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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Druckwellenladers an einer Verbrennungskraftmaschine gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Kraftfahrzeuge mit Verbrennungskraftmaschinen anzutreiben. Der ideale Wirkungsgrad einer Verbrennungskraftmaschine ist dabei durch den Carnotprozess auf ca. 40 % begrenzt. Dies bedeutet, dass 40 % der im Kraftstoff enthaltenen Energie durch den Verbrennungsvorgang in Bewegungsenergie umgesetzt werden. Die restliche Energie wird in Form von Abwärme des Motorblocks und/oder über das Abgas an die Umgebung abgeführt.
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Verbrennungsmotoren werden daher aufgeladen, um die Energieausnutzung zu optimieren. Hierzu sind verschiedene Aufladertypen, beispielsweise Turbolader, Kompressoren oder aber auch Druckwellenlader, aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere der Turbolader oder aber der Druckwellenlader nutzen die im Abgas enthaltene Energie, um damit die anzusaugende Frischluft zu verdichten, um hierdurch die Wirkleistung der Verbrennungskraftmaschine zu erhöhen.
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Insbesondere wird hierzu ein vierkanaliger Druckwellenlader eingesetzt, bei dem durch einen Kanal 1 Frischluft angesaugt wird und in dem Druckwellenlader ein rotierender Zellrotor vorhanden ist. Die angesaugte Frischluft wird in einer jeweiligen Zelle des Zellrotors vorverdichtet, so dass die verdichtete Frischluft über einen Kanal 2 dem Ladungswechsel des Verbrennungsvorgangs zugeführt wird. In der Verbrennungskraftmaschine wird sodann die verdichtete Frischluft mit Kraftstoff vermengt und verbrannt und anschließend aus dem Brennraum wieder ausgestoßen. Die so ausgestoßenen Abgase werden über einen Kanal 3 dem Druckwellenlader wiederum zugeführt und verdichten die angesaugte Frischluft. Die Frischluft wird sodann, wie bereits erwähnt, über den Kanal 2 abgeführt. Das Abgas wird nach dem Verdichtungsvorgang aus dem Kanal 4 abgeführt, von dem es aus in den weiteren Abgasstrang geleitet wird.
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Der Druckwellenprozess innerhalb des Druckwellenladers ist dabei ein besonders sensibler Prozess, der insbesondere gegenüber thermischen Ausdehnungen und damit einhergehenden Spaltmaßen sehr sensibel reagiert. Von daher ist eine hohe Anforderung an die Präzision des mechanischen Aufbaus des Druckwellenladers gestellt und eine weitreichende Steuerungs- oder Regelungsmöglichkeit des Druckwellenladers wichtig.
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Bei niedrigen Abgasmassenströmen und niedrigen Abgastemperaturen, was gleichbedeutend einer hohen Dichte ist, stellt sich in Kanal 3 vor dem Druckwellenlader ein vergleichsweise geringer Druck ein. Entsprechend wird dadurch bei niedrigen Motorlasten das Ladedruckpotential in Kanal 2 und die damit bei Lastanforderung spontan zur Verfügung stehende Motorleistung limitiert.
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Hierzu ist beispielsweise aus der
WO 1997/020134 A1 ein Druckwellenlader bekannt, der mehrere Fluten aufweist. Der Zellrotor selbst ist dabei in Radialrichtung durch mehrere Zellreihen aufgebaut, wobei einzelne Zellreihen eine jeweilige Flut ausbilden und die Fluten abschaltbar sind. Dies führt jedoch dazu, dass bei Abschaltung einer Flut die in Radialrichtung benachbarte Zellenflut noch aktiv ist und von bis zu mehr als 800 °C heißem Abgas durchströmt wird. Somit bleibt eine Zellenreihe erwärmt und/oder wird erwärmt und eine weitere benachbarte Zellenreihe kühlt sich relativ gesehen dazu ab. Dies führt zu einem Spannungszustand innerhalb des Rotors, was zu einer nachteiligen Veränderung der Spaltmaße führen kann. Darüber hinaus ist insbesondere bei einem einflutigen Betrieb ein negatives akustisches Verhalten eines solchen Druckwellenladers zu verzeichnen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der Technik ein Verfahren zum Betreiben eines Druckwellenladers bereit zu stellen, wobei der Druckwellenlader insbesondere bei geringen Motorlasten ein gutes Ladedruckpotential aufweist und dadurch besonders langlebig ausgebildet ist.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Betreiben eines Druckwellenladers gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Das Verfahren zum Betreiben eines Druckwellenladers an einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Druckwellenlader einen Kanal 1 zum Ansaugen von Frischluft, einen Kanal 2 zum Abführen verdichteter Frischluft, einen Kanal 3 zum Zuführen von Abgas und einen Kanal 4 zum Abführen von Abgas aufweist, wobei der Druckwellenlader zweizyklisch ausgebildet ist, so dass bei einer vollständigen Umdrehung eines Zellrotors in dem Druckwellenlader zwei Aufladevorgänge durchlaufen werden, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass ein Zyklus massenstromabhängig abgeschaltet oder zugeschaltet wird.
