FI106396B - Polttomoottorin mäntä - Google Patents

Description

106396 POLTTOMOOTTORIN MÄNTÄ « Esillä oleva keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdannon mu kaista polttomoottorin mäntää.

* 5 Isot dieselmoottorien männät ovat tavanomaisesti moniosaisia niin sanottuja rakennettuja mäntiä, jotka nykyisin käsittävät tyypillisesti kaksi toisiinsa liitettyä osaa, yläosan ja alaosan. Nämä osat on liitetty ruuviliitoksella, joka käsittää yhden tai useamman ruuvin. Männän yläosa muodostaa osan paiotilasta ja yläosassa on myös männän rengasurat. Männän alaosaa kutsu-10 taan myös männän helmaksi. Tämän helmaosan tehtävänä on välittää männän yläosaan kohdistuvat kaasupainevoimat männäntapin kautta kiertokan-gelle, jota kautta voima kulkee kampiakselille. Männän helmaosa on myös sovitettu ottamaan vastaan sivuttaisvoimat sylinteriholkkia vasten.

Koska moottorin käyminen aiheuttaa huomattavan männän kuume-15 nemisen on männän osia jäähdytettävä. Tällöin liika lämpö tavanomaisesti siirretään männästä öljyllä. Edistyksellisin jäähdytysmenetelmä tällaisilla isoilla dieselmoottoreiden männillä on niin kutsuttu Shaker-jäähdytys. Tällöin männän yläosassa on tyypillisesti kaksi jäähdytysgalleriaa, sisempi jäähdytysgalle-ria ja sitä ympäröivä ulompi jäähdytysgalleria, joihin jäähdytysöljy johdetaan. 20 Tällaiset jäähdytysgalleriat ovat tavanomaisesti pyörähdyssymmetrisiä sisemmän jäähdytysgallerian ollessa alta männän tapin suuntaan joko avoin tai osittain suljettu. Ulompi jäähdytysgalleria on rengasmainen tai yläpuolelta syklisesti symmetrinen.

Esimerkiksi raskasöljykäyttöisissä dieselmoottoreissa esiintyy kui-. 25 tenkin kasvavassa määrin se ongelma, että männän jäähdytystiloissa vaikut tava jäähdytysöljy ei kykene riittävässä määrin siirtämään pois lämpöä männän eniten lämpökuormitetuista rakenneosista. Näiden ongelmien välttämiseksi on jäähdytysgallerian muotoa kehitetty esimerkiksi poraustyyppisillä koloilla jäähdytysöljyn tunkeutumisen parantamiseksi julkaisun EP 0 464 626 mukai-30 sesti. Kolot voivat myös olla pitkänomaisia koneistamalla aikaansaatuja kuten « : julkaisussa DE 41 18 400. Erilaisia jäähdytysgallerioiden muotoiluja on myös esitetty julkaisuissa DE 38 42 321 ja DE 39 19 872.

Tarkasteltaessa mäntään kohdistuvaa kuormitusta todetaan, että männän rakenteisiin vaikuttaa sen käyttöympäristössä lämpötilakuormituk-35 sesta ja kaasunpaineesta johtuvia muodonmuutoksia, joiden seurauksena männän osat toisiinsa liittävän ruuviliitoksen ruuveihin muodostuu väsyttäviä jännitysheilahduksia. Jännitysheilahdusten suuruus ja lukumäärä vaikuttavat 2 106396 ruuvien kestoikään. Jännitysheilahdusten ollessa suuria ruuviliitoksen väsyminen ja siten koko männän vaurioitumisen todennäköisyys kasvaa.

Voidaankin todeta, että nykyisissä männissä on paitsi niiden jäähdytykseen niin etenkin niiden jäähdytyksen oikeaan kohdistamiseen liittyviä 5 puutteita.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on vähentää tunnetun tekniikan epäkohtien vaikutusta ja saada aikaan aivan uudenlainen ratkaisu, jolla voidaan tehostaa ja paremmin kohdistaa männän jäähdytystä sekä tällä tavoin pienentää männän ruuviliitoksen ruuvien jännitysheilahduksia.

