專利名稱：內燃機的高壓氣態(tài)燃料供給系統(tǒng)和密封各部件之間的連接以防止燃料泄露的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于內燃機的高壓氣態(tài)燃料供給系統(tǒng)并且涉及一種密封各部件之間的接口處的連接從而防止燃料泄露的方法。更特別的是，所述裝置和方法提供了在某些環(huán)境中用于氣態(tài)流體的密封件，即該密封件可能暴露于高至200攝氏度(大約392華氏度)的恒溫和/或用于氣壓在當所述系統(tǒng)正在供給高壓氣體時的高壓和當所述系統(tǒng)停止時的很大壓降之間波動的用途中。
背景技術：
內燃機技術上的發(fā)展已經(jīng)表明通常所指的諸如柴油機的壓燃式發(fā)動機可以被充以氣態(tài)燃料以代替液體柴油燃料，而不會犧牲性能或效率。這種氣態(tài)燃料的例子包括天燃氣、甲烷、丙烷、乙烷、氣態(tài)可燃性碳氫派生物和氫。使用這些氣態(tài)燃料而不使用液體柴油燃料通常會產生成本、可用性和排放方面的益處。
通過將氣態(tài)燃料在接近壓縮沖程終止時直接注入發(fā)動機的燃燒室，就有可能獲得與柴油機基本上相同的性能和效率。但是，這種方法的挑戰(zhàn)在于氣態(tài)燃料必須在某一壓力下被送至燃燒室，該壓力克服在這部分發(fā)動機循環(huán)過程中存在的高的缸內壓力。為了實現(xiàn)這一方法，氣態(tài)燃料壓力優(yōu)選地介于至少17MPa和高至70MPa(介于至少2500和高至10000psi之間)之間。
基于Otto循環(huán)的傳統(tǒng)氣態(tài)燃料發(fā)動機通常將氣態(tài)燃料注入進氣歧管，在此處所述氣態(tài)燃料可與進氣預混合。進氣歧管中的壓力遠低于在燃料室中所產生的壓力，所以所述氣態(tài)燃料供給系統(tǒng)中的壓力通常少于0.7MPa(大約100psi)。通過將氣態(tài)燃料噴射閥與進氣歧管相關聯(lián)，所述燃料供給系統(tǒng)部件和部件之間的密封件沒有暴露于產生在燃料室附近的較高溫度。但是，目前的氣態(tài)燃料發(fā)動機無法匹敵柴油發(fā)動機的性能和效率。
利用目前的氣態(tài)燃料發(fā)動機無需在高于17Mpa(大約2500psi)的壓力下供給氣態(tài)燃料，并且沒有人解決密封部件之間的連接以防止在這一壓力下所供給的氣態(tài)燃料泄露的問題，特別是對在氣體壓力可在非常高的壓力和非常低的壓力之間快速波動情況下的應用來說。
例如，在內燃機的正常運行期間，如果氣態(tài)燃料被直接噴射進入燃料室，燃料供給系統(tǒng)中的燃料壓力可以在17Mpa和70Mpa之間的壓力范圍內變化，并且壓力會以1和10hertz之間的某一頻率產生改變。當這種發(fā)動機停止時，所述燃料供給系統(tǒng)可以被排空，快速地將壓力從運行壓力減少到大氣壓力。一旦停止了，雖然希望的是減慢燃料壓力減小的速率，但燃料壓力仍可以在少于20秒內從最大壓力下落到大約大氣壓力，并且更普遍的是在1至8秒之間。
因為燃料壓力被用來蒸發(fā)(汽化)所述液態(tài)燃料，所以傳統(tǒng)柴油發(fā)動機在比填充氣態(tài)燃料的發(fā)動機高出許多的壓力下噴射液體柴油。在現(xiàn)代的柴油發(fā)動機中，液體燃料可以在某一噴射壓力下被引入發(fā)動機的燃料室，該壓力介于70和207Mpa之間(在大約10000和30000psi之間)。新的柴油發(fā)動機具有非常高的燃料壓力從而為減少排放而改善霧化。
在柴油燃料系統(tǒng)中使用的密封件包括O形圈密封件，其通常由氟橡膠制成。一個合適的氟橡膠的例子是由DuPont Dow Elastomers LLC以商標Viton進行銷售的產品。也可以使用Buna-N Nitrile橡膠。
已經(jīng)針對用于高壓氣態(tài)燃料系統(tǒng)部件之間的連接進行密封的、包括氟橡膠和Buna-N Nitrile的密封件進行了測試，所述系統(tǒng)可以20Mpa(大約3000psi)和42Mpa(大約6000psi)之間的最大氣態(tài)燃料壓力運行。在很短時間之后發(fā)現(xiàn)這些密封件失效了?？梢源_定的是，運行壓力和大氣壓力之間的壓力波動是導致失效的主要原因。所述失效模式與爆炸性減壓的特性一致，當某一材料經(jīng)受氣體壓力的快速改變時可能發(fā)生這種爆炸性減壓。因為燃料氣體成分的分子大小要遠小于液態(tài)燃料成分的分子大小，所以當密封件暴露于高壓氣態(tài)燃料時，大量的氣態(tài)燃料可以被吸收進密封件。當燃料線路被排空或氣態(tài)燃料壓力被迅速減少時，氣態(tài)燃料從O形密封件釋放并且所述O形密封材料會斷裂以允許被吸收的氣態(tài)燃料逃溢。對所述密封失效的這種認知解釋了為什么當相同的密封材料被用于傳統(tǒng)液體燃料、所述密封件暴露于非常高的壓力時不會遇到這樣的密封失效。
