具有电子控制的排气门致动系统的大型二冲程柴油发动机

具体实施方式

图1和图2分别以横截面图和纵截面图示出了根据本发明的优选实施方式的发动机1(对于一个气缸)。发动机1是十字头式单流低速二冲程十字头柴油发动机，该发动机可以是船只中的推进系统或者发电站中的原动机。这些发动机通常具有成一行的四到十四个气缸。发动机1自底座2建立，底座2具有用于凸轮轴3的主轴承。

凸轮轴3为半组合式。该半组合式是由通过冷缩配合连接而连接于主轴颈的锻钢或者铸钢曲柄制成。

底座2可以根据生产设备以一件式制造或者分成具有合适尺寸的多个部分来制造。该底座包括侧壁以及具有轴承支座的焊接的横梁。该横梁在该领域也被称为“横向梁”。油盘58焊接于底座2的底部并且收集来自压力润滑和冷却油系统的回油。

连杆8将凸轮轴3连接于十字头22。十字头22在竖直的引导板23之间被引导。

焊接设计的A形的框架壳4安装在底座2上。该框架壳4是焊接设计。在排气侧上，框架壳4对于每个气缸设有减压阀，而在相反一侧上，该框架壳4对于每个气缸设有大的铰链门。十字头引导板23整合在框架壳4中。

气缸架5安装在框架壳4的顶部上。支撑螺栓27连接底座2、框架壳4以及气缸框架5并且将该结构保持在一起。支撑螺栓27利用液压千斤顶拉紧。

气缸框架5可以以一件或多件的方式铸造或者它也可以是焊接设计。

气缸架5提供有用于清洁扫气空间以及用于检查扫气口和活塞环的检修盖。气缸架连同气缸套6一起形成了扫气空间。扫气箱9在其开口侧栓接于气缸架5。在气缸架的底部上存在活塞杆填料函(stuffing box)，该活塞杆填料函提供有用于扫气的密封环并且提供有刮油环，该刮油环能够防止排出的燃烧产物进入到框架壳4和底座2的空间中，并由此保护了在该空间中存在的所有轴承。

活塞13包括活塞头和活塞裙。活塞头由耐热钢制成并且具有四个环槽，所述环槽在槽的上表面和下表面上覆有硬铬(hard-chrome)。

利用四个螺栓将活塞杆14连接于十字头22。活塞杆14具有两个同轴孔(附图中未示出)，所述同轴孔连同冷却油管一起形成了用于活塞13的冷却油的入口和出口。

气缸套6由气缸架5支承。该气缸套6由合金铸铁制成，并且借助于位于低处的凸缘而悬挂在气缸架5中。所述气缸套的最上面的部分由铸铁冷却套管环绕。气缸套6具有用于气缸润滑油的钻孔(未示出)。

所述气缸是单流式，并且具有位于气箱中的扫气口7，该气箱形成了扫气箱9(图1)，通过涡轮增压器10为扫气箱供应加压的扫气(图1)。

发动机安装有一个或者多个涡轮增压器10，对于四至九个气缸的发动机将涡轮增压器布置在发动机的后端，而对于十个或者更多个气缸的发动机则布置在排气侧。

涡轮增压器10的空气进入是通过涡轮增压器的进气消声器(未示出)直接来自于发动机舱。将来自涡轮增压器10的空气经由增压空气管(未示出)、空气冷却器(未示出)以及扫气箱9而引导至气缸套6的扫气口7。

发动机提供有电力驱动的扫气鼓风机(未示出)。鼓风机的吸入侧连接于位于在空气冷却器之后的扫气空间。在空气冷却器和扫气箱之间安装有单向阀(未示出)，当辅助鼓风机供给空气时该单向阀自动关闭。在低负荷和中等负荷的条件下该辅助鼓风机辅助涡轮增压器压缩机。

燃料阀40同中心地安装在气缸盖12中。在压缩行程结束时，喷射阀40通过它们的喷射喷嘴以高压将成为细雾的燃料喷射到燃烧室15中。排气门11以在气缸的顶部中央的方式安装在气缸盖12中。在膨胀行程结束时，在发动机活塞13向下经过扫气口7之前排气门11打开，由此，在燃烧室15中的位于活塞13上方的燃烧气体经过通往废气箱17的排气通道16流出，并且燃烧室15中的压力降低。在活塞13向上运动的过程中排气门11再次关闭。排气门11是液压启动的。

图3示出了根据本发明的排气门致动系统的第一实施方式。该排气门致动系统用于针对单个气缸进行说明的所有实施方式。在多气缸发动机中，对于每个气缸具有相同的构造。

该排气门致动系统包括具有气门杆31和气门头32的排气门11。在图3所示的关闭位置中，气门头32置于气门座上，该气门座布置在气缸6的顶部。在图6中图示出排气门11的打开位置。

