EP2212525B1 - Ventildrehvorrichtung für auslassventile von verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Ventildrehvorrichtung für Auslassventile von Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
• Eine derartige Ventildrehvorrichtung ist in EP 0892154 A1 beschrieben. Als Freilaufeinrichtung dient eine Schlingfeder, welche eine Verdrehung des Ventils über die Außenverzahnung nur in einer bestimmten Verschieberichtung des Ventils zulässt.
• Eine andere bekannte Vorrichtung ( DE 10 2004 020 754 A1 ), insbesondere für den Einsatz bei Großmotoren, besitzt einen Hydraulikzylinder als oberes Antriebselement und einen Druckluftzylinder als unteres Antriebselement. Ein Stützzylinder ist fest mit dem Hydraulikzylinder verbunden, während ein Drehzylinder über eine Freilaufeinrichtung mit dem Druckluftzylinder verbunden ist. Drehzylinder und Stützzylinder stehen über eine Schrägverzahnung miteinander im Eingriff. Während der Schließbewegung des Ventils überträgt die Freilaufeinrichtung die Drehbewegung des Drehzylinders auf die Ventilspindel, bis deren Sitz drehend gegen ein feststehendes Sitzelement im Ventilgehäuse auffährt. Infolge der Drehbewegung der Ventilspindel kommt es zu einem erwünschten gegenseitigen Einschleifen des Sitzbereichs auf dem Ventilteller mit dem gehäuseseitigen Sitzelement.
• Der Stützzylinder weist hierbei eine über seine gesamte Länge durchgehende Innenschrägverzahnung auf, welche in axialer Richtung wenigstens der Länge des Öffnungshubs der Ventilspindel zuzüglich der Mindesteingriffslänge der Schrägverzahnung entspricht. Der Drehzylinder besitzt eine Außenschrägverzahnung, welche in axialer Richtung etwa um die Länge des Öffnungshubs kürzer ist als die Innenschrägverzahnung des Stützzylinders.
• Eine für Vierzylindermotoren geeignete bekannte Drehvorrichtung ( EP 0768450 B1 ) besitzt einen Stützzylinder mit schraubenförmigen inneren Führungselementen für den gesamten Ventilhub und einen Drehzylinder mit kurzen äußeren Führungselementen.
• Dem gegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, an einer Ventildrehvorrichtung der eingangs genannten Art das Bauvolumen in radialer und axialer Richtung deutlich zu verringern, den Herstellungsaufwand zu reduzieren und einen universelleren Einsatz der Vorrichtung, sowohl bei Großmotoren als auch bei Viertaktmotoren zu gewährleisten.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß dem Kennzeichen von Anspruch 1 gelöst.
• Diese erfindungsgemäße Konstruktion ermöglicht bei geringem Verzahnungsaufwand eine besonders kleine und damit leichte Bauweise wegen der geschickten Anordnung des Axialkugellagers zum Abtragen der axialen Verzahnungskräfte und wegen der Integration des Innenrings mit der Freilaufeinrichtung.
• Dadurch, dass erfindungsgemäß der Ventilschaft selbst als Element für die Außenschrägverzahnung in Frage kommt und der Innenring einerseits eine kurze Innenverzahnung für die Drehvorrichtung, andererseits die Ratschenverzahnung der Freilaufeinrichtung trägt, kann die Ventildrehvorrichtung mit einer besonders geringeren Zahl von Bauelementen verwirklicht werden.
• Die Länge der Außenschrägverzahnung entspricht dabei in ihrer axialen Erstreckung wenigstens der Länge des Öffnungshubs des Ventils zuzüglich der Mindesteingriffslänge der Schrägverzahnung. Dem gegenüber genügt für die Innenschrägverzahnung ein in axialer Richtung wesentlich kürzerer Verzahnungsabschnitt.
• Die Außenschrägverzahnung kann dabei auf einer hohlzylindrischen Hülse ausgebildet sein, welche durch Aufschrumpfen mit ihrem Innenumfang auf einem entsprechenden Sitz des Ventilschafts befestigt ist. Alternativ kann die Außenschrägverzahnung auch direkt an den Ventilschaft angeformt sein, so dass eine hohlzylindrische Hülse als gesondertes Bauteil vermieden werden kann.
• Vorteilhaft ist der Innenring an seinem Außenumfang auf einem Axialkugellager innerhalb einer Ausdrehung eines Gehäusedeckels des Ventilgehäuses gelagert und weist an seinem Außenumfang eine Ratschenverzahnung auf, die mit Ratschenelementen der Freilaufeinrichtung zusammenwirkt.
• Die Freilaufeinrichtung umfasst vorteilhaft eine Ringscheibe, in deren Innenumfang die Ratschenelemente jeweils federbelastet gelagert sind, wobei die Ringscheibe mit dem Axialkugellager innerhalb am Gehäusedeckel befestigt ist.
• Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert; es zeigt

