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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Umlenkströmungskanal,
zum Beispiel einen Verdichtereinlasskanal für einen Turbolader,
wobei sich die Strömungsrichtung in einer kurzen Strecke
abrupt ändern muss.
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2. Beschreibung der verwandten
Technik
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Turbolader
werden weithin an Verbrennungsmotoren verwendet und sind in der
Vergangenheit gewerblich besonders mit großen Dieselmotoren,
insbesondere bei Straßenlastwagen, landwirtschaftlichen,
Gelände- und Schiffsanwendungen, verbunden worden. Turbolader
werden an benzinbetriebenen Kraftfahrzeugen gebräuchlicher
und müssen an Dieselfahrzeugen Emissionsvorschriften erfüllen.
Motorabgase werden zu einer Turbine geleitet und treiben diese an,
und die Turbinenwelle ist mit dem Verdichter verbunden und treibt
diesen an. Umgebungsluft wird durch einen Filter und dann in den Turboladerverdichter
gesaugt und von diesem komprimiert und in den Einlasskrümmer
des Motors geleitet. Die Ausführung und Funktion von Turboladern wird
im Stand der Technik zum Beispiel in den
US-PS 4 705 463 ;
5 399 064 und
6 164 931 ausführlich beschrieben,
auf deren Offenbarungen hiermit Bezug genommen wird.
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Turboaufgeladene
Fahrzeuge müssen immer strengere Emissionsbestimmungen
erfüllen. Motoren sind mit Zusatzsystemen versehen, um
dieses und andere Ziele zu erreichen, wobei diese Systeme Platz
im Motorraum einnehmen. In dieser Umgebung ist ein bekanntes Problem,
dass Platz im Motorraum begrenzt ist. Des Weiteren muss sämtliche
einem Turboladerverdichter zugeführte Luft standardmäßig zuerst
einen Luftfilter durchströmen, um jegliche Feststoffe zu
entfernen, die den Turbolader und/oder den Motor beschädigen
könnten. Aufgrund des geringen vorhandenen Platzes können
der Luftfilter und die Verdichterkomponenten in dem Motorraum oftmals
nicht eng zusammen positioniert werden, und in diesen Kanälen
ist der Luftfilter über einen Einlasskanal mit dem Verdichter
verbunden.
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1 zeigt
eine typische gewerbliche Reihen-Sechszylinder-Dieselmotorinstallation
in einem Lastwagen. Der Motorblock (1) erstreckt sich über der
Vorderachse (2), um eine gewünschte Gewichtsverteilung
auf der Achse zu gewährleisten. Im Hinblick auf den Abgasstrom
wird der Turbolader naturgemäß mittig auf dem
Abgaskrümmer (12) angebracht. Diese Montageposition
bedeutet, dass sich der Turbolader oftmals neben dem Vorderrad (5)
und der Fahrzeugaufhängung befindet, wodurch eine Platzbeschränkung
von Seite zu Seite geschaffen wird. Der Luftfilter (6)
ist so positioniert, dass er den Kompromiss zwischen Luftströmung
von dem Fahrzeug zum Filter (6) und der Länge
des Kanals (61) vom Filter (6) zum Verdichterdeckel
(20) begrenzt. Ein Produkt dieses Kompromisses ist der
Abstand von dem Verdichterdeckel (20) zu den Motornebenaggregaten,
wie zum Beispiel dem Drehstromgenerator (7) und dem Klimaanlagenverdichter
(8). Diese Motornebenaggregate müssen vorne am
Motor positioniert werden, da sie oftmals vom Schlangenkeilriemen
(9) angetrieben werden, der von einer auf der Nase der
Motorkurbelwelle angebrachten Riemenscheibe angetrieben wird.
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Der
Verdichter muss so konfiguriert sein, dass sich der den Verdichterdeckel
(20) mit dem Fahrzeugladeluftkühler (6)
verbindende Kanal (21) frei erstreckt. Der Turbolader muss
auch so positioniert sein, dass die Turbinenstufe (10)
des Turboladers derart ist, dass das Abgasrohr (11) eine
angemessene Erstreckung zum rückwärtigen Teil
des Fahrzeugs aufweist. Das Abgasrohr muss sich von dem Turbolader
um den Chassisträger (4) herum schlängeln
und dabei Objekte vermeiden, die von der Abgastemperatur negativ
beeinflusst werden können, wie zum Beispiel Kraftstoff-
und Luftbehälter, Reifen usw. Das Abgasrohr ist in der
Regel 10% bis 20% größer als der Verdichterauslass
oder -einlass, wodurch zusammen mit der Temperatur des Rohrs der
Schwierigkeitsgrad der Bestimmung einer angemessenen, dreidimensionalen
Route für das Rohr bedeutet, dass dieser Aspekt des Fahrzeuginstallationsdesigns
tendenziell die Oberhand gegenüber der Verdichtereinlasskanalführung
nimmt. Durch diese Konfigurationskompromisse ergibt sich oftmals,
dass sich der Verdichtereinlass sehr nahe an anderen Motorkomponenten
befindet.
