CN1309231A - 用于内燃机排出阀的液压驱动中的系统 - Google Patents

Abstract

液压驱动内燃机中的排出阀的系统具有阀式泵,而该阀式泵具有压力室,在压力室内,开口通过控制阀可以交替地连接到液压流体的高压源或者返回线中。阀式泵中的伺服活塞把压力室从液压容积中分开,该液压容积通过压力导管与排出阀轴上的液压致动器中的压力室连通。伺服活塞包括第一伺服活塞和可以移动的第二伺服活塞,在开始位置处,第二伺服活塞限制液压流体从开口流到压力室。

Description

用于内燃机排出阀的液压驱动中的系统

本发明涉及一种用于内燃机排出阀的液压驱动中的系统，阀式泵中的压力室具有这样的开口：通过控制阀，该开口可以交替地连接到液压流体的高压源或者返回线中，阀式泵中的伺服活塞把压力室从液压容积中分开，该液压容积通过压力导管与液压致动器中的压力室连通，而液压致动器设置成与排出阀的轴相连。

WO98/57048描述了一种用于内燃机中的、液压致动的排出阀，在该排出阀中，致动器设置在排出阀轴的延伸处，该致动器具有压力室，该压力室通过压力导管与高压液压流体的接线板的上表面上的控制口连通。借助于打开/关闭安装在接线板上的控制阀，使控制开口直接与液压流体的供给导管连接，而该液压流体由处于高压如125到325bar的泵站来供给。在实践中，把带有伺服活塞的阀式泵插入到接线板上的控制口和排出阀的致动器之间的压力导管中也是公知的。

但是，用来驱动排出阀的现有技术系统已证明，阀致动器和在阀致动器和接线板之间的液压元件的负荷是如此的大，以致使某些元件如单向阀、密封件和压力导管的安装螺钉的不良磨损产生得非常快。

本发明的目的是提供一种用于液压驱动排出阀的系统，该系统克服了上述缺点，同时提供了阀的精确控制。

考虑到这个，本系统的特征在于，伺服活塞包括第一伺服活塞和可以进行共轴线移动的第二伺服活塞，在开始位置处，第二伺服活塞限制从开口到压力室的液压流体量。

为了使排出阀的阀盘从它的座中升起，当不得不克服燃烧室内的阀盘上的气体压力时，需要一个非常大的均匀力。让具有较大直径的第一伺服活塞参加阀的打开运动的第一部分，同时在开始位置处使第二伺服活塞限制液压流体流到压力室中，这使得这些是可能的：在从阀式泵到致动器中的压力导管内得到一种控制的但同时是极端大的压力增加。这减少或者克服了由于压力导管和致动器内的、未控制的压力波动所产生的缺点，因此，液压元件的寿命基本上延长了。此外，排出阀打开得非常快，并且借助于简单的、非常快速地操作控制阀使打开的时间得到非常精确的控制。

在排出阀打开的第一部分期间，压力室内的伺服活塞的有效面积较大，从而在排出阀内产生了巨大的打开力，但是在第二活塞的运动开始阶段期间直到它移离它的开始位置为止，当液压流体流到压力室被限制时，这种力的增长以限制的方式进行。

一旦阀盘从座升起时，剩余的打开运动基本上只需要较小的力。因此，当影响致动器的液压压力变得较小时，让具有较小直径的第二伺服活塞单独执行打开运动的剩余部分是有利的。

在有利的实施例中，压力室内的第二伺服活塞具有轴向突出的流量限制件，在开始位置时，该限制件位于开口内。在开始位置处，在液压流体流到压力室受到限制时的开始阶段期间可以由位于开口内的流量限制件的长度来调整，因此致动器内的打开力尽可能快地升高到它的最大值而不会产生任何不良的较大压力波动。此外，流量限制件的横截面可以相对于开口的横截面成形，因此借助于作为排出阀的控制打开顺序的、第二伺服活塞的移动使到达压力室的流动增加了合适的速率。

在另一个有利实施例中，开口由圆柱形孔来构成，流量限制件由圆柱形销构成。这种设计在制造和安装时比较方便，并且在阀的开启期间提供了合适的流动顺序。这样，只要销位于开口内，那么销和开口之间的流量限制通道的横截面不变，但是这个通道在销的轴向上的长度在打开期间减少了，因此流量限制效果也减少了。因此，借助于改变销的长度和使销和开口之间的直径不同来适应流动顺序。

