DE102013102660A1

DE102013102660A1 - Gaswechselventil für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102013102660A1
Application number: DE102013102660A
Authority: DE
Inventors: Poul Cenker; Jens Noerby Hansen
Original assignee: MAN Diesel and Turbo Filial af MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions Filial af MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-03-16
Also published as: DK177481B1; JP5536921B2; CN103362585A; JP2013204586A; DE102013102660B4; KR20130110036A; CN103362585B; KR101423628B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gaswechselventil (1) für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei das Gaswechselventil (1) eine Spindelbohrung (5), eine Ventilspindel (10), die in der Spindelbohrung (5) aufgenommen wird, eine Dämpfungskammer (81) und eine Ventilbetätigungskammer (60) mit veränderlichem Volumen, die in dem oberen Teil der Spindelbohrung (5) angeordnet ist, umfasst, wobei die Ventilspindel (10) ein oberes Ende (11), das mit Dämpfungsmitteln (32) versehen ist, die eingerichtet sind für ein Zusammenwirken mit der Dämpfungskammer (81), um eine Bewegung der Ventilspindel (10) während des Schließens des Auslassventils zu dämpfen, eine Längsachse (A) und ein Ausgleichselement (30), das an dem oberen Ende (11) bereitgestellt wird, wobei das Ausgleichselement (30) verschiebbar ist zwischen einer zusammengedrückten Stellung und einer ausgefahrenen Stellung entlang der Längsachse (A), und eine Feder (40), die das Ausgleichselement (30) hin zu der ausgefahrenen Stellung vorspannt, umfasst, wobei eine Ausgleichskammer (50) in dem oberen Teil der Spindel angeordnet ist, wobei die Ausgleichskammer (50) durch eine Öffnung (70), die durch eine obere Fläche (31) des Ausgleichselements (30) geformt ist, in dauerhafter Fluidverbindung mit der Ventilbetätigungskammer (60) mit veränderlichem Volumen steht, die in dem oberen Teil der Spindelbohrung (5) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen selbsteinstellbaren Dämpfer für einen oberen Auslassventil-Stellantrieb für einen großen Zweitakt-Dieselmotor.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Bei großen Zweitakt-Dieselmotoren des Kreuzkopftyps sind die Auslassventile ebenfalls entsprechend groß, für einige Motoren bis zu etwa 2 Meter in der Höhe. Bei solchen großen Strukturen hat der Einfluss der Materialtemperatur eine messbare Auswirkung auf die Abmessung der Struktur, welche die Funktion der Struktur beeinflussen kann. Demzufolge hat die Temperatur der Ventilspindel und des Ventilgehäuses eines Auslassventils einen Einfluss auf die Länge der Ventilspindel. Die Ventilspindellänge wiederum hat eine Auswirkung auf die Genauigkeit der Arbeitsweise des Ventils. Auslassventile sind mit Mitteln zum Dämpfen des abschließenden Weges der Ventilspindel während des Schließens des Auslassventils versehen. Diese Dämpfungsmittel werden bereitgestellt, um Verschleiß und Geräusch auf Grund eines Anstoßens von Anschlagflächen, die an dem Oberteil der Spindel und an dem Gehäuse bereitgestellt werden, und ebenso auf Grund des Anstoßens zwischen dem Ventil und dem Ventilsitz zu verhindern oder zu verringern. Falls die Ventilspindel, auf Grund einer temperaturabhängigen Ausdehnung, zu lang wird, besteht die Gefahr, dass das Ventil nicht dicht mit dem Ventilsitz zusammenpassen wird, was dazu führt, dass die Verbrennungskammer leckt. Ferner kann der Oberteil des Ventilschafts an den Oberteil der Ventilschaftbohrung schlagen, was gesteigerte Verschleiß- und Geräuschprobleme verursacht. Falls das Ventil zu kurz ist, wird die Dämpfung des Schließens des Ventils nicht richtig funktionieren, und der Verschleiß an dem Ventil und dem Ventilsitz wird zunehmen, und das Hämmern wird ein Geräuschproblem verursachen.
Die Temperatur eines Motors verändert sich z. B. auf Grund von Unterschieden bei den Motorlastbedingungen und insbesondere während des Anfahrens, wenn der Motor von einem kalten Zustand aus und allmählich hin zur Betriebstemperatur läuft.
Auf Grund solcher Temperaturunterschiede in dem Motor dehnt sich die Auslassventilspindel aus und zieht sich zusammen, und sie dehnt sich aus und zieht sich zusammen in einer andere Geschwindigkeit als das Gehäuse, in dem die Spindel angebracht ist. Je größer der Motor ist, desto größer ist das Auslassventil, und desto größer wird die Ventilspindel. Daher sind ebenfalls das Ausdehnen und das Zusammenziehen der Ventilspindel groß und können, wie oben erläutert, eine Auswirkung auf die Betriebsbedingungen des Auslassventils haben. Die Länge der Auslassventilspindel ist an die Hauptbetriebsbedingungen des Motors angepasst. Bei großen Motoren muss daher entweder akzeptiert werden, dass die Auslassventile während bestimmter Motorbetriebsbedingungen auf eine weniger als optimale Weise arbeiten, oder es können bestimmte Maßnahmen ergriffen werden, um den Spindellängenunterschied auszugleichen. Solche Maßnahmen haben üblicherweise die Form von komplizierten Systemen, die in einer Verbindungsstelle der Ventilspindel oder in Verbindung mit dem Ventilverschluss-Dämpfungs-(Brems-)Mechanismus, der häufig am Oberteil der Ventilspindel angeordnet ist, angeordnet sind. Solche Mechanismen sind häufig kompliziert im Aufbau, unter Verwendung von Kugelventilen und Balgen, die leicht brechen können und Wartung in kurzen Intervallen und mehrere Druckkammern mit unterschiedlichem Druck, die gesonderte Quellen benötigen, erfordern. Es sind auf dem Gebiet ebenfalls verschiedene Federmechanismen zum Einstellen der Länge des Schafts bekannt. Solche Mechanismen sind nicht ohne aktive Steuerung einstellbar. Beispiele sind bekannt von US 20060283411 , FR 2674570 und DE 195 29 155 . US 20060283411 offenbart ein Gaswechselventil nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Auslassventil bereitzustellen, das eine Spindel hat, deren Gesamtlänge automatisch und passiv einstellbar ist. Es ist ebenfalls eine Aufgabe der Erfindung, einen einfachen, praktisch wartungsfreien Mechanismus zum automatischen und passiven Einstellen der Länge eines Ventilschafts bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Bereitstellen eines Gaswechselventils für einen Verbrennungsmotor, wobei das Gaswechselventil Folgendes umfasst:

– die Ventilspindel, die Folgendes umfasst:
– ein oberes Ende, das mit Dämpfungsmitteln versehen ist, die eingerichtet sind für ein Zusammenwirken mit der Dämpfungskammer, um eine Bewegung der Ventilspindel während des Schließens des Auslassventils zu dämpfen,
– eine Längsachse und
– ein Ausgleichselement, das an dem oberen Ende bereitgestellt wird, wobei das Ausgleichselement verschiebbar ist zwischen einer zusammengedrückten Stellung und einer ausgefahrenen Stellung entlang der Längsachse, und
– eine Feder, die das Ausgleichselement hin zu der ausgefahrenen Stellung vorspannt,

wobei eine Ausgleichskammer in dem oberen Teil der Spindel angeordnet ist, wobei die Ausgleichskammer durch eine Öffnung, die durch eine obere Fläche des Ausgleichselements geformt ist, in dauerhafter Fluidverbindung mit der Ventilbetätigungskammer mit veränderlichem Volumen steht, die in dem oberen Teil der Spindelbohrung angeordnet ist.
Ein solches Gaswechselventil kann vorteilhafterweise ein Auslassventil sein. Ferner können solche Gaswechselventile besonders nützlich in langsam laufenden Zweitakt-Gleichstrom-Dieselmotoren des Kreuzkopftyps sein.
Bei einer Ausführungsform hat die Ausgleichskammer ein maximales Volumen, die Öffnung hat eine Abmessung und eine Form, und die Feder übt eine vorbestimmte nach oben gerichtete Kraft auf das Ausgleichselement aus, wobei das Volumen der Ausgleichskammer, die Form und Abmessung der Öffnung und die nach oben gerichtete Kraft der Feder dafür eingerichtet sind, als Reaktion auf Temperaturveränderungen des Gaswechselventils eine enge Passung der für ein Zusammenwirken mit der Dämpfungskammer eingerichteten Dämpfungsmittel zu gewährleisten.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Ausgleichskammer wenigstens zwischen dem Ausgleichselement und dem oberen Ende der Spindel angeordnet.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Ausgleichselement in einer ersten Bohrung aufgenommen, die in dem oberen Ende bereitgestellt wird und sich hin zu dem oberen Ende der Spindel öffnet.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Ausgleichskammer wenigstens teilweise innerhalb des Ausgleichselements angeordnet.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Ausgleichskammer einen Abschnitt, der durch eine in dem Ausgleichselement geformte Bohrung gebildet wird, und ein Volumen, das zwischen dem Ausgleichselement und der Bohrung in der Spindel gebildet wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst der Abschnitt der Ausgleichskammer in dem Ausgleichselement einen ersten Bohrungsabschnitt und einen zweiten Bohrungsabschnitt, wobei der erste Bohrungsabschnitt eine größere Querschnittsfläche hat als der zweite Bohrungsabschnitt.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Feder in dem ersten Bohrungsabschnitt angeordnet.
