EP2243940A1

EP2243940A1 - Reduziereinrichtung zur Reduzierung eines Gasdrucks auf ein Kolbenringpaket einer Hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: EP2243940A1
Application number: EP10155915A
Authority: EP
Inventors: Konrad Räss
Original assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Current assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Priority date: 2009-04-06
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2010-10-27
Also published as: BRPI1000986A2; KR20100111248A; CN101858276A; JP2010242761A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Reduziereinrichtung (1, 100) zur Reduzierung eines Gasdrucks (P), der im Betriebszustand einer Hubkolbenbrennkraftmaschine auf eine in einem Ringbereich (21) eines Kolbens (2) angeordnete Kolbenringpackung (22) wirkt. Der Kolben (2) umfasst dabei eine an den Ringbereich (21) angrenzende Kolbenkrone (23), die im Einbauzustand einem Brennraum (3) der Hubkolbenbrennkraftmaschine zugewandt ist. Der Kolben (2) ist im Betriebszustand entlang einer Längsachse (L) eines Zylinders (4) derart hin- und herbewegbar angeordnet, dass die Kolbenkrone (23) des Kolbens (2) in der Nähe eines oberen Totpunkts (OT) seiner Bewegung im Zylinder (4) mit einer an einer Zylinderwand (41) des Zylinders (4) vorgesehen Abstreifeinrichtung (5) zum kontrollierten Abstreifen von Verbrennungsrückständen (6) zusammenwirkt, wobei die Reduziereinrichtung (1) in Form einer Ausnehmung (100) ausgestaltet, so dass eine kontrollierte Ablagerung der Verbrennungsrückstände (6) an der Reduziereinrichtung (1, 100) erreichbar ist. Erfindungsgemäss sind die Abstreifeinrichtung (5) und die Kolbenkrone (23) derart ausgestaltet und zueinander angeordnet sind, dass sie zumindest bei einer Stillstandstemperatur zumindest abschnittsweise unter einem vorgebbaren Winkel (α) zueinander geneigt sind, so dass so in der Nähe des oberen Totpunkts (OT) beim Zusammenwirken der Kolbenkrone (23) mit der Abstreifeinrichtung (5) eine Reduzierung des auf die Kolbenringpackung (22) wirkenden Gasdrucks (P) automatisch einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Reduziereinrichtung zur Reduzierung eines Gasdrucks auf ein Kolbenringpaket einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, einen Kolben, einen demontierbaren Abstreifring und einen Zylinder, sowie eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere Zweitakt-Grossdieselmotor gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Kolben für Hubkolbenbrennkraftmaschinen, wie zum Beispiel Zweitakt-Grossdieselmotoren, insbesondere für längs gespülte Zweitakt-Grossdieselmotore, sind in der Regel mit einer Packung aus mehreren, in jeweils einer Kolbenringnute, übereinander angeordneten Kolbenringen ausgestattet. Typischerweise umfassen die bekannten Kolbenringpackungen mindestens zwei Kolbenringe, meist jedoch drei, vier oder sogar fünf Kolbenringe, je nach Grösse Leistung oder Bauart der Hubkolbenbrennkraftmaschine bzw. je nach Anforderungen und den speziellen Betriebsbedingungen, unter denen die Maschine betrieben wird.
Die Kolbenringe erfüllen dabei ganz unterschiedliche Funktionen, wie zum Beispiel die Verteilung und / oder Abstreifung eines Schmiermittels auf der Lauffläche des Zylinders, die Abdichtung des Brennraums gegen das Kurbelgehäuse, bzw. im Falle von längs gespülten Zweitakt-Grossdieselmotoren die Abdichtung gegen den Receiverraum usw..
Typisch bei längs gespülten Zweitakt-Grossdieselmotoren ist die Verwendung einer Kolbenringpackung bestehend aus vier oder fünf Kolbenringen zur Abdichtung des Brennraums gegen die Kolbenunterseite, die gegen den Receiverraum gerichtet ist, aus dem zu Beginn der Spülphase Frischluft durch die Spülschlitze in den Brennraum des Zylinders strömt. Abhängig vom Ringspalt, sind die unteren Kolbenringe mehr oder weniger stark belastet. Dabei können verschiedenartige Instabilitäten zwischen den unteren Kolbenringen auftreten, die zum Beispiel zu Druckfluktuationen führen können, die ihrerseits wiederum Instabilitäten im Kolbenlauf hervorrufen, weil zu viele Kolbenringe vorhanden sind, die ähnliche oder gleiche Funktionen haben.
