CN111305990B - 具有用于低闪点燃料的燃料喷射系统的大型二冲程压缩点火式内燃机及其燃料阀 - Google Patents

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Abstract

提供了大型二冲程涡轮增压压缩点火式内部燃烧十字头发动机及用于其的燃料阀。燃料阀包括：阀壳体；喷嘴；连接至经加压的低闪点燃料的源的燃料进入端口；致动流体端口；在燃料阀的纵向膛孔中的阀针，阀针在处于其打开位置时允许燃料从燃料腔向喷嘴流动；连接至致动活塞的泵活塞；连接至致动流体端口的致动室；流体地连接至燃料腔和燃料进入端口的泵室；连接至经加压的密封液体的源的密封液体进入端口；将密封液体进入端口连接至纵向膛孔的密封油流动路径；连接至经加压的点火液体的源的点火液体进入端口；点火液体导管，其从点火液体进入端口延伸到膛孔和泵活塞之间的间隙，用于对第一膛孔中的泵活塞进行密封并且将一定量的点火液体递送到泵室。

Description

具有用于低闪点燃料的燃料喷射系统的大型二冲程压缩点火 式内燃机及其燃料阀
技术领域
本公开内容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二冲程压缩点火式内部燃烧十字头发动机。
背景技术
大型二冲程单流涡轮增压压缩点火式内部燃烧十字头发动机通常用于大型船舶的推进系统或用作发电厂的原动机。庞大的尺寸、重量和功率输出使它们与普通的燃烧式发动机完全不同，并且将大型二冲程涡轮增压压缩点火式内燃机自身归为一类。
大型二冲程压缩点火式内燃机通常利用液态燃料诸如燃料油或重燃料油来运行，但在环境方面日益增加的关注已经引起向使用替代型燃料诸如气体、甲醇、煤浆、石油焦炭等发展。处于需求增加的一组燃料是低闪点燃料。
许多低闪点燃料诸如例如甲醇、乙醇、LPG、DME或生物燃料、石脑油、汽油(成品油)、粗汽油和原油是相对清洁的燃料，其在用作用于大型低速单流涡轮增压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，在排出气体中会产生显著较低水平的硫成分、NOx和CO2的。
然而，在大型低速单流涡轮增压二冲程内燃机中存在与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发动机的其他系统之一诸如例如润滑油系统中并与另一流体混合，则会导致重大问题。低闪点燃料固有地是易燃的，并且其蒸气容易形成爆炸性混合物。因此，如果低闪点燃料找到了其进入发动机的另一系统的方式，则出于安全原因必须停止发动机的运行，并清洗或更换在这种系统中的所有液体，对于发动机的操作者是成本高且繁琐的事情。
在本领域中已知的是，为大型二冲程压缩点火式内燃机提供共轨型系统，该共轨型系统存储低闪点燃料并且以通常几百巴(取决于低闪点燃料的类型以及发动机的要求)的所需喷射压力来分配低闪点燃料，其中蓄能器靠近燃料阀。共轨型系统连接至每个缸(cylinder，汽缸)的缸盖中的两个或三个燃料喷射阀。燃料喷射阀是电子控制的，并且通过电子地控制燃料喷射阀打开的时间(相对于发动机循环)来对燃料喷射进行定时(time，时控)(信号源自电子控制单元，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转变成液压信号)。
当基于LPG或具有相对高的可压缩性的任何其他类似的低闪点燃料来运行时，用于大型二冲程压缩点火式内燃机的已知共轨型气态燃料供给系统具有缺点。用于LPG的喷射压力需要高达600bar，这意味着需要为该高压安排包括所有阀门、蓄能器、管道等的共轨系统。此外，利用窗口阀的安全理念不适用于像LPG之类的稠密气体，因为首先，在窗口阀和燃料阀之间的气体通道需要具有很小的体积，其次，由于窗口阀关闭而激发的高频振荡，使得为确保检测泄露所必须的气体通道压力监测非常困难。
在本领域中还已知的是使用升压泵和燃料压力控制的燃料阀来喷射液态气体，诸如例如LPG。该理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、温度和气体成分。因此，升压器的致动与实际气体喷射之间的延迟取决于那些参数，其将使发动机控制，即喷射量并且尤其是喷射定时非常困难。这是重大问题，因为喷射定时在压缩点火式发动机中是关键性的。
EP3252291公开了根据权利要求1的前序部分的燃料供给系统，该燃料供给系统允许对使用升压器的低闪点(与燃料相比，更可压缩的)燃料的喷射进行精确定时。
然而，许多低闪点燃料不具有良好的点火特性，如果点火液没有刚好在低闪点燃料之前或与该低闪点燃料一起被喷射到燃烧室中，则导致不可靠的点火。
因此，需要提供用于LPG和类似的低闪点燃料的燃料供给系统，该燃料供给系统安全、便宜、提供对准许燃料进入缸的时间进行准确的控制并提供可靠的点火。