Bei einer beliebigen der obigen Ausführungsformen kann die Ausgleichskammer ferner eine zweite Bohrung umfassen, die in der Spindel geformt ist, wobei die zweite Bohrung in Fluidverbindung mit der ersten Bohrung der Spindel steht.
Bei einer beliebigen der obigen Ausführungsformen können die Dämpfungsmittel ferner an einem obersten Abschnitt des Ausgleichselements bereitgestellt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird wenigstens ein Durchgang bereitgestellt, um eine dauerhafte Fluidverbindung zwischen der Dämpfungskammer und dem obersten Abschnitt der Spindelbohrung zu gewährleisten.
Bei einer beliebigen der obigen Ausführungsformen kann die Ventilbetätigungskammer mit veränderlichem Volumen einen Abschnitt haben, der eine Dämpfungskammer definiert, wobei die Dämpfungskammer in einem oberen Verschluss geformt ist und sich in den obersten Teil der Spindelbohrung öffnet.
Bei einer beliebigen der obigen Ausführungsformen kann die Dämpfungskammer in Verbindung mit einem Regelventil stehen, um die Ventilbetätigungskammer mit veränderlichem Volumen mit unter Druck gesetztem Hydraulikfluid zu versorgen.
Bei einer beliebigen der obigen Ausführungsformen ist das Gaswechselventil ein Auslassventil (1) für einen großen langsam laufenden Zweitakt-Gleichstrom-Dieselmotor des Kreuzkopftyps.
Weitere Aufgaben, Merkmale, Vorzüge und Eigenschaften des Auslassventils nach der Erfindung werden offensichtlich aus der ausführlichen Beschreibung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In dem folgenden ausführlichen Abschnitt der vorliegenden Beschreibung wird die Erfindung ausführlicher beschrieben, unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele, die in den Zeichnungen gezeigt werden, in denen:
1, in einer Schnittansicht, einen oberen Teil eines großen Zweitakt-Gleichstrom-Dieselmotors des Kreuzkopftyps zeigt,
2, in einer Schnittansicht, ein Auslassventil nach der Erfindung zeigt,
3, in einer Schnittansicht, Einzelheiten eines oberen Teils des Auslassventils in 2 zeigt,
4, in einer Schnittansicht, einen Spindelausfahrmechanismus nach der Erfindung, mit einem in einem oberen Teil des Auslassventils in 2 und 3 geformten Ausgleichselement, zeigt,
5A–C, in Schnittansichten, den Spindelausfahrmechanismus von 4 in unterschiedlichen Stellungen in Bezug auf ein oberes Ende der Spindel zeigen, wobei 5A das Ausgleichselement in seiner am weitesten ausgefahrenen Stellung, 5C in seiner am weitesten zusammengedrückten Stellung und 5B in einer Stellung dazwischen zeigt,
6, in einer teilweise durchsichtigen perspektivischen Ansicht, den oberen Teil einer Ventilspindel mit einem Ausgleichselement nach der Erfindung zeigt,
7, in einer Schnittansicht, eine Ausführungsform einer Öffnung in einen Ausgleichselement zeigt,
8, in einer Schnittansicht, eine andere Ausführungsform einer Öffnung in einem Ausgleichselement zeigt,
9, in einer Schnittansicht, eine andere Ausführungsform eines Spindelausfahrmechanismus zeigt,
10, in einer graphischen Darstellung, eine Simulation der Bewegung eines Ausgleichselements nach der Erfindung zeigt,
11, in einer Schnittansicht, eine alternative Ausführungsform eines oberen Teils einer Spindel mit einem Ausgleichselement, das so geformt ist, dass es über ein oberes Ende einer Spindel passt, zeigt und
12, Einzelheiten eines oberen Teils des Auslassventils zeigt und eine Verbindung zwischen einer Dämpfungskammer und einem obersten Teil einer Spindelbohrung illustriert.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird das Auslassventil nach der Erfindung durch die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben.
1 zeigt einen Zylinder 100 des Gleichstromtyps, der in großen langsam laufenden Zweitakt-Gleichstrom-Dieselmotoren des Kreuzkopftyps verwendet wird. Große langsam laufende Zweitakt-Gleichstromdieselmotoren des Kreuzkopftyps haben üblicherweise 3 bis 14 solcher Zylinder. Der Zylinder 100 hat Spülluftöffnungen 102, die in einem Spülluftkasten 103 angeordnet sind, aus dem eine Spülluftaufnahme (nicht gezeigt) mit Spülluft versorgt wird, die zum Beispiel durch einen Turbolader unter Druck gesetzt wird.
Ein Auslassventil 1 ist mittig in dem Oberteil des Zylinders in einem Zylinderdeckel 124 angebracht. Am Ende eines Arbeitshubs öffnet sich das Auslassventil 1, bevor ein Motorkolben 105 nach unten an den Spülluftöffnungen 102 vorbeigeht, wodurch die Verbrennungsgase in einer Verbrennungskammer 106 oberhalb des Kolbens 105 durch einen Auslasskanal 107 ausströmen, der sich in eine Abgasaufnahme 108 öffnet. Das Auslassventil 1 schließt während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 105 in einem einstellbaren Moment wieder, der z. B. von dem gewünschten wirksamen Verdichtungsverhältnis für die anschließende Verbrennung abhängen kann. Während der Schließbewegung wird das Auslassventil 1 durch eine Gasfeder 123 nach oben (weg von der Verbrennungskammer 106) getrieben.
Das Auslassventil 1 wird mit Hilfe eines hydraulisch betriebenen Stellantriebs 109 geöffnet. Hydraulikfluid, z. B. ein Hydrauliköl, wird durch eine Druckleitung 110 zugeführt, die einen Durchlass 80 (siehe 2 bis 4) an dem Stellantrieb 109 mit einem Regeldurchlass an der oberen Fläche eines Verteilerblocks 112, der durch eine Konsole 113 getragen wird, verbindet. Der Verteilerblock 112 ist mit einer Hochdruckleitung 114 für Hydraulikfluid verbunden, das von einer gemeinsamen Druckleitung (nicht gezeigt) bei einem Druck zugeführt wird, der zum Beispiel in dem Bereich von 200 bis 500 Bar, vorzugsweise 300 Bar, liegt. Die gemeinsame Druckleitung kann ebenfalls als eine Quelle von Hochdruckfluid für das Kraftstoff-Einspritzsystem dienen.
Das Hydraulikfluid in der gemeinsamen Druckleitung kann dazu verwendet werden, den Ventil-Stellantrieb direkt oder indirekt über Druckverstärker/-scheider, die das Hydraulikfluid für den Ventil-Stellantrieb 109 von dem Hydraulikfluid in der gemeinsamen Druckleitung trennen, das dann z. B. Dieselöl sein kann, anzutreiben. Der Druck in dem Kraftstoffsystem mit gemeinsamer Druckleitung schwankt in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Motors, wie beispielsweise Laufgeschwindigkeit und Lastzustand. Typischerweise schwankt der Druck in dem Kraftstoffsystem mit gemeinsamer Druckleitung für einen großen Zweitakt-Dieselmotor zwischen 800 Bar und 2000 Bar.
Falls eine fest zugeordnete gemeinsame Druckleitung für die Ventil-Stellantriebe 109 verwendet wird, kann das Hydraulikfluid durch eine Pumpstation (nicht gezeigt) von einem Vorratstank (nicht gezeigt) zugeführt werden, und das Hydraulikfluid kann zum Beispiel ein standardmäßiges Hydrauliköl, aber vorzugsweise wird das Schmieröl des Motors als Hydraulikfluid verwendet, und das System wird aus dem Ölsumpf des Motors gespeist.
Die Verbrennungskraftmaschine kann ein Viertakt-Diesel- oder Gasmotor mit mittlerer Drehzahl oder ein Zweitakt-Kreuzkopf-Dieselmotor mit niedriger Drehzahl sein, der ein Antriebsmotor in einem Schiff oder eine stationäre Antriebsmaschine in einem Kraftwerk sein kann.
Jeder Zylinder 100 des Motors kann mit einem elektronischen Steuergerät 115 verknüpft sein, das durch Drähte 116 (oder drahtlos) allgemeine Synchronisierungs- und Steuersignale empfängt und durch einen Draht 118 elektronische Steuersignale unter anderem zu einem Regelventil 117 überträgt. Es kann ein Steuergerät 115 pro Zylinder geben, oder mehrere Zylinder können mit dem gleichen Steuergerät 115 verknüpft sein. Das Steuergerät 115 kann ebenfalls Signale von einem für alle Zylinder gemeinsamen Gesamtsteuergerät empfangen.
