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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen zweitaktigen bei Konstantdruck arbeitenden turboladenden internen
Verbrennungsmotor mit 14 Zylindern in einer einzigen Reihe, mindestens
einem Abgasauffang, mindestens zwei Turboladern, und einem Spülluftsystem
mit mindestens einem länglichen
Spülluftauffang,
wobei jeder Zylinder eine Spülluftzuleitung,
die mit dem Spülluftauffang
verbunden ist, und einen Abgasdurchlass, der in den wenigstens einfach
vorhandenen Abgasauffang führt,
hat, die genannten Turbolader, die auf ihrer Turbinenseite mit dem
Abgasauffang und auf ihrer Kompressorseite mit dem Spülluftsystem
verbunden sind, wobei der Motor eine Startsequenz (n1 – n14) der
Motorzylinder C1 – C14
hat.
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Turboladen bei konstantem Druck in
einem internen Verbrennungsmotor basiert auf dem Prinzip, dass die
Abgasflusspulse der einzelnen Zylinder dadurch ausgeglichen werden,
dass das Abgas der Zylinder durch einen zugehörigen Abgasdurchlass in einen
gemeinsamen Abgasauffang herausströmen, welcher ein länglicher
Druckbehälter
eines ausreichend großen
Volumens ist, um einige Ausdehnung der vielen hochintensiven Gasflusspulse
von den Zylindern in einen gemeinsamen Gasfluss bei einem ausgeglichenen
Druck zu erlauben.
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Der Turbinenteil der Turbolader empfängt Abgas
bei einem konstanten Druck, wenn die Motorladung konstant ist, und
das vergrößert die
Effizienz der Turbolader und resultiert in einer konstanten Versorgung
mit Zuleitungsluft vom Kompressorteil der Turbolader an das Spülluftsystem
auf der Zuleitungsseite der Motorzylinder. Druckfluktuationen im
Abgasauffang können
Fluktuationen in der Leistung der Turbolader und somit unausgeglichene
und variierende Ladeluftzuführungen
an das Ladeluftsystem verursachen.
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Die Lieferung von Spülluft zur
Zuleitungsseite des Motors beeinflusst die Füllung der Zylinder mit Ladeluft
und so den Verbrennungsprozess in den Zylindern und die bei den
Verbrennungen entwickelte Leistung. Der In-line-Motor mit 14 Zylindern
hat eine große
Länge und
somit einen langen Spülluftauffang.
Die Druckvariationen in der Ladeluft, die von den Turboladern geliefert
wird, können
zu einem gewissen Grad Druckvariationen im Spülluftauffang verursachen. Trotzdem
werden größere Druckfluktuationen
im Spülluftauffang
durch das Muster erzeugt, in dem die Zylinder Spül- und Ladeluft vom Spülluftauffang verbrauchen.
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Es ist ein Problem in einem 14-zylindrigen
zweitaktigen In-line-Motor, dass Gasdruckfluktuationen in dem zumindest
einen Spülluftauffang
Differenzen in der Ladung der Zylinder mit Ladeluft verursachen.
Diese Differenzen treten zwischen Zylindern auf, die in einem Abstand
voneinander lokalisiert sind, und verursachen unerwünschte Variationen
in der bei der Verbrennung in den Zylindern entwickelten Leistung,
und das beeinflusst die Steuerung der Zylinder, insbesondere im
Hinblick auf die Treibstoffdosierung.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, Fluktuationen in der Treibstoffdosierung für die Motorzylinder,
die durch Variationen in der Füllung
der Zylinder mit Ladeluft verursacht werden, wenn der Motor mit konstanter
Ladung läuft,
zu minimieren oder zu vermeiden.
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In Hinblick darauf ist der zweitaktige
bei Konstantdruck arbeitende turboladende interne Verbrennungsmotor
gemäß der vorliegenden
Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die vierzehn Zylinder eine Startsequenz
(n1 – n14)
haben, so dass wenigstens die folgenden vier Bedingungen a) bis
d) erfüllt
werden für
die Gaspulsation vierter Ordnung
für die Gaspulsation fünfter Ordnung
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Dabei ist n die Zylindernummer,
ist
der Zündwinkel
für Zylinder
n, F(n) ist eine Gewichtsfunktion, die unter Beachtung der Position
des Zylinders zwischen F(1) = 1 bei Zylinder C1 und F(14) = –1 bei Zylinder C14
linear interpoliert ist, und || bezeichnet die Länge des Vektors. Die Länge des
Vektors wird auf die traditionelle Art und Weise als die Quadratwurzel
der Summe des Quadrats der resultierenden Sinuskomponente addiert
zum Quadrat der resultierenden Kosinuskomponente berechnet.
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Wenn die Startsequenz des 14-zylindrigen
In-line-Motors diese Bedingungen erfüllt, ist die primäre Quelle
für die
Entstehung von Druckfluktuationen im Spülluftauffang auf ein solch
niedriges Niveau minimiert worden, dass die Treibstoffdosierung
an die Zylinder im wesentlichen unbeeinflusst von Druckfluktuationen
der Spülluft
ist. Die Startsequenzen, die die Bedingungen erfüllen, haben zur Folge, dass
die Zylinder Spül-
und Ladeluft vom Spülluftauffang
in Sequenzen verbrauchen, die nicht zu große Druckfluktuationen der Luft
im Spülluftauffang
erzeugen.
