Zylinderliner für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Zylinderliner (1) für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere für einen längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor ,wobei im Zylinderliner (1) ein Kolben anordenbar ist, der im Betriebs- und Einbauzustand zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt derart entlang einer Zylinderachse (A) des Zylinderliners (1) hin- und herbewegbar angeordnet ist, dass eine Oberseite des Kolbens zusammen mit einer Lauffläche (2) des Zylinderliners (1) und einem am Zylinderliner (1) angeordneten Zylinderdeckel einen Brennraum (3) begrenzt. Erfindungsgemäss ist in einer Zylinderwand (11) des Zylinderliners (1) in einem vorgebaren Bereich in der Nähe des oberen Totpunkts (OT) ein in Bezug auf eine Umfangsrichtung (U) und / oder in Bezug auf die Zylinderachse (A) des Zylinderliners (1) thermisch asymmetrisch ausgestaltetes Kühlsystem (4) zur asymmetrischen Kühlung des Zylinderliners (1) vorgesehen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Zylinderliner für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere für einen längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor mit einem thermisch asymmetrisch ausgestalteten Kühlsystem zur asymmetrischen Kühlung des Zylinderliners gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.

[0002] 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 im Zylinderliner 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 von Grossdieselmotoren eine immer grössere Bedeutung zu.

[0003] Bekanntermassen sind dabei die Belastungen, denen der Zylinderliner im Betriebszustand ausgesetzt ist, im oberen Bereich des Zylinderliners, also dort wo der Kolben in der Nähe des Zylinderdeckels im Betriebszustand den oberen Totpunkt durchläuft besonders gross. In der Nähe der oberen Totpunkt Position des Kolbens, also wenn das von Zylinderliner, Zylinderdeckel und Kolben eingeschlossene Volumen des Brennraums ungefähr minimal ist, wird ein Luft Brennstoffgemisch gezündet. Es wirken dadurch hohe Temperaturen und Drücke im Zylinderliner, die zudem nicht zuletzt aufgrund der Bewegung des Kolbens und des sich damit ständig verändernden dynamischen Volumens des Brennraums, auch starken dynamischen Änderungen unterliegen.

[0004] Daher ist es seit langem bekannt am oberen Ende des Zylinderliners in der Nähe des Zylinderdeckels beispielweise Kühlringe vorzusehen, die bevorzugt mit einer Wasserkühlung ausgestattet sind, so dass zumindest ein der entstehenden Wärmebelastungen über den Kühlring vom Zylinderliner wegführbar sind. Zuweilen werden auch einfache Kühlringe vorgesehen, wie zum Beispiel bereits in der US 937,200 gezeigt.

[0005] Kreuzkopf Zweitaktmotoren haben dabei nicht notwendig, aber üblicherweise zwei oder drei Einspritzventile pro Zylinderliner welche meist tangential in den Brennraum einspritzen. Durch die unterschiedliche Temperaturverteilung im Brennraum kann dabei die Zylinderform des Zylinderliners, speziell im Bereich des oberen Totpunkts (OT) negativ beeinflusst werden so, dass die Zylinderform des Zylinderliner zu einer Art Vieleck deformiert wird. Im Bereich des oberen Totpunkts (OT) misst man wie bereits erwähnt sehr hohe Drücke und Temperaturen. Jede Abweichung des Zylinder von der optimalen runden zylindrischen Form kann zum Beispiel zu schädlichen

[0006] Kolbenringdeformationen führen, die im Extremfall zum "Durchblasen" von Gasen, speziell Verbrennungsgasen und sogar zur Schädigung oder Zerstörung des Schmierölfilmes auf der Zylinderlauffläche führen kann.

[0007] Dadurch ist nicht nur eine stark reduzierte Lebensdauer der beteiligten Komponenten wie beispielweise Zylinderliner, Kolbenringe, Kolben usw. zu erwarten, sondern es ist auch mit Leistungsverlusten beim Betrieb des Motors zu rechnen, was zu einem erhöhten Treibstoffverbrauch und letztlich alles in allem zu höheren Kosten und einer Verschlechterung der Effizienz beim Betrieb führt.

