DE102015211270A1

DE102015211270A1 - Turbolader für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102015211270A1
Application number: DE102015211270.5A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Jelinek; Stefan Ehrmann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2016-12-22
Also published as: US20180066573A1; CN107407292B; WO2016202711A1; CN107407292A; US10648403B2

Abstract

Um bei einem Turbolader (2) mit Schubumluftventil (20) eine Führung von Ladeluft (1) mit möglichst geringen Druckverlusten zu erzielen, ist in einem Einlassbereich (14) ein Strömungsleitelement (28) derart ausgebildet, dass an Strömungsöffnungen (26) Totzonen gebildet sind. Die Strömungsöffnungen (26) dienen zur Rückführung von Ladeluft (L) von der Druckseite zur Saugseite bei geöffnetem Schubumluftventil (20). Durch das Strömungsleitelement (28) sind Verwirbelungen und damit Druckverluste im Bereich der Strömungsöffnungen (26) vermieden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbolader für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Ein derartiger Turbolader ist beispielsweise aus der DE 10 2012 212 738 A1 zu entnehmen.
Ein derartiger Turbolader weist einen Verdichter auf, an dem saugseitig ein als Saugrohr ausgebildeter Zuführkanal für zu verdichtende Ladeluft sowie druckseitig ein als Druckrohr ausgebildeter Druckkanal für die verdichtete Luft angeschlossen ist. Weiterhin ist bei derartigen Turboladern üblicherweise zusätzlich ein Bypasskanal vorgesehen, welcher die Saugseite mit der Druckseite verbindet. In diesen Bypasskanal ist ein sogenanntes Schubumluftventil zum gesteuerten Öffnen und Verschließen des Bypasskanals integriert. Das Schubumluftventil dient zum Druckausgleich und zur Vermeidung von sogenannten Druckpulsationsschwankungen. Dies ist insbesondere bei schnellen Lastwechseln, insbesondere Lastabwurf, beispielsweise durch Schließen der Drosselklappe erforderlich, da aufgrund der Trägheit des Verdichters kurzfristig noch weiter ein sehr großer Massenstrom verdichtet wird, vom Motor aber nicht mehr aufgenommen wird. Dies würde dazu führen, dass die hoch verdichtete Ladeluft entgegen der eigentlichen Förderrichtung zurückschlagen würde.
Die über den Bypasskanal rückgeführte Ladeluft kann dabei zu einem unerwünschten Strömungsrauschen führen.
Gemäß der DE 10 2012 212 738 A1 ist im Einlassbereich, also im Anschlussbereich des Zuführkanals am Verdichter, ein Diffusor als separates Bauteil vorgesehen, welcher umfangsseitig eine Vielzahl von Strömungsöffnungen aufweist, über die eine strömungstechnische Verbindung mit dem Bypasskanal erfolgen kann.
Aufgrund des derartigen Diffusors kann es jedoch im Normalbetrieb des Turboladers zu Druckverlusten beim Einströmen der zu verdichtenden Ladeluft kommen.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Turbolader für ein Kraftfahrzeug im Hinblick auf möglichst große Druckverluste zu verbessern.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dieser umfasst einen Verdichter sowie einen saugseitigen als Saugrohr ausgebildeten Zuführkanal für die zu verdichtende Ladeluft. Diese strömt im Betrieb in einer Strömungsrichtung zum Verdichter. Der Zuführkanal ist dabei in einem Einlassbereich am Verdichter angeschlossen. Weiterhin umfasst der Turbolader einen druckseitigen und insbesondere als Druckrohr ausgebildeten Druckkanal für die verdichtete Ladeluft. Weiterhin ist ein Bypasskanal ausgebildet, welcher den Zuführkanal mit dem Druckkanal verbindet. Hierzu ist im Einlassbereich umfangsseitig zumindest eine Strömungsöffnung ausgebildet. Weiterhin umfasst der Turbolader ein insbesondere elektrisch angesteuertes Schubumluftventil zum gesteuerten Öffnen und Verschließen des Bypasskanals. Von besonderer Bedeutung ist weiterhin, dass sich im Zuführkanal in Strömungsrichtung vor der zumindest einen Strömungsöffnung ein Strömungsleitelement befindet, welches derart ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass sich im Betrieb an der Strömungsöffnung ein Gebiet mit verringertem. Druck – bezogen auf den normalen Druck der Ladeluft in einen Mittenbereich des Zuführkanals im Einlassbereich – ausbildet.
