FI124258B

FI124258B - Sylinterinkansi itse sytyttävää polttomoottoria varten

Info

Publication number: FI124258B
Application number: FI20096082A
Authority: FI
Inventors: Manfred Walenta; Ralf Pinternagel
Original assignee: Man Diesel Se
Priority date: 2008-12-09
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2014-05-30
Also published as: KR20100066350A; KR20160042846A; CN101749141A; JP2010138900A; DE102008061194A1; FI20096082A0; FI20096082A

Description

Sylinterinkansi itse sytyttävää polttomoottoria varten

Esillä oleva keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaista sylinterinkantta, erityisesti itse sytyttävää polttomoottoria varten, jossa sylinte-5 rinkannessa on vähintään yksi poistokanava, joka on pakonventtiilin suljettavissa, ja jäähdytysilmakanavajärjestely, jossa on vähintään yksi jäähdytysilmakanava pakoventtiilin panostamiseksi jäähdytetyllä ilmalla ja muulla jäähdytyskaasulla.

Polttomoottoreissa palaessa syntyvät pakokaasut voivat saavuttaa hyvin korkeita lämpötiloja. Pakokaasu, joka virtaa sellaisten polttomoottorien pako-10 venttiilien ympäri, on lisäksi syövyttävä ympäristö, niin että on olemassa kuuma-korroosion vaara pakoventtiilissä. Syöpyneet venttiilit voivat sen seurauksena johtaa moottorivaurioihin.

Sellaisten vaikutusten välttämiseksi moottoreita käytetään usein pienemmällä kuin maksimaalisesti mahdollisella moottoriteholla. Korkeiden pako-15 venttiilien lämpötilojen välttämiseksi on lisäksi tunnettua jäähdyttää pakoventtiilit tavallisesti juoksevien jäähdytysaineiden välityksellä, jotka jäähdytysaineet kiertävät venttiilien sisässä. Sellainen ratkaisu on kuitenkin suhteellisen työläs. Lisämahdollisuutena jäähdyttää ainakin pakoventtiilin istukka-alue venttiilinistukan sisäinen jäähdytys on tunnettua. Jäähdytysvaikutus venttiiIikartion suhteen on täs-20 sä vaihtoehdossa kuitenkin suhteellisen pieni.

Patenttijulkaisu DE 524 453 selittää venttiilin jäähdytyksen polttomoot-toreita varten polttokammiosta pois käännettyä venttiilikartion sivua vasten puhaltavan kaasusuihkun välityksellä. Laite jäähdytyskaasun syöttämiseksi käsittää tällöin venttiilin lähellä ja samanakselisesti tähän nähden rengaskammion. Tämä si-25 sältää ympäryksensä yli jaetut, venttiilikartioon suunnatut poistoaukot. Rengas-kammio voi tällöin olla sylinterinkannen sisäpuolella tai sylinterinkanteen sijoite-o tussa laitteessa.

CvJ

^ Patenttihakemus DE 3 425 301 esittää ilmajäähdytetyn käytön, joka ° sisältää venttiilinistukan. Käytön ulkoympärykseen on puolestaan sijoitettu sa-

CVJ

30 manakselisesti venttiiliin nähden rengaskammio. Käyttö käsittää lisäksi sisäympä- | rykseen jaetut poistoaukot, jotka panostavat venttiilikartion jäähdytysilmalla ren- c\j gaskammiosta.

00 § Nämä tunnetut järjestelyt polttokammiosta poispäin käännetyn, venttii- o likartion sivun jäähdyttämiseksi käsittävät sylinterinkannen sisäpuolella aina ko- 00 35 koomakammiot tai haaroitukset. Tästä tuloksena ovat toisaalta ilmansyöttöjärjes- telmän suuret pinnat, minkä vuoksi jäähdytysilma lämmitetään jo sylinterinkannen 2 kotelon avulla. Toisaalta syntyy ilman pyörrevirtauksia, erityisesti takavirtauksia, jotka johtavat myös jäähdytysilman lisääntyneeseen lämpenemiseen ennen venttiilin pinnan panostusta. Haluttua jäähdytysvaikutusta haitataan tästä syystä.

Esillä oleva keksintö ottaa tekniikan mainitusta tasosta lähtien tehtä-5 väkseen asettaa käyttöön sylinterinkansi, joka käsittää yksinkertaisesti muodostetun jäähdytysilmajärjestelyn, joka välttää tekniikan tason haitat ja toimii pakovent-tiilin lämpötilan alentamiseksi.

Tämän tehtävän ratkaisemiseksi patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaista sylinterinkantta on kehitetty edelleen sen luonteenomaisten tunnusmerk-10 kien avulla. Edulliset jatkomuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohde.

