DE102011013226B4

DE102011013226B4 - Eingabe vom Einrichtung zur Verdichtung der Ansaugluft vor dem Luftfilter einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102011013226B4
Application number: DE102011013226A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-03-07
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2031-03-08
Also published as: DE102011013226A1; WO2012119753A1

Abstract

Konventionelle Turbokompressoren für Brennkraftmaschinen werden über eine mechanische Verbindung angetrieben. Die Verdichtung der Ansaugluft findet hinter dem Luftfilter statt. Bei der hier vorgeschlagenen Lösung handelt es sich um einen axialen Rohluftverdichter mit elektrischem Antrieb. Die Einrichtung kann in einer unabhängigen Einbaulage zur Brennkraftmaschine in Fahrtrichtung positioniert werden. Die durch den Lufteinlass (1) einströmende Stauluft wird zwischen Verdichter (2) und Verdichtergehäuse (3) komprimiert und durch den Luftfilter (8) in den Luftauslass (12) geleitet. Ein Deckel (6), der eine Druckplatte (5) gegen eine Rückstellkraft (7) in einen Diffusor (4) presst, kontrolliert den Ladedruck und ermöglicht ein Entweichen der Ladeluft durch die Luftschlitze (11). Ein elektromagnetischer Wandler (10), der mit einem Halter (9) verbunden ist, regelt die Drehzahl der Rotoren. Die Einrichtung eignet sich zur Verdichtung von Rohluft und kann im Fahrzeugbau, speziell im Motorsport, angewendet werden.

