PL196560B1 - Zawór do silnika spalinowego - Google Patents

Abstract

1. Zawór do silnika spalinowego, zw laszcza zawór wydechowy, w szczególno sci do silnika Diesla, z grzybkiem zaworowym, który posiada talerzyk i trzonek oraz ma cz esc doln a i po la- czon a z ni a w kierunku osiowym cz esc górn a, znamienny tym, ze cz esc górna (5) i cz esc dolna (4) s a po laczone ze sob a za pomoc a dwóch po lacze n mechanicznych, przy czym cz esc górna (5) i cz esc dolna (4) grzybka stykaj a si e ze sob a w strefie trzonka zaworowego (3), a jedno z dwóch po lacze n mechanicznych po- siada tulej e (6), która jest osadzona skurczowo na trzonku zaworowym (3) w takim miejscu, ze opasuje ona drugie z dwóch po lacze n me- chanicznych. PL PL PL

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 196560 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 334206 ^{(51) Int.Cl.}

F02L 3/02 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 06.07.1999 (54)

Zawór do silnika spalinowego

(30) Pierwszeństwo: 08.07.1998,EP,98810648.0	(73) Uprawniony z patentu: Wartsila Schweiz AG,Winterthur,CH
(43) Zgłoszenie ogłoszono: 17.01.2000 BUP 02/00	(72) Twórca(y) wynalazku: Heinrich Brunner,Winterthur,CH Alois Bitterli,Wila,CH
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.01.2008 WUP 01/08	(74) Pełnomocnik: Tylińska Irena, POLSERVICE, Kancelaria Rzeczników Patentowych Sp. z o.o.

⁽⁵⁷⁾ 1. Zawór do silnika spalinowego, zwłaszcza zawór wydechowy, w szczególności do silnika Diesla, z grzybkiem zaworowym, który posiada talerzyk i trzonek oraz ma część dolną i połączoną z nią w kierunku osiowym część górną, znamienny tym, że część górna (5) i część dolna (4) są połączone ze sobą za pomocą dwóch połączeń mechanicznych, przy czym część górna (5) i część dolna (4) grzybka stykają się ze sobą w strefie trzonka zaworowego (3), a jedno z dwóch połączeń mechanicznych posiada tuleję (6), która jest osadzona skurczowo na trzonku zaworowym (3) w takim miejscu, że opasuje ona drugie z dwóch połączeń mechanicznych.

PL 196 560 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zawór do silnika spalinowego, zwłaszcza zawór wydechowy, w szczególnoś ci do silnika Diesla.

Znany jest, przykładowo ze zgłoszenia nr USA 4 433 652 A. zawór z grzybkiem zaworowym, wykonany z lekkich kompozytów, przeznaczony do silników spalinowych różnego rodzaju, w tym również do silników Diesla, który posiada talerzyk i trzonek oraz ma część dolną i połączoną z nią w kierunku osiowym część górną.

Zawory wlotowe i wylotowe silników spalinowych podlegają podczas pracy wysokim obciążeniom termicznym i mechanicznym i są narażone na korozję. Obciążenia mechaniczne są szczególnie wyraźne w silnikach Diesla, ponieważ zwykle pracują one z wyższymi ciśnieniami zapłonu niż na przykład w silnikach benzynowych. Dlatego, wytwarza się grzybki takich zaworów zwykle z bardzo cennych i drogich stopów. W przypadku, dużych silników Diesla, używanych na przykład do napędu statków, koszty materiałowe stanowią istotny czynnik, niekorzystny z ekonomicznego punktu widzenia.

Zadaniem wynalazku jest stworzenie ekonomicznego zaworu dla silnika spalinowego, zwłaszcza zaworu wydechowego, który może być wytwarzany znacznie taniej od dotychczasowych i może być trwały mimo wysokich obciążeń. W szczególności chodzi o zaproponowanie zaworu nadającego się do dużego silnika Diesla.

