DE102011051587A1

DE102011051587A1 - Druckwellenladeranordnung zum Aufladen einer Verbrennungskraftmaschine sowie Verfahren zum Betreiben einer Druckwellenladeranordnung

Info

Publication number: DE102011051587A1
Application number: DE201110051587
Authority: DE
Inventors: Frank Rabe; Thorsten Andres
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2013-01-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckwellenladeranordnung (D) zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine, aufweisend einen Druckwellenlader (DL) mit daran angeschlossenen vier Kanälen (K1, K2, K3, K4), wobei Kanal K1 (1) Frischgas zuführt, Kanal K2 (2) komprimiertes Frischgas abführt, Kanal K3 (3) Abgas (A) zuführt und Kanal K4 (4) Abgas (A) abführt, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckwellenlader (DL) durch einen gegenüber der Verbrennungskraftmaschine ortsfest angeordneten Hohlkörper (5) mit reversierenden Ventilen (V1, V2, V3, V4) ausgebildet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Druckwellenladeranordnung (D), wobei einzeln reversierende Ventile (V1, V2, V3, V4) in Abhängigkeit der Einlasszeiten und Auslasszeiten der Verbrennungskraftmaschine geöffnet und/oder geschlossen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckwellenladeranordnung zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Druckwellenladeranordnung gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 24.
In Kraftfahrzeugen werden als bevorzugte Antriebe Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt. Diese Verbrennungskraftmaschinen folgen dem Verfahren der Selbstzündung, wie im Falle eines Dieselmotors oder einer Gasturbine, aber auch der Fremdzündung, für die beispielhaft der Ottomotor und auch die Gasturbine stehen. Zwecks Steigerung des Wirkungsgrads, und somit zur besseren Umsetzung der im Kraftstoff enthaltenen Bindungsenergie in Bewegungsenergie, wird der Sauerstoffgehalt im Arbeitsraum von Verbrennungskraftmaschinen mittels verdichteter Luft erhöht. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt Verbrennungskraftmaschinen mit verdichteter Luft aufzuladen, um in Relation zu nicht aufgeladenen bzw. saugenden Verbrennungsmotoren bei gleichbleibendem Arbeitsraum höhere Leistungsraten oder aber bei gemindertem Arbeitsraum gleichbleibende Leistungsraten zu erzielen. Hierbei wird die gegebenenfalls gereinigte Frischluft durch ein Aufladegerät angesaugt und komprimiert, erforderlichenfalls nachfolgend gekühlt und anschließend dem Verbrennungsvorgang zugeführt. Aus dem Stand der Technik sind als Aufladegeräte bekannt Abgas-Turbolader, Kompressoren oder aber auch Druckwellenlader, die einen drehbar gelagerten Zellrotor beinhalten. Der Druckwellenlader weist gegenüber anderen Aufladegeräten den Vorteil auf, dass die zur Verdichtung der Frischluft erforderliche Energie nicht von mechanischen bewegten Bauteilen sondern von dem Abgas, welches als periodisch schwingender „Fluid”-Kolben wirkt und sich aufgrund thermisch und stofflich von der Luft verschiedenen Eigenschaften nicht mit dieser vermischt, unmittelbar auf die Ladeluft übertragen wird. D. h.: Der Zellrotor überträgt keine Verdichtungsleistung von einem Antrieb auf das Fluid, sondern bewirkt mittels der umlaufenden Zellenbewegung deren zyklischen Wechsel zwischen Hoch- und Niederdruck bzw. zwischen Abgas- und Luft-Strömung, die den Druckwellenprozess steuert.
Bei dem Einsatz von Druckwellenladern mit Zellrotor ist es folglich notwendig, dass der Zellrotor, der den zeitlichen Ablauf des Druckwellenvorgangs steuert, eine spezifische, in Abhängigkeit des Betriebszustands veränderliche Drehzahl zum Erreichen und Erhalten des Druckwellenvorgangs oder eines Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine aufweist. Diesbezüglich wird, wie im Falle des „COMPREX”-Laders, das Zellrad von der Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine angetrieben. Um auf Lastwechsel der Verbrennungskraftmaschine schnell anzusprechen und im Verlauf von Drehzahl- und Drehmomentzunahme oder Drehzahl- und Drehmomentabnahme die entsprechende Drehzahl des Zellrotors schnell zu erreichen, werden heutzutage elektrisch geregelte Antriebe, wie im Falle des „HYPREX”-Laders, zur Regelung der Drehzahl des Zellrotors eingesetzt.
Durch den Einsatz elektrisch geregelter Zellrotor-Antriebe ist es möglich, den Druckwellenlader durch die Vorgabe und durch den Betrieb mit einer von der Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine unabhängigen Zellrotor-Drehzahl den Druckwellenlader bestmöglich dem jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine anzupassen. Somit erfolgt eine Optimierung des Druckwellen- und Verbrennungs-Prozesses, und in Folge der Regelung der Zellrotor-Drehzahl ein höherer Wirkungsgrad in den einzelnen Betriebspunkten und/oder ein besseres und agileres Ansprechverhalten der aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine.
Die bisher bekannten Verfahren der Drehzahlregelung stützen sich auf die kausale, deterministische und kontinuierliche Veränderung einzelner Betriebsparameter, die aufgrund von Messwertaufnehmern (Sensoren) oder aber von in elektronischen Schaltungen abgebildeten Algorithmen, Rechentableaus bzw. in Prozessoren abgelegten Kennfeldern über ein Steuergerät an die Stellantriebe (Aktuatoren) des Druckwellenladers weitergegeben werden.
Aus der DE 10 2006 020 522 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine bekannt, bei dem Frischluft durch einen Druckwellenlader komprimiert wird, wobei mindestens ein Betriebsparameter des Druckwellenladers, abhängig von mindestens einer Ist-Betriebsgröße bzw. Stör- oder Regelgröße der Verbrennungskraftmaschine, gesteuert oder geregelt wird. Das dort offenbarte Verfahren setzt als Aufladegerät einen Druckwellenlader mit einem elektrisch geregelten Zellrotor-Antrieb voraus.
Durch die Anpassung des jeweiligen Betriebszustandes des Druckwellenladers, d. h.: Die Anpassung des Drucks und des Massestroms der Ladeluft an den Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine, werden die Pumpverluste der Verbrennungskraftmaschine minimiert. Zudem verbessert das schnelle Ansprechverhalten des Druckwellenladers infolge des elektrisch geregelten Zellrotor-Antriebs und des von dem Abgas unmittelbar auf die Luft übertragenen Drucks den Ladungswechsel- und Verbrennungs-Vorgang der Verbrennungskraftmaschine und mindert den Ausstoß an unvollständig verbranntem Kraftstoff, wodurch die Bedingungen für eine reinigende Nachbehandlung des Abgases optimiert werden.
