NO154807B - Utloepsventil for en forbrenningsmotor. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en utløpsventil for en forbrenningsmotor, omfattende et ventilsete og et aksielt forskyvbart ventillegeme med samvirkende tetningsflater på de to ventildelene, og et i minst én av ventildelene utformet ringkammer som står i forbindelse med motorsylinderens forbrenningskammer gjennom en trang spalte mellom motstående flater på ventildelene når ventilen er lukket.

Oppfinnelsen tar sikte på å oppnå en forlenget levetid

for ventilen ved reduksjon av den hastighet med hvilken ventilens tetningsflater gradvis ødelegges ved korrosive og erosive angrep av aggressive bestanddeler i forbrenningsgassene, spesielt natrium- og vanadiumfor-bindelser, som forekommer ved drift av motoren med tunge brenseloljer.

Det er velkjent at de omtalte bestanddelenes aggressivitet vokser sterkt med temperaturen, og ut fra denne viten har det vært foreslått å tilveiebringe en direkte eller indirekte luftkjøling av tetningsflåtene, eventuelt som supplement til væskekjøling av det stasjonære ventilsetet.

Således beskriver US-patent nr. 1.873.119 en ventil av

den omhandlede art, hvor et ringkammer i det stasjonære ventilsetet og et sentralt kammer i den bevegelige ventildel står i forbindelse med forbrenningskammeret over boringer som munner ut i nærheten av tetningsflåtenes mot forbrenningsrommet vendende kanter. Gjennom til-bakeslagsventiler står de to kamrene i ventildelen i forbindelse med en trykkluftkilde, og når utløpsventilen åpner, river de utstrømmende forbrenningsgassene ved ejektorvirkning med seg den relativt kjølige luft fra kamrene, som derved bevirker en viss kjøling av tetningsflåtene under utløpsperioden.

En indirekte kjøling av tetningsflåtene er beskrevet i fransk patent nr. 1.481.241, hvor kjølig luft fra et ringkammer i den stasjonære ventildelen strømmer kontinuerlig ut gjennom boringer som er rettet mot den bevegelige ventildelens overflate på nedstrømssiden av tetningsflåtene.

En utløpsventil ifølge nærværende oppfinnelse atskiller seg fra det som er kjent fra US-patent nr. 1.873.119

ved at ringkammeret utgjøres av en fordypning i overflaten av den ene eller begge av de to ventildelene, hvilken fordypning langs hele sin omkrets er åpen mot den motstående ventildelens overflate.

Med denne utforming og plassering kommer ringkammeret til å utgjøre et reservoar i strømningsbanen fra forbrenningskammeret til tetningsflåtene på ventildelene, og når ringkammeret under kompresjonsslaget er blitt fylt med ren og relativt kjølig luft, enten fra motorsylinderen eller fra en tilsluttet ytre trykkluftkilde, vil denne luftmengde etter antennelsen av brenselet og inntil åpningen av utløpsventilen fungere som en barriere mellom de varme forbrenningsgassene og tetningsflåtene. Dette medfører at forbrenningsgassene ikke, som ved de hittil kjente ventiler, kan strømme direkte ut gjennom lokale utettheter, dannet av spalter mellom tetningsflåtene,

men at det i stedet blir reservoarluften som alene eller eventuelt blandet med en liten andel forbrenningsgasser trenger ut gjennom utetthetene.

