CN1140483A - 大型二冲程内燃机用喷油器 - Google Patents

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Abstract

一种用于大型二冲程内燃机的喷油器(1)，它具有一个装在水冷缸盖(51)中的加长外壳(2)。一个用于开启并关闭该喷油器的主阀座(18)设置在上冷却阀部分(1a)中，而一个用于流至喷孔(24)的燃料的第二封闭件(32)设置于没有冷却的阀部分(1b)中的喷嘴(4)中。该喷嘴孔包括一个上喷嘴孔部分(22)，该部分之直径比带喷孔的下喷嘴孔部分(29)大。当该阀滑动件(15)处于关闭位置时，该第二封闭件设置于带有直径逐渐变细的区域(23)处。在一方面当该阀关闭时，该封闭件将喷嘴孔中的绝大部分燃料体积与喷孔隔断开，在另一方面，该阀滑动件终止于距喷孔这样的位置，即当喷油器开启时该阀滑动件的下部(30)不会干扰燃料之雾化。

Description

大型二冲程内燃机用喷油器
本发明涉及大型二冲程内燃机用喷油器，例如船舶推进用的柴油机上的喷油器，它具有一加长的外壳体以便按这样之方式装于发动机之水冷缸盖上，即其阀具有一个上冷却部及一个基本上无冷却的下部，该下部至少包括一个带有横向喷孔的燃料喷嘴下部，该喷孔从一中心的纵向喷嘴孔处开始延伸，其中一阀滑动件具有一上部及细的下部，该上部带有一个位于被冷却的阀部中的主阀座的可动阀件，用于开启并关闭该喷油器；该细的下部向下延伸进入喷嘴孔中并带有用于流至喷孔的燃油流的并在该下阀部中定位的第二封闭件。
四冲程发动机用的喷油器是公知的，其中主阀座直接设置于喷孔上方，例如参照EP-A 0451 408。此时，带阀座的喷油器的前部由缸盖中的冷却水冷却，原因在于缸盖厚度小而喷油器外壳很短，从而冷却效果总能达到喷油器的头部。由于有冷却，因此喷嘴及阀座可由回火钢制造。
在大型二冲程发动机中，缸盖太厚，因此喷油器的下阀部向下伸展远离喷油器与冷却的缸盖的接触面，一直深至喷嘴孔，因此该下部实际上变得无冷却并由发动机之燃气加热至极高之温度。与用柴油作燃料的中速及高速发动机相比，在该采用预热至大约150°温度的柴油的大型二冲程发动机中，其温度值进一步增加。在这种发动机中，燃料喷嘴的突伸部分之温度值可达500°至600℃，这是公知之事实。由于下阀部分的高温将导致主阀座失去作用。例如由于材料之结炭及腐蚀，因此在这些喷油器中主阀座应设置于上冷却阀部中。其结果是使主阀座与喷孔之间的流道加长并且其体积加大，该体积典型的是为发动机一循环期间喷射的燃油量的2％至3％的数量级。
当主阀座在燃油喷射结束而关闭时，处于阀座和喷孔之间之通道中的燃料量被切断了供油压力。因此在喷油器基本上关闭期间，该燃料量能通过喷嘴孔渗漏出或滴出。由于该部分残留量的燃料进入燃烧室中没有雾化，因此其中只有极少部分燃烧或根本就不发生燃烧。该未燃烧之燃料将导致燃烧室及下游发动机部件结炭并导致随排气而进行的对环境不利的燃料排放。当然这自然会增加燃料消耗。
上述这些缺点的绝大部分都已由WO 93/07386号专利所述的喷油器得到了克服，该喷油器是引言部分所提到的那种类型。在此，该阀滑动件带有一环形第二封闭件，在喷油器的关闭位置，该环向下延伸通过喷孔并将喷孔截挡住，所以防止了当喷油器关闭时，在主阀座下方通道中的油量从喷孔中流出。在喷油器进行开启运动时，该环在喷嘴孔内朝上滑，从而打开喷孔。该中心喷嘴孔之直径不变，从而允许该滑环在该孔中插入并移出。
