-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine gasdynamische Druckwellenmaschine
gemäß dem Oberbegriff
des unabhängigen
Anspruchs 1.
-
In
der WO 97/20134, die die Grundlage des Oberbegriffs von Anspruch
1 bildet, wird eine Vorrichtung zum Aufladen der Ladeluft einer
Verbrennungsmaschine mittels einer mehrzyklischen Druckwellenmaschine
mit einem Kompressionsschieber offenbart, wobei die Öffnungs-
und Verschlusskanten der Einlass- und der Auslassöffnung des
Abgasfrontgehäuses
und des Ladeluftfrontgehäuses
gegenseitig in Rotationsrichtung des Zellrotors bei einer bestimmten
Drehzahl des Zellrotors und einer Abgastemperatur versetzt sind.
In dem Ausführungsbeispiel
der Druckwellenmaschine mit einem Kompressionsschieber wird vorgeschlagen,
das Abgasfrontgehäuse
zu drehen. Da dies der Hochtemperaturteil der Druckwellenmaschine
ist, ist eine Vorrichtung für das
Drehen des Abgasfrontgehäuses,
welche auf diesen Teil wirkt, nachteilig und verursacht unlösbare Dichtungsprobleme. Überdies
wird in der schematischen Figur Bezug nehmend auf die Drehung nicht präzisiert,
wie eine solcher Konstruktion ausgeführt werden soll.
-
Bei
einer gasdynamischen Druckwellenmaschine nach Stand der Technik,
die vier Kanäle
und keine zusätzliche
Regeleinrichtung, wie etwa Taschen, aufweist, welche zum Aufladen
eines Verbrennungsmotors verwendet wird, kann der Druckwellenprozess
nur für
eine einzige Betriebs-Drehzahl des
Verbrennungsmotors eingestellt werden, dem sogenannten Auslegepunkt
der Druckwellenmaschine. Die Verwendung von Taschen in den Gehäusewänden ermöglicht ein
weniger abstimmungsempfindliches Design der Druckwellenmaschine
und eine erhebliche Erweiterung des Last-, Drehzahl- und Volumenbereichs.
Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass der Druckwellenprozess
im nicht abgestimmten Kennfeldbereich auf Nebenprozesse abgeleitet
wird, welche keinen optimalen Wirkungsgrad erreichen können. Das
Ergebnis ist eine Steigerung der Verluste, die von solchen Nebenprozessen
in den Taschen verursacht werden, z. B. ein- und ausströmende Gase
und die Erzeugung von Druck- und Expansionswellen durch die Taschen.
-
Der Übergang
vom sogenannten Primärprozess,
auch Kompressions-Taschenprozess genannt, auf den Hauptprozess,
auch abgestimmter Prozess genannt, verursacht Störungen im Druckwellenprozess,
welche Spülstörungen bewirken
und deshalb Bereiche vergrößerter Abgasrezirkulation
in die Ladeluft. Um eine vergrößerte Rezirkulation
in diesen Bereichen sowie beim Starten zu verhindern, muss ein Einlass
in die Gastasche entweder in Form einer gefrästen Schwelle oder eines geregelten
Einlasses wie im oben erwähnten
Dokument offenbart vorgesehen sein, der jedoch weitere Verluste
infolge einer Ablenkung von Hochdruckenergie in den Niedrigdruckprozess
mit sich bringt.
-
Die
gegenseitige Ausrichtung der Öffnungen der
beiden Hochdruckkanäle,
also des Hochdruck-Abgaskanals und des Hochdruck-Ladeluftkanals,
ist eine wichtige Regulierungsvariable, die inter alia von der Gastasche
beeinflussbar ist.
-
Zur
Regelung dieser Ausrichtung wurden weitere Versuche unternommen,
z. B. gemäß der DE-B-10 52
626, DE-A-30 40 648. In diesen zitierten Veröffentlichungen wird die Verwendung
von Platten oder Ringen offenbart, die mit Öffnungen versehen und am Eingang
der erwähnten
Kanäle
zum Luft- bzw. Gasgehäuse
angebracht sind, wobei diese Platten oder Ringe an den jeweiligen
Gehäusen
befestigt und aneinander anpassbar sind, um die Ausrichtung der Öffnungen
der Hochdruckkanäle
zu beeinflussen. Die Vorrichtungen mit Platten haben den Nachteil,
dass sie eine komplizierte Konstruktion erfordern und zusätzliche
Verluste aufgrund der abzudichtenden Plattenoberflächen verursachen.
Das selbe gilt für
die GB-A-915 827, in der ein Druckübertrager offenbart wird, in
dem eine Schnecke mit Öffnungen um
eine Endplatte mit zwei Kanälen
drehbar ist, um ein Austreten von Hochdruckgas zur Begrenzung des
Ladedrucks zu erzeugen.
-
Vor
dem Hintergrund dieses Standes der Technik ist es ein erstes Ziel
der vorliegenden Erfindung, eine gasdynamische Druckwellenmaschine
zu schaffen, die eine Einstellung des Prozesses über den gesamten Kennfeldbereich
des Verbrennungsmotors auf einfache Weise und ohne zusätzliche
Verluste infolge von Plattenanschlüssen bzw. Dichtungsmitteln
ermöglicht,
und im ersten Ausführungsbeispiel
durch eine Variation der gegenseitigen Ausrichtung der Hochdruckkanalöffnungen
ohne nachteilige Einflüsse
hoher Temperaturen. Dieses Ziel wird gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 erreicht.