已知使用分开的阀来将点火液喷射到燃烧室中。但是，基于低闪点燃料运行的发动机通常是也可以基于常规燃料诸如燃料油或重燃料油运行的双燃料发动机，并且缸的缸盖设置有两个或三个用于常规燃料的燃料阀和两个或三个用于低闪点燃料的燃料阀。因此，在已经存在4至6个燃料阀的情况下，缸盖已经拥挤，而没有用于喷射点火液的附加阀。此外，与低闪点燃料的量相比，所喷射的点火液的量通常非常少。点火液燃料的量的典型范围是在低闪点燃料按重量计算的1.5％至5％之间。因此，这些用于喷射点火液的阀比用于喷射低闪点燃料的燃料阀小得多，并且这种小的阀通常太脆弱而在恶劣的环境中不耐用。
发明内容
本发明的目的是提供克服或至少减少上述问题的大型二冲程涡轮增压压缩点火式内部燃烧十字头发动机。
通过独立权利要求的特征实现前述以及其他目的。根据从属权利要求、说明书和附图，另外的实施形式是显而易见的。
根据第一方面，提供了燃料阀，该燃料阀用于将低闪点液态燃料喷射到大型低速运行的二冲程涡轮增压压缩点火式内燃机的燃烧室中，该燃料阀包括：
具有后端和前端的伸长的阀壳体，
具有多个喷嘴孔的喷嘴，该喷嘴设置在伸长的阀壳体的前端处，
在伸长的阀壳体中的燃料进入端口，该燃料进入端口用于连接至经加压的低闪点燃料的源，
在伸长的阀壳体中的致动(actuation，驱动)流体端口，该致动流体端口用于连接至致动流体的源，
轴向可移位的阀针，该阀针被可滑动地接收在燃料阀中的纵向膛孔(bore，钻孔)中，该阀针具有关闭位置和打开位置，并且该阀针被偏置朝向关闭位置，
当阀针处于其打开位置时，该阀针允许燃料从燃料腔向多个喷嘴孔的流动，并且当阀针处于其关闭位置时，该阀针阻止燃料从燃料腔向多个喷嘴孔的流动，
被接收在阀壳体中的第一膛孔中的泵活塞，其中在第一膛孔中的泵室位于泵活塞的一侧，
泵活塞被可滑动地接收在第一膛孔中，在泵活塞和第一膛孔之间具有间隙，
被接收在阀壳体中的第二膛孔中的致动活塞，其中在第二膛孔中的致动室位于致动活塞的一侧，该泵活塞可操作地连接至该致动活塞，
致动室流体地连接到致动流体端口，
泵室具有流体地连接至燃料腔的出口和流体地连接至燃料进入端口的入口，
用于连接至经加压的密封液体的源的密封液体进入端口，
密封油流动路径，该密封油流动路径将密封液体进入端口连接至纵向膛孔，用于对纵向膛孔中的阀针进行密封，
用于连接至经加压的点火液体的源的点火液体进入端口，
点火液体导管从点火液体进入端口延伸到间隙，以用于对第一膛孔中的泵活塞进行密封并用于将点火液递送到泵室。
通过提供用于点火液的进入端口并且通过提供将用于利用超压对第一膛孔中的泵活塞进行密封的点火液输送到第一膛孔的导管，将会将泵活塞密封并且因为间隙通向泵室则点火液将到达泵室。因此，少量的点火液到达泵室并且与低闪点燃料混合。少量与低闪点燃料混合的点火液被泵送到喷嘴并被喷射到燃烧室中。与低闪点燃料混合的点火液的存在增强了可靠点火。
根据第一方面的第一可能的实施方案，通过经由点火液体导管递送到间隙的点火液，对第一膛孔中的泵活塞进行密封。
根据第一方面的第二可能的实施方案，该间隙通向所述泵室，并且点火液经由该间隙被递送到泵室。
根据第一方面的第三可能的实施方案，流动路径包括：在阀壳体中连接至密封液体进入端口的导管、和/或使阀针向阀座偏置的弹簧的弹簧室、和/或阀针中的轴向膛孔、和/或阀针中的横向膛孔。
根据第一方面的第四可能的实施方案，密封油流动路径使密封液体进入端口在沿着纵向膛孔的长度的第一位置处连接至纵向膛孔，以用于对纵向膛孔中的阀针进行密封。
根据第一方面的第五可能的实施方案，低压导管使低闪点燃料进入端口在沿纵向膛孔的长度的第二位置处连接至纵向膛孔，第二位置比第一位置靠近燃料腔。低压导管中的压力显著低于喷射压力，因此，与低压导管的连接“刺穿”来自燃料腔的高压，因此，密封油只需要抵抗在低压导管中的较低燃料压力而将在阀针和纵向膛孔之间的间隙密封。
根据第一方面的第六可能的实施方案，在关闭位置，阀针搁置在阀座上，并且在打开位置，阀针已经从阀座抬起。
根据第一方面的第七可能的实施方案，喷嘴具有被固定至伸长的阀壳体的前部的喷嘴本体。
根据第一方面的第八可能的实施方案，阀座位于喷嘴的尖端中。
根据第一方面的第九可能的实施方案，纵向膛孔至少部分地形成在喷嘴本体中。
根据第一方面的第十可能的实施方案，阀针的抬起由燃料腔中的燃料压力控制。
根据第一方面的第十一可能的实施方案，阀针可操作地连接至针致动活塞，其中针致动活塞的压力表面面向燃料阀中的针致动室，该针致动室流体地连接至燃料阀中的控制端口，控制端口用于连接至控制流体的可控制源。
根据第一方面的第十二可能的实施方案，燃料阀设置有阀针，该阀针控制燃料向燃料阀的喷嘴的喷嘴孔的流动，该阀针的位置优选地由控制信号控制而不是由燃料压力来控制。
根据第一方面的第十三可能的实施方案，泵室具有经由第一单向阀流体地连接至燃料进入端口的入口。
根据第一方面的第十四可能的实施方案，泵室具有经由第二单向阀流体地连接至燃料腔的出口。
根据第一方面的第十五可能的实施方案，泵活塞的有效压力面积小于致动活塞的有效压力面积。
