CN108495988A - 双燃料喷射器、具有这种双燃料喷射器的内燃机以及运行这种内燃机的方法 - Google Patents

双燃料喷射器、具有这种双燃料喷射器的内燃机以及运行这种内燃机的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机（1）的双燃料喷射器（3），双燃料喷射器具有：第一喷射装置（7）用于喷射第一燃料；和至少一个第二喷射装置（9.1、9.2），其布置在第一喷射装置（7）的径向外部用于喷射第二燃料，其中第二燃料和第一燃料不同；并且具有第一接口用于供给第一燃料和第二接口用于供给第二燃料。可设置为，第一接口（11）与用于供给气态的第一燃料的第一喷射装置（7）流体连接，并且第二接口（13）与用于供给液态的第二燃料的第二喷射装置（9.1、9.2）流体连接。

Description

双燃料喷射器、具有这种双燃料喷射器的内燃机以及运行这 种内燃机的方法
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的双燃料喷射器，一种具有这种双燃料喷射器的内燃机以及一种用于运行这种内燃机的方法。
背景技术
气态燃料在大型马达行业中、特别是在用于发电的固定式马达中越来越重要。在此特别地，天然气由于其非常好的可供应性以及有利的排放潜力（特别是相对于柴油燃料而言）尤其适用于经济的且保护环境的马达运行。在根据柴油方法（压缩点火）工作的燃气马达中，一般需要少量的柴油作为启动辅助以便接下来的燃气扩散燃烧。在此，两种燃料系统（柴油和燃气）的喷射流轮廓应对称取向，以便能够最大化地且可明确配属地覆盖两种喷射图像。对此已知双燃料喷射器，其具有第一喷射装置用于喷射第一燃料，其中设置有至少一个第二喷射装置，其布置在第一喷射装置的径向外部用于喷射第二燃料，其中第二燃料和第一燃料不同。特别地，常将可燃气体用作第二燃料，其中点火油、优选是柴油用作第一燃料。设置有第一接口用于供给第一燃料，并且设置有第二接口用于供给第二燃料。双燃料喷射器例如由德国专利文件DE102013022260B3得知，其中作为第二喷射装置的多个燃气配量阀与作为第一喷射装置居中安装的柴油喷射嘴同轴布置。
这种双料燃料喷射器具有孔和空间、特别是盲孔和喷孔，在喷入过程结束后，在喷嘴针关闭之后，燃料能够以低压从这些孔和空间膨胀到燃烧室中，燃料在此不再燃烧或仅部分燃烧。这特别是在膨胀时特别强烈地扩张的气态燃料中会出问题，并且特别是在天然气中会出问题，该效应会导致甲烷大量泄漏。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种双燃料喷射器，一种内燃机以及一种用于运行这种内燃机的方法，其中不会出现所述缺陷。特别是与常见的双燃料喷射器相比，会减少未燃烧的碳氢化合物泄漏、特别是甲烷泄漏。
该目的通过提供独立权利要求的技术方案而实现。有利的设计方案由从属权利要求中得出。
特别地，通过提供双燃料喷射器实现该目的，该双燃料喷射器具有第一喷射装置用于喷射第一燃料，以及至少一个第二喷射装置，其布置在第一喷射装置的径向外部用于喷射第二燃料，其中第二燃料和第一燃料不同，并且其中设置有第一接口用于供给第一燃料，以及设置有第二接口用于供给第二燃料。在此可设置为，第一接口与用于供给气态的第一燃料的第一喷射装置流体连接，并且第二接口与用于供给液态的第二燃料的第二喷射装置流体连接。由此，与已知的双燃料喷射器相比，可以与燃料相关地调换喷射装置的功能。特别地，气态燃料现在不再在径向外部通过至少一个第二喷射装置引入，而是通过相比于至少一个第二喷射装置布置在径向内部的第一喷射装置引入。因为在第一喷射装置的径向外部典型地设置有多个具有多个盲孔的第二喷射装置，或者环形的第二喷射装置设置有环形的盲孔，这里特别地得到燃料的可从中膨胀的死体积（Totvolumen），该死体积大于第一喷射装置的盲孔的死体积。如果接下来通过第一喷射装置引入第一气态燃料，那么膨胀的气态燃料的问题和未燃烧的碳氢化合物泄漏的问题就只出现在第一喷射装置的盲孔的相对小的体积中，而在第二喷射装置的一个或多个盲孔的较大体积中不会再出现这种问题，因为液态燃料通过这个/这些盲孔被引入。
