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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Luftzufuhranordnung für einen
Kolbenmotor mit einem Zufuhrkanal zur Zuführung von Verbrennungsluft
in den Motor, einem Sammelbehälter,
mit dem der Zufuhrkanal verbunden ist, Zufuhrrohren zur Zuführung von
Verbrennungsluft aus der Sammelkammer zu jedem Zylinder und Mitteln
zur Einleitung von Befeuchtungsfluid in die Verbrennungsluft. Des
Weiteren betrifft die Erfindung einen Kolbenmotor, der mit einer solchen.
Zufuhranordnung versehen ist.
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Bei
hohen Verbrennungsmotoren werden in Zylindern von Kolbenmotoren
Stickoxide (NOx) erzeugt und in in die Luft strömenden Abgasen mitgeführt. Aufgrund
der schädlichen
Auswirkungen von Stickoxidemissionen auf die Umgebung ist es wünschenswert,
solche Emissionen auf ein Minimum zu reduzieren.
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Es
ist bekannt, dass die Zugabe von Wasser zu Verbrennungsluft beim
Verbrennungsprozess die Erzeugung von Stickoxiden verringert. Dieses
Phänomen
basiert unter anderem auf der Kühlwirkung von
Wasser.
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Das
Zugeben von Wasser zu Verbrennungsluft vor dem Zylinder ist technisch
weniger kompliziert als die direkte Einspritzung von Wasser bei
hohem Druck in einen Zylinder. Jedoch ist zum Erreichen eines hohen
Feuchtigkeitsniveaus eine große
Wassermenge erforderlich. Hinsichtlich der Langlebigkeit von Motorkonstruktionen
und der Steuerung des Verbrennungsprozesses wäre es von Vorteil, nicht verdampftes
Wasser zu entfernen, bevor Verbrennungsluft in den Motorzylinder
eingeleitet wird, da auf diese Weise eingeleitetes Wasser in der
Regel in Form relativ großer
Tropfen vorliegt.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer Luftversorgungsanordnung, bei der die Probleme des Stands
der Technik auf ein Minimum reduziert werden. Insbesondere strebt
die vorliegende Erfindung an, eine Luftversorgungsanordnung bereitzustellen,
bei der die Befeuchtung der Verbrennungsluft auf vorteilhafte und wirksame
Weise durchgeführt
wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Luftversorgungsanordnung für einen Kolbenmotor mit einem
Zufuhrkanal zur Zuführung
von Verbrennungsluft in den Motor, einem Sammelbehälter, mit dem
der Zufuhrkanal verbunden ist, einem getrennten Zufuhrrohr zur Zuführung von
Verbrennungsluft aus der Sammelkammer zu dem oder jedem Zylinder und
Mitteln zur Einleitung von Befeuchtungsfluid in die Verbrennungsluft,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Tropfenabscheider in
Strömungsrichtung
der Verbrennungsluft hinter dem Sammelbehälter angeordnet ist. Bei einem
Mehrzylindermotor wird vorzugsweise ein getrennter Tropfenabscheider
in jedem Zufuhrrohr angeordnet, um flüssiges Befeuchtungsfluid von
der Verbrennungsluft zu trennen.
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Die
Mittel zur Einleitung von Befeuchtungsfluid in die Verbrennungsluft
umfassen einen Wassertank oder dergleichen, mit dem der Verbrennungsluftsammelbehälter zum
Beispiel über
einen Rückführkanal
für getrenntes
Wasser in Strömungsverbindung steht.
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Eine
zweckmäßige und
zuverlässige
Ausführung
wird dadurch erreicht, dass mindestens ein Verbindungsstück zur Verbindung
des Sammelbehälters mit
einem Zylinderkopf des Motors vorgesehen wird. Bei einer solchen
Ausführung
kann der Tropfenabscheider leicht gewartet oder ausgetauscht werden. Vorzugsweise
ist der oder jeder Tropfenabscheider einem Verbindungsglied des
Verbindungsstücks
oder dem zugehörigen
Verbindungsstück
zugeordnet.
