DE2631409A1

DE2631409A1 - Ansaugluft-vorwaermer fuer verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE2631409A1
Application number: DE19762631409
Authority: DE
Inventors: David L Reid
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1976-06-29
Filing date: 1976-07-13
Publication date: 1978-01-26
Also published as: DE2631409B2; DE2631409C3; GB1513504A

Description

Ansaugluft-Vorwärmer für
Verbrennungskraftmas chinen.
Es ist allgemein bekannt, daß ein Dieselmotor bei niedrigen Lufttemperaturen eine gewisse Startunterstützung benötigt wie beispielsweise ein Vorwärmen der Ansaugluft. AuBerdem ist bei modernen Motoren mit Turbolader und Nachkühler eine Erwärmung der Ansaugluft während gewisser Betriebsbedingungen erforderlich, um das Entstehen von weiBem Qualm und anderen unerwünschten Auspuffemissionen zu vermeiden. Man hat zu diesem Zweck bereits einen Brenner verwendet, welcher einen Brennstoffstrahi in ein Brenneraggregat einspritzt, welches diesen Brennstoffstrahl zusammen mit der Ansaugluft verbrennt. Die dabei entstehende Flamme erwärmt die Ansaugluft ausreichend, um ein Anlassen zu ermöglichen oder die weißen Qualm-Emissionen zu verringern.
Systeme mit derartigen Brennern sind in verschiedenen Ausbildungen bereits vorgeschlagen worden, und war beispielsweise in den US-PSen 3 534 723, 5 526, 214, 3 68 122 und 3 829 281. Bei all diesen bekannten Systemen wird darauf hingearbeitet, eine gleichmäßige Wärmeverteilung auf die verschiedenen Zylinder eines Motors zu erreichen. Da bei einem Reihenmotor oder auf der einen Seite eines V-Motors die einzelnen Zylinder vorleinander entfernt liegen, muß der Brenner an einer Stelle angeordnet werden, an welcher im wesentlichen die gesamte Ansaugluft vorbeiströmen muß.
Häufig besitzen derartige Motoren jedoch einen Nachkühler um eine höhere P3-Zahl zu erreichen. Diese Nachkühler sitzen zwischen dem Auslaß eines Abgasturboladers und den Lufteinlässen zu den Motorzylindern. Während der Eingang zum Nachkühler die Form einer engen Leitung haben kann, ist der Nachkühler selbst relativ langgestreckt ausgebildet und die Luft strömt durch ihn in rechtem Winkel zu seiner Längsachse hindurch. Infolgedessen ergibt sich praktisch eine regelrechte Luftschicht, welche vom Nachkühler zu den Lufteinlässen strömt. Um einen einwandfreien Betrieb zu erreichen, muß ein Brenner für einen Vorwärmer infolgedessen zwischen dem Nachkühler und den Lufteinlässen des Motors angeordnet werden. Dabei gibt es ,jedoch keine Stelle in Strömungsrichtung hinter dem Nachkühler, an welcher der gesamte Luftstrom vorbeifließt. Infolgedessen läßt sich mittels eines Brenners dieser Art an sich eine gleichmäßige Wärmeverteilung auf die Lufteinlässe des Motors nicht erreichen.
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen Ansaugluft-Vorwärmer für Verbrennungskraftmaschinen mit wenigstens zwei auseinanderliegenden Lufteinlässen, durch welche während des Ansaugtaktes Luft angesaut wird, und mit einem die Ansaugluft auf diese Lufteinlässe verteilenden Ansaugkrümmer, bestehend aus einem am Ansaugkrümmer angebauten, die Ansaugluft im wesentlichen lokal nahe dem einen und weiter entfernt vom anderen Lufteinlaß erhitzenden Vorwärmer, in der Weise auszubilden, daß eine unbedingt gleichmäßige Erwärmung der Ansaugluft für die einzelnen auseinanderliegenden Lufteinlässe zu den Zylindern auf äußerst einfache Weise ohne größe Kosten erzielbar ist.
