带有排气控制的大型涡轮增压二冲程压缩点火式内燃发动机的制作方法
本公开涉及对具有十字头的大型涡轮增压二冲程压缩点火式内燃发动机中的排气事件的控制。
背景技术：
十字头式的大型二冲程涡轮增压压缩点火式内燃发动机例如用于大型远洋船舶的推进力或作为动力装置中的原动力。不仅由于尺寸庞大，这些二冲程柴油发动机还被构造为与任何其它内燃发动机不同。它们的排气阀可以重达400kg，活塞的直径达100cm，并且燃烧室中的最大工作压力通常为数百bar。在这些高压力水平和活塞尺寸下所涉及的力是巨大的。
由于例如错误的燃料喷射正时或燃料喷射量，偶尔可能在多个气缸之一中产生过高的压力。为了适应这些过高的压力，通过向将气缸盖连接到底座板并一起保持发动机结构的拉杆螺栓施加张力，精细地控制用于使气缸盖被压在气缸衬套顶部上的力。因此，当出现过高的压力时，气缸盖被升起并且在气缸衬套的顶部和气缸盖的底部之间释放过高的压力。在本领域中通常使用该系统，但其并非不存在问题。气缸盖升起是一种爆炸性气体泄漏，其中不受控制的气体在高达170db的巨响下释放。当发生这种侧向排气时，任何旁观者都可能由于暴露于热气喷射(其通常为火焰形式)而受到严重伤害。此外，极高温高压的气体侵蚀气缸衬套和气缸盖的精密加工的配合表面，并且损坏置于气缸衬套的顶部和气缸盖的底部之间的密封环。因此，排气事件通常会使得需要对这些表面进行加工并且更换密封环以获得所需的流体密封性。因此，排气之后的修复成本显著。此外，拉杆螺栓中的张力由于发动机和环境的温度变化而变化，因此无法很精确地进行控制。如果在拉杆螺栓中的张力相对高的时刻发生排气，则对活塞和曲轴的力在之前已经造成大头及其它昂贵发动机部件的损坏。这种情况与较好控制的排气相比甚至更昂贵。
大型船舶保险公司(船级社)要求大型船用发动机必须采取安全措施以防止燃烧室中的过高压力造成的损坏。
因此，一些现有技术的发动机在燃烧室的壁中设置有爆破片，该爆破片被设计成会失效从而保护发动机免受来自燃烧室中的过高压力的可能损坏。这些爆破片的缺点在于它们因暴露于燃烧室中波动的压力而随着时间的推移弱化，并且最终在相对小的过高压力(例如，由于小的失火)下早已失效。因此，爆破片往往会过早地失效。这是有问题的，特别是因为必须停止发动机以用新的爆破片替换已失效的爆破片。因此，目前最常用的具有爆破片的措施不是最佳的。
其它发动机设置了安全阀，从而符合当燃烧室中出现过高的压力时会打开以从燃烧室排出气体的要求。这些是弹簧加载式提升阀。然而，由于它们的最大开口不足以足够快地释放压力，所以排气事件的爆炸性质致使这些提升阀相对无效。因此，这些安全阀不能在足够短的时间内有效地提供所需的开口面积，并且仅在气缸盖升起之前具有指示器或气笛的效果，但这些已知的阀不能防止气缸盖升起。
gb817,018公开了一种大型二冲程柴油发动机，其具有在气缸衬套和气缸盖之间的分离型套圈，该分离型套圈设有用于接收安全阀的孔。然而，该已知的安全阀不可靠，并且已停止使用该安全阀。
因此，需要一种用于十字头式大型二冲程压缩点火式内燃发动机的改进的排气控制系统。
技术实现要素：
本发明的目的是提供克服或至少减少上述问题的十字头式大型二冲程压缩点火式内燃发动机。
前述和其它目的通过独立权利要求的特征来实现。根据从属权利要求、说明书和附图，其它实施形式是显而易见的。
根据第一方面，提供了一种具有十字头的大型涡轮增压二冲程压缩点火式内燃发动机，包括：
多个用作燃烧室的气缸，所述气缸具有气缸盖、居中地置于所述气缸盖中的排气阀和将所述排气阀连接到排气接收器的排气管道，
所述气缸盖设置有排出阀，所述排出阀的入口流体连接到燃烧室，并且所述排出阀的出口流体连接到排出管道，
所述排出阀设置有在关闭位置和完全打开位置之间在它们之间的中间位置范围内可运动的可移动阀构件，
当可移动阀构件处于中间位置中的任一处或处于完全打开位置时，排出阀允许气体从入口流向出口，而当可移动阀构件处于关闭位置时，排出阀防止气体从入口流向出口，
所述可移动阀构件具有暴露于燃烧室中的压力的第一有效压力表面，使得燃烧室中的压力将可移动阀构件推向完全打开位置，
