专利名称：十字头型的大型单流式双冲程柴油发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种十字头型的大型低速单流式双冲程柴油发动机，并且特别涉及与燃料喷射和排气门致动相关的发动机部件。
背景技术：
十字头型的大型双冲程柴油发动机通常用于舰船推进以及用作电厂中的原动机。 不但由于其尺寸巨大，而且这些燃烧式发动机的结构也与其他的燃烧式发动机不同。双冲程原理和50°C时粘性高达700dt的重质燃油的使用(在室温下该燃油不流动)使这种发动机在发动机世界中自成一类。在很多这种类型的常规发动机中，排气门和燃料喷射系统由直接联接至发动机曲轴的旋转凸轮驱动。双冲程发动机使用扫气口来控制空气进入气缸，因此，进气正时与曲轴转角紧密相关。对于这种类型发动机的燃料消耗、可靠性和功率输出的要求都极高。近来，环保要求导致对减少废气排放的需求。为了满足这些有时互相矛盾的要求，与常规的旋转凸轮驱动的排气门和燃料喷射器相比，人们认为有必要对燃料喷射正时和喷射量进行灵活的控制，并且对排气门的打开和关闭正时及开度进行全面而灵活的控制。一种已知的十字头型的大型单流式双冲程柴油发动机是曼恩比维柴油机公司的 MC-C发动机系列形式。这种发动机设有在凸轮轴壳体内沿发动机的长度延伸的凸轮轴。凸轮轴上设有用于燃料喷射的凸轮和用于排气门致动的凸轮。在凸轮轴上对每个气缸都有一个燃料凸轮。每个燃料凸轮都作用在具有可变排量的活塞式燃料泵上(每个气缸都配有一个活塞泵)，用于调节在每个发动机循环中喷射的燃料量。活塞泵的出口通过高压管路被连接至与相关气缸相关联的喷射器的入口。喷射规律(例如在发动机循环的一个周期时间内燃料喷射的喷射量或喷射压力的曲线和正时)只有通过凸轮型线和喷射器特性才有可能进行控制，但是这两者在发动机制造完成后都不能容易地改变。在凸轮轴上对每个气缸都有一个排气凸轮。排气凸轮作用在所谓的“液压推杆” 上。排气门的开放特性如排气门的开放正时，排气门的关闭正时以及排气门的开度等都已在发动机制造过程中被固定，并且在制造完成后不能容易地改变。对在远洋船舶中工作的大型双冲程柴油发动机使用的排放要求由名叫IMO的国际组织确定。而且，地方政府也可以规定当地的要求。这些排放要求正逐步变得越来越严格，这些变化并不总是以完全可预测的方式进行的。容许排放水平可取决于与口岸之间的距离。因此与在海岸线附近工作时相比，在外海时要求发动机在较高的排放水平下工作。为了能够满足目前和将来的排放水平，在20世纪80年代和90年代期间电控式发动机被发展起来。曼恩比维柴油机公司的ME发动机系列是具有电-液控制排气门和电-液致动燃料喷射的十字头型的大型双冲程柴油发动机。液压系统使用来自发动机润滑系统的油进行工作。润滑油系统使用3至4bar的低压泵进行工作。另一种高压型泵将润滑油在200bar 的压力下泵输送至共用轨。来自共用轨的润滑油通过液压阀被引到燃油增压器，增压器将共用轨中200bar的压力升高至燃料管路中所要求的800至lOOObar。燃料管路被加热以确保燃油能够流动并具有适当的粘度。来自共用轨的润滑油通过延时阀被引到液压的排气门致动器，以操作排气门。燃料系统使用来自液压动力系统的在发动机中与润滑油相同的液压流体来驱动对喷射器提供高压燃料(重质燃油)的增压器。每个气缸设置有一个增压器。增压器的高压侧将燃料加压至所要求的800至IOOObar的水平。电控液压比例控制阀允许用于调节燃料喷射的喷射规律和喷射正时。因此，在发动机制造完成很久以后也可以很容易地改变喷射规律和喷射正时，并且甚至可以在发动机运行期间响应于工作状态例如负荷或运行速度的改变而直接进行改变。液压缸型致动器安装在每个排气门上并设有通过电控阀由高压液压供给系统提供的高压液压介质。排气门由气体弹簧在关闭方向上推压。排气门打开动作和排气门关闭动作的正时以及排气门开度都能用电控阀进行控制。因此在发动机制造完成很久以后也很容易改变排气门的正时和开度。燃料喷射和排气门致动都通过安装有合适软件的可编程控制器进行控制。因此，电控类型的发动机在其设置上具有较大的自由度，这使得更容易满足对发动机提出的很多经常互相矛盾的要求。这些发动机的操作人员需要低制造成本下的特定高输出、高燃料效率和高可靠性。排放要求经常会限制最大燃烧压力和温度以及其他增加燃料效率和功率输出的方面。这就使得确定针对这种发动机的最优运行设置的任务对研发这种类型发动机的工程师要求非常高。