CN1085773C - 二冲程带滑块的发动机用的液压系统 - Google Patents

Abstract

一种二冲程带滑块的发动机(1)，有多个燃料泵(13)和多个排气阀(4)，燃料泵为液压驱动的活塞泵，其泵的传动装置(14)被供给增压液压流体，而排气阀的打开利用被供给增压液压流体的液压驱动装置(7)实现。发动机的液压系统有一个单独的高压进给管道(5)，该管道向泵的传动装置(14)和排气阀的驱动装置(7)两者提供液压流体，而不管当发动机负载变化时两种类型的液压装置具有显著不同的压力要求。高压进给管道(5)中的输送压力可以根据发动机负载来调整。

Description

二冲程带滑块的发动机用的液压系统

本发明涉及一种二冲程带滑块的发动机用的液压系统，该发动机有多个燃油泵和多个排气阀，燃油泵是液压传动的活塞泵，其泵的传动装置被供应增压液压流体，而排气阀的打开利用供给了增压液压流体的液压驱动装置来实现。

许多年来已知对通常用作船舶推进发动机的大型二冲程带滑块的发动机的排气阀实行液压驱动。此处的阀的驱动装置被供给液柱形式的液压流体，该液柱限制在一个位于驱动装置压力室和包括凸轮轴传动活塞的汽缸的压力室之间的管道中。丹麦专利N0.148 664也描述一种电子控制和液压传动的排气阀，其驱动装置在打开运动开始时短暂地连接在一个恒压液压流体用的高压源上。连接该高压源的持续时间可以随发动机负载而变化。

多年来已经提出，应当用液压驱动大型二冲程带滑块的发动机的燃油泵，来代替非常熟知的凸轮轴驱动。申请人的丹麦专利No.41046(从1929)提出一种液压传动的燃油泵，而最近可以提到丹麦专利No.15 1145，该专利涉及一种液压传动燃油泵中的活塞泵的专门设计。

关于大型二冲程带滑块的发动机中的排气阀和燃油泵的纯液压驱动的各种已知建议，由于液压进给系统的复杂设计与此种驱动可能涉及的高能耗，当时没有找到在发动机上的商业应用。既然这些大型发动机通常一年仅停止工作几天，那么尽可能降低能耗就成了这些大型发动机的设计判断标准。这也可能由于这些最近的年代中发动机的总效率已超过50％。关于能耗，对两种类型的装置可以提到下列事实。

对于一种给定的阀的驱动装置，液压流体的压力必须超过为打开排气阀而克服在打开时发动机汽缸中的气体压力所需要的最小压力。该气压随发动机周期中所要的打开时间和发动机负载而变化。如果发动机联接到一个固定螺距的推进器上，那么发动机的速度就随发动机负载而变化，这也要求尽可能小的液压流体输送压力，因为阀必须在较高速度时打开得更快。至于排气阀，阀每次驱动时消耗的液压流体体积变化很小。

对于给定的泵的传动装置，液压流体的输送压力必须大于一个也随发动机负载而变化的最小压力，部分是由于在较高负载下燃料必须克服一个较高的燃烧压力来喷入发动机汽缸，而部分是由于必须输送较大体积的燃料。如果该发动机联接在一个固定螺距的推进器上并因此具有随负载的增大而增大的速度，那么就要求进一步增大最小压力，因为在较短的时间内必须喷射较大体积的燃料。所消耗的液压流体的体积也随燃油体积而变化。

泵的传动装置所需的最小压力随发动机负载而变化的幅度显著大于随阀的驱动装置所需的最小压力变化的幅度，这两类装置的输送体积也呈现巨大差别。因此，这两类装置具有不同的特性和对按照能量的最佳操作用的固定的单个输送压力的不同要求。这有利于使用相当分开的进给系统。

在实验的基础上曾尝试对引向阀的驱动装置的第一进给管道和引向泵的传动装置的第二进给管道采用一种联合的高压泵输送液压流体，该联合的泵输送恒定地处于所需的最高压力，而对具有较低压力要求的进给管道的泵输送通过一个压力调节器来实现。这样一种液压进给系统证明是复杂的并涉及显著的能量损失。

