DE102014019147A1

DE102014019147A1 - Luftleitung für einen Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens

Info

Publication number: DE102014019147A1
Application number: DE102014019147.8A
Authority: DE
Inventors: Marco Cigarini; Vivak Luckhchoura; Martin Matt; Michael Onischke; Andrea Schuster; Jan Schüssler
Original assignee: Daimler AG; Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-06-23
Also published as: CN107002602A; KR20170097081A; EP3234337A1; JP2018503022A; WO2016096813A1; US20190101084A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Luftleitung (10) für einen Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens einem von Luft durchströmbaren Kanal (12) zum Führen der Luft zu wenigstens einem in dem Ansaugtrakt stromab der Luftleitung (10) anordenbaren Verdichter zum Verdichten der Luft, wobei die Luftleitung (10) eine Luftleiteinrichtung (16) aufweist, mittels welcher unter Reduzieren von Verwirbelungen der Luft eine in Richtung des Verdichters verlaufende Vorwärtsströmung der Luft beinflussbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftleitung für einen Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Derartige Luftleitungen für Ansaugtrakte von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere für Kraftwagen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Eine solche Luftleitung umfasst wenigstens einen von Luft durchströmbaren Kanal, mittels welchem die Luft zu wenigstens einem in dem Ansaugtrakt stromab der Luftleitung anordenbaren Verdichter zum Verdichten der Luft geführt beziehungsweise geleitet wird. Mit anderen Worten ist im vollständig hergestellten Zustand der Verbrennungskraftmaschine in dem Ansaugtrakt die Luftleitung angeordnet. Ferner ist in dem Ansaugtrakt der Verdichter angeordnet, welcher bezogen auf die Strömungsrichtung der Luft durch die Luftleitung stromab der Luftleitung angeordnet ist. Während ihres Betriebs saugt die Verbrennungskraftmaschine Luft über den Ansaugtrakt an, wobei diese Luft die Luftleitung durchströmt und anschließend mittels des Verdichters verdichtet wird, sodass ein effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine darstellbar ist. Eine solche Luftleitung ist beispielsweise auch der DE 10 2010 047 823 A1 als bekannt zu entnehmen.
Verbrennungskraftmaschinen weisen üblicherweise eine kompakte Bauweise auf, um den Bauraumbedarf der Verbrennungskraftmaschinen gering zu halten. Bedingt durch diese kompakte Bauweise sind die Luftleitungen, welche auch als Reinluftleitungen bezeichnet werden, vor allem im Anströmbereich des Verdichters mit engen Radien konstruiert. Es hat sich gezeigt, dass trotz optimaler Auslegung der Luftleitung vor allem im Nennlastbereich der Verbrennungskraftmaschine strömungsbedingte Ablösungen beziehungsweise Turbulenzen in der Luftleitung auftreten können, welche zu einer Verminderung des Verdichterwirkungsgrades führen. Die Folge ist, dass die grundsätzlich maximal mögliche Nennleistung der Verbrennungskraftmaschine nicht erreicht wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Luftleitung der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welcher sich ein besonders effizienter Betrieb des Verdichters und somit der Verbrennungskraftmaschine insgesamt realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Luftleitung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Luftleitung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, mittels welcher sich ein besonders effizienter Betrieb des Verdichters und somit der Verbrennungskraftmaschine insgesamt realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Luftleitung eine Luftleiteinrichtung aufweist, mittels welcher unter Reduzieren von Verwirbelungen der Luft eine in Richtung des Verdichters verlaufende Vorwärtsströmung der Luft beeinflussbar ist. Mit anderen Worten ist die Luftleiteinrichtung nicht etwa zum Beeinflussen einer von dem Verdichter weg verlaufenden Rückwärtsströmung der Luft ausgebildet, sondern die Luftleiteinrichtung dient zum Beeinflussen der in Richtung des Verdichters verlaufenden Vorwärtsströmung der Luft. Mittels der Luftleiteinrichtung können dabei insbesondere Turbulenzstörungen in einem Anströmbereich zum Verdichter und insbesondere zu einem Verdichterrad dieses zumindest gering gehalten werden, sodass sich ein besonders hoher Wirkungsgrad des Verdichters vor allem im Nennlastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren lässt. Mit anderen Worten ist es mittels der Luftleiteinrichtung