DE102009015814B4

DE102009015814B4 - Vorrichtung zur Luftführung in einem Saugsystem

Info

Publication number: DE102009015814B4
Application number: DE102009015814A
Authority: DE
Inventors: Mirko Göpfert; Mark Niedostatek; Gerd Paczkowski; Bernhard Wielage
Original assignee: ACTech GmbH
Current assignee: ACTech GmbH
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2011-02-10
Anticipated expiration: 2029-04-02
Also published as: DE102009015814A1; WO2010111999A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Luftführung in einem Saugsystem, bestehend aus mindestens einem Ansaugrohr, das in einen als Beruhigungskammer ausgestalteten Luftsammelbehälter mündet, der über mehrere Ausgänge mit im Strömungsweg nachgeordneten Baugruppen in Wirkverbindung steht. Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Vorrichtung zu schaffen, die mit geringem Bauteil- und Bauraumaufwand eine wirksame Gleichrichtung und eine gute Schalldämpfung der durchströmenden Luft ermöglicht. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Luftsammelbehälter (2) einen als Prallfläche ausgestalteten unteren Abschnitt (21) und einen parabolisch verlaufenden oberen Abschnitt (22) aufweist, dass das Ansaugrohr (2) einen düsenförmigen Endabschnitt (11) mit einer sich in Strömungsrichtung kontinuierlich vermindernden Innenkontur aufweist und dass das Ansaugrohr (1) im Bereich des parabolisch verlaufenden Abschnittes (22) in den Luftsammelbehälter (2) mündet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Luftführung in einem Saugsystem, bestehend aus mindestens einem Ansaugrohr, das in einen als Beruhigungskammer ausgestalteten Luftsammelbehälter mündet, der über mehrere Ausgänge mit im Strömungsweg nachgeordneten Baugruppen in Wirkverbindung steht.
Für verschiedenartige technische Anwendungen werden Luftströme in Saugsystemen geführt. Ein diesbezüglich typisches Beispiel sind Verbrennungsmotoren, bei denen die Verbrennungsluft über ein Saugsystem dem Motor zugeführt wird. Bekannte Saugsysteme weisen neben den Baugruppen zur eigentlichen Luftzuführung weitere Baugruppen auf, beispielsweise Elemente zur Ansauggeräuschdämpfung, zur Messung und Regelung der zugeführten Luftmasse, zur Verteilung der Luft auf die separaten Zylinder oder für die Einleitung von rückgeführtem Abgas in den Luftstrom. Unabhängig von der Ausgestaltung der einzelnen Komponenten eines Saugsystems ist die Konstruktion des Luftverteilers wesentlich. Der Luftverteiler ist ein Sammlervolumen, dessen Aufgabe es ist, den angesaugten Luftvolumenstrom möglichst gleichmäßig auf alle Zylinder des Verbrennungsmotors zu verteilen. Hierfür sind bereits zahlreiche technische Lösungen mit Verwendung von Flügeleinsätzen, Lochblechen, Siebeinsätzen und ähnlichen Bauteilen vorgeschlagen worden.
So wird in DE 203 21 078 U1 eine Vorrichtung zum Verwirbeln der Ansaugluft für einen Verbrennungsmotor beschrieben, bei der im Ansaugweg mehrere schaufelförmige Bauteile angeordnet sind, mit denen die strömende Luft lateral in eine Drehbewegung abgelenkt wird.
Gemäß DE 102 16 386 B4 wird die Ansaugluft mit einem Propeller verwirbelt, der im Ansaugweg angeordnet und elektrisch angetrieben wird. Neben der Verwirbelung bewirkt der Propeller zusätzlich eine Druckbeaufschlagung der strömenden Luft, so dass dem Verbrennungsmotor eine höhere Luftmenge zugeführt werden kann.
