JP2007534881A - 特に船舶用ディーゼルエンジンの排気バルブのためのバルブ回転装置 - Google Patents

Abstract

特に船舶用ディーゼルエンジン等の排気バルブのためのバルブ回転装置であり、バルブステム（１）用のバルブケーシング内の上方および下方の駆動要素の間に支持され、バルブステム（１）の閉鎖動作中にその回転動作を伝達するフリーホイール装置を介して下方の駆動要素と結合されるとともに、上方の駆動要素に対しては固定式の支持シリンダ（１３）との係合によってバルブステム（１）の回転を誘引するよう作用する回転シリンダ（１５）を介して支持される。ここで回転シリンダ（１５）と支持シリンダ（１３）がはすばギアを介して互いに係合し、回転シリンダ（１５）はフリーホイール装置を介してバルブステム（１）と結合され、支持シリンダ（１３）はケーシング側に固定される。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

この発明は、バルブステム用のバルブケーシング内の上方および下方の駆動要素の間に支持され、バルブステムの閉鎖動作中にその回転動作を伝達するフリーホイール装置を介して下方の駆動要素と結合されるとともに、上方の駆動要素に対しては固定式の支持シリンダとの係合によってバルブステムの回転を誘引するよう作用する回転シリンダを介して支持される、特に船舶用ディーゼルエンジン等の排気バルブのためのバルブ回転装置に関する。

この種のバルブ回転装置の一例がドイツ国特許第３１１３９４４号明細書に記載されている。この既知の装置は、互いに同心に配置された２つのシリンダ分節を備えていてその間に球体が、一方のシリンダ分節の球状受面とシリンダ軸に対して斜めに延在しているもう一方のシリンダ分節の玉受け溝部との間に嵌合するよう支持される。両方のシリンダ分節間の均等な応力配分は、複数の球状受面あるいは玉受け溝部を両方のシリンダ分節の周囲に沿って分散して設けることによって達成される。玉受け溝部は一定な傾斜を有した螺旋形状に延在することが好適である。

この既知のバルブ回転装置において、球状受面に支持された球体が他方のシリンダ分節の玉受け溝部内で移動するよう１つのシリンダ分節が回転され、個々でシリンダ分節のうちの一方がフリーホイール装置によってロックされる。バルブの閉鎖に際しては、バルブの開放に際してロックされたシリンダ分節が回転方向に連動する。

前記の既知の装置によれば、閉鎖工程中に比較的高いバルブ回転を達成することができるが；一定の玉受け溝の磨耗は計算しなければならず、すなわち該当するシリンダ分節の定期的な交換が必要となる。

従って本発明の目的は、極めて長寿命で高い負荷耐性を有しながら高い加速に適応することができる、冒頭に述べた種類のバルブ回転装置を提供することである。

前記の課題は本発明に従って、回転シリンダと支持シリンダがはすばギアを介して互いに係合し、ここで回転シリンダはフリーホイール装置を介してバルブステムと結合され、支持シリンダはバルブケーシングに固定されることによって解決される。

本発明に係るバルブ回転装置は原則的に全ての低速船舶用エンジンに適するが、特に上方の駆動要素がバルブの開放ストロークを制御するための油圧シリンダによって形成され、下方の駆動要素がバルブの閉鎖ストロークを制御するための気圧シリンダのピストンによって形成されている、２サイクルエンジンに特に適している。

最新の船舶用エンジンにおいては、従来の構造においてその間にバルブ回転装置が支持されていたバルブスプリングシートが、バルブケーシングの上端を形成するとともにその油圧ピストンがバルブステムをバルブ開放方向に移動させてバルブシートから持ち上げる油圧シリンダと、これと逆方向に作用して圧縮工程後にその気圧ピストンによってバルブステムを再び閉鎖位置に移動させる気圧シリンダによって代替される。このための気圧は約７バールで充分であるが、油圧ピストンに作用する油圧は最大１７０バールとなる。

