-
Die
Erfindung betrifft eine Ventildrehvorrichtung für Auslaßventile, insbesondere von
Schiffsdieselmotoren gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
-
Eine
derartige Ventildrehvorrichtung ist in der deutschen Patentschrift
DE 3113944 C2 beschrieben.
Die bekannte Vorrichtung umfaßt
zwei konzentrisch zueinander angeordnete Zylinderabschnitte zwischen
denen Kugeln derart drehbeweglich geführt sind, daß sie jeweils
in eine Kugelschale des einen Zylindexabschnitts und in eine zur
Zylinderachse schräg
verlaufenden Kugelrille des anderen Zylinderabschnitts eingreifen.
Eine gleichmäßigere Kräfteverteilung
zwischen den beiden Zylinderabschnitten erreicht man dadurch, daß mehrere
Kugelschalen bzw. Kugelrillen über
den Umfang der beiden Zylinderabschnitte verteilt vorgesehen sind.
Bevorzugt verlaufen die Kugelrillen spiralförmig mit konstanter Steigung.
-
Bei
dieser bekannten Ventildreheinrichtung wird ein Zylinderabschnitt
dadurch gedreht, daß die in
der Kugelschale geführte
Kugel in der Kugelrille des anderen Zylinderabschnitts abläuft, wobei
einer der Zylinderabschnitte durch die Freilaufeinrichtung gesperrt
ist. Beim Schließen
der Ventilspindel wird der beim Öffnen
gesperrte Zylinderabschnitt in Drehrichtung mitgenommen. Mit einem
frühen
Verschleiß der
Kugelführung
ist hierbei zu rechnen.
-
Ähnlich liegen
die Verhältnisse
bei einer aus
DE 2739403
A1 bekannten Ventildrehvorrichtung bei welcher die Drehung
des Ventilschafts mittels einer Kulissenführung bewirkt wird, die elastisch
beansprucht wird und daher bruchgefährdet ist.
-
Bei
einer mit
DE 10315493
A1 nachveröffentlichten
Ventildrehvorrichtung der eingangs genannten Art wird die Drehung
des Ventilschafts bei dessen Axialbewegung mittels ineinandergreifender Schrägverzahnungen
erzeugt.
-
Demgegenüber liegt
der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine besonders
hochbelastbare, mit hoher Beschleunigung ansprechende, dauerhafte
Ventildrehvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen.
-
Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen das Patentanspruches 1 gelöst.
-
Die
erfindungsgemäße Ventildrehvorrichtung ist
grundsätzlich
für alle
langsam laufenden Schiffsmotoren geeignet, besonders jedoch für Zweitaktmotoren,
bei welchen das obere Antriebselement durch einen Hydraulikzylinder
zum Steuern des Öffnungshubs
des Ventils und das untere Antriebselement durch den Kolben eines
Druckluftzylinders zum Steuern der Schließbewegung des Ventils gebildet
sind.
-
Bei
modernen Schiffsmotoren sind die Federteller früherer Bauart, zwischen denen
die Ventildrehvorrichtung abgestützt
war ersetzt durch einen Hydraulikzylinder, der das obere Ende des
Ventilgehäuses
bildet, und dessen Ölkolben
die Ventilspindel in Richtung ihrer Öffnung bewegt, so daß sie vom Ventilsitz
abhebt, sowie durch einen in der Gegenrichtung wirksamen Druckluftzylinder,
der die Ventilspindel nach der Kompression mit tels seines Druckluftkolbens
wieder in die Schließstellung
bewegt. Hierfür
genügt
ein Luftdruck von ca. 7 bar, während der
auf den Ölkolben
einwirkende Öldruck
bis zu 170 bar beträgt.
-
Gemäß dem Erfindungsvorschlag
weist der Stützzylinder
eine Innenschrägverzahnung
auf, welche in axialer Richtung wenigstens der Länge des Öffnungshubs des Ventils zuzüglich der
Mindesteingriffslänge
der beiden Zylinder entspricht. Dementsprechend besitzt der Drehzylinder
eine Außenschrägverzahnung,
welche in axialer Richtung wenigstens der Mindesteingriffslänge der
beiden Zylinder entspricht. Für
die Schrägverzahnung
sind geeignete Verzahnungsdaten, z. B. eine Zahnhöhe von 3 bis
5 mm, bei einer Steigung von weniger als 45°.
