DE112010003158T5

DE112010003158T5 - Kolbenanordnung für einen zweitakt-lokomotiven-dieselmotor mit einem abgasrückführungssystem

Info

Publication number: DE112010003158T5
Application number: DE112010003158T
Authority: DE
Inventors: James W. Heilenbach; Frank M. Graczyk; Kenneth M. Sinko
Original assignee: Electro Motive Diesel Inc
Current assignee: Progress Rail Locomotive Inc
Priority date: 2009-08-01
Filing date: 2010-08-02
Publication date: 2012-05-10
Also published as: WO2011017259A1; CN102498279A; US20110023811A1; CN102498280A; US20110023844A1; WO2011017262A1; WO2011017259A8; US20110023854A1; WO2011017254A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung ist auf eine Kolbenanordnung mit einer einzigartigen Muldengeometrie zum Optimieren eines Zweitakt-Lokomotiven-Dieselmotors mit einem Abgasrückführungssystem (AGR-System) gerichtet. Diese Kolbenanordnung erreicht ein verringertes Niveau an Rauch und Partikelstoffen, begünstigt den Vermischungsprozess im Motorzylinder und sieht ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis zur Verringerung von NOx-Emissionen vor.

Description

Querbezug zu verwandten Anmeldungen
Diese Anmeldung ist eine PCT-Patentanmeldung, die zurückgeht auf die U.S. Provisional Application mit der Serien-Nr. 61/230,698, mit dem Titel ”Exhaust Gas Recirculation System for a Lokomotive Two-Stroke Uniflow Scavenged Diesel Engine”, die am 1. August 2009 eingereicht wurde, und deren vollständige Offenbarung hier durch Bezugnahme mitaufgenommen ist.
Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf einen Lokomotiven-Dieselmotor und insbesondere auf eine Kolbenanordnung mit einer einzigartigen Muldengeometrie für einen Zweitakt-Dieselmotor für eine Lokomotive mit einem Abgasrückführungssystem.
Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Lokomotiven-Dieselmotor und insbesondere auf eine Kolbenanordnung mit einer einzigartigen Muldengeometrie zur Optimierung eines Zweitakt-Dieselmotors für eine Lokomotive mit Abgasrückführungssystem (”AGR-System”). Diese Kolbenanordnung erreicht ein verringertes Niveau an Rauch und Partikelstoffen; begünstigt den Vermischungsprozess im Motorzylinder und sorgt für ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis zur Verringerung von NO_x-Emissionen.
1 veranschaulicht eine Lokomotive 100, die ein Gleichstrom-Zweitakt-Dieselmotorsystem 200 aufweist. Wie in den 2 und 3 gezeigt, weist das Dieselmotorsystem 200 für eine Lokomotive im Allgemeinen ein Luftsystem mit einem Turbolader 300, mit einem Kompressor 302 und einer Turbine 304 auf, welche komprimierte Luft zu einem Motor 306 mit einer Luftbox 308 liefert, weiter Leistungsanordnungen 310, eine Auslasssammelleitung 312 und ein Kurbelgehäuse 314. In einem typischen Dieselmotorsystem 200 für eine Lokomotive steigert der Turbolader 300 die Leistungsdichte des Motors 306 durch Komprimieren der Luft, die zum Motor 306 transportiert wird, und durch Vergrößern ihrer Menge.
Insbesondere zieht der Turbolader 300 Luft aus der Atmosphäre 316, die unter Verwendung eines herkömmlichen Luftfilters 318 gefiltert wird. Die gefilterte Luft wird von einem Kompressor 302 komprimiert. Der Kompressor 302 wird durch eine Turbine 304 angetrieben, wie genauer unten besprochen wird. Ein größerer Teil der komprimierten Luft (oder Ladeluft) wird zu einem Nachkühler 320 transportiert (der auch als Wärmetauscher, Ladeluftkühler oder Intercooler bzw. Zwischenkühler bezeichnet wird), wo die Ladeluft auf eine ausgewählte Temperatur gekühlt wird. Ein weiterer kleinerer Teil der Ladeluft wird zu einem Kurbelgehäuseventilationsölseparator 322 geleitet, der das Kurbelgehäuse 314 entlüftet; Kurbelgehäusegas einfängt bzw. mitführt und mitgeführtes Kurbelgehäuseöl vor der Freigabe der Mischung aus Kurbelgehäusegas und komprimierter Luft in die Atmosphäre 316 filtert.
Die gekühlte Ladeluft vom Nachkühler 320 tritt in den Motor 306 über einen Luftkasten bzw. eine Luftbox 308 ein. Die Verringerung der Einlasstemperatur der Ladeluft sorgt für eine dichtere Einlassladung in den Motor, was NO_x-Emissionen verringert, während der Brennstoffwirkungsgrad verbessert wird. Die Luftbox 308 ist eine einfache Umhüllung, die gekühlte Ladeluft über Einlassanschlüsse zu einer Vielzahl von Zylindern (beispielsweise 324) verteilt. Jeder der Zylinder 324 ist durch einen Zylinderkopf (beispielsweise 326) verschlossen. Brennstoffeinspritzvorrichtungen (nicht gezeigt) in den Zylinderköpfen (beispielsweise 326) leiten Brennstoff in jeden der Zylinder (beispielsweise 324) ein, wo der Brennstoff mit der gekühlten Ladeluft vermischt und verbrannt wird. Jeder Zylinder (beispielsweise 324) weist einen Kolben (beispielsweise 328) auf, der die aus der Verbrennung resultierende Kraft zur Kurbelwelle 330 über eine Verbindungsstange bzw. Pleuelstange (beispielsweise 332) überträgt. Der Kolben (beispielsweise 328) weist einen Kolbenboden bzw. eine Kolbenmulde auf, was die Vermischung von Brennstoff und eingeschlossenem Gas (einschließlich gekühlter Ladeluft) erleichtert, was für die Verbrennung nötig ist. Die Zylinderköpfe (beispielsweise 326) weisen Auslassanschlüsse auf, die von Auslassventilen (beispielsweise 334) gesteuert werden, die in den Zylinderköpfen (beispielsweise 326) montiert sind, die die Menge der Abgase regeln, die nach der Verbrennung aus den Zylindern (beispielsweise 324) ausgestoßen werden.
