用于内燃机的燃料喷射系统以及内燃机中的燃料喷射系统的操作方法

摘要

本发明涉及一种用于内燃活塞式发动机(100)的燃料喷射系统，包括燃料源(134)，所述燃料源(134)被布置为与燃料输入端(121)连接，所述燃料输入端口(121)被配置为间歇性地输送要在所述内燃活塞式发动机内燃烧的燃料，其中，所述燃料喷射系统包括至少一个流体流量控制装置，所述至少一个流体流量控制装置被配置为控制进入所述燃料输入端(121)中的燃料的流量。所述至少一个流体流量控制装置(22)包括至少两个并联的阀单元(22.1...22.N)，每一个所述阀单元都具有两个操作位置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于内燃活塞式发动机的燃料喷射系统，其包括配置为连接燃料 输入端口的燃料源，燃料输入端口直接或间接地将燃料间歇性地送入内燃活塞式发动 机的燃烧室内。

背景技术

燃烧式发动机，特别是内燃活塞式发动机包括若干流体回路，其具有特殊的装置 宋控制在循环中的流动。例如，发动机的冷却系统被典型地控制以保持发动机的温度 和它的部件保持在需要的限制中。也有如下的其他流体流量，即，与所述其他流体流 量相关联地执行至少一些流量控制，例如燃料喷射、增压空气／废气的流量等。典型 地，控制这些流体流量包括至少某种程度上变化地调节流量。基本上在内燃活塞式发 动机内的所有流体的流量都会对发动机的性能产生重要影响，一些流体流量对发动机 性能有着很大的影响，所以需要对它们进行非常精确地控制。

内燃机的运行要求变得越来越苛刻，由此控制系统的精确性和可靠性也变得十分 重要。这不仅仅涉及到其重要性已经被认识很长时间的燃料系统，而且涉及实践中影 响发动机整体性能的在内燃活塞式发动机中的所有流体流量系统。

尤其是特别地使用燃料油操作的能够产生大于150KW／缸的动力的大型内燃活 塞式发动机的燃料喷射系统典型地通过使用基于共轨的燃料供应系统来布置，在该基 于共轨的燃料供应系统中，燃料喷射与产生加压燃料分隔开。燃料通过高压泵系统加 压并且被输送到蓄积器中，燃料从该蓄积器通过相互分离的燃料喷射器按计量供给到 每一个缸中。所述喷射器可以是电-液压控制的电子型。典型地，发动机的负荷控制 对通过燃料喷射器的燃料喷射的持续时间作用，因此，当需要更多的动力时，增加了 燃料的喷射时间来喷射更多的燃料。这导致的结果是，在实际中，喷射器的尺寸是一 种妥协，由此来控制发动机的整个负荷范围。可能的是，所述流动方式可能会基于负 荷以不希望的方式变化。

将天然气作为主要燃料并且将燃料油作为第二燃料的多燃料发动机被已知为双 燃料发动机。这样的发动机可以使用例如天然气，轻燃料油(LFO)或重燃料油(HFO) 来运行，其可以是二冲程或四冲程发动机，以例如奥托和／或柴油机循环的方式运行。 此外，在发动机运行期间所述发动机可以从燃气转换到LFO／HFO燃料，并且反之亦 然。在燃气模式运行下，气体通过气体进入阀被输送进入发动机的缸中，所述气体进 入阀与位于入口阀(inlet valve)的上游侧的缸盖的入口气体通道相连通地被设置。 液体燃料油作为引燃燃料来点燃在缸中的压缩气体-空气混合气。典型地，发动机的 负荷控制通过气体进入阀来实现，因此当需要更多的动力时，阀的开启状态的持续时 间增加。这导致的事实是，在实际中所述燃料进入阀的尺寸是妥协的，以此来控制发 动机的整个负荷范围。

