EP2133520A1 - Piston for a cylinder of a large motor, lubricating device and method with such a piston - Google Patents
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- EP2133520A1 EP2133520A1 EP09165085A EP09165085A EP2133520A1 EP 2133520 A1 EP2133520 A1 EP 2133520A1 EP 09165085 A EP09165085 A EP 09165085A EP 09165085 A EP09165085 A EP 09165085A EP 2133520 A1 EP2133520 A1 EP 2133520A1
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- F01M2011/022—Arrangements of lubricant conduits for lubricating cylinders
Definitions
- the invention relates to a piston for a cylinder of a large engine and a lubricating device and a lubricating method with such a piston according to the preamble of the independent claim of the respective category.
- Large engines especially in the design as large diesel engines, which may be configured as two-stroke or four-stroke internal combustion engines, are often used as drive units for ships or in stationary operation, e.g. used to drive large generators for generating electrical energy.
- the large engines usually run for long periods in continuous operation, which places high demands on the reliability and availability. Therefore, for the operator in particular long maintenance intervals, low wear and an economical handling of the operating materials are central criteria.
- the piston slides on the serving as a running surface surface of the wall of the cylinder, which is usually designed in the form of a cylinder liner (liner) along.
- a cylinder or piston lubrication is provided.
- the piston must be as possible on the other hand, the piston must seal the combustion chamber in the cylinder as well as possible, in order to ensure efficient conversion of the energy released during the combustion process into mechanical work.
- a lubricating oil is introduced into the cylinder to achieve good running characteristics of the piston and to minimize the wear of the tread, the piston and the piston rings. Furthermore, the lubricating oil is used to neutralize aggressive combustion products and to prevent corrosion. Because of these many requirements, very high quality and expensive substances are often used as lubricants.
- a proven method is the so-called internal lubrication, in which the lubricant, typically a lubricating oil, is conveyed through the interior of the piston and then via one or more lubrication points, which are provided on the surface of the piston from the piston interior to the piston or on the cylinder surface is applied.
- the lubricant typically a lubricating oil
- Such a method is used, for example, in EP-A-0 903 473 disclosed.
- a piston for a cylinder of a large engine which has a piston body which contains a reservoir for receiving a lubricant, wherein the piston body is peripherally bounded by a piston skirt, wherein the reservoir is connected via a lubricant line with the piston skirt, and an infeed is provided, which is designed for releasable connection with a lubricant source, wherein the feed opens into the reservoir and wherein the lubricant line opens into a lubricant collecting element.
- the lubrication can be adapted to the duty cycle of the engine without great expenditure on equipment.
- the reservoir of the piston lubricant is always available and therefore can be applied to the cylinder surface or the piston surface if and only if it is particularly favorable and efficient in relation to the duty cycle.
- the lubricant collecting element By means of the lubricant collecting element, the lubricant located on the running surface is collected and removed via an opening in the lubricant collecting element. This optimization can also significantly reduce the amount of lubricant required or the lubrication rate.
- the lubricant which has been removed by means of the lubricant collecting element, passes through a lubricant line into the reservoir and is thus available for further lubrication.
- a lubricant removal device can be provided, which is connectable to the lubricant line.
- a supply line is provided, which extends from the storage space to a lubrication point, which is provided on the surface of the piston, so that lubricant from the storage space to the lubrication point can be conducted, wherein in the supply line a closing member is provided.
- a delivery device can be provided in the piston in order to convey the lubricant from the storage space through the supply line to the lubrication point.
- This conveyor serves to increase the pressure in the reservoir of the piston after its filling, so as to Apply lubricant through the supply line and lubrication point.
- the conveyor comprises a delivery piston for the lubricant, which is configured and arranged so that it can be acted upon in the operating state with the combustion chamber side pressure in the cylinder.
- the pressure in the combustion chamber of the cylinder can be used to transport the lubricant to the lubrication point.
- the conveyor comprises a spring-loaded delivery piston to promote the lubricant from the storage space to the lubrication point.
- the piston has a plurality of piston rings, wherein the lubrication point is arranged between two piston rings with respect to the axial direction defined by the piston axis. Since the lubricant is introduced between the piston rings and not on the combustion chamber side, ie with respect to the normal position of use above the first piston ring, or above the Schmierstoffammelement, unnecessary burning of the lubricant and the associated adverse coking is at least significantly reduced.
- the lubricant is distributed by the uppermost, that is, the piston ring placed next to the piston ring, during the downward movement of the piston and through the lowermost Piston ring, the lubricant is distributed during the piston upward movement.
- the piston skirt encloses at a first end a piston surface, that is the Kolbenmatel represents the edge of the piston surface.
- a preferred measure is that a piston ring is provided, which is designed as a lubricant distributor ring.
- the primary purpose of this lubricant distributor ring is to distribute the lubricant with respect to the circumferential direction of the cylinder surface.
- the lubricant distribution ring can be arranged between two piston rings, which distribute the lubricant mainly with respect to the axial direction.
- a closing member may be provided in the lubricant line. This arrangement is particularly advantageous when the lubricant line is used as a supply and discharge for lubricant.
- the closing member may in particular be set such that it has an opening pressure of 1 to 5 bar, preferably 2 to 5 bar, particularly preferably around 4 bar. In this case, the closing member remains closed to the pressure in the cylinder space, as long as it is not opened by means of a lifting device to drain lubricant or supply lubricant.
- a closing member may be provided in each of the supply lines.
- the closing member in each supply line and in the lubricant line is preferably designed as a check valve.
- a locking device is provided, which is designed such that it closes the flow connection between the reservoir and each supply line in cooperation with the lubricant source. In this way it can be ensured that leakage of the lubricant through the supply lines and the lubrication points is avoided during the filling of the storage space.
- the invention proposes a lubricating device for the cylinder of a large engine, comprising a piston according to the invention, wherein the piston skirt is surrounded by a lubricating space for lubricating a running surface of a cylinder, and a lubricant source with a filling device, which is releasably connectable to the feed and cooperates with the piston so that only a lubricant from the lubricant source into the reservoir can be introduced when the filling device is connected to the feed, wherein the reservoir is connectable to a lubricant collecting element, so that lubricant from the lubricant chamber is traceable into the reservoir.
- the reservoir of the piston can be filled with lubricant as needed, with the application of the lubricant to the tread and the collection of lubricant from the tread being decoupled from this process.
- the reservoir of the piston is thus filled, but the lubricant is only applied to the tread when it is cheap and efficient with respect to the duty cycle.
- lubricant which is passed from the lubricant collecting element into the storage space, can be removed from the storage space via a lubricant removal device which can be docked to the feed.
- contaminated lubricant can be removed from the storage space and the supply lines and replaced by correspondingly pure lubricant.
- a variant is that the filling device or the lubricant removal device are arranged so that in the operating state, the feed and the filling device or lubricant removal device are connected at the bottom dead center of the movement of the piston and separate during the upward movement of the piston.
- the filling device or lubricant removal device is arranged so that in the operating state, the feed and the filling device or lubricant removal device are connected at top dead center of the movement of the piston and separate during the downward movement of the piston.
- the invention proposes a lubrication method for the cylinder of a large engine with a reciprocating piston arranged in the cylinder, in which method a supply of the piston during the movement of the piston is connected to a filling device of a lubricant source, a lubricant from the lubricant source the feed is introduced into a reservoir of the piston, the connection between the supply of the piston and the filling device is separated by the movement of the piston and then the lubricant is brought from the reservoir through a supply line to a lubrication point on the piston skirt.
- the lubricant is preferably introduced into the reservoir of the piston when the piston is in the top or bottom dead center of its movement.
- a large engine which is designed with a piston according to the invention or with a lubricating device according to the invention, or which is operated with a method according to the invention.
- Fig. 1 illustrates in a longitudinal sectional view a first embodiment of an inventive piston for a large engine, in particular for a large diesel engine, wherein the piston is generally designated by the reference numeral 1. Furthermore, an embodiment of a lubricant source 2 is shown, which forms an embodiment of a lubricating device 1,2 according to the invention together with the piston 1.
- the large diesel engine can be designed as a two-stroke or four-stroke engine. In the following reference is made to the case that it is a longitudinally-flushed two-stroke large diesel engine.
- the piston 1 has a piston axis A, which defines the axial direction, and is arranged in a known manner movable back and forth in a cylinder 3, which has a wall 31 which may be configured as a cylinder insert or liner or as a liner.
- the piston moves substantially in a bore of the cylinder
- the inwardly facing surface of the wall 31 forms a running surface 32, along which the piston 1 moves in the operating state.
- the piston 1 limited with his according to the upper end of a combustion chamber 4, in which the combustion process takes place, and usually has a plurality, here three piston rings 11, 12, 13, which are also referred to collectively as a piston ring package.
- a lubricant such as a lubricating oil on the tread 32, which lubricates the piston 1, the piston ring package and the tread 32 in order to achieve good running characteristics of the piston 1 and the wear of the cylinder wall, in particular the tread 32, the piston 1 and the piston rings 11, 12, 13 to keep as low as possible.
- the lubricant is used to neutralize aggressive combustion products and to prevent corrosion, such as sulfur corrosion.
- the lubricating oil forms on the running surface 32 a lubricating oil film, not shown, which is in constant contact with the piston rings 11, 12, 13.
- the inventive piston 1 is designed for internal lubrication, that is, the lubricant is applied from the interior of the piston 1 out on the tread 32 and on the lateral surface of the piston 1.
- a reservoir 5 for the lubricant which can be designed as a cavity or as a tank. From this storage space 5, two supply lines 6 designed as bores each extend up to a lubrication point 61 on the piston skirt 16 of the piston 1.
- the number of two leads 6 relates only to the axial direction.
- a plurality of supply lines 6 may be provided at the same axial height. The number of supply lines depends on the need for a shoe.
- a closing member 62 is provided in each case, which is designed here in each case as a pressure holding or check valve 62.
- Each check valve 62 is designed to block in the direction of the storage space 5, that is, it prevents backflow of the lubricant or other fluids, e.g. of the combustion gas or the scavenging air from the lubrication point 61 into the storage space 5.
- the valve opens as soon as the pressure difference becomes greater than its opening pressure, which is referred to below as p1.
- the opening pressure p1 may be the same for the two check valves 61, but it is also possible that each of the check valves 61 has a different opening pressure p1.
- the lubrication points 6 are arranged with respect to the axial direction defined by the piston axis A between two adjacent piston rings 11, 12, 13, that is, one of the two lubrication points 61 is provided between the first piston ring 11 and the second piston ring 12 and the second lubrication point 61 between the second piston ring 12 and the third piston ring 13 is provided.
- first piston ring 11 while the one piston ring is meant, which is located closest to the combustion chamber 4.
- a feed 7 is provided, which is designed here as a feed channel or feed line, and which starts at the underside of the piston 1 according to the illustration and in the Reservoir 5 opens.
- the feed 7 is designed for detachable connection to the lubricant source 2, as will be explained later.
- a further closing member 72 is provided, which is configured as a pressure-holding or check valve 72.
- the check valve 72 prevents with its blocking function a leakage of the lubricant from the reservoir 5 through the feed 7. In the reverse direction, the check valve 72 opens as soon as the applied pressure difference exceeds its opening pressure p2.
- the lubricant source 2 is arranged stationary with respect to the motor housing and comprises a reservoir 21, in which the lubricant is provided, a filling device 22, which is provided for cooperation with the feed 7, and a pump 23, which supplies the lubricant from the reservoir 21 to the Filling device 22 promotes.
- the filling device has a closing member 24, which can be configured as a check valve. The closing member 24 prevents leakage of the lubricant from the filling device 22.
- a conveyor 8 is provided to promote the lubricant from the storage space 5 through the leads 6 to the lubrication points 61.
- the conveyor 8 is designed as a diaphragm piston with a membrane 81.
- a channel 82 which extends through the piston 1 and above, that is, the combustion chamber side of the first piston ring 11 opens into the surface of the piston 1.
- the side facing away from the reservoir 5 side of the diaphragm 81 is acted upon by the pressure in the combustion chamber 4 and the pressure in the cylinder above the first piston ring 11.
- the storage chamber 5 facing side of the diaphragm piston 8 is acted upon by the pressure of the lubricant in the reservoir 5.
