DE19900386C1

DE19900386C1 - Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE19900386C1
Application number: DE19900386A
Authority: DE
Inventors: Lech Moczulski; Fogh Jesper Weis
Original assignee: MAN B&W Diesel AS
Current assignee: MAN B&W Diesel AS
Priority date: 1999-01-08
Filing date: 1999-01-08
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2019-01-09
Also published as: NO20013177L; CN1116510C; KR100411867B1; JP2002534635A; WO2000040850A1; KR20010089772A; GB0115516D0; AU2100800A; PL349134A1; CN1333859A; JP3636664B2; GB2361982A; NO20013177D0; GB2361982B

Abstract

Bei einer Hubkolbenmaschine mit wenigstens einem Zylinder, dessen Zylinderbüchse (2) im Bereich ihrer dem zugeordneten Kolben (6) zugewandten Lauffläche (4) mit wenigstens einer Nut (9) zur Bildung einer Öltasche (8) versehen ist, lassen sich dadurch eine besonders schonende Betriebsweise und dementsprechend eine besonders lange Lebensdauer der Zylinderbüchse (2) erreichen, dass der Nut (9) deren Tiefe zumindest der maximalen Verschleißdicke der Zylinderbüchse (2) entspricht, eine Füllung (10) zugeordnet ist und dass das die Füllung (10) der Nut (9) bildende Material eine geringere Verschleißfestigkeit als das Grundmaterial der Zylinderbüchse (2) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere einen Zweitakt-Großdieselmotor, mit wenigstens einem Zylinder, dessen Zylinderbüchse im Bereich ihrer dem zugeordneten Kolben zugewandten Lauffläche mit wenigstens einer Nut zur Bildung einer Öltasche versehen ist.

Eine Hubkolbenbrennkraftmaschine dieser Art ist aus der GB 1473058 bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung entspricht der Querschnitt der Öltasche bzw. Öltaschen dem Querschnitt der jeweils zugeordneten, in die Zylinderbüchse eingeschnittenen Nut. Die Tiefe der Nuten nimmt mit zunehmendem Verschleiß der Zylinderbüchse ab. Im selben Maße nimmt bei der bekannten Anordnung auch die Tiefe der durch die Nuten selbst gebildeten Öltaschen ab. Es ergeben sich daher mit zunehmender Lebensdauer sich verschlechternde Verhältnisse. Ein weiterer, ganz besonderer Nachteil der bekannten Anordnung ist aber darin zu sehen, dass durch eventuelle Wärmekorrosion etc. aus der Zylinderbüchse ausgebrochene Materialpartikel in den Nuten der bekannten Anordnung nicht fixiert werden können. Es besteht daher die Gefahr, dass diese Materialpartikel zwischen Zylinderbüchse und Kolben gelangen und dort zermahlen bzw. zerquetscht werden, was zu Beschädigungen und zu einer starken lokalen Erwärmung und damit zu einer Beschleunigung von Wärmekorrosion und/oder Fressen führen kann. Die bekannte Anordnung erweist sich daher als nicht betriebssicher genug.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die gattungsgemäße Anordnung unter Vermeidung der geschilderten Nachteile mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, dass über eine lange Zeit eine hohe Betriebssicherheit erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Nut, deren Tiefe zumindest der maximalen Verschleißdicke der Zylinderbüchse entspricht, eine Füllung zugeordnet ist und dass das die Füllung der Nut bildende Material eine geringere Verschleißfestigkeit als das Grundmaterial der Zylinderbüchse aufweist.

