Dieselmotor

Abstract

 Der Dieselmotor, mit Zylinderlaufbuchse (21), in welcher sich der Kolben (21) bewegt, weist einen Schieber (24) auf, welcher an das untere Ende der Zylinderlaufbuchse (21) angrenzt, und der mit der Zylinderlaufbuchse (21) ein Schieberventil bildet. Der Schieber (24) bewegt sich mit der Bewegung des Kolbens (20), im Bereich des unteren Totpunktes, von der Zylinderlaufbuchse (21) weg, wobei sich zwischen Zylinderlaufbuchse (21) und Schieber (24) eine ringartige Öffnung, der Spülspalt (210), für das Zuführen von Spülluft zum Kolbenraum (22) bildet. Der Spülspalt (210) schliesst sich wieder, wenn sich der Kolben (20) in Richtung zum oberen Umkehrpunkt hin bewegt. Diese neuartige Konstruktion des Dieselmotors eignet sich besonders für langsamlaufende, langhubige Zweitakt-Grossdieselmotoren mit Längsspülung und Kreuzkopf, wie sie bei Schiffen und für Kraftwerke zur Stromerzeugung verwendet werden. Bei der neuen Konstruktion kann die Stopfbüchsendichtung (12) zum Kurbelgehäuse entfallen, was eine niedrigere Bauweise des Motors ermöglicht.

Beschreibung

[0001] Die vorliegenden Erfindung bezieht sich auf einen Dieselmotor nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.

[0002] Grosse Zweitakt-Dieselmotoren bisheriger Bauart, wie sie in Schiffen und Kraftwerken verwendet werden, weisen meist eine Kreuzkopf aufs Zwischen Kurbelwelle und Kreuzkopf ist die sog. Schubstange angeordnet, welche die Kurbelwelle antreibt. Zwischen Kreuzkopf und Kolben ist die sog. Kolbenstange angeordnet, welche die lineare Hin- und Herbewegung des Kolbens auf den Kreuzkopf überträgt.

[0003] Moderne, grosse Zweitakt-Dieselmotoren haben meist eine Längsspülung des Arbeitszylinders. D.h. die Spülluft tritt über feste Spülschlitze in der Zylinderlaufbuchse in den Zylinderraum ein, sobald der Kolben sich unterhalb dieser Spülschlitze befindet. Die neue, unverbrauchte Spülluft durchströmt die Spülschlitze in der Zylinderlaufbuchse und den Brennraum und drängt die Abgase durch ein oder mehrere Auslassventile im Zylinderdeckel in das Auspuffsystem.

[0004] Wenn sich der Kolben oberhalb der Spülschlitze befindet, könnte die Spülluft ungehindert in den Kurbelgehäuseraum gelangen und entweichen. Um dies zu verhindern, ist der unterhalb des Kolbens liegende Teil des Kolbenraumes mit einer als Stopfbüchse bezeichneten Dichtung abgedichtet. Die Kolbenstange läuft in dieser Stopfbüchse.

[0005] Bei Motoren mit Ölkühlung für die Kolben, wird das Kühlöl durch Kanäle in der Kolbenstange zum Kolben hin und wieder weggeführt.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es u.a., einen Motor zu schaffen, bei welchem die Spülluft auch beim Fehlen einer Stopfbüchse nicht in den Kurbelgehäuseraum fliesst. Erfindungsgemäss weist ein derartiger Motor die Merkmale des Kennzeichnenden Teils des unabhängigen Anspruchs 1 auf. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

[0007] Der neue Motor nach der Erfindung kann, beim Weglassen der Stopfbüchse niedriger gebaut werden. Dies ist insbesondere für Schiffsmotoren von Vorteil, wenn der Freiraum über dem Motor, der für Reparatur- und Servicearbeiten notwendig ist, kleiner sein kann. Wenn die Kolbenstange mehrteilig ausgeführt ist, wird der Aus- und Einbau bzw. Austausch der Kolbenstange auch bei niedrigem Freiraum über dem Motor möglich.

