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Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- - einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
- - einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
- - mindestens einem zur Kompression einer Ladeluftströmung im Ansaugsystem angeordneten Verdichter, der mindestens ein in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad umfasst und einen Eintrittsbereich aufweist, der koaxial zur Welle des Verdichters verläuft und ausgebildet ist,
- - einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, und
- - einer Leiteinrichtung, die stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades im Ansaugsystem angeordnet ist und die sich zumindest auch zwischen dem mindestens einen Verdichterlaufrad und dem Knotenpunkt erstreckt.
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Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird beispielsweise als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrifft der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d.h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine mindestens eine weitere Drehmoment-Quelle zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges umfassen, beispielsweise eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare bzw. antriebsverbundene Elektromaschine, welche anstelle der Brennkraftmaschine oder zusätzlich zur Brennkraftmaschine Leistung abgibt.
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Die Bedeutung aufgeladener Brennkraftmaschinen nimmt ständig zu, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
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Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.
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Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d.h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird.
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Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d.h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
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Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem - mechanischen - Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht. In der Regel ist eine mechanische Verbindung, wie beispielsweise ein Zugmitteltrieb, zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich.
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Der Vorteil eines mechanischen Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der mechanische Lader in der Regel den angeforderten Ladedruck unabhängig vom momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine generieren und zur Verfügung stellen kann, insbesondere auch bei niedrigen Drehzahlen der Kurbelwelle. Das gilt insbesondere für einen Lader, der mittels Elektromaschine antreibbar ist und daher auch als elektrischer Lader bezeichnet werden kann.
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Nach dem Stand der Technik bereitet es nämlich Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis, weshalb das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls abnimmt. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.
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Zusätzlich zu einem Abgasturbolader kann grundsätzlich auch ein mechanischer bzw. elektrischer Lader vorgesehen werden. Da eine Abgasturboaufladung insbesondere unter Verwendung mehrerer Abgasturbolader kostenintensiv ist, kann anstelle einer Abgasturboaufladung auch eine Aufladung mittels einem mechanischen bzw. elektrischen Lader vorgenommen werden. Die Vorteile sind die oben bereits Genannten.
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Die aufgeladene Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt zwecks Aufladung über mindestens einen Verdichter, welcher ein mechanischer Lader, ein elektrischer Lader oder der Verdichter eines Abgasturboladers sein kann.
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Probleme können sich stromaufwärts des Verdichters ergeben, wenn die Brennkraftmaschine - wie die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine - mit einer Abgasrückführung ausgestattet ist, bei der das Abgas stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingeleitet wird. Es kann sich nämlich Kondensat bilden. Dabei sind mehrere Szenarien zu berücksichtigen.
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Zum einen kann sich Kondensat bilden, wenn rückgeführtes heißes Abgas mit kühler Frischluft zusammentrifft und gemischt wird. Das Abgas kühlt sich ab, wohingegen die Temperatur der Frischluft angehoben wird. Die Temperatur der Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas, d.h. die Ladelufttemperatur, liegt unterhalb der Abgastemperatur des rückgeführten Abgases. Im Rahmen der Abkühlung des Abgases können zuvor noch gasförmig im Abgas enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren, wenn die Tautemperatur einer Komponente der gasförmigen Ladeluftströmung unterschritten wird.
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Es kommt zu einer Kondensatbildung in der freien Ladeluftströmung, wobei häufig Verunreinigungen in der Ladeluft den Ausgangspunkt für die Bildung von Kondensattröpfchen bilden.
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Zum anderen kann sich Kondensat bilden, wenn rückgeführtes heißes Abgas bzw. die Ladeluft auf die Innenwandung des Ansaugsystems bzw. auf die Innenwandung des Verdichtergehäuses trifft, da die Wandtemperatur in der Regel unterhalb der Tautemperatur der relevanten gasförmigen Komponenten liegt.
