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Die
Erfindung betrifft einen Sammelkasten der im Oberbegriff des Anspruchs
1 angegebenen Gattung.
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Zur
Steigerung der Leistung eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors wird
häufig eine Erhöhung der Füllung seines
Verbrennungsraums, d. h. eine sogenannte Aufladung vorgenommen.
Die Aufladung erfolgt z. B. dadurch, dass die bei der Verbrennung
entstehenden Abgase zum Antrieb einer Turbine verwendet werden,
auf deren Welle auch ein Verdichterrad sitzt, das Frischluft ansaugt,
verdichtet und in den Verbrennungsraum drückt. Da die Verdichtung
nicht nur den Druck, sondern auch die Temperatur der Frischluft
erhöht, ist es außerdem üblich, die Luft
nach der Verdichtung in einem sogenannten Ladeluftkühler
zu kühlen. Derartige Ladeluftkühler bestehen z.
B. aus Luft/Luft-Wärmeaustauschern herkömmlicher
Bauweise, die Sammelkästen der eingangs bezeichneten Gattung
und ein mit diesen verbundenes, aus Rohren und Lamellen od. dgl.
bestehendes Wärmeaustauschernetz aufweisen.
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Ein
Nachteil bekannter Ladeluftkühler besteht darin, dass die
Kühlung der Luft zwar eine Erhöhung der Luftdichte
bewirkt, der für die Aufladung tatsächlich zur
Verfügung stehende Ladeluftdruck jedoch stets durch die
im Wärmeaustauscher unvermeidbar entstehenden Druckverluste
stark reduziert wird.
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Versuche
haben gezeigt, dass ein großer Teil der Druckverluste eines
Ladeluftkühlers bereits in seinem Eingangssammelkasten
auftritt, dem die Ladeluft mit hoher Geschwindigkeit von z. B. bis
zu 40 m/s zugeführt wird. Dies wird insbesondere auf die Bildung
von Luftwirbeln und anderen unerwünschten Luftströmungen
zurückgeführt, die in üblichen Sammelkästen,
deren Sammelräume in der Regel quadratische, rechteckige,
halbkreisförmige oder kreisförmige Querschnitte
aufweisen, unvermeidbar zu sein scheinen und/oder durch die jeweilige
Querschnittsform noch begünstigt werden. Das gilt insbesondere
dann, wenn die Ladeluft aus Platzgründen durch vergleichsweise
enge Anschlussleitungen in den Sammelkasten eingeführt
wird.
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Die
beschriebene Wirbelbildung hat eine ungleichmäßige
Verteilung der Ladeluft auf die Kühlkanäle des
mit dem Sammelkasten verbundenen Wärmeaustauschernetzes
zur Folge. In ungünstigen Fällen können
hierdurch bis zu 50% der im Ladeluftkühler insgesamt auftretenden
Druckverluste bereits im Eingangssammelkasten entstehen.
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Die
genannten Nachteile lassen sich auch nicht wesentlich durch die
Anwendung von Sammelkästen reduzieren, deren Sammelräume
andere als die üblichen Grundformen aufweisen. Bekannt
sind z. B. Sammelkästen, die aus herstellungstechnischen
und konstruktiven Gründen mit zu den Sammelräumen
hin konkaven Decken- und konvexen Bodenflächen versehen
sind (
US 6 540 016
B1 ). Bekannt sind ferner Sammelkästen, die aus
zwei im Wesentlichen U-förmigen Platten zu einem Bauteil zusammengesetzt
sind, dessen Sammelraum zwar einen im Wesentlichen quadratischen
Querschnitt besitzt, jedoch eine konvex nach außen gewölbte
Bodenfläche und eine Deckenfläche besitzt, die
zur Reduzierung des Bauraumes und des Sammelraumvolumens einen konvex
nach innen gewölbten Abschnitt aufweist (
US 6 604 574 B1 ). Schließlich
führen Sammelkästen, die in ihren Sammelräumen
mit in Längsrichtung erstreckten Verteilerkanälen
versehen sind, die Austrittsöffnungen für gasförmige
und flüssige Phasen z. B. eines Kältemittels aufweisen, allenfalls
zu einer Erhöhung anstatt zu der angestebten Reduzierung
der Druckverluste (z. B.
US 2007/0256821 A1 ,
US 2008/0023183 A1 ).
