CN1460784A - 十字头型大型双冲程内燃发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种十字头型大型双冲程内燃发动机。发动机包括基底(7)、A形曲轴箱结构(2)和汽缸结构(30，30’)，基底上设有支撑曲轴(22)的主轴承，曲轴箱结构安装在基底上并设有支撑十字接头的导引板(13)的横向支肋(9)，汽缸结构安装在曲轴箱结构上，曲轴箱结构通过拉杆螺栓与基底夹紧在一起。汽缸结构(30，30’)由焊接结构形成，包括大致为平板形的上钢板(31)，上钢板上设有容纳和支撑汽缸衬套(6)的环形开口(39)。汽缸结构还设有两个大致平行于曲轴(22)延伸的外侧壁(32，33)、至少两个与侧壁相互连接的横向壁(34，35，36)。汽缸结构的侧壁大约设置在引导片(13)的正上方。
Description
技术领域
本发明涉及一种十字头型大型双冲程内燃机，包括具有支撑曲轴的主轴承的基底、一个安装在基底上的A形曲轴箱结构和一个安装在A形曲轴箱结构的汽缸结构，曲轴箱结构与基底通过拉杆螺栓夹紧，所述曲轴箱结构包括横向支肋支撑十字头型的导引片，汽缸结构通过焊接形成，包括具有至少一个环形开口以收容和支撑汽缸衬套的大致为平板状的上钢板、两个大致与曲轴平行延伸的外侧壁、至少两个与侧壁连接的横向壁。汽缸结构形成支撑以支撑汽缸衬套、曲轴箱和净化空气储气室。
背景技术
从曼B与W狄赛尔公司1999年第二版的“双冲程发动机K98MC项目指南”(“K98MC Project Guide Two-Stroke Engines”2nd edition1999，MAN B&W Diesel A/S)可知，用于大型双冲程内燃机的汽缸结构全部将两个或更多汽缸作为整体由铸钢制造或将大型发动机的每个汽缸作为一个单元制造。凸轮轴箱作为一个单元与汽缸结构一起铸成。大致为平板形的上钢板具有至少一个环形开口以收容和支撑汽缸衬套，上钢板安装在汽缸结构的上部。
对于汽缸口达到50cm的发动机来说，汽缸结构和凸轮轴箱体铸成一个单元。当汽缸口设置在60-70cm之间时，汽缸结构和凸轴箱体采用整体制造，仅包括两个汽缸。对于汽缸口大于80cm的大型发动机，汽缸结构采用整体铸造制成，其仅具有一个汽缸。大型发动机的汽缸结构必须分成几个小单元制造，否则其重量将超过发动机组合设备内升降机构的最大支撑重量。而且，目前的铸造工艺也限制了铸造物体的最大尺寸。通过铸造制成汽缸结构生产过程相对便宜而且是成熟工艺，大型发动机的汽缸结构的分解会产生附加的生产成本。
为了制造，例如汽缸结构的上表面，独立的单元需要一个接一个地被提升到平面铣床上。之后他们被栓接在一起，于是制造出汽缸结构。生产过程要求，尽管在汽缸结构的制造过程前后汽缸结构组装和拆开，运转测试的前后和在发动机车间的组装，例如，运输或电力设备。相应地，在大型发动机内需要花费相当数量的附加资源，因为每一个汽缸结构均需要从几个单元中组装和调整，反之亦然。而且，汽缸结构的独立单元之间的连接在组装时必须牢固且精确。这里应用的螺栓连接既昂贵又劳力集中。
DK 1405/92号专利申请揭示一种十字头型大型双冲程内燃机，包括由焊接板构成的汽缸结构。汽缸结构的厚侧壁设置在曲轴箱结构的外壁正上方，所述厚侧壁可承受经由拉杆螺栓传递到框架箱体和汽缸结构的巨大且变化的压力。因此，曲轴箱结构的外壁也需要能够承受上述的由拉杆螺栓传递的巨大压力，曲轴箱的外壁也具有相应的厚度。这就导致曲轴箱结构和整个发动机的重量的显著增加。而且，汽缸结构必须横跨轴轴箱结构上部的整体宽度。这就致使汽缸结构相对较大且附加纵向延伸壁需要支撑汽缸结构的上钢板。因此，这样的汽缸结构变得相对较重。
