DE102013106748A1

DE102013106748A1 - Verbessertes Mischen für die Abgasrückführung

Info

Publication number: DE102013106748A1
Application number: DE102013106748.4A
Authority: DE
Inventors: Anthony Bernard Demots; Steve Johnson
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2014-01-23
Also published as: CN203515789U; GB201212675D0; GB2504096B; GB2504096A

Abstract

Ein Turbolader für einen Motor, der Folgendes umfasst: ein Verdichtergehäuse, das einen Verdichtereinlass definiert, der fluidisch mit einem Lufteinlass des Motors verbindbar ist, wobei der Verdichtereinlass einen Quereinlass aufweist, der fluidisch mit einem AGR-System des Motors verbindbar ist; und eine Barriereneinrichtung, die innerhalb des Verdichtereinlasses vorgesehen ist, um eine Barriere zwischen Luft und Abgas, die in den Verdichtereinlass eintreten, bereitzustellen, wobei die Barriereneinrichtung mindestens eine Öffnung enthält, damit Abgas die Barriere passieren und sich mit zu dem Verdichtereinlass strömender Luft vermischen kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Turbolader und Abgasrückführungssysteme (AGR-Systeme) in Fahrzeugen. Die Erfindung betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, modifizierte Turbolader, die das Mischen von frischer Einlassluft und Abgas gestatten.
Die Abgasrückführung (AGR) wird verwendet, um die Menge von Stickoxidemissionen (NOx-Emissionen) in Benzin- und Dieselmotoren zu reduzieren. In einem AGR-System wird ein Teil des Abgases eines Motors zu den Motorzylindern zurückgeführt. Bei Dieselmotoren ersetzt das Abgas einen Teil des überschüssigen Sauerstoffs in der Vorverbrennungsmischung. NOx entsteht in erster Linie, wenn eine Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, und so reduziert die durch AGR verursachte niedrigere Brennkammertemperatur die NOx-Menge, die die Verbrennung generiert.
Bei einem Fahrzeugmotor enthält ein Turbolader einen Verdichter, der die in den Motor eintretende Luftmasse vergrößert, was zu einem größeren Vermögen hinsichtlich Leistung und/oder Effizienz führt. Der Verdichter wird von einer Turbine mit hoher Drehzahl angetrieben, die von den Abgasen des Motors angetrieben wird.
Es gibt zwei Arten von AGR-Systemen: Nieder- und Hochdruck-AGR. Bei einem herkömmlichen Niederdruck-AGR-System wird Abgas in den Verdichtereinlass eingespeist, um zurück in den Motor geladen zu werden. Ein Niederdruck-AGR-System ist in der Regel mit einem Dieselpartikelfilter (DPF) kombiniert. Der DPF sammelt partikelförmiges Material aus dem Abgas, und das Abgas wird in der Regel gefiltert und gekühlt, bevor es zu dem Verdichter zurückgeführt wird. Dies ist in 1 gezeigt.
Der Druck des Abgases ist gering, und das Filtern und Kühlen des Gases bewirken, dass der Druck weiter abfällt. Es ist deshalb notwendig, Mittel zum Unterstützen des Stroms von AGR-Gas zu dem Verdichter bereitzustellen. Beispielsweise kann, wie in 1 gezeigt, eine Drossel vorgesehen werden, um den Gegendruck zu erhöhen, damit das Abgas durch die Niederdruck-AGR-Schleife getrieben wird. Es ist jedoch bekannt, dass der Einsatz einer Drossel oder dergleichen für die Motorleistung abträglich ist.
Es ist wünschenswert, ein verbessertes System bereitzustellen, das den Strom von AGR-Gas zu dem Verdichter mit weniger Effekt auf die Motorleistung unterstützt.
Das heiße AGR-Gas wird mit kühler Frischluft von dem Lufteinlass gemischt, bevor es in den Verdichter gesaugt wird. Eine gute Vermischung erzeugt eine gleichmäßige Verteilung von Temperaturen und Luftdichten an der Verdichtereinlassfläche und somit eine effizientere Verwendung des Verdichters. Schlecht vermischte Ströme (wie etwa heiß auf einer Seite des kreisförmigen Einlasses und kalt auf der anderen) führen dazu, dass der Verdichter aufgrund der Dichtedifferenzen weniger effizient ist.
Das rückgeführte Abgas enthält Wasserdampf. Wenn das Gas gekühlt wird, was geschieht, wenn das Gas mit kalter Luft gemischt wird, kann Kondensat entstehen. Falls das Kondensat zu weit vor dem Verdichter entsteht, wird sich das Kondensat auf die Verdichterschaufeln auswirken. Wegen der extremen Geschwindigkeiten, die Verdichterschaufeln erreichen (zwischen Mach 1 und Mach 2), können Wassertröpfchen eine erhebliche Beschädigung verursachen.
In der Regel wird eine Mischeinheit, die einen ringförmigen Ring umfasst, stromaufwärts des Verdichters dazu bereitgestellt, und dies ist in 2 gezeigt. Der ringförmige Ring kann in die Fügestelle zwischen dem Verdichtereinlass und dem Ansaugkanal integriert sein, wie in 3 gezeigt.
Es ist wünschenswert, ein verbessertes System bereitzustellen, das ein effizientes Vermischen nahe den Verdichterschaufeln bereitstellt.
Die konventionelle Mischeinheit kann auch aufgrund des Pfeifens, das dadurch erzeugt wird, dass Luft oder Gas über einen großen Hohlraum in dem ringförmigen Ring strömt, ein Geräuschproblem erzeugen.
