CN115667694A - 用于二冲程内燃活塞发动机的直接喷射气态燃料供给系统、二冲程内燃活塞发动机和操作二冲程内燃活塞发动机的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于内燃活塞发动机(1)的直接喷射气态燃料供给系统(10)，所述燃料供给系统(10)包括：液化气储罐(14)，其被配置为在低温条件下储存液化气；燃料供给管路(16)，其从所述罐延伸到所述发动机(1)中的燃料喷射器，所述燃料供给管路(16)包括至少以下部件：液化气高压泵单元(18)；热交换器单元(22)，其用于蒸发所述液化气并加热气态气体；以及气态气体蓄积器(24)，其位于所述热交换器单元(22)和所述燃料喷射器之间；以及与所述气态气体蓄积器(24)流体连通的至少两个气态气体燃料喷射器。所述液化气高压泵单元(18)包括具有泵送部(32)和驱动部(34)的往复运动活塞以及液压驱动组件(36)，所述液压驱动组件被布置为使来自液压动力流体源(102)的液压动力流体作用于所述往复运动活塞的所述驱动部(34)，以便以往复方式驱动所述活塞。
Description
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的用于二冲程内燃活塞发动机的直接喷射气态燃料供给系统。本发明还涉及设置有直接喷射气态燃料供给系统的二冲程内燃活塞发动机和操作二冲程内燃发动机的方法。
背景技术
内燃活塞发动机被广泛用于在陆上动力装置和海洋船只中提供机械动力以产生电力和/或推进动力。
双燃料发动机使用在相对低的压力下与被许可进入发动机气缸中的进气混合的诸如天然气这样的低压气态燃料。在一定操作条件下提供到气缸的空气/气态燃料混合物被压缩，然后使用火花或者使用被喷射到存在于气缸中的空气/气态燃料混合物中的诸如柴油这样的压缩点火引燃燃料来点燃。
还已知以下的直接喷射燃气发动机：在气缸中由于柴油引燃而已经进行燃烧的同时，将诸如液化天然气(LNG)这样的气态燃料在高压下喷射到气缸中。直接喷射燃气发动机以气态燃料操作，并且柴油引燃提供气态燃料的点燃。
DK179056B1公开了一种用于向大型二冲程压缩点火内燃发动机供应高压气体的燃料供应系统。该发动机设置有用于将供应的高压气体喷射到发动机的燃烧室中的燃料喷射系统。该燃料供应系统包括：供给管道，其将液化气储罐的出口连接到高压泵的入口，以将液化气从液化气储罐输送到高压泵；输送管道，其将高压泵的出口连接到高压汽化器的入口，以将高压液化气从高压泵输送到高压汽化器；供应管道，其将高压汽化器的出口连接到发动机的燃料喷射系统的入口，以将高压汽化气体输送到发动机的燃料喷射系统。高压泵包括两个或更多个泵单元。每个泵单元包括可滑动地设置在泵缸中的泵活塞以及可滑动地设置在驱动缸中的液压动力驱动活塞，其中驱动活塞联接到泵活塞以驱动泵活塞。
US9188069 B2公开了一种具有各自将燃料直接喷射到发动机气缸中的液体和气态燃料系统的发动机燃料系统。气态燃料系统是直接喷射气体系统，其包括液化气储存器、液化气泵、液化气蒸发器和连接到燃料喷射器的气态气体燃料轨。
以上提到的两篇现有技术文献都提出通过操作高压活塞泵的控制流体来控制气态燃料泵的操作。高压泵的可变控制需要控制流体系统的可变高压泵。现有技术的解决方案的常见问题在于液化气泵的结构复杂及其可控性。
本发明的目的是提供相比于现有技术解决方案得以显著改善的用于二冲程内燃活塞发动机的直接喷射气态燃料供给系统。
本发明的目的是提供与用于大型二冲程内燃活塞发动机的现有技术解决方案相比得以显著改善的具有直接喷射气态燃料供给系统的二冲程内燃活塞发动机和操作二冲程内燃活塞发动机的方法。
发明内容
可以基本上如独立权利要求中和描述本发明的不同实施方式的更多细节的其它权利要求中公开地满足本发明的目的。
根据本发明的实施方式，提供了一种用于二冲程内燃活塞发动机的直接喷射气态燃料供给系统，该燃料供给系统包括：
-燃料供给管路，所述燃料供给管路从液化气源延伸到所述发动机中的燃料喷射器，所述燃料供给管路至少包括如下部件：
-液化气高压泵单元；
-热交换器单元，所述热交换器单元用于蒸发所述液化气并加热气态气体；和
-气态气体蓄积器，所述气态气体蓄积器位于所述热交换器单元和所述燃料喷射器之间；以及
-与所述气态气体蓄积器流体连通的至少一个气态气体燃料喷射器，其中，所述液化气高压泵单元包括具有泵送部和驱动部的往复运动活塞以及液压驱动组件，所述液压驱动组件被布置为使来自液压动力流体源的恒定压力下的液压动力流体作用于所述往复运动活塞的所述驱动部，以便以往复运动方式驱动所述活塞。
根据本发明的一个实施方式，所述往复运动活塞是双作用活塞，并且所述液压驱动组件被布置为以可控的方式使来自所述液压动力流体源的恒定压力下的液压动力流体作用于双作用活塞的所述驱动部。
根据本发明的一个实施方式，所述发动机是大型二冲程船用十字头发动机。
根据本发明的一个实施方式，所述气态燃料供给系统被配置为将燃料供给到大型二冲程十字头发动机的一个气缸，所述气态燃料供给系统连接到用于所述发动机的气缸的公共液化气储存器。
由于发动机的气缸中的每一个气缸都设置有专用的气态燃料供给系统，因此可以将各别气缸与所述燃料系统隔离例如以进行维护，并且仍利用发动机的其它气缸来维持发动机运行，并且在气态燃料供给被切断的这种气缸中进行液体燃料的燃烧。