-
Zur
Gewährleistung
eines hohen Wirkungsgrads der Druckwellenmaschine über den
gesamten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors mittels der Anordnung
der Kantengeometrie der Kanäle
am Rotor ist es vorzuziehen, eine ausreichende Rotorspülung der
Druckwellenmaschine bei höheren
Motordrehzahlen vorzusehen, um eine übermäßige Erhöhung der Ladelufttemperaturen
zu verhindern. In Druckwellenmaschinen der älteren Technik ist die Breite
der Öffnungen
der Niederdruckkanäle
folglich für
höhere
Motordrehzahlen ausgeführt,
also so breit wie möglich,
während
die Öffnungen
der Hochdruckkanäle
so eng wie möglich
sind.
-
Für niedrigere
bis mittlere Motordrehzahlen, Temperaturen und Durchsätze wird
diese Kantengeometrie, d. h. breite Niederdruckkanäle und enge Hochdruckkanäle, problematisch.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
ist der Wirkungsgrad der Ladung einer Druckwellenmaschine im Bereich
niedriger bis mittlerer Motordrehzahlen, Temperaturen und Durchsätze des
Verbrennungsmotors verbessert.
-
In
bekannten Druckwellenmaschinen nach dem Stand der Technik läuft der
Motor in einem Lager mit Lebensdauerschmierung, das einem Luftstrom
in einem Einlass des Ansaugkanals der Druckwellenmaschine ausgesetzt
ist und damit gekühlt
wird. Der Nachteil dieses Systems ist die Aufheizung der eingehenden
Luft infolge der Kühlung
des Lagers und der nachteiligen Konfiguration der Einlasskanäle bezüglich der
Strömung,
die einen verminderten Wirkungsgrad mit sich bringt. Des weiteren
besteht die Möglichkeit,
dass die Kühlung
des Lagers nicht mehr gesichert ist, z. B. wenn der Verbrennungsmotor nach
einer langen Fahrt angehalten wird. Des weiteren ist das Temperaturniveau
des Lagers unter bestimmten Ladebedingungen trotz der Luftkühlung noch
so hoch, dass teure Hochtemperatur-Schmiermittel verwendet werden
müssen.
-
Die
Achsabstände
zwischen den Gehäusen und
dem Rotor haben großen
Einfluss auf den Wirkungsgrad der Druckwellenmaschine. Im Falle
eines übermäßigen Spiels
nehmen die Spaltverluste zu, und wenn das Spiel zu klein ist, kann
es dazu kommen, dass der Rotor an den Gehäusen streift. Zur Reduzierung
des Spiels können
die Teile aus einer expansionsarmen Stahllegierung gefertigt sein.
In diesem Fall muss jedoch im Kaltzustand ein relativ großer Abstand
vorgesehen sein, was sich in diesem Zustand nachteilig auswirkt,
wozu noch die Notwendigkeit teurer Speziallegierungen kommt.
-
In
der US-A-2 800 120 wird ein Druckwellenlader mit einer wassergekühlten Endplatte
offenbart, bei dem der Rotor gasseitig gelagert ist. Allerdings werden
von diesem Kühlsystem
weder die Luftseite noch die Außenoberfläche gekühlt.
-
In
einer weiteren Verbesserung gemäß dem abhängigen Anspruch
10 ist eine effiziente Kühlung des
Rotors bzw. des Rotorlagers definiert, welche die oben aufgeführten Nachteile
beseitigt und deshalb eine zusätzliche
Wirkungsgradsteigerung ohne Verwendung teurer Legierungen ermöglicht.
-
Weitere
Vorteile und Ausführungsbeispiele der
Druckwellenmaschine gemäß der Erfindung
sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
-
Die
Erfindung wird im Weiteren unter Bezugnahme auf eine Zeichnung exemplarischer
Ausführungsbeispiele
detaillierter erläutert.
-
1 zeigt eine allgemeine
Darstellung einer gasdynamischen Druckwellenmaschine gemäß Stand
der Technik in einer teilweise geschnittenen Ansicht;
-
2 zeigt eine schematische
Darstellung eines abgewickelten Zylinderquerschnitts durch die Zellen
eines Rotors einer Druckwellenmaschine gemäß Stand der Technik;
-
3 zeigt die Druckwellenmaschine
gemäß der Erfindung
in der selben Darstellung wie 1.
-
4 zeigt eine perspektivische
Darstellung einer gasdynamischen Druckwellenmaschine gemäß 3.
-
5 zeigt einen Querschnitt
entsprechend der Schnittlinie V-V in 3 in
unterschiedlichem Maßstab;
-
6 zeigt einen Querschnitt
entsprechend der Schnittlinie VI-VI in 3 in unterschiedlichem Maßstab;
-
7 zeigt eine Variante des
Querschnitts gemäß 6 für eine Lösung, die der vorliegenden Erfindung
nicht entspricht;
-
8 zeigt eine schematische
Darstellung eines Details eines abgewickelten Zylinderquerschnitts
durch die Zellen des Rotors einer Druckwellenmaschine gemäß Stand
der Technik;
-
9 zeigt eine schematische
Darstellung eines Details eines abgewickelten Zylinderquerschnitts
durch die Zellen des Rotors einer anderen Druckwellenmaschine gemäß dem Stand
der Technik;
-
10, 10A zeigt eine schematische Darstellung
eines Details eines abgewickelten Zylinderquerschnitts durch die
Zellen des Rotors einer Druckwellenmaschine gemäß der Erfindung;
-
11, 11A zeigt eine Variante des Ausführungsbeispiels
gemäß 10, 10A; und
-
12 zeigt eine schematische
Darstellung einer Druckwellenmaschine, die mit einer Heizvorrichtung
und Katalysatoren versehen ist.