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Die vorstehend beschriebene Problematik verschärft sich mit zunehmender Rückführrate, da mit der Zunahme der rückgeführten Abgasmenge die Anteile der einzelnen Abgaskomponenten in der Ladeluft zwangsläufig zunehmen, insbesondere der Anteil des im Abgas enthaltenen Wassers. Nach dem Stand der Technik wird daher die mittels Niederdruck-AGR rückgeführte Abgasmenge häufig begrenzt, um das Auskondensieren zu unterbinden bzw. zu vermindern. Die notwendige Begrenzung der Niederdruck-AGR einerseits und die für eine deutliche Absenkung der Stickoxidemissionen erforderlichen hohen Abgasrückführraten andererseits führen zu unterschiedlichen Zielsetzungen bei der Bemessung der rückgeführten Abgasmenge. Die gesetzlichen Anforderungen an die Reduzierung der Stickoxidemissionen verdeutlichen die hohe Relevanz dieses Problems für die Praxis.
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Die vorstehend in Zusammenhang mit der Rückführung heißen Abgases beschriebenen Effekte gelten in analoger Weise auch für den Entlüftungsstrom, welcher üblicherweise dem Kurbelgehäuse entnommen und in das Ansaugsystem stromaufwärts des Verdichters eingeleitet wird.
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Kondensat und Kondensattröpfchen sind unerwünscht und führen zu einer erhöhten Geräuschemission im Ansaugsystem, gegebenenfalls zur Beschädigung der Schaufeln des mindestens einen Verdichterlaufrades. Letzteres ist mit einer Verminderung des Wirkungsgrades des Verdichters verbunden.
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Auch wenn im Rahmen einer Niederdruck-AGR vorzugsweise Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt wird, das einer Abgasnachbehandlung, insbesondere in einem Partikelfilter, unterzogen wurde, können Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, nicht vollständig vermieden werden.
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Die
US 8,297,922 B1 beschreibt eine Haube, die das Laufrad des Verdichters vor Beschädigung und Ablagerungen schützen soll. Die Haube weist zwei Flächen auf, wobei eine erste Fläche die Vorderseite der Haube bildet, die der Ladeluftströmung ausgesetzt ist. Eine zweite Fläche, die der ersten Fläche gegenüberliegt und die Rückseite der Haube bildet, ist dem Laufrad zugewandt. Die Rückseite der Haube ist passgenau zu der Vorderseite des Laufrades ausgebildet, so dass keine Hohlräume zwischen der Rückseite der montierten Haube und der Vorderseite des Laufrades ausgebildet werden. Die Vorderseite der Haube ist, wie sonst üblicherweise das Laufrad des Verdichters auch, im Hinblick auf strömungstechnische Aspekte bzw. den Wirkungsgrad des Verdichters ausgebildet.
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Bei der in der
US 8,297,922 B1 beschriebenen Haube handelt es sich um ein aufwendiges und kostenintensives Konzept. Die Haube umhüllt das Laufrad des Verdichters vorderseitig im Ganzen und muss passgenau gefertigt werden, weshalb hohe Anforderungen an die Fertigung zu stellen sind. Dem Anschein nach ist die in der
US 8,297,922 B1 beschriebene Haube als Verschleißteil konzipiert, welches im Rahmen von Wartungsarbeiten zu ersetzen ist. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Kosten der vorgeschlagenen Schutzmaßnahme zu berücksichtigen.
