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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor mit interner
Verbrennung und Gleichdruckturboaufladung mit 13 Zylindern in einer
einzigen Reihe, wenigstens einem Abgassammelbehälter, wenigstens zwei Turboladern
und einem Spülluftsystem
mit wenigstens einem länglichen
Spülluftsammelbehälter, wobei jeder
Zylinder einen Spüllufteinlass
aufweist, der mit dem Spülluftsammelbehälter verbunden
ist, und einen Auslasskanal hat, der in den wenigstens einen Abgassammelbehälter führt, wobei
die Turbolader auf ihrer Turbinenseite mit dem Abgassammelbehälter und
auf ihrer Kompressorseite mit dem Spülluftsystem verbunden sind,
wobei die Maschine eine Zündfolge
(n1–n13)
der Maschinenzylinder C1 bis C13 aufweist.
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EP 0 713 000 A1 beschreibt
einen Zweitaktmotor mit interner Verbrennung mit 13 Zylindern in
einer einzigen Reihe, wobei die Maschine eine Zündfolge der Maschinenzylinder
C1–C13
aufweist. Schwingungen in den mechanischen Teilen des Motors und
mit dem Motor verbundenen Strukturen sind beschrieben, wie zum Beispiel
Torsionsschwingungen in dem Wellensystem, Schwingungen im Motorrahmen,
und Schwingungen in dem Schiffsrumpf oder Aufbau. Mit dem Zweck
derartige Schwingungen in Stahlstrukturen zu minimieren, wird dort
offenbart, die Zündung
von Zylindern gruppenweise zu ordnen, sowie dieses gruppenweise
Zuordnen erfüllende
Zündfolgen.
Es gibt keine Offenbarung einer Turboaufladung und keine Angaben
zu Schwingungen in anderen Strukturen als stahlbasierten Strukturen.
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EP 1 333 192 A2 beschreibt
ein Verfahren zur Bestimmung der Zündwinkel bei Viertakt-V-Motoren, und
bei Zweitakt-Reihenmotoren
mit 7, 8 oder 9 Zylindern. Das Verfahren ermittelt Zündwinkel,
die ein als Schwingkraft wirkendes unausgeglichenes Kräftepaar
minimieren. Die erwähnten
Arten von Schwingungen sind Schwingung des Hauptmotorgehäuses, Torsionsschwingungen
in der Antriebswelle, und Schwingungen in Rohren usw., die mit der
Maschine verbunden sind. Diese Schwingungen treten alle in Stahlstrukturen
auf, das heißt,
sind Schwingungen von mechanischen Systemen. Es gibt keine Angaben
zu Schwingungen in anderen Strukturen als stahlbasierten Strukturen.
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Die
Gleichdruckturboaufladung eines Motors mit interner Verbrennung
beruht auf dem Prinzip, dass die Abgasstrom-Impulse von den einzelnen Zylindern
ausgeglichen werden, indem das Abgas aus den Zylindern durch den
zugehörigen
Auslasskanal zu einem gemeinsamen Abgassammelbehälter geleitet wird, der ein länglicher
Druckbehälter
mit einem ausreichend großen
Volumen ist, um eine gewisse Expansion der vielen hochintensiven
Gasstrom-Impulse von den Zylindern in einen gemeinsamen Gasstrom
bei einem gleichmäßigen Druck
zu ermöglichen.
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Der
Turbinenteil des Turboladers nimmt Abgas mit einem konstanten Druck
auf, wenn die Maschinenlast konstant ist, wodurch die Effizienz
der Turbolader erhöht
wird und was zu einer konstanten Zufuhr von einströmender Luft
von dem Kompressorteil der Turbolader zu dem Spülluftsystem an der Einlassseite
der Maschinenzylinder führt.
Druckschwankungen in dem Abgassammelbehälter können Schwankungen der Leistung
der Turbolader und somit ungleichmäßige und unterschiedliche Ladeluftabgaben
an das Ladeluftsystems verursachen.
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Die
Zufuhr von Spülluft
zu der Einlassseite der Maschine beeinflusst die Füllung der
Zylinder mit Ladeluft und dadurch den Verbrennungsprozess in den
Zylindern und die entwickelte Leistung bei den Verbrennungen. Der
Reihenmotor mit 13 Zylindern hat eine große Länge und dadurch einen langen
Spülluftsammelbehälter. Die
Druckschwankungen der von den Turboladern bereitgestellten Ladeluft
können
bis zu einem gewissen Grad Druckschwankungen in dem Spülluftsammelbehälter verursachen.
Größere Druckschwankungen in
dem Spülluftsammelbehälter werden
jedoch durch das Muster erzeugt, nach dem die Zylinder Spül- und Ladeluft
von dem Spülluftsammelbehälter verbrauchen.
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Bei
einer 13-zylindrigen Zweitaktreihenmotor besteht das Problem, dass
Gasdruckschwankungen in dem zumindest einen Spülluftsammelbehälter Unterschiede
in der Ladung der Zylinder mit Ladeluft verursacht. Diese Unterschiede
entstehen zwischen entfernt voneinander angeordneten Zylindern und
verursachen unerwünschte
Schwankungen der bei der Verbrennung in den Zylindern entwickelten
Leistung, und dies beeinflusst die Steuerung der Zylinder, insbesondere
in Bezug auf die Kraftstoffdosierung.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, Schwankungen der an die Motorzylinder
gehenden Kraftstoffdosis zu minimieren oder zu vermeiden, welche
durch Schwankungen bei der Füllung
der Zylinder mit Ladeluft verursacht wird, wenn der Motor mit konstanter
Last läuft.
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Daher
ist der Zweitaktmotor mit interner Verbrennung und Gleichdruckturboaufladung
gemäß der vorliegenden
Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die dreizehn Zylinder eine
Zündfolge
(n1–n13)
aufweisen, so dass wenigstens die folgenden drei Anforderungen a)
bis c) erfüllt
sind für
die Gaspulsation der 4. Ordnung
für die Gaspulsation
der 5. Ordnung
für die Gaspulsation
der 6. Ordnung
wobei
n die Zylinderzahl ist, φ
n der Zündwinkel
für Zylinder
n ist, F(n) eine zwischen F(1) = 1 bei Zylinder C1 und F(13) = –1 bei Zylinder
C13 linear interpolierte Gewichtungsfunktion, und || die Länge des
Vektors bezeichnet. Die Länge
des Vektors wird auf herkömmliche
Weise als die Quadratwurzel aus der Summe der zweiten Potenz der
resultierenden Sinus-Komponente und der zweiten Potenz der resultierenden
Cosinus-Komponente berechnet.
