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Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung von Brennkraftmaschinenventilen,
insbesondere der Spindeln der Betriebsmitteleinlaßventile von Verpuffungsbrennkraftturbinen
Zur Kühlung von 'Brennkraftmaschinen ventilen-sindbisher im wesentlichen zwei Verfahren
angewandt worden.
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Das vor allem verwandte Verfahren besteht in einer Durch$ußkühlung
der Ventile. Die erheblichen baulichen Aufwendungen, die infolge der Notwendigkeit
der Zuführung des Kühlmittels zu einem schnellbewegten Maschinenteil und: der Notwendigkeit
der W@ederabführung des erwärmten Kühlmittels entstehen, rechtfertigen die Anwendung
dieses Kühlverfahrens jedoch nur dann, wenn verhältnismäßig hohe Wärme- und Temperaturbeanspruchungen
derartiger Ventile auftreten. Bei . Verpufungsbrennkraftturbinen findet dieses Kühlverfahren
daher bei den Düsen-und Auslaßventilen Anwendung, die zur Entlassung der hochgespannten
und hocherhitzten Verbrennungsgase bzw. des Verbrennungsgäsrestes während der Aufladung
bzw. Spülung der Verpuffungskammer dienen. Die Kühlflüssigkeit durchströmt dabei
dauernd nicht nur die Ventilspindeln, - sondern auch den Ventilteller. Im allgemeinen
wird- zu diesem Zweck Kühlwasser verwandt. Es ist aber auch schon vorgeschlagen
worden, bei hydraulisch gesteuerten Ventilen einen Teil des Steuermittels, das vorzugsweise
aus mehr oder weniger hochgespanntem Drucköl besteht,- zu benutzen, so daß hierdurch
ein besonderer Kühlinittelumlauf für die zu kühlenden Ventile gespart wird.
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Abgesehen. davon, daß die Durchflußkühlung vorn Brennkraftfnaschinenteilen
einen verwickelten Aufbau bedingt, darüber hinaus eine sorgfältige Betriebsüberwachung
verlangt, weil es sich um eine ziemlich empfindliche Anordnung handelt, besitzt
sie die weitere Eigenschaft, zu einer verhältnismäßig starken Erhöhung der Maschinengewichte
zu führen, die bei ortsfesten Anlagen ohne weiteres tragbar ist, aber bei Verkehrsmaschinen,.insbesondere
Flug- und Kraftfahrzeugmotoren; als nachteilig empfunden wird. Dazu komint der -Mehraufwand
an für den Umlauf des Kühlmittels aufzuwendender Verlustleistung. Man hat sich,
um bei derartigen Maschinen auf die Kühlung der Ventile nicht
ganz
verzichten zu müssen, daher auf die Anwendung eines zweiten Kühlverfahrens beschränkt,
bei den man sich im wesentlichen mit der Abführung der Kühlwärme aus dem Ventilteller
in die Ventilspindel begnügt, um wenigstens örtliche Überhitzungen des Ventiltellers
zu beseitigen. Bei diesem Verfahren wird ein nach außen völlig abgeschlossener,
zusammenhängender Hohlraum des Ventiltellers und der Ventilspindel mit einem Kühlmittel,
insbesondere bei hohen Temperaturen schmelzenden Salzen, gefüllt. Infolge der hängenden
Anordnung der Ventile gelangt das Kühlmittel vermöge seiner Schwerkraft selbsttätig
in den V entiltellerhohlraum, nimmt hier die Kühlwärme auf, steigt infolge der Thermosyphonwirkung
nach oben und gibt seine Wärme an die Ventilspindel ab, um dann wieder infolge seiner
zunehmenden Wichte zum Ventilteller zuzufließen. Die Anwendung dieses Verfahrens
beschränkt sich also auf eine bestimmte örtliche Anordnung der Ventile. Weitere
Voraussetzung der Anwendung des Verfahrens ist das Eintreten eines gewissen Beharrungszustandes,
bei dem die Spindelführung eine solche Wärmeabfuhr g e Währleistet, daß keine Spindelhemmungen
und -klemmungen auftreten können, welche die Wirkungsweise des Ventils beeinträchtigen
oder aufheben würden.
