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Die
Erfindung betrifft einen Dieselmotor mit einem Vorverdichter zum
Einlassen und Verdichten von Außenluft
und zum Zuführen
der vorverdichteten Luft in einen Zylinder und mit einem Wärmetauscher, der
in einer von einer Auslassöffnung
des Vorverdichters zu einer Einlassöffnung des Zylinders führenden Leitung
der vorverdichteten Luft angeordnet ist und die vorverdichtete Luft
aus dem Vorverdichter kühlt, wobei
der Wärmetauscher
ein Hybrid-Wärmetauscher
ist, welcher einen ersten Wärmetauscher
zur Durchführung
eines Wärmeaustausches
zwischen der aus der Auslassöffnung
des Vorverdichters ausgetretenen vorverdichteten Luft und einem
ersten Wärmetauschmedium
aufweist und einem zweiten Wärmetauscher
zur Durchführung
eines Wärmeaustausches
zwischen der aus einer Auslassöffnung
des ersten Wärmetauschers
ausgetretenen vorverdichteten Luft und einem zweiten Wärmetauschmedium aufweist,
und der die vorverdichtete Luft nach dem Wärmeaustausch mit dem zweiten
Wärmetauschmedium
dem Zylinder zuführt.
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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.
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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.
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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
(Umgebungstemperatur, Motorbelastung und dergleichen). Die Temperatur
der Zylindereinlassluft ist infolge der niedrigen Umgebungstemperatur
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 Abtriebsleistung
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-Kraftstoff-Emulsion (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 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.
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Ein
gattungsgemäßer Dieselmotor
ist aus der
US 5,036,668
A bekannt. Dieser Motor weist einen ersten Wärmetauscher
und einen zweiten Wärmetauscher
auf, die jeweils mit einem Wärmetauschmedium
zusammenwirken, wobei verdichtete Luft zunächst einem Motorkühlflüssigkeitswärmetauscher
mit Motorkühlflüssigkeit
als erstem Wärmetauschmedium
höherer
Temperatur und dann einem Umgebungsluftwärmetauscher mit Umgebungsluft als
zweitem Wärmetauschermedium
mit gegenüber dem
ersten Wärmetauschermedium
geringerer Temperatur zugeführt
wird. Weiterhin ist bei dem Dieselmotor nach diesem Stand der Technik
eine regelbare Bypassleitung vorgesehen, die es erlaubt, vorverdichtete
Luft an dem zweiten Wärmetauscher
für Umgebungsluft
vorbeizuleiten.
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Zwei
Wärmetauscher
sind auch aus der
GB 2085524
A bekannt, wobei von diesen aber lediglich ein Wärmetauscher
die vorverdichtete Luft kühlt.
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Ein
System mit einem Wärmetauscher
für die vorverdichtete
Luft ist ferner aus der
DE
3214855 C2 bekannt.
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Ein
Motor, bei welchem ein Kraftstoffeinspritzventil und ein Wassereinspritzventil
vorgesehen sind, ist aus der
DE 32 36 233 C2 bekannt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dieselmotor mit einem
Vorverdichter zu schaffen, 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.
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Bei
einem Dieselmotor der eingangs näher bezeichneten
Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
das zweite Wärmetauschmedium
eine höhere
Temperatur als das erste Wärmetauschmedium
aufweist.
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Nach
einer zweiten Konfiguration kann als Kraftstoff zum Betreiben des
Motors Wasser-Emulsions-Kraftstoff verwendet werden.
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Nach
einer dritten Konfiguration können
der Motor und der Vorverdichter wassergekühlt sein, kann das erste Wärmeaustauschmedium
Außenluft sein,
und kann das zweite Wärmeaustauschmedium Kühlwasser
aus dem wassergekühlten
Motor sein.
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Nach
einer vierten Konfiguration kann der Dieselmotor ferner ein Belastungserfassungsmittel zum
Erfassen der Belastung des Motors, und ein Steuermittel zum Aufnehmen
eines von dem Belastungserfassungsmittel erfassten Signals und zum Steuern
des Flusses des zweiten Wärmeaustauschmediums
aufweisen.
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Nach
einer fünften
Konfiguration kann der Dieselmotor ferner mit einer etwa konstanten
Motordrehzahl betrieben werden und indem er 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 Wärmeaustauschmediums
aufweist, wobei der Motor mit einer etwa konstanten Motordrehzahl betrieben
wird.
