EP2700801A1 - Zylinderliner für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, Verfahren zur Herstellung eines Stützrings für einen Zylinderliner, sowie Stützring - Google Patents

Zylinderliner für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, Verfahren zur Herstellung eines Stützrings für einen Zylinderliner, sowie Stützring Download PDF

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EP2700801A1
EP2700801A1 EP12181581.5A EP12181581A EP2700801A1 EP 2700801 A1 EP2700801 A1 EP 2700801A1 EP 12181581 A EP12181581 A EP 12181581A EP 2700801 A1 EP2700801 A1 EP 2700801A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cylinder liner
support ring
cylinder
support
ring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12181581.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Timo Hanz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wartsila NSD Schweiz AG
Original Assignee
Wartsila NSD Schweiz AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Wartsila NSD Schweiz AG filed Critical Wartsila NSD Schweiz AG
Priority to EP12181581.5A priority Critical patent/EP2700801A1/de
Publication of EP2700801A1 publication Critical patent/EP2700801A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/004—Cylinder liners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/025—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle two

Definitions

  • the invention relates to a cylinder liner with a support ring for a reciprocating internal combustion engine, in particular for a longitudinally purged two-stroke large diesel engine, a method for producing a support ring for a cylinder liner, and a support ring according to the preamble of the independent claim of the respective category.
  • cooling rings which are preferably equipped with a water cooling, so that at least a portion of the resulting heat loads on the cooling ring from the cylinder liner are weg1700bar.
  • simple cooling rings are provided, such as already in the US 937,200 shown.
  • the cylinder liner Due to the enormous combustion pressure in the combustion chamber and the enormous pressure fluctuations in the combustion chamber associated with the combustion or the movement of the piston, the cylinder liner experiences very strong, periodic, not only, but especially at its upper end, where the combustion starts in the combustion chamber during operation alternating radial expansions and radial reductions in its diameter. That The diameter of the cylinder liner changes periodically in the operating state, ie it is alternately periodically smaller and larger. It should also be considered that, especially in the case of a large diesel engine, the cylinder liner is additionally under an enormous axial bias by extending in the longitudinal direction of the cylinder liner tie rod.
  • the neutral zone moves radially inwards.
  • the tensile forces in the wall of the cylinder liner grow radially outside the neutral zone massively, while the tensile forces radially inside the neutral zone are getting smaller and may even substantially disappear.
  • the cylinder liner is exposed, at least in the radial direction by the dynamic radial strains enormous periodically fluctuating forces and mechanical stresses that expose the cylinder liner in addition to the thermal loads and enormous mechanical loads, which ultimately leads to premature fatigue and thus, the life of the cylinder liner is reduced and maintenance intervals are shortened.
  • the piston running behavior is adversely affected because the piston is no longer optimally adapted to the inner diameter of the cylinder liner due to the diameter variations of the cylinder liner, since the inner diameter is constantly changing, which ultimately adversely affect the combustion process and thus the entire operation of the engine can.
  • the object of the invention is therefore an improved cylinder liner for a reciprocating internal combustion engine, in particular for a longitudinally flushed
  • a reciprocating internal combustion engine in particular for a longitudinally flushed
  • the known from the prior art problems are avoided, which can compensate better especially the occurring in the operating state enormous thermal and mechanical loads, in particular the static and dynamic thermal strains occurring so that a higher reliability of the internal combustion engine is ensured, maintenance intervals can be extended, the life of the cylinder liner is significantly increased, and thus ultimately the cost of operating the engine can be significantly reduced.
  • the invention thus relates to a cylinder liner for a reciprocating internal combustion engine, in particular two-stroke large diesel engine, wherein a support ring is provided on an outer support surface of the cylinder liner concentric about a cylinder axis of the cylinder liner that the support ring is supported via a contact surface of the support ring on the support surface.
  • the support ring is designed such that a radial enlargement of the cylinder liner induced in relation to the cylinder axis can be limited to a predefinable value by the support ring.
  • the induced radial enlargement of the cylinder liner can be limited to a predefinable value by the inventive support ring.
  • This is for example with the cooling ring of the aforementioned US 937,200 not possible, as it expands under thermal stress substantially as much as the Cylinder liner, since the cylinder liner and the cooling ring are made of materials with the same or very similar radial coefficients of thermal expansion, so that the cooling ring can not act as a support ring in the context of the present invention, since he is unable to the radial magnification of the cylinder liner limit.
  • a cylinder liner of the present invention therefore has a backing ring that preferably has an effective radial coefficient of thermal expansion that is less than an effective radial thermal expansion coefficient of the cylinder liner. That is, if the support ring and the cylinder liner are subjected to substantially equal thermal stress, the resulting thermal expansion of the support ring in the radial direction will be less than the corresponding radial thermal expansion that the cylinder liner would have if there were no support ring on the cylinder liner. As a result, the radial thermal expansion of the cylinder liner is limited by a corresponding design of the support ring to a predeterminable extent under thermal load, because the support ring prevents radial expansion beyond the predetermined amount.