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In einer bevorzugten Ausführung haben
die vierzehn Zylinder eine Startsequenz (n1 – n14), so dass auch die folgende
Bedingung e) erfüllt
ist
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Dabei ist n die Zylindernummer,
ist
der Zündwinkel
für Zylinder
n, F(n) ist eine Gewichtsfunktion, die F(1) = 0 bei Zylinder C1
und F(n) = F(n–1)
+ ((Abstand von der Mittelachse von Zylinder C
n–1 zur
Mittelachse von Zylinder C
n) / (nomineller
Abstand zwischen den Zylindern)) ist, und || bezeichnet die Länge des
Vektors. Der nominelle Abstand zwischen den Zylindern ist der Abstand
zwischen den Zylindern, die zwischen den Zylindern nur ein einziges
Hauptlager haben, typischerweise der Abstand zwischen den Mittelachsen
der Zylinder C1 und C2. In einem 14-zylindrigen Motor wird die Kurbelwelle
typischerweise in zwei Teilen gefertigt, die zwischen zwei Zylindern
verbunden werden, typischerweise durch Zusammenschrauben. Zwischen
diesen zwei Zylindern sind zwei Hauptlager, die folglich durch einen
Abstand größer als
der genannte nominelle Abstand voneinander getrennt sind.
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Ein langer In-line-Motor wie ein
14-zylindriger zweitaktiger Motor wird typischerweise als ein Antriebsmotor
in einem Schiff verwendet. Die Vorteile, die dadurch erzielt werden,
dass man die Startsequenz gemäß der Bedingungen
a) bis d) entwirft, werden noch weiter verstärkt, indem man auch die Bedingung
e) erfüllt.
Die Bedingung e) stellt weiterhin den Vorteil zur Verfügung, dass
die so genannten Kerbenmomente vermindert werden. Kerbenmomente
(nick-moments) sind eine gewichtete Summation über die Zylinder der vertikalen Kräfte, die
an den Zugstangen und den Hauptlagern wirken. Die Kerbenmomente
tendieren dazu, eine unerwünschte
Vibration des Motors und der Schiffshülle in der vertikalen Ebene
zu induzieren.
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In einer weiteren Ausführung haben
die vierzehn Zylinder eine Startsequenz (n1 – n14), so dass die folgende
Bedingung f) ebenfalls erfüllt
ist
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Dabei ist n die Zylindernummer, φn ist der Zündwinkel für Zylinder n, F(n) ist eine
Gewichtsfunktion, die F(1) = 0 bei Zylinder C1 und F(n) = F(n–1) + ((Abstand
von der Mittelachse von Zylinder Cn–1 zur
Mittelachse von Zylinder Cn) / (nomineller
Abstand zwischen den Zylindern)) ist, und || bezeichnet die Länge des
Vektors. Das Kerbenmoment zweiter Ordnung ist eine gewichtete Summation über die
Zylinder der vertikalen Kräfte zweiter
Ordnung, die an den Zugstangen und den Hauptlagern wirken. Diese
Kerbenmomente zweiter Ordnung können
unerwünschte
vertikale Vibrationen induzieren. Es ist auch möglich, einen Motor mit 14 Zylindern mit
einer Startsequenz (n1 – n14)
zu machen, so dass die beiden oben erwähnten Bedingungen e) und f)
erfüllt sind,
und das minimiert den Einfluss der Kerbenmomente auf die vertikale
Vibration der Hülle.
Vorzugsweise ist Vnick (2) kleiner als 3,0 und noch mehr
vorzuziehen wäre
weniger als 2,0.
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In der am meisten bevorzugten Ausführung haben
die vierzehn Zylinder eine Startsequenz (n1 – n14), so dass gilt
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- a) Vgas(4) < 1 für die Gaspulsation 4. Ordnung
- b) Vgas(5) < 2
für die
Gaspulsation 5. Ordnung
- c) Vgas(6) < 2
für die
Gaspulsation 6. Ordnung
- d) Vgas(7) < 2,2
für die
Gaspulsation 7. Ordnung
- e) Vnick(1) < 1,5
für die
Kerbenmomente 1. Ordnung
- f) Vnick(2) < 1,5
für die
Kerbenmomente 2. Ordnung
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Die Startsequenz, die diese Kriterien
erfüllt,
stellt dem Motor in der Relation außergewöhnlich gute Laufbedingungen
zur Verfügung,
wobei selbst der Druck im Spülluftauffang
auf seiner gesamten Länge
erzielt wird, und zusätzlich
ist das Vibrationsniveau in der Regel sehr gut in dem Sinne, dass
alle der traditionell betrachteten Vibrationsniveaus in akzeptablen
Limits sind. Weniger als 600 ausgeglichene Startsequenzen von den
6.227.020.800 möglichen
ausgeglichenen Startsequenzen für
den 14-zylindrigen Motor erfüllen
diese Kriterien.
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Die Startsequenz kann ausgeglichen
sein in dem Sinne, dass der Drehwinkel der Kurbelwelle zwischen
dem Zünden
von zwei aufeinander folgenden Zylindern gleich 360°/14 ist.
Dieser Winkel fester Größe wird
für alle
Zylinder in dem Motor verwendet. Wenn es ein spezielles Problem
in einer bestimmten Motorinstallation gibt, ist es auch möglich, das
Vibrationsmuster fein abzustimmen, indem eine Startsequenz verwendet
wird, die in dem Sinne unausgeglichen ist, dass der Drehwinkel der
Kurbelwelle zwischen der Zündung
von mindestens zwei Paaren von nacheinander zündenden Zylindern sich von
360°/14
unterscheidet.