爆炸性減壓以及彈性靜態(tài)或動態(tài)密封件的最終失效的問題不會發(fā)生在所有的加壓流體系統(tǒng)中。例如，在可以避免氣體壓力快速減少的環(huán)境下，爆炸性減壓不是一個問題。當流體是處于相對較高壓力的氣體并且當所述系統(tǒng)經(jīng)受快速壓力波動時，可能發(fā)生爆炸性減壓的問題。因此，爆炸性減壓不是一個普遍問題。因為爆炸性減壓，所以存在著其它可以影響材料敏感性從而發(fā)生失效的變量，諸如材料的多孔性，以及氣體在系統(tǒng)壓力下可以被吸收進入所述孔體積的能力。密封件的制造商通常不會評估密封材料的抗爆炸性減壓的有效性，這使得對適合密封材料的選擇變得困難。

發(fā)明內容
一種用來向內燃機供給氣態(tài)燃料的燃料系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)中的氣態(tài)燃料的壓力在正常運行期間至少是17Mpa，并且所述壓力通常會經(jīng)歷壓力上的快速減少。所述燃料系統(tǒng)的部件包括a.壓力增加模塊；b.燃料調節(jié)模塊；c.用于將燃料直接噴射進入內燃機燃燒室的燃料噴射閥；d.用于從壓力增加模塊向壓力調節(jié)模塊，以及從所述壓力調節(jié)模塊向燃料噴射閥輸送氣態(tài)燃料的管道；以及e.用于在兩個部件之間接口處進行密封的彈性元件，所述彈性元件主要包括熱塑性聚氨酯。
所述熱塑性聚氨酯優(yōu)選地具有從下述一組成分中所選擇的基本化學成分，所述成分包括p-二異氰酸對二苯酯、二異氰酸對二苯酯以及二苯基甲烷二異氰酸酯，并且當所述密封件暴露于超過130攝氏度的恒定溫度時，所述基本化學成分材料更優(yōu)選的為p-二異氰酸對二苯酯。
為了提供流體緊密密封，當安裝在接口處時所述彈性元件被優(yōu)選地保持壓縮狀態(tài)。所述彈性元件可以是封閉的呈簡單環(huán)形的形狀，環(huán)形在強度上具有優(yōu)勢并且易于制造。在剖面上，所述彈性元件可以是圓形。但是，本領域技術人員會理解的是也可以使用具有類似效果的其它剖面形狀。例如，對于面密封應用來說，所述彈性元件也可以呈墊圈的形式或者可以使用具有十字形或X形剖面的密封環(huán)。
在希望進行密封的接口處的某一位置，所述部件可以被成形為接收和保持所述彈性元件。例如，所述接口表面可以被開槽以容納密封環(huán)或墊圈。
在優(yōu)選實施例中，氣態(tài)燃料可以是可燃性碳氫派生物。例如所述氣態(tài)燃料可以從由天燃氣、甲烷、丙烷、乙烷構成的組中進行選擇。所述氣態(tài)燃料可以是碳氫或任何上述氣態(tài)燃料的混合物。例如，20％的碳氫和80％的天燃氣的混合物已經(jīng)作為內燃機中的燃料進行了測試，作為用于減少來自于發(fā)動機排放系統(tǒng)的調節(jié)排放程度的方法。
所述燃料調節(jié)模塊包括壓力調節(jié)裝置以控制燃料噴射閥中的氣態(tài)燃料的壓力。在優(yōu)選實施例中，所述壓力調節(jié)裝置是用于在部件在正常運行過程中將燃料噴射閥中的流體壓力控制在大約17Mpa和高至大約70Mpa之間的范圍內波動，并且更優(yōu)選的是氣體壓力被控制在至少19Mpa和35Mpa之間。所述壓力調節(jié)裝置可以是具有在控制流體的影響下可移動的活塞的拱頂加載型調節(jié)器(dome loaded regulator)。所述彈性元件可以在活塞和其所設置的缸體之間提供動態(tài)密封。
當發(fā)動機停止時，部件中的流體壓力優(yōu)選地可排放到大氣壓力。所述燃料調節(jié)模塊可以包括通風孔，在燃料系統(tǒng)停止時該通風孔用于減少來自于燃料調節(jié)模塊下游處的部件中的壓力。也就是說，所述高壓燃料從燃料噴射閥和向所述燃料噴射閥供應高壓燃料的燃料軌道排出。燃料可以在燃料調節(jié)模塊上游處被保持在高壓下，例如，在蓄壓容器中。
所述燃料調節(jié)模塊還可以包括氣體過濾器，其用于從氣態(tài)燃料中分離污染物。
在優(yōu)選實施例中，燃料系統(tǒng)包括電控器，其用于控制燃料調節(jié)模塊的運行以調節(jié)供應到燃料噴射閥的燃料的壓力。
