DE202020104923U1 - Cylinder unit with reduced top land - Google Patents
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads
- F02F1/004—Cylinder liners
Abstract
Zylindereinheit (1) für stationäre Gasmotoren im Hubraumbereich von 1,8 bis 2,2 Liter pro Zylinder mit einer zentralen Gemischbildung, welche ein Kolbenelement (2) mit einem Kolbenboden (4) bzw. einer Kolbenkrone, eine Laufbuchse (3) und ein ringförmiges Dichtungselement (6) umfasst, wobei das Kolbenelement (2) seitlich, im Bereich des Kolbenbodens (4), eine zum Kolbenboden (4) hin durch einen Feuersteg (7) begrenzte, radial angeordnete Nut (5) zur Aufnahme des Dichtungselements (6) aufweist, wobei sich der Feuersteg (7) von der Nut (5) bis zum Kolbenboden (4) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbuchse (3) mit einer Innenfläche, die sich von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende der Laufbuchse (3) erstreckt, wobei das Dichtungselement in einem Bereich zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende an der Laufbuchse anliegt, an ihrer Innenseite entlang der Hubachsenrichtung einen konstanten Radius aufweist, um die Höhe des Feuerstegs (7) und damit die Distanz der Nut (5) zur Aufnahme des Dichtungselements (2) zum Kolbenboden (4) und somit das Volumen, welches durch Feuersteg (7), Dichtungselement (6) und Laufbuchse (3) begrenzt ist und bis zum brennkammerseitigen Ende des Kolbenelements (2) reicht, zu minimieren.Cylinder unit (1) for stationary gas engines in the displacement range from 1.8 to 2.2 liters per cylinder with a central mixture formation, which has a piston element (2) with a piston head (4) or a piston crown, a liner (3) and an annular Sealing element (6), the piston element (2) laterally, in the area of the piston head (4), a radially arranged groove (5) for receiving the sealing element (6) bounded towards the piston head (4) by a top land (7) , the top land (7) extending from the groove (5) to the piston head (4), characterized in that the liner (3) has an inner surface which extends from a first end to a second end of the liner (3 ), wherein the sealing element rests against the bushing in an area between the first end and the second end, has a constant radius on its inside along the stroke axis direction, by the height of the top land (7) and thus the distance of the groove (5) to To minimize the mounting of the sealing element (2) to the piston head (4) and thus the volume that is limited by the top land (7), sealing element (6) and liner (3) and extends to the combustion chamber end of the piston element (2).
Description
Die Erfindung betrifft eine Zylindereinheit für stationäre Gasmotoren im Hubraumbereich von 1,8 bis 2,2 Liter pro Zylinder mit einer zentralen Gemischbildung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a cylinder unit for stationary gas engines in the displacement range from 1.8 to 2.2 liters per cylinder with a central mixture formation according to the preamble of claim 1.
Aus der
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine effizientere und nachhaltigere, damit auch umweltfreundlichere Zylindereinheit vorzuschlagen, die wenigstens teilweise die Nachteile des Standes der Technik verbessert.In contrast, the object of the invention is to propose a more efficient and more sustainable, and thus also more environmentally friendly, cylinder unit which at least partially improves the disadvantages of the prior art.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Zylindereinheit der einleitend genannten Art, durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.Based on a cylinder unit of the type mentioned in the introduction, this object is achieved by the features of claim 1. Advantageous embodiments and developments of the invention are possible through the measures mentioned in the subclaims.
Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Zylindereinheit dadurch aus, dass die Höhe des Feuerstegs und damit die Distanz der Nut zur Aufnahme des Dichtungselements zum Kolbenboden bzw. zur Kolbenkrone und somit das Volumen, welches durch Feuersteg, Dichtungselement und Laufbuchse begrenzt ist und bis zum brennkammerseitigen Ende des Kolbenelements reicht, vorteilhaft minimiert werden.Accordingly, a cylinder unit according to the invention is characterized in that the height of the top land and thus the distance of the groove for receiving the sealing element to the piston head or to the piston crown and thus the volume that is limited by the top land, sealing element and liner and up to the end of the combustion chamber Piston element is sufficient to be advantageously minimized.
