CN106121762B - 具有排气阀致动系统的内燃发动机 - Google Patents

Abstract

一种大型涡轮增压二冲程自燃式内燃发动机，具有设有排气阀(4)的多个汽缸(1)。排气阀(4)在闭合位置和打开位置之间在相反方向上可移动。空气弹簧(66)可操作地连接至排气阀(4)并且配置为将排气阀(4)推向其闭合位置。液压致动器(60)配置为当对液压致动器(60)加压时将排气阀(4)推向其打开位置。提供用于测量排气阀(4)的速率的装置，并且控制器(50)可操作地连接至加压的液压液体源(81)。控制器(50)收到表示所测量的排气阀(4)的速率的信号，并且控制器(50)配置为通过响应于所测量的排气阀(4)的速率控制所述可控制得加压的液压液体源(81)来控制排气阀(4)的速率。

Description

具有排气阀致动系统的内燃发动机

技术领域

本公开涉及一种具有排气阀致动系统的大型涡轮增压二冲程自燃式内燃发动机，更具体地涉及一种具有电控排气阀致动系统的大型涡轮增压二冲程自燃式内燃发动机。

背景技术

通常将大型涡轮增压二冲程自燃式内燃发动机用作大型远洋船舶诸如货柜船或发电厂的原动机。

这些发动机的汽缸在缸盖中(即汽缸的顶部处)具有单个排气阀并在汽缸衬垫的下部区域具有一圈活塞控制的扫气口。

近来，这些发动机的大部分具有电控和液压排气阀致动系统。与凸轮轴控制的排气阀致动系统相比，电控系统允许大大提高灵活性和可调性，其允许在发动机的全范围的操作条件下对排放和燃料消耗进行优化。

具有电控排气阀致动系统的大型涡轮增压二冲程自燃式内燃发动机具有以下缺点：液压系统必须反抗在燃烧室中作用在具有相当大的有效压力区的阀盘上的压力并反抗将排气阀推向其底座的空气弹簧的力才能打开排气阀。

因此，最初需要非常大的力来打开排气阀。一旦排气阀有些许提升，打开排气阀所需的力会突然减小，这是因为其仅仅是在闭合方向上推动排气阀的空气弹簧的力。因此，非常高的压力被施加到排气阀顶部的液压致动器以能够反抗燃烧室中的压力而打开排气阀，但其后不久此高压力过度并引起排气阀加速到没有必要的程度且经常引起液压排气阀致动系统中的空穴现象。此问题在低负荷条件下尤其严重。原因是排气阀致动被标准化地快速打开以获得全负荷，即将阀盘暴露于最高燃烧压力下。在低负荷期间，燃烧压力低得多并因此，排气加速更快并获得比预期更大的速率，在其向其打开位置运动的最后阶段需要更大量的减速，从而引起负压，即液压阀致动系统的空穴现象。

降低液压给进压力并不是减少或克服空穴现象的可行的解决方法，因为这与为了克服燃烧室中的压力而在排气阀的打开运动的第一阶段产生相当大的力的需要相冲突。

进一步地，空气弹簧的特征相对不可预测，由于它们取决于不同的操作条件并随时间改变。因此，如果没有可能在发动机建造期间为不同的发动机负荷简单地校准阀致动系统以避免排气阀在低负荷下获取太高的速率，这将是非常困难的。

最近一段时间，由于船运公司倾向于在低于设计速度的速度下驾驶它们的船(所谓的减速航行)，并因此较长时间在远低于最大负荷水平的负荷水平下操作主发动机，这个问题已加剧。

WO 2006108438公开了一种大型二冲程柴油发动机，具有连接到单动式空气弹簧的排气阀，即当没有液压力施加到所述排气阀时，所述排气阀将处于半开状态。测量所述排气阀的速率以避免其在关闭运动中太难停靠在阀座上。

