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Druckaustauscher, insbesondere zur Aufladung von
Brennkraftmaschinen bei Kraftfahrzeugen
Die Erfindung betrifft einen Druckaustauscher, insbesondere zur Aufladung von Brennkraftmaschinen bei Kraftfahrzeugen, mit in den stirnseitigen Gehäuseteilen befindlichen Mündungsöffnungen der Gas- und Luftkanäle, deren annähernd radial verlaufenden seitlichen Begrenzungskanten als Steuerkanten für den mit Zellen versehenen Läufer ausgebildet sind, wobei der Gaseinlass und der Gasauslass in dem einen stirnseitigen Gehäuseteil liegen, während der Lufteinlass und der Luftauslass im gegenüberliegenden stirn- seitigen Gehäuseteil liegen.
Es ist bekannt, die als"Druckaustauscher"oder''Drucktransformer' bezeichnete Maschine zur Auf- ladung von Brennkraftmaschinen zu verwenden. Eine solche Druckwellenmaschine nimmt ein kompressib- les Betriebsmittel auf einer unteren Druckstufe auf und verdichtet es auf einen höheren Druck, während sie gleichzeitig ein anderes solches Betriebsmittel auf einer höheren Druckstufe aufnimmt und es auf einen tieferen Druck entspannt. Im Falle der Aufladung einer Brennkraftmaschine ist das zu verdichten- de Betriebsmittel die Spül-und Ladeluft, die bei Atmosphärendruck angesaugt und auf den gewünschten Ladedruck verdichtet wird und das zu entspannende Betriebsmittel ist das Abgas der Brennkraftmaschine, das deren Zylinder mit Überdruck verlässt und im Druckaustauscher auf Atmosphärendruck entspannt wird. Die Verdichtung bzw.
Entspannung der beiden Betriebsmittel geschieht mit Hilfe von Druckwellen, die z. B. in länglichen, auf einem rotierenden Läufer angeordneten Zellen entstehen, welche an ihren Enden durch Steuerorgane mit Ein-und Auslassöffnungen f-ir die beiden Betriebsmittel gesteuert werden.
DieDruckwellenmaschinen haben sich für die Aufladung von Brennkraftmaschinen als mit grossen Vor- teilen zu verwendende Geräte erwiesen. Infolge ihrer Trägheitslosigkeit passen sie sich wechselnden Betriebsbedingungen rasch an. Der Druck der Abgase der Maschine wird rasch und mit geringen Verlusten in den Zellen der Druckwellenmaschine auf die Spül- und Ladeluft übertragen, u. zw.
geschieht dies nicht nur dann, wenn die Abgase für den sogenannten"Gleichdruckbeirieb"in einem verhältnismässig grossen Behälter gesammelt werden, bevor sie dem Aufladegerät zugeführt werden, sondern insbesondere auch dann, wenn sie im "Stossbetrieb" in möglichst kurzen Abgasleitungen mit geringem Rauminhalt zum Aufladegerät geleitet werden, so dass beim Antrieb desselben die Druckstösse der einzelnen Maschinenzylinder ausgenützt werden, wobei diese Druckstösse dann rasch, mit einer für die Spülung günstigen kleinen Verzögerung, auf die Luft übertragen werden.
Es hat sich gezeigt, dass die Druckwellenmaschinen über einen verhältnismässig weiten Drehzahlbereich, wie er sich bei wechselnder Belastung der Kraftmaschine ergibt, gut funktionieren, obschon der Wellenplan, der den Wellenvorgängen in den Zellen der Druckwellenmaschine zugrunde liegt, theoretisch nur bei der Auslegedrehzahl derselben völlig richtig ist.
Immerhin lehrte die Erfahrung, dass bei stark und rasch wechselnden Belastungen der Kraftmaschine beträchtliche Störungen des Wellenplanes auftreten können, die das gute Funktionieren der Druckwellenmaschine zu beeinträchtigen vermögen. Selbst bei normaler Drehzahl der Druckwellenmaschine können sich in deren Zellen Druckverhältnisse einstellen, die z. B. für die Spülung der Zellen ungünstig sind. Damit das entspannte Abgas richtig in die Gasauslass-Steueröffnung ausgestossen wird, muss der Gasdruck in jeder Zelle. die diese Steueröffnung bei der Umdrehung des Läufers der Druckwellenmaschine erreicht, höher sein als der Druck in der Steueröffnung selbst.