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Es war bereits ausgeführt worden, daß sich die Durchflußkühlung nur
bei Ventilen rechtfertigt, deren hohe Wärme- und Temperaturbeanspruchungen eine
derartige Durchflußkühlung erzwingen. Nun gibt es aber im Erennkraftmaschinenbau,
insbesondere bei Verpuffungsbrennkraftturbinen, auch Ventile, bei denen diese Verhältnisse
nicht bestehen, während andererseits auf eine gewisse Kühlung nicht verzichtet werden
kann. Als derartige Ventile kommen beispielsweise die Betriebsmitteleinlaßventile
von Verpuffungsbrennkraftturbinen in Betracht. Denn bekanntlich kann das Einlaßende
der Verpuffungskammern, das im Gegensatz zu dem das Düsen- und Auslaßventil aufnehmenden
Auslaßende die Betriebsmitteleinlaßventile trägt, deshalb verhältnismäßig kühl gehalten
werden, weil es, insbesondere durch konische bzw. venturidüsenartige Ausbildung
dieses Einlaßendes, gelungen ist, jegliche Verwirbelang zwischen dem die Verpuffungskammer
-von der vorausgehenden Verpuffung her noch erfüllenden Restfeuergasen und der frischen
Ladung zu verhindern; es bildet sich eine scharfe Trennschicht zwischen den Restfeuergasen
und der Ladung aus, die jede stärkere Erwärmung des Einlaßendes beseitigt. Dazu
kommen die unmittelbaren Kühlwirkungen des eingelassenen Betriebsmittels, insbesondere
der Verbrennungs-, Spül- und Ladeluft, «-eiter der zu verpuffenden, gasförmigen
Brennstoffe, wie Gicht-, Hochofen-, Koks-, Leuchtgas usw. Diese Kühlung reicht zwar
bei normalen Betriebszuständen ohne weiteres aus, um die sichere Wirkungsweise dieser
Ventile zu gewährleisten. Aber es müssen auch, wie die Erfahrung lehrt, Betriebsverhältnisse
in Betracht gezogen werden, bei , denen diese Kühlung nicht mehr ausreichen würde.
Diese Betriebsverhältnisse sind beispielsweise dadurch gegeben, daß infolge an sich
geringfügiger Störungen im Ablauf von Verpuffungen Vorzündungen entstehen können,
die es mit sich bringen, daß eine Verpuffung oder nach Vollendung derselben die
erzeugten Verbrennungsgase durch die Einlaßventile hindurch die Betriebsmittel in
die Zuführungsleitungen zurückdrücken. In solchen Fällen setzt die Kühlung durch
die Betriebsmittel völlig aus, während andererseits die Wärme- und Tenperaturbeanspruchungen
der Einlaßventile sofort einen Grad erreichen, bei dem Klemmungen der Ventilspindeln
und sonstige Störungen unvermeidlich sind.
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Es liegt nahe, für diese Fälle das hekanntgewordene zweite Kühlverfahren
zur Anwendung zu bringen. Eine diesbezügliche Möglichkeit ist aber nicht gegeben.
Zunächst fehlt es an der räumlichen Voraussetzung der. Anwendung des Verfahrens,
nämlich an der hängenden Anordnung der Ventile. Bekanntlich werden die Verpnffungskammern
entweder waagerecht oder senkrecht angeordnet, d. h. im ersten Falle liegen die
Spindelachsen der Betriebsmitteleinlaßventile ebenfalls in der Waagerechten, während
bei der zweiten Anordnung infolge der Überfluranordnung der umlaufenden Teile der
Verpuffungsbrennkraftturbinenanlage, infolge der Unterfluranordnung der Verpuffungskammern
selbst, die Ventilteller der Betriebsmitteleinlaßorgane oberhalb der Ventilspindeln
liegen. In beiden Fällen fehlt die selbsttätige Zufuhr des in den Hohlräumen jedes
Ventils einzuschließenden Kühlmittels zum Ventilteller. Vor allem aber fehlt es
völlig an dem Beharrungszustand, der es ermöglichen würde, daß die an die Ventilspindel
abgegebene Wärme des Ventiltellers störungslos auf die Ventilspindelführungen und
die sich anschließenden Maschinenteile abgeleitet wird. Denn die bei einem Gasrückschlag
aufzunehmenden Wärmemengen und die gleichzeitig auftretenden Temperaturen sind so
hoch, daß es zu einem Klemmen der Ventilspindeln kommen würde, bevor überhaupt die
Möglichkeit einer Wärme- . abfuhr aus der Ventilspindel gegeben wäre.
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Ein Ausweg läßt sich auch nicht durch Vergrößerung des Führungsspieles
der Ventilspindeln finden. Denn infolge der durchweg
vorgesehenen
hydraulischen Steuerung dieser Ventile würden, da die Spindeln- bei normalem Betrieb
das -zu .große Führungsspiel zur vollen Auswirkung kämmen lassen würden, erhebliche
Verluste an Steuermitteln erfolgen, ganz abgesehen davon, daß auf diese Weise eine
genaue Führung in Verlust geraten und die weitere Möglichkeit bestehen -würde, daß
beispielsweise bei Verwendung von Steueröl letzteres zur Unzeit entzündet und verbrannt
würde.
