使用不同长度套筒的双燃料喷射供给装置

摘要

本发明公开了一种使用不同长度套筒的双燃料喷射供给装置，具体地提供了一种用于发动机的双燃料套筒组件及此组件的组装方法。该双燃料套筒组件可包括：包括主孔和容置腔的气缸盖、外套筒管、嵌套于该外套筒管内的内套筒管、滑动地容置于该气缸盖的主孔内的联接件以及紧固于该联接件的分流器。该联接件可在第一位置与第二位置之间移动，且该联接件可限定出轴向孔，该轴向孔构造为容纳外套筒管和嵌套的内套筒管。该分流器可限定出凹入部，该凹入部构造用于当该联接件位于该第二位置时将所述外套筒管和内套筒管压靠在该气缸盖上。

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种用于发动机的喷射供给装置，更确切地说， 涉及一种用于与应用于土方采矿车中、公路卡车上的双燃料发动机、 用于发电的独立发动机等一起使用的双燃料套筒组件。

背景技术

柴油发动机被广泛使用于多种工业应用中。由于柴油发动机是 利用压缩的热来点燃发动机的燃烧室内的柴油燃料的内燃机，因此 这些柴油发动机又称为压燃式发动机。

使用天然气作为发动机燃料使使用柴油发动机的许多工业应用 在环境和经济方面受益。天然气通常容易获得，其往往更加经济， 且在燃烧时产生较少的不良排放物。此外，燃烧天然气的发动机通 常维护问题较少。然而，由于天然气的自燃温度远远高于柴油燃料 的自燃温度，因此难以在压燃式发动机中点燃天然气。为了解决此 问题，可使用少量引燃燃料(例如柴油燃料)在发动机的燃烧室内 引燃主燃料，即天然气。这样的双燃料发动机需要将主燃料和引燃 燃料送入发动机的双燃料套筒组件喷射供给装置(a dual fuel quill  assembly injector feed)。由于主燃料和引燃燃料的相对量和性质，必须 使用双燃料套筒组件喷射供给装置，其能够有效地在供给装置内的 各个接合点提供所需的密封接触力，使燃料的泄漏最小化。在这样 的发动机中，所需的引燃燃料的量相对较小，这样，(双燃料套筒 组件的)输送引燃燃料的套筒管的直径相对小于输送主燃料的套筒 管的直径。由于管的尺寸及燃料的性质，通常需要使得输送主燃料 的套筒管的压力高于输送引燃燃料的套筒管的压力，以密封双燃料 套筒组件喷射供给装置内的流道(flowpath)接合点(junctures)。

加拿大专利第2,635,410号教导了一种双燃料连接器，其通过具 有两个不同内通道的单套筒，以便于将流体与燃料喷射器的两个不 同的燃料入口连通。此种类型的双燃料连接器存在不足，因为至少 此文献未教导出抑制燃料泄漏的有效方案。

需要一种双燃料套筒组件的设计，其能在套筒组件内的每种燃 料必须流经的各个接合点处对每种燃料的流道进行有效密封。

发明内容

根据本发明的一个方面，公开了一种双燃料套筒组件。该双燃 料套筒组件可包括：具有第一长度的第一套筒管、具有第二长度的 第二套筒管、限定出被构造用于容纳第一套筒管和第二套筒管的轴 向孔的联接件以及邻近于该联接件的分流器。该第二套筒管可嵌套 于该第一套筒管内，(该第二套筒管的)第二长度可以不等于(该 第一套筒管的)第一长度。该分流器可包括密封面，该密封面与该 第一套筒管的第一端和该第二套筒管的第一端密封接合。该密封面 可构造为对该第一套筒管的第一端施加第一密封接触力，以及对该 第二套筒管的第一端施加第二密封接触力。

根据本发明的另一方面，公开了一种用于发动机的双燃料套筒 组件。该双燃料套筒组件可以包括：气缸盖，其包括主孔和容置腔； 具有第一长度的外套筒管；内套筒管，其嵌套于该外套筒管内，并 具有不等于该第一长度的第二长度；联接件，其滑动地容置于气缸 盖的主孔内，该联接件能够在第一位置与第二位置之间移动，且该 联接件限定出轴向孔，该轴向孔构造为容纳外套筒管和嵌套的内套 筒管；以及紧固于该联接件的分流器，该分流器限定出凹入部，该 凹入部构造为当联接件位于第二位置时将所述外套筒管和内套筒管 压靠在该气缸盖上。