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Da
der Verdichtereinlass oftmals in der Nähe dieser Hindernisse
positioniert ist, muss der Lufteinlasskanal (61) von dem
Luftfilter (6) zu dem Verdichter (20) um diese
Komponenten herum hineingezwängt werden. Da der Luftfilter
in der Regel entweder neben dem vorderen Teil des Motors oder an
der Feuerschutzwand des Fahrzeugs neben dem hinteren Teil des Motors
positioniert ist, ist das Verdichterende des Kanals von dem Luftfilter
häufig senkrecht zu der Mittellinie des Turboladers ausgerichtet.
Bei einigen Installationen für Geländewagen lässt
der Auspuff zur Fahrzeugfront ab, somit ist der Turbolader umgedreht,
und das Lufteinlasssystem steht in der Regel mit einem getrennten
Satz von Hindernissen in Konflikt. In jedem Fall ist der Einlass
des Verdichters in der Regel der letzte Gedanke beim Design, und
infolgedessen bestehen hinsichtlich der Turboladeraerodynamik normalerweise
Mängel.
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Für
einen erfahrenen Fachmann liegt auf der Hand, dass eine Faustregel
darin besteht, eine Länge von fünf Durchmessern
hinter einem Bogen oder einer Umlenkungsmodifikation an einem Kanal
zu gewähren, bevor der Strom stromabwärts in eine
Vorrichtung eingeleitet wird. Solche Umlenkungsbögen oder
-winkelstücke sind wohlbekannt. Des Weiteren sind Mängel,
mit denen solche Umlenkkanäle behaftet sind, wohlbekannt,
die von den Erfindern geprüft wurden, um die Ergebnisse
solcher Bögen zu bestätigen.
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Erstens
ist in der Regel aufgrund der Länge des Kanals am Einlass
des Kanals der Druckgradient an einer beliebigen Stelle in der Ebene
senkrecht zur Mittellinie des Kanals klein. Stromabwärts
des Bogens in dem Kanal ist der Druckgradient in der in 2 gezeigten
Ebene so extrem, dass er manchmal keinen Überdruck hinter
der Mittellinie des Verdichterrads, gemessen in einer Ebene senkrecht
zu der Achse des Verdichterrads, liefert. Bei Aerodynamiktestes
eines handelsüblichen Fahrzeugs, wie in 2 gezeigt,
mit einem Bogen mit engem Radius war zu sehen, dass die Luftströmung
(100) am Einlass des Kanals über die Ebene am
Einlass gleichförmig war. Wenn die Strömung der
Einlassluft (101) den Bogen in dem Kanal erreicht, reicht
die Energie dazu aus, anhaftende Strömung um den Anfangsradius
des Bogens herum zu unterstützen. Des Weiteren ist um den
engen Innenbogenradius eine Trennung (112) der Strömung
so groß, dass der Rest der Strömung (102)
nicht die Mittellinie des Kanals erreicht.
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Zweitens
werden die Schaufeln des Turboladerverdichterrads durch mehrere
Ordnungen erregt. Bei gewerblich genutzten Turboladern sind die
Konstruktionskriterien in der Regel derart, dass die Schaufeln so
ausgeführt sind, dass sie bis zu Schwingungen vierter Ordnung
ausschließen. Für einen annehmbaren Druckgradienten
am Einlass des Verdichterrads reicht dieses Konstruktionskriterium aus,
um HCF-Versagen (HCF – high-cycle fatigue/Ermüdung
bei hoher Lastspielzahl) in den Schaufeln über mehrere
Lebensdauern des Turboladerverdichters hinweg zu verhindern. Wenn
der Druckgradient am Einlass des Verdichterrads jedoch hoch ist,
wie im Falle der getesteten Einlasskanäle in den 2 bis 6, reicht die Erregung aus, ein HCF-Versagen
bei den Schaufeln der Verdichterräder zu verursachen, die
ansonsten in Ordnung sein würden. Bei diesen Kanälen
mit unsymmetrischem Druckgradienten erfährt jede Schaufel
des Verdichters einen Druckimpuls pro Umdrehung, was letztendlich
zu HCF-Versagen führt.
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Drittens
erfolgt aufgrund von Strömungstrennung im Bogen ein großer
Durchschnittsdruckabfall an dem Verdichterradeinlass. Diese Änderung
des Einlassdrucks oder der Strömung kann im schlimmsten
Fall verursachen, dass der Verdichter anfängt zu pumpen,
oder in einem weniger schlimmen Fall einen Verlust von Druckverhältnis
und Wirkungsgrad verursachen, wie in 9 gezeigt.
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Im
Allgemeinen haben sich Fachleute mit den oben besprochenen aerodynamischen
Mängeln abgefunden und verwenden ein einfaches Winkelstück,
wie in 2 gezeigt.