-
Aus
Gründen
der Einfachheit wird in den abgewickelten Ansichten ein einfacher
Druckwellenzyklus beschrieben und dargestellt, während in 5–7 eine zweizyklische Maschine
dargestellt ist. Die Erfindung ist allerdings unabhängig von
der Anzahl an Druckwellenzyklen und kann auf einzyklische, zweizyklische
oder mehrzyklische Druckwellenmaschinen angewendet werden. Da jedem
Zyklus eine eigene Öffnung
und eine eigene Tasche zugeordnet ist, und da die meisten Druckwellenmaschinen
drei oder mehr Zyklen umfassen, bezieht sich die Beschreibung meistens
auf zwei Öffnungen
bzw. zwei Zyklen, obwohl für
einen einfachen Zyklus bzw. eine einfache Öffnung dasselbe gelten würde.
-
In 1 zeigt eine gasdynamische
Druckwellenmaschine 2 nach dem Stand der Technik dargestellt,
die über
einen Abgassammler 22 mit einem Verbrennungsmotor 1 verbunden
ist und des weiteren einen Hochdruckabgaskanal 3, einen
Niederdruckabgaskanal 4, wobei die Kanäle in einem Gasgehäuse 5 eingeschlossen
sind, einen Rotor 6 mit einem Außenmantel 7, einen
Frischlufteinlass 8 mit Luftfilter 9 und den anschließenden Niederdruckfrischlufteinlasskanal 14 umfasst.
Des weiteren ist der Hochdruckladeluftkanal 10 dargestellt,
welcher mit dem Ladeluftdurchgang 11 kommuniziert, wobei letzterer über die
Ladeluftkühlung 12 durch
den Versorgungsluftsammler 13 mit dem Motor 1 verbunden ist.
Der Niederdruckfrischlufteinlasskanal 14 und der Hochdruckladeluftkanal 10 sind
in einem Luftgehäuse 15 untergebracht.
In der Figur wird des weitern das Rotorlager 16 sowie der
Rotorantrieb 17 dargestellt.
-
2 zeigt eine abgewickelte
Ansicht des Rotors einer Druckwellenmaschine, die annähernd dem
Ausführungsbeispiel
der 1 entspricht, in dem
nur ein einzelner Zyklus dargestellt ist. Identische Bauteile sind
mit den selben Bezugszeichen versehen, also Verbrennungsmotor 1,
gasdynamische Druckwellenmaschine 2, Hochdruckabgaskanal 3 und
Niederdruckabgaskanal 4 einschließlich Spülluft S, Rotor 6 mit
den einzelnen Zellen 18, Frischlufteinlass 8 bzw.
Niederdruckfrischlufteinlasskanal 14 und Hochdruckladeluftkanal 10,
der mit dem Ladeluftdurchgang 11 kommuniziert und zum Verbrennungsmotor 1 führt.
-
Wie
in der Einleitung bereits erwähnt,
kann der Prozess nur an eine einzige Betriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors
angepasst werden, wenn die vier Kanäle ohne zusätzliche Regelungsvorrichtungen
benützt
werden. In diesem Zusammenhang spricht man vom Auslegepunkt der
Druckwellenmaschine. Die Verwendung von Taschen in der Gehäusewand
ermöglicht
ein abstimmungsempfindlicheres Design der Druckwellenmaschine und
damit eine bedeutende Erweiterung von deren Last-, Drehzahl- und
Volumenbereich.
-
Während der
Entwicklung solcher Druckwellenmaschinen im Laufe der Jahre wurden
unterschiedliche Taschen in die Gehäusewand eingefräst, wie
in 2 dargestellt: eine
Kompressionstasche 19, eine Expansionstasche 20 und
eine Gastasche 21, deren Anwendungen in Fachkreisen gut
bekannt sind. Ein Nachteil in der Anwendung solcher Taschen liegt
in der Tatsache, dass der Druckwellenprozess im nicht abgestimmten
Kennfeldbereich auf Nebenprozesse abgeleitet wird, welche niemals
einen optimalen Wirkungsgrad erreichen können.
-
In 3 und 4 ist eine gasdynamische Druckwellenmaschine
gemäß der Erfindung
dargestellt, welche eine Anzahl von Verbesserungen umfasst, um den
Gesamtwirkungsgrad wesentlich zu steigern. Die Druckwellenmaschine 30 ist
mit dem schematisch dargestellten Verbrennungsmotor durch den Hochdruckabgaskanal 31 und
den Hochdruckladeluftkanal 32 verbunden. Das Gasgehäuse 34 umfasst
des weiteren den Niederdruckabgaskanal 35, und in dieser
Figur ist dargestellt, dass die beiden Kanäle, d. h. der Hochdruckabgaskanal
und der Niederdruckabgaskanal, auf der Rotorseite in Form der sektorförmig ausgebildeten Öffnungen 36A und 37A mit den Öffnungskanten 36 und 37 in
das Gasgehäuse eindringen,
vgl. auch 5 und 6.
-
Ebenfalls
dargestellt ist der Rotor 40 mit seinen Zellen 41,
wobei der Rotor in einem Mantel 42 angeordnet ist und beispielsweise
per Riemenantrieb 43 angetrieben wird.
