DE102015203185A1

DE102015203185A1 - Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider für Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102015203185A1
Application number: DE102015203185.3A
Authority: DE
Inventors: Rodrigo Mendes de Oliveira; Neil Paul Lewington
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2015-02-23
Publication date: 2015-08-27
Also published as: US20150240760A1; US9234484B2; RU2015105573A3; AU2015200039B2; RU2696166C2; MX2015002150A; MX355277B; CN204755137U; RU2015105573A; BR102015002538A2; AU2015200039A1

Abstract

Es wird ein integrierter Schnorcheleinlassträgheitsabscheider zum Entfernen von Staub und Schmutzschadstoffen aus dem Motoreinlasssystem vor Erreichen des Luftfilters bereitgestellt. Der Schnorchel leitet eine zyklonale Bewegung am Schnorcheleinlass ein, die sich stromabwärts in einem Vorrohr zum Luftfilter ausbreitet. Die zyklonale Bewegung wird durch radiale Statoren eingeleitet, die bei einer Ausführungsform in der Schnorcheleinlasskappe oder als Alternative weiter abwärts in der Kehle des Vorrohrs angebracht sind. Die Schadstoffe im Einlassstrom werden durch die zyklonale Bewegung radial nach außen befördert und dann über eine Reihe von im Schnorchelvorrohr ausgebildeten Abziehkanälen ausgestoßen. Die Abziehentlüftungen verlaufen senkrecht zu dem zyklonalen Strom, wodurch gestattet wird, dass Schmutz-, Staub- und Wasserteilchen mittels zyklonaler Bewegung und Schwerkraft abgezogen werden. Die Austrittsschlitze befinden sich in Niederdruckbereichen, die durch den aerodynamischen Luftstrom um den Schnorchel erzeugt werden.

Description

Das offenbarte erfinderische Konzept betrifft allgemein Luftfilterungssysteme für Verbrennungsmotoren für Fahrzeuge. Insbesondere betrifft das offenbarte erfinderische Konzept Schnorcheleinlasssysteme für solche Motoren, die Staub und Schmutzschadstoffe aus dem Motoreinlasssystem vor dem Erreichen des Luftfilters entfernen.
Kraftfahrzeuge müssen in mehreren Umgebungen betrieben werden, die viele unerwünschte Schadstoffe, wie zum Beispiel Staub, Schmutz und Wasser, die für Verbrennungsmotoren problematisch sind, enthalten. In extremen Umgebungen werden diese Schadstoffe im Luftfilter aufgenommen und können dazu führen, dass der Luftfilter weit vor dem angesetzten Serviceintervall durch Sättigung mit Schadstoffen an seine Kapazitätsgrenze stößt. Fahrzeuge, die im Bergbau betrieben werden, erfahren zum Beispiel trotz ihrer reduzierten Serviceintervalle für Fahrzeuge Motorprobleme.
Bekannte Schnorchelsysteme mit Vorreinigungsgstechnologie gehören normalerweise dem Nachrüstmarkt an und gewährleisten das Auffangen von Schmutzteilchen in Auffangkammern. Diese Kammern müssen zwischen Serviceintervallen geleert werden und stellen somit keine praktische Lösung für das durch ankommende schadstoffhaltige Luft geschaffene Problem dar. Des Weiteren verhindern diese Schnorchelausführungen als Nachrüstsysteme die Integration in das Schnorchelsystem ohne signifikante Modifizierung der Schnorchelausführung und der Fahrzeugästhetik. Da die Komponenten dem Nachrüstmarkt angehören, müssen sie nicht den Standards der Erstausrüster bezüglich solcher Aspekte wie Sichteinschränkungen, Sicherheit und Dauerhaltbarkeitsanforderungen entsprechen.
Wie in so vielen Bereichen der Fahrzeugtechnologie gibt es immer Verbesserungspotenzial hinsichtlich der Verwendung und des Betriebs von Schnorchelsystemen für Fahrzeuge, die Schadstoffe aus der ankommenden Luft entfernen sollen, bevor sie den Luftfilter des Fahrzeugmotors erreichen.
