一种带可调缓冲装置的船用柴油机排气阀及控制方法
阅读说明：本技术 一种带可调缓冲装置的船用柴油机排气阀及控制方法 (Marine diesel engine exhaust valve with adjustable buffer device and control method ) 是由 丁宇 王林 马生平 李兵权 王聪 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明的目的在于提供一种带可调缓冲装置的船用柴油机排气阀及控制方法,包括排气阀壳体、排气阀座、排气阀杆、缓冲活塞、驱动活塞,排气阀壳体上端固定有缓冲腔盖,排气阀座位于排气阀壳体下方,缓冲活塞、驱动活塞、排气阀杆自上而下依次相连,缓冲活塞、驱动活塞位于排气阀壳体里,排气阀杆伸出至排气阀壳体外,其端部的排气阀盘与排气阀座相配合,排气阀壳体内部的上方设置壳体凸起,排气阀壳体内部的下方安装复位装置。本发明相比于现有技术降低了对传感器要求的同时,减少了传感器受到的影响,提高了信号的准确性,降低了安装成本。(The invention aims to provide a marine diesel engine exhaust valve with an adjustable buffer device and a control method, the marine diesel engine exhaust valve comprises an exhaust valve shell, an exhaust valve seat, an exhaust valve rod, a buffer piston and a driving piston, wherein a buffer cavity cover is fixed at the upper end of the exhaust valve shell, the exhaust valve seat is positioned below the exhaust valve shell, the buffer piston, the driving piston and the exhaust valve rod are sequentially connected from top to bottom, the buffer piston and the driving piston are positioned in the exhaust valve shell, the exhaust valve rod extends out of the exhaust valve shell, an exhaust valve disk at the end part of the exhaust valve rod is matched with the exhaust valve seat, a shell bulge is arranged above the interior of the exhaust valve shell, and a reset device is arranged below the interior of the exhaust valve shell. Compared with the prior art, the invention reduces the requirements on the sensor, reduces the influence on the sensor, improves the accuracy of the signal and reduces the installation cost.)
