CN105264213A - 燃料喷射器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于内燃机的燃料喷射器(200)。所述燃料喷射器可安装在发动机的气缸盖的气缸盖镗孔中且包括：主体区域(B)，其被布置成接纳在所述气缸盖镗孔内；和头部区域(H)，其被布置成在所述气缸盖镗孔外侧延伸以在所述喷射器安装在所述气缸盖镗孔中时从所述气缸盖伸出；第一阀针(116)，其被布置成控制气体燃料从第一出口的喷射；第二阀针(120)，其被布置成控制液体燃料从第二出口的喷射；气体燃料入口(130)，其用于准许所述气体燃料进入所述喷射器；以及液体燃料入口(156)，其用于准许所述液体燃料进入所述喷射器。所述气体燃料入口(130)安置在所述喷射器的所述主体区域(B)中，且其中所述液体燃料入口(156)安置在所述喷射器的所述头部区域(H)中。优选地，所述喷射器包括内部累积器体积(270)使得外部燃料轨道是不必要的。

Description

燃料喷射器
发明领域
本发明涉及适用于控制两种不同燃料到内燃机中的输送的燃料喷射器，以及具有包括一个或多个此类喷射器的燃料喷射***的内燃机。具体地但不排它地，本发明涉及适用于喷射气体燃料和液体燃料的燃料喷射器和燃料喷射***。
发明背景
用于重载和工业应用的内燃机通常以柴油为燃料。然而，使用天然气作为对柴油替代燃料越来越受到关注。天然气相对充足且相对廉价，且主要是可以提供与柴油相似水平的功率，同时产生较低的颗粒和氮氧化物(NOx)排放。
天然气可用于替代柴油给压燃发动机提供燃料，其中燃料燃烧是作为气缸中空气-燃料混合物压缩结果发生的。然而，因为天然气具有比柴油更高的自动点火温度，所以需要在引入天然气到燃烧室之前用柴油燃料的引燃喷射来引发燃烧。
在被称为高压直接喷射(HPDI)发动机的一类天然气-驱动发动机中，将天然气和柴油都直接喷射到燃烧室中。由于发动机气缸盖中的空间限制，每个气缸都使用一个燃料喷射器喷射两种燃料是理想的。这需要燃料喷射器特别适于在喷射器内保持两种燃料分开，并在适当时间独立输送各燃料。
一种此类“双燃料”喷射器在国际专利申请公开第WO00/15956号中描述。在此实例中，提供了具有同心双喷嘴结构的燃料喷射器。内阀针和外阀针在其下端处与各阀门底座啮合以控制燃料分别流经各内组出口和外组出口。外阀针控制天然气的喷射通过外组出口，而内阀针控制柴油的喷射通过内组出口。外阀针是管状的以容纳内阀针，而内组出口在外阀针的尖端处形成。
内阀针和外阀针由两个电磁控制阀门独立控制，其经配置控制用于内阀针和外阀针的各控制腔室内的控制流体(通常为柴油燃料)的压力。控制腔室接纳相应针的上端，因此改变每个控制腔室中控制流体的压力可改变相应阀针上的向下(关闭)力。气体或柴油燃料压力作用于各阀针朝下的推力面以发生作用于阀针的向上(打开)力。当控制腔室中控制流体的压力相对较高时，向下力大于向上力，且各阀针保持在阀门底座中，且当控制流体的压力相对较低时，向上力克服向下力，且各阀针打开以允许燃料喷射通过各组出口。
每个控制腔室在相对高的压力下连接到控制流体源。每个控制阀门可操作连接各控制腔室到用于控制流体的低压排放口。以此方式，每个控制阀门的打开导致相应控制腔室内控制流体压力的减小，从而导致相应阀针的打开。
喷射器安装在发动机气缸盖中的镗孔中。喷射器的主体延伸通过镗孔，使得喷射器的尖端伸入到各燃烧室中。气缸盖镗孔的最大直径，并因此喷射器主体的直径受限于气缸盖中有限的可用空间。用于致动控制阀门的电磁致动器通常太大而无法容纳在喷射器的主体中。相反，致动器和控制阀门通常以并排配置安装在燃料喷射器的顶部，使得其伸到气缸盖上面。