Es ist wünschenswert, ein verbessertes System bereitzustellen, das einfacher ist, weniger Komponenten umfasst und/oder eine Justierung oder leichte Optimierung des Vermischens von Luft und AGR-Gas gestattet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Turbolader für einen Motor bereitgestellt, der Folgendes umfasst:
ein Verdichtergehäuse, das einen Verdichtereinlass definiert, der fluidisch mit einem Lufteinlass des Motors verbunden werden kann, wobei der Verdichtereinlass einen Quereinlass aufweist, der fluidisch mit einem AGR-System des Motors verbunden werden kann; und
eine Barriereneinrichtung, die innerhalb des Verdichtereinlasses vorgesehen ist, um eine Barriere zwischen Luft und Abgas, die in den Verdichtereinlass eintreten, bereitzustellen,
wobei die Barriereneinrichtung mindestens eine Öffnung enthält, damit Abgas die Barriere passieren und sich mit zu dem Verdichtereinlass strömender Luft vermischen kann.
Der Verdichtereinlass kann eine Kammer vor den Verdichterschaufeln definieren. Der Quereinlass kann an der Kammer vorgesehen sein. Die Barriereneinrichtung kann an der Kammer vorgesehen sein.
Die Barriereneinrichtung kann mehrere Aussparungen enthalten, wobei jede Aussparung eine Öffnung bereitstellt. Die Barriereneinrichtung kann perforiert sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Barriereneinrichtung einen Gitterabschnitt enthalten.
Die Aussparungen können in einem oder mehreren Mustern angeordnet sein. Die Aussparungen können derart angeordnet sein, dass sie zu einem ersten Ende, das sich bei den Verdichterschaufeln befindet, zahlreicher sind. Die Aussparungen können derart angeordnet sein, dass sie zu dem ersten Ende größer sind.
Alternativ oder zusätzlich kann die Barriereneinrichtung innerhalb des Verdichtereinlasses montiert sein, um einen Spalt zu bilden, wobei der Spalt eine Öffnung bereitstellt. Der Spalt kann an einem Gebiet mit niedrigem Druck vorgesehen sein. Der Spalt kann bei den Verdichterschaufeln ausgebildet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann die Barriereneinrichtung einen oder mehrere Schlitze enthalten, die eine Öffnung bereitstellen. Die Schlitze können bezüglich der Strömungsrichtung von Luft von dem Lufteinlass zu den Verdichterschaufeln longitudinal verlaufen. Die Schlitze können sich von einem ersten Ende der Barriereneinrichtung aus erstrecken, das sich bei den Verdichterschaufeln befindet.
Die Barriereneinrichtung kann eine Bohrung definieren, deren Querschnittsfläche in einer Richtung zu dem ersten Ende abnimmt. Die Barriereneinrichtung kann im Wesentlichen konisch sein.
Die Barriereneinrichtung kann durch Stanzen ausgebildet werden. Alternativ kann die Barriereneinrichtung durch Gesenkschmieden eines Rohrs oder dergleichen ausgebildet werden. Alternativ kann die Barriereneinrichtung ein maschinell bearbeitetes Gussteil sein. Die Öffnungen können durch Stanzen ausgebildet werden. Die Barriereneinrichtung kann aus Stahl ausgebildet sein.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Motorsystems nach dem Stand der Technik;
2 eine geschnittene Stemmansicht einer Mischeinheit nach dem Stand der Technik;
3 eine geschnittene Seitenansicht eines Verdichters nach dem Stand der Technik und angebrachter Mischeinheit;
4 eine geschnittene Seitenansicht eines Verdichters gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
5 eine Draufsicht auf den Verdichter von 4;
6 eine geschnittene Seitenansicht eines Verdichters gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und
7 eine geschnittene Seitenansicht eines Verdichters gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt ein Motorsystem 10 nach dem Stand der Technik. Abgas 100 von dem Motor 20 treibt eine Turbine 32 eines Turboladers 30 an und strömt dann durch einen Dieselpartikelfilter (DPF) 40. Ein Teil des Abgases 100 wird zur Atmosphäre entlüftet, während ein anderer Teil über den Verdichter 34 des Turboladers 30 zum Motor 20 zurückgeführt wird. Eine Drossel 46 ist vorgesehen, um den Gegendruck zum Antreiben des rückgeführten Abgases 100 zu vergrößern. Das rückgeführte Abgas 100 tritt durch einen Filter 42 und Kühler 44 hindurch, bevor es eine Mischeinheit 50 erreicht, die das Abgas 100 mit Luft von einem Lufteinlass 22 des Motors 20 vermischt.
Die Mischeinheit 50 ist an einem Einlass 36 des Verdichters 34 angebracht, und dies ist in den 2 und 3 am besten zu sehen. Die Mischeinheit 50 passt über den Verdichtereinlass 36, und ein O-Ring 58 dichtet die Verbindung ab. Der herkömmliche Verdichtereinlass 36 enthält einen verjüngten Abschnitt 37 zum Beschleunigen und Richten des Stroms von Luft 102 und Abgas 100 zu den Verdichterschaufeln 38.
Die Mischeinheit 50 enthält einen ringförmigen Ring 52, der konzentrisch innerhalb eines Rohrs 54 angeordnet ist, das den Lufteinlass 22 mit dem Verdichter 34 verbindet. Luft 102 strömt innerhalb der Bohrung des ringförmigen Rings 52. Das Rohr 54 enthält ein T-Stück, und ein zweites Rohr 48 ist quer mit dem Kühler 44 und dem Rohr 54 verbunden. Zurückgeführtes Abgas 100 strömt in den durch das Rohr 54 und den ringförmigen Ring 52 definierten Kreisring 56. Der ringförmige Ring 52 enthält Perforationen, damit sich Abgas 100 mit der Luft 102 vermischen kann.
