用于大型二冲程涡轮增压压缩点火内燃发动机的气缸盖的制作方法

本公开涉及一种用于大型二冲程涡轮增压压缩点火内燃发动机的气缸盖和大型二冲程涡轮增压压缩点火内燃发动机。本公开还涉及一种用于大型二冲程涡轮增压压缩点火内燃发动机的排气阀。

背景技术：

十字头式大型二冲程涡轮增压压缩点火内燃发动机通常用于大型船舶的推进系统或发电厂中的原动机。庞大的尺寸、重量和功率输出使得它们与普通内燃机完全不同，并且将大型二冲程涡轮增压压缩点火内燃发动机置于它们自身的类别中。

大型二冲程涡轮增压压缩点火内燃机的气缸由气缸套形成，该气缸套在气缸套的顶部处具有气缸盖中的单个排气阀，并且在气缸套的下部区域处具有控制扫气口的活塞的环。

气缸套由气缸框架承载，气缸框架又由发动机框架承载。通过气缸盖螺栓以大的力将气缸盖夹紧在气缸套上。由气缸盖螺柱施加的力需要超过作用在气缸盖上的巨大压缩力和燃烧压力的余量。为了一方面承受燃烧室中的压力和另一方面承受汽缸盖螺柱的力，汽缸盖必须非常强劲和坚固。同时，气缸盖必须能够处理由燃烧过程引起的高温。因此，对形成气缸盖的主体的材料质量有很高的要求。对于最大的二冲程压缩点火内燃发动机，使用经淬火和回火的锻造钢。

气缸盖承载排气阀和燃料阀(通常为用于单燃料发动机的每个气缸具有三个燃料阀和用于双燃料发动机的每个气缸具有六个燃料阀)，其中定位由有限空间控制，气缸盖设置有将燃烧室连接到排气弯管的中心通道。

基本上，现有技术的气缸盖是实心的材料块。高强度要求导致非常高的壁厚，特别是在气缸盖的上部。这些大的壁厚度产生要确保在气缸盖的整个主体上适当的材料质量的问题，特别是在气缸盖的材料远离表面的区域中。因此，确保整个气缸盖上适当的材料质量是困难的、麻烦的且昂贵的。此外，具有非常大的壁厚的气缸盖的材料成本是显著的，并且仅锻造的气缸盖可以满足目前的要求。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种减少或至少克服上述问题的气缸盖。

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，提供了一种用于大型二冲程涡轮增压压缩点火内燃发动机的气缸盖，所述气缸盖包括具有上侧和下侧的环形体，其中，

-所述环形体具有下部，所述下部限定通出向下侧的中空部，所述中空部用于形成燃烧室的上部分，

-所述环形体具有上部，所述上部限定出通向中空部并通向上侧的中心通道，

-所述环形体在下侧处包括整体式的径向向外突出的凸缘，

径向向外突出的凸缘具有向上的接触表面，用于支撑环形保持器。

通过提供在其下侧具有径向向外突出的凸缘的气缸盖，可以使用环形保持器将气缸盖夹紧在气缸套上。这又允许所构造的气缸盖更薄、更细长，且具有更均匀分布的壁厚。因此，降低了材料成本并降低了生产成本，因为均匀分布的壁厚度和较薄的壁使得更容易确保整个气缸盖上适当的材料质量。此外，更轻和更细的气缸盖允许更容易和更便宜地对气缸盖进行大修。此外，气缸盖的较薄的壁使得更容易定位燃料阀。