[0008] Die Aufgabe der Erfindung ist es daher einen verbesserten Zylinderliner für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere für einen längsgespülten langsam laufenden Zweitakt-Grossdieselmotor zur Verfügung zu stellen, bei dem die aus dem Stand Technik bekannten Probleme vermieden werden, im Speziellen die damit auftretenden statischen und dynamischen thermischen Dehnungen besser kontrolliert werden können, so dass eine höhere Betriebssicherheit der Brennkraftmaschine gewährleistet ist, Wartungsintervalle verlängert werden können, die Lebensdauer des Zylinderliners und weiterer Komponenten deutlich erhöht werden, und somit letztlich die Kosten für den Betrieb des Motors merklich gesenkt werden können.

[0009] Die diese Aufgaben lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gekennzeichnet.

[0010] Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

[0011] Die Erfindung betrifft somit einen Zylinderliner für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere für einen längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor, wobei im Zylinderliner ein Kolben anordenbar ist, der im Betriebs- und Einbauzustand zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt derart entlang einer Zylinderachse des Zylinderliners hin- und herbewegbar angeordnet ist, dass eine Oberseite des Kolbens zusammen mit einer Lauffläche des Zylinderliners und einem am Zylinderliner angeordneten Zylinderdeckel einen Brennraum begrenzt. Erfindungsgemäss ist in einer Zylinderwand des Zylinderliners in einem vorgebaren Bereich in der Nähe des oberen Totpunkts ein in Bezug auf eine Umfangsrichtung und / oder in Bezug auf die Zylinderachse des Zylinderliners thermisch asymmetrisch ausgestaltetes Kühlsystem zur asymmetrischen Kühlung des Zylinderliners vorgesehen.

[0012] Kühlbohrungen, angebracht im Bereich des Zylinders in der Nähe des oberen Totpunkts (OT), werden bis heute im Stand der Technik symmetrisch angeordnet, oft mit gleichem Abstand zur Zylinderoberfläche. Da jedoch wie oben beschrieben im Betriebszustand ein ungleichmässiger Wärmeeintrag in die Zylinderwand des Zylinders erfolgt, kann dies zu der eingangs beschriebenen unsymmetrischen Zylinderdeformation führen.

[0013] Das ist durch die vorliegende Erfindung erstmals korrigierbar, indem erfindungsgemäss in der Zylinderwand des Zylinderliners in einem vorgebaren Bereich in der Nähe des oberen Totpunkts ein in Bezug auf eine Umfangsrichtung und / oder in Bezug auf die Zylinderachse des Zylinderliners ein thermisch asymmetrisch ausgestaltetes Kühlsystem zur asymmetrischen Kühlung des Zylinderliners vorgesehen wird.

[0014] Besonders bevorzugt werden in der Praxis in der Zylinderwand des Zylinderliners Kühlbohrungen mit nicht gleichbleibendem Abstand zur Zylinderoberfläche vorgesehen.

[0015] Eine weitere Möglichkeit ist es, die Kühlbohrungen wie aus dem Stand der Technik an sich bekannt, symmetrisch mit gleichbleibendem Abstand anzubringen, aber z.B. lokal mit Isolationsmitteln, im Speziellen mit gleichen oder verscheiden stark thermisch isolierenden Isolationsröhrchen zu versehen. Dadurch kann die Kühlung des Zylinderliners an die asymmetrisch verteilten Laufflächentemperaturen, die im Betriebszustand auftreten, angeglichen werden, die nicht zuletzt auch von dem räumlich gezielt in den Brennraum eingebrachten Brennstoff Einspritzstrahl verursacht sind, was zu unterschiedlich stark aufgeheizten Stellen der Zylinderwand des Zylinderliners führt.

[0016] Auch ist es möglich, dass Zylinderliner ohne Kühlbohrungen, die stattdessen über einen Kühlraum verfügen können, lokal zu isolieren.

[0017] Erfindungsgemässe Massnahmen können besonders bevorzugt im Bereich des oberen Totpunkts (OT) aber auch an anderen Stellen des Zylinders vorgesehen werden. So zum Beispiel bei einem lokalen Kühlwassereintritt aber auch beispielweise an Stellen, an welchen ein Kühlgebläse kalte Luft an den Zylinder bläst.