Aus DE 195 17 079 A1 ist eine Luftansaugvorrichtung für Verbrennungsmotoren bekannt, bei der die Brennraum-Einlassöffnungen mit einem gemeinsamen Luftsammelbehälter verbunden sind. Dem Luftsammelbehälter ist eine Luftleiteinrichtung zugeordnet, die eine definierte Verwirbelung der Luft im Strömungsweg zu den Zylindern bewirken soll. Hierfür sind mehrere parallel zueinander angeordnete Luftleitelemente vorgesehen, die in den Luftsammelbehälter hineinragen. Obwohl diese Ausgestaltung bezüglich der benötigten Luftsammelbehälter hineinragen. Obwohl diese Ausgestaltung bezüglich der benötigten Bauteile und des beanspruchten Bauraums aufwändig ist, ergeben sich funktionelle Vorteile, indem der Luftsammelbehälter eine Beruhigung der strömenden Luft bewirkt.
In DE 195 37 269 B4 wird eine Vorrichtung zur Luftführung in einem Saugsystem beschrieben, die mindestens ein Ansaugrohr aufweist, das in einen Luftsammelbehälter mündet. Der Luftsammelbehälter steht über mehrere Ausgänge mit im Strömungsweg nachgeordneten Baugruppen in Wirkverbindung, hier mit den Einlassöffnungen der Zylinder eines Verbrennungsmotors. Im Luftsammelbehälter ist ein Strömungsgleichrichter angeordnet, der als ein halbkugelförmiges Sieb ausgestaltet ist. Somit wird eine Reduzierung der Ansauggeräusche der strömenden Luft erreicht, so dass dieser Luftsammelbehälter funktionell als eine Beruhigungskammer wirksam wird. Allerdings entsteht durch die Querschnittsverengung am Siebeinsatz zwangsläufig ein Druckabfall, der das gesamte Strömungsverhalten beeinträchtigt.
Mit den benannten Fundstellen zum Stand der Technik kann überwiegend nur ein Parameter für eine weitgehend gleichmäßige Luftverwirbelung optimiert werden. Die für zahlreiche technische Lösungen angestrebte gleichmäßige Luftverteilung ist jedoch von mehreren Parametern abhängig, wobei insbesondere die Lage des Lufteintritts in das Sammlervolumen, die geometrische Ausgestaltung der Luftführung im Sammlervolumen und die Ausbildung im Übergang vom Sammlervolumen in die nachgeordneten Baugruppen wesentlich sind.
Aus US 4 829 943 A ist eine Konstruktion bekannt, mit der ein Kompromiss zur Realisierung der teilweise konträren Anforderungen für Lufteintritt in den Sammler, Luftführung innerhalb des Sammlers und Übergang vom Sammler in weitere Baugruppen angestrebt wird. Hierbei wird eine Ansaugvorrichtung mit einem Sammler beschrieben, in den mehrere separate Einströmkanäle münden. Das Sammlervolumen ist über einen ringförmigen Schlitz mit einer oberhalb angeordneten Wirbelkammer verbunden, von der zumindest ein Ansaugkanal abzweigt. Diese technische Lösung ist allerdings nur für Mehrzylinder-V-Motoren geeignet und erfordert einen großen freien Bauraum zwischen den Zylinderreihen.
In US 5 505 170 A wird eine Luftansaugvorrichtung beschrieben, die ein stark konturiertes Sammlervolumen aufweist. Hierbei soll durch sehr aufwendig ausgestaltete Abschnitte mit geometrisch unterschiedlichen Formen ausgehend vom Lufteintritt, über die Luftführung bis zum Luftaustritt eine optimale Strömung erzielt werden. Nachteilig ist jedoch der hierfür notwendige Herstellungsaufwand.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Luftführung in einem Saugsystem zu schaffen, die mit geringem Bauteil- und Bauraumaufwand eine wirksame Gleichrichtung und eine gute Schalldämpfung der durchströmenden Luft ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem der Luftsammelbehälter einen als Prallfläche ausgestalteten unteren Abschnitt und einen parabolisch verlaufenden oberen Abschnitt aufweist und indem das Ansaugrohr einen düsenförmigen Endabschnitt mit einer sich in Strömungsrichtung kontinuierlich vermindernden Innenkontur aufweist, wobei das Ansaugrohr im Bereich des parabolisch verlaufenden Abschnittes in den Luftsammelbehälter mündet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst demzufolge ein Saugsystem mit einem Luftsammelbehälter und einem Ansaugrohr für Luft, das zur Gleichrichtung der Luft mit einem düsenförmig gestalteten Endstück in das Sammelvolumen hineinragt.
