CN1033091A - 控制一下船用柴油发动机的液动排气阀的关闭运动的方法及用于此方法中的排气阀 - Google Patents

Abstract

一个通过一或多个机械限定的固定节流台阶与 /或可调节流构件使从液动排气阀工作室排出的油 的容积流量根据发动机负载状况来改变。控制排气 阀关闭动作的节流装置不受控于凸轮轴的排气凸轮 的下游曲线段，意味着能够改变运行中的发动机的有 效压缩比。在发动机的任何负载状况下可将从压缩 压力到燃烧压力的压力跃变保持在相对于效率与汽 缸状态的最佳状况，同时可提高低负载与部分负载状 况的压缩比，从而改进在这种负载状况下的工作状 态。

Description

本发明涉及一种控制内燃机、具体是一种二冲程单向流扫气船用柴油发动机的液动排气阀的关闭运动的方法，其中排气阀包括有一个容纳在油缸内的促动活塞，这活塞在加压液压油的供给下跟一个排气阀件协同动作以向该阀件传递一个开启运动，并且油缸的促动活塞界定一个液压油的工作腔室。

本发明还涉及用于本方法中的排气阀。

柴油发动机的总效率公知是由该发动机的机械效率与热效率的乘积来限定。机械效率决定于该发动机的机械状况，或者这样说，决定于发动机的显示效能有多少要被发动机本身消耗用来操纵各种辅助设备如泵、发电机等等，用来通过凸轮轴等等来启动阀门，和用来克服活塞与汽缸之间及轴承的内摩擦，等等。热效率特别表示了实际燃烧过程进行的完美程度，并且在这点上特别取决于该过程进行中的压力与温度的情况。

所述效率中之一个或两个的提高必然导致发动机总效率的提高，因而降低了燃油消耗率。

如上所述，燃烧过程取决于发动机内的压力与温度的状况。在一个特定发动机中所述状况紧密地跟发动机的压缩比联系着并且跟喷油阶段的定时与持续时间相关。由于采取相应的结构上的措施，必然会遇到压力与温度的可能的提高，对发动机的造价与重量的经济上的考虑实际上-例如由最大容许燃烧压力所表示的-决定所述的比较复杂的考虑的问题的平衡点。

一个预定的最大燃烧压力最好是通过将喷油时间定时来保持在带负载发动机的一定范围内恒定。由于发动机的压缩比是固定的并且发动机特别是为了取得在从压缩压力到燃烧压力的压力跃变方面几乎是100%负载的范围内的最佳运转而设计的，在部分负载或低负载时有相当多的压力跃变。由于随着压力跃变的增加，带来汽缸的严重磨损，活塞环的毁坏、漏气和断裂的风险，这样的压力跃变是不希望有的。

在新式的单向流扫气二冲程发动机中，排气阀晚于扫气口关闭。因此通过控制排气阀的关闭来改变运行中的发动机的有效压缩比原理上是可能的。

本发明的方法符合这个原理，其特征在于使从排气阀的工作腔室排出的油的容积流量通过一个或多个在促动活塞与油缸间的机械地限定的固定的节流台阶与/或通过一个可调节流元件来根据发动机的带负载工作状态来改变。

通过按这样的方法来控制排气阀的关闭运动-因而控制排气阀的总开放期间-因此就可能在发动机运转过程中自由改变有效压缩比。这是极为有利的，因为它一方面开辟了将压力跃变在任何带负载状态下保持在效率及汽缸状态的最佳水平的可能性，另一方面使提高在低负载或部分负载状态下的压缩比从而取得在这些状态下工作状态的改善成为可能。

在实践中，上述的优点是通过将所述液压控制跟油泵的凸轮轴上的凸轮轴曲线的“长度”（“length”路程）适当地相配合来得到。因为要将排气阀关闭得比对应于凸轮轴曲线的下游侧曲线更快不是便利可行的，所以凸轮设计成一个传统凸轮，只是“短”到使其曲线对应于实际发动机的预期最大压缩比。按上述方法控制排气阀的关闭促动使它不再遵循凸轮曲线，阀的关闭就被推迟了，从而降低了有效压缩比。

这被利用在发动机的上部带负载区域来将压缩压力保持恒定-根据在该加载区域内也是恒定的燃烧压力-从而也保持着上述的压力跃变恒定。

由于在100%（MCR：最大连续额定值）的负载下发动机的有效压缩比在原理上相对于固定压缩比的常规发动机是不变的，发动机的压缩容积、即在上死点的活塞上面的容积降低了。这必然导致发动机的膨胀比在任何负载状况下都提高了，从而改善了油耗，因为排气阀的开启时间没有变。

