專利名稱：十字頭型的大型兩沖程柴油發動機的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于內燃機的凸輪驅動排氣門致動系統，具體地涉及用于大型兩沖程 柴油發動機的凸輪驅動排氣門致動系統。
背景技術：
十字頭型的大型兩沖程柴油發動機例如用于大型遠洋船只的推進或者用作發電 廠的原動機。不僅因為其整體尺寸，這些兩沖程柴油發動機構造得與任何其它內燃機不同。 兩沖程原理和使用在50°C時粘性低于700cSt的重燃油(該燃油在室溫時不流動)，使得這 些兩沖程柴油發動機在發動機領域中自成一類。提高性能和減小排放的需求導致了用于這些大型兩沖程柴油發動機的通常的軌 道式電液控制排氣門致動系統的發展。這些系統的一個優點是具有增強的靈活性，其原因 在于，排氣門打開和關閉正時能夠自由地選擇，以符合發動機的運行條件。然而，這些通常 的軌道式電液系統比較昂貴并且比傳統的凸輪驅動系統更耗能，其原因在于，在打開過程 期間消耗的能量超出所需的能量，并且在關閉過程期間沒有回收。這兩個缺點抵消了電子 控制發動機的許多優點。
發明內容
在此背景下，本發明的目的是提供一種節省能量的凸輪驅動排氣門系統，其能對 排氣門的打開和關閉正時進行靈活的控制。該目的通過提供十字頭型的大型兩沖程柴油發動機而實現，所述大型兩沖程柴油 發動機包括多個氣缸，每個氣缸設置有至少一個排氣門；至少一個設置有凸輪的凸輪軸， 所述凸輪用于致動與每個所述氣缸相關聯的所述至少一個排氣門；與每個氣缸相關聯的液 壓推桿，所述液壓推桿包括對于每個致動器設置有一個液壓活塞泵，所述液壓活塞泵由凸 輪軸上的相應凸輪驅動；對于每個排氣門設置有一個液壓致動器，用于在打開方向上移動 該排氣門；和對于每個排氣門設置有一個液壓管道，用于將相關致動器的液壓活塞泵與相 關液壓致動器相連接，其中與每個液壓推桿相連接的設備用于以可控制的方式向相關液壓 推桿添加或者從該液壓推桿去除液壓流體。通過以可控制的方式將液壓流體添加到該液壓推桿，所述液壓閥致動器能夠在任 意所需時間工作。從而，通過在該凸輪有效工作的時間點之前將液壓流體添加到所述管道， 能夠在由所述凸輪軸上凸輪的輪廓所限定的打開時間之前打開所述排氣門。還能在凸輪的有效工作時間段期間添加液壓流體以及在凸輪的有效工作時間段 后去除液壓流體，以將排氣門的關閉延遲到由凸輪輪廓所限定的排氣門關閉時間點后的時 間點。
所述設備可包括連接到每個液壓推桿的可控制加壓液壓流體源，和連接到每個所述液壓推桿的可控制流體出口。所述設備可構造成在與相關氣缸相關聯的凸輪的有效工作階段之前或期間將一 定量的液壓流體添加到所述液壓推桿。所述設備可構造成在與相關氣缸相關聯的凸輪的有效工作階段之后或期間從液 壓推桿去除一定量的液壓流體。所述添加的量或所述去除的量可以是可調的。所述設備可包括構造成將所述液壓推桿交替地連接到加壓液壓流體源或流體出 口的電氣控制液壓閥。所述設備可還包括位于所述電子控制液壓閥和所述液壓推桿之間的體積限制器。所述發動機可進一步包括操作性地耦聯到所述排氣門的位置傳感器，其中所述電 子控制液壓閥響應于所述位置傳感器的信號而受到控制。所述發動機可進一步包括每個排氣門一個用于在關閉方向上迫壓該排氣門的彈 性構件。