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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen mechanische Kraftanlagen.
Im Besonderen befasst sich die Erfindung mit einer Kraftanlage mit
niedriger Emission, die eine abgewandelte Dieselmotorbaugruppe und
eine abgewandelte Turboladerbaugruppe umfasst, die ein relativ niedriges
Turboladerquerschnittsverhältnis
aufweist. Die Dieselmotorbaugruppe ist eine Abwandlung einer Konstruktion
eines Zweitakt-Dieselmotors mit Gleichstromspülung und umfasst einen Auslassventilnocken
mit einer einzigartigen Konstruktion, die ein Nockenprofil aufweist,
das zu einer Auslassventilöffnung,
die später
als normal liegt, und zu einer Ventilschließung führt, die früher als normal liegt, so das
die Zeit, während
der das Auslassventil offen bleibt, kürzer ist als normal, wodurch
bewirkt wird, dass im Anschluss an den Spültakt ein wesentlich größeres Volumen
an Restgasen in der Brennkammer verbleibt.
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Diskussion
des Standes der Technik
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Mechanische
Kraftanlagen, die als Dieselmotoren ausgeführt sind, werden weitläufig in
Anwendungen auf der Straße
und im Gelände
verwendet. Derartige Kraftanlagen waren für die Verwendung in großen LKW immer
beliebt. Jedoch sind derartige Kraftanlagen auch ausgiebig in Anwendungen
im Gelände,
wie etwa bei Erdbewegungsgeräten,
in Straßenhobeln
und in stationären
Anwendungen in Verbindung mit Wasser- und Ölbohr loch-Bohr und Pumpvorrichtungen
und vielen anderen Anwendungen benutzt worden.
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Dieselmotoren
sind ebenso wie Benzinmotoren dafür entworfen, auf dem Zweitakt-
oder dem Viertaktprinzip zu arbeiten. In dem Zweitaktmotor finden
der Einlass und der Auslass während
eines Teils der Verdichtung statt. Ein Viertaktmotor erfordert vier
Kolbentakte, um ein Arbeitsspiel abzuschließen, und somit arbeitet der
Viertaktmotor während
einer Hälfte
seines Betriebes lediglich als Luftpumpe. Die vorliegende Erfindung
ist primär
aber nicht ausschließlich
auf die Verwendung mit Zweitaktmotoren gerichtet.
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Obwohl
Dieselmotoren dauerhaft, zuverlässig
und wirtschaftlich sind, hat die Steuerung von Emissionen von derartigen
Motoren wesentliche Probleme aufgeworfen. Dementsprechend ist ausgiebige
Forschung darauf gerichtet worden, die Dieselmotorverbrennung immer
sauberer zu machen, um den anscheinend immer mehr zunehmenden Emissionssteuerungsanforderungen
gerecht zu werden, die durch die Gesetzgebung des Staates und der
Bundesländer
auferlegt werden. In dieser Hinsicht gab es zahlreiche Experimente
auf den Gebieten der elektrischen und elektronischen Überwachung
und Steuerung. Jedoch ist der Schwerpunkt der vorliegenden Erfindung
darauf gerichtet, die Emissionen von Dieselmotor-Kraftanlagen durch
mechanische Mittel effektiv zu verringern, indem zum größten Teil
speziell abgewandelte, im Allgemeinen im Handel erhältliche Baugruppen
verwendet werden.
