DE19943264C2 - Hubkolbenmaschine, insbesondere Zweitakt-Großdieselmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere einen Zweitakt-Großdieselmotor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem bekannten Zweitakt-Großdieselmotor oben genannter Art, dessen Zylinder jeweils eine im Zylinderkopf vorgesehene Auslaßöffnung aufweisen, die durch ein zugeordnetes Auslaßventil geöffnet bzw. geschlossen werden kann, ist in den Zylinderkopf ein den mit dem Auslaßventil zusammenwirkenden Ventilsitz enthaltendes, von der Auslaßöffnung durchsetztes Sitzteil eingesetzt, das sich mit einer horizontalen Stützfläche auf einer zugeordneten Stützfläche des Zylinderkopfes abstützt. Der Sitzbereich des Sitzteils wird gekühlt. Hierzu ist im Bereich der Fuge zwischen Sitzteil und Zylinderkopf ein umlaufender Kühlkanal vorgesehen, der mit Kühlwasser beaufschlagbar ist. Oberhalb und unterhalb des Kühlkanals sind in eine umlaufende Nut des Sitzteils eingelegte, als sogenannte O-Ringe ausgebildete Dichtungsringe vorgesehen, die den Kühlkanal abdichten sollen. Auf Grund der starken Temperaturbeanspruchung kann es jedoch vorkommen, dass insbesondere der untere, brennraumnahe O- Ring beschädigt und damit undicht wird. Die Folge davon ist, dass Kühlwasser in den Brennraum gelangen kann, was äußerst unerwünscht ist und zu einem schnellen Verschleiß der Lauffläche der Zylinderbüchse führen kann. Ebenso besteht dabei die Gefahr, dass heiße Verbrennungsgase in den Kühlkanal durchschlagen können, so dass die Kühlwirkung verloren geht. Diese Gefahren werden besonders dann akut, wenn die Sitzflächen nicht exakt aneinander anliegen, etwa auf Grund von zwischen die Sitzflächen gelangten Fremdkörperpartikeln, wie Kohlepartikeln.

Die Indikationsbohrungen zeigen zwar derartige Leckagen an. Dennoch besteht jedoch die Gefahr, dass bis zu einer derartigen Anzeige Zerstörungen oben genannter Art bereits aufgetreten sind. Abgesehen davon führt aus den Indikationsbohrungen austretendes Kühlwasser nicht nur zu einem Kühlwasserverlust, sondern auch zu einer Nässung des Maschinenraums, was ebenfalls unerwünscht ist.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der Erfindung, eine Hubkolbenmaschine eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, dass eine hohe Betriebssicherheit erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die eine dem Kühlkanal zugeordnete Dichtungsanordnung einen zwischen die Stützflächen eingelegten, umlaufenden Flachdichtring enthält, dem ein umlaufendes, seine stützflächenseitigen Seitenflanken miteinander verbindendes Kanalsystem zugeordnet ist, mit dem die Indikationsbohrungen kommunizieren.

Mit diesen Maßnahmen werden die eingangs geschilderten Nachteile der bekannten Anordnungen vollständig vermieden. Der zwischen die Stützflächen eingelegte Flachdichtring ergibt eine hohe Sicherheit gegen Undichtheit. Der Flachdichtring kann dabei auf einfache Weise so ausgebildet werden, dass sich Fremdstoffpartikel, wie Kohlepartikel etc., eindrücken können, so dass eine Spaltbildung auf jeden Fall unterbleibt. Ebenso läßt sich zur Bildung des Flachdichtrings ein Material mit vergleichsweise hoher Temperaturbeständigkeit verwenden. Dies ermöglicht eine Erhöhung der Betriebstemperaturen, was sich vorteilhaft auf den erzielbaren Wirkungsgrad auswirkt. Vorzugsweise genügt es, wenn die dem Flachdichtring zugeordnete Dichtungsanordnung nur den Flachdichtring enthält. Weitere Dichtungsmittel werden dabei nicht benötigt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben.

