CN101275474A - 用于大型两冲程柴油发动机的凸轮驱动排气门致动系统 - Google Patents

Abstract

一种带有排气门致动系统的大型两冲程柴油机，包括凸轮轴和液压推杆，所述液压推杆包括由所述凸轮轴驱动的活塞泵，所述凸轮轴通过管道耦联到移动相关排气门的液压排气门致动器。一设备在相关凸轮的有效工作时间段之前以可控制的方式将一定量的液压流体添加到所述液压推杆，从而在由所述凸轮轮廓所限定时间点之前打开所述排气门。所述设备还在所述凸轮的有效工作时间段之后以可控制的方式将一定量的液压流体从所述液压推杆去除，从而在由所述凸轮轮廓所限定时间点之后关闭所述排气门。额外小气体交换阀设置有致动系统，所述致动系统独立于所述凸轮轴而运行，用于控制所述气缸的后坐力和压缩压力。

Description

用于大型两冲程柴油发动机的凸轮驱动排气门致动系统

技术领域

本发明涉及用于内燃机的凸轮驱动排气门致动系统，具体地涉及用于大型两冲程柴油发动机的凸轮驱动排气门致动系统。

背景技术

十字头型的大型两冲程柴油发动机例如用于大型远洋船只的推进或者用作发电厂的原动机。不仅因为其整体尺寸，这些两冲程柴油发动机构造得与任何其它内燃机不同。两冲程原理和使用在50℃时粘性低于700cSt的重燃油(该燃油在室温时不流动)，使得这些两冲程柴油发动机在发动机领域中自成一类。

提高性能和减小排放的需求导致了用于这些大型两冲程柴油发动机的通常的轨道式电液控制排气门致动系统的发展。这些系统的一个优点是具有增强的灵活性，其原因在于，排气门打开和关闭正时能够自由地选择，以符合发动机的运行条件。然而，这些通常的轨道式电液系统比较昂贵并且比传统的凸轮驱动系统更耗能，其原因在于，在打开过程期间消耗的能量超出所需的能量，并且在关闭过程期间没有回收。这两个缺点抵消了电子控制发动机的许多优点。

发明内容

在此背景下，本发明的目的是提供一种节省能量的凸轮驱动排气门系统，其能对排气门的打开和关闭正时进行灵活的控制。

该目的通过提供十字头型的大型两冲程柴油发动机而实现，所述大型两冲程柴油发动机包括：多个气缸，每个气缸设置有至少一个排气门；至少一个设置有凸轮的凸轮轴，所述凸轮用于致动与每个所述气缸相关联的所述至少一个排气门；与每个气缸相关联的液压推杆，所述液压推杆包括：对于每个致动器设置有一个液压活塞泵，所述液压活塞泵由凸轮轴上的相应凸轮驱动；对于每个排气门设置有一个液压致动器，用于在打开方向上移动该排气门；和对于每个排气门设置有一个液压管道，用于将相关致动器的液压活塞泵与相关液压致动器相连接，其中与每个液压推杆相连接的设备用于以可控制的方式向相关液压推杆添加或者从该液压推杆去除液压流体。

通过以可控制的方式将液压流体添加到该液压推杆，所述液压阀致动器能够在任意所需时间工作。从而，通过在该凸轮有效工作的时间点之前将液压流体添加到所述管道，能够在由所述凸轮轴上凸轮的轮廓所限定的打开时间之前打开所述排气门。