Durch diese Maßnahme wird daher erreicht, dass unmittelbar an der zumindest einen Strömungsöffnung ein geringerer Druck, insbesondere ein Strömungs-Totgebiet ausgebildet ist, dass also die Ladeluft nicht unmittelbar an den Strömungsöffnungen vorbei strömt. Untersuchungen haben nämlich gezeigt, dass beim normalen Durchströmen der Ladeluft an den Strömungsöffnungen Turbulenzen auftreten, die dann zu unerwünschten Druckverlusten führen. Derartige Turbulenzen würden zudem auch zu einem unerwünschten Strömungsrauschen führen. Durch die hier beschriebene Maßnahme wird daher einerseits der Druckverlust gering gehalten und andererseits auch ein Strömungsrauschen vermieden oder zumindest reduziert.
Vorzugsweise sind um den Umfang verteilt mehrere Strömungsöffnungen ausgebildet, sodass insgesamt ein ausreichend großer Strömungsquerschnitt ausgebildet ist und die Ladeluft bei geöffnetem Schub-Umluftventil gleichmäßig in den Einlassbereich zurückströmen kann.
Zweckdienlicherweise sind die Strömungsöffnungen dabei weiterhin in Umfangsrichtung bevorzugt lediglich auf einer einzigen, gemeinsamen Umfangslinie angeordnet. Sie sind daher in Strömungsrichtung nicht zueinander beabstandet oder verteilt. Dies ermöglicht in konstruktiv einfacher Weise, das gewünschte Strömungs-Totgebiet für alle Strömungsöffnungen auszubilden.
Das Strömungselement weist in zweckdienlicher Ausgestaltung dabei eine Abrisskante für die zu verdichtende Ladeluft auf. Im Bereich des Strömungselements ist daher insbesondere eine abrupte Querschnitterweiterung für die zu verdichtende Ladeluft ausgebildet, sodass in Strömungsrichtung gesehen unmittelbar hinter der Abrisskante sich das Totgebiet ausbildet. In diesem unmittelbaren Bereich hinter der Abrisskante ist entsprechend auch die zumindest eine Strömungsöffnung angeordnet.
Zweckdienlicherweise ist die Abrisskante umlaufend ausgebildet, d. h. das Strömungsleitelement ist vorzugsweise als ein umlaufendes Ringelement ausgebildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Strömungsleitelement dabei als ein Strömungshindernis ausgebildet, welches einen Strömungsquerschnitt des Einlassbereichs verjüngt. Bei dieser Ausgestaltung wir daher insbesondere in einfacher Weise ein umlaufendes Ringelement in den Einlassbereich unmittelbar vor den Strömungsöffnungen eingebracht. Zwar wird hierdurch der Gesamtströmungsquerschnitt reduziert, jedoch überwiegt der positive Effekt der Vermeidung von Verwirbelungen an den Strömungsöffnungen.
Alternativ zu der Anordnung des Strömungsleitelements nach Art eines Strömungshindernisses besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Strömungsquerschnitt zu erweitern, beispielsweise indem im Einlassbereich eine radiale Erweiterung mit im Vergleich zum Zuführkanal vergrößertem Strömungsquerschnitt ausgebildet ist.
Zur weitergehenden Reduzierung möglicher Druckverluste ist in bevorzugter Weiterbildung das insbesondere als Strömungshindernis ausgebildete Strömungsleitelement in Umfangsrichtung betrachtet nicht durchlaufend ausgebildet. Anstelle eines durchgehenden Ringes sind daher um den Umfang verteilt mehrere Strömungsleitelemente ausgebildet, die zueinander jeweils in Umfangsrichtung beabstandet sind. Im Bereich dieser Beabstandungen ist daher der Strömungsradius des Zuführkanals aufrecht erhalten. Die in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Strömungsleitelemente sind dabei jeweils unmittelbar zumindest einer Saugöffnung oder auch einer Gruppe von Strömungsöffnungen vorgelagert, sodass wiederum an jeder Strömungsöffnung das gewünschte Totgebiet ausgebildet wird.
