CN116624302A - 用于大型涡轮增压二冲程单流十字头内燃机的燃料阀 - Google Patents

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Abstract

一种用于大型涡轮增压二冲程单流十字头内燃机的燃料阀，包括位于燃料的流动路径中的限流装置(20)。由此，通过在流动路径中在与一个或多个喷嘴孔(9)本身不同的位置处引入限流装置，喷射流率由喷射压力和限流装置(20)的有效打开流动面积决定，从而避免在一个或多个喷嘴孔(9)处出现进入气缸中的高离开速度。这样，燃料可以被以较低的喷射速度喷射到内燃机的气缸的燃烧室(10)中并且因而有助于降低火焰熄灭的风险，同时仍维持燃料喷射系统中的高燃料供应压力。诸如氨的燃料因此可以以良好受控的质量速率喷射到气缸中，这消除或至少降低了火焰熄灭的风险。

Description

用于大型涡轮增压二冲程单流十字头内燃机的燃料阀
技术领域
本发明涉及一种用于大型涡轮增压二冲程单流十字头内燃机的燃料阀，所述燃料阀包括：具有后端和前端的长形的燃料阀壳体；具有至少一个内孔的喷嘴，所述内孔开口到具有喷嘴孔面积的至少一个喷嘴孔中，所述喷嘴布置在所述壳体的前端处；从后端向前端延伸并且连接到加压燃料源的燃料通道；可轴向位移的阀针，所述可轴向位移的阀针具有关闭位置和打开位置，在所述关闭位置，所述可轴向位移的阀针搁置在阀座上，从而防止燃料流动到喷嘴，在所述打开位置，所述可轴向位移的阀针从所述阀座提升，从而暴露所述阀针与所述阀座之间的阀针流动区域，由此允许燃料经由至少由燃料通道、阀针流动区域以及喷嘴中的所述至少一个内孔限定的流动路径穿过燃料阀流动到喷嘴孔，其中所述燃料阀包括在燃料的流动路径中的限流装置。
背景技术
大型涡轮增压二冲程单流十字头内燃机典型用作大型远洋船舶(例如，集装箱船)中或发电厂中的原动机。非常通常地，这些发动机使用重燃油或燃油运行。
近来，能够处理替代类型的燃料的大型二冲程柴油发动机已经成为需要，所述替代类型的燃料例如气态燃料，如甲醇、液化石油气(LPG)、液化天然气(LNG)、乙烷、氨和/或其他类似燃料。
此类燃料是相对清洁的燃料，当用作大型低速单流涡轮增压二冲程内燃机的燃料时，与例如使用重燃油作为燃料相比，此类燃料导致废气中的含硫成分、NOx和CO2含量明显较低。
然而，存在许多与在大型涡轮增压二冲程单流十字头内燃机中使用此类燃料相关的问题。这些问题中的一个问题是燃料自点火的意愿和可预测性并且两者对于使这种发动机处于控制下都是必不可少的。因此，现有大型涡轮增压二冲程单流十字头内燃机典型在喷射气态燃料的同时使用先导燃油喷射，以确保气态燃料的可靠且适当定时的点火。
此外，这些发动机典型设置有布置在每个气缸盖中的两个或三个燃料阀。燃料阀可以设置有用作可移动阀构件的弹簧偏压的可轴向移动的阀针。当燃料压力超过预设压力(典型为约350巴)时，可轴向移动的阀针从其阀座提升，燃料被允许经由燃料阀前面的喷嘴流动到燃烧室中。燃料阀针也可以由外部液压动力或电力致动和控制。
当前，氨作为内燃机燃料受到高度关注，主要是因为它可以通过使用来自诸如太阳能、风能和波浪能之类的可再生能源的电力以环境友好的方式来生产并且因为氨本身的燃烧不会形成含碳的温室气体，例如二氧化碳。
当氨用作内燃机的燃料时，发动机可以根据奥托原理运行，其中在活塞的压缩冲程期间以相对低的压力引入氨燃料，或者发动机可以按照柴油原理运行，其中当活塞接近上止点(TDC)时，以高压将氨燃料喷射到燃烧室中。在活塞循环的氨燃料喷射和燃烧阶段期间，由于燃烧室的压缩/膨胀以及同时由于燃烧的发生，气缸压力的水平经历急剧变化。