[0018] Es versteht sich von selbst, dass auch jegliche geeignete Kombination erfindungsgemässer Ausführungsbeispiele, sowie einfache, dem Fachmann naheliegende Fortbildungen der Erfindung, auch wenn diese in der vorliegenden Anmeldung nicht explizit beschrieben sind, von der vorliegenden Erfindung abgedeckt sind.

[0019] Wesentlich für die Erfindung ist, dass die vorgeschlagenen Massnahmen letztlich dazu führen, dass der Zylinderliner im Betriebszustand thermisch möglichst gleichmässig belastet wird, um die eingangs beschriebenen schädlichen Wirkungen zu vermeiden.

[0020] Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Zylinderliners mit axial versetzten Kühlräumen;

Fig. 2

ein zweites Ausführungsbeispiel mit in Umfangsrichtung verschieden beabstandeten Kühlräumen;

Fig. 3

ein anderes Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 mit Kühlräumen verschiedenen Durchmessers;

Fig. 4

ein Ausführungsbeispiel mit einem Isolationsröhrchen.

[0021] In den Fig. 1 bis Fig. 4 ist schematisch, und aus Gründen der Übersichtlichkeit nur teilweise im Schnitt jeweils ein erfindungsgemässer Zylinderliner 1 für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere für einen längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor dargestellt. Dabei ist im Zylinderliner 1 in an sich bekannter Weise ein nicht näher dargestellter Kolben angeordnet, der im Betriebs- und Einbauzustand zwischen einem oberen Totpunkt OT und einem unteren Totpunkt derart entlang einer Zylinderachse A des Zylinderliners 1 hin- und herbewegbar angeordnet ist, dass eine Oberseite des Kolbens zusammen mit einer Lauffläche 2 des Zylinderliners 1 und einem am Zylinderliner 1 angeordneten, ebenfalls nicht dargestellten Zylinderdeckel einen Brennraum 3 begrenzt. Gemäss der vorliegenden Erfindung ist in einer Zylinderwand 11 des Zylinderliners 1 in einem vorgebaren Bereich in der Nähe des oberen Totpunkts OT ein in Bezug auf eine Umfangsrichtung U und / oder in Bezug auf die Zylinderachse A des Zylinderliners thermisch asymmetrisch ausgestaltetes Kühlsystem 4 zur asymmetrischen Kühlung des Zylinderliners vorgesehen. Im speziellen Beispiel der Fig. 1 ist ist ein erster Kühlraum 4, 41, 42 in einer ersten axialen Höhe H1 angeordnet, während ein zweiter Kühlraum in einer zweiten axialen Höhe H2 angeordnet ist, wodurch die erfindungsgemässe asymmetrische Kühlung des Zylinderliners 1 ermöglicht wird.

[0022] Die Zylinderliner 1 gemäss Fig. 1 bis Fig. 4 haben somit ein Kühlsystem 4, das in der Zylinderwand 11 des Zylinderliners 1 in Form von mindestens zwei, innerhalb der Zylinderwand 11 asymmetrisch ausgestalteten Kühlräumen 41, 42 ausgebildet ist, wobei die mindestens zwei Kühlräume 41, 42 innerhalb der Zylinderwand 11 in den hier gezeigten speziellen Ausführungsbeispiel nicht miteinander verbunden sind, in einem anderen Ausführungsbeispiel jedoch selbstverständlich auch alle oder einige der Kühlräume 41, 42 miteinander verbunden sein können.

[0023] Der Kühlraum 41, 42 im speziellen Beispiel der Fig. 1 ist dabei in Form eines in Bezug auf die Zylinderachse A senkrecht oder parallel oder schiefwinklig verlaufenden bohrungsähnlichen Kühlraums 41, 42 ausgebildet und ist in den speziellen Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis Fig. 4 insbesondere in Form einer Bohrung in der Zylinderwand 11 ausgebildet.

[0024] Die speziellen Ausführungsbeispiele der Fig. 2 bis Fig. 4 stellen dabei einen senkrechten Schnitt durch einen erfindungsgemässen Zylinderliner dar und könnten z.B. auch einen Schnitt durch einen Zylinderliner 1 gemäss Fig. 1 sein; können sich aber auch auf Ausführungsbeispiele beziehen, bei welchen ein Teil oder alle Kühlräume 41, 42 auf gleicher axialer Höhe angeordnet sind.