在实际应用中，该种带第二封闭件的喷油器证明具有更高的耗油率，尤其是在发动机重负荷时更是如此。其原因据认为是由于当喷油器开启并且油在进入燃烧室中雾化时喷射条件发生了变化。
本发明的目的是提供一种喷油器，尽管该喷油器的喷孔周围区域处于相当高的温度下，但它既能在该喷油器关闭时限制燃油排放又能在该喷油器开启时提供优良的燃料喷射及分布。
为了这一目的，本发明之喷同器之特征在于：喷嘴孔具有一个沿朝下的方向直至减小并位于该下阀部中的区域，而喷孔从该带有更小的直径的喷嘴孔部分处延伸，该阀滑动件的下部结束于最上方的喷孔之上的高度处，并且当该阀滑动件处于关闭位置时，该第二封闭件设置在该喷嘴孔直径减少的区域。
令人惊奇的结果是：本发明的喷油器实现了上述目的。该第二封闭件防止了当该喷油器关闭时上游之燃料量穿过喷孔泄出。当喷油器开启时燃料消耗量减少的合理解释假设定由这样的事实实现，即连通至喷孔的孔部分具有一具有优点的小直径，这就为喷孔提供了均匀流动条件。由于该阀滑动件在所有状态都终止了喷孔上方的高度处，从而流至这些孔的燃料只假定稍稍受该第二封闭件之存在的影响。
在该阀的关闭位置，该主阀座防止油泵一侧的油压对该第二封闭件周围区域产生影响。因此，在该封闭件两端不存在显著之压差，这涉及到按这样的方式对该封闭件设计的自由度，即在其关闭位置，该封闭件只带有极小之力作用于该喷嘴之材料上。
阀滑动件结束于距上喷孔一定距离处也产生这样的优点，即该阀滑动件的顶部不受当该阀开启时喷孔周围存在的腐蚀力之影响。
在优选实施例中，该第二封闭件具有一个可密封地滑入喷嘴孔的小直径部分中的圆柱形部分。当该阀滑动件朝下朝关闭位置运动时，该圆柱形部分移入喷嘴孔的更狭窄的下部中，所以喷孔与该喷嘴孔的更宽的上游部分之间的流体连接被截断。该圆柱形部分只以小的摩擦力对喷嘴本身产生影响，该摩擦发生在各表面相互滑过之时。在喷油器的关闭位置，该圆柱形件装载于该喷嘴孔的下部内侧，而关闭力本身对该喷嘴没有影响。
在一个制造上极为简单的实施例中，该带有第二封闭件的阀滑动件的细下部是该阀滑动件的上部的刚性延伸部分。该细部的刚性可使该阀滑动件之顶部与该阀滑动件的上部保持同轴，因此也与该喷嘴孔保持同轴。
在另一个实施例中，该阀滑动件的细下部是其上部在横向其柔性的延伸部分，并在该第二封闭件上方的一高度处，该下部具有一导向件，该导向件借助于与该喷嘴孔大直径部分的壁面接触而使该封闭件对中于该喷嘴孔中。当然，用于使该阀滑动件顶部对中的分离导向件比圆柱形的光滑下部难于制造得多，但作为回报，由于该阀滑动件之顶部在该喷嘴孔中是自对中的，因此该阀滑动件之下部不必与其上部对齐。这就大大地改善了该阀滑动件在喷油器内的安装，并保证了该阀滑动件顶部即使在长期工作后具有良好的对中性。该自对中阀滑动件顶部在该阀滑动件的下部为分离的可更换的单元的情况下是极具优越性的。
最好该导向件设计成位于该阀滑动件下部上的几个径向延伸的纵向肋，并且该肋的上下端最好是尖的。当喷油器开启时，该纵向肋只稍稍对燃料的下游流动产生干扰。该流动干扰可通过使该肋的端部变尖而进一步减小，所以该流动可平滑地从该肋处流开。考虑到喷嘴的下部中最可能的流动条件，该阀滑动件的下部自由端可合适地做成锥形，所以，当燃料在第二关闭件的通道处，从绕阀滑动件周围流动，改变至充满该喷嘴孔整个横截面积流动时，在该燃料中不会产生太多的涡旋。