本发明的目标是提供一种用于内燃活塞式发动机的流体流量布置，其中，控制性 能能够相对于现有技术方案被相当地改善。

进一步地，本发明的实施例的一个具体目的是提供一种用于内燃活塞式发动机的 燃料喷射系统，其中，控制性能能够相对于现有技术的方案被相当地改善。

进一步地，本发明的实施例的一个具体目的是提供一种用于内燃活塞式发动机的 气体燃料进入系统，其中，控制性能能够相对于现有技术的方案被相当地改善。

发明内容

本发明的目标基本上是通过一种用于内燃活塞式发动机的燃料喷射系统来实现 的，该燃料喷射系统包括燃料源，所述燃料源被布置为与燃料输入端口连接，所述燃 料输入端口被配置为间歇性地输送要在所述内燃活塞式发动机内燃烧的燃料，其中， 所述燃料喷射系统包括至少一个流体流量控制装置，所述至少一个流体流量控制装置 被配置为控制进入所述燃料输入端口中的燃料的流量。本发明的特征在于，所述至少 一个流体流量控制装置包括至少两个并联的阀单元，每一个所述阀单元都具有两个操 作位置。

根据本发明的一个实施例，所述流体流量控制装置包括具有不同的流量特性的多 于两个的并联的阀单元。

根据本发明的一个实施例，所述阀单元中的至少一个阀单元设置有可拆除地安装 的限流元件，所述限流元件对该阀单元的流量特性作用。

根据本发明的一个实施例，所有的阀单元都设置有所述限流元件，所述限流元件 对该阀单元的流量特性作用。

根据本发明的一个实施例，所述流体流量控制装置被布置为紧邻所述燃料输入端 口，所述燃料输入端口通向燃烧室。

根据本发明的一个实施例，所述流体流量控制装置被布置为紧邻所述燃料输入端 口，所述燃料输入端口通向进气通道。

根据本发明的一个实施例，所述流体流量控制装置被布置在影响燃料喷射的控制 压力系统中。

在根据本发明的一个实施例的一种操作内燃机中的燃料喷射系统的方法，其中， 燃料间歇性地从燃料源输送到燃料输入端口并且在所述内燃机中燃烧，并且，在所述 方法中，燃料进入所述燃料输入端口中的流量通过至少一个流体流量控制装置控制。 本发明的特征在于，所述燃料到所述燃料输入端口的输送通过将所述流体流量控制装 置的至少两个并联的阀单元中的每一个阀单元设置到它们的两个操作位置中的一个 位置来控制。

根据本发明的一个实施例，所述至少两个并联的阀单元中的每一个阀单元被同时 设置到它们的两个操作位置中的一个位置。

根据本发明的一个实施例，多于两个的并联的阀单元被设置到它们的两个操作位 置中的一个位置。根据本发明的又一个实施例，多个阀单元在至少两个阶段被设置到 它们的两个操作位置中的一个位置，由此提供喷射的速率整形功能。

根据本发明的一个实施例，所述至少一个流体流量控制装置直接地控制所述燃料 的输入。

根据本发明的另一个实施例，所述至少一个流体流量控制装置对控制流体的压力 进行控制。

附图说明

以下，本发明将结合示例性附图来进行介绍，其中：

图1例示根据本发明实施例的用于内燃活塞式发动机的流体流量系统；

图2例示根据本发明另一实施例的用于内燃活塞式发动机的流体流量系统；

图3例示根据本发明实施例的用于流体流量控制装置的阀单元的一个实施例；

图4例示根据本发明实施例的用于流体流量控制装置的阀单元的另一个实施例；

图5例示根据本发明又一个实施例的用于内燃活塞式发动机的流体流量系统。

具体实施方式

图1示意地描述出根据本发明实施例的用于内燃活塞式发动机100的流体流量系 统110。在该实施例中，流体流量系统是内燃活塞式发动机100的液体燃料直喷系统。 所述流量系统包括主流体通道，其在该实施例中为主燃料管线112。所述主燃料管线 112包括用于加压燃料并从燃料源134例如燃料箱输送燃料进入到燃料蓄积系统113 中的增压泵114。在图1中，仅示出属于内燃活塞式发动机的多个缸中的一个缸16， 以及仅示出进气通道16’和排气通道16”。所述流体流量系统110即液体燃料直喷系 统进一步包括燃料流量控制装置22，其与燃料喷射单元123连接。所述燃料喷射单 元123安装连接到发动机的缸16上以形成直喷装置。所述燃料流量控制装置22被配 置为控制通过其燃料输入端口121喷射到缸16中的燃料量。在此情形中，所述燃料 优选为液体燃料。