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Die
Probleme des einfachen, engen Bogens, wie in 2 zu sehen,
sind auch bei handelsüblichen Einlasskanalbögen
zu finden, die in den 3, 4 und 6 zu sehen sind. Bei dem Kanalbogen in 4 ist
der axiale Raum für den Einlassbogen sogar noch mehr komprimiert
als bei dem einfachen, engen Bogen in 3. Dies
bedeutet, dass die Luftströmung im Bereich des Innenbogens
um einen sogar noch engeren Radius strömen muss, was zu
einer Strömungstrennung (114) um den Innenbogen
und zu einer gewissen Trennung (106) aufgrund der Höhlung am
Boden des Bogens führt. In diesem Fall wird der Großteil
der Strömung (107), die das Verdichterrad erreicht,
nur auf die untere Hälfte des Rads beschränkt.
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Bei
der in 6 gezeigten Anordnung weist eine
sich in Produktion befindende Konfiguration den Luftreiniger in
unmittelbarer Nähe zu dem Verdichtereinlass auf. Die getrennte
Strömung am Innenradius bedeutet, dass es zu einem hohen
Grad von Strömungstrennung (116) kommt, und Tests
haben gezeigt, dass dieser hohe Trennungsgrad dazu ausreichte, ein
vorzeitiges Pumpen des Turboladers zu verursachen, was dazu ausreichte,
die Temperatur der Eintrittsluft so weit zu erhöhen, dass
der Kunststoff des Kanals und sogar ein Teil der Medien in dem Filter
schmolzen.
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Dieses
Problem wird in einem Umlenkkanal behandelt, wie er in 5 gezeigt und in der US-Patentanmeldung
mit der Veröffentlichungsnr. 20040134461 (Bishop) offenbart
wird. Der Kanal enthält einen Bogen von 90° zur Änderung
der Strömungsrichtung von Druckluft, die einem Vergaser von
einem Verdichter zugeführt wird. Um eine Zufuhr der gleichen
Strömungsmenge zu dem vorderen und hinteren Mischrohr eines
Vierfachvergasers zu gewährleisten und das in den 2, 3, 4, 6 gezeigte Problem zu behandeln, ist ein
Strömungsteiler vorgesehen, der sich diametral durch den Durchgang
vom Einlass zum Auslass erstreckt und die Strömung in einen
oberen und unteren Kanal, die getrennt sind, teilt. Der untere Kanal
führt den vorderen Mischrohren Luft zu, und der obere Kanal
führt den hinteren Mischrohren des Vergasers Luft zu. Neben
der Komplexität der Herstellung eines gekrümmten
Kanals mit einem integralen Strömungsteiler und der Wahrscheinlichkeit,
dass solch ein Strömungsteiler abbricht oder auf andere Weise
versagt, gibt es noch ein größeres Problem. Die/der über
die Fläche des Kanalauslasses gemessene Strömungsgeschwindigkeit
und Strömungsdruck sind nicht gleichförmig. Dies
mag bei der Einsatzumgebung von Bishop, bei der es sich um die Zufuhr
von Druckluft zu einem Vergaser handelt, kein Problem sein, jedoch wäre
es bei Anwendungen ein Problem, bei denen eine ausgeglichenere Ausgabe
erforderlich ist, wie zum Beispiel die Zufuhr von Luft zu einem
Verdichterradeinlass. Bei solch einer Luftzufuhr zu dem Verdichterradeinlass,
wo schlanke Verdichterradschaufeln verwendet werden, besteht die
Zunahme von HCF und die Wahrscheinlichkeit eines Versagens, wie
oben besprochen.
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Es
gibt viele andere Konfigurationen der Turboladerpositionierung,
die einer akzeptablen Aerodynamik am Einlass nicht zuträglich
sind. Diese Situation besteht sowohl bei gewerblichen als auch bei Kraftfahrzeuganwendungen.
Bei V-Motoren in beiden Kategorien zwingen die Packungserfordernisse
den Turbolader oftmals dazu, seitwärts im Tal des Motors zu
sitzen. Aufgrund dieser Konfiguration wird der Verdichterradeinlass
oftmals durch die Zylinderköpfe eingeengt. Bei einigen
Doppel-Turbolader-V-Motor-Konfigurationen sitzt der Turbolader in
einer niedrigen Position außerhalb des Motors neben dem
Vorderteil des Motors, so dass ein enger Verbundbogen von dem Luftreinigerkanal
zu dem Verdichterlufteinlass erforderlich ist. Somit besteht Bedarf
an einem Umlenkkanal, der die Strömungsrichtung eines Fluids
in einer kurzen Strecke ändern und ein größeres Strömungs-
und Druckgleichgewicht am gesamten Auslassbereich bereitstellen
kann, und dies bei minimalem Druckabfall. Weiterhin besteht Bedarf
an einem solchen Kanal, der die Gleichförmigkeit, wie oben
beschrieben, vergrößern kann, während
eine kostengünstige und zuverlässige Komponente
des Turboladersystems bereitgestellt wird.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Fluiddynamik in Umlenkkanälen,
wie zum Beispiel Turboladerverdichtereinlasskanälen jener Art,
bei der der Einlasskanal allgemein senkrecht zur Achse des Turboladerverdichters
ausgerichtet ist, ausgiebig untersucht.