所述可移动阀构件具有暴露于用于将可移动阀构件推向关闭位置的液压的第二有效压力表面，
所述第二有效压力表面在可移动阀构件处于关闭位置时具有第一尺寸，在所述可移动阀构件的第一位置范围内具有小于所述第一尺寸的第二尺寸，所述第一位置范围从完全打开位置扩及预定中间位置。
通过提供具有通过燃烧室中的压力被推向其打开位置并且通过液压被推向其关闭位置的可移动构件的排出阀，可以实现如下的装置：该装置能够足够快地以足够大的开口打开，以在燃烧室中过高压力的情况下提供防止损坏发动机所需的释放。通过使用液压来平衡排出阀的可移动构件，能够可靠地控制排出阀打开的压力，并且能够提供如下的结构：该结构快速且宽敞地打开，以提供使得燃烧室的气体逸出的大的流通面积。当排出阀打开时，减小的第二有效压力表面防止了由于在排出阀打开时燃烧室中的压力下降而导致的不期望的重复打开和关闭。
在第一方面的第一可能的实施方式中，预定位置比完全打开位置更接近关闭位置。
在第一方面的第二可能的实施方式中，第二有效压力表面通过可移动阀构件的第一表面以及通过可移动阀构件的第二表面形成。所述第二表面小于第一表面并且与第一表面相反朝向。
在第一方面的第三可能的实施方式中，第一表面在可移动阀构件的所有位置通过液压被加压，并且其中第二表面在第一位置范围内通过液压被加压。
在第一方面的第四可能的实施方式中，可移动阀构件在第一位置范围内打开允许第二表面通过液压被加压的端口。
在第一方面的第五可能的实施方式中，可移动阀构件设置有与阀座配合的阀盘，阀座布置在贯穿气缸盖的排出孔中。
在第一方面的第六可能的实施形式中，阀座的主平面相对于排出孔的主方向倾斜设置。
在第一方面的第七可能的实施方式中，可移动阀构件包括与阀杆连接的阀盘和可操作地连接到阀杆的致动活塞。
在第一方面的第八可能的实施方式中，第一表面设置在致动活塞的一侧，第二表面设置在致动活塞的相反侧。
在第一方面的第九可能的实施形式中，排出孔通过排出管连接到排气管道或排气接收器，从而绕过排气阀。
在第一方面的第十可能的实施方式中，所述排出阀设置有冷却装置，所述冷却装置优选地包括用于冷却介质通过排出阀的路径。
在第一方面的第十一可能的实施方式中，发动机包括液压系统，该液压系统具有的压力随着发动机负荷增加而增加，并且随着发动机负荷减小而减小，并且其中第二有效压力表面通过液压系统的液压被加压。
在第一方面的第十二可能的实施方式中，液压系统为燃料喷射阀提供动力。
在第一方面的第十三可能的实施方式中，液压系统为排气阀致动系统提供动力。
附图说明
在本公开的以下详细部分中，将参考附图中所示的示例性实施方式来更详细地解释本发明，其中：
图1是根据示例性实施方式的大型二冲程柴油发动机的正视图；
图2是图1的大型二冲程发动机的侧视图；
图3是根据图1的大型二冲程发动机的示意图；
图4是气缸盖和具有根据实施方式的排出阀的排气门的侧视图；
图5是沿图4的a-a线截取的截面图；
图6是根据实施方式的排出阀的俯视图；
图7至图9是图6的排出阀的截面图，其中排出阀的可移动阀构件处于不同位置；
图10是图6的排出阀的不同的截面图；和
图11是图1至图3的发动机的液压系统的示意图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，将通过示例性实施方式描述具有十字头的大型二冲程涡轮增压压缩点火式(柴油)内燃发动机。图1至图3示出了具有曲轴42和十字头43的大型低速涡轮增压二冲程压缩点火式发动机。图3示出了具有进气系统和排气系统的发动机的示意图。在该示例性实施方式中，发动机具有排成一行的六个气缸1。大型二冲程涡轮增压压缩点火式内燃发动机通常具有排成一行的、由发动机框架45承载的5至16个气缸。该发动机可以例如用作海洋船舶中的主发动机或用作在发电站中操作发电机的固定发动机。发动机的总输出可以例如在5000kw至110000kw的范围内。