尤其是，如果该燃油为气体，可适当地设计该喷油器，以致该第二封闭件在其关闭位置时抵靠在带有减小直径的喷嘴孔的区域中的斜表面上，并且所述封闭件在该阀滑动件及负载弹簧的纵向方向是可运动的，以远离该阀滑动件的上部。该斜面用作阀座，但由于该第二封闭件相对该阀滑动件的上部的可移动性，该封闭件不会被比由相应之弹簧产生的力更大的力压靠于阀座上。该弹簧力可适合于喷嘴中材料之强度要求，即例如该弹簧力可选取得如此地小，以致该封闭件基本上不会对阀座材料施加负荷。
最好，该带有第二封闭件的阀滑动件的下部细部分是一分离的单元，它可拆卸地紧固到该上部上。这就有可能与换该阀滑动件的上部分开地更换第二封闭件，并且此外可获得在制造方面的优点，即如果希望该封闭件是由比该阀滑动件的上部更耐高温的材料制成的话，则该两部分可分开制造。
为了获得对喷油器关闭期间油的损失的尽可能最大限度的限制，带有直径减少部分的喷嘴孔区域最好与接近主阀座的程度相比更大大接近喷孔。这就限制了第二封闭件下方喷嘴孔的容积。
为在喷油器开启时获得良好的燃油初始雾化，该喷油器可适当地设计得当该阀滑动件的可动阀件已经运动一预定距离而离开主阀座时，使该第二封闭件只开启带小直径的喷嘴孔部分。因此，在该封闭件开启连接主喷孔的喷嘴孔的燃料通道之前，在带大直径的喷嘴孔部分中的油压可上升至适当高的压力。当燃油开始通过喷孔喷射时，因此这种喷射是以高压进行的，这就加速了雾化。开启该关闭件的滞后期在一实施例中可由能密封地滑入喷嘴孔中的圆柱形部分之长度进行调节，而在另一实施例中，该滞后期可由一止动件之位置调节，该止动件推动一可移动的封闭件沿着该阀滑动件之运动而运动。
以下参照示意性附图对本发明的实施例之示例作出详细说明，其中：
图1是喷油器的第一实施例的纵剖面图；
图2和3分别是第二实施例之喷油器在开启及关闭位置其下部之放大视图；
图4和5是对应于装于缸盖中的第三实施例的视图；
图6和7是对应于第四实施例的视图。
图1表示的标号为1之喷油器或燃料阀带有一个用于将该喷油器固定安装于发动机中的上法兰2。该法兰具有一朝上的连接件3，该连接件可与一高压管(未示出)固定连接，该管从一个合适的燃油源，如燃油泵或高压油储油器供给加压燃油。
在该喷油器之下端具有一油嘴4。燃油可从连接件3处之连接部通过一上流道5朝下流至该喷嘴4，该燃油从位于连接件中的中心孔6流过一弹簧导向件7及一循环滑动件8朝下流至由该滑动件8及该滑动件的导向件10限定而成的压力室9中。在座11之下侧，燃油可进一步朝下向着喷嘴4流，并通过一个高压油管13、压力件14及阀滑动件15中的中心孔形成的中间流道12，其中该中心孔由几个斜孔17与主压力室16连通。该中间流道朝下终止于主阀座18处。在该阀座之下，在喷油器开启位置时，燃油通过位于阀滑动件15的滑动导向件21底部处的形式为中心孔20(参见图2)的流道19朝下流，并且喷嘴孔与之同轴地设置。
该中心的纵向喷嘴孔包括一个带有较大直径的上孔部22，该孔部22通过一直径减小的区域23而并入带有较小直径的下孔部，喷嘴24如所附附图所示从该下孔部延伸。