所述目的還通過提供一種十字頭型的大型兩沖程柴油發動機而實現，該大型兩沖 程柴油發動機包括多個氣缸，每個氣缸設置有至少一個排氣門；至少一個設置有凸輪的 凸輪軸，所述凸輪用于致動與每個氣缸相關聯的至少一個排氣門；每個致動器一個液壓活 塞泵，所述液壓活塞泵由凸輪軸上的相應凸輪驅動；每個排氣門一個用于在打開方向上移 動該排氣門的液壓致動器；每個排氣門一個液壓管道，用于將相關致動器的液壓活塞泵與 相關液壓致動器相連接；與每個氣缸相關聯的額外的氣體交換閥；以及致動系統，其獨立 于所述凸輪軸而控制所述額外的氣體交換閥的打開和關閉。通過提供能夠獨立于所述凸輪軸控制的額外的氣體交換閥，可以通過在所述排氣 門之前打開所述額外的氣體交換閥和/或在關閉所述排氣門后保持所述額外的氣體交換 閥打開而控制氣缸的壓縮壓力和后坐力。所述致動系統可電子地控制所述額外的氣體交換閥的打開和關閉。當與所述排氣門比較時，所述額外的氣體交換閥可相當小。所述額外的氣體交換閥可將相關氣缸連接到排出氣體容器(receiver)。所述額外的氣體交換閥可相關該氣缸連接到換氣容器。所述致動系統可進一步包括操縱性地連接到所述額外的氣體交換閥的液壓致動器。所述致動系統可構造為用于控制相關氣缸的后坐力和壓縮壓力。所述致動系統可構造為用于排他性地控制壓縮壓力。根據詳細說明，本發明的大型兩沖程柴油發動機的其它目的、特征、優點和特性將 變得更為明顯。
在本說明書下面的詳細部分中，將參照附圖中示出的示例性實施方式更詳細地解 釋本發明，在所述附圖中圖1是根據本發明的發動機的橫截面圖2是圖1中示出的一個氣缸部分的縱向截面圖；圖3是根據本發明的排氣門致動系統第一實施方式的符號表示圖；圖4是根據本發明的排氣門致動系統第二實施方式的符號表示圖；圖5是根據本發明的排氣門致動系統第三實施方式的符號表示圖；和圖6是根據本發明的排氣門致動系統第四實施方式的符號表示圖。
具體實施例方式圖1和2分別示出了根據本發明優選實施方式的發動機1的橫截面圖和(一個氣缸的)縱向截面圖。發動機1是十字頭型的單流向低速兩沖程十字頭柴油發動機，其可以是 輪船中的推進系統或者發電廠的原動機。這些發動機通常具有4到14個直列式氣缸。發 動機1建造在底座2上，底座2具有用于曲柄軸3的主軸承。曲柄軸3是半組合類型的。該半組合類型曲柄軸由鍛造或鑄造的鋼曲柄制成，其 通過冷縮配合連接而連接到主軸頸。底座2可制成為一件式或者根據生產設備而分成尺寸合適的部分。該底座包括側 壁和具有軸承支撐件的焊接橫梁。該橫梁在本領域中還被稱為“橫向桁梁”。油盤58焊接 到底座2的底部，并且收集來自于強制潤滑和冷卻油系統的回收油。連桿8將曲柄軸3連接到十字頭軸承22。十字頭軸承22在豎直引導平面23受到 引導。焊接設計的A型支架箱4安裝在底座2上。支架箱4為焊接設計。在排氣側，支 架箱4設置有用于每個氣缸的減壓閥，而在凸輪軸側支架箱4設置有用于每個氣缸的大鉸 接門。十字頭引導平面與支架箱4形成為一體。氣缸支架5安裝在支架箱4的頂部上。拉緊螺栓27連接底座2、支架箱4和氣缸 支架5，并將所述結構保持在一起。拉緊螺栓27由液壓千斤頂張緊。氣缸支架5鑄造為一件式或多件式，最終帶有一體的凸輪軸殼體25 ；或者其為焊 接式設計。根據另一實施方式(未示出)，凸輪軸28容納在附連到該氣缸支架的單獨凸輪 軸殼體中。氣缸支架5設置有入口蓋，用于清潔換氣空間并用于從凸輪軸側檢查換氣口和活 塞環。該入口蓋與氣缸襯套6—起形成換氣空間。換氣容器9在其打開側螺栓連接到氣缸 支架5。