CN105649706B - 用于内燃发动机的气门系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于内燃发动机的气门系统，及包括气门系统的内燃发动机和使气门系统的进/排气门运动的气门致动方法。内燃发动机具有加压流体的压力源，气门系统包括：排气门或进气门；包括具有轴向延伸部的壳体、能在壳体中滑动的活塞及限定在第一活塞端的第一活塞面和第一壳体端之间的第一腔室的致动器，第一壳体端具有与压力源流体连接的第一开口，第二活塞端经第二壳体端中的开口连接到气门以致动气门关闭和打开，第一活塞面面向第一壳体端；活塞包括相对于第一活塞面沿轴向延伸部移置并设在由壳体和活塞限定出的第二腔室中的第二活塞面，还包括使第一与第二腔室连接的流体通道而使流体从第一腔室引至第二腔室以挤压第二活塞面并打开气门。

Description

用于内燃发动机的气门系统

技术领域

本发明涉及用于具有加压流体的压力源的内燃发动机的气门系统。本发明还涉及包括根据本发明的气门系统的内燃发动机，以及用于使根据本发明的气门系统的进气门/排气门运动的气门致动方法。

背景技术

在如US 5193495所示的内燃发动机中，在燃烧结束后要对气缸进行排气清空，并在冲程中将新鲜气体引入气缸。为此，需要打开排气门或进气门。当打开例如排气门时，气缸中的压力非常高，而一旦气门稍微打开，则压力充分降低。通过在气门杆的顶部施加压力的致动器来致动电子操作的气门，以使气门向下运动，从而完全打开气门。为克服气缸中的高压，作用在气门上的初始力需要非常大，随后为了继续运动以完全打开气门，操作力可充分地小。

在已知的致动器中，致动器具有由加压流体操作的双活塞，并且一旦克服了气缸中的初始压力，双活塞的外部活塞的运动便停止，只剩下双活塞的内部活塞运动以完全打开气门。这样，所导致的双活塞的表面积在已克服气缸中的初始高压力后显著减小，从而加压流体的量减小以使气门进一步运动到完全打开位置。当具有包括在外部活塞中运动的内部活塞的双活塞时，双活塞在操作中会遇到故障，并且这种双活塞制造起来也非常复杂和昂贵。特别是，双活塞的运动部件会经受碰撞，这导致致动器故障、过早的活塞磨损和破裂。

发明内容

本发明的一个目的是完全或部分地克服现有技术的上述缺点和弊端。更具体地，其目的是提供一种更容易制造并且较少地遭受致动器故障的改进的气门系统。

通过根据本发明的解决方案由一种用于具有加压流体的压力源的内燃发动机的气门系统可实现从下面的描述中变得明显的上述目的连同多个其它目的、优点和特征，所述气门系统包括：

-排气门或进气门，

-致动器，包括：

-致动器壳体，该致动器壳体在第一壳体端和第二壳体端之间具有轴向延伸部，所述第一壳体端具有与压力源流体连接的第一开口，

-活塞，该活塞能在致动器壳体中滑动并具有第一活塞端和第二活塞端，第二活塞端经第二壳体端中的开口连接到气门，以在关闭位置和打开位置之间致动气门，和

-第一腔室，该第一腔室限定在第一活塞端的第一活塞面和第一壳体端之间，第一活塞面面向致动器壳体的第一端，

其中，活塞包括设置成相对于第一活塞面沿轴向延伸部移置的第二活塞面，该第二活塞面设置在由致动器壳体和活塞限定出的第二腔室中，并且活塞包括或限定有使第一腔室与第二腔室流体连接的流体通道，以使得加压流体从第一腔室被引导到第二腔室以挤压第二活塞面并打开气门。

通过在活塞中具有流体通道，加压流体同时挤压第一活塞面和第二活塞面，因此，在对活塞初始加压时，使用比只有第一活塞面大的面积，由此获得用于克服发动机气缸中的过压的较大的力。

活塞可以是一个部件或是成不可动关系的多个部件。

另外，第一腔室可以与第二腔室分开。

此外，致动器壳体可包括限定第二腔室的环形凹槽。

再者，在气门的关闭位置，第二活塞面与环形凹槽沿轴向延伸部可具有一距离。

另外，活塞可包括提供第二活塞面的环形突出部。

此外，第二腔室可具有最靠近第一活塞面的腔室面，在气门的关闭位置，该腔室面与第二活塞面沿轴向延伸部具有一距离。

所述第二腔室可以是环形的。

另外，腔室面可终止成与活塞靠接。

此外，第二腔室可具有终止成与活塞靠接的第二腔室面。

流体通道可具有第一通道开口和第二通道开口，在关闭位置第二通道开口与第二腔室相对，第二通道开口与轴向延伸部相垂直地设置，使得在活塞运动而打开气门时，第二通道开口运动超出第二腔室以断开第一腔室与第二腔室之间的流体连通。

