DE102009046522A1

DE102009046522A1 - Einlasssystem für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009046522A1
Application number: DE102009046522A
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Charles Dr. Capon; Alex Leong; Scott Martin
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2009-11-09
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2029-11-10
Also published as: GB0821089D0; GB0920133D0; CN201802524U; US8286428B2; US20100122531A1; DE102009046522B4; GB2465473A; GB2465473B

Abstract

Eine Vorrichtung zum Verbessern der Leistung eines Radialkompressors 36, der einen Teil eines Einlasssystems einer Brennkraftmaschine 10 bildet, wird offenbart, wobei die Konfiguration und Positionierung einer Strömungsmanagementvorrichtung 137, die zum Erzeugen eines Vorwirbels verwendet wird, optimiert werden, um einen Druckabfall unter einen maximalen annehmbaren Pegel zu erzeugen. Ein Einlasskanal "I", der mit dem Radialkompressor 36 verbunden ist, weist einen verjüngten Endabschnitt auf, so dass eine Strömungsmanagementvorrichtung 137 mit einem größeren Durchmesser d2 als dem Durchmesser d1 einer Einlassöffnung "IP" in den Radialkompressor 36 aufgenommen werden kann.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Verbesserung der Leistung eines Radialkompressors und insbesondere auf die Verbesserung der Leistung eines Radialkompressors, der zum Erhöhen des Einlassdrucks einer Brennkraftmaschine verwendet wird, wie z. B. ein Turbolader oder Vorverdichter.
Es ist wohlbekannt, einen Radialkompressor in Form eines Turboladers oder Vorverdichters zu verwenden, um den Druck der Luft, die in eine Brennkraftmaschine eintritt, zu erhöhen, um Emissionen zu verringern und/oder um die Leistung zu erhöhen.
Bei solchen Radialkompressoren ist es ein Problem, dass das Strömungsfeld, mit dem der Einlass eines Turboladerkompressors beaufschlagt wird, den Betrieb des Kompressors beeinflusst. Eine hohe relative Geschwindigkeit zwischen dem Arbeitsfluid (Luft) und den Flügeln des Kompressors kann zur Trennung der Strömung von der Saugseite der Flügel führen, was zu einem Kompressordrehstillstand und/oder einem Kompressorpumpen führt. Diese Phänomene rufen einen verringerten Kompressorstufenwirkungsgrad und eine unerwünschte Geräuschabstrahlung, die manchmal als Turboladerzischen bezeichnet wird, hervor.
Es ist bekannt, eine Strömungsmanagementvorrichtung mit einer Anzahl von festen Flügeln, die stromaufwärts vom Kompressor angeordnet sind, zu verwenden, um einen Wirbel in der Luft, die in den Kompressor eintritt, zu induzieren, um die vorstehend angeführten Probleme zu minimieren oder zu beseitigen. Solche Strömungsmanagementvorrichtungen können jedoch ein weiteres Problem erzeugen, da sie die effektive Querschnittsfläche des Einlasses in den Kompressor verkleinern und so die Luftströmung zum Kompressor einschränken. Dies kann dazu führen, dass der Kompressor an Luftmangel leidet, was ein Durchdrehen oder eine Einlasskrümmerinstabilität wie z. B. eine Rückströmung insbesondere bei hohen Drehzahlen und Lasten verursacht.
Obwohl das Auftreten eines übermäßigen Gegendrucks durch die Verwendung von Flügeln, deren Drehposition eingestellt werden kann, beseitigt werden kann, ist eine solche Anordnung für viele Kleinfahrzeuganwendungen auf Grund der zusätzlichen Kosten und Komplexität unerwünscht. Beispielsweise muss nicht nur ein Mechanismus wie z. B. ein Aktuator zum Einstellen der Drehposition der Flügel bereitgestellt werden, ein Steuermechanismus für den Aktuator muss bereitgestellt werden. Ein solcher Steuermechanismus muss bestimmen können, wann die Flügel eingestellt werden müssen und in welche Position die Flügel bewegt werden müssen, und erfordert normalerweise einen oder mehrere Rückkopplungssensoren und eine elektronische Steuereinheit, die dazu programmiert ist, die Flügelposition auf der Basis der Rückkopplungssignale, die von den Rückkopplungssensoren empfangen werden, zu steuern. Zusätzlich zu den Kosten- und Komplexitätsproblemen, die mit der Verwendung einer Strömungsmanagementvorrichtung mit beweglichen Flügeln verbunden sind, kann daher auch ein Problem des Einbauraums bestehen, wenn der Radialkompressor einer ist, der in ein kleines Fahrzeug eingebaut wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Leistung eines Radialkompressors eines Einlasssystems für eine Brennkraftmaschine auf eine kosteneffiziente Weise zu verbessern.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Einlasssystem für eine Brennkraftmaschine mit einem Einlasskrümmer zum Liefern von Luft zur Brennkraftmaschine, einem Radialkompressor mit einem Pumpenelement, das in einem Pumpengehäuse montiert ist, zur Drehung um eine Achse, einer Einlassöffnung im Gehäuse, durch die Gas zum Pumpenelement geliefert wird, einer Auslassöffnung im Gehäuse, durch die Gas mit erhöhtem Druck zum Einlasskrümmer geliefert wird, einem Einlasskanal, der mit der Einlassöffnung verbunden ist, um Luft zum Radialkompressor zu liefern, und einer Strömungsmanagementvorrichtung mit einer Anzahl von sich radial erstreckenden festen Flügeln, die im Einlasskanal stromaufwärts von der Einlassöffnung angeordnet sind, um dem Gas, das durch die Einlassöffnung eintritt, eine Wirbelbewegung zu verleihen, geschaffen, wobei der Einlasskanal einen sich verjüngenden Abschnitt aufweist, der sich in Richtung der Einlassöffnung erstreckt, so dass die Querschnittsfläche des Einlasskanals mit abnehmendem Abstand von der Einlassöffnung abnimmt, wobei die Strömungsmanagementvorrichtung in einem Abstand stromaufwärts der Auslassöffnung angeordnet ist, so dass die effektive Durchflussfläche durch die Strömungsmanagementvorrichtung größer ist als sie wäre, wenn die Strömungsmanagementvorrichtung benachbart zur Einlassöffnung angeordnet wäre, und größer ist als ein minimaler Wert, um einen übermäßigen Gegendruck bei hohen Gasdurchflussraten zu verhindern.