根据第一方面的第十六可能的实施方案，喷嘴是被固定至伸长的阀壳体的前部的喷嘴本体的一部分。
根据第一方面的第十七可能的实施方案，入口位于泵活塞中。
根据第一方面的第十八可能的实施方案，在入口中设置有第一单向阀，该第一单向阀被配置成允许低闪点燃料穿过该入口流动到泵室中动，并阻止低闪点燃料从该泵室流动到该入口中。
根据第一方面的第十九可能的实施方案，泵室的出口通过一个或多个燃料通道连接至燃料腔。
根据第一方面的第二十可能的实施方案，在一个或多个燃料通道中提供第二单向阀，该第二单向阀被配置成允许低闪点燃料从泵室流动到燃料腔，并且阻止低闪点燃料从该燃料腔流动到该泵室中。
根据第一方面的第二十一可能的实施方案，泵活塞可操作地连接至致动活塞以与其一致地移动。
根据第二方面，提供了大型二冲程涡轮增压压缩点火式内燃机，包括：
多个缸，
布置在每个缸中的两个或更多个根据第一方面或第一方面的任何可能的实施方案的燃料阀，燃料阀连接至经加压的点火液体的源Pi、经加压的密封油的源Ps和低闪点燃料供给系统。
根据第二方面的第一可能的实施方案，经加压的点火液体的源的压力是电子可控制的，并且发动机包括被配置成控制经加压的点火液体的源的压力的电子控制单元。
根据第二方面的第二可能的实施方案，发动机设置有非低闪点燃料供给系统，并且其中，缸设置有用于将非低闪点燃料喷射到缸中的两个或更多个燃料阀。
根据以下描述的实施方式，本发明的这些和其他方面将显而易见。
附图说明
在本公开内容的以下详细部分中，将参考附图中所示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发动机的高视角正视图。
图2是图1的大型二冲程发动机的高视角侧视图。
图3是根据图1的大型二冲程发动机的图解表示。
图4a是用于将低闪点燃料喷射到图1和图2的发动机中的燃料喷射系统的图解表示。
图4b是用于在图1和图2的发动机中使用的燃料阀的实施方式的图解表示，示出了连接至燃料阀的液体的源。
图5是根据一实施方式的燃料阀的高视角视图。
图6至图9是图5的燃料阀的不同截面图，
图10例示了用于图5的燃料阀的替代喷嘴。
具体实施方式
在下面的详细描述中，将参照示例性实施方式中的具有十字头的大型二冲程低速单流涡轮增压压缩点火式内燃机来描述内燃机，但是应当理解，内燃机可以是另一类型，诸如具有或没有涡轮增压、具有或没有排出气体再循环的二冲程奥托(Otto)、四冲程奥托或柴油的类型。
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二冲程柴油发动机。图3示出了具有其吸入和排出系统的大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机的图解表示。在该示例性实施方式中，发动机具有联机(in line，串联、呈线性排列)的六个缸。大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机通常具有联机的四个至十四个缸，这些缸由通过发动机架11承载的缸架23承载。发动机可以例如用作船舶中的主发动机或用作用于使发电站中的发电机运行的固定式发动机。发动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，发动机是二冲程单流型的压缩点火式发动机，具有在缸衬套1的下部区域处的扫气端口18和在缸衬套1的顶部处的中心排出阀4。扫气空气从扫气空气接收器2传递到各个缸1的扫气端口18。缸衬套1中的活塞10对扫气空气进行压缩。燃料通过缸盖22中的燃料阀50喷射。随后燃烧，并生成排出气体。燃料阀50适合于将低闪点燃料喷射到燃烧室中。在一实施方式中，发动机额外地设置有燃料阀51，所述燃料阀适合于将常规的(非低闪点燃料，诸如例如燃料油或重燃料油)燃料喷射到燃烧室中。
当打开排出阀4时，排出气体流动穿过与缸1相关联的排出管到排出气体接收器3中，并且向上通过第一排出导管19到达涡轮升压器5的涡轮6，排出气体从该涡轮升压器的涡轮流走穿过第二排出导管经由节能器20到达出口21并进入大气。涡轮6通过轴驱动压缩机7，该压缩机经由空气入口12被供给新鲜空气。压缩机7将经加压的扫气空气递送到通向扫气空气接收器2的扫气空气导管13。扫气空气导管13中的扫气空气经过中间冷却器14，以用于对扫气空气进行冷却。
经冷却的扫气空气经由通过电机17驱动的辅助鼓风机16传递，当涡轮升压器5的压缩机7没有为扫气空气接收器2递送足够的压力时，即处于发动机的低负荷或部分负荷的条件下，该辅助鼓风机对该扫气空气加压。在发动机负荷较高时，涡轮升压器压缩机7递送足够的经压缩的扫气空气，并且然后辅助鼓风机16经由止回阀15被旁通。
发动机利用低闪点燃料诸如例如LPG、甲醇或石脑油运行，并且低闪点燃料通过低闪点燃料供给系统30在基本上稳定的压力和温度下以液体或超临界形式被供给。然而，根据低闪点燃料供给系统的细节和所供给的气体的类型，温度和压力中的微小变化是不可避免的。此外，低闪点燃料的成分中也可能发生微小变化。在一实施方式中，发动机是双燃料发动机，并且还设置有用于供给非低闪点燃料诸如例如燃料油或重燃料油的常规燃料供给系统(未示出)。