因此，这种类型的喷射器具有相对庞大的顶端，其占据气缸盖上部区域中的空间。此外，必须从两个独立的燃料供应***向喷射器供应两种燃料。更便利地，两个燃料供应***安装在气缸盖的顶部上。然而，由于气缸盖上方的空间中的一些是为发动机的气门传动机构和其它发动机组件而保留的，所以燃料供应***的燃料轨道、供应管和其它组件可用的空间受到限制。因此，希望提供其中更紧凑且/或更便利的燃料供应布置可行的燃料喷射器和燃料喷射***。
发明概要
从第一方面，本发明存在于用于内燃机的燃料喷射器，所述燃料喷射器可安装在发动机的气缸盖的气缸盖镗孔中且包括：主体区域，其被布置成接纳在气缸盖镗孔内；和头部区域，其被布置成在气缸盖镗孔外侧延伸以在喷射器安装在气缸盖镗孔中时从气缸盖伸出。燃料喷射器进一步包括：第一阀针，其被布置成控制气体燃料从第一出口的喷射；第二阀针，其被布置成控制液体燃料从第二出口的喷射；气体燃料入口，其用于准许气体燃料进入喷射器；以及液体燃料入口，其用于准许液体燃料进入喷射器。气体燃料入口安置在喷射器的主体区域中，且液体燃料入口安置在喷射器的头部区域中。
以此方式，可从安置在发动机的气缸盖内的合适气体燃料供应部件向燃料喷射器供应气体燃料。仅液体燃料供应部件需要定位在气缸盖上方的空间中，从而为其它发动机组件(诸如，发动机气门传动机构)留出更多空间。
液体燃料优选为柴油。气体燃料可为天然气或不同的燃料气体。
燃料喷射器可包括分别用于控制第一阀针和第二阀针的移动的第一控制阀门和第二控制阀门。优选地，第一控制阀门和第二控制阀门容纳在喷射器的主体区域中。通过将控制阀门容纳在喷射器的主体区域中而非容纳在喷射器的顶端处，在气缸盖上方的空间中为其它发动机组件创造了进一步的空间。
第一控制阀门和第二控制阀门可包括电磁阀。在一个特别紧凑的布置中，第一控制阀门和第二控制阀门共享共用核心构件。优选地，第一控制阀门和第二控制阀门为液压平衡阀。有利地，使用液压平衡阀使与阀相关联的致动器和偏置弹簧的尺寸最小化，这有助于进一步减少由控制阀门在喷射器的主体区域内占用的空间。液体燃料优选用作第一控制阀门和第二控制阀门的控制流体。
喷射器可包括锁紧螺母，其至少部分沿着喷射器的主体区域延伸。气体燃料入口可包括锁紧螺母中的一个或多个孔隙。
在一个实施方案中，燃料喷射器进一步包括用于液体燃料的累积器体积和与累积器体积流体连通的液体燃料出口。使用此构造，不需要为液体燃料提供额外累积器体积(例如以安装在气缸盖顶部上的燃料轨道的形式)。因此，通过在燃料喷射器中包括用于液体燃料的内部累积器体积，减少了由与对喷射器的液体燃料的供应相关联的组件占用的气缸盖上方的空间。
累积器体积可至少部分安置在喷射器的头部区域中。例如，累积器体积可从喷射器的顶端延伸到头部区域中。优选地，液体燃料出口安置在喷射器的头部区域中。
在一个实施方案中，累积器体积部分由基本圆柱状壁限定，且燃料喷射器进一步包括入口通道，所述入口通道在壁处与累积器体积连接且与液体燃料入口连通。
在第二方面中，本发明扩展到：内燃机，其包括具有一个或多个气缸盖镗孔的气缸；以及燃料喷射***，其包括根据本发明的第一方面的一个或多个燃料喷射器。所述或每个燃料喷射器可安装在相应气缸盖镗孔中。燃料喷射***优选包括：液体燃料累积器体积，其安置在气缸盖外侧且连接到所述或每个喷射器的液体燃料入口；以及气体燃料供应部件，其安置在气缸盖内以向所述或每个喷射器的气体燃料入口供应气体燃料。
在一个实例中，液体燃料累积器体积包括燃料轨道，其被布置成从高压燃料泵接收液体燃料。燃料轨道优选安装在气缸盖的顶面上。