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Es
wird ein Turboladerverdichtereinlasskanal bereitgestellt, der dazu
ausgeführt ist, eine Richtungsänderung der Strömung
eines Fluids zu erleichtern und dabei eine im Wesentlichen gleichförmige Strömungsgeschwindigkeitsverteilung
am Kanalauslass (das heißt am Eingang des Verdichterrads)
bei geringem Druckverlust bereitzustellen. Es wird ein kompakter
Verdichtereinlasskanal bereitgestellt, der dazu ausgeführt
ist, Platzbedarf zu minimieren (enge axiale Passung), wenn er in
einem Motorraum installiert ist. Das Problem sollte auf wirtschaftliche
Weise gelöst werden. Der Kanal sollte keine inneren Strukturen
enthalten, die leicht brechen oder versagen können.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird beispielhaft und nicht einschränkend
in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, in denen gleiche
Bezugszahlen gleiche Teile zeigen, in den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Draufsicht einer typischen Reihen-Sechsyzlindermotorkonfiguration;
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2 eine
als Schnitt ausgeführte Seitenansicht eines handelsüblichen
Einlassbogens, der an einem Verdichterdeckel angebracht ist, gemäß dem Stand
der Technik;
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3 eine
als Schnitt ausgeführte Seitenansicht eines anderen handelsüblichen
Einlassbogens mit engerer axialer Passung, der an einem Verdichterdeckel
angebracht ist, gemäß dem Stand der Technik; 4 eine
als Schnitt ausgeführte Seitenansicht eines anderen handelsüblichen
Einlassbogens mit engerer axialer Passung und einem quadratischen
Boden, der an einem Verdichterdeckel angebracht ist, gemäß dem
Stand der Technik;
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5A,
B eine Seitenansicht und eine isometrische Ansicht des in der US-Patentanmeldung mit
der Veröffentlichungsnr. 20040134461 (Bishop) gelehrten
Einlassbogens;
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6A,
B eine als Schnitt ausgeführte Seitenansicht eines anderen
handelsüblichen Einlassbogens, der an einem Verdichterdeckel
angebracht ist, gemäß dem Stand der Technik;
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7A,
B eine als Schnitt ausgeführte Seitenansicht und eine Vorderansicht
einer beispielhaften Ausführungsform;
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8A,
B eine Vorderansicht (8A) und eine als Schnitt ausgeführte
Seitenansicht (8B), die die Luftströmung
durch die beispielhafte Ausführungsform zeigen;
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9A,
B eine Vorderansicht (9A) und eine als Schnitt ausgeführte
Seitenansicht (9B), die die Geometrie der beispielhaften
Ausführungsform zeigen;
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10 ein
Kennfeld des Druckverhältnisses als Funktion des Verdichtermassenstroms,
das die Leistung des Bogens in 4 mit der
beispielhaften Ausführungsform vergleicht; und
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11 ein
Kennfeld des Spitzenwirkungsgrads als Funktion des Druckverhältnisses,
das die Leistung des Bogens in 4 mit der
beispielhaften Ausführungsform vergleicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde nach ausgiebiger Untersuchung herkömmlicher
Umlenkkanäle gemacht, darunter Modellierung, rechnersimulierte Flüssigkeitsdynamik
(CFD – computational fluid dynamics) und Echtzeiterprobung.
Die umfangreichen Arbeiten haben zu einer hochentwickelten Konstruktion
eines Strömungsumlenkungssegments geführt. Zum
besseren Verständnis des durch die vorliegende Erfindung
dargestellten Durchbruchs muss der übliche Fehler bei herkömmlichen
Konstruktionen von Umlenkungssegmenten nach dem Stand der Technik verstanden
werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand eines Einlasskanals für
den Einlass eines Verdichters eines Turboladers beschrieben, obgleich
auf der Hand liegt, dass die Erfindung zahlreiche verschiedene Anwendungen
hat.
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2 zeigt
einen typischen geformten Rohrbogen (30).
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Wie
an den Strömungspfeilen zu sehen, widersteht die ankommende
Strömung (100) einer Richtungsänderung
und neigt dazu, zur außen liegenden Seite des Bogens getragen
zu werden. Die Strömung (112) neigt somit dazu,
sich an der scharfen Krümmung des Innenbogens von der Wand
zu trennen und wird somit zu einer turbulenten Strömung.
Das Ergebnis ist, am Kanalauslass gemessen, eine hohe Strömungsgeschwindigkeit
relativ parallel an der außen liegenden Seite des Bogens
und eine Strömung mit geringer Turbulenz an der innen liegenden
Seite des Bogens. Bei den Tests war zu sehen, dass der Druckverlauf
am Einlass des Verdichterdeckels derart war, dass der Überdruck
die Mittellinie (24) des Verdichterrads nicht erreichte. Diese
Strömungs- und Druckdifferenzen verursachen einen Druckimpuls
pro Umdrehung, der auf das Verdichterrad auftrifft, was sowohl der
HCF-Lebensdauer der Verdichterradschaufeln als auch der Leistung
der Verdichterstufe abträglich ist.
