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Querverweis auf verwandte Anmeldungen
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Diese Anmeldung ist am 29. Januar 2014 als internationale PCT-Patentanmeldung eingereicht worden und beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung mit der Seriennr. 61/757 928, eingereicht am 29. Januar 2013, wobei diese Offenbarung hier in ihrer Gesamtheit als Referenz dient.
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Einführung
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Moderne Turboladerentwürfe enthalten typischerweise eine Luftströmungsumgehung, um die Betriebsleistung des Motors zu erhöhen, wenn der Turbolader nicht in Anspruch genommen wird, um Ladedruck zu erzeugen. Eine solche Umgehung verwendet typischerweise eine Absperrklappe, die ähnlich zu den im Drosselkörper des Motors verwendeten Klappen ausfällt und die standardmäßig verschlossen ist. Wenn zusätzliche Leistung vom Turbolader abgerufen wird, verringert sich der Motorunterdruck und in Ansprechen darauf schließt sich das Umgehungsventil. Infolgedessen strömt die angesaugte Luft dann durch den Turbolader, um den Druck im Einlass über Atmosphärendruck hinaus zu erhöhen, damit der Motor zusätzliche Leistung generieren kann. Wenn der Motorunterdruck groß ist, beispielsweise wenn sich der Motor im Leerlauf, bei geringer Kraft oder im Reisemodus befindet, öffnet ein Stellglied das Umgehungsventil, wodurch aufgedrückte Auslassluft durch das Umgehungsventil zurück zu dem Turboladereinlass umgewälzt wird. Das Umgehungsventil ist vorgesehen um den Druck zwischen dem Einlass des Turboladers und dem Auslass auszugleichen, wodurch die für eine Rotation des Turboladers während den oben erwähnten niedrigen Motorlastbedingungen erforderliche Eingangsleistung verringert wird. Wenn jedoch die aufgedrückte Auslassluft zu dem Turboladereinlass zurückgeführt wird, erzeugt sie Turbulenzen und Wirbel, wenn sie mit dem eintretenden angesaugten Luftstrom in Kontakt kommt. Dieser Kontakt erhöht den Lärmpegel und verringert die Effizienz des Turboladers. Fahrzeughersteller und Anwender empfinden diesen Lärm häufig als unerwünscht, wodurch die Vermarktungsfähigkeit von Fahrzeugen mit Turbolader ungeachtet ihrer damit verbundenen Vorteile verringert werden kann. An bestimmten Fahrzeugen kann dieses durch Turbolader erzeugte sogenannte NVH ("Noise, Vibration, Harshness" als Synonym für unerwünschte KFZ-Nebengeräusche) in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und Lastbedingung 80 bis 90 dBA oder mehr betragen.
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Zusammenfassung
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In einem Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Turboladersystem, versehen mit: einem Turbolader-Hauptgehäuse, das eine oder mehrere aktive Komponenten zur Bewegung der Luft von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite des Turbolader-Hauptgehäuses beherbergt; einem Turbolader-Einlassgehäuse, das an der stromaufwärtigen Seite des Turbolader-Hauptgehäuses montiert ist; und einer Rückführleitung, die eine Fluidverbindung zwischen der stromabwärtigen Seite des Turbolader-Hauptgehäuses und dem Turbolader-Einlassgehäuse bereitstellt, wobei die Rückführleitung eine Stromumlenkanordnung mit einem ersten und einem zweiten Bereich innerhalb des Turbolader-Einlassgehäuses umfasst, wobei der erste Bereich eine erste Rückführ-Strömungsrichtung festlegt und der zweite Bereich eine zweite Rückführ-Strömungsrichtung festlegt, wobei die zweite Rückführungsrichtung relativ zu der ersten Rückführungsrichtung unter einem Winkel von 45–135 Grad ausgerichtet ist, und wobei der zweite Bereich an einem Auslassende der Rückführleitung angeordnet ist.
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In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Turboladersystem, versehen mit: einem Turbolader mit einem Einlass und einem Auslass; und einer Rückführleitung, die eine Fluidverbindung zwischen dem Auslass und dem Einlass bereitstellt, wobei die Rückführleitung eine Stromumlenkanordnung mit einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich innerhalb des Einlasses umfasst, wobei der erste Bereich eine erste Rückführ-Strömungsrichtung festlegt und der zweite Bereich eine zweite Rückführ-Strömungsrichtung festlegt, wobei die zweite Rückführungsrichtung relativ zu der ersten Rückführungsrichtung unter einem Winkel von 45–135 Grad ausgerichtet ist, und wobei der zweite Bereich an einem Auslassende der Rückführleitung angeordnet ist.
