CN103422933A

CN103422933A - 用于润滑往复活塞式燃烧发动机的缸中活塞结构的方法和汽缸润滑装置

Info

Publication number: CN103422933A
Application number: CN2013101767942A
Authority: CN
Inventors: K·拉斯
Original assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Current assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2013-12-04
Also published as: KR20130127390A; EP2664754A1; JP2013238231A

Abstract

本发明涉及用于润滑往复活塞式燃烧发动机的缸中活塞结构的方法和汽缸润滑装置。润滑剂经由至少一个润滑剂开口被引入到汽缸套内以润滑活塞。为了以非常小量的润滑剂来有效润滑活塞，根据本发明，通过使润滑物与载流体在被引入汽缸套之前混合来产生待经由润滑剂开口被引入汽缸套内的润滑剂。为此，例如，润滑剂泵(237)可同时从润滑物容器(235)抽吸润滑物并从载流体容器(244)抽吸水的形式的载流体。润滑物和水混合以形成润滑剂，然后润滑剂被引入汽缸套。

Description

用于润滑往复活塞式燃烧发动机的缸中活塞结构的方法和汽缸润滑装置

技术领域

本发明涉及一种润滑往复活塞式燃烧发动机(特别是低速运行的大型柴油发动机)的缸中活塞结构的方法，以及涉及一种用于往复活塞式燃烧发动机(特别是低速运行的大型柴油发动机)的缸中活塞结构的汽缸润滑装置。

背景技术

大型柴油发动机经常用作船舶的驱动单元，或者也可平稳操作，例如用于驱动产生电能的大型发电机。在这方面，发动机通常在相当长的时间周期内持久运行，其对操作安全及有效性的要求很高。特别是长维修间隔、低磨损和燃料的经济处理以及操作材料因此是操作者操作机器的核心标准。这种大缸径的低速运行的柴油发动机的活塞运行行为是维修间隔长度、有效性、润滑油消耗、直接操作成本并因此还是操作效率的决定因素。大型柴油发动机润滑的复杂问题因此具有越来越大的意义。

在大型柴油发动机中，但不只是在它们中，对在汽缸(所谓的汽缸套)内来回移动的活塞的润滑是通过位于活塞或汽缸壁内的润滑装置来进行的。为此，润滑剂，例如润滑油的形式，被引入从而被施加到汽缸壁的运行表面上以使活塞和运行表面之间的摩擦最小化，从而减少运行表面以及被布置在活塞外围的活塞环的磨损。

为此，例如，US6,547,038B1描述了一种用于润滑大型二冲程柴油发动机形式的往复活塞式燃烧发动机的缸中活塞结构的方法和汽缸润滑装置。大型二冲程柴油发动机具有汽缸套和被布置为在汽缸套内沿活塞的轴线方向来回移动的活塞。润滑油形式的润滑剂通过油泵形式的输送装置可被传递到喷嘴形式的润滑剂开口，经由润滑剂开口，润滑油以油雾的形式被引入汽缸套。

已知各种方法来确定在特定的时间被特定润滑剂喷嘴所引入的润滑剂的量。在简单情况下，润滑剂的量取决于往复活塞式燃烧发动机的操作状态而被控制，可能同时还考虑例如作为负荷或速度的函数的燃料质量和所使用的润滑剂，也可基于已经实施的操作时间来考虑逆向运行的磨损状态。

除了润滑汽缸(也就是减少活塞和汽缸运行表面之间的摩擦，更准确地说，减少活塞环和汽缸壁的运行表面之间的摩擦)，润滑剂也可用于中和腐蚀性的酸，特别是包含有硫且出现在发动机的燃烧空间内的燃烧过程中的酸。取决于所使用的燃料，可使用不同种类的润滑剂，这些不同种类的润滑剂因它们的中和能力而不同，润滑剂的所谓BN值是中和能力的度量单位。因此，与低硫含量的燃料相比，对于具有高硫含量的燃料来说，使用高BN值的润滑剂更有优势，这是因为具有高BN值的润滑剂对酸具有更强的中和效果。润滑剂还可用作例如水的粘合剂，水可能会和扫气空气一起或以其他方式进入大型柴油发动机的汽缸。