在氣缸支架底部，有一個活塞桿填料函，該填料函設置有用于換氣的密封環，并設置 有刮油環，該刮油環防止排放物滲透到支架箱4和底座2的空間內，并且以此方式保護在此 空間內的所有軸承。活塞13包括活塞冠和活塞裙。活塞冠由耐熱鋼制成，并具有四個環形溝槽，所述 環形溝槽的上下表面經過硬鉻涂覆處理。活塞桿14由四個螺釘連接到十字頭。活塞桿14具有兩個軸向孔(圖中不可見)， 所述軸向孔連通到冷卻油管道，形成用于活塞13的冷卻油的入口和出口。氣缸襯套6由氣缸支架5支承。氣缸襯套6由合金鑄鐵制成，并借助于低定位的 凸緣懸伸在氣缸支架5中。所述襯套的最上部由鑄鐵冷卻護套環繞。氣缸襯套6具有用于 氣缸潤滑的鉆孔(未示出)。氣缸為單流向類型并具有換氣口 7，該換氣口位于氣箱(airbox)中，該氣箱從換氣容器9(圖1)被供以由渦輪增壓器10(圖1)增壓的換氣。發動機裝配由一個或多個渦輪增壓器10，對于4-9缸發動機，所述渦輪增壓器設 置在前端，對于10缸以上的發動機，所述渦輪增壓器設置在排氣側。渦輪增壓器10的進氣直接從發動機室穿過渦輪增壓器的進氣消音器(未示出) 而形成。空氣從渦輪增壓器10通過增壓進氣管(未示出)、空氣冷卻器(未示出)和換氣 容器9到達氣缸襯套6的換氣口 7。發動機設置有電氣驅動的換氣風機(未示出)。風機的吸氣側在空氣冷卻器之后 連接到換氣空間。在空氣冷卻器和換氣容器之間安裝有止回閥(未示出)，在輔助的風機提 供空氣時，該止回閥自動地關閉。輔助的風機在低負載和中等負載條件下幫助渦輪增壓器 壓縮機。燃料閥40居中地安裝在氣缸蓋12中。在壓縮沖程末期，噴射閥40通過其噴射噴 嘴將高壓燃料以細霧狀噴射到燃燒室15中。排氣門11在氣缸蓋12中居中地安裝在氣缸 頂部中。在膨脹沖程末期，排氣門11在發動機活塞13向下經過換氣口 7之前打開，從而燃 燒室15中位于活塞13上方的燃燒氣體經過通向廢氣容器17的廢氣通道16流出，并且燃 燒室15中的壓力釋放。排氣門11在活塞13向上運動期間再次關閉。排氣門11是液壓致 動的。圖3示出根據本發明的排氣門致動系統的第一實施方式。對于所有的實施方式而 言，借助單個氣缸對排氣門致動系統進行說明。在多缸發動機中，對于每個氣缸將是相同 的。排氣門致動系統包括具有凸輪29的凸輪軸28(僅示出一個)。輥30跟隨凸輪的表面 行進并連接到容積式泵(positivedisplacement pump) 32的活塞。容積式泵32通過管道 36連接到排氣門致動器34。排氣門致動器34作用在排氣門11的桿上。氣彈簧38也連接 到排氣門的桿上，并且氣彈簧38的壓力室中的氣體壓力在關閉方向上迫壓排氣門11。當排 氣門致動器34加壓時，其在打開方向上迫壓排氣門。排氣門的位置由連接到發動機電子控 制系統的傳感器39測量。運行時，凸輪軸28沿著位于標出相關活塞死點位置的標記“TDC” 上方的箭頭的方向與發動機的曲柄軸一致地轉動。凸輪29的輪廓確定容積式泵32的運動。 當容積式泵32向上運動時，迫使液壓流體通過管道36進入到排氣門致動器34中。排氣門 致動器34迫使排氣門11逆著燃燒室及氣彈簧38中的壓力打開。當容積式泵32向下運動 時，氣彈簧38迫壓排氣門和排氣門致動器34使之向上移動，從而排氣門致動器34中的流 體流回到容積式泵32中。在排氣門11的打開運動期間傳遞到排氣門致動器34的大部分 能量在排氣門的返回行程期間通過形成于容積式泵32內的壓力而返回到凸輪軸28。