FI124120B - Ohjausjärjestely mäntämoottorissa - Google Patents

Description

OHJAUSJÄRJESTELY MÄNTÄMOOTTORISSA Tekniikan ala

Keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaista ohjausjärjestelyä kaasunvaihtoa varten mäntämoottorissa

Tekniikan taso

Nelitahtisen polttomoottorin toiminnassa on olemassa tilanteita, joissa sylinterit eivät saa tarpeeksi ilmaa itsesytytystä varten puristustahdin aikana. Tämä koskee erityisesti moottoreita, joita ahdetaan suurella paineella, kuten kaksiportaisesti turboahdettuja moottoreita moottorin käynnistyksen ja kuormanvaihtelui-den aikana. Tällaisissa moottoreissa käytetään korkeampia paineita yhdessä terävämpien tai lyhyempien nokkamuotojen kanssa, mistä on tuloksena ahtami-sen tapahtuminen vastaavasti lyhyemmässä ajassa. Näin ollen tuloventtiilien avautumisajat eivät moottorin normaalissa kuormituksessa ole tarpeeksi pitkiä tällaisia erityistilanteita varten.

Toisaalta dieselmoottorin päästöjen minimoimiseksi tuloventtiilien ajastuksen on oltava sellainen, että tuloventtiili sulkeutuu varhain ennen männän alakuolokoh-taa samalla, kun ahtopaine nousee vastaavasti riittävän määrän ilmaa saamiseksi sylinterille. Tällainen järjestely on kuitenkin ongelmallinen pienillä mootto-rikuormilla turboahtimen ahtopaineen ollessa edelleen suhteellisen pieni.

δ Yksi ratkaisu voisi olla tuloilman tehostettu syöttö tuloventtiilin avautumisvai-

CNJ

g heen aikana tällaisissa erityistilanteissa. Toinen ratkaisu on järjestää viive tulo- g venttiilin sulkeutumiseen tuloventtiilin avautumisajan pidentämiseksi tarvittaes- x sa. Eräs ratkaisu tällaista vaihtelevaa tuloventtiilin sulkeutumista (VIC) varten on esitetty patenttijulkaisussa WO 2008/000899. n 1

Keksinnön tavoitteena on aikaansaada kaasunvaihtoa varten mäntämoottorissa o ° edelleen parannettu ohjausjärjestely, jota voidaan käyttää erityisesti kaksipor taisesti turboahdetuissa moottoreissa ja joka ratkaisee edellä mainitut ongelmat, 2 joita esiintyy tällaisissa moottoreissa käytettäessä niitä pienillä moottorikuormilla ja moottorin käynnistyksen aikana.

Keksinnön kuvaus

Keksinnön tavoitteet voidaan saavuttaa olennaisesti patenttivaatimuksessa 1 ja muissa patenttivaatimuksissa esitetyn mukaisesti. Keksinnön mukaan nokkalai-te käsittää nokkaprofiilin, jossa on järjestetty osa nokkaprofiilin perusympyrän alle, jolloin mainittu nokkaprofiilin osa on järjestetty ohjaamaan kaasunvaihtoa tuloventtiilin läpi. Tällä tavalla voidaan tarjota käyttöön rakenteellisesti yksinkertainen ja luotettava säätötapa niin, että voidaan kompensoida ilmanpuute erityisesti pienikuormaisissa tilanteissa ja moottorin käynnistyksessä. Käytettäessä teräviä nokankärkimuotoja on edullista järjestää käyttöön tuloventtiilin sulkeu-tumisliikkeen tehokas viivästys varhain sen sulkeutumisvaiheen aikana mainituissa erityistilanteissa. Keksintöä voidaan edullisesti käyttää niin, että järjestetään nokkaprofiilin muoto määräämään viivästysvaikutuksen päättyminen.

Nokkaprofiilin osa, joka on perusympyrän alla, voidaan järjestää käytettäväksi lisäämään ilmansyöttöä tuloventtiilin läpi. Mikäli syötetään tällaista lisäahtoil-maa, ei ehkä ole välttämätöntä kasvattaa tuloventtiilin kokonaisavautumisaikaa. Tässä tapauksessa saattaa kuitenkin olla tarpeellista järjestää käyttöön erillinen nokkaprofiilillinen nokkalaite, joka toimii tuloventtiiliä nostamaan järjestetystä nokkalaitteesta riippumattomasti.

