CN103429857B - 气体交换阀装置和气缸盖 - Google Patents

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Abstract

一种用于增压内燃发动机的气体交换阀装置，该装置包括排气阀(1b)，该排气阀(1b)具有阀头(2)和连接到所述阀头(2)的阀杆(3)，所述装置还包括阀弹簧(4)、腔室(5)和推力设备(6，19)，所述阀弹簧(4)围绕所述阀杆(3)布置，用于产生关闭所述阀(1b)的力，所述腔室(5)围绕所述阀杆(3)布置，所述推力设备(6，19)附接至所述阀杆(3)并且能沿所述阀杆(3)的纵轴方向与所述排气阀(1b)一起移动。所述装置包括把进气引入到所述腔室(5)中的设备(7，14)，该设备(7，14)用于把增压进气从所述发动机的进气管道(10)引入到位于所述推力设备(6，19)与所述腔室(5)的内端之间的所述腔室(5)中以帮助保持所述排气阀(1b)关闭。

Description

气体交换阀装置和气缸盖
技术领域
本发明涉及一种用于增压内燃发动机的气体交换阀装置，该装置包括排气阀，该排气阀具有阀头和连接到该阀头的阀杆，所述装置还包括阀弹簧、腔室和推力设备，所述阀弹簧围绕所述阀杆布置，用于产生关闭所述排气阀的力，所述腔室围绕所述阀杆布置，所述推力设备附接至所述阀杆并且能沿所述阀杆的纵轴方向与所述排气阀一起移动。本发明还涉及一种用于内燃发动机的气缸盖，所述发动机包括排气阀、阀弹簧、腔室以及推力设备，所述排气阀具有阀头和连接到该阀头的阀杆，所述阀弹簧围绕所述阀杆布置，用于产生关闭所述排气阀的力，所述腔室围绕所述阀杆布置，所述推力设备附接至所述阀杆并且能够沿所述阀杆的纵轴方向与所述排气阀一起移动。
背景技术
在现有技术的压缩点火内燃发动机中使用非常高的进气压力以获得更好的燃料效率。一种用于获得高进气压力的实用方法是使用双级涡轮增压，其中，两个涡轮增压器串联连接。采用双级涡轮增压能够获得十巴以上的进气压力。有利的是，高进气压力伴着Miller正时，其中，在进气冲程期间，进气阀在下止点之前关闭。Miller正时降低了燃烧期间的气缸温度并且有助于获得更低的NOx排放。因为所有气体交换阀在活塞还在向下移动的时候关闭着，所以进气阶段结束时的气缸压力可能明显低于进气管道中的压力。进气阀两侧的大压差所带来的问题是，已经为较小压差而设计了标准阀弹簧，并且进气阀趋于打开。排气阀碰到同样的问题。因为高的进气压力也提高了排气歧管中的压力，就需要更大的力以在进气阶段结束时和压缩阶段开始时保持排气阀关闭。一种解决这个问题的明显方案自然会是使用刚性更大的阀弹簧。然而，这在不对气缸盖进行重大改造的情况下通常是不可能的。在很多情况下，重新设计气缸盖而使其能够容纳用于承受气体交换阀两侧的大压差所需的更大弹簧，是很困难的或甚至是不可能的。
一种降低阀弹簧需要承受的力的选择是使用空气弹簧来辅助常规的机械弹簧。
专利文献US 6745738 Bl公开了一种阀弹簧装置，其使用增压气体来偏压气体交换阀。该装置包括动态壳体，其具有腔室，能够向该腔室中传送增压气体，从而，动态壳体离开静态壳体而移动相连的阀。该装置使用单独的压力源和用于控制进入和离开动态腔室的增压气体流量的控制设备。
专利文献US 5988124 A公开了一种具有气动复位弹簧的电磁致动气缸阀。通过电磁致动器打开和关闭阀。需要控制设备来操作气弹簧。该装置还包括机械弹簧，用于在气弹簧处于减压状态时关闭阀。
专利申请GB 2326444 A公开了另一种电气致动气体交换阀。该***还可以使用用于在电子气动设备没有被致动时关闭阀的机械弹簧。而且，这个***需要控制设备和单独的压缩机用于调节气弹簧中的压力。