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Zudem weist die voluminöse Haube ein entsprechendes Gewicht auf, das als sehr nachteilig anzusehen ist. Zu berücksichtigen ist dabei, dass die Haube mit dem rotierenden Laufrad des Verdichters umläuft und sehr hohe Drehzahlen realisiert werden, wodurch entsprechend hohe Kräfte an der Verdichterwelle und im Lager angreifen. Da die schwere Haube zudem mit dem rotierenden Laufrad des Verdichters zu beschleunigen und zu verzögern ist, verschlechtert sich das Ansprechverhalten des Verdichters in nicht unerheblicher Weise.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und mit der insbesondere der Beschädigung des Verdichters infolge Kondensatbildung entgegengewirkt wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- - einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
- - einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
- - mindestens einem zur Kompression einer Ladeluftströmung im Ansaugsystem angeordneten Verdichter, der mindestens ein in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad umfasst und einen Eintrittsbereich aufweist, der koaxial zur Welle des Verdichters verläuft und ausgebildet ist,
- - einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, und
- - einer Leiteinrichtung, die stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades im Ansaugsystem angeordnet ist und die sich zumindest auch zwischen dem mindestens einen Verdichterlaufrad und dem Knotenpunkt erstreckt,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- - die Leiteinrichtung eine innenliegende Hülse und mehrere leistenartige Leitelemente umfasst, wobei die leistenartigen Leitelemente die innenliegende Hülse außen zumindest bereichsweise spiralförmig umlaufen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die leistenartigen Leitelemente die innenliegende Hülse in der Art spiralförmig umlaufen, dass die unter Verwendung der Leitelemente geführte Ladeluftströmung eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Umfangsgeschwindigkeit des umlaufenden Verdichterlaufrades aufweist bzw. aufgezwungen bekommt.
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Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird nicht beabsichtigt, der Kondensatbildung im Ansaugsystem entgegen zu wirken oder aber das abgeschiedene Kondensat stromaufwärts des Verdichters zu sammeln und abzuführen. D.h. der Problematik infolge Kondensatbildung soll vorliegend nicht ursächlich begegnet werden.
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Vielmehr sollen die nachteiligen Effekte der Kondensatbildung durch geeignete Maßnahmen gemindert bzw. eliminiert werden, insbesondere die Beschädigung der Schaufeln des mindestens einen Verdichterlaufrades vermieden werden.
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Aus diesem Grunde durchläuft die Ladeluftströmung erfindungsgemäß eine Leiteinrichtung bevor sie auf das mindestens eine Verdichterlaufrad trifft. Die erfindungsgemäße Leiteinrichtung umfasst eine innenliegende Hülse, in deren Innern ein Teil - vorzugsweise der überwiegende Teil - der Ladeluft mittig im Ansaugsystem geführt wird. Dieser Teil des Ladeluftstroms wird im Folgenden auch als innere Ladeluftströmung bezeichnet. Ein verbleibender, anderer Teil der Ladeluft umströmt die innenliegende Hülse außen und durchströmt dabei einen äußeren Kanal, der zwischen der innenliegenden Hülse und der Innenwandung des Ansaugsystems ausgebildet wird und regelmäßig ringförmig ist. Dieser Teil des Ladeluftstroms wird im Folgenden auch als äußere Ladeluftströmung bezeichnet.
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Die äußere Ladeluftströmung weist regelmäßig einen hohen Anteil an Kondensat bzw. viele Kondensattröpfchen auf. Dies kann unterschiedliche Ursachen haben. Zum einen überstreicht die äußere Ladeluftströmung die Innenwandung des Ansaugsystems, an der sich Kondensat und Kondensattröpfchen bilden und sammeln, welche in die äußere Ladeluftströmung gelangen bzw. von dieser äußeren Ladeluftströmung mitgenommen werden. Zum anderen mündet die Rückführleitung einer Abgasrückführung bzw. die Entlüftungsleitung einer Kurbelgehäuseentlüftung in das Ansaugsystem und zwar unter Ausbildung einer Eintrittsöffnung in der Innenwandung des Ansaugsystems. Infolgedessen gelangen die rückgeführten Abgase bzw. der Entlüftungsstrom in die äußere Ladeluftströmung und zwar bevorzugt, falls die innenliegende Hülse die Eintrittsöffnung überdeckt bzw. weit genug in das Ansaugsystem stromaufwärts der Eintrittsöffnung hineinragt.