-
Dadurch
daß der
Stützzylinder
bevorzugt eine über
seine gesamte Länge
durchgehende Schrägverzahnung
aufweist, während
der Drehzylinder eine Außenschrägverzahnung
aufweist, die sich nur über
etwa ein Drittel seiner Länge
von seinem in der Einbaulage oberen Ende nach unten erstreckt, ergeben
sich niedrigere Herstellungskosten für den Drehzylinder; außerdem ist
der verbleibende Ringspalt zwischen den beiden Zylindern für die Ölschmierung
besser nutzbar.
-
Insgesamt
ist ein derartiger Verzahnungseingriff bei einer Ventildrehvorrichtung
hoch belastbar, d. h. er eignet sich auch für besonders große und schwere
Ventile bei hoher Standzeit und geringer Störanfälligkeit.
-
Zweckmäßig ist
der Stützzylinder
durch Einschrumpfen mit seinem Außenumfang in einem entsprechenden
Sitz des Hydraulikzylinders befestigt. Im Bereich seiner Befe stigung
kann vorteilhaft an der Außenseite
des Stützzylinders
eine ringförmige Schmiernut
vorgesehen sein, welche über
radiale Bohrungen die Verzahnung mit Schmieröl versorgt. Durch eine derart
effektive Schmiermittelversorgung ist eine besonders lange Standzeit
der erfindungsgemäßen Ventildrehvorrichtung
gewährleistet.
-
Die
erfindungsgemäße Ventildrehvorrichtung ist
zwischen einem oberen und einem unteren Antriebselement angeordnet,
wobei beide Antriebselemente, nämlich
der Hydraulikzylinder und der Druckluftzylinder über ihre jeweiligen Kolben
auf den Schaft der Ventilspindel einwirken. Durch deren Axialbewegung
ergibt sich die Verdrehung des Drehzylinders, entsprechend der Schrägverzahnung
beider Zylinder. Durch den Öffnungshub
der Ventilspindel ergibt sich bei geradliniger Spindelbewegung eine Drehbewegung
des Drehzylinders in einem von der Feilaufeinrichtung freigegebenen
Drehsinn. Durch die Schließbewegung
der Ventilspindel bei drucklosem Hydraulikzylinder ergibt sich unter
der Wirkung des Druckluftkissens eine Drehung des Drehzylinders
mit entgegengesetztem Drehsinn, das heißt, die Ratschenelemente der
Freilaufeinrichtung treiben die Ratschenscheibe an, über welche
die Drehbewegung auf die Ventilspindel übertragen wird. Diese Drehbewegung
der Ventilspindel wird genutzt zum Einschleifen des Ventiltellers
auf dem gehäuseseitigen
Ventilsitz im Moment des Aufeinandertreffens der beiderseitigen
Sitzflächen.
Die Schleifbewegung endet mit zunehmendem Druck bei Erreichen des
Sitzes, wobei eine kurze Nachlaufphase entsprechend dem Massendrehmoment
der Ventilspindel möglich ist,
indem die Freilaufeinrichtung ein Durchdrehen der Ratschenscheibe
ermöglicht.
-
Die
erfindungsgemäße Ventildrehvorrichtung eignet
sich nicht nur für
den Einbau an neuen Motoren; sie ist auch für den nachträglichen
Einbau in das jeweilige Ventilgehäuse geeignet indem der Hydraulikzylinder
bearbeitet, insbesondere mit dem Stützzylinder versehen wird und
indem der Druckluftzylinder einen neuen Kolben erhält auf welchem
die übrigen Teile
der Ventildrehvorrichtung aufgebaut sind.
-
Mit
der erfindungsgemäßen Ventildrehvorrichtung
gelingt es, die Standzeit der Ventilspindeln zwischen zwei Überholungen
erheblich zu verlängern,
beispielsweise für
Zweitaktmotoren von bislang 6.000 Stunden auf etwa 18.000 Stunden.
Dies wird bewirkt durch die mittels der erfindungsgemäßen Ventildrehvorrichtung
erzielbare hohe Drehenergie beim Einschleifen des Ventiltellers
auf dem gehäuseseitigen
Ventilsitz, wobei eine definierte Rotationsenergie im Augenblick
des Erreichens der Sitzposition zur Wirkung kommt. Dadurch wird
der gewünschte Poliereffekt
erzielt, durch welchen Ablagerungen im Bereich der Ventilsitzflächen beseitigt
werden, verbunden mit dem Vorteil, daß dadurch ein verbesserter
Wärmeübergang
zwischen den metallisch blanken Ventilsitzflächen zustande kommt, der vorteilhaft eine
niedrigere Temperatur im Bereich des Ventilkegelsitzes zur Folge
hat.