10 Tämä tarkoitus saavutetaan siten, että polttomoottorin männällä on tämän keksinnön mukaisesti patenttivaatimuksissa määritellyt tunnusmerkit. Täsmällisemmin sanottuna on tälle keksinnön mukaiselle laitteelle pääasiallisesti tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkki-osassa.

15 Keksinnön mukaisella jäähdytysgallerian muodolla saavutetaan ta vanomaista edullisempi jäähdytysvaikutus. Niinpä männän mennessä alaspäin männän nopeuden hidastuessa hitausvoima puristaa männän ulommassa jäähdytysgalleriassa olevan jäähdytysöljyn jäähdytysgallerian alaosassa oleviin keksinnön mukaisiin syvennyksiin. Seuraavaksi männän vaihtaessa 20 suuntaa ja männän nopeuden kasvaessa hitausvoima pitää öljyn edelleen puristuneena näihin syvennyksiin. Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaan jäähdytysgallerian alaosan muoto on sellainen, että öljy kerääntyy hetkellisesti kahteen syvennykseen jäähdytysgallerian alaosaan. Männän jatkaessa matkaa ylöspäin mäntä saavuttaa suurimman nopeutensa, jonka jäl-: 25 keen männän nopeus alkaa hidastua. Tällöin öljy jatkaa liikettään muuttumat tomalla nopeudella ja irtoaa jäähdytysgallerian alaosasta. Tietyn ajan kuluttua öljy törmää jäähdytysgallerian yläosaan, jolloin öljy on vielä männän kehän-suunnassa epätasaisesti jakautuneena. Männän suuren kiihtyvyyden takia öljyn vapaa pinta tasoittuu hetkellisesti gallerian yläosassa. Epätasaisen jakau-30 tumisensa takia öljy kuitenkin voi tasoittua vain kehänsuuntaisen virtauksen : ansiosta. Näin saadaan aikaan syvennyksiin kertyneenä olleen öljyn tangenti- aalinen virtaus sen jakautuessa männän yläosaan. Niinpä männän jäähdytys-gallerioissa oleva jäähdytysöljy keksinnön mukaisen ratkaisun ansiosta ei pelkästään kulje männän edestakaisen liikkeen aikana männän pituusakselin 35 suunnassa edestakaisin jäähdytysgallerian yläosan ja alaosan välillä, vaan ulomman jäähdytysgallerian alaosan uudenkaltaisen muotoilun ansiosta voidaan aikaansaada öljyn kehän suuntaista virtausta ja tehokkaampi konvektio.

3 106396

Siten jäähdytysöljyn avulla voidaan siirtää suurempia lämpömääriä männän yläosan kuumista seinämistä.

Keksinnön mukaisella ratkaisulla, jossa männän yläosan ja helma-osan yhdistävän ruuviliitoksen ruuvit ovat järjestettyjä männän sisemmän aksi-5 aalisen tukipinnan yhteyteen männäntappia vasten oleellisesti kohtisuoraan asemaan, on ulomman jäähdytysgallerian syvennykset sovitettu oleellisesti männäntapin kohdalla olevaan asemaan. Näin ruuvien kohdalla oleva jäähdytysgallerian pohja on korkeimmillaan, jolloin ruuviliitoksen alueella on vähemmän jäähdytyspintaa. Tällöin ruuvien ja ruuviliitoksessa olevan männän tila-10 vuuden osan välinen termisestä kuormituksesta johtuva lämpötilaero saadaan mahdollisimman pieneksi ja ruuviin kohdistuva jännitysheilahdus saadaan pienemmäksi. Tällöin saavutetaan selvästi parannettu ruuvien kestävyys. Tunnetusti ruuviliitoksen venyvä osa on ruuvi. Ruuvilla aikaansaadaan ruuvivoima, jonka vaikutuksesta toisiinsa liitettävät osat puristuvat yhteen. Tilavuutta, johon 15 tämä ruuvivoima kohdistuu, kutsutaan puristuskappaleeksi. Mikäli ruuvin ja sitä ympäröivän puristuskappaleen välille syntyy suuri lämpötilaero, joka vaihtelee, syntyy ruuveihin merkittäviä jännitysheilahduksia.