Description

Technisches Gebiet
Aufladeeinrichtungen für Brennkraftmaschinen erhöhen den Luftdurchsatz eines Verbrennungsmotors durch Vorverdichtung der zur Verbrennung des Kraftstoffs benötigten Luft. Durch den Einsatz von Aufladeeinrichtungen lassen sich höhere Leistungsdichten von Brennkraftmaschinen bei gleichbleibendem Hubraum, verbesserten Kraftstoffverbräuchen und niedriger liegenden Abgasemissionen erzielen.
Stand der Technik
Bei mechanischen Ladern besteht eine mechanische Kopplung zwischen Lader und der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine. Die erforderliche Verdichtungsleistung eines mechanischen Laders wird folglich von der Leistung der Brennkraftmaschine abgezweigt. Bei den ferner als Ladern eingesetzten Abgasturboladern wird die zur Verdichtung der Luft erforderliche Verdichtungsleistung aus dem Abgas der Brennkraftmaschine gewonnen. Es besteht eine strömungstechnische Kopplung zwischen der Brennkraftmaschine, d. h. deren Auslasstrakt und dem Turbinenlaufrad des Abgasturboladers, welches seinerseits die Verdichterstufe des Abgasturboladers im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine antreibt. Bei Druckwellenladern, die einen elektrischen Antrieb zur besseren individuellen Ansteuerung in allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine aufweisen können, wird die zur Verdichtung der zur Verbrennung erforderlichen Luft nötige Verdichterleistung ebenfalls aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine gewonnen.
Mit den erwähnten Aufladeeinrichtungen lässt sich grundsätzlich das Drehmoment kleinerer Verbrennungskraftmaschinen auf das Drehmomentniveau von Brennkraftmaschinen mit größerem Hubraum anheben. Abgasturbolader bieten durch den höheren effektiven Mitteldruck und durch Nutzung der Energie des Abgasstromes der Brennkraftmaschine zudem deutliche Verbrauchsvorteile.
Es sind ferner elektrisch betreibbare Ladeluftverdichter bekannt, zum Anschluss an eine Brennkraftmaschine, welche einen Elektromotor mit einem Stator und einen Rotor zum Antrieb des Verdichterrades des Ladeluftverdichters umfassen. Das Verdichterrad ist in einem mit wenigstens einem Lufteinlass und einem Luftauslass versehenen Verdichterradgehäuse angeordnet. Der Lufteinlass und der Luftauslass sind über einen im Verdichtergehäuse verlaufenden Strömungskanal miteinander verbunden. Durch Drehung des Verdichterrades in einem Verdichtungsabschnitt des Strömungskanals wird eine Verdichtung der Ladeluft erzielt. ( EP 1 520 089 B1 ).
Die D1 zeigt in der 1 eine Brennkraftmaschine mit einem mehrstufigen Verdichter, der, wie aus Absatz [0030] bekannt, auch als Axialverdichter ausgeführt sein kann.
Aus der D2 ist aus der 1 eine Brennkraftmaschine mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter (5, 15) bekannt, bei der stromaufwärts des Verdichters (5) ein Luftfilter (21) angeordnet ist.
Aus der D3 ist aus der 1 eine Brennkraftmaschine bekannt, welche einen elektrisch angetriebenen Verdichter (12) und einem zweiten stromabwärts liegenden durch eine Abgasturbine (32) angetriebenen Verdichter (18) aufweist. Vor dem Einlauf in den ersten Verdichter (12) ist ein Luftfilter (10) angeordnet.
Aus D4 ist aus der einzigen Figur einen Anordnung bekannt, bei der ein Verdichter über einen Halter (17) mit dem Verdichtergehäuse (10) verbunden ist.
Außerdem ist ein Luftfilter für eine Brennkraftmaschine bekannt mit einem Gehäuse in dem ein Filtermitteleinsatz angeordnet ist, das Gehäuse weist einen Rohlufteinlaß und einen Reinluftauslaß auf. In dem Gehäuse ist ein von der Mündung des Reinluftauslasses her in den Reinluftraum sich erstreckendes Reinluftdämpferrohr vorgesehen, dieses weist an seiner Wandung Bohrungen auf. Das Reinluftdämpferrohr hat die Aufgabe, die Pulsationsschwingungen der Ansaugluft zu verringern. Da das Reinluftrohr einen bestimmten Durchmesser und eine bestimmte Länge aufweisen muß, um den gewünschten Effekt zu erzielen, ist der Bauraum für diese Anordnung erheblich. Gerade bei Anwendung einer Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug ist es erforderlich den Bauraum des Ansaugtraktes möglichst gering zu halten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Filtrierung von Ansaugluft einer Brennkraftmaschine zu schaffen, welche gleichzeitig die Pulsationsschwingungen der Ansaugluft reduziert und kompakt aufgebaut ist. Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß ein Filterelement mit einem Diffusor kombiniert wird und der Diffusor sich im Inneren des Filterelements befindet.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung ist eine Einrichtung zum Verdichtender Ansaugluft, die sich vor dem Luftfilter einer Brennkraftmaschine befindet. Die innovative Lösung besteht darin, einen von der Brennkraftmaschine unabhängigen im Ansaugbereich liegenden Ansaugluftverdichter zu integrieren, der direkt vor einem konisch runden Luftfilter positioniert ist. Der mehrstufige Axialverdichter wird von einem Elektromotor angetrieben. Die Drehzahl wird in Abhängigkeit der Ansauggeschwindigkeit über einen Drehmomentregler gesteuert. Um ein Stillstehen des Verdichters bei geschlossener Drosselklappenstellung zu verhindern, sorgt ein zusätzlicher Drehzahlschalter für ein Minimum an Drehzahl, damit kein Strömungsabriß an den Verdichterschaufeln entsteht. Der dabei entstehende Überdruck kann über eine Druckplatte, die gegen eine Rückstellkraft in das konisch runde Diffusorgehäuse gedrückt wird, durch die Lüftungsschlitze eines sich dahinter befindenden Deckels entweichen. Der Deckel ist mit dem Diffusorgehäuse fest verbunden, der mit ringförmig angeordneten Lüftungsschlitzen ausgestattet ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, daß zu jedem Zeitpunkt und unabhängig der Drehzahl der Brennkraftmaschine ausreichend Staudruck zur Verfügung steht. Die Steuerung der gesamten Einheit ist vom Steuergerät der Brennkraftmaschine unabhängig. Die Einrichtung kann daher nachträglich eingebaut werden und ersetzt den Luftfilterkasten. Die Stromzufuhr für den Elektromotor erfolgt über den Generator der Brennkraftmaschine.