优选地，双燃料喷射器具有纵向延伸从而具有定义轴向的纵轴线。径向在此垂直于纵轴线。周向同心地包围嵌接纵轴线。
特别地，“径向外部”意为，相比于第一喷射装置，至少一个第二喷射装置（参考双燃料喷射器的纵轴线）以更大的径向间距相对于该纵轴线布置。
作为第一气态燃料优选使用在正常条件下、特别是在25℃和1013mbar时呈气态并且可燃烧、特别是在内燃机的燃烧室中可燃烧的物质。优选地，作为气态的第一燃料使用含甲烷的燃料、特别是天然气、液化天然气（Liquefied Natural Gas）或者压缩天然气（Compressed Natural Gas）。
作为液态的第二燃料特别使用在正常条件下、特别是在25℃和1013mbar时呈液态的物质，其中该物质可燃烧、特别是在内燃机的燃烧室中可燃烧。优选地，液态的第二燃料具有高于第一气态燃料的易燃性。特别地，第二液态燃料优选是点火油、特别是柴油或二甲醚。
根据本发明的一种扩展方案设置为，第一喷射装置布置在双燃料喷射器中央。优选地，第一喷射装置居中布置在双燃料喷射器的纵轴线上或与纵轴线重合。这表示双燃料喷射器的既简单又节省构造空间的设计方案。
根据本发明的一种扩展方案设置为，多个第二喷射装置（特别是围绕着第一喷射装置）布置在第一喷射装置的径向外部。多个位于外部的第二喷射装置以及特别是与之配属的位于外部的流动通道特别是具有以下优点，即，参考第二燃料的流体体积提供更大的相对表面积。由此可引起双燃料喷射器更好地冷却以及更好地传递热量。对于液态的第二燃料尤其如此。特别可实现的是，第二喷射装置（从周向上看）在想象的共同的圆周线上围绕第一喷射装置、优选彼此以相等的角度间隔布置。这表示第二喷射装置的即节省构造空间又适合获得对称喷射图像的布置。特别优选的是，三个或四个喷射装置围绕第一喷射装置布置，特别是在同一个想象的圆周线上布置，也就是说，以相等的径向间隔相对于第一喷射装置布置并且优选彼此以相等的角度间隔布置、即特别是分别成对地彼此以120°或90°的角度间隔布置。
可实现的是，只设置一个并且是刚好一个布置在第一喷射装置的径向外部的第二喷射装置，那么优选地，该第二喷射装置呈环形并且特别是同轴地包围嵌接布置在中央的第一喷射装置。在这种情况下，第二喷射装置特别是具有环形的盲孔，盲孔同样具有体积，该体积大于配属于第一喷射装置的、优选中央的盲孔的体积。
根据本发明的一种扩展方案可设置为，第一和/或第二喷射装置具有在轴向上可冲程控制的喷嘴针、密封座以及位于密封座下游的盲孔，其中盲孔与至少一个喷射钻孔流体连接。喷嘴针在关闭位置中密封地贴靠在密封座上并且可借由轴向的冲程运动从密封座上升至打开位置。在这种情况下，燃料经过密封座流入盲孔中并可从此处经过至少一个喷射装置溢入内燃机的燃烧室中。如果喷嘴针布置在其关闭位置中，燃料就无法继流入盲孔中。特别是气态燃料仍会有剩余体积保留在盲孔中，在此特别地，该剩余体积在内燃机的压缩冲程中被压缩并且在膨胀冲程中扩张，并且在此从至少一个喷射钻孔溢入燃烧室。在该时间点在燃烧室中大多已具备使溢入的气态燃料无法点燃的条件。因此，燃料在排气冲程中与废气一起排出，这就导致了未燃烧的碳氢化合物的泄漏、特别是甲烷的泄漏。
在本发明的范畴中已知，第一喷射装置的优选布置在中央的盲孔的体积小于第二喷射装置的盲孔的体积或者小于第二喷射装置的分散布置的盲孔体积之和，由此可在借由第一喷射装置代替至少一个第二喷射装置来喷入气态的第一燃料时避免出现未燃烧的碳氢化合物泄漏的问题。
根据本发明的一种扩展方案，双燃料喷射器具有多个第二喷射装置，其中双燃料喷射器的第二喷射装置中的至少一个第二喷射装置可独立操控。在此特别地，至少一个第二喷射装置的可独立操控性意味着可独立于任一其他的第二喷射装置操控。特别优选的是，双燃料喷射器的第二喷射装置中的所有第二喷射装置都可彼此独立地操控。下面将结合所述方法进一步阐述在此得出的优点。
