DE112008002608T5 - Kanal zur Strömungsumlenkung, insbesondere für einen Turboladerverdichtereinlass - Google Patents

Kanal zur Strömungsumlenkung, insbesondere für einen Turboladerverdichtereinlass Download PDF

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Abstract

Umlenkkanal (34) zur Änderung einer Strömungsrichtung eines Fluids, wobei der Kanal (34) Folgendes umfasst:
einen ersten Kanalabschnitt mit einem Einlass (70) und einer Strömungsachse ungefähr entlang der X-Achse,
einen zweiten Kanalabschnitt mit einem Auslass (72) und einer Strömungsrichtung am Auslass ungefähr entlang der Y-Achse,
ein Strömungsumlenksegment, das den ersten und den zweiten Kanalabschnitt miteinander verbindet, wobei das Strömungsumlenksegment:
eine nach innen gerichtete Auswölbung (81), die sich in der der Strömungsrichtung am Auslass des zweiten Kanalabschnitts entgegengesetzten Richtung in das Strömungsumlenksegment erstreckt, und
nach außen gerichtete Auswölbungen (170, 171) senkrecht zu der Strömungsrichtung des ersten und des zweiten Kanalabschnitts (Z-Achse) enthält,
wobei sich die nach innen gerichtete Auswölbung (81) um eine Strecke (d1) von dem 0,1- bis 0,6-Fachen des Durchmessers des Auslasses (72) des zweiten Kanals nach innen erstreckt, wobei die nach innen gerichtete Auswölbung entlang der Y-Achse einer durch die Mittellinien des Umlenkkanals in...

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Umlenkströmungskanal, zum Beispiel einen Verdichtereinlasskanal für einen Turbolader, wobei sich die Strömungsrichtung in einer kurzen Strecke abrupt ändern muss.
  • 2. Beschreibung der verwandten Technik
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im Allgemeinen haben sich Fachleute mit den oben besprochenen aerodynamischen Mängeln abgefunden und verwenden ein einfaches Winkelstück, wie in 2 gezeigt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft und nicht einschränkend in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Teile zeigen, in den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine Draufsicht einer typischen Reihen-Sechsyzlindermotorkonfiguration;
  • 2 eine als Schnitt ausgeführte Seitenansicht eines handelsüblichen Einlassbogens, der an einem Verdichterdeckel angebracht ist, gemäß dem Stand der Technik;
  • 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;
  • 5A, B eine Seitenansicht und eine isometrische Ansicht des in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnr. 20040134461 (Bishop) gelehrten Einlassbogens;
  • 6A, B eine als Schnitt ausgeführte Seitenansicht eines anderen handelsüblichen Einlassbogens, der an einem Verdichterdeckel angebracht ist, gemäß dem Stand der Technik;
  • 7A, B eine als Schnitt ausgeführte Seitenansicht und eine Vorderansicht einer beispielhaften Ausführungsform;
  • 8A, B eine Vorderansicht (8A) und eine als Schnitt ausgeführte Seitenansicht (8B), die die Luftströmung durch die beispielhafte Ausführungsform zeigen;
  • 9A, B eine Vorderansicht (9A) und eine als Schnitt ausgeführte Seitenansicht (9B), die die Geometrie der beispielhaften Ausführungsform zeigen;
  • 10 ein Kennfeld des Druckverhältnisses als Funktion des Verdichtermassenstroms, das die Leistung des Bogens in 4 mit der beispielhaften Ausführungsform vergleicht; und
  • 11 ein Kennfeld des Spitzenwirkungsgrads als Funktion des Druckverhältnisses, das die Leistung des Bogens in 4 mit der beispielhaften Ausführungsform vergleicht.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 2 zeigt einen typischen geformten Rohrbogen (30).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 8a8c kann der Winkel θ ca. 50 Grad betragen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 79. 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 79 stellt eine Druckverteilung, die am Einlass des Verdichterdeckels und somit des Verdichterrads aktiv ausgeglichen wird, und eine analog optimierte symmetrische Geschwindigkeitsverteilung bereit.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (10)