  • a support ring of the present invention may also serve as a mating surface for a seal of a per se known cooling water space arranged in the cylinder liner.
  • a support ring with the properties according to the invention can be realized, for example, by selecting a material for the support ring which has a smaller coefficient of thermal expansion in the circumferential direction of the support ring than the material is produced from the cylinder liner.
  • the effective radial thermal expansion coefficient of the support ring may also be zero or even less than zero.
  • the material may e.g. in a longitudinal direction formed in the circumferential direction of the support ring, have a smaller expansion coefficient than in a direction perpendicular thereto.
  • such a material in the longitudinal direction may also have a thermal expansion coefficient equal to or less than zero, which means that e.g. under temperature increase the material and thus the support ring made therefrom in the longitudinal direction in the length not changed, or even shortened in the longitudinal direction, which corresponds to a negative coefficient of thermal expansion in the longitudinal direction.
  • the support ring is made at least of a carbon material and a fixing resin, in particular of wound carbon fiber bundles or carbon mats.
  • the aforementioned spatial anisotropic effect in the thermal expansion coefficient is often based on the orientation of the strongest atomic bonds in the longitudinal direction of the material.
  • these can be crystal planes and, for polymers, e.g. be the molecular chains.
  • graphite is composed of individual layers.
  • the high strength and the high modulus of elasticity of the C fibers are based on the strong bonding of the graphite crystals in one layer plane. High strength values can not only be achieved with static load. Carbon fibers also have excellent fatigue resistance. Due to the orientation of the strong covalent bonds of the Graphite crystal in the fiber longitudinal direction behaves the C-fiber - in contrast to the glass fiber - significantly anisotropic. It is often of particular interest that the moduli of elasticity in fiber longitudinal and transverse directions can often differ by one or more orders of magnitude.
  • the anisotropy also affects the thermal expansion coefficient. This is e.g. transverse to the fiber direction, but smaller in the fiber direction than transverse to the fiber direction, or zero or even negative. This effect can be more pronounced the higher the graphite crystals are aligned, i. the higher the fiber-parallel elastic modulus.
  • the contact surface of the support ring with respect to the cylinder axis of the cylinder liner is inclined at a contact angle, preferably but not necessarily, the support surface is inclined with respect to the cylinder axis at a support angle.
  • the contact angle corresponds to the support angle, wherein the contact angle is in particular equal to the support angle.
  • the contact surface in practice is advantageous in the direction towards the upper end of the cylinder liner, ie in the installed state in the direction of the cylinder cover, inclined in the direction of the cylinder axis, so that the support ring has a conical inner structure which widens from the upper end of the cylinder liner that the support ring can be particularly easily mounted on the support surface of the cylinder liner.
  • the assembly or replacement of the support ring can also be facilitated by the fact that the support ring on a cylinder cover in the installed state facing the end of the cylinder liner in a Stauerringnute, is preferably arranged in a direction open towards the cylinder cover Stauerringnute.
  • a support ring according to the invention can also be provided at any point with respect to the axial direction on the cylinder liner, so for example in the middle or at the bottom of the cylinder liner or at any other point.
  • the invention further relates to a method for producing a support ring for a cylinder liner of the present invention, wherein a carbon material is molded with the aid of a molded part as a carbon ring, with a fixing resin is applied, and the carbon material is cured with the fixing resin at a predetermined fixing temperature as a support ring ,
  • the support ring is made of wound carbon fiber bundles or carbon mats, wherein the cylinder liner itself can be used as a molded part, for example by the carbon material is wound as a carbon ring on the cylinder liner, is applied to the fixing resin, and the carbon material with the fixing resin at a predetermined fixing temperature is cured on the cylinder liner to the support ring.
  • a separate, suitably designed fixing can be used, in particular in a method according to the invention, a curing at room temperature fixing resin can be used.
  • Fiber mats can also be used in principle, however, the achievable modulus of elasticity in the longitudinal direction by the Offdiretationalen structure is significantly lower and the larger modulus in the transverse direction offers less advantages, since the ring is not loaded in the transverse direction so high, except in transverse contraction under load , The stiffness of the support ring at a given cross section can therefore be adjusted individually for each support ring by the choice and the orientation of the fibers.
  • the production of the support ring itself can also be done in different ways.
  • the fiber is, as already mentioned, wound directly onto the cylinder liner, for example into a groove provided for this purpose or closed in the axial direction or else onto a separate mold. If the carbon fiber is wound directly onto the cylinder, this offers the advantage that the ring automatically rests without play. Due to the high operating temperature of, for example, about 175 ° C, the resin must be cured at elevated temperature to use it at such high temperatures can. During hardening / tempering, the cylinder also heats up and this experiences a thermally induced strain in the radial direction.
  • the support ring can be made using a separate mold.
  • the thermal expansion of the mold during the annealing process can be taken into account.
  • the support ring is pre-stretched to the desired extent during curing.
  • the inner surface of the support ring and the outer surface of the cylinder be made conical in order to compensate for any manufacturing tolerances can.
  • the conical angle should be kept so small that there is self-locking between ring and cylinder. The support ring is then pushed with force during assembly.
