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HINTERGRUND
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Die vorliegende Erfindung betrifft Gasmischer zum Einleiten von gasförmigem Brennstoff (d. h. Brennstoff, der von Natur aus in einem gasförmigen Zustand anstelle eines flüssigen Zustands besteht) und rückgeführtem Abgas in einen Einlasstrakt eines Verbrennungsmotors, zum Beispiel bei einem Personenkraftwagen oder Nutzfahrzeug. Gasförmige Brennstoffe schließen Erdgas (hauptsächlich Methan) und Derivate davon, wie Butan und Propan, ein, aber nicht Benzin.
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Erdgas kann zum Betreiben von Verbrennungsmotoren verwendet werden. Gegenüber konventionellen Motoren sind mit Erdgas angetriebene Fahrzeuge kraftstoffeffizient und umweltfreundlich. Sie können auch gutes Drehmoment und robuste Leistung liefern, während sie weniger Motorgeräusche verursachen als traditionelle Dieselmotoren. Um jedoch die Anforderungen einer Vielzahl von verschiedenen Motoren mit Variation des Hubraums, der Leistung usw. erfüllen zu können, sind zahlreiche spezialisierte Teile erforderlich.
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Moderne Erdgasmotoren arbeiten mit Abgasrückführung (AGR), um verschiedene Leistungsvorteile zu realisieren, einschließlich verbesserter Effizienz, erhöhten Drehmoments und verminderter Emissionen im Vergleich zu Motoren ohne AGR. Zum Einleiten und Mischen von Brennstoff sowie rückgeführtem Abgas mit Ansaugluft werden gesonderte Vorrichtungen benötigt.
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KURZFASSUNG
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In einem Aspekt sieht die Erfindung eine Mischvorrichtung für gasförmigen Brennstoff eines Lufteinlasses eines Motors vor. Ein Mischerkörper weist einen Einlasstrakt, der durch eine Innenfläche innerhalb des Mischerkörpers definiert ist, und einen Einlass für gasförmigen Brennstoff zur Aufnahme von gasförmigem Brennstoff auf. Zum Diffundieren von gasförmigem Brennstoff in den Einlasstrakt steht eine Vielzahl von Diffusionsöffnungen für gasförmigen Brennstoff mit dem Einlass für gasförmigen Brennstoff in Fluidverbindung. Innerhalb des Einlasstrakts ist ein Einsatz positioniert. Der Einsatz schließt einen Körper ein, der eine Längsachse zwischen einem vorderen und einem hinteren Ende sowie eine sich vom vorderen Ende zum hinteren Ende erstreckende Außenfläche definiert. Eine Körperlänge erstreckt sich vom vorderen Ende zum hinteren Ende. Eine Vielzahl von Stützen erstreckt sich radial von der Außenfläche des Körpers, wobei sich jede der Vielzahl von Stützen parallel zur Längsachse erstreckt, um einen Bereich zwischen der Außenfläche des Einsatzkörpers und der Innenfläche des Mischerkörpers in eine Vielzahl von separaten, in Längsrichtung verlaufenden Einlasstrakten zu teilen. Jeder der Vielzahl von längsverlaufenden Einlasstrakten weist eine radiale Höhe auf, gemessen von der Außenfläche des Einsatzkörpers zur Innenfläche, wodurch der Einlasstrakt definiert wird, wobei die radiale Höhe entlang der Längsachse variiert. Die Außenfläche des Einsatzkörpers ist so geformt, dass sie einen Nasenabschnitt, bei dem sich die radiale Höhe von einem Maximalwert am vorderen Ende zu einem Minimalwert an einem stromabwärtigen Ende des Nasenabschnitts ändert, und einen Mischabschnitt, bei dem die Außenfläche des Einsatzkörpers im Längsschnitt eben ist, einschließt. Die Außenfläche des Einsatzkörpers verjüngt sich zur Längsachse in einer Richtung zum hinteren Ende, sodass der Durchmesser des Einsatzkörpers am hinteren Ende wenigstens 15 Prozent kleiner ist als ein maximaler Durchmesser des Einsatzkörpers, der an der Position gegeben ist, wo die radiale Höhe den Minimalwert aufweist.
