CN1239180A - 柴油机 - Google Patents

Abstract

柴油机，包括一个气缸套和一个以该气缸套的下端为边界并与该气缸套一起形成一滑阀的滑块。该滑块在下死点区域随着活塞运动离开该气缸套，一环形孔，即扫气间隙形成于该气缸套和滑块之间，用于将扫气空气供给活塞空间。当活塞朝上死点运动时，该扫气间隙再关闭。柴油机的这种新型结构特别适用于慢速、长冲程并具有直流扫气和十字头的两冲程大型柴油机，例如船舶用的及发电厂用的柴油机。在这种新的结构中，与曲轴箱密封的填料盒可被省去，这就可使发动机变矮。

Description

柴油机

本发明涉及一种独立权利要求1前序部分所述的柴油机。

现有各种结构的大型两冲程柴油机(参见图1所示)，例如主要用在船舶和发电厂中的大型两冲程柴油机都具有一十字结构。所谓的用于驱动曲轴的连杆设置于该曲轴和十字头之间。所谓的用于将活塞的往复线性运动传递给十字头的活塞杆设置于该十字头和活塞之间。

当今的大型两冲程柴油机大都是其工作缸采用直流扫气；即扫气空气在活塞处于扫气口之下时通过气缸套中的各扫气口进入气缸空间中。该些新鲜还没有使用的扫气空气流过气缸套中的各扫气口和燃烧室，并且迫使废气通过气缸盖中的一个或多个排气阀排入排气系统中。

当活塞位于扫气口上方时，该扫气空气将没有阻碍地漏入曲轴箱空间中。为了防止产生这种现象，处于活塞下方的部分活塞空间是用一个设计为一填料盒的密封件密封住的。该活塞杆在该填料盒中运行。

在具有油冷活塞的发动机中，该冷却油通过该活塞杆中的通道导流到活塞处并从此处导走。

除此之外，本发明的目的是为了提供一种即使没有填料盒扫气空气也不会漏入曲轴箱空间中的发动机。

根据本发明，这种类型的发动机具有独立权利要求1特征部分的各个特征。各从属权利要求涉及本发明的各个优化实施例。

根据本发明，该新的发动机因取消了填料盒而可制造得更矮。这一点尤其对船舶发动机更有利，因为发动机上方的为了修理和维护而必须具有的自由空间可以更小。当活塞杆设计成许多部分时，该活塞杆的组装及拆卸或更换都可以在发动机上方较矮的自由空间中进行。

这个包括一个气缸套且活塞在该气缸套中运动的柴油机具有：一个以气缸套的较下端为边界并与该气缸套一起形成一滑阀的滑块。在本发明的柴油机中，该滑块的驱动，即往复运动或上下运动分别是利用一个分开的驱动装置进行的，这就为改善效率提供了另外的可能性。

该扫气滑块的可变控制时间与排气阀的可变控制相结合可使发动机与相应的功率/转速组合相对燃油消耗和/或废气排放形成理想的匹配。

该扫气滑块的可变控制时间可允许例如使有效冲程实际上加长到整个理论长度。这样按比功率计就可以潜在地节约大约3-4g/kWh的燃油消耗。

利用一插入的导向装置对流入气缸中的扫气空气的涡流进行可变控制使发动机的可变运行点相对转速/功率形成理想的匹配，这一点不能与低功率范围内的匹配混淆。

然而，没有填料盒的发动机运行时的机油消耗及润滑维护也可与以中速运行的活塞发动机一样。可以想象：根据ZA40S型发动机的原理，气缸的润滑可通过活塞直接实现。

气缸工作表面不再与活塞下侧的扫气空间连通。因此冷却剂(水和硫酸)和气缸相邻的回火废气也不再会进入并且不再袭击气缸工作表面。活塞的运行特性与活塞式发动机的运行特性匹配。活塞对燃烧室和活塞空间之间进行密封的发动机称之为活塞式发动机。

类似于以中速运行的活塞式发动机中的情况那样，润滑油的维护必须更加强化。包含气缸润滑的润滑油消耗保持大致相同。

当活塞处于下死点区域时，滑块利用例如是液压驱动的驱动装置驱动离开气缸套。这样，一环形孔，即扫气间隙在该气缸套和滑块之间打开，所谓的扫气空气通过该环形孔供给处于其上方的气缸空间。在活塞朝上死点方向运动时，该扫气间隙由单独的驱动装置再次关闭。

