DE102012005225A1

DE102012005225A1 - Vorrichtung zum zusätzlichen Verdichten der Ladeluft einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102012005225A1
Application number: DE102012005225A
Authority: DE
Inventors: Volker Cornelius
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2013-09-19
Also published as: EP2825762A1; WO2013135577A1

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum zusätzlichen Verdichten der Ladeluft einer Brennkraftmaschine mit einer Verdichtereinrichtung, deren abströmiger Auslass über eine Einströmöffnung mit einem Saugrohr fluidisch verbunden ist die Einströmöffnung als eine das Saugrohr im Wesentlichen umschließende Ringfläche ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum zusätzlichen Verdichten der Ladeluft einer Brennkraftmaschine mit einer Verdichtereinrichtung, deren abströmiger Auslass über eine Einströmöffnung mit dem Saugrohr, der Brennkraftmaschine fluidisch verbunden ist. Außerdem betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Vorrichtung.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum zusätzlichen Verdichten der Ladeluft einer Brennkraftmaschine.
Kraftfahrzeuge werden bevorzugt durch Brennkraftmaschinen angetrieben. Zur Steigerung ihrer Leistung und ihres Wirkungsgrades werden diese Motoren aufgeladen. Die zylinderfüllende Luft wird dabei vor ihrem Eintritt in den Zylinder durch eine gesonderte Verdichtervorrichtung komprimiert. Ein dazu bekanntes Verfahren ist die Abgasturboaufladung, bei der die im Abgas verbliebene Energie genutzt wird, um eine Verdichtervorrichtung mechanisch anzutreiben. Bei geringen Drehzahlen ist die Energie des Abgases gering, weshalb auch die Erhöhung des Drucks der Ladeluft gering ausfällt. Die Beschleunigung des Fahrzeuges wird wesentlich vom Füllungsgrad der Zylinder beeinflusst. Ein hoher Füllungsgrad erlaubt eine starke Beschleunigung, da mehr Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung steht. Durch zu niedrigen Ladeluftdruck bei geringen Drehzahlen wird der Füllungsgrad gemindert. Jedoch ist gerade in diesem Betriebszustand eine schnelle Beschleunigung besonders erwünscht.
Zur Abhilfe werden Zusatzverdichter eingesetzt, wie sie zum Beispiel aus der US 6,029,452 bekannt sind. Hier wird zusätzlich zur vom Abgas angetriebenen Verdichtung ein elektrisch angetriebener Kompressor eingesetzt. Dieser wird bei Bedarf aktiviert, also zum Beispiel bei angeforderter Beschleunigung im niedrigen Drehzahlbereich. Durch eine Klappe lässt sich bei laufendem Zusatzverdichter ein ungewolltes Rückströmen verhindern.
Aus der EP 1355052 ist eine Anordnung eines Zusatzverdichters auf der Hochdruckseite des Turboladers bekannt, bei der der Zusatzverdichter ansaugseitig an das Saugrohr angeschlossen ist. Die Ladeluft kann hier durch den Verdichter oder durch eine umgehende Leitung geführt werden. In der umgehenden Leitung ist ein steuerbares Ventil angeordnet. Mit diesem Ventil wird eingestellt, welche Menge an Ladeluft den Zusatzverdichter durchströmt und welche lediglich die Bypass-Leitung passiert. Das hat den Vorteil, dass nicht permanent die gesamte Ladeluft den Zusatzverdichter durchströmt und so einen Druckverlust erleidet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Strömungsverhältnisse im Ansaugtrakt einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Zusatzverdichter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum zusätzlichen Verdichten der Ladeluft einer Brennkraftmaschine gelöst, die eine Verdichtereinrichtung aufweist, deren abströmiger Auslass über eine Einströmöffnung mit einem Saugrohr fluidisch verbunden ist. Die Einströmöffnung ist dabei als eine das Saugrohr im Wesentlichen umschließende Ringfläche ausgebildet. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung dieser Vorrichtung ergibt sich aus der Form und Anordnung der Einströmöffnung, dass der Fluidstrom aus dem Zusatzverdichter zunächst den Fluidstrom aus dem Saugrohr mantelartig umschließt. Der Zusatzverdichter und/oder die Größe der Einströmöffnung und/oder die Größe der Saugrohröffnung sind dabei so auszulegen, dass die Strömungsgeschwindigkeit des äußeren Fluidstromes an der Einströmöffnung bei aktiviertem Zusatzverdichter größer ist als die Strömungsgeschwindigkeit des Fluidstromes aus dem Saugrohr. Der äußere Fluidstrom wirkt nun aufgrund der Geschwindigkeitsdifferenz und des direkten Kontaktes eine Impulsübertragung auf den inneren Fluidstrom aus. Dies resultiert in einer Beschleunigung des inneren Fluidstromes in Strömungsrichtung. Man kann hier auch von einem Mitreißen des inneren Fluidstromes durch den äußeren sprechen. Erst weiter stromabwärts kommt es zur vollständigen Vermischung der beiden Fluidströme. Durch dieses Prinzip wird die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Liefergrad an Ladeluft erhöht. Der Liefergrad ist maßgeblich für den Zylinderfüllungsgrad Gleichzeitig ist keine Rückschlagklappe oder ein ähnliches Stellglied im Saugrohr notwendig. Eine nachteilige Reibung des Ladeluftstromes an dem Stellglied entfällt. Dies führt zur Verbesserung des Wirkungsgrades der gesamten Verdichtereinheit und damit der Brennkraftmaschine. Eine ringförmige Einströmöffnung kann auch als Ringspalt bezeichnet werden.
