DK167499B1 - Spaerreluftarrangement ved en forbraendingsmotor - Google Patents

Description

DK 167499 B1 i

Opfindelsen angår et spærreluftarrangement ved en forbrændingsmotor, som har et med motorens arbejds-cylinder forbundet ventilhus for en udstødsventil, hvis ventilspindel er lejret i ventilhuset og forløber op i 5 en på ventilhuset monteret luftfjeder omfattende et luftfjederkammer og et luftfjederstempel, der er fast forbundet med ventilspindlen og kan påvirke udstødsventilen i lukkeretningen, og hvor et i en hydraulikcylinder lejret aktuatorstempel kan påvirke udstødsventilen 10 i åbneretningen, og hvor ventilspindlen i området over lej ringen i ventilhuset passerer gennem et spærreluft-kammer med en tilgangsåbning for tilledning af spærreluft.

Når aktuatorstemplet ved afslutningen af moto-15 rens forbrændingsslag påvirker udstødsventilen til åbning, vil forbrændingsgassernes udstrømning gennem udstødskanalen i ventilhuset frembringe et kraftigt trykstød i kanalen, og derefter vil trykket heri falde ned mod omgivelsernes tryk, indtil ventilen lukker igen.

20 Udstødsventilens spindel går op gennem og er lejret i et styr i ventilhuset med en vis klaring i forhold til styret. Når ventilen åbner, vil det kraftige trykstød og også det efterfølgende forholdsvis høje tryk i kanalen søge at tvinge udstødsgas op i klaringen mellem 25 ventilspindlen og ventilstyret, hvilket medfører, at der på spindlens glide- eller lejringsflade kan afsættes forbrændingsrester i form af slaggepartikler og kondensat, og da ventilspindlens temperatur falder op gennem styret, kan den i udstødsgassen indeholdte 30 svovlsyre kondensere på spindlen og styret, hvilket kan nedsætte spindlens levetid som følge af korrosiv og abrasiv nedbrydning af spindel- og styroverfladerne.

Det er kendt at begrænse udstødsgassens indtrængning i klaringen mellem styret og spindlen ved at 35 tryksætte det oven over styret beliggende spærreluft-.kammer. Udstødsgassen indeholder små partikler af va- DK 167499 Bl 2 rierende størrelse, og driftserfaringer viser, at trods den resulterende nedovergående spærreluftstrømning vil nogle af disse partikler bevæge sig op gennem klaringen, hjulpet af den trykpulsation, som opstår i det 5 øjeblik udstødsventilen åbner, idet trykpulsationen momentant giver en opovergående luftstrømning i klaringen. Derudover vil visse partikelstørrelser blive transporteret op gennem klaringen ad mekanisk vej trods den nedovergående luftstrømning i klaringen. Spærre-10 lufttilførslen til spærreluftkammeret blæser ventilskaftet rent for disse partikler, og det er ved driftserfaringer konstateret, at partiklerne vil lejre sig i spærreluftkammeret på læsiden af ventilskaftet. Udover at begrænse udstødsgassernes indtrængning i klaringen 15 har spærreluftkammeret dermed også den væsentlige funktion at virke som fælde for de opad transporterede partikler, der således hindres i at trænge op i og erodere den omkring spindlen beliggende pakning ved luftfjederens bund.

20 Fra USA patent nr. 3 120 221 kendes en forbræn dingsmotor med en knastakselaktiveret udstødsventil med pneumatisk tilbageføring. I denne motor har ventilhuset ikke noget spærreluf tkammer, og hvis der anvendes en pakning omkring ventilskaftet, kan denne slides af de . 25 partikler, der trænger op i klaringen mellem ventilskaftet og styret. Lækageluft fra luftfjederen kan på ukontrollabel vis trænge ned i klaringen og bidrage til køling af ventilspindlen.

I de kendte motorer udtages spærreluften sæd-30 vanligvis fra motorens skylleluftreceiver, men dette medfører, at der i spærreluftkamret afsættes sodholdig olie. For at hindre dette tilføres spærreluftkamret i en anden kendt motor gennem en trykreduktionsstation forkomprimeret arbejdsluft ved et overtryk, som er ca.

35 0,2 bar højere end .motorens aktuelle skyllelufttryk, hvilket ved alle motorbelastninger har . reduceret ud- DK 167499 B1 3 stødsgassens indtrængning i den nævnte klaring til et forholdsvis acceptabelt niveau.