-
Im
folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnung erläutert, es zeigt
-
1 eine
aufgeschnittene räumliche
Darstellung eines Ventilgehäuses,
-
2 das
Oberteil des Ventilgehäuses
mit aufgeschnittenem Hydraulikzylinder,
-
3 das
Detail III gemäß 1 in
vergrößerter Darstellung,
-
4 einen
Schnitt gemäß IV-IV
der 1, ebenfalls in vergrößerter Darstellung,
-
5 eine
aufgeschnittene räumliche
Darstellung des Kolbens des Druckluftzylinders und
-
6 einen
Schnitt gemäß VI-VI
der 5.
-
1 zeigt
das Ventilgehäuse
eines Zweitaktdieselmotors für
einen Schiffsantrieb mit darin eingebauter Ventilspindel 1 in
ihrer Schließstellung. Auf
einem Ventilgehäuse 2,
in welchem der Schaft 3 der Ventilspindel 1 innerhalb
einer Lagerbuchse 4 drehbar gelagert ist, sitzt ein Druckluftzylinder 5 und auf
diesem ein Hydraulikzylinder 6. Letzterer ist in derselben
Schnittdarstellung in 2 gesondert dargestellt. Auf
der Unterseite des Ventilgehäuses 2 ist in
dieses ein gehäuseseitiger
Ventilsitzring 7 eingesetzt und dort mittels Schrauben 8 befestigt.
Der Ventilsitzring 7 bildet mit seinem offenen Ende die
gehäuseseitige
Ventilsitzfläche,
welche durch einen vorbehandelten, z. B. gehärteten oder als Härtelegierung aufgeschweißten Materialabschnitt 9 gebildet
wird und welche mit einer entsprechenden Ventilsitzfläche 10 (Ventilkegelsitz)
auf der Oberseite des Ventiltellers 11 zusammenwirkt.
-
In
einer Eindrehung 12 des Hydraulikzylinders 6 ist
ein Stützzylinder 13 durch
Einschrumpfen mit seiner äußeren Umfangsfläche befestigt.
Der Stützzylinder 13 besitzt
an seiner inneren Umfangsfläche
eine Schrägverzahnung 14,
mit welcher ein Drehzylinder 15 in Eingriff steht, der
an seiner äußeren Umfangsfläche eine
der Innenverzahnung 14 des Stützzylinders 13 entsprechende
Außenverzahnung 16 aufweist.
Der Drehzylinder 15, welcher in 5 vergrößert dargestellt
ist, ist drehbar aufgenommen in einer Ausdrehung 17 des
Druckluftkolbens 18, welcher innerhalb des Druckluftzylinders 5 dichtend
und axial verschieblich aufgenommen ist. Der Druckluftkolben 18 trennt
die Druckluftseite mit dem Zylinderraum 19 für das Druckluftkissen
von einer Abströmkammer 20 für das Hydrauliköl, welches
gleichzeitig als Schmieröl
dient.
-
Im
oberen Teil des Zylinderraums des Hydraulikzylinders 6 ist
im oberen Umkehrpunkt ein Hydraulikkolben 21 gezeichnet,
welcher über
eine Öldruckleitung 22 mit
Hydrauliköl
beaufschlagt wird. Wie man in 2 erkennt,
ist der Hub des Hydraulikkolbens 21 in Richtung der Öffnungsbewegung
der Ventilspindel 1 begrenzt durch die Abströmkanäle 23, welche
in die Abströmkammer 20 für das Hydrauliköl münden.
-
Der
Hydraulikkolben 21 übergreift
glockenförmig
das obere Ende 24 des Ventilschafts 3 um diesen
bei Öldrücken bis
zu 170 bar nach unten in Öffnungsrichtung
der Ventilspindel zu bewegen. Dagegen wirkt der Druckluftkolben 18,
der ebenfalls mit der Ventilspindel fest und dichtend verbunden
ist, wie noch in Zusammenhang mit den 3 und 5 weiter
unten näher
beschrieben wird. Der Zylinderraum 19 des Druckluftzylinders 5 ist
mit der Druckluftversorgung des Betriebssystems mit 5 – 7 bar
verbunden, die zum Schließen
der Ventilspindel zur Verfügung
stehen. Durch das Druckluftkissen im Zylinderraum 19 wird
die Ventilspindel 1 wieder in die Schließstellung
zurückbewegt,
sobald diese den unteren (nicht dargestellten) Totpunkt bei maximaler Öffnungsstellung
erreicht hat und der Öldruck
im Hydraulikzylinder 6 entsprechend entspannt ist. Das Drucköl wird bei
seinem Abströmen
gezwungen, aus den Abströmleitungen 23 über einen
Innenbereich 25 der Abströmkammer 20 und durch
diverse Bohrungen und Ringräume,
wie weiter unten in Zusammenhang mit 3 näher beschrieben
wird, in einen Außenbereich 26 der
Abströmkammer 20 des
Hydraulikzylinders 6 zu strömen und von dort über einen Ringraum 27 zwischen
Hydraulikzylinder 6 und Druckluftzylinder 5 und
weiter durch Radialbohrungen 28 im Hydraulikzylinder 6 zurück in den Ölbehälter.
