DK144217B - Udstoedsventil til en forbraendingsmotor - Google Patents

Description

1442 1 7

Opfindelsen angår en udstødsventil til en forbrændingsmotor, omfattende en stationær ventildel og en aksialt forskydelig ventildel med samvirkende tætningsflader på de to ventildele og et i mindst én 5 af ventildelene udformet ringkammer, som står i forbindelse med motorcylinderens forbrændingskammer, når ventilen er lukket.

Opfindelsen tager sigte på at opnå en forlænget levetid for ventilen ved reduktion af den hastighed, 10 hvormed ventilens tætningsflader gradvis ødelægges ved korrosive og erosive angreb af aggressive bestanddele i forbrændingsgasserne, specielt natrium-og vanadiumforbindelser, som forekommer ved drift af motoren med tunge brændselsolier.

15 Det er velkendt, at de omtalte bestanddeles aggressivitet vokser stærkt med temperaturen, og ud fra denne viden har det været foreslået at tilvejebringe en direkte eller indirekte luftkøling af tætningsfladerne, eventuelt som supplement til væske-20 køling af den stationære ventildel.

Således beskriver USA-patentskrift nr.

1 873 119 en ventil af den omhandlede art, hvor et ringkammer i den stationære ventildel og et centralt kammer i den bevægelige ventildel står i forbindelse 25 med forbrændingskammeret gennem boringer, som udmunder i nærheden af tætningsfladernes mod forbrændingsrummet vendende kanter. Gennem kontraventiler står de to kamre i ventildelene i forbindelse med en tryk-luftkilde, og når udstødsventilen åbner, medrives den 30 relativt kølige luft fra kamrene af de udstrømmende forbrændingsgasser ved ejektorvirkning og bevirker derved en vis køling af tætningsfladerne under udstødsperioden.

En indirekte køling af tætningsfladerne er be-35 skrevet i fransk patentskrift nr. 1 481 241, hvor kølig luft fra et ringkammer i den stationære ventildel 2 144217 strømmer kontinuerligt ud gennem boringer, som er rettet mod den bevægelige ventildels overflade på ned-strømssiden af tætningsfladerne.

En udstødsventil ifølge nærværende opfindelse ad-5 skiller sig fra den fra USA-patentskrift nr.l 873 119 kendte ved, at ringkammeret udgøres af en rendeformet fordybning i overfladen af den ene af eller begge de to ventildele, hvilken fordybning langs hele sin omkreds er åben i retning mod den modstående ventildels overflade.

10 Med denne udformning og placering kommer ring kammeret til at udgøre et reservoir i strømningsbanen fra forbrændingskammeret til tætningsfladerne på ventildelene, og når ringkammeret under kompressionsslaget er blevet fyldt med ren og relativt kølig luft, 15 enten fra motorcylinderen eller fra en tilsluttet ydre trykluftkilde, vil denne luftmængde efter antændelsen af brændslet og indtil åbningen af udstødsventilen fungere som en barriere mellem de varme forbrændingsgasser og tætningsfladerne. Dette medfører, 20 at forbrændingsgasserne ikke, som ved de hidtil kendte ventiler, kan strømme direkte ud gennem lokale utætheder i form af spalter mellem tætningsfladerne, men at det i stedet bliver reservoirluften, der alene eller i det højeste blandet med en relativt lille 25 andel forbrændingsgasser trænger ud gennem utæthederne.

Opfindelsen bygger på erkendelsen af, at de førnævnte angreb af forbrændingsgassernes aggressive bestanddele på tætningsfladerne i overvejende grad 30 indtræffer i den periode, hvor ventilen er lukket, men ikke fuldstændig hermetisk som følge af de nævnte lokale utætheder, der før eller senere opstår, f.eks. ved afskalning af tidligere ved korrosion dannede belægninger på tætningsfladerne, eller ved at 35 slagge- eller kokspartikler kommer i klemme mellem fladerne ved ventilens lukning og efterlader små for- 144217 3 dybninger i fladerne. Ved måling af overfladetemperaturen på den stationære tætningsflade er der omkring en sådan lokal utæthed konstateret temperaturstigninger på ca. 200°C lige efter topdødpunkt og en stigning 5 af middeltemperaturen på ca. 1Q0°C, hvorimod temperaturstigningen i begyndelsén af udstrømningsperioden lige efter ventilens åbning kun androg ca. 20-25°C.