Gekennzeichnet ist ein derartiger erfindungsgemäßer Ansaugluft-Vorwärmer im wesentlichen dadurch, daß in dem Ansaugkrümmer ein einziger langgestreckter Kanal mit einem Einlaß neben dem Vorwärmer und einem einzigen Auslaß ain entfernt liegenden LuCteinlaß ausgebildet ist, dessen Einlaß derart angeordnet ist, daß durch die Hitze des Vorwärmers ein Teil der dem anliegenden Lufteinlaß zuströmenden Ausaugluft erwärmbar ist, während beim Ansaugtakt für den entfernt liegenden Lufteinlaß ein Teil der vom Vorwärmer erhitzten Luft zur Erwärmung eines Teiles der in diesen Lufteinlaß eingesaugten Luftmenge infolge des Saugdruckes durch den Kanal diesem Lufteinlaß zuführbar ist.
Weitere Merkmale und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausfiihrungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnungen; es zeigt Fig.l eine vereinfachte Draufsicht auf eine Verbrennungskraftmaschine mit angebautem erfindungsgemäßem Ansaugluft-Vorwa"rmer; Fig.2 eine Seitenansicht des Motors aus Fig.1 als Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig.1; Fig.3 eine Seitenansicht eines V-Motors mit erfindungsgemäBem Ansaugluft-Vorwärmer; Fig.4 einen Schnitt durch Fig.3 längs der Linie 4-4 in vergrößertem Maßstabe; und Fig.5 eine graphische Darstellung der Druckschwankungen als Funktion der Kurbelwellenwinkel für die erfindungsgemäß im AnsaugkrUmmer vorgesehenen Wärmerverteilerkanäle.
Figur 1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit durch Kompression gezündetem Brennstoff/Luft-Gemisch, welche gewöhnlich als Dieselmotor bezeichnet wird. Die Einzelheiten der Arbeitsweise eines derartigen Motors sind jedem Fachmann derart bekannt, daß eine Wiederholung hier nicht erforderlich erscheint. Um es jedoch kurz zu sagen, komprimiert der Dieselmotor durch seine nicht dargestellten Kolben in ebenfalls nicht dargestellten Zylindern Luft, sodaß deren Temperatur hoch genug ist, um in jedem Zylinder am oberen Totpunkt des Kompressionshubes des Kolbens eingespritzten Brennstoff plötzlich zu zünden. Die dabei entstehende Explosion treibt die Kolben nach unten und erzeugt über die Kurbelwelle einen Drehtrieb. Der Auspuffkrümmer 18 leitet die Auspuffgase durch eine Turbine 20 eines Abgasturboladers 22, wobei die Turbine einen im allgemeinen als Zentrifugalverdiobter ausgebildeten Verdichter 24 antreibt, welcher die von ihm verdichtete Luft durch ein Verbindungsrohr 26 einem Übergangsrohr 28 zuführt. Dieses Übergangsrohr 28 öffnet sich zu einem Oberkasten 20 auf einem langgestreckten Ansaugkrümmer 32.
Über die gesamte Länge dieses Oberkastens 20 und des Ansaugkrümmers 32 erstreckt sich ein langer Nachktihler 54, weloher aus einem Rohrbündel 33 zwischen den Sammelrohren 35 und 37 besteht, die mit dem Kühlsystem des Motors in Verbindung stehen. Rechtwlnklig zu den einzelnen Robren 33 sind mehrere Platten 39 angeordnet, welche eine zusätzliche Wärmeabstrahlung ergeben. Die Ansaugluft wird gleichmäßig tiber die gesamte Länge der Rohre 33 verteilt und strömt zwischen den Platten 39 in den Ansaugkrümmer 32. Dieser Ansaugkrümmer 32 besitzt zwei einander gegenüberliegende Längswände 29 und 31, wobei die rückseitige Längswand 29 Öffnungen aufweist, welche mit den Lufteinlässen 12, 14 und 16 zu den Motorzylindern fluchten.
In die außenliegende Längswand 31 dieses AnsaugkrUmmers 52 ist ein Brenner 36 eingesetzt, welcher aus einem Gehäuse 38 mit darin befindlicher Brennerdüse 40 besteht, die den Brennstoff von einem Zufuhrsystem 41 über eine Leitung 43 erhält und zertstäub. Über ein geeignetes System wird Verbrennungsluft in das Innere dieses Gehäuses 38 über eine Leitung 45 zugeführt, welche hinter dem Mundstück der Brennerdüse 40 mündet. Eine nicht dargestellte Zündeinrichtung zündet das Brennstoff/Luftgemisch und ein Zusammenhalter 42 hält und stabilisiert die Flamme. Wie aus den Figuren 1 und 2 deutlich zu sehen ist, liegt dieser Brenner 36 zwischen den Lufteinlässen 14 und 16. Bei in Betrieb befindlichem Brenner ergibt sich daher eine praktisch gleichmäßige Verteilung der Wärme auf diese Lufteinlässe.