Die mantelartige Umströmung des inneren Fluidstromes durch den äußeren Fluidstrom ist in einer bevorzugten Ausführungsform besonders gleichmäßig, wenn die Einströmöffnung als Kreisringfläche ausgebildet ist. Dies ist durch die gleichmäßigen geometrischen Eigenschaften des Kreisrings begründet. Von einer gleichmäßigen Umströmung wird die Impulsübertragung zum Beschleunigen des inneren Fluidstromes positiv beeinflusst. Der Effekt des Mitreißens des Ladeluftluftstromes wird also verstärkt.
Der Bauraum in einem Aggregat eines Fahrzeuges ist häufig begrenzt. Unter Umständen ist es deshalb nicht möglich eine vollumfängliche Ringfläche als Einströmöffnung darzustellen. Um Bauraum zu sparen und dennoch den Effekt der Erfindung in wenn auch verminderte Form zu realisieren, kann die Einströmöffnung vorteilhaft als segmentierte Ringfläche ausgeführt werden. Außerdem kann eine solche Ausführung in bestimmten Situationen notwendig sein um die Wände der Einströmöffnung gegeneinander abzustützen. Hierzu lassen sich Stege einsetzen. Als Segmentierung kann auch eine einzelne Ausnehmung, aber auch eine über den Kreisumfang angeordnete mehrfache Segmentierung vorhanden sein. Vorteilhaft ist es davon ausgehend, die mehrfache Segmentierung gleichmäßig, insbesondere symmetrisch, über den Umfang der Einströmöffnung zu verteilen. Auch mag es aus baulichen Gründen vorteilhaft sein, die Einströmöffnung als Ringfläche mit einem Ausdehnungswinkel von mehr als 360° auszuführen. Dies würde eine Überlappung zweier Enden des Ringspaltes übereinander bedeuten.
Besonders vorteilhaft ist es, die Verdichtereinrichtung mit einem elektrischen Motor anzutreiben. Ein elektrischer Motor ist in seiner Ansteuerung flexibel und schnell. Die Förderleistung der Verdichtereinrichtung ist damit einfach bedarfsgerecht einzustellen. So kann zeitnah nach der Betätigung des Gaspedals der Ladeluft-Liefergrad erhöht und damit das dynamische Verhalten des Fahrzeuges im niedrigen Drehzahlbereich verbessert werden. Weiterhin bietet der Elektromotor konstruktive Vorteile, da aufwendige Getriebevorrichtungen zum Beispiel zum Anschluss an die Kurbelwelle entfallen.
In weiterer bevorzugter Ausführungsform ist die Verdichtereinrichtung ansaugseitig über eine Verdichteransaugöffnung mit dem Saugrohr fluidisch verbunden. Das von der Verdichtereinrichtung angesaugte Fluid wird so direkt dem Saugrohr entnommen. Im Gegensatz beispielsweise zur Ansaugung von Luft aus der Umgebung ist in dieser Ausgestaltung kein zusätzlicher Luftfilter erforderlich. Auch wird so nicht die Konzentration von gegebenenfalls im Ansaugluftstrom enthaltenem, rückgeführtem Abgas verändert.