在发动机运行期间或者在发动机使用寿命期内发动机设置自由度的增加，以及改变这些发动机设置的灵活性的提高，都使电控式发动机与凸轮轴式发动机相比具有显著的优点。但是，电控式燃料喷射和排气门致动的安装成本相对较高，并相对独立于发动机的尺寸。这就意味着这些部件的成本并不遵循通常适用于这些发动机的大多数其他部件的成本随发动机尺寸的增大而增加的常规模式。在实践中，这就意味着在利用电控燃料喷射和排气系统构建这些发动机中活塞直径超过约90cm的最大型发动机时比较便宜，但是这些发动机中活塞直径小于约60cm的较小型发动机在装备电力燃料喷射和排气门致动系统时与凸轮轴操作式发动机相比则昂贵得多。小口径气缸发动机具有竞争力的低制造成本对其在市场上的成功是极为重要的。 因此，存在对在运行设置中提供必要的自由度和灵活性的活塞直径小于约60cm的大型双冲程柴油发动机的需求，以在与常规的凸轮轴式发动机相比具有竞争力的成本水平上满足输出、燃料消耗、可靠性和排放限制的要求。对此，还存在降低与用于大型双冲程柴油发动机的电子燃料控制系统相关联的液压系统的成本和复杂性以及提高其可靠性的需求。
发明内容
在此背景下，本发明的目的是提供一种能够满足上述要求的十字头型的大型单流式双冲程柴油发动机。该目的通过提供一种大型单流式双冲程柴油发动机而实现，该大型单流式双冲程柴油发动机包括涡轮增压器；十字头；多个气缸，每个气缸配有气缸套和至少一个排气门；燃料喷射器，每个气缸配有一个或多个燃料喷射器；高压流体源；通过压缩而积聚势能的所述高压流体的容器或通过压缩而积聚势能的蓄能器；至少一个电控比例液压阀，其中， 所述气缸套设有用于接收来自所述涡轮增压器的增压空气的扫气口，其中，燃料喷射主要由所积聚的势能来驱动，其中，燃料喷射由所述至少一个电控比例液压阀来控制，其中，所述大型单流式双冲程柴油发动机进一步包括设有凸轮的至少一根凸轮轴，所述凸轮用于与各气缸相关联的所述至少一个排气门的致动；液压活塞泵，所述液压活塞泵由所述凸轮轴上的所述凸轮驱动；设于每个排气门的液压致动器，所述液压致动器用于沿打开方向移动所述排气门；设于每个排气门的液压管路，所述液压管路用于将所述液压活塞泵与所述液压致动器相连；以及与每个排气门相关联的空气弹簧，所述空气弹簧用于沿关闭方向推压相关的所述排气门。本申请的发明人已经认识到电控式发动机的优势偏向于燃料喷射方面。对于确定发动机的最优工作参数，并考虑到满足目前的排放要求以及灵活适应发动机在其寿命期内的后期阶段可能需要遵循的未来的排放要求，电子燃料喷射提供了大量的灵活性。将液压与排气门致动系统分离开使的燃料喷射压力的选择更加自由，因此提高了在各种情况下获得理想喷射压力的可能性。此外，目前可用的电控排气门致动系统使用了大量的液压动力， 因此使发动机的整体燃料效率变差。由于排气门是由凸轮轴操作的，因此与具有电控喷射和阀致动的发动机相比，降低了总的液压动力需求。这使得用可用作工业标准的电动泵形式的较小的泵来满足液压动力需求成为可能。与由发动机曲轴释放的动力驱动的大型液压泵的安装成本相比，这种电动泵的成本显著降低。优选地，所述高压流体是与燃料不同并与燃料分开的介质。在此情况下，高压流体和燃料由每个气缸的至少一个活塞分开，且所述高压流体在燃料喷射期间移动所述活塞装置，而所述活塞装置继而将燃料送入相关气缸内的燃烧室中。活塞装置可以是增压器，且所述活塞装置优选包括具有面向高压液压流体的较大有效面积和面向燃料的较小有效面积的活塞。这使得能够使用在明显低于喷射压力的压力下工作的液压介质。优选地，所述高压流体的容器被容纳在沿发动机长度延伸的输送管路中。该输送管路可包括沿发动机长度分布的多个压缩室；所述压缩室设有用于所述高压液压流体的扩大容量，以便能够通过液压流体自身的压缩来积聚大量势能。利用该特征，能够避免使用膜式蓄能器，这是一个优点，原因在于膜式蓄能器容易出现故障。优选地，设置一个压缩室以用于为一对相邻的气缸提供高压液压流体。发动机包括凸轮轴壳体，在凸轮轴壳体中容有凸轮轴和所述输送管路。因此，输送管路被容纳在被保护免受损伤的位置，且凸轮轴壳体保护输送管路附近的人免受充满高压流体的输送管路爆裂的危险。