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In einem anderen Aspekt sieht die Erfindung einen Einsatz für eine Mischvorrichtung für gasförmigen Brennstoff eines Lufteinlasses eines Motors vor. Ein Körper definiert eine Längsachse, ein vorderes Ende, ein hinteres Ende und ein sich vom vorderen Ende zum hinteren Ende erstreckendes Außenflächenprofil. Eine Vielzahl von Stützen erstreckt sich radial vom Körper, wobei jede der Vielzahl von Stützen sich parallel zur Längsachse erstreckt, um einen Ansaugluftstrom entlang des Körpers in eine Vielzahl von separaten längsverlaufenden Einlasstrakten zu teilen. Das Außenflächenprofil des Körpers schließt einen Nasenabschnitt ein, bei dem ein Durchmesser des Außenflächenprofils von einem Minimalwert am vorderen Ende zu einem Maximalwert an einem stromabwärtigen Ende des Nasenabschnitts zunimmt, wobei sich an den Nasenabschnitt in einer Richtung zum hinteren Ende der Reihe nach ein ebener Abschnitt und ein gekrümmter Verjüngungsabschnitt, bei dem das Außenflächenprofil zur Längsachse mit zunehmender Rate vom ebenen Abschnitt in eine Richtung der Längsachse zum hinteren Ende konvergiert, anschließen. Der Durchmesser des Körpers am hinteren Ende ist wenigstens 15 Prozent kleiner als ein maximaler Durchmesser des Einsatzkörpers.
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Andere Aspekte der Erfindung werden bei Betracht der genauen Beschreibung und der begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einer Mischvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine Querschnittsansicht einer Mischvorrichtung mit einem punkt-gestrichelt gezeigten, abnehmbaren Einsatz.
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3 ist eine Ansicht des vorderen Endes des Einsatzes.
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4 ist eine Ansicht des hinteren Endes des Einsatzes.
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5 ist eine Querschnittsansicht des Einsatzes entlang der Linie 5-5 von 3.
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6 ist eine perspektivische Ansicht des Einsatzes.
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Bevor Ausführungsformen der Erfindung genau erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Einzelheiten der Konstruktion und der Anordnung von Komponenten, wie in der folgenden Beschreibung angegeben oder in den folgenden Figuren gezeigt, begrenzt ist. Die Erfindung kann andere Ausführungsformen umfassen und auf verschiedene Weisen ausgeübt oder durchgeführt werden. Es wird auch darauf hingewiesen, dass die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie der Beschreibung dienen und nicht als begrenzend aufzufassen sind.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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1 ist eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotorsystems 10, das mit gasförmigem Brennstoff betrieben werden kann. Ein Verbrennungsmotor 12 (z. B. ein für Betrieb mit gasförmigem Brennstoff konfigurierter Turbodieselmotor) schließt mehrere Zylinder ein, die Brennkammern definieren, denen über ein Ansaugrohr eine brennbare Ansaugladung zugeführt wird. Wie in 2 gezeigt und unten genauer erläutert, ist eine Mischvorrichtung 14 für gasförmigen Brennstoff (auch Mischer genannt) entlang eines Einlasstrakts 18 angeordnet, um dosierten Strom gasförmigen Brennstoffs (z. B. komprimiertes Erdgas) von einer Brennstoffversorgung 16 in den Ansaugluftstrom beim Durchströmen der Mischvorrichtung 14 zu liefern. Die Mischvorrichtung 14 schließt einen Körper 22 mit einer allgemein zylindrischen Öffnung ein, die sich entlang einer zentralen Achse A erstreckt und für Aufnahme einer Vielfalt von austauschbaren Komponenten konfiguriert werden kann. Der Ansaugluftstrom gelangt durch einen Einlass 38 in den Einlasstrakt 18, der durch eine Innenfläche (z. B. zylindrische oder rohrförmige Oberfläche) definiert ist. Gasförmiger Brennstoff von der Brennstoffversorgung 16 wird von einem oder mehreren Injektoren (nicht gezeigt) eingespritzt und durch einen oder mehrere Einlässe 70 der Mischvorrichtung 14 zu einem ringförmigen Kanal 54 darin geleitet. Vom ringförmigen Kanal 54 wird der gasförmige Brennstoff radial nach innen durch radiale Öffnungen 82 eines Diffusors 34 geleitet, wo der gasförmige Brennstoff mit dem Ansaugluftstrom gemischt und zum Auslass 46 der Mischvorrichtung 14 geleitet wird. Der Diffusor 34 ist innerhalb des Körpers 22 entlang des Einlasstrakts 18 (siehe 2) platziert und ist so konfiguriert, dass er Mischen des Ansaugluftstroms mit dem gasförmigen Brennstoff unterstützt (d. h., gasförmigen Brennstoff in der Ansaugluft verteilt). Der Diffusor 34 ist mit wenigstens einem O-Ring gegen den Körper 22 abgedichtet. Der Diffusor 34 ist radial vom Körper 22 umschlossen.