Der Verbrennungszyklus eines Dieselmotors weist das auf, was als der Spülprozess bezeichnet wird. Während des Spülprozesses wird ein positiver Druckgradient vom Einlassanschluss der Luftbox 308 zur Auslasssammelleitung 312 aufrechterhalten, so dass die gekühlte Ladeluft von der Luftbox 308 die Zylinder (beispielsweise 324) lädt und den größten Teil des verbrannten Gases aus dem vorherigen Verbrennungszyklus ausspült. Genauer gesagt tritt während des Spülprozesses in der Leistungsanordnung 310 die gekühlte Ladeluft an einem Ende des Zylinders (beispielsweise 324) gesteuert durch einen assoziierten Kolben (beispielsweise 328) und Einlassanschlüsse ein. Die gekühlte Ladeluft vermischt sich mit der kleinen Menge an verbranntem Gas, die aus dem vorherigen Zyklus zurückbleibt. Zur gleichen Zeit tritt die größere Menge von verbranntem Gas aus dem anderen Ende des Zylinders (beispielsweise 324) über vier Auslassventile (beispielsweise 334) aus und tritt als Abgas in die Auslasssammelleitung 312 ein. Die Steuerung dieser Spül- und Vermischungsprozesse ist ein Instrument bei der Verringerung von Emissionen genauso wie beim Erreichen von erwünschten Graden der Brennstoffausnutzung.
Abgase aus dem Verbrennungszyklus treten aus dem Motor 306 über eine Auslasssammelleitung 312 aus. Der Abgasfluss aus dem Motor 306 wird verwendet, um die Turbine 304 des Turboladers 300 anzutreiben und dadurch den Kompressor 302 des Turboladers 300. Nach dem Antreiben der Turbine 304 des Turboladers 300 werden die Abgase in die Atmosphäre 316 freigegeben, und zwar über ein Abgassystem 336 oder einen Schalldämpfer.
Eine Emissionsverringerung kann erreicht werden durch Rückführen eines Teils des Abgases zurück durch das Motorsystem. Hauptbestandteile des Abgases, welche zurückgeführt werden, weisen N₂, CO₂ und Wasserdampf auf, die den Verbrennungsprozess durch Lösungseffekte und thermische Effekte beeinflussen.
Der Lösungseffekt wird verursacht durch eine Verringerung der Konzentration des Sauerstoffes in der Einlassluft, und der thermische Effekt wird bewirkt durch eine Steigerung der spezifischen Wärmekapazität der Ladung.
Die in die Atmosphäre von einem Dieselmotor abgegebenen Abgase weisen Partikel, Stickoxide (NO_x) und andere Verunreinigungen auf. Es sind Gesetze erlassen worden, um die Menge an Verunreinigungen zu verringern, die in die Atmosphäre freigegeben werden können. Traditionelle Systeme sind eingerichtet worden, welche diese Verunreinigungen reduzieren, jedoch auf Kosten der Brennstoffausnutzung. Entsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System vorzusehen, welches die Menge an Verunreinigungen verringert, die von dem Dieselmotor freigegeben werden, während eine erwünschte Brennstoffausnutzung erreicht wird.
Es ist weiter ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein AGR-System für einen Gleichstrom-Zweitakt-Dieselmotor vorzusehen, welches die zuvor erwähnten Spül- und Mischprozesse regelt, um NO_x zu reduzieren, während die erwünschte Brennstoffausnutzung erreicht wird. Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Kolbenanordnung vorzusehen, die mit dem AGR-System verwendet werden kann. Es ist erwünscht, dass die Kolbenanordnung ein verringertes Niveau an Rauch- und Partikelstoffen erreicht, den Vermischungsprozess im Motorzylinder begünstigt und ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis zur Verringerung von NO_x-Emissionen vorsieht. Die verschiedenen Ausführungsbeispiele des AGR-Systems der vorliegenden Erfindung können das überschreiten, was in der Industrie als NO_x-Emissionsanforderungen der Stufe II (40 CFR 92) und der Stufe III (40 CFR 1033) der Umweltschutzagentur (EPA = Environmental Protection Agency) bezeichnet wird, genauso wie die strengeren NO_x-Emissionsanforderungen gemäß Stufe IIIb der Europäischen Kommission (EURO). Diese verschiedenen Emissionsanforderungen werden hier durch Bezugnahme zitiert und zum Teil dieser Patentanmeldung gemacht.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Dieselmotor und insbesondere auf eine Kolbenanordnung für einen Gleichstrom-Zweitakt-Dieselmotor für eine Lokomotive mit einem AGR-System. Die Kolbenanordnung hat eine einzigartige Muldengeometrie, die ein verringertes Niveau an Rauch- und Partikelstoffen erreicht, den Vermischungsprozess im Motorzylinder begünstigt und ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis zur Verringerung von NO_x-Emissionen vorsieht.
Insbesondere wird eine Kolbenmuldengeometrieanordnung für einen Dieselmotor mit einem Abgasrückführungssystem (AGR-System) vorgesehen, die geeignet ist, um NO_x-Emissionen zu verringern und eine erwünschte Brennstoffausnutzung durch Rückzirkulieren bzw. Rückführen von Abgas durch den Motor zu erreichen. Die Kolbenmuldengeometrieanordnung weist einen äußeren Torusdurchmesser zwischen ungefähr 4,795 Inch und ungefähr 5,045 Inch, einen inneren Torusradius zwischen ungefähr 0,595 Inch und ungefähr 0,665 Inch, eine Torusvertiefung unter dem Quetschsteg zwischen ungefähr 0,787 Inch und ungefähr 0,867 Inch, einen Mittelkegelwinkel zwischen ungefähr 26 Grad und ungefähr 34 Grad, einen Kronenrandradius von ungefähr 0,375 Inch, eine Kronendicke zwischen ungefähr 0,196 Inch und ungefähr 0,240 Inch, einen mittleren Kugelradius von ungefähr 0,79 Inch, einen Kolbendurchmesser von ungefähr 8,5 Inch, eine Kolbenmuldentiefe zwischen ungefähr 1,674 Inch bis ungefähr 1,707 Inch und ein Kompressions- bzw. Restvolumen von ungefähr 0,305 Kubik-Inch auf, wobei die Kolbenmuldengeometrieanordnung die Vermischung von Brennstoff und Gas einschließlich zurückgeführtes Abgas in ihrem Volumen begünstigt, und wobei das Restvolumen ein Motorverdichtungsverhältnis von ungefähr 17:1 definiert, um den maximalen Verbrennungsdruck zu begrenzen und die NO_x-Emissionen zu verringern. Das Rest- bzw. Kompressionsvolumen kann teilweise durch das Kolbenmuldenvolumen, durch die Größe und Form eines Zylinderkopfsitzrings und/oder die Köpfe der Auslassventile definiert werden.
Die folgende Beschreibung wird dargelegt, um es dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen und zu verwenden, und sie ist im Zusammenhang mit einer Patentanmeldung und ihren Anforderungen vorgesehen. Verschiedene Modifikationen des bevorzugten Ausführungsbeispiels und der allgemeinen Prinzipien und Merkmale, die hier beschrieben werden, werden dem Fachmann leicht offensichtlich werden. Somit soll die vorliegende Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele eingeschränkt sein, sondern ihr soll der breiteste Umfang zugestanden sein, der mit den hier beschriebenen Prinzipien und Merkmalen in Übereinstimmung ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Lokomotive, die ein Zweitakt-Dieselmotorsystem aufweist.
