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Die
Erfindung betrifft gemäß einem
ersten Gedanken ein Verfahren zum Betrieb eines Zweitaktmotors,
der wenigstens einen Arbeitsraum aufweist, wobei bei jedem Arbeitstakt
eine Spülung
des Arbeitsraums mit einer neuen, zumindest teilweise aus Luft bestehenden
Gasfüllung,
Verdichtung der neuen Gasfüllung
des Arbeitsraums, Einspritzung von Brennstoff in die verdichtete
Gasfüllung
und nach Zündung
und Brennstoffverbrennung ein Auslassen von Abgas stattfinden, wobei
die dem Arbeitsraum über
Spülgaseinlässe einer
zugeordneten Zylinderbüchse
zugeführte
Gasfüllung
beim Einströmen
in den Arbeitsraum mit einem Drall versehen wird und die Stärke des
der Gasfüllung
aufgeprägten
Dralls in Abhängigkeit
vom Betriebszustand des Motors verändert wird.
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Ein
weiterer Gedanke der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens mit dem Zweitaktmotor, der wenigstens einen Zylinder
aufweist, der eine Zylinderbüchse
und einen in diesem vorgesehenen, durch einen reziprozierenden Kolben
begrenzten Arbeitsraum enthält,
dem im unteren Bereich der Zylinderbüchse angeordnete, durch den
Kolben steuerbare Spülgaseinlässe sowie ein
Abgasauslass zugeordnet sind, der in einem auf der Zylinderbüchse angeordneten
Zylinderdeckel angeordnet und durch ein heb- und senkbares Auslassventil
steuerbar ist, wobei den Spülgaseinlässen Drall-Kontrollmittel
zugeordnet sind, die an der Außenseite
der Zylinderbüchse
angeordnet sind und mittels welcher die Strömungsrichtung und/oder der Strömungsquerschnitt
im Bereich der Spülgaseinlässe in Abhängigkeit
vom Betriebszustand des Motors veränderbar ist.
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Bei
bekannten Zweitaktmotoren ist die Stärke des dem Spülgas aufgeprägten Dralls
in der Regel unabhängig
von einer Änderung
der Arbeitsbedingungen des Motors konstant. Es ist daher nicht möglich, den
genannten Drall zu steuern und deshalb ist es auch nicht möglich, die
Winkelgeschwindigkeit der Gasfüllung
und damit die Vermischung von Gas und Brennstoff sowie die Wärmebelastung
der Innenwände
des Arbeitsraums zu optimieren.
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Die
DE 198 27 250 A1 offenbart
einen Zweitaktmotor, der einen oder mehrere mit Einlasskanälen versehene
Zylinder aufweist, wobei die Einlasskanäle tangential und schräg nach oben
gerichtet sind und verschiedene Neigungswinkel aufweisen können. Um
eine variable Drallsteuerung zu erreichen, sind die Einströmkanäle mit einer
steuerbaren Drosseleinrichtung versehen.
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Aus
der
WO 2005/068804
A1 ist ein Zweitaktmotor bekannt, bei dem jeder Zylinder
einen im Bereich der Spülgaseinlässe angeordneten
Ring und hiermit schwenkbaren Leitschaufeln aufweist, wobei der
Ring mit einer Umfangsverzahnung versehen und hiermit mit einem
Zahnrad in Eingriff ist. Dadurch kann der Ring in Rotation versetzt
werden, um die Orientierung der schwenkbaren Leitschaufeln zu ändern, so
dass der Drall der Gasströmung
im Zylinder gesteuert werden kann.