Die Ansaugluft wird direkt ausgehend vom Lufteinlass in den mehrstufigen Verdichter geleitet. Der Verdichter ist direkt vor dem konisch runden Luftfilter positioniert und erzeugt einen Staudruck. Mit dem im Anschluß des Verdichtergehäuse sich befindenden konisch runden Diffusorgehäuses wird die angestaute Ansaugluft beschleunigt und durch den Luftfilter in den Luftauslass geleitet.
Ein weiterer Effekt, der genutzt werden kann, ist der durch den Fahrtwind entstehende Staudruck. Er addiert sich zum Ansaugluftdruck des in den Verdichter strömenden Luftflusses und steigert den Wirkungsgrad bei zunehmender Geschwindigkeit. Der Drehmomentregler des Elektromotors regelt die Drehzahl proportional zur Ansauggeschwindigkeit und des durch den Fahrtwind zusätzlich entstehenden Staudruckes. Dieser Effekt wird im Bereich des Motorsports genutzt.
Die oben beschriebene und erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eignet sich für aufgeladene und nicht aufgeladene Brennkraftmaschinen. Sie kann als Ergänzung dienen und den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine über den gesamten Drehzahlbereich verbessern. Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Lösung besteht darin, dass das Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine beibehalten wird. Bei nicht aufgeladenen Brennkraftmaschinen wird kein „Turboloch” erzeugt, lediglich das Drehmoment und die Leistung über den gesamten Drehzahlbereich konstant erhöht. Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen werden die Anfahrschwächen durch das höhere Drehmoment ab Leerlaufdrehzahl reduziert und das Drehmoment so wie die Leistung über das gesamte Drehzahlband erhöht.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist der entstehende Staudruck zwischen Verdichter und Verdichtergehäuse. Der Staudruck hat eine dämpfende Wirkung auf die Ansaugluft und reduziert die Pulsationsschwingung der Luftsäule im Ansaugtrakt. Die Statoren und Rotoren des Axialverdichters reduzieren zusätzlich die Pulsation der Ansaugluft durch die zugeführte Energie der Verdichterschaufeln. Ein weiterer Pulsationsschwingungsabbau wird durch die bewegliche Druckplatte erzeugt, die einen Rückstau der Ansaugluft verhindert. Der Ansaugvorgang wird selbst bei geschlossener Drosselklappenstellung fortgeführt. Der dabei entstehende Überdruck im Diffusorgehäuse wird über die Druckplatte und den dahinter liegenden Deckel abgebaut. Die verdichtete Ansaugluft kann durch die ringförmigen Lüftungsschlitze des Deckels kontrolliert entweichen.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung eingehender beschrieben.
1 zeigt einen schematisch dargestellten Axialverdichter in einem Verdichtergehäuse mit Halter, einen Luftfilter mit Diffusorgehäuse, eine Druckplatte mit einem Deckel.
Die Ansaugluft wird, schematisch durch zwei Pfeile dargestellt, als Rohluft vom Lufteinlass (1) zum Axialverdichter (2) weitergeleitet. Die Rotoren werden über eine Achse von einem elektromechanischen Wandler (10) angetrieben. Durch die Verdichterschaufeln der Statoren und Rotoren wird die Ansaugluft komprimiert. Es entsteht ein Staudruck zwischen dem Verdichter (2) und dem Verdichtergehäuse (3). Der Halter (9) leitet die verdichtete Ansaugluft weiter zum konisch runden Luftfilter. Die Verbinder zwischen Halter (9) und Verdichtergehäuse (3) sind in Einströmrichtung mit einem Leitwerksprofil versehen. Das Verdichtergehäuse ragt zu etwa 1/7 in das Diffusorgehäuse (4) und ist am Ende mit einer Abrißkante ausgebildet. Der Halter (9) weist ebenfalls einen Abrißkante auf und bildet zusammen mit der Abrißkante des Verdichtergehäuses den maximalen Staudruckpunkt. Das Diffusorgehäuse (4) umschließt den konisch runden Luftfilter (7). Die Ansaugluft wird im Diffusorgehäuse (4) beschleunigt und expandiert. Da der Abstand zwischen Luftfilter (8) und Diffusorgehäuse (4) in Bewegungsrichtung der Ansaugluft sich verjüngt, kann sich die Ansaugluft nur zum Luftfilter (8) hin ausdehnen. Dadurch wird die Ansaugluft durch den Luftfilter gepresst und der Widerstand im Luftfilter (8) verringert sich dadurch relativ. Es entsteht ein Aufladeeffekt, der den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine steigert. Den Abschluß bilden die Druckplatte (5) mit dem dahinterliegenden Deckel (6), welcher mit dem konisch runden Diffusorgehäuse (4) verbunden ist. Der Deckel (6) weist am Rand ringförmig angeordnete Lüftungsschlitze (11) auf. Die Druckplatte (5) ist am äußeren Rand mit einem Konus versehen und wird über eine Rückstellkraft (7) in das konisch runde Diffusorgehäuse (4) gedrückt. Bei einem normalen Ansaugtakt wirkt der Konus der Druckplatte (5) wie eine Dichtung. Die Druckplatte (5) ermöglicht einen sofortigen Druckabbau im Diffusorgehäuse (4) bei geschlossener Drosselklappenstellung. Ein Rückstau der Ansaugluft wird so verhindert. Die Ansaugluft entweicht durch die ringförmig angeordneten Lüftungsschlitze (11) des Deckels (6). Der Luftauslass (12) ist mit dem Deckel (6) verbunden und ist zugleich Halter für den Luftfilter (8) und dient ebenso als Führung für die Druckplatte (5). Durch den Luftauslass (12) wird die Ansaugluft als Reinluft, schematisch durch zwei Pfeile dargestellt, zur Brennkraftmaschine geleitet.

Claims

Verdichter (2) zur Verdichtung der Ansaugluft einer Brennkraftmaschine, der von einem Elektromotor (10), der über einen Drehzahlregler steuerbar ist, angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter als mehrstufiger Axialverdichter ausgeführt ist, wobei der Axialverdichter (2) über einen Halter (9) mit einem Verdichtergehäuse (3) verbunden ist und die von dem Axialverdichter (2) geförderte Ansaugluft stromabwärts des Axialverdichters (2) direkt in einen konisch runden und radial von außen nach innen durchströmten Luftfilter (8) geleitet wird und wobei der Luftfilter (8) von einem an das Verdichtergehäuse (3) angrenzenden Diffusorgehäuse (4) umgeben ist, an welchem an den vom Axialverdichter (2) abgewandten Ende eine Druckplatte (5) zur Verhinderung eines Druckabfalls im Diffusorgehäuse (4) angeordnet ist und die Luft stromabwärts des Luftfilters (8) über einen zentrischen Luftauslass (12) der Brennkraftmaschine zugeleitet wird.