[0025] Bei dem speziellen Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 ist in Umfangsrichtung U ein erster Abstand D1 zwischen zwei Kühlräumen 41, 42 verschieden von einem zweiten Abstand D2 zwischen zwei Kühlräumen 41, 42, wodurch erfindungsgemäss eine geometrisch asymmetrische Kühlung des Zylinderliners 1 erreicht wird.

[0026] Bei dem anhand der Fig. 3 schematisch dargestellten speziellen Ausführungsbeispiel hat zusätzlich ein erster Kühlraum 41 ein von einem zweiten Kühlraum 42 verschiedenes Kühlvolumen, was hier im Speziellen dadurch realisiert ist, dass ein erster Kühlraum 41 einen von einem zweiten Kühlraum 42 verschiedenen Durchmesser hat, wobei der erste Kühlraum 41 und / oder der zweite Kühlraum 42 bevorzugt in Form eines bohrungsähnlichen Kühlraums 41, 42 vorgesehen ist. Es versteht sich dabei von selbst, dass in einem anderen Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 der Abstand D1, D2 zwischen zwei Kühlräumen 41, 42 verschiedenen Volumens auch gleich sein kann.

[0027] Dabei kann bei allen erfindungsgemässen Ausführungsbeispielen der Kühlraum 41, 42 in der Zylinderwand 11 in einem vorgebbaren Bereich auch in Umfangsrichtung U verlaufen, was aber natürlich nicht zwingend notwendig ist.

[0028] Anhand Fig. 4 ist schliesslich ein erfindungsgemässes Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt, bei welchem der Zylinderliner 1 ein Kühlsystem 4 hat, das zur asymmetrischen Kühlung des Zylinderliners 1 teilweise mit einer Wärmeisolierung 5 versehen ist, wobei im vorliegenden speziellen Ausführungsbeispiel das Kühlsystem 4 einen bohrungsähnlichen Kühlraum 41, 42 umfasst, der mit einer Wärmeisolierung 5 in Form eines Isolationsröhrchens versehen ist.

[0029] Ganz allgemein kann ein Kühlsystem 4 gemäss der vorliegenden Erfindung in der Zylinderwand 11 des Zylinderliners 1 in Form eines mit einem Kühlmittel befüllbaren Kühlraums 41, 42 ausgebildet sein, wobei das Kühlmittel bevorzugt in an sich bekannter Weise durch den Kühlraum 41, 42 zirkulierbar ist.

[0030] Dabei kann das Kühlsystem 4 in der Zylinderwand 11 in einem ganz speziellen Ausführungsbeispiel auch in Form von Bereichen mit thermisch unterschiedlichen Eigenschaften ausgestaltet sein, in welchen kein Kühlmittel zirkulierbar ist. Beispielweise kann die Zylinderwand 11 lokal verschiedene Materialdicken habe oder es können Wärmebrücken mit einer anderen Wärmeleitfähigkeit als der Zylinderliner 1 als solches vorgesehen sein oder jede andere geeignete Massnahme, mit der die asymmetrische thermische Belastung des Zylinderliners 1 geeignet ausgleichbar ist.

[0031] Selbstverständlich kann das Kühlsystem 4 in der Zylinderwand 11 des Zylinderliners 1 auch in Form eines einzigen zusammenhängenden, asymmetrisch ausgestalteten Kühlraums 41, 42 ausgebildet sein.

[0032] Bevorzugt, aber wie bereits erwähnt nicht notwendig, kann das Kühlmittel ein flüssiges Kühlmittel, insbesondere Wasser oder Öl sein und / oder das Kühlmittel kann ein gasförmiges Kühlmittel, insbesondere Luft ist sein und / oder das Kühlmittel kann ein an der Zylinderwand vorgesehener Feststoff ist, beispielweise die zuvor erwähnte Wärmebrücke sein, mit welchem ein geometrisch asymmetrischer Wärmefluss in der Wand des Zylinderliners einstellbar ist.

