位置。在阀针61的关闭位置，阀针61的优选锥形的尖端与喷嘴54内部的尖端56中的优选锥形座63抵接并且关闭燃料腔58和喷嘴孔之间的流体连接。当阀针61提起时，即当阀针61被迫抵抗螺旋弹簧68的偏置而朝向燃料阀50的近端时，燃料腔58和喷嘴孔之间的流体连接得以建立。当阀针致动室88被加压时，阀针61得以提起。
弹簧引导件69在弹簧室96中同心地延伸，用于引导螺旋弹簧68。弹簧引导件69的近端被密封地容纳在长形阀壳体52中的纵向孔中。
可轴向移位的阀针61以狭窄的间隙可滑动地容纳在喷嘴主体55的纵向孔中，而在可轴向移位的阀针61与纵向孔之间的润滑是关键的。对此，加压密封液经由管道(通道)93被输送到纵向孔和阀针之间的间隙。通道93将阀针61和纵向孔之间的间隙连接到密封液入口70，密封液入口70进而也可以连接到加压密封液源。间隙和通道93之间的连接包括阀针61中的连接到阀针61中的轴向孔97(其通过形成阀针致动活塞62的扩大直径部分一直延伸到弹簧室96)(图8)的横向孔99(图8)。通道93连接到弹簧室96，并向弹簧室96提供加压密封液。为了允许密封液大量流过弹簧室96使得密封液可以用作冷却介质，弹簧室96通过孔连接到密封液出口95。密封液防止低闪点燃料通过阀针61和轴向孔之间的间隙泄漏，并向燃料阀50提供冷却。此外，优选为油的密封液提供阀针61和纵向孔之间的润滑。
长形阀壳体52设置有用于例如经由低闪点液体燃料供应管道31连接到加压低闪点液体燃料源60的燃料入口76。燃料入口76经由泵活塞80中的管道73和单向阀89连接到阀壳体52中的泵室82。单向阀89(吸入阀)在管道73的入口71处设置在泵活塞80中。单向阀89是弹簧加载的提起阀，其确保液体低闪点燃料能够通过管道73从燃料入口76流到泵室82，但不能沿相反方向流动。泵活塞80中的管道73和长形壳体52中的燃料入口76之间的流体连接通过泵活塞80中的后退区域74建立，该后退区域74沿轴向与长形壳体52中的形成燃料入口76的孔重叠。
泵活塞80可滑动地并密封地容纳在长形燃料阀壳体52中的第一孔81中，其中泵室82在第一孔81中位于泵活塞80的一侧。致动活塞83可滑动并密封地容纳在阀壳体52中的第二孔84中，其中致动室85在第二孔84中位于致动活塞83的一侧。泵活塞80连接到致动活塞83以一致地运动，即泵活塞80与致动活塞83能够在它们各自的孔81、84中一致地滑动。在本实施方式中，泵活塞80和致动活塞83形成为一体。然而，应注意，泵活塞80和致动活塞83可以是单独的互连体。
致动室85流体地连接到致动流体端口78。第一控制阀41控制加压致动液体向和从致动流体端口78流动，从而向和从致动室85流动。
在喷射事件开始之前的提前时间，电子控制单元25命令第一控制阀41允许高压致动液体进入致动室85。此时，致动活塞83和泵活塞80组合处于图6所示位置。致动室85中的加压致动液体作用在致动活塞83上，从而产生将泵活塞80推入泵室82的力。因此，泵室82中的低闪点液体燃料的压力增加。在实施方式中，致动活塞83的直径大于泵活塞80的直径，因此泵室82中的压力将相应地高于致动室85中的压力，并且致动活塞83和泵活塞80的组合用作增压器。
一个或多个燃料通道79将泵室82流体地连接到燃料腔58，从而与位于燃料腔58底部的阀座流体连接。单向阀90位于燃料通道79和泵室82之间。泵室82的出口66连接到单向阀90的入口。单向阀90包括可滑动地容纳在长形阀壳体52中的轴向孔中的阀构件，并且阀构件被弹性地朝其阀座，即朝其关闭位置偏置，并防止燃料从燃料通道79回流到泵室82中。如图7所示，致动室85中的加压流体将使得致动活塞83和泵活塞80向下(如图6至图9所示向下)移动。在短的压缩阶段之后，泵室82中的压力将是泵活塞80的有效压力面积与致动活塞83的有效压力面积之比与致动室85中的压力的乘积。此时，致动室85中的压力将基本上等于高压流体源的压力。在例如2.5:1的有效压力面积比以及液压系统的供给压力为200巴下，泵室中的燃料的压力在压缩阶段结束时约为500巴。因此，致动活塞83和泵活塞80的组合充当增压器。
电子控制单元25在燃料喷射开始之前对致动腔室85加压提前时间，该提前时间足以确保泵室82中的压力已达到所需的喷射压力，例如500巴。电子控制单元25确定阀针61何时需要提起，因此确定燃料喷射何时开始。阀针61被构造成沿远离喷嘴54的方向移动以获得提起，并朝向喷嘴54移动以减小提起。当阀致动室88被加压时，阀针61得以提起。在内燃机循环中燃料喷射必须开始的时刻，电子控制单元25指示第二控制阀45将燃料阀致动信号管道48连接到高压液压流体源。燃料阀致动信号管道48连接到控制端口86，并且高压流体经由控制管道87到达阀致动室88。当阀针61从其阀座提起时，允许低闪点液体燃料从燃料腔58通过喷嘴孔流入燃烧室。