在上述文献中，没有一篇文献中，空气弹簧意图用于辅助机械弹簧，它们只是用于阀正时。机械弹簧是为在空气弹簧减压时关闭阀提供的。所有公开的***全都使用外部增压气体源和控制设备来调节进入气弹簧的气流。这使得***复杂且容易发生故障。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于增压内燃发动机的改进的气体交换阀装置。本发明的另一目的是提供一种改进的气缸盖。根据本发明的装置的特定特征为：该装置还包括把进气引入到所述腔室中的设备，该设备用于把增压进气从所述发动机的进气管道引入到位于所述推力设备与所述腔室的内端之间的所述腔室中以帮助保持所述排气阀关闭。根据本发明的气缸盖的特定特征为：所述气缸盖包括穿孔，该穿孔用于把增压进气从所述发动机的进气管道引入到位于所述推力设备和所述腔室的内端之间的所述腔室中以帮助保持所述排气阀关闭。
根据本发明，公开了一种用于增压内燃发动机的气体交换阀装置，其包括气体交换阀和阀弹簧，所述气体交换阀具有阀头和连接到该阀头的阀杆，所述阀弹簧围绕阀杆布置，用于产生关闭阀的力。所述装置还包括腔室和推力设备，所述腔室围绕所述阀杆布置，所述推力设备附接至所述阀杆并且能够沿阀杆的纵轴方向与所述气体交换阀一起移动。所述装置还包括把进气引入到所述腔室中的设备，该设备用于把增压进气从发动机的进气管道引入到位于推力设备与腔室内端之间的腔室中以帮助保持气体交换阀关闭。
根据本发明，公开了一种用于内燃发动机的气缸盖，所述发动机包括排气阀、阀弹簧、腔室以及推力设备，所述排气阀具有阀头和连接到该阀头的阀杆，所述阀弹簧围绕所述阀杆布置，用于产生关闭所述排气阀的力，所述腔室围绕所述阀杆布置，所述推力设备附接至所述阀杆并且能够沿所述阀杆的纵轴方向与所述排气阀一起移动，所述气缸盖包括穿孔，该穿孔用于把增压进气从所述发动机的进气管道引入到位于所述推力设备和所述腔室的内端之间的所述腔室中以帮助保持所述排气阀关闭。
本发明具有许多优点。因为来自进气管道的增压进气用于帮助保持阀关闭，所以即使有非常高的进气压力，也能够防止从进气管道和排气管道泄露到气缸中。该装置非常紧凑，并且即使对现有气缸盖也适用，只需要进行小小的改造即可。因为来自进气管道的进气用于保持阀关闭，因此不需要用于增压空气的辅助***。也不需要更坚固的钢弹簧，而能使用标准弹簧。该装置还是自动调节的。当使用更高的进气压力时，需要更大的力来保持气体交换阀关闭，并且，在本发明的装置中，这个更大的力是自动产生的。类似地，当发动机低负载运行时，阻止阀打开的力更小，并且凸轮轴和摇臂轴承中的摩擦被最小化。因为该装置还设有标准弹簧，所以发动机的启动没有问题。
根据本发明的实施方式，用于把进气引入到腔室中的设备包括腔室中的孔口和气缸盖中的穿孔。如果进气经由气缸盖中的穿孔被引入到腔室中，就不需要气缸盖上的额外管道。根据本发明的实施方式，该穿孔在腔室和进气管道之间布置在气缸盖中。这是把进气引入腔室的最简单的路径。该穿孔还可设有止回阀。该气缸盖还可设有第二穿孔，用于把进气放出该腔室。
根据本发明的实施方式，该推力设备是布置在该腔室内的推力板。这种布置相对容易地提供良好的密封性能，并且推力板还可充当阀旋转器。另一替代是，推力设备是成为该腔室的一部分的盖。
本发明实施方式的其它特征在如下优选实施例中给出。
根据本发明的一优选实施例的气体交换阀装置，所述把进气引入到所述腔室中的设备包括所述腔室中的孔口和气缸盖中的穿孔。
根据本发明的一优选实施例的气体交换阀装置，所述穿孔布置在所述气缸盖中，位于所述腔室与所述进气管道之间。
根据本发明的一优选实施例的气体交换阀装置，所述穿孔设有止回阀。
根据本发明的一优选实施例的气体交换阀装置，所述气缸盖设有用于把进气放出所述腔室的第二穿孔。
