DK148757B - Udstoedsventil til en stempelforbraendingsmotor - Google Patents

Description

i U8757

Opfindelsen angår en udstødsventil til en stem-pelforbrændingsmotor, navnlig en totakts dieselmotor, og med et ventillegeme, der åbner for gasudstrømning fra motorcylinderens forbrændingskammer ved bevægelse i ret-5 ning bort fra dette, og som er påvirket til åbning af gastrykket i forbrændingskammeret og til lukning af et fra et hydraulisk system leveret, i modsat retning virkende hydraulisk tryk.

En artikel "A novel approach to uniflow 10 scavenge" i tidsskriftet "Marine Propulsion", maj 1980, side 13 beskriver en sådan udstødsventil, hvis ventillegeme er udformet som en stempelglider i lighed med de velkendte opposed-piston motorer, men aktiveret hydraulisk i stedet for mekanisk. Et arbejdskammer i 15 en hydraulisk aktiveringscylinder, hvis stempel er fast forbundet med glideren, er sluttet til en trykakkumulator gennem en styreventil, der holdes lukket under kompressions- og arbejdsslaget i motorcylinderen og derved indespærer en væskemængde i arbejdskammeret, 20 som leverer det nødvendige modtryk til at holde glideren lukket. Når styreventilen åbnes, presser gastrykket glideren udad, hvorved hydraulikvæske overføres fra arbejdskammeret til akkumulatoren. Gliderbevægelsen afbremses ved omstilling af styreventilen til en 25 drøvieposition, efterfulgt af fuldstændig lukning af ventilen. Glideren bliver nu stående i åben stilling, indtil styreventilen ved afslutningen af skylleperio-den igen åbnes, hvorved akkumulatortrykket bevæger glideren til lukket stilling. Derefter lukkes styreventi-30 len for at fastholde glideren mod kompressions- og tændingstrykket .

Udstødsventilen ifølge nærværende opfindelse adskiller sig fra den kendte ventil ved, at dens ventillegeme er udført som sædeventil og er fast forbundet med to stempler, som er aksialt forskydelige i hver sin hydrauliske cylinder, hvori deres fra ventillegemet bortvendende 2 148757 flader afgrænser hver sit arbejdskammer, at der i hvert arbejdskammer udmunder en hydraulikledning med en individuelt aktiverbar styreventil indrettet til afvekslende at forbinde det tilhørende arbejdskammer med det hy-5 drauliske systems højtryks- og lavtryksdel, og at det ene stempel (lukkestemplet) tjener til at lukke ventilen og har væsentlig mindre areal end det andet stempel (holdestemplet), som tjener til at fastholde ventillegemet i lukkestillingen mod gastrykket.

10 Opdelingen af lukke- og holdefunktionen på to hydrauliske cylindre med tilhørende individuelt aktiverbare styreventiler medfører flere væsentlige fordele. Da ventillegemets lukning sker mod langt lavere cy Undertryk end maksimal trykket, kan lukkestemplets 15 areal være tilsvarende væsentlig mindre end holdestemplets, og dermed formindskes også den mængde højtryksvæske, der medgår til at lukke ventilen, og som følge heraf også effektforbruget til lukningen. Fordi holdestemplets arbejdskammer gennem sin separate styreventil 20 kan forblive i forbindelse med det hydrauliske systems højtryksdel i hele den periode, hvor udstødsventilen er lukket, er det muligt at udføre udstødsventilen som sædeventil i stedet for som glider, hvilket ved den før omtalte kendte teknik er nødvendigt, fordi 25 trykstigningen i aktiveringscylinderens afspærrede arbejdskammer kan medføre en sammentrykning af hydraulik-væsken med deraf følgende udadgående forskydning af ventillegemet. En glider kræver betydelig større vandring mellem åben og lukket stilling end en sædeventil, 30 hvilket indebærer, at de væskemængder, der under hver arbejdscyklus skal førestil og fra den hydrauliske cylinder, og effektforbruget hertil bliver tilsvarende større end ifølge opfindelsen. Desuden er det lettere at skabe sikker tætning langs ventillegemets førings-• 35 flader ved en sædeventil end ved en stempelglider.

3 148757

Ifølge opfindelsen kan styreventilen i ledningen til holdecylinderens arbejdskammer været indrettet til først at forbinde dette kammer med systemets højtryksdel, efter at ventillegemets lukkebevægeIse 5 er afsluttet. Fyldningen af holdecylinderens arbejdskammer under ventillukningen kan da ske ved lavt væsketryk, f.eks. fra et reservoir for hydraulikvæske, som gennem mindst én styret ventil er sluttet til holdecylinderens arbejdskammer.

