DE69601375T2 - INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH A COCK RING IN A CYLINDER - Google Patents
INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH A COCK RING IN A CYLINDERInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Koksschabring in einem Zylinder und mit einem Kolben, der in dem Zylinder in Längsrichtung verschiebbar und mit Kolbenringen versehen ist, die bei der Verschiebung des Kolbens entlang der im wesentlichen zylindrischen Innenfläche des Zylinders gleiten und eine druckdichtende Trennung zwischen dem Volumen unter dem Kolben und der Arbeitskammer herstellen, die über dem obersten Kolbenring des Kolbens gelegen ist und durch den obersten Kolbenring, den Kolben, die Innenfläche des Zylinders und den Zylinderdeckel definiert ist, wobei der Koksschabring von der Innenfläche des Zylinders vorsteht und sich ringförmig in eine axiale Lage erstreckt, so daß der oberste Kolbenring nahe dem unteren Ende des Koksschabrings positioniert ist, wenn sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet.The present invention relates to an internal combustion engine with a coke scraper ring in a cylinder and with a piston which is longitudinally displaceable in the cylinder and is provided with piston rings which, when the piston is displaced, slide along the substantially cylindrical inner surface of the cylinder and create a pressure-tight separation between the volume under the piston and the working chamber which is located above the uppermost piston ring of the piston and is defined by the uppermost piston ring, the piston, the inner surface of the cylinder and the cylinder cover, the coke scraper ring protruding from the inner surface of the cylinder and extending annularly into an axial position so that the uppermost piston ring is positioned near the lower end of the coke scraper ring when the piston is at its top dead center.
Eine derartige Maschine mit einem Koksschabring ist von Viertaktmaschinen mit sowohl einem Einlaß- als auch einem Auslaßventil in einem Zylinderdeckel bekannt. Der Koksschabring ist dazu bestimmt, die Koksablagerungen von dem obersten Kolbenabschnitt, der über dem obersten Kolbenring angeordnet ist, wegzuschaben.Such a machine with a coke scraper ring is known from four-stroke engines with both an intake and an exhaust valve in a cylinder cover. The coke scraper ring is designed to scrape away the coke deposits from the uppermost piston section, which is arranged above the uppermost piston ring.
Der oberste Kolbenring bildet die untere Begrenzung der Brennkammer in dem ringförmigen Raum, der zwischen dem obersten Kolbenabschnitt über dem Kolbenring und der Innenfläche des Zylinders angeordnet ist. Deshalb wird ein Teil der Verbrennungsrückstände in den ringförmigen Raum eindringen und sich auf der Außenfläche des obersten Kolbenabschnitts ablagern. Auch Schmieröl von der Innenfläche des Zylinders kann auf diese Außenfläche spritzen. Die Ölrückstände und die abgelagerten Verbrennungsprodukte sind einer starken Wärmeeinwirkung von der Verbrennung ausgesetzt und werden, wenn die Maschine läuft, in eine zusammenhängende Koksschicht auf der Kolbenaußenfläche umgewandelt. Wird der Koksschabring nicht verwendet, so wird die Koksschicht dicker werden, bis sie die Innenfläche des Zylinders berührt.The top piston ring forms the lower boundary of the combustion chamber in the annular space located between the top piston section above the piston ring and the inner surface of the cylinder. Therefore, some of the combustion residues will enter the annular space and deposit on the outer surface of the top piston section. Lubricating oil from the inner surface of the cylinder may also splash onto this outer surface. The oil residues and the deposited combustion products are exposed to strong heat from combustion and, when the engine is running, are converted into a continuous layer of coke on the outer surface of the piston. If the coke scraper ring is not used, the coke layer will thicken until it touches the inner surface of the cylinder.
Um eine Beschädigung des Zylinders und der Kolbenringe zu vermeiden, ist es wichtig, daß ein geeigneter Schmierölfilm zwischen den gegenseitig beweglichen Teilen aufrechterhalten wird. Wenn die Koksschicht auf dem Umfang des Kolbens sich bis zu ihrer maximalen Dicke aufbaut und mit der Innenfläche des Zylinders in Kontakt kommt, wird sie sich mit dem dünnen Ölfilm überlagern und etwas von dem Öl absorbieren und/oder wegschaben, wodurch die Schmierbedingungen negativ beeinflußt werden. Im schlimmsten Fall wird sich die Schmierung lokal so sehr verschlechtern, daß bei den Kolbenringen oder der Buchse Schaden entsteht.To avoid damage to the cylinder and piston rings, it is important that an adequate lubricating oil film is maintained between the mutually moving parts. When the coke layer on the circumference of the piston builds up to its maximum thickness and comes into contact with the inner surface of the cylinder, it will overlap the thin oil film and absorb and/or scrape away some of the oil, thereby negatively affecting the lubrication conditions. In the worst case, the lubrication will deteriorate locally to such an extent that damage occurs to the piston rings or the bushing.
Der Koksschabring in der bekannten Viertaktmaschine begrenzt die Koksschicht, wenn der Kolben nahe an seinem oberen Totpunkt bewegt wird und der oberste Kolbenabschnitt vorbei an dem Koksschabring hin- und herbewegt wird, dessen ringförmige Ober- und Unterkanten den die Kanten berührenden Koks weghobeln. Da der Schabring von der Innenfläche des Zylinders vorsteht, wird die Koksschicht davon abgehalten, die Dicke zu erreichen, die zum Kontakt zwischen der Koksschicht und der Innenfläche des Zylinders führt.The coke scraper ring in the known four-stroke engine limits the coke layer when the piston is moved close to its top dead center and the uppermost piston section is reciprocated past the coke scraper ring, the annular upper and lower edges of which plane away the coke touching the edges. Since the scraper ring protrudes from the inner surface of the cylinder, the coke layer is prevented from reaching the thickness which leads to contact between the coke layer and the inner surface of the cylinder.
