CN103573516B - 用于双燃料喷射器的柴油泄漏控制*** - Google Patents

用于双燃料喷射器的柴油泄漏控制*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于双燃料喷射器的柴油泄漏控制***。一种用于控制柴油在低天然气压力状态下向双燃料喷射器的天然气侧的泄漏的***包括一泄漏控制阀，该泄漏控制阀在天然气管路压力非常低的状态——包括启动状态和跛行模式状态——下阻塞柴油管路。

Description

用于双燃料喷射器的柴油泄漏控制***
技术领域
本发明一般地涉及双燃料发动机，并更具体地涉及用于控制柴油向双燃料喷射器的天然气侧的泄漏的***。
背景技术
在柴油内燃机中，气体在进气冲程中被引入每个燃烧室（气缸），然后在压缩冲程中被压缩。该压缩使气体温度升高以便当柴油在压缩冲程顶部被引入气缸时，柴油在称为压燃的过程中气化并点燃。被点燃的柴油经历快速膨胀，在做功冲程中向下驱动活塞。在排气冲程中废气被排出并且再次开始四冲程狄塞尔循环。
柴油发动机拥有高可靠性，主要是由于其不存在汽油发动机所必需的电控点火***，并且一般地比汽油发动机具有更好的燃料经济性。然而，近年来由于天然气具有较低的成本和显著地较低的排放，天然气已成为内燃机的理想燃料源。大型柴油发动机能够被转换以使用天然气作为燃料运行，而用柴油作为引燃（点火）燃料。这些“双燃料”发动机需要车载的天然气和柴油（双燃料）供给***。
天然气可以以液化天然气或LNG的状态储存在随车携带的加压可控温度箱内。天然气由双燃料喷射器导入燃烧室内，在该燃烧室内天然气被由同一个双燃料喷射器分开喷射的柴油点燃。
除用作引燃燃料之外，柴油可以用于润滑双燃料喷射器的天然气侧，特别是天然气上引导件和针阀座。这需要柴油管路和喷射器的天然气侧的流体连通。为了最大程度地降低天然气从喷射器迁移至柴油管路，在双燃料喷射器的天然气侧和柴油管路之间保持一压差。在发动机运转过程中液压密封用于保持该压差，柴油侧的压力超出天然气侧的压力大约5兆帕（MPa）。
在发动机启动和跛行（应急，limp-home）模式状态下，天然气管路压力可能降至远低于其正常工作压力，甚至为零。低的天然气管路压力可能导致不能接受的高流量的柴油流入喷射器的天然气侧并流回天然气管路。
本发明针对上述的一个或多个问题。
发明内容
一方面，本发明提供了用于控制柴油在低天然气压力状态下向双燃料喷射器的天然气侧的泄漏的***。该***包括具有天然气管路压力的天然气管路、具有柴油管路压力的柴油管路、以及在双燃料喷射器的上游与天然气管路和柴油管路两者流体连通的泄漏控制阀。该泄漏控制阀可以在打开位置和关闭位置之间移动，在该打开位置柴油能够进入双燃料喷射器，在该关闭位置柴油被阻止进入双燃料喷射器。该泄漏控制阀响应于天然气管路压力，以便当天然气管路压力等于预定水平或降至预定水平以下时该泄漏控制阀关闭，从而阻止柴油流入双燃料喷射器的天然气侧。
另一方面，本发明提供了用于控制柴油从柴油管路向双燃料喷射器的天然气侧的流动的泄漏控制阀。该泄漏控制阀在双燃料喷射器的上游与具有天然气管路压力的天然气管路和柴油管路流体连通。该泄漏控制阀包括阀体、阀部件以及弹簧，该阀部件配置在阀体内且可以在打开位置和关闭位置之间往复移动，在该打开位置柴油能够进入双燃料喷射器，在该关闭位置柴油被阻止进入双燃料喷射器，该弹簧配置在阀体内且使泄漏控制阀偏置在关闭位置。每当天然气管路压力等于预定水平或降至预定水平以下时，该泄漏控制阀移至关闭位置。
又一方面，本发明提供了一种阻止柴油泄漏进入双燃料喷射器的天然气侧的方法。柴油以柴油管路压力从柴油管路经过泄漏控制阀被移动到双燃料喷射器的天然气侧。天然气以天然气管路压力从天然气管路经过泄漏控制阀被移动到双燃料喷射器的天然气侧。天然气管路压力被监测。当天然气管路压力等于预定水平或降至预定水平以下时，柴油被阻止流向双燃料喷射器的天然气侧。
附图说明
图1是用于双燃料发动机的天然气和柴油供给***的示意图。
图2是示出了沿着天然气供给***的不同阶段的天然气的典型温度和压力的相图。