发明内容

考虑到上文，本发明的目的是克服或至少减少上文提到的问题。

上述和其他目的通过独立权利要求的特征实现。根据从属权利要求、说明书和附图，另外的实现形式是显而易见的。

根据第一方面，提供了一种大型涡轮增压二冲程自燃式内燃发动机，所述发动机包括具有在其下部区域的扫气口和在顶部的排气阀的多个汽缸；具有阀杆和阀盘的排气阀，所述排气阀在闭合位置(其中阀盘靠在阀座上)和打开位置之间在相反方向上可移动；具有容纳在空气弹簧汽缸中的弹簧活塞的单动式空气弹簧，所述空气弹簧可操作地连接至阀杆并且所述空气弹簧被配置为有弹性地将排气阀推向其闭合位置；液压致动器，其具有孔和可滑动地并密封地容纳在所述孔中的柱塞并具有在所述孔中的在所述柱塞的一侧的压力室，所述柱塞连接至排气阀的杆并且所述液压致动器配置为当对所述压力室加压时将排气阀推向其打开位置；连接至所述液压致动器的可控制的加压的液压液体源；用于测量排气阀速率的装置；和可操作地连接至所述可控制的加压液压液体源的控制器，所述控制器收到表示所测量的排气阀的速率的信号，所述控制器配置为通过响应于所测量的排气阀的速率控制所述可控制的加压的液压液体源来控制所述排气阀的速率，且控制器配置为控制排气阀的速率以在其从所述底座到打开位置的运动期间得到所述排气阀所需的最大速率或平均速率。

通过测量排气阀的速率并通过响应于其调整送往的液压排气阀致动系统的液压动力，能够控制排气阀获得的速率并因此能够避免可能导致空穴现象的过大的速率。

根据第一方面的第一实施方式，所需的最大速率或平均速率取决于发动机的负荷。

根据第一方面的第二实施方式，控制器配置为根据实际发动机负荷调整所述所需的最大速率或平均速率。因此，将供应给液压阀致动系统的液压动力的量调整为操作条件。

根据第一方面的第三实施方式，控制器根据实际发动机负荷从方程式或从查找表确定所述所需的最大速率。

根据第一方面的第四实施方式，所述可控制得液压液体源包括比例控制阀。

根据第一方面的第五实施方式，比例控制阀连接至高压液压液体源并且其中所述控制器通过调整所述比例控制阀的打开而控制所述排气阀的速率。

根据第一方面的第六实施方式，将所需的最大速率或平均速率水平设置为足够高以确保排气阀的打开足够快并且足够低以避免所述可控制的液压液体源中的空穴现象。

根据第一方面的第七实施方式，对于每个给定的发动机循环数，测量排气阀的速率。对于每一个发动机循环或例如每一个第二、第三或其他合适的发动机循环数能够测量速率。由于大型涡轮增压二冲程内燃发动机的负荷条件通常变化较慢，所以没有必要测量每一个发动机循环的排气阀得到的实际速率。

根据第一方面的第八实施方式，所述控制器配置为响应于排气阀的最新测量速率控制可控制的液压液体源。

根据第二方面，上述目的还通过提供一种用于控制具有液压致动排气阀的大型涡轮增压二冲程自燃式内燃发动机的排气阀的最大或平均速率的方法来实现，所述方法包括测量排气阀从其闭合位置到其打开位置的运动中的速率，并响应于所测量的排气阀的速率调整送往排气阀的液压动力的量。

根据第二方面的第一实施方式，该方法还包括控制排气阀的速率以得到排气阀从其闭合位置到其打开位置的运动的预定的平均或最大速率的步骤。

根据第二方面的第二实施方式，对于每个给定的发动机循环数，测量所述排气阀的速率。

根据第三方面，上述目的还通过提供一种大型涡轮增压二冲程自燃式内燃发动机来实现，所述大型涡轮增压二冲程自燃式内燃发动机具有多个汽缸(具有扫气口和排气阀)，所述排气阀在闭合位置和打开位置之间在相反方向上可移动；具有在空气弹簧汽缸中的弹簧活塞的空气弹簧，可操作地连接至排气阀并且所述空气弹簧配置为将排气阀推向其闭合位置；当对液压致动器加压时，液压致动器配置为将排气阀推向其打开位置；可控制的加压的液压液体源连接至液压致动器；提供用于测量排气阀速率的装置；且控制器可操作地连接至所述加压的液压液体源。该控制器收到表示所测量的排气阀的速率的信号，且所述控制器配置为通过响应于所测量的排气阀的速率控制所述可控制的加压的液压液体源来控制所述排气阀的速率。