Zgodny z wynalazkiem zawór do silnika spalinowego, zwłaszcza zawór wydechowy, w szczególności do silnika Diesla, z grzybkiem zaworowym, który posiada talerzyk i trzonek oraz ma część dolną i połączoną z nią w kierunku osiowym część górną, charakteryzuje się tym, że część górna i część dolna są połączone ze sobą za pomocą dwóch połączeń mechanicznych, przy czym część górna i część dolna grzybka stykają się ze sobą w strefie trzonka zaworowego, oraz, że jedno z dwóch połączeń mechanicznych posiada tuleję, która jest osadzona skurczowo na trzonku zaworowym w takim miejscu, że opasuje ona drugie z dwóch połączeń mechanicznych.

Według szczególnie korzystnego ukształtowania, na trzonku zaworowym w strefie obu osiowych końców tulei znajduje się przebiegający w kierunku obwodowym trzonka zaworu rowek lub przewężenie.

Dzięki temu osiowe końce tulei nie stykają się z trzonkiem zaworowym. Wskutek tego, długość czynna połączenia skurczowego między tuleją z jednej strony oraz częścią górną i częścią dolną z drugiej strony w kierunku osiowym jest mniejsza niż całkowita długość tulei w kierunku osiowym, tak, że osiowe zakończenia tulei są wolne w tym sensie, że nie przylegają do trzonka zaworu. Taki środek zapewnia szczególnie korzystne przenoszenie siły między górną, i dolną częścią poprzez tuleję.

Korzystnie, średnica osiowego zakończenia górnej części grzybka i średnica osiowego zakończenia dolnej części grzybka są tak dopasowane do siebie, że w temperaturze roboczej połączenie skurczowe między górną częścią i tuleją jest tak samo mocne jak połączenie między dolną częścią i tuleją .

Zgodnie z wynalazkiem, tuleja ma skrzydełka obracające grzybek zaworowy wokół jego osi wzdłużnej.

Jedno z dwóch mechanicznych połączeń między górną i dolną częścią jest, korzystnie, połączeniem zgrzewanym, w szczególności połączeniem zgrzewanym tarciowo, ponieważ takie połączenie jest szczególnie stabilne i mało skomplikowanego z technologicznego punktu widzenia.

Jedno z dwóch połączeń mechanicznych ma na części górnej lub części dolnej grzybka czop, który współpracuje z wycięciem w części dolnej lub części górnej, co daje pozytywny efekt z punktu widzenia obciążalności mechanicznej.

Przy tym, zgodnie z dalszą cechą wynalazku, połączenie czynne między czopem i wycięciem jest ukształtowane jako połączenie skurczowe.

W nastę pnym ukształ towaniu wynalazku, jedno z dwóch połączeń mechanicznych ma postać połączenia gwintowego albo, korzystnie, połączenia bagnetowego. Na przykład, wspomniane wyżej połączenie czynne między czopem i wycięciem może być ukształtowane jako połączenie gwintowe lub połączenie bagnetowe.

Stosując grzybek z częścią górną i częścią dolną umożliwiono wykonanie tej strefy grzybka zaworowego, która obejmuje talerzyk zaworowy i która podczas pracy jest narażona na największe obciążenia termiczne i korozyjne, z wysokowartościowego materiału wytrzymującego te obciążenia, jak na przykład stop na bazie niklu o nazwie Nimonic (znak towarowy) . Natomiast strefę przeciwległą do talerzyka zaworowego, która obejmuje przynajmniej część trzonka zaworu i która podczas pracy nie jest narażona na tak wysokie obciążenia termiczne, można wykonać ze znacznie tańszego materiału,

PL 196 560 B1 na przykład ze zwykłej stali zaworowej. Redukuje się w ten sposób udział drogiego stopu, co umożliwia znaczną obniżkę kosztów wytwarzania zaworu, bez pogorszenia funkcjonalności i trwałości zaworu.