当喷油器处于图1所示之关闭位置时，该上流道5通过一个在弹簧导向件7中的横向通道(未示出)与环绕该弹簧导向件的凹腔连通，所以预热后的燃油可在该喷油器的上部以公知的方式循环。此处应注意到图1之喷油器是打算用于喷射各种油类的，特别是柴油。当开始喷射燃油时，在上流道5及压力室9中的油压增加，所以循环滑动件8朝上运动并切断横向循环通道。同时，该流道通过座11而开启，并且压力通过中间流道12及斜孔17朝下传播至主压力室16，一压缩弹簧25支承在上弹簧盘26上并通过一下弹簧盘27朝下压于阀滑动件15上，所以在阀滑动件上的环状锥形表面形的阀部28可相对主阀座18运动并密封地压靠在该阀座18上。
当主压力室16中的油压到达由压缩弹簧25预置的开阀压力时，该阀滑动件15朝上运动，同时油开始流过主阀座18。
该可动阀部28将该阀滑动件15的上部与其细的下部30分界。在图1所示的实施例中，该下部30为圆柱形的并且其直径比带有小直径的喷嘴孔部分29的直径稍小一点，所以该阀滑动件的下部30可密封地滑入该下孔部29中。由于该喷油器关闭时，该下部30突伸入孔部29中一定距离，当该阀滑动件的下部30升出孔部29之前，借助于在上孔部22中开启阀就建立起压力，因此一旦进行开启，则油就流至喷孔。在喷孔的最终通道前的燃油中的压力增高，在初始雾化期加速了燃油的良好雾化。
图1中未示出的喷孔设置于孔部29的端部，即当阀滑动件位于图中所示之关闭位置时，离开阀滑动件15之锥形下端部几个孔径的距离。该阀滑动件的下部30具有一个基本上恒定的直径，而只需要在最下部分上进行精加工即可，该最下部用作封闭件32并滑入喷孔的下部29中。
在图1所示的第一实施例中，该阀滑动件15的下部30与该阀滑动件的上部是整体成形的并作为上部的刚性延伸部分，因此，除该上部之滑动部分在滑动导向件21中定位外，该下部不需任何更进一步之导向，该下部30相对该喷嘴孔位于中心处。
在该喷油器之安装好的状态，在该喷油器壳体2a的前端处，一接触表面31紧靠在发动机的缸盖上朝上的锥形表面上被固定住。该接触表面是该喷油器具有实质性冷却效果的最低位置，该冷却是因发动机缸盖由发动机循环冷却液冷却而保持该接触表面处和缸盖温度处于例如80℃而产生的。在该锥形接触表面31以上，喷油器的温度大致上对应于在喷油器中循环并可预热至例如120～150℃的油温。至少在其最低部位，位于斜的接触表面31下的喷嘴部分是与气缸中燃烧室内的高温接触的。因此喷嘴的最低部位实际上是没有冷却的。因此，从整体上看，可以说阀1可分成一个位于接触表面31上方的冷却上阀部分1a和一个从喷嘴4的下端向上延伸至该接触表面31的基本上无冷却的下阀部分1b。
该喷嘴4是由抗高温材料制成的，它也能耐住喷孔周围区域燃油的腐蚀影响。由于经回火处理的钢材不能承受无冷却的阀部16的高温，因此，该喷嘴由例如6号钨铬钴合金或其它抗高温合金制成，如欧洲专利EP-A-0 569 655中所述的ma758镍铬铁耐热合金(Inconel ALLOY ma 758)。
可以看出：主阀座位于冷却的阀部分，而封闭件32和孔部29的上部位于未冷却阀部分1b中。由于该封闭件32带有纵向方向之作用力，其基本上不影响喷嘴之材料，因此，该封闭件和该喷嘴两者尽管在高温下工作，但都具有长的寿命。
在对其它实施例的如下说明中，与上述相同的参考标号用于具有相同功能的元件。
图2和3中所示的喷油器的第二实施例也是打算用于用油作燃料的发动机中。此处，阀滑动件的细下部30是一个分离的可更换单元，该单元之上端具有一个外螺纹，该外螺纹拧入在该阀滑动件的上部的下端处的中心孔40的内螺纹中，直到在下部30上的台肩41抵靠住该上部的端面为止。一锁销45插装于一在该阀滑动件的上部和下部中的对齐的孔中，锁定该下部30，使之相对于该阀滑动件之上部不能旋转。如果该下滑动部分30磨损或损坏，则该锁销45可卸除，该下部30可由一个新的来更换。这就避免了更换整个阀滑动件。