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Wie dargestellt, ist der Diffusor 34 als ein Einlassadapter ausgebildet, getrennt vom Mischerkörper 22 und aufgenommen von einem stromaufwärtigen Ende davon. Der Diffusor 34 ist mit dem stromaufwärtigen Ansaugrohr verbunden, das einen Drosselkörper einschließen kann. Der Diffusor 34 bildet den Einlass 38 zur Mischvorrichtung 14. Es kommen aber auch andere Ausführungen in Betracht, einschließlich eines Diffusors, der vom Mischerkörper 22 getrennt ist und von einem Einlassadapter getrennt ist, der den Einlass zur Mischvorrichtung 14 definiert.
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Der Diffusor 34 legt einen Einlassdurchmesser fest, der über eine Vielzahl von Komponenten stromabwärts vom Diffusor 34 beibehalten wird, die zusammen den Einlasstrakt 18 definieren. Die Größe des Einlasses 38, der vom Diffusor 34 bereitgestellt wird, kann entsprechend einem Durchmesser eines Drosselkörpers des Motors 12 gewählt werden, sodass die Durchmesser passen. Der Diffusor 34 schließt auch verschiedene Temperatur- und Drucksensoren (nicht gezeigt) ein, die mit elektronischen Vorrichtungen außerhalb der Mischvorrichtung 14 kommunizieren, um die Steuerung der Mischvorrichtung 14 zu unterstützen. Ein Auslassadapter 42 ist stromabwärts vom Körper 22 angeordnet und bildet einen kreisförmigen Auslass 46 der Mischvorrichtung 14, durch den der Ansaugluftstrom nach Mischen mit dem gasförmigen Brennstoff und/oder rückgeführten Abgas zu einer Brennkammer des Motors 12 (z. B. über einen Zwischenansaugkrümmer) geleitet wird. Der Diffusor 34 und der Auslassadapter 42 sind abnehmbar am ersten und zweiten Ende des Körpers 22 (d. h. durch Befestigungsschrauben) gesichert und können sich wenigstens teilweise in den Körper 22 erstrecken, wenn sie am Körper 22 gesichert sind. Der Auslassadapter 42 ist abnehmbar am Auslass 46 mit einem Einlass (z. B. Rohr oder Krümmer) des Motors 12 verbunden, der zu einer oder mehreren Brennkammern führt. Bei abnehmbarer Sicherung am Körper 22 kann eine Innenfläche des Auslassadapters 42 mit einer Innenfläche des Körpers 22, Diffusors 34 und/oder beliebigen anderen im Körper 22 befindlichen Komponenten bündig sein. Bei einer anderen Bauweise werden die Merkmale des Auslassadapters 42 direkt vom Körper 22 bereitgestellt, und es wird kein gesonderter Adapter verwendet.
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Der Diffusor 34 und der Auslassadapter 42 definieren mit dem Körper 22 und einem AGR-Diffusor 35 (unten erläutert) den Einlasstrakt 18 durch die Mischvorrichtung 14. Der Einlasstrakt 18 erstreckt sich axial vom Einlass 38 zum Auslass 46 und ist zum Leiten des Ansaugluftstroms vom Einlass 38 zum Auslass 46 konfiguriert. Der Einlasstrakt 18 ist radial durch die Innenflächen des Diffusors 34, Körpers 22, AGR-Diffusors 35 sowie des Auslassadapters 42 definiert und ist um die Mittelachse A zentriert.
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Der Diffusor 34 ist innerhalb des Körpers 22 angeordnet und ist wenigstens teilweise vom Körper 22 entlang des Einlasstrakts 18 eingekreist. Der Diffusor 34, zusammen mit dem Körper 22, definiert den ringförmigen Kanal 54 zwischen einer radialen Innenfläche 58 des Körpers 22 und einer radialen Außenfläche 62 des Diffusors 34. Der ringförmige Kanal 54 ist entlang der Mittelachse A an einer Brennstoffabgabestelle entlang der Mittelachse A angeordnet, wo gasförmiger Brennstoff mit dem Ansaugluftstrom im Einlasstrakt 18 gemischt werden soll. Der ringförmige Kanal 54 umkreist den Einlasstrakt 18 wenigstens teilweise. Ein oder mehrere Einlässe 70 für gasförmigen Brennstoff (z. B. drei Einlässe 70) zum ringförmigen Kanal 54 sind durch den Körper 22 neben (z. B. unmittelbar radial außerhalb) dem ringförmigen Kanal 54 definiert. Die Einlässe 70 zum ringförmigen Kanal 54 sind kreisförmige Öffnungen, die sich radial bezüglich der Mittelachse A von einer Außenfläche des Körpers 22 zum ringförmigen Kanal 54 erstrecken. Die Diffusoröffnungen 82 sind durch den Diffusor 34 als halbkreisförmige Diffusoröffnungen definiert und angeordnet, um Strom allgemein senkrecht zur Mittelachse A zu gestatten (d. h., radial nach innen). Die Diffusoröffnungen 82 sind als Ausschnitte oder Aussparungen in einer axialen Endfläche am stromabwärtigen Ende des Diffusors 34 gegenüber dem Einlass 38 definiert und sie sind gleichmäßig um einen Umfang der stromabwärtigen Endfläche beabstandet. Die Diffusoröffnungen 82 sind am axialen stromabwärtigen Ende durch Stoß an eine Innenschulterfläche des Körpers 22, die quer zur Mittelachse A angeordnet ist, begrenzt. Mit dieser Anordnung definieren die Diffusoröffnungen 82 die Brennstoffabgabestelle, die an einem stromabwärtigen Ende des ringförmigen Kanals 54 positioniert ist. Bei anderen Bauweisen kann die Brennstoffabgabestelle jedoch an anderen Stellen entlang des ringförmigen Kanals 54 definiert werden, und die Diffusoröffnungen 82 können innerhalb des Diffusors 34, weg von der stromabwärtigen Endfläche, positioniert werden. Es wird auch darauf hingewiesen, dass die Diffusoröffnungen 82 andere Querschnittsformen aufweisen können als die gezeigte Halbkreisform, zum Beispiel eine Kreisform. Die Brennstoffabgabestelle, die unten genauer erläutert wird, kann als die Position entlang der Mittelachse A der Mitte des Querschnitts der Diffusoröffnungen 82 ungeachtet derer jeweiligen Form definiert werden.