Alternativ dazu (nicht gezeigt) können das Auslassventil 1 und/oder das Regelventil 117 durch einen Nocken, d. h., eine mechanisch-hydraulische Steuerung, gesteuert werden.
Das Regelventil 117 kann von einem beliebigen üblichen Typ sein. Der Aufbau und die Funktionsweise des Regelventils 117 sind an sich gut bekannt und sollten in dem vorliegenden Zusammenhang keine weitere Erläuterung erfordern.
Wenn das Auslassventil 1 geöffnet werden soll, betätigt ein Steuersignal von dem Steuergerät 115 das Regelventil 117, so dass das Hochdruckfluid freien Zugang zu der Druckleitung 110 und folglich zu dem Fluidzufuhrdurchlass 80 (3) hat. Wenn das Auslassventil 1 geschlossen werden soll, wird das Regelventil 117 betätigt, so dass der Hochdruck in der Leitung 110 zu der Rückführungsleitung 122 abgelassen wird. Dadurch wird die Gasfeder 123 das Auslassventil hin zu seiner geschlossenen Stellung drängen.
2 zeigt ein Auslassventil 1 nach der Erfindung. Das Auslassventil 1 ist von dem Typ, der für langsam laufende Zweitakt-Gegenstrom-Dieselmotoren des Kreuzkopftyps, wie z. B. in 1, verwendet wird.
Das Auslassventil 1 hat eine Spindel (oder einen Schaft) 10, die senkrecht von einem Ventilteller 3 hochsteht, mit einem Fuß- oder unteren Ende oder Teil 12, einem oberen Ende 11 und einem mittleren Abschnitt 13. Die Spindel 10 ist von länglicher Form und hat eine Längsachse B. Die Spindel 10 wird verschiebbar in einer Spindelbohrung 5 aufgenommen.
Der mittlere Abschnitt 13 der Spindel 10 trägt einen Federkolben 125, der sicher an der Spindel 10 angebracht ist, so dass er Druck abdichtend und in Längsrichtung in einem Pneumatikzylinder 126 verschiebbar ist. Unterhalb des Federkolbens 125 befindet sich eine Federkammer 127, die über geeignete Ventile 156 mit einer Druckluftzufuhr (nicht gezeigt) verbunden ist, was die Federkammer 127 mit Druckluft bei einem vorbestimmten minimalen Druck von zum Beispiel einem Überdruck von 4,5 Bar hält. Es können ebenfalls andere Luftdrücke, wie beispielsweise von 3 bis 10 Bar, verwendet werden. Der minimale Druck wird entsprechend der gewünschten Federcharakteristik der Gasfeder 123 ausgewählt. Es ist möglich, die Federkammern 127 an mehreren unterschiedlichen Zylindern zu verbinden, aber vorzugsweise wird jede Federkammer gesondert durch ein Rückschlagventil an der Druckluftzufuhr abgeschnitten. Die Druckluft in der Federkammer 127 erzeugt eine anhaltende aufwärts gerichtete Kraft auf den Federkolben 125 und dadurch auf die Spindel 10. Folglich wird der Ventilteller 3 dauerhaft hin zu dem Ventilsitz 4, d. h., in einer Aufwärtsrichtung, gedrückt. Die aufwärts gerichtete Kraft nimmt zu, wenn der Federkolben 125 durch den Ventil-Stellantrieb 109 (siehe unten) nach unten verschoben wird, und drückt die Luft in der Federkammer 127 zusammen, die durch das Rückschlagventil 156 daran gehindert wird, auszuströmen.
Ein Gehäuse 128 definiert einen Hohlraum 129 um den Federkolben 125 der Gasfeder 123 und oberhalb desselben. Der Hohlraum 129 ist mit einem Abzug (nicht gezeigt) verbunden, so dass der Hohlraum oberhalb des Federkolbens atmosphärischen Druck hat und so dass auslaufendes Hydrauliköl aus dem hydraulischen Stellantrieb 109 oberhalb der Gasfeder abgeleitet werden kann.
Der hydraulische Stellantrieb 109 ist aus einem Zylinder 131 aufgebaut, der durch den Oberteil des Gehäuses 128 getragen wird, oder, wie gezeigt, sind der Zylinder 131 und das Gehäuse 128 in einem integralen Stück geformt.
In 2 wird ein Ventilteller 3 in einer geschlossenen Stellung gezeigt, wobei der Ventilteller 3 an einen Ventilsitz 4 anstößt. In der Figur wird der Ventilteller ferner in einer geöffneten Stellung gezeigt, wobei sich der Ventilteller weg von dem Ventilsitz 4 bewegt hat. Der Ventilteller 3' in der offenen Stellung wird durch den punktierten Umriss angezeigt.
Ein oberer Teil 11 der Spindel 10 wird in einer mittigen Bohrung 6 in dem Zylinder 131 aufgenommen (siehe z. B. 3), wobei die mittige Bohrung 6 einen oberen Teil der Spindelbohrung 5 bildet. Die mittige Bohrung 6 ist an dem Oberteil des Zylinders 131 durch einen oberen Verschluss 132 verschlossen und ist zum Unterteil des Zylinders 131 offen. Die mittige Bohrung 6 ist koaxial mit der Spindelbohrung 5 in dem Gehäuse 128 angeordnet.
Nunmehr 3 und 4 zugewendet, ist die mittige Bohrung 6 in koaxiale Abschnitte geteilt, die unterschiedliche Durchmesser (oder Querschnittsflächen) haben: Ein oberster Abschnitt 6' hat den größten Durchmesser, ein mittlerer Abschnitt 6'' hat einen dazwischenliegenden Durchmesser, und ein unterster Abschnitt 6''' hat den schmalsten Durchmesser der drei. Zwischen dem obersten Abschnitt 6' und dem mittleren Abschnitt 6'' ist eine erste nach oben zeigende Leiste 7 geformt. Zwischen dem mittleren Abschnitt 6'' und dem untersten Abschnitt 6''' ist eine zweite nach oben zeigende Leiste 8 geformt.
Ein Kolben 90 ist verschiebbar in der mittigen Bohrung 6 (die den oberen Teil der Spindelbohrung 5 bildet) angeordnet. Der Kolben 90 hat einen zylindrischen Hauptteil 91 und einen Bund 92, der an dem Oberteil des Hauptteils 91 angeordnet ist. Der Kolben 90 hat eine mittige Bohrung 90', die dafür eingerichtet ist, verschiebbar einen oberen Teil 11 der Spindel 10 aufzunehmen. Der Bund 92 hat einen größeren Durchmesser (oder eine größere Querschnittsfläche) als der Hauptteil 91. Der größte Durchmesser des Hauptteils 91 ist dafür eingerichtet, mit einem winzigen Spielraum verschiebbar in dem mittleren Abschnitt 6'' der mittigen Bohrung angeordnet zu werden. Der größte Durchmesser des Bundes 92 ist dafür eingerichtet, mit einem winzigen Spielraum verschiebbar in dem obersten Abschnitt 6' angeordnet zu werden. Der Bund ist ebenfalls zylindrisch oder ringförmig geformt derart, dass er eine Öffnung durch denselben hat, die in Verbindung mit der mittigen Bohrung 90' des Hauptteils 91 des Kolbens 90 steht. Eine nach unten zeigende innere Leiste 93 ist zwischen dem Bund 92 und dem Hauptteil 91 in der mittigen Bohrung 90' des Kolbens 90 geformt. Die innere Leiste 93 ist für einen Eingriff mit einer oberen ringförmigen Fläche 15 der Spindel 10 oder wenigstens einem äußeren Teil der ringförmigen Fläche 15 eingerichtet. Der Kolben 90 hat ferner eine nach oben zeigende obere Fläche 94, die an dem Bund 92 geformt ist. Diese obere Fläche 94 an dem Bund 92 ist ringförmig wie die obere ringförmige Fläche 15 der Spindel 10. Die Oberfläche der oberen Fläche 94 ist jedoch beträchtlich größer als die Oberfläche der oberen ringförmigen Fläche 15 der Spindel 10. Folglich kann die Oberfläche der oberen Fläche 94 von 2- bis 10-mal größer sein als die Oberfläche der oberen ringförmigen Fläche 15 der Spindel 10. Eine nach unten zeigende äußere Leiste 95 ist zwischen dem Bund 92 und dem Hauptteil 91 an einer äußeren Fläche des Kolbens 90 geformt. Der Hauptteil 91 hat ferner eine untere Fläche 96. Diese untere Fläche 96 ist ringförmig oder ringartig.
Eine Dämpfungskammer 81 ist in dem oberen Verschluss 132 geformt. Die Dämpfungskammer öffnet sich in den obersten Abschnitt 6' der mittigen Bohrung 6, d. h., den obersten Teil der Spindelbohrung 5.