用以实现本发明的方法的排气阀的第一个实施例跟先有技术的阀的不同点在于油缸的界定工作腔室的那部分包括有两个在轴向上分隔开的节流庠?促动活塞界定工作腔室的一端具有一个轴向伸展的端轴颈的形式，这一端轴颈在纵向上具有不同直径，最好是具有三个轴向分隔的、适应于跟油缸的节流棱缘协同工作的节流段;油缸的节流棱缘跟促动活塞的节流段适应于相互配置使离向促动活塞设置的主节流段的促动活塞处于一个对应于排气阀全开的位置的跟油缸的主节流棱边协同工作，并且使靠促动活塞最近设置的副节流段在促动活塞处于一个对应于排气阀关闭的位置时跟油缸的副节流棱缘协同工作;工作腔室的离开促动活塞并被主节流段与主节流棱缘间的配合所界定的那部分直接跟油出口连接，并且工作腔室的设置在油缸的主副节流棱间的那部分通过包括有一个可调节流阀的导管跟油出口连接。

第二个实施例的排气阀的特征在于促动活塞在界定工作腔室的一端设置有一个构成工作腔室的一部分的轴向中心孔;油缸设置有一个适应于在促动活塞的运动的一个预定部分中跟中心孔紧密接合的圆柱形端轴颈;该端轴颈含有一个包括有一个可调节流阀的节流通道;该节流通道在节流阀的一端排进端轴颈的面对促动活塞的端面;该节流通道在节流阀的另一端在离开该端轴颈的端面一个预定的轴向距离处导向端轴颈的圆柱表面;并且该轴向距离是这样来适应于促动活塞的行程使在端轴颈的圆柱表面里的节流通道的开口在促动活塞处于一个对应于关阀的位置时被活塞挡住。

本发明将结合附图详细描述，其中

图1是本发明的液动排气阀的示意部分剖视图，带有一个相连的启动装置，

图2是图1的排气阀的上部的放大剖视图，

图3是图2所示的排气阀之开启特性曲线图，

图4是跟图2一样的本发明的排气阀的第二实施例的放大剖视图，

图5是图4所示排气阀的实施例的开启特性曲线图。

图1所示的液动排气阀1含有一个带有一个底部3的阀室2和一个油缸4。此排气阀适应于以其底部3装在一个单向流扫气二冲程船用柴油发动机的汽缸顶部的汽缸盖上。在排气阀的中心有一个圆盘阀形式的轴向可动的阀体5按常规方式装在排气阀内。此阀件5通过设置在油缸4内的汽动弹簧6被压向上移动，因此分别在圆盘阀上与底部3上的两个相关的环形密封面在关闭状态下是相互接合着的，从而将汽缸内部跟排气管道7切断。

阀件5的上部跟容纳在油缸4的油缸筒8内的促动活塞10协同动作，这活塞的远离阀件5的一侧通过一条导管11跟一个常规凸轮轴驱动泵形式的液动装置12连通。

图2较清楚地显示出促动活塞10设有一个从阀件5朝外伸展的轴向端轴颈15。该端轴颈分成三个部分，主节流段16、中间段17和副节流段18。部分空心的促动活塞10包围着阀件5的上部跟油缸4的油缸筒8紧密接合。

嵌入部件20装在油缸4的顶部并稍为向下伸展进入油缸筒8。此嵌入部件形成一个内部空心空间21，这空间通过分别设在嵌入部件20上和油缸4上的通孔22和23跟图1所示的液压启动装置12连通。嵌入部件20在面向促动活塞10的一端上设置有两个径向内伸的节流棱缘，分别是主节流棱缘25和副节流棱缘26。所述两棱缘构成的一个较小的空间27通过一条容纳着一个可调节流阀29的导管28跟空心空间21接通。一个在流入空心空间21的方向截止的单向阀32设置在一条导向嵌入部件20的面向阀件5的端面上的导管31里，从而将空心空间21跟在促动活塞10与嵌入部件20之间的空间35接通。

图2所示的排气阀将详细地结合图3进行说明。

当受凸轮轴上的排气凸轮的凸轮曲线所控制凸轮轴泵12开始通过导管11向油缸4的进口23供加压油时，空间21内的油压升高。这必然导致活塞10由于油直接施加压力到促动活塞的轴向背离阀件的表面上而轴向朝阀件5移动。油将直接作用在端轴颈15的上端面36和构成端轴颈15的副节流段18跟中间段17之间的过渡段的窄环形部分37上。由于在副节流段18跟副节流棱缘26之间在所示的阀的关闭状态下间隙很小，因此油只对促动活塞的环形台肩部分38产生较小的作用。而强大的压力升高将令单向阀32打开，随着，通过导管31的油跟促动活塞上的该台肩部分接触。在促动活塞向下位移很短一段对应于排气阀5的一定程度的开启以后，副节流段18跟副节流棱缘26互相脱离，随着油大部分沿着中间段17流过节流棱缘25与26，进而到达台肩部分38。但是一定程度的节流效应仍然存在，有一定量的油将持续地流过单向阀32和导管31，尤其是在位移未端、主节流段16跟主节流棱缘26接合时是这样。