Saugt die Verdichtereinrichtung aus dem Saugrohr an, ist es besonders vorteilhaft, die Verdichteransaugöffnung innen in einer Krümmung des Saugrohres anzuordnen. Die Ladeluft besitzt im Saugrohr eine Geschwindigkeit, welche zusammen mit ihrer Masse aufgrund der Fliehkraft bewirkt, dass sich ein großer Teil des Massenstromes an die krümmungsäußere Seite des Saugrohres anlegt. Im Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine ist die Strömungsgeschwindigkeit der Ladeluft im Saugrohr hoch. Gleichzeitig ist der Zusatzverdichter im Allgemeinen abgeschaltet. In diesem Zustand sorgt die vorteilhafte Anordnung innen in der Krümmung dafür, dass Reibungsverluste gering bleiben, weil nur ein kleiner Teil des Massenstromes durch Kanten der Öffnung Verwirbelungen erfährt. Im Zustand geringerer Last, wenn der Zusatzverdichter aktiviert ist, wird dagegen die Strömung nicht durch die Ansaugung durch den Zusatzverdichter beeinträchtigt. Solche Krümmungen sind in serienmäßig eingesetzten Brennkraftmaschinen meist bereits vorgesehen, um Bauraum zu sparen und eine kompakte Bauweise zu realisieren.
Vorteilhaft kann es außerdem sein, im Saugrohr ein Rückschlagschutzelement stromaufwärts der Einströmöffnung anzubringen. Als Rückschlagschutzelement eignet sich beispielsweise eine Rückschlagklappe oder ein Rückschlagventil. In bestimmten Betriebszuständen hoher Förderleistung des Zusatzverdichters kann ein Druckanstieg über die Einströmöffnung so groß werden, dass die Strömung zurückschlägt. Abhilfe schafft hier ein Rückschlagschutzlelement, welches diesen Rückschlag verhindert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist in Strömungsrichtung in der Nähe der Einströmöffnung zumindest eine Wand in stromabwärts zur Hauptachse konvergierender Weise angeordnet. Die Querschnittsfläche der Einströmöffnung verjüngt sich entlang der Strömungsachse. Dadurch konvergieren die Strömungsrichtungen des Fluidstromes aus dem Zusatzverdichter und des Fluidstromes im Saugrohr. Der Impulsaustausch zwischen den Beiden Fluidströmen wird so verstärkt. Der Effekt des Mitreißens des inneren Luftstromes durch den äußeren kann so verstärkt werden.
Eine Brennkraftmaschine lässt sich mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorteilhaft betreiben. Durch den Einsatz einer bevorzugten Ausführungsform in der Brennkraftmaschine lassen sich besondere Vorteile erzielen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht in seiner Wirkungsweise ein Verfahren zum zusätzlichen Verdichten der Ladeluft einer Brennkraftmaschine mit den folgenden Verfahrensschritten. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung wird bereitgestellt. Ein Fluid wird angesaugt. Das Fluid wird verdichtet. Das Fluid wird zur Ladeluft im Saugrohr durch eine das Saugrohr im Wesentlichen umschließende Ringfläche zugeführt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich weiterhin vorteilhaft mit verbessernden Maßnahmen der Motorentechnik kombinieren. Bei Verwendung einer Abgasrückführung, ob auf Hochdruck- oder Niederdruckseite des Abgasturbolader.
Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich nicht nur aus dieser allgemeinen Darstellung und/oder aus den zugehörigen Unteransprüchen – für sich und/oder in Kombination – sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Figuren. Die Darstellungen der Figuren sind lediglich schematischer Natur und sollen der Verständlichkeit der Erfindung anhand von Ausführungsformen dienen.
Es zeigt im Einzelnen:
1 eine schematische Schnittdarstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Zusatzverdichtereinrichtung, welche eine ringförmige Einströmöffnung aufweist
2 die Schnittdarstellung A-A, definiert in 1, welche eine beispielhafte Geometrie der Einströmöffnung darstellt
3 eine weitere beispielhafte Geometrie der Einströmöffnung im Schnitt A-A, definiert in 1
4 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Zusatzverdichtereinrichtung mit einer Rückschlagklappe
5 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Anordnung einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einer Brennkraftmaschine
In 1 ist die abströmige Seite der Verdichtereinrichtung 5 mit dem Saugrohr 1 über eine Einströmöffnung 3 fluidisch verbunden. Der Ladeluftstrom vom Abgasturbolader 6 fließt im Saugrohr 1 entlang der Verdichteransaugöffnung 9. Falls die Zusatzverdichtereinrichtung im aktiven Betriebszustand ist, fließt ein Teil des Ladeluftstromes durch die Verdichteransaugöffnung 9 in die Verdichtereinrichtung 5. Die Verdichteransaugöffnung 9 ist im Inneren der Krümmung des Saugrohres 1 angeordnet. Anschließend passiert der Ladeluftstrom als Saugrohrluftstrom 2 die Einströmöffnung 3. Hier wird dieser mit dem Verdichterluftstrom 10 zusammengeführt. Der vermischte Luftstrom fließt dann als Ladeluftstrom zur Einspritzung 7 weiter Zur Ansaugseite des nicht dargestellten Motors. Der Schnitt A-A verläuft entlang der Einströmöffnung 3 und senkrecht zur Richtung des Saugrohrluftstromes 2.
