DE1269836B

DE1269836B - Centrifugal separator for dedusting the intake air of internal combustion engines

Info

Publication number: DE1269836B
Application number: DEP1269A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Herbert Lebig
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1966-02-18
Filing date: 1966-02-18
Publication date: 1968-06-06

Description

Fliehkraftabscheider zum Entstauben der Ansaugluft von Brennkraftmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf Fliehkraftabscheider zum Entstauben der Ansaugluft von Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei parallel zueinander, in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneten Fliehkraftabscheidereinheiten, aus jeweils einem einen gemeinsamen Rohluftraum mit einem gemeinsamen Staubaustragungsraum verbindenden Mantelrohr, einem koaxial hierzu unter Abstand gelagerten, in den Reinluftraum führenden Innenrohr, unter Bildung eines Strömungskanals und einer im Ringraum zwischen Mantelrohr und Innenrohr angeordneten, eine Drallbewegung der Ansaugluft aufzwingenden Strömungsleiteinrichtung.Centrifugal separator for dedusting the intake air of internal combustion engines The invention relates to centrifugal separators for removing dust from the intake air of internal combustion engines with at least two parallel to each other, in a common Housing arranged centrifugal separator units, each from a common one The raw air space with a jacket pipe connecting a common dust discharge space, an inner tube, coaxially positioned at a distance from this, leading into the clean air room, forming a flow channel and one in the annular space between the jacket tube and Inner tube arranged, a swirling movement of the intake air forcing flow guide device.

Derartige Fliehkraftabscheider, deren parallelgeschaltete Abscheidereinheiten reihenweise oder ringförmig angeordnet sein können, sind bekannt. Sie benötigen zum Entstauben der Luft eine bestimmte Mindestgeschwindigkeit der Luftströmung. Unterhalb dieser Geschwindigkeit sind die auf die schwebenden Staubteilchen wirkenden Zentrifugalkräfte zu klein, um die Teilchen vollständig aus .der Luft abzuscheiden. Diese Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Strömungsgeschwindigkeit wirkt sich besonders störend bei Fliehkraftabscheidern von Brennkraftmaschinen aus, die mit wechselnden Drehzahlen gefahren werden, so daß die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft starken Schwankungen ausgesetzt ist. Dabei sind nicht nur niedere Strömungsgeschwindigkeiten unerwünscht wegen des damit verbundenen niederen Wirkungsgrades, sondern auch hohe Geschwindigkeiten, da .dabei die Widerstände in der Strömungsleiteinrichtung des Fliehkraftabscheiders stark anwachsen. Als Folge davon erwärmt sich die Luft, was sich ungünstig auf die Zylinderfüllung auswirkt und bei hohen Drehzahlen zu einer Überhitzung der Brennkraftmaschine führen kann.Such centrifugal separators, their separator units connected in parallel Can be arranged in rows or in a ring are known. you need a certain minimum speed of the air flow to remove dust from the air. Below this speed are those acting on the floating dust particles Centrifugal forces too small to completely separate the particles from the air. This dependence of the efficiency on the flow velocity has an effect particularly troublesome with centrifugal separators of internal combustion engines that with changing speeds are driven, so that the flow speed of the Intake air is exposed to strong fluctuations. This is not just about low flow velocities undesirable because of the associated low efficiency, but also high Speeds, since .due to this, the resistances in the flow guide device of the Centrifugal separator grow strongly. As a result, the air heats up, what has an unfavorable effect on the cylinder charge and at high speeds to a Can lead to overheating of the internal combustion engine.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Fliehkraftabscheider zu schaffen, bei dem die den bisherigen Ausführungen anhaftenden Nachteile des geringen Wirkungsgrades im niederen sowie die des großen Widerstandes im höheren Drehzahlbereich einer Brennkraftmaschine vermieden werden.It is the object of the invention to create a centrifugal separator, with the disadvantages of the low efficiency that are inherent in the previous versions in the lower and that of the high resistance in the higher speed range of an internal combustion engine be avoided.