從而， 打開排氣門11所需的液壓能量中只有一小部分耗散掉。由凸輪29限定的打開輪廓在曲線 圖42中由下部細曲線表示。根據本實施方式的排氣門系統還包括3/2閥(兩位三通閥)33，3/2閥33的一個 口通過體積限制器41連接到管道36。3/2閥33的入口是連接到加壓液壓流體源49的口， 3/2閥33的出口連接到排放管或容器箱。3/2閥33由電子控制系統電子地控制。運行時，3/2閥33能夠在運行循環的所需時間點將一定量液壓流體添加到管道36或從其去除。曲線圖42示出了通過將液壓流體添 加到管道36或從其去除而形成的可能性。曲線圖42中的上曲線表示當一定量液壓流體已 經添加到管道36中時排氣門11的位置。通過在凸輪29開始起作用前將一定量的液壓流體添加到管道36中，排氣門11可早于由凸輪29的輪廓所限定的時間打開。通過改變3/2 閥33的位置，添加的液壓流體量能夠在由凸輪29所限定的時間點之前或之后去除。體積 限制器41確保添加或從管道36去除的體積的量不會變得過大。如果液壓流體的添加量在 排氣門11由凸輪29的輪廓限定的關閉時間點之前去除，排氣門將按照凸輪29所限定的時 間點關閉。若液壓流體的添加量在排氣門11由凸輪29的輪廓限定的關閉時間點之后去 除，排氣門將在較長一段時間內保持打開。根據本實施方式的排氣門致動系統提供了調整 特性曲線(profiling)的可能性，即改變排氣門11的打開正時和改變排氣門11的關閉正 時。通過控制3/2閥33，根據本實施方式的排氣門致動系統允許在發動機循環期間的任何 所需時間在曲線圖42的上下曲線之間改變。能夠通過改變排氣門11的打開和關閉正時而 調節氣缸的后坐力和壓縮壓力。用于排氣門11的打開和關閉的優化正時/特性曲線的算 法和數據存儲在電子控制系統中，并根據運行條件和發動機特性而應用。圖4示出了根據本發明的排氣門致動系統的第二實施方式，第二實施方式與參照 圖3描述的實施方式基本上相同，但具有下面的差別。3/2閥由液壓控制伺服閥35所替代。 所述伺服閥連接到加壓液壓流體源49并連接到容器箱。伺服閥35由控制閥37液壓地控 制，該控制閥37由發動機的電子控制系統電氣地控制。發動機的電子控制系統使用來自位 置傳感器39的信號來確定伺服閥35的正確位置。曲線圖42示出了由該實施方式能夠獲 得的對打開和關閉排氣門11的特性曲線進行改變的可能性。由此實施方式，能夠獲得上下 曲線之間的任何位置，其原因在于，添加到管道36的液壓流體量或者從其去除的液壓流體 量能夠自由地選擇，而所述量在圖3的實施方式中由體積限制器確定。從而，該實施方式在 排氣門11的打開和關閉的特性曲線方面提供了進一步提高的靈活性。圖5示出了本發明的第三實施方式。在此實施方式中，液壓閥致動系統還使用液 壓推桿系統，該液壓推桿系統包括容積式泵32，該容積式泵由管道36連接到液壓閥致動器 34。然而，在此實施方式中，氣缸6設置有額外的氣體交換閥46。額外的氣體交換閥46與 排氣門11相比而言相當小，并提供通向排氣管道的小開口。額外的氣體交換閥46由小液 壓致動器44打開和關閉，該小液壓致動器44由發動機的電子控制系統控制。致動器44的 運行完全獨立于凸輪軸驅動排氣門致動系統的運行。從而，額外的氣體交換閥46的打開和 關閉正時能夠最優地選擇為與應用情況一致。