所述燃料流量控制装置22优选地包括一些并联的阀单元22.1....22.N，它们的每 一个具有两个操作位置，所述阀单元可以在这两个操作位置之间切换。在此情形中， 所述阀单元是开／闭阀。每一个阀单元都具有不同的流量特性。在此至少提供有两个 阀单元，但优选地至少有四个。

所述燃料流量控制装置22同时设置有包括致动装置的控制系统30，通过该致动 装置，每一个阀单元22.1....22.N都可以在所述两个操作位置之间切换。所述控制系 统优选地具有第一探测系统32，其直接还是间接地传送至少曲轴的旋转位置信息和 与发动机负荷相关的信息。同样有利地具有第二探测系统32’安装在控制系统30中。 所述第二探测系统32’被布置以提供发动机负荷的指示给控制系统30。在发动机的做 功冲程之前和／或在其期间，每一次燃料喷射都包括对喷射燃料量和／或时刻和／或喷射 的速率整形的控制步骤，其通过选择和控制每一个阀单元22.1....22.N的操作位置来 实现。因此，对于每次喷射来说，其可以确定哪个阀单元开启，开启的时刻，以及每 一个阀单元的关闭。

按这种方式，所述喷射过程可以非常有效地进行控制。除了控制每一个阀单元的 开启状态持续时间，还可以通过选择开启合适的阀单元来控制每次喷射的燃料喷射 量。此外，每一个阀单元的的开启时刻可被控制，因此使得配置每次喷射的适当的速 率整形成为可能。换句话说，至少当发动机在负荷下运转时即当发动机没有处于怠速 状态时，每次喷射包括至少两个阀单元的开启。根据优选的实施例，阀单元依次实现 开启动作。这对由在燃烧室中的燃料点燃所引起的可能压力峰值起到平缓作用，特别 是当发动机作为压燃式发动机而操作时。

根据本发明的燃料喷射系统的一个实施例，在发动机的正常操作下，控制系统 30被配置成为每次喷射选择合适的阀单元进行开启，所述选择是基于发动机运行参 数例如发动机的所需负荷和旋转速度。所述控制系统30也可以在发动机的第一操作 环境下被配置为选择所开启的阀单元与喷射的第一持续时间的第一组合。然而，控制 系统30也可以在发动机的第二操作环境下被配置为选择所开启的阀单元与喷射的第 二持续时间的第二组合。这样，对喷射的控制会非常精确。

利用本发明，其也可能通过使用阀单元的不同选择来得到等效的运行，这相当地 改善了燃料喷射系统的冗余和发动机的实用性。这具有非常大的优势，特别地体现在 船舶动力系统中。

根据本发明的又一个实施例，所述流体流量系统为如图5所示的内燃活塞式发动 机的燃料直喷系统的控制流体系统。在该实施例中，所述流体流量系统布置在控制压 力系统56中。它被用来释放或激活在燃料喷射系统中作用的控制压力，该控制压力 的状态决定了燃料喷射系统的运行状态。通过控制至少两个并联阀单元的开启序列， 控制压力释放速率，也提供了燃料喷射速率整形功能。

所述燃料喷射系统被操作，从而被加压的燃料源使充满燃料的燃料蓄积空间113 保持预定的压力。并联阀单元22.1，22.2....22.N中的每一个都具有两个操作位置， 所述阀单元可以在该两个操作位置之间切换，当所述并联阀单元依次开启时，在所述 系统的低压部分500和出口通道55之间的流体连通，在喷射器针阀50上方的腔室或 空间中的压力快速地变化，但其仍旧处于可控方式中。

