DE102014006467A1

DE102014006467A1 - Einstellbare Luftzufuhreinrichtung

Info

Publication number: DE102014006467A1
Application number: DE102014006467.0A
Authority: DE
Inventors: Hedwig Schick; Martin Sonntag
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Moldtecs 01 2022 GmbH
Priority date: 2014-05-06
Filing date: 2014-05-06
Publication date: 2015-11-12
Anticipated expiration: 2034-05-07
Also published as: DE102014006467B4

Abstract

Eine einstellbare Luftzufuhreinrichtung weist zwei Luftkanäle auf, wobei ein erster Luftkanal zumindest im Bereich seiner Abströmseite einen zweiten Luftkanal umschließt. Die Luftströmung durch mindestens einen Luftkanal ist von einer Stellvorrichtung verstellbar.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine einstellbare Luftzufuhreinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf einen Verdichter nach dem Oberbegriff des Anspruches 16.
Stand der Technik
Bekannt sind einstellbare Luftzufuhreinrichtungen, über die ein Luftstrom beispielsweise einem Verdichter zugeführt wird, wobei zur Anpassung an den aktuellen Betriebszustand der Luftstrom über eine Stellvorrichtung beeinflusst wird. So ist es aus der WO 2013/049971 A1 bekannt, in einem Gehäuse einer Luftzufuhreinrichtung zwei separat ausgebildete Luftkanäle vorzusehen, deren Strömungsquerschnitt mithilfe einer Stellvorrichtung einstellbar ist. Wird beispielsweise der Luftmassenstrom nur durch einen Luftkanal geleitet, so kann eine höhere Abströmgeschwindigkeit erreicht werden.
Bei Verdichtern kann das Problem auftreten, dass bei zu niedrigen Luftmassenströmen sich die Strömung von den Verdichterschaufeln ablöst, wodurch der Fördervorgang unterbrochen wird. Die Luftströmung kehrt wieder durch den Verdichter zurück, bis sich erneut ein stabiles Druckverhältnis mit positivem Volumenstrom durch den Verdichter einstellt. Es handelt sich hierbei um einen Betrieb an der Pumpgrenze des Verdichters.
Um die Pumpgrenze in Richtung zu kleineren Volumenströmen durch den Verdichter zu verschieben, ist es aus der DE 10 2008 052 256 A1 bekannt, die Luftzufuhr zum Verdichterrad über eine Stellklappe im zuführenden Luftkanal veränderlich einzustellen. Die Stellklappe ist in einer ersten Ausführungsvariante um eine Hochachse zu verstellen und in einer weiteren Ausführungsvariante um die Klappenlängsachse, wodurch ein Abschirmelement an der Stellklappe in eine mehr oder weniger weit in den Luftkanal einragende Position gebracht und der freie Strömungsquerschnitt verändert wird.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen eine einstellbare Luftzufuhreinrichtung mit mindestens zwei Luftkanälen kompakt auszubilden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Mithilfe der einstellbaren Luftzufuhreinrichtung kann ein Luftmassenstrom über eine Stellvorrichtung der Luftzufuhreinrichtung beeinflusst werden. Die Luftzufuhreinrichtung wird beispielsweise im Verdichtereinlass eines Verdichters eingesetzt. Der Verdichter kann sich im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine befinden, um die dem Zylinder der Brennkraftmaschine zuzuführende Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck zu verdichten. Der Verdichter ist gegebenenfalls Bestandteil eines Turboladers, der zusätzlich zum Verdichter eine Turbine aufweist, deren Turbinenrad über eine Welle mit dem Verdichterrad drehgekoppelt ist. Der Turbolader wird beispielsweise in einer Brennkraftmaschine eingesetzt, deren Abgase die Turbine antreiben, wobei die Drehbewegung des Turbinenrades über die Welle auf das Verdichterrad übertragen und die angesaugte Verbrennungsluft auf den erhöhten Druck verdichtet wird.
Es kommt aber auch eine Anwendung der einstellbaren Luftzufuhreinrichtung unabhängig von einem Verdichter in Betracht.
Die erfindungsgemäße Luftzufuhreinrichtung weist zumindest zwei Luftkanäle auf, wobei ein erster Luftkanal zumindest im Bereich einer Abströmseite einen zweiten Luftkanal umschließt. Im Bereich der Abströmseite wird somit trotz der mehrkanaligen Luftzuführung kein zusätzlicher Bauraum für die verschiedenen Luftkanäle benötigt.
An der Abströmseite können die Luftkanäle konzentrisch zueinander angeordnet sein, so dass der kleinere Luftkanal über seinen Umfang einen gleichmäßigen radialen Abstand zum größeren, aufnehmenden Luftkanal aufweist. Es ist aber auch eine nichtkonzentrische Anordnung des kleineren Luftkanals innerhalb des größeren Luftkanals an der Abströmseite möglich.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass die Luftströme durch den größeren und den kleineren Luftkanal die gleiche Strömungsrichtung aufweisen und somit unter dem gleichen Winkel über die Abströmseite der Luftzufuhreinrichtung abströmen. Bei einer Anordnung der Luftzufuhreinrichtung im Verdichtereinlass eines Verdichters treffen somit die Luftströmungen sowohl durch den kleineren als auch durch den größeren Luftkanal unter dem gleichen Winkel auf das Verdichterrad.