Kombinacja dwóch mechanicznych połączeń zapewnia dostatecznie silne złączenie części górnej i części dolnej, które może trwale wytrzymać wysokie obciążenia mechaniczne, w szczególności obciążenia dynamiczne powodowane ruchami otwierania i zamykania grzybka zaworowego. Te obciążenia mechaniczne są rozłożone na dwa połączenia odciążające się wzajemnie, a więc nie występuje praktycznie niebezpieczeństwo złamania w strefie powierzchni granicznej między częścią górną i częścią dolną. Kombinowany układ dwóch połączeń mechanicznych jest tak stabilny i mocny, że grzybek zaworu według wynalazku może trwale wytrzymać także mechaniczne obciążenia na zaworze wydechowym dużego silnika Diesla.

Zastosowanie tulei opasującej drugie połączenie mechaniczne jest korzystne, gdyż część obciążenia mechanicznego jest przejmowana przez opasującą trzonek zaworowy tuleję, to znaczy część działających sił jest odprowadzana przez zaciśniętą tuleję z części górnej na część dolną - albo odwrotnie, tak, że odciążane jest drugie połączenie mechaniczne.

W zaworze wedł ug wynalazku część górna i cz ęść dolna grzybka są połączone ze sobą za pomocą kombinacji dwóch połączeń mechanicznych. Przy tym ze względów praktycznych i technologicznych preferuje się w szczególności kombinacje dwóch połączeń mechanicznych takich jak połączenie zgrzewane, w szczególności połączenie zgrzewane tarciowo, i osadzona na skurcz tuleja; połączenie skurczowe za pomocą czopa i wycięcia oraz osadzona na skurcz tuleja; połączenie gwintowe i osadzona na skurcz tuleja; po łączenie bagnetowe i osadzona na skurcz tuleja.

Często, zwłaszcza w dużych silnikach Diesla, na trzonku zaworu wydechowego znajdują się skrzydełka obrotowe, żeby grzybek w stanie roboczym mógł być obracany gazami spalinowymi, co zapewnia równomierne obciążenie obwodowe grzybka i współpracującej z nim powierzchni. Konstrukcja z takimi skrzydełkami na tulei jest prosta i mało kosztowna, ponieważ tuleja służy zarówno jako wspornik dla skrzydełek jak i połączenie mechaniczne między górną i dolną częścią grzybka.

Zgodny z wynalazkiem, zawór znajduje zastosowanie w silniku spalinowym, w szczególności silniku Diesla, zwłaszcza dużym silniku Diesla.

Wynalazek w przykładach wykonania został przedstawiony na rysunku, na którym schematycznie i nie utrzymując skali, przedstawiono, na fig. 1 grzybek zaworu według wynalazku w pierwszym przykładzie wykonania, w częściowym przekroju i na fig. 2 - grzybek zaworu według wynalazku w drugim przykł adzie wykonania, w częściowym przekroju.

Na obu figurach rysunku identyczne lub równoważne funkcjonalnie części oznaczono takimi samymi odnośnikami. Opis poniższy odnosi się przykładowo do zaworu wydechowego cylindra przepłukiwanego wzdłużnie dużego silnika Diesla, który wykorzystuje się na przykład jako agregat napędowy statków. Oczywiście wynalazek nie ogranicza się tylko do takich silników. Zawór według wynalazku nadaje się na ogół również do innych typów silników, jak czterosuwowe silniki Diesla i inne silniki wysokoprężne. Od konkretnego zastosowania zależy specjalne ukształtowanie zaworu, jak na przykład jego wielkość i wymiary lub użyte materiały. Poza tym zawór według wynalazku może być też ukształtowany w podobny sposób jako zawór wlotowy.

Figura 1 ukazuje grzybek 1 zaworu według wynalazku w pierwszym przykładzie wykonania. Grzybek 1 ma talerzyk 2, który w stanie zamontowanym współpracuje z nie pokazanym na rysunku gniazdem zaworowym, oraz trzonek 3 łączący się z talerzykiem zaworowym 2. Grzybek 1 ma dolną część 4, która obejmuje talerzyk 2 i część trzonka 3, oraz górną część 5, która obejmuje resztę trzonka 3, to znaczy górna część 5 łączy się w kierunku osiowym, rozumianym jako kierunek wzdłużnej osi A grzybka 1, z dolną częścią 4. Górna część 5 i dolna część 4 stykają się więc ze sobą w strefie trzonka zaworowego 3.