发明内容
本发明目的在于提供一种克服上述缺陷的十字头型大型双冲程内燃发动机。本发明目的是通过提供包括基底、A形曲轴箱结构和汽缸结构的十字头型双冲程内燃发动机实现的，基底上设有支撑曲轴的主轴承，A形曲轴箱结构安装在基底上，其上设有横向支肋支撑用于十字结头的导引片，汽缸结构安装在A形曲轴箱，曲轴箱通过拉杆螺栓与基底夹紧在一起，汽缸结构由焊接结构形成，包括大致平面的上钢板，上钢板上设有至少一个环形开口以收容和支撑汽缸衬套，两个外壁大致平行于曲轴延伸，至少两个横向壁与侧壁相互连接，其中侧壁大约设置在导引片的正上方以使侧壁被与导引片存在一定关系。
通过以钢板的焊接结构代替铸钢结构，可以构造出较轻的汽缸结构。本发明的用以支撑大型发动机的若干个汽缸衬套的整体汽缸结构也可以由现有负载量的升降机构来举起。而且，通过将汽缸结构的厚侧壁设置在曲轴结构的导引片的大致正上方，侧壁支撑在导引片上，当发动机在运转时，整个发动机结构具有需要的刚性以承受通过拉杆螺栓传递到框架箱体和汽缸结构上的巨大且变化的压力时，整个发动机结构可以被轻松实现。
侧壁和所述支撑导引片可以承受通过拉杆螺栓作用在发动机上的力的大部分，从而剩余结构可采用轻巧的尺寸。
侧壁和所述的横向壁可以焊接到一起从而形成一个在上钢板所在平面呈矩形的横截面的中空体。
侧壁可相互倾斜设置，优选的角度是0-10度，和所述钢板的角度优选的是2-10度。这就减少了侧壁上部和环形开口之间的距离。因此，在拉杆螺栓作用的力的影响下，上钢板会弯曲的较小。因此就降低了上钢板和侧壁接点间的应力水平。
横向壁可以设置在每个汽缸之间，将矩形截面分成包围每个汽缸的大致为方形的截面。上钢板就支撑在每个容纳汽缸衬套的凹口处。
为提高上钢板每个凹口处的支撑力，大致为方形的截面可以再设置另外四个壁以形成在上钢板所在平面具有八边形横截面的中空体。
汽缸结构还可设置略垂直于上述侧壁的伸垫板，优选的是在所述横向壁所在的平面，至少一个伸垫板、一个侧壁和一个加强板形成第一个中空轮廓。上述拉杆螺栓中的一个伸入到这个中空轮廓中。
A形曲轴结构也可设置一个中空轮廓，拉杆螺栓伸入到这个中空轮廓中。第二个中空轮廓由横向支肋、导引片之一和加强板形成。
优选地，第一个中空轮廓大约设在第二个中空轮廓正上方，第一、第二中空轮廓具有一定的关系。因此，中空轮廓形成结构的一个整体部分以承受通过拉杆螺栓传递到框架箱体和汽缸结构上的巨大且变化的压力。
由于实用的原因，第一中空轮廓和第二中空轮廓可以具有大致为三角形的截面。
由拉杆螺栓从汽缸衬套向侧壁传递的波动的力引起的上钢板的弯曲运动使得在上钢板和侧壁的连接处存在潜在的疲劳问题。降低上钢板和侧壁间应力的一个方式是在上钢板底边邻近焊接处的横向截面延伸处设置一个优选呈弧形的缺口，最好的是半圆形、半椭圆形或其他相似形状。这就是冲孔效应，这样扩大的疲劳问题就可在很大程度上避免了。
在上钢板和侧壁连接处的疲劳问题也可由通过圆角焊接接点将上钢板连接到承重壁的钢板上来降低，在加工时可在圆角焊接接点、上钢板和侧壁的连接处开设一个槽。
汽缸结构还包括由钢板形成的底板，底板上设有容纳密气箱的环形开口。