Der erwähnte Gasdruck hängt ab vom Verhältnis des Druckes in der Gaseinlass-Steueröffnung zum Druck in der Luftauslass-Steueröffnung. Bei nied-
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riger Belastung der Kraftmaschine kann unter Umständen der Gaseinlassdruck so weit absinken, dass auch der Gasdruck in den Zellen vor dem Gasauslass nicht mehr hoch genug ist, um die Spülung der Zellen in
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Übelstandes schon vorgeschlagen worden, bei niedriger Belastung der Brennkraftmaschine in der Spül- und
Ladeluftleitung eine gesteuerte Klappe zu schliessen und Frischluft aus der Atmosphäre anzusaugen.
Eine weitere Schwierigkeit kann auftreten, wenn die Druckwellenmaschine wesentlich unter der Auslegedrehzahl läuft, was z. B. während des Anfahrens und bei geringer Fahrgeschwindigkeit von Auto- mobilen vorkommen kann, bei welchen sich die Druckwellenmaschine im übrigen als besonders vorteil- haftesladegerät erwiesen hat. Der einfache Wellenplan der Auslegedrehzahl wird verzerrtundviel kom- plizierter. Läuft die Druckwellenmaschine langsamer als sie sollte, so wird z. B. eine beim Gaseinlass derselben entstehende Druckwelle an einer Überdeckung des Steuerorganes beim jenseitigen Zellenende reflektiert, anstatt in den Luftauslass einzutreten, und diese reflektierte Welle gelangt wieder in den Gas- einlass, anstatt von einer an diesen anschliessende Überdeckung abgefangen zu werden.
In der Folge stellt sich sowohl ein Rückströmen von Luft aus der Luftauslassöffnung in die Zellen wie auch ein Rückströmen von Gas aus den Zellen in die Gaseinlassöffnung ein. Die Brennkraftmaschine kommt bei niedriger Bela- stung zum Erliegen, weil die Druckwellenmaschine zu wenig Luft fördert.
Zur Verbesserung der Betriebsverhältnisse bei Druckwellenmaschinen sind verschiedene Massnahmen vorgeschlagen worden. Zwecks Korrektur des Wellenplanes bei verminderter Drehzahl werden etwa verstellbare Steuerorgane angeordnet, die ein Verstellen der Steuerkanten der Ein- und Auslassöffnungen in Funktion der Drehzahl erlauben. Oder es werden vorteilhafte Wellen dadurch erzeugt und nachteilige Wellen dadurch neutralisiert, dass der Druckwellenmaschine eine verhältnismässig kleine Menge eines Betriebsmittels an einer passenden Stelle höheren Druckes entnommen und dieses durch eine Umleitung einer Stelle niedrigeren Druckes zugeführt wird. Zum selben Zweck kann den Steuerorganen einer Druckwellenmaschine auch Druckluft oder Druckgas aus einer unabhängigen Quelle zugeführt werden.
Über diese bekannten Mittel zur Verbesserung der Betriebsverhältnisse bei Druckwellenmaschinen hinaus bringt nun die Erfindung eine zusätzliche Erweiterung des Betriebsbereiches bei konstruktiv äusserst einfacher Ausgestaltung der verwendeten Mittel, u. zw. ganz besonders bei aufgeladenen Fahrzeugmotoren, an die vom Stillstand bis zu höchster Fahrgeschwindigkeit grosseAnforderungen bezüglich Kraftabgabe bei möglichst rauchloser Verbrennung gestellt werden.
Die Erfindung ist gekennzeichnet durch eine im gasseitigen Gehäuseteil angeordnete und im Sinne der Bewegungsrichtung der Zellen liegende Erweiterung des Gaseinlasses sowie durch eine im luftseitigen Gehäuseteil angeordnete und im Sinne der Bewegungsrichtung der Zellen dem Luftauslass nachgeordnete Expansionstasche, innerhalb deren Steuerkanten die Kante des Gasauslasses liegt und deren Steuerkante relativ zur Kante der Erweiterung des Gaseinlasses so weit in Drehrichtung des Läufers versetzt ist, dass im ganzen Drehzahlbereich eine von der Erweiterung ausgehende Verdichtungswelle, bei der niedrigsten Betriebsdrehzahl eine von der Steuerkante der Erweiterung ausgehende Verdichtungswelle, in jeder Zelle die Expansionstasche erreicht und aufladet, nachdem sie die Zelle durchlaufen hat,
dass sie sodann in der erwähnten Expansionstasche in die Bewegungsrichtung der Zellen umgelenkt wird, und dass sie schliesslich nach nochmaligem Durchlaufen der Zelle, selbst bei der niedrigsten Betriebsdrehzahl, den Gasauslass erreicht, kurz nachdem die Zelle diesen erreicht hat.
DieZeichnung zeigt einBeÎ8piel des erfindungsgemässen Druckaustauschers, der in Fig. 1 durch eine Abwicklung einesZylinderschnittes mit dem Durchmesser Dm nach Fig. 2 dargestellt ist, wogegen Fig. 2 einen Schnitt senkrecht zur Achse nach II-II in Fig. 1 durch sein Gehäuse und seinen Läufer zeigt. In beiden Figuren sind gleiche Teile in gleicher Weise bezeichnet.
