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CN108223225B - 燃料阀的喷嘴和包含其的发动机 - Google Patents

燃料阀的喷嘴和包含其的发动机 Download PDF

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CN108223225B CN201711307123.XA CN201711307123A CN108223225B CN 108223225 B CN108223225 B CN 108223225B CN 201711307123 A CN201711307123 A CN 201711307123A CN 108223225 B CN108223225 B CN 108223225B
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Abstract

一种燃料阀(220)的喷嘴(40)和包含其的发动机。喷嘴(40)包含：喷嘴本体；进气口(48)，向基部(42)打开，用于接收来自燃料阀(30)的燃料；主孔(50)，在主方向X上从进气口(48)延伸到喷嘴本体中；多个喷嘴孔(45)，在远端(44)或远端(44)的附近布置在喷嘴本体中，其中，所述远端(44)包含实质上平的端面(47)，所述端面(47)布置成相对于所述主轴线X倾斜。改善了喷嘴抵抗由于暴露于燃烧室的热量和供给到喷嘴的燃料的相对冷却而形成裂纹的能力。

Description

燃料阀的喷嘴和包含其的发动机
技术领域
本发明涉及一种用于将燃料喷射入具有十字头的大型涡轮增压二冲程自燃式内燃机的汽缸的燃料阀的喷嘴，特别涉及一种用于将气体或低闪点燃料喷射入具有十字头的大型涡轮增压二冲程自燃式内燃机的汽缸的喷嘴。
背景技术
大型涡轮增压二冲程自燃式十字头内燃机一般被用作大型远洋船舶，如集装箱船舶，或发电厂中的原动机。
这些发动机的汽缸设置有单个排气阀，该单个排气阀位于汽缸盖的中心，即汽缸的顶部并且在汽缸套的下部区域具有活塞控制的扫气口的环。扫气口是倾斜的从而在燃烧室中的气体中制造漩涡。
两个或三个燃料阀设置在汽缸盖中并围绕位于中心的排气阀，并且它们的喷嘴突出到燃烧室内。燃料阀在汽缸盖中围绕地布置并且喷嘴的喷嘴孔以漩涡的方向指向远离汽缸壁的方向并且指向燃烧室内。有时，喷嘴的单个喷嘴孔的朝向逆着燃烧室中的漩涡。喷嘴附接于燃料阀的前端或远端。燃料阀包含细长形的外壳，其近端或后端从汽缸盖的上表面突出，并且细长形的燃料阀外壳延伸穿过汽缸盖，并且在细长形的燃料阀外壳的前端或远端的喷嘴突出到燃烧室内。
已知的用于十字头型的大型二冲程柴油发动机的喷嘴一般具有细长形的喷嘴本体，该喷嘴本体包含圆柱形部分，该圆柱形部分具有中心主孔，该中心主孔从在喷嘴本体的远端的喷嘴的基部延伸到位于或接近喷嘴本体的尖端或远端的下降的喷嘴孔。尖端或远端可以为圆的或平的但是为闭合的，因为喷嘴孔不可以指向下方朝向活塞。因此，喷嘴孔相对于喷嘴的主轴线是横向的朝向并且一般大致朝向发动机汽缸的主轴线。一般地，各个喷嘴设置有三至七个喷嘴孔，这些喷嘴孔都连接到主孔。
因为喷嘴本体突出到燃烧室中，其暴露于燃烧室的炙热气体，并且喷嘴本体的部分将因此到达大约高至400℃的较高温度。进入的燃料是用于传统的重油燃料操作的发动机大约140℃。因此，在主孔中通过喷嘴孔离开喷嘴的进入的燃料的温度比围绕喷嘴本体的外表面的气体显著较低。因此，喷嘴本体的材料暴露于大的温度梯度，导致材料中的应力。
近年来，存在用气体燃料操作十字头型的大型二冲程柴油发动机的趋势。这些燃料以基本上较低的一般为近似50至80℃的温度进入主孔。因此，这些气体燃料将喷嘴本体材料暴露于显著地较大的温度梯度，因为燃烧室中的气体的温度基本未改变。
近年来还存在用低闪点燃料操作十字头型的大型二冲程柴油发动机的趋势。这些低闪点燃料也以大约50至80℃的温度进入喷嘴中的主孔，因此相比于重油，这些低闪点燃料也将喷嘴的材料暴露于较大的温度梯度。