[0008] Der Dieselmotor, mit Zylinderlaufbuchse, in welcher sich der Kolben bewegt, weist einen Schieber auf, welcher an das untere Ende der Zylinderlaufbuchse angrenzt, und der mit der Zylinderlaufbuchse ein Schieberventil bildet. Der Schieber bewegt sich mit der Bewegung des Kolbens, im Bereich des unteren Totpunktes, von der Zylinderlaufbuchse weg, wobei sich zwischen Zylinderlaufbuchse und Schieber eine ringartige Öffnung, der Spülspalt, für das Zuführen von Spülluft zum Kolbenraum bildet. Der Spülspalt schliesst sich wieder, wenn sich der Kolben in Richtung zum oberen Umkehrpunkt hin bewegt. Diese neuartige Konstruktion des Dieselmotors eignet sich besonders für langsamlaufende, langhubige Zweitakt-Grossdieselmotoren mit Längsspülung und Kreuzkopf, wie sie bei Schiffen und für Kraftwerke zur Stromerzeugung verwendet werden. Bei der neuen Konstruktion kann die Stopfbüchsendichtung zum Motorraum entfallen, was eine niedrigere Bauweise des Motors ermöglicht.

[0009] Nachstehend wird die Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen, welche die bisherige Konstruktion von Dieselmotoren und Ausführungsformen der Erfindung zeigen, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

in einem schematischen Schnitt eine bisherige Konstruktion eines Motors mit Spülschlitzen im unteren Teil der Zylinderlaufbuchse und mit einer Stopfbuchse;

Fig. 2 bis 4

in schematischen Schnitten den neuen Motor nach der Erfindung, wobei an Hand verschiedener Positionen des Kolbens und des Schiebers im Zylinder die Arbeits- und Wirkweise des neuen Motors nach der Erfindung erklärt wird.

[0010] Beim Dieselmotor mit Kreuzkopf (nicht gezeigt) von Fig. 1 nach bisheriger konventioneller Bauart läuft der Kolben 10 in einer Zylinderlaufbuchse 11. Im untersten Teil weist die Zylinderlaufbuchse 11 Spülschlitze 110 auf, welche vom Kolben 10 freigegeben werden, wenn er sich im unteren Totpunkt befindet. Die Spülluft fliesst (Pfeil) dann vom Ringraum 110' in den Brennraum. Der unterhalb des Kolbens 10 liegende Teil des Ringraumes 110' ist gegen den Kurbelgehäuseraum, bzw. Motorraum 110'' mit der Stopfbüchse 12 abgedichtet. Die Kolbenstange 13, welche zwischen Kolben und Kreuzkopf (nicht gezeigt) angeordnet ist, läuft in der Stopfbüchse 12.

[0011] Der Dieselmotor von Fig. 2 bis 4, mit Kreuzkopf (nicht gezeigt), ist nach der Erfindung konstruiert. Die Zylinderlaufbuchse 21 weist keine Spülschlitze auf am unteren Bereich. Hingegen ist unten, anschliessend an die Zylinderlaufbuchse 21 ein Spülschieber oder Schieber 24 vorhanden, der sich mit der Bewegung des Kolbens 20 nach unten und wieder nach oben bewegt. Dabei öffnet und schliesst sich der Spülspalt 210 zwischen Zylinderlaufbuchse 21 und Schieber 24, durch welchen die Zylinderlaufbuchse, Zylinderraum 22 und der Brennraum mit Spülluft durchströmt wird.

[0012] Zwischen Zylinderlaufbuchse 21 und Schieber 24 können Führungselemente 2124 (nur in Fig. 4 gezeigt) angebracht sein, welche als Führungs- und Halteelemente für die Kolbenringe 205 dienen. Dabei können, wie in Fig. 4 gezeichnet, die Führungselemente 2124 feststehend mit der Zylinderlaufbuchse 21 verbunden sein oder die Führungselemente 2124 am Schieber 24 befestigt sein und mit diesem die Hin- und Herbewegung mitmachen.

[0013] Am Kolben 20 ist ein ringförmiges Kolbenhemd 201 befestigt. Der Kolben 20 mit dem Kolbenhemd 201 ist mit der Kolbenstange 23 verbunden. Über einen Kanal 230 wird Kühlöl in das Innern des Kolbens 20 gepumpt. Die Düsen 202 spritzen das Öl in die Kühlbohrungen 203 im Boden des Kolbens 20. Statt wie bei den Motoren nach bisheriger Bauart, wo der Rücklauf für das Kühlöl z.B. in einem zweiten Kanal der Kolbenstange verläuft, ist es beim neuen Motor nach der Erfindung möglich, das Kühlöl durch Ablaufkanäle 204 in den Motorraum rückzuführen. In der Fig. 2 einerseits und in den Fig. 3 und 4 anderseits sind die Ablaufkanäle 204 verschieden angeordnet.