此外，第一通道开口可设置在第一活塞面中或活塞的周向面中。

活塞还可包括与第一腔室相对的多个第一通道开口。

此外，活塞还可包括与第二腔室相对的多个第二通道开口。

另外，气门系统还可包括设置在第一活塞端中的缓冲装置。

这种缓冲装置可包括可滑动地设置在第一活塞端中的孔内的缓冲活塞，一活塞可设置在孔中并由挤压缓冲活塞的加压流体压缩。

另外，活塞可包括与由致动器壳体和活塞限定出的环形空间对应的环形突出部，使得在活塞运动以打开气门的过程中突出部可限制该环形空间。

在活塞运动以打开气门的过程中当突出部可限制环形空间时，流体被截留在该空间中并且使活塞的运动减速，以抑制活塞的振荡。这样，活塞的停止运动得到明显的缓冲。

此外，第一活塞面可设置在沿轴向延伸部距致动器壳体的第一端一定距离处。

此外，环形空间可以是第一腔室的一部分。

另外，环形空间可设置在第三腔室中。

第二腔室可设置成沿轴向延伸部在第一腔室和第三腔室之间。

此外，致动器壳体可包括设置在沿轴向延伸部距第二腔室一定距离处的第三开口，该第三开口距致动器壳体的第二端比距致动器壳体的第一端更近。

另外，第三开口可以是在第二通道开口与第三开口相对时用于从流体通道接收加压流体的释放开口。

此外，第三开口可流体连接到第三腔室。

本发明还涉及包括上述气门系统的内燃发动机。

此外，本发明涉及包括上述内燃发动机的船舶。

最后，本发明涉及用于使上述气门系统的进气门/排气门在打开位置和关闭位置之间运动的气门致动方法，包括如下步骤：

-给流体加压，

-引导加压流体经过致动器壳体中的第一开口，

-引导流体进入活塞中的流体通道，

-通过加压流体同时挤压第一活塞面和第二活塞面，

-使活塞朝致动器壳体的第二端运动以打开气门，

-关闭通向第二腔室的流体连接，和

-使活塞进一步运动以完全打开气门。

该气门致动方法还可包括如下步骤：通过在活塞运动的过程中使突出部运动以限制一空间而将流体截留在该空间内。

将流体截留在所述空间内的步骤可使活塞的运动减速直到活塞的运动停止，以抑制活塞的振荡。

另外，上述气门致动方法还可包括如下步骤：通过挤压缓冲活塞而压缩弹簧。

关闭通向第二腔室的流体连接的步骤可通过使第二开口运动超出第二腔室来进行。

附图说明

下面将参照所附示意图更详细地描述本发明及其许多优点，所述示意图为了说明的目的示出一些非限制性的实施例，其中：

图1示出内燃发动机的气门系统的局部剖视图，其中气门示出为处于其关闭位置，

图2示出具有缓冲装置和空气弹簧的另一气门系统的局部剖视图，

图3示出具有缓冲空间和释放开口的另一气门系统的局部剖视图，其中气门示出为处于其稍微打开的位置，以及

图4示出内燃发动机的另一气门系统的局部剖视图。

所有的附图都是高度示意性的并且不一定是按比例的，这些附图仅示出为了阐明本发明所需的部件，其它部件被省略或仅提及。

具体实施方式

图1示出用于通过来自压力源P的加压流体来操作内燃发动机100的排气门或进气门2的气门系统1。一旦内燃发动机100的气缸3中的燃烧已经结束，便在新的柴油燃料进入气缸3之前使排气通过排气门2排放。气门系统1包括需要打开的排气门或进气门2，以及用于打开气门的致动器4。致动器4包括致动器壳体5，该致动器壳体在第一壳体端7和第二壳体端8之间具有轴向延伸部6。第一壳体端7具有与压力源P流体连接的第一开口9，从而将也称作高压流体的加压流体引导到致动器壳体5中。活塞10可滑动地设置在致动器壳体5中并具有第一活塞端11和第二活塞端12。第二活塞端12经第二壳体端8中的开口15连接到排气门2的气门杆14，以在关闭位置和打开位置之间致动气门2。在图1中，气门2示出为处于其关闭位置。致动器4具有在第一活塞端11的第一活塞面17与第一壳体端7之间限定出的第一腔室16。第一活塞面面向致动器壳体5的第一端7。活塞10包括设置成相对于第一活塞面17沿轴向延伸部6移置的第二活塞面18。第二活塞面18设置在由致动器壳体5和活塞10限定出的第二腔室19中。活塞10包括或限定有使第一和第二腔室16、19流体连接的流体通道20，从而可将加压流体从第一腔室16引导到第二腔室19，以挤压第二活塞面18而打开气门2，由此将气门2从关闭位置移到打开位置。