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Wenn
die Zündfolge
diese Anforderungen erfüllt,
ist die Hauptursache für
die Entstehung von Druckschwankungen in dem Spülluftsammelbehälter auf
eine derart niedrige Stufe minimiert, dass die Kraftstoffdosierung
der Zylinder von den Spülluftdruckschwankungen
nicht beeinflusst wird. Wenn die Zündfolgen die Anforderungen
erfüllen,
verbrauchen die Zylinder Spülluft
und Ladeluft von dem Spülluftsammelbehälter in
Abfolgen, die keine zu großen
Druckschwankungen der Luft in dem Spülluftsammelbehälter verursachen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weisen die dreizehn Zylinder eine Zündfolge (n1–n13) auf, so dass auch die
folgende Anforderung (d) erfüllt
ist,
wobei
n die Zylinderzahl ist, φ
n der Zündwinkel
für Zylinder
n ist, F(n) eine Gewichtungsfunktion ist, welche F(1) = 0 bei Zylinder
C1 ist und F(n) = F(n – 1)
+ ((Abstand von der Mittellinie von Zylinder C
n-1 zur
Mittellinie von Zylinder C
n)/(Nennabstand
zwischen Zylindern)), und || die Länge des Vektors bezeichnet.
Der Nennabstand zwischen Zylindern ist der Abstand zwischen Zylindern
die keinen Kettentrieb zwischen den Zylindern aufweisen, üblicherweise
der Abstand zwischen den Mittellinien von Zylinder C1 und C2.
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Ein
langer Reihenmotor, wie ein 13-zylindriger Zweitaktmotor, wird üblicherweise
als Antriebsmotor in einem Schiff verwendet. Die durch Auslegen
der Zündfolge
gemäß den Anforderungen
a) bis c) erreichten Vorteile, werden weiter verbessert, wenn auch
die Anforderung d) erfüllt
ist. Die Anforderung d) bietet weiterhin den Vorteil, dass die so
genannten Nickmomente verringert werden. Nickmomente sind eine gewichtete
Summe über
den Zylindern der Vertikalkräfte,
die an den Zugstangen und den Hauptlagern wirken. Die Nickmomente
tendieren dazu, unerwünschte
Schwingungen der Maschine und des Schiffsrumpfes in der Vertikalebene
zu erzeugen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
haben die dreizehn Zylinder eine solche Zündfolge (n1–n13), dass auch die folgende
Anforderung e) erfüllt
ist
wobei
n die Zylinderzahl ist, φ
n der Zündwinkel
für Zylinder
n, F(n) eine Gewichtungsfunktion, welche F(1) = 0 bei Zylinder C1
ist und F(n) = F(n – 1)
+ ((Abstand von der Mittellinie von Zylinder C
n-1 zu
der Mittellinie von Zylinder C
n)/(Nennabstand
zwischen Zylindern)), und || die Länge des Vektors bezeichnet.
Das Nickmoment zweiter Ordnung ist eine gewichtete Summe über den
Zylindern der Vertikalkräfte
zweiter Ordnung, die an den Zugstangen und den Hauptlagern wirken.
Diese Nickmomente zweiter Ordnung können unerwünschte Vertikalschwingungen
verursachen. Es ist weiterhin möglich,
eine Maschine mit dreizehn Zylindern einer solchen Zündfolge
(n1–n13)
herzustellen, dass beide der oben erwähnten Anforderungen erfüllt sind,
und dies den Einfluss von Nickmomenten auf die vertikale Rumpfschwingung
minimiert.
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Die
Zündfolge
kann in dem Sinne gleichmäßig sein,
dass der Drehwinkel der Kurbelwelle zwischen den Zündungen
von zwei aufeinander folgenden Zylindern 360°/13 ist. Dieser Winkel festgelegter
Größe wird für alle Zylinder
des Motors verwendet. Wenn ein besonderes Problem bei einer besonderen
Motorinstallation auftritt, ist es auch möglich, die Schwingungsmuster
durch Verwendung einer Zündfolge
fein abzustimmen, die in dem Sinne ungleich ist, dass der Drehwinkel
der Kurbelwelle zwischen den Zündungen
von mindestens zwei Paaren nacheinander zündender Zylinder sich von 360°/13 unterscheidet.
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Beispiele
von Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden unter Bezugnahme auf
die sehr schematischen Figuren ausführlicher beschrieben, von denen
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1 eine
Schnittansicht einer Zweitakt-Maschine mit 13 Zylindern gemäß der vorliegenden
Erfindung ist,
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2 eine
Seitenansicht der Maschine aus 1 ist,
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3 eine
perspektivische Ansicht einer Kurbelwelle für die Maschine in 1 ist,
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4 eine
Darstellung der Zündfolge
für die
zu der Kurbelwelle aus 3 gehörenden Zylinder ist,
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5 eine
Darstellung von Gaspulsationen von verschiedenen Moden in dem Spülluftsammelbehälter ist,
und
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6 eine
Darstellung von Kräften
ist, die Nickmomente verursachen.