2 ist eine teilweise quergeschnittene perspektivische Ansicht des Zweitakt-Dieselmotorsystems der 1.
3 ist ein Systemdiagramm des Zweitakt-Dieselmotors der 2 mit einem herkömmlichen Luftsystem.
4 ist ein Systemdiagramm eines Zweitakt-Dieselmotors mit einem AGR-System.
5A ist eine Querschnittsansicht des Zweitakt-Dieselmotors der 4.
5B ist eine schematische teilweise aufgeschnittene Querschnittsansicht des Zweitakt-Dieselverbrennungsmotors der 4, welche die Auslassventile zeigt.
5C ist eine schematische teilweise aufgeschnittene Querschnittsansicht eines Zweitakt-Dieselverbrennungsmotors der 4, welche die Brennstoffeinspritzvorrichtung zeigt.
6A ist eine Teilquerschnittsansicht eines Kolbens gemäß der vorliegenden Erfindung.
6B ist eine Querschnittsansicht eines Zylinderkopfrings, der in Beziehung zu einem Zylinderkopf gemäß der vorliegenden Erfindung gelegen ist.
6C ist eine Draufsicht eines Zylinderkopf rings der 6B.
6D ist eine Teilquerschnittsansicht eines Auslassventils gemäß der vorliegenden Erfindung.
6E ist eine Seitenansicht des Auslassventils der 6D.
6F ist eine Ansicht des Auslassventils der 6D von unten.
7A ist eine detaillierte teilweise weggeschnittene Schnittansicht von der Seite einer Brennstoffeinspritzvorrichtungsdüse gemäß der vorliegenden Erfindung.
7B ist eine Schnittansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennstoffeinspritzvorrichtungsdüse der 7A.
7C ist eine Schnittansicht eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennstoffeinspritzvorrichtungsdüse der 7A.
8A ist eine Zeitsteuertabelle für den optimierten Zweitakt-Dieselmotor gemäß der vorliegenden Erfindung.
8B ist eine Kurvendarstellung, die den Hub und Geschwindigkeitsprofile des Abgases für den gesamten Motorzyklus zeigt.
8C ist eine Querschnittsansicht eines Auslassnockenprofils gemäß der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Die vorliegende Erfindung ist auf eine Kolbenanordnung für einen Gleichstrom-Zweitakt-Dieselmotor für eine Lokomotive mit einem AGR-System gerichtet. Die Kolbenanordnung hat eine einzigartige Kolbenmuldengeometrie, die ein verringertes Niveau an Rauch- und Partikelstoffen erreicht, den Vermischungsprozess im Motorzylinder begünstigt und ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis zur Verringerung von NO_x-Emissionen vorsieht.
Um zumindest die Emissionsstandards nach US EPA Stufe III genauso wie die strengeren NO_x-Emissionsanforderungen der Stufe IIIb der Europäischen Kommission zu erfüllen, sind verschiedene Schlüsselkonstruktionsveränderungen an dem Lokomotivensystem der 3 vorgenommen worden. Wie in 4 gezeigt, ist ein AGR-System 450 veranschaulicht, welches Abgase von der Auslasssammelleitung 412 des Motors 406 durch den Motor 406 zurückführt, die Abgase mit der gekühlten Ladeluft des Nachkühlers 420 vermischt und diese Mischung an die Luftbox 408 liefert. In diesem AGR-System wird nur ein ausgewählter Prozentsatz der Abgase rückzirkuliert bzw. rückgeführt und mit der Einlassladeluft vermischt, um selektiv Verunreinigungsemissionen (einschließlich NO_x) zu reduzieren, während ein erwünschter Brennstoffwirkungsgrad erreicht wird. Der Prozentsatz der Abgase, der zurückgeführt werden soll, hängt auch von der Menge an Abgasfluss ab, die für den Antrieb des Kompressors 402 des Turboladers 400 benötigt wird. Es ist erwünscht, dass genügend Abgas die Turbine 404 des Turboladers 400 antreibt, sodass eine optimale Menge an frischer Luft zum Motor 406 für Verbrennungszwecke transportiert wird. Für Lokomotiven-Dieselmotoranwendungen ist es erwünscht, dass weniger als ungefähr 35% des gesamten Gases (einschließlich komprimierter frischer Luft und zurückgeführtem Abgas), welches zur Luftbox 408 geliefert wird, zurückgeführt wird. Diese Anordnung sorgt dafür, dass Verschmutzungsemissionen (einschließlich NO_x) verringert werden, während ein erwünschter Brennstoffwirkungsgrad erreicht wird.
Eine Flussregulierungsvorrichtung kann vorgesehen sein, um die Menge der zurückzuführenden Abgase zu regeln. In einem Ausführungsbeispiel ist die Flussregulierungsvorrichtung ein Ventil 452, wie in 4 veranschaulicht. Alternativ kann die Flussregulierungsvorrichtung eine Positivflussvorrichtung 460 sein, wobei es kein Ventil (nicht gezeigt) gibt oder wobei das Ventil 452 als ein An/Aus-Ventil funktionieren kann, wie genauer unten besprochen wird.
Der ausgewählte Prozentsatz der Abgase, der zurückgeführt werden soll, kann optional gefiltert werden. Die Filterung wird verwendet, um die Partikel zu verringern, die während der Rückführung in den Motor 406 eingeleitet werden. Das Einleiten von Partikeln in den Motor 406 bewirkt eine beschleunigte Abnutzung insbesondere bei Gleichstrom-Zweitakt-Dieselmotoranwendungen. Wenn die Abgase nicht gefiltert werden und in den Motor zurückgeführt werden, würden die ungefilterten Partikel aus dem Verbrennungszyklus die Abnutzung der Motorkomponenten beschleunigen. Beispielsweise sind Gleichstrom-Zweitakt-Dieselmotoren insbesondere empfindlich für Fressen an der Zylinderauskleidungs- bzw. Zylinderbuchsenwand, da harte Partikel durch Kolbenringen entlang der Zylinderbuchsenwände gezogen werden, nachdem sie durch die Einlassanschlüsse gelaufen sind. Oxidation und Filtration können auch verwendet werden, um eine Zersetzung und Abnutzung von anderen AGR-Systemkomponenten (beispielsweise des Kühlers 458 und der Positivflussvorrichtung 460) oder von Motorsystemkomponenten zu verhindern. In 4 sind ein Dieseloxidationskatalysator (DOC) 454 und ein Dieselpartikelfilter (DPF) 456 zu Filtrationszwecke vorgesehen. Der Dieseloxidationskatalysator 454 verwendet einen Oxidationsprozess, um die Partikelstoffe (PM = particulate matter), Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenmonoxid-Emissionen in den Abgasen zu reduzieren. Der Dieselpartikelfilter 456 weist einen Filter auf, um Partikelstoffe und/oder Ruß aus den Abgasen zu reduzieren. Die DOC/DPF-Anordnung kann geeignet sein, Ruß passiv zu regenerieren und zu oxidieren. Obwohl ein Dieseloxidationskatalysator 454 und ein Dieselpartikelfilter 456 gezeigt sind, können andere vergleichbare Filter verwendet werden.