所述发动机是二冲程单向流型的压缩点火式发动机，其具有在气缸1的下部区域中的扫气口19和在气缸1的顶部居中布置在气缸盖22中的排气阀4。气流通过气缸的主方向为从气缸1底部的扫气口19到气缸1顶部的排气阀4，因此名为“单向流”。增压空气从增压空气接收器2(其为大的、总体中空的圆柱体形式)被输送到各个气缸1的扫气口19。气缸1中的活塞41压缩增压空气，燃料从气缸盖22中的燃料喷射阀(未示出)喷射，并且随后进行燃烧并产生排气(废气)。
当排气阀4打开时，排气通过与所涉及的气缸1相关联的排气管道35流入排气接收器3(其为大的中空圆柱体形式)，并且向前通过第一排气管道18流到涡轮增压器5的涡轮6，排气从其通过第二排气管道7流到大气中。涡轮6通过轴8驱动经由空气入口10供给空气的压缩机9。压缩机9将加压的增压空气输送到通向增压空气接收器2的增压空气管道11。
管道11中的进气经过中间冷却器12，该中间冷却器12用于将在大约200℃下离开压缩机的增压空气冷却到36℃和80℃之间的温度。
冷却的增压空气经过由电驱动马达17驱动的辅助鼓风机16(其在发动机的低负荷条件或部分负荷条件下将增压空气流增压)而进入空气接收器2。在较高的发动机负荷下，涡轮增压器压缩机9输送足够的经压缩的扫气空气，于是辅助鼓风机16经由止回阀15被绕过。
图4和图5分别更详细地示出了排气阀4和气缸盖22的侧视图和截面图。排气阀4利用排气阀杆44而牢固地螺栓连接到气缸盖22上，其中，其整体阀盘布置在气缸盖22中的中心开口中。排气阀杆44被示为处于其关闭位置，排气阀杆44的阀盘靠在阀座上。当排气阀4打开时，燃烧室27连接到排气管35。在实施方式中，排气管35直接连接到排气接收器3。
气缸盖22形成燃烧室27的上部。气缸盖22设置有若干在图中不可见的冷却通道。此外，燃料喷射阀(通常对于单燃料发动机的每个气缸有三个燃料阀且对于双燃料发动机的每个气缸有六个燃料阀)(燃料阀未示出)是在气缸盖22的接收孔中，其中燃料阀的喷嘴突出到燃烧室27中。
排气阀4设置有液压排气阀致动器47，其包括位于阀杆44的顶部的液压室38。空气弹簧37向上(如图5中向上，即沿关闭方向)推动阀杆44，而当液压致动器47被加压时，液压致动器47沿打开方向推动阀杆44。因此，通过向液压致动器47施加液压压力来实现排气阀杆44的升程，而空气弹簧37确保使阀杆44返回到其关闭位置。
发动机设置有从燃烧室27延伸到排气管35的排出管道(如图所示)。可替选地，排出管道从燃烧室27延伸到排气接收器3。排出管道的横截面面积足够大，以在失火或在燃烧室27中引起过高压力的其它事件的情况下充分快地释放燃烧室27中的压力。排出阀50控制排出管道的打开和关闭，并且排气阀50能够以足够大的开口足够快地打开，用于在过高压力的情况下释放燃烧室27中的压力，以防止损坏发动机。
气缸盖22中的排出孔29形成排出管道的一部分。排出管36将排出孔29连接到排气管道35或排气接收器3。
图6至图10更详细地示出了排出阀50。排出阀50可以具有其自身的壳体51(如图所示)，使得其可以用作插入到气缸盖22中的合适的孔28(图5)中的管筒，或者排出阀可以是气缸盖22的集成部分(未示出)。
排出阀50插入到气缸盖22中的孔28中，其中支架68从气缸盖22突出。支架68可以被螺栓连接到壳体51或者作为壳体51的集成部分。支架68设置有用于接收将排出阀50固定到气缸盖22上的螺栓(图5)的孔。壳体51设置有用于当排出阀50打开时允许排气排出的大出口(开口)58。
排出阀50设置有能够在图7所示的关闭位置和图9所示的完全打开位置之间运动的可移动阀构件52，即可移动阀构件52能够在图7的关闭位置和图9的完全打开位置之间的位置范围内来回运动。在图8中，可移动阀构件52被示出处于中间位置。当可移动阀构件52不处于其关闭位置时，排出阀50允许气体从其入口57流向其出口58。阀壳体52中的中空部63将入口57连接到出口58。阀座55设置在入口57周围。
可移动阀构件52包括阀杆53，所述阀杆53在其一个纵向端部处设置有阀盘54。阀杆53的另一个相反的纵向端部处设置有阻尼元件69。阀杆53可滑动地容纳在壳体51中的纵向孔中。
阀杆53的、设置有阀盘54的端部从纵向孔延伸到阀壳体51中的中空部63中。当可移动阀构件52处于其关闭位置时，阀盘54停靠在阀座55上，如图7和图10所示，其中阀盘54的、暴露于开口57的表面形成第一有效压力表面59。
