FI121512B - Mäntämoottorin imuventtiilin ohjausjärjestely - Google Patents

Description

MÄNTÄMOOTTORIN IMUVENTTIILIN OHJAUS JÄRJESTELY Tekniikan ala

Esillä oleva keksintö kohdistuu patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen 5 mäntämoottorin imuventtiilin ohjausjärjestelyyn.

Tekniikan taso

Nelitahtisen polttomoottorin toiminnassa on tilanteita, joissa sylinterit eivät saa riittävästi ilmaa, jotta itsesytytys voisi tapahtua puristustahdin aikana. Tämä 10 koskee erityisesti korkeapaineahdettuja moottoreita, esimerkiksi kaksivaiheisesti turboahdettuja moottoreita käynnistyksen ja kuorman vaihteluiden aikana. Tällaisissa moottoreissa käytetään korkeita paineita yhdessä jyrkempien tai lyhyempien nokka-akselien epäkeskomuotojen kanssa, mikä vastaavasti tuottaa lyhyempikestoisen ahtotapahtuman. Tällöin 15 imuventtiilien aukioloajat moottorin tavallisen kuormituksen aikana eivät ole riittävän pitkiä tällaisia erikoistilanteita varten.

Toisaalta, dieselmoottorin päästöjen minimoimiseksi imuventtiilien ajoituksen on oltava sellainen, että imuventtiili sulkeutuu aikaisin ennen männän alakuolokohtaa, kun taas ahtopainetta nostetaan vastaavasti riittävän 20 ilmamäärän tuottamiseksi sylinteriin. Tällainen järjestely on kuitenkin ongelmallinen pienillä moottorin kuormilla, kun turboahtimen ahtopaine on vielä suhteellisen alhainen.

Eräs ratkaisu olisi imuilman tuoton tehostaminen imuventtiilin avautumisvaiheen aikana tällaisissa erikoisolosuhteissa. Eräs toinen ratkaisu on tuottaa viive 25 imuventtiilin sulkeutumiseen imuventtiilin aukioloajan pidentämiseksi tarvittaessa. Eräs ratkaisu tällaisen muuttuvan imuventtiilin sulkeutumisen (Variable Inlet Valve Closure, VIC) tuottamiseksi kuvataan patenttijulkaisussa WO 2008/000899, jossa tuotetaan tietty viive imuventtiilin sulkeutumiselle.

2

Esillä olevan keksinnön tarkoitus on tuottaa edelleen parannettu ohjausjärjestely mäntämoottorin imuventtiilin sulkeutumiselle. Keksinnön erityinen tarkoitus on mahdollistaa erilaisten viiveaikojen valinta erilaisten tilanteiden mukaan, erityisesti käytettäessä poltto moottoreita matalilla moottorin 5 kuormilla ja moottorien käynnistyksen aikana.

Keksinnön selitys

Esillä olevan keksinnön tavoitteet voidaan olennaisesti saavuttaa patenttivaatimuksessa 1 kuvatulla tavalla sekä muissa patenttivaatimuksissa 10 yksityiskohtaisemmin kuvattujen suoritusmuotojen mukaisesti. Esillä olevan keksinnön mukaan runko-osaan on sovitettu vähintään kaksi virtauskanavaa eri reittien järjestämiseksi hydraulisen väliaineen virtaukselle ensimmäisestä kammiosta toiseen kammioon. Lisäksi on järjestetty ohjausvälineet käytettävän virtauksen reitin valitsemiseksi tapauskohtaisesti erilaisen sulkeutumisviipeen 15 tuottamiseksi. Tässä reittiin saattaa käyttökohteen mukaan tapauskohtaisesti kuulua yksi tai useampi virtauskanava. Tällöin on mahdollista tuottaa käytännössä helposti toteutettava ratkaisu, joka on luotettava ja jota voidaan käyttää tarpeen mukaan.

Edullisesti vähintään kaksi virtauskanavaa on järjestetty avautumaan yhteiseen 20 kammioon tai vastaavaan yhdyskanavaan, joka on järjestetty olemaan yhteydessä ensimmäisen kammion kanssa. Tällöin ohjauselimet on järjestetty toimimaan mainitussa yhteisessä kammiossa tai vastaavassa yhdyskanavassa.

