DE102018221527B4

DE102018221527B4 - Integriertes passives Einwegventil in Ladelufteinlassbehälter

Info

Publication number: DE102018221527B4
Application number: DE102018221527.8A
Authority: DE
Inventors: Stephen Joyce; Jon Stansfield; Jake Taylor; Tom Kelham; Tom Baldwin; Leo Somhorst
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2022-03-31
Anticipated expiration: 2038-12-13
Also published as: KR20190072415A; CN109973205B; CN109973205A; DE102018221527A1; US10760475B2; KR102103263B1; US20190186345A1

Abstract

Ventileinheit, aufweisend:eine erste Leitung (32) mit einer von einer Seitenwand (33) definierten Innenfläche, wobei die Seitenwand (33) eine darin ausgebildete Öffnung aufweist;eine zweite, die erste Leitung (42) kreuzende Leitung, wobei die in der Seitenwand (33) der ersten Leitung ausgebildete Öffnung eine Fluidkommunikation zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung ermöglicht; undein mit der Seitenwand (33) der ersten Leitung verbundenes Ventilelement (52), wobei das Ventilelement (52) passiv verstellbar ist zwischen einer ersten Stellung, in der das Ventilelement (52) Fluidkommunikation zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung verhindert, und einer zweiten Stellung, in der das Ventilelement (52) Fluidkommunikation zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dasssich ein Führungsrahmen (60) quer über einen Durchströmungsquerschnitt der ersten Leitung neben der in der Seitenwand (33) ausgebildeten Öffnung erstreckt, und wobei das Ventilelement (52) an dem Führungsrahmen (60) anliegt, wenn es in die zweite Stellung gebracht wird, und dassder Führungsrahmen (60) zumindest eine durch ihn hindurch gebildete Strömungsöffnung (66) aufweist, die Fluidkommunikation zwischen einem ersten Ende der ersten Leitung und einem zweiten Ende der ersten Leitung ermöglicht.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 62/599,317 , eingereicht am 15. Dezember 2017, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein in den Einlassbehälter eines Ladeluftkühlers eines Abgasturboladersystems integriertes passives Einwegventil, wobei das passive Einwegventil Ladeluft, die entweder aus einem Abgasturbolader oder aus einem elektrischen Zusatzlader stammt, daran hindert, in Richtung des jeweils anderen entweder Abgasturboladers oder elektrischen Zusatzladers zurückzuströmen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Viele Fahrzeuge verwenden ein Abgasturboladersystem, um den Druck der in einen Brennraum eines Motors einströmenden Ansaugluft zu erhöhen. Ein typisches Abgasturboladersystem weist einen Abgasturbolader und einen Ladeluftkühler auf. Der Abgasturbolader kann ein Welle mit einem Turbinenrad und einem mit diesem wirkverbundenen Verdichterrad aufweisen. Aus dem Motor ausströmendes Abgas treibt das Turbinenrad an, um eine Drehung desselben zu bewirken, die wiederum das Verdichterrad dreht. Die Drehung des Verdichterrads verdichtet einen in den Brennraum des Motors zu befördernden Luftstrom. Die Luftverdichtung erhöht sowohl einen Druck als auch eine Temperatur der Luft. Der Ladeluftkühler wird für die Kühlung der verdichteten Luft verwendet, um eine Dichte der verdichteten Luft zu erhöhen, was wiederum den Wirkungsgrad des Motors erhöht, indem eine in den Brennraum einströmende Sauerstoffmenge pro Volumeneinheit der verdichteten Luft erhöht wird.
Es gibt Situationen, in denen der Abgasturbolader möglicherweise nicht in der Lage ist, den Druck der in den Motor einströmenden Ansaugluft in dem gewünschten Maße zu erhöhen, mangels Druck der Abgase, die für den Antrieb des Turbinenrads des Abgasturboladers verwendet werden. Eine solche Situation kann eintreten, wenn die von dem Motor gelieferte Leistung rapide steigt, zum Beispiel, wenn das Fahrzeug schnell aus einer relativ geringen Geschwindigkeit, die den Motor nur wenig beansprucht, beschleunigt. Deshalb können manche Abgasturboladersysteme außerdem einen elektrischen Zusatzlader aufweisen, um die Anforderungen des Motors zu erfüllen, wenn der Druck des aus dem Motor ausströmenden Abgases nicht groß genug ist, um das Turbinenrad mit einer gewünschten Drehzahl zu drehen.
Der elektrische Lader weist ein elektrisch angetriebenes Verdichterrad auf, das aktiviert werden kann, um unabhängig von dem Druck der aus dem Motor ausströmenden Abgase mit einer gewünschten Drehzahl zu laufen. Von daher sind Abgasturboladersysteme, die sowohl den herkömmlichen Abgasturbolader als auch den elektrischen Zusatzlader verwenden, in der Lage, einen gewünschten Druck der zu dem Motor beförderten Ansaugluft aufrechtzuerhalten, indem sie den elektrischen Lader basierend auf den Anforderungen des Motors betreiben.
Ein Strömungspfad für den von dem elektrischen Lader verdichteten Luftstrom und ein Strömungspfad für den von dem Abgasturbolader verdichteten Luftstrom müssen auf der Anströmseite des Motors rekombiniert werden. Ein Problem, das bei der Einführung des elektrischen Laders in das Abgasturboladersystem auftritt, hängt mit einer unerwünschten Rückströmung der aus dem Abgasturbolader ausströmenden Ansaugdruckluft in den Strömungspfad für die aus dem elektrischen Lader ausströmende Ansaugluft an einer Kreuzung der Strömungspfade zusammen. Die aus dem Abgasturbolader ausströmende Ansaugluft wird in einem Maße erwärmt, dass die Rückströmung der Ansaugluft in Richtung des elektrischen Laders den elektrischen Lader potenziell derart beeinträchtigen kann, dass dessen effektive Lebensdauer verkürzt wird.
Eine Lösung für das Verhindern der Luftrückströmung in Richtung des elektrischen Laders umfasst die Verwendung eines elektrisch gesteuerten Ventils, das betätigt wird, um den Strömungspfad selektiv von dem elektrischen Lader abzuriegeln, wenn der elektrische Lader nicht in Betrieb ist. Die Verwendung eines elektrisch gesteuerten Ventils ist jedoch äußerst kostspielig, erhöht den Energiebedarf des Fahrzeugs und erfordert hochentwickelte Steuerungspläne für die Zeitsteuerung der elektrischen Betätigung jedes entsprechenden Ventils.
Deshalb wäre es wünschenswert, ein passives Einwegventil an der Kreuzung des Strömungspfads für die von dem Abgasturbolader verdichtete Luft und des Strömungspfads für die von dem elektrischen Lader verdichtete Luft herzustellen, um das Auftreten einer Rückströmung in den Strömungspfad mit dem elektrischen Lader oder in den Strömungspfad mit dem Verdichterrad des Abgasturboladers zu verhindern.
Die DE 10 2015 208 417 A1 betrifft den Oberbegriff des Anspruchs 1, und aus der
DE 102 45 336 A1 , DE 10 2006 014 945 A1 , CA 2500146 A1 und JP H03-19658 Y2 gehen ähnliche Ventilanordnungen hervor.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise ein passives Ventil für das Verhindern einer unerwünschten Strömung in einen elektrischen Lader eines Abgasturboladersystems entdeckt.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist eine Ventileinheit die Merkmale des Patentanspruchs 1 und insbesondere eine erste Leitung mit einer von einer Seitenwand definierten Innenfläche auf, wobei die Seitenwand eine darin ausgebildete Öffnung enthält. Die Ventileinheit weist außerdem eine zweite Leitung auf, die die erste Leitung kreuzt. Die in der Seitenwand der ersten Leitung ausgebildete Öffnung ermöglicht eine Fluidkommunikation zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung. Ein mit der Seitenwand der ersten Leitung verbundenes Ventilelement ist passiv verstellbar zwischen einer ersten Stellung, in der das Ventilelement eine Fluidkommunikation zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung verhindert, und einer zweiten Stellung, in der das Ventilelement eine Fluidkommunikation zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Einlassbehälter für einen Ladeluftkühler offenbart. Der Einlassbehälter weist die Merkmale des Anspruchs 14 auf und insbesondere einen Krümmerabschnitt, einen Abgasturbolader-Einlasskanal, der in Fluidkommunikation mit einem Verdichterrad eines Abgasturboladers und dem Krümmerabschnitt steht, und einen Lader-Einlasskanal, der in Fluidkommunikation mit einem Kompressionsmechanismus eines elektrischen Laders steht. In einer Seitenwand des Abgasturbolader-Einlasskanals ist eine Öffnung ausgebildet, um eine Fluidkommunikation zwischen dem Lader-Einlasskanal und dem Abgasturbolader-Einlasskanal zu ermöglichen. Ein Ventilmechanismus ist passiv verstellbar zwischen einer ersten Stellung, in der der Ventilmechanismus eine Fluidkommunikation zwischen dem Abgasturbolader-Einlasskanal und dem Lader-Einlasskanal verhindert, und einer zweiten Stellung, in der der Ventilmechanismus eine Fluidkommunikation zwischen dem Abgasturbolader-Einlasskanal und dem Lader-Einlasskanal ermöglicht.
Figurenliste
Sowohl die vorstehenden als auch andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden für Fachleute aus der Lektüre der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Berücksichtigung der beigefügten Zeichnungen, leicht ersichtlich sein:

1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Abgasturboladersystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Einlassbehälters eines Ladeluftkühlers des Abgasturboladersystems aus 1;
3 zeigt eine Draufsicht des Einlassbehälters aus 2 aus einer Perspektive entlang einer Mittelachse eines ersten Einlasskanals des Einlassbehälters;
4 zeigt eine Vorderansicht des Einlassbehälters aus 2 aus einer Perspektive entlang einer Mittelachse eines zweiten Einlasskanals des Einlassbehälters, der im Wesentlichen quer zu dessen erstem Einlasskanal angeordnet ist;
5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ventilmechanismus gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt eine Draufsicht des Ventilmechanismus aus 5;
7 zeigt eine Vorderansicht des Ventilmechanismus aus 5;
8 zeigt eine Querschnittsseitenansicht des Einlassbehälters mit dem Ventilmechanismus aus den 5-7, wobei der Ventilmechanismus in eine erste Stellung gebracht ist;
9 zeigt eine Querschnittsseitenansicht des Einlassbehälters mit dem Ventilmechanismus aus den 5-7, wobei der Ventilmechanismus in eine zweite Stellung gebracht ist;
10 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ventilmechanismus gemäß einer weiteren Ausführungsform;
11 zeigt eine Querschnittsseitenansicht des Einlassbehälters mit dem darin angeordneten Ventilmechanismus aus 10;
12 zeigt eine Vorderansicht eines Ventilmechanismus gemäß einer weiteren Ausführungsform;
13 zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines Einlasskanals mit dem Ventilmechanismus aus 12, wobei der Ventilmechanismus in eine erste Stellung gebracht ist;
14 zeigt eine Querschnittsseitenansicht des Einlasskanals mit dem Ventilmechanismus aus 12, wobei der Ventilmechanismus in eine zweite Stellung gebracht ist;
15 zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines Einlasskanals mit einem Ventilmechanismus gemäß einer weiteren Ausführungsform, wobei der Ventilmechanismus in eine erste Stellung gebracht ist;
16 zeigt eine Querschnittsseitenansicht des Einlasskanals mit dem Ventilmechanismus aus 15, wobei der Ventilmechanismus in eine zweite Stellung gebracht ist;
17 zeigt eine Vorderansicht eines Einlasskanals mit einem darin angeordneten Ventilmechanismus gemäß einer weiteren Ausführungsform;
18 zeigt eine Querschnittsseitenansicht des Einlasskanals aus 17, wenn sich der Ventilmechanismus in einer ersten Stellung befindet;
19 zeigt eine Querschnittsseitenansicht des Einlasskanals aus 17, wenn sich der Ventilmechanismus in einer zweiten Stellung befindet;
20 zeigt eine Vorderansicht eines Ventilmechanismus gemäß einer weiteren Ausführungsform;
21 zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines Einlasskanals mit dem Ventilmechanismus aus 20, wobei der Ventilmechanismus in eine erste Stellung gebracht ist;
22 zeigt eine Querschnittsseitenansicht des Einlasskanals aus 21, wenn der Ventilmechanismus in eine zweite Stellung gebracht ist; und
23 zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines Einlasskanals mit einem Ventilmechanismus gemäß einer weiteren Ausführungsform.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die nachfolgende ausführliche Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen eine Ausführungsform der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, Fachleute in die Lage zu versetzen, die Erfindung herzustellen und zu nutzen, und sind nicht dafür gedacht, den Schutzbereich der Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die gezeigten Schritte exemplarisch und die Reihenfolge der Schritte ist somit weder notwendig noch entscheidend. Die Beschreibung der weiteren Ausführungsformen dient der ergänzenden Erläuterung.
