DE102011102838B4 - Ansaugsystem mit Luftstromrotation und Geräuschdämpfer für Turboladeranwendungen - Google Patents

Ansaugsystem mit Luftstromrotation und Geräuschdämpfer für Turboladeranwendungen Download PDF

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Abstract

Luftansaugsystem, bestehend aus einem zylindrischen Hauptstromrohr, einem innerhalb des Hauptstromrohres angeordneten schraubenförmigen Flügel und vorzugsweise einem Geräusch absorbierenden perforierten Rohr, das innerhalb des Hauptstromrohres in konzentrischer Beziehung zum schraubenförmigen Flügel angeordnet ist. Die Verdrillungsrichtung des schraubenförmigen Flügels liefert eine Luftstromrotation in der gleichen Rotationsrichtung wie das Turbinenrad. Der schraubenförmige Flügel bewirkt eine Geräuschreflexion und eine Verstärkung der Geräuschdämpfung durch das perforierte Rohr und dessen angrenzenden einen oder mehr akustischen Hohlräume.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Luftansaugsystem für einen Turbolader und eine Anordnung aus solch einem Luftansaugsystem und einem Turbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11 bzw. des Anspruchs 3, wie aus der EP 1 416 123 A2 bekannt.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Turbolader für Verbrennungsmotoren nutzen ein rotierendes Turbinenrad, um Luft aus einem stromaufwärtigen Luftansauggehäuse zu ziehen und die Luft, nun unter Kompression, an einen stromabwärtigen Motoransaugkrümmer zu liefern. Problematischerweise erfordert der Turbolader Leistung zum Arbeiten, inklusive nicht nur der Leistung, die benötigt wird, um das Turbinenrad zu drehen, sondern auch um Druckverluste im Luftansauggehäuse zu überwinden. Ferner erzeugt der Turbolader während seines Betriebs problematischerweise ein Geräusch, welches unerwünschterweise am Lufteintrittskanal des Luftansauggehäuses austreten kann.
  • Wenn ein Luftansaugsystem für einen Turbolader entworfen wird, werden zum Beispiel Luftstrommechanik, Fahrzeugdynamik, Materialwissenschaft und Herstellprozesse sowie andere Faktoren, wie sie die Systemanwendung betreffen können, berücksichtigt. Eine Minimierung des Druckverlusts am Luftansauggehäuse und ein Verringern des Turboladergeräusches, das von dort austritt, sind eine Herausforderung, insbesondere im Hinblick auf zunehmende Forderungen nach einer verbesserten Motorleistung, Fahrbarkeit mit Turbolader, Kraftstoffwirtschaftlichkeit und Emissionsreduzierung. Dementsprechend wurden Luftansaugsysteme von Turbo-ladern hochentwickelte Produkte, die Sensoren, eine Vibrationsentkopplung, Geräuschabstimmvorrichtungen und Emissionssteuervorrichtungen unter anderen integrieren. Als Folge dieser integrierten Komponenten neigen Luftansaugsysteme dazu, einen Luftstrom immer mehr einzuschränken.
  • Dementsprechend besteht in der Technik von Luftansauggehäusen von Turboladern weiter die Aufgabe, auf irgendeine Weise ein Luftansauggehäuse zu konstruieren, welches Druckverluste minimiert, die Funktionalität des Turbinenrades unterstützt und einen Austritt eines Turboladergeräusches minimiert.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ausgehend von der EP 1 416 123 A2 liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Luftansaugsystem für einen Turbolader sowie eine verbesserte Anordnung aus Luftansaugsystem und Turbolader zu schaffen, das bzw. die den Austritt von Turboladergeräuschen minimiert.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Luftansaugsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst.
  • Das verbesserte Luftansaugsystem gemäß der vorliegenden Erfindung besteht aus einem zylindrischen Hauptstromrohr, einem schraubenförmigen Flügel, der innerhalb des Hauptstromrohres angeordnet ist, und einem Geräusch absorbierenden perforierten Rohr, das innerhalb des Hauptstromrohres in konzentrischer Beziehung zum schraubenförmigen Flügel so angeordnet ist, dass der schraubenförmige Flügel und das perforierte Rohr im Luftstromweg des Hauptstromrohres konzentrisch angeordnet sind.