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Beispiele von Ausführungen
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die
hoch schematischen Zeichnungen detaillierter beschrieben, darin
ist
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1 eine
sektionale Ansicht eines zweitaktigen Motors mit 14 Zylindern gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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2 eine
Seitenansicht des Motors in 1,
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3 eine
perspektivische Ansicht einer Kurbelwelle für den Motor in 1,
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4 eine
Illustration der Startsequenz für
die zu der Kurbelwelle nach 3 gehörenden Zylinder,
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5 eine
Illustration der Gaspulsationen der verschiedenen Moden im Spülluftauffang,
und
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6 eine
Illustration der Kräfte,
die Kerbenmomente verursachen.
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In 1 ist
der Querschnitt durch einen großen
zweitaktigen bei Konstantdruck arbeitenden turboladenden internen
Verbrennungsmotor des Querhaupttyps mit 14 Zylindern zu sehen: Der
Motor kann zum Beispiel von der Machart MAN B&W Diesel und dem Typ MC oder ME oder
von der Machart Wärtsilä und dem Typ
Sulzen RT-flex oder Sulzen RTA sein. Die Zylinder können eine
Bohrung im Bereich von zum Beispiel 60 bis 120 cm haben, vorzugsweise
von 80 bis 120 cm, und noch mehr vorzuziehen von 95 bis 120 cm.
Der Motor kann zum Beispiel eine Leistung im Bereich von 3000 bis
8500 kW pro Zylinder haben, vorzugsweise von 4000 bis 8000 kW, so
wie zumindest 5000 kW pro Zylinder. Jeder Zylinder C1 bis C14 hat
typischerweise eine Zylinderlaufbuchse 1 mit einer Reihe
von Spülluftöffnungen 2 an
ihrem unteren Ende und eine Zylinderabdeckung 3 mit einem
Auslassventil 4, die sich an der Oberseite des Zylinders
befindet.
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Ein Kolben 5 ist auf einer
Kolbenstange 6 montiert, welche durch ein Querhaupt 7 und
eine Verbindungsstange 8 mit einem Zapfen der Kurbelwelle 9 auf
der Kurbelwelle 10 verbunden ist. Der Kurbelwellenzapfen 11 befindet
sich in einem Hauptlager, das in einer Auflageplatte 12 montiert
ist.
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Das Kreuzhaupt wird in der transversalen
Richtung durch Gleitschuhe 13 unterstützt, die auf vertikal ausgedehnten
Führungsebenen
gleiten. Die Führungsebenen
sind an dem stationären
A-Rahmen 14 des Motors befestigt. Ein Zylinderbereich 15 ist
an der Spitze des A-Rahmens montiert.
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Die Zylinderabdeckung 3 ist
am Zylinderbereich durch Abdeckungsnägel 16 befestigt.
Zugstangen 17 dehnen sich vom Zylinderbereich hinab zur
Auflageplatte aus, und sie befestigen den Zylinderbereich 15 an der
Auflageplatte 12. Es gibt typischerweise vier Zugstangen 17,
die an jedem Zylinderbereich wirken, und die Summe der nach unten
gerichteten Kräfte
von den Zugstangen übersteigt
die nach oben gerichtete Kraft auf die Zylinderabdeckung, die durch
den maximal entwickelten Druck durch die Verbrennung in der Verbrennungskammer
im Zylinder verursacht wird.
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Ein Abgasrohr 18 erstreckt
sich von dem einzelnen Zylinder im Bereich des Auslassventils und
ist zu einem Abgasauffang 19 hin geöffnet, den sich eine Anzahl
an Zylindern teilt. Der Motor kann nur einen einzigen Abgasauffang
besitzen, den sich alle Zylinder teilen, oder er kann eine größere Zahl
an Abgasauffangen haben, so wie zwei oder drei, die Ende an Ende
in Verlängerung
voneinander angeordnet und typischerweise durch Gasflussdurchlasse
miteinander verbunden sind.
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Der Abgasauffang ist ein Druckbehälter mit
einem zirkular zylindrischen Querschnitt. Das Abgasrohr 18 erstreckt
sich in den Abgasauffang 19 und liefert das Abgas von der
dazugehörigen
Verbrennungskammer, wenn das Auslassventil geöffnet ist. Im Abgasauffang
werden Druckvariationen, die durch die aus den Abgasrohren emittierten
Abgaspulse verursacht werden, zu einem ausgeglicheneren Druck ausgeglichen.
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Vier Turbolader 20 sind
auf eine solche Art und Weise mit dem Abgasauffang 19 verbunden,
dass das Abgas durch die Abgasdurchlasse 21 durch den Turbinenteil 22 des
Turboladers strömen
kann, wo es als Antriebsmedium für
das Turbinenrad wirkt, welches auf einer Antriebswelle für ein Kompressorrad
montiert ist, das in einem Kompressorteil 23 des Turboladers
lokalisiert ist. Der Kompressorteil 23 kann Druckluft in
Richtung des Pfeils A durch einen Luftstromdurchlass 24 und
möglicherweise
einen Zuleitungsluftkühler 25 an
ein Spülluftsystem 26 liefern.
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Das Spülluftsystem umfasst mindestens
einen Spülluftauffang 27,
gemeinsam für
einige oder alle Zylinder, und für
den einzelnen Zylinder einen Flussdurchlass 28, der eine
Zuleitungsluftkammer 29 mit dem Spülluftauffang verbindet, so
dass die Zuleitungsluft in Richtung des Pfeils B strömen kann,
um die Zuleitungsluftkammer mit Luft zu füllen, die durch den Zylinder
verbraucht werden soll. Der Spülluftauffang
ist ein Druckbehälter
mit einer zylindrischen Form, die im Querschnitt kreisförmig ist.
Rückschlagventile 31 werden
an den Luftzuleitungen im unteren Bereich des Spülluftauffangs 27 zur
Verfügung
gestellt.