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Wie
es aus der nachstehenden Diskussion besser verständlich werden wird, sind Emissionen
von der verbesserten mechanischen Kraftanlage der vorliegenden Erfindung
recht niedrig. Beispielsweise erfordern die gegenwärtig gesetzlich
verlangten Niveaus an Kohlenwasserstoffemissionen, dass die Kohlenwasserstoffemissionen
nicht höher
als (1,743 Gramm pro Kilowattstunde (g/kwh) (1,3 Gramm pro Pferdestärke-Stunde (g/bhp-hr)
sind. Ein Testen der neuartigen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung
durch ein unabhängiges Testinstitut
hat gezeigt, dass die Kohlenwasserstoffemissionen in der Größenordnung
von 0,724 g/kwh (0,54 g/bhp-hr) liegen, was offensichtlich wesentlich
niedriger ist als das allgemein akzeptierte vorgeschriebene Niveau. Ähnlich ist
die anwendbare gesetzlich verlangte Grenze für Partikelemissionen auf 0,134
Gramm pro Kilowattstunde (g/kwh) (0,1 Gramm pro Brems-Pferdestärke-Stunde
(g/bhp-hr) (0,134 g/kwh) festgelegt. Wenn die Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung geeignet mit einem katalytischen Wandler von einer herkömmlichen
Konstruktion gekoppelt wurde und dann bei einem typischen Zweitaktmotor
angewandt wurde, deckte ein Testen des Aufbaus auf, dass die Partikelemissionen
in der Größenordnung
von 0,107 g/kwh (0.08 g/bhp-hr) lagen, was gut innerhalb der Grenzen
liegt, die durch den Nachrüstungsstandart
auferlegt werden. Während
zusätzlich
die verlangte Grenze für
Kohlenmonoxidemissionen bei 20,786 g/kwh (15,5 g/bhp-hr) liegt,
zeigt der Test der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, dass
Kohlenmonoxidemissionen von der Vorrichtung geringer als 0,746 g/kwh
(0,6 g/bhp-hr) sind.
Schließlich
deckte ein Testen der Kraftanlage der Erfindung auch auf, dass während des
normalen Betriebes die NOx-Emissionen von der Kraftquelle 13,678
g/kwh (10,2 g/bhp-hr) betrugen, was deutlich niedriger ist als das
gesetzlich verlangte Niveau von 14,349 g/kwh (10,7 g/bhp-hr).
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Wie
es zuvor erwähnt
wurde, ist die Stoßrichtung
der vorliegenden Erfindung eine beträchtliche Reduktion schädlicher
Abgasmissionen von Dieselmotoren vielmehr durch mechanische als
durch elektrische oder elekt ronische Mittel zu erzielen und umfasst
zum größten Teil
die Verwendung von speziell abgewandelten herkömmlichen Baugruppen. In dieser
Hinsicht umfasst eine Form der verbesserten Kraftanlage der vorliegenden
Erfindung eine Abwandlung einer Kraftanlage, die im Handel von der
Detroit Diesel Corporation erhältlich
ist, und umfasst sowohl eine speziell abgewandelte Dieselmotorbaugruppe
als auch eine speziell abgewandelte Turboladerbaugruppe.
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Kurz
zusammengefasst umfasst die Erfindung einen doppelten Ansatz für die effektive
Verringerung von schädlichen
Abgasemissionen von herkömmlichen
Dieselmotoren. Der Ansatz umfasst einerseits die strategische Umkonstruktion
von sowohl dem Auslassnockenprofil der herkömmlichen Zweitakt-Dieselmotorbaugruppe
mit Gleichstromspülung
und der Ausgestaltung der Zylinderauskleidung davon auf eine Weise,
um eine Zunahme des Volumens von Restabgasen zu bewirken, die in
dem Zylinder während
der Verdichtungs-, Verbrennungs- und Arbeitstakte verbleiben. Diese
Zunahme des Volumens der Restabgase innerhalb des Zylinders führt zu einer
Zunahme der Verdichtungstemperatur und erhöht effektiv das Verdichtungsverhältnis und folglich
den Verdichtungsdruck. Wegen der Wärmeabsorptionsfähigkeit
dieser Restabgase neigen die Abgase, die in dem Zylinder im Anschluss
an den Spültakt
verbleiben, dazu, die Verbrennungswärme zu absorbieren und verringern
dadurch effektiv die Spitzenverbrennungstemperatur. Diese Verringerung
der Spitzenverbrennungstemperatur führt vorteilhafterweise zu einer
Produktion von Stickoxid NOx, die niedriger ist als normal, und
erlaubt daher eine Verstellung des Einspritzzeitpunktes nach früh, während dennoch
die NOx-Emissionen, die aus dem Motor kommen, niedriger als die
gesetzlich verlangten gehalten werden. Vorteilhafterweise hat die
Verstellung des Einspritzzeitpunktes nach früh, die zu Erhöhungen von
NOx-Emissionen führen
wird, gemäß allgemein
verstandener Ausgleichserwägungen
zwischen NOx und Partikelmaterial auch den Effekt, dass Partikelemissionen
verringert werden. Durch Erhöhen
des Volumens von Restabgasen innerhalb des Zylinders können somit
wesentliche Partikelemissionsverringerungen erzielt werden, während gleichzeitig
die NOx-Emissionen ausreichend unterhalb annehmbarer Niveaus gehalten
werden.