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Das
Mittel zur Einleitung von Befeuchtungsfluid in die Verbrennungsluft
umfasst mindestens eine Düse
zur Einleitung von Befeuchtungsfluid in die Verbrennungsluft hinter
einem Turbolader und vor dem Sammelbehälter. Darüber hinaus kann die Anordnung
mindestens einen Wärmetauscher
zum Erwärmen
oder Kühlen
der Verbrennungsluft umfassen.
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Im
Folgenden werden Ausführungsformen der
Erfindung rein beispielhaft unter besonderer Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:
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1 schematisch
einen Kolbenmotor, für den
eine Luftversorgungsanordnung gemäß der Erfindung ausgeführt ist;
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2 schematisch
ein Detail des Kolbenmotor nach 1;
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3 ein
Detail von 2, mit Blickrichtung von Pfeil
D; und
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4 eine
andere Ausführungsform
des Details von 2.
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In
den Zeichnungen wird ein Kolbenmotor gemäß der Erfindung durch die Bezugszahl 1 bezeichnet.
Wie in 1 zu sehen umfasst der Motor einen Motorblock 2,
einen Zylinder 3 und einen Zylinderkopf 4. Geeigneterweise
umfasst der Motor mehrere Zylinder, die jeweils einen eigenen Zylinderkopf aufweisen
können.
Des Weiteren enthält
der Motor einen Abgaskrümmer 7,
der mit einem Turbolader 8 verbunden ist. Weiterhin umfasst
der Motor einen Sammelbehälter 6 für Verbrennungsluft,
der im Motorblock 2 angeordnet ist und in den der Turbolader 8 gemäß seiner
Anordnung Verbrennungsluft zuführen soll.
Jeder Zylinder 3 des Motors ist mit einem Verbindungsstück 5 für verschiedene
Druckmedien versehen, mittels dessen es möglich ist, zum Beispiel den Kühlkreislauf
des Zylinderkopfs und den Gasaustausch des Zylinders anzuordnen.
Solche Anordnungen können
wie zum Beispiel in der US-A-5 213 068 gezeigt realisiert werden.
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Das
Verbindungsstück 5 weist
ein Zufuhrrohr 11 zur Leitung von Verbrennungsluft über den
Zylinderkopf 4 aus dem Sammelbehälter 6 des Motorblocks 2 zum
Zylinder 3 auf. Das Zufuhrrohr 11 für Verbrennungsluft
wird in 2 in schraffierten Linien gezeigt,
wobei die Strömungsrichtung
durch den Pfeil A gezeigt wird. Bei dieser Ausführungsform weist das Verbindungsstück 5 des
Weiteren einen Abgaskanal 12 zur Leitung von Abgasen aus
dem Zylinder 3 über den
Zylinderkopf 4 zum Abgasrohr 7 auf. Darüber hinaus
kann das Verbindungsstück 5 einen
Kühlwasserkanal 13 zum
Recyceln von Kühlwasser
für den Zylinder 3 über den
Zylinderkopf 4 und zu einem Sammelkanal für Kühlwasser
im Motorblock 2 enthalten. Das Verbindungsstück 5 ist
mit Verbindungsgliedern 14 und 15 zur Verbindung
mit entsprechenden Verbindungsgliedern des Zylinderkopfs 4 bzw.
des Motorblocks 2 versehen.
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Der
Turbolader 8 steht über
ein Zufuhrrohr oder einen Zufuhrkanal 22 für Verbrennungsluft
gewöhnlich
am anderen Ende des Sammelbehälters 6 mit
diesem in Verbindung. Des Weiteren sind Mittel 16 zur Einleitung
von Befeuchtungsfluid in die Verbrennungsluft vorgesehen. Der Zufuhrkanal 22 für Verbrennungsluft
ist mit Düsen 18, 19 zum
Einspritzen von Wasser in die Verbrennungsluft versehen. Des weiteren
ist oder sind ein oder mehrere Wärmetauscher 23 im
Zufuhrkanal je nach Situationserfordernis entweder zum Erwärmen oder
zum Kühlen
der Verbrennungsluft installiert. Verbrennungsluft wird aus dem
Sammelbehälter 6 zu
jedem Zylinder geleitet. Deshalb umfasst die Anordnung einen getrennten
Zufuhrkanal 11 für
Verbrennungsluft für
jeden im Verbindungsglied 15 angeordneten Zylinder, wobei der
Kanal 11 mit dem Sammelbehälter 6 für Verbrennungsluft
in Verbindung steht.