根据本发明的一优选实施例的气体交换阀装置，所述第二穿孔布置在所述腔室与排气管道之间。
根据本发明的一优选实施例的气体交换阀装置，所述推力设备是布置在所述腔室内的推力板。
根据本发明的一优选实施例的气体交换阀装置，所述推力板充当阀旋转器。
根据本发明的一优选实施例的气体交换阀装置，所述推力设备是形成所述腔室的一部分的盖。
根据本发明的一优选实施例的气体交换阀装置，所述腔室至少部分地布置在气缸盖内。
根据本发明的一优选实施例的气体交换阀装置，所述阀弹簧布置在所述腔室内。
根据本发明的一优选实施例的气缸盖，所述气缸盖包括用于把进气放出所述腔室的第二穿孔。
附图说明
图1示出了内燃发动机的气缸盖的横剖面视图，该内燃发动机具有根据本发明的实施方式的气体交换阀装置。
图2示出了根据本发明另一实施方式的气缸盖的横剖面视图。
图3示出了根据本发明第三实施方式的气缸盖的横剖面视图。
图4示出了根据本发明第四实施方式的气缸盖的横剖面视图。
具体实施方式
现在参照附图更详细地描述本发明的实施方式。
图1所示为大型压缩点火内燃发动机的气缸盖9的简化剖面图，该内燃发动机可以是例如船的主发动机或辅助发动机或者是可用于发电厂中的内燃发动机。然而本发明不限于压缩点火发动机，而同样能用于火花点火发动机。发动机被增压以获得高进气压力。例如，可使用串联连接的两个涡轮增压器，每个涡轮增压器包括涡轮机和压缩机。仅仅示出单个气缸12，但是，发动机可以包括多个气缸12，并且每个气缸装有其自己的气缸盖9。气缸12可布置成例如直列式或V型。进气管道10和排气管道11穿过气缸盖9，进气管道把增压进气引入气缸12，排气管道把排气导出气缸12。图1中仅示出进气管道10和排气管道11位于气缸盖9内的部分。然而，进气管道10和排气管道11在气缸盖9的外部延续并且分别连接到涡轮增压器的压缩机和涡轮机。进气管道10装有进气阀1a，排气管道11装有排气阀1b。进气阀1a和排气阀1b一起称作气体交换阀1。与进气阀1a相关的部件在图中用以“a”结尾的附图标记表示，与排气阀1b相关的部件在图中用以“b”结尾的附图标记表示。在说明书和权利要求书中，相同或相似的部件也可能都用结尾不带任何字母的附图标记表示。
发动机包括两个进气阀1a和两个排气阀1b，但是，图1中仅仅能看到这两种阀中的每一种的一个。当然，气体交换阀1的数目也可以不同。气体交换阀1包括阀头2和阀杆3。当气体交换阀1关闭时，它与阀座13形成紧密接合。阀杆3连接到阀头2，并且需要该阀杆以往复方式移动气体交换阀1，从而打开和关闭气缸12与进气管道10或排气管道11之间的流体连接。气缸盖9设有阀导管15，用于定位气体交换阀1。传统的带有推杆和摇臂(图中未示出)的凸轮机构用于打开气体交换阀1。
每个气体交换阀1装备有弹簧4，该弹簧产生朝着远离气缸12的方向的力。这个力倾向于关闭阀1并且保持其关闭。在图1的实施方式中，还为每个气体交换阀设置了第二弹簧8，以用于增大这个闭合力。
腔室5围绕每个气体交换阀1的杆3布置。在图1的实施方式中，腔室5部分在气缸盖9的内部，部分在其上。弹簧4、8布置在腔室5的内部。在腔室5的内部还有附接至阀杆3的推力板6。腔室5装备有孔口7，用于把来自进气管道10的增压进气引入腔室5。孔口7位于腔室5的内端，也就是位于腔室5的更靠近气缸12的那个端部。因此，进气能被引入腔室5的内端与推力板6之间的腔室5中。
推力板6能沿着阀杆3的纵向与整个气体交换阀1一起移动。推力板6与腔室5的壁面紧密接触，从而不可能出现流过推力板6的明显气流。当气体交换阀1关闭时，推力板6处于腔室5的外端。因为进气管道10中的压力由于进气增压而高，所以引入腔室5中的进气向上推动推力板6并且帮助保持气体交换阀1关闭。推力板6还充当阀旋转器，并且每当阀1关闭时稍微转动气体交换阀1。
