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Dokumentenidentifikation DE102004063942B4 28.09.2006
Titel Ventildrehvorrichtung für Auslaßventile, insbesondere von Schiffsdieselmotoren
Anmelder Märkisches Werk GmbH, 58553 Halver, DE
Erfinder Fellmann, Holger, Dr.-Ing., 51429 Bergisch Gladbach, DE
Vertreter Grättinger & Partner (GbR), 82319 Starnberg
DE-Anmeldedatum 27.04.2004
DE-Aktenzeichen 102004063942
File number of basic patent 102004020754.2
Offenlegungstag 09.02.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.09.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.09.2006
IPC-Hauptklasse F01L 1/32(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Ventildrehvorrichtung für Auslaßventile, insbesondere von Schiffsdieselmotoren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Eine derartige Ventildrehvorrichtung ist in der deutschen Patentschrift DE 3113944 C2 beschrieben. Die bekannte Vorrichtung umfaßt zwei konzentrisch zueinander angeordnete Zylinderabschnitte, zwischen denen Kugeln derart drehbeweglich geführt sind, daß sie jeweils in eine Kugelschale des einen Zylinderabschnitts und in eine zur Zylinderachse schräg verlaufende Kugelrille des anderen Zylinderabschnitts eingreifen. Eine gleichmäßigere Kräfteverteilung zwischen den beiden Zylinderabschnitten erreicht man dadurch, daß mehrere Kugelschalen bzw. Kugelrillen über den Umfang der beiden Zylinderabschnitte verteilt vorgesehen sind. Bevorzugt verlaufen die Kugelrillen spiralförmig mit konstanter Steigung.

Bei dieser bekannten Ventildreheirrichtung wird ein Zylinderabschnitt dadurch gedreht, daß die in der Kugelschale geführte Kugel in der Kugelrille des anderen Zylinderabschnitts abläuft, wobei einer der Zylinderabschnitte durch die Freilaufeinrichtung gesperrt ist. Beim Schließen der Ventilspindel wird der beim Öffnen gesperrte Zylinderabschnitt in Drehrichtung mitgenommen. Mit einem frühen Verschleiß der Kugelführung ist hierbei zu rechnen.

Ähnlich liegen die Verhältnisse bei einer aus DE 2739403 A1 bekannten Ventildrehvorrichtung, bei welcher die Drehung des Ventilschafts mittels einer Kulissenführung bewirkt wird, die elastisch beansprucht wird und daher bruchgefährdet ist.

Bei einer mit DE 10315493 A1 nachveröffentlichten Ventildrehvorrichtung der eingangs genannten Art wird die Drehung des Ventilschafts bei dessen Axialbewegung mittels ineinandergreifender Schrägverzahnungen erzeugt.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine besonders hochbelastbare, mit hoher Beschleunigung ansprechende, dauerhafte Ventildrehvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Ventildrehvorrichtung ist grundsätzlich für alle langsam laufende Schiffsmotoren geeignet, besonders jedoch für Zweitaktmotoren, bei welchen das obere Antriebselement durch einen Hydraulikzylinder zum Steuern des Öffnungshubs des Ventils und das untere Antriebselement durch den Kolben eines Druckluftzylinders zum Steuern der Schließbewegung des Ventils gebildet sind.

Bei modernen Schiffsmotoren sind die Federteller früherer Bauart, zwischen denen die Ventildrehvorrichtung abgestützt war, ersetzt durch einen Hydraulikzylinder, der das obere Ende des Ventilgehäuses bildet, und dessen Ölkolben die Ventilspindel in Richtung ihrer Öffnung bewegt, so daß sie vom Ventilsitz abhebt, sowie durch einen in der Gegenrichtung wirksamen Druckluftzylinder, der die Ventilspindel nach der Kompression mittels seines Druckluftkolbens wieder in die Schließstellung bewegt. Hierfür genügt ein Luftdruck von ca. 7 bar, während der auf den Ölkolben einwirkende Öldruck bis zu 170 bar beträgt.

