CN110700952A - 用于控制气态燃料的吹入速率的方法和燃料喷射器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制气态燃料在吹入内燃机的燃烧室(1)中时的吹入速率的方法，在该方法中，使用燃料喷射器(2)用于吹入气态燃料，所述燃料喷射器包括至少一个与密封座(3)共同作用的、能往复行程运动的喷嘴针(4)用于释放和关闭至少一个吹入口(5)。根据本发明，使所述喷嘴针(4)在打开时的速度根据负荷而变化并且在部分负荷情况下比在全负荷情况下减小。本发明还涉及一种适用于执行该方法的燃料喷射器(2)。

Description

用于控制气态燃料的吹入速率的方法和燃料喷射器

技术领域

本发明涉及一种用于在将气态燃料吹入内燃机的燃烧室中时的吹入速率的方法。

该方法可以在使用单燃料喷射器或双燃料喷射器的情况下实施。气态燃料尤其可以是天然气(NG，即“Natural Gas”)。

本发明还涉及一种适用于实施根据本发明的方法的燃料喷射器。该燃料喷射器尤其可以是用于吹入两种不同燃料的双燃料喷射器。

背景技术

在气态燃料燃烧时实现越来越高的吹入压力，以便在全负荷时满足如对柴油燃料燃烧所提出的那样的要求。然而，高的吹入压力导致在内燃机部分负荷运行时吹入速率过高，并且在实施中通常伴随有不期望的噪声和/或增加的排放。这是要避免的。

作为解决方案，可以在用于气态燃料的储存容器上设置用于气体压力调节的压力调节阀，通过该储存容器给至少一个燃料喷射器供应气态燃料。然而，由于气态燃料的高的可压缩性，通过这种压力调节器进行的气体压力调节非常慢。此外会集聚大的控制量，这些控制量最终损失，因为它们由于低的压水平而既不能返回燃气罐也不能给输送给燃烧。由于高的变暖潜势(“全球变暖”)，也不可能将集聚的控制量吹出到环境中。

发明内容

因此，本发明的任务在于，根据运行点来形成在将气态燃料吹入到内燃机燃烧室时的吹入速率，以避免上述缺点。

为了解决该任务，提出了本发明的方法和本发明的燃料喷射器。此外可以得知本发明的有利扩展。

在所提出的用于控制在气态燃料吹入到内燃机的燃烧室中时的吹入速率的方法中，使用燃料喷射器来吹入气态燃料，该燃料喷射器包括至少一个喷嘴针，其与密封座共同作用并且可进行往复行程运动，以释放和关闭至少一个吹入口。根据本发明，喷嘴针在打开时的速度根据负荷而变化并且在部分负荷情况下比在全负荷情况下减小。

因此，在部分负荷情况下，喷嘴针以较低的速度从密封座抬起，以便朝向至少一个吹入口的方向释放流动路径。因此，延迟地进行阀座解除节流。这导致，至少一个吹入口前面的气体量并且气体压力仅缓慢提高。相应地，吹入速率也具有相对平缓的上升或者说扁平的形状。结果，以这种方式促进了更慢、更低噪声的燃烧开始。

该方法的优点是，气态燃料的供应压力可以保持恒定。因此，可以省去用于气态燃料的储存容器上的气体压力调节或者气体压力调节器。此外，可以将气体供应压力水平调整得如此之高，使得在全负荷情况下为了急剧提高吹气速率而实现最大的阀针动态特性，其随后保持在高的水平。例如，气体供应压力水平可以调整为500巴。

优选，喷嘴针的行程被液压地控制。这种实施方法相对简单，是现有技术。优选，在液压控制时，使用液体燃料、特别是柴油燃料作为液压压力介质。由于天然气通常借助于柴油燃料来点燃，柴油燃料为此通过引燃喷射而被吹入到燃烧室中，所以在这种情况下柴油燃料的供应是有保证的。