1 zeigt ein Abgasturboladersystem 1 eines Kraftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Abgasturboladersystem 1 weist eine Luftquelle 2, einen elektrischen Lader 3, einen Ladeluftkühler 4, einen Verbrennungsmotor 5 und einen Abgasturbolader 6 auf. Der elektrische Lader 3 weist einen Kompressionsmechanismus 8 und einen Elektromotor 18 auf. Der Abgasturbolader 6 weist ein Verdichterrad 11 und ein Turbinenrad 12 auf.
Bei der Luftquelle 2 kann es sich beispielsweise um Umgebungsluft von außerhalb des Kraftfahrzeugs handeln. Ein erster Strömungspfad 13 und ein zweiter Strömungspfad 14 sind in Bezug auf eine Strömungsrichtung der Luft durch das Abgasturboladersystem 1 auf der Abströmseite der Luftquelle 2 ausgebildet. Die durch den ersten Strömungspfad 13 strömende Luft trifft auf das Verdichterrad 11 des Abgasturboladers 6 und die durch den zweiten Strömungspfad 14 strömende Luft trifft auf den Kompressionsmechanismus 8 des elektrischen Laders 3.
In anderen Ausführungsformen können der erste Strömungspfad 13 und der zweite Strömungspfad 14 Luft aus zwei unabhängigen Luftquellen erhalten, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Jeder der Strömungspfade 13, 14 kann ein oder mehrere Ventil(e) (nicht gezeigt) umfassen, für die Bestimmung, wann eine der beiden oder beide Strömungspfade 13, 14 selektiv mit einem Luftstrom zu versorgen ist. Die Ventile können aktiv gesteuert werden und mit einer Steuerung des Kraftfahrzeugs in Signalkommunikation stehen. Die Steuerung kann Anweisungen hinsichtlich eines Steuerungsplans umfassen, beispielsweise für die Bestimmung, wann jeder der Strömungspfade 13, 14 mit Luft zu versorgen ist und wann der elektrische Lader 3 zu aktivieren ist.
Das Verdichterrad 11 und das Turbinenrad 12 sind jeweils mit einer gemeinsamen Welle 7 des Abgasturboladers 6 gekoppelt. Das Turbinenrad 12 wird von einem aus dem Verbrennungsmotor 5 ausströmenden Abgasstrom angetrieben, um es um die gemeinsame Welle 7 zu drehen. Das Verdichterrad 11 dreht sich gemeinsam mit dem Turbinenrad 12 um die gemeinsame Welle 7. Das Verdichterrad 11 ist so konfiguriert, dass es den Luftstrom durch den ersten Strömungspfad 13 verdichtet, wenn es durch die Drehung des Turbinenrads 12 um die gemeinsame Welle 7 angetrieben wird, wobei die Kompressionsleistung des Verdichterrads 11 von einem Durchsatz und einem Druck der die Drehung des Turbinenrads 12 antreibenden Abgase bestimmt wird.
Obwohl nicht abgebildet, kann eine Umgehungsleitung parallel zu dem Turbinenrad 12 angeordnet sein, für eine Umgehung des Turbinenrads 12, wenn eine Luftverdichtung durch das Verdichterrad 11 nicht länger oder mit einem niedrigeren Durchsatz gewünscht wird. Ein aktiv gesteuertes Ventil (nicht gezeigt) kann auf der Anströmseite der Umgehungsleitung und des Turbinenrads 12 angeordnet sein, für eine Verteilung der Abgase dazwischen.
Der Kompressionsmechanismus 8 des elektrischen Laders 3 kann auf Wunsch eine ähnliche Struktur wie das Verdichterrad 11 des Abgasturboladers 6 aufweisen. Der Kompressionsmechanismus 8 kann ein Verdichterrad sein, das mit dem Elektromotor 18 gekoppelt ist und von diesem zur Drehung angetrieben wird. Es kann jedoch jede Form eines elektrisch angetriebenen Kompressionsmechanismus verwendet werden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Der elektrische Lader 3 ist so konfiguriert, dass er den Luftstrom durch den zweiten Strömungspfad 14 verdichtet, wenn der elektrische Lader 3 in Betrieb gesetzt wird, um einen Druck der durch den elektrischen Lader 3 strömenden Luft zu erhöhen.
Obwohl nicht abgebildet, kann das Abgasturboladersystem 1 stattdessen einen zweiten Strömungspfad 14 umfassen, der von dem ersten Strömungspfad 13 an einer Stelle auf der Abströmseite des Verdichterrads 11 abzweigt, wodurch sich eine Konfiguration bietet, in der der zweite Strömungspfad 14 eine Luftzuführung erhält, die bereits von dem Verdichterrad 11 des Abgasturboladers 6 verdichtet wurde. Von daher kann der Kompressionsmechanismus 8 des elektrischen Laders 3 Luft erhalten, die bereits vorab in gewissem Maße von dem Abgasturbolader 6 verdichtet wurde. Ein aktiv gesteuertes Ventil (nicht gezeigt) kann an einem Einlass in den zweiten Strömungspfad 14 angeordnet sein, für eine Verteilung der aus dem Verdichterrad 11 ausströmenden Luft zwischen dem ersten und dem zweiten Strömungspfad 13, 14.
Der Ladeluftkühler 4 ist jeweils auf der Abströmseite des erstens Strömungspfad 13 beziehungsweise des zweiten Strömungspfads 14 angeordnet. Der Ladeluftkühler 4 ist so konfiguriert, dass er eine Temperatur der durch ihn strömenden Luft senkt. Der Ladeluftkühler 4 umfasst einen Einlassbehälter 22, einen Auslassbehälter 24 und eine Vielzahl von Wärmetauscherrohren 26, die sich zwischen dem Einlassbehälter 22 und dem Auslassbehälter 24 erstrecken. In der vorliegenden Ausführungsform fungiert der Einlassbehälter 22 als Krümmer für eine Verteilung der Luft auf jedes der Wärmetauscherrohre 26, während der Auslassbehälter 24 als Krümmer für eine Rekombination der Luft nach dem Durchströmen der einzelnen Wärmetauscherrohre 26 fungiert. Ein Sekundärfluid wie Wasser oder ein unabhängiger Luftstrom kann beispielsweise verwendet werden, um die durch die Wärmetauscherrohre 26 des Ladeluftkühlers 4 strömende Luft zu kühlen. Der Ladeluftkühler 4 kann entsprechend als luftgekühlter Ladeluftkühler oder als wassergekühlter Ladeluftkühler bezeichnet werden, abhängig von der Wahl des Sekundärfluids. Obwohl der Ladeluftkühler 4 derart gezeigt wird, dass er eine Vielzahl von parallel angeordneten Wärmetauscherrohren 26 aufweist, versteht es sich für Fachleute, dass alternative Konfigurationen und Arten von Wärmetauscherrohren verwendet werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann der Ladeluftkühler 4 auf Wunsch ein Plattenwärmetauscher sein. Die hierin im Hinblick auf den Einlassbehälter 22 offenbarte Struktur kann an jede Art von Krümmer oder fluidverteilende Struktur angepasst werden, die für die Einführung eines Luftstroms in eine Vielzahl von Strömungspfade jeglicher Art von als Ladeluftkühler 4 dienendem Wärmetauscher geeignet sind.
Die aus dem Auslassbehälter 24 des Ladeluftkühlers 4 ausströmende Luft wird dann in den Motor 5 geleitet. Ein Gemisch aus der Luft und einem Kraftstoff wird innerhalb eines Brennraums des Motors 5 kombiniert und verbrannt. Die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches führt zu einem aus dem Motor 5 ausströmenden Abgasstrom. Das Abgas strömt dann an dem Turbinenrad 12 des Abgasturboladers 6 vorbei, um das Verdichterrad 11 um die gemeinsame Welle 7 zu drehen. Wie weiter oben erwähnt, können die aus dem Motor 5 ausströmenden Abgase auf Wunsch alternativ so umgeleitet werden, dass sie das Turbinenrad 12 selektiv umgehen.