当可移动阀构件52升起时，如图8和图9所示，阀盘54位于中空部63中并且提供用于气体从入口(开口)57流向出口(开口)58的实质流动区域。在实施方式中，阀座55的主平面z相对于排出孔29的主方向倾斜设置，以使得对流经排出孔29的流动的限制最小化。当排出孔29是直的时，其主方向是孔29的流动的纵向方向。当排出孔29是弯曲的时，其主方向是在阀座55与排出孔29相交的位置处的曲线的轨迹方向。
中空部63设置在纵向孔的、引导所述阀杆53的一侧。在该纵向孔的另一侧设置有圆柱形腔室，在圆柱形腔室中容纳有致动活塞56。致动活塞56将圆柱形腔室分成第一腔室60和第二腔室66。致动活塞56固定到阀杆53，从而可操作地连接到可移动阀构件52。在实施方式中，活塞56也可以是可移动阀构件52的集成部分。可移动阀构件52具有第一表面61和相反朝向的第二表面62。第一表面61暴露于第一腔60中的压力，并且当第一腔室60被加压时，将可移动阀构件52推向其关闭位置。第二表面62暴露于第二腔室66中的压力，并且当第二腔室66被加压时，将可移动构件52推向其完全打开位置。第一表面61的面积大于第二表面62的面积。因此，当第一腔室60中的压力等于第二腔室66中的压力时，可移动阀构件52被推向关闭位置。第一表面61和第二表面62一起形成第二有效压力表面。作用在第一有效压力表面59上的燃烧室27中的压力和与第一有效压力表面59的面积与燃烧室27中压强的乘积对应的力一起将可移动阀构件52推向其关闭位置。
第一腔室60通过供给孔82和阻尼腔室65连接到排出阀50中的入口80。在该实施方式中，入口80、供给孔82和阻尼腔室65布置在支架68中，但也可以位于壳体51中。
入端口80与至少提供连续最低水平的液压压力的发动机的液压系统88连接。优选地，液压系统88提供恒定压力或提供随着发动机负荷增加而增加且随着发动机负荷减小而减小的压力。
在端口80处的压力通过阻尼腔室65和供给管道82被施加到第一腔室60，并且该压力和与第一表面61的面积与第一腔室61中的压强的乘积对应的力一起将可移动阀构件52推向其关闭位置。
当致动活塞56处于补偿端口71上方(如图7-图10中的排出阀50的定向上的上方)的位置时，辅助管道64通过补偿端口71将第二腔室66连接到端口80。当可移动阀构件52处于如图7和图10所示的其关闭位置时，补偿端口71被致动活塞56阻挡。
在如图7和图10所示的这种情况下，第二腔室66通过冷却入端口75在显著低于端口80处的压力的低压下被加压。冷却入端口75允许冷却油(液压液体)流入腔室66，用于冷却排出阀50。冷却出端口74允许冷却油(液压液体)流出。在冷却入端口75的上游和冷却出端口74的下游设置流动限制件(未示出)，用于允许第二腔室66中的压力瞬时相对高于冷却液体压力。
当在燃烧室27中出现过高的压力时，作用在第一有效压力表面59上的燃烧室27中的压力将超过由第一压力腔室在可移动阀构件52上产生的压力的反作用力，可移动阀构件52将开始朝其完全打开位置运动，如图8所示。
在可移动阀构件52升起一定程度时，次级端口71将打开，并且第二压力腔室66将连接到端口80处的较高压力。与冷却入端口75和冷却出端口74相关联的限制件确保腔室66中的压力不会通过这些相应的端口74，75而损失。因此，第二表面62被来自端口80的压力加压，并产生将可移动构件推向其完全打开位置的附加力。因此，作用在可移动阀构件52上的关闭力显著减小。当可移动阀构件52稍微打开时该关闭力的减小用于在排气事件期间确保排出阀50稳定打开。也就是说，燃烧室27中气体压力的打开力由于中空部63的加压而在阀盘54从座55升起的时刻被显著减小。若没有应对措施，这种打开力损失可能导致在单个过高压力事件期间不希望地重复打开和关闭排出阀50。当次级端口71未被致动活塞56阻挡时关闭力减小，从而为排出阀50提供稳定的打开过程。