Rakennetussa männässä olevan ruuviliitoksen ja ruuveja ympäröivään materiaaliin pyrkii muodostumaan merkittävä lämpötilaero, koska ruuvien 20 kierreosa, josta lämpö siirtyy ruuveihin, sijaitsee lähellä palotilaa. Ruuvi on muuten vapaareiän ympäröimä, jolloin sen ympärillä on ilmaa, joka on hyvä lämmöneriste. Tällöin ruuvi kuumenee kauttaaltaan korkeaan lämpötilaan. Ruuvia ympäröivästä materiaalista lämpö johtuu pois muualle rakenteeseen ja johtuminen on voimakasta, mikäli etäisyys jäähdytysgalleriaan on lyhyt.

. 25 Näillä jännitysheilahduksilla on merkittävä vaikutus ruuvien kestoi kään, heilahdusten ja niistä johtuvien vaikutusten kuitenkin ollessa merkittävästi pienennettävissä esillä olevan keksinnön mukaisella ratkaisulla.

Ratkaisulla, jossa männän yläosan ja helmaosan yhdistävän ruuvi-liitoksen ruuvit on järjestetty männän sisemmän aksiaalisen tukipinnan alueelle 30 männäntappia vasten kohtisuoraan asemaan, voidaan männän helmaosa v : muotoilla siten, että kaasupainevoiman voimavuo kulkee mahdollisimman vä hän ruuviliitoksen puristuskappaleen läpi. Tällöin helmaosa on muotoiltavissa holvimaiseksi, puristuskappaleen pääosin muodostuessa ruuveja ympäröivistä ruuvipusseista. Tällaisen rakenteen ansiosta kaasupaineen aiheuttama vaih-35 televa kuormitus aiheuttaa mahdollisimman pieniä jännitysheilahduksia ruuveihin.

106396 4

Seuraavassa keksintöä selitetään viittaamalla oheiseen piirustukseen, esitetään pitkittäisleikkaus polttomoottorin männästä, jossa on esitetty vain keksinnön ymmärrettävyyden kannalta oleelliset osat leikkauksen ollessa osittain mäntätapin pituusakselin suunnassa ja osittain kohtisuoraan mäntäta-5 pin pituusakselia vasten.

Kuviossa on esitetty keksinnön mukaisen ratkaisun eräs edullinen suoritusmuoto. Tällöin mäntä käsittää männän yläosan 1 ja tähän edullisesti ruuveilla 2 liitetyn männän alaosan 3. Männän yläosa muodostuu laatasta 4 ja oleellisesti lieriömäisestä seinämästä 5, jossa on ainakin yksi rengasura 6 10 männänrengasta varten. Laatta vastaanottaa mäntään kohdistuvan kaasupai-nevoiman. Laatassa oleva yläpinta on järjestetty muodoltaan sellaiseksi, että se muodostaa palotilan maljan 7 ja laatassa oleva alapinta 8 muodostaa rengasmaisen ulomman jäähdytysgallerian 9 yläosan sekä männän keskellä sijaitsevan sisemmän jäähdytysgallerian 10 yläosan. Tämä sisempi jäähdytys-15 galleria on yhteydessä ulompaan männän jäähdytysgalleriaan öljyn siirtokanavilla.

Keksinnön kaltaisen männän osat ovat yhdistettyjä liitospinnassa, jolla on ainakin yksi tukipinta, jolloin kuvion mukaisessa suoritusmuodossa on esitetty ratkaisu, jossa tukipintoja on kaksi eli sisempi aksiaalinen tukipinta 11 20 ja ulompi aksiaalinen tukipinta 12. Rengasmainen sisempi aksiaalinen tukipinta sijaitsee jäähdytysgallerioiden 9 ja 10 välissä. Ulompi aksiaalinen tukipinta on järjestetty oleellisesti lieriömäisen seinämän 5 yhteyteen. Männän yläosassa olevien tukipintojen väliin on sovitettu männän ulomman jäähdytys-gallerian yläosa.

: 25 Männän alaosa 3, eli helmaosa, käsittää niin ikään männän yläosan vastaanottavat sisemmän ja ulomman aksiaalisen tukipinnan 11 ja 12, jotka yhdessä rajaavat väliinsä männän ulomman jäähdytysgallerian 9 alaosan. Helmaosa käsittää edelleen liukupinnat 13 mäntää ympäröivää sylinteriholkkia vasten ja männäntapin navan 14 laakeriporauksineen.