如果该不依赖于活塞运动的单独的驱动装置，例如液压驱动装置(滑块动作的功能性依赖当然会处于某些限制范围内)是为滑块运动而设置的，则它可以使发动机的工作冲程(有效冲程)加长，直到活塞处于下死点区域为止。

在一个现有结构类型的发动机中，扫气口设置于气缸套中，当活塞在工作冲程中朝下运动且活塞的上缘达到各扫气口的上缘且打开这些扫气口时，则这些扫气口在任何情况下都可被打开以便扫气空气通过。这不是带有一单独的滑块驱动装置的情况。在一方面，该滑块在活塞运动方向的长度可这样选择，即活塞的上缘仍然处于该滑块的区域内，即使该滑块处于与气缸套接触的位置，并且该活塞在下死点区域运动时也是如此。因此，这就可使工作冲程(有效冲程)达到最大。

根据本发明，当活塞处于下死点区域时，该滑块可从气缸套上拆开。扫气空气可通过该滑块和气缸套之间的扫气口流入气缸空间。当排气阀也打开时，扫气空气流过气缸空间并且使燃烧气体/废气通过排气阀排出。由于发动机排气阀的功能和滑块的功能相互联系非常密切，因此在结构上将滑块和排气阀都设计成由同一个驱动装置例如液压驱动装置驱动是较好的。然而该阀和滑块用的液压驱动装置可以是彼此完全独立的并由一高水平的控制系统控制。

扫气滑块的材料可选择得与气缸套的材料不同，所以例如运动的质量可减少。

这种新型的柴油机结构特别适用于慢速、长冲程并具有直流扫气的两冲程大型柴油机，例如船舶用的及发电厂用的柴油机。在这种新的结构中，与发动机空间密封的填料盒可被省去，这就可使发动机结构变矮。

下面将参照表示各种现有结构柴油机和本发明的实施例的各附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是带有一填料盒及在气缸套下部的扫气口的现有发动机结构的剖视图；

图2-4是带有扫气滑块的发动机的剖视图，且对该发动机的运行及功能相对活塞和滑块在气缸中的不同位置进行了说明；

图5-6是本发明的发动机带有一个用作扫气滑块的液压驱动装置的剖视图。

在图1所示的带十字头(未示出)的柴油机中，按现有的常规结构类型，活塞10在气缸11中运行。在气缸套11的最下部具有扫气口110，当活塞处于下死点时，该扫气口由由活塞10打开。然后，该扫气空气从扫气空间110’(沿箭头)流入燃烧室。处于活塞10下方的部分扫气空间110’利用填料盒12相对曲轴箱空间或发动机空间110”密封。设置于活塞和十字头(未示出)之间的活塞杆13在填料盒12中运行。

图2-4所示带有十字头(未示出)的柴油机的结构是根据本发明构成的。气缸套21底部区域没有扫气口。相比，一扫气滑块24设置于下部，该扫气滑块与该气缸套21相连并随活塞20的运动而上下运动。这样就可使气缸套21和扫气滑块24之间的扫气间隙210打开和关闭，扫气空气可通过该扫气间隙流过该气缸套，气缸空间22和燃烧室。

在气缸套21和滑块24之间可设置用作各活塞环205的导向件和支承件的各导向件2124(只在图4中示出)。这样，该导向件2124(如图4所示)可静止地连接到气缸套21上；或者该导向件2124可固定到滑块24上并随该滑块一起往复运动。

一环形活塞裙201固定到活塞20上。这个带有活塞裙201的活塞20连接到活塞杆23上。冷却油通过一通道230泵入活塞20的内部。喷嘴202将冷却油喷入活塞20底部中的冷却孔203。不象现有结构类型的发动机那样，其中冷却油的回油路线例如为在该活塞杆中延伸的一第二通道，在本发明的新发动机中，可以利用流过流出通道204处的冷却油直接润滑气缸工作面，然后将其导流回发动机空间。在图2中(一方面)和图3和4中(另一方面)各个流出通道204是设置得不同的。

