CN102162383A - 大型二冲程柴油机的阀驱动系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种带有阀装置的大型二冲程柴油机的阀驱动系统，其用于来自压力管道(10)的受控回流，压力管道(10)将排气阀驱动器的顶部连接到放置于远低于排气阀顶部的汽缸外壳顶部的电液控制阀(5)。因此，当压力管道(10)减压的时候，在电液控制阀(5)和压力管道(10)之间不需要使用增压器或分压器就可以避免形成气穴和随后的穴蚀现象。

Description

大型二冲程柴油机的阀驱动系统

技术领域

本公开涉及大型二冲程柴油机的电液控制排气阀驱动系统。

背景技术

大型二冲程柴油机典型地用作比如集装箱船的大型远洋轮船或发电厂的原动机。

EP 1403473公开了一种发动机阀驱动系统，其包括具有主体、可滑动活塞、以及限定于活塞和主体之间的第一、第二和第三室的驱动组件。包括低压和高压流体源。第一流道(fluid passage)将低压流体源连接到第二室。第二流道将高压流体源连接到第二室，第三流道将高压流体源连接到第三室。控制阀连接到低压流体源、高压流体源和第一室。控制阀配置为在高压流体源与第一室连接的第一位置和低压流体源与第一室连接的第二位置之间移动。

大型二冲程柴油机中的电液控制阀驱动系统考虑到灵活操作和排气阀的外形，允许改进的排放控制和燃油效率。但是，需要很大的力来逆着燃烧室中和空气弹簧中在关闭方向上推动排气阀的压力打开重达400公斤的排气阀。因此，需要高压和大功率液压系统来打开大型二冲程柴油机的排气阀。

大型二冲程柴油机的传统电子控制(电液)排气阀驱动系统包括通过共轨向临近或在汽缸外壳顶板上放置的阀块传送液压流体(液压油或润滑油)的高压泵。阀块携带液压蓄能器和控制液压流体流的比例电液控制阀，从而操作喷油器和排气阀。

压力管道将每个阀块连接到它们各自的排气阀。阀块通常放置在汽缸外壳的顶部上，因此，压力管道必须在阀块和排气阀驱动器的顶部之间跨接相当大的距离和高度差。这种高度差可以是数米。

增压器(基本上为在任一端具有一大和一小有效表面的活塞)安装在阀块的顶部。压力管道的一端连接到该增压器，同时压力管道的另一端连接到排气阀的顶部。因此，压力管道从阀块延伸到排气阀的顶部。

由于这些发动机的尺寸，排气阀顶部和阀块之间的高度差是很明显的，即数米。

当排气阀处于关闭位置时，压力管道中的压力应该接近于零。

阀块和压力管道较低端之间的增压器防止压力管道中的液压流体被排出并且避免压力管道中相对于液压流体充满空气。

当到了关闭排气阀的时候，电液控制阀将压力管道连接到油箱。由于排气阀的惯性，压力管道中会形成气穴。当压力再增大这些气穴会导致穴蚀(cavitation)，因此，有必要在电液控制阀和压力管道之间放置增压器或分压器。

发明内容

在此背景下，本申请的目的是提供一种排气阀驱动系统，其避免或至少减少上述缺陷。

通过提供一种十字头型的大型二冲程柴油机的排气阀驱动系统来实现这个目的，其包括位于排气阀顶部用于在打开方向上移动所述排气阀的液压驱动器、将液压驱动器连接到液压控制阀的压力管道，液压控制阀放置于排气阀顶部的下方并与排气阀顶部具有可观的距离，所述液压控制阀具有一个以直接流体连通方式跨接压力管道与高压流体源的位置，从而将所述排气阀移动到打开位置，并且所述液压控制阀具有另一个通过阀装置(valve arrangement)跨接压力管道与油箱的位置，从而允许所述排气阀关闭并保留在其底座上，其中所述阀装置节流到油箱的回流并保持阀装置上游的最小压力。

通过提供控制油箱回流的阀装置，大幅减少了气穴的形成和穴蚀的发生。

根据一个实施例，阀装置包括固定节流器。

优选地，阀装置(valve arrangement)包括固定节流器下游孔中的可移动阀构件。

在一个实施例中，可移动阀构件一侧设有第一有效压力面并且另一侧设有第二有效压力面，由此第一有效压力面大于第二有效压力面，并且第一有效压力面面对布置在第一有效压力面与节流器之间的第一压力室，并且第二有效面面对第二压力室。

