EP2479413A1

EP2479413A1 - Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: EP2479413A1
Application number: EP11189399A
Authority: EP
Inventors: Konrad Räss; David Imhasly
Original assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Current assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2012-07-25
Also published as: JP2012154331A; CN102606338A; KR20120085642A; KR101941285B1; CN102606338B; JP6130100B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (1) für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere Zweitakt-Grossdieselmotor mit mindestens einem Zylinder (2), in welchem Zylinder (2) der Kolben (1) im Einbauzustand entlang einer Zylinderachse (A) zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt in axialer Richtung hin- und herbewegbar angeordnet ist, und der Kolben (1) an einer Manteloberfläche (100) eine mindestens einen Kolbenring (31, 32) umfassende Kolbenringpackung (3) umfasst, die zwischen einer Kolbenkrone (4) mit einem Feuersteg (5) und einem Kolbenhemd (6) angeordnet ist, welches Kolbenhemd (6) einen unteren, von einer Brennraumoberfläche (7) des Kolbens (1) abgewandten Abschnitt des Kolben (1) bildet. Erfindungsgemäss ist zur radialen Zentrierung des Kolbens (1) im Zylinder (2) ein Zentriermittel (8, 81, 82, 83, 84, 85) am Kolben (1) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere Zweitakt-Grossdieselmotor gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Kolben, zum Beispiel aber nicht nur für Grossdieselmotoren sind in der Regel mit einer Packung aus mehreren, in jeweils einer Kolbenringnut übereinander angeordneten Kolbenringen ausgestattet. Typischerweise umfassen die bekannten Kolbenringpackungen mindestens zwei Kolbenringe, meist jedoch drei, vier oder sogar fünf Kolbenringe, je nach Grösse und / oder Leistung des Motors bzw. je nach Anforderungen bzw. den speziellen Betriebsbedingungen, unter denen die Maschine betrieben wird. Dabei geht der Trend mehr und mehr zu Kolbenringpackungen mit möglichst wenigen Kolbenringen. So werden inzwischen bevorzugt Kolbenringpackungen mit nur zwei Kolbenringen vorteilhaft eingesetzt. In ganz speziellen Fällen sind sogar Kolben mit nur einem einzigen Kolbenring prinzipiell möglich.
Die Kolbenringe, die verschiedene Funktionen erfüllen, wie zum Beispiel die Führung des Kolbens im Zylinder, die Verteilung und / oder Abstreifung eines Schmiermittels auf der Lauffläche des Zylinders, die Abdichtung des Brennraums gegen das Kurbelgehäuse usw., sind im Betriebszustand erheblichen Belastungen ausgesetzt. So stehen die Kolbenringe unmittelbar in reibendem Kontakt mit der Zylinderlauffläche, der Verbrennungsdruck muss von den Kolbenringen aufgenommen werden und die Kolbenringe sind somit erheblichen thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen ausgesetzt.
Dabei übernimmt das Kolbenringpaket nicht die Zentrierung des Kolbens im Zylinder, wie häufig fälschlicherweise angenommen wird. Konstruktionsbedingt ist dies nämlich gar nicht möglich. Die Kolbenringe selbst sind zwar im Zylinder immer automatisch in Bezug auf die radiale Richtung zentriert geführt, da ihr Aussendurchmesser in nicht eingebauter Lage immer etwas grösser als der Innendurchmesser des Zylinders gewählt wird, wobei der Durchmesser der Kolbenringe derart elastisch variabel ist, dass der Kolbering in Umfangsrichtung immer unter einem vorgebbaren Druck gegen die Zylinderwand gedrückt wird. Der Innendurchmesser der Kolbenringe ist dagegen grösser als der Aussendurchmesser der Kolbenringnuten am Kolben, in denen die Kolbenringe am Kolben angeordnet sind. Das Kolbenringpaket bzw. die einzelnen Kolberinge sind somit "frei schwimmend" in Bezug auf den Kolben bzw. die Kolbenringnuten angeordnet. Das ist auch zwingend notwendig, da die Kolbenringe möglichst nicht mit der Kolbenringnute in dauernden reibenden Kontakt stehen dürfen, da sonst der Kolbenring an der Zylinderwand nicht mehr optimal geführt wäre, es zu Verklemmungen an der Zylinderwand und / oder in der Kolbenringnute führen kann und somit zu ernsthaften Beschädigungen, bis hin zum gefürchteten Scuffing kommen kann.