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Aus
der
JP 10-196372 A ist
ein Zweitaktmotor bekannt, der einen Zylinder aufweist, der mit
mehreren Einlassöffnungen
unterschiedlicher Neigung versehen ist. Ein ringförmiger Körper ist
drehbar um die Außenfläche des
Zylinders im Bereich der Einlassöffnungen
angebracht, wobei der ringförmige
Körper
entsprechend den Einlassöffnungen
ausgebildete Öffnungen
aufweist. Durch Änderung
der Drehstellung des ringförmigen
Körpers
in Abhängigkeit
von der Rotationsgeschwindigkeit des Motors werden seine Öffnungen
mehr oder weniger in Überlappung mit
den Einlassöffnungen
des Zylinders gebracht, wodurch der wirksame Einlassquerschnitt
steuerbar ist.
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Hiervon
ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Vorrichtung eingangs erwähnter Art so zu verbessern,
dass die Vermischung von Gas und Brennstoff sowie die Wärmebelastung
der Innenwände
des Arbeitsraums optimiert werden können und dennoch eine einfache
und robuste Bauweise möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit dem eingangs erwähnten, gattungsgemäßen Verfahren dadurch
gelöst,
dass die Stärke
des Dralls der dem Arbeitsraum zugeführten Gasfüllung durch Heben und Senken
eines Rings mit Leitschaufeln an der Außenseite der Spülgaseinlässe der
Zylinderbüchse geändert wird.
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Zudem
wird diese Aufgabe auch in Verbindung mit der eingangs erwähnten, gattungsgemäßen Vorrichtung
dadurch gelöst,
dass die Drall-Kontrollmittel als die Zylinderbüchse im Bereich der Spülgaseinlässe umfassender,
und gegenüber
der Zylinderbüchse
in axialer Richtung bewegbarer Kontrollring ausgebildet sind, wobei
der Kontrollring eine Anzahl von in Umfangsrichtung nebeneinander
angeordneten Leitschaufeln enthält
und wobei die axiale Erstreckung des Kontrollrings die axiale Erstreckung
der Spülgaseinlässe übersteigt,
die vom Kontrollring stets voll abdeckbar sind.
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Der
oben vorgeschlagene Kontrollring stellt ein sehr einfaches, robustes
und widerstandfähiges Element
mit starr angeordneten Leitschaufeln dar. Es ist daher möglich, den
genannten Kontrollring sowie zumindest Teile einer zugeordneten
Stelleinrichtung in einer den Zylindern zugeordneten Spülgasbox
unterzubringen. In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen,
dass die Spülgasbox
einem Rückschlag
von Verbrennungsgasen, dem sogenannten Zylinderrückschlag, ausgesetzt ist, was
zu einer starken Verschmutzung der Umgebung innerhalb der Spülgasbox
führt und
gleichzeitig verlangt, dass jede in der Spülgasbox angeordnete mechanische
Vorrichtung, die den durch Zylinder-Schmieröl und Verbrennungsrückstände verursachten
Ablagerungen ausgesetzt ist, diesen standhalten muss. Außerdem kann
der Zylinderrückschlag
zu starken, auf jede in der Spülgasbox
angeordnete Einrichtung wirkenden Strömungskräften führen. Der vorgeschlagene Kontrollring
ist einfach sowie für
die genannten Bedingungen robust und widerstandsfähig genug.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass der vorgeschlagene
Kontrollring eine Passage zur Entfernung der Zylinderbüchse im
Falle von Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten bildet.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung des übergeordneten
Verfahrens kann die Stärke
des beim Einströmen
des Spülgases
in den Arbeitsraum dem Spülgas
aufgeprägten
Dralls durch Variation des Winkels der Strömungsrichtung und/oder des
freien Strömungsquerschnitts
verändert
werden. Diese Maßnahmen
führen
in vorteilhafter Weise zu einer Variation des Winkelmoments der
neuen Gasfüllung.