[0014] An Hand der Fig. 2 bis 4, welche schematisch einen neuen Dieselmotor nach der Erfindung zeigen, wird die Bewegung und die Wirkungsweise des Schiebers 24 erläutert. Der Kolben 20 bewege sich in den Fig. 2 bis 4 nach unten, bzw. in den Fig. 4 bis 2 umgekehrt nach oben.

[0015] Das hier beschriebene Prinzip folgt der Idee, bei Zweitakt-Kreuzkopfmotoren die Abdichtung des Spülluftraumes gegen den Kurbelgehäuseraum anstelle der Kolbenstangenstopfbüchse mit einem beweglichen Schieber 24 vorzunehmen. Im Gegensatz zur bisher bekannten Konstruktionen mit den Spülschlitzen 110 (Fig. 1) am unteren Ende der Zylinderlaufbuchse 11 übernimmt der Spülschieber 24, sozusagen als bewegliche untere Verlängerung der Zylinderlaufbuchse 21, in Verbindung mit der Bewegung des Kolbens 20 die Funktionen der Spülschlitze und der Kolbenstangenstopfbüchse.

[0016] Am unteren Ende der Zylinderlaufbuchse 21 befindet sich der in Längsachse des Zylinders bewegliche Spülschieber 24. Der Schieber 24 wird mit der ringraumförmig ausgebildeten Luftfeder 209 gegen und an das untere Ende der Zylinderlaufbuchse 21 gepresst.

[0017] Bewegt sich der Kolben 20 mit der unteren Steuerkante 206 auf die Gegenkante 241 des Schiebers zu, so beginnt sich der Schieber 24 allmählich mit dem Kolben 20 zu bewegen. Der sich mit dem Kolben 20 bewegende Schieber 24 bewegt sich von der Zylinderlaufbuchse 21 weg nach unten. Zwischen Zylinderlaufbuchse 21 und Schieber 24 öffnet sich ein Ringspalt 210, durch den die Spülluft (Pfeil) vom Spülluftraum 211 in den Zylinderraum 22 bzw. Brennraum einströmen kann. Der Ringspalt kann durch Führungsstege 2124 überbrückt werden, die das Ausfedern der Kolbenringe 205 im Ringspalt 210 verhindern. Wenn keine Führungsstege 2124 vorhanden sind, ist das Ausfedern der Kolbenringe 205 in den Ringspalt 210 nur möglich, wenn die Luftfeder 209 ausfällt.

[0018] Das Abdichten des Spülluftraumes 211 mit dem Spülluftdruck gegen den Kurbelgehäuseraum, d.h. den Triebwerkraum, mit Luft von atmosphärischem Druck, erfolgt während dem Spülvorgang durch den sich im Bereich des Schiebers 24 befindenden Kolben 20.

[0019] Bewegt sich der Kolben 20 wieder in Richtung zum oberen Totpunkt, so folgt der Schieber 24, der von der Luftfeder 206 angetrieben wird, dem Kolben 20 und schliesst den Spülspalt 210 wieder. Während der Kolben 20 sich in der Zylinderlaufbuchse 21 weiter in Richtung hin zum oberen Totpunkt bewegt, stösst der Schieber 24 verzögert und gedämpft unten an die Zylinderlaufbuchse 21. Der Ringspalt 210 für die Spülluft ist damit wieder geschlossen. Der Spülluftraum 211 bleibt gegen den Kurbelgehäuseraum bzw. den Motorraum ständig getrennt.

[0020] Der Schieber 24 folgt im gezeigten Beispiel, angetrieben von der Luftfeder 209, dem Kolben 20. Der Schieber 24 könnte aber auch mit einer hydraulischen Antriebseinrichtung (nicht gezeigt), angetrieben werden.

[0021] Nachfolgend werden der Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgang des vom Kolben angetriebenen Schiebers 24 in Einzelheiten beschrieben. Die Beschleunigung des Schiebers 24 auf die Geschwindigkeit des Kolbens 20 auf erfolgt, während sich das im Dämpfungsraum 207 befindende Schmieröl und eventuell vorhanden Spülluft, durch die Spalten aus dem Ringraum 207 verdrängt wird.