Die offenbarte Erfindung überwindet die Probleme bekannter Schadstoffabscheider durch Bereitstellung eines integrierten Schnorcheleinlassträgheitsabscheiders, der auf praktische, effiziente und kostengünstige Weise Staub und Schmutzschadstoffe aus dem Motoreinlasssystem vor Erreichen des Luftfilters entfernt.
Der Schnorchel gemäß dem offenbarten erfinderischen Konzept leitet eine zyklonale Bewegung am Schnorcheleinlass ein, die sich stromabwärts in einem Vorrohr zum Luftfilter ausbreitet. Die zyklonale Bewegung wird durch radiale Statoren eingeleitet, die bei einer Ausführungsform in der Schnorcheleinlasskappe angebracht sind. Als alternative Ausführungsform sind die Radialstatoren weiter unten im Hals des Vorrohrs vorgesehen.
Die Schadstoffe im Einlassluftstrom werden durch die zyklonale Bewegung nach außen befördert und dann über eine Reihe von im Schnorchelvorrohr ausgebildeten Abziehkanälen ausgestoßen. Die Abziehentlüftungen sind so konfiguriert, dass sie senkrecht zu dem zyklonalen Strom verlaufen, wodurch gestattet wird, dass Schmutz-, Staub- und Wasserteilchen mittels zyklonaler Bewegung und Schwerkraft abgezogen werden. Um das Abziehen der Schadstoffe weiter zu fördern, befinden sich die Austrittsschlitze in Niederdruckbereichen, die durch den externen aerodynamischen Luftstrom um den Schnorchel erzeugt werden.
Rechnergestützte Strömungsermittlungsverfahren (CFD – computational fluid dynamics) verwendende analytische Untersuchungen zeigen, dass die Einlassstatoren eine starke kohärente zyklonale Bewegung im Schnorchelvorrohr erzeugen. Diese Rotationsströmung reicht dazu aus, einen großen Anteil der Schadstoffe im Einlassluftstrom vor Erreichen des Luftfilters auszustoßen. Durch Optimierung des Einlassstatorkonzepts wird das Serviceintervall für den Strömungsfilter erheblich erweitert und dem Kunden eine für einen Händler angepasste Option für extreme Schadstoffumgebungen bereitgestellt. Der integrierte Trägheitsabscheider des offenbarten erfinderischen Konzepts gewährleistet, dass die Schnorchelausführung den durch die Industrie angeführten strengen Design-, Sicherheits- und Dauerhaltbarkeitszwängen genügt, während die Ästhetik der Schnorchelausführung bewahrt wird.
Die obigen Vorteile und andere Vorteile und Merkmale gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen hervor.
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung sollte nunmehr auf die Ausführungsformen Bezug genommen werden, die in den beigefügten Zeichnungen ausführlicher dargestellt sind und unten anhand von Beispielen der Erfindung beschrieben werden, in den Zeichnungen zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Fahrzeugs mit einem Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider gemäß des vorliegenden erfindungsgemäßen Konzepts;
2A eine perspektivische Ansicht des Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheiders;
2B einen Teil des Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheiders des offenbarten erfindungsgemäßen Konzepts als perspektivische Ansicht;
2C eine Teilseitenansicht des Einlasses des Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheiders des offenbarten erfindungsgemäßen Konzepts als Teildurchsicht;
2D eine Teilvorderansicht des Einlasses des in 2C gezeigten Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheiders;
3 eine perspektivische Teil- und Explosionsansicht des Einlasses des Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheiders des offenbarten erfindungsgemäßen Konzepts;
4 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform des Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheiders gemäß des offenbarten erfindungsgemäßen Konzepts, die in teilweise gebrochener Ansicht dargestellt wird;
5 eine perspektivische Teilansicht des Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheiders, die eine Großaufnahme der von dem Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider beabstandeten Abziehplatte zeigt;
6 eine perspektivische Teilansicht des Einlasses des Einlassteils des Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheiders des offenbarten erfindungsgemäßen Konzepts, die die ankommende Luft und die sich von den Radialstatoren ergebende zyklonale Wirkung zeigt;
7 eine Schnittansicht des Vorrohrs des Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheiders entlang der Linie 7-7 von 2B;
8 eine Innenteilansicht eines Teils des Vorrohrs des Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheiders, die das darin während des Betriebs gebildete Luftturbulenzmuster darstellt; und
9 eine Teilansicht der Vorderseite des Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheiders, die einen gebrochenen Bereich zeigt, der die darin erzeugte Luftturbulenz darstellt.