根据本发明的又一方面，公开了一种发动机的双燃料套筒组件 的组装方法。该方法可包括：提供具有第一弹簧刚度和第一长度的 外套筒管；具有第二弹簧刚度和第二长度的内套筒管；限定出轴向 孔的联接件；连接于该联接件并限定出凹入部的分流器；及限定出 的主孔的气缸盖。该内套筒管可嵌套于该外套筒管内。该方法还包 括将所述外套筒管和内套筒管设置在该气缸盖的主孔内，将所述外 套筒管和内套筒管滑入该联接件的轴向孔内；当该联接件被紧固于 该气缸盖时，在该凹入部与该外套筒管之间产生第一凹入部密封接 触力；以及当该联接件被紧固定于该气缸盖时，在该凹入部与该内 套筒管之间产生第二凹入部密封接触力。产生的该第一凹入部密封 接触力与产生的该第二凹入部密封接触力的大小可以不同。

附图说明

图1为沿着1-1线截取的图2中的示例性的双燃料套筒组件的 截面图，其中第一元件处于关闭位置；

图2为根据本发明的教导所构造的示例性的双燃料套筒组件 的立体图；

图3为示例性的压燃式发动机的立体图，在该压燃式发动机上 可安装有图1中的双燃料套筒组件；

图4为沿着4-4线截取的图2中的示例性的双燃料套筒组件的 截面图；

图5为沿着5-5线截取的图2中的示例性的双燃料套筒组件的 截面图；

图6为图5中内套筒管和外套筒管的第一端与分流器凹入部的 密封面的放大细节图；

图7为示例性的双燃料套筒组件的截面图，其中第一元件处于 打开位置；

图8为内套筒管的和外套筒管的第二端的截面图，其中，当第 一元件处于关闭位置时，内套筒管的和外套筒管的第二端与缸盖腔 的密封面密封接触；以及

图9为双燃料套筒组件的立体图，其中燃料管线(fuel line) 与各入口连接。

具体实施方式

现参照附图，并特别参照图1，示出了根据本发明所构造的双燃 料套筒组件的截面图，双燃料套筒组件总体上以附图标记100表示。 双燃料套筒组件100可包括双套筒供给装置102和发动机(未示出) 的气缸盖104。图2示出了安装于发动机的气缸盖104上的示例性的 双套筒供给装置102的立体图。

这里，为了说明本发明的教导，术语“燃料”是指可在压燃式 发动机内燃烧的任意的液体或气体。这些燃料可包括但不限于天然 气、柴油等。

尽管以下具体说明和附图是参考用于采矿或工程车辆的发动机 的双燃料套筒组件100提出的，但本发明的教导可应用在其他种类 的车辆中，或用于各种发电设备的独立发动机中。图3示出了结合 了本发明特征的发动机200的一个示例。从图3中可见，双套筒供 给装置102固定于安装在发动机200上的气缸盖104上。

现在参照图1-2，双套筒供给装置102包括具有第一长度L₁的外 套筒管106、嵌套于外套筒管106内且具有第二长度L₂的内套筒管 108、及第一元件110。外套筒管106和内套筒管108可具有不同的 长度L。在一种实施例中，内套筒管108可比外套筒管106长。例如， 在一种实施例中，外套筒管106与内套筒管108的长度差可大约在 0.202毫米至0.302毫米的范围内，且内套筒管108的每端都可以从 外套筒管106的端部突出约0.101毫米至约0.151毫米。在其他实施 例中，长度差以及其中一个套筒管超过另一套筒管的突出长度可以 在其他范围内。在其他实施例中，外套筒管106可比内套筒管108 长，或与内套筒管108等长。

外套筒管106包括第一端112、第二端114、及在第一端112与 第二端114之间延伸的外管壁116。外管壁116可具有设于第一端 112的第一外密封面118和设于第二端114的第二外密封面120。外 管壁116在形状上可总体为圆柱形，除在第一外密封面118和第二 外密封面120以外，外管壁116可具有均匀的厚度。但在其他实施 例中，外管壁116的厚度可变化。在一些实施例中，外管壁116的 外表面122可主要为均匀的，基本上不具有肩部或突出部。在一些 实施例中，第一外密封面118和第二外密封面120的厚度可总体上 逐渐变小，或总体上形成拱形。外密封面118、120也可为其他形状。