电子控制单元25通过指示第二控制阀45将阀致动室88连接到储罐而结束喷射事件，并且随即阀针61返回到其阀座并防止进一步注入燃料。同时或不久后，电子控制单元25指示第一控制阀41将致动室85连接到储罐。泵室82连接到加压的低闪点燃料源30，并且经由单向阀89流入的低闪点液体燃料的供应压力驱使致动活塞83进入致动室85直到其到达如图6中所示位置，其中泵室82完全充满低闪点液体燃料，使得燃料阀50准备好进行下一次喷射事件。图8示出了在接近喷射事件结束时泵活塞80和致动位置83的位置，其中耗尽了泵室82的大部分低闪点燃料。
低闪点燃料的喷射事件由电子控制单元25通过阀针61的提起的定时和持续时间来控制。电子控制单元还可以通过调节供应到致动室85的压力来控制喷射事件从而进行速率调整。
燃料阀50设置有用于连接到加压密封液源的密封液入口70，并且设置有从密封液入口70延伸到第一孔81的孔94，用于密封第一孔81中的泵活塞80，从而防止泵室82中的高压燃料泄漏到致动活塞83下方的空间中。在一个实施方式中，密封液源的压力至少与在喷射事件期间泵室82中的最大压力一样高。在另一个实施方式中，密封液源的压力至少与低闪点燃料的供应压力一样高。
通过横向孔99被提供到纵向孔和阀针61之间的间隙的密封液仅需要抵抗燃料的供应压力来密封，因为燃料入口76连接到低压燃料管道98，该低压燃料管道98从燃料入口76通过长形阀壳体52、通过中间部分53延伸入喷嘴主体55并延伸到可滑动地容纳阀针61的纵向孔。低压燃料管道98连接到纵向孔的位置轴向地位于燃料通道79连接到纵向孔的位置和横向孔99连接到纵向孔的位置之间。因此，在喷射事件期间，从高压燃料腔58通过纵向孔和阀针61之间的间隙向上(如图6至9中所示向上)泄漏的任何低闪点燃料，当其到达低压燃料管道98连接到纵向孔的位置时，将使其压力降低为远小于燃料进料压力。因此，燃料管道98中的低压“削弱”阀针61与纵向孔之间的间隙中的燃料压力，因此来自横向孔99的密封液只需要抵抗低闪点燃料的进料压力而非抵抗喷射压力来进行密封。因此，密封油的压力仅需要略微高于低闪点燃料的进料压力，并且不需要与燃料的喷射压力一样高或高于燃料的喷射压力。
图10示出了与上述参考图5至图9所述的燃料阀50一起使用的喷嘴54的替选类型。在该实施方式中，喷嘴54是所谓的滑块型，其中阀座63设置在与喷嘴54的尖端56相距一定距离处，并且喷嘴的尖端56在本实施方式中是封闭的，即尖端56不具有任何喷嘴孔。反而，喷嘴孔沿着喷嘴的长度布置，从靠近尖端56的位置开始向上(如图10中的方向向上)。阀针61设置有与阀座63配合的锥形部和从阀针61的锥形部朝向阀针61的尖端延伸的滑块部。这种类型的具有封闭尖端和阀针61的在喷嘴54内朝向尖端56延伸的滑块的喷嘴是本领域公知的，因此将不再详细描述。
图11是示出用于将低闪点燃料喷射到大型二冲程压缩点火内燃机的燃烧室中的方法的流程图。
在方法开始时，在块101，例如通过内燃机的电子控制单元25确定下一个燃料喷射事件的开始时间和持续时间。电子控制单元25基于各种信号(例如，内燃机负荷、内燃机转速、吹扫压力和燃料特性)来确定喷射的开始时间和持续时间。
此后，在块102，在燃料喷射事件的计划开始时间之前，例如，通过从电子控制单元25到第一控制阀41的信号以改变位置来启动增压器40，从而使得增压器40有时间在泵室中在相对可压缩的低闪点燃料中建立压力。第一控制阀41的位置改变使得增压器40的致动室针对其被加压，从而对增压器40的泵室中的低闪点燃料加压。
接下来，在块103，燃料阀50在所确定的燃料喷射事件的开始时间打开。该步骤可以通过电子控制单元25向第二控制阀45发送信号以改变位置来实现，从而使阀针致动室88被加压，从而提起阀针61。
当已达到所确定的燃料喷射事件的持续时间时，在块104，关闭燃料阀50。此时，电子控制单元25向第二控制阀45发出信号以返回到阀针致动室88连接到储罐的位置，使得阀针61返回到其阀座。
同时或不久后，在块105，电子控制单元25向第一控制阀41发出信号以将增压器42的致动室连接到储罐，使得增压器40进行回流冲程，从而用低闪点燃料重新填充泵室82。
随即，喷射事件已经完成，并且该方法循环回到块101。
上述信号线缆可以用无线连接来代替。在电子控制单元的控制下的阀针61的致动可以以其它方式(例如用作用在阀针61上的电动致动器)而非液压控制信号来实现。
本发明的概念不限于高压缩性燃料，也不限于低闪点燃料。实际上，当燃料的高压缩性不允许阀针打开喷射压力控制阀针本身的提起时，该概念可以提供最大的优点。