Der elektrische Lader 3 kann aktiviert werden, wenn der Druck und der Durchsatz des aus dem Motor 5 ausströmenden Abgases nicht groß genug ist, um das Turbinenrad 12 des Abgasturboladers 6 in einem Maße anzutreiben, das notwendig ist, um die durch das Verdichterrad 11 strömende Luft in einem Maße zu verdichten, das geeignet ist, die Anforderungen des Motors 5 zu erfüllen. Mit anderen Worten kann der elektrische Lader 3 verwendet werden, um die Kompressionsleistung des Verdichterrads 11 zu ergänzen oder zu ersetzen, wenn die aus dem Motor 5 ausströmenden Abgase nicht in der Lage sind, das Turbinenrad 12 mit einer Drehzahl zu drehen, die geeignet ist, die durch das Verdichterrad 11 strömende Luft mit einem gewünschten Druck (einer gewünschten Dichte) oder mit einem gewünschten Durchsatz zu verdichten. Eine solche Situation tritt im Allgemeinen während einer Beschleunigung des Kraftfahrzeugs aus einer Phase mit geringer Motorbeanspruchung ein, zum Beispiel wenn sich das Fahrzeug im Stoppzustand befindet. Typischerweise liegt zwischen einer an den Motor 5 gestellten erhöhten Anforderung und einer erhöhten Versorgung mit den das Turbinenrad 12 (und damit das Verdichterrad 11) des Abgasturboladers 6 drehenden Hochdruckabgasen eine Verzögerungszeit vor, die üblicherweise als „Turboloch“ bezeichnet wird. Der elektrische Lader 3 wird entsprechend während solcher Phasen aktiviert, wenn das Turbinenrad 12 nicht in der Lage ist, sich mit einer gewünschten Drehzahl zu drehen. Der elektrische Lader 3 kann jedoch unter allen gewünschten Umständen anstelle des Abgasturboladers 6 betrieben werden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Bezugnehmend auf die 2-4, umfasst der Einlassbehälter 22 des Ladeluftkühlers 4 einen Abgasturbolader-Einlasskanal 32 und einen Krümmerabschnitt 38. Der Abgasturbolader-Einlasskanal 32 bildet eine Leitung, die den ersten Strömungspfad 13 mit dem Krümmerabschnitt 38 des Einlassbehälters 22 strömungskoppelt. Der Abgasturbolader-Einlasskanal 32 wird von einer Seitenwand 33 gebildet, die eine hohle Öffnung des Abgasturbolader-Einlasskanals 32 umgibt. Die Seitenwand 33 wird derart gezeigt, dass sie Abschnitte umfasst, die gebildet werden durch das Zusammenwirken von zwei im Wesentlichen symmetrischen Schalen, die miteinander kuppeln, um zumindest einen Teil des Abgasturbolader-Einlasskanals 32 zu bilden, es kann jedoch eine beliebige Kombination von Elementen verwendet werden, um die Seitenwand 33 zu bilden.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, kann der Abgasturbolader-Einlasskanal 32 von einem ersten Abschnitt 35 mit einer im Wesentlichen zylindrischen Form und einem kreisförmigen Durchströmungsquerschnitt in einen zweiten Abschnitt 37 mit einem im Wesentlichen D-förmigen Durchströmungsquerschnitt übergehen. Eine Innenfläche der Seitenwand 33 entlang des zweiten Abschnitts 37 umfasst eine im Wesentlichen planare Oberfläche 36 und eine konkave Oberfläche 39, die sich von der planaren Oberfläche 36 weg erstreckt, wobei die planare Oberfläche 36 und die konkave Oberfläche 39 zusammenwirken, um den D-förmigen Durchströmungsquerschnitt des zweiten Abschnitts 37 zu bilden. Die konkave Oberfläche 39 wird als bogenförmig gezeigt, umfassend eine Peripherie mit einem Paar gerader Abschnitte, die an die Enden eines halbkreisförmigen Abschnitts anschließen, es können jedoch alternative Formen verwendet werden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Der halbkreisförmige Abschnitt der konkaven Oberfläche 39 kann auf Wunsch im Wesentlichen mit dem zylindrischen ersten Abschnitt 35 des Abgasturbolader-Einlasskanals 32 gefluchtet sein. Die konkave Oberfläche 39 kann glatt und gekrümmt sein, um einen übermäßigen Druckabfall in dem durch den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 strömenden Luftstrom zu verhindern. Auf Wunsch kann jede Kreuzung der konkaven Oberfläche 39 und der planaren Oberfläche 36 eine gekrümmte Verbindungsfläche umfassen, um weiterhin einen Druckabfall des durch den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 strömenden Luftstroms zu verhindern.
Der Einlassbehälter 22 umfasst außerdem einen Lader-Einlasskanal 42, der den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 auf dessen planarer Oberfläche 36 kreuzt. Der Lader-Einlasskanal 42 ist bezüglich des Abgasturbolader-Einlasskanals 32 quer angeordnet und kann bezüglich des Abgasturbolader-Einlasskanals 32 in einem spitzen Winkel gebildet sein, um einen übermäßigen Druckabfall eines aus dem Lader-Einlasskanal 42 ausströmenden und in den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 einströmenden Luftstroms zu verhindern, durch eine Reduzierung der Krümmung, die benötigt wird, damit die Luft von dem Lader-Einlasskanal 42 in den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 übergeht. Es kann jedoch eine im Wesentlichen rechtwinklige Anordnung zwischen dem Abgasturbolader-Einlasskanal 32 und dem Lader-Einlasskanal 42 verwendet werden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Der Lader-Einlasskanal 42 bildet eine Leitung, die den zweiten Strömungspfad 14 sowohl mit dem Abgasturbolader-Einlasskanal 32 als auch dem Krümmerabschnitt 38 des Einlassbehälters 22 strömungskoppelt. Der Lader-Einlasskanal 42 wird von einer Seitenwand 43 gebildet, die einen hohlen Innenraum des Lader-Einlasskanals 42 umgibt. Die Seitenwand 43 wird als im Wesentlichen zylinderförmig gezeigt, es versteht sich jedoch, dass alternative Formen verwendet werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Der planare Abschnitt 36 der Seitenwand 33 umfasst eine Öffnung 34 (4), ausgebildet an einem Ende des Lader-Einlasskanals 42, mit einer Form und Größe, die im Wesentlichen einer Form und Größe der zylindrischen Seitenwand 43 des Lader-Einlasskanals 42 entsprechen. Die Öffnung 34 ermöglicht eine direkte Fluidkommunikation zwischen dem Lader-Einlasskanal 42 und dem Abgasturbolader-Einlasskanal 32. Der zwischen dem Abgasturbolader-Einlasskanal 32 und dem Lader-Einlasskanal 42 ausgebildete spitze Winkel kann dazu führen, dass die Öffnung 34 an der Kreuzung der Kanäle 32, 42 eine im Wesentlichen elliptische Form aufweist, wobei sich ein Längenmaß der elliptischen Form parallel zu einer Luftströmungsrichtung durch den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 erstreckt. Die Öffnung 34 kann jedoch eine beliebige Form aufweisen, ohne zwangsläufig von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Ein Ventilmechanismus 50 ist an einer Kreuzung des Abgasturbolader-Einlasskanals 32 und des Lader-Einlasskanals 42 angeordnet. 3 zeigt den Ventilmechanismus 50 aus einer Perspektive entlang einer Mittelachse des Abgasturbolader-Einlasskanals 32. 4 zeigt den Ventilmechanismus 50 aus einer Perspektive entlang einer Mittelachse des Lader-Einlasskanals 42. Die 5-7 zeigen den Ventilmechanismus 50 isoliert, um seine Merkmale besser darzustellen. Die 8 und 9 zeigen Querschnittsansichten durch einen Mittelpunkt des Einlassbehälters 22, um die wesentlichen Merkmale des Ventilmechanismus 50 während dessen Betätigung darzustellen.
Der Ventilmechanismus 50 umfasst eine Klappe 52 und einen Führungsrahmen 60. Der Ventilmechanismus 50 ist zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung passiv verstellbar. Die erste Stellung (8) umfasst die Klappe 52 in anliegender Kupplung mit der planaren Oberfläche 36 der Seitenwand 33 angeordnet, um die Öffnung 34 abzuriegeln und das Einströmen eines aus dem Lader-Einlasskanal 42 stammenden Luftstroms in den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 zu verhindern. Die zweite Stellung ( 9) umfasst die Klappe 52 von der planaren Oberfläche 36 (und somit der Öffnung 34) weggeschwenkt oder weggebogen und an dem Führungsrahmen 60 anliegend. Die Klappe 52 bildet entsprechend ein verstellbares Ventilelement des Ventilmechanismus 50, das für eine passive Nachstellung als Reaktion auf eine Druckdifferenz in dem Ventilmechanismus 50 konfiguriert ist. Der Führungsrahmen 60 bildet eine Form, die die Klappe 52 in der zweiten Stellung annimmt, während sie zugleich ein übermäßiges Biegen der Klappe 52 in Richtung eines Einlassendes des Abgasturbolader-Einlasskanals 32 verhindert. Das Schwenken der Klappe 52 weg von der Öffnung 34 ermöglicht es dem aus dem Lader-Einlasskanal 42 stammenden Luftstrom, in den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 hinein und anschließend durch den Krümmerabschnitt 38 des Einlassbehälters 22 zu strömen. Die Positionierung der Klappe 52 in der zweiten Stellung hindert außerdem einen in das gegenüber dem Krümmerabschnitt 38 ausgebildete Einlassende des Abgasturbolader-Einlasskanals 32 einströmenden Luftstrom daran, sowohl den Lader-Einlasskanal 42 als auch den Krümmerabschnitt 38 des Einlassbehälters 22 zu erreichen. Die Positionierung der Klappe 52 bestimmt entsprechend, ob der aus dem ersten Strömungspfad 13 stammende Luftstrom oder der aus dem zweiten Strömungspfad 14 stammende Luftstrom den Krümmerabschnitt 38 des Einlassbehälters 22 erreicht.
In der gezeigten Ausführungsform erstreckt sich ein Satz von drei Verbindungselementen 51 durch ein erstes Ende 53 der Klappe, ein erstes Ende 61 des Führungsrahmens 60 und den Abschnitt der Seitenwand 33, der die planare Oberfläche 36 definiert. Die Verbindungselemente 51 verbinden das erste Ende 53 der Klappe 52 und das erste Ende 61 des Führungsrahmens 60 mit dem Abgasturbolader-Einlasskanal 32 entlang der planaren Oberfläche 36 und neben der Öffnung 34. In der ersten Stellung erstreckt sich die Klappe 52 über die gesamte Öffnung 34. Die Verbindungselemente 51 werden derart gezeigt, dass sie eine Schraube-und-Mutter-Kombination umfassen, es kann jedoch auf Wunsch jede Art von Verbindungselement verwendet werden. Alternativ können auf Wunsch andere Verfahren für die Verbindung der Klappe 52 oder des Führungsrahmens 60 mit dem Einlassbehälter 22 verwendet werden, zum Beispiel Klebemittel, aggressive Fügeverfahren wie Schweißen oder Löten oder jedes andere Verbindungsverfahren, das eine fluiddichte Abdichtung herstellt. Die ersten Enden der Klappe 52 und des Führungsrahmens 60 können auf Wunsch separat mit der Seitenwand 33 verbunden werden. Es kann jede geeignete Konfiguration verwendet werden, solange das erste Ende 53 der Klappe 52 neben dem ersten Ende 61 des Führungsrahmens 60 angeordnet ist, damit sich die Klappe 52 in die Form des Führungsrahmens 60 biegen kann, wenn sie sich in die zweite Stellung biegt.
Die Klappe 52 ist derart geformt, dass sie sich über den gesamten Durchströmungsquerschnitt des Abgasturbolader-Einlasskanals 32 erstreckt, wenn sie in die zweite Stellung an dem Führungsrahmen 60 anliegend gebracht ist. Die Klappe 52 umfasst eine im Wesentlichen D-förmige Umfangsform mit einer ähnlichen Form wie der D-förmige Querschnitt des zweiten Abschnitts 37 des Abgasturbolader-Einlasskanals 32, jedoch verlängert, um der gebogenen Form der Klappe 52 beim Anliegen an der Führung 60 Rechnung zu tragen. Die Klappe 52 umfasst entsprechend ein Paar geradlinige Segment, die sich von dem ersten Ende 53 der Klappe 52 weg und zu einem halbkreisförmigen Segment hin erstrecken, das ein zweites Ende 54 der Klappe 52 bildet.