现在，返回到图1，根据本发明的优选实施例，每一个阀单元都具有基底部25 和限流元件24。优选地，该限流元件24被布置到阀单元中，从而能够对流体流量作 用，例如节流。所述限流元件24有利地可拆除地安装到基底部25上。所述限流元件 是以节流的方式来影响阀单元的流量特性的部件。更加具体来说，所述限流元件24 对阀单元的流动阻力作用，优选地是通过设置局部限定流动区域来实现。这在图1 中用圆圈来表示。此外，有利的是，阀单元22.1，22.2....22.N的基底部25基本上完 全相同，特别地，相对于如下的联接单元，即，通过所述联接单元，所述限流元件 24联接到阀单元上。阀单元的数量可以变化，但优选具有至少四个单元。所述限流 元件包括当安装到阀单元上时用于适应阀单元的流量特性的装置，这意味着所述限流 元件在不同的阀单元中根据本发明的实施例是不同的。以这种方式，所述阀单元被模 块化，使得它们的流量特性通过简单地仅改变所述阀单元中的限流元件24而改变。

所述流体流量控制装置还设置有控制系统30，该控制系统被配置为控制每一个 阀单元22.1，22.2....22.N进入两个操作位置中的一个，所述阀单元可以在两个操作 位置之间切换。控制系统连接到探头32与发动机100连接。所述探头可包括在发动 机内的一个或多个独立的探头32，32’。

操作所述控制系统30，从而使得其读取或接收探头32的测量值或探头32的测 量值被发送到控制系统30。基于所述探头的(多个)测量值，控制系统确定关于在 实施的控制计划中的改变的需要。一旦需要该改变，控制装置选择多个阀单元的操作 位置的新组合以在喷射序列中开启。

优选地选择所述限流元件24，因而当第一阀单元的相对流量为1时，第二阀单 元的流量为1／2，第三阀单元的流量为1／4等等。例如，所述流体流量控制装置包括 四个开／关阀单元，在操作位置的组合和有效流量之间的关系显示在如下的表格中，

其清楚地显示出利用四个阀单元可以实现的精度：

阀单元1 阀单元2 阀单元3 阀单元4 总的相对流量 0 0 0 0 0.000 0 0 0 1 0.125 0 0 1 0 0.250 0 0 1 1 0.375 0 1 0 0 0.500 0 1 0 1 0.625 0 1 1 0 0.750 0 1 1 1 0.875 1 0 0 0 1.000 1 0 0 1 1.125 1 0 1 0 1.250 1 0 1 1 1.375 1 1 0 0 1.500 1 1 0 1 1.625 1 1 1 0 1.750 1 1 1 1 1.875

在该实施例中，阀单元1提供相对流量1，阀单元2提供相对流量0.5，以此等 等。可以看出，利用四个阀单元可以得到16个不同的流量。相应地，使用5个或6 个阀单元可以分别得到32和64个不同的流量。

由于每一个阀单元都可以在两个操作位置之间独立地切换，所以可以实际地通过 以适当方式配置和组合独立的阀单元来设置任何所需要的流体流量情形。根据阀单元 的类型，所述操作位置可以是开启位置或关闭位置或引导流向两个可能方向中任一方 向的位置。在图1的情形中，阀单元具有两个可选择的位置，所述位置引导流向两个 可能方向中的任何一个。

图2示意性地描述出根据本发明另一个实施例的用于内燃活塞式发动机100的流 体流量系统210。在该实施例中，特别地，流体流量系统是内燃活塞式发动机100的 气体燃料供给系统。所述气体燃料喷射系统包括主流体通道，在该实施例中其为气体 燃料供给管线212。所述燃料供给管线212与气体燃料源234流体连接，并连接到燃 料流量控制装置22。为了清楚显示，仅示出内燃活塞式发动机中的多个缸中的一个 缸16。也示出导向缸16和从缸16中导出的进气通道16’和排气通道16”。流体流量 系统210中的所述燃料流量控制装置22进一步包括燃料气体进入单元223。燃料进 入单元223被配置为通过一个或多个输入端口221通向邻近地在每一个缸中的(多个) 进气阀17的上游侧的进气通道16’。