  • a contact surface can be formed on the support ring particularly preferably under a conical contact angle.
  • a radial thermal expansion coefficient of the support ring can be set particularly advantageous equal to zero or even less than zero.
  • the invention also relates to a support ring for a cylinder liner, which is preferably produced by a method according to the invention.
  • FIG. 1 schematically a section of an inventive cylinder liner 1 is shown with a support ring 3 made of a carbon material, which was prepared according to a particularly preferred embodiment of an inventive method.
  • the support ring 3 is arranged on an outer support surface 4 of the cylinder liner 1 concentrically about a cylinder axis of the cylinder liner 1 and supported on the support surface 4.
  • the support ring 3 is designed such that a radial enlargement of the cylinder liner 1 induced with respect to the cylinder axis A can be limited to a predefinable value by the support ring 3.
  • the support ring 3 of Fig. 1 is made of a wound carbon fiber bundle and a fixing resin, wherein the cylinder liner 1 was used as a molding by the carbon material wound as a carbon ring on the cylinder liner 1, was applied to the fixing resin, and the carbon material with the fixing resin at a predetermined fixing temperature, preferably at Room temperature was cured on the cylinder liner 1 to the support ring 3.
  • Fig. 1 has an effective radial thermal expansion coefficient which is less than zero.
  • the contact surface 31 is the contact surface 31 with respect to the cylinder axis A at a contact angle ⁇ in the direction of the cylinder cover 5 and inclined in the direction of the cylinder axis A.
  • the support surface 4 is inversely inclined relative to the cylinder axis A at a support angle ⁇ such that the contact angle ⁇ corresponds to the support angle ⁇ , the contact angle ⁇ in the specific embodiment of Fig. 1 is equal to the support angle ⁇ .
  • the support ring 3 is on a cylinder cover. 5 facing end of the cylinder liner 1 in a cylinder cover 5 open Stitzringnute 6 arranged.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderliner (1) für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine (2), insbesondere Zweitakt-Grossdieselmotor, wobei ein Stützring (3) an einer äusseren Stützfläche (4) des Zylinderliners (1) derart konzentrisch um eine Zylinderachse (A) des Zylinderliners (1) vorgesehen ist, dass der Stützring (3) über eine Kontaktfläche (31) des Stützrings (3) an der Stützfläche (4) abgestützt ist. Erfindungsgemäss ist der Stützring (3) derart ausgebildet, dass durch den Stützring (3) eine in Bezug auf die Zylinderachse (A) induzierte radiale Vergrösserung des Zylinderliners (1) auf einen vorgebbaren Wert begrenzbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Stützrings (3) für einen Zylinderliner (1), sowie einen Stützring (3).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Zylinderliner mit einem Stützring für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere für einen längsgespülten Zweitakt-Grossdieselmotor, ein Verfahren zur Herstellung eines Stützrings für einen Zylinderliner, sowie einen Stützring gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs der jeweiligen Kategorie.
  • Grossdieselmotoren werden häufig als Antriebsaggregate für Schiffe oder auch im stationären Betrieb, z.B. zum Antrieb grosser Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt. Dabei laufen die Motoren in der Regel über beträchtliche Zeiträume im Dauerbetrieb, was hohe Anforderungen an die Betriebssicherheit und die Verfügbarkeit stellt. Daher sind für den Betreiber insbesondere lange Wartungsintervalle, geringer Verschleiss und ein wirtschaftlicher Umgang mit Brenn- und Betriebsstoffen zentrale Kriterien für den Betrieb der Maschinen. Unter anderem ist das Kolbenlaufverhalten im Zylinderliner solcher grossbohrigen langsam laufenden Dieselmotoren ein bestimmender Faktor für die Länge der Wartungsintervalle, die Verfügbarkeit und über den Schmiermittelverbrauch auch unmittelbar für die Betriebskosten und damit für die Wirtschaftlichkeit. Damit kommt der komplexen Problematik des Kolbenlaufverhaltens von Grossdieselmotoren eine immer grössere Bedeutung zu.
  • Bekanntermassen sind dabei die Belastungen, denen der Zylinderliner im Betriebszustand ausgesetzt ist, im oberen Bereich des Zylinderliners, also dort wo der Kolben in der Nähe des Zylinderdeckels im Betriebszustand den oberen Totpunkt durchläuft besonders gross. In der Nähe der oberen Totpunkt Position des Kolbens, also wenn das von Zylinderliner, Zylinderdeckel und Kolben eingeschlossene Volumen des Brennraums ungefähr minimal ist, wird das Luft Brennstoffgemisch gezündet. Es wirken dadurch hohe Temperaturen und Drücke im Zylinderliner, die zudem nicht zuletzt aufgrund der Bewegung des Kolbens und des sich damit ständig verändernden dynamischen Volumens des Brennraums, auch starken dynamischen Änderungen unterliegen.