在第三方面中，本发明存在于：内燃机，其包括具有多个气缸盖镗孔的气缸盖；以及燃料喷射***，其包括第一燃料喷射器和第二燃料喷射器，每个燃料喷射器是根据本发明的第一方面且可安装在相应气缸盖镗孔中。每个喷射器具有用于液体燃料的累积器体积和与累积器体积流体连通的液体燃料出口。燃料喷射***还包括气体燃料供应部件，其安置在气缸盖内以向每个喷射器的气体燃料入口供应气体燃料。第一喷射器的液体燃料入口被布置成从高压燃料泵接收液体燃料，且第一喷射器的液体燃料出口连接到第二喷射器的液体燃料入口。
以此方式，第一燃料喷射器和第二燃料喷射器串联连接到高压燃料源。因为每个喷射器的内部累积器体积连结在一起，所以其提供共用累积器体积使得不需要独立的外部燃料。这简化了燃料喷射***、降低了成本且为其它发动机组件创造了更多的空间。
发动机的燃料喷射***可包括相同类型的一个或多个另外的喷射器。每个另外的喷射器的液体燃料入口可串联连接到另一喷射器的液体燃料出口。以此方式，燃料喷射***可按比例调整以使发动机与不同数目的气缸相称而无需重新设计任何部件。
本发明的每个方面的优选和/或任选特征还可单独或以适当组合用于本发明的其它方面中。
附图简述
现将借助实例参考附图描述本发明，其中相同参考数字用于相同特征，且其中：
图1是根据本发明的第一实施方案的燃料喷射器的截面图；
图2是并有图1中示出的类型的多个燃料喷射器的燃料喷射***的部分的透视图；
图3是根据本发明的另一实施方案的燃料喷射器的局部截面图；
图4是安装在内燃机的气缸盖中的图3的燃料喷射器的局部截面侧视图；以及
图5是并有图3中示出的类型的多个燃料喷射器的燃料喷射***的部分的透视图。
发明的实施方案详述
图1示出根据本发明的第一实施方案的燃料喷射器100。喷射器100是伸长且基本圆柱状的，且包括喷嘴主体102、喷嘴固持器主体104、控制阀门总成106和头部108。
喷嘴主体102、喷嘴固持器主体104和控制阀门总成106借由锁紧螺母110夹紧到头部108，锁紧螺母110在其下端处具有向内定向的凸缘112以与喷嘴主体102啮合且保持喷嘴主体102，且具有在内部带螺纹的上区域114以与头部108的在外部带螺纹的下区域啮合。
喷嘴主体102容纳：基本管状外阀针116，其可在喷嘴主体102中的导孔118内滑动；以及内阀针120，其可滑动地接纳在外阀针116内。外阀针116与形成在喷嘴主体102的尖端处的底座区域102a啮合，以控制气体燃料到发动机的燃烧室(未示出)中的喷射。内阀针120可与形成在外阀针116的尖端处的底座区域116a啮合，以控制液体燃料到燃烧室中的喷射。
外阀针116和内阀针120的移动分别由第一控制阀门122和第二控制阀门124控制。第一控制阀门122和第二控制阀门124为一起形成控制阀门总成106的部分的电磁致动阀。控制阀门总成106包括形成每个控制阀门122、124的电磁致动器的部分的共用核心构件126。
每个控制阀门122、124包括实质上液压平衡控制阀门构件122a、124a。这意味着，当控制阀门构件处在第一位置中时没有显著净液压力作用于控制阀门构件。因此，控制阀门总成106的直径相对较小，且可容纳在锁紧螺母110内。
在使用中，燃料喷射器安装在发动机的气缸盖(未示出)中的气缸盖镗孔中。喷嘴主体102的尖端区域128(其包括液体燃料和气体燃料的出口)在气缸盖的下表面上从气缸盖镗孔伸出，使得燃料可喷溅到燃烧室中。头部108在气缸盖的上表面上从气缸盖镗孔伸出。
以此方式，当喷射器安装在发动机中时，燃料喷射器的主体区域(在图1中基本指示为“B”)接纳在气缸盖镗孔内，且头部区域(在图1中基本指示为“H”)在气缸盖镗孔外侧延伸以从气缸盖的顶面伸出。主体区域B包括控制阀门总成106的至少一部分和喷嘴主体102的至少一部分。