Im Neuzustand kann die Nut durch die zugeordnete Füllung ganz geschlossen sein. Es ergibt sich daher eine glatte, unprofilierte Oberfläche, die einfach bearbeitet werden kann. Bereits während der Einlaufphase bildet sich aber in Folge des schnelleren Verschleißes des Füllmaterials gegenüber dem Grundmaterial die gewünschte Öltasche, deren Tiefe aber kleiner als die Tiefe der Nut ist und mit zunehmendem Verschleiß der Zylinderbüchse in einem davon abhängigen Umfang fortschreitet. Trotz abnehmender Tiefe der Nut ergeben sich daher über einen langen Zeitraum hinweg bezüglich des Querschnitts der Öltasche weitgehend ausgeglichene Verhältnisse, was über einen langen Zeitraum hinweg eine zuverlässige Schmierung im zugeordneten Bereich der Zylinderbüchse gewährleistet und damit Wärmekorrosion und Fressen zuverlässig vermeidet. Die Tiefe der sich bildenden Öltasche bzw. -taschen korreliert mit der Stärke des Verschleißes. Je stärker der Verschleiß ist, desto tiefer sind die Öltaschen und dementsprechend desto intensiver ist die Schmierung und umgekehrt. Es ergibt daher praktisch eine Art Selbstregelung. Es ist daher auch möglich, den spezifischen Ölverbrauch zu reduzieren. Ein weiterer, ganz besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist aber darin zu sehen, dass in Folge eines nicht vermeidbaren Verschleißes aus der Zylinderbüchse ausbrechende Materialpartikel in das vergleichsweise weiche Füllungsmaterial hineingedrückt und so fixiert werden können. Durch die mit einer Füllung versehene Nut wird daher die freie Bewegung dieser Materialpartikel gestoppt. Die erfindungsgemäße mit einer Füllung versehene Nut fungiert dementsprechend auch als höchst wirksame Stoppnut. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird somit auch solchen Beschädigungen und Störungen wirksam vorgebeugt, die durch aus der Zylinderbüchse ausgebrochene Materialpartikel verursacht werden können, beispielsweise Materialverschweißungen bzw. - anbackungen, die zu einer Beschleunigung von Wärmekorossion und Fressen führen würden. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird daher in vorteilhafter Weise eine lange Lebensdauer gewährleistet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So kann das die Füllung der Nut bildende Material zweckmäßig eine stärkere Wärmeausdehung als das Grundmaterial der Zylinderbüchse aufweisen. Hierdurch wird erreicht, dass sich die Füllung im Falle einer Überhitzung schneller ausdehnt als das Grundmaterial, wodurch der Kolben stabilisiert und damit ein sogenanntes. Fressen verhindert werden können. Dieser Vorteil wird noch verstärkt, wenn das Füllungsmaterial in vorteilhafter Weise auch Trockenschmiereigenschaften aufweist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der übergeordneten Maßnahmen kann die Füllung der Nut zumindest teilweise aus Aluminium und/oder Aluminiumbronze und/oder Graphit bestehen, wobei vorzugsweise eine Aluminiumbronze mit 9-11% Al, 0,5-2% Fe und Rest Cu Verwendung finden kann. Ein Material dieser Art besitzt die oben erwähnten, erwünschten Eigenschaften in hervorragendem Maße. Es wäre aber auch denkbar, z. B. eine Graphit-Legierung mit vorzugsweise 15-25% Graphit und 75- 85% Aluminiumbronze zu verwenden. Auch dieses Material besitzt die erwünschten Eigenschaften in hohem Maße.

Vorteilhaft kann wenigstens eine schraubenförmige Nut vorgesehen sein. Hierbei ergeben sich eine besonders gute Verteilung sowie ein besonders guter Transport des Öls über einen größeren Bereich der Zylinderbüchse und damit eine besonders hohe Zuverlässigkeit.

Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der übergeordneten Maßnahmen kann die Füllung je nach Eignung der Verwendung findenden Materialien als Schweiß- oder Spritzauftrag ausgebildet sein. Dies gewährleistet auf einfache Weise eine porenfreie Füllung mit zuverlässiger Haftung am Grundmaterial.

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

In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Zylinder eines Zweitakt-Großdieselmotors, teilweise im Schnitt,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines mit einer erfindungsgemäßen Nut versehenen Bereichs der Lauffläche der Zylinderbüchse,

Fig. 3 eine Variante bezüglich des Nutquerschnitts und

Fig. 4 eine weitere Variante bezüglich des Nutquerschnitts.

Die vorliegende Erfindung findet Anwendung bei Hubkolbenmaschinen, insbesondere Hubkolbenbrenn kraftmaschinen, vorzugsweise in Form von langsam laufenden Zweitakt-Grossdieselmotoren. Der Aufbau und die Wirkungsweise derartiger Anordnungen sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr.