气弹簧34迫使排气门11朝向它的关闭位置。该气弹簧34提供有连接于气门杆31的气动活塞35，从而使气弹簧34可操作地连接于排气门11。

位置传感器33以模拟方式或数字方式来测量排气门11的位置。位置传感器33的信号经由信号电缆而被传送至发动机控制单元42(例如计算机)。发动机控制单元42也接收来自于凸轮轴传感器(未示出)的凸轮轴位置信号。

排气门致动器37位于气门杆31的顶部并且包括具有液压活塞38的圆筒形的阀壳体，该液压活塞容纳在圆筒形的壳体内侧，并且该液压活塞38连接于气门杆31，从而使液压致动器37可操作地连接于排气门11。压力室39限定在液压活塞38的上方。

压力管道40将液压致动器38的压力室39连接于排气门致动系统的液压系统。

排气门致动系统的液压系统包括诸如泵站(未示出)的高压液压流体源，该泵站可以是用于排气门致动系统的专用泵站或者可以是还用于其它目的(系统压力)的泵站，例如为燃料喷射系统或者为气缸润滑系统提供压力。通常，系统压力将是几百巴(bar)。在实际的应用中，液压系统和液压致动器37通常将通过增压器或者类似的设备分离开，从而避免系统之间的污染。

诸如液压开关阀的第一电子控制阀44允许压力管道40选择性地连接于高压液压流体源。

压力管道40还连接于分支管道41。

分支管道41经由第一止回阀45和第二电子控制阀46(例如液压开关阀)连接于中间压力液压蓄能器43。

中间压力液压蓄能器43优选地是如下的类型，即：其提供有弹性膜，该弹性膜将蓄能器分成填充有加压的液压流体的部分以及填充有加压的气体的部分。

分支管道41经由第二止回阀47和第三电子控制阀48(例如液压开关阀)也连接于液压蓄能器43。

分支管道41还经由第四电子控制阀50(例如液压开关阀)连接于油箱。

第一止回阀45和第二止回阀47具有相反的流向。

第一电子控制阀44、第二电子控制阀46、第三电子控制阀48以及第四电子控制阀50经由信号电缆而耦联于发动机控制单元42，并且这些阀根据发动机控制单元42的指令来打开以及关闭。

电子控制单元42基于时间来确定时期“1”的结束，但是通过利用来自传感器33的信号来确定阀升程并纠正下一个循环中的“1”的长度，以便获得需要的阀升程。

现将参照图4中所示的顺序示图来描述电子-液压气门致动系统的操作。

在该顺序示图中，排气门11的操作分成六个连续的时期。在第一时期“0”中，排气门11关闭，并且第一至第四电子控制阀44、46、48、50也关闭。

当电子控制单元42基于凸轮轴信号以及也可能基于发动机的其它工作条件已确定打开排气门11的时间时，时期“0”结束并且时期“1”开始。当在排气门11的打开行程开始的该短时期开始时，第一电子控制阀44打开并且允许高压液压流体流到压力室39中。压力室39中的高压液压流体使得排气门11能够抵抗燃烧室15中的燃烧气体的压力而打开。因为燃烧室中的气体的高压将排气门11压到其座中，所以需要液压致动器37在排气门11的打开行程刚开始时提供很高的打开力。

当排气门11稍微打开时，燃烧气体就不再迫使排气门11朝向其座，并且液压致动器37无需再提供很高的力。因此，当在排气门11的打开行程开始的第一短时期“1”结束时，行程电子控制单元42命令第一电子控制阀44关闭并且命令第二电子控制阀46打开。电子控制单元42利用来自于位置传感器33的信号来确定时期“1”的结束，并且基于上一个循环的结果来纠正定时。

排气门11的打开行程的剩余时期指的是图4的顺序示图中的时期“2”。

液压蓄能器43容纳处于中间压力——例如10至30巴——的液压流体。因此，当第二电子控制阀46打开时，处于中间压力的液压流体流向压力室39并允许排气门11完成它的打开行程。通过将中间压力用于打开行程的大部分，使得用来打开排气门11的能量的总量相对较低，并且由于力较小，因此打开运动更易于控制并且很平稳。在打开行程结束时，移动的气门和致动器的惯性连同作用力减小到零，并且在气弹簧34弹簧室中的作用在气动活塞35上的空气的力开始迫压排气门11移回。但是，通过止回阀45防止了该返回运动，并且排气门11停止在其打开位置中。用来打开排气门11的液压能量中一些现在储存在气弹簧34中。

在该点处，时期“2”一结束，则时期“3”开始。电子控制单元42命令第二电子控制阀46关闭，并且排气门11在时期“3”期间保持打开状态。电子控制单元42可以基于来自位置传感器33的信号来确定时期“2”的结束。