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Zusätzlich zum Einlass 70 für gasförmigen Brennstoff ist ein Einlass 47 für Abgasrückführung (AGR) vorgesehen, sodass die Mischvorrichtung 14 zum Diffundieren eines Teils der vom Motor 12 ausgestoßenen Verbrennungsgase in den Ansaugluftstrom konfiguriert ist. Genauer, die Mischvorrichtung 14 kann mit Abgas vom Motor 12 über eine Bypassleitung stromaufwärts vom Turbolader 20 versorgt werden, wobei der Turbolader 20 zum Komprimieren der Ansaugluft im Einlasstrakt 18 konfiguriert ist, wie in 1 gezeigt. Diese Anordnung des Turboladers 20 und der Bypassleitung ermöglicht Hochdruck-AGR in die Mischvorrichtung 14 über einen AGR-Einlass 47 einzutreten. Hochdruck-AGR wird von Niederdruck-AGR dadurch unterschieden, dass Hochdruck-AGR rückgeführtes Abgas in einen Einlass leitet, wobei Luft mittels Zwangsinduktion komprimiert wird, im Gegensatz zu natürlicher Ansaugung. Der AGR-Einlass 47 ist mit einer AGR-Einlassöffnung 40 im Körper 22 gekuppelt, die wiederum einen ringförmigen Kanal 45 speist, getrennt von und stromabwärts vom ringförmigen Kanal 54, der gasförmigen Brennstoff liefert. Der stromabwärtige ringförmige Kanal 45 umkreist wenigstens einen Abschnitt des Einlasstrakts 18. In den ringförmigen Kanal 45 geleitetes, rückgeführtes Abgas wird durch einen AGR-Diffusor 35 in den Ansaugluftstrom diffundiert.
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Der AGR-Diffusor 35 definiert radiale Diffusoröffnungen 49, die allgemein senkrecht zur Mittelachse A angeordnet sind (siehe 2). Der AGR-Diffusor 35 definiert auch einen radialen Innenabschnitt 62 des stromabwärtigen ringförmigen Kanals 45. Der Mischerkörper 22 definiert einen radialen Außenabschnitt 58 des stromabwärtigen ringförmigen Kanals 45 und umgibt oder umringt den stromabwärtigen ringförmigen Kanal 45 radial. Außerdem befindet sich der AGR-Diffusor 35 an derselben axialen Stelle wie die AGR-Einlassöffnung 40 zur Aufnahme des Abgasstroms direkt davon in der radialen Innenrichtung. Bei anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen sind der Auslassadapter 42 und der AGR-Diffusor 35 als eine einzelne integrierte Komponente vorgesehen.
