DE102022107878A1

DE102022107878A1 - Intake system for an internal combustion engine

Info

Publication number: DE102022107878A1
Application number: DE102022107878.7A
Authority: DE
Inventors: Holger Paffrath; Wolfgang Kohnen; Alper Turan; Thorsten Reimers
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2022-04-01
Filing date: 2022-04-01
Publication date: 2023-10-05

Abstract

Ansaugsysteme für Verbrennungsmotoren mit einem Ansaugkanal (10), einem Verdichter (12) mit einem Verdichterlaufrad (14), welcher im Ansaugkanal (10) angeordnet ist, einem Abgasrückführkanal (20), der sich in den Ansaugkanal (10) erstreckt, und einem Mischkanal (26), der sich konzentrisch zu einer Nabe (42) des Verdichterlaufrades (14) im Ansaugkanal (10) erstreckt, und in den der Abgasrückführkanal (20) mündet und der am stromaufwärtigen Ende eine Einlassöffnung (30) zum Ansaugkanal (10) aufweist, und am stromabwärtigen Ende eine Auslassöffnung (32) zum Ansaugkanal (10) aufweist, welche gegenüberliegend zum Verdichterlaufrad (14) angeordnet ist, sind bekannt.Um Schäden am Verdichterlaufrad durch Tropfenbildung zu minimieren, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Einlassöffnung (30) am stromaufwärtigen Ende einen geringeren Durchströmungsquerschnitt aufweist als der Mischkanal (26) im zu einer Mündung (24) des Abgasrückführkanals (20) stromabwärtigen Bereich.Intake systems for internal combustion engines with an intake duct (10), a compressor (12) with a compressor impeller (14) which is arranged in the intake duct (10), an exhaust gas recirculation duct (20) which extends into the intake duct (10), and a mixing duct (26), which extends concentrically to a hub (42) of the compressor impeller (14) in the intake channel (10), and into which the exhaust gas recirculation channel (20) opens and which has an inlet opening (30) to the intake channel (10) at the upstream end , and at the downstream end has an outlet opening (32) to the intake channel (10), which is arranged opposite the compressor impeller (14), are known. In order to minimize damage to the compressor impeller due to droplet formation, it is proposed according to the invention that the inlet opening (30) on The upstream end has a smaller flow cross section than the mixing channel (26) in the area downstream of an opening (24) of the exhaust gas recirculation channel (20).

Description

Die Erfindung betrifft ein Ansaugsystem für einen Verbrennungsmotor mit einem Ansaugkanal, einem Verdichter mit einem Verdichterlaufrad, welcher im Ansaugkanal angeordnet ist, einem Abgasrückführkanal, der sich in den Ansaugkanal erstreckt, einem Mischkanal, der sich im Wesentlichen konzentrisch zu einer Nabe des Verdichterlaufrades im Ansaugkanal erstreckt, und in den der Abgasrückführkanal mündet und der am stromaufwärtigen Ende eine Einlassöffnung zum Ansaugkanal aufweist, und am stromabwärtigen Ende eine Auslassöffnung zum Ansaugkanal aufweist, welche gegenüberliegend zum Verdichterlaufrad angeordnet ist.The invention relates to an intake system for an internal combustion engine with an intake duct, a compressor with a compressor impeller which is arranged in the intake duct, an exhaust gas recirculation duct which extends into the intake duct, a mixing duct which extends essentially concentrically to a hub of the compressor impeller in the intake duct , and into which the exhaust gas recirculation channel opens and which has an inlet opening to the intake channel at the upstream end, and has an outlet opening to the intake channel at the downstream end, which is arranged opposite the compressor impeller.

Ansaugsysteme bestehen üblicherweise aus einem Ansaugkanal, über den Luft für den Verbrennungsprozess im Motor angesaugt wird, welche mittels eines Verdichters zur Erhöhung der Füllung und damit der Leistung des Verbrennungsmotors komprimiert wird und andererseits aus einem Abgasrückführkanal, über den Abgas vom Verbrennungsmotor in den Ansaugkanal zurückgeführt wird, um die entstehenden Stickoxide zu verringern.Intake systems usually consist of an intake duct through which air is sucked in for the combustion process in the engine, which is compressed by means of a compressor to increase the filling and thus the performance of the internal combustion engine, and on the other hand of an exhaust gas recirculation duct through which exhaust gas from the internal combustion engine is returned to the intake duct to reduce the nitrogen oxides produced.

Problematisch bei der Niederdruckabgasrückführung, also der Rückführung vor dem Verdichter, ist, dass das Abgas Wasser enthält, welches insbesondere bei der Mischung mit kälterer Luft oder bei geringen Lastzuständen auskondensieren kann, was zu Schäden am Verdichterlaufrad führen kann, wenn die Tropfen bei hohen Drehzahlen und in Bereichen hoher Bahngeschwindigkeiten der Schaufeln des Laufrades auf diese treffen.The problem with low-pressure exhaust gas recirculation, i.e. recirculation before the compressor, is that the exhaust gas contains water, which can condense out, especially when mixed with colder air or at low load conditions, which can lead to damage to the compressor impeller if the drops are released at high speeds and in areas where the blades of the impeller have high path speeds.