已知的喷嘴当其暴露时，由于因燃烧室内的高工作温度气体以及喷射的燃料/气体的高冷却效应导致的材料的热疲劳，而在喷嘴孔之间产生裂纹。
用于用气体燃料或低闪点燃料操作的发动机的喷嘴本体的材料暴露的上升的温度梯度导致在喷嘴本体材料中裂纹形成的风险增加，特别是在喷嘴的喷嘴孔所在的区域。
发明内容
鉴于以上情况，本发明的目的是提供一种用于将气体燃料喷射入十字头型的大型二冲程柴油发动机的燃料阀的喷嘴，其克服或至少减少以上提及的问题。
进一步的实施形式从说明书和附图中显而易见。
根据第一方面，提供一种燃料阀的喷嘴，所述燃料阀用于将气体燃料喷射入具有十字头的大型二冲程涡轮增压压燃式内燃机，所述喷嘴包含：喷嘴本体，所述喷嘴本体在主方向和轴线上从在所述喷嘴本体的近端的基部延伸至所述喷嘴本体的远端，所述基部被构造成用于附接到所述燃料阀，所述喷嘴本体包含实质上的柱状部分，所述实质上的柱状部分在所述基部和所述远端之间延伸；进气口，所述进气口向所述基部打开，用于接收来自所述燃料阀的燃料；多个喷嘴孔，所述喷嘴孔在所述远端或所述远端的附近布置在所述喷嘴本体中；主孔，所述主孔在所述主方向上从所述进气口延伸到所述喷嘴本体中，并延伸至所述喷嘴孔从而使得所述喷嘴孔与所述进气口流体连接；其中，所述远端包含实质上平的端面，所述端面布置成相对于所述主轴线X倾斜。
通过相对于主轴线以倾斜角度设置大致平的端面，可以提供一种短喷嘴，其中各个喷嘴孔之间的间隔仍然可以保持相对较大，从而避免了喷嘴本体的基本上突出进入燃烧室的长度，在发动机工作期间这将导致喷嘴变得非常热并且避免喷嘴孔紧密分布，从而在各个喷嘴孔之间仅留下非常少的喷嘴主体材料。这两个方面都改善了喷嘴抵抗由于暴露于燃烧室的热量和供给到喷嘴的燃料的相对冷却而形成裂纹的能力。
根据第一方面的第一可能实施方式，所述端面以所述主轴线为中心设置。
根据第一方面的第二可能实施方式，所述端面具有实质上圆形或椭圆形轮廓。
根据第一方面的第三可能实施方式，所述喷嘴包含：位于所述实质上的柱状部分和所述端面之间的具有圆形或弯曲外表面的过渡区域。
根据第一方面的第四可能实施方式，所述圆形或弯曲外表面连接所述柱状部分的外表面和所述端面。
根据第一方面的第五可能实施方式，所述喷嘴孔位于所述过渡区域围绕所述端面的轮廓分布。
根据第一方面的第六可能实施方式，所述喷嘴孔向所述圆形或弯曲表面打开。
根据第一方面的第七可能实施方式，所述喷嘴孔分别具有一喷嘴轴线，并且其中，所述喷嘴孔中的每一个的喷嘴轴线布置成相对于所述主方向呈钝角α。
根据第一方面的第八可能实施方式，各个所述喷嘴轴线相对于所述主轴线的径向分量分布在具有小于180度，优选小于120度，更优选小于110度的弧度的圆扇形上。
根据第一方面的第九可能实施方式，各个所述喷嘴轴线相对于所述主轴线的径向分量基本均匀分布在所述圆截面上。
根据第二方面，提供一种大型二冲程压燃式发动机，其包括：汽缸，所述汽缸具有位于所述汽缸中的燃烧室，所述燃烧室位于往复式活塞和汽缸盖之间；燃料阀，带有连接到所述燃料阀的根据任意第一方面或其任意实施方式的喷嘴；所述燃料阀设置在所述汽缸盖中的盖孔中，所述盖孔朝向所述汽缸盖的面向所述燃烧室的内表面打开；其中，所述喷嘴的所述端面在所述盖孔向所述内表面打开的区域中与所述内表面实质上平行地布置。
根据第二方面的第一可能实施方式，所述喷嘴的所述远端在所述盖孔向所述内表面打开的区域中与所述汽缸盖的所述内表面实质上齐平。
根据第二方面的第二可能实施方式，所述远端仅从所述汽缸盖的所述内表面稍微突出到所述燃烧室中。
根据第二方面的第三可能实施方式，所述盖孔朝向所述内表面的开口是底切的。
根据第二方面的第四可能实施方式，所述内表面设置有切口，所述切口连接到所述盖孔朝向所述内表面的开口，用于为来自所述喷嘴孔的喷射提供空间。
本发明的这些和其它方面根据下面描述的实施例是显而易见的。
附图说明