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In 1 ist
ein Querschnitt durch einen großen
Zweitaktmotor mit interner Verbrennung und Gleichdruckturboaufladung
in Kreuzkopfbauart mit 13 Zylindern dargestellt. Die Maschine kann
beispielsweise von der Marke MAN B & W Diesel und dem Typ MC oder ME,
oder von der Marke Wärtsilä vom Typ
Sulzer RT-flex oder Sulzer RTA, oder von der Marke Mitsubishi Heavy
Industries sein. Die Zylinder können
eine Bohrung im Bereich von beispielsweise 60 bis 120 cm, vorzugsweise
von 80 bis 120 cm aufweisen. Die Maschine kann beispielsweise eine
Leistung im Bereich von 3000 bis 8000 kW pro Zylinder, vorzugsweise
von 4000 bis 7000 kW pro Zylinder, und zweckdienlich zumindest 5000
kW pro Zylinder aufweisen. Jeder Zylinder C1–C13 hat üblicherweise eine Zylinderbuchse 1 mit
einer Reihe von Spülluftkanälen 2 an
seinem unteren Ende und einen Zylinderkopf 3 mit einem
Auslassventil 4, der an der Oberseite des Zylinders angeordnet
ist.
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Ein
Kolben 5 ist an einer Kolbenstange 6 befestigt,
die über
einen Kreuzkopf 7 und ein Pleuel 8 mit einem Kurbelwellenzapfen 9 einer
Kurbelwelle 10 verbunden ist. Der Kurbelzapfen 11 ist
in einem Hauptlager angeordnet, das in einem Kurbelgehäuseunterteil 12 befestigt
ist.
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Der
Kreuzkopf ist in der Querrichtung mittels Gleitbacken 13 gelagert,
die auf sich vertikal erstreckenden Führungsflächen gleiten. Die Führungsflächen sind
an dem feststehenden A-Rahmen 14 des Motors angeordnet.
Ein Zylinderabschnitt 15 ist an der Oberseite des A-Rahmens
befestigt.
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Der
Zylinderkopf 3 ist mittels Kopfbolzen 16 an dem
Zylinderabschnitt befestigt. Zugstangen 17 erstrecken sich
von dem Zylinderabschnitt nach unten zu dem Kurbelgehäuseunterteil
und befestigen den Zylinderabschnitt 15 an dem Kurbelgehäuseunterteil 12.
Es gibt üblicherweise
vier Zugstangen 17, die auf jeden Zylinderabschnitt wirken,
und die Summe der Abwärtskräfte der
Zugstangen überschreitet
die aufwärts
gerichtete, auf den Zylinderdeckel wirkende Kraft, die durch den
Maximaldruck verursacht wird, der sich durch die Verbrennung im
Brennraum des Zylinders entwickelt.
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Ein
Abgaskanal 18 erstreckt sich von dem einzelnen Zylinder
im Bereich des Auslassventils und öffnet in einen Abgassammelbehälter 19,
der mehreren Zylindern gemeinsam ist. Der Motor kann lediglich einen
einzigen Abgassammelbehälter
aufweisen, der allen Zylindern gemeinsam ist, oder eine Vielzahl
von Abgassammelbehältern,
wie zum Beispiel zwei oder drei, die stirnseitig in Verlängerung
zueinander angeordnet und üblicherweise
durch Gasstromkanäle
verbunden sind.
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Der
Abgassammelbehälter
ist ein Druckbehälter
mit einem kreisförmigen
zylindrischen Querschnitt. Der Abgaskanal 18 erstreckt
sich in den Abgassammelbehälter 19 und
gibt das Abgas von dem betreffenden Brennraum ab, wenn das Auslassventil
geöffnet
ist. In dem Abgassammelbehälter
werden Druckschwankungen, welche durch Abgasimpulse verursacht werden,
die von den Abgaskanälen
ausgestoßen
werden, zu einem gleichmäßigeren
Druck ausgeglichen.
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Vier
Turbolader 20 sind mit dem Abgassammelbehälter 19 derart
verbunden, dass das Abgas über Auslasskanäle 21 durch
den Turbinenteil 22 des Turboladers strömen kann, wo es als Antriebsmedium
für das Turbinenrad
dient, das auf einer Antriebswelle für ein in einem Kompressorteil 23 des
Turboladers angeordnetes Kompressorrad befestigt ist. Der Kompressorteil 23 kann
Druckluft in Richtung des Pfeils A über einen Luftströmungskanal 24 und
optional einen Einlassluftkühler 25 an
ein Spülluftsystem 26 abgeben.
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Das
Spülluftsystem
umfasst mindestens einen Spülluftsammelbehälter 27,
der einigen oder allen Zylindern gemeinsam ist, und für den Einzelzylinder
einen Strömungskanal 28,
der eine Einlassluftkammer 29 mit dem Spülluftsammelbehälter verbindet,
so dass Einlassluft in Richtung des Pfeils B strömen kann, um die Einlassluftkammer
mit Luft zu füllen,
die von dem Zylinder verbraucht wird. Der Spülluftsammelbehälter ist
ein Druckbehälter
in Zylinderform mit kreisförmigem
Querschnitt. Rückschlagventile 31 sind
an den Lufteinlässen im
unteren Abschnitt des Spülluftsammelbehälters 27 vorgesehen.
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Die
Einlassluft wird sowohl Spülluft
als auch Ladeluft genannt. Die Einlassluft ist ein und dasselbe.
Jedoch wird für
eine Zweitakt-Maschine Einlassluft zum Spülen (Reinigen) des Brennraumes
von Verbrennungsprodukten benötigt,
während
das Auslassventil geöffnet
ist, sowie Einlassluft zum Laden der Zylinder mit Luft für den nächsten Verbrennungsprozess
nach dem Schließen
des Auslassventils. Die Einlassluftkammer 29 umgibt den
unteren Teil der Zylinderbuchse 1 mit den Spülluftkanälen 2.
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Während des
Verbrennungshubs des Zweitakt-Arbeitzyklus wird der Kolben 5 in
Abwärtsrichtung
bewegt, bis er in dem untersten Teil der Zylinderbuchse an der unteren
Totpunkt-Position
ankommt, in welcher die Oberseite des Kolbens unter den Spülluftkanälen 2 angeordnet
ist. Sobald der Kolben während
dieser Abwärtsbewegung
die Spülluftkanäle passiert,
fließt
Luft von der Einlassluftkammer 29 in den Zylinder und verursacht
einen Druckabfall in der Kammer und ebenfalls in dem Spülluftsammelbehälter in
dem örtlichen
Bereich nahe dem in den Zylinder führenden Strömungskanal 28.