优选地，压缩室至少部分地位于所述凸轮轴壳体内。这样，压缩室不会干扰发动机。压缩室可与所述凸轮轴壳体共用至少一个壁，以减少用于制造发动机所用的材料量。优选地，通过在实心金属块中机加工出凹进部分而形成压缩室，以确保压缩室能够抵挡在其寿命期内所要经受的波动的高压。高压流体源可以是一个或多个电动高压泵。由于不需要用于燃料系统的单独的起动泵，因此这些电动高压泵的使用有助于发动机的起动。优选地，一个液压阀控制两个或更多个发动机气缸的燃料喷射。因此，减少了制造发动机所需的电控液压阀的数量。所需控制容量的降低对于尺寸独立成本敏感的较小型发动机而言特别相关。根据一个优选实施例，所述高压液压流体是燃料。在该实施例中，高压液压流体的容器优选被容纳在共用轨中。用于控制喷射的液压阀优选为比例阀。这些液压阀由所述一个或多个计算机控制。所述一个或多个计算机被设置成使燃料喷射的正时和/或喷射规律适应于发动机的工作状态。这种特征使得对关于功率输出、可靠性、响应性和排放等方面的发动机性能的最优化更为容易。所述一个或多个计算机可以被设置成在发动机负荷降低时使燃料喷射正时提前。 这样，能够在低负荷条件下将最大燃烧压力保持在高水平。优选地，为了获得期望的喷射特性，能够在燃料喷射期间对燃料喷射速率进行调节。该特征使得能够在发动机设置中增加自由度并由此使得对关于功率输出、可靠性、响应性和排放等方面的发动机性能的最优化更为容易。发动机可以进一步包括也由所述一个或多个计算机控制的气缸润滑系统。在此情况下，高压液压流体也可以给所述气缸润滑系统提供动力。电控气缸润滑系统能够根据所使用的燃料品质的变化进行快速调节。因此，能够在发动机使用较高品质的燃料运行时 (例如硫含量很低的燃料)节约大量的气缸润滑油，气缸润滑油排在燃料消耗之后占据第二大可变运行成本。优选地，将液压活塞泵连接至阀致动器的高压管路能够通过电控阀装置减压，以允许排气门在凸轮轴上相应的凸轮所限定的回程正时之前开始其回程。这样，可以获得并表现出排气门致动的某种灵活性，从而增加发动机运行设置中的自由度。优选地，将液压活塞泵连接至阀致动器的高压管路能够通过电子阀装置被选择性地阻塞，以将回程一直延迟到凸轮轴上相应的凸轮所限定的回程正时之后。这样，可以获得排气门致动的某种灵活性，从而增加发动机运行设置中的自由度。所述一个或多个计算机可以被设置成控制与发动机工作状态相关的排气门关闭正时的提前或延迟。凸轮轴上可以设有用于调节凸轮轴相对于曲轴角度位置的角度位置的机构，所述机构优选由所述一个或多个计算机控制以改变排气门的打开和关闭正时。这样，可以获得排气门致动的某种灵活性，从而增加发动机运行设置中的自由度。根据本发明的十字头型的大型单流式双冲程柴油发动机的更多目的、特征、优点和性质将从下面的详细描述中变得显而易见。
在本说明书的下面详细描述中，将参照附图中示出的示例性实施例对本发明进行更加详细的说明，在附图中图1是从发动机正面看时根据本发明的发动机时的截面图，图2是从发动机侧面看时图1中所示发动机的一个气缸部分的截面图，图3是图1中一个细部的视图，图4是图2中一个细部的视图，图5是图1中发动机的正面透视图，图6是图5中的一个细部的视图，图7示出了图1中发动机的排气门致动系统在沿凸轮轴的第一位置时的详细的截面图，图7A示出了图1中发动机的阀致动系统在沿凸轮轴的第二位置时的详细的截面图，图7B是凸轮轴壳体沿平行于凸轮轴的纵向轴线的平面的截面图，图7C是凸轮轴壳体的一个细部的透视图，图8是图1中发动机的燃料喷射系统和阀致动系统的示意图，图9是示出了根据图1的发动机的燃料喷射的喷射规律曲线的图表，图10是在另一个实施例中图1的发动机的正面透视图，图11示出了图10的一个细部，以及图12是根据图10的实施例的燃料喷射系统的示意图。
具体实施例方式图1和图2示出了从发动机正面看根据本发明优选实施例的发动机1和从发动机侧面看一个气缸的截面图。发动机1是十字头型的单流式低速双冲程十字头柴油发动机。 发动机1可以是舰船中的推进发动机或者电厂中的原动机。这些发动机通常具有3至14 个直列气缸。发动机1从具有用于曲轴3的主轴承的底板2构建起。曲轴3是半组合型的。半组合型曲轴由通过热套配合连接方式与主轴颈相连的锻钢曲拐或铸钢曲拐制成。底板2可以被制成一件式或根据生产设施被分为尺寸合适的多个部分。底板由具有铸钢轴承支撑的焊接横梁和高的焊接纵梁构成-可选地，底板可以通过铸造工艺完成。 在铸造工艺中被集成在底板中的油盘从强制润滑和冷却油系统中收集回油。连杆8由锻钢或铸钢制成并设有轴承盖(用于十字头轴承和曲柄销轴承)。十字头和曲柄销轴承盖用螺栓和螺母紧固至连杆8，用液压千斤顶拧紧螺母。十字头轴承22由一组衬有支承金属的薄壁钢壳构成。曲柄销轴承设有衬有支承金属的薄壁钢壳。润滑油通过管路(未示出)被送入十字头22和连杆8。主轴承由衬有支承金属的薄壁钢壳构成。底壳可以利用特殊工具和用于提升曲轴的液压工具而转出和转入。钢壳通过轴承盖(未示出)保持在位。焊接工艺的A形构箱4被安装在底板上。