已经结合本文的多个实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员在实施所要求保护的本发明时，根据对附图、公开内容和所附权利要求书的研究，可以理解和实现对所公开的实施方式的其它变化。在权利要求中，术语“包括”并不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的简单事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中使用的附图标记不应被解释为对范围的限制。

Claims (12)

1.一种大型二冲程涡轮增压式压缩点火十字头型内燃机，包括：
多个气缸(1)；
用于每个气缸(1)的至少一个增压器(40)，所述至少一个增压器(40)用于增大燃料压力；
用于每个气缸(1)的两个或更多个电子控制燃料阀(50)，其中所述两个或更多个电子控制燃料阀(50)的入口与所述至少一个增压器(40)的出口连接；以及
电子控制单元(25)，所述电子控制单元(25)可操作地连接到所述至少一个增压器(40)和所述两个或更多个电子控制燃料阀(50)，所述电子控制单元(25)被配置为：
-确定燃料喷射事件的开始时间，
-确定提前时间的长度，
-在比所确定的开始时间早了提前时间而启动所述至少一个增压器(40)，由此比所述开始时间早了所述确定长度的提前时间而对所述两个或更多个电子控制燃料阀(50)加压，
-在所确定的开始时间打开所述两个或更多个电子控制燃料阀(50)。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述电子控制单元(25)被配置为针对每个内燃机循环确定用于所述多个气缸(1)中的每个气缸(1)的所述开始时间。
3.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述电子控制单元(25)被配置为使用固定长度的提前时间、从存储在所述电子控制单元(25)中的查找表获得的提前时间长度、或由所述电子控制单元(25)利用存储在所述电子控制单元(25)中的算法确定的提前时间长度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的内燃机，其中，所述电子控制燃料阀(50)的打开和关闭受来自所述电子控制单元(50)的控制信号的控制。
5.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述电子控制燃料阀(50)的打开和关闭与供应到所述电子控制燃料阀(50)的燃料的压力无关。
6.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述电子控制单元(25)被配置为确定燃料喷射事件的持续时间，并且其中所述电子控制单元(25)被配置为在所述持续时间结束时关闭所述至少两个电子控制燃料阀(50)并被配置为在所述持续时间结束时停用所述至少一个增压器(40)。
7.根据权利要求1所述的内燃机，其中每个燃料阀(50)包括长形阀壳体(52)，并且其中所述增压器(40)布置在所述长形阀壳体(52)内。
8.根据权利要求7所述的内燃机，其中所述增压器包括：泵活塞(80)，所述泵活塞(40)容纳在所述阀壳体中的第一孔(81)中，在所述第一孔(81)中在所述泵活塞(80)的一侧具有泵室(82)；以及致动活塞(83)，所述致动活塞(83)容纳在所述阀壳体(52)中的第二孔(84)中，在所述第二孔(84)中在所述致动活塞(83)的一侧具有致动室(85)，其中，所述泵活塞(80)与所述致动活塞(83)连接以与所述致动活塞(83)一致地移动，所述致动室(85)与致动流体端口(78)连接，所述泵室(82)具有与所述燃料阀(50)的喷嘴(54)的喷嘴孔流体连接的出口。
9.根据权利要求8所述的内燃机，其中每个燃料阀(50)设置有阀针(61)，所述阀针(61)控制燃料向所述燃料阀(50)的所述喷嘴(54)的喷嘴孔的流动，所述阀针(61)的位置由控制信号而非由燃料压力控制。
10.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述增压器(40)和所述燃料阀(50)适于基于低闪点燃料运行，所述低闪点燃料比燃料油更可压缩的低闪点燃料。
11.根据权利要求1所述的内燃机，还包括管道(93,94)，所述管道(93,94)用于将密封液供应到所述增压器(40)的第一孔(81)和可滑动地容纳在所述增压器(40)的所述第一孔(81)中的泵活塞(80)之间的间隙。
12.根据权利要求1所述的内燃机，还包括用于将密封液供应到所述燃料阀的孔和可滑动地容纳在所述燃料阀的所述孔中的阀针之间的间隙的管道。
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