Die Luftzufuhreinrichtung weist eine Stellvorrichtung auf, über die die Luftströmung durch mindestens einen Luftkanal beeinflusst werden kann. Die Luftströmung durch die Luftzufuhreinrichtung kann situationsabhängig eingestellt werden, beispielsweise kann bei einem kleineren Luftmassenstrom der Strömungsquerschnitt eines Luftkanals teilweise oder vollständig über die Stellvorrichtung verschlossen werden, so dass der Luftmassenstrom durch den verbleibenden freien Strömungsquerschnitt und/oder durch den anderen Luftkanal geführt wird und bei gleichem Luftmassendurchsatz höhere Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der Abströmöffnung der Luftzufuhreinrichtung erreicht werden. Dies ermöglicht es beispielsweise bei einem Einsatz in Verdichtern, die Pumpgrenze des Verdichters zugunsten kleinerer Luftmassenströme zu verschieben, wodurch die Effektivität des Verdichters verbessert wird.
Über die Stellvorrichtung wird entweder der freie Strömungsquerschnitt innerhalb eines Luftkanals verstellt, beispielsweise durch eine einstellbare Drosselklappe im Luftkanal, oder es wird die Luftströmung über die Stellvorrichtung im Bereich der Einström- und/oder Abströmseite des Luftkanals beeinflusst, beispielsweise über eine Stellklappe oder eine einstellbare Blende an der oder benachbart zur Einström- oder Abströmseite.
Der Luftmassenstrom wird zwischen einer Einströmseite und einer Abströmseite durch die Luftzufuhreinrichtung geleitet. Im Bereich der Abströmseite umgreift der größere Luftkanal den kleineren Luftkanal vollständig, so dass der kleinere Luftkanal an der Abströmseite vollständig in den größeren Luftkanal integriert ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung liegen die Luftkanäle im Bereich ihrer Einströmseite axial versetzt zueinander, so dass keine Überschneidung der Einströmseiten gegeben ist. Die Luftkanäle können an ihrer Einströmseite beispielsweise unmittelbar oder mit Abstand nebeneinander liegend angeordnet sein, was insbesondere die Anordnung einer Stellvorrichtung zur Beeinflussung des Luftmassenstroms durch mindestens einen Luftkanal vereinfacht. Die Einströmseiten der beiden Luftkanäle können in einer gemeinsamen Ebene liegen.
Der kleinere Luftkanal kann durch eine Öffnung in der Wandung des größeren Luftkanals geführt sein und verläuft zwischen der Öffnung und der Abströmseite innerhalb des größeren Luftkanals. Es kann zweckmäßig sein, dass der kleinere Luftkanal über den größeren Teil seiner axialen Länge innerhalb des größeren Luftkanals verläuft.
Die Luftströme durch die Luftkanäle sind bevorzugt voneinander separiert, es findet kein Luftaustausch zwischen den Luftkanälen statt.
Die Stellvorrichtung ist beispielsweise als eine Stellklappe ausgeführt, die in einem Luftkanal oder an der Stirnseite eines Luftkanals, insbesondere an der Einströmseite des Luftkanals angeordnet ist. Über die Stellvorrichtung kann gegebenenfalls auch nur eine teilweise Strömungsquerschnittsreduzierung erreicht werden, vorzugsweise bis hin zum völligen Absperren des Strömungsquerschnittes, oder nur ein vollständiges Öffnen und vollständiges Absperren des Luftkanals, insbesondere in der Ausführung der Stellvorrichtung als Stellklappe.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung weist mindestens ein Luftkanal, vorteilhafterweise alle Luftkanäle, einen sich von der Einströmseite zur Abströmseite kontinuierlich verjüngenden Querschnitt auf. Hierdurch wird ein Düseneffekt mit einer Strömungsbeschleunigung erzielt.
Des Weiteren kann es zweckmäßig sein, dass der kleinere Luftkanal über seine gesamte Länge einen kleineren Strömungsquerschnitt als der größere Luftkanal aufweist. Dies ermöglicht es, unterschiedlich große Luftmassenströme durch die jeweiligen Luftkanäle zu leiten, wodurch eine zusätzliche Möglichkeit zur Strömungsbeeinflussung durch die Luftkanäle gegeben ist.
Es kann zweckmäßig sein, nur einen Luftkanal mit einer Stellvorrichtung zur Beeinflussung des Strömungsquerschnittes auszustatten. Hierbei handelt es sich beispielhaft um den größeren Luftkanal, wohingegen der kleinere Luftkanal ohne Stellvorrichtung ausgeführt ist. Mit dem Absperren des größeren Luftkanals wird der gesamte Luftmassenstrom durch den kleineren Luftkanal geleitet, was zu entsprechend hohen Strömungsgeschwindigkeiten an der Abströmseite führt.