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Zweckmäßig wird
die Stärke
des Dralls so verändert,
dass die Winkelgeschwindigkeit der dem Arbeitsraum zugeführten neuen
Gasfüllung
abnimmt, wenn die Last des Motors zunimmt und umgekehrt. Hierdurch
wird sichergestellt, dass in allen Fällen eine passende Einspritzzeit
zur Vermeidung einer Einspritzung von Brennstoff in die von dem
in Bewegungsrichtung des Dralls stromaufwärts liegenden Einspritzventil
erzeugte Flamme erreichbar ist.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der übergeordneten
Vorrichtung kann darin bestehen, dass die Zylinderbüchse in
ihrem dem Kontrollring zugeordneten Bereich bis auf eine mechanisch
notwendige, minimale Dicke bearbeitet ist. Hierdurch wird sichergestellt,
dass die Einströmrichtung
des Spülgases
im Wesentlichen durch die Leitschaufeln des Kontrollrings und nicht
durch die sonst relativ dicken Seitenwände der Spülgaseinlässe beeinflusst wird.
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Vorteilhaft
kann die Geometrie der Leitschaufeln über ihrer Länge kontinuierlich oder stufenweise
variieren, so dass die Strömungsrichtung und/oder
-geschwindigkeit durch eine axiale Bewegung des Kontrollrings variierbar
ist.
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Um
eine Änderung
des Winkels der Strömungsrichtung
durch eine axiale Bewegung des Kontrollrings zu erreichen, können die
Leitschaufeln des Kontrollrings um ihre Längsachse über ihrer Länge um vorzugsweise 90° verwunden
sein.
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Um
eine Änderung
des effektiven Strömungsquerschnitts
und damit der Strömungsgeschwindigkeit
durch eine axiale Bewegung des Kontrollrings zu ermöglichen
kann die Dicke der Leitschaufeln über ihrer Länge variieren.
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Vorteilhaft
finden beide vorstehend genannten Maßnahmen gemeinsam Anwendung.
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Eine
sehr stabile Ausgestaltung des Kontrollrings kann dadurch erreicht
werden, dass die Leitschaufeln des Kontrollrings mit ihren Enden
an die Zylinderbüchse
umgebenden Ringflanschen befestigt sind.
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Eine
weitere zweckmäßige Ausgestaltung der
Erfindung kann darin bestehen, dass bei einem Zweittaktmotor mit
mehreren Zylindern die Kontrollringe mehrerer Zylinder, vorzugsweise
aller Zylinder mittels einer gemeinsamen Stelleinrichtung betätigt werden
können.
Diese Stelleinrichtung kann wenigstens einen Aktuator aufweisen,
der in Abhängigkeit von
den Betriebsbedingungen des Motors steuerbar ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen
ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
anhand der Zeichnung.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 einen
Vertikalschnitt durch einen Zylinder eines Zweitakt-Großdieselmotors,
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2 eine
schematische Darstellung der Oberseite des Arbeitsraums der Anordnung
gemäß 1 während der
Einspritzung von Brennstoff von innen gesehen,
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
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4 ein
Beispiel für
Leitschaufeln mit variierendem Winkel in vertikaler Richtung,
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5 ein
Beispiel für
Leitschaufeln mit in vertikaler Richtung variierender Dicke und
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6 ein
Beispiel für
Leitschaufeln mit in vertikaler Richtung variierendem Winkel und
variierender Dicke.
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Das
Hauptanwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung sind Zweitakt-Großdieselmotoren
wie sie normalerweise als Schiffsantriebe oder Antriebe für stationäre Kraftwerke
Verwendung finden. Derartige Zweitakt-Dieselmotoren sind normalerweise
mit einem Kreuzkopf versehen, was einen langen Kolbenhub und eine
Gleich- oder Einstromspülung
von unteren Spülgaseinlässen zu
einem oberen Abgasauslass ermöglicht,
wie aus 1 ersichtlich ist.
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Dieselmotoren
oben genannter Art besitzen in der Regel mehrere, in einer Reihe
angeordnete Zylinder. Ein derartiger Zylinder 1 ist in 1 dargestellt.