10 Reservoiret kan udgøres af et cylinderkammer, som afgrænses af et til ventillegemet fastgjort tredje stempel, og hvis volumen ændrer sig i modtakt med volumenet af holdecylinderens arbejdskammer. Sammenbygningen af reservoiret og holdecylinderen muliggør 15 en meget kort strømningsvej for det ret store kvantum hydraulikvæske, som under hver arbejdscyklus veksler plads mellem reservoiret og holdekammeret, og dermed også lavt effekttab ved overføringen af væsken.

Det foretrækkes, at holdestemplet og det tred-20 je stempel er lige store, idet der da kun er behov for minimal tilførsel af højtryksvæske udefra under hver arbejdscyklus. Endvidere sikrer udførelsesformen, at der ikke kan opstå overtryk i reservoiret, når hydraulikvæsken overføres hertil ved udstødsven-25 tilens åbning.

Reservoiret kan gennem en drøvlet kanal være i permanent forbindelse med det hydrauliske systems lavtryksdel. Gennem denne kanal kan eventuelle forskelle i holdekammerets og reservoirets volumen udlig-30 nes, herunder også et "overskud" af væske, som fremkommer ved ekspansion af den væskemængde, der under ventilåbningen strømmer fra holdekammeret til reservoiret. Endvidere kan kanalen tjene til fjernelse fra reservoiret af eventuel luft, som udskilles fra væ-35 sken.

4 148757

Ventillegemet kan være permanent påvirket af en i åbningsretningen virkende lille hjælpekraft. Denne kraft kan tilvejebringes ved, at lukkestemplet på sin fra lukkecylinderens arbejdskammer bortvendende 5 side afgrænser et ringformet hjælpekammer med væsentlig mindre tværsnitsareal, og at hjælpekammeret er permanent forbundet med hydrauliksystemets højtryksdel.

Alternativt kan holdestemplet på sin fra holdecylinderens arbejdskammer bortvendende side afgrænse et 10 hjælpekammer, hvori der permanent opretholdes et pneumatisk overtryk. Hjælpékraften sikrer tilstrækkelig hurtig åbning af ventilen også ved lav motorbelastning, hvor cylindertrykket er lavere end ved fuldlast, og virker også som supplement til det udad-15 rettede gastryk under den sidste del af åbningsbevægelsen og ved fuldt åben ventil.

Opfindelsen forklares i det følgende nærmere under henvisning til den noget skematiske tegning, på hvilken 20 fig. i er et aksialt snit gennem en udførel sesform for udstødsventilen ifølge opfindelsen monteret på en cylinder i en totakts dieselmotor, fig. 2 et diagram over udstødsventilens hydrauliske komponenter, og • 25 fig. 3 et styringsdiagram for de i fig. 2 viste hydrauliske styreventiler samt for selve udstødsventilen .

I fig. 1 er udstødsventilen vist monteret i et cylinderdæksel 1 på en i øvrigt ikke nærmere vist 30 totakts dieselmotor med længdeskylning. Fig. 1 viser ventilens ventillegeme 2 i lukkestillingen, hvor det ligger an mod en ringformet sædeflade omkring en udstrømningsåbning 3 fra cylinderens forbrændingskammer 4.

5 148757

Ventillegemet 2 er styret aksialt forskydeligt i cylinderdækslet 1, som har en afgangskanal 5 for udstødsgasser.

Et mellemstykke 6 er fastgjort oven på cylinder-5 dækslet 1, og et andet mellemstykke 7 er fastgjort oven på mellemstykket 6. Oven på mellemstykket 7 sidder et hus 8 med et topdasksel 9.

Ventillegemet 2 er fastgjort til en spindel 10, som fortsætter op gennem delene 6, 7 og 8.

10 Til spindlen 10 er fastgjort et holdestempel 11, som sammen med en cylindrisk boring i cylinderdækslet 1 og undersiden af mellemstykket 6 afgrænser et hydraulisk arbejdskammer 12, i det følgende betegnet som holdekammer. Et yderligere stempel 13 med sam-15 me diameter som stemplet 11 er fastgjort til spindlen 10 og forskydeligt i en cylindrisk boring i mellemstykket 7. Stemplet 13 afgrænser sammen med oversiden af mellemstykket 6 et reservoir 14 for hydraulikvæske. Kammeret 15 på stemplet 13's over-20 side er afluftet til omgivelserne gennem en boring 16 i huset 8. Til den øverste ende af spindlen 10 er fastgjort et stempel 17, i det følgende betegnet som lukkestempel, der er forskydeligt i en boring i huset 8, og som sammen med denne boring og topdækslet 25 9 afgrænser et arbejdskammer 18, det såkaldte lukke kammer. I fig. 1 er skematisk vist tætninger mellem spindlen 10 og den omgivende boring i mellemstykket 6 samt mellem ventillegemet 2, resp. stemplerne 11, 13 og 17 og de omgivende cyUndervægge.