4 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszahlen versehen.
Wie zuvor, enthält der Turbolader 130 ein Verdichtergehäuse, das einen Verdichtereinlass 136 definiert, und der Einlass 136 ist fluidisch mit dem Lufteinlass 22 verbunden. Der verjüngte Abschnitt 37 wurde jedoch entfernt (durch maschinelles Bearbeiten, oder ein neues Profil wird gegossen), und dies definiert eine Kammer 137 unmittelbar vor den Verdichterschaufeln 38. Außerdem ist ein mit dem AGR-System verbundener Quereinlass 139 an dem Einlass 136 vorgesehen, insbesondere an der Kammer 137, damit Abgas 100 in die Kammer 137 strömen kann.
Der Turbolader 130 enthält auch eine Barriereneinrichtung 160. Diese befindet sich innerhalb der Kammer 137 und bietet eine Barriere zwischen der Luft 102 und dem Abgas 100, die in die Kammer 137 eintreten. Insbesondere strömt Luft 102 innerhalb einer durch die Barriereneinrichtung 160 definierten Bohrung, und Abgas 100 strömt außerhalb der Barriereneinrichtung 160. Die Barriereneinrichtung 160 ist jedoch perforiert und enthält so eine Anzahl von Aussparungen 162. Jede Aussparung 162 stellt eine Öffnung bereit, die gestattet, dass das Abgas 100 die Barriere passiert und sich mit der Luft 102 vermischt.
Die Barriereneinrichtung 160 weist ein erstes Ende 164 bei den Verdichterschaufeln 38 auf. Die Barriereneinrichtung 160 ist konisch und weist eine Bohrung auf, deren Querschnittsfläche in einer Richtung zu dem ersten Ende 164 abnimmt. Deshalb liefert die Barriereneinrichtung 160 einen Ersatz für den verjüngten Abschnitt 37 des herkömmlichen Turboladers 30. Die Aussparungen 162 der Barriereneinrichtung 160 gestatten jedoch das Vermischen von Abgas 100 und Luft 102 näher an den Verdichterschaufeln 38. Deshalb ist es wahrscheinlich, dass es zur Entstehung von irgendeinem Kondensat kommt, nachdem die Mischung die Verdichterschaufeln passiert hat, und so wird die Beschädigung reduziert.
Außerdem vermischt sich das Abgas 100 mit der Luft 102 innerhalb des durch die konische Barriereneinrichtung 160 definierten verjüngten Abschnitts und deshalb an einem lokalen Gebiet, das durch einen sehr niedrigen statischen Fluiddruck und hohe Geschwindigkeit gekennzeichnet ist. Dies unterstützt das effektive Ansaugen von Abgas 100 in den Verdichter 134. Dies unterstützt den Strom vom Abgas 100 in das Niederdruck-AGR-System.
Die Aussparungen können in einem oder mehreren ringartigen Mustern angeordnet sein. Die Muster können derart angeordnet sein, dass die Aussparungen zu dem ersten Ende zahlreicher und/oder größer sind.
Die Aussparungen können auf unterschiedliche Weisen eingestellt werden, um das Vermischen zu unterstützen. Beispielsweise können kleinere Löcher nahe dem Einlass 100 und größere Löcher an der entfernten Seite der Kammer 137 vorgesehen sein, um das gleichmäßige Strömen von Abgas um den Umfang der Barriereneinrichtung 160 herum zu unterstützen.
Wie in 5 gezeigt, können die Abgas- und Luftkanäle einfach an den Turbolader 130 geschraubt sein.
6 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszahlen versehen.
Bei dieser Ausführungsform enthält die Barriereneinrichtung 260 eine Anzahl von Schlitzen 262, und diese stellen die Öffnungen bereit, die gestatten, dass das Abgas 100 die Barriere passieren und sich mit der Luft 102 vermischen kann. Die Barriereneinrichtung 260 enthält möglicherweise Perforationen oder keine Perforationen ähnlich der ersten Ausführungsform.
Die Schlitze 262 befinden sich bezüglich der Hauptrichtung des Fluidstroms longitudinal. Die Schlitze erstrecken sich von dem ersten Ende 264 der Barriereneinrichtung 260 aus. Deshalb kann Abgas 100 selbst dann durch die Schlitze 262 hindurchtreten, um sich mit der Luft 102 zu vermischen, wenn sich das erste Ende 264 in den Einlass 136 an der Kammer 137 vorbei erstreckt.
7 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszahlen versehen.
Bei dieser Ausführungsform ist die Barriereneinrichtung 360 derart konfiguriert und/oder innerhalb des Verdichtereinlasses 136 montiert, dass sich das erste Ende 364 nicht so weit in dem Einlass 136 erstreckt. Dies bildet einen Spalt 362, und der Spalt 362 liefert die Öffnung, damit das Abgas 100 die Barriere passieren und sich mit der Luft 102 vermischen kann. Die Barriereneinrichtung 360 kann ebenfalls Perforationen oder Schlitze oder keine Perforationen oder keine Schlitze ähnlich vorausgegangener Ausführungsformen enthalten.
Da der Spalt 362 bei dem ersten Ende 364 vorgesehen ist, befindet sich die Öffnung an einem Gebiet mit niedrigem Druck und nahe den Verdichterschaufeln 38. Deshalb vermischt sich das Abgas 100, wie bei vorherigen Ausführungsformen, mit der Luft 102 in einem Gebiet mit niedrigem Druck und hoher Geschwindigkeit.