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Der
erfinderische Ansatz umfasst andererseits eine Abwandlung der Turboladerbaugruppe
der Vorrichtung auf eine Weise, dass dem Verbrennungsprozess zusätzlicher
Sauerstoff geliefert wird. Die Lieferung von zusätzlichem Sauerstoff an die
erwärmte
Brennkammer des Motors beschleunigt die Oxidation der organischen
löslichen
Fraktion, die in der Kammer enthalten ist und welche eine Hauptkomponente
der unerwünschten
Partikelemissionen ist. Genauer erhöht die zusätzliche Füllung von sauerstoffreicher
Luft in die Brennkammer effektiv den Verdichtungsdruck, was wiederum
zu einem früheren
Start der Verbrennung führt, da
das brennbare Gemisch seine Selbstzündungstemperatur zu einem früheren Zeitpunkt
erreicht. Dieses Phänomen
führt zu
einer gründlicheren
Verbrennung des Kraftstoffes und auch im Allgemeinen zu höheren Abgastemperaturen.
Höhere
Abgastemperaturen führen
wiederum zu einer größeren Oxidationsrate
der organischen löslichen
Fraktion, wodurch das Niveau an unerwünschter Partikelemission von
dem Motor weiter verringert wird.
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Mit
der vorhergehenden Diskussion im Sinn ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine mechanische Kraftanlage und das Verfahren zum Herstellen
derselben zur Verwendung in Anwendungen auf der Straße und im
Gelände
bereitzustellen, bei denen die Abgasemissionen von der abgewandelten
Dieselmotorbaugruppe der Vorrichtung wesentlich reduziert sind.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine mechanische Kraftanlage
mit dem vorstehend erwähnten
Charakter bereitzustellen, die einen speziell abgewandelten, herkömmlichen
Zweitakt-Dieselmotor mit Gleichstromspülung umfasst, der einen Auslassventilhub
aufweist, der niedriger ist als normal, und eine Auslassventilöffnungszeit,
die kürzer
ist als normal, wodurch die Menge an Restabgasen, die in der Brennkammer im
Anschluss an den Spültakt
verbleiben, wirksam erhöht
wird.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine mechanische Kraftanlage
wie in dem vorhergehenden Absätzen
beschrieben bereitzustellen, die für eine Strömung von sauerstoffreicher
Luft in die Brennkammer des abgewandelten Dieselmotors, die größer ist
als normal, sorgt, um eine vollständigere und effizientere Verbrennung
von Kraftstoff zu bewerkstelligen und gleichzeitig die Oxidation
der organischen löslichen
Fraktion, das heißt
der unverbrannten Schmieröl-
und Kraftstofffraktion, zu beschleunigen, die in dem Abgassystem
gebildet wird und an dem Partikelemissionssammelfilter eingefangen
wird.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine einzigartige mechanische
Kraftanlage bereitzustellen, bei der die Stickoxidemissionen, die
aus der Dieselmotorbaugruppe ausgestoßen werden, effektiv auf Niveaus unterhalb
von jenen gehalten werden, die durch Regulierungsbehörden für die Luftqualität vorgegeben
werden.
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Diese
und weitere Aufgaben der Erfindung werden durch die neuartige Krafterzeugungsvorrichtung der
Erfindung gelöst,
von der eine Form in den folgenden Absätzen ausführlicher beschrieben wird.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine allgemeine schematische Ansicht einer Form der Kraftanlage
oder Krafterzeugungsvorrichtung der Erfindung, die den Spültakt der
Dieselmotorbaugruppe der Vorrichtung veranschaulicht,
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2A ist
eine allgemeine schematische Ansicht, die den Verdichtungstakt der
Dieselmotorbaugruppe veranschaulicht,
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2B ist
eine allgemeine schematische Ansicht, die den Arbeitstakt der Dieselmotorbaugruppe
veranschaulicht,
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2C ist
eine allgemeine schematische Ansicht, die den Auslasstakt der Dieselmotorbaugruppe
veranschaulicht,
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3 ist
eine allgemeine Perspektivansicht von einer Form einer abgewandelten
Zylinderauskleidung der Dieselmotorbaugruppe,
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4 ist
eine grafische Darstellung, die den Unterschied der Nockenhubzeiteinstellung
und des Nockenprofils zwischen der Dieselmotorbaugruppe der vorliegenden
Erfindung und der herkömmlichen
Dieselmotorbaugruppe veranschaulicht, die von der Detroit Diesel
Corporation gefertigt und verkauft wird.