技术领域
本发明涉及的是一种排气阀及控制方法，具体地说是船用二冲程柴油机排气阀及控制方法。
背景技术
船用二冲程柴油机排气阀作为柴油机的核心组件之一，由于其体积和质量很大，所以存在其开启和关闭速度等工作特性较差的问题，经常导致柴油机的换气质量下降，进而影响缸内燃烧过程，最终会使柴动机的经济性和排放性变差。
目前绝大多数船用二冲程柴油机排气阀采用电磁阀控制液压油推动驱动活塞带动排气阀杆下行的方式实现排气阀的开启，采用液压驱动或空气弹簧的方式实现排气阀的关闭。在此类船用二冲程柴油机排气阀中，对排气阀开启及关闭的响应速度的提高依赖于提高液压油的压力以及对电磁阀的升级，但与此同时会面临在排气阀开启和关闭的结束阶段各零部件所承受的冲击力增大的问题，容易导致零部件的损坏，所以往往需要额外增设缓冲装置，成本很高。
船用二冲程柴油机排气阀运行一段时间后，热膨胀、磨损以及积碳等因素会导致排气阀出现运行阻力增大等问题，进而导致排气阀开启和关闭的滞后，对柴油机换气质量和燃烧质量产生不利影响，严重时甚至会导致柴油机排气阀的损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供能够提高排气阀响应速度同时具有缓冲效果的一种带可调缓冲装置的船用柴油机排气阀及控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种带可调缓冲装置的船用柴油机排气阀，其特征是：包括排气阀壳体、排气阀座、排气阀杆、缓冲活塞、驱动活塞，排气阀壳体上端固定有缓冲腔盖，排气阀座位于排气阀壳体下方，缓冲活塞、驱动活塞、排气阀杆自上而下依次相连，缓冲活塞、驱动活塞位于排气阀壳体里，排气阀杆伸出至排气阀壳体外，其端部的排气阀盘与排气阀座相配合，排气阀壳体内部的上方设置壳体凸起，排气阀壳体内部的下方安装复位装置，缓冲活塞与缓冲腔盖之间形成缓冲腔，缓冲活塞与壳体凸起形成第一通孔，壳体凸起与驱动活塞形成驱动腔，驱动腔下方与排气阀壳体之间形成第二通孔，复位装置上方与排气阀壳体之间形成第三通孔，排气阀壳体侧方连接电磁阀，电磁阀与驱动腔相连通。
本发明一种带可调缓冲装置的船用柴油机排气阀还可以包括：
1、排气阀盘落座于排气阀座时，第二通孔与第三通孔相通，排气阀盘向下运动后，第二通孔与第三通孔被驱动活塞隔开，同时第二通孔与驱动腔相通。
2、驱动活塞上设置活塞凸台，活塞凸台与壳体凸台配合限制排气阀盘开启的最大行程。
3、复位装置为液压驱动装置或空气弹簧装置。
4、当排气阀盘直径为R时，第一通孔的直径R1为0.5R到0.8R之间；第二通孔直径R2为0.2R到0.4R之间；第三通孔直径R3为0.3R到0.5R之间，第二通孔、第三通孔、第一通孔的直径依次从小到大。
5、排气阀盘最大升程为H，排气阀盘处于未开启状态时，缓冲活塞位于其滑动范围的最高点，缓冲腔的高度为0.04H到0.1H之间，缓冲腔内空气为压缩状态，其压力与外界标准压力之间的相对压力为0.5MPa到1MPa之间的正压，当缓冲活塞下降0.35H时，缓冲腔内空气的压力逐渐下降至标准压力P0，随着缓冲活塞继续下降，缓冲腔内空气的压力继续降低，缓冲腔内的空气对缓冲活塞做负功；在排气阀关闭的初期，缓冲活塞位于其滑动范围的最低点，缓冲腔内压力达到最低值，缓冲腔内空气的压力与外界标准压力之间的相对压力为-0.05MPa到-0.07MPa之间的负压，缓冲腔内空气对上行的缓冲活塞做正功。