Dies geschieht durch ein auf mindestens eine Fliehkraftabscheidereinheit wirkendes, über Gestänge mit einem von einem auf eine dem Luftdurchsatz entsprechende Regelgröße ansprechenden Steuergerät geschalteten Stellmotor verbundenes, den Strömungskanalquerschnitt beeinflussendes Absperrorgan.This is done by means of at least one centrifugal separator unit acting, via linkage with one from one to one corresponding to the air throughput Controlled variable responsive control device connected servomotor, the flow channel cross-section influencing shut-off device.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Steuergerät als .eine im Reinluftkanal angeordnete Drudkmeßdose .ausgebildet.According to an advantageous embodiment of the invention, the control device designed as .a pressure cell arranged in the clean air duct.

Um das Pendeln um einen Schaltpunkt zu vermeiden, liegt erfindungsgemäß der Schaltpunkt, der den Öffnungsimpuls gibt, bei einer höheren Strömungsgeschwindigkeit als der die Schließbewegung des Absperrorgans einleitende Schaltpunkt.In order to avoid oscillation around a switching point, according to the invention the switching point that gives the opening impulse at a higher flow velocity as the switching point initiating the closing movement of the shut-off device.

Die Zeichnung zeigt einige Ausführungsbeispiele der Erfindung, und zwar in F i g. 1 ein Schema für einen Fliehkraftabscheider mit drei Fliehkraftabscheidereinheiten, von denen eine abschaltbar ist, F i g. 2 eine Fliehkraftabscheidereinheit, die durch ein Ventil und F i g. 3 eine Fliehkraftabscheidereinheit, die durch einen Schieber abgeschaltet wird, F i g. 4 ein Druck-Drehzahl-Diagramm eines Fliehkraftabscheiders.The drawing shows some exemplary embodiments of the invention, and although in FIG. 1 a scheme for a centrifugal separator with three centrifugal separator units, one of which can be switched off, FIG. 2 a centrifugal separator unit, which by a valve and F i g. 3 a centrifugal separator unit, which is controlled by a slide is turned off, F i g. 4 a pressure-speed diagram of a centrifugal separator.