在以液化形式存儲燃料的燃料系統(tǒng)中，壓力增加模塊可以是用于泵送液化氣體的泵。這種燃料系統(tǒng)還包括用于在液化態(tài)氣體從泵排出后將液化氣體轉換成氣態(tài)相的蒸發(fā)器。
在以氣態(tài)形式存儲燃料的燃料系統(tǒng)中，所述壓力增加模塊可以是壓縮機。所述壓縮機可以由發(fā)動機機械驅動，或為更獨立工作而液壓驅動。液壓驅動壓縮機的優(yōu)選實施例使用自由浮動的活塞。
提供一種用于可在高于17Mpa的壓力下向內燃機供應氣態(tài)燃料的燃料系統(tǒng)的部件之間接口處進行密封的方法，其中所述氣態(tài)燃料通常經(jīng)歷壓力上的快速減少。所述方法包括在密封接口處設置彈性元件。所述彈性元件基本上由熱塑性聚氨酯構成。
利用這一方法，所述熱塑性聚氨酯優(yōu)選地具有從一組成分中所選擇的化學主鏈，所述組成成分包括p-二異氰酸對二苯酯、二異氰酸對二苯酯以及二苯基甲烷二異氰酸酯，并且當所述密封件暴露于超過130攝氏度的恒定溫度時，所述化學主鏈更優(yōu)選的為p-二異氰酸對二苯酯。
當發(fā)動機在加載狀態(tài)運行時，壓力上的快速減少可以1至10hertz之間的頻率產生。在發(fā)動機的正常運行過程中，各部件中的氣態(tài)燃料壓力可以在大約17Mpa和高至大約70Mpa之間的范圍內波動，并且更優(yōu)選的是氣體壓力被控制在至少19Mpa和35Mpa之間。
所述優(yōu)選方法包括在發(fā)動機停止時排空燃料軌道和燃料噴射閥從而將其中的壓力減少至大氣壓力。所述彈性元件可以在燃料噴射閥和缸蓋之間提供靜態(tài)密封。另一彈性元件也可以為活塞提供靜態(tài)密封，所述活塞密封形成在缸蓋中的孔，該孔作為用來將高壓氣體從燃料供應系統(tǒng)傳送到燃料噴射閥的燃料軌道。
所述方法還包括當彈性元件安裝在接口處時為了提供較強的密封而壓縮所述彈性元件。所述彈性元件可以設置在形狀與其形狀相一致的槽中從而在希望進行密封處保持所述彈性元件。所述彈性元件可以用作靜態(tài)或動態(tài)密封件。
提供一種用于可在高于17Mpa的壓力下在包含氣態(tài)流體的部件之間進行密封的方法，其中所述氣態(tài)燃料通常經(jīng)歷壓力上的快速減少，并且在所希望的密封處的部件之間的接口處可以具有高至200攝氏度的恒定表面溫度。所述方法包括設置基本上由熱塑性聚氨酯構成的彈性元件以在接口處提供密封。


圖1是氣態(tài)燃料發(fā)動機的燃料供給系統(tǒng)的示意圖，該發(fā)動機被設計成達到或超過傳統(tǒng)柴油發(fā)動機的性能和效率，在這個實施例中，所述燃料以氣態(tài)形式在高壓(當滿載時通常處于25Mpa(大約3600psi)以及當空載時少于2Mpa(大約300psi))下被存儲在壓力容器中；圖2是氣態(tài)燃料發(fā)動機的燃料供給系統(tǒng)的另一實施例的示意圖，在這個實施中，所述燃料以液態(tài)形式被存儲在熱絕緣容器中；圖3是穿過內燃機的部分缸蓋的剖視圖，示出了燃料噴射閥(以輪廓示出)和缸蓋之間接口處的密封件。在這個實施例中，用于向燃料噴射閥供應燃料的燃料通道包括形成在缸蓋主體中的通道；圖4是部分缸蓋的剖視圖，在此處形成一孔，用于向燃料噴射閥供應供應高壓燃料，該孔被塞緊并且被密封；圖5是燃料調節(jié)模塊平面的平面圖，該模塊與發(fā)動機互相作用，用于向發(fā)動機供應燃料，密封件設置在密封管中用于防止燃料泄露；圖6是燃料調節(jié)模塊的某一部件的剖視圖，該模塊用于調節(jié)向燃料噴射閥供應燃料的燃料軌道中的壓力，該部件包括帶有動態(tài)密封件從而防止氣態(tài)燃料從燃料供給系統(tǒng)泄露的活塞。
具體實施例方式
為了在接近壓縮行程結束時將氣態(tài)燃料直接引入燃燒室，需要在介于至少17Mpa和大約70Mpa之間的壓力下將燃料供應到燃料噴射閥。用于將氣態(tài)燃料直接引入燃燒室的燃料噴射閥通常被插入穿過所述缸蓋，帶有突入到燃料室中的噴嘴端。在發(fā)動機運行過程中，燃料噴射閥周圍的缸蓋以及與其相關聯(lián)的密封件的恒定溫度可能接近大約200攝氏度(392華氏度)，特別是在燃料噴射閥最接近燃料室和排氣歧管口的地方。由于傳統(tǒng)的氣態(tài)燃料發(fā)動機已經(jīng)使用與在吸氣管中形成預混合燃料進氣相關聯(lián)的較低壓力燃料系統(tǒng)，所以在發(fā)動機環(huán)境中提供用于在較高壓力和溫度下處理氣態(tài)燃料的適合的密封件的問題已經(jīng)不象先前那樣被強調了。因此，在可能超過17Mpa的快速波動壓力以及在高至大約200攝氏度的溫度條件下，用于可靠地包含氣態(tài)燃料的適合密封材料對于部件之間的連接處和接口處的密封來說是需要的。