Ansprüche

1. Zylinderliner für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere für einen längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor, wobei im Zylinderliner ein Kolben anordenbar ist, der im Betriebs- und Einbauzustand zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt derart entlang einer Zylinderachse (A) des Zylinderliners hin- und herbewegbar angeordnet ist, dass eine Oberseite des Kolbens zusammen mit einer Lauffläche (2) des Zylinderliners und einem am Zylinderliner angeordneten Zylinderdeckel einen Brennraum (3) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Zylinderwand (11) des Zylinderliners in einem vorgebaren Bereich in der Nähe des oberen Totpunkts (OT) ein in Bezug auf eine Umfangsrichtung (U) und / oder in Bezug auf die Zylinderachse (A) des Zylinderliners thermisch asymmetrisch ausgestaltetes Kühlsystem (4) zur asymmetrischen Kühlung des Zylinderliners vorgesehen ist.

2. Zylinderliner nach Anspruch 1, wobei das Kühlsystem (4) in der Zylinderwand (11) des Zylinderliners in Form eines mit einem Kühlmittel befüllbaren Kühlraums (41, 42) ausgebildet ist, wobei das Kühlmittel bevorzugt durch den Kühlraum (41, 42) zirkulierbar ist.

3. Zylinderliner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Kühlsystem (4) in der Zylinderwand (11) in Form von Bereichen mit thermisch unterschiedlichen Eigenschaften ausgestaltet ist, in welchen kein Kühlmittel zirkulierbar ist.

4. Zylinderliner nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kühlsystem (4) in der Zylinderwand (11) des Zylinderliners in Form eines einzigen zusammenhängenden, asymmetrisch ausgestalteten Kühlraums (41, 42) ausgebildet ist.

5. Zylinderliner nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kühlsystem (4) in der Zylinderwand (11) des Zylinderliners in Form von mindestens zwei, innerhalb der Zylinderwand (11) asymmetrisch ausgestalteten Kühlräumen (41, 42) ausgebildet ist.

6. Zylinderliner nach Anspruch 5, wobei die mindestens zwei Kühlräume (41, 42) innerhalb der Zylinderwand (11) nicht miteinander verbunden sind.

7. Zylinderliner nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in Umfangsrichtung (U) ein erster Abstand (D1) zwischen zwei Kühlräumen (41, 42) verschieden ist von einem zweiten Abstand (D2) zwischen zwei Kühlräumen (41, 42).

8. Zylinderliner nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein erster Kühlraum (41, 42) in Bezug auf die Zylinderachse (A) in einer ersten axialen Höhe (H1) angeordnet ist und ein zweiter Kühlraum (41, 42) in Bezug auf die Zylinderachse (A) in einer zweiten axialen Höhe (H2) angeordnet ist.

9. Zylinderliner nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kühlraum (41, 42) in Form eines in Bezug auf die Zylinderachse (A) senkrecht oder parallel oder schiefwinklig verlaufenden bohrungsähnlichen Kühlraums (41, 42), insbesondere in Form einer Bohrung in der Zylinderwand (11) ausgebildet ist.

10. Zylinderliner nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein erster Kühlraum (41) ein von einem zweiten Kühlraum (42) verschiedenes Kühlvolumen hat.

11. Zylinderliner nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein erster Kühlraum (41) einen von einem zweiten Kühlraum (42) verschiedenen Durchmesser hat, und der erste Kühlraum (41) und / oder der zweite Kühlraum (42) bevorzugt in Form eines bohrungsähnlichen Kühlraums (41, 42) vorgesehen ist.

12. Zylinderliner nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kühlraum (41, 42) in der Zylinderwand (11) in einem vorgebbaren Bereich in Umfangsrichtung (U) verläuft).

13. Zylinderliner nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kühlsystem (4) zur asymmetrischen Kühlung des Zylinderliners teilweise mit einer Wärmeisolierung (5) versehen ist.

14. Zylinderliner nach Anspruch 13, wobei das Kühlsystem (4) einen bohrungsähnlichen Kühlraum (41, 42) umfasst, und mindestens ein bohrungsähnlicher Kühlraum (41, 42) mit einer Wärmeisolierung (5) in Form eines Isolationsröhrchens versehen ist.

15. Zylinderliner nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kühlmittel ein flüssiges Kühlmittel, insbesondere Wasser oder Öl ist und / oder wobei das Kühlmittel ein gasförmiges Kühlmittel, insbesondere Luft ist und / oder wobei das Kühlmittel ein an der Zylinderwand vorgesehener Feststoff ist, mit welchem ein geometrisch asymmetrischer Wärmefluss in der Wand des Zylinderliners einstellbar ist.

Zeichnung