Da die bekannte Maschine mit dem Koksschabring eine Viertaktmaschine ist und sowohl das Einlaß- als auch das Auslaßventil in der Viertaktmaschine in dem Zylinderdeckel positioniert sind, bleiben die anderen Betriebsbedingungen der Maschine von der Verwendung oder Nichtverwendung eines Koksschabrings weitgehend unbeeinflußt. In der Viertaktmaschine wird die Spülung des Zylinders durch einen unabhängigen Kolbentakt zwischen jedem Arbeitstakt bewirkt, wobei die Luftzufuhr zur Verbrennung von oben nach unten durch das Einlaßventil bei dem darauffolgenden Abwärtsansaugtakt vollzogen wird. Deshalb hat der Koksschabring keinen Einfluß auf das Spülen und Laden des Zylinders. Ein bedeutenderer Faktor für die mit dem Koksschabring in der Viertaktmaschine erzielten vorteilhaften Ergebnisse besteht in den Bewegungen des Kolbens bezüglich der Innenfläche des Zylinders. Der Viertaktzyklus hat eine unterschiedliche Kolbenbelastung bei jedem zweiten Aufwärtstakt zur Folge, wobei sich auch bei den Abwärtstakten die Art der Belastung jedes zweite Mal ändert. Das Ergebnis ist, daß sich die radiale Position des Kolbens nahe dem oberen Totpunkt die ganze Zeit über verändert, so daß der Koksschabring den Koks in einer größeren als seinem Innendurchmesser entsprechenden Tiefe wegschabt, wobei automatisch ein Zwischenraum zwischen dem koksbedeckten oberen Kolbenabschnitt und dem Koksschabring geschaffen wird. In der Zweitakt-Kreuzkopf-Maschine mit Gleichstromspülung ist die Situation nicht so einfach, wobei Experimente mit dem von der Viertaktmaschine bekannten Koksschabring lästige Betriebsprobleme in Form von erhöhtem spezifischen Kraftstoffverbrauch und Schäden an dem oberen Kolbenring im besonderen aufgezeigt haben, was überraschend ist, da zu erwarten war, daß der Koksschabring die Schmierbedingungen für die Kolbenringe tatsächlich verbessern würde.Since the known engine with the coke scraper ring is a four-stroke engine and both the intake and exhaust valves in the four-stroke engine are located in the cylinder head, the other operating conditions of the engine are largely unaffected by the use or non-use of a coke scraper ring. In the four-stroke engine, scavenging of the cylinder is accomplished by an independent piston stroke between each power stroke, with the supply of air for combustion from top to bottom through the intake valve on the subsequent down-intake stroke. Therefore, the coke scraper ring has no effect on the scavenging and charging of the cylinder. A more important factor in the advantageous results achieved with the coke scraper ring in the four-stroke engine is the movements of the piston with respect to the inner surface of the cylinder. The four-stroke cycle results in a different piston load on every other up-stroke, and also in the down-strokes the type of load changes every other time. The result is that the radial position of the piston near top dead center changes all the time, so that the coke scraping ring removes the coke at a greater than its inside diameter, automatically creating a gap between the coke-covered upper piston section and the coke scraping ring. In the two-stroke crosshead engine with co-current scavenging, the situation is not so simple, and experiments with the coke scraping ring known from the four-stroke engine have shown troublesome operating problems in the form of increased specific fuel consumption and damage to the upper piston ring in particular, which is surprising since it was expected that the coke scraping ring would actually improve the lubrication conditions for the piston rings.
Ziel der Erfindung ist es, die obigen Nachteile zu beheben und eine vorteilhafte Verwendung eines Koksschabrings in einer Zweitakt-Kreuzkopf- Maschine zu ermöglichen.The aim of the invention is to eliminate the above disadvantages and to enable an advantageous use of a coke scraping ring in a two-stroke crosshead machine.
Unter diesem Gesichtspunkt ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine eine Zweitakt-Kreuzkopf-Maschine mit Gleichstromspülung ist, die in einem unteren Zylinderabschnitt positionierte Spülluftschlitze aufweist, und daß der Koksschabring in seiner zylindrischen Innenfläche mit mehreren Lecknuten versehen ist, die sich schräg bezüglich der Längsachse des Zylinders von der unteren Fläche zu der oberen Fläche des Koksschabrings erstrecken.From this point of view, the invention is characterized in that the engine is a two-stroke crosshead engine with co-current scavenging, having scavenging air slots positioned in a lower cylinder portion, and that the coke scraping ring is provided in its cylindrical inner surface with a plurality of leakage grooves extending obliquely with respect to the longitudinal axis of the cylinder from the lower surface to the upper surface of the coke scraping ring.
Es wird angenommen, daß die Nachteile, die bei der Verwendung des bekannten Koksschabrings in einer Zweitaktmaschine aufgezeigt wurden, mit Hilfe der folgenden Mechanismen erklärt werden können. In einer Zweitakt- Kreuzkopf-Maschine führt der Kolben einen Kompressionstakt während jeder Aufwärtsbewegung und einen Arbeitstakt während jeder Abwärtsbewegung aus. Das bedeutet, daß der Kolben weitestgehend in derselben Weise belastet wird, wobei er jedesmal an dem Koksschabring auf und ab vorbeiläuft, aus welchem Grund der Kolben eine gleichförmig wiederholtes Bewegungsmuster nahe dem oberen Totpunkt ausführt. Die Neigung zu einem gleichförmigen Bewegungsmuster wird durch den Kreuzkopf verstärkt, der das untere Ende der Kolbenstange in einer reinen Translationsbewegung entlang der Längsachse des Zylinders führt. Folglich bauen sich die Koksablagerungen an dem Kolbenumfang zu einer Form auf, die genau in den Koksschabring paßt, so daß es wenig Zwischenraum zwischen dem letzteren und dem obersten Kolbenabschnitt gibt. Wenn der Kopf des Kolbens an dem Koksschabring während des Kompressionstakts vorbeiläuft, wird zwischen der Außenfläche des Kolbens mit der Koksschicht und der Innenfläche des Zylinders ein ringförmiger Hohlraum zwischen dem vorstehenden Koksschabring und dem obersten Kolbenring axialdefiniert. Die Aufwärtskolbenbewegung erzeugt eine schnelle axiale Verkürzung des ringförmigen Hohlraums mit einer daraus folgenden starken Kompression der darin befindlichen Luft, was eine stark erhöhte Belastung an dem obersten Kolbenring erzeugt.It is believed that the disadvantages demonstrated in the use of the known coke scraper ring in a two-stroke engine can be explained by the following mechanisms. In a two-stroke crosshead engine, the piston performs a compression stroke during each upward movement and a power stroke during each downward movement. This means that the piston is loaded in much the same way, passing up and down the coke scraper ring each time, for which reason the piston performs a uniformly repeated pattern of movement near top dead center. The tendency towards a uniform pattern of movement is reinforced by the crosshead which guides the lower end of the piston rod in a purely translational movement along the longitudinal axis of the cylinder. Consequently, the coke deposits on the piston circumference build up to a shape which fits exactly into the coke scraper ring, so that there is little clearance between the latter and the top piston section. As the head of the piston passes the coke scraper ring during the compression stroke, an annular cavity is axially defined between the outer surface of the piston with the coke layer and the inner surface of the cylinder between the protruding coke scraper ring and the top piston ring. The upward piston movement produces a rapid axial shortening of the annular cavity with a consequent strong compression of the air therein, which produces a greatly increased load on the top piston ring.
Die Lecknuten in der zylindrischen Innenfläche des Koksschabrings reduzieren oder eliminieren den Druckaufbau in dem ringförmigen Hohlraum, weil die darin befindliche Luft durch die Lecknuten zu dem über dem Kolbenkopf befindlichen Teil der Arbeitskammer entweichen kann. Dadurch wird vermieden, daß der oberste Kolbenring einer wegen der Präsenz des Koksschabrings erhöhten Belastung ausgesetzt wird. Dieser Faktor ist von besonderer Wichtigkeit in den heutigen großen Zweitakt-Kreuzkopf-Maschinen, die sich in der Entwicklung hin zu sehr hohen effektiven Kompressionsverhältnissen befinden, wie 1 : 16-1 : 20, was bei ihnen zu sehr großen Belastungen an den Kolbenringen führt.The leakage grooves in the cylindrical inner surface of the coke scraper ring reduce or eliminate the pressure build-up in the annular cavity because the air contained therein can escape through the leakage grooves to the part of the working chamber located above the piston head. This avoids the uppermost piston ring being subjected to increased stress due to the presence of the coke scraper ring. This factor is of particular importance in today's large two-stroke crosshead engines which are being developed towards very high effective compression ratios such as 1:16-1:20, which in turn result in very high stresses on the piston rings.