当前用于依照柴油原理运行的内燃机的燃料喷射系统都要求燃料喷射压力远高于气缸燃烧室内部的最大压力，以便确保在喷射期间进入气缸的稳定和良好受控的燃料质量速率。主要压降始终位于喷嘴孔处，在所述喷嘴孔处燃料被以高速喷射到燃烧室中。因此，喷射压力水平与有效喷嘴面积一起限定了燃料喷射质量速率。
虽然这对大多数燃料来说是期望的，但当将氨喷射到内燃机气缸的燃烧室中时，喷射压力和速度可能需要低得多，以便不干扰燃烧并且使靠近燃料阀或喷射器的火焰稳定成为可能。氨的层流火焰速度几乎比大多数碳氢化合物低10倍，因此即使在低湍流水平下也可能发生火焰淬熄/熄灭。此外，燃料射流中的速度过高可能只会扫过/转换下游的火焰，而没有机会在距离喷嘴孔出口的有限火焰浮起长度处稳定自身。它可能被视为吹灭蜡烛。
因为在喷射持续期间下游压力变化剧烈，所以当前现有的燃料喷射系统无法在低压下以稳定的喷射速率喷射燃料。喷射压力的瞬态控制(例如，通过在毫秒内控制增压器的液压驱动压力或共轨系统的燃料压力)是不可能的。
从WO2015/091180A1(等同于JP2017/507269)和US2009/0032622已知引言中提到的类型的燃料阀。在这些已知的燃料阀中，限流装置布置在阀座上游的流动路径中。因此，在这些已知的燃料阀中，需要由弹簧、致动器(电动致动器、液压致动器等等)抵消的燃料介质作用在阀针上的力将受到限流装置或限流装置变化的影响。因此，对作用在阀针上的致动力和对阀针致动的控制的需求取决于限流装置。进一步地，在这些现有技术的燃料阀中，阀针的打开将立即导致作用在阀针上的压力陡然下降，这又使得需要非常大的致动力才能保持阀针打开。
本发明还涉及一种大型涡轮增压二冲程单流十字头内燃机，其包括如上所述和本发明要求保护的燃料阀。
发明内容
本发明的目的是提供一种在介绍中提到的那种燃料阀，其中至少显着减少了上述与火焰熄灭和燃料介质作用在阀针上的力相关的挑战。
前述及其他目的通过本发明的特征来实现。进一步的实施形式从说明书和附图变得显而易见。
根据第一方面，提供了一种用于大型涡轮增压二冲程单流十字头内燃机的燃料阀，所述燃料阀包括：具有后端和前端的长形的燃料阀壳体；具有至少一个内孔的喷嘴，所述内孔开口到具有喷嘴孔面积的至少一个喷嘴孔，所述喷嘴布置在所述壳体的前端处；从后端向前端延伸并且连接到加压燃料源的燃料通道；可轴向位移的阀针，其具有关闭位置和打开位置，在所述关闭位置，所述可轴向位移的阀针搁置在阀座上，从而防止燃料流动到喷嘴，在所述打开位置，所述可轴向位移的阀针从所述阀座提升，从而暴露所述阀针与所述阀座之间的阀针流动区域，由此允许燃料经由至少由燃料通道、阀针流动区域以及喷嘴中的至少一个内孔限定的流动路径穿过燃料阀流动到喷嘴孔，其中所述燃料阀包括在燃料的所述流动路径中的限流装置，其特征在于，限流装置设置在阀座与一个或多个喷嘴孔之间的流动路径中。
因此，通过在阀座与一个或多个喷嘴孔之间的流动路径中引入限流装置，因此在与喷嘴孔本身(或多个喷嘴孔本身)不同的位置处，喷射流率由喷射压力和限流装置的有效打开流动面积决定，从而避免在一个或多个喷嘴孔处出现进入气缸的高离开速度。这样，燃料可以以较低的喷射速度喷射到内燃机的气缸的燃烧室中并且因而有助于降低火焰熄灭的风险，同时仍维持燃料喷射系统中的高燃料供应压力。诸如氨的燃料因此可以以良好受控的质量速率喷射到气缸中，这消除或至少降低了火焰熄灭的风险。另外，来自燃料介质作用在阀针上的力不受限流装置的影响。
喷射系统可以通过控制共轨系统中的压力或通过保持恒定的高液压驱动增压阀来维持高供应压力。