-
3 zeigt
in vergrößerter Darstellung
das Detail III der 1. Man erkennt den Hydraulikzylinder 6 mit
dem darin befestigten Stützzylinder 13,
mit dessen Innenverzahnung 14 eine Außenverzahnung 16 des
Drehzylinders 15 im Eingriff steht. Die Außenverzahnung 16 ist
in axialer Richtung wesentlich kürzer
ausgebildet als die Innenverzahnung des Stützzylinders 13. Auf
diese Weise bleiben die beiden Zylinder während des Öffnungshubs der Ventilspindel 1 ständig miteinander
in Eingriff. Durch das abströmende
Hydrauliköl
wird die Schrägverzahnung 14, 16 hinreichend
geschmiert; zusätzlich
kann zur Schmierung der Gewindeverbindung noch eine umlaufende Schmiernut 29 vorgesehen
sein, welche über
Radialbohrungen 30 durch den Stützzylinder 13 hindurch mit
dessen Innenverzahnung 14 verbunden ist. Die Schmiernut 29 wird über einen Ölanschluß 31 mit Schmieröl versorgt.
Für die
Gewindeverbindung genügt
eine Mindesteingriffslänge,
so daß die
Außenverzahnung 16 des
Drehzylinders 15 nur etwa die Hälfte bis ein Drittel der axialen
Länge der
Innenverzahnung 14 des Stützzylinders 13 besitzt.
Neben der damit verbundenen Kosteneinsparung ergibt sich ein größerer Querschnitt
für das
im Ringspalt 33 zwischen den beiden Zylindern abströmende Hydrauliköl, welches über Radialbohrungen 32 des
Drehzylinders 15 aus dem Innenbereich 25 der Abströmkammer 20 ausströmt um danach über den
Ringspalt 33 zwischen den beiden Zylindern nach unten über die
Ausdrehung 17 des Druckluftkolbens 18 und wiederum
nach oben durch einen Ringraum 34 zwischen der Außenwand
der Ausdrehung 17 und dem Außenumfang des Stützzylinders 13 in
den Außenraum 26 der
Abströmkammer 20 des
Hydraulikzylinders 6 zu strömen. Aus diesem Außenbereich 26 strömt das Hydrauliköl dann über einen
Ringraum 27 zwischen dem Außenumfang des Druckluftzylinders 5 und
dem Innenumfang des Hydraulikzylinders 6 durch Auslaßbohrungen 28 in
der Zylinderwand des Hydraulikzylinders 6 nach außen.
-
Die
Abstützung
des Drehzylinders 15 innerhalb der Ausdrehung 17 des
Druckluftkolbens 18 wird übernommen von einem Axiallager,
welches aus einem Axialkugellager 35 besteht. Seiner axialen
Abstützung
dient ferner ein unterer Stützring 36,
welcher in eine entsprechende Nut an der Innenseite des Drehzylinders 15 einfedert,
sowie ein Kragen 37 einer Ratschenscheibe 38 einer
Freilaufeinrichtung. Die Ratschenscheibe 38 ist auf einer
Nabe 39 des Luftdruckzylinders 18 mittels Schrauben 40 befestigt.
-
Gemäß 4 erkennt
man die Ratschenscheibe 38, welche nach oben hin überdeckt
ist von einem Druckring 44, der mittels Schrauben 45 ebenfalls
auf der Nabe 39 des Druckluftzylinders 18 aufgeschraubt
ist. Dementsprechend besitzt die Ratschenscheibe 38 Bohrungen 46,
durch welche die Schrauben 45 eingedreht sind. In der Darstellung
gemäß 6 sind
diese Bohrungen 46 zum Hindurchstecken der Schrauben 45 in
der Ratschenscheibe 38 gezeichnet. Die dort noch vorhandenen
Schrauben 40 dienen der Befestigung der Ratschenscheibe 38.