该下部30是细长的，并且在横向方向例如相对该阀滑动件的上部是具柔性的。当该阀滑动件处于图3所示之关闭位置时，由该部分30的前圆柱部分构成的封闭件32朝下突伸入孔部29中并防止上孔部分22中的油穿过喷孔24。在该阀滑动件的顶部下的孔部29中的油量为主阀座18下所具油量总量的大约10％。
该封闭件32借助于一导向件42装于喷嘴孔中心，该导向件42沿喷孔中的导向表面43滑动。该导向件42由几个(例如4个)径向伸展的纵向肋片构成，其上下端是尖的。油可通过各肋片之间的纵向空间流过该导向件42。
在图2中示出了阀滑动件15之启开位置，此时油流过主阀座18并朝下流入喷嘴孔，此时在带有减小直径的区域23中的油流过阀滑动件的锥形自由端44并朝下流至喷孔24，作为覆盖喷嘴孔的整个截面的汇合流。该阀滑动件的自由端44和喷嘴孔之间的距离可假设很大，以致向下流入喷孔的油流基本上不受该阀滑动件的下部30向下伸入喷嘴孔很深之事实之影响而产生扰动。
在喷嘴顶部处的喷孔24之数量取决于发动机的工作气缸所产生的功率及每个气缸的喷油器的数量。例如可设置4或5个喷孔，这些喷孔全都开在喷嘴的相同侧，所以两个最外的喷孔的纵向轴线构成了一个不超过100°并且通常只有80°或更小的共同角。因此可将油雾化成具有良好分布的油滴的扇形油雾。
现在将开始说明用于喷射气态性燃料的喷油器。原则上讲，该喷油器之结构是按上述相同之方式构成的，所不同的是阀滑动件是由控制油来提升，该控制油作用于阀滑动件上为实现该提升目的的活塞面积，并且该气体是通过阀体33中的斜通道52及由标号51标出的缸盖中的进口通道50沿侧向供人该阀体下部的。
该斜通道52开口通入一压力室53中，该压力室直接位于主阀座18之上方。这种气体燃料喷油器之结构及工作方式在该技术领域中是公知的。在发动机一个循环期间，该种喷油器必须喷射相当大体积的气体。因此喷油器中的流道必须具有适当大的横截面积。这就意味着喷嘴孔及喷嘴本身具有大的直径。因此，被压紧抵靠在缸盖51的冷却锥面上的喷油器接触面31＇可形成于喷嘴4本体上，所以喷油器的壳体的外直径可保持适当地较小。此外，从图4中可看出在表面54附近，气缸盖具有冷却通道55。该喷嘴位于接触表面31＇以下之部分受燃烧室56中极高温度的影响并且在实际中是没有冷却的。
由于气比油容易流动得多，并且喷嘴孔之直径比上述实施例的大许多，因此最适合的是阀滑动件的下部30上的封闭件在孔的其直径沿朝下方向减小的区域内，抵靠在锥形斜表面57上。该封闭件可以是如图4和5所示的阀针58或者是图6和7所示的球形阀件59。
由于关阀力之大小与作用于主阀座18上的关闭力一样，因而该封闭件不会压紧抵靠在该斜面57上，但只由一较弱之压缩弹簧可朝着关闭位置加偏压；例如可利用一个装在阀滑动件上部中的凹腔中并作用在整个下滑动部分30上的压缩弹簧61，该下滑动部分30可在该上部中可移动地定位于中心孔中；或者可利用一个围绕下滑动部分30设置并作用在阀部59上的压缩弹簧60(参见图6和7)，该阀部分59沿纵向可移动地设置于该下部30上。
图4和5所示的可移动设置的滑动部分30带有一卡口连接器的一部分，例如在该滑动部分上端处的几个突伸的肋。这些肋可向上通过该阀滑动件的上部的端部处的相应槽。当该肋已进入该凹腔中时，该下部可转至其安装位置，此时借助于与该凹腔之底部抗靠住，该肋的底侧用作一个该下部30相对该阀滑动件的该上部朝下移动的止动件。