Erään toisen ratkaisun mukaan runko-osa ja mäntälaite rajaavat yhdessä en-Tt simmäisen kammion, johon voidaan syöttää selektiivisesti hydrauliväliainetta oj viiveen aikaansaamiseksi tuloventtiilin sulkeutumiseen. Tässä tapauksessa o nokkaprofiilin osa, joka on perusympyrän alla, voidaan edullisesti järjestää käy- o tettäväksi ohjaamaan paineen vapautusta mainitussa ensimmäisessä kammi- □= ossa.

CL

CD

Ensimmäinen kammio voidaan sitten yhdistää toiseen kammioon kanavalla, jol-

LO

o loin kanavan avautumista mainittuun toiseen kammioon säätelee selektiivisesti o 00 ohjausosa, joka on järjestetty mainittuun toiseen kammioon nokkalaitteen ja mäntälaitteen väliin.

3

Ohjausosa on järjestetty vaikuttamaan suoraan mäntälaitteeseen vain tulovent-tiilin avaussuunnassa. Näin ollen voidaan käyttää mäntälaitteen paluuliikettä edullisesti viivetoiminnon aikaansaamiseen.

Eräässä käytännön sovellutusmuodossa ohjausosa käsittää vapautusuran vaippapinnassaan. Kun järjestetään vapautusura kanavan avautumiskohtaan nokkaprofiilin mainitun perusympyrän alla sijaitsevan osan avulla, voidaan vapauttaa paine mainitussa ensimmäisessä kammiossa.

Ohjausosa on jousikuormitettu nokkalaitetta kohti. Tällä tavalla voidaan varmistaa luotettava yhteistoiminta nokkalaitteen nokkaprofiilin ja venttiilinnostoväli-neen välillä.

Ensimmäinen kammio käsittää edullisesti pysäytinpinnan, joka määrittää mäntä-laitteen alimman aseman, jolloin mainittu asema on valittu niin, että mäntälaitteen ja ohjausosan väliin jää rako nokkaprofiilin perusympyrän alla sijaitsevan osan ohjauksessa. Tällä tavalla mäntälaitteen ja ohjausosan keskinäinen kosketus voidaan saada aikaan hitaasti uudelleen sujuvan toiminnan saavuttamiseksi. Toisaalta siinä tapauksessa, ettei vaihtelevaa tuloventtiilin sulkeutumisen (VIC) toimintoa käytetä, pysäytinpinta varmistaa, ettei mäntälaite seuraa nokkaprofiilia nokkaprofiilin perusympyrän alla sijaitsevan osan kohdalla niin, että mäntälaitteen ja ohjausosan välinen yhteistoiminta pysyy samana kaikissa olosuhteissa.

Piirustusten lyhyt kuvaus

Seuraavaksi keksintöä selostetaan esimerkinomaisesti tarkemmin viitaten ohei- 0 siin piirustuksiin, joissa

C\J

i

CO

9 - kuviossa 1 on esitetty mäntämoottori ja luurankokaavio sen venttiilimeka- 00 ° nismista, ja

CC

CL

- kuvioissa 2 - 6 on esitetty keksinnön mukaisen ohjausjärjestelyn yksi sovel-

LO

lutusmuoto erillisissä peräkkäisissä toimintavaiheissa.

CO

o 1

Piirustusten yksityiskohtainen kuvaus 4

Kuviossa 1 on esitetty kaavamainen kuva mäntämoottorista 1 siinä määrin kuin mitä on relevanttia keksinnön ymmärtämisen kannalta. Sylinterien (ei esitetty) kaasunvaihto mäntämoottorissa 1 suoritetaan kaasunvaihtoventtiilien eli tulo-venttiilien ja poistoventtiilien, jotka sijaitsevat sylinterinkannessa 2, ohjauksessa. Vain tuloventtiilit 3 on esitetty, ja niitä käytetään venttiilimekanismeilla 6, joita ohjaavat tyypillisesti moottorin nokka-akseliin 4 järjestettyjen nokkalaitteiden 5 nokkaprofiilit 5’. Voimansiirtoyhteys kunkin venttiilimekanismin 6 ja vastaavan nokkalaitteen 5 välillä on toteutettu ohjausjärjestelyllä 7.

