CN108131229B - 将液体燃料喷入发动机燃烧腔室的燃料阀及方法和发动机 - Google Patents

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Abstract

一种将液体燃料喷入发动机燃烧腔室的燃料阀(50)及方法和发动机，燃料阀包括：点火液体入口端口(67)，所述点火液体入口端口(67)用于连接到加压的点火液体源(65)，以及点火液体导管(66)，所述点火液体导管(66)从所述点火液体入口端口(67)延伸到所述腔室(58)或在沿着所述针孔(64)的长度的第二位置(P2)延伸到所述间隙，其中所述第二位置(P2)比所述第一位置(P1)更靠近所述燃料腔室(58)。优点在于，发动机可以无需经由单独的引燃阀进行外部的引燃喷射即可工作。

Description

将液体燃料喷入发动机燃烧腔室的燃料阀及方法和发动机
技术领域
本发明涉及一种燃料阀，用于将燃料喷射到大型二冲程涡轮增压压燃式内燃发动机的燃烧腔室中，其具有以液体燃料(特别是难以或无法可靠点燃的液体燃料)运行的燃料供应系统，并涉及一种用于喷射液体燃料(特别是难以或无法可靠地点燃到大型二冲程压燃式内燃发动机的燃烧腔室中的液体燃料)的方法。
背景技术
十字头型大型低速涡轮增压二冲程压燃式发动机通常用于大型船舶的推进系统或发电厂的原动机。很多时候，这些发动机都是用重质燃油运行的。
近来，大型涡轮增压二冲程压燃式发动机需要能够处理气体、甲醇、煤浆、水-油混合物，石油焦等替代燃料。
其中几种替代燃料，如水-油混合物有可能降低成本和排放。
然而，在大型低速单流涡轮增压二冲程内燃发动机中使用水混合物存在一些问题。
其中一个问题是这些燃料在喷射到燃烧腔室时压缩点燃的意愿和可预测性，并且意愿和可预测性对于压燃式发动机的控制是必不可少的。因此，现有的大型低速单流涡轮增压二冲程内燃发动机在喷射难以或无法可靠点燃的燃料的同时，使用油或其他点火液体的引燃喷射，以点燃燃料，以确保燃料点燃的可靠和适时。对于难以点燃的几种类型的燃料(例如，燃油-水混合物)，存在这样的问题。
大型低速直流涡轮增压二冲程内燃发动机通常用于推进大型远洋货船，因此可靠性是至关重要的。使用替代燃料的这些发动机的运行还是相对较新的发展，并且以燃气运行的可靠性尚未达到传统燃料的水平。因此，现有的大型低速二冲程柴油发动机都是双燃料发动机，具有以替代燃料(例如气体燃料)运行的燃料系统，和以燃油运行的燃料系统，使得它们能够只在燃油上全功率运行。
由于这些发动机的燃烧腔室的大直径，它们通常在每个气缸上设置三个燃料喷射阀，它们围绕中央排气阀以大约120°的角度间隔开。因此，对于双燃料系统，每个气缸有三个燃料替代燃料阀，每个气缸有三个传统的燃油阀，因此气缸的顶盖是相对拥挤的地方。
在现有的双燃料发动机中，燃油阀已经被用于在气体燃料运行期间提供引燃油喷射。这些燃油阀的尺寸设计成能够输送发动机仅以燃油满载运行所需的量的燃油。然而，引燃喷射时喷射的油量应尽可能小，以获得所需的减排量。利用全尺寸燃料喷射系统的这种少量的剂量(在满负载下，该全尺寸燃料喷射系统也能够提供运行所需的大量)具有显著的技术问题，并且实际上很难实现，因此在现有的发动机中，每次燃料喷射过程中引燃油的剂量已经比期望的量大，特别是在中等负荷和低负荷下。以处理少量引燃油的另外的小型喷射系统的替代是相当复杂和耗成本的。而且，另外的小型引燃油喷射阀使得气缸的顶盖更加拥挤。
EP3070321公开了一种燃料阀，用于将低闪点液体燃料喷射到大型二冲程涡轮增压自燃内燃发动机的燃烧腔室中。燃料阀具有细长燃料阀壳体，其具有带喷嘴孔的喷嘴，在细长燃料阀壳体中的用于连接到加压的液体燃料源的燃料入口端口、在细长燃料阀壳体中的致动液体端口、可滑动地容纳在细长阀壳体中的纵向孔中的轴向可移动的阀针，阀针具有阀针靠在阀座上的关闭位置和阀针从阀座提升的打开位置，阀针被朝向关闭位置偏压，围绕阀针并通向阀座的燃料腔室，容纳在第一孔中的泵活塞，在泵活塞的一侧的第一孔中具有泵腔室，容纳在第二孔中的致动活塞，在致动活塞的一侧的第二孔中具有致动腔室，泵活塞连接到致动活塞以与其一致地运动，致动腔室(85)连接到致动液体端口，泵腔室具有连接到燃料腔室的出口和连接到燃料入口端口的入口，密封液体入口端口，将密封液体入口端口连接到第一孔的导管，用于将泵活塞密封在第一孔中。
一般来说，出于多种原因，不希望以点火液体的单独的引燃喷射运行。事实证明，在3％MCR负载以下使喷油器可靠运行是困难的。其次，气缸内的任何外部点燃将需要至少最少量的燃料，引燃喷射的长期功能还未被验证。预计磨损的燃料泵可能会削弱引燃喷射功能。另外，预计快速引燃喷射轮廓可能导致燃料系统的磨损增加。
其中一些燃料也具有引起安全问题的低闪点。由于针的设计，已知的燃料阀的构造总是在阀针的轴和引导轴的孔之间产生泄漏。因此，出于密封的目的，也出于润滑的目的，加压的密封液体“密封油”的供应被施加到轴和孔之间。为了将泄漏保持在最小限度，保持尽可能小的间隙并且具有非常小的公差，并且这样的小间隙需要轴和孔之间的润滑。