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5 zeigt eine Ausführung, die
in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnr. 20040134461
(Bishop) offenbart wird und dazu konzipiert ist, zu versuchen, einen
Aspekt des in Verbindung mit 2 besprochenen
Problems zu lösen. Bei dieser Ausführung ist ein
Strömungsteiler (51) vorgesehen, der den Durchgang
in zwei Kanäle unterteilt. Der Strömungsteiler
erstreckt sich von dem Einlass (50) durch den gekrümmten
Durchgangsteil (52) zu dem Auslass (53). Der Strömungsteiler
unterteilt die Strömung in zwei Kanäle, wobei
ein unterer Kanal Luft zu den vorderen Mischrohren eines Vierfachvergasers
und ein oberer Kanal Luft zu den hinteren Mischrohren eines Vierfachvergasers
führt. Bishop verwendet somit eine Sperre, um zu gewährleisten,
dass die gleiche Luftmenge sowohl zu den vorderen als auch zu den
hinteren Mischrohren des Vergasers geliefert wird. Da der Bogen
von Bishop jedoch für einen Einlass eines Vergasers (55)
bestimmt ist, der sich stromabwärts des Vergasers befindet, bestehen
keine Bedenken, was die nachteiligen Druckdifferenzauswirkungen
anbetrifft, die an den Verdichterradschaufeln auftreten würden,
und das Problem von Druckdifferenzen wird nicht angesprochen.
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4 ist
eine Schnittansicht eines beliebten gewerblichen Verdichtereinlasskanals
(32) für große Turbo-Dieselmotoren. Wie
anhand der die Strömung darstellenden Pfeile zu sehen,
wird die ankommende Luftströmung (100) zwischen
dem engen Innenbogen und der Außenfläche des Kanals
durch den Hals gesaugt. Es kommt zu einer Trennung (114)
stromabwärts des engen Innenbogens, während der äußere Strömungsbereich
eine Hochdruckzone in der Höhlung am Boden (41)
des Kanals bildet, was dazu beiträgt, den Großteil
der Luftströmung (114) zu dem Verdichterrad (23)
zu lenken. Die Aerodynamik ist im Übergangs-/Bogenbereich
schlecht, was dazu führt, dass diese Ausführung
zu Problemen für das Verdichterrad führt. Das
Ergebnis, gemessen am Kanalauslass, ist eine hohe Strömungsgeschwindigkeit
an der außen liegenden Seite des Bogens und eine Strömung
mit geringer Turbulenz an der innen liegenden Seite des Bogens.
Beim Testen dieses Bogens war auch zu sehen, dass der Druckverlauf
am Einlass des Verdichterdeckels derart war, dass der Überdruck
nicht die Mittellinie (24) des Verdichterrads erreichte.
Diese Strömungs- und Druckdifferenzen beaufschlagen das
Verdichterrad mit einem Impuls pro Umdrehung, was sowohl für
die HCF-Lebensdauer der Verdichterradschaufeln als auch für
die Leistung der Verdichterstufe nachteilig ist.
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Der
Einlass in 6 ist ein Produktionserzeugnis,
bei dem es sich um einen einstückigen Kunststoff vom Boden
des Luftfilters (6) zum Verdichtereinlass (72)
handelt. Die Testergebnisse zeigten, dass die Trennung (116)
um den Innenbogen herum so extrem war, dass sie ein vorzeitiges
Pumpen des Turboladers verursachte, was die Temperatur der Luft
stromaufwärts des Verdichters auf solche Werte erhöhte,
dass die Temperatur sowohl den Kanal als auch die unteren Ebenen
der Filtermedien schmolz. Wie bei den obigen Einlässen
erzeugte dieses Phänomen ein nachteiliges HCF-Verhalten
in den Verdichterradschaufeln.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung begannen mit dem Gedanken, einen
Bogen auf eine Art und Weise auszuführen, die die Strömungskomponente
am innen liegenden Bogen dabei unterstützte, an der Innenseite
des Bogens haften zu bleiben und eine gleichförmige Druckverteilung
zum Verdichterrad zu gewährleisten.
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Nach
ausgiebigen Arbeiten entwickelten die Erfinder der vorliegenden
Erfindung ein Strömungsumlenkungsübergangssegment,
das in 7 beispielhaft als ein Verdichtereinlasskanal
(34) gezeigt wird, der dazu ausgeführt ist, eine
Strömungsanhaftung an den innen liegenden Bogen zu erzeugen.
Bei der beispielhaften Ausführungsform enthält
der Kanal einen ersten Kanal mit einem Einlass (70), einen zweiten
Kanal mit einer Strömungsachse durch den Auslass (72),
meistens mit einem Drehwinkel von ca. 90 Grad bezüglich
einer ersten Kanalströmungsachse durch den Einlass (70).