Ohjausjärjestely 7 on esitetty yksityiskohtaisemmin kuvioissa 2 - 6, joissa kuviossa 2 se on esitetty käyttämättömässä tilassa, jolloin sen yhteydessä oleva tu-loventtiili 3 on suljettuna. Ohjausjärjestely 7 käsittää runko-osan 8, joka on tyypillisesti liitetty moottorin runkoon. Runko-osaan 8 on järjestetty liikkuvasti män-tälaite 9. Mäntälaitteen 9 yläpää on järjestetty voimansiirtoyhteyteen venttiilimekanismin 6 kanssa (ei esitetty tarkemmin). Tämä yhteys voi olla mekaaninen tai hydraulinen. Mäntälaitteen 9 liikkeitä ohjaa ohjausosa 10, joka on järjestetty mäntälaitteen alapäähän runko-osan 8 sisässä. Ohjausosa 10 on kytketty jou-seen 11, joka työntää sitä kohti nokkalaitteen 5 nokkaprofiilin 5’ ohjaamaa rullaa 12. Nokka-akselin 4 pyöriessä, kuvioissa 2 - 6 vastapäivään, rulla 12 seuraa siten nokkalaitteen 5 nokkaprofiilia 5’, ja muutokset nokkaprofiilissa 5’ välittyvät vaikuttamaan tuloventtiilin 3 avautumiseen ja sulkeutumiseen.

Nokkaprofiililla 5’ on perusympyrä 5a, jolla on säde R. Perusympyrästä ulottuu nokka 5b, joka on järjestetty liikuttamaan mäntälaitetta 8 ylöspäin kuvioissa tu-^ loventtiilin 3 avautumisen aikaansaamiseksi. Nokkaprofiili 5’ käsittää lisäksi ° osan 5c, joka on järjestetty nokkaprofiilin 5’ perusympyrän 5a alle ja jolla on sä- g dettä R pienempi säde. Osalla 5c ei tietenkään tarvitse olla vakio säde. Osan 5c i g vaikutusta ohjausjärjestelyn 7 ja tuloventtiilin 3 toimintaan selitetään yksityiskoh- g taisemmin jäljempänä.

CL

ίο Runko-osa 8 ja mäntälaite 9 rajaavat yhdessä ensimmäisen kammion 13, johon

LO

g voidaan valinnaisesti syöttää hydrauliväliainetta viiveen aikaansaamiseksi tulo- o venttiilin 3 sulkeutumiseen. Syöttölinja on varustettu sulkuventtiilillä 14 ja takais-kuventtiilillä 15. Sulkuventtiilin 14 avulla voidaan sulkea tai avata syöttölinja en 5 simmäiseen kammioon 13 sen mukaan, onko tarkoituksena käyttää viivetoimin-toa tuloventtiilin 3 viivästetyksi sulkemiseksi. Takaiskuventtiilin 15 ansiosta sää-töjärjestely ei voi aiheuttaa pulsaatioita hydrauliväliainelähteessä. Tämä on tärkeää käytettäessä voiteluöljyä hydrauliväliaineena.

Runko-osa 8 on lisäksi varustettu kanavalla 16, jonka avulla ensimmäinen kammio 13 voidaan yhdistää toiseen kammioon 17, jonka runko-osa 8 sekä ohjausosa 10 rajaavat ja jossa mäntälaitteen 9 alapää sijaitsee. Myös jousi 11 sijaitsee toisessa kammiossa 17.

