DE10112531A1 - Dieselmotor mit einem Vorverdichter - Google Patents

Abstract

Dieselmotor mit einem Vorverdichter (1) zum Einlassen und Verdichten von Außenluft (Al) und zum Zuführen der vorverdichteten Luft in einen Zylinder (31), und einem Wärmetauscher, welcher in einem Kanal mit vorverdichteter Luft von einer Auslaßöffnung des Vorverdichters (1) zu einer Einlaßöffnung des Zylinders (31) hin vorgesehen ist und die vorverdichtete Luft aus dem Vorverdichter (1) kühlt, wobei der Wärmetauscher ein Hybrid-Wärmetauscher (2) ist, welcher einen ersten Wärmetauscher (2a) zum Durchführen eines Wärmeaustausches zwischen der vorverdichteten Luft aus der Auslaßöffnung des Vorverdichters (1) und einem ersten Medium für den Wärmeaustausch, und einen zweiten Wärmetauscher (2b) zum Durchführen eines Wärmeaustausches zwischen der vorverdichteten Luft aus einer Auslaßöffnung des ersten Wärmetauschers (2a) und einem zweiten Medium für den Wärmeaustausch und zum Zuführen der vorverdichteten Luft nach dem Wärmeaustausch mit dem zweiten Medium für den Wärmeaustausch zum Zylinder (31) aufweist. Bei dem Dieselmotor treten selbst bei Verwendung eines Kraftstoffes, der in der Zündfähigkeit minderwertiger als Leichtöl ist, keine ungünstigen Wirkungen auf die Motorleistung auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Dieselmotor mit einem Vorverdichter.

Ein Dieselmotor mit einem Vorverdichter weist insgesamt einen Wärmetauscher in einem Kanal mit vorverdichteter Luft von einer Auslaßöffnung des Vorverdichters zu einer Einlaßöffnung eines Zylinders hin auf und kühlt die vorverdichtete Luft, deren Druck und Temperatur durch den Vorverdichter erhöht sind. Als Wärmetauscher wird im allgemeinen ein luftgekühlter Wärmetauscher mit Außenluft als Medium für den Wärmeaustausch oder ein wassergekühlter Wärmetauscher mit Kühlwasser als Medium für den Wärmeaustausch verwendet.

Zum Beispiel offenbaren die japanischen Patentanmeldungen mit den Offenlegungsnummern 57-35116 und 3-4731 einen Hybrid- Wärmetauscher, der einen wassergekühlten Wärmetauscher an einer Zuströmseite und einen luftgekühlten Wärmetauscher an einer Abströmseite aufweist, und der einen Bypass-Kanal mit vorverdichteter Luft mit einem Ein/Aus-Ventil von einer Auslaßöffnung eines Vorverdichters zu einer Einlaßöffnung eines Zylinders hin aufweist, wobei der wassergekühlte Wärmetauscher an der Zuströmseite zusammen mit dem Ein/Aus-Ventil in einem oberen Behälter des luftgekühlten Wärmetauschers an der Abströmseite untergebracht ist. Dadurch wird der obere Behälter auch als Bypass-Kanal mit vorverdichteter Luft verwendet, so daß ein kompakter Dieselmotor mit dem Vorverdichter geschaffen wird.

Der oben genannte herkömmliche Aufbau eines Dieselmotors hat jedoch die folgenden Nachteile, welche den Motor nicht so kompakt wie erwartet machen können.