In den folgenden Figuren werden die gleichen Bezugszahlen für die Bezeichnung der gleichen Komponenten verwendet. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Betriebsparameter und Komponenten für verschieden ausgeführte Ausführungsformen beschrieben. Diese spezifischen Parameter und Komponenten sind als Beispiele mit aufgenommen und sollen keine Einschränkung darstellen.
Allgemein stellt das offenbarte erfindungsgemäße Konzept einen integrierten Schnorcheleinlassträgheitsabscheider zum Entfernen von Staub und Schmutzschadstoffen aus dem Motoreinlasssystem vor Erreichen des Luftfilters bereit. Der Schnorcheleinlassträgheitsabscheider kann breite Anwendung in den verschiedensten Fahrzeugen finden, darunter als nicht einschränkendes Beispiel das in 1 gezeigte Fahrzeug, das bei 10 allgemein dargestellt wird. Das Fahrzeug 10 ist der SUV-Art, aber der in 1 als Element 12 gezeigte Schnorcheleinlassträgheitsabscheider des offenbarten erfindungsgemäßen Konzepts kann auch an Lastwagen und Spezialfahrzeugen, wie zum Beispiel Bergbau- und Militärfahrzeugen, verwendet werden und findet insbesondere in Situationen Verwendung, in denen in der Umgebung des Fahrzeugbetriebs häufig Schmutz und Staub auftreten.
Der Schnorcheleinlassträgheitsabscheider 12 enthält einen Einlass 14 und ein Vorrohr 16. Es versteht sich, dass die dargestellte Form des Schnorcheleinlassträgheitsabscheiders 12 nur eine Andeutung sein soll, da andere Formen geeignet sein können, um den Zweck des offenbarten erfindungsgemäßen Konzepts zu erfüllen.
In den 2A–2D werden verschiedene detaillierte Ansichten des Schnorcheleinlassträgheitsabscheiders 12 gezeigt. Der Schnorcheleinlassträgheitsabscheider 12 enthält mindestens eine Abziehlüftungsplatte 18, die an der Seite des Vorrohrs 16 angebracht ist. Es können mehr als eine Abziehlüftungsplatte 18 am Vorrohr 16 auf der gleichen oder anderen Seiten des Vorrohrs 16 angebracht sein. Durch eine Luftleitung 20 ist der Ausgang oder das untere Ende des Schnorcheleinlassträgheitsabscheiders 12 am Lufteinlass des Motors befestigt.
Der Schnorcheleinlassträgheitsabscheider 12 verlässt sich auf eine Reihe von radialen Schaufeln, die einen Stator bilden, um eine zyklonale Bewegung um Vorrohr 16 herbeizuführen. Insbesondere ist am Einlassende des Vorrohrs 16 eine Endkappe 22 angebracht. Die Endkappe 22 enthält eine radiale Anordnung von Statorschaufeln 24, die integral am Einlass 14 des Vorrohrs 16 angebracht sind, um eine zyklonale Bewegung um Vorrohr 16 hervorzurufen.
Die Endkappe 22 kann als Teil des Schnorcheleinlassträgheitsabscheiders 12 vorgesehen sein oder kann an einem bestehenden Schnorcheleinlass als ein Nachrüstteil zum Ersetzen bekannter Lüftungsgitterausführungen angebracht sein. Die Befestigung der Endkappe 22 am Einlass 14 des Vorrohrs 16 ist in 3 dargestellt.