Käytännössä on edullista, että toinen kammio on järjestetty nokkalaitteen ja mäntälaitteen väliseen ohjainelimeen liikkumaan vasteena nokkalaitteen 25 liikkeisiin. Tällöin nämä vähintään kaksi virtauskanavaa on järjestetty avautumaan toiseen kammioon eri kohdissa ohjainelimen liikkeen reitillä. Tämä tuottaa luotettavan rakenteen. Lisäksi ohjauselin on järjestetty vaikuttamaan suoraan mäntälaitteeseen ainoastaan imuventtiilin avautumisen suunnassa, kun viivetoimintoa käytetään.

3

Erään suoritusmuodon mukaan hydraulisen väliaineen virtaus järjestetään pitkin yhtä mainituista virtauskanavista kerrallaan ja ohjauselimeen kuuluu ohjausventtiili, jossa on liikuteltava venttiilielin, johon on sovitettu vapautuselin järjestettäväksi jonkin mainitun virtauskanavan kohdalle. Vapautuselin voi olla 5 kapeneva osuus, joka on mitoitettu sallimaan virtaus ainoastaan yhden kanavan läpi kerrallaan.

Erään toisen suoritusmuodon mukaan ohjausjärjestelyyn kuuluu kullekin virtauskanavalle erillinen ohjausventtiili lyhyemmän viiveajan tuottamiseksi.

Edullisesti ohjausvälineet on järjestetty käytettäviksi pneumaattisesti 10 käyttämällä moottoriin kuuluvia ohjausjärjestelmiä. Erityisesti mainitun mäntämoottorin turboahtimelta saatavaa ahtoilmaa voidaan käyttää ohjausvälineiden ohjaamiseen. Edullisesti käyttöpaine on järjestetty tapahtumaan jousivoimaa vastaan, jolloin tuotetaan yksinkertainen rakenne ja hallinta.

15

Piirustusten lyhyt kuvaus

Keksintöä kuvataan seuraavassa esimerkinomaisesti viitaten oheiseen kaaviomaiseen piirustukseen, jossa - kuvio 1 esittää mäntämoottoria ja viivakaaviota sen venttiilimekanismista, 20 - kuviot 2 - 4 esittävät yleisnäkymää esillä olevan keksinnön mukaisesta ohjausjärjestelystä toiminnan erillisissä peräkkäisissä vaiheissa, - kuvio 5 on suurennettu näkymä esillä olevan keksinnön mukaisen ohjauselimen ensimmäisestä suoritusmuodosta, - kuviot 6a ja 6b esittävät suurennettua näkymää esillä olevan keksinnön 25 mukaisen ohjauselimen toisesta suoritusmuodosta kahdessa käyttöasennossa, - kuvio 7 esittää imuventtiilin suhteellista avautumiskäyrää kuvion 6a suoritusmuotoon liittyen, ja 4 - kuvio 8 on suurennettu näkymä esillä olevan keksinnön mukaisen ohjauselimen kolmannesta suoritusmuodosta.

Piirustusten yksityiskohtainen kuvaus 5 Kuvio 1 esittää kaaviomaisena näkymänä mäntämoottoria 1 siinä määrin, kuin se on tarpeen esillä olevan keksinnön ymmärtämiseksi. Mäntämoottorin 1 sylinterien (ei kuvattu) kaasunvaihto tehdään sylinteri kannessa 2 sijaitsevien kaasunvaihtoventtiilien, siis imu- ja pakoventtiilien, ohjaamana. Kuviossa esitetään ainoastaan imuventtiilit 3 ja niitä käytetään venttiilimekanismeilla 6, 10 joita tyypillisesti ohjataan moottorin nokka-akselille 4 järjestettyjen nokkalaitteiden 5 epäkeskoprofiileilla 5'. Voimansiirto kunkin venttiilimekanismin 6 ja vastaavan nokkalaitteen 5 välillä toteutetaan ohjausjärjestelyllä 7.