Dzięki temu, że grzybek zaworowy 1 składa się z dwóch części, można wykonać część dolną 4, narażoną na największe obciążenia termiczne i korozyjne, z materiału termicznie obciążalnego o bardzo wysokiej jakości, a część górna, oddalona od komory spalania, może być z tańszego materiału. Pozwala to wytwarzać znacznie tańsze zawory.

Część dolna 4 wytwarzana jest na przykład z odpornego termicznie stopu na bazie niklu, jak Nimonic 80A (znak towarowy) lub Nimonic 81, albo z innych stopów o wysokiej jakości wykorzystywanych zwykle w technice zaworowej. Część górna 5 wytwarzana jest ze stali stosowanej zwykle do zaworów lub do zaworów wydechowych. Takie stale są dostatecznie znane pod ogólną nazwą „stal

PL 196 560 B1 zaworowa. Wykorzystuje się stale zarówno ferrytyczne jak i austenityczne. Można też używać stopów na bazie niklu.

Zgodnie z wynalazkiem górna część 5 i dolna część 4 są zamocowane ze sobą za pomocą dwóch połączeń mechanicznych. Dzięki kombinacji dwóch połączeń mechanicznych uzyskuje się dostatecznie stabilne wzajemne zamocowanie części 5 i 4, które jest trwałe i niezawodnie wytrzymuje w szczególności duże obciążenia dynamiczne występujące przy otwieraniu i zamykaniu zaworu przede wszystkim na trzonku zaworowym 3.

W pierwszym przykł adzie wykonania oba połączenia mechaniczne są zrealizowane poprzez połączenie zgrzewane i osadzoną skurczowo na trzonku 3 tuleję 6, która służy jako tuleja zaciskowa. Takie dwa zróżnicowane połączenia mechaniczne nadają trzonkowi 3 dostateczną stabilność i może on łatwo wytrzymać nawet skrajne obciążenia występujące w zaworach wydechowych dużych silników Diesla.

Podczas wytwarzania grzybka zaworowego 1 według pierwszego przykładu wykonania zgrzewa się najpierw ze sobą górną część 5 i dolną część 4 na ich powierzchni granicznej. Z technologicznych względów preferuje się tu zgrzewanie tarciowe, ale w zasadzie nadają się tu również inne metody zgrzewania. Po zakończeniu zgrzewania i po ewentualnej obróbce końcowej nasuwa się tuleję 6 na trzonek zaworowy 3 i obsadza się ją skurczowo na tym trzonku. Przy tym tuleję 6 ustawia się tak, że opasuje ona spoinę w kierunku obwodowym i że spoina ta znajduje się w przybliżeniu na środku tulei 6 patrząc w kierunku osiowym. Tak więc w stanie roboczym zasadnicza część obciążenia mechanicznego, zwłaszcza dynamicznego, jest odprowadzana przez tuleję 6, a więc spoina jest odciążona.

Osiowe zakończenie 51, górnej części 5 i osiowe zakończenie 41 dolnej części 4, które sąsiadują ze sobą w stanie zmontowanym, mają średnice odpowiednio DO i DU tak dostosowaną do siebie, że w temperaturze pracy zaworu powstaje tak samo silne i dobre połączenie skurczowe zarówno między górną częścią 5 i tuleją 6 jak i między dolną częścią 4 i tuleją 6. Przy tym, jako osiowe zakończenia 51, 41 rozumie się te strefy górnej części 5 i dolnej części 4, które tworzą odpowiednio połączenie skurczowe z tuleją 6. Jeżeli materiały, z których wykonano górną część 5 i dolną część 4, mają różną rozszerzalność termiczną, to podczas wytwarzania średnice DO lub DU ich sąsiadujących ze sobą zakończeń 51, 41 mają na ogół różne wymiary, żeby w temperaturze roboczej miały one w zasadzie jednakową średnicę.