Grossdieselmotoren werden häufig als Antriebsaggregate für Schiffe oder auch im stationären Betrieb, z.B. zum Antrieb grosser Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt. Dabei laufen die Motoren in der Regel über beträchtliche Zeiträume im Dauerbetrieb, was hohe Anforderungen an die Betriebssicherheit und die Verfügbarkeit stellt. Daher sind für den Betreiber insbesondere lange Wartungsintervalle, geringer Verschleiss und ein wirtschaftlicher Umgang mit Brenn- und Betriebsstoffen zentrale Kriterien für den Betrieb der Maschinen. Unter anderem ist das Kolbenlaufverhalten solcher grossbohrigen langsam laufenden Dieselmotoren ein bestimmender Faktor für die Länge der Wartungsintervalle, die Verfügbarkeit und über den Schmiermittelverbrauch auch unmittelbar für die Betriebskosten und damit für die Wirtschaftlichkeit. Damit kommt auch der komplexen Problematik der Zylinderschmierung Motoren eine immer grössere Bedeutung zu, wobei insbesondere bei Grossdieselmotoren die Zylinderschmierung durch Schmiereinrichtungen im sich hin und her bewegenden Kolben erfolgt oder durch in der Zylinderwand vorgesehene Schmieröldüsen realisiert ist.
Ein Punkt, der immer wieder Probleme beim Betrieb von Verbrennungsmotoren bereitet, sind Verbrennungsrückstände, die sich an den unterschiedlichsten Stellen im Motor ablagern können. Vor allem bei Zeitakt-Grossdieselmotoren, die häufig mit Schweröl betrieben werden, stellen Verbrennungsrückstände ein erhebliches Problem dar, da der verwendete Treibstoff, nämlich das Schweröl mit vielen Stoffen beladen ist, die zu festen, flüssigen und gasförmigen Verbrennungsrückständen aller Art führen können, die sich insbesondere am Kolben, an den Kolberingnuten, vor allem auch an der Kolbenkrone oder am Zylinder, bevorzugt auch in der Nähe das oberen Totpunktes absetzen können.
Insbesondere um Ablagerungen von Verbrennungsrückständen von der Kolbenkrone abzustreifen, ist es zum Beispiel bei Wärtsilä Zweitaktmotoren bekannt, einen sogenannten Antipolishing Ring im oberen Teil des Zylinderliners vorzusehen. Dieser Ring kann z.B. als dünnwandige Büchse mit rechteckigem Querschnitt ausgeführt sein, die üblicherweise einen kleineren inneren Durchmesser aufweist als der des Zylinders selbst. Durch die Durchmesserverengung wird ein Abstreifeffekt zum Abstreifen von Ablagerungen an der Kolbenkrone generiert. Der innere Durchmesser des Antipolishing Rings richtet sich dabei nach dem Durchmesser der Kolbenkrone, und zwar spezifisch nach deren maximalem Durchmesser im Motorbetrieb. Ziel es daher bei den bekannten Antipolishing Ringen den inneren Durchmesser so eng auszulegen, dass der Spalt zwischen Kolbenkrone und Antipolishing Ring so gering wie möglich wird, die Kolbenkrone aber nicht in direktem Kontakt mechanisch den Antipolishing Ring streift.
Es liegt auf der Hand, dass die Auslegung des Antipolishing Rings sehr vielen Kompromissen gehorchen muss. Bei tiefen Lasten und kälterer Kolbenkrone ist das Spiel, also der Abstand zwischen Kolbenkrone und Antipolishing Ring allein schon aufgrund thermischer Ausdehnungseffekte grösser als bei hohen Lasten. Dabei ist zusätzlich zu bedenken, dass im Allgemeinen die verschiedenen Komponenten im Zylinder, wie die Zylinderlauffläche, der Kolben, im Speziellen die Kolbenringe, die Kolbenringnuten aber auch die Kolbenkrone sowohl in Umfangsrichtung als auch in Längsrichtung in Abhängigkeit von der Zahl der geleisteten Betriebsstunden unterschiedlich verschleissen und damit keine fest definierten Durchmesser haben.
Somit ist klar, dass bei den aus dem Stand der Technik bekannten Motoren Antipolishing Ring und Kolbenkrone nicht unter allen Betriebsbedingungen und nicht über die gesamte Lebensdauer der beteiligten Komponenten optimal zusammenwirken.
Vor allem eine optimale Dichtwirkung zwischen Antipolishing Ring und Kolbekrone nicht unter allen Umständen gewährleistet, wenn beide in der Nähe des oberen Totpunktes eigentlich dichtend zusammenwirken sollen. Neben dem Abstreifen von Verbrennungsrückständen ist es nämlich eine wesentliche Aufgabe der Paarung Antipolishing Ring / Kolbenkrone den enormen Gasdruck, der beim Kompressionshub bzw. durch die Zündung des Treibstoff Luftgemischs im Verbrennungsraum in der Nähe des oberen Totpunktes des Kolbens im Zylinder aufgebaut wird, gegen die Unterseite des Kolbens und damit in erster Linie gegen das unter der Kolbenkrone liegende Kolbenringpaket abzudichten.