气体燃料入口130定位在喷射器的主体区域B中。气体燃料入口130包括锁紧螺母110中的多个孔隙132(在图1中示出多个孔隙132中的两个)。孔隙132与径向钻孔134流体连通，径向钻孔134从喷嘴固持器主体104的外壁向内延伸。径向钻孔134借助喷嘴固持器104和喷嘴主体102中的纵向延伸钻孔138、140与用于气体燃料的存储体积136流体连通。存储体积136围绕喷嘴主体102中的外阀针116环形布置。内部密封件142、144用于将气体燃料包括在喷嘴固持器主体104与锁紧螺母110之间的环形空间146中，由此防止气体燃料从喷射器泄漏。
在气缸盖中设置内部气体燃料供应部件以将气体燃料输送到喷射器的气体燃料入口130。气体燃料供应部件包括一组通道，其延伸通过气缸盖以将气体燃料从外部气体燃料源(例如，储罐和泵)输送到气缸盖镗孔。外部密封件148、150设置在喷射器上以抵着气缸盖镗孔密封锁紧螺母110，由此将气体燃料包括在对应于孔隙132的位置的围绕喷射器的环形区域152内。
以此方式，可使用不占用气缸盖的顶面上方的任何空间的气体燃料供应布置将气体燃料供应到喷射器。
喷射器的头部108包括电连接器154，可将信号电缆连接到电连接器154以将信号从电子控制单元传递到喷射器，以便操作第一控制阀门122和第二控制阀门124。
头部108还包括液体燃料入口端口156，可将高压燃料的供应源连接到液体燃料入口端口156。在喷射器100内，高压液体燃料通过一系列通道(未示出)从液体燃料入口端口156传递到安置在内阀针120与外阀针116之间的存储体积158。
用于液体燃料和电源的连接部因此设置在喷射器的头部区域H中，喷射器的头部区域H在喷射器安装在发动机中时在气缸盖的顶面上方暴露。
喷射器100的操作和控制是根据本领域中已知的原理且将不予以详细描述。简而言之，第一控制阀门122可操作以控制第一控制腔室中的控制流体(在此情形中为液体燃料)的压力。外阀针116的上端暴露于第一控制腔室中的流体压力，使得当操作第一控制阀门122以减小第一控制腔室中的燃料压力时，外阀针116从其阀门底座提升以允许气体燃料的喷射。类似地，第二控制阀门124可操作以控制第二控制腔室中的液体燃料压力。内阀针120的上端暴露于第二控制腔室中的燃料压力，使得当操作第二控制阀门124以减小第二控制腔室中的燃料压力时，内阀针提升以允许液体燃料的喷射。
还可在喷射器的主体区域B中设置液体燃料的排出连接管(未示出)。排出连接管借助气缸盖中的合适通道连接到低压排出口。
图2示出图1中示出的类型的六个燃料喷射器100，此时其将安装在六气缸内燃机的气缸盖(未示出)中。向发动机的每个气缸提供一个喷射器100。
每个喷射器100的液体燃料入口156借助相应燃料管160连接到线性燃料轨道162。燃料轨道162是管状的以限定提供用于液体燃料的累积器体积的内部体积。通过提供累积器体积，可显著减小对每个喷射器的液体燃料供应中归因于泵送事件和喷射事件的压力波动。通过燃料泵(未示出)将液体燃料供应到燃料轨道162。燃料轨道162和燃料管160安装在气缸盖的顶部上。
在图2的布置中，仅液体燃料供应***侵入气缸盖上方的空间。然而，燃料轨道162仍占用相对大量的空间。
如现将描述，可通过使用在内部分布在喷射器之间的用于液体燃料的累积器体积替换在图2的布置中由燃料轨道162提供的用于液体燃料的外部累积器体积来进一步减小由液体燃料供应***占用的空间。
图3示出根据本发明的第二实施方案的燃料喷射器200。图3的喷射器200在许多方面与图1的喷射器100类似，且仅将详细描述差异。应参考以上描述来解释下文未明确涉及的特征。
在本发明的第二实施方案的喷射器200中，头部108包括呈从头部108的顶端272延伸的基本圆柱状腔室270的形式的用于液体燃料的累积器体积。腔室270的上端与高压液体燃料的出口端口274连接。