Ohjausjärjestely 7 kuvataan yksityiskohtaisemmin kuvioissa 2-4, joista kuvio 2 esittää sitä toimimattomassa tilassa, jolloin sen kanssa yhteydessä oleva 15 imuventtiili 3 on suljettuna. Ohjausjärjestely 7 käsittää runko-osan 8, joka on tyypillisesti kiinnitetty moottorin runkoon. Mäntälaite 9 on liikkuvasti kiinnitetty runko-osaan 8. Mäntälaitteen 9 yläpää on järjestetty voimansiirtoyhteyteen venttiilimekanismin 6 kanssa. Tässä tapauksessa yhteys on mekaaninen, mutta se voisi olla myös hydraulinen. Mäntälaitteen 9 liikkeitä ohjataan ohjainelimellä 20 10, joka on sovitettu runko-osassa 8 olevan mäntälaitteen alapäähän.

Ohjainelin 10 on yhteydessä jouseen 11, joka painaa sitä kohti rullaa 12, joka saa ohjauksensa nokkalaitteen 5 epäkeskoprofiililta 5'. Tällöin, kun nokka-akseli 4 pyörii, kuvioissa 2 - 4 myötäpäivään, rulla 12 seuraa nokkalaitteen 5 epäkeskoprofiilia 5'ja epäkeskoprofiilin 5' profiilin muutokset välitetään siten, 25 että se vaikuttaa imuventtiilin 3 avautumiseen ja sulkeutumiseen.

Runko-osa 8 ja mäntälaite 9 muodostavat yhdessä ensimmäisen kammion 13, johon hydraulinen väliaine voidaan valinnan mukaan johtaa nuolella kuvatun syöttökanavan 14 kautta viipeen tuottamiseksi imuventtiilin 3 sulkeutumiseen. Käytännössä syöttökanava on edullisesti varustettu sulkuventtiilillä ja 30 takaiskuventtiilillä, ei kuvattu. Syöttölinja ensimmäiseen kammioon 13 voidaan 5 yhdistää tai katkaista sulkuventtiilin avulla riippuen siitä, onko tarkoitus käyttää viivetoimintoa imuventtiilin 3 viivästettyyn sulkemiseen. Takaiskuventtiilin ansiosta ohjausjärjestely ei voi aiheuttaa sykkimistä hydraulisen väliaineen lähteeseen. Tämä on tärkeää käytettäessä voiteluöljyä hydraulisena 5 väliaineena.

Runko-osa 8 on lisäksi varustettu kanavilla 15 ja 18, joiden avulla ensimmäinen kammio 13 voidaan yhdistää toiseen kammioon 19, joka sijaitsee ohjainelimessä 10. Tätä varten ohjainelin 10 on varustettu aukolla 10a. Kun aukko 10a on yhteen 18 alapään aukon kohdalla, muodostuu kammioiden 13 ja 10 19 välinen virtausyhteys. Lisäksi kanavien 15 ja 18 välissä on kammio 16 tai vastaava kanava, johon kuuluu esillä olevan keksinnön mukaiset ohjausvälineet 17, joiden rakenne ja toiminta kuvataan seuraavassa yksityiskohtaisemmin.

Näin ollen ohjausjärjestely 7 on kuviossa 2 toimimattomassa tilassa ja rulla 12 sijaitsee epäkeskoprofiilin 5' perusympyrällä. Kuviossa 3 nokkalaite 5 on 15 pyörinyt myötäpäivään siten, että epäkesko-osa 5' on nostanut rullaa 12 kuviossa ylöspäin. Tällöin myös ohjainelin 10 ja mäntälaite 9 ovat liikkuneet ylöspäin, minkä vuoksi vastaava imuventtiili 3 (ei kuvattu) on avautunut. Ensimmäinen kammio 13 täyttyy samanaikaisesti syöttölinjan 14 kautta syötetyllä hydraulisella väliaineella.

20 Kuviossa 4 rulla 12 on palannut epäkeskoprofiilin 5' perusympyrälle. Ensimmäisen kammion 13 hydraulisen väliaineen vuoksi mäntälaite 9 pysyy ensin yläasennossaan, jolloin myös imuventtiili pysyy auki. Kuten kuviosta 4 näkyy, mäntälaitteen 9 ja ohjainelimen 10 välinen yhteys katkeaa tällöin. Tämän jälkeen, kun ohjainelimen 10 aukko 10a siirtyy yhteen 18 aukon kohtaan, 25 ensimmäisen kammion 13 paine vapautuu ja mäntälaite 9 alkaa liikkua alaspäin kuviossa, jolloin myös imuventtiili pääsee sulkeutumaan. Tällöin myös mäntälaitteen 9 ja ohjainelimen 10 välinen kosketus muodostuu uudelleen. Hydraulinen väliaine virtaa edelleen kammiosta 19 öljysäiliöön ja tuottaa voitelun nokka-akselille ja siihen yhteydessä oleville osille.