In zweckdienlicher Weiterbildung ist dabei an jeder Strömungsöffnung ein separates Strömungsleitelement nach Art eines Strömungshindernisses zugeordnet. Das Strömungsleitelement steht dabei zweckdienlicherweise radial nach innen ab uns ist insbesondere nach Art einer Nase oder allgemein in etwa keilförmig ausgebildet. Es weist endseitig eine Abrisskante auf. Nachfolgend zu der Nase ist dann jeweils eine Strömungsöffnung angeordnet.
In zweckdienlicher Weise ist weiterhin die Abrisskante gebogen ausgebildet und weist insbesondere eine gleiche oder zumindest weitgehend gleiche Krümmung auf wie auch die Strömungsöffnung. Hierdurch wird die direkte unmittelbare Anordnung der Strömungsöffnung nachfolgend zur Nase begünstigt. Eine – in Strömungsrichtung gesehene – rückseitige, gebogene Stirnfläche der Nase geht vorzugsweise fluchtend in radialer Richtung in die Strömungsöffnung über.
Zweckdienlicherweise sind die um den Umfang verteilt angeordneten Strömugsöffnungen mit einem umlaufenden Ringkanal verbunden, an den sich dann ein saugseitiger Teilabschnitt des Bypasskanals anschließt. Im Betrieb strömt also beispielsweise bei geschlossener Drosselklappe Ladeluft von der Druckseite über den Ringkanal durch die Strömungsöffnungen zur Saugseite (Niederdruckseite). Der Bypasskanal kann allgemein unterteilt werden in einen saugseitigen Teilabschnitt sowie einen druckseitigen Teilabschnitt, wobei der druckseitige Teilabschnitt zwischen dem Schubumluftventil und der Druckseite und der saugseitige Teilabschnitt zwischen dem Schubumluftventil und der Saugseite ausgebildet ist.
In zweckdienlicher Weiterbildung ist weiterhin im Bereich, in dem der saugseitige Teilabschnitt in den Ringkanal mündet, keine Strömungsöffnung ausgebildet. Dies begünstigt eine effiziente und gleichmäßige Verteilung der rückgeführten Ladeluft.
Allgemein weist der Zuführkanal endseitig einen Einlassstutzen auf, mit dem er an dem Verdichter befestigt ist. Dieser Einlassstutzen bildet dabei den Einlassbereich mit der zumindest eine Strömungsöffnung und dem Strömungsleitelement aus.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen:
1 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung durch einen Turbolader,
2 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung auf der Druckseite des Turboladers,
3 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung auf der Saugseite des Turboladers sowie
4 eine ausschnittsweise Darstellung eines Saugkanals mit Einlassstutzen in einer zweiten Variante.
In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Der in der 1 dargestellte Turbolader 2 umfasst einen Verdichter 4, welcher ein in einem Verdichtergehäuse 6 angeordnetes und insbesondere als Verdichterrad 8 ausgebildetes Verdichterelement aufweist. Dieses rotiert im Betrieb um eine Rotationsachse 10. Eine zu verdichtende Ladeluft L wird dem Verdichterrad 8 saugseitig über einen Saugkanal zugeführt. Dieser Saugkanal wird dabei üblicherweise durch ein Saugrohr 12 gebildet, welches endseitig einen Einlassstutzen 14 aufweist, mit dem es am Verdichtergehäuse 6 beispielsweise mithilfe von Schrauben befestigt ist. Der Einlassstutzen 14 definiert dabei einen Einlassbereich. Der Einlassstutzen 14 ist zum Verdichtergehäuse 6 über ein Dichtelement 15 (Ringdichtung) abgedichtet. Er liegt mit einem umlaufenden Kragen auf dem Verdichtergehäuse 6 auf uns ist in dieses eingesteckt.
Die Ladeluft L strömt im Betrieb in Strömungsrichtung 16 durch den Einlassstutzen 14 hindurch.