入口通道276从液体燃料入口端口156延伸以与腔室270连接。入口通道276在处在腔室270的上端处的出口端口274与腔室270的下端278中间的位置处与腔室270的圆柱状壁连接。环形沟槽280形成在腔室270的壁中，其中入口通道276与壁相交以便减小交汇处的应力。
液体燃料借助一系列通道(其包括与腔室270的下端278连接以朝向控制阀门总成106和喷嘴主体102运送高压液体燃料的通道282)输送到喷射器200的控制阀门总成106和喷嘴主体102。
图4示出安装在内燃机的气缸盖300中的图3的喷射器200。气缸盖300包括：上表面302，喷射器200的头部区域H在上表面302上方暴露；以及下表面304，其部分限定发动机的燃烧室306。喷嘴主体102的尖端区域128伸出到燃烧室306中。
喷射器200的主体部分B容纳在气缸盖镗孔308内。气体燃料供应通道310平行于顶面302延伸通过气缸盖300，以借助锁紧螺母110中的孔隙132向喷射器200供应气体燃料。
如将在下文更详细解释，喷射器200的液体燃料出口端口274借助燃料管312连接到相邻喷射器(在图4中不可见)的液体燃料入口端口。出口端口274基本垂直于气缸盖的上表面302且平行于喷射器200的伸长轴而延伸，且液体燃料入口端口156基本平行于气缸盖的上表面302且垂直于喷射器200的伸长轴而延伸。
图5示出图3中示出的类型的第一、第二和第三燃料喷射器200a、200b、200c，此时其将安装在内燃机的气缸盖(未示出)中。向发动机的每个气缸提供一个喷射器200a、200b、200c。应了解，虽然在图5中示出三个喷射器，但可提供更少或更多的气缸和相关联喷射器。
第一喷射器200a的液体燃料入口端口156连接到高压液体燃料泵(未示出)，使得第一喷射器200a中的累积器体积填充有高压液体燃料。第一喷射器200a的液体燃料出口端口274借助燃料管310连接到相邻第二喷射器200b的液体燃料入口端口156。以此方式，来自第二喷射器200b中的累积器体积的高压燃料流也填充有高压液体燃料。
继而，第二喷射器200b的液体燃料出口端口274通过另一燃料管道310连接到第三喷射器200c的液体燃料入口端口156。另外的喷射器可以此方式串联连接，使得高压液体燃料被分配到所有喷射器。串联的最后一个喷射器的液体燃料出口端口274可通过堵塞器或类似装置闭合和密封。
由设置在每个喷射器内的腔室270形成的内部累积器体积一起对图2的布置的外部燃料轨道162具有类似液压效应。然而，如将从图4和5了解，通过使用内部累积器体积，显著减小了由液体燃料供应***在气缸盖300上方占用的空间。
应了解，图3的燃料喷射器还可设想地与外部燃料轨道一起使用以提供额外累积器体积。
图1的燃料喷射器可安装在图4中示出的气缸盖中。
本领域的技术人员还可预期上文未明确描述的另外修改和变型而不脱离如在所附权利要求书中定义的本发明的范围。

Claims (14)

1.一种用于内燃机的燃料喷射器(100；200)，所述燃料喷射器可安装在发动机的气缸盖(300)的气缸盖镗孔(308)中；所述燃料喷射器包括：
主体区域(B)，其被布置成接纳在所述气缸盖镗孔内；和头部区域(H)，其被布置成在所述气缸盖镗孔外侧延伸以在所述喷射器安装在所述气缸盖镗孔中时从所述气缸盖伸出；
第一阀针(116)，其被布置成控制气体燃料从第一出口的喷射；
第二阀针(120)，其被布置成控制液体燃料从第二出口的喷射；
气体燃料入口(130)，其用于准许所述气体燃料进入所述喷射器；以及
液体燃料入口(156)，其用于准许所述液体燃料进入所述喷射器；
其中所述气体燃料入口(130)安置在所述喷射器的所述主体区域(B)中，且其中所述液体燃料入口(156)安置在所述喷射器的所述头部区域(H)中。