限流装置应提供这样的流动面积，在给定所选压力水平的情况下该流动面积确保正确的燃料流率。因此，优选的是限流装置的流动面积明显小于喷嘴孔面积。在本发明的一优选实施例中，限流装置的流动面积小于喷嘴孔面积的3/4，优选小于喷嘴孔面积的1/2，最优选小于喷嘴孔面积的1/3。因此，以这种方式，可以独立于气缸压力以恒定质量速率和速度通过喷嘴孔喷射燃料。
喷嘴可以包括开口到至少一个喷嘴孔中的多于一个的内孔。在这样的实施例中，喷嘴孔优选地具有相等的喷嘴孔面积。然而，可以想到的是具有不同面积的更多个喷嘴孔的喷嘴。在另一实施例中，喷嘴可以包括一个内孔，其向所有喷嘴孔供应燃料。在具有带更多个喷嘴孔的喷嘴的实施例中，所有喷嘴孔的总喷嘴孔面积必须相对于限流装置的流动面积进行比较并且相对于其定尺寸。
在本发明的一个实施例中，其中限流装置设置在阀座与喷嘴孔之间的流动路径中，可以提供内孔的至少一部分的横截面积的减小。实际上，可以通过将限流插入件引入到从阀座延伸到喷嘴孔的内孔中来提供这种限流装置。如果经由每个喷嘴孔的独立内孔将燃料输送到每个喷嘴孔，则必须在所有内孔中都提供限流插入件，其中插入件的限流面积小于被从那个内孔供应燃料的每个独立喷嘴孔的喷嘴孔面积。
在本发明的另一个实施例中，其中限流装置也设置在阀座与一个或多个喷嘴孔之间的流动路径中，燃料阀的喷嘴仅包括一个内孔，所述一个内孔将燃料供应到多个喷嘴孔，只需要一个这样的限流插入件，其限流面积小于所有喷嘴孔流动面积的总和。
在本发明的又一个实施例中，燃料阀可以是一种滑阀，其中喷嘴仅包括一个将燃料输送到多个喷嘴孔的内孔，并且其中阀针形成为截止轴，当阀针处于关闭位置时，所述截止轴延伸到内孔中并且截断喷嘴孔。在这种阀中，当阀针处于其打开位置时，燃料经由至少一个孔口通过截止轴，并且因此这种阀中的限流装置可以设置在所述至少一个孔口中。
喷嘴中的喷嘴孔可以径向分布并且还优选地轴向分布在喷嘴上。喷嘴孔可以轴向定位在喷嘴的末端附近，所述末端优选是封闭的。喷嘴孔可以优选地定位在喷嘴周边的相对狭窄的范围内，例如在大约50°至120°之间。喷嘴孔的径向取向可进一步定向成远离由气缸衬套限定的燃烧室的壁。此外，喷嘴孔可以被定向成使得它们沿着与由扫气口的构造引起的燃烧室中扫气涡流的方向大致相同的方向。
附图说明
将参照附图中所示的示例实施例更详细地解释本发明，其中：
图1示出了根据本发明的燃料阀的一实施例，其中限流装置设置在喷嘴的内孔中，因此内孔的至少一部分的流动面积小于喷嘴孔面积，
图2示出了根据本发明的燃料阀的一实施例，其中喷嘴仅包括一个内孔，限流装置设置在所述内孔中，因此内孔的至少一部分的流动面积小于喷嘴孔面积，和
图3示出了根据本发明的燃料阀的一实施例，其中燃料阀是滑阀，喷嘴只有一个内孔并且阀针形成为截止轴，限流装置设置在所述截止轴的孔口中。
具体实施方式
在下面的详细描述中，将描述根据本发明的用于具有十字头的大型二冲程单流扫气内燃机的燃料阀，但是应该理解的是内燃机可以是另一种类型。
在图1中示出了根据本发明的燃料阀1的一示例性实施例。该示例实施例以及图2和图3中示出的实施例以不同的横截面示出，因此这些实施例是附图中未示出的所有相同的结构元件，但是在三个图中对应元件使用相同的附图标记。
图1所示的燃料阀1包括长形的燃料阀壳体2，所述长形的燃料阀壳体具有后端3和前端4。在壳体2的前端处的是通过保持元件6安装的喷嘴5。如图1可见，喷嘴5包括五个内孔7，所述五个内孔都从阀座8延伸并且开口到用于将燃料喷射到燃烧室10中的喷嘴孔9中。内孔7的直径X限定了其流动面积，喷嘴孔面积由喷嘴孔9的直径Y限定。燃料阀1还包括在图1中不可见的燃料通道，所述燃料通道从燃料阀1的后端3向前端4延伸。燃料通道连接到未示出的加压燃料源。此外，燃料阀还包括未示出的燃料回流通道。为了控制燃料流动通过燃料阀1，它包括可轴向位移的阀针12，所述可轴向位移的阀针具有关闭位置和打开位置，在所述关闭位置，可轴向位移的阀针12搁置在阀座8上，从而防止燃料流动到喷嘴5，在所述打开位置，可轴向位移的阀针12从阀座8提升，从而暴露阀针流动区域13，由此允许燃料穿过燃料阀1流动到喷嘴孔9。因此，燃料阀1具有由燃料通道、阀针流动区域13以及喷嘴5中的内孔7限定的流动路径。