通过在活塞10中具有流体通道20，加压流体同时挤压第一活塞面17和第二活塞面18，从而产生比只有第一活塞面17大的共同的较大面积。由此，用于打开气门2的流体挤压较大面积，从而产生用于克服燃烧气缸3中的初始过压的较大的力。因为活塞10中的流体通道20将流体分配到第二腔室19，所以在单件式活塞10中获得了加压流体所挤压的初始的较大面积，且由此避免了可滑动地设置在外部活塞内侧的内部活塞的更复杂的已知设计。因此，本发明的活塞10是一个部件或以不可动关系固定地安装的多个部件。

仅使用一个流体压力源将加压流体供给到第一腔室16，活塞10中的流体通道20将流体从第一腔室16引导到分立的第二腔室19。第二腔室19为环形并由包括环形凹槽21的致动器壳体5形成，该环形凹槽与活塞10一起限定第二腔室19。流体通道20通过轴向延伸的孔20a与径向延伸的孔20b流体连接而形成。轴向延伸的孔20a设置成相对于致动器壳体5中的第一开口9沿径向移置，使得加压流体被引导成在第一活塞面17上施加压力而不直接导入流体通道20。第一活塞面17设置在沿轴向延伸部6距致动器壳体5的第一端7一定距离处。

第二腔室19设计成使得在气门2的关闭位置第二活塞面18与环形凹槽21沿轴向延伸部6具有距离d。这样，加压流体可压靠第二活塞面18，以使活塞10向图1的下方运动。当与气门2的气门杆15连接的活塞10向下运动时，气门2的盘状部31离开气缸3中的支座32，从而排气可从气门2的盘状部31通过并经排气通道30排出。

在图1中，活塞10包括设有第二活塞面18的环形突出部22。突出部22作为环形圈突出到第二腔室19中以限定该第二腔室。活塞10的面向第一壳体端7的第一部分具有与致动器壳体5的内径匹配的第一直径，活塞10的第二部分具有比第一直径大并与致动器壳体5的第二内径匹配的第二直径。与第二腔室19相对地，致动器壳体5具有比致动器壳体5的第一和第二内径大的第三内径。活塞10固定地连接到气门2的气门杆14。

第二腔室19具有最靠近第一活塞面17并终止成与活塞10靠接的腔室面23。在气门2的关闭位置，腔室面23与第二活塞面18沿轴向延伸部6具有距离d。与腔室面23相对地，第二腔室19具有也终止成与活塞10靠接的第二腔室面24。

从图1中可看出，流体通道20具有第一通道开口25和第二通道开口26，在关闭位置第二通道开口26与第二腔室19相对，其中，第二通道开口26与轴向延伸部6相垂直地设置，使得在活塞10及由此第二通道开口26运动时，第二通道开口26运动超出第二腔室19，从而断开第一腔室16与第二腔室19之间的流体连通。第一通道开口25设置在第一活塞面17中。

来自泵P的高压流体提供活塞10的向下运动以打开气门2，通过止挡装置来停止所述运动，所述止挡装置例如为图1中示出的螺旋弹簧46、图2中示出的空气弹簧或气体弹簧、图3中示出的可压缩弹性元件44或类似的止挡装置。一旦气门2打开，弹簧或弹性元件44便被压缩，这在弹簧或弹性元件中引起内在的力，所述力用于使气门返回到其关闭位置并由此提供向上的运动。在气门的返回运动中，高压流体经第一开口9离开并返回到由阀46控制的储器T。

在图2中，气门系统1的致动器4具有设置在第一活塞端11中的缓冲装置27，以对气门2的关闭进行缓冲并避免不希望的振动。缓冲装置27包括可滑动地设置在第一活塞端11中的孔33内的缓冲活塞28，其中，通过挤压在缓冲活塞28上的加压流体而压缩弹簧29，由此当气门2关闭时缓冲装置27变成由弹簧加载并准备好吸收碰撞。一旦打开，为了关闭气门2，气门系统1包括具有绕气门杆14设置的空气弹簧活塞41的空气弹簧40，当气门杆14向下运动时，空气弹簧包括空间42中的空气。活塞10包括与第二腔室19相对的多个第二通道开口26。可以看到，流体通道20的第一部分是活塞10中的凹槽20c，并通过终止于径向延伸的孔20b的倾斜部而延续。