Der Zylinder 1 enthält
eine Zylinderbüchse 2,
in der ein Arbeitsraum 3 angeordnet ist, dessen obere Begrenzung
durch einen auf der Zylinderbüchse 2 befestigten
Zylinderdeckel 4 gebildet wird. Im Arbeitsraum 3 findet
bei jedem Arbeitszyklus eine Verbrennung statt. Der Arbeitsraum
bildet daher eine Brennkammer. Die untere Begrenzung des Arbeitsraums 3 wird
durch einen reziprozierenden Kolben 5 gebildet, der im
dargestellten Beispiel über
eine Kolbenstange 6 mit einem nicht dargestellten Kreuzkopf verbunden
ist, der seinerseits über
eine angelenkte Pleuelstange mit einer Kurbelwelle zusammenwirkt. Mittels
des reziprozierenden Kolbens 5 kann das Volumen der Verbrennungskammer 3 vergrößert und verkleinert
werden. Anstelle einer Kreuzkopfanordnung wäre es auch denkbar, dass der
Kolben 5 über eine
angelenkte Pleuelstange direkt mit der Kurbelwelle zusammenwirkt.
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Der
Zylinderdeckel 4 ist mit einer zentral angeordneten Abgasauslassöffnung 7 versehen,
die mittels eines heb- und senkbaren Auslassventils 8 steuerbar
ist, das heißt
geöffnet
und geschlossen werden kann. In 1 befindet
sich das Auslassventil 8 in der Öffnungsstellung, das heißt in der
abgesenkten Stellung. Im oberen Bereich des Zylinders 1 sind
Einspritzventile 9 angeordnet, die in den oberen Bereich
des Arbeitsraums münden.
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Der
untere Bereich der Zylinderbüchse 2 ist in
einer Spülgasbox 10 angeordnet,
die mit druckbehaftetem Spülgas
beaufschlagt wird. Dabei kann es sich um Luft oder um eine Mischung
von Luft und Auspuff- oder Brenngas oder einem anderen Gas handeln.
Der untere Endbereich der Zylinderbüchse 2, der in die
Spülgasbox 10 hineinragt,
ist mit mehreren über
den Umfang verteilten Spülgaseinlässen 11 zur
Spülung
des Arbeitsraums 3 versehen. In 1 sind aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
nur zwei einander gegenüberliegende
Spülgaseinlässe 11 gezeichnet.
Aus 3 ist jedoch erkennbar, dass mehrere, vorzugsweise
gleichmäßig über den
Umfang verteilte Spülgaseinlässe 11 vorhanden
sind. Die Spülgaseinlässe 11 können mittels
des reziprozierenden Kolbens 5 gesteuert, das heißt gegenüber dem
Arbeitsraum 3 geöffnet
und geschlossen werden. Da die Spülgaseinlässe 11 und die Auslassöffnung 7 im
Bereich einander entgegen gesetzter Enden des Arbeitsraums 3 angeordnet
sind, ergibt sich eine Spülung
der Brennkammer in einer, hier vertikalen Richtung, was als Gleich-
oder Einstromspülung bezeichnet
wird.
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Die
Wirkungsweise eines Zweitakt-Dieselmotors ist an sich bekannt. Während eines
jeden Arbeitszykluses wird der Kolben 5 einmal auf – und abbewegt,
wobei der Arbeitsraum 3 verkleinert und vergrößert wird.
Das Auslassventil 8 ist geöffnet, wenn der Kolben 5 den
unteren Bereich seiner Bewegungskurve durchläuft und ansonsten geschlossen. Die
Einspritzung von Brennstoff erfolgt, wenn der Kolben 5 sich
im oberen Bereich seiner Bewegungskurve befindet. Da der Brennstoff
in eine komprimierte Gasfüllung
eingespritzt wird ergibt sich eine automatische Selbstzündung. Während der
folgenden Verbrennung des eingespritzten Brennstoff ergibt sich
eine Expansion des Gases und damit eine Abwärtsbewegung des Kolbens 5.
