CN109312704B - 补充液体喷射系统和方法以及多缸活塞发动机 - Google Patents

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Abstract

一种用于将不可燃液体喷射到多缸活塞发动机(1)的气缸(2)中的补充液体喷射系统包括用于对所述液体加压的泵(7)、用于从所述泵(7)接收加压液体的蓄积器(5)以及与所述蓄积器(5)连接并且被配置成将所述液体喷射到所述发动机(1)的气缸(2)中的喷射器(3)。

Description

补充液体喷射系统和方法以及多缸活塞发动机
技术领域
本发明涉及用于将不可燃液体喷射到多缸活塞发动机的气缸中的补充液体喷射系统。本发明还涉及用于将补充液体喷射到活塞发动机的气缸中的方法。
背景技术
随着排放标准对有害氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、挥发性碳氢化合物(HC)、颗粒物(PM)和其他内燃发动机排放设置越来越严格的要求，发动机制造商不得不寻找满足要求的新方式。同时，应该提高发动机的燃料效率，以减少二氧化碳(CO2)排放并且确保发动机的经济运行。
通常，可通过降低燃烧室中的温度来减少NOx排放。这样做的一种方式是应用喷射水喷射。水可被直接喷射到燃烧室中或进入歧管中，以降低燃烧室内的温度，从而减少NOx排放。将水直接喷射到气缸中的优点在于，与水喷射到进入歧管中相比，需要的水量较少。另一方面，直接喷射水的缺点在于，放置喷水器需要气缸处于严苛条件下。通常，仅在某些操作条件下利用喷射水。当利用喷射水时，流过喷水器的水作为冷却介质起作用，并且降低喷水器的温度。当未利用喷射水时，这种冷却效果不可用，并且喷水器的温度容易升高到引起热腐蚀的水平。另一方面，当利用喷射水时，流过喷水器的水甚至会使喷水器的温度过度降低，使喷水器遭受冷腐蚀。冷腐蚀是指硫酸在表面冷凝并使其劣化的现象。因此，喷水器会遭受热腐蚀和冷腐蚀二者。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于将不可燃液体喷射到多缸活塞发动机的气缸中的改进式补充液体喷射系统。本发明的另一个目的是提供一种用于将补充液体喷射到活塞发动机的气缸中的改进式方法。
根据本发明的喷射系统包括用于对所述液体加压的泵、用于从所述泵接收加压液体的蓄积器以及与所述蓄积器连接并且被配置成将所述液体喷射到所述发动机的气缸中的喷射器。
根据本发明的方法包括以下步骤：借助泵升高所述液体的压力；将来自所述泵的所述液体引入至少一个蓄积器中；以及将来自所述蓄积器的所述液体供应到至少一个喷射器，所述至少一个喷射器被配置成将所述液体喷射到所述发动机的气缸中。
根据本发明的一个实施方式，在所述喷射器和所述蓄积器之间布置有流量保险器。所述流量保险器可与所述蓄积器成一体。所述流量保险器防止流量流向故障的喷射器。
根据本发明的一个实施方式，所述喷射系统包括用于所述喷射系统的每个喷射器的自身蓄积器。单个泵可服务于多个蓄积器。
根据本发明的一个实施方式，每个蓄积器均布置在相应的所述喷射器的附近。所述蓄积器可附接于所述发动机的气缸盖。通过将蓄积器布置成靠近喷射器，可抑制喷射系统中的压力脉冲。
根据本发明的一个实施方式，所述泵是高压泵，被配置成将所述液体的压力升高到至少500巴的水平。所述泵可被配置成将所述液体的压力升高到600巴至1000巴的范围。因喷射压力较高，可使用较小的喷嘴孔大小，并且可实现燃烧室中更好的雾化和混合。所述喷射系统可包括被配置成向所述泵供应补充液体的附加泵。
根据本发明的一个实施方式，被喷射的所述液体的温度被配置成当被所述喷射器接收时在80℃至99℃的范围内。利用该温度范围，可防止喷射器被冷腐蚀。在喷射水的情况下，可避免水沸腾。为了加热所述补充液体，所述喷射系统可包括加热装置。
根据本发明的一个实施方式，所述喷射系统包括用于控制所述喷射器的电子控制单元。可用螺线管或压电致动器来控制所述喷射器。这允许容易且独立地控制喷射器。因此，可优化喷射定时和持续时间。