根据本发明的一个实施方式，所述液压驱动组件被布置为通过以可控的方式在第一位置和第二位置之间来回驱动所述液压驱动组件的方向阀而以可控的方式使液压动力流体作用于所述往复运动活塞的所述驱动部。
根据本发明的一个实施方式，所述液化气高压泵单元的所述液压驱动组件包括三位四通方向阀，所述三位四通方向阀被配置为交替地将加压动力流体供应到双作用活塞的驱动部的第一侧或第二侧，或者锁定所述活塞的位置并且将所述活塞的位置停止和/或锁定在期望的位置。
根据本发明的一个实施方式，所述液化气高压泵单元的所述液压驱动组件包括二位四通方向阀，所述二位四通方向阀被配置为交替地将加压动力流体供应到所述双作用活塞的驱动部的第一侧或第二侧。
根据本发明的一个实施方式，所述液压驱动组件被配置为：
-使所述活塞以全冲程往复运动，所述冲程中的每个冲程以预定量增加压力，直到喷射压力处于这样的水平，从该水平，单个全冲程将使所述压力增加到高于设定值；并且
-使所述活塞以部分冲程从下止点移动到其极限位置之间的位置，并停止所述活塞的移动。
根据本发明的一个实施方式，所述液压驱动组件被配置为：
-使所述活塞以全冲程往复运动，所述冲程中的每个冲程以预定量增加压力，直到喷射压力处于这样的水平，从该水平，单个全冲程将使所述压力增加到高于设定值；并且
-使所述活塞以部分吸入冲程移动到其极限位置之间的位置，并使所述活塞移动到活塞的上止点位置。
根据本发明的一个实施方式，所述液化气高压泵单元的所述泵送部和驱动部被配置为使得能够利用预定压力的所述液压动力流体从所述泵送部获得的所述液化气的最大压力对应于设定的喷射压力。
根据本发明的一个实施方式，所述液压驱动组件被配置为使所述活塞以每秒0.5-6次优选地3-6次的频率往复运动。
根据本发明的一个实施方式，所述液压驱动组件被配置为使所述活塞以间歇方式往复运动。
根据本发明的一个实施方式，所述液化气高压泵单元被配置为将所述液化气的压力升高至所述液压动力流体的压力的约0.5倍的压力，其中，所述流体的压力在12-15MPa的范围内。
根据本发明的二冲程内燃活塞发动机包括多于一个的气缸，其中，每个气缸都设置有根据所附权利要求中任一项所述的直接喷射气态燃料供给系统。
根据本发明的一个实施方式，所述发动机的每个气缸都包括两个气态喷射器和三个液体燃料喷射器。
一种操作二冲程内燃活塞发动机的方法，所述二冲程内燃活塞发动机包括多个气缸、共轨液体燃料喷射系统和直接喷射气态燃料供给系统，所述方法包括以下步骤:使所述发动机运行，使得所述气缸中的至少一个气缸通过仅将液体燃料喷射到所述至少一个气缸来运行，而其余气缸通过将气态燃料和液体燃料二者喷射到所述其余气缸中的每个气缸来运行。
本专利申请中提出的本发明的示例性实施方式将不被解释为对所附权利要求书的适用性构成限制。动词“包括”在本专利申请中用作开放性限制，并不排除还存在未列举的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中阐述的特征能被相互自由组合。在所附权利要求书中具体阐述了被视为本发明的特征的新颖特征。
附图说明
以下，将参照所附的示例性示意图来描述本发明，在附图中：
图1例示了根据本发明的实施方式的直接喷射气态燃料供给系统；
图2至图4例示了根据本发明的实施方式的高压泵单元和液压驱动组件的操作步骤；
图5例示了根据本发明的另一个实施方式的二冲程内燃发动机；以及
图6至图7例示了根据本发明的另一个实施方式的高压泵单元和液压驱动组件中的操作步骤。
具体实施方式
图1示意性地描绘了用于大型二冲程内燃活塞发动机的直接喷射气态燃料供给系统10，示出了用于发动机的一个气缸12的部分的燃料供给系统10。该发动机具有至少一个气缸，该气缸在往复运动活塞、缸孔和气缸盖或类似物之间形成可变容积。在图1中仅非常示意性地例示了发动机的气缸12，因为通常大型二冲程十字头式内燃活塞发动机的结构和操作对于本领域的技术人员而言是熟知的。液体燃料系统包括具有一个或数个液体燃料喷射器的共轨，液体燃料喷射器适于将液体燃料作为点火源直接喷射到可变容积中。气态燃料系统与作为液化气的储存器或源的罐、高压泵送单元、泵单元的驱动组件和气态燃料喷射器流动连接。在发动机中，压缩的气态燃料由单独的液体燃料喷射系统点燃。
燃料供给系统10包括液化气源，这里，液化气源是被配置为在低温条件下储存液化气的液化气储罐14。实际上，气体通常在-160至-150℃的温度和200至300kPa的压力下储存在罐中。在系统中设置有从储罐14延伸到发动机1中的燃料喷射器19的燃料供给管路16。
燃料供给管路16包括与燃料供给管路16联接的液化气高压泵单元18。还有在高压泵单元18和储罐14之间布置到燃料供给管路16的液化气低压泵单元20。低压泵20被配置为将液化气的压力升高至约900kPa。低压泵单元充当输送泵，并且其改善了系统的操作，使得在吸入冲程期间高压泵单元18处的过度压降的风险可以被至少最小化，优选地被完全避免。在高压泵单元18中，如果液体压力下降至低于蒸汽压力，则将发生液体沸腾，并且可能导致泵产生气穴现象和灌注损失。蒸气气泡可能减少或停止液体流动，降低泵效率，降低压缩液体的质量，并有可能损坏系统。所有这些都可以根据本发明的方面通过高压泵单元18和被适当确定尺寸的低压泵20的组合来避免或至少最小化。高压泵单元18被配置为将液化气的压力从约900kPa升高直至15MPa。