Der Kolben 90 kann, wie erwähnt, in Bezug auf den oberen Abschnitt 11 der Spindel und in Bezug auf die Abschnitte 6' und 6'' der mittigen Bohrung 6 gleiten.
Eine Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen wird zwischen dem oberen Abschnitt 6' der mittigen Bohrung 6, einer nach unten zeigenden Fläche 132' des oberen Verschlusses 132, der Dämpfungskammer 81, der nach oben zeigenden oberen Fläche des Kolbens 90 und dem oberen Teil 11 der Spindel 10 definiert und ein Ausgleichselement 30 in einer ersten Bohrung 20, die in dem oberen Teil 11 der Spindel 10 (siehe weiter unten) angeordnet ist, angeordnet.
Hydraulikfluid wird über einen Durchlass 80 (siehe 3), der sich in Fluidverbindung mit der Druckleitung 110 befindet, der Ventilbetätigungskammer mit veränderlichem Volumen des Ventil-Stellantriebs 109 zugeführt und aus derselben abgelassen. Der Durchlass 80 befindet sich durch eine Kammer 65, die als ein geweiteter Abschnitt der Spindelbohrung 5 geformt ist, Durchlässe 83, die in der Kammer 65 geformt sind, Kanäle 85, die mit der Kammer 65 in Verbindung stehen, und einem Durchlass 82, der Einlässe zu der Dämpfungskammer 81 bildet, in Fluidverbindung mit der Ventilbetätigungskammer mit veränderlichem Volumen. Die Druckleitung 110 wird in 2 und 3 nicht gezeigt. Dadurch ist der Durchlass 80 mit der Dämpfungskammer 81 verbunden, die sich in die mittige Bohrung 6 in dem Zylinder 131 öffnet.
Über die Druckleitung 110 ist der Durchlass 80 abwechselnd mit der Hochdruckquelle (der Hochdruckleitung 114) und der Rückführungsleitung 122, siehe 1, verbunden.
Folglich ist die Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen über die Kanäle 85 und die Durchlässe 83 mit der sekundären Druckkammer 65 verbunden, die zwischen dem untersten Abschnitt 6''' der mittigen Bohrung 6, einem Abschnitt 11 des oberen Teils 11 der Spindel 10 und einem ersten geweiteten Abschnitt 65' und einem zweiten geweiteten Abschnitt 65'' der mittigen Bohrung 6 und einem geweiteten Abschnitt 16 des oberen Teils 11 der Spindel 10 definiert wird.
Wenn das Auslassventil nach einer Verbrennung in der Verbrennungskammer 106 geöffnet werden soll, ist der Druck in der Verbrennungskammer sehr hoch. Daher ist eine große Kraft erforderlich, um das Auslassventil 1 während der anfänglichen Abwärtsbewegung des Ventiltellers 3 und der Ventilspindel 10 zu öffnen. Der Kolben 90 hilft in dieser anfänglichen Phase durch das Steigern der wirksamen Oberfläche der Druckfläche des Ventil-Stellantriebs 109, wie weiter unten beschrieben.
Um das Auslassventil 1 zu öffnen, führt das Regelventil 117 dem Durchlass 80 Hochdruckfluid zu. Das Hydraulikfluid setzt die Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen und die sekundäre Druckkammer 65 unter Druck, wobei es auf eine nach oben zeigende Leiste 16' an dem geweiteten Abschnitt 16 der Spindel 10 einwirkt. Ein oder mehrere Abstände oder Durchgänge 39 ermöglichen, dass das Hydraulikfluid dauerhaft zwischen der Dämpfungskammer 81 und dem obersten Abschnitt 6 der mittigen Bohrung 6 hindurchgeht. Dadurch wird die Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen anfänglich durch die Dämpfungskammer 81 und einen Teil des obersten Abschnitts 6' der mittigen Bohrung 6 dargestellt. Das einströmende Hydraulikfluid wirkt auf die Spindel 10, d. h., auf die obere Fläche 94 des Kolbens 90, die obere ringförmige Fläche 15 und die obere Fläche 31 des oberen Teils der Spindel 10 ein (Die obere Fläche 31 befindet sich auf einem Gleitstück 30, das weiter unten ausführlich beschrieben wird.). Die nach unten zeigende innere Leiste 93 stößt an einen Abschnitt der oberen ringförmigen Fläche 15 der Spindel 10 an. Dies wird die Spindel 10 und den Kolben 90 in einer Richtung nach unten drängen.
Eine Rille 99, die als eine längliche Vertiefung in dem obersten Bohrungsabschnitt 6' der mittigen Bohrung 6 und parallel zu der Längsachse B geformt ist, ermöglicht einen Durchgang von Hydraulikfluid zwischen einem Raum oberhalb des Kolbens 90 und einem Raum unterhalb des Kolbens 90. Wenn der Kolben 90 nach unten gedrängt wird (die Oberfläche 95 ist geringer als die Oberfläche 94), wird Hydraulikfluid von unterhalb nach oberhalb des Kolbens 90 geführt. Die Rille oder Rillen 99 endet/enden eine Strecke oberhalb der Leiste 7, die zwischen dem obersten und dem mittleren Abschnitt 6', 6'' der mittigen Bohrung 6 geformt ist. Wenn die nach unten zeigende äußere Leiste 95 des Kolbens 90 den Unterteil der Rille oder Rillen 99 passiert, wird Hydraulikfluid daran gehindert, von dem Raum unterhalb des Kolbens 90 zu dem Raum oberhalb hindurchzugehen. Dies wird einen Druckanstieg in dem Raum unterhalb des Kolbens 90 bewirken, der die Abwärtsbewegung des Kolbens 90 verlangsamen und schließlich anhalten wird.
Folglich wird, nachdem sie sich eine Strecke in der Abwärtsrichtung bewegt, die nach unten zeigende äußere Leiste 95 des Kolbens 90 die nach oben zeigende Leiste 7, die zwischen dem obersten und dem mittleren Abschnitt 6', 6'' der mittigen Bohrung 6 gebildet wird, erreichen und anhalten, bevor sie an dieselbe anstößt. Während die Abwärtsbewegung des Kolbens 90 angehalten wird, setzt die Spindel 10 ihre Abwärtsbewegung fort, wobei der Druck noch auf die obere ringförmige Fläche 15 und die obere Fläche 31 des oberen Teils 11 der Spindel 10 einwirkt.
Folglich hat der Kolben 90 eine größere Oberfläche bereitgestellt, auf die der Druck in der Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen während des Öffnens des Auslassventils einwirkt. Sobald der Ventilteller 3 weg von dem Ventilsitz 4 bewegt worden ist, wird der Druck in der Verbrennungskammer 106 dadurch verringert, dass die Verbrennungsgase die Kammer 106 durch den Auslasskanal 107 verlassen. Daher wird, damit sich das Auslassventil weiter in der Abwärtsrichtung bewegt, um vollständig zu öffnen, eine viel kleinere Kraft benötigt als während des anfänglichen Öffnens. Folglich wird, nachdem der Kolben 90 angehalten worden ist, der Druck in der Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen nur auf die obere ringförmige Fläche 15 und die obere Fläche 31 des oberen Teils 11 der Spindel 10 einwirken. Dadurch wird die Spindel 10 ihre Abwärtsbewegung fortsetzen, bis eine Bremsleiste 17 (siehe 4) an der Spindel 10 einen unteren Rand des zweiten geweiteten Abschnitts 65'' der mittigen Bohrung 6 passiert. Die Spindel 10 beginnt sich zu verlangsamen, um schließlich anzuhalten, weil der obere Abschnitt 11 der Spindel 10 die Verbindung zu dem Durchlass 80 abschneiden wird und der Druck in der Kammer 60 mit veränderlichem Volumen nicht mehr zunehmen wird.
Um das Schließen des Auslassventils 1 zu beginnen, wenn die Verbrennungskammer 106 entleert worden ist, verbindet das Regelventil 117 die Druckleitung 110 mit der Rückführungsleitung 122, und es wird ermöglicht, dass das Hydraulikfluid durch den Durchlass 80 zurückströmt. Die Gasfeder 123 wird die Spindel 10 nach oben drängen, wodurch begonnen wird, das Hydraulikfluid in der Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen durch die sekundäre Druckkammer 65 herauszudrücken.
Wenn sich die Spindel 10 nach oben bewegt, wird die obere ringförmige Fläche 15 der Spindel 10 schließlich an die nach unten zeigende innere Leiste 93 des Kolbens 90 anstoßen und den Kolben 90 zwingen, sich gemeinsam mit der Spindel 10 von seiner unteren Ruhestellung (wobei sich die äußere Leiste 95 des Kolbens 90 nahe der nach oben zeigenden Leiste 7 zwischen dem oberen und dem mittleren Abschnitt 6', 6'' der mittigen Bohrung 6 befindet) in einer Aufwärtsrichtung zu bewegen.