Jeder der Flügel kann in einem Winkel in Bezug auf eine Achse angeordnet sein, die sich in der Richtung der Strömung des Gases durch den Einlasskanal erstreckt, um dem Gas die Wirbelbewegung zu verleihen.
Jeder der Flügel kann ein fester starrer Flügel sein.
Der Einlasskanal kann mindestens eine signifikante Biegung aufweisen und die Strömungsmanagementvorrichtung kann sich im Einlasskanal zwischen der Einlassöffnung und der letzten signifikanten Biegung im Einlasskanal befinden.
Die Konfiguration der Strömungsmanagementvorrichtung kann optimiert werden, um für mindestens eine Betriebsbedingung eine Wirbelbewegung in derselben Drehrichtung wie der Drehrichtung des Pumpenelements in der Luft, die in die Einlassöffnung eintritt, mit einer Wirbelgröße, die in einen vorbestimmten Bereich fällt, zu erzeugen.
Die Strömungsmanagementvorrichtung kann optimiert werden, um die relative Geschwindigkeit zwischen dem Gas, das durch den Einlass eintritt, und dem Pumpenelement zu verringern, ohne den Pumpenwirkungsgrad signifikant zu verringern.
Die Strömungsmanagementvorrichtung kann optimiert werden, um zumindest eine der Wahrscheinlichkeit für einen Drehstillstand, der Wahrscheinlichkeit für ein Kompressorpumpen und der Erzeugung eines Geräuschs zu verringern.
Die Konfiguration der Strömungsmanagementvorrichtung kann die Form, Größe, Orientierung und Anzahl von Flügeln einschließen.
Die Größe des durch die Strömungsmanagementvorrichtung erzeugten Wirbels und der Verlust der Wirbelgröße auf Grund von Verlusten im sich verjüngenden Einlasskanal zwischen der Strömungsmanagementvorrichtung und der Einlassöffnung kann für die mindestens eine Betriebsbedingung eine Wirbelgröße erzeugen, die in den vorbestimmten Bereich fällt.
Die mindestens eine Betriebsbedingung kann eine vorbestimmte Massendurchflussrate von Gas durch den Einlasskanal sein.
Der Radialkompressor kann entweder ein Kompressor eines Turboladers oder ein Kompressor eines Vorverdichters sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Brennkraftmaschine mit einem Einlasssystem geschaffen, das gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung konstruiert ist.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Verbessern der Leistung eines Radialkompressors geschaffen, wobei das Verfahren die Schritte des Anordnens einer Strömungsmanagementvorrichtung mit einer Anzahl von festen Flügeln stromaufwärts vom Kompressor, um einen Vorwirbel in der Luft, die in den Kompressor eintritt, zu erzeugen, und des Optimierens der Strömungsmanagementvorrichtung so, dass sichergestellt wird, dass der durch die Strömungsmanagementvorrichtung erzeugte Gegendruck unter einer vorbestimmten Grenze liegt, einschließt.
Das Verfahren kann ferner das Optimieren der Konfiguration der Strömungsmanagementvorrichtung, um für mindestens eine Betriebsbedingung den Vorwirbel in derselben Drehrichtung wie der Drehrichtung eines Pumpenelements des Radialkompressors zu erzeugen, und mit einer Wirbelgröße, die in einen vorbestimmten Bereich fällt, aufweisen.
Die Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Turbolader und einem Einlasssystem gemäß der Erfindung ist;
2 ein schematischer Querschnitt durch einen Teil eines Einlasssystems des Standes der Technik ist;
3 ein schematischer Querschnitt durch einen Teil eines Einlasskanals ist, der einen Teil des in 1 gezeigten Einlasssystems bildet;
4 ein Blockdiagramm hoher Ebene von einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zum Verbessern der Leistung eines Radialkompressors ist; und
5 ein Blockdiagramm hoher Ebene von einer zweiten Ausführungsform eines Verfahrens zum Verbessern der Leistung eines Radialkompressors ist.
In den 1 und 3 ist ein Brennkraftmaschinensystem 10 mit Funkenzündung gezeigt. Die Brennkraftmaschine besitzt ein Abgasrückführungssystem (AGR-System) 12 und einen Turbolader 14 mit einem Radialkompressorabschnitt 36 und einem Turbinenabschnitt 38, wobei der Turbinenabschnitt 38 eine Einlassströmungssteuervorrichtung 44 mit offenen und geschlossenen Positionen aufweist. Die Einlassströmungssteuervorrichtung 44 ist eine Einlassflächensteuervorrichtung für den Turbinenabschnitt 38 in Form eines Satzes von beweglichen Turbinenschaufeln.
Ein repräsentativer Brennkraftmaschinenblock 16 ist mit vier Brennkammern 18 gezeigt, von denen jede eine Kraftstoffeinspritzdüse 20 aufweist. Das Tastverhältnis der Kraftstoffeinspritzdüsen 20 wird durch eine Brennkraftmaschinen-Steuereinheit (ECU) 24 bestimmt und entlang einer Signalleitung 22 übertragen. Luft tritt in die Brennkammern 18 durch den Einlass- oder Ansaugkrümmer 26 ein und Verbrennungsgase werden 5 durch den Auslasskrümmer 28 ausgelassen.
Eine Strömungsmanagementvorrichtung 137 ist stromaufwärts vom Radialkompressor 36 in einem Einlasskanal ”I” angeordnet, der sich zu einem Luftfilter (nicht dargestellt) erstreckt, durch den Luft von der Atmosphäre eingesaugt wird. Die Strömungsmanagementvorrichtung ist zwischen der letzten signifikanten Biegung ”B” des Einlasskanals und einer Einlassöffnung ”IP” des Turboladers 14 angeordnet.