Das gefilterte Abgas wird optional unter Verwendung eines Kühlers 458 gekühlt. Der Kühler 458 dient dazu, die Temperatur des zurückgeführten Abgases zu verringern, wodurch eine dichtere Einlassladung in den Motor geliefert wird. Die Verringerung der Einlasstemperatur des zurückgeführten Abgases verringert NO_x-Emissionen und verbessert die Brennstoffausnutzung. Es ist vorzuziehen, gekühltes Abgas im Vergleich zu heißerem Abgas an diesem Punkt im AGR-System zu haben, und zwar auf Grund dessen, dass dieses einfacher zu liefern ist und besser kompatibel mit stromabwärts liegenden AGR-System- und Motorkomponenten. ist.
Das gekühlte Abgas fließt zu einer Positivflussvorrichtung 460, die für die nötige Drucksteigerung zur Überwindung des Druckverlustes innerhalb des AGR-Systems 450 selbst sorgt und für die Überwindung des entgegen wirkenden Druckgradienten zwischen der Auslasssammelleitung 412 und der Einleitungsstelle des zurückgeführten Abgases. Insbesondere steigert die Positivflussvorrichtung 460 den statischen Druck des zurückgeführten Abgases ausreichend, um das Abgas stromaufwärts der Leistungsanordnung 410 einzuleiten. Alternativ verringert die Positivflussvorrichtung 460 den statischen Druck stromaufwärts der Leistungsanordnung 410 an der Einleitungsstelle ausreichend, um einen positiven statischen Druckgradienten zwischen der Auslasssammelleitung 412 und der Einleitungsstelle stromaufwärts der Leistungsanordnung zu erzwingen. Die Positivflussvorrichtung 460 kann in Form eines Roots-Gebläses, einer Venturi-Vorrichtung, eines Laufrades, eines Propellers, eines Turboladers, einer Pumpe oder in ähnlicher Form vorliegen. Die Positivflussvorrichtung 460 kann intern abgedichtet sein, so dass Öl nicht das Abgas verunreinigt, welches zurückgeführt werden soll.
Wie in 4 gezeigt, gibt es in einem Ausführungsbeispiel einen positiven Druckgradienten zwischen der Luftbox 408 (beispielsweise ungefähr 94,39 inHga) und der Auslasssammelleitung 412 (beispielsweise ungefähr 85,46 inHga), um die notwendigen Ausmaße der Zylinderspülung und Vermischung zu erreichen. Um Abgas zurückzuführen, wird der Druck des zurückgeführten Abgases gesteigert, so dass dieser zumindest gleich dem Nachkühlerauslassdruck ist, und genauso die zusätzlichen Druckabfälle durch das AGR-System 450 überwindet. Entsprechend wird das Abgas durch die Positivflussvorrichtung 460 komprimiert und mit frischer Luft vom Nachkühler 420 vermischt, um die NO_x-Emissionen zu verringern, während die erwünschte Brennstoffausnutzung erreicht wird. Es wird bevorzugt, dass die Einleitung des Abgases in einer Weise ausgeführt wird, die eine Vermischung des zurückgeführten Abgases und der frischen Luft begünstigt.
Als eine Alternative dazu, dass das Ventil 452 die Menge des zurückzuführenden Abgases reguliert, wie oben besprochen, kann stattdessen eine Positivflussvorrichtung 460 verwendet werden, um die Menge des Abgases zu regeln, die zurückgeführt werden soll. Beispielsweise kann die Positivflussvorrichtung 460 geeignet sein, die Rückführungsflussrate des Abgases vom Motor 406, durch das AGR-System 450 und zurück in den Motor 406 zu steuern. In einem anderen Beispiel kann das Ventil 452 als ein An/Aus-Ventil funktionieren, wobei die Positivflussvorrichtung 460 die Rückführungsflussrate regelt, indem die Drehzahl der Vorrichtung angepasst wird. Bei dieser Anordnung kann eine variierende Menge an Abgas durch Variieren der Drehzahl der Positivflussvorrichtung 460 zurückgeführt werden. In noch einem weiteren Beispiel ist die Positivflussvorrichtung 460 eine Pumpe mit positiver Verdrängung (beispielsweise ein Roots-Gebläse) welche die Rückführungsflussrate durch Einstellung ihrer Drehzahl regelt.
Ein neuer Turbolader 400 ist mit einem höheren Druckverhältnis vorgesehen als jenes von Gleichstrom-Zweitakt-Dieselmotorturboladern des Standes der Technik. Der neuartige Turbolader sorgt für eine höher komprimierte Ladung von frischer Luft, die mit dem zurückgeführten Abgas von der Positivflussvorrichtung 460 vermischt wird. Diese Mischung aus Frischluft und Abgas unter hohem Druck, die zum Motor 406 geliefert wird, liefert die erwünschte eingefangene Masse an Sauerstoff, die für die Verbrennung bei der gegebenen niedrigen Sauerstoffoxidation der eingefangenen Mischung aus Frischluft und gekühltem Abgas notwendig ist.
Das AGR-System 450 der 4 ist nur zu Veranschaulichungszwecken gezeigt. Andere vergleichbare AGR-Systeme können in ähnlicher Weise eingerichtet werden, um Abgas im Motor für die Zwecke der Verringerung von NO_x-Emissionen zurückzuführen. Beispielsweise kann zurückgeführtes Abgas alternativ stromaufwärts des Nachkühlers eingeleitet werden und dadurch gekühlt werden, bevor es zur Luftbox des Motors geleitet wird. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das gefilterte Abgas optional zum Nachkühler geleitet werden, ohne dass der Kühler im AGR-System hinzugefügt ist. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann weiter ein Steuersystem vorgesehen werden, welches die Auswahlkomponenten des AGR-Systems steuert. In einem Beispiel steuert ein Steuersystem die Flussregulierungsvorrichtung, um adaptiv die Menge an Abgas zu regeln, die zurückgeführt wird, und zwar basierend auf verschiedenen Betriebsbedingungen der Lokomotive.