- the basic mode of operation of the piston 1 according to the invention is as follows:
- the lubricant source 2 with the filling device 22 functions as a "filling station" for filling the storage space 5 in the piston.
- the reservoir 5 in the piston 1 and the lubricant source 2 are cyclically coupled in the lower (or upper) dead center of the piston movement via the feed 7 and the filling device 22, so that during this interaction, the reservoir 5 is filled in the piston 1 with lubricant.
- the closing member 24, which prevents the lubricant from flowing out of the lubricant source 2, is opened during the coupling or while the infeed 7 and the filling device 22 are connected to one another, so that the lubricant can flow from the lubricant source 2 into the storage space 5.
- This opening of the closing member 24 can be purely mechanical, or by an electrical, hydraulic or pneumatic control.
- the storage space 5 is connected via a lubricant line 10 with the piston skirt 16, wherein the lubricant line 10 opens into a lubricant collecting element 14.
- a lubricant collecting element 14 is arranged in an annular recess 19 of the piston skirt.
- the lubricant collecting element 14 is thus according to Fig. 1 a piston ring having an annular body 20 which preferably has at least one groove 28 delimited by two lips 26, 27.
- the lips 26, 27 are in touching contact with the running surface 32. Between the lips, the outer peripheral groove 28 is formed.
- the lips 26, 27 thus form the sliding surface 32 of the lubricant collecting element 14 that slides along the running surface 32 and that is in frictional contact with the running surface 32.
- the Lubricant collecting element 14 in the operating state to collect lubricant in the recess 19 and store, so that locally excess lubricant can be collected. This collected lubricant is no longer available on the tread 32, but can be applied to the cylinder tread from the recess when needed at locations that have an increased lubricant requirement.
- the lubricant collecting element 14 thus functions not only as a collecting element for the lubricant in the operating state of the large diesel engine, but also can remove lubricant from the running surface. In this function, it is similar to a lubricant scraper.
- the lubricant collecting element 14 also has a function as a lubricant distribution element.
- the body 29 may include an opening 30 through which lubricant from a source of lubricant may be introduced into the groove 28 of the lubricant collection element or, conversely, excess lubricant may be withdrawn from the tread 32.
- the lubricant collecting element is in touching contact with the running surface 32 because it performs a sealing function with respect to gas from the cylinder space 20 containing the crankshaft.
- this cylinder chamber 20 is also referred to as a receiver space containing fresh air, which is usually provided by a turbocharger, not shown.
- the pressure of the fresh air which is supplied via scavenging ports to the combustion chamber 4 when the piston 1 is in the range of bottom dead center.
- the fresh air is under overpressure, which is usually in the range of 1 to 5 bar, preferably 2 to 5 bar, in particular, for example, the 4 bar.
- a spring element 33 may be provided which extends between the Recess 19 and the body 29 of the lubricant collecting element is located.
- Fig. 2 shows a sectional view of the filling device 22 and the closing member 24.
- the filling device 22 has a filling space 221, in which a coming of the pump 23 supply line 222 opens.
- a check valve 223 is provided in the supply line 222.
- the filling space 221 further has a partially conically extending outlet 224, in which a cone 241 of the closing member 24 is located.
- the cone 241 is pressed by a spring 244 in the conical part of the output 224 so that it in the closed state, the in Fig. 2 is shown, the output 224 closes.
- the cone 241 has an inner channel 242, which is connected via bores 243 with the outer space of the cone 241.
- the lubricating oil or the lubricant is pumped through the supply line 222 into the filling space 221 of the filling device 22.
- the pump 23 introduces the lubricant into the filling space 221 with a filling pressure p3.
- a pin 73 is provided with an inner bore at the bottom of the piston 1 at the mouth of the feed 7, so that lubricant can flow through the pin 73 in the feed 7.
- the pin 73 is formed so that it can penetrate into an outlet of the filling device 22.
- the check valves 62 ensure that during the filling of the reservoir 5 no lubricant passes through the leads 6 to the lubrication points 61. After filling, the lubricant in the reservoir 5 is substantially at the filling pressure p3, which is smaller than the opening pressure p1 of the check valves 62 and greater than the opening pressure of the check valve 72nd
- the air in the cylinder 3 is compressed on the combustion chamber side of the piston 1 during its upward movement.
- This pressure in the combustion chamber 4 or on the combustion chamber side of the first piston ring 11 is also applied to the membrane 81 of the conveyor 8 via the channel 82.
- This increases the diaphragm piston 8, the pressure in the reservoir 5. If the pressure has risen so far that the pressure difference across the check valves 62 is greater than the opening pressure p1 of the check valves 62, so they open and the lubricant passes through the leads 6 to the lubrication points 61 and from there to the tread 32. The lubrication begins.
- the diaphragm piston 8 is adjusted so that it reacts as accurately as possible above a specified pressure. This makes it possible for the lubricant to be introduced into the cylinder 3 exactly where it is needed or where it is most efficient.
- the opening of the channel 82 is chosen sufficiently large that it does not come to a coking of this opening during operation. A coking is further prevented by the fact that the lubricant is injected not above, so the combustion chamber side of the first piston ring 11, but between the piston rings 11, 12, 13. This ensures safe operation.
- the diaphragm piston 8 is designed so that it above the specified pressure on its piston displacement displaced as accurately as possible predetermined amount of lubricant from the reservoir 5 and presses on the leads 6 in the piston ring package.
- this ensures a load-dependent lubrication.
- Fig. 3 shows a diagram with the pressure curve p in the cylinder 3 in dependence on the crank angle KW, which is plotted on the horizontal axis.
- the piston 1 At the crank angle 0 and at the crank angle 360 °, the piston 1 is in the lower reversal point, that is, where the filling of the storage space 5 takes place.
- ps that limiting pressure in the cylinder is designated, in which the pressure drop across the check valves 62 is just as large as the opening pressure p1 of the check valves 62.
- the Limit pressure ps so lubricant is conveyed from the storage space 5 through the leads 6 to the lubrication points 61, it is smaller than the limit pressure ps, so no lubricant can pass through the leads 6 to the lubrication points 61.
- the solid curve in Fig. 3 shows the pressure curve for a medium load range of the large diesel engine, while the dashed curve shows the pressure curve at higher load.
- the pressure in the cylinder 3 is higher than the limit pressure ps.
- the area under the curve above the limit pressure ps describes the load dependency of the lubricant quantity. This load dependency can be coupled with the calculation of the mean effective pressure.
- the closing process in which the lubrication is terminated by closing the check valves 62, crank angle moderately shifts to later (higher) values.
- the diaphragm piston 8 For the supply of the lubricant by means of the diaphragm piston 8, it is possible to work with a constant stroke of the diaphragm piston 8. If then the limiting pressure ps is exceeded at the crank angle W1, the lubricant passes at a constant delivery rate to the lubrication points 61 until the pressure in the cylinder 3 falls below the value ps again.
- Another possibility is to design the diaphragm piston 8 as a proportional piston, so that the amount of lubricant that is conveyed between the crank angles W1 and W2 per time follows the pressure curve in the cylinder.
- the diaphragm piston 8 is designed such that its stroke or the distance traveled by it follows the pressure in the cylinder 3.
- the two diagrams below show the flow rates F1 and F2 of lubricant as a function of the crank angle KW.
- the flow rate F1 corresponds to the variant with a constant stroke of the diaphragm piston 8
- the flow rate F2 shows the case when the stroke of the diaphragm piston 8 follows the pressure curve in the cylinder 3.
- the amount of lubricant introduced into the cylinder 3 can be adjusted very precisely, and the time or the time interval of the lubrication can be controlled very precisely. This results in a very efficient use of the lubricant, resulting in a very low consumption results. Lubricating rates of, for example, 0.6 g / kWh can be achieved.
- the storage space 5 does not have to be filled every working cycle, so not every time the piston 1 is at bottom dead center.
- the pump 23 of the lubricant source 2 can be controlled so that it promotes lubricant only in every second, or third, or fourth, etc. work cycle in the reservoir. It is also possible to monitor the filling level of the storage space 5 with a sensor and only if necessary to control the pump 23 in such a way that lubricant is conveyed into the storage space.
- other conveyors 8 may be provided, for example, hydraulic, pneumatic, electrical or combinations thereof, after filling the storage space 5 and after decoupling of the feed 7 from the filling device 22, the pressure in the storage space 5 to a predetermined Increase crank angle or time so that the opening pressure p1 of the check valves 62 is exceeded and the lubrication starts.
- lubrication points 61 are possible.
- a piston ring may be configured, for example, as a lubricant distributor ring.
- a lubricant collecting element 14 may be provided in place of each piston ring, with the exception of the piston ring nearest the combustion chamber 4.
- Fig. 5 shows a second embodiment of a piston 1 according to the invention and a lubricant source 2. From the function of equal or equivalent parts are provided with the same reference numerals as in Fig. 1 , In the following, the differences to the first embodiment are mainly discussed. All explanations that were made in connection with the first embodiment of the inventive piston 1, apply in an analogous or analogous manner to the same for the second embodiment.
- the reservoir 5 is designed as a tank which is arranged in a cavity 51 in the interior of the piston 1.
- the storage space 5 has in its wall two outlet openings 52 through which the lubricant can pass from the storage space 5 into the supply lines 6.
- Delivery piston 8 is provided, which is supported by a spring 83 at the illustration according to the upper end of the storage space 5.
- the delivery piston 8 is moved upward in accordance with the representation of the force of the spring 83.
- the delivery piston 8 moves downward after the filling process and thereby presses the lubricant through the supply lines 6 and the lubrication point 61 into the piston ring packet.
- the supply 7 is integrated in the storage space 5 and has the check valve 72 .
- the feed 7 it is also possible in the second embodiment to design the feed 7 as a feed channel or line or bore and / or a pin 73 as in Fig. 2 to be shown provided.
- the storage space 5 is arranged movably in the cavity 51 with respect to the axial direction and is supported by a return spring 9 at the end of the cavity 51, which faces the combustion chamber 4.
- the storage space 5 designed as a tank functions together with the restoring spring 9 as a blocking device which, in cooperation with the lubricant source 2, closes the flow connection between the storage space 5 and each supply line 6, as will be explained in more detail below.
- the delivery piston 8 When filling the storage space 5, the delivery piston 8 must be tensioned against the force of the spring 83. This means that the filling pressure p3 must be at least as great as the maximum pressure that the delivery piston 8 can exert on the lubricant due to its spring loading. In order for this maximum pressure is sufficient to open the check valves 62 in the supply lines 6 for lubrication, it must be greater than the opening pressure p1 of the check valves 62. Without a locking device for closing the supply lines 6, this would mean that even when filling the Reservoir 5 at least a portion of the lubricant directly passes through the leads 6 to the lubrication points 61 and exits there. This prevents the locking device, as now based on the Fig. 6 is explained.
- Fig. 6 shows the locking device in the left view in the open position and in the right view in the closed position, which is taken during the filling process.
- the limited by the delivery piston 8 and the reservoir 5 compensation chamber 45 may in particular contain a compressible medium.
- the delivery piston 8 is provided at its periphery with a sealing element 46 which fluid-tightly separates the compensation chamber 45 ves the reservoir, which contains the lubricant.
- the lifting device 25 is designed for example as a stop against which the storage space 5 starts before the closing member 24 of the filling device 22 is opened.
- the filling of the storage space 5 is carried out in a similar manner as described in connection with the first embodiment.
- the delivery piston 8 is tensioned in the storage space 5, that is, it is moved against the force of the spring 83 as shown above.
- the piston 1 moves upward and the storage space 5 loses contact with the lifting device 25,
- the reservoir 5 moves by the spring force of the return spring 9 relative to the piston 1 as shown below and takes the in Fig. 6 in the left illustration shown position.
- the outlet openings 52 are aligned with the supply lines 6, so that lubricant can now pass from the storage space 5 through the outlet openings 52 into the supply lines 6 and to the lubrication points 61.
- the second embodiment a different characteristic of the introduction of the lubricant in the piston ring package.
- the introduction of the lubricant takes place here, as long as the pressure in the cylinder remains below a limit pressure ps.
- the lowest pressure namely substantially the scavenging air pressure.