Keksinnön mukainen sylinterinkansi käsittää vähintään yhden päästö-kanavan, joka on pakoventtiilin suljettavissa. Lisäksi se käsittää jäähdytysilmajärjestelyn, jossa on vähintään yksi jäähdytysilmakanava pakoventtiilin panostamiseksi jäähdytyskaasulla, erityisesti jäähdytetyllä ilmalla.

15 Esillä olevan keksinnön ensimmäisen toteutuksen mukaan jäähdy tysilmajärjestelyn jäähdytysilmakanavat on muodostettu sylinterinkanteen pääasiassa lineaarisesti. Tämän ansiosta minimoidaan virtaushäviöt, jotka syntyvät jäähdytyskaasun käännöstä, samoin kuin kitkahäviöt, jotka nousevat suhteellisesti läpivirrattavien jäähdytysilmakanavien pituuteen nähden. Jäähdytysilmakanavien 20 lineaarisessa muodostuksessa edullista on myös jäähdytysilman suora syöttö pa-koventtiiliin. Näin lämpöpanosta jäähdytyskaasuun minimoidaan mahdollisimman paljon sen virratessa kuuman sylinterinkannen pinnan ohi.

Muutokset poikkipinnassa läpivirratussa kanavassa, erityisesti äkilliset muutokset, johtavat pyörrevirtauksiin ja/tai vihaavan aineen patoamiseen. Sellai-25 sessa muodostuksessa esillä olevassa tapauksessa jäähdytysilman ja sylinterin-kannen pinnan välinen viipymäaika ja kosketus kasvaisivat, mikä myös johtaisi 5 jäähdytyskaasun lämpenemiseen ja jatkossa vähentyneeseen jäähdytystehoon.

C\J

^ Esillä olevan keksinnön toisen toteutuksen mukaan jäähdytysilma- ° kanavajärjestelyn jäähdytysilmakanavat sylinterinkannessa on sen vuoksi muo- 30 dostettu pääasiassa pysyviksi poikkipinnaltaan. Tämän ansiosta vähennetään vir- | taushäviöitä, jotka ovat tuloksena erityisesti poikkipintojen muutosten vuoksi.

c\j Esillä olevan keksinnön kolmannen toteutuksen mukaan jäähdytysil- 00 § makanavajärjestelyn jäähdytysilmakanavat sylinterinkannessa on muodostettu o poikkipinnalta jatkuvasti suureneviksi. Tämän ansiosta vältetään virtaushäviöt, 00 35 jotka syntyvät poikkipintojen muuttuessa äkillisesti. Tämän ansiosta voidaan sa- 3 manaikaisesti saavuttaa edullisesti suihkutinvaikutus, joka vielä lisää jäähdytys-vaikutusta.

Esillä olevan keksinnön ensimmäinen toteutus voi olla yhdistetty edullisesti toisen tai kolmannen toteutuksen kanssa mainittujen etujen yhdistämiseksi.

5 Jäähdytysilmakanavajärjestelyn jäähdytysilmakanavien läpi jäähdytys- kaasu, erityisesti jäähdytysilma, pääsee virtaamaan pakoventtiiliin, joka siellä panostaa polttokammiosta poispäin käännetyn, vakoventtiilin pään. Pakoventtiilin ja erityisesti termisesti suuresti kuormitetun venttiilikartion jäähdytys tapahtuu tällöin suoraan venttiilin pinnassa ja siten, erityisesti ottaen huomioon kuumakorroosion, 10 hyvin edullisessa kohdassa.

Jäähdytysaineeksi otetaan käyttöön edullisesti latausilmaa. Keksinnön yhteydessä jäähdytysainetta sanotaan yleisesti ilmaksi. Keksinnön mukaisen vaikutuksen saavuttamiseksi käyttöön voidaan kuitenkin ottaa myös muuta kaasua tai kaasuseosta.

15 Jäähdytysilma tai jäähdytyskaasu voidaan viedä edullisesti suoraan sylinterinkanteen polttomoottorin turboahtimen latausilmakanavan kanssa yhdistetyn syöttöjärjestelmän kautta ulkoa, ja/tai se voi virrata jäähdytysilmakanavajärjestelyn ja tulokanavan liitoksen kautta. Sellaisessa muodostuksessa ilma johdetaan tulokanavasta pakoventtiiliin ilman lisäpanostusta.