  • Daher ist es seit langem bekannt am oberen Ende des Zylinderliners in der Nähe des Zylinderdeckels beispielweise Kühlringe vorzusehen, die bevorzugt mit einer Wasserkühlung ausgestattet sind, so dass zumindest ein Teil der entstehenden Wärmebelastungen über den Kühlring vom Zylinderliner wegführbar sind. Zuweilen werden auch einfache Kühlringe vorgesehen, wie zum Beispiel bereits in der US 937,200 gezeigt.
  • Ein anderes, bisher wenig beachtetes Problem betrifft die dynamischen Dehnungen des Zylinderliners, insbesondere die radialen dynamischen Dehnungen des Zylinderliners in der Nähe des oberen Endes des Zylinderliners, also in der Nähe des Zylinderdeckels, wo in der oberen Totpunktposition des Kolbens das Brennraumvolumen minimal ist und, wie oben beschrieben, die thermischen Belastungen aufgrund des Verbrennungsvorgangs besonders gross sind. Die Verbrennung des Treibstoffs im Brennraum des Zylinderliners führt aber nicht nur zu hohen Temperaturen bzw. Temperaturschwankungen im Zylinderliner, sondern wie bereits erwähnt, auch zu enormen Verbrennungsdrücken und damit verbundenen dynamischen Druckschwankungen im Brennraum, die natürlich nicht ohne Auswirkungen auf den Zylinderliner bleiben.
  • Durch den enormen Verbrennungsdruck im Brennraum und die mit der Verbrennung bzw. der Bewegung des Kolbens einhergehenden enormen Druckschwankungen im Brennraum, erfährt der Zylinderliner, nicht nur, aber insbesondere an seinem oberen Ende, wo im Betriebszustand die Verbrennung im Brennraum startet, sehr starke, periodisch abwechselnde radiale Dehnungen und radiale Verkleinerungen seines Durchmessers. D.h. der Durchmesser des Zylinderliners verändert sich im Betriebszustand periodisch, wird also abwechselnd periodisch kleiner und grösser. Dabei ist noch zu berücksichtigen, dass vor allem im Falle eines Grossdieselmotors der Zylinderliner durch die in Längsrichtung des Zylinderliners verlaufenden Zuganker zusätzlich noch unter einer enormen axialen Vorspannung steht.
  • Die Kombination von axialer statischer mechanischer Vorspannung durch die Zuganker mit einer statischen thermischen Dehnungsbelastung aufgrund erhöhter Temperatur, führt bereits in Abwesenheit von den erwähnten dynamischen Dehnungsphänomen dazu, dass sich eine in Längs- und Umfangsrichtung des Zylinders verlaufende neutrale Zone im radialen mittleren Bereich in der Zylinderwand des Zylinderliners ausbildet, die im wesentlichen keinen oder nur sehr kleinen radialen Spannungen ausgesetzt ist. Gleichzeitig bilden sich radial ausserhalb der neutralen Zone in Umfangsrichtung verlaufende Zugspannungen in der Zylinderwand des Zylinderliners aus und es bilden sich radial innerhalb der neutralen Zone in Umfangsrichtung verlaufende Druckspannungen aus.
  • Wirken nun im Betriebszustand zusätzlich zu den zuvor beschriebenen, im Wesentlichen statischen Phänomenen noch die dynamischen Temperatur- und Druckschwankungen auf den Zylinderliner, verändern sich natürlich auch die Zug- und Druckspannungsverhältnisse in der Zylinderwand des Zylinderliners entsprechend.
  • Wird der Zylinderliner nämlich zusätzlich zu den statischen Dehnungen noch dynamisch in radialer Richtung gedehnt, zum Beispiel durch den im Betriebszustand plötzlich ansteigenden Verbrennungsdruck im Brennraum, so wandert die neutrale Zone radial nach innen. Dadurch wachsen die Zugkräfte in der Wand des Zylinderliners radial ausserhalb der neutralen Zone massiv an, während die Zugkräfte radial innerhalb der neutralen Zone immer kleiner werden und sogar im Wesentlichen verschwinden können.
  • Das heisst, der Zylinderliner wird zumindest in radialer Richtung durch die dynamischen radialen Dehnungen enormen periodisch schwankenden Kräften und mechanischen Spannungen ausgesetzt, die den Zylinderliner neben den thermischen Belastungen auch enormen mechanischen Belastungen aussetzen, was letztlich zur frühzeitigen Materialermüdung und damit dazu führt, das die Lebensdauer des Zylinderliners herabgesetzt wird und Wartungsintervalle verkürzt werden. Darüber hinaus wird natürlich auch das Kolbenlaufverhalten negativ beeinflusst, da der Kolben aufgrund der Durchmesserschwankungen des Zylinderliners nicht mehr optimal an den Innendurchmesser des Zylinderliners anpassbar ist, da der Innendurchmesser sich ständig verändert, was letztlich auch den Verbrennungsvorgang und damit den gesamten Betrieb des Motors negativ beeinflussen kann. In letzter Konsequenz führt dies natürlich zu höheren Betriebskosten und kann im schlimmsten Fall auch die Betriebssicherheit und damit beispielsweise sogar die Sicherheit einer mit dem Motor betriebenen Anlage, z.B. die Sicherheit eines Schiffes negativ beeinträchtigen, was selbstverständlich in jedem Fall verhindert werden muss.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es daher einen verbesserten Zylinderliner für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere für einen längsgespülten langsam laufenden Zweitakt-Grossdieselmotor zur Verfügung zu stellen, bei dem die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme vermieden werden, der insbesondere die im Betriebszustand auftretenden enormen thermischen und mechanischen Belastungen, im Speziellen die damit auftretenden statischen und dynamischen thermischen Dehnungen besser kompensieren kann, so dass eine höhere Betriebssicherheit der Brennkraftmaschine gewährleistet ist, Wartungsintervalle verlängert werden können, die Lebensdauer des Zylinderliners deutlich erhöht wird, und somit letztlich die Kosten für den Betrieb des Motors merklich gesenkt werden können.