低闪点燃料供给系统30经由供给导管31以相对较低的供给压力(例如8巴至100巴的压力)向燃料喷射阀50供给低闪点燃料。
图4a是示出了燃料喷射系统的示意图，该燃料喷射系统经由供给导管31接收低闪点燃料。燃料喷射系统包括用于将燃料加压到喷射压力的升压器40。升压器40在第一控制阀41的控制下被液压致动。燃料阀50在第二控制阀45的控制下被液压致动。
图4a中的示意图示出了用于单个缸1的具有一个升压器40和三个燃料喷射阀50的燃料喷射系统。对于每个缸1，也可以是两个而不是三个燃料阀50。每个缸1将需要供给两个或三个燃料阀50的升压器40。
升压器40包括与较小直径的柱塞连接以与其一致地移动的大直径柱塞。大直径柱塞和小直径柱塞被接收在升压器40的壳体中的相应的匹配膛孔中。大直径柱塞面向下述致动室：该致动室在第一控制阀41的控制下被供给高压液压流体或罐。
小直径柱塞面向下述泵室：该泵室经由单向阀与燃料供给导管31连接并且与用于将高压燃料递送到燃料阀50的高压燃料供给管线35连接。单向阀阻止燃料从高压燃料供给管线35回流到泵室。当致动室与罐连接时，在供给导管31中的燃料的压力足以使升压器40进行返回冲程。位置传感器34感测大直径柱塞和小直径柱塞的位置。
在本实施方式中，第一控制阀41包括优选地成比例的第一液压控制三通阀42。第一三通阀42经由致动导管44与致动室、高压液压流体的源和罐连接。第一三通阀42被配置成将致动室选择性地连接至罐或高压液压流体的源。因为第一液压控制三通阀42在一实施方式中是能够采用在与高压液压流体的源的连接和与罐的连接之间的任何中间位置的比例阀。第一三通阀42的位置由第一较小二通阀43控制，并且第一较小二通阀43的位置是电子控制的。第一较小二通阀43经由第一信号线缆26连接至电子控制单元25。在一实施方式中，第一控制阀41经受分开的电子控制单元的命令，该电子控制单元主要被配置成保持安全性并且当已检测到安全问题诸如例如气体泄漏时将停用升压器。替代性地，第一控制阀连接至由发动机安全系统控制的高压液压流体的源。
高压燃料供给管线35被分成三条高压燃料供给管线35-1、35-2、35-3，即一条高压燃料供给管线用于向每个燃料阀50供给高压低闪点燃料。在每个缸具有两个燃料阀50的实施方式中，高压燃料供给管线35将被分成两条管线。
如图4b中所示，每个燃料阀50经由密封油供给管线36并利用密封油返回管线连接至经加压的密封油的供给Ps。在一实施方式中，穿过燃料阀50的流动密封油相对较大，使得密封油还用作用于燃料阀50的冷却介质。
每个燃料阀50连接至燃料阀致动信号导管48。燃料阀致动信号导管48中的压力由第二控制阀45控制，该第二控制阀在一实施方式中包括第二液压控制的比例三通阀46和第二较小电子控制二通阀47。第二液压控制三通阀46优选地是比例阀，并且被配置成将致动信号导管48连接至高压液压流体的源或罐。由于在一实施方式中第二液压控制三通阀46是比例阀，它能够采用在与高压液压流体的源的连接和与罐的连接之间的任何中间位置。第二三通阀46的位置由第二较小二通阀47控制，并且第二较小二通阀47的位置是电子控制的。第二较小二通阀47经由第三信号线缆28连接至电子控制单元25。经由第二信号线缆27将第二三通阀46的位置通知给电子控制单元25。
电子控制单元25经由在图4a中例示为中断线的信号线缆接收来自各个传感器的信号。来自各个传感器的信号包括：例如扫气压力、温度、排出压力、温度、曲柄角和速度，然而要注意的是该列表并不详尽并且将取决于发动机的构造，例如发动机是否包括排出气体再循环、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50何时打开并且确定打开时间的持续时间。电子控制单元25还控制升压器40的运行。
燃料喷射的时间高度地影响大型二冲程涡轮增压柴油发动机(压缩点火式发动机)中的燃烧压力。燃料阀50关于曲轴角度或关于发动机循环而打开的时间很大程度上确定了燃烧压力。燃料阀50打开的持续时间确定了许可进入缸1的燃料量，其中持续时间增加导致许可进入缸1的燃料量增加。
电子控制单元25被配置成通过经由第三信号线缆28到第二控制阀45的电子信号来控制燃料阀打开的时间。当接收到信号时，电子控制阀切换位置并将致动信号导管48连接至高压液压流体的源。致动信号导管48中的高压将燃料阀50打开。
在以上实施方式中，升压器40和燃料阀50是分开的实体单元。在一实施方式中，升压器40是燃料阀50的一体化部分。
具有一体式升压器的燃料阀50的实施方式在图5至图9中示出。
图5是燃料阀50的立体图，该燃料阀具有其伸长的阀壳体52，被固定至该伸长的阀壳体52的前端的喷嘴54。喷嘴54设置有用于产生进入燃烧室的燃料射流的多个喷嘴孔56。喷嘴54被可移除地固定至伸长的阀壳体52，使得如果喷嘴54失效或磨损则可以容易地更换该喷嘴。