在例如瓦锡兰的RTA发动机的现代发动机中，当今的润滑剂输送量大约在1.0g/kWh或更少，并且所需的润滑剂量和润滑剂被引入的正确时间应当尽可能确切地观察以有效润滑。

润滑剂通常经由多个润滑剂开口引入汽缸套，例如经由八个润滑剂开口，所以，每个引入过程引入少于0.1g的润滑剂，并且润滑剂开口具有指定的润滑剂量。

由于成本原因，润滑剂量应特别进一步地减少，这导致每个引入过程中更小的润滑油量以及润滑剂开口。时间和这么小的润滑剂量的精确计量与高技术相关联。此外，每个引入过程只产生很少的和很小的润滑剂滴。因此，存在产生的润滑剂滴甚至不能到达汽缸壁的运行表面的风险，所以不能实现有效的润滑。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于润滑往复活塞式燃烧发动机的缸中活塞结构的方法和汽缸润滑装置，其允许用即使很小量的润滑剂来实现活塞的有效润滑。

根据本发明，经由润滑剂开口引入汽缸套的润滑剂是通过使润滑物与载流体在引入汽缸套之前混合而生产的。因此，润滑剂的量大于润滑物的量，从而与单独的润滑物的量相比，可以更容易和更精确地计量所产生的润滑剂的量。此外，与引入纯的润滑物相比，在每个引入过程中可以产生更多的并且更大的润滑剂滴。

与引入纯的润滑物相比，增加润滑剂的引入量的影响可一方面被如上所述利用来进一步减少润滑物的量，而且还使得容易处理润滑剂的量。另一方面，与较小的润滑剂量相比，通常可以更容易和更精确地计量较大的润滑剂量。

增加的润滑剂量此外具有更大的优势。润滑剂开口在往复活塞式燃烧发动机的操作中被暴露于高热负荷下，冷却通过相对冷的润滑剂而发生。如果现在增加了润滑剂量，那么则可以导致润滑剂开口的更有效的冷却。

润滑物应该理解为减少活塞和运行表面之间的摩擦的物质。现有技术中，润滑物通常直接用于润滑汽缸。润滑物也可由不同组分的混合物组成。载流体因此无助于降低摩擦。也起不到改变如温度稳定性的润滑剂属性的作用。载流体的目的只是增加被引入汽缸的润滑剂的体积。

特别地，润滑物可以是润滑油。例如，可以使用所谓的HD柴油发动机油或中等碱性柴油发动机油。而且润滑油可以含有添加剂。

润滑物也可以是干润滑物，如钼亚硫酸盐或石墨。润滑物可以以粉末或者另外以乳液的形式使用。

还可能的是，可以将润滑油和干润滑物的组合用作润滑物。

载流体可以是气体的，特别是液体的。特别地，它应该更容易挥发，并且特别地具有比润滑物更高的闪点。例如，可将空气、空气组分、二氧化碳、惰性气体(如氮)、水或酒精或两个或以上的指定组分用作载流体。还可能的是，例如，载流体是轻质原油衍生品或易燃气体(如甲烷、乙烷)。

如果水被用作载流体，则特别有利。在这种情况下，润滑剂是润滑物和水的乳状液。在将润滑剂引入汽缸套时，水也就立即蒸发，并且润滑物就像只是单独引入了该润滑物那样起作用。

在本发明的一个实施方式中，润滑物与载流体按重量计以1∶2或更高的混合比相混合，“更高”应当理解为，例如，1∶3、1∶4等的比例。混合比的一种可能上限例如可以为1∶10。然而，如1∶20、1∶50或1∶100等的更高混合比例也是有可能的。

在本发明的一个实施方式中，输送装置从含有预混合的润滑剂的润滑剂容器输送润滑剂。因此在填充到润滑剂容器之前，润滑剂已经由润滑物和载流体混合好，然后再被灌到润滑剂容器中。根据本发明的方法的方法步骤因此已经在将润滑剂灌到润滑剂容器中之前发生。在这个过程中，有利地，不需要在汽缸润滑装置中设置用于混合润滑物和载流体的混合设备。这一方面允许使用便宜的汽缸润滑装置。另一方面，还可以以将纯润滑物用于润滑的方式来使用汽缸润滑装置。