在这个循环过程中，阀件遵循例如图3上的基本上对应于排气凸轮的曲线的上升曲线40动作。当阀在时间t完全打开时，阀开启了一个h₂-h₁的距离，对应于促动活塞10的端轴颈15上的主节流段16跟嵌入部件20的主节流棱缘25相对的情况。

当阀在时间t₃开始关闭时，它将根据节流阀29的调节情况遵循图上实线所示的曲线40对应于凸轮曲线的下游侧动作，或者沿另外一条下降曲线、例如一条基本上与它平行伸展的曲线40a或40b动作。

如节流阀29完全打开-对应于最小节流作用-由于气动弹簧施加在阀件5上的向上促动作用压出腔室35的油自由地流经导管28越过阀29并通过油缸4的进口/出口23排出。没有发生显著的节流作用，阀件5如所述的那样对应于曲线40的情况关闭。由于凸轮轴12的滚子遵循着凸轮曲线的下游侧动作，实际上获得最佳的功率回收。紧接在阀完全关闭之前，副节流段18跟副节流棱缘26接合，这在一定程度上缓冲了冲击，因为在腔室35内余下的油只能在通过在所述节流区之间的窄缝后才能到达出口23。这就降低了阀的冲击速度。可以看出这效应跟节流阀29无关，因而不管阀29如何调整，这效应总是存在的。在图3上由短曲线段41a、41b与41c示出。

如节流阀29完全关闭-对应于最大节流作用-存在腔室35与28内的油只能通过在主节流段16跟主节流棱缘25之间的缘隙到达出口23。该节流作用阻止阀对应于凸轮曲线的下游侧来关闭，阀就会“脱离”（letgo）凸轮控制，这样阀只跟通过该缝隙的油的回流同步地关闭。阀的完全关闭的动作的延迟对应于图3的t₅-t₄的时间间隔。当主节流区相互脱离后，阀沿着图3的曲线40b关闭。跟上面所述的一样，关闭速度确定于端轴颈15的中间段17跟两个节流棱缘25和26之间的间隙。如上所述，冲击最后被缓冲掉。

根据节流阀29的调整，可以得到长一些或短一些的排气阀的关闭的延迟，从而获得发动机的高效的压缩比，如通过前面介绍所说明的那样。

节流阀根据发动机的实际带负载工作状态来调整，这可以用任何合适的方式来实现，例如将单个节流阀的杠杆连到一个公共连杆上，这连杆然后根据由一个常规压力传感器检测出的空气储存器内的压力用电驱动或气驱动进行位移。

图4示出本发明的排气阀的第二实施例。促动活塞50有一个中心腔穴51，腔穴开口处设有一个径向朝内的环状项圈52，该开口离向阀件5伸展。嵌入部件55包括有一个朝促动活塞50方向伸出并含有一个容纳可调节流阀58的中心孔57的中心端轴颈56。中心孔57在节流阀的阀座59的下游通过横向导管60跟围绕看端轴颈56设置的并跟油缸4的油进口/油出口63直接连接的腔室62连通。

在这个实施例中当加压油传送到进口63，促动活塞50，从而阀件5跟上述的情况一样由于油作用到促动活塞上而从图4所示的对应于阀关闭状态的位置移动。由于在此实施例中油直接作用到促动活塞有效面积的主要部分，就毋须像上述那样要有一个由单向阀控制的油路，这油路在起始开启动作中将油流进并不立即被升高的油压作用到的促动活塞的那部分区域内。但是，根据实际压力情况，为了防止在腔穴51内产生气穴，最好加入导向端轴颈56下向端并跟腔室62连起来的导管。

如前所述，阀的开启基本上遵循凸轮曲线的上游侧。这已在图5用曲线70示出。促动活塞50的腔穴51在开启相当程度后脱离端轴颈56。

当油压下降并且阀开始关闭时，促动活塞50朝着端轴颈56以一个开始时对应于油泵的滚子沿着凸轮曲线下游侧运动的情况的速度向上运动。一当端轴颈56跟腔穴51接合，随着，阀的进一步的关闭运动就取决于节流阀58的调整，因为存在腔穴51里的油只能通过连在节流阀58上的通道57或通过在环状项圈52跟端轴颈56外表面之间的窄缝离开该腔穴。如节流阀58完全关闭，全部的油就要通过该缝隙，从而得到排气阀关闭的最大延迟。这样的循环在图5内用曲线段70c示出。如节流阀部分开启，阀将按曲线70b关闭;如节流阀全部打开，在此例子中阀就沿实线所示的曲线70关闭。从图5可见，在本例腥匀豢稍诜耆乇涨盎竦靡欢ǔ潭鹊幕撼宄寤鞯淖饔茫虢诹鞣У牡髡薰亍５贝俣钊?0沿着端轴颈56移动这样一个距离使环状项圈52复盖着进入腔室62的横向导管60时该缓冲作用就开始，因为这时留在腔穴51内的油一定要通过在环状项圈52与端轴颈56外表面之间的缝隙离开腔穴。