Det er et fællestræk ved de kendte spærreluft-arrangementer, at motorcylindrene har et fælles udven-5 digt rørsystem, som leder spærreluften til hver motorcylinders spærreluftkammer. Rent bortset fra at det er omkostningskrævende at fremstille et sådant rørsystem, har det også et meget stort volumen i forhold til spærreluf tkamrets volumen, hvilket betyder, at indtrængning 10 af udstødsgas i spærreluftkamret ikke fører til mærkbar trykstigning i rørsystemet. Det kan endvidere være et problem ved de kendte arrangementer, at motorens skyl-lelufttryk falder kraftigt ved lavere motorbelastninger, hvilket bevirker, at spærrelufttrykket ikke er 15 tilstrækkelig højt ved disse belastninger.

Hensigten med opfindelsen er at forenkle udformningen af spærreluftarrangementet og at forbedre dets evne til at sikre problemløs drift af udstøds ventilen.

Med henblik herpå er arrangementet ifølge opfin-20 delsen ejendommeligt ved, at spærreluftkamrets tilgangåbning står i forbindelse med en luftstrømningspassage, som fører til luftfj ederkamret og indeholder et afspærrings- eller trykreguleringsorgan, der er indrettet til at åbne for tilledning af spærreluft fra luf tfj ederkam-25 ret, når trykket heri overstiger en forudbestemt værdi.

Ved at udtage spærreluften fra det til udstødsventilen hørende luftfjederkammer opnås, at trykket i spærreluftkamret stiger til et passende højt niveau svarende til maksimaltrykket i luftfjederkamret, når 30 der er behov for spærreluften, nemlig hver gang ventilen åbner og trykket i udstødskanalen stiger. Spærrelufttrykket kan indstilles til at være væsentlig højere end motorens skyllelufttryk, uden at spærreluftforbruget øges væsentligt i forhold til forbruget i de kendte 35 motorer, fordi spærreluften ikke udtages, når udstødsventilen er lukket. Renholdelsen af klaringen mellem DK 167499 Bl 4 ventilspindlen og dennes styr er væsentlig forbedret som følge af det højere spærrelufttryk og det forhold, at spærrelufttrykket er uafhængigt af motorens belastningsgrad. Desuden kan det tidligere anvendte 5 fælles rørsystem helt udelades, hvilket endvidere forenkler motorens vedligehold, fordi rørsystemet ikke skal demonteres for at udstødsventilen kan afmonteres ved motoreftersyn.

Luftstrømningspassagen har væsentlig mindre in-10 dre volumen end det tidligere kendte rørsystem, hvilket indebærer den yderligere fordel, at spærreluftarrangementet har et så lille volumen, at en eventuel indtrængning af udstødsgas vil medføre en trykstigning i spærreluftkamret, som vil modvirke yderligere indtræng-15 ning af udstødsgas.

Det er uundgåeligt, at en vis mængde olie fra hydraulikcylinderen vil passere forbi aktuatorstemplet og luftfjederstemplet og ende i bunden af luftfjederkamret. Denne olie kan i en foretrukken udførelsesform 20 for arrangementet ifølge opfindelsen, hvor luftstrømningspassagen udmunder ved bunden af luftfjederkamret, udnyttes til smøring af ventilskaftet, idet olien rives med spærreluften og føres ned i klaringen mellem ventilspindlen og styret. Udover at olien mindsker sliddet 25 på spindlen, opnås der den yderligere fordel, at luftfj ederkamret holdes rent for de olieansamlinger, som ved de kendte motorer kunne blive afblæst ud i maskinrummet som en generende olietåge, når luftfjederen blev punkteret ved serviceeftersyn.

30 Fordelen ved det ovennævnte fordelagtigt lille volumen af spærreluftarrangementet kan yderligere øges ved, at afspærringsorganet i luftstrømningspassagen hensigtsmæssigt ligger i umiddelbar nærhed af spærre-luftkamret, så at eventuelt indtrængende udstødsgas 35 kun skal komprimere luften i selve spærreluftkamret.

