EP2503116A1 - Cylinder assembly and piston for a longitudinally flushed stroke piston combustion engine - Google Patents
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- EP2503116A1 EP2503116A1 EP12154274A EP12154274A EP2503116A1 EP 2503116 A1 EP2503116 A1 EP 2503116A1 EP 12154274 A EP12154274 A EP 12154274A EP 12154274 A EP12154274 A EP 12154274A EP 2503116 A1 EP2503116 A1 EP 2503116A1
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Definitions
- the invention relates to a cylinder assembly and a piston for a longitudinally flushed reciprocating internal combustion engine, in particular for a slow-running longitudinally flushed two-stroke large diesel engine according to the preamble of the independent claims.
- the piston lubrication is performed by lubricating means in the reciprocating piston or in the cylinder wall, is applied by the lubricating oil on the tread of the cylinder wall, the friction between the piston and the tread and thus the wear of the tread and to minimize the piston rings.
- the wear of the tread at less than 0.05 mm with a service life of 1000 hours.
- the lubricant delivery rate is in such engines significantly below 1.3 g / kWh and should not least be further reduced for cost reasons, if possible, while the wear is to be minimized.
- the scavenging ports through which the fresh air is blown, for example, from a turbocharger into the cylinder under a predetermined pressure, per se do not allow uniform formation of the lubricating oil film on the inner surface of the cylinder in the region of the scavenging slots, since the scavenging ports have openings in the cylinder wall of the cylinder and therefore interrupt the lubricating oil film.
- the negative influence of the scavenging slots on the formation of the lubricating oil film on the running surface of the cylinder is even below and far above, so even outside the cylinder portion in which the scavenging slots are formed, clearly pronounced.
- scavenging slots Another negative side effect of the scavenging slots results from their interaction with the piston rings as they pass through the scavenging slots as they move near bottom dead center. Since the piston rings must have a certain mechanical radial prestress so that they can cooperate more or less sealingly with the cylinder wall, these are not formed as completely closed rings, but the piston rings are rather formed as open rings with a gap, so that a radially to externally directed clamping force is created, which presses the piston ring sealingly against the cylinder wall.
- the margins at the gap of the piston ring can be partially pressed into the flushing slots due to the radially outward acting tension of the piston ring, whereby they can get caught on the boundaries of the scavenging slots, resulting in dangerous scratches or grooves on the cylinder or on the cylinder wall near the scavenging slots. In the worst case, this can become a butt and devastation of the cylinder and / or the piston, which can lead to dangerous situations especially in a ship on the high seas.
- Another disadvantage is the fixed geometry of the scavenging slots. This is particularly disadvantageous in terms of a possible application as a "dual fuel” engine, so as an engine that can be operated with different fuels, for example, alternatively with heavy oil or gas or other fuel.
- the non-variable geometry or size of the scavenging slots is such an application in the way.
- the object of the invention is therefore to provide a new cylinder assembly and a piston for a cylinder assembly of a longitudinally-flushed reciprocating internal combustion engine, in particular for a slow-running two-stroke large diesel engine, which from the prior Technique known problems, which are particularly determined by the scavenging slots in the lower part of the known cylinder arrangement substantially avoids.
- the invention thus relates to a cylinder assembly for a longitudinally purged reciprocating internal combustion engine, in particular for a slow-running longitudinally purged two-stroke large diesel engine, comprising a cylinder with a combustion chamber and an inlet region, in which cylinder a piston along a cylinder axis between a top dead center and a bottom dead center and is installed movable, wherein on the cylinder a scavenging air inlet for introducing scavenging air is provided in the combustion chamber.
- the piston is a two-part piston, comprising a shell piston with a piston ring and a main piston positioned in the shell piston.
- a retaining device for the mantle piston is provided on the cylinder such that the mantle piston can be lifted in the region of bottom dead center by the retaining device from the main piston with respect to the cylinder axis, so that the purging air can be introduced from the inlet region through a scavenging air opening of the mantle piston into the combustion chamber ,
- the piston is a two-part piston with an outer shell piston and a main piston positioned therein and at a lower end of the cylinder a retaining means for the shell piston is provided such that the shell piston in the region of bottom dead center by the Retaining device from the main piston in relation to the cylinder axis can be lifted, so that the purge air from the inlet region through a scavenging air opening of the jacket piston is introduced into the combustion chamber, the shell piston or the piston skirt arranged on the piston ring and thus the piston as a whole, in its movement in the Near bottom dead center with the scavenging air, in particular so with the scavenging no longer in direct contact, so that even the scavenging slots can be completely dispensed with.
- the function of the release of the scavenging slots is replaced by the two-piece piston in its movement in the region of bottom dead center.
- the shell piston in the cylinder in its movement after completion of a combustion process in the direction of bottom dead center, on which arranged on the cylinder liner in the lower region of the cylinder or integrated therein retainer, preferably damped stored. Since the main piston is operatively connected via the piston rod to the crankshaft, the main piston moves further towards its bottom dead center, while the mantle piston is held by the retainer and remains in this position until the main piston returns from its bottom dead center position towards returns top dead center and then takes the jacket piston again.
- the piston rings of the piston ring assembly arranged on the jacket piston always remain in the closed part of the cylinder liner of the cylinder, so that a blow-off of the lubricating oil contained in the piston ring package, e.g. through the scavenging slots or towards the bottom of the piston can no longer occur.
- the piston upper part can not be acted upon by the above-described oil mist in the purge air, since the peripheral surface of the jacket piston no longer comes into direct contact with the purge air.
- the harmful oil coke deposits on the upper piston part are reliably prevented, at least massively reduced.
- the lubricating oil film can form over the entire running surface of the cylinder completely evenly to the lower end of the cylinder where the retaining element is located.
- the lubricating oil film on the cylinder wall is thus no longer interrupted by the air inlet openings, since the lubricating oil film is no longer formed in the region of the air inlet openings, but only up to the retainer.
- a negative influence of the air inlet openings e.g. a negative influence by the scavenging slots on the formation of the lubricating oil film is thus excluded.
- a damping element is provided on the retaining device and / or on the jacket piston, so that the jacket piston can be absorbed in a damped manner by the retaining device.
- the piston moves in the operating state at a considerable speed in the direction of its bottom dead center, so that in the In most cases, a damping element must be provided so that the jacket piston is not braked too abruptly by the retainer, which could lead to severe damage to the piston and cylinder.
- the arrangement according to the invention also for the first time offers the possibility of providing an adjusting device, so that an opening cross-section of the scavenging air opening can be set. It is namely a further advantage of the two-part piston according to the invention that the opening cross section of the scavenging air opening can even be variably adjusted. For a given piston geometry, the opening cross section results essentially from the distance between the jacket piston and the main piston in the open state.
- This distance can be influenced, for example, by varying the distance of the retaining device from the bottom dead center of the piston or by, for example, changing the rest position of the jacket piston by providing an actuating device, e.g. is provided in the form of a spacer.
- an actuating device e.g. is provided in the form of a spacer.
- the adjusting device may be, for example, a hydraulic, pneumatic or electric adjusting device, wherein the adjusting device may be provided, inter alia, on the retaining device and / or on the jacket piston.
- the damping element can be additionally designed as an adjusting device accordingly.
- the actuator may, for example, the axial position of the Set retaining device in the cylinder.
- the restraining device can be provided, for example, as a ring formed in the interior of the cylinder, which ring can be displaced by the adjusting device along the cylinder axis.
- the actuator may be a spacer provided between the skirt and retainer, the height of which can be variably adjusted.
- the engine can be easily and very flexible optimized by simply changing the opening cross section between the main piston and shell piston, for example, for certain load ranges, such as the partial load range.
- an engine with a cylinder arrangement according to the invention can for the first time also be used as a "dual fuel” engine, which can alternatively be operated with various fuels such as gas, heavy oil, diesel oil or other fuels, because now the amount of scavenging air entering the combustion chamber during the flushing process is introduced, can be variably adjusted for the first time in very wide limits.
- a "dual fuel” engine which can alternatively be operated with various fuels such as gas, heavy oil, diesel oil or other fuels, because now the amount of scavenging air entering the combustion chamber during the flushing process is introduced, can be variably adjusted for the first time in very wide limits.