Bedingt durch die beidseitig zu den jeweiligen Eingangs- und Ausgangsöffnungen der Kanäle hin offenen und durchgängigen Zellen des Zellrotors besteht weder eine stoffliche noch eine örtliche Trennung zwischen den von der Hochdruckseite und von der Niederdruckseite des Zellrotors her eingespeisten Fluide. Im Falle einer zeitlichen Störung, ausgelöst z. B. durch eine sprunghafte oder pulsartige Änderung eines der Fluiddrücke, oder aber eines Defekts in der Regelungs- und Steuerungsalgorithmik, kann innerhalb des Druckwellenladers ein Fluiddurchbruch eintreten, bei dem ein erstes Fluid, in diesem Falle Abgas, in ungeregelter Menge das zweite Fluid, in diesem Falle Luft, durchsetzt. Infolge des eingedrungenen Abgases sinkt der Sauerstoffgehalt der Ladeluft, so dass der Verbrennungsvorgang beeinträchtigt und das Leistungsvermögen der Verbrennungskraftmaschine gemindert wird. Des Weiteren bewirkt der Mangel an Sauerstoff eine unvollständige Verbrennung des Kraftstoffs und eine verringerte Temperatur im Brennraum. Die folglich geringere Abgastemperatur, als auch der Überschuss an Abgas in den Zellen des Zellrotors, beeinträchtigen wiederum den Druckwellenprozess, der ebenso wie der Verbrennungsprozess in Konsequenz eines Abgasdurchbruchs zum Erliegen kommen kann. Zur Dämpfung der den Druckwellenvorhang in dem Zellrotor störenden Ansaug- und Ausstoß-Druckpuls der Verbrennungskraftmaschine sind der an den Druckwellenlader mit Zellrotor angeschlossene Kanal K3 und/oder der Kanal K2 mit einem als Druckausgleichsvolumen wirkenden Strömungsbauteil zu versehen.
Ein weiterer grundlegender Nachteil von Druckwellenladern mit Zellrotor ist die durch die Spalte in axialer und radialer Richtung zwischen dem Zellrotor und dem diesen umgebenden Gehäuse gegebene Undichtigkeit zwischen der Hoch- und Niederdruck-Seite bzw. zwischen den die Abgas- und Luft-Strömung führenden Kanälen des Druckwellenladers. Hinsichtlich eines hohen Laderwirkungsgrads ist der Druckverlust infolge des Spalts zu vermeiden; anderseits ist für die Drehbewegung unter Berücksichtigung einer baulich gegebenen und über die last- und verschleißbedingte zunehmenden Exzentrizität, als auch für die freie Dehnung des Zellrotors unter Berücksichtigung des Wärme- und Fliehkraft-Einfluss, ein ausreichend breiter Spalt erforderlich. Ein einwandfreier Betrieb bei hoher Spaltdichtigkeit wird insbesondere während des Kalt-Starts des Verbrennungsmotors erwartet, in welcher der Zellrotor durch den Antrieb innerhalb der Anlaufzeit von etwa 1 Sekunde aus dem Stillstand auf eine untere Betriebsdrehzahl von einigen Tausend Umdrehungen je Minute beschleunigt und durch die Wärme des Abgases von der Umgebungstemperatur, die nach Automobil-Anforderung zwischen –40°C und +85°C betragen kann, auf eine mittlere Betriebstemperatur von mehr als 500°C erhitzt wird. Während des normalen Betriebs dreht der Zellrotor eines Druckwellenladers sich üblicherweise mit einer Drehzahl zwischen einigen Tausend bis zu mehreren Zehntausend Umdrehungen je Minute und ist, im Falle eines 1-flutigen Druckwellenlader, bei jeder Umdrehung einer wechselnden Temperaturdifferenz von bis zu 1000 K zwischen Abgas und Luft ausgesetzt. Während dessen durchläuft die von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine ausgelöste Druckwelle mit einer mittleren Geschwindigkeit von etwa 440 m/s die Rotorzelle zweimal in jeder Richtung. In der Folge stellen sich verschiedene mechanische und thermische Dehnungsspannungen in den Rotorzellen, dem Zellrotor, dem Zellrotorgehäuse und in den Luft- und Gas-Kanälen ein. Die Spaltbreite, die zur Minderung der Druckverluste bewusst gering gehalten ist, unterliegt dabei unterschiedlich starken Änderungen. Im Falle eines zu schmal bemessenen Spalts oder einer Verunreinigung des Spalts durch einen festen Gegenstand kann ein Reibschluss zwischen den einzelnen Bauteilen eintreten, der zu einem plötzlichen oder aber sich langsam einstellenden Versagen einzelner Komponenten führen kann. Wurde jedoch das Spaltmaß zu groß bemessen, so kann nur ein suboptimaler Wirkungsgrad des Druckwellenladers erreicht werden.
Zum Schutz gegen die schädliche Wirkung thermischer Fluide ist der Zellrotor in den derzeit angewandten Konstruktionen durch Spülluft gekühlt und durch ein mit Hitzeschilden versehenes Lager-Paar auf der kälteren Niederdruckseite einseitig geführt, da eine Flüssigkeitskühlung mit einem hohem technischen Aufwand und zusätzlicher Reibung des Zellrotors verbunden wäre. Infolge der einseitigen Führung wirken auf das Lager-Paar die Axialkraft und das Hebelmoment dem Abstand zwischen dem Lager und dem Massenschwerpunkt des Zellrotors und dessen Massenträgheitsmoments sowie das Präzessionsmoment aus dem Massenträgheitsmoment des in dem bewegten Bezugssystem drehenden Zellrotors, und bedingen darin den wesentlichen Teil der Flächenpressung zwischen den festen und den beweglichen Lagerbauteilen. Das Lager-Paar unterliegt folglich einem Lastkollektiv aus Drehzahl, Temperatur und Pressung, das über die Standzeit der Lager die Betriebsdauer des Aufladegeräts maßgeblich begrenzt.