为获得更高刚性和强度的汽缸结构，侧壁和/或所述横向壁可以由钢板制成，最好是轧制钢板。
本发明汽缸结构的其他目的、技术特征、优点及性能可以从下面的详细描述中更显而易见。
附图说明
在下文中，将参照附图中所示的具体实施方式对本发明进行更详细地描述，其中
图1为现有的发动机的剖视图；
图1a发动机的剖视图；
图1b为图1发动机沿Ib-Ib线的局部剖视放大图；
图2为汽缸结构的立体图；
图3为汽缸结构上部的局部剖视图；
图3a和3b是不同结构的汽缸结构不同结构的剖视图；
图4为安装在汽缸结构上的净化空气储气室的立体图；
图5为净化空气储气室和汽缸结构的详细横断面视图；
图5a为具有减压缺口的焊缝的详细视图；
图5b为具有减压槽的焊缝的详细视图；
图6为不同结构的汽缸结构和净化空气储气室更详细的横断面视图；和
图7为汽缸结构和净化空气储气室显示组合单元外部尺寸的示意图。
具体实施方式
在下文的详细描述中，将通过优选的实施方式对本发明进行描述。图1揭示一种现有的比本发明发动机更高更宽的发动机。
图1a揭示一种设置在基座7上的大型12个汽缸的双冲程直流净化柴油发动机1，基座7具有用以曲轴22的主轴承。为了便于生产，基座7分为若干合适尺寸的部分。其由高质量焊接的纵长形槽钢和具有铸钢轴承支座的焊接横梁组成。焊接而成的A形曲轴箱结构2安装在基座7上。曲轴箱结构设置在每个汽缸之间，其上有以横向板9形式设置的支肋，横向板9与曲轴箱结构2上纵长延伸的外壁10互相连接，且横向板9自A形曲轴箱结构2的顶部向底部延伸以增加曲轴箱结构2的横向刚性。
用以承担作用于十字结头21上的力的竖直导引片13安装在横向板9上，例如通过焊接。两个导引片13横向对称安装在内部横向板9的两侧。每一导引片13的后壁由竖直延伸的附加壁14支撑，附加壁14连接导引片和横向板9。如图示，附加壁14可以包括与横向板成锐角设置的平板元件，也可以利用具有水平四分之一圆周或四分之一椭圆周部分的附加壁14，即附加壁14在横向板9大致成直角延伸。导引片13、附加壁14和横向板9形成一收容拉杆螺栓且具有高扭转刚性的中空轮廓。
如图4所示，两个汽缸结构30，30’呈一直线安装在A形曲轴结构2的顶部。每一汽缸结构30，30’支撑发动机1的六个汽缸衬套6。当然也可以采用其他结构，如一个发动机具有三个汽缸结构，或者是有十一个汽缸的发动机，该发动机包括一个具有五个汽缸的汽缸结构和一个具有六个汽缸的汽缸结构。所述汽缸衬套6由合金铸铁制造。汽缸衬套6的顶部上设有冷却孔，冷却孔内有短冷却膜。汽缸衬套6上设有排气孔和用于汽缸润滑的钻孔。汽缸结构30，30’支撑凸轮轴箱体3的一侧。净化空气储气室4沿着汽缸结构30，30’的另一侧设置。净化空气储气室4支撑涡轮增压器单元8对净化空气加压，废气接收器11平衡各个汽缸内的压力波动。涡轮增压器8的压缩机经过空气过滤器从发动机室内吸取空气，被压缩的空气由为多个涡轮增压器工作的净化空气冷却器冷却。净化空气冷却器由水雾制动器提供，该制动器防止空气中的冷凝的水被带到净化空气储气室和燃烧腔内。
请参照图2、图3所示，将详细描述汽缸结构30，其中汽缸结构30’与汽缸结构30完全相同。汽缸结构30，包括两个纵长延伸以形成汽缸30两侧壁32、33的钢板。侧壁32、33通过横向延伸以形成前、后壁34、35的钢板相互连接。侧壁32、33及前、后壁34、35焊接在一起以形成大致为矩形截面的中空结构。前、后壁34、35也可以相互倾斜以减轻结构的重量。附加横向延伸的钢板36设置在汽缸之间，因此将汽缸结构的矩形截面分隔成方形部分。附加横向钢板36焊接到汽缸结构的侧壁32、33上。如图3a所示，本发明的另一个较佳实施例，每一个汽缸还设有四个钢板37从侧壁向附加板以45角方向延伸，因此，使得汽缸结构的内截面为大致成八边形。