En ekstra køling af tætningsfladerne under udstrømningsperioden har derfor kun ringe indflydelse på kor-jO rosionsfænomenerne og den deraf følgende gradvise voksen af de fra begyndelsen ganske små utætheder til større gennembrændinger, hvorimod disse fænomener forsinkes i langt højere grad, når man ved de for opfindelsen karakteristiske foranstaltninger 15 reducerer både temperaturen og indholdet af aggressive bestanddele i den gas, som ved lukket ventil siver ud mellem tætningsfladerne. Eftersom korrosionshastigheden ved de almindeligt anvendte materialer i tætningsfladerne kan fordobles ved en tempera-20 turstigning på ca. 70°C, vil det forstås, at opfindelsen i væsentlig grad forlænger det tidsrum, i løbet af hvilket en lille lokal utæthed vokser til en regulær gennembrænding af en sådan størrelse, at en renovering af tætningsfladerne ved efterslibning bli-25 ver nødvendig. Resultatet bliver derfor som nævnt, at ventilens levetid forlænges.

Den kritiske periode, i hvilken temperaturen og trykket i forbrændingskammeret har så høje værdier, at udsivende forbrændingsgasser i mærkbart omfang kan 30 angribe tætningsfladerne, er forholdsvis kort og slutter både ved totakts- og firtaktsmotorer ca. 20° efter topdødpunkt. Man kan derfor opnå den tilstræbte virkning med et forholdsvis lille volumen af ringkammeret, som ikke nødvendiggør nogen generende forøgelse af 35 ventildelenes dimensioner eller af cylinderens såkaldte skadelige rum. Volumenet kan dimensioneres således, 144217 4 at det er noget større end det volumen, som i den nævnte periode kan passere gennem en spalte med et tværsnit på omkring 0,2 x 3 mm, f.eks, 2-3 gange så stort.

For opnåelsen af den ønskede barrierevirkning 5 af luften i ringkammeret med minimal opblanding med de fra cylinderen tilstrømmende forbrændingsgasser er det fordelagtigt, at ringkammerets tværsnit i et plan gennem ventilaksen har sin største bredde ved ventildelens overflade.

10 Når ringkammeret er udformet alene i den ene ventildel, Jean man med fordel udforme den modstående overflade af den anden ventildel· ved indløbet fra forbrændingskammeret til ringkammeret med en sådan aftrapning, at den nærmest forbrændingskammeret liggen-15 de del af overfladen er trukket tilbage i forhold til den over for ringkammeret liggende overfladedel. Herved opbremses og afbøjes de fra forbrændingskammeret tilstrømmende gasser af trinet mellem de to nævnte overfladedele, hvorved gasserne afgiver en væsentlig 20 del af deres kinetiske energi, således at de alene under indflydelse af det statiske trykfald til ventilens nedstrømsside presser den rene og relativt kølige luft fra ringkammeret foran sig gennem de eksisterende utætheder mellem tætningsfladerne. UdføreIsesformen 25 har den yderligere fordel, at strømmen af forbrændingsgasser fra cylinderen i det øjeblik, da ventilen begynder at åbne, på tilsvarende måde afbøjes i retning ind i ringkammeret og derved medvirker til at holde kammerets vægge rene for uønsket opbygning af aflej-30 ringer under motorens drift.

Den nævnte virkning af ventildelenes udformning opnås i optimal udstrækning i en udførelsesform, hvor overgangen mellem de nævnte to overfladedele i et tværsnit gennem ventilaksen er udformet med en hulkel, 35 hvis åbning vender mod forbrændingskammeret.

144217 5

Opfindelsen forklares i det følgende nærmere under henvisning til den skematiske tegning, på hvilken fig. 1 viser et aksialt snit gennem de for 5 opfindelsens forståelse væsentlige dele af en udstødsventil ifølge opfindelsen, og fig. 2 et aksialt snit i væsentlig større skala gennem det i fig. 1 indrammede område II.

Den på tegningen anskueliggjorte udstødsventil 10 til en totakts-dieselmotor har en stationær ventildel 1, den såkaldte ventilkurv, som på ikke nærmere vist måde er fastgjort til et venti,lhus 2, der er aftageligt fastgjort til motorcylinderens cylinderdæksel 3.

Den bevægelige del 4 af udstødsventilen er i hoved-15 trækkene udformet som en sædvanlig tallerkenventil med kegleformet anlægsflade mod ventilkurven 1.