Wenn der Kolben 5 den unteren Bereich seiner Bewegungskurve
erreicht, werden die Spülgaseinlässe 11 geöffnet. Das bedeutet,
dass der Arbeitsraum 3 mit der Spülgasbox 10 kommunizieren
kann. Kurz vor oder nach der Öffnung
der Spülgaseinlässe 11 wird
der Abgasauslass 7 geöffnet,
so dass verbranntes Gas als Auspuffgas entweichen kann, wie in 1 durch
die Pfeile 12 angedeutet ist. Sobald die Spülgaseinlässe 11 geöffnet sind,
kann Spülgas
von der Spülgasbox 10 in
den Arbeitsraum 3 einströmen, wie in 1 durch
die Pfeile 13 angedeutet ist. Hierdurch wird der Arbeitsraum 3 in
Richtung von unten nach oben gespült, wie in 1 durch
Pfeile 14 angedeutet ist, und gleichzeitig wird der Arbeitsraum 3 mit
einer neuen Gasfüllung versehen.
Das Schließen
des Auslassventils 8 erfolgt so, dass nichts oder nur eine
kleine Menge der neuen Gasfüllung
entweichen kann. Während
der Kolben 5 sich nach oben bewegt, wird neue Gasfüllung komprimiert
und dann folgt die Brennstoffeinspritzung. Dieser Ablauf wird während jedes
Bewegungszykluses des Kolbens 5 und dementsprechend während jedes
Arbeitszykluses des Motors wiederholt.
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Das über die
Spülgaseinlässe 11 in
den Arbeitsraum 3 einströmende Spülgas wird mit einem Drall beaufschlagt.
Die Drallbewegung der neuen Gasfüllung
ist in 2 durch einen Pfeil 15 angedeutet. Die
Drallbewegung zum Zeitpunkt der Brennstoffeinspritzung determiniert
das Zeitintervall, während dessen
die Brennstoffeinspritzung erfolgen kann, ohne dass Brennstoff in
die vom in Richtung der Drallbewegung stromaufwärts gelegenen Einspritzventil
generierte Flamme eingespritzt wird, wie aus 2 entnehmbar
ist. Da das genannte Zeitintervall in Abhängigkeit von den Arbeitsbedingungen
des Motors variiert, wird die Stärke
des Dralls in Abhängigkeit
von den Arbeitsbedingungen des Motors verändert. Hierzu kann das Winkelmoment
der neuen Gasfüllung
des Arbeitsraums 3 in Abhängigkeit von den Arbeitsbedingungen
des Motors gesteuert werden. Das Winkelmoment kann durch Variation
der Strömungsrichtung
und/oder der Strömungsgeschwindigkeit
variiert werden. Die Strömungsrichtung kann
durch Variation des Winkels der das über die geöffneten Spülgaseinlässe 11 in den Arbeitsraum 3 einströmende Spülgas führenden
Leitwände
variiert werden. Die Strömungsgeschwindigkeit
kann durch Variation des effektiven Strömungsquerschnitts variiert
werden. Um eine passende Einspritzzeit zu erreichen ist es zweckmäßig, den
Drall der dem Arbeitsraum 3 zugeführten neuen Gasfüllung so
zu variieren, dass die Winkelgeschwindigkeit zunimmt, wenn die Last
des Motors abnimmt und umgekehrt.
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Hierzu
ist den Spülgasöffnungen 11 eine
an der Außenseite
der Zylinderbüchse 2 angeordnete,
in 1 als Ganzes mit 16 bezeichnete Steuereinrichtung
zugeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird diese Steuereinrichtung,
wie in 3 dargestellt ist, durch einen die Zylinderbüchse 2 im
Bereich der Spülgaseinlässe 11 umfassenden
Kontrollring 17 gebildet. Der Kontrollring 17 enthält eine
Anzahl von in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Leitschaufeln 18.