Um das Niveau von NOx-Emissionen zu verringern, ist die Brennkraftmaschine 10 mit dem AGR-System 12, das in diesem Fall eine Leitung aufweist, die den Auslasskrümmer 28 mit dem Ansaugkrümmer 26 verbindet, und einem AGR-Ventil 34, um die Menge an Abgas, das vom Auslasskrümmer 28 zurückgeführt wird, zu regeln, ausgestattet. Die Strömung von Abgas durch das AGR-Ventil 34 ist eine Funktion des Drucks über dem Ventil 34 zusätzlich zu einem elektrischen Signal, das auf der Leitung 46 von der ECU 24 zum Ventil 34 geliefert wird.
Das elektrische Signal auf der Leitung 46 wird durch die ECU 24 aus Beziehungen, die in der ECU 24 gespeichert sind, gemäß einem in der ECU 24 gespeicherten Computerprogramm erzeugt.
Der Turbolader 14 verwendet Abgasenergie, um die Masse der zu den Brennkraftmaschinen-Brennkammern 18 gelieferten Luftladung (d. h. Ladedruck) zu erhöhen.
Alle Brennkraftmaschinensysteme, einschließlich des AGR-Ventils 34, des Turboladers 14 und der Kraftstoffeinspritzdüsen 20, werden durch die ECU 24 gesteuert. Das Signal 46 von der ECU 24 regelt beispielsweise die AGR-Ventil-Position, ein Signal 48 regelt die Position der Turboladereinlassflächen-Steuervorrichtung 44 und ein Signal auf der Leitung 47 steuert ein Drosselventil 49.
Der Turbolader 14 besitzt den Radialkompressor 36 und die Turbine 38, die durch eine gemeinsame Welle gekoppelt sind, und, wie auf dem Fachgebiet gut bekannt ist, treibt das Abgas die Turbine 38 an, die den Kompressor 36 antreibt, der wiederum Umgebungsluft komprimiert und sie zum Ansaugkrümmer 26 über eine Auslassöffnung ”OP” leitet.
Ein Ansaugkrümmerdruck-Sensor (MAP-Sensor) 50 liefert ein Signal 52 zur ECU 24, das den Druck im Ansaugkrümmer 26 angibt, ein Luftladungstemperatursensor 58 liefert ein Signal 60 zur ECU 24, das die Temperatur der Ansaugluftladung angibt, und ein MAF-Sensor 64 liefert ein Signal über die Leitung 66, das den Luftdurchfluss angibt.
Zusätzliche Sensoreingangssignale werden auch von der ECU 24 entlang der Signalleitung 62 empfangen, wie z. B. eine Brennkraftmaschinen-Kühlmitteltemperatur, eine Brennkraftmaschinen-Drehzahl und eine Drosselposition, und Fahrereingangssignale 68 werden entlang des Signals 70 empfangen, wie z. B. die Gaspedalposition. Die ECU 24 verwendet die Eingangssignale von diesen Sensoren, um den Betrieb des Brennkraftmaschinensystems gemäß der in der ECU 24 gespeicherten Software zu steuern.
In 3 sind in einem vergrößerten Maßstab der Radialkompressor 36 und die Strömungsmanagementvorrichtung 137, die sich im Einlasskanal ”I” befindet, gezeigt. Der Begriff Radialkompressor, wie hierin verwendet, bedeutet eine Vorrichtung, in der die relative Geschwindigkeit zwischen dem einströmenden Gas und einer rotierenden Schaufel oder einem rotierenden Flügel eine Mach-Zahl von ungefähr 0,3 aufweist. Solche Vorrichtungen mit einer niedrigen relativen Mach-Zahl werden manchmal als Zentrifugalgebläse oder -ventilatoren bezeichnet.
Der Radialkompressor 36 besitzt ein Pumpenelement 36a, das in einem Pumpengehäuse 36b montiert ist, zur Drehung um eine Achse X-X. Die Einlassöffnung ”IP” ist im Gehäuse 36b vorgesehen, durch die Gas in Form von Luft zu einem Mittelabschnitt oder Auge des Pumpenelements 36a geliefert wird. Die Auslassöffnung ”OP” ist auch im Gehäuse 36b ausgebildet, durch welche die Luft mit erhöhtem Druck zum Einlasskrümmer 26 geliefert wird.
Die Strömungsmanagementvorrichtung 137 ist in einem vorbestimmten Abstand ”L” stromaufwärts von der Einlassöffnung ”IP” im Einlasskanal ”I” angeordnet, um der Luft, die durch die Einlassöffnung ”IP” eintritt, eine Wirbelbewegung oder einen Vorwirbel zu verleihen.
Die Strömungsmanagementvorrichtung 137 besitzt eine Anzahl von festen starren Flügeln 137a, wobei jeder der Flügel 137a sich radial in Bezug auf eine Achse Y-Y erstreckt, die sich in der Richtung der Strömung der Luft durch den Einlasskanal ”I” erstreckt, und in einem Winkel in Bezug auf die Achse Y-Y angeordnet ist, um der Luft die Wirbelbewegung zu verleihen. Es ist zu erkennen, dass die Flügel 137a als einteiliger Teil des Einlasskanals ”I” ausgebildet sein könnten, aber in den meisten Fällen werden die Flügel 137a als Teil eines röhrenförmigen Elements oder Rings, der in einer Bohrung des Einlasskanals ”I” befestigt ist, ausgebildet. Ein fester Flügel ist einer, dessen Winkel relativ zur Y-Y-Achse fest ist. Ein starrer Flügel ist einer, der ausreichend starr ist, um eine signifikante Verzerrung auf Grund der Wirkung der über den Flügel strömenden Luft zu verhindern.
Die Strömungsmanagementvorrichtung 137 befindet sich am größeren Ende eines sich verjüngenden Abschnitts des Einlasskanals ”I”, der sich in Richtung der Einlassöffnung ”IP” erstreckt, so dass die Querschnittsfläche des Einlasskanals ”I” mit abnehmendem Abstand von der Einlassöffnung ”IP” abnimmt. Dies ermöglicht, dass die Strömungsmanagementvorrichtung 137 stromaufwärts von der Einlassöffnung ”IP” in einem Abstand ”L” angeordnet ist, wo der Durchmesser des Einlasskanals ”I” derart ist, dass die effektive Durchflussfläche durch die Strömungsmanagementvorrichtung 137 größer ist als der minimale Wert Am_in, um einen übermäßigen Gegendruck bei hohen Gasdurchflussraten zu verhindern.