本发明的目的是提供一种具有对泵的传动装置和阀的驱动装置的纯液压驱动的二冲程带滑块的发动机，其中该液压进给系统操作可靠并相当简单，不会因而导致不利的高能耗。

有鉴于此，本发明的液压系统的特征在于，一个单独的高压进给管道向泵的传动装置和排气阀的液压驱动装置两者提供液压流体，而高压进给管道中的输送压力是可以根据发动机负载来调节的。

通过从本发明的联合高压进给管道供给阀的驱动装置和泵的传动装置，发动机汽缸的管道安装变得极为简单，使发动机的安装过程大大节省。但是，更重要的一点是，使用一个联合高压进给管道改进了发动机的可靠性，因为当在故障方面处于临界状态的装置的数目减小时故障的风险也就减小。高压管子的数目是两类装置的一半，这在制造作为防故障的额外安全措施的更高强度的高压管时也提供了更好的节约可能性。

从一个联合管子提供进给涉及能量方面的缺点，就是两类装置以同一输送压力供给，虽然对于一种特定的发动机负载来说各种装置的设计适合于输送压力，但不同的特性导致一种输送压力在其它发动机负载时并非最佳。本发明的液压系统通过根据发动机负载来调整输送压力而部分地补偿这一点。因此，由于没有利用全输送压力而引起的能量损失可以减至最小，这是因为可以将输送压力连续地调整到使当前最小输送压力等于两类装置中在讨论的工作方式时要求最高输送压力的那类装置的输送压力。

最好是，高压进给管道中的压力作用在泵的传动装置和阀的驱动装置中的各活塞上，各活塞的面积相互地适合于泵的传动装置和阀的驱动装置，使它们在100％的发动机负载时有基本上均匀的液压要求。当每个发动机周期使用的液压流体体积最大时和当需要最高的输送压力时，上述情况对于在全发动机负载下对液压驱动装置提供进给可以最优地利用能耗。

在显著低于100％的发动机负载下，可以按照阀的驱动装置的液压要求适当地调整高压进给管道中的输送压力，因为燃油体积和喷射燃油的能耗随发动机负载的减小而减小。

最好是，当发动机负载为70％或更小时，高压进给管道中的输送压力减小到最高为100％发动机负载时的输送压力的75％。除了获得的能量节约外，当阻止喷射的反向压力和每个发动机周期的燃油喷射体积两者较低时，这对于在较低的发动机负载下的燃油喷射提供较好的条件。减小液压压力能减缓泵活塞的运动，而燃油喷射分布在较长的时间内，这提供一种更有利的燃烧，具有附属的有利的热扩展分布。

可以由于下述原因而进一步节省输送液压流体的能耗、一个气动弹簧沿向着关闭的起动位置的方向影响排气阀，该气动弹簧中的空气压力是可调的，而当发动机的速度分别减小和增大时，高压进给管道中的输送压力和气动弹簧中的空气压力沿向下和向上方向协同地可调。这利用下述事实阀的驱动装置必须克服作用在它上面的向上的力和从汽缸压力在阀盘下表面上的作用与空气压力在气动弹簧的活塞上的作用而产生的向上的力。空气压力在较低速度下的降低导致为将排气阀打开到一定程度所需的最小压力的减小，该一定程度更接近于对泵的传动装置的最小压力要求，如上所述，该最小压力要求随速度而相当快速地减小。

排气阀中发动机的所有气动弹簧中的空气室可以相互连接。这意味着气动弹簧压力近似恒定，也在排气阀向下打开运动期间，因为室体积的随后减小导致部分空气逸至其它空气室中并在阀的关闭运动期间返回。