Oppfinnelsen bygger på erkjennelsen av at de førstnevnte angrep av forbrenningsgassenes aggressive bestanddeler på tetningsflåtene i overveiende grad inntreffer i en periode hvor ventilen er lukket, men likevel ikke lukker fullstendig tett som følge av de nevnte lokale utettheter, som før eller siden oppstår, f.eks. ved avskalling av tid-ligere ved korrosjon dannede belegg på tetningsflåtene, eller ved at slagg- eller kok.spartik.ler kommer i klem mellom flatene ved ventilens lukking og etterlater små fordypninger i flatene. Ved måling av overflatetempera-turen på den stasjonære tetningsflate er det omkring en slik lokal utetthet konstatert temperaturstigninger på ca. 200°C like etter øvre dødpunkt, og en stigning av middeltemperaturen på ca. 100°C. Derimot gikk temperatur-stigningen i begynnelsen av utløpsperioden rett etter ventilens åpning bare opp til ca. 20-25°C. En ekstra kjøling av tetningsflåtene under utløpsperioden har derfor bare liten innflytelse på korrosjonsfenomenene og en derav følgende gradvis vekst av de fra begynnelsen ganske små utettheter til større gjennombrenninger. Disse fenomener forsinkes i langt høyere grad når man ved de for oppfinnelsen karakteristiske foranstaltninger reduserer både temperaturen og innholdet av aggressive bestanddeler i den gass som ved lukket ventil siver ut mellom tetningsflåtene. Ettersom korrosjonshastigheten ved de vanlige be-nyttede materialene i tetningsflåtene kan fordobles ved en temperaturstigning på ca. 70°C, vil det forstås at oppfinnelsen i vesentlig grad forlenger den tid i løpet av hvilken en liten lokal utetthet vokser til en regulær gjennombrenning av en slik størrelse at en fornyelse av tetningsflåtene ved sliping blir nødvendig. Resultatet blir derfor som nevnt at ventilens levetid forlenges.

Den kritiske perioden da temperaturen og trykket i forbrenningskammeret har så høye verdier at utsivende forbrenningsgasser i merkbart omfang kan angripe tetningsflåtene, er forholdsvis kort og slutter både ved totakts- og firetaktsmotorer Ca. 20° etter øvre dødpunkt. Man kan derfor oppnå den ønskede virkning med et forholdsvis lite volum av ringkammeret, som ikke nødvendiggjør noen sjenerende økning av ventildelenes dimensjoner eller av sylinderens såkalte skadelige rom. Volumet kan dimen-sjoneres slik at det er noe større enn det volum som i den nevnte periode kan passere gjennom en spalte med et tverrsnitt på omkring 0,2 x 3 mm, f.eks. 2-3 ganger så stort som det nevnte volum.

For oppnåelse av den ønskede barrierevirkning av luften

i ringkammeret med minimal oppblanding av luften med de fra sylinderen tilstrømmende forbrenningsgasser, er det fordelaktig at ringkammerets tverrsnitt i et plan gjennom ventilaksen har sin største bredde ved ventildelens overflate.

Når ringkammeret er utformet bare i den ene ventildelen, kan man med fordel utforme den motstående overflaten av den andre ventildel ved innløpet fra forbrenningskammeret til ringkammeret med en slik avtrapping, at den nærmest forbrenningskammeret beliggende del av overflaten er trukket tilbake i forhold til den ovenfor ringkammeret beliggende overflatedel. Derved oppbremses og avbøyes de fra forbrenningskammeret tilstrømmende gasser av trinnet mellom de to nevnte overflatedeler, hvorved gassene avgir en vesentlig del av deres kinetiske energi, slik at de bare under innflytelse av det statiske trykkfall til ventilens nedstrømsside presser den rene og relativt kjølige luft fra ringkammeret foran seg gjennom de eventuelt eksisterende lokale utettheter mellom tetningsflåtene. Utførelsesformen har den ytterligere fordel at strømmen av forbrenningsgasser fra sylinderen, i det øyeblikk da ventilen begynner å åpne, på tilsvarende måte avbøyes i retning inn i ringkammeret, og derved medvirker til å holde kammerets vegger rene for uønsket oppbygging av avleiringer under motorens drift.

Den nevnte virkning av ventildelenes utforming opp-

nås i optimal utstrekning i en utførelsesform hvor overgangen mellom de nevnte to overflatedeler i et tverrsnitt gjennom ventilaksel er utformet med en hulkil vendende mot innløpet fra forbrenningskammeret.