Um weiter das AGR-System 450 zu optimieren, welches in 4 veranschaulicht ist, sind verschiedene Motorkomponenten neu konstruiert worden, was eine gesteigerte Brennstoffausnutzung und verringerte NO_x-Emissionen zur Folge hat. Insbesondere weist der Motor der vorliegenden Erfindung Folgendes auf: (1) eine neue Kolbenanordnung mit einer einzigartigen Kolbenmuldengeometrie; (2) ein optimiertes Brennstoffeinspritzvorrichtungssystem; und (3) eine neue Auslassnocke. Die 5A–5C sind verschiedene Querschnittsansichten eines Gleichstrom-Zweitakt-Dieselmotors, der zur Verwendung mit dem AGR-System 450 der 4 neu konstruiert worden ist.
Die erste neuartige Motorkomponente, die zur Verwendung mit dem AGR-System neu konstruiert wurde, ist die Kolbenanordnung. Wie in den 5A–5C veranschaulicht, wird ein Kolben 583 durch einen Kolbenträger getragen. Der Kolben weist im Allgemeinen eine ringförmige Seitenwand mit einer Vielzahl von Nuten darin auf. Die Nuten 593 nehmen eine Vielzahl von Ringen auf, um den Kolben 583 gegen die Seitenwand der Zylinderauskleidung bzw. Zylinderbuchse abzudichten, wie es in der Technik wohlbekannt ist. Eine Verbindungsstange bzw. Pleuelstange 595 kann auch schwenkbar an dem Kolben in herkömmlicher Weise befestigt sein. Eine neue Kolbenmuldengeometrie begünstigt, wenn diese mit dem unten beschriebenen Brennstoffeinspritzsystem gepaart ist, die Vermischung von Brennstoff und eingefangenem Gas (einschließlich Einlassladeluft und rückgeführtem Abgas) im Zylinder. Weiterhin hilft die Kolbenmulde dabei, die Menge an Rauch und Partikelstoffen durch die neue einzigartige Geometrie zu verringern. Das Kolbenmuldenvolumen, der Zylinder, der Zylinderkopf und die Auslassventile definieren das Volumen an der oberen Totpunktposition (TDC) des Kolbens, was vorzugsweise ungefähr gleich 0,3053 Kubik-Inch ist, wodurch das Verdichtungsverhältnis definiert wird, welches ungefähr 17:1 ist. Das niedrigere Verdichtungsverhältnis gleicht den höheren Luftboxdruck aus, wodurch der maximale Zündungsdruck begrenzt wird und NO_x verringert wird.
Insbesondere, wie in 6A veranschaulicht, weist die Kolbenmulde 683 einen Mittelteil auf, der im Allgemeinen eine Kugelform hat. Vorzugsweise hat der Mittelteil einen Mittelkugelradius R_c (620), der vorzugsweise ungefähr gleich 0,79 Inch ist. Ein Kegelteil ist mit dem Mittelteil verbunden und ist vorzugsweise in einem Winkel (Mittelkegelwinkel A_c (616)) geformt, der vorzugsweise gleich 30 Grad plus oder minus 4 Grad ist. Eine ringförmige Toroid-Fläche ist benachbart zum Kegelteil geformt und teilweise durch einen Haupttorusdurchmesser bzw. äußeren Torusdurchmesser D_tm (610) von vorzugsweise gleich 4,92 Inch, plus oder minus 0,125 Inch, und einen Innentorusradius bzw. kleineren Torusradius R_tm (612) von vorzugsweise 0,63 Inch plus oder minus 0,035 Inch, definiert. Ein Kronenrandglied ist benachbart zu der ringförmigen Torusfläche geformt und ist mit einer oberen flachen Randstirnseite einer Seitenwand verbunden. Der Kronenrandradius R_cr (618) ist vorzugsweise ungefähr gleich 0,375 Inch.
Die ringförmige Torusfläche ist vorzugsweise so geformt, dass der kleinere Torusradius R_tm (612) von einem Punkt gemessen ist, der um 0,827 Inch, plus oder minus 0,04 Inch, unter die obere flache Randfläche versenkt ist. Dies ist auch als die Torusversenkung bzw. Torusabsenkung unter dem Quetschsteg bekannt und wird als T_s (614) in 6A bezeichnet.
Somit weist die neue Konstruktion der Kolbenmulde 683 Folgendes auf: einen äußeren Torusdurchmesser D_tm (610) von vorzugsweise gleich 4,92 Inch, plus oder minus 0,125 Inch; einen inneren Torusradius R_tm (612) von vorzugsweise gleich 0,63 Inch, plus oder minus 0,035 Inch; eine Toruseinsenkung bzw. Torusvertiefung T_s (614) unter dem Quetschsteg von vorzugsweise gleich 0,827 Inch, plus oder minus 0,04 Inch; eine Restfläche von vorzugsweise ungefähr 2,827 Quadrat-Inch; eine Resthöhe von vorzugsweise ungefähr 0,088 Inch; ein Kolbenmuldenvolumen von vorzugsweise gleich 0,249 Kubik-Inch; einen Mittelkegelwinkel A_c (616) von vorzugweise 30 Grad, plus oder minus 4 Grad; einen Kronenrandradius R_cr (618) von vorzugsweise gleich 0,375 Inch; eine Kronendicke von vorzugsweise zwischen ungefähr 0,196 Inch und ungefähr 0,240 Inch; einen Mittelkugelradius R_c (620) von vorzugsweise gleich 0,79 Inch; einen Kolbendurchmesser D von vorzugsweise gleich 8,50 Inch; und eine Kolbenmuldentiefe B von vorzugsweise gleich 1,677 Inch, plus oder minus 0,03 Inch. Entsprechend ist das Verhältnis des äußeren Torusdurchmessers D_tm (610) relativ zum Kolbendurchmesser D gleich 1:1,73; das Verhältnis des kleineren Torusradius R_tm (612) relativ zum Kolbendurchmesser D ist 1:13,49; und das Verhältnis der Kolbenmuldentiefe B zum Kolbendurchmesser D ist 1:5,07.
Die Kolbenanordnung hat auch ein Kompressions- bzw. Restvolumen von vorzugsweise gleich ungefähr 0,305 Kubik-Inch. Dieses gesteigerte Volumen senkt gegenüber jenem des Standes der Technik das Kompressionsverhältnis des Motors von ungefähr 18,4:1 auf ungefähr 17:1. Das niedrigere Kompressions- bzw. Verdichtungsverhältnis gleicht den höheren Luftboxdruck aus, wodurch der maximale Zünddruck begrenzt wird und NO_x verringert wird. Das Kolbenmuldenvolumen, der Zylinder, der Zylinderkopf und die Auslassventile definieren das Kompressions- bzw. Restvolumen beim oberen Totpunkt. Entsprechend kann das erwünschte Restvolumen erreicht werden durch Einstellen des Volumens der Kolbenmulde 683 der 6A, der Grolle des Zylinderkopfsitzrings 694, wie in den 6B–6C gezeigt und/oder der Größe der napfförmig ausgeschnittenen bzw. eingesenkten Köpfe 664 der Auslassventile 653, wie in den 6B–6F gezeigt, und zwar durch eine dieser Größen alleine oder in Kombination. In einem Beispiel kann die Kolbenmuldentiefe B durch Einstellung der Tiefe der Seitenwand der Kolbenmulde vergrößert oder verringert werden, um das Kolbenmuldenvolumen einzustellen. In einem weiteren Beispiel, wie es in den 6B–6C gezeigt ist, kann der Zylinderkopfsitzring 694 auf dem Zylinderkopf 697 angeordnet sein, um zu verhindern, dass der Kolben an der Oberfläche des Zylinderkopfes 697 anliegt. Das Einstellen der Größe des Zylinderkopfrings hat eine Einstellung des Restvolumens zur Folge. In noch einem weiteren Beispiel, wie es in den 6D–6F gezeigt ist, kann das Volumen der napfförmig ausgeschnittenen bzw. eingesenkten Köpfe 664 der Auslassventile 653 eingestellt werden, um das Restvolumen zu vergrößern oder zu Verringern.