Die Aufwärtsbewegung wird bremsen und schließlich anhalten, wenn Dämpfungsmittel in der Form einer kegelförmigen Fläche 32 am Oberteil des oberen Teils 11 (am Ausgleichselement 30) der Spindel 10 in die Dämpfungskammer 81 eintreten, wobei der Durchgang zwischen der Dämpfungskammer 81 und dem obersten Teil 6' der mittigen Bohrung allmählich verringert wird. Dadurch nimmt, wenn die kegelförmige Fläche 32 in die Dämpfungskammer 81 eintaucht, der Druck in dem obersten Teil 6' der mittigen Bohrung 6, d. h., in der Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen zu, und die Aufwärtsbewegung der Spindel wird dadurch gedämpft, bis eine obere ringförmige Fläche 33 des oberen Teils 11 der Spindel 10 sanft an die nach unten zeigende Fläche 132' des oberen Verschlusses 132 anstößt. Die obere ringförmige Fläche 33 zeigt nach oben und ist an dem Gleitstück unterhalb der oberen Fläche 31 und der kegelförmigen Fläche 32 geformt.
Ein Satz von Schaufeln 14 (2) an einem Abschnitt der Ventilspindel 10, der in dem Auslasskanal 107 angeordnet ist, zwingt die Spindel 10, sich zu drehen, wenn Abgas durch den Auslasskanal 107 strömt, d. h., wenn das Auslassventil 1 offen ist. Dadurch wird sich die Spindel 10 für jede Öffnung des Auslassventils wenigstens ein wenig drehen. Dadurch wird ein gleichmäßigerer Verschleiß des Ventiltellers 3, des Ventilsitzes 4 und der Widerlagerleisten der Spindel 10 und der Spindelbohrung 5 sichergestellt.
Die oben beschriebene Gasfeder 123 kann durch eine Rückhub-Druckkammer und eine Kolbenoberfläche, welche die Spindel 10 zu der eingezogenen Stellung drangt, ersetzt werden. Diese Ausführungsform (nicht gezeigt) wird ein geringfügig modifiziertes Regelventil erfordern, das dazu in der Lage ist, der Rückhub-Druckkammer Hydraulikfluid zuzuführen, um den Kolben zu der eingezogenen Stellung zu drangen. Es können die gleichen Prinzipien wie oben beschrieben verwendet werden, um den Druck in der Rückhub-Druckkammer im Verhältnis zu der Stellung des ersten Kolbens zu regeln.
Nunmehr 5A–C zugewandt, umfasst der obere Teil 11 der Spindel 10 einen Mechanismus zum Einstellen der Länge der Spindel 10, der ebenfalls in den vorherigen Zeichnungen gezeigt wird. Dieser Mechanismus umfasst ein Ausgleichselement 30, das in einer ersten Bohrung 20 in dem oberen Teil 11 der Spindel 10 angeordnet ist, wobei die erste Bohrung 20 hin zu dem oberen Ende und der ringförmigen Fläche 15 der Spindel 10 offen ist. Die erste Bohrung 20 hat eine Längsachse A, die koaxial mit der Langsachse B der Spindel 10 ist. Das Ausgleichselement 30 wird verschiebbar in der ersten Bohrung 20 aufgenommen derart, dass sich das Ausgleichselement in einer Richtung, parallel zu der Längsachse A, im Verhältnis zu der Spindel 10 verschieben kann.
Das Ausgleichselement 30 ist vorzugsweise kreisförmig im Querschnitt und hat eine längliche zylindrische Form. Das Ausgleichselement 30 hat eine nach oben zeigende obere Fläche 31 und eine nach unten zeigende untere Fläche 34. Das Ausgleichselement 30 hat in seiner Längsrichtung eine Länge, die länger ist als die Länge der Bohrung 20, in der das Ausgleichselement 30 aufgenommen wird. Folglich wird sich ein Teil des Ausgleichselements 30 immer oberhalb der oberen ringförmigen Fläche 15 der Spindel 10 erstrecken und eine Verlängerung derselben bilden.
Das Ausgleichselement 30 hat eine Bohrung 35. Diese Bohrung 35 hat einen oberen Abschnitt 35' und einen unteren Abschnitt 35''. Der obere Abschnitt 35' hat einen Durchmesser oder eine Querschnittsfläche, und der untere Abschnitt 35'' hat einen Durchmesser oder eine Querschnittsfläche. Der Durchmesser oder die Querschnittsfläche des oberen Abschnitts 35' ist kleiner als derjenige/diejenige des unteren Abschnitts 35''. Eine nach unten zeigende Leiste 36 ist zwischen dem oberen Abschnitt 35' und dem unteren Abschnitt 35'' geformt.
Ein oberer Abschnitt 30' und ein unterer Abschnitt 30''' des Ausgleichselements 30 hat einen Durchmesser oder eine Querschnittsfläche, der/die dem Durchmesser oder der Querschnittsfläche der ersten Bohrung 20 in der Spindel 10 entspricht. Folglich wird das Ausgleichselement 30, mit einem winzigen Spielraum, in der ersten Bohrung 20 aufgenommen, und es ist folglich verschiebbar zwischen einer zusammengedrückten Stellung, wie in 5C gezeigt, und einer ausgefahrenen Stellung, wie in 5A gezeigt, entlang der Längsachse A.
Das Ausgleichselement 30 wird durch eine Feder 40 hin zu einer ausgefahrenen oder oberen Stellung, d. h., hin zu der nach unten zeigenden Fläche 132' des oberen Verschlusses 132, vorgespannt. Die Feder 40 hat ein oberes Ende 41 und ein unteres Ende 42. Die Feder 40 ist in dem unteren Abschnitt 35'' der Bohrung 35 in dem Ausgleichselement 30 angeordnet und wird durch denselben geführt. Das obere Ende 41 der Feder 40 stößt an die Leiste 36 und das untere Ende 42 an einer unteren Fläche 22 der ersten Bohrung 20 in der Spindel 10 an. Wie in 5A gezeigt, kann das untere Ende 41 der Feder 40 in einer Aussparung 22' in der unteren Fläche 22 der ersten Bohrung 20 in der Spindel 10 befestigt sein.
Das Ausgleichselement 30 hat einen mittleren Abschnitt 30''. Der mittlere Abschnitt 30'' hat einen Durchmesser, der kleiner als der Durchmesser des oberen Abschnitts 30' und kleiner als der untere Abschnitt 30''' des Ausgleichselements 30 ist. Folglich bildet der mittlere Abschnitt 30'' eine Aussparung in Bezug auf den oberen Abschnitt 30' und den unteren Abschnitt 30''' des Ausgleichselements 30. Eine Feststellvorrichtung oder Schraube 200 sichert das Ausgleichselement 30 in der ersten Bohrung 20, durch eine Wechselwirkung mit der durch den mittleren Abschnitt 30'' gebildeten Aussparung. Eine nach oben zeigende Leiste 37, die zwischen dem mittleren Abschnitt 30'' und dem unteren Abschnitt 30''' des Ausgleichselements 30 geformt ist, wird an die Feststellvorrichtung oder Schraube 200 anstoßen, um eine oberste Stellung des Ausgleichselements 30 in der Bohrung 20 zu definieren. Dadurch wird verhindert, dass das Ausgleichselement 30 durch die Feder 40 aus der ersten Bohrung 20 in der Spindel 10 herausgestoßen wird. Die Feststellvorrichtung ist in einer Bohrung 201 angeordnet, die quer zu der Längsachse B des Auslassventils 1, in dem oberen Teil 11 der Spindel 10, wie in der durchsichtigen Ansicht in 6 gezeigt wird, geformt ist. Folglich kann die Feststellvorrichtung oder Schraube 200 aus dem Kanal 201 entfernt werden, was ein Entfernen des Ausgleichselements 30 aus der Bohrung 20 für Reparaturen ermöglicht.
Bei der in 5A–C gezeigten Ausführungsform des Ausgleichselements 30 ist ferner eine zweite Bohrung 25 in der Spindel 10 geformt, wobei sich die zweite Bohrung 25 koaxial mit der ersten Bohrung 20 erstreckt und sich von dem Unterteil 22 der ersten Bohrung 20 oder von der Aussparung 22' aus nach unten erstreckt.
Der obere Abschnitt 30' des Ausgleichselements ist vorzugsweise mit der oben erwähnten Anordnung zum Dämpfen der Bewegung der Ventilspindel während des Schließens des Auslassventils in der Form eines kegelförmigen Abschnitts 32 versehen.
Dadurch wird eine Ausgleichskammer 50 in dem Ausgleichselement 30 und zwischen dem Ausgleichselement 30 und der Bohrung 20 und der zweiten Bohrung 25 in dem oberen Teil 11 der Spindel 10 definiert. Folglich wird, bei der in 2–6 gezeigten Ausführungsform, die Ausgleichskammer 50 durch den oberen Abschnitt 35' und den unteren Abschnitt 35'' der Bohrung 35, den Raum 21 zwischen der nach unten zeigenden unteren Fläche 34 des Ausgleichselements 30 und dem Unterteil 22 der Bohrung 20 in der Spindel 10 und die zweite Bohrung 25 gebildet.
