CN102112708B - 大型两冲程柴油发动机的凸轮驱动排气阀致动系统 - Google Patents

Abstract

具有排气阀致动系统的大型两冲程柴油发动机(1)包括凸轮轴(28)和包括凸轮轴耦合驱动的活塞泵(32)的液压推杆经由导管(36)连接至液压排气阀制动器(34)以动作相关排气阀(11)。凸轮轴为每个汽缸提供有排气凸轮(29)，并且排气凸轮配置了一个超出开启排气阀所需的增加升程(30)。由液压活塞泵的增加升程产生的液压流体额外量的一部分从液压推杆转向至与发动机相连的增压流体需求部件。液压流体额外量的其他部分导致附加的排气阀升程。在排气阀返回行程中存储在驱策排气阀关闭的空气弹簧(33)内的能量返回至凸轮轴。

Description

大型两冲程柴油发动机的凸轮驱动排气阀致动系统

技术领域

本发明涉及一种用于大型涡轮增压两冲程十字头式柴油发动机的凸轮驱动液压排气阀致动和燃料喷射系统。 

背景技术

大型涡轮增压两冲程十字头式柴油发动机是例如用于推进大型远洋船舶或作为电厂的原动机。不仅仅由于其庞大的体积，这种两冲程柴油发动机与其它任何内燃机构造都不同。该两冲程的原理和使用在50℃时粘性低于700厘斯的重质燃油(该油料在室温下不流动)使其在发动机界中独具地位。 

提高性能并降低排放的愿望导致这种大型两冲程柴油发动机的电动-液压共轨控制排气阀致动系统和电子控制燃料喷射系统的发展。这些系统的一个优点是由于排气阀开合时机以及为匹配发动机运行条件燃料配置可以自由选择所增加的灵活性。然而这些电动-液压共轨系统相对昂贵，而且由于用于打开排气阀开启过程的所述液压能量在所述排气阀闭合过程中没有回收而损失因此会比传统凸轮驱动系统消耗更多能量。通过一个电力驱动启动泵和由一个容量无级调整给定稳定出口压力的一套高压泵供给液压动力。这些泵通过连接至曲柄轴的一个单独机械齿轮驱动。液压驱动燃料喷射泵通过长管和更多个管接头连接至高压系统。该系统具有低的冗余度以防齿轮损坏或无极容量调整失效或自然应力固有震动导致供给管破损或管接头损坏以及发动机不能运转，即整个发动机失效将导致的故障。此外，无级调整泵的效率随运行条件变动并且在特定条件下远远不高。这些缺点抵消了电控发动机的许多优点。 

发明内容

基于这一背景，本发明的目的是提供克服或至少减少上述问题的一种如上描述的节能发动机。 

通过提供一种大型两冲程十字头式柴油发动机达到这一目的，该发动机包括若干汽缸，每一个汽缸具有至少一个排气阀和至少一个燃料喷射器，至少一个凸轮轴，具有为驱动与每一个汽缸相关联的所述至少一个排气阀的排气凸轮，以及与每一个所述汽缸相关联的液压推杆，所述液压推杆包括经由致动器的液压活塞泵，所述液压活塞泵通过凸轮轴上各自的凸轮驱动，用于经由排气阀使所述相关的排气阀向开启方向移动的液压致动器，以及用于经由排气阀连接所述相关致动器的液压活塞泵与相关的液压致动器的液压导管，由此为所述排气凸轮设置具有超过开启所述排气阀所要求的升程的增加升程的廓面(profile)，由此通过所述液压活塞泵产生并由所述增强升程导致的液压流体的附加量的至少一部分从所述液压推杆转向至与发动机关联的增压液压流体需求部件。 

通过产生附加液压流体至所述所述排气阀致动系统的凸轮轴和所述活塞泵，能高效地产生一定量高压液压流体，且具有高冗余。所述附加量的液压流体能用于驱动发动机的其它液压驱动部件，例如燃料喷射系统或汽缸润滑系统。任一部分不能直接用于这些其它流体驱动部件的附加液压流体导入所述液压推杆并导致所述排气阀开启行程的增加。驱策所述排气阀至闭合位置的空气弹簧将储存包含在附加液压流体部分中的能量并在所述排气阀返回行程中返还这些能量至所述凸轮轴。 