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Während der
Motor läuft
wird Wasser mittels der Düsen 18, 19 in
die Verbrennungsluft eingespritzt, und, falls erforderlich, wird
Wärme mittels
des Wärmetauschers 23 der
Verbrennungsluft zugeführt bzw.
daraus abgeführt.
Luft strömt
vom Zufuhrkanal 22 in den Sammelbehälter 6 und nimmt auch
Wassertropfen mit. Im Sammelbehälter 6 kann
ein Teil des Wassers zu dessen Boden abgeschieden werden, zum Beispiel
aufgrund einer verringerten Strömungsgeschwindigkeit.
Das eigentliche Trennen von Wasser von der Verbrennungsluft erfolgt
erst kurz vor dem Leiten der Verbrennungsluft in den Zylinder. Deshalb
ist jedes Zufuhrrohr 11 für Verbrennungsluft mit einem
Tropfenabscheider 20 zum Trennen von Befeuchtungsfluid
in flüssiger
Form von der Verbrennungsluft versehen.
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Jeder
Tropfenabscheider 20 kann so angeordnet sein, dass das
getrennte Wasser nach unten zum Sammelbehälter 6 für Verbrennungsluft
fließt. Der
Sammelbehälter 6 steht
mit den Mitteln 17 zum Einleiten von Befeuchtungsfluid
in die Verbrennungsluft in Strömungsverbindung.
Diese Strömungsverbindung
ist zur Rezirkulation des getrennten Wassers und zu seiner Wiedereinspritzung
in die Verbrennungsluft vorgesehen. Die Mittel 17 zum Einleiten von
Befeuchtungsfluid in die Verbrennungsluft umfassen einen Wassertank
oder dergleichen 17',
mit dem der Sammelbehälter 6 in
Strömungsverbindung steht.
Dazu umfasst die Luftversorgungsanordnung einen Rückführkanal 21 für getrenntes
Wasser, der die Strömungsverbindung
zwischen dem Sammelbehälter 6 und
dem Wassertank oder dergleichen 17' bildet.
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Der
Tropfenabscheider 20 kann auch so angeordnet sein, dass
das getrennte Wasser über
einen getrennten Kanal 25 nach unten zum Wassertank oder
dergleichen 17' strömt. Je nach
Situation kann der Aufbau entweder einen den Sammelbehälter 6 und
den Wassertank oder dergleichen 17' verbindenden Rückführkanal 21 oder einen
getrennten, den Tropfenabscheider 20 und den Wassertank
oder dergleichen 17' verbindenden
getrennten Kanal 25 umfassen. Des Weiteren kann der Motor
gleichzeitig mit beiden Kanälen
versehen sein, wenn zum Beispiel die zu trennende Wassermenge sehr
groß ist.
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Die
Anordnung ist besonders vorteilhaft ausgeführt, wenn der Tropfenabscheider 20 in
Verbindung mit dem Verbindungsstück 5 angeordnet
ist, das den Zylinderkopf 4 des Motors und den Sammelbehälter 6 verbindet,
wodurch dessen Befestigung einfach und zuverlässig ist. Die Luftversorgungsanordnung
gemäß der Erfindung
sorgt für
einen effizienten Luftbehandlungs- und -befeuchtungsprozess, da
Wasser freier verwendet werden kann als bei herkömmlichen Anordnungen und das
Abtrennen des verbrauchten Wassers als eine Flüssigkeit effizient ist. Der
Kanal 22 für
Verbrennungsluft befindet sich in der Regel an einem Ende des Sammelbehälters 6, und
Wasser wird vor dem Sammelbehälter 6 in
die Verbrennungsluft eingespritzt, wodurch die Verweilzeit des Wassers
in der Verbrennungsluft vor der Wassertrennung verlängert wird.