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Ausgehend
davon liegt der vorliegenden Erfindung das technische Problem zugrunde,
den Sammelkasten der eingangs bezeichneten Gattung so auszubilden,
dass Wirbelbildungen in der einströmenden Ladeluft zumindest
stark reduziert werden und die Ladeluft mehr oder weniger direkt
in das mit dem Sammelkasten verbundene Wärmeaustauschernetz
einströmt.
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Gelöst
wird dieses Problem mit dem Sammelkasten der eingangs bezeichneten
Gattung erfindungsgemäß dadurch, dass die den
Sammelraum begrenzenden Seitenflächen zumindest teilweise zum
Sammelraum hin konvex geformt sind.
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Messungen
und Berechnungen haben überraschend erwiesen, dass mit
Hilfe von konvex geformten Seitenflächen eine erhebliche
Reduzierung der Druckverluste realisierbar ist, die normalerweise in
den Eingangssammelkästen eines Ladeluftkühlers auftreten.
Offensichtlich werden durch die konvexe Form der Seitenflächen
unerwünschte Wirbelbildungen weit stärker verhindert,
als dies mit anderen Formen der Seiten-, Boden- und Deckenflächen
möglich ist.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 schematisch
die perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen
Sammelkastens und eines mit diesen verbundenen Wärmeaustauschernetzes
bei offenen Stirnseiten;
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2 eine
der 1 entsprechende Ansicht, jedoch mit durch Endplatten
abgeschlossenen Stirnseiten;
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3 einen
vergrößerten Querschnitt durch den Sammelkasten
nach 1 unter Weglassung einer Anschlussleitung und
der Endplatten;
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4 und 5 der 3 entsprechende Querschnitte
durch weitere Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen
Sammelkästen; und
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6 und 7 perspektivische
Ansichten je eines erfindungsgemäßen Sammelkastens
mit in seiner Längsrichtung variierendem Querschnitt, wobei
die Endplatten und die Anschlussleitung wiederum weggelassen sind.
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1 und 2 zeigen
einen erfindungsgemäßen Sammelkasten 1,
der an seinem Boden mit einem üblichen Wärmeaustauschernetz 2 verbunden ist.
Das Netz 2 enthält z. B. eine Mehrzahl von parallel
angeordneten, Kühlkanäle bildenden Rohren 3 und
zwischen diesen angeordneten, wellenförmig ausgebildeten
Lamellen 4, wobei die Rohre 3 und Lamellen 4 durch
Löten od. dgl. zu einem das Netz 2 bildenden Körper
fest miteinander verbunden sind. Der Sammelkasten 1 stellt
insbesondere einen Eingangssammelkasten dar, dem mittels einer Anschlussleitung 5 und
in Richtung eines Pfeils v Ladeluft zugeführt wird, die
von einem nicht dargestellten Verdichter (Kompressor) kommt.
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Der
Sammelkasten 1 erstreckt sich in einer durch eine Längsachse 6 angedeuteten
Längsrichtung zwischen zwei endseitigen Stirnflächen,
die in 1 offen gelassen sind, um einen Blick auf einen inneren
Sammelraum 7 des Sammelkasten 1 freizulassen. 2 zeigt
den Sammelkasten 1 dagegen in seinem fertigen Gebrauchszustand,
in dem die beiden Stirnflächen durch Endplatten 8 verschlossen sind.
Die dem Sammelkasten 1 durch die Anschlussleitung 5 zugeführte
Ladeluft verteilt sich daher in dessen Sammelraum 7, um
von dort durch die Rohre 3 in Richtung eines zweiten, nicht
dargestellten, für die Zwecke der Erfindung weniger bedeutsamen Ausgangssammelkastens
zu strömen, von wo aus sie den Einlassventilen eines Verbrennungsmotors zugeführt
wird.
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Ladeluftkühler
dieser Art sind dem Fachmann allgemein bekannt und brauchen daher
nicht näher erläutert werden.
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Nach
einem derzeit für am besten gehaltenen Ausführungsbeispiel
der Erfindung besitzt der Sammelraum 7 des Sammelkastens 1 einen
insbesondere aus 3 ersichtlichen, glockenförmigen Querschnitt.
Der Sammelraum 7 ist zu diesem Zweck durch eine Bodenfläche 9,
eine Deckenfläche 10 und zwei die Bodenfläche 9 mit
der Deckenfläche 10 verbindende Seitenflächen 11 und 12 begrenzt,
wobei die Deckenfläche 10 und die Seitenflächen 11, 12 als die
Innenflächen von vergleichsweise dünnen Decken-
und Seitenwänden 14, 15 und 16 ausgebildet sind,
die eine an sich beliebige, meistens von den Montageanforderungen
abhängige äußere Kontur haben können.