图3是双燃料喷射器的剖视图。
图4是示出了在关闭位置的柴油泄漏控制***的示意图。
图5是示出了在打开位置的柴油泄漏控制***的示意图。
具体实施方式
本发明提供了用于阻止过量的柴油泄漏进入双燃料喷射***的天然气侧的***。该***采用了响应于来自天然气管路的压力而打开和关闭的阀，当天然气管路的压力降至预定水平以下时该阀关闭柴油管路。
图1是用于双燃料发动机中的天然气和柴油供给***10的示意图。图示的***10包括总体表示为12的天然气供给***、总体表示为14的柴油供给***和与相应数量的双燃料喷射器18流体连通的多个同轴套筒组件16。天然气供给***12和柴油供给***14分别通过天然气轨20和柴油轨22（如图1所示）分别向双燃料喷射器18供给天然气（NG）和柴油。
天然气供给***12包括用于容纳低温状态下的液化天然气（LNG）供给的低温燃料箱24、由电子控制模块28操作的低温NG泵26、过滤器30、热交换器或蒸发器32、蓄能器34、用于调整NG到达双燃料喷射器18之前的气体压力的压力控制模块36，以及用于通过套筒管46分配NG至双燃料喷射器18的压缩天然气（CNG）轨20。
柴油供给***14包括柴油箱40、燃料过滤器42、燃料泵44和用于通过套筒管48分配柴油至双燃料喷射器18的柴油轨22。图示的实施例示出了柴油和天然气通过同轴套筒组件16和同轴管50被供给至每个双燃料喷射器18。然而，应当理解，柴油和天然气套筒管46、48不需要是同轴的，并且天然气和柴油可以从不同位置——比如分别从双燃料喷射器18的侧面和顶部——进入双燃料喷射器18。
如图1所示并且如共有的美国专利申请No.12/875384（美国专利公开号U.S.2012/0055448）——该专利以引用的方式结合在本文中——所述，来自天然气供给***12的天然气和来自柴油供给***14的柴油流经同轴管46并进入喷射器18。每个同轴管46具有内管48和外管50以及位于内管48和外管50之间的环形空间，其中内管48供给诸如柴油的一种燃料至内燃料入口，该内燃料入口与喷射器18的柴油侧流体连通，该环形空间供给诸如天然气的第二种燃料至外燃料入口，该外燃料入口与喷射器18的天然气侧流体连通。
图2是甲烷的相图。该图给出了天然气在通过天然气供给***14时所经历的相变的近似值。数字1至4所表示的阶段与图1中相同的阶段相互关联。纵轴（y轴）表示温度（摄氏度）并且横轴（x轴）表示熵（千焦/千克，或kJ/kg）。压力等压线以100kPa、500kPa、1000kPa、4500kPa和36000kPa(36MPa)表示。如阶段1中所示，液化天然气典型地以大约-160°C的温度和大约100kPa（大约14.5psi）的压力储存在低温燃料箱24中。经过泵26之后，液化天然气的温度仍然只有大约-140°C，但压力显著增大至大约36MPa（大约5225psi）。在由数字2表示的该阶段，液化天然气是超临界流体。经过蒸发器32之后（在图1和2中由阶段3表示），液化天然气变成相对温暖的大约60°C（140°F）且压力仍然大约为36MPa的气体。在天然气轨20（图1和2中由阶段4表示）中的天然气温度大约为90°C且压力大约为36MPa。应当理解，这些天然气温度和压力参数仅为目标操作参数；该***不局限于这些参数。作为示例且没有限制，可以预计的是，天然气供给***12可以在更高的压力下运行。
在诸如本文描述的双燃料发动机中，在做功冲程开始时天然气和柴油均被直接喷射进入燃烧室（气缸）中，在燃烧室中两者与来自进气歧管的空气混合。极少量的柴油被用作用以开始燃烧过程的引燃（点火）燃料，该引燃燃料随后引燃天然气。柴油/天然气混合物中包含的能量仅有大约5%由柴油提供，剩下的95%由天然气提供。柴油的初始燃烧是相当局部的且发生在喷射器的末端附近。
在典型的燃料直喷***中，在燃烧步骤开始时，与发动机内各气缸相对应的喷射器通过一小的喷嘴直接将燃料喷射进入气缸。各喷射器典型地包括一针阀，该针阀响应于喷射器内部的压力而打开和关闭以通过喷射器喷嘴上的开口将燃料喷射进入气缸。