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具有伸长的阀壳体52，该阀壳体具有最后端以及在该阀壳体的前端的喷嘴54。喷嘴54是附接到阀壳体52的前端的分开本体。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)。当将燃料阀50安装在缸盖中时，将最后端扩展以形成从缸盖突出的头部。在本实施方式中，使燃料阀50围绕中心排出阀4放置，即相对靠近缸衬套的壁放置。在一实施方式中，伸长的阀壳体52和燃料喷射阀50的其他部件以及喷嘴由钢诸如例如工具钢或不锈钢制成。
喷嘴54设置有与喷嘴54的内部连接的喷嘴孔，并且这些喷嘴孔沿不同的方向布置，以便在燃烧室内分配燃料。由于燃料阀50在缸头部中的位置，喷嘴孔被引导远离相对较近的缸衬套。喷嘴孔布置在喷嘴54的尖端56中。此外，引导喷嘴孔使其与燃烧室中由扫气端口的构造所引起的扫气空气的旋动方向大致在相同的方向上(该旋动是单流型的大型二冲程涡轮增压内燃机的公知特征)。
喷嘴54利用下述锁紧螺母57连接至阀壳体52的前端：上述锁紧螺母固定并围绕喷嘴本体55的一部分，围绕中间部段53并且围绕伸长的阀壳体52的远端部分。喷嘴本体55设置有阀针61在其中被接收的纵向膛孔。纵向膛孔具有的直径大于在纵向膛孔的最靠近尖端56的部分中的阀针61的直径。在纵向膛孔和阀针61之间的空间形成燃料腔58。纵向膛孔的中间部段与阀针61具有小间隙。纵向膛孔在喷嘴本体55中的最远离喷嘴54的尖端56的部分具有的扩展的直径与阀针61的扩展的直径部分相匹配。阀针61的扩展的直径部分形成针致动活塞62，其中针致动活塞62的压力表面面向喷嘴54中的针致动室88。针致动室88经由控制导管87流体地连接至控制端口86。控制端口86连接至控制油的源Pc。
纵向膛孔的扩展的直径部段与中间部段53中的弹簧室96对准。弹簧室96与伸长的阀壳体52中的纵向膛孔对准。伸长的阀壳体52中的纵向膛孔的最靠近伸长的阀壳体52的远端端部的远端部段具有的直径与弹簧室96的直径对应。螺旋线材弹簧68在伸长的阀壳体52中的纵向膛孔的远端部段与阀针61的扩展的直径部段62之间延伸。阀针61通过预张紧的螺旋线材弹簧68弹力地偏置朝向该阀针的关闭位置。螺旋线材弹簧68是被接收在伸长的燃料阀壳体52中的弹簧室96中的螺旋线材弹簧。螺旋线材弹簧68使阀针61偏置朝向喷嘴54的尖端56，即向该阀针的关闭位置偏置。在阀针61的关闭位置，该阀针61的优选为锥状的尖端与位于喷嘴54的内部的尖端56中的优选为锥状的阀座63抵接，并且将燃料腔58与喷嘴孔之间的流体连接关闭。当阀针61被抬起时，即当阀针61抵抗螺旋线材弹簧68的偏置而被迫朝向燃料阀50的近端时，燃料腔58与喷嘴孔之间的流体连接被建立。当针致动室88被加压时，阀针61被抬起。
弹簧导向件69在弹簧室96中同心地延伸，用于导向螺旋线材弹簧68。弹簧导向件69的近端被密封地接收在伸长的阀壳体52的纵向膛孔中。
轴向可移位阀针61以小的间隙被滑动地接收在喷嘴本体55的纵向膛孔中，并且轴向可移位阀针61与纵向膛孔之间的润滑至关重要。至此，经加压的密封液体经由导管(通道)93被递送到阀针中的纵向膛孔之间的小间隙。通道93将阀针61和纵向膛孔之间的小间隙连接至密封液体进入端口70，该密封液体进入端口又可以连接至经加压的密封液体的源。小间隙和通道93之间的连接包括阀针61中的横向膛孔99(图8)，该横向膛孔连接至阀针61中的轴向膛孔97(图8)，该轴向膛孔穿过形成针致动活塞62的扩展的直径部段一直延伸到弹簧室96。通道93连接至弹簧室96，并向弹簧室96供给经加压的密封液体。为了允许穿过弹簧腔96的相当大的密封液体流动，使得密封液体可以作为冷却介质，弹簧腔96经由膛孔连接至密封液体出口端口95。密封液体阻止低闪点燃料穿过阀针61和轴向膛孔之间的小间隙泄漏，并向燃料阀50提供冷却。另外，优选为油的密封液体提供阀针61和纵向膛孔之间的润滑。
伸长的阀壳体52设置有用于——例如经由低闪点液态燃料供给导管31——连接至经加压的低闪点燃料的源的燃料进入端口76。燃料进入端口76经由泵活塞80中的导管73和单向阀89——优选为装载有弹簧的提升阀——连接至阀壳体52中的泵室82。单向阀89(抽吸阀)设置在泵活塞80中的导管73的入口71处。单向阀89是装载有弹簧的提升阀，其确保液态低闪点燃料能够从燃料进入端口76经由导管73流动至泵室82，但不沿相反方向流动。泵活塞80中的导管73和伸长的阀壳体52中的燃料进入端口76之间的流体的连接由泵活塞80中的后退区74建立，该后退区在轴向方向上与在伸长的阀壳体52中形成燃料进入端口76的膛孔重叠。