20 Keksinnön mukainen jäähdytysilmakanavajärjestely sisältää vähintään yhden, edullisesti useita, jäähdytysilmakanavia, jotka on edullisesti muodostettu ja sijoitettu niin, että niiden läpi virtaava jäähdytysilmavirtaus panostaa pakoventtiilin riippumatta päästökanavan geometriasta ja pakoventtiilin jäähdytystarpeesta.

Pakoventtiilissä on tavallisesti erilaisia termisen kuormituksen alueita.

25 Venttiilin jalusta, joka on ohjattu sylinterinkannessa ja jota venttiilikäyttö ohjaa, ulottuu alueelta, jolla on pieni terminen kuormitus venttiilikäytössä, venttiilikar-5 tiolähtöön saakka, jolla alueella venttiili on termisesti voimakkaasti kuormitettu.

C\J

^ Kaksi- tai useampiosaisissa venttiileissä, jotka on liitetty venttiilin jalustan ja vent- ° tiilikartion väliin, liian suuren termisen kuormituksen välttäminen tässä liitoskoh-

CVJ

30 dassa on tärkeää. Venttiilikartiolla on suhteellisen suuri massa, mikä johtaa voi- | makkaaseen lämmön varastointiin tällä alueella. Venttiilikartion suhteellisen pie- c\j nestä pinnasta seuraa vähentynyt lämmön luovutus. Venttiilin jalustan alueella

CO

§ vallitsevat ennen kaikkea palamiskaasun tyhjennyksen aikana hyvin korkeat läm- o pötilat. Suljetussa tilassa istukka-alue johtaa nämä korkeat lämpötilat sylinterin- 00 35 kanteen enimmäkseen jäädytetyn venttiilinistukan kautta.

4 Jäähdytysilmakanavajärjestely on edullisesti sovitettu sylinterinkannen muodostukseen. Mahdollisia kriteereitä sovitukselle ovat mm. vesivaippageomet-ria tai välttämätön venttiilijäähdytys. Vastaavasti muodostetuista ja sijoitetuista jäähdytysilmakanavista virtaava jäähdytyskaasu panostaa edullisesti sen vuoksi 5 erityisesti termisesti enemmän kuormitetut pakoventtiilin alueet ja/tai alueet, joilla on suurempi mittatarkkuus, esimerkiksi tiivistystarkoituksiin, ja jotka sen vuoksi pitää asettaa alttiiksi pienemmille lämpötilanvaihteluille. Sellaiset alueet voivat käsittää, kuten edellä on esitetty, erityisesti venttiilinistukan, venttiilikartion ja/tai liitoskohdan venttiilissä.

10 Jäähdytysilmakanavat voidaan muodostaa lastuavan valmistuspro sessin, kuten porauksen, välityksellä ja jo sylinterinkannen alkumuokkauksen yhteydessä esimerkiksi valaa mukaan.

Jäähdytysilman poistumisen alueella jäähdytysilmakanavasta päästö-kanavaan on edullista suurentaa jatkuvasti kanavan poikkipintaa, jotta vaikutetaan 15 jäähdytysilman virtaukseen. Näin syntyvä diffuusio saa aikaan ulosvirtaavan jäähdytysilmavirtauksen poikkipinnan suurenemisen. Sellaisen muodostuksen ansiosta voidaan saavuttaa esimerkiksi suurehkon pinnan tasainen jäähdytys.

Keksinnön jatkomuodossa on järjestetty, että jäähdytysilmakanavajär-jestelyn jäähdytysilmakanavat johtavat erilaisia jäähdytysilman tilavuusvirtoja 20 päästökanavaan. Tämän avulla voidaan vaikuttaa esimerkiksi nopeuteen, jolla jäähdytysilmavirtaus osuu pakoventtiiliin, ja siten jäähdytystehoon. Lisäksi sovitetun tilavuusvirran välityksellä voidaan vaihdella virtauksen ulottumaa.

Selvä vaikutus saavutettavissa olevaan jäähdytysvaikutukseen on lisäksi tuloksena jäähdytysilmakanavien lähtöjen järjestelystä niiden geometrisen, 25 pakoventtiiliin nähden olevan sijainnin suhteen päästökanavassa. Jäähdytysilma-kanavajärjestelyn jäähdytysilmakanavat on edullisesti sijoitettu pakoventtiilin ak-o siaalisessa suunnassa eri korkeuksille pakoventtiilin ympäryksen yli mahdollisim-

CvJ

^ man tasaisen jäähdytysvaikutuksen saavuttamiseksi. Jäähdytysilmakanavien jär- ^ jestely suuntautuu lisäksi edullisesti välttämättömään jäähdytystehoon venttiilikar- 30 tiossa tai venttiilin jalustassa. Useita jäähdytysilmakanavia on edullisesti sijoitettu | jaetusti säteittäisesti pakoventtiilin akseliin nähden, ja/tai niillä on erilainen tulovir- cvj tauskulma halutun jäähdytystehon saavuttamiseksi.