在本发明的一个实施方式中，输送装置从润滑物容器输送润滑物，润滑物在到达润滑剂开口之前与载流体混合而形成润滑剂。因此，也可以使用不能与润滑物形成稳定的混合物的载流体。例如，这涉及水或所有气体的载流体。从这方面来说，润滑物和载流体的混合可发生在输送装置的上游或者下游。

在这方面，借助于输送装置，润滑物可以从润滑物容器输出，并且载流体可以从第一载流体容器输出。因此，仅仅需要一个输送装置，从而允许形成便宜的汽缸润滑装置。润滑物和载流体的混合于是在输送装置之前发生，也就是在输送装置的所谓的吸入管路中发生。

还可能的是，润滑物由润滑物输送装置从润滑物容器输出，并且载流体由载流体输送装置从第一载流体容器输出。因此，可能的是，非常准确地设定润滑物和载流体之间的期望的混合比。

此外，润滑物可以由润滑物输送装置从润滑物容器输送，并且载流体可从压力储存载流体的第二载流体容器中得到。这可以特别有利地用于气体的载流体。特别是，可控阀门可被布置在第二载流体容器和混合设备之间，通过所述可控阀门，可以非常准确地设定载流体的供应，并因此可以非常准确地实现润滑物和载流体之间所需的混合比。

上述目的还可以由用于往复活塞式燃烧发动机的缸中活塞结构的汽缸润滑装置所满足，所述往复活塞式燃烧发动机特别是大型二冲程柴油发动机，通过所述汽缸润滑装置，润滑剂可从润滑剂开口排出，并因此可被引入汽缸套。根据本发明，汽缸润滑装置具有混合设备，该润滑设备可与润滑剂开口流体连通。在输入侧，载流体可被提供给混合设备，并且润滑物可借助于润滑物输送装置来提供。混合设备被设计成使得载流体和润滑物可以混合而形成然后可以被提供给润滑剂开口的润滑剂。

附图说明

参考实施方式的下述描述并参考附图能够产生本发明的进一步的优点、特征和细节，其中相同的或具有相同功能的部件设定有相同的附图标记。

图1是大型二冲程柴油发动机的汽缸装置；

图2是被布置在汽缸套内并具有润滑剂供应的活塞；

图3是润滑剂供应的第二实施方式的细节；

图4是润滑剂供应的第三实施方式的细节；以及

图5是润滑剂供应的第四实施方式的细节。

具体实施方式

根据图1，汽缸装置具有缸中活塞结构10，该缸中活塞结构具有汽缸套11形式的汽缸和活塞12。而且，汽缸装置还具有新鲜空气供给系统13。

图1的汽缸装置是如现有技术中单流式排放式大型二冲程柴油发动机的典型的布置。

活塞12被布置在汽缸套11内，并能够沿汽缸套11的汽缸壁14往复活动。活塞12在两个反向点之间往复运动，即上止点(OT)和下止点(UT)，上止点(OT)被布置在下止点(UT)和排出阀16之间。

活塞12包括活塞环组件15，这里仅示意性地示出了两个活塞环，即，第一顶端活塞环18，其也被称为顶圈且其被设定为最接近排出阀16，因此也最接近燃烧空间17；以及第二活塞环19，其相对于排出阀16布置在第一活塞环18下方。

根据附图，燃烧空间17在顶部由汽缸盖20限定边界，汽缸盖20具有喷嘴21，燃料可以借助于该喷嘴喷射到燃烧空间17内，并且汽缸盖20还具有在图1中示出为处于开口位置的排出阀16。

活塞12以本身已知的方式经由活塞杆22连接到图1中未示出的十字头，并且在大型柴油发动机的操作中，活塞12的往复运动从十字头被传递到同样未示出的大型柴油发动机的曲轴。活塞杆22被引导穿过下活塞侧空间23和填料箱24，根据附图，相对于排出阀16而言，下活塞侧空间毗邻汽缸套11的底部，并且填料箱将下活塞侧空间和设定在该下活塞侧空间的下方的曲轴空间25密封开来，从而使得没有新鲜空气(由箭头26所示)可从下活塞侧空间23逸出到曲轴空间25中，前述新鲜空气由同样未示出的涡轮增压器在高压(如4bar的压力)下供应到下活塞侧空间23。