- evacuation bores for example, lubricating oil can be spent from the tread of the cylinder from the inside of the cylinder to the outside and there either disposed of or reused. It is also possible to introduce lubricating oil into the cylinder via the previously mentioned evacuation bores.
- a centering means for centering the main piston with respect to the jacket piston is provided on the main piston and / or on the shell piston, so that on the one hand the main piston is always accurately inserted into the shell piston. And on the other hand in the assembled state of the piston of the main piston and the shell piston always positively positively act together so that the combustion chamber is sealed during the compression phase, the combustion phase and the expansion phase until the beginning of the rinsing phase safely against the piston subspace.
- the centering means may be in a manner known to those skilled in the art, for example, a guide bushing in the interior of the shell piston and / or on an outer surface of the main piston, or even more preferably a conical shape of the main piston and / or the shell piston. If the piston upward movement in the direction of top dead center is then initiated starting from bottom dead center, then the main piston automatically centers in the shell piston and closes the purge air opening of the shell piston so that the piston can again assume its normal function as a working piston.
- the invention further relates to a piston for a longitudinally purged reciprocating internal combustion engine, in particular for a slow-running longitudinally purged two-stroke large diesel engine with a cylinder arrangement according to the invention.
- the piston of the invention is in a cylinder of the cylinder assembly along a cylinder axis between a top dead center and a bottom dead center back and forth installable installed.
- the piston is a two-part piston, comprising a jacket piston with a piston ring assembly and a main piston positionable in the shell piston, so that the shell piston in the installed state in the region of bottom dead center by a retaining device of the cylinder with respect to the cylinder axis from the main piston can be lifted.
- a damping element is provided on the jacket piston.
- a specifically provided adjusting device can be adjustable in the installed state, an opening cross-section of a scavenging air opening of the jacket piston, wherein the adjusting device is advantageously a hydraulic, pneumatic or electrical adjusting device.
- the adjusting device may be provided on the jacket piston and, in particular, the damping element itself is designed as an adjusting device.
- a centering means for centering the main piston in the shell piston is provided on the main piston and / or on the shell piston, wherein the centering means may be, for example, a guide bush or a conical shape of the main piston or the shell piston.
- Fig. 1 shows in a schematic representation partially in section a cylinder assembly 1 'with cylinder liner 2', piston 3 'and fresh air supply system 400'.
- the cylinder assembly 1 'of Fig. 1 is a typical arrangement well known for prior art longitudinally scavenged two-stroke large diesel engines.
- the corresponding reference numerals are provided with an apostrophe, while the reference numerals to features according to the invention cylinder arrangements wear no apostrophe.
- the arrangement comprises a cylinder 2 ', which is also referred to as a cylinder liner 2', in which a piston 3 'along a cylinder wall of the cylinder 2' is arranged back and forth movable.
- the piston 3 ' comprises a piston ring packing 33', which is shown here schematically with only two piston rings.
- the combustion chamber 200 ' which is located in the combustion chamber region 21' of the cylinder 2 ', is delimited at the top by a cylinder cover with an injection nozzle and exhaust valve.
- the piston 3 ' which reciprocates in the operating state of the large diesel engine between the top dead center OT' and the bottom dead center UT ', via the piston rod 8' with a in Fig. 1 not shown crosshead connected, from which the reciprocating movement of the piston 3 'is transmitted to the crankshaft, also not shown, of the machine.
- the piston rod 8 ' is guided through the receiver space 401', which adjoins the inlet area 22 'of the cylinder liner 2' below, and the stuffing box 402 ', which seals the receiver space 401' against the crankshaft space below, so that no fresh air 41 ', symbolized by the arrow 41', which supplies a likewise not shown turbocharger under a high pressure, for example, under a pressure of four bar in the receiver chamber 401 ', from the receiver room 401' in the underlying crankshaft space 9 'can pass.
- Fig. 1 can be seen and is generally known, is in the receiver chamber 401 'always generated by the turbocharger gas pressure of the fresh air 41', which thus always by design rests on the piston bottom of the piston 3 '.
- Fig. 2a is a first inventive cylinder arrangement in the case of a longitudinally-flushed two-stroke large diesel engine simplified schematically shown.
- the cylinder assembly 1 of Fig. 2a shows a piston in the closed state.
- Fig. 2a For reasons of clarity, all, for the understanding of the invention not essential components of the large diesel engine in the Fig. 2a to Fig. 3 not explicitly shown.
- the cylinder assembly 1 of Fig. 2a comprises a cylinder 2 with a combustion chamber 200 and an inlet region 22, through which purging air can be introduced into the cylinder.
- the inlet region 22 or the other components of the large diesel engine can be known in principle as known from the prior art and in Fig. 1 already described, be designed.
- the combustion chamber 200 is limited by a cylinder cover, not shown, with injection nozzle and exhaust valve.
- the piston rod 8 is guided by a receiver space, not shown, which extends in the inlet region 22 of the cylinder 2 in accordance with the illustration, and is connected to the crankshaft in an effective manner.
- scavenging air 41 is provided via a scavenging air inlet 4, which a turbocharger, also not shown, operates in a manner known per se under a high pressure, e.g. at a pressure of four bar to the receiver room feeds.
- the piston 3 is a two-part piston 3 comprising a jacket piston 32 with a piston ring package 33 and a piston positioned in the piston 32 main piston 31.
- the cylinder 2 is a Retaining device 5 provided for the shell piston 32 such that the shell piston 32 in the area of bottom dead center UT by the retainer 5 from the main piston 31 with respect to the cylinder axis Z can be lifted, so that, as in Fig. 2b illustrated, the purge air 41 from the inlet portion 22 through a purge air opening 320 of the shell piston 32 is introduced into the combustion chamber 200.
- Fig. 2b The introduction of the scavenging air 41 via the scavenging air opening 320 of the jacket piston 32 is in Fig. 2b illustrated, showing a cylinder assembly 1 according to the invention with piston 3 in the open state.
- Fig. 2b The main piston 31 moves just near the bottom dead center UT and is therefore separated from the shell piston 32, which is in the retainer 5, which is designed as a retaining ring in the interior of the cylinder 2 deducted.
- the purge air opening 320 is open in the shell piston 32, so that an opening cross-section 111 is formed, through which the purge air can flow into the combustion chamber 200, as is symbolized by the arrows 41.
- a second, very important for practice embodiment of an inventive cylinder assembly 1 with damping element 10 is shown schematically, wherein the damping element 10 is formed as an adjusting device 11 in the form of a spacer element.
- the adjusting device 11 and the damping element 10 is here a hydraulic element, which can be acted upon by hydraulic fluid, not shown, with a predetermined amount of hydraulic fluid under a predetermined pressure, whereby on the one hand, the damping force, me the jacket piston 32 when placed on the Retaining device 5 is damped, is adjustable.
- the distance between retaining device 5 and shell piston 32 is adjustable, so that thereby the opening cross-section 111 and thus the supply of scavenging air 41 in the combustion chamber 200 to the respective operating conditions is flexibly adaptable.
- the two-stroke large diesel engine of the invention can be used for the first time as a "dual fuel” engine, which can be operated alternatively with various fuels such as gas, heavy oil, diesel oil or other fuels, because now the amount of scavenging air 41, which is introduced into the combustion chamber 200 during the flushing process, for the first time can be set variably within very wide limits.
- lubricating oil can be brought out of the running surface of the cylinder 2 from the interior of the cylinder 2 to the outside and either disposed of there or fed for reuse. It is also possible to introduce lubricating oil into the cylinder 2 via the aforementioned evacuation bore 12 as an alternative.
- a centering means 13 for centering the main piston 31 with respect to the shell piston 32 so that on the one hand, the main piston 31 is always accurately inserted into the shell piston 32. And on the other hand in the assembled state of the piston 3 of the main piston 31 and the shell piston 32 always positively positively act together so that the combustion chamber 200 during the compression phase, the combustion phase and the expansion phase until at the beginning of the rinsing phase is securely sealed against the piston subspace largely pressure.
- the centering means 13 is provided here by way of example on an outer surface of the main piston 31 as a conical design of the main piston 31 and in the form of a corresponding inversely conical surface on the shell piston 32. If the piston upward movement in the direction of top dead center is then initiated in the operating state from bottom dead center UT, the main piston 31 automatically centers in the shell piston 32 and thus closes the scavenging air opening 320 of the shell piston 32 so that the piston 3 again assumes its normal function as a working piston can.