• 1. Die Temperatur der Zylindereinlaßluft variiert in großem Maße entsprechend den Fahrzuständen (Umgebungs­ temperatur, Motorbelastung und dergleichen). Die Temperatur der Zylindereinlaßluft ist infolge der niedrigen Umgebungs­ temperatur in kalten Gebieten, Gebieten mit strenger Kälte, und in der Wintersaison extrem kalt, und beispielsweise unter mittlerer und schwerer Belastung erhöht sich ein übermäßiges Luftverhältnis, wodurch die Verbrennungsleistung steigt, so daß entgegen dem Ziel der Erfindung eine überschüssige Abtriebs­ leistung erzeugt wird. Ferner, da die Temperatur innerhalb des Zylinders bei leichter Belastung gering ist, tritt leicht eine schlechte Zündung auf, so daß es schwierig ist, den Motor stabil zu betreiben. Andererseits steigt in tropischen Gebieten und in der Sommersaison die Temperatur des Abgases infolge der heißen Umgebung bei starker Belastung, wodurch die Lebensdauer der Motorbauteile verringert wird. Zusätzlich zu den oben genannten Nachteilen besteht das Problem des Wärmeausgleichs des Motorhauptkörpers entsprechend einer Änderung der Motorbelastung. Dementsprechend vergrößern sich bei nur einem luftgekühlten Wärmetauscher die Abmessungen des Wärmetauschers selbst und der Wärmetauscher muß mit einem Luftströmungs- Einstellmechanismus, wie einer großen Klappe oder dergleichen, versehen sein, wodurch das Wärmetauschersystem selbst in seinen Abmessungen größer wird. Mit nur einem wassergekühlten Wärmetauscher wird eine große Menge an Kühlwasser benötigt, wodurch das Kühlsystem, wie ein Kühler und dergleichen, in seinen Abmessungen größer wird. Speziell ist der wassergekühlte Wärmetauscher allein oder der luftgekühlte Wärmetauscher allein ungünstig für eine kompakte Gestaltung des Motors.
• 2. Hinsichtlich der Temperaturen der Außenluft, des Kühlwassers und der vorverdichteten Luft in der Auslaßöffnung des Vorverdichters während der normalen Drehung des Motors steigt die Temperatur in dieser Reihenfolge an. Während der normalen Drehung des Motors bedeutet nach dem Starten des Motors und nach Beendigung der Aufwärmphase, d. h. während der Drehung des Motors ungeachtet eines geringen oder hohen Leerlaufs und der Größe der Belastung. Bei dem herkömmlichen Hybrid-Wärmetauscher ist der wassergekühlte Wärmetauscher an der Zuströmseite vorgesehen, und daher wird das Motorkühlwasser durch heiße vorverdichtete Luft erwärmt. Demzufolge ist eine große Menge an Kühlwasser erforderlich, um den Wärmeausgleich des Motorkörpers entsprechend einer Änderung der Motorbelastung sicherzustellen, wodurch der Kühler für das Kühlwasser und dergleichen und das Kühlsystem in den Abmessungen größer sind. Somit kann selbst bei dem herkömmlichen Hybrid-Wärmetauscher der Motor nicht so kompakt wie erwartet gestaltet werden.
• 3. Hinsichtlich des Dieselkraftstoffes wird im allgemeinen Leichtöl verwendet, jedoch werden manchmal Kraftstoffe verwendet, die in der Zündfähigkeit bei normalem Verdichtungsverhältnis minderwertiger als Leichtöl sind, wie beispielsweise Heizöl A, Heizöl aus Plastikabfall, eine Wasser- Emulsions-Kraftstoff (Kraftstoff, der durch Mischen von Kraftstoff und Wasser und deren Emulgieren hergestellt wird) und dergleichen. Beispielsweise wird anhand des Wasser- Emulsions-Kraftstoffs erläutert, wie aus den tatsächlichen Meßergebnissen der drei Arten von Motoren in Fig. 10 ersichtlich ist, daß dieser Kraftstoff die Wirkung der Reduzierung von Schadstoffen hat, wie Stickoxide, Schwarzblei und dergleichen, welche von einem Dieselmotor infolge des erhöhten Wassergehalts im Kraftstoff ausgestoßen werden. Wenn jedoch der Wassergehalt im Kraftstoff erhöht wird, wird der zuvor genannte Nachteil (speziell tritt eine abnormale Verbrennung im Zylinder leicht auf, wodurch ein stabiler Betrieb des Motors erschwert wird) unterstützt, wenn die Temperatur der Einlaßluft des Zylinders gering ist (in kalten Gebieten, Gebieten mit strenger Kälte, in der Wintersaison, und bei geringer Belastung, usw.). Wenn der Wassergehalt 50% erreicht, wird der Betrieb selbst bei Raumtemperatur instabil, da das Wasser in dem Wasser-Emulsions-Kraftstoff, der während des Verdichtungshubes des Motors eingespritzt wird, verdampft und die Temperatur an der Innenseite des Zylinders wird durch die latente Hitze reduziert, wodurch die Zündung und die Verbrennung des Wasser-Emulsions-Kraftstoffs (d. h. die Motorleistung) behindert werden.

Mit der Erfindung wird ein Dieselmotor mit einem Vorverdichter geschaffen, der mit geringen Abmessungen gestaltet werden kann und bei dem selbst bei Verwendung eines Kraftstoffes, der in der Zündfähigkeit minderwertiger als Leichtöl ist, keine ungünstigen Wirkungen auf die Motorleistung bei normalem Verdichtungsverhältnis auftreten.

Dies wird erfindungsgemäß nach einer ersten Konfiguration erreicht durch einen Dieselmotor mit einem Vorverdichter zum Einlassen und Verdichten von Außenluft und zum Zuführen der vorverdichteten Luft in einen Zylinder, und einem Wärme­ tauscher, welcher in einem Kanal mit vorverdichteter Luft von einer Auslaßöffnung des Vorverdichters zu einer Einlaßöffnung des Zylinders hin vorgesehen ist und die vorverdichtete Luft aus dem Vorverdichter kühlt, wobei der Wärmetauscher ein Hybrid-Wärmetauscher ist, welcher einen ersten Wärmetauscher zum Durchführen eines Wärmeaustausches zwischen der vorverdich­ teten Luft aus der Auslaßöffnung des Vorverdichters und einem ersten Medium für den Wärmeaustausch, und einen zweiten Wärmetauscher zum Durchführen eines Wärmeaustausches zwischen der vorverdichteten Luft aus einer Auslaßöffnung des ersten Wärmetauschers und einem zweiten Medium für den Wärmeaustausch und zum Zuführen der vorverdichteten Luft nach dem Wärmeaustausch mit dem zweiten Medium für den Wärmeaustausch zum Zylinder aufweist.

Nach einer zweiten Konfiguration kann als Kraftstoff zum Betreiben des Motors Wasser-Emulsions-Kraftstoff verwendet werden.

Nach einer dritten Konfiguration können der Motor und der Vorverdichter wassergekühlt sein, das erste Medium für den Wärmeaustausch kann Außenluft sein, und das zweite Medium für den Wärmeaustausch kann Kühlwasser aus dem wassergekühlten Motor sein.