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Obwohl in 2 zur klaren Darstellung der anderen Teile der Mischvorrichtung 14 nur punkt-gestrichelt gezeigt, ist ein Einsatz 24 innerhalb des Einlasstrakts 18 zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Ende der Mischvorrichtung 14 positioniert. In 3 bis 6 ist der Einsatz 24 in größerem Detail gezeigt. Eine Längsachse Z des Einsatzes 24 ist koaxial mit der Mittelachse A des Einlasstrakts 18 und des Mischerkörpers 22, wenn der Einsatz 24 in der Mischvorrichtung 14 montiert ist. Der Einsatz 24 kann zum Beispiel mit einer Vielzahl von Befestigungselementen 43 am Mischerkörper 22 gesichert werden. Der Einsatz 24 kann einen Körper 26 und eine Vielzahl von Rippen oder Stützen 32 einschließen, die sich radial nach außen von einer Außenfläche des Einsatzkörpers 26 zur (zu den) den Einlasstrakt 18 definierenden Innenwand (Innenwänden) erstrecken. Die Stützen 32 können sich parallel zur Längsachse Z erstrecken. Bei einigen Bauweisen ist der Einsatz 24 ein aerodynamischer stumpfer Hinterkanteneinsatz, bei dem der Körper 26 ein Oberflächenprofil entsprechend der Saugseite einer stumpfen und divergenten Hinterkantentragfläche definiert. Bei der dargestellten Bauweise schließt der Einsatz 24 vier Stützen 32 ein, die in 90-Grad-Intervallen um die Längsachse Z angeordnet sind. Eine oder mehrere der Stützen 32 weisen eine radiale Außenkante auf, einschließlich einer Gewindebohrung 33 zur Aufnahme des Befestigungselements 43 (z. B. Befestigungsschraube), das radial von der Außenseite des Mischerkörpers 22 durch die entsprechenden Bohrungen darin nach innen eingesetzt wird. Der Einsatz 24 überlappt sich mit beiden Diffusionsstellen entlang seiner Längsachse Z, zum Beispiel stromaufwärts von den Diffusoröffnungen 82 für gasförmigen Brennstoff und stromabwärts von den AGR-Diffusoröffnungen 49 erstreckend. Der Einsatz 24 ist darauf konfiguriert, die Geschwindigkeit des Ansaugluftstroms im Einlasstrakt 18 durch Verengen des Querschnittsbereichs des Einlasstrakts 18 quer zur Mittelachse A entlang der Länge des Einsatzes 24 zu erhöhen. Die erhöhte Geschwindigkeit des Ansaugluftstroms erzeugt einen örtlichen Druckabfall zur Unterstützung der Einleitung von gasförmigem Brennstoff und rückgeführtem Abgas, wodurch der Gegendruck auf die Injektoren und das Auslasssystem minimiert wird. Außerdem unterstützt die stromabwärtige Expansion der Einlassgase entlang und stromabwärts des Einsatzes 24 das Mischen der Einlassgase vor dem Eintritt in den Ansaugkrümmer des Motors 12, was nachfolgend die Ladung in den (die) Motorzylinder über den (die) ventilgesteuerten Einlasskanal (Einlasskanäle) zur Verbrennung liefert.
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Der Einsatz 24, und ganz besonders der Einsatzkörper 26, definiert ein vorderes Ende 66 und ein hinteres Ende 68, zwischen denen eine Körperlänge L gemessen wird (5). Eine Außenfläche 26A des Einsatzkörpers 26 definiert ein Profil im Querschnitt entlang der und durch die Längsachse Z. Das Profil der Außenfläche 26A wird genauer beschrieben; es sorgt für vorteilhafte Mischeffekte beim in den Einlasstrakt innerhalb der Mischvorrichtung 14 diffundierten gasförmigen Brennstoff und rückgeführten Abgas. Die Außenfläche 26A des Einsatzkörpers 26 ist so geformt, dass sie einen Nasenabschnitt 72, der sich vom vorderen Ende 66 erstreckt, und einen Mischabschnitt 76, der sich vom Nasenabschnitt 72 erstreckt, einschließt. Der Mischabschnitt 76 kann ein erster, vorderer oder stromaufwärtiger Mischabschnitt sein, bei dem die Außenfläche 26A im Längsschnitt eben ist. Obwohl eben, kann die Außenfläche 26A einen leichten Winkel (z. B. 3 Grad oder weniger) in Bezug auf die Längsachse Z aufweisen. Die Außenfläche 26A kann zum Beispiel eine gerade Verjüngung (z. B. von 1 Grad) definieren, sodass sie in einer Richtung zum hinteren Ende 68 näher zur Längsachse Z kommt. Zum hinteren Ende 68 vom Mischabschnitt 76 verjüngt sich die Außenfläche 26A zur Längsachse Z so, dass ein Durchmesser D3 des Einsatzkörpers 26 am hinteren Ende 68 wenigstens 15 Prozent kleiner ist als ein maximaler Durchmesser D2 des Einsatzkörpers 26. Der verjüngte Bereich stromabwärts vom Mischabschnitt 76 kann einen zweiten, hinteren oder stromabwärtigen Mischabschnitt 79 bilden, wie unten genauer erläutert. Der hintere Mischabschnitt 79 kann sich vom vorderen Mischabschnitt 76 zum hinteren Ende 68 erstrecken. Die Verjüngung im hinteren Mischabschnitt 79 kann eine gekrümmte Verjüngung sein, und die Verjüngungsrate kann in Richtung der Annäherung an das hintere Ende 68 zunehmen.