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Der
Luftverbrauch und die zugehörigen
lokalen Druckschwankungen in dem Spülluftsammelbehälter treten
in den Strömungskanälen 28 auf,
die entlang der Länge
des Spülluftsammelbehälters verteilt
sind. Die Zylinder verbrauchen Luft der Reihe nach zu Zeitpunkten,
die von der Zündfolge
der Maschine abhängen.
Da die Abgabe von Einlassluft an die Zylinder zeitlich und örtlich variiert,
kann die Luft in dem Spülluftsammelbehälter Schwankungen
unterworfen sein. Die Eigenfrequenzen längslaufender Gasdruckwellen
innerhalb der Spülluftsammelbehälter hängen unter
anderem von der Länge
der Sammelbehälter
ab.
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Der
in 5 erläuterte
Spülluftsammelbehälter ist
allen Zylindern der Maschine gemeinsam und erstreckt sich infolgedessen
entlang der kompletten Länge
der Maschine. Die niedrigste Eigenfrequenz der Luftschwankungen
in dem Spülluftsammelbehälter entspricht
sogenannten Gaspulsationen einer 1. Mode, wobei die Drücke an den
Sammelbehälterenden
in Gegenphase sind und die größten Geschwindigkeitsänderungen in
der Mitte des Sammelbehälters
auftreten. Die Gaspulsation der 1. Mode ist in 5 durch
die Kurve a dargestellt. Die Gaspulsation der 2. Mode ist durch
die Kurve b in 5 dargestellt. Man erkennt,
dass die Gaspulsation der 1. Mode einen einzigen Schwingungsnulldurchgang 32,
die Gaspulsation der 2. Mode zwei Schwingungsnulldurchgänge 32,
und so weiter, aufweist, mit einem zusätzlichen Nulldurchgang für jede Erhöhung der
Modenzahl.
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Die
Fähigkeit
zum sequenziellen Verbrauch von Luft, um gasdynamische Schwingungen
in dem Spülluftsammelbehälter anzuregen,
ist von der Zündfolge
der Maschine und der momentanen Maschinendrehzahl abhängig. Wenn
die Frequenz der Druckwellen mit einer Eigenfrequenz für eine bestimmte
Mode von Gaspulsationen übereinstimmt,
können
eher große
Luftdruckschwankungen auftreten. Diese unerwünschten Druckschwankungen können das
Füllen
der Zylinder beeinflussen, insbesondere der am weitesten von den
Nulldurchgängen 32 in
der entsprechenden Schwingungsordnung entfernten Zylinder.
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Es
ist natürlich
möglich,
den Spülluftsammelbehälter in
mehrere, in Reihe nacheinander angeordnete Sammelbehälterabschnitte
zu unterteilen. Obwohl dies die Länge des einzelnen Spülluftsammelbehälters verändert, löst es das
Problem der Druckschwankungen nicht, da erstens die Schwankungen
weiter auftreten werden und da zweitens die Unterteilung gleichzeitig
mögliche
Variationen der Luftmengen, die von den einzelnen Turboladern abgegeben
werden, stärker
ausbildet, da derartige Variationen nicht ausgeglichen werden können, wie
bei einem einzelnen, allen Zylindern zugeordneten Spülluftsammelbehälter.
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Wenn
die Zündfolge
gemäß den oben
genannten Anforderungen a) bis c) gewählt wird, ist die Reihenfolge,
in der die Zylinder Luft von dem Spülluftsammelbehälter verbrauchen,
derart, dass die Variationen beim Füllen der Zylinder aufgrund
der Spülluftpulsationen
so gering sind, dass sie keine störenden Einstellungen bei der
Kraftstoffeinstellung für
die Zylinder verursachen.
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Beispiele
für Zündfolgen,
die diese Anforderungen erfüllen,
können
wie folgt angegeben werden:
Nr. | Zündreihenfolge
für Zylinder
C1 bis C13 |
1 | 1 | 4 | 11 | 10 | 6 | 2 | 8 | 12 | 7 | 3 | 5 | 13 | 9 |
2 | 1 | 5 | 13 | 9 | 4 | 2 | 11 | 10 | 6 | 3 | 7 | 12 | 8 |
3 | 1 | 6 | 10 | 11 | 4 | 2 | 9 | 12 | 5 | 3 | 7 | 13 | 8 |
4 | 1 | 6 | 10 | 11 | 4 | 2 | 9 | 13 | 5 | 3 | 7 | 12 | 8 |
5 | 1 | 6 | 11 | 10 | 4 | 2 | 9 | 13 | 5 | 3 | 7 | 12 | 8 |
6 | 1 | 6 | 12 | 9 | 2 | 5 | 10 | 11 | 4 | 3 | 8 | 13 | 7 |
7 | 1 | 6 | 13 | 8 | 2 | 5 | 11 | 10 | 4 | 3 | 9 | 12 | 7 |
8 | 1 | 7 | 12 | 9 | 2 | 4 | 11 | 10 | 5 | 3 | 8 | 13 | 6 |
9 | 1 | 7 | 12 | 9 | 2 | 5 | 11 | 10 | 4 | 3 | 8 | 13 | 6 |
10 | 1 | 7 | 13 | 8 | 2 | 5 | 10 | 11 | 4 | 3 | 9 | 12 | 6 |
11 | 1 | 7 | 13 | 8 | 2 | 5 | 12 | 9 | 4 | 3 | 10 | 11 | 6 |
12 | 1 | 8 | 13 | 6 | 2 | 7 | 11 | 9 | 3 | 4 | 10 | 12 | 5 |
13 | 1 | 8 | 13 | 7 | 2 | 5 | 11 | 10 | 4 | 3 | 9 | 12 | 6 |