优选地，所述第二有效压力室保持在相对低的压力。压力管道中的压力将向这个压力迁移。

在一个实施例中，第一压力室通过所述可移动阀构件中的孔连接到所述第二压力室。

在另一个实施例中，第一压力室中的压力向第一压力室与阀装置的出口端相连接的位置推动可移动阀构件，阀装置与油箱相连接。

优选地，可移动阀构件限定控制边缘和将可移动阀构件容纳于其中的孔的边缘。

根据详细的说明，本公开的排气阀驱动系统的进一步的目的、特征、优点和特性将变得更加明显。

附图说明

在本说明书的下述具体部分中，参考附图中所示的示例性实施例对本发明进行更具体的说明，其中：

图1是根据一个示例性实施例的排气阀驱动系统的部分横截面概略视图；

图2是例示了图1中所示阀驱动系统的液压方案的图；且

图3是图1中所示排气阀驱动系统中阀装置的详细横截面视图。

具体实施方式

图1是根据本公开的一个示例性实施例的排气阀驱动系统的部分横截面视图。排气阀驱动系统是大型二冲程柴油机，比如十字头型大型涡轮增压单流柴油机的一部分。大型二冲程柴油机的结构和操作已众所周知，因此这里不做详细解释。

阀块3安装在大型二冲程柴油机的汽缸外壳的顶板上。阀块携带有电子控制的比例液压控制阀5。电子控制的比例液压控制阀5与发动机的电子控制单元(未示出)相连接。阀块3还携带有一个或多个蓄能器8和阀装置20。压力管道10的一端与阀块3中的端口连接。压力管道10覆盖的高度差可以为数米，并且没有相应措施，重力会导致当压力管道10降压以允许排气阀返回其底座的时候，压力管道10被排干并且充满空气。

阀块3中的孔7将压力管道10连接到比例液压控制阀5的一个端口，孔11将阀装置20连接到比例液压控制阀5的另一个端口，另一个孔9将比例液压控制阀5连接到高压源，其在这种情况下为共轨。

压力管道10的另一端连接到排气阀外壳12的顶部。图中仅示出了排气阀的主轴14。用于打开排气阀的液压驱动器放置在主轴14的顶部。液压驱动器包括至少一个压力室16和至少一个活塞18，并且当液压驱动器加压时，其在打开方向上推动排气阀。空气弹簧(未示出)用于以众所周知的方式在关闭方向上推动排气阀。

图2是例示了图1中所示阀驱动系统的液压方案的图。该系统包括高压共轨32，其由一个或多个发动机的高压泵站供给。高压共轨32保持在数百巴的压力。还包括低压共轨34，其保持在大约2.2巴。共轨36在大致大气压力下与油箱相连接。

导管9(由阀块3中的孔形成)将比例电液控制阀5连接到高压共轨32。比例电液控制阀5包括先导级，其使用来自导管9的压力在需要的位置上移动比例电液控制阀5的阀芯。导管9作为分支与数个液压蓄能器8相连接，当流速突然增加时，液压蓄能器8用来保持/稳定压力。

导管13将与燃油喷射系统相关联的比例电液控制阀5的出口端连接到低压共轨34。导管11通过阀装置20将与排气阀驱动系统相关联的比例电液控制阀5的出口端连接到低压共轨34。阀装置20包括节流器、非回(non-return)功能，并且保持导管11中的最小压力。

比例电液控制阀5连接到带有其增压器和喷射器37的燃油喷射系统30，并且，比例电液控制阀5还连接到排气阀驱动器。由于燃油喷射系统是众所周知的，这里就不再做更详细的描述了。

液压图显示连接到带有活塞18、空气弹簧和排气阀主轴14的排气阀驱动器外壳12的压力管道10。压缩空气源19也连接到排气阀外壳12，用于为在关闭方向上推动排气阀的空气弹簧供应压缩空气。此外，确定排气阀位置的位置传感器与排气阀驱动器关联。