类似的，内套筒管108包括第一端124、第二端126以及在第一 端124与第二端126之间延伸的内管壁128。内管壁128可具有设于 第一端124的第一内密封面130和设于第二端126的第二内密封面 132。内管壁128在形状上可总体为圆柱形，在除第一端124和第二 端126以外的部分，内管壁128可具有均匀的厚度。在其他实施例 中，内管壁128的厚度可变化。内管壁128具有外表面134和内表 面136。在一些实施例中，第一内密封面130和第二内密封面132 的厚度可总体上逐渐变小，或总体上形成拱形。其他几何形状也可 行。内套筒管限定出内部流体通道(passageway)138。

外套筒管106具有第一弹簧刚度S₁，内套筒管108具有第二弹 簧刚度S₂。第一弹簧刚度S₁可与第二弹簧刚度S₂不同，或者，第一 弹簧刚度S₁可等于第二弹簧刚度S₂。例如，第一弹簧刚度S₁可大于 第二弹簧刚度S₂。在另一实施例中，第二弹簧刚度S₂可大于第一弹 簧刚度S₁。在又一实施例中，第一弹簧刚度S₁、第二弹簧刚度S₂的 大小可为相等值。套筒管的弹簧刚度S为使套筒管弯曲(压缩)所 需力的量。每个套筒管的弹簧刚度S的计算方式为：S＝A(E/L)

A为套筒管的横截面面积，A的计算方式为：A＝(d_o)²(π/4)- (d_i)²(π/4)；其中，d_o为从套筒管壁的外表面至外表面测得的套筒管的 外径，d_i为从套筒管壁的内表面至内表面测得的套筒管的内径。E为 制成套筒管的材料的杨氏弹性模量(套筒管材料为本领域公知的)； 以及L为套筒管的长度。

第一元件110可包括联接件(adapter)140和邻接于该联接件140 的分流器142。分流器142可以本领域所知的各种方式固定地或可拆 卸地固定在联接件140上。在一种实施例中，可使用多个螺栓144 将分流器142固定于联接件140上。螺栓144可延伸贯穿分流器142 的整个长度并插入联接件140内。在另一实施例中，可使用其他方 式将分流器142固定地或可拆卸地固定于联接件140上，替代地， 可以使分流器142和联接件140为一体。

联接件140可限定出轴向孔146，轴向孔146构造为容纳外套筒 管106和嵌套的内套筒管108。如图4-5最佳所示，联接件140还可 包括外肩部148，在该外肩部148上可设有环件(collar)150。

分流器142可限定出位于联接件140的轴向孔146上方的凹入 部154。图5示出了凹入部154及其相对于轴向孔146的位置。图6 提供了关于凹入部154及外套筒管106的第一端112、内套筒管108 的第一端124的细节放大图。凹入部154可具有密封面156，该密封 面156被构造为用于与外套筒管106的第一端112和内套筒管108 的第一端124密封接合。更具体地说，密封面156可包括：第一凹 入部密封面158(部分)，其被构造为用于与(外套筒管106的)外 管壁116的第一外密封面118密封接合；以及第二凹入部密封面160 (部分)，其被构造为用于与(内套筒管108)的内管壁128的第一 内密封面130密封接合。凹入部154可为圆锥形、圆环面形、立方 体形的或其他适于与外套筒管106的第一端112和内套筒管108的 第一端124密封接合的任意形状。

第一凹入部密封面158可构造为对外套筒管106的第一端112 施加第一凹入部接触力，第二凹入部密封面160可构造为对内套筒 管108的第一端124施加第二凹入部接触力。外套筒管106的第一 端112和内套筒管108的第一端124在凹入部154内彼此靠近设置。 如图1所示，当分流器142与外套筒管106和内套筒管108密封接 合时，在外套筒管106的内表面123与(内套筒管108的)内管壁 128的外表面134之间形成外部流体通道(passage)162。

如图4-6所示，分流器142还可进一步限定出第一入口164、第 一分流器流道166及至少一个外部端口168。第一入口164延伸穿过 分流器142的外表面，并接收第一燃料。图9示出了示例性的双燃 料套筒组件100，其中燃料管线连接于分流器142的入口164、170。 该一个(或多个)外部端口168延伸穿过凹入部154的密封面156。 该一个(或多个)外部端口168将第一分流器流道166与外部流体 通道162连接，并被设置在凹入部154的密封面156上，位于第一 密封面158与第二密封面160之间。

分流器142还可进一步限定出第二入口170、第二分流器流道 172及内部端口174。第二入口170延伸穿过分流器142的外表面， 并接收第二燃料。内部端口174延伸穿过凹入部154的密封面156。 内部端口174将第二流道172与内部流体通道138连接，并被设置 在凹入部154的密封面156上。在一种实施例中，第二凹入部密封 面160大体上围绕内部端口174。