- FIG. 4a is a further specific embodiment of a piston according to the invention shown schematically, with a better understanding Fig. 4b the example of Fig. 4a again in a perspective view and in Fig. 4c a more detailed representation of the interior of the shell piston 32 gem. Fig. 4a respectively. Fig. 4b you can see.
- a centering means 13 for centering the main piston 31 with respect to the shell piston 32, so that here again on the one hand, the main piston 31 is always accurately inserted into the shell piston 32. And on the other hand in the assembled state of the piston 3 of the main piston 31 and the shell piston 32 always positively positively cooperate such that the combustion chamber during the compression phase, the combustion phase and the expansion phase until the beginning of the rinsing phase is securely sealed against the piston subspace largely pressure.
- the centering means 13 is provided here on an outer surface of the main piston 31 as a conical design of the main piston 31 and in the form of a corresponding inversely conical surface on the shell piston 32.
- the main piston 31 has a first anti-rotation 1301, here in the example via a plurality of first anti-rotation 1301 and a corresponding number of second anti-rotation 1302 inside the shell piston 32.
- the first anti-rotation 1301 and the second anti-rotation 1302 act in the assembled state of Piston 3 together so that a rotation of the shell piston 32 against the main piston 31 at least during the compression phase, the combustion phase and the expansion phase until the beginning of the rinsing phase is reliably prevented.
- a respective damping element 10 which is designed as an adjusting device 11, wherein the adjusting device 11 may also be a suitable hydraulic, pneumatic or electrical adjusting device 11 or damping element 10, in particular also as simple Spring element, possibly can be configured with adjustable spring travel.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Zylinderanordnung sowie einen Kolben für eine längsgespülte Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere für einen langsam laufenden längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a cylinder assembly and a piston for a longitudinally flushed reciprocating internal combustion engine, in particular for a slow-running longitudinally flushed two-stroke large diesel engine according to the preamble of the independent claims.
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 der komplexen Problematik des Kolbenlaufverhaltens bei Grossdieselmotoren, eine immer grössere Bedeutung zu.Large diesel engines are often used as drive units for ships or in stationary operation, eg for driving large generators for generating electrical energy. The 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 fuels and supplies are central criteria for the operation of the machines. Among other things, the piston running behavior of such large-bore slow-running diesel engines is a determining factor for the length of the maintenance intervals, the availability and the lubricant consumption also directly for the operating costs and thus for the economy. With that comes the complex problem of piston running behavior in large diesel engines, an ever greater importance.
Bei Grossdieselmotoren, jedoch nicht nur bei diesen, erfolgt die Kolbenschmierung durch Schmiereinrichtungen im sich hin und her bewegenden Kolben oder in der Zylinderwand, durch die Schmieröl auf die Lauffläche der Zylinderwand aufgebracht wird, um die Reibung zwischen Kolben und Lauffläche und damit die Abnützung der Lauffläche und der Kolbenringe zu minimieren. So liegt heute bei modernen Motoren, wie z.B. den Wärtsilä Zweitakt Motoren, die Abnutzung der Lauffläche bei weniger als 0.05 mm bei einer Betriebsdauer von 1000 Stunden. Die Schmiermittelfördermenge liegt bei solchen Motoren deutlich unter 1.3 g/kWh und soll nicht zuletzt aus Kostengründen möglichst noch weiter reduziert werden, wobei gleichzeitig der Verschleiss minimiert werden soll.In large diesel engines, but not only these, the piston lubrication is performed by lubricating means in the reciprocating piston or in the cylinder wall, is applied by the lubricating oil on the tread of the cylinder wall, the friction between the piston and the tread and thus the wear of the tread and to minimize the piston rings. So today with modern engines, such as the Wärtsilä two-stroke engines, the wear of the tread at less than 0.05 mm with a service life of 1000 hours. The lubricant delivery rate is in such engines significantly below 1.3 g / kWh and should not least be further reduced for cost reasons, if possible, while the wear is to be minimized.
Dabei sind als Schmiersysteme zur Schmierung der Laufflächen der Zylinder ganz verschiedene Lösungen bekannt, sowohl was die konkrete Ausführung der Schmiereinrichtungen selbst, als auch was die Verfahren zur Schmierung angeht. Die entsprechenden Lösungen sind dem Fachmann in ihren unterschiedlichen Varianten wohlbekannt.In this case, very different solutions are known as lubrication systems for lubricating the running surfaces of the cylinder, both as far as the actual execution of the lubrication devices themselves, as well as the procedures for lubrication. The corresponding solutions are well known to the skilled person in their different variants.
Alle Massnahmen zur Verbesserung der Schmierung und des Kolbenlaufs lassen jedoch ein Problem unberührt, das konstruktionsbedingt und damit zwangsläufig bei den bisher bekannten längsgespülten Brennkraftmaschinen auftritt. Wie dem Fachmann wohlbekannt ist, wird bei den bekannten längsgespülten Zweitakt-Motoren die Frischluft, häufig auch als Spülluft bezeichnet, am unteren Ende des Zylinders über Spülluftöffnungen meist in Form von Spülschlitzen in den Brennraum des Zylinders eingebracht, während der Kolben sich in der Nähe seines unteren Totpunktes befindet und den Weg für die Frischluft in den Brennraum des Zylinders freigibt.However, all measures to improve the lubrication and the piston running leave a problem untouched, the design and thus inevitably occurs in the previously known longitudinally flushed internal combustion engines. As is well known to those skilled in the known longitudinally-flushed two-stroke engines, the fresh air, often referred to as scavenging air introduced at the bottom of the cylinder via scavenging air usually in the form of scavenging slots in the combustion chamber of the cylinder, while the piston is in the vicinity of his is bottom dead center and clears the path for the fresh air into the combustion chamber of the cylinder.
Die Spülschlitze, durch die die Frischluft zum Beispiel von einem Turbolader in den Zylinder unter einem vorgegebenen Druck eingeblasen wird, erlauben per se keine gleichmässige Ausbildung des Schmierölfilms auf der inneren Oberfläche des Zylinders im Bereich der Spülschlitze, da die Spülschlitze Öffnungen in der Zylinderwand des Zylinders sind und daher den Schmierölfilm unterbrechen. Der negative Einfluss der Spülschlitze auf die Ausbildung des Schmierölfilms auf der Lauffläche des Zylinders ist dabei sogar noch unterhalb und weit oberhalb, also sogar noch ausserhalb des Zylinderabschnitts, in dem die Spülschlitze ausgebildet sind, deutlich ausgeprägt. Das heisst, die durch die Spülschlitze bedingte Störung des Schmierölfilms auf der Zylinderlauffläche setzt sich in Bereiche weit entfernt von den Spülschlitzen fort und beeinflusst somit auch weit weg von den Spülschlitzen das Kolbenlaufverhalten und die Schmierung zwischen Kolben bzw. Kolbenringen und Zylinderwand deutlich negativ.The scavenging ports, through which the fresh air is blown, for example, from a turbocharger into the cylinder under a predetermined pressure, per se do not allow uniform formation of the lubricating oil film on the inner surface of the cylinder in the region of the scavenging slots, since the scavenging ports have openings in the cylinder wall of the cylinder and therefore interrupt the lubricating oil film. The negative influence of the scavenging slots on the formation of the lubricating oil film on the running surface of the cylinder is even below and far above, so even outside the cylinder portion in which the scavenging slots are formed, clearly pronounced. That is, due to the purging slits disturbance of the lubricating oil film on the cylinder surface continues in areas far away from the scavenging and thus far away from the scavenging the piston running behavior and the lubrication between piston or piston rings and cylinder wall significantly negative.