I praksis kan ringkammeret være utformet i den stasjonære ventildelen og avgrenset av en helt eller vesentlig sylindrisk første flate, som er koaksial med den forskyvbare ventildelen, og en derpå helt eller vesentlig vinkelrett annen flate. Sammenlignet med en utførelses-form, hvor ringkammeret er tilveiebragt ved material-fjerning fra den forskyvbare ventildelen, er utførelses-formen enklere å fremstille, og den medfører mindre fare for høye lokale temperaturer i det gods som omgir ringkammeret. Ved å utforme ventilsetet med en i og for seg kjent kjølekanal, kan man ytterligere nedsette temperatur-ene av ringkammerets vegger, og derved oppnås tilsvarende lave temperaturer på den gass som akkumuleres i ringkammeret, hvorved dettes gunstige virkning på tetningsflåtenes levetid forsterkes.

Den ovenfor ringkammeret beliggende flate av den forskyvbare ventildelen kan være vesentlig konisk med en av-rundet ytterkant som i ventilens lukkede stilling sammen med det stasjonære ventilsetets første flate avgrenser en ringspalte, hvis tverrsnitt sett fra forbrenningskammeret mot ringkammeret, først konvergerer og deretter divergerer. Ved denne utforming av den smale spalte som i ventilens lukkede stilling danner forbindelsen mellom forbrenningskammeret og ringkammeret, oppnår man at koks- og slagg-partikler over en viss størrelse som rives med av ut-løpsgassene, på et tidspunkt under ventilens lukkebe-vegelse, før ventilen er helt lukket, hindres i å trenge gjennom spalten inn i ringkammeret, og derfra videre inn mellom tetningsflåtene, hvor partiklene kunne bli klemt fast og derved frembringe blivende deformasjoner av flatene.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til den skjematiske tegningen, der fig. viser et aksialt snitt gjennom de for oppfinnelsens forståelse vesentlige deler av en utløpsventil ifølge oppfinnelsen, og

fig. 2 er et aksialsnitt i vesentlig større målestokk gjennom det i fig. 1 innrammede området II.

Den i fig. 1-2 viste utløpsventilen til en totakts dieselmotor har en stasjonær ventildel 1, det såkalte ventilsetet, som på ikke nærmere vist måte sammen med et ventilhus 2 er avtagbart festet til motorens sylinder-deksel 3. Den bevegelige delen 4 av utløpsventilen er i hovedtrekkene utformet som en vanlig tallerkenventil med kjegleformet anleggsflate mot ventilsetet 1. De egent-lige tetningsflater, henholdsvis 5 og 6 mellom de to ventildelene er utformet på to fåringer eller innsatser 7 og 8 av egnet materiale, f.eks. hardmetall, se fig 2.

Ifølge oppfinnelsen er det i den overflate av den bevegelige ventildelen 4, som vender mot ventilsetet 1, utformet et ringkammer 9 mellom motorsylinderens forbrenningskammer 10 og ventildelens tetningsflate 6. I den viste utførelsesformen er ringkammerets 9 aksielle tverrsnitt trapesformet med to i det vesentlige parallelle sidekanter 11 og 12, som stort sett er vinkelrette på tetningsflåtene 6 og den motstående overflate 13 av ventilsetet 1. Gjennom en rundtgående hulkil 14, beliggende et stykke innenfor ringkammerets 9 radielt ytre begrensningsflate som utgjøres av sidekanten 12, fortsetter flaten 13 i retning mot forbrenningskammeret 10 i en flate 15, som er trukket så langt, tilbake fra ventildelen 4 at det ved lukket ventilkammer som vist i fig. 2, på dette sted dannes en rundtgående spalte med forholdsvis liten spaltevidde, f.eks. 0,2 mm.