Um ein Auftreffen der Tropfen im weiter außen liegenden Bereich des Laufrades, in dem entsprechend höhere Bahngeschwindigkeiten der Laufradschaufeln vorliegen, zu verhindern, wird in der WO 2007/089565 A1 ein Ansaugsystem offenbart, bei dem die Einleitung des Abgases in den Ansaugkanal zentral erfolgt, so dass der Abgasstrom lediglich im weiter innen liegenden Bereich des Laufrades, in dem geringere Bahngeschwindigkeiten der Schaufeln vorliegen, auf das Laufrad trifft. Hierzu ragt der Abgasrückführkanal durch die Wand des Ansaugkanals in den mittleren Bereich des Ansaugkanals und erstreckt sich konzentrisch zum Ansaugkanal durch diesen bis kurz vor das Verdichterlaufrad. Zusätzlich ist der in den Ansaugkanal ragende Bogen des Abgasrückführkanals am zur stromaufwärtigen Seite des Ansaugkanals im zentralen Bereich offen ausgebildet, so dass Luft in den nunmehr als Mischkanal dienenden Kanal einströmen und sich mit dem Abgas vermischen kann. Die Laufstrecke zwischen dem Auslass des Mischkanals und dem Laufrad wird dabei so kurz gewählt, dass ein zu starkes Abströmen in den radial weiter außen liegenden Bereich vor dem Laufrad verhindert wird.In order to prevent the drops from hitting the further outer area of the impeller, in which there are correspondingly higher path speeds of the impeller blades, in the WO 2007/089565 A1 discloses an intake system in which the introduction of the exhaust gas into the intake duct takes place centrally, so that the exhaust gas flow only hits the impeller in the further inner area of the impeller, in which there are lower path speeds of the blades. For this purpose, the exhaust gas recirculation channel protrudes through the wall of the intake channel into the central area of the intake channel and extends concentrically to the intake channel through it to just in front of the compressor impeller. In addition, the bend of the exhaust gas recirculation channel protruding into the intake channel is designed to be open in the central area on the upstream side of the intake channel, so that air can flow into the channel, which now serves as a mixing channel, and mix with the exhaust gas. The running distance between the outlet of the mixing channel and the impeller is chosen to be so short that excessive flow into the radially outer area in front of the impeller is prevented.

Nachteilig an dieser Ausführung ist es jedoch, dass entweder der Widerstand im Abgasrückführkanal zu groß ist, um größere Abgasmengen zurückzuführen oder, bei entsprechend großen Durchströmungsquerschnitten des Mischkanals, ein relativ großer Luftmassenstrom in den Mischkanal einströmt, wodurch ein starke Abkühlung des Abgasstroms erfolgt, der zu einer erhöhten Kondensation im Kanal führt. Durch den sehr engen Spalt zum Laufrad treffen dann viele Tropfen mit relativ hoher Geschwindigkeit im Nabenbereich auf das Laufrad, da der zur Verfügung stehende Durchströmungsquerschnitt für den Abgasstrom beim Ausströmen verringert wird.However, the disadvantage of this design is that either the resistance in the exhaust gas recirculation channel is too great to recirculate larger quantities of exhaust gas or, with correspondingly large flow cross sections of the mixing channel, a relatively large air mass flow flows into the mixing channel, which results in a strong cooling of the exhaust gas flow, which leads to leads to increased condensation in the duct. Due to the very narrow gap to the impeller, many droplets hit the impeller at a relatively high speed in the hub area, as the flow cross section available for the exhaust gas flow is reduced as it flows out.

Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Ansaugsystem zur Verfügung zu stellen, mit dem Schäden am Verdichterlaufrad durch Tropfenbildung, welche durch Kondensation des Wassers im Abgasstrom entsteht, weiter verringert werden können. Hierzu soll möglichst die Entstehung der Tropfen vor dem Laufrad deutlich reduziert werden. Des Weiteren soll auf geringem Bauraum eine möglichst hohe Leistung des Motors erzielt werden, indem durch die Vermeidung von Druckverlusten bei der entsprechenden Baugröße maximale Gasströme erreicht werden.The task is therefore to provide an intake system with which damage to the compressor impeller caused by droplet formation, which occurs due to condensation of the water in the exhaust gas stream, can be further reduced. To this end, the formation of drops in front of the impeller should be significantly reduced if possible. Furthermore, the highest possible engine performance should be achieved in a small space by achieving maximum gas flows by avoiding pressure losses for the corresponding size.

