DE69210716T2

DE69210716T2 - Diesel-Viertaktmotor

Info

Publication number: DE69210716T2
Application number: DE1992610716
Authority: DE
Inventors: Hideaki Nakano
Original assignee: HANSHIN DIESEL WORKS
Current assignee: HANSHIN DIESEL WORKS
Priority date: 1991-08-29
Filing date: 1992-08-19
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2012-08-20
Also published as: JP3383772B2; DK0529935T3; EP0529935B1; DE69210716D1; JPH11148369A; EP0529935A1; JPH07107370B2; JPH0559962A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen niedrig drehenden, Langhub-Viertakt-Dieselmotor eines Hohlkolbentyps, der für Anwendungen in der Schiffahrt geeignet ist.
Die Dieselmotoren, die gegenwärtig für die Schiffahrt angewendet werden, können im allgemeinen in zwei Typen klassifiziert werden hinsichtlich des Verbindungstyps zwischen dem Kolben und der Kurbelwelle. Diese zwei Typen sind der Hohlkolbentyp und der Kreuzkopftyp.
Figur 11 der beiliegenden Zeichnungen zeigt einen konventionellen Zwei-Takt- Dieselmotor des Kreuzkopftyps, in dem der Zylinder und das Kurbelgehäuse durch eine Stopfbuchse SB isoliert sind. Das kleine Ende der Pleuelstange CR ist mit einem Kreuzkopf C verbunden, der sich entlang einer Kreuzkopfführung CG in dem Kurbelgehäuse hin- und herbewegt. Der Kreuzkopf ist über eine Stange R mit dem Kolben P verbunden. Das Vorliegen des Kreuzkopfes macht es mechanisch leicht, den Kolbenhub zu verlängern. Gegenwärtig werden anghubige Dieselmotoren des Kreuzkopftyps, die ein Hub- Bohrungsverhältnis (S/D) von etwa 3,8 aufweisen, in der Praxis verwendet.
Jedoch hat dieser Motortyp eine komplizierte Konstruktion und ist kostspielig, weil er eine Stopfbuchse, ein Hilfsgebläse zur Reinigung etc. benötigt.
Figur 12 der Zeichnungen zeigt einen konventionellen Vier-Takt-Dieselmotor des Hohlkolbentyps, bei dem das kleine Ende der Pleuelstange direkt mit dem Kolben verbunden ist. Dieser Motortyp kann im allgemeinen eine geringere Gesamthöhe als der Dieselmotor des Kreuzkopftyps bei gleicher Leistung aufweisen. Die geringere Höhe vermindert den Totraum an Bord des Schiffes und erhöht den verfügbaren Arbeitsbereich.
In den letzten Jahren gab es aufgrund des Bestrebens, den Wirkungsgrad der Antriebskraft einer Schiffsschraube zu erhöhen, eine Entwicklung in Richtung einer ausgeprägten Reduzierung der Schraubendrehzahl verglichen mit der, die früher gebraucht wurde. Folglich wird von den Hauptmotoren für die Schiffahrtsanwendung eine geringe Drehzahl gefordert. Um dieser Forderung ohne Verminderung der Motorleistung gerecht zu werden, ist es notwendig, den Kolbenhub zu verlängern.
Hohlkolbendieselmotoren sind aus konstruktiven Gründen auf ein Hub- Bohrungsverhältnis (S/D) von etwa 2,0 in der Praxis begrenzt. Im Fall eines solchen Motors ist es notwendig zu vermeiden, daß das untere Ende (E in Fig. 12) der Zylinderführung mit der Pleuelstange in Kontakt kommt, wenn sich die Stange neigt. Deshalb muß die Stange, wenn das S/D-Verhältnis steigt, verlängert werden, um ein in Kontaktkommen zu vermeiden. Wie von G. Wolf und anderen Entwicklern auf diesem Gebiet gezeigt, wird sich die Pleuelstange in einem quadratischen Verhältnis im Hinblick auf das S/D-Verhältnis verlängern, wie gezeigt in Fig. 6, falls der Versuch unternommen wird, das S/D-Verhältnis (Verlängerung des Hubes) eines Hubkolben-Dieselmotors zu erhöhen.
Wie in Fig. 7 gezeigt, wird die Gesamtmotorhöhe für den Hohlkolbentyp, wenn das S/D-Verhältnis über den Wert von etwa 2,5 hinausgeht, größer selbst als die des Kreuzkopftyps, wobei ferner die Merkmale und Vorteile des Hohlkolbendieselmotors verlorengehen.
Weiterhin muß die Querschnittsfläche der Pleuelstange sehr vergrößert sein, um die Biegefestigkeit zu vergrößern. Dies führt zu einer Vergrößerung der Gesamtlänge des Motors und zu Vergrößerungen der Motorgröße (Außenmaße) und seines Gewichtes, was eine Verschlechterung der Wirtschaftlichkeit im Betrieb bedeutet.