Im Ausführungsbeispiel ist angenommen, dass die Seitenwände 15, 16 aus
im Wesentlichen glockenförmig gestalteten Platten bestehen.
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Die
vorzugsweise ebene Bodenfläche 9 wird im Ausführungsbeispiel
lediglich von schmalen, unteren Randabschnitten der Seitenwände 15 und 16 und der
in 3 nicht sichtbaren Endplatten 8 gebildet, die
den in 2 nach unten offenen Sammelraum 7 seitlich
und an den Stirnseiten begrenzen und zur Montage des Netzes 2 (1)
dienen. Im Übrigen ist der Sammelraum 7 frei von
Hindernissen und/oder Verteilerelementen wie Kanälen, Rippen
od. dgl., so dass sich die Ladeluft ungehindert im Sammelraum 7 ausbreiten
kann.
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Während
die Deckenfläche 10 an sich beliebig geformt sein
kann, sind die Seitenflächen 11 und 12 zum
Sammelraum 7 hin konvex ausgebildet. Außerdem
ist die Querschnittsfläche des Sammelraums 7 in
Richtung der Längsachse 6 (1) vorzugsweise überall
gleich, so dass die ein zusammenhängendes Bauteil bildenden
Decken- und Seitenwände 14, 15 und 16 kontinuierlich
als ein Strangpressteil hergestellt und dann auf eine gewünschte
Länge abgeschnitten werden können. Im Anschluss
daran werden an den stirnseitigen Enden des so erhaltenen Körpers
die beiden Endplatten 8 durch Löten, Schweißen,
Kleben oder sonstwie befestigt und an einer geeigneten Stelle die
zum Anschluss der Anschlussleitungen 5 erforderlichen Öffnungen
angebracht.
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Durch
die beschriebene Glockenform des Sammelraums 7 bzw. der
diese begrenzen den Flächen wird eine merkbare Reduzierung
der Druckverluste innerhalb des Eingangssammelkastens 1 erzielt.
Das gilt auch dann, wenn der Querschnitt der Anschlussleitung 5 vergleichsweise
klein ausgebildet wird, wie dies aus Platzgründen häufig
erwünscht ist. Eine noch weitere Reduzierung des Druckverlustes lässt
sich dadurch erreichen, dass die unteren Randabschnitte der Seitenwände 15, 16 so
ausgebildet werden, dass die Seitenflächen 11, 12 stufenlos in
die Bodenfläche 9 übergehen, doch können
die aus 3 ersichtlichen, geringfügigen
Stufen zur sicheren Befestigung des Netzes 2 erwünscht
sein.
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Das
beschriebene, aus 3 ersichtliche Bauteil kann
anstatt durch Strangpressen auch auf andere Weise hergestellt werden,
z. B. durch Guss. Die Herstellung aus Guss hätte den zusätzlichen
Vorteil, dass zur Befestigung der Anschlussleitungen 5 bestimmte
Anschlussstutzen oder -öffnungen, zur Montage von Befestigungsschrauben
bestimmte Einsenkungen od. dgl. in einem und demselben Arbeitsschritt
angebracht werden können und nicht wie bei der Herstellung
durch Strangpressen weitere Arbeitsschritte erfordern. Allerdings
müsste in diesem Fall für jeden unterschiedlichen
Sammelkasten eine besondere Gussform vorgesehen werden, während
bei der Herstellung durch Strangpressen mit einem einzigen Werkzeug
zumindest gleichartige Sammelkästen mit einer Vielzahl
von unterschiedlichen Längen hergestellt werden können.
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4 zeigt
im Querschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Sammelkastens. Im Gegensatz zu 3 besitzt
der Sammelkasten eine quaderförmige Außenkontur
und einen Sammelraum 17, der quer zur Längsachse 6 (1) einen
im Wesentlichen dreieckförmigen bzw. dachförmigen
Querschnitt besitzt. Während eine Bodenfläche 18 entsprechend 3 ausgebildet
ist, sind Seitenflächen 19 und 20 zwar
wie in 3 zum Sammelraum 17 hin ebenfalls konvex
geformt, jedoch mit einem solchen Winkel zur Bodenfläche 18 angeordnet
und mit einer solchen Höhe versehen, dass sie in einer
zu einer geraden Linie entarteten Deckenfläche 21 zusammenlaufen.