图6和7所示的阀部59其远离该阀滑动件的上部的位移由一止动件进行限制，该止动件为一台肩62形式的部件，该台肩夹持住该滑动部分30的加厚下部。
很明显，各实施例中所述元件能按不同的方式结合会构成新的实施例。
在附图所示实施例中，第二封闭件在处于其关闭位置时，位于燃烧室顶面的高度处。

Claims (10)

1.一种供大型二冲程内燃机例如船舶推进柴油机用的燃料喷射器，它具有一个以这样之方式装于水冷缸盖(51)中的加长外壳(33)，即阀(1)具有一上冷却阀部(1a)和一基本上无冷却的下阀部(1b)，该下阀部(1b)至少包括一个带有横向喷孔(24)的燃料喷嘴(4)下部，该喷孔(24)从一中心的纵向喷嘴孔处开始延伸，其中一阀滑动件(15)具有一上部和一细的下部(30)，该上部带有一个用于主阀座(18)的可动阀件(28)，该阀件(28)设置于冷却阀部分中以便开启并关闭该喷油器，该细下部(30)朝下延伸入喷嘴孔(22、23、29)，带有用于流向喷孔的燃料流的第二封闭件被设置于该下阀部中，其特征在于：该喷嘴孔具有一个沿朝下的方向直径减小并位于该下阀件(1b)内的区域(23)，该喷嘴孔(24)从具有小直径的喷嘴孔部(29)处开始延伸，该阀滑动件的下部(30)终止于上喷孔上方一高度处，并且该第二封闭件(32、58、59)在该阀滑动件(15)处于关闭位置时处于喷嘴孔的直径减小区域(23)处。
2.如权利要求1所述喷油器，其特征在于：该第二封闭件(32)具有一个可密封地滑入带小直径的喷嘴孔部分(29)中的圆柱形部分。
3.如权利要求1或2所述喷油器，其特征在于：该带有第二封闭件(32)的阀滑动件的细下部(30)是上部的刚性延伸部分。
4.如权利要求1或2所述喷油器，其特征在于：该阀滑动件的细下部(30)是其上部的在横向具柔性的延伸部分，并且在第二密闭件(32)上方的一高度处，该下部具有一导向件(42)，该导向件借助于与带有大直径的喷嘴孔的壁部(22)的接触而使该封闭件在该喷嘴孔中保持对中。
5.如权利要求4所述喷油器，其特征在于：该导向件(42)具有几个位于该阀滑动件的下部(30)上的径向伸展的纵向肋，并且该肋的上下端最好是尖的。
6.如权利要求1所述喷油器，其特征在于：在该第二封闭件(58、59)的关闭位置，该第二封闭件与在带直径减小的喷嘴孔的区域(23)中的斜面(57)接触，并且所述封闭件可以在该阀滑动件及负载弹簧的纵向移动而远离该阀滑动件(15)的上部。
7.如前述任一权利要求所述喷油器，其特征在于：该带有第二封闭件(32、58、59)的阀滑动件的细下部(30)是一分离之单元，它可拆卸地固装于上部上。
8.如前述任一权利要求所述喷油器，其特征在于：与接近主阀座(18)的程度相比，带有直径减小的喷嘴孔区域(23)最好是更明显地接近于喷孔(24)。
9.如前述任一权利要求所述喷油器，其特征在于：只有当该阀滑动件的可动阀件(28)已运动一预定距离而离开主阀座(18)时，该第二封闭件才开启带小直径的喷嘴孔部分(29)。
10.如前述任一权利要求所述喷油器，其特征在于：该阀滑动件的下自由端(44、58)为锥形的。
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