DE2631409C3

DE2631409C3 - Ansaugluft-Vorwärmeinrichtung

Info

Publication number: DE2631409C3
Application number: DE2631409A
Authority: DE
Inventors: David L. Columbus Ind. Reid
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1976-06-29
Filing date: 1976-07-13
Publication date: 1982-02-18
Also published as: DE2631409B2; GB1513504A; DE2631409A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Ansaugluft-Vorwärmeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, die mindestens zwei in Abstand voneinander angeordnete Lufteinlässe und einen den Lufteinlässen Ansaugluft zuführenden Ansaugkrümmer aufweist, mit einem Brenner zur lokalen Vorwärmung der Ansaugluft in einem Flammbereich, von dem die Lufteinlässe unterschiedliche Abstände aufweisen, sowie mit mindestens einem im Ansaugkrümmer angeordneten inneren Ansaugrohr, dessen Rohreinlaß in der Nähe des Brenners angeordnet ist.

Es ist allgemein bekannt, daß Verbrennungskraftmaschinen z. B. ein Dieselmotor bei niedrigen Lufttemperaturen eine gewisse Startunterstützung benötigt wie beispielsweise eine Vorwärmung der Ansaugluft.

Außerdem ist bei modernen Verbrennungskraftmaschinen mit Turbolader und Nachkühler eine Vorwärmung der Ansaugluft während dieser Betriebsbedingungen erforderlich, um das Entstehen von weißem Qualm und anderen unerwünschten Aaspuffemissionen zu vermeiden. Man hat zu diesem Zweck bereits einen Brenner verwendet, welcher einen Brennstoffstrahl in ein Brenneraggregat einspritzt, welches diesen Brennstoffstrahl zusammen mit der Ansaugluft verbrennt Die

in dabei entstehende Flamme erwärmt die Ansaugluft ausreichend, um ein Anlassen zu ermöglichen oder unerwünschte Auspuffemissionen zu verringern.

Bei der aus der DE-OS 18 10 435 bekannten Ansaugluft-Vorwärmeinrichtung der eingangs genannten Art ist der Abstand des Brenners vom Rohreinlaß des inneren Ansaugrohres so klein, daß sich die Flamme im inneren Ansaugrohr entwickelt Dadurch saugt sie die notwendige Verbrennungsluft selbsttätig ebenfalls am Rohreinlaß ein. Die heißen Verbrennungsprodukte

und die erhitzte Luft treten aus seitlichen öffnungen des inneren Ansaugrohres aus. Jeweils eine derartige öffnung ist einem Lufteinlaß der Verbrennungskraftmaschine zugeordnet Da die der Vorwärmung dienende Verbrennung innerhalb des Ansaugrohrs stattfindet, setzen sich während des Betriebs an der Innenwandung des Ansaugrohres Verbrennungsrückstände, insbesondere Kohlenstoff ab. Dadurch wird die Strömung des Brennstoff/Luft-Gemisches beeinflußt und unter Umständen erheblich behindert Das Ansaugrohr muß also in gewissen Zeitabständen gereinigt werden, diese Wartung erfordert Zeit und Kosten. Weiterhin wird bei der bekannten Vorrichtung den Lufteinlässen ständig erwärmte Luft und erhitzte Verbrennungsgase angeboten, das von den Zylindern jedoch nur während des Ansaugens aufgenommen wird.

Auch bei der aus der DE-PS 3 81 467 bekannten Ansaugluft-Vorwärmeinrichtung brennt die Flamme innerhalb des Ansaugrohres; dabei soll ausdrücklich erreicht werden, daß eine Flamme in den Zylinder gesaugt wird. Diese bekannte Vorrichtung hat dieselben Nachteile, wie sie bereits für die Vorrichtung nach der DE-OS 18 10 435 beschrieben worden sind. Hinzu kommt, daß durch die hohe Hitzezufuhr thermische Spannungen am Kolben und Zylinder auftreten.