Zum Beispiel ist bei längs gespülten Zweitakt-Grossdieselmotoren die Verwendung einer Kolbenringpackung bestehend aus zwei bis 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, gängige Praxis. Abhängig vom Ringspalt zwischen Kolben und Zylinderwand 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, unter anderem weil zu viele Kolbenringe vorhanden sind, die ähnliche oder gleiche Funktionen haben.
Grossdieselmotoren werden dabei 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 nicht nur 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 Zweitakt-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 Zweitakt-Motoren 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 Kolbenkrone ist 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 mit 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.
Dabei führen die zuvor genannten schädlichen Ablagerungen nicht nur an der Kolbekrone zu Problemen. Auch den übrigen Umfangsflächen des Kolbens im Bereich des Kolbenringpakets sowie im Bereich des Kolbenhemds können Verschmutzungen und Ablagerungen aller Art zu schädlichen Wirkungen führen.
Die Ursache dafür, dass eine Vermeidung dieser Ablagerungen an den Umfangsflächen des Kolbens zunehmend an Bedeutung gewinnt, liegt nicht zuletzt daran, dass immer höhere Leistungen, bei gleichzeitiger Reduktion von Treib- und Schmierstoffverbrauch verlangt wird und darüber hinaus vor allem auch die Abgasnormen ständig verschärft werden.
Schmutz- Russ- oder andere Ablagerungen, nicht nur an den Umfangsflächen des Kolbens, führen jedoch zu mehr Treibstoff- und Schmiermittelverbrauch, natürlich auch zu verschmutzungsbedingten Abnutzungserscheinungen an Kolben, Kolbenringen und Zylinderwänden und zu einer Verschlechterung der Abgaswerte.
Ein wesentliches Problem ergibt sich dabei dadurch, dass der Kolben, der im wesentlichen durch das Kolbenhemd im Zylinder geführt ist, nicht immer exakt im Zylinder zentriert ist, sondern der Kolben kann durchaus leicht verkippt oder leicht unzentriert laufen, so dass in solchen Betriebszuständen die Umfangsfläche des Kolbens in Umfangsrichtung nicht immer gleichmässig und vollständig durch den Abstreifring gereinigt wird. Das liegt daran, dass, wie oben bereits erläutert, weder die Kolbenringe in der Lage sind den Kolben im Zylinder zu zentrieren, noch ist das durch die übrigen Manteloberflächen des Kolbens im Bereich der Kolbenkrone, des Kolberingpakets oder des Kolbenhemds möglich, weil der äussere Durchmesser des Kolbens durchgehend kleiner ist als der innere Durchmesser des Zylinders, insbesondere auch der Kolbendurchmesser im Bereich des Kolbenhemds.
Auch das Führungsband, das in der Regel aus einem relativ weichen Material wie zum Beispiel aus einer Bronze gefertigt ist und am Kolbenhemd vorgesehen ist, dient zwar zur Führung des Kolbens im Zylinder, hat aber keinerlei Zentrierfunktion. Das Führungsband hat zwar einen etwas grösseren Aussendurchmesser als das Kolbenhemd selbst. Allerdings ist zwischen dem Führungsband und der Lauffläche des Zylinders immer noch ein beachtlicher Spalt im Millimeterbereich. Im Idealfall soll nämlich das Führungsband gar nicht mit der Zylinderlauffläche in Berührung kommen. Das bronzene Führungsband ist lediglich eine Sicherheitsmassnahme, die zum Beispiel bei einem Verkippen des Kolbens verhindern soll, dass das relativ harte Material des Kolbenhemdes direkt mit der Zylinderlauffläche in Berührung kommt und diese beschädigt. Wenn es also zu einem unerwünschten Verkippen des Kolbens kommt, kommt lediglich das relativ weiche Führungsband aus Bronze mit der Zylinderlauffläche in Berührung, so dass eine Beschädigung der Zylinderlauffläche weitgehend vermeidbar ist.
In der Praxis ist bei Grossdieselmotoren zwischen Kolben und Zylinder ein Ringspalt von durchschnittlich ca. 1 mm -1.5 mm wodurch gewährleistet werden soll, dass der Kolben nicht im Zylinder verklemmt.