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5 ist
eine grafische Darstellung, die zu Veranschaulichungszwecken den
Ausgleich zwischen Partikel- und Stickoxidemissionen als Funktion
des Einspritzzeitpunktes zeigt.
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6 ist
ein Seitenaufriss von einer Form einer abgewandelten Nockenwelle,
die mit der Dieselmotorbaugruppe der Kraftanlage der Erfindung verwendbar
ist.
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7 ist
eine schematische Ansicht, die die Betriebsabfolge der in 6 gezeigten
Nockenwelle veranschaulicht.
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Beschreibung
der Erfindung
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen und im Besonderen die 1, 2A, 2B und 2C ist
eine mechanische Kraftanlage mit dem allgemeinen Charakter der Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht. Diese Figuren
sind von allgemeinem Charakter und zeigen nicht alle der verschiedenen
Standardbaugruppen der Kraftanlage, wobei die Baugruppen Fachleuten
auf dem Gebiet weithin bekannt sind. Wie es zuvor erwähnt wurde,
umfasst eine Form der Kraftanlage der Erfindung eine Abwandlung einer
im Handel erhältlichen
Kraftanlage, die auch von einem Charakter ist, der Fachleuten auf
dem Gebiet allgemein bekannt ist und umfasst eine Turboladerbaugruppe
und eine Dieselmotorbaugruppe. Auf eine Art und Weise, die nun beschrieben
werden soll, funktioniert die Turboladerbaugruppe zusammen mit einer
Gebläseeinheit;
um den Einlassöffnungen
der Brennkammer der Dieselmotorbaugruppe steuerbar Luft zu liefern. Die
Dieselmotorbaugruppe der herkömmlichen
Kraftanlage weist einen Verbrennungszyklus und einen Spültakt auf
und umfasst ein oder mehrere Ventile zum Öffnen und Schließen von
Auslassöffnungen,
die in der Brennkammer vorgesehen sind. Zusätzlich weist die Dieselmotorbaugruppe
eine Nockenwelle zum Betätigen des
Ventils auf, ein Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff
in die Brennkammer und ein Einspritzzeitsteuermittel, das typischerweise
ein Nockenprofil und einen Satz Beilagscheiben umfasst, um das Einspritzen
von Kraftstoff in die Brennkammer zeitlich abzustimmen.
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Wie
es am besten in 1 zu sehen ist, umfasst die
Kraftanlage der Erfindung im Grunde eine Abwandlung einer herkömmlichen
Kraftanlage und besitzt eine Zweitakt-Dieselmotorbaugruppe, die
im Allgemeinen durch Bezugszeichen 12 gekennzeichnet ist,
und ein Turboladermittel, das in 1 gezeigt
ist, welches ein herkömmliches
Gebläse 27 und
eine Turboladerbaugruppe 14 umfasst, wobei die Turboladerbaugruppe 14 Frischluft
aus der Atmosphäre
empfängt,
ihren Druck erhöht
und sie an die Einlassöffnungen 16 der
Dieselmotorbaugruppe typischerweise über das Gebläse 27 liefert.
Die unter Druck stehende Luft wird dann an eine Brennkammer 18 geliefert,
die mit einer Auslassöffnung 20 versehen
ist. Die Auslassöffnung 20 wird
durch ein Ventilmittel geöffnet
und geschlossen, das hier derart gezeigt ist, dass es ein Ventilelement 24 umfasst.
Es ist zu verstehen, dass der Motor typischerweise mehr als ein
Ventil umfasst, aber zur Vereinfachung der Erläuterung ist in den Zeichnungen
lediglich ein Auslassventil gezeigt und wird hierin beschrieben.
Das Gebläse 27 des
Turboladermittels umfasst einen Lufteinlass 27a und einen
Auslass 27b zum Austragen komprimierter Luft.
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Der
Luftaustragsauslass 27b des Gebläses 27 steht mit der
Brennkammer 18 der Dieselmotorbaugruppe über die
Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Einlassöffnungen 16 in
Verbindung. Bei einer Form der Dieselmotorbaugruppe der vorliegenden
Erfindung sind die Einlassöffnungen
in einer Zylinderauskleidung 30 vorgesehen, die von der
allgemeinen in 3 gezeigten Ausgestaltung ist.