In F i g. 1 ist mit 11 ein Gehäuse bezeichnet, das durch Querwände 12 und 13 in einen Rohluftraum 14, einen Reinluftraum 15 und einen Staubaustragungsraum 16 aufgeteilt ist. Der Rohluftraum 14 ist durch eine Einlaßöffnung 17 mit der Außenluft verbunden. Der Reinluftraum 15 geht in die Ansaugleitung 18 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine über. Der Staubaustragungsraum 16 mündet in eine Absaugleitung 19. Im Rohluftraum 14 sind parallelgeschaltete Fliehkraftabscheidereinheiten 20, 21 und 22 angeordnet. Die Fliehkraftabscheidereinheiten bestehen jeweils aus einem Mantelrohr 23, einem Innenrohr 24 und einer Strömungsleiteinrichtung 25. Das Mantelrohr 23 liegt mit seiner einen Öffnung 26 frei im Rohluftraum 14 und führt mit einer Verjüngung 27 in den Staubaustragungsraum 16. Das Innenrohr 24 steht mit seiner Öffnung 28 mit dem Reinluftraum 15 in Verbindung und ragt koaxial in das Mantelrohr 23. In dem Ringkanal 29 zwischen den beiden Rohren 23 und 24 ist die Strömungsleiteinrichtung 25 angeordnet, die der angesaugten Luft einen Drall erteilt. Der Raum 30 im freien Teil des Mantelrohres 23 dient zum Abscheiden der Staubteilchen. Im Rohluftraum 14 ist eine parallel zur Querwand 13 schiebbare Deckplatte 31 zum Schließen der öffnung 26 des Mantelrohres 23 angeordnet. Die Deckplatte 31 hat eine Bohrung 32, durch die das Innenrohr 24 geführt ist. Ein O-Ring 33 dichtet den Spalt zwischen der Bohrung 32 und dem Innenrohr 24 ab. Die Deckplatte 31 ist beidseitig jeweils an einer Stange 34 befestigt, die einen in der Zeichnung nicht sichtbaren Anker trägt, der in einen Hubmagneten 35 eingetaucht ist. Eine zwischen einen Federteller 36 am Ende der Stange 34 und den Hubmagneten 35 gespannte Feder 37 drückt die Deckplatte 31 über die Stange 34 in die Richtung der Schließstellung. Eine übliche, schematisch dargestellte Druckmeßdose 38 in der Ansaugleitung 1.8 der Brennkraftmaschine ist über ein von einer Stromquelle 39 gespeistes Relais 40 durch Leitungen 41 bis 43 mit den beiden Hubmagneten 35 verbunden.In Fig. 1, 11 designates a housing which is divided by transverse walls 12 and 13 into a raw air space 14, a clean air space 15 and a dust discharge space 16. The raw air space 14 is connected to the outside air through an inlet opening 17. The clean air space 15 merges into the intake line 18 of an internal combustion engine, not shown. The dust discharge space 16 opens into a suction line 19. In the raw air space 14, centrifugal separator units 20, 21 and 22 connected in parallel are arranged. The centrifugal separator units each consist of a jacket tube 23, an inner tube 24 and a flow guide device 25. The jacket tube 23 lies with its one opening 26 free in the raw air space 14 and leads with a taper 27 into the dust discharge space 16. The inner tube 24 stands with its opening 28 the clean air space 15 in connection and protrudes coaxially into the jacket tube 23. In the annular channel 29 between the two tubes 23 and 24, the flow guide device 25 is arranged, which gives the sucked air a swirl. The space 30 in the free part of the jacket pipe 23 is used to separate the dust particles. In the raw air space 14, a cover plate 31, which can be pushed parallel to the transverse wall 13, is arranged to close the opening 26 of the jacket tube 23. The cover plate 31 has a bore 32 through which the inner tube 24 is guided. An O-ring 33 seals the gap between the bore 32 and the inner tube 24. The cover plate 31 is fastened on both sides to a rod 34 which carries an armature which is not visible in the drawing and which is immersed in a lifting magnet 35. A spring 37 tensioned between a spring plate 36 at the end of the rod 34 and the lifting magnet 35 presses the cover plate 31 over the rod 34 in the direction of the closed position. A conventional, schematically illustrated pressure cell 38 in the intake line 1.8 of the internal combustion engine is connected to the two lifting magnets 35 via lines 41 to 43 via a relay 40 fed by a current source 39.

Statt der im Schema gezeigten drei Fliehkraftabscheidereinheiten wird häufig eine Vielzahl von in Reihe angeordneten Fliehkraftabscheidereinheiten benutzt. Es ist möglich, einzelne Fliehkraftabscheidereinheiten oder Reihen von Fliehkraftabscheidereinheiten in mehreren Stufen nacheinander zu- oder abzuschalten. Normalerweise genügt es, einen Teil der Fliehkraftabscheidereinheiten, z. B. ein Drittel der Gesamtzahl, gleichzeitig zu- oder abzuschalten. Statt der Fliehkraftabscheidereinheiten mit einfacher Umlenkung kann man auch solche mit doppelter Umlenkung und gesonderter Abscheidung von Grob-und Feinstaub verwenden.Instead of the three centrifugal separator units shown in the diagram, often used a plurality of centrifugal separator units arranged in series. It is possible to have individual centrifugal separator units or rows of centrifugal separator units to be switched on or off in several stages one after the other. Usually it is enough part of the centrifugal separator units, e.g. B. one third of the total, to be switched on or off at the same time. Instead of the centrifugal separator units with single deflection one can also those with double deflection and a separate one Use coarse and fine dust separation.