Das heißt, während: –
(πd1²/4 – Durch die Flügel belegte Fläche) geringer ist als (A_min);
(πd2²/4 – Durch die Flügel belegte Fläche) größer ist als (Arm).
wobei: –
d1 der Durchmesser des Einlasskanals ”I” ist, wo er an die Einlassöffnung ”IP” angrenzt;
d2 der Durchmesser des Einlasskanals ”I” ist, wo die Strömungsmanagementvorrichtung angeordnet ist; und
A_min die kleinste Durchflussfläche ist, die keinen unannehmbaren Gegendruck erzeugt.
Unter Verwendung eines solchen sich verjüngenden Einlasskanals ”I” und durch Beabstanden der Strömungsmanagementvorrichtung 137 in einem Abschnitt des Einlasskanals ”I” mit größerem Durchmesser wird der Gegendruck verringert. Dies ist signifikant, wenn der Turbolader 14 mit hohen Lasten und Drehzahlen arbeitet, da eine Einlassinstabilität auftritt, wenn der Gegendruck zu hoch ist. Die Wahrscheinlichkeit für eine Instabilität und eine daraus folgende Rückströmung wird beträchtlich verringert, wenn der Durchmesser der Einlassöffnung ”IP” relativ klein ist, derartiges ist häufig der Fall für Turbolader, die in Brennkraftmaschinen mit kleiner Kapazität verwendet werden, wie z. B. jenen, die in Personenkraftwagen verwendet werden, wenn die Strömungsmanagementvorrichtung 137 in einem Einlasskanal angeordnet ist, der einen größeren Durchmesser als den Durchmesser der Einlassöffnung aufweist.
In einer Verwendung der Erfindung hatte der Radialkompressor des Turboladers beispielsweise einen Einlassdurchmesser von 37 mm und es wurde festgestellt, dass, wenn eine Strömungsmanagementvorrichtung direkt in die Einlassöffnung eingesetzt wurde, ein unannehmbarer Gegendruck bei hohen Massendurchflussraten erzeugt wurde. Durch Anwenden dieser Erfindung unter Verwendung eines Einlasskanals mit einem sich verjüngenden Einlass wurde jedoch festgestellt, dass eine Strömungssteuervorrichtung, die stromaufwärts von der Einlassöffnung ungefähr 100 mm in einem Abschnitt des Einlasskanals angeordnet war, wo die Bohrung 55 mm war, den Gegendruck auf ein annehmbares Niveau verringerte, während die erforderliche Wirbelgröße an der Einlassöffnung des Radialkompressors erzeugt wurde.
Die Konfiguration der Strömungsmanagementvorrichtung 137 schließt die Form, Größe, Orientierung und Anzahl von Flügeln 137a ein und es ist zu erkennen, dass eine Veränderung von irgendeinem dieser Attribute die Größe des erzeugten Wirbels für eine gegebene Massendurchflussrate verändert.
Die Strömungsmanagementvorrichtung 137 ist nach der letzten signifikanten Biegung ”B” im Einlasskanal ”I” angeordnet, um die Strömungsverzerrung, nachdem die Luft die Strömungsmanagementvorrichtung 137 verlassen hat, zu minimieren. Eine signifikante Biegung ist eine, die eine signifikante Strömungsverzerrung verursacht, und da die Funktion der Strömungsmanagementvorrichtung darin besteht, eine vorbestimmte Größe des Wirbels in der Luft zu erzeugen, wird, wenn die Luft um eine signifikante Biegung strömen muss, nachdem sie durch die Strömungsmanagementvorrichtung 137 geströmt ist, die Strömung verzerrt und die durch die Verwendung der Strömungsmanagementvorrichtung 137 erhaltenen Vorteile gehen verloren oder werden signifikant verringert. Unter Verwendung eines sich verjüngenden Kanals ”I” wird ebenso ein gleichmäßigerer Strömungsverlauf, als wenn ein Kanal mit plötzlichen Durchmesseränderungen oder -stufen verwendet wird, erzeugt.
Es ist zu erkennen, dass die Änderungsrate des Durchmessers entlang der Länge des sich verjüngenden Abschnitts nicht konstant sein muss, wie in 3 gezeigt, und somit beispielsweise der Kanal im Durchmesser nahe der Einlassöffnung ”IP” langsam und weiter weg von der Einlassöffnung ”IP” schneller zunehmen kann.
Mit Bezug nun auf 2 ist in einem vergrößerten Maßstab der Radialkompressor 36 und eine Strömungsmanagementvorrichtung 37, die sich in einem Einlasskanal ”I” befindet, gemäß einer Ausführungsform des Standes der Technik gezeigt.
Wie vorher besitzt der Radialkompressor 36 ein Pumpenelement 36a, das in einem Pumpengehäuse 36b montiert ist, zur Drehung um eine Achse X-X. Eine Einlassöffnung ”IP” ist im Gehäuse 36b vorgesehen, durch welche Gas in Form von Luft zu einem Mittelabschnitt oder Auge des Pumpenelements 36a geliefert wird. Eine Auslassöffnung ”OP” ist auch im Gehäuse 36b ausgebildet, durch welche die Luft mit erhöhtem Druck zum Einlasskrümmer 26 geliefert wird.
Die Strömungsmanagementvorrichtung 37 ist stromaufwärts von der Einlassöffnung ”IP” in einem Einlasskanal ”I” mit konstantem Durchmesser ”d” angeordnet, um der Luft, die durch die Einlassöffnung ”IP” eintritt, eine Wirbelbewegung oder einen Vorwirbel zu verleihen.
Die Strömungsmanagementvorrichtung 37 besitzt eine Anzahl von Flügeln 37a, wobei jeder der Flügel 37a in einem Winkel in Bezug auf eine Achse Y-Y, die sich in der Richtung der Strömung der Luft durch den Einlasskanal ”I” erstreckt, angeordnet ist, um der Luft die Wirbelbewegung zu verleihen.