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Das Verhältnis der Gesamteinsatzlänge L zum maximalen Körperdurchmesser D2 kann bei einigen Bauweisen 2,93 +/– 1 betragen. Obwohl für eine Vielfalt von Anwendungen skalierbar, kann die Gesamteinsatzlänge L 158 mm betragen. Bei einigen Bauweisen hat der hintere Mischabschnitt 79 entlang der Längsachse Z gemessen eine Länge LM2, die größer ist als die Länge LM1 des vorderen Mischabschnitts 76. In Längsrichtung erfolgt der Übergang vom Nasenabschnitt 72 zum vorderen Mischabschnitt 76 bei einer Länge L1 vom vorderen Ende 66. Daher ist die Länge L1 die Länge des Nasenabschnitts 72. Die Länge L1 des Nasenabschnitts 72 kann 22 Prozent bis 32 Prozent (z. B. 27 Prozent) der Gesamteinsatzlänge L betragen. Der Übergang vom vorderen Mischabschnitt 76 zum hinteren Mischabschnitt 79 erfolgt bei einer Länge L2 vom vorderen Ende 66. Daher entspricht die Länge LM1 des vorderen Mischabschnitts 76 L2 minus L1. Der Übergang kann der Punkt sein, an dem sich das Profil der Außenfläche 26A von Geradheit zu Krümmung ändert. Bei einigen Bauweisen beträgt die Länge LM1 des vorderen Mischabschnitts 76 5 Prozent bis 55 Prozent (z. B. 30 Prozent) der Gesamteinsatzlänge L. Die Länge L2 vom vorderen Ende 66 zum stromabwärtigen Ende des vorderen Mischabschnitts 76 kann 37 Prozent bis 77 Prozent (z. B. 57 Prozent) der Gesamteinsatzlänge L betragen.
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Jede der Stützen 32 definiert eine Länge LF, was die gesamte oder einen Großteil der Länge L des Einsatzes 24 ausmacht. Die Länge LF der Stützen 32 kann zum Beispiel mehr als 70 Prozent der Gesamtlänge L, oder mehr als 90 Prozent betragen. Wie dargestellt, erstrecken sich die Stützen 32 über mehr als 90 Prozent der Gesamteinsatzlänge L ganz bis zum hinteren Ende 68. Die Länge LF gilt als die Distanz parallel zur Längsachse Z, entlang der die Stützen 32 ihren maximalen Durchmesser D1 beibehalten, der sich zur Innenfläche erstreckt, die den Einlasstrakt 18 definiert. Jede der Stützen 32 definiert eine konsistente Dicke T senkrecht zur Längsachse Z. Die Dicke T kann 18 Prozent des maximalen Einsatzkörperdurchmessers D2, plus oder minus 10 Prozent, betragen. Die Dicke T ist dazu ausgelegt, zusammen mit dem Profil des Einsatzkörpers 26 am hinteren Ende 68 zu arbeiten, um das Zurückführen der individuellen Luftströme in jedem der Einlasstrakte 18A bis 18D zu einem einzigen Luftstrom zu steuern. Der Strom in allen Einlasstrakten 18A bis 18D konvergiert zur Mitte in Richtung der Längsachse Z nach dem hinteren Ende 68, weitere Konvergenz findet aber zwischen zwei durch eine gemeinsame Stütze 32 getrennten angrenzenden Einlasstrakten 18A bis 18D statt. Durch Abstimmung der Stützendicke T hinsichtlich des Durchmessers D3 des hinteren Endes kann der Einsatz 24 auf Steuerung von Strömungstrennwirbeln und Abfall hin konzipiert werden, um den Strom für Eintritt in den Motor 12 zu glätten.