möglich, insbesondere im Nennlastbetrieb beziehungsweise Nennlastfall eine Ablösung und Turbulenzen der Strömung der Luft in der Luftleitung insbesondere im Bereich ihres kleinsten Radius zumindest gering zu halten oder zu verhindern, sodass ein besonders vorteilhaftes Druckverhältnis zwischen einem Bereich stromauf des Verdichters und einem Bereich stromab des Verdichters in dem Ansaugtrakt realisiert werden kann. Insbesondere ist es möglich, eine besonders vorteilhafte Anströmung von Verdichterschaufeln des Verdichters zu realisieren, woraus eine besonders hohe Druckdifferenz resultiert, was wiederum zu einem hohen Wirkungsgrad des Verdichters führt. Insbesondere kann eine vorteilhafte Anströmung von Randbereichen der Verdichterschaufeln realisiert werden. Insgesamt ist es somit möglich, einen besonders hohen Wirkungsgrad des Verdichters und somit eine besonders hohe mögliche Leistung der Verbrennungskraftmaschine zu realisieren.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Luftleiteinrichtung eine Mehrzahl von von einer den Kanal zumindest teilweise begrenzenden Wandung der Luftleitung nach innen abstehenden und in Umfangsrichtung der Luftleitung voneinander beabstandeten Leitrippen zum Beeinflussen der in Richtung des Verdichters verlaufenden Vorwärtsströmung aufweist. Dabei wird die Anzahl der Leitrippen vorzugsweise besonders gering gehalten.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Luftleiteinrichtung höchstens neun, vorzugsweise höchstens vier, Leitrippen aufweist. Durch die Minimierung und optimale Auslegung der Leitrippen insbesondere im Anströmbereich zum Verdichter kann ein möglicher Druckverlustnachteil zumindest vermieden oder überkompensiert werden im Vergleich zu einer idealen Leitungsführung ohne enge Radien. Insbesondere ist es durch gezielte Positionierung der Leitrippen möglich, im Lastfall entstehende Ablösungserscheinungen und Turbulenzen der Strömung der Luft zumindest gering zu halten oder zu vermeiden, sodass sich ein besonders hoher Wirkungsgrad des Verdichters realisieren lässt. Gleichzeitig kann die Luftleitung mit sehr engen Radien ausgestaltet werden, um dadurch den Bauraumbedarf der Luftleitung und somit der Verbrennungskraftmaschine mit dem Ansaugtrakt insgesamt besonders gering zu halten. Dadurch, dass die Anzahl der Leitrippen besonders gering gehalten wird, kann auch ein übermäßiger Druckverlust vermieden werden, sodass sich eine besonders hohe Leistung der Verbrennungskraftmaschine realisieren lässt. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Leitrippen in Umfangsrichtung der Luftleitung ungleichmäßig verteilt sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Perspektivansicht einer Luftleitung gemäß einer ersten Ausführungsform für einen Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens einem von Luft durchströmbaren Kanal zum Führen der Luft zu wenigstens einem in dem Ansaugtrakt stromab der Luftleitung anordenbaren Verdichter zum Verdichten der Luft, wobei die Luftleitung eine Luftleiteinrichtung aufweist, mittels welcher unter Reduzieren von Verwirbelungen der Luft eine in Richtung des Verdichters verlaufende Vorwärtsströmung der Luft beeinflussbar ist;
2 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht der Luftleitung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
3 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht der Luftleitung gemäß einer dritten Ausführungsform; und
4 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht der Luftleitung gemäß einer vierten Ausführungsform.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Luftleitung gemäß einer ersten Ausführungsform für einen Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine. Während ihres Betriebs saugt die Verbrennungskraftmaschine über den Ansaugtrakt Luft an, welche den Ansaugtrakt und somit die Luftleitung 10 durchströmt. Die Luftleitung 10 wird dabei auch als Reinluftleitung bezeichnet. Im fertig hergestellten Zustand der Verbrennungskraftmaschine ist im Ansaugtrakt ein Verdichter angeordnet, wobei der Verdichter bezogen auf die Strömungsrichtung der Luft durch den Ansaugtrakt stromab der Luftleitung 10 angeordnet ist. Dies bedeutet, dass die Luft zunächst die Luftleitung 10 und daran anschließend den Verdichter durchströmt, sodass die Luft mittels der Luftleitung 10 zum Verdichter geführt beziehungsweise geleitet wird. Hierzu umfasst die Luftleitung 10 einen von der Luft durchströmbaren Kanal 12, mittels welchem die Luft zum Verdichter geleitet wird.