Im Idealfall werden die Ablagerungen, die sich an der Kolbenkrone im Betriebszustand ausbilden, vom Antipolishing Ring sauber entfernt. Wird aber beispielsweise der Motor von einer tieferen Last zu einer höheren Last hochgefahren, kann aufgrund thermischer Effekte zum Beispiel der Durchmesser der Kolbenkrone stärker wachsen als der Innendurchmesser des Zylinders. Das führt dazu, dass Ablagerungen am Kolben die Lauffläche des Zylinders berühren können, was zu Beschädigungen der Lauffläche und im schlimmsten Fall zum gefürchteten Scuffing führen kann. Ausserdem, da der Kolben nicht mit dem Antipolishing Ring kollidieren darf, muss ein für jeden Betriebszustand ausreichender Spalt zwischen Antipolishing Ring und Kolbenkrone gewährleistet sein, was zu einer merklichen Reduktion der Wirkung des Antipolishing Rings führt, z.B. wenn sich der Durchmesser der Kolbenkrone bei Reduzierung der Last des Motors stärker verkleinert als der Innendurchmesser des Antipolishing Rings bzw. stärker reduziert als der Innendurchmesser des Zylinders.
Daher wäre es im Prinzip wünschenswert den Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand bzw. zwischen Kolben und Antipolishing möglichst zu verkleinern, um eine bessere Wirkung des Antipolishing Rings zu gewährleisten. Das birgt allerdings das Risiko, dass dann, wenn sich zum Beispiel beim Wechsel des Betriebszustands des Motors hin zu einer höheren Last oder einer höheren Drehzahl der äussere Kolbendurchmesser stärker vergrössert als der Innendurchmesser des Zylinders oder des Antipolishing Rings, der Kolben im Zylinder verklemmt bzw. die Kolbenkrone mit dem Antipolishing Ring in Berührung kommt, was unbedingt vermieden werden muss.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Kolben vorzuschlagen, mit dem die zuvor beschriebenen Nachteile des Stands der Technik vermieden werden, so dass insbesondere die Probleme bei der Beseitigung der Ablagerungen am Kolben nicht mehr auftreten, und damit ein wirtschaftlicherer Betrieb eines Zweitakt-Grossdieselmotors, längere Wartungsintervalle und letztlich eine höhere Lebensdauer der betroffenen Komponenten und des Grossdieselmotors gewährleistet ist.
Die diese Aufgaben lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1.
Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Die Erfindung betrifft somit einen Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere Zweitakt-Grossdieselmotor mit mindestens einem Zylinder, in welchem Zylinder der Kolben im Einbauzustand entlang einer Zylinderachse zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt in axialer Richtung hin- und herbewegbar angeordnet ist, und der Kolben an einer Manteloberfläche eine mindestens einen Kolbenring umfassende Kolbenringpackung umfasst, die zwischen einer Kolbenkrone mit einem Feuersteg und einem Kolbenhemd angeordnet ist, welches Kolbenhemd einen unteren, von einer Brennraumoberfläche des Kolbens abgewandten Abschnitt des Kolben bildet. Erfindungsgemäss ist zur radialen Zentrierung des Kolbens im Zylinder ein Zentriermittel am Kolben vorgesehen.
Durch die Verwendung des erfindungsgemässen Zentriermittels am Kolben ist erstmals gewährleistet, dass der Kolben, der im wesentlichen durch das Kolbenhemd im Zylinder geführt ist, durch das Zentriermittel nun auch immer exakt im Zylinder zentriert ist. D.h. der Kolben weist im Betriebszustand praktisch keine Verkippungen mehr in Bezug auf die axiale Richtung auf und läuft nahezu perfekt zentriert. Dadurch ist es erstmals möglich den Ringspalt zwischen Kolben und Zylinder deutlich kleiner zu wählen. Durch die Erfindung ist es bei Zweitakt-Grossdieselmotoren zum Beispiel möglich einen Ringspalt von weniger als 1.5 , im Speziellen sogar von weniger als 1 mm oder gar weniger als 0.5 mm zu wählen, und zwar ohne dass die Gefahr besteht, dass der Kolben im Zylinder verklemmt.