Diese Aufgabe wird durch ein Ansaugsystem für einen Verbrennungsmotor gelöst, welches einen Ansaugkanal aufweist, über den Luft insbesondere über einen Filter und eine Drosselkappe angesaugt wird. Im Ansaugkanal ist ein Verdichterlaufrad eines Verdichters angeordnet, über welches die angesaugte Luft komprimiert wird. Von außen ragt ein Abgasrückführkanal in den Ansaugkanal, über den Abgas aus dem Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors zurückgeführt wird. Hierzu ist üblicherweise im Abgasrückführkanal ein Ventil zur Regulierung der Abgasmenge angeordnet. Der Abgasrückführkanal mündet in einen Mischkanal, der sich konzentrisch zu einer Nabe des Verdichterlaufrades im Ansaugkanal erstreckt. Am stromaufwärtigen Ende weist der Mischkanal eine Einlassöffnung auf, über die Luft in den Mischkanal einströmen kann. Ein stromabwärtiges Ende weist eine Auslassöffnung zum Ansaugkanal auf, welche gegenüberliegend zum Verdichterlaufrad angeordnet ist, welches üblicherweise ebenfalls zentral im Ansaugkanal angeordnet ist, so dass die Auslassöffnung auch zentral vor dem Verdichterlaufrad endet. Durch diese Konzentrizität wird lediglich der Bereich mit den geringst möglichen Bahngeschwindigkeiten der Laufradschaufeln angeströmt, so dass die auf die Schaufeln wirkenden Kräfte minimiert werden. Erfindungsgemäß weist die Einlassöffnung am stromaufwärtigen Ende einen geringeren Durchströmungsquerschnitt auf als der Mischkanal im zu einer Mündung des Abgasrückführkanals stromabwärtigen Bereich. Dies hat zur Folge, dass der Strömungswiderstand für die Luft beim Einströmen in den Mischkanal größer ist als der Strömungswiderstand für das Abgas. Entsprechend findet zwar eine erwünschte Mischung des Abgases mit der Luft im Mischkanal statt, jedoch ohne dass die Abkühlung des Abgases durch den kälteren Luftstrom zu deutlich ausfällt, was dazu führt, dass die im Mischkanal entstehende Kondensation im Vergleich zu bekannten Ausführungen deutlich verringert werden kann. Stattdessen kann für jeden Verbrennungsmotor eine optimale Drosselwirkung der Einlassöffnung ermittelt werden, bei der gerade am Laufrad noch eine möglichst geringe Kondensation des Wassers erfolgt. Entsprechend können Schäden am Laufrad noch einmal deutlich reduziert werden.This task is solved by an intake system for an internal combustion engine, which has an intake duct through which air is sucked in, in particular via a filter and a throttle cap. A compressor impeller of a compressor is arranged in the intake duct, via which the sucked in air is compressed. An exhaust gas recirculation channel protrudes from the outside into the intake channel, through which exhaust gas is returned from the combustion chamber of the internal combustion engine. For this purpose, a valve for regulating the amount of exhaust gas is usually arranged in the exhaust gas recirculation channel. The exhaust gas recirculation channel opens into a mixing channel which extends concentrically to a hub of the compressor impeller in the intake channel. At the upstream end, the mixing channel has an inlet opening through which air can flow into the mixing channel. A downstream end has an outlet opening to the intake duct, which is arranged opposite the compressor impeller, which is usually also arranged centrally in the intake duct, so that the outlet opening also ends centrally in front of the compressor impeller. Due to this concentricity, only the area with the lowest possible path speeds of the impeller blades is flowed into, so that the forces acting on the blades are minimized. According to the invention, the inlet opening at the upstream end has a smaller flow cross section than the mixing channel in the area downstream of an opening of the exhaust gas recirculation channel. This means that the flow resistance for the air as it flows into the mixing channel is greater than the flow resistance for the exhaust gas. Accordingly, a desired mixing of the exhaust gas with the air takes place in the mixing channel, but without the cooling of the exhaust gas being too significant due to the colder air flow, which means that the condensation occurring in the mixing channel can be significantly reduced in comparison to known designs. Instead, an optimal throttling effect of the inlet opening can be determined for each internal combustion engine, in which the lowest possible condensation of water occurs, especially on the impeller. Accordingly, damage to the impeller can be significantly reduced.

Vorzugsweise ist die Auslassöffnung des Mischkanals konzentrisch im Ansaugkanal angeordnet. Durch diese Konzentrizität wird eine gleichmäßige Durchströmung des Einlasskanals und damit des Verdichterlaufrades hergestellt.Preferably, the outlet opening of the mixing channel is arranged concentrically in the intake channel. This concentricity creates a uniform flow through the inlet channel and thus the compressor impeller.

Des Weiteren sind vorteilhafterweise auch die Einlassöffnung und der Mischkanal konzentrisch zum Verdichterlaufrad und zum Ansaugkanal angeordnet. Entsprechend erstreckt sich der gesamte Mischkanal ohne zusätzliche Umlenkungen im Ansaugkanal, wodurch Druckverluste reduziert werden. Zusätzlich wird die Herstellung vereinfacht.Furthermore, the inlet opening and the mixing channel are advantageously arranged concentrically to the compressor impeller and to the intake channel. Accordingly, the entire mixing channel extends without additional deflections in the intake channel, which reduces pressure losses. In addition, production is simplified.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform entspricht der Durchmesser der Auslassöffnung maximal dem 1,5-fachen des Durchmessers der Nabe des Verdichterlaufrades. Unter Nabe wird der radial innere umfänglich geschlossene Teil des Laufrades verstanden, der auf der Welle angeordnet ist und von dem aus sich die Laufradschaufeln erstrecken. Durch diese Wahl des Durchmesserverhältnisses wird einerseits dem Abgasstrom ein ausreichender Durchströmungsquerschnitt zur Verfügung gestellt, um eine ausreichende Abgasmenge zurückzuführen und andererseits eine Anströmung des Laufrades in Bereichen hoher Bahngeschwindigkeiten der Schaufeln verhindert, so dass durch das Auftreffen von Tropfen entstehende Schäden an den Schaufeln minimiert werden.In a particularly preferred embodiment, the diameter of the outlet opening corresponds to a maximum of 1.5 times the diameter of the hub of the compressor impeller. The term hub is understood to mean the radially inner, circumferentially closed part of the impeller, which is arranged on the shaft and from which the impeller blades extend. This choice of diameter ratio, on the one hand, provides the exhaust gas flow with a sufficient flow cross-section in order to recirculate a sufficient amount of exhaust gas and, on the other hand, prevents flow towards the impeller in areas of high blade speeds, so that damage to the blades caused by the impact of drops is minimized.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung erweitert sich der Mischkanal von der Einlassöffnung bis stromaufwärts der Mündung des Abgasrückführkanals kegelstumpfförmig also bis vor der Mündung oder bis zur Mündung. Es handelt sich somit um eine stetige Erweiterung des Durchströmungsquerschnitts, wodurch eine gleichmäßige Strömung mit geringen Druckverlusten erzielt wird.In an advantageous embodiment, the mixing channel expands from the inlet opening to upstream of the mouth of the exhaust gas recirculation channel in a frustoconical shape, i.e. to before the mouth or to the mouth. This is a constant expansion of the flow cross section, which results in a uniform flow with low pressure losses.

Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn der Querschnitt des Abgasrückführkanals kleiner ist als der Querschnitt des Mischkanals stromabwärts der Mündung des Abgasrückführkanals. Dies hat zur Folge, dass zwei Gasströme, die über geringere Öffnungsweiten in den Mischkanal strömen, in dem größeren Mischkanal miteinander vermischt werden, so dass Druckverluste durch eine Querschnittsverengung bezogen auf den Gesamtmassenstrom vermieden beziehungsweise zumindest geringgehalten werden. Entsprechend können größere Gasmengen gefördert werden. Durch den geringen Querschnitt des Abgasrückführkanals entsteht auch eine geringe Einschnürung des Ansaugkanals, wodurch auch hier Druckverluste vermeiden werden.In addition, it is advantageous if the cross section of the exhaust gas recirculation channel is smaller than the cross section of the mixing channel downstream of the mouth of the exhaust gas recirculation channel. The result of this is that two gas streams that flow into the mixing channel via smaller opening widths are mixed with one another in the larger mixing channel, so that pressure losses are avoided or at least kept low due to a cross-sectional narrowing in relation to the total mass flow. Accordingly, larger quantities of gas can be pumped. The small cross-section of the exhaust gas recirculation channel also creates a slight constriction in the intake channel, which also avoids pressure losses here.

Vorzugsweise erstreckt sich der Abgasrückführkanal in Strömungsrichtung des Ansaugkanals betrachtet radial durch den Ansaugkanal bis zum Mischkanal. Somit besteht eine möglichst kurze Kopplung zum Mischkanal und damit auch eine minimierte Einschnürung des Durchströmungsquerschnitts des Ansaugkanals durch den Abgasrückführkanal, der durch die Außenwand des Ansaugkanals hindurchtritt und am Mischkanal mündet.Preferably, the exhaust gas recirculation channel, viewed in the flow direction of the intake channel, extends radially through the intake channel to the mixing channel. This means that the coupling to the mixing channel is as short as possible and thus also a minimized constriction of the flow cross section of the intake channel through the exhaust gas recirculation channel, which passes through the outer wall of the intake channel and opens at the mixing channel.

Der Abgasrückführkanal ist vorzugsweise in Strömungsrichtung zum stromabwärtigen Ende des Ansaugkanals und des Mischkanals geneigt ausgebildet. Entsprechend ist die notwendige Umlenkung des Abgasstroms beim Einströmen in den Mischkanal verringert, wodurch erneut Druckverluste reduziert werden.The exhaust gas recirculation channel is preferably designed to be inclined in the flow direction towards the downstream end of the intake channel and the mixing channel. Accordingly, the necessary deflection of the exhaust gas flow when flowing into the mixing channel is reduced, which again reduces pressure losses.

In einer weiterführenden Ausführungsform ist der zum stromabwärtigen Ende des Ansaugkanals und des Mischkanals um 30° bis 60° in Strömungsrichtung geneigt zu einer Mittelachse des Ansaugkanals ausgebildet. Bei dieser Neigung werden optimale Ergebnisse zur Durchmischung des Abgasstroms mit dem Luftstrom bei geringen Druckverlusten des Abgasstroms erzielt.In a further embodiment, the downstream end of the intake channel and the mixing channel is designed to be inclined by 30° to 60° in the flow direction to a central axis of the intake channel. With this inclination, optimal results are achieved for mixing the exhaust gas flow with the air flow with low pressure losses in the exhaust gas flow.

Um auch die Druckverluste im Ansaugkanal zu reduzieren, ist der Abgasrückführkanal oval ausgebildet ist, wobei die Ausdehnung des Abgasrückführkanals in einer Richtung parallel zur Mittelachse des Ansaugkanals dem 1,5 bis 3-fachen der Ausdehnung senkrecht zur Mittelachse des Ansaugkanals entspricht. So kann ein relativ großer Durchströmungsquerschnitt für das Abgas zur Verfügung gestellt werden und gleichzeitig die Anströmfläche des Abgasrückführkanals im Ansaugkanal reduziert werden.In order to also reduce the pressure losses in the intake duct, the exhaust gas recirculation duct is oval, with the extent of the exhaust gas recirculation duct in a direction parallel to the central axis of the intake duct corresponding to 1.5 to 3 times the extent perpendicular to the central axis of the intake duct. In this way, a relatively large flow cross section can be provided for the exhaust gas and at the same time the inflow area of the exhaust gas recirculation channel in the intake channel can be reduced.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der Abstand zwischen dem Verdichterlaufrad und der Auslassöffnung des Mischkanals dem 0,5- bis 2-fachen des Durchmessers des Mischkanals beträgt. Durch diese Ausführung wird einerseits der Gasstrom im Mischkanal nahe genug an das Laufrad herangeführt, um eine Anströmung der weiter außen liegenden Bereiche der Laufradschaufeln sowie die Bildung von Kondensat durch zu große Abkühlung des Mischgasstroms zwischen dem Laufrad und dem Auslass des Mischkanals zu verhindern und andererseits der Abstand ausreichend groß ist, um eine Einschnürung des für den Mischgasstrom zur Verfügung stehenden Querschnitt beim Verlassen des Mischkanals zu verhindern, so dass keine zusätzlichen Druckverluste erzeugt werden.It is particularly preferred if the distance between the compressor impeller and the outlet opening of the mixing channel is 0.5 to 2 times the diameter of the mixing channel. On the one hand, this design brings the gas flow in the mixing channel close enough to the impeller to prevent flow from the areas of the impeller blades further out and the formation of condensate To prevent cooling of the mixed gas flow between the impeller and the outlet of the mixing channel and, on the other hand, the distance is sufficiently large to prevent a constriction of the cross section available for the mixed gas flow when leaving the mixing channel, so that no additional pressure losses are generated.