Die Luftleitung 10 weist dabei einen Anschlussbereich 14 auf, über welchen beziehungsweise in welchem die Luftleitung 10 – im fertig hergestellten Zustand des Ansaugtrakts – fluidisch mit dem Verdichter verbunden beziehungsweise verbindbar ist.
Aus 1 ist erkennbar, dass die Luftleitung 10 einen gekrümmten Verlauf aufweist. Hierzu ist die Luftleitung 10 mit wenigstens einem Radius konstruiert. Um den Bauraumbedarf der Luftleitung 10 und somit des Ansaugtrakts insgesamt gering zu halten, ist der Radius besonders gering, sodass die Luftleitung 10 stark gekrümmt ist. Durch diese gekrümmte Ausgestaltung der Luftleitung 10 wird die Luft mittels der Luftleitung 10 umgelenkt beziehungsweise umgeleitet im Vergleich zu einer geradlinigen Strömung der Luft.
Der Verdichter weist ein Verdichtergehäuse und ein Verdichterrad auf, welches in dem Verdichtergehäuse um eine Drehachse relativ zu dem Verdichtergehäuse drehbar angeordnet ist. Das Verdichtergehäuse weist wenigstens einen Luftkanal auf, welcher im fertig hergestellten Zustand des Ansaugtrakts fluidisch mit dem Kanal 12 verbunden ist. Dadurch kann die den Kanal 12 durchströmende Luft aus dem Kanal 12 aus- und in den Kanal des Verdichtergehäuses einströmen, sodass die Luft mittels des Kanals des Verdichtergehäuses zu dem Verdichterrad geführt wird. Das Verdichterrad weist eine Mehrzahl von Verdichterschaufeln auf, welche von der Luft angeströmt werden. Dabei wird die Luft mittels des Verdichterrads verdichtet.
Der Verdichter ist eine Komponente eines Abgasturboladers, welcher auch eine in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnete Turbine umfasst. Die Turbine ist dabei von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbar, wobei der Verdichter von der Turbine antreibbar ist. Dadurch kann im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden.
Um nun einen besonders wirkungsgradgünstigen und somit effizienten Betrieb des Verdichters und somit des Abgasturboladers sowie der Verbrennungskraftmaschine insgesamt realisieren zu können, weist die Luftleitung 10 eine bezogen auf die Strömungsrichtung der Luft stromauf des Anschlussbereichs 14 angeordnete Luftleiteinrichtung 16 auf, mittels welcher unter Reduzieren von Verwirbelungen der Luft in der Luftleitung 10 eine in Richtung des Verdichters verlaufende Vorwärtsströmung der Luft beeinflussbar ist. Mit anderen Worten dient die Luftleiteinrichtung 16 nicht zum Beeinflussen einer von dem Verdichter weg verlaufenden Rückwärtsströmung der Luft, sondern die genannte Vorwärtsströmung der Luft wird mittels der Luftleiteinrichtung 16 beeinflusst.
Bei der ersten Ausführungsform weist die Luftleiteinrichtung 16 genau eine durchgehende Querrippe 18 auf, mittels welcher die Vorwärtsströmung der Luft beeinflusst wird, wodurch ein Ablösen der Luft von der Luftleitung 10 sowie unerwünschte Verwirbelungen beziehungsweise Turbulenzen der Luft zumindest reduziert oder gering gehalten werden können.
Aus 1 ist erkennbar, dass sich die Querrippe 18 durchgängig über einen von der Luft durchströmbaren Strömungsquerschnitt des Kanals 12 und somit der Luftleitung 10 erstreckt. Dabei weist die Querrippe 18 einen geraden Verlauf auf und erstreckt sich beispielsweise durch den Mittelpunkt des vorzugsweise zumindest im Wesentlichen kreisrunden Strömungsquerschnitts, sodass der Kanal 12 zumindest im Bereich des Strömungsquerschnitts zumindest im Wesentlichen kreisrund ausgebildet ist.