30 Männän yläosa 1 ja helmaosa 3 ovat siis järjestettyjä tukeutumaan * yhdessä tai useammassa liitospinnassa oleviin renkaanmuotoisiin aksiaalisiin tukipintoihin 11 ja 12. Helmaosan sisempi aksiaalinen tukipinta 11 muodostaa osan oleellisesti männän oletetun keskiakselin 15 suuntaisesta rengasulok-keesta 16, joka on sovitettu vastaanottamaan männän osat toisiinsa liittävät 35 ruuvit 2. Rengasuloke rajoittaa männän sisempää jäähdytysgalleriaa 10 yhdessä männän yläosan laatan alapinnan 8 kanssa männän ulomman jäähdy- • tysgallerian 9 ollessa sovitettu ympäröimään rengasuloketta ulkopuolta. Hei- 5 106396 maosan sisämuoto on rengasulokkeen alueella jäljestetty holvimaiseksi sisemmän aksiaalisen tukipinnan alapuolella. Holvista on tällöin järjestetty alaspäin ulottuvat ruuvipussit 17, jotka muodostavat merkittävän osan ruuviliitosta ympäröivästä puristuskappaleesta.

v 5 Kumpaankin männän jäähdytysgalleriaan 9 ja 10 syötetään Shaker- jäähdytyksessä käytettävää jäähdytysöljyä. Jäähdytysöljy johdetaan toiseen jäähdytysgalleriaan vähintään yhtä syöttökanavaa pitkin, josta öljy joutuu öljyn siirtokanavia pitkin toiseen jäähdytysgalleriaan.

Keksinnön mukaisessa männässä on jäähdytysöljyn liikettä ulom-10 massa jäähdytysgalleriassa 9 tehostettu muodostamalla edullisesti jyrsimällä jäähdytysgallerian pohja 18 syvyydeltään vaihtelevaksi. Niinpä jäähdytysgallerian pohjaan on järjestetty yksi tai useampi gallerian muuta pohjaa alempana oleva syvennys 19. Männän liikkuessa on jäähdytysgallerioissa oleva jäähdytysöljy näin ohjattu kerääntymään syvennykseen ollessaan gallerian alaosas-15 sa. Männän liikkeen takia öljy törmää jäähdytysgallerian laatassa olevaan yläosaan 20 ennen liikkeen yläkuolokohtaa. Osuessaan gallerian yläosaan öljy on kehäsuunnassa epätasaisesti jakautuneena gallerian alaosan syvennysten ansiosta. Hitausvoiman vaikutuksesta öljy puristuu jäähdytysgallerian yläosaan ja tasoittuu hetkellisesti tangentiaalisen virtauksen ohjaamana. Näin aikaan-20 saadaan öljyn kehänsuuntainen virtaus, joka siirtää männän yläosan kuumista seinämistä suurempia lämpömääriä.

Keksinnön eräässä toisessa suoritusmuodossa männän yläosan 1 ja helmaosan 3 yhdistävän ruuviliitoksen ruuvit 2 ovat sovitettuja männän sisemmän aksiaalisen tukipinnan 11 yhteyteen männäntappia vasten oleellisesti : 25 kohtisuoraan asemaan. Tällöin puristuskappaleen yhteydessä oleva ulomman « jäähdytysgallerian pohja 18 on ympäröivää jäähdytysgallerian pohjaa korkeammalla pohjan ollessa syvempi männäntapin suunnassa kuin tapin suuntaa vasten kohtisuorassa suunnassa. Koska ulompi jäähdytysgalleria 9 on ruuvien kohdalla matala, on myös jäähdytysöljyllä aikaansaatu jäähdytysvai-30 kutus pienempi ruuviliitoksen puristuskappaleen alueella kuin jäähdytysgalle-, rian muissa osissa. Näin aikaansaadaan pienempi lämpötilaero ruuvien ja niitä ympäröivien puristuskappaleiden välillä.