  1. Umlenkkanal (34) zur Änderung einer Strömungsrichtung eines Fluids, wobei der Kanal (34) Folgendes umfasst: einen ersten Kanalabschnitt mit einem Einlass (70) und einer Strömungsachse ungefähr entlang der X-Achse, einen zweiten Kanalabschnitt mit einem Auslass (72) und einer Strömungsrichtung am Auslass ungefähr entlang der Y-Achse, ein Strömungsumlenksegment, das den ersten und den zweiten Kanalabschnitt miteinander verbindet, wobei das Strömungsumlenksegment: eine nach innen gerichtete Auswölbung (81), die sich in der der Strömungsrichtung am Auslass des zweiten Kanalabschnitts entgegengesetzten Richtung in das Strömungsumlenksegment erstreckt, und nach außen gerichtete Auswölbungen (170, 171) senkrecht zu der Strömungsrichtung des ersten und des zweiten Kanalabschnitts (Z-Achse) enthält, wobei sich die nach innen gerichtete Auswölbung (81) um eine Strecke (d1) von dem 0,1- bis 0,6-Fachen des Durchmessers des Auslasses (72) des zweiten Kanals nach innen erstreckt, wobei die nach innen gerichtete Auswölbung entlang der Y-Achse einer durch die Mittellinien des Umlenkkanals in der X/Y-Achse verlaufenden Ebene gemessen ist, und gemessen in der der Strömungsrichtung am Auslass des zweiten Kanalabschnitts entgegengesetzten Richtung, bei einem kleinsten Radius von dem 0,5- bis 2,0-Fachen des Durchmessers des Auslasses (72) des zweiten Kanals, und wobei sich die nach außen gerichteten Auswölbungen (170, 171) bezüglich des ersten Kanalabschnitts um eine Strecke (d3) von dem 0,5- bis 2,0-Fachen eines Durchmessers des Auslasses (72) des zweiten Kanals nach außen erstrecken (Z-Achse).
  2. Umlenkkanal (34) nach Anspruch 1, wobei der Winkel der Strömungsachse des ersten Kanalabschnitts zwischen 60 Grad und 120 Grad bezüglich der Strömungsrichtung am Auslass des zweiten Kanalabschnitts liegt.
  3. Umlenkkanal (34) nach Anspruch 1, wobei der kleinste Krümmungsradius (83) von dem 0,6- bis zum 1,5-Fachen eines Durchmessers des Auslasses (72) des zweiten Kanals beträgt.
  4. Umlenkkanal (34) nach Anspruch 2, wobei der Radius der inneren Krümmung (83) von dem 0,7- bis zum 1,2-Fachen eines Durchmessers des zweiten Kanalauslasses (72) beträgt.
  5. Umlenkkanal (34) nach Anspruch 2, wobei sich die Auswölbung (81) um eine Strecke (d1) von dem 0,15- bis 0,8-Fachen eines Durchmessers des Auslasses (72) des zweiten Kanals radial nach innen erstreckt.
  6. Umlenkkanal (34) nach Anspruch 2, wobei sich die Auswölbung (81) um eine Strecke (d1) von der Ebene des Kanalauslasses von dem 0,2- bis 0,3-Fachen eines Durchmessers des Auslasses (72) des zweiten Kanals radial nach innen erstreckt.
  7. Umlenkkanal (34) nach Anspruch 2, wobei eine Länge (d2) des zweiten Kanalabschnitts, die mit dem Fluid in Kontakt steht, gemessen von einer mittleren Achse (C1) des Einlasses (70) des ersten Kanals zum Auslass (72) des zweiten Kanals, kleiner als das 3-Fache eines Durchmessers des Auslasses (72) des zweiten Kanals ist.
  8. Umlenkkanal (34) nach Anspruch 2, wobei eine Länge (d2) des zweiten Kanals, gemessen von einer mittleren Achse (C1) des Einlasses (70) des ersten Kanals zum Auslass (72) des zweiten Kanals, kleiner als das 1,5-Fache eines Durchmessers des Auslasses (72) des zweiten Kanals ist.
  9. Umlenkkanal (34) nach Anspruch 2, wobei eine Länge (d2) des zweiten Kanals, gemessen von einer mittleren Achse (C1) des Einlasses (70) des ersten Kanals zum Auslass (72) des zweiten Kanals, kleiner als das 1,0-Fache eines Durchmessers des Auslasses (72) des zweiten Kanals ist.
  10. Turboladerverdichtereinlasskanal (34) für einen Verdichter mit einem Verdichterrad (23), wobei das Verdichterrad eine Drehachse (24) aufweist, wobei der Einlasskanal (34) Folgendes umfasst: einen ersten Kanalabschnitt mit einem Einlass (70) und einer Strömungsachse ungefähr entlang der X-Achse, einen zweiten Kanalabschnitt mit einem Auslass (72) und einer Strömungsrichtung am Auslass ungefähr entlang der Y-Achse, ein Strömungsumlenksegment, das den ersten und den zweiten Kanalabschnitt miteinander verbindet, wobei das Strömungsumlenksegment: eine nach innen gerichtete Auswölbung (81), die sich in der der Strömungsrichtung am Auslass des zweiten Kanalabschnitts entgegengesetzten Richtung in das Strömungsumlenksegment erstreckt, und nach außen gerichtete Auswölbungen (170, 171) senkrecht zu der Strömungsrichtung des ersten und des zweiten Kanalabschnitts (Z-Achse) enthält, wobei sich die nach innen gerichtete Auswölbung (81) um eine Strecke (d1) von dem 0,1- bis 0,6-Fachen des Durchmessers des Auslasses (72) des zweiten Kanals von der Ebene des Auslasses des zweiten Kanals nach innen erstreckt, wobei die nach innen gerichtete Auswölbung entlang der Y-Achse einer durch die Mittellinien des Umlenkkanals in der X/Y-Achse verlaufenden Ebene gemessen ist, und gemessen in der der Strömungsrichtung am Auslass des zweiten Kanalabschnitts entgegengesetzten Richtung, bei einem kleinsten Radius von dem 0,5- bis 2,0-Fachen des Durchmessers des Auslasses (72) des zweiten Kanals, und wobei sich die nach außen gerichteten Auswölbungen (170, 171) bezüglich des ersten Kanalabschnitts um eine Strecke (d1) von dem 0,2- bis 1,0-Fachen eines Durchmessers des Auslasses (72) des zweiten Kanals nach außen erstrecken (Z-Achse).
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