Im Bereich des Strömungsquerschnitts ist der Kanal 12 von einer Wandung der Luftleitung 10 begrenzt, wobei die Wandung beispielsweise aus einem Kunststoff gebildet ist. Die Querrippe 18 erstreckt sich dabei durchgängig von einem Bereich der Wandung zu einem gegenüberliegenden Bereich der Wandung, wobei es vorzugsweise vorgesehen ist, dass die Querrippe 18 einstückig mit der Wandung ausgebildet und demzufolge vorzugsweise aus einem Kunststoff hergestellt ist.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Luftleitung 10. Bei der zweiten Ausführungsform weist die Luftleiteinrichtung 16 eine Mehrzahl von Leitrippen 20a–i auf, welche von der in 2 mit 22 bezeichneten und den Kanal 12 zumindest teilweise begrenzenden Wandung der Luftleitung 10 nach innen abstehen. Dabei stehen die Leitrippen 20a–i in radialer Richtung der Luftleitung 10 beziehungsweise des Kanals 12 nach innen von der Wandung 22 ab und sind in Umfangsrichtung der Luftleitung 10 voneinander beabstandet. Um einen durch die Luftleiteinrichtung 16 bewirkten Druckverlust zumindest gering zu halten, ist die Anzahl der Leitrippen 20a–i gering. Vorliegend umfasst die Luftleiteinrichtung 16 höchstens neun Leitrippen 20a–i.
Bei der zweiten Ausführungsform weisen die Leitrippen 20a–i jeweils eine in Umfangsrichtung der Luftleitung 10 verlaufende Breite von 2,5 Millimetern, eine in radialer Richtung der Luftleitung 10 beziehungsweise des Kanals 12 verlaufende Höhe von 5,75 Millimetern und eine in Strömungsrichtung der Luft beziehungsweise in Längserstreckungsrichtung der Luftleitung 10 verlaufende Länge von 15 Millimetern auf, wobei die Länge auch als Tiefe der Leitrippen 20a–i bezeichnet wird. Bei der zweiten Ausführungsform weisen somit die Leitrippen 20a–i ein Verhältnis aus ihrer Breite B zu ihrer Höhe H von 2,5 zu 5,75 auf.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Luftleitung 10, wobei die Luftleiteinrichtung 16 genau vier Leitrippen 20a–d umfasst, welche beispielsweise in Umfangsrichtung der Luftleitung 10 ungleichmäßig verteilt sind. Bei der zweiten Ausführungsform ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Leitrippe 20a und die Leitrippe 20c jeweils eine Breite von 2,5 Millimetern, eine Höhe von 10 Millimetern und eine Länge beziehungsweise Tiefe von 15 Millimetern aufweisen. Die Leitrippen 20b und 20d weisen vorzugsweise eine Breite von 2,5 Millimetern, eine Höhe von 10 Millimetern und eine Länge beziehungsweise Tiefe von 10 Millimetern auf. Dies bedeutet, dass die Leitrippen 20a–d der dritten Ausführungsform ein Verhältnis aus ihrer Breite zu ihrer Höhe von 0,25 aufweisen. Es wurde nämlich überraschend gefunden, dass sich hierdurch die Vorwärtsströmung der Luft besonders vorteilhaft beeinflussen lässt.
Als vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die jeweiligen Leitrippen 20a–d eine Länge beziehungsweise Tiefe in einem Bereich von einschließlich 10 Millimetern bis einschließlich 50 Millimetern aufweisen, wobei sich die Vorwärtsströmung der Luft bei einer Tiefe beziehungsweise Länge von 15 Millimetern besonders vorteilhaft beeinflussen lässt.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform der Luftleitung 10, welche grundsätzlich der dritten Ausführungsform entspricht. In 4 ist eine Mittelachse 24 des engsten Innenradius der Luftleitung 10 gezeigt. Bezogen auf diese Mittelachse 24 sind die äußeren Leitrippen 20a und 20c höchstens 110 Grad beabstandet. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die äußeren Leitrippen 20a und 20c mit der Mittelachse 24 des engsten Innenradius der Luftleitung 10 einen jeweiligen Winkel α von höchstens 110 Grad einschließen.