Weitere Nachteile sind in der Wirkung der Rotationsbewegung des Zellrotors auf die darin miteinander in Wechselwirkung tretenden Fluide „Luft” und „Abgas” sowie auf dem damit verbundenen Wirkverfahren des Druckwellenladers mit Zellrotor selbst begründet: Infolge der mit einer von der Winkelgeschwindigkeit des Zellrotors in Betrag und Richtung abweichenden Strömungsgeschwindigkeit in die Zellen des Rotors eintretenden Fluide wird ein Drehimpuls zwischen dem Zellrotor und dem Fluid übertragen, der entweder ein bremsendes oder ein antreibendes Drehmoment bewirkt. Diesem Drehmoment, welches als Störgröße neben dem Reibmoment in die Drehzahlregelung eingeht, muss der elektrisch geregelte Antrieb des Zellrotors durch Aufnahme oder Abgabe von Leistung entgegen wirken, um die Drehzahl des Zellrotors auf dem durch den Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine vorgegebenen Sollwert bzw. der Führungsgröße der Drehzahlregelung zu halten. Das Stör-Drehmoment, und somit der Entzug oder Eintag von Rotationsenergie, steigt proportional zu der Fluidmasse, die den Druckwellenlader durchströmt. Die Wirkung des Stör-Drehmoments und die sich in der Praxis als schwierig erwiesene Nutzungsmöglichkeit des fluiddynamischen Schleppmoments ist beschrieben in der europäischen Patentschrift Nr. 0235609 . Die den Druckwellenvorgang störenden und den Antrieb des Zellrotors belastenden Brems- und Schlepp-Momente erhöhen die Leistungsverluste des Druckwellenladers und mindern folglich dessen Wirkungsgrad. Des Weiteren bewirkt die Drehung des Zellrotors eine Zentrifugalkraft auf die Fluide innerhalb der darin befindlichen durchgängigen Zellen. Aufgrund der Zentrifugalkraft stellt sich zu dem Druckgefälle in Längsrichtung der Zellen ein der Massendichte des in Rotation versetzten Fluids entsprechender weiterer zentripetaler Druckgradient ein, infolge dessen eine Fluidschichtung in radialer Richtung auftritt. Unter Berücksichtigung der für die Wirkung des Abgases als schwingender „Fluid”-Kolben notwendiger Weise erforderliche thermisch und stofflich von der Luft verschiedenen Eigenschaften bewirkt die Zentrifugalkraft eine Schichtung des wärmeren Abgases von geringerer Massendichte radial über der kälteren und dichteren Luft. Die Übertragung des Drucks vom Abgas auf die Luft erfolgt somit nicht als optimaler senkrechter Verdichtungsstoß sondern unter einem Scherwinkel, durch den ein Teil des Drucks als Reibung und als Blindbewegung verloren geht. Ist der Scherwinkel zu gering, so schiebt das Abgas in einer maximalen Blindbewegung über die Luft hinweg und gerät in ungeregelter Menge in die Ladeluft, womit ein Fluiddurchbruch mit den schädlichen Wirkungen auf die Verbrennungskraftmaschine, die Abgasnachbehandlungseinrichtung und auf den Druckwellenlader selbst vorliegt.
Aufgrund der Drehung des Zellrotors und der Zähigkeit (Viskosität) des Fluids werden im Spalt zwischen den Kanalöffnungen und der Stirnseite des Rotors die Fluide „Luft” und „Abgas” in Rotation versetzt. Der auf diese Weise erzeugte Fluid-Wirbel geht einher mit einer Sekundärströmung, welche an der dem Zellrotor zugewandten Seite zentrifugal und an der den Kanälen zugewandten Seite zentripetal gerichtet ist. Die Sekundärströmung schert die Fluidströme zwischen den Öffnungen der Kanäle und der Zellen des Zellrads und erhöht somit deren Durchlasswiderstand. Der infolge des drehenden Zellrotors erhöhte Durchlass- oder Strömungswiderstand bedingt einen Druckverlust, der einer weiteren Minderung des Laderwirkungsgrads entspricht.
Bedingt durch Festkörper, wie Beispielsweise Aschestaub, Russpartikel, Flugrost oder Splitter von Beschichtungen oder Fügeverbindungen, die von den Fluidströmen getragen werden, tritt infolge der Relativgeschwindigkeit zwischen der Fluid und Zellrotor ein durch Abrieb verursachter Verschleiß an den Kanten der Rotorzellen auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Druckwellenladeranordnung bereitzustellen, die gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Druckwellenladeranordnungen mit drehendem Zellrotor, einen einfacher und kostengünstiger zu fertigenden, robusteren, leistungsfähigeren und effizienteren Aufbau aufweist.
Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Druckwellenladeranordnung bereitzustellen.
Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einer Druckwellenladeranordnung gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
Der verfahrenstechnische Anteil der Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Betreiben einer Druckwellenladeranordnung gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 24 gelöst.
Die erfindungsgemäße Druckwellenladeranordnung zum Aufladen einer Verbrennungskraftmaschine weist einen Druckwellenlader mit an dem Druckwellenlader angeschlossenen vier Kanälen auf. Hierbei dient ein erster Kanal K1 dazu, ein zweites Fluid, z. B.: Luft bzw. Frischgas, dem Druckwellenlader zuzuführen. Ein zweiter Kanal K2 führt das im Druckwellenlader verdichtete zweite Fluid weiter zur Verbrennungskraftmaschine, in der unter dem Hinzufügen von Kraftstoff ein Verbrennungsvorgang abläuft. Hiernach wird das aus dem Verbrennungsvorgang gebildete erste Fluid, z. B.: Abgas mit Restgasanteilen versetzt, über einen Kanal K3 wiederum dem Druckwellenlader zugeführt. Die thermodynamische Energie des über den Kanal K3 zugeführten ersten Fluids wird darin zur Verdichtung des zweiten Fluids im Druckwellenlader selbst genutzt. Hieran anschließend wird das erste Fluid, gegebenenfalls mit Anteilen des zweiten Fluids versetzt, über einen Kanal K4 abgeführt. Vorzugsweise sind an die Druckwellenladeranordnung Elemente oder Einheiten zum Zwecke der Abgasnachbehandlung angeschlossen, beispielsweise ein Oxidationskatalysator zur Verbrennung von Kohlenwasserstoffen, ein Reduktionskatalysator zur Reduktion von Stickoxyden, ein Partikelfilter oder ähnliches.