可轴向位移的阀针12以狭窄的间隙被可滑动地接收在长形的阀壳体2中的纵向内孔14中。所示的阀针12设置有圆锥形部段，所述圆锥形部段的形状与阀座8相匹配。在关闭位置，阀针12的圆锥形部段搁置在阀座8上。在打开位置，圆锥形部段从阀座8提升，并且阀针12被预紧螺旋弹簧15弹性偏压向关闭位置。预紧螺旋弹簧15作用在阀针12上并且将阀针12偏压向其关闭位置，在所述关闭位置，圆锥形部段搁置在阀座8上。螺旋弹簧15是接收在长形的燃料阀壳体2中的弹簧室16中的螺旋线弹簧。
图2和图3中所示的燃料阀1包括与图1中所示的燃料阀基本相同的元件，但是具有如下所述的一些不同。在图2和图3中，燃料阀的喷嘴5仅包括单个内孔7，所述单个内孔将燃料供应到所有喷嘴孔9。此外，喷嘴5示出为通过定位销22相对于壳体2定位，这也适用于图1中的阀。在这些燃料阀中，喷嘴5也是通过仅在图1中示出的保持元件6安装到壳体2。
图3所示的燃料阀是滑阀，其特征在于阀针12的特殊设计。滑阀的阀针12包括长形构件，该长形构件突出到所述单个内孔7中并且包括实心的第一部分23和离阀座8最远的中空的第二部分24，所述中空的第二部分包括至少一个孔口26并且在其自由端25处开口。在操作期间，当阀针被提升到其离开阀座8的打开位置时，长形构件的自由端25也被抬离喷嘴孔9，从而允许燃料在长形构件与内孔7的壁之间在内孔7中向下流动到一个或多个孔口26并且流动到中空部分24中，从所述中空部分燃料继续流出开口的自由端25并且流动到喷嘴孔9中。
长形的阀壳体2和燃料阀1的其他部件以及喷嘴5在优选实施例中由钢制成，例如工具钢和不锈钢。
如所提到的那样，喷嘴5设置有喷嘴孔9，所述喷嘴孔径向分布并且优选地也轴向分布在喷嘴5上。喷嘴孔9轴向定位在喷嘴5的末端17附近，在所示的实施例中所述末端17是封闭的。在所提供的实施例中，喷嘴孔9分布在喷嘴5周边的相对狭窄的范围内，例如分布在大约50°至120°之间。在这样的实施例中，喷嘴孔9的径向取向可以定向成离开由气缸衬套限定的燃烧室的壁。此外，喷嘴孔9可以定向成使得它们沿着与由扫气口的构造引起的燃烧室中扫气涡流的方向大致相同的方向(该涡流是单流类型的大型二冲程涡轮增压内燃机的众所周知的特征)。
根据本发明，燃料阀包括设置在阀座8与一个或多个喷嘴孔9之间的流动路径中的限流装置20。由此，可以以较低的喷射速度将燃料喷射到内燃机气缸的燃烧室中并且从而有助于降低火焰熄灭的风险，同时仍维持燃料喷射系统中的高燃料供应压力。诸如氨的燃料因此可以以良好控制的质量速率喷射到气缸中，这消除或至少降低了火焰熄灭的风险。
在图1所示的实施例中，限流装置20设置在阀座8与喷嘴孔9之间的流动路径中。实际上，提供了内孔7的至少一部分的横截面积的减小，然而为了便于喷嘴5的制造，如图所示，优选的是内孔7在其整个长度上具有相同的直径，并且插入件形式的限流装置20安装在每个内孔7中，其中限流装置20的流动面积小于喷嘴孔面积。
在图2所示的实施例中，限流装置20也设置在阀座8与喷嘴孔9之间的流动路径中。实际上，通过将插入件安装在内孔7中提供了内孔7的一部分的横截面积的减小，其中插入件形式的限流装置20具有的流动面积小于喷嘴孔9的总面积。