在发动机运行过程中，比例电液控制阀5在发动机的电子控制单元的命令下在发动机循环中适当的时间将排气阀驱动系统或燃料喷射系统连接到高压共轨。因此，当到了打开排气阀的时候，发动机的电子控制单元将命令比例电液控制阀5在高压共轨32和压力管道10之间建立连接。于是，排气阀将顶着燃烧室中的压力和空气弹簧的力量打开。当到了再次关闭排气阀的时候，电子控制单元将命令比例电液控制阀5通过阀装置20将压力管道10连接到低压共轨34。排气阀和与其相关联的排气阀驱动器具有相当大的惯性，如果当比例电液控制阀5建立连接的时候压力管道10直接连接到油箱，则排气阀的关闭比压力管道10中的压力下降慢得多。阀装置20包括节流器，其确保压力下降不会过快，并且阀装置20将在其上游侧保持最小压力。由此，避免了压力管道10中的压力下降过快和过慢。这将避免压力管道10中气穴的形成以及随后的穴蚀。

图3更详细地示出了阀装置20。在本示例性实施例中，阀装置包括具有贯穿孔的外壳。阀装置20包括在贯穿孔的一端布置在或邻近阀装置20的入口端的固定节流器21。阀装置20的入口端可以通过孔11连接到比例电液控制阀5。

具有基本为圆柱体的可移动阀构件22可滑动地容纳于贯穿孔中。可移动阀构件22在每一端具有压力面。第一压力面布置在可移动阀构件22面对入口端和节流器21的一侧。第一压力室23形成于节流器21和第一压力面之间的孔中。

第二压力面布置在可移动阀构件22的相对侧。该第二压力面面对同样布置在贯穿孔中的第二压力室25。第二压力室连接到一个压力相对低的源，例如低压共轨34。

形成第一压力室的部分中的贯穿孔的直径大于形成第二压力室的部分中的贯穿孔的直径。因此，第一压力面的有效表面大于第二压力面的有效表面。可移动阀构件22设置有连接第一和第二压力室的孔26。孔26的直径相对较小，从而节制两个压力室之间的流动。

出口端27连接到油箱36。出口端27由可移动阀构件22在可移动阀构件22的一个位置范围内关闭并在可移动阀构件22的另一个位置范围内打开，从而将第一压力室连接到所述出口端27。在可移动阀构件22的打开位置范围内，第一压力室23连接到出口端27。

参考图3中阀装置的朝向，当可移动阀构件22处于其较低的位置范围时，可移动阀构件22关闭第一压力室23和出口端27之间的连接，并且当可移动阀构件22在其较高的位置范围时，可移动阀构件22为第一压力室23和出口端27之间的连接而打开。

较大的第一有效压力面积向出口端27连接到第一压力室23的位置范围推动可移动阀构件22，并且较小的第二有效压力面积向第一压力室23和出口端27之间的连接关闭的位置范围推动可移动阀构件22。

可移动阀构件22设置有与阀装置20的外壳上的溢流口29相连接的侧孔28，当所述可移动阀构件22在很大程度上向上移动(相对于图3中阀装置的朝向向上)时，使得侧孔28与溢流口29相重叠。因此，第二压力室25连接到油箱34，从而在后面的压力室的压力达到峰值的过程中允许可移动阀构件22完全打开出口端27来释放第一压力室23中的压力。

当没有通过节流器21进入第一压力室的流动时，后面室中的压力低于第二压力室中的压力的系数等于有效压力面大小之间的比率。因此，当第二压力室中的压力例如是2.2巴的时候，第一压力室中的压力可以是1.5巴。当比例电液控制阀5将压力管道10连接到阀装置20的时候，将会有大量流动通过节流器21且第一压力室中的压力将变得足够高以向建立第一压力室21和出口端27之间连接的位置推动可移动阀构件22，使得液压流体可以被疏散到油箱。可移动阀装置22的位置将在压力室中的压力之间平衡。

阀22的位置由下面的力来决定。第一压力室23的第一有效压力面积×第一压力室23中的压力对比第二压力室25的第二有效阀面积×第二压力室25中的压力。当排气阀关闭的时候，第二压力室25中的压力是大约2巴。第一压力室23中的力平衡压力可以为1.5巴。第一压力室23与第二压力室25之间的压力差将导致流体通过孔26流入第一压力室23中。