根据本发明的一个实施方式，所述喷射系统被配置成喷射水。
一种根据本发明的多缸活塞发动机包括上面定义的喷射系统。
附图说明
以下，将参照附图来更详细地描述本发明的实施方式，在附图中：
图1示意性示出了活塞发动机的补充液体喷射系统；以及
图2示意性示出了图1的喷射系统的部分的更详细视图。
具体实施方式
在图1中示意性示出了活塞发动机1。发动机1是大型内燃发动机，诸如，船舶的主发动机或辅助发动机或在发电厂用于发电的发动机。发动机1的气缸内径为至少150mm。发动机1的额定功率为至少为100kW/缸。发动机1包括多个气缸2。在图1中，示出了四个气缸2，但是发动机1可包括任何合理数量的气缸2，这些气缸可例如成直线或以V形配置来布置。发动机1可以是例如使用液体燃料进行操作的压缩点火发动机、使用气态燃料进行操作的奥托发动机或可以使用两种或更多种替代燃料进行操作的双燃料或多燃料发动机。液体燃料可以是例如轻燃料油或重燃料油。气态燃料可以是例如天然气。双燃料或多燃料发动机可以根据在每种情形下使用的燃料在压缩点火模式或奥托循环(Otto-cycle)模式下起作用。如果发动机1根据奥托循环进行操作，则发动机1的主燃料可被火花塞点燃或者在引燃燃料喷射的辅助下点燃。发动机1可包括一个或更多个燃料喷射系统(未示出)。例如，发动机1可包括用于液体主燃料的燃料喷射系统。燃料喷射系统可包括用于发动机1的每个气缸2的燃料喷射器。燃料喷射器可被配置成将燃料直接喷射到发动机1的气缸2中或预燃室中。用于液体主燃料的燃料喷射系统可以是共轨系统，或者可以为发动机1的每个气缸2设置独立的燃料喷射泵。发动机1可包括用于将气态燃料引入发动机1的气缸2中的附加燃料喷射系统。气体燃料可经由进入口被引入发动机1的进入管道中，进一步进入气缸2中。在发动机1是使用气态主燃料操作的气体发动机或者是可在气体模式下操作的双燃料或多燃料发动机的情况下，发动机1可设置有用于将液体引燃燃料喷射到发动机1的气缸2中的引燃燃料系统。引燃燃料喷射系统可以是共轨系统。发动机1还可包括用于替代液体主燃料的两个燃料喷射系统。
图2示意性示出了图1的活塞发动机1的一个气缸2。活塞14以往复方式在气缸2中的下死点和上死点之间移动。气缸盖16封闭气缸2的上死点中心端，即，上端。活塞14与气缸盖16和气缸2的壁一起限定燃烧室15的边界，燃料在燃烧室15中发生燃烧。进气有可能还有燃料经由进入口8被引入气缸2中。进入阀17被布置成打开和封闭燃烧室15与进入管道之间的流体连通。废气经由排出口18从气缸2排出。可以通过排出阀19打开和封闭燃烧室15和排出管道之间的流体连通。在图2的实施方式中，气缸2设置有燃料喷射器20，燃料喷射器20可用于将液体燃料直接喷射到燃烧室15中。
除了发动机1的一个或更多个燃料喷射系统之外，发动机1还包括用于将不可燃液体喷射到发动机1的气缸2中的补充液体喷射系统。不可燃液体可以是水或含添加剂的水。液体可以是例如蒸馏水或自来水。液体被直接喷射到发动机1的气缸2中，并且喷射的目的是降低燃烧室15中的温度，因此减少发动机1的NOx排放。在奥托循环操作中，可使用液体喷射到来降低爆震风险。喷射系统包括用于对液体加压的至少一个泵7。泵7被配置成将液体的压力从第一压力水平升高到第二压力水平。泵7是高压泵，能够将液体的压力升高到至少500巴的水平。优选地，高压泵7之后的压力在600巴至1000巴的范围内。因为高压，所以可使用较小的喷射器喷嘴孔并且实现了喷射液体的更好雾化。因此，能实现喷射液体和燃烧室15中的混合物的更好混合。在图1的实施方式中，喷射系统还包括将罐22中的液体供应到高压泵7的低压泵10。低压泵10被配置成向高压泵7供给处于第一压力水平的液体。低压泵10之后的压力可以例如在5巴至15巴的范围内。在图1的实施方式中，高压泵7将液体供应到发动机1的所有气缸2。然而，喷射系统还可以设置有两个或更多个高压泵7。有利地，一个高压泵7将液体供应到发动机1的至少两个气缸2。喷射系统还可包括多个低压泵10，但是单个低压泵10也可向多个高压泵7供应液体。低压泵10不是系统的必要组件，但系统也将在没有低压泵10的情况下工作。然而，有利的是在高压泵7的低压侧的过压小，以避免形成气穴现象。这可通过将补充液体源(诸如，罐22)定位在高压泵7上方以实现液体的重力供给来实现。低压泵10也可以是在低于5巴的压力下从罐22供应液体的输送泵。