如果某些普通的密封材料在曝露于這種條件下時變質或熔化了，那么這些普通的密封材料對當前的應用來說通常是不適用的。例如，聚氨酯對于恒定曝露于130攝氏度(266華氏度)來說不是一個好的選擇。例如，推薦使用由Freudenberg-NOK的分公司Simrit以商標名為Disogrin進行銷售的聚氨酯材料，該材料可以使用在溫度恒定在4度至大約121攝氏度(40至250華氏度)的范圍內，其中峰值溫度大約為149攝氏度(300華氏度)。近來，使用包括p-二異氰酸對二苯酯的化學主鏈的聚氨酯材料，例如由Parker以商標名P4300所銷售的材料已經(jīng)可以從市場中購得，該材料可以使用在暴露于恒定溫度高達200攝氏度的應用中。因此，相對于先前公知的聚氨酯材料來說，制造具有較高熔點的聚氨酯的工藝和組成都是公知的。
不同于由氟橡膠或Buna-N Nitrile橡膠制成的傳統(tǒng)發(fā)動機密封件，聚氨酯材料可以被制成為當經(jīng)受在內燃機的當前高壓氣態(tài)燃料供給系統(tǒng)的密封接口處所發(fā)現(xiàn)的正常條件時抵抗爆炸性減壓。
通過示例方法，當前方法致力于為諸如圖1的示意圖所示出的系統(tǒng)提供密封，圖1示出高壓燃料供給系統(tǒng)100，其包括多個需要彼此氣密連接從而防止燃料泄露的部件。這些密封件，諸如那些處在燃料噴射閥和發(fā)動機缸蓋之間的密封件可以在發(fā)動機運行時暴露在高達200攝氏度的溫度下。
在圖1所示的實施例中，所述燃料以被壓縮的氣態(tài)形式在高壓下存儲。例如，當所述燃料是天然氣時，這種類型的系統(tǒng)通常公知為CNG燃料系統(tǒng)。所示出的CNG燃料系統(tǒng)包括壓力額定燃料存儲罐102、壓縮機104、蓄壓容器106、燃料調節(jié)模塊108以及用于每個發(fā)動機燃料室的燃料噴射閥(未示出)。所述燃料噴射閥優(yōu)選地插入設置在缸蓋110中的安裝孔中。
隨著發(fā)動機消耗燃料，燃料存儲罐102中的壓力下降，并且壓縮機104以希望的噴射壓力可靠地向缸蓋110供應氣態(tài)燃料。CNG存儲罐通常被填充到大約25Mpa(大約3600psi)的壓力，并且所述存儲罐在壓力降至大約2Mpa(大約300psi)時被認為是空的，因為在這一壓力下，對壓縮機104來說難于將壓力提升至所希望的程度。對燃料的質量來說，當存儲罐是空的時候，其仍會包含大約7％的初始燃料量。因為當前的燃料供應系統(tǒng)被設計用于在高壓下通過直接噴射進入發(fā)動機的燃料室來供應氣態(tài)燃料，所以壓縮機104下游的所述燃料供應系統(tǒng)的部件必須能夠在噴射壓力和大氣壓力之間的壓力波動下處理氣態(tài)燃料，這是由于當發(fā)動機停止時至少某些燃料供應系統(tǒng)優(yōu)選地被排氣。
為了將燃料壓力提升到所需大小和所需量，正排量壓縮機是優(yōu)選的，諸如使用往復活塞的壓縮機。這種壓縮機可以由發(fā)動機本身機械驅動，或者在另一實施例中，可以使用較低速度液壓致動的自由浮動活塞壓縮機。液壓驅動的優(yōu)勢在于壓縮機速度無需關聯(lián)于發(fā)動機速度，并且在產生較高壓縮機效率的壓縮過程中較低速度可以減少熱量的發(fā)生并且改善密封和耐用性。可以對控制器112進行編程從而響應于發(fā)動機負載和/或蓄壓容器106中的壓力調整壓縮機速度。
蓄壓容器106用于提供高壓氣態(tài)燃料的緩沖體積。蓄壓容器106在發(fā)動機負載是動態(tài)的并且在較寬范圍上變化時是特別有用的。例如，如果發(fā)動機的負載有突然的增加并且燃料需求方面存在相應的增加時，那么蓄壓容器106確保有足夠的高壓燃料是可用的。在圖1所示的示意圖中，來自于壓力傳感器的信號線被示出在蓄壓容器106和控制器112之間，但是對于本領域技術人員來說將會理解的是，相同的目的可以通過沿壓縮機104和燃料調節(jié)模塊108之間的管道所設置的傳感器來實現(xiàn)。
燃料調節(jié)模塊108包括壓力調節(jié)器，其被用來控制被供應到燃料噴射閥的氣態(tài)燃料的壓力。可以對控制器112進行編程從而使其給出動態(tài)地響應于變化中的發(fā)動機運行條件的特定燃料噴射壓力的命令。燃料調節(jié)模塊108可還包括用于過濾燃料流中污物的氣體過濾器，燃料切斷，以及例如當發(fā)動機停止時從燃料供給系統(tǒng)100中釋放壓力的通風孔。