Erfindungsgemäß ist der Druckwellenlader durch einen gegenüber der Verbrennungskraftmaschine ortsfest angeordneten Hohlkörper, mit an dem Hohlkörper angeordneten reversierenden Ventilen, ausgebildet. Um eine in Bezug auf den Bemessungs-Systemdruck des Druckwellenladers ausreichende Betriebsfestigkeit und Bauteilsteifigkeit zu erreichen, ist der Hohlkörper als Rohr zu fertigen oder als Kaverne in ein Sinter-, Guss- oder Schmiedeteil zu formen. Hinsichtlich der zu erwartenden Druck- und Temperaturbelastung kommen als Werkstoffe für den Hohlkörper in Betracht Hochleistungskunststoffe, wie beispielsweise Polyetherketone und deren Derivate, erstarrte Schmelzen, wie beispielsweise Glas oder metallische Legierungen von Eisen, Titan, Nickel als auch von Kupfer, Zink, Aluminium und/oder Magnesium sowie metallische und nichtmetallische Sinterwerkstoffe, wie beispielsweise Keramik. Diese Werkstoffe können zudem miteinander kombiniert oder durch Anteile von Glas-, Kohle- oder Mineral-Fasern in ihrer Festigkeit und Druckbeständigkeit verstärkt sein.
Durch den Einsatz eines mit Ventilen versehenen Hohlkörpers ist die rotatorische Bewegung der Fluid-führenden Einbauten aller bisher bekannten Druckwellenlader gemeinen zylinder- oder kegelförmigen Zellrotoren nicht erforderlich. Folglich wird auch ein vom Zellrotor prinzipiell selbst verursachter Verlust an Rotationsenergie die dem Zellrotor zur Erhaltung der vorgegebenen Drehzahl bzw. der Druckwellenfrequenz, über einen Antrieb kontinuierlich zugeführt werden muss, vermieden. Anstelle der durch den Zellrotor bedingten Kräfte und Momente sowie Energieverluste sind mit einem erfindungsgemäß angeordneten Hohlkörper allein die verfügbare Stellkraft und verhältnismäßig geringe Masse der Ventile für die Dynamik des Druckwellenladers verantwortlich. Ebenso weisen reversierende Ventile einen in Relation zu einem Zellrotor geringen Reibwiderstand und eine geringe Undichtigkeit infolge des Ventilspalts auf. Des Weiteren kann der Hohlkörper, als auch die Ventile, mittels eines Gases oder einer Flüssigkeit gekühlt sein oder zu Kühlzwecke Wärme an ein angeschlossenes Bauteil ableiten.
Hierbei können die Ventile insbesondere strömungsoptimiert, balanciert und gewichtsoptimiert ausgebildet sein, so dass die auf die Ventile wirkenden Fluidkräfte vernachlässigbar gering sind. Die hierdurch erzielbare höhere Dynamik des Druckwellenladers kann aufgrund der steuerbaren Ventile, beispielsweise in Kombination mit einem Druckmessaufnehmer, regelungstechnisch gut erfasst und auch gesteuert werden, so dass die Gefahr, beispielsweise eines Fluiddurchbruches, erheblich gesenkt wird. Erforderlichenfalls sind zur Regelung und Steuerung sowie zur Überwachung und Kalibrierung einer erfindungsgemäßen Druckwellenladeranordnung weitere Messwertaufnehmer (Sensoren), beispielsweise die eines Druckmessaufnehmers oder aber die Erzeugung eines Referenzdrucksignals vorzusehen, was ebenfalls Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist.
Aufgrund der im Gegensatz zu einem Zellrotor nicht auftretenden Rotation wird in dem ortsfesten und unbewegten Hohlkörper kein radial gerichteter Druckgradient ausgeprägt, wodurch die Übertragung der thermodynamischen Energie durch Druckänderung von dem ersten Fluid (Abgas) auf das zweite Fluid (Luft) näherungsweise als optimaler senkrechter Verdichtungsstoß erfolgt. Des Weiteren werden aufgrund der prinzipbedingt nicht vorhandenen Zentrifugalkraft die einzelnen Fraktionen des Fluids einer Zelle nicht entsprechend ihrer Massendichte radial geschichtet sondern verbleiben als homogenes Stoffgemisch innerhalb des jeweiligen thermischen Fluids.
Eine strömungstechnisch optimierte und jeweils angepasste geometrische Ausgestaltung der Ventileinlässe, Ventilsitze und Ventile selber, sowohl an Einlass- als auch an Auslassseite des Hohlkörpers, vermeidet das Entstehen von druckmindernden Strömungswirbeln und Scherströmungen, so dass eine optimierte Kompression und/oder Durchleitung des Fluides in dem Hohlkörper erzielt wird. Eine an die Druckwellenladeranordnung angepasste oder darin eingebrachte Kühlung mindert die Wärmedehnung der Bauteile und ermöglicht somit die Konstruktion enger Dichtspalte.
Sirenen- bzw. Turbinengeräusche, üblicherweise hervorgerufen durch das Überströmen von Kanten oder durch die Relativbewegung zwischen Rotor und Fluidströmung, als auch Expansionsgeräusche, wie sie beispielsweise von ventillosen Kompressoren oder Schraubenverdichtern erzeugt werden, treten bei der erfindungsgemäßen Anordnung nicht auf. Hierdurch folgen eine deutliche Steigerung des Anwendungs- bzw. Fahrkomforts und eine Herabsetzung der Umweltbelastung aufgrund von deutlich geringeren Betriebsgeräuschen. Durch Auslegung der Ventilsteuerung selber sowie durch die geometrische Ausgestaltung der Durchgangsöffnung in der Weise, dass die Weite der Durchgangsöffnung der entstehenden Druckdifferenz proportional ist, wirkt der Hohlkörper als druckglättender Windkessel und/oder als Schalldämpfer. In vorteilhafter Weise dämpft der Hohlkörper des erfindungsgemäßen Druckwellenladers einerseits die von der Verbrennungskraftmaschine erzeugten Druckpulse und Schallwellen dadurch, dass die von einem der Fluide übertragene akustische Energie von dem jeweils anderen Fluid absorbiert wird, anderseits ist der erfindungsgemäße Druckwellenlader aufgrund der steuerbaren Ventile unempfindlich gegenüber den Ansaug- und Ausstoß-Druckpulsen der Verbrennungskraftmaschine, welche zum Zwecke der Ladedrucksteigerung sogar vorteilhaft genutzt werden können.
Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen der Strömungsleitung und Schalldämpfung für Fluid-führende Rohre und/oder Kanäle werden die Emissionen der prinzipbedingten Druckwellengeräusche an dem unbewegten Hohlkörper gedämpft, vermindert oder auf ein nicht mehr wahrnehmbares Maß herabgesetzt. Darüber hinaus können beispielsweise auf einer Niederdruckseite des Druckwellenladers schallabsorbierende Schichten aufgebracht werden oder aber auch aktive Schallabsorber angeordnet werden, so dass Störgeräusche gedämpft oder gar vermieden werden.