Damit soll insbesondere gewährleistet werden, dass die im Brennraum in der Nähe des oberen Totpunktes erzeugte Druckenergie möglichst vollständig nutzbar ist und nicht zum Teil ungenutzt am Kolben vorbei in Form eines Gasstroms in den unteren Teil des Zylinders und in den Receiverraum abströmt. Ausserdem besteht bei ungenügender Abdichtung zwischen Antipolishing Ring und Kolbenkrone immer die Gefahr, dass durch den am Kolben nach unten vorbeiströmenden Gasstrom einzelne Partikel aus den Ablagerungen der Verbrennungsrückstände unkontrolliert herausgerissen werden, so dass diese sich z.B. im unteren Teil des Zylinders an der Zylinderlauffläche ablagern können, damit nicht zuletzt das Zylinderschmieröl kontaminieren und im schlimmsten Fall zu Schäden, wie dem gefürchteten Scuffing führen können.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Einrichtung bereitzustellen, mit deren Hilfe eine verbesserte Abdichtung zwischen Brennraum und Kolbenunterseite, insbesondere in der Nähe des oberen Totpunktes des Kolbens erreichbar ist. Insbesondere soll durch die vorliegende Erfindung der Gasdruck, der im Betriebszustand auf das Kolberingpaket des Kolbens wirkt reduziert werden, wobei unabhängig vom Betriebszustand oder vom Verschleisszustand der beteiligten Komponenten automatisch immer eine optimale Abdichtung zwischen Kolbenkrone und Antipolishing Ring in der Nähe des oberen Totpunktes des Kolbens erreichbar ist.
Die diese Aufgaben lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gekennzeichnet.
Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Die Erfindung betrifft somit eine Reduziereinrichtung zur Reduzierung eines Gasdrucks, der im Betriebszustand einer Hubkolbenbrennkraftmaschine auf eine in einem Ringbereich eines Kolbens angeordnete Kolbenringpackung wirkt. Der Kolben umfasst dabei eine an den Ringbereich angrenzende Kolbenkrone, die im Einbauzustand einem Brennraum der Hubkolbenbrennkraftmaschine zugewandt ist. Der Kolben ist im Betriebszustand entlang einer Längsachse eines Zylinders derart hin- und herbewegbar angeordnet, dass die Kolbenkrone des Kolbens in der Nähe eines oberen Totpunkts seiner Bewegung im Zylinder mit einer an einer Zylinderwand des Zylinders vorgesehen Abstreifeinrichtung zum kontrollierten Abstreifen von Verbrennungsrückständen zusammenwirkt, wobei die Reduziereinrichtung in Form einer Ausnehmung ausgestaltet, so dass eine kontrollierte Ablagerung der Verbrennungsrückstände an der Reduziereinrichtung erreichbar ist. Erfindungsgemäss sind die Abstreifeinrichtung und die Kolbenkrone derart ausgestaltet und zueinander angeordnet sind, dass sie zumindest bei einer Stillstandstemperatur zumindest abschnittsweise unter einem vorgebbaren Winkel zueinander geneigt sind, so dass in der Nähe des oberen Totpunkts beim Zusammenwirken der Kolbenkrone mit der Abstreifeinrichtung eine Reduzierung des auf die Kolbenringpackung wirkenden Gasdrucks automatisch einstellbar ist.
Unter dem Begriff "Stillstandstemperatur" ist dabei diejenige Temperatur zu verstehen, die der Motor nach ausreichend langem Warten im Nicht-Betriebszustand annimmt. Somit ist unter der Stillstandstemperatur im Wesentlichen die Umgebungstemperatur zu verstehen, wenn der Motor lange genug abgeschaltet ist und im wesentlichen die Temperatur der Umgebung angenommen hat. In Abgrenzung zur Umgebungstemperatur ist somit die Betriebstemperatur des Motors bzw. der verschiedenen Teile des Motors zu sehen, wobei, wie dem Fachmann wohl bekannt ist, die Betriebstemperatur diejenige Temperatur ist, die der Motor bzw. die einzelnen Teile des Motors im Betriebszustand annehmen.
Wesentlich für die Erfindung sind somit die Vorteile des sich verändernden Querschnittes zwischen Zylinder bzw. der Abstreifeinrichtung oder Reduziereinrichtung und der Kolbenkrone.
Bevorzugt sind die Bauteile Abstreifeinrichtung bzw. Reduziereinrichtung und Kolbenkrone so geformt, dass sie im kalten Zustand, d.h. bei der Stillstandstemperatur nicht parallel zueinander stehen. Dabei können die sich gegenüberliegenden Flächen von Abstreifeinrichtung bzw. Reduziereinrichtung und Kolbenkrone auch zum Beispiel als eine ballige, wellenförmige, oder gestufte Form vorgesehen werden.