在密封油和燃料混合的情况下，两种流体的分离是困难的，从而导致系统中出现错误。润滑油系统中的燃料检测将导致发动机停机，并且通常很难排除根本原因。
另一个与安全有关的问题是船级社要求：当发动机不以低闪点燃料运行时(当发动机不运行时或者当它是运行另一种燃料的双燃料发动机时)，低闪点燃料不允许留在燃料阀和通向燃料阀的管道中。因此，规定必须对燃料阀和通向燃料阀的管道或管路进行净化。
这些低闪点燃料的另一个挑战是它们相对较差的润滑性能，这阻止了在运动部件之间使用非常小的间隙而不施加润滑液。
发明内容
在此背景下，本申请的目的在于提供一种用于大型涡轮增压压燃式二冲程内燃发动机的燃料阀，其克服或至少减少了上述问题。
根据一个方面，该目的通过提供一种用于将液体燃料喷入大型低速二冲程涡轮增压压燃式内燃发动机的燃烧腔室中的燃料阀而实现，所述燃料阀包括：细长阀壳体，所述细长阀壳体具有后端和前端，喷嘴，所述喷嘴包括从基座延伸到闭合尖端的细长喷嘴体、从所述基座延伸到所述闭合尖端的主孔以及连接到所述主孔的多个喷嘴孔，所述喷嘴设置在所述细长阀壳体的所述前端处，所述基座连接到所述前端，燃料入口端口，所述燃料入口端口位于所述细长燃料阀壳体中，用于连接到加压的液体燃料源，轴向可移动的阀针，所述阀针可滑动地容纳在所述细长阀壳体中的纵向针孔中，并且所述阀针和所述针孔之间具有间隙，所述阀针具有关闭位置和打开位置，所述阀针在所述关闭位置靠在阀座上，所述阀针在所述打开位置从所述阀座提升，并且所述阀针被朝向所述关闭位置偏压，所述阀座设置在所述细长阀壳体中，位于所述阀壳体中的燃料腔室和所述细长阀壳体的所述前端中的出口端口之间，所述出口端口直接连接到所述喷嘴中的所述主孔，所述燃料腔室连接到所述燃料入口端口，在所述针孔的一端处的所述间隙开口到所述燃料腔室，润滑油入口端口，所述润滑油入口端口用于连接到加压的润滑油源，润滑油供应导管，所述润滑油供应导管将所述润滑油入口端口在沿着所述针孔的长度的第一位置连接到所述间隙，点火液体入口端口，所述点火液体入口端口用于连接到加压的点火液体源，以及点火液体导管，所述点火液体导管从所述点火液体入口端口延伸到所述腔室或在沿着所述针孔的长度的第二位置延伸到所述间隙，其中所述第二位置比所述第一位置更靠近所述燃料腔室。
将点火液体供应到喷射难以点燃的液体燃料的燃料喷射阀的喷嘴中的优点在于，发动机可以无需经由单独的引燃阀进行外部的引燃喷射即可工作。而是在喷射难以点燃的液体燃料的燃料阀的喷嘴内部进行点火。点火液体在喷嘴内的腔室内点燃，其中初始火焰从燃烧腔室被遮盖，使得在喷射过程之后或同时点燃液体燃料的可能性更高。这可以大大减少点火液体的消耗。测试表明，远低于1％MCR的负载水平是可能的。
通过提供独立的点火液体供应，与例如润滑油系统分离，点火液体的用量可以更准确可靠地控制，点火液体的种类可以很容易地改变。点火液体量的完全控制是通过改变上游间隙和供应压力而获得的，不需要损害密封油系统的作用。点火液体不再局限于系统油。例如，可以使用更容易点燃的液体，例如柴油或DME(二甲醚)。
在第一方面的第一种可能的实施方式中，所述点火液体导管从所述点火入口端口在邻近所述座的位置处延伸到所述燃料腔室。
在第一方面的第二种可能的实施方式中，所述点火液体导管从所述点火入口端口延伸到所述座。
在第一方面的第三种可能的实施方式中，当所述阀针靠在所述座上时，所述点火液体导管到所述座的开口被所述阀针关闭。
在第一方面的第四种可能的实施方式中，所述主孔通向所述基座。
在第一方面的第五种可能的实施方式中，所述点火液体源的压力高于所述液体燃料源的压力。
在第一方面的第六种可能的实施方式中，所述燃料阀还包括：致动液体端口，所述致动液体端口位于所述细长燃料阀壳体中，用于连接到加压的致动流体源，泵活塞，所述泵活塞容纳在所述阀壳体中的第一孔中，在所述泵活塞的一侧的所述第一孔中具有泵腔室，致动活塞，所述致动活塞容纳在所述阀壳体中的第二孔中，在所述致动活塞的一侧的所述第二孔中具有致动腔室，所述泵活塞连接到所述致动活塞以与所述致动活塞一致地运动，所述致动腔室流体连接到所述致动液体端口，并且，所述泵腔室具有连接到所述燃料腔室的出口和经由所述细长燃料阀壳体中的止回阀连接到所述燃料入口端口的入口，所述止回阀阻止从所述泵腔室至所述燃料入口端口的流动。
在第一方面的第七种可能的实施方式中，所述燃料腔室包围所述阀针并通向所述阀座，所述阀座设置在所述燃料腔室和所述出口端口之间。
在第一方面的第八种可能的实施方式中，所述阀针构造成：当所述燃料腔室中的压力超过预定的阈值时，对抗所述偏压从所述关闭位置运动到所述打开位置。
在第一方面的第九种可能的实施方式中，所述燃料阀还包括冷却液入口端口和冷却液出口端口以及冷却液流动路径，用于冷却所述燃料喷射阀，特别是所述燃料阀的最靠近所述前端的部分。
在第一方面的第十种可能的实施方式中，所述细长阀壳体包括连接到后部的前部，所述轴向可移动的阀针设置在所述前部中，所述第一孔、所述第二孔和所述匹配的纵向孔形成在所述后部中。