Der in Fig. 1 dargestellte Zylinder eines Zweitakt- Großdieselmotors enthält eine mit Einlaßschlitzen 1 versehene Zylinderbüchse 2, auf die ein hier eine nicht näher dargestellte Auslaßanordnung enthaltender Zylinderkopf 3 aufgesetzt ist. Die Innenseite der Zylinderbüchse 2 ist als Lauffläche 4 ausgebildet, mit der ein mit umfangsseitigen Kolbenringen 5 versehener, auf- und abgehender Kolben 6 zusammenwirkt. Die Lauffläche 4 wird über Schmierölzuleitungen 7 mit Schmieröl versorgt.

Zur Erzielung einer guten Verteilung des Schmieröls und insbesondere einer guten Schmierölversorgung von Bereichen, in denen erfahrungsgemäß die Schmierölversorgung mangelhaft ist, beispielsweise des oberen Bereichs der Lauffläche 4, ist diese mit geeigneten, in Fig. 1 lediglich angedeuteten Öltaschen 8 versehen.

Hierzu ist, wie am besten aus Fig. 2 erkennbar ist, im Bereich der Lauffläche 4 wenigstens eine eingeschnittene Nut 9 vorgesehen, in der eine zugeordnete Öltasche 8 ausgebildet ist. Die Nut 9 enthält eine Füllung 10, die aus einem Material besteht, dessen Verschleißfestigkeit geringer als die Verschleißfestigkeit des der Zylinderbüchse zugrunde liegenden Grundmaterials ist. Die Zylinderbüchse besteht normalerweise aus Gußstahl. Zur Bildung der Füllung 10 kann vorteilhaft eine Aluminiumbronze Verwendung finden. Diese soll, wie Versuche gezeigt haben, zumindest 2-20%, vorzugsweise 9-11% Al, 0,5-8%, vorzugsweise 0,5-2% Fe und einen Cu-Rest enthalten. Die spezielle Zusammensetzung richtet sich nach den Gegebenheiten des Einzelfalls. Dabei gilt, je höher der Fe-Anteil ist, desto größer ist die Härte des Materials. Bei einer Zylinderbüchse eines Zweitakt-Großdieselmotors wurden mit einer Aluminiumbronze mit folgenden Bestandteilen gute Ergebnisse erzielt:
2-20%, vorzugsweise 9-11% Al,
0,5-8%, vorzugsweise 0,5-2% Fe,
0,1-8% Mn, 0,1-2% Si, 0,1-1% Ni,
0,1-2% C, zumindest eine der Komponenten Sb, Co, Be, Cr, Sn, Cd, Zn, Pb mit jeweils höchstens 5-20% und Rest Cu.

Es wäre aber auch denkbar, eine Graphit-Legierung wie Nickel- Graphit oder Silizium-Graphit oder Aluminium-Graphit oder Aluminiumbronze-Graphit mit jeweils 5-60%, vorzugsweise 15- 25% Graphit und einem Anteil von 40-95%, vorzugsweise 75- 85% der jeweils anderen Komponente zu verwenden. Mit einer Aluminiumbronze-Graphit-Legierung können besonders gute Eigenschaften gegen Korrosion und Fressen erreicht werden. Die Zusammensetzung der Aluminiumbronze kann dabei der oben erwähnten Zusammensetzung entsprechen.

Die Füllung 10 kann vorteilhaft als im Laser-Spritzverfahren oder Lichtbogen-Spritzverfahren, wie Plasma-Spritzverfahren, aufge brachter Spritzauftrag in die vorher hergestellte Nut 9 eingebracht werden. Selbstverständlich kann die Füllung 10 der Nut 9 auch als Schweißauftrag hergestellt werden. Hierfür eignet sich besonders eine Aluminiumbronze mit 9-11% Al, 1-3% Fe, 4-6% Ni, 1- 2% Mn und Rest Cu.

Die Füllung der Nut 9 erfolgt dabei zweckmäßig bis auf das Niveau der Lauffläche 4. Anschließend kann die Lauffläche 4 durchgehend bearbeitet, beispielsweise gehont werden. Auf Grund der gegenüber dem Grundmaterial der Zylinderbüchse 2 geringeren Verschleißfestigkeit des die Füllung 10 bildenden Materials ist der Verschleiß der Füllung 10 bereits während der Einlaufphase höher als der Verschleiß der Zylinderbüchse 2. Das abgetragene Material wird durch das Schmieröl weggeschwemmt. Es ergibt sich daher die gewünschte Öltasche 8, die während der gesamten Lebensdauer der Zylinderbüchse 2 erhalten bleibt.