此外优选，喷嘴针的往复行程运动通过施加到喷嘴针上的控制压力来控制，该控制压力引起向关闭方向作用在喷嘴针上的液压压力。控制压力优选在由喷嘴针限界的控制室中占主导地位。如果控制室中的控制压力升高，则作用在喷嘴针上的闭合力增加。为了打开喷嘴针，控制室中的控制压力必须减小到使得在喷嘴针上作用一个向打开方向起作用的合力的程度。压力介质向控制室中的输入优选通过入口节流部进行。控制室的卸载优选通过可切换的出口节流部进行。

在所提出的用于控制吹入速率的方法中，优选压力介质供应压力调整得在内燃机部分负荷情况下比在全负荷情况下高。也就是说，压力介质供应压力水平或者(如果使用柴油燃料作为液压压力介质)柴油供应压力水平在部分负荷情况下更高。由此，更多的压力介质或柴油燃料补充流入控制室中，使得喷嘴针的运动受到附加液量的阻碍。通过压力介质供应压力水平来控制吹入速率具有以下优点：可以使用传统的燃料喷射器用于执行根据本发明的方法。不需要对燃料喷射器进行改造。

在用于直接喷射天然气的双燃料喷射器中，通常将柴油供应压力总是调整得略高于气体供应压力。该措施要防止气体泄漏到柴油燃料区域中。压力差例如可达10巴。为了实施根据本发明的方法，在内燃机的部分负荷情况下，提高压力差。根据负荷而定，压力差可高达300巴。在这种情况下适用：负荷越低，优选压力差越大。

替换地或补充地提出，在部分负荷情况下使控制室中的控制压力下降得没有在全负荷时那么快。为此，可以提高流入控制室中的压力介质量和/或减少流出控制室的压力介质量。

因此，可以通过提高初始的控制压力或者说压力介质供应压力和/或通过在打开期间缓慢降低控制压力来引起打开时的阀针速度降低。

喷嘴针的缓慢打开通常与喷嘴针的快速关闭相关联，这导致吹入的突然结束。这证明是有利的，因为由此可以防止气态燃料后续流入内燃机的燃烧室中，该气态燃料然后不被恰当燃烧。因为在内燃机部分负荷情况下燃烧室温度通常太低而不能确保完全燃烧。

为了优化本方法，可以针对每个吹入循环单独调节打开时的喷嘴针速度。但是，也可以根据运行点以较长的时间间隔进行该调节。

有利地，测量控制室中的控制压力，以便求得实际值和梯度dp/dT。然后可以将这些值用作调节回路的输入参量。以这种方式监控控制室中的控制压力并且在需要时自动适配。

替换地或补充地，可以测量燃烧室中的压力和/或温度并将其用作控制或调节参量。以这种方式可以使吹入速率最佳地适配于在吹入时间点存在的燃烧室压力或适配于在吹入时间点存在的燃烧室温度。

有利地，通过特性曲线族来进行吹入速率的控制。这些特性曲线族可以存储在控制单元中，其中，优选涉及发动机控制单元，为根据负荷来控制吹入速率所需的运行参数可供该发动机控制单元使用。

此外提出一种用于将气态燃料吹入到内燃机的燃烧室中的燃料喷射器，该燃烧喷射器包括至少一个喷嘴针，该喷嘴针与密封座共同作用并且可以进行往复行程运动，以释放和关闭至少一个吹入口。在此，喷嘴针限界控制室，该控制室可以通过入口节流部被加载以液压压力介质，优选被加载以液体燃料。根据本发明，入口节流部具有可变的节流部横截面，使得通过液压压力介质向控制室中的输入可以根据负荷来控制喷嘴针在打开时的速度。

因此，所提出的燃料喷射器特别适合于执行上述根据本发明的方法。例如，在部分负荷时，可以增大节流部横截面，从而增加液压压力介质向控制室中的输入。这导致与全负荷时相比控制室中的控制压力降低得没那么快并且喷嘴针打开得没那么快。

入口节流部的节流部横截面可以由一个或多个开口形成。如果至少一个开口未完全地、而是仅部分地被释放，则通过该开口的流量减少。为此，所述至少一个开口优选与控制棱边共同作用，所述控制棱边或者构造在燃料喷射器的可运动的构件上、或者构造在固定的构件上。如果是后一种情况，则优选所述至少一个开口或者构造所述至少一个开口的燃料喷射器构件可相对于控制棱边运动。