本発明の別の構成においては、支持シリンダが軸方向において少なくともバルブの開放ストローク長に相当するとともに、加えて両方のシリンダの最小嵌合長に相当する内側はすばギアを備えている。

これに対応して、回転シリンダは軸方向において少なくとも両方のシリンダの最小嵌合長に相当する外側はすばギアを備えている。

はすばギアについて適宜なギア寸法は、例えば４５°未満の傾斜で約３ないし５ｍｍ歯高となる。

支持シリンダがその全長にわたって延在している歯を備え一方回転シリンダは組み付け状態における上端から下方に向かってその長さの約３分の１の長さにわたって延在する外側ギアを備えることにより、回転シリンダの製造コストの低減が達成され；加えて、両方のシリンダ間に残される環状間隙を潤滑油供給に効果的に使用することができる。

支持シリンダはその外周部を焼きばめによって対応する油圧シリンダの台座内に固定することが好適である。その固定領域において、支持シリンダの外周部上に環状の潤滑油溝を設けることが好適であり、これが放射方向の孔部を介してギアに潤滑油を供給する。

これに対して、回転シリンダは内周部がスラストベアリングを介して気圧シリンダのピストンのシリンダ状の切欠き部内に取り付けられ、ここでバルブステムのシャフトがピストンのハブの中央貫通孔内に摩擦固定式に収容される。

従って回転シリンダはピストンに対して軸方向には摺動不可能であるがフリーホイール装置によって解放されている回転方向には回転可能となるように取り付けられる。

ここで、バルブステムのシャフトが締付け部材によって貫通孔内に摩擦固定式に固定され、この締付け部材はピストンのハブにネジ付けられている圧力リングによって軸方向において固定保持がなされている錐形スリーブとして形成されている。締付け部材としては、米国特許第３９３８４８４号明細書に記載されているように、特に内側突起部によってそれに対応するバルブステムの環状溝部に嵌合する、特にＳＡＥ１０１０鋼材等から製造された錐形リング分節部材が好適である。締付け部材の圧締めは圧力リングを使用して、バルブステムのシャフトが一種の摩擦クラッチの方式で所定の回転トルクにおいて解放される、すなわち例えばフリーホイール側にあるバルブ回転装置のその他の構成部材が破損する前に回転し得るように行われる。

さらに、本発明によれば、気圧シリンダのピストンのハブ上にフリーホイール装置のラチェット盤が固定され、その周囲ギア部内に回転シリンダの窪み部内の周囲に分散して固定された複数のラチェット要素が嵌合し、そこでそれらはいずれもバネ荷重によって支持されている。ラチェットリングのリング状突起は同時に、好適には二重深溝玉軸受けからなるスラストベアリングの軸方向の支承として好適に作用する。ラチェット盤が圧力リングとハブの間に配置されていることにより、ラチェット盤の貫通孔を介したピストンのハブ内への圧力リングのネジ固定が可能となる。

油圧シリンダと気圧シリンダとが気圧シリンダのピストンによって互いに分離されていることは勿論である。気圧シリンダ内においてそのピストンの下方にはバルブの閉鎖位置への戻しバネとして作用する気圧クッションが存在し；ピストンの上方には同時に潤滑油の機能も持った圧力油が流入して集積される空間が存在する。このため、本発明によれば、回転シリンダはフリーホイール装置の上方に周囲に沿って配分された複数の放射方向孔部を備えているとともに、それを介して流入する圧力油のために両方のシリンダ間ならびに支持シリンダとピストンの切欠き部との間に環状間隙が設けられている。排出される圧力油はそこから気圧シリンダの外周部によって仕切られた環状間隙を介しバルブケーシング内の別の放射方向貫通孔によって外部に到達するとともに、油溜めあるいは油貯蔵容器内に還流する。