Die Kolbenkrone weist bevorzugt eine konische sich nach dem Brennraum hin verjüngende Form auf, und der Abstreifring eine sich gegen den Brennraum hin schließende Form, oder aber auch umgekehrt, je nach Verformungstrend. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist es selbstverständlich auch möglich, dass nur eine der beiden sich gegenüberstehenden Flächen einen sich verändernden Querschnitt hat, wobei bevorzugt die Kolbenkrone einen sich verändernden Querschnitt hat.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist dabei, dass sich die Komponenten Im Betrieb erwärmen, so dass sich die Flächen, die mit oder ohne Profilierungen in Form von Ausnehmungen, wie zum Beispiel in Form von Nuten ausgeführt sein können, in optimaler Weise gegenüberstehen und sich somit eine gewünschte Abdichtwirkung zum Beispiel im Labyrinth der Ausnehmungen mit oder ohne abgelagerte Verschmutzung einstellt.
Dabei bewirkt ein sich nach dem Brennraum hin schließender, im speziellen verkleinernder Querschnitt eine bessere Abdichtung ohne Ablagerungen, da der kleinste Querschnitt am nächsten beim Brennraum liegt.
Ein sich nach dem Brennraum hin öffnender im speziellen vergrössernder Querschnitt bewirkt dagegen eine schnellere Ablagerung von Russpartikeln die sich aufgrund der zu erwartenden höheren Temperaturen und des größeren Querschnittes ablagern.
Die sich verjüngenden oder erweiternden Querschnittsflächen weisen bevorzugt üblicherweise Winkel zur Vertikalen, also in Bezug auf die Längsachse des Zylinders von ca. 0.238° bis 0.7° auf.
Im Speziellen wird gemäss der vorliegenden Erfindung der innere Durchmesser des Antipolishing Rings mit einer Anzahl von umlaufenden Nuten oder einem mehr oder weniger feinen Gewinde versehen. Die Funktion solcher oder geometrisch auch anders angelegter Ausnehmungen besteht unter anderem darin, dass ein Labyrinth Effekt erzeugbar ist, der in an sich bekannter Weise einen Dichtungseffekt hat und so einen Volumenstrom der Brenngase entlang der Kolbenkrone hin zum Kolbenringpaket und darüber hinaus in einen Bereich unterhalb des Kolbens zumindest stark reduziert. Dadurch wird auch der maximal auf das Kolbenringpaket wirkende Druck reduziert.
Ausserdem kann die durch Ausnehmungen gefurchte Oberfläche, die übrigens nicht nur am Antipolishing Ring sondern alternativ oder zusätzlich auch im Bereich der Kolbenkrone vorgesehen sein kann, das Absetzen von Verbrennungsrückständen beschleunigen. Die dadurch mit Verbrennungsrückständen beschichtete Oberfläche der Kolbenkrone und / oder des Antipolishing Rings reduziert den inneren Durchmesser des Antipolishing Rings bzw. den äusseren Durchmesser der Kolbenkrone und verringert so den Abstand, also den Spalt zwischen Antipolishing Ring und Kolbenkrone. Der Abstand zwischen Antipolishing Ring und Kolbenkrone stellt sich somit durch die vorliegende Erfindung im Betriebszustand automatisch auf einen optimalen Wert ein.
Beispielweise im Falle einer Leistungssteigerung und demzufolge einer Vergrösserung des äusseren Durchmessers der Kolbenkrone bzw. einer Verkleinerung des inneren Durchmessers des Antipolishing Rings, werden die relativ weichen Ablagerungen von Verbrennungsrückständen am Antipolishing Ring und / oder an der Kolbenkrone durch deren relativer Bewegung gegeneinander derart abgestreift, dass sich automatisch ein optimaler Abstand zwischen Antipolishing Ring und Kolbenkrone, bzw. zwischen den Oberflächen der Ablagerungen auf einem oder beiden dieser Komponenten einstellt. Dadurch wird unabhängig vom Betriebszustand der Hubkolbenbrennkraftmaschine und unabhängig vom Verschleisszustand der beteiligten Motorkomponenten automatisch immer ein optimaler Abstand zwischen Antipolishing Ring und Kolbenkrone hergestellt, so dass sich in Folge auch automatisch immer eine optimale Dichtwirkung und damit eine maximal mögliche Reduktion des Drucks auf das Kolbenringpaket einstellt.
Ausserdem wird durch den so verkleinerten Abstands zwischen Antipolishing Ring und Kolbenkrone der Volumenstrom von Brenngasen aus dem Brennraum, am Kolben vorbei über das Kolbenringpaket massiv reduziert.
Wie bereits erwähnt ist in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel die Ausnehmung an der Abstreifeinrichtung, die bevorzugt ein Antipolishing Ring ist, vorgesehen. Dabei kann die erfindungsgemässe Ausnehmung zusätzlich oder alternativ vorteilhaft auch an der Kolbenkrone vorgesehen sein.
Die Ausnehmung kann dabei je nach Anforderung im Konkreten ganz verschieden ausgebildet sein. So kann die Ausnehmung z.B. aus einem Feld von Vertiefungen bestehen, die entweder nach einem geordneten Muster oder aber auch nach einer zufälligen, bevorzugt gleichmässigen Verteilung an der Kolbenringkrone oder an der Abstreifeinrichtung, also dem Antipolishing Ring vorgesehen sein kann.