Es ist zu beachten, dass der Durchmesser der Einlassöffnung ”IP” und der Durchmesser ”d” des Einlasskanals ”I” gleich sind und im Fall eines Radialkompressors 36 mit kleinen Abmessungen, wie z. B. dem Einlassöffnungsdurchmesser von 37 mm, auf den vorher Bezug genommen wurde, dies wahrscheinlich dazu führt, dass die Strömungsmanagementvorrichtung 37 einen übermäßigen Gegendruck erzeugt, wenn der Radialkompressor 36 mit hoher Drehzahl und Last arbeitet.
Das heißt: –
(πd1²/4 – Durch die Flügel belegte Fläche) ist geringer als (A_min);
wobei:
d1 der Durchmesser des Einlasskanals ”I” ist, wo er an die Einlassöffnung ”IP” angrenzt; und
A_min die kleinste Durchflussfläche ist, die keinen unannehmbaren Gegendruck erzeugt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Strömungsmanagementvorrichtung 137 optimiert wird, um die relative Geschwindigkeit zwischen der Luft, die durch die Einlassöffnung eintritt, und dem Pumpenelement 36a zu verringern, ohne den Pumpenwirkungsgrad signifikant zu verringern.
Diese Optimierung weist eine sorgfältige Konstruktion der Flügel 137a hinsichtlich ihrer Form, Größe, Orientierung und Anzahl auf, um einen kleinen negativen Wirbel zu erzeugen, dessen Größe in vorbestimmte Grenzen fällt. Insofern bedeutet der Begriff ”negativer Wirbel”, wie hierin gemeint, einen Wirbel oder eine rotierende Strömung, der/die dieselbe Richtung wie die Richtung der Drehung des Pumpenelements 36a aufweist, und der Begriff ”positiver Wirbel” bedeutet einen Wirbel, der in der entgegengesetzten Richtung zur Richtung der Drehung des Pumpenelements 36a liegt.
Durch Ausführen einer experimentellen Arbeit unter Verwendung eines Impulswirbelmessers P7300 Modell 150, der von Cussons Technology Ltd in 102 Great Clowes Street Manchester UK hergestellt wird, nachstehend ”Wirbelmesser”, haben die Anmelder bestätigt, dass dieser Bereich eines negativen Wirbels in einen Bereich einer dimensionslosen Wirbelzahl (NDSN) von minus 0,1 bis minus 2,0 für den betreffenden Wirbelmesser fällt.
Die NDSN wird gemäß der folgenden Gleichung berechnet:
wobei:

NDSN: = dimensionslose Wirbelzahl;
S_m: = Wirbelmessermesswert;
SM_const: = Wirbelmesser-Kalibrierungskonstante;
SM_corr: = Wirbelmesser-Korrekturfaktor;
ṁ: = gemessene Massendurchflussrate;
V₀: = mittlere Fluidgeschwindigkeit; und
B: = Wirbelausrüstungs-Zylinderbohrung

Die Wirkung des negativen Wirbels besteht darin, die Geschwindigkeit der Luft relativ zu den rotierenden Schaufeln des Pumpenelements 36a zu verringern, und wenn die Größe dieses Wirbels so beschaffen ist, dass sie zwischen vorbestimmte Grenzen fällt, dann wird der Pumpwirkungsgrad der Radialpumpe 36 auf Grund einer Verringerung der Trennung der Strömung von den Schaufeln oder Flügeln des Pumpenelements 36a erhöht.
Der Entwurf der Strömungsmanagementkonstruktion kann derart sein, dass der Luft ein negativer Wirbel verliehen wird, wenn die Luft keinen deutlichen Wirbel oder einen positiven Wirbel aufweist, und der Luft ein positiver Wirbel verliehen wird, wenn die Luft eine hohe negative Wirbelgröße aufweist.
Das heißt, wenn die Luft, die durch den Einlasskanal ”I” strömt, eine anfängliche NDSN, wie durch den Wirbelmesser gemessen, von –3,5 aufweist, dann wird die Strömungsmanagementvorrichtung 137 so angeordnet, dass sie der Luft einen positiven Wirbel verleiht, um die NDSN zu verringern, so dass sie in den vorbestimmten Bereich von –0,1 bis –2,0 fällt. Dies liegt daran, dass, wenn die Luft, die in den Radialkompressor 36 eintritt, einen hohen negativen Wirbel aufweist, der Pumpwirkungsgrad des Radialkompressors auf Grund der niedrigen relativen Geschwindigkeit zwischen der Luft und den Schaufeln oder Flügeln des Pumpenelements 36a verringert wird.
Wenn dagegen die Luft anfänglich einen positiven Wirbel mit einer NDSN von +1,5 aufweist, dann wird die Strömungsmanagementvorrichtung so ausgelegt, dass sie der Luft einen signifikanten negativen Wirbel verleiht, um ihre Strömungsrichtung umzukehren und sie in die vorbestimmten Grenzen zurückzubringen. Dies liegt daran, dass, wenn die Luft, die in den Radialkompressor 36 eintritt, eine positive Wirbelrichtung aufweist, der Pumpwirkungsgrad des Radialkompressors auf Grund der Trennung der Strömung von den Schaufeln oder Flügeln des Pumpenelements 36a auf Grund der Erhöhung der relativen Geschwindigkeit zwischen der Luft und den Schaufeln oder Flügeln des Pumpenelements 36a verringert wird. Eine solche Trennung kann auch zu einem Drehstillstand oder einem Kompressorpumpen in der Radialpumpe 36 und daher einer erhöhten Geräuscherzeugung führen.
Ein weiterer Aspekt dieser Optimierung ist die Verhinderung eines übermäßigen Gegendrucks, wie vorstehend angeführt.