So kann bei einem Zweitakt-Großdieselmotor der zwischen die Stützflächen eingelegte Flachdichtring zweckmäßig der unteren, brennraumseitigen Dichtungsanordnung des Kühlkanals zugeordnet sein, vorzugsweise diese Dichtungsanordnung bilden.

Diese Dichtung ist einer stärkeren Temperaturbelastung ausgesetzt ist, als die davon entfernte, obere Dichtung. Diese kann einfach als O-Ring ausgebildet sein.

Eine weitere zweckmäßige Maßnahme kann darin bestehen, dass der Flachdichtring als Metallring ausgebildet ist. Hiermit lassen sich die oben erwähnten Eigenschaften auf höchst einfache Weise verwirklichen. Zweckmäßig kann dabei der Flachdichtring aus einer Kupferlegierung oder einer weichen Stahllegierung bestehen. Auf diese Weise läßt sich sicherstellen, dass der Flachdichtring unter der Wirkung der Betriebskräfte elastisch und leicht plastisch verformbar ist. Hierdurch wird daher auch im Falle von Unebenheiten etc. eine zuverlässige Dichtheit gewährleistet.

In weiterer Fortbildung der übergeordneten Maßnahmen kann der Flachdichtring zur Bildung des Kanalsystems mit mehreren, durch Stege voneinander getrennten, über seine Höhe durchgehenden Bogenschlitzen versehen sein. Diese ergeben vergleichsweise große, an die Indikationsbohrungen angeschlossene Querschnitte zwischen Unter- und Oberseite des Flachdichtrings, was im Falle von Leckagen zu einer schnellen Indikation führt.

Eine andere, vorteilhafte Ausgestaltung kann darin bestehen, dass der Flachdichtring zur Bildung des Kanalsystems beidseitig mit umlaufenden Nuten versehen ist, die durch den gemeinsamen Nutboden durchsetzende Verbindungsausnehmungen miteinander verbunden sind. Die Herstellung umlaufender Nuten ist vergleichsweise einfach, so dass sich ein vergleichsweise geringer Herstellungsaufwand ergibt. Außerdem sichert der gemeinsame Nutboden eine zuverlässige Stabilität in radialer Richtung.

Ein besonders stabiler Flachdichtring läßt sich dadurch erreichen, dass der Zylinderkopf und das Sitzteil zur Bildung des Kanalsystems stützflächenseitige, umlaufende Kanäle aufweisen, die durch über die Höhe des Flachdichtringes und durch diesen durchgehende Ausnehmungen miteinander verbunden sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung an Hand der Zeichnungen näher entnehmbar.

In den nachstehend beschriebenen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch den Zylinderkopf eines Zylinders eines Zweitakt-Großdieselmotors,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Flachdichtring,

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Flachdichtring gemäß Fig. 2,

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine andere Ausführung des Flachdichtrings und

Fig. 5 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel.

Hauptanwendungsgebiet sind Zylinderköpfe von Zweitakt- Großdieselmotoren, bei denen die Zylinder mit im Bereich der Zylinderköpfe vorgesehenen, durch ein jeweils zugeordnetes Auslaßventil steuerbaren Auslaßöffnungen versehen sind. Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise derartiger Motoren sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr.

Der in Fig. 1 angedeutete Zylinderkopf 1 eines Zweitakt- Großdieselmotors ist auf eine nicht näher dargestellte Zylinderbüchse aufgesetzt. Der Zylinderkopf 1 ist mit einem einen vergleichsweise großen Durchmesser aufweisenden, zentralen Auslaßöffnung 2 versehen, an die sich ein Auslaßkanal 3 anschließt. Die Auslaßöffnung 2 kann mittels eines zugeordneten Auslaßventils 4 gegenüber dem Zylinderraum 5 geöffnet bzw. verschlossen werden. Der Ventilteller des Auslaßventils 4 ist mit einer kegelstumpf-förmigen Sitzfläche 6 versehen, welcher eine an ein in den Zylinderkopf 1 eingesetztes, die Auslaßöffnung 2 aufweisendes Sitzteil 7 angeformte, konische Sitzfläche 8 zugeordnet ist.