还能在凸轮的有效工作时间段期间添加液压流体以及在凸轮的有效工作时间段后去除液压流体，以将排气门的关闭延迟到由凸轮轮廓所限定的排气门关闭时间点后的时间点。

所述设备可包括：连接到每个液压推杆的可控制加压液压流体源，和连接到每个所述液压推杆的可控制流体出口。

所述设备可构造成在与相关气缸相关联的凸轮的有效工作阶段之前或期间将一定量的液压流体添加到所述液压推杆。

所述设备可构造成在与相关气缸相关联的凸轮的有效工作阶段之后或期间从液压推杆去除一定量的液压流体。

所述添加的量或所述去除的量可以是可调的。

所述设备可包括构造成将所述液压推杆交替地连接到加压液压流体源或流体出口的电气控制液压阀。

所述设备可还包括位于所述电子控制液压阀和所述液压推杆之间的体积限制器。

所述发动机可进一步包括操作性地耦联到所述排气门的位置传感器，其中所述电子控制液压阀响应于所述位置传感器的信号而受到控制。

所述发动机可进一步包括每个排气门一个用于在关闭方向上迫压该排气门的弹性构件。

所述目的还通过提供一种十字头型的大型两冲程柴油发动机而实现，该大型两冲程柴油发动机包括：多个气缸，每个气缸设置有至少一个排气门；至少一个设置有凸轮的凸轮轴，所述凸轮用于致动与每个气缸相关联的至少一个排气门；每个致动器一个液压活塞泵，所述液压活塞泵由凸轮轴上的相应凸轮驱动；每个排气门一个用于在打开方向上移动该排气门的液压致动器；每个排气门一个液压管道，用于将相关致动器的液压活塞泵与相关液压致动器相连接；与每个气缸相关联的额外的气体交换阀；以及致动系统，其独立于所述凸轮轴而控制所述额外的气体交换阀的打开和关闭。

通过提供能够独立于所述凸轮轴控制的额外的气体交换阀，可以通过在所述排气门之前打开所述额外的气体交换阀和/或在关闭所述排气门后保持所述额外的气体交换阀打开而控制气缸的压缩压力和后坐力。

所述致动系统可电子地控制所述额外的气体交换阀的打开和关闭。

当与所述排气门比较时，所述额外的气体交换阀可相当小。

所述额外的气体交换阀可将相关气缸连接到排出气体容器(receiver)。

所述额外的气体交换阀可相关该气缸连接到换气容器。

所述致动系统可进一步包括操纵性地连接到所述额外的气体交换阀的液压致动器。

所述致动系统可构造为用于控制相关气缸的后坐力和压缩压力。

所述致动系统可构造为用于排他性地控制压缩压力。

根据详细说明，本发明的大型两冲程柴油发动机的其它目的、特征、优点和特性将变得更为明显。

附图说明

在本说明书下面的详细部分中，将参照附图中示出的示例性实施方式更详细地解释本发明，在所述附图中：

图1是根据本发明的发动机的横截面图；

图2是图1中示出的一个气缸部分的纵向截面图；

图3是根据本发明的排气门致动系统第一实施方式的符号表示图；

图4是根据本发明的排气门致动系统第二实施方式的符号表示图；

图5是根据本发明的排气门致动系统第三实施方式的符号表示图；和

图6是根据本发明的排气门致动系统第四实施方式的符号表示图。

具体实施方式

图1和2分别示出了根据本发明优选实施方式的发动机1的横截面图和(一个气缸的)纵向截面图。发动机1是十字头型的单流向低速两冲程十字头柴油发动机，其可以是轮船中的推进系统或者发电厂的原动机。这些发动机通常具有4到14个直列式气缸。发动机1建造在底座2上，底座2具有用于曲柄轴3的主轴承。

曲柄轴3是半组合类型的。该半组合类型曲柄轴由锻造或铸造的钢曲柄制成，其通过冷缩配合连接而连接到主轴颈。

底座2可制成为一件式或者根据生产设备而分成尺寸合适的部分。该底座包括侧壁和具有轴承支撑件的焊接横梁。该横梁在本领域中还被称为“横向桁梁”。油盘58焊接到底座2的底部，并且收集来自于强制润滑和冷却油系统的回收油。

连杆8将曲柄轴3连接到十字头轴承22。十字头轴承22在竖直引导平面23受到引导。

焊接设计的A型支架箱4安装在底座2上。支架箱4为焊接设计。在排气侧，支架箱4设置有用于每个气缸的减压阀，而在凸轮轴侧支架箱4设置有用于每个气缸的大铰接门。十字头引导平面23与支架箱4形成为一体。

气缸支架5安装在支架箱4的顶部上。拉紧螺栓27连接底座2、支架箱4和气缸支架5，并将所述结构保持在一起。拉紧螺栓27由液压千斤顶张紧。

气缸支架5铸造为一件式或多件式，最终带有一体的凸轮轴壳体25；或者其为焊接式设计。根据另一实施方式(未示出)，凸轮轴28容纳在附连到该气缸支架的单独凸轮轴壳体中。