现在参见图2-4将说明滑块24的运动及工作方法，该些图示出了一种本发明的新柴油机。假设活塞20按图2-4所示向下运动，或者反过来假设活塞按图4-2所示向上运动。

本文所述的原理是随着这样的概念得出的，即在两冲程十字头发动机中，扫气空间相对曲轴箱空间的密封是由可动滑块24而不是由活塞杆填料盒实现的。与现有的在气缸套11的下端带有各扫气口110(图1)的各种公知结构相比，扫气滑块24，也可以说成是气缸套21的可动下延长部分，与活塞20的运动相结合起着扫气口和活塞杆填料盒的作用。

可在气缸纵轴向运动的扫气滑块24处于该气缸套21的较下端。该滑块24由一个设计成环形空间形状的空气弹簧209朝着该气缸套21的较下端压紧并压紧在其上。

如果活塞20的较下控制缘206运动到该滑块上的反向缘241上，然后滑块24开始逐步与该活塞20一起运动。与活塞20一起运动的滑块24朝下运动离开该气缸套21。在该气缸套21和滑块24之间，一环形间隙打开，并且扫气空气(沿箭头)从扫气空气空间211中流过该环形间隙并分别流入气缸空间22或燃烧室中。如果在发动机停止状态，该滑块24因空气弹簧209失效而朝下沉，则该环形间隙可由导向腹板2124跨接，该导向腹板可防止各活塞环205因向外的弹簧运动而进入该环形间隙210中。如果没有导向腹板2124，只有在空气弹簧209失效时，该活塞环205就可因朝外的弹簧运动进入该环形间隙210中。

带有扫气空气压力的扫气空气空间211相对带有大气压的空气的曲轴箱空间即发动机空间的密封在扫气过程中是通过活塞20实现的，该活塞此时处于滑块24的区域内。

如果活塞再朝上死点运动，然后由空气弹簧209驱动的滑块24随着该活塞运动并再密封住该扫气间隙210。当活塞在气缸中继续朝上死点运动时，滑块24将被延迟地并受到阻尼地与该气缸套21下部接触。故扫气空气用的环形间隙210再次关闭。该扫气空气空间211仍保持分别与该曲轴箱空间或发动机空间分开。

在所示的例子中，由空气弹簧209驱动的滑块24跟着活塞20一起运动。但该滑块24也可由一液压驱动装置(图3中未示出)驱动。

下面将详细描述由活塞驱动的滑块24的加速和减速过程。滑块24加速到活塞20的速度是发生在处于阻尼空间207中的润滑油和可能存在的扫气空气通过该间隙排出该环形空间207的同时。

在关闭过程期间，该滑块24从活塞速度减速到该滑块24运动到该气缸套21上可允许的相关速度的减速过程，是在缘部242已经封闭该环形阻尼空间243的体积后，借助于充满压缩空气的阻尼空间243实现的。

该滑块24的结构是以这样的方式构成的，即其上下侧是由扫气空气压紧的。如果该上下侧具有相同的在运动方向凸伸的面积，则扫气空气压力的影响，特别是各种变化造成的影响都是中性的，即它们对该滑块24的运动没有影响。通过设置大小不相同的凸伸面积，可按理想的方式影响该滑块24的运动，该不相同的凸伸面积可在滑块24上在一个方向或相反的方向上产生一合力。

一金属导向板叠层的可移动头部利用一垂直导向腹板可设置于该扫气间隙210之前。与相应的运行状况相适应的涡流可因此而作用于流入该气缸空间22中的扫气空气上。

用于冷却并来自于十字头的润滑油通过活塞杆23供给工作活塞20。该冷却油不再在该活塞杆23中被导回，而是通过通道204离开活塞20。

因此气缸的工作表面用润滑油强化润滑。该润滑油在气缸套21和滑块24的内表面上流动，并流回发动机曲轴箱中。当活塞支承环208的控制缘206从该滑块24的反向缘241旁滑过后，流出的润滑油与当时被密封在活塞裙201下方阻尼容积207中的空气一起形成一种阻尼混合物。该活塞裙201用作活塞20和活塞支承环208之间的对中元件，并且带有一刮油环。