Um die Brennerwärme auch auf den entfernt liegenden LufteinlaB 12 gleichmäßig verteilen zu können, ist ein Wärmeverteilungscanal in Form eines Rohres 44 vorgesehen. Wenngleich bei dem dargestellten Beispiel auch ein Rohr verwendet wird, so kann dieser Kanal naturgemäß auch direkt durch entsprechende Längsrippen mit dem Ansaugkrümmer zusammen einteilig gegossen werden.
Dieses Verteilerrohr 44 besitzt einen EinlaB 46 neben dem Brenner 36. Vorzugsweise ist die Ebene der Einlaßöffnung 46 zur Längsachse des Verteilerrohres 44 iininkel angeordnet, sodas sie zum Brenner 36 hinweist. Der AuslaB 48 des Verteilerrohres 44 liegt im Lufteinlaß 12 und ist derart ausgerichtet, daß die aus diesem Verteilerrohr 44 austretende Luft im allgemeinen parallel zu der in den Lufteinlaß 12 einströmenden oder eingesaugten Luft verlauft.
Bei lautendem Motor 10 und bei eingeschaltetem Brenner erhitzt die von letzterem erzeugte Flamme einen Teil der in die Lufteinlässe 14 und 16 gehenden Luft. Ein grower Teil der in diese Lufteinlässe gehenden Luft kommt direkt vom Nachkühler 34, sodaß sich eine Mischung aus erhitzter und unerhitzter Luft ergibt, welches in die Lufteinlässe 16 und 14 einströmt. Da der Brenner 36 zwischen diesen Lufteinlässen angeordnet ist, erhalten sie die vom Brenner erhitzte Luft mit annähernd gleicher Temperatur.
Wenn die Einlaßventile für die vom Lufteinlaß 12 gespeisten Zylinder sich bffnen, ergibt sich in diesem Lufteinlaß ein kurzzeitiger Druckabfall. Da der Auslaß 48 des Verteilerrohres 44 an diesen Lufteinlaß 12 angeschlossen ist, wird ein Druckdifferential zwischen dem Einlaß 46 und dem AuslaB 48 dieses Verteilerrohres 44 erzeugt. Infolgedossen strömt durch dieses Verteilerrohr 44 Luft. Da der Einlaß 46 neben dem Brenner 36 liegt und diesem zugewandt ist, wird zwangsläufig die erhitzte Luft von einer unmittelbar neben der Erennerflamme liegenden Stelle zum Lufteinlaß 12 gesaugt. Figur 5 zeigt die Druckschwankung im LufteinlaB 12 als Funktion der Kurbelwellenwinkel. Wenn sich daher das Einlaßventil eines der vom Lufteinlaß 12 bedienten Zylinder öffnet, senict der Luftstrom in den Zylinder den Druck im LuftelnlaB. Sobald sich das Ventil wieder schließt, kehrt der Druck im LufteinlaB 12 zum Druck der Umgebung zurück, wie dies durch den horizontalen Teil der Kurve angedeutet ist. Da der LufteinlaB 12 zwei Zylinder bedient, ergibt sich, wenn das andere Ventil sich öffnet, ein weiterer Luftstrom, sodaS der Druck erneut gesenkt wird. Diese zyklischen Drucksenkungen ergeben eindeutig einen Luftstrom durch das Verteilerrohr 44.
Die Stärke des Luftstromes durch dieses Rohr wird derart eingestellt, daß eine gleichmäßige Wärmeverteilung erzielt wird, indem der Anteil verändert wird, welchen der Auslaß 48 des Rohres 44 von der Gesamtfläche des Lufteinlasses 12 einnimmt.