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In dem äußeren Kanal zwischen der innenliegenden Hülse und der Innenwandung des Ansaugsystems sind erfindungsgemäß Leitelemente der Leiteinrichtung angeordnet, welche die innenliegende Hülse außen und zumindest bereichsweise spiralförmig umlaufen.
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Beim Durchströmen der leistenartigen Leitelemente wird der äußeren Ladeluftströmung mitsamt dem Kondensat bzw. den Kondensattröpfchen eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Umfangsgeschwindigkeit des umlaufenden Verdichterlaufrades aufgezwungen, wodurch die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Laufrad und der in das Laufrad eintretenden äußeren Ladeluftströmung, insbesondere die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Laufrad und den auf das Laufrad auftreffenden Kondensattröpfchen verringert bzw. minimiert wird.
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Die Reduzierung der Relativgeschwindigkeiten hat den vorteilhaften Effekt, dass insbesondere die auf das Laufrad auftreffenden Kondensattröpfchen einen vergleichsweise kleinen Impuls aufweisen bzw. mit sich bringen, wodurch die Gefahr einer Beschädigung der Schaufeln des mindestens einen Verdichterlaufrades vermindert bzw. eliminiert wird.
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Eine Beschädigung der Laufschaufelkanten durch Kondensat und eine damit einhergehende Verminderung des Verdichterwirkungsgrades werden unterbunden.
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Eine Begrenzung der rückgeführten Abgasmenge ist nicht erforderlich, so dass hohe Rückführraten realisiert werden können, um die Stickoxidemissionen deutlich zu reduzieren.
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Durch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitgestellt, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und mit der insbesondere der Beschädigung des Verdichters infolge Kondensatbildung entgegengewirkt wird.
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Ein leistenartiges Leitelement ist dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Leitelements - wie bei einer Fußleiste - die Breite und die Tiefe des Leitelements um ein Vielfaches übersteigt.
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Die erfindungsgemäße Leiteinrichtung eignet sich auch zur Nachrüstung von bereits auf dem Markt befindlichen Verdichtern.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein leistenartiges Leitelement an einer Innenwandung des Ansaugsystems befestigt ist.
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Ein leistenartiges Leitelement, mehrere Leitelemente oder sämtliche Leitelemente können an der Innenwandung des Ansaugsystems befestigt sein, beispielsweise indem das mindestens eine Leitelement einteilig mit dem Ansaugsystem ausgebildet ist, wodurch eine stoffschlüssige Verbindung realisiert wird.
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Vorteilhaft sind aber insbesondere Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein leistenartiges Leitelement an der innenliegenden Hülse befestigt ist.
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Ein leistenartiges Leitelement, mehrere Leitelemente oder sämtliche Leitelemente können auch an der innenliegenden Hülse befestigt sein, beispielsweise indem das mindestens eine Leitelement einteilig mit der innenliegenden Hülse ausgebildet ist, so dass die innenliegende Hülse und das mindestens eine leistenartige Leitelement ein monolithisches Bauteil bilden, d.h. einstückig ausgebildet sind.
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Die vorstehende Ausführungsform eignet sich besonders zur Nachrüstung von bereits auf dem Markt befindlichen Verdichtern.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang - wie bereits erwähnt - Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein leistenartiges Leitelement und die innenliegende Hülse einteilig in der Art ausgebildet sind, dass das mindestens eine leistenartige Leitelement und die innenliegende Hülse ein monolithisches Bauteil bilden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein leistenartiges Leitelement zumindest bereichsweise einen flügelförmigen Querschnitt aufweist. Dann ist das Leitelement an seiner der Hülse zugewandten Seite vorzugsweise verdickt ausgebildet und wird mit zunehmendem Abstand zur Hülse dünner bzw. schmaler.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jedes leistenartige Leitelement eine der Ladeluftströmung zugewandte Eintrittskante aufweist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Eintrittskante keilförmig ausgebildet ist.