最好，圆柱形销的直径小于0.7，并且优选地小于0.5倍的压力室内的伺服活塞的总有效活塞表面的直径，而圆柱形销的长度小于0.7并且优选地小于0.5倍的第一伺服活塞的行程。

在另一个有利的实施例中，开口共轴线地形成于衬套内，而该衬套在阀式泵的压力室的端壁内相对于伺服活塞对中，并且拧到高压液压流体的接线板上，衬套具有圆周端表面，而该端表面密封地靠在接线板上的圆周表面上。这避免了单独的密封件如接线板内的高压液压流体供给通道和通向阀式泵的压力室的开口之间的密封环，并且该系统可以得到更长的使用寿命。当接线板的打开/关闭控制阀打开时，在这个区域立即产生了急剧的压力升高，因为在它的开始位置处，第二伺服活塞限制液压流体从通到压力室的开口流出，并且在这个区域需要非常高的密封性能。衬套还具有这样的优点：它保持阀式泵壳体相对于接线板对中。当接线板非常大时，与在气缸的上表面上形成一个凹口相比，为衬套钻出一个螺纹孔更加简单。

衬套的另一个优点是，在拆下阀式泵之后，它从接线板上伸出一个距离，这样在开口和接线板的上表面上之间形成了障碍，在那里可以收集可能被污染的液压流体。与开口连接的控制阀对脏物比较敏感。在拆下活塞时(这是一个例行维护过程)，拆下致动器的压力导管，并且在一些情况下，还拆下接线板的顶部上的元件如阀式泵，在那种情况下，它的优点在于，在这个过程期间，可以保护开口和控制阀不受到污染。

它的优点在于，限制液压流体从开口流到压力室的通道形成于第二伺服活塞和/或阀式泵的壁上。这种通道可以取代流量限制件和开口之间的间隙，或者可以与这种间隙结合起来。使用通道来取代间隙可以使流量限制效果变成基本上与液压流体的粘性无关，因此而与流体温度无关。

流量限制通道具有漏斗形部分，因此流量限制效果依赖于在通道内的流动方向。如果在阀关闭时而不是在打开时需要不同的流动，这是有利的。

现在借助于实施例的例子和参照示意图，在下面详细地描述本发明，在附图中：

图1表示具有缸盖横截面图的二冲程十字头发动机的气缸的草图，

图2到4是通过阀式泵的纵剖面图，在三个不同的工作位置上示出了伺服活塞，同时在三个不同的破断面示出了阀式泵，

图5示出了压力和位置曲线，它图解了用于液压驱动排出阀的现有技术系统的打开顺序，及，

图6示出了本发明系统与图5的这些相对应的曲线。

图1示出了一种单流换气型(uniflow scavenging)的气缸1，排气阀2安装在缸盖3内的气缸顶部中心处。在膨胀冲程结束时，借助于克服来自气缸1内的气体压力来打开排气阀。产生这种打开以防如接近10bar的过压。排气阀在活塞向上运动期间又关闭了，而该活塞借助于气动弹簧4或者液压驱动元件而被驱动向上。

由于排气阀的耐久性和有利于精确控制燃烧室内的条件，从而精确控制发动机的效率，因此有利于非常精确地控制阀2的打开。

燃烧发动机具有大小范围为210mm到1100mm之间的气缸孔并且可以是中速四冲程发动机，但是一般是低速两冲程十字头型发动机，而这种低速两冲程十字头型发动机可以是船上的推进发动机或者动力厂的固定驱动装置。该发动机可以设计成每缸输出量为400KW到5500KW的许多种大小，并且它在全负荷时所具有的速度范围为50到600rpm，一般至多为300rpm。

排气阀2借助于致动器5来打开，而该致动器由液压驱动并且可以具有许多级。致动器5内的压力室通过压力导管6与阀式泵8上的上部连接连通。阀式泵(valve pump)8安装在接线板9的顶部上，而接线板9由托架10来支撑，阀式泵8与接线板9上的高压液压流体的排出口连通。托架与液压流体的高压导管11连接，而高压导管11供给有来自未示出的泵站的液压流体，例如，该液压流体的压力范围为125到325bar。这种压力可以是不变的，但是最好可以相对于发动机负荷进行调整。泵站可以供给有来自贮箱中的液压流体，例如该液压流体可以是标准的液压油，但是，最好把发动机的润滑油用作液压流体，并且从发动机的油箱向该系统供给。由于阀式泵8具有两级伺服活塞，因此最好使用排出阀2的单级标准致动器。

