CH705513A2 - Zylinderanordnung für eine längsgespülte Hubkolbenbrennkraftmaschine. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zylinderanordnung (1) für eine längsgespülte Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere für einen langsam laufenden längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor, umfassend einen Zylinder (2) mit einem Brennraumbereich und einem Einlassbereich (22), in welchem Zylinder (2) ein Kolben entlang einer Zylinderachse (Z) zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin- und herbewegbar installierbar ist. Dabei ist am Zylinder (2) im Einlassbereich (22) des Zylinders (2) ein Spüllufteinlass vorgesehen, so dass aus einem Receiverraum (401) Spülluft (41) über den Spüllufteinlass in den Brennraumbereich des Zylinders (2) einbringbar ist. Erfindungsgemäss ist am Spüllufteinlass ein Verschlusselement (5, 51, 52) derart vorgesehen und ausgestaltet, dass ein Gasstrom über den Spüllufteinlass aus dem Zylinder (2) in den Receiverraum (401) im Wesentlichen verhinderbar ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine längsgespülte Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere langsam laufenden längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor mit einer Zylinderanordnung (1) umfassend ein einseitig wirkendes Verschlusselement (5, 51, 53).

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Zylinderanordnung für eine längsgespülte Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere für einen langsam laufenden längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor sowie eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Zylinderanordnung gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche 1 und 5.

[0002] Grossdieselmotoren werden häufig als Antriebsaggregate für Schiffe oder auch im stationären Betrieb, z.B. zum Antrieb grosser Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt. Dabei laufen die Motoren in der Regel über beträchtliche Zeiträume im Dauerbetrieb, was hohe Anforderungen an die Betriebssicherheit und die Verfügbarkeit stellt. Daher sind für den Betreiber insbesondere lange Wartungsintervalle, geringer Verschleiss und ein wirtschaftlicher Umgang mit Brenn- und Betriebsstoffen, insbesondere auch der Schmiermittelverbrauch zentrale Kriterien für den Betrieb der Maschinen.

[0003] Bei Grossdieselmotoren, jedoch nicht nur bei diesen, erfolgt die Kolbenschmierung durch Schmiereinrichtungen im sich hin und her bewegenden Kolben oder in der Zylinderwand, durch die Schmieröl auf die Lauffläche der Zylinderwand aufgebracht wird, um die Reibung zwischen Kolben und Lauffläche und damit die Abnützung der Lauffläche und der Kolbenringe zu minimieren. So liegt heute bei modernen Motoren, wie z.B. den Wärtsilä Zweitakt Motoren, die Abnutzung der Lauffläche bei weniger als 0.05 mm bei einer Betriebsdauer von 1000 Stunden. Die Schmiermittelfördermenge liegt bei solchen Motoren bei ca. 1.3 g/kWh und weniger und soll nicht zuletzt aus Kostengründen möglichst noch weiter reduziert werden, wobei gleichzeitig der Verschleiss minimiert werden soll.

[0004] Alle in letzter Zeit vorgeschlagenen Verbesserungen der Schmierung und des Kolbenlaufs lassen jedoch ein Problem unberührt, das konstruktionsbedingt und damit zwangsläufig bei den bisher bekannten längsgespülten Brennkraftmaschinen, insbesondere bei den Zweitakt Grossdieselmotoren auftritt.

[0005] Wie dem Fachmann wohlbekannt ist, wird bei den bekannten längsgespülten Zweitakt-Motoren die Frischluft, häufig auch als Spülluft bezeichnet, am unteren Ende des Zylinders über Spülluftöffnungen meist in Form von Spülschlitzen in den Brennraum des Zylinders eingebracht, während der Kolben sich in der Nähe des unteren Totpunktes befindet und den Weg für die Frischluft in den Brennraum des Zylinders freigibt. D.h., die Frischluft wird in der Praxis zum Beispiel von einem Turbolader in den Zylinder unter einem vorgegebenen Druck eingeblasen. Das trifft insbesondere auf alle gängigen Zweitakt Grossdieselmotoren zu, die Kreuzkopfmotoren sind und Kolben gesteuerte Spülschlitze haben. Das heisst, die obere Kolbenkante steuert das Öffnen der Spülschlitze. Durch die Spülschlitze kann Frischluft in den Zylinder eintreten.