Vorzugsweise weist der Ansaugkanal stromaufwärts des Verdichterlaufrades eine Einschnürung auf, welche durch eine kegelstumpfförmige Innenwand gebildet ist. So wird die Einströmung der Ansaugluft in den Verdichter verbessert und die Strömungsgeschwindigkeit vor dem Laufrad erhöht.The intake channel preferably has a constriction upstream of the compressor impeller, which is formed by a frustoconical inner wall. This improves the intake air flow into the compressor and increases the flow speed in front of the impeller.

In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform ragt der Mischkanal mit seiner Auslassöffnung in die Einschnürung des Ansaugkanals. Die Einströmung des Mischgases und damit des Abgases erfolgt somit im Bereich erhöhter Strömungsgeschwindigkeit und damit reduzierten statischen Drucks, wodurch das treibende Druckgefälle für den Abgasstrom erhöht wird und somit ein höherer Abgasstrom zurückgeführt werden kann.In a further embodiment, the mixing channel projects with its outlet opening into the constriction of the intake channel. The inflow of the mixed gas and thus the exhaust gas thus takes place in the area of increased flow velocity and thus reduced static pressure, whereby the driving pressure gradient for the exhaust gas flow is increased and thus a higher exhaust gas flow can be recirculated.

Vorzugsweise ist der Mischkanal zum Ansaugkanal isoliert, so dass eine Kondensation an den dann deutlich kälteren Wandflächen des Mischkanals vermieden wird. Entsprechend bleibt das Wasser als Wasserdampf im Mischkanal vorhanden.The mixing channel is preferably insulated from the intake channel, so that condensation on the then significantly colder wall surfaces of the mixing channel is avoided. Accordingly, the water remains present as steam in the mixing channel.

In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform ist eine den Mischkanal begrenzende Wand aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von kleiner $10 \frac{W}{m \cdot K}$

gebildet, die als Isolierung dient. Diese Wand kann beispielsweise aus Kunststoff hergestellt werden, aber auch andere isolierende Materialien sind denkbar. Die Kondensationsneigung des Mischgasstroms wird so deutlich reduziert.In a further embodiment, a wall delimiting the mixing channel is made of a material with a thermal conductivity of less

10 \frac{W}{m \cdot K}

formed, which serves as insulation. This wall can be made of plastic, for example, but other insulating materials are also conceivable. The tendency of the mixed gas stream to condense is thus significantly reduced.

Alternativ kann der Mischkanal durch eine innere Wand begrenzt sein, die von einer konzentrisch zur inneren Wand angeordneten, äußeren Wand umgeben ist, wobei zwischen der inneren Wand und der äußeren Wand ein Luftspalt ausgebildet ist. Dieser Luftspalt dient ebenfalls als Isolierung zwischen dem äußeren Ansaugkanal und dem Mischkanal und verhindert die Bildung von Tropfen an der Kanalwand.Alternatively, the mixing channel can be delimited by an inner wall which is surrounded by an outer wall arranged concentrically to the inner wall, an air gap being formed between the inner wall and the outer wall. This air gap also serves as insulation between the outer intake channel and the mixing channel and prevents drops from forming on the channel wall.

Auch ist es vorteilhaft, wenn die Einlassöffnung am stromaufwärtigen Ende einen Abstand zu einer Mündung des Abgasrückführkanals in den Mischkanal aufweist, der zumindest dem 2-fachen des Durchmessers der Einlassöffnung entspricht. Auf diese Weise wird eine Rückströmung des Abgases zur stromaufwärtigen Seite des Ansaugkanals verhindert.It is also advantageous if the inlet opening at the upstream end has a distance from an opening of the exhaust gas recirculation channel into the mixing channel that corresponds to at least 2 times the diameter of the inlet opening. In this way, the exhaust gas is prevented from flowing back to the upstream side of the intake duct.

Es wird somit ein Ansaugsystem für einen Verbrennungsmotor geschaffen, mit dem Beschädigungen eines Verdichters durch mit hoher Geschwindigkeit auf dessen Laufschaufeln auftreffende Tropfen zuverlässig verhindert werden, indem einerseits die Auftreffposition der Wassertropfen auf Bereiche mit geringen Geschwindigkeiten verschoben wird und andererseits die Bildung von Kondensat vor dem Verdichter weitestgehend vermieden wird. Des Weiteren wird eine hohe mögliche Abgasrückführrate und ein hoher Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors durch Reduzierung auftretender Druckverluste erreicht.An intake system for an internal combustion engine is thus created, with which damage to a compressor caused by drops hitting its blades at high speed can be reliably prevented by, on the one hand, shifting the impact position of the water drops to areas with low speeds and, on the other hand, the formation of condensate in front of the compressor is largely avoided. Furthermore, a high possible exhaust gas recirculation rate and a high efficiency of the internal combustion engine are achieved by reducing the pressure losses that occur.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ansaugsystems für einen Verbrennungsmotor ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Ansaugsystems.
2 zeigt einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Ansaugsystem aus 1 im Bereich des Abgasrückführkanals.

An exemplary embodiment of an intake system according to the invention for an internal combustion engine is shown in the figures and is described below.

1 shows a schematic side view of an intake system according to the invention.
2 shows a cross section through the intake system according to the invention 1 in the area of the exhaust gas recirculation duct.