Die Ausgleichskammer 50 steht durch eine Öffnung 70, die durch die obere Fläche 31 des Ausgleichselements 30 geformt ist, in Fluidverbindung mit der Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen (siehe z. B. 4).
Da die Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen und die Ausgleichskammer 50 durch die Öffnung 70 in Fluidverbindung stehen, wird es einen Strom von Hydraulikfluid zwischen den zwei Kammern 50, 60 geben, solange es einen Druckunterschied zwischen der Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen und der Ausgleichskammer 50 gibt. Ein Druckunterschied wird daher eine Längsverschiebung des Ausgleichselements in der Bohrung 20 in der Spindel verursachen und dadurch eine Ausdehnung oder eine Verringerung der Spindelgesamtlänge verursachen. Der Druck in der Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen und der Ausgleichskammer 50 wird selbstverständlich hauptsächlich durch den Druck des Hydraulikfluids bestimmt, das durch den Durchlass 90 in die Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen eingespritzt wird. Jedoch ist der Druck ebenfalls abhängig von der Größe der Kammern, die wiederum von der Temperatur der Spindel 10, des Ausgleichselements 30 und des Zylinders 131 (mit dem oberen Verschluss 132) abhängig ist. Es besteht ein Unterschied bei der Temperatur der erwähnten Teile von einem kalten (nicht betriebsbereiten) Zustand des Motors zu einem Zustand, wobei der Motor unter normalen Betriebsbedingungen läuft (auf Grund der Reibung zwischen Motorteilen und der Verbrennung von Kraftstoff in der Verbrennungskammer). Der Zeitraum, bevor der Motor die Temperatur seines normalen Betriebszustandes erreicht kann bei großen Zweitaktmotoren, die in Wasserfahrzeugen verwendet werden, durchaus in der Größenordnung von 30 Minuten bis 1½ Stunden liegen. Es gibt ebenfalls einen (kleineren) Temperaturunterschied zwischen einem Hoch- und einem Niedriglastbetrieb des Motors. Diese Temperaturunterschiede bewirken insbesondere einen Unterschied bei der Länge der Spindel 10 (die bei einem großen Zweitaktmotor der oben beschriebenen Art 0,5 bis 2 m betragen kann).
Eine richtige Abstimmung des Ausfahrens des Ausgleichselements wird durch das Abstimmen der Federkraft, die das Ausgleichselement nach oben drängt, der Größe der Öffnung 70 (welche die Geschwindigkeit des Hydraulikfluid-Stroms bestimmt) und der Größe der Ausgleichskammer 50 vorgenommen.
In 5A wird das Ausgleichselement in einer vollständig ausgefahrenen Stellung gezeigt. Diese Stellung entspricht einer Situation, wobei der Motor kalt ist und die Spindel 10 daher verhältnismäßig kurz ist. 5C stellt eine Situation dar, wobei der Motor mit voller Last läuft und wobei die Spindel 10 sich aufgeheizt hat und sich bei einer zu erwartenden maximalen Länge befindet. Während des normalen Betriebs wird das Ausgleichselement 30, wie in 5B gezeigt, in einer Stellung zwischen den zwei extremen Stellungen angeordnet sein. Jedoch wird das Ausgleichselement 30 für jeden Hub des Motorkolbens 105 die Stellung verändern, weshalb die oben erörterten Stellungen als durchschnittliche Stellungen für die einzelnen Temperaturszenarien verstanden werden sollten.
Simulationen und Versuche haben geeignete Beziehungen zwischen der Federkraft, der Öffnungsgröße und dem Gesamtvolumen der Ausgleichskammer 50 gezeigt. Unten wird ein Beispiel für einen Motor mit einem Zylinder von 50 cm (innere Bohrung) gegeben, wobei der Durchmesser der Spindelbohrung 5 (am Abschnitt 6''', siehe z. B. 4) 52 mm beträgt.
Der zum Betätigen des Auslassventils angelegte Druck wird auf annähernd 300 Bar in der Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen gesteigert.
Die Feder 40 stellt vorzugsweise eine nach oben gerichtete Kraft auf das Ausgleichselement 30 bereit, die einem Druckunterschied von 0,2–1,5 Bar zwischen der Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen und der Ausgleichskammer 50 entspricht. Vorzugsweise stellt die Feder 40 eine nach oben gerichtete Kraft auf das Ausgleichselement 30 bereit, die 0,5 Bar entspricht.
Die Öffnung hat vorzugsweise einen Durchmesser in dem Bereich von 0,2–1 mm, insbesondere 0,5 mm.
Das Volumen der Ausgleichskammer 50 beträgt vorzugsweise 20000–25000 mm³ (Kubikmillimeter), wie beispielsweise 22453 mm³, wenn sich das Ausgleichselement in der vollständig ausgefahrenen Stellung befindet.
Ähnliche Werte können für andere Zylindergrößen, Ventilspindel-Bohrungsdurchmesser und Auslassventil-Betätigungsdrücke berechnet oder durch Versuche oder Simulation gefunden werden.
Dadurch stellt das Ausgleichselement 30 automatisch sicher, dass die Stellung der kegelförmigen Fläche 32 und der nach oben zeigenden Leiste 33 eine genaue Passung mit der Dämpfungskammer 81 beziehungsweise der Fläche 132' des oberen Verschlusses 132 bildet, d. h., es wird sichergestellt, dass die Gesamtlänge der Spindel 10 mit dem Ausgleichselement 30 immer dafür eingerichtet ist, sicherzustellen, dass sich der Dämpfungsmechanismus am Oberteil der Spindel 10 an der richtigen Stellung im Verhältnis zu der Dämpfungskammer 81 befindet und dass der Ventilteller 3 des Auslassventils 1 dicht auf dem Ventilsitz 4 schließt.
Bei der in 9 gezeigten alternativen Ausführungsform ist die Ausgleichskammer 50 auf eine andere Weise als bei den oben gezeigten Ausführungsformen in dem Ausgleichselement 30 geformt. Die gleichen Bezugszahlen beziehen sich auf die gleichen Teile wie in 2-8. Die Ausgleichskammer 50 wird durch eine einzelne Bohrung 35 in dem Ausgleichselement 30 und den Raum 21 zwischen dem Ausgleichselement 30 und dem Unterteil 22 der Bohrung 20 in der Spindel 10 gebildet. Die Länge der Bohrung 35 ist größer als bei der oben erwähnten Ausführungsform, aber die obere Bohrung 35' und die zweite Bohrung 25 der oben beschriebenen Ausführungsform sind weggelassen worden. Das Volumen der Ausgleichskammer 50 kann folglich auf eine gewünschte Größenordnung ausgewählt und mit der Federkraft und dem/der Öffnungsdurchmesser/-größe abgestimmt werden, um die Gesamtlänge der Spindel 10 in Abhängigkeit von der Größe des Motors und der gewünschten Einstellungsgeschwindigkeit einzustellen. Bei anderen, nicht gezeigten, Ausführungsformen kann das Volumen der Ausgleichskammer 50 bei der Ausführungsform von 9, wie bei der Ausführungsform von 5 gezeigt, mit einer zweiten Kammer 25 eingestellt werden.
In 10 wird ein Beispiel einer Simulation des Ausfahrens des Ausgleichselements während eines einzelnen Motorzyklus gezeigt. Die Simulation wird an einem Ausgleichselement 30 nach der in 9 gezeigten Ausführungsform und mit den Daten des obigen Beispiels durchgeführt. In der Figur zeigt die Kurve G1 den in der Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen angelegten Druck. Der Druck (in Bar) ist auf der Skala rechts in der Figur abzulesen. Die Kurve G2 zeigt die entsprechende Verschiebung des Auslassventils 1 (die durch den Ventilteller 3 weg von dem Ventilsitz 4 zurückgelegte Strecke). Die Strecke (in mm) ist auf der Skala rechts in der Figur abzulesen. Die Kurve G3 zeigt die Verschiebung des Ausgleichselements 30 im Verhältnis zu der Bohrung 20 in der Spindel 10. Die Strecke (in mm) ist auf der Skala links in der Figur abzulesen. Die Skala an der Abszisse ist die Zeit in Sekunden. Die illustrierte Situation ist eine, wobei sich das Ausgleichselement 30 im Vorgang des Anpassens der Spindelgesamtlänge an eine niedrige Temperatur der Spindel 10 befindet. Folglich wird die Stellung des Ausgleichselements 30 mit der Zeit zunehmend ausgefahren. Während des gezeigten Zyklus nimmt die Stellung des Ausgleichselements im ersten (in der Zeit) Drittel (bis 0,15) allmählich zu, um sich der Dämpfungskammer 81 anzunähern. Der Druck in der Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen liegt beim Umgebungsdruck, weshalb das Auslassventil geschlossen ist. Dann, bei 0,15, muss das Auslassventil öffnen, um die Verbrennungskammer 106 zu entleeren. Hydraulikfluid unter Druck wird zu der Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen geleitet, und der Druck steigt schnell an, was die Spindel 10 zwingt, sich zu bewegen, um den Ventilteller 3 von dem Ventilsitz 4 zu drängen, was anfangs Druckschwankungen ergibt. Schließlich flachen der Druck der Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen bei etwa 300 Bar und die Verschiebung des Ventils bei etwa 200 mm ab. Die Stellung des Ausgleichselements 30 wird im Ergebnis des schnell gesteigerten Drucks in der Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen in die Bohrung 20 niedergedrückt. Aber wenn ein Druckgleichgewicht zwischen den Drücken in der Ausgleichskammer 50 und der Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen erreicht worden ist, nimmt die Stellung des Ausgleichselements 30 auf Grund der Federkraft ihre Bewegung hin zu einer stärker ausgefahrenen Stellung wieder auf. Wenn das Auslassventil nach dem Entleeren der Verbrennungskammer 106 wieder geschlossen werden soll, wird der Druck in der Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen verringert, wie durch den nahezu augenblicklichen Abfall in der Kurve G1 (genau vor dem Zeitpunkt t = 0,3) zu sehen ist. Wenn folglich der Druck in dem Stellantrieb 109 unterbrochen wird, wird der Druck der Luftfeder 123 das Auslassventil nach oben hin zu seiner geschlossenen Stellung drängen. Sobald der Druck in der Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen unterbrochen wird, wird sich das Ausgleichselement 30 in einem Sprung hin zu einer weiter ausgefahrenen Stellung bewegen, bis sich der Druck in der Ausgleichskammer 50 und der Ventilbetätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen wieder im Gleichgewicht befindet. Folglich wird eine dynamische Einstellung der Spindelgesamtlänge nicht nur über verschiedene Motortemperaturbedingungen, sondern bei jedem Zyklus des Motors erreicht.