-
Es
wird beabsichtigt, die Ausrichtung der Öffnungskanten 36 des
Hochdruckabgaskanals zu den Öffnungskanten 54 des
Hochdruckladeluftkanals auf eine Weise einzustellen, dass die sogenannte
Primärwelle,
die geschaffen wird, wenn der Hochdruckabgaskanal sich gegen die
Rotorzelle hin öffnet,
deren Druck niedriger ist, präzise
so eingestellt wird, dass sie an der Luftseite ankommt, wenn der
Hochdruckladeluftkanal sich gegen die Rotorzelle hin öffnet. Wie
bereits in der Einleitung erwähnt,
wurde früher
versucht, diese Einstellung zu erreichen, indem das Gehäuse mit
drehbaren Platten mit Öffnungen versehen
wurde, damit sie auf die beiden Hochdruckströmungen einwirken.
-
In
der Lösung
gemäß der Erfindung
werden die Öffnungskanten 54 des
Hochdruckladeluftkanals 32, d. h. die Öffnungen, welche mit den Rotorzellen kommunizieren,
entweder durch Verdrehen des Luftgehäuses bezüglich des stationären Rotors
und des Gasgehäuses
eingestellt, oder in einer Lösung,
die der vorliegenden Erfindung des Hochdruckladeluftkanals nicht
entspricht. Das Ergebnis ist, dass die Öffnungskanten der zwei Hochdruckkanäle immer
so gegenseitig eingestellt werden können, dass die Primärwelle die
oben erwähnte
Bedingung an jedem Punkt des Kennfeldbereichs des Verbrennungsmotors
erfüllt.
-
5 ist eine Vorderansicht
der Rotorseite des Gasgehäuses 34,
in der die zwei Hochdruckabgaskanalöffnungen 36A dargestellt
sind, deren jede eine Öffnungskante 36 umfasst,
und die beiden Niederdruckabgaskanalöffnungen 37A, deren
jede eine Öffnungskante 37 umfasst,
sowie die beiden Gastaschen 21. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist das Gasgehäuse
am Rotorgehäuse
befestigt, also stationär.
-
6 zeigt eine Vorderansicht
der Rotorseite des Luftgehäuses 39,
in der die zwei Hochdruckladeluftkanalöffnungen 54A dargestellt
sind, deren jede eine Öffnungskante 54 umfasst,
und die zwei Niederdruckabgaskanalöffnungen 55A, deren
jede eine Öffnungskante 55 umfasst.
Des weiteren sind die Kompressionstaschen 19 und die Expansionstaschen 20 illustriert.
Wie oben festgestellt, ist das Luftgehäuse mit Bezug auf den Rotor
bzw. das Gasgehäuse
drehbar, wobei der Rotationswinkel zwischen 0° und 20° liegt.
-
In 7 ist eine andere Lösung dargestellt, die
nicht der vorliegenden Erfindung entspricht, welche eine Einwirkung
auf die Öffnungskanten
eines der Hochdruckkanäle
ermöglicht,
und zwar im vorliegenden Fall den Hochdruckladeluftkanal. Im Unterschied
zu der Lösung
mit einem drehbaren Gehäuse ist
der Einfluss hoher Temperaturen in dieser Lösung nicht ausschlaggebend.
Im Unterschied zur 6 wird
eine Doppelsektormembran 54B dargestellt, die eine Variation
der Öffnungsbreite
der zwei Öffnungen des
Hochdruckladeluftkanals ermöglicht
und damit von deren Ausrichtung an den Öffnungen des Hochdruckabgaskanals,
wie durch den Pfeil 56 angezeigt. Es versteht sich, dass
die Anzahl von Membranen von der Anzahl der Zyklen abhängig ist. Überdies können die
Membranen am Hochdruckabgaskanal anstatt am Hochdruckladeluftkanal
vorgesehen sein, da der Einfluss der Temperatur in diesem Fall nicht
so bedeutend ist.
-
Normalerweise
ist die Druckwellenmaschine optimal auf den vom Hersteller des Verbrennungsmotors
angegebenen Punkt abgestimmt, was in der Regel bei der Nenndrehzahl
des Motors mit Hilfe bekannter Verfahren erfolgt, wie Kennlinienmethoden und
konstruktive Berechnungen bei Anwendung keiner Tasche, einer Tasche,
zwei oder aller drei Taschen.
-
Verglichen
mit der Anwendung von regelnden Platten bietet das Verdrehen eines
Gehäuses oder
einer oder beider Hochdruckkanäle
eine beträchtliche
Vereinfachung, insbesondere im Hinblick auf die Dichtwirkung. In 3 und 4 wird schematisch dargestellt, dass
das Luftgehäuse 39 mit
Hilfe eines drehbaren Lagers 40 einstellbar befestigt werden
kann. Das drehbare Lager ist auf dem Rotormantel 42 befestigt,
und an dem Mantel sind zwei Innenlagerringe 56 befestigt,
und zwei Außenlagerringe 57 sind
an dem Luftgehäuse 39 befestigt
und in einem Lagergehäuse 58 eingeschlossen.
Das Gehäuse kann
gedreht werden, z. B. elektrisch mittels eines Servomotors, oder
mit pneumatischen, mechanischen oder hydraulischen Mitteln. Zu diesem
Zweck wird jeder Punkt des Kennfeldes des Verbrennungsmotors mittels
Methoden berechnet, die an sich bekannt sind, und in geeignete Steuerbefehle
für das Drehen
des Gehäuses
durch ein entsprechendes elektronisches Steuersystem umgewandelt.
