CN101487405B - 一种十字头型大型两冲程柴油机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种十字头型大型两冲程发动机(1)，其中通过设置与每个排气门(11)相关联的液压致动器(19)而以高压液压流体液压地致动所述排气门(11)。燃油或者重燃油能够用作液压流体。本发明还涉及用于在这种发动机(1)中使用的控制阀(25)、用于在这种发动机(1)中使用的液压系统和用于在这种发动机(1)中使用的液压致动器(19)。

Description

一种十字头型大型两冲程柴油机

本申请是2005年2月2日递交的、申请号为PCT/EP2005/001040、国家申请号为：200580047586.6、发明名称为“具有液压致动排气门的大型两冲程柴油发动机”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及十字头型的大型两冲程柴油机，其中通过向与每个排气门相关联的液压致动器提供高压液压流体而液压地致动所述排气门。

背景技术

十字头型的大型两冲程柴油机通常用于船舶推进装置以及用作发电厂的原动机。这些内燃机不仅因为其整体尺寸而构造得与任何其它内燃机不同。两冲程原理和使用在50℃时粘度低于700cSt的重燃油(该燃油在室温时不流动)，使得它们在发动机领域中自成一类。

在许多这种类型的传统发动机中，排气门和燃料喷射系统由直接耦联到发动机曲轴的转动凸轮驱动。两冲程发动机使用换气口来控制气缸的进气，因而进气正时刚性地与曲柄角度相关。这只是使得排气门和燃料喷射的控制更为灵活。

对于这种发动机的燃料消耗、可靠性和动力输出的要求极高。近来，环境要求已经导致要求降低废气排放。为了满足这些有时相互矛盾的要求，相对于传统的转动凸轮驱动式排气门和燃料喷射器，需要对燃料喷射正时和喷射量进行全面的和灵活的控制，以及需要对打开和关闭正时以及排气门的开度进行全面的和灵活的控制。

由于这种发动机的尺寸，电气致动器不能用于操纵排气门。在最大的这种发动机中，这种排气门可重达450Kg。

MAN B&W Diesel公司的ME发动机系列是具有电液控制式排气门和电液致动式燃料喷射系统的十字头型大型两冲程柴油机。液压系统以来自发动机润滑系统的油工作。润滑油系统由3-4巴的低压泵操作。另一个高压类型的泵以约200巴的压力将润滑油输送到共轨。来自于共轨的润滑油通过液压阀被引导到燃油增压器，燃油增压器将共轨重的200巴压力增加到燃料管线中所需要的1000巴压力。燃料管线被加热到90-150℃以确保燃油能够流动并且具有合适的粘度。来自于共轨的润滑油通过正时阀被引导到液压排气门致动器以操作排气门。

然而，来自于这些发动机的润滑系统的润滑油并不是干净得足以用于共轨液压系统中。从而需要过滤润滑油，以在其能够被泵送到共轨之前去除5-10μ之上的任何颗粒。

Sulzer RT-flex系列发动机是具有电液控制式排气门和电液启动式燃料喷射系统的十字头型大型两冲程柴油机。用于气门致动的液压系统以专用液压油操作。润滑系统完全与液压系统分开。

EP 1130251公开了一种用于提供在大型两冲程柴油机中使用的共轨系统的蓄能器的泵装置，该泵装置具有：至少两个泵，用于将流体输送到蓄能器中；和中间蓄能器，用于缓冲动力压力部件，其中每个泵经由单独的泵管线连接到所述中间蓄能器。能够使用三个泵和管线，所述管线具有在端部处连接到所述中间容器的止回阀。对燃料从共轨到各个气缸的流动进行控制的阀是简单的开/关阀。

DE 10311493公开了一种大型两冲程柴油机，其具有至少一个气缸，所述气缸设置有排出口，控制该排出口的活塞以可滑动的方式容纳在其中。出口阀由液压致动器致动而关闭排气出口、以及由液压致动器和燃料喷射泵所共用的比例阀。该比例阀具有一个连接到高压流体源的入口和两个连接到液压致动器和燃料喷射泵的出口。

EP 1471236公开了一种用于汽车发动机的燃料供应系统和燃料供应方法。为了在如同所需要的那样高的燃料压力下在从启动到自维持运行的运行范围内通过充分膨胀而进行燃料喷射，用于燃料直喷型内燃机的燃料供应燃料系统设置有高压燃料泵以直接将已经由高压燃料泵加压的燃料从喷射器喷射到发动机的燃烧室中。电动马达设置成辅助驱动高压燃料泵。在发动机启动时，通过例如电动马达的辅助动力装置执行驱动高压燃料泵或者帮助驱动高压燃料泵。

GB 2102065公开了一种气动偏置装置，其包括由于阀打开而被压缩的气体体积。被压缩的气体体积作用在固定到阀杆的帽上，以在阀杆的纵向上施加一个力，从而将阀偏置到其关闭位置，其中阀头被挤压而靠住阀座。

WO0012895公开了一种用于使正在进行关闭运动的直线移动阀减速的系统。该系统包括壳体、设置在所述壳体中的第一液压流体室、和用于根据供应到所述第一液压流体室中的液压流体而移动该阀的从动活塞。阀的减速可以通过选择性地节流从第一室释放到第二室的液压流体而实现。第二室中的液压流体抵抗阀的关闭运动，从而使其逐渐变慢以实现阀的就座。逐渐的节流用于在就座期间在第二室内保持几乎恒定的液压。逐渐的节流可通过选择合适的节流孔的尺寸和形状以及合适的用于孔的节流分布而实现。