7 und 8 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen der Öffnung 70. Bei der Ausführungsform von 7 hat die Öffnung einen kegelförmigen Abschnitt 71, der sich in die obere Fläche 31 des Ausgleichselements 30 öffnet, einen ersten zylindrischen Abschnitt 73 und einen zweiten kegelförmigen Abschnitt 72, der sich in die Hydraulikfluid-Aufnahmekammer 50, d. h., die Bohrung 35 oder den zweiten Bohrungsabschnitt 35' öffnet. Der erste zylindrische Abschnitt 73 hat einen Durchmesser. Der erste zylindrische Abschnitt 73 bildet den Durchgang mit der kleinsten Fläche der Öffnung und definiert dadurch den Durchmesser (oder die Querschnittsfläche) der Öffnung. Bei der in 8 gezeigten Ausführungsform hat die Öffnung 70 einen kegelförmigen Abschnitt 71, der sich in die obere Fläche 31 des Ausgleichselements 30 öffnet, einen ersten zylindrischen Abschnitt 73 und einen zweiten zylindrischen Abschnitt 74. Der zweite zylindrische Abschnitt 74 befindet sich näher an der oberen Fläche 31, und der zylindrische Abschnitt 73 befindet sich näher an der Ausgleichskammer 50. Bei dieser Ausführungsform öffnet sich der erste zylindrische Abschnitt in die Hydraulikfluid-Aufnahmekammer 50, d. h., die Bohrung 35 oder den zweiten Bohrungsabschnitt 35'. Der erste zylindrische Abschnitt 73 hat einen Durchmesser. Der erste zylindrische Abschnitt 73 bildet den Durchgang mit der kleinsten Fläche der Öffnung und definiert dadurch den Durchmesser (oder die Querschnittsfläche) der Öffnung.
6 zeigt in teilweise durchsichtiger Ansicht den oberen Teil 11 einer Spindel 10, wobei ein Ausgleichselement 30 in einer Bohrung 20 angeordnet ist, die hin zu der oberen Fläche 15 des oberen Teils 11 der Spindel 10 offen ist. 6 illustriert, wie auf das Ausgleichselement 30 leicht von oben zugegriffen werden kann, um die Spindel und das Ausgleichselement 30, z. B. für Reparaturen, zu montieren und zu demontieren. Dies wird möglich gemacht durch den Stift 200, der in einer Bohrung 201 in dem oberen Teil 11 einer Spindel 10 angeordnet ist, wobei die Bohrung eine Längsachse, senkrecht zu der Längsachse B der Spindel 10, hat, wobei sich ein Abschnitt der Bohrung 201 in die Bohrung 20 der das Ausgleichselement aufnehmenden Bohrung 20, die hin zu der oberen Fläche 15 offen ist, öffnet. Dadurch kann ein in die Bohrung 201 eingesetzter Stift 200 mit dem mittleren Abschnitt 30'' des Ausgleichselement 30 Ausgleichselements 30 in Wechselwirkung treten, was es dem Ausgleichselement 30 ermöglicht, sich entlang der Achse A der das Ausgleichselement aufnehmenden Bohrung 20 zu verschieben, wobei die Leiste oder die nach oben zeigende Fläche 37 (zwischen dem mittleren Abschnitt 30'' und dem unteren Abschnitt 30''' des Ausgleichselements 30) zusammen mit dem Stift einen Anschlag definiert, der die oberste Stellung des Ausgleichselements 30 im Verhältnis zu der Spindel 10 an sich begrenzt.
6 zeigt ebenfalls, wie die oben erwähnten Durchgänge 39 in dem oberen Abschnitt 30' des Ausgleichselements geformt sind. Mehrere Durchgänge 39 sind in Radialrichtung um einen Umfang des Ausgleichselements 30 verteilt und als Rillen in einer Außenfläche des mittleren Abschnitts 30'' des Ausgleichselements 30 geformt. Die Rillen ermöglichen, dass dauerhaft Hydraulikfluid zwischen der Dämpfungskammer 81 und dem obersten Teil/Abschnitt 6' der Spindelbohrung 5 hindurchgeht derart, dass die Dämpfungskammer 81 und der oberste Teil/Abschnitt 6' der Spindelbohrung 5 zusammen eine Betätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen bilden. Die Durchgänge 39 sind ebenfalls aus 12 zu erkennen, die den oberen Teil des Stellantriebs des hydraulischen Auslassventils zeigt, mit einem Ausgleichselement 30, das an dem obersten Teil 6' der Spindelbohrung 5 bereitgestellt wird. Pfeile in der Figur zeigen den Strom von Hydraulikfluid in die Betätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen an, die durch die Dämpfungskammer 81 und den obersten Teil 6' der Spindelbohrung 5 gebildet wird. Das Hydraulikfluid tritt aus den Leitungen 85 über die Durchlässe 82 in die Dämpfungskammer 81 ein und geht über die Durchgänge 39 (Rillen) aus der Dämpfungskammer 81 hindurch in den obersten Abschnitt/Teil 6' der Spindelbohrung 5, um die Betätigungskammer 60 mit veränderlichem Volumen unter Druck zu setzen. Aus 6 und 12 wird zu erkennen sein, dass die kegelförmige Fläche 32 (die mit der Dämpfungskammer 81 das Dämpfungsmittel bildet) einen ersten Durchmesser (oder eine erste Querschnittsfläche) an dem Oberteil und einen zweiten Durchmesser an einem Unterteil, welcher der nach oben zeigenden ringförmigen Fläche 33 am nächsten ist, hat, und wobei der erste Durchmesser kleiner ist als der zweite Durchmesser derart, dass sich die kegelförmige Fläche 32 in einer Aufwärtsrichtung verjüngt. Aus 12 wird zu erkennen sein, dass der zweite, untere, Durchmesser vorzugsweise kleiner ist als ein Durchmesser der Dämpfungskammer 81 derart, dass ermöglicht wird, dass Hydraulikfluid über die Durchgänge 39 in den oberen Teil 6' der Spindelbohrung 5 und aus demselben strömt. Der Freiraum zwischen der kegelförmigen Fläche 32 und der Dämpfungskammer 81 an dem zweiten, unteren, Durchmesser der kegelförmigen Fläche 32 (wenn die nach oben zeigende ringförmige Fläche 33 des Ausgleichselements 30 an die nach unten zeigende Fläche 132' des oberen Verschlusses 132 anstößt) ist vorzugsweise winzig. In 12 stößt die nach oben zeigende ringförmige Fläche 33 des Ausgleichselements 30 an die nach unten zeigende Fläche 132' des oberen Verschlusses 132 an.
Der Schnitt in 12 variiert den in 4 gezeigten Schnitt dadurch, dass sich der Winkel geringfügig unterscheidet. Folglich sind in 4 die Kanäle 85 nicht zu sehen – nur einige der Durchlässe 82 zwischen der Dämpfungskammer 81 und den Kanälen 85. In 12 werden Schnitte durch zwei Kanäle 85 gezeigt. Folglich illustrieren die zwei Figuren, dass es mehr als einen Kanal 85 geben kann, der mit der Dämpfungskammer 81 verbindet. In 3 wird nur einer gezeigt.