14 | 1 | 8 | 13 | 7 | 2 | 5 | 12 | 9 | 3 | 4 | 10 | 11 | 6 |
15 | 1 | 8 | 13 | 7 | 2 | 5 | 12 | 9 | 3 | 4 | 11 | 10 | 6 |
16 | 1 | 8 | 13 | 7 | 2 | 5 | 12 | 9 | 4 | 3 | 11 | 10 | 6 |
17 | 1 | 8 | 13 | 7 | 2 | 5 | 12 | 10 | 3 | 4 | 9 | 11 | 6 |
18 | 1 | 8 | 13 | 7 | 2 | 6 | 10 | 11 | 3 | 4 | 9 | 12 | 5 |
19 | 1 | 8 | 13 | 7 | 2 | 6 | 11 | 9 | 3 | 4 | 10 | 12 | 5 |
20 | 1 | 8 | 13 | 7 | 2 | 6 | 11 | 10 | 4 | 3 | 9 | 12 | 5 |
21 | 1 | 8 | 13 | 7 | 2 | 6 | 12 | 9 | 3 | 4 | 10 | 11 | 5 |
22 | 1 | 9 | 11 | 7 | 2 | 6 | 13 | 8 | 3 | 4 | 10 | 12 | 5 |
23 | 1 | 9 | 11 | 7 | 2 | 6 | 13 | 8 | 4 | 3 | 10 | 12 | 5 |
24 | 1 | 9 | 12 | 7 | 2 | 5 | 13 | 8 | 3 | 4 | 10 | 11 | 6 |
25 | 1 | 9 | 12 | 7 | 2 | 5 | 13 | 8 | 3 | 4 | 11 | 10 | 6 |
26 | 1 | 9 | 12 | 7 | 2 | 5 | 13 | 8 | 4 | 3 | 10 | 11 | 6 |
27 | 1 | 9 | 12 | 7 | 2 | 6 | 11 | 10 | 3 | 4 | 8 | 13 | 5 |
28 | 1 | 9 | 12 | 7 | 2 | 6 | 11 | 10 | 3 | 5 | 8 | 13 | 4 |
29 | 1 | 9 | 12 | 7 | 2 | 6 | 13 | 8 | 3 | 4 | 10 | 11 | 5 |
30 | 1 | 9 | 12 | 7 | 2 | 6 | 13 | 8 | 3 | 4 | 11 | 10 | 5 |
31 | 1 | 9 | 13 | 5 | 2 | 7 | 12 | 8 | 3 | 4 | 11 | 10 | 6 |
32 | 1 | 9 | 13 | 6 | 2 | 7 | 11 | 8 | 4 | 3 | 12 | 10 | 5 |
33 | 1 | 9 | 13 | 6 | 2 | 7 | 12 | 8 | 3 | 4 | 10 | 11 | 5 |
34 | 1 | 9 | 13 | 6 | 2 | 7 | 12 | 8 | 3 | 4 | 11 | 10 | 5 |
35 | 1 | 9 | 13 | 6 | 2 | 7 | 12 | 8 | 3 | 5 | 10 | 11 | 4 |
36 | 1 | 9 | 13 | 6 | 2 | 7 | 12 | 8 | 4 | 3 | 11 | 10 | 5 |
37 | 1 | 10 | 13 | 5 | 2 | 7 | 12 | 8 | 3 | 4 | 11 | 9 | 6 |
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Bei
der genannten Zündfolge
Nr. 1 zünden
die Zylinder C1 bis C13 in der Folge 1 4 11 10 6 2 8 12 7 3 5 13
9. Die Zündfolge
wird in der Maschine dadurch umgesetzt, dass die Kurbelwelle 10 mit
Kurbelexzentern 33 hergestellt wird, die in einem Winkelmuster
abstehen, das zum Erreichen der Zündfolge erforderlich ist. Die Zündfolge
ist durch die Konstruktion der Kurbelwelle bestimmt. 3 zeigt
die Anordnung, die für
Zündfolge Nr.
1 als gleichmäßige Zündfolge
notwendig ist, d. h. eine Zündfolge
mit einem regelmäßigen (gleichmäßigen) Intervall
von 360°/13
zwischen den Zündungen.
Jeder Kurbelexzenter 33 weist zwei Kurbelarme 34 und
den Kurbelzapfen 9 auf, und die Kurbelwellenzapfen 11 verbinden
die Kurbelkröpfung
zu einer vollständigen
Kurbelwelle. Die Kurbelwellenzapfen sind entlang einer Mittellinie 35 der
Kurbelwelle ausgerichtet und werden in Hauptlagern in dem Kurbelgehäuseunterteil 12 gehalten.
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Der
Abstand l zwischen den Zylindern ist entlang der in 3 dargestellten
Kurbelwelle konstant. Es ist auch möglich, dass der konstante Abstand
l zwischen den meisten Zylindern vorhanden ist, wie in 2 dargestellt,
außer
zwischen den Zylindern C7 und C8, wo der Abstand l2 = 1 + 11 ist,
das heißt,
der normale Abstand l zwischen Zylindern plus einer zusätzlichen
Länge l1,
die durch die Gegenwart von zwei Hauptlagern und einer zwischengeordneten
Kurbelwellenverbindung entsteht, wie beispielsweise eine Flanschverbindung bei
der zwei Kurbelwellenabschnitte mittels Verschraubung verbunden
sind. Die Kurbelwelle kann zweckdienlich in zwei Abschnitte geteilt
sein, um das Gewicht des einzelnen Abschnitts zu reduzieren. Dies
erleichtert das Heben der Kurbelwelle auf das Kurbelgehäuseunterteil
während
der Montage der Maschine und es erleichtert ferner die Herstellung
der Kurbelwelle, da die vollständige
Kurbelwelle einer 13-zylindrigen Maschine der entsprechenden Größe ein Gewicht
von weit über
250 t haben kann. Der Abstand l2 zwischen den an der Verbindungsstelle
angeordneten Zylindern ist größer als
der Abstand l zwischen den anderen Zylindern. Es ist ferner möglich, die
Kurbelwellenverbindung zwischen anderen Zylindern anzuordnen, wie
beispielsweise Zylinder C6 und C7.
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Die
Maschine kann eine elektronisch gesteuerte Maschine ohne eine Nockenwelle
zur Betätigung
von Kraftstoffpumpen und Auslassventilen sein, zum Beispiel eine
Maschine des Typs ME. Wenn die Maschine von herkömmlicher Art mit Nockenwelle
ist, kann die Nockenwelle von der Kurbelwelle über einen Kettentrieb oder ein
Getriebe angetrieben werden, das zweckdienlich zwischen den Zylindern
mit größerem Abstand
l2 angeordnet sein kann.