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In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Turboladersystem, versehen mit: einem Turbolader mit einem Einlass und einem Auslass; und einer Rückführleitung, die eine Fluidverbindung zwischen dem Auslass und dem Einlass bereitstellt, wobei die Rückführleitung einen Anschlussendbereich umfasst, der sich in den Einlass hinein erstreckt und dazu ausgelegt ist, die Rückführungsströmung in den Einlass des Turboladers entlang einer ersten Richtung zu führen, die relativ zu einer Hauptströmungsrichtung durch den Einlass des Turboladers unter einem Winkel von nicht mehr als 45 Grad ausgerichtet ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es werden verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung in den Zeichnungen dargestellt, jedoch begrenzt sich die Erfindung nicht auf die dargestellten genauen Gestaltungen und Ausrüstungen.
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1 stellt eine perspektivische Ansicht eines Turboladersystems gemäß einem der vielen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar.
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2 zeigt eine Seitenschnittansicht einer stromaufwärtigen Seite des Turboladersystems von 1 gemäß einem der vielen Aspekte der vorliegenden Erfindung.
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3 stellt eine perspektivische Ansicht eines Einlassgehäuses gemäß einem der vielen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar.
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4 zeigt Beziehungen zwischen Luftströmen innerhalb eines Einlassgehäuses gemäß einem der vielen Aspekte der vorliegenden Erfindung.
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5A und 5B stellen eine perspektivische bzw. eine Seitenansicht einer Bypass-Stromumlenkanordnung gemäß einem der vielen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar.
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6 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Bypass-Stromumlenkanordnung gemäß einem der vielen Aspekte der vorliegenden Erfindung.
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7 stellt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Bypass-Stromumlenkanordnung gemäß einem der vielen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar.
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Ausführliche Beschreibung
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Nun erfolgen ausführliche Bezüge auf exemplarische Aspekte der vorliegenden Erfindung, die in den beiliegenden Zeichnungen illustriert sind. Dort wo es möglich ist bezeichnen gleiche Bezugszeichen über die Zeichnungen hinweg die gleichen oder ähnliche Strukturen.
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Die 1–3 stellen verschiedene Ansichten eines Turboladersystems 100 gemäß einem der vielen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar. Das System 100 umfasst ein Turbolader-Hauptgehäuse 102 mit einer stromaufwärtigen Seite 104 und einer stromabwärtigen Seite 106. Beim Stand der Technik sind verschiedene Typen von Turboladern bekannt, und deren Betrieb und Vorteile verstehen sich für die Fachleute. In dem hier beschriebenen System 100 kann so gut wie jeder Turboladertyp einschließlich eines Kompressors vom Roots-, Radial-(oder Kreiselverdichter-, Doppelschrauben-, Vielzellen- und Scroll-Typ verwendet werden. Ein Einlassgehäuse 108 ist an der stromaufwärtigen Seite 104 des Turbolader-Hauptgehäuses 102 angeordnet. Kurz gesagt wird Luft von der Außenseite (z.B. durch das Luftfiltersystem des Fahrzeugs) über einen Haupteinlasskanal 110 eingezogen und strömt durch das Einlassgehäuse 108. Von dem Einlassgehäuse 108 wird Luft in das Turbolader-Hauptgehäuse 102 gezogen und von der stromabwärtigen Seite 106 durch eine Auslassleitung 18 zu einem Motor 112 ausgestoßen. Die von dem Turboladersystem 100 bereitgestellte Erhöhung des Luftdrucks und/oder Luftstroms erhöht den Ansaugdruck des Motoreinlasses, um die Kraft und die Leistungsfähigkeit des Motors zu erhöhen.
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Das Einlassgehäuse 108 ist typischerweise eine Gusskomponente, die einen angesaugten Luftstrom 114 von dem Haupteinlasskanal 110 in das Turbolader-Hauptgehäuse 102 leitet. Das Innere des Einlassgehäuses 108 ist durch generell abgerundete Seiten, Ecken und Übergänge ausgebildet, um die Hauptströmungsrichtung des angesaugten Luftstroms 114 zu glätten. Das Einlassgehäuse 108 legt eine Form fest, die passend zu derjenigen des Turbolader-Hauptgehäuses 102 ausfällt, wodurch die Bewerkstelligung einer gleichförmigeren Luftströmung in das Turbolader-Hauptgehäuse 102 unterstützt wird, welches ein Paar Rotoren 102a beinhaltet.