燃料供给系统10还包括在气体流动方向上位于高压泵18下游的热交换器单元22。热交换器单元22在高压泵单元18下游布置到燃料供给管路16。热交换器单元22被配置为保持至少15MPa的压力，该压力有利地也是气态气体喷射压力的设定值。当高压泵单元18被配置为在低温条件下用液化气操作时，热交换器单元22将加压的液态气体蒸发成气态形式并将气态气体加热至与在储罐14中普遍存在的温度相比的高温。将液化气蒸发成气态气体所需的热量可以完全地或部分地从发动机1获得。还可以提供诸如电加热器或锅炉这样的辅助热源。在这方面，气体被称为液化气和气态气体，以便区分气体的当前相。因此，即使处于液相或超临界相，气体也称为气体。
燃料供给系统10还包括气态气体蓄积器24。该蓄积器被配置为以约-50℃至-20℃的温度和约12MPa至15MPa的压力储存气态气体。该蓄积器布置在热交换器单元22和燃料喷射器19之间。从图1中可以看出，发动机的每个气缸包括两个气态燃料喷射器19，这两个气态燃料喷射器19都与公共气态气体蓄积器24流动连通。气态气体蓄积器24设置有温度传感器28和压力传感器26，它们的测量信号有利地用于控制燃料供给系统10的操作。该气态气体蓄积器包括燃料供给管路16所连接的用于气态气体的入口25以及用于连接将至少两个燃料喷射器19中的每个燃料喷射器连接到蓄积器24的燃料供给管路16的出口27。气态气体蓄能器24还设置有附加出口23。在系统中布置有从气态气体蓄能器24的附加出口23延伸到储罐14的气态气体回流管道60。气态气体回流管道60设置受二位三通方向阀64控制的启动和安全阀62。还存在与回流管60连接的三通阀66，借助该三通阀，启动和安全阀64和储罐14可以选择性彼此连接和/或与燃料连接以进一步处理。启动和安全阀62与控制油供给管道106直接流动连接，并经由二位三通方向阀连接至控制油回流管道108。
液化气高压泵单元18包括具有泵送部32和驱动部34的往复运动活塞30以及被布置为可控制地使液压动力流体经受往复运动活塞30的驱动部的液压驱动组件36。泵送部32包括缸38，活塞30被布置为在该缸中往复运动。缸38和活塞30在活塞的一侧界定泵送腔室40，泵送腔室的容积根据活塞30的位置而增大或减小，在活塞30的上止点处容积最小而在活塞30的下止点处容积最大。将泵单元18与储罐14连接的燃料供给管路16与泵送腔室40流动连通。存在与泵送腔室连接从而只允许液化气流入到泵送腔室40中的第一单向阀42。并且，将泵单元18与热交换器22连接的燃料供给管路16也与泵送腔室40流动连通。并且，还存在与泵送腔室连接从而允许液化气的流动以仅从泵送腔室40流出的第二单向阀44。这些单向阀可以被集成到高压泵单元18。
燃料供给系统还设置有用于使可能的泄漏燃料从泵单元返回到储罐14的燃料回流管路16'。燃料回流管路16'和燃料供给管路16二者都设置有阀13，该阀使得可以将燃料供给系统从单个缸隔离，同时正常地保持其它气缸使用气态燃料供给系统。这样，气缸中的一些气缸可以通过利用压缩点火燃烧液体燃料以柴油模式操作，而气缸中的一些气缸可以利用用液体燃料点燃气态燃料来操作，其中，通过压缩点火将液体燃料点燃并且通过液体燃料的燃烧将气态燃料点燃。在回流管路16’上布置有节流阀15，就在罐14的上游或之前，以将回流管路中的压力基本保持在低压泵20使液化气的压力升高达到的水平。
在图1中，液化气高压泵单元的液压驱动组件36包括三位四通方向阀46，该方向阀被配置为交替地将加压的动力流体供应到驱动部双作用活塞的第一侧或第二侧或者将活塞的位置锁定在期望的位置。在这方面，措辞4/3是指该阀具有4个端口并且位置的数目为3。
气态燃料供给系统10包括用于操作液压驱动组件的控制流体系统100，该控制流体系统优选地使用油作为其工作介质，并因此也可以被称为控制油液压系统100。控制油系统包括作为液压动力流体(即，控制油)的储存器或源的罐102。控制流体系统100还包括将控制油适当加压(优选地，高达30MPa)以操作液压驱动组件36的高压泵104。控制油系统还包括控制油供给管道106，该控制油供给管道被配置为将加压的控制流体以基本上恒定的压力输送到燃料供给系统10中的任何期望的设备，但特别是输送到液压驱动组件18。在系统中还存在用于将控制油返回到罐102的控制油回流管道108。控制油供给管道106和控制油回流管道108与发动机的每个气缸的方向阀46的相应端口流动连接。这样，利用控制油系统100中的控制油的压力将泵单元18的活塞30主动地驱动到它的两个可选方向。
喷射器有利地基本上如在特别涉及其中描述的第一燃料供给部分的国际公开No.WO2017/162902A1中公开的。另外，喷射器包括如在该公开中使用与密封系统对应的术语“密封流体腔室”描述的密封系统，该公开的描述通过参考并入本文中。控制流体系统100与喷射器中的每个喷射器流动连接，使得加压的控制油通过控制油供给管道106供给到喷射器的密封系统17并通过油回流管道108返回到罐。
在图2、图3和图4中，以更详细的方式描述图1的高压泵单元18和液压驱动组件36的操作。首先参照图2，高压泵单元18的活塞30被示出在其吸入冲程的末端，即，在其下止点处。即，当泵送部32中的活塞30处于其极限位置(图2中的左侧)时，泵送腔室40具有其最大容积。相应地，驱动部36中的活塞30移动到其吸入冲程的极限位置。高压控制油已从压力端口46.1通过方向阀46流到与驱动部36中的腔室流动连接的端口46.2，这引起吸入冲程移动。在活塞30朝向其吸入冲程位置的末端移动期间，液化气从单向阀42所允许的燃料供给管路16进入腔室40中，如腔室40中的箭头所示出的。如之前所讨论的，由于低压泵20增加燃料供给管路中的压力，因此诸如由于活塞的抽吸移动导致的气穴这样的不正常的风险可以被最小化，并且活塞的速度可以被最大化。