燃料噴射閥優(yōu)選地延伸穿過缸蓋110，且?guī)в型蝗氲饺剂鲜抑械膰娮?，從而使得氣態(tài)燃料可以被直接引入到燃料室中。不同于預混合進氣，通過將燃料直接噴射進入燃料室，所述燃料可以在吸氣閥被關閉后噴射，允許所述燃料的正時受到控制從而減少被公知為“發(fā)動機爆震”的潛在破壞性預爆炸的可能性，這使得發(fā)動機具有較高的壓縮比以改善發(fā)動機性能。
正如圖1所示，管道可以被用來流體連接各個部件，或部件之間可以彼此直接連接，諸如燃料調節(jié)模塊108的各個部件。燃料調節(jié)模塊108也可以被直接安裝到發(fā)動機的缸蓋上，其帶有下面將會進行說明的諸如圖5所示的接口表面。管道可以是管的形式或者其可以是穿過諸如發(fā)動機缸蓋的發(fā)動機部件主體的通道。根據(jù)發(fā)動機以及用于燃料供給系統(tǒng)的可用空間，如果可行并且經(jīng)濟的話，某些部件可以整合在一起以消除對互連管道和相應密封件的需求。在各部件和各管道之間的接口處使用氣密密封件。
在示出于圖2中的燃料供給系統(tǒng)200的所示實施例中，燃料以液化形式存儲在設計用于在低溫下存儲液態(tài)氣體的熱隔絕存儲罐中。例如，當所述燃料是天燃氣時，這種類型的系統(tǒng)通常被公知為LNG燃料系統(tǒng)。所示LNG燃料系統(tǒng)可以包括一個或多個燃料存儲罐202，用于泵送液化氣體的燃料泵204，用于加熱液化氣體并且將其轉換成氣態(tài)形式的蒸發(fā)器205，用于在高壓下存儲一定數(shù)量氣態(tài)燃料從而確保滿足發(fā)動機燃料需求的充足燃料供給的蓄壓容器206，用于控制輸送到發(fā)動機的燃料壓力的燃料調節(jié)模塊208，以及用來將氣態(tài)燃料直接引入每個燃料室的每個燃料室的至少一個燃料噴射閥。
在圖2的實施例中，燃料泵204和蒸發(fā)器205設置在存儲罐202的隔絕低溫空間中。本領域技術人員將會理解的是，如果所述泵和所述罐之間的管道適于隔絕的話，所述泵和蒸發(fā)器也可以被設置在存儲罐202的外部。在另一布局中，代替直接設置在低溫空間中，所述燃料泵可以設置在圍繞著所述低溫空間的真空空間中。
在蒸發(fā)器205的下游，所述燃料是氣態(tài)形式并且燃料調節(jié)模塊208以基本上與圖1所示的燃料調節(jié)模塊108相同的方式運行。
與圖1的實施例類似，每個燃料噴射閥被優(yōu)選地插入設置在缸蓋210中的安裝孔中，其中至少一個燃料噴射閥與每個燃料室關聯(lián)。
圖3示出發(fā)動機缸蓋中安裝有燃料噴射閥的部分的剖視圖。圖3的結構可以和圖1或圖2的實施例一起使用。通過參考圖3，燃料噴射閥311安裝在缸蓋310中的孔里。管道320形成在缸蓋310中從而將燃料噴射閥311和燃料供給系統(tǒng)流體連接。呈O形圈314和316的聚氨酯密封件配置在管道320的任意一側上，從而防止燃料噴射閥311和缸蓋310之間接口處的高壓氣態(tài)燃料的泄露。
如果燃料噴射閥311是一種組合式氣態(tài)和液態(tài)(引燃)燃料噴射閥，管道322可以被配置成將液態(tài)燃料輸送到燃料噴射閥311。在液壓致動的單燃料噴射閥的情況下，可以使用管道322將液壓流體輸送到燃料噴射閥311。管道322也可以被應用于其它目的，諸如輸送潤滑劑、冷卻劑或密封液體。O形密封圈318被設置在管道322中的開口的上側以防止在那一側的泄露。
燃料噴射閥的位置暴露出密封件314、316和318以從燃料室330和排氣歧管通道(未示出)散發(fā)熱量，所述排氣歧管通道穿過缸蓋310設置。對在這些位置上的密封件來說，聚氨酯密封材料可以被制成能夠承受至少200攝氏度的恒定溫度。
圖4是發(fā)動機缸蓋的一部分的剖視圖。用于向發(fā)動機的噴射閥輸送氣態(tài)燃料的燃料供給通道可以由形成在缸蓋410中的孔提供，如孔420示出的?；钊?11、面密封件414和O形密封圈416可以被用于密封孔420的端部。在這個位置上的溫度可能不會與示出在圖3中的密封位置處的溫度一樣高，但是恒定暴露于高溫以及氣體壓力上的快速變化仍會使得傳統(tǒng)的氟橡膠或Buna-N睛橡膠密封材料不適合這種應用。密封件414和416可以由聚氨酯制成，該材料在所希望的操作溫度不會熔化并且不會退化，這是因為爆炸性減壓處于密封件所期望的壽命周期中。在發(fā)動機運行過程中如果密封件414和416可以曝露于高于130攝氏度的溫度延長的時間周期，則具有包括p-二異氰酸對二苯酯的化學主鏈的聚氨酯是優(yōu)選的。