US 2002/0184996公开了一种致动器，其包括气缸、第一、第二和第三开口、致动活塞、控制活塞和控制弹簧。该气缸限定了纵轴线并包括第一和第二端。第一开口与所述气缸的第一端连通，第二开口与所述气缸的第二端连通，第三开口与所述气缸在第一和第二端之间连通。致动活塞设置在气缸中并且可沿着纵轴线在第一和第二方向上运动。致动活塞包括第一和第二侧。控制活塞也设置在气缸中并且可沿着纵轴线在第一和第二方向上运动。控制活塞包括第一和第二侧，该控制活塞的第一侧朝向致动活塞的第二侧。控制弹簧在第一和第二方向的至少其中一个方向上偏置该控制位置。还提供了控制该致动器的方法。

发明内容

基于上述背景，本发明的目的是提供一种十字头型大型两冲程柴油机，所述十字头型大型两冲程柴油机在发动机停止时具有改进的液压系统流通。

该目的通过提供一种十字头型大型两冲程柴油机而实现，所述十字头型大型两冲程柴油机包括：曲轴箱支架，其支撑曲轴和安装在所述曲轴箱支架上的气缸支架；多个气缸，其由所述气缸支架支承，每个气缸设置有至少一个燃料喷射器及至少一个排气门；燃料共轨；和高压燃料泵，其在发动机运行期间在高压下将燃料供给到所述燃料共轨；与每个气缸相关联的、用于将燃料从所述共轨输送到相应喷射器的供给管道和阀装置；所述高压燃料泵在发动机运行期间由所述曲轴机械地驱动并在发动机停止期间由电动马达电气地驱动，以在低压下使得燃料穿过所述供给管道和/或所述共轨和/或穿过以燃料运行的其它发动机部件而循环。

通过使用高压泵作为高压源以及低压源而在发动机停止期间提供循环，部件数目得以减少，从而使得整体构造和维护成本更具有竞争性。

本发明的另一目的是提供一种液压致动换气阀，其用于具有改善的空气弹簧的内燃机。

该目的通过提供一种用于内燃机的液压致动换气阀而实现，所述液压致动换气阀包括：静止阀体；换气阀，其能够在就座位置和非就座位置之间移动，并包括长形阀杆，该长形阀杆一端具有阀头，在相对端上具有自由末端；液压致动器，所述液压致动器包括作用在所述阀杆的自由末端上的活塞，用于在所述液压致动器被供应以加压液压流体时将所述阀迫压到非就座位置；气动弹簧，其将所述阀迫压到所述就座位置，所述气动弹簧包括：缸，其固定到所述阀杆，所述缸在朝向所述阀杆的自由末端的方向上封闭，在朝向所述阀头的方向上敞开；及匹配的静止活塞，其容纳在所述缸中，所述活塞固定到所述阀体并且与所述缸一起形成用于所述气动弹簧的弹簧室。

所述空气弹簧的构造减少了来自于所述致动器的液压介质进入所述弹簧室的机会。

本发明的另一目的是提供一种用于内燃机的改进液压致动换气阀。

该目的通过提供一种用于内燃机的液压致动换气阀而实现，所述液压致动换气阀包括：静止阀体；换气阀，其能够在所述阀关闭的就座位置和所述阀打开的非就座位置之间移动，并包括长形阀杆，该长形阀杆一端具有阀头，在相对端上具有自由末端；液压致动器，所述液压致动器包括作用在所述阀杆的自由末端上的活塞，用于在所述液压致动器被供应以加压液压流体时将所述阀迫压到非就座位置；气动弹簧，其将所述阀迫压到所述就座位置，其中所述阀在所述打开方向上的行程长度由所述液压致动器和所述空气弹簧的反向力的平衡而确定。

从而，所述致动器不需要在所述打开行程的末端设置行程末端限位器，并且不需要在所述打开行程的末端突然切断高压液压流体的供应。不设置行程末端限位器降低了机械载荷和振动，同时不急剧切断高压液压流体避免了潜在的具有破坏性的液压冲击波。

本发明的另一目的是提供一种用于内燃机的换气阀的液压致动器，其能够在大的温度范围内精确地运行。

该目的通过提供一种用于内燃机的换气阀的液压致动器而实现，所述液压致动器包括：静止缸，其具有近端和敞开的远端，并包括能够经由阀装置交替地连接到高压液压流体源或连接到回流管线的压力室；活塞，其具有容纳在所述主压力室中的近端和作用在所述阀的阀杆的自由末端上的远端，用于在所述压力室连接到所述高压液压流体源时将所述阀迫压到非就座位置，所述活塞包括第一部分和第二部分，所述第一部分从所述远端朝向所述近端延伸，并且所述第二部分设置在所述近端处，所述第二部分以可滑动的方式接合所述第一部分，从而形成所述第一部分和所述第二部分之间的补偿室；弹簧装置，其迫压所述第一部分和第二部分使之彼此远离，从而使所述补偿室扩大；第一流动路径，其位于所述补偿室和所述压力室之间，所述第一流动路径仅在所述第二部分在所述气缸的近端处位于小的预定的轴向范围内时打开，以允许过量的液压流体从所述补偿室排出；第二流动路径，其位于所述补偿室和所述压力室之间，所述第二流动路径允许所述补偿室在所述弹簧装置的作用下重新填充。

所述补偿室确保所述致动器活塞将总是在轴向范围内的位置处启动，这导致返回到合适的位置，其中所述阀头精确地位于所述阀座上。轴向范围内的位置取决于所述补偿室在打开期间或者在关闭期间的体积变化。这些体积变化在所述循环的两个部分期间能够是正的或者负的。