根据下文所述的实施方式，本发明的这些和其他方面将是显而易见的。

附图说明

在本公开的以下详细的部分，将参考在附图中所示的示例性实施方式更详细地说明本发明。

图1是示出了根据示例性实施方式的大型二冲程自燃式涡轮增压发动机的前端和一侧的俯视图，

图2是示出了图1中的发动机的后端和另一侧的俯视图，

图3是根据图1的发动机的具有其进气和排气系统的图示，

图4是根据图1的发动机的排气阀的截面图，

图5是说明图1的发动机的电动液压排气阀致动系统的图，

图6是说明图1的发动机的排气阀的打开运动和与之相关的液压的图，和

图7是说明传统(现有技术)的发动机的排气阀的打开运动和与之相关的液压的图。

具体实施方式

在以下详细的描述中，将通过示例性实施方式描述该大型二冲程发动机。图1至图3示出具有曲轴42和十字头43的大型低速涡轮增压二冲程柴油机。图3示出了具有其进气和排气系统的大型低速涡轮增压二冲程柴油机的图示。在此示例性实施方式中，发动机具有联机的六个汽缸1。大型涡轮增压二冲程柴油机通常有由发动机机架45承载的联机的5-6个汽缸1。例如可以将该发动机用作远洋船舶中的主发动机或用于发电站中的运行发电机的固定发动机。发动机的总输出范围可以例如从5,000到110,000KW。

发动机是具有在汽缸1的下部区域的以活塞控制端口的环的形式的扫气口22和在汽缸1的顶部的排气阀4的二冲程单流型柴油(自燃式)发动机。因此，燃烧室中的流动总是从底部到顶部并因此发动机是所谓的单流型。扫气从扫气储器2流向各汽缸1的扫气口22。汽缸1中的往复式活塞41压缩扫气，将燃料注入，接着燃烧并产生排气。当打开排气阀4时，排气流经与相关汽缸1联接的排气导管35流入废气储器3并向前经过第一排气管道18流到涡轮增压器5的涡轮机6中，废气从所述涡轮机6经过第二排气管道7流走。通过轴8，涡轮机6驱动通过进风口10供应的压缩机9。

压缩机9将加压的增压空气递送至通向增压空气储器2的增压空气管道11。管道11中的扫气经过用于冷却增压空气的中间冷却器12。冷却的增压空气通过由在较低或部分负荷条件下对增压空气流加压的电动马达17所驱动的辅助鼓风机16流到增压空气储器2。在较高负荷下，涡轮增压压缩机9递送足够的压缩的扫气并然后通过单向阀15绕过辅助鼓风机16。

在汽缸衬垫52中形成汽缸。由发动机机架45支撑的汽缸架46承载汽缸衬垫52。

如图4所示，排气阀4在一端包括具有阀盘25的阀轴23。阀轴23可滑动地并密封地容纳在阀壳体的孔中。阀壳体还限定了导管35的一部分。如图4所示，当排气阀4在其闭合位置时，在其下端，阀壳体限定了阀盘25靠在其上的周向阀座26。

包括空气弹簧活塞67的空气弹簧66的配置为弹性地将排气阀4推向其闭合位置。空气弹簧活塞67固定至阀杆23并且空气弹簧活塞67可滑动地并密封地容纳在阀壳体中的孔中。弹簧室69位于空气弹簧活塞67下方并且当加压时将空气弹簧活塞67向上推。弹簧腔室69通过单向阀连接至气动压力源，以确保弹簧腔室69的适当加压。

阀轴23的顶部具有可滑动地并密封地容纳在阀壳体中的孔63中的柱塞61。压力室62形成在孔63中在柱塞61上方并与端口64流体连通。柱塞61的顶部具有用于缓冲排气阀4朝向其底座26的闭合运动的最后阶段的缓冲设置，但在这里将不会详细描述。

当对压力室62加压时，柱塞61将排气阀推向其打开位置，即在向下方向上(如图4方位中的向下)。

参考图5，借助于由来自电控比例控制阀80的控制油致动的二级排气阀致动器70，反抗空气弹簧66的力和在燃烧室中作用在阀盘25上的燃烧压力的力液压地打开排气阀4。当移去控制油压力时，在图5中所示的在打开位置的排气阀4通过空气弹簧66再次闭合。

电动液压排气阀致动系统包括通过液压管65连接至排气阀的顶部的液压致动器60的二级排气阀致动器70。液压管65的一端连接至端口64。液压管65的另一端连接至二级排气阀致动器70中的泵室75。

泵活塞74容纳在二级排气阀致动器70中的孔中。泵室75限定在泵活塞75上方的孔中。二级排气阀致动器70具有同心的第一和第二柱塞71，72。第一柱塞71直接连接至泵活塞74，同时第二柱塞72可滑动地围绕第一柱塞71。在泵活塞74的整个冲程期间，第一柱塞71是活动的，同时第二活塞72的运动限于泵冲程的开始。这种已知的结构确保了在泵冲程的第一阶段期间有更高的可用压力，同时用仅由第一柱塞71产生的较低的压力来进行泵冲程的后期阶段。