Die vorliegende Offenbarung sieht jedoch auch das Ausbilden anderer
Drehwinkel vor, die zwischen 60 Grad und 120 Grad und häufiger
zwischen 75 Grad und 105 Grad liegen können, und die Vorzüge
der vorliegenden Erfindung werden bei ca. 90 Grad besonders deutlich.
Der betreffende Winkel wird häufiger durch die Architektur von
Motorkomponenten bestimmt.
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Das
Strömungsmuster bei dem beispielhaften Verdichtereinlasskanal
(34) wird in den 8A und 8B gezeigt.
Gemäß der beispielhaften Ausführungsform trifft
die Strömung an der innen liegenden Seite des Bogens, mit
Blickrichtung entlang einem durch eine durch die Mittellinie des
Kanals stromaufwärts des Bogens (”X”-Achse)
sowie die Mittellinie des Kanals stromabwärts des Bogens (”Y”-Achse)
(24) verlaufende Ebene definierten Querschnitt, wie in 8B dargestellt,
auf eine Fläche einer radial nach innen ragenden Auswölbung oder
Einengung (81). Die stromaufwärtige Seite der nach
innen gerichteten Auswölbung (81) bewirkt einen
temporären Anstieg des statischen Drucks, was sich dahingehend
auswirkt, eine Anhaftung der Strömung entlang der Auswölbungsfläche
zu fördern. Hinter dem Scheitel (83) der Auswölbung
(81) befindet sich die stromabwärtige Seite (84)
der Auswölbung, die in die innen liegende Seite des Umlenkungsbogens übergeht
oder diese bildet und die Bereitstellung eines großzügigeren
Radius für die innen liegende Seite des Bogens als bisher
vorgesehen bewirkt, was viel günstiger für die
Aufrechterhaltung der Strömungshaftung ist als der herkömmliche
scharfe Bogen. Bei einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden
Ausführungsform liegt der Endpunkt der stromabwärtigen
Kurve (84) tangential zu der gegenüberliegenden
Innenwand (85) des Verdichterdeckeleinlasses.
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In
der in 8B gezeigten Ansicht wird die ankommende
Luftströmung (100) von dem Filter um die Auswölbung
(81) herum beschleunigt, so dass die Luftströmung
(120, 121, 122) an der Innenwand anhaften
bleibt und parallel zu der Verdichterradachse (24) und
der Verdichterwand (85) in den Verdichterdeckel (20)
strömt. Die Strömungskomponente (123, 124)
am außen liegenden Bogen (86) haftet weiter an der
außen liegenden Wand an. Die Strömung nahe der
Mittellinie des Kanals bildet einen Durchschnitt dieser beiden Peripherieströmungen.
Aus dieser Geometrie ergibt sich, dass die Strömung am
Kanalauslass (72) in allen Bereichen in der Ebene des Kanalauslasses
(72) nahezu parallel zu der Verdichterradmittellinie (24)
verläuft. Da die Geschwindigkeit und die Strömung
in der Ebene des Austritts aus dem Kanal (der der Eintritt zu dem
Verdichterdeckel ist) gleichförmig sind, ist die dem Verdichterrad
zugeführte Druckverteilung viel gleichförmiger,
wodurch die Neigung für HCF-Probleme verringert und der
dem Verdichterrad zur Verfügung stehende Durchschnittsdruck
erhöht wird, was die Chance für ein vorzeitiges Pumpen
vermindert.
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Die
Strömung ist jedoch dreidimensional und somit komplexer
als in 8B alleine dargestellt werden
kann. Wie in 8A, 8B zu
sehen, dehnt sich der Kanal, wenn sich die Strömung der X/Y-Achsen-Auswölbung
oder -Einengung nähert, auch seitwärts (”Z”-Achse)
aus, wodurch die Strömungsquerschnittsfläche aufrechterhalten
und ein Druckabfall verhindert wird, mit einer leichten Krümmung
der geleiteten Strömung, wodurch gestattet wird, dass die
Luftströmung den sich zur Seite aufweitenden Wänden
des Kanals folgt oder daran haftet. Wenn sich der Kanal dem Umlenkbereich
nähert, beginnen die aufgeweiteten Wände des Kanals
wieder schmaler zu werden und treffen sich nach dem Passieren des
Verdichtereinlasses. Auf diese Weise kann die Luftströmung
als in mindestens drei Hauptströmungsbereiche abzweigend
veranschaulicht werden – (a) Strömung entlang
der Mittellinie (X/Y), wo die Luft beschleunigt wird, an einer Auswölbung haftet
und die Richtung ändert, während sie an der Auswölbung
haftet, und (b) Strömung entlang den sich seitwärts
aufweitenden Bereichen des Kanals und übergehend in einen
stromabwärtigen Halbwirbel oder Halbkorkenzieher. Das Ergebnis
der drei Strömungszweige mit allmählicher Änderung
der Strömungsrichtung anstatt einer plötzlichen,
durch Aufprall auf die Wand bewirkten Richtungsänderung ist
eine gleichmäßigere und kontrollierte Richtungsänderung,
jedoch immer noch innerhalb eines sehr begrenzten Raums, wie durch
die engen Grenzen eines Motorraums vorgegeben. Das Problem der Strömungstrennung,
das am Innendurchmesser des scharfen Bogens der herkömmlichen Übergangssegmente
auftritt, wie in den 2 bis 6 gezeigt,
wird auf einfache, zuverlässige und gewandte Weise, die
die Strömung nicht behindert und keinen großen
Druckabfall verursacht, gemäß der hier beschriebenen
beispielhaften Ausführungsform überwunden.