Dadurch wird tatsächlich der Anteil der in den entfernt liegenden Lufteinlaß 12 eingesaugten Luft, welche aus heißen Verbrennungsgasen der Brennerflamme besteht, verändert. Die restliche Ansaugluft kommt direkt vom Nachktkiler 34. Es wurde festgestellt, daß ein Bereich zwischen 20 und 30% eine ausgezeichnete Wärmeverteilung ergibt. Ein Teil der Hitze geht allerdings durch Wärmeabstrahlung des Verteilerrohres 44 durch seine AuBenwände verloren. Da dieses Rohr jedoch im Ansaugkrümmer liegt, steht diese Stahlungswärme immer noch zur Anhebung der Temperatur der Ansaugluft zur Verfügung.
Wenn der Motor läuft, ohne daß der Brenner 56 in Betrieb ist, wirkt das Verteilerrohr 44 als Verlängerung des Lufteinlasses und beeinflußt den Saugdruck am LufteinlaB, in welchen es einmündet, nicht wesentlich. Die Einwirkung auf den Ansaugluftstrom zum Lufteinlaß 14, welcher vom Verteilerrohr 44 gekreuzt wird, kann durch geeignete Anordnung und geeigneten Querschnitt des Rohres so gering wie mbglich gehalten werden. Es wurde festgestellt, daß ein Rohr 44 mit einem Durchmesser von 38 mm, welches sich tiber einen Lufteinlaß 14 mit einer Höhe von 82,6 mm erstreckt, keinen schädlichen Einfluß auf die Motorleistung hat.
Der vorbeschriebene Motor ist ein Reihenmotor mit drei Zwillingslufteinlässen. Die Erfindung läßt sich jedoch auf verschiedenste Motorenarten anwenden, welche mehr als einen entfernt liegenden Lufteinlaß besitzen. Der in den Figuren 5 und 4 dargestellte Motor 60 ist ein Beispiel einer weiteren Anwendung dieser Erfindung. Der Motor 60 ist ein V-Motor mit einem Nachkühlergehäuse 62 für beide Köpfe 64 des Motors. Dabei erstreckt sich ein langgestreckter Nachkühler 61 in gleicher Ausbildung wie der Nachkühler 34 über die gesamte Länge des Gehäuses 62, so daß Luft in gleichmäßigem Strom einem Ansaugkrümmer 76 zuströmt.
Wie Figur 4 zeigt, besitzt der Motor Lufteinlässe 66, 68, 70 und 72. Damit fluchtende Öffnungen in einer Längswand 75 des Ansaugkrdmmers 76 stehen mit diesen Lufteinlässe in Verbindung.
In der gegenüberliegenden Längswand 77 des Ansaugkrümmers 76 ist ein Brenner 74 in gleicher Ausbildung wie der vorbeschriebene Brenner 36 eingebaut. Wie insbesondere Figur 4 zeigt, liegt dieser Brenner 74 zwischen den Lufteinlässen 68 und 70 und gewährleistet dadurch eine relativ gleichmäßige Wärmeverteilung auf diese Zylinder. Die Lufteinlässe 66 und 72 dagegen liegen weiter entfernt. Um eine gleichmäßige Wärmeverteilung auch auf diese Zylinder zu erreichen, sind im Ansaugkrümmer 76 zwei Wärmeverteilerrohre 78 bezw. 80 angeordnet. Das Verteilerrohr 87 besitzt einen EinlaB 84 neben dem Brenner 74 und einen AuslaB 82 im Lufteinlaß 66. Das Verteilerrohr 80 besitzt einen Einlaß 86 neben dem Brenner 74 und einen AuslaB 88 im LufteinlaB 72. Dabei sind die beiden Auslässe 82 und 88 vorzugsweise derart ausgerichtet, daß die sie durchstrbmende Luft im wesentlichen parallel zu dem Luftstrom in die Lufteinlasse 66 und 72 strömt.
Im Betrieb verteilen die Verteilerrohre 78 und 80 die Wärme in gleicher Weise wie bei dem vorbeschriebenen System. Eine zyhlische Druckveränderung im Auslaß ergibt einen Strom erhitzter Verbrennungsgase vom Brenner 86.
Wenn auch vorstehend die Verteilerrohre im Einsatz für Motore mit drei und vier Einlaßöffnungen beschrieben wurden, so ist die Erfindung naturgemäß nicht nur auf derartige Ausbildungen beschränkt, sondern kann bei einer beliebigen Anzahl von Lufteinlässen angewendet werden.