增压液压流体需求部件可以是所述发动机的燃料喷射系统。 

增压液压流体需求部件可以是所述发动机的汽缸润滑系统。 

优选地，所述额外升程通过增加所述排气凸轮的高度来产生。 

所述液压的附加量部分可以经由所述液压活塞泵的端口从所述液压推杆转移。 

所述液压活塞泵的活塞可以设有连接所述活塞顶面至所述活塞侧面的孔。 

所述活塞泵的壁可以设有连接所述活塞泵至所述增压液压流体需求部件的端口。 

所述端口可连接至压力放大器的入口。 

所述压力放大器的出口连接至公用液压导管，通过该液压导管连接每一汽缸的液压流体需求部件。 

优选地，所述压力放大器由公用常规压力导管内的压力平衡。 

所述燃料喷射系统可以由来自所述公用液压导管的高压液压流体操作。 

所述燃料喷射系统可以包括每一汽缸的液压驱动增压器，其输送非常高压燃料至每一个汽缸的燃料喷射阀。 

每一个所述增压器可以经由一个选择阀连接至所述高压、液压导管，该选择阀可选择地连接所述增压器至所述高压公用液压导管。 

所述选择阀可以基于电或电-液压控制的阀门，优选为比例控制阀。 

由所述液压活塞泵产生并由所述增加的升程导致的、没有从所述液压推杆转移的液压流体的附加量部分能用于产生所述排气阀开启行程的额外长度。 

为所述排气阀提供了一个空气弹簧驱策所述排气阀进入闭合位置，并且其中空气弹簧配置为能适应开启行程的所述额外长度，由此存储包含在所述附加量液压流体内的能量至所述空气弹簧中并在所述排气阀闭合行程中将这一能量返回至所述凸轮轴。 

优选地，所述液压推杆可选择地连接至所述公用高压液压导管，用以允许在由所述凸轮轮廓定义的配置之前开启所述排气阀。 

根据本发明的大型两冲程柴油发动机更多的目的、特征、优点和特性将在以下详细描述。 

附图说明

在该说明书随后的详细描述部分，本发明将参照附图示出的示例性实施方式更详细地说明，其中 

图1是根据本发明的发动机的横截面视图； 

图2是图1的发动机中一个汽缸部分的纵截面视图； 

图3是根据本发明的排气阀致动和燃料喷射系统的第一实施方式的符号表示图； 

图4至图7的直方图示出了本申请的运行，和 

图8是根据本发明的排气阀致动和燃料喷射系统的第二实施方式的符号表示图。 

具体实施方式

图1和图2分别示出了根据本发明一个优选实施方式的发动机1(一个汽缸的)横截面视图和纵截面视图。发动机1是十字头式的单流低速两冲程十字头柴油发动机，其可以是船只的推进系统或电厂的原动机。这些发动机典型具有4至14个排成一行的汽缸。发动机1通过曲柄轴3的主轴承建造在底座2上。 

曲柄轴3是半总成式的。半总成式是通过锻造或铸造钢材曲拐其与主轴颈通过热压/收缩配合连接。 

底座2可以制成一体或根据生产设备分成合适尺寸的部件。底座由侧墙和具有轴承支撑的焊接横托梁组成。横托梁在本领域也指“横梁”。油底壳58焊接至底座2的底部并且收集来自压力润滑和冷却油系统的回油。 

连杆8连接曲柄轴3至十字头轴承22。十字头轴承22引导在垂直引导平面23之间。 

一个焊接设计的A形机箱4安装在底座2上。机箱4为焊接设计。在机箱4的排气侧为每一个汽缸提供有安全阀，同时在凸轮轴侧机箱4为每个汽缸提供有一个大型铰链门。十字头引导平面23整合在机箱4内。 