Fig. 1

einen teilweisen Axialschnitt durch ein Ventilgehäuse für einen Zweitaktdieselmotor mit Ventildreh- vorrichtung,

Fig. 2

einen Abschnitt von Fig. 1 in ver- größerter Darstellung,

Fig. 3

einen Querschnitt gemäß III-III der Fig. 1,

Fig. 4

einen Axialschnitt durch ein Ven- tilgehäuse für einen Viertaktdie- selmotor,

Fig. 5

einen vergrößerten Abschnitt von Fig. 4,

Fig. 6

einen Querschnitt gemäß VI-VI der Fig. 5,

Fig. 7

einen axialen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform eines Ventilgehäuses für einen Viertakt- dieselmotor,

Fig. 8

einen Abschnitt von Fig. 7 in ver- größerter Darstellung,

Fig. 9

einen Querschnitt gemäß IX-IX der Fig. 8,

Fig. 10

einen axialen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Ventilgehäuses für einen Viertakt- dieselmotor,

Fig. 11

einen vergrößerten Abschnitt von Fig. 10 und

Fig. 12

einen Querschnitt gemäß XII-XII der Fig. 11.

• Figur 1 zeigt einen Axialschnitt durch einen Abschnitt eines Ventilgehäuses eines Zweitaktdieselmotors für einen Schiffsantrieb im Bereich des oberen Endes der Ventilspindel 1 in ihrer Schließstellung. Auf einem Ventilgehäuse 2 ist ein Gehäusedeckel 4 aufgesetzt. Der Ventilschaft 3 ist in einem (nicht dargestellten) Gleitlager im Ventilgehäuse gelagert.
• Auf dem Ventilgehäuse 2 ist ein Druckluftzylinder 5 vorgesehen, in welchem ein Druckluftkolben 18 geführt ist. Der Ventilschaft 3 ist in einer Mittelbohrung des Druckluftkolbens 18 mittels eines Klemmteils in Form einer Konushülse 48 drehfest und axial formschlüssig über eine nach innen vorspringende Wulst 55 der Konushülse 48 aufgenommen. Die Wulst 55 greift in eine Ringnut des Ventilschafts 3 der Ventilspindel 1 ein. Die Konushülse 48 ist mittels eines Verschlussrings 44 über dessen Verschraubung mit dem Druckluftkolben 18 axial gesichert.
• Ein gegenüber dem übrigen Ventilschaft 3 abgedrehtes Ventilschaftende 24 besitzt eine darauf aufgepresste hohlzylindrische Hülse 23. Deren unteres zylindrisches Ende 12 sitzt spaltfrei auf einer ringförmigen Anschlagfläche 46, welche durch eine stirnseitige Eindrehung des Ventilschafts 3 gebildet ist, auf.
• Das obere Ende der Hülse 23 ist bis auf eine Montagebohrung 47 geschlossen. Ihre Stirnseite 49 liegt in der gezeigten geschlossenen Stellung der Ventilspindel 1 gegen eine im Hydraulikkolben 21 des Hydraulikzylinders 6 aufgenommene Druckplatte 70 an, welche über eine Spiralfeder 54 mit einer Steuerhülse 52 zusammenwirkt. Die Steuerhülse 52 steht unter dem Druck des Hydrauliköls aus der Öldruckleitung 22. Während des Öffnungshubs der Ventilspindel 1 wird diese mit Beaufschlagung des Hydraulikkolbens 21 zusammen mit dem Druckluftkolben 18 nach unten befördert, bis der Öldruck im Zylinderraum 26 dem Druck im Druckluftzylinder 5 entspricht. Das Schließen der Ventilspindel 1 besorgt dann die Druckluft im Zylinderraum 25 des Druckluftzylinders 5, wobei der Druckluftkolben 18 zusammen mit der Ventilspindel 1 wieder nach oben gefahren wird, bis sie die in Figur 1 dargestellte oberste Stellung erreicht.
• Eine in den Figuren 2 und 3 näher beschriebene Freilaufeinrichtung wirkt mit einer Ratschenverzahnung 57 am Außenumfang eines Innenrings 13 zusammen, der an seinem Innenumfang eine Innenschrägverzahnung 14 aufweist. Die Innenschrägverzahnung 14 wirkt mit einer Außenschrägverzahnung 16 am Außenumfang der Hülse 23 zusammen.
• Während die Innenschrägverzahnung 14 in axialer Richtung wenigstens ihrer Mindesteingriffslänge mit der Außenschrägverzahnung 16 entspricht, erstreckt sich letztere darüber hinaus noch wenigstens um die Länge des Öffnungshubs der Ventilspindel 1.