Nach einer vierten Konfiguration kann der Dieselmotor ferner ein Belastungserfassungsmittel zum Erfassen der Bela­ stung des Motors, und ein Steuermittel zum Aufnehmen eines von dem Belastungserfassungsmittel erfaßten Signals und zum Steuern des Flusses des zweiten Mediums für den Wärmeaustausch oder des Flusses von Kühlwasser aus dem wassergekühlten Motor aufweisen.

Nach einer fünften Konfiguration kann der Dieselmotor oder der wassergekühlte Motor ferner mit einer etwa konstanten Motordrehzahl betrieben werden und einen Drucksensor, welcher zwischen einer Auslaßöffnung eines Verdichters des Vorverdichters und der Einlaßöffnung des Zylinders vorgesehen ist und den Druck der vorverdichteten Luft erfaßt, und ein Steuermittel zum Aufnehmen eines von dem Drucksensor erfaßten Signals und zum Steuern des Flusses des zweiten Mediums für den Wärmeaustausch oder des Flusses von Kühlwasser aus dem wassergekühlten Motor aufweisen.

Nach einer sechsten Konfiguration ist vorgesehen ein Dieselmotor mit einem Vorverdichter zum Einlassen und Verdichten von Außenluft und zum Zuführen der vorverdichteten Luft in einen Zylinder, und einem Wärmetauscher, welcher in einem Kanal mit vorverdichteter Luft von einer Auslaßöffnung des Vorverdichters zu einer Einlaßöffnung des Zylinders hin vorgesehen ist und die vorverdichtete Luft aus dem Vorverdichter kühlt, wobei zum Betreiben des Motors ein Kraftstoff verwendet wird, der in der Zündfähigkeit minder­ wertiger als Leichtöl ist, und wobei Mittel zum Beibehalten der Temperatur der dem Zylinder zugeführten vorverdichteten Luft auf einem vorbestimmten Wert vorgesehen sind.

Der Betrieb und die Wirkungsweise der oben genannten ersten bis sechsten Konfigurationen werden nachfolgend erläutert.