- the pressure drop across the check valves 62 is then essentially determined by the difference between the pressure generated by the delivery piston 8 in the storage space 5 and the cylinder side on the check valves 62 pressure corresponding approximately to the scavenging pressure.
- FIG. 7 This illustrates Fig. 7 in one too Fig. 3 analog representation in which the pressure p in the cylinder in dependence on the crank angle KW for a duty cycle and for a load condition of the engine is shown.
- the lubrication takes place in the hatched areas. In the area around the bottom dead center, ie at the crank angles 0 ° and 360 °, there is no lubrication, as the two small vertical lines in Fig. 7 indicate, because during the filling process of the storage space 5, the supply lines 6 are closed by the locking device relative to the storage space 5.
- first embodiment and the second embodiment are combined with each other.
- two storage spaces 5 can be provided and two lubricating sources 2, wherein one of the storage spaces 5 is filled and emptied, as described for the first embodiment and the other storage space 5 as described for the second embodiment.
- a further variant for both embodiments is that the filling of the storage space 5 takes place in a similar manner in the same way when the piston is at top dead center.
- Fig. 9 shows a sectional view of the piston ring package with the piston rings 11, 12 and 13.
- the leads 6 On the representation of the leads 6 was in Fig. 9 omitted, they are preferably arranged so that the lubrication points 61 are arranged as described above in each case between two adjacent piston rings.
- first piston ring 11 and the third piston ring 13 are each designed crowned but asymmetrical.
- the first piston ring 11 is designed rounded on its side facing away from the combustion chamber 4 and the third piston ring 13 is rounded on its side facing the combustion chamber 4.
- the first piston ring 11 distributes the lubricant in the downward movement of the piston 1.
- This has the advantage that no lubricant is scraped into the combustion chamber 4 and so that it gets lost for lubrication. As a result, the lubricant consumption can be reduced.
- the third piston ring 13 distributes the lubricant on the running surface 32.
- Fig. 10 shows a side view of the designed as a lubricant distributor ring piston ring 12 and fig.11 a plan view of the piston ring 12.
- the piston ring has on its outer circumferential surface, which faces in the operating state of the wall 31 of the cylinder 3, a plurality of inclined grooves 122, of which in 10 and FIG. 11 only one is shown.
- Fig. 12 shows a third embodiment of the inventive piston.
- the piston 1, of which only a part is shown, carries the reference numeral 1 as in the preceding embodiments. Furthermore, a lubricant extraction device 40 is shown schematically. This lubricant removal device is optionally by a Lubricant source 2 replaceable, as described in connection with the first or second embodiment.
- An essential difference from the preceding embodiments is that the storage space 5 contains no conveyor 8 by means of which lubricant is passed between two piston rings 11,12,13 via a supply line into the lubricating space.
- the lubricating space extends between the piston skirt 16 and the running surface 32 on the wall 31 of the cylinder 3.
- the lubricant is distributed via the lubricant collecting element 14 in the lubricating space and removed via the lubricant collecting element 14 from the lubricating space and fed via the lubricant line 10 to the storage space 5.
- the storage space 5 is a reservoir filled with lubricant, which is arranged in the piston body 34. From the storage space 5 leads on the one hand at least one lubricant line 10 to the lubricant collecting element 14 and at least one feed 7 to the cylinder chamber 20.
- a closing member 72 is arranged to prevent that contained in the reservoir 5 lubricant can run unintentionally into the cylinder chamber.
- the closing member 72 is designed in particular as a check valve.
- a lubricant source (not shown, can be connected, the operation of the in Fig. 1 and Fig. 2 corresponds to the lubricant source shown.
- the lubricant source can be introduced periodically or if necessary lubricant into the storage space 5.
- a measuring device can be arranged, which provides a measurement of the state of the lubricant in the reservoir, for example, measures the pressure of the lubricant. If the measured value falls below a threshold value, the lubricant source is connected to the feed 7.
- a measuring device can be arranged in the lubricating space, which provides a relevant for the amount and the condition of the lubricant characteristic.
- the introduction of the lubricant into the lubricating space is similar to that described in connection with the second embodiment as long as the pressure in the lubricating space remains below a limiting pressure, which is also to be referred to here as ps.
- a limiting pressure which is also to be referred to here as ps.
- the lowest pressure is present at the lubricant collecting element, namely essentially the pressure in the cylinder chamber 20, that is to say the scavenging air pressure.
- the pressure of the lubricant is higher than the pressure in the cylinder space and the pressure drop across the lubricant collecting element 14 and the lubricant line 10. Accordingly, lubricant flows from the storage space 5 into the lubricating space. This lubricant flow continues until the pressure in the lubricant chamber reaches the limit pressure ps, ie equal to the pressure in the reservoir 5 plus the pressure drop across the lubricant collecting element 14 and the lubricant line 10.
- the lubricant collecting element fulfills a function as a lubricant distribution element below the limit pressure. If the piston now moves further in the direction of top dead center, the increasing internal pressure in the lubricant space prevents the lubricant from escaping from the lubricant collecting element.
- the lubricant collecting element acts as a collecting element above the limit pressure ps, that is, the two lips 26, 27 detect lubricant in the lubricant space and guide it into the opening 30, into the lubricant line 10 and into the storage space 5. This measure prevents lubricant is entered into the combustion chamber 4 and on the other hand it is ensured that sufficient lubricant is present in the lubricant space.
- a lubricant extraction device 40 can be connected to the feed 7. By means of the lubricant removal device contaminated or used lubricant can be removed from the lubricant circuit.
- the lubricant extraction device 40 includes an opening member to move the Closing member 72 to open mechanically. Since the lubricant is under a pressure which is higher than the pressure in the cylinder chamber 20, lubricant flows out of the storage space 5 and any lubricant present in the lubricant line 10 or in the lubricant collecting element 14 in an under atmospheric pressure lubricant removal device. To increase the outflow rate, the lubricant extraction device can also operate under a pressure that is less than the atmospheric pressure.
- the lubricant can be drained off via the feed 7 or in addition to the same via another, not shown drain line.
- a plurality of such drain lines may be provided at different locations of the piston body, in particular when the storage space 5 is annular or opens into an annular channel extending in the piston body, from which a plurality of lubricant lines branches, leading to a plurality of lubricant collecting elements.
- lubricant collecting elements between each two piston rings.
- the placement of the lubricant collection elements depends on the need for lubricant on the piston skirt 16 or the associated running surface 32.
- the lubricant collecting elements can be distributed along the circumference of the piston skirt, in particular be arranged at equal distances from each other.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Zylinder eines Grossmotors sowie eine Schmiervorrichtung und ein Schmierverfahren mit einem solchen Kolben gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs der jeweiligen Kategorie.The invention relates to a piston for a cylinder of a large engine and a lubricating device and a lubricating method with such a piston according to the preamble of the independent claim of the respective category.
Grossmotoren, insbesondere in der Ausführung als Grossdieselmotoren, die als Zweitakt- oder als Viertakt-Verbrennungskraftmaschinen ausgestaltet sein können, 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 Grossmotoren 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 den Betriebsstoffen zentrale Kriterien.Large engines, especially in the design as large diesel engines, which may be configured as two-stroke or four-stroke internal combustion engines, are often used as drive units for ships or in stationary operation, e.g. used to drive large generators for generating electrical energy. The large engines usually run for long periods in continuous operation, which places high demands on the reliability and availability. Therefore, for the operator in particular long maintenance intervals, low wear and an economical handling of the operating materials are central criteria.
Im Betriebszustand gleitet der Kolben an der als Lauffläche dienenden Oberfläche der Wandung des Zylinders, die meist in Form einer Zylinderlaufbuchse (Liner) ausgestaltet ist, entlang. Dabei ist eine Zylinder- bzw. Kolbenschmierung vorgesehen. Einerseits muss der Kolben möglichst leicht, das heisst unbehindert, in dem Zylinder gleiten, andererseits muss der Kolben den Brennraum im Zylinder möglichst gut abdichten, um eine effiziente Umwandlung der beim Verbrennungsprozess freiwerdenden Energie in mechanische Arbeit zu gewährleisten.In the operating state, the piston slides on the serving as a running surface surface of the wall of the cylinder, which is usually designed in the form of a cylinder liner (liner) along. In this case, a cylinder or piston lubrication is provided. On the one hand, the piston must be as possible on the other hand, the piston must seal the combustion chamber in the cylinder as well as possible, in order to ensure efficient conversion of the energy released during the combustion process into mechanical work.
Deshalb wird während des Betriebs des Grossdieselmotors üblicherweise ein Schmieröl in den Zylinder eingebracht, um gute Laufeigenschaften des Kolbens zu erzielen und den Verschleiss der Lauffläche, des Kolbens und der Kolbenringe möglichst gering zu halten. Ferner dient das Schmieröl der Neutralisierung aggressiver Verbrennungsprodukte sowie der Vermeidung von Korrosion. Aufgrund dieser zahlreichen Anforderungen werden als Schmiermittel häufig sehr hochwertige und teure Substanzen verwendet.Therefore, during operation of the large diesel engine usually a lubricating oil is introduced into the cylinder to achieve good running characteristics of the piston and to minimize the wear of the tread, the piston and the piston rings. Furthermore, the lubricating oil is used to neutralize aggressive combustion products and to prevent corrosion. Because of these many requirements, very high quality and expensive substances are often used as lubricants.
Es besteht daher im Hinblick auf einen besonders effizienten und wirtschaftlichen Betrieb des Motors das Bedürfnis, mit möglichst geringen Schmierraten zu arbeiten.There is therefore a need for a particularly efficient and economical operation of the engine to work with the lowest possible lubricating rates.
Ein bewährtes Verfahren ist die sogenannte Innenschmierung, bei welchem das Schmiermittel, typischerweise ein Schmieröl, durch das Innere des Kolbens gefördert wird und dann über eine odere mehrere Schmierstellen, die auf der Oberfläche des Kolbens vorgesehen sind, aus den Kolbeninneren auf den Kolben bzw. auf die Zylinderlauffläche aufgebracht wird. Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise in der
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Kolben für einen Zylinder eines Grossmotors sowie eine Schmiervorrichtung und ein entsprechendes Verfahren vorzuschlagen, welches eine möglichst effiziente und einfache Schmierung des Kolbens bzw. des Zylinders in einem Grossmotor bei geringen Schmierraten ermöglicht. Unter Grossmotor soll in der Folge ein Kreuzkopfmotor verstanden werden, insbesondere soll der Begriff einen Grossdieselmotor oder einen Gasmotor umfassen.Based on this prior art, it is therefore an object of the invention to propose a piston for a cylinder of a large engine and a lubricating device and a corresponding method which allows the most efficient and easy lubrication of the piston or the cylinder in a large engine at low lubrication rates , Under large engine is to be understood in the episode a crosshead motor, In particular, the term is intended to include a large diesel engine or a gas engine.
Des weiteren liegt zwischen den Kolbenringen des Kolbenringpakets des Kolbens ein höherer Druck an als im Kurbelgehäuse, in welchem der Spülluftdruck anliegt. Dieses Druckgefälle bewirkt ein Ausspritzen des in dem zwischen Kolben und Kolbenringen befindlichen Schmiermittels in den Zylinderraum auf der Kolbenunterseite, das heisst der dem Brennraum abgewandten Seite des Kolbens. Hierdurch entsteht ein Schmiermittelnebel im Zylinderraum, der teilweise in den Zylinder geblasen wird und demzufolge teilweise zur Schmierung des Kolbens beiträgt. Allerdings verbleibt ein Teil des Schmiermittels im Zylinderraum, wird dort verbrannt, verdampft oder wird als Rauch durch den Auspuffkanal abgezogen. Dieser Teil des Schmiermittels geht somit als Emission verloren. Eine derartige Emission hat einerseits einen Verlust an Schmiermittel zur Folge, welches der Schmierung der Kolben nicht mehr zur Verfügung steht und stellt andererseits ein Gefahrenpotential für die Umwelt dar, da die Verbrennungsprodukte sich nachteilig auf die Umwelt auswirken können.Furthermore, a higher pressure is applied between the piston rings of the piston ring assembly of the piston than in the crankcase, in which the purge air pressure is applied. This pressure gradient causes an ejection of the located in the between piston and piston rings lubricant in the cylinder chamber on the piston bottom, that is, the side facing away from the combustion chamber of the piston. This creates a lubricant mist in the cylinder chamber, which is partially blown into the cylinder and thus partly contributes to the lubrication of the piston. However, some of the lubricant remains in the cylinder chamber, where it is burned, evaporated or withdrawn as smoke through the exhaust channel. This part of the lubricant is thus lost as emission. On the one hand, such an emission results in a loss of lubricant which is no longer available for the lubrication of the pistons and, on the other hand, poses a risk to the environment, since the combustion products can have a negative effect on the environment.