具有汽缸润滑装置127的缸中活塞结构110的细节在图2中示出。缸中活塞结构110在结构上与图1的缸中活塞结构10是相当的。然而，在图2中，只示出了缸中活塞结构110的与汽缸润滑装置127的描述相关的部件。

活塞112被设计为在内部由冷却油128冷却，冷却油128经由未示出的供给管线来提供和移除。

图2中，缸中活塞结构110的活塞112被示出为处于OT位置，在该OT位置，它位于上止点(OT)，并且因此其在大型柴油发动机的操作中瞬间不移动，从而具有为0的速度。在这方面，上止点(OT)对应于上活塞边缘129。上活塞边缘129由活塞112的套表面131沿图2中未示出的排出阀的方向的顶端的点限定。活塞112被布置成在汽缸套111内在图2中未示出的下止点的方向上沿活塞轴线A在轴向方向上往复移动。

活塞112被设计成两部分。它由所谓的活塞顶132和通过未示出的螺丝固定到活塞顶132的所谓的活塞裙133组成，其中，活塞顶132被布置在排出阀的方向，而活塞裙布置在未在图2中示出的下活塞侧空间的方向。活塞裙133具有圆柱形套表面，该圆柱形套表面的位于下活塞侧空间的方向的最低点限定下活塞边缘130。

活塞顶132的套表面131上设置有三个活塞环：位于排出阀的方向的第一顶端活塞环118；毗邻下活塞边缘130的方向的第二活塞环119；以及在下活塞边缘130的方向毗邻第二活塞环119的第三活塞环134。

汽缸润滑装置127具有润滑剂容器135，由电动机136驱动的润滑剂泵137可从所述润滑剂容器135输送润滑剂。在润滑剂泵137之后设置有阀门装置138，可以借助于该阀门装置来关闭或打开润滑剂供给管线140。阀门装置138由控制装置139控制。润滑剂供给管线140通向润滑剂开口141，该润滑剂开口被布置在汽缸套111中的轴向位置143上，且被布置成使得润滑剂可以被切向地引入汽缸套111。图2中只示出了一个润滑剂开口141；然而，汽缸润滑装置127总共具有均匀分布在汽缸套111外围的八个润滑剂开口。阀门装置138可由控制装置139对阀门装置138进行相应的控制而打开，并因此可以在润滑剂泵137和润滑剂开口144之间建立连接，并且润滑剂可因此被引入汽缸套111。这里，汽缸润滑装置127的确切结构没有更多的重要性，所以，以一种非常简化的方式示出了汽缸润滑装置127。

控制装置139主要根据往复活塞式燃烧发动机的操作点和燃料成分来确定引入润滑物的时间点和量。

在汽缸套111的与排出阀的方向相关的上部区域，汽缸套111具有冷却套142，该冷却套中布置有供冷却剂流过的冷却通道(未示出)。冷却套142用于冷却位于燃烧空间的区域的汽缸套111。润滑剂开口141被布置在冷却套142的区域内。润滑剂开口还可以被布置在冷却套下面。

润滑剂位于仅以非常示意性的方式示出的润滑剂容器135内，所述润滑剂是在灌注前通过混合特别是平均碱性柴油发动机油的形式的润滑物和轻质油衍生物的形式的载流体而制备的。润滑物和载流体之间按重量计的混合比高于1∶2，例如1∶5。除了轻质油衍生物之外，还可以使用不同的液体载流体与润滑物来制备稳定的混合物。

润滑剂供应227的第二实施方式的细节在图3中示出。在这方面，只示出了润滑剂供给管线240的通向未示出的润滑剂开口的那一部分。润滑剂供应227的操作非常类似于图2的润滑剂供应127，因此仅将描述两个润滑剂供应的主要差异。