  • Die diese Aufgaben in apparativer und verfahrenstechnischer Hinsicht lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche der jeweiligen Kategorie gekennzeichnet.
  • Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
  • Die Erfindung betrifft somit einen Zylinderliner für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere Zweitakt-Grossdieselmotor, wobei ein Stützring an einer äusseren Stützfläche des Zylinderliners derart konzentrisch um eine Zylinderachse des Zylinderliners vorgesehen ist, dass der Stützring über eine Kontaktfläche des Stützrings an der Stützfläche abgestützt ist. Erfindungsgemäss ist der Stützring derart ausgebildet, dass durch den Stützring eine in Bezug auf die Zylinderachse induzierte radiale Vergrösserung des Zylinderliners auf einen vorgebbaren Wert begrenzbar ist.
  • Wesentlich ist dabei, dass durch den erfindungsgemässen Stützring die induzierte radiale Vergrösserung des Zylinderliners auf einen vorgebbaren Wert begrenzbar ist. Das ist beispielweise mit dem Kühlring der eingangserwähnten US 937,200 nicht möglich, da dieser sich unter thermischer Belastung im Wesentlichen genau so stark ausdehnt wie der Zylinderliner, da der Zylinderliner und der Kühlring aus Materialien mit gleichen oder sehr ähnlichen radialen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gefertigt sind, so dass der Kühlring gar nicht als Stützring im Sinne der vorliegenden Erfindung fungieren kann, da er nicht in der Lage ist die radiale Vergrösserung des Zylinderliners zu begrenzen.
  • Ein Zylinderliner der vorliegenden Erfindung hat daher einen Stützring, der bevorzugt einen effektiven radialen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der kleiner ist als ein effektiver radialer thermischer Ausdehnungskoeffizient des Zylinderliners. Das heisst, dass wenn der Stützring und der Zylinderliner einer im wesentlichen gleichen thermischen Belastung ausgesetzt sind, die resultierende thermische Dehnung des Stützrings in radialer Richtung kleiner ist als die entsprechende radiale thermische Dehnung, die der Zylinderliner hätte, wenn kein Stützring am Zylinderliner vorhanden wäre. Dadurch wird unter thermischer Belastung die radiale thermische Dehnung des Zylinderliners durch eine entsprechende Ausgestaltung des Stützrings auf ein vorgebbares Mass begrenzt, weil der Stützring eine radiale Ausdehnung über das vorgegebene Mass hinaus verhindert.
  • Zusätzlich zu seiner Funktion als ein die radiale Ausdehnung begrenzendes Mittel, kann ein Stützring der vorliegenden Erfindung auch als Gegenfläche für eine Dichtung eines an sich bekannten, im Zylinderliner angeordneten Kühlwasserraums dienen.
  • Ein Stützring mit den erfindungsgemässen Eigenschaften kann beispielweise dadurch realisiert werden, dass für den Stützring ein Material gewählt wird, das in Umfangsrichtung des Stützringes einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizient hat als das Material aus dem Zylinderliner gefertigt ist.
  • Je nach Wahl des Materials für den Stützring kann der effektive radiale thermische Ausdehnungskoeffizient des Stützrings auch gleich null oder sogar kleiner als null sein. Das kann beispielweise dadurch erreicht werden, dass für den Stützring ein Material gewählt wird, das einen räumlich anisotropen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat. D.h., das Material kann z.B. in einer Längsrichtung, die in Umfangsrichtung des Stützrings ausgebildet wird, einen kleineren Ausdehnungskoeffizienten haben als in einer dazu senkrechten Richtung. Im Speziellen kann ein solches Material in der Längsrichtung auch einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der gleich oder kleiner als null ist, was bedeutet, das sich z.B. unter Temperaturerhöhung das Material und damit der daraus gefertigte Stützring in Längsrichtung in der Länge überhaupt nicht verändert, bzw. sich sogar in Längsrichtung verkürzt, was einem negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in Längsrichtung entspricht.
  • Das kann z.B. dadurch erreicht werden, dass der Stützring mindestens aus einem Karbonmaterial und einem Fixierharz, insbesondere aus gewickelten Karbonfaserbündeln oder Karbonmatten hergestellt ist.