该构箱可以通过铸造或焊接工艺完成。在排气侧，每个气缸都设有减压阀，而在凸轮轴侧，每个气缸都设有大的铰链门。十字头导板被集成在该构箱中。气缸座5安装在构箱4的上方。锚栓(未示出)将底板2连接于气缸座5并将整体结构保持在一起。用液压千斤顶拧紧锚栓。气缸座5被铸造成具有集成的凸轮轴壳体25的单件或多件，或者采用焊接工艺。 凸轮轴壳体25被焊接/螺栓连接至气缸座或者与气缸座整体成型(如图所示)。气缸座5设有入口盖，用于清理扫气空间以及从凸轮轴侧检查扫气口和活塞环。 它和气缸套6—起形成扫气空间。扫气接收器9的开口侧用螺栓固定至气缸座5。在气缸座底部有活塞杆填料函，该活塞杆填料函设有用于扫气的密封环和防止油向上进入扫气空间的刮油环。活塞13包括活塞顶和活塞裙。活塞顶由耐热钢制成并具有四个环槽，环槽的上表面和下表面都镀有硬铬。活塞杆14用四个螺栓连接至十字头22。活塞杆14具有中心孔(图中不可见)， 该中心孔连同冷却油管形成用于活塞13的冷却油的入口和出口。十字头22由锻钢制成并设有在运行表面上具有白合金的铸钢导板。用于油入口的伸缩管(不可见)和用于油出口的管安装在导板顶部。气缸套6为单流型并由气缸座5承载。气缸套6由合金铸铁制成并利用低位法兰悬吊在气缸座5中。气缸套的最上部被铸铁冷却水套包围。气缸套6具有扫气口 7和用于气缸润滑的钻孔(未示出)。凸轮轴观嵌入在凸轮轴壳体25中衬有白合金的轴承壳中。凸轮轴观被制成单件式，凸轮轴观具有热套配合在其上的排气凸轮、指示凸轮、推力盘和链轮。排气凸轮由钢制成，具有经硬化处理的滚珠轴承座圈。排气凸轮可以通过液压方式来调节和拆除。气缸6为单流型并具有位于风箱5'中的扫气口 7，扫气口 7从扫气接收器9(图 1)被供应由涡轮增压器10(图1)加压的扫气。涡轮增压器10的空气进入直接从发动机室通过涡轮增压器的进气消音器(未示出)进行。空气从涡轮增压器10经由增压空气管(未示出)，中冷器(未示出)和扫气接收器9被引入气缸套6的扫气口 7。发动机装有一个或多个涡轮增压器，对于4个至9个气缸的发动机，所述增压器布置在发动机的尾端，而对于10个或多于10个气缸的发动机则布置在排气侧。发动机装有电动扫气鼓风机(未示出)。该鼓风机的抽气侧连接至中冷器后的扫气空间。在中冷器和扫气接收器之间，安装止回阀(未示出)以在辅助鼓风机供气时自动关闭。辅助鼓风机在低载和中载条件下协助涡轮增压器的压缩机。图3中更详细示出的排气门11在气缸的顶部居中地安装气缸盖12中。在膨胀冲程末期，排气门11在发动机活塞13向下经过扫气口 7之前打开，因此活塞13上方的燃烧室15内的燃烧气体通过在排气接收器17中开口的排气通道16流出，并且燃烧室15内的压力减轻。排气门11在活塞13的向上运动期间再次关闭。排气门11由气动弹簧20向上驱动。排气门11通过凸轮轴观打开，凸轮轴观位于靠近气缸座5沿发动机的长度延伸的凸轮轴壳体25内。与燃料喷射系统(将在下文中进行更详细地描述)相关联的液压系统的高压输送管路30也位于凸轮轴壳体25内。输送管路30基本沿着发动机的整个长度延伸。由于输送管路30位于凸轮轴壳体内，因此不需要使用双壁式输送管路，否则的话，需要使用双壁式输送管路，用以在高压输送管路30破裂时保护发动机操作人员。图3和图4示出了气缸套6的顶部、气缸盖12和排气门壳体。气缸盖12由锻钢制成单件式，并具有用于冷却水的孔。气缸盖12具有用于排气门11的中心孔和用于两个或三个燃料喷射器23、安全阀(未示出)、起动阀(未示出)和指示器阀(未示出)的若干孔。每个气缸盖12都装有两个或三个燃料喷射器23、一个起动阀、一个安全阀和一个指示器阀。燃料喷射器23的打开由燃料增压器(在下文中进行更详细地描述)产生的燃油高压控制，并通过弹簧关闭燃油喷射器23。自动排气滑杆(未示出)允许燃油通过燃料喷射器以及通过将燃油喷射器23连接至燃料增压器的高压管进行循环，并防止在发动机1停机时喷射器23的主轴发生粘着的情况下燃烧室15充满燃油。来自排气滑杆和其他出口的燃油被引到封闭的系统中。排气门壳体由铸铁制成并设置成进行水冷。该壳体设有底部钢构件，该底部钢构件具有焊接在底座上的堆焊金属。该底部钢构件是水冷式的。阀杆自身由耐热钢制成，并具有焊接在底座上的堆焊金属。排气门壳体设有阀杆引导件。排气门壳体用螺栓和螺母被紧固至气缸盖12。液压排气门致动器21安装在排气门壳体的顶部。当被加压时，液压致动器21沿向下(打开)方向推压排气门。液压致动器21包括气缸内的活塞，气缸中在活塞上方具有压力室。