Das erfindungsgemäße Ansaugsystem für einen Verbrennungsmotor, der insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs dient, besteht aus einem Ansaugkanal 10, in dem ein Verdichter 12 angeordnet ist, dessen Verdichterlaufrad 14 in einem Verdichtergehäuse 16 angeordnet ist, dessen axialer Einlassstutzen 18, wie auch das weiterführende durchströmte Verdichtergehäuse 16 Teil des Ansaugkanals 10 ist. Am Verdichter 12 wird das zuströmende Gas verdichtet und über einen nicht dargestellten weiterführenden Teil des Ansaugkanals 10 zum Verbrennungsmotor geführt.The intake system according to the invention for an internal combustion engine, which is used in particular to drive a motor vehicle, consists of an intake duct 10, in which a compressor 12 is arranged, the compressor impeller 14 of which is arranged in a compressor housing 16, the axial inlet port 18 of which, as well as the further flow through compressor housing 16 is part of the intake duct 10. The inflowing gas is compressed at the compressor 12 and guided to the internal combustion engine via a further part of the intake duct 10, not shown.

In den Ansaugkanal 10 ragt im Querschnitt radial und in der Seitenansicht geneigt zur stromabwärtigen Seite des Ansaugkanals 10 ein Abgasrückführkanal 20, der sich durch eine den Ansaugkanal 10 begrenzende Wand 22 hindurch in Richtung einer Mittelachse des Ansaugkanals 10 erstreckt und dessen Mündung 24 an einer einen Mischkanal 26 begrenzenden Wand 28 ausgebildet ist. Der Abgasrückführkanal 20 weist einen ovalen Querschnitt auf, wobei die Querschnittserstreckung in Strömungsrichtung etwa dem 1,5 bis 3-fachen der Querschnittserstreckung senkrecht zur Strömungsrichtung entspricht, so dass der Strömungswiderstand im Ansaugkanal 10 deutlich reduziert wird. Im Abgasrückführkanal 20, der von einem Auslasskanal des Verbrennungsmotors abzweigt, ist zur Reglung der zurückgeführten Abgasmenge ein Abgasrückführventil angeordnet.Projecting into the intake duct 10 radially in cross section and inclined in the side view to the downstream side of the intake duct 10 is an exhaust gas recirculation duct 20, which extends through a wall 22 delimiting the intake duct 10 in the direction of a central axis of the intake duct 10 and whose mouth 24 is at a mixing duct 26 delimiting wall 28 is formed. The exhaust gas recirculation channel 20 has an oval cross-section, with the cross-sectional extent in the flow direction corresponding to approximately 1.5 to 3 times the cross-sectional extent perpendicular to the flow direction, so that the flow resistance in the intake channel 10 is significantly reduced. An exhaust gas recirculation valve is arranged in the exhaust gas recirculation channel 20, which branches off from an outlet channel of the internal combustion engine, to regulate the amount of recirculated exhaust gas.

Der Mischkanal 26 erstreckt sich konzentrisch zum Ansaugkanal 10 und weist an seinem stromaufwärtigen Ende eine Einlassöffnung 30 und an seinem stromabwärtigen Ende eine Auslassöffnung 32 auf. Die Einlassöffnung 30 weist erfindungsgemäß einen geringeren Durchmesser beziehungsweise einen geringeren Querschnitt auf als die Auslassöffnung 32 und der übrige Mischkanal 26, insbesondere als der Mischkanal 26 in einem zur Mündung 24 des Abgasrückführkanals 20 stromabwärtigen Bereich 34. Von der Einlassöffnung 30 aus erstreckt sich der Mischkanal 26 konisch oder kegelstumpfförmig erweiternd bis etwa zur Mündung 24 des Abgasrückführkanals 20, von wo aus er sich mit konstantem Durchmesser bis zur Auslassöffnung 32 erstreckt. Die Mündung 24 des Abgasrückführkanals 20 hat einen Abstand zur Einlassöffnung 30, die zumindest dem doppelten Durchmesser der Einlassöffnung entspricht. Die den Mischkanal 26 begrenzende Wand 28 ist in der dargestellten Ausführung als Doppelwand ausgebildet, so dass eine radial innere Wand 36 von einer radial äußeren Wand 38 konzentrisch umgeben ist, wobei zwischen den beiden Wänden 36, 38 ein Luftspalt 40 ausgebildet ist.The mixing channel 26 extends concentrically to the intake channel 10 and has an inlet opening 30 and at its upstream end an outlet opening 32 at its downstream end. According to the invention, the inlet opening 30 has a smaller diameter or a smaller cross section than the outlet opening 32 and the remaining mixing channel 26, in particular than the mixing channel 26 in a region 34 downstream of the mouth 24 of the exhaust gas recirculation channel 20. The mixing channel 26 extends from the inlet opening 30 conically or frustoconically expanding to approximately the mouth 24 of the exhaust gas recirculation channel 20, from where it extends with a constant diameter to the outlet opening 32. The mouth 24 of the exhaust gas recirculation channel 20 is at a distance from the inlet opening 30, which corresponds to at least twice the diameter of the inlet opening. The wall 28 delimiting the mixing channel 26 is designed as a double wall in the embodiment shown, so that a radially inner wall 36 is concentrically surrounded by a radially outer wall 38, an air gap 40 being formed between the two walls 36, 38.