  • Der schraubenförmige Flügel weist einen spiralförmig verlaufenden Körper auf, welcher sich axial entlang dem Hauptstromrohr krümmt, um so einen Luftstrom axial entlang dem Hauptstromrohr zu führen und dadurch zu bewirken, dass die strömende Luft eine Rotation übernimmt. Die Krümmungs- bzw. Verdrillungsrichtung des spiralförmig verlaufenden Körpers des schraubenförmigen Flügels ist mit der bekannten Rotationsrichtung des Turbinenrades des Turboladers so koordiniert, dass die übernommene Rotation der strömenden Luft in der gleichen Rotationsrichtung wie diejenige des Turbinenrades erfolgt.
  • Das Geräusch absorbierende perforierte Rohr ist von dem Hauptstromrohr getrennt, um einen akustischen Hohlraum zwischen der Seitenwand des Hauptstromrohrs und der Seitenwand des perforierten Rohres zu schaffen. Das perforierte Rohr dissipiert akustische Energie über die Perforationen und den akustischen Hohlraum, wenn sich Schallwellen durch den Luftstrom des Luftansauggehäuses ausbreiten.
  • Die Länge des perforierten Rohres, die Größe des akustischen Hohlraums, die Perforationsverteilung und der Winkel der schraubenförmigen Verdrillung des schraubenförmigen Flügels sind unter den Parametern, welche variiert werden können, um die gewünschten Leistungsniveaus der Luftstromrotation und Geräuschdämpfung für eine bestimmte Anwendung zu erzielen.
  • Die übernommene Luftstromrotation, die durch das Luftansaugsystem gemäß der vorliegenden Erfindung geliefert wird, hat mehrere Vorteile. Da die übernommene Luftstromrotation in der gleichen Rotationsrichtung wie die Turbinenradrotation erfolgt, ist die dynamische Drucklast auf den Kompressorschaufeln reduziert. Diese Reduzierung der Drucklast erhöht den Wirkungsgrad des Turboladers und überkompensiert den Druckverlust des Luftansauggehäuses. Als Folge erzeugt das Turbinenrad weniger Hitze, Vibration und Geräusch mit dem zusätzlichen Vorteil einer verbesserten Haltbarkeit. Der zusätzliche Vorteil ist verbunden mit der Synergie des schraubenförmigen Flügels bezüglich des perforierten Rohrs insofern, als die übernommene Rotation des Luftstroms fördert, dass Schallwellen ihre Fortpflanzungsrichtung ablenken, sodass sie radial durch die Perforationen und in den akustischen Hohlraum gelangen, wodurch Geräusch aus dem Turbolader, das den Lufteintrittskanal des Luftansauggehäuses verlässt, reduziert wird. Außerdem reflektiert der spiralförmig verlaufende Flügel akustische Energie zurück in den Turbolader aufgrund einer Änderung in der akustischen Impedanz. Daher dient die Kombination des schraubenförmigen Flügels und des perforierten Rohrs dazu, den Luftstrom rotieren zu lassen, Schallwellen in die Perforationen abzulenken und Schallwellen (das heißt akustische Energie) zurück zum Turbolader zu reflektieren.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform deutlicher werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine perspektivische Aufrissansicht eines verbesserten Luftansaugsystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist eine perspektivische Aufrissansicht des verbesserten Luftansaugsystems wie in 1, wirksam verbunden mit einem Turbolader dargestellt.
  • 3 ist eine Teilschnittansicht, gesehen entlang Linie 3-3 von 1.
  • 4 ist eine Seitenansicht eines schraubenförmigen Flügels gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 5 ist eine perspektivische Seitenansicht eines perforierten Zylinders gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 6 ist eine Seitenansicht des perforierten Zylinders von 5, die in gestrichelten Linien den konzentrisch angeordneten schraubenförmigen Flügel von 4 darstellt.
  • 7 ist eine Endansicht, gesehen entlang Linie 7-7 von 6.
  • 8 ist eine perspektivische Schnittansicht des verbesserten Luftansaugsystems gemäß der vorliegenden Erfindung, bezüglich eines im Turbolader angesaugten Luftstroms damit wirksam dargestellt.
  • 9 ist eine Schnittansicht des verbesserten Luftansauggehäuses wie in 8, die nun ferner Geräuschablenk- und -reflexionsaspekte während des Luftstroms schematisch zeigt.