排气门壳体还包括向上推压排气门杆11 (沿关闭方向)的空气弹簧20。 空气弹簧20包括弹簧活塞，在排气门壳体内的气缸部分中，在弹簧活塞下方设有弹簧室。每个排气门的液压排气门致动器21都通过压力管35连接至活塞泵37 (图6)。在本实施例中每个气缸配有一个活塞泵37和一个排气门11，但是每个气缸可以配有多于一个活塞泵或多于一个排气门(未示出)。如图7所示，活塞泵37安装在导辊壳体46上。辊42随凸轮轴28上相应的凸轮 29转动。活塞泵37因此由凸轮轴28启动激励。图5是为了图示目的而移除了若干部件的发动机的透视图。凸轮轴观由将凸轮轴观连接至曲轴3的链条驱动器沈驱动。链条驱动器沈设有链条张紧器(未示出)和导杆(未示出)，以支撑较长的链条长度。根据本实施例的变型，链条驱动器给液压泵(未示出)提供动力用于发动机的高液压。链条还可以用来驱动二级配重。作为链条驱动器的替代，可由齿轮传动装置(未示出)来驱动凸轮轴。图6更详细地示出了具有凸轮轴壳体25和气缸6的图5的一部分。在该图中能够看到管路31从输送管路30中分支出。管路31通过具有液压控制阀41的分配器组块40 将输送管路30连接至增压器39。分配器组块40安装在凸轮轴壳体25的顶板上。由凸轮轴28的凸轮四致动的活塞泵37也设在凸轮轴壳体25的顶板25'上。活塞泵37通过压力管35连接至液压排气门致动器21。每个气缸6都配有两个或三个喷射器23，每个喷射器都用管路(图6中未示出，但在图8中具有附图标记51)连接至增压器39的端口。每个分配器组块40都带有两个比例控制阀41，这两个比例控制阀41控制分配器组块40顶部的端口与回油管路(图8中的65)以及凸轮轴壳体25中的输送管路30的连接。增压器39安装在每个分配器组块40的顶部并与分配器组块40顶部的端口相连通。这样，分配器组块40即用作液压致动燃料增压器39的机械支撑。图7A、7C和7C以不同的横截面视图和透视图详细示出了压缩室壳体68。压缩室 67提供了用于储存液压流体中的势能的扩大容积，以确保在整个燃料喷射步骤期间有必要的液压油峰值流量可用。在本实施例中，为一对相邻的气缸6设置一个具有两个压缩室67的压缩室壳体 68。但是，也可以为每个气缸设置更少或更多的压缩室。压缩室68通过局部分支管路31从输送管路30中注入高压液压流体。管路31和管路30之间的连接通过安装在凸轮轴壳体25的底部上的连接块30'实现。压缩室68形成为凸轮轴壳体25的顶板整体的一部分。凸轮轴壳体25的顶板被纵向分成若干部分。这些部分的一种类型是其中形成有两个圆筒形压缩室67的金属板，该板因此还形成压缩室壳体68。该顶板还带有分配器组块40，该分配器组块40上放置有增压器39。圆筒形压缩室67的纵向轴向被设置为平行于凸轮轴观的纵向轴线。压缩室67 通过在实心的金属板中机加工出两个平行的孔而制成。压缩室67通过螺栓连接至压缩室壳体68的圆形锁板69密封。穿过压缩室壳体68的指向上的孔(未示出)将压缩室67连接至分配器组块40。由于分配器组块直接安装在压缩室壳体68的顶部，因此高压液压流体从压缩室67至分配器组块40必经的路径非常短。其他类型的凸轮轴壳体25顶板(在图7中以截面图示出)带有活塞泵37。凸轮轴壳体的两种类型的顶板沿凸轮轴壳体25的长度交替地分布。在这两种类型的顶板之间的过渡处有纵向重叠，顶板在该重叠处用螺栓固定在一起。图8示意性地示出了燃料喷射系统。燃料从燃料输送装置73被输送至增压器39。 燃料输送装置73在图中未详细示出。燃料输送装置73设置成使柴油和重燃油都能够被使用。将燃料从油箱中引入电动供油泵，利用该电动供油泵能够在燃料循环系统的低压部分中保持大约4bar的压力，从而避免了燃料在所应用的温度范围内在通风箱内气化。燃油从燃料系统的低压部分被输送至电动循环泵，该电动循环泵泵送燃油通过加热器和紧邻发动机1入口之前的全流式过滤器，在此将燃油分配至各个增压器39。燃料喷射通过对每个气缸所配置的一个电控增压器39进行。增压器将压力从低压侧(使用液压流体侧)到高压侧(燃料侧)按固定比值增大。增压器39由加压的液压流体提供动力，该液压流体可以是发动机润滑油。压力泵 60将通常为数百bar压力的高压液压流体通过输送管路30输送至气缸。如果液压流体是发动机润滑油，那么压力泵60不是在低得多的压力下工作的发动机润滑泵。返回的流体从气缸通过管路65被输送至油箱61，泵60从油箱61中抽取其流体。为每对气缸设置压缩室67(在发动机气缸数为奇数的情况下，其中的一个气缸可以使用单个压缩室)。