Gemäß diesem Lösungsvorschlag sind Hydraulikzylinder und Druckluftzylinder durch den Kolben des Druckluftzylinders voneinander getrennt. Im Druckluftzylinder unterhalb seines Kolbens befindet sich somit das Druckluftkissen, welches die Rückfederung des Ventils in die Schließstellung bewirkt; oberhalb des Kolbens befindet sich ein Raum, in dem sich das abströmende Hydrauliköl sammelt, welches gleichzeitig als Schmieröl wirksam ist. Auf seinem Weg zurück in den Ölsumpf bzw. einen Ölvorratsbehälter beströmt das Hydrauliköl zahlreiche dem Abrieb bei hoher Temperatur ausgesetzte Bauteile, wobei es durch den Ringraum zwischen Drehzylinder und Stützzylinder nach unten strömt, dann innerhalb der Ausdrehung des Kolbens an der Außenseite des Stützzylinders wieder nach oben strömt, um von dort an der Außenseite des Druckluftzylinders wieder nach unten zu strömen, von wo es durch Bohrungen des umgreifenden unteren Teils des Hydraulikzylinders nach außen abgeleitet wird. Gemäß diesem Strömungsweg ergibt sich eine besonders große, durch das Hydrauliköl benetzte und damit dessen Kühl- und Schmierwirkung ausgesetzte Oberfläche, wodurch es möglich ist, praktisch unbegrenzte Standzeiten zu verwirklichen.

Die erfindungsgemäße Ventildrehvorrichtung ist zwischen einem oberen und einem unteren Antriebselement angeordnet, wobei beide Antriebselemente, nämlich der Hydraulikzylinder und der Druckluftzylinder über ihre jeweiligen Kolben auf den Schaft der Ventilspindel einwirken. Durch deren Axialbewegung ergibt sich die Verdrehung des Drehzylinders entsprechend der Schrägverzahnung beider Zylinder. Durch den Öffnungshub der Ventilspindel ergibt sich bei geradliniger Spindelbewegung eine Drehbewegung des Drehzylinders in einem von der Freilaufeinrichtung freigegebenen Drehsinn. Durch die Schließbewegung der Ventilspindel bei drucklosem Hydraulikzylinder ergibt sich unter der Wirkung des Druckluftkissens eine Drehung des Drehzylinders mit entgegengesetztem Drehsinn, das heißt, die Ratschenelemente der Freilaufeinrichtung treiben die Ratschenscheibe an, über welche die Drehbewegung auf die Ventilspindel übertragen wird. Diese Drehbewegung der Ventilspindel wird genutzt zum Einschleifen des Ventiltellers auf dem gehäuseseitigen Ventilsitz im Moment des Aufeinandertreffens der beiderseitigen Sitzflächen. Die Schleifbewegung endet mit zunehmendem Druck bei Erreichen des Sitzes, wobei eine kurze Nachlaufphase entsprechend dem Massendrehmoment der Ventilspindel möglich ist, indem die Freilaufeinrichtung ein Durchdrehen der Ratschenscheibe ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Ventildrehvorrichtung eignet sich nicht nur für den Einbau an neuen Motoren; sie ist auch für den nachträglichen Einbau in das jeweilige Ventilgehäuse geeignet, indem der Hydraulikzylinder bearbeitet, insbesondere mit dem Stützzylinder versehen wird, und indem der Druckluftzylinder einen neuen Kolben erhält, auf welchem die übrigen Teile der Ventildrehvorrichtung aufgebaut sind.

Mit der erfindungsgemäßen Ventildrehvorrichtung gelingt es, die Standzeit der Ventilspindeln zwischen zwei Überholungen erheblich zu verlängern, beispielsweise für Zweitaktmotoren von bislang 6.000 Stunden auf etwa 18.000 Stunden. Dies wird bewirkt durch die mittels der erfindungsgemäßen Ventildrehvorrichtung erzielbare hohe Drehenergie beim Einschleifen des Ventiltellers auf dem gehäuseseitigen Ventilsitz, wobei eine definierte Rotationsenergie im Augenblick des Erreichens der Sitzposition zur Wirkung kommt. Dadurch wird der gewünschte Poliereffekt erzielt, durch welchen Ablagerungen im Bereich der Ventilsitzflächen beseitigt werden, verbunden mit dem Vorteil, daß dadurch ein verbesserter Wärmeübergang zwischen den metallisch blanken Ventilsitzflächen zustande kommt, der vorteilhaft eine niedrigere Temperatur im Bereich des Ventilkegelsitzes zur Folge hat.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert, es zeigt

1 eine aufgeschnittene räumliche Darstellung eines Ventilgehäuses,

2 das Oberteil des Ventilgehäuses mit aufgeschnittenem Hydraulikzylinder,

3 das Detail III gemäß 1 in vergrößerter Darstellung,

4 einen Schnitt gemäß IV-IV der 1, ebenfalls in vergrößerter Darstellung,

5 eine aufgeschnittene räumliche Darstellung des Kolbens des Druckluftzylinders und

6 einen Schnitt gemäß VI-VI der 5.