汽缸结构可由普通钢板或锭铁制成。根据本发明一个较佳实施例，制造汽缸结构的钢板是轧制钢板。上钢板可以由其他可焊接的材料制成，例如铸钢。
上钢板31上设有环形开口39以容纳和支撑汽缸衬套6，上钢板31焊接到形成侧壁32、33的钢板，前、后壁34、35和附加的横向延伸的钢板36上。侧壁32上设有开口38以利于每个汽缸允许净化空气进入汽缸结构30内。上钢板31在其纵向延伸的边上还设有密集的成对孔40以容纳拉杆螺栓16。
如图3所示，本发明较佳实施例中，侧壁32、33相互倾斜。因此，侧壁32、33在汽缸结构30顶部的距离小于其在汽缸结构30底部的距离。上钢板31与侧壁32、33间的夹角优选的为2～10度，但也可以选在0～20度。通过侧壁32、33相向倾斜的设置，在发动机运转过程中，较大的变化的力通过汽缸衬套6和拉杆螺栓施加到上钢板31上，上钢板相应地弯曲引起上钢板31与侧壁32、33焊接接点处的机械应力降低。
如图5及图5a所示的另一优选的实施方式，侧壁32、33与上钢板31成直角设置。通过穿过焊缝设置的缺口43、44，侧壁焊接接点的机械应力降低。缺口43、44具有半环形截面。此截面形状也可选择为半椭圆形或其他相似形状。
如图5b所示本发明的另一优选的实施方式，上钢板31与侧壁32、33通过圆角焊接接点48连接。圆角焊接接点48和侧壁32、33的接合处，及圆角焊接接点48和上钢板31的接合处，制造，例如通过研磨，出大致为半环形的槽49，49’以减小圆角焊接接点48和对应钢板31之间机械应力。
从侧壁32、33底部水平延伸出底座凸缘45。侧壁33上焊接有竖直延伸且面向凸轮箱3设置的肋条46。用以安装到凸轮箱的凸缘47焊接到肋条46上。支撑板53焊接到凸缘47的末端和侧壁33上以形成容纳拉杆螺栓的三角形轮廓。对于没有凸轮轴的发动机，支撑板就直接焊接到壁33和肋条46上。
横向延伸的伸垫板50面对净化空气储气室4焊接到侧壁32上。伸垫板50上设有开口51以允许净化空气的流动。形成净化空气储气室顶壁的平板52焊接在伸垫板50和上钢板31之间。加强板53从每一伸垫板50的两侧以锐角向侧壁32延伸，以在伸垫板50的任一侧形成一个大致为三角形截面的中空轮廓。伸垫板50、加强板53和侧壁32一起形成一个具有高扭转抗压刚度的中空轮廓，所述中空轮廓里容纳拉杆螺栓16。
大致为方形的底板54焊接到汽缸结构30的内表面上。以容纳活塞杆的密气箱的环形凸缘55焊接到底板54中央的对应开口处。
汽缸结构30，30’和基座7通过成对密集设置的拉杆螺栓夹紧，拉杆螺栓16设置在汽缸结构的中空轮廓和A形曲轴箱结构的中空轮廓内，且从汽缸结构30，30’上钢板延伸到A形曲轴箱结构2的底部。当发动机工作时，这些中空轮廓就作为拉杆螺栓的导槽，向汽缸结构30，30’和A形结构2箱盒提供所需的抗压刚度以经得住拉杆螺栓16向结构箱盒2及汽缸结构30，30’传递的大的、变化的压力，拉杆螺栓16的低端被合适地紧固在基座7上部的螺纹孔内。优选的，汽缸结构30，30’的中空轮廓和曲轴箱结构2的中空结构具有相同的截面而且相互上下设置。如图3所示，在凸轮轴箱体侧边，汽缸结构30，30’的中空结构可以被凸缘47定点安装在凸轮轴箱体3上。