  • Der zuvor erwähnte räumliche anisotrope Effekt im thermischen Ausdehnungskoeffizienten beruht dabei häufig auf der Orientierung der stärksten atomaren Bindungen in der Längsrichtung des Materials. Dies können bei kristallinen Werkstoffen die Kristallebenen und bei Polymeren z.B. die Molekülketten sein.
  • Beispielweise Graphit ist aus einzelnen Schichten aufgebaut. Die hohe Festigkeit und der hohe E-Modul der C-Fasern basieren auf der starken Bindung der Graphitkristalle in einer Schichtebene. Hohe Festigkeitswerte lassen sich dabei nicht nur bei statischer Belastung erzielen. Kohlenstofffasern weisen auch eine exzellente Ermüdungsfestigkeit auf. Aufgrund der Ausrichtung der starken kovalenten Bindungen des Graphitkristalls in Faserlängsrichtung verhält sich die C-Faser- im Gegensatz zur Glasfaser - deutlich anisotrop. Dabei ist häufig vor allem von Interesse, dass sich die Elastizitätsmoduln in Faserlängs- und Querrichtung oft um eine oder mehrere Größenordnung unterscheiden können.
  • Neben den mechanischen Eigenschaften Elastizitätsmodul und Festigkeit betrifft die Anisotropie dabei auch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Dieser ist z.B. quer zur Faserrichtung positiv, jedoch in Faserrichtung kleiner als quer zur Faserrichtung, oder null oder kann sogar negativ sein. Dieser Effekt kann umso stärker ausgeprägt sein, je höher die Graphitkristalle ausgerichtet, d.h. je höher der faserparallele Elastizitätsmodul ist. Dabei sind diese Eigenschaften von Polymer oder Karbonmaterialien an sich bekannt.
  • In einem für die Praxis besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Kontaktfläche des Stützrings in Bezug auf die Zylinderachse des Zylinderliners unter einem Kontaktwinkel geneigt, wobei bevorzugt, aber nicht notwendig, die Stützfläche in Bezug auf die Zylinderachse unter einem Stützwinkel geneigt ist. Besonders bevorzugt korrespondiert der Kontaktwinkel dabei mit dem Stützwinkel, wobei der Kontaktwinkel im Speziellen gleich dem Stützwinkel ist. Dabei ist die Kontaktfläche in der Praxis vorteilhaft in Richtung zum oberen Ende des Zylinderliners hin, also im Einbauzustand in Richtung zum Zylinderdeckel hin, in Richtung zur Zylinderachse hin geneigt, so dass der Stützring eine vom oberen Ende des Zylinderliners sich erweiternde konische Innenstruktur aufweist, so dass der Stützring besonders einfach an der Stützfläche des Zylinderliners montiert werden kann.
  • Die Montage bzw. das Auswechseln des Stützrings kann dabei auch dadurch erleichtert werden, dass der Stützring an einem dem Zylinderdeckel im Einbauzustand zugewandten Ende des Zylinderliners in einer Stützringnute, bevorzugt in einer in Richtung zum Zylinderdeckel offenen Stützringnute angeordnet ist.
  • Ausserdem versteht es sich von selbst, dass ein erfindungsgemässer Stützring je nach Anforderung auch an jeder beliebigen Stelle in Bezug auf die axiale Richtung am Zylinderliner vorgesehen werden kann, also auch zum Beispiel in der Mitte oder am unteren Ende des Zylinderliners oder an jeder anderen Stelle.
  • Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines Stützrings für einen Zylinderliner der vorliegenden Erfindung, wobei ein Karbonmaterial unter Zuhilfenahme eines Formteils als Karbonring geformt wird, mit einem Fixierharz beaufschlagt wird, und das Karbonmaterial mit dem Fixierharz bei einer vorgegebenen Fixiertemperatur als Stützring ausgehärtet wird.
  • Bevorzugt wird der Stützring dabei aus gewickelten Karbonfaserbündeln oder Karbonmatten hergestellt, wobei der Zylinderliner selbst als Formteil verwendet werden kann, beispielweise indem das Karbonmaterial als Karbonring auf den Zylinderliner aufgewickelt wird, mit dem Fixierharz beaufschlagt wird, und das Karbonmaterial mit dem Fixierharz bei einer vorgegebenen Fixiertemperatur auf dem Zylinderliner zum Stützring ausgehärtet wird.
  • Es versteht sich dabei von selbst, dass als Formteil selbstverständlich auch eine separate, geeignet ausgestaltete Fixierform verwendet werden kann, wobei im Speziellen bei einem erfindungsgemässen Verfahren ein bei Raumtemperatur aushärtendes Fixierharz zur Verwendung kommen kann.