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Die sich bei dieser Sachlage ergebenden Aufgaben werden erfindungsgemäß
durch ein Kühlverfahren gelöst, bei dem das zu kühlende Ventil, dessen mit Kühlmitteln
zu versorgende Hohlräume nur einseitig an einen Kühlmitfelvorrat enthaltende Räume
angeschlossen.sind, mit Beschleunigungen eröffnet bzw. geschlossen wird, bei denen
durch Abreimen der Kühlmittelsäule Hohlraumbildungen in derselben-mit folgender
selbsttätiger Wiederauffüllung letzterer mit unter Druck stehendem Kühlmittel und
dadurch herbeigeführtem Kühlmittelaustausch eintreten.
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Die Erfindung verwertet dabei die Erkenntnis, daß derartige Ventilbeschleunigungen
bei den heute üblichen Spielzahlen von Verpuffungsbrennkräftturbinen ohne weiteres
verwirklichbar bzw. bei versuchsweisen Ausführungen schon verwirklicht worden sind.
Es ist also nur erforderlich, in dem zu kühlenden Maschinenteil einen Hohlraum vorzusehen,
der einseitig an einen -beliebigen Kühlinittelvorrat, also an irgendeinen kühlmittelerfüllten
Raum, angeschlossen ist. Sind die dem Ventil, d. h. den mechanisch, hydraulisch
oder sonstwie bewegten, aus zusammenhängenden und starren Werkstoffen bestehenden
Teilen desselben aüfgezwüngenen Beschleunigungen so groß, daß die in Hohlräumen
dieses Teiles zwar aufgenommene, aber nicht allseitig eingeschlossene und. daher
ihrer Aigenen Massenträgheit unterworfene Kühlmittelsäule den Ventilbeschleunigungen
nicht sofort zu folgen vermag, so kommt es zu einem Abreißen der Ölsäule und damit
zu unter einem Vakuum stehenden Hohlraumbildungen in derselben. Nähert sich die
Ventilbewegung ihrem Ende, d. h. nehmen die Beschleunigungen. ab, so gleichen sich
die Bewegungs- und Massenträgheitsverhältnisse der Kühlmittelsäule wieder den entsprechenden
Verhältnissen der an sie angrenzenden starren Teile des Ventils an, so daß unter
gleichzeitiger Wirkung des Kühlmitteliiberdruckes die Hohlraümbildung verschwindet.
Das ist nur möglich, wenn ein Teil des Kühlinittelvorrates zur Wiederauffüllung
der Kühlinittelsäule dient, nachdem vorher ein entsprechender Teil des Kühlmittels
aus der Kühlmittelsäule in-den. Kühlinittelvorrat Tibergetreten war. Durch die unvermeidliche
Mischung besitzt das neu eintretende Kühlmittel in jedem Falle eine geringere Temperatur
als das Kühlmittel, das aus den bew-egten Ventilteilen ausgetreten war, womit durch
den so bewirkten Austauschdes Kühlmittels die Kühlwirkung sichergestellt ist. Versuche
haben denn auch bewiesen, dafä eine derartige Kühlung völlig ausreicht, um das bisher
beim Eintreten von Vörzündungen zu beobachtende Klemmen der Ventilspindel mit Sicherheit
auszuschließen. Durch eine bestimmte Gestaltung des Ouerschnittes, insbesondere
durch Anordnung von Drosselstellen, kann dabei das Abreißen der Kühlinittelsäule
an bestimmten Stellen erzwungen -werden, obschon es an sich völlig unerheblich ist,
an welcher Stelle der kühlmitteleriüliten Ventilhohlräume es zu einem Abreißen .des
Kühlmittels kommt.
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Eine weitgehende Vereinfachung des erfindungsgemäß ausgebildeten,
oben gekennzeichneten Verfahrens ergibt sich, wenn hydraulisch gesteuerte Ventile
Anwendung finden. Denn in diesem Falle ist es nur erforderlich, Hohlräume der Ventile,
insbesondere Längsbohrungen der Ventilspindeln, einseitig an das- Steuermittel,
vorzugsweise Steueröl, anzuschließen.