Kuviossa 2 ohjausjärjestely 7 on siis käyttämättömässä tilassa ja rulla 12 nok-kaprofiilin 5’ perusympyrän 5a päällä. Kuviossa 3 nokkalaite 3 on pyörinyt vastapäivään niin, että nokka 5b on nostanut rullaa 12 ylöspäin kuviossa. Näin ollen myös ohjausosa 12 ja mäntälaite 9 ovat siirtyneet ylöspäin, ja tämän seurauksena vastaava tuloventtiili 3 (ei esitetty) on avautunut. Samanaikaisesti ensimmäinen kammio 13 täyttyy hydrauliväliaineena.

Kuviossa 4 rulla 12 on palannut perusympyrän 5a päälle. Koska ensimmäisessä kammiossa 13 on hydrauliväliainetta, mäntälaite 9 pysyy yläasennossaan pitäen siten myös tuloventtiilin auki. Kuten kuviosta 4 voidaan nähdä, mäntälaitteen 9 ja ohjausosan 10 välinen kytkentä on tällöin poistunut.

Kuviossa 5 nokkalaite 5 on pyörinyt lisää vastapäivään niin, että rulla 12 on mennyt osaan 5c, joka sijaitsee nokkaprofiilin 5’ perusympyrän 5a alapuolella. Tämän seurauksena myös ohjauselementti 10 on siirtynyt alaspäin kuviossa Tt niin, että ohjausosan 10 vaippapinnassa oleva vapautusura 10a on siirtynyt en- ° simmäisen ja toisen kammion 13 ja 17 yhdistävän kanavan 16 kohdalle. Tällöin o myös paine ensimmäisessä kammiossa 13 vapautuu ja mäntälaite 9 alkaa siir- o tyä alaspäin kuviossa mahdollistaen siten myös tuloventtiilin sulkeutumisen.

| Vapautusura 10a on yhteydessä (ei esitetty) toiseen kammioon 17, joka puoles- 8 taan on yhdistetty kanavi"a 18 öl'ypoh'aan' Joka vastaa nokka-akselin ja siihen uo liitettyjen osien voitelusta. Siten keksinnön mukaan nokkaprofiilin 5’ osa 5c on o järjestetty ohjaamaan kaasunvaihtoa tuloventtiilin kautta aikaansaamalla pai neen vapautus tuloventtiilin pidentyneeseen avautumiseen liittyvän viivetoimin-non päättämiseksi.

6

Lopuksi kuviossa 6, kun rulla 12 on edelleen nokkaprofiilin 5’ osan 5c päällä, paineen vapautus ensimmäisessä kammiossa 13 on mahdollistanut mäntälait-teen 9 siirtymisen alaspäin ensimmäiseen kammioon 13 järjestetyn pysäytin-pinnan 13 määrittämään asemaan. Kuten voidaan nähdä, mäntälaite 9 ja ohjausosa 10 ovat edelleen toisistaan irtikytkettyinä. Vain silloin, kun rulla 12 palaa nokkaprofiilin 5’ perusympyrälle 5a nokka-akselin 4 pyöriessä lisää, rulla 12 siirtyy yhdessä ohjauselementin 10 kanssa hitaasti mäntälaitetta 9 vasten sopivasti suunnitellun nokkaprofiilin ohjauksella, ja seurauksena on kuviossa 2 esitetty tilanne ja syklin alkaminen uudestaan. Pysäytinpinta 13 on tärkeä tasaisen toiminnan ja mäntälaitteen 9 sekä ohjausosan 10 välisen kosketuksen uudelleen aikaansaamisen kannalta. Lisäksi siinä tapauksessa, ettei käytetä kammioon 13 liittyvää vaihtelevaa tuloventtiilin sulkeutumisen (VIC) toimintoa, pysäytinpinta 13a varmistaa, ettei mäntälaite seuraa nokkaprofiilia nokkaprofiilin peruspympy-rän alla olevan osan kohdalla. Vaikka pysäytinpinta 13a pysäyttää mäntälaitteen 9 liikkeen, ohjausosan 10 liike yhdessä vapautusuran 10a kanssa jatkuu, jolloin varmistetaan, että kammion 13 ja kammion 17 välinen yhteys muodostuu normaalisti.