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Die
entsprechenden Winkel zwischen den Kurbelexzentern 33 der
Kurbelwelle aus 3 sind ferner in 4 dargestellt.
Es ist auch möglich,
unregelmäßige Zündfolgen
zu verwenden, d. h. eine Zündfolge,
die in dem Sinne ungleichmäßig ist,
dass der Winkelabstand zwischen den Zündungen von mindestens zwei
Paaren, und möglicherweise
mehreren Paaren, von der Reihe nach zündenden Zylindern von 360°/13 abweicht. Eine
Abweichung von lediglich ein paar Grad kann unterschiedliche Schwingungsmuster
in der Maschine bewirken. Derart unregelmäßige Zündfolgen können für die Feineinstellung der resultierenden
Schwingungscharakteristiken der Maschine nützlich sein. In Bezug auf die
Gaspulsationen in dem Spülluftsammelbehälter ist es
die Zündfolge
als solche, die von Bedeutung ist, um den vorteilhaft niedrigen
Wert an Gaspulsationen zu erreichen, und nicht die Regelmäßigkeit
oder Unregelmäßigkeit
der Zündfolge.
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Die
Berechnung, ob eine bestimmte Zündfolge
die einzelnen Anforderungen a) bis c) und die weiteren Anforderungen
d) und/oder e) erfüllt,
wird üblicherweise
elektronisch mit Hilfe eines Computerprogramms durchgeführt, wie
zum Beispiel PROFIR, entwickelt von MAN B & W Diesel, oder mit Hilfe eines Fachbuchprogramms,
wie in „Die
Verbrennungskraftmaschine" von
H. Maass/H. Klier und K. E. Hafner/H. Maass, veröffentlicht vom Springer-Verlag,
Wien, New York, offenbart.
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Die
Berechnungen sind im Folgenden beispielhaft in Bezug auf die in 2 dargestellte
13-zylindrige Maschine erläutert.
Die Maschine ist von der Marke MAN B & W Diesel und vom Typ MC, insbesondere 13K98MC,
mit einer Zylinderbohrung von 0,98 m und einem Nennzylinderabstand
von l = 1,75 m. Die Gesamtlänge
zwischen den vertikalen Mittellinien der Zylinder C1 und C13 beträgt 22,3
m, und ein Kettentrieb ist zwischen den Zylindern C7 und C8 angeordnet.
Der Kettentrieb nimmt eine Strecke von 1,3 m ein so dass der resultierende
Abstand zwischen den Zylindern C7 und C8 l2 = 3.05 m ist. Mit der
oben genannten Zündfolge Nr.
1, 1 4 11 10 6 2 8 12 7 3 5 13 9, werden die folgenden Werte berechnet.
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Zündwinkel
für Zylinder
C1 bis C13: 0°,
138,5°,
249,2°,
27,7°, 276,9°, 110,8°, 221,5°, 166,2°, 332,3°, 83,1°, 55,4°, 193,8° und 304,6°.
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Für die Berechnung
der Gaspulsationen werden die folgenden Werte von F(n) mittels linearer
Interpolation in Bezug auf die Position der Zylinder zwischen F(1)
= 1 bei Zylinder C1 und F(13) = –1 bei Zylinder C13 ermittelt:
F(1) = 1, F(2) = 0,84305, F(3) = 0,6861, F(4) = 0,52915, F(5) =
0,3722, F(6) = 0,2152, F(7) = 0,0583, F(8) = –0,2152, F(9) = –0,3722,
F(10) = –0,5291,
F(11) = –0,6861,
F(12) = –0,843
und F(13) = –1
gefunden. Die Position des Zylinders wird als Abstand des Zylinders
Cn von dem Zylinder C1 in der Längsrichtung
der Maschine, dividiert durch die Gesamtstrecke zwischen den Mittellinien
der Zylinder C1 und C13 berechnet. F(n) entspricht demzufolge 1 – 2 x (Abstand
des Zylinders Cn von Zylinder C1)/(Gesamtabstand von Zylinder C1
zu Zylinder C13).
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In
Bezug auf den Wert von wt in der Vektorsummierung der Gleichungen
a) bis e) kann die Länge
des Vektors mit dem Wert t = 0 berechnet werden, da die Länge des
resultierenden Vektors unabhängig
von der Zeit ist.
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In
Bezug auf den Wert für
die in Anforderung a) definierten Gaskräfte der 4. Ordnung sind die
Sinuskomponenten, multipliziert mit F(n) für die entsprechenden Zylinder
die folgenden: C1 = 0, C2 = –0,2018,
C3 = –0,6811,
C4 = 0,49476, C5 = 0,17297, C6 = 0,21368, C7 = 0,01395, C8 = 0,17714,
C9 = 0,34801, C10 = 0,24591, C11 = 0,45497, C12 = –0,6938,
C13 = –0,6631,
und die Summe der Sinuskomponenten ist –0,118.
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Die
Kosinuskomponenten, multipliziert mit F(n) der Gleichung a) für die jeweiligen
Zylinder sind wie folgt: C1 = 1, C2 = –0,8186, C3 = 0,0827, C4 = –0,1876,
C5 = 0,32956, C6 = 0,02595, C7 = –0,0566, C8 = –0,1223,
C9 = 0,13198, C10 = –0,4685,
C11 = 0,51355, C12 = –0,4789,
C13 = 0,74851 und die Summe der Kosinuskomponenten ist 0,700. Die
resultierende Länge
des Vektors ist die Quadratwurzel von (–0,118 × –0,118 plus 0,7 × 0,7) =
0,71, welche weit unter dem Wert von 1,8 ist.
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In
Bezug auf den Wert der in Anforderung b) definierten Gaskräfte der
5. Ordnung sind die Sinuskomponenten, multipliziert mit F(n) für die jeweiligen
Zylinder die folgenden: C1 = 0, C2 = –0,3918, C3 = 0,16419, C4 =
0,35089, C5 = –0,3063,
C6 = –0,0515,
C7 = 0,02709, C8 = –0,2013,
C9 = 0,24681, C10 = –0,4355,
C11 = 0,6811, C12 = 0,78826, C13 = –0,9927 und die Summe der Sinuskomponenten
ist –0,12.