在第一方面的第十一种可能的实施方式中，所述燃料阀还包括导管，所述导管将所述密封液体入口端口连接到所述第一孔，用于将所述泵活塞密封在所述第一孔中。
根据第二方面，提供了一种大型慢速二冲程涡轮增压压燃式内燃发动机，包括根据第一方面的任一可能的实施方式所述的燃料阀。
在第二方面的第一种可能的实施方式中，所述发动机还包括具有受控压力Pf的加压的燃料源、具有受控压力Ps的加压的润滑油源和具有受控压力Pif的加压的点火液体源。
在第二方面的第一种可能的实施方式中，Ps高于Pf，并且Pif高于Pf。
在第二方面的第一种可能的实施方式中，所述发动机构造成在燃料进入所述喷嘴内的所述主孔中时点燃所述燃料。
根据第三方面，提供了一种操作大型二冲程低速涡轮增压压燃式内燃发动机的方法，所述方法包括：将处于第一高压的加压的液体燃料供应到所述发动机的燃料阀，所述燃料阀具有细长阀壳体，所述细长阀壳体带有后端和前端，所述燃料阀具有中空喷嘴，所述喷嘴带有将所述喷嘴的内部连接到所述发动机的气缸(1)中的燃烧腔室的多个喷嘴孔，所述喷嘴包括基座和细长喷嘴体，所述喷嘴通过基座连接到所述细长阀壳体的所述前端，所述喷嘴具有闭合尖端，所述喷嘴孔靠近所述尖端设置，将处于第二高压的点火液体供应到所述燃料阀，所述第二高压高于所述第一高压，利用与所述中空喷嘴上方的座配合的可移动的阀针来控制液体燃料的喷射，燃料腔室设置在所述座的上方，用所述液体燃料对所述燃料腔室加压，在所述轴向可移动的阀针靠在所述座上的期间，向所述燃料腔室输送连续的点火液体流并允许所述点火液体积聚在所述座上，通过将所述轴向可移动的阀针从所述座上提升从而使积聚的所述点火液体进入所述液体燃料的正前方的所述中空喷射喷嘴，来开始喷射液体燃料，或者当所述可移动的阀针已经被提升时，将精确剂量的点火液体输送到所述座，并且通过从所述座提升所述轴向可移动的阀针从而使积聚的所述点火液体与所述液体燃料同时进入中空喷射喷嘴，来开始液体燃料喷射过程。
在第三方面的第一种可能的实施方式中，所述液体燃料在所述点火液体的帮助下在所述喷嘴内点燃。
在第三方面的第一种可能的实施方式中，在整个发动机循环中所述喷嘴保持在300℃以上。
根据本公开的燃料阀和发动机的其他目的、特征、优点和特性将从详细描述中变得明显。
附图说明
在本说明书的以下详细部分中，将参照附图中示出的示例性实施例更详细地解释本发明，其中：
图1是根据示例性实施例的大型二冲程柴油机的前视图，
图2是图1的大型二冲程发动机的侧视图，
图3是根据图1的大型二冲程发动机的概略的示意图，并且
图4是示例性实施例的图1的发动机的低燃料系统的一个燃料阀的概略的示意图，
图5是示例性实施例的图1的发动机的气缸的上部的燃料系统的概略地示意的截面图，
图6是示例性实施例的用于根据图1至3的发动机的燃料阀的高视角示意图，
图7是图6所示的燃料喷射阀的截面图，
图7A示出了图7的放大细节的第一实施例，
图7B示出了图7的放大细节的第二实施例，
图7C示出了图7的放大细节的第三实施例，
图7D示出了图7的放大细节的第四实施例，
图8是图6所示的低闪点燃料喷射阀的不同截面图，
图9是图6所示的低闪点燃料喷射阀的另一个不同的截面图，
图9A示出了图9的放大细节，
图10是图6所示的低闪点燃料喷射阀的另一个不同的截面图，并且
图11是图6所示的低闪点燃料喷射阀的另一个不同的截面图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，将参考示例性实施例中的大型二冲程低速涡轮增压内燃(柴油)发动机来描述压燃式内燃发动机。图1、2和3示出了具有曲轴42和十字头43的大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机。图3示出了具有进气和排气系统的大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机的概略的示意图。在该示例性实施例中，发动机具有四个排成行的气缸1。大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机通常具有由发动机机架13承载的四个至十四个排成行的气缸。所述的发动机例如可用作远洋船舶的主发动机或用于发电站的发电机运行的固定发动机。发动机的总输出功率例如可以在1,000至110,000kW的范围内。
在该示例性实施例中，发动机是二冲程单流式柴油(压燃式)发动机，其具有在气缸1的下部区域处的扫气口19以及在气缸1的顶部处的中央排气阀4。扫气从扫气接收器(scavenge air receiver)2传送到各个气缸1的扫气口19。气缸1中的活塞41压缩扫气，燃料从气缸盖(在下面进一步详细描述)中的燃料喷射阀(下面进一步描述)喷射，随后燃烧并产生废气。当排气阀4打开时，废气流过与气缸1相关联的排气管道进入废气接收器3，并且通过第一排气管道18向前流动到涡轮增压器5的涡轮机6，废气从涡轮机6流出通过第二排气管道经由经济器28流到出口29并进入大气。通过一轴涡轮机6驱动经由空气入口10供应有新鲜空气的压缩机9。压缩机9将加压的扫气输送到通向扫气接收器2的扫气管道11。