气缸架5安装在机箱4的顶部。支撑螺栓27连接底座2、机箱4和气缸架5并保持该结构整体。支撑螺栓27通过液压千斤顶紧固。 

气缸架5铸成最终具有一个整体的凸轮轴壳体25的一个或更多个部件，或为焊接设计。根据另一实施方式(未示出)凸轮轴28容纳在附加于气缸架上的单独的凸轮轴壳体内。 

气缸架5提供有为打扫扫气空间以及检查扫气口和从凸轮轴侧检查活塞环的检修盖。气缸架5与汽缸套6一起形成扫气空间。扫气箱9，通过螺栓固定其开口侧朝向气缸架5。气缸架的底部具有活塞杆填密箱，其为扫气提供密封圈，并提供防止排出的燃烧产物进入机箱4空间和底座2的刮油环并且通过这种方式保护该空间内的所有轴承。 

活塞13包括一个活塞头和活塞裙。活塞头由耐热钢制成并具有四个环形槽并在槽的上表面和下表面硬镀铬。 

活塞杆14通过4个螺钉连接十字头22。活塞杆14具有两个同轴孔(图中不可见)，连接至一个冷却油管，形成活塞13的冷却油进口和出口。 

汽缸套6通过气缸架5承载。汽缸套6由合金铸铁制成并通过低位法兰支撑悬挂于气缸架5内。汽缸套最上部被铸铁冷却套环绕。汽缸套6具有用于汽缸润滑的钻孔(未示出)。 

汽缸为单流式并具有位于空气箱内的扫气口7，空气箱来自扫气箱9(图1)，通过涡轮增压器10(图1)供应增压的扫气。 

发动机装配有一个或更多个涡轮增压器10，对于4-9个汽缸发动机布置在发动机的尾部，对于10个或更多汽缸时布置在排气侧。 

涡轮增压器10通过进气消音器直接从发动机室吸气。从涡轮增压器10，空气经由进气管(未示出)、空气冷却器(未示出)和扫气箱9引至汽缸套6的扫气口7。 

发动机设有电驱扫风机(未示出)。扫风机的吸气侧经空气冷却器之后连接至扫风空间。在空气冷却器和扫风箱之间安装有止回阀(未示出)，当辅助风机供给扫风时止回阀自动关闭。在低和中负荷状况时辅助风机辅助涡轮增压器压缩机。 

燃料阀48同心安装于汽缸盖12内。在压缩冲程的结尾喷射阀48通过其喷嘴喷射高压燃料喷雾至燃烧室15。排气阀11安装在汽缸顶部的汽缸盖12中心。在膨胀冲程的结尾发动机活塞13下行经过扫封口7之前排气阀11开启，由此活塞13之上燃烧室15内的燃烧废气通过一个通往排气接收器17的排气通道16排出并且燃烧室15内的压力被释放。在活塞13上行的过程中排气阀11再次关闭。排气阀11是液压动作的。 

图3示出了根据本发明排气阀致动系统的第一实施方式。对于所有示出的实施方式所述排气阀致动系统针对单汽缸。在多汽缸发动机中针对每一个汽缸具有与此相同的配置。所述排气阀致动系统包括具有排气凸轮29的凸轮轴28，排气凸轮29具有增加的升程30(由于只示出了一个汽缸因此图中只示出了每一种其中的一个)。滚筒31沿着凸轮29的外表面并连接至容积泵32的活塞。变容真空泵32经由压力管36连接至排气阀致动器34。容积泵32、压力管36和排气阀致动器34一起形成液压推杆。排气阀致动器34是一个容积式线性致动器，能够在排气阀11的开启方向施加一个力。 

排气阀还提供有空气弹簧33促使排气阀11返回闭合位置。测量排气阀11的位置并通信至发动起控制单元(ECU)。 

排气凸轮29的额外升程通过画有阴影线面积30指示。排气凸轮29的凸轮轮廓仅需延伸到画有阴影线面积34从而为容积泵32提供足够的行程以获得排气阀11充分的开启行程。由凸轮29的附加高度产生的容积泵32的附加开启行程导致容积泵32具有超出充分开启排气阀所需求的行程。 