Wie es Fachleute auf dem Gebiet weithin verstehen, ist die Auskleidung 30 in
einer Senkung aufnehmbar, die in dem Zylinderblock der Dieselmotorbaugruppe
ausgebildet ist (in 1 nicht gezeigt) und umfasst
eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Lufteinlassöffnungen 16a,
die in dem Motor angeordnet sind, um Frischluft von dem Austragsauslass 27b des
Gebläses 27 des
Turboladermittels aufzunehmen, so dass die Luft in die Brennkammer
strömen
wird (siehe 3).
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Mit
der vorstehenden allgemeinen Beschreibung der Dieselmotorbaugruppe
der Erfindung im Sinn und anhand der allgemeinen Diskussion des
Hintergrundes umfasst der Dieselmotor selbst im Grunde eine Verbrennungs-Kraftanlage,
bei der die Wärme
eines Kraftstoffes in dem Zylinder des Motors in Arbeit umgewandelt
wird. Im Betrieb wird Luft in dem Zylinder verdichtet, und anschließend wird
Kraftstoff in den Zylinder über
ein Kraftstoffeinspritzmittel eingespritzt. Eine Zündung des
Kraftstoffes wird durch die Verdichtungswärme bewerkstelligt.
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Wie
es in den 2A bis 2C der
Zeichnungen veranschaulicht ist, findet in dem typischen Zweitaktmotor
der Einlass und der Auslass jeweils während der Verdichtungs- bzw.
Arbeitstakte statt (2B und 2C).
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Als
allgemeine Regel werden Zweitakt-Dieselmotoren in 3-, 4- und 6-Zylindermodellen
gefertigt, von denen jeder typischerweise die gleiche Bohrung und
den gleichen Hub und viele der gleichen arbeitenden Teile wie etwa
Kolben, Pleuelstangen, Zylinderauskleidungen und dergleichen aufweisen.
Zusätzlich
zu Turboladermitteln umfasst die typische Zweitakt-Dieselmotorbaugruppe
normale Zubehöre,
die in den Zeichnungen nicht gezeigt sind, die aber Fachleuten auf
dem Gebiet weithin bekannt sind, wie etwa eine Wasserpumpe, eine Kraftstoffpumpe,
ein Kraftstofffilter, einen Ölkühler, einen
Wärmetauscher,
eine Wasserpumpe, einen Radiator und einen Anlassermotor. Zusätzlich wird
typischerweise eine Druckschmierung allen Hauptpleuelstangen und den
verschiedenen sich bewegenden Teilen des Motors zugeführt.
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Noch
einmal 1 zugewandt, erzeugt in einem Motorbetrieb die
unidirektionale Strömung
von Luft in der Richtung der Pfeile von 1 einen
Spüleffekt.
In der herkömmlichen
Zweitakt-Dieselmotorbaugruppe lässt
dieser Spültakt
die Zylinder im Wesentlichen mit sauberer Luft zu dem Zeitpunkt
gefüllt,
zu dem sich der Kolben in eine Position bewegt, in der er die Einlassöffnungen
bedeckt. Jedoch ist aus Gründen,
die gegenwärtig
diskutiert werden sollen, die Dieselmotorbaugruppe der vorliegenden
Erfindung einzigartig abgewandelt, so dass sie von diesem Standartabsatz
abweicht und dementsprechend einen modifizierten Spültakt umfasst,
der ein wesentliches Volumen von Abgasen in der Brennkammer belässt, wenn
sich der Kolben in die in 2A gezeigte
Position bewegt.
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Mit
besonderem Bezug auf 2A ist zu beobachten, dass eine
fortdauernde Bewegung des Kolbens 32 nach oben dazu neigen
wird, die Abgase, die in dem Zylinder verbleiben, zu komprimieren.