Die verdichtete Ladeluft L tritt im Normalbetrieb an einer Druckseite über einen Druckkanal 18 aus. In 1 ist hierzu ein Druckstutzen erkennbar, an den weitergehend ein Druckrohr anschließbar ist, welches zum Verbrennungsmotor führt.
Weiterhin weist der Turbolader 2 ein Schubumluftventil 20 auf, welches als Schaltventil zum Freigeben und Verschließen eines Bypasskanals 22 ausgebildet ist (vgl. 2, 3). Dieser Bypasskanal 22 verbindet dabei die Druckseite des Turboladers 2 mit seiner Saugseite, insbesondere mit einem durch den Einlassstutzen 14 gebildeten Einlassbereich. Das Schubumluftventil 20 unterteilt den Bypasskanal 22 dabei in einen saugseitigen Teilabschnitt 22A (3) sowie einen druckseitigen Teilabschnitt 22B (2).
Zur Rückführung der Ladeluft L bei geöffnetem Schubumluftventil 20 ist umlaufend um den Einlassstutzen 14 ein Ringkanal 24 im Verdichtergehäuse 6 eingearbeitet. Der saugseitige Teilabschnitt 22A mündet dabei in diesen Ringkanal 24 (3).
Im Bereich des Ringkanals 24, also auf gleicher axialer Höhe bezogen auf die Strömungsrichtung 16 weist der Einlassstutzen 14 über seinen Umfang verteilt mehrere Strömungsöffnungen 26 auf (1, 4).
Von besonderer Bedeutung ist nunmehr, dass im Einlassstutzen 14 zumindest ein Strömungsleitelement 28 ausgebildet ist, welches in Strömungsrichtung 16 betrachtet endseitig eine Abrisskante 30 aufweist.
In den 1 bis 3 ist eine erste Ausführungsvariante mit einem Einlassstutzen 14 mit einem ringförmigen Strömungsleitelement 28 dargestellt. Demgegenüber zeigt 4 eine zweite Ausführungsvariante, bei der anstelle des einzigen Strömungsleitelements 28 um den Umfang verteilt mehrere Strömungsleitelemente 28 angeordnet sind, die zueinander jeweils beabstandet sind.
Beiden Ausführungsvarianten ist gemeinsam, dass eine jeweilige Strömungsöffnung 26 unmittelbar nachfolgend zu der Abrisskante 30 angeordnet ist, wobei die Strömungsöffnung 26 hierbei in einem Wandungsbereich des Einlassstutzens 14 ausgebildet ist, welcher in radialer Richtung gegenüber der Abrisskante 30 nach außen versetzt ist. Dadurch ist unmittelbar nachfolgend zu der Abrisskante 30 und damit unmittelbar nachfolgend zum Strömungsleitelement 28 im Betrieb ein sogenanntes Totgebiet ausgebildet, bei dem also kein Strömungsdruck oder zumindest ein im Vergleich zu dem Zentrum des Einlassstutzens 14 geringerer Strömungsdruck herrscht. Hierdurch werden Verwirbelungen im Bereich der Strömungsöffnungen 26 und damit Druckverluste vermieden.
Die Strömungsleitelemente 28 sind hierzu als Strömungshindernisse ausgebildet, welche den freien Strömungsquerschnitt für die Ladeluft L verjüngen. Die Strömungsleitelemente 28 weisen dabei jeweils eine schräg zur Strömungsrichtung 16 gestellte Leitfläche 32 auf, sodass eine homogene und gleichmäßige Querschnittsreduzierung erfolgt und Turbulenzen vermieden sind.
Bei der Ausführungsvariante gemäß der 1 ist das Strömungsleitelement 28 daher als ein Ringelement ausgebildet, wobei nachfolgend zu dem Ringelement der Strömungsquerschnitt sich an der Abrisskante 30 schlagartig wieder erweitert. Unmittelbar nachfolgend oder auch an dieser abrupten stufenartigen Erweiterung sind die Strömungsöffnungen 26 ausgebildet.