Die neu konstruierte Kolbenanordnung ist mit einem Brennstoffeinspritzvorrichtungssystem gepaart, wie es bei 587 in den 5A und 5C gezeigt ist. Wie weiter detailliert in den 7A–7C gezeigt, hat die Brennstoffeinspritzvorrichtung 787 einen Brennstoffeinspritzvorrichtungsdüsenkörper 788, der sechs oder sieben Brennstoffeinspritzlöcher 790 hat. Die Brennstoffeinspritzlöcher 790 sind jeweils von gleicher Größe und sind gleich konzentrisch um eine Düsenmittellinie N beabstandet. Jedes der Brennstoffeinspritzlöcher 790 ist mit einem Loch mit verringertem Durchmesser versehen, wobei der Durchmesser des Lochs innerhalb eines Bereiches von zwischen vorzugsweise 0,0133 Inch und 0,0152 Inch ist. Der eingeschlossene Winkel A der Brennstoffeinspritzlöcher ist vorzugsweise 150 Grad, plus minus 4 Grad. Die Größe des Lochs mit verringertem Durchmesser sorgt für eine Verringerung der Brennstoffeinspritzrate zusammen mit einer gesteigerten Brennstoffeinspritzdauer und für eine Steigerung des Spitzeneinspritzdruckes und dient dazu, die Bildung von NO_x während des Brennstoffverbrennungsprozesses zu verringern, da es Brennstoff auf die neue Kolbenmuldengeometrie sprüht, um die Niveaus von Rauch und Partikeln zu verringern.
Die nächste neue Motorkomponente, die zur Anwendung mit dem AGR-System neu konstruiert wurde, ist ein neues Motorauslassventilzeitsteuer- und -Hubsystem. Insbesondere veranschaulichen die 5A–5C die zwei Zylinderbänke 599A, 599B des Motors, die jeweils eine Vielzahl von Zylindern besitzen, die durch Zylinderköpfe 597 geschlossen sind. Die Zylinderköpfe 597 enthalten Auslassanschlüsse, die mit den Brennkammern in Verbindung stehen und durch die Auslassventile 553 gesteuert werden, die in den Zylinderköpfen 597 montiert sind. In diesem System regeln die Auslassventile 553 die Menge der Abgase, die aus der Brennkammer ausgestoßen wird. Die Zeitsteuerung, der Hub und die Geschwindigkeit des Öffnens und Schließens der Auslassventile werden gesteuert, um die erwünschten NO_x-Emissionsniveaus und die erwünschten Niveaus an Spülung und Vermischung im Zylinder zu erreichen.
Wie in den 5A und 5B veranschaulicht, werden die Auslassventile 553 mechanisch durch eine Auslassnocke 580 einer Nockenwelle betätigt, die einen assoziierten Ventilbetätigungsmechanismus antreibt, wie beispielsweise einen Kipphebel 582. Insbesondere veranschaulicht 5A eine Querschnittsansicht des Zweitakt-Dieselmotors, wobei sie zwei Auslassventile 553 zeigt, die durch eine Auslassnocke 580 betätigt werden. Die Auslassnocke 580 weist im Allgemeinen eine ausgewählte Form auf, welche den Hub, die Zeitsteuerung und die Geschwindigkeit der Auslassventilbetätigung bestimmt. Um die Auslassventile 553 zu öffnen, kommt der Ansatz der Auslassnocke 580 mit einer Rolle 584 in Eingriff, die an einem Kipphebel 582 gelegen ist. Sobald die Auslassnocke 580 mit dem Kipphebel 582 über die Rolle 584 in Eingriff kommt, kommt der Kipphebel 582 mit einer Ventilbrücke 585 in Eingriff, die das Zusammendrücken von benachbarten Federn bewirkt und bewirkt, dass sich die Auslassventile 553 öffnen. Die Auslassnocke 580 steuert die Zeitsteuerung, den Hub und die Geschwindigkeit des Öffnens und des Schließens der Auslassventile, um die erwünschten NO_x-Emissionsniveaus und die erwünschten Niveaus an Spülung und Vermischung im Zylinder zu erreichen.
