气缸装置和用于气缸装置的缸套的限制元件
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种用于直流扫气往复
活塞式
内燃机的气缸装置，所述气缸装置特别用于低速运行的单向扫气大型二冲程柴油机，所述气缸装置包括具有燃烧空间区域和入口区域的缸套，活塞以能够在
上止点和
下止点之间沿着气缸轴线来回运动的方式安装在所述缸套中，并且具有扫气开口的扫气入口设置在所述缸套处、位于所述缸套的所述入口区域中，从而扫气能够从接收空间经由所述扫气开口被引入到所述缸套的所述燃烧空间区域内。本发明还涉及一种用于上述气缸装置的缸套的限制元件。
背景技术
[0002] 大型柴油机经常用作用于
船舶的驱动单元，或者还用在静止操作中，例如用来驱动大型发
电机以产生
电能。在这方面，
发动机一般来说在相当长的时期上都处于永久操作运行，这对操作安全性和可用性都提出较高要求。特别是长的维修间隔、低磨损以及
燃料和操作材料的经济处理(还具体地是
润滑剂消耗)对于操作员来说都是机器操作的核心标准。
[0003] 如本领域技术人员所公知的，在已知的直流扫气二冲程发动机中，经常也被称为扫气的新鲜空气通常经由通常采取扫气狭缝形式的扫气开口在气缸的下端处引入气缸的燃烧空间内，而活塞接近下止点
定位并释放路径以使新鲜空气进入燃烧空间。也就是说，在实践中，新鲜空气是通过
涡轮增压器以预定压
力吹送到气缸内的。这特别地适用于作为十字头型发动机并具有由活塞控制的扫气狭缝的所有商用大型二冲程柴油机。这意味着上部活塞边缘控制扫气狭缝的打开和关闭。新鲜空气可以通过扫气狭缝进入气缸内。
[0004] 在这方面，如对本领域技术人员本身公知的，例如每个燃烧循环经由扫气狭缝供应到
往复活塞式内燃机的缸套的燃烧空间内的扫气的数量对于内燃机的许多不同过程或操作参数(诸如发动机功率、燃料消耗、燃烧
温度、燃烧压力、排气的化学组成(即特别是排气中的特别有害部分(诸如不同氮化物部分)的组成和数量)以及许多其他操作参数)都具有决定性影响。
[0005] 出于多种多样的原因，例如出于经济性原因或出于环境保护原因，越来越有必要和需要针对例如由消费者(也就是轮船或
发电厂的操作员)预定的特定条件来更灵活地
修改发动机。例如，或者还为了能够遵守变得越来越严格的诸如环境保护规程之类的法定规章，或者为了在操作中节省燃料或其他操作消耗品。出于显而易见的原因，进一步期望的是能够使用同一种类型的缸套用于应该被构造成用于不同操作状态(例如，用于不同功率)的发动机，使得例如对于将被构造成相对较小功率的发动机，可以使用相同类型的缸套用于应该具有更高功率的不同发动机。之前，在这种情况下或类似情况下，必须提供各自不同类型的缸套，从经济
角度来看这自然不是令人满意的，并且效率低下。另外，在之前只有通过非常复杂和/或昂贵的手段才可以以灵活方式将已经操作的发动机改造成不同操作状态或操作参数，例如，将现有的发动机从高功率改造成低功率，以便例如节省燃料、遵守法律规定的新的环境标准或出于对本领域技术员来说公知的其他原因。
发明内容
[0006] 因此，本发明的目的是提供一种用于直流扫气往复活塞式内燃机(特别是用于低速运行的大型二冲程柴油机)的新颖气缸装置，通过该气缸装置，能够解决从
现有技术知道的问题，并且通过该气缸装置，特别地可以针对不同要求或操作状态，特别地针对不同功率，简单地以有效方式修改同一种类型的缸套，或者以灵活方式改造已经操作的发动机。
[0007] 满足这些目的的本发明的主题的特征在于：限制元件被设置并且构造在所述扫气入口处，从而所述扫气开口的流动横截面能够被减少到预定值，使得从所述接收空间经由所述扫气入口进入所述缸套的扫气的气体流能够被限制到预定限值；以及用于本发明的气缸装置的缸套的限制元件。