第一室23中的压力增加将向上移动阀构件22并且对出口端27增加的开口再次将压力限制于平衡在可移动阀构件22上作用的力的值。

因此，通过孔26的流动将与从室23到出口端27的流动相同。从第一压力室23到出口端27的开口面积将是处于第一压力室23和第二压力室25之间的dP(压力差)通过孔26的流。可移动阀构件22将因此“浮动”并调整其位置到工作条件。

与节流器21相结合的平衡将提供合适的流量并保持阀装置上游的过压(即如果排气阀驱动系统使用阀装置，则在压力管道中)。这些作用确保流速可控并且没有空气进入。

已经参考单缸的大型二冲程柴油机描述了排气阀驱动系统。在多缸发动机中，除了可以用于多个汽缸的共轨，必须为每个汽缸(或至少为每个排气阀)提供这样一个排气阀驱动系统。

本公开的教导具有许多优点。不同的实施例或实施方式可以产生一个或多个下列优点。应当注意这并不是详尽的列表，且也会存在这里没有描述的其它优点。本公开教导的一个优点是其提供了排气阀驱动系统，其可以在压力管道的底部没有增压器或分压器的条件下工作。本公开教导的另一个优点是其提供了阀装置，其允许在受控条件下向油箱回流，从而避免了气穴和穴蚀的产生。

本公开教导的又一个优点是其提供了排气阀驱动系统，其允许液压排气阀驱动器的增压器位于排气阀的顶部。本公开的另一个优点是其提供了阀装置，其可以在不能使用与临近底座的阀构件结合运行的传统止回阀的恶劣环境中起到止回阀的功能。

尽管本申请的教导为了说明的目的已进行了详细的描述，应该理解这种细节仅用于该目的，并且本领域技术人员可以在不脱离本申请教导范围的情况下在其中做出变形。

权利要求中使用的术语“包括(comprising)”并不排除其他部件或步骤，权利要求中使用的术语“一(a)”或“一(an)”并不排除多个。单处理器或其它单元可以实现权利要求中列举的若干种手段的功能。

Claims (9)

1.一种十字头型大型二冲程柴油机的排气阀驱动系统，包括：

位于排气阀顶部用于在打开方向上移动所述排气阀的液压驱动器，

将所述液压驱动器连接到液压控制阀(5)的压力管道(10)，所述液压控制阀(5)位于所述排气阀顶部的下方并与排气阀顶部有一定距离，

所述液压控制阀(5)具有一个以直接流体连通方式跨接所述压力管道(10)与高压流体源(32)的位置，从而将所述排气阀移动到打开位置，并且

所述液压控制阀(5)具有通过阀装置(20)将所述压力管道(10)与油箱(36)跨接的另一位置，从而允许所述排气阀关闭并保持在其底座上，其特征在于

所述阀装置(20)节流到所述油箱(36)的回流并保持所述阀装置(20)上游的最小压力。

2.根据权利要求1所述的排气阀驱动系统，其中，所述阀装置包括固定节流器(21)。

3.根据权利要求2所述的排气阀驱动系统，其中，所述阀装置(20)包括所述固定节流器(21)下游孔中的可移动阀构件(22)。

4.根据权利要求3所述的排气阀驱动系统，其中，所述可移动阀构件(22)具有一侧上的第一有效压力面和其另一侧上的第二有效压力面，所述第一有效压力面大于所述第二有效压力面，并且所述第一有效压力面面对布置在所述第一有效压力面与所述节流器(21)之间的第一压力室(23)，所述第二有效压力面面对第二压力室(25)。

5.根据权利要求4所述的排气阀驱动系统，其中，所述第二有效压力室保持在相对低的压力。

6.根据权利要求5所述的排气阀驱动系统，其中，所述第一压力室(23)通过所述可移动阀构件(22)中的孔(26)连接到所述第二压力室(25)。

7.根据权利要求6所述的排气阀驱动系统，其中，所述第一压力室(23)中的压力向所述第一压力室(23)与所述阀装置的出口端(27)相连接的位置推动所述可移动阀构件(22)，所述阀装置的出口端与油箱相连接。

8.根据权利要求1所述的排气阀驱动系统，其中，所述可移动阀构件(22)限定了控制边缘以及将所述可移动阀构件(22)容纳于其中的孔的边缘。

9.根据权利要求3所述的排气阀驱动系统，其中，空气弹簧在关闭方向上推动所述排气阀。

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