De egentlige tætningsflader, henholdsvis 5 og 6 mellem de to ventildele er udformet på to belægninger eller indsatser 1 og 8 af egnet materiale, eksempel-20 vis hårdmetal, se fig. 2.

Ifølge opfindelsen er der i den overflade af den bevægelige ventildel 4, som vender mod ventilkurven 1, udformet et ringkammer 9 mellem motorcylinderens forbrændingskammer 10 og ventildelens tæt-25 ningsflade 6. I den viste udførelsesform er ringkammeret 9's aksiale tværsnit trapezformet med to i det væsentlige parallelle sidekanter 11 og 12, der er stort set vinkelrette på tætningsfladen 6 og den modstående overflade 13 af ventilkurven 1. Gennem 30 en rundtgående hulkel 14 beliggende et stykke inden for ringkammeret 9's radialt ydre begrænsningsflade, hvis frembringer er sidekanten 12, fortsætter fladen 13 i retning mod forbrændingskammeret 10 i en flade 15, som er trukket så meget tilbage fra ventil-35 delen 4, at der ved lukket ventil, som vist i fig.2, på dette sted dannes en rundtgående spalte med for- 144217 6 holdsvis lille spaltevidde, eksempelvis ca. 0,2 mm.

Gennem den nævnte spalte vil ringkammeret 9 . under kompressionsslaget i motorcylinderen blive fyldt med ren skylle- eller ladeluft ved en forholdsvis 5 lav temperatur, og hvis der mellem tætningsfladerne 5 og 6 findes en eller flere af de før omtalte små lokale utætheder, vil det efter trykstigningen ved forbrænding af det indsprøjtede brændsel i motorcylinderen være disse gasser og ikke de varme og stærkt 10 korroderende forbrændingsgasser, som presses ud gennem utæthederne i tætningsfladerne. Som følge heraf undgår man den ellers optrædende kraftige temperaturstigning af tætningsfladernes materiale omkring ^ eksisterende utætheder i den periode af motorens 15 arbejdscyklus, hvor temperaturen i forbrændingskammeret er høj, og hvor forbrændingsgasserne samtidig har en høj massefylde på grund af det høje tryk og høj koncentration af korrosive bestanddele. Den viste og beskrevne udformning af trinet eller overgangen 20 mellem de to fladedele 13 og 15 som en hulkel 14 vendende mod indstrømningsspalten fra forbrændingskammeret 10 medvirker til at begrænse uønsket opblanding af den rene og relativt kølige luft i ringkammeret 9 med de indstrømmende varme forbrændingsgas-25 ser.

Reduktionen af den hastighed, hvormed lokale små utætheder mellem tætningsfladerne vokser ved korrosive og erosive angreb, har yderligere den fordel, at der omkring sådanne utætheder opretholdes en effek-30 tivere varmeovergang fra den bevægelige ventildel 4, som er direkte udsat for de høje temperaturer i forbrændingskammeret 10, til den noget koldere ventilkurv 1 i den periode, hvor ventilen er lukket. Som følge heraf kan der opretholdes en lavere middeltempe-35 ratur af de pågældende områder og dermed også en mere 144217 7 ensartet middeltemperatur af hele tætningsfladen.

Dette forhold medvirker til at sikre, at den korrosion af tætningsfladerne, som uundgåeligt optræder under ventilens driftstid, bliver ensartet fordelt 5 og derfor ikke får samme skadelige indvirkning på ventilens tætningsfunktion som selektive lokale korrosionsangreb på fladerne.

Selv om ringkammeret i den viste udførelsesform er udformet alene i den bevægelige ventildel, vil det 10 forstås, at det alternativt kunne være udformet i den stationære ventildel, eller at det kunne være sammensat af modstående fordybninger i begge ventildele.

I stedet for eller som supplement til den beskrevne anvendelse af kompressionsluft fra motorcylinderen til 15 fyldning af ringkammeret kunne der også findes en ydre trykluftkilde, som gennem en kontraventil leverer kølig luft under et passende tryk til ringkammeret.

Dette tryk bør ikke være lavere end kompressionstrykket i motorcylinderen, men kan også være af stort set 20 samme størrelse som det i cylinderen optrædende maksimaltryk. Da det nødvendige luftforbrug er forholdsvis lille, kan luften leveres af en tilsvarende relativt lille kompressor.