压力室77作用于第一和第二柱塞71,72的自由端。通过比例控制阀80，压力室77连接至高压液压流体(诸如控制燃油)源82。比例控制阀80在其一个位置上将压力室77连接至高压液压流体源82并且比例控制阀80在其另一个位置上将压力室77连接至储槽。控制阀80是比例控制阀，即控制阀80能够采取上述位置之间的任何中间位置并且控制阀80能够逐渐地改变允许液压流体经过控制阀80的开口的大小。因此，能够适当地控制并调整递送到二级排气阀致动器70的液压动力以适应任何特定的需要。控制阀80是电子控制阀，即控制阀80的位置能够响应电子信号而改变。

由电子控制单元50(控制器50)来控制控制阀80。电子控制单元50通过信号电缆将信号发给控制阀80从而确定控制阀80的位置。

排气阀4具有用于测量排气阀4的速率的传感器82。传感器82产生表示排气阀4的速率的信号。传感器82通过信号电缆连接至电子控制单元50，使得电子控制单元随时接收到排气阀4的速率。还能够间接测量排气阀的速率，例如通过测量经过压力管65的流速或通过测量泵活塞74的速率。

电控单元50监控排气阀4在其打开运动期间的速率。在实施方式中，电子控制单元50配置为确定排气阀4在其打开运动期间所达到的最大速率。在另一个实施方式中，电子控制单元50配置为确定排气阀4在其打开运动期间所达到的平均速率。

在实施方式中，电子控制单元50配置为测量每一个发动机循环的排气阀4的速率。然而，可以理解，能够充分测量各个第二、第三或更高发动机循环数的排气速率。

基于通过排气阀4得到的最新测量的平均或最大速率，电子控制单元50确定用于下一个排气阀升程的控制阀80的打开程度。

在发动机循环中，电子控制单元50接收到发动机的曲柄角并在合适的位置启动排气阀4的开口。电子控制单元50将控制信号发给控制阀80打开至确定程度。因此，控制阀80打开至确定的程度并且高压控制油对压力室77和第一柱塞71加压，且用于第二柱塞72将泵活塞推入泵室75中的运动的第一阶段。因此，对泵室75加压并且通过压力管65，也对排气阀4顶部的排气阀致动器60的压力室62进行加压。

如上所述，压力室62中的液压液体的压力导致排气阀4反抗燃烧室中的压力并反抗空气弹簧66的力而打开。由于将控制阀80的开口程度调整成实际操作条件，排气阀4在其不引起液压系统中空穴现象的打开运动期间达到了所需的平均速率的最大值。

所需的最大速率能够取决于发动机操作条件。特别地，较高的发动机负荷的所需的最大速率通常高于较低的发动机负荷所需的最大速率。例如，最大发动机负荷的所需的最大速率可以是例如2.2m/s而4％发动机负荷所需的最大速率的可以是1.8m/s。

电子控制单元50能够具有基于来自发动机运行测试的校准数据的查找表或具有使用来自发动机运行测试的校准数据的方程式以确定排气阀4在其打开运动期间的合适的所需速率。

选择排气阀4所需速率使得排气阀4的打开足够快以适当地疏散排气气但又足够慢以避免在液压排气阀致动系统中的空穴现象。

在发动机循环中，电子控制单元50配置为在恰当的时间闭合排气阀。当这个时刻已到来时，电子控制单元50命令控制阀80将压力室77连接至储槽并因此排气阀4通过空气弹簧66的作用返回其闭合位置。

在此，上文中描述的实施方式使用了二级阀致动器，其通过在排气阀的顶部的压力管连接至液压致动器。然而，本领域技术人员可以理解，包括二级或单级排气阀致动器和液压致动器的完全液压装置都能够布置在排气阀的顶部使得无需使用任何压力管连接这些元件并且在实施方式中这些所有的元件能够在排气阀的顶部形成成套机组。

图6示出了说明根据本发明的发动机的排气阀4的打开运动X和施加到排气阀致动器60上的液压P的图。图7示出了说明传统(现有技术)的发动机的排气阀的运动X和施加到排气阀致动器上的液压P的图。

在根据本发明的发动机中，目标(所需)速率是1.8m/s。对于两个发动机，负荷设为4％。在传统的发动机中，没有对排气阀速率的控制。两张图之间的差别很清楚。在根据本发明的发动机中，在最初打开排气阀之后压力的下降不太明显并没有变成0或负数，而在传统发动机中，在最初打开排气阀之后压力的下降更明显并变成0或负数且引起空穴现象。