在一个实施例中，液压系统设计成高压进给管道由两个同心管制成，两管都能抵抗最大输送压力，仅仅最内部的管子在液压系统的正常操作下输送液压流体，由这两个管子限定的环形空间装有传感器，用于监测环形空间中的泄漏。该设计提供进给管道功能的重复和故障监测，因为两个同心管的最内管上的破裂会造成液压流体泄漏到两管之间的环形空间中和传感器伴随地发出信息，而外管发挥包涵压力的功能。因此，尽管内管破裂，发动机的操作却能够继续，但是发动机的监测系统对内管的故障发出警报。

在一个特别简单因而优选的实施例中，发动机的系统油用作液压流体，而泵的传动装置和阀的驱动装置将液压流体排到发动机的油槽中。使用系统油作为液压流体使发动机更独立于外系统，这改进了可靠性并且不需要带附属管道等的独立油箱以存放液压流体。不使用液压油也增加了可靠性，液压油在泄漏到发动机内部时可能会污染系统油。

使用系统油作为液压流体可以极有利地简化液压系统，因为对于每个汽缸可以有一个返回管道，使从汽缸的泵的传动装置和阀的驱动装置来的排泄道与发动机框架箱的内腔连接，发动机框架箱位于一个低于带活塞杆填料箱的中间底部的高度处。因此在泵的传动装置和阀的驱动装置中消耗的油能够在低于汽缸的空气供给并与其隔开的高度处的消耗位置上排放，免去使用带附属油箱的联合返回管道。该液压系统使油能够在其排放处被输送和使用，而不像系统油其它部分那样在发动机内更费事。最好是，返回管道在中间底部的紧下方向外开口，以使返回管道尽可能短。

下面参照示意图更详细地描述本发明的实施例，图中：

图1是一种二冲程带滑块的发动机用的液压系统的简图；

图2是通过发动机的截面图；

图3是图1液压系统的区段图的放大；

图4图示发动机负载和为打开排气阀和传动燃油泵而所需的最小压力之间的相互关系。

一个液压系统将压力下的液压流体输送到二冲程带滑块的发动机1上的液压装置。该发动机有多个汽缸2，图1中围绕与汽缸关联的液压装置用虚线指示。显然通常具有比图示更多的汽缸，如4个到14个汽缸。每个汽缸设有至少一个(通常二或三个)燃油喷射器3和一个在汽缸盖中心处安置的排气阀4。

该排气阀是提升阀类型(盘形)，它是当高压进给管道5与驱动装置7中的压力室6连接时通过在汽缸中向下移动而打开的，由此该驱动装置活塞向下压排气阀的心轴8。气动弹簧9包括一个固定在心轴8上并可以移动地安置在汽缸中的活塞10，有一压力室12安置在活塞下面，使得压力室中的空气压力连续作用在阀的心轴上，产生沿关闭方向作用的向上的力。室6中液压流体的压力用向下的力作用在心轴8上。打开该排气阀的要求是，由阀的驱动装置7产生的这个力比在阀上的向上力要适当地大得多，在阀上的向上力部分由发动机汽缸中的气体压力产生，部分由在活塞10上的空气压力的作用产生。

液压驱动的燃料泵13向燃料喷射器提供增压燃料，该增压燃料具有发动机周期中的所要的定时和适合于发动机负载的体积。该泵的活塞由汽缸形式的泵的传动装置14驱动，驱动活塞的直径大于泵活塞的直径。因此活塞装置是一个阶梯式活塞，输送燃料的压力大于管道5中的压力，这两个压力之比等于大活塞和小活塞的面积之比。燃料准备在比发动机汽缸中气流气体压力适当地大得多的压力下输送，使得通过具有预定面积的雾化器孔获得良好的雾化。燃料泵可以将燃料输送到单独一个汽缸上的几个喷射器，这通常通过同时输送来实现，同时燃料泵也可以设计成将燃料输送到不同汽缸上的各个喷射器，在这种情况下燃料泵在不同时间将燃料输送到不同的汽缸。

从进给管道5将高压液压流体输送到驱动装置是通过用于排气阀4的控制阀15和用于燃料泵13的控制阀16来控制的。这些控制阀是通过至少一个电子控制装置17来电子驱动的，该电子控制装置可以是一个用于几个汽缸的中央装置。也可以使用分布控制，例如，每个汽缸使用一个控制装置，也可以使用总控制和分布控制的组合。信号传输通过仅在图中指示的信号线S实现。