容积泵32的活塞提供有孔35，在活塞行程的预定位置中与端口37相通。 

当端口37内的压力低于容积泵32压力室内的压力时，由液压活塞泵32产生并由增加的升程导致的额外量液压流体的一部分转向至端口37。 

当端口37内的压力不低于容积泵32压力室内的压力，由液压活塞泵32产生由凸轮29的增加的升程导致的额外量液压流体的一部分经由压力管36转向至排气阀致动器34，由此产生增加的排气阀11开启行程，即，一个超出通常开启行程需求长度的开启行程。 

空气弹簧33适于容纳排气阀11的增加的开启行程并且空气弹簧33由此积聚并存储由增强的升程产生的包含在额外量液压流体部分内的能量。在一个具体实施方式中空气弹簧33可以提供增强特性以增加空气弹簧能存储的能量总量。存储在空气弹簧33内的能量在排气阀11随后的返回行程中返回至凸轮轴28。 

压力端口37与中间增压器38连通。中间增压器38增加端口37处的压力，且经由导管39传输增压液压流体至连接至所有汽缸的公用高压液压导管18。 

公用高压液压导管18在发动机运行期间保持高压，例如，在某一水准其设置为大约200至600巴(bar)之间。在发动机启动时公用高压液压导管18内的压力由电驱泵9产生。在发动机运行期间公用高压液压导管18内的压力由中间增压器38提供。 

中间增压器38提供有两个压力室。第一压力室为所述公用高压液压导管38提供高压。第二压力室经由导管41连接至公用控制压力导管42。公用控制压力导管42内的压力保持在大约100至200巴(bar)并且由发动机控制单元(ECU)通过以下方式控制。发动机控制单元接收代表公用高压液压导管18内的压力的信号。发动机控制单元控制连接至压力控制导管42的调压阀44并且由此发动机控制单元控制公用高压液压导管18内的压力。 

当发动机控制单元检测到公用高压液压导管18内的压力低于期 望值时，发动机控制单元降低压力控制导管42内的压力。由此，中间增压器38接收一个减小量的反压力并将传递一个增加量的高压液压流体至公用高压液压导管18。 

当发动机控制单元检测到公用高压液压导管18内的压力高于期望值时，发动机控制单元增加压力控制导管42内的压力。由此，中间增压器38接收一个增加量的反压力并将传递一个减小量的高压液压流体至公用高压液压导管18。 

来自压力控制导管42的增压流体还驱动中间增压器38的返回/吸气行程。 

中间增压器38经由导管40连接至低压(大约3bar)供压管43补充增压器38的压力室。 

由排气凸轮29的额外升程产生的附加液压流体没有转向至与发动机相关联的增压液压流体需求部件的那部分随发动机不同运作条件波动。当发动机在高负荷条件下运作，对于每个循环，较大量的燃料需要喷射并且仅需要很少或没有附加量液压流体的部分用于产生排气阀11的增加的升程。 

当发动机在低或中负荷条件下运作，对于每个循环，相对少量的燃料需要喷射并且需要相对大量的附加量液压流体的部分用于产生排气阀11的增加的升程。包含在这些未转向附加量液压流体的部分内的能量存储进气压弹簧33内并在排气阀11的闭合行程中返回至凸轮轴28。 

作用在中间增压器38上的控制压力导管42内的压力调节由中间增压器38传递给公用高压导管18的高压液压流体的量。如此，发动机控制单元可以确保公用高压导管18可获得期望的压力。 

每个汽缸提供有两个或更多个包括有喷嘴的燃料喷射阀48。燃料喷射阀48从增压器46接收高压燃料。燃料通常是需要加热从而使粘度足够低以能够处于液体状态的重燃油。增压器46由来自公用高压流体导管18的高压液压流体驱动。关于这个，增压器46经由导管45和比例阀49连接至公用高压液压导管18。为了最小化任何压力波动液压储压器47连接至导管45。比例阀49是电控或电-液压控制由发动机控制单元控制并以公知方式运行。 