Die Auslassöffnung 32 befindet sich gegenüberliegend zu einer Nabe 42 des Verdichterlaufrades 14, wobei das Verdichterlaufrad 14 und der Mischkanal 26 eine gemeinsame Mittelachse aufweisen. Der Mischkanal 26 ragt mit seinem stromabwärtigen Ende in einen Bereich des Ansaugkanals, 10, in dem dieser eine Einschnürung 44 aufweist, die durch eine sich in Strömungsrichtung kegelstumpfförmig einengende Innenwand 46 gebildet ist, die sich etwa bis zum Einlassstutzen 18 des Verdichters 12 erstreckt.The outlet opening 32 is located opposite a hub 42 of the compressor impeller 14, the compressor impeller 14 and the mixing channel 26 having a common central axis. The mixing channel 26 projects with its downstream end into an area of the intake channel 10, in which this has a constriction 44, which is formed by an inner wall 46 which narrows in the shape of a truncated cone in the flow direction and which extends approximately to the inlet port 18 of the compressor 12.

Wird nun der Ansaugkanal 10 von kalter Luft und der Abgasrückführkanal 20 von Abgas durchströmt, gelangt Luft über die Einlassöffnung 30 in den Mischkanal 26, wo sie mit dem Abgas aus dem Abgasrückführkanal 20 im stromabwärtigen Bereich 34 vermischt wird. Das dabei entstehende Mischungsverhältnis wird insbesondere durch den Querschnitt der Einlassöffnung 30 bestimmt. Dieser ist entsprechend so zu wählen, dass trotz der durch die Luft entstehende Abkühlung des Abgasstroms, diese nicht so stark ist, dass eine zu starke Kondensation des Wassers im Abgasstrom auftritt. Dies ist entsprechend durch korrekte Auslegung der Größe der Einlassöffnung 30 im Vergleich zum Durchmesser des Abgasrückführkanals 24 festzulegen. Die Größe des Abgasrückführkanals 20 ist dabei so zu wählen, dass ein ausreichender Abgasstrom zurückgeführt werden kann. Der Querschnitt des Mischkanals ist zur Verhinderung von Strömungsverlusten größer zu wählen als der Querschnitt des Abgasrückführkanals 20, da durch den Luftstrom eine zusätzliche Gasmenge den Mischkanal 26 durchströmt.If cold air now flows through the intake duct 10 and exhaust gas flows through the exhaust gas recirculation duct 20, air passes through the inlet opening 30 into the mixing duct 26, where it is mixed with the exhaust gas from the exhaust gas recirculation duct 20 in the downstream region 34. The resulting mixing ratio is determined in particular by the cross section of the inlet opening 30. This must be chosen so that, despite the cooling of the exhaust gas flow caused by the air, this is not so strong that excessive condensation of the water in the exhaust gas flow occurs. This must be determined accordingly by correctly designing the size of the inlet opening 30 in comparison to the diameter of the exhaust gas recirculation channel 24. The size of the exhaust gas recirculation channel 20 must be chosen so that a sufficient exhaust gas flow can be recirculated. To prevent flow losses, the cross section of the mixing channel must be chosen to be larger than the cross section of the exhaust gas recirculation channel 20, since the air flow causes an additional amount of gas to flow through the mixing channel 26.

Durch die Isolierung des Mischkanals 26 aufgrund der Doppelwandigkeit entsteht üblicherweise auch kein zusätzliches Kondensat an der den Mischkanal 26 begrenzenden Wand 28, die andernfalls deutlich kälter wäre als der Mischgasstrom.Due to the insulation of the mixing channel 26 due to the double wall, no additional condensate usually forms on the wall 28 delimiting the mixing channel 26, which would otherwise be significantly colder than the mixed gas flow.

Der Mischgasstrom strömt durch die Auslassöffnung 32 aus dem Mischkanal 26 aus. Dies geschieht zentral zur Nabe 42 des Verdichterlaufrades 14 und in einem Abstand zum Verdichterlaufrad 14, der kurz genug gehalten ist, um eine zu große Abkühlung durch die nun zusätzlich zuströmende Luft zu verhindern und andererseits eine möglichst druckverlustarme Ausströmung des Mischgasstroms aus dem Mischkanal 26 zu ermöglichen. Die Weite des Querschnitts der Auslassöffnung 32 beträgt lediglich etwa das 1,1-fache des Nabendurchmessers, so dass das Verdichterlaufrad 14 auch nur in diesem Bereich vom Mischgasstrom angeströmt wird.The mixed gas stream flows out of the mixing channel 26 through the outlet opening 32. This happens centrally to the hub 42 of the compressor impeller 14 and at a distance from the compressor impeller 14, which is kept short enough to prevent excessive cooling due to the additional air now flowing in and, on the other hand, to enable the mixed gas flow to flow out of the mixing channel 26 with as little pressure loss as possible . The width of the cross section of the outlet opening 32 is only approximately 1.1 times the hub diameter, so that the mixed gas flow only flows against the compressor impeller 14 in this area.

Des Weiteren wird durch die Einschnürung 44 des Ansaugkanals 10 in diesem Durchströmungsquerschnitt ein zusätzliches Druckgefälle für den Mischkanal 26 erzeugt, da die Strömungsgeschwindigkeit des äußeren Luftstroms durch die Einschnürung steigt und somit der statische Druck fällt.Furthermore, the constriction 44 of the intake channel 10 creates an additional pressure drop for the mixing channel 26 in this flow cross section, since the flow velocity of the external air flow increases through the constriction and the static pressure thus falls.