Helmaosan 3 rengasulokkeen 16 muodon ollessa järjestetty holvimaiseksi sisemmän aksiaalisen tukipinnan 11 alapuolella on holvin 21 kaaren 35 korkein osa järjestetty oleellisesti ruuvien 2 kohdalle. Holvista alaspäin ulkone-vien ruuvipussien 17 muodostaessa merkittävän osan ruuviliitoksen puristus-·; kappaleesta on aikaansaatu männän helmaosan rakenne, jossa kaasupaine- 6 106396 voiman voimavuo kulkee mahdollisimman vähäisessä määrin ruuviliitoksen pu-ristuskappaleen läpi. Tällaisella rakenteella pienennetään männän kaasupai-nevoiman kuormituksesta aiheutuvat jännitysheilahdukset ruuveissa.

On ymmärrettävä, että edellä oleva selitys ja siihen liittyvä kuvio on 5 ainoastaan tarkoitettu havainnollistamaan esillä olevaa keksintöä. Keksintöä ei siten ole rajattu pelkästään edellä esitettyyn tai patenttivaatimuksissa määriteltyyn suoritusmuotoon, vaan alan ammattimiehille tulevat olemaan ilmeisiä monet erilaiset keksinnön variaatiot ja muunnokset, jotka ovat mahdollisia oheisten patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteis-10 sa.

♦

Claims (6)

1. 7 106396
2. 1. Polttomoottorin mäntä, joka käsittää yläosan (1) ja männäntappia ympäröivän helmaosan (3), jotka tukeutuvat niiden liitospinnassa olevaan ai-5 nakin yhteen aksiaaliseen tukipintaan (11, 12), yläosan ja helmaosan ollessa liitettyinä toisiinsa tukipinnan läpi johdetulla ainakin kahdella ruuvilla (2) ruuvien toisten päiden ollessa järjestettyjä lähelle yläosaan rajoittuvaa palotilaa niiden näin ollessa termisesti kuormitettuja, ja jossa männässä on sitä rengasmaisesti kiertävä ulompi jäähdytysgalleria (9) ja tämän ympäröimä sisempi 10 jäähdytysgalleria (10), jolloin ulommassa jäähdytysgalleriassa (9) on sen hel-maosassa (3) olevaan yläpintaan muodostetussa pohjassa (18) muuta jääh-dytysgallerian pohjaa alempana olevia syvennyksiä (19), tunnettu siitä, että syvennyksiä (19) on ainakin kaksi, ja että ne ovat sovitettuja oleellisesti männäntapin linjaan, jolloin jäähdytysgallerioissa oleva jäähdytysöljy pääosin 15 on järjestetty kerääntymään pohjassa (18) oleviin syvennyksiin ollessaan ulomman jäähdytysgallerian (9) alaosassa, näin männän kehäsuunnassa epätasaisesti jakautuneen jäähdytysöljyn ollessa oleellisesti männän liikkeen ylälakipisteessä edelleen sovitettu iskeytymään männän yläosaan (20), iskeytymisen ollessa järjestetty aikaansaamaan jäähdytysöljyyn tangentiaalisen 20 virtauksen jäähdytysöljyn tasoittamiseksi männän yläosaan.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mäntä, tunnettu siitä, että syvennys (19) on aikaansaatu jyrsimällä.
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen mäntä, tunnettu siitä, että syvennyksiä (19) on kaksi. : 25 4. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen mukainen mäntä, tun nettu siitä, että ulomman jäähdytysgallerian (9) pohja (18) on ruuveja (2) ympäröivän puristuskappaleen kohdalla sovitettu olemaan jäähdytysgallerian muuhun pohjaan nähden korkeimmillaan, jäähdytysgallerian säteissuuntaisen poikkipinta-alan ollessa pienimmillään.
5. 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen mäntä, tunnettu siitä, että ' : männän helmaosa (3) on sovitettu muodostamaan ruuvia (2) ympäröivä pu- ristuskappale, puristuskappaleen ulottuessa ruuvin kohdalla holvimaisesti ulomman jäähdytysgallerian (9) pohjan (18) läheisyyteen muodostaen ruuvin ympärille helmaosaan työntyvän ruuvipussin (17).
6. 6. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen mukainen mäntä, tun nettu siitä, että ruuvi (2) on järjestetty oleellisesti männäntappia vasten * kohtisuorassa olevaan leikkaustasoon tai sen yhteyteen. 8 106396