Der Betrieb der oben beschriebenen Motorkomponenten, die zur Verwendung mit dem AGR-System neu konstruiert wurden, wird detailliert in dem Motorzeitsteuerdiagramm der 8A dargestellt. Insbesondere veranschaulicht das Motorzeitsteuerdiagramm die Effekte der neu konstruierten Motorkomponenten auf das AGR-System. Wie gezeigt, tritt eine Verbrennung auf oder nahe der oberen Todpunktposition des Kolbens auf. Eine Brennstoffeinspritzung in den Zylinder beginnt nahe der oberen Todpunktposition und endet nach der oberen Todpunktposition, wobei der spezielle Zeitpunkt von den Betriebsbedingungen der Lokomotive abhängt. Bei voller Belastung beispielsweise beginnt der Brennstoffeinspritzzeitpunkt bei ungefähr 7 Grad vor dem oberen Totpunkt und endet bei ungefähr 13 Grad nach dem oberen Totpunkt. Die Ausdehnung des Zylindergases beginnt im Allgemeinen beim oberen Totpunkt und fährt fort, bis die Auslassventile sich öffnen. Die Auslassventile öffnen sich bei ungefähr 79 Grad nach dem oberen Totpunkt. Bis ungefähr 108 Grad nach dem oberen Totpunkt öffnen sich die Auslassventile mit einer niedrigen konstanten Geschwindigkeit, wie genauer bezüglich 8B beschrieben wird. Zwischen ungefähr 108 Grad und 125 Grad nach dem oberen Totpunkt tritt das Abgas aus dem Zylinder aus, wenn der Zylinderdruck höher ist als der Auslassdruck. Die Einlassanschlüsse öffnen sich bei ungefähr 125 Grad nach dem oberen Totpunkt, wobei an diesem Punkt der Zylinderdruck im Allgemeinen höher ist als der Luftboxdruck. Der Zylinderdruck bewirkt, dass der größte Teil des Abgases durch die Auslassventile fließt, während ein gewisser Teil des Abgases in die Luftbox fließen kann. Wenn der Zylinderdruck den Luftboxdruck erreicht, lädt dann ein positiver Druckgradient von den Einlassanschlüssen zu den Auslassventilen den Zylinder mit gekühlter Ladeluft (und mit rückgeführtem Abgas) aus der Luftbox und spült den größten Teil des Abgases aus dem vorherigen Zyklus heraus. Die gekühlte Ladeluft (und zurückgeführtes Abgas) vermischt sich mit der kleinen Menge an Abgas, die aus dem vorherigen Zyklus zurückbleibt. Der größte Ventilhub während des Spülprozesses tritt nahe dem unteren Totpunkt bei ungefähr 177 Grad nach dem oberen Totpunkt auf, wo die Kompression beginnt. Gekühlte Ladeluft (und zurückgeführtes Abgas) tritt weiter in den Zylinder ein, bis sich die Einlassanschlüsse bei ungefähr 235 Grad nach dem oberen Totpunkt schließen. Abgas und gekühlte Ladeluft (und zurückgeführtes Abgas) werden komprimiert und der Spülvorgang fährt fort, bis ungefähr 261 Grad nach dem oberen Totpunkt, wenn sich die Auslassventile schließen. Es ist wichtig zu bemerken, dass die Auslassventile bei ungefähr 248 Grad nach dem oberen Totpunkt nahezu geschlossen sind. Die Zylinderkompression fährt bis zum oberen Totpunkt fort, nahe dem der Verbrennungszyklus wiederum beginnt.
Die Geometrie der neuen Kolbenmulde (wie in 6 gezeigt) und des Einlassanschlusses begünstigt die Vermischung von Brennstoff und dem eingeschlossenen Gas (was gekühlte Ladeluft und zurückgeführtes Abgas miteinschließt) im Zylinder. Das Kolbenmuldenvolumen, der Zylinder, der Zylinderkopf und die Auslassventile definieren das Volumen am oberen Totpunkt, wodurch der Verdichtungsverhältnisbereich von ungefähr 16,7:1 bis 17,5:1 definiert wird. Wie oben besprochen, gleicht das niedrigere Verdichtungsverhältnis den höheren Luftboxdruck aus, wodurch der maximale Zünddruck begrenzt wird und NO_x verringert wird.
Wie oben besprochen, werden die Ventile mechanisch durch Auslassnocken einer Nockenwelle betätigt. Weil die Zeitsteuerung und der Hub von allen Auslassventilereignissen durch die Nocke bestimmt werden, ist eine neue Nockenansatzanordnung für Auslassventile vorgesehen, um eine externe Abgasrückführung gemäß dem neuen Abgasrückführungssystem bzw. AGR-System vorzusehen. Der Zeitpunkt und der Hub der Ventilbetätigung hängen teilweise davon ab, welcher Teil der Nocke (d. h. welcher Nockenwinkel) mit der Rolle zu einem gegebenen Zeitpunkt in Eingriff steht. Die Zeitsteuerung und der Hub des Öffnens und Schließens ist wichtig, um die erwünschten NO_x-Emissionsniveaus und die erwünschten Niveaus an Spülung und Vermischung im Zylinder zu erreichen. Das Auslassprofil der Nocke hat einen höchsten Rollenhub, wenn die Nocke sich auf ungefähr 177 Grad nach dem oberen Totpunkt dreht, wie in den 8A–8C veranschaulicht. Das Ventil schließt, wenn sich die Nocke auf ungefähr 261 Grad nach dem oberen Totpunkt dreht. Weil das Auslassventil für eine längere Zeitperiode offen bleibt, und zwar im Vergleich zu dem System der 3, sorgt es für eine längere Periode der Zylinderspülung.
Insbesondere veranschaulichen die 8B und 8C weiter die Beziehung zwischen dem Nockenwinkel und dem Auslassventilhub. Wegen der ausgewählten Form der Nocke entspricht weiterhin die Steigung der Nocke der Geschwindigkeit des Öffnens und des Schließens des Ventils. Wie in 8C gezeigt, weist die Nocke im Allgemeinen einen Grundkreis und einen Nockenprofilansatz auf. Wenn der Grundkreis mit der Kipphebelrolle in Eingriff steht, ist das Ventil geschlossen. Sobald sich die Nocke so dreht, dass der Nockenprofilansatz und insbesondere der Rampenteil des Ansatzes mit der Rolle in Eingriff kommt, beginnt das Auslassventil sich anzuheben. Obwohl der Grundkreis kreisförmig ist, ist der Ansatz langgestreckt. Wenn daher der Winkel und die Steigung des Teils der Nocke, der mit dem Kipphebel in Eingriff kommt, sich verändern, verändert sich entsprechend die Geschwindigkeit des Ventilöffnungsvorgangs.
Nun mit Bezug auf sowohl 8B als auch 8C beginnt das Auslassventil sich zu öffnen, wenn sich die Nocke auf einen Winkel von 79 Grad dreht (bei 800 gezeigt). Das Ventil öffnet sich bei einer niedrigen konstanten Geschwindigkeit (zwischen 800 und 810 gezeigt) für ungefähr 29 Grad, bis sich die Nocke auf 108 Grad dreht (bei 810 gezeigt). Das Aufrechterhalten einer niedrigen konstanten Geschwindigkeit während des Öffnens und des Schließens des Ventils ist ein wichtiger Faktor, wenn mechanisches Versagen des Ventilsystems vermieden werden soll. Wenn sich die Ventile mit hohen Geschwindigkeiten öffnen und schließen, werden die Ventile und andere Systemkomponenten hohen Stoßbelastungen unterworfen, welche oft ein Versagen des mechanischen Ventilsystems zur Folge haben. Entsprechend werden die Öffnungs- und Verschlussrampen so ausgelegt, dass die Ventilaufsetz- und Ventilabhebegeschwindigkeiten gering sind. Je niedriger die Öffnungs- und/oder Verschlussgeschwindigkeit ist, desto niedriger sind die Ventilaufsetz- und Ventilabhebelasten, die auf das Ventilantriebsstrangsystem ausgeübt werden.