• Die Freilaufeinrichtung ist so eingerichtet, dass sie eine Drehung der Ventilspindel 1 entweder während deren Schließbewegung oder deren Öffnungsbewegung überträgt und in der jeweiligen Gegenrichtung die Drehung des Innenrings 13 freigibt. Im Falle einer Bewegung der Ventilspindel 1 bei gesperrtem Innenring 13 in Richtung der Schließbewegung der Ventilspindel, also gemäß Figur 1 nach oben hin, ergibt sich eine Drehung der Ventilspindel entsprechend der Schrägverzahnung und somit ein Einschleifen der Ventilsitze während es zum Schließen des Ventils kommt; im umgekehrten Fall entsteht diese Schleifwirkung im Moment des Öffnens der Ventilspindel 1 bis diese den Ventilsitz verlassen hat. Beide Fälle unterscheiden sich in konstruktiver Hinsicht lediglich in der Wahl der Sperrrichtung der Ratschenverzahnung 57 gegen die darauf einwirkenden Ratschenelemente 41, welche in einer gehäusefesten Ringscheibe 38 der Freilaufeinrichtung gelagert sind.
• Die Schmierölversorgung der Schrägverzahnung und der Freilaufeinrichtung wird durch ein System von Schmierölbohrungen 34, 53 im Gehäusedeckel 4 sichergestellt. Das abfließende Schmieröl gelangt über einen Ringraum 27 zwischen dem Gehäusedeckel 4 und dem Luftdruckzylinder 5 durch eine Auslassbohrung 28 in der Zylinderwand des Ventilgehäusedeckels 4 nach außen.
• Figur 2 zeigt als vergrößerten Abschnitt aus Figur 1 das untere Ende der Hülse 23, welches auf der Ringfläche 46 der Ventilspindel 1 aufsitzt. An ihrer äußeren Umfangsfläche besitzt die Hülse 23 eine Außenschrägverzahnung 16, welche mit der Innenschrägverzahnung 14 des Innenrings 13 zusammenwirkt. Der Innenring 13 besitzt eine zentrale Ausnehmung 56, welche sicherstellt, dass das Schmieröl ungehindert den Verzahnungsbereich der Schrägverzahnung versorgen kann.
• Der Innenring 13 besitzt an seinem Außenumfang eine Ratschenverzahnung 57, deren Zähne mit Ratschenelementen 41 zusammenwirken, deren acht über den Umfang verteilt in einer Ringscheibe 38 der Freilaufeinrichtung gelagert sind (vgl. Fig. 3). Jedes Ratschenelement 41 wird mit seiner Sperrklinke von einem mit einer Ratschenfeder 42 belasteten Druckstempel 43 in der Sperrstellung gehalten. Diese Sperrstellung verhindert eine Verdrehung des Innenrings 13 gegenüber der Ringscheibe 38 in einer Drehrichtung gemäß Pfeil P1 mit der Folge, dass die Ventilspindel entsprechend der Schrägverzahnung der Gegenrichtung gemäß Pfeil P2 gedreht wird. Jedoch ist andererseits eine Drehung des Innenrings 13 in der entgegengesetzten Richtung, nämlich gemäß Pfeil P2 gegen die Federwirkung der Druckstempel 43 der Ratschenelemente 41 möglich, d.h. die Freilaufeinrichtung gibt die Drehung des Innenrings 13 frei, wobei eine Verdrehung der Ventilspindel während ihrer Hubbewegung unterbleibt.
• Handelt es sich dabei um eine durch den Hydraulikkolben 21 nach unten in Öffnungsrichtung der Ventilspindel angetriebene Hubbewegung, so bewirkt die Schrägverzahnung eine Verdrehung des Innenrings 13 gemäß Pfeil P2, während sich die Ventilspindel geradlinig nach unten bewegt, so dass sich der Ventilteller in Öffnungsrichtung vom Ventilsitz entfernt.
  Wenn umgekehrt nach dem Druckloswerden des Hydraulikzylinders und unter der Wirkung des Druckluftkolbens 18 die Ventilspindel 1 nach oben in Richtung Schließstellung bewegt wird, so bewirkt die Schrägverzahnung eine entgegen der Drehrichtung gemäß Pfeil P2 gerichtete Drehung der Ventilspindel 1, da hierbei eine Drehung des Innenrings 13 durch die Freilaufeinrichtung gesperrt wird, d.h. die Ventilspindel dreht sich entgegen Pfeil P1 in der Richtung gemäß Pfeil P3. Diese Drehung bewirkt im Moment des Erreichens des Ventilsitzes ein Einschleifen des Sitzbereichs des Ventiltellers gegen den gehäuseseitigen Ventilsitz, wobei sich die Sitzflächen gegenseitig in erwünschter Weise abschleifen. Die den Ventilsitz bildenden beiderseitigen Ventilsitzflächen werden dabei geglättet, so dass ein Ventilsitz mit hoher Flächenauflage erreicht wird.
• Soll hingegen eine Drehung der Ventilspindel nicht beim Schließen des Ventils sondern in umgekehrter Richtung beim Öffnen des Ventils bewirkt werden, so kann dies ohne Änderung der Schrägverzahnung auf einfache Weise dadurch bewirkt werden, dass eine Freilaufeinrichtung mit entgegengesetzten Wirkungsrichtungen eingesetzt wird.
• Die Figuren 4 bis 6 zeigen eine abgeänderte Ausführungsform eines Ventilgehäuses 2 mit Gehäusedeckel 4.
• Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß den Figuren 1 bis 3 ist das obere Antriebselement anstelle eines Hydraulikzylinders durch einen nicht gezeichneten Ventilnocken zum Steuern des Öffnungshubs der Ventilspindel 1 und das untere Antriebselement anstelle eines Luftdruckzylinders durch ein Federelement aus spiralförmigen Ventilfedern 58 gebildet, welche zwischen der Oberseite des Ventilgehäuses 2 und der Unterseite eines am oberen Ende des Ventilschafts 3 befestigten Stützrings 59 unter Druckvorspannung eingesetzt sind. Um eine Drehung der Ventilspindel 1 nicht zu behindern, ist zwischen dem Stützring 59 und einer Endscheibe 61 der Ventilfedern 58 ein Kugellager 60 angeordnet.
• Der untere Abschnitt des Gehäusedeckels 4 ist in Figur 5 vergrößert dargestellt. Die Außenschrägverzahnung 16 ist direkt auf dem Ventilschaft 3 ausgebildet, z.B. durch ein spanendes Bearbeitungsverfahren. Der Innenring 13 mit der Innenschrägverzahnung 14 sitzt auf einem Axialkugellager 62, welches andererseits gegenüber einer Führungsbuchse 63 des Ventilgehäuses 2 abgestützt ist. Die Ratschenelemente 41 der Freilaufeinrichtung sitzen in entsprechenden Ausnehmungen des Gehäusedeckels 4, wie in Figur 6 gezeigt.
• Wie in Figur 6 dargestellt, trägt der Innenring 13 an seinem Außenumfang die Ratschenverzahnung 57, an seinem Innenumfang die Innenschrägverzahnung 14. Die Außenschrägverzahnung 16 ist direkt auf dem Schaft 3 der Ventilspindel eingeschnitten.
• In den Figuren 7 bis 9 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, welche jener gemäß den Figuren 4 bis 6 sehr ähnlich ist. Ein Unterschied besteht allerdings darin, dass das Axialkugellager 62 zur Lagerung des Innenrings 13 über der Freilaufeinrichtung sitzt und auf der oberen Stirnfläche 64 der Führungsbuchse 63 abgestützt ist. Im übrigen bezeichnen die übereinstimmenden Bezugsziffern gleiche Gegenstände wie zur Ausführungsform nach den Figuren 4 bis 6.
• Die in Figur 9 gezeigte Freilaufeinrichtung entspricht der Ansicht gemäß Schnittebene IX-IX der Figur 8, d.h. die Drehrichtungen für Sperren (Pfeil P1) und Durchratschen (Pfeil P2) verlaufen in gegensätzlicher Richtung. Diese ergibt sich daraus, dass bei der Ausführungsform gemäß Figur 5 der Querschnitt VI-VI in Figur 6 in der Draufsicht dargestellt ist, während bei der Figur 8 der Querschnitt IX-IX der Figur 9 in der Ansicht von unten dargestellt ist.
• In Figur 9 ist außerdem der in Figur 7 dargestellte Schnittverlauf gemäß der abgewinkelten Schnittebene VII-VII dargestellt. Ähnlich abgewinkelte Schnittebenen zeigen auch die Figuren 1 und 4; lediglich nach Figur 10 verläuft die Schnittebene ungebrochen, wie einem Vergleich der Figuren 11 und 12 entnehmbar ist.
• Die Ausführungsform gemäß den Figuren 10 bis 12 unterscheidet sich von den beiden Ausführungsformen gemäß den Figuren 4 bis 9, welche ebenfalls jeweils mit Nocken und Ventilfedern betätigte Ventilsteuerungen für Viertaktdieselmotoren zeigen, im wesentlichen dadurch, dass die Freilaufeinrichtung am oberen Ende des Gehäusedeckels 4 untergebracht ist. Wie bei der Variante gemäß den Figuren 7 bis 9 ist das Axialkugellager 62 über der Freilaufeinrichtung angeordnet. Die Abstützung des Axialkugellagers 62 erfolgt - abweichend von den beiden vorbeschriebenen Viertaktvarianten -jedoch gegenüber dem Gehäusedeckel 4. Auch zur vorliegenden Variante sind mit allen anderen Varianten vergleichbare Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
• Figur 11 zeigt die Besonderheit, dass der Sitzring 59 durch eine verzahnte Hülse 64 nach unten verlängert ist. Die verzahnte Hülse 64 trägt an ihrem Außenumfang die Außenschrägverzahnung 16; die Übertragung des Drehmoments von der Hülse 64 auf den Ventilschaft 3 erfolgt über die Konushülse 48.
• Über den Gehäusedeckel 4 ist noch eine zylindrische Hülse 65 aufgezogen, welche oben mit einem Innenflansch 66 endet, um damit das Axialkugellager 62 zu fixieren und welche unten einen Außenflansch 67 für eine Schraubverbindung mit dem Gehäusedeckel 4 aufweist.