-
In 6,
welche einen Schnitt gemäß VI-VI der 5 zeigt,
erkennt man im Horizontalschnitt den Drehzylinder 15, in
welchem über
den Umfang verteilt sechs Ratschenelemente 41 gelagert
sind. Jedes dieser Ratschenelemente 41 wird mit seiner Sperrklinke
von einem mit einer Ratschenfeder 42 belasteten Druckstempel 43 in
der Sperrstellung gehalten. Diese Sperrstellung verhindert eine
Verdrehung der Ratschenscheibe 38 gegenüber dem Drehzylinder 15 in
einer Drehrichtung gemäß Pfeil
P1. Jedoch ist gegen die Federwirkung der Druckstempel 43 eine
Verdrehung der Ratschenscheibe 38 gegenüber dem Drehzylinder 15 in
einer entgegengesetzten Drehrichtung gemäß Pfeil P2 möglich. In
einem solchen Fall gleiten die Klinken der Ratschenelemente 41 über die
Zähne der
Ratschenscheibe 38 hinweg.
-
Die
vergrößerte Schnittdarstellung
gemäß 5 dient
zur Verdeutlichung der Anordnung des Drehzylinders 15 innerhalb
der Ausdrehung 17 des Druckluftkolbens 18. In
dieser Darstellung ist der Stützzylinder 13 weggelassen.
Man erkennt besonders deutlich die Mittelbohrung im Druckluftzylinder 18,
welche nach oben hin konisch endet. Zwischen dieser konusförmigen Erweiterung 47 der
Aufnahmebohrung für
den Schaft 3 der Ventilspindel 1 und dem Außenumfang
des Schafts 3 ist ein in 3 deutlich erkennbares
Klemmteil in Form einer Konushülse 48 eingekeilt,
welche durch den Druckring 44 axial gesichert ist. Die
Konushülse 48 besitzt
auf ihrer Innenseite nahe ihrem oberen Rand eine nach innen vorspringende
Wulst 49, welche in eine entsprechende Ringnut 50 des
Schaftes 3 der Ventilspindel 1 eingreift.
-
Wenn
die Ventilspindel 1 durch Zufuhr von Drucköl über die Öldruckleitung 22 aus
der in 1 gezeigten Schließstellung nach unten in Richtung Ventilöffnung bewegt
wird, in dem der Hydraulikkolben 21 auf das obere Ende 24 des
Ventilschafts 3 eine entsprechende Kraft ausübt, bewirkt
diese axiale Hubbewegung eine entsprechende axiale Verstellung des
Drehzylinders 15, der sich mit Abstützung gegenüber dem Stützzylinder 13 in Richtung
des Pfeils P3 (4) verdreht, während der
Ventilstößel geradlinig
nach unten bewegt wird, so daß der
Ventilsitz öffnet.
-
Wenn
umgekehrt nach dem Druckloswerden des Hydraulikzylinders das Druckkissen
im Zylinderraum 19 den Druckluftkolben 18 nach
oben bewegt, so daß die
Ventilspindel 1 in Richtung Schließstellung angehoben wird, so
bewirkt die Schrägverzahnung zwischen
den beiden Zylindern eine entgegen der Drehrichtung gemäß Pfeil
P3 gerichtete Drehung des Drehzylinders 15. Dies hat zur
Folge, daß die
Freilaufeinrichtung sperrt, d. h. die mit dem Drehzylinder 15 mitbewegten
Ratschenelemente 41 nehmen die Ratschenscheibe 38 mit,
so daß sie
sich in Richtung des Pfeils P4 (4) dreht,
wobei über
die Konushülse 48 die
Ventilspindel 1 entsprechend mitgedreht wird. Diese Drehung
der Ventilspindel 1 bewirkt im Moment des Erreichens des
Ventilsitzes ein Einschleifen des Ventiltellers 11 gegen
den gehäuseseitigen
Ventilsitz, wobei sich die Sitzflächen gegenseitig in erwünschter
Weise abschleifen. Die den Ventilsitz bildenden beiderseitigen Ventilsitzflächen werden
dabei glattpoliert, so daß ein
dichter Ventilsitz erreicht wird und außerdem der Wärmeaustausch
zwischen dem Ventilteller 11 und dem gehäuseseitigen Ventilsitzring verbessert
wird. Die in 4 gemäß Pfeil P5 angegebene Drehrichtung
des Ventiltellers während
des Einschleifens entspricht der Drehrichtung der Ratschenscheibe
gemäß Pfeil
P4. Infolge der Massenträgheit
der Ventilspindel besteht die Möglichkeit,
daß die
Ventilspindel bei gemäß Pfeil
P2 durchratschender Freilaufeinrichtung gemäß Pfeil 5 weiter dreht,
wenn der Drehzylinder 15 bereits stillsteht.