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Schließlich
hält die Aufweitung (80) des Übergangsabschnitts,
wie in den 9A und 9B deutlicher
zu sehen, die Strömungsquerschnittsfläche aufrecht,
wodurch ein Druckabfall verhindert wird. Diese Aufweitung neigt
weiterhin dazu, Strömung zu stabilisieren und Vorverwirbelung
zu reduzieren. Eine Aufweitung in diesem Bereich stellt kein Raumproblem
in Motorräumen dar, da der Bereich (Durchmesser), der für
das Umlenkungssegment gestattet wird, allgemein der gleiche ist
wie der Verdichtergehäusedurchmesser.
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Vorzugsweise
weist die Krümmung der ”Auswölbung” an
der innen liegenden Seite des Bogens (81) (X/Y-Achse) einen
Radius von dem 0,5- bis 2,0-Fachen, vorzugsweise von dem 0,7- bis
1,2-Fachen, des Durchmessers des Kanalauslasses (72) auf.
Im Vergleich dazu beträgt bei den in den 2, 3, 4 und 6 gezeigten Winkelstücken der
Radius des scharfen, innen liegenden Bogens ca. das 0,1-Fache des
Kanalauslassdurchmessers.
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Die
Auswölbung (81) kann sich um eine Strecke von
dem 0,1- bis 0,5-Fachen, vorzugsweise dem 0,15- bis 0,3-fachen,
des Durchmessers des Kanalauslasses (72) radial nach innen
erstrecken (Y-Achse in der der Strömungsrichtung des Auslasses
des zweiten Kanals entgegengesetzten Richtung). Wenn zum Beispiel
ein Kanalauslassdurchmesser von ca. 93 mm verwendet wird, kann sich
die Auswölbung (81) am Scheitel (83)
um eine Strecke d1 von ca. 9 bis 46 mm,
vorzugsweise 14 bis 28 mm und besonders bevorzugt ca. 21 mm, radial
nach innen erstrecken. Wenn der Einlass (70) und der Auslass
(72) verschiedene Durchmesser aufweisen, kann sich die
Auswölbung (81) am Scheitel (83) um eine
Strecke von dem 0,1- bis 0,5-Fachen, vorzugsweise dem 0,15- bis 0,3-Fachen,
des Durchmessers des Kanaleinlasses (70) radial nach innen
erstrecken. Wenn zum Beispiel ein Kanaleinlassdurchmesser von ca.
102 mm verwendet wird, dann kann sich die Auswölbung (81)
am Scheitel (83) um eine Strecke d1 von
ca. 10 bis 51 mm, vorzugsweise 15 bis 31 mm und besonders bevorzugt
21 mm, radial nach innen erstrecken. Die Auswölbung (81)
kann sich um eine Strecke, gemessen durch den Winkel θ von
ca. 30 bis 70 Grad, vorzugsweise, ca. 40 bis 60 Grad, axial entlang
dem Kanal (34) erstrecken. Bei der beispielhaften Ausführungsform
der 8a–8c kann
der Winkel θ ca. 50 Grad betragen.
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Wenn
der Kanal als ein ”Kobrakopf”, wie in 9A gezeigt,
veranschaulicht wird, könnte sich der Außendurchmesser
des Auslasses am Ende der X-Achse befinden, oder der Auslass könnte
im dicksten Bereich des ”Kobrakopfes” zentriert
sein oder könnte irgendwo dazwischen liegen.
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Vorzugsweise
ist der Abschnitt des Umlenkkanals (34), in dem die Strömung
parallel zu der Drehachse des Verdichterrads verläuft,
sehr kurz. Zum Beispiel kann die Strecke d2 von
einer mittleren Achse C1 des Kanaleinlasses
(70) zu dem Kanalauslass (72) weniger als das
3,0-Fache des Durchmessers des Kanalauslasses, vorzugsweise weniger
als das 1,5-Fache des Durchmessers des Kanalauslasses, besonders
bevorzugt weniger als das 1,25-Fache des Durchmessers des Kanalauslasses
und ganz besonders bevorzugt weniger als der Durchmesser des Kanalauslasses
betragen. Wenn zum Beispiel ein Kanalauslass (9) von 93
mm verwendet wird, beträgt die Strecke d2 von
der mittleren Achse C1 des Kanaleinlasses
(70) zum Kanalauslass (72) vorzugsweise weniger
als 140 mm, besonders bevorzugt weniger als 116, und ganz besonders
bevorzugt weniger als 93 mm. Bei der beispielhaften Ausführungsform
der 7, 8 und 9 kann die Strecke d2 von der
mittleren Achse C1 des Kanaleinlasses (70)
zum Kanalauslass (72) ca. 84 mm betragen.