管路69将压缩室67连接至两个比例控制阀41和两个开/关阀55。 根据本实施例的一个变型(未示出)，使用充气膜式蓄能器代替压缩室或者结合压缩室使用。发动机1的每个气缸6都与电控单元99相关联，其中电控单元99通过线路59接收常规同步和控制信号并将电子信号传递到比例控制阀41。每个气缸可以配有一个控制单元99，或者多个气缸可以与同一个控制单元(未示出)相关联。控制单元99也可以从所有气缸共用的总控制单元(未示出)接收信号。控制单元99根据发动机的工作状态来计算燃料喷射的正时、喷射规律和喷射量。 在此，控制单元接收关于曲轴旋转位置、曲轴转速(可以通过控制单元99从旋转位置信号获得)、环境温度、负荷以及各种发动机流体的温度的信息。控制单元还改变用于使发动机反转的燃料喷射正时。比例控制阀41内阀杆的移动由反馈控制回路中的控制单元99控制。 可替代地，反馈控制回路能够包括在比例控制阀41自身中。比例阀41的打开特性与已经预先确定的对应于最优喷射规律并储存在控制单元99内的期望打开特性相匹配。在其静止位置，比例控制阀41将增压器低压侧的压力室连接至油箱。当控制单元 99发送开始对给定气缸进行燃料喷射的信号时，一个比例控制阀41打开到特定的开度并因此将增压器39的低压侧通过管路69连接至压缩室67。增压器低压侧内的压力通常被增大至大约400至1500bar之间的喷射压力。输送管路51将高压燃料输送至燃料喷射器23，燃料喷射器23通过用其喷嘴将燃料喷入燃烧室 15而雾化燃料。控制单元99还对控制气缸润滑器57的高压流体供应的开/关阀55进行控制。基于曲轴的工作状态和位置，控制单元99确定泵送润滑油到气缸中的时间和量。在其静止位置，开/关阀阳将气缸润滑器57连接至油箱61。当指定的开/关阀55从控制单元99接收到将润滑油泵送到特定气缸中的信号时，开/关阀阳打开并因此将气缸润滑器57通过管道69连接至压缩室67，这样气缸润滑器将开始将润滑油泵送到气缸中。控制单元99通过开/关阀阳的致动时长来确定泵送到气缸中的润滑油量。图9示出了燃料喷射步骤的示例性喷射规律曲线。有意地使压力的升高平滑而缓慢，以获得长时间基本平均且高的燃烧压力，在完全负荷下，该燃烧压力被设置为接近最大允许燃烧压力。图10和图11示出了本发明的另一个实施例，其中的电子燃料喷射是所谓的共轨型。在该系统中没有单独的液压流体，而是将燃料保持在高压下并通过压缩燃料来储存注射用能量。共用轨被分成与两气缸中的每一个相关联的若干部分95。这种设置的优点是， 共用轨在发动机运行期间适应发动机1的扭转运动方面要好得多，否则所述扭转运动将会使非常长的连续共用轨管变形并使其疲劳。图12示意性地示出了共轨喷射系统。发动机运行时通常使用(水乳化和非水乳化)重燃油(HFO)。乳化在单独的乳化单元(未示出)中进行。用于发动机运行的燃料被储存在加热罐129内。重燃油在50°C下具有500至700dt的粘度而在室温下无法流动。 罐内重燃油始终保持在约50°C，也就是说在发动机停机期间同样如此。具有该类型发动机的船舶通常都设有发电机组(Genset)，也就是在主发动机停机期间为船舶和主发动机提供电力并供热的较小的柴油发动机。重燃油从加热罐1 被输送至过滤器或离心机130，并被输送至预热器131。根据工作状态和重燃油的品级来控制离开预热器131的重燃油的温度。 在发动机停机期间，当重燃油在低压下循环通过液压系统时，重燃油的温度被保持在45°C 至60°C的范围内。在发动机运行期间，离开预热器131的重燃油的温度取决于重燃油的粘度而被保持在90°C至150°C之间。传感器(未示出)正好在预热器131的下游(或另一个合适的位置)测量重燃油的粘度。离开预热器131的重燃油的温度通常被控制成在测量点产生10至20dt范围内的粘度。
分支的中间管路132将预加热器连接至高压燃料泵133和辅助低压循环泵134。 在管路中每个泵的下游处设置止回阀135以防止反吸。在发动机运行期间，高压燃料泵133由凸轮轴3上的齿轮136通过齿轮137驱动。 由此，高压燃料泵133产生1000至1500bar的标称压力，不过该压力可以根据工作状态而在600至2000bar之间波动。在发动机停机期间，辅助低压循环泵134由电机138驱动。由此，提供大约3至 IObar的压力用于在发动机停机期间使重燃油循环通过液压系统。共用轨140沿所有气缸延伸，在图12中未示出的与气缸6的连接用从共用轨延伸的指向上的短线表示。共用轨不需要用一根沿发动机整个长度延伸的长管形成。