CN107304718B - 用于发动机的进气关断阀 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于阀的致动系统。该致动系统包括具有端壁的壳体。第一活塞和第二活塞可滑动地定位在该壳体内。第二活塞定位在第一活塞与端壁之间。活塞杆联接至第一活塞并且可滑动地延伸穿过第二活塞和端壁。活塞杆配置成与阀联接。第一弹簧设置在第一活塞与第二活塞之间。另外，第二弹簧设置在第二活塞与端壁之间。第一弹簧和第二弹簧配置成将阀偏置至关闭位置。

Description

用于发动机的进气关断阀

技术领域

本发明涉及用于内燃机的进气关断阀。更具体地，本发明涉及一种与进气关断阀的打开和关闭相关联的致动系统。

背景技术

内燃机(或简称发动机)可以在多种环境中操作。与海洋应用、石油生产、机车技术、开采现场、钻井现场、化学工厂等相关联的某些环境可以包括高含量的挥发性烃类。这些挥发性烃类可以吸入至发动机的进气口中、供应至发动机的燃烧室并且作为副燃料连同有规则供应的燃料燃烧。因此，发动机可以超过规定设计限制的速度操作并且变得不可控。这样的条件通常称为失控条件。除非防止副燃料源引入至发动机中，否则可损坏发动机。为了防止失控条件，发动机通常包括一个或多个进气关断阀。进气关断阀通常包括促进阻止或允许空气流进入发动机的闸板。在失控条件的事件中，此闸板致动至关闭位置以使发动机因缺少氧气和副燃料源而停机，且由此终止汽缸中的燃烧并且防止发动机产生损坏。

在闸板关闭期间，空气流可以拥有总体上大体积和高速度。因此，随着闸板从打开位置转变为关闭位置，进气关断阀两端的压力差可在闸板上施加相对显著的力，从而限制闸板完全关闭。有时候，进气关断阀维持延迟关闭或保持至少部分打开。在此事件中，空气流可以继续引入至发动机中，阻止发动机关闭。不完全关闭也可以抑制其它互连的进气关断阀有效地关闭相关进气通道。另外，进气关断阀操作的固有频率可干扰发动机的固有点火顺序，从而造成进气关断阀过早磨损。

第4,537,386号美国专利('386参考文献)涉及一种施用至发动机引入歧管以调节进入发动机中的空气的引入的发动机关闭阀。'386参考文献公开了一种通过使用闸板致动弹簧将发动机关闭阀置于打开位置与关闭位置之间的移动机构。虽然闸板致动弹簧的弹力可能足以促进关闭发动机关闭阀，但是当存在横向作用空气流时，发动机关闭阀可能仍然难以完全关闭。

发明内容

一方面，本发明涉及一种致动系统，其可以包括具有端壁的壳体、第一活塞、第二活塞、活塞杆、第一弹簧和第二弹簧。第一活塞和第二活塞可滑动地定位在壳体内。第二活塞定位在第一活塞与端壁之间。活塞杆联接至第一活塞并且可滑动地延伸穿过第二活塞和端壁，以与该阀联接。另外，第一弹簧设置在第一活塞与第二活塞之间。第二弹簧设置在第二活塞与端壁之间。第一弹簧和第二弹簧配置成将阀偏置至关闭位置。

另一方面，本发明涉及一种致动系统，其可以包括具有端壁的壳体、第一活塞、活塞杆、至少一个第一弹簧和至少一个第二弹簧。第一活塞可滑动地定位在壳体内。活塞杆联接至第一活塞并且可滑动地延伸穿过端壁以与该阀联接。第一弹簧设置在壳体内介于第一活塞与端壁之间，而第二弹簧与第一弹簧循序地设置在壳体内、介于第一活塞与端壁之间。第一弹簧包括不同于第二弹簧的弹力的弹力。另外，第一弹簧适用于在阀的打开期间在起始第二弹簧的压缩之前压缩至预定长度。