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Der erfindungsgemäße Druckwellenlader weist somit an seinem Kaltgasgehäuse zwei Mal den Kanal 1 und zwei Mal den Kanal 2 auf und an dem Heißgasgehäuse zwei Mal den Kanal 3 und zwei Mal den Kanal 4 auf. Der Zellrotor führt somit bei einer 180°-Drehung einen Zyklus bzw. einen Aufladevorgang aus und bei der darauf folgenden weiteren 180°-Drehung einen weiteren Aufladevorgang. Ein jeder Aufladevorgang ist ein Zyklus, wobei bei einer vollständigen Umdrehung durch den Zellrotor zwei Zyklen durchlaufen werden.
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Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass bei geringer Motorlast und bei geringem Massenstrom des Ladungswechselvorgangs der Verbrennungskraftmaschine ein Zyklus abgeschaltet wird. Der Zellrotor des Druckwellenladers durchläuft somit bei einer vollständigen Umdrehung nur einen Aufladezyklus. Wird der Druckwellenlader selbst als Bilanzraum gesehen, bleibt der Massenstrom durch den Druckwellenlader gleich. Der Massenstrom teilt sich jedoch auf die zwei Zyklen auf, weshalb durch Abschaltung eines Zyklus der Massenstrom durch den verbleibenden Zyklus verdoppelt wird.
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Durch das Gleichnis des ideellen Gasgesetzes geht mit der Erhöhung des Massenstromes auch eine Druck- und Volumenstromerhöhung einher. Randeffekte sind bei dieser Betrachtung zu vernachlässigen. Dies bedeutet, dass die Ladedruckerhöhung durch die Abschaltung des einen Zyklus erhöht wird, was wiederum zu einem besseren Wirkungsgrad und/oder einem verbesserten Ansprechverhalten des Druckwellenladers selbst führt.
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Gleichzeitig werden jedoch auch die mit der aus dem Stand der Technik bekannten Flutenabschaltung einhergehenden Nachteile durch die Zyklusabschaltung vermieden. Bei Abschaltung eines gesamten Zyklus erfolgt der Massenstrom immer noch durch den gesamten verbleibenden Zyklus, so dass der Zellrotor in einem kontinuierlichen Rotationsprozess homogen sich an die Temperaturen anpasst. Folglich kommt es zu keinen thermischen Spannungen oder zu einem mechanischen Verzug aufgrund von thermisch unterschiedlichen Ausdehnungen innerhalb des Zellrotors. Hierdurch werden die Spaltmaße des Druckwellenladers konstant gehalten und damit einhergehend die Lebensdauererwartung des Druckwellenladers erhöht.
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In besonders bevorzugter Ausführungsvariante wird die Abschaltung oder die Zuschaltung auf der Heißgasseite des Druckwellenladers mit einer Steuerwalze oder einem Steuerschieber durchgeführt. Diese Bauteile haben eine hohe thermische Resistenz gegenüber den dort auftretenden Temperaturen von bis zu mehr als 800 °C. Insbesondere ist ein derartiges Abschaltmittels bzw. Zuschaltmittel, mithin eine Steuerwalze oder aber ein Steuerschieber, im Kanal 3 des zweizyklischen Gehäuses, zumindest aber in einem Kanal 3, angeordnet. Weiterhin bevorzugt ist es möglich, über das dort gelagerte Abschaltmittel nicht nur einen Zyklus komplett abzuschalten, sondern auch den verbleibenden Zyklus zu regeln oder aber zu steuern. Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung möglich, dass der Druckwellenlader jeweils einen Kanal 3' aufweist, wobei dann auch der Kanal 3' für den Zyklus abgeschaltet wird.