Außerdem sind die mit den Seitenflächen 19, 20 versehenen
Seitenwände wesentlich massiver als in 3 geformt,
wodurch der Sammelkasten seine quaderförmige Außenkontur
erhält.
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Das
Ausführungsbeispiel nach 5 weist eine
Bodenfläche 22 und eine äußere,
quaderförmige Kontur analog zu 4 auf. Im
Unterschied dazu ist nur eine Seitenfläche 23 analog
zur Seitenfläche 11 in 3 zu einem
Sammelraum 24 hin konvex gewölbt. Dagegen ist
eine zweite, der Seitenfläche 23 gegenüberliegende
Seitenfläche 25 zum Sammelraum 24 hin
konkav gewölbt. Beide Seitenflächen 23, 25 sind
analog zu 3 durch eine der Bodenfläche 22 gegenüberliegende
Deckenfläche 26 miteinander verbunden. Überraschend
haben Versuche ergeben, dass bereits die konvexe Ausbildung einer
der beiden Seitenflächen, hier der Seitenfläche 23,
zu einer merkbaren Reduzierung der Druckverluste im Eingangssammelkasten
führt, was auch in diesem Fall auf die weitgehende Verhinderung
von Wirbelbildungen durch die nach innen zu konvexe Wölbung
zurückgeführt wird.
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Während
in 1 bis 5 davon ausgegangen ist, dass
die Sammelräume 7, 17 und 24 quer zur
Längsachse 6 (1) betrachtet, überall
denselben Querschnitt haben, zeigen 6 und 7 zwei Ausführungsbeispiele
mit in Richtung der Längsachse 6 variierenden
Querschnitten. Zur Freigabe des Blicks auf den jeweiligen Sammelraum
sind in 6 und 7 wie in 3 bis 5 die
Endplatten 8 (2) jeweils weggelassen.
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Das
Ausführungsbeispiel nach 6 zeigt einen
Sammelkasten 27 mit einem Sammelraum 28, der analog
zu 3 einen glockenförmigen Querschnitt besitzt.
Im Gegensatz zu 3 nimmt jedoch die Höhe
des Sammelraums 28 in Richtung der Längsachse 6 allmählich
zu. Dagegen zeigt 7 einen Sammelkasten 29 mit
einem Sammelraum 30, der an einem Ende (in 7 vom)
einen Querschnitt analog zu 3 und am
entgegengesetzten Ende (in 7 hinten)
einen Querschnitt entsprechend 4 besitzt,
wobei die den Sammelraum 30 begrenzenden Seitenflächen
wie auch in 6 einen kontinuierlichen, d.
h. keine Stufen od. dgl. aufweisenden Verlauf haben.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden
können. Die in den Zeichnungen dargestellten Querschnitte
der Sammelkästen können in vielfacher Weise variiert
werden. Beispielsweise ist es möglich, die konvexe Form der
Seitenflächen durch eine Mehrzahl von ebenen, polygonzugartig
aneinander grenzenden Flächenteilen zu realisieren. Ferner
können insbesondere die Boden- und Deckenflächen
anders als beschrieben gestaltet und je nach Bedarf nach innen zu
leicht konvex oder konkav gewölbt sein. Weiter ist es möglich, die
Sammelräume 7, 17, 24, 28 und 30 auf
der Seite des Netzes 2 mit einer Bodenplatte abzuschließen,
in der Öffnungen zum Einsetzen einzelner Kühlrohre od.
dgl. ausgebildet sind. Auch die Lage der Anschlussleitung 5 (1 und 2)
ist weitgehend frei wählbar, obwohl im Falle der Sammelkästen
nach 6 und 7 bevorzugt wird, die zugehörigen
Anschlussöffnungen in der Nähe der größten
Querschnitte der Sammelräume anzuordnenn. Abgesehen davon
ist klar, dass der am Ausgang des Netzes 2 angebrachte
Sammelkasten genauso wie der beschriebene Eingangssammelkasten ausgebildet
sein könnte, obwohl der Querschnitt des Sammelraums des
Ausgangssammelkastens weit weniger kritisch als der des Eingangssammelkastens
ist. Schließlich versteht sich, dass die verschiedenen
Merkmale auch in anderen als den beschriebenen und dargestellten
Kombinationen angewendet werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6540016
B1 [0006]
- - US 6604574 B1 [0006]
- - US 2007/0256821 A1 [0006]
- - US 2008/0023183 A1 [0006]