CO

§ Edellä olevat tunnusmerkit voi edullisesti olla yhdistelty keskenään.

§ Näin jäähdytysilmakanavajärjestelyn jäähdytysilmakanavat voi olla järjestetty pa- 00 35 koventtiilin aksiaalisessa suunnassa eri korkeuksille muodostamisvapauden li säämiseksi näin sylinterinkantta suunniteltaessa tai valmistuksen helpottamiseksi.

5

Yhtä kaikki tasaisen jäähdytyksen saavuttamiseksi jäähdytysilmakanavat, jotka ovat kauempana venttiilin jäähdytettävästä alueesta, voivat ohjata suuremman jäähdytyskaasun tilavuusvirran, erityisesti suuremmalla virtausnopeudella.

Sylinterinkannen ja pakoventtiilin istukka-alueen välissä venttiilinistu-5 kassa olevan suuren termisen kuormituksen vuoksi päästökanavaan on usein sijoitettu erilliset erittäin kestävät elementit, kuten esimerkiksi venttiilinistukan pisto-renkaat tai elementit, jotka määrittävät osittaisesti päästökanavan. Sentapaisen elementin läpi ei edullisesti kulje jäähdytysilmakanavaa, koska tämän termisesti erittäin suuresti kuormitetun alueen läpi virratessa jäähdytysilma kuumennettaisiin 10 erittäin voimakkaasti ja jäähdytysvaikutusta väin ollen vähennettäisiin. Sen sijaan jäähdytysilmakanavat on muodostettu keksinnön mukaiseen sylinterinkanteen, johon sellainen elementti on järjestetty, edullisesti itse varsinaiseen sylinterinkanteen, erityisesti sylinterinkannen koteloon. Tämä yksinkertaistaa myös valmistusta.

15 Jäähdytysilmakanavajärjestelyn jäähdytysilmakanavat on edullisesti yhdistetty polttomoottorin turboahtimen latausilmakanavan kanssa. Jäähdytysil-maa syötetään lisäksi edullisesti jatkuvasti pakoventtiilin jäähdyttämiseksi taukoamatta riippumatta toimintasyklistä polttokammiossa.

Keksinnön mukainen jäähdytysilmakanavajärjestely sylinterinkannessa 20 on rakenteellisesti sekä valmistusteknisesti yksinkertainen ratkaisu. Sen avulla parannetun, pakoventtiilin jäähdytyksen vuoksi on mahdollista nostaa polttomoottorin käyttölämpötilaa, minkä ansiosta voidaan saavuttaa suurempia moottorinte-hoja yhdessä parannetun palamisen kanssa. Lisäksi myös venttiilikartioiden käyttöikä voi olla pidennetty sylinterinkannen ollessa toteutettu keksinnön mukaan, 25 koska matalampien pintalämpötilojen vuoksi pakoventtiilin takasivussa kuumakorroosion vaaraa vähennetään.

't 5 Esillä olevan keksinnön lisäedut, -tunnusmerkit ja käyttömahdollisuu-

C\J

^ det käyvät ilmi seuraavasta selitysosasta kuvion yhteydessä. Tätä varten ainoa ° kuvio 1 esittää leikkauskuvan päästökanavasta, jossa on esillä olevan 30 keksinnön mukaisen sylinterinkannen suoritusesimerkin pakoventtiili.

| Kuvio 1 esittää esimerkkimäisen suoritusmuodon keksinnön mukai- c\j sesta sylinterinkannesta 10, joka on esitetty leikkauskuvana päästökanavan 12

CO

§ alueella. Pakoventtiili 30 istuu esitetyssä asennossa istukka-alueellaan 31 venttii- o linistukassa. Päästökanava on sen vuoksi suljettu. Istukka-alueen 31 ohella vent- 00 35 tiili sisältää lisäksi venttiilikartion 32 ja venttiilin jalustan 33, joka on kiinnitetty päästökanavan ulkopuolelle sylinterinkannessa.

6

Itse sylinterinkantta 10 jäähdytetään vain osittaisesti esitetyssä vesi-vaipassa 13 kiertävän jäähdytysveden avulla. Venttiilinistukka muodostetaan erillisestä, sylinterinkanteen 10 sijoitetusta venttiilinistukan pistorenkaasta 14, joka on myös vesijäähdytteinen.