Ein schräger Verlauf der Lecknuten kann sicherstellen, daß der Koks auch in Bereichen weggeschabt wird, die den Lecknuten gegenüberliegen. Die Anteile der den unteren Öffnungen in den Lecknuten gegenüberliegenden Koksablagerungen werden nicht auf die Unterkante des Koksschabrings stoßen, werden jedoch während der fortdauernden Aufwärtskolbenbewegung die Oberkanten der Lecknuten passieren und hier auf die erwünschte Größe abgeschabt. Die in den Nuten abgeschabten Kokspartikel gelangen mit der Leckluft, die durch die Nuten strömt, in den Raum über dem Kolben.A slanted course of the leak grooves can ensure that the coke is also scraped away in areas that are opposite the leak grooves. The portions of the coke deposits opposite the lower openings in the leak grooves will not hit the lower edge of the coke scraping ring, but will pass the upper edges of the leak grooves during the continuous upward piston movement and will be scraped off to the desired size. The coke particles scraped off in the grooves reach the space above the piston with the leak air that flows through the grooves.
Außerdem wirken die Lecknuten einem erhöhten Kraftstoffverbrauch entgegen. Wenn es keine Lecknuten geben würde, würde die effektive Kolbenfläche während des ersten Teils der Verbrennung reduziert, wenn sich der Kolbenkopf auf einer Höhe mit oder über dem Koksschabring befindet, da der letztere verhindern würde, daß die Druckerhöhung in der Arbeitskammer an den obersten Kolbenring vermittelt wird, wo die effektive Kolbenfläche die ganze Querschnittsfläche des Zylinders überdeckt. Die Lecknuten reduzieren oder beseitigen den Druckabfall entlang des Koksschabrings sowohl während des Kompressionstakts als auch während des Arbeitstakts, wobei der spezifische Kraftstoffverbrauch deshalb von der Verwendung oder Nichtverwendung eines Koksschabrings im wesentlichen unbeeinflußt ist.In addition, the leakage grooves counteract increased fuel consumption. If there were no leakage grooves, the effective piston area would be reduced during the first part of combustion when the piston head is at the same level as or above the coke scraper ring, since the latter would prevent the pressure increase in the working chamber from being transmitted to the top piston ring, where the effective piston area covers the entire cross-sectional area of the cylinder. The leakage grooves reduce or eliminate the pressure drop across the coke scraper ring during both the compression stroke and the power stroke, whereby the specific fuel consumption is therefore essentially unaffected by the use or non-use of a coke scraper ring.
Der Koksschabring weist einen weiteren Effekt auf, welcher besonders vorteilhaft in großen Zweitaktdieselmaschinen ist, die eine hohe Zylinderausgangsleistung aufweisen, wie beispielsweise von 1500 bis 5500 kW, wobei der Kraftstoff in den Zylinder mittels zwei, drei oder vier Kraftstoffinjektoren eingespritzt wird, die richtungsspezifische Mischungen von zerstäubten Kraftstoff emittieren. Die Verbrennung des Kraftstoffs erzeugt relativ konzentrierte Wärmeeinflüsse; da jedoch der Koksschabring den obersten Kolbenring überdeckt, während der Kolben sich nahe dem oberen Totpunkt befindet, wo die thermische Belastung am größten ist, und nur das heiße Gas zu dem Kolbenring durch die Lecknuten gelangt, wird die thermische Belastung gleichmäßiger entlang dem obersten Kolbenring verteilt, wobei somit der wärmeempfindliche Schmierölfilm an der Innenfläche des Zylinders geschützt wird. Beide Faktoren tragen zu besseren Betriebsbedingungen für die Kolbenringpackung bei und vergrößern den Effekt, zu verhindern, daß der Koks an dem Kolben den Schmierölfilm berührt.The coke scraper ring has a further effect which is particularly advantageous in large two-stroke diesel engines having high cylinder output power, such as from 1500 to 5500 kW, where the fuel is injected into the cylinder by means of two, three or four fuel injectors which emit directionally specific mixtures of atomized fuel. The combustion of the fuel produces relatively concentrated heat effects; however, since the coke scraper ring covers the top piston ring while the piston is near top dead center, where the thermal load is greatest, and only the hot gas reaches the piston ring through the leakage grooves, the thermal load is distributed more evenly along the top piston ring, thus protecting the heat-sensitive lubricating oil film on the inner surface of the cylinder. Both factors contribute to better operating conditions for the piston ring packing and increase the effect of preventing the coke on the piston from contacting the lubricating oil film.
Als Alternative zu der Anordnung der Lecknuten in der zylindrischen Innenfläche des Koksschabrings ist es auch möglich, innerhalb des Umfangs der Erfindung die in der Einleitung erwähnte Brennkraftmaschine mit einem Koksschabring in einem Zylinder auf eine Weise zu konzipieren, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Maschine eine Zweitakt-Kreuzkopf-Maschine mit Gleichstromspülung ist, die in einem unteren Zylinderabschnitt positionierte Spülluftschlitze aufweist, und daß der über dem obersten Kolbenring gelegene oberste Kolbenabschnitt in seiner zylindrischen Außenfläche mit mehreren Lecknuten versehen ist, die sich vom Kopf des Kolbenabschnitts hinunter zu dem Bereich an der ringförmigen Nut mit dem obersten Kolbenring erstrecken. In diesem Fall kann die zylindrische Innenfläche des Koksschabrings als zusammenhängende kreisförmige Zylinderfläche gebildet sein. Während jedes Maschinenzyklus gelangen Ströme von komprimierter Luft und von Ver brennungsgas durch die Lecknuten, was Koksablagerungen in den Nuten verhindert.As an alternative to the arrangement of the leakage grooves in the cylindrical inner surface of the coke scraping ring, it is also possible within the scope of the invention to design the internal combustion engine mentioned in the introduction with a coke scraping ring in a cylinder in a manner characterized in that the engine is a two-stroke crosshead engine with cocurrent scavenging having scavenging air slots positioned in a lower cylinder section, and that the uppermost piston section located above the uppermost piston ring is provided in its cylindrical outer surface with a plurality of leakage grooves extending from the head of the piston section down to the area at the annular groove with the uppermost piston ring. In this case, the cylindrical inner surface of the coke scraping ring can be formed as a continuous circular cylindrical surface. During each engine cycle, streams of compressed air and of combustion gas pass through the leakage grooves, which prevents coke deposits in the grooves.
In einer Ausführungsform ist die im wesentlichen zylindrische Innenfläche des Zylinders durch einen oberen Deckelbereich und einen unteren Buchsenbereich gebildet und der Koksschabring ist an dem Kopf des Buchsenbereichs positioniert. Der Koksschabring kann ein Schrumpfring in einer Ausnehmung in der Innenfläche der Buchse oder alternativ ein vorstehender Teil in dem Material der Buchse selbst, nämlich ein integral zusammenhängender Teil der Buchse sein. Im letzteren Fall muß der Kolben mit der Kolbenstange montiert werden, bevor die Buchse in ihre Position in der Maschine zum Zusammenbau abgesenkt wird, so daß der Kolben aufwärts von unten durch die Buchse gelangt. In dem ersteren Fall liefert die Ausführungsform eine vorteilhafte Möglichkeit der Nachmontage eines Koksschabrings auf schon bestehende Maschinen.In one embodiment, the substantially cylindrical inner surface of the cylinder is formed by an upper cover portion and a lower sleeve portion and the coke scraper ring is positioned at the head of the sleeve portion. The coke scraper ring may be a shrink ring in a recess in the inner surface of the sleeve or alternatively a protruding part in the material of the sleeve itself, namely an integral part of the sleeve. In the latter case, the piston must be assembled with the piston rod before the sleeve is lowered into position in the machine for assembly so that the piston passes upwards from below through the sleeve. In the former case, the embodiment provides an advantageous possibility of retrofitting a coke scraper ring onto already existing machines.