Die niedrige konstante Geschwindigkeit endet, wenn sich die Nocke auf ungefähr 108 Grad dreht, wobei an diesem Punkt der steile Teil (oder Flanke) des Nockenansatzes mit der Rolle in Eingriff kommt und diese anhebt. Wenn sich die Nocke von einem Kurbelwinkel von ungefähr 108 Grad auf einen Kurbelwinkel von ungefähr 138 dreht, steigt die Ventilöffnungsgeschwindigkeit stark über zehnfach an (wie zwischen 810 und 830 in 8B gezeigt). Wenn sich die Rolle der Nase bzw. dem höchsten Punkt der Nocke annähert, nimmt die Ventilöffnungsgeschwindigkeit ab. Wenn die Nocke eine Drehung von ungefähr 177 Grad erreicht (bei 840 gezeigt), bewirkt sie, dass die Rolle ihren größten Hub erreicht, was dem größten Ventilhub entspricht. Wenn das Ventil auf seinem größten Hub bzw. Spitzenhub ist (bei 840) kommt die Nase des Nockenansatzes in Eingriff mit der Rolle und die Ventilgeschwindigkeit geht auf 0 Inch/Grad zurück (bei 850 gezeigt). Wenn die Nocke sich weiter dreht, beginnt sich das Ventil anfänglich mit einer höheren Geschwindigkeit zu schließen, bis sie ungefähr 248 Grad erreicht. Das Ventil ist fast geschlossen, wenn sich die Nocke auf einen Winkel von ungefähr 248 Grad dreht (bei 860 gezeigt), wobei an diesem Punkt die Ventilverschlussgeschwindigkeit sich auf eine konstante Geschwindigkeit verlangsamt (bei 870 gezeigt). Diese niedrige konstante Geschwindigkeit wird für ungefähr 13 Grad aufrechterhalten, bis sich die Nocke auf einen Winkel von ungefähr 261 Grad dreht, wobei das Ventil an diesem Punkt vollständig geschlossen ist (bei 890 gezeigt).
Die verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können auf AGR-Systeme sowohl mit Niederdruck- als auch mit Hochdruckschleife angewendet werden. Die verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können auf Zweitakt-Dieselmotoren für Lokomotiven angewendet werden und können auf Motoren mit verschiedenen Anzahlen von Zylindern (beispielsweise 8 Zylinder, 12 Zylinder, 16 Zylinder, 18 Zylinder, 20 Zylinder usw.) angewendet werden. Die verschiedenen Ausführungsbeispiele können weiter auf andere gleichstromgespülte Zweitakt-Dieselmotoranwendungen angewendet werden als für Lokomotiven-Anwendungen (beispielsweise für Seefahrtanwendungen).
Wie oben besprochen, wird eine NO_x-Verringerung durch das AGR-System erreicht, während die neuen Motorkomponenten die erwünschten Niveaus der Spülung und Vermischung im Zylinder in einem gleichstromgespülten Zweitakt-Dieselmotor aufrechterhalten. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen Lokomotiven-Dieselmotor und insbesondere auf eine Kolbenanordnung für einen Zweitakt-Lokomotiven-Dieselmotor mit einem Abgasrückführungssystem. Die obige Beschreibung wird dargelegt, um es dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen und zu verwenden, und sie ist im Zusammenhang mit einer Patentanmeldung und ihren Anforderungen ausgeführt. Modifikationen an den verschiedenen Ausführungsbeispielen und den allgemeinen Prinzipien und Merkmalen, die hier beschrieben werden, werden dem Fachmann leicht offensichtlich werden. Die vorliegende Erfindung soll nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele eingeschränkt sein, sondern ihr soll der breiteste Umfang in Übereinstimmung mit den hier beschriebenen Prinzipien und Merkmalen zugestanden sein.

Claims

Kolbenmuldenanordnung für einen Dieselmotor mit einem Abgasrückführungssystem bzw. AGR-System, welches geeignet ist, um NO_x-Emissionen zu verringern und einen erwünschten Brennstoffwirkungsgrad zu erreichen, indem Abgas durch den Motor zurückgeführt wird, wobei die Kolbenmuldenanordnung Folgendes aufweist: einen äußeren Torusdurchmesser zwischen ungefähr 4,795 Inch und ungefähr 5,045 Inch; einen kleineren Torusradius zwischen ungefähr 0,595 Inch und ungefähr 0,665 Inch; eine Torusvertiefung unter dem Quetschsteg zwischen ungefähr 0,787 Inch und ungefähr 0,867 Inch; einen Mittelkegelwinkel zwischen ungefähr 26 Grad und ungefähr 34 Grad; einen Kronenrandradius von ungefähr 0,375 Inch; eine Kronendicke zwischen ungefähr 0,196 Inch und ungefähr 0,240 Inch; einen Mittelkugelradius von ungefähr 0,79 Inch; einen Kolbendurchmesser von ungefähr 8,50 Inch; eine Kolbenmuldentiefe zwischen ungefähr 1,647 Inch und ungefähr 1,707 Inch; und ein Kompressions- bzw. Restvolumen von ungefähr 0,305 Kubik-Inch, wobei die Kolbenmuldengeometrie eine Vermischung von Brennstoff und Gas einschließlich zurückgeführtem Abgas in ihrem Volumen begünstigt, und wobei das Restvolumen ein Motorverdichtungsverhältnis von ungefähr 17:1 definiert, um den maximalen Zündungsdruck zu begrenzen und NO_x-Emissionen zu verringern.
Kolbenmuldenanordnung nach Anspruch 1, wobei das Volumen der Kolbenmulde teilweise das Restvolumen definiert.
Kolbenmuldenanordnung nach Anspruch 1, wobei der Motor weiter zumindest ein Auslassventil aufweist, welches einen napfförmig ausgeschnittenen Kopf aufweist, der in Beziehung zur Kolbenmulde angeordnet ist, wobei das Volumen des napfförmig ausgeschnittenen Kopfes des Auslassventils teilweise das Restvolumen definiert.
Kolbenmuldenanordnung nach Anspruch 1, wobei der Motor weiter mindestens einen Zylinderkopfsitzring aufweist, der in Beziehung zur Kolbenmulde angeordnet ist, wobei die Größe und die Form des Zylinderkopfsitzrings teilweise das Restvolumen definieren.
Kolbenmuldenanordnung nach Anspruch 1, die weiter eine Kompressions- bzw. Restfläche von ungefähr 2,827 Quadrat-Inch aufweist.
Kolbenmuldenanordnung nach Anspruch 1, die weiter eine Resthöhe von ungefähr 0,108 Inch aufweist.
Kolbenmuldenanordnung nach Anspruch 1, wobei der äußere Torusdurchmesser ungefähr 4,92 Inch ist.
Kolbenmuldenanordnung nach Anspruch 1, wobei der kleiner Torusradius ungefähr 0,63 Inch ist.
Kolbenmuldenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Toruseinsenkung unter dem Quetschsteg ungefähr 0,827 Inch ist.
Kolbenmuldenanordnung nach Anspruch 1, wobei der Mittelkegelwinkel ungefähr 30 Grad ist.
Kolbenmuldenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Kolbenmuldentiefe ungefähr 1,677 Inch ist.