基于来自凸轮轴传感器的信号(并且可选择地基于其它的操作参数)，电子控制单元42确定何时时期“3”结束并且时期“4”开始。时期“4”包括排气门11的关闭行程的开始以及大部分。

在时期“4”开始时，电子控制单元42命令第三电子控制阀48打开。由此，液压压力室39再次连接于液压蓄能器43。气弹簧34在关闭方向上迫压排气门11，并且从液压压力室39排出的液压流体导致液压蓄能器43进行填充并由此储存之前被储存在气弹簧34中的能量。现在被储存在液压蓄能器43中的能量可以用于排气门11的下一个打开行程。在时期“4”结束并且时期“5”开始时，电子控制单元42命令第三电子控制阀48关闭，并且命令第四电子控制阀50打开。时期“5”包括排气门11的关闭行程的最后短时期，并且在该时期期间，压力室39连接于油箱，因此允许排气门11通过气弹簧34中的剩余压力而被压到其座上。时期“5”的开始是由电子控制单元42基于来自位置传感器33的信号并且基于蓄能器43中的压力来确定。关于这一点，将连接于蓄能器43的压力传感器的信号传送给发动机控制单元42。以如下方式进行控制，即：以维持蓄能器43中的预定压力的方式基于先前循环中的结果来调整时期“5”的开始的定时。因此，如果蓄能器43中的压力增加，则将时期“5”的开始提前，而如果蓄能器43中的压力降低，则将时期“5”的开始推迟。

在时期“5”结束时，排气门11置于其座上(被完全关闭)，并且电子控制单元42命令第四电子控制阀50关闭。时期“5”的结束以及时期“0”的开始是由电子控制单元42基于来自传感器33的信号来确定。在时期“0”期间，排气门11关闭，直至下一个循环开始。

利用该气门致动系统，储存在气弹簧34中的能量的一部分在下一个循环期间可以再次利用。因此，当与传统的电子液压气门致动系统——其中储存在气弹簧34中的能量在返回行程期间被耗散掉——相比较时，该排气门致动系统的全部能量消耗可以显著减少。

图5图示出了具有增加的阴影区域的图4的顺序示图，所述阴影区域指出了各个电子控制阀46、48和50的其它可能打开时期。由于提供了第一止回阀45和第二止回阀47，因此这些重叠是可能的。该重叠使得更易于确保各个电子控制阀46、48和50在先前的阀还没有关闭的时候就被打开。例如，第二电子控制阀46可以在时期“1”期间打开，并由此无需正好在从时期“1”到时期“2”的过渡时打开。因此，示图中的阴影区域指出了有关的阀可以打开或者关闭的时期。

图6图示出电子-机械气门致动系统的另一实施方式，其中第一电子控制阀44和第四电子控制阀50合并为单个三通阀。第二电子控制阀46和第三电子控制阀48合并为单个二通阀(插装阀)。根据该实施方式的变体(未示出)，第一止回阀45、第二电子控制阀46、第二止回阀47以及第三电子控制阀48合并为具有中间位置的单个三通阀，在该中间位置中，管道41和液压蓄能器43之间的连接被切断。该实施方式需要较少的控制信号，因为第一阀和第四阀之间的切换可以利用来自电子控制单元的一个信号来实现，而第二阀和第三阀之间的切换可以利用来自电子控制单元的一个信号来实现。

根据实施方式(未示出)，一个液压蓄能器43可以由发动机的几个或者全部气缸分享。

本发明的教导具有多个优点。不同的具体实施方式或者执行方式可以产生下面优点中的一个或者多个。应当指出，这并不是穷举的列表，还可以存在此处没有描述的其它优点。本申请的教示的一个优点在于，它为大型二冲程柴油发动机提供了一种使用相对较少能量的电子-液压气门致动系统。本申请的教示的另一优点在于，它提供了一种能够安装于具有完全传统的排气门布置的大型二冲程柴油发动机的电子-液压气门致动系统，其使用作用于气门杆上的简单的(无级的)液压致动器并且利用传统的气弹簧在关闭方向上迫压排气门。本申请的教示的又一优点在于，它提供了一种可靠的电子-液压气门致动系统。本发明的另一优点在于它降低了能量损失。

尽管为了说明的目的已经详细地描述了本申请的教示，但是应当理解这种细节仅是用于说明的目的，并且在不背离本申请的教示范围的情况下本领域的技术人员可以在其中做出多种变体。

应当指出，还存在实现本发明的教示中的装置的多种可替代的方式。

如在权利要求中所使用的术语“包括”并不排除其它的元件或者步骤。如在权利要求中所使用的术语“一个”或“一种”并不排除多个的情况。单个处理器或者其它单元可以实现权利要求中所描述的多个装置的功能。