Die Klappe 52 ist aus einem flexiblen Werkstoff mit einer geeigneten Dauerhaftigkeit gebildet, um sich wiederholt zwischen verschiedenen Konfigurationen wie den hierin offenbarten ersten und zweiten Stellungen zu biegen. Die Klappe 52 kann aus einem polymeren Werkstoff wie einem Elastomer (Kautschuk) gebildet sein. Das Elastomer kann ein Fluoroelastomer wie FKM sein, als ein nicht begrenzendes Beispiel. Die Klappe 52 kann aus einem Verbundwerkstoff gebildet sein, der sowohl einen polymeren Werkstoff als auch einen Füllwerkstoff für eine Veränderung der Eigenschaften des polymeren Werkstoffs beinhaltet. Der Füllwerkstoff kann verwendet werden, um die Eigenschaften des polymeren Werkstoffs, wie zum Beispiel seine Elastizität, Festigkeit, Wärmebeständigkeit, Dauerhaftigkeit oder Korrosionsbeständigkeit, zu verändern und dadurch einen Verbundwerkstoff mit einem gewünschten Satz von Eigenschaften herzustellen. Der Füllwerkstoff kann Fasern, Bänder, Gewebesegmente, Fäden oder Ähnliches umfassen, als nicht begrenzende Beispiele. Der die Klappe 52 bildende Werkstoff kann zum Beispiel ein verstärkter FKM-Kautschuk sein, gebildet als ein Verbundwerkstoff aus FKM-Kautschuk mit einem darin angeordneten gewebebasierten Füllwerkstoff.
Der Führungsrahmen 60 ist derart konfiguriert, dass er sich über einen Durchströmungsquerschnitt des Abgasturbolader-Einlasskanals 32 neben dem Lader-Einlasskanal 42 erstreckt. Aus der Perspektive der 3 gesehen, umfasst ein Profil des Führungsrahmens 60 im Wesentlichen dieselbe D-Form wie ein Profil einer Innenfläche der Seitenwand 33 innerhalb des zweiten Abschnitts 37 des Abgasturbolader-Einlasskanals 32. Der Führungsrahmen 60 umfasst ein geradliniges Segment 63 entsprechend der und anliegend an der planaren Oberfläche 36 der Seitenwand 33 und ein konvexes Segment 64 entsprechend der und anliegend an der konkaven Oberfläche 39 der Seitenwand 33. Das geradlinige Segment 63 ist an dem ersten Ende 61 des Führungsrahmens 60 ausgebildet, während eine Distalfläche des konvexen Segments 64 ein zweites Ende 62 des Führungsrahmens 60 ausbildet. Das konvexe Segment 64 umfasst ein Paar geradlinige Segmente, die mit gegenüberliegenden Enden eines halbkreisförmigen Segments an dem zweiten Ende 62 des Führungsrahmens 60 verbunden sind, es können jedoch alternative konvexe Formen verwendet werden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, solange das Profil des Führungsrahmens 60 in Größe und Form dem Profil der Innenfläche der Seitenwand 33 entspricht.
Wie in den 8 und 9 gezeigt, krümmt sich der Führungsrahmen 60 um eine Achse, die senkrecht zu der Erstreckungsrichtung jedes der Abgasturbolader-Einlasskanäle 32 und des Lader-Einlasskanals 42 angeordnet ist, wenn sich der Führungsrahmen 60 von seinem ersten Ende 61, das an der planaren Oberfläche 36 anliegt, bis zu seinem zweiten Ende 62, das an einem distalen Abschnitt der konkaven Oberfläche 39 anliegt, erstreckt. Der Führungsrahmen 60 wird derart gezeigt, dass er eine Krümmung eines Kreissegments aufweist, es können jedoch alternative gekrümmte Formen verwendet werden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die gekrümmte Form des Führungsrahmens 60, wenn sich der Führungsrahmen 60 von seinem ersten Ende 61 zu seinem zweiten Ende 62 erstreckt, ermöglicht es der Klappe 52, sich in die zweite Stellung zu biegen, ohne dass sich ein einzelner Abschnitt der Klappe 52 in übermäßigem Maße biegen muss. Der durch die Form des Kreissegments gebildete kontinuierliche Bogen ermöglicht es jedem Abschnitt der Klappe 52, im Wesentlichen denselben Krümmungsgrad zu erfahren, folglich wird eine maximale Spannung, der jeder Abschnitt der Klappe 52 während einer Biegung der Klappe 52 ausgesetzt ist, minimiert, um eine Dauerhaftigkeit der Klappe 52 nach wiederholten Zyklen zwischen der ersten und der zweiten Stellung sicherzustellen.
Wie am besten in den 5-7 gezeigt, umfasst der Führungsrahmen 60 eine Vielzahl von dorthindurch gebildeten Öffnungen 66. Eine Stützrippe 67 ist zwischen jedem benachbarten Paar der Öffnungen 66 angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform wird jede der Stützrippen 67 derart gezeigt, dass sie sich in eine Längsrichtung des Führungsrahmens 60 erstreckt, die Stützrippen 67 können sich jedoch alternativ in eine Breitenrichtung des Führungsrahmens 60 erstrecken, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. In einigen Ausführungsformen kann der Führungsrahmen 60 auf Wunsch eine Vielzahl von quer angeordneten Stützrippen 67 umfassen, um ein gitterförmiges Muster zu bilden. Die Öffnungen 66 bilden Strömungspfade, durch die der in das Einlassende des Abgasturbolader-Einlasskanals 32 einströmende Luftstrom durch den Führungsrahmen 60 strömen kann, ohne zu bewirken, dass der Luftstrom einen übermäßigen Druckabfall erfahren muss. Die peripheren Abschnitte des Führungsrahmens 60 und der Stützrippen 67 bilden eine Haltefläche für das Anliegen der Klappe 52, wie im Folgenden genauer erklärt.
Bezugnehmend auf die 4, 8 und 9, kann der Lader-Einlasskanal 42 eine Stützkonstruktion 56 umfassen, die an der Öffnung 34 in dem Abgasturbolader-Einlasskanal 32 angeordnet ist, um zu verhindern, dass die Klappe 52 während einer Phase, in der von dem Abgasturbolader 6 stammende Hochdruckluft einen radial nach außen gerichteten Druck auf die Klappe 52 ausübt, unzulässig innerhalb des Lader-Einlasskanals 42 festklemmt. Die Stützkonstruktion 56 kann eine Stirnfläche umfassen, die komplanar mit der planaren Oberfläche 36 des Abgasturbolader-Einlasskanals 32 angeordnet ist, um es der Klappe 52 zu ermöglichen, sowohl auf der Stützkonstruktion 56 als auch auf der planaren Oberfläche 36 aufzuliegen, wenn sich der Ventilmechanismus 50 in der ersten Stellung befindet. Die Stützkonstruktion 56 wird derart gezeigt, dass sie ein Gitter aus quer angeordneten Rippen 57 umfasst, die eine Vielzahl von Strömungsöffnungen 58 dazwischen definieren, wobei jede der Strömungsöffnungen 58 einen Strömungspfad für das Ausströmen der Luft aus dem Lader-Einlasskanal 42 und das Einströmen der Luft in den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 bereitstellt.
Im Einsatz kann das Abgasturboladersystem 1 einen Betriebszustand umfassen, in dem der Elektromotor 18 des elektrischen Laders 3 nicht in Betrieb ist und der Kompressionsmechanismus 8 des elektrischen Laders 3 die durch den zweiten Strömungspfad 14 strömende Luft nicht verdichtet. Während der Inaktivität des elektrischen Laders 3 dreht das Turbinenrad 12 des Abgasturboladers 6 dessen Verdichterrad 11 über die Welle 7, um die durch den ersten Strömungspfad 13 strömende Luft zu verdichten. Diese Betriebsart wird im Folgenden als „Betriebsart Abgasturbolader“ des Abgasturboladersystems 1 bezeichnet. Alternativ kann in einer „Betriebsart Lader“ des Abgasturboladersystems 1 der Elektromotor 18 aktiviert werden, sodass der Kompressionsmechanismus 8 angetrieben wird, um die durch den zweiten Strömungspfad 14 strömende Luft zu verdichten. Wie weiter oben beschrieben, kann die Betriebsart Lader während Phasen mit einer steigenden Beanspruchung des Motors 5 eintreten, wie zum Beispiel einer Beschleunigungsphase nach einer Phase mit einer niedrigen Beanspruchung des Motors 5, beispielsweise wenn das Kraftfahrzeug anhält, als ein nicht begrenzendes Beispiel. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass während des Betriebs des Abgasturboladersystems 1 in der Betriebsart Abgasturbolader die aus dem ersten Strömungspfad 13 in den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 einströmende Luft einen höheren Druck aufweist als die aus dem zweiten Strömungspfad 14 in den Lader-Einlasskanal 42 einströmende Luft. Im Folgenden wird außerdem davon ausgegangen, dass während der Betriebsart Lader die aus dem zweiten Strömungspfad 14 in den Lader-Einlasskanal 42 einströmende Luft einen höheren Druck aufweist als die aus dem ersten Strömungspfad 13 in den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 einströmende Luft.
Wie weiter oben beschrieben, kann in einigen Ausführungsformen der zweite Strömungspfad 14 von dem ersten Strömungspfad 13 an einer Stelle auf der Abströmseite des Abgasturboladers 6 abzweigen, folglich kann die durch den elektrischen Lader 3 strömende Luft bereits von dem Verdichterrad 11 des Abgasturboladers 6 verdichtet worden sein. Eine solche gegenteilige Anordnung ändert jedoch nicht die offenbarten Betriebsarten des Ventilmechanismus 50, da der elektrische Lader 3 nur zu Zeiten betrieben wird, in denen der elektrische Lader 3 Luft mit einem höheren Druck liefern kann als der Abgasturbolader 6 alleine, folglich führt die Aktivierung des elektrischen Laders 3 immer dazu, dass die durch den zweiten Strömungspfad 14 in den Lader-Einlasskanal 42 einströmende Luft einen höheren Druck aufweist als die durch den ersten Strömungspfad 13 in den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 einströmende Luft. Die Betätigung des offenbarten Ventilmechanismus 50 wird entsprechend durch die alternative Konfiguration der Verzweigung der Strömungspfade 13, 14 nicht verändert.
Während des Betriebs des Abgasturboladersystems 1 in der Betriebsart Abgasturbolader wird der Ventilmechanismus 50 in die erste Stellung gebracht, in der die Klappe 52 an der planaren Oberfläche 36 und der Stützkonstruktion 57 anliegt, während sie eine Strömung durch die Öffnung 34 in den Lader-Einlasskanal 42 verhindert. Aus dem Verdichterrad 11 des Abgasturboladers 6 stammende Luft strömt durch den ersten Strömungspfad 13 und in den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 des Ladeluftkühlers 4 hinein. Die Luft strömt dann durch die in dem Führungsrahmen 60 vorhandenen Strömungsöffnungen 66 und an der Öffnung 34 vorbei. Die Luft übt einen Druck auf die Klappe 52 aus, der die Klappe 52 an der planaren Oberfläche 36 und der Stützkonstruktion 56 hält, gegen den Luftdruck innerhalb des Lader-Einlasskanals 42. Der Luftstrom durch den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 wird in 8 als eine gestrichelte Linie mit einem Pfeil gezeigt, der die Strömungsrichtung der Luft anzeigt. Die durch den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 strömende Luft erreicht dann den Krümmerabschnitt 38 des Einlassbehälters 22, in dem die Luft auf die Vielzahl von Wärmetauscherrohren 26 verteilt wird. Die Luft wird in dem Auslassbehälter 24 rekombiniert, bevor die Luft zu dem Motor 5 befördert wird.