液压驱动组件36的方向阀46具有四个端口46.1、46.2、46.3、46.4，其中端口46.1是压力端口并且端口46.3是罐端口。罐端口46.3设置有第一可控节流器48。另外，在活塞后方那一侧(即，在泵送冲程动作即压缩冲程期间增加容积的那一侧)位于第四端口46.4和活塞30的驱动部34之间的管道设置有第二可控节流器50。在图2中，方向阀46被设置成处于第一位置，在该位置，压力端口46.1与驱动侧活塞的将活塞30推动到泵送腔室40具有其最大容积的方向的一侧连接。借助于活塞30的速度流过第一节流器48和第二节流器50的控制油的回流保持低得足以避免在泵送腔室40中产生任何气穴的速度。
在图3中，示出了液压驱动组件36的方向阀46的第二位置。它处于图2中示出的第一位置和图3中示出的第三位置之间的静止位置，在该位置，所有端口都被阻塞并且活塞30的位置被锁定在泵单元18中。
在图4中，方向阀46被设置在第三位置。在第三位置，压力端口46.1与活塞30的驱动侧34的两侧连接。此时，由于压力，在驱动侧的活塞的两侧，给活塞导致合力的有效面积使得面积之比为约1:3–1:5，优选地，约1:4。这样，在压缩冲程期间允许施加至活塞的力是在吸入冲程期间允许施加至活塞的力的4倍，这将活塞30推向泵送腔室40具有其最小容积的方向，即，推向活塞30的上止点位置。当泵单元18被控制为操作时，液压驱动组件36的方向阀被控制为在第一位置(图2)和第三位置(图4)之间来回，其中，控制流体系统中的相同动力流体进而相同且恒定的压力用于在泵送序列期间获得活塞30的往复移动。加压控制油供给在驱动部34处选择性地从压力端口46.1与活塞30的两侧流动连接。这样，液压驱动组件36被配置为控制泵单元18以执行泵送序列，在泵送序列期间活塞30被布置为在泵单元18中往复运动。这是通过启动方向阀46在第一位置和第三位置之间移动来实现的。
更有利的是，液压驱动组件36被配置为首先使活塞30在上止点和下止点之间以全冲程往复运动，冲程中的每个冲程以预定的量逐步地或逐冲程地增加液化气的压力。这被称为全冲程泵送序列。这将一直进行，直到优选地对应于喷射压力的液化气压力处于活塞30的完整单个冲程将使压力增加至设定值以上的水平。在高压泵单元18之后的液化气的典型状态使得压力为12MPa至15MPa并且温度为-145℃至-135℃。
根据本发明的实施方式，在泵送序列的这个阶段，即，在活塞30的最后一个全冲程之后，液压驱动组件36被配置为使活塞30从其上止点返回到下止点，并仅使活塞移动导致下一部分泵送冲程从而造成液化气的压力上升至设定的目标压力的距离，即，执行活塞到达其极限位置之间的位置的部分冲程。然后，活塞停止移动，直到下一个泵送序列启动。三位四通方向阀可以是可以用于确定活塞停止位置的具有位置反馈的比例控制阀。
可以通过基于可得自系统的测量变量(液化气压力、温度、活塞和腔室尺寸、活塞位置)进行的计算来确定部分冲程的长度。例如，活塞可以移动直到获得设定的目标压力并通过压力测量来验证，或者活塞可以移动到达通过位置传感器来验证的压力被计算为目标压力的位置。
根据本发明的另一个实施方式，在泵送序列的这个阶段，即，在活塞30的最后一个全冲程之后，液压驱动组件36被配置为使活塞30从其上止点朝向下止点仅返回一距离，该距离导致下一个部分泵送冲程回到上止点从而造成液化气的压力上升至设定目标压力，即，执行活塞30从其极限位置之间的位置回到上止点位置的部分冲程。然后，活塞停止移动，直到下一个泵送序列启动。
可以通过基于可得自系统的测量变量(液化气压力、温度、活塞和腔室尺寸、活塞位置)进行的计算来确定部分冲程的长度。
燃料供给系统的电子控制单元ECU(即，控制计算机)包括计算机程序，该计算机程序在被执行时控制燃料供给系统特别是如上所述的高压泵单元18的操作。ECU和计算机程序被设置用于配置系统和/或其各个部分以本文所述的方式操作。
在全冲程泵送序列期间，方向阀的位置改变，并且活塞30被有利地布置为在其上止点和下止点之间以每秒3-6次的频率往复运动。液压驱动组件被配置为使活塞以间歇方式往复运动，使得其操作基于蓄积器24中的压力测量28并独立于喷射阀19的启动。有利地，在一个泵送序列期间泵单元18的输出基本上对应于一个发动机循环通过气缸中的喷射器19的燃料喷射量。
现在回头参照图1，用于发动机的一个气缸中的气态燃料喷射器19的蓄积器24中的气态气体压力被保持在期望压力下，该期望压力有利地是12MPa-15MPa，并且还可以表示为喷射压力。蓄积器24中的压力由传感器28测量，该值在控制过程中用于控制如上所述的液化气高压泵单元18的操作。设定期望的最小喷射压力和最大喷射压力。将蓄积器24中的测量压力与最小喷射压力和最大喷射压力进行比较。如果测量的压力低于最小目标压力，则泵单元18被启动并操作，直到蓄积器中的测量压力至少为最大喷射压力。这样，借助高压泵单元18和蓄积器24中的压力测量28来控制喷射压力。
另外，蓄积器中的气态气体保持在-50℃至-20℃的期望温度下。蓄积器中的温度由传感器26测量，该值在控制过程中用于控制热交换器单元22的操作。设定期望的最低温度和最高温度。将蓄积器24中的测量温度与最低设定温度和最高设定温度进行比较。如果测量温度低于最低目标温度，则热交换器单元加热功率被原样保持或者增加，直到蓄积器中的测量温度是至少最高设定温度。这样，借助于热交换器单元22和蓄积器24中的温度测量26来控制气态燃料温度。