在图1的实施方式中，在进气管道10和与进气阀1a相关的腔室5a之间，在气缸盖9中设有穿孔14a。进气通过穿孔14a被引入腔室5a。当进气阀1a关闭时，作用于进气阀1a的阀头2a的顶面的压力与作用在推力板6a上的压力相同。作用在阀头2a上的压力产生的力把进气阀1a朝向气缸12推动。因为阀头2a的面积接近推力板6a的面积，所以反向的力很大程度上彼此抵消，并且弹簧4a、8a产生的力足以保持进气阀1a关闭。
进气经由气缸盖9中的穿孔被引入与排气阀1b相关的腔室5b中。图1中未示出该穿孔。来自排气管道11的排气由于高温和烟灰而不能使用。适用于排气阀1b的装置的工作原理同进气阀1a的工作原理一样。排气管道11中的压力比进气管道10中的低，但是量级相同。因此，作用在排气阀1b的阀头2b的顶面和推力板6b上的力很大程度上彼此抵消，并且弹簧4b、8b产生的力足以保持排气阀1b关闭。
该装置是自动调节的，在进气侧，相同的压力作用在大小几乎相等但方向相反的两个表面上。因此，这个压力产生的力很大程度上彼此抵消。在排气侧，不同的压力产生反向的力，但是，即使那样，它们也是彼此关联的。随着进气管道10中的压力升高，排气管道11中的压力也升高，这些压力产生的力至少部分地彼此抵消。
图2示出本发明的另一实施方式。图中仅示出进气阀1a、1a'。图1和图2的实施方式之间的主要区别在于，在图2的实施方式中，弹簧4a、4a'布置在腔室5a、5a'外。单独的穿孔14a、14a'布置在进气管道10与腔室5a、5a'之间，用于把进气引入腔室5a、5a'。这个实施方式的优点是，弹簧力不指向推力板6a、6a'，并且，阀旋转得更好。另一个优点是，弹簧4a、4a'能够布置在油池中。
在图3的实施方式中，从与第一进气阀1a相关的腔室5a经由腔室5a、5a'之间的穿孔14a'把进气引入与第二进气阀1a'相关的腔室5a'中。在这个实施方式中，阀弹簧4a、4a'位于腔室5a、5a'内。然而，弹簧4a、4a'没有被支撑在充当阀旋转器的推力板6a、6a'上。而是，弹簧4a、4a'被支撑在柱环16a、16a'上。因此，朝阀旋转器6a、6a'施加的力较小，从而确保更好地起作用。
在图4的实施方式中，腔室5a、5a'内没有推力板6a、6a'。而是，腔室5a、5b的外端，即，腔室5a、5b的远离气缸12的那些端部，形成为盖19a、19b，这些盖19a、19b充当推力设备6、19。盖19a、19b附接至气体交换阀1a、1b的阀杆3a、3b，并且封住腔室5a、5b的内部壁面。盖19因此形成为腔室5a、5b的一部分。腔室5a、5b的内端形成在气缸盖9内。用于把进气引入腔室5a、5b的穿孔14a、14b设有止回阀17a、17b，这些止回阀阻止进气流回到进气管道10中。第二穿孔18a、18b布置在气缸盖9中，位于腔室5a、5b与排气管道11之间，用于在气体交换阀1a、1b打开时把进气放出腔室5a、5b。图4的实施方式按照与在前实施方式相同的原理工作。
在所附权利要求的范围内，本发明的许多改型都是可能的。例如，可以将腔室完全布置在气缸盖之上。不是必须经由气缸盖中的穿孔把进气引入腔室中，而是可以为此布置单独的管道。在那种情况下，该装置还可包括用于控制腔室中的压力的设备和/或用于在进气被引入腔室之前存储进气的储气罐。还可以从与进气阀相连的腔室经由外部管子或软管把进气引入与排气阀相连的腔室中。

Claims (15)