[0022] Die Verzögerung des Schiebers 24 während dem Schliessvorgang von Kolbengeschwindigkeit auf die zulässige Aufsetzgeschwindigkeit für den Schieber 24 auf die Zylinderlaufbuchse 21 erfolgt mit Hilfe des mit Druckluft gefüllten Dämpfungsraumes 243, nachdem die Kante 242 das Volumen des ringformartigen Dämpfungsraumes 243 geschlossen hat.

[0023] Der Schieber 24 ist so konstruiert, dass die obere und die untere Seite mit Spülluft beaufschlagt sind. Wenn die obere und die untere Seite in Bewegungsrichtung gleiche projizierte Flächen aufweisen, wird der Einfluss der Spülluft und werden insbesondere Änderungen des Spülluftdrucks neutralisiert, d.h sie bleiben ohne Einfluss auf die Bewegung des Schiebers 24. Die Bewegung des Schiebers 24 kann durch ungleich grosse projizierte Flächen, was zu einer resultierenden Kraft auf den Schieber 24, in der einen oder in der entgegengesetzt anderen Richtung führt, auch in einer gewünschten Weise beeinflusst werden.

[0024] Dem Spülspalt 210 mit den vertikalen Führungsstegen kann ein verstellbarer Kranz von Leitblechen vorgelagert sein. Der in den Zylinderraum 22 einströmenden Spülluft kann damit ein dem jeweiligen Betriebszustand angepasster Drall vermittelt werden.

[0025] Über die Kolbenstange 23 wird dem Arbeitskolben 20 vom Kreuzkopf her Schmieröl zugeführt, welches der Kühlung dient. Das kühlende Öl wird nicht mehr in der Kolbenstange 23 zurückgeführt, sondern verlässt den Kolben 20 durch die Kanäle 204.

[0026] Die Zylinderlauffläche wird dadurch intensiv mit Schmieröl benetzt. Dieses fliesst an der Innenwand der Zylinderlaufbuchse 21 und des Schiebers 24 in das Kurbelgehäuse des Motors zurück. Das abfliessende Schmieröl bildet nach dem Vorbeigleiten der Steuerkante 206 des Kolbenstützrings 208 an der Gegenkante 241 des Schiebers 24, zusammen mit der Luft im nun geschlossenen Dämpfungsvolumen 207 unterhalb des Kolbenhemdes 201 ein dämpfendes Gemisch. Das Kolbenhemd 201 dient als Zentrierelement zwischen dem Kolben 20 und dem Kolbenstützring 208 und trägt einen Ölabstreifring.

[0027] Der Wegfall der Kolbenstangenstopfbüchse 12 (Fig. 1) ermöglicht bei Motoren mit einem Hub-Bohrungsverhältnis von etwa 4 : 1 die Reduktion der Bauhöhe des Motors um etwa 30 % der Grösse der Zylinderbohrung, bei sonst unveränderten Abmessungen (relative Schubstangenlänge). Die Länge der Zylinderlaufbuchse 21 kann durch den Wegfall der Spülluftschlitze um etwa 85 % der Zylinderbohrung reduziert werden.

[0028] Die Verbindungsschrauben zwischen der Kolbenstange 23 und dem Kolbenstützring 208 sind vom Kurbelgehäuse her gut zugänglich. Die Verbindung kann für Ueberholungsarbeiten gelöst werden, wodurch sich der Ausbau der Kolbenstange erübrigt. Die Kolbenausbauhöhe verringert sich damit um etwa die Länge der Kolbenstange.

[0029] Der Wegfall des innenliegenden Schmieröl-Ablaufrohres vereinfacht zudem die Konstruktion der Kolbenstange 23. Diese kann mit dazwischen liegenden Flanschverbindungen auch mehrteilig gebaut werden.

[0030] Schliesslich ist es ohne weiteres möglich, Zylinderlaufbuchse 21 und Schieber 24 aus verschiedenen Werkstoffen zu fertigen. So kann beispielsweise der Schieber 24 aus einem Werkstoff gefertigt sein, der gegen die im unteren, eher kühlen Teil auftretenden chemisch korrosiven Säuren wie schwefliger Säure besonders resistent ist. Obschon die Zylinderlaufbuchse 23 als separates Bauteil beschrieben ist, könnte die Zylinderlaufbuchse natürlich auch Teil des Motorblocks sein. Wenn im Zusammenhang mit Zylinderlaufbuchse 21 oder Kolben 20 von unten und oben gesprochen wird, soll damit, wie im Motorenbau üblich, der obere Totpunkt des Kolbens 20 als oben und der untere Totpunkt des Kolbens 20 als untenliegend gemeint sein, dies unabhängig von der wirklichen Lage der Zylinder. Die Erfindung ist für Motoren, unabhängig von der Zahl der Zylinder geeignet.