本发明的另一目的是提供一种用于内燃机的换气阀的液压致动器，所述液压致动器能够克服打开过程中开始时的大反作用力，并且一旦所述换气阀打开，将在打开方向上输送受控制的力。

该目的通过提供一种用于内燃机的换气阀的液压致动器而实现，所述液压致动器包括：静止缸，其包括能够经由所述缸中的第一开口交替地连接到高压液压流体源或连接到回流管线的压力室；活塞，其容纳在所述压力室中并作用在所述阀的阀杆自由的末端上，用于在所述压力室连接到所述高压液压流体源时将所述阀迫压到非就座位置，所述活塞能够在所述阀就座的伸出位置和所述阀打开的伸出位置之间轴向地移动，所述活塞具有第一有效面积，当所述活塞位于所述缩回位置和预定的中间位置之间时，所述压力室中的所述加压液压流体作用在所述第一有效面积上而朝向所述伸出位置迫压所述活塞，，所述活塞具有小于所述第一有效面积的第二有效面积，在所述活塞位于所述中间位置和所述伸出位置之间时，所述压力室中的所述加压液压流体作用在所述第二有效面积上而朝向所述伸出位置迫压所述活塞。

所述第一和第二有效活塞面积的共同作用，即所述活塞的由所述高压加压流体作用的总体面积使得在所述换气阀的打开运动的第一部分期间产生大的致动力，而所述第二有效活塞面积的作用单独地在所述换气阀的打开运动的其余部分进行了良好的控制。

通过下面的详细说明，所述大型两冲程柴油机的另外的目的、特征、优点和特性及其操作方法将会变得更为明显。

附图说明

在本发明下面的详细说明部分中，将参照附图示出的示例性实施方式更详细地说明本发明，其中

图1示出具有气缸盖的两冲程十字头发动机中气缸轮廓的主视图，

图2示出图1所示发动机中的气缸轮廓的横截面图，

图3是图1中示出的液压和润滑系统的示意图，

图4是图3中示出的液压和润滑系统的示意图的另一实施方式，

图5示出这里使用的压力管的横截面图，

图6是另一横截面图，示出这里使用的替代压力管，

图7是图2中气缸的液压制动式排气门的第一实施方式的纵向截面图，其中阀就座并且活塞在其缩回位置，

图8示出根据本发明的排气门致动器的典型打开曲线，

图9以更大的比例示出图7所示致动器的横截面图，其中活塞位于部分延伸的位置，

图10示出与图9同样的视图，其中活塞在缩回位置并且活塞帽在其轴向范围内位于最高位置，

图11是致动器的上部的详细视图，其中活塞大致处在缩回位置并且活塞帽大致处在其轴向范围的最高位置，

图12是致动器的上部的详细视图，其中活塞处在缩回位置并且活塞帽大致处在其轴向范围的最低位置，和

图13是致动器的上部的详细视图，其中活塞处在缩回位置并且活塞帽大致处在其轴向范围的中间位置。

具体实施方式

图1示出根据本发明的发动机1。该发动机是低速两冲程十字头柴油机，其可以是船舶中的推进发动机或者电厂中的原动机。这些发动机通常具有6到16个直列式气缸。该发动机造在具有用于曲轴3的主轴承的底座2上。该底座根据可用的制造设备而分成具有合适尺寸的部分。焊接设计式的A型曲轴箱支架4安装在所述底座上。气缸支架5安装在曲轴箱支架5的顶部上。拉紧螺钉(未示出)将底座连接到气缸支架并将所述结构保持在一起。气缸6由气缸支架5承载。

图2示出内燃机的气缸6。气缸6为单向流动的类型并且具有位于空气箱8中的排气口7，该空气箱从废气接收装置9(图1)被供以由涡轮增压器10(图1)增压的废气。未示出的十字头将活塞杆14与曲轴3(图1)连接起来。

排气门11在气缸盖12中居中地安装在气缸的顶部上。在膨胀冲程的末期，排气门11在发动机活塞13向下经过废气口7之前打开，由此，活塞13之上的燃烧室中的燃烧气体通过通向废气接收装置17的排气通道16流出，并且燃烧室15中的压力释放。排气门11在活塞13向上运动期间在可调节的时刻再次关闭，该时刻可以例如取决于随后的燃烧所需要的有效压缩比。在此关闭运动期间，排气门由气动弹簧18向上驱动。

考虑到阀11的耐久性以及考虑到对燃烧室中状态的有利、精确控制，进而考虑到发动机的效率，可以有利地非常精确地控制排气门11。

排气门11借助液压驱动致动器19打开。液压流体(燃料)通过压力管道20供应，该压力管道将致动器19上的入口连接到由控制台22支撑的分配块21的上表面上的控制口。回流管道43将致动器19上的出口连接到分配块21的上表面上的回流口。

每个气缸6设置有由环形管道(未示出)连接的两个或三个喷射器23(仅示出一个)。燃料从分配块21经由供给管道24供应到喷射器23。喷射器23经由回流管道49连接到分配块21上的回流口。

控制台22连接到通向供应管线的回流管道并连接到燃料共轨(图3中为40，图2中未示出)。

分配块21承载比例控制阀25，比例控制阀25控制分配块21顶部上的口与回流管道(图3中为43)以及控制台22中的燃料共轨40(图3)(未示出)的连接。

在控制台22中，从燃料共轨40分支的通道41(图3)将加压液压流体传送到比例控制阀25上的入口。

燃料共轨40(图3)中的燃料用作液压流体来驱动阀致动器19并给喷射器23供应燃料。共轨40中的压力根据例如运行速度和负载条件的发动机1的运行状态而变化。典型地，燃料共轨40中的压力在600巴到2000巴之间变化。