在又一方面中，本发明涉及一种用于发动机的进气关断阀。进气关断阀可以包括配置成控制进入发动机的空气流的闸板以及用于操作闸板的致动系统。致动系统还可以包括具有端壁的壳体、第一活塞、第二活塞、活塞杆、第一弹簧和第二弹簧。第一活塞和第二活塞可滑动地定位在壳体内，其中第二活塞定位在第一活塞与端壁之间。活塞杆联接至第一活塞并且可滑动地延伸穿过第二活塞和端壁，以与进气关断阀联接。第一弹簧设置在第一活塞与第二活塞之间，而第二弹簧设置在第二活塞与端壁之间。另外，第一弹簧和第二弹簧配置成将进气关断阀偏置至关闭位置。

附图说明

图1是根据本发明的概念的采用进气关断阀的示例性发动机系统；

图2是根据本发明的概念的相对于图1的发动机系统定向在打开位置中的进气关断阀的详图；

图3是根据本发明的概念的相对于图1的发动机系统定向在关闭位置中的进气关断阀的详图；

图4是根据本发明的概念的进气关断阀的致动系统的近视图，其中进气关断阀在打开位置中；以及

图5是根据本发明的概念的进气关断阀的致动系统的近视图，其中进气关断阀在关闭位置中。

具体实施方式

参考图1，示出了发动机系统100。发动机系统包括通常施用的发电单元中的一个，诸如内燃机(或简称发动机102)。如公知，发动机102可以实施V型、直列式或不同配置。虽然没有限制，但是发动机102可以表示发电单元，诸如由柴油提供动力的压缩点火发动机、分层充量压缩点火(SCCI)发动机或均质充量压缩点火(HCCI)发动机。在实施例中，发动机102可以是气态燃料发动机或双燃料发动机。气态燃料发动机可以使用天然气、丙烷气体、甲烷气体或适用于燃烧和后续操作的任何其它气态燃料。发动机102是多缸发动机，但是具有单个汽缸的发动机也是可适用的。另外，发动机102可以是二冲程发动机、四冲程发动机或六冲程发动机。虽然已公开了配置，但是本发明的方面不限于特定发动机类型。

发动机102可以适用于各种机器。这样的机器可以包括不同类型的土方作业单元(未示出)，诸如轮式装载机、反铲装载机、液压挖掘机、起重机、滑移装载机、采矿机、越野汽车等。这样的机器可以实施轮式配置、履带式组合或履带式与轮式配置的组合。一般来说，机器还可以构成诸如发电机组的固定发电单元。本发明的方面的实用性还可以扩展至车辆、移动单元和施用于商业和家庭设施的其它机器。现在将详细地参考本发明的实施例，本发明的实例在附图中进行说明。在所有附图中将尽可能使用相同的附图标号来指代相同或类似的零部件。

发动机系统100包括进气歧管104、进气导管106、排气歧管108和排气导管110。另外，发动机系统100包括用于提供空气通过进气导管106的空气源112、用于冷却流过进气导管106的空气的热交换器114以及进气关断阀116。

进气歧管104和排气歧管108各自与发动机102的多个燃烧汽缸C1至C6流体地联接。此流体联接分别由进气流体管路118和排气流体管路120指示。进气歧管104与汽缸C1至C6的流体联接促进空气进入汽缸C1至C6的燃烧室中。另一方面，排气歧管108与汽缸C1至C6的流体联接促进通过燃烧室中的空气-燃料混合物的燃烧形成的气体的排放。进气歧管104流体地联接至进气导管106以接收进气导管106中的空气，而排气歧管108流体地联接至排气导管110以释放和输送形成为空气-燃料混合物的燃烧的残留成分的废气。虽然公开了六个汽缸，但是本发明的方面可适用于具有更多或更少数量的汽缸的发动机。

空气源112是涡轮增压器，但是可预期的是，空气源112可以实施多种其它已知装置，诸如增压器、节流阀等。空气源112包括压缩机122和涡轮124。空气源112以某种方式联接至进气导管106和排气导管110这二者的一部分以便促进压缩机122与进气导管106中的空气的相互作用以及涡轮124与排气导管110中的废气的相互作用。为此，涡轮124可以至少部分或完全定位在排气导管110内以接收废气流并且由该废气流驱动。类似地，压缩机122还可以部分或完全定位在进气导管106中以接收和压缩环境128中的空气。涡轮124可以由通过燃烧汽缸C1至C6排放的废气驱动。压缩机122可以借助于诸如轴130的机械连杆联接至涡轮124，以随着且当涡轮124由废气驱动时可由涡轮124驱动。随着压缩机122被驱动，空气源112促进进气导管106中的进气的体积的压缩。所得体积的压缩空气在操作期间经由进气歧管104输送至燃烧汽缸C1至C6。