[0008] 因此，本发明涉及一种用于直流扫气往复活塞式内燃机的气缸装置，所述气缸装置特别用于低速运行的直流扫气大型二冲程柴油机，所述气缸装置包括具有燃烧空间区域和入口区域的缸套，活塞以能够在上止点和下止点之间沿着气缸轴线来回运动的方式被安装在所述缸套中。具有扫气开口的扫气入口设置在所述缸套处、位于所述缸套的入口区域中，从而扫气能够从接收空间经由所述扫气开口北引入到所述缸套的所述燃烧空间区域内。根据本发明，限制元件被设置并且构造在所述扫气入口处，从而所述扫气开口的流动横截面能够被减少到预定值，使得从所述接收空间经由所述扫气入口进入所述缸套的扫气的气体流能够被限制到预定限值。
[0009] 即使在扫气进入口处使用根据本发明的限制元件时(然而，所述限制元件特别优选地能够以成型件的形式设置在例如扫气狭缝中)，如从现有技术中本身已知的，新鲜空气也能够在扫气循环中流入到气缸的燃烧空间中，但是在本发明中，通过适当地选择所述限制元件的尺寸或通过适当地选择所述限制元件在所述扫气入口的扫气开口处的布置，完全灵活地减少一个、多个或全部扫气开口的流动横截面，使得能够按照期望地将从所述接收空间进入所述缸套的扫气的气流限制到基本预定值。
[0010] 因而，通过使用根据本发明的限制元件，第一次可以灵活地针对任何要求以非常简单的方式修改每个燃烧循环经由扫气狭缝供应到例如往复活塞式内燃机的缸套的燃烧空间内的扫气的数量。特别地，第一次能够通过在操作状态下待供应的扫气的数量以非常简单方式直接设置内燃机的期望操作参数。例如，可以实现发动机的特定功率或减少燃料消耗，设置燃烧温度或燃烧压力，调节排气的化学组成，也就是说，特别是还可以影响排气中的特别有害部分的组成和/或数量，诸如不同氮
氧化物的部分，以及由于多种不同原因而必须修改的许多其他操作参数。
[0011] 因而，可以通过修改发动机而以非常廉价且简单的方式响应这种发动机的操作员的特定要求和愿望以及还有快速改变的要求和愿望。另外，可以简单地遵守变得越来越严格的法规，诸如环境保护规则，或者可以对新的、通常更严格的规则简单地做出反应。或者，可以简单地、灵活地和可靠地修改发动机，例如为了在操作中节省燃料或其他消耗品，并且/或者为了针对不同的主操作状态来修改发动机。例如，发动机可以通过本发明而被简单地改造，使其能够基本理想地操作，例如仅以部分
载荷操作的方式而不再以全载荷操作的方式进行操作，这在船舶应该仅以限制速度航行以例如节省燃料时尤其具有较大优点。
[0012] 另外，通过使用根据本发明的限制元件，可以使用同一种类型的缸套用于应该被构造成用于不同操作状态(例如，用于不同功率)的发动机，使得例如对于将被构造成用于相对较小功率的发动机来说，对于应该具有更高功率的不同发动机来说可以使用相同类型的缸套。因此，不必再提供不同类型的缸套，从经济方法来看这当然是一个巨大的优点，并且这不仅导致缸套制造中相应的成本下降，而且还简化了维护并降低了保持可用的备用零件的种类。
[0013] 另外，现在第一次可以灵活地将已经操作的发动机改造成不同操作状态或操作参数，而无需任何复杂和/或昂贵的措施。例如，将现有的发动机从高功率改造成低功率，以例如节省燃料，遵守法律规定的新的环境标准，或者出于本领域技术人员所公知的其他原因而对发动机进行改造。在非常特定的情况下，甚至可以在发动机操作中通过适当的调节元件来改变根据本发明的限制元件，从而在发动机操作过程中甚至能够设置或修改每个燃烧循环供应的扫气的量，使得发动机能够总是在理想条件下操作。
[0014] 在这方面，还可以将适当的
传感器特别地设置在所述缸套处或所述缸套中或扫气源处或扫气狭缝附近或限制元件本身中，使得特别是根据由传感器确定的温度或根据由传感器确定的压力或例如根据由传感器确定的润滑剂的氮化
硼(BN)值而按照需要以可调节和/或可控的方式调节扫气狭缝的流动横截面。
[0015] 另外，