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Eine keilförmig ausgebildete Eintrittskante erleichtert der Ladeluftströmung den Eintritt zwischen zwei benachbarte Leitelemente, ohne dass die Strömung turbulent wird. Vielmehr wird die Ladeluftströmung von den keilförmigen Eintrittskanten trichterartig zwischen die Leitelemente geführt, wobei die flügelähnlichen Leitelemente dafür sorgen, dass die Ladeluftströmung entlang der Leitelemente geführt wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zwei benachbarte leistenartige Leitelemente einen Kanal ausbilden, der sich zum Verdichterlaufrad hin verjüngt.
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Verjüngt sich der von zwei benachbarten Leitelementen ausgebildete Kanal in Strömungsrichtung düsenartig, wird die zwischen zwei benachbarten Leitelementen geführte Ladeluftströmung beim Durchströmen des Kanals beschleunigt, wodurch die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Laufrad und der in das Laufrad eintretenden äußeren Ladeluftströmung, insbesondere die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Laufrad und den auf das Laufrad auftreffenden Kondensattröpfchen verkleinert werden kann.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die innenliegende Hülse zylinderförmig ausgebildet ist.
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Die zylinderförmige Ausbildung der innenliegenden Hülse verleiht der Leiteinrichtung eine gewisse Symmetrie, welche den Einbau der Leiteinrichtung in das Ansaugsystem bzw. den Verdichtereintrittsbereich, d.h. die Montage erleichtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die innenliegende Hülse koaxial zur Welle des Verdichters verläuft und ausgebildet ist.
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Der mindestens eine Verdichter weist einen Eintrittsbereich auf, der koaxial zur Welle des Verdichters verläuft und ausgebildet ist. Insofern bildet eine innenliegende koaxial zur Welle des Verdichters ausgebildete Hülse die strömungstechnisch günstige Verlängerung des koaxial ausgebildeten Eintrittsbereichs.
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Die Anpassung bzw. Heranführung der zwischen den Leitelementen geführten Ladeluftströmung an die Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades bzw. der Laufradschaufeln wird dadurch vereinfacht.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die innenliegende Hülse erste Löcher aufweist.
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Die ersten Löcher sorgen für eine fluidische Verbindung der äußeren Ladeluftströmung mit der inneren Ladeluftströmung, d.h. dem Innern der Hülse. Die Löcher können kreisförmig, ellipsenförmig oder eckig, insbesondere polygonal, ausgebildet sein, aber auch jede andere Form aufweisen.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die innenliegende Hülse zwischen den leistenartigen Leitelementen erste Löcher aufweist.
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Infolge der Beschleunigung der zwischen zwei benachbarten Leitelementen geführten äußeren Ladeluftströmung sinkt der statische Druck außerhalb der Hülse. Die daraus resultierende Druckdifferenz zwischen dem Innern der Hülse und dem äußeren Kanal sorgt als treibende Druckdifferenz für eine Ladeluftströmung via der ersten Löcher vom Innern der Hülse in den äußeren Kanal. Dadurch werden zusätzliche Turbulenzen in der äußeren Ladeluftströmung erzeugt, die zur Zerstäubung des Kondensats bzw. der Zerkleinerung der Kondensattröpfchen führen bzw. beitragen.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein leistenartiges Leitelement mindestens ein zweites Loch aufweist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jedes leistenartige Leitelement mehrere zweite Löcher aufweist.
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Die zweiten Löcher sorgen für eine fluidische Verbindung der Ladeluftströmungen auf beiden Seiten eines leistenartigen Leitelements. Die Löcher können kreisförmig, ellipsenförmig oder eckig, insbesondere polygonal, ausgebildet sein, aber auch jede andere Form aufweisen.