气缸支架5设置有入口盖，用于清洁换气空间并用于从凸轮轴侧检查换气口和活塞环。该入口盖与气缸衬套6一起形成换气空间。换气容器9在其打开侧螺栓连接到气缸支架5。在气缸支架底部，有一个活塞杆填料函，该填料函设置有用于换气的密封环，并设置有刮油环，该刮油环防止排放物渗透到支架箱4和底座2的空间内，并且以此方式保护在此空间内的所有轴承。

活塞13包括活塞冠和活塞裙。活塞冠由耐热钢制成，并具有四个环形沟槽，所述环形沟槽的上下表面经过硬铬涂覆处理。

活塞杆14由四个螺钉连接到十字头22。活塞杆14具有两个轴向孔(图中不可见)，所述轴向孔连通到冷却油管道，形成用于活塞13的冷却油的入口和出口。

气缸衬套6由气缸支架5支承。气缸衬套6由合金铸铁制成，并借助于低定位的凸缘悬伸在气缸支架5中。所述衬套的最上部由铸铁冷却护套环绕。气缸衬套6具有用于气缸润滑的钻孔(未示出)。

气缸为单流向类型并具有换气口7，该换气口位于气箱(airbox)中，该气箱从换气容器9(图1)被供以由涡轮增压器10(图1)增压的换气。

发动机装配由一个或多个涡轮增压器10，对于4-9缸发动机，所述涡轮增压器设置在前端，对于10缸以上的发动机，所述涡轮增压器设置在排气侧。

涡轮增压器10的进气直接从发动机室穿过涡轮增压器的进气消音器(未示出)而形成。空气从涡轮增压器10通过增压进气管(未示出)、空气冷却器(未示出)和换气容器9到达气缸衬套6的换气口7。

发动机设置有电气驱动的换气风机(未示出)。风机的吸气侧在空气冷却器之后连接到换气空间。在空气冷却器和换气容器之间安装有止回阀(未示出)，在辅助的风机提供空气时，该止回阀自动地关闭。辅助的风机在低负载和中等负载条件下帮助涡轮增压器压缩机。

燃料阀40居中地安装在气缸盖12中。在压缩冲程末期，喷射阀40通过其喷射喷嘴将高压燃料以细雾状喷射到燃烧室15中。排气门11在气缸盖12中居中地安装在气缸顶部中。在膨胀冲程末期，排气门11在发动机活塞13向下经过换气口7之前打开，从而燃烧室15中位于活塞13上方的燃烧气体经过通向废气容器17的废气通道16流出，并且燃烧室15中的压力释放。排气门11在活塞13向上运动期间再次关闭。排气门11是液压致动的。

图3示出根据本发明的排气门致动系统的第一实施方式。对于所有的实施方式而言，借助单个气缸对排气门致动系统进行说明。在多缸发动机中，对于每个气缸将是相同的。排气门致动系统包括具有凸轮29的凸轮轴28(仅示出一个)。辊30跟随凸轮的表面行进并连接到容积式泵(positivedisplacement pump)32的活塞。容积式泵32通过管道36连接到排气门致动器34。排气门致动器34作用在排气门11的杆上。气弹簧38也连接到排气门的杆上，并且气弹簧38的压力室中的气体压力在关闭方向上迫压排气门11。当排气门致动器34加压时，其在打开方向上迫压排气门。排气门的位置由连接到发动机电子控制系统的传感器39测量。运行时，凸轮轴28沿着位于标出相关活塞死点位置的标记“TDC”上方的箭头的方向与发动机的曲柄轴一致地转动。凸轮29的轮廓确定容积式泵32的运动。当容积式泵32向上运动时，迫使液压流体通过管道36进入到排气门致动器34中。排气门致动器34迫使排气门11逆着燃烧室及气弹簧38中的压力打开。当容积式泵32向下运动时，气弹簧38迫压排气门和排气门致动器34使之向上移动，从而排气门致动器34中的流体流回到容积式泵32中。在排气门11的打开运动期间传递到排气门致动器34的大部分能量在排气门的返回行程期间通过形成于容积式泵32内的压力而返回到凸轮轴28。从而，打开排气门11所需的液压能量中只有一小部分耗散掉。由凸轮29限定的打开轮廓在曲线图42中由下部细曲线表示。