在单燃料共轨燃料直喷发动机中，燃料（诸如汽油或柴油）被泵送入共轨，燃料以高压在共轨中储存直到其流入燃料喷射器。在诸如本文中描述和图1中所示的双燃料共轨直喷***中，一种燃料（诸如天然气）被低温泵26泵送入天然气共轨20内，该燃料以高压在共轨中储存直到其流入双燃料喷射器18的一侧，而第二种燃料（诸如柴油）被柴油泵44泵送入柴油共轨22，该燃料储存在共轨中直到其流入双燃料喷射器18的另一侧。每个喷射器的一侧接收天然气，而另一侧接收柴油。
在单燃料和双燃料***中，当喷射器被启动时，也就是说，当喷射器内部的针阀被打开以允许燃料流入喷射器（并且流入燃烧室）时，燃料就开始从共轨流向喷射器。在进入燃料喷射器18之前，两条燃料管路可以以如图1所示的同轴管50布置的形式集合在一起。同轴管50能够从气缸盖（图1中未示出）的外侧延伸至喷射器18内。
图3是双燃料喷射器18的剖面图。双燃料喷射器18包括柴油侧51（右侧示出）和天然气侧71（左侧示出）。在柴油侧51，柴油上引导件52可操作地连接到柴油针阀58（又称柴油止回阀），柴油上引导件52和柴油针阀58均位于柴油室60内。位于柴油室60底部的一个或多个柴油孔口62与燃烧室（未示出）连通。柴油上引导件52，从而柴油针阀58，被放置在柴油上引导件52周围的柴油阀簧56偏置在关闭位置。
在天然气侧71，天然气上引导件72可操作地连接到天然气针阀78（又称天然气止回阀），天然气上引导件72和天然气针阀78均位于天然气室80内。位于天然气室80底部的一个或多个天然气孔口82与燃烧室（未示出）连通。天然气上引导件72，从而天然气针阀78，被放置在天然气上引导件72周围的天然气阀簧76偏置在关闭位置。
仍然参考图3，柴油上引导件52和天然气上引导件72可以被位于双燃料喷射器18顶部的螺线管控制。在燃料喷射之前，螺线管断电且柴油上引导件52和天然气上引导件72被各自的弹簧56、76偏置在其降低位置，这有利于使得针阀58、78固定在紧靠喷射器末端的内部，从而关闭位于喷射器18的末端的孔口62、82。
在一种可能的操作方式中，柴油螺线管首先被通电，将柴油上引导件52移动至升起（打开）位置并允许少量的柴油进入燃烧室。然后柴油螺线管被断电，使得柴油针阀58下降以关闭柴油孔口62。
在柴油（引燃燃料）喷射步骤期间或之后，天然气螺线管被通电，将天然气上引导件72和天然气针阀78移动至升起（打开）位置并允许天然气进入燃烧室。然后天然气螺线管被断电，使得天然气针阀78下降以关闭天然气孔口82。
柴油和天然气均通过与柴油室60和天然气室80连通的孔口进入喷射器18，然后向下流经针阀58、78后通过喷射器孔口62、82流出。
除了被导入双燃料喷射器18的柴油侧51之外，柴油还通过如图4和5所示的液压密封84和节流孔口或Z孔口86被导入天然气侧71。液压密封84和Z孔口86均提供柴油管路和喷射器18的天然气室80之间的流体连通。
通过Z孔口86进入天然气侧的柴油对于天然气上引导件72的操作来说是必需的。通过液压密封84进入天然气侧的柴油确保有少量但持续的柴油流入喷射器18的天然气侧以用于密封和润滑的目的。
通过液压密封84进入天然气侧的柴油进入围绕着天然气上引导件72的环形腔88，润滑上引导件72后向下流至天然气室80。在操作期间，在喷射器内保持柴油管路压力高于天然气管路压力，典型地高出大约5MPa，以防止天然气从喷射器18泄漏回至柴油管路并积聚在柴油箱40中，或者换言之泄漏进入喷射器18的柴油侧。柴油管路压力减去天然气管路压力被称为泄漏控制阀90两侧的“压差”。
总之，液压密封84确保有少量但持续的柴油流入喷射器18的天然气侧71以用于密封和润滑的目的。所需的柴油量与喷射器本体和天然气上引导件72之间的直径间隙（典型地每侧大约为4微米）以及天然气管路和柴油管路之间的压差有关。