Claims

Patentansprüche: 1. Ansaugluft-Vorwärmer für Verbrennungskraftmaschinen mit wenigstens zwei auseinanderliegenden Lufteinlässen, durch welche während des Ansaugtaktes Luft angesaugt wird, und mit einem die Ansaugluft auf diese Lufteinlässe verteilenden Ansaugkrümmer, bestehend aus einem am Ansaugkrümmer angebauten, die Ansaugluft im wesentlichen lokal nahe dem einen und weiter entfernt vom anderen Lufteinlaß erhitzenden Vorwärmer, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in dem Ansaugkrümmer (32) ein einziger laggestreckter Kanal (44) mit einem Einlaß (46) neben dem Vorwärmer (56) und einem einzigen AuslaB (48) am entfernt liegenden LufteinlaB (12) ausgebildet ist, dessen Einlaß derart angeordnet ist, daß durch die Hitze des Vorwärmers ein Teil der dem anliegenden LufteinlaB zuströmenden Ansaugluft erwärmbar ist, während beim Ansaugtakt für den entfernt liegenden Lufteinlaß ein Teil der vom Vorwärmer erhitzten Luft zur Erwärmung eines Teiles der in diesen Lufteinlaß eingesaugten Luftmenge lnfolge des Saugdruckes durch den Kanal diesem Lufteinlaß zuführbar ist.
2. Vorwarmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen eine Flamme erzeugenden Brenner ()6) aufweist, welcher derart am Ansaugkrümmer (32) angebaut ist, daß die Flamme sich im wesentlichen parallel zum Ansaugluftstrom in die Lufteinlässe (14, 16) erstreckt.
3. Vorwärmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (44) eine im Winkel zu seiner Längsachse verlaufende, dem Brenner (36) zugewandte Einlaßöffnung (46) aufweist.
4. Vorwärmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB der Motor (10) drei Lufteinlässe (12, 14, 16) besitzt der Brenner (36) zwischen zweien (14, 16) dieser Lüfteinlässe am Ansaugkriimmer (32) angebaut ist und daß der Kanal (44) zum dritten Lüfteinlaß (12) verläuft.
5. Vorwärmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaugluftströme in die Lufteinlässe (12, 14, 16) im allgemeinen parallel zueinander verlaufen und der Brenner (36) derart am Ansaugkrümmer (32) angebaut ist, daß seine Flamme parallel zu den Ansaugluftströmen in die Lufteinlässe verlauft.
6. Vorwärmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansaugkrümmer (32) aus einer langgestreckten Kammer mit zwei einander gegenüberliegenden Längswänden (29, 31) ausgebildet ist, deren eine (2t9) mit den Lufteinlässen (12, 14, 16) fluohtende Öffnungen aufweist und in deren andere der Brenner (36) eingebaut ist, und daß auf dem Ansaugkrümmer ein sich iiber dessen gesamte Länge erstreckender, die obere Wandung des Ansaugkrümmers bildender Wärmetauscher (34) mit Luftdurchlässen aufgebaut ist, durch welchen ein sich gleichmäßig über die Länge des Ansaugkrümmers erstreckender Luftstrom erzielbar ist.
7. Vorwärmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (10) drei Lufteinlässe (12, 14, 16) aufweist und der Brenner (32) zwischen zwei Lufteinlässen (14, 16) im AnsaugkrUmmer (52) sitzt und daß der Kanal (44) sich zum dritten Lufteinlaß (12) erstreckt.
8. Vorwärmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (60) wenigstens vier auseinanderliegende LuSteinlässe (66, 68, 70, 72) und der Ansaugkrümmer (76) vier damit fluchtende Öffnungen aufweist, wobei zwei LuSteinlässe (68, 70) in der Mitte und zwei (66, 72) auBen liegen, daß der Brenner (74) zwischen den beiden mittleren Lufteinlässen, diesen gegenüber angebaut ist und daß zwei Kanäle (78, 80) mit jeweils einem Einlaß (84 bzw. 88) in den beiden Lufteinlässen Im Ansaugkrümmer ausgebildet sind.
9. Vorwärmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlässe (84,. 86) der beiden Kanäle (78, 80) im Winkel zu deren Längsachse liegen und den Brenner (74) zugewandt sind.