Der Zylinderkopf 1 und das in diesen eingesetzte Sitzteil 7 werden durch nicht näher dargestellte Anker zusammengehalten und sind mit einander zugeordneten, waagrechten Stützflächen 9, 10 zur Übertragung der gegenseitigen Stützkräfte versehen. Zur Bildung der Stützflächen 9, 10 sind der Zylinderkopf 1 mit einer nach oben weisenden Stufe und das Sitzteil 7 mit einer nach unten weisenden Stufe versehen. Die gegenseitigen Sitzflächen 6, 8 von Auslaßventil 4 und Sitzteil 7 sind hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Sitzflächen können daher mit einer aus einem Spezialmaterial bestehenden Panzerung 11 versehen sein. Gleichzeitig erfolgt eine Kühlung des Sitzbereichs des Sitzteils 7 mittels eines Kühlmittels.

Hierzu ist im oberhalb der Stützflächen 9, 10 sich befindenden Bereich der etwa zylindrischen Fuge zwischen Zylinderkopf 1 und Sitzteil 7 ein umlaufender Kühlkanal 12 eingeschnitten. Dieser wird durch einander zugewandte, umlaufende Ausnehmungen des Innenumfangs des Zylinderkopfes 1 und des Außenumfangs des Sitzteils 7 gebildet. Der Kühlkanal 12 ist, wie in Fig. 1 links zu sehen ist, durch Zu- und Abführleitungen mit einem zirkulierendem Kühlmittel, normalerweise Kühlwasser, versorgbar. Vom Kühlkanal 12 gehen ebenfalls in Fig. 1 links angedeutete Kühlbohrungen 14 in Form von Stichbohrungen ab, die bis in den Sitzbereich des Sitzteils 7 reichen.

Der Kühlkanal 12 ist in axialer Richtung durch eine obere und eine untere Dichtungsanordnung abgedichtet. Die obere, brennraumferne Dichtungsanordnung ist als O-Ring 15 ausgebildet, der in eine im Bereich des Außenumfangs des Sitzteils 7 eingeschnittene, umlaufende Nut 16 eingelegt ist und mit dem zylindrischen Innenumfang des Zylinderkopfes 1 zusammenwirkt. Zur Bildung der unteren, brennraumnahen Dichtungsanordnung ist im dargestellten Beispiel ein zwischen die Stützflächen 9, 10 eingelegter, umlaufender Flachdichtring 17 vorgesehen, der einen als flaches Rechteck erscheinenden Querschnitt aufweist. Die Dicke des Flachdichtrings beträgt etwa 2 mm. Selbstverständlich wäre es denkbar, zusätzlich zum Flachdichtring 17 auch noch weitere Dichtungsmittel, wie einen diesem vorgeordneten O-Ring etc. vorzusehen.

Der zwischen den Stützflächen 9, 10 angeordnete Flachdichtring 17 besteht zweckmäßig aus einer vergleichsweise weichen Stahllegierung oder einer entsprechend weichen Kupferlegierung. Hierbei handelt es sich in jedem Fall um ein gegenüber dem Grundmaterial des Zylinderkopfes 1 bzw. des Sitzteils 7 vergleichsweise weiches Metall. Dieses soll festigkeitsmäßig so beschaffen sein, dass es unter der Wirkung der im Betrieb auftretenden Kräfte elastisch und in geringem Umfange plastisch verformbar ist. Dies gestattet eine satte, dichtende Anlage der seitlichen Anlageflanken des Flachdichtrings 17 an den zugewandten Stützflächen 9 bzw. 10 auch dann, wenn eine gewisse Oberflächenrauhigkeit und/oder zwischen die genannten Flächen gelangte Fremdpartikel etc. vorhanden sind. Die genannte Verformbarkeit erleichtert daher die Herstellung und die Montage.

Obwohl der Flachdichtring 17 eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet, ist zur Erhöhung der Sicherheit eine Indikationseinrichtung vorgesehen, durch die eine Leckage anzeigbar ist. Die Indikationseinrichtung enthält ein dem Flachdichtring 17 zugeordnetes, die oberen und unteren Fugen zwischen den seitlichen Anlageflächen des Flachdichtrings 17 und den diesen zugewandten Stützflächen 9, 10 miteinander verbindendes Kanalsystem 18, mit dem an einer einsehbaren Außenoberfläche endende, in Fig. 1 rechts gezeichnete Indikationsbohrung 19 kommuniziert. Zweckmäßig sind mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilte Indikationsbohrungen 19 vorgesehen.