Ein weiterer negativer Nebeneffekt der Spülschlitze ergibt sich aus deren Zusammenwirken mit den Kolbenringen, wenn diese die Spülschlitze bei ihrer Bewegung in der Nähe des unteren Totpunkts passieren. Da die Kolbenringe eine gewisse mechanische radiale Vorspannung aufweisen müssen, damit sie mehr oder weniger dichtend mit der Zylinderwand zusammenwirken können, sind diese nicht als vollständig geschlossene Ringe ausgebildet, sondern die Kolbenringe sind vielmehr als offene Ringe mit einem Spalt ausgebildet, so dass eine radial nach aussen gerichtete Spannkraft entsteht, die den Kolbenring dichtend an die Zylinderwand presst. Unter ungünstigen Bedingungen können die Ränder am Spalt des Kolbenring aufgrund der radial nach aussen wirkenden Spannung des Kolbenrings teilweise in die Spülschlitze gedrückt werden, wodurch sich diese an den Begrenzungen der Spülschlitze verhaken können, was zu gefährlichen Kratzern oder Riefen am Zylinder bzw. an der Zylinderwand in der Nähe der Spülschlitze führen kann. Im schlimmsten Fall kann dies zu einem Kolbenfresser und zur Zerstörung des Zylinders und / oder des Kolbens führen, was vor allen Dingen bei einem Schiff auf hoher See zu gefährlichen Situationen führen kann.Another negative side effect of the scavenging slots results from their interaction with the piston rings as they pass through the scavenging slots as they move near bottom dead center. Since the piston rings must have a certain mechanical radial prestress so that they can cooperate more or less sealingly with the cylinder wall, these are not formed as completely closed rings, but the piston rings are rather formed as open rings with a gap, so that a radially to externally directed clamping force is created, which presses the piston ring sealingly against the cylinder wall. Under unfavorable conditions, the margins at the gap of the piston ring can be partially pressed into the flushing slots due to the radially outward acting tension of the piston ring, whereby they can get caught on the boundaries of the scavenging slots, resulting in dangerous scratches or grooves on the cylinder or on the cylinder wall near the scavenging slots. In the worst case, this can become a butt and devastation of the cylinder and / or the piston, which can lead to dangerous situations especially in a ship on the high seas.
Ausserdem geht über die Spülschlitze beim Passieren des Kolbenringpakets eine nicht unerhebliche Menge an Schmieröl verloren. Im Kolbenringpaket ist nämlich immer eine bestimmte Menge an Schmieröl gespeichert, das sich während der Bewegung des Kolbens im Zylinder im Kolbenringpaket ansammelt und das zudem unter einem erhöhten Gasdruck steht, der im wesentlichen während des Verbrennungsvorgangs im Kolbenringpaket aufgebaut wird und in diesem gespeichert wird. Wenn das Kolbenringpaket dann die Spülschlitze passiert, entlädt sich der im Kolbenringpaket gespeicherte Überdruck schlagartig über die Spülschlitze in den Receiverraum bzw. in den Kolbenunterraum und befördert damit gleichzeitig den grössten Teil des im Kolbenringpaket ebenfalls gespeicherten Schmieröls durch die Spülschlitze in den Receiverraum. Das führt einerseits zum Verlust des relativ teueren Schmieröls und führt andererseits zu einer unnötigen Verschmutzung des Receiverraums. Darüber hinaus steht das Schmieröl bei der weiteren Bewegung des Kolbens nicht mehr zur Schmierung zur Verfügung.In addition, a considerable amount of lubricating oil is lost through the scavenging slots when passing the piston ring package. Namely, a certain amount of lubricating oil is always stored in the piston ring package, which accumulates in the piston ring packet during the movement of the piston in the cylinder and which is also under an increased gas pressure, which is essentially built up during the combustion process in the piston ring package and stored therein. If the piston ring package then passes through the scavenging slots, the overpressure stored in the piston ring pack discharges abruptly via the scavenging slots into the receiver chamber or into the piston subspace and at the same time conveys most of the lubricating oil also stored in the piston ring package through the scavenging slots into the receiver chamber. On the one hand, this leads to the loss of the relatively expensive lubricating oil and, on the other hand, leads to unnecessary contamination of the receiver space. In addition, the lubricating oil is no longer available for lubrication during further movement of the piston.
Ein weiterer Nachteil ist die feste Geometrie der Spülschlitze. Das ist besonders unvorteilhaft hinsichtlich einer möglichen Anwendung als "Dual Fuel" Motor, also als Motor, der mit unterschiedlichen Treibstoffen betrieben werden kann, zum Beispiel alternativ mit Schweröl oder Gas oder einem anderen Treibstoff. Insbesondere auch die nicht veränderliche Geometrie bzw. Grösse der Spülschlitze steht einer solchen Anwendung bisher im Wege.Another disadvantage is the fixed geometry of the scavenging slots. This is particularly disadvantageous in terms of a possible application as a "dual fuel" engine, so as an engine that can be operated with different fuels, for example, alternatively with heavy oil or gas or other fuel. In particular, the non-variable geometry or size of the scavenging slots is such an application in the way.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine neue Zylinderanordnung und einen Kolben für eine Zylinderanordnung einer längsgespülten Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere für einen langsam laufenden Zweitakt-Grossdieselmotors bereitzustellen, die die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme, die insbesondere durch die Spülschlitze im unteren Bereich der bekannten Zylinderanordnung wesentlich bestimmt sind, vermeidet.The object of the invention is therefore to provide a new cylinder assembly and a piston for a cylinder assembly of a longitudinally-flushed reciprocating internal combustion engine, in particular for a slow-running two-stroke large diesel engine, which from the prior Technique known problems, which are particularly determined by the scavenging slots in the lower part of the known cylinder arrangement substantially avoids.
Die diese Aufgaben lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 9 gekennzeichnet.The objects of the invention solving these objects are characterized by the features of
Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.The dependent claims relate to particularly advantageous embodiments of the invention.
Die Erfindung betrifft somit eine Zylinderanordnung für eine längsgespülte Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere für einen langsam laufenden längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor, umfassend einen Zylinder mit einem Brennraum und einem Einlassbereich, in welchem Zylinder ein Kolben entlang einer Zylinderachse zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin- und herbewegbar installiert ist, wobei am Zylinder ein Spüllufteinlass zum Einbringen von Spülluft in den Brennraum vorgesehen ist. Erfindungsgemäss ist der Kolben ein zweiteiliger Kolben, umfassend einen Mantelkolben mit einem Kolbenring und einem im Mantelkolben positionierten Hauptkolben. Dabei ist am Zylinder eine Rückhalteinrichtung für den Mantelkolben derart vorgesehen, dass der Mantelkolben im Bereich des unteren Totpunkts durch die Rückhalteeinrichtung vom Hauptkolben in Bezug auf die Zylinderachse abhebbar ist, so dass die Spülluft aus dem Einlassbereich durch eine Spülluftöffnung des Mantelkolben in den Brennraum einleitbar ist.The invention thus relates to a cylinder assembly for a longitudinally purged reciprocating internal combustion engine, in particular for a slow-running longitudinally purged two-stroke large diesel engine, comprising a cylinder with a combustion chamber and an inlet region, in which cylinder a piston along a cylinder axis between a top dead center and a bottom dead center and is installed movable, wherein on the cylinder a scavenging air inlet for introducing scavenging air is provided in the combustion chamber. According to the invention, the piston is a two-part piston, comprising a shell piston with a piston ring and a main piston positioned in the shell piston. In this case, a retaining device for the mantle piston is provided on the cylinder such that the mantle piston can be lifted in the region of bottom dead center by the retaining device from the main piston with respect to the cylinder axis, so that the purging air can be introduced from the inlet region through a scavenging air opening of the mantle piston into the combustion chamber ,
Dadurch, dass gemäss der vorliegenden Erfindung der Kolben ein zweiteiliger Kolben mit einem äusseren Mantelkolben und einen darin positionierten Hauptkolben ist und an einem unteren Ende des Zylinders eine Rückhalteinrichtung für den Mantelkolben derart vorgesehen ist, dass der Mantelkolben im Bereich des unteren Totpunkts durch die Rückhalteeinrichtung vom Hauptkolben in Bezug auf die Zylinderachse abhebbar ist, so dass die Spülluft aus dem Einlassbereich durch eine Spülluftöffnung des Mantelkolben in den Brennraum einleitbar ist, kommt der Mantelkolben bzw. der am Kolbenmantel angeordnete Kolbenring und damit der Kolben insgesamt, bei seiner Bewegung in der Nähe des unteren Totpunktes mit den Spülluftöffnungen, im Speziellen also mit den Spülschlitzen nicht mehr in unmittelbare Berührung, so dass sogar auf die Spülschlitze komplett verzichtet werden kann.Characterized in that according to the present invention, the piston is a two-part piston with an outer shell piston and a main piston positioned therein and at a lower end of the cylinder a retaining means for the shell piston is provided such that the shell piston in the region of bottom dead center by the Retaining device from the main piston in relation to the cylinder axis can be lifted, so that the purge air from the inlet region through a scavenging air opening of the jacket piston is introduced into the combustion chamber, the shell piston or the piston skirt arranged on the piston ring and thus the piston as a whole, in its movement in the Near bottom dead center with the scavenging air, in particular so with the scavenging no longer in direct contact, so that even the scavenging slots can be completely dispensed with.