[0006] Aber eben auch Luft aus dem Zylinder wieder austreten. Ein bestens bekannter negativer Nebeneffekt der Spülschlitze ergibt sich dabei insbesondere auch aus deren Zusammenwirken mit den Kolbenringen, wenn diese die Spülschlitze bei ihrer Bewegung in der Nähe des unteren Totpunkts passieren.

[0007] Über die Spülschlitze geht nämlich beim Passieren des Kolbenringpakets jedes Mal eine nicht unerhebliche Menge an Schmieröl verloren. Der Grund dafür ist, dass Im Kolbenringpaket immer eine bestimmte Menge an Schmieröl gespeichert ist, das sich während der Bewegung des Kolbens im Zylinder im Kolbenringpaket ansammelt und das zudem unter einem erhöhten Gasdruck steht, der im Wesentlichen während des Verbrennungsvorgangs im Kolbenringpaket aufgebaut wird und in diesem gespeichert wird. Wenn das Kolbenringpaket dann die Spülschlitze passiert, entlädt sich der im Kolbenringpaket gespeicherte Überdruck schlagartig über die Spülschlitze in den Receiverraum und befördert damit gleichzeitig den grössten Teil des im Kolbenringpaket ebenfalls gespeicherten Schmieröls durch die Spülschlitze in den Receiverraum. Somit können teilweise heisse Abgase und ein Nebel aus Öl, welches sich zum Zeitpunkt der Freigabe der Spülschlitze im Zylinder oder im Kolbenringpaket befindet, in die sogenannte Kolbenunterseite austreten. Das heisst, das im Kolbenringpaket befindliche Schmieröl kann durch den Überdruck im Ringpaket durch die Spülschlitze in die Kolbenunterseite spritzen sobald die Kolbenringe über den Bereich der Spülschlitze laufen. Dieses Schmieröl ist daher auch deswegen verloren, weil es sich an den Wänden der Kolben Unterseite niederschlägt und oft nur ein Bruchteil davon wieder zurück in den Zylinder geblasen wird.

[0008] Das führt also einerseits zum Verlust des relativ teueren Schmieröls und führt andererseits zu einer unnötigen Verschmutzung des Receiverraums. Darüber hinaus steht das Schmieröl bei der weiteren Bewegung des Kolbens nicht mehr zur Schmierung zur Verfügung.

[0009] Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine neue Zylinderanordnung für eine längsgespülte Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere für einen langsam laufenden Zweitakt-Grossdieselmotors bereitzustellen, die die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme, die insbesondere durch die Spülschlitze im unteren Bereich der bekannten Zylinderanordnung wesentlich bestimmt sind, vermeidet.

[0010] Die diese Aufgaben lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 5 gekennzeichnet.

[0011] Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

[0012] Die Erfindung betrifft somit eine Zylinderanordnung für eine längsgespülte Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere für einen langsam laufenden längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor, umfassend einen Zylinder mit einem Brennraumbereich und einem Einlassbereich, in welchem Zylinder ein Kolben entlang einer Zylinderachse zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin- und herbewegbar installierbar ist. Dabei ist am Zylinder im Einlassbereich des Zylinders ein Spüllufteinlass vorgesehen, so dass aus einem Receiverraum Spülluft über den Spüllufteinlass in den Brennraumbereich des Zylinders einbringbar ist. Erfindungsgemäss ist am Spüllufteinlass ein Verschlusselement derart vorgesehen und ausgestaltet, dass ein Gasstrom über den Spüllufteinlass aus dem Zylinder in den Receiverraum im Wesentlichen verhinderbar ist.