燃料流量控制装置22和气体进入单元223包括一些并联的阀单元22.1...22.N。 每一个阀单元都连接到燃料供给管线12并且可控制地在进气通道16’中开启。每一个 阀单元都具有两个操作位置，阀单元可以在其之间进行切换。在该情形中，阀单元是 开／闭阀。每一个阀单元都具有不同的流量特性。因此，进入进气通道的气体量被控 制着，使得在进气阀开启之前和／或期间，在每一次进气冲程期间和／或之前，一些被 选择的阀单元改变到它们的开启位置。在该位置，阀单元在进气通道16’中开启，允 许燃料气体进入到通道中。每一个阀单元仅具有两个操作位置，也就是说，它要么完 全关闭或者100％开启，但是当选择合适的开启／关闭的阀单元时，可以控制进入到用 于在工作循环中的每次燃烧工作的进气的燃料气体量。

燃料流量控制装置22同样设置有控制系统30，该控制系统配置为控制在燃料进 入单元中的每一个阀单元22.1...22.N进入到所述阀单元可以切换的两个操作位置中 的一个位置。所述控制系统优选地设置有探头系统32，该探头系统直接或间接地传 输曲轴的旋转信息。此外，所述探头系统可包括连接到进气阀17的探头单元。这样， 喷射过程可以非常有效地控制，气体喷射可以针对发动机的工作循环和进气阀的位置 而被精确地计时。除了能够控制每一个阀单元的开启状态持续时间，还可通过选择开 启合适的阀单元组合来控制用于发动机工作循环的每次喷射的气体喷射量。优选地， 配置与进气通道连接的并联的阀单元的数量为至少四个。

根据发明的一个实施例，燃料喷射系统设置有安全运行系统，该安全运行系统使 得发动机的在紧急情况下也能运行。所述燃料喷射系统可包括手动锁定系统，通过该 系统，每一个阀单元中的阀元件都可以锁定到它们的操作位置中的任何一个，所述手 动锁定系统包括连接到每一个阀单元的锁定装置。所述锁定装置也配置为允许所述操 作位置的手动变化。在图2所示的实施例中，进气阀17被机械地致动或者独立于燃 料喷射系统的控制而被致动。如果实际的燃料计量可以例如机械地完成，则所述手动 锁定系统也可以结合根据本发明的阀单元的其他实施例而被配置。

在图3中，示出了阀单元322.1的实施例，其中，流体从位于阀元件318之外的 进气歧管304沿着配置在阀元件内并位于阀单元的主体内的凹槽319流动。所述阀单 元可应用到例如图1和2中所示的实施例。所述阀单元322.1可以是相应地并联到图 1中所示的这些阀上。阀空间306在其圆柱形部分设置有出口310，该出口310连接 到出气歧管314。在该实施例中，致动器327是单个作用致动器，其可以仅在一个方 向上施加力到阀元件318上。为了在两个操作位置之间移动阀元件，在阀元件318 的与致动器327相反的端设置有弹簧元件328。所述致动器327是液压／气动类型，其 能够在抵靠弹簧元件的方向上移动阀元件318，且在释放工作压力之后，所述弹簧元 件将阀单元返回到其初始位置。

同样在图3的阀单元322.1中配置有限流元件24。所述限流元件配置为直接地位 于阀元件的上游。所述限流元件24在该实施例中为具有流通孔的轴套。这样，所述 轴套影响到阀单元的流量特性。所述阀单元可以模块化，使得在阀单元中，它们的流 量特性可仅通过简单地改变轴套而改变。

限流元件可以通过多种方式实现。如图4中所示的，除了凸缘和轴套之外，所述 限流元件可以为可替换的销24’，其延伸入阀单元的流体流量通道中。除了涉及到限 流元件的相关细节，图4所示的阀单元对应于图3中的阀单元。限流元件的效果可通 过更换具有不同尺度的销而改变，如通过点划线24”描述的。

尽管本发明已经在此通过实施例结合目前认为是最优选的实施例进行了描述，可 以理解的是，本发明并未限制为所描述的实施例，而旨在覆盖到其特征的各种组合或 修改，而且一些其他应用也被包括到本发明的范围内，如随附的权利要求书中限定的。 当此类组合在技术上可行时，与如上任何实施例相关的所述细节可被用到与之关联的 另一实施例中。