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Die radialen Außenenden der Stützen 32 definieren einen Gesamteinsatzdurchmesser D1, der den maximalen Körperdurchmesser D2 überschreitet. Der Gesamteinsatzdurchmesser D1 entspricht allgemein dem Durchmesser des Einlasstrakts 18, obwohl ein minimales Montagespiel vorgesehen werden kann. Der Durchmesser D1 des Einlasstrakts 18 und des Einsatzes 24 ist wenigstens 5 Prozent größer als der maximale Durchmesser D2 des Einsatzkörpers 26 und nicht mehr als 65 Prozent größer als der maximale Durchmesser D2 des Einsatzkörpers 26. Die Stützen 32 teilen den Bereich zwischen der Außenfläche 26A des Einsatzkörpers 26 und dem Inneren der Mischvorrichtung 14 in eine Vielzahl von separaten längsverlaufenden Einlasstrakten 18A bis 18D zum Leiten und Glätten des Ansaugluftstroms, während der Ansaugluftstrom in eine Richtung zu einem Ansaugkrümmer und schließlich zu einer Brennkammer des Motors 12 fortschreitet. Jeder dieser parallelen längsverlaufenden Einlasstrakte 18A bis 18D weist eine radiale Höhe RH auf, gemessen von der Außenfläche 26A des Einsatzkörpers 26 zur Innenfläche, die den Einlasstrakt 18 definiert (d. h., zu den radialen Außenenden der Stützen 32), wobei die radiale Höhe RH entlang der Längsachse Z variiert. Die radiale Höhe RH nimmt allgemein vom vorderen Ende 66 zum vorderen Mischabschnitt 76 ab, bleibt innerhalb des vorderen Mischabschnitts 76 konstant oder nimmt dort mit einer konstanten Rate zu, und nimmt im ganzen hinteren Mischabschnitt 79 zu (z. B. mit einer steigenden Rate zum hinteren Ende 68). Daher konvergiert jeder der Einlasstrakte 18A bis 18D zum vorderen Mischabschnitt 76 und divergiert vom vorderen Mischabschnitt 76, ganz durch den hinteren Mischabschnitt 79. Es wird darauf hingewiesen, dass die radiale Höhe RH am vorderen Ende 66 einen Maximalwert aufweist, und dass die radiale Höhe RH an der Stelle, wo der Einsatzkörper 26 seinen maximalen Durchmesser D2 hat, einen Minimalwert aufweist. Der Minimalwert der radialen Höhe RH kann am Übergang zwischen dem Nasenabschnitt 72 und dem vorderen Mischabschnitt 76 liegen und kann wahlweise durch den ganzen vorderen Mischabschnitt 76 beibehalten werden.
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Das erweiterte gerade Profil der Außenfläche 26A des Einsatzkörpers 26 innerhalb des vorderen Mischabschnitts 76 gestattet die Möglichkeit des Einleitens von sowohl gasförmigem Brennstoff als auch rückgeführtem Abgas in den Ansaugluftstrom an Bereichen mit relativ niedrigem Druck und hoher Geschwindigkeit innerhalb der Mischvorrichtung 14 (gegenüber dem Druck und der Geschwindigkeit direkt stromaufwärts vom Einsatz 24). Wie oben erwähnt, wird der Einsatz 24 in Bezug auf den Mischerkörper 22 gesichert, und dies bestimmt die Einleitungsstellen für den gasförmigen Brennstoff und das rückgeführte Abgas entlang des Einsatzes 24. Der Einsatz 24 wird innerhalb des Mischerkörpers 22 so positioniert, dass sich die Diffusoröffnungen 82 zum Einleiten von gasförmigem Brennstoff eine Länge LNG entfernt von und stromabwärts vom vorderen Ende 66 befinden, wie in 2 am besten dargestellt. Die Länge LNG kann 24 Prozent bis 34 Prozent (z. B. 29 Prozent) der Gesamteinsatzlänge L betragen. Die AGR-Diffusoröffnungen 49 befinden sich stromabwärts von den Diffusoröffnungen 82 für gasförmigen Brennstoff, aber nicht weiter als 80 Prozent der Gesamteinsatzlänge L entfernt vom vorderen Ende 66 des Einsatzkörpers 26 (z. B. 60 Prozent der Gesamteinsatzlänge L). Die Länge zwischen dem vorderen Ende 66 und den AGR-Diffusoröffnungen 49 ist als LEGR definiert, wie in 2 gezeigt. Bei einigen Bauweisen beträgt die Länge LEGR vom vorderen Ende 66 zu den AGR-Diffusoröffnungen 49 nur 40 Prozent der Gesamteinsatzlänge L. Bei einigen Bauweisen befindet sich die Diffusionsstelle für gasförmigen Brennstoff am stromaufwärtigen Ende des vorderen Mischabschnitts 76 (z. B. innerhalb der ersten 20 Prozent der Länge LM1 des vorderen Mischabschnitts), und die AGR-Diffusionsstelle befindet sich am stromaufwärtigen Ende des hinteren Mischabschnitts 79 (z. B. innerhalb der ersten 20 Prozent der Länge LM2 des hinteren Mischabschnitts). Variationsbereiche gestatten jedoch alternative Beziehungen. Zum Beispiel können die Diffusoröffnungen 82 für gasförmigen Brennstoff weiter stromabwärts im vorderen Mischabschnitt 76 oder stromaufwärts vom vorderen Mischabschnitt 76 positioniert werden. Außerdem können die AGR-Diffusoröffnungen 49 weiter stromabwärts im hinteren Mischabschnitt 79 oder stromaufwärts vom hinteren Mischabschnitt 79 innerhalb des vorderen Mischabschnitts 76 positioniert werden. Bei einigen Bauweisen kann der wesentliche gasförmige Brennstoff für die Ansaugladung an einer Stelle stromabwärts von einer Stelle der AGR-Einleitung vorgesehen werden. Zum Beispiel können die Stellen der Diffusoröffnungen 82 für gasförmigen Brennstoff und die AGR-Diffusoröffnungen 49 umgekehrt werden, während sonst die obige Beschreibung zutrifft. Bei einer der hier dargestellten oder oben erläuterten Ausführungsformen wird auch in Betracht gezogen, nur eine diffundierte Substanz mit der Luft zu mischen. Selbst wenn eine Mischvorrichtung mit Diffusoren sowohl für gasförmigen Brennstoff als auch AGR vorgesehen ist, kann zum Beispiel der eine oder andere für eine gegebene Zeitdauer abgeschaltet werden (z. B. durch ein Signal von einem Controller an ein Sperrventil). Bei anderen Bauweisen kann die Mischvorrichtung nur einen einzelnen Diffusor einschließen, und nur eine einzige diffundierte Substanz wird mit der Luft gemischt.