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Die Erscheinung, daß bei gekühlten Brennkraftrnaschinenteilen, fieren
Bewegung mit starken- Beschleunigungen eingeleitet bzw. unter - starken Verzögerungen
zu Ende geführt wird, die Kühlmittelsäulen unter dem Einfluß dieser Beschleunigungen
bzw. Verzögerungen abreißen können, ist in der Brennkraftmaschinentechnik nicht
unbekannt geblieben. Zur Vermeidung dieser bei Durchflußkühlung unerwünschten Erscheinungen
hat man die Verbindung des im bewegten Maschinenteil enthaltenen Kühlmittels mit
dem Kühlmittelv o r rat entweder völlig unterbrochen oder stark abgedrosselt. Demgegenüber
wird erfindungsgemäß von der Erscheinung des Abreißens der Kühlinittelsäulen ein
bewußter und demgemäß erwünschter Gebrauch gemacht, um zu einem von der Durchflußkühlung
abweichenden Kühlverfahren zu kommen, bei dein im Gegensatz zu den bekannten Maßnahmen
die Verbindung zwischen> in einem bewegten Maschinenteil enthaltenen Kühlmittel
und dem Kühlmittelvorrat nicht unterbrochen oder gedrosselt, sondern durch besondere
Mittel herbeigeführt wird.
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Die zur Durchführung des dargestellten Verfahrens dienenden Vorrichtungen
können je nach der gerade vorhandenen baulichen Ausbildung der Ventile in der verschiedenartigsten
Weise ausgestaltet sein. Sie kennzeichnen sich vorzugsweise durch Anordnung einer
eine Längsbohrung der Ventilspindel
mit einem kühlmittel-, vorzugsweise
steuermittelerfüllten Raum verbindenden O_uerbohrung in der Ventilspindel. Auf diese
einfache Weise kann mit einem Mindestaufwand an baulichen Mitteln eine Ventilkühlung
verwirklicht werden.
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Die Zeichnung zeigt eine Ausfübtrung des Erfindungsgedankens am Beispiel
des Spül-bzw. Ladelufteinlaßventils einer Verpuffungskammer.
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In der Zeichnung erkennt man den untersten Teil i des venturidüsenartig
ausgestalteten Einlaßendes, der Verpuffungskammer, in deren Längsachse das hydraulisch
gesteuerte Spül- bzw. Ladelufteinlaßventil mit dem Ventilteller 2 und der Ventilspindel
3 angeordnet ist. Der Ventilteller schließt im geschlossenen Zustand des Ventils
den Raum i gegen den Zuführungsstutzen q. für die der Verpuffungskaminer zuzuführende
Spül- bzw. Ladeluft ab.
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In an sich bekannter Weise ist die hydraulische Steuerung des Ventils
wie folgt ausgestaltet.
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In dem Ventilgehäuse 5 ist der Vorsteuerkolben 6 längs verschieblich
angeordnet. Er steht unter dein Einfluß eines bei 7 im Takt der Arbeitsspiele der
Verpuffungskammer zugelassenen Steuermittels. Die Zulassung des als Steuermittel
durchweg Verwendung findenden Druckmittels erfolgt dabei über einen umlaufenden
Verteiler an sich bekannter Bauart. Zur Steuerung des Ventils 2, 3 selbst findet
höher gespanntes Preßöl Verwendung, das den Steuerkanälen des Ventilgehäuses 5 über
Leitung 8 zugeführt wird. In der dargestellten Lage des Vorsteuerkolbens 6 kann
das bei 8 zugelassene Preßöl über den Ringraum 9 um den V orsteuerkolben 6 herum
in den Steuerkanal io treten, so daß es Zutritt zum Ringraum i i hat. Dadurch kann
es auf die Differenzkolbenfläche 12 wirken, die dadurch verwirklicht ist, daß auf
der Ventilspindel 3 ein Steuerkolben 13 mit einem den Durchmesser der Ventilspindel
3 übersteigenden Durchmesser fest angeordnet ist. Der Vorsteuerkolben 6 befindet
sich in der dargestellten Lage deshalb, weil das bei 8 zugelassene Preßöl auf "die
verhältnismäßig kleine Differenzfläche 15 des Vorsteuerkolbens wirkt, die durch
den Durchmesserunterschied zwischen dem oberen und dein unteren Teil des Vorsteuerkolbens
gebildet wird. Da der nicht gezeichnete Verteiler in dem dargestellten Zustand des