  • 10 ist eine perspektivische Aufrissansicht eines Hauptstromrohrs eines verbesserten Luftansaugsystems in Form eines Ellbogens, wobei darin ein spiralförmig verlaufender Flügel gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet ist.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Bezug nehmend nun auf die Zeichnungen stellen 1 bis 10 Beispiele eines verbesserten Sekundärluft- bzw. Luftansaugsystems für einen Turbolader dar, welches Druckverluste minimiert, die Funktionalität des Turbinenrades unterstützt und einen Austritt eines Turboladergeräuschs minimiert.
  • 1 bis 3 stellen ein Beispiel eines verbesserten Luftansaugsystems 100 dar, wobei ein beispielhaftes Luftansauggehäuse 102 davon dargestellt ist, welches andere Ausgestaltungen aufweisen kann (siehe zum Beispiel die folgende Diskussion von 10). Das Luftansauggehäuse 102 ist mit einem Turbolader 104 verbunden. Im Turbolader 104 ist ein Turbinenrad 106 mit Schaufeln 106', welche in einer vorbestimmten Rotationsrichtung 124 rotieren, um Luft aus dem stromaufwärts angeordneten Luftansauggehäuse 102 zu ziehen und die Luft, nun unter Kompression, an einen (nicht dargestellten) stromabwärtigen Motoreinlasskrümmer zu liefern.
  • Das Luftansauggehäuse 102 enthält ein zylindrisches Hauptstromrohr 108. Innerhalb des Hauptstromrohres 108 ist ein schraubenförmiger Flügel 110 angeordnet, und zwischen dem schraubenförmigen Flügel 110 und dem Hauptstrom 108 ist vorzugsweise ein Geräusch absorbierendes perforiertes Rohr 112 angeordnet. Der schraubenförmige Flügel 110 und das perforierte Rohr 112 sind innerhalb des Hauptstromrohrs 108 wechselseitig so angeordnet, dass der schraubenförmige Flügel und das perforierte Rohr in dem Luftstrom 114 (siehe 8) des Hauptstromrohres konzentrisch positioniert sind. Der schraubenförmige Flügel 110 vermittelt dem Luftstrom 114 eine übernommene Luftstromrotation 122, welche Rotation in der gleichen Rotationsrichtung wie diejenige des Turbinenrades 106 stattfindet.
  • Wie am besten in 4 dargestellt ist, hat der schraubenförmige Flügel 110 einen spiralförmig verlaufenden Körper 116, der sich axial krümmt (siehe Achse 118). Diese Krümmung bzw. Verdrillung 120 des spiralförmig verlaufenden Körpers 116 liegt ebenfalls axial entlang dem Hauptstromrohr 108 vor und wirkt folglich dahingehend, den Luftstrom 114 axial entlang dem Hauptstromrohr zu führen und dadurch zu bewirken, dass der Luftstrom die Luftstromrotation 122 übernimmt. Die Verdrillungsrichtung 120 des spiralförmig verlaufenden Körpers 116 des schraubenförmigen Flügels 110 ist mit der vorbestimmten Rotationsrichtung 124 des Turbinenrades 106 des Turboladers 104 koordiniert bzw. abgestimmt, sodass die übernommene Luftstromrotation 122 des Luftstroms 114 in der gleichen Rotationsrichtung wie die Rotationsrichtung des Turbinenrades erfolgt. Die durch einen Winkel 128 einer schraubenförmigen Verdrillung gelieferte Verdrillung 120 wird unter verschiedenen Aspekten basierend auf der antizipierten Rate des Luftstroms 114 sowie der Länge und des Durchmessers des schraubenförmigen Flügels 110 vorher ausgewählt, um eine gewünschte übernommene Luftstromrotation 122 in bester Übereinstimmung mit den Betriebseigenschaften des Turbinenrades 106 zu liefern. Nur beispielhaft zeigt 4 den schraubenförmigen Flügel 110 mit einer 1,5-Verdrillung über eine Länge von 120 mm; die Verdrillung je Einheitslänge kann jedoch jeder beliebige Wert sein, der für eine bestimmte Anwendung geeignet ist.