根据本实施方式的排气门系统还包括3/2阀(两位三通阀)33，3/2阀33的一个口通过体积限制器41连接到管道36。3/2阀33的入口是连接到加压液压流体源49的口，3/2阀33的出口连接到排放管或容器箱。

3/2阀33由电子控制系统电子地控制。运行时，3/2阀33能够在运行循环的所需时间点将一定量液压流体添加到管道36或从其去除。曲线图42示出了通过将液压流体添加到管道36或从其去除而形成的可能性。曲线图42中的上曲线表示当一定量液压流体已经添加到管道36中时排气门11的位置。通过在凸轮29开始起作用前将一定量的液压流体添加到管道36中，排气门11可早于由凸轮29的轮廓所限定的时间打开。通过改变3/2阀33的位置，添加的液压流体量能够在由凸轮29所限定的时间点之前或之后去除。体积限制器41确保添加或从管道36去除的体积的量不会变得过大。如果液压流体的添加量在排气门11由凸轮29的轮廓限定的关闭时间点之前去除，排气门将按照凸轮29所限定的时间点关闭。若液压流体的添加量在排气门11由凸轮29的轮廓限定的关闭时间点之后去除，排气门将在较长一段时间内保持打开。根据本实施方式的排气门致动系统提供了调整特性曲线(profiling)的可能性，即改变排气门11的打开正时和改变排气门11的关闭正时。通过控制3/2阀33，根据本实施方式的排气门致动系统允许在发动机循环期间的任何所需时间在曲线图42的上下曲线之间改变。能够通过改变排气门11的打开和关闭正时而调节气缸的后坐力和压缩压力。用于排气门11的打开和关闭的优化正时/特性曲线的算法和数据存储在电子控制系统中，并根据运行条件和发动机特性而应用。

图4示出了根据本发明的排气门致动系统的第二实施方式，第二实施方式与参照图3描述的实施方式基本上相同，但具有下面的差别。3/2阀由液压控制伺服阀35所替代。所述伺服阀连接到加压液压流体源49并连接到容器箱。伺服阀35由控制阀37液压地控制，该控制阀37由发动机的电子控制系统电气地控制。发动机的电子控制系统使用来自位置传感器39的信号来确定伺服阀35的正确位置。曲线图42示出了由该实施方式能够获得的对打开和关闭排气门11的特性曲线进行改变的可能性。由此实施方式，能够获得上下曲线之间的任何位置，其原因在于，添加到管道36的液压流体量或者从其去除的液压流体量能够自由地选择，而所述量在图3的实施方式中由体积限制器确定。从而，该实施方式在排气门11的打开和关闭的特性曲线方面提供了进一步提高的灵活性。

图5示出了本发明的第三实施方式。在此实施方式中，液压阀致动系统还使用液压推杆系统，该液压推杆系统包括容积式泵32，该容积式泵由管道36连接到液压阀致动器34。然而，在此实施方式中，气缸6设置有额外的气体交换阀46。额外的气体交换阀46与排气门11相比而言相当小，并提供通向排气管道的小开口。额外的气体交换阀46由小液压致动器44打开和关闭，该小液压致动器44由发动机的电子控制系统控制。致动器44的运行完全独立于凸轮轴驱动排气门致动系统的运行。从而，额外的气体交换阀46的打开和关闭正时能够最优地选择为与应用情况一致。通过在由凸轮29限定的用于打开排气门11的时间点之前打开额外的气体交换阀46，能够减小后坐力。通过在由凸轮29限定的用于关闭排气门11的时间点之后保持额外的气体交换阀46打开，能够减小压缩压力。曲线图42解释了此实施方式的调整特性曲线的可能性。连续曲线表示排气门11的运动，虚线表示额外的气体交换阀46的运动。