Während des Betriebs des Abgasturboladersystems 1 in der Betriebsart Lader steigt der Druck der aus dem elektrischen Lader 3 stammenden Luft, bis der Druck der aus dem zweiten Strömungspfad 14 in den Lader-Einlasskanal 42 einströmenden Luft höher ist als der Druck der aus dem ersten Strömungspfad 13 in den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 einströmenden Luft. Die Druckdifferenz bewirkt, dass der Ventilmechanismus 50 sich in die zweite Stellung bewegt, in der sich die Klappe 52 von der Öffnung 34 weg biegt, während sie sich an die gekrümmte Form des Führungsrahmens 60 anpasst. Die Klappe 52 bedeckt jede der in dem Führungsrahmen 60 ausgebildeten Öffnungen 66, um zu verhindern, dass der über den ersten Strömungspfad 13 in das Einlassende des Abgasturbolader-Einlasskanals 32 einströmende Luftstrom den Krümmerabschnitt 38 des Einlassbehälters 22 erreicht. Die aus dem elektrischen Lader 3 und dem zweiten Strömungspfad 14 stammende Luft kann entsprechend von dem Lader-Einlasskanal 42 und in den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 strömen, wie durch die gestrichelte Linie mit einem Pfeil in 9 dargestellt, bevor sie in den Krümmerabschnitt 38 des Einlassbehälters 22 einströmt.
Während der Betriebsart Lader erhöht der Abgasturbolader 6 weiterhin die Kompressionsleistung, bis das Verdichterrad 11 in der Lage ist, die durch den ersten Strömungspfad 13 strömende Luft in einem gewünschten Maße und ohne die kontinuierliche Hilfe des elektrischen Laders 3 zu verdichten. Der elektrische Lader 3 wird entsprechend nach einer solchen Feststellung deaktiviert, während der Druck der aus dem ersten Strömungspfad 13 stammenden und in den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 einströmenden Luft schließlich den Druck der aus dem zweiten Strömungspfad 14 stammenden und in den Lader-Einlasskanal 42 einströmenden Luft übersteigt. Der Ventilmechanismus 50 wird entsprechend in die erste Stellung zurückpositionieren, in der die Klappe 52 die Öffnung 34 wieder bedeckt und blockiert.
Die 10 und 11 zeigen einen Ventilmechanismus 150 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Ventilmechanismus 150 ähnelt im Wesentlichen dem Ventilmechanismus 50, bis darauf, dass die flexible Klappe 52 durch eine steife Klappe 152 ersetzt ist, die mittels eines Gelenkmechanismus 158 schwenkbar mit der planaren Oberfläche 36 der Seitenwand 33 verbunden ist. Die Klappe 152 bildet ein verstellbares Ventilelement des Ventilmechanismus 150, konfiguriert für eine passive Nachstellung als Reaktion auf eine Druckdifferenz in dem Ventilmechanismus 150. Die Klappe 152 kann aus einem beliebigen steifen Werkstoff gebildet sein, der geeignet ist, der Temperatur der durch den Einlassbehälter 22 strömenden Heißluft standzuhalten. Die Klappe 152 kann aus einem harten Plastik oder Metall gebildet sein, als nicht begrenzende Beispiele. Die Klappe 152 kann derart ausgebildet sein, dass sie dieselbe Umfangsform umfasst wie die Klappe 52, umfassend ein geradliniges erstes Ende 153 und ein halbkreisförmiges zweites Ende 154.
Der Gelenkmechanismus 158 umfasst eine Gelenkplatte 160 mit einer ersten Vielzahl von Gelenken 162, die sich davon erstrecken, eine zweite Vielzahl von Gelenken 155, die an einem ersten Ende 153 der Klappe 152 ausgebildet sind, und einen Gelenkbolzen 159, konfiguriert für die Aufnahme einer Vielzahl von fluchtenden Öffnungen, die in jedem der Gelenke 155, 162 ausgebildet sind. Die Gelenkplatte 160 kann auf Wunsch mittels eines oder mehrerer Verbindungselement(e) 151 mit der Seitenwand 33 verbunden werden.
Der Ventilmechanismus 150 benötigt aufgrund der Steife der Klappe 152 keinen Führungsrahmen 60. Aus demselben Grund benötigt der Lader-Einlasskanal 42 keine Stützkonstruktion 56. Der Abgasturbolader-Einlasskanal 32 kann jedoch eine darin ausgebildete Kante 31 umfassen, als eine Sitzfläche für das Anliegen einer Peripherie der Klappe 152, wenn diese von der Öffnung 34 weggeschwenkt wird.
Der Ventilmechanismus 150 funktioniert im Wesentlichen ähnlich wie der Ventilmechanismus 50, wobei die Klappe 152 zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung verstellbar ist. Die erste Stellung umfasst die Klappe 152 an der planaren Oberfläche 36 anliegend angeordnet, um die Öffnung 34 während der Betriebsart Abgasturbolader zu blockieren. Die zweite Stellung umfasst die Klappe 152 über den Gelenkmechanismus 158 von der Öffnung 34 weg und an die Kante 31 geschwenkt, um die Öffnung 34 freizugeben. Die Verstellung des Ventilmechanismus 150 zwischen der ersten und zweiten Stellung hängt von dem Druck der aus jedem der Strömungspfade 13, 14 stammenden Luft ab.
Die 12-14 zeigen einen Ventilmechanismus 250 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Ventilmechanismus 250 ist für eine Platzierung innerhalb des Lader-Einlasskanals 42 konfiguriert, wobei ein aus dem elektrischen Lader 3 und dem zweiten Strömungspfad 14 stammender Luftstrom aus der in den 13 und 14 gezeigten Perspektive von links nach rechts strömt, während er den Lader-Einlasskanal 42 durchströmt. Der Ventilmechanismus 250 umfasst eine Umfangsform, die der Form einer Innenfläche der Seitenwand 43 des Lader-Einlasskanals 42 entspricht. In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Ventilmechanismus 250 eine kreisförmige Umfangsform entsprechend der zylindrischen Form des Lader-Einlasskanals 42, es können jedoch andere Formen für den Lader-Einlasskanal 42 und den Ventilmechanismus 250 gewählt werden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Der Ventilmechanismus 250 umfasst eine erste Wand 251, die mit einer zweiten Wand 252 schwenkbar verbunden ist. Ein Gelenkmechanismus 254 des Ventilmechanismus 250 umfasst ein Paar erste Drehgelenke 255, die sich von der ersten Wand 251 erstrecken, ein Paar zweite Drehgelenke 256, die sich von der zweiten Wand 252 erstrecken, und einen Gelenkbolzen 258, der sich durch in den ersten und zweiten Drehgelenken 255, 256 ausgebildete Öffnungen erstreckt. Der Gelenkbolzen 258 bildet eine Drehachse, um die sich die ersten und zweiten Wände 251, 252 drehen. Der Gelenkbolzen 258 erstreckt sich zwischen diametral entgegengesetzten Seitenflächen der Seitenwand 43, die den Lader-Einlasskanal 42 definieren, und stützt den Ventilmechanismus 250 innerhalb des Lader-Einlasskanals 42.
Eine Drehfeder 260 umschließt den Gelenkbolzen 258 entlang einer Mittelregion desselben. Die Drehfeder 260 kann aus einer Spule aus einem um den Gelenkbolzen 258 herumgewundenen federnden Material gebildet sein, es kann jedoch jede Art von Drehfeder 260 verwendet werden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Drehfeder 260 wird derart gezeigt, dass sie einen an der ersten Wand 251 anliegenden ersten Fortsatz 261 und einen an der zweiten Wand 252 anliegenden zweiten Fortsatz 262 umfasst. Die Fortsätze 261, 262 sind derart konfiguriert, dass sie normalerweise die erste und die zweite Wand 251, 252 in eine erste Stellung des Ventilmechanismus 250 drängen, in der die erste und die zweite Wand 251, 251 im Wesentlichen komplanar miteinander angeordnet sind, sodass sie sich über den gesamten Durchströmungsquerschnitt des Lader-Einlasskanals 42 erstrecken, wie in 13 gezeigt. Die Drehfeder 260 bildet entsprechend ein Vorspannelement für das Normalvorspannen des Ventilmechanismus 250 in die erste Stellung. Eine zweite Stellung des Ventilmechanismus 250 umfasst ein Zusammenklappen der ersten und der zweiten Wand 251, 252 zueinander, wie in 14 gezeigt, und muss gegen das Drängen der Drehfeder 260 in Richtung der ersten Stellung erfolgen. Die erste und die zweite Wand 251, 252 bilden entsprechend verstellbare Ventilelemente des Ventilmechanismus 250, konfiguriert für eine passive Nachstellung als Reaktion auf eine Druckdifferenz in dem Ventilmechanismus 250.
Eine von der Drehachse des Ventilmechanismus 250 beabstandete Abstandsnase 259 ist jeweils an einem distalen Ende der ersten und der zweiten Wand 251, 252 ausgebildet. Die Abstandsnasen 259 sind derart konfiguriert, dass sie zusammenwirken, um die erste und die zweite Wand 251, 252 in einer im Wesentlichen parallelen Ausrichtung zu positionieren, wenn der Ventilmechanismus 250 in die zweite Stellung gebracht ist. Die parallele Ausrichtung der ersten und der zweiten Wand 251, 252 verhindert, dass der in dem Ventilmechanismus 250 strömende Luftstrom in der zweiten Stellung einen übermäßigen Druckabfall erfahren muss.
Während der Betriebsart Abgasturbolader befindet sich der Ventilmechanismus 250 normalerweise in der ersten Stellung, als Ergebnis sowohl des Drucks der aus dem Abgasturbolader 6 stammenden Luft als auch des Drängens der Drehfeder 260. Bei Aktivierung des elektrischen Laders 3 während der Betriebsart Lader übersteigt schließlich der Druck der aus dem elektrischen Lader 3 stammenden Luft den Druck der aus dem Abgasturbolader 6 stammenden Luft. Der Ventilmechanismus 250 beginnt, sich in die zweite Stellung zu bewegen, wenn eine durch eine Druckdifferenz zwischen der aus dem elektrischen Lader 3 stammenden Luft und der aus dem Abgasturbolader 6 stammenden Luft verursachte Kraft die Kraft der Drehfeder 260, die den Ventilmechanismus 250 in die erste Stellung drängt, übersteigt. Die erste und die zweite Wand 251, 252 schwenken zueinander, bis die Abstandsnasen 259 aneinander anliegen.
Die Positionierung des Ventilmechanismus 250 in die zweite Stellung ermöglicht es dem aus dem elektrischen Lader 3 stammenden Luftstrom, an dem Ventilmechanismus 250 vorbei und in den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 und anschließend in den Krümmerabschnitt 38 des Einlassbehälters 22 zu strömen. Bei Deaktivierung des elektrischen Laders 3 kehrt der Ventilmechanismus 250 in die erste Stellung zurück, als Ergebnis der durch die Drehfeder 260 ausgeübten Federkraft.
Die 15 und 16 zeigen einen Ventilmechanismus 350 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Ventilmechanismus 350 umfasst einen Kolben 362, ein Federelement 365 und eine Stützkonstruktion 370. Der Kolben 362 umfasst einen Boden 363 und eine Welle 364. Die Welle 364 ist innerhalb einer in der Stützkonstruktion 370 ausgebildeten Öffnung 371 verschiebbar aufgenommen. Das Federelement 365 ist eine Druckfeder, die die Welle 364 des Kolbens 362 umschließt und zwischen dem Boden 363 des Kolbens 362 und einem die Öffnung 371 umschließenden Abschnitt der Stützkonstruktion 370 angeordnet ist. Das Federelement 365 bildet ein Vorspannelement, das derart konfiguriert ist, dass es den Boden 363 des Kolbens 362 normalerweise in eine Richtung weg von der Stützkonstruktion 370 drängt. Der Kolben 362 bildet ein verstellbares Ventilelement des Ventilmechanismus 350, das für eine passive Nachstellung als Reaktion auf eine Druckdifferenz in dem Ventilmechanismus 350 konfiguriert ist.