如图4所示，形成净化空气储气室4部分的C形钢板56焊接在伸垫板50之间。净化空气储气室4的内部空间因此被封闭起来。因此，汽缸结构30，30’的侧壁32也即为净化空气储气室4的侧壁。通过侧壁32即为汽缸结构30，30’的侧壁也是净化空气储气室4的侧壁从而使汽缸结构30，30’与净化空气储气室4成为一个结构紧湊的单元。本发明还有一个优点在于可以使涡轮增压器放置地低一些，从而废气接收器11也可以放低设置，从而使发动机的整体高度变小。
废气接收器11由设置在伸垫板50上的托架63支撑。涡轮增压器8和废气接收器11的相对较低位置增加整个废气接收器装置的固有频率。由于废气接收器11刚度的增加，可以将废气接收器11分成几个单元以降低制造成本。
净化空气储气室4由不同部分组成。每一个汽缸结构均包括一个或两个专用部分57以容纳涡轮增压器8和冷却箱58。专用涡轮增压器支撑部分57为焊接设计，包括上平板，和设置在其低部用以接收经过冷却器的空气的开口。冷却箱栓接或焊接到伸垫板上，其上设有带开口的上钢板以接收经过涡轮增压器的压缩空气。涡轮增压器8的凸缘栓接到冷却箱58的上钢板。热交换器形式的内部冷却器设置在冷却箱的内部。冷却箱可以横跨净化空气储气室的几个部分，服务和支撑不止一个涡轮增压器(未图示)。净化空气储气室4的另一个专用部分60包括一个辅助鼓风机61的进气口。冷却箱58可成形为具有扩散体部分的形状从而使辅助鼓风机作为带有叶轮的电机安装在扩散体内部，辅助鼓风机以平行于或与涡轮增压器在一条直线上设置的方式插入在扩散体内。
净化空气储气室4由十二个部分组成：六个标准的C形部分56，三个涡轮增压器支撑部分57和三个辅助鼓风机部分60。净化空气储气室4通过一个单一环形桥接部分62连接两个汽缸结构30，30’，环形桥接部分62设置在两个汽缸结构30，30’的外伸垫板50之间，且三者成一条直线设置。通过焊接伸垫板间的部分，汽缸结构和净化空气储气室形成具有高度刚性的稳定的整体结构。
通过利用对净化空气储气室4的模块化设计，个别部分均可以在相对较小的车间内生产。
用以将发动机与发动机箱的一侧壁连接的上加强筋71(参见图1)与伸垫板50相连接。伸垫板50可在沿着其竖直延伸部分的任何位置与上加强筋连接。因此，上加强筋的高度可以非常容易地，例如根据发动机箱的平台高度调整。
如图7所示，汽缸结构30，30’和安装于其上的净化空气储气室的横向截面均大致为矩形，这使的该单元在生产过程中的处理和加工中都很实用。
虽然为了便于理解已经对本发明进行详细描述，这样描述的目的也仅在此，本领域技术人员在没有超出本发明的范围也可以对本发明进行修改。
因此，根据本发明研究生产的环境对本发明的产品和生产方法参照优选的实施方式进行了详细描述，这些描述仅仅对本发明的原理进行了阐述。在没有超出本发明的精神和权利要求的范围可以对本发明的实施方式和结构进行修改。
Claims (14)