Vorsteuerkolbens 6 über Leitung 7 kein Drucköl auf die größere Kolbenfläche 16 wirken
läßt, kann der auf die Differenzlä;ch-e 15 des Vorsteuerkolhens 6 dauernd
einwirkende Überdruck des bei 8 zugelassenen Preßöles den Vorsteuerkolben 6 bis
an den obersten Anschluß nach oben bewegen bzw. in dieser Lage halten. Sobald aber
über Leitung 7 Drucköl zugelassen wird, @überwindet die Wirkung des letzteren auf
die größere Vorsteuerkolbenfläche 16 den Druck des höher gespannten Preßöls aus
der Leitung 8 auf die kleinere Differenzfläche 15, so daß der Vorsteuerkolben 6
in eine Lage übergeht, in der er die Abflußleitung 17 für das Preßöl absperrt. In
der gleichen Lage des Vorsteuerkolbens 6 befindet sich die Bohrung 18 dem
Steuerkanal i g gegenüber, so daß dieser und damit der Steuerraum 20 Preßöl aus
Leitung 8 über Bohrung 1q. und den Hohlraum des Vorsteuerkolbens 6 erhalten. Dadurch
wird die größere, vom Steuerkolben 13 des Vmtils 2, 3 gebildete Einflußfläche
unter die Wirkung des über Leitung 8 zugelassenen Preßöls gesetzt, so daß sich das
Ventil e, 3 unter Überwindung des vom Preßöl auf die Differenzkolbenfläche 12 ausgeübten
Gegendruckes öffnet. Sämtliche dieser Vorgänge spielen sich entsprechend einer verhältnismäßig
hohen Umlaufgeschwindigkeit des Drehschiebers und der verhältnismäßig hohen Drücke
der bei 8 zugelassenen Steuer- bzw. Preßflüssigkeiten in außerordentlichen kurzen
Zeiten ab. so daß das Öffnen und Schließen des Ventils 2, 3 mit großen Beschleunigungen
erfolgt. Das Schließen des Ventils erfolgt dabei dadurch, daß der Verteiler die
Steuerölleitung 7 plötzlich vorn Steueröldruck entlastet. Dadurch kehrt der Vorsteuerkolben
6 in die gezeichnete Lage zurück, so daß auch das Ventil 2, 3 die gezeichnete Lage
wieder einnimmt.
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Von den bei diesen Vorgängen eintretenden Beschleunigungen und von
dem weiteren Umstand, daß in dem über Leitung 8 zugelassenen Preßöl, an dessen Stelle
jede andere Flüssigkeit treten kann, ein geeignetes Kühlmittel zur Verfügung steht,
wird nun erfindungsgemäß dadurch Gebrauch gemacht, daß im Ventil 2, 3 eine Längsbohrung
2i und eine Querbohrung 22 angeordnet werden, wobei letztere die Längsbohrung 21
mit dem Ringraum il verbindet. Durch diese einfache Maßnahme kommt es zu folgenden
Wirkungen: In der Zeitspanne, in der sich das Ventil 2, 3 mit starker Beschleunigung
öffnet, kann sich die die Räume 2 i, 22 ausfüllende Steuer- bzw. Kühlmittelsäule
nicht entsprechend beschleunigen. Sie bleibt infolge ihrer Massenträgheit hinter
der Bewegung des Ventils 2, 3 zurück und reißt daher ab. Es kommt zur Bildung einer
luftleeren Blase mehr oder weniger großer Ausdehnung in der die Bobrungen 22, 21
ausfüllenden Steuer- bzw. Kühlinittelsäule, die sich jedoch wieder schließt, sobald
die Beschleunigungen des
Ventils z, 3 infolge Annäherung desselben
an seine Eröffnungsstellung abnehmen. Durch diese Wiederauffüllung der luftleeren
Blase tritt ein Teil des die Ringräume i i bzw. die Steuerkanäle io erfüllenden
Steuer- bzw. Kühlmittels wieder in die Bohrungen 22, Z1 ein, während vorher ein
entsprechender Teil des Steuer- bzw. Kühlmittels aus den gleichen Bohrungen in die
Ringräume i i bzw. Steuerkanäle io übergegangen war. Durch Entnahme des Steuer-
bzw. Kühlmittels aus den genannten Räumen tritt aber die zur Ausfüllung der Blase
dienende Steuer- bzw. Kühlmittelmenge mit geringerer Temperatur in die Bohrungen
22, a1 ein als die Kühlmittelmenge, die vorher bei der Bildung der Blase aus den
genannten Räumen ausgetreten war. Durch diesen bei jeder Eröffnungs-bzw. Versehlußbewegung
des Ventils eintretenden Vorgang kommt es zu Kühlwirkungen, die völlig ausreichen,
um das Auftreten von Ventilspindelhemmungen und -klemmungen beim Übertreten heißer
Gase aus der Verpuffungskammer i in den Stutzen 4 auszuschließen.