Die Stützkonstruktion 370 ist mit einer Innenfläche der Seitenwand 43 des Lader-Einlasskanals 42 verbunden oder erstreckt sich von derselben. Die Stützkonstruktion 370 definiert zumindest eine Strömungsöffnung 372, um es einer durch den Ventilmechanismus 350 strömenden Luft zu ermöglichen, durch die oder um die Stützkonstruktion 370 herum zu fließen.
Der Ventilmechanismus 350 ist innerhalb eines Abschnitts des Lader-Einlasskanals 42 angeordnet, wobei ein aus dem elektrischen Lader 3 und dem zweiten Strömungspfad 14 stammender Luftstrom aus der in den 15 und 16 gezeigten Perspektive von links nach rechts strömt, während er den Lader-Einlasskanal 42 durchströmt.
Der Lader-Einlasskanal 42 kann bei gemeinsamer Verwendung mit dem Ventilmechanismus 350 eine modifizierte Struktur umfassen. Der Lader-Einlasskanal 42 umfasst einen ringförmigen Vorsprung 347, der sich von einem Rest der Innenfläche der Seitenwand 43 radial einwärts erstreckt. Der ringförmige Vorsprung 347 bildet eine Sitzfläche, konfiguriert für das Anliegen des Bodens 363 des Kolben 362.
Der Kolben 362 ist derart konfiguriert, dass er zwischen einer ersten Stellung des Ventilmechanismus 350 (15), in der der Boden 363 des Kolbens 362 an dem ringförmigen Vorsprung 347 anliegt und eine Strömung an dem Ventilmechanismus 350 vorbei blockiert, und einer zweiten Stellung des Ventilmechanismus 350 (16), in der der Boden des Kolbens 363 von dem ringförmigen Vorsprung 347 beabstandet ist, um es einer aus dem elektrischen Lader 3 stammenden Strömung zu ermöglichen, an dem Ventilmechanismus 350 vorbei und in den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 und schließlich in den Krümmerabschnitt 38 des Einlassbehälters 22 zu strömen.
In der Betriebsart Abgasturbolader befindet sich der Ventilmechanismus 350 üblicherweise in der ersten Stellung, aufgrund der Kraft des Federelements 365 gegen den Boden 363 des Kolbens 362 sowie des Drucks der aus dem Abgasturbolader 6 stammenden Luft, die auf die Rückfläche des Bodens 363 trifft.
Bei Aktivierung des elektrischen Laders 3 während der Betriebsart Lader steigt der Druck der aus dem elektrischen Lader 3 stammenden Luft, bis eine von dem Druck der aus dem elektrischen Lader 3 stammenden Luft auf den Boden 363 ausgeübte Kraft eine gebündelte Kraft umfassend den auf den Boden 363 ausgeübten Druck der aus dem Abgasturbolader 6 stammenden Luft und die auf den Boden 363 ausgeübte Kraft des Federelements 365 übersteigt. Der Kolben 363 bewegt sich entsprechend weg von der durch den ringförmigen Vorsprung 347 gebildeten Sitzfläche und hin zu der zweiten Stellung, wodurch es einer aus dem elektrischen Lader 3 stammenden Luft ermöglicht wird, um den Boden 363 des Kolbens 362 herum und hin zu dem Abgasturbolader-Einlasskanal 32 und schließlich dem Krümmerabschnitt 38 des Einlassbehälter 22 zu strömen.
Die 17-19 zeigen einen Ventilmechanismus 450 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Ventilmechanismus 450 umfasst eine innerhalb des Lader-Einlasskanals 42 angeordnete Kugel 452, wobei ein aus dem elektrischen Lader 3 und dem zweiten Strömungspfad 14 stammender Luftstrom aus der in den 18 und 19 gezeigten Perspektive von links nach rechts strömt, während er den Lader-Einlasskanal 42 durchströmt. Der Lader-Einlasskanal 42 umfasst einen sich radial einwärts erstreckenden ringförmigen Vorsprung 447 auf einer Anströmseite der Kugel 452 in Bezug auf die Strömungsrichtung der aus dem elektrischen Lader 3 stammenden und durch den Lader-Einlasskanal 42 strömenden Luft. Eine Sitzkonstruktion 460 ist auf einer Abströmseite der Kugel 452 in Bezug auf die Strömungsrichtung der Luft durch den Lader-Einlasskanal 42 angeordnet. Die Sitzkonstruktion 460 umfasst einen ringförmigen Rahmen 462 mit einer darin ausgebildeten kreisförmigen Öffnung 464. Die kreisförmige Öffnung 464 weist einen Innendurchmesser auf, der kleiner ist als ein Außendurchmesser der Kugel 452. Eine Vielzahl von umfangsmäßig beabstandeten Speichen 466 erstreckt sich radial auswärts von dem Rahmen 462 zu einer Innenfläche der Seitenwand 43, die den Lader-Einlasskanal 42 bildet. Eine Vielzahl von Strömungsöffnungen 467 ist zwischen jeweils angrenzenden Speichen 466 eingefügt.
Der Ventilmechanismus 450 ist zwischen einer ersten Stellung (18) und einer zweiten Stellung (19) verstellbar. Der Ventilmechanismus 450 befindet sich in der ersten Stellung, wenn die Kugel 452 auf einer von dem ringförmigen Vorsprung 447 ausgebildeten ersten ringförmigen Sitzfläche aufliegt. Der Ventilmechanismus 450 befindet sich in der zweiten Stellung, wenn die Kugel 452 auf einer von einer Oberfläche des ringförmigen Rahmens 462, der darin die kreisförmige Öffnung 464 definiert, gebildeten zweiten ringförmigen Sitzfläche aufliegt. Die Kugel 452 bildet entsprechend ein verstellbares Ventilelement des Ventilmechanismus 450, das für eine passive Nachstellung als Reaktion auf eine Druckdifferenz in dem Ventilmechanismus 450 konfiguriert ist.
Während des Betriebs in der Betriebsart Abgasturbolader bewirkt der im Vergleich zu der aus dem elektrischen Lader 3 stammenden Luft höhere Druck der aus dem Abgasturbolader 6 stammenden Luft, dass eine der Sitzkonstruktion 460 zugewandte Seite der Kugel 452 einen höheren Druck erfährt als die dem ringförmigen Vorsprung 447 zugewandte Seite der Kugel 452. Diese Druckdifferenz bewirkt, dass sich die Kugel 452 in Richtung des ringförmigen Vorsprungs 447 bewegt, bis die Kugel 452 in der ersten Stellung auf dem ringförmigen Vorsprung 447 aufliegt, wodurch ein aus dem Abgasturbolader 6 stammender Luftstrom daran gehindert wird, an dem ringförmigen Vorsprung 447 vorbei und hin zu dem elektrischen Lader 3 zu strömen, während der Ventilmechanismus 450 in die erste Stellung gebracht ist.
Bei Aktivierung des elektrischen Laders 3 in der Betriebsart Lader steigt der Druck der aus dem elektrischen Lader 3 stammenden Luft, bis der Druck der aus dem elektrischen Lader 3 stammenden Luft den Druck der aus dem Abgasturbolader 6 stammenden Luft übersteigt. Die Kugel 452 bewegt sich in Richtung der zweiten Stellung des Mechanismus 450, in der die Kugel 452 auf dem ringförmigen Rahmen 462 der Sitzkonstruktion 460 aufliegt. Die Kugel 452 ist in einem mittleren Abschnitt des Lader-Einlasskanals 42 platziert, um es dem aus dem elektrischen Lader 3 stammenden Luftstrom zu ermöglichen, um die Außenfläche der Kugel 452 herum und durch die den ringförmigen Rahmen 462 umgebenden Strömungsöffnungen 467 zu strömen. Die zweite Stellung des Ventilmechanismus 450 ermöglicht es entsprechend der aus dem elektrischen Lader 3 stammenden Luft, an dem Ventilmechanismus 450 vorbei und in den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 und schließlich in den Krümmerabschnitt 38 des Einlassbehälters 22 zu strömen.
Die 20-22 zeigen einen Ventilmechanismus 550 gemäß einer weiteren Ausführungsform . Der Ventilmechanismus 550 ist innerhalb des Lader-Einlasskanals 42 angeordnet, wobei ein aus dem elektrischen Lader 3 und dem zweiten Strömungspfad 14 stammender Luftstrom aus der in den 21 und 22 gezeigten Perspektive von links nach rechts strömt, während er den Lader-Einlasskanal 42 durchströmt. Der Ventilmechanismus 550 umfasst eine Stützplatte 552 und eine Zungenplatte 560. Die Stützplatte 552 umfasst eine kreisförmige Profilform, die der Kreisform des zylindrischen Lader-Einlasskanals 42 entspricht. Wie in den 21 und 22 gezeigt, ist die Stützplatte 552 derart konfiguriert, dass sie sich über den gesamten Durchströmungsquerschnitt durch den Lader-Einlasskanal 42 erstreckt, während sie in Bezug auf eine Längsrichtung des Lader-Einlasskanals 42 abgewinkelt ist. Die Stützplatte 552 wird derart gezeigt, dass sie bezüglich der Längsrichtung des Lader-Einlasskanals 42 etwa 45 Grad abgewinkelt ist, es können jedoch alternative Winkel verwendet werden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die abgewinkelte Konfiguration der Stützplatte 552 führt dazu, dass die Stützplatte 552 eine im Wesentlichen elliptische Umfangsform aufweist. Durch einen mittleren Abschnitt der Stützplatte 552 ist eine Strömungsöffnung 565 ausgebildet.
Die Zungenplatte 560 ist zwischen der Strömungsöffnung 565 und einer Innenfläche der Seitenwand 43 des Lader-Einlasskanals 42 mit der Stützplatte 552 verbunden. In der gezeigten Ausführungsform ist die Zungenplatte 560 mit der Stützplatte 552 durch ein Paar Verbindungselemente 551 in einer Schraube-und-Mutter-Konfiguration verbunden, es kann jedoch auf Wunsch jedes Verbindungsverfahren verwendet werden.
Die Zungenplatte 560 ist so dimensioniert und positioniert, dass sie üblicherweise die gesamte in der Stützplatte 552 ausgebildete Strömungsöffnung 565 abdeckt, wenn sich die Zungenplatte 560 in einer ersten Stellung (21) befindet, wobei die erste Stellung die Zungenplatte 560 parallel zu der Stützplatte 552 und an dieser um eine Peripherie der Strömungsöffnung 565 anliegend umfasst. Die Zungenplatte 560 ist derart konfiguriert, dass sie sich von der Strömungsöffnung 565 weg biegt, wenn eine Kraft des durch die Strömungsöffnung 565 auf die Zungenplatte 560 treffenden Luftdrucks eine Kraft des Luftdrucks, der die Zungenplatte 560 in Richtung der Stützplatte 552 drängt, übersteigt. Die Zungenplatte 560 ist in eine zweite Stellung (22) gebracht, wenn die Zungenplatte 560 von der Stützplatte 552 weggeschwenkt wurde, um eine Fluidkommunikation zwischen gegenüberliegenden Seiten der Stützplatte 552 durch die Strömungsöffnung 565 zu ermöglichen. Die Zungenplatte 560 bildet entsprechend ein verstellbares Ventilelement des Ventilmechanismus 550, das für eine passive Nachstellung als Reaktion auf eine Druckdifferenz in dem Ventilmechanismus 550 konfiguriert ist.