相反，共用轨可以被分为多个相连部分，每个相连部分覆盖几个气缸，如图10和图11所示。通过从共用轨140分支出并通向比例控制阀125入口的供油管路141给一对相邻的气缸提供重燃油。供油管路141设有多个流体蓄能器142，流体蓄能器142在比例控制阀 125打开时输送绝大部分流体，而在比例控制阀125关闭时从共用轨140进行后供油。输送管路120将比例控制阀125的两个出口中的一个连接至两个相邻气缸中的一个气缸的喷射器23。另一条输送管路IM将比例控制阀125的两个出口中的另一个连接至两个相邻气缸中的另一个气缸的喷射器23。比例控制阀125还具有连接至用于重燃油回流的回油管路143的两个油箱口。比例控制阀125是具有三个主要位置的电磁驱动滑阀。螺线管144通过线路1 接收来自控制单元99的控制信号。根据另一个实施例(未示出)，线圈44通过绝缘垫片连接至阀壳。在线圈144不起作用的中心位置，比例控制阀125的入口关闭，而比例控制阀125 的两个出口连接至回油管路143。当螺线管被激励而将阀芯推到左侧(图12中的左侧)时，比例控制阀的入口被连接至输送管路120，以使喷射器23将燃料喷入与控制阀125相关联的两个气缸中的所述一个气缸的燃烧室15内。在此位置，压力管路IM被连接至回油管路143。当螺线管44被激励而将阀芯推到右侧(图12中的右侧)时，比例控制阀125的入口被连接至输送管路124，高压重燃油经过输送管路124，以使喷射器23将燃料喷入与比例控制阀125相关联的两个气缸中的所述另一个气缸的燃烧室15内。在此位置，压力管路 120被连接至回油管路143。燃料喷射正时、燃料喷射量以及喷射模式的形态由比例阀125控制。根据本发明未示出的一个变型，使用具有较少端口和仅仅两个位置的比例控制阀来控制一个气缸的燃料喷射。在该变型中，比例控制阀在其静止位置将输送管路连接至低压管路，而在其两个位置中的另一个位置将输送管路连接至共用轨。根据本实施例的另一个未示出的变型，共用轨在其末端不具有充气式膜蓄能器 142 和 148。根据进一步优选的实施例(未示出)，从共用轨到喷射器的燃料流量由开/关型阀控制。在两条输送管路120、124中都设有常规的燃料限制器146，以避免在万一比例控制阀125错误地打开过长时间的情况下过多的重燃油进入气缸。
回油管路143内的压力被保持有几个bar的过压，以避免空气渗透到液压系统中并防止水乳化重燃油中所含的水形成汽泡。位于回油管路143下游端的压力控制阀147确保在回油管路143内保持预定的最小过压。回油管路143内的过压优选为3至lObar。将蓄能器或膨胀容器148连接至回油管路143，以吸收比例控制阀125改变位置时可能发生的压力波动。第二回油管路149将喷射器23的出口连接至回油管路43。在压力控制阀147下游，回油管路143将使用过的重燃油送入预热器131以完成循环。将重燃油从预热器131的出口输送至共用轨140并从共用轨40通过比例控制阀 125输送至喷射器23的管路设有用加热线圈表示的加热装置。这些管路能够沿其整个长度由例如蒸汽管道或电加热件进行加热。加热这些管路起到降低重燃油从预热器向下游流动时热重燃油热量损失的作用。在发动机运行期间，管路内向喷射器和液压阀致动器流动的重燃油的温度被保持为接近150°C，但是这取决于所使用的重燃油的粘度。沿其部分长度平行延伸的邻近管路，例如输送管路120和输送管路IM可以设有共用加热装置(未示出)。回油管路143和149也设有与如上所述相同类型的加热装置。回油管路内的重燃油的温度重要性较低，对其中的加热装置进行校准以确保重燃油的温度不会降至50 V以下。在发动机停机期间，重燃油在循环泵134作用下循环通过液压系统(在3至IObar 的相对低压下)，以避免空气捕集在液压系统中并避免重燃油的局部冷却和硬化。根据上述实施例的一种变型(未示出)，将液压活塞泵37连接至阀致动器21的高压管路35可以通过电控阀装置(由控制单元99控制)进行降压，以允许排气门在凸轮轴上相应的凸轮所限定的回程正时之前开始其回程。根据上述实施例的进一步变型(未示出)，将液压活塞泵37连接至阀致动器21的高压管路35可以通过电子阀装置(由控制单元99控制)被选择性地阻塞，以将回程一直延迟到凸轮轴上相应的凸轮所限定的回程正时之后。所述一个或多个控制单元99可以被设置成控制与发动机工作状态相关的排气门关闭正时的提前或延迟。根据上述实施例的又一种变型(未示出)，凸轮轴观设有用于调节凸轮轴观相对于曲轴3角度位置的角度位置的电液机构。该机构由所述一个或多个控制单元99进行控制，以改变排气门的打开和关闭正时。尽管优选实施例仅仅示出了具有直列布置的气缸的发动机，但是本发明也可以用于其他的气缸布置形式，例如V形结构或U形结构。权利要求中使用的术语“包括”并不排除其他的元件或步骤。权利要求中使用的术语“一个”并不排除多个。权利要求中使用的附图标记不应理解为对保护范围的限制。尽管出于示例目的对本发明进行了详细说明，但是应当理解这些详细说明仅仅用于示例目的，且本领域普通技术人员可以在不背离本发明保护范围的情况下进行各种变型。