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Das Einlassgehäuse 104 steht mit einer Bypass- bzw. Rückführleitung 116 in Fluidverbindung, die für eine Fluidverbindung der stromabwärtigen Seite 106 des Turbolader-Hauptgehäuses 102 mit dem Einlassgehäuse 104 sorgt. Ein Bypass- bzw. Rückführungsventil 120 ist in der Nachbarschaft zu dem Einlassgehäuse 104 angeordnet und öffnet und schließt sich je nach Bedarf während des Betriebs des Turboladersystems 100. Wenn sich das Rückführungsventil 120 in der offenen Stellung befindet, kann ein Teil eines stromabwärtigen Luftstroms 122 als sogenannte Bypass- bzw. Umluft 124 in die Umwälzung zurückgeführt werden. Diese Bypass- bzw. Umluft 124 strömt so lange, wie das Rückführungsventil 120 geöffnet ist und sich die aktiven Komponenten (z.B. Schrauben oder Rotoren) drehen, die innerhalb des Turbolader-Hauptgehäuses 102 angeordnet sind. Natürlich können auch gekuppelte Turbolader in dem dargestellten System 100 verwendet werden, die solche aktiven Komponenten ausrücken können. In einem solchen Fall verhindert ein Ausrücken der Rotoren deren Rotation, wodurch Luft von dem Einlassgehäuse 104 durch das Rückführungsventil 120 zu der Auslassleitung 118 und weiter zu dem Motor 112 strömen kann. In bestimmten Ausführungsformen kann sich eine zwischen dem Einlassgehäuse 104 und dem Hauptgehäuse 102 angeordnete Ventilstruktur schließen, um zu verhindern, dass jedwede angesaugte Luft 114 in das Hauptgehäuse 102 eintritt. Wenn das Rückführungsventil 120 offen ist, baut sich nur ein äußerst geringer Druck, wenn überhaupt, innerhalb des Turbolader-Hauptgehäuses 102 auf, wodurch die Motorleistung nicht erhöht wird.
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Sollte zusätzliche Motorleistung erforderlich werden (z.B. in der Beschleunigung), schließt sich das Rückführungsventil 120 und Druck baut sich an der stromabwärtigen Seite 106 des Turbolader-Hauptgehäuses 102 vor dem Einlass des Motors 112 auf. Mit der offenbarten Erfindung sind sowohl elektrisch wie unterdruckbetätigte Umgehungsventile kompatibel. Elektrische Ventile haben typischerweise eine kürzere Ansprechzeit als unterdruckbetätigte Ventile. Weiterhin kann der Ventilwinkel eines elektrisch betätigten Ventils gesteuert werden, um den Druck (d.h. Ladedruck) auf den erwünschten Pegel zu modulieren. Unterdruckbetätigte Ventile sind hauptsächlich vollständig-offen/vollständig-geschlossen mit einer begrenzten Fähigkeit zur Modulierung des Ladedrucks.
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Erneut auf den Zustand Bezug nehmend, wenn das Rückführungsventil 120 offen ist und die aktiven Komponenten in dem Turbolader-Hauptgehäuse 102 arbeiten, wird Bypass- bzw. Umluft 124 durch das Rückführungsventil 120 und in eine durch das Einlassgehäuse 104 festgelegte Öffnung 126 geleitet. Somit strömt die Umluft 124 mit einer ersten Rückführ-Strömungsrichtung 128 in das Einlassgehäuse 104 hinein. Zur Verringerung der Geräusche, die typischerweise mit der Interferenz zwischen der Umluft 124 und der angesaugten Luft 114 verbunden sind, umfasst das Einlassgehäuse 104 eine Umlenkanordnung 130, die sich in das Einlassgehäuse 104 hinein erstreckt. Die Umlenkanordnung 130 verfügt über einen ersten Bereich 132 sowie einen zweiten Bereich 134. Der erste Bereich 132 legt die erste Rückführ-Strömungsrichtung 128 fest. Der zweite Bereich 134 legt eine zweite Rückführ-Strömungsrichtung 136 fest und ist das Anschlussende der Rückführleitung 116.