喷嘴或其他计量装置可以设置在所述扫气狭缝处，并且优选仅在需要时启动，例如仅在低载荷时或在活塞磨损时或在向更高载荷变化的快速载荷变化时或出现
腐蚀征兆时启动。这些喷嘴或计量装置可以例如向扫气内喷洒润滑剂或具有清洁作用的液体，以例如清洁活塞
冠部。
[0016] 在这方面，被构造成填隙片的限制元件能够还被特别地构造成使得它们能够经由扫气狭缝中的运行表面而容易地突出到所述缸套内，并且因而能够在上行冲程中清洁活塞冠部。为此，这种限制元件必须被构造成填隙片，从而使得
活塞环能够没有损坏地在填隙片上运行，并且能够可选地将它们优选径向向外地推开。它们有利地具有用于该目的的圆锥形入口。这些填隙片特别优选地在操作状态下以快速移动方式布置在所述扫气狭缝中，从而使得它们只在上行冲程中或只在下行冲程中才例如越过运行表面突出到所述缸套内。
[0017] 所述填隙片还可以根据可预定计划在周边上以分布方式改变高度。因而可以在周向方向上形成一种螺旋，由此可以产生非常特别的扫气作用，例如，扫气在所述缸套内更好地形成涡旋。
[0018] 优选地但不是必须地，与传统缸套相比，可以增加所述扫气开口的横截面(即特别为所述扫气开口的高度和/或宽度)(该横截面因而为最大流动横截面)，使得可有更大的范围来设置将被引入到所述缸套内的扫气的数量。
[0019] 在根据本发明的气缸装置的一个特别优选的实施方式中，所述限制元件被构造成成型件，并且以可更换的方式设置在所述缸套的扫气入口的扫气开口中。由此可以将所述扫气开口的有效流动横截面设置为几乎任何期望尺寸。
[0020] 为了不损害活塞在气缸运行表面处的运行并因而不在该运行表面、扫气开口或活塞处发生损坏，所述成型件的面对所述气缸轴线的内侧形成了所述缸套的气缸运行表面的组成部分。这意味着所述成型件的内侧被构造成使该内侧基本无缝地融合到所述缸套的实际气缸运行表面中，而不会对活塞运行行为造成实际负面影响。
[0021] 优选以本身公知方式在所述成型件处和在所述扫气开口处设置对应的几何手段，使得所述成型件能够确认无疑地被更换，但是还可以被可靠地固定。因而，凹槽可以例如设置在所述成型件处或所述缸套或扫气入口处或所述扫气开口处，使得所述限制元件特别是所述成型件能够被可靠地锚固在所述缸套处。在另一个
实施例中，所述限制元件还可以在外侧拧到所述缸套处，或者可以通过本领域技术人员本身公知的任何其他手段固定至所述缸套，以限制所述扫气开口的流动横截面。
[0022] 在这方面，本发明的成型件可以被构造并且可以设置在所述扫气入口处，从而所述成型件同时限制所述扫气入口的至少两个、多于两个或全部的扫气开口处的所述流动横截面。
[0023] 还可以附加地调节扫气的数量，因为在至少一个扫气开口处没有设置限制元件，并且所述限制元件有利地能够关于所述缸套的周边方向设置在所述扫气入口的所述扫气开口处。在所述周边方向上直接相邻的所有限制元件之间还可以存在数量分别相等的没有设置任何限制元件的扫气开口。
[0024] 这样的类似手段不仅用来设置或限制每个燃烧循环将被引入到燃烧空间内的扫气的数量，而且进入所述缸套内时扫气的流动形状也可以有利地仅受到单个扫气开口处而不是全部扫气开口处的限制元件的具体布置的影响，使得例如能够优化缸套中的燃烧气体的冲刷或扫气的分布。
[0025] 在本发明的另一个实施方式中，所述限制元件还可以在所述缸套处的外侧在所述入口区域处作为限制环以
覆盖方式布置在所述扫气入口的预定区域上，使得同时至少部分地覆盖预定数量的扫气开口的流动横截面。在这方面，所述限制元件可以是完整环，从而由所述限制环将预定区域中的所有扫气开口覆盖。然而，该环也可以具有用于特定扫气开口的切口，使得一些扫气开口根本没有被覆盖或只在较小区域中被覆盖，从而在不同的扫气开口处扫气的流量可能是不同的量。