本発明に係るバルブ回転装置は上方および下方駆動要素の間に配置され、ここで両方の駆動要素、すなわち油圧シリンダと気圧シリンダはそれぞれそれらのピストンを介してバルブステムのシャフトに作用する。それらの軸方向動作によって両シリンダのはすばギアに従った回転シリンダの回転動作が生成される。バルブステムの開放ストロークによって直線的なステム動作に際してフリーホイール装置によって解放されている回転方向への回転シリンダの回転動作が発生する。油圧シリンダが無圧である際のバルブステムの閉鎖動作によって、気圧クッションの作用下における逆方向への回転シリンダの回転が発生し、すなわちフリーホイール装置のラチェット要素がラチェット盤を駆動しそれを介して回転動作がバルブステム上に伝導される。このバルブステムの回転動作が両側の座面が当接する瞬間のケーシング側のバルブシート上へのバルブヘッドの皿座ぐりのために利用される。この皿座ぐり動作は着座に到達した際の圧力上昇に従って終了し、ここでフリーホイール装置がラチェット盤のホイールスピンを可能にすることによって、バルブステムの慣性トルクに応じた短時間の追従動作局面も可能となる。

本発明に係るバルブ回転装置は新品のエンジンへの取り付けに適しているのみでなく；油圧シリンダを加工し、特に支持シリンダを設け、また気圧シリンダに新しいピストンを装備しその上にバルブ回転装置のその他の部品を装着することによってバルブケーシング内に後付けして組み込むことにも適している。

本発明に係るバルブ回転装置によれば、２回のオーバホールの実施の間のバルブステムの寿命を大幅に拡大することができ、例えば２サイクルエンジンにおいて従来は６０００時間であったものを約１８０００時間とすることができる。このことは本発明に係るバルブ回転装置によって達成可能なケーシング側のバルブシーツ上へのバルブヘッドの皿座ぐりに際しての高い回転エネルギーによって達成され、この際着座位置への到達の瞬間に所定の回転エネルギーが作用する。それによって所要の研磨作用が達成されてバルブシート面上の付着物が除去され、これは平滑な金属状のバルブシート面間における良好な熱伝導が可能となるという利点につながり、その結果錐形バルブシートの領域における好適な温度低下がもたらされる。

次に、本発明の実施例につき添付図面を参照しながら説明する。

図１には、船舶駆動用の２サイクルディーゼルエンジンのバルブケーシングがその中に組み込まれたバルブステム１と共に示されている。バルブステム１のシャフト３が取付けブシュ４内に回転可能に支承されているバルブケーシング２上に、気圧シリンダ５が取り付けられ、その上に油圧シリンダ６が取り付けられている。後者は図２の同様な断面図において特別に示されている。バルブケーシング２の下側においてケーシング側のバルブシートリング７が挿入され、ネジ８によって固定されている。バルブシートリング７はその自由端によってケーシング側のバルブシート面を形成し、これは前処理された、例えば硬化あるいは硬化合金として溶接された部材９から形成されるとともに、バルブヘッド１１の上側の対応するバルブシート面１０（錐形バルブシート）と共に作用する。

油圧シリンダ６の切り抜き部１２内に支持シリンダ１３が外周面の焼きばめによって固定されている。支持シリンダ１３はその内周面上にはすばギア１４を備えており、それに対して回転シリンダ１５が嵌合し、これがその外周面上に支持シリンダ１３の内側ギア１４に対応する外側ギア１６を備えている。図５に回転シリンダ１５が拡大して示されており、これは気圧ピストン１８の切欠き部１７内に回転可能に収容され、この気圧ピストンは気圧シリンダ５内に気密かつ軸方向に摺動可能に収容されている。気圧ピストン１８は気圧クッションのためのシリンダ室１９を有する圧力側を同時に潤滑油としても作用する圧力油の放出室２０から分離している。

油圧シリンダ６のシリンダ室の上部内には最上位置にある油圧シリンダ２１が示されており、これには油圧ライン２２を介して圧力油が作用する。図２に示されているようにバルブステム１の開放動作方向への油圧ピストン２１のストロークは放出管２３によって制限されており、この放出管は圧力油の放出室２０に接続している。