蓄积器24的容积取决于所需的喷射量以及燃料供给系统在高压泵单元18和气体喷射器19之间的总容积。在满负荷操作期间，蓄积器的容积有利地是由一个气缸的两个喷射器喷射的燃料的容积的3至10倍。该容积通常为2.5至10升。
图5示意性公开了从气缸204内部看到的大型二冲程十字头式活塞发动机1的气缸盖200。根据本发明的气态燃料供给系统具体期望的大型二冲程发动机是低速十字头式发动机，其具有大于约50cm至1m的缸径和约2.5米的冲程长度。示出了在每个气缸的中心的排气阀202和在气缸中的发动机1的喷射器19、201'。根据本发明的实施方式，二冲程内燃活塞发动机包括至少两个气缸，其中每个气缸设置有直接喷射气态燃料供给系统，该直接喷射气态燃料供给系统在气缸中具有两个喷射器19以及另外三个联接到共轨燃料喷射系统206的液体燃料喷射器201。对于大型二冲程发动机领域的技术人员而言，已知液体燃料喷射器的数量可以变化。液体燃料喷射器201和共轨液体燃料喷射系统206被配置为喷射例如重质燃料油、轻质燃料油和/或船用燃料油。这样，二冲程发动机的气缸中的任何一个气缸可以在用液体燃料点燃的作为其主要燃料的气态燃料的双燃料模式下操作，而且如有期望，也仅作为柴油发动机在利用液体燃料的柴油模式下操作。在双燃料模式下，气缸由气态气体和液态燃料的组合提供燃料。有利地，根据本发明，发动机至少在特殊情形下运行，使得气缸中的至少一个气缸通过仅将液体燃料喷射到该气缸来运行，而其余气缸通过将气态燃料和液体燃料二者喷射到其余气缸中的每一个气缸来运行。有利地，在所述气缸中的通过仅将液体燃料喷射到气缸来运行的至少一个气缸中，在发动机正在运行期间维护直接喷射气态燃料供给系统。
在图6和图7中，以更详细的方式描述根据本发明的另一个实施方式的高压泵单元18和液压驱动组件36的操作。图6和图7中的高压泵单元18和液压驱动组件36旨在与图1中的气态燃料供给系统结合使用，以取代这里示出的高压泵单元18和液压驱动组件36。首先参照图6，高压泵单元18的活塞30被示出在其吸入冲程的末端，即，在其下止点位置处。即，当泵送部32中的活塞30处于其极限位置(图6中的左侧)时，泵送腔室40具有其最大容积。相应地，驱动部36中的活塞30移动到其吸入冲程的极限位置。高压控制油从压力端口46.1通过方向阀46流到与驱动部36中的腔室流动连接的端口46.2，这引起吸入冲程移动。在活塞30朝向其吸入冲程位置的末端移动期间，液化气从单向阀42所允许的燃料供给管路16被吸入腔室40中，如箭头所示出的。如之前所讨论的，由于低压泵20增加了燃料供给管路中的压力，因此由于活塞的抽吸移动导致的不正常的风险可以被最小化，并且活塞的速度可以被最大化。
液压驱动组件36的方向阀46是二位四通(4/2-way)方向阀并且其具有四个端口46.1、46.2、46.3、46.4，其中端口46.1是压力端口并且端口46.3是罐端口。罐端口46.3设置有第一可控节流器48。另外，位于活塞后侧(即，在泵送冲程动作期间的增加容积的一侧)在第四端口46.4和活塞30的驱动部34之间的管道设置有第二可控节流器50。在图6中，方向阀46被设置于第一位置，在该位置，压力端口46.1与驱动侧活塞的将活塞30推动到泵送腔室40具有其最大容积的方向的一侧连接。控制油的回流流过第四端口46.4和罐端口46.3，进而如图中看到的，流过第一节流器48和第二节流器50，借助于第一节流器48和第二节流器50，活塞30的速度保持低得足以避免在泵送腔室40中产生任何气穴。
在图7中，二位四通(4/2-way)方向阀46被设置处于第二位置。在第二位置中，压力端口46.1与端口46.2和46.4连接，并且这样，它也与驱动侧活塞的两侧连接。由于在活塞驱动侧的活塞侧之间的有效活塞面积的差异，导致受控流体的压力将活塞30推向泵送腔室40具有其最小容积的方向。对活塞造成合力的有效面积使得面积的比率为约1:3至1:5，优选地约1:4。
当根据图6和图7的泵单元18被控制为操作时，液压驱动组件36的方向阀被控制为在第一位置(图6)和第三位置(图7)之间来回运动，其中，控制流体系统中的相同动力流体和流体压力用于获得活塞30向两个方向的往复移动。此时，液压驱动组件36被配置为控制泵单元18以执行泵送序列，在泵送序列期间活塞30被布置为在泵单元18中往复。这是通过启动方向阀46在第一位置和第三位置之间移动来实现的。在高压泵单元18之后的液化气的典型状态使得压力为12Mpa至15MPa并且温度为-145℃至-135℃。
根据图6和图7中示出的实施方式，液压驱动组件36被有利地配置为使活塞30以全冲程往复运动，冲程中的每个冲程以预定量逐步地或逐冲程地增加液化气的压力。一直这样进行，直到液化气压力优选地喷射压力如此之高以至于泵停止移动。液化气高压泵单元18的泵送部32和驱动部34被配置为使得可利用预定压力(优选地或例如900kPa)的液压动力流体从泵送部得到的液化气的最大压力(优选地或例如15MPa)对应于设定的喷射压力(优选地或例如15MPa)。换句话说，泵送单元18被配置为将液化气的压力升高至控制油的压力的约0.5倍的压力。当检测到活塞的往复移动停止时，泵送序列停止。此后，跟随有至少两个可选的程序。首先，可以保留控制流体的压力，以推动活塞30来挤压液化气，在这种情况下，活塞30可以随着蓄积器24中的压力降低而移动至其上止点位置。其次，可以立即开始活塞30的吸入冲程。