[0026] 在缸套处附装到外侧的限制环并非确认无疑地可以在所有情况下都有利地使用，因为由于在具有这种限制环的情况下限制环的内侧并没有无缝结合至实际的气缸运行表面，所以活塞运行行为可能受到消极影响。然而，在特定情况下，这种作用可能无可厚非，并且通过根据本发明的限制环带来的优点可以超过由此产生的缺点。例如，如果发动机仅以较小功率操作或者如果限制环能够例如通过调节装置而在其
位置方面可移动地进行调节，并且仅短暂地处于扫气开口上以限制扫气横截面，从而实现特定的操作状态，则可能就是这种情况。
[0027] 至少一个扫气开口的流动横截面能够具体地被所述限制元件甚至完全关闭。
[0028] 或者，所述限制元件例如仅仅设置在所述扫气开口的上部区域中。这意味着所述限制元件设置在所述扫气入口的所述扫气开口处，从而所述流动横截面在所述扫气入口的面对所述燃烧空间区域的预定区域中受到限制，使得扫气不能够在所述限制元件和所述燃烧空间区域之间通过所述扫气开口引入到所述缸套内。
[0029] 所述限制元件也可以设置在所述扫气开口的下部区域中，即设置在所述扫气入口的所述扫气开口处，从而所述流动横截面在所述扫气入口的远离所述燃烧空间区域的预定区域中受到限制，使得扫气不能够在所述限制元件和所述接收区域之间通过所述扫气开口引入到所述缸套内。
[0030] 所述限制元件自然也可以设置在所述扫气开口的中央区域中，并且因而可以设置在所述扫气入口的所述扫气开口处，从而所述流动横截面在所述扫气入口的预定区域中受到限制，使得扫气同时既能够在所述限制元件和所述燃烧空间区域之间又能够在所述限制元件和所述接收空间之间通过所述扫气开口引入到所述缸套内。
[0031] 在大多数实践情况中，所述限制元件设置在所述扫气入口处，使得至少一个限制元件的位置不能够在所述往复活塞式内燃机的操作状态下改变。
[0032] 在这种情况下，在特定情况下一定可以将限制元件设置在所述扫气入口处，使得至少一个限制元件的位置甚至在所述往复活塞式内燃机的操作状态下也可改变，并且优选可通过可控制或可调节的机械、电气、
气动、液压或任何其他定位装置来改变至少一个限制元件的位置。在这些情况下，甚至在操作状态期间也可以借助于
控制器或调控器自动地或者还可以通过操作员来设置扫气的数量以改变操作参数。
[0033] 此外，本发明涉及一种用于本发明的气缸装置的缸套的限制元件，所述限制元件可以是例如备用零件或替换零件。
附图说明
[0034] 下面将参照示意图更详细地说明本发明。示出了：
[0035] 图1是在纵向节段中具有扫气狭缝形式的扫气开口的已知气缸装置；
[0036] 图2a是根据本发明的气缸装置的特殊实施方式；
[0037] 图2b详细地示出了根据图2a的扫气入口的区域；以及
[0038] 图2c是具有根据图2a或图2b的成型件的实施方式的限制元件的扫气开口。
具体实施方式
[0039] 图1在局剖的示意图中示出了具有缸套2’、活塞3’和新鲜空气供应系统400’的气缸装置1’。
[0040] 图1的气缸装置1’是诸如从现有技术公知的用于直流扫气大型二冲程柴油机的典型装置。为了更好地区分已知的气缸装置，给对应的附图标记提供撇号，而用于根据本发明的气缸装置的特征的附图标记没有撇号。
[0041] 该气缸装置包括缸套2’，活塞3’可沿着缸套2’的气缸壁210’的气缸运行表面211’来回移动地布置在缸套2’中。活塞3’包括活塞环组31’，在这里活塞环组31’被示意性示出具有仅两个活塞环。
[0042] 位于气缸2’的燃烧空间区域21’中的燃烧空间200’根据该图向上由具有喷嘴和出口
阀的气缸盖限定。
[0043] 在大型柴油机的操作状态中在上止点OT’和下止点UT’之间来回运动的活塞3’经由
活塞杆8’连接至未在图1中示出的十字头，活塞3’的往复运动从该十字头传递至发动机的同样没有示出的