Das Gasgemisch in diesem Volumen wird beim Zünden während des Arbeitszyklus aufgrund der Lage im Zylinder von der Zündungsflamme erst spät erreicht und nur teilweise oder gar nicht umgesetzt und trägt daher zu nutzlosem Rohstoff- und Energieverbrauch bei, gehört also zum sogenannten Schadraum des Zylinders. Mit einer Verkleinerung dieses Volumens kann also die Effizienz und Nachhaltigkeit eines Motors gesteigert werden, weil das effektiv zur Verbrennung verwendete Volumen erhöht bzw. optimiert wird. Dies kann bewerkstelligt werden, indem man den Feuersteg in seiner Ausdehnung in Kolbenhubrichtung verringert und damit das Dichtungselement näher in Richtung des Kolbenbodens bzw. einer Kolbenkrone positioniert. Aus umwelttechnischer Sicht ergibt sich dadurch der Vorteil, dass weniger Kraftstoff verwendet werden muss um den Motor zu betreiben. Durch den verkleinerten Schadraum wird zusätzlich die während des Verbrennungszyklus ausgestoßene Menge an nicht verbranntem Kraftstoff vermindert. Der verringerte Methanschlupf wirkt sich daher positiv auf die klimaschädliche Wirksamkeit des Motorenabgases aus, da Methan einen hohen Treibhauseffekt bewirkt, vielfach höher als beispielsweise Kohlenstoffdioxid.The gas mixture in this volume is reached late by the ignition flame when igniting during the working cycle due to its position in the cylinder and is only partially or not converted at all and therefore contributes to useless raw material and energy consumption, i.e. it belongs to the so-called dead space of the cylinder. With a reduction in this volume, the efficiency and sustainability of an engine can be increased, because the volume effectively used for combustion is increased or optimized. This can be achieved by reducing the extent of the top land in the piston stroke direction and thus positioning the sealing element closer in the direction of the piston crown or a piston crown. From an environmental point of view, this has the advantage that less fuel has to be used to operate the engine. The reduced dead space also reduces the amount of unburned fuel emitted during the combustion cycle. The reduced methane slip therefore has a positive effect on the climate-damaging effectiveness of the engine exhaust, since methane has a high greenhouse effect, many times higher than, for example, carbon dioxide.
Es wird also einerseits grundsätzlich weniger Methan als Kraftstoff, was zuvor extern zentral gasförmig homogen mit der Verbrennungsluft vorgemischt wurde, in den Kolben eingeleitet und davon wiederum ein höherer Anteil verbrannt, sodass sehr viel weniger Methan in jedem Zyklus ausgestoßen wird.On the one hand, therefore, basically less methane than fuel, which was previously mixed externally in gaseous homogeneous form with the combustion air, is introduced into the piston and a higher proportion of it is burned so that much less methane is emitted in each cycle.
Die Laufbuchse weist dabei idealerweise an Ihrer Innenseite bzw. ihrer Innenfläche, die sich von einem ersten zu einem zweiten Ende der Laufbuchse erstreckt, wobei das Dichtungselement im Bereich zwischen der ersten und zweiten Ende an der Laufbuchse anliegt, entlang der Hubachsenrichtung einen konstanten Radius auf.The liner ideally has a constant radius on its inside or its inner surface, which extends from a first to a second end of the liner, the sealing element in the area between the first and second end of the liner, along the stroke axis direction.
Aufgrund des einheitlichen Radius ergeben sich ferner eine geringere Oberfläche und weniger Kanten, an denen sich Partikel absetzen können, die zu einem größeren und schnelleren Verschleiß führen.The uniform radius also results in a smaller surface and fewer edges on which particles can settle, which lead to greater and faster wear.
Konstruktionsgemäß bildet sich zwischen Kolbenelement und Laufbuchse ein Spalt, so dass das Kolbenelement innerhalb der Laufbuchse oszillieren kann. Das zu verbrennende Gas-Gemisch wird in die sich kolbenbodenseitig befindende Brennkammer eingeleitet. Um eine Ausbreitung des Brennstoffs, hier des Gas-Gemisches neben oder gar unterhalb des Kolbenelements und um eine dadurch bei der Verbrennung erfolgende, zumindest teilweise entgegen der gewünschten Hubrichtung liegende Ausdehnung zu vermeiden, wird unterhalb des Feuerstegs wenigstens ein Dichtungselement, auch Kolbenringe genannt, so angeordnet, dass durch mechanische Abdichtung ein Ausbreiten des Gas-Gemisches verhindert wird.According to the design, a gap is formed between the piston element and the liner, so that the piston element can oscillate within the liner. The gas mixture to be burned is introduced into the combustion chamber on the piston bottom side. In order to avoid a spread of the fuel, here the gas mixture next to or even below the piston element and to avoid an expansion that occurs during the combustion, at least partially against the desired stroke direction, at least one sealing element, also called piston rings, is placed below the top land arranged that a spreading of the gas mixture is prevented by mechanical sealing.