Das heisst, bei der erfindungsgemässen Lösung wird die Funktion der Freigabe der Spülschlitze durch den zweiteiligen Kolben bei seiner Bewegung im Bereich des unteren Totpunkts ersetzt. Das geschieht dadurch, dass sich der Mantelkolben im Zylinder bei seiner Bewegung nach Abschluss eines Verbrennungsvorgangs in Richtung zum unteren Totpunkt hin, auf der an der Zylinderlaufbuchse im unteren Bereich des Zylinders angeordneten bzw. darin integrierten Rückhalteeinrichtung, bevorzugt gedämpft gelagert aufsetzt. Da der Hauptkolben über die Kolbenstange mit der Kurbelwelle wirkfest verbunden ist, bewegt sich der Hauptkolben weiter in Richtung zu seinem unteren Totpunkt, während der Mantelkolben von der Rückhalteeinrichtung festgehalten wird und in dieser Position verbleibt, bis der Hauptkolben wieder aus seiner unteren Totpunktsposition in Richtung zum oberen Totpunkt zurückkehrt und dann den Mantelkolben wieder mitnimmt.That is, in the inventive solution, the function of the release of the scavenging slots is replaced by the two-piece piston in its movement in the region of bottom dead center. This is achieved in that the shell piston in the cylinder in its movement after completion of a combustion process in the direction of bottom dead center, on which arranged on the cylinder liner in the lower region of the cylinder or integrated therein retainer, preferably damped stored. Since the main piston is operatively connected via the piston rod to the crankshaft, the main piston moves further towards its bottom dead center, while the mantle piston is held by the retainer and remains in this position until the main piston returns from its bottom dead center position towards returns top dead center and then takes the jacket piston again.
Auf diese Weise verbleiben die am Mantelkolben angeordneten Kolberinge des Kolbenringpakets immer im geschlossenen Teil der Zylinderlaufbüchse des Zylinders, so dass ein Abblasen des im Kolbenringpaket enthaltenen Schmieröls, z.B. durch die Spülschlitze oder zur Kolbenunterseite hin nicht mehr auftreten kann.In this way, the piston rings of the piston ring assembly arranged on the jacket piston always remain in the closed part of the cylinder liner of the cylinder, so that a blow-off of the lubricating oil contained in the piston ring package, e.g. through the scavenging slots or towards the bottom of the piston can no longer occur.
Dadurch, dass bei der erfindungsgemässen Zylinderanordnung der Kolbenmantel und damit das Kolbenringpaket nicht direkt mit einer Lufteinlassöffnung im unteren Bereich des Zylinders zusammenwirkt, durch welche Lufteinlassöffnung Frischluft zum Beispiel von einem Turbolader in den Zylinder unter einem vorgegebenen Druck eingeblasen wird, ergeben sich verschiedene Vorteile.The fact that in the inventive cylinder arrangement of the piston skirt and thus the piston ring package not directly with a Air inlet opening cooperates in the lower region of the cylinder, through which air inlet opening fresh air is blown, for example, from a turbocharger in the cylinder under a predetermined pressure, there are various advantages.
Während dem aus dem Stand der Technik bekannten Spül-Schliessprozess, also wenn das Kolbenoberteil die Spülschlitze schliesst, ist das Kolbenoberteil einem Ölnebel ausgesetzt. Dieser Ölnebel resultiert aus Zylinderschmieröl welches vorgängig zum Beispiel bei der Abwärtsbewegung des Kolbens in Richtung zum unteren Totpunkt durch die Druckentladung aus dem Ringpaket der Kolbenringe in die Kolbenunterseite geblasen wird. Der vorgenannte Ölnebel setzt sich dann in Form von Ablagerungen ab, verbrennt und verkokt und setzt sich als Ölkoks auf dem Kolbenoberteil fest, was zu dem bekannten schädlichen "Liner Polishing" und im schlimmsten Fall sogar zu Fressen führen kann. Bei einem zweiteiligen Kolben gemäss der vorliegenden Erfindung kann das Kolbenoberteil gar nicht mit dem zuvor beschriebenen Ölnebel in der Spülluft beaufschlagt werden, da die Umfangsfläche des Mantelkolbens nicht mehr direkt mit der Spülluft in Berührung kommt. Somit werden bei Verwendung des erfindungsgemässen zweiteiligen Kolbens die schädlichen Ölkoksablagerungen am Kolbenoberteil zuverlässig vermieden, zumindest massiv reduziert.During the rinsing-closing process known from the prior art, that is to say when the piston upper part closes the rinsing slots, the piston upper part is exposed to an oil mist. This oil mist results from cylinder lubricating oil which is previously blown, for example, during the downward movement of the piston in the direction of bottom dead center by the pressure discharge from the ring package of the piston rings in the piston bottom. The aforementioned oil mist settles in the form of deposits, burns and coked and settles as Ölkoks on the piston upper part, which can lead to the well-known harmful "liner polishing" and in the worst case even to feed. In a two-part piston according to the present invention, the piston upper part can not be acted upon by the above-described oil mist in the purge air, since the peripheral surface of the jacket piston no longer comes into direct contact with the purge air. Thus, when using the two-part piston according to the invention, the harmful oil coke deposits on the upper piston part are reliably prevented, at least massively reduced.
Ein weiterer Vorteil der dadurch entsteht, dass bei der erfindungsgemässen Zylinderanordnung der Mantelkolben und damit das Kolbenringpaket nicht direkt mit einer Lufteinlassöffnung im unteren Bereich des Zylinders zusammenwirkt, durch welche Lufteinlassöffnung Frischluft zum Beispiel von einem Turbolader in den Zylinder unter einem vorgegebenen Druck eingeblasen wird, ist eine völlig gleichmässige Ausbildung des Schmierölfilms auf der inneren Oberfläche des Zylinders. Der Schmierölfilm kann sich über die gesamte Lauffläche des Zylinders völlig gleichmässig bis zum unteren Ende des Zylinders, wo sich das Rückhalteelement befindet, ausbilden.A further advantage arises from the fact that, in the cylinder arrangement according to the invention, the jacket piston and thus the piston ring assembly do not interact directly with an air inlet opening in the lower region of the cylinder, through which air inlet opening fresh air is blown, for example, from a turbocharger into the cylinder under a predetermined pressure a completely uniform formation of the lubricating oil film on the inner surface of the cylinder. The lubricating oil film can form over the entire running surface of the cylinder completely evenly to the lower end of the cylinder where the retaining element is located.
Der Schmierölfilm auf der Zylinderwand wird somit nicht mehr durch die Lufteinlassöffnungen unterbrochen, da der Schmierölfilm im Bereich der Lufteinlassöffnungen nicht mehr ausgebildet wird, sondern nur bis an die Rückhalteeinrichtung. Ein negativer Einfluss der Lufteinlassöffnungen, also z.B. ein negativer Einfluss durch die Spülschlitze auf die Ausbildung des Schmierölfilms ist somit ausgeschlossen.The lubricating oil film on the cylinder wall is thus no longer interrupted by the air inlet openings, since the lubricating oil film is no longer formed in the region of the air inlet openings, but only up to the retainer. A negative influence of the air inlet openings, e.g. a negative influence by the scavenging slots on the formation of the lubricating oil film is thus excluded.