因此，本发明提供了用于避免由于空穴现象造成的损坏的有效方法。

在此，已结合不同的实施方式描述了本发明。然而，通过研究附图、公开和所附权利要求，在实践所要求的发明时，本领域中的技术人员能够理解并实施所公开的实施方式的其他变型。在权利要求中，在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，而不定冠词“一”不排除多个。仅将某些措施列举在相互不同的从属权利要求中的事实并不表明不能这些措施组合不能用于突出优势。可以将计算机程序储存/分配在适用介质(诸如与其他硬件一起或作为其他硬件的部分的光存储介质或固态介质)上，但还可以以其他形式，诸如通过互联网或其他有线或无线电信系统分配。

在权利要求中使用的参考标记不应解释为限制权利要求的范围。

Claims (12)

1.一种大型涡轮增压二冲程自燃式内燃发动机，所述发动机包括：

多个汽缸(1)，具有在其下部区域的扫气口(22)和在其顶部的排气阀(4)；

排气阀(4)，具有阀杆(23)和阀盘(25)，所述排气阀(4)可在其中所述阀盘(25)靠在阀座(26)上的闭合位置和打开位置之间在相反的两方向上移动；

单动式空气弹簧(66)，具有容纳在空气弹簧汽缸(69)中的空气弹簧活塞(67)，所述空气弹簧(66)可操作地连接至所述阀杆(23)并且所述空气弹簧被配置为有弹性地将所述排气阀(4)推向其闭合位置；

液压致动器(60)，具有孔(63)和可滑动地并密封地容纳在所述孔(63)中的柱塞(61)并具有在所述孔(63)中在所述柱塞(61)的一侧的压力室(62)，所述柱塞(61)连接至排气阀(4)的阀杆(23)并且所述液压致动器(60)被配置为当对所述压力室(62)加压时将排气阀(4)推向其打开位置；

可控制的加压的液压液体源(81)，连接至所述液压致动器(60)；

用于测量所述排气阀(4)的速率的装置；和

控制器(50)，可操作地连接至所述加压的液压液体源(81)，所述控制器(50)收到表示所述所测量的排气阀(4)的速率的信号，

所述控制器(50)被配置为通过响应所测量的排气阀(4)的速率控制所述可控制的加压的液压液体源(81)来控制所述排气阀(4)的速率，所述控制器(50)配置为控制所述排气阀(4)的速率以在其从底座到打开位置的运动期间得到所述排气阀所需的最大速率或平均速率。

2.根据权利要求1所述的发动机，所述所需的最大速率或平均速率取决于所述发动机的负荷。

3.根据权利要求2所述的发动机，其中所述控制器(50)配置为 响应于实际发动机负荷调整所述所需的最大速率或平均速率。

4.根据权利要求3所述的发动机，其中所述控制器(50)响应于实际发动机负荷使用方程式或使用查找表确定所述所需的最大速率。

5.根据权利要求1所述的发动机，其中可控制的所述液压液体源包括比例控制阀(80)。

6.根据权利要求5所述的发动机，其中所述比例控制阀(80)连接至高压液压液体源(81)并且其中所述控制器(50)通过调整所述比例控制阀(80)的开口而控制所述排气阀(4)的速率。

7.根据权利要求1所述的发动机，其中将所述所需的最大速率或平均速率水平设为足够高以确保所述排气阀(4)的打开足够快并且设为足够低以避免在所述可控制的液压液体源(81)中的空穴现象。

8.根据权利要求1所述的发动机，其中对于每个给定的发动机循环数，测量所述排气阀(4)的速率。

9.根据权利要求1至8的任一项所述的发动机，其中所述控制器(50)配置为响应于最新测量的所述排气阀(4)的速率控制可控制的液压液体源(81)。

10.一种用于控制具有液压致动排气阀(4)的大型涡轮增压二冲程自燃式内燃发动机的排气阀的最大或平均速率的方法，所述方法包括：

测量排气阀(4)从其闭合位置到其打开位置的运动中的速率，和

响应于所测量的排气阀的速率调整送往所述排气阀(4)的液压动力的量。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括控制排气阀(4)的速率以得到所述排气阀(4)从其闭合位置到其打开位置的运动的预定平均或最大速率的步骤。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中对于每个给定的发动机循环数，测量所述排气阀(4)的速率。