来自高压泵7的加压液体被供应到喷射器3。发动机1的每个气缸2均设置有自身的喷射器3。在图2的实施方式中，喷射器3布置在气缸盖16中。喷射器3布置在燃烧室15的侧面。喷射器3与燃料喷射器20分开。喷射器3可受独立控制，例如，电动控制。可例如通过螺线管或压电致动器来控制喷射器3。螺线管或压电致动器可直接致动喷射器3，或者它们可控制用于致动喷射器3的控制流体的流动。喷射器3和/或致动器连接于控制单元21，控制单元21控制喷射器3的打开和封闭。因此，可独立调节每个气缸2中的补充液体的喷射定时和持续时间。喷射系统还设置有至少一个蓄积器5。蓄积器5是被配置成容纳承压的预定量液体的贮存器。在这些图的实施方式中，发动机1的每个气缸2均设置有自身的蓄积器5。蓄积器5从高压泵7接收加压液体。加压液体被从蓄积器5供应到喷射器3。每个蓄积器5的容积是在发动机1满载时的一次喷射事件期间通过喷射器3喷射到气缸2中的液体量的10倍至200倍。
在每个喷射器3和蓄积器5之间布置有流量保险器6。流量保险器6防止不受控制地泄漏到气缸2的燃烧室15。流量保险器6也被称为限流阀，是被设计成在某些预定条件下被触发以防止流过它的装置。流量保险器6被用于防止例如在喷射器3的阀针卡在打开位置或者某种其他故障(诸如，喷射器或喷嘴主体破裂或者喷嘴末端熔化或腐蚀造成补充液体泄漏)的情况下从蓄积器5向喷射器3流动。因此，流量保险器6用作防止通过发生故障的喷射器3泄漏的安全装置。
流量保险器6包括活塞11和弹簧12。活塞11布置在流量保险器6的主体13内，并且可在流量保险器6的纵向方向上移动。弹簧12被布置成将活塞11朝向流量保险器6的第一端推动。当喷射器3处于封闭位置时，活塞11处于流量保险器6的第一端处，即，处于静止位置。当喷射器3打开时，在活塞11上形成压力差，并且蓄积器5中的压力克服弹簧力推动活塞11，使活塞11朝向流量保险器6的第二端移动。活塞11在流量保险器6的第一端和第二端之间的中间位置是打开位置，在打开位置，允许从蓄积器5朝向喷射器3流动。当喷射器3的阀针返回封闭位置时，活塞11上的压力差消失，弹簧12再次将活塞11朝向流量保险器6的第一端推动，使活塞11返回静止位置。在每个喷射循环期间，活塞11因此朝向流量保险器6的第二端移动并返回流量保险器6的第一端处的初始位置。
如果喷射器3未正确封闭，则活塞11上的压力差保持不变。因此，活塞11一直朝向流量保险器6的第二端移动，直到它到达第二端(即，封闭位置)并封闭蓄积器5和喷射器3之间的流体连通为止。蓄积器5的压力使活塞11保持在该位置并防止流向发生故障的喷射器3。在正常喷射期间，活塞11没有抵着流量保险器6的第二端移动整个距离，但是流量保险器6被配置成使得在活塞11已移动整个冲程从静止位置移至封闭活塞之前终止喷射，在封闭位置，通向喷射器3的流量受阻。活塞11具有间隙，例如，当活塞11处于冲程的中途时允许流量通过该间隙，而当活塞11处于流量保险器6的第二端处的封闭位置时不允许流量通过该间隙。另选地，活塞11可设置有通道，以允许在活塞11处于中间位置时有流量通过流量保险器6。流量保险器6可被配置成即使当流量保险器6的活塞11处于静止位置时也允许有少量流量流向喷射器3。这样允许使用补充液体来控制喷射器3的温度。因此，液体可用于根据液体和喷射器3的温度来冷却或加热喷射器3。
在附图的实施方式中，蓄积器5和流量保险器6是一体的。它们一起形成蓄积器单元4，蓄积器单元4因此包括蓄积器5和流量保险器6。蓄积器单元4可布置在气缸2附近。例如，蓄积器单元4可附接于气缸盖16。通过将蓄积器5定位成靠近燃料喷射器3，可抑制液体喷射系统中的压力脉冲。