• 1. Hinsichtlich der Auswahl des Mediums für den Wärmetauscher können Außenluft, Leitungswasser (zum Beispiel im Falle des stationären Dieselmotors im Generatorbetrieb), Kühlwasser von einem Kühlturm (zum Beispiel im Falle des stationären Dieselmotors im Generatorbetrieb), Meerwasser (zum Beispiel im Falle eines Schiffsmotors), Motorschmieröl, Motorkühlwasser (zum Beispiel im Falle eines wassergekühlten Motors), und dergleichen als Beispiele genannt werden. Wenn die Auswahl des Mediums für den Wärmeaustausch während der normalen Rotation des Motors entsprechend dem Grad der Temperatur geteilt wird, sind Außenluft, Leitungswasser, Kühlturm- Kühlwasser und Meerwasser auf einer Niedrigtemperaturseite, und Schmieröl und Kühlwasser sind auf einer Hochtemperaturseite. Speziell entsprechen bei der ersten Konfiguration Außenluft, Leitungswasser, Kühlturm-Kühlwasser und Meerwasser dem ersten Medium für den Wärmeaustausch, während Schmieröl und Kühlwasser dem zweiten Medium für den Wärmeaustausch entsprechen.
  Daher ist, basierend auf der ersten Konfiguration, wenn vorverdichtete Luft mit hoher Temperatur durch Außenluft, Leitungswasser, Kühlturm-Kühlwasser und Meerwasser als Auswahl der ersten Medien für den Wärmeaustausch gekühlt wird, die Temperatur der vorverdichteten Luft nach dem Abkühlen geringer als die des Schmieröls und des Kühlwassers als Auswahl der zweiten Medien für den Wärmeaustausch entsprechend einer normalen Gestaltung. Speziell wird die im ersten Wärmetauscher abgekühlte vorverdichtete Luft danach durch das Schmieröl und das Kühlwasser als Auswahl der zweiten Medien für den Wärmeaustausch in dem zweiten Wärmetauscher erwärmt. Die Temperatur des Mediums für den zweiten Wärmetauscher ändert sich nicht in großem Maße. Daher konvergieren die Temperaturen der Einlaßluft des Zylinders in einem engen Bereich, der ungeachtet der Temperatur der Außenluft und der Belastung des Motors gleich oder kleiner als die Temperatur des Schmieröls und des Kühlwassers ist. Ferner arbeitet in dieser Situation der zweite Wärmetauscher als Kühler für das Schmieröl und das Kühlwasser. Dementsprechend werden ein Schmierölsystem und ein Kühlwassersystem, welche Wärmeausgleichsquellen für eine Änderung der Motorbelastung sind, kompakt gemacht, wodurch speziell die Abmessungen des Motors selbst reduziert werden.
  Selbst wenn die Temperatur der vorverdichteten Luft nach dem Abkühlen durch den ersten Wärmetauscher höher als die des Schmieröls und des Kühlwassers ist, kühlen das Schmieröl und das Kühlwasser als Auswahl der ersten Medien für den Wärme­ austausch die vorverdichtete Luft sogleich wieder. In dieser Situation arbeitet der zweite Wärmetauscher als Heizung für das Schmieröl und das Kühlwasser, jedoch ist die Wärmetauschmenge im allgemeinen gering. In dieser Situation wird der grundlegende Wärmeausgleich des Motorhauptkörpers entsprechend der Änderung der Motorbelastung nicht in großem Maße ungünstig beeinflußt, und daher wird die Reduzierung der Größe des Schmierölsystems und des Kühlwassersystems, speziell die Reduzierung der Größe des Motors selbst nicht beeinträchtigt.
  Speziell ist nach der ersten Konfiguration der Dieselmotor mit einem Vorverdichter versehen, der mit einem hocheffizienten Mechanismus zum Kühlen vorverdichteter Luft ausgestattet ist. Natürlich ist es nicht notwendig, einen Bypass-Kanal mit vorverdichteter Luft mit einem Ein/Aus-Ventil wie bei dem herkömmlichen Hybrid-Wärmetauscher vorzusehen, so daß auch die Reduzierung der Größe nicht nur des Mechanismus zum Kühlen der vorverdichteten Luft, sondern auch eine Reduzierung der Größe des Motors selbst erreicht wird.
• 2. Die zweite Konfiguration weist den vorgenannten Betrieb und die Wirkungsweise der ersten Konfiguration auf, daß die Temperaturen der Einlaßluft des Zylinders in einem engen Bereich ungeachtet der Temperatur der Außenluft und der Belastung des Motors gleich oder kleiner als die Temperatur des Schmieröls und des Kühlwassers konvergieren. Dementsprechend, selbst wenn als Kraftstoff ein Wasser-Emulsions-Kraftstoff verwendet wird oder wenn die Menge des Wassers in dem Wasser- Emulsions-Kraftstoff groß ist, tritt kaum eine abnormale Verbrennung im Zylinder auf, und ein stabiler Motorbetrieb kann durchgeführt werden. Im Ergebnis der Versuche wird bestätigt, daß ein stabiler Betrieb durchgeführt werden kann, selbst wenn der Wassergehalt im Kraftstoff 50 Vol.-% übersteigt. Daher können Schadstoffe, wie Stickoxide, Schwarzblei und dergleichen, die aus dem Motor ausgestoßen werden, ohne ungünstige Wirkung auf die Motorleistung reduziert werden.
• 3. Die Außenluft als erstes Medium für den Wärmeaustausch und das Kühlwasser als zweites Medium für den Wärmeaustausch bei der dritten Konfiguration sind Beispiele für die Auswahl der Medien für den Wärmeaustausch, die in der Beschreibung des Betriebs und der Wirkungsweise der ersten Konfiguration erwähnt sind. Demzufolge können bei der dritten Konfiguration der gleiche Betrieb und die gleiche Wirkung wie bei der ersten Konfiguration erreicht werden.
• 4. Nach der ersten bis dritten Konfiguration konvergieren die Temperaturen der Einlaßluft des Zylinders in einem engen Bereich, der ungeachtet der Temperatur der Außenluft und der Belastung des Motors gleich oder kleiner als die Temperatur des Schmieröls und des Kühlwassers ist, wie beim Betrieb und der Wirkungsweise der ersten Konfiguration beschrieben ist, jedoch sind bei der vierten Konfiguration die Steuermittel zum Steuern des Flusses des zweiten Mediums für den Wärmeaustausch (oder des Flusses des Kühlwassers aus dem wassergekühlten Motor), das dem zweiten Wärmetauscher entsprechend der Belastung des Motors zugeführt wird, vorgesehen. Infolgedessen wird bei starker Belastung der Fluß des zweiten Mediums für den Wärmeaustausch gestoppt oder reduziert, wodurch ausreichend gekühlte vorverdichtete Luft dem Motor zugeführt wird, um dadurch die Ausgangsleistung sicherzustellen. Wenn die Belastung gering ist, wird der Fluß des zweiten Mediums für den Wärmeaustausch auf das volle Drosselklappenniveau erhöht oder eben gesenkt, wodurch vorverdichtete Luft erwärmt wird, um die Zündung des Motors sicherzustellen, so daß es möglich ist, die Ausstoßmenge von Weißrauch und die Variation der Rotationsfrequenz zu verringern.
• 5. Wenn die Motordrehzahl etwa konstant ist, besteht eine positive Wechselbeziehung zwischen der Belastung des Motors und dem Druck der vorverdichteten Luft. Bei der fünften Konfiguration, die auf der ersten bis dritten Konfiguration beruht, ist das Steuermittel zum Steuern des Flusses des zweiten Mediums für den Wärmeaustausch (oder des Flusses des Kühlwassers aus dem wassergekühlten Motor) entsprechend dem Druck der vorverdichteten Luft des Motors vorgesehen.
  Infolgedessen wird der dem zweiten Wärmetauscher zugeführte Fluß des zweiten Mediums für den Wärmeaustausch entsprechend dem Druck der vorverdichteten Luft des Motors (speziell der Belastung der Motors) gesteuert, wodurch es möglich ist, denselben Betrieb und dieselbe Wirkungsweise wie bei der vierten Konfiguration zu erreichen.
• 6. Die sechste Konfiguration ist eine erweiterte Konzeption der vierten Konfiguration in Verbindung mit der zweiten Konfiguration. Konkret ist der Wasser-Emulsions- Kraftstoff ein Kraftstoff, der in der Zündfähigkeit minder­ wertiger als Leichtöl ist, und das Belastungserfassungsmittel und das Steuermittel sind Mittel zum Beibehalten der Temperatur der dem Zylinder zugeführten vorverdichteten Luft auf einem vorbestimmten Wert. Dementsprechend können bei der sechsten Konfiguration derselbe Betrieb und dieselbe Wirkungsweise wie bei der zweiten und vierten Konfiguration erreicht werden.

Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung näher 6 erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschema eines Dieselmotors mit einem Vorverdichter nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm, aus dem die Einheitsleistung eines ersten Wärmetauschers nach der ersten Ausführungsform ersichtlich ist;

Fig. 3 ein Diagramm, aus dem die Einheitsleistung eines zweiten Wärmetauschers nach der ersten Ausführungsform ersichtlich ist;

Fig. 4 ein Diagramm, aus dem die Leistung eines Hybrid- Wärmetauschers nach der ersten Ausführungsform ersichtlich ist;

Fig. 5 ein Blockschema eines Dieselmotors mit einem Vorverdichter nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 ein Kartendiagramm, in dem der Druck der vorver­ dichteten Luft nach der zweiten Ausführungsform gezeigt ist;

Fig. 7 ein Blockschema eines Dieselmotors mit einem Vorverdichter nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8 ein Blockschema eines Dieselmotors mit einem Vorverdichter nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 9 ein Blockschema eines Dieselmotors mit einem Vorverdichter nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 10 ein Diagramm, aus dem die Kennung eines Wasser- Emulsions-Kraftstoffs in einem herkömmlichen Dieselmotor ersichtlich ist.

Mit Bezug auf die Zeichnung werden bevorzugte Ausführungs­ formen der Erfindung erläutert.

Wie aus den Fig. 1 bis 4 ersichtlich, ist ein Motor 3 nach einer ersten Ausführungsform ein wassergekühlter Dieselmotor mit einem Vorverdichter 1 und einem Hybrid-Wärmetauscher 2, bei dem vorverdichtete Luft A2, die als Außenluft A1 in den Vorverdichter 1 eingelassen und verdichtet wird, über einen ersten Wärmetauscher 2a und einen zweiten Wärmetauscher 2b, die der Reihe nach angeordnet sind, einem Zylinder 31 zugeführt wird, wie aus dem Blockschema in Fig. 1 ersichtlich ist.

Der erste Wärmetauscher 2a an einer Zuströmseite, der den Hybrid-Wärmetauscher 2 bildet, ist ein luftgekühlter Wärmetauscher mit der Außenluft A1 als Medium für den Wärmeaustausch und wird nachfolgend einfach als luftgekühlter Wärmetauscher 2a bezeichnet. Der zweite Wärmetauscher 2b an einer Abströmseite ist ein wassergekühlter Wärmetauscher mit Kühlwasser (nicht gezeigt) eines Hauptkörpers des Motors 3 als Medium für den Wärmeaustausch und wird nachfolgend einfach als wassergekühlter Wärmetauscher 2b bezeichnet.

Mit Bezug auf die Fig. 2 bis 4 werden der Betrieb und die Wirkungsweise des Dieselmotors nach der ersten Ausführungsform beschrieben. Aus den Fig. 2 bis 4 sind Diagramme ersichtlich, welche die Beziehung zwischen einem Druckverhältnis des Vorverdichters (horizontale Achse) und einer Auslaßtemperatur der vorverdichteten Luft der jeweiligen Wärmetauscher 2a, 2b und 2 mit den Temperaturen der Einlaßluft (0°C, 10°C, 20°C, 30°C und 40°C) als Parameter darstellen. Die Temperatur­ wirksamkeit des luftgekühlten Wärmetauschers 2a in Fig. 2 ist etwa 80% und die des wassergekühlten Wärmetauschers 2b in Fig. 3 ist etwa 85%.

Hinsichtlich der Einheitsleistung der jeweiligen Wärmetauscher 2a und 2b, wenn die Temperatur der Einlaßluft der jeweiligen Wärmetauscher 2a und 2b 0°C, 10°C, 20°C, 30°C oder 40°C in einem Arbeitsbereich des Vorverdichters ist (das Druckverhältnis ist etwa 1,1 bis 2,3), ist die Auslaßtemperatur der vorverdichteten Luft des luftgekühlten Wärmetauschers 2a etwa 6°C bis 66°C, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist. Die Temperatur der Außenluft, welche das Medium des Wärmetauschers ist, wird mit einem Wert kompensiert, der durch Addieren von 5°C zu jeder Temperatur der Einlaßluft in den Vorverdichter 1 erreicht, unter Berücksichtigung dessen, daß der luftgekühlte Wärmetauscher 2a in der Nähe des Motors 3 positioniert ist.

Die Auslaßtemperatur der vorverdichteten Luft des wasser­ gekühlten Wärmetauschers 2b ist etwa 65°C bis 99°C, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. Die Temperatur des Kühlwassers, welches das Medium des Wärmetauschers ist, ist etwa 75°C bis 90°C.