图6示出了本发明的第四实施方式，第四实施方式与参照图5描述的实施方式基本上相同，但额外的气体交换阀46通过管道47连接到换气容器。从而在此实施方式中，只有压缩压力能够通过额外的气体交换阀调节。曲线42解释了此实施方式的调整特性曲线可能性。连续曲线表示排气门11的运动，虚线表示额外的气体交换阀46的运动。

权利要求中使用的术语“包括”不排除其它元件。权利要求中使用的术语“一”和“一个”不排除多个。

尽管出于解释的目的而已经详细地描述了本发明，但需要理解的是，这些细节仅仅用于解释的目的，本领域技术人员能够在不偏离本发明范围的情况下在其内进行改变。

Claims (16)

1. 一种十字头型的大型两冲程柴油发动机，其包括：

多个气缸，每个气缸设置有至少一个排气门，

至少一个设置有凸轮的凸轮轴，所述凸轮用于致动与每个所述气缸相关联的所述至少一个排气门，

与每个所述气缸相关联的液压推杆，所述液压推杆包括：

每个致动器一个液压活塞泵，所述液压活塞泵由所述凸轮轴上的相应凸轮驱动，

每个排气门一个用于在打开方向上移动该排气门的液压致动器，以及

每个排气门一个液压管道，用于将相关致动器的液压活塞泵与相关液压致动器相连接，

其特征在于，与每个所述液压推杆相连接、用于以可控制的方式向所述液压推杆添加或者从所述液压推杆去除液压流体的设备。

2. 根据权利要求1所述的发动机，其中所述设备包括：连接到每个所述液压推杆的可控制的加压液压流体源，以及连接到每个所述液压管道的可控制流体出口。

3. 根据权利要求1或2所述的发动机，其中所述设备构造成在与相关气缸相关联的凸轮的有效工作阶段之前或期间将一定量的液压流体添加到所述管道。

4. 根据权利要求3所述的发动机，其中所述设备构造成在与相关气缸相关联的凸轮的有效工作阶段期间或之后从液压推杆去除一定量的液压流体。

5. 根据权利要求3所述的发动机，其中所述设备包括电子控制液压阀，所述液压阀构造成将所述液压推杆交替地连接到加压液压流体源或流体出口。

6. 根据权利要求5所述的发动机，进一步包括位于所述电子控制液压阀和所述液压推杆之间的体积限制器。

7. 根据权利要求5所述的发动机，进一步包括位置传感器，所述位置传感器可操作性地耦联到所述排气门，其中所述电子控制液压阀响应于来自所述位置传感器的信号而受到控制。

8. 根据权利要求1所述的发动机，进一步包括：每个排气门一个用于在关闭方向上迫压该排气门的弹性构件。

9. 一种十字头型的大型两冲程柴油发动机，其包括：

多个气缸，

每个气缸设置有至少一个排气门，

至少一个设置有凸轮的凸轮轴，所述凸轮用于致动与每个所述气缸相关联的至少一个排气门，

每个致动器一个液压活塞泵，所述液压活塞泵由所述凸轮轴上的相应凸轮驱动，

每个排气门一个用于在打开方向上移动该排气门的液压致动器，

每个排气门一个液压管道，用于将相关致动器的液压活塞泵与相关液压致动器相连接，

与每个气缸相关联的额外气体交换阀，以及

致动系统，其独立于所述凸轮轴而控制所述额外气体交换阀的打开和关闭。

10. 根据权利要求9所述的发动机，其中所述致动系统电子地控制所述额外气体交换阀的打开和关闭。

11. 根据权利要求10所述的发动机，其中，当与所述排气门比较时，所述额外气体交换阀相当小。

12. 根据权利要求10所述的发动机，其中所述额外气体交换阀将相关气缸连接到排出气体容器。

13. 根据权利要求10所述的发动机，其中所述额外气体交换阀将相关气缸连接到换气容器。

14. 根据权利要求10所述的发动机，其中所述致动系统还包括以可操作的方式连接到所述额外气体交换阀的液压致动器。

15. 根据权利要求9所述的发动机，其中所述致动系统构造为用于控制相关气缸的后坐力。

16. 根据权利要求9所述的发动机，其中所述致动系统构造为用于控制压缩压力。

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