DE102004027435A1

DE102004027435A1 - Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102004027435A1
Application number: DE102004027435A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. Schillings; Siegfried Dipl.-Ing. Sumser
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-06-04
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2005-12-29

Abstract

Bekannte Brennkraftmaschinen mit einem Abgasturbolader besitzen einen Luftfilter, der relativ weit entfernt von einem Eintrittsbereich des Verdichters des Abgasturboladers vorgesehen ist. Aufgrund enger Bauraumverhältnisse ergibt sich oftmals eine nicht optimale Führung der Zuführleitung vom Luftfilter zu dem Abgasturbolader, was zu Instabilitäten in der Strömung führt. DOLLAR A Zur Verbesserung der Verdichterradzuströmung wird vorgeschlagen, eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader (1), der einen Verdichter (2) und eine Turbine (4) aufweist, wobei Ansaugluft über einen Luftfilter (15) in den Verdichter (2) gelangt. Erfindungsgemäß ist der Luftfilter (15) in der Nähe eines Eintrittsbereichs (20) des Verdichters (5) angeordnet, wodurch eine optimale Zuströmung zu dem Verdichterrad (5) erfolgt. DOLLAR A Die Erfindung ist für mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschinen vorgesehen.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader nach der Gattung des Anspruchs 1.

Es ist bereits eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader bekannt ( DE 199 44 710 C2 ), bei der die Ansaugluft über einen zentralen Luftfilter zu dem Verdichter des Abgasturboladers gelangt. Der Verdichter des Abgasturboladers und der Luftfilter befinden sich in relativ weiter Entfernung voneinander, wodurch eine relativ lange Zuführleitung in Form einer Rohrzuführung an der Brennkraftmaschine zu verbauen ist.

Eine derartige Zuführleitung bewirkt aber unbestimmte Vordrallkomponenten in der Verdichterradzuströmung, welche zu Instabilitäten in der Strömung führen. Im sogenannten Rotating-Stall-Kennfeldbereich des Verdichters kann dies zu Pumpproblemen des Verdichters führen. Bei einer optimalen Zuströmung zu dem Verdichterrad des Verdichters hingegen, wie sie z. B. an einem Abgasturbolader-Komponentenprüfstand der Fall ist, treten diese Instabilitäten in der Strömung erst bei deutlich niedrigeren Massendurchsätzen oder merklich höheren Verdichterdruckverhältnissen auf.

Die laufende Entwicklung von aufgeladenen Brennkraftmaschinen, wie Otto- oder Dieselmotoren, ist durch eine Steigerung der Aufladegrade gekennzeichnet. Ein Schwerpunkt der Abgasturbolader-Verdichterentwicklung ist daher die Aufweitung des Bereichs des Abgasturbolader-Verdichterkennfelds. Eine Auslegung des Abgasturboladers möglichst nahe an der bauraumrealen Verdichterpumpgrenze bewirkt aber, dass der Fahrer mit undefinierbaren Strömungsgeräuschen und im Extremfall mit Ruckeln aufgrund der ladedruckabhängigen Kraftstoffeinspritzung in den von den Umgebungsbedingungen mitverursachten Pumpphasen zu rechnen hat. Auch wird dabei die Lebensdauer der aufgeladenen Brennkraftmaschine negativ beeinflusst.

Die erhöhte Pumpgefahr durch die nicht optimale Führung der Ansaugluft zu dem Verdichterrad aufgrund der Bauraumgegebenheiten kann bisher nur durch eine entsprechende Zurücknahme des Motordrehmoments gebannt werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine optimale Zuströmung zu dem Verdichterrad des Abgasturboladers erfolgt. Die Gefahr des Pumpens des Verdichters des Abgasturboladers wird deutlich reduziert, wobei trotz evtl. vorliegender enger Bauraumverhältnisse stets eine optimale Verdichterradzuströmung gewährleistet wird.

Gegenüber dem Stand der Technik ist daher eine Erhöhung des Motordrehmoments ohne Pumpgefahr des Verdichters möglich.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader möglich.

Eine weitere Verbesserung der Strömungsverhältnisse zu dem Verdichterrad lässt sich dadurch erzielen, dass der Luftfilter so gestaltet ist, dass er zugleich als Strömungsgleichrichter für die angesaugte Luft dient.

In vorteilhafter weise kann der Luftfilter in einem Luftfilterelement verbaut und als auswechselbare Luftfilterpatrone ausgebildet sein, die sich in einfacher Art und Weise austauschen lässt.