Die diese Aufgabe lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gekennzeichnet.The objects of the invention solving this object are characterized by the features of the independent claims.
Erfindungsgemäss wird also ein Kolben für einen Zylinder eines Grossmotors vorgeschlagen, welcher einen Kolbenkörper aufweist der einen Vorratsraum zur Aufnahme eines Schmiermittels enthält, wobei der Kolbenkörper von einem Kolbenmantel umfangsseitig begrenzt wird, wobei der Vorratsraum über eine Schmiermittelleitung mit dem Kolbenmantel verbunden ist, sowie eine Einspeisung vorgesehen ist, die zur lösbaren Verbindung mit einer Schmiermittelquelle ausgestaltet ist, wobei die Einspeisung in den Vorratsraum einmündet und wobei die Schmiermittelleitung in ein Schmiermittelsammelelement mündet.According to the invention, therefore, a piston for a cylinder of a large engine is proposed, which has a piston body which contains a reservoir for receiving a lubricant, wherein the piston body is peripherally bounded by a piston skirt, wherein the reservoir is connected via a lubricant line with the piston skirt, and an infeed is provided, which is designed for releasable connection with a lubricant source, wherein the feed opens into the reservoir and wherein the lubricant line opens into a lubricant collecting element.
Da bei diesem Kolben ein Vorratsraum für das Schmiermittel und ein Schliessorgan in der Zuleitung zu der Schmierstelle vorgesehen sind, kann die Schmierung ohne grösseren apparativen Aufwand an den Arbeitszyklus des Motors angepasst werden. In dem Vorratsraum des Kolbens steht immer Schmiermittel zur Verfügung und kann daher genau dann auf die Zylinderlauffläche bzw. die Kolbenoberfläche aufgebracht werden, wenn es bezogen auf den Arbeitszyklus besonders günstig und effizient ist. Mittels des Schmiermittelsammelelements wird das auf der Lauffläche befindliche Schmiermittel gesammelt und über eine Öffnung im Schmiermittelsammelelement entfernt. Durch diese Optimierung lässt sich auch die Menge des benötigten Schmiermittels bzw. die Schmierrate deutlich reduzieren. Das Schmiermittel, welches mittels des Schmiermittelsammelements entfernt worden ist, gelangt über eine Schmiermittelleitung in den Vorratsraum und steht somit für eine weitere Schmierung zur Verfügung. Alternativ dazu kann eine Schmiermittelentnahmevorrichtung vorgesehen sein, die mit der Schmiermittelleitung verbindbar ist.Since a storage space for the lubricant and a closing member in the supply line to the lubrication point are provided in this piston, the lubrication can be adapted to the duty cycle of the engine without great expenditure on equipment. In the reservoir of the piston lubricant is always available and therefore can be applied to the cylinder surface or the piston surface if and only if it is particularly favorable and efficient in relation to the duty cycle. By means of the lubricant collecting element, the lubricant located on the running surface is collected and removed via an opening in the lubricant collecting element. This optimization can also significantly reduce the amount of lubricant required or the lubrication rate. The lubricant, which has been removed by means of the lubricant collecting element, passes through a lubricant line into the reservoir and is thus available for further lubrication. Alternatively, a lubricant removal device can be provided, which is connectable to the lubricant line.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Zuleitung vorgesehen, welche sich von dem Vorratsraum bis zu einer Schmierstelle erstreckt, die auf der Oberfläche des Kolbens vorgesehen ist, sodass Schmiermittel vom Vorratsraum zu der Schmierstelle leitbar ist, wobei in der Zuleitung ein Schliessorgan vorgesehen ist.In a preferred embodiment, a supply line is provided, which extends from the storage space to a lubrication point, which is provided on the surface of the piston, so that lubricant from the storage space to the lubrication point can be conducted, wherein in the supply line a closing member is provided.
Insbesondere kann im Kolben eine Fördereinrichtung vorgesehen sein, um das Schmiermittel aus dem Vorratsraum durch die Zuleitung zu der Schmierstelle zu fördern. Diese Fördereinrichtung dient dazu, den Druck im Vorratsraum des Kolbens nach dessen Befüllung zu erhöhen, um so ein Ausbringen des Schmiermittels durch die Zuleitung und die Schmierstelle zu ermöglichen.In particular, a delivery device can be provided in the piston in order to convey the lubricant from the storage space through the supply line to the lubrication point. This conveyor serves to increase the pressure in the reservoir of the piston after its filling, so as to Apply lubricant through the supply line and lubrication point.
Eine apparativ besonders einfache Ausgestaltung ergibt sich, wenn die Fördereinrichtung einen Förderkolben für das Schmiermittel umfasst, der so ausgestaltet und angeordnet ist, dass er im Betriebszustand mit dem brennraumseitigen Druck im Zylinder beaufschlagbar ist. Somit lässt sich in einfacher Weise der Druck im Brennraum des Zylinders dazu nutzen, das Schmiermittel zu der Schmierstelle zu transportieren.An apparatus of particularly simple design is obtained when the conveyor comprises a delivery piston for the lubricant, which is configured and arranged so that it can be acted upon in the operating state with the combustion chamber side pressure in the cylinder. Thus, in a simple manner, the pressure in the combustion chamber of the cylinder can be used to transport the lubricant to the lubrication point.
Nach einer weiteren vorteilhaften, apparativ einfachen Ausgestaltung umfasst die Fördereinrichtung einen federbelasteten Förderkolben, um das Schmiermittel aus dem Vorratsraum zu der Schmierstelle zu fördern.According to a further advantageous, simple apparatus embodiment, the conveyor comprises a spring-loaded delivery piston to promote the lubricant from the storage space to the lubrication point.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der Kolben mehrere Kolbenringe, wobei die Schmierstelle bezüglich der durch die Kolbenachse festgelegten axialen Richtung zwischen zwei Kolbenringen angeordnet ist. Da das Schmiermittel zwischen den Kolbenringen eingebracht wird und nicht brennraumseitig, das heisst bezüglich der normalen Gebrauchslage oberhalb des ersten Kolbenrings, bzw. über dem Schmiermittelsammelement, wird ein unnötiges Verbrennen des Schmiermittels und die damit verbundene nachteilige Verkokung zumindest deutlich reduziert.In a preferred embodiment, the piston has a plurality of piston rings, wherein the lubrication point is arranged between two piston rings with respect to the axial direction defined by the piston axis. Since the lubricant is introduced between the piston rings and not on the combustion chamber side, ie with respect to the normal position of use above the first piston ring, or above the Schmierstoffammelement, unnecessary burning of the lubricant and the associated adverse coking is at least significantly reduced.
Insbesondere vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher drei Kolbenringe vorgesehen sind, sowie zwei Schmierstellen, von denen jede über eine mit einem Schliessorgan versehene Zuleitung mit dem Vorratsraum verbunden ist, wobei die beiden Schmierstellen bezüglich der durch die Kolbenachse festgelegten axialen Richtung jeweils zwischen benachbarten Kolbenringen angeordnet sind. Bei dieser Ausgestaltung wird das Schmiermittel durch den obersten, das heisst den dem Brennraum am nächsten platzierten Kolbenring, bei der Abwärtsbewegung des Kolbens verteilt und durch den untersten Kolbenring wird das Schmiermittel bei der Kolbenaufwärtsbewegung verteilt. Gegenüber heute üblichen Verfahren, bei welchen das Schmiermittel teilweise oberhalb, also brennraumseitig, des obersten Kolbenrings eingebracht wird, resultiert der Vorteil, dass ein Schaben des Schmiermittels in den Brennraum hinein vermieden wird. Schmiermittel, das durch die Kolbenringe in den Brennraum bewegt wird, steht nämlich für die Schmierung nicht mehr zur Verfügung und führt lediglich zu einer starken, unerwünschten Verkokung.Particularly advantageous is an embodiment in which three piston rings are provided, and two lubrication points, each of which is connected via a supply line provided with a closing member with the reservoir, wherein the two lubrication points with respect to the axis defined by the piston axis axial direction respectively disposed between adjacent piston rings are. In this embodiment, the lubricant is distributed by the uppermost, that is, the piston ring placed next to the piston ring, during the downward movement of the piston and through the lowermost Piston ring, the lubricant is distributed during the piston upward movement. Compared to today's conventional method in which the lubricant is partially introduced above, so the combustion chamber side, the uppermost piston ring, resulting in the advantage that a scraping of the lubricant is avoided in the combustion chamber inside. Lubricant, which is moved by the piston rings in the combustion chamber, namely for lubrication is no longer available and only leads to a strong, unwanted coking.
Der Kolbenmantel umschliesst an einem ersten Ende eine Kolbenfläche, das heisst der Kolbenmatel stellt den Rand der Kolbenfläche dar. Diese Kolbenfläche grenzt an den Brennraum an, wobei das Schmiermittelsammelelement bevorzugt ausserhalb des am weitesten vom Brennraum entfernten Kolbenrings am Kolbenmantel angeordnet ist. Beim Kompressionshub des Kolbens, das heisst während einer Bewegung des Kolbens in Richtung des Brennraums, wird somit allfälliges, auf der Lauffläche des Zylinders oder am Kolbenmantel befindliches Schmiermittel in das Schmiermittelsammelelement eingeleitet und gegebenenfalls in Richtung des Vorratsraums transportiert. Der sich in den Zylinderraum erstreckende Teil der Lauffläche ist demzufolge im wesentlichen schmiermittelfrei, nachdem sich das Schmiermittelsammelelement entlang der Lauffläche in Richtung des Brennraums bewegt hat. Somit können Ablagerungen von Schmiermittel im Zylinderraum verhindert werden.The piston skirt encloses at a first end a piston surface, that is the Kolbenmatel represents the edge of the piston surface. This piston surface adjacent to the combustion chamber, wherein the lubricant collecting element is preferably arranged outside the piston ring furthest away from the combustion chamber on the piston skirt. During the compression stroke of the piston, that is to say during a movement of the piston in the direction of the combustion chamber, any lubricant present on the running surface of the cylinder or on the piston skirt is thus introduced into the lubricant collecting element and optionally transported in the direction of the reservoir. The portion of the tread extending into the cylinder space is therefore substantially free of lubricant after the lubricant collecting element has moved along the tread in the direction of the combustion chamber. Thus, deposits of lubricant in the cylinder chamber can be prevented.
Eine bevorzugte Massnahme besteht darin, dass ein Kolbenring vorgesehen ist, der als Schmiermittelverteilerring ausgestaltet ist. Die primäre Aufgabe dieses Schmiermittelverteilerrings ist es, das Schmiermittel bezüglich der Umfangsrichtung der Zylinderlauffläche zu verteilen. Insbesondere kann der Schmiermittelverteilerring zwischen zwei Kolbenringen angeordnet werden, die das Schmiermittel hauptsächlich bezüglich der axialen Richtung verteilen.A preferred measure is that a piston ring is provided, which is designed as a lubricant distributor ring. The primary purpose of this lubricant distributor ring is to distribute the lubricant with respect to the circumferential direction of the cylinder surface. In particular, the lubricant distribution ring can be arranged between two piston rings, which distribute the lubricant mainly with respect to the axial direction.