An einem Zeitpunkt kurz bevor der Kolben seine höchste Position erreicht, wird
Kraftstoff in die Brennkammer durch das Kraftstoffeinspritzmittel
eingespritzt, das ein Kraftstoffeinspritzventil mit dem allgemeinen
in 1 gezeigten Charakter umfasst und das durch Bezugszeichen 34 gekennzeichnet
ist. Das Einspritzventil 34 ist allgemein im Handel erhältlich,
und sein Aufbau und seine Arbeitsweise sind Fachleuten auf dem Gebiet
weithin bekannt. Wenn der Kraftstoff in die Brennkammer eingeleitet
wird, zündet
die intensive Wärme,
die während
des Verdichtungstaktes erzeugt wird, den Kraftstoff, um den Arbeitstakt
einzuleiten.
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Der
Druck, der durch das Zünden,
Verbrennen und Freigeben der Energie des Kraftstoffes erzeugt wird,
zwingt den Kolben 32 in seinem Arbeitstakt nach unten.
Wie es in 2C zu sehen ist, öffnet sich
das Auslassventil 24, wenn sich der Kolben auf halbem Wege
unten befindet, um zuzulas sen, dass die verbrannten Gase durch die
Auslassöffnung 20 entweichen
können.
Kurz danach gibt der sich nach unten bewegende Kolben 32 die
Einlassöffnungen 16 frei,
wodurch zugelassen wird, dass Spülluft
durch die Gebläseeinheit
erneut in den Zylinder hineingedrückt werden kann (siehe 1).
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Wie
es zuvor erwähnt
wurde, umfasst die Dieselmotorbaugruppe der Kraftanlage der vorliegenden
Erfindung im Grunde eine Abwandlung eines herkömmlichen, im Handel erhältlichen
Zweitakt-Dieselmotors. Tatsächlich
umfasst die Dieselmotorbaugruppe in einer Form der Erfindung eine
Abwandlung eines Dieselmotors, der von der Detroit Diesel Corporation
unter der Modellbezeichnung 6V92 verkauft wird. Der Ausdruck "herkömmlicher
Motor", wie er hierin
verwendet wird, bedeutet einen normalen, im Handel erhältlichen
Dieselmotor mit dem allgemeinen Charakter, der beispielhaft durch
den 6V92-Motor ausgeführt
ist, der von der Detroit Diesel Corporation hergestellt und verkauft
wird. Wie es aus der folgenden Diskussion deutlich werden wird,
werden viele der Merkmale der Dieselmotorbaugruppe der Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung (The Green Engine) im Hinblick auf Änderungen
an dem im Handel erhältlichen
Detroit Diesel-Motor beschrieben. Beispielsweise ist das Auslassnockenprofil
des Detroit Diesel-Motors spezifisch in Tabelle 1 der Beschreibung
definiert (siehe Seite 10A). Dagegen ist das Auslassnockenprofil
der Dieselmotorbaugruppe der vorliegenden Erfindung spezifisch in
Tabelle 2 definiert (siehe Seite 10b). Ähnlich ist ein Vergleich zwischen
der Zeitdauer, während
der die Auslassventile in der Dieselmotorbaugruppe der vorliegenden
Erfindung und in dem Detroit Diesel-Motor offen sind, in 4 der
Zeichnungen dargestellt.
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Der
vielleicht erstaunlichste Unterschied zwischen der Dieselmotorbaugruppe
der vorliegenden Erfindung (The Green Engine) und der des her kömmlichen
Motors betrifft die merkliche Verringerung von schädlichen
Abgasemissionen, die von der Green Engine erzeugt werden. Beispielsweise
sind bestimmte dieser Unterschiede, die durch ein unabhängiges Testinstitut
quantifiziert worden sind, in der folgenden Tabelle aufgeführt, wobei
die verschiedenen Emissionen im Hinblick auf Gramm pro Kilowatt-Stunde (g/kwh) (Gramm
pro Basis-Pferdestärken-Stunde
(g/bhp-hr)) identifiziert sind:
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Mit
den vorstehenden Erwägungen
im Sinn werden nun die besonderen Aspekte der verbesserten Kraftanlage
der vorliegenden Erfindung angesprochen. Ein äußerst wichtiger Aspekt der
Erfindung umfasst eine strategische Abwandlung des Auslassventilnockenprofils
der Dieselmotorbaugruppe. Die Natur und das Ausmaß dieser
Abwandlung kann durch eine Untersuchung der Tabellen 1 und 2 verstanden
werden, die im Detail das herkömmliche
Motornockenprofil (Tabelle 1) und das abgewandelte oder Green Engine-Nockenprofil
(Tabelle 2) definieren. Zusätzlich
sollte auf die 2C, 6 und 7 Bezug
genommen werden, die schematisch eine Form von Nockenwelle 37 der
Erfindung zeigen und ihre Arbeitsabfolge veranschaulichen. Im Grunde
führt diese
Abwandlung des Nockenprofils zu einer späten oder stärker verzögerten Öffnung des Auslassventils 24 und
zu einem früher
oder stärker
vorgerückten
Schließen
des Auslassventils (siehe 4). Es ist
in 4 auch anzumerken, die einen Ventil über einen
Kurbelwinkel zeigt, dass diese Änderung
des Nockenprofils eine Nettoverringerung des Ventilhubs "V" von 0,1194 cm (0,047 Zoll) bewirkt,
d. h. von ungefähr 0,8306
cm (0,327 Zoll) in dem herkömmlichen
Motor auf ungefähr
0,7112 cm (0,280 Zoll) in dem abgewandelten Motor (siehe auch 1).