Weil die oben genannten Forderungen erfüllt werden sollen, wird allgemein gefordert, daß ein Hohlkolbendieselmotor, der ein S/D Verhältnis von nur 2,0 oder weniger aufweist, mit einem teuren Hochleistungsgeschwindigkeitsuntersetzungsgetriebe verbunden ist.
Die DE-A-577389 zeigt einen Motor, der wahrscheinlich vom Kreuzkopftyp ist. Er weist einen oberen Kolben auf, der in einem Zylinder gleitet, um die Verbrennungskammer zu bilden mit einer zylindrischen Führung im unteren Teil, die in dem unteren Bereich des Zylinders gleitet. Dieser zeigt die oben genannten Probleme.
Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, einen langhubigen Vier-Takt- Hohlkolbendieselmotor bereitzustellen, der eine geringe Gesamthöhe und ein geringe Drehzahl aufweist, der ohne ein Untersetzungsgetriebe verwendet werden kann.
Gemäß der Erfindung wird ein Vier-Takt-Hohlkolbendieselmotor mit einem Hub- Bohrungsverhältnis von mindestens 2,5 bereitgestellt, aufweisend:
einen Zylinder mit einem oberen Bereich und einem unteren Bereich vom gleichen Durchmesser,
einen oberen Kolben, der sich im Inneren des Zylinderbereichs hin- und herbewegen kann und damit eine Verbrennungskammer bildet,
einen unteren Kolben, der von dem oberen Kolben durch einen Raum getrennt ist, und mit diesem verbunden ist, um sich mit ihm hin- und herzubewegen im Inneren des unteren Zylinderbereichs und teilweise des oberen Zylinderbereichs, und wobei die Länge des unteren Kolbens zuzüglich des Raumes zwischen dem oberen und unteren Kolben zumindest gleich der Zylinderbohrung ist,
und eine Pleuelstange, die den unteren Kolben mit der Kurbelwelle verbindet und den unteren Zylinderbereich, der eine Länge aufweist, die im wesentlichen gleich der Länge des unteren Kolbens zuzüglich der Länge des Raumes zwischen dem oberen und unterem Kolben ist, und der Aussparungen aufweist, die axial an diesem auf beiden Seiten gebildet sind, um eine Beeinflussung mit der Pleuelstange zu vermeiden.
Solch ein Motor ist einfach, preiswert und ausgezeichnet im Betrieb bei geringer Belastung, hinsichtlich seiner Lastanpassungsfähigkeit und des Kraftstoffverbrauches. Er kann weiterhin eine geringe Gesamthöhe und eine geringere Drehzahl aufweisen.
Obwohl die Aussparungen die Fläche des unteren Zylinderbereichs vermindern, auf die die seitliche Druckkraft aufgebracht wird, steigt die Kraft pro Flächeneinheit nicht wesentlich, weil die Kraft an dieser Fläche ausgesprochen gering ist. Dies bedeutet eine hohe Betriebssicherheit trotz der gebildeten Aussparungen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen gezeigt, wobei:
Figur 1a eine schematische Teilansicht als Axiaschnitt der Hauptteile eines Motors gemäß einer Ausführungsform ist,
Figur 1b eine Schnittansicht entlang der Linie 1b-1b der Figur 1a ist, Figuren 2 und 3 Ansichten ähnlich der Figur 1a sind, allerdings zeigen sie einige Teile in unterschiedlichen Stellungen,
Figur 4a eine perspektivische Ansicht von Motorteilen ist gemäß einer anderen Ausführungsform,
Figur 4b eine Schnittansicht entlang der Linien 4b-4b der Figur 4a ist,
Figur 5a eine perspektivische Ansicht von Motorteilen gemäß einer weiteren Ausführungsform ist,
Figur 5b eine Draufsicht der in Figur 5a gezeigten Motorteile ist,
Figur 5c eine Schnittansicht entlang der Linie 5c-5c von 5a ist,
Figur 6 ein Diagramm zeigt, das die Beziehung zwischen der Länge der Pleuelstange dividiert durch die Bohrung und dem Hub-Bohrungsverhältnis des Hohlkolbendieselmotors zeigt,
Figur 7 ein Diagramm zeigt, das die Beziehungen zwischen den Motorhöhe- Bohrungsverhältnissen und den Hub-Bohrungsverhältnissen der Dieselmotoren vom Hohlkolbentyp und Kreuzkopftyp sowie der vorliegenden Erfindung beschreibt,