Es sind aber auch Ausführungen möglich, bei denen die Stellvorrichtung dem kleineren Luftkanal zugeordnet ist, wohingegen der größere Luftkanal ohne Stellvorrichtung ausgeführt ist. Des Weiteren sind Ausführungen möglich, bei denen jedem Luftkanal eine Stellvorrichtung zugeordnet ist.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung liegen die Abströmseiten der Luftkanäle in einer gemeinsamen Ebene. Es sind auch Ausführungen möglich, bei denen die Abströmseiten der beiden Luftkanäle axial versetzt enden; beispielsweise ragt die Abströmseite des umschlossenen Luftkanals axial über die Abströmseite des umschließenden Luftkanals hinaus.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, der einen Verdichter im Ansaugtrakt und eine Abgasturbine im Abgasstrang aufweist,
2 in perspektivischer Ansicht eine einstellbare Luftzufuhreinrichtung, mit zwei Luftkanälen, die im Bereich der Einströmseite nebeneinander und im Bereich der Abströmseite konzentrisch angeordnet sind, wobei die Abströmseite in einen Verdichter mündet,
3 die Luftzufuhreinrichtung im Schnitt, mit einer dem größeren Luftkanal zugeordneten Stellklappe im Bereich der Einströmseite.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt, der ein Abgasturbolader 2 zugeordnet ist, welcher einen Verdichter 3 im Ansaugtrakt 4 und eine Abgasturbine 5 im Abgasstrang 6 der Brennkraftmaschine 1 umfasst. Die Abgase im Abgasstrang 6 treiben ein Turbinenrad der Abgasturbine 5 an, das über eine Welle 7 mit einem Verdichterrad im Verdichter 3 drehgekoppelt ist. Über das Verdichterrad wird die herangeführte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet, unter dem die Verbrennungsluft dem Zylinder der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
In den 2 und 3 ist eine Luftzufuhreinrichtung 8 dargestellt, über die dem Verdichter 3 ein Luftmassenstrom zugeführt wird. Die Luftzufuhreinrichtung 8 ragt in den Verdichtereinlass des Verdichters 3 ein und ist dem Verdichterrad des Verdichters unmittelbar vorgelagert.
Die Luftzufuhreinrichtung 8 umfasst zwei Luftkanäle 9 und 10, die in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind und über die die Luftzufuhr zu dem Verdichter 3 erfolgt. Der Luftmassenstrom wird über die Einströmseite 11 der Luftkanäle 9, 10 eingeführt und verlässt über die Abströmseite 12 an der axial gegenüberliegenden Stirnseite die Luftzufuhreinrichtung 8. Die Stirnseiten der beiden Luftkanäle 9 und 10 liegen sowohl im Bereich der Einströmseite 11 als auch im Bereich der Abströmseite 12 jeweils in einer gemeinsamen Ebene.
Die beiden Luftkanäle 9 und 10 sind mit einem unterschiedlich großen Strömungsquerschnitt versehen. Im Bereich der Abströmseite 12 umschließt der größere Luftkanal 9 den kleineren Luftkanal 10 vollständig und in konzentrischer Weise. Der Durchmesser des größeren Luftkanals 9 ist etwa doppelt so groß wie der Durchmesser des kleineren Luftkanals 10 im Bereich der Abströmseite 12.
Auch im Bereich der Einströmseite 11 weisen beide Luftkanäle 9 und 10 einen signifikant unterschiedlichen Strömungsquerschnitt auf. Der Durchmesser des größeren Luftkanals 9 im Bereich der Einströmseite 11 ist etwa doppelt so groß wie der Durchmesser des kleineren Luftkanals 10.
Die beiden Luftkanäle 9 und 10 umgreifen nur im Bereich ihrer Abströmseite 12 einander, nicht jedoch im Bereich der Einströmseite 11, wo beide Luftkanäle 9 und 10 unmittelbar nebeneinander liegen. Die Luftkanäle 9 und 10 weisen keine Strömungsverbindung auf. Der kleinere Luftkanal 10 ist durch eine Öffnung in der Wandung des größeren Luftkanals 9 geführt und verläuft über den größeren Teil seiner axialen Länge innerhalb des größeren Luftkanals 9.
Beide Luftkanäle 9 und 10 weisen über ihre axiale Länge eine Querschnittsverjüngung auf. Jeder Luftkanal 9, 10 besitzt im Bereich der Einströmseite 11 einen größeren Querschnitt, der sich in Richtung der Abströmseite 12 kontinuierlich verjüngt.
Der größere Luftkanal 9 weist im Bereich seiner Einströmseite 11 eine verstellbare Stellklappe 13 auf, die eine Stellvorrichtung bildet, um die Zufuhr des Luftmassenstroms zu dem größeren Luftkanal 9 zu regulieren. Über die Stellklappe 13 ist eine vollständige Absperrung des größeren Luftkanals 9 möglich, so dass der herangeführte Luftmassenstrom ausschließlich über den kleineren Luftkanal 10 geführt wird. In der Öffnungsposition der Stellklappe 13 verteilt sich dagegen der Luftmassenstrom auf beide Luftkanäle 9 und 10.
Die Luftkanäle 9 und 10 sind im Ausführungsbeispiel gekrümmt ausgeführt. Es sind aber auch Ausführungen mit geradlinigen Luftkanälen möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/049971 A1 [0002]
DE 102008052256 A1 [0004]