图4是示出了排气凸轮升程的曲线图42。阴影区域图释了超出通常开启排气阀11所需求升程量的额外升程。大约60％的升程是开启排气阀11所需的升程。升程余下部分(阴影区域)用于产生附加量增压液压流体。 

图5是示出了中等发动机负荷运行状况下的排气阀升程曲线图，这样由活塞泵32产生的附加液压流体的一部分导致排气阀11开启行程(升程)附加长度。排气阀11的附加开启行程(升程)由阴影区域指示。 

图6是示出了致动器端口37的开启面积的曲线图。 

图7是示出了中间增压器38的排气量的曲线图。阶段A是传输面，阶段B是荷载/压力平衡平衡面和阶段C是返回/吸气冲程。 

图8示出了本发明的第二实施方式，除了这一实施方式提供从控制压力导管42增加额外量的液压流体至液压推杆的装置外，实质上与第一实施方式完全相同。此外，汽缸润滑52由来自公用高压液压导管18的液压流体操作。 

用于传递附加量液压流体至液压推杆的装置包括经由改进的比例阀49连接活塞泵32的压力室至公用高压液压导管18(或替代地至控制压力导管42)的导管50。本实施方式的比例阀49具有两个增进位置以控制从公用高压液压导管18流至活塞泵32的压力室的液压流体流。通过比例阀49发动机控制单元控制时间和传递给液压推杆的液压流体量。通过适时传递控制量的液压流体至液压推杆，发动机控制单元能推进排气阀11的开启以由此调节回吹压力。汽缸压缩压力控制通过排气阀开始刚闭合之前传递控制量的液压流体至液压推杆实现。根据本实施方式的排气阀致动系统为配置提供可能，即，改变排气阀11开启时机并改变排气阀闭合的时机。 

发动机控制单元也控制通过来自公用高压液压导管18的高压液压流体操作的汽缸润滑单元52并传递汽缸润滑油至汽缸。 

因此，在第二实施方式中燃料喷射系统和汽缸润滑系统均通过由排气阀凸轮29的增加的升程产生的高压液压流体操作。 

在其它实施方式中，(未示出)可以具有其它(更多的)液压操作的发动机部件，其由凸轮轴的附加升程产生的额外量液压流体驱动。这样的其它液压操作的发动机部件的一个例子是辅助风机，其可由从共用高压液压导管18接收其液压动力的液压马达驱动。由于辅助风机仅在低至中等发动机负荷时运作通常有过剩的来自中间增压器38的液压流体可用，其可直接用来驱动辅助风扇。 

本发明具有许多优点。不同的实施方式或变形可以带来一个或多个下述优点。应当指出这不是穷举清单并且还有其它优点此处没有描述。本发明的一个优点是其为大型两冲程柴油发动机提供了一种灵活的和节能高效的排气阀致动和燃料喷射系统。本发明的另一个优点是其为大型两冲程柴油发动机提供了一种具有灵活电动控制的燃料喷射系统其不需要高压力泵站或泵。本发明的再一个优点是主要高效部件用于阀门致动和燃料喷射。本发明的又一个优点是其提供了公认可靠地显著增加的动力供给。本发明的又一个优点是已有的凸轮轴操作排气阀致动的发动机也能适用根据本发明的系统。 

用在权利要求里的术语“包括”并不排除其它要素。用在权利要求里的术语“一”或“一个”并不排除多个。 

虽然为了图释目的本发明做了详细描述，但是可理解的上述描述仅为了该目的，并且由此本领域技术人员可以作出的各种变体均未超出本发明的范围之外。 

Claims (16)