Dadurch werden die Ablagerungen, die sich an der Kolbenkrone im Betriebszustand ausbilden, in jedem Betriebszustand der Hubkolbenbrennkraftmaschine vom Antipolishing Ring sauber entfernt. Auch dann, wenn beispielsweise der Motor von einer tieferen Last zu einer höheren Last hochgefahren wird, und aufgrund thermischer Effekte zum Beispiel der Durchmesser der Kolbenkrone stärker anwächst als der Innendurchmesser des Zylinders. Das führt durch die vorliegende Erfindung anders als im Stand der Technik nicht mehr dazu, dass Ablagerungen am Kolben die Lauffläche des Zylinders berühren können, was zu Beschädigungen der Lauffläche und im schlimmsten Fall zum gefürchteten Scuffing führen kann, da der erfindungsgemässe Kolben praktisch nicht mehr verkippt und nahezu ideal zentriert geführt ist.
Auch kollidiert der Kolben trotz seines deutlich vergrösserten Durchmessers, was zu einem deutlich kleineren Ringspalt von z.B. weniger als 1 mm zwischen Kolben und Zylinder führt, nicht mit dem Antipolishing Ring und es ist in jedem Betriebszustand ein ausreichender Spalt zwischen Antipolishing Ring und Kolbenkrone gewährleistet. Da der Ringspalt zwischen Antipolishing und Kolbenkrone bei Verwendung eines erfindungsgemässen Kolbens im Vergleich zum Stand der Technik deutlich kleiner gewählt werden kann, ist die reinigende Wirkung des Antipolishing Rings massiv verbessert, selbst dann, wenn sich der Durchmesser der Kolbenkrone bei Reduzierung der Last oder der Drehzahl des Motors stärker verkleinert als der Innendurchmesser des Antipolishing Rings bzw. stärker reduziert wird als der Innendurchmesser des Zylinders.
In einem für die Praxis besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Zentriermittel am Kolbenhemd vorgesehen, wobei es selbstverständlich auch möglich ist, das Zentriermittel an einem anderen Bereich des Kolbens, beispielweise an der Kolbenkrone oder auch im Bereich der Kolbenringpackung vorzusehen.
Dabei kann das Zentriermittel der vorliegenden Einfindung zum Beispiel ein am Kolben radial nach aussen gerichteter Führungsschuh sein, der besonders bevorzugt, aber nicht unbedingt notwendig mit einem in radialer Richtung wirkenden Federelement belastet sein kann, so dass ein sich ändernder radialer Abstand zwischen Kolben und Zylinderwand in vorgebbaren Grenzen ausgeglichen werden kann. Der Hub den die radial beweglichen Führungsschuhe in radialer Richtung dabei ausführen können wird derart gewählt und begrenzt, dass die Führungsschuhe keine zu starken Kräfte auf die Zylinderwand ausüben, so dass keine Gefahr für die Zylinderwand und den Ölfilm besteht. Es versteht sich, dass anstatt der Belastung des Führungsschuhs mit dem Federelement der Führungsschuh gleichzeitig oder alternativ auch hydraulisch oder pneumatisch gelagert sein kann.
Für eine sichere Führung und Zentrierung des Kolbens im Zylinder sind in der Praxis eine Mehrzahl von Führungsschuhen, bevorzugt zwei, drei, vier oder fünf Führungsschuhe (bezüglich einer Umfangsrichtung in einem vorgebbaren Abstand voneinander am Kolben angeordnet. Dabei können zwei Führungsschuhe auch in Bezug auf die axiale Richtung versetzt zueinander am Kolben angeordnet sein, wodurch ein Verkippen des Kolbens noch besser verhindert werden kann.
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Zentriermittel der Erfindung ein Führungsring, wobei der Führungsring besonders vorteilhaft mit einer ringartigen Führungsfeder belastet sein kann, oder auch hydraulisch oder pneumatisch gelagert sein kann. Im Speziellen kann auch eine Mehrzahl von Führungsringen, bevorzugt zwei oder drei Führungsringe in axialer Richtung in einem vorgebbaren Abstand voneinander am Kolben angeordnet sein, wodurch ein Verkippen des Kolbens besonders gut verhinderbar ist.
Auch ist es in einem anderen Ausführungsbeispiel möglich, dass das Zentriermittel ein Führungsband mit einem in Umfangsrichtung verlaufenden Führungssteg ist, wobei selbstverständlich auch eine Mehrzahl von Führungsbändern, bevorzugt zwei oder drei Führungsbänder in axialer Richtung in einem vorgebbaren Abstand voneinander am Kolben angeordnet sein können, was ebenfalls eine weiter verbesserte Stabilisierung gegen ein Verkippen des Kolbens gewährleistet. Dabei kann auch zum Beispiel einfach das an sich bekannte, häufig am Kolben ohnehin vorhandene Bronzeband einfach dicker ausgeführt und mit durch umlaufende Rillen im Bronzeband gebildeten Stege ausgebildet werden. Die in axialer Richtung sehr schmalen Stege im Führungsband gleiten dann an der Zylinderwand entlang und führen den Kolben so zentriert im Zylinder. Da nicht die gesamte Oberfläche des Bronzebandes, sondern nur die sehr schmalen Führungsstege auf der Oberfläche des Zylinders gleiten, kommt es nicht zu Beschädigungen der Lauffläche des Zylinders und auch nicht zu einer Beeinträchtigung des Schmierölfilms auf der Lauffläche des Zylinders.