Bei einem für die Praxis besonders wichtigen Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung in Form einer in Bezug auf die Längsachse des Zylinders umlaufenden Nut ausgebildet ist und / oder die Ausnehmung ist in Form einer in Bezug auf die Längsachse des Zylinders schraubenförmig umlaufenden Nut ausgebildet, wobei beide Typen von Nuten selbstverständlich auch in ein und demselben Beispiel in Kombination vorgesehen sein können. Dabei versteht es sich, dass bevorzugt eine Mehrzahl von umlaufenden Nuten vorgesehen ist.
Insbesondere um Wartungsarbeiten am Zylinder zu vereinfachen und damit auch Kosten zu sparen ist die Abstreifeinrichtung als demontierbarer, d.h. austauschbarer Abstreifring an der Zylinderwand vorgesehen.
Dabei kann die demontierbare Abstreifeinrichtung einen in Bezug auf die Längsachse des Zylinders konstanten Querschnitt haben, das heisst der Querschnitt des Antipolishing Rings ist besonders bevorzugt rechteckig. In Speziellen Fällen ist es aber auch möglich, dass der Antipolishing Ring z.B. an die Geometrie der Kolbenkrone angepasst ist und einen nicht konstanten, sich verändernden Querschnitt hat. Beispielweise ist es möglich, dass der Antipolishing Ring eine mit einem Querschnitt der Kolbenkrone korrespondiere Querschnittsform hat, z.B. eine im wesentliche dreieckige Querschnittsform oder eine andere geeignete Querschnittsform.
Ebenfalls aus Kostengründen bzw. zur Vereinfachung von Wartungsarbeiten am Motor kann die Ausnehmung an einem demontierbaren Kolbenkronenring vorgesehen sein. D.h., an der Kolbenkrone kann korrespondierend zum Antipolishing Ring ein auswechselbarer Kolbenkronenring vorgesehen sein, der zum Beispiel mit der Kolbenkrone verschweisst ist, unter grosser mechanischer Spannung auf der Kolbekrone verspannt ist oder in anderer geeigneter Weise an der Kolbekrone sicher befestigt ist. Dann genügt es in bestimmten Fällen nur den Kolbenkronen Ring auszutauschen anstatt des gesamten Kolbens was, insbesondere Ersatzteile und damit weiter Kosten spart.
Bevorzugt hat die Ausnehmung der vorliegenden Erfindung eine maximale Tiefe von 0.1 mm bis 5 mm, bevorzugt zwischen 0.5 mm und 3 mm, wobei zum Beispiel bei nutenförmigen Ausnehmungen die Zahl der Ausnehmungen zwischen 1/cm und 15/cm, insbesondere zwischen 4/cm und 10/cm liegt, oder wobei die Zahl bei flächenartig verteilten Ausnehmungen zwischen 1/cm² und 15/cm², insbesondere zwischen 4/cm² und 10/cm² liegt.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kolben, einen demontierbaren Abstreifring und einen demontierbaren Kolbenkronenring mit einer Reduziereinrichtung der vorliegenden Erfindung, sowie einen Zylinder und einen Kolben mit einem demontierbaren Abstreifring bzw. einem demontierbaren Kolbenkronenring.
Ausserdem betrifft die Erfindung eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere einen Zweitakt-Grossdieselmotor mit einer Reduziereinrichtung und / oder mit einem Kolben und / oder einem Zylinder wie in dieser Anmeldung eingehend beschrieben.
Durch die Möglichkeit einen demontierbaren Abstreifring, also Antipolishing Ring bzw. einen demontierbaren Kolbenkronenring zu verwenden, liegt ein ganz besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung vor allem auch darin, dass auch ältere Motoren, vor allem Grossdieselmotoren, die zum Teil eine enorm hohe Lebensdauer haben, sehr einfach gemäss der vorliegenden Erfindung nachgerüstet werden können, ohne dass aufwendige Änderungen an den Motoren vorgenommen werden müssen.
Im Folgenden wird die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1a: eine Zylinderanordnung mit einem Antipolishing Ring der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1b: die Zylinderanordnung der Fig. 1a mit Ablagerungen von Verbrennungsrückständen am Antipolishing Ring;
Fig. 2a: eine erfindungsgemässe Zylinderanordnung mit einer Kolbenkrone mit einer schraubenförmig umlaufenden Nut;
Fig. 2b: die Zylinderanordnung der Fig. 2a mit Ablagerungen von Verbrennungsrückständen an der Kolbenkrone;
Fig. 3: eine erfindungsgemässe Zylinderanordnung mit demontierbarem Antipolishing Ring und demontierbarem Kolbenkronenring;
Fig. 4a-4c:: drei weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Die Fig. 1a bis Fig. 3 zeigen jeweils in einer schematischen Darstellung teilweise und im Schnitt eine Zylinderanordnung mit einer Reduziereinrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung, welche Reduziereinrichtung im Folgenden gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet wird.