本发明的目的也通过提供一种内燃机而实现，该内燃机具有根据前述实施例中的任一项所述的双燃料喷射器。内燃机还具有可燃气体供应装置，其设置用于供应第一气态燃料至内燃机。内燃机还具有液态燃料供应装置，其设置用于供应第二液态燃料至内燃机。可燃气体供应部与双燃料喷射器的第一接口流体连接。液态燃料供应装置与双燃料喷射器的第二接口流体连接。如此一来就可保证第一气态燃料被供应至与第一喷射装置流体连接的第一接口，其中第二液态燃料被供应至与第二喷射装置流体连接的第二接口。特别地，关于内燃机也会实现关于双燃料喷射器阐述过的优点。
内燃机优选构造成往复式活塞马达。也可实现的是，内燃机设置用于驱动载客车、载货车或营运车。在一种优选的实施例中，内燃机用于驱动特别是重型的农用车辆或船舶，例如采矿车辆、火车（其中内燃机应用在火车头或内燃机车中）或轮船。也可实现的是，内燃机应用于驱动防御车辆、例如装甲车。优选地，内燃机的一种实施例也是静止的，例如在应急电流运行、长期负荷运行或高峰负荷运行中用来静止地供能，其中内燃机在这种情况下优选驱动发电机。也可实现的是，内燃机被静止地应用于驱动辅助机组、例如驱动钻井平台上的消防泵。此外，内燃机还可应用于输送化石原料且特别是燃料、例如油和/或气体的领域。内燃机还可应用于工业领域或建筑领域，例如应用于建筑机械或施工机械、例如起重机或挖土机中。内燃机优选构造成柴油马达、汽油马达、燃气马达，燃气马达利用天然气、沼气、特种气体（Sondergas）或者其他适当的气体来运行。特别地，当内燃机构造成燃气马达时，它适合应用在小区热电站中来静止地产能。
本发明的目的也可通过提出一种用于运行内燃机的方法而实现，其中内燃机根据前述实施例中的任一项来运行。特别地，内燃机由此具有根据前述实施例中的任一项所述的双燃料喷射器。在此特别地，关于该方法也会实现关于双燃料喷射器及内燃机阐述过的优点。
根据本发明的一种扩展方案设置为，双燃料喷射器的多个第二喷射装置中的至少一个第二喷射装置被独立操控。通过独立操控从多个第二喷射装置的组中选出的至少一个第二喷射装置，可以获得相比于所有第二喷射装置一起被操纵的已知双燃料喷射器的优点。特别地，第二燃料的喷入或喷射图像可以根据需要在第二燃料的几何形状引入方面进行变化。此外，在燃烧室和双燃料喷射器的热负荷方面、在第二喷射装置的磨损方面以及在燃烧室中的恒温管理方面都有优点，这在下文中还会进一步阐述。
根据本发明的一种扩展方案设置为，多个第二喷射装置中的第二喷射装置特别是在内燃机的顺序工作周期中被轮流操控。这样一来，第二燃料就可以交替地通过不同的第二喷射装置被引入。特别是在优选的设计方案中仅操控第二喷射装置中的一个时，这会导致更精确的配量。通过交替地经由不同的第二喷射装置引入第二燃料，燃烧室、气缸盖和活塞在每个工作循环中在不同区域中以不同的方式进行热加载。这能够带来使用寿命方面的优势。
关于第二燃料喷射器的冷却示出了，通过至少一个布置在径向外部的第二喷射装置在外部引入第二液态燃料是有利的，因为双燃料喷射器由此在其径向外部区域中被液态燃料穿流而过从而被特别有效地冷却。
轮流地操控第二喷射装置在其磨损方面也是特别有利的，因为在工作周期中未被操控的第二喷射装置受到了保护。
最后，根据本发明的一种扩展方案设置为，通过独立地操控多个第二喷射装置中的至少一个第二喷射装置，特别是在几何形状上和/或在时间上调整内燃机的配属有双燃料喷射器的燃烧室中的燃烧情况。通过有针对性地、独立地操控第二喷射装置就可以在几何形状上和/或在时间上有针对性地将第二燃料引入燃烧室，从而在该燃烧室中有针对性地布置燃烧。通过有针对性地选择燃烧室中的燃烧情况来影响废气温度，由此可调整不同的废气温度，从而可针对内燃机进行有效的恒温管理。通过影响燃烧室中的燃烧情况还可实现的是，控制燃烧室中的热负荷并且根据可能性进行均匀化，这可以对燃烧室以及整个内燃机的功率和寿命起到积极作用。
双燃料喷射器和内燃机的描述以及方法的描述彼此之间要互补地理解。双燃料喷射器和/或内燃机的（在方法中明确或隐含阐述的）特征优选单个或彼此组合地是双燃料喷射器和/或内燃机的优选实施例的特征。在双燃料喷射器或内燃机中明确或隐含阐述的方法步骤优选单个或彼此组合地是该方法的优选实施方式的步骤。其特征优选在于至少一个方法步骤，该方法步骤由双燃料喷射器和/或内燃机的根据本发明的或优选的实施例的至少一个特征决定。内燃机和/或双燃料喷射器的特征优选在于至少一个特征，该特征由本方法的根据本发明的或优选的实施方式的至少一个步骤决定。