曲轴。活塞杆8’被引导穿过接收空间401’(根据该图，接收空间401’向下邻接缸套2’的入口区域22’)和填料盒402’，填料盒402’将接收空间401’朝向布置在其下面的曲轴空间密封，从而使得由同样没有示出的
涡轮增压器以高压(例如以约4巴的压力)供应到接收空间401’内的新鲜空气41’不会从接收空间401’运动到布置在其下方的曲轴空间9’内。
[0044] 如从图1能够看到的并且通常已知的，由
涡轮增压器产生的新鲜空气41’的气体压力由于设计而总是被施加在接收空间401’中，因而也总是被施加在活塞3’的下活塞侧。
[0045] 在燃烧过程(该燃烧过程在活塞3’充分接近上止点OT’时在燃烧空间200’中开始)之后，活塞3’由于已经积累在燃烧空间200’中的燃烧压力而在朝向下止点UT’的方向上运动，其中当活塞表面位于具有扫气开口2211’的扫气入口221’下面时(所述扫气入口被构造成采取扫气狭缝形式)，采取气体流411’形式的扫气41’能够经过具有流动横截面410’的扫气开口2211’从接收空间401’运动到燃烧空间200’内，从而所述扫气可用于燃烧空间200’中的下一个随后的燃烧过程。
[0046] 下面将参照图2a至图2c更精确详细地描述实践上特别优选的根据本发明的气缸装置的实施方式。在这方面，图2a示出了根据本发明的气缸装置的概要图，而图2b以更详细的图示出了根据图2a的扫气入口的区域；参照图2c能够看到具有在根据图2a或图2b的成型件的实施方式中的限制元件的扫气开口。
[0047] 根据图2a至2c，在低速运行纵向扫气大型二冲程柴油机中，根据本发明的气缸装置1典型地用于直流扫气往复活塞式内燃机。根据图2a的气缸装置包括具有燃烧空间区域21和入口区域22的缸套2，活塞3以能够沿着气缸轴线Z在上止点OT和下止点UT之间来回运动的方式被安装在缸套2中。具有扫气开口2211的扫气入口221设置在缸套2处，位于缸套2的入口区域22中，从而能够经由扫气开口2211将扫气41从接收空间401引入到缸套2的燃烧空间区域21内。
[0048] 根据本发明，限制元件5(在当前示例中为成型件51)被构造并且设置在扫气入口221处，从而能够将扫气开口2211的流动横截面410减少到预定值，使得能够借助于扫气入口221将从接收空间401到缸套2内的扫气41的气体流411限制到预定限值。
[0049] 被设计为成型件51的限制元件5以可更换的方式设置在缸套2的扫气入口221的所有扫气开口2211中。在该具体实施方式中，成型件1因而是插入件，该插入件能够例如被锚固在扫气开口221的适当凹槽中或者该插入件能够另外以本身公知的方式可释放地紧固。
[0050] 如能够从根据图2c的详细视图特别好地看到的，成型件51面对气缸轴线Z的内侧511形成了缸套2的气缸运行表面211的组成部分。成型件51因而被构造并设置在扫气入口
221处，从而成型件51在扫气入口221的所有扫气开口2211处同时并且以相同方式限制流动横截面410。
[0051] 根据图2a至图2c，限制元件5(这里为成型件51)安装在扫气开口2211的上部区域中，也就是说，限制元件5设置在扫气入口221的扫气开口2211处，从而在扫气入口的面对燃烧空间区域的预定区域中限制流动横截面，使得不会有扫气在限制元件和燃烧空间区域之间通过扫气开口引入到缸套内。
[0052] 在当前具体实施方式中，限制元件5(即成型件51)可释放地设置在扫气入口处，使得成型件51的位置在往复活塞式内燃机的操作状态下不能改变，而只能在内燃机的非操作状态下例如在维修工作过程中进行更换。
[0053] 应理解，在该
申请的
框架内描述的实施方式应该仅仅理解为实施例，并且本发明不限于这些实施例。所描述的实施方式还能够特别地进行有利的组合，本领域技术人员将容易地理解根据本发明的气缸装置以及根据本发明的限制元件的简单的进一步改进，这些改进当然同样被本发明所覆盖。