Bei einem anderen speziellen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Zentriermittel eine in radialer Richtung elastisch wirkende Führungsfläche, die am Kolbenhemd angeordnet ist und die sich in axialer Richtung vom Kolbenhemd weg erstreckt. Zur sicheren Führung und zuverlässigen Zentrierung des Kolbens im Zylinder sind dabei in der Praxis in der Regel eine Mehrzahl von Führungsflächen, bevorzugt zwei, drei, vier oder fünf Führungsflächen in einem vorgebbaren Abstand voneinander bezüglich einer Umfangsrichtung am Kolben angeordnet.
Es versteht sich von selbst, dass die in dieser Anmeldung beschriebenen Beispiele von Ausführungsformen erfindungsgemässer Kolben exemplarisch zu verstehen sind, und insbesondere auch alle geeigneten Kombinationen der dargestellten Ausführungsbeispiele von der Erfindung umfasst sind.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1a: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Kolbens mit einem Feder belasteten Führungsschuh;
Fig. 1 b: einen Schnitt entlang der Schnittlinie I-I gemäss Fig. 1a;
Fig. 2: ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem von einer Führungsfeder belasteten Führungsring;
Fig. 3: ein drittes Ausführungsbeispiel mit einem fest stehenden Führungsschuh;
Fig. 4: ein viertes Ausführungsbeispiel mit einem Führungsband mit Führungssteg;
Fig. 5: ein fünftes Ausführungsbeispiel mit einer radial elastisch wirkenden Führungsfläche.

In Fig. 1a ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Ausführungsbeispiels eines Kolbens 1 mit einem Feder belasteten Führungsschuh 8, 81 in schematischer Weise dargestellt. Fig. 1b zeigt zum besseren Verständnis den Kolben 1 der Fig. 1a in einem Schnitt entlang der Schnittlinie I-I.
Der erfindungsgemässe Kolben 1 gemäss Fig 1 a bzw. Fig. 1b ist ein Kolben 1 für einen Zweitakt-Grossdieselmotor mit in der Regel mehreren Zylindern 2. Der Kolben 1 ist im Einbauzustand dargestellt und ist in an sich bekannter Weise entlang einer Zylinderachse A zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt in axialer Richtung hin- und herbewegbar angeordnet. An einer Manteloberfläche 100 ist im vorliegenden speziellen Beispiel ein zwei Kolbenringe 31, 32 umfassendes Kolbenringpackung 3 vorgesehen, das zwischen einer Kolbenkrone 4 mit einem Feuersteg 5 und einem Kolbenhemd 6 angeordnet ist. Das Kolbenhemd 6 bildet wie an sich bekannt einen unteren, von einer Brennraumoberfläche 7 des Kolbens 1 abgewandten Abschnitt des Kolbens 1. Gemäss der Erfindung sind dabei zur radialen Zentrierung des Kolbens 1 im Zylinder 2 am Kolbenhemd 6 des Kolbens 1 insgesamt vier Zentriermittel 8, 81 in Form von mit einem Federelement 801 belasteten Führungsschuhen 81 am Kolben 1 vorgesehen. Die vier Führungsschuhe 81 gewährleisten, dass der Kolben 1 in allen Betriebszuständen des Grossdieselmotors sicher und sauber zentriert im Zylinder 2 geführt wird, so dass zum Beispiel der aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Antipolishing Ring optimal alle Ablagerungen von der Kolbenkrone 4 entfernen kann, ohne dass der Kolben 1 bei seiner Bewegung mit dem Antipolihing Ring oder der Zylinderwand in Berührung kommen kann, obwohl der Ringspalt zwischen Kolben 1 und Zylinderwand deutlich kleiner gewählt ist, als das bei der Verwendung bekannter Kolben zwingend notwendig ist. Dabei versteht es sich von selbst, dass zum Beispiel auch weniger als vier, eventuell nur drei Führungsschuhe oder aber auch mehr als vier Führungsschuhe vorgesehen sein können.