管道11中的扫气经过中间冷却器12以冷却扫气。在一个示例性实施例中，扫气在大约200℃离开压缩机，并通过中间冷却器冷却到36至80℃的温度。
冷却的扫气经过由电动机17驱动的辅助鼓风机16，当涡轮增压器5的压缩机9没有为扫气接收器2输送足够的压力时，即在发动机的低的或部分负载状态下，该辅助鼓风机16对扫气进行加压。在较高的发动机负载下，涡轮增压器压缩机9输送足够的压缩的扫气，然后辅助鼓风机16经由止回阀15被旁路。
图4是液体燃料阀50的概略的示意图，该液体燃料阀50连接到液体燃料源60(例如油-水燃料或低闪点燃料，例如甲醇)，连接到冷却液(油)源63，连接到润滑液源57，连接到点火流体源65，经由控制阀96连接到致动液体(油)源97，连接到净化控制阀(purgecontrol vavle)98和致动液体控制阀98。
导管62从加压的液体燃料源60通向液体燃料阀50的外壳中的入口端口。导管62可以是双壁导管，例如由同心管或由固体块材料(例如气缸盖48)内的管形成。窗式阀61可以设置在导管62中，以能够将燃料阀50从液体燃料源60断开，以便能够以从闪点燃料净化燃料阀50。窗式阀61优选由电子控制单元电子操作和控制。电子控制阀96控制喷射过程，并且净化控制阀98通过防止止回阀关闭来控制净化。
图5示出了根据示例性实施例的多个气缸1中的一个的顶部。气缸1的顶盖48设有多个(通常为2个或3个)燃料阀50，用于将来自燃料阀50的喷嘴的液体燃料喷射到气缸1中的活塞41上方的燃烧腔室中。在该示例性实施例中，发动机每个气缸具有三个液体燃料阀50，但是应该理解，根据燃烧腔室的尺寸，单个或两个燃料阀50可能是足够的。排气阀4置于顶盖的中央，液体燃料阀50更加靠近气缸壁。
在一个实施例(未示出)中，可以在顶盖48中设置两个或三个额外的燃油阀，用于操作燃油发动机。燃油阀以众所周知的方式连接到高压燃油源。
在一个实施例中，燃料阀50的最靠近喷嘴并且最靠近燃烧腔室的前部可以使用冷却液例如冷却油来冷却，其中系统油(润滑油)可以被使用。在此，燃料阀50的主体设有冷却液入口端口和冷却液出口端口以及通过燃料阀50的主体的前部的位于入口端口和出口端口之间的流动路径(未示出)。冷却液入口端口通过导管连接到加压的冷却液(例如系统油)源63，并且冷却液出口端口经由导管连接到冷却液储存器。
燃料阀50的主体还设置有用于控制燃料阀50的打开和关闭的致动液体端口。控制端口经由导管连接到加压的致动液体源97。电子控制的控制阀96(优选比例阀)被放置在加压的致动液体源97和致动液体端口之间的导管中，用于控制燃料阀50的打开和关闭，即用于控制喷射过程。
燃料阀50的主体还设有点火液体入口端口，用于接收来自处于压力Pif的加压的点火液体源65的点火液体。
发动机设置有控制发动机的操作的电子控制单元(未示出)。信号线将电子控制单元连接到电子控制阀96和98以及窗式阀61。
电子控制单元被构造为正确地计时液体燃料阀50的喷射过程并且用燃料阀50控制液体燃料的剂量(每次喷射过程的喷射体积)。电子控制单元在一个实施例中被构造为控制喷射曲线的形状(速率成形，rate shaping)，因为燃料阀能够适应这样的曲线。
在具有低闪点燃料的构造中，电子控制单元打开和关闭窗式阀61，以确保在燃料喷射过程开始之前供应导管62充满加压的低闪点液体燃料。当燃料阀50需要从低闪点燃料净化时，窗式阀61被电子控制单元关闭。
图6是燃料阀50的透视图，其具有细长阀壳体52，连接到细长阀壳体52的前端的喷嘴54、润滑液入口端口70、以及用于控制净化的控制端口36。喷嘴54设置有多个径向和轴向分布在喷嘴54上的喷嘴孔56。
图7、8、9、10和11示出用于将液体燃料喷射到压燃式内燃发动机的燃烧腔室41中的燃料阀50的截面图。燃料阀50具有：带有最后端的细长阀壳体52，以及连接到其前端的喷嘴54。喷嘴54是通过其基座46连接在阀壳体52的前端的分离体。阀壳体52的最后端设置有多个端口，包括(净化)控制端口36、致动液体端口78、点火液体端口67和连接到气体检测导管34的气体泄漏检测端口(未示出)。最后端被扩大以形成当燃料阀50安装在气缸盖48中时从气缸盖48突出的头部。在本实施例中，燃料阀50围绕中央排气阀4放置，即相对靠近气缸套的壁。细长阀壳体52和燃料喷射阀50的其它部件以及喷嘴在实施例中由钢(例如：工具钢和不锈钢)制成。
中空喷嘴54设置有喷嘴孔56，喷嘴孔56连接到喷嘴54中的主孔55，并且喷嘴孔56径向地分布并且优选地实际上也在喷嘴54上。喷嘴孔56轴向地靠近闭合尖端，在本实施例中喷嘴孔56的径向分布涵盖大约50°的相对窄的范围。喷嘴孔56的径向取向使得喷嘴孔56指向离开气缸套的壁。另外，喷嘴孔56被定向成与由扫气口的倾斜构造引起的燃烧腔室内的扫气的涡旋方向大致相同的方向(该涡旋是单流式大型二冲程涡轮增压内燃发动机的众所周知的特征)。