In Fig. 1 ist 11 ein Zylinder und 12 ein Kolben einer Brennkraftmaschine. Bei 13 ist ein Abgasventil und bei 14 ein Lufteinlassventil gezeigt. Durch die Abgasleitung 15 ist der Zylinder 11 mit dem Gaseinlass 2v des Druckaustauschers verbunden, und die Luftleitung 16 verbindet dessen Luftauslass 2n mit dem Zylinder 11. Der Läufer 17 mit seinen Zellenwänden 18 schliesst, bei der hier gezeigten Bauart zusammen mit dem in Fig. 2 gezeigten Gehäusemantel 20, die Zellenräume 19 ein. In den stirnseitigen Gehäuseteilen 21 und 22 des Druckaustauschergehäuses sind nebst dem bereits erwähnten GaseinlÅass 2v und Luftauslass 2n auch der Lufteinlass Iv und Gasauslass In angeordnet.
Der Wellenplan für den Druckaustauscher ist im vorliegenden Beispiel so gewählt, dass der Gaseinlass 2v und der Gasauslass In in einem als Steuerorgan dienenden stirnseitigen Gehäuseteil 21 an ein und demselben Ende der Zellenräume 19 liegen, während der Lufteinlass Iv und der Luftauslass 2n in gleicher Weise im andern als Steuerorgan dienenden stirnseitigen Gehäuseteil 22 am andern Ende derselben zu liegen kommen. Der Läufer 17 dreht sich im Betrieb so, dass die Zellenenden bei wechselnder Drehzahl mit veränderlicher Geschwindigkeit uz
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kurz nach der Steuerkante d'an der Stelle d* wieder erreicht.
Die Kompressionstasche verändert die
Verhältnisse so, dass zuerst, von d'bis d*, nur ein abgeschwächtes Einströmen von Gas aus dem Gas- einlass 2v in die Zellen 19 stattfinden kann. Erst bei der Stelle d*, die in günstiger Lage zur Steuerkante e des Luftauslasses 2n liegt, beginnt der Vorgang des Gaseinströmens. Damit wird sowohl das Rück- strömen von Gas im Gaseinlass'2v wie auch das Rückströmen von Luft im Luftauslass 2n vermieden.
Beim Anfahren der Brennkraftmaschine mag es vorteilhaft sein, eine Lufteinlassklappe R, die von Hand oder durch ihr Eigengewicht betätigt wird, in der Luftleitung 16 zur Verfügung zu haben.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Druckaustauscher, insbesondere zur Aufladung von Brennkraftmaschinen bei Kraftfahrzeugen, mit in den stirnseitigen Gehäuseteilen befindlichen Mündungsöffnungen der Gas- und Luftkanäle, deren annähernd radial verlaufenden seitlichen Begrenzungskanten als Steuerkanten für den mit Zellen versehenen Läufer ausgebildet sind, wobei der Gaseinlass und der Gasauslass in dem einen stirnseitigen Gehäuseteil liegen, wogegen der Lufteinlass und der Luftauslass im gegenüberliegenden stirnseitigen Gehäuseteil liegen, gekennzeichnet durch eine im gasseitigen Gehäuseteil (21) angeordnete und im Sinne der Bewegungsrichtung der Zellen (19) liegende Erweiterung (G) des Gaseinlasses (2v) sowie durch eine im luftseitigen Gehäuseteil (22)
angeordnete und im Sinne der Bewegungsrichtung der Zellen dem Luftauslass nachgeordnete Expansionstasche (E), innerhalb deren Steuerkanten (i*, i") die Kante (h') des Gasauslasses (In) liegt und deren Steuerkante (ie) relativ zur Kante (h*) der Erweiterung des Gaseinlasses so weit in Drehrichtung des Läufers versetzt ist, dass im ganzen Drehzahlbereich eine von der Erweiterung (G) ausgehende Verdichtungswelle (3*), bei der niedrigsten Betriebsdrehzahl eine von der Steuerkante (h*) der Erweiterung (G) ausgehende Verdichtungswelle, in jeder Zelle (19) die Expansionstasche (E) erreicht und aufladet, nachdem sie die Zelle durchlaufen hat, dass sie sodann in der erwähnten Expansionstasche (E) in die Bewegungsrichtung der Zellen umgelenkt wird, und dass sie schliesslich nach nochmaligem Durchlaufen der Zelle (19), selbst bei der niedrigsten Betriebsdrehzahl,
den Gasauslass (In) erreicht, kurz nachdem die Zelle diesen erreicht hat.