Diese sind hier im Sitzteil 7 angeordnet und enden im Bereich der Oberseite des Sitzteils 7 radial außerhalb des an das Sitzteil 7 angesetzten Auslaßkanalgehäuses 20. Dieses besitzt einen einen Kragen des Sitzteils 7 umfassenden Kragen. Im Bereich der Mündung der Indikationsbohrungen 19 ergibt sich daher ein umlaufender Ringraum 21, der von außen gut einsehbar ist. Aus den Indikationsbohrungen 19 in den Ringraum 21 austretende Flüssigkeit bzw. austretende Verbrennungsgase sind daher bei entsprechender Beobachtung schnell erkennbar. Die austretende Leckflüssigkeit kann eine Nässung der den Ringraum 21 umgebenden Maschinenteile und des Maschinenraums verursachen. Dieser Fall tritt jedoch in Folge der hohen Zuverlässigkeit des Flachdichtrings 17 praktisch nicht ein.

Der Flachdichtring 17 kann zur Bildung des Kanalsystems 18, wie am besten aus Fig. 2 erkennbar ist, mit mehreren, durch schmale Stege 22 voneinander getrennten Bogenschlitzen 23 versehen sein, die gemäß Fig. 3 über die ganze Dicke des Flachdichtrings 17 durchgehen und dementsprechend dessen Unterseite und Oberseite miteinander verbinden. Bei dem der Fig. 2 zu Grunde liegenden Beispiel sind vier jeweils einem Quadranten zugeordnete Bogenschlitze 23 und vier Stege 22 vorgesehen. Die lichte Weite der Bogenschlitze 23 beträgt bei einem Innendurchmesser des Flachdichtrings von etwa 200 mm etwa 2 mm, also etwa 1% des Innendurchmessers. Die Breite der Stege 22 kann dabei ebenfalls 2 mm, also etwa 1% des Innendurchmesser betragen.

Die Bogenschlitze 23 befinden sich, wie Fig. 2 weiter erkennen läßt, zweckmäßig im Bereich der radial inneren Hälfte der Breite des Flachdichtrings 17. Dies ergibt eine breite, radial äußere Dichtfläche 24. Da die Bogenschlitze 23 eine Verbindung zwischen Unterseite und Oberseite des Flachdichtrings 17 herstellen, gelangen eine eventuelle Leckflüssigkeit bzw. eventuelle Leckgase in jedem Fall in die von der Oberseite des Flachdichtrings 17 abgehenden Indikationsbohrungen 19, gleichgültig ob die Leckage im Bereich der Unterseite oder der Oberseite des Flachdichtrings 17 vorliegt.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 4 ist der Flachdichtring 17 auf beiden Seiten mit umlaufenden, einander gegenüberliegenden Nuten 25 versehen, die durch den gemeinsamen Nutboden 26 durchgreifende Verbindungsausnehmungen 27 in Form von Bohrungen miteinander verbunden sind. Diese Ausführung ergibt in radialer Richtung eine höhere Festigkeit. Auch hierbei kann eine vergleichsweise breite, radial äußere Dichtfläche 24 vorgesehen sein. Die axiale Dicke des Flachdichtrings 17 beträgt 2 mm, also ebenfalls etwa 1% des Innendurchmessers. Die radiale Dicke beträgt 26 mm, das ist etwas weniger als 10% des Außendurchmessers.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 5 sind der Zylinderkopf 1 und das Sitzteil 7 mit einander gegenüberliegenden, die Stützflächen 9, 10 unterbrechenden, umlaufenden Kanälen 28 in Form von Nuten versehen. Der Flachdichtring 17 ist mit über seine Dicke durchgehenden Ausnehmung 29 in Form von Bohrungen versehen, so dass sich ebenfalls ein die Unter- und Oberseite des Flachdichtrings 17 verbindendes Kanalsystem ergibt, mit dem die Indikationsbohrungen 19 kommunizieren können.