喷嘴54的尖端59处于闭合状态，即没有向下的喷嘴孔46。喷嘴54的基座46连接到阀壳体52的前端，喷嘴54的主孔朝向阀壳体52的前端的出口开口。阀座69设置在形成出口开口68的轴向孔与燃料腔室58之间的过渡处。
轴向可移动的阀针61以狭窄的间隙可滑动地容纳在细长阀壳体52的纵向孔64中，并且轴向可移动的阀针61与纵向孔之间的润滑是重要的。在此，加压的润滑液经由导管(通道)47被输送到阀针和纵向孔64之间的间隙中。通道47将阀针61和轴向孔之间的间隙连接到润滑油入口端口70，其又可以连接到被加压并且压力为Ps的加压的润滑油源57。当使用低闪点燃料时，润滑油防止燃料泄漏到阀针61和轴向孔之间的间隙中。此外，润滑油在阀针61和轴向孔64之间提供润滑。在一个实施例中，润滑油源57的压力至少高于液体燃料源的供应压力，但在喷射过程期间可以大大低于泵腔室82中的最大压力，因为在泵活塞80和第一孔81之间的间隙中的聚集流动处于朝向泵腔室82的方向。
阀针61具有关闭位置和打开位置。阀针61设有成形为与阀座69匹配的锥形部分。在关闭位置，阀针的锥形部分靠在阀座69上。在打开位置，锥形部分可以从阀座69提升，并且阀针61被预张紧的螺旋弹簧38朝向关闭位置弹性地偏压。预张紧的螺旋弹簧38作用在阀针61上并且将阀针61朝向其关闭位置偏压，锥形部分靠在座69上。
螺旋弹簧38是螺旋线弹簧，其容纳在细长燃料阀壳体52中的弹簧腔室88中。冷却油流经弹簧腔室88。螺旋弹簧38的一端接合弹簧腔室88的一端，螺旋弹簧38的另一端接合阀针61上的加宽部分或凸缘，由此弹性地将阀针朝向阀座69推动。
细长阀壳体52设置有燃料入口端口53，用于经由低燃料供应导管62连接到加压的液体燃料源60上。燃料入口端口53经由导管51和止回阀74连接到阀壳体52中的泵腔室82。止回阀74(吸入阀)设置在阀壳体52内。止回阀74确保液体燃料能够通过导管51流动到泵腔室82，但是在相反的方向却不会。
泵活塞80可滑动地且密封地设置在细长燃料阀壳体52中的第一孔81中，在泵活塞80的一侧的第一孔81中具有泵腔室82。致动活塞83可滑动地且密封地设置在阀壳体52中的第二孔84中，在致动活塞83的一侧的第二孔84中具有致动腔室85。泵活塞80连接到致动活塞83以与其一致地运动，即泵活塞80和致动活塞83可以在它们各自的孔81、84中一致地滑动。在本实施例中，泵活塞80和致动活塞83由单个主体执行，但是注意到，泵活塞80和致动活塞83可以是分离的互连体。
致动腔室85流体地连接到致动液体端口78。电子控制阀96控制流动加压的致动液体进出致动液体端口78并由此进出致动腔室85。
在喷射过程开始时，电子控制单元命令电子控制阀96允许致动液体进入致动腔室85。致动腔室85中的加压的致动液体作用在致动活塞83上，从而产生推动泵活塞81进入泵腔室82的力。因此，泵腔室82中的液体燃料的压力增加。在实施例中，致动活塞83的直径大于泵活塞80的直径，并且因此泵腔室82中的压力将相应地高于致动腔室85中的压力，并且致动活塞83和泵活塞80的组合起到增压器的作用。
一个或多个通道(导管)57将泵腔室82流体连接到燃料腔室58并由此连接到位于燃料腔室底部的阀座69。阀座69面向围绕阀针61的燃料腔室58。阀针61构造成从喷嘴54移开以获得提升，并且朝向喷嘴54运动以减小提升。在其打开位置，阀针61从座69提升，从而允许液体燃料从泵腔室82流到燃料腔室58，经过阀座69并经由出口端口68，流到喷嘴54中的主孔55。低闪点液体经由喷嘴孔56离开主孔55。
当泵腔室82中的液体燃料的压力超过螺旋弹簧38的力时，阀针61提升。因此，阀针61构造成：当泵腔室82中(和燃料腔室55中)的燃料的压力超过预定的阈值时，对抗弹簧38的偏压打开。燃料中的压力是由泵活塞80作用于泵腔室82中的低闪点液体燃料引起的。
阀针61构造成被偏压成朝向喷嘴54移动，其中锥形部分朝向阀座69移动。当泵活塞80不再作用于泵中的燃料时液体燃料中的压力降低，阀针61上的螺旋弹簧38的闭合力变得大于阀针61上的低闪点液体燃料的打开力，这种情况会发生。
当电子控制单元结束喷射过程时，其命令电子控制阀96将致动腔室85连接到罐。泵腔室82连接到加压的液体燃料源60，并且经由止回阀74流入的低闪点液体燃料的供应压力将推动活塞83进入致动腔室85，直到其到达如图7所示的位置，泵腔室82完全充满液体燃料，从而燃料阀50为下一次喷射过程做好准备。图8示出了接近喷射过程结束的泵活塞82和致动活塞83的位置，其中泵腔室80的主要部分被液体燃料所占。
液体燃料的喷射过程由电子控制单元ECU通过泵活塞82的冲程的长度和激活时间的长度来控制(速率整形)。在一次喷射过程中喷射的低燃料量由泵活塞80的冲程的长度确定。因此，根据来自电子控制单元的信号，致动腔室85中的致动液体压力升高。
在喷射过程结束时，电子控制阀96从致动腔室85中去除压力，并且泵腔室82中的加压的液体燃料的力导致致动活塞83被推回到第二孔85中直到碰撞第二孔85的端部，并且泵腔室82被液体燃料完全填充，并且燃料阀50为下一次喷射过程做好。