Der Schnorcheleinlassträgheitsabscheider 12 zeigt die Statorschaufeln 24 der Endkappe 22 als im Einlass 14 des Vorrohrs 16 positioniert. Obgleich diese Anordnung bevorzugt wird, ist es nicht die einzige Anordnung, die möglich ist, da die Statorschaufeln an anderer Stelle bezüglich des Vorrohrs 16 positioniert sein könnten. Als nicht einschränkendes Beispiel und unter Bezugnahme auf 4 wird ein Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider 30 gezeigt, der einen Einlass 32 und ein zugehöriges Vorrohr 34 hat. Gemäß dieser Anordnung sind Vorrohrstatorschaufeln 36 in einem Abstand stromabwärts des Einlasses 32 positioniert.
Unabhängig davon, ob die Statorschaufeln am Einlass des Vorrohrs oder stromabwärts des Einlasses platziert sind, ruft die radiale Anordnung der Statoren eine zyklonale Bewegung im Schnorchel hervor, wie oben angeführt. Eine graphische Darstellung der zyklonalen Strömung wird in 6 gezeigt, in der die Statorschaufeln 24 der Endkappe 22 eine zyklonale Luftströmung um Vorrohr 16 hervorgerufen haben. In dieser Figur zeigen die Geschwindigkeitsstromlinien die zyklonale Strömung im Schnorchelvorrohr 16 an, die durch 24 (oder 36, in Abhängigkeit von der Ausführungsform) hervorgerufen wird.
Genau diese zyklonale Wirkung, die in 6 dargestellt ist, verursacht, dass die oftmals im Luftstrom zu findenden Schadstoffe durch zyklonale Strömung radial nach außen gedrückt werden, wie in 8 dargestellt, welche eine Innenteilansicht eines Teils des Vorrohrs 16 des Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheiders 12 ist, die das darin während des Betriebs gebildete Luftturbulenzmuster zeigt. Die Partikel werden durch einen Abstreifer 38, der die Schadstoffe aus dem Vorrohr 16 leitet, "gefangen" oder "abgestreift". Auf diese Weise werden die Schadstoffe aus dem Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider 12 abgeführt.
Die Schadstoffe können auch durch die gleiche zyklonale Wirkung durch eine Reihe von Abziehentlüftungen, wie zum Beispiel die Abziehentlüftungen 40, 40', 40", die in den 8 und 9 gezeigt werden, ausgestoßen werden. Die Abziehentlüftungen sind vorzugsweise am hinteren unteren Teil des Schnorchelvorrohrs 16 ausgebildet und verwenden somit die zyklonale Strömungsbewegung und Schwerkraft zum Abziehen von Schadstoffen aus dem Einlassluftstrom.
Die oben angeführte offenbarte Erfindung überwindet die Herausforderungen, denen sich bekannte Statoren gegenübersehen, die zum Entfernen von Schadstoffen aus ankommender Luft, bevor die Luft den Luftfilter des Verbrennungsmotors erreicht, verwendet werden. Ein Fachmann erkennt anhand einer solchen Erörterung und anhand der beigefügten Zeichnungen und Ansprüche jedoch leicht, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen daran gemacht werden können, ohne von dem eigentlichen Erfindungsgedanken und dem angemessenen Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert wird, abzuweichen.

Claims

Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider zur Verwendung mit dem Lufteinlass eines Verbrennungsmotors, umfassend: ein Vorrohr mit einem Einlassende und einem Auslassende und einem zwischen dem Einlassende und dem Auslassende definierten Luftpfad; einen in dem Vorrohr ausgebildeten Abziehschlitz; eine Anordnung von abgewinkelten Schaufeln, die in dem Luftpfad angebracht sind, wodurch eine zyklonale Bewegung in dem Vorrohr durch die Anordnung von abgewinkelten Schaufeln hervorgerufen wird.
Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider nach Anspruch 1, wobei die Anordnung von Schaufeln an dem Einlassende des Vorrohrs angebracht ist.
Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Endkappe, wobei die Anordnung von Schaufeln integral mit der Endkappe ist.
Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider nach Anspruch 1, wobei das Vorrohr einen zentralen Bereich aufweist und wobei die Anordnung von abgewinkelten Schaufeln in dem zentralen Bereich des Vorrohrs angebracht ist.
Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Abstreifer, der dem mindestens einen Abziehschlitz zugeordnet ist.
Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Abziehentlüftungsplatte, die dem mindestens einen Abziehschlitz zugeordnet ist.
Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider zur Verwendung mit dem Lufteinlass eines Verbrennungsmotors, umfassend: ein Vorrohr mit einem Einlassende und einem Auslassende und einem zwischen dem Einlassende und dem Auslassende definierten Luftpfad; eine Anordnung von abgewinkelten Schaufeln, die in dem Luftpfad angebracht sind, wodurch eine zyklonale Bewegung in dem Vorrohr durch die Anordnung von abgewinkelten Schaufeln hervorgerufen wird.
Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider nach Anspruch 7, wobei die Anordnung von Schaufeln an dem Einlassende des Vorrohrs angebracht ist.
Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider nach Anspruch 7, ferner umfassend eine Endkappe, wobei die Anordnung von Schaufeln integral mit der Endkappe ist.
Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider nach Anspruch 7, wobei das Vorrohr einen zentralen Bereich aufweist und wobei die Anordnung von abgewinkelten Schaufeln in dem zentralen Bereich des Vorrohrs angebracht ist.
Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider nach Anspruch 7, ferner umfassend mindestens einen Abziehschlitz, der im Vorrohr ausgebildet ist.
Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider nach Anspruch 11, ferner umfassend einen dem mindestens einen Abziehschlitz zugeordneten Abstreifer.
Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider nach Anspruch 7, ferner umfassend eine Abziehentlüftungsplatte, die dem mindestens einen Abziehschlitz zugeordnet ist.
Verfahren zum Abscheiden von Schmutz aus ankommender Luft zur Zufuhr zu einem Verbrennungsmotor, umfassend: Bilden eines Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheiders, der ein Vorrohr mit einem Einlassende und einem Auslassende und einem zwischen dem Einlassende und dem Auslassende definierten Luftpfad und eine Anordnung von abgewinkelten Schaufeln, die in dem Luftpfad angebracht sind, umfasst; Hindurchführen von Luft durch die Schaufeln des Vorrohrs; und Abscheiden von Schmutz aus Luft durch durch die Schaufeln hervorgerufene zyklonale Bewegung.
Verfahren zum Abscheiden von Schmutz aus ankommender Luft nach Anspruch 14, wobei die Anordnung von Schaufeln an dem Einlassende des Vorrohrs angebracht ist.
Verfahren zum Abscheiden von Schmutz aus ankommender Luft nach Anspruch 15, wobei der Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider mit einer Endkappe versehen ist, wobei die Anordnung von Schaufeln integral mit der Endkappe ist.
Verfahren zum Abscheiden von Schmutz aus ankommender Luft nach Anspruch 14, wobei das Vorrohr einen zentralen Bereich aufweist und wobei die Anordnung von abgewinkelten Schaufeln in dem zentralen Bereich des Vorrohrs angebracht ist.
Verfahren zum Abscheiden von Schmutz aus ankommender Luft nach Anspruch 14, wobei der Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider mit mindestens einem im Vorrohr ausgebildeten Abziehschlitz versehen ist.
Verfahren zum Abscheiden von Schmutz aus ankommender Luft nach Anspruch 18, wobei der Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider ferner einen Abstreifer umfasst, der dem mindestens einen Abziehschlitz zugeordnet ist.
Verfahren zum Abscheiden von Schmutz aus ankommender Luft nach Anspruch 18, wobei der Schnorcheleinlassschmutzträgheitsabscheider ferner eine Abziehentlüftungsplatte umfasst, die dem mindestens einen Abziehschlitz zugeordnet ist.