Über entsprechende Ventildichtungen und/oder einen entsprechenden Ventilsitz mit wiederum korrespondierenden Werkstoffeigenschaften werden im Betrieb das Schlupfgeräusch und auch die Ventilverluste minimiert. Hierdurch werden Leckagen vermieden, wodurch die erfindungsgemäße Druckwellenladeranordnung stets bei einem hohen Druckgefälle und mit hohem Verdichterwirkungsgrad auch bei wechselnden oder ungünstigen Betriebstemperaturen, beispielsweise während des Kalt-Startvorgangs, optimal betrieben werden kann.
Insbesondere die Anordnung eines erfindungsgemäßen Druckwellenladers oder aber auch die Anordnung mehrerer Druckwellenlader in Form von einem Register weisen eine hohe Betriebsfestigkeit auf, da die gerade bei großen Zellrotoren auftretenden Schwierigkeiten bezüglich der Spaltbemessung unter Berücksichtigung der Toleranzketten und verschiedenen Wärmeausdehnungen gänzlich entfallen. Ebenfalls ist eine Redundanz im Falle von mehreren eingesetzten Hohlkörpern an einer Verbrennungskraftmaschine möglich, so dass zumindest immer ein Notbetrieb sichergestellt ist; wohingegen ein aus dem Stand der Technik bekannter Druckwellenlader mit einem Zellrotor als zentrales Wirkbauteil, beispielsweise im Falle einer Störung oder eines Versagens des Rotorantriebs, der Lagerung oder des Zellrotors selbst, einen gänzlichen Verlust der Aufladung bedeutet.
Durch die jeweils einzeln steuerbaren reversierenden Ventile, insbesondere durch das Ventil im Kanal K2, kann der Systemdruck in dem als Druckwellenerzeuger wirkenden Hohlkörper reguliert werden, so dass ein zweites Fluid aus Kanal K1 aufgenommen und ein erstes Fluid in Kanal K4 abgegeben werden kann, solange der Druck des ersten Fluides aus Kanal K3 höher ist als der Druck des zweiten Fluides in Kanal K2 und dieser wiederum über dem Druck des ersten Fluides in Kanal K4 liegt. Druckstöße und Druckschwankungen, denen das Fluid in den speisenden Kanälen unterliegt, werden durch die entsprechend dem Pulsweitenmodulationsverfahren betätigten Ventile in ein für den Druckwellenprozess in den Hohlkörper nutzbaren konstanten oder kontinuierlich änderbaren bzw. gleitenden Gleichdruck gewandelt.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist der Hohlkörper durch einen Druckraum ausgebildet, wobei der Druckraum gasdicht und/oder fluiddicht mittels der Ventile verschließbar ist. Hierbei handelt es sich insbesondere um einen zylinderförmigen Druckraum oder aber einen U-förmigen Druckraum. Diese bevorzugte Ausführungsvariante ist aufgrund des zylindrischen Druckraums besonders strömungsoptimiert sowie aufgrund des den Fluiddruck anhebenden Rohrbogens besonders wirkungsvoll und raumsparend gestaltet. In einer weiterführenden Aneinanderreihung von Rohrbögen kann der Druckraum als Wendel oder Spirale gestaltet sein, welche im Zusammenwirken mit einer hohen Ventilschaltrate bzw. Ventilbetätigungsfrequenz die größtmögliche Bauraumdichte ermöglicht. Unter Annahme einer mittleren Schallgeschwindigkeit von 440 m/s und einer mittleren Massendichte von 0,8 kg/m³ erfordert die Förderleistung von 500 kg/h bei einer Drucksteigerung um 0,2 MPa und einer Ventilschaltfrequenz von 100 Hz eine Hohlkörperwendel mit 4 Windungen bei einer Länge von nicht mehr als 280 mm und einem Durchmesser von ca. 200 mm der gesamten Spirale. Als weiterer Vorteil hierzu kann durch die veränderlichen Öffnungszeiten und Schließzeiten der jeweils einzeln und unabhängig voneinander ansteuerbaren Ventile der Austausch der einzelnen Fluide über die vier verschiedenen Kanäle optimal durchgeführt werden. Hierdurch entstehen während des mittels der Ventile optimal steuerbaren Druckwellenvorgangs geringe Strömungs- oder Druckverluste. Somit ist ein Betreiben des Druckwellenladers bei einem stetig hohen Wirkungsgrad und einer hohen Zuverlässigkeit möglich; insbesondere in Bezug auf die bei Druckwellenladern mit Zellrotor gegebene Gefahr eines Fluiddurchbruchs bzw. einer Störung des Druckwellenverlaufs.
Besonders bevorzugt ist jedem Kanal mindestens ein Ventil zugeordnet. Im Rahmen der Erfindung kann jedoch auch mindestens einem Kanal ein zweites oder aber ein drittes Ventil zugeordnet sein. Der Ventilsitz und der dazu korrespondierende Ventilkopf sind dabei bevorzugt kreisrund ausgebildet. Im Rahmen der Erfindung sind der Ventilkopf und auch der Ventilsitz aber auch in jedweder anderen geometrischen Ausbildung, ebenfalls in einer elliptischen oder aber eckigen und/oder mehreckigen Ausführungsform ausgebildet. Ebenfalls besonders bevorzugt ist zwischen Ventilkopf und Ventilsitz ein Dichtelement vorgesehen. Hierbei kann es sich um eine metallische, eine keramische oder eine graphithaltige Dichtung handeln oder aber auch um eine metallische, eine keramische, eine mineralische oder um eine graphithaltige Beschichtung von Ventilkopf und/oder Ventilsitz, so dass hier eine Druckdichtigkeit und auch eine Temperaturbeständigkeit von wenigstens 900°C über die gesamte Betriebsdauer gegeben ist.
Die reversierenden Ventile sind dabei besonders bevorzugt hydraulisch, pneumatisch, mechanisch und/oder elektrisch jeweils einzeln oder kombiniert angetrieben.
Zur Erzeugung und Erhaltung des periodischen Druckwellenverlaufs sind die Ventile zyklisch zu betätigen in der Abfolge: V3, (V4), V2, V4, V1, wobei die Betätigungszeit, in der das jeweilige Ventil geöffnet ist, und die Betätigungsstärke, welche die Öffnungsweite des jeweiligen Ventils bestimmt, zwischen den relativen Größen 0 und 100% veränderlich sind. Die Haupt-Betätigungszeit der vier Ventile (V1, V2, V3, V4) entspricht dem durch die Betätigungsfolge festgelegten Quadranten innerhalb des Druckwellen-Zyklus. Darüber hinaus ermöglichen die unabhängig voneinander schaltbaren Ventile eine gleichzeitige Betätigung, d. h.: Ventilüberschneidung, mit einem anderen Ventil in dessen festgelegtem Quadranten.