在一个实施例(未示出)中，燃料阀50包括具有两种不同直径的柱塞的增压器形式，其中柱塞的大直径部分面向具有连接到控制阀96的端口的腔室，并且柱塞的小直径部分面向具有连接到导管(通道)51和47的端口的腔室，从而在燃料喷射过程中增加润滑油压力，从而确保正好在最需要提供高润滑压力时的润滑压力是高的。
燃料阀50设置有用于连接到加压的润滑油源的润滑油入口端口70，并且设置有从润滑油入口端口70延伸到第一孔81的导管30，用于密封和润滑第一孔81中的泵活塞80。在一个实施例中，润滑油源57的压力在喷射过程中至少几乎与泵腔室82中的最大压力一样高。
在一个实施例中，燃料阀50设置有选择性地允许从泵腔室82朝向燃料入口端口53流动的装置，用于净化燃料阀50。选择性地允许从泵腔室82朝向燃料入口端口53流动的装置包括选择性地停用止回阀74(吸入阀)的止回功能的装置。
阀针69构造成：当燃料腔室58中的压力超过预定的阈值时，对抗螺旋弹簧38的偏压从关闭位置运动到打开位置。
细长阀壳体52在一个实施例中设置有冷却液入口端口45和冷却液出口端口32以及冷却液流动路径44，用于冷却燃料喷射阀50(特别是燃料阀50的最靠近前端，例如最靠近喷嘴的部分)和来自燃烧腔室的热量。冷却液在一个实施例中是来自发动机的系统润滑油。在一个实施例中，冷却液流动路径包括其中容纳有螺旋弹簧38的弹簧腔室88。
在一个实施例中，细长阀壳体52包括连接到后部35的前部33。轴向可移动的阀针61设置在前部33中，第一孔81、第二孔84和匹配的纵向孔形成在后部35中。
在一个实施例中，燃料阀50设置有导管47，导管47从密封和润滑液入口端口70在沿着纵向针孔64的长度的位置P1处延伸到纵向针孔64，用于在纵向针孔64内密封阀针61。密封油从位置P1通过间隙向上流到围绕螺旋弹簧的腔室，并向下流向燃料腔室58。点火液体的流向致动腔室74的部分与冷却油混合。这对冷却油没有实质的影响。
在本第一实施例中，点火液体的流向燃料腔室58的部分满足通过点火液体导管66供应到间隙的点火液体的压力，该点火液体导管66从点火液体入口端口67经过阀壳体52在位置P2延伸到间隙，该位置P2比位置P1更靠近燃料腔室58。点火液体入口端口67连接到加压的点火液体源65。由于密封油的压力高于点火液体的压力，密封油将防止点火液体泄漏回密封油系统。
如图7a所，当轴向可移动的阀针61靠在座69上时，经由点火液体导管66输送到间隙中的点火流体沿着间隙的轴向延伸部分流动到燃料腔室58，并积聚在燃料腔室58的底部，即正好在座69的上方。
间隙的尺寸被精确地控制和选择，使得在轴向可移动的阀构件61靠在座69上的发动机循环期间，在燃料腔室58的底部收集适量的点火液体。点火液体的适量是指足以产生可靠和稳定的点火的量，例如可以在0.1mg至200mg的范围内，这取决于例如发动机的尺寸和负荷。间隙的尺寸的选择与点火液体的性质(例如粘度)有关，使得当点火液体源的压力高于液体燃料源的压力时，获得适当大小的恒定流量的点火液体。
根据来自电子控制单元的信号，液体燃料压力升高，燃料腔室58和阀针61以从其关闭位置到其打开位置的运动从座69提升。积聚在燃料腔室58(图7a)底部的点火液体首先进入喷嘴54中的主孔55，随后是液体燃料，即液体燃料将点火液体向前推入主孔55中。因此，积聚在燃烧腔室58中的点火液体将进入正好在液体燃料前方的喷嘴54中的主孔55。正好在燃料阀50打开之前的那一刻，由于燃烧腔室内的扫气的压缩(喷嘴孔56允许来自燃烧腔室的空气流进入主孔55)，主孔55中充满了压缩的热空气和剩余未燃烧的燃料的混合物。因此，在燃料阀50打开之后不久，在主孔55内存在热压缩空气、点火液体和液体燃料。这导致已经在中空喷嘴54内的液体燃料点燃。
在喷射过程结束时，电子控制单元从致动腔室85中去除压力，并且螺旋弹簧38的力导致阀针61返回到座69。
根据与上述第一示例性实施例基本相同的第二示例性实施例，点火液体不是输送到间隙而是到座69。参考图7b说明该实施例。点火液体导管66通向阀座69。阀针61的锥形尖端的打开角度比锥形座69的打开角度稍微更尖锐，因此在阀针的尖端与阀座之间存在窄的间隙。这个窄的间隙允许：在阀针61靠在其座69上时，点火液体49积聚在阀座69处和正好在阀座的上方的燃料腔室58中。
根据与上述实施例基本相同的第三示例性实施例，点火液体输送到燃料腔室58。参考图7c说明该实施例。点火液体导管66通向燃料腔室58，优选正好在座69上方或邻近座69。当阀针61靠在其座69上时，点火液体49积聚在阀座69上方的燃料腔室58中。
根据与上述实施例基本相同的第四示例性实施例，点火液体输送到座69。参照图7d说明该实施例。点火液体导管66通向座69。阀针61的锥形尖端的打开角度基本上与锥形座69的打开角度相同，因此当阀针61靠在阀座69上时，阀针61关闭点火液体导管66至阀座的开口。当阀针提升时，点火液体通过通向阀座69的点火液体导管66输送到阀座69。在该实施例中，必须在短时间内输送适量的点火液体，因此点火液体的供应压力和或点火液体供应导管66的横截面面积相对于上述实施例有所增加。