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Infolge dieser fluidischen Verbindung und dem Umlenken der Ladeluftsröme zwischen den Leitelementen werden zusätzliche Turbulenzen in der äußeren Ladeluftströmung erzeugt, die zur Zerstäubung des Kondensats bzw. der Zerkleinerung der Kondensattröpfchen führen bzw. beitragen. Der Gefahr einer Beschädigung der Schaufeln wird dadurch weiter entgegengewirkt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die leistenartigen Leitelemente von einer außenliegenden Hülse ummantelt sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter ein mechanischer Lader oder ein elektrisch angetriebener Lader ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter zu einem Abgasturbolader gehört, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und den Verdichter umfasst, wobei der Verdichter und die Turbine auf derselben Welle angeordnet sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasrückführung ein Absperrelement umfasst, welches der Einstellung der rückgeführten Abgasmenge dient. Das auf die Einlassseite zurückgeführte und vorzugsweise gekühlte Abgas wird stromaufwärts des Verdichters mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die dem Verdichter zugeführt und komprimiert wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Entlüftungsleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts des mindestens einen Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den 1a, 1b und 1c näher beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1a schematisch ein Fragment des Ansaugsystems einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Leiteinrichtung, teilweise geschnitten und mit Blick in Richtung der Welle des Verdichters,
- 1b das in 1a dargestellte Fragment des Ansaugsystems im Querschnitt entlang der in 1a kenntlich gemachten Linie A - A, und
- 1c das in 1a dargestellte Fragment des Ansaugsystems im Querschnitt entlang der in 1a kenntlich gemachten Linie B - B.
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Die 1a zeigt schematisch ein Fragment des Ansaugsystems 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Leiteinrichtung 4, teilweise geschnitten und mit Blick in Richtung der Welle 2a des Verdichters 2. Insofern handelt es sich bei 1a um eine Draufsicht auf das Verdichterlaufrad 2b in Richtung der Ladeluftströmung.
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Die 1b und 1c zeigen das in 1a dargestellte Fragment des Ansaugsystems 1 im Querschnitt und zwar entlang der in 1a kenntlich gemachten Linien A - A und B - B.
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Das Ansaugsystem 1 dient dem Zuführen von Ladeluft zu den Zylindern und der Verdichter 2 der Aufladung der Zylinder und damit der Brennkraftmaschine. Der Verdichter 2 umfasst ein in einem Verdichtergehäuse 2c auf einer drehbaren Welle 2a gelagertes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad 2b. Der Eintrittsbereich 3 des Verdichters 2 ist koaxial zur Welle 2a des Verdichters 2 ausgebildet, so dass der Abschnitt des Ansaugsystems 1 stromaufwärts des Verdichters 2 keine Richtungsänderungen aufweist und die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter 2 ohne weitere Maßnahmen axial erfolgen würde.
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Die Brennkraftmaschine ist mit einer Abgasrückführung ausgestattet, welche eine Rückführleitung umfasst, die vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters 2 bzw. des Verdichterlaufrades 2b unter Ausbildung eines Knotenpunktes in das Ansaugsystem 1 mündet (nicht dargestellt).
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Das Ansaugsystem 1 der Brennkraftmaschine ist mit einer Leiteinrichtung 4 ausgestattet, die stromaufwärts des Verdichterlaufrades 2b angeordnet ist und die sich auch zwischen dem Verdichterlaufrad 2b und dem Knotenpunkt erstreckt, wie auch in 1b dargestellt.
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Die Leiteinrichtung 4 umfasst eine innenliegende zylinderförmige Hülse 4a und mehrere leistenartige Leitelemente 4b, die die innenliegende Hülse 4a außen zumindest bereichsweise spiralförmig umlaufen, wie in 1c dargestellt.
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Im Innern der Hülse 4a wird der überwiegende Teil der Ladeluft mittig im Ansaugsystem 1 geführt. Diese innere Ladeluftströmung 6b strömt das Verdichterlaufrad 2b im Wesentlichen axial an.