发动机的每个气缸与电控元件12相连，该电控元件12通过电线13接受总体同步的控制信号并且尤其通过电线15把电控信号输送到控制阀14中。每个气缸中可以有一个控制元件12，或者许多气缸与同一控制元件相连。控制元件还接受来自所有气缸共有的、至少一个初控元件的信号。

在托架10中，从高压导管11中分支的通道19把高压液压流体送到控制阀14上的高压口中。通道19设置有许多流体收集器16，而这些流体收集器16在控制阀打开时输送大部分流体量并且在控制阀关闭时由高压导管进行后供给(post-feed)。通过接线板9内的通道17，控制阀上的控制口与该板顶表面上的排出口连通，而排出口与阀泵8连通。控制阀还具有低压口，该低压口用来返回所用过的液压流体。

控制阀14可以是任何传统型如传统电磁阀。为了得到非常快速、精确阀设置，控制阀14最好包括两个阀，即电动阀14a和阀式泵的主阀14b。例如，驱动阀14a可以是磁性锁紧处于极端位置处的这种型式，其中阀由两个线圈中的一个的磁化来驱动，而这两个线圈设置在铁磁材料制成的阀滑动器的相应端上。在其它情况下，驱动阀可以如用来参考的WO98/57048所描述的那样形成。还可以参考本申请人的丹麦专利No.172961，该专利详细描述了液压缸元件。

图2到4示出了本发明的阀式泵8。阀式泵8的壳体31包括三个汽缸体20、21、22，这三个气缸体设置相互的顶部上，最下部的气缸体靠在接线板9的上表面上。这些气缸体相互夹紧，而接线板9借助于贯穿保持螺栓23来固定。应该知道，阀式泵8具有不是所示那种的另外取向，例如它可以支靠在接线板9的垂直侧上进行安装。把控制阀14上的控制口与阀式泵8连接起来的通道17在螺纹孔24内的接线板的上表面上张开，而外部具有螺纹的衬套25被拧到该螺纹孔中。当螺纹孔24的直径比通道17大时，接线板内的螺纹孔的底部具有圆形表面27，而表面27与衬套25的下部圆周端表面26处于密封连接。衬套25的、没有螺纹的上部伸出接线板9并且以对中的方式插入在阀式泵8的最下部气缸体22的孔中。

衬套25的内部圆柱孔形成了通过通道17与控制阀14连通的开口29，并且在阀式泵8的压力室30内张开。压力室30由壳体31和伺服活塞的下表面来限制出，该伺服活塞在壳体内可以移动并且包括第一伺服活塞32和第二伺服活塞33，而第二伺服活塞可以在第一伺服活塞32内共轴线地移动。第一伺服活塞32具有上圆柱部分34和下部分，而圆柱部分34在壳体31的孔36内以密封的方式被轴向导向，下部分构成了圆柱形凸缘35，该凸缘35的直径比上部分34的大。凸缘35具有向上的圆周表面37，该圆周表面37可以靠在向下的表面38上，从而形成第一伺服活塞32向上运动时的上部止动装置。在壳体31内，表面38形成了孔36和孔39之间的过渡段，而孔39形成于孔36的下方并且与孔36共轴线，孔39形成了压力室30的外壁。孔39具有上部分40，而上部分40相对紧地安靠在凸缘35的外表面上，因此当液压流体以本身公知的方式封闭在凸缘35、表面38和孔部分40之间时，在表面37、38之间接触之前，第一伺服活塞32的向上运动可以慢下来。而且，孔39具有下部分41，而下部分的直径比上部分40的直径稍大，因此只要凸缘35设置在孔部分41的外部，那么第一伺服活塞32可以往复运动，而不会有任何减速作用。

第二伺服活塞33具有下部分42和上部分44，而下部分42与第一伺服活塞32的孔43共轴线并且在该孔43内可密封地进行移动，上部分44的直径比下部分42的大，并且上部分44在上部孔45内可密封地进行移动，上部孔45形成于壳体31内并且它的直径比孔36的大。在孔36、45之间的过渡处，形成于壳体内的环形室46的直径比孔45的大，并且环形室46与图3中用虚线所表示的排出通道47连通。在第二伺服活塞33的上方，液压流体量封闭在孔45内并且通过连接7与压力导管6内的流体柱连通，压力导管6的另一端与阀致动器5的压力室连通。