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4 stellt die Beziehungen zwischen der ersten Rückführ-Strömungsrichtung 128, der Hauptströmungsrichtung der angesaugten Luft 114, und der verschiedenen zweiten Rückführ-Strömungsrichtungen 136 dar. In 4 ist der Winkel der zweiten Rückführ-Strömungsrichtung 136 relativ zu der ersten Rückführ-Strömungsrichtung 128 als ein Umlenkwinkel α dargestellt. In bestimmten Ausführungsformen kann die zweite Rückführ-Strömungsrichtung 136 relativ zu der ersten Rückführ-Strömungsrichtung 128 unter einem Winkel von 45 Grad bis 135 Grad ausgerichtet sein. In anderen Ausführungsformen kann die zweite Rückführ-Strömungsrichtung 136 relativ zu der ersten Rückführ-Strömungsrichtung 128 unter einem Winkel von 60 Grad bis 120 Grad ausgerichtet sein. In anderen Ausführungsformen kann die zweite Rückführ-Strömungsrichtung 136 relativ zu der ersten Rückführ-Strömungsrichtung 128 unter einem Winkel von 75 Grad bis 105 Grad ausgerichtet sein. In anderen Ausführungsformen kann die zweite Rückführ-Strömungsrichtung 136 relativ zu der ersten Rückführ-Strömungsrichtung 128 unter einem Winkel von 90 Grad ausgerichtet sein. Unabhängig vom Relativwinkel leitet der zweite Bereich 134 die zurückgeführte Luft 124 zu der stromaufwärtigen Seite des Hauptgehäuses 102.
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Die zweite Rückführ-Strömungsrichtung 136 kann auch relativ zu der Hauptströmungsrichtung der angesaugten Luft 114 durch das Einlassgehäuse 104 festgelegt werden, die in 4 als ein Einführungswinkel β dargestellt ist. In bestimmten Ausführungsformen ist die zweite Rückführ-Strömungsrichtung 136 relativ zu der Hauptströmungsrichtung durch das Einlassgehäuse 104 unter einem Winkel von nicht mehr als 45 Grad ausgerichtet. In anderen Ausführungsformen ist die zweite Rückführ-Strömungsrichtung 136 unter einem Winkel von nicht mehr als 30 Grad, oder von nicht mehr als 15 Grad, oder von nicht mehr als 0 Grad in Relation zu der Hauptströmungsrichtung durch das Einlassgehäuse 104 ausgelegt.
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Diese zweite Rückführ-Strömungsrichtung 136 reduziert Wirbel, die andernfalls entstehen würden, wenn das Rückführungsventil 120 offen ist. In bestimmten Ausführungsformen teilt eine hintere Oberfläche 138 der Umlenkanordnung 130 den angesaugten Luftstrom 114 um die zurückgeführte Umwälzluftströmung 124 auf, um zu ermöglichen, dass der angesaugte Luftstrom 114 die zurückgeführte Umwälzluftströmung 124 leichter ummanteln kann. Es kann gezeigt werden, dass durch die Verwendung einer Umlenkanordnung wie vom hier erörterten Typ NVA (Noise, Vibration, Harshness) um mindestens 5%, um mindestens 7%, oder um mindestens 10% (z.B. dBA-Pegel bei bestimmten Motordrehzahlen und Lastbedingungen) im Vergleich zu den Werten verringern kann, die in einem identischen Turboladersystem ohne eine derartige Umlenkanordnung gemessen werden.
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Die 5A und 5B zeigen einen Aspekt der vorliegenden Erfindung einschließlich einer Stromumlenkanordnung 300. Die Umlenkanordnung 300 umfasst einen im Wesentlichen röhrenförmigen Körper 302, der eine Strömungsumlenkoberfläche zwischen einem ersten Bereich 304 und einem zweiten Bereich 306 ausbildet. In diesem Aspekt legen sowohl der erste Bereich 304 wie der zweite Bereich 306 eine Einlass- bzw. Auslassebene fest. Die Einlassebene 304a und die Auslassebene 306a sind unter einem Winkel γ zueinander ausgerichtet. Der erste Bereich 304 kann einen im Wesentlichen runden Querschnitt aufweisen und von einem Flansch 308 umgeben sein. Der Flansch 308 kann eine Befestigung der Umlenkanordnung 300 an bestehenden Einlassgehäusen ermöglichen, die durch die Verwendung einer Umlenkanordnung 300 profitieren können. Diese Konfiguration kann es ermöglichen, dass die Umlenkanordnung 300 als eine Nachrüstungsanwendung für bestehende Einlassgehäuse fungiert. In anderen Aspekten der vorliegenden Erfindung kann die Umlenkanordnung mit in die Einlassgehäuse eingegossen oder im Herstellungsverfahren anderweitig ausgeformt werden.