[0013] Durch das erfindungsgemässe Verschlusselement am Spüllufteinlass, das z.B. vor oder in den Spülluftschlitzen in Form eines Rückschlagventils vorgesehen sein kann, kann Frischluft, wie aus dem Stand der Technik an sich bekannt, in den Verbrennungsraum des Zylinders beim Spültakt einfliessen, aber nicht mehr aus dem Zylinder in den Receiverraum zurückfliessen. Dadurch ergeben sich positive Effekte in Bezug auf den Schmierölbedarf, der bei einer erfindungsgemässen Zylinderanordnung signifikant reduziert ist, weil praktisch keine blow out Verluste durch rückströmendes Gas aus dem Brennraum des Zylinders oder z.B. aus dem Kolbenringpaket des Kolbens mehr auftreten. Das führt darüber hinaus dazu, dass die Kolbenunterseite nicht mehr oder zumindest deutlich weniger stark verschmutzt wird und sich letztlich auch weniger Ölpartikel in der Spülluft und im Abgas befinden, so dass nicht nur die Abgaswerte verbessert sind, sondern an der Kolbenkrone auch weniger Ablagerungen und Verschmutzungen, wie Verkohlungen usw. auftreten.

[0014] Ausserdem ist es bei Benutzung einer erfindungsgemässen Zylinderanordnung möglich, das Auslassventil Steuerdiagramm positiv zu verändern, indem z.B. das Auslassventil später geöffnet wird, als bei bekannten Motoren. Und zwar ohne dass heisses Restgas sowie glühende Partikel aus dem Brennraum an die Kolbenunterseite gelangen. Diese Vorteile treten insbesondere bei mit Gas betriebenen Motoren deutlich zu Tage, da die Erfindung insbesondere mit Blick auf das bei Gasmotoren komprimierte Gas deutliche Sicherheitsvorteile bringt.

[0015] In einem speziellen Ausführungsbeispiel ist das Verschlusselement in Form einer Rückschlagklappe, bevorzugt durch ein Paar von Rückschlagklappen realisiert, die ein Einströmen in den Brennraum gestatten, aber ein Rückströmen von Gas durch die Spülschlitze aus dem Brennraum heraus unterbinden. Dabei kann das Verschlusselement im Prinzip beliebig ausgestaltet sein, sofern es die erfindungsgemässe Funktion erfüllt und den Kolben nicht in seinem Lauf im Zylinder behindert. So kann das Verschlusselement z.B. auch eine einseitig wirkende Verschlussmembran sein. Oder aber der Spüllufteinlass kann eine Spülluftöffnung, insbesondere eine Mehrzahl von Spülschlitzen umfassen, wobei die Spülluftöffnungen selbst als Rückschlagventile ausgestaltet sein können.

[0016] Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine längsgespülte Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere langsam laufenden längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor mit einer Zylinderanordnung umfassend ein einseitig wirkendes Verschlusselement, wobei die Hubkolbenbrennkraftmaschine bevorzugt mit Dieselöl und / oder Schweröl und / oder Gas als Brennstoff betreibbar ist.

[0017] Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: <tb>Fig. 1<sep>eine bekannte Zylinderanordnung mit Spülschlitzen im Längsschnitt; <tb>Fig. 2<sep>ein erstes Ausführungsbeispiel mit Rückschlagklappen; <tb>Fig. 3<sep>ein zweites Ausführungsbeispiel mit Verschlussmembran

[0018] Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung teilweise im Schnitt eine Zylinderanordnung V mit Zylinderliner 2 ́, Kolben 3 ́ und Frischluftzufuhrsystem 400 ́.

[0019] Die Zylinderanordnung 1 ́ der Fig. 1ist eine typische Anordnung, wie sie für längs gespülte Zweitakt-Grossdieselmotoren aus dem Stand der Technik wohl bekannt ist. Zur besseren Unterscheidung der bekannten Zylinderanordnung sind die entsprechenden Bezugszeichen mit einem Hochkomma versehen, während die Bezugszeichen zu Merkmalen erfindungsgemässer Zylinderanordnungen kein Hochkomma tragen.