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Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass die Abschaltung oder Zuschaltung auf einer Kaltgasseite des Druckwellenladers mit einem Ventil durchgeführt wird. Das Ventil ist dabei besonders bevorzugt im Kanal 2 mindestens eines Zyklus angeordnet. Das Ventil selbst ist dabei als Klappventil oder als Schieberventil ausgebildet.
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In besonders vorteilhafter Weise ist das Ventil als Rückschlagventil ausgebildet, wobei eine Vorhaltekraft des Rückschlagventils bei Erreichen eines Druckniveaus überwunden wird und das Rückschlagventil, nachdem es zunächst geschlossen war, selbständig öffnet, wobei das Rückschlagventil insbesondere mit einer Hysteresesteuerung betrieben wird. Im Rahmen der Erfindung ist es so möglich, dass bei abnehmendem Massenstrom und damit einhergehendem Abfall des Druckniveaus das Rückschlagventil geschlossen wird und somit der Zyklus abgeschaltet wird. Steigt nun aufgrund eines erhöhten Massenstromes das Druckniveau an, so öffnet das Rückschlagventil und gibt damit den zweiten Zyklus wiederum frei.
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Besonders bevorzugt wird durch die Abschaltung der Massenstrom durch den verbleibenden Zyklus verdoppelt oder durch die Zuschaltung des Zyklus der Massenstrom auf beide Zyklen aufgeteilt.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Energieübertragung in die Zellen des Zellrotors im Einzyklenbetrieb annähernd gleich ist mit der Energieübertragung des doppelten Massenstromes im Zweizyklenbetrieb. Durch die Zyklenabschaltung wird es somit ermöglicht, die Anpassung der Druckwellen- und Gaslaufzeiten in Bezug auf Rotorlänge und Kanalöffnungs- und -schließzeiten auf einen engeren Betriebsbereich hin zu optimieren. Hierdurch steigt der Wirkungsgrad des Druckwellenladers und der erforderliche Drehzahlbereich des Zellrotors kann ebenfalls optimiert werden.
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Weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein entsprechender Druckwellenlader zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
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1 ein schematisches Funktionsprinzip eines Druckwellenladers,
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2 eine Stirnansicht eines Kaltgasgehäuses eines erfindungsgemäßen Druckwellenladers,
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3 eine Stirnansicht auf ein Heißgasgehäuse eines erfindungsgemäßen Druckwellenladers,
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4 eine Steuerwalze,
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5a und b ein Rückschlagventil in Schnittansicht und Stirnansicht und
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6a und b den Druckwellenlader als Bilanzflussdiagramm im Einzyklus- und Zweizyklusbetrieb.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt eine schematische Übersicht eines Druckwellenladers D. Dieser weist einen Kanal 1 zum Ansaugen von Frischluft, einen Kanal 2 zum Abführen der angesaugten Frischluft, einen Kanal 3 zum Zuführen von Abgas und einen Kanal 4 zum Abführen von Abgas auf. Die einzelnen Kanäle 1, 2, 3, 4 sind jeweils an einen Luftfilter bzw. an die Verbrennungskraftmaschine oder, im Falle von Kanal 4, an ein nicht näher dargestelltes Abgassystem angeschlossen. Die Kanäle 1, 2, 3, 4 selbst sind über einen Zellrotor 5 in Verbindung stehend. In dem Zellrotor 5 selbst findet der Druckwellenaustausch statt, so dass eine Druckwelle mit von der Verbrennungskraftmaschine kommendem Abgas durch den Kanal 3 zu einer Komprimierung der angesaugten Frischluft von Kanal 1 führt und bei Erreichen des Kanals 2 die verdichtete Frischluft in den Kanal 2 ausströmt. Das Abgas selbst strömt dann nach der Verdichtung durch den Kanal 4 in ein nicht näher dargestelltes Abgassystem aus. Der Druckwellenlader D selbst weist ferner eine Heißgasseite 6 mit einem nicht näher dargestellten Heißgasgehäuse 11 sowie eine Kaltgasseite 7 mit einem nicht näher dargestellten Kaltgasgehäuse 8 auf.
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2 zeigt in einer Stirnansicht ein entsprechendes Kaltgasgehäuse 8, wobei in dem Kaltgasgehäuse 8 jeweils ein Kanal sowie ein Kanal 1 gegenüberliegend angeordnet sind, so dass bei vollständiger Umdrehung des Zellrotors 5 bei einer Zelle jeweils zwei Mal der Kanal 1 und zwei Mal der Kanal 2 durchlaufen wird. Mithin finden pro Zelle bei vollständiger Umdrehung zwei Aufladezyklen statt. Exemplarisch ist durch einen Pfeil ein erster Zyklus 9 und durch einen zweiten Pfeil ein zweiter Zyklus 10 dargestellt.