Alle Ausführungsbeispiele der Fig. 1a bis Fig. 3 zeigen, abgesehen von der erfindungsgemässen Reduziereinrichtung 1, 100 eine an sich bekannte Zylinderanordnung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, im vorliegenden speziellen Beispiel eines Zweittakt-Kreuzkopfgrossdieselmotors, mit einem Zylinder 4, in welchem ein Kolben 2 angeordnet ist, an dem in einem Ringbereich 21 ein Kolbenringpaket 22 mit drei Kolbenringen vorgesehen ist ist. Es versteht sich, dass das Ringpaket 22 auch mehr oder weniger als drei Kolbenringe umfassen kann. Auf die Kolbenringpackung 22, welche darstellungsgemäss unterhalb einer einem Verbrennungsraum 3 zugewandten Kolbenkrone 23 angeordnet ist, wirkt im Betriebszustand ein Gasdruck P, der im Verbrennungsraum 3 während eines Kompressionshubs des Kolbens 2 bzw. durch die Zündung eines Verbrennungsgemischs im Brennraum 3 aufgebaut worden ist. Der Kolben 2 ist in wohl bekannter Weise im Betriebszustand entlang einer Längsachse L des Zylinders 4 derart hin- und herbewegbar angeordnet, dass die Kolbenkrone 23 des Kolbens 2 in der Nähe eines oberen Totpunktes OT seiner Bewegung im Zylinder 4 mit einer an einer Zylinderwand 41 des Zylinders 4 vorgesehen Abstreifeinrichtung 5 zum Abstreifen von Verbrennungsrückständen 6 zusammenwirkt.
Gemäss der Erfindung ist nun im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik die Reduziereinrichtung 1 in Form einer Ausnehmung 100 derart vorgesehen und ausgestaltet, dass eine kontrollierte Ablagerung der Verbrennungsrückstände 6 an der Reduziereinrichtung erreichbar ist, und in der Nähe des oberen Totpunktes OT beim Zusammenwirken der Kolbenkrone 23 mit der Abstreifeinrichtung 5, die hier ein Antipolishing Ring 5 ist, eine Reduzierung des auf die Kolbenringpackung 22 wirkenden Gasdrucks P automatisch einstellbar ist.
Dieses allgemeine Prinzip der Erfindung, das selbstverständlich allen Ausführungsbeispielen eigen ist, kann wie anhand der Fig. 1a bis Fig. 3 eindrucksvoll demonstriert wird, in verschiedenen Ausführungsbeispielen realisiert sein.
In der Fig. 1a ist die erfindungsgemässe Reduziereinrichtung 1 in Form einer schraubenförmig um die Längsachse L umlaufende Nut 100 ausgebildet. Dabei zeigt die Fig. 1a einen Zustand vor der ersten Inbetriebnahme des Zylinders 4 nach einer Reparatur. Daher sind auch weder an der Kolbenkrone 23 noch an der Abstreifeinrichtung 5 mit der schraubenförmigen Nute 100 irgendwelche Ablagerungen von Verbrennungsrückständen 6 vorhanden.
Fig. 1b zeigt dabei die Zylinderanordnung der Fig. 1a nach einer bestimmten Anzahl von Betriebsstunden. Wie deutlich zu sehen ist, haben sich an dem demontierbaren Abstreifring 5 jetzt deutlich Verbrennungsrückstände 6 abgelagert. Dabei sind die Verbrennungsrückstände 6 an der der Kolbenkrone 23 zugewandten Oberfläche durch das Zusammenwirken mit der Kolbenkrone 23 während der Hin- und Herbewegung des Kolbens 2 in der Nähe des oberen Totpunktes OT derart geformt, dass die Oberfläche der Verbrennungsrückstände 6 mehr oder weniger formschlüssig mit der korrespondierenden Oberfläche der Kolbenkrone 23 zusammenwirkt. Daurch wir einerseits eine optimale Dichtwirkung zwischen Abstreifring 5 und Kolbenkrone erreicht. Anderseits wir diese optimale Abdichtung auch dann beibehalten, wenn sich zum Beispiel aufgrund von Last- bzw. Temperaturschwankungen der Aussendurchmesser der Kolbenkrone 23 und / oder Innendurchmesser des Abstreifrings 5 ändert. Wir der Abstand zwischen Abstreifring 5 und Kolbenkrone 23 zum Beispiel mit der zeit grösser, wird sich mehr Verbrennungsrückstände 6 ablagern, so dass die Lücke wieder geschlossen wird. Verkleinert sich dagegen der Abstand zwischen Kolbenkrone 23 und Abstreifring 5, wird bei der streifenden Bewegung der Kolbenkrone 23 entlang der Oberfläche der relativ weichen Ablagerungen auf dem Abstreifring 5, gerade soviel Verbrennungsrückstände 6 abgeschliffen, bis sich wieder der optimale Abstand eingestellt hat.