[0020] Die Anordnung umfasst einen Zylinder 2 ́, der auch als Zylinderliner 2 ́ bezeichnet wird, in welchem ein Kolben 3 ́ entlang einer Zylinderwand des Zylinders 2 ́ hin- und her bewegbar angeordnet ist. Der Kolben 3 ́ umfasst eine Kolbenringpackung 31 ́, die hier schematisch mit lediglich zwei Kolbenringen dargestellt ist.

[0021] Der Brennraum 200 ́, der sich im Brennraumbereich 21 ́ des Zylinders 2 ́ befindet, ist darstellungsgemäss oben durch einen Zylinderdeckel mit Einspritzdüse und Auslassventil begrenzt.

[0022] Der Kolben 3 ́, der sich im Betriebszustand des Grossdieselmotors zwischen dem oberen Totpunkt OT’ und dem unteren Totpunkt UT’ hin- und herbewegt, ist über die Kolbenstange 8 ́ mit einem in Fig. 1 nicht dargestellten Kreuzkopf verbunden, von dem aus die hin- und her Bewegung des Kolbens 3 ́ auf die ebenfalls nicht dargestellte Kurbelwelle der Maschine übertragen wird. Die Kolbenstange 8 ́ ist durch den Receiverraum 401 ́, der sich darstellungsgemäss unten an den Einlassbereich 22 ́ des Zylinderliners 2 ́ anschliesst, und die Stopfbuchse 402 ́ geführt, die den Receiverraum 401 ́ gegen den darunter liegenden Kurbelwellenraum abdichtet, so dass keine Frischluft 41 ́, symbolisiert durch den Pfeil 41 ́, die ein ebenfalls nicht dargestellter Turbolader unter einem hohen Druck, z.B. unter einem Druck von vier bar in den Receiverraum 401 ́ zuführt, aus dem Receiverraum 401 ́ in den darunter liegenden Kurbelwellenraum 9 ́ gelangen kann.

[0023] Wie der Fig. 1 zu entnehmen und allgemein bekannt ist, liegt im Receiverraum 401 ́ immer der vom Turbolader erzeugte Gasdruck der Frischluft 41 ́ an, der somit konstruktionsbedingt auch immer an der Kolbenunterseite des Kolbens 3 ́ anliegt.

[0024] Nach einem Verbrennungsvorgang, der im Brennraum 200 ́ initiiert wird, wenn sich der Kolben 3 ́ ganz in der Nähe des oberen Totpunkts OT’ befindet, bewegt sich Kolben 3 ́ aufgrund des im Brennraum 200 ́ aufgebauten Verbrennungsdrucks in Richtung zum unteren Totpunkt UT’, wobei, wenn sich die Kolbenoberfläche unterhalb der Spülluftöffnung 4 ́ mit Spülschlitzen 221 ́ befindet, Spülluft 41 ́ über die Spülschlitze 4 ́ aus dem Receiverraum 401 ́ in den Brennraum 200 ́ gelangen kann, so dass diese für den nächstfolgenden Verbrennungsvorgang im Brennraum 200 ́ zur Verfügung steht.

[0025] Bei seinem Weg vom oberen Totpunkt OT bis zum unteren Totpunkt UT’ und zurück muss der Kolben zwangsläufig im Einlassbereich 22 ́ die Spülschlitze 4 ́ passieren, was die eingangs bereits eingehend beschriebenen negativen Folgen hat, die hier nicht mehr im Einzelnen wiederholt werden müssen.

[0026] Die Zylinderanordnung 1 der vorliegenden Erfindung unterscheidet dabei von der aus dem Stand der Technik bekannten Zylinderanordnung gemäss Fig. 1dadurch, dass an den Spülschlitzen erfindungsgemäss ein Verschlusselement vorgesehen ist, das derart als Rückschlagventil wirkt, dass ein Fluidsstrom, insbesondere Öl-Luftgemisch aus dem Zylinder heraus durch die Spülschlitze in den Receiverraum hinein weitgehend verhinderbar ist.