Im Luftsammelbehälter ist gegenüber der Düsenmündung des Ansaugrohres eine Prallfläche angeordnet, die konkav, geradlinig oder konvex ausgestaltet werden kann. Durch diese unterschiedlichen Konturen kann die Luftströmung in Abhängigkeit der jeweils konkret angestrebten Strömung definiert abgelenkt bzw. ausgerichtet werden. Rechtwinklig zu dieser Prallfläche sind im weiteren Strömungsverlauf Ausströmöffnungen angeordnet. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen, deren technische Merkmale in einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.
Die strömungstechnisch gestaltete Innenkontur des Luftsammelbehälters bewirkt in Kombination mit der düsenförmigen Kontur des Ansaugrohres eine Gleichrichtung der einströmenden Luft. Durch die kontinuierliche Reduzierung des Querschnitts durch die düsenförmige Kontur wird – trotz lediglich minimaler Querschnittsverringerung – eine Erhöhung des statischen Druckes innerhalb des Ansaugrohres erzielt.
Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung wird eine Luftführung in einem Saugsystem realisiert, die mit geringem Bauteil- und Bauraumaufwand durch eine spezifische Düsengeometrie am Eintritt in die Beruhigungskammer eine wirksame Gleichrichtung der Luftströmung ermöglicht, d. h., es wird über den Austrittsquerschnitt verteilt eine Strömung mit gleichem Betrag und gleicher Richtung des Vektors erzielt. Somit wird eine Gleichverteilung des Massestromes auf die nachgeordneten Baugruppen mit einer Reduzierung der Massestromverluste bezogen auf den Zeitquerschnitt der Öffnungsintervalle dieser Baugruppen gewährleistet. Gleichzeitig wird eine wirksame Schalldämpfung erzielt.
Die Vorrichtung ist für zahlreiche technische Anwendungen mit einer Luftführung in Saugrohrsystemen mit Beruhigungskammern geeignet. Eine bevorzugte Anwendung sind Verbrennungsmotoren, bei denen die Vorrichtung im Ansaugweg der Verbrennungsluft vor den Brennräumen der Zylinder angeordnet werden kann. Hierbei ergeben sich zahlreiche Vorteile, von denen beispielsweise zu nennen sind:

– durch den Bauraum bedingte Krümmungen im Bereich der Vorsaugstrecke ergeben hinsichtlich der Strömungsgleichrichtung keine Probleme
– es treten lediglich sehr geringe Druckverluste auf
– eine Verringerung der Masse ist möglich durch Verwendung eines Saugrohres in der Vorsaugstrecke mit minimaler Länge
– es ergeben sich keine Kostenerhöhungen gegenüber dem Stand der Technik mit Lösungen ohne Gleichrichtung der strömenden Luft
– im Vergleich zu den bisher genutzten Lösungen mit Gleichrichtung der strömenden Luft ist eine einfache Auslegung möglich, die letztlich eine Reduzierung des konstruktiven Aufwandes und der Entwicklungskosten ergibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
1 den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Seitenansicht und Schnittdarstellung
2 ein Beispiel für die Ausbildung einer Strömung in der Vorrichtung gemäß 1
In 1 ist eine Vorrichtung zur Luftführung in einem Saugsystem dargestellt, die z. B. einem nicht näher gezeigten Verbrennungsmotor zugeordnet wird. Diese Vorrichtung umfasst ein Ansaugrohr 1 und einen Luftsammelbehälter 2, der als Beruhigungskammer ausgestaltet ist. Das Ansaugrohr 1 mündet in den Luftsammelbehälter 2, der über mehrere Ausgänge 3 mit Baugruppen in Wirkverbindung steht, die im Strömungsweg nachgeordnet sind. Bei einer Anwendung an einem Verbrennungsmotor sind derartige nachgeordnete Baugruppen die Brennräume der Zylinder. In 1 ist die Verbindung zu einem solchen Zylinder mit dem Bezugszeichen ”Z” stilisiert dargestellt.