Claims (4)

1. Ventildrehvorrichtung für Auslassventile von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Schiffsdieselmotoren, welche an einem Ventilgehäuse für die Ventilspindel (1) neben einem ersten Antriebselement (21) zum Öffnen des Ventils und einem zweiten Antriebselement (18) zum Schließen des Ventils angeordnet ist, mit einer Freilaufeinrichtung, die eine Drehung der Ventilspindel (1) während deren Schließbewegung oder deren öffnungsbewegung überträgt und in der Gegenrichtung freigibt dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung der Drehbewegung auf die Ventilspindel am Ventilschaft (3) der Ventilspindel (1) eine Außenschrägverzahnung (16) und an einem über die Freilaufeinrichtung abgestützten Innenring (13) die zugehörige Innenschrägverzahnung (14) vorgesehen ist, wobei die Außenschrägverzahnung (16) in axialer Richtung wenigstens der Länge des Öffnungshubs der Ventilspindel (1) zuzüglich der Mindesteingriffslänge der Innenschrägverzahnung (14) entspricht,
   und wobei
   der Innenring (13) auf einem Axialkugellager (62) innerhalb einer Ausdrehung eines Gehäusedeckels (4) des Ventilgehäuses (2) gelagert ist und an seinem Außenumfang eine Ratschenverzahnung (57) aufweist, die mit Ratschenelementen (41) der Freilaufeinrichtung zusammenwirkt.
2. Ventildrehvorrichtung nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass eine Ringscheibe (38) der Freilaufeinrichtung vorgesehen ist, in deren Innenumfang die Ratschenelemente (41) jeweils federbelastet gelagert sind und
   dass die Ringscheibe (38) mit dem Axialkugellager (62) am Gehäusedeckel (4) befestigt ist.
3. Ventildrehvorrichtung nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die Außenschrägverzahnung (16) direkt an den Ventilschaft (3) angeformt ist.
4. Ventildrehvorrichtung nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die Außenschrägverzahnung (16) auf einer hohlzylindrischen Hülse (23) ausgebildet ist, welche durch Aufschrumpfen mit ihrem Innenumfang auf einem entsprechenden Sitz des Ventilschafts (3) befestigt ist.

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