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Weiterhin
sei darauf hingewiesen, dass die oben beschriebenen Bereiche beispielhaft
für die hier beschriebenen Ausführungsformen sind.
Diese Bereiche können modifiziert werden, wenn Wirkungsgrad
und andere Faktoren eine Modifikation erfordern.
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Ein
Vergleich des Druckverhältnisses als Funktion des Massenstroms
aus einem Test für die beispielhafte Ausführungsform
des Umlenkkanals der 7 bis 9 und das gegenwärtige Winkelstück von 4 wird
in 10 gezeigt. Die X-Achse (150) zeigt den
korrigierten Massenstrom, die ”Y”-Achse (151)
zeigt das Druckverhältnis. Das unter Verwendung des in 4 dargestellten
Bogens erzeugte Kennfeld wird als die punktierten Linien (152)
gezeigt. Die durchgezogenen Linien (154) zeigen das unter
Verwendung der beispielhaften Ausführungsform des Umlenkkanals
der 7 bis 9 gezeigte Kennfeld.
Es ist zu sehen, dass im Vergleich zu dem Kennfeld der beispielhaften
Ausführungsform das durch das handelsübliche Winkelstück
von 4 erzeugte Kennfeld an jedem wichtigen Geschwindigkeitspunkt
im Kennfeld unzulänglich ist.
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11 zeigt
einen Vergleich des Spitzenwirkungsgrads als Funktion des Druckverhältnisses
für die beispielhafte Ausführungsform des Umlenkkanals
der 7 bis 9 und
das gegenwärtige Winkelstück von 4.
Die durchgezogenen Linien zeigen die beispielhafte Ausführungsform
des Umlenkkanals der 7–9. Die punktierten Linien (162)
zeigen die Spitzenwirkungsgrade, die durch das handelsübliche
Winkelstück von 4 erzeugt werden, was auch einen
Abfall des Wirkungsgrads von nahezu einem Prozentpunkt an allen
wichtigen Punkten zeigt. Weiterhin wird gezeigt, dass die Erfinder
einen Umlenkkanal haben, der die Strömungsrichtung eines Fluids
in einer kurzen Strecke ändern und ein größeres
Strömungs- und Druckgleichgewicht über den gesamten
Auslassbereich bereitstellen kann, und dies bei minimalem Druckabfall.
Der Umlenkkanal 1 der 7–9 stellt eine Druckverteilung, die am Einlass des
Verdichterdeckels und somit des Verdichterrads aktiv ausgeglichen
wird, und eine analog optimierte symmetrische Geschwindigkeitsverteilung
bereit.
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Es
können von dem Durchschnittsfachmann verschiedene Modifikationen
und Änderungen durchgeführt werden, ohne von dem
Gedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Deshalb versteht sich, dass die dargstellten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung nur als Beispiel angeführt worden
sind und dass sie nicht als die in den folgenden Ansprüchen
definierte Erfindung einschränkend betrachtet werden sollen.
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Obgleich
die vorliegende Erfindung in ihrer bevorzugten Form mit einer gewissen
Konkretheit bezüglich des Turboladers beschrieben worden
ist, versteht sich, dass die vorliegende Offenbarung der bevorzugten
Form rein beispielhaft erfolgte und dass auf zahlreiche Änderungen
an den Details der Strukturen und am Aufbau der Kombination zurückgegriffen
werden kann, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung
abzuweichen. Zum Beispiel könnten die Strömungsumlenkkanäle
für Dampf, Plasma, erwärmte Flüssigkeiten,
gekühlte Flüssigkeiten, fließfähige Feststoffe,
Gemische oder für irgendeine andere Anwendung, bei der
die Strömungsrichtung abrupt geändert werden soll,
bestimmt sein.
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Zusammenfassung:
Ein Umlenkströmungskanal, zum Beispiel ein Verdichtereinlasskanal
(34) für einen Turboladerverdichterdeckel, wobei
eine abrupte Änderung der Strömungsrichtung in
einer kurzen Strecke bewirkt wird. Das Umlenkungssegment ist dazu
ausgeführt, eine ausgeglichene Ausgabe bereitzustellen,
Luftströmung zu optimieren, Druckabfall zu minimieren und
den Verdichterwirkungsgrad aufrechtzuerhalten. Dies kann durch Bereitstellung einer
Auswölbung (81, 83, 84), die
sich radial nach innen in ein erstes Kanalsegment erstreckt, und
von nach außen gerichteten Auswölbungen senkrecht
zu der nach innen gerichteten Auswölbung zur Förderung
einer Strömungshaftung entlang den Wänden des
Kanals bewerkstelligt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4705463 [0002]
- - US 5399064 [0002]
- - US 6164931 [0002]