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Erfindungsgemäß ist es nun optional mit einem Verfahren zum Betreiben des Druckwellenladers D möglich, einen den beiden Zyklen 9, 10 abzuschalten oder aber wieder zuzuschalten. 3 zeigt eine Stirnansicht auf ein entsprechendes Heißgasgehäuse 11, in dem die Kanäle 3 und 4 angeordnet sind. Zudem ist jeweils ein Kanal 3' zum Entweichen in ein Gastaschenventil vorgesehen. Auch hier sind wiederum die zwei Zyklen 9, 10 mit Hilfe eines Pfeils dargestellt, die der ebenfalls ersichtliche Zellrotor 5 während einer vollständigen Umdrehung durchläuft. Ebenfalls ersichtlich sind in dem Zellrotor 5 einzelne Zellen, die direkt einander benachbart angeordnet sind, wobei in Radialrichtung R aufeinander folgende Zellenreihen angeordnet sind. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nunmehr möglich, einen der beiden Zyklen 9, 10 abzuschalten oder aber im Falle eines abgeschalteten Zyklus 9, 10 wiederum zuzuschalten. Dies wird auf der Heißgasseite 6 durch eine in 4 dargestellte Steuerwalze 12 durchgeführt. Die Steuerwalze 12 sitzt orthogonal zur in 2 dargestellten Zellrotorachse 13 und weist eine entsprechende Ausnehmung 14 auf, so dass bei Rotation um die eigene Achse der Steuerwalze 12 die Ausnehmung 14 entweder einen der in 3 dargestellten Kanäle 3 und/oder 3' freigibt oder aber versperrt.
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5a und b zeigen hierzu ergänzend ein Rückschlagventil 15, das vor das in Kanal 2, insbesondere auf den Blickwinkel bezogen von 2 vor dem Kanal 2, angeordnet wird. Das Rückschlagventil 15 weist eine Klappe 16 auf, die in Schwenkrichtung S schwenkbar ist und, hier dargestellt, über eine Feder 17 die Rückschlagklappe in der hier dargestellten Verschlussposition hält. Steigt nunmehr ein Druckniveau p im Bereich p an, so wird die Klappe 16 selbst in Schwenkrichtung S bewegt und verschließt den abzudichtenden Teil eines Kanals 2 gemäß 2. Hierdurch wird einer der beiden Zyklen 9, 10 dann vollständig abgeschaltet, so dass der gesamte Massenstrom vollständig durch den verbleibenden Zyklus 9, 10 geführt ist. Dies führt zu einer Verdoppelung des Massenstroms durch den verbleibenden Zyklus 9, 10, was wiederum zu einer Erhöhung des Drucks für den verbleibenden Aufladezyklus führt.
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6a und b verdeutlichen dies nochmals in Form eines Bilanzflussdiagramms. So tritt gemäß 6a ein Massenstrom ṁ in den Druckwellenlader D ein und teilt sich auf die Zyklen 1 und 2 auf, so dass der gleiche Massenstrom entsprechend aus dem Druckwellenlader D wiederum austritt. Gemäß 6b ist der zweite Zyklus 10 abgeschaltet, weshalb der gesamte Massenstrom ṁ nur noch durch den ersten Zyklus 9 geführt wird. Der zuvor gemäß 6a sich auf den ersten und zweiten Zyklus 9, 10 jeweils aufteilende Massenstrom ṁ/2 fließt somit als vollständiger Massenstrom nur noch durch den ersten Zyklus 9. Damit einhergehend wird auch das Druckniveau p entsprechend angehoben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kanal 1
- 2
- Kanal 2
- 3
- Kanal 3
- 4
- Kanal 4
- 5
- Zellrotor
- 6
- Heißgasseite
- 7
- Kaltgasseite
- 8
- Kaltgasgehäuse
- 9
- erster Zyklus
- 10
- zweiter Zyklus
- 11
- Heißgasgehäuse
- 12
- Steuerwalze
- 13
- Zellrotorachse
- 14
- Ausnehmung
- 15
- Rückschlagventil
- 16
- Klappe
- 17
- Feder
- R
- Radialrichtung
- S
- Schwenkrichtung
- p
- Druckniveau
- D
- Druckwellenlader
- ṁ
- Massenstrom
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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