DE102004063941B4 - Ventildrehvorrichtung für Auslaßventile, insbesondere von Schiffsdieselmotoren - Google Patents
Ventildrehvorrichtung für Auslaßventile, insbesondere von Schiffsdieselmotoren Download PDFInfo
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Abstract
Description
- 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 Zylinderabschnitts und in eine zur Zylinderachse schräg verlaufende 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 Ventildreheirrichtung 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 des Patentanspruchs 1 gelöst.
- Die erfindungsgemäße Ventildrehvorrichtung ist grundsätzlich für alle langsam laufende 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 mittels 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.
- Durch die erfindungsgemäße Lösung, welche die Verbindung bzw. die Kraftübertragung zwischen dem Drehzylinder und dem Schaft der Ventilspindel betrifft, ist die gewünschte hohe Beschleunigung der Ventilspindel realisierbar, welche sich dabei besonders ideal auf dem Ventilsitz einschleifen kann. Dieses Einschleifen wird noch begünstigt durch ein Weiterdrehen der Ventilspindel während des Schließens der Ventilöffnung infolge der Massenträgheit der Ventilspindel.
- Dabei ist der Drehzylinder über ein Axialkugellager mit dem Kolben des Druckluftzylinders axial unverschieblich, aber diesem gegenüber in einer von der Freilaufeinrichtung zugelassenen Drehrichtung drehbar gelagert.
- Vorteilhaft ist der Schaft der Ventilspindel mittels eines Klemmteils reibschlüssig in der Durchgangsbohrung verkeilt und das Klemmteil als Konushülse ausgebildet, welche durch einen Druckring axial gesichert ist, der mit der Nabe des Kolbens verschraubt ist. Als Klemmteil eignen sich konische Ringsegmente, bevorzugt aus Stahl nach SAE 1010, welche, wie in der US-Patentschrift 3938484 beschrieben, mit einer Innenwulst in eine entsprechende Ringnut des Schaftes der Ventilspindel eingreifen. Die Verpressung des Klemmteils mittels des Druckrings ist derart, daß der Schaft der Ventilspindel in Art einer Rutschkupplung bei einem bestimmten Dreh moment freigegeben wird, d.h. durchdrehen kann, bevor andere Bauteile der Ventildrehvorrichtung, z. B. auf Seiten der Freilaufeinrichtung zerstört würden.
- Schließlich ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß auf der Nabe des Kolbens des Druckluftzylinders eine Ratschenscheibe der Freilaufeinrichtung befestigt ist, in deren Umfangsverzahnung mehrere über den Umfang verteilte, in Vertiefungen des Drehzylinders gelagerte Ratschenelemente eingreifen, wo sie jeweils federbelastet abgestützt sind. Zweckmäßig dient ein ringförmiger Vorsprung des Ratschenrings gleichzeitig der axialen Abstützung des Axiallagers, welches bevorzugt aus einem doppelten Rillenkugellager besteht. Dadurch, daß die Ratschenscheibe zwischen Druckring und Nabe angeordnet ist, besteht die Möglichkeit der Schraubenbefestigung des Druckrings durch Bohrungen der Ratschenscheibe hindurch in der Nabe des Kolbens.