通過在由凸輪29限定的用于打開排氣門11 的時間點之前打開額外的氣體交換閥46，能夠減小后坐力。通過在由凸輪29限定的用于關 閉排氣門11的時間點之后保持額外的氣體交換閥46打開，能夠減小壓縮壓力。曲線圖42 解釋了此實施方式的調整特性曲線的可能性。連續曲線表示排氣門11的運動，虛線表示額 外的氣體交換閥46的運動。圖6示出了本發明的第四實施方式，第四實施方式與參照圖5描述的實施方式基 本上相同，但額外的氣體交換閥46通過管道47連接到換氣容器。從而在此實施方式中，只 有壓縮壓力能夠通過額外的氣體交換閥調節。曲線42解釋了此實施方式的調整特性曲線 可能性。連續曲線表示排氣門11的運動，虛線表示額外的氣體交換閥46的運動。權利要求中使用的術語“包括”不排除其它元件。權利要求中使用的未明確指出 是單個還是多個的術語不排除多個。盡管出于解釋的目的而已經詳細地描述了本發明，但需要理解的是，這些細節僅 僅用于解釋的目的，本領域技術人員能夠在不偏離本發明范圍的情況下在其內進行改變。
權利要求
一種十字頭型的大型兩沖程柴油發動機，其包括多個氣缸，每個氣缸設置有至少一個排氣門，至少一個設置有凸輪的凸輪軸，所述凸輪用于致動與每個所述氣缸相關聯的至少一個排氣門，為每個致動器各設置一個的液壓活塞泵，所述液壓活塞泵由所述凸輪軸上的相應凸輪驅動，為每個排氣門各設置一個的、用于在打開方向上移動該排氣門的液壓致動器，為每個排氣門各設置一個的液壓管道，用于將相關致動器的液壓活塞泵與相關液壓致動器相連接，與每個氣缸相關聯的額外氣體交換閥，以及致動系統，其獨立于所述凸輪軸而控制所述額外氣體交換閥的打開和關閉。
2.根據權利要求1所述的發動機，其中所述致動系統電子地控制所述額外氣體交換閥 的打開和關閉。
3.根據權利要求2所述的發動機，其中，所述額外氣體交換閥小于所述排氣門。
4.根據權利要求2所述的發動機，其中所述額外氣體交換閥將相關氣缸連接到排出氣 體容器。
5.根據權利要求2所述的發動機，其中所述額外氣體交換閥將相關氣缸連接到換氣容器。
6.根據權利要求2所述的發動機，其中所述致動系統還包括以可操作的方式連接到所 述額外氣體交換閥的液壓致動器。
7.根據權利要求1所述的發動機，其中所述致動系統構造為用于通過在由所述凸輪限 定的用于打開所述排氣門的時間點之前打開所述額外氣體交換閥來減小相關氣缸的后坐 力。
8.根據權利要求1所述的發動機，其中所述致動系統構造為用于通過在由所述凸輪限 定的用于關閉所述排氣門的時間點之后保持所述額外氣體交換閥打開來減小壓縮壓力。
全文摘要
本發明公開了一種十字頭型的大型兩沖程柴油發動機，其包括多個氣缸，每個氣缸設置有至少一個排氣門，至少一個設置有凸輪的凸輪軸，所述凸輪用于致動與每個所述氣缸相關聯的至少一個排氣門，為每個致動器各設置一個的液壓活塞泵，所述液壓活塞泵由所述凸輪軸上的相應凸輪驅動，為每個排氣門各設置一個的、用于在打開方向上移動該排氣門的液壓致動器，為每個排氣門各設置一個的液壓管道，用于將相關致動器的液壓活塞泵與相關液壓致動器相連接，與每個氣缸相關聯的額外氣體交換閥，以及致動系統，其獨立于所述凸輪軸而控制所述額外氣體交換閥的打開和關閉。
文檔編號F02D13/02GK101818668SQ20101015157
公開日2010年9月1日 申請日期2007年4月25日 優先權日2007年3月30日
發明者芬·考助普·延森 申請人:曼狄賽爾公司