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Nach
einer sechsten Konfiguration ist ein Dieselmotorvorgesehen, wobei
zum Betreiben des Motors ein Kraftstoff verwendet wird, der in der
Zündfähigkeit
minderwertiger als Leichtöl
ist, und wobei Mittel zum Beibehalten der Temperatur der dem Zylinder
zugeführten
vorverdichteten Luft auf einem vorbestimmten Wert vorgesehen sind.
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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.
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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 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 Wärmeausgleichquellen
für eine Änderung
der Motorbelastung sind, kompakt gemacht, wodurch speziell die Abmessungen
des Motors selbst reduziert werden.
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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 Wärmeaustausch
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.
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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
minderwertiger 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.
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Die
Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 ein
Blockschema eines Dieselmotors mit einem Vorverdichter nach einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 ein
Diagramm, aus dem die Einheitsleistung eines ersten Wärmetauschers
nach der ersten Ausführungsform
ersichtlich ist;
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3 ein
Diagramm, aus dem die Einheitsleistung eines zweiten Wärmetauschers
nach der ersten Ausführungsform
ersichtlich ist;
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4 ein
Diagramm, aus dem die Leistung eines Hybrid-Wärmetauschers
nach der ersten Ausführungsform
ersichtlich ist;
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5 ein
Blockschema eines Dieselmotors mit einem Vorverdichter nach einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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6 ein
Kartendiagramm, in dem der Druck der vorverdichteten Luft nach der
zweiten Ausführungsform
gezeigt ist;
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7 ein
Blockschema eines Dieselmotors mit einem Vorverdichter nach einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung;
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8 ein
Blockschema eines Dieselmotors mit einem Vorverdichter nach einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung;
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9 ein
Blockschema eines Dieselmotors mit einem Vorverdichter nach einer
fünften
Ausführungsform
der Erfindung; und
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10 ein
Diagramm, aus dem die Kennung eines Wasser-Emulsions-Kraftstoffs in einem herkömmlichen
Dieselmotor ersichtlich ist.
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Mit
Bezug auf die Zeichnung werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
erläutert.
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Wie
aus den 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 1 ersichtlich
ist.
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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.
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Mit
Bezug auf die 2 bis 4 werden der
Betrieb und die Wirkungsweise des Dieselmotors nach der ersten Ausführungsform
beschrieben. Aus den 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 Temperaturwirksamkeit des luftgekühlten Wärmetauschers 2a in 2 ist
etwa 80% und die des wassergekühlten Wärmetauschers 2b in 3 ist
etwa 85%.
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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 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.
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Die
Auslaßtemperatur
der vorverdichteten Luft des wassergekühlten Wärmetauschers 2b ist etwa
65°C bis
99°C, wie
aus 3 ersichtlich ist. Die Temperatur des Kühlwassers,
welches das Medium des Wärmetauschers
ist, ist etwa 75°C
bis 90°C.
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Die
Auslaßtemperaturen
der vorverdichteten Luft des Hybrid-Wärmetauschers 2 konvergieren
jedoch in einem engen Bereich von etwa 58°C bis 84°C, wie aus 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
Wärmetauscher 2b gekühlt wird,
kann der Wärmeausgleich
für den
Hauptkörper
des Motors 3 mittels Kühlwasser
mit weniger Kühlwasser
erreicht werden, und der Motor 3 selbst kann dementsprechend
kompakt gehalten 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.
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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 10 ersichtlich
ist. Dementsprechend ist es möglich,
Schadstoffe, wie Stickoxide, Schwarzblei und dergleichen, zu reduzieren, welche
aus dem Motor 3 ausgestoßen werden.
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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 vorverdichtete 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 Abgasverteilerleitung 8 an die
Abgasturbine 1a abgeführt.
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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.
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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.
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Der
Betrieb und die Wirkungsweise des Dieselmotors nach der zweiten
Ausführungsform
werden nachfolgend erläutert. 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 durchschnittlichen 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.
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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 Belastungserfassungsmittel 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.
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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 Belastungserfassungsmittel 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 wassergekühlten
Wärmetauscher 2b.
Die erreichten Wirkungen sind dieselben wie bei der zweiten Ausführungsform.
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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.
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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 gleich dem zweiten Medium für den Wärmeaustausch
sind.
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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.