热交换器114联接至进气导管106介于压缩机122与进气歧管104之间。热交换器114配置成降低从压缩机122中流动的压缩空气的温度，并且由此可以提高输送至汽缸C1至C6内的燃烧室的空气的容积效率。热交换器114可以实施为后冷却器或中间冷却器中的一个。

进气关断阀116可以是发动机关闭阀，其配置成防止或允许接收自空气源112(涡轮增压器)的空气输送至热交换器114(图1)。如所示，进气关断阀116定位在热交换器114与进气歧管104之间。取决于不同的发动机设计和配置，此定位中的变动是可行的。

参考图2和3，示出了进气关断阀116的详图。图2和3中的描绘还表示和公开进气关断阀116在打开位置与关闭位置之间的可切换功能性。进气关断阀116表示如所示的回转闸阀。然而，本发明的方面同样可适用于具有各种其它配置的进气关断阀。进气关断阀116包括阀体132、可相对于阀体132移动的闸板134、减振器组件136、闩锁组件138、用于操作闸板134的致动系统140以及用于致动系统140的位置传感器142。

阀体132包括促进空气通过进气关断阀116的开口146(图2)。开口146可以总体上为圆形形状，但是开口146取决于空气流需求可以构成椭圆形、矩形或各种其它形状。闸板134通常与阀体132枢转地联接并且适用于围绕枢转点148朝向和远离开口146回转(由箭头A和B标记)。因此，闸板134可以打开和关闭开口146，且实际上将进气关断阀116定位在打开位置或关闭位置中的任一个中。总体上观察图2和3可以理解闸板134在打开位置和关闭位置中的回转和定位。阀体132包括内阀位置150，当闸板134在打开位置中(图2)移动远离开口146时该内阀位置容置闸板134。

另外，进气关断阀116包括限定在进气关断阀116的外围的阀盖152。阀盖152可以配置成将闸板134的行程或回转限制在打开位置和关闭位置这二者中的某个点之外。减振器组件136引入至阀盖152以诸如当转变为打开位置时防止闸板134撞上阀盖152，由此缓解对闸板134的损坏。减振器组件136还减少闸板134对发动机振动的响应。阀盖152的结构配置的变动是可行的，诸如厚度和高度在两个应用中可能不同。

闸板134包括盘形部分154和和杠杆部分156。虽然没有限制，但是盘形部分154和杠杆部分156彼此整体地连接。杠杆部分156在枢转点148处枢转地连接至阀体132并且促进盘形部分154在打开位置与关闭位置之间振荡(或执行回转移动)。杠杆部分156包括孔隙160，其促进闸板134与致动系统140操作地联接(下文讨论)。盘形部分154可以包括与开口146的物理尺寸匹配的物理尺寸。以该方式，盘形部分154可适当地在关闭位置中覆盖和关闭开口146，并且不允许空气通过。杠杆部分156包括突出部162，在打开位置中，该突出部使得杠杆部分156能够由闩锁组件138接合并保持。

致动系统140适用于对闸板134在关闭位置与打开位置之间的回转移动提供动力。致动系统140包括壳体164、第一活塞166、第二活塞168、第一弹簧170和第二弹簧172。另外，致动系统140包括连接至第一活塞166的活塞杆174。间隔件176包括在内，该间隔件设置在第一活塞166与第二活塞168之间。

壳体164为设置在阀体132内的基本上圆柱形结构。然而，壳体164的形状的变动在不同应用中可以不同，并且可以取决于紧邻壳体164的空间约束。在一个实施方案中，壳体164可以实施立方体形状或适用于容置在阀体132内的其它形状和配置。壳体164包括端壁178。端壁178设置在壳体164的端部180处，该端部指向内阀位置150。端部180在下文可以互换地称为内端180。壳体164还限定外端182，其设置成与内端180相对并且可以向外引导至环境(诸如环境128(图1))。壳体164包括钻孔184。