Somit ist auch ein schädliches Zusammenwirken der Lufteinlassöffnungen mit den Kolbenringen ausgeschlossen, da diese nicht mehr mit den Lufteinlassöffnungen als solche unmittelbar zusammenwirken. Somit können die Ränder am Spalt des Kolbenrings aufgrund der radial nach aussen wirkenden Spannung des Kolbenrings auch nicht mehr in die Lufteinlassöffnungen gedrückt werden, und können sich folglich auch nicht mehr an den Begrenzungen der Spülschlitze verhaken, so dass durch die erfindungsgemässe Zylinderanordnung die gefährlichen Kratzern oder Riefen am Zylinder bzw. an der Zylinderwand nicht mehr auftreten können.Thus, a harmful interaction of the air inlet openings is excluded with the piston rings, as they no longer interact directly with the air inlet openings as such. Thus, the edges on the gap of the piston ring due to the radially outwardly acting tension of the piston ring can not be pressed into the air inlet openings, and consequently can no longer get caught at the boundaries of the scavenging slots, so that by the inventive cylinder arrangement, the dangerous scratches or Grooves on the cylinder or on the cylinder wall can no longer occur.
Auch geht kein Schmieröl über die Spülschlitze verloren, da das Kolbenringpaket mit den Lufteinlassöffnungen nicht mehr in direkten Kontakt tritt, so dass das Schmieröl im Kolbenringpaket verbleibt und für die weitere Schmierung zur Verfügung steht. Dadurch kann letztlich eine beträchtliche Menge an Schmieröl eingespart werden, die Schmierung zwischen Kolben und Zylinder wird insbesondere im unteren Bereich des Zylinders in der Nähe des unteren Totpunktes massiv verbessert und der Receiverraum wird nicht mehr durch Schmieröl aus dem Kolbenringpaket verschmutzt.Also, no lubricating oil is lost over the scavenging slots, since the piston ring package with the air inlet openings no longer comes into direct contact, so that the lubricating oil remains in the piston ring package and is available for further lubrication. As a result, a considerable amount of lubricating oil can ultimately be saved, the lubrication between the piston and cylinder is massively improved, in particular in the lower region of the cylinder in the vicinity of the bottom dead center and the receiver chamber is no longer contaminated by lubricating oil from the piston ring package.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist an der Rückhalteeinrichtung und / oder am Mantelkolben ein Dämpfungselement vorgesehen, so dass der Mantelkolben gedämpft von der Rückhalteeinrichtung aufgenommen werden kann. Der Kolben bewegt sich im Betriebszustand mit einer beachtlichen Geschwindigkeit in Richtung zu seinem unteren Totpunkt, so dass in den meisten Fällen ein Dämpfungselement vorgesehen werden muss, damit der Mantelkolben nicht zu abrupt von der Rückhaltevorrichtung abgebremst wird, was zu schlimmen Schäden an Kolben und Zylinder führen könnte.In a preferred exemplary embodiment, a damping element is provided on the retaining device and / or on the jacket piston, so that the jacket piston can be absorbed in a damped manner by the retaining device. The piston moves in the operating state at a considerable speed in the direction of its bottom dead center, so that in the In most cases, a damping element must be provided so that the jacket piston is not braked too abruptly by the retainer, which could lead to severe damage to the piston and cylinder.
Dabei bietet die erfindungsgemässe Anordnung auch erstmals die Möglichkeit, eine Stelleinrichtung vorzusehen, so dass ein Öffnungsquerschnitt der Spülluftöffnung einstellbar ist. Es ist nämlich ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen zweiteiligen Kolbens, dass der Öffnungsquerschnitt der Spülluftöffnung, sogar variabel einstellbar ist. Bei gegebener Kolbengeometrie ergibt sich der Öffnungsquerschnitt nämlich im Wesentlichen aus dem Abstand zwischen dem Mantelkolben und dem Hauptkolben im geöffneten Zustand.The arrangement according to the invention also for the first time offers the possibility of providing an adjusting device, so that an opening cross-section of the scavenging air opening can be set. It is namely a further advantage of the two-part piston according to the invention that the opening cross section of the scavenging air opening can even be variably adjusted. For a given piston geometry, the opening cross section results essentially from the distance between the jacket piston and the main piston in the open state.
Dieser Abstand lässt sich dabei zum Beispiel dadurch beeinflussen, dass der Abstand der Rückhalteeinrichtung vom unteren Totpunkt des Kolbens variiert wird oder indem zum Beispiel die Ruheposition des Mantelkolbens dadurch verändert wird, dass zwischen Rückhalteeinrichtung und Mantelkolben eine Stelleinrichtung, z.B. in Form eines Abstandshalters vorgesehen wird. Je grösser die Distanz zwischen Rückhalteeinrichtung und Mantelkolben durch das Stellelement gewählt wird, um so grösser ist bei gegebenem Kurbelwinkel der Öffnungsquerschnitt für die Spülluft zwischen Hauptkolben und Mantelkolben. Dasselbe gilt natürlich, wenn der Abstand der Rückhalteeinrichtung zum unteren Totpunkt grösser gewählt wird.This distance can be influenced, for example, by varying the distance of the retaining device from the bottom dead center of the piston or by, for example, changing the rest position of the jacket piston by providing an actuating device, e.g. is provided in the form of a spacer. The greater the distance between the retaining device and the jacket piston is selected by the actuator, the greater is the opening cross section for the purge air between the main piston and shell piston at a given crank angle. The same applies, of course, if the distance of the retaining device to bottom dead center is greater.
Dabei kann die Stelleinrichtung beispielweise eine hydraulische, pneumatische oder elektrische Stelleinrichtung sein, wobei die Stelleinrichtung unter anderem an der Rückhalteeinrichtung und / oder am Mantelkolben vorgesehen sein kann. Im Speziellen kann beispielweise auch das Dämpfungselement zusätzlich als Stelleinrichtung entsprechend ausgebildet sein. Das heisst, die Stelleinrichtung kann zum Beispiel die axiale Position der Rückhalteeinrichtung im Zylinder einstellen. Dazu kann die Rückhalteinrichtung zum Beispiel als ein im Inneren des Zylinders ausgebildeter Ring vorgesehen sein, der durch die Stelleinrichtung entlang der Zylinderachse verschiebbar ist. Oder in einem anderen Beispiel kann die Stelleinrichtung ein Abstandelement sein, das zwischen Mantelkolben und Rückhalteeinrichtung vorgesehen ist, dessen Höhe variable eingestellt werden kann.In this case, the adjusting device may be, for example, a hydraulic, pneumatic or electric adjusting device, wherein the adjusting device may be provided, inter alia, on the retaining device and / or on the jacket piston. In particular, for example, the damping element can be additionally designed as an adjusting device accordingly. That is, the actuator may, for example, the axial position of the Set retaining device in the cylinder. For this purpose, the restraining device can be provided, for example, as a ring formed in the interior of the cylinder, which ring can be displaced by the adjusting device along the cylinder axis. Or in another example, the actuator may be a spacer provided between the skirt and retainer, the height of which can be variably adjusted.
Durch die Möglichkeit des variabel einstellbaren Öffnungsquerschnitts für die Spülluft, also der Möglichkeit den Spülvorgang flexibel zu gestalten, kann der Motor einfach durch Veränderung des Öffnungsquerschnitts zwischen Hauptkolben und Mantelkolben zum Beispiel für bestimmte Lastbereiche, wie etwa den Teillastbereich, einfach und sehr flexibel optimiert werden.Due to the possibility of variably adjustable opening cross-section for the scavenging air, so the ability to make the flushing flexible, the engine can be easily and very flexible optimized by simply changing the opening cross section between the main piston and shell piston, for example, for certain load ranges, such as the partial load range.
Ausserdem kann ein Motor mit einer erfindungsgemässen Zylinderanordnung erstmals auch als "Dual Fuel" Motor verwendet werden, der mit verschiedenen Treibstoffen wie Gas, Schweröl, Dieselöl oder anderen Treibstoffen alternativ betrieben werden kann, weil jetzt die Menge an Spülluft, die in den Verbrennungsraum beim Spülvorgang eingebracht wird, erstmals in sehr weiten Grenzen variabel eingestellt werden kann.In addition, an engine with a cylinder arrangement according to the invention can for the first time also be used as a "dual fuel" engine, which can alternatively be operated with various fuels such as gas, heavy oil, diesel oil or other fuels, because now the amount of scavenging air entering the combustion chamber during the flushing process is introduced, can be variably adjusted for the first time in very wide limits.