  • In der Praxis sind konkret für die Herstellung eines Kohlefaser Stützrings verschiedene Methoden mit teilweise unterschiedlichen Vorteilen möglich. Grundsätzlich handelt es sich bei der Anwendung als Verstärkung des Zylinders um einen auf Zug belasteten Stützring. Der Stützring wird dabei durch die thermische Dehnung des Zylinders und den Gasdruck bei der Verbrennung mehr oder weniger aufgedehnt. Die verwendeten Kohlefasern im Stützring können dabei gar einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, so dass der Ring der Dehnung des Zylinders entgegen wirkt. Um eine möglichst hohe Steifigkeit des Rings in tangentialer Richtung bei konstantem Querschnitt zu erreichen bietet es sich an, die Kohlefasern (Faserbündel, auch Roving genannt) zu wickeln. Alternativ können unidirektionale Bänder (auch als Pre-Pregs bekannt) verwendet werden. Fasermatten können prinzipiell ebenfalls eingesetzt werden, jedoch ist der erreichbare E-Modul in Längsrichtung durch den mehrdirektionalen Aufbau deutlich geringer und der grössere E-Modul in Querrichtung bietet weniger Vorteile, da der Ring in Querrichtung nicht so hoch belastet wird, ausgenommen bei Querkontraktion unter Belastung. Die Steifigkeit des Stützrings bei gegebenem Querschnitt lässt sich also durch die Wahl und die Ausrichtung der Fasern individuell für jeden Stützring einstellen.
  • Die Fertigung des Stützrings selbst kann ebenfalls auf verschiedene Weisen erfolgen. Entweder wird die Faser wie bereits erwähnt direkt auf den Zylinderliner z.B. in eine dafür vorgesehene offene oder in axialer Richtung geschlossene Nut oder aber auf eine separate Form gewickelt. Wird die Kohlefaser direkt auf den Zylinder abgewickelt, bietet dies den Vorteil, dass der Ring automatisch spielfrei aufliegt. Auf Grund der hohen Einsatztemperatur von z.B. ca. 175°C muss das Harz bei erhöhter Temperatur ausgehärtet werden um es bei so hohen Temperaturen einsetzen zu können. Während des Aushärtens / Temperns erwärmt sich der Zylinder dabei ebenfalls und dieser erfährt in radialer Richtung eine thermisch induzierte Dehnung. Dies hat zur Folge, dass der Stützring während des Aushärtens vorgedehnt wird und im "Endzustand" bei Raumtemperatur nicht mehr spielfrei am Zylinder anliegt. Dadurch kann der Stützring teilweise seine Stützwirkung verlieren. Daher empfiehlt es sich mit einem Harz zu arbeiten, das bereits bei Raumtemperatur aushärtet.
  • Eine andere Möglichkeit die vorgenannte Problematik zu umgehen besteht darin, dass der Stützring mit Hilfe einer separaten Form gefertigt werden kann. Bei der Fertigung bzw. Angabe der Fertigungstoleranzen kann die Wärmedehnung der Form während des Temperprozesses berücksichtigt werden. So wird der Stützring beim Aushärten auf das gewünschte Mass vorgedehnt. Zusätzlich empfiehlt es sich, die Innenfläche des Stützrings und die Aussenfläche des Zylinders konisch zu fertigen, um etwaige Fertigungstoleranzen ausgleichen zu können. Der konische Winkel sollte allerdings so klein gehalten werden, dass zwischen Ring und Zylinder Selbsthemmung besteht. Der Stützring wird dann bei der Montage mit Kraft aufgeschoben.
  • Wie bereits oben erwähnt, kann am Stützring eine Kontaktfläche besonders bevorzugt unter einem konischen Kontaktwinkel ausgebildet werden.
  • Weiter versteht es sich, dass in der Praxis ein radialer thermischer Ausdehnungskoeffizient des Stützrings besonders vorteilhaft gleich null oder sogar kleiner als null eingestellt werden kann.
  • Zuletzt betrifft die Erfindung auch einen Stützring für einen Zylinderliner, der bevorzugt nach einem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt ist.
  • Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen erfindungsgemässen Zylinderliner mit einem Stützring aus Karbonmaterial;
  • In Fig. 1 ist schematisch ein Ausschnitt eines erfindungsgemässen Zylinderliners 1 mit einem Stützring 3 aus einem Karbonmaterial dargestellt, der nach einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Verfahrens hergestellt wurde.
  • Deutlich zu erkennen ist wie der Stützring 3 an einer äusseren Stützfläche 4 des Zylinderliners 1 konzentrisch um eine Zylinderachse des Zylinderliners 1 angeordnet und an der Stützfläche 4 abgestützt ist. Gemäss der vorliegenden Erfindung ist der Stützring 3 derart ausgebildet, dass durch den Stützring 3 eine in Bezug auf die Zylinderachse A induzierte radiale Vergrösserung des Zylinderliners 1 auf einen vorgebbaren Wert begrenzbar ist.
  • Der Stützring 3 der Fig. 1 ist dabei aus einem gewickelten Karbonfaserbündeln und einem Fixierharz hergestellt, wobei der Zylinderliner 1 als Formteil verwendet wurde, indem das Karbonmaterial als Karbonring auf den Zylinderliner 1 aufgewickelt, mit dem Fixierharz beaufschlagt wurde, und das Karbonmaterial mit dem Fixierharz bei einer vorgegebenen Fixiertemperatur, bevorzugt bei Raumtemperatur auf dem Zylinderliner 1 zum Stützring 3 ausgehärtet wurde. Der Stützring 3 gem. Fig. 1 hat dabei einen effektiven radialen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der kleiner als null ist.