只要柴油管路压力和天然气管路压力被保持在可正常工作的水平，同时柴油管路压力超出天然气管路压力大约5MPa，液压密封84就正常工作。但是随着天然气管路压力接近于零，泄漏控制阀90两侧的压差可能达到40MPa或更高，而不是5MPa。如果发生这种情况，喷射器18的天然气侧可能会被柴油填充。取决于发动机在这种条件下运转多长时间，柴油会开始填充天然气管路至向后到蒸发器32的整段管路中。
很多情况能够导致天然气管路压力降至零，包括最明显地是车辆耗尽天然气。天然气管路压力在启动模式和跛行（仅柴油）模式下也会下降。为了防止在天然气管路压力下降期间过量的柴油泄漏进入喷射器18的天然气侧，提供了柴油泄漏控制***。
图4和图5是柴油泄漏控制***的示意图，包括与天然气管路92和柴油管路94流体连通的泄漏控制阀90。该阀90可以在关闭位置（图4中示出）和打开位置（图5中示出）之间移动，在该关闭位置柴油被阻止通过Z孔口86和液压密封84进入双燃料喷射器18，在该打开位置柴油能够通过Z孔口86和液压密封84进入双燃料喷射器18。
该阀可以是任何适合的阀，包括诸如图4中所示的梭阀90。梭阀90可以包括阀体96、在阀体96内部以往复形式移动的阀部件98、以及弹簧100。弹簧100将梭阀90偏置在柴油阻止位置直到弹簧的力被天然气管路92内的压力抵消，如下解释。
图4和图5中示出的滑动的阀部件设计可以包括在阀部件98和阀体96之间的环形空间，使得柴油有可能经过环形空间向下泄漏进入喷射器18的天然气侧。相应地，在可选择的实施例中，泄漏控制阀可以是这样的类型：其中阀部件密封住阀座门，从而完全阻止柴油流过泄漏控制阀。
取代图4和图5中示出的弹簧加载阀90，泄漏控制阀也可以响应于天然气管路92和柴油管路94的相对压力而液压地或电子地操作。
无论使用何种类型的泄漏控制阀，泄漏控制阀被设计得在极低的天然气管路压力条件下（例如启动和跛行）封锁相对较高压力的柴油流向Z孔口86和液压密封84。作为示例并且参照图4和图5，当天然气用尽且天然气管路92内的气体压力降至零或接近零时，梭阀90内的弹簧100弹力克服天然气管路压力，从而导致梭阀90移动进入图4中示出的柴油阻塞位置。然后柴油被阻止通过Z孔口86和液压密封84进入喷射器18的天然气侧。（当然，当天然气管路压力降至零时，因为没有天然气被喷射进入发动机气缸，所以不需要柴油流动穿过Z孔口86以打开止回阀。）
当天然气可供使用时，天然气管路压力克服弹簧弹力，使得梭阀90移至图5中示出的打开位置。然后柴油能够通过Z孔口86和液压密封84进入喷射器18的天然气侧。
尽管泄漏控制阀90两侧的压差如前所述优选大约5MPa，应该理解该压差不局限为5MPa并且可能低至1MPa或更低以及高至20MPa或更高。相应地，泄漏控制阀90可以被设置成使得其当压差即相对高压力的柴油管路94与天然气管路90之间的压力差等于或者超出设定值时关闭，其中该设定值可以是任何期望的数值，诸如20MPa、5MPa或者甚至1MPa。
工业适用性
本发明的柴油泄漏控制***在任何需要控制柴油的双燃料***中均适用。例如，该***可以用于在内燃机——包括但不限于驱动矿用卡车和其它重型机器的发动机——中控制柴油向双燃料喷射器的天然气侧的泄漏。该***可能在发动机启动和跛行模式状态下，当天然气管路压力可能降至远低于其正常工作压力、甚至为零时，尤其有用，因为低的天然气管路压力可能导致不能接受的高流量的柴油流入喷射器的天然气侧且流回天然气管路。
也应该注意的是，本发明不局限于使用柴油作为引燃燃料的天然气发动机。此外，应该理解，上述实施例仅为意在说明本发明的原理的具体例子。可以设想不违背通过前述的教义和所附的权利要求书所限定的公开范围的本发明的变型和替代实施例。所述权利要求书意在覆盖落入其范围内的所有这样的变型和替代实施例。

Claims (20)

1.一种用于控制柴油在低天然气压力状态下向双燃料喷射器的天然气侧的泄漏的***，所述双燃料喷射器还具有柴油侧，该***包括：
具有天然气管路压力的天然气管路，所述天然气管路与所述双燃料喷射器的天然气侧流体连通；
具有柴油管路压力的柴油管路，所述柴油管路与所述双燃料喷射器的柴油侧流体连通；以及
泄漏控制阀，所述泄漏控制阀具有与所述柴油管路流体连通的入口、与所述双燃料喷射器的天然气侧流体连通的出口，和与所述天然气管路流体连通的阀部件；