Zum Abschalten der Fliehkraftabscheidereinheiten können statt der Mantelrohre auch die Innenrohre geschlossen werden. In den Beispielen nach den F i g. 2 bzw. 3 werden die Innenrohre durch eine Dichtplatte 44 bzw. durch einen Schieber 45 geschlossen. Die weiteren Bauteile der Schließvorrichtungen sowie der Fliehkraftabscheidereinheiten entsprechen denen der F i g. 1. Sie sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.To switch off the centrifugal separator units, instead of the Jacket pipes also the inner pipes are closed. In the examples according to F i g. 2 and 3 are the inner tubes through a sealing plate 44 or a slide 45 closed. The other components of the closing devices and the centrifugal separator units correspond to those of FIG. 1. They are given the same reference symbols.

Die Wirkungsweise des Fliehkraftabscheiders wird an Hand des Beispieles nach F i g. 1 näher erläutert. Die Verbrennungsluft strömt durch die Einlaßöffnung 17 in den Rohluftraum 14 des Gehäuses 11 und von dort durch die ständig offenen Fliehkraftabscheidereinheiten 20 und 21 sowie die geöffnete Fliehkraftabscheidereinheit 22. Der durch die Öffnung 26 der jeweiligen Fliehkraftabscheidereinheit in den Ringkanal 29 eingetretenen Luft wird von der Strömungsleiteinrichtung 25 ein Drall erteilt. Unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte werden die in der Luft enthaltenen Staubteilchen ihrem höheren spezifischen Gewicht entsprechend nach außen geschleudert. Nach dem Verlassen der Strömungsleiteinrichtung 25 fliegen die verhältnismäßig schweren Staubteilchen weiter in den Raum 30, während die Luft einwärts umgelenkt und in das Innenrohr 24 gesaugt wird. Dadurch werden die Staubteilchen abgeschieden und gelangen durch die Verjüngung 27 der Fliehkraftabscheidereinheit in den Staubaustragungsraum 16 und weiter in die Absaugleitung 19. Die gereinigte Luft strömt aus der Öffnung 28 des Innenrohres 24 in den Reinluftraum 15. Von dort gelangt die staubfreie Verbrennungsluft durch die Ansaugleitung 18 in die Brennkraftmaschine.The mode of operation of the centrifugal separator is illustrated using the example according to FIG. 1 explained in more detail. The combustion air flows through the inlet opening 17 into the raw air space 14 of the housing 11 and from there through the constantly open centrifugal separator units 20 and 21 and the open centrifugal separator unit 22. The air that has entered the annular channel 29 through the opening 26 of the respective centrifugal separator unit is controlled by the flow guide device 25 a twist granted. Under the effect of centrifugal forces, the dust particles contained in the air are thrown outwards according to their higher specific weight. After leaving the flow guide device 25, the relatively heavy dust particles fly further into the space 30, while the air is deflected inward and sucked into the inner tube 24. As a result, the dust particles are separated and pass through the taper 27 of the centrifugal separator unit into the dust discharge space 16 and further into the suction line 19. The cleaned air flows out of the opening 28 of the inner tube 24 into the clean air space 15. From there, the dust-free combustion air passes through the suction line 18 in the internal combustion engine.

Die in F i g. 1 gezeigte Stellung, in der die Deckplatte 31 der Fliehkraftabscheidereinheit 22 geöffnet ist, entspricht der Vollastdrehzahl der Brennkraftmaschine, während im niederen Drehzahlbereich, z. B. im Leerlauf, die Deckplatte 31 geschlossen ist.The in F i g. 1 position shown, in which the cover plate 31 of the centrifugal separator unit 22 is open, corresponds to the full load speed of the internal combustion engine, while in the lower speed range, e.g. B. idle, the cover plate 31 is closed.