In einer Ausgestaltung sind Sammelräume im Luftfilterelement vorgesehen, die einer weiteren Beruhigung der Strömung dienen.

Die Ausbildung eines Anschlussstücks in konisch verjüngender weise führt zu einer Beschleunigung der Strömung unmittelbar vor dem Verdichterrad, wodurch sich die Zuströmung besonders optimal an das Verdichterrad heranführen lässt.

Vorteilhaft ist eine weitere Optimierung der Zuströmung zu dem Verdichterrad mittels eines strömungsgünstig gestalteten Nabenkörpers stromauf des Verdichterrades innerhalb des Anschlussstücks des Luftfilterelements.

Durch die bauliche Gestaltung des Luftfilterelements ergibt sich eine optimale Motorluftbereitstellung, die bezogen auf das Gesamtsystem in platzsparender und kostengünstiger Weise realisiert wird. Besonders vorteilhaft ist, dass durch einen Zulauf zu dem Luftfilter sich sehr viele Freiheitsgrade in der Rohrgestaltung ergeben, da durch das Entkopplungselement „Luftfilter" die negative Wirkung einer ungünstigen Rohrgestaltung weitgehend neutralisiert werden kann.

In vorteilhafter Weise erfolgt die Gestaltung des Luftfilterelements so, dass ein Quotient gebildet von der Länge des Luftfilterelements zu dem Durchmesser des Luftfilterelements kleiner 2,5, vorzugsweise kleiner 1,5 ist, wodurch sichergestellt wird, dass Strömungsstörungen vor und im Luftfilterelement sehr effektiv weggedämpft werden können.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die Zeichnung zeigt in teilweiser Schnittdarstellung einen Abgasturbolader 1 mit an seinem Verdichtergehäuse 12 angebautem erfindungsgemäßen Luftfilterelement 3. Der Abgasturbolader 1 ist Teil einer Brennkraftmaschine, bei der es sich um einen Otto- oder um einen Dieselmotor handeln kann. Der Abgasturbolader 1 dient in bekannter Weise zur Verdichtung der angesaugten Luft für die Brennkraftmaschine und besitzt hierzu einen Verdichter 2 mit einem Verdichterrad 5 und eine Turbine 4 mit einem Turbinenrad 6. Das Verdichterrad 5 und das Turbinenrad 6 sind über eine gemeinsame Welle 8 drehfest miteinander verbunden.
Über einen hülsenförmig ausgebildeten Anschlussbereich 10 am Verdichtergehäuse 12 des Abgasturboladers 1 ist das erfindungsgemäße Luftfilterelement 3 mit einem Anschlussstück 16, z. B. an einem am Anschlussbereich 10 ausgebildeten Absatz 19, befestigt. Das Luftfilterelement 3 weist in seinem Inneren einen Luftfilter 15 auf, der beispielsweise als auswechselbare Luftfilterpatrone ausgebildet ist. Der Luftfilter 15 bzw. das Luftfilterelement 3 ist in der Nähe zu einem Eintrittsbereich 20 des Verdichters 2 am Verdichtergehäuse 12 verbaut. Der Luftfilter 15 ist so gestaltet, dass er neben der Filterung der von der Brennkraftmaschine angesaugten Luft auch eine Gleichrichtung der Luftströmung bewirken kann. Durch die Gleichrichtung der Luft im Luftfilter 15 kann die Luft dabei gezielt drallfrei oder gegebenenfalls je nach Anforderung auch gezielt drallförmig gestaltet werden.
An den hülsenförmigen Anschlussbereich 10 des Verdichtergehäuses 12 ist das Anschlussstück 16 des Luftfilterelements 3 lösbar aufgesetzt bzw. aufgesteckt. Das Anschlussstück 16 des Luftfilterelements 3 geht weiter stromauf in den eigentlichen Luftfilter 15 über. Vorzugsweise ist das Anschlussstück 16 entgegen der Strömungsrichtung konisch erweiternd ausgebildet. Das Anschlussstück 16 weist dabei eine Innenfläche 17 auf, die sich ebenfalls entgegen der Strömungsrichtung konisch erweitert, so dass quasi ein Düsenstück oder ein Beschleunigungskanal stromauf des Verdichterrades 5 bzw. des Verdichtereintrittsbereichs 20 vorliegt. Stromauf des Anschlussstücks 16 weist das Luftfilterelement 3 einen ersten Sammelraum 25 auf. Stromauf des ersten Sammelraums 25 ist der beispielsweise zylinderförmig ausgebildete Luftfilter 15 vorgesehen. Vorzugsweise ist der Luftfilter 15 als auswechselbare Luftfilterpatrone ausgebildet, die z. B. steckbar im Inneren des Luftfilterelements 3 verbaut ist.
Weiter stromauf des Luftfilters 15 ist ein zweiter Sammelraum 26 vorgesehen. In den zweiten Sammelraum 26 mündet ein Zulauf 30. Der Zulauf 30 dient der Zuführung der von der Brennkraftmaschine angesaugten Luft und kann als mehr oder wenig beliebig verschlungene Rohrzuführung ausgebildet sein. Die von der Brennkraftmaschine angesaugte Luft gelangt über den Zulauf 30 beispielsweise seitlich in den zweiten Sammelraum 26 und dann weiter in den Luftfilter 15. In dem Luftfilter 15 wird die Luft gefiltert und zugleich gleichgerichtet oder gegebenenfalls gezielt mit Drall versehen, wonach diese in dem ersten Sammelraum 25 weiter beruhigt und anschließend in das Innere des Anschlussstücks 16 gelangt. In dem Anschlussstück 16, welches als Düse dient, wird die Luft beschleunigt und kann so möglichst gleichgerichtet drallfrei oder definiert mit Drall vor das Verdichterrad 5 strömen. Die Strömung erfolgt mittels des Anschlussstücks 16 beschleunigt, wodurch eine optimale Heranführung der Luft an das Verdichterrad 5 erfolgt.
Zur weiteren Verbesserung kann das Anschlussstück 16 in seinem Inneren einen Nabenkörper 32 aufweisen, der mit einem Nabenbereich 37 des Verdichterrades 5 fluchtet und stromauf des Verdichterrades 5 sich etwas erweitert. Durch den Nabenkörper 32 und die Innenfläche 17 wird ein Beschleunigungskanal gebildet.
Als vorteilhafte Gestaltung für das Luftfilterelement 3 hat sich herausgestellt, einen Quotienten Q gebildet aus der Länge L des Luftfilterelements 3, gemessen von einem verdichterseitigen Ende 34 des Anschlussstücks 16 zu einem freien Ende 35 des Luftfilterelements 3 am zweiten Sammelraum 26, bezogen auf einen Durchmesser D des Luftfilterelements 15 kleiner 2,5 auszuführen. Vorzugsweise kann aufgrund der baulichen Gegebenheiten der Quotient Q = L/D auch unterhalb von 1,5 liegen. Durch das erfindungsgemäße Luftfilterelement 3 in der Nähe des Verdichterrades 5 lassen sich jegliche Strömungsstörungen vor und im Luftfilter 15 weitestgehend wegdämpfen. Die damit verbundene optimale Zuströmung zu dem Verdichterrad 5 führt zu einer deutlichen Reduzierung der Pumpgefahr des Abgasturboladers 1.