Der Effekt, den dies erzeugt, wurde untersucht, und die Tabelle 1 unten zeigt die Differenz bei dem statischen Druck in diesem Gebiet im Vergleich zu dem Druck weiter weg von den Verdichterschaufeln 38. In der Tabelle betreffen die mit „2” bezeichneten Eigenschaften das erste Ende der Barriereneinrichtung, während die mit „1” bezeichneten Eigenschaften das entgegengesetzte Ende der Einrichtung betreffen. Diese letzteren Eigenschaften betreffen auch eine herkömmliche Anordnung, da das Vermischen des Abgases 100 und der Luft 102 weiter stromaufwärts (und an dem breitesten Abschnitt des Verdichtereinlasses) erfolgt.

Luftmassenstrom	300	kg/hr
Luftdichte	1,2041	kg/m^3
Durchmesser 1	50	mm
Durchmesser 2	38	mm
Fläche 1	0,00196	m^2
Fläche 2	0,00113	m^2
Geschwindigkeit 1	35,2474	m/s
Geschwindigkeit 2	61,0238	m/s
Dynamischer Druck 1	0,74797	kPa
Dynamischer Druck 2	2,24198	kPa
Statischer Druck 1	99,252	kPa
Statischer Druck 2	97,758	kPa
Delta (Differenz beim statischen Druck)	1,494	kPa