6

Jos kammioon 13 liittyvää muuttuvaa imuventtiilin sulkeutumistoimintoa (VIC) ei käytetä, mäntälaite 9 on jatkuvassa kosketuksessa ohjainelimeen 10 ja kammion 13 ja kammion 19 välinen yhteys muodostuu tavanomaisella tavalla.

Kuvio 5 esittää esillä olevan keksinnön mukaisen ohjauselimen 17 ensimmäistä 5 suoritusmuotoa. Kammioon 16 on järjestetty kolme kanavaa 18a, 18b ja 18c, jotka kukin voidaan järjestää olemaan yhteydessä kammion 19 kanssa aukon 10a kautta ohjausvälineiden 17 avulla, joihin ohjausvälineisiin kuuluu ohjausventtiili 17a, joka on liikuteltavissa runko-osassa 8 olevassa kammiossa 20. Ohjausventtiiliin 17a on sovitettu venttiilielin 17b ja vapautuselin 17c, joka 10 tässä tapauksessa on venttiilielimen 17b ympärillä oleva ura. Kuviossa 5 vapautuselin 17c on kanavan 18b kohdalla, jolloin kammioiden 13 ja 19 välinen yhteys muodostuu tämän kanavan 18b kautta. Kuten kuviosta käy ilmi, kanavien 18a, 18b ja 18c päätyaukot ovat eri korkeuksilla. Tämä tarkoittaa, että ohjainelimen 10 liikkeen aikana näiden kanavien päätyaukot ovat aukon 10a 15 kohdalla eri aikoina, jolloin kammion 13 paine vapautuu vastaavasti eri aikoina. Tähän kuuluu imuventtiilin sulkeutumisen erilainen viive kulloinkin valitun kanavan mukaan.

Venttiilivälineiden 17 toiminta voidaan edullisesti toteuttaa pneumaattisesti syöttämällä paineilmaa kammioon 20, kuvattu nuolella, mikä aiheuttaa 20 ohjausventtiilin 17a siirtymisen venttiilielimen 17b kanssa kuviossa vasemmalle jousen 21 voimaa vastaan. Näin ollen ohjausventtiilin 17a liike ja vastaavan kanavan 18a, 18b ja 18c valinta vaihtelee kammioon 20 syötettävän ilman paineen mukaan. Edullisesti moottorin ohjausjärjestelmiä hyödynnetään siten, että käytetään esimerkiksi turboahtimen ahtoilmaa. Tällöin voidaan tuottaa 25 imuventtiilin sulkeutumisen vaihtelu enemmän tai vähemmän automaattisesti kussakin tapauksessa moottorin kuorman mukaan vaihtelevan ahtoilman paineen funktiona.

Kuviot 6a ja 6b kuvaavat ohjausvälineiden 17' toista suoritusmuotoa. Tässä tapauksessa kammio 16', joka on muodostettu yhdyskanavaksi, on 30 toiminnallisesti yhdistetty ohjausventtiiliin 17'a, jonka ohjauselin 17'b ohjaa kammion 16' ja toisen kanavan 18'b välistä yhteyttä. Ohjausventtiili 17'a 7 sijaitsee kammiossa 20', johon johdetaan paineilmaa painamaan venttiiliä jousien 21' voimaa vastaan. Kun kammion 16' ja kanavan 18'b välinen yhteys suljetaan, kuten kuviossa 6b kuvataan, kammioiden 13 ja 19 välinen yhteys muodostetaan kanavan 18'a kautta. Toisaalta, kun kammion 16'ja kanavan 5 18'b välinen yhteys on auki, kuten kuviossa 6a kuvataan, kammioiden 13 ja 19 välinen yhteys muodostetaan aiemmin pitkin kanavaa 18'b, jonka päätyaukko on kanavan 18'a päätyaukon yläpuolella. Tässäkin tapauksessa kanava 18'a pysyy auki eikä ole tarvetta järjestää erillistä ohjausventtiiliä sen sulkemiseksi.