Die Zungenplatte 560 ist aus einem federnden Werkstoff gebildet, der derart konfiguriert ist, dass er sich als Reaktion auf eine Kraft biegt und in eine ursprüngliche Form zurückkehrt, wenn die Kraft nicht länger auf die Zungenplatte 560 wirkt. Die Zungenplatte 560 kann aus einem beliebigen federnden Werkstoff gebildet sein, der die notwendige Steifigkeit, Dauerhaftigkeit und Rückfederkraft aufweist, einschließlich eines metallischen Materials wie Federstahl. Die Rückfederkraft der Zungenplatte 560 ermöglicht es der Zungenplatte 560, in die erste Stellung zurückzukehren, wenn in dem Ventilmechanismus 550 keine Druckdifferenz vorliegt. Die Steifigkeit und die Rückfederkraft der Zungenplatte 560 bilden entsprechend ein Vorspannelement für das Normalvorspannen des Ventilmechanismus 550 in Richtung seiner ersten Stellung.
Während der Betriebsart Abgasturbolader befindet sich die Zungenplatte 560 aufgrund der Kraft des aus dem Abgasturbolader 6 stammenden Luftdrucks in der ersten Stellung. Bei Aktivierung des elektrischen Laders 3 während der Betriebsart Lader steigt der Druck der aus dem elektrischen Lader 3 stammenden Luft, bis eine von dem Druck der aus dem elektrischen Lader 3 stammenden Luft durch die Strömungsöffnung 565 auf die Zungenplatte 560 ausgeübte Kraft eine gebündelte Kraft umfassend den auf die Zungenplatte 560 ausgeübten Druck der aus dem Abgasturbolader 6 stammenden Luft und eine Federkraft, erzeugt durch die Neigung der federnden Zungenplatte 560, einer Verformung weg von der Stützplatte 552 zu widerstehen, übersteigt. Die Zungenplatte 560 schwenkt weg von der Stützplatte 552, um die Strömungsöffnung 565 zu öffnen, wodurch es der aus dem elektrischen Lader 3 stammenden Luft ermöglicht wird, durch die Strömungsöffnung 565 und hin zu dem Abgasturbolader-Einlasskanal 32 und schließlich dem Krümmerabschnitt 38 des Einlassbehälters 22 zu strömen.
23 zeigt einen Ventilmechanismus 650 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Ventilmechanismus 650 ähnelt im Wesentlichen dem Ventilmechanismus 550 und umfasst ein Paar Stützplatten 652, die quer zueinander angeordnet sind und sich in einem mittleren Abschnitt des Lader-Einlasskanals 42 treffen, in dem der Ventilmechanismus 650 angeordnet ist. Die Stützplatten 652 können auf Wunsch in Bezug auf eine durch eine Mitte des Lader-Einlasskanals 42 verlaufende Ebene symmetrisch angeordnet sein. In der gezeigten Ausführungsform sind die Stützplatten 652 in Bezug auf eine Strömungsrichtung der aus dem Lader 3 stammenden und durch den Lader-Einlasskanal 42 strömenden Luft in einem 45-Grad-Winkel angeordnet, es können jedoch andere Winkel gewählt werden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Stützplatten 652 sind derart angeordnet, dass sie sich über den gesamten Durchströmungsquerschnitt durch den Lader-Einlasskanal 42 erstrecken. Aufgrund der zylindrischen Form des Lader-Einlasskanals 42 kann jede der Stützplatten 652 durch den Lader-Einlasskanal 42 gesehen ein im Wesentlichen halbkreisförmiges Profil umfassen. Jede der Stützplatten 652 kann entsprechend eine halbelliptische Umfangsform umfassen, um der zylindrischen Kontur der Innenfläche des Lader-Einlasskanals 42 zu entsprechen.
Jede der Stützplatten 652 umfasst eine entsprechende Zungenplatte 660. Jede der Zungenplatten 660 ist mit einer der Stützplatten 652 neben der Kreuzung der Stützplatten 652 mittels eines oder mehrerer Verbindungselement(e) 651 verbunden. Die Zungenplatten 660 weisen dieselben Merkmale auf wie die mit Bezug auf den Ventilmechanismus 550 beschriebene Zungenplatte 560. Jede der Zungenplatten 660 bedeckt eine entsprechende in einer der Stützplatten 652 ausgebildete Strömungsöffnung 665. Jede der Strömungsöffnungen 665 und jede der Zungenplatten 660 kann eine im Wesentlichen halbelliptische Umfangsform aufweisen, was durch den Lader-Einlasskanal 42 gesehen zu einer halbkreisförmigen Profilform führt.
Der Ventilmechanismus 650 funktioniert auf dieselbe Art wie der Ventilmechanismus 550, wobei ein Druck der aus dem elektrischen Lader 3 stammenden Luft die Steifigkeit jeder der Zungenplatten 660 überwindet, um jede der Zungenplatten 660 von einer der entsprechenden Strömungsöffnungen 665 weg zu schwenken. Die symmetrische Anordnung der Strömungsöffnungen 665 bezüglich einer Mittelebene des Lader-Einlasskanals 42 führt dazu, dass die an dem Ventilmechanismus 650 vorbeiströmende Luft ein symmetrisches Strömungsbild aufweist, im Gegensatz zu dem Strömungsbild der an dem Ventilmechanismus 550 vorbeiströmenden Luft, bedingt durch das Öffnen dessen Zungenplatte 560 in Richtung einer Seite des Lader-Einlasskanals 42.
Die Ventilmechanismen 50 und 150 sind dafür geeignet, ein unerwünschtes Einströmen von Luft in eine der Strömungspfade 13, 14 zu verhindern, aufgrund der Art, auf die jeder der Ventilmechanismen 50, 150 zwischen einer ersten Stellung, in der eine Strömung von dem elektrischen Lader 3 blockiert wird, und einer zweiten Stellung, in der eine Strömung von dem Abgasturbolader 6 blockiert wird, schwenkt. Es ist vorteilhaft, den aus dem Abgasturbolader 6 und dem ersten Strömungspfad 13 stammenden Luftstrom daran zu hindern, in den zweiten Strömungspfad 14 mit dem elektrischen Lader 3 einzuströmen, da die aus dem Abgasturbolader 6 stammende Luft von dem Verdichterrad 11 des Abgasturboladers 6 erhitzt wurde, wobei eine solche Heißluft in der Lage ist, Komponenten des elektrischen Laders 3 zu beschädigen, wenn sie während dessen inaktiver Phase auf diese trifft. Es ist außerdem vorteilhaft, den aus dem elektrischen Lader 3 und dem zweiten Strömungspfad 14 stammende Luft daran zu hindern, durch einen Abschnitt des Abgasturbolader-Einlasskanals 32 zu strömen, der zu dem ersten Strömungspfad 13 führt. Das ist richtig, weil der zusätzliche Durchsatz des Abschnitts des Abgasturbolader-Einlasskanals 32 und des ersten Strömungspfads 13, die für ein Einströmen der aus dem Lader-Einlasskanal 42 ausströmenden Luft offen und verfügbar sind, dazu neigt, den Druck der schließlich den Krümmerabschnitt 38 erreichenden Luft zu verringern, wodurch ein Wirkungsgrad des Abgasturboladersystems 1 vermindert wird.
Die Ventilmechanismen 50, 150 ermöglichen so eine passive Steuerung des in den Krümmerabschnitt 38 des Einlassbehälters 22 und anschließend in den Motor 5 des Kraftfahrzeugs eintretenden Luftstroms. Die von den Ventilmechanismen 50, 150 durchgeführte passive Steuerung vereinfacht stark einen Steuerungsplan des Abgasturboladersystem 1, indem keine aktiv gesteuerten elektrischen Komponenten wie aktiv gesteuerte Ventile zwischen dem Ladeluftkühler 4 und dem elektrischen Lader 3 beziehungsweise dem Abgasturbolader 6 notwendig sind.
Die Ventilmechanismen 250, 350, 450, 550, 650 unterscheiden sich von den Ventilmechanismen 50, 150 dadurch, dass die Ventilmechanismen 250, 350, 450, 550, 650 jeweils ausschließlich innerhalb des Lader-Einlasskanals 42 angeordnet sind, um einen unerwünschten aus dem Abgasturbolader 6 stammenden Luftstrom daran zu hindern, den zweiten Strömungspfad 14 und den elektrischen Lader 3 zu erreichen. Folglich hindern die Ventilmechanismen 250, 350, 450, 550, 650 keinen aus dem elektrischen Lader 3 stammenden Luftstrom daran, beim Einströmen in den Abgasturbolader-Einlasskanal 32 in Richtung des ersten Strömungspfads 13 zu strömen. Der Einlassbehälter 22 kann jedoch derart modifiziert werden, dass ein Einströmen in beide Einlasskanäle 32, 42 gesteuert wird, indem lediglich die Struktur eines der Ventilmechanismen 250, 350, 450, 550, 650 innerhalb des Abgasturbolader-Einlasskanals 32 auf der Anströmseite der Kreuzung der Einlasskanäle 32, 42 wiederholt wird. Jeder der innerhalb des Abgasturbolader-Einlasskanals 32 vorhandenen Ventilmechanismen 250, 350, 450, 550, 650 würde entsprechend angeordnet, wobei ein aus dem Verdichterrad 11 stammender Luftstrom jeden der entsprechenden Ventilmechanismen 250, 350, 450, 550, 650 während Phasen der ausschließlichen Verwendung des Abgasturboladers 6 öffnen würde, während jeder der Ventilmechanismen 250, 350, 450, 550, 650 während Phasen der Aktivität des elektrischen Laders 3 schließen würde. Die Steuerung des den Krümmerabschnitt 38 des Einlassbehälters 22 erreichenden Luftstroms könnte entsprechend durch Verwendung einer beliebigen Kombination der offenbarten Ventilmechanismen 250, 350, 450, 550, 650 gesteuert werden, während auch ein unerwünschtes Einströmen in die beiden offenbarten zu dem Einlassbehälter 22 führenden Strömungspfade 13, 14 verhindert würde.
Obwohl der Lader-Einlasskanal 42 derart gezeigt und beschrieben wird, dass er den größeren Abgasturbolader-Einlasskanal 32 kreuzt, versteht es sich, dass die Einlasskanäle 32, 42 strukturell umgekehrt werden können, ohne die Wirkungsweise des Abgasturboladersystems 1 signifikant zu verändern. Beispielsweise kann der Lader-Einlasskanal den größeren Durchmesser der beiden Einlasskanäle aufweisen und er kann eine planare Oberfläche umfassen, die dafür geeignet ist, den Abgasturbolader-Einlasskanal mit dem kleineren Durchmesser aufzunehmen. Jeder der Ventilmechanismen 50, 150, 250, 350, 450, 550, 650 kann entsprechend derart angeordnet sein, dass derselbe Zusammenhang bezüglich des Lader-Einlasskanals mit dem größeren Durchmesser besteht, wie hierin bezüglich des Abgasturbolader-Einlasskanals 32 offenbart.