Die Strömungsmanagementvorrichtung 137 verringert die effektive Querschnittsfläche des Einlasskanals ”I”, durch den die Luft strömt, und insbesondere bei hohen Drehzahlen und Lasten kann dies dazu führen, dass der Radialkompressor 36 unter Luftmangel leidet, was ein Durchdrehen oder eine Einlasskrümmerinstabilität wie z. B. Rückströmung verursacht. Um zu verhindern, dass dies geschieht, wird daher die Strömungsmanagementvorrichtung 137 auch so optimiert, dass die effektive Durchflussfläche durch die Strömungsmanagementvorrichtung 137 größer ist als der minimale Wert A_min. Die als minimaler Wert gewählte effektive Fläche basiert auf der maximalen erwarteten Durchflussrate von Luft und dem maximalen annehmbaren Druckabfall. Es ist zu beachten, dass der maximale annehmbare Druckabfall einer ist, der nicht dazu führt, dass der Radialkompressor unter Luftmangel leidet, wenn die maximale erwartete Durchflussrate von Luft für den Radialkompressor 36 erforderlich ist.
Durch Sicherstellen, dass die effektive Durchflussfläche durch die Strömungsmanagementvorrichtung 137 größer ist als diese minimale effektive Querschnittsfläche (A_min), liegt der Druckabfall bei hohen Gasdurchflussraten immer unter einem annehmbaren Niveau, wodurch ein übermäßiger Gegendruck verhindert wird.
Eine weitere Erwägung, die als Teil der Optimierung berücksichtigt werden muss, wenn der Abstand ”L” zwischen der Strömungsmanagementvorrichtung 137 und dem Pumpenelement 36a groß ist, ist der Wirbelverlust auf Grund von viskosen Verlusten. Das heißt, die Strömungsmanagementvorrichtung 137 muss eine größere Größe eines negativen Wirbels erzeugen, wenn die viskosen Verluste hoch sind, um diese Verluste zu kompensieren, so dass die Strömung, die in die Radialpumpe 36 eintritt, im vorbestimmten Wirbelgrößenbereich bleibt.
Zusammenfassend kann daher die Verwendung eines sich verjüngenden Einlasskanals mit einer Strömungsmanagementvorrichtung 137 den erforderlichen Wirbel bereitstellen, ohne einen unannehmbar hohen Gegendruck zu erzeugen, und ist für die Verwendung bei kleineren Radialkompressoren, die typischerweise für Autos oder leichte kommerzielle Fahrzeuge verwendet werden, besonders vorteilhaft.
Ein vorteilhafter Aspekt der Erfindung ist die Erkenntnis, dass durch Trennen der Strömungsmanagementvorrichtung vom Radialkompressor um den Abstand ”L” in einem sich verjüngenden Kanal der durch die Strömungsmanagementvorrichtung erzeugte Gegendruck unter Verwendung einer Strömungsmanagementvorrichtung in einem Kanal mit größerem Durchmesser gesteuert werden kann. Dies kann nicht erreicht werden, wenn die Größe der Strömungsmanagementvorrichtung durch den Einlassöffnungsdurchmesser entweder durch die Einpassung von Flügeln in die Einlassöffnung oder die Befestigung der Strömungsmanagementvorrichtung direkt an der Einlassöffnung gesteuert wird.
Einer der Vorteile der Erfindung besteht darin, dass die Optimierung einer Strömungsmanagementvorrichtung in der beschriebenen Weise nicht nur die Leistung des Radialkompressors hinsichtlich des Pumpwirkungsgrades bei niedrigen bis mäßigen Drehzahlen verbessert, sondern dies auch potentiell die Wahrscheinlichkeit für einen Drehstillstand, die Wahrscheinlichkeit für Kompressorpumpen und die Erzeugung eines Geräuschs verringert.
Obwohl der Radialkompressor 36 vorstehend in Bezug auf einen Turbolader beschrieben ist, ist zu erkennen, dass die Erfindung mit gleichem Vorteil auf einen Radialkompressor eines Vorverdichters angewendet werden könnte.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine durch Funken gezündete Brennkraftmaschine mit Turbolader beschrieben wird, ist zu erkennen, dass sie auf andere Typen einer Brennkraftmaschine, die eine Aufladung erfordern, wie beispielsweise und ohne Begrenzung eine Dieselbrennkraftmaschine oder eine Brennkraftmaschine mit Zündung durch homogene Ladungskompression, angewendet werden könnte.
Der Begriff ”Verbessern der Leistung eines Radialkompressors”, wie hierin gemeint, besitzt nicht nur Verbesserungen des Pumpwirkungsgrades, sondern auch Verbesserungen der Verringerung des Stillstandes, des Kompressorpumpens und der Geräuschausbreitung.
Mit Bezug auf 4 ist eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zum Verbessern der Leistung eines Radialkompressors, wie z. B. des Radialkompressors 36, gezeigt.
Das Verfahren 100 beginnt in Schritt 101 und dann besteht in Schritt 105 der erste aktive Schritt darin, die aktuellen Strömungsbedingungen unter Verwendung eines Impulswirbelmessers, wie z. B. des Cussons P7300 Impulswirbelmessers, auf den vorstehend Bezug genommen wurde, festzustellen. Diese Art von Wirbelmesser reagiert auf den gesamten Drehimpulsfluss in der Wirbelluftströmung und verwendet eine Matrix vom schwingenden Bienenwabentyp, die durch eine Dehnungsmessungs-Lastzelle von einer Drehung abgehalten wird, um die Winkelwirbelkomponente vollständig anzuhalten, wodurch der resultierende Winkelimpuls als Drehmoment gemessen wird.
Die P7300-Bienenwabenmatrix ist innerhalb eines zylindrischen Gehäuses montiert und die Abmessungen der individuellen Zellen der Matrix sind zum Anhalten des Wirbels der einströmenden Luft geeignet. Die Matrix ist über einen Drehmomentarm mit einem Dehnungsmesswandler verbunden, der durch Aufhängen von Gewichten über Seilscheiben auf beiden Seiten des Drehmomentarms kalibriert wird.
Der Dehnungsmesswandler ist auf 220 g eingestuft, gemessen als positive oder negative Kraft, und die Länge des Drehmomentarms ist derart, dass ermöglicht wird, dass Drehmomentwerte bis zu 1 × 10^–1 Nm gemessen werden.
Eine dimensionslose Wirbelzahl NDSN kann vom Wirbelmesser unter Verwendung der folgenden allgemeinen Gleichung abgeleitet werden: – NDSN = (K·Drehmoment)/Q·V_eff·Dwobei: –

K: ein Kalibrierungskonstantenterm ist;
Q: die Massendurchflussrate ist;
D: der Durchmesser des Kanals durch den Wirbelmesser ist; und
V_{_eff}: die effektive Strömungsgeschwindigkeit ist.