Kuvioiden 6a ja 6b suoritusmuodon toiminta ja sen vaikutus moottorin 10 imuventtiilin sulkeutumiseen esitetään kuviossa 7, joka esittää imuventtiilin suhteellista avautumiskäyrää moottorin nokkakulman funktiona. Käyrä C esittää tilannetta, jossa hydraulista väliainetta ei johdeta lainkaan kammioon 13, jolloin imuventtiilin ohjaus toteutetaan ainoastaan epäkeskoprofiilin 5' mukaan. Käyrät A ja B esittävät tilannetta, jossa hydraulista väliainetta johdetaan kammioon 13, 15 kun mäntälaite 9 liikkuu imuventtiilin avautumissuuntaan. Näin ollen on mahdollista tuottaa imuventtiilin sulkeutumisviive suhteessa sen tavalliseen toimintaan, siis moottorin eri kuormatilanteissa. Käyrä A liittyy tilanteeseen, jossa viipeeseen vaikutetaan valitsemalla kammioiden 13 ja 19 välinen yhteys kanavan 18'a kautta, jolloin ohjausventtiili 17'a on siis asennossa, joka sulkee 20 kanavan 18'b kuviossa 6b kuvatulla tavalla. Tällöin käyrä B esittää tilannetta, joka vastaa kuviota 6a, jolloin ohjausventtiili 17'a on avoinna ja sallii yhteyden kanavan 18'b kautta. Tällöin kammion 13 paine vapautuu aiemmin ja myös imuventtiili sulkeutuu aiemmin, mutta sulkeutumista viivytetään verrattuna käyrän A kuvaamaan tavalliseen tilanteeseen.

25 Kuvio 8 esittää esillä olevan keksinnön kolmannen suoritusmuodon mukaista ohjauselintä. Tämä on muunnelma kuvioiden 6a ja 6b suoritusmuodosta, johon kuuluu kanavien 18"a ja 18"b lisäksi kolmas kanava 18"c. Kuten voidaan nähdä, kaikkien näiden kanavien päätyaukot sijaitsevat eri korkeuksilla, siis eri asennossa pitkin ohjainelimen 10 pa I u u I i i kettä, jolloin ne tuottavat 30 mahdollisuuden imuventtiilin sulkeutumisviipeen muuttamiseen. Periaatteessa voidaan järjestää myös joukko muita kanavia 18" kyseisen imuventtiilin 8 tapauskohtaisesti tarvitseman sulkeutumisviipeen tarkemman vaihtelun toteuttamiseksi ja moottorin runko-osassa 8 käytettävissä olevan tilan mukaan.

Kuvioiden 6a, 6b ja 8 suoritusmuodoissa ohjausventtiilejä 17, 17'ja 17" voidaan käyttää edullisesti moottorissa käytettävissä olevan paineväliaineen avulla, 5 esimerkiksi pneumaattisesti, hydraulisesti tai myös sähköisesti. Ohjausventtiilien ohjaus ja virtauskanavan valinta kussakin tapauksessa voidaan järjestää käyttämällä kullekin ohjausventtiilille paineantureita ja sopivaa ohjauslogiikkaa kussakin tapauksessa tarvittavan viipeen määrittämiseksi ja vastaavasti ohjausventtiilien oikean toiminnan varmistamiseksi.

10 Esillä oleva keksintö ei rajoitu edellä kuvattuihin esimerkkeihin, vaan se voidaan toteuttaa keksinnöllisestä ajatuksesta ja oheisista patenttivaatimuksista poikkeamatta monina eri suoritusmuotoina.