Die Leitschaufeln 18 sind zweckmäßig wie die Spülgaseinlässe 11 gleichmäßig über den
Umfang verteilt, wobei die Anzahl der Leitschaufeln 18 der
Anzahl der Spülgaseinlässe 11 zumindest
entspricht oder diese zweckmäßig übersteigt.
Die Leitschaufeln 18 sind zumindest mit einem Ende an einem
die Zylinderbüchse 2 umgebenden Ringflansch 19 befestigt.
Im dargestellten Beispiel sind ein oberer und ein unterer Ringflansch 19 vorgesehen,
an denen die Leitschaufeln 18 mit ihren oberen und unteren
Enden befestigt sind. Der Kontrollring 17, dessen Abmessung
in axialer Richtung größer als
die Höhe
der Spülgaseinlässe 11 ist,
kann in axialer Richtung bewegt werden, wie in 3 durch einen
Pfeil 20 angedeutet ist. In 1 sind die
oberste und die unterste Stellung des Kontrollrings 17 durch
unterbrochene Linien angedeutet. In jeder Position des Kontrollrings 17 sind
die Spülgaseinlässe 11 vom
Kontrollring 17 voll überdeckt.
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Zum
Senken und Heben des Kontrollrings 17 ist eine Stelleinrichtung 21 vorgesehen,
die wenigstens einen Aktuator 22 enthält, der in Abhängigkeit von
den Arbeitsbedingungen des Motors steuerbar ist und der mit dem
Kontrollring 17 zusammenwirkt. Der Aktuator 22 kann
durch mechanische Einrichtungen, wie einen durch einen Motor betätigbaren Schwenkarm,
oder hydraulische, pneumatische oder elektrische Mittel gebildet
werden. Die Stelleinrichtung 20 kann zumindest teilweise
in der Spülgasbox 10 untergebracht
sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die ganze Stelleinrichtung 21 in der Spülgasbox 10 positioniert,
wie in 1 gezeigt ist. Bei einem Dieselmotor mit mehreren
Zylindern 1 können die
Kontrollringe 17 mehrerer oder vorzugsweise aller Zylinder 1 mittels
einer gemeinsamen Stelleinrichtung betätigt werden.
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Da
der Kontrollring 17 die Zylinderbüchse 2 an ihrer Außenseite
umfasst, können
die Zylinderbüchse 2 und/oder
der Kontrollring 17 für
Wartungs- und Instandhaltungszwecke leicht entfernt werden. Zu diesem
Zweck kann die Spülgasbox 10 mit
nicht näher
dargestellten Wandöffnungen
und bodenseitig mit einer Öffnung 23 versehen
sein. Der Kontrollring 17 kann zur Erleichterung der Montage
und Demontage vorteilhaft in mehrere Segmente unterteilt sein, die
lösbar
aneinander festlegbar sind. Zweckmäßig sind auch die Elemente
der Stelleinrichtung 21 außerhalb der Zylinderbüchse 2 bzw.
der Öffnung 23 angeordnet,
so dass im Falle einer Entfernung der Zylinderbüchse 2 und/oder des
Kolbens 5 eine Demontage dieser Elemente nicht notwendig
wird.
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Die
Wanddicke der Zylinderbüchse 2 ist
im Bereich, wo der Kontrollring 17 bewegt werden kann, auf
ein Minimum, das aus konstruktiven Gründen notwendig ist, reduziert,
wie aus 1 ersichtlich ist. Zu diesem
Zweck ist die Zylinderbüchse 1 im
genannten Bereich bearbeitet. Die kleine Wanddicke stellt sicher,
dass die Strömungsrichtung
des Spülgases, das
in die Brennkammer 3 einströmt, in erster Linie durch die
Leitschaufeln 18 des Kontrollrings 17 beeinflusst
wird und nicht oder weniger durch die Spülgaseinlässe 11. Um bei der
Auf- und Abbewegung des Kontrollrings 17 unterschiedliche
Verhältnisse
zu erreichen variiert die Geometrie der Leitschaufeln 18 über ihrer
Länge.