Bei der alternativen Ausgestaltung gemäß der 4 ist jeder Strömungsöffnung 26 ein separates Strömungsleitelement 28 insbesondere in Form einer in etwa keilförmigen in Nase zugeordnet. Jede einzelne Nase weist dabei eine schräggestellte Leitfläche 32 mit einer endseitigen Abrisskante 30 auf. Die an der Abrisskante 30 gebildete Stirnseite der Nase weist im Ausführungsbeispiel dabei vorzugsweise eine gerundete Fläche auf, wobei die Rundung vorzugsweise den gleichen Radius wie die sich unmittelbar danach anschließende Strömungsöffnung 26 aufweist. Die einzelnen Strömungsleitelemente 28 sind daher zueinander beabstandet. In Umfangsrichtung weisen sie eine Erstreckung auf, die derart bemessen ist, dass sie lediglich eine jeweilige nachfolgende Strömungsöffnung 26 überdecken. Insgesamt überdeckt die Summe der Strömungsfeitelemente 28 bei der Ausführungsvariante der 4 lediglich einen geringen Teil des Umfangs des Einlassstutzens 14, insbesondere weniger als 50% des Umfangs.
Bezugszeichenliste

2: Turbolader
4: Verdichter
6: Verdichtergehäuse
8: Verdichterrad
10: Rotationsachse
12: Saugrohr
14: Einlassstutzen
15: Dichtelement
16: Strömungsrichtung
18: Druckkanal
20: Schubumluftventil
22: Bypasskanal
22A: saugseitiger Teilabschnitt
22B: druckseitiger Teilabschnitt
24: Ringkanal
26: Strömungsöffnung
28: Strömungsleitelement
30: Abrisskante
32: Leitfläche
L: Ladeluft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012212738 A1 [0002, 0005]

Claims

Turbolader (2) für ein Kraftfahrzeug mit – einem Verdichter (4), – mit einem Saugkanal (12) für zu verdichtende Ladeluft (1), die im Betrieb in einer Strömungsrichtung (16) zum Verdichter (4) strömt, wobei der Saugkanal (12) in einem Einlassbereich (14) am Verdichter (4) angeschlossen ist, – mit einem Druckkanal (18) für die verdichtete Ladeluft (1), – mit einem Bypasskanal (22), welcher den Saugkanal (12) mit dem Druckkanal (18) verbindet und hierzu im Einlassbereich (14) umfangsseitig zumindest eine Strömungsöffnung (26) ausgebildet ist, – mit einem Schubumluftventil (20) zum gesteuerten Öffnen und Verschließen des Bypasskanals (22), dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung (16) vor der zumindest einen Strömungsöffnung (26) ein Strömungsleitelement (28) ausgebildet ist, derart, dass sich im Betrieb an der Strömungsöffnung (26) ein Gebiet mit verringertem Druck ausbildet.
Turbolader (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass um den Umfang verteilt mehrere Strömungsöffnungen (26) ausgebildet sind, die in Umfangsrichtung insbesondere auf einer Linie angeordnet sind
Turbolader (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (28) eine Abrisskante (30) für die zu verdichtende Ladeluft (1) ausbildet.
Turbolader (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrisskante (30) umlaufend ausgebildet ist.
Turbolader (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (28) als ein Strömungshindernis ausgebildet ist, welches einen Strömungsquerschnitt des Einlassbereichs (14) verjüngt.
Turbolader (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (28) als ein umlaufender Ring ausgebildet ist.
Turbolader (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung mehrere voneinander beabstandete Strömungsleitelemente (28) angeordnet sind.
Turbolader (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeder Strömungsöffnung (26) ein separates Strömungsleitelement (28) zugeordnet ist, welches insbesondere nach Art einer Nase ausgebildet ist.
Turbolader (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Strömungsöffnung (26) in einen umlaufenden Ringkanal (24) mündet, an den sich ein saugseitiger Teilabschnitt (22A) des Bypasskanals (22) anschließt.
Turbolader (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereich, in dem der saugseitige Teilabschnitt (22A) in den Ringkanal (24) mündet, keine Strömungsöffnung (26) ausgebildet ist.
Turbolader (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Saugkanal (12) endseitig einen Einlassstutzen (14) aufweist, welcher den Einlassbereich mit der zumindest einen Strömungsöffnung (26) bildet.