In einer alternativen Ausführungsform ist die im wesentlichen zylindrische Innenfläche des Zylinders durch einen oberen Deckelbereich und einen unteren Buchsenbereich gebildet und der Koksschabring am Unterteil des Deckelbereichs positioniert. Ebenso kann in diesem Fall der Koksschabring ein separater Ring sein, der in eine Ausnehmung in dem oberen Deckelbereich eingesetzt ist oder integral mit dem Deckelbereich gebildet ist, wobei der untere Abschnitt des Deckelbereichs zu einem kleineren Innendurchmesser als der darüberliegende Bereich feingedreht ist. Wenn die Lecknuten in dem Koksschabring zu positionieren sind, können sie nachfolgend in den untersten Teil des Deckelbereichs eingearbeitet werden. Die alternative Ausführungsform ist besonders in Zylindern anwendbar, die besonders hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind, wobei der Zylinderdeckel aus hitzebeständigerem Material als die Buchse hergestellt ist. Indem der Koksschabring in den Deckelbereich gesetzt wird, kann die Trennfläche zwischen der Buchse und dem Deckel zu dem unmittelbar über der Position für den obersten Kolbenring in dem oberen Totpunkt liegenden Bereich hinuntergezogen werden.In an alternative embodiment, the substantially cylindrical inner surface of the cylinder is formed by an upper cover portion and a lower sleeve portion, and the coke scraping ring is positioned at the bottom of the cover portion. Also in this case, the coke scraping ring may be a separate ring inserted into a recess in the upper cover portion or formed integrally with the cover portion, the lower portion of the cover portion being finely turned to a smaller inner diameter than the portion above it. If the leakage grooves are to be positioned in the coke scraping ring, they may subsequently be machined into the lowermost portion of the cover portion. The alternative embodiment is particularly applicable in cylinders subject to particularly high thermal loads, the cylinder cover being made of more heat-resistant material than the sleeve. By placing the coke scraper ring in the cover area, the interface between the liner and the cover can be pulled down to the area immediately above the position for the top piston ring at top dead center.
Vorzugsweise machen die Lecknuten 0.25 bis 50 Prozent, vorzugsweise 5 bis 40 Prozent und geeigneterweise 20 bis 30 Prozent der axialgerichteten Fläche des aus der im wesentlichen zylindrischen Innenfläche des Zylinders hervorstehenden Koksschabrings aus. Wenn die Fläche der Lecknuten kleiner als 0.25 Prozent wird, werden die Druckverluste entlang des Koksschabrings zu groß und bei einer Leckfläche von mehr als 50% werden keine weiteren positiven Effekte erzielt. Die Grenze von 5 Prozent führt noch zu einem Druckverlust, jedoch gleichwohl zu einer erkennbaren Verbesserung der Betriebsbedingungen, während die Grenze von 40 Prozent normalerweise völlig ausreichend ist, um Druckverluste entlang des Koksschabrings zu vermeiden. Eine Fläche in dem Abstand zwischen 20 und 30 Prozent stellt einen geeigneten Kompromiß zwischen dem Wunsch, einen kleinen oder gar keinen Druckverlust zu erzielen, und dem Wunsch, die thermische Belastung gleichmäßig zu verteilen, dar.Preferably, the leakage grooves make up 0.25 to 50 percent, preferably 5 to 40 percent and suitably 20 to 30 percent of the axially directed area of the substantially cylindrical inner surface of the cylinder protruding coke scraper ring. If the area of the leakage grooves becomes smaller than 0.25 percent, the pressure losses along the coke scraper ring become too large and with a leakage area of more than 50% no further positive effects are achieved. The limit of 5 percent still leads to a pressure loss, but nevertheless to a noticeable improvement in the operating conditions, while the limit of 40 percent is normally quite sufficient to avoid pressure losses along the coke scraper ring. An area in the distance between 20 and 30 percent represents a suitable compromise between the desire to achieve a small or no pressure loss and the desire to distribute the thermal load evenly.
Für Maschinen mit Gleichstromspülung werden die Spülluftschlitze vorzugsweise von der oberen Seite des Kolbens geöffnet, was bedeutet, daß der Koksschabring nicht zu weit von der Innenfläche des Zylinders vorstehen sollte, da das Resultat einer übermäßigen Breite des ringförmigen Raums zwischen der Koksschicht und der Innenfläche des Zylinders darin besteht, daß der Durchgang des obersten Kolbenrings an der Oberseite der Schlitze am Ende des Arbeitstakts die Schlitze öffnen wird. Folglich steht für Zylinderbohrungen in dem Bereich von 250 bis 1000 mm der Koksschabring vorzugsweise zumindest 0.2 mm, insbesondere 0.5 bis 5 mm von der Innenfläche des Zylinders vor. Der untere Wert von 0.2 mm oder 0.5 mm stellt die vollständige Absperrung der Spülluftschlitze sicher, bis die obere Kolbenfläche vorbeigelaufen ist. In den größten Maschinen kann der Koksschabring geeigneterweise zumindest 1 mm vorstehen, insbesondere 2 bis 3 mm, während 0.5-2 mm für kleine Maschinen geeignet sein können. Wenn der Ring weniger als 0.25 mm vorsteht, ist es schwieriger, Gewißheit zu erreichen, daß die Koksablagerung nicht den Schmierölfilm auf der Innenfläche des Zylinders berührt.For machines with co-current scavenging, the scavenging air slots are preferably opened from the top of the piston, which means that the coke scraper ring should not protrude too far from the inner surface of the cylinder, since the result of excessive width of the annular space between the coke layer and the inner surface of the cylinder is that the passage of the top piston ring at the top of the slots at the end of the power stroke will open the slots. Consequently, for cylinder bores in the range 250 to 1000 mm, the coke scraper ring preferably protrudes at least 0.2 mm, especially 0.5 to 5 mm from the inner surface of the cylinder. The lower value of 0.2 mm or 0.5 mm ensures complete closure of the scavenging air slots until the top piston surface has passed. In the largest machines the coke scraping ring may suitably protrude at least 1 mm, especially 2 to 3 mm, while 0.5-2 mm may be suitable for small machines. If the ring protrudes less than 0.25 mm it is more difficult to achieve certainty that the coke deposit will not contact the lubricating oil film on the inner surface of the cylinder.