Die Geometrie der Leitschaufeln 18 kann sich über ihrer
Länge kontinuierlich
oder stufenweise ändern,
wobei eine kontinuierliche Änderung zu
bevorzugen ist. Zu diesem Zweck kann der Winkel der Leitschaufeln 18,
das ist die Neigung der Leitschaufeln 18 gegenüber der
radialen Richtung, und/oder die Dicke der Leitschaufeln 18 jeweils über ihrer
Länge variieren.
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In
einem ersten, der 4 zugrundeliegenden Beispiel
ist die Dicke der Leitschaufeln 18 über ihrer Höhe konstant. Lediglich der
Winkel, das heißt die
Neigung gegenüber
der radialen Richtung, variiert in vertikaler Richtung, das heißt über die
Höhe der
Leitschaufeln 18. 4 zeigt
drei auf unterschiedlicher Höhe
durchgeführte
Schnitte (Cut 1, 2, 3). Ein Vergleich des oben genannten Winkels
der Leitschaufeln 18 in den verschiedenen Schnitten zeigt,
dass dieser Winkel über
der Länge
der Leitschaufeln 18 variiert, das heißt sich ändert, und dass daher die Strömungsrichtung
des Gases, das den Kontrollring 17 passiert, durch Auf-
und Abbewegung des Kontrollrings 17 steuerbar ist. Um Leitschaufeln 18 mit
variierendem Winkel zu erhalten, können die Leitschaufeln 18 über ihrer
Länge um
ihre Längsachse
verwunden sein, wie in 3 gezeigt ist. Im in 3 dargestellten
Beispiel sind die Leitschaufeln 18 über ihrer Länge um 45° verwunden. Selbstverständlich sind
auch andere kleinere oder vorzugsweise größere Verwindungswinkel möglich.
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In
einem zweiten, in 5 dargestellten Beispiel ist
der oben genannte Winkel, das heißt die Neigung der Leitschaufeln 18 gegenüber der
radialen Richtung über
der Höhe
der Leitschaufeln 18 konstant. Nur die Dicke der Leitschaufeln 18 variiert
in vertikaler Richtung, das heißt über der
Länge der Leitschaufeln 18.
Auch 5 enthält
drei auf unterschiedlicher Höhe
durchgeführte
Schnitte (Cut 1, 2, 3). Ein Vergleich der drei Schnitte zeigt, dass
der lichte Abstand zwischen einander benachbarten Leitschaufeln 18 und
dementsprechend der effektive Durchströmquerschnitt über der
Höhe der
Leitschaufeln 18 variiert, so dass die Strömungsgeschwindigkeit
des den Kontrollring 17 passierenden Gases durch Auf- und
Abbewegung des Kontrollrings 17 steuerbar ist.
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Für die Praxis
erweist sich eine Kombination von Variation des Winkels und Variation
der Dicke der Leitschaufeln 18 als besonders zweckmäßig. Dies
ist in dem in 6 gezeigten, dritten Ausführungsbeispiel
realisiert. Auch 6 enthält drei auf unterschiedlicher
Höhe durchgeführte Schnitte
(Cut 1, 2, 3), wobei ein Vergleich der drei Schnitte zeigt, dass nicht
nur die Neigung der Leitschaufeln 18 gegenüber der
radialen Richtung, sondern auch ihre Dicke in vertikaler Richtung
variiert, so dass beides, das heißt sowohl die Strömungsrichtung
als auch die Strömungsgeschwindigkeit
des den Kontrollring 17 passierenden Gases durch Auf- und
Abbewegung des Kontrollrings 17 variiert werden kann, was
zu einer schnellen und intensiven Variation des Winkelmoments und
damit des Dralls der über
die Spülgaseinlässe dem
Arbeitsraum 3 zugeführten,
neuen Gasfüllung
führt.