取消活塞杆填料盒12(图1)可使在冲程与缸径比为大约4∶1的发动机中，其结构高度降低的量可达到缸径的大约30％，而其它尺寸不变(相对连杆长度)。通过取消扫气口可使气缸套21的长度降低的量可达到缸径的85％。

活塞杆23和活塞支承环208之间的连接螺丝可从曲轴箱中方便地接近。为了进行维护工作，可松开这种连接，这样就没有必要将活塞杆拆卸开。因此活塞的拆卸高度从理论上讲降低的量为该活塞杆的高度。

取消了朝内设置的润滑油排泄管又进一步简化了该活塞杆23的结构。该活塞杆的结构也可由几个中间法兰连接的片状物构成。

最终，也可能干脆用不同的材料制造气缸套21和滑块24。因此，例如该滑块24可由一种特别能抗诸如硫酸之类的腐蚀性酸在较低的且相对较冷的部件上产生的化学腐蚀的材料制成。尽管气缸套21在说明书中描述为一独立部件，但该气缸套也可自然地是发动机机体的一部分。在上述和下述涉及气缸套21或活塞20的内容中，活塞20的上死点是指活塞处于上面，而活塞的下死点是指活塞处于下面，这一点与常规的发动机结构一样，与气缸的实际位置无关。本发明可适用于各种发动机，与各气缸数量无关。

在表示环形孔的示例中，该环形间隙210在滑块24和气缸套21处具有各个平的边界表面。然而，当仔细考虑该边界后，例如气缸套21和滑块24之间的分离表面也可按一波浪形，Z字形方式延伸。也可想象该分离表面在径向可考虑为台阶形或波纹形。

在图5和6所示发动机中，扫气滑块24的驱动是利用液压活塞25进行的。

该扫气滑块24由在气缸套21的下端的控制缘2421处的空气弹簧26压紧，并一旦该扫气滑块24处于该位置时，使该扫气空气空间211相对曲轴箱空间218保持密封。因此在压缩/膨胀冲程期间该扫气空气空间211相对该曲轴箱空间218仍保持密封。这一特性等效于典型的活塞式发动机的特性。

如果活塞20接近下死点，则在正常运行时，该个由设置于控制箱中的周边处的液压活塞25驱动的扫气滑块24开始运动。该扫气滑块24从气缸套21的控制缘2421处开始运动，并打开一环形间隙210，扫气空气可通过该环形间隙210从扫气空气空间211流入气缸中。

该环形间隙210可由导向腹板2124跨接，该导向腹板可防止各活塞环在气缸套21和滑块24的滑动表面之间相互转换时被弹出，这种情况也可能发生，即在发动机静止并且空气弹簧26失效时，扫气滑块24会朝下沉并且不再能保证对该环形叠置件导向。

在扫气过程中，扫气空气空间211相对曲轴箱218的密封是由该活塞20的环形叠置件实现的。如果活塞20再朝上死点方向运动，则一旦该活塞20的上缘已经运动通过该控制缘2421时，该扫气滑块24必须再与该气缸套21的控制缘2421接触。

在可移动的金属板叠层212下面是一个环形污油收集器224，该收集器沿垂直轴直接导向扫气压力平衡箱8，并用于排出收集的污油。

扫气滑块24利用制动活塞25，即类似排气阀(未示出)之类的制动活塞，运动通过一液压控制油柱。具有使该扫气滑块24的打开时间可变的可能性。

由十字头来的润滑油是通过活塞杆23提供给活塞20的，该润滑油正如在常规发动机中那样可用于冷却活塞头。与常规结构类型相比，该冷却润滑油不再被导回活塞杆23中，而是通过活塞支承环204离开工作活塞20并流过气缸套21，扫气滑块24和扫气压力平衡箱，后进入曲轴箱。该润滑油用于润滑活塞裙201和活塞环。它可保护气缸套的工作表面。

该扫气滑块24由在直径为(d₂-d₀)的环形表面上侧的空气压力压紧。它也可由在相同的环形表面(d₂-d₀)的下侧上的，并由该扫气压力平衡箱8形成的空气压力压紧。因此，在扫气滑块24处，与扫气空气压力相等的力作用于相反的方向并相互抵销。从而扫气滑块24的动力学性能不受影响。