Darüber hinaus bilden die Leitrippen 20a und 20b ein erstes Leitrippenpaar, wobei die Leitrippen 20c und 20d ein zweites Leitrippenpaar bilden. Anhand der Leitrippen 20c und 20d ist veranschaulicht, dass die jeweiligen Leitrippen 20c und 20d beziehungsweise 20a und 20b des jeweiligen Leitrippenpaares um einen Winkel β von 40 Grad voneinander beabstandet sind. Mit anderen Worten sind die Leitrippen 20a und 20b beziehungsweise 20c und 20d bezogen auf den Kreisumfang der Luftleitung 10 um 40 Grad voneinander beabstandet, wodurch die Vorwärtsströmung der Luft besonders vorteilhaft beeinflusst werden kann.
Mittels der Luftleiteinrichtung 16 können Strömungsablösungen mit Verwirbelungen vor dem Verdichter, insbesondere dessen Verdichtereintritt, zumindest gering gehalten oder vermieden werden. Darüber hinaus können Verwirbelungen im Verdichter selbst vermieden oder gering gehalten werden, sodass sich ein besonders effizienter Betrieb des Verdichters und der Verbrennungskraftmaschine darstellen lässt. Gleichzeitig kann die Luftleitung 10 mit einem besonders geringen Radius, das heißt mit einer starken Krümmung, ausgestaltet werden, um ihren Bauraumbedarf gering zu halten. Im Vergleich zur Luftleitung 10 ohne die Leitrippen 20a–i beziehungsweise 20a–d führen die Leitrippen 20a–d zu einem höheren Druckverlust stromauf des Verdichters und zu einem geringeren Druckverlust stromab des Verdichters und somit zu einem höheren Druckverhältnis und einem höheren Wirkungsgrad. Der Ladedruck am Austritt des Verdichters ist somit höher bei gleichzeitiger niedrigerer Verdichterleistung. Insgesamt kann somit der Verdichter mit einem besonders hohen Wirkungsgrad betrieben werden, sodass sich auch ein besonders effizienter und kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren lässt.
Bezugszeichenliste

10: Luftleitung
12: Kanal
14: Anschlussbereich
16: Luftleiteinrichtung
18: Querrippe
20a–i: Leitrippe
22: Wandung
24: Mittelachse
α: Winkel
β: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010047823 A1 [0002]

Claims

Luftleitung (10) für einen Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens einem von Luft durchströmbaren Kanal (12) zum Führen der Luft zu wenigstens einem in dem Ansaugtrakt stromab der Luftleitung (10) anordenbaren Verdichter zum Verdichten der Luft, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftleitung (10) eine Luftleiteinrichtung (16) aufweist, mittels welcher unter Reduzieren von Verwirbelungen der Luft eine in Richtung des Verdichters verlaufende Vorwärtsströmung der Luft beinflussbar ist.
Luftleitung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftleiteinrichtung (16) eine Mehrzahl von von einer den Kanal (12) zumindest teilweise begrenzenden Wandung (22) der Luftleitung (10) nach innen abstehenden und in Umfangsrichtung der Luftleitung (10) voneinander beabstandeten Leitrippen (20a–i) aufweist.
Luftleitung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftleiteinrichtung (16) höchstens neun, insbesondere vier, Leitrippen (20a–i) aufweist.
Luftleitung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Leitrippen (20a–i) in Umfangsrichtung der Luftleitung (10) um 40 Grad voneinander beabstandet sind.
Luftleitung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Leitrippen (20a–i) von der Mittelachse (24) des engsten Innenradius der Luftleitung (10) um höchstens 110 Grad beabstandet ist.
Luftleitung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitrippen (20a–i) ein Verhältnis aus ihrer in Umfangsrichtung der Luftleitung (10) verlaufender Breite zu ihrer in radialer Richtung der Luftleitung (10) verlaufenden Höhe von 0,25 aufweisen.
Luftleitung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitrippen (20a–i) eine in Strömungsrichtung der Luft verlaufende Länge von höchstens 15 Millimetern aufweisen.