1 zeigt das Ventilgehäuse eines Zweitaktdieselmotors für einen Schiffsantrieb mit darin eingebauter Ventilspindel 1 in ihrer Schließstellung. Auf einem Ventilgehäuse 2, in welchem der Schaft 3 der Ventilspindel 1 innerhalb einer Lagerbuchse 4 drehbar gelagert ist, sitzt ein Druckluftzylinder 5 und auf diesem ein Hydraulikzylinder 6. Letzterer ist in derselben Schnittdarstellung in 2 gesondert dargestellt. Auf der Unterseite des Ventilgehäuses 2 ist in dieses ein gehäuseseitiger Ventilsitzring 7 eingesetzt und dort mittels Schrauben 8 befestigt. Der Ventilsitzring 7 bildet mit seinem offenen Ende die gehäuseseitige Ventilsitzfläche, welche durch einen vorbehandelten, z. B. gehärteten oder als Härtelegierung aufgeschweißten Materialabschnitt 9 gebildet wird und welche mit einer entsprechenden Ventilsitzfläche 10 (Ventilkegelsitz) auf der Oberseite des Ventiltellers 11 zusammenwirkt.

In einer Eindrehung 12 des Hydraulikzylinders 6 ist ein Stützzylinder 13 durch Einschrumpfen mit seiner äußeren Umfangsfläche befestigt. Der Stützzylinder 13 besitzt an seiner inneren Umfangsfläche eine Schrägverzahnung 14, mit welcher ein Drehzylinder 15 in Eingriff steht, der an seiner äußeren Umfangsfläche eine der Innenverzahnung 14 des Stützzylinders 13 entsprechende Außenverzahnung 16 aufweist. Der Drehzylinder 15, welcher in 5 vergrößert dargestellt ist, ist drehbar aufgenommen in einer Ausdrehung 17 des Druckluftkolbens 18, welcher innerhalb des Druckluftzylinders 5 dichtend und axial verschieblich aufgenommen ist. Der Druckluftkolben 18 trennt die Druckluftseite mit dem Zylinderraum 19 für das Druckluftkissen von einer Abströmkammer 20 für das Hydrauliköl, welches gleichzeitig als Schmieröl dient.

Im oberen Teil des Zylinderraums des Hydraulikzylinders 6 ist im oberen Umkehrpunkt ein Hydraulikkolben 21 gezeichnet, welcher über eine Öldruckleitung 22 mit Hydrauliköl beaufschlagt wird. Wie man in 2 erkennt, ist der Hub des Hydraulikkolbens 21 in Richtung der Öffnungsbewegung der Ventilspindel 1 begrenzt durch die Abströmkanäle 23, welche in die Abströmkammer 20 für das Hydrauliköl münden.

Der Hydraulikkolben 21 übergreift glockenförmig das obere Ende 24 des Ventilschafts 3 um diesen bei Öldrücken bis zu 170 bar nach unten in Öffnungsrichtung der Ventilspindel zu bewegen. Dagegen wirkt der Druckluftkolben 18, der ebenfalls mit der Ventilspindel fest und dichtend verbunden ist, wie noch in Zusammenhang mit den 3 und 5 weiter unten näher beschrieben wird. Der Zylinderraum 19 des Druckluftzylinders 5 ist mit der Druckluftversorgung des Betriebssystems mit 5–7 bar verbunden, die zum Schließen der Ventilspindel zur Verfügung stehen. Durch das Druckluftkissen im Zylinderraum 19 wird die Ventilspindel 1 wieder in die Schließstellung zurückbewegt, sobald diese den unteren (nicht dargestellten) Totpunkt bei maximaler Öffnungsstellung erreicht hat und der Öldruck im Hydraulikzylinder 6 entsprechend entspannt ist. Das Drucköl wird bei seinem Abströmen gezwungen, aus den Abströmleitungen 23 über einen Innenbereich 25 der Abströmkammer 20 und durch diverse Bohrungen und Ringräume, wie weiter unten in Zusammenhang mit 3 näher beschrieben wird, in einen Außenbereich 26 der Abströmkammer 20 des Hydraulikzylinders 6 zu strömen und von dort über einen Ringraum 27 zwischen Hydraulikzylinder 6 und Druckluftzylinder 5 und weiter durch Radialbohrungen 28 im Hydraulikzylinder 6 zurück in den Ölbehälter.