发动机1的每个气缸5与电子控制单元26相关联，该电子控制单元通过线缆27接收总的同步和控制信号，除此以外，还通过线缆28将电子控制信号传送到比例控制阀25。可以对于每个气缸设有一个控制单元26，或者几个气缸与同一个控制单元(未示出)相关联。控制单元26还可从所有气缸共用的总体控制单元(未示出)接收信号。

参照图3，以框图的形式示出了发动机1的液压系统和润滑系统。液压系统用作燃料喷射系统并用作排气门致动系统。

润滑系统包括润滑油箱、过滤器和电气驱动低压泵。润滑系统与液压系统完全分开。

液压系统以燃料运行，典型地为HFO(水乳化的和水不乳化的)。水经常乳化到HFO中，以降低NOx排放。该乳化发生在单独的乳化单元中(未示出)。用于发动机运行的燃料存储在加热箱29中。使用的燃料通常被称为重燃油(HFO)，其在50℃时粘度为500-700cSt，并且在室温下不能流动。箱中的HFO基本上在所有时间都保持在约50℃，即在发动机停止期间也是如此。典型地，具有这种类型的发动机的轮船设置有发电机组(Genset)，即在主发动机停止期间向轮船和主发动机提供电力和热量的小型柴油机。

HFO从加热箱通向过滤器或离心机30，并通向预加热器31。根据HFO的运行状态和等级来控制离开预加热器31的HFO的温度。在发动机停止期间，当HFO在液压系统中以低压流通时，HFO的温度保持在45-60℃的范围内。在发动机运行期间，根据HFO的粘度，将离开预加热器31的HFO的温度保持在90-150℃之间。传感器(未示出)测量紧挨着预加热器31的下游处(或其它合适位置)的HFO的粘度。离开预加热器31的HFO的温度典型地被控制为使得在测量点处的粘度在10-20cSt的范围内。

叉形中间管道32将预加热器连接到高压燃料泵33和辅助低压流通泵34。在每个泵的管道下游设置止回阀35，以防止反吸。

在发动机运行期间，高压燃料泵33由曲轴3上的齿轮33经由齿轮37驱动。从而，高压燃料泵33产生1000-1500巴的额定压力，但是该压力可根据运行条件在600-2000巴之间波动。

在发动机停止期间，辅助低压流通泵34由电动马达38驱动。由此，传递约3-10巴的压力，以在发动机停止期间使HFO在液压系统中流通。

燃料共轨40沿着所有气缸延伸，并且与图3中未示出的气缸6的连接由从该共轨伸出的短竖直线表示。

图3中示出的气缸6通过供应管道41而被供以HFO，供应管道41从共轨40分支并通向比例控制阀25的入口。供应管道41设置有多个流体蓄能器42，其在比例控制阀25打开时输送大部分流体，并且在比例控制阀25关闭时从共轨40后供给(post-feed)。

压力管道20将比例控制阀25的两个出口中的一个连接到液压致动器19的入口。供给管道24将这两个出口中的另一个连接到喷射器23。比例控制阀25上两个控制口通过分配块中的通道连接到分配块的上表面上相应的排出口。比例控制阀25还具有两个出口，连接到用于用过的液压流体(HFO)的回流管道43。

比例控制阀25是具有三个位置的电磁驱动伺服阀。电磁铁44经由电线28从控制单元26(图2)接收控制信号。电磁铁44安装到比例控制阀25的壳体，其间设置有陶瓷板45，以使电磁铁44与比例控制阀25绝热，比例控制阀25在发动机运行期间可能会达到超过150℃的温度。该构造防止敏感的电磁铁44过热。根据另一实施方式(未示出)，电磁铁44通过绝热垫片连接到阀体。

在中央位置，其中电磁铁44不起作用，比例控制阀25的两个入口封闭，且比例控制阀25的两个出口连接到回流管道43。当电磁铁启动而将滑阀(valve spool)推到左侧(图3中的左侧)时，比例控制阀的入口连接到压力管道20，高压HFO被传送到该压力管道20，使得致动器19打开排气门11。在该位置，供给管道24连接到回流管道43。当电磁铁44启动而将滑阀推到右侧(图3中的右侧)时，比例控制阀25的入口连接到供给管道24，高压HFO被传送到该供给管道24，使得喷射器23将燃料喷射到燃烧室15中。在此位置，压力管道20连接到回流管道43。燃料喷射正时、所喷射燃料的体积以及喷射图(injectionpattern)的形状由比例阀控制。根据另一优选实施方式，(未示出的)燃料从燃料共轨到喷射器的流动由开/关阀控制。该开/关阀可以是与对流进流出液压致动器的流动进行控制的阀相独立的阀。

对流进流出致动器的流动进行控制的独立的阀还可以是开/关阀。

传统的燃料限制器46放置在压力管道24中，以在比例控制阀错误地打开过长时间时，避免过量的HFO进入气缸。

回流管线43中的压力保持过压几个巴，以避免空气渗透到液压系统中，并防止调水乳化HFO中的水形成蒸汽泡。在回流管道43下游端部处的压力控制阀47确保预定的最小化的过压保持在回流管道43中。回流管道43中的过压优选地为3-10巴。蓄能器或膨胀容器48连接到回流管道43，以吸收在比例控制阀25改变位置时可能会出现的压力波动。