5 Jäähdytysilmajärjestely sisältää esitetyssä suoritusesimerkissä kaksi jäähdytysilmakanavaa 41 ja 42, jotka on poraamalla tehty itse sylinterinkanteen 10 niin, että ne kulkevat tämän läpi lineaarisesti. Jäähdytysilmakanavat 41 ja 42 panostavat venttiilin 33 jäähdytetyllä ilmalla.

Molemmat jäähdytysilmakanavat on tällöin sijoitettu niin, että ulos työn-10 tyvä jäähdytysilmasuihku osuu suoraan termisesti erittäin kuormitettuun venttiili-kartioon 32. Ilmavirtauksen kulku on esitetty nuolten 51 tai 52 avulla kuviossa 1.

Rakennesyistä, erityisesti vesivaipan 13 optimaaliseksi järjestämiseksi ja muodostamiseksi, ja valmistuksen yksinkertaistamiseksi jäähdytysilmakanava-järjestelyn molemmat jäähdytysilmakanavat 41, 42 on sijoitettu pakoventtiilin 30 15 iskusuunnassa eri asemiin. Tällöin venttiilikartion tasaisen panostamisen toteuttamiseksi venttiiIikartiosta kauempana oleva jäähdytysilmakanava 41 muodostaa pakoventtiilin iskusuunnan kanssa terävähkön kulman, niin että jäähdytysilma osuu venttiiIikartioon normaalisuunnassa suuremmalla impulssilla. Lähemmin esittämättömässä jatkomuodossa jäähdytysilmakanava 41 avautuu hieman kar-20 tiomaisesti pakoventtiilin 31 suuntaan. Tästä syntyvä suihkutinvaikutus johtaa myös edelliseen panostukseen jäähdytysilmalla iskusuunnassa eri asemiin sijoitettujen jäähdytysilmakanavien ulostulojen avulla.

Päästökanavassa 12 sisään tulevan jäähdytysainevirtauksen aiheuttamat ilman pyörrevirtaukset lisäävät edelleen edullisesti lämmön siirtymää vent-25 tiilikartiosta jäähdytysilmaan, joka lähtee sylinterinkannesta päästökanavan kautta.

't δ c\j co cp c\j

X

Q.

C\J

CO

o

CD

O

C\J

Claims

1. Sylinterinkansi (10), erityisesti itse sytyttävää polttomoottoria varten, jossa sylinterinkannessa on vähintään yksi pakokanava (12), joka on suljettavissa pako ventti Millä (30), ja jäähdytysilmakanavajärjestely, jossa on vähintään kaksi 5 jäähdytysilmakanavaa (41,42) jäähdytyskaasun, erityisesti jäähdytetyn ilman johtamiseksi pakoventtiiliin (30), jolloin jäähdytysilmakanavajärjestelyn jäähdytysil-makanavat (41, 42) on muodostettu sylinterinkanteen (10) pääasiassa lineaarisesti ja/tai poikkipinnan ollessa pääasiassa pysyvä tai jatkuvasti suureneva, tunnettu siitä, että jäähdytysilmakanavajärjestelyn vähintään kaksi jäähdy-10 tysilmakanavaa (41, 42) johtavat pakokanavaan (13) erilaisia jäähdytysilman tilavuusvirtoja.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sylinterinkansi, tunnettu siitä, että jäähdytysilmakanavat (41, 42) laajenevat pakokanavan (12) ulostulon alueella.

3. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen sylinterinkansi, tunnettu siitä, että jäähdytysilmakanavajärjestelyn jäähdytysilmakanavat (41, 42) ovat yhteydessä turboahtimen ahtoilmakanavan tai polttomoottorin imuilmakanavan kanssa.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen sylinterinkansi, 20 tunnettu siitä, että sylinterinkanteen (30) on sijoitettu venttiilinistukka (14), joka määrittää osittaisesti pakokanavan (12), ja että jäähdytysilmakanavajärjestelyn jäähdytysilmakanavat (41,42) on muodostettu itse sylinterinkanteen (30).

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen sylinterinkansi, tunnettu siitä, että jäähdytysilmakanavajärjestelyn vähintään kaksi jäähdy- 25 tysilmakanavaa (41, 42) on sijoitettu pakoventtiilin (30) iskusuunnassa eri asetit miin.

^ 6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen sylinterinkansi, g tunnettu siitä, että jäähdytysilmakanavajärjestelyn vähintään kaksi jäähdy- c\j tysilmakanavaa (41, 42) muodostavat pakoventtiilin (30) iskusuunnan kanssa eri- x 30 laiset kulmat.

* 7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen sylinterinkansi, ro tunnettu siitä, että jäähdytyskaasua johdetaan pakoventtiiliin (30) riippu- o matta polttomoottorin toimintasyklistä. o o C\J