双套筒供给装置102安装在发动机200的气缸盖104上。气缸 盖104可限定出主孔176和腔178(图1)。主孔176具有第一端180 和第二端182，并被构造为容置联接件140以及外套筒管106和内套 筒管108。

双套筒供给装置102可安装于气缸盖104上，邻近于主孔176 的第一端180。固定件184可延伸穿过联接件140的环件150，并进 入在其中设有联接件140的气缸盖104内。双套筒供给装置102的 联接件140可至少部分地位于主孔176内。腔178可邻近于主孔176 的第二端182，并可构造为容纳并密封地接合第一套筒管106的第二 端114和第二套筒管108的第二端126。

联接件140可在气缸盖104内在打开位置与关闭位置之间移动。 图7示出了联接件140处于打开位置，在该打开位置上，在凹入部 154与外管壁116的密封面118和内管壁128的密封面130之间，以 及在腔178与外管壁116的密封面120和内管壁128的密封面132 之间还未形成密封接合。而图1示出了联接件140处于关闭位置， 在该关闭位置上，在凹入部154与外管壁116的密封面118和内管 壁128的密封面130之间，以及在腔178与外管壁116的密封面120 和内管壁128的密封面132之间已形成密封接合。

图8示出了气缸盖腔178及外套筒管106的第二端114和内套 筒管108的第二端126的放大示图。腔178可具有腔密封面186，该 腔密封面186被构造为用于与外套筒管106的第二端114和内套筒 管108的第二端126密封结合。更具体地，腔密封面186可包括： 第一腔密封面188(部分)，其被构造为用于与(外套筒管106的) 外管壁116的第二外密封面120密封接合；以及第二腔密封面190 (部分)，其被构造为用于与(内套筒管108的)内管壁128的第 二内密封面132密封接合。腔178可为圆锥形、圆环面形、立方体 形或其他适于与外套筒管106的第二端114和内套筒管108的第二 端126密封接合的任意形状。

第一腔密封面188可构造为对外套筒管106的第二端114施加 第一腔接触力，第二腔密封面190可构造为对内套筒管108的第二 端114施加第二腔接触力。外套筒管106的第二端114和内套筒管 108的第二端126在凹入部154内彼此靠近设置。当分流器142的凹 入部154及气缸盖104的腔178与外套筒管106和内套筒管108密 封接合时，在外套筒管106的内表面123与(内套筒管108的)内 管壁128的外表面134之间形成外部流体通道192。

气缸盖104还可进一步限定出至少一个出口194和第一喷射流 道196。该一个(或多个)出口194延伸穿过腔密封面186。第一喷 射流道196从该一个(或多个)出口194穿过气缸盖104延伸至发 动机的燃烧室(未示出)。该一个(或多个)出口194将外部流体 通道192与第一喷射流道196连接，并被设于腔178的腔密封面186 上，在第一腔密封面188与第二腔密封面190之间。

气缸盖104还可进一步限定出出口197和第二喷射流道198。出 口197延伸穿过腔178的密封面186。出口197将第二喷射流道198 与内部流体通道138连接。在一种实施例中，第二腔密封面190大 体上围绕出口197。

如图1所最佳的示出，双燃料套筒组件100限定出第一燃料流 路(flow path)220，第一燃料流路220包含第一分流器流道166、 一个(或多个)外部端口168、外部流体通道192、一个(或多个) 出口194及第一喷射流道196。双燃料套筒组件100限定出第二燃料 流路222，该第二燃料流路222包含第二分流器流道172、内部端口 174、内部流体通道138、出口197及第二喷射流道198。

还公开了用于发动机200的双燃料套筒组件100的组装方法。 该方法包括提供外套筒管106、内套筒管108、联接件140、分流器 142及气缸盖104。该方法还包括将内套筒管108嵌套在外套筒管106 内，以及将外套筒管106和内套筒管108设置在气缸盖104的主孔 176内，使得外套筒管106的第二端114和内套筒管108的第二端 126被容置于腔178内，该腔178邻近于气缸盖104的主孔176的第 二端182。

该方法还包括将外套筒管106和内套筒管108滑入轴向孔146 中，当联接件140被紧固于气缸盖104时，在凹入部154与外套筒 管106的第一外密封面118之间产生第一凹入部密封接触力，以及， 当联接件140被紧固于气缸盖104时，在凹入部154与内套筒管108 的第一内密封面130之间产生第二凹入部密封接触力。产生的第一 凹入部密封接触力的值可以与产生的第二凹入部密封接触力的值不 同。密封接触力是在接合的套筒管的端部与密封面之间的力。例如， 第一密封接触力是在(外套筒管106的)第一外密封面118与凹入 部154的第一凹入部密封面158之间的力。密封接触力阻碍或防止 在分流器142的凹入部154与套筒管106、108的第一端112、124 之间，以及在套筒管106、108的第二端114、126与气缸盖104的 腔178之间发生燃料泄漏。