Figur 8 ein Diagramm zeigt, das die Beziehungen zwischen den in Figur 3 gezeigten Verhältnissen der verschiedenen Größen und dem Hub-Bohrungsverhältnis beschreibt,
Figur 9 ein Diagramm zeigt, das die Beziehung zwischen der seitlichen Druckkraft auf den Zylinder und dem Kurbelwinkel in dem Expansionshub des Dieselmotors eines Hohlkolbentyps mit geringer Umdrehungsgeschwindigkeit beschreibt,
Figur 10a eine der Figur 1a ähnliche Ansicht zeigtv die allerdings eine weitere Ausführungsform darstellt,
Figur 10b eine Schnittansicht entlang der Linie 10b-10b der Figur 10a zeigt, Figur 10c eine Schnittansicht entlang der Linie 10c-10c der Figur 10b zeigt, Figur 11 eine Schnittansicht eines konventionellen Zweitakt-Kreuzkopfdieselmotors zeigt,
Figur 12 eine Schnittansicht eines konventionellen Vier-Takt-Hohlkolbendieselmotors zeigt.
Bezugnehmend auf die Figuren 1a, 1b, 2 und 3 umfaßt der Motor einen Zylinder 21, eine Zylinderführung 23, einen oberen Kolben 25, der Kolbenringe 27 und unter diesen Ölabstreifringe (nicht gezeigt) aufweist, sowie einen unteren Kolben 31, der Ölabstreifringe (nicht gezeigt) und unten diesen eine ringförmige Ölnut 33 aufweist.
Der obere Kolben 25 ist an einer Stange 35 befestigt, die sich lose durch den oberen Teil des unteren Kolbens 31 erstreckt und die an einen Kolbenbolzen 39 befestigt ist. Der untere Kolben 31 wird auf dem Bolzen 39 rotierend gehalten, wobei ein Zwischenraum 37 zwischen den Kolben gebildet ist. Der Bolzen 39 ist mit dem kleinen Ende 41 einer Pleuelstange 43 verbunden, deren großes Ende 45 mit einer Kurbelwelle 47 verbunden ist.
Die rotierende Verbindung des unteren Kolbens 31 vermindert den wechselseitigen Deformierungseffekt zwischen den Kolben. Die Stangen- 35 und Raum- 37 Konstruktion vermindert den wechselseitigen Deformierungseffekt aufgrund von thermischen und mechanischen Belastungen zwischen den Kolben 25 und 31.
Um die Höhe zu reduzieren, die für das Entfernen der Kolben bei der Überholung des Motors erforderlich ist, wird die Pleuelstange 43 mit dem Bolzen 39 über einen Flansch 48 verbunden, so daß sie auseinandernehmbar sind.
Der Zylinder 21 und die Führung 23 sind länger als die eines konventionellen Hohlkolben-Dieselmotors von mindestens der Länge X zwischen den Böden der Kolben 25 und 31.
Ein Bodenteil des Zylinders 21 weist dreieckige Aussparungen 49 auf, die in diesem beidseitig geformt sind. Das korrespondierende Bodenteil der Führung 23 weist Schlitze 51 auf, die durch diese hindurch geformt sind, die mit den Aussparungen fluchten und die gleiche Höhe wie diese Aussarungen 49 aufweisen. Die Aussparungen 49 und Schlitze 51 sind gering breiter als die Dicke der Stange 43, die konsequenterweise nicht in den Zylinder 21 und die Führung 23 eingreift, wenn sie sich wie in Figur 2 gezeigt neigt.
In diesen Bodenteilen nimmt die seitliche Druckkraft, die durch den unteren Kolben 31 auf die Führung 23 aufgebracht wird, merklich ab, wenn der Kurbelwinkel sich im wesentlichen von 70 bis 180 Grad (Figur 9) in dem Expansionshub und von 540 bis 650 Grad in dem Kompressionshub bewegt.
Figur 8 zeigt die Verhältnisse zwischen dem Hub-Bohrungsverhältnis S/D und den Verhältnissen der maximalen Tiefe a und der Länge b (Figur 3) der dreieckigen Aussparungen 49 zu der Bohrung D. Die Länge b stimmt mit der Länge X (Figur 2a) überein und annähernd mit der Zylinderbohrung D, wenn das S/D Verhältnis 2,5 ist.
Wie gezeigt in den Figuren 4a und 4b, könnte der Boden der Führung 23 fest mit dem Zylinder 21 durch Halterungen 53 (nur eine gezeigt) verbunden sein, die den Festigkeitsabfall aufgrund des Vorliegens der Schlitze 51 kompensieren.
Jede Halterung 53 weist eine obere Aussparung 55 auf, um einen Abstand zwischen dieser und dem Boden der Führung 23 zu bilden, um sich der Wärmeausdehnung der Führung 23 anzupassen.