在图3中，气门2处于略微打开的位置。活塞10包括与第一腔室16相对的多个第一通道开口25，因此流体通道20以第一活塞面17处的多个通道开始并会聚到活塞10中的一个中心孔内，以终止于以一定的角度向环形凹槽21延伸的孔20b中。此外，活塞10包括与由致动器壳体5和活塞10限定出的环形空间35对应的环形突出部34，使得在活塞10运动以打开气门2的过程中，突出部34能够限制环形空间35并压缩其中的流体。在活塞10运动以打开气门2的过程中，当突出部34限制环形空间35时，流体被截留在空间35中并使活塞10减速，以抑制活塞的振荡。这样，活塞10的停止运动得到明显的缓冲并由此避免了不希望的振动。在图3中，环形空间35是第一腔室16的一部分，在图4中，环形空间35设置在第三腔室36中。第二腔室19沿轴向延伸部6设置在第一腔室16和第三腔室36之间。

在图3中，致动器壳体包括沿轴向延伸部6进一步远离第一腔室16地设置在距第二腔室19一定距离处的第三开口37。因此，第三开口37距致动器壳体5的第二端8比距致动器壳体5的第一端7更近。当第二通道开口26与第三开口37相对时，第三开口37用作用于从流体通道20接收加压流体的释放开口。在操作中，至关重要的是，在空气弹簧40、可压缩元件44或类似的止挡装置失灵的情况下，在气门2的盘状部31撞到燃烧气缸3中的燃烧活塞之前使盘状部31停下。通过具有第三开口37，活塞10的向下运动在第三开口37处被停下，因为加压流体从压力源P被引导从第三开口37流出。因此，第三开口37用作在其它止挡装置失效的情况下的安全预防措施。当具有用作安全预防措施的第三开口37时，致动器壳体5中的第一开口9具有比流体通道20、第一通道开口25、第二通道开口26和第三开口37的截面积小的截面积。

在气门2运动以打开气门的过程中，孔20b运动超出环形凹槽19，当活塞10进一步运动以进一步打开气门2时，由于活塞10与凹槽19之间的空间增大，故环形凹槽19中的压力减小。为了避免环形凹槽19中的压力变得过低，环形凹槽与具有大致为3巴压力的低压流体供给源45连接，以避免环形凹槽内的流体蒸发。

在图4中可以看到，第一通道开口25设置在活塞10的周向面38中，而不是在第一活塞面17中。在另一实施例中，第一通道开口25设置在活塞10的周向面38中以及第一活塞面17中。在图4中，第三开口37流体连接到第三腔室36。

通过首先给流体加压、然后引导加压流体经过致动器壳体5中的第一开口9，来通过致动器4致动排气门或进气门2，以使排气门或进气门在打开位置和关闭位置之间运动。进一步引导流体进入活塞10中的流体通道20并离开而进入第二腔室19，从而通过加压流体同时挤压第一活塞面17和第二活塞面18。这样，活塞10向致动器壳体5的第二端8运动，以打开气门2。加压流体同时挤压第一和第二活塞面17、18，直到第二通道开口26运动超出第二腔室19，从而关闭与第二腔室19的流体连接。在关闭第二腔室19的流体连通后，活塞10通过仅挤压第一活塞面17的加压流体进一步运动以完全打开气门2。这样，加压流体的消耗被尽量减少，因为作用在第二活塞面18上的加压流体仅在气缸3中的过压较高的气门2打开的初始阶段中使用，随后加压流体仅用于挤压第一活塞面17，其中加压流体充满第一腔室16而不用也充满第二腔室19。

为了防止活塞10的停止运动中的振荡或振动，通过使活塞10的突出部移动而将流体截留在设置在第一腔室16中或第三腔室36中的空间35中，以限制空间35并压缩截留在其中的流体。因此，将流体截留在空间35中会使活塞10的运动减速，以抑制活塞的振荡。为了进一步避免在再次关闭气门2时气门系统1中的振动，在初始加压并引导流体经过第一开口9的过程中压缩缓冲活塞28中的弹簧29。

内燃发动机是指例如用于远洋船舶的、具有活塞直径为至少20cm的气缸的内燃发动机，或用于使发电厂的发电机运转的固定式发动机。发动机可以是两冲程或四冲程发动机，并且通常具有4至15个气缸。内燃发动机是通常用作具有50至200rpm的速度范围的主推进发动机的低速发动机。发动机可以由燃料提供动力，该燃料例如是具有至少0.05％的硫含量的船用柴油或重质燃料，或气体燃料如甲烷、乙烷、甲醇、天然气或石油气、或液化燃料气体。