Die selben Verfahren können
angewendet werden, wenn ein Drehen des Hochdruckladeluftkanals bewirkt wird.
-
Der
Rotor der Druckwellenmaschine kann proportional mittels eines Treibriemens
angetrieben werden, wie dargestellt, oder nicht-proportional, z.
B. durch elektrische, pneumatische oder hydraulische Mittel. Der
Rotor der Druckwellenmaschine kann aber auch als freilaufender Rotor
ohne externen Antrieb betrieben werden. In diesem Fall muss das
Drehen des Gehäuses
mittels einer geeigneten Methode an die Drehzahlvariationen der
Maschine angepasst werden, z. B. durch Kennfeld- oder Drehzahlregelung,
während
die Drehzahl des Rotors frei oder aufwärts begrenzt und teilweise
durch eine Bremssteuerung geregelt sein kann. Die selben Verfahren
können
angewendet werden, wenn eine Drehung des Hochdruckladeluftkanals
bewirkt wird.
-
Zwar
ist es grundsätzlich
möglich,
die Erfindung auf der Gasseite anzuwenden, d. h. entweder das Gasgehäuse 34 zusammen
mit den Hochdruckabgaskanalöffnungen 36 oder
nur dem Hochdruckabgaskanal bzw. dessen Öffnungen zu drehen, und zwar
ist eine kombinierte Drehung der Gas- und Luftseite theoretisch
vorstellbar, doch bringt ein Drehen der Elemente auf der Gasseite
wegen der hohen entstehenden Temperaturen große technische Komplikationen
mit sich.
-
Wie
in 2 dargestellt, ist
die Kantengeometrie – also
die Öffnungsbreite
der Hochdruck- und Niederdruckkanäle – in herkömmlichen
Maschinen so ausgeführt,
dass über
den gesamten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors hinweg ein hoher
Wirkungsgrad erzielt wird. Folglich ist auch im Fall kleiner Gesamtöffnungswinkel
der Hochdruckkanäle
unter 45° die
Gesamtöffnungsbreite
der Öffnungskanten
der Niederdruckkanäle
so groß wie
möglich
ausgelegt, um eine ausreichende Rotorspülung bei höheren Motordrehzahlen zu erreichen
und damit einen übermäßigen Anstieg
der Ladelufttemperaturen zu verhindern. In den Druckwellenmaschinen
nach dem Stand der Technik ist das Gesamtverhältnis der Öffnungsbreite der Hochdruckkanäle zu der Öffnungsbreite
der Niederdruckkanäle
größer als
1 : 3,5.
-
Wie
bereits erwähnt,
kommt es im Falle niedriger bis mittlerer Drehzahlen, Temperaturen
und Durchsätze
zu einer Behinderung der Spülwirkung und
einer ungenügenden
Vorverdichtung infolge der übermäßig großen Niederdruckkanäle, was
auf die Tatsache zurückzuführen ist,
dass gemäß 2 die Expansionswelle W5,
die vom Druckdifferential zwischen dem im Rotor vor dem Einlass
von Frischluft herrschenden Druck und dem niedrigeren Druck im Niederdruckabgaskanal
selbst geschaffen wird, annähernd
in der Mitte des Niederdruckabgaskanals ankommt, wo sie den Abfluss
behindert. Die Druckwelle W6, die sich aus der Reflexion der Expansionswelle
an der Niederdruckabgaskanalöffnung
ergibt, wandert zurück
zum zweiten Drittel der Frischlufteinlassöffnung und behindert damit
den Zustrom stark. Das Ergebnis ist ein negativer Effekt auf die
Spülwirkung
und auf den Druck im Rotor zu dem Zeitpunkt, wenn die Niederdrucköffnungen
geschlossen sind.
-
Der
Druck, im folgenden auch als Vorverdichtung bezeichnet, fällt stark
ab und reicht für
eine weitere Kompression der Ladeluft zu dem Zeitpunkt, wenn der
Hochdruckabgaskanal sich öffnet,
nicht aus. Überdies
muss sich in der älteren
Anordnung mit großen
Niederdruckkanälen
und schmalen Hochdruckkanälen
der Niederdruckfrischlufteinlasskanal, um den Ladedruck bei höheren Drehzahlen
zu verbessern, viel später
schließen
als der Niederdruckabgaskanal, so dass infolge der Hemmung der einströmenden Frischluft
immer noch eine gewisse Vorverdichtung vorhanden ist. Allerdings
ist diese Maßnahme
bei einem niedrigen Energieniveau kontraproduktiv, also hauptsächlich bei
niedrigen Drehzahlen, Temperaturen und Durchsätzen, bei denen die Spülung durch
das vorzeitige Schließen
der Abgasauslassöffnung
stark behindert wird und folglich ein Bereich hoher Rezirkulation
akzeptiert werden muss.
-
Da
die Öffnungskanten
sektorförmig
ausgebildet sind, wird ihre Öffnungsbreite
im Allgemeinen durch einen Winkel definiert. In diesem Zusammenhang
wird unabhängig
von der Anzahl von Zyklen auf die Gesamtöffnungsbreite Bezug genommen.
In Druckwellenmaschinen nach dem Stand der Technik ist das Verhältnis der
Gesamtöffnungsbreite
der Öffnungskanten
der Hochdruckkanäle
zu allen Öffnungskanten
der Niederdruckkanäle
größer als
1 : 3,25, d. h. wenn die Gesamtöffnungsbreite
der Öffnungskanten
der Hochdruckkanäle
beispielsweise 48° beträgt, haben
alle Öffnungskanten
der Niederdruckkanäle
eine Öffnungsbreite
von 156° oder
mehr.