导向金属板叠层212的可动头部在径向上设置于该扫气间隙210前面。与各个运行工作点相适应的一涡流可作用于流入该气缸中的扫气空气上。

活塞裙201用于在活塞头和活塞支承环之间进行对中的对中件，并装有一刮油环，这与常规结构的四冲程发动机一样。

取消活塞杆填料盒对冲程与缸径比为4∶1的发动机来说，其结构高度可降低大约0.35d₀，而其它主要尺寸保持不变。因此气缸套21的长度通过取消扫气口相对常规结构可缩短大约0.85d₀。

通过取消活塞杆填料盒，与常规的结构类型相比，活塞杆23和活塞支承环208之间的连接螺丝可方便地从曲轴箱中接近。为了便于维护工作，这种连接可从曲轴箱18的方向解除，因此活塞杆23没有必要通过该曲轴箱卸除。从而活塞的拆卸高度可降低到最低。拆卸高度的节约量理论上应等于活塞杆的长度(4-5d₀)。

取消朝内设置的润滑油流出管简化了活塞杆23的结构。该活塞杆可制造成两个部分，中间用法兰连接，以便保持具有较低的拆卸高度的优点。

柴油机，尤其是这种类型的两冲程大型柴油机，包括一个气缸套21，活塞20在该气缸套中往复运动。以气缸套21的较下端为边界的滑块24与该气缸套21一起形成一滑阀，随着活塞20的运动，该滑块24运动离开该气缸套21，并且在这种情况下，用于将扫气空气供给气缸空间22的环形孔210形成于该气缸套21和该滑块24之间，在活塞20再一次朝上死点运动时该滑块再一次关闭。

该滑块24可由活塞20驱动作往复运动。一第一弹簧和/或阻尼装置206设置于活塞20和滑块24之间，并且弹簧和/或阻尼装置207在运动方向可对滑块24的往复运动提供辅助弹性力或阻力，和/或阻尼。该弹簧和/或阻尼装置206可至少部分是气动的和/或液压的。一组弹簧和/或阻尼装置207可由发动机的扫气空气压紧。例如该滑块24可利用导向部件2124相对气缸套21导向。

滑块24和气缸套21之间的分离表面可设计成环形的或波纹形的。该滑块24和气缸套21可由不同的材料制成。带有最好是可移动导叶的导叶212设置于将扫气空气供给气缸空间和燃烧室22中的供给通道211中。在带有油冷活塞20的柴油机中，回油通道204可设置于活塞20中，该通道分别直接通到气缸空间或活塞20下方的曲轴箱中。

Claims (4)

1，柴油机，特别是一种两冲程大型柴油机，其包括：一个气缸套(21)，活塞(20)在该气缸套中运动，其特征在于：一个以该气缸套(21)下端为边界的滑块(24)与该气缸套(21)一起形成一滑阀，还包括一个用于驱动独立于活塞(20)的滑块(24)的驱动装置，并借助于该驱动装置，该滑块(24)可运动离开该气缸套并再返回该气缸套(21)，一个环形孔(210)在滑块运动离开以便将扫气空气供给气缸空间(22)中时形成于该气缸套(21)和滑块(24)之间，当该滑块(24)再朝该气缸套运动时，该环形孔再关闭。

2，如权利要求1所述柴油机，其特征在于：还包括一个用于驱动该滑块(24)作往复运动，即作离开该气缸套(21)和再返回该气缸套(21)的运动的液压驱动装置。

3，如权利要求1或2所述柴油机，其特征在于：还包括一个用于排气阀的可变控制装置，其中该滑块的往复运动是受到与该排气阀的位置无关的控制的，或者相反，该排气阀是受到与该滑块的位置无关的控制的。

4，如权利要求1-3中任一所述柴油机，其特征在于：该滑块(24)离开气缸套(21)的运动最迟开始于活塞的下死点区域处，而滑块(24)返回气缸套(21)的运动是在压缩冲程中活塞(20)的上死点通过该气缸套(21)的下缘时完成的。

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