泵活塞80被可滑动地并且密封地接收在伸长的燃料阀壳体52中的第一膛孔81中，其中在第一膛孔81中的泵室82在泵活塞80的一侧。致动活塞83被可滑动地并且密封地接收在阀壳体52中的第二膛孔84中，其中在第二膛孔84中的致动室85在致动活塞83的一侧。泵活塞80连接至致动活塞83以与其一致地移动，即，泵活塞80和致动活塞83可以关于它们各自的膛孔81、84一致地滑动。在本实施方式中，泵活塞80和致动活塞83形成为单体。但是，应当注意，泵活塞80和致动活塞83可以是分开的相互连接体。
致动室85流体地连接至致动流体端口78。第一控制阀41控制到致动流体端口78和来自该致动流体端口的经加压的致动液的流动，从而控制到致动室85和来自该致动室的经加压的致动液的流动。
在喷射事件开始前的前置时间，电子控制单元25命令第一控制阀41允许高压致动液进入致动室85中。此时，致动活塞83和泵活塞80组合在图6所示的位置中。致动室85中的经加压的致动液体作用在致动活塞83上，从而产生将泵活塞80推进到泵室82中的力。从而，泵室82中的低闪点液态燃料的压力增大。在一实施方式中，致动活塞83的直径大于泵活塞80的直径，并且因此泵室82中的压力将对应地高于致动室85中的压力，并且致动活塞83和泵活塞80的组合充当升压器。
一个或多个燃料通道79将泵室82流体地连接至燃料腔58，并且从而流体地连接至位于燃料腔58的底部处的阀座。单向阀90被放置在燃料通道79和泵室82之间。泵室82的出口66连接至单向阀90的入口。单向阀90包括被可滑动地接收在伸长的阀壳体52中的轴向膛孔中的阀构件，并且该阀构件有回弹力地偏置朝向其阀座，即被偏置朝向其关闭位置，而阻止燃料从燃料通道79回流到泵室82中。
如图7所示，致动室85中的经加压的流体将使致动活塞83和泵活塞80向下移动(如图6至图9所示向下)。在短暂的压缩阶段之后，泵室82中的压力将是泵活塞80的有效压力面积和致动活塞83的有效压力面积之间的比率与致动室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的源的压力。在例如2.5：1的有效压力表面比率以及例如225巴至300巴的液压系统的供给压力的情况下，在压缩阶段结束时，在泵室中的燃料中的压力将约为500巴。因此，致动活塞83和泵活塞80的组合充当升压器。
电子控制单元25在燃料喷射开始之前通过前置时间对致动室85加压，该前置时间足以确保泵室82中的压力已经达到所需的喷射压力，例如500巴。电子控制单元25确定何时需要抬起阀针61并且因此确定何时起动燃料喷射。阀针61被配置成在远离喷嘴54的方向上移动以实现抬起，并且朝向喷嘴54移动以减小抬起。当针致动室88被加压时，阀针61实现抬起。电子控制单元25指示第二控制阀45在发动机循环中必须起动燃料喷射时的时刻处，将燃料阀致动信号导管48连接至高压液压流体的源。燃料阀致动信号导管48连接至控制端口86，并且高压流体经由控制导管87到达针致动室88。当阀针61已经从其座部抬起时，该阀针允许低闪点液态燃料从燃料腔58流动穿过喷嘴孔到达燃烧室中。
电子控制单元25通过指示第二控制阀45将针致动室88连接至罐而结束喷射事件，并且随后阀针61返回其座部并阻止另外的燃料喷射。同时或在此不久之后，电子控制单元25指示第一控制阀41将致动室85连接至罐。泵室82连接至经加压的低闪点燃料的源30，并且经由单向阀89流入的低闪点液态燃料的供给压力将推进致动活塞83到致动室85中，直到该致动活塞已经到达在图6所示的位置，其中泵室82完全填充有低闪点液态燃料，使得燃料阀50为下一喷射事件准备就绪。图8示出了接近喷射事件结束的泵活塞80和致动位置83的位置，其中泵室80的主要部分由低闪点燃料耗尽。
低闪点燃料的喷射事件由电子控制单元25通过阀针61抬起的时间和持续时间来控制。电子控制单元还可以通过调节供给到致动室85的压力来控制喷射事件，以便执行速率管制(shaping)。
燃料阀50设置有用于连接至经加压的密封液体的源Ps的密封液体进入端口70。在一实施方式中，在喷射事件期间，密封液体的源的压力至少与泵室82中的最大压力一样高。在另一实施方式中，密封液体的源的压力至少与低闪点燃料的供给压力一样高。
将密封液体经由横向膛孔99提供至在纵向膛孔和阀针61之间的小间隙，并且因为燃料进入端口76连接至低压燃料导管98则仅需要抵抗燃料的供给压力来密封，该低压燃料导管从燃料进入端口76穿过伸长的阀壳体52、穿过中间部段53到喷嘴本体55中并到阀针61被可滑动地接收在其中的纵向膛孔。低压燃料导管98连接至纵向膛孔的位置轴向上在燃料通道79连接至纵向膛孔的位置和横向膛孔99连接至纵向膛孔的位置之间。因此，在喷射事件期间从高压燃料腔58穿过纵向膛孔和阀针61之间的小间隙的任何低闪点燃料向上泄漏(如在图6至图9中的向上))，当该低闪点燃料到达低压燃料导管98连接至纵向膛孔的位置处时，将使该低闪点燃料的压力减小至低得多的燃料馈送压力。因此，低压燃料导管98中的低压将在阀针61和纵向膛孔之间的小间隙中的燃料的压力“刺穿”，并因此，来自横向膛孔99的密封液体仅需抵抗低闪点燃料的馈送压力而不抵抗喷射压力来密封。因此，密封油的压力仅需稍微高于低闪点燃料的馈送压力，而不必高于燃料的喷射压力或与燃料的喷射压力一样高。