1.一种用于增压内燃发动机的气体交换阀装置，该装置包括排气阀(1b)，该排气阀(1b)具有阀头(2)和连接到该阀头(2)的阀杆(3)，所述装置还包括阀弹簧(4)、腔室(5)和推力设备(6，19)，所述阀弹簧(4)围绕所述阀杆(3)布置，用于产生关闭所述排气阀(1b)的力，所述腔室(5)围绕所述阀杆(3)布置，所述推力设备(6，19)附接至所述阀杆(3)并且能沿所述阀杆(3)的纵轴方向与所述排气阀(1b)一起移动，所述气体交换阀装置的特征在于，该装置还包括把进气引入到所述腔室(5)中的设备(7，14)，该设备(7，14)用于把增压进气从所述发动机的进气管道(10)引入到位于所述推力设备(6，19)与所述腔室(5)的内端之间的所述腔室(5)中以帮助保持所述排气阀(1b)关闭。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述把进气引入到所述腔室(5)中的设备包括所述腔室(5)中的孔口(7)和气缸盖(9)中的穿孔(14)。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述穿孔(14)布置在所述气缸盖(9)中，位于所述腔室(5)与所述进气管道(10)之间。
4.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述穿孔(14)设有止回阀(17)。
5.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述气缸盖(9)设有用于把进气放出所述腔室(5)的第二穿孔(18)。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第二穿孔(18)布置在所述腔室(5)与排气管道(11)之间。
7.如权利要求1至3中的任一项所述的装置，其特征在于，所述推力设备(6，19)是布置在所述腔室(5)内的推力板(6)。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述推力板(6)充当阀旋转器。
9.如权利要求1至3中的任一项所述的装置，其特征在于，所述推力设备(6，19)是形成所述腔室(5)的一部分的盖(19)。
10.如权利要求1至3中的任一项所述的装置，其特征在于，所述腔室(5)至少部分地布置在气缸盖(9)内。
11.如权利要求1至3中的任一项所述的装置，其特征在于，所述阀弹簧(4)布置在所述腔室(5)内。
12.如权利要求1至3中的任一项所述的装置，其特征在于，所述进气被从与进气阀(1a)相关的腔室(5a)引入到与排气阀(1b)相关的腔室(5b)。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述进气经由气缸盖(9)中的穿孔而被引入到与排气阀(1b)相关的所述腔室(5b)。
14.一种用于内燃发动机的气缸盖(9)，所述发动机包括排气阀(1b)、阀弹簧(4)、腔室(5)以及推力设备(6，19)，所述排气阀(1b)具有阀头(2)和连接到该阀头(2)的阀杆(3)，所述阀弹簧(4)围绕所述阀杆(3)布置，用于产生关闭所述排气阀(1b)的力，所述腔室(5)围绕所述阀杆(3)布置，所述推力设备(6，19)附接至所述阀杆(3)并且能够沿所述阀杆(3)的纵轴方向与所述排气阀(1b)一起移动，所述气缸盖的特征在于，所述气缸盖(9)包括穿孔(14)，该穿孔(14)用于把增压进气从所述发动机的进气管道(10)引入到位于所述推力设备(6，6’)和所述腔室(5)的内端之间的所述腔室(5)中以帮助保持所述排气阀(1b)关闭。
15.如权利要求14所述的气缸盖，其特征在于，所述气缸盖(9)包括用于把进气放出所述腔室(5)的第二穿孔(18)。
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