Die Auslaßtemperaturen der vorverdichteten Luft des Hybrid-Wärmetauschers 2 konvergieren jedoch in einem engen Bereich von etwa 58°C bis 84°C, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist. Speziell konvergieren die Temperaturen der Einlaßluft des Zylinders 31 ungeachtet der Temperatur der Außenluft und der Belastung des Motors in einem engen Bereich. Außerdem wird vorverdichtete Luft durch Außenluft (das Medium des ersten Wärmetauschers) in dem luftgekühlten Wärmetauscher 2a (der erste Wärmetauscher 2a) gekühlt, aber sie wird durch Kühlwasser (das Medium des zweiten Wärmetauschers) in dem wassergekühlten Wärmetauscher 2b (der zweite Wärmetauscher 2b) erwärmt. In anderen Worten, da Kühlwasser in dem wassergekühlten Wärme­ tauscher 2b gekühlt wird, kann der Wärmeausgleich für den Hauptkörper des Motors 3 mittels Kühlwasser genau mit weniger Kühlwasser erreicht werden, und der Motor 3 selbst kann dementsprechend kompakt gemacht werden. Bei der ersten Ausführungsform ist kein Bypass-Kanal mit vorverdichteter Luft mit einem Ein/Aus-Ventil wie bei dem herkömmlichen Hybrid- Wärmetauscher vorgesehen, und daher kann nicht nur der Hauptkörper des Kühlmechanismus für die vorverdichtete Luft, sondern auch der Motor 3 selbst dementsprechend kompakt gemacht werden.

Wenn ein Wasser-Emulsions-Kraftstoff bei der oben genannten Ausführungsform verwendet wird, kann die folgende Wirkung erreicht werden. Speziell, da die Temperaturen der Einlaßluft des Zylinders 31 innerhalb des genauen Temperaturbereichs von etwa 58°C bis 84°C wie oben beschrieben konvergieren, ist durch Versuche bestätigt, daß ein stabiler Betrieb durchgeführt werden kann, selbst mit dem Wasser- Emulsions-Kraftstoff mit 50 Vol.-% an Wassergehalt, wie aus Fig. 10 ersichtlich ist. Dementsprechend ist es möglich, Schadstoffe, wie Stickoxide, Schwarzblei und dergleichen, zu reduzieren, welche aus dem Motor 3 ausgestoßen werden.

Fig. 5 zeigt ein Blockschema eines Dieselmotors mit einem Vorverdichter nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei dieselben Bauteile mit denselben Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform versehen sind und nur die Teile erläutert werden, die sich von der ersten Ausführungsform unterscheiden. Der Vorverdichter 1 weist eine Abgasturbine 1a, die durch Abgas angetrieben wird, und einen Verdichter 1b zum Vorverdichten der Außenluft A1 auf. Speziell wird vorver­ dichtete Luft von dem Verdichter 1b über den luftgekühlten Wärmetauscher 2a, den wassergekühlten Wärmetauscher 2b und eine Einlaßverteilerleitung 4 dem Zylinder 31 zugeführt, und Abgasluft aus dem Zylinder 31 wird über eine Abgasverteiler­ leitung 8 an die Abgasturbine 1a abgeführt.

Der Motor 3 wird mit einer etwa konstanten Drehzahl betrieben, zum Beispiel beim Antrieb eines Generators und dergleichen. Wenn die Drehzahl des Motors 3 wie oben beschrieben etwa konstant ist, besteht eine positive Wechselbeziehung zwischen der Belastung des Motors 3 und dem Druck der vorverdichteten Luft. Daher ist ein Drucksensor 11 zum Erfassen des Drucks der vorverdichteten Luft zwischen dem wassergekühlten Wärmetauscher 2b und der Einlaßöffnung des Zylinders 31 vorgesehen. Bei der zweiten Ausführungsform definiert der Drucksensor 11 Belastungserfassungsmittel 10 für den Motor 3. Hinsichtlich der Position, in welcher der Drucksensor 11 vorgesehen ist, kann irgendeine Position geeignet sein, solange die Position zwischen einer Auslaßöffnung des Verdichters 1b des Vorverdichters 1 und der Einlaßöffnung des Zylinders 31 liegt.

Ferner ist ein Flußsteuerventil 6 des Solenoidtyps in einem auslaßseitigen Kanal (oder ein einlaßseitiger Kanal kann geeignet sein) für das Kühlwasser aus dem wassergekühlten Wärmetauscher 2b zum Motor 3 vorgesehen. Der Drucksensor 11 und das Flußsteuerventil 6 sind mit einer Steuereinrichtung 7 verbunden, die einen Mikrocomputer oder dergleichen aufweist. Daher führt die Steuereinrichtung 7 dem Flußsteuerventil 6 Antriebsstrom zu, um den Fluß von Kühlwasser zu steuern, so daß die Temperatur der vorverdichteten Luft in der Auslaßöffnung des zweiten Wärmetauschers 2b innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs ist, wenn der von dem Drucksensor 11 erfaßte Druck der zuvor festgesetzte ist. Speziell definieren das Flußsteuerventil 6 und die Steuereinrichtung 7 Steuermittel zur Steuerung des Flusses von Kühlwasser. Ferner definieren die Belastungserfassungsmittel 10 (der Drucksensor 11 bei der zweiten Ausführungsform), das Flußsteuerventil 6 und die Steuereinrichtung 7 Mittel zum Aufrechterhalten der Temperatur der vorverdichteten Luft, die dem Zylinder 31 bei einem vorbestimmten Wert zugeführt wird.