Jede Halterung 53 weist Bolzenlöcher 57 auf, die jeweils in einem vergrößerten Bereich 59 enden, der nach außen hin flacher ist zur Bildung einer geneigten Fläche 61, um mit einem abgeschrägten Abdichtungsring 63 in Eingriff zu kommen. Ein Bolzen 65 verläuft durch den Abdichtungsring 63 und die Halterung 53 und ist in den Zylinder 21 eingeschlagen. Weil der Durchmesser des Bolzens 65 kleiner als der des Loches 57 ist, werden die Halterung 53 und die Führung 23 gegen den Zylinder 21 verspannt.
Die Figuren 5a bis 5c zeigen eine andere Form der Halterung, wobei der Zylinder 21 und die Führung 23 korrespondierende Aussparungen 67 und 69 auf beiden Seiten (Figur 5a zeigt nur eine Seite, die Aussparungen aufweist) von jeweils einer dreieckigen Aussparung 49 und Schlitz 51 aufweisen. Eine Halterung 71 ist an dem Zylinder 21 durch Bolzen 73 in den Aussparungen 67 und 69 befestigt, um die Seitenflächen des Schlitzes 51 und der dreieckigen Aussparung 49 in bündiger Fluchtung zu halten.
Die Führungsaussparung 69 ist flacher als die Zylinderaussparung 67. Die Rückseite der Halterung 71 weist drei Stufen 75a-75c auf. Die äußeren Stufen 75a und 75c kommen in Eingriff mit den Aussparungen 67 bzw. 69, wobei sie einen Abstand 77 zwischen der Halterung 71 und dem Zylinder 21 bilden. Durch Befestigung der Bolzen 73 in den Zylinder 21 drückt die Halterung 71 die Führung 23 zusammen, auf diese Weise in Anpassung an die Wärmeausdehnung.
Im Betrieb bewegen sich die Kolben 25 und 31 zusammen von der oberen Totpunktlage im Druckzustand, wie gezeigt in Figur la, durch eine Mittellage in den Expansionszustand, wie gezeigt in Figur 2, zu der unteren Totpunktlage, wie gezeigt in Figur 3.
Wenn die Kolben 25 und 31 sich hin- und herbewegen, wobei sich ihre Hübe teilweise überlagern, werden der Zylinder 21 und die Führung 23 verkürzt unter Berücksichtigung der Hübe. Wie gezeigt in Figur 2, bewahren die dreieckigen Zylinderaussparungen 49 und die Führungsschlitze 51 die Stange 43 vor der Berührung mit dem Zylinder und der Führung, selbst wenn die Stange 43 verkürzt ist und deren Neigungswinkel zur Zylinderachse vergrößert wird.
Als Ergebnis, wie gezeigt in Figur 7, selbst wenn ein langer Hub verwendet wird, ist es möglich, die Gesamtmotorhöhe zu verkleinern und auf diese Weise einen Langhub- Dieselmotor (S/D-Verhältnis von etwa 4) bereitzustellen, ohne die den bisherigen Hubkolben-Dieselmotoren anhaftenden Merkmale zu verlieren.
Selbst wenn die Kolbenringe 27 auf dem oberen Kolben beschädigt sind und etwas von dem Verbrennungsgas aus der Verbrennungskammer austritt, wird das austretende Gas zuerst in den Raum 37 zwischen den Kolben eintreten und sich ausdehnen, bevor es in das Kurbelgehäuse eintritt. Dies verhindert die zufällige Explosion des Motors durch die dadurch ausgestoßene Flamme, wie es in der Vergangenheit passiert ist.
Der obere Kolben 25 wird durch eine Zylinderschmiervorrichtung (nicht gezeigt) geschmiert. Etwas von dem Öl, das über eine Bohrung (nicht gezeigt) in der Stange 43 zum Kühlen (Schmieren) des oberen Kolbens 25 geführt wird, wird durch die Ölnut 33 in dem unteren Kolben 31 geleitet, so daß die zylindrische Seite des unteren Kolbens 31 geschmiert wird.
Da das Öl, das den unteren Kolben 31 schmiert, durch die Ölabstreifringe auf dem unteren Kolben und dem Raum 37 und auch durch die Ölabstreifringe auf dem oberen Kolben davor bewahrt wird, in die Verbrennungskammer aufzusteigen, selbst wenn eine ausreichende Schmierung des unteren Kolbens vorhanden ist, gibt es keine Möglichkeit von übermäßigem Schmierölverbrauch, der dabei auftritt.
Die Figuren 10a bis 10c zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei die Zylinderführung 123 kein Bodenteil aufweist, das mit dem mit Schlitzen 52 in den Figuren 1 bis 3a übereinstimmt. Der Führungsteil ist ersetzt durch eine reduzierte Bohrung 79 des Zylinders 121, in dem dreieckige Aussparungen 149 gebildet sind.