其中，所述阀部件能够在打开位置和关闭位置之间移动，在该打开位置所述入口与所述出口流体连通以允许柴油流至双燃料喷射器的天然气侧，该关闭位置阻止从所述入口到所述出口的流体连通以阻止柴油流至双燃料喷射器的天然气侧，所述阀部件响应于天然气管路压力，以便当天然气管路压力等于预定的水平或降至预定的水平以下时该阀部件自动移至所述关闭位置，从而阻止柴油流入双燃料喷射器的天然气侧。
2.如权利要求1所述的***，其中，所述预定的水平为零。
3.如权利要求1所述的***，其中，所述预定的水平是低于柴油管路压力的指定值。
4.如权利要求1所述的***，其中，所述预定的水平比柴油管路压力低20MPa。
5.如权利要求1所述的***，其中，所述预定的水平比柴油管路压力低5MPa。
6.如权利要求1所述的***，其中，所述预定的水平比柴油管路压力低1MPa。
7.如权利要求1所述的***，其中，所述泄漏控制阀是梭阀，该梭阀包括尺寸被设定为接纳所述阀部件的阀体、以及弹簧，当天然气管路压力等于预定的水平或降至预定的水平以下时，所述弹簧将所述阀部件偏置在所述关闭位置。
8.一种用于控制柴油从柴油管路向双燃料喷射器的天然气侧的流动的泄漏控制阀，所述双燃料喷射器还具有柴油侧，该泄漏控制阀在双燃料喷射器的上游与具有天然气管路压力的天然气管路和柴油管路流体连通，该柴油管路具有柴油管路压力，该泄漏控制阀包括：
阀体，所述阀体限定有与所述柴油管路流体连通的入口和与所述双燃料喷射器的天然气侧流体连通的出口；
阀部件，该阀部件与所述天然气管路流体连通并配置在阀体内且能够以往复方式在打开位置和关闭位置之间移动，在该打开位置所述入口与所述出口流体连通以允许柴油流至双燃料喷射器的天然气侧，该关闭位置阻止从所述入口到所述出口的流体连通以阻止柴油流至双燃料喷射器的天然气侧；以及
弹簧，该弹簧配置在阀体内且将所述阀部件偏置在所述关闭位置；
其中，每当天然气管路压力等于预定的水平或降至预定的水平以下时，所述阀部件自动移至所述关闭位置。
9.如权利要求8所述的泄漏控制阀，其中，所述预定的水平是零。
10.如权利要求8所述的泄漏控制阀，其中，所述预定的水平是低于柴油管路压力的指定值。
11.如权利要求8所述的泄漏控制阀，其中，所述预定的水平比柴油管路压力低20MPa。
12.如权利要求8所述的泄漏控制阀，其中，所述预定的水平比柴油管路压力低5MPa。
13.如权利要求8所述的泄漏控制阀，其中，所述预定的水平比柴油管路压力低1MPa。
14.一种防止柴油泄漏进入双燃料喷射器的天然气侧的方法，该方法包括以下步骤：
以柴油管路压力将柴油从柴油管路经过泄漏控制阀移至双燃料喷射器的天然气侧；
以天然气管路压力将天然气从天然气管路移至双燃料喷射器的天然气侧；
监测天然气管路压力；以及
当天然气管路压力等于预定的水平或降至预定的水平以下时，阻止柴油从柴油管路流至双燃料喷射器的天然气侧。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述预定的水平是零。
16.如权利要求14所述的方法，其中，所述预定的水平是低于柴油管路压力的指定值。
17.如权利要求14所述的方法，其中，所述预定的水平比柴油管路压力低20MPa。
18.如权利要求14所述的方法，其中，所述预定的水平比柴油管路压力低5MPa。
19.如权利要求14所述的方法，其中，所述预定的水平比柴油管路压力低1MPa。
20.如权利要求14所述的方法，该方法进一步包括提供在双燃料喷射器的上游与天然气管路和柴油管路流体连通的泄漏控制阀的步骤，所述泄漏控制阀包括阀体、阀部件，该阀部件配置在阀体内且能够以往复方式在打开位置和关闭位置之间移动，在该打开位置柴油能够进入双燃料喷射器，在该关闭位置柴油被阻止进入双燃料喷射器，其中，每当天然气管路压力等于预定的水平或降至预定的水平以下时，所述阀部件移至所述关闭位置。
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