Der Betrieb und die Wirkungsweise des Dieselmotors nach der zweiten Ausführungsform werden nachfolgend erläutert. Fig. 6 zeigt ein Kartendiagramm, in dem die Beziehung zwischen dem Motorausgang und dem Druck der vorverdichteten Luft dargestellt ist. Speziell stellen die vertikale Achse den durchschnitt­ lichen effektiven Druck Pme an der Welle, die horizontale Achse die Motordrehzahl N und die geknickte Linie L eine Drehmoment­ kurve dar. Die Gruppe der nach rechts abfallenden Linien stellt gleichförmige Druckkurven des Drucks P der vorverdichteten Luft dar, und der Druck steigt in Richtung nach rechts und diagonal nach oben. Dementsprechend ist bei konstanter Motordrehzahl N1, die durch die gestrichelte Linie dargestellt ist, die Ausgangsleistung des Motors 3 (speziell die Belastung des Motors 3) proportional zu dem Druck P der vorverdichteten Luft. Bei der zweiten Ausführungsform erfaßt der Drucksensor 11 den Druck P der vorverdichteten Luft. Die Steuereinrichtung 7 berechnet die Ausgangsleistung (Belastung) des Motors 3 aus dem erfaßten Wert und steuert den Fluß von Kühlwasser zu dem darauf basierenden wassergekühlten Wärmetauscher 2b. Daher ist es möglich, die Temperatur der vorverdichteten Luft in der Auslaßöffnung des wassergekühlten Wärmetauschers 2b in einen vorbestimmten Temperaturbereich zu steuern, und es ist möglich, daß die Temperatur der Einlaßluft des Zylinders 31 in einem engeren Bereich als bei der ersten Ausführungsform konvergiert.

Fig. 7 zeigt ein Blockschema eines Dieselmotors mit einem Vorverdichter nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung, wobei dieselben Bauteile mit denselben Bezugszeichen wie bei der zweiten Ausführungsform versehen sind und nur die Teile erläutert werden, die sich von der zweiten Ausführungsform unterscheiden. Eine Kraftstoffeinspritzpumpe 12 des Motors 3 ist mit einem Einspritzmengensensor 13 versehen, welcher mit der Steuereinrichtung 7 verbunden ist, um das Belastungs­ erfassungsmittel 10 zu definieren. Bei einer konstanten Motordrehzahl ist die Motorbelastung proportional zu der Kraftstoffeinspritzmenge. Daher nimmt die Steuereinrichtung 7 die Eingabe eines erfaßten Wertes des Einspritzmengensensors 13 auf und berechnet die Motorbelastung, um den Fluß von Kühlwasser zu dem wassergekühlten Wärmetauscher 2b zu steuern. Die erreichten Wirkungen sind dieselben wie bei der zweiten Ausführungsform.

Fig. 8 zeigt ein Blockschema eines Dieselmotors mit einem Vorverdichter nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung, wobei dieselben Bauteile mit denselben Bezugszeichen wie bei der zweiten Ausführungsform versehen sind und nur die Teile erläutert werden, die sich von der zweiten Ausführungsform unterscheiden. Der Motor 3 ist mit einem Generator 14 verbunden, und der Generator 14 ist mit einem Wattmeter 15 zum Erfassen der Ausgangsleistung versehen. Das Wattmeter 15 ist mit der Steuereinrichtung 7 verbunden, um das Belastungs­ erfassungsmittel 10 zu definieren. Die Steuereinrichtung 7 nimmt die Eingabe der Motorbelastung direkt von dem Wattmeter 15 auf und steuert den Fluß von Kühlwasser zu dem wasser­ gekühlten Wärmetauscher 2b. Die erreichten Wirkungen sind dieselben wie bei der zweiten Ausführungsform.

Fig. 9 zeigt ein Blockschema eines Dieselmotors mit einem Vorverdichter nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung, wobei dieselben Bauteile mit denselben Bezugszeichen wie bei der zweiten Ausführungsform versehen sind und nur die Teile erläutert werden, die sich von der zweiten Ausführungsform unterscheiden. Der Motor 3 ist mit einer Hydraulikpumpe 16 verbunden, und ein Rotationssensor 17 ist in einem Verbindungsabschnitt vorgesehen. Die Hydraulikpumpe 16 ist mit einem Auslaßdrucksensor 18 versehen. Der Rotationssensor 17 und der Auslaßdrucksensor 18 sind mit der Steuereinrichtung 7 verbunden, um die Belastungserfassungsmittel 10 zu definieren. Die Steuereinrichtung 7 berechnet die Motorbelastung, die auf der Rotationsfrequenzinformation von dem Rotationssensor 17 und der Auslaßdruckinformation von dem Auslaßdrucksensor 18 basiert, und steuert den Fluß von Kühlwasser zu dem wassergekühlten Wärmetauscher 2b. Die erreichten Wirkungen sind dieselben wie bei der zweiten Ausführungsform. Bei der fünften Ausführungsform kann die von dem Motor 3 angetriebene Hydraulikpumpe 16 ein Luftverdichter sein.