Vorzugsweise weist der über dem obersten Kolbenring angeordnete oberste Kolbenbereich einen kleineren Durchmesser als der darunterliegende Kolbenbereich mit den Kolbenringen auf und ist der Innendurchmesser des Koksschabrings wenigstens 0.5 mm, insbesondere 2 bis 6 mm, größer als der Durchmesser des obersten Kolbenbereichs und geeigneterweise 1 bis 4 mm größer als dieser. Mit diesen Durchmesserverhältnissen kann die Koks schicht bis zu einer Dicke von 0.5 bis 3 mm anwachsen, geeigneterweise von 0.75 bis 2 mm, was einen geeigneten Zwischenraum für die radiale Positionierung des Kolbens bezüglich des Koksschabrings ergibt, ohne die Gefahr, daß der Kolbenumfang den Schabring berührt.Preferably, the uppermost piston region arranged above the uppermost piston ring has a smaller diameter than the piston region below it with the piston rings and the inner diameter of the coke scraping ring is at least 0.5 mm, in particular 2 to 6 mm, larger than the diameter of the uppermost piston region and suitably 1 to 4 mm larger than this. With these diameter ratios, the coke layer to a thickness of 0.5 to 3 mm, suitably 0.75 to 2 mm, which provides a suitable clearance for the radial positioning of the piston with respect to the coke scraping ring without the risk of the piston circumference contacting the scraping ring.
Innerhalb des Umfangs der Erfindung ist es möglich, den Koksschabring weiter, als vorstehend aufgezeigt wurde, von der Innenfläche des Zylinders vorstehen zu lassen, was mit einer korrespondierenden Reduktion des Durchmessers des obersten Kolbenbereichs übereinstimmt, so daß der ringförmige Raum um diesen Kolbenbereich und die Innenfläche des Zylinders eine große Dicke aufweist. Eine derartige Konzeption wird ein früheres Öffnen der Spülluftschlitze mit sich bringen, nämlich beim Durchgang des obersten Kolbenrings am Ende des Arbeitstakts, wobei die Zeiteinteilung des Öffnens des Auslaßventils und die anderen Maschinenparameter, die von der Öffnungszeit der Spülluftschlitze abhängen, dann gemäß der früheren Zufuhr der Spülluft geändert werden müssen.Within the scope of the invention, it is possible to make the coke scraping ring protrude further from the inner surface of the cylinder than indicated above, which corresponds to a corresponding reduction in the diameter of the uppermost piston region, so that the annular space around this piston region and the inner surface of the cylinder has a large thickness. Such a design will entail an earlier opening of the scavenging air slots, namely at the passage of the uppermost piston ring at the end of the working stroke, the timing of the opening of the exhaust valve and the other machine parameters which depend on the opening time of the scavenging air slots then having to be changed according to the earlier supply of the scavenging air.
Die Zahl der Lecknuten in dem Koksschabring oder dem Kolben ist von der gewünschten Leckfläche und der gewünschten Ausgleich der thermischen Belastung an dem obersten Kolbenring abhängig, wobei eine größere Leckfläche und eine gleichmäßigere Verteilung der thermischen Belastung für die Verwendung einer größeren Zahl von Lecknuten spricht. Der Koksschabring oder der Kolben können geeigneterweise mit 4 bis 30 Lecknuten versehen sein.The number of leakage grooves in the coke scraper ring or the piston depends on the desired leakage area and the desired equalization of the thermal load on the top piston ring, with a larger leakage area and a more even distribution of the thermal load suggesting the use of a larger number of leakage grooves. The coke scraper ring or the piston can suitably be provided with 4 to 30 leakage grooves.
Da sich beträchtliche Vorteile durch das Ausgleichen der thermischen Belastung an dem obersten Kolbenring ergeben, sind vorzugsweise mehr als 15 Lecknuten vorgesehen.Since there are considerable advantages in compensating the thermal load on the top piston ring, it is preferable to provide more than 15 leakage grooves.
Wenn die Lecknuten in dem Umfang des obersten Kolbenbereichs geformt werden, können sie sich vorteilhafterweise parallel zur Zylinderachse erstrecken, so daß irgendwelche weggebrochenen Koksstücke nicht unmittelbar in einer Lecknut mit einer sich daraus ergebenden Verstopfungsgefahr hängenbleiben. Andererseits ist die Zahl und Größe der Lecknuten in derselben Weise wie für die Lecknuten in dem Koksschabring auswählbar, wobei hierzu auf die nachfolgende Beschreibung verwiesen wird.If the leakage grooves are formed in the circumference of the uppermost piston area, they can advantageously extend parallel to the cylinder axis, so that any broken-off coke pieces do not get stuck directly in a leakage groove with a resulting risk of blockage. On the other hand, the number and size of the leakage grooves can be selected in the same way as for the leakage grooves in the coke scraping ring, for which the following description is referred to.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nunmehr anhand der stark schematischen Zeichnungen näher erläutert werden, in denen zeigenEmbodiments of the invention will now be explained in more detail with reference to the highly schematic drawings, in which
Fig. 1 eine vereinfachte Querschnittsansicht durch eine Maschine mit einem Koksschabring gemäß der vorliegenden Erfindung,Fig. 1 is a simplified cross-sectional view through a machine with a coke shaving ring according to the present invention,
Fig. 2 eine Teilschnittansicht eines vergrößerten Bereichs der Fläche um den Koksschabring in dem Zylinder der Maschine von Fig. 1,Fig. 2 is a partial sectional view of an enlarged portion of the area around the coke scraping ring in the cylinder of the machine of Fig. 1,
Fig. 3 eine aufgewickelte Seitenansicht eines Teils des Koksschabrings, · Fig. 4 eine Draufsicht eines Teilabschnitts des Koksschabrings,Fig. 3 is a wound side view of a part of the coke scraping ring, Fig. 4 is a plan view of a partial section of the coke scraping ring,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines obersten Kolbenbereichs mit Lecknuten in der Fläche über dem obersten Kolbenring, sowieFig. 5 is a perspective view of an uppermost piston area with leakage grooves in the area above the uppermost piston ring, and
Fig. 6 eine entsprechende Ansicht einer anderen Ausführungsform des Kolbens mit Lecknuten.Fig. 6 a corresponding view of another embodiment of the piston with leakage grooves.
Die in Fig. 1 veranschaulichte Maschine ist eine große Zweitakt-Dieselmaschine mit Gleichstromspülung und Ölkraftstoffzufuhr, wie schweres Heizöl, dessen Verbrennung Rückstandsprodukte bildet, die als Koks auf den Flächen der Arbeitskammer der Maschine abgelagert werden können. Abhängig von der Größe und Zahl der Zylinder kann die Maschine Leistungen von 2000 bis beispielsweise 70 000 kW erzeugen. Eine derartige Maschine wird üblicherweise als Haupmotor eines Schiffs oder als stationärer leistungserzeugender Motor verwendet. In beiden Fällen ist es von Wichtigkeit, daß die Maschine für sehr lange Perioden ohne Wartungs- und Überholungsbedürftigkeit der Maschinenkomponenten betrieben werden kann. Es ist erwünscht, daß die Maschine bei ständigem Betrieb für mehr als 2 Jahre ohne Überholung bleibt, wobei dies die bestmöglichen Betriebsbedingungen für die Zylinderelemente erfordert.The machine illustrated in Fig. 1 is a large two-stroke diesel engine with direct current scavenging and oil fuel supply, such as heavy fuel oil, the combustion of which forms residual products which can be deposited as coke on the surfaces of the working chamber of the machine. Depending on the size and number of cylinders, the machine can produce powers from 2000 to, for example, 70,000 kW. Such a machine is usually used as the main engine of a ship or as a stationary power-generating engine. In both cases it is important that the machine can operate for very long periods without the need for maintenance and overhaul of the machine components. It is desirable that the machine remain without overhaul for more than 2 years in continuous operation, which requires the best possible operating conditions for the cylinder elements.