在本公开的以下详细部分中，将参考附图中所示的示例实施例更详细地解释本发明，其中：
图1是根据示例实施例的显示大型二冲程压燃式涡轮增压发动机的前端和一个横向侧的立体视图；
图2是显示图1的发动机的后端和另一横向侧的立体视图；
图3是根据图1的发动机的图示，该发动机带有进气和排气系统；
图4是用在图1-3的发动机中的燃料阀的立体图；
图5是与图4的燃料阀一起使用的喷嘴的立体视图；
图6是图5的喷嘴的透明侧视图；
图7是图5的喷嘴的俯视图、横截面图和纵截面图的集合；
图8是显示安装在图1-3中发动机的汽缸盖中的图5的喷嘴的截面图。
图9是图4的喷嘴的纵截面图，示意了多个组件之间的角度；以及
图10是根据另一实施例的喷嘴的纵截面图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，将通过示例实施例来描述与燃料阀一起使用的喷嘴以及其中使用喷嘴和燃料阀的大型二冲程发动机。图1至3显示带曲轴22和十字头23的大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机。图3显示了大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机以及其进气和排气系统的图示。在这些示例实施例中，发动机具有排成直线的六个汽缸1。大型涡轮增压二冲程柴油发动机一般具有排成直线的五至十六个汽缸，这些汽缸通过发动机机架24支承。发动机可以例如被用作远洋船中的主发动机或用于操作发电站中的发电机的固定发动机。发动机的总输出可以是例如5，000至110，000kW。
发动机是二冲程单流类型的柴油(压燃式)发动机，其具有在汽缸1的下部区域处活塞控制端口的环的形式的扫气口19，以及位于汽缸1的顶部的排气阀4。因此，燃烧室中的流动总是从底部到顶部，因此发动机是所谓的单流式。扫气从扫气接收器2流向各汽缸1的扫气口19。汽缸1中的往复式活塞21压缩扫气，燃料通过布置在汽缸盖26中的两个或三个燃料阀30喷射。接着燃烧和产生排气。当排气阀4打开时，排气流过关联相应的汽缸1的排气管20流入排气接收器3并且向前穿过第一排气管道18到达涡轮增压器5的涡轮6，排气从涡轮6通过第二排气管道7流走。通过轴8，涡轮6驱动经由进气口10被供气的压缩机9。
压缩机9将加压的增压空气传送到通向增压空气接收器2的增压空气管道11。管道11中的扫气穿过用于冷却增压空气的中间冷却器12。冷却的增压空气经由辅助鼓风机16流向增压空气接收器2，该辅助鼓风机16由电动机17驱动，对低负载的或部分负载状况的增压气流加压。在较高的负载下，涡轮增压压缩机9传送充分压缩的扫气，然后辅助鼓风机16经由止回阀15被旁路。
汽缸形成在汽缸套52中。汽缸套52由汽缸机架25支承，该汽缸机架25由发动机机架24支撑。
图4示出了安装在汽缸盖26的通孔中的两个或三个燃料阀30中的一个，其中燃料阀30的后端32从汽缸盖的上侧突出并且喷嘴40的远端(尖端)稍微突出到燃烧室中或与燃烧室齐平。燃料阀30包含细长形的燃料阀本体31，并且喷嘴座33在其远(前)端。喷嘴座连接喷嘴42细长形的燃料阀本体31。燃料，比如气体燃料或液体燃料以被控制的且定时的方式通过燃料阀30经由喷嘴40被传送到燃烧室14。
图5至9示意了喷嘴40的示例实施例。喷嘴40具有从在近端的基部42延伸到远端44的喷嘴本体，远端44形成于喷嘴40的尖端。喷嘴本体的柱状部分43从基部延伸到远端44。
喷嘴本体由适当的材料组成，例如本领域公知的适当的合金。
远端(尖端)44包含具有圆形或椭圆形轮廓的基本上平的端面47。端面47经由中间部分46的弯曲或圆形的表面连接于柱状部分。端面47布置成相对于主轴线X倾斜角度β。端面47优选以主轴线X为中心。倾斜角度β如果被选择成使得其确保端面47在汽缸盖布置喷嘴的区域中基本上平行于汽缸盖26面向燃烧室14的表面，如可以在图8中看到的。