在图3所示的实施例中，限流装置20也设置在阀座8与喷嘴孔9之间的流动路径中。在该实施例中，限流装置20设置在一个或多个孔口26中，或者通过将插入件安装在一个或多个孔口26中，或者通过使一个或多个孔口26具有较小的直径来确保一个或多个孔口26的总流动面积小于喷嘴孔9的总面积。

Claims (10)

1.一种用于大型涡轮增压二冲程单流十字头内燃机的燃料阀(1)，所述燃料阀(1)包括：长形的燃料阀壳体(2)，所述燃料阀壳体具有后端(3)和前端(4)；喷嘴(5)，所述喷嘴具有至少一个内孔(7)，所述内孔开口到具有喷嘴孔面积的至少一个喷嘴孔(9)中，所述喷嘴(5)布置在所述壳体(2)的所述前端(4)处；燃料通道(11)，所述燃料通道从所述后端(3)朝向所述前端(4)延伸并且连接到加压燃料源；可轴向位移的阀针(12)，所述可轴向位移的阀针具有关闭位置和打开位置，在所述关闭位置，所述可轴向位移的阀针(12)搁置在阀座(8)上，从而防止燃料流到所述喷嘴(5)，在所述打开位置，所述可轴向位移的阀针(12)从所述阀座(8)提升，从而暴露所述阀针(12)与所述阀座(8)之间的阀针流动区域(13)，允许燃料经由至少由所述燃料通道(11)、所述阀针流动区域(13)以及所述喷嘴(5)中的所述至少一个内孔(9)限定的流动路径穿过所述燃料阀(1)流动到所述喷嘴孔(9)，其中，所述燃料阀(1)包括位于燃料的所述流动路径中的限流装置(20)，其特征在于，所述限流装置(20)设置在所述阀座(8)与所述至少一个喷嘴孔(9)之间的所述流动路径中。
2.根据权利要求1所述的燃料阀(1)，其特征在于，所述限流装置(20)的流动面积小于所述喷嘴孔面积。
3.根据权利要求1或2所述的燃料阀(1)，其特征在于，所述限流装置(20)的流动面积小于所述喷嘴孔面积的3/4，优选小于所述喷嘴孔面积的1/2，最优选小于所述喷嘴孔面积的1/3。
4.根据权利要求1、2或3所述的燃料阀(1)，其特征在于，所述喷嘴(5)包括开口到所述至少一个喷嘴孔(9)中的多于一个的内孔(7)。
5.根据权利要求1、2或3所述的燃料阀(1)，其特征在于，所述喷嘴(5)包括开口到所述至少一个喷嘴孔(9)中的仅一个内孔(7)。
6.根据权利要求5所述的燃料阀(1)，其特征在于，所述燃料阀是滑阀，所述滑阀包括具有长形构件的阀针(12)，所述长形构件突出到所述仅一个内孔(7)中。
7.根据权利要求6所述的燃料阀(1)，其特征在于，所述长形构件包括实心的第一部分(23)和离所述阀座(8)最远的中空的第二部分(24)，所述中空的第二部分包括至少一个孔口(26)并且在所述中空的第二部分的自由端(25)处开口。
8.根据前述权利要求中任一项所述的燃料阀(1)，其特征在于，所述限流装置(20)作为安装在所述至少一个内孔(7)中的插入件或者作为安装在具有长形构件的所述阀针(12)的所述中空的第二部分(24)的所述至少一个孔口(26)中的插入件设置在所述阀座(8)与所述至少一个喷嘴孔(9)之间的所述流动路径中。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的燃料阀(1)，其特征在于，所述喷嘴(5)中的所述喷嘴孔(9)径向分布并且优选地也轴向分布在所述喷嘴(5)上，其中所述喷嘴孔(9)轴向定位在所述喷嘴(5)的末端(17)附近，所述末端(17)优选是封闭的。
10.一种大型涡轮增压二冲程单流十字头内燃机，包括根据前述权利要求1至9中任一项所述的燃料阀(1)。
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