Die stationären Teile der Maschine umfassen eine Grundplatte 1, in welcher die Kurbelwelle 2 geführt ist, und ein Maschinenrahmengehäuse 3, das auf der Grundplatte montiert ist und einen Zylinderbereich 4 auf seiner oberen Fläche trägt. Eine Zylinderbuchse 5 ist gegen eine Kopfplatte 6 in dem Zylinderbereich mittels Deckelbolzen 7 und einem Zylinderdeckel 8 festgeklemmt. Die Zylinderbuchse hat einen oberen Bereich mit einer großen Wanddicke, die über ein ringförmiges Zwischenelement 9 auf der oberen Fläche der Kopfplatte ruht und einen verlängerten unteren Bereich, der nach unten in den Zylinderbereich 4 vorsteht. An seinem unteren Ende hat die Zylinderbuchse eine Anzahl von Luftöffnungen 10, durch die Spül- und Ladeluft von dem Spülluftaufnehmer 11 in den Zylinder strömt, wenn der Kolben sich nahe seinem unteren Totpunkt befindet. Ein Auslaßventilgehäuse 12 mit einem hydraulisch betätigbaren Auslaßventil ist zentral in dem Zylinderdeckel positioniert. Wenn das Auslaßventil offen ist, kann Spülluft von den Spülluftschlitzen durch den Zylinder strömen, wobei zur gleichen Zeit die Verbrennungsgase durch das Auslaßventil und in einen Auslaßaufnehmer ausströmen, von wo das Gas in das Auslaßrohr über einen Turbolader strömt. Die Maschine wird mit Hochdruck auf einen Ladedruck von beispielsweise 3.5-4 bar geladen.The stationary parts of the engine comprise a base plate 1 in which the crankshaft 2 is guided, and an engine frame housing 3 which is mounted on the base plate and carries a cylinder section 4 on its upper surface. A cylinder liner 5 is clamped against a head plate 6 in the cylinder section by means of cover bolts 7 and a cylinder cover 8. The cylinder liner has an upper section with a large wall thickness which rests on the upper surface of the head plate via an annular intermediate element 9 and an extended lower section which projects downwards into the cylinder section 4. At its lower end the cylinder liner has a number of air openings 10 through which scavenging and charge air from the scavenging air receiver 11 flows into the cylinder when the piston is near its bottom dead center. An exhaust valve housing 12 with a hydraulically actuated exhaust valve is positioned centrally in the cylinder cover. When the exhaust valve is open, scavenging air can flow through the cylinder from the scavenging air slots, at the same time the combustion gases flow out through the exhaust valve and into an exhaust receiver, from where the gas flows into the exhaust pipe via a turbocharger. The engine is charged with high pressure to a boost pressure of, for example, 3.5-4 bar.
Eine Pleuelstange 14 verbindet die Kurbelwelle 2 mit einem Kreuzkopf 15, der mittels Führungsebenen 16 in dem Maschinenrahmengehäuse das untere Ende einer Kolbenstange 17 in eine translationale Umkehrbewegung entlang der Längsachse des Zylinders führt. Ein Kolben 18 ist auf dem Kopf der Kolbenstange angeordnet. Wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist, hat der Kolben mehrere, beispielsweise vier Kolbenringe 19 und 19', die entlang der Innenfläche der Zylinderbuchse gleiten und eine druckdichtende Trennung zwischen der Arbeitskammer 20 und dem Volumen, das sich unter dem Kolben befindet und mit dem Hohlraum in dem mit Spülluft gefüllten Zylinderbereich kommuniziert, herstellt.A connecting rod 14 connects the crankshaft 2 to a crosshead 15, which, by means of guide planes 16 in the machine frame housing, guides the lower end of a piston rod 17 in a translational reversal movement along the longitudinal axis of the cylinder. A piston 18 is arranged on the head of the piston rod. As can be seen from Fig. 2, the piston has several, for example four, piston rings 19 and 19', which slide along the inner surface of the cylinder liner and create a pressure-tight separation between the working chamber 20 and the volume located under the piston and communicating with the cavity in the cylinder area filled with scavenging air.
Die Verbrennungs- oder Arbeitskammer 20 ist durch die Innenfläche des Zylinderdeckels 8, die Innenfläche der Zylinderbuchse 5, den Kopf des Kolbens 18, den obersten Kolbenring 19' und den von dem obersten Kolbenring nach oben erstreckenden Umfang des obersten Kolbenbereichs 21 definiert. Der oberste Kolbenbereich 21 hat einen kleineren Durchmesser als der darunter liegende Teil des Kolbens, so daß zwischen der Außenfläche des obersten Kolbenbereichs und der Innenfläche des Zylinders ein ringförmiger Raum 22 ist, in dem auf der äußeren Kolbenfläche Koks abgelagert wird.The combustion or working chamber 20 is defined by the inner surface of the cylinder cover 8, the inner surface of the cylinder liner 5, the head of the piston 18, the uppermost piston ring 19' and the circumference of the uppermost piston region 21 extending upwards from the uppermost piston ring. The uppermost piston region 21 has a smaller diameter than the region below it. part of the piston, so that between the outer surface of the uppermost piston region and the inner surface of the cylinder there is an annular space 22 in which coke is deposited on the outer piston surface.
Ein ringförmiger Koksschabring 23 in dem Zylinder steht von der Innenfläche des Zylinders vor und schabt die Koksablagerungen von der Außenfläche des obersten Kolbenbereichs 21 ab, so daß diese Ablagerungen einen maximalen Durchmesser nicht überschreiten können, der dem Innendurchmesser des Koksschabrings entspricht. Vorzugsweise hat der Koksschabring eine derartige Position in der Axialrichtung des Zylinders, daß sich der obere Kolbenring 19' weniger als eine Ringhöhe unter dem Koksschabring 23 befindet, wenn sich der Kolben in seinem in der Zeichnung dargestellten oberen Totpunkt befindet, da dies sicherstellt, daß die Koksschicht weitestgehend ganz hinunter zu dem obersten Kolbenring abgeschabt wird. Ein wesentlicher Koksschabeeffekt wird jedoch noch erzielt, selbst wenn der Koksschabring etwas höher positioniert wird, beispielsweise 2 bis 3 Ringhöhen weiter oben.An annular coke scraping ring 23 in the cylinder projects from the inner surface of the cylinder and scrapes the coke deposits from the outer surface of the uppermost piston region 21 so that these deposits cannot exceed a maximum diameter corresponding to the inner diameter of the coke scraping ring. Preferably the coke scraping ring has a position in the axial direction of the cylinder such that the upper piston ring 19' is less than one ring height below the coke scraping ring 23 when the piston is at its top dead center shown in the drawing, as this ensures that the coke layer is scraped as far as possible all the way down to the uppermost piston ring. However, a substantial coke scraping effect is still achieved even if the coke scraping ring is positioned somewhat higher, for example 2 to 3 ring heights higher.