第二回流管道49将喷射器23的出口连接到回流管道43。在压力控制阀47的下游处，回流管道43将用过的HFO供给到预加热器31，以完成该循环。

将HFO从预加热器31的出口传送到共轨40并从共轨40经由比例控制阀25传送到液压阀致动器19和喷射器23的管道设置有由图3中示出的加热线圈表示的加热装置。该管道能够在其全长上例如由蒸汽保温加热器或由电加热元件所加热。这些管道的加热用于减小热的HFO从预加热器向下游移动时的热量损失。在发动机运行期间，朝向喷射器和液压阀致动器的管道中的HFO的温度保持为接近150℃，然而这取决于所使用HFO的粘度。在其长度的一部分上平行延伸的相邻管道例如压力管道20和供给管道24能够设置有共用的加热装置(未示出)。

回流管线43和49也设置有如上所述同样类型的加热装置。在回流管线中HFO的温度是不那么关键的，并且加热装置调节为确保HFO的温度不会低于50℃。

在发动机停止期间，HFO在循环泵34的作用下而穿过液压系统流通(以3-10巴的较低压力)，以避免空气进入液压系统，并避免HFO局部冷却和硬化。在发动机停止期间，离开预加热器31的油的温度设定在约为50℃，以避免HFO固化。

在流通期间，为了既到达喷射器23又到达液压致动器19，比例控制阀周期性地改变位置。根据另一实施方式，该比例控制阀设置有第四旁路位置(未示出)。在该位置，比例控制阀同时通向喷射器和液压阀致动器。根据另外一个实施方式(未示出)，设置单独的旁路阀，其允许HFO从共轨同时地流到喷射器和液压阀致动器。

加热压力管道20设置有装置，以使得该管道可以在从流通期间的50℃到发动机运行期间的约150℃的温度范围内运行。在发动机停止并且HFO的温度从约50℃升高到约150℃后，热膨胀使得压力管道20的长度增加，反之亦然。

如图5所示，压力管道20设置有一个或多个U形部分50，其能够通过U形部分的柔性而吸收在不同运行温度时长度的差异。可替代地，或者结合起来，需要在低温和高温下运行的压力管道20以及其它管道的部分可以在两个托架51和52之间轴向自由地悬伸，如图6所示。每个托架包括衬套53，衬套53中容纳压力管道20的一端，使得压力管道20在径向上固定但在轴向上是可移动。由铸铁、钢、聚四氟乙烯(PTFE)、氟橡胶、(FPM)、共聚物(NBR)、腈橡胶、聚(二甲基硅氧烷)(SI)或类似材料制成的O形圈54或类似垫圈确保管道端部和衬套之间基本上密闭的密封。施加在管道20的相对的两个自由端上的压力彼此平衡。管道20长度的轴向变化由其轴向自由悬伸的管道端部所吸收。

液压系统中的垫圈从铸铁、钢、聚四氟乙烯(PTFE)、氟橡胶、(FPM)、共聚物(NBR)、腈橡胶、聚(二甲基硅氧烷)(SI)、其混合物或类似材料中选择，以确保液压系统的部件之间基本上密闭的密封。具体的垫圈在下面参照图9来描述。

图4示出了液压系统的另一优选实施方式。该实施方式基本上与图3中示出的实施方式相同，然而，高压泵33还在发动机停止期间用作使HFO流通的低压泵。这里，由中央控制单元控制的离合器56设置在齿轮37和高压泵33之间。在发动机运行期间，离合器56接合，并且高压泵33由曲轴3驱动。在发动机停止期间，离合器56脱开接合。由中央控制单元控制的另一离合器55设置在高压泵33和电动马达38’之间。离合器55在发动机运行期间脱开接合，在发动机停止期间接合。电动马达38’在发动机停止期间驱动高压泵33，但是比其在发动机运行期间的运行速度低得多，以提供足够的液压压力用于HFO以3-10巴的压力流通。

下面将参照图7-11详细地描述致动器19和气动弹簧18的优选实施方式。

排气门11具有从阀头58竖直向上延伸的杆57，并且杆57的上端对稳固地安装在阀杆57上的缸59进行支撑，从而形成压力密封并在静止活塞60上纵向可以移动。静止活塞60是弹簧壳体61的一部分。在静止活塞60上具有连接到加压空气供应装置(未示出)的弹簧室62，该加压空气供应装置保持弹簧室62填充以例如4.5巴过压的预定最小压力的加压空气。也可使用其它气压，例如3-10巴。最小压力根据气动弹簧所需的弹性特征来选择。可以将多个不同缸上的弹簧室互联，但是优选地，每个弹簧室由加压空气供应装置处的止回阀63单独地切断。弹簧室62中的加压空气在缸59上产生持续的向上的力。该向上的力在缸59向下移动时增加，并且挤压弹簧室62中的空气，止回阀63防止弹簧室62中的空气流出。

弹簧壳体61限定了绕着气动弹簧18并位于其上的腔64。腔64连接到排出部65，使得该腔具有大气压。从致动器19泄漏的任何油将进入腔64，并经由排出部65排出。该弹簧构造成使得泄漏油难以进入弹簧室62，因为缸59形成为伞状，其迫使泄漏油在其上流过并向下到达腔64的底部，而不会存在进入弹簧室62的风险。这是非常重要的，因为当泄漏油试图穿过甚至进一步进入气动系统时，泄漏油(HFO)能够聚集并在弹簧室内硬化或者阻塞气动管道。

参照图7和9，液压阀致动器19由缸66构造，该缸由壳体61的顶部支撑。活塞67容纳在缸66的中央孔中。该中央孔在缸66的顶部处封闭，并在缸66的底部处敞开。该中央孔与壳体61中的孔68同轴地设置。活塞67的上(近)端容纳在该中央孔中，而活塞67的远端作用在阀杆57的顶部上。