根据本发明的优选实施方式，可变的节流部横截面由构造在相对于控制棱边可移位的活塞中的至少一个开口形成。因此，根据活塞相对于控制棱边的位置而定，开口被完全或部分地释放。相应地，节流部横截面以及向控制室中的压力介质输入发生变化。

在本发明的进一步扩展中提出，活塞至少区段地套筒形实施并且所述至少一个开口构造在活塞的套筒形区段中。通过所述至少区段式套筒形实施，活塞可被用作液压压力介质的输入路径的一部分。通过所述至少一个开口，在活塞中构造的输入路径部分可以与控制室或者与通入到控制室中的输入通道连接。例如，可以在活塞中设置一个或多个径向孔用于构造所述至少一个开口。替换地或补充地，也可以设置至少一个缝隙形开口。缝隙的宽度可以在活塞的运动方向上变化。以这种方式可以实现节流部横截面的非线性增大或减小。

如果节流部横截面由活塞中的多个径向孔构成，则这些径向孔(优选成至少一列地)在活塞的运动方向上相继布置。在多列布置的情况下，相邻列的径向孔可以在活塞运动方向上彼此错开地布置，以便实现节流部横截面、从而通过入口节流部的流量的尽可能不断变化。

构造节流部横截面的多个开口优选在活塞的周边上分布。以这种方式可以实现作用在活塞上的径向力的分布和减小。此外，通过充分利用周向方向，可以减小在轴向方向上、即在活塞纵向方向上的安装空间需求。

补充地提出，用于构造节流部横截面的多个开口、特别是径向孔螺旋形地布置，以便连续地和/或可有差异地改变入口节流部的节流部横截面。为了表现非线性特性曲线，可以改变所述螺旋形布置的升程。

具有所述至少一个开口的活塞优选一侧支撑在弹簧上，另一侧被可变的压力介质供应压力加载。这种情况下，活塞相对于控制棱边的移位通过压力介质供应压力来控制。通过升高或降低压力介质供应压力，可以改变活塞相对于控制棱边的位置。在压力介质供应压力升高时，活塞的运动逆着所述弹簧的弹簧力进行。如果接着压力介质供应压力再次降低，则弹簧使活塞复位。

根据弹簧的位置和/或构成入口节流部的节流部横截面的所述至少一个开口的布置和/或造型，可以通过升高压力介质供应压力来增加或减少通过入口节流部的流量。

优选，用于支撑活塞的弹簧被接收在弹簧室中，该弹簧室连接到低压区域上。连接到低压区域上使得在活塞运动期间能够实现容积平衡。特别是阻止形成限制活塞运动的液压压力垫。

有利地，弹簧支撑在调整盘上。通过调整盘能够以简单的方式调节弹簧的弹簧力。

附图说明

下面参考附图更详细地解释本发明的方法。附图示出：

图1适用于实施该方法的燃料喷射器的示意性纵剖面，仅限于对喷嘴的描述，

图2部分负荷情况下的速率变化曲线的示意图，

图3积分后的图2所示部分负荷曲线的吹入速率的示意图，

图4适用于所述该方法的另一燃料喷射器的示意性纵剖面，限于喷嘴区域，

图5具有可变节流部横截面的入口节流部的第一可能实施方式的示意性纵剖面，

图6具有可变节流部横截面的入口节流部的第二可能实施方式的示意性纵剖面，

图7至10用于构造图5和6中所示的入口节流部的可变节流部横截面的不同开口横截面，

图11特定节流部横截面的特性曲线的示意图。

具体实施方式

在图1中局部示出的燃料喷射器2包括喷嘴体7，其构成用于可往复行程运动的喷嘴针4的密封座3。通过喷嘴针4的往复行程运动，构造在喷嘴体7中的吹入口5可被释放或关闭。当喷嘴针4提升时，气态燃料、例如天然气从构造在喷嘴体7和喷嘴针4之间的压力室8向吹入口5方向流出并且经由吹入口5流入内燃机的燃烧室1中。