Die in Fig. 2 bei d angedeutete Tiefe der Nut 9 entspricht daher zumindest der Verschleißdicke der Zylinderbüchse 2 und ist vorzugsweise etwas größer. Da diese tiefe Nut 9 jedoch mit der Füllung 10 versehen ist, die in Abhängigkeit vom Verschleiß der Zylinderbüchse 2 ebenfalls verschleißt, wobei lediglich ein etwas schnellerer Verschleiß erfolgt, ergeben sich über die ganze Lebensdauer der Zylinderbüchse 2 hinweg weitgehend ausgeglichene, vom Querschnitt der Nut 9 selbst abweichende Querschnittskonfigurationen der Öltasche 8.

Zur Bildung der Füllung 10 kann vorteilhaft ein Material Verwendung finden, das die Eigenschaft besitzt, dass es sich bei Erwärmung stärker ausdehnt als das der Zylinderbüchse zugrunde liegende Grundmaterial. Das oben vorgeschlagene Material besitzt diese Eigenschaft. Im Falle einer lokalen Überhitzung dehnt sich daher die Füllung 10 stärker aus, als das der Zylinderbüchse 2 zugrunde liegende Grundmaterial, wodurch der Kolben 6 stabilisiert werden kann, wie in Fig. 2 durch eine unterbrochen gezeichnete Dehnungslinie 11 angedeutet ist. Das oben für die Füllung 10 vorgeschlagene Material besitzt auch gute Trockenschmiereigenschaften, was insbesondere im Falle einer Überhitzung vorteilhaft zum Tragen kommt. Es wäre aber auch denkbar, in das Füllungsmaterial ein zusätzliches Material mit guten Trockenschmiereigenschaften zu integrieren bzw. einzubetten.

Es können eine oder mehrere Nuten 9 vorgesehen sein. Diese sind zweckmäßig dort angeordnet, wo nach der bisherigen Erfahrung die Gefahr einer ungenügenden Schmierung und dementsprechend die Gefahr von Wärmekorrosion etc. groß ist. Dies ist vor allem im oberen Bereich der Lauffläche 4 der Fall. In Fig. 1 ist in dem vom ersten und zweiten Kolbenring 5 in der oberen Totpunktstellung des Kolbens 6 begrenzten Bereich der Lauffläche 4 eine umlaufende Nut mit entsprechender Öltasche 8 vorgesehen. Eine weitere Nut mit zugeordneter Öltasche 8 ist im Bereich unterhalb des untersten Kolbenrings 5 vorgesehen. Im dargestellten Beispiel sind noch weitere, noch tiefer angeordnete Öltaschen 8 angedeutet.

Die den Öltaschen 8 zugrunde liegenden Nuten 9 können als umlaufende Radialnuten ausgebildet sein. Zusätzlich oder alternativ hierzu können aber auch eine oder mehrere, schraubenförmig verlaufende Nuten 9 mit zugeordneter Öltasche 8 vorgesehen sein. Diese können sich über einen Bereich oder über die ganze Länge der Lauffläche 4 erstrecken.

Der Fig. 2 liegt eine schraubenförmig verlaufende Nut 9 zugrunde. Die bei P angedeutete Steigung dieser Nut 9 kann 1,5%- 20% des Durchmessers D der Lauffläche 4 betragen. Die Steigung P kann über der ganzen Nutlänge konstant sein. Es wäre aber auch eine variable Steigung denkbar, um in besonders gefährdeten Bereichen eine größere Öltaschendichte zu bekommen als in weniger gefährdeten Bereichen. Die oben schon erwähnte Tiefe d der Nut 9 liegt zweckmäßig im Bereich zwischen 0,1%-0,4% des Durchmessers D. Die Ausgangsbreite w beträgt zweckmäßig 1%- 2% des Durchmessers D.

In den dargestellten Beispielen besitzt die Nut 9 einen ausgehend von der Ausgangsbreite w nach innen sich verengenden Querschnitt. Damit wird dem Rechnung getragen, dass die Verschleißgeschwindigkeit mit zunehmender Lebensdauer zunimmt. In Fig. 2 besitzt die Nut 9 einen etwa u-förmigen Querschnitt mit gegenüber dem Nutboden geneigten Flanken. Der bei α angedeutete Neigungswinkel der Flanken kann im Bereich zwischen 30°-60° liegen. Die Übergänge zwischen dem Nutboden und den Nutflanken sind zweckmäßig abgerundet, wie durch einen Radiuspfeil angedeutet ist.