Besonders bevorzugt sind bei der erfindungsgemäßen Ausführungsvariante eines Hohlkörpers, insbesondere eines zylindrischen Hohlkörpers, die Antriebe oder Betätigungs-Elemente der Ventile in einem Abstand zu den Fluid-führenden Kanälen, insbesondere zu Kanal K2, K3 und K4 anzuordnen. Hierdurch kann auf Bauteile zum Schutz der Betätigungselemente oder der Ventil-Antriebe vor der Wärmeeinwirkung durch das energiereiche erste Fluid bzw. durch das Abgas verzichtet und eine robuste wie auch leichte und kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen Druckwellenladeranordnung ermöglicht werden. Ebenfalls kann ein optimierter Druckausgleich und auch ein Verdichten oder aber Überspülen durch einfachen geometrischen Aufbau derart ausgebildet werden, dass Druckverluste weitestgehend vermieden sind und die im Druckraum jeweils verbleibenden Restgasanteile minimiert sind.
Diese Ausführungsvariante beinhaltet des Weiteren die Möglichkeit zur Anpassung der Länge des Ansaugkanals K1 von dem Fluidverteiler zu dem Ventil V1 an die Länge der Gasdruckwelle, so dass die durch das Öffnen des Ventils V1 infolge des sprunghaften Druckabfalls in dem Ansaugrohr erzeugte Schallunterdruckwelle an dem akustischen Impedanzsprung zum Fluidverteiler reflektiert und als zurücklaufende Schallüberdruckwelle die Öffnung des Ventils V1 erreicht, bevor dieses schließt. Dadurch wird der Druck in dem Hohlkörper zum Ende des Ansaugvorgangs angehoben. Angewandt auf Kolbenmaschinen, nicht aber auf Druckwellenlader, ist dieses Verfahren der Druckerhöhung, insbesondere der Erhöhung des Ladeluftdrucks, in der Motorentechnik als Schwingrohraufladung bekannt.
Bevorzugt sind die Ventile der erfindungsgemäßen Druckwellenladeranordnung über die örtlich feste Erfassung des periodischen Druckwellenverlaufs mittels Druckmessaufnehmer steuerbar. Mittels des Druckmessfühlers kann zu dem laufenden Druckwellenvorgang auch der Druckzustand vor und zum Auslösezeitpunkt der Druckwelle in dem Druckwellenerzeuger erfasst werden. Damit ist es möglich, zur Auslösung oder Unterstützung des Druckwellenprozesses während des Kalt-Starts oder zur Steigerung des Ansprechverhaltens des Druckwellenladers, insbesondere Im Falle eines plötzlich auftretenden, sprunghaften Druckabfalls in Kanal K1 oder Kanal K2, Fluid unter einem ausreichenden Druck aus einen Fluiddruckspeicher pulsweise über ein Ventil in eine niederdruckseitige Tasche des Hohlkörpers einzuleiten. Hierzu ist besonders bevorzugt an der erfindungsgemäßen Druckwellenladeranordnung ein Fluiddruckspeicher vorgesehen, der wiederum über das Ventil mit dem Hohlkörper gekoppelt ist. Die Fluidpulse werden dann als reflektierte Druckwelle von dem sammelnden Kanal K2 aufgenommen und zur Brennkraftmaschine geleitet. Die Wiederaufladung des Fluiddruckspeichers erfolgt aus dem daran anschließend laufenden Druckwellenprozess über das Ventil aus der niederdruckseitigen Tasche des Hohlkörpers.
Der Hohlkörper ist zur Überwachung, Kalibrierung und Justage der Druckwellenladeranordnung mit einem Druckmessaufnehmer bestückt, der u. a. einen bevorstehenden Fluiddurchbruch detektieren kann. Bevorzugt ist der Druckmessaufnehmer auf der Niederdruckseite des Druckwellenladers angeordnet.
Der zuvor angesprochene Fluiddruckspeicher liefert dabei der gesamten Druckwellenladeranordnung und der Verbrennungskraftmaschine die zum Starten erforderliche Ladeluft. Mittels der in Abhängigkeit der regelungstechnischen nutzbaren Messwerte der Druckmessfühler und über diese betätigten Ventile, insbesondere des Ventils V2 zu dem Kanal K2, kann ebenfalls hier inertes Abgas der Verbrennungskraftmaschine wieder zugeführt werden. Der Vorgang, der Verbrennungskraftmaschine während deren Leerlauf und Teillastbetrieb Inertgas zur Minderung bzw. Einstellung des Sauerstoffgehalts zuzuführen, ist in der Motorentechnik als geregelte Abgasrückführung (AGR) bekannt und wird üblicherweise zur Senkung der Stickoxydbildung durch Verringerung der Verbrennungstemperatur eingesetzt.
Bevorzugt ist im Kanal K1 eine Drossel vorgesehen. Die Drossel erzeugt dabei ein zwischen dem Ventil V1 des Hohlkörpers und der Drossel anliegendes Druckminimum, welches wiederum benutzt werden kann, um als Vorsteuerung des Ventils V1 den Druck des Fluids in dem Kanal K1 zu mindern und somit das für den Druckwellenvorgang erforderliche Druckgefälle zu dem Fluid in den Kanälen K2 und K3 einzustellen, um unterdruckbetätigte Aktuatoren zu steuern oder auch um Fluide über eine Saugleitung aus einem Sammler oder aus einem Sumpf zu heben und/oder zu fördern. Beispielsweise können diese Fluide zur Bereinigung oder Entsorgung der Verbrennungskraftmaschine über die Ladeluft zugeführt werden und im Verbrennungstakt entsprechend chemisch gewandelt werden.
Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Druckwellenladeranordnung weiterhin einen Kondensatsabscheider auf, in dem eine flüssige Phase aus den betriebsmäßig eingesetzten Fluiden in dem Hohlkörper zurückbleiben kann. Der Kondensatsabscheider kann beispielsweise in Form einer Kondensatableitung oder aber Kondensatfalle ausgebildet sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist mindestens in einem Kanal der Kanäle K1 bis K4 ein Schalldämpferelement angeordnet. Im Rahmen der Erfindung kann auch der Hohlkörper selbst ein Schalldämpferelement aufweisen. Beispielsweise ist hierunter auch eine schallabsorbierende Schicht oder aber ein aktiver Schallabsorber zu verstehen, der zum einen das Betriebsgeräusch dämpft, zum anderen die akustische Energie der Druckwellen in elektrische Energie umwandeln kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung weist der Hohlraum des Druckwellenladers eine Zuführtasche auf, wobei die Zuführtasche die Zuführung von weiteren Fluiden ermöglicht. Über die Zuführtasche ist beispielsweise die Entsorgung von in dem Kondensatabscheider gesammelten Fluiden und somit die Zuführung dieser durch den Kondensatabscheider separierten Fluiden zum Verbrennungsprozess zu verstehen. Im Rahmen der Erfindung kann jedoch auch ein Kurbelwellen- oder aber ein Betriebsstoffgas über die Zuführtasche dem Verbrennungsprozess zugeführt werden. Weiterhin kann ein Druckspeicher und/oder Unterdruckspeicher über die Taschenzuführung an den Druckwellenlader angebunden sein und/oder geladen werden. Mittels dieses Druckspeichers und/oder Unterdruckspeichers kann beispielsweise die Anlaufphase des erfindungsgemäßen Druckwellenladers sichergestellt werden. Weiterhin kann der Druckspeicher und/oder Unterdruckspeicher zur Betätigung von Aktuatoren und/oder Verstärkern dienen. Diese sind beispielsweise Bremskraftverstärker oder aber auch Lenkkraftverstärker.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante sind mindestens zwei Hohlkörper derart gekoppelt, dass sie sich durch den Einsatz eines Fluidverteilers mindestens einen Kanal teilen. Vorzugsweise handelt es sich dabei um den Ansaugkanal K1.
Des Weiteren sind in Anlehnung an bestehende Aufladegeräte der Druckwellenlader derart an die Verbrennungskraftmaschine gekoppelt, dass durch den Einsatz eines Fluidsammlers bzw. eines Krümmers wenigstens 2 Arbeitsräume der Verbrennungskraftmaschine über einen gemeinsamen Kanal mit wenigstens einem Hohlkörper verbunden. Vorzugsweise handelt es sich dabei um den Ansaug- bzw. Ladeluftkrümmer an dem Kanal K2 und/oder um den Abgaskrümmer an dem Kanal K3.
Diese Ausführungsvariante beinhaltet des Weiteren die Möglichkeit, die Länge des Ansaugkanals K1 von dem Fluidverteiler zu dem Ventil V1 an die Länge der Gasdruckwelle anzupassen, so dass die durch das Öffnen des Ventils V1 des ersten Hohlkörpers infolge des sprunghaften Druckabfalls in dem Ansaugrohr erzeugte Schallunterdruckwelle an dem akustischen Impedanzsprung zum Fluidverteiler reflektiert und als zurücklaufende Schallüberdruckwelle eine Fluidsäule nach sich zieht, die sich an der Öffnung des Ventils V1 eines weiteren Hohlkörpers in dem Augenblick aufstaut wenn dieses öffnet. Dadurch wird der Druck in dem Hohlkörper über den gesamten Ansaugvorgang angehoben. Angewandt auf Kolbenmaschinen, nicht aber auf Druckwellenlader, ist dieses Verfahren der Druckerhöhung, insbesondere der Erhöhung des Ladeluftdrucks, in der Motorentechnik als Saugrohrohraufladung bekannt.
Darüber hinaus beinhaltet diese Ausführungsvariante die Möglichkeit, das Ventil V3 in der Weise zeitlich zu steuern, dass der Druckpuls des mit dem Öffnen des Arbeitsraums aus der Verbrennungskraftmaschine ausströmenden ersten Fluids über den Kanal K3 das Ventil V3 des Hohlkörpers im Moment des Öffnens erreicht. Angewandt auf Kolbenmaschinen, nicht aber auf Druckwellenlader, ist dieses Verfahren der Druckerhöhung, insbesondere der Erhöhung des Ladeluftdrucks, in der Motorentechnik als Impulsaufladung bekannt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante sind wenigstens zwei Hohlkörper einem Arbeitsraum der Verbrennungskraftmaschine zugeordnet, die entsprechend einer Parallelschaltung über Fluidverteiler an den Kanal K1 und an den Kanal K3 sowie über Fluidsammler an den Kanal K2 oder auch an den Kanal K4 angeschlossen sind. Hierdurch ist ein redundantes System sichergestellt, so dass zumindest immer ein Hohlkörper zur Verbrennung benötigte Frischluft in dem Zylinder aufladen kann. Sollte ein Hohlkörper ausfallen, werden nach wie vor die umliegenden Hohlkörper weiterhin aufgeladen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante sind wenigstens zwei Hohlkörper einem Arbeitsraum der Verbrennungskraftmaschine zugeordnet, die entsprechend einer Serienschaltung in der Weise an die Kanäle K1 bis K4 angeschlossen sind, dass der erste Hohlkörper einen direkten Anschluss an die Kanäle K3 und K4 aufweist, während der letzte Hohlkörper der Reihe mit den Kanäle K1 und K2 verbunden ist. Die Hohlkörper innerhalb der Reihe sind über Zwischenleitungen miteinander in der Weise verbunden, dass von dem ersten Hohlkörper ausgehend dessen Kanal K4 mit dem Kanal K3 des nachfolgenden Hohlkörpers verbunden ist. Diese Zwischenleitung ist vorzugsweise mit einem Zwischen-Erhitzer zu versehen. In Gegenstrom zu dem ersten Fluid wird das zweite Fluid von dem letzten Hohlkörper ausgehend über Zwischenleitungen aus dessen Kanal K2 in den Kanal K1 des vorausgehenden Hohlkörpers geführt. Diese Zwischenleitung ist vorzugsweise mit einem Zwischen-Kühler zu versehen. In Folge der Expansion überträgt das erste Fluid stufenweise Druck an das zweite Fluid, dessen Druck durch Kompression im Gegenstrom entsprechend steigt.
Diese Ausführungsvariante beinhaltet des Weiteren die Möglichkeit, die Ventile in der Weise zeitlich zu steuern, dass der Druckpuls des aus dem Ventil V4 des vorausgehenden Hohlkörpers ausströmenden ersten Fluids über die Zwischenleitung das Ventil V3 des nachfolgenden Hohlkörpers im Moment des Öffnens erreicht. In gleicher Weise sind die Ventile in der Weise zu steuern, dass der Druckpuls des aus dem Ventil V2 des nachfolgenden Hohlkörpers ausströmenden zweiten Fluids über die Zwischenleitung das Ventil V1 des vorausgehenden Hohlkörpers im Moment des Öffnens erreicht. Dadurch wird das Druckgefälle in dem Hohlkörper über den gesamten Ladungswechselvorgang analog zu der Impulsaufladung von Kolbenmaschinen gesteigert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante sind mindestens zwei Hohlkörper einem Arbeitsraum der Verbrennungskraftmaschine zugeordnet. An der Erfindung können auch mehrere Hohlkörper einem Arbeitsraum einer Verbrennungskraftmaschine zugeordnet sein.