In der Schmiermittelleitung kann ein Schliessorgan vorgesehen sein. Diese Anordnung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Schmiermittelleitung als Zuleitung und Ableitung für Schmiermittel verwendet wird. Das Schliessorgan kann insbesondere derart eingestellt sein, dass es einen Öffnungsdruck von 1 bis 5 bar, bevorzugt 2 bis 5 bar, besonders bevorzugt um die 4 bar aufweist. In diesem Fall verbleibt das Schliessorgan gegenüber dem Druck im Zylinderraum in geschlossenem Zustand, solange es nicht mittels einer Hebevorrichtung geöffnet wird, um Schmiermittel abzulassen oder Schmiermittel zuzuführen.In the lubricant line, a closing member may be provided. This arrangement is particularly advantageous when the lubricant line is used as a supply and discharge for lubricant. The closing member may in particular be set such that it has an opening pressure of 1 to 5 bar, preferably 2 to 5 bar, particularly preferably around 4 bar. In this case, the closing member remains closed to the pressure in the cylinder space, as long as it is not opened by means of a lifting device to drain lubricant or supply lubricant.
Des weiteren kann ein Schliessorgan in jeder der Zuleitungen vorgesehen sein.Furthermore, a closing member may be provided in each of the supply lines.
Das Schliessorgan in jeder Zuleitung sowie in der Schmiermittelleitung ist vorzugsweise als Rückschlagventil ausgestaltet. Durch den Öffnungsdruck, bei welchem das Rückschlagventil in Durchlassrichtung öffnet, lässt sich dann in einfacher Weise der Zeitpunkt der Schmierung bezogen auf den Arbeitszyklus einstellen.The closing member in each supply line and in the lubricant line is preferably designed as a check valve. By the opening pressure at which opens the check valve in the forward direction, then can be adjusted in a simple manner, the timing of lubrication based on the duty cycle.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Sperreinrichtung vorgesehen, welche derart ausgestaltet ist, dass sie beim Zusammenwirken mit der Schmiermittelquelle die Strömungsverbindung zwischen dem Vorratsraum und jeder Zuleitung verschliesst. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass während der Befüllung des Vorratsraums ein Austreten des Schmiermittels durch die Zuleitungen und die Schmierstellen vermieden wird.In a further preferred embodiment, a locking device is provided, which is designed such that it closes the flow connection between the reservoir and each supply line in cooperation with the lubricant source. In this way it can be ensured that leakage of the lubricant through the supply lines and the lubrication points is avoided during the filling of the storage space.
Ferner wird durch die Erfindung eine Schmiervorrichtung für den Zylinder eines Grossmotors vorgeschlagen, umfassend einen erfindungsgemässen Kolben, wobei der Kolbenmantel von einem Schmierraum zur Schmierung einer Lauffläche eines Zylinders umgeben ist, sowie eine Schmiermittelquelle mit einer Fülleinrichtung, welche lösbar mit der Einspeisung verbindbar ist und derart mit dem Kolben zusammenwirkt, dass nur dann ein Schmiermittel aus der Schmiermittelquelle in den Vorratsraum einbringbar ist, wenn die Fülleinrichtung mit der Einspeisung verbunden ist, wobei der Vorratsraum mit einem Schmiermittelsammelelement verbindbar ist, sodass Schmiermittel vom Schmierraum in den Vorratsraum rückführbar ist. Durch diese Massnahme kann der Vorratsraum des Kolbens bei Bedarf mit Schmiermittel gefüllt werden, wobei das Ausbringen des Schmiermittels auf die Lauffläche und das Sammeln von Schmiermittel von der Lauffläche von diesem Vorgang entkoppelt ist. Der Vorratsraum des Kolbens wird also befüllt, aber das Schmiermittel wird erst dann auf die Lauffläche aufgebracht, wenn es bezüglich des Arbeitszyklus günstig und effizient ist. Zusätzlich kann Schmiermittel, welches vom Schmiermittelsammelelement in den Vorratsraum geleitet wird über eine an die Einspeisung andockbare Schmiermittelentnahmevorrichtung aus dem Vorratsraum entfernt werden. Somit kann beispielsweise verunreinigtes Schmiermittel aus dem Vorratsraum und den Zuleitungen entfernt werden und durch entsprechend reines Schmiermittel ersetzt werden.Further, the invention proposes a lubricating device for the cylinder of a large engine, comprising a piston according to the invention, wherein the piston skirt is surrounded by a lubricating space for lubricating a running surface of a cylinder, and a lubricant source with a filling device, which is releasably connectable to the feed and cooperates with the piston so that only a lubricant from the lubricant source into the reservoir can be introduced when the filling device is connected to the feed, wherein the reservoir is connectable to a lubricant collecting element, so that lubricant from the lubricant chamber is traceable into the reservoir. By so doing, the reservoir of the piston can be filled with lubricant as needed, with the application of the lubricant to the tread and the collection of lubricant from the tread being decoupled from this process. The reservoir of the piston is thus filled, but the lubricant is only applied to the tread when it is cheap and efficient with respect to the duty cycle. In addition, lubricant, which is passed from the lubricant collecting element into the storage space, can be removed from the storage space via a lubricant removal device which can be docked to the feed. Thus, for example, contaminated lubricant can be removed from the storage space and the supply lines and replaced by correspondingly pure lubricant.
Eine Variante besteht darin, dass die Fülleinrichtung oder die Schmiermittelentnahmevorrichtung so angeordnet sind, dass im Betriebszustand die Einspeisung und die Fülleinrichtung oder Schmiermittelentnahmevorrichtung im unteren Totpunkt der Bewegung des Kolbens verbunden sind und sich bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens trennen.A variant is that the filling device or the lubricant removal device are arranged so that in the operating state, the feed and the filling device or lubricant removal device are connected at the bottom dead center of the movement of the piston and separate during the upward movement of the piston.
Eine andere Variante besteht darin, dass die Fülleinrichtung oder Schmiermittelentnahmevorrichtung so angeordnet ist, dass im Betriebszustand die Einspeisung und die Fülleinrichtung oder Schmiermittelentnahmevorrichtung im oberen Totpunkt der Bewegung des Kolbens verbunden sind und sich bei der Abwärtsbewegung des Kolbens trennen.Another variant is that the filling device or lubricant removal device is arranged so that in the operating state, the feed and the filling device or lubricant removal device are connected at top dead center of the movement of the piston and separate during the downward movement of the piston.
Die Wahl der geeigneten Variante hängt von der Ausgestaltung des Kolbens ab.The choice of suitable variant depends on the design of the piston.
Weiterhin wird durch die Erfindung ein Schmierverfahren für den Zylinder eines Grossmotors mit einem im Zylinder hin- und herbewegbar angeordneten Kolben vorgeschlagen, bei welchem Verfahren eine Einspeisung des Kolbens während der Bewegung des Kolbens mit einer Fülleinrichtung einer Schmiermittelquelle verbunden wird, ein Schmiermittel aus der Schmiermittelquelle durch die Einspeisung in einen Vorratsraum des Kolbens eingebracht wird, die Verbindung zwischen der Einspeisung des Kolbens und der Fülleinrichtung durch die Bewegung des Kolbens getrennt wird und danach das Schmiermittel aus dem Vorratsraum durch eine Zuleitung zu einer Schmierstelle auf dem Kolbenmantel gebracht wird.Furthermore, the invention proposes a lubrication method for the cylinder of a large engine with a reciprocating piston arranged in the cylinder, in which method a supply of the piston during the movement of the piston is connected to a filling device of a lubricant source, a lubricant from the lubricant source the feed is introduced into a reservoir of the piston, the connection between the supply of the piston and the filling device is separated by the movement of the piston and then the lubricant is brought from the reservoir through a supply line to a lubrication point on the piston skirt.
Durch dieses Verfahren ist es in einfacher Weise möglich, die Schmierung der Zylinderlauffläche bzw. des Kolbens jeweils genau zum gewünschten Zeitpunkt und mit der richtigen Menge an Schmiermittel durchzuführen. Dies ermöglicht eine besonders effiziente und unter wirtschaftlichen Aspekten vorteilhafte Schmierung. Zudem kann durch das Schmiermittelsammelelement ein allfälliger Überschuss an Schmiermittel in den Vorratsraum zurück geleitet werden. Hierdurch wird vermieden, dass Schmiermittel in den Zylinderraum gelangt, sodass Oxidationsreaktionen des Schmiermittels mit dem Sauerstoff der im Zylinderraum befindlichen Luft ablaufen, wodurch es zu Ablagerungen im Zylinderraum kommen kann, also eine Verkokung auftreten kann.By this method, it is possible in a simple manner to perform the lubrication of the cylinder surface or the piston exactly at the desired time and with the right amount of lubricant. This allows a particularly efficient and economically advantageous lubrication. In addition, any possible excess of lubricant can be returned to the storage space through the lubricant collecting element. This prevents lubricant from entering the cylinder chamber, so that oxidation reactions of the lubricant with the oxygen of the air in the cylinder chamber occur, which can lead to deposits in the cylinder chamber, so that coking can occur.
Unter dem Aspekt einer besonders einfachen und unkomplizierten Verfahrensführung wird das Schmiermittel vorzugsweise in den Vorratsraum des Kolbens eingebracht, wenn sich der Kolben im oberen oder im unteren Totpunkt seiner Bewegung befindet.From the aspect of a particularly simple and uncomplicated process management, the lubricant is preferably introduced into the reservoir of the piston when the piston is in the top or bottom dead center of its movement.
Ferner wird ein Grossmotor vorgeschlagen, der mit einem erfindungsgemässen Kolben oder mit einer erfindungsgemässen Schmiervorrichtung ausgestaltet ist, oder der mit einem erfindungsgemässen Verfahren betrieben wird.Further, a large engine is proposed, which is designed with a piston according to the invention or with a lubricating device according to the invention, or which is operated with a method according to the invention.
Weitere vorteilhafte Massnahmen und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further advantageous measures and preferred embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Im Folgenden wird die Erfindung sowohl in apparativer als auch in verfahrenstechnischer Hinsicht anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. In der schematischen, nicht massstäblichen Zeichnung zeigen teilweise im Schnitt:
- Fig. 1:
- ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Kolbens und einer Schmiermittelquelle,
- Fig. 2:
- ein Ausführungsbeispiel einer Fülleinrichtung,
- Fig. 3:
- ein Diagramm zur Verdeutlichung des Drucks im Zylinder in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel,
- Fig. 4:
- ein Diagramm zur Verdeutlichung der Schmiermittelzufuhr,
- Fig. 5:
- ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Kolbens und der Schmiermittelquelle,
- Fig. 6a:
- eine Detaildarsatellung der Sperreinrichtung im geöffneten Zustand,
- Fig. 6b
- eine Detaildarsatellung der Sperreinrichtung im geschlossenen Zustand,
- Fig. 7:
- analog zu
Fig. 3 , jedoch für das zweite Ausführungsbeispiel, - Fig. 8:
- ein Diagramm zur Verdeutlichung der Schmiermittelzufuhr,
- Fig. 9:
- eine Variante für die Ausgestaltung der Kolbenringe,
- Fig. 10:
- eine Seitenansicht auf einen Schmiermittelverteilerring,
- Fig. 11:
- eine Aufsicht auf den Schmiermittelverteilerring aus
Fig. 10 . - Fig. 12:
- ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Kolbens.
- Fig. 1:
- A first embodiment of a piston according to the invention and a lubricant source,
- Fig. 2:
- an embodiment of a filling device,
- 3:
- a diagram to illustrate the pressure in the cylinder as a function of the crank angle,
- 4:
- a diagram to illustrate the lubricant supply,
- Fig. 5:
- A second embodiment of a piston according to the invention and the lubricant source,
- 6a:
- a detailed description of the locking device in the opened state,
- Fig. 6b
- a detailed description of the locking device in the closed state,
- Fig. 7:
- analogous to
Fig. 3 but for the second embodiment, - Fig. 8:
- a diagram to illustrate the lubricant supply,
- Fig. 9:
- a variant for the design of the piston rings,
- Fig. 10:
- a side view of a lubricant distributor ring,
- Fig. 11:
- a view of the lubricant distributor ring
Fig. 10 , - Fig. 12:
- A third embodiment of an inventive piston.
Der Grossdieselmotor kann als Zweitakt- oder als Viertakt-Motor ausgestaltet sein. Im Folgenden wird auf den Fall Bezug genommen, dass es sich um einen längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor handelt.The large diesel engine can be designed as a two-stroke or four-stroke engine. In the following reference is made to the case that it is a longitudinally-flushed two-stroke large diesel engine.