油圧ピストン２１は釣鐘形状にバルブシャフト３の上端部２４を包囲し、それを最大１７０バールまでの油圧によってバルブステムの開放方向に向かって下方に移動させる。同様にバルブステムと気密かつ固定的に結合されている気圧ピストン１８がそれと反対に作用し、これは図３ないし図５に関連して以下に詳細に説明する。気圧シリンダ５のシリンダ室１９は駆動機構の圧力気流供給源と５ないし７バールの気圧をもって結合されており、これはバルブステムの閉鎖に使用するためのものである。バルブステム１が最大開放位置における下死点（図示されていない）に到達し油圧シリンダ６内の油圧がそれに応じて解除されると同時に、このバルブステムはシリンダ室１９内の気圧クッションによって再び閉鎖位置に戻される。圧力油はその放出に際して放出管２３から放出室２０の内部領域２５を介しまた、図３に関して詳しく後述するように、多様な貫通孔および環状室を通じて油圧シリンダ６の放出室２０の外側領域２６内に通流し、そこから油圧シリンダ６と気圧シリンダ５の間の環状空間２７を介しまたさらに油圧シリンダ６内の放射方向貫通孔２８を通じて油貯蔵容器内に還流する。

図３には図１の詳細部ＩＩＩが拡大して示されている。ここで、油圧シリンダ６とその内部に固定された支持シリンダ１３を確認することができ、その内側ギア１４と回転シリンダ１５の外側ギア１６とが係合している。この外側ギア１６は軸方向において支持シリンダ１３の内側ギアよりも著しく短く形成されている。この方式によってバルブステム１の開放ストロークの間に両方のシリンダが常に互いに係合する。放出される圧力油によってはすばギア１４，１６が充分に潤滑され；加えてネジ結合部を潤滑するためにさらに周回状の潤滑油溝部２９を設けることができ、これは放射方向孔部３０を介し支持シリンダ１３を貫通してその内側ギア１４に接続している。潤滑油溝部２９には油接続口３１を介して潤滑油が供給される。ネジ結合部に関して最小の係合長があれば充分であり、従って回転シリンダ１５の外側ギア１６は支持シリンダ１３の内側ギア１４の半分から３分の１の軸方向長のみを有している。それによってもたらされるコスト低減と並んで、両方のシリンダ間の環状間隙３３内を通流する圧力油に対してより大きな断面が提供され、この圧力油は回転シリンダ１５の放射方向孔部３２を介して放出室２０の内側領域２５から流出しその後両方のシリンダ間の環状間隙３３を介し気圧ピストン１８の切欠き部１７を超えて下方に通流し、さらに切欠き部１７の外壁部と支持シリンダ１３の外周部の間の環状空間３４を通じて再び上方の油圧シリンダ６の放出室２０の外側空間２６内に通流する。圧力油はその後前記の外側領域２６から気圧シリンダ５の外周部と油圧シリンダ６の内周部の間の環状空間２７を介し油圧シリンダ６のシリンダ壁部内の排出孔部２８を通じて外に通流する。

気圧ピストン１８の切欠き部１７内における回転シリンダ１５の支持は、スラスト玉軸受け３５からなるスラストベアリングによって実施される。その軸方向支承のために、さらに回転シリンダ１５の内面上の適宜な溝部内にバネ支持された下方の支持リング３６、ならびにフリーホイール装置のラチェット盤３８のフランジ３７が作用する。ラチェット盤３８は気圧シリンダ１８のハブ３９上にネジ４０を使用して固定されている。

図４にはラチェット盤３８が示されており、これは圧力リング４４によって上方が遮蔽され、この圧力リングもネジ４５を使用して気圧シリンダ１８のハブ３９上にネジ付けられている。このためラチェット盤３８は孔部４６を備えており、これを介してネジ４５が締め込まれている。図６によれば、ネジ４５をねじ込むための孔部４６がラチェット盤３８内に示されている。その上に依然として存在しているネジ４０がラチェット盤３８を固定するように作用する。