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Bei Betrieb wird der Mischvorrichtung 14 Ansaugluft über den Einlass 38 zugeführt. Unterdessen wird gasförmiger Brennstoff von der Versorgung 16 für gasförmigen Brennstoff zum Einlass 70 geführt. Der gasförmige Brennstoff wird in den ersten ringförmigen Kanal 54 und durch die Diffusoröffnungen 82 geleitet, um Strahlen zu erzeugen, die den zugeleiteten Ansaugluftstrom durchdringen und sich mit diesem vermischen. Wie oben erläutert, sind die Diffusoröffnungen 82 so bezüglich des Einsatzes 24 positioniert, dass die Einleitung von gasförmigem Brennstoff durch die hohe Geschwindigkeit und den niedrigen Druck des Ansaugluftstroms bei zwangsweiser Strömung um den Nasenabschnitt 72 in den vorderen Mischabschnitt 76 unterstützt wird. Weiter stromabwärts wird Abgas vom Motor 12 zur AGR-Einlassöffnung 40 über die AGR-Versorgungsleitung 47 zur Rezirkulation geliefert. Das Abgas zur Rezirkulation wird durch den zweiten ringförmigen Kanal 45 und durch die Öffnungen 49 im AGR-Diffusor 35 geleitet. Aufgrund der relativen Orientierung zwischen dem AGR-Diffusor 35 und dem Einsatz 24 weist der Ansaugluftstrom an der Position der Öffnungen 49 immer noch eine verhältnismäßig hohe Geschwindigkeit und einen niedrigen Druck auf. So wird Gegendruck in der AGR-Leitung von der Motorauslassseite reduziert. Der wesentliche Abstand von den AGR-Diffusoröffnungen 49 zum hinteren Ende 68 gewährleistet reichlich Mischzeit für AGR in den Ansaugluftstrom zusammen mit dem gasförmigen Brennstoff für vorhersagbare Verbrennung hoher Qualität im Motor 12.
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Wie oben erläutert, kann sich die Außenfläche 26A des Einsatzkörpers 26 innerhalb des hinteren Mischabschnitts 79 verjüngen, sodass der Durchmesser D3 des hinteren Endes wenigstens 15 Prozent kleiner ist als der maximale Einsatzkörperdurchmesser D2, bis zu 75 Prozent kleiner als der maximale Einsatzkörperdurchmesser D2. Bei einigen Bauweisen ist der Durchmesser D3 am hinteren Ende wenigstens 30 Prozent kleiner als der maximale Einsatzkörperdurchmesser D2. Bei einigen Bauweisen ist der Durchmesser D3 am hinteren Ende wenigstens 45 Prozent kleiner als der maximale Einsatzkörperdurchmesser D2. Bei der dargestellten Bauweise beträgt der Durchmesser D3 am hinteren Ende 55 Prozent des maximalen Einsatzkörperdurchmessers D2. Die Verminderung des Einsatzkörperdurchmessers zum hinteren Ende 68 reduziert die Stärke der Trennwirbel an der Hinterkante 68, eine zu große Verminderung führt jedoch zu Strömungsablösung vor dem hinteren Ende 68 und zu einem entsprechenden Leistungsverlust.
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Die oben beschriebenen und in den Figuren dargestellten Ausführungsformen sind nur beispielhaft dargeboten und sind nicht als eine Beschränkung der Konzepte und Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufzufassen. In diesem Sinne wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Änderungen bei den Elementen sowie deren Konfiguration und Anordnung möglich sind, ohne von der Wesensart und dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