液体喷射系统中的液体温度被配置成在80℃至99℃的范围内。这有助于防止喷射器3被冷腐蚀。如果液体的温度过低，则流过喷射器3的液体会使喷射器3的温度降低太多，从而使喷射器3遭受冷腐蚀。冷腐蚀是指硫酸在表面冷凝并使其劣化的现象。然而，液体的温度应低于100℃，以避免沸腾。液体可在罐22中被加热。为了加热液体，喷射系统设置有加热装置，加热装置可以是例如位于罐22中的热交换器23或电加热器。通过将加热装置定位在罐22中，可实现补充液体的稳定温度并且加热装置可布置在喷射系统的低压部分中。
本领域的技术人员应该理解，本发明不限于上述实施方式，而是可在随附权利要求书的范围内变化。

Claims (13)

1.一种用于将不可燃液体喷射到多缸活塞发动机(1)的气缸(2)中的补充液体喷射系统，该喷射系统包括用于对所述液体加压的泵(7)、用于从所述泵(7)接收加压液体的蓄积器(5)以及与所述蓄积器(5)连接并且被配置成将所述液体喷射到所述发动机(1)的气缸(2)中的喷射器(3)，其中，在所述喷射器(3)和所述蓄积器(5)之间布置有流量保险器(6)，所述流量保险器(6)包括主体(13)、布置在所述主体(13)内的活塞(11)和将所述活塞(11)朝向所述流量保险器(6)的第一端推动到静止位置的弹簧(12)，其中，所述活塞(11)上的压力差被配置成使所述活塞(11)经中间打开位置朝向所述流量保险器(6)的第二端移向封闭位置，其特征在于，所述喷射系统包括用于加热所述补充液体的加热装置(23)，并且被喷射的所述液体的温度被配置成当被所述喷射器(3)接收时在80℃至99℃的范围内。
2.根据权利要求1所述的喷射系统，其中，所述流量保险器(6)与所述蓄积器(5)成一体。
3.根据权利要求1或2所述的喷射系统，其中，所述喷射系统包括用于所述喷射系统的每个喷射器(3)的自身蓄积器(5)。
4.根据权利要求3所述的喷射系统，其中，每个蓄积器(5)均布置在相应的所述喷射器(3)附近。
5.根据权利要求3所述的喷射系统，其中，每个蓄积器(5)均附接于气缸盖(16)。
6.根据权利要求1或2所述的喷射系统，其中，所述泵(7)是高压泵，被配置成将所述液体的压力升高到至少500巴的水平。
7.根据权利要求1或2所述的喷射系统，其中，所述泵(7)被配置成将所述液体的压力升高到600巴至1000巴的范围。
8.根据权利要求1或2所述的喷射系统，其中，所述喷射系统包括附加泵(10)，所述附加泵(10)被配置成向所述泵(7)供应补充液体。
9.根据权利要求1或2所述的喷射系统，其中，所述喷射系统包括用于控制所述喷射器(3)的电子控制单元(21)。
10.根据权利要求1或2所述的喷射系统，其中，所述喷射器(3)用螺线管或压电致动器控制。
11.根据权利要求1或2所述的喷射系统，其中，所述喷射系统被配置成喷射水。
12.一种多缸活塞发动机(1)，该多缸活塞发动机(1)包括根据前述权利要求中的任一项所述的喷射系统。
13.一种用于将补充液体喷射到活塞发动机(1)的气缸(2)中的方法，该方法包括以下步骤：借助泵(7)升高所述液体的压力；将来自所述泵(7)的所述液体引入至少一个蓄积器(5)中；以及经由流量保险器(6)将来自所述蓄积器(5)的所述液体供应到至少一个喷射器(3)，所述至少一个喷射器(3)被配置成将所述液体喷射到所述发动机(1)的气缸(2)中，所述流量保险器(6)包括主体(13)、布置在所述主体(13)内的活塞(11)和将所述活塞(11)朝向所述流量保险器(6)的第一端推动到静止位置的弹簧(12)，其中，所述活塞(11)上的压力差被配置成使所述活塞(11)经中间打开位置朝向所述流量保险器(6)的第二端移向封闭位置，其特征在于，被喷射的所述液体的温度被配置成当被所述喷射器(3)接收时在80℃至99℃的范围内。
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