Dabei ist ausdrücklich festzuhalten, dass selbst dann, wenn sich wie in Fig. 1a dargestellt, noch keine Verbrennungsrückstände 6 auf an der Reduziereinrichtung 1, 100 abgesetzt haben, die Dichtwirkung zwischen Kolbekrone 23 und Abstreifring 5 im Vergleich zum Stand der Technik bereits erheblich verbessert ist. Das liegt daran, dass die umlaufenden Nuten 100 als Labyrinthdichtung wirken und alleine deshalb schon der Druck auf das Kolbenringpaket 22 sehr merklich reduziert wird.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2a und Fig. 2b unterscheidet sich von der Fig. 1a und Fig. 1b hauptsächlich dadurch, dass die erfindungsgemässe Reduziereinrichtung 1 nicht an der Abstreifeinrichtung 5 sonder an der Kolbenkrone 23 vorgesehen ist. Dabei sind die Ausnehmungen 100 hier nicht in Form von umlaufenden Nuten ausgebildet, sondern in Form von mehr oder weniger gleichmässig verteilten Ausnehmungen 100, wie z.B. in Form von kleinen Gruben 100 über die Oberfläche der Kolbenkrone 23 verteilt.
Damit werden sich die Ablagerungen der Verbrennungsrückstände 6 vornehmlich an der Kolbekrone 23 festsetzen. Die dadurch erreichte Dichtwirkung entsteht völlig analog wie im Beispiel der Fig. 1a und Fig. 1 b.
Die Fig. 3 zeigt schliesslich ein sehr spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei welchem sowohl am Abstreifring 5 als auch an der Kolbenkrone 23 eine erfindungsgemässe Reduziereinrichtung 1, 100 in Form von Ausnehmungen 100 vorgesehen ist. Darüber hinaus ist an der Kolbenkrone 23 ein demontierbarer Kolbenkronenring 7 vorgesehen, so dass zum Beispiel, wenn die Reduziereinrichtung 1, 100 an der Kolbenkrone 23 abgenutzt ist, nicht der gesamte Kolben 2 ausgetauscht werden muss, sondern nur der Kolbenkronenring 7. Dabei wurde die Zylinderanordnung der Fig. 3 noch nicht in Betrieb genommen; somit sind auch noch keine Ablagerungen von Verbrennungsrückständen 6 vorhanden. Im Betriebszustand werden sich die Verbrennungsrückstände nach und nach sowohl an der Kolbenkrone 23, als auch an dem Abstreifring 5 anlagern, bis schliesslich eine formschlüssige Dichtung entsteht.
Das Beispiel der Fig. 3 eignet sich dabei besonders gut für solche Anwendungen, bei welchen relativ wenig Ablagerungen entstehen, so dass die hier doppelt wirkende Labyrinthdichtung, die sowohl an der Kolbenkrone 23 als auch am Abstreifring 5 vorgesehen ist, besonders stark zum tragen kommt, so dass auch ohne merkliche Ablagerungen von Verbrennungsrückständen 6 bereits eine gegenüber dem Stand der technik massiv verbesserte Dichtwirkung zwischen Kolbenkrone 23 und Abstreifring 5 gewährleistet ist.
Die Fig. 4a bis 4c zeigen schliesslich drei weitere besonders bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Wie bereist erwähnt, wesentlich für die Erfindung sind somit die Vorteile des sich verändernden Querschnittes zwischen Zylinder 4 bzw. der Abstreifeinrichtung 5 oder Reduziereinrichtung 1 und der Kolbenkrone 23.
Wie den Fig. 4a - 4c, die den Zylinder jeweils bei der Stillstandstemperatur zeigen, besonders gut zu entnehmen ist, sind die Bauteile Abstreifeinrichtung 5 bzw. Reduziereinrichtung 1 und Kolbenkrone 23 so geformt, dass sie insbesondere im kalten Zustand nicht parallel zueinander stehen. Dabei können die sich gegenüberliegenden Flächen von Abstreifeinrichtung 5 bzw. Reduziereinrichtung 1 und Kolbenkrone 23 auch zum Beispiel als eine ballige, wellenförmige, oder gestufte Form vorgesehen werden.
Die Kolbenkrone 23 weist gemäss dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4a eine konische sich nach dem Brennraum 3 hin verjüngende Form auf, und der Abstreifring 5 eine sich gegen den Brennraum 5 hin schließende Form, oder aber es kann in einem anderen, hier nicht explizit dargestellten Ausführungsbeispiel, auch umgekehrt sein, je nach Verformungstrend.
In einem anderen Ausführungsbeispiel, wie exemplarisch in Fig. 4 b schematisch dargestellt, ist es selbstverständlich auch möglich, dass nur eine der beiden sich gegenüberstehenden Flächen einen sich verändernden Querschnitt hat, wobei bevorzugt die Kolbenkrone 23 einen sich verändernden Querschnitt hat.