液体燃料的喷射利用与中空喷嘴54上方的座69配合的可移动的阀针61来控制。燃料腔室58用液体燃料加压。根据第一、第二和第三实施例，在阀针61靠在座69上的期间(根据图7a、7b和7c所示的实施例)，少的连续的点火液体流输送到燃料腔室58，并且点火液体49积聚在座69上方，通过从阀座69提升轴向可移动的阀针61开始燃料喷射过程，从而使积聚的点火液体49进入正好在液体燃料前方的中空喷射喷嘴54中的主孔55。然后，在点火液体的帮助下液体燃料在喷嘴54内点燃。
对于图7d的实施例，当阀针61已经提升时，点火液体被输送到阀座69，因此液体燃料和点火液体被同时输送到喷嘴45中的主孔。
发动机构造成借助于点火液体压缩点燃喷射的液体燃料，而不使用其他点火设备。
发动机构造成在液体燃料进入喷嘴54内的主孔时点燃液体燃料。
在一个实施例中，在整个发动机循环中喷嘴54保持在300℃以上。在一个实施例中，在压缩冲程结束时中空喷嘴54内部的温度大约为600℃。
在一个实施例中，燃料阀50在泵腔室82与燃料入口端口53之间的流体连接中设有专用控制阀，用于选择性地允许从泵腔室82到燃料入口端口53的流动，以净化燃料阀50。该控制阀优选地响应于控制信号而打开和关闭。在该实施例中不需要提供选择性地停用止回阀74的止回功能的装置。
在一个实施例中，润滑油源具有受控压力Ps，并且液体燃料源具有受控压力Pf，其中Ps高于Pf。在该实施例中，受控压力Ps可以低于泵冲程期间泵腔室82中的最大压力。在这种情况下，Ps、间隙的尺寸和泵冲程期间的泵腔室82中的最大压力相互依赖性地选择，使得如果低闪点液体燃料进入间隙并沿着泵活塞80一部分而不是全部长度替换润滑液，并且，其中，在另一个泵冲程发生之前，密封液体基本上替换所有的低闪点燃料，低闪点燃料的任意剩余部分，使得低闪点燃料不会进入润滑油系统本身。
如在权利要求中使用的术语“包括(comprising)”不排除其他元件或步骤。权利要求中使用的术语“一(a)”或“一(a)”不排除多个。电子控制单元可以实现权利要求中记载的一些装置的功能。
权利要求中使用的附图标记不应被解释为限制范围。
尽管为了说明的目的已经详细描述了本发明，但是应该理解的是，这样的细节仅仅是为了那样的目的，本领域技术人员可以在不背离本发明的范围的情况下对其进行改变。

Claims (19)

1.一种燃料阀(50)，用于将液体燃料喷入大型低速二冲程涡轮增压压燃式内燃发动机的燃烧腔室中，所述燃料阀(50)包括：
细长阀壳体(52)，所述细长阀壳体(52)具有后端和前端，
喷嘴(54)，所述喷嘴(54)包括从基座(46)延伸到闭合尖端(59)的细长喷嘴体、从所述基座(46)延伸到所述闭合尖端(59)的主孔(55)以及连接到所述主孔(55)的多个喷嘴孔(56)，
所述喷嘴(54)设置在所述细长阀壳体(52)的所述前端处，所述基座(46)连接到所述前端，
燃料入口端口(53)，所述燃料入口端口(53)位于所述细长燃料阀壳体(52)中，用于连接到加压的液体燃料源(60)，
轴向可移动的阀针(61)，所述阀针(61)可滑动地容纳在所述细长阀壳体(52)中的纵向针孔(64)中，并且所述阀针(61)和所述针孔(64)之间具有间隙，所述阀针(61)具有关闭位置和打开位置，所述阀针(61)在所述关闭位置靠在座(69)上，所述阀针(61)在所述打开位置从所述座(69)提升，并且所述阀针(61)被朝向所述关闭位置偏压，
所述座(69)设置在所述细长阀壳体(52)中，位于所述阀壳体(52)中的燃料腔室(58)和所述细长阀壳体(52)的所述前端中的出口端口(68)之间，
所述出口端口(68)直接连接到所述喷嘴(54)中的所述主孔(55)，
所述燃料腔室(58)连接到所述燃料入口端口(53)，
在所述针孔(64)的一端处的所述间隙开口到所述燃料腔室(58)，
润滑油入口端口(70)，所述润滑油入口端口(70)用于连接到加压的润滑油源(57)，
润滑油供应导管(47)，所述润滑油供应导管(47)将所述润滑油入口端口(70)在沿着所述针孔(64)的长度的第一位置(P1)连接到所述间隙，
其特征在于：
点火液体入口端口(67)，所述点火液体入口端口(67)用于连接到加压的点火液体源(65)，以及
点火液体导管(66)，所述点火液体导管(66)从所述点火液体入口端口(67)延伸到所述腔室(58)或在沿着所述针孔(64)的长度的第二位置(P2)延伸到所述间隙，其中所述第二位置(P2)比所述第一位置(P1)更靠近所述燃料腔室(58)。
2.根据权利要求1所述的燃料阀，其中，所述点火液体导管(66)从所述点火液体入口端口(67)在邻近所述座(69)的位置处延伸到所述燃料腔室(58)。
3.根据权利要求1所述的燃料阀，其中，所述点火液体导管(66)从所述点火液体入口端口(67)延伸到所述座(69)。
4.根据权利要求3所述的燃料阀，其中，当所述阀针(61)靠在所述座(69)上时，所述点火液体导管(66)到所述座(69)的开口被所述阀针(61)关闭。