主压力室69限定缸66和活塞67的顶部之间。液压流体(HFO)经由开口70供应至液压阀致动器及从液压阀致动器排出。开口70通入到中间压力室71，该中间压力室设置在主压力室69之下并限定于缸66和活塞67的中间部分之间。开口70由比例控制阀控制而交替地连接到压力管道20和回流管道43，该比例控制阀在此视图中示例性地示出为开/关阀25’，尽管也能替代地使用比例阀。辅助压力室73限定于活塞67的直径加大部分74和中央孔的相应直径加大部分之间。可选地，垫圈68’能够设置在直径加大部分74和缸66之间，以减小进入腔64的泄漏油的量。在液压致动器19的打开行程的第一部分期间，辅助压力室73经过由活塞67的凹口75形成的轴向通道75被供以来自中间室71的高压HFO。在打开行程期间，在预定的中间位置轴向通道75由缸67上的控制凸缘76关闭。同时，开口77将辅助压力室73连接到回流管线43，因为直径加大部分74的上边缘现在位于开口77的上边缘之下。从而，直径加大部分74帮助克服在液压致动器19的打开行程的第一部分期间由燃烧室15中的压力施加在阀头58上的较大的力。在活塞67的预定的中间位置，到辅助室73的高压流体的供应中断，并且该辅助压力室经由开口77排空。现在燃烧室15中的压力下降，并且不再需要直径加大部分74的作用。

图8示出了排气门的典型打开曲线图。在阶段I中，打开运动的开始段需要从液压致动器19得到较大的力，以克服燃烧室15中的压力，并用于使较重的排气门11加速。在此阶段中，液压致动器19必需提供最大的力。然而，应该避免由于控制阀25或25’的快速打开而产生的液压冲击波。在阶段II，排气门11到达完全打开的位置，并且在此阶段，排气门11应该逐渐地变慢而停止，优选地，不会与其它物体彼此抵靠。在阶段III中，排气门11的返回运动应该轻柔地开始，应该避免由于控制阀25或25’的急剧打开和关闭而引起的液压压力波。在阶段IV末期，阀头58逐渐和精确地降落在阀座上是最为关键的，因为金属物体将彼此抵靠。从而至关紧要的是，排气门11和活塞67逐渐地变慢，从而使巨大的加速力最小化，并避免阀头撞击在阀座上。排气门11合适的打开曲线能够根据本发明以多种方式获得。一种方式是通过使用用于排气门的简单液压致动器，例如液压缸(未示出)与比例控制阀的合适控制相结合，从而使得比例控制阀的基本上排他性的打开程度确保了由致动器施加在排气门上的合适的力和阻力用于获得合适的打开曲线。另一种方法是通过使用这里描述的液压致动器和阀弹簧，其具有固有特性，使得用于排气门的合适的打开曲线能够通过开/关控制阀而获得。具有固有特性的致动器也能与比例阀结合。

当排气门将要打开并且比例控制阀25将高压流体供应到开口70时，并且使得主要加压室、中间加压室和辅助加压室加压。主要加压室和辅助加压室的高压液压流体使得活塞被向下压。

活塞67(第一活塞部分)设置有活塞帽78(第二活塞部分)。活塞67的上部(近端)以可滑动的方式接合活塞帽78，从而在活塞67和活塞帽78之间形成补偿室79。根据优选实施方式，活塞帽78套在活塞67的顶部上。然而，活塞帽78也可设置成配合在活塞67的顶部内(未示出)。弹簧80迫压活塞67和活塞帽78使之彼此远离，从而扩大补偿室79。第一流动路径设置在补偿室79和主压力室69之间。第一流动路径包括阀构件81，阀构件81配合在活塞帽78的顶部中的容纳孔内。弹簧80向上朝向活塞帽78迫压阀构件81。根据另一实施方式(未示出)，可设置单独的弹簧用于向上迫压活塞帽78和阀构件81。这允许施加到任一元件上的力可以彼此独立地调节。

阀构件81设置有轴向孔82和两个径向孔83和84，这些孔连接补偿室79和主压力室69，除非阀构件81在容纳孔内位于其上部位置。在该上部位置(图9和12)，孔84的打开由容纳孔的壁所阻止，从而第一流动路径被关闭。第一流动路径用于在活塞67位于其上部位置时允许过量的液压流体从补偿室79溢出，并且活塞帽78由于补偿室79中液压流体的量过多而设置为比所需要的那样更为靠近主压力室69的顶部。在此情形下(图10和11)，阀构件81抵靠缸66的端部表面，并且阀构件81相对于活塞帽78向下移动，从而打开第一流动路径，使得补偿室79能够排空，直到阀头58靠在阀座上。从而第一流动路径仅在活塞部件在缸66的上(近)端处位于小的预定轴向范围内时才打开。

第二流动路径位于补偿室79和中间压力室71之间。根据优选实施方式，第二流动路径由活塞67和活塞帽78之间的环形缝隙85形成。由于环形缝隙85较窄，第二流动路径具有相对高的流阻。第二流动路径允许补偿室79在弹簧80的作用下被填充。通过选择用于弹簧80的力以及流动路径85的阻力的合适特征而获得补偿室的合适填充规律。