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Die
Kosinuskomponenten, multipliziert mit F(n) der Gleichung b) für die jeweiligen
Zylinder sind wie folgt: C1 = 1, C2 = 0,74648, C3 = –0,6662,
C4 = –0,3961,
C5 = 0,21143, C6 = –0,209,
C7 = 0,05162, C8 = 0,07633, C9 = 0,27859, C10 = –0,3006, C11 = –0,0827,
C12 = 0,29895, C13 = –0,1205
und die Summe der Kosinuskomponenten ist 0,89. Die resultierende
Länge des
Vektors ist 0,89, welche weit unter dem Wert von 1,8 ist.
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In
Bezug auf den Wert der in Anforderung c) definierten Gaskräfte der
6. Ordnung sind die Sinuskomponenten, multipliziert mit F(n) für die jeweiligen
Zylinder die folgenden: C1 = 0, C2 = 0,78826, C3 = 0,56465, C4 =
0,12663, C5 = –0,2468,
C6 = –0,1771,
C7 = –0,0545,
C8 = 0,21368, C9 = 0,08907, C10 = –0,3509, C11 = 0,31885, C12
= –0,8369,
C13 = –0,4647
und die Summe der Sinuskomponenten ist –0,0298.
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Die
Kosinuskomponenten, multipliziert mit F(n) der Gleichung c) für die jeweiligen
Zylinder sind wie folgt: C1 = 1, C2 = –0,2989, C3 = 0,38975, C4 = –0,5138,
C5 = –0,2786,
C6 = 0,12227, C7 = –0,0207,
C8 = –0,0259,
C9 = 0,36138, C10 = 0,39607, C11 = –0,6075, C12 = –0,1016,
C13 = –0,8855
und die Summe der Kosinuskomponenten ist –0,46. Die resultierende Länge des
Vektors ist 0,46, welche weit unter dem Wert von 1,8 ist.
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Für die Berechnung
der Nickmomente, die für
die Anforderungen d) und e) relevant sind, werden Werte von F(n)
in der folgenden Weise berechnet: F(n) = F(n – 1) + ((Abstand von der Mittellinie
von Zylinder Cn-1 zur Mittellinie von Zylinder
Cn)/(Nennabstand zwischen Zylindern)). Der
Nennabstand zwischen Zylindern ist der horizontale Abstand zwischen
den vertikalen Mittellinien von zwei benachbarten Zylindern, die
keinen Kettentrieb zwischen den Zylindern aufweisen. Wenn die Maschine
mit einem Kettentrieb für
eine Nockenwelle versehen ist, ist dieser Kettentrieb herkömmlicherweise
in der Mitte der Maschine angeordnet. Der Nennabstand zwischen Zylindern
kann daher im Normalfall als der Abstand zwischen Zylindern im Endbereich
der Maschine, wie zum Beispiel als der Abstand zwischen Zylindern
C1 und C2, bezeichnet werden. Für
die oben genannte Maschine werden die folgenden Werte ermittelt:
F(1) = 0, F(2) = 1, F(3) = 2, F(4) = 3, F(5) = 4, F(6) = 5, F(7)
= 6, F(8) = 7,74286, F(9) = 8,74286, F(10) = 9,74286, F(11) = 10,7429,
F(12) = 11,7429 und F(13) = 12,7429.
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In
Bezug auf den Wert für
die Nickmomente der 1. Ordnung in Anforderung d) sind die Sinuskomponenten,
multipliziert mit F(n) für
die jeweiligen Zylinder die folgenden: C1 = 0, C2 = 0,66312, C3
= –1,87,
C4 = 1,39417, C5 = –3,9708,
C6 = 4,67508, C7 = –3,9787,
C8 = 1,85299, C9 = –4,063,
C10 = 9,67182, C11 = 8,8412, C12 = –2,8102, C13 = –10,487
und die Summe der Sinuskomponenten ist –0,08.
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Die
Kosinuskomponenten, multipliziert mit F(n) der Gleichung d) für die jeweiligen
Zylinder sind wie folgt: C1 = 0, C2 = –0,7485, C3 = –0,7092,
C4 = 2,65637, C5 = 0,48215, C6 = –1,773, C7 = –4,4911,
C8 = –7,5179,
C9 = 7,74142, C10 = 1,17437, C11 = 6,10264, C12 = –11,402,
C13 = 7,23877 und die Summe der Kosinuskomponenten ist –1,25. Die
resultierende Länge
des Vektors ist 1,245, welche weit unter dem Wert von 2,5 ist.
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In
Bezug auf den Wert der Nickmomente der 2. Ordnung in Anforderung
e) sind die Sinuskomponenten, multipliziert mit F(n) für die jeweiligen
Zylinder, die folgenden: C1 = 0, C2 = –0,9927, C3 = 1,32625, C4 = 2,46895,
C5 = –0,9573,
C6 = –3,3156,
C7 = 5,95625, C8 = –3,5983,
C9 = –7,1952,
C10 = 2,33162, C11 = 10,0447, c12 = 5,45718, C13 = –11,915
und die Summe der Sinuskomponenten ist –0,39.
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Die
Kosinuskomponenten, multipliziert mit F(n) der Gleichung e) für die jeweiligen
Zylinder, sind die folgenden: C1 = 0, C2 = 0,12054, C3 = –1,497,
C4 = 1,70419, C5 = –3,8838,
C6 = –3,7426,
C7 = 0,72322, C8 = 6,85596, C9 = 4,96651, C10 = –9,4597, C11 = –3,8095,
C12 = 10,3978, C13 = –4,5187
und die Summe der Kosinuskomponenten ist –2,14. Die resultierende Länge des
Vektors ist 2,178, welche weit unter dem Wert von 6,0 liegt.
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Die
Kräfte,
welche die Nickmomente verursachen, sind in 6 dargestellt.