Der Luftsammelbehälter 2 weist einen als Prallfläche ausgestalteten unteren Abschnitt 21 und einen parabolisch verlaufenden oberen Abschnitt 22 auf. Der untere Abschnitt 21 kann eine konkave, eine geradlinige oder eine konvexe Kontur aufweisen. Somit kann der Anströmpunkt verändert und die Luftströmung definiert ausgerichtet werden. Der parabolisch verlaufende Abschnitt 22 kann als ein vollständiger Rotationsparaboloid oder als ein lediglich teilweise parabolisch gekrümmter Bereich ausgestaltet werden, wobei die letztgenannte Variante unter Beachtung der Einbauverhältnisse häufiger sein wird. Unabhängig von der jeweils konkreten Ausführung mündet im Bereich dieses parabolisch verlaufenden Abschnittes 22 das Ansaugrohr 1 in den Luftsammelbehälter 2. 1 zeigt eine bevorzugte Variante, bei der das Ansaugrohr 1 im Mittelpunkt des parabolisch verlaufenden Abschnittes 22 in den Luftsammelbehälter 2 mündet.
Das Ansaugrohr 1 weist einen düsenförmigen Endabschnitt 11 auf. Die geometrische Gestaltung und räumliche Anordnung dieses düsenförmigen Endabschnittes 11 bestimmt wesentlich die Möglichkeiten zur Gleichrichtung der Luftströmung und die erreichbare Schalldämpfung. Hierbei ist vorgesehen, dass der düsenförmige Endabschnitt 11 mit einer sich in Strömungsrichtung kontinuierlich vermindernden Innenkontur ausgestaltet ist.
Weiterhin ist der Mündungsquerschnitt 12 des düsenförmigen Endabschnittes 11 parallel zum unteren Abschnitt 21 des Luftsammelbehälters 2 angeordnet. Ferner ist der Mündungsquerschnitt 12 vorzugsweise in einer Ebene angeordnet, die etwa in halber Höhe ”H” zwischen dem unteren Abschnitt 21 und dem oberen parabolischen Abschnitt 22 des Luftsammelbehälters 2 verläuft. Als weitere Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Mündungsquerschnitt 12 eine Querschnittsfläche aufweist, die etwa 80% der Querschnittsfläche des Ansaugrohres 1 im Bereich vor dem düsenförmigen Endabschnitt 11 entspricht. Schließlich ist vorgesehen, dass die Ausgänge 3 zu den im Strömungsweg nachgeordneten Baugruppen am Luftsammelbehälter 2 vorzugsweise rechtwinklig zum Mündungsquerschnitt 12 des düsenförmigen Endabschnittes 11 vom Ansaugrohr 1 angeordnet sind.
Der Luftsammelbehälter 2 und das Ansaugrohr 1 können als separate Baugruppen ausgestaltet und miteinander zu einer gemeinsamen Vorrichtung zusammengefügt werden. Alternativ ist es möglich, dass der Luftsammelbehälter 2 und das Ansaugrohr 1 als eine gemeinsame Baugruppe hergestellt werden. Diese aus 1 ersichtliche Variante ergibt Vorteile bezüglich Montagezeit, Montagegenauigkeit und dauerhaft lagefixierter Anordnung der für die Strömungsverhältnisse wesentlichen Bauteile und Konturabschnitte.
Die erfindungsgemäß ausgestaltete Vorrichtung weist große Krümmungsradien, exakt konturierte Bauteilübergänge, wenig Umlenkpunkte und große glatte Flächen zur Strömungsführung auf. Diese Kombination ergibt eine strömungsgünstige Gestaltung der gesamten Vorrichtung.