润滑剂供应227具有容纳纯润滑油的润滑物容器235，并且润滑剂供应227还包括容纳作为载流体的水的单独的载流体容器244。润滑剂泵237的形式的输送装置具有抽吸管线245，经由该抽吸管线，润滑油可被从润滑物容器235吸出，并且水可被从载流体容器244中吸出，并因此可被输送。为此，抽吸管线245具有通到润滑物容器235的第一部分246和通到载流体容器244的第二部分247。这两个部分246、247结合成最终通向润滑剂泵237的共同的部分248。在所述共同的部分248，润滑油和作为载流体的水混合，因此共同的部分248可被称为混合设备。润滑剂泵237输送通过混合润滑油和作为载流体的水而产生的润滑剂进入润滑剂供给管线240，经由该润滑剂供给管线，润滑剂可以被引导到图3中未示出的润滑剂开口。因此，在共同的部分248和润滑剂开口之间存在流体连通，该流体连通可经由阀门装置238建立或分离。

润滑油和作为载流体的水之间的混合比，在共同的部分248内混合之后产生该混合比，可以通过适当选择抽吸管线245的第一部分246和第二部分247的直径来设定。润滑油和作为载流体的水之间按重量计的混合比大于1∶2，例如1∶5。混合比可总是保持相同，或例如可取决于操作条件而变化。

还可能的是，在抽吸管线中设定不同的隔膜用于设定指定的混合比。相反或此外，还可以提供可控的阀门。

图3中的润滑剂供应227具有一个润滑物容器和一个载流体容器。然而，也可存在多个润滑物容器和/或多个载流体容器。在这方面，混合比也可以总是保持相同，或例如可取决于操作条件而变化。润滑剂供应327的第三实施方式的细节在图4中示出。在这方面，只示出了润滑剂供给管线340的通向未示出的润滑剂开口的那一部分。润滑剂供应327的操作非常类似于图2的润滑剂供应127，因此仅将描述两个润滑剂供应的主要差异。

润滑剂供应327具有容纳纯润滑油的润滑物容器335，并且润滑剂供应327还包括容纳作为载流体的水的单独的载流体容器344。润滑物泵337的形式的输送装置从润滑物容器335中经由第一抽吸管线346吸出润滑油并将其输送到共同的管线部分348内。由第二电动机349驱动的水泵350形式的载流体输送装置将水的形式的载流体从载流体容器344中经由第二抽吸管线347吸出，并同样将其输送到共同的管线部分348内。在所述共同的管线部分248，润滑油和作为载流体的水混合，因此共同的管线部分348可被称为混合设备。共同的管线部分348被并入到润滑剂供给管线340，经由该润滑剂供给管线，润滑剂可以被引导到图4中未示出的润滑剂开口。因此，在共同的管线部分348和润滑剂开口之间存在流体连通，该流体连通可经由阀门装置338建立或分离。

润滑油和作为载流体的水之间的混合比，在共同的管线部分348内混合之后产生该混合比，可通过适当地设定润滑物泵337和水泵350的输送速率来设定。混合比可总是保持相同，或例如可取决于操作条件而变化。

还可能的是，在抽吸管线中设定不同的隔膜以用于设定指定的混合比。相反或此外，还可以提供可控的阀门。

可以存在进一步的润滑物容器和/或载流体容器。

润滑剂供应427的第三实施方式的细节在图5中示出。只示出了润滑剂供给管线440的通向未示出的润滑剂开口的那一部分。润滑剂供应427的操作非常类似于图2的润滑剂供应127，因此将仅描述两个润滑剂供应的主要差异。

润滑剂供应427具有容纳纯润滑油的润滑物容器435，并且润滑剂供应427还包括容纳作为载流体的空气的单独的载流体容器444。空气在相对于环境压力升高的压力下储存在载流体容器444中。还可以提供未示出的额外的泵，空气可通过该额外的泵而随后被输送到载流体容器444内。除了空气，例如，氮气或二氧化碳也可被储存在载流体容器中。

润滑物泵437形式的润滑物输送装置从润滑物容器435内经由抽吸管线446吸出润滑油并将其输送到混合设备448。载流体容器444同样经由供给管线447连接到混合设备448。阀门装置451被布置在供给管线447中，可以借助于所述阀门装置451来设定穿过供给管线447的所需流量。阀门装置451由控制装置452控制。因此，第二载流体容器444和混合设备448之间的流体连通可经由阀门装置451来建立。