权利要求
1.一种大型单流式双冲程柴油发动机(1)，包括 涡轮增压器(10)；十字头(22)；多个气缸，每个气缸配有气缸套和至少一个排气门(11)； 燃料喷射器(23)，每个气缸配有一个或多个所述燃料喷射器03)； 高压流体源(60)；通过压缩而积聚势能的所述高压流体的容器(67)或通过压缩而积聚势能的蓄能器； 至少一个电控比例液压阀01，145)，其中，所述气缸套设有用于接收来自所述涡轮增压器(10)的增压空气的扫气口(7)，其中，燃料喷射主要由所积聚的势能来驱动，其中，燃料喷射由所述至少一个电控比例液压阀01,12 来控制，其中，所述大型单流式双冲程柴油发动机(1)进一步包括设有凸轮09)的至少一根凸轮轴( )，所述凸轮09)用于与各气缸相关联的所述至少一个排气门(11)的致动；液压活塞泵(37)，所述液压活塞泵(37)由所述凸轮轴08)上的所述凸轮09)驱动； 设于每个排气门(11)的液压致动器(21)，所述液压致动器用于沿打开方向移动所述排气门(11)；设于每个排气门(11)的液压管路(35)，所述液压管路(3 用于将所述液压活塞泵 (37)与所述液压致动器相连；以及与每个排气门(11)相关联的空气弹簧，所述空气弹簧用于沿关闭方向推压相关的所述排气门(11)。
2.如权利要求1所述的大型单流式双冲程柴油发动机(1)，其中，高压流体的所述容器至少部分地容纳在沿发动机的长度延伸的输送管路(30)中。
3.如权利要求2所述的大型单流式双冲程柴油发动机(1)，其中，所述输送管路(30) 包括沿发动机(1)的长度分布的多个压缩室(67)，并且其中所述压缩室(67)设有用于所述高压液压流体的扩大容量，以便能够通过液压流体自身的压缩而积聚大量势能。
4.如权利要求3所述的大型单流式双冲程柴油发动机(1)，其中，设置一个压缩室(67) 或一对压缩室(67)用于为一对相邻的气缸提供所述高压液压流体。
5.如权利要求1至4中任一项所述的大型单流式双冲程柴油发动机(1)，还包括凸轮轴壳体(25)，所述凸轮轴08)和所述输送管路(30)容纳在所述凸轮轴壳体0 内。
6.如权利要求5所述的大型单流式双冲程柴油发动机(1)，其中，所述压缩室(67)至少部分地设置在所述凸轮轴壳体0 内。
7.如权利要求5所述的大型单流式双冲程柴油发动机(1)，其中，所述压缩室(67)与所述凸轮轴壳体0 共用一个壁的至少一部分，优选地，所述压缩室(67)共用或形成所述凸轮轴壳体05)的顶板(68)的一部分。
8.如权利要求3所述的大型单流式双冲程柴油发动机(1)，所述压缩室(67)是通过在实心金属块中机加工出凹进部分而形成的。
9.如权利要求1至4中任一项所述的大型单流式双冲程柴油发动机(1)，其中，所述高压流体源包括一个或多个电动高压泵(60)。
10.如权利要求1至4中任一项所述的大型单流式双冲程柴油发动机(1)，其中，一个电控比例液压阀控制对两个或更多个发动机气缸的燃料喷射。
11.如权利要求1所述的大型单流式双冲程柴油发动机(1)，其中，高压液压流体的所述容器容纳在共用轨中。
全文摘要
一种十字头型的大型单流式双冲程柴油发动机，该大型单流式双冲程柴油发动机具有多个气缸，每个气缸配有至少一个排气门，且每个气缸配有一个或多个燃料喷射器。燃料喷射在高压流体源的影响下进行。通过压缩在高压流体的容器内积聚势能。电液阀控制主要由积聚在高压容器内的能量驱动的燃料喷射。发动机具有用于致动排气门的凸轮轴。液压活塞泵由凸轮轴上的凸轮驱动。液压致动器利用经由管路从液压活塞泵接收到的液压流体沿打开方向移动排气门。
文档编号F01L1/38GK102251895SQ20111020779
公开日2011年11月23日 申请日期2006年4月12日 优先权日2006年4月12日
发明者亨里克·维拉德斯·霍曼·克里斯滕森, 尼尔斯·维德特费尔特·拉斯穆森, 约翰内斯·弗拉鲁普 申请人:曼柴油机和涡轮公司,德国曼柴油机和涡轮欧洲股份公司的联营公司