Spærreluftarrangementet ifølge opfindelsen kan også anvendes på allerede leverede motorer, hvor luft- DK 167499 B1 5 fjederen har en sikkerhedsventil, idet motoren ombygges ved en simpel modificering, hvor det eksisterende udvendige spærreluftrørsystem afmonteres under samtidig afblænding af spærreluftafgangen på skylleluftreceive-5 ren, og hvor sikkerhedsventilens luftafgang på hver motorcylinder forbindes gennem en udvendig rørledning med det tilhørende spærreluftkammers lufttilgang. Da sikkerhedsventilen inden motorens ombygning normalt er indstillet til kun at åbne ved unormalt høje luf tf j βίο dertryk, skal ventilens åbnetryk og det i løbet af en motorcyklus maksimale tryk i luftfjederkamret endvidere afpasses således efter hinanden, at der fra luftfjederkamret ledes spærreluft til spærreluftkamret under i det væsentlig hver motorcyklus.

15 Da forbruget af spærreluft ved hver motorcyklus kun er ringe i sammenligning med luftfjederens volumen, er det muligt at nedregulere sikkerhedsventilens åbnetryk, indtil der netop leveres den nødvendige spærreluftmængde ved hver åbning af udstødsventilen. Hvis 20 selv en ringe mindskning af luftfjederens maksimaltryk er uønsket, kan trykket af fødeluften til luftfjederen sættes op som et alternativ eller supplement til nedsættelse af ventilens åbnetryk.

Eksempler på udførelsesformer for opfindelsen 25 forklares herefter nærmere med henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser et aksialsnit efter linien I-I i fig. 2 gennem en hydraulisk aktiveret og pneumatisk tilbageført udstødsventil med et spærreluftarrangement 30 ifølge opfindelsen, fig. 2 et ovenfra set billede af udstødsventi- len, fig. 3 i udsnit et aksialsnit efter linien III-III i fig. 2 gennem udstødsventilen, 35 fig. 4 et aksialsnit gennem et øvre afsnit af en anden udførelsesform for en udstødsventil med et spærreluftarrangement ifølge opfindelsen, og 6

Ulv lb/439 b l fig. 5 i udsnit et billede svarende til fig. 4 af en tredje udførelsesform for spærreluftarrangemen-tet.

I de forskellige udførelsesformer benævnes ens-5 virkende dele af udstødsventilen med samme henvisningsnummer .

I fig. 1 ses et udstødsventilhus l, som er bestemt til montering på toppen af en motorcylinders ikke viste dæksel. Ventilhuset indeholder en udstødskanal 2 10 for bortledning af udstødsgas fra motorens forbrændingskammer. En udstødsventil 3 har en ventiltallerken 4 , som i den viste lukkede ventilstilling ligger an mod et ventilsæde 5 og afspærrer adgangen til udstødskanalen. Ventiltallerknen går opefter over i en 15 ventilspindel 6, som strækker sig op gennem den øvre del af ventilhuset l. Ventilspindlen 6 er lejret i en føringsbøsning 7, som er indsat i en boring gennem ventilhusets øvre del.

Ovenpå ventilhuset 1 er der koaks ialt med bøs-20 ningen 7 monteret en luftfjeder 8 og en hydraulikcylinder 9. Et på toppen af ventilspindlen 6 lej ret aktuatorstempel 10 vil påvirke ventilen 3 med en nedadrettet åbnekraft, når der føres hydraulikvæske til hydraulikcylinderens arbejdskammer 11. Et luftfjeder-25 stempel 12 er på velkendt vis fastgjort på ventilspindlen 6, så at stemplet 12 ved ventilens åbning bevæges nedover sammen med spindlen 6, hvorved luften i et under stemplet 12 beliggende luftfjederkammer 13 komprimeres. Når udstødsventilen skal lukke, aflas-30 tes trykket i arbejdskamret 11, hvorefter luftfjederen 8 vil føre udstødsventilen tilbage til lukket stilling som følge af, at trykket i luftfjederkamret 13 påvirker stemplet 12 og dermed spindlen 6 med en opadvirkende lukkekraft. En i fig. 3 vist lufttil-35 gang med kontraventil 14 forsyner luftfjederkamret med den nødvendige luft ved et tryk, som er afpasset DK 167499 B1 7 efter den ønskede lukkekraft. En tværboring 15 udgår fra bunden af luftfjederkamret og fører til en trykindstillelig sikkerhedsventil 16. Luftfjederen er nedadtil ved spindlen 6's gennemføring tætnet ved hjælp af 5 en ringpakning 17, som omkredser spindlen 6.