1.一种十字头式大型两冲程柴油发动机（1），其包括：

多个汽缸，每个汽缸设有至少一个排气阀（11）和至少一个燃料喷嘴（48），

至少一个凸轮轴（28），设有用于致动与每个所述汽缸相关联的所述至少一个排气阀（11）的排气凸轮（29），和与每个汽缸相关联的液压推杆，

所述液压推杆包括：

液压活塞泵（32），所述液压活塞泵（32）由所述凸轮轴（28）上各自的排气凸轮（29）驱动，

液压致动器（34），用于在相关开启方向动作相关的所述排气阀（11），和

液压导管（36），用于连接所述液压活塞泵（32）至所述相关的液压致动器（34），

所述液压导管（36）经由所述液压活塞泵（32）的一个端口连接至液压活塞泵（32），

其中所述排气凸轮（29）设有具有超过开启所述排气阀（11）所需升程的增加升程的廓面，由此由所述液压活塞泵（32）产生并由所述增加升程导致的液压流体额外量的至少一部分从所述液压推杆传递至与所述发动机（1）相关联的增压液压流体消耗方，其特征在于，液压流体额外量的一部分经由所述液压活塞泵（32）的另一端口（37）从所述液压推杆转移，所述另一端口（37）连接至中间增压器（38）的入口。

2.如权利要求1所述的大型两冲程柴油发动机（1），其中增压液压流体消耗方是所述发动机（1）的燃料喷射系统。

3.如权利要求1所述的大型两冲程柴油发动机（1），其中增压液压流体消耗方是所述发动机（1）的汽缸润滑系统。

4.如权利要求1所述的大型两冲程柴油发动机（1），其中所述增加升程通过增加排气凸轮叶瓣的高度来产生。

5.如权利要求1所述的大型两冲程柴油发动机（1），其中，所述液压活塞泵（32）的活塞设有连接所述活塞顶面至所述活塞侧面的孔（35）。

6.如权利要求5所述的大型两冲程柴油发动机（1），其中，所述液压活塞泵（32）的壁上设有连接所述液压活塞泵（32）至增压液压流体消耗方的所述另一端口（37）。

7.如权利要求1所述的大型两冲程柴油发动机（1），其中，所述中间增压器（38）的出口连接至公用液压导管（42），所述公用液压导管（42）连接有每个汽缸的增压液压流体消耗方。

8.如权利要求7所述的大型两冲程柴油发动机（1），其中，所述中间增压器（38）由公用常规压力导管（43）内的压力平衡。

9.如权利要求7或8所述的大型两冲程柴油发动机（1），其中，增压液压流体消耗方是所述发动机（1）的燃料喷射系统，所述燃料喷射系统由来自所述公用液压导管（42）内的高压液压流体操作。

10.如权利要求9所述的大型两冲程柴油发动机（1），其中，所述燃料喷射系统包括每一汽缸的液压驱动增压器（46），其传递高压的燃料至每个汽缸的燃料喷射阀（48）。

11.如权利要求9所述的大型两冲程柴油发动机（1），其中，所述燃料喷射系统包括每一汽缸的液压驱动增压器（46），选择阀（49）可选择地连接液压驱动增压器（46）至所述公用液压导管（42）。

12.如权利要求11所述的大型两冲程柴油发动机（1），其中，所述选择阀（49）是电控制阀或电-液压控制阀。

13.如权利要求1所述的大型两冲程柴油发动机（1），其中，由所述液压活塞泵（32）产生并由所述增加升程所导致的液压流体额外量的未从所述液压推杆转移的部分用于产生所述排气阀（11）开启行程的附加长度。

14.如权利要求13所述的大型两冲程柴油发动机（1），其中，每个排气阀（11）设有驱策所述排气阀（11）至闭合位置的空气弹簧（33），并且其中空气弹簧（33）设置为容纳一个所述开启行程的增加长度，由此将包含在所述液压流体额外量内的能量存储进所述空气弹簧（33）并在所述排气阀（11）闭合行程中将该能量返回至所述凸轮轴。

15.如权利要求7所述的大型两冲程柴油发动机（1），其中，所述液压推杆可选择地连接至所述公用液压导管（42）以允许在由所述排气凸轮轮廓限定的廓面之前开启所述排气阀（11）。

16.如权利要求7所述的大型两冲程柴油发动机（1），其中，所述液压推杆可选择地连接至所述公用液压导管（42）以允许在由所述排气凸轮轮廓限定的廓面之后闭合所述排气阀（11）。

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