Oben sind die Ausführungsformen des Spindellängen-Einstellmechanismus in Verbindung mit einer Spindel mit einem Kolben 90 zum Beschleunigen der Bewegung der Spindel 10 während der Anfangsphase der Öffnung des Ventils 1 beschrieben worden, wobei der Kolben 90 an einem obersten Abschnitt der Spindel angeordnet ist. Es wird jedoch zu erkennen sein, dass ein ähnlicher Beschleunigungskolben an einem anderen Abschnitt der Spindel angeordnet sein kann und dabei die oben beschriebenen Ausführungsformen des Spindelausfahrmechanismus doch funktionsfähig sein können.
11 zeigt eine alternative Ausführungsform des Spindelausfahrmechanismus. Es werden die gleichen Bezugszahlen, wie sie in Verbindung mit 1–10 oben verwendet werden, in Verbindung mit ähnlichen Merkmalen in Verbindung mit der Beschreibung der in 11 gezeigten Ausführungsform verwendet. Bei dieser Ausführungsform ist ein Ausgleichselement 30, anstatt in einer Bohrung in der Spindel angeordnet zu sein, verschiebbar an der Außenseite des obersten Abschnitts der Spindel angeordnet. Folglich ist das Ausgleichselement 30 eine becherförmige Struktur, die an und über einem obersten Endabschnitt 11 der Spindel 10 angeordnet ist. Eine Öffnung 70 wird durch das Ausgleichselement bereitgestellt, um eine dauerhafte Fluidverbindung zwischen einer Ventilbetätigungsammer 60 mit veränderlichem Volumen und einer Ausgleichskammer 50 zu gewährleisten. Bei dieser Ausführungsform wird die Ventilbetätigungsammer 60 mit veränderlichem Volumen durch die Dämpfungskammer 81 und einen oberen Abschnitt 6' einer Spindelbohrung 5 definiert. Ferner wird die Ausgleichskammer 50 durch einen Raum zwischen dem Ende 11 der Spindel und einer nach unten zeigenden Innenwand des Ausgleichselements, eine Hauptbohrung 20 und eine sekundäre Bohrung 25, die in der Spindel 10 bereitgestellt wird, definiert. Entsprechend den zuvor beschriebenen Ausführungsformen hat die in 11 gezeigte Ausführungsform ebenfalls Durchgänge (nicht gezeigt), ähnlich den Durchgängen 39 der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Durchgänge eine dauerhafte Fluidverbindung zwischen einer Dämpfungskammer 81 und einem obersten Abschnitt 6' einer Spindelbohrung 5 ermöglichen.
Bei allen der oben beschriebenen Ausführungsformen ist das Dämpfungsmittel zum Dämpfen des Schließens des Ventils so beschrieben worden, dass es die Form einer kegelförmigen Fläche 32 hat, die an dem Ausgleichselement 30 bereitgestellt wird, wobei sie mit der Wand der Dämpfungskammer 81 in Wechselwirkung tritt. Jedoch kann die kegelförmige Fläche ebenfalls als eine Wand der Dämpfungskammer 81 bereitgestellt werden, wobei der Oberteil des Ausgleichselements als ein gerader zylindrischer Teil geformt ist. Auf gleiche Weise sind die Durchgänge 39 so beschrieben worden, dass sie an dem Ausgleichselement 30 bereitgestellt werden, jedoch können diese Durchgänge ebenfalls in der Wand der Dämpfungskammer 81 bereitgestellt werden.
Der Begriff ”umfassend”, wie er in den Ansprüchen verwendet wird, schließt andere Elemente oder Schritte nicht aus. Der Begriff ”ein” oder ”eine”, wie er in den Ansprüchen verwendet wird, schließt eine Vielzahl nicht aus. Der einzelne Prozessor oder eine andere Einheit kann die Funktionen von mehreren in den Ansprüchen angegebenen Mitteln erfüllen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20060283411 [0004, 0004]
FR 2674570 [0004]
DE 19529155 [0004]

Claims

Gaswechselventil (1) für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei das Gaswechselventil (1) Folgendes umfasst: – eine Spindelbohrung (5), – eine Ventilspindel (10), die in der Spindelbohrung (5) aufgenommen wird, – eine Dämpfungskammer (81) und – eine Ventilbetätigungskammer (60) mit veränderlichem Volumen, die in dem oberen Teil der Spindelbohrung (5) angeordnet ist, wobei die Ventilspindel (10) Folgendes umfasst: – ein oberes Ende (11), das mit Dämpfungsmitteln (32) versehen ist, die eingerichtet sind für ein Zusammenwirken mit der Dämpfungskammer (81), um eine Bewegung der Ventilspindel (10) während des Schließens des Auslassventils (1) zu dämpfen, – eine Langsachse (A) und – ein Ausgleichselement (30), das an dem oberen Ende (11) bereitgestellt wird, wobei das Ausgleichselement (30) verschiebbar ist zwischen einer zusammengedrückten Stellung und einer ausgefahrenen Stellung entlang der Längsachse (A), und – eine Feder (40), die das Ausgleichselement (30) hin zu der ausgefahrenen Stellung vorspannt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgleichskammer (50) in dem oberen Teil der Spindel angeordnet ist, wobei die Ausgleichskammer (50) durch eine Öffnung (70), die durch eine obere Fläche (31) des Ausgleichselements (30) geformt ist, in dauerhafter Fluidverbindung mit der Ventilbetätigungskammer (60) mit veränderlichem Volumen steht, die in dem oberen Teil der Spindelbohrung (5) angeordnet ist.
Gaswechselventil (1) nach Anspruch 1, wobei die Ausgleichskammer (50) ein maximales Volumen hat, die Öffnung eine Abmessung und eine Form hat, und die Feder dafür konfiguriert ist, eine vorbestimmte nach oben gerichtete Kraft auf das Ausgleichselement auszuüben, wobei das Volumen der Ausgleichskammer (50), die Form und Abmessung der Öffnung (70) und die nach oben gerichtete Kraft der Feder (40) dafür eingerichtet sind, als Reaktion auf Temperaturveränderungen des Gaswechselventils (1) eine enge Passung der für ein Zusammenwirken mit der Dämpfungskammer (81) eingerichteten Dämpfungsmittel (32) zu gewährleisten.
Gaswechselventil (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausgleichskammer (50) wenigstens zwischen dem Ausgleichselement (30) und dem oberen Ende der Spindel (10) angeordnet ist.
Gaswechselventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Ausgleichselement (30) in einer ersten Bohrung (20) aufgenommen wird, die in dem oberen Ende (11) bereitgestellt wird und sich hin zu dem oberen Ende (11) der Spindel (10) öffnet.
Gaswechselventil (1) nach Anspruch 4, wobei die Ausgleichskammer (50) wenigstens teilweise innerhalb des Ausgleichselements (30) angeordnet ist.
Gaswechselventil (1) nach Anspruch 5, wobei die Ausgleichskammer (50) einen Abschnitt, der durch eine in dem Ausgleichselement (30) geformte Bohrung (35) gebildet wird, und ein Volumen (21), das zwischen dem Ausgleichselement (30) und der Bohrung (20) in der Spindel (10) gebildet wird, umfasst.
Gaswechselventil (1) nach Anspruch 6, wobei der Abschnitt der Ausgleichskammer (50) in dem Ausgleichselement (30) einen ersten Bohrungsabschnitt (35'') und einen zweiten Bohrungsabschnitt (35') umfasst, wobei der erste Bohrungsabschnitt (35'') eine größere Querschnittsfläche hat als der zweite Bohrungsabschnitt (35').
Gaswechselventil (1) nach Anspruch 7, wobei die Feder (40) in dem ersten Bohrungsabschnitt (35'') angeordnet ist.
Gaswechselventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Ausgleichskammer (50) ferner eine zweite Bohrung (25) umfasst, die in der Spindel (10) geformt ist, wobei die zweite Bohrung (25) in Fluidverbindung mit der ersten Bohrung (20) der Spindel (10) steht.
Gaswechselventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Dämpfungsmittel (32) an einem obersten Abschnitt des Ausgleichselements (30) bereitgestellt werden.
Gaswechselventil (1) nach Anspruch 10, wobei wenigstens ein Durchgang (39) bereitgestellt wird, um eine dauerhafte Fluidverbindung zwischen der Dämpfungskammer (81) und dem obersten Abschnitt der Spindelbohrung (5) zu gewährleisten.
Gaswechselventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Ventilbetätigungskammer (60) mit veränderlichem Volumen einen Abschnitt hat, der eine Dämpfungskammer (81) definiert, wobei die Dämpfungskammer (81) in einem oberen Verschluss (132) geformt ist und sich in den obersten Teil der Spindelbohrung (5) öffnet.
Gaswechselventil (1) nach Anspruch 12, wobei die Dämpfungskammer (81) in Verbindung mit einem Regelventil (117) steht, um die Ventilbetätigungskammer (60) mit veränderlichem Volumen mit unter Druck gesetztem Hydraulikfluid zu versorgen.
Gaswechselventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Gaswechselventil ein Auslassventil (1) für einen großen langsam laufenden Zweitakt-Gleichstrom-Dieselmotor des Kreuzkopftyps ist.