Dann wird in Schritt 110 unter Verwendung der von Schritt 105 erhaltenen NDSN eine von einer Anzahl von alternativen Strömungsmanagementvorrichtungen gewählt. Die Auswahl der Strömungsmanagementvorrichtung hängt vom Durchmesser des Einlasskanals, in die sie eingefügt werden muss, von der Art der erforderlichen Wirbelkorrektur, z. B. positiv oder negativ, und von der Größe der erforderlichen Korrektur ab.
Jede der Strömungsmanagementvorrichtungen wurde entwickelt und getestet, um die den Wirbel induzierenden Effekte und den für eine spezifische Massendurchflussrate erwarteten Druckabfall zu bestimmen.
Dann wird in Schritt 120 die Strömungsmanagementvorrichtung im Einlasskanal unter Verwendung des Wirbelmessers getestet, um festzustellen, ob der erzeugte Wirbel die korrekte Richtung und Größe aufweist. Das heißt, fällt die NDSN in vorbestimmte Grenzen, die in diesem Fall –0,1 bis –2,0 sind.
Wenn in Schritt 120 bestätigt wird, dass der erzeugte Wirbel innerhalb des gewünschten Bereichs liegt, dann geht das Verfahren zu Schritt 130 weiter, in dem der Druckabfall über der Strömungsmanagementvorrichtung auf eine vorbestimmte Massendurchflussrate geprüft wird, um zu bestätigen, dass er annehmbar ist. Wenn dagegen der erzeugte Wirbel unannehmbar ist, geht das Verfahren zu Schritt 125 weiter, in dem eine alternative Strömungsmanagementvorrichtung ausgewählt wird. Das Verfahren kehrt dann zu Schritt 110 zurück und das Verfahren läuft in einer Schleife durch die Schritte 110, 120 und 125, bis ein annehmbarer Wirbel erzeugt wird.
Wenn in Schritt 130 der Druckabfall als annehmbar bestätigt wird, dann geht das Verfahren zu Schritt 140 weiter, in dem die Strömungsmanagementvorrichtung für die Verwendung bei der Herstellung übernommen wird, wonach das Verfahren in Schritt 199 endet. Wenn dagegen der in Schritt 130 gemessene Druckabfall unannehmbar ist, geht das Verfahren zu Schritt 125 weiter, in dem eine alternative Strömungsmanagementvorrichtung ausgewählt wird. Das Verfahren kehrt dann zu Schritt 110 zurück und das Verfahren läuft in einer Schleife durch die Schritte 110, 120, 130 und 125, bis ein annehmbarer Wirbel und Druckabfall durch die Strömungsmanagementvorrichtung erzeugt werden.
Es ist zu erkennen, dass der Druckabfall für eine spezifische Massendurchflussrate direkt mit der effektiven Durchflussfläche in Beziehung steht, daher muss, um den Druckabfall für eine gegebene Massendurchflussrate zu verringern, die effektive Durchflussfläche vergrößert werden.
Es ist zu erkennen, dass die Schritte 120 und 130 gleichzeitig durchgeführt werden könnten und dass die NDSN und der Druckabfall für einen Bereich von Massendurchflussraten entsprechend den erwarteten minimalen und maximalen Massendurchflussraten bei der Verwendung gemessen werden können.
Der vorbestimmte Bereich von Wirbelgrößen, der in Schritt 120 verwendet wird, wird so gewählt, dass die relative Geschwindigkeit zwischen dem Gas, das durch den Einlass eintritt, und dem Pumpenelement für einen Bereich von Betriebsbedingungen verringert wird, ohne den Pumpenwirkungsgrad signifikant zu verringern, und auch vorzugsweise die Wahrscheinlichkeit für einen Drehstillstand verringert wird, die Wahrscheinlichkeit für ein Kompressorpumpen verringert wird und die Erzeugung eines Geräuschs verringert wird.
In Schritt 140 besitzt die Verwendung der ausgewählten Strömungsmanagementvorrichtung das Anordnen der Strömungsmanagementvorrichtung zwischen der Einlassöffnung des Radialkompressors und der letzten signifikanten Biegung im Einlasskanal und das Konstruieren des Einlasskanals so, dass er einen Durchmesser zur Anpassung einer Strömungsmanagementvorrichtung mit dem ausgewählten Durchmesser aufweist, unter Verwendung eines Einlasskanals mit einer verjüngten Form, um die Strömungsmanagementvorrichtung aufzunehmen, während er so bemessen ist, dass er mit dem Gehäuse des Radialkompressors verbindet.
Mit Bezug auf 5 ist eine zweite Ausführungsform eines Verfahrens zum Verbessern der Leistung eines Radialkompressors gezeigt. Dieses Verfahren ist besonders geeignet, wenn die Strömungsmanagementvorrichtung als Teil des Einlasskanals ausgebildet ist.
Das Verfahren 200 beginnt in Schritt 201 und dann werden in Schritt 205 der Wirbel und der Gegendruck eines Einlasskanals, der mit einem Strömungsmanagement ausgestattet ist, für einen Bereich von Betriebsbedingungen unter Verwendung einer Testausrüstung gemessen. Wie vorher wird die Wirbelgröße in Form einer NDSN bestimmt, die von einem Impulswirbelmesser erhalten wird.
Dann wird in Schritt 210 festgestellt, ob die Wirbelgröße in den vorbestimmten Bereich fällt und der Druckabfall geringer ist als der maximale annehmbare Druckabfall, und wenn beide der Tests bestanden werden, geht das Verfahren zu Schritt 230 weiter, in dem die gewählte Strömungsvorrichtung implementiert wird, und danach endet das Verfahren in Schritt 299.
In Schritt 230 weist das Implementieren der gewählten Strömungsmanagementvorrichtung die Herstellung der Strömungsmanagementvorrichtung und des Einlasskanals gemäß der optimierten Konstruktion und die Inbetriebnahme der optimierten Teile auf.