Tabelle 1

Es gab deshalb eine Verbesserung beim Ansaugen von 1,5 kPa gegenüber dem herkömmlichen Aufbau für die untersuchte Anwendung. Die Druckdifferenz von dem DPF 40 zu dem Verdichtereinlass betrug etwa 3 kPa, deshalb ist die erhaltene Verbesserung von substantieller Größe. Das Abgas 100 wird effektiver durch das AGR-System gesaugt, wodurch die Notwendigkeit reduziert wird, die Starterklappe 46 zu verwenden. Deshalb wird die Kraftstoffökonomie verbessert.
Die Barriereneinrichtung ist eine einfache und preiswerte Einrichtung, die durch Stanzen oder durch Gesenkschmieden eines Rohrs oder dergleichen leicht ausgebildet wird. Sie kann aus Flussstahl oder dergleichen ausgebildet werden. Die Einrichtung kann leicht modifiziert werden, wobei die Aussparungen/Schlitze/Spalt eingestellt werden, um ein optimales Vermischen für die jeweilige Anwendung bereitzustellen.
Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass keine Notwendigkeit für eine zusätzliche Mischerkomponente vorliegt. Dies vereinfacht die Anordnung und reduziert die Kosten.
Wenngleich spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung oben beschrieben worden sind, versteht sich, dass Abweichungen von den beschriebenen Ausführungsformen möglicherweise immer noch in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen.

Claims

Ein Turbolader für einen Motor, der Folgendes umfasst: ein Verdichtergehäuse, das einen Verdichtereinlass definiert, der fluidisch mit einem Lufteinlass des Motors verbindbar ist, wobei der Verdichtereinlass einen Quereinlass aufweist, der fluidisch mit einem AGR-System des Motors verbindbar ist; und eine Barriereneinrichtung, die innerhalb des Verdichtereinlasses vorgesehen ist, um eine Barriere zwischen Luft und Abgas, die in den Verdichtereinlass eintreten, bereitzustellen, wobei die Barriereneinrichtung mindestens eine Öffnung enthält, damit Abgas die Barriere passieren und sich mit zu dem Verdichtereinlass strömender Luft vermischen kann.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei der Verdichtereinlass eine Kammer stromaufwärts der Verdichterschaufeln definiert.
Turbolader nach Anspruch 2, wobei der Quereinlass an der Kammer vorgesehen ist.
Turbolader nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Barriereneinrichtung an der Kammer vorgesehen ist.
Turbolader nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Barriereneinrichtung mehrere Aussparungen enthält, wobei jede Aussparung eine Öffnung bereitstellt.
Turbolader nach Anspruch 5, wobei die Barriereneinrichtung perforiert ist.
Turbolader nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Aussparungen in einem oder mehreren Mustern angeordnet sind.
Turbolader nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Aussparungen derart angeordnet sind, dass sie zu einem ersten Ende, das sich bei den Verdichterschaufeln befindet, zahlreicher sind.
Turbolader nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Aussparungen derart angeordnet sind, dass sie zu dem ersten Ende größer sind.
Turbolader nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Barriereneinrichtung innerhalb des Verdichtereinlasses derart montiert ist, dass ein Spalt gebildet wird, wobei der Spalt eine Öffnung bereitstellt.
Turbolader nach Anspruch 10, wobei der Spalt an einem Gebiet mit niedrigem Druck vorgesehen ist.
Turbolader nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Spalt bei den Verdichterschaufeln ausgebildet ist.
Turbolader nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Barriereneinrichtung einen oder mehrere Schlitze enthält, die eine Öffnung bereitstellen.
Turbolader nach Anspruch 13, wobei die Schlitze bezüglich der Strömungsrichtung von Luft von dem Lufteinlass zu den Verdichterschaufeln longitudinal verlaufen.
Turbolader nach Anspruch 13 oder 14, wobei sich die Schlitze von einem ersten Ende der Barriereneinrichtung aus erstrecken, das sich bei den Verdichterschaufeln befindet.
Turbolader nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Barriereneinrichtung eine Bohrung definiert, deren Querschnittsfläche in einer Richtung zu dem ersten Ende abnimmt.
Turbolader nach Anspruch 16, wobei die Barriereneinrichtung im Wesentlichen konisch ist.
Turbolader nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Barriereneinrichtung durch Stanzen ausgebildet wird.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Barriereneinrichtung durch Gesenkschmieden eines Rohrs ausgebildet wird.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Barriereneinrichtung ein maschinell bearbeitetes Gussteil ist.