根据第一方面的第一可能实施方式，气缸盖在其下侧设置有用于接合气缸套的顶部环形表面的底部环形接触表面。

根据第一方面的第二可能实施方式，径向向外突出的凸缘具有与底部环形接触表面齐平的向下的表面。

根据第一方面的第三可能实施方式，中心通道在向内的环形凸缘上具有面向上的支撑表面，支撑表面用于支撑排气阀的面向下的环形接触表面。

根据第一方面的第四可能实施方式，气缸盖的环形体由单片材料形成。

根据第一方面的第五可能实施方式，环形体具有基本均匀分布的径向壁厚度。

根据第一方面的第六可能实施方式，气缸盖还包括独立的环形保持器，其尺寸和形状设置为围绕下部而配合，其中环形保持器的底表面的一部分接合向上的接触表面。

根据第一方面的第七可能实施方式，上部的外径等于或小于下部的外径。

根据第一方面的第八可能实施方式，下部的最大直径由径向向外突出的凸缘所形成。

根据第一方面的第九可能实施方式，环形凹部设置在下部和环形保持器之间。

根据第二方面，提供了一种具有十字头的大型二冲程涡轮增压压缩点火内燃发动机，所述发动机包括：

气缸套上的气缸盖，所述气缸套由气缸框架承载；

环形保持器，其接合所述气缸盖；以及

多个气缸盖螺柱，其将环形保持器连接到气缸框架，用于将气缸盖夹紧在气缸套上。

通过提供具有由环形保持器保持的气缸盖的发动机，能够以显著较少的材料和较小的最大壁厚构造气缸盖，这极大地有助于在整个气缸盖上获得所需材料质量。另外，大大方便了维护和大修。

根据第二方面的第一可能实施方式，气缸盖螺柱将环形保持器夹紧在气缸盖上。

根据第二方面的第二可能实施方式，环形保持器设置成覆盖气缸盖的本体的一部分，其中环形保持器接合气缸盖的向外突出的凸缘。

根据第二方面的第三可能实施方式，环形保持器设置有多个通孔，气缸盖螺柱通过所述通孔而突出。

根据第二方面的第四可能实施方式，气缸盖螺柱设置有与环形保持器的顶部接合表面接合的螺母。

根据第二方面的第五可能实施方式，气缸盖螺柱的一端固定在气缸框架中。

根据第三方面，提供了一种用于具有排气阀壳体的大型二冲程涡轮增压压缩点火内燃发动机的排气阀，所述排气阀壳体包括：

排气弯管，其一端通向排气阀壳体的侧面，另一端通向排气阀壳体的底部；

用于引导排气阀杆的孔；以及

整体式的向外突出水平延伸的凸缘，其布置在排气弯管的通向排气阀壳体的侧面的端部的下方，整体式的向外突出水平延伸的凸缘设置有多个贯通孔，用于接收将排气阀壳体固定到气缸盖的螺栓或螺柱。

通过在排气阀壳体的低端处设置凸缘，将排气阀壳体连接到气缸盖的螺栓或螺柱的长度显著减小。此外，与少数主螺栓或螺柱相反，可以使用大量较小的螺栓或螺柱，因为排气弯管不再“阻碍”。

根据第四方面，提供了一种具有十字头的大型二冲程涡轮增压压缩点火内燃发动机，所述发动机包括：

气缸套上的气缸盖，气缸套由气缸框架承载；以及

根据第三方面的排气阀，其通过螺栓或螺柱栓接到气缸盖上，所述螺栓或螺柱固定在气缸盖中并且通过整体式的向外突出的水平延伸的凸缘中的孔而突出。

本发明的这些和其它方面将从下面描述的实施方式中显而易见。

附图说明

在本发明的以下详细部分中，将参考附图中所示的示例性实施方式更详细地解释本发明，其中：

图1是根据一个示例性实施方式的大型二冲程柴油发动机的高视角前视图，

图2是图1的大型二冲程发动机的高视角侧视图，

图3是根据图1的大型二冲程发动机的示意图，

图4是气缸框架和具有安装有排气阀的根据一个示例性实施方式的气缸盖的气缸套的截面图，

图5是气缸框架和具有安装有排气阀的根据一个示例性实施方式的气缸盖的气缸套的不同角度截面图，

图6是具有气缸盖、环形保持器和排气阀的气缸套的上部的详细侧视图，

图7是根据一个示例性实施方式的气缸盖的侧视图，

图8是图7的气缸盖的剖视图，其中安装有燃料阀和环形保持器，

图9是图7的气缸盖的剖视图，其中未安装有燃料阀但安装有环形保持器，

图10是图7的气缸盖的高视角图，

图11是图8和9的环形保持器的高视角图，

图12是图8的气缸盖的高视角图，其中安装有环形保持器，

图13是图8的气缸盖的俯视图，其中安装有环形保持器。

具体实施方式

在下面的详细描述中，将参考在示例性实施方式中的具有十字头的大型二冲程低速涡轮增压压缩点火内燃发动机描述内燃发动机。图1、2和3示出了具有曲轴8和十字头9的大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机。图3示出了具有进气和排气系统的大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机的示意图。在该示例性实施方式中，发动机具有成一直线的六个气缸。大型低速涡轮增压二冲程柴油发动机通常具有成一直线的四个和十四个之间气缸，由通过发动机框架11承载的气缸框架23承载。该发动机例如可以用作船舶中的主发动机或用于运行发电站中的发电机的固定发动机。发动机的总输出可以例如在1000至110000kw的范围内。