本发明一种带可调缓冲装置的船用柴油机排气阀控制方法，其特征是：缓冲腔盖中心处安装有用于采集缓冲腔内空气压力变化情况的压力传感器，缓冲腔盖与缓冲活塞之间设置垫片，360°曲轴转角为一个循环，对比每个循环与上一循环间压力的变化情况，提取每一循环空气压力变化至标准压力P0时的曲轴转角数值，计算其与上一循环得到的数值的差值，并对该差值进行累加，当该累加值的绝对值大于10°曲轴转角时，对垫片厚度进行调整，从而使排气阀运行情况回归正常。
本发明的优势在于：
1、在柴油机排气阀开启初期，电磁阀控制液压油进入驱动腔，推动驱动活塞带动排气阀杆下行，此时缓冲腔内空气压力为正压，对缓冲活塞有推动作用，能够提高排气阀开启时的响应速度；在排气阀关闭初期，电磁阀控制液压油泄压回流，复位装置驱动排气阀杆上行，此时缓冲腔内空气压力为负压，对缓冲活塞有牵引作用，能够提高排气阀关闭时的响应速度。
2、在柴油机排气阀开启过程中，由于缓冲活塞下行，缓冲腔内空气的压力由正压转变为负压，因此在排气阀开启的末期，驱动腔内液压油压力相对稳定，缓冲腔内空气的真空度增大，使缓冲活塞下行阻力增大，能够对排气阀的开启起缓冲作用；在排气阀关过程中，在复位装置的作用下，缓冲活塞岁排气阀杆上行，缓冲腔内空气压力由负压转变为正压，因此在排气阀关闭的末期，缓冲腔内空气的压力增大，使缓冲活塞的上行阻力增大，对排气阀的关闭具有缓冲作用。缓冲腔的设置相比于现有技术能够使柴油机排气阀在提高开启和关闭时的响应速度的同时减小了排气阀各零部件工作过程中所承受的冲击力，提高了排气阀的使用寿命，降低了排气阀的维护成本。
3、缓冲腔由排气阀壳体、缓冲腔盖以及缓冲活塞三部分组合形成，其中排气阀壳体与缓冲腔盖依靠螺栓连接，两者间设有垫片，可通过对于垫片厚度的改变实现对于缓冲腔容积大小的调整，进而可以实现对于缓冲腔内空气的最大压缩压力以及最大真空度的调整，从而能够对排气阀运行一段时间后出现的热膨胀、磨损以及积碳等因素导致的排气阀运行阻力增大的问题进行补偿，降低了维护的成本和难度，同时本发明的可调缓冲装置基于空气的可压缩性进行设计并且采用纯机械的结构形式，装置运行过程安全有效，为柴油机的正常稳定运行提供了保障。
4、在缓冲腔盖上设置有压力传感器对缓冲腔内空气压力信息进行采集，得到的压力信息可由计算机处理后用以对排气阀运行情况进行监测，并且在排气阀运行相位偏离设定值时进行报警。现有技术中一般采用对排气阀杆行程信息或驱动腔内液压油压力信息进行采集的方法对排气阀运行情况进行监测。相比于现有技术，本发明采用对设置的缓冲腔内的压力进行采集的方法，一方面开孔不在排气阀壳体上，使传感器的布置更加方便，也降低了对于排气阀运行的影响；另一方面缓冲腔内部空气的压力远小于驱动腔内液压油的压力，降低了对于传感器的要求，并且传感器受到的冲击和影响也更少，得到的测量信号更加准确。综合来看，本发明相比于现有技术降低了对传感器要求的同时，减少了传感器受到的影响，提高了信号的准确性，降低了安装成本。
附图说明
图1为本发明开启前的结构示意图；
图2为本发明开启后的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-2，本发明一种带可调缓冲装置的船用二冲程柴油机排气阀，主要包括排气阀座1、排气阀壳体2、驱动活塞14、电磁阀5、驱动腔13、复位装置15、排气阀杆16以及可调缓冲装置等。其中可调缓冲装置位于排气阀的上部，主要由缓冲腔盖8、垫片11、缓冲活塞7、压力传感器9以及缓冲腔10构成。其中压力传感器设置在缓冲腔盖8的中心处，缓冲腔盖8与排气阀壳体2顶部通过螺栓12连接，在排气阀壳体2顶部与缓冲腔盖8间设有垫片11。排气阀壳体2内部设置有第一通孔6、第二通孔4和第三通孔3，依据各通孔内工质工作压力范围的不同，为了便于制造和安装，对三个通孔的直径大小设置如下。