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Der zweite Bereich 306 kann einen im Wesentlichen ovalen Querschnitt aufweisen.
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Angesichts der Erfindung sollte sich verstehen, dass die Querschnittsfläche des röhrenförmigen Körpers 302 entlang des gesamten Krümmungsradius der Umlenkanordnung 300 konsistent beschaffen sein kann. Das heißt, dass ein an einem ersten Krümmungsradius r1 erstellte Querschnittsfläche passend zu einer an einem zweiten Krümmungsradius r2 erstellte Querschnittsfläche ausfallen kann.
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Jedoch kann der zweite Bereich 306 auch so konfiguriert sein, dass die Auslassebene 306a unter einem Winkel δ zu einem dritten Krümmungsradius r3 angeordnet ist. Dadurch kann ein ovaler Querschnitt an der Auslassebene 306a im Unterschied zu dem runden Querschnitt an der Einlassebene 304a erzeugt werden. Dadurch kann weiter dazu beigetragen werden, die zurückgeführte Umwälzluftströmung in die erwünschte Ausrichtung relativ zu der internen Konfiguration des Einlassgehäuses umzuleiten. In diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Winkel α so ausgewählt werden, das die Auslassöffnung 306 im Wesentlichen rechtwinklig zu der Richtung der anangesaugten Luftströmung ausgerichtet ist. Hier ist der Winkel β zwischen der Einlassebene 304a und der Auslassebene 306a ein stumpfer Winkel.
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In den in 5B dargestellten Aspekten der vorliegenden Erfindung können r1, r2, und r3 gleich sein. Umlenkanordnungen mit anderen Formen oder unterschiedlichen Krümmungsradien sind ebenfalls berücksichtigt. 6 stellt eine derartige Konfiguration dar. Hier umfasst eine Umlenkanordnung 300 einen röhrenförmigen Körper 302. Ein zweiter Bereich 306 legt eine Auslassebene 306a fest. Der Radius der Krümmung fällt über den gesamten Körper 302 passend aus. Ein Radius r1 ist innerhalb der Einlassebene 304a enthalten und ein Radius r2 ist innerhalb der Auslassebene 306a enthalten. Dementsprechend hat in 6 die Umlenkanordnung 300 einen ersten Bereich 304 sowie einen zweiten Bereich 306, die eine ähnliche Form aufweisen, d.h. in diesem Fall rund sind. Hier kann der Winkel γ etwa 90° betragen oder ein spitzer Winkel sein, je nachdem wie dies für eine bestimmte Konfiguration des Einlassgehäuses, in das die Umlenkanordnung 300 eingesetzt wird, erforderlich oder erwünscht ist.
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In einer weiteren Konfiguration, die in 7 dargestellt ist, umfasst die Umlenkanordnung 400 einen offenen Körper 402. Hier legt ein Flansch 408 eine runde Einlassöffnung 404 fest. Der Körper legt jedoch einen im Wesentlichen U-förmigen Kanal 406 fest. In anderen Ausführungsformen kann der offene Kanal 406 V-förmig sein. Die Krümmung der Basis des Kanals 406 offeriert weiterhin eine Umlenkung der zurückgeführten Umwälzluftströmung.
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Obgleich hier bevorzugte Aspekte der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, die als exemplarisch und bevorzugt betrachtet werden, versteht sich, dass sich für die Fachleute weitere Modifikationen der Erfindung ergeben werden. Die hier offenbarten jeweiligen Herstellungsverfahren und Geometrien verstehen sich lediglich als beispielhaft, nicht jedoch als einschränkend. Somit sind sämtliche derartigen Modifikationen und ihre Äquivalente in der vorliegenden Erfindung eingeschlossen, sofern sie in den Rahmen der beiliegenden Ansprüche fallen. Was dementsprechend von diesem Patent geschützt werden soll, ist der in den folgenden Ansprüchen definierte und differenzierte Gegenstand sowie alle seine Äquivalente.