Anhand der Fig. 2 ist ein Querschnitt durch einen Kolben 1 gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt, wobei das Zentriermittel 8 hier ein mit einem von einer Führungsfeder 802 belasteter Führungsring 82 ist. Der Führungsring 82 ist dabei derart ausgestaltet, dass ein äusserer Durchmesser nur sehr geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des Zylinders 2 ist. Durch die Führungsfeder 802 wird dann der Kolben 1 in Bezug auf den Führungsring 82 zentriert gehalten. Das ist der entscheidende Unterschied zu einem Kolbenring 31, 32. Der Kolbering 31, 32 ist frei schwimmend in einer Kolbenringnute gelagert, was zur Folge hat, dass der Kolbenring 31, 32 grundsätzlich nicht in der Lage ist den Kolben 1 im Zylinder 2 zu zentrieren, was bei Verwendung des Führungsrings 82 durch die Führungsfeder 802 bewerkstelligt wird.
Fig. 3 zeigt ein drittes spezielles Ausführungsbeispiel mit einem Zentriermittel 8, 83 in Form eines fest stehenden, nicht mit einer Feder oder pneumatisch oder hydraulisch belasteten Führungsschuh 83, der hier beispielhaft an der Kolbenkrone 4 angeordnet ist. Die feststehenden Führungsschuhe von dem z.B. drei in gleichem Abstand über den Umfang des Kolbens 1 verteilt sein können, sind dabei derart ausgestaltet, dass ihre radiale Ausdehnung so gewählt ist, dass die Führungsschuhe 83 alle gleichzeitig an der Zylinderwand gleiten und so den Kolben 1 zentriert halten. Die mit der Zylinderwand in Kontakt tretenden Oberflächen der Führungsschuhe 83 sind dabei so klein gewählt und derart ausgestaltet, dass die Zylinderwand bzw. der Schmierölfilm auf der Zylinderwand durch die Führungsschuhe 83 nicht negativ beeinträchtigt werden.
Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel mit einem Führungsband 84 mit Führungsstegen 804, wobei das Führungsband 84 derart ausgestaltet ist, dass die nur die sehr schmalen Führungsstege 804, die im vorliegenden Beispiel schraubenförmig im Führungsband 84 vorgesehen sind, mit der Zylinderwand in Kontakt treten und so den Kolben 1 im Zylinder 2 sicher zentrierend führen. Die mit der Zylinderwand des Zylinders 2 in Kontakt tretenden Oberflächen der Führungsstege 804 sind dabei so klein gewählt und derart ausgestaltet, dass die Zylinderwand bzw. der Schmierölfilm auf der Zylinderwand durch die Führungsstege 804 nicht negativ beeinträchtigt werden.
Anhand Fig. 5 ist schliesslich ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt, bei welchem in radialer Richtung elastisch wirkende Führungsflächen 85 am Kolbenhemd 6 vorgesehen sind, die sich in axialer Richtung vom Kolbenhemd 6 weg erstrecken wobei eine Mehrzahl von Führungsflächen 85, bevorzugt zwei, drei, vier oder fünf Führungsflächen 85 in einem vorgebbaren Abstand voneinander bezüglich einer Umfangsrichtung am Kolben 1 angeordnet sein können. Ein Aussendurchmesser des Kolbens 1 im Bereich der Führungsflächen 85 ist dabei nur wenig grösser als der Innendurchmesser des Zylinder 2 gewählt. Dadurch, dass die Führungsflächen 85 elastisch in radialer Richtung ausgestaltet sind, wird der Kolben 1 über die Führungsflächen 85 immer sicher in zentrierter Lage im Zylinder 2 geführt. Die mit der Zylinderwand des Zylinders 2 in Kontakt tretenden Oberflächen der Führungsflächen 85 und die Grösse der radial wirkenden Kräfte auf die Zylinderwand durch die Führungsflächen 85 sind dabei so gewählt und derart ausgestaltet, dass die Zylinderwand bzw. der Schmierölfilm auf der Zylinderwand durch die Führungsflächen 85 nicht negativ beeinträchtigt werden.