[0027] Zwei exemplarische Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemässen Zylinderanordnung sind in einem Querschnitt durch den Zylinder auf Höhe der Spülschlitze anhand der Fig. 2 und Fig. 3schematisch dargestellt.

[0028] Die erfindungsgemässe Zylinderanordnung 1 ist im Beispiel der Fig. 2 und Fig. 3 in einem langsam laufenden längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor vorgesehen, der einen Zylinder 2 mit einem nicht näher dargestellten Brennraumbereich und einem Einlassbereich 22 umfasst, in welchem Zylinder 2 ein ebenfalls nicht dargestellter Kolben in an sich bekannter Weise entlang einer Zylinderachse Z zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin- und herbewegbar installiert ist. Am Zylinder 2 ist im Einlassbereich 22 des Zylinders 2 ein Spüllufteinlass in Form von Spülschlitzen 4 derart vorgesehen, dass aus einem Receiverraum 401 Spülluft 41 über den Spüllufteinlass 4 in den Brennraumbereich des Zylinders 2 einbringbar ist, wie durch die Pfeile 41 in Fig. 2 und Fig. 3 schematisch angedeutet. Gemäss der vorliegenden Erfindung ist dabei am Spüllufteinlass 4 ein Verschlusselement 5, 51, 53 derart vorgesehen und ausgestaltet, dass ein Gasstrom über den Spüllufteinlass 4 aus dem Zylinder 2 zurück in den Receiverraum 401 im wesentlichen verhinderbar ist.

[0029] Dabei ist im Beispiel der Fig. 2das Verschlusselement 5 durch ein Paar aus Rückschlagklappen 51 gebildet, während bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 das Verschlusselement 5 durch eine einseitig wirkende Verschlussmembran gebildet ist.

[0030] Es versteht sich, dass die im Rahmen dieser Anmeldung beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich exemplarisch zu verstehen sind und die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist. Insbesondere können die beschriebenen Ausführungsbeispiele auch vorteilhaft kombiniert werden und der Fachmann versteht ohne weiteres einfache Weiterbildungen erfindungsgemässer Zylinderanordnungen, die durch die Erfindung selbstverständlich ebenfalls abgedeckt sind.

Claims (6)

1. Zylinderanordnung für eine längsgespülte Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere für einen langsam laufenden längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor, umfassend einen Zylinder (2) mit einem Brennraumbereich und einem Einlassbereich (22), in welchem Zylinder (2) ein Kolben entlang einer Zylinderachse (Z) zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin- und herbewegbar installierbar ist, und am Zylinder (2) im Einlassbereich (22) des Zylinders (2) ein Spüllufteinlass (4) vorgesehen ist, so dass aus einem Receiverraum (401) Spülluft (41) über den Spüllufteinlass (4) in den Brennraumbereich des Zylinders (2) einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Spüllufteinlass (4) ein Verschlusselement (5, 51, 53) derart vorgesehen und ausgestaltet ist, dass ein Gasstrom über den Spüllufteinlass (4) aus dem Zylinder (2) in den Receiverraum (401) im wesentlichen verhinderbar ist.

2. Zylinderanordnung nach Anspruch 1, wobei das Verschlusselement (5) in Form einer Rückschlagklappe (51) ausgestaltet ist.

3. Zylinderanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Verschlusselement (5) eine einseitig wirkende Verschlussmembran (53) ist.

4. Zylinderanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Spüllufteinlass (4) eine Spülluftöffnung, insbesondere eine Mehrzahl von Spülschlitzen umfasst, wobei die Spülluftöffnung bevorzugt als Rückschlagventil ausgestaltet ist.

5. Längsgespülte Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere langsam laufender längsgespülter Zweitakt-Grossdieselmotor mit einer Zylinderanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.

6. Längsgespülte Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 5, wobei die Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Dieselöl und/oder Schweröl und/oder Gas als Brennstoff betreibbar ist.