Das Zu- und Abschalten der Fliehkraftabscheidereinheit 22 erfolgt in Abhängigkeit des Unterdruckes in der Ansaugleitung 18, da dieser eine Funktion der Drehzahl der Brennkraftmaschine und damit auch ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit und den damit verbundenen Druckverlust in den Fliehkraftabscheidereinheiten ist. Es ist aber auch möglich, die Fliehkraftabscheidereinheiten unmittelbar in Abhängigkeit der Drehzahl zu- oder abzuschalten, indem man als Geber einen Drehzahlmesser, z. B. den Fliehkraftregler der Brennkraftmaschine, benutzt.The connection and disconnection of the centrifugal separator unit 22 takes place as a function of the negative pressure in the suction line 18, since this is a function of the speed of the internal combustion engine and thus also a measure of the flow velocity and the associated pressure loss in the centrifugal separator units. But it is also possible to switch the centrifugal separator units on or off directly as a function of the speed by using a tachometer, e.g. B. the centrifugal governor of the internal combustion engine is used.

Der Schaltimpuls geht im Beispiel nach F i g. 1 von der Druckmeßdose 38 aus. Wird z. B. als Folge einer Drehzahlsteigerung ein bestimmter Unterdruck erreicht, so verbindet die Druckmeßdose 38 über das Relais 40 die Stromquelle 39 mit den beiden Hubmagneten 35. Entgegen dem Druck der Federn 37 werden die mit den Stangen 34 verbundenen Anker in die Hubmagneten 35 gezogen. Damit wird die Deckplatte 31 von der Öffnung 26 der Fliehkraftabscheidereinheit 22 abgehoben, die damit zusätzlich von der Verbrennungsluft durchströmt wird. Fällt der Unterdruck unter einen bestimmten, an der Druckmeßdose 38 einstellbaren Wert, so wird der Stromkreis über das Relais 40 unterbrochen, so daß die Hubmagneten 35 stromlos werden. Die Federn 37 können jetzt die Deckplatte 31 über die Stangen 34 wieder in die Schließstellung ziehen.In the example, the switching pulse goes to FIG. 1 from the pressure cell 38. Is z. B. achieved as a result of increase in rotational speed, a certain vacuum as 39 35. with the two solenoid Contrary connects the pressure transducer 38 via the relay 40, the power source the pressure of the springs 37 associated with the rods 34 anchors are drawn into the solenoid 35th The cover plate 31 is thus lifted from the opening 26 of the centrifugal separator unit 22, through which the combustion air also flows. If the negative pressure falls below a certain value which can be set at the pressure cell 38, the circuit is interrupted via the relay 40, so that the lifting magnets 35 are de-energized. The springs 37 can now pull the cover plate 31 back into the closed position via the rods 34.

Das in F i g. 4 dargestellte dimensionslose Druck-Drehzahl-Diagramm verdeutlicht die Wirkungsweise der Schaltung des Fliehkraftabscheiders nach der Erfindung. Auf der Abszisse ist das Drehzahlverhältnis der Drehzahl n zur Vollastdrehzahl n,, der Brennkraftmaschine, auf der Ordinate das Druckverhältnis des Druckverlustes A p im Filter zum Normaldruck p aufgezeichnet. Die Kurven A und B zeigen die Abhängigkeit des Druckverlustes in den Fliehkraftabscheidereinheiten von der Drehzahl. Die Kurve A gilt für die beiden ständig beaufschlagten Fliehkraftabscheidereinheiten 20 und 21 der F i g. 1, die Kurve B für die Fliehkraftabscheidereinheiten 20 und 21 mit der zugeschalteten Fliehkraftabscheidereinheit 22. Mit C ist der obere, mit D der untere Schaltpunkt bezeichnet.The in Fig. The dimensionless pressure-speed diagram shown in FIG. 4 illustrates the mode of operation of the circuit of the centrifugal separator according to the invention. The speed ratio of the speed n to the full load speed n ,, of the internal combustion engine is plotted on the abscissa, and the pressure ratio of the pressure loss A p in the filter to normal pressure p is plotted on the ordinate. Curves A and B show the dependence of the pressure loss in the centrifugal separator units on the speed. Curve A applies to the two centrifugal separator units 20 and 21 of FIG. 1, the curve B for the centrifugal separator units 20 and 21 with the centrifugal separator unit 22 connected. C is the upper switching point and D the lower switching point.