燃料阀50中的每个燃料阀连接至经加压的点火液体的源Pi(也称为操纵油)。点火液是具有用于启动主要燃料的点火的适当特性的液体。燃料油，诸如例如船用柴油，是合适的点火液的示例。但是，也可以使用其他具有良好点火性质的液体，诸如生物柴油、润滑油、重燃料油或二甲醚(DME)。
阀壳体52设置有用于连接至经加压的点火液体的源Pi的点火液体进入端口92。阀壳体52设置有从点火液体进入端口92延伸到泵活塞80和第一膛孔81之间的间隙91的用于对第一膛孔81中的泵活塞80进行密封的点火液膛孔94，以便阻止在泵室82中的高压燃料泄漏到在致动活塞83下方的空间中。因为泵活塞80被可滑动地接收在泵活塞80和第一膛孔81之间优选地具有校准的间隙91的第一膛孔81中，并且因为间隙91通向泵室82，对于每次喷射事件，少量的点火液经由泵活塞80和第一膛孔81之间的间隙91将到达泵室82。对于每次喷射事件，将到达泵室的点火液的量将取决于点火液体的源Pi的压力并且取决于间隙91的尺寸。到达泵室的点火液将与燃料混合，并将被递送到喷嘴54并与燃料一起喷射到燃烧室中。与主要燃料混合的少量点火液有助于可靠地将在燃烧室中的主要燃料点火。
用于可靠地将在燃烧室中的主要燃料点火的所需的点火液的(对于每次喷射事件的)量将取决于情况的数量，诸如例如主要燃料的类型、点火液的类型、燃烧室的构造细节，喷嘴54的构造细节、燃料喷射的时间、压缩压力、扫气空气的温度和再循环排出气体的比率。但是，这不是影响将主要燃料点火的方面的详尽无遗的列表。通过简单的试验和错误，技术人员能够确定所需的量。
在一实施方式中，调整点火液体的源的压力以便调整递送到泵室82的点火液的量，即，当需要增大点火液的量时，将点火液体的源Pi的压力增大，并且当需要减小点火液的量时，将点火液体的源的压力减小。
点火液体的源Pi的压力总是高于主要燃料被递送到燃料进入端口76处的压力。点火液Pi被递送到的位置处的压力可以高于泵室82中的最大压力，但这通常是不必要的，因为可以接受的是，在泵冲程期间一些主要燃料进入在泵活塞80和第一膛孔81之间的间隙91。
图10示出了用于与以上参照图5至图9描述的燃料阀50一起使用的喷嘴54的替代类型。在该实施方式中，喷嘴54是所谓的滑动器型，其中，阀座63布置成距喷嘴54的尖端56一距离处，并且在该实施方式中喷嘴的尖端56是关闭的，即尖端56没有任何喷嘴孔。替代性地，沿着喷嘴的长度布置喷嘴孔，在靠近尖端56的位置处开始向上(如图10中的定向而向上)进行。阀针61设置有与阀座63配合的锥状部段以及从阀针61的锥状部段朝向阀针61的尖端延伸的滑动器部段。这种类型的喷嘴具有关闭的尖端，并且阀针61的滑动器在喷嘴54内部朝向尖端56延伸是在本领域中是众所周知的而因此将不再详细描述。
在一实施方式(未示出)中，经加压的点火液体的源Pi的压力是电子可控制的，并且电子控制单元25被配置成控制所述经加压的点火液体的源Pi的压力。因此，可以由电子控制单元通过调整经加压的点火液体的源Pi的压力来控制穿过间隙91而递送到泵室82的点火液的量。
在一实施方式中，发动机设置有非低闪点燃料供给系统(未示出)，并且缸设置有用于将所述非低闪点燃料喷射到所述缸中的两个或更多个燃料阀51。
本发明的理念不限于高可压缩性燃料，也不限于低闪点燃料。
已经连同本文的各种实施方式一起描述了本发明。然而，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明中可以理解和实现对所公开的实施方式的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一(a)”或“一(an)”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中记载的某些方案仅仅是并不表示不能有利地使用这些方案的组合的事实。权利要求中所使用的附图标记不应解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种燃料阀(50)，所述燃料阀用于将低闪点液态燃料喷射到大型低速运行的二冲程涡轮增压压缩点火式内燃机的燃烧室中，所述燃料阀(50)包括：
具有后端和前端的伸长的阀壳体(52)，
具有多个喷嘴孔的喷嘴(54)，所述喷嘴(54)设置在所述伸长的阀壳体(52)的所述前端处，
在所述伸长的阀壳体(52)中的燃料进入端口(76)，所述燃料进入端口用于连接至经加压的低闪点燃料的源，
在所述伸长的阀壳体(52)中的致动流体端口(78)，所述致动流体端口用于连接至致动流体的源，
轴向可移位的阀针(61)，所述阀针被可滑动地接收在所述燃料阀(50)中的纵向膛孔中，所述阀针(61)具有关闭位置和打开位置，并且所述阀针(61)被偏置朝向所述关闭位置，