Technisch ist diese Anordnung des Dichtungselements näher zum Kolbenboden bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dadurch begünstigt, wenn auf das Abstreifelement, wie es im Stand der Technik verwendet wird, verzichtet wird. Bei einer Kombination aus näher zum Kolbenboden hin angeordneten Dichtungselement und einem Abstreifelement würde sich das Dichtungselement beim Oszillieren des Kolbenelements entweder permanent über das Abstreifelement bewegen bzw. müsste stets die räumlich entstehende Stufe zwischen Laufbuchse und Abstreifelement überwinden, was bautechnisch nicht möglich ist. Bei einem permanenten Verschieben des Dichtungselements auf die Höhe des Abstreifelements kann das Abstreifelement seinen Zweck, Partikel vom Kolbenelement abzustreifen, nicht mehr erfüllen, da der nötige mechanische Kontakt zum Kolbenelement nicht vorhanden ist.Technically, this arrangement of the sealing element closer to the piston head in one embodiment of the invention is favored if the wiper element, as used in the prior art, is dispensed with. With a combination of a sealing element arranged closer to the piston head and a wiper element, the sealing element would either move permanently over the wiper element when the piston element oscillated or would always have to overcome the spatially arising step between the liner and wiper element, which is not structurally possible. With a permanent displacement of the sealing element to the level of the stripping element, the stripping element can be Purpose of scraping particles from the piston element no longer fulfilled, since the necessary mechanical contact with the piston element is not available.
Bei einer zu überwindenden Stufe an der Innenwand der Laufbuchse müsste das Dichtungselement zwei verschiedene Spaltbreiten von Kolbenelement zu Laufbuchse respektive Abstreifelement überbrücken. Um in beiden Fällen abzudichten, muss das Dichtungselement groß genug sein um die größere Spaltbreite zu überbrücken, was zur Folge hat, dass das Dichtungselement bei einem Kolbenhub auf Höhe des Abstreifelements gestaucht wird. Eine so hohe Beanspruchung des Dichtungselements würde zu einer weit beschleunigten Abnutzung dessen und dadurch zu einem stark erhöhten Risiko von Motorschäden wie Kolbenfressern führen.In the case of a step to be overcome on the inner wall of the liner, the sealing element would have to bridge two different gap widths from piston element to liner or scraper element. In order to seal in both cases, the sealing element must be large enough to bridge the larger gap width, with the result that the sealing element is compressed during a piston stroke at the level of the stripping element. Such a high stress on the sealing element would lead to a much accelerated wear of it and thereby to a greatly increased risk of engine damage such as piston seizure.
Das Abstreifelement ist im Stand der Technik an der Laufbuchse angeordnet. Bei einer Anordnung an einer Laufbuchse mit kontinuierlichem Radius im Sinne der Erfindung erfordert die räumliche Ausdehnung des Abstreifelements bautechnisch einen größeren Spalt zwischen Kolbenelement und Laufbuchse, was zu einem erweiterten Schadraum und zu einem höheren Treibstoffverbrauch führt.In the prior art, the stripping element is arranged on the cylinder liner. In the case of an arrangement on a cylinder liner with a continuous radius within the meaning of the invention, the spatial expansion of the stripping element requires a larger gap between piston element and cylinder liner, which leads to an enlarged dead space and higher fuel consumption.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung wird auf ein Abstreifelement verzichtet. Durch die Verbrennung von Gasen ist die Rußbildung sehr stark vermindert verglichen mit der Verbrennung von flüssigen Kraftstoffen, weshalb auf ein Abstreifelement ohne Schaden für den Motor verzichtet werden kann. Aufgrund der Tatsache, dass kein flüssiger Kraftstoff verwendet wird ist auch ein Schutz vor Öltropfen nicht notwendig.In the present exemplary embodiment of the invention, a stripping element is dispensed with. The combustion of gases greatly reduces the formation of soot compared to the combustion of liquid fuels, which is why a scraper element can be dispensed with without damaging the engine. Due to the fact that no liquid fuel is used, protection against oil drops is also not necessary.