Weiterhin sind verschiedenartige Ausbildungen von Ansaugluft-Vorwärmeinrichtungen aus den US-PS 35 34 723, 35 26 214, 36 87 122 und 38 26 281 bekannt. Bei all diesen bekannten Vorrichtungen wird eine gleichmäßige Wärmeverteilung auf die verschiedenen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine angestrebt. Da bei einem Reihenmotor oder auf der einen Seite eines V-Motors die einzelnen Zylinder voneinander 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 PS-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 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.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Ansaugluft-Vorwärmeinrichtungen zu vermeiden und die eingangs genannte Ansaugluft Vorwärmeinrichtung so auszugestalten und weiterzubilden, daß jederzeit zuverlässig eine gleichmäßige Erwärmung der Ansaugluft für die einzelnen im Absland voneinander angeordneten Lufteinlässe auf einfache und wirtschaftliche Weise und weitgehend wartungsfrei, also ohne große Kosten gewährleistet ist

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Flammbereich im wesentlichen außerhalb des inneren Ansaugrohres liegt, daß das innere Ansaugrohr einen einzigen Kanalauslaß aufweist und dau der einzige Kanalauslaß einem der entfernteren Lufteinlässe zugeordnet ist. Dabei befindet sich der Kanalauslaß in unmittelbarer Nähe des entfernteren Lufteinlasses, so daß die vorgewärmte Luft aufgrund des am entfernteren Lufteinlaß während des Ansaugvorgangs auftretenden Unterdrucks durch das innere Ansaugrohr angesaugt wird und nicht aufgrund der Verbrennung durch das Ansaugrohr hindurch gedrückt wird. Dadurch wird die vorgewärmte Luft nicht ständig angeboten, sondern nur während der Ansaugphasen vom Brenner entnommen. Erfindungsgemäß werden nur die entfernteren, dem Brenner nicht unmittelbar benachbarten Lufteinlässe über jeweils ein eigenes Ansaugrohr mit vorgewärmter Luft versorgt. Die in der Nähe des Flammbereichs befindlichen Lufteinlässe werden direkt mit vorgewärmter Luft versorgt, ohne daß ein spezielles Ansaugrohr notwendig ist. Da jedem entfernteren Lufteinlaß jeweils ein inneres Ansaugrohr zugeordnet ist, dessen Rohreinlaß sich in der Nähe des Flammbereichs befindet, können die zugehörigen Zylinder Luft nicht auf falschem Wege ansaugen.

Ausführungsbeupiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine vereinfachte Draufsicht auf eine Verbrennungskraftmaschine mit angebauter erfindungsgemäßer Ansaugluft-Vorwärmeinrichtung,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Verbrennungskraftmaschine aus Fig. 1 als Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. !,und

Fig.3 einen Schnitt durch einen V-Motor mit erfindungsgemäßer Ansaugluft-Vorwärmeinrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit durch Kompression gezündetem Brennstoff/Luft-Gemisch, welche gewöhnlich als Dieselmotor bezeichnet wird. Die Einzelheiten der Arbeitsweise einer derartigen Verbrennungskraftmaschine 10 sind jedem Fachmann derart bekannt, daß eine Wiederholung hier nicht erforderlich erscheint. Um es jedoch kurz zu sagen, komprimiert diese Verbrennungskraftmaschine 10 durch ihre nicht dargestellten Kolben in ebenfalls nicht dargestellten Zylindern Luft, so daß 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. Ein Auspuffkrümmer 18 leitet die Aufpuffgase durch eine Turbine 20 des Abgasturbolader 22, wobei die Turbine 20 einen im allgemeinen als zentrifugalverdichter ausgebildeten Verdichter 24 antreibt, welcher die von ihm verdichtete Luft durch ein Verbindungsrohr 26 einem Obergangsrohr 28 zuführt Dieses Obergangsrohr 28 öffnet sich zu einem Oberkasten 30 auf einem langgestreckten Ansaugkrümjuer 32.