润滑油和作为载流体的空气在混合设备448内混合。润滑剂供给管线440同样被连接到混合设备448，以便通过混合润滑油和作为载流体的空气而形成的润滑剂可经由润滑剂供给管线440引导到未在图5中示出的润滑剂开口。因此，在混合设备448和润滑剂开口之间存在流体连通，该流体连通可经由阀门装置438建立或分离。

润滑油和作为载流体的空气之间的混合比，在混合设备448内混合之后产生该混合比，可通过适当设定润滑物泵437和穿过连接管线447的空气流量的输送速率来设定。

Claims

1.一种润滑往复活塞式燃烧发动机的缸中活塞结构的方法，所述往复活塞式燃烧发动机尤其是大型二冲程柴油发动机，所述缸中活塞结构具有汽缸套(11，111)和活塞(12，112)，该活塞被布置为能在所述汽缸套(11，111)内沿活塞轴线(A)在轴向方向上往复运动，其中，润滑剂能借助于输送装置(137，237，337，350，437)被输送到润滑剂开口(141)，该润滑剂开口被设计并被布置成使得润滑剂能被引入所述汽缸套(11，111)，

其特征在于，

所述润滑剂是通过使润滑物与载流体在被引入所述汽缸套(11，111)之前混合而产生的。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，润滑油和/或固体润滑物被用作所述润滑物。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，水被用作所述载流体。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述润滑物与所述载流体按重量计以1∶2或更高的混合比进行混合。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的方法，其特征在于，所述输送装置(137)从容纳有已经混合好的润滑剂的润滑剂容器(135)输送所述润滑剂。

6.根据权利要求1到4中任一项所述的方法，其特征在于，输送装置(237，337，437)从润滑物容器(235，335，435)输送润滑物，该润滑物在到达所述润滑剂开口(141)之前与所述载流体混合而形成所述润滑剂。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，借助于所述输送装置(237)，润滑物从所述润滑物容器(235)输出并且载流体从第一载流体容器(244)输出。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，润滑物借助于润滑物输送装置(337)从所述润滑物容器(335)输出，并且载流体借助于载流体输送装置(350)从第一载流体容器(344)输出。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，润滑物借助于润滑物输送装置(437)从所述润滑物容器(435)输出，并且载流体从压力储存该载流体的第二载流体容器(444)移出。

10.一种用于往复活塞式燃烧发动机的缸中活塞结构的汽缸润滑装置，所述往复活塞式燃烧发动机尤其是大型二冲程柴油发动机，润滑剂能借助于所述汽缸润滑装置从润滑剂开口(141)排出，

其特征在于混合设备(248，348，448)，所述混合设备能与所述润滑剂开口(141)流体连通；载流体能被供给至所述混合设备，润滑物借助于润滑物输送装置(237，337，437)也能被供给至所述混合设备；并且所述混合设备被设计成使得所述载流体和所述润滑物混合而形成润滑剂。

11.根据权利要求10所述的汽缸润滑装置，其特征在于输送装置(237)，该输送装置能将润滑物从润滑物容器(235)输送到所述混合设备(248)并能将载流体从第一载流体容器(244)输送到所述混合设备(248)。

12.根据权利要求10所述的汽缸润滑装置，其特征在于润滑物输送装置(337)和载流体输送装置(350)，所述润滑物输送装置能从润滑物容器(335)输送润滑物，所述载流体输送装置(350)能从第一载流体容器(344)将载流体输送到所述混合设备(348)。

13.根据权利要求10所述的汽缸润滑装置，其特征在于润滑物输送装置(437)和第二载流体容器(444)，所述润滑物输送装置能从润滑物容器(435)将润滑物输送到所述混合设备(448)，所述第二载流体容器能压力储存载流体，并且所述第二载流体容器能与所述混合设备(448)流体连通。

14.一种用于往复活塞式燃烧发动机的缸中活塞结构，所述往复活塞式燃烧发动机尤其是大型二冲程柴油发动机，所述缸中活塞结构具有：

汽缸套(11，111)和活塞(12，112)，其中，所述活塞被布置为能在所述汽缸套(11，111)内沿活塞轴线(A)在轴向方向上往复运动；以及

根据权利要求10至13中任一所述的汽缸润滑装置(127)。