- 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 Freilaufeinrichtung 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 Ratschenele mente 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 Wärme übergang 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 gemäß1 in vergrößerter Darstellung, -
4 einen Schnitt gemäß IV-IV der1 , ebenfalls in vergrößerter Darstellung, -
5 eine aufgeschnittene räumliche Darstellung des Kolbens des Druckluftzylinders und -
6 einen Schnitt gemäß VI-VI der5 . -
1 zeigt das Ventilgehäuse eines Zweitaktdieselmotors für einen Schiffsantrieb mit darin eingebauter Ventilspindel1 in ihrer Schließstellung. Auf einem Ventilgehäuse2 , in welchem der Schaft3 der Ventilspindel1 innerhalb einer Lagerbuchse4 drehbar gelagert ist, sitzt ein Druckluftzylinder5 und auf diesem ein Hydraulikzylinder6 . Letzterer ist in derselben Schnittdarstellung in2 gesondert dargestellt. Auf der Unterseite des Ventilgehäuses2 ist in dieses ein gehäuseseitiger Ventilsitzring7 eingesetzt und dort mittels Schrauben8 befestigt. Der Ventilsitzring7 bildet mit seinem offenen Ende die gehäuseseitige Ventilsitzfläche, welche durch einen vorbehandelten, z. B. gehärteten oder als Härtelegierung aufgeschweißten Materialabschnitt9 gebildet wird und welche mit einer entsprechenden Ventilsitzfläche10 (Ventilkegelsitz) auf der Oberseite des Ventiltellers11 zusammenwirkt. - In einer Eindrehung
12 des Hydraulikzylinders6 ist ein Stützzylinder13 durch Einschrumpfen mit seiner äußeren Umfangsfläche befestigt. Der Stützzylinder13 besitzt an seiner inneren Umfangsfläche eine Schrägverzahnung14 , mit welcher ein Drehzylinder15 in Eingriff steht, der an seiner äußeren Umfangsfläche eine der Innenverzahnung14 des Stützzylinders13 entsprechende Außenverzahnung16 aufweist. Der Drehzylinder15 , welcher in5 vergrößert dargestellt ist, ist drehbar aufgenommen in einer Ausdrehung17 des Druckluftkolbens18 , welcher innerhalb des Druckluftzylinders5 dichtend und axial verschieblich aufgenommen ist. Der Druckluftkolben18 trennt die Druckluftseite mit dem Zylinderraum19 für das Druckluftkissen von einer Abströmkammer20 für das Hydrauliköl, welches gleichzeitig als Schmieröl dient. - Im oberen Teil des Zylinderraums des Hydraulikzylinders
6 ist im oberen Umkehrpunkt ein Hydraulikkolben21 gezeichnet, welcher über eine Öldruckleitung22 mit Hydrauliköl beaufschlagt wird. Wie man in2 erkennt, ist der Hub des Hydraulikkolbens21 in Richtung der Öffnungsbewegung der Ventilspindel1 begrenzt durch die Abströmkanäle23 , welche in die Abströmkammer20 für das Hydrauliköl münden. - Der Hydraulikkolben
21 übergreift glockenförmig das obere Ende24 des Ventilschafts3 um diesen bei Öldrücken bis zu 170 bar nach unten in Öffnungsrichtung der Ventilspindel zu bewegen. Dagegen wirkt der Druckluft kolben18 , der ebenfalls mit der Ventilspindel fest und dichtend verbunden ist, wie noch in Zusammenhang mit den3 und5 weiter unten näher beschrieben wird. Der Zylinderraum19 des Druckluftzylinders5 ist mit der Druckluftversorgung des Betriebssystems mit 5–7 bar verbunden, die zum Schließen der Ventilspindel zur Verfügung stehen. Durch das Druckluftkissen im Zylinderraum19 wird die Ventilspindel1 wieder in die Schließstellung zurückbewegt, sobald diese den unteren (nicht dargestellten) Totpunkt bei maximaler Öffnungsstellung erreicht hat und der Öldruck im Hydraulikzylinder6 entsprechend entspannt ist. Das Drucköl wird bei seinem Abströmen gezwungen, aus den Abströmleitungen23 über einen Innenbereich25 der Abströmkammer20 und durch diverse Bohrungen und Ringräume, wie weiter unten in Zusammenhang mit3 näher beschrieben wird, in einen Außenbereich26 der Abströmkammer20 des Hydraulikzylinders6 zu strömen und von dort über einen Ringraum27 zwischen Hydraulikzylinder6 und Druckluftzylinder5 und weiter durch Radialbohrungen28 im Hydraulikzylinder6 zurück in den Ölbehälter. -