-
In 5–7 entspricht
die Gesamtöffnungsbreite
der Hochdruckkanäle
2 × 20° = 40°, und die Gesamtöffnungsbreite
der Niederdruckkanäle
ist annähernd
2 × 65° = 130°. Aufgrund
der Tatsache, dass das Gesamtverhältnis der Öffnungen der Hochdruckkanäle, d. h.
des Hochdruckabgaskanals bzw. des Hochdruckladeluftkanals, zu den Öffnungen
der Niederdruckkanäle,
d. h. des Niederdruckabgaskanals bzw. des Niederdruckfrischlufteinlasskanals,
auf 1 : 3,25 oder weniger reduziert ist, und dass die Gesamtöffnungsbreite
der Hochdruckkanäle
kleiner oder gleich 45° ist,
können
eine bessere Spülwirkung
und eine höhere
Vorverdichtung erzielt werden, und damit ein höherer Wirkungsgrad bei niedrigen
und mittleren Drehzahlen, Temperaturen und Lasten des Verbrennungsmotors.
-
Um
eine Spülstörung im
Falle eines ungenügenden
Energieniveaus zu verhindern, kann der Winkelabstand zwischen der
schließenden
Kante des Niederdruckabgaskanals und der schließenden Kante des Niederdruckfrischlufteinlasskanals
in einem Ausmaß reduziert
werden, dass eine Behinderung des Spülvorgangs ohne Vorverdichtungsverluste ausgeschlossen
wird. Die entsprechenden Berechnungen können gemäß bekannten Berechnungsmethoden
für Druckwellenmaschinen
ausgeführt
werden.
-
Die
bloße
Reduzierung des Verhältnisses der
Gesamtöffnungsbreite
der Hochdruckkanäle
zur Gesamtöffnungsbreite
der Niederdruckkanäle
auf 1 : 3,25 oder darunter bei gleichzeitiger Begrenzung der Gesamtöffnungsbreite
der Hochdruckkanäle
auf höchstens
45° ermöglicht bereits
eine Wirkungsgradverbesserung in einer ansonsten bekannten Druckwellenmaschine,
es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass diese Wirkungsgradverbesserung
in einer Druckwellenmaschine, in der die Gehäuse oder die Hochdruckkanäle angepasst
sind, besonders wirksam ist.
-
Die
Druckwellenmaschine der Erfindung umfasst eine weitere Wirkungsgradverbesserung
aufgrund eines Wasserkühlungssystems,
welches zumindest teilweise im Luftgehäuse und am Rotormantel vorgesehen
ist, wobei zu beachten ist, dass die Kühlung nur auf der Luftseite
nützlich
ist. Die gesamthaft angezeigte Wasserkühlung 44 ist in einem
Luftgehäuse 39 nahe
dem Rotorlager untergebracht, und gemäß dem vorliegenden Beispiel
ist die Wasserkühlung 45 im
Lagergehäuse 58 vorgesehen.
Eine Druckwellenmaschine gemäß Stand
der Technik kann mit einer annähernd
gleichen Anordnung ausgerüstet
sein.
-
Der
Kühlwasserkreislauf
kann beispielsweise am Motorkühlkreislauf
des Verbrennungsmotors angeschlossen sein, oder es können ein
getrennter Kühlkreislauf
oder getrennte Kühlkreisläufe vorgesehen
sein. Diese Wasserkühlung
ermöglicht
hauptsächlich
eine wirksame Kühlung
des Rotorlagers, und die Ablenkung eines getrennten Luftstroms von der
Frischluft mit den entsprechenden Nachteilen ist nicht mehr notwendig.
-
Des
weiteren ermöglicht
die Wasserkühlung einen
konstanten Abstand zwischen dem Rotor und dem Mantel und damit einen
höheren
Wirkungsgrad und größere Unabhängigkeit
von teuren Materialien für
Rotor und Mantel.
-
Die
Wasserkühlung
bietet eine essentielle Wirkungsgradsteigerung in ansonsten bekannten gasdynamischen
Druckwellenmaschinen und eine noch größere, wenn sie mit einer oder
mehreren der Verbesserungen der oben beschriebenen Druckwellenmaschine
kombiniert wird.
-
Die
Druckwellenmaschine nach dem Stand der Technik ist für hohe Ladedrücke und
gute Wirkungsgrade stark füllungsabhängig. Bei
niedrigem Durchsatz des Verbrennungsmotors sinkt die Füllung im
Rotor der Druckwellenmaschine und damit auch der Ladedruck. Die
Maschine ist in diesem Kennfeldbereich eigentlich zu groß. Bei hohem
Durchsatz des Verbrennungsmotors steigt die Füllung stark an, und der Kompressionswirkungsgrad
verschlechtert sich. In diesem Kennfeldbereich ist die Druckwellenmaschine
zu klein.
-
Das
Abgassammler-Volumen, das mit Druckwellenmaschinen nach Stand der
Technik zur Dämpfung
der Motorpulsationen verwendet wird, schafft Nachteile. Die Druckwellenmaschine
stellt ein offenes System dar, was bedeutet, dass der Abgasteil
und der Frischluftteil durch den Rotor direkt verbunden sind. Dies
bedeutet aber auch, dass die Motordruckpulsationen vom Abgashochdruckabschnitt zum
Frischlufthochdruckabschnitt übertragen
werden.