Zusammenfassend ist es durch die vorliegende Erfindung erstmals möglich, den Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand bzw. zwischen Kolben und Antipolishing massiv zu verkleinern, so dass eine deutlich verbesserte Wirkung des Antipolishing Rings gewährleistet ist. Und zwar ohne das Risiko, dass dann, wenn sich zum Bespiel beim Wechsel des Betriebszustands des Motors hin zu einer höheren Last oder einer höheren Drehzahl der äussere Kolbendurchmesser stärker vergrössert als der Innendurchmesser des Zylinders oder des Antipolishing Rings, der Kolben im Zylinder verklemmt bzw. die Kolbenkrone mit dem Antipolishing Ring in Berührung kommt, was durch die Verwendung des erfindungsgemässen Kolbens sicher vermieden wird.

Claims

Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere Zweitakt-Grossdieselmotor mit mindestens einem Zylinder (2), in welchem Zylinder (2) der Kolben im Einbauzustand entlang einer Zylinderachse (A) zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt in axialer Richtung hin- und herbewegbar angeordnet ist, und der Kolben an einer Manteloberfläche (100) eine mindestens einen Kolbenring (31, 32) umfassende Kolbenringpackung (3) umfasst, die zwischen einer Kolbenkrone (4) mit einem Feuersteg (5) und einem Kolbenhemd (6) angeordnet ist, welches Kolbenhemd (6) einen unteren, von einer Brennraumoberfläche (7) des Kolbens abgewandten Abschnitt des Kolben bildet, dadurch gekennzeichnet, dass zur radialen Zentrierung des Kolbens im Zylinder (2) ein Zentriermittel (8, 81, 82, 83, 84, 85) am Kolben vorgesehen ist.
Kolben nach Anspruch 1, wobei das Zentriermittel (8, 81, 82, 83, 84, 85) am Kolbenhemd (6) vorgesehen ist.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Zentriermittel (8, 81, 82, 83, 84, 85) an der Kolbenkrone (4) vorgesehen ist.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Zentriermittel (8, 81, 82, 83, 84, 85) im Bereich der Kolbenringpackung (3) vorgesehen ist.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Zentriermittel (8, 81, 82, 83, 84, 85) ein am Kolben radial nach aussen gerichteter Führungsschuh (8, 81, 83) ist.
Kolben nach Anspruch 5, wobei der Führungsschuh (8, 81) mit einem in radialer Richtung wirkenden Federelement (801) belastet ist und / oder hydraulisch oder pneumatisch gelagert ist.
Kolben nach Anspruch 5 oder 6, wobei eine Mehrzahl von Führungsschuhen (8, 81, 83), bevorzugt zwei, drei, vier oder fünf Führungsschuhe (8, 81, 83) bezüglich einer Umfangsrichtung in einem vorgebbaren Abstand voneinander am Kolben angeordnet sind.
Kolben nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei zwei Führungsschuhe (8, 81, 82) in Bezug auf die axiale Richtung versetzt zueinander am Kolben angeordnet sind.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Zentriermittel (8, 81, 82, 83, 84, 85) ein Führungsring (8, 82) ist.
Kolben nach Anspruch 9, wobei der Führungsring (8, 82) mit einer Führungsfeder (802) belastet ist und / oder hydraulisch oder pneumatisch gelagert ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei eine Mehrzahl von Führungsringen (8, 82), bevorzugt zwei oder drei Führungsringe (8, 82) in axialer Richtung in einem vorgebbaren Abstand voneinander am Kolben angeordnet sind.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Zentriermittel (8, 81, 82, 83, 84, 85) ein Führungsband (8, 84) mit einem in Umfangsrichtung verlaufenden Führungssteg (804) ist.
Kolben nach Anspruch 12, wobei eine Mehrzahl von Führungsbändern (8, 84), bevorzugt zwei oder drei Führungsbänder (8, 84) in axialer Richtung in einem vorgebbaren Abstand voneinander am Kolben angeordnet sind.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Zentriermittel (8, 81, 82, 83, 84, 85) eine in radialer Richtung elastisch wirkende Führungsfläche (8, 85) ist, die am Kolbenhemd (6) angeordnet ist und die sich in axialer Richtung vom Kolbenhemd (6) weg erstreckt.
Kolben nach Anspruch 14, wobei eine Mehrzahl von Führungsflächen (8, 85), bevorzugt zwei, drei, vier oder fünf Führungsflächen (8, 85) in einem vorgebbaren Abstand voneinander bezüglich einer Umfangsrichtung am Kolben angeordnet sind.