Claims

Einstellbare Luftzufuhreinrichtung, insbesondere für einen Verdichter (3) im Ansaugtrakt (4) einer Brennkraftmaschine (1), mit einem ersten und einem zweiten Luftkanal (9, 10), wobei der freie Strömungsquerschnitt durch die Luftzufuhreinrichtung (8) über eine Stellvorrichtung (13) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Luftkanal (9) zumindest im Bereich seiner Abströmseite (12) den zweiten Luftkanal (10) umschließt, wobei die Luftströmung durch mindestens einen Luftkanal (9, 10) über die Stellvorrichtung (13) einstellbar ist.
Luftzufuhreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmseiten (11) der Luftkanäle (9, 10) axial versetzt zueinander angeordnet sind.
Luftzufuhreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Luftkanäle (9, 10) im Bereich der Einströmseite (11) nebeneinander liegen.
Luftzufuhreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmseiten (11) der beiden Luftkanäle (9, 10) in einer gemeinsamen Ebene liegen.
Luftzufuhreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abströmseiten (12) der beiden Luftkanäle (9, 10) in einer gemeinsamen Ebene liegen.
Luftzufuhreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abströmseiten der beiden Luftkanäle (9, 10) axial versetzt sind.
Luftzufuhreinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abströmseite des umschlossenen Luftkanals (10) axial über die Abströmseite des umschließenden Luftkanals (9) hinausragt.
Luftzufuhreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der umschlossene Luftkanal (10) einen sich von der Einströmseite (11) zur Abströmseite (12) verjüngenden Strömungsquerschnitt aufweist.
Luftzufuhreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der umschließende Luftkanal (9) einen sich von der Einströmseite (11) zur Abströmseite (12) verjüngenden Strömungsquerschnitt aufweist.
Luftzufuhreinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Strömungsquerschnitt kontinuierlich verjüngt.
Luftzufuhreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der umschließende Luftkanal (9) im Bereich der Einströmseite (11) einen größeren Strömungsquerschnitt aufweist als der umschlossene Luftkanal (10).
Luftzufuhreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung als Stellklappe (13) in oder an einem Luftkanal (9, 10) ausgeführt ist.
Luftzufuhreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung als einstellbare Blende in oder an einem Luftkanal (9, 10) ausgeführt ist.
Luftzufuhreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung (13) an der Einströmseite (11) oder der Abströmseite (12) des Luftkanals (9, 10) angeordnet ist.
Luftzufuhreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung am umschließenden Luftkanal (9) angeordnet ist.
Verdichter (3) im Ansaugtrakt (4) einer Brennkraftmaschine (1) mit einer Luftzufuhreinrichtung (8) im Verdichtereinlass nach einem der Ansprüche 1 bis 15.