Die Ventilmechanismen 50, 150, 250, 350, 450, 550, 650 werden durchgehend derart gezeigt und beschrieben, dass sie in einem Abschnitt eines Einlassbehälters 22 des Ladeluftkühlers 4 ausgebildet sind. Die Einbindung eines jeden der Ventilmechanismen 50, 150, 250, 350, 450, 550, 650 in den Einlassbehälter 22 reduziert eine Komplexität des Abgasturboladersystem 1 auf vorteilhafte Weise, indem zusätzliche Gelenke und Strömungspfade auf der Anströmseite des Ladeluftkühlers 4 eliminiert werden. Die Eliminierung solcher Komponenten ermöglicht eine Verkleinerung des Bauraums des Abgasturboladersystems 1, wodurch zusätzlicher Raum für andere Komponenten verfügbar ist.
Da jeder der Ventilmechanismen 50, 150, 250, 350, 450, 550, 650 bezüglich Strukturelementen eines oder mehrerer Einlasskanäle 32, 42 angeordnet ist, kann jeder der Ventilmechanismen 50, 150, 250, 350, 450, 550, 650 als mit der Struktur des Einlassbehälters 22 kooperierend gelten, um eine Ventileinheit des Einlassbehälters 22 zu bilden. Jeder der passiv gesteuerten Ventilmechanismen 50, 150, 250, 350, 450, 550, 650 kann jedoch derart konfiguriert sein, dass er bezüglich einer beliebigen auf der Anströmseite des Ladeluftkühlers 4 angeordneten Struktur eine Ventileinheit bildet, ohne zwangsläufig von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können die offenbarten Einlasskanäle 32, 42 derart angepasst werden, dass sie ein Anschlussstück für das Verbinden zweier unterschiedlicher Fluidleitungen bilden, wobei das Anschlussstück auf der Anströmseite des Einlassbehälters 22 des Ladeluftkühlers 4 angeordnet und unabhängig von dem Einlassbehälter 22 ausgebildet ist. Ein solches Anschlussstück kann geeignet sein, wenn das Kraftfahrzeug mit dem Abgasturboladersystem 1 nicht den passenden Bauraum für die direkt neben dem Einlassbehälter 22 ausgebildete Struktur der kreuzenden Einlasskanäle 32, 42 aufweist.
Die Struktur der kreuzenden Einlasskanäle 32, 42 kann außerdem derart angepasst werden, dass sie die Strömung zweier Fluidströmungen, die sich an einer Kreuzung zweier Fluidströmungspfade verbinden, passiv steuern, wobei es wechselt, welche der beiden Fluidströmungen einen höheren Druck aufweist. Für Fachleute versteht es sich außerdem, dass die hierin offenbarten Ventilmechanismen 50, 150, 250, 350, 450, 550, 650 in einer Vielzahl von unterschiedlichen Konfigurationen kombiniert werden können, um eine Vielzahl von unterschiedlichen passiven Strömungssteuerungskonfigurationen zu ermöglichen. Die offenbarte Struktur kann auch für die Aufnahme zusätzlicher Einlasskanäle angepasst werden, die ein Fluid mit einem Gleitdruck befördern. Beispielsweise können mehrere unterschiedliche Einlasskanäle mit kleineren Durchmessern den Einlasskanal mit dem größten Durchmesser kreuzen, wobei jeder der Einlasskanäle mit den kleineren Durchmessern einen der bezüglich diesem wie hierin offenbart angeordneten Ventilmechanismen 50, 150, 250, 350, 450, 550, 650 aufweist, zum Beispiel umfassend einen der Ventilmechanismen 50, 150 an jeder Kreuzung zwischen den Einlasskanälen mit den kleineren Durchmessern und dem Einlasskanal mit dem größeren Durchmesser.
Aus der vorstehenden Beschreibung können Fachleute einfach die wesentlichen Merkmale dieser Erfindung bestimmen und, ohne von ihrem Geltungsbereich gemäß den Patentansprüchen abzuweichen, verschiedene Änderungen und Modifikationen an der Erfindung vornehmen, um sie an verschiedene Nutzungen und Bedingungen anzupassen.

Claims

Ventileinheit, aufweisend: eine erste Leitung (32) mit einer von einer Seitenwand (33) definierten Innenfläche, wobei die Seitenwand (33) eine darin ausgebildete Öffnung aufweist; eine zweite, die erste Leitung (42) kreuzende Leitung, wobei die in der Seitenwand (33) der ersten Leitung ausgebildete Öffnung eine Fluidkommunikation zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung ermöglicht; und ein mit der Seitenwand (33) der ersten Leitung verbundenes Ventilelement (52), wobei das Ventilelement (52) passiv verstellbar ist zwischen einer ersten Stellung, in der das Ventilelement (52) Fluidkommunikation zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung verhindert, und einer zweiten Stellung, in der das Ventilelement (52) Fluidkommunikation zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Führungsrahmen (60) quer über einen Durchströmungsquerschnitt der ersten Leitung neben der in der Seitenwand (33) ausgebildeten Öffnung erstreckt, und wobei das Ventilelement (52) an dem Führungsrahmen (60) anliegt, wenn es in die zweite Stellung gebracht wird, und dass der Führungsrahmen (60) zumindest eine durch ihn hindurch gebildete Strömungsöffnung (66) aufweist, die Fluidkommunikation zwischen einem ersten Ende der ersten Leitung und einem zweiten Ende der ersten Leitung ermöglicht.
Ventileinheit nach Anspruch 1, wobei das Ventilelement (52) zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung basierend auf einer zwischen einem Druck eines Fluids in der ersten Leitung und einem Druck eines Fluids in der zweiten Leitung bestehenden Druckdifferenz verstellt wird.
Ventileinheit nach Anspruch 2, wobei sich das Ventilelement (52) in der ersten Stellung befindet, wenn der Druck des Fluids in der ersten Leitung höher ist als der Druck des Fluids in der zweiten Leitung, und wobei sich das Ventilelement (52) in der zweiten Stellung befindet, wenn der Druck des Fluids in der zweiten Leitung höher ist als der Druck des Fluids in der ersten Leitung.
Ventileinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Ende der ersten Leitung mit dem zweiten Ende der ersten Leitung durch die zumindest eine Strömungsöffnung (66) kommuniziert, wenn das Ventilelement (52) in die erste Stellung gebracht wird, und wobei das erste Ende der ersten Leitung daran gehindert wird, durch die zumindest eine Strömungsöffnung (66) mit dem zweiten Ende der ersten Leitung zu kommunizieren, wenn das Ventilelement (52) in die zweite Stellung gebracht wird.
Ventileinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich der Führungsrahmen (60) krümmt, während sich der Führungsrahmen (60) von seinem ersten Ende neben der Öffnung in der Seitenwand (33) bis zu seinem zweiten Ende erstreckt.
Ventileinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Ventilelement (52) eine aus einem flexiblen Werkstoff gebildete Klappe darstellt, die derart eingerichtet ist, dass sie sich zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung biegt.
Ventileinheit nach Anspruch 6, wobei der flexible Werkstoff ein Elastomer aufweist.
Ventileinheit nach Anspruch 7, wobei der flexible Werkstoff außerdem einen Füllwerkstoff aufweist.
Ventileinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Innenfläche der Seitenwand (33) der ersten Leitung eine im Wesentlichen planare Oberfläche und eine konkave Oberfläche definiert.
Ventileinheit nach Anspruch 9, wobei die Öffnung in der planaren Oberfläche der Seitenwand (33) ausgebildet ist und das Ventilelement (52) mit der planaren Oberfläche der Seitenwand (33) verbunden ist.
Ventileinheit nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Ventilelement (52) an einem Abschnitt der planaren Oberfläche der die Öffnung umgebenden Seitenwand (33) anliegt, wenn sich das Ventilelement (52) in der ersten Stellung befindet.
Ventileinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei sich eine Stützkonstruktion über die in der Seitenwand (33) ausgebildete Öffnung erstreckt.
Ventileinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Ventilelement (52) und eine Innenfläche der Seitenwand (33) der ersten Leitung jeweils im Wesentlichen D-förmig sind.
Einlassbehälter (22) für einen Ladeluftkühler (4), aufweisend: einen Krümmerabschnitt (38); einen Abgasturbolader-Einlasskanal (32) in Fluidkommunikation mit einem Verdichterrad (11) eines Abgasturboladers und dem Krümmerabschnitt (38), eine in einer Seitenwand (33) des Abgasturbolader-Einlasskanals (32) ausgebildete Öffnung; einen Lader-Einlasskanal (42) in Fluidkommunikation mit einem Kompressionsmechanismus eines elektrischen Laders (3), wobei die in der Seitenwand (33) des Abgasturbolader-Einlasskanals (32) ausgebildete Öffnung eine Fluidkommunikation zwischen dem Lader-Einlasskanal (42) und dem Abgasturbolader-Einlasskanal (32) ermöglicht; und einen Ventilmechanismus, der passiv verstellbar ist zwischen einer ersten Stellung, in der der Ventilmechanismus Fluidkommunikation zwischen dem Abgasturbolader-Einlasskanal (32) und dem Lader-Einlasskanal (42) verhindert, und einer zweiten Stellung, in der der Ventilmechanismus Fluidkommunikation zwischen dem Abgasturbolader-Einlasskanal (32) und dem Lader-Einlasskanal (42) ermöglicht, wobei sich ein Führungsrahmen (60) quer über einen Durchströmungsquerschnitt der ersten Leitung neben der in der Seitenwand (33) ausgebildeten Öffnung erstreckt, und wobei das Ventilelement (52) an dem Führungsrahmen (60) anliegt, wenn es in die zweite Stellung gebracht wird, und wobei der Führungsrahmen (60) zumindest eine durch ihn hindurch gebildete Strömungsöffnung (66) aufweist, die Fluidkommunikation zwischen einem ersten Ende der ersten Leitung und einem zweiten Ende der ersten Leitung ermöglicht.
Einlassbehälter (22) nach Anspruch 14, wobei der Ventilmechanismus eine flexible Klappe und einen Führungsrahmen (60) aufweist, wobei die Klappe an der Seitenwand (33) um die darin ausgebildete Öffnung anliegt, wenn sich der Ventilmechanismus in der ersten Stellung befindet, und wobei die Klappe an dem Führungsrahmen (60) anliegt, wenn sich der Ventilmechanismus in der zweiten Stellung befindet.
Einlassbehälter (22) nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Ventilmechanismus in die erste Stellung gebracht wird, wenn der Druck einer innerhalb des Abgasturbolader-Einlasskanals (32) vorhandenen Luft höher ist als der Druck einer innerhalb des Lader-Einlasskanals (42) vorhandenen Luft, und wobei der Ventilmechanismus in die zweite Stellung gebracht wird, wenn der Druck der innerhalb des Lader-Einlasskanals (42) vorhandenen Luft höher ist als der Druck der innerhalb des Abgasturbolader-Einlasskanals (32) vorhandenen Luft.
Einlassbehälter (22) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der Ventilmechanismus ein Vorspannelement aufweist, das den Ventilmechanismus normalerweise in die erste Stellung vorspannt.
Einlassbehälter (22) nach Anspruch 17, wobei das Vorspannelement entweder eine lineare Verschiebungsfeder, eine Drehfeder oder eine Zungenplatte ist.