Gdy na przykład materiał górnej części 5 ma większą rozszerzalność cieplną niż materiał dolnej części 4, to średnica DO zakończenia 51 górnej części 5 ma taki wymiar, że w stanie zimnym grzybka 1 jest ona nieznacznie mniejsza niż średnica DU zakończenia 41 dolnej części 4.

Następny korzystny środek polega na tym, że długość tulei 6 w kierunku osiowym jest większa niż długość czynna 1 całego połączenia skurczowego między tuleją 6 i górną częścią 5 lub dolną częścią 4. Oznacza to, że osiowe końce 61 tulei 6 nie stykają się z trzonkiem zaworowym 3. Jest to zrealizowane z jednej strony poprzez obwodowy rowek 7 w dolnej części 4 i, z drugiej strony, poprzez przewężenie 8 w górnej części 5. Rowek 7 i przewężenie 8 łączą się w kierunku osiowym bezpośrednio z zakończeniami 41, 51 odpowiednio dolnej części 4 lub górnej części 5. Dzięki temu osiowe końce 61 tulei 6 są wolne w tym sensie, że nie przylegają do trzonka zaworowego 3. Tak więc, osiowe końce 61 tulei 6 mogą być nieco silniej obkurczane niż reszta tulei 6 przy jej obsadzaniu i mogą być łatwo zagięte w rowek 7 lub przewężenie 8. Jest to korzystnie z punktu widzenia przenoszenia siły między tuleją 6 i trzonkiem zaworowym 3, a ponadto tuleja 6 działa jako dodatkowe klamrowanie zwiększające niezawodność połączenia między górną częścią 4 i dolną częścią 5.

Tuleja 6 ma poza tym skrzydełka obrotowe 9, które są w znany sposób opływane w stanie pracy przez gazy spalinowe obracając grzybek zaworowy 1 wokół jego osi wzdłużnej A. Wariant ze skrzydełkami 9 na tulei 6 jest bardzo prosty i zwarty konstrukcyjnie. Jednak możliwe jest też umieszczenie skrzydełek 9 w innym miejscu trzonka zaworowego 3 i wykorzystanie tulei 6 tylko jako łącznika między górną częścią 5 i dolną częścią 4.

Oczywiście w zaworze według wynalazku mogą być też przewidziane inne środki znane z techniki zaworów. Tak na przykład przylgnia grzybka zaworowego, która w stanie zamontowanym współpracuje z gniazdem zaworowym, może być pokryta warstwą 10 celem zwiększenia jej odporności. Taka warstwa, jak wiadomo, jest wykonana ze stellitu albo stopu na bazie niklu.

Figura 2 ukazuje grzybek zaworowy 1 w drugim przykładzie wykonania. Poniżej omawia się różnice wobec pierwszego przykładu wykonania. Poza tym objaśnienia dotyczące pierwszego przykładu dotyczą także drugiego przykładu wykonania.

PL 196 560 B1

W drugim przykładzie realizacji oba połączenia mechaniczne mają charakter połączeń skurczowych. Jedno z tych połączeń jest wykonane podobnie jak opisano wcześniej za pomocą tulei 6 obsadzonej skurczowo na trzonku zaworowym 3. W drugim połączeniu mechanicznym znajduje się wydłużony osiowo czop 11, który usytuowany jest na osiowym zakończeniu 51 górnej części 5, oraz wycięcie 12, które znajduje się w osiowym zakończeniu 41 dolnej części 4 i jest zwymiarowane tak, że obciska skurczowo czop 11. Podczas produkcji nagrzewa się dolną część 4 w strefie wycięcia 12 i wprowadza się czop 11 do tego wycięcia. Po ochłodzeniu następuje skurcz wycięcia 12 i powstaje połączenie skurczowe z czopem 11. Wreszcie, obsadza się skurczowo tuleję 6 na trzonku zaworowym w takim miejscu, żeby opasywał a ona obwodowo drugie połączenie skurczowe utworzone przez czop 11 i wycięcie 12. Oczywiście można też umieścić czop 11 na dolnej części 4 a wycięcie 12 w górnej części 5.