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Die Zuleitungsluft wird sowohl Spülluft als
auch Ladeluft genannt. Trotzdem ist die Zuleitungsluft ein und dasselbe.
In einem zweitaktigen Motor wird Zuleitungsluft benötigt, um
die Verbrennungskammer von den Verbrennungsprodukten zu spülen (reinigen),
während
das Auslassventil geöffnet
ist, und Zuleitungsluft, um den Zylinder mit Luft für den nächsten Verbrennungsprozess
nach dem Schließen
des Auslassventils aufzuladen. Die Zuleitungsluftkammer 29 umgibt
den unteren Bereich der Zylinderlaufbuchse 1 mit den Spülluftöffnungen 2.
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Während
des Verbrennungstakts eines zweitaktigen Zyklus wird der Kolben 5 nach
unten bewegt, bis er im untersten Teil der Zylinderlaufbuchse an
der unteren Totpunktposition positioniert ist, in der die obere
Fläche
des Kolbens unterhalb der Spüllufföffnungen 2 lokalisiert
ist. In dem Moment, wenn der Kolben bei seiner Bewegung nach unten
die Spüllufföffnungen
passiert, strömt
Luft aus der Zuleitungsluftkammer 29 in den Zylinder und
verursacht einen Druckabfall in der besagten Kammer und auch im
Spülluftauffang
in der lokalen Gegend in der Nähe
des Flussdurchlasses 28, der in den Zylinder führt.
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Der Luftverbrauch und der damit verknüpfte lokale
Druckabfall im Spülluftauffang
treten an den Flussdurchlassen 28 auf, die entlang der
Länge des
Spülluftauffangs
verteilt sind. Die Zylinder verbrauchen Luft in einer sequentiellen
Art und Weise zu Zeitpunkten, die von der Startsequenz des Motors
abhängen.
Da die Zuführung
von Zuleitungsluft an die Zylinder sowohl mit der Zeit als auch
mit dem Ort variiert, kann die Luft im Spülluftauffang dazu gebracht
werden zu fluktuieren. Die natürlichen
Frequenzen von longitudinalen Gasdruckwellen innerhalb des Spülluftauffangs
hängen
unter anderem von der Länge
des Auffangs ab.
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Den in 5 veranschaulichten
Spülluftauffang
teilen sich alle Zylinder auf dem Motor, und er erstreckt sich konsequenterweise
entlang der gesamten Länge
des Motors. Die niedrigste natürliche
Frequenz der Luftfluktuationen im Spülluftauffang entspricht den
so genannten Gaspulsationen der ersten Mode, in der die Drücke an den
Enden des Auffangs in Gegenphase sind und die größten Geschwindigkeitsänderungen
in der Mitte des Auffangs auftreten. Die Gaspulsation der ersten
Mode wird durch die Kurve a in 5 veranschaulicht.
Die Gaspulsation der zweiten Mode wird durch die Kurve b in 5 veranschaulicht. Es erscheint, dass
die Gaspulsation der ersten Mode einen einzigen Knoten 32 besitzt,
die Gaspulsation der zweiten Mode zwei Knoten 32, und so
weiter mit einem zusätzlichen
Knoten für
jede Zunahme in der Nummer der Mode.
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Die Fähigkeit des sequentiellen Verbrauchs
von Luft, um gasdynamische Oszillationen im Spülluftauffang anzuregen, hängt von
der Startsequenz des Motors und der aktu ellen Motorgeschwindigkeit
ab. Wenn die Frequenz der Druckwellen mit einer natürlichen
Frequenz für
eine spezifische Mode von Gaspulsationen zusammenfällt, können recht
große
Luftdruckfluktuationen auftreten. Diese unerwünschten Druckfluktuationen können sich
auf die Füllung
der Zylinder auswirken, insbesondere der Zylinder, die sich an den
größten Abständen von
den Knoten 32 in der relevanten Vibrationsordnung befinden.
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Es ist natürlich möglich, den Spülluftauffang
in mehrere Auffangbereiche zu unterteilen, die nacheinander Ende
an Ende angeordnet sind. Obwohl dies die Länge des einzelnen Spülluftauffangs
verändert,
löst es
nicht das Problem der Druckfluktuationen, erstens weil die Fluktuationen
immer noch auftreten werden und zweitens weil die Unterteilung zur
gleichen Zeit mögliche
Variationen in der Luftmenge, die von den einzelnen Turboladern
geliefert wird, dominanter macht, da solche Variationen nicht wie
in einem einzigen Spülluftauffang,
der allen Zylindern gemeinsam ist, ausgeglichen werden können.
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Durch die Auswahl der Startsequenz
unter Beachtung der oben erwähnten
Bedingungen a) bis d) ist die Sequenz, in der die Zylinder Luft
vom Spülluftauffang
verbrauchen, so, dass die Variationen bei der Befüllung der
Zylinder aufgrund von Spülluftpulsationen
so klein sind, dass sie keine störenden
Justierungen in der Treibstoffeinstellung für die Zylinder verursachen.
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Beispiele für Startsequenzen, die die Bedingungen
a) bis f) erfüllen,
können
wie folgt angegeben werden:
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Andere Startsequenzen können auch
die Bedingungen erfüllen,
und folglich sind die genannten Startsequenzen als bevorzugte aber
nicht ausschließliche
Beispiele für
Startsequenzen für
den 14-zylindrigen Motor zu betrachten.