Claims (13)

1. Hubkolbenmaschine, insbesondere Zweitakt-Großdiesel­ motor, mit wenigstens einem mit einer durch ein Auslaßventil (4) steuerbaren Auslaßöffnung (2) versehenen Zylinder, der einen Zylinderkopf (1) aufweist, in den ein dem Auslaßventil (4) zugeordnetes, die Auslaßöffnung (2) enthaltendes Sitzteil (7) eingesetzt ist, wobei im Bereich der Fuge zwischen Zylinderkopf (1) und Sitzteil (7) ein umlaufender, mit einem Kühlmittel beaufschlagbarer Kühlkanal (12) ausgebildet ist, der beidseitig durch jeweils eine Dichtungsanordnung abge­ dichtet ist und der Zylinderkopf (1) und das Sitzteil (7) mit einander zugeordneten Stützflächen (9, 10) zur Übertragung der durch das Zusammenhalten der beiden Bauteile (1, 7) entstehenden Stützkräfte versehen sind, und wobei den Stützflächen (9, 10) an einer Außenoberfläche endende Indikationsbohrungen (19) zur Anzeige einer Leckage zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die eine dem Kühlkanal (12) zugeordnete Dichtungsanordnung einen zwischen die Stützflächen (9, 10) eingelegten, umlaufenden Flachdichtring (17) enthält, dem ein umlaufendes, seine stützflächenseitigen Seitenflanken miteinander verbindendes Kanalsystem (18) zugeordnet ist, mit dem die Indikationsbohrungen (19) kommunizieren.

2. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Flachdichtring (17) aus einem Material besteht, das unter der Wirkung der Betriebskräfte elastisch und leicht plastisch verformbar ist.

3. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flach­ dichtring (17) als Metallring ausgebildet ist.

4. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachdicht­ ring (17) aus einer Kupferlegierung oder einer weichen Stahllegierung besteht.

5. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachdicht­ ring (17) zur Bildung des Kanalsystems (18) mit mehreren, durch Stege (22) voneinander getrennten, über seine Höhe durchgehenden Bogenschlitzen (23) versehen ist.

6. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachdichtring (17) zur Bildung des Kanalsystems (18) beidseitig mit umlaufenden Nuten (25) versehen ist, die durch den gemeinsamen Nutboden (26) durchsetzende Verbindungsausnehmungen (27) miteinander verbunden sind.

7. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (1) und das Sitzteil (7) zur Bildung des Kanalsystems (18) stütz­ flächenseitige, umlaufende Kanäle (28) aufweisen, die durch über die Höhe des Flachdichtringes (17) durch diesen durchgehende Ausnehmungen (29) miteinander verbunden sind.

8. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachdicht­ ring (17) allein die zugeordnete Dichtungsanordnung bildet.

9. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Zweitakt-Großdieselmotor der zwischen die Stützflächen (9, 10) eingelegte Flachdichtring (17) der unteren, brenn­ raumseitigen Dichtungsanordnung des Kühlkanals (12) zugeordnet ist, vorzugsweise diese Dichtungsanordnung bildet.

10. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die brennraumferne Dichtungsanordnung des Kühlkanals (12) als umlaufender O-Ring ausgebildet ist.

11. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Zweitakt-Großdieselmotor das Sitzteil (7) mit vom Kühlkanal (12) abgehenden, bis in den Sitzbereich reichenden Kühlbohrungen (14) versehen ist.

12. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Zweitakt-Großdieselmotor die dem Kühlkanal (12) zuge­ ordneten Zu- und Abfuhrleitungen (13) im Zylinderkopf (1) angeordnet sind.

13. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Zweitakt-Großdieselmotor an das Sitzteil (7) ein Auslass­ kanalgehäuse (20) angesetzt ist, die Indikationsbohrungen (19) im Sitzteil (7) angeordnet sind und in einem Bereich der Oberseite des Sitzteils (7) enden, welcher einen Verbindungs­ bereich zwischen Sitzteil (7) und Auslasskanalgehäuse (20) radial umfasst.