Die Verringerung des Ventilhubs zusammen mit der Verringerung der
Gesamtzeitdauer, während
der das Auslassventil offen bleibt, wie es in 4 gezeigt
ist, bewirkt, dass mehr Restgase in dem Zylinder im Anschluss an
den Spülprozess,
der in 1 gezeigt ist, verbleiben. Diese Restgase, die
in dem Zylinder gefangen bleiben, weisen eine beträchtliche
Wärmeabsorptionsfähigkeit
auf, die dazu neigt, eine Verringerung der Spitzenverbrennungstemperatur
des Motors hervorzurufen. Das genaue Ausmaß dieser Verringerung der Temperatur
in einem besonderen Motor hängt
natürlich
von dem Volumen an Restgasen, die in dem Zylinder verbleiben, der
spezifischen Wärme
dieser Gase bei einem konstanten Druck und dem Unterschied zwischen
der Temperatur der Verbrennung und der Temperatur der Restgase ab.
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Der
Erfinder hat herausgefunden, dass die abgesenkte Spitzenverbrennungstemperatur,
die durch Einfangen der Restgase in der Brennkammer erzielt wird,
zu der Erzeugung von niedrigeren Stickoxidemissionen (NOx) führt, was
wiederum vorteilhafterweise eine Verstellung des Einspritzzeitpunktes
nach früh
erlaubt, während
dennoch NOx-Emissionen aufrechterhalten werden, die noch immer die
Nachrüstungsstandards
einhalten. Durch Verstellen des Einspritzzeitpunkts nach früh, während gleichzeitig
die Strömung
von Frischluft in die Zylinder durch die Verwendung eines abgewandelten
Turboladers, der ein kleineres Querschnittsverhältnis aufweist, als es in einer
herkömmlichen
Motorbaugruppe zu finden ist, er höht wird, wurden beträchtliche
Verringerungen von Partikelemissionen erzielt. Im Besonderen wird
die Produktion von Partikeln merklich reduziert, indem gemäß einer
Form des Verfahrens der vorliegenden Erfindung das Querschnittsverhältnis des
Turboladers von ungefähr
1,39 auf ungefähr
1,08 verringert wird und strategisch der Einspritzzeitpunkt nach
früh verstellt
wird, was dazu neigt, die Produktion von NOx zu erhöhen. Dieses
Ergebnis tritt wegen der weithin bekannten Ausgleichsbeziehung zwischen
NOx und der Erzeugung von Partikeln auf, wobei diese Beziehung grafisch
in 5 veranschaulicht ist, die die Partikelemissionen
gegen NOx-Emissionen als Funktion des Einspritzzeitpunkts zeigt.
Das Verringern des Querschnittsverhältnisses des Turboladers der
Turboladerbaugruppe bewirkt darüber
hinaus, dass zusätzliche
Frischluft und somit zusätzlicher
Sauerstoff in die Brennkammer hineingedrückt werden. Wie es zuvor erwähnt wurde,
führt diese
Verfügbarkeit
von mehr Sauerstoff bei erhöhten
Verbrennungstemperaturen zu einer wesentlichen Zunahme der Oxidationsrate
der organischen löslichen Fraktion
(SOF), die eine Hauptkomponente von Partikelemissionen, insbesondere
in Zweitakt-Dieselmotoren ist. Diese hinzugefügte Luftladung, die durch die
abgewandelte Turboladerbaugruppe bereitgestellt wird, erhöht auch
effektiv den Verdichtungsdruck, der wiederum zu einem früheren Beginn
der Verbrennung führt,
da das brennbare Gemisch seine Selbstzündungstemperatur zu einem früheren Punkt
in dem Takt erreicht. Dieses letztere Phänomen führt zu einer gründlicheren
Verbrennung des Kraftstoffs und führt auch zu einer höheren Abgastemperatur,
die wiederum zu einer größeren Oxidationsrate
von SOF und dementsprechend zu weniger Partikeln in den Abgasemissionen
führt.