Der Kolben 1 hat eine Kolbenachse A, welche die axiale Richtung definiert, und ist in an sich bekannter Weise hin und her bewegbar in einem Zylinder 3 angeordnet, welcher eine Wandung 31 aufweist, die als Zylindereinsatz oder Laufbuchse bzw. als Liner ausgestaltet sein kann. Der Kolben bewegt sich im wesentlichen in einer Bohrung des Zylinders Die nach innen gewandte Oberfläche der Wandung 31 bildet eine Lauffläche 32, entlang der sich der Kolben 1 im Betriebszustand bewegt. Der Kolben 1 begrenzt mit seinem darstellungsgemäss oberen Ende einen Brennraum 4, in welchem der Verbrennungsprozess stattfindet, und weist üblicherweise mehrere, hier drei Kolbenringe 11, 12, 13 auf, die gesamthaft auch als Kolbenringpaket bezeichnet werden.The
Während des Betriebs des Grossdieselmotors ist es notwendig, ein Schmiermittel, beispielsweise ein Schmieröl, auf die Lauffläche 32 aufzubringen, welches den Kolben 1, das Kolbenringpaket und die Lauffläche 32 schmiert, um gute Laufeigenschaften des Kolbens 1 zu erzielen und den Verschleiss der Zylinderwandung, insbesondere der Lauffläche 32, des Kolbens 1 und der Kolbenringe 11, 12, 13 möglichst gering zu halten. Ferner dient das Schmiermittel der Neutralisierung aggressiver Verbrennungsprodukte sowie der Vermeidung von Korrosion, beispielsweise Schwefelkorrosion. Das Schmieröl bildet auf der Lauffläche 32 einen nicht dargestellten Schmierölfilm, der im ständigen Kontakt mit den Kolbenringen 11, 12, 13 ist.During operation of the large diesel engine, it is necessary to apply a lubricant, such as a lubricating oil on the
Der erfindungsgemässe Kolben 1 ist für die Innenschmierung ausgestaltet, das heisst, das Schmiermittel wird aus dem Inneren des Kolbens 1 heraus auf die Lauffläche 32 bzw. auf die Mantelfläche des Kolbens 1 aufgebracht.The
Im Innern des Kolbens 1 ein Vorratsraum 5 für das Schmiermittel vorgesehen, der als Kavität oder als Tank ausgestaltet sein kann. Von diesem Vorratsraum 5 erstrecken sich zwei als Bohrungen ausgestaltete Zuleitungen 6 jeweils bis zu einer Schmierstelle 61 auf dem Kolbenmantel 16 des Kolbens 1.Provided inside the
Die Anzahl von zwei Zuleitungen 6 bezieht sich lediglich auf die axiale Richtung. In Umfangsrichtung können auf der gleichen axialen Höhe mehrere Zuleitungen 6 vorgesehen sein. Die Anzahl der Zuleitungen hängt vom Schhmiermittelbedarf ab.The number of two
In den Zuleitungen 6 ist jeweils ein Schliessorgan 62 vorgesehen, das hier jeweils als Druckhalte- oder Rückschlagventil 62 ausgestaltet ist. Jedes Rückschlagventil 62 ist so ausgestaltet, dass es in Richtung des Vorratsraums 5 sperrt, das heisst es verhindert ein Rückströmen des Schmiermittels oder anderer Fluide, z.B. des Verbrennungsgases oder der Spülluft, von der Schmierstelle 61 in den Vorratsraum 5. In der Durchlassrichtung vom Vorratsraum 5 zur Schmierstelle 61 öffnet das Ventil, sobald die Druckdifferenz grösser wird als sein Öffnungsdruck, der im Folgenden mit p1 bezeichnet wird. Das bedeutet, sobald der Druck auf der dem Vorratsraum 5 zugewandten Seite des Rückschlagventils 62 um den Wert p1 höher ist als der Druck auf der der Schmierstelle 61 zugewandten Seite, öffnet sich die Strömungsverbindung vom Vorratsraum 5 in Richtung der Schmierstelle 61. Sobald die Druckdifferenz den Wert des Öffnungsdrucks p1 unterschreitet, wird die Strömungsverbindung verschlossen.In the
Der Öffnungsdruck p1 kann für die beiden Rückschlagventile 61 der gleiche sein, es ist aber auch möglich, dass jedes der Rückschlagventile 61 einen anderen Öffnungsdruck p1 hat.The opening pressure p1 may be the same for the two
Die Schmierstellen 6 sind bezüglich der durch die Kolbenachse A festgelegten axialen Richtung jeweils zwischen zwei benachbarten Kolbenringen 11, 12, 13 angeordnet, das heisst eine der beiden Schmierstellen 61 ist zwischen dem ersten Kolbenring 11 und dem zweiten Kolbenring 12 vorgesehen und die zweite Schmierstelle 61 ist zwischen dem zweiten Kolbenring 12 und dem dritten Kolbenring 13 vorgesehen. Mit dem ersten Kolbenring 11 ist dabei derjenige Kolbenring gemeint, der sich am nächsten am Brennraum 4 befindet.The lubrication points 6 are arranged with respect to the axial direction defined by the piston axis A between two
Ferner ist eine Einspeisung 7 vorgesehen, welche hier als Einspeisekanal oder Einspeiseleitung ausgestaltet ist, und welche an der darstellungsgemässen Unterseite des Kolbens 1 beginnt und in den Vorratsraum 5 mündet. Die Einspeisung 7 ist zur lösbaren Verbindung mit der Schmiermittelquelle 2 ausgestaltet, wie weiter hinten noch erläutert wird. In der Einspeisung 7 ist ein weiteres Schliessorgan 72 vorgesehen, das als Druckhalte- oder Rückschlagventil 72 ausgestaltet ist. Das Rückschlagventil 72 verhindert mit seiner Sperrfunktion ein Ausströmen des Schmiermittels aus dem Vorratsraum 5 durch die Einspeisung 7. In umgekehrter Richtung öffnet das Rückschlagventil 72, sobald die anliegende Druckdifferenz seinen Öffnungsdruck p2 übersteigt.Furthermore, a
Die Schmiermittelquelle 2 ist ortsfest bezüglich des Motorengehäuses angeordnet und umfasst einen Vorratsbehälter 21, in welchem das Schmiermittel vorgesehen ist, eine Fülleinrichtung 22, welche zum Zusammenwirken mit der Einspeisung 7 vorgesehen ist, sowie eine Pumpe 23, welche das Schmiermittel aus dem Vorratsbehälter 21 zu der Fülleinrichtung 22 fördert. Die Fülleinrichtung weist ein Schliessorgan 24 auf, das als Rückschlagventil ausgestaltet sein kann. Das Schliessorgan 24 verhindert ein Austreten des Schmiermittels aus der Fülleinrichtung 22.The
Am darstellungsgemäss oberen Ende des Vorratsraums 5 ist eine Fördereinrichtung 8 vorgesehen, um das Schmiermittel aus dem Vorratsraum 5 durch die Zuleitungen 6 zu den Schmierstellen 61 zu fördern. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Fördereinrichtung 8 als Membrankolben mit einer Membran 81 ausgestaltet. Darstellungsgemäss oberhalb der Membran 81 schliesst sich ein Kanal 82 an, der sich durch den Kolben 1 erstreckt und oberhalb, das heisst brennraumseitig des ersten Kolbenrings 11 in die Oberfläche des Kolbens 1 mündet. Durch diesen Kanal 82 ist die dem Vorratsraum 5 abgewandte Seite der Membrane 81 mit dem Druck im Brennraum 4 bzw. mit dem Druck im Zylinder oberhalb des ersten Kolbenrings 11 beaufschlagt. Die dem Vorratsraum 5 zugewandte Seite des Membrankolbens 8 ist mit dem Druck des Schmiermittels im Vorratsraum 5 beaufschlagt.At the illustration of the upper end of the
Die prinzipielle Funktionsweise des erfindungsgemässen Kolbens 1 ist wie folgt: Die Schmiermittelquelle 2 mit der Fülleinrichtung 22 fungiert als eine "Tankstation" zur Befüllung des Vorratsraums 5 im Kolben. Der Vorratsraum 5 im Kolben 1 und die Schmiermittelquelle 2 werden zyklisch im unteren (oder im oberen) Totpunkt der Kolbenbewegung über die Einspeisung 7 und die Fülleinrichtung 22 gekoppelt, so dass während dieses Zusammenwirkens der Vorratsraum 5 im Kolben 1 mit Schmiermittel gefüllt wird. Damit steht genügend Schmiermittel für die Schmierung zumindest über einen Arbeitszyklus im Kolben 1 zur Verfügung.The basic mode of operation of the
Das Schliessorgan 24, das ein Ausströmen des Schmiermittels aus der Schmiermittelquelle 2 verhindert, wird während der Kopplung bzw. während die Einspeisung 7 und die Fülleinrichtung 22 miteinander verbunden sind, geöffnet, sodass das Schmiermittel aus der Schmiermittelquelle 2 in den Vorratsraum 5 strömen kann. Dieses Öffnen des Schliessorgans 24 kann rein mechanisch erfolgen, oder durch eine elektrische, hydraulische oder pneumatische Ansteuerung.The closing
Der Vorratsraum 5 ist über eine Schmiermittelleitung 10 mit dem Kolbenmantel 16 verbunden, wobei die Schmiermittelleitung 10 in ein Schmiermittelsammelelement 14 mündet. Ein Schmiermittelsammelelement 14 ist in einer ringförmigen Ausnehmung 19 des Kolbenmantels angeordnet.The
Das Schmiermittelsammelelement 14 ist somit gemäss
Das Schmiermittelsammelelement 14 fungiert somit im Betriebszustand des Grossdieselmotors nicht nur als Sammelelement für das Schmiermittel, sondern kann auch Schmiermittel von der Lauffläche entfernen. In dieser Funktion ist es ähnlich einem Schmiermittelabstreifring. Zudem hat das Schmiermittelsammelelement 14 auch eine Funktion als Schmiermittelverteilelement. Insbesondere kann der Körper 29 eine Öffnung 30 enthalten, durch welche Schmiermittel von einer Schmiermittelquelle in die Nut 28 des Schmiermittelsammelelements eingebracht werden kann bzw. umgekehrt überschüssiges Schmiermittel von der Lauffläche 32 abgezogen werden kann.The
Das Schmiermittelsammelement steht in berührendem Kontakt zur Lauffläche 32, weil es eine Abdichtfunktion gegenüber Gas aus dem die Kurbelwelle enthaltenden Zylinderraum 20 übernimmt. Bei Grossdieselmotoren wird dieser Zylinderraum 20 auch als Receiverraum bezeichnet, welcher Frischluft enthält, die in der Regel über einen nicht dargestellten Turbolader bereitgestellt wird. Im Zylinderraum 20 liegt somit der Druck der Frischluft an, die über Spülschlitze dem Brennraum 4 zugeführt wird, wenn der Kolben 1 sich im Bereich des unteren Totpunkts befindet. Die Frischluft steht unter Überdruck, der zumeist im Bereich von 1 bis 5 bar, bevorzugt 2 bis 5 bar, insbesondere beispielsweise um die 4 bar beträgt.The lubricant collecting element is in touching contact with the running
Um das Schmiermittelsammelelement gegen die Lauffläche zu pressen, kann ein Federelement 33 vorgesehen sein, welches sich zwischen der Ausnehmung 19 und dem Körper 29 des Schmiermittelsammelelements befindet.In order to press the lubricant collecting element against the tread, a
Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf
Durch die Pumpe 23 wird das Schmieröl bzw. das Schmiermittel durch die Versorgungsleitung 222 in den Füllraum 221 der Fülleinrichtung 22 gepumpt. Die Pumpe 23 bringt das Schmiermittel mit einem Fülldruck p3 in den Füllraum 221 ein.By the
Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist an der Unterseite des Kolbens 1 an der Mündung der Einspeisung 7 ein Zapfen 73 mit einer inneren Bohrung vorgesehen, sodass Schmiermittel durch den Zapfen 73 in die Einspeisung 7 strömen kann. Der Zapfen 73 ist so ausgebildet, dass er in einen Ausgang der Fülleinrichtung 22 eindringen kann.In the embodiment described here, a
Bewegt sich nun im Betriebszustand des Dieselmotors der Kolben 1 nach unten (gemäss der Darstellung in