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Die folgenden Startsequenzen erfüllen die
Bedingungen von Anspruch 5 a) < 1,
b) < 2, c) < 2, d) < 2,2, e) < 1,5, f) < 1,5:
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Die folgenden Startsequenzen erfüllen die
Bedingungen a) < 1,
b) < 1, c) < 1, d) < 1, e) < 1, f) < 1:
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In der erwähnten Startsequenz Nr. 1 zünden die
Zylinder C1 bis C14 in der Reihenfolge 1 4 9 14 7 2 6 11 12 5 3
8 10 13. Die Startsequenz ist im Motor dadurch imp lementiert, dass
die Kurbelwelle 10 mit Kurbelwellenkröpfungen 33 gefertigt
ist, die in dem Winkelmuster ausgerichtet sind, das zum Erzielen
der Startsequenz benötigt
wird. Die Startsequenz wird durch das Design der Kurbelwelle bestimmt. 3 veranschaulicht das Muster,
das für
die Startsequenz Nr. 1 als eine ausgeglichene Startsequenz benötigt wird,
und zwar eine Startsequenz mit einem regulären (ausgeglichenen) Winkelintervall
von 360°/14
zwischen den Zündungen. Jede
Kurbelwellenkröpfung 33 umfasst
zwei Kurbelwangen 34 und den Zapfen der Kurbelwelle 9,
und die Kurbelwellenzapfen 11 verbinden die Kurbelwellenkröpfungen
zu einer vollständigen
Kurbelwelle. Die Kurbelwellenzapfen sind entlang einer Mittelachse 35 der
Kurbelwelle angeordnet, und sie werden in Hauptlagern in der Auflageplatte 12 unterstützt.
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Die Distanz 1 zwischen den
Zylindern ist konstant durch die ganze in 3 veranschaulichte Kurbelwelle hindurch,
außer
zwischen den Zylindern C7 und C8, wo die Distanz 12 = 1 + 11 ist,
das ist die normale Distanz zwischen den Zylindern plus eine zusätzliche
Länge 12,
die durch die Anwesenheit von zwei Hauptlagern und eines dazwischen
liegenden Kurbelwellenverbindungsstücks, so wie eine Flanschverbindung,
wo zwei Kurbelwellenbereiche durch Schrauben verbunden sind, verursacht
wird. Die Kurbelwelle kann geeignet in zwei Bereiche unterteilt
werden, um das Gewicht des einzelnen Bereichs zu reduzieren. Das
vereinfacht das Heben der Kurbelwelle auf die Auflageplatte während der
Montage des Motors und es vereinfacht auch die Fertigung der Kurbelwelle,
da die vollständige
Kurbelwelle eines 14-zylindrigen Motors der relevanten Größe ein Gewicht
deutlich mehr als 250 t haben kann. Die Distanz 12 zwischen
den Zylindern, die an der Verbindung lokalisiert sind, ist größer als
die Distanz 1 zwischen den anderen Zylindern. Es ist auch
möglich,
die Kurbelwellenverbindung zwischen den Zylindern C8 und C9 zu lokalisieren.
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Der Motor kann ein elektronisch gesteuerter
Motor sein, ohne eine Steuerwelle zum Aktivieren der Treibstoffpumpen
und Auslassventile, zum Beispiel ein Motor vom Typ ME. Wenn der
Motor von einem traditionellen Typ mit Steuerwelle ist, kann die
Steuerwelle von der Kurbelwelle durch einen Kettenantrieb oder einen
Zahnradantrieb angetrieben werden, welche passend zwischen den durch
die größere Distanz 12 separierten
Zylindern lokalisiert sein können.
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Die entsprechenden Winkel zwischen
den Kurbelwellenkröpfungen 33 der
Kurbelwelle aus 3 sind auch
in 4 veranschaulicht.
Es ist auch möglich,
unregelmäßige Startsequenzen
zu verwenden, und zwar eine Startsequenz, die ungleichmäßig in dem
Sinne ist, dass das Winkelintervall zwischen den Zündungen
von mindestens zwei Paaren, und möglicherweise mehreren Paaren,
von nacheinander zündenden
Zylindern von 360°/14
abweicht. Eine Abweichung von nur ein paar Grad kann in einem anderen
Vibrationsmuster im Motor resultieren. Solche unregelmäßigen Startsequenzen
können
nützlich
für die
Feinabstimmung der resultierenden Vibrationscharakteristiken des
Motors sein. Unter Beachtung der Gaspulsationen im Spülluftauffang
ist es die Startsequenz als solche, die wichtig für das Erreichen
des vorteilhaft niedrigen Niveaus an Gaspulsationen ist, und nicht,
ob die Startsequenz regelmäßig oder
unregelmäßig ist.
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Die Berechnung, ob eine bestimmte
Startsequenz die einzelnen Bedingungen a) bis d) und die weiteren
Bedingungen e) und/oder f) erfüllt,
wird typischerweise elektronisch durch ein Computerprogramm durchgeführt, so
wie das von MAN B&W
Diesel entwickelte PROFIR oder so wie ein Lehrbuchprogramm wie es
in „Die
Verbrennungskraftmaschine" von
N. Maass / H. Klier und K. E. Hafner / H. Maass, veröffentlicht
im Springer-Verlag, Wien, New York, offenbart ist.
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Die Berechnungen werden im Folgenden
in Hinblick auf den in 2 veranschaulichten
14-zylindrigen Motor durch Beispiele erläutert. Der Motor ist von der
Machart MAN B&W
Diesel und dem Typ MC, genauer 14K98MC, mit einer Zylinderbohrung
von 0,98 m und einem nominellen Zylinderabstand von 1 = 1,75 m.
Die Gesamtlänge
zwischen den vertikalen Mittelachsen C1 und C14 ist 23,99 m, und
ein Kettengetriebe befindet sich zwischen den Zylindern C7 und C8.