在圖5中，燃料調節(jié)模塊510包括與缸蓋上的相對平面交界的平面。在這個示例中，口520與燃料軌道對齊，所述燃料軌道是形成在缸蓋中用于向燃料噴射閥輸送燃料的通道。作為燃料供給系統(tǒng)的一部分，當發(fā)動機停止時，通過口520的燃料可以在高于17Mpa的噴射壓力和大氣壓力之間波動。密封件514是由聚氨酯制成的O形圈或墊圈，并且設置在槽512中，有時稱為密封管，其圍繞著口520使得密封件514可以圍繞口520提供連續(xù)的密封。再者，如果在發(fā)動機運行過程中密封件514可以暴露于高于130攝氏度的溫度延長的時間周期，具有包括p-二異氰酸對二苯酯的化學主鏈的聚氨酯是優(yōu)選的。
圖6是燃料調節(jié)模塊的某一部件的剖視圖，示出了燃料供給系統(tǒng)的另一部分，在此處密封件暴露于氣體壓力的快速波動。部件610通常公知為拱頂加載型調節(jié)器并且多個功能可以通過這一特定布局被組合起來。拱頂加載型調節(jié)器610可以被用于調節(jié)燃料壓力并且在發(fā)動機停止時還排出燃料壓力。
拱頂加載型調節(jié)器610包括限定了氣缸室的主體612，活塞614可在該氣缸室中往復運動?；钊芊饧?16和618在活塞614和缸壁之間進行密封?；钊?14的位置由活塞彈簧620偏置。為了控制活塞614的位置，控制流體可以通過口624被引入到控制室622中?；钊?14與針狀部件共同作用從而控制開放通孔632的尺寸，由此調節(jié)進入入口640并且通過出口642排出的氣態(tài)燃料的壓力。針狀彈簧634偏置針狀部件630的位置。
在優(yōu)選實施例中，拱頂加載型調節(jié)器610被用于平衡氣態(tài)和液態(tài)燃料噴射閥的液體引燃燃料的壓力和氣態(tài)燃料的壓力，正如共有的美國專利No.6298833所公開的那樣。當液體引燃燃料處于噴射壓力時，用作控制流體的液體引燃燃料被引向控制室622并且克服活塞彈簧620的偏置向下推動活塞614?；钊?14的運動導致了針狀部件630和開放孔口632的相應運動。在這個示例中，拱頂加載型調節(jié)器610優(yōu)選地被調整為控制從出口642所排出的氣態(tài)燃料的壓力，從而使得所述氣態(tài)燃料的壓力與液體引燃燃料的壓力相同。增加液體引燃燃料的壓力導致了活塞614的進一步的向下運動以及孔口632的更寬開放。
當液體引燃燃料壓力減少時，活塞614在活塞彈簧620的影響下向上運動并且氣態(tài)燃料的流動可以由處于針狀彈簧634影響下的針狀部件630的向上運動關閉。當發(fā)動機停止時，液體引燃燃料壓力被釋放并且活塞614的進一步的向上運動導致其抬升遠離針狀部件630、開啟排放口650，因此允許高壓氣體從拱頂加載型調節(jié)器610和燃料噴射閥之間的燃料供給系統(tǒng)被排出。
密封件616和618是動態(tài)密封件，它們在可往復運動的活塞614和氣缸壁之間進行密封。在發(fā)動機運行期間，活塞614可以介于1和10hertz之間的平均頻率往復運動。密封件618暴露于快速波動的氣態(tài)壓力并且還必須應付因在一側上有排放壓力而在另一側上有燃料壓力所造成的壓差。傳統(tǒng)氟橡膠密封件或Buna-N睛密封件在用于這種應用時會發(fā)生失效，但是聚氨酯密封件在這些獨特條件下提供了所需要的密封，即在具有高往復運動頻率需要動態(tài)密封、曝露于快速波動的氣體壓力和高壓差的條件下。
雖然已經(jīng)示出和說明的本發(fā)明的特定部件、實施例和應用，但是當然將會理解的是，本發(fā)明不受限于此，這是因為本領域技術人員在不背離本發(fā)明公開范圍，特別是上述教導的前提下可以進行各種修改。
權利要求
1.一種用于向內燃機供應氣態(tài)燃料的燃料系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括設置在所述系統(tǒng)兩個部件之間或其中一個所述部件各部分之間的接口處用于在其間密封的熱塑性聚氨酯材料，其中所述部件包括a.壓力增加模塊；b.燃料調節(jié)模塊；c.用于將所述燃料直接噴射進入所述內燃機的燃燒室的燃料噴射閥；以及d.用于從所述壓力增加模塊向所述燃料調節(jié)模塊以及從所述燃料調節(jié)模塊向所述燃料噴射閥輸送所述氣態(tài)燃料的管道，其中包括所述燃料系統(tǒng)部件其它部件在內，所述管道可以是獨立部件或者與發(fā)動機的部件成一體。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃料系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)中的所述氣態(tài)燃料的壓力在正常運行過程中至少是17Mpa并且所述壓力通常經(jīng)歷快速的壓力減少。