Bei der Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine werden lediglich die beiden Fliehkraftabscheidereinheiten 20 und 21 beaufschlagt. Mit steigender Drehzahl erhöht sich der Strömungswiderstand und damit der Druckverlust im Fliehkraftabscheider, was ein Anwachsen des Unterdruckes in der Ansaugleitung bewirkt. Beim Erreichen des oberen Schaltpunktes C spricht die Druckmeßdose 38 an und schaltet über das Relais 40 die Fliehkraftabscheidereinheit 22 dazu. Durch den vergrößerten Durchgangsquerschnitt des Fliehkraftabscheiders bei gleichbleibendem Luftdurchsatz sinkt die Strömungsgeschwindigkeit. Der Strömungswiderstand ist dadurch wieder so gering, daß eine weitere Steigerung der Drehzahl möglich ist, ohne daß sich die angesaugte Luft unzulässig erwärmt. Fällt die Drehzahl, so verringert sich die Strömungsgeschwindigkeit und der Druckverlust im Fliehkraftabscheider. Beim Erreichen eines bestimmten Wertes, der durch den unteren Schaltpunkt D festgelegt ist, spricht die Druckmeßdose 38 an und schaltet über das Relais 40 die Fliehkraftabscheidereinheit 22 wieder ab. Damit wird erfindungsgemäß erreicht, daß auch bei weiterem Absinken der Drehzahl bis zur Leerlaufdrehzahl ein guter Wirkungsgrad des Fliehkraftabscheiders beibehalten wird.When the internal combustion engine is idling, only the two centrifugal separator units 20 and 21 are acted upon. With increasing speed, the flow resistance and thus the pressure loss in the centrifugal separator increases, which causes an increase in the negative pressure in the suction line. When the upper switching point C is reached, the pressure measuring cell 38 responds and switches the centrifugal separator unit 22 to it via the relay 40. The flow speed decreases due to the increased passage cross-section of the centrifugal separator with constant air flow. As a result, the flow resistance is again so low that the speed can be increased further without the sucked in air heating up excessively. If the speed drops, the flow speed and the pressure loss in the centrifugal separator decrease. When a certain value, which is determined by the lower switching point D, is reached, the pressure measuring cell 38 responds and switches the centrifugal separator unit 22 off again via the relay 40. In this way it is achieved according to the invention that a good efficiency of the centrifugal separator is maintained even with a further decrease in the speed up to the idle speed.

Claims

Claims: 1. Centrifugal separator for dedusting the intake air of internal combustion engines with at least two parallel to each other, in a common Housing arranged centrifugal separator units, each from a common one The jacket pipe connecting the dust discharge space, a coaxially spaced apart therefrom stored inner pipe leading into the clean air room, forming a flow channel and a swirl movement arranged in the annular space between the jacket tube and the inner tube the intake air forcing flow guide, characterized by a acting on at least one centrifugal separator unit, via linkage with a by a control device that responds to a controlled variable corresponding to the air throughput (38) connected servomotor (35) influencing the flow channel cross section Shut-off device (31, 44, 45).

2. Centrifugal separator according to claim 1, characterized in that that the control unit (38) as a pressure measuring cell arranged in the clean air duct (18) is trained.

3. Centrifugal separator according to claim 1 or 2, characterized in that the switching point (C) which gives the opening pulse to the servomotor (35) is at a higher flow rate than the switching point (D) initiating the closing movement of the shut-off element (31). References considered: British Patent No. 834,715; U.S. Patent No. 2,907,406.