Nachdem sich der Kolben von der Fülleinrichtung 22 getrennt hat, wird während seiner Aufwärtsbewegung die Luft im Zylinder 3 auf der Brennraumseite des Kolbens 1 komprimiert. Dieser Druck im Brennraum 4 bzw. auf der Brennraumseite des ersten Kolbenrings 11 liegt über den Kanal 82 auch an der Membrane 81 der Fördereinrichtung 8 an. Dadurch erhöht der Membrankolben 8 den Druck im Vorratsraum 5. Ist der Druck soweit angestiegen, dass die Druckdifferenz über die Rückschlagventile 62 grösser wird als der Öffnungsdruck p1 der Rückschlagventile 62, so öffnen diese und das Schmiermittel gelangt durch die Zuleitungen 6 zu den Schmierstellen 61 und von dort auf die Lauffläche 32. Die Schmierung beginnt. Nachdem der Kolben 1 den oberen Totpunkt durchlaufen hat, in dessen Bereich der Verbrennungsprozess stattfindet, nimmt der Druck im Brennraum 4 bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 1 wieder ab, natürlich auch durch das Öffnen des nicht dargestellten Auslassventils. Sobald der Druck auf der Brennraumseite des Kolbens 1, der über den Kanal 82 auch auf der Membrane 81 lastet, so weit abgesunken ist, dass die Druckdifferenz über die Rückschlagventile 62 kleiner wird als ihr Öffnungsdruck p1, so verschliessen diese Rückschlagventile 62 die Zuleitungen 61, sodass kein Schmiermittel mehr zu den Schmierstellen 61 gelangen kann. Die Schmierung ist beendet.After the piston has separated from the filling
Der Membrankolben 8 wird so eingestellt, dass er möglichst genau oberhalb eines festgelegten Drucks reagiert. Dadurch ist es möglich, dass das Schmiermittel auf den Arbeitszyklus bezogen genau dort in den Zylinder 3 eingebracht wird, wo es benötigt wird, bzw. wo es am effizientesten ist. Die Öffnung des Kanals 82 wird ausreichend gross gewählt, dass es während des Betriebs nicht zu einer Verkokung dieser Öffnung kommt. Einer Verkokung wird ferner dadurch wirkungsvoll vorgebeugt, dass das Schmiermittel nicht oberhalb, also brennraumseitig des ersten Kolbenrings 11 eingespritzt wird, sondern zwischen den Kolbenringen 11, 12, 13. Damit ist ein sicherer Betrieb gewährleistet.The
Der Membrankolben 8 wird so ausgestaltet, dass er oberhalb des festgelegten Drucks über seinen Kolbenweg eine möglichst genau vorgegebene Menge an Schmiermittel aus dem Vorratsraum 5 verdrängt und über die Zuleitungen 6 in das Kolbenringpaket presst. Vorteilhafterweise wird dadurch eine lastabhängige Schmierung gewährleistet.The
Dies wird anhand der
Die durchgezogene Kurve in
Für die Zuführung des Schmiermittels mit Hilfe des Membrankolbens 8 besteht die Möglichkeit, mit einem konstanten Hub des Membrankolbens 8 zu arbeiten. Wenn dann beim Kurbelwinkel W1 der Grenzdruck ps überschritten wird, gelangt das Schmiermittel mit einer konstanten Förderrate zu den Schmierstellen 61, bis der Druck im Zylinder 3 den Wert ps wieder unterschreitet. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Membrankolben 8 als Proportionalkolben auszugestalten, sodass die Schmiermittelmenge, die pro Zeit zwischen den Kurbelwinkeln W1 und W2 gefördert wird, dem Druckverlauf im Zylinder folgt. Dazu wird der Membrankolben 8 so ausgestaltet, dass sein Hub bzw. der von ihm zurückgelegte Weg dem Druck im Zylinder 3 folgt. Diese beiden Möglichkeiten veranschaulicht das Diagramm in
In
Die beiden darunterliegenden Darstellungen zeigen die Fördermengen F1 bzw. F2 an Schmiermittel in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel KW. Die Fördermenge F1 entspricht dabei der Variante mit konstantem Hub des Membrankolbens 8, die Fördermenge F2 zeigt den Fall, wenn der Hub des Membrankolbens 8 dem Druckverlauf im Zylinder 3 folgt.The two diagrams below show the flow rates F1 and F2 of lubricant as a function of the crank angle KW. The flow rate F1 corresponds to the variant with a constant stroke of the
Auf diese Weise lässt sich die in den Zylinder 3 eingebrachte Schmiermittelmenge sehr genau einstellen, auch der Zeitpunkt bzw. das Zeitintervall der Schmierung ist sehr genau kontrollierbar. Daraus ergibt sich eine sehr effiziente Nutzung des Schmiermittels, woraus auch ein sehr geringer Verbrauch resultiert. Es sind Schmierraten von beispielsweise 0.6g/kWh realisierbar.In this way, the amount of lubricant introduced into the
Je nach Anwendungsfall kann es sein, dass der Vorratsraum 5 nicht bei jedem Arbeitszyklus befüllt werden muss, also nicht jedesmal, wenn der Kolben 1 im unteren Totpunkt ist. Dazu kann dann beispielsweise die Pumpe 23 der Schmiermittelquelle 2 so angesteuert werden, dass sie nur bei jedem zweiten, oder dritten, oder vierten usw. Arbeitszyklus Schmiermittel in den Vorratsraum fördert. Auch ist es möglich, den Füllstand des Vorratsraums 5 mit einem Sensor zu überwachen und nur bei Bedarf die Pumpe 23 so anzusteuern, dass Schmiermittel in den Vorratsraum gefördert wird.Depending on the application, it may be that the
Anstelle des Membrankolbens können natürlich auch andere Fördereinrichtungen 8 vorgesehen sein, z.B. hydraulische, pneumatische, elektrische oder Kombinationen davon, um nach der Befüllung des Vorratsraums 5 und nach Entkopplung der Einspeisung 7 von der Fülleinrichtung 22 den Druck im Vorratsraum 5 zu einem vorgebbaren Kurbelwinkel oder Zeitpunkt so zu erhöhen, dass der Öffnungsdruck p1 der Rückschlagventile 62 überschritten wird und die Schmierung beginnt. Alternativ oder ergänzend ist es natürlich auch möglich, die Rückschlagventile 62 durch andere ansteuerbare Schliessorgane 62 zu ersetzen, beispielsweise durch elektrisch ansteuerbare Ventile.Instead of the diaphragm piston, of course,
Ferner sind auch andere Platzierungen und/oder eine andere Anzahl der Schmierstellen 61 möglich. So ist es beispielsweise insbesondere möglich, mindestens eine Schmierstelle in einem der Kolbenringe vorzusehen, sodass die Schmierung auch durch den Kolbenring hindurch erfolgt. Ein derartiger Kolbenring kann beispielsweise als Schmiermittelverteilerring ausgestaltet sein.Furthermore, other placements and / or a different number of lubrication points 61 are possible. For example, it is possible in particular to provide at least one lubrication point in one of the piston rings, so that the lubrication also takes place through the piston ring. Such a piston ring may be configured, for example, as a lubricant distributor ring.
Ein Schmiermittelsammelelement 14 kann anstelle jedes Kolbenrings vorgesehen sein, mit Ausnahme des dem Brennraum 4 nächstliegenden Kolbenrings.A
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Vorratsbehälter 5 als Tank ausgestaltet, der in einer Kavität 51 im Innern des Kolbens 1 angeordnet ist. Der Vorratsraum 5 weist in seiner Wandung zwei Austrittsöffnungen 52 auf, durch welche das Schmiermittel aus dem Vorratsraum 5 in die Zuleitungen 6 gelangen kann. In dem Vorratsraum 5 ist als Fördereinrichtung ein Förderkolben 8 vorgesehen, der sich über eine Feder 83 am darstellungsgemäss oberen Ende des Vorratsraums 5 abstützt. Beim Befüllungsvorgang des Vorratsraums 5 wird der Förderkolben 8 gegen die Kraft der Feder 83 darstellungsgemäss nach oben bewegt. Durch die somit erzeugte Federspannung bewegt sich der Förderkolben 8 nach dem Befüllungsvorgang darstellungsgemäss nach unten und presst dadurch das Schmiermittel durch die Zuleitungen 6 und die Schmierstelle 61 in das KolbenringpaketBei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Einspeisung 7 in den Vorratsraum 5 integriert und weist das Rückschlagventil 72 auf. Natürlich ist es auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel möglich, die Einspeisung 7 als Einspeisekanal oder Leitung oder Bohrung auszugestalten und/oder einen Zapfen 73 wie in
Der Vorratsraum 5 ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel bezüglich der axialen Richtung bewegbar in der Kavität 51 angeordnet und stützt sich über eine Rückstellfeder 9 an dem Ende der Kavität 51 ab, das dem Brennraum 4 zugewandt ist. Dadurch fungiert der als Tank ausgestaltete Vorratsraum 5 zusammen mit der Rückstellfeder 9 als eine Sperreinrichtung, welche beim Zusammenwirken mit der Schmiermittelquelle 2 die Strömungsverbindung zwischen dem Vorratsraum 5 und jeder Zuleitung 6 verschliesst, wie im folgenden noch näher erläutert wird.In the second exemplary embodiment, the
Beim Befüllen des Vorratsraums 5 muss der Förderkolben 8 gegen die Kraft der Feder 83 gespannt werden. Das bedeutet, der Fülldruck p3 muss mindestens so gross sein wie der maximale Druck, den der Förderkolben 8 aufgrund seiner Federbelastung auf das Schmiermittel ausüben kann. Damit dieser maximale Druck ausreicht, um für die Schmierung die Rückschlagventile 62 in den Zuleitungen 6 zu öffnen, muss er grösser sein als der Öffnungsdruck p1 der Rückschlagventile 62. Ohne eine Sperreinrichtung zum Verschliessen der Zuleitungen 6 hätte dies zur Folge, dass schon beim Befüllen des Vorratsraums 5 zumindest ein Teil des Schmiermittels direkt durch die Zuleitungen 6 zu den Schmierstellen 61 gelangt und dort austritt. Dies verhindert die Sperreinrichtung, wie nun anhand der
Der von dem Förderkolben 8 und dem Vorratsraum 5 begrenzte Ausgleichsraum 45 kann insbesondere ein kompressibles Medium enthalten. Der Förderkolben 8 ist an seinem Umfang mit einem Dichtelement 46 versehen, welcher den Ausgleichsraum 45 ven dem Vorratsraum, welcher das Schmiermittel enthält, fluiddicht trennt.The limited by the
Die Hebeeinrichtung 25 ist beispielsweise als Anschlag ausgestaltet, gegen den der Vorratsraum 5 anläuft bevor das Schliessorgan 24 der Fülleinrichtung 22 geöffnet wird. Nun erfolgt die Befüllung des Vorratsraums 5 in sinngemäss gleicher Weise wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Dabei wird der Förderkolben 8 im Vorratsraum 5 gespannt, das heisst, er wird gegen die Kraft der Feder 83 darstellungsgemäss nach oben bewegt. Nach der Befüllung wird das Schliessorgan geschlossen, der Kolben 1 bewegt sich nach oben und der Vorratsraum 5 verliert den Kontakt mit der Hebeeinrichtung 25, Dadurch bewegt sich der Vorratsraum 5 durch die Federkraft der Rückstellfeder 9 relativ zum Kolben 1 darstellungsgemäss nach unten und nimmt die in
Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ergibt sich bei dem zweiten Ausführungsbeispiel eine andere Charakteristik der Einbringung des Schmiermittels in das Kolbenringpaket. Die Einbringung des Schmiermittels erfolgt hier, solange der Druck im Zylinder unterhalb eines Grenzdrucks ps bleibt. Unmittelbar nach dem Befüllen des Vorratsraums 5, wenn sich der Kolben 1 noch in der Nähe des unteren Totpunkts befindet, herrscht an den Schmierstellen 61 bzw. in den Zuleitungen 6 bezogen auf den Arbeitszyklus der geringste Druck, nämlich im wesentlichen der Spülluftdruck. Der Druckabfall über die Rückschlagventile 62 ist dann im wesentlichen bestimmt durch die Differenz des vom Förderkolben 8 im Vorratsraum 5 erzeugten Drucks und des zylinderseitig auf den Rückschlagventilen 62 lastenden Drucks, der etwa dem Spüldruck entspricht. Solange diese Druckdifferenz grösser ist als der Öffnungsdruck p1 der Rückschlagventile 62, tritt Schmiermittel aus dem Vorratsraum 5 durch die Zuleitungen 6 und die Schmierstellen 61 in das Kolbenringpaket aus. Mit fortschreitender Aufwärtsbewegung des Kolbens 1 nimmt der Druck im Zylinder 3 zu und damit auch der Druck, der zylinderseitig auf den Rückschlagventilen 62 lastet. Hierdurch reduziert sich der Druckabfall über die Rückschlagventile 62. Beim Erreichen des Grenzdrucks ps im Zylinder wird die Druckdifferenz über die Rückschlagventile 62 kleiner als ihr Öffnungsdruck, sodass sie die Zuleitungen 6 verschliessen. Die Schmierung wird beendet. Nachdem der Kolben 1 den oberen Totpunkt durchlaufen hat, bei welchem die Verbrennung stattfindet, sinkt der Druck im Zylinder mit fortschreitender Abwärtsbewegung des Kolbens immer mehr ab. Wenn dann die Druckdifferenz über die Rückschlagventile beim Druck ps den Wert p1 des Öffnungsdrucks der Rückschlagventile 62 erreicht, beginnt die Schmierung wieder.In contrast to the first embodiment results in the second embodiment, a different characteristic of the introduction of the lubricant in the piston ring package. The introduction of the lubricant takes place here, as long as the pressure in the cylinder remains below a limit pressure ps. Immediately after filling the