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, der einen Verdichter und eine Turbine aufweist, wobei Ansaugluft über einen Luftfilter in den Verdichter gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftfilter (15) in der Nähe eines Eintrittsbereichs (20) des Verdichters (2) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftfilter (15) so gestaltet ist, dass er zugleich als Strömungsgleichrichter für die angesaugte Luft dient.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftfilter (15) in einem Luftfilterelement (3) verbaut ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfilterelement (3) stromab des Luftfilters (15) und stromauf des Eintrittsbereichs (20) des Verdichters (2) einen ersten Sammelraum (25) aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfilterelement (3) einen zweiten Sammelraum (26) stromauf des Luftfilters (15) aufweist, in welchen ein Zulauf (30) für die Ansaugluft mündet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftfilter (15) als auswechselbare Luftfilterpatrone ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschlussstück (16) zur Befestigung des Luftfilters (15) vorgesehen ist, das am Abgasturbolader (1) verbaut ist und eine Innenwandung (17) aufweist, die sich in Strömungsrichtung konisch verjüngt, wodurch ein Beschleunigungskanal zu dem Eintrittsbereich (20) des Verdichters (2) gegeben ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussstück (16) lösbar an einem hülsenförmigen Anschlussbereich (10) eines Verdichtergehäuses (12) des Verdichters (2) befestigt ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfilterelement (3) im Innern des Anschlussstücks (16) einen Nabenkörper (32) aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestaltung des Luftfilterelements (3) so erfolgt, dass ein Quotient Q, gebildet aus der Länge L des Luftfilterelements (3) zu einem Durchmesser D des Luftfilterelements (3) kleiner 2,5, vorzugsweise kleiner 1,5, ist.