Um die Zunahme des Verdichtungsdrucks zu ermöglichen, umfasst der Kolben 32 einen
abgewandelten Kolben mit einem Verdichtungsverhältnis von ungefähr 15 :
1 im Vergleich mit einem herkömmlicheren
Kolben, der ein Verdichtungsverhältnis
von 17 : 1 aufweist.
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Noch
einmal mit Bezug auf 1 ist dem abgewandelten Kraftstoffeinspritzventil 34 ein
abgewandeltes Einspritzzeitsteuermittel zugeordnet, das die Form
eines Modulators 40 annehmen kann. Der Modulator 40 ist
wirksam mit einer Kraftstoffquelle "S" verbunden
und funktioniert, um den Kraftstoff in die Brennkammer proportional
gemäß dem Niveau
an Verstärkungsdruck
einzuleiten. Der Modulator 40 hat einen Charakter, der Fachleuten
auf dem Gebiet weithin bekannt ist und kann leicht auf eine Weise
eingestellt werden, die hierin zu diskutieren ist, um die gewünschten
Betriebsergebnisse zu erlernen.
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Gemäß einer
Form des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird der Modulator 40 derart
eingestellt, dass er den Kraftstoff strategisch gemäß dem Verstärkungsdruck
auf eine Weise einleitet, dass die Erzeugung von Partikeln verringert
wird, während
gleichzeitig zugelassen wird, dass NOx-Niveaus zunehmen, während sie dennoch innerhalb
annehmbarer Niveaus bleiben. Im Besonderen wird dort, wo das herkömmliche
Zeitsteuermittel typischerweise auf annähernd 3,75 cm (1,475 Zoll)
eingestellt wird, das Zeitsteuermittel in einer Form der Vorrichtung
der Erfindung derart verstellt, dass es eine Einstellung von annähernd 3,61
cm (1,420 Zoll) aufweist. In der abgewandelten Dieselmotorbaugruppe
der Erfindung, wie sie hierin beschrieben wird, weist diese Einstellung
die Wirkung auf, dass die Erzeugung von NOx erhöht wird, was, wie es in 5 gezeigt
ist, eine damit einhergehende Abnahme der Erzeugung von Partikeln
bewirken wird.
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Es
ist zu verstehen, dass das Einspritzzeitsteuermittel der Erfindung
alternativ einen Drosselverzögerungsmechanismus
umfassen kann, der eine Einstellung von 1,153 cm (0,454 Zoll) im
Vergleich mit dem Standardmechanismus aufweist, der eine Einstellung
von 1,615 cm (0,636 Zoll) aufweist, die typischerweise in einem
herkömmlichen
Motor zu finden ist. Diese niedrigere Einstellung steuert die Einleitung
von Kraftstoff in die Brennkammer in Relation zu dem Einlassdruck
der abgewandelten Dieselmotorbaugruppe der Erfindung besser, um
die gewünschten
Ergebnisse besser zu erzielen. Der Drosselsteuerungsmechanismus
ist auch von einem Charakter, der Fachleuten auf dem Gebiet weithin
bekannt ist und kann von einem Fachmann leicht auf die soeben beschriebene
Weise abgewandelt werden.
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Nachdem
die Erfindung nun ausführlich
gemäß den Anforderungen
der Patentvorschriften beschrieben worden ist, werden Fachleute
auf dem Gebiet keine Schwierigkeit haben, Änderungen und Abwandlungen an
den einzelnen Teilen oder ihrer relativen Anordnung vorzunehmen,
um sich an spezifische Anforderungen oder Bedingungen anzupassen.
Derartige Änderungen
und Abwandlungen können
vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung, wie er
in den folgenden Ansprüchen
ausgeführt
ist, abzuweichen.