燃料供给系统的电子控制单元ECU(即，控制计算机)包括计算机程序，该计算机程序在被执行时控制燃料供给系统特别是如上所述的高压泵单元18的操作。
在泵送序列期间，方向阀的位置改变，并且活塞30被有利地布置为以每秒3-6次的频率往复运动。液压驱动组件被配置为使活塞以间歇方式往复运动，使得其操作基于蓄积器24中的压力测量值28并独立于喷射阀19的启动。有利地，在一个泵送序列期间泵单元18的输出基本上对应于通过两个喷射器19为一个发动机循环喷射的燃料喷射量。
根据本发明的可以应用于图2至图4和图6至图7的集合以及与这些图相关的操作的实施方式，在活塞30的最后一个全冲程之后，液压驱动组件36被配置为使活塞30从其上止点仅返回一距离(部分吸入冲程)，该距离致使直至上止点的下一个部分泵送冲程造成液化气压力上升至设定目标压力。然后，活塞停止移动，直到下一个泵送序列启动。在下一个泵送序列之前，在每个泵送序列之后活塞30有利地返回到其上止点位置。
虽然本文中通过结合目前被视为最优选实施方式的内容的示例描述了本发明，但要理解，本发明不限于所公开的实施方式，而是如所附权利要求书所限定的那样旨在涵盖本发明的特征的各种组合或变型以及包含在本发明的范围内的若干其它应用。当结合以上任何实施方式提及的细节与另一个实施方式的组合在技术上可行时，这些细节可与另一个实施方式结合使用。
实施方式的编号列表
下面的实施方式描述了本发明的替代的有利实现方式。
1.一种用于二冲程内燃活塞发动机的直接喷射气态燃料供给系统，所述燃料供给系统包括：
-燃料供给管路，所述燃料供给管路从液化气源延伸到所述发动机中的燃料喷射器，所述燃料供给管路至少包括如下部件：
-液化气高压泵单元；
-热交换器单元，所述热交换器单元用于蒸发所述液化气并加热气态气体；和
-气态气体蓄积器，所述气态气体蓄积器位于所述热交换器单元和所述燃料喷射器之间；以及
-与所述气态气体蓄积器流体连通的至少一个气态气体燃料喷射器，其中，所述液化气高压泵单元包括具有泵送部和驱动部的往复运动活塞以及液压驱动组件，所述液压驱动组件被布置为使来自液压动力流体源的恒定压力下的液压动力流体作用于所述往复运动活塞的所述驱动部，以便以往复运动方式驱动所述活塞。
2.根据实施方式1所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述液压驱动组件被布置为以可控的方式使来自所述液压动力流体源的恒定压力下的液压动力流体作用于所述往复运动活塞的所述驱动部。
3.根据实施方式1或2所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述往复运动活塞是双作用活塞。
4.根据实施方式1或2所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述液压驱动组件被布置为通过以可控的方式在第一位置和第二位置之间来回驱动所述液压驱动组件的方向阀而以可控的方式使液压动力流体作用于所述往复运动活塞的所述驱动部。
5.根据实施方式1或2所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述液化气高压泵单元的所述液压驱动组件包括三位四通(4/3-way)方向阀，所述三位四通方向阀被配置为交替地将加压动力流体供应到双作用活塞的驱动部的第一侧或第二侧，并且将所述活塞的位置停止和/或锁定在期望的位置。
6.根据实施方式1或2所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述液化气高压泵单元的所述液压驱动组件包括二位四通方向阀，所述二位四通方向阀被配置为交替地将加压动力流体供应到所述往复运动活塞的驱动部的第一侧或第二侧。
7.根据实施方式1或2所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述气态气体蓄积器包括用于气态气体的入口和用于所述至少一个燃料喷射器中的每个燃料喷射器的出口。
8.根据实施方式1或2所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述燃料供给系统包括至少两个燃料喷射器。
9.根据实施方式5所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述液压驱动组件被配置为：
-使所述活塞以全冲程往复运动，所述冲程中的每个冲程以预定量增加压力，直到喷射压力处于这样的水平，从该水平，单个全冲程将使所述压力增加到高于设定值；并且
-使所述活塞以部分冲程从下止点移动到其极限位置之间的位置，并停止所述活塞的移动。
10.根据实施方式5或6所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述液压驱动组件被配置为：
-使所述活塞以全冲程往复运动，所述冲程中的每个冲程以预定量增加压力，直到喷射压力处于这样的水平，从该水平，单个全冲程将使所述压力增加到高于设定值；并且
-使所述活塞以部分吸入冲程移动到其极限位置之间的位置，并使所述活塞移动到其上止点位置。
11.根据实施方式6所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述液化气高压泵单元的所述泵送部和驱动部被配置为使得能够利用预定压力的所述液压动力流体从所述泵送部获得的所述液化气的最大压力对应于设定的喷射压力。