第一活塞166和第二活塞168可滑动地定位在壳体164的钻孔184内，其中第二活塞168可滑动地定位在第一活塞166与端壁178(或内端180)之间。第一活塞166和第二活塞168的可滑动设置可以使得第一活塞166和第二活塞168这二者均总体上循序地彼此相对布置。另外，第二活塞168的设置还可以与第一活塞166同轴，且因此沿着壳体164的纵向轴线186(图4和5)可发生第一活塞166和第二活塞168的滑动移动。

为了将壳体164组装和定位在进气关断阀116内，阀体132可以包括允许壳体164相对于阀体132固定地保持的阀夹部190。在某些实施例中，可以通过使用常规的紧固装置加强壳体164至阀体132的组装。例如，壳体164可以卡扣配合在阀夹部190内或通过螺纹紧固件(未示出)紧固至阀夹部190。

活塞杆174包括第一端192。活塞杆174在第一端192处固定地连接至第一活塞166。此连接可通过例如螺纹装置来确认。在实施例中，活塞杆174在第一端192处整体地安装至第一活塞166。此集成可以通过在制造过程期间将活塞杆174与第一活塞166在相同模具中铸造而形成。在组装时，活塞杆174通过形成在第二活塞168中的孔194可滑动地延伸穿过第二活塞168并且还通过端壁开口196穿过端壁178。指向内阀位置150的活塞杆174的更远端198操作地联接至进气关断阀116。更具体地，更远端198通过端销200接合至杠杆部分156的孔隙160。

如所示，闩锁组件138安装至阀体132(总体上与致动系统140的设置相对)并且横跨阀体132。闩锁组件138配置成将闸板134保持在进气关断阀116的打开位置中。闩锁组件138是电致动单元，但是也可以使用机械控制的闩锁组件。闩锁组件138是由螺线管操作并且包括螺线管定子组件202和衔铁销204。螺线管定子组件202可以包括具有磁性材料的叠层的芯(未示出)。螺线管定子组件202可以配置成接收电源中的电能。随着电流流过螺线管定子组件202的芯，在激励期间，产生磁场，该磁场促进衔铁销204的致动。衔铁销204的致动可以理解为执行衔铁销204相对于螺线管定子组件202的返回冲程(方向C)。通过共同地观察图2和3可以设想到此移动。在实施例中，还可以使用气动操作的闩锁组件和液压操作的闩锁组件中的至少一个。

参考图4和5，示出第一弹簧170和第二弹簧172在壳体164内的位置，该位置对应于进气关断阀116介于打开位置与关闭位置之间的定向。图4和5是以某些周围细节和为了清楚起见以及便于理解移除进气关断阀116而描述。第一弹簧170设置在第一活塞166与第二活塞168之间。第一弹簧170具有螺旋配置以便基本上包围活塞杆174。然而，可以预期某些变动以便将活塞杆174定位在第一弹簧170外侧或与其分离。第一弹簧170可以联接至第一活塞166和第二活塞168，但是在某些实施例中，可将第一弹簧170设置在壳体164内而不连接至第一活塞166或第二活塞168。第一弹簧170包括第一弹力。第一弹簧170组装在钻孔184内以诸如当闸板134转变为关闭位置(方向E，图5中最佳地所示)时允许第一弹簧170膨胀并且推动第一活塞166远离第二活塞168。

第二弹簧172设置在第二活塞168与端壁178之间，并且与第一活塞166总体上循序地定位。正如第一弹簧170，第二弹簧172也联接至第二活塞168和端壁178，但是可预期的是，第二弹簧172设置在钻孔184内是可行的且不连接至第二活塞168和端壁178。第二弹簧172包括不同于第一弹力的第二弹力。更具体地，第一弹力低于第二弹力。作为示例，第一弹力可以约为第二弹力的一半。作为示例，如果第一弹力约为40Lbs(或磅)，那么第二弹力可以约为80Lbs(或磅)。类似于第一弹簧170，第二弹簧172也可以组装以诸如当闸板134转变为关闭位置(图4中最佳地所示)时膨胀并且推动第二活塞168远离端壁178。以该方式，第一弹簧170和第二弹簧172这二者均配置成将进气关断阀116偏置至关闭位置(图2和4)。