Die Umrüstung eines Dieselmotors auf eine Verbrennung von Gas, insbesondere Biogas, ist im Hubraumbereich von 1,8 bis 2,2 Liter pro Zylinder technisch gut umsetzbar und wirtschaftlich praktikabel. Weiter ist wenigstens in diesem Hubraumbereich eine Vermeidung des Abstreifelements realisierbar.The conversion of a diesel engine to the combustion of gas, in particular biogas, is technically easy to implement and economically feasible in the displacement range from 1.8 to 2.2 liters per cylinder. Furthermore, avoidance of the stripping element can be implemented at least in this displacement range.
Vorzugsweise wird der im Wesentlichen zylindrisch aufgebaute Feuersteg bei einem Hub des Kolbenelements von 100 mm bis 200 mm mit einer zum Radius senkrechten Ausdehnung von 4-8 mm gefertigt, wobei vorzugsweise die Höhe des Feuerstegs 5,5 mm und der Hub des Kolbenelements 140-160 mm beträgt. Durch die stark verringerte Höhe des Feuerstegs kann das Dichtungselement sehr viel höher angeordnet werden, was zur Folge hat, dass das Volumen zwischen Feuersteg, Dichtungselement und Laufbuchse bedeutend verringert wird.The essentially cylindrical top land is preferably manufactured with a piston element stroke of 100 mm to 200 mm with an extension of 4-8 mm perpendicular to the radius, the height of the top land 5.5 mm and the stroke of the piston element 140-160 mm. Due to the greatly reduced height of the top land, the sealing element can be arranged much higher, with the result that the volume between the top land, sealing element and liner is significantly reduced.
Es ist zudem von Vorteil, wenn der Feuersteg in seiner radialen Ausdehnung dergestalt ausgebildet ist, dass die Zylindereinheit zwischen Feuersteg und Laufbuchse einen Spalt mit einem Kolbenhub-Spaltmaß-Verhältnis von 250:1 - 350:1, insbesondere von 280:1, 308:1 und 320:1, aufweist. Da Feuersteg und Laufbuchse die seitlichen Grenzen des Schadvolumens bilden, führt eine Verringerung des Abstands dieser beiden Elemente nach den genannten Verhältnissen zu einer deutlichen Verringerung dieses Volumens.It is also advantageous if the radial extension of the top land is designed in such a way that the cylinder unit has a gap between the top land and liner with a piston stroke / gap dimension ratio of 250: 1 - 350: 1, in particular 280: 1, 308: 1 and 320: 1. Since the top land and cylinder liner form the lateral boundaries of the damaged volume, a reduction in the distance between these two elements according to the above-mentioned conditions leads to a significant reduction in this volume.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is explained in more detail below with reference to the figures.
Im Einzelnen zeigt:
-
1 Teilausschnitt eines schematischen Aufbaus einer Zylindereinheit nach Stand der Technik mit Abstreifelement, -
2 Teilausschnitt eines schematischen Aufbaus einer Zylindereinheit gemäß der Erfindung.
-
1 Partial section of a schematic structure of a cylinder unit according to the prior art with a stripping element, -
2 Partial section of a schematic structure of a cylinder unit according to the invention.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- ZylindereinheitCylinder unit
- 22
- KolbenelementPiston element
- 33
- LaufbuchseLiner
- 44th
- KolbenbodenPiston crown
- 55
- NutGroove
- 66th
- DichtungselementSealing element
- 77th
- FeuerstegTop land
- 88th
- AussparungRecess
- 99
- AbstreifelementWiper element
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102018205673 A1 [0002]DE 102018205673 A1 [0002]
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE202020104923.2U DE202020104923U1 (en) | 2020-08-26 | 2020-08-26 | Cylinder unit with reduced top land |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE202020104923.2U DE202020104923U1 (en) | 2020-08-26 | 2020-08-26 | Cylinder unit with reduced top land |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE202020104923U1 true DE202020104923U1 (en) | 2020-09-08 |
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ID=72613208
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE202020104923.2U Active DE202020104923U1 (en) | 2020-08-26 | 2020-08-26 | Cylinder unit with reduced top land |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE202020104923U1 (en) |
-
2020
- 2020-08-26 DE DE202020104923.2U patent/DE202020104923U1/en active Active
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