Fig. 3 und 4 zeigen, daß der Koksschabring in seiner Innenfläche mit mehreren Lecknuten 24 versehen ist, die eine Gasströmungsverbindung zwischen dem Teil des ringförmigen Raums 22, der unter dem Koksschabring angeordnet ist, und dem verbleibenden oberen Bereich der Arbeitskammer 20 herstellen. Die Strömungsquerschnittsfläche der Lecknuten ist geeigneterweise so angepaßt, daß der Druckverlust entlang des Koksschabrings vernachlässigbar ist. Die Lecknuten können in vorteilhafter Weise gleichmäßig entlang des Innenumfangs des Koksschabrings verteilt sein, da dies zu der gleichmäßigsten thermischen Belastung an dem obersten Kolbenring 19' führt. Die Tiefe der Lecknuten kann der Dicke der Projektion des Koksschabrings bezüglich der Innenfläche des Zylinders entsprechen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Schabring lediglich mit einem kleinen Abstand von wenigstens 0.25 mm, wie beispielsweise 0.5-3 mm, von der Innenfläche vorsteht. Wenn der Kolben und der Koksschabring derart beschaffen sind, daß der ringförmige Raum 22 eine große Breite aufweist und die Spülluftschlitze 10 durch den Durchlauf des obersten Kolbenrings geöffnet sind, muß die Tiefe der Lecknuten kleiner als die Dicke des nach innen vorstehenden Teils des Koksschabrings sein. Vorzugsweise sind die Lecknuten nicht tiefer als 3 bis 4 mm, da die Gasströme durch die einzelne Nut bei größeren Tiefen so groß werden können, daß die thermische Belastung an dem obersten Kolbenring lokal zu hoch wird. Eine sehr gleichmäßige thermische Verteilung ist mit Nuten, die nicht tiefer als 1.5-2 mm sind, zusammen mit einer geeignet großen Zahl von Lecknuten, wie beispielsweise 15 oder mehr, erzielbar.Fig. 3 and 4 show that the coke scraper ring is provided in its inner surface with a plurality of leakage grooves 24 which establish a gas flow connection between the part of the annular space 22 arranged under the coke scraper ring and the remaining upper region of the working chamber 20. The flow cross-sectional area of the leakage grooves is suitably adapted so that the pressure loss along the coke scraper ring is negligible. The leakage grooves can advantageously be evenly distributed along the inner circumference of the coke scraper ring, since this results in the most even thermal load on the uppermost piston ring 19'. The depth of the leakage grooves can correspond to the thickness of the projection of the coke scraper ring with respect to the inner surface of the cylinder. This is particularly advantageous if the scraper ring only protrudes from the inner surface by a small distance of at least 0.25 mm, such as 0.5-3 mm. If the piston and the coke scraper ring are designed in such a way that the annular space 22 has a large width and the scavenging air slots 10 are opened by the passage of the uppermost piston ring, the depth of the leakage grooves must be smaller than the thickness of the inwardly projecting part of the coke scraper ring. The leakage grooves are preferably not deeper than 3 to 4 mm, since the gas flows through the individual groove at greater depths can become so large that the thermal load on the top piston ring becomes too high locally. A very uniform thermal distribution can be achieved with grooves that are no deeper than 1.5-2 mm, together with a suitably large number of leakage grooves, such as 15 or more.
Die Breite der Lecknuten wird auf der Grundlage der Zahl der Lecknuten, der Nuttiefe und der gewünschten gesamten Strömungsquerschnittsfläche, nämlich der gesamten axialgerichteten Querschnittsfläche der Nutenden, ausgewählt. Nutbreiten von 5 bis 30 mm werden in den meisten Fällen geeignet sein, wobei eine Nutbreite von 10 bis 20 mm bevorzugt ist, um eine gleichmäßige thermische Belastung zu erreichen.The width of the leakage grooves is selected based on the number of leakage grooves, the groove depth and the desired total flow cross-sectional area, namely the total axially directed cross-sectional area of the groove ends. Groove widths of 5 to 30 mm will be suitable in most cases, with a groove width of 10 to 20 mm being preferred to achieve a uniform thermal load.
Die Lecknuten 24 erstrecken sich schräg bezüglich der Längsachse des Zylinders, so daß das obere Nutende 25 in der Umfangsrichtung bezüglich des unteren Nutendes 26 verschoben ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß die Koksschicht entlang des vollen Umfangs des oberen Kolbenbereichs 21 abgeschabt wird. In dem gezeigten Beispiel bilden die Längsachsen der Lecknuten einen Winkel von 45º mit der Längsachse des Zylinders. Es ist natürlich möglich, andere Winkel, wie beispielsweise von 15º bis 80º, zu verwenden. Der Winkel ist derart an die Nutbreite angepaßt, daß die einzelne Nut keine Überlappung in der Axialrichtung zwischen den oberen und unteren Nutenden 25 und 26 zeigt. Aus Fertigungsgründen erstrecken sich die Lecknuten vorzugsweise geradlinig zwischen den oberen und unteren Nutenden, jedoch werden andere Konstruktionen, die eine Strömungsverbindung zwischen den oberen und unteren Nutenden 25 und 26 herstellen, natürlich genauso in der Praxis funktionieren, wie beispielsweise ein L-förmiger oder anderer nichtlinearer Verlauf.The leak grooves 24 extend obliquely with respect to the longitudinal axis of the cylinder, so that the upper groove end 25 is displaced in the circumferential direction with respect to the lower groove end 26. This has the advantage that the coke layer is scraped off along the full circumference of the upper piston region 21. In the example shown, the longitudinal axes of the leak grooves form an angle of 45º with the longitudinal axis of the cylinder. It is of course possible to use other angles, such as from 15º to 80º. The angle is adapted to the groove width in such a way that the individual groove does not show any overlap in the axial direction between the upper and lower groove ends 25 and 26. For manufacturing reasons, the leakage grooves preferably extend in a straight line between the upper and lower groove ends, but other designs that create a flow connection between the upper and lower groove ends 25 and 26 will of course function just as well in practice, such as an L-shaped or other non-linear course.
Fig. 5 und 6 zeigen Ausführungsbeispiele, in denen die Lecknuten an der Außenfläche des Kolbens in dem obersten Kolbenbereich positioniert sind. Der Einfachheit halber werden wie vorstehend die gleichen Bezugszahlen für Elemente der gleichen Art verwendet. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Kolbenringe aus der Figur entfernt wurden.Fig. 5 and 6 show embodiments in which the leakage grooves are positioned on the outer surface of the piston in the uppermost piston region. For the sake of simplicity, the same reference numerals are used as above for elements of the same type. It should be noted that the piston rings have been removed from the figure.