12.根据实施方式5或6所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述液压驱动组件被配置为使所述活塞以每秒0.5-6次的频率往复运动。
13.根据实施方式11所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述液压驱动组件被配置为使所述活塞以每秒3-6次的频率往复运动。
14.根据实施方式12或13所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述液压驱动组件被配置为使所述活塞以间歇方式往复运动。
15.根据实施方式11所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述液压驱动组件被配置为首先使所述活塞以全冲程往复运动并在所述全冲程之后以一个部分冲程往复运动，直到在所述气态气体蓄积器中达到预定喷射压力。
16.根据实施方式5或6所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述液压驱动组件被配置为以全冲程泵送并随后以所述活塞的一个部分冲程操作所述泵单元到达所述活塞的极限位置之间的位置。
17.根据实施方式5或6所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述液压驱动组件被配置为以全冲程泵送序列操作所述泵单元，并且在所述活塞(30)的最后一个全冲程之后，所述液压驱动组件(36)被配置为仅使所述活塞(30)从其上止点返回一距离，该距离致使直至所述上止点的下一个部分泵送冲程造成所述液化气的压力上升至设定目标压力。
18.根据实施方式110所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述液化气高压泵单元被配置为在所述液压动力流体的压力在12-15MPa的范围内时将所述液化气的压力升高至所述液压动力流体的压力的约0.5倍的压力。
19.根据实施方式1所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述液化气高压泵单元被配置为将所述液化气的压力升高至所述液压动力流体的压力的约0.5倍的压力，其中，所述流体的压力在12-15MPa的范围内。
20.根据实施方式2或19所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述燃料供给系统包括用于液压动力流体压力的高压泵，所述高压泵被配置为以基本恒定压力输送加压的控制流体。
21.根据前述实施方式中任一项所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述燃料供给系统包括用于所述二冲程内燃活塞发动机的每个气缸的至少两个燃料喷射器。
22.根据前述实施方式1至19中任一项所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述燃料供给管路包括联接到所述燃料供给管路的液化气高压泵单元以及布置在所述高压泵单元和储罐之间的液化气低压泵单元。
23.根据前述实施方式中任一项所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述燃料供给系统设置有均设置有关闭阀的燃料供给管路和燃料回流管路。
24.根据实施方式22和18所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述燃料供给管路中的所述阀布置在所述低压泵和所述高压泵单元之间。
25.根据实施方式9或14所述的直接喷射气态燃料供给系统，其中，所述液压驱动组件被配置为使所述活塞以部分冲程移动，使得所述部分冲程在所述活塞的上止点位置处前一全冲程之后开始，并且所述活塞通过部分吸入冲程和泵送冲程返回到所述上止点位置。
26.一种二冲程内燃活塞发动机，所述发动机包括多于一个的气缸，其中，所述发动机的每个气缸都设置有根据前述实施方式中任一项所述的直接喷射气态燃料供给系统，所述直接喷射气态燃料供给系统具有公共液化气储罐。
27.根据实施方式24所述的二冲程内燃活塞发动机，其中，所述发动机的每个气缸都包括两个气态气体喷射器和三个液体燃料喷射器。
28.一种根据实施方式26或27所述的二冲程十字头式内燃活塞发动机。
29.根据实施方式26或27所述的二冲程十字头内燃活塞发动机，所述发动机包括控制计算机，所述控制计算机包括在被执行时以根据权利要求30至31中所述的方式控制所述燃料供给系统的操作的计算机程序。
30.一种操作二冲程内燃活塞发动机的方法，所述二冲程内燃活塞发动机包括多个气缸、共轨液体燃料喷射系统和根据前述实施方式1至25中任一项所述的直接喷射气态燃料供给系统，所述方法包括以下步骤:使发动机运行，使得所述气缸中的至少一个气缸通过仅将液体燃料喷射到所述至少一个气缸来运行，而其余气缸通过将气态燃料和液体燃料二者喷射到所述其余气缸中的每个气缸来运行。