3 zeigt in vergrößerter Darstellung das Detail III der1 . Man erkennt den Hydraulikzylinder6 mit dem darin befestigten Stützzylinder13 , mit dessen Innenverzahnung14 eine Außenverzahnung16 des Drehzylinders15 im Eingriff steht. Die Außenverzahnung16 ist in axialer Richtung wesentlich kürzer ausgebildet als die Innenverzahnung des Stützzylinders13 . Auf diese Weise bleiben die beiden Zylinder während des Öffnungshubs der Ventilspindel1 ständig miteinander in Eingriff. Durch das abströmende Hydrauliköl wird die Schrägverzahnung14 ,16 hinreichend geschmiert; zusätzlich kann zur Schmierung der Gewindeverbindung noch ei ne umlaufende Schmiernut29 vorgesehen sein, welche über Radialbohrungen30 durch den Stützzylinder13 hindurch mit dessen Innenverzahnung14 verbunden ist. Die Schmiernut29 wird über einen Ölanschluß31 mit Schmieröl versorgt. Für die Gewindeverbindung genügt eine Mindesteingriffslänge, so daß die Außenverzahnung16 des Drehzylinders15 nur etwa die Hälfte bis ein Drittel der axialen Länge der Innenverzahnung14 des Stützzylinders13 besitzt. Neben der damit verbundenen Kosteneinsparung ergibt sich ein größerer Querschnitt für das im Ringspalt33 zwischen den beiden Zylindern abströmende Hydrauliköl, welches über Radialbohrungen32 des Drehzylinders15 aus dem Innenbereich25 der Abströmkammer20 ausströmt um danach über den Ringspalt33 zwischen den beiden Zylindern nach unten über die Ausdrehung17 des Druckluftkolbens18 und wiederum nach oben durch einen Ringraum34 zwischen der Außenwand der Ausdrehung17 und dem Außenumfang des Stützzylinders13 in den Außenraum26 der Abströmkammer20 des Hydraulikzylinders6 zu strömen. Aus diesem Außenbereich26 strömt das Hydrauliköl dann über einen Ringraum27 zwischen dem Außenumfang des Druckluftzylinders5 und dem Innenumfang des Hydraulikzylinders6 durch Auslaßbohrungen28 in der Zylinderwand des Hydraulikzylinders6 nach außen. - Die Abstützung des Drehzylinders
15 innerhalb der Ausdrehung17 des Druckluftkolbens18 wird übernommen von einem Axiallager, welches aus einem Axialkugellager35 besteht. Seiner axialen Abstützung dient ferner ein unterer Stützring36 , welcher in eine entsprechende Nut an der Innenseite des Drehzylinders15 einfedert, sowie ein Kragen37 einer Ratschenscheibe38 einer Freilaufeinrichtung. Die Ratschenscheibe38 ist auf einer Nabe39 des Luftdruckzylinders18 mittels Schrauben40 befestigt. - Gemäß
4 erkennt man die Ratschenscheibe38 , welche nach oben hin überdeckt ist von einem Druckring44 , der mittels Schrauben45 ebenfalls auf der Nabe39 des Druckluftzylinders18 aufgeschraubt ist. Dementsprechend besitzt die Ratschenscheibe38 Bohrungen46 , durch welche die Schrauben45 eingedreht sind. In der Darstellung gemäß6 sind diese Bohrungen46 zum Hindurchstecken der Schrauben45 in der Ratschenscheibe38 gezeichnet. Die dort noch vorhandenen Schrauben40 dienen der Befestigung der Ratschenscheibe38 . - In
6 , welche einen Schnitt gemäß VI-VI der5 zeigt, erkennt man im Horizontalschnitt den Drehzylinder15 , in welchem über den Umfang verteilt sechs Ratschenelemente41 gelagert sind. Jedes dieser Ratschenelemente41 wird mit seiner Sperrklinke von einem mit einer Ratschenfeder42 belasteten Druckstempel43 in der Sperrstellung gehalten. Diese Sperrstellung verhindert eine Verdrehung der Ratschenscheibe38 gegenüber dem Drehzylinder15 in einer Drehrichtung gemäß Pfeil P1. Jedoch ist gegen die Federwirkung der Druckstempel43 eine Verdrehung der Ratschenscheibe38 gegenüber dem Drehzylinder15 in einer entgegengesetzten Drehrichtung gemäß Pfeil P2 möglich. In einem solchen Fall gleiten die Klinken der Ratschenelemente41 über die Zähne der Ratschenscheibe38 hinweg. - Die vergrößerte Schnittdarstellung gemäß