Über die gesamte Länge des Oberkastens 30 und des Ansaugkrümmers 32 erstreckt sich eirt langer Nachküh-

ler 34, welcher aus einem Rohrbündel 33 zwischen Sammelrohren 35 und 37 besteht die mit dem Kühlsystem der Verbrennungskraftmaschine 10 in Verbindung stehen. Rechtwinklig zu den einzelnen Rohren des Rohrbündels 33 sind mehrere Platten 39 angeordnet, welche eine zusätzliche Wärmeabstrahlung ergeben. Die Ansaugluft wird gleichmäßig über die gesamte Länge der Rohre des Rohrbündels 33 verteilt und strömt zwischen den Platten 39 in den Ansaugkrümmer 32. Der Ansaugkrümmer 32 besitzt zwei einander

;o gegenüberliegende Längswände 29 und 31, wobei die rückseitige Längswand 29 öffnungen aufweist, welche mit den Lufteinlässen 12,14 und 16 zu den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine 10 fluchten.

In die außenliegende Längswand 31 des Ansaugkrümmers 32 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 zerstäubt. Über ein geeignetes System v/ird Verbrennungsluft in das Innere

j« · des Gehäuses 38 über eine Leitung 45 zugeführt, welche hinter dem Mundstück der Brennerdüse 40 mündet. Eine nicht dargestellte Zündeinrichtung zündet das Brennstoff/Luft-Gemisch und ein Flammenhalter 42 hält und stabilisiert die Flamme. Wie aus den F i g. 1 und 2 deutlich zu sehen ist, liegt der Brenner 36 zwischen den Lufteinlässen 14 und 16. Bei in Betrieb befindlichem Brenner 36 ergibt sich daher eine praktisch gleichmäßige Verteilung der Wärme auf die Lufteinlässe 14 und 16. Um die Brennerwärme auch auf den entfernt liegenden Lufteinlaß 12 gleichmäßig verteilen zu können, ist ein Wärmeverteilungskanal in Form eines Ansaugrohres 44 vorgesehen. Dieses kann jedoch — im Gegensatz zum dargestellten Beispiel — auch direkt durch entsprechende Längsrippen mit dem Ansaugkrümmer 32 zusammen einteilig gegossen werden. Das Ansaugrohr 44 besitzt einen Rohreinlaß 46 neben dem Brenner 36. Vorzugsweise ist die Ebene des Rohreinlasses 46 zur Längsachse des Ansaugrohres 44 im Winkel angeordnet, so daß sie zum Brenner 36 hinweist. Der Kanalauslaß 48 des Ansaugrohrs 44 liegt im Lufteinlaß 12 und ist derart ausgerichtet, daß die aus diesem Ansaugrohr 44 austretende Luft im allgemeinen parallel zu der in den Lufteinlaß 12 einströmenden oder eingesaugten Lufi verläuft.

Bei laufender Verbrennungskraftmaschine 10 und bei eingeschaltetem Brenner 36 erhitzt die von letzterem erzeugte Flamme einen Teil der in die Lufteinlässe 14 und 16 gehenden Luft. Ein großer Teil der in die Lufteinlässe 14, 16 gehenden Luft kommt direkt vom Nachkühler 34, so daß sich eine Mischung aus erhitzter und unerheitzter Luft ergibt, welche in die Lufteinlässe 16 und 14 einströmt. Da der Brenner 36 zwischen den Lufteinlässen 14,16 angeordnet ist, erhalten sie die vom Brenner 36 erhitzte Luft mit annähernd gleicher Temperatur.

Wenn die Einlaßventile für die vom Lufteinlaß 12 gespeisten Zylinder der Verbrenniingskraftmaschine 10 sich öffnen, ergibt sich in dem Lufteinlaß 12 ein