Wenn der Zylinder 13 eine Verbrennungssequenz durchführt, resultiert
die aufwärts
gerichtete, auf den Zylinderdeckel wirkende Kraft in aufwärts gerichtete
Kräfte 36 in
den vier Zugstangen, die den Zylinderabschnitt mit dem Kurbelgehäuseunterteil
verbinden, und gleichzeitig wird das dem Zylinder 13 zugeordnete
Hauptlager einer abwärts
gerichteten Schubkraft 37 ausgesetzt. Ähnliche Kräfte treten an den anderen Zylindern
auf, wenn diese zünden.
Diese vertikal wirkenden Kräfte
erzeugen die sogenannten Nickmomente, die auf die Maschine und die
Maschinentragkonstruktion in einer Art wirken, die Vertikalschwingungen
auslösen
kann. Diese Vertikalschwingungen können negative Einflüsse haben,
insbesondere, wenn die Maschine eine Hauptantriebsmaschine in einem
Containerschiff ist, da die Nickmomente äußerst unerwünschte Rumpfschwingungen hervorrufen.
Die Maschine gemäß der vorliegenden
Erfindung hat Zündfolgen,
welche die Größe der Nickmomente
begrenzen, und die Maschine ist insbesondere zur Verwendung in einem
Containerschiff geeignet, das typischerweise einen langen Rumpf aufweist
und eine Hauptantriebsmaschine benötigt, die eine sehr große Leistung
erzeugt, um das Schiff mit der hohen Geschwindigkeit anzutreiben,
die beim Transport von Nutzlast von hohem Wert erforderlich ist.
Zusätzlich
zur Lösung
der Probleme der unterschiedlichen Füllung der Maschinenzylinder,
ein Problem, das bei Maschinen hoher Leistung von besonderer Bedeutung
ist, löst
die Maschine gemäß der vorliegenden
Erfindung gleichzeitig eines der größten Schwingungsprobleme, die
den Antrieb von Containerschiffantrieb betreffen. Die Maschine gemäß der vorliegenden
Erfindung ist daher insbesondere zur Verwendung als Hauptantriebsmaschine
in einem Containerschiff geeignet, und vorzugsweise in einem Containerschiff
mit einer Kapazität
von mindestens 10.000 TEU, wie zum Beispiel von 10.001 bis 11.900
TEU oder von 12.001 bis 14.000 TEU oder von mehr als 13.000 TEU,
wobei eine TEU mit einem einzelnen 20' Container gleichbedeutend ist. TEU
ist das Standardmaß für die Kapazität eines
Containerschiffs.
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Die
folgende Tabelle 1 zeigt relevante Schwingungsgrößen von einigen anderen der
oben genannten Zündfolgen.
Die Zündfolgen
sind entsprechend der Nummerierung der oben genannten Folgen FS
1 usw. nummeriert. Die Tabelle zeigt die Vektorlängen gemäß jeder der Anforderungen a)
bis e). Tabelle 1
FS
No. | a)
G4 | b)
G5 | c)
G6 | d)
N1 | e)
N2 |
1 | 0.71 | 0.9 | 0.46 | 1.248 | 2178 |
3 | 0.26 | 0.95 | 0.56 | 1.049 | 2.004 |
7 | 0.63 | 0.28 | 0.11 | 0.869 | 1.936 |
12 | 0.89 | 0.35 | 0.19 | 0.917 | 1.303 |
17 | 0.42 | 0.73 | 0.09 | 0.392 | 2.316 |
24 | 0.39 | 0.81 | 0.68 | 1.154 | 0.438 |
25 | 0.35 | 0.64 | 0.98 | 0.894 | 0.856 |
29 | 0.39 | 0.63 | 0.48 | 0.864 | 0.046 |
37 | 0.73 | 0.87 | 0.93 | 0.894 | 2.259 |
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Im
Umfang der Patentansprüche
ist es möglich, Änderungen
an den beschriebenen Ausführungsbeispielen
vorzunehmen. Es ist zum Beispiel möglich, eine andere Zahl von
Turboladern an der Maschine zu verwenden, wie zum Beispiel zwei
oder drei Turbolader, und auch mehr als vier Turbolader. Das Maschinengestell kann
jede geeignete Gestalt aufweisen, und die Zylinderabschnitte können in
das Gestell eingebaut sein. Der Spülluftsammelbehälter – und möglicherweise
auch der Abgassammelbehälter – kann andere
Querschnittsformen als die kreisförmige Form aufweisen. Das Spülluftsystem
kann mehr Elemente als die beschriebenen aufweisen, wie zum Beispiel
Wasserdampfsammler. Die Zylinder müssen nicht mit C1 am vorderen
Ende der Maschine und C13 am hinteren Ende nummeriert sein. Sie
können
genauso gut mit C1 am hinteren Ende und C13 am vorderen Ende nummeriert
sein. Als Alternative, eine Hauptantriebsmaschine in einem Schiff
zu sein, kann die Maschine als ortsfeste Maschine in einem Kraftwerk
genutzt werden.
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Es
ist ferner möglich,
strengere Kriterien als die oben genannten Kriterien für die Anforderungen
festzulegen. In Bezug auf die Gaspulsation, kann Anforderung a)
Vgas(4) < 1,2 oder
Vgas(4) < 1,0 sein.
In Bezug auf die Gaspulsation kann Anforderung b) auf Vgas(5) < 1,2 oder Vgas(5) < 1,0 beschränkt sein,
und in Bezug auf die Gaspulsation kann Anforderung c) auf Vgas(6) < 1,2 oder Vgas(6) < 1,0 beschränkt sein.
Anforderung d) kann auf Vnick(1) < 1,5
oder Vnick(1) < 1,3
beschränkt
sein und Anforderung e) kann auf Vnick(2) < 3,0 oder Vnick(2) < 2,5 beschränkt sein. Diese strengeren
Anforderungen können
je nach Wunsch einzeln oder in Kombination angewendet werden. Die
strengeren Forderungen verringern die Anzahl der Zündfolgen,
welche die Forderungen erfüllen,
führen
aber gleichzeitig zu 13-Zylinder-Maschinen mit noch besseren Schwingungseigenschaften.