5 dient zur Verdeutlichung der Anordnung des Drehzylinders15 innerhalb der Ausdrehung17 des Druckluftkolbens18 . In dieser Darstellung ist der Stützzylinder13 weggelas sen. Man erkennt besonders deutlich die Mittelbohrung im Druckluftzylinder18 , welche nach oben hin konisch endet. Zwischen dieser konusförmigen Erweiterung47 der Aufnahmebohrung für den Schaft3 der Ventilspindel1 und dem Außenumfang des Schafts3 ist ein in3 deutlich erkennbares Klemmteil in Form einer Konushülse48 eingekeilt, welche durch den Druckring44 axial gesichert ist. Die Konushülse48 besitzt auf ihrer Innenseite nahe ihrem oberen Rand eine nach innen vorspringende Wulst49 , welche in eine entsprechende Ringnut50 des Schaftes3 der Ventilspindel1 eingreift. - Wenn die Ventilspindel
1 durch Zufuhr von Drucköl über die Öldruckleitung22 aus der in1 gezeigten Schließstellung nach unten in Richtung Ventilöffnung bewegt wird, in dem der Hydraulikkolben21 auf das obere Ende24 des Ventilschafts3 eine entsprechende Kraft ausübt, bewirkt diese axiale Hubbewegung eine entsprechende axiale Verstellung des Drehzylinders15 , der sich mit Abstützung gegenüber dem Stützzylinder13 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 Druckluftkolben18 nach oben bewegt, so daß die Ventilspindel1 in Richtung Schließstellung angehoben wird, so bewirkt die Schrägverzahnung zwischen den beiden Zylindern eine entgegen der Drehrichtung gemäß Pfeil P3 gerichtete Drehung des Drehzylinders15 . Dies hat zur Folge, daß die Freilaufeinrichtung sperrt, d. h. die mit dem Drehzylinder15 mitbewegten Ratschenelemente41 nehmen die Ratschenscheibe38 mit, so daß sie sich in Richtung des Pfeils P4 (4 ) dreht, wobei über die Konushülse48 die Ventilspindel1 entsprechend mitgedreht wird. Diese Drehung der Ventilspindel1 bewirkt im Moment des Erreichens des Ventilsitzes ein Einschleifen des Ventiltellers11 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 Ventilteller11 und dem gehäuseseitigen Ventilsitzring verbessert wird. Die in4 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 Pfeil5 weiter dreht, wenn der Drehzylinder15 bereits stillsteht.
Claims (4)
- Ventildrehvorrichtung für Auslaßventile, insbesondere von Schiffsdieselmotoren, welche in einem Ventilgehäuse für die Ventilspindel (
1 ) zwischen einem oberen und einem unteren Antriebselement abgestützt ist, wobei sie mit dem unteren Antriebselement über eine Freilaufeinrichtung verbunden ist, die eine Drehung der Ventilspindel (1 ) während deren Schließbewegung überträgt und wobei sie gegenüber dem oberen Antriebselement über einen Drehzylinder (15 ) abgestützt ist, der im Eingriff mit einem feststehenden Stützzylinder (13 ) die Drehung der Ventilspindel (1 ) bewirkt, und wobei das obere Antriebselement durch einen Hydraulikzylinder (6 ) zum Steuern des Öffnungshubs des Ventils und das untere Antriebselement durch den Kolben (18 ) eines Druckluftzylinders (5 ) zum Steuern der Schließbewegung des Ventils gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzylinder (15 ) mit seinem Innenumfang über ein Axiallager (35 ) innerhalb einer zylindrischen Ausdrehung (17 ) des Kolbens (18 ) des Druckluftzylinders (5 ) gelagert ist und daß der Schaft (3 ) der Ventilspindel (1 ) in einer zentralen Durchgangsbohrung einer Nabe (39 ) des Kolbens (18 ) reibschlüssig aufgenommen ist. - Ventildrehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft der Ventilspindel (
1 ) mittels eines Klemmteils reibschlüssig in der Durchgangsbohrung verkeilt ist, und daß das Klemmteil als Konushülse (48 ) ausgebildet ist, welche durch einen Druckring (44 ) axial gesi chert ist, der mit der Nabe (39 ) des Kolbens (18 ) verschraubt ist. - Ventildrehvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Nabe (
39 ) des Kolbens (18 ) eine Ratschenscheibe (38 ) der Freilaufeinrichtung befestigt ist, in deren Umfangsverzahnung mehrere über den Umfang verteilt in Vertiefungen des Drehzylinders (15 ) gelagerte Ratschenelemente (41 ) eingreifen, wo sie jeweils federbelastet abgestützt sind. - Ventildrehvorrichtung nach Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ratschenscheibe (
38 ) zwischen Druckring (44 ) und Nabe (39 ) angeordnet ist.
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