Dies veranschaulicht
Mit diesem zweiten Ausführungsbeispiel ergibt sich eine andere Möglichkeit der Schmiermittelzufuhr, denn hier findet die Schmierung hauptsächlich im unteren Bereich der Lauffläche 32 des Zylinders 3 statt. Daraus resultiert auch eine geänderte Charakteristik der Fördermenge F des Schmiermittels. Diese ist in
Um eine Einbringung des Schmiermittels über den gesamten Hub bzw. über den gesamten Arbeitszyklus des Kolbens 1 zu erreichen, ist es möglich, das erste Ausführungsbeispiel und das zweite Ausführungsbeispiel miteinander zu kombinieren. Hierzu können beispielsweise zwei Vorratsräume 5 vorgesehen werden sowie zwei Schmierquellen 2, wobei einer der Vorratsräume 5 so befüllt und entleert wird, wie für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben und der andere Vorratsraum 5 so, wie für das zweite Ausführungsbeispiel beschrieben.In order to achieve an introduction of the lubricant over the entire stroke or over the entire working cycle of the
Eine weitere Variante besteht für beide Ausführungsbeispiele darin, dass die Befüllung des Vorratsraums 5 in sinngemäss gleicher Weise dann erfolgt, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet.A further variant for both embodiments is that the filling of the
Im folgenden wird nun noch eine Möglichkeit für die Ausgestaltung des Kolbenringpakets für die Verteilung des Schmiermittels auf der Lauffläche 32 beschrieben. Diese Varianten, die anhand der
Wie dies in
Im Unterschied zu heute üblichen Schmierverfahren, bei denen das Schmiermittel mit dem obersten Kolbenring in der Kolbenaufwärtsbewegung verteilt wird, verteilt der erste Kolbenring 11 das Schmiermittel in der Abwärtsbewegung des Kolbens 1. Das hat den Vorteil, dass kein Schmiermittel in den Brennraum 4 geschabt wird und damit für die Schmierung verloren geht. Hierdurch kann der Schmiermittelverbrauch gesenkt werden. Gleichzeitig resultiert der Vorteil, dass einer starken Verkokung entgegengewirkt wird, wodurch beispielsweise die Verwendung eines "anti-polishing-rings" überflüssig werden kann.In contrast to today's conventional lubrication method, in which the lubricant is distributed with the top piston ring in the piston upward movement, the
Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens verteilt der dritte Kolbenring 13 das Schmiermittel auf der Lauffläche 32.During the upward movement of the piston, the
Eine weitere vorteilhafte Massnahme besteht darin, den zweiten Kolbenring 12, der zwischen den beiden anderen Kolbenringen 11 bzw. 13 angeordnet ist, als Schmiermittelverteilerring auszugestalten. Primär dient der Schmiermittelverteilerring dazu, das Schmiermittel über den Umfang der Lauffläche 32 zu verteilen. Eine mögliche Ausgestaltung ist in den
Aufgrund des Druckunterschieds in dem Ringraum zwischen dem ersten Kolbenring 11 und dem zweiten Kolbenring 12 einerseits und dem Ringraum zwischen den zweiten Kolbenring 12 und dem dritten Kolbenring 13 andererseits, - also des Druckabfalls über den zweiten Kolbenring 12 - wird durch die Nuten 122 eine Strömung erzwungen, welche eine tangentiale Komponente besitzt und somit der Umfangsverteilung des Schmiermittels zuträglich ist.Due to the pressure difference in the annular space between the
Natürlich sind auch andere Profile für den Schmiermittelverteilerring möglich.Of course, other profiles for the lubricant distributor ring are possible.
Der Kolben 1, von welchem nur ein Teil dargestellt ist, trägt wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen das Bezugszeichen 1. Ferner ist eine Schmiermittelentnahmevorrichtung 40 schematisch dargestellt. Diese Schmiermittelentnahmevorrichtung ist gegebenenfalls durch eine Schmiermittelquelle 2 ersetzbar, wie in Zusammenhang mit dem ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist. Ein wesentlicher Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen besteht darin, dass der Vorratsraum 5 keine Fördereinrichtung 8 enthält mittels welcher Schmiermittel zwischen je zwei Kolbenringen 11,12,13 über eine Zuleitung in den Schmierraum geleitet wird. Der Schmierraum erstreckt sich zwischen Kolbenmantel 16 und Lauffläche 32 an der Wandung 31 des Zylinders 3.The
Das Schmiermittel wird über das Schmiermittelsammelelement 14 im Schmierraum verteilt und über das Schmiermittelsammelelement 14 aus dem Schmierraum entfernt und über die Schmiermittelleitung 10 dem Vorratsraum 5 zugeführt. Der Vorratsraum 5 ist ein mit Schmiermittel gefülltes Reservoir, welches im Kolbenkörper 34 angeordnet ist. Vom Vorratsraum 5 führt einerseits mindestens eine Schmiermittelleitung 10 zu dem Schmiermittelsammelelement 14 sowie mindestens eine Einspeisung 7 zum Zylinderraum 20. In der Einspeisung ist ein Schliessorgan 72 angeordnet, um zu verhindern, dass im Vorratsraum 5 enthaltenes Schmiermittel ungewollt in den Zylinderraum ablaufen kann. Das Schliessorgan 72 ist insbesondere als Rückschlagventil ausgebildet.The lubricant is distributed via the
An die Einspeisung 7 kann eine nicht dargestellte Schmiermittelquelle angeschlossen werden, deren Arbeitweise der in
Die Einbringung des Schmiermittels in den Schmierraum erfolgt ähnlich wie in Zusammenhang mit dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben solange der Druck im Schmierraum unterhalb eines Grenzdrucks bleibt, der hier ebenfalls als ps bezeichnet werden soll. In der Nähe des unteren Totpunkts liegt am Schmiermittelsammelelement der geringste Druck an, nämlich im wesentlichen der Druck im Zylinderraum 20, also der Spülluftdruck. Der Druck des Schmiermittels ist höher als der Druck im Zylinderraum und dem Druckabfall über das Schmiermittelsammelelement 14 und der Schmiermittelleitung 10. Dementsprechend strömt Schmiermittel vom Vorratsraum 5 in den Schmierraum. Dieser Schmiermittelstrom hält solange an, bis der Druck im Schmierraum den Grenzdruck ps erreicht, also gleich dem Druck im Vorratsraum 5 plus dem Druckabfall über das Schmiermittelsammelelement 14 und der Schmiermittelleitung 10 ist.The introduction of the lubricant into the lubricating space is similar to that described in connection with the second embodiment as long as the pressure in the lubricating space remains below a limiting pressure, which is also to be referred to here as ps. Near the bottom dead center, the lowest pressure is present at the lubricant collecting element, namely essentially the pressure in the
Das Schmiermittelsammelelement erfüllt unterhalb des Grenzdrucks eine Funktion als Schmiermittelverteilelement. Bewegt sich der Kolben nun weiter in Richtung des oberen Totpunkts, verhindert der zunehmende Innendruck im Schmierraum den Austritt von Schmiermittel aus dem Schmiermittelsammelelement. Das Schmiermittelsammelelement wirkt oberhalb des Grenzdrucks ps als Sammelelement, das heisst, die beiden Lippen 26, 27 erfassen im Schmierraum befindliches Schmiermittel und leiten es in die Öffnung 30, in die Schmiermittelleitung 10 und in den Vorratsraum 5. Mit dieser Massnahme wird verhindert, dass Schmiermittel in den Brennraum 4 eingetragen wird und andererseits wird sichergestellt, dass ausreichend Schmiermittel im Schmierraum vorhanden ist.The lubricant collecting element fulfills a function as a lubricant distribution element below the limit pressure. If the piston now moves further in the direction of top dead center, the increasing internal pressure in the lubricant space prevents the lubricant from escaping from the lubricant collecting element. The lubricant collecting element acts as a collecting element above the limit pressure ps, that is, the two
Alternativ dazu kann an die Einspeisung 7 eine Schmiermittelentnahmevorrichtung 40 angschlossen werden. Mittels der Schmiermittelentnahmevorrichtung kann verunreinigtes oder verbrauchtes Schmiermittel aus dem Schmiermittelkreislauf entfernt werden. Die Schmiermittelentnahmevorrichtung 40 umfasst ein Öffnungselement, um das Schliessorgan 72 mechanisch zu öffnen. Da sich das Schmiermittel unter einem Druck befindet, der höher als der Druck im Zylinderraum 20 ist, fliesst bei einer unter Atmosphärendruck arbeitenden Schmiermittelentnahmevorrichtung Schmiermittel aus dem Vorratsraum 5 sowie allfälliges in der Schmiermittelleitung 10 oder im Schmiermittelsammelement 14 befindliches Schmiermittel aus. Zur Erhöhung der Ausflussgeschwindigkeit kann die Schmiermittelentnahmevorrichtung auch unter einem Druck arbeiten, der kleiner als der Atmosphärendruck ist.Alternatively, a lubricant extraction device 40 can be connected to the
Zudem kann das Schmiermittel anstatt über die Einspeisung 7 oder in Ergänzung zu derselben über eine weitere, hier nicht dargestellte Ablaufleitung abgelassen werden. Selbstverständlich kann auch eine Mehrzahl von derartigen Ablaufleitungen an verschiedenen Stellen des Kolbenkörpers vorgesehen sein, insbesondere wenn der Vorratsraum 5 ringförmig ausgebildet ist oder in einen im Kolbenkörper verlaufenden Ringkanal mündet, von welchem eine Mehrzahl an Schmiermittelleitungen abzweigt, die zu einer Mehrzahl von Schmiermittelsammelelementen führen.In addition, the lubricant can be drained off via the
Es ist auch möglich, eines oder mehrere Schmiermittelsammelelemente zwischen je zwei Kolbenringen vorzusehen. Die Platzierung der Schmiermittelsammelelemente hängt vom Bedarf an Schmiermittel am Kolbenmantel 16 bzw. der zugehörigen Lauffläche 32 ab.It is also possible to provide one or more lubricant collecting elements between each two piston rings. The placement of the lubricant collection elements depends on the need for lubricant on the
Die Schmiermittelsammelelemente können entlang des Umfangs des Kolbenmantels verteilt sein, insbesondere in gleichen Abständen zueinander angeordnet sein.The lubricant collecting elements can be distributed along the circumference of the piston skirt, in particular be arranged at equal distances from each other.
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