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Die zusätzliche Länge 11 zwischen C7 und C8 ist
1,24 m, so dass die resultierende Distanz zwischen den Zylindern
C7 und C8 gleich 12 = 2,99 m ist. Mit der oben er wähnten Startsequenz
Nr. 1, 1 4 9 14 7 2 6 11 12 5 3 8 10 13, werden die folgenden Werte
berechnet.
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Die Zündwinkel für die Zylinder C1 bis C14 sind:
0°, 128,6°, 257,1°, 25,7°, 231,4°, 154,3°, 102,9°, 282,9°, 51,4°, 308,6°, 180,0°, 205,7°, 334,2° und 77,1°.
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Für
die Berechnung der Gaspulsationen werden durch lineare Interpolation
die folgenden Werte F(n) mit Hinblick auf die Position der Zylinder
zwischen F(1) = 1 bei Zylinder C1 und F(14)= –1 bei Zylinder C14 gefunden:
F(1) = 1, F(2) = 0,85411, F(3) = 0,70821, F(4) = 0,56232, F(5) =
0,41642, F(6) = 0,27053, F(7) = 0,12464, F(8)= –0,1246, F(9)= –0,2705,
F(10)= –0,4164,
F(11)= –0,5623,
F(12)= –0,7082,
F(13)= –0,8541
und F(14)= –1.
Die Position des Zylinders wird berechnet als die Distanz des Zylinders
Cn vom Zylinder C1 in der longitudinalen Richtung des Motors geteilt
durch die gesamte Distanz zwischen den Mittelachsen der Zylinder C1
und C14. F(n) ist folglich gleich 1 – 2 × (Distanz des Zylinders Cn
vom Zylinder C1) / (gesamte Distanz vom Zylinder C1 bis zum Zylinder
C14).
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In Hinblick auf den Wert von ωt in der
Vektorsummation der Gleichungen a) bis f) 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 Hinblick auf den Wert für die in
Bedingung a) geforderten Gaskräfte
vierter Ordnung ergeben die Sinuskomponenten multipliziert mit F(n)
für die
entsprechenden Zylinder die folgenden Werte: C1 = 0, C2 = 0,37058,
C3 = –0,5537,
C4 = 0,54822, C5 = –0,1807,
C6 = –0,2637,
C7 = 0,09744, C8 = –0,0974,
C9 = 0,11738, C10 = –0,1807,
C11 = 0,0000, C12 = –0,6905,
C13 = 0,83269, C14 = 0,78138, und die Summe der Sinuskomponenten
ist 0,7814.
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Die Kosinuskomponenten multipliziert
mit F(n) nach Gleichung a) für
die entsprechenden Zylinder ergeben die folgenden Werte: C1 = 1,
C2 = –0,7695,
C3 = 0,44156, C4 = –0,1251,
C5 = –0,3752,
C6 = –0,0602, C7
= 0,07771, C8 = –0,0777,
C9 = 0,24374, C10 = 0,37518, C11 = –0,56232, C12 = 0,15759, C13
= 0,19006, C14 = –0,6235,
und die Summe der Kosinuskomponenten ist –0,108. Die resultierende Länge des
Vektors ist die Quadratwurzel aus (0,7814 × 0,7814 plus –0,108 × –0,108)
= 0,789, was deutlich unterhalb des Wertes von 2,5 liegt.
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In Hinblick auf den Wert für die in
Bedingung b) geforderten Gaskräfte
fünfter
Ordnung ergeben die Sinuskomponenten multipliziert mit F(n) für die entsprechenden
Zylinder die folgenden Werte: C1 = 0, C2 = –0,8327, C3 = –0,3073,
C4 = 0,43964, C5 = 0,40598, C6 = 0,21151, C7 = 0,05408, C8 = 0,0541,
C9 = 0,26375, C10 = –0,406,
C11 = 0,000, C12 = 0,5537, C13 = 0,6678, C14 = –0,4339, und die Summe der
Sinuskomponenten ist 0,6707.
-
Die Kosinuskomponenten multipliziert
mit F(n) nach Gleichung b) für
die entsprechenden Zylinder ergeben die folgenden Werte: C1 = 1,
C2 = 0,19006, C3 = –0,6381,
C4 = –0,3506,
C5 = 0,09266, C6 = 0,16867, C7 = –0,1123, C8 = –0,1123,
C9 = 0,0602, C10 = 0,09266, C11 = 0,56232, C12 = –0,4416,
C13 = 0,53253, C14 = –0,901,
und die Summe der Kosinuskomponenten ist 0,1433. Die resultierende
Länge des
Vektors ist 0,6858, was deutlich unterhalb des Wertes von 2,0 liegt.
-
In Hinblick auf den Wert für die in
Bedingung c) geforderten Gaskräfte
sechster Ordnung ergeben die Sinuskomponenten multipliziert mit
F(n) für
die entsprechenden Zylinder die folgenden Werte: C1 = 0, C2 = 0,66777,
C3 = 0,69046, C4 = 0,24398, C5 = –0,3256, C6 = –0,1174,
C7 = –0,1215,
C8 = 0,12151, C9 = 0,21151, C10 = –0,3256, C11 = 0,0000, C12
= –0,3073,
C13 = 0,37058, C14 = –0,9749,
und die Summe der Sinuskomponenten ist 0,1336.
-
Die Kosinuskomponenten multipliziert
mit F(n) nach Gleichung c) für
die entsprechenden Zylinder ergeben die folgenden Werte: C1 = 1,
C2 = 0,53253, C3 = –0,1576,
C4 = –0,5066,
C5 = 0,25964, C6 = –0,2437, C7
= –0,0277,
C8 = 0,02773, C9 = –0,1687,
C10 = –0,2596,
C11 = –0,5623,
C12 = 0,63808, C13 = 0,76952, C14 = 0,22252, und die Summe der Kosinuskomponenten
ist 1,5237. Die resultierende Länge
des Vektors ist 1,5295, was deutlich unterhalb des Wertes von 2,1
liegt.