  • Wendet man nun die Aufmerksamkeit 5 zu ist das Geräusch absorbierende perforierte Rohr 112 in Bezug auf das Hauptstromrohr 108 beabstandet, um zumindest einen akustischen Hohlraum 130 zu schaffen (sechs akustische Hohlräume sind bei 8 und 9 vorgesehen), der zwischen der Hauptstromrohrseitenwand 108 des Hauptstromrohres und der perforierten Rohrseitenwand 112' des perforierten Rohres angeordnet ist. Der Trennabstand ist definiert durch eine radial angeordnete Er-hebung 134, die erste und zweite Ansatzdichtungen an jedem Ende des perforierten Rohrs 112 enthält. Das perforierte Rohr 112 weist eine Vielzahl von Perforationen 140 auf, die in der perforierten Rohrseitenwand 112' ausgebildet sind. Das perforierte Rohr 112 dient dazu, über die Perforationen 140 in Verbindung mit dem oder den akustischen Hohlraum oder Hohlräumen 130 akustische Energie zu dissipieren, wenn sich Schallwellen durch den Luftstrom 114 des Luftansauggehäuses 102 fortpflanzen.
  • Wie allgemein in 3, 8 und 9 gezeigt ist, ist der äußere Umfang 142 des schraubenförmigen Flügels 110 (stationär und abdichtend) mit der perforierten Rohrseitenwand 112' verbunden. Zusätzlich ist die Erhebung 134 des perforierten Rohrs 112 (stationär und abdichtend) mit der Hauptstromrohrseitenwand 108' verbunden, wodurch der schraubenförmige Flügel 110 (stationär und abdichtend) mit dem Hauptstromrohr 108 verbunden ist.
  • Wendet man nun seine Aufmerksamkeit 8 und 9 zu, werden Betriebsaspekte des verbesserten Luftansaugsystems 100 im Detail beschrieben.
  • Wie in 8 gezeigt ist, gelangt ein durch das oben erwähnte Turbinenrad angesaugter Luftstrom 114 durch das Luftansauggehäuse 102, wobei er auf das Hauptstromrohr 108 trifft. Der schraubenförmige Flügel 110 vermittelt dem Luftstrom 114 eine übernommene Luftstromrotation 122, während der Luftstrom führend entlang den Oberflächen des spiralförmig verlaufenden Körpers 116 passiert, wobei die Rotationsrichtung der Luftstromrotation 122 die gleiche wie die Rotationsrichtung 124 des Turbinenrades 106 ist (siehe 2).
  • Wie in 9 gezeigt ist, läuft ein Geräusch (das heißt Schallwellen oder akustische Energie) 150, das von dem Turbinenrad (siehe 2) stammt, in das Luftansauggehäuse 102 stromaufwärts der Stromrichtung des Luftstroms 114. Bei Erreichen des Hauptstromrohres 108 trifft das Geräusch 150 auf den schraubenförmigen Flügel 110. Eine abrupte Änderung in der akustischen Impedanz tritt auf, welche bewirkt, dass ein Teil des Geräusches 150 reflektiert und daraufhin ein umgekehrt gerichtetes Geräusch 152 wird, das zum Turbolader (siehe 2) zurückläuft. Außerdem wird, während das verbleibende Geräusch 150' durch das perforierte Rohr 112 läuft, ein gewisser Teil des verbleibenden Geräuschs 150'' in die Perforationen 140 geführt, wo es durch den oder die akustischen Hohlraum oder Hohlräume 130 gedämpft wird, wobei die Luftstromrotation 122 dazu neigt, das verbleibende Geräusch in die Perforationen 140 abzulenken, wodurch ein akustisches Dämpfen des verbleibenden Geräusches verstärkt wird. Das Ergebnis der Reflexion, Ablenkung und Dämpfung des Geräusches ist derart, dass verglichen mit dem ursprünglichen Geräusch 150 das austretende Geräusch 150''' stark gedämpft ist.
  • Die Länge des perforierten Rohrs 112, die Größe des oder der akustischen Hohlraums oder Hohlräume 130, die Verteilung und Größe der Perforationen 140, der Winkel 128 der schraubenförmigen Verdrillung des schraubenförmigen Flügels 110 sind unter den Parametern, welche variiert werden können, um die gewünschten Leistungsniveaus einer übernommenen Luftstromrotation 116 und Geräuschdämpfung für eine bestimmte Anwendung zu erreichen.
  • Die übernommene Luftstromrotation 122, die durch das verbesserte Luftansaugsystem 100 der vorliegenden Erfindung geliefert wird, weist etliche Vorteile auf: Reduzierung der dynamischen Drucklast auf die Schaufeln des Turbinenrades; erhöhter Wirkungsgrad des Turboladers; Erzeugung von weniger Hitze, Vibration und Geräusch; und eine verbesserte Haltbarkeit des Turboladers.