2.如权利要求1所述的燃料喷射器，其中所述燃料喷射器包括分别用于控制所述第一阀针和第二阀针(116、120)的移动的第一控制阀门和第二控制阀门(122、124)，且其中所述第一控制阀门和第二控制阀门(122、124)容纳在所述喷射器的所述主体区域(B)内。
3.如权利要求2所述的燃料喷射器，其中所述第一控制阀门和第二控制阀门(122、124)包括共享共用核心构件(126)的电磁阀。
4.如权利要求2或3所述的燃料喷射器，其中述第一控制阀门和第二控制阀门(122、124)是液压平衡阀。
5.如任一项前述权利要求所述的燃料喷射器，其进一步包括锁紧螺母(110)，所述锁紧螺母(110)至少部分沿着所述喷射器的所述主体区域(B)延伸，且其中所述气体燃料入口(130)包括所述锁紧螺母(110)中的一个或多个孔隙(132)。
6.如任一项前述权利要求所述的燃料喷射器(200)，其进一步包括：
用于所述液体燃料的累积器体积(270)；以及
与所述累积器体积(270)流体连通的液体燃料出口(274)。
7.如权利要求6所述的燃料喷射器，其中所述累积器体积(270)至少部分安置在所述喷射器的所述头部区域(H)中。
8.如权利要求7所述的燃料喷射器，其中所述累积器体积(270)从所述喷射器的顶端(272)延伸到所述头部区域(H)中。
9.如权利要求6到8中任一项权利要求所述的燃料喷射器，其中所述液体燃料出口(274)安置在所述喷射器的所述头部区域(H)中。
10.如权利要求9所述的燃料喷射器，其中所述累积器体积(270)至少部分由基本圆柱状壁限定，且其中所述燃料喷射器进一步包括在所述壁处与所述累积器体积(270)相连接且与所述液体燃料入口(156)连通的入口通道(276)。
11.一种内燃机，其包括具有一个或多个气缸盖镗孔(308)的气缸盖(300)和燃料喷射***，所述燃料喷射***包括：
如任一项前述权利要求所述的一个或多个燃料喷射器(100；200)，所述燃料喷射器或每个燃料喷射器(100；200)可安装在相应气缸盖镗孔(308)中；
液体燃料累积器体积(162)，其安置在所述气缸盖外侧且连接到所述喷射器或每个喷射器(100；200)的所述液体燃料入口(156)；以及
气体燃料供应部件(310)，其安置在所述气缸盖(300)内以向所述喷射器或每个喷射器(100；200)的所述气体燃料入口(132)供应气体燃料。
12.如权利要求11所述的内燃机，其中所述液体燃料累积器体积包括燃料轨道(162)，其被布置成从高压燃料泵接收液体燃料。
13.一种内燃机，其包括具有多个气缸盖镗孔(308)的气缸盖(300)和燃料喷射***，所述燃料喷射***包括：
第一燃料喷射器和第二燃料喷射器(200a、200b)，每个燃料喷射器(200a、200b)如权利要求6到10中任一项权利要求所述且可安装在相应圆柱状盖孔(308)中；以及
气体燃料供应部件(310)，其安置在所述气缸盖(300)内以向每个喷射器(200a；200b)的所述气体燃料入口(132)供应气体燃料；
其中所述第一喷射器(200a)的所述液体燃料入口(156)被布置成从高压燃料泵接收液体燃料，且其中所述第一喷射器(200a)的所述液体燃料出口(274)连接到所述第二喷射器(200b)的所述液体燃料入口(156)。
14.如权利要求13所述的内燃机，其包括一个或多个另外的喷射器(200c)，每个另外的喷射器(200c)如权利要求6到10中任一项权利要求所述，且其中每个另外的喷射器(200a)的所述液体燃料入口(156)串联连接到另一喷射器的所述液体燃料出口(274)。
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