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In Hinblick auf den Wert für die in
Bedingung d) geforderten Gaskräfte
siebter Ordnung ergeben die Sinuskomponenten multipliziert mit F(n)
für die
entsprechenden Zylinder die folgenden Werte: C1 = 0, C2 = 0,0000,
C3 = 0,0000, C4 = 0,0000, C5 –0,0000,
C6 = 0,0000, C7 = 0,0000, C8 = 0,0000, C9 = 0,0000, C10 = 0,0000,
C11 –0,0000,
C12 = 0,0000, C13 = 0,00000, C14 = 0,0000, und die Summe der Sinuskomponenten ist
0,00.
-
Die Kosinuskomponenten multipliziert
mit F(n) nach Gleichung d) für
die entsprechenden Zylinder ergeben die folgenden Werte: C1 = 1,
C2 = –0,8541,
C3 = 0,7082, C4 = –0,5623,
C5 = –0,4164,
C6 = 0,2705, C7 = 0,1246, C8 = 0,12464, C9 = –0,2705, C10 = –0,4164,
C11 = 0,5623, C12 = –0,7082,
C13 = 0,85411, C14 = 1,0, und die Summe der Kosinuskomponenten ist
1,4164. Die resultierende Länge
des Vektors ist 1,4164, was deutlich unterhalb des Wertes von 2,2
liegt.
-
Für
die Berechnung der für
die Bedingungen e) und f) relevanten Kerbenmomente werden die Werte von
F(n) auf die folgende Art und Weise berechnet: F(n) = F(n–1) + ((Distanz
von der Mittelachse des Zylinders Cn–1 zur
Mittelachse des Zylinders Cn) / (nominelle
Distanz zwischen den Zylindern)). Die nominelle Distanz zwischen
den Zylindern ist die horizontale Distanz zwischen den vertikalen
Mittelachsen von zwei nebeneinander liegenden Zylindern, wobei kein
Kettenantrieb zwischen den Zylindern liegt. Wenn der Motor mit einem Kettenantrieb
für eine
Steuerwelle zur Verfügung
gestellt wird, ist dieser Kettenantrieb typischerweise in der Mitte
des Motors lokalisiert. Die nominelle Distanz zwischen den Zylindern
kann folglich im gewöhnlichen
Fall identifiziert werden als die Distanz zwischen den Zylindern
im Endbereich des Motors, so wie die Distanz zwischen den Zylindern
C1 und C2. Für
den oben erwähnten
Motor werden die folgenden Werte gefunden: F(1) = 0, F(2) = 1, F(3)
= 2, F(4) = 3, F(5) = 4, F(6) = 5, F(7) = 6, F(8) = 7,70857, F(9)
= 8,70857, F(10) = 9,70857, F(11) = 10,70857, F(12) = 11,70857,
F(13) = 12,70857 und F(14) = 13,70857.
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In Hinblick auf den Wert für die Kerbenmomente
erster Ordnung in Bedingung e) ergeben die Sinuskomponenten multipliziert
mit F(n) für
die entsprechenden Zylinder die folgenden Werte: C1 = 0, C2 = 0,78183, C3
= –1,94499,
C4 = 1,30165, C5 = –3,1273,
C6 = 2,1694, C7 = 5,84957, C8 = –7,5153, C9 = 6,8086, C10 = –7,5905,
C11 = 0,0000, C12 = –5,0802,
C13 = –5,514,
C14 = 13,3649, und die Summe der Sinuskomponenten ist –0,501.
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Die Kosinuskomponenten multipliziert
mit F(n) nach Gleichung e) für
die entsprechenden Zylinder ergeben die folgenden Werte: C1 = 0,
C2 = –0,6235,
C3 = –0,445,
C4 = 2,70291, C5 = –2,49396,
C6 = –4,50484, C7
= –1,3351,
C8 = 1,71532, C9 = 5,42971, C10 = 6,0532, C11 = –10,7086, C12 = –10,549,
C13 = 11,45, C14 = 3,0504, und die Summe der Kosinuskomponenten
ist –0,258.
Die resultierende Länge
des Vektors ist 0,5639, was deutlich unterhalb des Wertes von 2,5
ist.
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In Hinblick auf den Wert für die Kerbenmomente
zweiter Ordnung in Bedingung f) ergeben die Sinuskomponenten multipliziert
mit F(n) für
die entsprechenden Zylinder die folgenden Werte: C1 = 0, C2 = –0,9749, C3
= 0,86777, C4 = 2,34549, C5 = 3,8997, C6 = –3,90916, C7 = –2,6033,
C8 = –3,3446,
C9 = 8,4902, C10 = –9,4652,
C11 = 0,0000, C12 = 9,15413, C13 = –9,936, C14 = 5,9479, und die
Summe der Sinuskomponenten ist 0,4721.
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Die Kosinuskomponenten multipliziert
mit F(n) nach Gleichung f) für
die entsprechenden Zylinder ergeben die folgenden Werte: C1 = 0,
C2 = –0,2225,
C3 = –1,8019,
C4 = 1,87047, C5 = –0,89008,
C6 = 3,1174, C7 = –5,4058,
C8 = –6,9452,
C9 = –1,9378,
C10 = –2,1604,
C11 = 10,70857, C12 = 7,30017, C13 = 7,92366, C14 = –12,351,
und die Summe der Kosinuskomponenten ist –0,794. Die resultierende Länge des
Vektors ist 0,9241, was deutlich unterhalb des Wertes von 6,0 ist.