Besonders vorteilhaft ist dabei am Zylinder eine Evakuationsbohrung zum Austausch von Schmieröl vorgesehen. Durch die Evakuationsbohrungen kann z.B. Schmieröl von der Lauffläche des Zylinders aus dem Inneren des Zylinders nach aussen verbracht werden und dort entweder entsorgt oder der Wiederverwendung zugeführt werden. Auch ist es möglich über die zuvor erwähnten Evakuationsbohrungen alternativ Schmieröl in den Zylinder einzubringen.Particularly advantageous is provided on the cylinder an evacuation hole for the exchange of lubricating oil. By evacuation bores, for example, lubricating oil can be spent from the tread of the cylinder from the inside of the cylinder to the outside and there either disposed of or reused. It is also possible to introduce lubricating oil into the cylinder via the previously mentioned evacuation bores.
Besonders bevorzugt ist am Hauptkolben und / oder am Mantelkolben ein Zentriermittel zur Zentrierung des Hauptkolbens in Bezug auf den Mantelkolben vorgesehen, so dass einerseits der Hauptkolben immer wieder passgenau in den Mantelkolben einführbar ist. Und andererseits im zusammengesetzten Zustand des Kolbens der Hauptkolben und der Mantelkolben immer sicher formschlüssig derart zusammen wirken, dass der Brennraum während der Kompressionsphase, der Verbrennungsphase und der Expansionsphase bis zum Beginn der Spülphase sicher gegen den Kolbenunterraum abgedichtet ist.Particularly preferably, a centering means for centering the main piston with respect to the jacket piston is provided on the main piston and / or on the shell piston, so that on the one hand the main piston is always accurately inserted into the shell piston. And on the other hand in the assembled state of the piston of the main piston and the shell piston always positively positively act together so that the combustion chamber is sealed during the compression phase, the combustion phase and the expansion phase until the beginning of the rinsing phase safely against the piston subspace.
Das Zentriermittel kann dabei in an sich dem Fachmann bekannter Weise zum Beispiel eine Führungsbuchse im Inneren des Mantelkolbens und / oder an einer äusseren Fläche des Hauptkolbens, oder auch besonders bevorzugt eine konische Ausprägung des Hauptkolbens und / oder des Mantelkolbens sein. Wird dann vom unteren Totpunkt ausgehend die Kolbenaufwärtsbewegung in Richtung des oberen Totpunkts eingeleitet, so zentriert sich der Hauptkolben automatisch im Mantelkolben und verschliesst so die Spülluftöffnung des Mantelkolbens, so dass der Kolben wieder seine normale Funktion als Arbeitskolben wahrnehmen kann.The centering means may be in a manner known to those skilled in the art, for example, a guide bushing in the interior of the shell piston and / or on an outer surface of the main piston, or even more preferably a conical shape of the main piston and / or the shell piston. If the piston upward movement in the direction of top dead center is then initiated starting from bottom dead center, then the main piston automatically centers in the shell piston and closes the purge air opening of the shell piston so that the piston can again assume its normal function as a working piston.
Die Erfindung betrifft weiter einen Kolben für eine längsgespülte Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere für einen langsam laufenden längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor mit einer erfindungsgemässen Zylinderanordnung. Der Kolben der Erfindung ist dabei in einem Zylinder der Zylinderanordnung entlang einer Zylinderachse zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin- und herbewegbar installierbar ist. Erfindungsgemäss ist der Kolben ein zweiteiliger Kolben, umfassend einen Mantelkolben mit einem Kolbenringpaket und einem im Mantelkolben positionierbaren Hauptkolben, so dass der Mantelkolben im Einbauzustand im Bereich des unteren Totpunkts durch eine Rückhalteeinrichtung des Zylinders in Bezug auf die Zylinderachse vom Hauptkolben abhebbar ist.The invention further relates to a piston for a longitudinally purged reciprocating internal combustion engine, in particular for a slow-running longitudinally purged two-stroke large diesel engine with a cylinder arrangement according to the invention. The piston of the invention is in a cylinder of the cylinder assembly along a cylinder axis between a top dead center and a bottom dead center back and forth installable installed. According to the invention, the piston is a two-part piston, comprising a jacket piston with a piston ring assembly and a main piston positionable in the shell piston, so that the shell piston in the installed state in the region of bottom dead center by a retaining device of the cylinder with respect to the cylinder axis from the main piston can be lifted.
Besonders bevorzugt ist dabei am Mantelkolben ein Dämpfungselement vorgesehen.Particularly preferably, a damping element is provided on the jacket piston.
Durch eine im Speziellen vorgesehene Stelleinrichtung kann im Einbauzustand ein Öffnungsquerschnitt einer Spülluftöffnung des Mantelkolbens einstellbar sein, wobei die Stelleinrichtung vorteilhaft eine hydraulische, pneumatische oder elektrische Stelleinrichtung ist. Insbesondere kann die Stelleinrichtung am Mantelkolben vorgesehen sein und im Speziellen ist das Dämpfungselement selbst als Stelleinrichtung ausgebildet.By a specifically provided adjusting device can be adjustable in the installed state, an opening cross-section of a scavenging air opening of the jacket piston, wherein the adjusting device is advantageously a hydraulic, pneumatic or electrical adjusting device. In particular, the adjusting device may be provided on the jacket piston and, in particular, the damping element itself is designed as an adjusting device.
Besonders bevorzugt ist am Hauptkolben und / oder am Mantelkolben ein Zentriermittel zur Zentrierung des Hauptkolbens im Mantelkolben vorgesehen, wobei das Zentriermittel zum Beispiel eine Führungsbuchse oder eine konische Ausprägung des Hauptkolbens oder des Mantelkolbens sein kann.Particularly preferably, a centering means for centering the main piston in the shell piston is provided on the main piston and / or on the shell piston, wherein the centering means may be, for example, a guide bush or a conical shape of the main piston or the shell piston.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine bekannte Zylinderanordnung mit Spülschlitzen im Längsschnitt;
- Fig. 2a
- schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemässen Zylinderanordnung mit Kolben im geschlossenen Zustand;
- Fig. 2b
- die Zylinderanordnung der
Fig. 2a mit Kolben im geöffneten Zustand; - Fig. 3
- ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Zylinderanordnung mit Evakuationsbohrungen und Stelleinrichtung;
- Fig. 4a
- ein spezielles Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Kolbens;
- Fig. 4b
- das Beispiel der
Fig. 4a in perspektivischer Ansicht; - Fig. 4c
- Darstellung des Inneren des Mantelkolbens gem.
Fig. 4a bzw.Fig. 4b ;
- Fig. 1
- a known cylinder arrangement with scavenging slots in longitudinal section;
- Fig. 2a
- schematic representation of a first inventive cylinder assembly with piston in the closed state;
- Fig. 2b
- the cylinder arrangement of
Fig. 2a with piston in the open state; - Fig. 3
- A second embodiment of an inventive cylinder assembly with evacuation holes and actuator;
- Fig. 4a
- a special embodiment of a piston according to the invention;
- Fig. 4b
- the example of
Fig. 4a in perspective view; - Fig. 4c
- Representation of the interior of the shell piston gem.
Fig. 4a respectively.Fig. 4b ;
Die Zylinderanordnung 1' der
Die Anordnung umfasst einen Zylinder 2', der auch als Zylinderliner 2' bezeichnet wird, in welchem ein Kolben 3' entlang einer Zylinderwand des Zylinders 2' hin- und her bewegbar angeordnet ist. Der Kolben 3' umfasst eine Kolbenringpackung 33', die hier schematisch mit lediglich zwei Kolbenringen dargestellt ist.The arrangement comprises a cylinder 2 ', which is also referred to as a cylinder liner 2', in which a piston 3 'along a cylinder wall of the cylinder 2' is arranged back and forth movable. The piston 3 'comprises a piston ring packing 33', which is shown here schematically with only two piston rings.
Der Brennraum 200', der sich im Brennraumbereich 21' des Zylinders 2' befindet, ist darstellungsgemäss oben durch einen Zylinderdeckel mit Einspritzdüse und Auslassventil begrenzt.The combustion chamber 200 ', which is located in the combustion chamber region 21' of the cylinder 2 ', is delimited at the top by a cylinder cover with an injection nozzle and exhaust valve.