Claims

1. Vier-Takt-Hohlkolbendieselmotor mit einem Hub-Bohrungsverhältnis von mindestens 2,5V aufweisend:

einen Zylinder (21) mit einem oberen Bereich und einem unteren Bereich vom gleichen Durchmesser,

einen oberen Kolben (25), der sich im Inneren des Zylinderbereichs hin- und herbewegen kann und damit eine Verbrennungskammer bildet,

einen unteren Kolben (31), der von dem oberen Kolben (25) durch einen Raum (37) getrennt ist, und mit diesem verbunden ist, um sich mit ihm hin- und herzubewegen im Inneren des unteren Zylinderbereichs und teilweise des oberen Zylinderbereichs, und wobei die Länge des unteren Kolbens zuzüglich des Raumes (37) zwischen dem oberen und unteren Kolben (25, 31) zumindest gleich der Zylinderbohrung ist,

und eine Pleuelstange (43), die den unteren Kolben (31) mit der Kurbelwelle (47) verbindet und

den unteren Zylinderbereich, der eine Länge aufweist, die im wesentlichen gleich der Länge des unteren Kolbens zuzüglich der Länge des Raumes (37) zwischen dem oberen und unterem Kolben (25, 31) ist, und der Aussparungen (49) aufweist, die axial an diesem auf beiden Seiten gebildet sind, um eine Beeinflussung mit der Pleuelstange (43) zu vermeiden.

2. Motor nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend eine Führung (23) im Inneren des Zylinders (21), wobei die Führung (23) Schlitze aufweist, die mit den Zylinderaussparungen (49) ausgerichtet sind.

3. Motor nach Anspruch 2, weiterhin aufweisend eine Halterung (53), die mit den Böden des Zylinders (21) und der Führung (23) in Eingriff kommt, um sie zusammenzuhalten.

4. Motor nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend eine Führung im Inneren des oberen Zylinderbereichs und bündig mit dem unteren Zylinderbereich.