当排气阀盘直径为R时，第一通孔6的直径R1取值为0.5R到0.8R之间；第二通孔4直径R2取值为0.2R到0.4R之间；第三通孔直径R3取值为0.3R到0.5R之间，优选的第二通孔的直径小于地三通孔小于第一通孔。缓冲活塞7设置在第一通孔6内，且与第一通孔6内壁滑动配合，在缓冲活塞7上面设置有密封槽，在缓冲活塞7与第一通孔6内壁之间设置有密封圈。缓冲腔盖8、缓冲活塞7以及第一通孔6内壁组合形成缓冲腔10。在第二通孔4上侧设有油孔，该油孔为液压油进油和回油所要经过的通道，电磁阀5安装在第二通孔4的外壁上，且电磁阀5与设置的油孔相连通。驱动活塞14与缓冲活塞7固结，驱动活塞14滑动置于第二通孔3内，驱动活塞14上开有密封槽，在驱动活塞14与第二通孔4内壁之间设有密封圈，驱动活塞14与第二通孔4内壁组合形成驱动腔13。排气阀杆16与驱动活塞14固结，排气阀杆16上固结有复位装置15，且复位装置15与第三通孔3内壁滑动配合，复位装置15上设置有密封槽，在复位装置15与第三通孔3内壁上设置有密封圈，其中复位装置15可为液压驱动装置或空气弹簧装置。在排气阀关闭时，电磁阀5控制驱动腔13内液压油泄压回流，液压油由油孔流出进入低压泄油管路，此时驱动腔13内液压油压力下降，排气阀杆16在复位装置15驱动下上行，直至排气阀完全关闭。
大气压力为标准压力P0，排气阀最大升程为H，在排气阀处于未开启状态时，缓冲活塞7位于其滑动范围的最高点，此时缓冲腔10的高度可设置为0.04H到0.1H之间，此时缓冲腔10内空气为压缩状态，其压力与外界标准压力之间的相对压力为0.5MPa到1MPa之间的正压，当排气阀开启时，如图2所示，电磁阀5控制高压油管中的液压油进入驱动腔13内，此时驱动腔13内液压油压力升高，推动驱动活塞14下行，此时由于缓冲腔内空气的压力与外界标准压力之间的相对压力为正压，所以缓冲腔10内空气对缓冲活塞7有向下的推力，在排气阀开启的初期，缓冲活塞7与驱动活塞14一同带动排气阀杆16下行，此时缓冲装置提高了排气阀开启时的响应速度。随着缓冲活塞7下行，缓冲腔10容积增大，缓冲腔10内空气的压力与外界标准压力之间的相对压力逐渐下降至负压，此后缓冲腔10内的真空度逐渐增大，缓冲腔10内的空气使缓冲活塞7继续下行的阻力增大，直至排气阀完全开启，此时缓冲装置降低了排气阀在开启过程末期各零件所受到的冲击力，起到了缓冲的效果。当排气阀关闭时，电磁阀5控制驱动腔13内液压油泄压回流，液压油由油孔流出进入低压泄油管路，此时驱动腔13内液压油压力下降，排气阀杆16在复位装置15驱动下上行，此时缓冲腔10内空气的压力与外界标准压力之间的相对压力为-0.05MPa到-0.07MPa之间的负压，所以缓冲腔10内的空气对缓冲活塞7有向上的拉力，在排气阀关闭的初期，缓冲活塞7与复位装置15一同带动排气阀杆16上行，此时缓冲装置提高了排气阀关闭时的响应速度。随着缓冲活塞7上行，缓冲腔10容积减小，缓冲腔10内空气的压力与外界标准压力之间的相对压力逐渐上升至正压，此后缓冲腔10内空气压力逐渐增大，缓冲腔10内的空气使缓冲活塞7继续上行的阻力增大，直至排气阀完全关闭，此时缓冲装置降低了排气阀在关闭过程末期的冲击力，起到了缓冲的效果。
在缓冲腔盖8和排气阀壳体2之间设置有垫片11，通过改变垫片11的厚度，可以对缓冲腔10的容积进行控制，进而可以实现对于缓冲腔10内空气最大压缩压力以及最大真空度的调整，可用于对排气阀运行一段时间后出现的热膨胀、磨损以及积碳等因素导致的排气阀运行阻力增大的问题进行补偿。