Gjennom den nevnte spalte vil ringkammeret 9 under kompresjonsslaget i motorsylinderen bli fylt med ren spyle- eller ladeluft ved en forholdsvis lav temperatur, og hvis det mellom tetningsflåtene 5 og 6 finnes en eller flere av de ovenfor omtalte små lokale utettheter, vil det etter trykkstigningen ved forbrenning av det innsprøytede brensel i motorsylinderen være denne luft og ikke de varme og sterkt korroderende forbrenningsgassene som presses ut gjennom utetthetene i tetningsflåtene. Som følge av dette unngår man den ellers opp-tredende kraftige temperaturstigning av tetningsflåtenes materiale omkring eksisterende utettheter i flatene under den periode av motorens arbeidssyklus da temperaturen i forbrenningskammeret er høy, og hvor forbrenningsgassene samtidig har en høy massetetthet på grunn av det høye trykk og en høy konsentrasjon av korrosive bestanddeler. Den viste og beskrevne utforming av trinnet eller overgangen mellom de to flate-delene 13 og 15 som en hulkil 14 som vender mot inn-strømningsspalten fra forbrenningskammeret 10, medvirker til å begrense uønsket oppblanding av den rene og relativt kjølige luft i ringkammeret 9 med de inn-strømmende varme forbrenningsgassene.

Reduksjon av den hastighet med hvilke lokale små utettheter mellom tetningsflåtene vokser ved korrosive og erosive angrep, har ytterligere den fordel at det i områdene omkring slike utettheter opprettholdes en effek-tivere varmeovergang fra den bevegelige ventildel 4, som er direkte utsatt for de høye temperaturer i for-

brenningskammeret 10, til det noe kaldere ventilsetet 1

i den perioden da ventilen er lukket. Som følge av dette kan det opprettholdes en lavere middeltemperatur av de aktuelle områdene, og dermed også en mere ensartet middeltemperatur av hele tetningsflaten. Dette forhold medvirker til å sikre at den korrosjon av tetningsflaten som uunngåelig opptrer under ventilens driftstid blir ensartet fordelt, og derfor ikke får samme skadelige innvirkning for ventilens tetningsfunksjon som selektive lokale korrosjonsangrep på flatene.

Selv om ringkammeret i de viste utførelsesformene er utformet bare i den bevegelige eller i den stasjonære ventildelen, vil det forstås at det alternativt kunne være sammensatt av motstående fordypninger i begge ventildeler. I stedet for eller som supplement til den beskrevne anvendelse av kompresjonsluft fra motorsylinderen til fylling av ringkammeret, kunne det også finnes en ytre trykkluftkilde som gjennom en tilbake-slagsventil leverer kjølig luft under et passe trykk til ringkammeret. Dette trykk bør ikke være lavere enn kompresjonstrykket i motorsylinderen, men kan også være av stort sett samme størrelse som det i sylinderen opp-tredende maksimaltrykk. Da det nødvendige luftforbruk er forholdsvis lite, kan luften leveres av en tilsvarende relativt liten kompressor.

Claims (4)

1. Utløpsventil til en forbrenningsmotor omfattende et ventilsete (1) og et aksielt forskyvbart ventillegeme (4) med samvirkende tetningsflater (5,6) på de to ventildelene, og et i minst én av ventildelene utformet ringkammer (9) som står i forbindelse med motorsylinderens forbrenningskammer (10) gjennom en trang spalte mellom motstående flater på ventildelene når ventilen er lukket, karakterisert ved at ringkammeret (9) utgjøres av en fordypning i overflaten av den ene eller begge av de to ventildelene (1,4), hvilken fordypning langs hele sin omkrets er åpen mot den motstående ventildels overflate (13,15).

2. Utløpsventil ifølge krav 1, karakterisert ved at ringkammerets (9) tverrsnitt i et plan gjennom ventilaksen har sin største bredde ved ventildelens (4) overflate.

3. Utløpsventil ifølge krav 1 eller 2, der ringkammeret (9) er utformet bare i det aksielt forskyvbare ventillegemet, karakterisert ved at den motstående overflate (13,15) av ventilsetet (1) ved innløpet fra forbrenningskammeret (10) til ringkammeret (9) er avtrappet slik at den nærmest forbrenningskammeret beliggende del av overflaten (15) er trukket tilbake i forhold til den ovenfor ringkammeret beliggende overflatedel (13).

1

4. Utløpsventil ifølge krav 3, karakterisert ved at overgangen (14) mellom de to overflatedelene (13,15) i et tverrsnitt gjennom ventilaksen er utformet med en hulkil, vendende mot innløpet fra forbrenningskammeret (10).