Durch in Abhängigkeit
von den Arbeitsbedingungen des Motors erfolgender Auf- und Abbewegung
des Kontrollrings 17 kann der Drall der Gasfüllung auf
einfache und wirksame Weise ebenfalls in Abhängigkeit von den Arbeitsbedingungen
des Motors gesteuert werden. Zweckmäßig wird dabei die durch einen
Stellvorgang oben geschilderten Art eingestellte Stärke des
Dralls der dem Arbeitsraum 3 zugeführten Gasfüllung über mehrere aufeinander folgende
Arbeitszyklen des Motors beibehalten.
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Durch Änderung
des Winkels, unter dem die neue Gasfüllung in den Arbeitsraum einströmt, ist
die tangentiale Komponente des Dralls kontrollierbar. Durch Variation
des effektiven Strömungsquerschnitts
ist die Einströmgeschwindigkeit
kontrollierbar. Eine Variation des Strömungswinkels und/oder der Strömungsgeschwindigkeit
führt direkt
zu einer proportionalen Änderung
des Winkelmoments der rotierenden Gasfüllung.
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Diese
Maßnahmen
ergeben eine Anzahl von sehr erwünschten
Vorteilen. Die Drallbewegung der frischen Gasfüllung zum Zeitpunkt der Brennstoffeinspritzung
terminiert das Zeitintervall, innerhalb dessen die Brennstoffeinspritzung
ausgeführt
werden kann, ohne dass Brennstoff in die Flamme des in Drehrichtung
stromaufwärts
liegenden Einspritzventils eingespritzt wird. Eine große Drallgeschwindigkeit macht
dieses Zeitintervall kurz, eine kleine Drallgeschwindigkeit länger. Aus
diesem Grund ist durch Steuerung der Stärke des Dralls eine Steuerung
der Einspritzzeit möglich,
was zu einer hohen Effizienz der Verbrennung, einem geringen Brennstoffverbrauch,
einer geringen Entstehung von Teilchen wie Ruß etc. und NOx über dem
gesamten Arbeitsfeld des Motors führt. Dieser Vorteil wird dadurch
noch verstärkt,
dass die Drallbewegung auch maßgebend für die Intensität der Mischung
des Gases sowohl in der Spülphase
als auch in der Verbrennungsphase des Arbeitszykluses ist. Aus diesem
Grund führt
eine optimierte Variation der Stärke
des Dralls auch zu einer guten Spülung und hohen Verbrennungseffizienz.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Temperatur der Innenwände des
Arbeitsraums mit Hilfe der Stärke
des Dralls des Spülgases
kontrollierbar ist, da die Wärmebelastung
von den Turbulenzen abhängig
ist, die durch den Drall in den wandnahen Bereichen erzeugt werden.
Ein hoher Drall führt
zu einer hohen Wärmebelastung,
ein geringer Drall zu einer niedrigeren Wärmebelastung. Die Anordnung
der Steuermittel an der Außenseite
der Zylinderbüchse ermöglicht eine
einfache Bauweise und erlaubt eine einfache Entfernung der Zylinderbüchse im
Falle von Wartungsarbeiten.
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- 1
- Zylinder
- 2
- Zylinderbüchse
- 3
- Arbeitsraum
- 4
- Zylinderdeckel
- 5
- Kolben
- 6
- Kolbenstange
- 7
- Abgasauslass
- 8
- Auslassventil
- 9
- Brennstoffeinspritzdüsen
- 10
- Spülgasbox
- 11
- Spülgaseinlässe
- 12
- Pfeil
(Abgas)
- 13
- Pfeil
(Spülgas)
- 14
- Pfeil
(Spülungsrichtung)
- 15
- Pfeil
(Drallbewegung)
- 16
- Steuereinrichtung
- 17
- Kontrollring
- 18
- Leitschaufel
- 19
- Ringflansch
- 20
- Pfeil
(vertikale Bewegung)
- 21
- Stelleinrichtung
- 22
- Aktuator
- 23
- Öffnung