3.根據(jù)權利要求1所述的燃料系統(tǒng)，其中所述熱塑性聚氨酯具有從由p-二異氰酸對二苯酯、二異氰酸對二苯酯以及二苯基甲烷二異氰酸酯所構成的組中所選擇的化學主鏈。
4.根據(jù)權利要求1所述的燃料系統(tǒng)，其中所述彈性材料在安裝在所述接口處時保持壓縮。
5.根據(jù)權利要求1所述的燃料系統(tǒng)，其中所述部件被成形為在希望進行密封的所述接口處的某一位置處容納并保持所述彈性元件。
6.根據(jù)權利要求1所述的燃料系統(tǒng)，其中所述彈性元件呈封閉的圓環(huán)形狀。
7.根據(jù)權利要求1所述的燃料系統(tǒng)，其中所述彈性元件具有圓形剖面。
8.根據(jù)權利要求1所述的燃料系統(tǒng)，其中所述氣態(tài)燃料是可燃性碳氫衍生物。
9.根據(jù)權利要求1所述的燃料系統(tǒng)，其中所述氣態(tài)燃料是從由天燃氣、甲烷、丙烷、乙烷、氫及其混合物所構成的組中選擇的。
10.根據(jù)權利要求1所述的燃料系統(tǒng)，其中所述燃料調節(jié)模塊包括壓力調節(jié)裝置，從而控制所述燃料噴射閥中的所述氣態(tài)燃料的壓力。
11.根據(jù)權利要求10所述的燃料系統(tǒng)，其中所述壓力調節(jié)裝置可用于在所述部件的正常運行過程中將所述燃料噴射閥中的流體壓力控制成在大約17Mpa和高至大約70Mpa之間的壓力范圍內波動。
12.根據(jù)權利要求10所述的燃料系統(tǒng)，其中所述壓力調節(jié)裝置可用于在所述部件的正常運行過程中將所述燃料噴射閥中的流體壓力控制在至少19Mpa和35Mpa之間。
13.根據(jù)權利要求1所述的燃料系統(tǒng)，其中所述部件中的流體壓力在所述發(fā)動機停止時可以被排出至大氣壓力。
14.根據(jù)權利要求1所述的燃料系統(tǒng)，其中所述燃料調節(jié)裝置還包括排放口，其可作用為在所述發(fā)動機停止時減小保留在所述部件中的所述氣態(tài)燃料的壓力。
15.根據(jù)權利要求1所述的燃料系統(tǒng)，其中所述燃料調節(jié)模塊還包括氣體過濾器，所述氣態(tài)燃料流過該過濾器，所述過濾器用于將污物從所述氣態(tài)燃料分離出來，所述接口介于所述氣體過濾器和用于所述燃料調節(jié)模塊的燃料通道的連接處之間。
16.根據(jù)權利要求1所述的燃料系統(tǒng)，其中所述燃料調節(jié)模塊的運行由電控器所控制。
17.根據(jù)權利要求1所述的燃料系統(tǒng)，其中所述部件與在所述發(fā)動機運行期間可以被加熱的發(fā)動機部件成一體或接觸，因此在所述接口處，所述部件可以具有高至200攝氏度的恒定表面溫度。
18.根據(jù)權利要求17所述的燃料系統(tǒng)，其中所述熱塑性聚氨酯具有包括p-二異氰酸對二苯酯的化學主鏈。
19.根據(jù)權利要求1所述的燃料系統(tǒng)，其中所述壓力增加模塊是用于泵送液化氣體的泵，并且所述燃料系統(tǒng)還包括用于將所述液化氣體在它從所述泵被排出后轉換成氣態(tài)相的蒸發(fā)器。
20.根據(jù)權利要求1所述燃料系統(tǒng)，其中所述燃料調節(jié)模塊和所述燃料噴射閥之間的所述管道包括設置在缸蓋中的孔，所述彈性元件在所述燃料噴射閥和所述缸蓋之間的所述接口處提供靜態(tài)密封。
21.根據(jù)權利要求20所述的燃料系統(tǒng)，其中所述燃料調節(jié)模塊和所述燃料噴射閥之間的所述管道包括設置在缸蓋中的孔，所述彈性元件在密封所述孔的開口端的活塞和所述缸蓋之間的所述接口處提供靜態(tài)密封。
22.根據(jù)權利要求1所述燃料系統(tǒng)，其中所述燃料調節(jié)模塊包括拱頂加載型調節(jié)器，所述氣態(tài)燃料流過該調節(jié)器，并且所述彈性元件在所述接口處提供動態(tài)密封，所述接口處于所述拱頂加載型調節(jié)器的活塞和其中設置所述活塞的氣缸之間。
23.一種在用于在可能高于17Mpa的壓力下向內燃機的燃料室供給氣態(tài)燃料的燃料系統(tǒng)的各部件或部件的各部分之間的接口處的進行密封方法，其中所述氣態(tài)燃料通常經(jīng)歷壓力上的快速減少，所述方法包括在所述接口處提供流體密封的彈性元件，所述彈性元件基本上是由熱塑性聚氨酯構成的。
24.根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述熱塑性聚氨酯具有從由p-二異氰酸對二苯酯、二異氰酸對二苯酯以及二苯基甲烷二異氰酸酯所構成的組中所選擇的化學主鏈。