在该示例性实施例中，发动机是二冲程单向型的压缩点火式发动机，其具有在气缸套1的下部区域处的扫气口18和在气缸套1的顶部处的中央排气阀4。扫气从扫气空气接收器2传递到各个气缸1的扫气口18。气缸套1中的活塞10压缩扫气，燃料从气缸盖22中的燃料喷射阀喷射，接着燃烧并产生废气。

当排气阀4打开时，排气气体通过与气缸1相关联的排气管道流入排气接收器3中，并且通过第一排气管道19向前流到涡轮增压器5的涡轮6，排气从涡轮6通过第二排气管道并经由节能器20而流到出口21并进入大气。通过轴，涡轮6驱动通过空气入口12而被供给新鲜空气的压缩机7。压缩机7将加压扫气输送到通向扫气接收器2的扫气导管13中。导管13中的扫气通过中间冷却器14用于冷却扫气。

冷却的扫气通过由电动机17驱动的辅助鼓风机16，当涡轮增压器5的压缩机7不为扫气接收器2输送足够的压力时，即在低或部分负载条件下，该电动马达17对扫气流加压。在较高的发动机负载下，涡轮增压器压缩机7输送足够的压缩扫气，然后通过止回阀15绕过辅助鼓风机16。

图4、5和6示出了用于大型二冲程十字头发动机的气缸套，其上安装有气缸盖22，并且排气阀4安装在气缸盖22上。根据发动机的尺寸，气缸套1可以制造成不同尺寸，其中缸孔通常在250mm至1100mm的范围内，相应的通常长度在1000mm至4500mm的范围内。气缸套1通常在铸铁中制造。大型二冲程十字头发动机向着非常高的有效压缩比发展，例如1:16至1:20，其使需要承受燃烧室25中的压力的元件(例如，气缸套1、活塞10和气缸盖22)承担重负载。

在图4中，气缸套1示出为安装在气缸框架23中，其中气缸盖22放置在气缸套1的顶部上，而且之间具有气密接口。环形保持器30装配在气缸盖22上，气缸盖22的向外突出的边缘31被夹紧在环形保持器30和气缸套1的顶部之间。

围绕气缸套1的轴向长度(extent)中间的气缸套1的厚度的锐变用作肩部，以允许气缸套1搁置在气缸框架23上。环形保持器30借助由气缸盖螺柱24施加到环形保持器30的上表面上的大的力被压在气缸盖22上，并且气缸盖22借助由环形保持器30所施加的力而被按压在气缸套1上。

燃料阀27安装在气缸盖22中，燃料阀27前端的喷嘴伸入燃烧室25中。

排气阀装置包括具有阀杆的排气阀4和示出为停靠在阀座51上的阀盘。

排气阀装置包括具有排气弯管50的壳体28。排气弯管50在一端通向排气阀的设置有阀座51的底侧，并且另一端通向排气阀壳体28的侧面。排气弯管50在阀壳体28的侧面处的开口连接到通向排气接收器3的排气管道。

排气阀壳体设置有引导排气阀杆的孔。液压排气阀致动器52安装在排气阀壳体28的上侧上并作用在排气阀杆的自由端上以打开排气阀。排气阀致动器52还包括用于促使排气阀返回到其关闭位置的气动弹簧53。

排气阀壳体20设置有向外突出的排气阀壳体凸缘29，该凸缘29设置有多个贯通孔，排气阀螺柱32通过这些贯通孔而突出。排气阀螺柱32固定在气缸盖22的顶部中。螺母33接合排气阀螺柱32的上端并作用在排气阀壳体凸缘29上，用于将排气阀壳体28螺栓连接到气缸盖22上。

排气阀壳体凸缘29布置在排气弯管50的侧向开口的下方。排气阀壳体28由形成阀座51的环形构件支撑，该阀座51又由气缸盖22的向内突出的凸缘42(图8)支撑，用于支撑排气阀。

排气阀壳体凸缘29布置在阀壳体28的横向侧处的排气弯管50的开口下方。在现有技术的排气阀中，排气阀螺柱的螺母接合至排气阀壳体顶部处的表面，即在排气弯管50的侧向开口上方的表面。这些现有技术的排气阀具有排气弯管阻碍排气螺柱的缺点，这意味着通常仅部署四个相对较大的排气柱。通过将与排气螺柱的螺母33接合的表面设置在排气弯管50的侧向开口下方，可以显著减小排气螺柱的长度，并且可以使用大量较小的螺柱，这允许可能的成本降低。这也允许各种阀的优化定位。