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Die die Kerbenmomente erzeugten Kräfte sind
in 6 veranschaulicht.
Wenn der Zylinder 14 eine Verbrennungssequenz durchführt, führt die
nach oben gerichtete Kraft auf die Zylinderabdeckung zu nach oben
gerichteten Kräften 36 in
den vier Zugstangen, die den Zylinderbereich mit der Auflagepfatte
verbinden, und zur gleichen Zeit wird das zum Zylinder 14 gehörige Hauptlager
einer nach unten gerichteten Schubkraft 37 ausgesetzt. Ähnliche
Kräfte
tauchen an den anderen Zylindern auf, wenn diese zünden. Diese
vertikal wirkenden Kräfte
erzeugen die so genannten Ker benmomente, die auf den Motor und die
den Motor unterstützende
Struktur auf eine Weise wirken, die vertikale Vibrationen einführen kann.
Diese vertikalen Vibrationen können
einen negativen Einfluss haben, insbesondere wenn der Motor ein
Hauptantriebsmotor auf einem Containerschiff ist, weil die Kerbenmomente
Hüllenvibrationen
eines überaus
unerwünschten
Charakters induzieren werden. Der Motor gemäß der vorliegenden Erfindung
hat Startsequenzen, die die Größe der Kerbenmomente
limitieren, und der Motor ist folglich besonders geeignet für den Einsatz
in einem Containerschiff, das typischerweise eine lange Hülle hat
und einen Hauptmotor benötigt,
der eine sehr hohe Leistung erzeugt, um das Schiff mit der hohen
Geschwindigkeit anzutreiben, die benötigt wird, wenn Ladung von
hohem Wert transportiert wird. Zusätzlich zur Lösung der
Probleme der unterschiedlichen Füllung
der Motorzylinder, ein Problem, welches für einen Motor mit hoher Leistung
von besonderer Bedeutung ist, löst
der Motor gemäß der vorliegenden
Erfindung gleichzeitig eines der großen Vibrationsprobleme, die
zum Antrieb eines Containerschiffs gehören.
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Der Motor gemäß der vorliegenden Erfindung
ist so besonders geeignet für
den Einsatz als ein Hauptantriebsmotor in einem Containerschiff,
und besonders in einem Containerschiff mit einer Kapazität von mindestens
10000 TEU (20-Fuß-Einheiten),
so wie zum Beispiel von 10200 bis 14000 TEU, wobei eine TEU einem einzelnen
20-Fuß-Container entspricht.
TEU ist das Standardmaß für die Kapazität eines
Containerschiffs.
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Die unten aufgeführte Tabelle 1 zeigt die relevanten
Vibrationswerte für
einige der anderen oben erwähnten
Startsequenzen. Die Startsequenzen sind mit FS 1 usw. entsprechend
der Nummerierung der oben erwähnten
Sequenzen nummeriert. Die Tabelle gibt die Vektorlängen gemäß jeder
einzelnen der Bedingungen a) bis f) an.
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Es ist möglich, an den oben beschriebenen
Ausführungen
Veränderungen
vorzunehmen. Es ist zum Beispiel möglich, eine andere Anzahl an
Turboladern auf dem Motor zu verwenden, so wie zwei oder drei Turbolader,
und auch mehr als vier Turbolader, so wie von fünf bis acht Turbolader. Der
Motorrahmen kann von jeder geeigneten Form sein, und die Zylinderbereiche
können
in den Rahmen integriert sein. Der Spülluftauffang – und möglicherweise
auch der Abgasauffang – können andere
Querschnittsformen haben als die zirkulare Form, so wie eine polygonale
Form oder eine teilweise zirkulare Form kombiniert mit einem oder
mehreren linearen Abschnitten. Das Spülluftsystem kann neben den
beschriebenen weitere Elemente umfassen, so wie Kondenswasserkollektoren.
Die Zylinder müssen
nicht mit C1 am vorderen Ende und C14 am hinteren Ende des Motors
bezeichnet werden. Sie können
genauso gut mit C1 am hinteren Ende und mit C14 am vorderen Ende
nummeriert werden. Als eine Alternative zum Einsatz als Hauptmotor
in einem Schiff kann der Motor als ein ortsfester Motor in einem
Kraftwerk verwendet werden.
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Es ist auch möglich, strengere Kriterien
als die oben erwähnten
Kriterien für
die Bedingungen zu setzen. Beispielsweise kann, mit Hinblick auf
die Gaspulsation, Bedingung a) Vgas(4) < 1,2 oder Vgas(4) < 0,9 sein. Mit Hinblick
auf die Gaspulsation kann Bedingung b) limitiert sein auf Vgas(5) < 1,2 oder Vgas(5) < 1,0, Bedingung
c) kann limitiert sein auf Vgas(6) < 1,2 oder Vgas(6) < 1,0, und Bedingung
d) kann limitiert sein auf Vgas(7) < 2,0 oder Vgas(7) < 1,5. Bedingung
e) kann limitiert sein auf Vnick(1) < 1,3 oder Vnick(1) < 1,0, und Bedingung
f) kann limitiert sein auf Vnick(2) < 1,3 oder Vnick(2) < 1,0. Diese strengeren
Bedingungen können je
nach Wunsch einzeln oder in Kombination angewendet werden. Die strengeren
Bedingungen reduzieren die Anzahl der Startsequenzen, die die Bedingungen
erfüllen,
aber zur gleichen Zeit resultieren sie in 14-zylindrigen Motoren,
die noch günstigere
Vibrationscharakteristiken haben.