2 zeigt beispielhaft die Ausbildung einer Strömung mit der stilisierten Darstellung einer Vielzahl von Strömungsfäden 4. Die angesaugte Luft strömt zunächst im Innenraum des Ansaugrohres 1 und durch den düsenförmigen Endabschnitt 11 zum Mündungsquerschnitt 12. Danach trifft die Luft auf den unteren Abschnitt 21 des Luftsammelbehälters 2, der als Prallfläche wirkt. Ausgehend von dieser Prallfläche strömt die Luft an den Innenflächen des oberen parabolischen Abschnittes 22 des Luftsammelbehälters 2 weiter zu einem geöffneten Ausgang 3, der beispielsweise zum Brennraum eines Zylinders ”Z” führt.
Bezugszeichenliste

1: Ansaugrohr
11: düsenförmiger Endabschnitt
12: Mündungsquerschnitt
2: Luftsammelbehälter
21: unterer Abschnitt/Prallfläche
22: parabolischer oberer Abschnitt
3: Ausgänge
4: Strömungsfäden
H: halbe Höhe im Luftsammelbehälter
Z: Zylinder des Verbrennungsmotors

Claims

Vorrichtung zur Luftführung in einem Saugsystem, bestehend aus mindestens einem Ansaugrohr, das in einen als Beruhigungskammer ausgestalteten Luftsammelbehälter mündet, der über mehrere Ausgänge mit im Strömungsweg nachgeordneten Baugruppen in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftsammelbehälter (2) einen als Prallfläche ausgestalteten unteren Abschnitt (21) und einen parabolisch verlaufenden oberen Abschnitt (22) aufweist, dass das Ansaugrohr (1) einen düsenförmigen Endabschnitt (11) mit einer sich in Strömungsrichtung kontinuierlich vermindernden Innenkontur aufweist und dass das Ansaugrohr (1) im Bereich des parabolisch verlaufenden Abschnittes (22) in den Luftsammelbehälter (2) mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Abschnitt (21) eine konkave Kontur aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Abschnitt (21) eine geradlinige Kontur aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Abschnitt (21) eine konvexe Kontur aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der parabolisch verlaufende Abschnitt (22) am Luftsammelbehälter (2) als ein Rotationsparaboloid ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansaugrohr (1) im Mittelpunkt des parabolisch verlaufenden Abschnittes (22) in den Luftsammelbehälter (2) mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsquerschnitt (12) des düsenförmigen Endabschnittes (11) vom Ansaugrohr (1) parallel zum unteren Abschnitt (21) des Luftsammelbehälters (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsquerschnitt (12) des düsenförmigen Endabschnittes (11) vom Ansaugrohr (1) in einer Ebene angeordnet ist, die etwa in halber Höhe (H) zwischen dem unteren Abschnitt (21) und dem oberen parabolischen Abschnitt (22) des Luftsammelbehälters (2) verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsquerschnitt (12) des düsenförmigen Endabschnittes (11) vom Ansaugrohr (1) eine Querschnittsfläche aufweist, die etwa 80% der Querschnittsfläche vom Ansaugrohr (1) im Bereich vor dem düsenförmigen Endabschnitt (11) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Luftsammelbehälter (2) rechtwinklig zum Mündungsquerschnitt (12) des düsenförmigen Endabschnittes (11) vom Ansaugrohr (1) die Ausgänge (3) zu den im Strömungsweg nachgeordneten Baugruppen angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftsammelbehälter (2) und das Ansaugrohr (1) als separate Baugruppen ausgestaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftsammelbehälter (2) und das Ansaugrohr (1) als eine gemeinsame Baugruppe ausgestaltet sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftsammelbehälter (2) mit dem als Prallfläche ausgestaltetem unteren Abschnitt (21) und dem parabolisch verlaufendem oberen Abschnitt (22) sowie das Ansaugrohr (1) mit düsenförmigem Endabschnitt (11) und einer sich in Strömungsrichtung vermindernden Innenkontur, wobei das Ansaugrohr (1) im Bereich des parabolisch verlaufenden Abschnittes (22) in den Luftsammelbehälter (2) mündet, einem Verbrennungsmotor zugeordnet werden.