在实施例中，弹簧(第一弹簧170和第二弹簧172)可以表示第一活塞166与端壁178之间引入多个弹簧(或两个以上弹簧)。在此情况中，在多个弹簧的设置的整个膨胀过程中可以改变弹力。因此，本发明的方面不应视为仅仅限于两个弹簧的设置。

间隔件176通过螺纹连接而连接至第一活塞166。然而，可以设想到，间隔件176与第一活塞166整体地形成。间隔件176可以限定可螺纹式地接合活塞杆174的间隔件钻孔(未示出)。在某些实施例中，第一活塞166、活塞杆174和间隔件176中的每一个可以构造为整体单元。然而，在某些环境中，这些部件之间的可拆卸组件可更加相关。间隔件176可以是圆柱形单元以便由第一弹簧170的螺旋轮廓均匀地包围。然而，间隔件176可以实施不同形状和配置。另外，在进气关断阀116的关闭位置中，间隔件176可以具有短于限定在第一活塞166与第二活塞168之间的距离的长度。间隔件176可以促进诸如当闸板134转变为打开位置(方向D，图4)时维持第一活塞166与第二活塞168之间的最小距离。因此，当进气关断阀116在打开位置中时，间隔件176用作适用于将第一弹簧170的压缩限制在某个程度或预定长度之外的压缩限制器。

参考图2、3、4和5，位置传感器142是接近开关，其配置成检测进气关断阀116的位置并且更具体地检测进气关断阀116的关闭位置。在关闭位置中，第一弹簧170和第二弹簧172将闸板134偏置至关闭位置使得第一活塞166压靠或推抵位置传感器142。位置传感器142包括柱塞206，其从位置传感器142突出并且在闸板134的关闭位置期间邻接第一活塞166。

工业实用性

在操作中，假设进气关断阀116在关闭位置中。在发动机启动期间，将进气关断阀116致动至打开位置。进气关断阀116致动至打开位置可以使用例如电或液压致动器而手动地或自动地促进。此致动促进大量空气通过开口146并且朝向汽缸C1至C6内的燃烧室。

参考图2和4，随着操作者将进气关断阀116转变为打开位置，在第一活塞166上施加推力，导致第一弹簧170以相对较低的弹力压靠由第二弹簧172支撑的第二活塞168。因此，活塞杆174开始滑动通过孔194并且推抵杠杆部分156，由此移动闸板134。此压缩持续至第一弹簧170实现间隔件176的长度，其中间隔件176邻接第二活塞168。此后，第二弹簧172以相对较高的弹力开始压缩，从而以必需力将闸板134一直朝打开位置(方向D，图4)推动。随着杠杆部分156进一步推动，突出部162卡扣抵靠衔铁销204，从而允许以闩锁组件138保持闸板134(或进气关断阀116)。随着闸板134实现打开位置，此时第二弹簧172停止压缩。实际上，在闸板134(或进气关断阀116)的打开期间，第一弹簧170适用于在第二弹簧172的压缩起始之前压缩至预定长度。

参考图3和5，在闸板134的关闭期间，诸如在发动机102的失控条件期间需要关闭时，激励进气关断阀116且闩锁组件138的衔铁销204从突出部162中缩回(方向C，图3)，从而释放闸板134。闸板134的移动推动活塞杆174，并且因此将第一活塞166和第二活塞168朝壳体164的外端182推动。因此，第一弹簧170和第二弹簧172这二者均缩回并且将闸板134(或进气关断阀116)朝关闭位置偏置。然而，在此转变期间，第二弹簧172在第一弹簧170膨胀之前实现自由或最大膨胀长度。随着第二弹簧172实现最大膨胀长度，第二弹簧172中保留可忽略不计的力以将第二活塞168偏置抵靠第一弹簧170和第一活塞166。然而，在此阶段，第一弹簧170仍然拥有基本上未使用的第一弹力。因此，第一弹簧170提供将闸板134推动至关闭位置所需要的剩余力。一般来说，未使用的第一弹力足以克服空气流的空气动力，从而将闸板134推动至关闭位置。