虽然上文结合本发明的优选实施例对本发明进行了描述，但对于本领域技术人员显然的是，可设想多种变型而不脱离由所附权利要求限定的本发明。

Claims (9)

1.一种用于具有加压流体的压力源(P)的内燃发动机(100)的气门系统(1)，包括：

-排气门或进气门(2)，

-致动器(4)，包括：

-致动器壳体(5)，所述致动器壳体在第一壳体端(7)和第二壳体端(8)之间具有轴向延伸部(6)，所述第一壳体端(7)具有与所述压力源(P)流体连接的第一开口(9)，

-活塞(10)，所述活塞能在所述致动器壳体(5)中滑动并具有第一活塞端(11)和第二活塞端(12)，

其特征在于，所述第二活塞端(12)经所述第二壳体端(8)中的开口(15)连接到所述气门(2)，以在关闭位置和打开位置之间致动所述气门(2)，并且所述致动器还包括第一腔室(16)，所述第一腔室限定在所述第一活塞端(11)的第一活塞面(17)和所述第一壳体端(7)之间，所述第一活塞面(17)面向所述致动器壳体(5)的所述第一壳体端(7)，

其中，所述活塞(10)包括设置成相对于所述第一活塞面(17)沿所述轴向延伸部(6)移置的第二活塞面(18)，所述第二活塞面(18)设置在由所述致动器壳体(5)和所述活塞(10)限定出的第二腔室(19)中，并且所述活塞(10)包括或限定有使所述第一腔室与所述第二腔室(16，19)流体连接的流体通道(20)，以使得所述加压流体从所述第一腔室(16)被引导到所述第二腔室(19)以挤压所述第二活塞面(18)并打开所述气门(2)，

其中，所述流体通道(20)具有第一通道开口(25)和第二通道开口(26)，在所述关闭位置所述第二通道开口(26)与所述第二腔室(19)相对，所述第二通道开口(26)与所述轴向延伸部(6)相垂直地设置，使得在所述活塞(10)运动而打开所述气门(2)时，所述第二通道开口(26)运动超出所述第二腔室(19)以断开所述第一腔室(16)与所述第二腔室(19)之间的流体连通。

2.根据权利要求1所述的气门系统，其中，所述致动器壳体(5)包括限定所述第二腔室(19)的环形凹槽(21)。

3.根据权利要求2所述的气门系统，其中，在所述气门(2)的关闭位置，所述第二活塞面(18)与所述环形凹槽(21)沿所述轴向延伸部(6)具有一距离(d)。

4.根据权利要求1或2所述的气门系统，其中，所述活塞(10)包括提供所述第二活塞面(18)的环形突出部(22)。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的气门系统，其中，所述第二腔室(19)具有最靠近所述第一活塞面(17)的腔室面(23)，在所述气门(2)的关闭位置，所述腔室面(23)与所述第二活塞面(18)沿所述轴向延伸部(6)具有一距离(d)。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的气门系统，其中，所述活塞(10)包括与由所述致动器壳体(5)和所述活塞(10)限定出的环形空间(35)对应的环形突出部(34)，使得在所述活塞(10)运动以打开所述气门(2)的过程中所述突出部(34)能限制所述环形空间(35)。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的气门系统，其中，所述致动器壳体(5)包括设置在沿所述轴向延伸部(6)距所述第二腔室(19)一定距离处的第三开口(37)，所述第三开口(37)距所述致动器壳体(5)的所述第二壳体端(8)比距所述致动器壳体(5)的所述第一壳体端(7)更近。

8.一种包括根据权利要求1-7中任一项所述的气门系统(1)的内燃发动机(100)。

9.一种用于使根据权利要求1-7中任一项所述的气门系统(1)的进气门/排气门(2)在打开位置和关闭位置之间运动的气门致动方法，包括如下步骤：

-给流体加压，

-引导加压流体经过所述致动器壳体(5)中的所述第一开口(9)，

-引导所述流体进入所述活塞(10)中的所述流体通道(20)，

-通过所述加压流体同时挤压所述第一活塞面(17)和所述第二活塞面(18)，

-使所述活塞(10)朝所述致动器壳体(5)的所述第二壳体端(8)运动以打开所述气门(2)，

-关闭通向所述第二腔室(19)的流体连接，和

-使所述活塞(10)进一步运动以完全打开所述气门(2)。