为了打开喷嘴针4，使喷嘴针4上方的被加载以液体燃料的控制室6中的控制压力降低。施加到喷嘴针4上的控制压力引起液压闭合力(参见箭头)，其将喷嘴针4保持在密封座3中。因此，为了打开，必须降低控制室6中的控制压力，使得在喷嘴针4上作用一向打开方向起作用的合力。

随着喷嘴针4的提升，密封座3打开，直到密封座完全解除节流。到此时，吹入口5上游的气体压力才最大。因此，为了在内燃机全负荷时实现高的吹入速率，喷嘴针必须尽可能快地打开。

而在部分负荷情况下希望的是初始平缓的吹气速率提高，以促进缓慢并且低噪声的燃烧开始。要结束时吹入速率应尽可能陡峭地下降，以防止气态燃料后续流入燃烧室中，这些燃料不再能够燃烧。例如在图2中示出借助本发明方法可产生的在部分负荷情况下的理想速率变化曲线(曲线A)。此时，在压力介质供应压力变化期间，气体供应压力可以恒定保持在相同的压力水平上。与此相对，曲线B描述根据现有技术利用外部压力调节器产生的速率变化曲线。

图3示出积分后的吹入速率，即对应喷射的质量。可以看出，曲线A'与曲线B'相比较缓慢地升高并且在末尾更快地变平缓或者说过渡到水平线。

在图4中示出了用于执行根据本发明的方法的燃料喷射器，其与图1的燃料喷射器的不同之处在于，控制室6能够通过具有可变的节流部横截面的入口节流部11被加载以液压介质，优选被加载以液体燃料。因此可控制通过入口节流部11的流量并从而控制压力介质向控制室6中的输入。例如可以在部分负荷情况下增加输入，以便使在出口节流部9打开的情况下控制室6中的控制压力下降得没有在全负荷时那么快。这意味着，喷嘴针4也打开得没有那么快。

如在图5和图6中示例性示出的那样，入口节流部11的可变节流部横截面可以由多个开口16形成，这些开口成一列(参见图7)或成多列(参见图8)地前后相继构造在活塞12中，该活塞可往复运动地被接收在孔15中，使得开口16根据活塞12相对于控制棱边17的位置而完全或部分地被释放。

为了控制活塞12的运动，活塞一侧支撑在弹簧13上，另一侧被液压压力介质的供应压力加载。因此，通过改变压力介质供应压力，活塞12可抵着弹簧13的弹簧力或沿相反方向运动(分别参见图5和6中的箭头20)。随着压力介质供应压力的提高是释放更多还是更少的开口16，当前取决于开口16相对于控制棱边17的位置或者说且取决于控制棱边17的位置。在根据图5的实施方式中，控制棱边17位于上部，使得随着压力介质供应压力升高，被释放的开口16的数量减少。在图6的实施方式中，控制棱边17处于下方，其结果是，随着压力介质供应压力升高，被释放的开口16的数量增加。

根据本发明的燃料喷射器的在图5和6中所示的两个实施方式都利用液压压力介质既用于控制喷嘴针4的往复行程运动、也用于控制活塞12的往复运动。液压压力介质的输入路径21为此通过活塞12。在两个实施方式中，输入路径21分别经过活塞12的套筒形或者说中空柱形区段延伸，开口16也构造在该区段中。因此，通过开口16建立输入路径21与输入通道22的连接，该输入通道通入控制室6中。液压压力介质从控制室6的流出分别通过出口节流部9进行，具体说根据控制阀10进行，通过该控制阀可以建立出口节流部9与低压区域19的连接。

两个实施方式的共同之处还在于，弹簧13被接收在弹簧室18中，该弹簧室18与孔15同轴布置并与低压区域19'连接。在两个实施方式中，弹簧13都支撑在调整盘14上，通过该调整盘可调整弹簧预紧力。弹簧室18在低压区域19'和调整盘14上的连接分别是本发明的有利构型的可选特征。套筒23同样是可选特征，该套筒在当前情况下分别用于限界弹簧室18。