  • Im Hinblick auf eine Geräuschdämpfung verstärkt die Synergie des schraubenförmigen Flügels bezüglich des perforierten Rohres eine Geräuschdämpfung des akustischen Hohlraums. Außerdem reflektiert der spiralförmig verlaufende Flügel aufgrund einer Änderung der akustischen Impedanz akustische Energie zurück in den Turbolader.
  • Die Kombination des schraubenförmigen Flügels und des perforierten Rohres dient dazu, den Luftstrom rotieren zu lassen, Turboladergeräusch in die Perforationen des perforierten Rohrs abzulenken, wo sie durch den akustischen Hohlraum gedämpft werden, und Geräusch zum Turbolader zurück zu reflektieren.
  • 10 stellt ein Beispiel eines Ansauggehäusesystems 100' der vorliegenden Erfindung dar, wobei das Hauptstromrohr 1108 wie zum Beispiel ein Ellbogen gekrümmt ist, wobei darin ein schraubenförmigen Flügel 1110 mit einem Umfang 1110' angeordnet ist, der (stationär und abdichtend) mit dem Hauptstromrohr verbunden ist.

Claims (4)

  1. Luftansaugsystem (100) für einen Turbolader (104) mit einem rotierbaren Turbinenrad (106), wobei die Rotation des Turbinenrades (106) in einer vorbestimmten Rotationsrichtung (124) erfolgt, mit: einem Luftansauggehäuse (102) mit einem Hauptstromrohr (108), das eine Hauptstromrohrseitenwand (108') aufweist; und einem schraubenförmigen Flügel (110), der innerhalb des Hauptstromrohrs (108) angeordnet ist; wobei ein durch das Hauptstromrohr (108) gelangender Luftstrom (114) während eines Durchgangs durch den schraubenförmigen Flügel (110) als Antwort auf eine Rotation des Turbinenrades (106) die vorbestimmte Rotationsrichtung (124) übernimmt; gekennzeichnet durch ein perforiertes Rohr (112), das zwischen dem schraubenförmigen Flügel (110) und dem Hauptstromrohr (108) angeordnet ist und das eine perforierte Rohrseitenwand (112') aufweist.
  2. Luftansaugsystem nach Anspruch 1, wobei das perforierte Rohr (112) bezüglich des Hauptstromrohres (108) beabstandet ist, um dadurch zumindest einen akustischen Hohlraum (130) zu schaffen, der zwischen der perforierten Rohrseitenwand (112') und der Hauptstromrohrseitenwand (108') angeordnet ist, wobei der zumindest eine akustische Hohlraum (130) mit einer Vielzahl von in der Rohrseitenwand (112') ausgebildeten Perforationen (140) in Verbindung steht.
  3. Anordnung aus Luftansaugsystem (100) und Turbolader (104), mit: einem Turbolader (104), mit: einem rotierbaren Turbinenrad (106), das in einer vorbestimmten Rotationsrichtung (124) rotiert; und einem Luftansaugsystem (100), das mit dem Turbolader (104) verbunden ist, wobei das Luftansaugsystem (100) umfasst: ein Hauptstromrohr (108) mit einer Hauptstromrohrseitenwand (108'); und einen schraubenförmigen Flügel (110), der innerhalb des Hauptstromrohres (108) angeordnet ist; wobei ein durch das Hauptstromrohr (108) gelangender Luftstrom (114) während eines Durchgangs durch den schraubenförmigen Flügel (110) als Antwort auf eine Rotation des Turbinenrades (110) die vorbestimmte Rotationsrichtung (124) übernimmt; dadurch gekennzeichnet, dass das Luftansaugsystem (100) ferner ein perforiertes Rohr (1129 aufweist, das zwischen dem schraubenförmigen Flügel (110) und dem Hauptstromrohr (108) angeordnet ist und das eine perforierte Rohrseitenwand (112') aufweist.
  4. Anordnung aus Luftansaugsystem und Turbolader nach Anspruch 3, wobei das perforierte Rohr (112) in Bezug auf das Hauptstromrohr (108) beabstandet ist, um dadurch zumindest einen akustischen Hohlraum (130) zu schaffen, der zwischen der perforierten Rohrseitenwand (112') und der Hauptstromrohrseitenwand (108) angeordnet ist, wobei der zumindest eine akustische Hohlraum (130) mit einer Vielzahl von in der Rohrseitenwand (112') ausgebildeten Perforationen (140) in Verbindung steht.
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