3 zeigt in vergrößerter Darstellung das Detail III der 1. Man erkennt den Hydraulikzylinder 6 mit dem darin befestigten Stützzylinder 13, mit dessen Innenverzahnung 14 eine Außenverzahnung 16 des Drehzylinders 15 im Eingriff steht. Die Außenverzahnung 16 ist in axialer Richtung wesentlich kürzer ausgebildet als die Innenverzahnung des Stützzylinders 13. Auf diese Weise bleiben die beiden Zylinder während des Öffnungshubs der Ventilspindel 1 ständig miteinander in Eingriff. Durch das abströmende Hydrauliköl wird die Schrägverzahnung 14, 16 hinreichend geschmiert; zusätzlich kann zur Schmierung der Gewindeverbindung noch eine umlaufende Schmiernut 29 vorgesehen sein, welche über Radialbohrungen 30 durch den Stützzylinder 13 hindurch mit dessen Innenverzahnung 14 verbunden ist. Die Schmiernut 29 wird über einen Ölanschluß 31 mit Schmieröl versorgt. Für die Gewindeverbindung genügt eine Mindesteingriffslänge, so daß die Außenverzahnung 16 des Drehzylinders 15 nur etwa die Hälfte bis ein Drittel der axialen Länge der Innenverzahnung 14 des Stützzylinders 13 besitzt. Neben der damit verbundenen Kosteneinsparung ergibt sich ein größerer Querschnitt für das im Ringspalt 33 zwischen den beiden Zylindern abströmende Hydrauliköl, welches über Radialbohrungen 32 des Drehzylinders 15 aus dem Innenbereich 25 der Abströmkammer 20 ausströmt um danach über den Ringspalt 33 zwischen den beiden Zylindern nach unten über die Ausdrehung 17 des Druckluftkolbens 18 und wiederum nach oben durch einen Ringraum 34 zwischen der Außenwand der Ausdrehung 17 und dem Außenumfang des Stützzylinders 13 in den Außenraum 26 der Abströmkammer 20 des Hydraulikzylinders 6 zu strömen. Aus diesem Außenbereich 26 strömt das Hydrauliköl dann über einen Ringraum 27 zwischen dem Außenumfang des Druckluftzylinders 5 und dem Innenumfang des Hydraulikzylinders 6 durch Auslaßbohrungen 28 in der Zylinderwand des Hydraulikzylinders 6 nach außen.

Die Abstützung des Drehzylinders 15 innerhalb der Ausdrehung 17 des Druckluftkolbens 18 wird übernommen von einem Axiallager, welches aus einem Axialkugellager 35 besteht. Seiner axialen Abstützung dient ferner ein unterer Stützring 36, welcher in eine entsprechende Nut an der Innenseite des Drehzylinders 15 einfedert, sowie ein Kragen 37 einer Ratschenscheibe 38 einer Freilaufeinrichtung. Die Ratschenscheibe 38 ist auf einer Nabe 39 des Luftdruckzylinders 18 mittels Schrauben 40 befestigt.

Gemäß 4 erkennt man die Ratschenscheibe 38, welche nach oben hin überdeckt ist von einem Druckring 44, der mittels Schrauben 45 ebenfalls auf der Nabe 39 des Druckluftzylinders 18 aufgeschraubt ist. Dementsprechend besitzt die Ratschenscheibe 38 Bohrungen 46, durch welche die Schrauben 45 eingedreht sind. In der Darstellung gemäß 6 sind diese Bohrungen 46 zum Hindurchstecken der Schrauben 45 in der Ratschenscheibe 38 gezeichnet. Die dort noch vorhandenen Schrauben 40 dienen der Befestigung der Ratschenscheibe 38.

In 6, welche einen Schnitt gemäß VI-VI der 5 zeigt, erkennt man im Horizontalschnitt den Drehzylinder 15, in welchem über den Umfang verteilt sechs Ratschenelemente 41 gelagert sind. Jedes dieser Ratschenelemente 41 wird mit seiner Sperrklinke von einem mit einer Ratschenfeder 42 belasteten Druckstempel 43 in der Sperrstellung gehalten. Diese Sperrstellung verhindert eine Verdrehung der Ratschenscheibe 38 gegenüber dem Drehzylinder 15 in einer Drehrichtung gemäß Pfeil P1. Jedoch ist gegen die Federwirkung der Druckstempel 43 eine Verdrehung der Ratschenscheibe 38 gegenüber dem Drehzylinder 15 in einer entgegengesetzten Drehrichtung gemäß Pfeil P2 möglich. In einem solchen Fall gleiten die Klinken der Ratschenelemente 41 über die Zähne der Ratschenscheibe 38 hinweg.