Die Schnittdarstellung A-A in 2 stellt die Einströmöffnung 3 als Kreisringfläche dar. Die Einströmöffnung 3 wird außenseitig von der Verdichterrohraußenwand 4 und innenseitig vom Saugrohr 1 begrenzt. Im Saugrohr fließt der Saugrohrluftstrom in Richtung zum Betrachter.
Ausgeführt als segmentierte Ringfläche wird die Einströmöffnung 3 in 3 in gleicher Schnittanordnung gezeigt. Stege 8 verbinden das Saugrohr und die Verdichterohraußenwand 4 mechanisch miteinander. So kann ihre relative Position zueinander festgelegt werden. Die Einströmöffnung 3 stellt sich dann als segmentiert dar.
In 4 ist die Zusatzverdichtereinrichtung mit einer Rückschlagklappe 11 ausgeführt. Diese ist zwischen der Verdichteransaugöffnung 9 und der Einströmöffnung 3 angeordnet. Bei hohem Druck auf der abströmigen Seite der Rückschlagklappe 11 wird diese in den Strömungsweg gestellt und so ein Zurückfließen des Saugrohrluftstromes 2 verhindert.
In 5 ist eine Brennkraftmaschine 12 gezeigt, welche durch einen Abgasturbolader 13 aufgeladen wird. Durch die Abgasleitung 14 wird das von der Brennkraftmaschine 12 ausgestoßene Abgas zum Abgasturbolader 13 geleitet. Dieser verdichtet, angetrieben durch die Energie des Abgases, die angesaugte Luft im Saugrohr 1. Die Zusatzverdichtereinrichtung 5 wird bei Bedarf aktiviert und wirkt unterstützend bei der Luftzufuhr zu den Zylindern der Brennkraftmaschine 12. Durch die Einströmöffnung 3 wird das durch die Zusatzverdichtereinrichtung 5 angesaugte Fluid wieder dem Saugrohrluftstrom beigefügt.
Bezugszeichenliste

1: Saugrohr
2: Saugrohrluftstrom
3: Einströmöffnung
4: Verdichterrohraußenwand
5: Verdichtereinrichtung
6: Ladeluftstrom vom Abgasturbolader
7: Ladeluftstrom Zur Einspritzung
8: Steg
9: Verdichteransaugöffnung
10: Verdichterluftstrom
11: Rückschlagklappe
12: Brennkraftmaschine
13: Abgasturbolader
14: Abgasleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6029452 [0004]
EP 1355052 [0005]

Claims

Vorrichtung zum zusätzlichen Verdichten der Ladeluft einer Brennkraftmaschine mit einer Verdichtereinrichtung (5), deren abströmiger Auslass über eine Einströmöffnung (3) mit einem Saugrohr fluidisch (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmöffnung (3) als eine das Saugrohr (2) im Wesentlichen umschließende Ringfläche ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmöffnung (3) als eine das Saugrohr (2) im Wesentlichen umschließende Kreisringfläche ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Ringfläche segmentiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinrichtung (5) durch einen elektrischen Motor angetrieben wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinrichtung (5) ansaugseitig über eine Verdichteransaugöffnung (9) mit dem Saugrohr (2) fluidisch verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichteransaugöffnung (9) innen in einer Krümmung des Saugrohres (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass im Saugrohr (2) ein Rückschlagschutzelement (11) stromaufwärts der Einströmöffnung (3) angebracht ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung in der Nähe der Einströmöffnung (3) zumindest eine Wand in stromabwärts zur Hauptachse konvergierender Weise angeordnet ist.
Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zum zusätzlichen Verdichten der Ladeluft nach einem der vorangehenden Ansprüche
Verfahren zum zusätzlichen Verdichten der Ladeluft einer Brennkraftmaschine mit den folgenden Verfahrenschritten a) bis d): a) Bereitstellen einer Vorrichtung nach Anspruch 1 b) Ansaugen eines Fluides c) Verdichten des Fluides d) Zuführen des Fluides zur Ladeluft im Saugrohr (2) durch eine das Saugrohr (2) im Wesentlichen umschließende Ringfläche