汽缸盖26的内表面中的盖孔的开口优选为圆形以提供凹陷区域51，盖孔中设置燃料阀26和喷嘴40。在实施例中，凹陷区域51连接于汽缸盖26的内表面的切口，用于为来自喷嘴孔45的喷射提供空间。
远端44，特别是端面47优选在盖孔打开到内表面27的区域基本上与汽缸盖26的内表面27齐平。
可替代地，喷嘴40的远端47只稍微从汽缸盖26的内表面27突出到燃烧室14中，如图8所示。
喷嘴40设置有多个喷嘴孔45。喷嘴40设置有任何合意的数量的喷嘴孔45，优选地二至七个喷嘴孔45，更优选地三至六个喷嘴孔45，最优选地五或六个喷嘴孔45。根据本示例实施例的喷嘴40设置有六个喷嘴孔45。
优选地，喷嘴孔45向中间部分46的弯曲或圆的表面，即靠近或在远端44中打开。然而，喷嘴孔45也可以向该端面47打开或部分地向该柱状部分43打开。
喷嘴孔45分别具有喷嘴轴线I，II，III，IV，V，VI。每一孔45的喷嘴轴线I，II，III，IV，V，VI以相对于主方向X的钝角α布置。钝角α对于各个喷嘴孔45可以是不同的。各个喷嘴轴线I，II，III，IV，V，VI相对于主轴线X的径向分量分布在具有小于180度的弧度的圆扇形上。优选地小于120度。更优选地，小于110度。每一喷嘴轴线(I，II，III，IV，V，VI)相对于主轴线X的径向分量基本上地均匀分布的在圆截面上，以最大化各个喷嘴孔45之间的喷嘴本体材料的量。
基部42设置有进气口48，用于接收来自该燃料阀30的燃料。主孔50从该进气口48延伸到喷嘴本体中，并在沿着主轴线的方向和方向X延伸到柱状部分43中，延伸到喷嘴本体中的中间位置。在中间位置，主孔50连接于多个单独供给通道49，该单独供给通道49分别连接到喷嘴孔45。
主孔50和单独供给通道49之间的过渡可以作为燃料阀26的阀针(未显示)的阀座。
供给通道49基本上均匀分布在柱状部分43，从而在单独供给通道49之间具有基本上相等量的喷嘴本体材料。
主孔50的横截面积基本上大于供给通道49的总横截面积。供给通道49的总横截面积基本上等于喷嘴孔45的总横截面积。供给通道是基本上的直通道或基本上的直孔。
进气口48在一实施例中由直径大于主孔50的直径的孔形成。可替代地，进气口48可以具有与主孔相同的直径。
喷嘴40提供更广分布的喷嘴孔45，并因此在喷嘴孔45之间提供更多喷嘴材料，从而更好地抵抗裂纹形成。进一步，喷嘴40提供统一的进气条件给各个喷嘴孔，用于产生基本上统一的燃料喷射。
图10示意了喷嘴40的另一实施例，其基本上与如上所述的实施例相同，除了主孔50完全地延伸至喷嘴孔45并且直接将燃料提供给喷嘴孔45，而主孔50和喷嘴孔45之间没有任何供给通道。
已经结合本文的各种实施例描述了本发明。然而，本领域技术人员在实践要求保护的发明时，通过研究附图，公开内容和所附权利要求，可以理解和实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一(a)”或“一(an)”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施这一事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。
权利要求中使用的附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (17)

1.一种燃料阀(30)的喷嘴(40)，所述燃料阀用于将气体燃料喷射入具有十字头的大型二冲程涡轮增压压燃式内燃机，所述喷嘴(40)包含：
喷嘴本体，所述喷嘴本体在沿主轴线X的主方向上从在所述喷嘴本体的近端(41)的基部(42)延伸至所述喷嘴本体的远端(44)，所述基部(42)被构造成用于附接到所述燃料阀(30)，
所述喷嘴本体包含柱状部分，所述柱状部分在所述基部(42)和所述远端(44)之间延伸；
进气口(48)，所述进气口(48)向所述基部(42)打开，用于接收来自所述燃料阀(30)的燃料；