Die vergrößerte Schnittdarstellung gemäß 5 dient zur Verdeutlichung der Anordnung des Drehzylinders 15 innerhalb der Ausdrehung 17 des Druckluftkolbens 18. In dieser Darstellung ist der Stützzylinder 13 weggelassen. Man erkennt besonders deutlich die Mittelbohrung im Druckluftzylinder 18, welche nach oben hin konisch endet. Zwischen dieser konusförmigen Erweiterung 47 der Aufnahmebohrung für den Schaft 3 der Ventilspindel 1 und dem Außenumfang des Schafts 3 ist ein in 3 deutlich erkennbares Klemmteil in Form einer Konushülse 48 eingekeilt, welche durch den Druckring 44 axial gesichert ist. Die Konushülse 48 besitzt auf ihrer Innenseite nahe ihrem oberen Rand eine nach innen vorspringende Wulst 49, welche in eine entsprechende Ringnut 50 des Schaftes 3 der Ventilspindel 1 eingreift.

Wenn die Ventilspindel 1 durch Zufuhr von Drucköl über die Öldruckleitung 22 aus der in 1 gezeigten Schließstellung nach unten in Richtung Ventilöffnung bewegt wird, in dem der Hydraulikkolben 21 auf das obere Ende 24 des Ventilschafts 3 eine entsprechende Kraft ausübt, bewirkt diese axiale Hubbewegung eine entsprechende axiale Verstellung des Drehzylinders 15, der sich mit Abstützung gegenüber dem Stützzylinder 13 in Richtung des Pfeils P3 (4) verdreht, während der Ventilstößel geradlinig nach unten bewegt wird, so daß der Ventilsitz öffnet.

Wenn umgekehrt nach dem Druckloswerden des Hydraulikzylinders das Druckkissen im Zylinderraum 19 den Druckluftkolben 18 nach oben bewegt, so daß die Ventilspindel 1 in Richtung Schließstellung angehoben wird, so bewirkt die Schrägverzahnung zwischen den beiden Zylindern eine entgegen der Drehrichtung gemäß Pfeil P3 gerichtete Drehung des Drehzylinders 15. Dies hat zur Folge, daß die Freilaufeinrichtung sperrt, d. h. die mit dem Drehzylinder 15 mitbewegten Ratschenelemente 41 nehmen die Ratschenscheibe 38 mit, so daß sie sich in Richtung des Pfeils P4 (4) dreht, wobei über die Konushülse 48 die Ventilspindel 1 entsprechend mitgedreht wird. Diese Drehung der Ventilspindel 1 bewirkt im Moment des Erreichens des Ventilsitzes ein Einschleifen des Ventiltellers 11 gegen den gehäuseseitigen Ventilsitz, wobei sich die Sitzflächen gegenseitig in erwünschter Weise abschleifen. Die den Ventilsitz bildenden beiderseitigen Ventilsitzflächen werden dabei glattpoliert, so daß ein dichter Ventilsitz erreicht wird und außerdem der Wärmeaustausch zwischen dem Ventilteller 11 und dem gehäuseseitigen Ventilsitzring verbessert wird. Die in 4 gemäß Pfeil P5 angegebene Drehrichtung des Ventiltellers während des Einschleifens entspricht der Drehrichtung der Ratschenscheibe gemäß Pfeil P4. Infolge der Massenträgheit der Ventilspindel besteht die Möglichkeit, daß die Ventilspindel bei gemäß Pfeil P2 durchratschender Freilaufeinrichtung gemäß Pfeil 5 weiter dreht, wenn der Drehzylinder 15 bereits stillsteht.


Anspruch[de]
  1. Ventildrehvorrichtung für Auslaßventile, insbesondere von Schiffsdieselmotoren, welche in einem Ventilgehäuse für die Ventilspindel (1) zwischen einem oberen und einem unteren Antriebselement abgestützt ist, wobei sie mit dem unteren Antriebselement über eine Freilaufeinrichtung verbunden ist, die eine Drehung der Ventilspindel (1) während deren Schließbewegung überträgt und wobei sie gegenüber dem oberen Antriebselement über einen Drehzylinder (15) abgestützt ist, der im Eingriff mit einem feststehenden Stützzylinder (13) die Drehung der Ventilspindel (1) bewirkt, und daß das obere Antriebselement durch einen Hydraulikzylinder (6) zum Steuern des Öffnungshubs des Ventils und das untere Antriebselement durch den Kolben (18) eines Druckluftzylinders (5) zum Steuern der Schließbewegung des Ventils gebildet sind,

    dadurch gekennzeichnet,

    – daß der Drehzylinder (15) oberhalb der Freilaufeinrichtung über seinen Umfang verteilt mehrere Radialbohrungen (32) aufweist, und

    – daß für das hierdurch abströmende Hydrauliköl Ringspalten zwischen den beiden Zylindern (13, 15) sowie zwischen Stützzylinder und einer Ausdrehung (17) des Kolbens (18) vorgesehen sind.
Es folgen 6 Blatt Zeichnungen






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