図５の線ＶＩ−ＶＩに沿った断面である図６中には、回転シリンダ１５が垂直断面で示されており、その中に周囲に沿って配分された６個のラチェット要素４１が取り付けられている。それらのラチェット要素４１のそれぞれがそのラッチ部においてラチェットバネ４２によって予荷重された圧力プランジャ４３によってロック位置に保持されている。このロック状態によってラチェット盤３８が回転シリンダ１５に対して矢印Ｐ１の回転方向に回転することが防止される。しかしながら、圧力プランジャ４３のバネ作用に対抗してラチェット盤３８が回転シリンダ１５に対して矢印Ｐ２によって示された逆の方向に回転することは可能である。このような場合は、ラチェット要素４１のラッチがラチェット盤３８の歯の上を摺動する。

図５の拡大断面図は気圧ピストン１８の切欠き部１７内における回転シリンダ１５の配置を明確化するためのものである。この図示においては支持シリンダ１３が省略されている。ここで、気圧シリンダ１８内の中央孔部が顕著に示されており、これは上方に向かって円錐状に延在している。バルブステム１のシャフト３の収容孔部の円錐状の拡幅部４７とシャフト３の外周部との間には図３中に明瞭に示されている円錐形スリーブ４８の形式の締付け部材が挟み込まれており、これは圧力リング４４によって軸方向において固定されている。円錐形スリーブ４８はその内側面上の上縁部の近くに内側に突出した隆起部４９を備えており、これはバルブステム１のシャフト３の適宜な環状溝部５０内に嵌合している。

圧力油管２２を介した圧力油の流入によってバルブステム１が油圧ピストン２１がバルブシャフト３の上端２４に適宜な圧力を作用させる、図１に示された閉鎖位置から下方に向かってバルブ開放方向に移動した場合、この軸方向のストローク動作がこれに応じた回転シリンダ１５の軸方向移動をもたらすように作用し、この回転シリンダは支持シリンダ１３に対して矢印Ｐ３（図４）の方向に回転し、他方バルブタペットはまっすぐ下に移動してバルブシートが開放される。

逆に、油圧シリンダが無圧化した後シリンダ室１９内の圧力クッションが気圧ピストン１８を上方に移動させ、従ってバルブステム１が閉鎖位置の方向に持ち上げられる場合、両方のシリンダの間のはすばギアは回転シリンダ１５が矢印Ｐ３の回転方向と逆の回転方向に回転するように作用する。その結果フリーホイール装置がロックし、すなわち回転シリンダ１５と連動するラチェット要素４１がラチェット盤３８を駆動し従ってこれが矢印Ｐ４（図４）の方向に回転し、ここで円錐形スリーブ４８を介してバルブステム１も連動して回転する。このバルブステム１の回転は、バルブシートに到達した瞬間にケーシング側のバルブシートに対するバルブヘッド１１の皿座ぐりを作用させ、この際好適な形態で座面が互いに摩擦し合う。その際バルブシートを形成している両側のバルブシート面が平滑に研磨され、従って気密なバルブ着座が達成されるとともにバルブヘッド１１とケーシング側のバルブシートリングとの間の熱交換が改善される。図４において矢印Ｐ５で示されている皿座ぐり中のバルブヘッドの回転方向は矢印Ｐ４のラチェット盤の回転方向に相当する。バルブステムの慣性モーメントのため、フリーホイール装置が矢印Ｐ２に従ってラチェットする際に回転シリンダ１５が既に静止した場合にバルブステムが矢印Ｐ５に従ってさらに回転する可能性が生じる。