-
Dieser
Nachteil lässt
sich jetzt durch eine direkte Frischluftversorgung zum Abgaskanal
beseitigen. In 3 und 4 ist die Verbindungsleitung 46 dargestellt,
die vom Hochdruckladeluftkanal zum Hochdruckabgaskanal führt. Dadurch
werden die positiven Druckstöße im Hochdruckladeluftkanal
auf den Hochdruckabgaskanal übertragen.
Die Verbindungsleitung enthält
ein Rückschlagventil 47,
das mit einer elektronischen Steuerung ausgerüstet werden kann. In diesem
Fall ist das Rückschlagventil
als Regelung in dem Sinne wirksam, dass nur die Druckstöße übertragen
werden, deren Energieniveau höher
ist als der momentane Druck im Hochdruckabgaskanal. Auf diese Weise
werden hauptsächlich
negative Druckimpulse hervorgehoben, d. h. der Zustand des quasinegativen
Drucks im Hochdruckabgaskanal wird hervorgehoben, und das gesamte
Druckniveau innerhalb des Hochdruckabgaskanals und im Hochdruckladeluftkanal
wird durch die Glättung
der negativen Druckimpulse erhöht.
Dies ermöglicht
eine erhebliche Steigerung des Druckniveaus im Rotor vor dem Öffnen des
Hochdruckabgaskanals, und die von dort kommenden Pulsationen werden
gedämpft.
Des weiteren reduziert diese Maßnahme
die Verluste im Zuströmen
des heißen
Abgases zum Rotor, da der gesamte Prozess gedämpft wird.
-
Eine
weitere Verbesserung wird erreicht, wenn die Ablenkung, die gemäß 3 oder 4 irgendwo zwischen der Hochdruckladeluftkanalkante
und dem Motoreinlass angeordnet ist, unmittelbar nach der Öffnungskante
des Hochdruckladeluftkanals angeordnet ist. Dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel ist
aus Deutlichkeitsgründen
in 3 nicht dargestellt,
um die Übersichtlichkeit
zu erhalten.
-
Wie
bereits erwähnt,
ist die Druckwellenmaschine nach dem Stand der Technik in hohem
Maße vom
Füllungsgrad
abhängig.
Neben einer Reduzierung der Druckpulsationen, wie oben beschrieben, ermöglicht das
Vorhandensein einer Verbindungsleitung die Rückführung von Ladeluft auf die
Hochdruckabgasseite der Druckwellenmaschine und somit eine Steigerung
der Massenströmung
der Maschine und somit eine Anhebung des Füllungsgrades, die in einem
erheblichen Druckanstieg resultiert. Eine zusätzliche Regelung der Rückführungsmenge von
Hochdruckladeluft mittels des gesteuerten Rückschlagventils kann somit
als Ladedruckregelung im Allgemeinen und als zusätzliche Leistungsregelung im
Falle eines Motors mit elektrischer Zündung verwendet werden. Dies
bedeutet mit anderen Worten, dass die Druckwellenmaschine im Sinne
einer Verbesserung des Kompressionswirkungsgrades bei höheren Motordurchsätzen etwas
größer ausgeführt werden
kann, ohne dass es bei geringeren Motordurchsätzen zu einem Ladedruckverlust
kommt. Dies kann auch beispielsweise durch eine Regelung der Querschnittfläche der
Verbindungsleitung mittels einer geeigneten bekannten Vorrichtung
erreicht werden, wie beispielsweise des gesteuerten Rückschlagventils
oder einer zusätzlichen
Vorrichtung für die
Regelung der Querschnittfläche.
Dies ist besonders wirksam in den unteren bis mittleren Drehzahl-, Temperatur-
und Lastbereichen des Verbrennungsmotors.
-
Die
Verwendung einer Verbindung, zwischen dem Frischluft- und dem Abgasteil
ermöglicht
eine beträchtliche
Verbesserung des Wirkungsgrads in ansonsten bekannten Druckwellenmaschinen,
ist aber besonders wirksam in Kombination mit einer oder mehreren
der oben erwähnten
und beschriebenen Maßnahmen
zur Wirkungsgradsteigerung.
-
8 bis 11A betreffen einen weiteren Aspekt der
Druckwellenmaschine, namentlich die Wirkung auf den Hochdruckabgasstrom. Ähnlich 2 stellt 8 einen Hochdruckabgaskanal dar, der
keine Mittel zur Beeinflussung des Hochdruckabgasstroms hat. Der
Rotor 6 mit seinen Zellen 18 ist in einer abgewickelten
Ansicht dargestellt, in weiteren Darstellungen sind der Hochdruckabgaskanal 3 und der
Niederdruckabgaskanal 4 illustriert.
-
Neben
diesen Elementen zeigt 9 die Gastasche 21,
wie sie beispielsweise nach CH-A-681
738 vorgesehen ist, das in der Einleitung bereits erwähnt wurde.
Diese Gastasche sowie der notwendigerweise vorhandene Steg 21A zwischen dem
Hochdruckabgaskanal und der Gastasche schafft zusätzliche
Verluste, besonders bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen, Temperaturen
und Durchsätzen,
wo ein Abblasen normalerweise unnötig ist.
-
In 10, 10A und 11, 11A sind Elemente schematisch
dargestellt, die eine Beeinflussung des Hochdruckabgaskanals gemäß der Erfindung
ermöglichen.