25.根據(jù)權利要求23所述的方法，其中在所述部件的正常運行期間所述部件中的所述氣態(tài)燃料的壓力在大約17Mpa和高至大約70Mpa的壓力范圍內波動。
26.根據(jù)權利要求23所述的方法，其中在所述部件的正常運行期間所述部件中的所述氣態(tài)燃料的壓力可控制在至少19Mpa和大約35Mpa之間。
27.根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述部件中的所述氣態(tài)燃料的壓力在所述發(fā)動機停止時可通氣于大氣壓力。
28.根據(jù)權利要求23所述的方法，還包括當彈性元件安裝在所述接口處時壓縮所述彈性元件。
29.根據(jù)權利要求23所述的方法，還包括成形所述部件以在需要密封的所述接口處的某一位置容納并保持所述彈性元件。
30.根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述彈性元件是靜態(tài)密封件。
31.根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述彈性元件呈封閉圓環(huán)形。
32.根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述彈性元件具有圓形剖面。
33.根據(jù)權利要求23所述的方法，其中當所述發(fā)動機在負載下運行時所述壓力的快速減少的頻率處于1至10hertz之間。
34.根據(jù)權利要求23所述的方法，其中在所述發(fā)動機運行期間，所述彈性元件可以暴露于高至200攝氏度的恒定溫度。
35.根據(jù)權利要求34所述的方法，其中所述彈性元件具有包括p-二異氰酸對二苯酯的化學主鏈。
36.根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述氣態(tài)燃料是可燃性碳氫衍生物。
37.根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述氣態(tài)燃料是從由天燃氣、甲烷、丙烷、乙烷、氫及其混合物所構成的組中選擇的。
38.根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述部件包括燃料噴射閥以及用于向所述燃料噴射閥傳送所述氣態(tài)燃料的管道，所述管道包括形成在發(fā)動機缸蓋中的孔并且所述接口處于所述燃料噴射閥和所述缸蓋之間。
39.根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述部件是由形成在發(fā)動機缸蓋中的孔所限定的管道，并且所述接口處于所述燃料噴射閥和所述缸蓋之間。
40.根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述燃料系統(tǒng)包括拱頂加載型調節(jié)器，所述氣態(tài)燃料所流過所述調節(jié)器，所述調節(jié)器用于控制傳送到燃料噴射閥的燃料壓力，所述接口處于所述拱頂加載型調節(jié)器內、可往復運動的活塞和其中設置所述活塞的氣缸之間。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于向內燃機供應氣態(tài)燃料的高壓燃料系統(tǒng)，其中在正常運行過程中系統(tǒng)中的氣態(tài)燃料壓力至少是17MPa。所述系統(tǒng)包括若干部件和管道以及至少一個用于在兩個部件之間的接口處進行密封的彈性元件。所述彈性元件基本上由熱塑性聚氨酯構成。本發(fā)明還公開一種在可能高于17MPa的壓力下于包括氣態(tài)流體的部件之間提供密封的方法，其中所述氣態(tài)燃料通常經(jīng)歷壓力上的快速減少。所述方法包括在所述部件之間的接口處提供彈性元件，所述彈性元件基本上是由熱塑性聚氨酯構成的。在各部件運行過程中或當高壓氣體在高壓系統(tǒng)停止時從各部件排出時，可能發(fā)生氣體壓力的波動。對本方法來說，特別適合的應用是用于內燃機的高壓氣態(tài)燃料供給系統(tǒng)。
文檔編號F02M55/00GK1853041SQ200480026773
公開日2006年10月25日 申請日期2004年9月10日 優(yōu)先權日2003年9月23日
發(fā)明者阿德里安·J·波斯特, 托馬斯·C·布魯克 申請人:韋斯特波特研究公司