Die obigen Bemessungsangaben gelten auch für die weiteren, den Fig. 3 und 4 zugrunde liegenden Varianten. Die Fig. 3 zeigt eine v-Förmige Nut 9 mit zugeordneter, die Öltasche 8 enthaltender Füllung 10. Die der Fig. 4 zugrunde liegende Nut 9 besitzt einen kreissegmentförmigen Querschnitt. Auch hierbei ergeben sich ein nach innen sich verengender Querschnitt und dementsprechend eine nach innen abnehmende Breite der Füllung 10 und der hierin ausgebildeten Öltasche 8.

Claims

1. Hubkolbenmaschine, insbesondere Zweitakt-Groß dieselmotor, mit wenigstens einem Zylinder, dessen Zylinderbüchse (2) im Bereich ihrer dem zugeordneten Kolben (6) zugewandten Lauffläche (4) mit wenigstens einer Nut (9) zur Bildung einer Öltasche (8) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Nut (9), deren Tiefe zumindest der maximalen Verschleißdicke der Zylinderbüchse (2) entspricht, eine Füllung (10) zugeordnet ist und dass das die Füllung (10) der Nut (9) bildende Material eine geringere Verschleißfestigkeit als das Grundmaterial der Zylinderbüchse (2) aufweist.

2. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die Füllung (10) der Nut (9) bildende Material eine stärkere Wärmedehnung als das der Zylinderbüchse (2) zugrunde liegende Material aufweist.

3. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Füllung (10) der Nut (9) bildende Material Trockenschmiereigenschaften aufweist.

4. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Füllung (10) der Nut (9) bildende Material zumindest teilweise aus Aluminium und/oder Aluminiumbronze und oder Graphit besteht.

5. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bildung der Füllung (10) der Nut (9) verwendete Aluminiumbronze zumindest Aluminium, Eisen und Kupfer enthält.

6. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bildung der Füllung (10) der Nut (9) verwendete Aluminiumbronze zumindest folgende Legierungsbestandteile enthält:
2-20%, vorzugsweise 9-11% Al
0,5-8%, vorzugsweise 0,5-2% Fe
und einen Rest Cu.

7. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bildung der Füllung (10) der Nut (9) verwendete Aluminiumbronze folgende Legierungsbestandteile aufweist:
2-20%, vorzugsweise 9-11% Al,
0,5-8%, vorzugsweise 0,5-2% Fe,
0,1-8% Mn, 0,1-2% Si, 0,1-1% Ni
0,1-2% C, zumindest eine der Komponenten Sb, Co, Be, Cr, Sn, Cd, Zn, Pb mit jeweils höchstens 5-20% und Rest Cu.

8. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, dass das die Füllung (10) der Nut (9) bildende Material 5-60%, vorzugsweise 15-25% Graphit und 40-95%, vorzugsweise 75-85% Aluminium und/oder Aluminiumbronze und/oder Nickel und/oder Silizium enthält.

9. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine schraubenförmige Nut (9) vorgesehen ist.

10. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im oberen Bereich der Zylinderbüchse (4) wenigstens eine Nut (9) vorgesehen ist.

11. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in dem vom ersten und zweiten Kolbenring (5) in der oberen Totpunktstellung des Kolbens (6) begrenzten Bereich der Lauffläche (4) wenigstens eine Nut (9) vorgesehen ist.

12. Hubekolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich unterhalb des untersten Kolbenrings (5) in der oberen Totpunktstellung des Kolbens (6) wenigstens eine Nut (9) vorgesehen ist.

13. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Nut (9) über die Führungslänge der Lauffläche (4) durchgeht.

14. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung einer schraubenförmigen Nut (9) 1,5%-20% des Durchmessers der Lauffläche (4) beträgt.

15. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Nut (9) 0,1%-0,4% des Durchmessers der Lauffläche (4) beträgt.

16. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsbreite der Nut (9) 1%-2% des Durchmessers der Lauffläche (4) beträgt.

17. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (9) einen nach innen sich verjüngenden Querschnitt aufweist.

18. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (10) der Nut (9) als Schweiß- oder Spritzauftrag ausgebildet ist.