控制阀15和16可以(例如)是一种有两个位置的类型，一个位置使具有驱动活塞的压力室与高压管道5连接，另一个位置使压力室与返回管道18形式的排泄道连接。这些控制阀也可以做成有三个位置，其中第三个位置是一个空档位置，在该位置中进给管道5和返回管道18均与驱动装置断开。当然，可以使用许多其它类型的控制阀和每个驱动装置有几个控制阀的组合，但此类设计更为复杂。

高压进给管道5由泵装置19来的液压流体供给，该泵装置19在图1中示意地表示成一个单独的泵，但实际上该泵装置将包括几个泵，它们可以以不同方式受到驱动。进给管道20用压力相当低的(如1至8巴的)液压流体供给该泵装置。进给管道20可以从一个罐收集流体，但最好液压流体取自带滑块的发动机的系统油。一个精细的过滤器21保证过滤液压流体。泵装置19可以在一个宽的范围(如150至300巴)内将压力输送到高压输送管道5。调整是利用通过信号线22从控制装置17收到的信号来控制的。

图2表示通过发动机的截面图。每个发动机汽缸2有一个汽缸套23，该汽缸套与带排气阀的汽缸盖24和活塞25一起限定一个燃烧室26。通过活塞杆27、滑块(crosshead)28和连接杆29，该活塞与发动机的曲轴31上的连接杆轴颈30连接。曲轴连接在发动机座板32中，座板包含系统油，在座板的顶部安装一个发动机框架箱33，该框架箱支承滑块用的导向平面34。在导向平面的项部是具有活塞杆填料箱36的中间底部35，该填料箱36使汽缸部分安置在中间底部上方，与座板和发动机框架箱的内部完全隔开，后者有各种活动部件，它们利用系统油润滑。

燃料泵13安置在汽缸2的最上部分，并通过三个导向各自的燃料喷射器3的高压管37输送燃料。另一个高压管38与控制阀15联接并导向排气阀4。

当使用系统油作为液压流体时，每个汽缸处消耗的液压流体可以从泵的传动装置和阀的驱动装置排泄到返回管道18，后者平直向下通到中间底部35下方的区域并排放发动机框架箱33内的润滑油，在该处润滑油向下流入座板中的油槽。如图1中所示，每个汽缸可以有这样一个排泄管道，这产生特有的优点，就是液压系统可以做成没有联合返回管道。

在一个实施例中，高压进给管道5可以制成图3中所示的双管。象内管41一样，外管40能够抵抗从泵装置来的最大输送压力。这两个管是同心的。在液压系统的正常操作下，液压流体的输送唯一地通过内管41实现。两管之间是环形空间42，装设一个传感器43，用于监测环形空间中的泄漏。如果内管41破裂，传感器43就发出警报，提醒操作人员注意不再有防止管子破裂的附加安全措施。所述管道5作为双管的设计并非必需，但提供更大的操作可靠性。

如上所述，可以将泵的传动装置和阀的驱动装置设计成在仅仅一个发动机负载下最佳运行。这将在下面参照图4详细描述。具有最佳操作状态的点A在此处选作在100％发动机负载下发动机的满负载点，但也可以有不同的选择。泵装置19被控制到在大约250巴的压力下输送液压流体。图中曲线a表示，当发动机直接联接在一个固定螺距的推进器上时排气阀对最小液压的要求是如何随发动机负载而变化的。曲线b表示，当发动机联接在产生动力的发电机或可变螺距的推进器上时排气阀对最小液压的要求。在这两种情况下，发动机速度恒定而与负载无关，汽缸在较低负载下的有效平均压力小于具有可调速度的相应发动机的，这意味着阀的驱动装置在较低负载下不要求同样高的液压。