Des weiteren ist bei dieser Anordnung die Erhöhung der Luftfeuchtigkeit effizienter.
Es kann fortwährend
eine vorbestimmte Wassermenge im Sammelbehälter vorliegen, von der ein
Teil auch in die Verbrennungsluft verdampft wird.
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2 zeigt
ausführlicher
das den Zylinderkopf 4 des Motors und den Sammelbehälter 6 verbindende
Verbindungsstück 5.
Eine Aussparung 24 mit einem größeren Durchmesser als der Strömungsdurchgang
ist für
den Tropfenabscheider 20 in Verbindung mit einem als ein
Verbindungsglied des Verbindungsstücks 5 verwendeten
Flansch angeordnet, so dass der Tropfenabscheider 20 zwischen
dem Flansch des Verbindungsstücks
und der Verbindungsfläche
des Zylinderkopfs 4 angeordnet ist. Eine Nut 24' oder ein äquivalenter
Kanal kann so ausgebildet werden, dass sie sich von der Aussparung 24 zu einer
der Verbindungsflächen 15 des
Verbindungsstücks
erstreckt, um die Strömung
des getrennten Wassers zum Sammelbehälter 6 sicherzustellen,
so dass zum Zylinder strömende
Luft die Rückkehr
des Wassers nicht wesentlich behindert oder stört. 3 zeigt
das Verbindungsstück 5 von 2 mit
Blickrichtung von Pfeil D. Wie in 3 gezeigt,
erstreckt sich der Tropfenabscheider 20 zu einem Bereich,
der breiter ist als der Strömungsquerschnitt
und füllt
somit das Aussparungsloch 24. Vorzugsweise wird diese Art
von Ausführung
dann verwendet, wenn das Ziel darin besteht, das getrennte Wasser
in den Sammelbehälter 6 zu
führen.
Wenn der Motor einen getrennten Kanal 25 umfasst, wie oben
beschrieben, ist der Kanal 25 statt mit der Nut 24' mit dem Tropfenabscheider 20 verbunden.
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4 zeigt
eine andere mögliche
Position für
einen dem Verbindungsstück
zugeordneten Tropfenabscheider 20. Hier ist der Tropfenabscheider
einer der Verbindungsflächen 15 des
Verbindungsstücks 5 zugeordnet.
An der Innenfläche
des Zufuhrrohrs 11 ist eine Aussparung 24a, das
heißt
eine Nut oder dergleichen, in einem bestimmten Winkel bezüglich der
Fläche 15 ausgebildet,
in die der Tropfenabscheider 20 durch sein Einsetzen in
das Zufuhrrohr 11 für
Verbrennungsluft installiert werden kann. Die Nut stützt den
Tropfenabscheider und hält
ihn fest. Auf diese Weise kann die Fläche des Tropfenabscheiders
größer ausgestaltet
werden als in dem in 2 gezeigten Fall, wodurch sein
Strömungswiderstand
verringert wird. Der Tropfenabscheider ist so ausgeführt, dass
er seine Position einnimmt, wenn das Verbindungsstück 5 am
Sammelbehälter
für die Verbrennungsluft
des Motors befestigt ist.
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Durch
Einstellen des Zustands und der Feuchtigkeit der Verbrennungsluft
ist es möglich,
den Verbrennungsprozess und die Zusammensetzung und Menge von Verbrennungsprodukten
auf an sich bekannte Art zu beeinflussen. Der Hauptvorteil besteht
in der Verringerung von Stickoxidemissionen.
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In
den oben erwähnten
Figuren werden nur ein paar Ausführungsformen
der Erfindung gezeigt. Der Tropfenabscheider kann statt im Verbindungsstück angeordnet
zu sein, in einigen Fällen
auch in Mitteln, die mit dem Zylinderkopf oder dem Sammelbehälter installiert
oder ihm zugeordnet sind, angeordnet sein. Somit ist die Erfindung
nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern
es kommen auch andere Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs
der angehängten
Ansprüche
in Betracht.