[0031] Im gezeigten Beispiel ist die ringartige Öffnung, der Ringspalt 210 mit ebenen Begrenzungsflächen am Schieber 24 und an der Zylinderlaufbuchse 21 gezeigt. Die Trennfläche zwischen Zylinderlaufbuchse 21 und Schieber 24 könnte aber beispielsweise auch über den Umfang betrachtet wellenförmig, zick-zack-artig verlaufen. Ebenso wäre es denkbar, die Trennfläche, radial betrachtet, beispielsweise treppenartig oder wellig auszubilden.

Ansprüche

1. Dieselmotor, insbesondere Zweitakt-Grossdieselmotor, mit Zylinderlaufbuchse (21), in welcher sich der Kolben (20) bewegt, gekennzeichnet durch einen Schieber (24), welcher an das untere Ende der Zylinderlaufbuchse (21) angrenzt, und der mit der Zylinderlaufbuchse (21) ein Schieberventil bildet, wobei der Schieber (24) mit der Bewegung des Kolbens (20), von der Zylinderlaufbuchse (21) weg bewegt und sich dabei, zwischen Zylinderlaufbuchse (21) und Schieber (24) eine ringartige Öffnung (210) für das Zuführen von Spülluft zum Zylinderraum (22) bildet, die sich wieder schliesst, wenn sich der Kolben (20) in Richtung zum oberen Umkehrpunkt hin bewegt.

2. Dieselmotor nach Anspruch 1, bei welcher der Kolben (20) den Schieber (24) zur Hin- und Herbewegung antreibt.

3. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem zwischen Kolben (20) und Schieber (24) eine erste Feder- und/oder Dämpfungseinrichtung (206) angeordnet ist und weitere Feder- und/oder Dämpfungseinrichtungen (207) vorhanden sind, welche die Hin- und Herbewegung des Schiebers (24) in Bewegungsrichtung federnd unterstützten oder hemmen, und/oder dämpfen.

4. Dieselmotor nach Anspruch 3, bei welchem die Feder- und/oder Dämpfungseinrichtungen (206) wenigstens teilweise pneumatisch und/oder hydraulisch arbeiten.

5. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 3 oder 4 bei welchem wenigstens eine, vorzugsweise mehrere Feder- und/oder Dämpfungseinrichtungen (207) mit Spülluft des Motors beaufschlagt sind.

6. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem der Schieber (24) mit Führungsteilen (2124) gegenüber der Zylinderlaufbuchse (21) geführt ist.

7. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem die Trennfläche zwischen Schieber (24) und Zylinderlaufbuchse (21) ringartig oder wellig ausgebildet ist.

8. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem Schieber (24) und Zylinderlaufbuchse (21) aus verschiedenen Werkstoffen gefertigt sind.

9. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit Leitschaufeln (212), vorzugsweise verstellbaren Leitschaufeln in der Spülluftzuführung (211) zum Zylinderraum und Verbrennungsraum (22).

10. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit ölgekühlten Kolben (20) und mit Rücklaufkanälen (204) im Kolben (20), die direkt in den Zylinderraum, bzw. in das Kurbelgehäuse unterhalb des Kolbens (20) führen.

11. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit mechanischem (20), und/oder pneumatischem (209), hydraulischen und/oder hydraulisch-pneumatischen, vorzugsweise pneumatisch arbeitendem Antrieb (209; 207) für die Hin- und Herbewegung des Schiebers (24).

12. Langsamlaufender Zweitakt-Grossdieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit Kreuzkopf und mit Längsspülung des Zylinderraumes (22) bzw. Verbrennungsraumes (22), mit einem Kolbenhub von mehr als einem Meter, vorzugsweise mehr als drei Metern, wobei die Kolbenstange (23) zwischen Kreuzkopf und Kolben (20) mehrteiligen ausgebildet ist.

Zeichnung