1.一种十字头型双冲程内燃发动机，包括基底(7)、A形曲轴箱结构(12)和汽缸结构(30，30’)，其中，基底(7)上设有支撑曲轴(22)的主轴承，A形曲轴箱结构(2)安装在基底(7)上并具有支撑十字接头(21)的导引片(13)的横向支肋(9)，汽缸结构(30，30’)安装在A形曲轴箱结构(2)上，曲轴箱结构(2)通过拉杆螺栓(16)与基底夹紧在一起，其特征在于：所述汽缸结构由焊接结构形成，所述汽缸结构包括大致为平面形的上钢板(31)、与所述曲轴大致平行延伸的两个外侧壁(32，33)、至少两个与侧壁相互连接的横向壁(34，35，36)，上钢板上设有至少一个容纳和支撑汽缸衬套(6)的环形开口(39)，侧壁与导引片(13)的关系是侧壁(32，33)大致设在导引片(13)的正上方。
2.如权利要求1所述的双冲程内燃发动机，其特征在于：所述侧壁(32，33)与导引片(13)承受通过拉杆螺栓作用在汽缸结构(30，30’)和A形曲轴箱结构(2)上的力的大部分。
3.如权利要求1或2所述的双冲程内燃发动机，其特征在于：所述侧壁(32，33)与横向壁(34，35，36)焊接在一起形成一个中空体，所述中空体在上钢板(31)所在平面的横截面大致呈矩形。
4.如权利要求1-3任一项所述的双冲程内燃发动机，其特征在于：所述侧壁(32，33)相互倾斜设置，与上钢板夹角为0-20度，优选的角度是2-10度。
5.如权利要求1-4任一项所述的双冲程内燃发动机，其特征在于：所述横向壁(34，35，36)设置在每个汽缸之间，将矩形截面分割为围绕每个汽缸的大致呈方形的截面。
6.如权利要求1-5任一项所述的双冲程内燃发动机，其特征在于：所述大致方形的截面四周还设有四个壁(32’，33’，37’)以在上钢板(31)所在平面内形成大致为八边形的截面的中空体。
7.如权利要求5或6所述的双冲程内燃发动机，其特征在于：所述汽缸结构(30，30’)还包括从侧壁大致垂直延伸的伸垫板(50)，优选地是在横向壁(34，35，36)所在平面内延伸，至少一个伸垫板(50)、一个侧壁(32，33)和一个加强板(53)一起形成第一中空轮廓，所述拉杆螺栓中的一个伸入到第一中空轮廓中。
8.如权利要求1-7任一项所述的双冲程内燃发动机，其特征在于：至少一个横向支肋(9)、一个导引片(13)和一个加强板(14)形成第二中空轮廓，所述拉杆螺栓中的一个伸入到第二中空轮廓中。
9.如权利要求8所述的双冲程内燃发动机，其特征在于：所述第一、第二中空轮廓的位置关系是第一中空轮廓大致设在第二中空轮廓的正上方。
10.如权利要求7-9任一项所述的双冲程内燃发动机，其特征在于：所述第一、第二中空轮廓均具有大致为三角形的截面。
11.如权利要求1-10任一项所述的双冲程内燃发动机，其特征在于：所述上钢板(31)与侧壁(32，33)和/或横向壁(34，35，36)在焊接点(42)处连接，所述上钢板(31)底部邻近焊接点(42)处设有弧形截面的缺口(43，44)，该截面形状优选的是半圆形、半椭圆形或其他相似形状。
12.如权利要求1-10任一项所述的双冲程内燃发动机，其特征在于：所述上钢板(31)与侧壁(32，33)和/或横向壁(34，35，36)在圆角焊接点处焊接，在圆角焊接点、上钢板和侧壁的连接处加工一个降低机械应力的槽。
13.如权利要求1-12任一项所述的双冲程内燃发动机，其特征在于：发动机还包括由钢板制成的底壁，底壁上设有一个收容密气箱的环形开口(54)。
14.如权利要求1-13任一项所述的双冲程内燃发动机，其特征在于：所述侧壁(32，33)和/或横向壁(34，35，36)由钢板制成，优选地是采用轧制钢板制成。
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