Som ovenfor nævnt er der mellem spindlen 6 og bøsningen 7 en vis klaring, der eksempelvis kan være på 2/10 mm. For at modvirke udstødsgassens indtrængning opefter gennem klaringen er der umiddelbart over den 10 øvre flange af bøsningen 7 et spærreluftkammer 18, som er afgrænset i tværretningen af sidevæggen i en reces udformet i ventilhusets øvre ende og i aksial retningen af henholdsvis oversiden af bøsningen 7 og undersiden af luftfjederens hus. En tilgangsåbning 19 i 15 sidevæggen af kamret 18 står gennem en tværboring 20 i ventilhuset 1 i forbindelse med en rørstuds 21 for den ene ende af en rørledning 22, hvis anden ende er monteret på sikkerhedsventilen 16's luftafgang 23 (se fig. 2).

20 Tværboringen 15, ventilen 16, rørledningen 22 og tværboringen 20 danner en luftstrømningspassage, som forbinder luftf j ederkamret med spærreluf tkamret. Sikkerhedsventilen 16's åbnetryk er indstillet således, at der føres luft fra luftfj ederkamret 13 til 25 spærreluftkamret 18, når udstødsventilen 3 står åben. Sikkerhedsventilen 16 kan eksempelvis være indstillet til at åbne for tilledning af spærreluft, når trykket i luftfjederkamret når op på 15 bar. Trykket i spærreluftkamret 18 bliver derved væsentlig højere end 30 trykket af udstødsgasserne i udstødskanalen 2, hvilket fører til, at spærreluften vil strømme ned gennem klaringen mellem spindlen 6 og bøsningen 7, hvorved ventilstyret holdes rent for forureninger fra udstødsgassen.

35 I den i fig. 4 viste udførelsesform for udstøds ventilen er sikkerhedsventilen 16 monteret i en udbo-

LM\ I Ό Ι*+Ζ/Ζ> D I

8 ring 24 i den nedre del af luftfjederen 8. Sikkerhedsventilens tilgangsåbning står gennem en ikke vist boring i forbindelse med bunden af luftfjederkamret 13, og sikkerhedsventilens afgang står i forbindelse 5 med en nedovergående kanal 25 i luftfjederhuset og ventilhuset 1, og denne kanal udmunder i en i ventilhuset beliggende tværgående kanal 26, som fører til spærreluftkamret. En kontraventil 27 er beliggende ved kanalen 2 6's udmunding i spærreluf tkamret. Denne 10 kontraventil hindrer luft fra spærreluftkamret i at trænge tilbage i kanalen 26. Kanalen 26 kan i radialt udadgående retning være afspærret af en langskaftet bolt 28, som er indskruet i et gevind i kanalen, så at boltens endeflade ligger umiddelbart uden for kanalen 15 25's udmunding i kanalen 26. Sikkerhedsventilen 16 er gennem en boring 36 og en fjederbelastet kontraventil 37 i denne boring forbundet med udstødsventilens oliedræn, der er beliggende uden for luf tfj ederkamret. Kontraventilen 37 er justeret til at åbne ved et tryk, 20 som ligger over luftfjederens normale arbejdstryk. Derved virker kontraventilen som en sikkerhedsventil, der åbner hvis luftstrømningspassagen 16, 25, 26 skulle blive blokeret af et fremmedlegeme.

I en alternativ, ikke vist udførelsesform kan 25 kanalerne 25 og 26 i ventilhuset 1 i stedet udføres som en i ventilhusets overside beliggende, opad åben kanal, som strækker sig fra boringen 25 i luftfjederhuset til spærreluftkamret 18. Denne udførelsesform udmærker sig ved at være særdeles enkel at frem-30 stille.

Fig. 5 anskueliggør en tredje udførelsesform for spærreluftarrangementet, hvor luftfjederens sikkerhedsventil ikke indgår som en del af arrangementet. En rundtgående olieopsamlingsrille 29 er udformet i bun-35 den af luftf jederkamret 13 for at lede nedsivende hydraulikolie til en kanal 30, som fra rillen strækker DK 167499 B1 9 sig nedefter og går over i ventilhuset 1, hvor den udmunder i en tværgående boring 31/ som gennem en forholdsvis lille kanal 32 står i forbindelse med spær-reluftkamret 18. Det inderste stykke af boringen 31 5 er udført med indvendigt gevind, hvori der er indskruet en bolt 33, som i udadgående retning afspærrer boringen 31. En vinkelbukket kanal 34 er således udformet i den indre ende af bolten 33, at den ene ende af kanalen ligger ud for og står i forbindelse med kanalen 10 30 i ventilhuset, og den anden ende af kanalen udmunder i boringen 31, som fører til spærreluftkamrets tilgangsåbning 19. Det inderste stykke af kanalen 34 er udført med større diameter og forsynet med indvendigt gevind, hvori der er indskruet en fjederbelastet kon-15 traventil 35, som åbner for tilførslen af spærreluft, når trykket i luftfjederkamret 13 når op på sin maksimalværdi. Luftstrømningspassagen mellem luftfjederkamret 13 og spærreluftkamret 18 omfatter kanalerne 30, 32 og 34.