Wie ebenfalls bereits erwähnt ist es ein besonderer Vorteil für die Erfindung, dass sich die Komponenten Im Betrieb erwärmen, so dass sich die Flächen, die mit oder ohne Profilierungen 100 in Form von Ausnehmungen 100, wie zum Beispiel in Form von Nuten 100 ausgeführt sein können, in optimaler Weise gegenüberstehen und sich somit eine gewünschte Abdichtwirkung zum Beispiel im Labyrinth der Ausnehmungen 100 mit oder ohne abgelagerte Verschmutzung 6 einstellt.
Dabei bewirkt ein sich nach dem Brennraum 3 hin schließender, im speziellen verkleinernder Querschnitt wie in Fig. 4c gezeigt eine bessere Abdichtung ohne Ablagerungen 6, da der kleinste Querschnitt am nächsten beim Brennraum 3 liegt.
Ein sich nach dem Brennraum 3 hin öffnender im speziellen vergrössernder Querschnitt bewirkt dagegen eine schnellere Ablagerung 6 von Russpartikeln die sich aufgrund der zu erwartenden höheren Temperaturen und des größeren Querschnittes ablagern.
Die sich verjüngenden oder erweiternden Querschnittsflächen in den Fig. 4a - 4c weisen bevorzugt einen Winkel zur Vertikalen, also in Bezug auf die Längsachse L des Zylinders 4 von ca. 0.238° bis 0.7° auf.
Der Fachmann versteht, dass die zuvor beschriebenen Beispiele von Ausführungsformen der Erfindung exemplarisch zu verstehen sind, und insbesondere auch alle geeigneten Kombinationen der dargestellten Ausführungsbeispiele von der Erfindung umfasst sind.

Claims

Reduziereinrichtung zur Reduzierung eines Gasdrucks (P), der im Betriebszustand einer Hubkolbenbrennkraftmaschine auf eine in einem Ringbereich (21) eines Kolbens (2) angeordnete Kolbenringpackung (22) wirkt, wobei der Kolben (2) eine an den Ringbereich (21) angrenzende Kolbenkrone (23) umfasst, die im Einbauzustand einem Brennraum (3) der Hubkolbenbrennkraftmaschine zugewandt ist, und der Kolben (2) im Betriebszustand entlang einer Längsachse (L) eines Zylinders (4) derart hin- und herbewegbar angeordnet ist, dass die Kolbenkrone (23) des Kolbens (2) in der Nähe eines oberen Totpunkts (OT) seiner Bewegung im Zylinder (4) mit einer an einer Zylinderwand (41) des Zylinders (4) vorgesehen Abstreifeinrichtung (5) zum kontrollierten Abstreifen von Verbrennungsrückständen (6) zusammenwirkt, wobei die Reduziereinrichtung in Form einer Ausnehmung (100) ausgestaltet ist, so dass eine kontrollierte Ablagerung der Verbrennungsrückstände (6) an der Reduziereinrichtung erreichbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstreifeinrichtung (5) und die Kolbenkrone (23) derart ausgestaltet und zueinander angeordnet sind, dass sie bei einer Stillstandstemperatur zumindest abschnittsweise unter einem vorgebbaren Winkel (α) zueinander geneigt sind, so dass in der Nähe des oberen Totpunkts (OT) beim Zusammenwirken der Kolbenkrone (23) mit der Abstreifeinrichtung (5) eine Reduzierung des auf die Kolbenringpackung (22) wirkenden Gasdrucks (P) automatisch einstellbar ist.
Reduziereinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kolbenkrone (23) eine sich nach dem Brennraum (3) hin verjüngende Form aufweist.
Reduziereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kolbenkrone (23) eine sich nach dem Brennraum (3) hin erweiternde Form aufweist.
Reduziereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abstreifeinrichtung (5) eine sich nach dem Brennraum (3) hin verjüngende Form aufweist.
Reduziereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abstreifeinrichtung (5) eine sich nach dem Brennraum (3) hin erweiternde Form aufweist.
Reduziereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung (100) an der Abstreifeinrichtung (5) vorgesehen ist.
Reduziereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung (100) an der Kolbenkrone (23) vorgesehen ist.
Reduziereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung (100) in Form einer in Bezug auf die Längsachse umlaufenden Nut (100) ausgebildet ist, insbesondere in Form einer in Bezug auf die Längsachse (L) schraubenförmig umlaufenden Nut (100) ausgebildet ist.
Reduziereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von umlaufenden Nuten (100) vorgesehen ist.
Reduziereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abstreifeinrichtung (5) als demontierbarer Abstreifring (5) an der Zylinderwand (41) vorgesehen ist.
Reduziereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung (100) an einem demontierbaren Kolbenkronenring (7) vorgesehen ist.
Kolben mit einer Reduziereinrichtung (1, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Demontierbarer Abstreifring mit einer Reduziereinrichtung (1, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Zylinder mit einem demontierbaren Abstreifring (5) nach Anspruch 13.
Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere Zweitakt-Grossdieselmotor mit einer Reduziereinrichtung (1, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und / oder mit einem Kolben nach Anspruch 12 und / oder mit einem Zylinder nach Anspruch 14.