附图说明
接下来根据附图进一步阐述本发明。在此，唯一的附图示出了内燃机的实施例的示意图，其具有双燃料喷射器的实施例。
具体实施方式
唯一的附图示出了内燃机1的实施例的示意图，其具有双燃料喷射器3的实施例。双燃料喷射器3配属于燃烧室5，并设置用于给燃烧室5供给两种不同的燃料，特别是第一气态燃料和第二液态燃料。
对此，双燃料喷射器3具有第一喷射装置7，其设置用于喷射第一燃料；还具有至少一个（这里一共是四个）布置在第一喷射装置7的径向外部用于喷射第二燃料到燃烧室5中的第二喷射装置9，其中在该截面图中示出的是四个第二喷射装置9中的两个第二喷射装置，即一号第二喷射装置9.1和二号第二喷射装置9.2。
在所示实施例中，第一喷射装置7布置在中央，也就是特别居中地且尤其是布置在双燃料喷射器3的限定轴向的纵轴线A上。第二喷射装置9在径向上与第一喷射装置7间隔开并且在径向外部、即以更大的半径围绕第一喷射装置7布置，特别是布置在与纵轴线A同心布置的共同的圆周线上，其中第二喷射装置9优选彼此以相等的角度间隔布置。在此，一号第二喷射装置9.1和二号第二喷射装置9.2在圆周线上彼此具有180°的角度间隔。从观察者的视线方向看，两个未示出的第二喷射装置优选分别布置在图示的图像平面之前和图像平面之后，并且同样在圆周线上彼此具有180°的角度间隔，其中在成对相邻的两个喷射装置9之间在圆周线上分别具有90°的角度间隔。即，四个第二喷射装置9在想象的圆周线上彼此以相等的、分别为90°的角度间隔围绕纵轴线A从而同时围绕第一喷射装置7布置。
双燃料喷射器3具有第一接口11用于供给气态的第一燃料，并且具有第二接口13用于供给液态的第二燃料。在此，第一接口11与第一喷射装置7流体连接，其中第二接口13与第二喷射装置9流体连接。也可替代地实现的是，每个第二喷射装置9都配属有一个独立的第二接口13。
第一喷射装置7具有在轴向上可冲程控制的喷嘴针15、针对喷嘴针15的第一密封座17、位于密封座17下游的第一盲孔19以及第一喷射钻孔21，其中第一盲孔19与第一喷射钻孔流体连接，使得燃料可以从第一盲孔19经过第一喷射钻孔21流入燃烧室5中。这种喷射装置的作用方式本身是已知的，因此这里不再深入。在此仅做出说明的是，第一喷嘴针15是可操控的，以便在轴向上实施从配属于第一喷嘴针的第一密封座17到打开位置的冲程运动以及在关闭位置中挤向第一密封座17。
类似地，第二喷射装置9配设有第二喷嘴针23.1、23.2、第二密封座25.1、25.2、第二盲孔27.1、27.2以及第二喷射钻孔29.1、29.2。
内燃机1具有燃气供应部31，其设置用于供应第一气态燃料至内燃机1、特别是燃烧室5，其中燃气供应部31与第一接口11流体连接从而同时也与第一喷射装置7流体连接。
内燃机1还具有液态燃料供应装置33，其设置用于供应第二液态燃料至内燃机1、特别是燃烧室5，其中燃气供应装置33与第二接口13流体连接且特别是与第二喷射装置9.1、9.2流体连接。
不同的喷射装置7、9在此可独立地、即特别是彼此不相关地操控。特别地，第二喷射装置9.1、9.2在此可独立地、即彼此不相关地操控。
对此，内燃机1具有控制装置35，该控制装置与喷射装置7、9作用连接用于独立地、不相关地控制喷射装置。
在此优选地设置为，第二喷射装置9.1、9.2特别是在燃烧室5的顺序工作周期中被轮流操控。补充地或替代地优选设置为，通过独立地操控第二喷射装置9.1、9.2中的至少一个来调整燃烧室5中的燃烧情况。
通过在建议的双燃料喷射器3中将气态的燃料经过中央的第一盲孔19引入燃烧室5中，可以明显地减少或降低在膨胀冲程中使用含甲烷的可燃气体时通过可燃气体膨胀引起的未燃烧的碳氢化合物泄漏、特别是甲烷泄漏的问题，其中第一盲孔19的体积小于第二盲孔27.1、27.2的体积之和。