20 Det er naturligvis muligt at begrænse forbruget af spærreluft ved at indsætte et drøvleorgan på et passende sted i en af de ovennævnte luftstrømningspassager. Da trykket i luf tfj ederkammeret 13 er væsentlig højere end udstødsgassernes tryk i udstødskanalen 2, 25 vil spærreluftarrangementet med en sådan drøvleindret-ning fungere tilfredsstillende. Drøvleorganet kan enten anvendes i kombination med kontraventilen 16 eller alene, hvis det ønskes, at luftfjederkamret altid skal stå i forbindelse med spærreluftkamret.

30 Luftfjederens lufttilgang 14 kan levere luft ved et fødetryk på ca. 5,5-7 bar. Hvis der ønskes kontinuert spærreluftforsyning, kan afspærringsorganet i luftstrømningspassagen indstilles til at åbne ved et tryk på fra 4,0 til 5,5 bar. Når fødetrykket er på 5,5 35 bar vil spærreluftforbruget per cylinder i en motor med en stempeldiameter på 60 cm eksempelvis være 1 kg/time

Claims (5)

10 Ul\ D I og når fødetrykket er ca. 7 bar, vil spærreluftforbruget være ca. 3 kg/time.

1. Spærreluftarrangement ved en forbrændingsmo- * tor, som har et med motorens arbejdscylinder forbundet ventilhus (1) for en udstødsventil (3), hvis ventilspindel (6) er lejret i ventilhuset og forløber op i en på ventilhuset monteret luftfjeder (8) omfattende et 10 luftfjederkammer (13) og et luftfjederstempel (12), der er fast forbundet med ventilspindlen og kan påvirke udstødsventilen (3) i lukkeretningen, og hvor et i en hydraulikcylinder (9) lejret aktuatorstempel (10) kan påvirke udstødsventilen i åbneretningen, og hvor ventil-15 spindlen (6) i området over lejringen i ventilhuset passerer gennem et spærreluftkammer (18) med en tilgangsåbning (19) for tilledning af spærreluft, kendetegnet ved, at spærreluftkamrets tilgangsåbning (19) står i forbindelse med en luftstrømningspas-20 sage (15, 16, 22, 20; 16, 25, 26; 30, 32, 34,), som fører til luftfjederkamret (13) og indeholder et afspærrings- eller trykreguleringsorgan (16; 35; 27), der er indrettet til at åbne for tilledning af spærreluft fra luftf jederkamret, når trykket heri overstiger en forud-25 bestemt værdi.

2. Spærreluftarrangement ifølge krav 1, kendetegnet ved, at luftstrømningspassagen (15; 30. udmunder ved bunden af luftf jederkamret (13).

3. Spærreluftarrangement ifølge krav 1 eller 2,. 30 og hvor spærreluftkamret (18) er en i ventilhusets øvre ende udformet reces, kendetegnet ved, at luftstrømningspassagen omfatter en i ventilhusets overside udformet kanal, som i den ene ende udmunder i spærreluftkamret (18) og i den anden ende ligger ud for 35 en til luf tfj ederkamret (13) førende boring i luftfjederens hus. DK 167499 B1 11

4. Spærreluftarrangement ifølge et af kravene 1-3, kendetegnet ved, at afspærringsorganet (35) i luftstrømningspassagen ligger i umiddelbar nærhed af spærreluftkamret.

5. Spærreluftarrangement ifølge et af kravene 1-4, og hvor luftfjederen har en sikkerhedsventil (16), kendetegnet ved, at luftstrømningspassagen omfatter en rørledning (22), som forbinder sikkerhedsventilens (16) luftafgang (23) med spærreluftkamrets 10 (18) lufttilgang (21), og at sikkerhedsventilens åbne tryk og det i løbet af en motorcyklus maksimale tryk i luftfjederkamret (13) er afpasset således, at der fra luftfjederkamret ledes spærreluft til spærreluftkamret (18) under i det væsentlige hver motorcyklus.