31.根据实施方式30所述的操作二冲程内燃活塞发动机的方法，该方法包括：使来自液压动力流体源的恒定压力下的液压动力流体作用于往所述往复运动活塞的所述驱动部并以往复运动方式驱动所述活塞并以全冲程泵送序列操作所述泵单元，并且在所述活塞的最后一个全冲程之后，使所述活塞从其上止点仅返回一距离，该距离致使直至所述上止点的下一个部分泵送冲程造成所述液化气的压力上升直至设定的目标压力。
32.根据实施方式30所述的操作二冲程内燃活塞发动机的方法，其中，在所述气缸中的通过将仅液体燃料喷射到气缸来运行的至少一个气缸中，维护所述直接喷射气态燃料供给系统。
Claims (15)
1.一种用于二冲程内燃活塞发动机(1)的直接喷射气态燃料供给系统(10)，所述燃料供给系统(10)包括：
-燃料供给管路(16)，所述燃料供给管路从液化气源(14)延伸到所述发动机(1)中的燃料喷射器(19)，所述燃料供给管路(16)至少包括如下部件：
-液化气高压泵单元(18)；
-热交换器单元(22)，所述热交换器单元用于蒸发所述液化气并加热气态气体；和
-气态气体蓄积器(24)，所述热交换器单元(22)和所述燃料喷射器(19)；以及
-与所述气态气体蓄积器(24)流体连通的至少一个气态气体燃料喷射器(19)，
其特征在于，所述液化气高压泵单元(18)包括具有泵送部(32)和驱动部(34)的往复运动活塞(30)以及液压驱动组件(36)，所述液压驱动组件被布置为使来自液压动力流体源(102)的恒定压力下的液压动力流体作用于所述往复运动活塞(30)的所述驱动部(34)，以便以往复运动方式驱动所述活塞。
2.根据权利要求2所述的直接喷射气态燃料供给系统(10)，其特征在于，所述液压驱动组件(36)被布置为以可控的方式使来自所述液压动力流体源(102)的恒定压力下的液压动力流体作用于双作用的所述往复运动活塞的所述驱动部(34)。
3.根据权利要求1或2所述的直接喷射气态燃料供给系统(10)，其特征在于，所述液压驱动组件(36)被布置为通过以可控的方式在第一位置和第二位置之间来回驱动所述液压驱动组件(36)的方向阀(46)而以可控的方式使液压动力流体作用于所述往复运动活塞(30)的所述驱动部(34)。
4.根据权利要求1或2所述的直接喷射气态燃料供给系统(10)，其特征在于，所述液化气高压泵单元(18)的所述液压驱动组件(36)包括三位四通方向阀(46)，所述三位四通方向阀(46)被配置为交替地将加压动力流体供应到双作用活塞的驱动部(34)的第一侧或第二侧，并且将所述活塞(30)的位置停止和/或锁定在期望的位置。
5.根据权利要求1或2所述的直接喷射气态燃料供给系统(10)，其特征在于，所述液化气高压泵单元(18)的所述液压驱动组件(36)包括二位四通方向阀，所述二位四通方向阀被配置为交替地将加压动力流体供应到所述往复运动活塞(30)的驱动部(34)的第一侧或第二侧。
6.根据权利要求4或5所述的直接喷射气态燃料供给系统(10)，其特征在于，所述液压驱动组件(36)被配置为：
-使所述活塞(30)以全冲程往复运动，所述冲程中的每个冲程以预定量增加压力，直到喷射压力处于这样的水平，从该水平，单个全冲程将使所述压力增加到高于设定值；并且
-使所述活塞(30)以部分吸入冲程移动到其极限位置之间的位置，并使所述活塞(30)移动到其上止点位置。
7.根据权利要求5所述的直接喷射气态燃料供给系统(10)，其特征在于，所述液化气高压泵单元(18)的所述泵送部(32)和驱动部(34)被配置为使得能够利用预定压力的所述液压动力流体从所述泵送部(32)获得的所述液化气的最大压力对应于设定的喷射压力。
8.根据权利要求4或5或6所述的直接喷射气态燃料供给系统(10)，其特征在于，所述液压驱动组件(36)被配置为使所述活塞以每秒3-5次的频率往复运动。
9.根据权利要求8所述的直接喷射气态燃料供给系统(10)，其特征在于，所述液压驱动组件(36)被配置为使所述活塞以间歇方式往复运动。
10.根据权利要求1所述的直接喷射气态燃料供给系统(10)，其特征在于，所述液化气高压泵单元(18)被配置为将所述液化气的压力升高至所述液压动力流体的压力的约0.5倍的压力。
11.根据权利要求1所述的直接喷射气态燃料供给系统(10)，其特征在于，所述燃料供给系统(10)包括用于所述二冲程内燃活塞发动机(1)的每个气缸的至少两个气态燃料喷射器(19)。
12.根据权利要求1所述的直接喷射气态燃料供给系统(10)，其特征在于，所述燃料供给管路(16)包括联接到所述燃料供给管路的液化气高压泵单元(18)以及布置在所述高压泵单元(18)和储罐(14)之间的液化气低压泵单元(20)。
13.一种二冲程内燃活塞发动机(1)，所述二冲程内燃活塞发动机包括多于一个的气缸，其中，每个气缸都设置有根据前述权利要求中任一项所述的直接喷射气态燃料供给系统(10)。
14.根据权利要求13所述的二冲程内燃活塞发动机(1)，其中，所述发动机(1)的每个气缸都包括两个气态气体喷射器和两个液体燃料喷射器(19)。
15.一种操作二冲程内燃活塞发动机(1)的方法，所述二冲程内燃活塞发动机包括多个气缸(204)、共轨液体燃料喷射系统(206)和根据前述权利要求中任一项所述的直接喷射气态燃料供给系统(10)，所述方法包括以下步骤:使所述发动机运行，使得所述气缸(204)中的至少一个气缸通过仅将液体燃料喷射到所述至少一个气缸来运行，而其余气缸(204)通过将气态燃料和液体燃料二者喷射到所述其余气缸中的每个气缸来运行。
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