多个喷嘴孔(45)，所述喷嘴孔(45)在所述远端(44)或所述远端(44)的附近布置在所述喷嘴本体中；
主孔(50)，所述主孔(50)在所述主方向上从所述进气口(48)延伸到所述喷嘴本体中，并延伸至所述喷嘴孔(45)从而使得所述喷嘴孔(45)与所述进气口(48)流体连接；
其中，所述远端(44)包含平的端面(47)，所述端面(47)布置成相对于所述主轴线X倾斜。
2.如权利要求1所述的喷嘴(40)，其中，所述端面(47)以所述主轴线X为中心设置。
3.如权利要求1所述的喷嘴(40)，其中，所述端面(47)具有圆形或椭圆形轮廓。
4.如权利要求1所述的喷嘴(40)，其中，所述喷嘴(40)包含：位于所述柱状部分(43)和所述端面(47)之间的具有圆形或弯曲外表面的过渡区域(46)。
5.如权利要求4所述的喷嘴(40)，其中，所述圆形或弯曲外表面连接所述柱状部分(43)的外表面和所述端面(47)。
6.如权利要求4所述的喷嘴(40)，其中，所述喷嘴孔(45)位于所述过渡区域(46)围绕所述端面(47)的轮廓分布。
7.如权利要求4所述的喷嘴(40)，其中，所述喷嘴孔(45)向所述圆形或弯曲表面打开。
8.如权利要求1所述的喷嘴(40)，其中，所述喷嘴孔(45)分别具有一喷嘴轴线(I，II，III，IV，V，VI)，并且其中，所述喷嘴孔(45)中的每一个的喷嘴轴线(I，II，III，IV，V，VI)布置成相对于所述主方向呈钝角α。
9.如权利要求1所述的喷嘴(40)，其中，所述喷嘴孔(45)分别具有一喷嘴轴线(I，II，III，IV，V，VI)，并且其中，各个所述喷嘴轴线(I，II，III，IV，V，VI)相对于所述主轴线X的径向分量分布在具有小于180度的弧度的圆扇形上。
10.如权利要求9所述的喷嘴(40)，其中，其中，所述喷嘴孔(45)分别具有一喷嘴轴线(I，II，III，IV，V，VI)，并且其中，各个所述喷嘴轴线(I，II，III，IV，V，VI)相对于所述主轴线X的径向分量分布在具有小于120度的弧度的圆扇形上。
11.如权利要求9所述的喷嘴(40)，其中，其中，所述喷嘴孔(45)分别具有一喷嘴轴线(I，II，III，IV，V，VI)，并且其中，各个所述喷嘴轴线(I，II，III，IV，V，VI)相对于所述主轴线X的径向分量分布在具有小于110度的弧度的圆扇形上。
12.如权利要求1所述的喷嘴(40)，其中，所述喷嘴孔(45)分别具有一喷嘴轴线(I，II，III，IV，V，VI)，并且其中，各个所述喷嘴轴线((I，II，III，IV，V，VI)相对于所述主轴线X的径向分量均匀分布在圆截面上。
13.一种大型二冲程压燃式发动机，其包括：
汽缸(1)，所述汽缸(1)具有位于所述汽缸(1)中的燃烧室(14)，所述燃烧室(14)位于往复式活塞(21)和汽缸盖(26)之间；
燃料阀(30)，带有连接到所述燃料阀(30)的如权利要求1至10中任一项所述的喷嘴(40)；
所述燃料阀(30)设置在所述汽缸盖(26)中的盖孔中，所述盖孔朝向所述汽缸盖(26)的面向所述燃烧室(14)的内表面(27)打开；
其中，所述喷嘴(40)的所述端面(47)在所述盖孔向所述内表面(27)打开的区域中与所述内表面(27)平行地布置。
14.如权利要求13所述的发动机，其中，所述远端(44)在所述盖孔向所述内表面(27)打开的区域中与所述内表面(27)齐平。
15.如权利要求13所述的发动机，其中，所述远端(44)仅从所述汽缸盖(26)的所述内表面(27)稍微突出到所述燃烧室(14)中。
16.如权利要求14所述的发动机，其中，所述盖孔朝向所述内表面(27)的开口是底切的。
17.如权利要求14所述的发动机，其中，所述内表面(27)设置有切口，所述切口连接到所述盖孔朝向所述内表面(27)的开口，用于为来自所述喷嘴孔(45)的喷射提供空间。
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