根据该方法，当联接件140被紧固于气缸盖104时，可在腔178 与外套筒管106的第二外密封面120之间产生该第一腔密封接触力， 当联接件140被紧固于气缸盖104时，可在腔178与内套筒管108 的第二内密封面132之间产生该第二腔密封接触力。第一腔密封接 触力与第二腔密封接触力可以具有不同的值。

工业实用性

在双燃料发动机中，两种不同类型的燃料从燃料管线被供给至 发动机的燃烧室。在本发明中，应用了双套筒布置方式，在这种布 置方式中，第一燃料可在外套筒管中流动，第二燃料可在嵌套在外 套筒管内的内套筒管中流动。在燃料进入或流出的(在套筒管的第 一端及第二端的)每个接合点处，套筒管必须以足够的密封接触力 密封，以阻碍或防止泄漏。此外，用于第一燃料的每个接合点与用 于第二燃料的每个接合点所需的密封接触力的值可以不相同。本发 明的实用性可以体现在提供了以下设计：这种设计接收两种不同燃 料，并将其提供给发动机，并在外套筒管和内套筒管的第一端和第 二端处的接合点分配适当的密封接触力，从而抑制或防止燃料泄漏。

随着将第一元件的联接件紧固于气缸盖，联接件可从打开位置 移动至关闭位置。在一种实施例中，将第一元件紧固于气缸盖的紧 固元件为多个螺栓。螺栓延伸穿过位于联接件的肩部上的环件，并 旋入气缸盖内。螺栓旋入气缸盖内，直到联接件从打开位置移动至 关闭位置。在关闭位置上，形成密封接合，抑制或防止燃料在上述 的接合点泄漏。

下面将讨论随着联接件从打开位置移动至关闭位置，在凹入部 与外管壁和内管壁的密封面之间，以及在腔与外管壁和内管壁的密 封面之间的密封接合过程的一个实例。在以下讨论的实施例中，凹 入部和腔整体上为圆锥形，内套筒管长于外套筒管。根据凹入部和 腔的几何形状，套筒管的相对长度及弹簧刚度，可存在其他变化。

在一种实施例中，随着第一元件被紧固于气缸盖(在此实施例 中，随着螺栓被拧紧)并且联接件开始从打开位置向关闭位置移动， 第一凹入部接触面和第一腔接触面可与外管壁的第一外密封面、第 二外密封面形成初始接触，外管壁的第一端和第二端可开始被压靠 在凹入部和腔的第一密封面上。由于(在本实施例中)凹入部和腔 为圆锥形，且套筒管的长度不同，因此，凹入部和腔的第二密封面 未使第一内密封面和第二内密封面受压\偏转。螺栓继续拧紧使得联 接件朝向第二位置移动，更大的力通过凹入部和腔的第一密封面施 加于外套筒管的外密封面上。凹入部和腔的第二密封面开始挤压内 套筒管的第一端和第二端的内密封面。当联接件处于第二位置时， 外套筒管和内套筒管的第一端和第二端均被压，以及在外套筒管和 内套筒管的第一端和第二端的密封面与凹入部和腔的密封面之间分 别产生密封接触力。

根据凹入部和腔所选择的几何形状、套筒管的相对长度以及各 套筒管的弹簧刚度，第一凹入部密封接触力、第二凹入部密封接触 力与第一腔密封接触力、第二腔密封接触力的大小可为不同的，也 可为相同的。本发明的方法并不限于在内套筒的密封面接触腔和凹 入部的密封面之前，使外套筒管的密封面接触腔和凹入部的密封面。 在其他实施例中，内套筒可比外套筒管先接触密封面，或与外套筒 管同时接触密封面。

在操作中，第一燃料经由第一入口从燃料管线流入第一燃料流 道，并流向发动机的燃烧室。第二燃料经由第二入口从燃料管线流 入第二燃料流道，并流向发动机的燃烧室。第二燃料的供给量可小 于第一燃料，可对第一燃料助燃。

在此所公开的特征可特别适用于向发动机的燃烧室供给双燃料 的独立发动机或用于土方车、工程车、或采矿车上的发动机。