Keksinnön avulla voidaan kompensoida pienissä kuormitustilanteissa ja moottorin käynnistyksessä esiintyvä ilmanpuute, joka johtuu suurelta osin nokankärjen muodosta, joka ulottuu nokka-akselin pyörintäsuunnassa olennaisesti vähemmän kuin tavallisesti lyhentäen siten tuloventtiilin avautumisaikaa ja jota käytetään suurissa kaksiportaisesti turboahdetuissa moottoreissa. Suurilla polttomoottoreilla tarkoitetaan tässä yhteydessä moottoreita, joita käytetään esimer- ^ kiksi pääpropulsiomoottoreina tai apupropulsiomoottoreina laivoissa tai lämmön o ^ ja/tai sähkön tuottamiseen tarkoitetuissa voimalaitoksissa.

CO

o g On selvää, ettei keksintö rajoitu edellä mainittuihin esimerkkeihin, vaan se voi- daan toteuttaa monissa muissa eri sovellutusmuodoissa keksinnön ajatuksen

CL

^ puitteissa.

m m co o o c\j

Claims (5)

1. Mäntämoottorissa tapahtuvaa kaasunvaihtoa varten tarkoitettu ohjausjärjes-tely, joka on sovitettu moottorin (1) nokka-akselin (4) nokkalaitteen (5) ja tulo-venttiilimekanismin (6) väliin, joka tuloventtiilimekanismi (6) on järjestetty avaamaan ja sulkemaan moottorin sylinterin yhteydessä olevaa tuloventtiiliä (3), joka ohjausjärjestely (7) käsittää runko-osan (8), jossa on liikkuvasti järjestetty män-tälaite (9), ja runko-osa (8) ja mäntälaite (9) rajaavat yhdessä ensimmäisen kammion (13), johon voidaan valinnaisesti syöttää hydrauliväliainetta viiveen aikaansaamiseksi tuloventtiilin (3) sulkeutumiseen, jolloin nokkalaite (5) käsittää nokkaprofiilin (5’), jolla on nokkaprofiilin (5’) perusympyrän (5a) alapuolelle järjestetty osa (5c), joka on järjestetty ohjaamaan paineen vapautusta mainitussa ensimmäisessä kammiossa (13), tunnettu siitä, että mäntälaite (9) on järjestetty olemaan voimansiirtoyhteydessä nokka-akseliin (4) ja venttiilimekanismiin (6) ainakin tuloventtiilin (3) avaussuunnassa, ja että ensimmäinen kammio (13) on yhdistetty toiseen kammioon (17) kanavalla (16), jonka avautumista mainittuun toiseen kammioon (17) ohjaa valinnaisesti ohjausosa (10), joka on järjestetty mainittuun toiseen kammioon (17) nokkalaitteen (5) ja mäntälaitteen (9) väliin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen säätöjärjestely, tunnettu siitä, että ohjausosa (10) on järjestetty vaikuttamaan suoraan mäntälaitteeseen (9) vain tuloventtiilin (3) avaussuunnassa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen säätöjärjestely, tunnettu siitä, että ohjausosassa (10) on vapautusura (10a) vaippapinnassaan, ja että vapautusura £ (10a) järjestetään kanavan (16) avautumiskohtaan nokkaprofiilin (5’) perusym- CNJ ^ pyrän (5a) alla olevan mainitun osan (5c) avulla paineen vapauttamiseksi maini- ^ tussa ensimmäisessä kammiossa (13). o

4. Jonkin yllä olevan patenttivaatimuksen mukainen säätöjärjestely, tunnettu g siitä, että ohjausosa (10) on jousikuormitettu (11) nokkalaitetta (5) kohti. 1^ m

5. Jonkin yllä olevan patenttivaatimuksen mukainen säätöjärjestely, tunnettu O ™ siitä, että ensimmäinen kammio (13) käsittää pysäytinpinnan (13a), joka määrit tää mäntälaitteen (9) alimman aseman, jolloin mainittu asema on valittu niin, et- tä mäntälaitteen (9) ja ohjausosan (10) väliin jää rako nokkaprofiilin (5’) perus-ympyrän (5a) alla olevan mainitun osan (5c) ohjauksessa. 't δ c\j CO o CO o X cc CL CD m m co o o c\j