当所述阀针(61)处于其打开位置时，所述阀针(61)允许燃料从燃料腔(58)向所述多个喷嘴孔流动，并且当所述阀针(61)处于其关闭位置时，所述阀针阻止燃料从所述燃料腔(58)向所述多个喷嘴孔流动；
被接收在所述阀壳体(52)中的第一膛孔(81)中的泵活塞(80)，其中在所述第一膛孔(81)中的泵室(82)位于所述泵活塞(80)的一侧，
所述泵活塞(80)被可滑动地接收在所述第一膛孔(81)中，在所述泵活塞(80)和所述第一膛孔(81)之间具有间隙(91)，
被接收在所述阀壳体(52)的第二膛孔(84)中的致动活塞(83)，其中在所述第二膛孔(84)中的致动室(85)位于所述致动活塞(83)的一侧，所述泵活塞(80)可操作地连接至所述致动活塞(83)，
所述致动室(85)流体地连接至所述致动流体端口(78)，
所述泵室(82)具有流体地连接至所述燃料腔(58)的出口(66)和流体地连接至所述燃料进入端口(76)的入口(71)，
用于连接至经加压的密封液体的源的密封液体进入端口(70)，
密封油流动路径，所述密封油流动路径将所述密封液体进入端口(70)连接至所述纵向膛孔，以用于对所述纵向膛孔中的所述阀针(61)进行密封，
用于连接至经加压的点火液体的源(Pi)的点火液体进入端口(92)，其特征在于，
点火液体导管(94)从所述点火液体进入端口(92)延伸到所述间隙(91)，以用于对所述第一膛孔(81)中的所述泵活塞(80)进行密封并且用于将点火液体递送到所述泵室(82)。
2.根据权利要求1所述的燃料阀(50)，其中，通过经由所述点火液体导管(94)递送到所述间隙(91)的所述点火液体，所述泵活塞(80)在所述第一膛孔中被密封。
3.根据权利要求2所述的燃料阀(50)，其中，所述间隙通向所述泵室(82)，并且其中，所述点火液体经由所述间隙(91)被递送到所述泵室(82)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料阀(50)，其中，所述流动路径包括：在所述阀壳体(52)中连接至所述密封液体进入端口(70)的导管、和/或使所述阀针(61)向阀座(63)偏置的弹簧的弹簧室(96)、和/或所述阀针(61)中的轴向膛孔(97)、和/或所述阀针(61)中的横向膛孔(99)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料阀(50)，其中，所述密封油流动路径使所述密封液体进入端口(70)在沿着所述纵向膛孔的长度的第一位置处连接至所述纵向膛孔，以用于对所述纵向膛孔中的所述阀针(61)进行密封。
6.根据权利要求5所述的燃料阀(50)，其中，导管(98)使所述低闪点燃料进入端口(76)在沿着所述纵向膛孔的长度的第二位置处连接至所述纵向膛孔，所述第二位置比所述第一位置靠近所述燃料腔(58)。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料阀(50)，其中，在所述关闭位置，所述阀针(61)搁置在阀座(63)上，并且在所述打开位置，所述阀针(61)已经从所述阀座(63)抬起。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料阀(50)，其中，所述喷嘴(54)具有被固定至所述伸长的阀壳体(52)的前部的喷嘴本体(55)。
9.根据权利要求4所述的燃料阀(50)，其中，所述阀座位于所述喷嘴(54)的尖端(56)中。
10.根据权利要求8所述的燃料阀(50)，其中，所述纵向膛孔至少部分地形成在所述喷嘴本体(55)中。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料阀(50)，其中，所述阀针(61)可操作地连接至针致动活塞(62)，其中，所述针致动活塞(62)的压力表面面向所述燃料阀(50)中的针致动室(88)，所述针致动室(88)流体地连接至所述燃料阀(50)中的控制端口(86)，所述控制端口用于连接至控制流体的可控制源(Pc)。
12.根据权利要求11所述的燃料阀(50)，其中，所述阀针(61)的抬起由所述针致动室(88)中的燃料压力控制。
13.一种大型二冲程涡轮增压压缩点火式内部燃烧十字头发动机，包括：
多个缸(1)，
布置在每个缸(1)中的两个或更多个根据权利要求1至12中任一项所述的燃料阀(50)，所述燃料阀(50)连接至经加压的点火液体的源(Pi)、经加压的密封油的源(Ps)以及低闪点燃料供给系统。
14.根据权利要求13所述的发动机，其中，所述经加压的点火液体的源(Pi)的压力是电子可控制的，并且其中，所述发动机包括被配置成控制所述经加压的点火液体的源(Pi)的压力的电子控制单元。
15.根据权利要求13或14所述的发动机，其中，所述发动机设置有非低闪点燃料供给系统，并且其中，所述缸(1)设置有用于将所述非低闪点燃料喷射到所述缸(1)中的两个或更多个燃料阀(51)。
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