Wariant drugiego przykładu wykonania polega na tym, że zamiast połączenia skurczowego zastosowane jest złącze gwintowane jako połączenie czynne między czopem 11 i wycięciem 12. W tym celu na przykład czop 11 na swojej zewnętrznej powierzchni ograniczającej oraz wycięcie 12 na swojej wewnętrznej powierzchni ograniczającej mają gwint, tak że czop 11można wkręcić w wycięcie 12.

Następny wariant polega na takim ukształtowaniu czopa 11 i wycięcia 12, że tworzą one połączenie bagnetowe.

Oprócz objaśnionych, korzystnych kombinacji każdorazowo dwóch połączeń mechanicznych między górną częścią 5 i dolną częścią 4 grzybka zaworowego 1 możliwe są naturalnie także inne kombinacje, w szczególności takie, w których nie ma obsadzanej skurczowo tulei 6, jak na przykład kombinacja połączenia gwintowego i połączenia zgrzewanego. W zasadzie można też zastosować więcej niż dwa połączenia mechaniczne między górną częścią 5 i dolną częścią 4 grzybka zaworowego.

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Zawór do silnika spalinowego, zwłaszcza zawór wydechowy, w szczególności do silnika Diesla, z grzybkiem zaworowym, który posiada talerzyk i trzonek oraz ma część dolną i połączoną z nią w kierunku osiowym część górną, znamienny tym, że część górna (5) i część dolna (4) są połączone ze sobą za pomocą dwóch połączeń mechanicznych, przy czym część górna (5) i część dolna (4) grzybka stykają się ze sobą w strefie trzonka zaworowego (3), a jedno z dwóch połączeń mechanicznych posiada tuleję (6), która jest osadzona skurczowo na trzonku zaworowym (3) w takim miejscu, że opasuje ona drugie z dwóch połączeń mechanicznych.
2. 2. Zawór według zastrz. 1, znamienny tym, że na trzonku zaworowym (3), w strefie obu osiowych końców (61), tulei (6), znajduje się, przebiegający w kierunku obwodowym trzonka zaworowego, rowek (7) albo przewężenie (8).
3. 3. Zawór według zastrz. 1, znamienny tym, że średnica (DO) osiowego zakończenia (51) górnej części (5) grzybka i średnica (DU) osiowego zakończenia (41) dolnej części (4) grzybka są tak dopasowane do siebie, że w temperaturze roboczej połączenie skurczowe między górną częścią (5) i tuleją (6) jest tak samo mocne jak połączenie między dolną częścią (4) i tuleją (6).
4. 4. Zawór według zastrz. 1, znamienny tym, że tuleja (6) ma skrzydełka (9) obracające grzybek zaworowy (1) wokół jego osi wzdłużnej (A).
5. 5. Zawór według zastrz. 1, znamienny tym, że jedno z dwóch połączeń mechanicznych jest połączeniem zgrzewanym, w szczególności jest połączeniem zgrzewanym tarciowo.
6. 6. Zawór według zastrz. 1, znamienny tym, że jedno z dwóch połączeń mechanicznych ma na górnej części (5) grzybka albo na dolnej części (4) czop (11), który współpracuje z wycięciem (12) w dolnej części (4) albo w górnej części (5) grzybka.
7. 7. Zawór według zastrz. 6, znamienny tym, że połączeniem czynnym między czopem (11) i wycię ciem (12) jest połączenie skurczowe.
8. 8. Zawór według zastrz. 1, znamienny tym, że jedno z dwóch połączeń mechanicznych jest ukształtowane jako połączenie gwintowe.
9. 9. Zawór według zastrz. 1, znamienny tym, że jedno z dwóch połączeń mechanicznych jest ukształtowane jako połączenie bagnetowe.