kurzzeitiger Druckabfall. Da der Kanalauslaß 48 des inneren Ansaugrohres 44 an den Lufteinlaß 12 angeschlossen ist, wird eine Druckdifferenz zwischen dem Rohreinlaß 46 und dem Kanalauslaß 48 des inneren Ansaugrohres 44 erzeugt. Infolgedessen strömt durch das Ansaugrohr 44 Luft. Da der Rohreinlaß 46 neben dem Brenner 36 liegt und diesem zugewandt ist, wird zwangsläufig die erhitzte Luft von einer unmittelbar neben der Flamme des Brenners 36 liegenden Stelle zum Lufteinlaß 12 gesaugt. Wenn sich das Einlaßventil eines der vom Lufteinlaß 12 bedienten Zylinder der Verbrennungskraftmaschine 10 öffnet, senkt der Luftstrom in den Zylindern den Druck im Lufteinlaß 12. Sobald sich das Einlaßventil wieder schließt, kehrt der Druck im Lufteinlaß 12 zum Druck der Umgebung zurück. Da der Lufteinlaß 12 zwei Zylinder der Verbrennungskraftmaschine 10 bedient, ergibt sich, wenn das andere Einlaßventil sich öffnet, ein weiterer Luftstrom, so daß der Druck erneut gesenkt wird. Diese zyklischen Drucksenkungen ergeben eindeutig einen Luftstrom durch das Ansaugrohr 44. Die Stärke des Luftstromes durch das Ansaugrohr 44 wird derart eingestellt, daß eine gleichmäßige Wärmeverteilung erzielt wird, indem der Anteil verändert wird, welchen der Kanalauslaß 48 des Ansaugrohres 44 von der Gesamtfläche des Lufteinlasses 12 einnimmt. Dadurch wird tatsächlich der Anteil der in dem entfernt liegenden Lufteinlaß 12 eingesaugten Luft, welche aus heißen Verbrennungsgasen der Flamme des Brenners 36 besteht, verändert Die restliche Ansaugluft kommt direkt vom Nachkühler 34. Es wurde festgestellt daß ein Bereich zwischen 20 und 30% eine ausgezeichnete Wärmeverteilung ergibt Ein Teil der Hitze geht allerdings durch Wärmeabstrahlung des Ansaugrohres 44 durch seine Außenwände verloren. Da das Ansaugrohr 44 jedoch im Ansaugkrümmer 32 liegt steht diese Strahlungswärme immer noch zur Anhebung der Temperatur der Ansaugluft zur Verfügung.

Wenn die Verbrennungskraftmaschine 10 läuft ohne daß der Brenner 36 in Betrieb ist wirkt das Ansaugrohr 44 als Verlängerung des Lufteinlasses 12 und beeinflußt den Saugdruck am Lufteinlaß 12, in welchen es einmündet nicht wesentlich. Die Einwirkung auf den Ansaugluftstrom zum Lufteinlaß 14, welcher vom Ansaugrohr 44 gekreuzt wird, kann durch geeignete Anordnung und geeigneten Querschnitt des Ansaugrohres 44 so gering wie möglich gehalten werden. Es wurde festgestellt, daß ein Ansaugrohr 44 mit einem Durchmesser von 38 mm, welches sich über einen Lufteinlaß 14 mit einer Höhe von 82,6 mm erstreckt, keinen schädlichen Einfluß auf die Leistung der Verbrennungs-■-. kraftmaschine 10 hat.

Die vorbeschriebene Verbrennungskraftmaschine 10 ist ein Reihenmotor mit drei Zwillingslufteinlässen. Die Erfindung läßt sich jedoch auf verschiedenste Arten von Verbrennungskraftmaschinen anwenden, welche mehr

ι,, als einen entfernt liegenden Lufteinlaß besitzen. Die in F i g. 3 dargestellte Verbrennungskraftmaschine 60 ist ein Beispiel einer weiteren Anwendung dieser Erfindung. Die Verbrennungskraftmaschine 60 ist ein V-Motor mit einem Nachkühlergehäuse für beide Köpfe