通过图2示出的、位于壳体31内的供给入口48与连接7连通，压力导管6通过未示出的单向阀后供给液压流体。例如在4bar过压的流体压力时，由低压导管产生这种后供给，并且这种后供给被执行来补偿致动器5和阀式泵8内的活塞和气缸之间的泄漏。在图3所示出的、与连接7和排出通道47连通的孔49中，插入了未示出的阀，该阀可以打开从而在拆开的情况下使流体的压力导管6排空。压力导管6包括内管50和外管51，因此在它们之间形成了环形室。通过图3所示出的通道53，环形室52与未示出的压力传感器连通，因此可以记录内管50的任何泄漏。

与压力室30内的有效活塞面积相比，所示出的阀式泵8在孔45内具有较大的有效活塞面积，因此例如，室30内的210bar的液压压力可以在孔45内引起大约140bar的压力，如果希望使用为这种压力而设计的标准排出致动器5，那么这种压力是有利的，但是根据致动器5处的理想压力，伺服活塞可以设计有其它种活塞面积。

衬套25的开口29相对于伺服活塞32、33共轴线对中，第二伺服活塞33具有销54，而销54从活塞下端共轴线地突出并且具有下锥形部分55。销54的直径稍稍小于开口29，在第二伺服活塞33的开始位置处，它位于开口29内，如图2所示一样。

当排出阀打开时，来自控制元件12的控制信号把控制阀驱动到这样的位置上：在该位置处，高压开口与控制口连通，因此高压流体可以自由通向阀式泵8的开口29。当销54设置在开口29时，高压流体只直接影响销54的端面56，并且当表面56的面积基本上小于伺服活塞32、33的总有效活塞面积时，这只在第二伺服活塞33上导致了有限的力。但是，液压流体通过销54和开口29之间的环形通道以限定的速度从开口29流动到压力室30中，因此限定的流体压力在压力室30内的总活塞面积的其余部分上还在上升。因此，伺服活塞32、33向上运动。当销54移出开口29时，销54和开口29之间的通道长度被减少了，因此流动阻力变得更小了，并且活塞32、33的移动速度增加了。当销54完全移出开口29时，高压流体可以自由进入压力室30，并且移动速度基本上增加了。如上所述一样，当第一伺服活塞32靠在它的上部止动装置38上时，如图3所示一样，第二伺服活塞单独继续移动，直到到达它的顶部位置为止，而该顶部位置示出在图4中并且与排气阀2的完全打开位置相一致。

图5图解了现有技术系统中的排气阀的打开顺序，该打开顺序在活塞上止点之后作为以度数示出的曲轴位置的函数，曲线P表示阀式泵的压力导管下游处的液压压力(用bar表示)，曲线V表示排出阀的位置(用毫米表示)，及曲线S表示伺服活塞的位置(用毫米表示)。它显示出，压力导管内的液压压力P首先几乎立即上升到大约120到130bar，然后又急剧下降到接近0，因此，还在排出阀处于打开位置处达到相当稳定之后，它连续上下强烈波动。这些强烈压力波动对从阀式泵到排出致动器的整个液压系统具有负作用，并且尤其地，巨大的压力降导致了空蚀。例如，在阀式泵和致动器之间的压力导管内用来后供给液压流体的单向阀为压力波动所损坏。如果例如具有4bar过压的压力导管产生了后供给，那么压力导管内的巨大负压冲击使得单向阀打开，并且更加巨大的正压使得它非常猛烈地关闭。此外，排出阀的致动器内的任何单向阀可以受到压力冲击的影响，并且还可以损坏压力导管本身和它的安装配件。