Der Kolben 3', der sich im Betriebszustand des Grossdieselmotors zwischen dem oberen Totpunkt OT' und dem unteren Totpunkt UT' hin- und herbewegt, ist über die Kolbenstange 8' mit einem in
Wie der
Nach einem Verbrennungsvorgang, der im Brennraum 200' initiiert wird, wenn sich der Kolben 3' ganz in der Nähe des oberen Totpunkts OT' befindet, bewegt sich Kolben 3' aufgrund des im Brennraum 200' aufgebauten Verbrennungsdrucks in Richtung zum unteren Totpunkt UT', wobei, wenn sich die Kolbenoberfläche unterhalb der Spülluftöffnung 4' mit Spülschlitzen 221' befindet, Spülluft 41' über die Spülschlitze 4' aus dem Receiverraum 401' in den Brennraum 200' gelangen kann, so dass diese für den nächst folgenden Verbrennungsvorgang im Brennraum 200' zur Verfügung steht.After a combustion process initiated in the combustion chamber 200 'when the piston 3' is very close to the top dead center OT ', the piston 3' moves toward the bottom dead center UT 'due to the combustion pressure built up in the
Bei seinem Weg vom oberen Totpunkt OT' bis zum unteren Totpunkt UT' und zurück muss der Kolben zwangsläufig im Einlassbereich 22' die Spülschlitze 4' passieren, was die eingangs bereits eingehend beschriebenen negativen Folgen hat, die hier nicht mehr im Einzelnen wiederholt werden müssen.On its way from top dead center OT 'to bottom dead center UT' and back, the piston must inevitably pass through the scavenging ports 4 'in the inlet region 22', which has the negative consequences already described in detail, which need not be repeated here in detail.
In
Die Zylinderanordnung 1 der
Der Brennraum 200 ist durch einen nicht dargestellten Zylinderdeckel mit Einspritzdüse und Auslassventil begrenzt. Der Hauptkolben 31 des Kolbens 3, der sich im Betriebszustand des Grossdieselmotors entlang einer Zylinderachse Z zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt UT hin- und herbewegt, ist über die Kolbenstange 8 mit einem ebenfalls nicht dargestellten Kreuzkopf verbunden, von dem aus die hin- und her Bewegung des Kolbens 3 auf die auch nicht dargestellte Kurbelwelle des Zweitakt-Grossdieselmotors übertragen wird. Die Kolbenstange 8 ist dazu durch einen nicht gezeigten Receiverraum, der sich darstellungsgemäss im Einlassbereich 22 des Zylinders 2 erstreckt, geführt und mit der Kurbelwelle wirkfest verbunden. Im Receiverraum wird Spülluft 41 über einen Spüllufteinlass 4 bereitgestellt, die ein ebenfalls nicht dargestellter Turbolader in an sich bekannter Weise unter einem hohen Druck, z.B. unter einem Druck von vier bar dem Receiverraum zuführt.The
Gemäss der vorliegenden Erfindung ist der Kolben 3 ein zweiteiliger Kolben 3 umfassend einen Mantelkolben 32 mit einem Kolbenringpaket 33 und einem im Mantelkolben 32 positionierten Hauptkolben 31. Am Zylinder 2 ist eine Rückhalteeinrichtung 5 für den Mantelkolben 32 derart vorgesehen, dass der Mantelkolben 32 im Bereich des unteren Totpunkts UT durch die Rückhalteeinrichtung 5 vom Hauptkolben 31 in Bezug auf die Zylinderachse Z abhebbar ist, so dass, wie in
Das Einleiten der Spülluft 41 über die Spülluftöffnung 320 des Mantelkolbens 32 ist in
In
Anhand der
Die Stelleinrichtung 11 bzw. das Dämpfungselement 10 ist hier ein hydraulisches Element, das über nicht dargestellte Hydraulikleitungen mit einer vorgebbaren Menge an unter einem vorgebbaren Druck stehenden Hydrauliköl beaufschlagt werden kann, wodurch einerseits die Dämpfungskraft, mir der der Mantelkolben 32 beim Aufsetzen auf der Rückhalteeinrichtung 5 gedämpft wird, einstellbar ist. Andererseits ist gleichzeitig oder alternativ der Abstand zwischen Rückhalteeinrichtung 5 und Mantelkolben 32 einstellbar, so dass dadurch der Öffnungsquerschnitt 111 und damit die Zufuhr der Spülluft 41 in den Brennraum 200 an die jeweiligen Betriebsbedingungen flexibel anpassbar ist.The adjusting device 11 and the damping element 10 is here a hydraulic element, which can be acted upon by hydraulic fluid, not shown, with a predetermined amount of hydraulic fluid under a predetermined pressure, whereby on the one hand, the damping force, me the
Durch die flexible Einstellbarkeit der Spülluftzufuhr kann der Zweitakt-Grossdieselmotor der Erfindung erstmals auch als "Dual Fuel" Motor verwendet werden, der mit verschiedenen Treibstoffen wie Gas, Schweröl, Dieselöl oder anderen Treibstoffen alternativ betrieben werden kann, weil jetzt die Menge an Spülluft 41, die in den Brennraum 200 beim Spülvorgang eingebracht wird, erstmals in sehr weiten Grenzen variabel eingestellt werden kann.Due to the flexible adjustability of the scavenging air supply, the two-stroke large diesel engine of the invention can be used for the first time as a "dual fuel" engine, which can be operated alternatively with various fuels such as gas, heavy oil, diesel oil or other fuels, because now the amount of scavenging
Ausserdem ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäss
Desweiteren ist gemäss
Das Zentriermittel 13 ist hier beispielhaft an einer äusseren Fläche des Hauptkolbens 31 als eine konische Ausbildung des Hauptkolbens 31 und in Form einer korrespondierenden umgekehrt konischen Fläche am Mantelkolben 32 vorgesehen. Wird dann im Betriebszustand vom unteren Totpunkt UT ausgehend die Kolbenaufwärtsbewegung in Richtung des oberen Totpunkts eingeleitet, so zentriert sich der Hauptkolben 31 automatisch im Mantelkolben 32 und verschliesst so die Spülluftöffnung 320 des Mantelkolbens 32, so dass der Kolben 3 wieder seine normale Funktion als Arbeitskolben wahrnehmen kann.The centering means 13 is provided here by way of example on an outer surface of the
Anhand der
Auch beim Ausführungsbeispiel gem.
Das Zentriermittel 13 ist hier an einer äusseren Fläche des Hauptkolbens 31 als eine konische Ausbildung des Hauptkolbens 31 und in Form einer korrespondierenden umgekehrt konischen Fläche am Mantelkolben 32 vorgesehen.The centering means 13 is provided here on an outer surface of the
Zusätzlich verfügt der Hauptkolben 31 über eine erste Verdrehsicherung 1301, hier im Beispiel über eine Mehrzahl von ersten Verdrehsicherungen 1301 und eine korrespondierende Anzahl von zweiten Verdrehsicherungen 1302 im Inneren des Mantelkolbens 32. Die ersten Verdrehsicherungen 1301 und die zweiten Verdrehsicherungen 1302 wirken dabei im zusammengesetzten Zustand des Kolbens 3 derart zusammen, dass eine Verdrehung des Mantelkolbens 32 gegen den Hauptkolben 31 zumindest während der Kompressionsphase, der Verbrennungsphase und der Expansionsphase bis zum Beginn der Spülphase sicher verhindert wird.In addition, the
Darüber hinaus ist an der ersten Verdrehsicherung 1301 auch je ein Dämpfungselement 10 vorgesehen, das als Stelleinrichtung 11 ausgebildet ist, wobei die Stelleinrichtung 11 auch hier eine geeignete hydraulische, pneumatische oder elektrische Stelleinrichtung 11 bzw. Dämpfungselement 10 sein kann, das im Speziellen auch einfach als Federelement, eventuell mit verstellbarem Federweg ausgestaltet sein kann.In addition, at the
Es versteht sich, dass die im Rahmen dieser Anmeldung beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich exemplarisch zu verstehen sind und die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist. Insbesondere können die beschriebenen Ausführungsbeispiele auch vorteilhaft kombiniert werden.It is understood that the embodiments described in the context of this application are to be understood as exemplary only and the invention is not limited to these examples. In particular, the described embodiments can also be advantageously combined.
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