管道54用于供应和去除液体冷却剂(例如，水)到气缸套1的上部处的冷却和布置，例如，到圆周冷却凹部39，其在一个实施方式中布置在气缸盖22和环形保持器30之间。

参照图7至13，将更详细地描述气缸22和环形保持器30。在图8中示出气缸盖22中安装有燃料阀27，并在图9中，未安装有燃料阀27。

气缸盖22具有带有上侧47和下侧48的环形体。下侧48设置有底部环形接触表面44，用于接合气缸套1的顶部环形表面。在一个实施方式中上侧47可以形成有环形表面45，该环形表面45设置有多个螺纹孔41，排气阀螺柱32被固定在该螺纹孔中。环形体具有下部36，下部36限定出通向下侧48的中空部49，中空部49用于形成燃烧室25的上部分。气缸盖22的环形体具有限定中心通道38的上部35，其通向中空部49并通向气缸盖22的上侧47，使得当排气阀4打开时，通道38允许排气从中空部49流到排气弯管50。在一个实施方式中，下部36直接连接到上部35，或者如图所示，优选地设置有锥形过渡部分55。

环形体在气缸盖22的下侧48处设置有整体式的径向向外突出的凸缘31。径向向外突出的凸缘31具有向上的接触表面43，用于支撑环形保持器30。径向向外突出的凸缘31具有向下的表面，其优选地与底部环形接触表面44齐平。

中心通道38在向内的环形凸缘上具有面向上的支撑表面42，用于支撑排气阀的面向下的环形接触表面。

在一个实施方式中，气缸盖22的环形体由单件材料形成，即气缸盖22的本体形成为一个整体元件。

环形体的结构使得其具有基本均匀分布的壁厚度。在所示的实施方式中，下部36和上部35之间的过渡是锥形部分55的形式，以便为环形构件保持基本恒定的壁厚。然而，下部36和上部35之间的过渡不需要是逐渐变细的，例如，是直角过渡。

环形体设置有设置在孔34的位置的突出部56，燃料阀27容纳在孔34中。在所示的实施方式中，每个气缸有3个燃料阀，但是取决于发动机设计和发动机运行时应当采用的燃料数量，每个气缸可以有2至6个燃料阀。

环形保持器30是与气缸盖22分离的元件，并且环形保持器30的尺寸和形状设置成围绕下部36而配合，其中，环形保持器30的底表面的径向内侧部分接合径向向外突出的凸缘31的向上的接触表面43。

环形保持器30设置有中心开口，该中心开口的直径等于或稍大于气缸盖22的下部36的外径。向外突出的凸缘31的(外)直径大于环形保持器30的中心开口的直径。

然而，向外突出的凸缘31的(外)直径小于环形保持器30的外径，使得缸盖螺柱24可以穿过向外突出的凸缘31，但是仍然容纳在环形保持器30的通孔46中，贯通孔46被设置成使得缸盖螺柱24紧密地布置在径向向外突出的凸缘31的周边周围。

上部35的外径等于或小于下部36的外径，使得环形保持器30可以被放置在气缸盖22的主体上和在向外突出的凸缘31的向上的接触表面43上。因此，气缸盖22的最大外径由径向向外突出的凸缘31形成。这种结构还允许通过简单地将环形保持器30向上提起并远离气缸盖22来被移除，从而便于维护。

在一个实施方式中，环形冷却凹部39形成在下部36中并且由环形保持器30封闭。环形冷却凹部提供周向基本均匀的冷却分布。环形保持器30设置有直立边缘40，来形成以密封环形凹部39的方式围绕气缸盖22的下部36的定位板(strongback)。环形冷却凹部39和径向向外突出的凸缘31减小了过渡中的张力。

环形冷却凹槽39连接到气缸盖22的中间部分中的多个基本径向的冷却通道37，并且冷却通道37连接到排气阀中的冷却通道，以冷却排气阀。

气缸盖22的本体在实施方式中由铸铁或铸钢制成。在另一个实施方式中，气缸盖22的主体由高强度耐热钢(例如锻造钢)制成。

在一个实施方式中，环形保持器30由相对便宜的材料(例如铸铁或低合金钢)制成，其允许通过铸造而制造环形保持器30。

已经结合本文的各种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，可以理解和实现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事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中使用的附图标记不应被解释为限制范围。