具有高流量限制(flow restriction)的换气管道86设置在缸66的顶部，并将由阻尼室87形成的主压力室69的顶部连接到回流管道43。

活塞帽78具有轴向锥形的外周，其直径朝向活塞顶部逐渐增加。锥形部分与向内突出的环形凸缘88配合，环形凸缘88在开口70通向中央孔的位置处恰好上方处而从中央孔延伸。锥形部分与环形凸缘88一起形成狭窄的环形缝隙89，环形缝隙89的尺寸随着活塞的位置而变化。液压流体必需穿过该环形缝隙89而被压缩，从而从中间压力室71流动到主压力室69。这使得中间压力室71和主压力室69之间产生压降。该压降在环形缝隙89的尺寸变小时升高，并且随着流率增加而逐渐增加，从而有效地防止活塞67到达高速。锥形部分的尺寸使得环形缝隙89朝向打开行程的末端而较小。朝着所述行程的末端，活塞67的速度从而有效地受到限制，即使液压流体的供应压力比较高。锥形部分在图9-11中示出，其具有略微向外弯曲的轮廓，但是其它轮廓例如截头圆锥、略微向内弯曲的轮廓、两者的结合形式、或任何需要的预定轮廓也是可能的。这种轮廓可以通过测试方法、计算机仿真方法或分析方法而确定，所述方法表示在行程的每个位置流量限制应该有多大，以使阀致动器具有最优的动力特性。然后，可相应地构造锥形部分。

致动器19的向下的力和空气弹簧18的向上的力在向外行程的末端达到平衡，即活塞67和排气门11将由于它们自身而停止，如图8的阶段II所示。既不需要切断高压HFO的供应，也不需要行程限制器来停止活塞和排气门。由于HFO的供应不需要突然切断，从而没有液压冲击波，否则的话，所述液压冲击波将压迫整个液压系统。没有行程限制器，从而使得机械载荷和冲击更低。

供应到液压致动器19的HFO的压力以及供应到空气弹簧18的空气的压力被控制为确保排气门11到达合适的打开位置。致动器19和空气弹簧18的尺寸设置为使得它们在打开位置容易地平衡反向的力。

在活塞67接近完全打开位置时，凸缘88和活塞帽78的锥形部分之间的流动路径变窄。窄的缝隙对于活塞67的运动具有阻尼效应，从而活塞在打开位置停止，而几乎没有或者根本没有冲击以及随后的振动。

活塞67在空气弹簧18的作用下返回到缩回位置。液压致动器19在缸66的顶部(在近端)以阻尼室87的形式设置有行程末端阻尼。活塞帽78顶部的尺寸形成为与阻尼室87以微小间隙配合，并且当第二活塞部分78的顶部插入到阻尼室中时，在返回行程中，通过迫使液压流体穿过由环形缝隙90形成的微小间隙流出阻尼室87，从而吸收活塞67和排气门11的大部分动能，并且阀头58轻柔地座落在阀座上。

通过根据主压力室69在活塞67的各个位置所需要的压力而改变锥形部分的设计而调节开口70和主压力室69之间的流动路径的流阻。液压阀致动器19从而能够与具有变化压力的高压源良好地配合。相对低的供应压力将导致较低的阀加速度。因此，电子控制单元26连续地改变阀门打开的正时以及长度，以补偿高压液压流体供应中的压力变化。当供应压力较低时，电子控制单元26将指示比例控制阀25较早地打开并保持打开较长一段时间，以确保排气门打开足够长，以合适地排出燃烧室中的气体，并且当供应压力较高时，反之亦然。

缸66包括通气和再循环管道86，由此温热的液压流体能够穿过致动器而流通并返回到回流管道43中。这有利于在发动机不运行时将阀保持在运行温度，并且这还能够有效地去除空气。

液压阀的运行

在排气门11的关闭位置，活塞帽78所处的位置为：其顶部位于阻尼室87内侧且位于阀构件81所允许的位置范围内。图10示出了活塞帽87的最高可能位置，其中第一流动路径打开，图12示出了活塞帽78的最低可能位置，其中阀构件81关闭。在位置范围内，在活塞帽78的顶部以及阻尼室87的壁之间总是存在一个狭窄的环形缝隙90。

排气门11通过从比例控制阀25(根据另一实施方式，例如开/关阀25’或伺服阀的其它类型的阀能够用于替代比例阀)向开口70(图10)供应高压介质(HFO或燃油)而打开。由此，液压介质流经环形缝隙89和环形缝隙90而进入到主压力室69和阻尼室87中，并形成压力而向下迫压活塞67。从开口70流出的液压流体还流入到中间室71，并经由轴向通道75进入到辅助压力室73中。从而，作用在直径加大部分74上的压力增加了向下迫压活塞67的力。

当活塞67上的合力超过空气弹簧18和燃烧室中压力的反作用力时，排气门11开始打开。在打开运动的开始阶段，穿过环形缝隙90进入阻尼室87中的受限制流动产生了形成于阻尼室87中的低压，从而确保打开运动的开始阶段平滑，不会有急剧的加速并且不会有液压冲击波，参见图8的阶段I。

当排气门11部分打开时，燃烧室15中的压力和完成排气门11打开所需要的力明显下降。在此阶段，通过由控制凸缘76切断到辅助压力室73的液压流体的流动，并同时将辅助压力室73经由开口77连接到回流管道43而减小作用在活塞67上的向下的力，以允许从回流管道43的液压流体能够在打开行程的其余阶段供给到辅助压力室73，允许辅助压力室73的进一步扩大，从而避免在轴向通道75中以及在辅助压力室73中出现气穴。