通过单独地、特别是优选轮流地操控第二喷射装置9.1、9.2，一方面可以对燃烧室的不同区域交替进行热加载，另一方面可以实现第二液态燃料的更精确的配量。
在此示出的还有，在双燃料喷射器3的径向外部喷射第二液态燃料原则上会更好地冷却双燃料喷射器，因为第二液态燃料的供给在双燃料喷射器3的表面附近进行，而第二液态燃料的比热容高于气态的第一燃料。
通过独立地操控第二喷射装置9.1、9.2以及由此伴随着在几何形状上和/或在时间上影响燃烧室5中的燃烧情况，可以针对内燃机1进行恒温管理，其中特别是可调整不同的废气温度。
在其他情况中由于未燃烧的碳氢化合物大量泄漏而不可或缺的成本高昂的废气后处理程序、例如甲烷氧化催化剂即可省略。否则未燃烧的可燃气体量会被供给至燃烧过程。

Claims (10)

1. 用于内燃机（1）的双燃料喷射器（3），所述双燃料喷射器具有：
- 第一喷射装置（7）用于喷射第一燃料；和
- 至少一个第二喷射装置（9.1、9.2），其布置在所述第一喷射装置（7）的径向外部用于喷射第二燃料，其中所述第二燃料和所述第一燃料不同；并且具有
- 第一接口用于供给所述第一燃料和第二接口用于供给所述第二燃料；
其特征在于，
- 所述第一接口（11）与用于供给气态的所述第一燃料的所述第一喷射装置（7）流体连接，并且所述第二接口（13）与用于供给液态的所述第二燃料的所述第二喷射装置（9.1、9.2）流体连接。
2.根据权利要求1所述的双燃料喷射器（3），其特征在于，所述第一喷射装置（7）布置在所述双燃料喷射器（3）中央。
3.根据前述权利要求中任一项所述的双燃料喷射器（3），其特征在于，多个第二喷射装置（9.1、9.2）围绕所述第一喷射装置（7）布置。
4.根据前述权利要求中任一项所述的双燃料喷射器（3），其特征在于，每个喷射装置（7、9.1、9.2）都具有在轴向上能冲程控制的喷嘴针（15、23.1、23.2）、密封座（17、25.1、25.2）以及位于所述密封座（17、25.1、25.2）下游的盲孔（19、27.1、27.2），其中，所述盲孔（19、27.1、27.2）与至少一个喷射钻孔（21、29.1、29.2）流体连接。
5.根据前述权利要求中任一项所述的双燃料喷射器（3），其特征在于，设置有多个第二喷射装置（9.1、9.2），其中，所述第二喷射装置（9.1、9.2）中的至少一个第二喷射装置（9.1、9.2）能独立操控。
6.内燃机（1），其具有：
根据权利要求1至5中任一项所述的双燃料喷射器（3）；
可燃气体供应装置（31），其设置用于供应气态的第一燃料至所述内燃机（1）；
液态燃料供应装置（33），其设置用于供应液态的第二燃料至所述内燃机（1），其中，所述可燃气体供应装置（31）与所述第一接口（11）流体连接，并且其中，所述液态燃料供应装置（33）与所述双燃料喷射器（3）的第二接口（13）流体连接。
7.用于运行内燃机（1）的方法，其中，根据权利要求6所述的内燃机（1）被运行。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，多个第二喷射装置（9.1、9.2）中的至少一个第二喷射装置（9.1、9.2）被独立操控。
9.根据权利要求7和8中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二喷射装置（9.1、9.2）特别是在所述内燃机（1）的顺序工作周期中被轮流操控。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，通过独立地操控所述第二喷射装置（9.1、9.2）中的至少一个第二喷射装置（9.1、9.2），调整所述内燃机（1）的配属有所述双燃料喷射器（3）的燃烧室（5）中的燃烧情况。
CN201780008897.4A 2016-01-29 2017-01-20 双燃料喷射器、具有这种双燃料喷射器的内燃机以及运行这种内燃机的方法 Active CN108495988B (zh)

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