30 Styringen af udstødsventilens åbnings- og lukke- 6 148757 bevægelser sker ved hjælp af det i fig. 2 viste ventil- og ledningsarrangement, som indgår i et i øvrigt ikke vist hydraulisk system omfattende en højtryksdel , der fødes fra en hydraulisk højtrykspumpe, og en 5 lavtryksdel, hvori der opretholdes et tryk noget større end atmosfæretrykket. I fig. 2 er systemets højtryksdel markeret med henvisningstallet 19 ved de ledninger, som er tilsluttet denne del, og lavtryks-delen tilsvarende med 20. Til en forbrændingsmotor, 10 hvor det maksimale cylindertryk er omkring 100 bar, kan trykket i højtryksdelen ligge omkring 200 bar og trykket i lavtryksdelen omkring 1,5 bar.

Det hydrauliske system omfatter tre eksterne tostillings styreventiler 21, 22 og 23 samt fire indbyr-15 des ens, i mellemstykket 6 monterede ventiler 24, der styres af ventilen 22 og selv styrer hydraulikvæskens strømning frem og tilbage* mellem holdekammeret 12 og reservoiret 14. Holdekammeret 12 er endvidere sluttet til lavtryksdelen 20 gennem en i 20 retning mod kammeret åbnende kontraventil 25, gennem hvilken olie kan strømme ind i kammeret til kompensation for lækage.

Fig. 1 og 2 viser henholdsvis ventillegemet 2 og styreventilerne 21-24 i de stillinger, som 25 de indtager, når det ikke viste stempel i motorcylinderen er i topdødpunkt. Der henvises også til fig. 3, hvor stempelpositionen under en komplet arbejdscyklus er afsat som abscisse, medens der som ordinat øverst er vist stillingerne af de nævnte fire styreventiler 30 og nederst stillingen af ventillegemet 2. Styreventilernes stilling i TDC er i fig. 3 markeret med I og deres fiiodsatte stilling med II.

I TDC står holdekammeret 12 under det høje 7 148757 tryk i det hydrauliske systems højtryksdel 19 via en kanal 26 og ventilen 21. Idet stemplet 11's areal er lig med eller lidt større end arealet af udstrømningsåbningen 3, og trykket i kammeret 12 5 samtidig er betydelig højere end det maksimale cylindertryk, fastholdes ventillegemet 2 i den viste lukkestilling. Reservoiret 14 er afspærret fra holdekammeret 12, idet ventilerne 24 er lukket, og da reservoiret er permanent sluttet til lavtryksdelen 10 20 gennem en drøvlet kanal 27, se fig. 2, er trykket i reservoiret lavt. Lukkekammeret 18 er gennem en kanal 28 og ventilen 23 sluttet til lavtryksdelen 20, medens et lille ringformet hjælpekammer 29 på undersiden af lukkestemplet 17 er konstant 15 sluttet til højtryksdelen gennem en kanal 30. Det effektive areal af kammeret 29 er så lille, at den opadrettede kraft på lukkestemplet 17 er betydningsløs i sammenligning med den nedadrettede kraft på holdestemplet 11.

20 Under motorstemplets arbejdsslag forbliver ventilerne 21-24 i de viste stillinger, indtil styreventilen 22 omstilles ved et ordresignal, f.eks. fra en knast på en med motorens krumtapaksel synkront roterende knastaksel. Derved åbnes for tilgang af 25 højtryksvæske fra højtryksdelen 19 gennem kanaler 31 i mellemstykket 6 til de opadvendende, ringformede flader 32 på de udvendigt aftrappede ven-. tiler 24. Dette tidspunkt er i fig. 3 markeret med t1 på abscisseaksen. Ventilerne 24 forbliver dog 30 foreløbig lukkede, idet de på deres underside er påvirket dels af det høje tryk i holdekammeret 12, dels af deres lukkefjedre 33.

Lidt senere, til tiden t2, skifter ventilen 21 δ 148757 over til sin anden yderstilling, hvor den afspærrer kanalen 26 fra højtryksdelen 19 og i stedet slutter den til en kanal 34, som udmunder i reservoiret 14. Herved udlignes trykforskellen mellem holdekamme-5 ret 12 og reservoiret 14 og dermed trykdifferensen på ventilerne 24. Den på ventilernes påvirkningsflader 32 virkende kraft overstiger fjedrene 33's kraft, således at ventilerne forskydes nedad og åbner de tilhørende fire akseparallelle passager 35, 36 10 mellem kammeret 12 og reservoiret 14. Trykudligningen mellem holdekammeret og reservoiret bevirker, at den nedadrettede kraftpåvirkning på holdestemplet 11 bortfalder, og det i forbrændingskammeret 4 herskende gastryk er derfor i stand til at løfte 15 ventillegemet 2 til åben stilling, således som det er vist nederst i fig. 3. Under ventillegemets vandring overføres den i kammeret 12 stående væskemængde til reservoiret 14 gennem de-åbne passager 35, 36.