-
In 10 und 10A ist eine abgewickelte Ansicht des
Rotors 40 mit seinen Zellen 41 dargestellt, während das
Gasgehäuse 34 im
Gegensatz zu der Gastasche der 9 eine
Vertiefung 48 aufweist, die mit einem Schieber 49 modifiziert
werden kann, wie per Pfeil 50 angezeigt. Gemäß 10A wird der Schieber 49 vollständig in
Richtung des Pfeils eingerastet, so dass der Hochdruckabgaskanal
ohne Vorhandensein eines Stegs vergrößert ist. Durch eine geeignete
Steuerung des Schiebers, die von Fachleuten berechnet werden kann,
kann der Schieber so bewegt werden, dass der Hochdruckkanal auf
eine Weise vergrößert wird,
dass der Druck auf ein Niveau abfällt, dass der im Druckwellenprozess
erzeugte Ladedruck auf den gewünschten
Wert abfällt.
In 11 und 11A ist ein alternatives
Ausführungsbeispiel
des Schiebers in Form eines Schwenkelements 51 dargestellt,
das an dem Gelenk 52 aufgehängt ist und von einer ähnlichen
elektronischen Steuerung betätigt
wird, die eine Vergrößerung 53 des
Hochdruckkanals ermöglicht.
-
Bei
Vergrößerung des
Hochdruckabgaskanals ermöglicht
diese Vorrichtung gleichzeitig eine wichtige Verbesserung des Spülprozesses
durch die Ablenkung des Hochdruckabgases zum Niederdruckprozess
und somit eine erhebliche Steigerung des Wirkungsgrads. Wenn es
sich um einen Motor mit elektrischer Zündung handelt, kann diese Methode
auch als Leistungsregelung mittels einer Regelung des gewünschten
Ladedrucks durch geeignete Maßnahmen,
die als solche bekannt sind, verwendet werden. Diese Maßnahme in
Form der Vergrößerung des
Hochdruckabgaskanals und der Vermeidung von Gastaschen, ermöglicht eine
wesentliche Wirkungsgradsteigerung auch in Druckwellenmaschinen,
die ansonsten mit jenen auf dem Stand der Technik identisch sind,
sie ist aber – wie
alle oben beschriebenen Verbesserungen – besonders wirksam in Kombination
mit einer oder mehreren der offenbarten Verbesserungen.
-
Eine
weitere Maßnahme
für die
Steigerung des Wirkungsgrads der Druckwellenmaschine besonders beim
Kaltstart ist in 12 auf
vereinfachte Weise schematisch dargestellt. Identische Elemente sind
mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Druckwellenmaschine 30 ist
mittels eines Hochdruckabgaskanals 31 und eines Hochdruckladeluftkanals 32 mit
dem Verbrennungsmotor 60, beispielsweise einem Motor mit
elektrischer Zündung,
verbunden. Des weiteren umfasst die Druckwellenmaschine die zwei
Niederdruckkanäle 35 und 38,
und im weiteren sind der Luftfilter 9, die Ladeluftkühlung 12,
eine Drossel 61 sowie der Motorausgang 43 dargestellt.
-
Im
Falle des Motors mit elektrischer Zündung ist zwischen dem Auslass
des Motors und dem Hochdruckabgaskanal ein gesteuerter Dreiwegkatalysator 62 angebracht,
der eine Lambdasonde 63 besitzt. Zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens
ist zwischen dem Dreiwegkatalysator und dem Hochdruckabgaskanal
eine Heizvorrichtung 64 in Form eines Brenners angebracht,
der eine Brennstoffzufuhr 65 und eine Luftzufuhr 66 besitzt.
Das Bezugszeichen 67 bezeichnet eine Temperatursonde. An
diesem Punkt wirkt die Heizvorrichtung sowohl auf den Katalysator
wie auf die Druckwellenmaschine und liefert somit eine Verbesserung
der Kaltstarteigenschaften beider Aggregate.
-
Um
eine besonders effiziente Abgasreinigung zu erzielen, ist zwischen
dem Niederdruckabgaskanal und dem Auspuffrohr 68 ein weiterer
Katalysator vorgesehen, und zwar ein Oxidationskatalysator.
-
Dank
der Verwendung einer Heizvorrichtung, die auf den Hochdruckabgaskanal
wirkt, kann verhindert werden, dass der Druckwellenlader beim Kaltstart
auf einem ungenügenden Leistungsniveau
läuft und
somit die Gastasche nützt
oder eine Vergrößerung des
Hochdruckabgaskanals erfordert. Somit reduziert oder verhindert
die Verwendung einer Heizvorrichtung eine Strömung in Richtung der Gastaschen,
und der Ladedruck wird wesentlich schneller aufgebaut. Durch das
Schließen
der Gastaschen kann verhindert werden, dass ein Teil der Heizenergie
unverbraucht abgeblasen wird. Das selbe gilt für ein System ohne Dreiwegkatalysatoren,
z. B. für
einen Dieselmotor, der möglicherweise
nur den erwähnten
Oxidationskatalysator an einem stromaufwärts oder stromabwärts der
Druckwellenmaschine gelegenen Punkt besitzt.
-
Wie
in den vorangehenden Beispielen, bietet die Heizvorrichtung eine
Verbesserung einer Druckwellenmaschine, die mit einer Vorrichtung
zur Vergrößerung des
Hochdruckabgaskanals versehen ist, und eine noch größere Verbesserung,
wenn sie auf eine Druckwellenmaschine angewendet wird, die eine
oder mehrere der oben aufgeführten
Verbesserungen sowie einen oder zwei oder keinen Katalysatoren)
besitzt.