5.根据权利要求1所述的燃料阀，其中，所述主孔(55)通向所述基座(46)。
6.根据权利要求1所述的燃料阀，其中，所述点火液体源(65)的压力高于所述液体燃料源(60)的压力。
7.根据权利要求1所述的燃料阀，还包括：致动液体端口(78)，所述致动液体端口(78)位于所述细长燃料阀壳体(52)中，用于连接到加压的致动流体源(60)，
泵活塞(80)，所述泵活塞(80)容纳在所述阀壳体(52)中的第一孔(81)中，在所述泵活塞(80)的一侧的所述第一孔(81)中具有泵腔室(82)，
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，在所述致动活塞(83)的一侧的所述第二孔(84)中具有致动腔室(85)，
所述泵活塞(80)连接到所述致动活塞(83)以与所述致动活塞(83)一致地运动，
所述致动腔室(85)流体连接到所述致动液体端口(78)，并且，
所述泵腔室(82)具有连接到所述燃料腔室(58)的出口和经由所述细长燃料阀壳体(52)中的止回阀(74)连接到所述燃料入口端口(53)的入口，所述止回阀(74)阻止从所述泵腔室(82)至所述燃料入口端口(53)的流动。
8.根据权利要求1所述的燃料阀，其中，所述燃料腔室(58)包围所述阀针(61)并通向所述座(69)，所述座(69)设置在所述燃料腔室(58)和所述出口端口(68)之间。
9.根据权利要求1所述的燃料阀(50)，其中，所述阀针(61)构造成：当所述燃料腔室(58)中的压力超过预定的阈值时，对抗所述偏压从所述关闭位置运动到所述打开位置。
10.根据权利要求1所述的燃料阀(50)，还包括冷却液入口端口和冷却液出口端口以及冷却液流动路径(44)，用于冷却所述燃料阀(50)。
11.根据权利要求10所述的燃料阀(50)，还包括冷却液入口端口和冷却液出口端口以及冷却液流动路径(44)，用于冷却所述燃料阀(50)的最靠近所述前端的部分。
12.根据权利要求1所述的燃料阀(50)，其中，所述细长阀壳体(52)包括连接到后部(35)的前部(33)，所述轴向可移动的阀针(61)设置在所述前部(33)中，所述第一孔(81)、所述第二孔(84)和匹配的纵向孔形成在所述后部(35)中。
13.根据权利要求7所述的燃料阀(50)，还包括：导管(30)，所述导管(30)将所述润滑油入口端口(70)连接到所述第一孔(81)，用于将所述泵活塞(80)密封在所述第一孔中。
14.一种大型慢速二冲程涡轮增压压燃式内燃发动机(1)，包括根据前述权利要求中任一项所述的燃料阀(50)。
15.根据权利要求14所述的发动机，还包括具有受控压力Pf的加压的燃料源(60)、具有受控压力Ps的加压的润滑油源(57)和具有受控压力Pif的加压的点火液体源(65)。
16.根据权利要求15所述的发动机，其中，Ps高于Pf，并且其中Pif高于Pf。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的发动机，构造成在燃料进入所述喷嘴(54)内的所述主孔(55)中时点燃所述燃料。
18.一种操作大型二冲程低速涡轮增压压燃式内燃发动机的方法，所述方法包括：
将处于第一高压的加压的液体燃料供应到所述发动机的燃料阀(50)，
所述燃料阀具有细长阀壳体(52)，所述细长阀壳体(52)带有后端和前端，
所述燃料阀(50)具有中空喷嘴(54)，所述中空喷嘴(54)带有将所述中空喷嘴(54)的内部(55)连接到所述发动机的气缸(1)中的燃烧腔室的多个喷嘴孔(56)，所述中空喷嘴(54)包括基座(46)和细长喷嘴体，所述中空喷嘴(54)通过基座(46)连接到所述细长阀壳体(52)的所述前端，所述中空喷嘴(54)具有闭合尖端(59)，所述喷嘴孔(56)靠近所述尖端(59)设置，
将处于第二高压的点火液体供应到所述燃料阀(50)，所述第二高压高于所述第一高压，
利用与所述中空喷嘴(54)上方的座(69)配合的可移动的阀针(61)来控制液体燃料的喷射，
燃料腔室(58)设置在所述座(69)的上方，
用所述液体燃料对所述燃料腔室(58)加压，
在所述轴向可移动的阀针(61)靠在所述座(69)上的期间，向所述燃料腔室(58)输送连续的点火液体流并允许所述点火液体积聚在所述座(69)上，通过将所述轴向可移动的阀针(61)从所述座(69)上提升从而使积聚的所述点火液体进入所述液体燃料的正前方的所述中空喷射喷嘴(54)，来开始喷射液体燃料，
或者当所述可移动的阀针(61)已经被提升时，将精确剂量的点火液体输送到所述座(69)，并且通过从所述座(69)提升所述轴向可移动的阀针(61)从而使积聚的所述点火液体与所述液体燃料同时进入中空喷嘴(54)，来开始液体燃料喷射过程。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述液体燃料在所述点火液体的帮助下在所述中空喷嘴(54)内点燃。
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