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Ein anderer Teil der Ladeluft umströmt die innenliegende Hülse 4a außen und bildet eine äußere Ladeluftströmung 6a, welche einen äußeren ringförmigen Kanal, der zwischen der innenliegenden Hülse 4a und der Innenwandung 1a des Ansaugsystems 1 ausgebildet wird, durchströmt.
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Die äußere Ladeluftströmung 6a weist regelmäßig einen hohen Anteil an Kondensat bzw. viele Kondensattröpfchen auf, wie auch in 1b dargestellt.
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In dem äußeren Kanal zwischen der innenliegenden Hülse 4a und der Innenwandung 1a des Ansaugsystems 1 sind mehrere Leitelemente 4b der Leiteinrichtung 4 angeordnet, welche die innenliegende Hülse 4a außen bereichsweise spiralförmig umlaufen und eine keilförmige Eintrittskante 4b' aufweisen.
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Beim Durchströmen der leistenartigen Leitelemente 4b wird der äußeren Ladeluftströmung 6a mitsamt dem Kondensat bzw. den Kondensattröpfchen eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Umfangsgeschwindigkeit des umlaufenden Verdichterlaufrades 2b aufgezwungen. Die Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades 2b ist in 1c durch einen geraden Pfeil kenntlich gemacht.
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Die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Laufrad 2b und der in das Laufrad 2b eintretenden äußeren Ladeluftströmung 6a, insbesondere die Relativgeschwindigkeit in Umfangsrichtung des Laufrades 2b zwischen dem Laufrad 2b und den auf das Laufrad 2b auftreffenden Kondensattröpfchen wird verringert.
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Der Geschwindigkeitsvektor der Ladeluftanströmung 6a relativ zum Verdichterlaufrad 2b setzt sich aus dem Geschwindigkeitsvektor der Ladeluftströmung 6a im Ansaugsystem 1 und dem Vektor der Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Verdichterlaufrades 2b zusammen.
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Die innenliegende Hülse 4a weist zwischen den leistenartigen Leitelementen 4b erste Löcher 5a auf, welche eine fluidische Verbindung zwischen dem äußeren Kanal und dem Innern der Hülse 4a schaffen. Infolge der Beschleunigung der äußeren Ladeluftströmung 6a zwischen den Leitelementen 4b sinkt der statische Druck im äußeren Kanal, weshalb Ladeluft via der ersten Löcher 5a vom Innern der Hülse 4a in den äußeren Kanal strömt. Die dadurch in der äußeren Ladeluftströmung 6a generierten Turbulenzen tragen zur Zerstäubung des Kondensats und der Zerkleinerung der Kondensattröpfchen bei.
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Die Leitelemente 4b selbst weisen zweite Löcher 5b auf, welche ebenfalls für eine fluidische Verbindung sorgen und zwar zwischen den Ladeluftströmungen beidseits der leistenartigen Leitelemente 4b. Infolge der Umlenkung der Ladeluftsröme zwischen den Leitelementen 4b werden mittels der zweiten Löcher 5b zusätzliche Turbulenzen in der äußeren Ladeluftströmung 6a erzeugt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ansaugsystem
- 1a
- Innenwandung des Ansaugsystems
- 2
- Verdichter
- 2a
- Welle des Verdichters
- 2b
- Laufrad des Verdichters, Verdichterlaufrad
- 2c
- Verdichtergehäuse
- 3
- Eintrittsbereich des Verdichters
- 4
- Leiteinrichtung
- 4a
- innenliegende Hülse
- 4b
- leistenartiges Leitelement
- 4b'
- Eintrittskante eines Leitelements
- 5a
- Loch, erstes Loch
- 5b
- Loch, zweites Loch
- 6a
- äußere Ladeluftströmung
- 6b
- innere Ladeluftströmung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8297922 B1 [0021, 0022]