另外，第一弹簧170还确保第一活塞166推抵柱塞206，由此启动位置传感器142。因此，除进气关断阀116返回至关闭位置以使空气停止进一步流入发动机102外，第一弹簧170还及时地更改其它互连的进气关断阀以关闭相关闸板并且使空气流停止进入汽缸C1至C6。另外，鉴于双弹簧设计，第一弹簧170和第二弹簧172的固有频率不同于由单弹簧应用所展现的固有频率(或更高)。因此，双(或多)弹簧设计避免干扰发动机102的操作。因此，有效地避免致动系统140的过早损坏。

虽然已关于针对进气关断事件施用的回转闸阀讨论了致动系统140，但是本发明的概念可适当地引入至施用于需要节流的各种环境的不同阀。因此，致动系统140不应视为仅仅限于所公开的实施例。另外，如本领域技术人员可以设想到的是，致动系统140可以在缺少本文所述的一个或多个部件时作用。

应当理解的是，以上描述仅仅用于说明目的而不以任何方式限制本发明的保护范围。因此，本领域技术人员将明白的是，通过对附图、公开内容和所附权利要求书的研究可以获得本发明的其它方面。

Claims (10)

1.一种用于回转闸阀的致动系统，包括：

具有端壁的壳体；

第一活塞，其可滑动地定位在所述壳体内；

第二活塞，其可滑动地定位在所述壳体内介于所述第一活塞与所述端壁之间；

活塞杆，其联接至所述第一活塞并且可滑动地延伸穿过所述第二活塞和所述端壁并且配置成与所述回转闸阀联接；

第一弹簧，其设置在所述第一活塞与所述第二活塞之间；以及

第二弹簧，其设置在所述第二活塞与所述端壁之间，其中所述第一弹簧和所述第二弹簧配置成将所述回转闸阀偏置至关闭位置，其中间隔件连接到所述活塞杆并设置在所述第一活塞与所述第二活塞之间以将所述第一弹簧的压缩限于预定长度，其中所述第一弹簧包括不同于所述第二弹簧的弹力。

2.根据权利要求1所述的致动系统，其中在所述关闭位置中，所述第一弹簧和所述第二弹簧这二者均缩回，其中所述第二弹簧实现最大膨胀长度，且所述第一弹簧将所述阀推动至所述关闭位置。

3.根据权利要求1所述的致动系统，其中所述回转闸阀包括位置传感器以确定所述阀的所述关闭位置。

4.根据权利要求3所述的致动系统，其中在所述关闭位置中，所述第一弹簧和所述第二弹簧将所述回转闸阀偏置至所述关闭位置使得所述第一活塞压靠所述位置传感器。

5.根据权利要求3所述的致动系统，其中所述位置传感器接近开关。

6.根据权利要求1所述的致动系统，其中所述回转闸阀包括螺线管操作的闩锁组件、气动操作的闩锁组件和液压操作的闩锁组件中的至少一个，以将所述阀保持在打开位置中。

7.一种用于发动机的进气关断阀，所述进气关断阀包括：

闸板，其配置成控制进入所述发动机的空气流；

用于操作所述闸板的致动系统，所述致动系统包括：

具有端壁的壳体；

第一活塞，其可滑动地定位在所述壳体内；

第二活塞，其可滑动地定位在所述壳体内介于所述第一活塞与所述端壁之间；

活塞杆，其联接至所述第一活塞且可滑动地延伸穿过所述第二活塞和所述端壁，并且配置成与所述进气关断阀联接；

第一弹簧，其设置在所述第一活塞与所述第二活塞之间；

第二弹簧，其设置在所述第二活塞与所述端壁之间，以及

间隔件，其连接到所述活塞杆并设置在所述第一活塞与所述第二活塞之间以将所述第一弹簧的压缩限于预定长度；

其中所述第一弹簧和所述第二弹簧配置成将所述进气关断阀偏置至关闭位置。

8.根据权利要求7所述的进气关断阀，其中所述第一弹簧包括不同于所述第二弹簧的弹力。

9.根据权利要求7所述的进气关断阀，其中在所述关闭位置中，所述第一弹簧和所述第二弹簧这二者均缩回，其中所述第二弹簧实现最大膨胀长度，且所述第一弹簧将所述闸板推动至所述关闭位置。

10.根据权利要求7所述的进气关断阀，进一步包括位置传感器，其中所述第一弹簧和所述第二弹簧将所述进气关断阀偏置至所述关闭位置使得所述第一活塞压靠所述位置传感器。

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