在排气门11的打开程度增大时，缝隙89的流通面积减小。从而，主压力室69和辅助压力室79中的压力逐渐降低。同时空气弹簧18中的压力逐渐增大，从而排气门11的速度稳定地降低，直到在由液压和气动介质施加的力之间形成良好的平衡。由于相对的流体压力逐渐地变化，排气门11和活塞平滑地减速至完全停止，不会有任何液压冲击波以及机械接触，参照图8阶段II。通过缝隙89的急剧减小的流通面积的阻尼作用，减小排气门11在完全打开位置附近的任何振动运动。

在排气门11的打开阶段期间，阀构件81由于弹簧80的作用而关闭并抵靠住活塞帽78的下侧。流入补偿室79的液压流体的量保证了活塞帽78的预定义位置。中间压力室71和主压力室69之间的压力差以及弹簧80的力向上迫压活塞帽78，从而少量的液压流体经由活塞帽和活塞之间的环形缝隙85被吸入到补偿室79之间。在排气门11的完全打开位置中，主压力室69和中间压力室71的压力相等，并且只有弹簧80向上迫压活塞帽78。在排气门11的打开和完全打开阶段期间，补偿室79的重新填充使得活塞帽78相对于活塞67向上缓慢地移动。

在比例控制阀25改变位置并且将开口70与回流管道43连接起来时排气门11再次关闭。空气弹簧18的推力使得液压流体从主压力室69经由环形缝隙89进入回流管道43中。环形缝隙89中的小的流通面积确保返回行程的软启动，在活塞67向上运动期间，其具有稳定增加的速度，该速度由环形缝隙89的流通面积的稳定增加所控制，参照图8阶段III。由于主压力室69中的压力高于中间压力室71，经由环形缝隙85的排出将使得补偿室79有点缩小。辅助压力室73中的液压流体经由开口77排空，并且当开口77被直径加大部分74挡住时，经由轴向通道75、中间室71、开口70和返回管道43排空。

在关闭运动最后阶段，活塞帽78插入到阻尼室87中，从而所形成的环形缝隙90明显减小了阻尼室中液压流体的可用流通面积。阻尼室87中的液压流体经由环形缝隙90流出阻尼室，从而其通过补偿室79中压力的相应增加而在活塞67上用作制动力，从而使其减速，参照图8阶段IV。补偿室79中压力的增加将使得一些其中流体经由环形缝隙85排出。从而在排气门11关闭之前，阀头58着陆在阀座上的速度较大程度上由环形缝隙90的流通面积确定。换气管道86和环形缝隙85或多或少有助于流体从阻尼室87流出。

如果补偿室79在排气门11的打开阶段期间已经完全变大，活塞帽78将占据与它插入到阻尼室87中相比稍微更高一点的位置。由此，阀构件81将抵靠缸66的端部(阻尼室的底部)，并打开第一流动路径，以排空补偿室79(图11)，使得活塞帽78能够占据正确的位置(图10)。

如果在排气门11的返回行程期间补偿室79完全收缩，活塞帽78将占据与它插入到阻尼室87中相比稍微更低一点的位置，并且阀构件81将不抵靠缸的端部(图12)。直到下一打开阶段，弹簧80才会向上迫压活塞帽78，从而补偿室79将接纳经由环形缝隙85流出的液压流体量，直到阀构件81抵靠缸66的端部(图13)，并确保活塞帽78在其轴向范围内占据大致居中的位置。

活塞帽78与补偿室79组合的操作使得液压致动器19自动地补偿由于在不同温度下运行、修整--即阀座的研磨、以及制造误差所产生的尺寸变化。从而，阀头58将总是轻柔并且精确地着陆在阀座上。

根据本发明的一个实施方式，液压致动器19还可实现为如图7所示那样没有补偿室。该实施方式能用于尺寸变化补偿不是太重要的发动机中，例如当用作液压流体的一般液压流体在30-60℃运行时。

尽管出于解释的目的已经详细的描述了本发明，但是需要理解的是，这些细节仅是用于解释的目的，本领域技术人员将能在不偏离本发明的范围的情况下作出变化形式。

Claims (5)

1.一种十字头型大型两冲程柴油机(1)，其包括：

曲轴箱支架(4)，其支撑曲轴(3)和安装在所述曲轴箱支架上的气缸支架(5)；

多个气缸(6)，其由所述气缸支架(5)支承，每个气缸设置有至少一个燃料喷射器(23)及至少一个排气门(11)；

燃料共轨(40)；和

高压燃料泵(33)，其在发动机运行期间在高压下将燃料供给到所述燃料共轨(40)；

与每个气缸(6)相关联的供给管道(24)和阀装置(25)，所述供给管道和所述阀装置用于将燃料从所述共轨(40)输送到相应的喷射器(23)；其特征在于，

所述高压燃料泵(33)在发动机运行期间由所述曲轴(3)机械地驱动并在发动机停止期间由电动马达(38’)电气地驱动，以在低压下使得燃料穿过所述供给管道(24)和/或所述共轨(40)而循环。

2.如权利要求1所述的发动机，还包括离合器(56)，用于将所述高压燃料泵(33)连接到所述曲轴(3)或者使所述高压燃料泵(33)从所述曲轴(3)脱离。

3.如权利要求1或2所述的发动机，还包括离合器(55)，用于将所述高压燃料泵(33)连接到所述电动马达(38’)或者使所述高压燃料泵(33)从所述电动马达(38’)脱离。

4.如权利要求1所述的发动机，还包括齿轮(36、37)，用于将所述曲轴(3)连接到所述高压燃料泵(33)。

5.如权利要求1所述的发动机，其中所述高压燃料泵(33)在发动机运行期间以600-2000巴的压力输送燃料，在发动机停止期间以3-10巴的压力输送燃料。

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