应当理解到改变端轴颈56的长度可以确定在阀关闭过程中什么时候开始节流作用。

Claims (5)

1、一种控制内燃机、特别是一种二冲程单向流扫气船用柴油发动机的液动排气阀(1)的关闭运动的方法，其中排气阀包括一个容纳在油缸(4)内的促动活塞(10)，这活塞(10)在加压液压油的供给下跟一个排气阀件(5)协同动作以向阀件(5)传递一个开启运动，并且油缸(4)的促动活塞(10)界定一个液压油的工作腔室，其特征在于使从排气阀的工作腔室排出的油的容积流量通过一个或多个在促动活塞(10)与油缸(4)间的机械地限定的固定的节流台阶与/或通过一个可调节流元件来根据发动机的带负载工作状态来改变。

2、一种用于按权利要求1的方法中那种类型的排气阀包括有一个容纳在一个油缸（4）内的促动活塞（10），这活塞（10）在加压液压油的供给下跟一个排气阀件（5）协同动作以向阀件（5）传递一个开启运动，并且油缸（4）的促动活塞（10）界定一个液压油的工作腔室（21、27、35），其特征在于油缸（4）的界定工作腔室的那部分包括有两个在轴向分隔开的节流棱缘（25、26），

促动活塞（10）界定工作腔室的一端具有一个轴向伸展的端轴颈（15）的形式，这一端轴颈在纵向上具有不同直径，最好是具有三个轴向分隔开的、适应于跟油缸（4）的节流棱缘（25、26）协同工作的节流段（16、17、18）。

油缸（4）的节流棱缘（25、26）跟促动活塞（10）的节流段（16、17、18）适应于相互配置使离向促动活塞（10）设置的主节流段（16）跟油缸（4）的主节流棱缘（25）在促动活塞（10）处于一个对应于排气阀全开的位置时协同工作，而且使靠促动活塞（10）最近设置的副节流段（18）跟油缸（4）的副节流棱缘（26）在促动活塞（10）处于一个对应于排气阀关闭的位置时协同工作。

工作腔室的离开促动活塞（10）并被主节流段（16）与主节流棱缘（25）间的配合所界定的那部分（21）直接跟油出口（23）连接，并且

工作腔室的设置在油缸的主节流棱缘（25）与副节流棱缘（26）之间的那部分（27）通过包括有一个可调节流阀（29）的导管（28）跟油出口（23）连接。

3、一种用于按权利要求1的方法中那种类型的排气阀包括有一个容纳在一个油缸（4）内的促动活塞（50），这活塞（50）在加压液压油的供给下跟一个排气阀件（5）协同动作以向阀件（5）传递一个开启运动，并且油缸（4）的促动活塞（50）界定一个液压油的工作腔室（51、62），其特征在于促动活塞（50）在界定工作腔室的一端设置有一个构成工作腔室的一部分的轴向中心孔51，

油缸（4）设置有一个适应于在促动活塞（50）的运动的一个预定部分中跟中心孔（51）紧密接合的圆柱形端轴颈（56），

端轴颈（56）容纳有一个包括有一个可调节流阀（58）的节流通道（57），

节流通道（57）在节流阀（58）的一端导向端轴颈的面对促动活塞的端面，

节流通道（57）在节流阀（58）的另一端在离开端轴颈的端面一个预定的轴向距离处导向在端轴颈（56）的圆柱表面里的一个开口（60），并且

该轴向距离是这样来适应于促动活塞（50）的行程使在端轴颈（56）的圆柱表面里的节流通道（57）的开口（60）在活塞（50）处于一个对应于排气阀关闭的位置时被活塞（50）挡住。

4、按权利要求3的排气阀，其特征在于诙酥峋钡脑仓砻娴慕诹魍ǖ溃?7）的开口（60）与端轴颈的端面之间的距离是这样来适应于促动活塞（50）的行程使该开口（60）在促动活塞（50）的行程中不是在任何时候都被促动活塞（50）挡住。

5、按权利要求3或4的排气阀，其特征在于活塞（50）只在靠近中心孔（51）的开口设置并具有一个比中心孔（51）本身直径小的直径的环状部分（52）适应于跟端轴颈紧密接合。

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