对图5和图6中示出的实施方式的可能的改型尤其可以涉及构造在活塞12中的开口16的形状、数量和/或布置。例如，可以设置一个缝隙形开口16代替前后相继布置的多个单个孔(参见图9和10)。如果缝隙形开口的宽度在活塞12的运动方向上改变，如图10中示例性所示，则入口节流部11的节流部横截面在活塞12运动时非线性地增大。这意味着，入口节流部11配属有非线性的特性曲线。

在图11中以示例的方式示出可能的特性曲线走势，它们分别配属于由所述至少一个开口16构造的一种具体的节流部横截面。特性曲线K1具有很大程度上呈线性的走势。该特性曲线通过多个成多列地布置的、呈单个孔形式的开口16实现，这些单个孔为此彼此错开地布置。因此可以连续地改变通过入口节流部11的流量。如果入口节流部11的节流部横截面仅由一列单个孔或者说开口16构造，则产生以不连续的步进方式上升的特性曲线K2。入口节流部11的特性曲线K3还可以具有非线性走势，该入口节流部具有宽度变化的缝隙形开口16用于构成节流部横截面。

Claims (15)

1.用于控制气态燃料在吹入内燃机的燃烧室(1)中时的吹入速率的方法，在该方法中，使用燃料喷射器(2)用于吹入气态燃料，所述燃料喷射器包括至少一个与密封座(3)共同作用的、能往复行程运动的喷嘴针(4)用于释放和关闭至少一个吹入口(5)，其特征在于，使所述喷嘴针(4)在打开时的速度根据负荷而变化并且在部分负荷情况下比在全负荷情况下减小。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷嘴针(4)的往复行程运动被液压地控制，其中优选，使用液体燃料、特别是柴油燃料作为液压压力介质。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过控制室(6)中的作用于喷嘴针(4)上的控制压力来控制所述喷嘴针(4)的往复行程运动，所述控制压力引起向关闭方向作用在喷嘴针(4)上的液压压力。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在部分负荷情况下压力介质供应压力调整得比在全负荷情况下高。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，在部分负荷情况下控制室(6)中的控制压力下降得没有在全负荷情况下那么快。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述喷嘴针(4)在打开时的速度针对每个吹入循环单独地调整。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其特征在于，测量控制室(6)中的控制压力，求得实际值和梯度dp/dT，并且使用这些值作为用于调节回路的输入参量。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，测量所述燃烧室(1)中的压力和/或温度并将其用作控制参量或调节参量。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过特性曲线族来进行吹入速率的控制。

10.用于将气态燃料吹入到内燃机的燃烧室(1)中的燃料喷射器(2)，包括至少一个与密封座(3)共同作用的、能往复行程运动的喷嘴针(4)，用于释放和关闭至少一个吹入口(5)，其中，所述喷嘴针(4)限界控制室(6)，所述控制室能通过入口节流部(11)被加载以液压压力介质，优选被加载以液体燃料，其特征在于，所述入口节流部(11)具有可变的节流部横截面，使得通过液压压力介质输入到控制室(6)中而能够根据负荷控制所述喷嘴针(4)在打开时的速度。

11.根据权利要求10所述的燃料喷射器(2)，其特征在于，所述可变的节流部横截面由至少一个开口(16)构成，所述开口(16)构造在相对于控制棱边(17)可移位的活塞(12)中。

12.根据权利要求11所述的燃料喷射器(2)，其特征在于，所述活塞(12)至少区段地套筒形实施并且所述至少一个开口(16)构造在所述活塞(12)的套筒形区段中。

13.根据权利要求11或12所述的燃料喷射器(2)，其特征在于，所述活塞(12)一方面支撑在弹簧(13)上，另一方面能被加载压力介质供应压力，该压力介质供应压力是可变的。

14.根据权利要求13所述的燃料喷射器(2)，其特征在于，所述弹簧(13)被接收在弹簧室(18)中，所述弹簧室连接于低压区域(19')上。

15.根据权利要求13或14所述的燃料喷射器(2)，其特征在于，所述弹簧(13)支撑在调整盘(14)上。

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