Gleichzeitig ist durch diese Einschnürung 44 der Luftstrom nach radial innen gerichtet, wodurch der Mischgasstrom, der ohnehin bereits nur im radial Inneren, gegenüberliegend zur Nabe 42 ausgelassen wird, weiter in das radial innere des Einlassstutzens 18 getrieben wird, was zur Folge hat, dass im Mischgasstrom dennoch vorhandene Tropfen im zentralen Bereich auf das Verdichterlaufrad 14 treffen und somit in einem Beriech mit geringeren Bahngeschwindigkeiten, wodurch die auf die Schaufeln des Verdichterlaufrades 14 wirkenden Kräfte deutlich geringer sind.At the same time, the air flow is directed radially inwards through this constriction 44, as a result of which the mixed gas flow, which is already only released in the radial interior, opposite the hub 42, is driven further into the radial interior of the inlet connection 18, with the result that in Mixed gas flow still present drops in the central area hit the compressor impeller 14 and thus in an area with lower path speeds, whereby the forces acting on the blades of the compressor impeller 14 are significantly lower.

Entsprechend wird eine Tropfenbildung weitestgehend verhindert und wenn doch ein Tropfen zum Verdichterlaufrad gelangen sollte, so wird sichergestellt, dass dieser in einem Bereich auf das Laufrad trifft, in dem keine größeren Schäden zu befürchten sind.Accordingly, the formation of drops is largely prevented and if a drop does reach the compressor impeller, it is ensured that it hits the impeller in an area where there is no risk of major damage.

Es sollte deutlich sein, dass verschiedene Modifikationen des beschriebenen Ausführungsbeispiels möglich sind. So kann statt der doppelwandigen Ausführung der Mischkanalwand diese auch aus einem isolierenden Material hergestellt werden. Des Weiteren sind alle Größen und Formen den jeweiligen Einbaubedingungen anzupassen. Der Verdichter kann sowohl ein elektrisch betriebener Verdichter als auch der Verdichter einen Abgasturboladers sein. Weitere Änderungen sind selbstverständlich ebenfalls denkbar.It should be understood that various modifications to the described embodiment are possible. Instead of the double-walled design of the mixing channel wall, it can also be made from an insulating material. Furthermore, all sizes and shapes must be adapted to the respective installation conditions. The compressor can be either an electrically operated compressor or the compressor of an exhaust gas turbocharger. Further changes are of course also conceivable.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2007089565 A1 [0004]

Claims

Intake system for an internal combustion engine with an intake duct (10), a compressor (12) with a compressor impeller (14), which is arranged in the intake duct (10), an exhaust gas recirculation duct (20) which extends into the intake duct (10), a mixing duct (26), which extends essentially concentrically to a hub (42) of the compressor impeller (14) in the intake channel (10), and into which the exhaust gas recirculation channel (20) opens and which has an inlet opening (30) at the upstream end to the intake channel (10 ), and at the downstream end has an outlet opening (32) to the intake channel (10), which is arranged opposite the compressor impeller (14), characterized in that the inlet opening (30) at the upstream end has a smaller flow cross section than the mixing channel (26 ) in the area downstream of an opening (24) of the exhaust gas recirculation channel (20).

Intake system for an internal combustion engine Claim 1 , characterized in that the outlet opening (32) of the mixing channel (26) is arranged concentrically in the intake channel (10).

Intake system for an internal combustion engine Claim 1 or 2 , characterized in that the inlet opening (30) and the mixing channel (26) are arranged concentrically to the compressor impeller (14) and to the intake channel (10).

Intake system for an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that a diameter of the outlet opening (32) corresponds to a maximum of 1.5 times a diameter of a hub (42) of the compressor impeller (14).

Intake system for an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the mixing channel (26) widens in a frusto-conical shape from the inlet opening (30) to in front of the mouth (24) or to the mouth (24) of the exhaust gas recirculation channel (20).

Intake system for an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the cross section of the exhaust gas recirculation channel (20) is smaller than the cross section of the mixing channel (26) downstream of the mouth (24) of the exhaust gas recirculation channel (20).

Intake system for an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the exhaust gas recirculation channel (20), viewed in the flow direction of the intake channel (10), extends radially through the intake channel (10) to the mixing channel (26).

Intake system for an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the exhaust gas recirculation channel (20) is designed to be inclined in the flow direction towards the downstream end of the intake channel (10) and the mixing channel (26).

Intake system for an internal combustion engine Claim 8 , characterized in that the exhaust gas recirculation channel (20) is designed to be inclined to the downstream end of the intake channel (10) and the mixing channel (26) by 30 ° to 60 ° in the flow direction to a central axis of the intake channel (10).

Intake system for an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the exhaust gas recirculation channel (20) is oval, the extent of the exhaust gas recirculation channel (20) in a direction parallel to the central axis of the intake channel (10) being 1.5 to 3 times the expansion perpendicular to the central axis of the intake duct (10).

Intake system for an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the distance between the compressor impeller (14) and the outlet opening (32) of the mixing channel (26) is 0.5 to 2 times the diameter of the mixing channel (26). .

Intake system for an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the intake duct (10) has a constriction (44) upstream of the compressor impeller (14), which is formed by a frusto-conical inner wall (46).

Intake system for an internal combustion engine Claim 12 , characterized in that the mixing channel (26) projects with its outlet opening (32) into the constriction (44) of the intake channel (10).

Intake system for an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the mixing channel (26) is insulated from the intake channel (10).

Intake system for an internal combustion engine Claim 14 , characterized in that a wall (28) delimiting the mixing channel (26) made of a material with a thermal conductivity of less

10 \frac{W}{m \cdot K}

is formed, which serves as insulation.

Intake system for an internal combustion engine Claim 14 , characterized in that the mixing channel (26) is delimited by an inner wall (36) which is surrounded by an outer wall (38) arranged concentrically to the inner wall (36), with between the inner wall (36) and the outer Wall (38) an air gap (40) is formed.

Intake system for an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the inlet opening (30) at the upstream end has a distance from an opening (24) of the exhaust gas recirculation channel (20) into the mixing channel (26) which is at least 2 times the Diameter of the inlet opening (30) corresponds.