因此，沿关闭方向作用在由液压系统88的压力加压的可移动阀构件52上的第二有效压力表面在可移动阀构件52处于关闭位置时具有第一尺寸，并且在可移动阀构件52的第一位置范围内具有小于所述第一尺寸的第二尺寸，所述第一位置范围从完全打开位置一直到预定的中间位置。中间位置取决于次级端口71相对于致动活塞56的位置，并且优选地与距离所述完全打开位置相比更接近所述关闭位置，但是这根据情况而定，并且本领域技术人员将能够确定关闭力减小的最佳位置。也可以使用其它装置以确保一旦可移动阀构件52有一些升程就减小关闭力。
当可移动阀构件52一直朝其完全打开位置运动时，其运动通过在阀杆53的自由端处的阻尼元件69与阻尼腔室65的配合而被阻尼。阻尼元件69是其直径适于使其被可滑动地容纳在圆柱形阻尼腔室65中的圆柱形元件，并且确保可移动阀构件52缓缓到达如图9所示的完全打开位置处。
液压系统88将参考图11更详细地进行描述，并且包括向供给管道45供给加压液压液体的泵或泵站41。供给管道45中的压力可以是在50bar和500bar之间的任何数。供给管道45可以是向多个消耗器(例如燃料喷射阀42、排气阀致动系统48和排出阀50)供给加压液压液体的共轨或伪共轨。公共回流线49将液压液体的各个消耗器连接到储罐。
因此，液压压力随着发动机负荷增加而增加，并且随着发动机负荷减小而减小。注意，上表中的数字仅仅是示例性的，而实际压力值可能随着给定类型的不同发动机而变化以及随着发动机类型的不同而变化。此外，降额发动机，即其中负载和速度不同于所涉及的发动机类型的l1负荷的发动机，也将具有不同的、通常略低的系统压力。
燃烧室27中的正常最大压力也随着发动机负荷的增加而增加，并随着发动机负荷的减小而减小，其分布与本文上表中所示的液压系统的压力的分布非常相似。因此，通过相对于第一有效压力表面59的面积大小对第一表面61的面积大小进行大小设定，能够设定排出阀50的大小使其在比针对实际发动机负载的燃烧室27中的正常压力具有更高的余量的压力下打开。余量可以是恒定压力差或随着发动机负荷增加而增加，反之亦然。
排出阀50也可以以提供给端口80的恒定压力操作。在这种情况下，该压力应当使得当正常发动机操作期间燃烧室27中的最高压力超出一余量时排出阀50打开，例如，当最大预期压力(即在100％发动机负荷时)为200bar时，排出阀50被设定为在230bar的压力下打开。考虑到在端口80处施加的压力，通过调节第一有效压力表面59和第一表面61之间的比率，可以将排出阀50设定为在所需压力下打开。
在实施方式(未示出)中，排出阀50与发动机的控制器联接，并且在排气事件时发出警报。对此，在实施方式中，排出阀50设置有感测第二腔室66中的压力的压力传感器。如果第二腔室66中的压力超过冷却油压力，则排出阀50已经打开，并且发出警报。可替选地，可以用运动传感器监测可移动阀构件52，并且当可移动阀构件52运动离开其关闭位置时发出报警。
在实施方式(未示出)中，可以设置推动可移动阀构件52以远离其关闭位置的弹性装置(盘型弹簧等)，从而当发动机停工时操作排出阀50。
在实施方式中，决定可移动阀构件52是否被推向关闭位置或完全打开位置的力平衡仅由燃烧室27中作用于可移动阀构件52上的气体压力和供给至排出阀的液压液体作用于可移动阀构件52上的压力的平衡来确定。因此，如果存在当发动机停工时操作所述排出阀的弹性装置，则这些弹性装置将具有使得在发动机操作期间对可移动阀构件52的运动没有任何显著影响的较小的强度。
已经结合本文的多个实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员在实践要求保护的本发明时，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，能够理解并实施所公开的实施方式的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的纯粹事实不表示这些措施的组合不能被有利地使用。
权利要求中使用的附图标记不应被解释为对范围的限制。
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