在缓冲腔盖8中心处安装有压力传感器9，在排气阀运行过程中压力传感器采集缓冲腔10内空气的压力变化情况并将得到的压力信号传输至计算机，计算机将压力信号与柴油机曲轴转角信号关联，取360°曲轴转角为一个循环，对每个循环缓冲腔10内空气压力的变化情况与上一循环缓冲腔10内空气压力的变化情况进行对比，提取每一循环缓冲腔10内的空气压力第一次变化至标准压力P0时的曲轴转角数值，计算其与上一循环该数值之间的差值，并对该差值进行累加，当计算得到累加值即为排气阀运行相位与设定值之间的偏离值，其增大表示船用二冲程排气阀受到热膨胀、磨损以及积碳等因素的影响，排气阀运行阻力增大。当该累加值的绝对值大于10°曲轴转角时，计算机发出警报，提示需要对垫片11厚度进行调整或对排气阀进行维修，将排气阀运行相位恢复到设定的最佳值。
将大气压力设置为标准压力P0，排气阀最大升程为H，在排气阀处于未开启状态时，缓冲活塞7位于其滑动范围的最高点，此时缓冲腔10的高度可设置为0.04H到0.1H之间，此时缓冲腔10内空气为压缩状态，其压力与外界标准压力之间的相对压力为0.5MPa到1MPa之间的正压，在排气阀开启的初期，缓冲活塞7随排气阀杆16和驱动活塞14下行，此时由于缓冲腔10内空气压力为正压，所以缓冲腔10内空气对缓冲活塞7做正功，推动其下行，提高了排气阀开启时的响应速度。而随着缓冲活塞7的不断下行，缓冲腔10容积不断增大，当缓冲活塞7下降了0.35H时，缓冲腔10内空气的压力逐渐下降至标准压力P0，随着缓冲活塞7继续下降，缓冲腔10内空气的压力继续降低此时缓冲腔10内的压力继续下降，缓冲腔10内的空气对缓冲活塞7做负功，缓冲活塞7继续下行的阻力增大，减小了排气阀在开启过程末期的冲击力，起到了缓冲的效果。与排气阀开启过程相同，在排气阀关闭的初期，此时缓冲活塞7位于其滑动范围的最低点，此时缓冲腔10内压力达到最低值，缓冲腔10内空气的压力与外界标准压力之间的相对压力为-0.05MPa到-0.07MPa之间的负压，此时缓冲腔10内空气对上行的缓冲活塞7做正功，牵引缓冲活塞7上行，提高了排气阀关闭时响应速度。随着缓冲活塞7的上行，缓冲腔10容积下降，缓冲腔10内空气的压力与外界标准压力之间的相对压力由负压转变为正压，且压缩压力逐渐增大，缓冲腔10内的空气对缓冲活塞7做负功，缓冲活塞7上行阻力增大减小了排气阀在关闭过程末期的冲击力，起到了缓冲的效果。
本发明对船用二冲程柴油机排气阀进行了设计，在排气阀上部设置了可调缓冲装置，通过构建缓冲腔并利用其内部空气在排气阀开启和关闭过程中压力的变化规律，提高了排气阀开启和关闭过程初期的响应速度，并在排气阀开启和关闭的末期提供了缓冲作用。在提高排气阀响应速度，改善柴油机的换气质量，提高柴油机的动力性和经济性的同时降低了排气阀上各部件所承受的冲击力，提高了排气阀的使用寿命，降低了排气阀的故障率和维护成本。同时，本发明在缓冲腔盖上设置有压力传感器用以对缓冲腔内的空气的压力变化情况进行采集，通过对于缓冲腔内压力变化信号的处理提取排气阀实际运行过程的相位信息，从而实现对于排气阀运行情况的监测以及异常运行情况的报警，并且采用采集缓冲腔内空气压力信号的方式，避免了信号采集与排气阀运行之间的互相干扰，方便了传感器的布置，降低了对排气阀运行情况监测的难度，提高了检测信号的准确度。此外，本发明将缓冲腔设计为容积可变的形式，通过对垫片厚度的改变，可以实现对缓冲腔容积的调整，进而实现对缓冲腔内空气最大压缩压力以及最大真空度的调整，最终达到对缓冲装置作用强度的调整，使其能够应对排气阀工作过程中由于磨损、积碳等因素导致的排气阀运动阻力升高的问题，降低了维护的成本和难度，降低了对工作人员的要求。并且本发明中纯机械结构的可调缓冲装置，使排气阀抵抗外界干扰能力更强，运行过程更加安全有效，为柴油机的正常稳定运行提供了更好地保障。
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