Bei den vorgenannten Ausführungsformen ist das Medium für den Wärmeaustausch des ersten Wärmetauschers 2a die Außenluft A1, aber nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann bei der vierten und fünften Ausführungsform der Motor 3 zum Antreiben des Generators 14 oder der Hydraulikpumpe 16 ein stationärer Dieselmotor sein, und das Medium für den Wärmeaustausch des ersten Wärmetauschers 2a kann Leitungswasser oder Kühlwasser von einem Kühlturm sein. Das Medium für den Wärmeaustausch des zweiten Wärmetauschers 2b ist nicht auf Motorkühlwasser wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen beschränkt, und zum Beispiel kann Motorschmieröl zweckmäßig sein. Kurz gesagt ist es erwünscht, daß das erste Medium für den Wärmeaustausch vorverdichtete Luft kühlt und das zweite Medium für den Wärmeaustausch vorverdichtete Luft aus dem ersten Wärmetauscher 2a erwärmt, wenn der Motor normal rotiert. Daher konvergieren die Temperaturen der Einlaßluft des Zylinders 31 in einem engen Bereich, in welchem die Temperaturen ungeachtet der Temperatur der Außenluft und der Belastung des Motors geringer als oder etwa bei dem zweiten Medium für den Wärmeaustausch sind.

Bei der Erläuterung des Betriebs und der Wirkungsweise des Dieselmotors nach der ersten Ausführungsform ist Wasser- Emulsions-Kraftstoff als Beispiel für einen Kraftstoff beschrieben, der in der Zündfähigkeit minderwertiger als Leichtöl ist, und bei der zweiten bis fünften Ausführungsform können die Temperaturen der Einlaßluft des Zylinders 31 innerhalb eines engeren Bereiches als bei der ersten Ausführungsform konvergieren. Dementsprechend, selbst wenn zum Beispiel Heizöl A, Heizöl aus Plastikabfall oder dergleichen verwendet wird, tritt kaum eine abnormale Verbrennung im Zylinder 31 ein, und daher kann der Motor 3 stabil betrieben werden.

Claims (6)

1. Dieselmotor mit einem Vorverdichter (1) zum Einlassen und erdichten von Außenluft (A1) und zum Zuführen der vorverdichteten Luft in einen Zylinder (31), und einem Wärmetauscher, welcher in einem Kanal mit vorverdichteter Luft von einer Auslaßöffnung des Vorverdichters (1) zu einer Einlaßöffnung des Zylinders (31) hin vorgesehen ist und die vorverdichtete Luft aus dem Vorverdichter (1) kühlt, wobei der Wärmetauscher ein Hybrid-Wärmetauscher (2) ist, welcher einen ersten Wärmetauscher (2a) zum Durchführen eines Wärme­ austausches zwischen der vorverdichteten Luft aus der Auslaßöffnung des Vorverdichters (1) und einem ersten Medium für den Wärmeaustausch, und einen zweiten Wärmetauscher (2b) zum Durchführen eines Wärmeaustausches zwischen der vorverdichteten Luft aus einer Auslaßöffnung des ersten Wärmetauschers (2a) und einem zweiten Medium für den Wärmeaustausch und zum Zuführen der vorverdichteten Luft nach dem Wärmeaustausch mit dem zweiten Medium für den Wärmeaustausch zum Zylinder (31) aufweist.

2. Dieselmotor nach Anspruch 1, wobei als Kraftstoff zum Betreiben des Motors Wasser-Emulsions-Kraftstoff verwendet wird.

3. Dieselmotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Motor (3) und der Vorverdichter (1) wassergekühlt sind, das erste Medium für den Wärmeaustausch Außenluft ist, und das zweite Medium für den Wärmeaustausch Kühlwasser aus dem wassergekühlten Motor (3) ist.

4. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit einem Belastungserfassungsmittel (10) zum Erfassen der Belastung des Motors (3), und einem Steuermittel (6, 7) zum Aufnehmen eines von dem Belastungserfassungsmittel (10) erfaßten Signals und zum Steuern des Flusses des zweiten Mediums für den Wärmeaustausch.

5. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner mit einem Drucksensor (11), welcher zwischen einer Auslaß­ öffnung eines Verdichters (1b) des Vorverdichters (1) und der Einlaßöffnung des Zylinders (31) vorgesehen ist und den Druck der vorverdichteten Luft erfaßt, und einem Steuermittel (6, 7) zum Aufnehmen eines von dem Drucksensor (11) erfaßten Signals und zum Steuern des Flusses des zweiten Mediums für den Wärmeaustausch, wobei der Motor (3) mit einer etwa konstanten Motordrehzahl betrieben wird.

6. Dieselmotor mit einem Vorverdichter (1) zum Einlassen und Verdichten von Außenluft (A1) und zum Zuführen der vorverdichteten Luft in einen Zylinder (31), und einem Wärmetauscher, welcher in einem Kanal mit vorverdichteter Luft von einer Auslaßöffnung des Vorverdichters (1) zu einer Einlaßöffnung des Zylinders (31) hin vorgesehen ist und die vorverdichtete Luft aus dem Vorverdichter (1) kühlt, wobei zum Betreiben des Motors ein Kraftstoff verwendet wird, der in der Zündfähigkeit minderwertiger als Leichtöl ist, und wobei Mittel (6, 7, 10) zum Beibehalten der Temperatur der dem Zylinder (31) zugeführten vorverdichteten Luft auf einem vorbestimmten Wert vorgesehen sind.