Wenn in Schritt 210 entweder die Wirbelgröße oder der Druckabfall nicht annehmbar ist, dann geht das Verfahren zu Schritt 220 weiter, in dem die Konstruktion modifiziert wird. Dieser Konstruktionsmodifikationsschritt kann eines oder mehrere der Änderung des Durchmessers der Strömungsmanagementvorrichtung, der Änderung der Größe oder Form der Flügel, der Änderung der Anzahl von Flügeln, der Änderung der Orientierung der Flügel, der Änderung der Position der Strömungsmanagementvorrichtung im Einlasskanal und der Änderung der Größe oder Form des Einlasskanals so, dass er einen Durchmesser zur Anpassung einer Strömungsmanagementvorrichtung mit dem gewählten Durchmesser aufweist, was erfordern kann, dass der Einlasskanal eine verjüngte Form aufweist, um die Strömungsmanagementvorrichtung unterzubringen, während er so bemessen ist, dass er mit dem Gehäuse des Radialkompressors verbindet, aufweisen. Die Verwendung von Strömungsmodellierungsverfahren wie z. B. CFD kann verwendet werden, um diesen Modifikationsprozess zu unterstützen.
Zusammenfassend wird daher gemäß der Erfindung die Leistung eines Radialkompressors durch Induzieren eines Vorwirbels in der eingehenden Strömung in das Kompressorflügelrad (Pumpenelement) in derselben Richtung wie die Flügelraddrehung verbessert. Die relative Geschwindigkeit wird dadurch verringert und der Eintritt eines Drehstillstandes und/oder eines Kompressorpumpens wird verhindert, wobei somit der Kompressorwirkungsgrad bewahrt oder verbessert wird und eine Geräuscherzeugung verhindert wird. Dies wird unter Verwendung einer Strömungsmanagementvorrichtung im Einlasskanal erreicht, um ein niedriges Niveau eines Vorwirbels in derselben Richtung wie die Kompressordrehung zu erzeugen. Durch die Einführung von Führungsflügeln, die stromaufwärts des Kompressoreinlasses liegen, der an einer Stelle liegt, die die Erzeugung des Vorwirbels im Strömungsfeld optimiert, während der durch die Einführung der Strömungsmanagementvorrichtung erzeugte zugehörige Druckabfall minimiert wird, wird insbesondere eine optimierte Lösung erzeugt.
Es ist für Fachleute zu erkennen, dass, obwohl die Erfindung beispielhaft mit Bezug auf eine oder mehrere Ausführungsformen beschrieben wurde, sie nicht auf die offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist und dass eine oder mehrere Modifikationen an den offenbarten Ausführungsformen oder alternativen Ausführungsformen konstruiert werden könnten, ohne vom Schutzbereich der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt, abzuweichen.

Claims

Einlasssystem für eine Brennkraftmaschine, mit einem Einlasskrümmer (26) zum Liefern von Luft zur Brennkraftmaschine (10), einem Radialkompressor (36) mit einem Pumpenelement (36a), das in einem Pumpengehäuse (36b) montiert ist, um sich um eine Achse (14) zu drehen, einer Einlassöffnung (IP) im Gehäuse, durch die Gas zum Pumpenelement (36a) geliefert wird, einer Auslassöffnung (OP) im Gehäuse, durch die Gas mit erhöhtem Druck zum Einlasskrümmer geliefert wird, einem Einlasskanal (I), der mit der Einlassöffnung (IP) verbunden ist, um Luft zum Radialkompressor (36) zu liefern, und einer Strömungsmanagementvorrichtung (137) mit einer Anzahl von sich radial erstreckenden festen Flügeln (137a), die im Einlasskanal (I) stromaufwärts von der Einlassöffnung (IP) angeordnet sind, um dem Gas, das durch die Einlassöffnung (IP) eintritt, eine Wirbelbewegung zu verleihen, wobei der Einlasskanal (I) einen sich verjüngenden Abschnitt aufweist, der sich in Richtung der Einlassöffnung (IP) erstreckt, so dass die Querschnittsfläche des Einlasskanals (I) mit abnehmendem Abstand von der Einlassöffnung abnimmt, wobei die Strömungsmanagementvorrichtung (137) in einem Abstand stromaufwärts von der Einlassöffnung (IP) angeordnet ist, so dass die effektive Durchflussfläche durch die Strömungsmanagementvorrichtung (137) größer ist als sie wäre, wenn die Strömungsmanagementvorrichtung (137) benachbart zur Einlassöffnung (IP) angeordnet wäre, und größer ist als ein minimaler Wert, um einen übermäßigen Gegendruck bei hohen Gasdurchflussraten zu verhindern.
Einlasssystem nach Anspruch 1, wobei der Einlasskanal (I) mindestens eine signifikante Biegung (B) aufweist und die Strömungsmanagementvorrichtung (137) im Einlasskanal (I) zwischen der Einlassöffnung (IP) und der letzten signifikanten Biegung (B) im Einlasskanal (I) angeordnet ist.
Einlasssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Konfiguration der Strömungsmanagementvorrichtung (137) optimiert wird, um für mindestens eine Betriebsbedingung eine Wirbelbewegung in derselben Drehrichtung wie der Drehrichtung des Pumpenelements (36a) in der Luft, die in die Einlassöffnung (IP) eintritt, mit einer Wirbelgröße, die in einen vorbestimmten Bereich fällt, zu erzeugen.
Einlasssystem nach Anspruch 4, wobei die Größe des durch die Strömungsmanagementvorrichtung (137) erzeugten Wirbels und der Verlust der Wirbelgröße auf Grund von Verlusten in dem sich verjüngenden Einlasskanal (I) zwischen der Strömungsmanagementvorrichtung (137) und dem Einlasskanal (I) für die mindestens eine Betriebsbedingung eine Wirbelgröße erzeugen, die in den vorbestimmten Bereich fällt.
Einlasssystem nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei die mindestens eine Betriebsbedingung eine vorbestimmte Massendurchflussrate von Gas durch den Einlasskanal (I) ist.
Einlasssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Radialkompressor (36) entweder ein Kompressor eines Turboladers oder ein Kompressor eines Vorverdichters ist.
Brennkraftmaschine mit einem Einlasssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6.