图6图解了本发明系统中的排气阀2的打开顺序，该打开顺序在活塞上止点之后作为以度数示出的曲轴位置的函数，曲线P表示阀式泵7的压力导管6下游处的液压压力(用bar表示)，曲线V表示排出阀2的位置(用毫米表示)，曲线S1表示第一伺服活塞32的位置(用毫米表示)，及曲线S2表示第二伺服活塞33的位置(用毫米表示)。它显示出，压力导管6内的液压压力P首先上升到大约130bar的压力。这种上升产生得很快，但是远不及现有技术系统那么快，并且在一个较短的、适中的过渡过程之后，压力在大约80bar处变成不变了。早已在接近上止点之后的125度处，不再有剧烈的波动，在那里，相比较而言，在上止点之后的225度处，现有技术系统仍然具有强烈的波动。在第一压力升高到大约130bar之后，没有压力波动小于大约70bar，因此用于压力导管6的后供给的单向阀不会打开，故单向阀没有承受不必要的负荷。它还显示出，本发明系统中的排出阀2打开得非常快，在125和150度之间时，它几乎完全打开，并且它的打开曲线V均匀上升并且没有波动。

当排出阀2将关闭时，控制阀被驱动到这样的位置上：在该位置上，低压开口与控制口连通，因此，压力室30内的高压被排出。当排出阀借助于气动弹簧(pneumatic spring)4反抗它的关闭位置而施加载荷时，压力导管7内具有相对较高的压力如80到100bar，从而在排出阀2处于关闭时避免了该系统内的巨大压力波动，第二伺服活塞33(它的顶表面位于孔45内)设置有流量限制销57，在活塞的上部位置处，该销57位于开口58内，而开口58形成了孔45内的连接7的开口，参见图4。销57限制伺服活塞从上部开始位置处向下的加速度，这防止了压力导管6内的压力减少得太突然，而压力减少得太突然可以在该系统内导致不良的巨大压力波动。

借助于销54的形式来优选打开顺序，因此销的直径和长度可以改变，并且例如，较长的锥形部分55可以导致销54的流量限制效果减少得更加平缓。此外，用这样的通道来补充或者替换销54和开口29之间的通道是可能的：该通道使销的流量限制效果局部短接。该通道形成于销54内或者衬套25内，并且可能形成于壳体31的壁上。

此外，在液压流体封闭在压力室30内或者孔45内并且通过相应销54、57和它的相关开口29、58之间的通道挤压出时，在活塞相应地到达下部开始位置和上部开始位置之前，销54、57使第二伺服活塞33合适地慢下来。上面所述的用来使销54、57的流量限制效果短路的通道还包括锥形部分，因此流量限制效果依赖于流动方向，因此在伺服活塞加速和减速时，该流量限制效果不相同。

Claims (7)

1．一种用于液压驱动内燃机中的排出阀(2)的系统，阀式泵(8)中的压力室(30)具有这样的开口(29)：通过控制阀(14)，该开口可以交替地连接到液压流体的高压源或者返回线路中，阀式泵(8)中的伺服活塞把压力室(30)从液压容积中分开，该液压容积通过压力导管(6)与液压致动器(5)中的压力室连通，而液压致动器设置成与排出阀的轴相连，其特征在于：伺服活塞包括第一伺服活塞(32)和可以进行共轴线移动的第二伺服活塞(33)，在开始位置处，第二伺服活塞(33)限制液压流体从开口(29)流到压力室(30)。

2．如权利要求1所述的系统，其特征在于：压力室(30)内的第二伺服活塞(33)具有轴向突出的流量限制件(54)，在开始位置时，该限制件位于开口(29)内。

3．如权利要求2所述的系统，其特征在于：开口由圆柱形孔(29)来构成，流量限制件由圆柱形销(54)构成。

4．如权利要求3所述的系统，其特征在于：圆柱形销(54)的直径小于0.7，并且最好小于0.5倍的压力室内的伺服活塞的总有效活塞表面的直径，而圆柱形销的长度小于0.7并且最好小于0.5倍的第一伺服活塞(32)的行程。

5．如前述权利要求任一所述的系统，其特征在于：开口(29)共轴线地形成于衬套(25)内，而该衬套在阀式泵(8)的压力室(30)的端壁内相对于伺服活塞对中，并且拧到高压液压流体的接线板(9)上，衬套(25)具有圆周端表面(26)，而该端表面密封地靠在接线板(9)上的圆周表面(27)上。

6．如前述权利要求任一所述的系统，其特征在于：限制液压流体从开口(29)流到压力室(30)的通道形成于第二伺服活塞(33)和/或阀式泵(8)的壁上。

7．如权利要求6所述的系统，其特征在于：该通道具有漏斗形部分。

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