ίο 64 der Verbrennungskraftmaschine 60. Dabei erstreckt sich ein langgestreckter Nachkühler in gleicher Ausbildung wie der Nachkühler 34 über die gesamte Länge des Gehäuses, so daß Luft in gleichmäßigem Strom einem Ansaugkrümmer 76 zuströmt. Wie F i g. 3 zeigt, besitzt die Verbrennungskraftmaschine 60 Lufteinlässe 66, 68, 70 und 72. Damit fluchtende öffnungen in einer Längswand 75 des Ansaugkrümmers 76 stehen mit den Lufteinlässen 66,68,70 und 72 in Verbindung. In der gegenüberliegenden Längswand 77 des Ansaugkrümmers 76 ist ein Brenner 74 in gleicher Ausbildung wie der vorbeschriebene Brenner 36 eingebaut. Wie F i g. 3 zeigt, liegt der Brenner 74 zwischen den Lufteinlässen 68 und 70 und gewährleistet dadurch eine relativ gleichmäßige Wärmeverteilung auf die Zylinder der Verbrennungskraftmaschine 60. Die Lufteinlässe 66 und 72 dagegen liegen weiter entfernt. Um eine gleichmäßige Wärmeverteilung auch auf die zu den Lufteinlässen 66 und 72 gehörenden Zylinder zu erreichen, sind im Ansaugkrümmer 76 zwei innere

j5 Ansaugrohre 78 bzw. 80 angeordnet Das Ansaugrohr 78 besitzt einen Einlaß 84 neben dem Brenner 74 und einen Auslaß 82 im Lufteinlaß 66. Das Ansaugrohr 80 besitzt einen Einlaß 86 neben dem Brenner 74 und einen Auslaß 88 im Lufteinlaß 72. Dabei sind die beiden Auslässe 82 und 88 vorzugsweise derart ausgerichtet, daß die sie durchströmende Luft im wesentlichen parallel zu dem Luftstrom in die Lufteinlässe 66 und 72 strömt Im Betrieb verteilen die Ansaugrohre 78 und 80 die Wärme in gleicher Weise wie bei dem vorbeschriebenen System. Eine zyklische Druckveränderung im Auslaß ergibt einen Strom erhitzter Verbrennungsgase vom Brenner 74.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ansaugluft-Vorwärmeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, die mindestens zwei in Abstand voneinander angeordnete Lufteinlässe und einen den Lufteinlässen Ansaugluft zuführenden Ansaugkrümmer aufweist, mit einem Brenner zur lokalen Vorwärmung der Ansaugluft in einem Flammbereich, von dem die Lufteinlässe unterschiedliche Abstände aufweisen, sowie mit mindestens einem im Ansaugkrümmer angeordneten inneren Ansaugrohr, dessen Rohreinlaß in der Nähe des Brenners angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammbereich im wesentlichen außerhalb des inneren Ansaugrohres (44 bzw. 78,80) liegt, daß das innere Ansaugrohr (44 bzw. 78, 80) einen einzigen Kanalauslaß (48 bzw. 82, 88) aufweist und daß der einzige Kanalauslaß (48 bzw. 82,88) einem der entfernteren Lufteinlässe (12 bzw. 66,72) zugeordnet ist.

2. Ansaugluft-Vorwärmeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (36 bzw. 74) parallel zu den Lufteinlässen (12,14,16 bzw. 66,68,70,72) und diesen gegenüber angeordnet ist.

3. Ansaugluft-Vorwärmeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohreinlaß (46 bzw. 84, 86) gegenüber der Längsachse des inneren Ansaugrohres (44 bzw. 78, 80) geneigt verläuft und dem Brenner (36 bzw. 74) zugewandt ist.

4. Ansaugluft-Vorwärmeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in der Ausführungsform für eine mit drei Lufteinlässen versehene Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (36) zwischen zwei Lufteinlässen (14,16) angeordnet ist und daß das innere Ansaugrohr (44) sich zum dritten Lufteinlaß (12) erstreckt.

5. Ansaugluft-Vorwärmeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in der Ausführungsform für eine mit vier auseinanderliegenden Lufteinlässen versehene Verbrennungskraftmaschine, wobei zwei Lufteinlässe mittig und zwei Lufteinlässe außen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (74) zwischen den mittleren Lufteinlässen (68, 70) und diesen gegenüber angeordnet ist und daß zwei innere Ansaugrohre (78, 80) vorgesehen sind, die sich zu je einem der äußeren Lufteinlässe (66,72) erstrecken.