Den lille væskemængde, som stod i lukkekammeret 18, 20 drives ud af dette gennem kanalen 28 og ventilen 23 til lavtryksdelen 20.

Når motorstemplet har passeret bunddødpunktet (BDC) og er på vej opad, omstyres ventilen 23 til tidspunktet. t3. Herved sluttes lukkekammeret 18 25 gennem ventilen til den hydrauliske højtryksdel 19, og den herved opstående nedadrettede kraft på lukkestemplet 17 begynder at bevæge spindlen 10 og dermed også ventillegemet 2 nedad. Under denne lukkebevægelse står ventilerne 24 stadig åbne, således 30 at væsken fra reservoiret 14 uhindret og uden mærkbar strømningsmodstand overføres til holdekammeret 12 gennem passagerne 35, 36.

Til tidspunktet t^, som i fig. 3 er vist sam-

Claims (7)

1A8757 menfaldende med det tidspunkt, da udstrømningspassagen 3 er lukket, omstilles ventilen 22 til sin i fig. 2 viste stilling, hvorved aktiveringstrykket på ventilerne 24's ringflader 32 aflastes. Dis-5 se ventiler begynder nu at lukke under påvirkning af deres lukkefjedre 33, således som det også er vist i fig. 3. På et lidt senere tidspunkt ts modtager ventilerne 21 og 23 signal til omstilling, hvorved 10 holdekammeret 12 igen sættes under det høje tryk, som under den afsluttende del af kompressionsslaget i motorcylinderen og det følgende arbejdsslag sikrer fastholdelse af ventillegemet 2 i lukkestillingen, medens samtidig (eller eventuelt lidt senere) tryk-15 ket i lukkekammeret 18 aflastes ved tilslutning til lavtryksdelen 20.

1. Udstødsventil til en stempelforbrændingsmotor, navnlig en totakts dieselmotor, og med et ventillegeme 20 (2), der åbner for gasudstrømning fra motorcylinderens forbrændingskammer (4) ved bevægelse i retning bort fra dette, og som er påvirket til-åbning af gastrykket i forbrændingskammeret og til lukning af et fra et hydraulisk system leveret, i modsat retning virkende hydrau-25 lisk tryk, kendetegnet ved, at ventillegemet (2) er udført som sædeventil og er fast forbundet med to stempler (17, 11), som er aksialt forskydelige i hver sin hydrauliske cylinder, hvori deres fra ventillegemet bortvendende flader afgrænser hver sit arbejds-30 kammer (18, 12), at der i hvert arbejdskammer udmunder en hydraulikledning (28, 26) med en individuelt aktiverbar styreventil (23, 21) indrettet til afvekslende at forbinde det tilhørende arbejdskammer med det hydrauliske systems 35 højtryks- og lavtryksdel (19, 20), 148757 og at det ene stempel (lukkestemplet 17) tjener til at lukke ventilen og har væsentlig mindre areal end det andet stempel (holdestemplet 11), som tjener til at fastholde ventillegemet i lukkestillingen mod gas-5 trykket.

2. Udstødsventil ifølge krav l,kendeteg-n e t ved, at styreventilen (21) i ledningen (26) til holdecylinderens arbejdskammer (12) er indrettet til først at forbinde dette kammer med systemets højtryks- 10 del (19) efter afslutningen af ventillegemets (2) lukkebevægelse .

3. Udstødsventil ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at den har et reservoir (14) for hydraulikvæske, som gennem mindst én styret ventil 15 (24) er forbundet med holdecylinderens arbejdskammer (12) .

4. Udstødsventil ifølge krav 3, kendetegnet ved, at reservoiret (14) udgøres af et cylinderkammer, som afgrænses af et til ventillegemet 20 (2) fastgjort tredje stempel (13), og hvis volumen ændrer sig i modtakt med volumenet af holdecylinderens arbejdskammer.

5. Udstødsventil ifølge krav 4, kendetegnet ved, at holdestemplet (11) og det tredje 25 stempel (13) er lige store.

6. Udstødsventil ifølge ethvert af kravene 3-5, kendetegnet ved, at reservoiret (14) gennem en drøvlet kanal (27) er i permanent forbindelse med det hydrauliske systems lavtryksdel (20).

7. udstødsventil ifølge ethvert af kravene 3-6, kendetegnet ved, at den styrede ventil (24) i forbindelsen (35, 36) mellem holdecylinderens arbejdskammer (12) og reservoiret (14) er indrettet til at åbnes i det væsentlige samtidig med, at hol- 35 decylinderens arbejdskammer (12) forbindes med det hydrauliske systems lavtryksdel (20).