Claims (9)

1. Ohjausjärjestely mäntämoottorin imuventtiilille, joka ohjausjärjestely on järjestetty moottorin (1) nokka-akselin (4) nokkalaitteen (5) ja moottorin sylinterin yhteyteen järjestetyn imuventtiilin (3) avaamaan ja sulkemaan 5 järjestetyn imuventtiilimekanismin (6) väliin, joka ohjausjärjestely (7) käsittää runko-osan (8), jossa mäntälaite (9) on liikkuvasti järjestetty olemaan voimansiirtoyhteydessä nokka-akselin (4) ja venttiilimekanismin (6) kanssa, jotka mäntälaite (9) ja runko-osa (8) yhdessä muodostavat ensimmäisen kammion (13), johon voidaan valinnan mukaan syöttää hydraulista 10 väliainetta, sekä toisen kammion (19), joka on yhteydessä ensimmäiseen kammioon kanavavälineillä (18,18', 18"), jolloin hydraulisen väliaineen virtaa ensimmäisestä kammiosta (13) toiseen kammioon (19) ohjataan viipeen tuottamiseksi imuventtiilin (3) sulkeutumiseen, tunnettu siitä, että runko-osaan on sovitettu vähintään kaksi virtauskanavaa (18a, 18b, 18c; 18'a, 18'b, 15 18'c; 18"a, 18"b, 18"c)eri reittien järjestämiseksi hydraulisen väliaineen virtaukselle ensimmäisestä kammiosta (13) toiseen kammioon (19), ja että on järjestetty ohjausvälineet (17, 17', 17") käytettävän virtausreitin valitsemiseksi kussakin tapauksessa erilaisen sulkeutumisviipeen tuottamista varten.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ohjausjärjestely, tunnettu siitä, että 20 vähintään kaksi virtauskanavaa (18a, 18b, 18c; 18'a, 18'b, 18'c; 18"a, 18"b, 18"c) on järjestetty avautumaan yhteiseen kammioon (16, 16', 16") tai vastaavaan yhdyskanavaan, joka on järjestetty olemaan yhteydessä ensimmäisen kammion (13) kanssa ja että ohjausvälineet (17, 17', 17") on järjestetty toimimaan mainitussa yhteisessä kammiossa (16, 16', 16") tai 25 vastaavassa lyhdyskanavassa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen ohjausjärjestely, tunnettu siitä, että toiseen kammioon (19) on järjestetty ohjainelin (10), joka on järjestetty nokkalaitteen (5) ja mäntälaitteen (9) väliin liikkuvasti vastaamaan nokkalaitteen (5) liikkeisiin ja että vähintään kaksi virtauskanavaa (18a, 18b, 30 18c; 18'a, 18'b, 18'c; 18"a, 18"b, 18"c) on järjestetty avautumaan toiseen kammioon (19) eri kohdissa ohjainelimen (10) liikkeen reitillä.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen ohjausjärjestely, tunnettu siitä, että ohjainelin (10) on järjestetty vaikuttamaan suoraan mäntälaitteeseen (9 ainoastaan imuventtiilin (3) avautumissuunnassa.

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen ohjausjärjestely, 5 tunnettu siitä, että hydraulisen väliaineen virta on järjestetty pitkin jotakin mainituista kanavista (18a, 18b, 18c) kerrallaan ja että ohjauselimeen (17) kuuluu ohjausventtiili (17a), jossa on liikkuva venttiilielin (17b), joka on varustettu vapautuselimellä (17c), joka sovitetaan jonkin mainitun virtauskanavan (18a, 18b, 18c) kohdalle.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen ohjausjärjestely, tunnettu siitä, että vapautuselin (17c) on kapeneva osuus, joka on mitoitettu sallimaan virtaus ainoastaan yhden kanavan (18a, 18b, 18c) kautta kerrallaan.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen ohjausjärjestely, tunnettu siitä, että siihen kuuluu erillinen ohjausventtiili (17'a, 17"a) kullekin 15 virtauskanavalle (18'b, 18"b, 18"c), jolloin se tuottaa lyhyemmän viiveajan.

8. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen ohjausjärjestely, tunnettu siitä, että ohjausvälineet (17, 17', 17") on järjestetty pneumaattisesti käytettäväksi, edullisesti jousivoimaa vastaan, käyttämällä moottoriin kuuluvia ohjausjärjestelmiä.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen ohjausjärjestely, tunnettu siitä, että mainitun mäntämoottorin turboahtimen ahtoilma on järjestetty käytettäväksi ohjausvälineiden (17,17', 17") ohjaamiseen.