曲线c表示泵的传动装置对最小液压的要求是如何随发动机负载而变化的。在上负载区中，可以看到泵的传动装置的压力要求比排气阀的压力要求更快地减小，因为待喷射的燃料体积和待通过喷射克服的汽缸压力两者均减小。当发动机负载向下降到约50％的水平及以下时，压力要求变得恒定并由产生所要雾化的最低压力决定。在泵的传动装置和阀的驱动装置的曲线行程之间存在显著差别，因为液压流体是通过联合管道5供给的，所以需要按照各装置中在所考虑的负载下具有对最小输送压力的最高要求的那个装置来控制泵装置的输送压力，这在所示情况下为阀的驱动装置。因此，在约50巴以下的低负载处对泵传动器的输送压力高于变速发动机所必需的，但这由于低负载时燃料体积小而受到部分补偿。显然，液压装置可以设计成其它压力值而非图示的压力值，但这并不改变曲线的相对行程如图所示这一事实。

在一个有利的实施例中，排气阀的气动弹簧中的所有压力室12通过一个联合管道44相互连接，其结果是室12中的空气压力在排气阀的开口上基本上不增大，因此不需要利用额外的液压能来克服此种压力增大。这进一步可以按照发动机速度以空气压力随速度减小而减小的方式利用空气压力控制装置45来调整室12中的空气压力。这是可能的因为在较低速度下可利用更多时间于使阀心轴返回到关闭位置。从气动弹簧来的较低反向压力意味着可以相应地减小从泵装置19来的输送压力，由此节约能量。

Claims (9)

1.一种二冲程带滑块的发动机(1)用的液压系统，有多个燃料泵(13)和多个排气阀(4)，燃料泵为液压驱动的活塞泵，其泵的传动装置(14)被供给增压液压液体，而排气阀的打开利用被供给增压液压流体的液压驱动装置(7)实现，其特征在于，一个单独的高压进给管道(5)向泵的传动装置(14)和排气阀的液压驱动装置(7)两者提供液压流体，而高压供给管道(5)中的输送压力是可以根据发动机负载来调节的。

2.一种如权利要求1中所述的液压系统，其特征在于，高压供给管道(5)中的压力作用在泵的传动装置(14)和阀的驱动装置(7)中的活塞上，活塞的面积相互适合于泵的传动装置和阀的驱动装置，使得它们在100％的发动机负载时具有基本上均匀的液压压力要求。

3.一种如权利要求1所述的液压系统，其特征在于，当发动机负载显著低于100％时，高压进给管道(5)中的输送压力是根据阀驱动装置(7)的液压要求来调整的。

4.一种如权利要求1所述的液压系统，其特征在于，当发动机负载为70％或更小时，高压进给管道(5)中的输送压力最多为100％发动机负载时输送压力的75％。

5.一种如权利要求1所述的液压系统，其特征在于，气动弹簧(9)沿向着闭合的初始位置的方向影响排气阀(4)，气动弹簧中的空气压力是可调的，当发动机速度增高和降低时，高压进给管道(5)中的输送压力和气动弹簧(9)中的空气压力分别沿向下和向上方向联合可调。

6.一种如权利要求5中的所述液压系统，其特征在于，发动机的所有气动弹簧的空气室(12)是相互连接的。

7.一种如权利要求1-6中任何一项所述的液压系统，其特征在于，高压进给管道(5)是由两个同心管(40，41)制成的，两者都能抵抗最大输送压力，在液压系统的正常操作下只有最内部的管子(41)输送液压流体，由两个管子限定的环形空间(42)设有传感器(43)，用于监测环形空间中的泄漏。

8.一种如权利要求1-6中任何一项所述的液压系统，其特征在于，发动机的系统油被用作液压流体，而泵的传动装置(14)和阀的驱动装置(7)将液压流体排放到发动机的油槽中。

9.一种如权利要求8所述的液压系统，其特征在于，有一个返回管道(18)连接从汽缸的泵的传动装置(14)和阀的驱动装置(7)来的排泄道，使发动机框架箱的内腔处于具有活塞杆填料箱(36)的中间底部(35)下方的高度处，该返回管道最好在中间底部紧下方处向外开口。

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