一部を切断してバルブケーシングを示した立体図である。 油圧シリンダを切断してバルブケーシングの上部を示した断面図である。 図１の細部ＩＩＩを拡大した平面図である。 図１の線ＩＶ−ＩＶに従った拡大図である。 気圧シリンダのピストンを切断して示した構成図である。 図５の線ＶＩ−ＶＩに従った断面図である。

Claims (11)

1. バルブステム（１）用のバルブケーシング内の上方および下方の駆動要素の間に支持され、バルブステム（１）の閉鎖動作中にその回転動作を伝達するフリーホイール装置を介して下方の駆動要素と結合されるとともに、上方の駆動要素に対しては固定式の支持シリンダ（１３）との係合によってバルブステム（１）の回転を誘引するよう作用する回転シリンダ（１５）を介して支持される、特に船舶用ディーゼルエンジン等の排気バルブのためのバルブ回転装置であり、
   回転シリンダ（１５）と支持シリンダ（１３）がはすばギアを介して互いに係合し、ここで回転シリンダ（１５）はフリーホイール装置を介してバルブステム（１）と結合され、支持シリンダ（１３）はケーシング側に固定されることを特徴とするバルブ回転装置。
2. 上方の駆動要素がバルブの開放ストロークを制御するための油圧シリンダ（６）によって形成され、下方の駆動要素がバルブの閉鎖ストロークを制御するための気圧シリンダ（５）のピストン（１８）によって形成されている、請求項１記載の２サイクルエンジン用バルブ回転装置。
3. 支持シリンダ（１３）が軸方向において少なくともバルブの開放ストローク長に相当すると同時に、両方のシリンダの最小嵌合長に相当する内側はすばギア（１４）を備えていることを特徴とする請求項２記載のバルブ回転装置。
4. 回転シリンダ（１５）は軸方向において少なくとも両方のシリンダの最小嵌合長に相当する外側ギア（１６）を備えていることを特徴とする請求項２記載のバルブ回転装置。
5. 支持シリンダ（１３）はその外周部を焼きばめによって対応する油圧シリンダ（３）の台座内に固定することを特徴とする請求項２記載のバルブ回転装置。
6. 支持シリンダ（１３）はその外周部上に環状の潤滑油溝（２９）を備え、これが放射方向孔部（３０）を介して支持シリンダ（１３）の内側ギア（１４）と結合されることを特徴とする請求項５記載のバルブ回転装置。
7. 回転シリンダ（１５）はその内周部がスラストベアリング（３５）を介して気圧シリンダ（５）のピストン（１８）のシリンダ形状の切欠き部（１７）内に取り付けられ、バルブステム（１）のシャフト（３）がピストン（１８）のハブ（３９）の中央貫通孔内に摩擦固定式に収容されることを特徴とする請求項２記載のバルブ回転装置。
8. バルブステム（１）のシャフトが締付け部材によって貫通孔内に摩擦固定式に固定され、前記締付け部材はピストン（１８）のハブ（３９）にネジ付けられた圧力リング（４４）によって軸方向において固定保持がなされている錐形スリーブ（４８）として形成されることを特徴とする請求項７記載のバルブ回転装置。
9. ピストン（１８）のハブ（３９）上にフリーホイール装置のラチェット盤（３８）が固定され、その周囲ギア部内に回転シリンダ（１５）の窪み部内の周囲に分散して固定された複数のラチェット要素（４１）が嵌合し、そこでそれらはいずれもバネ荷重によって支持されることを特徴とする請求項２記載のバルブ回転装置。
10. ラチェット盤（３８）は圧力リング（４４）とハブ（３９）の間に配置されることを特徴とする請求項７および８に記載のバルブ回転装置。
11. 回転シリンダ（１５）はフリーホイール装置の上方に周囲に沿って配分された複数の放射方向孔部（３２）を備えているとともに、それを介して通流する圧力油のために両方のシリンダ（１３，１５）間ならびに支持シリンダとピストン（１８）の切欠き部（１７）との間に環状間隙が設けられることを特徴とする請求項２記載のバルブ回転装置。

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