  • In dem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist die Kontaktfläche 31 in Bezug auf die Zylinderachse A unter einem Kontaktwinkel α in Richtung zum Zylinderdeckel 5 und in Richtung zur Zylinderachse A geneigt. Entsprechend ist die Stützfläche 4 umgekehrt in Bezug auf die Zylinderachse A unter einem Stützwinkel β derart geneigt, dass der Kontaktwinkel α mit dem Stützwinkel β korrespondiert, wobei der Kontaktwinkel α im speziellen Ausführungsbeispiel der Fig. 1 gleich dem Stützwinkel β ist. Der Stützring 3 ist dabei an einem dem Zylinderdeckel 5 zugewandten Ende des Zylinderliners 1 in einer zum Zylinderdeckel 5 offenen Stützringnute 6 angeordnet.
  • Der Fachmann versteht dabei sofort, dass die Erfindung nicht auf die exemplarisch erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass auch einfache Weiterbildungen und insbesondere auch alle technisch sinnvollen Kombinationen der Ausführungsbeispiele durch die Erfindung abgedeckt sind. Ausserdem versteht es sich von selbst, dass die Anwendung der Erfindung nicht auf Zweitakt Grossdieselmotoren beschränkt ist, sondern prinzipiell bei jedem anderen Motorentyp, z.B. auch bei Gasmotoren, Viertakt Motoren oder anderen Motoren zur Anwendung kommen kann.

Claims (15)

  1. Zylinderliner für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine (2), insbesondere Zweitakt-Grossdieselmotor, wobei ein Stützring (3) an einer äusseren Stützfläche (4) des Zylinderliners derart konzentrisch um eine Zylinderachse (A) des Zylinderliners vorgesehen ist, dass der Stützring (3) über eine Kontaktfläche (31) des Stützrings (3) an der Stützfläche (4) abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützring (3) derart ausgebildet ist, dass durch den Stützring (3) eine in Bezug auf die Zylinderachse (A) induzierte radiale Vergrösserung des Zylinderliners auf einen vorgebbaren Wert begrenzbar ist.
  2. Zylinderliner nach Anspruch 1, wobei die Kontaktfläche (31) in Bezug auf die Zylinderachse (A) unter einem Kontaktwinkel (α) geneigt ist.
  3. Zylinderliner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Stützfläche (4) in Bezug auf die Zylinderachse (A) unter einem Stützwinkel (β) geneigt ist.
  4. Zylinderliner nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kontaktwinkel (α) mit dem Stützwinkel (β) korrespondiert, wobei der Kontaktwinkel (α) im Speziellen gleich dem Stützwinkel (β) ist.
  5. Zylinderliner nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Stützring (3) an einem einem Zylinderdeckel (5) im Einbauzustand zugewandten Ende des Zylinderliners in einer Stützringnute (6), bevorzugt in einer in Richtung zum Zylinderdeckel (5) offenen Stützringnute (6) angeordnet ist.
  6. Zylinderliner nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Stützring (3) einen effektiven radialen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der kleiner als ein effektiver radialer thermischer Ausdehnungskoeffizient des Zylinderliners ist.
  7. Zylinderliner nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der effektive radiale thermische Ausdehnungskoeffizient des Stützrings (3) gleich null oder kleiner als null ist.
  8. Zylinderliner nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Stützring (3) mindestens aus einem Karbonmaterial und einem Fixierharz, insbesondere aus gewickelten Karbonfaserbündeln oder Karbonmatten hergestellt ist.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Stützrings (3) für einen Zylinderliner (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Karbonmaterial unter Zuhilfenahme eines Formteils als Karbonring geformt wird, mit einem Fixierharz beaufschlagt wird, und das Karbonmaterial mit dem Fixierharz bei einer vorgegebenen Fixiertemperatur als Stützring (3) ausgehärtet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Stützring (3) aus gewickelten Karbonfaserbündeln oder Karbonmatten hergestellt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Zylinderliner (1) als Formteil verwendet wird, indem das Karbonmaterial als Karbonring auf den Zylinderliner (1) aufgewickelt wird, mit dem Fixierharz beaufschlagt wird, und das Karbonmaterial mit dem Fixierharz bei einer vorgegebenen Fixiertemperatur auf dem Zylinderliner (1) zum Stützring (3) ausgehärtet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei als Formteil eine Fixierform verwendet wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei am Stützring (3) eine Kontaktfläche (31), bevorzugt unter einem konischen Kontaktwinkel (α) ausgebildet wird, und / oder wobei ein radialer thermischer Ausdehnungskoeffizient des Stützrings (3) gleich null oder kleiner als null eingestellt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei ein bei Raumtemperatur aushärtendes Fixierharz verwendet wird.
  15. Stützring für einen Zylinderliner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, und / oder hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14.
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