In Fig. 5 wurde links von dem Kolben ein Längsteilabschnitt durch den innersten Teil der Buchse 5 und des Zylinderdeckels 8 in dem Bereich um den Koksschabring 23' dargestellt, der direkt in dem Material des Zylinderdeckels gebildet ist, nämlich als ein integraler und zusammenhängender Teil des Deckels. Rechts von dem Kolben ist ein entsprechender Längsteilabschnitt durch eine alternative Konstruktion dargestellt, in der der Koksschabring 23' direkt in dem Material der Zylinderbuchse gefertigt ist, nämlich als ein integraler und zusammenhängender Teil der Buchse. Durch Vergleichen der rechten und linken Seiten der Figur ist unmittelbar ersichtlich, daß es in ein und derselben Maschine möglich ist, den Vorteil beim Positionieren des Koksschabrings 23' in dem Zylinderdeckel zu erzielen, daß die Trennfläche 27 zwischen dem Deckel und der Buchse nach unten in Längsrichtung des Zylinders bewegt wird. Da die Innenfläche des Deckels nicht eine Lauffläche für die Kolbenringe bildet, können Schmierungsüberlegungen und Gleiteigenschaften bei der Wahl der Materialien für den Deckel außer Betracht bleiben. Somit kann der Deckel aus einem Material, wie beispielsweise Stahl gefertigt werden, das korrosions- und hitzebeständiger als das Buchsenmaterial ist, welches typischerweise Gußeisen ist. Der thermische Einfluß ist in der oberen Fläche des Zylinders am größten, wobei folglich der Zylinder eine längere Lebensdauer erreichen kann, indem sich der Deckel weiter nach unten erstreckt.In Fig. 5, to the left of the piston, a longitudinal section was cut through the innermost part of the sleeve 5 and the cylinder cover 8 in the area around the Coke scraper ring 23' is shown formed directly in the cylinder cover material, namely as an integral and continuous part of the cover. To the right of the piston, a corresponding longitudinal section is shown by an alternative construction in which the coke scraper ring 23' is made directly in the cylinder liner material, namely as an integral and continuous part of the liner. By comparing the right and left sides of the figure, it is immediately apparent that in one and the same machine it is possible to achieve the advantage of positioning the coke scraper ring 23' in the cylinder cover that the parting surface 27 between the cover and the liner is moved downwards in the longitudinal direction of the cylinder. Since the inner surface of the cover does not form a running surface for the piston rings, lubrication considerations and sliding properties can be disregarded in the choice of materials for the cover. Thus, the cover can be made of a material such as steel which is more corrosion and heat resistant than the liner material, which is typically cast iron. The thermal influence is greatest in the upper surface of the cylinder, and consequently the cylinder can achieve a longer service life by extending the cover further down.
In der dargestellten Ausführungsform hat der Koksschabring 23', der entweder an oder in der Buchse 5 oder an oder in dem Deckel 8 positioniert ist, eine kreisförmige zylindrische Innenfläche 28, die ringförmig und ohne Lecknuten ist. Natürlich ist es möglich, einige der Lecknuten auf dem Koksschabring und einige auf dem Kolben zu positionieren, jedoch ist aus Fertigungsgründen die besagte Konstruktion bevorzugt, die beispielsweise durch geeignetes Drehen der Innenfläche der Buchse oder des Deckels gefertigt werden kann.In the embodiment shown, the coke scraper ring 23', which is positioned either on or in the sleeve 5 or on or in the cover 8, has a circular cylindrical inner surface 28 which is annular and without leakage grooves. Of course, it is possible to position some of the leakage grooves on the coke scraper ring and some on the piston, but for manufacturing reasons said construction is preferred, which can be manufactured, for example, by suitably turning the inner surface of the sleeve or cover.
Die Lecknuten 24' sind in dem obersten Abschnitt 21 des Kolbens angeordnet und erstrecken sich von einer Abschrägung an der Oberkante des Kolbens nach unten zu der obersten ringförmigen Nut 29 für den obersten Kolbenring 19'. Der oberste Abschnitt 21 des Kolbens ist von großer Höhe, und somit sind die Kolbenringe weiter unten in dem Zylinder positioniert, wenn sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet, wodurch sich der Zylinderdeckel in vorteilhafter Weise weiter nach unten zum Zylinder erstrecken kann.The leakage grooves 24' are arranged in the uppermost section 21 of the piston and extend from a bevel on the upper edge of the piston downwards to the uppermost annular groove 29 for the uppermost piston ring 19'. The uppermost section 21 of the piston is of great height and thus the piston rings are positioned further down in the cylinder when the piston is at its top dead center, whereby the cylinder cover can advantageously extend further down the cylinder.
Die Lecknuten in Fig. 5 bilden einen Winkel von etwa γ = 30º mit der Längsrichtung des Zylinders. In der Praxis kann der Winkel zwischen 0º und 60º oder größer gewählt werden, jedoch bildet die Nut vorzugsweise zumindest entlang eines Teils ihrer Länge einen Winkel von mindestens 15º, um zu verhindern, daß die oberen und unteren Nutenden jeweils vertikal übereinanderliegen.The leakage grooves in Fig. 5 form an angle of approximately γ = 30º with the longitudinal direction of the cylinder. In practice, the angle can be chosen between 0º and 60º or greater, but preferably the groove forms an angle of at least 15º at least along part of its length in order to prevent the upper and lower groove ends from lying vertically one above the other.
Fig. 6 zeigt eine alternative Ausführungsform des Kolbens, in der die Lecknuten 24" einen sich parallel zur Längsachse des Zylinders erstreckenden oberen Bereich 24a aufweisen und einen sich in Bezug dazu schräg erstreckenden unteren Bereich 24b. Der untere Schrägbereich 24b verschiebt das untere Nutende in Umfangsrichtung in Bezug auf das obere Nutende, so daß der Koks entlang des vollen Umfangs abgeschabt wird. Die oberen Bereiche 24a der Lecknuten tragen nicht zum Abschaben des Koks bei und laufen somit nicht Gefahr, von abgekratzten Kokspartikeln verstopft zu werden. Es ist auch möglich, die Schrägbereiche der Lecknuten an den oberen Enden der Nuten anzuordnen, wodurch sich der Vorteil ergibt, daß die Gasgeschwindigkeiten durch die Nuten höher sind, während das Abschaben stattfindet, da die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens höher ist, während die oberen Nutbereiche den Koksschabring passieren.Fig. 6 shows an alternative embodiment of the piston in which the leakage grooves 24" have an upper region 24a extending parallel to the longitudinal axis of the cylinder and a lower region 24b extending obliquely with respect thereto. The lower oblique region 24b displaces the lower groove end circumferentially with respect to the upper groove end so that the coke is scraped off along the full circumference. The upper regions 24a of the leakage grooves do not contribute to the scraping off of the coke and thus do not run the risk of being blocked by scraped off coke particles. It is also possible to arrange the oblique regions of the leakage grooves at the upper ends of the grooves, which has the advantage that the gas velocities through the grooves are higher while the scraping is taking place because the speed of movement of the piston is higher while the upper groove regions pass the coke scraping ring.
Die gezeigte Konstruktion der schrägen Nutbereiche an den unteren Enden der Nuten ist besonders vorteilhaft, wenn die relativ große Höhe des obersten Bereichs 21 des Kolbens mittels eines separaten Kolbenkopfes hergestellt wird, der an einem darunterliegenden Kolbenbereichs mit ringförmigen Nuten für die Kolbenringe fixiert ist. In diesem Fall können die zwei Bereiche der Lecknuten auf einfache Weise als gerade Nuten in den jeweiligen Kolbenbereichen gefertigt werden.The shown design of the inclined groove areas at the lower ends of the grooves is particularly advantageous when the relatively high height of the uppermost area 21 of the piston is produced by means of a separate piston head which is fixed to an underlying piston area with annular grooves for the piston rings. In this case, the two areas of the leakage grooves can be easily manufactured as straight grooves in the respective piston areas.
Andererseits können hinsichtlich Fläche und Zahl die Lecknuten entsprechend den in dem Koksschabring angeordneten Lecknuten gebildet werden.On the other hand, the leakage grooves can be formed in terms of area and number corresponding to the leakage grooves arranged in the coke scraping ring.
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