Besonders bevorzugt sind zwei Hohlkörper zu einem Register gekoppelt. Hierdurch ergeben sich entsprechende Bauraumvorteile, so dass eine kompakte Einheit aus zwei oder mehreren Hohlkörpern an einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet werden kann.
Die Hohlkörper sind hierzu bevorzugt in einer Sternform, V-Form, Boxer-Form, in Reihe oder in beliebiger Kombination der zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten angeordnet.
Darüber hinaus können die Hohlkörper auch mit anderen Auflagegeräten kombiniert sein, wobei in Bezug auf das zu verdichtende zweite Fluid der Kanal K2 des jeweiligen Hohlkörpers zusammen mit dem Kanal K2 des Aufladegeräts parallel zueinander in einen Fluidsammler bzw. Krümmer geführt sein kann als auch das der Kanal K2 des Hohlkörpers seriell mit dem Kanal K1 des Aufladegeräts oder in umgekehrter Weise verbunden ist.
Im Falle, dass ein weiteres, mit dem Hohlkörper wirkenden Aufladegerät die zur Verdichtung des zweiten Fluids erforderliche Energie aus der Strömung und dem Druck des ersten Fluids bezieht, so ist der Kanal K4 des Aufladegeräts entweder parallel zu dem Kanal K4 des Hohlkörpers zu führen oder aber seriell mit dem Kanal K2 des Hohlkörpers zu verbinden.
Durch das Einbringen eines kompressiblen Fluides, welches vergleichsweise wie eine Gasdruckfeder wirkt, kann über die Zuführtasche in den Druckwellenlader zusätzlich ein nicht kompressibles Fluid eingeleitet werden. Eine Druckübertragung ist mit dem erfindungsgemäßen Druckwellenlader somit auch zwischen einem kompressiblen und inkompressiblen Fluid als auch zwischen zwei inkompressiblen Fluiden möglich. Auf diese Weise lassen sich inkompressible Flüssigkeiten sowie Aerosole pumpen oder auch Phasenwechselmaterialien, wie beispielsweise Verdampfungs- oder Kühlmittel, von dem gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand verdichten.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Druckwellenladeranordnung gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 24. Hiernach wird eine erfindungsgemäße Druckwellenladeranordnung derart geregelt und/oder gesteuert, dass die Ventile V1, V2, V3 und/oder V4 in Abhängigkeit der Einlasszeiten und Auslasszeiten des Verbrennungsvorganges der Verbrennungskraftmaschine geöffnet und/oder geschlossen werden.
Im Rahmen der Erfindung ist es somit möglich, die Druckwellenladeranordnung, wobei ein gegenüber der Verbrennungskraftmaschine ortsfester Druckwellenlader durch mindestens einen Hohlraum ausgebildet ist, an welchem vier Ventile angeschlossen sind, derart individuell auf jeden einzelnen Schritt des Ladungswechsels innerhalb eines Arbeitsraums der Verbrennungskraftmaschine zu synchronisieren, dass stets ein hoher Wirkungsgrad bzw. ein Betrieb bei geringen gasdynamischen Verlusten sichergestellt ist.
Hierzu wird bevorzugt ein Druckmessaufnehmer zur Detektierung eines bevorstehenden Fluiddruckes mit einem Referenzdrucksignal überwacht und/oder kalibriert. Somit ist stets eine Überwachung von Ladedruck-Istwert, Ansaugluftdruck-Istwert, Abgasrückführ-Istwert und/oder Abgaszuführ-Istwert möglich. Mit den verschiedenen Parametern kann somit ein evtl. bevorstehender Fluiddurchbruch detektiert werden und durch entsprechende Regelung und/oder Steuerung des Druckwellenladers, insbesondere der Ventile V1, V2, V3 und/oder V4 verhindert werden. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, Überdruckwellen entsprechend zu kompensieren, was wiederum vorteilig für die durch den Verdichtungstakt der Verbrennungskraftmaschine zugeführte zu verdichtende Luft genutzt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Hohlkörper des Druckwellenladers selber als Umgehungsleitung „Bypass” durch jeweils gleichzeitige Öffnung der Ventile V3 und V4 oder aber der Ventile V1 und V2 genutzt werden. Hierbei wird der Hohlkörper zumindest teilweise oder aber ganz als Durchflusskörper durch gleichzeitige Öffnung der Ventile derart genutzt, dass die Verdichtungsfunktion zumindest teilweise oder vollständig ausgesetzt wird. Es erfolgt somit eine direkte Durchleitung der angesaugten Frischluft über den Kanal K2 in die Ansaugleitung vor der Verbrennungskraftmaschine oder aber eine direkte Abführung des Abgases mit Restgasanteilen in den Kanal K4.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Unterdruck im Kanal K1 genutzt, um Fluide aus einer Saugleitung aus einem Sammler und/oder einem Sumpf zu heben. Bevorzugt können hier auch Fluide aus einer Kondensatfalle gehoben werden. Der Unterdruck wird dazu genutzt, um die Fluide entsprechend anzusaugen. Er kann gleichzeitig genutzt werden, um die Fluide über ein Zuführventil in den Hohlraum zu führen oder aber in sonstige Gefäße. Im Rahmen der Erfindung kann ein Unterdruck weiterhin genutzt werden, um Aktuatoren, beispielsweise Bremskraftverstärker oder Lenkungsverstärker, zu speisen.
Im Rahmen der Erfindung ergibt sich somit ein weiterer Vorteil, dass mit dem Verfahren auch inkompressible Fluide dem Druckwellenlader und der Verbrennungskraftmaschine optional zugeführt werden können. Hierbei kann beispielsweise ein Gerät zum Abscheiden und Sammeln oder Auffangen von Kondensat oder ähnliches derart an die erfindungsgemäße Druckwellenladeranordnung angeschlossen sein, dass von diesem in einem Ansaugtakt in regelmäßigen und/oder unregelmäßigen Abständen die hier gesammelten Abscheidungen oder aber Fluide dem Verbrennungstrakt zugeführt und somit sachgerecht entsorgt werden, dass nach dem Durchströmen einer Abgasnachbehandlungseinheit deren Reaktionsprodukte den gesetzlichen Emissions-Bestimmungen genügen und in die Umwelt entlassen werden dürfen.
Die einzelnen zuvor genannten Vorteile sind beliebig untereinander kombinierbar, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten sind in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dient dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
1 einen erfindungsgemäße Druckwellenladeranordnung als Einzelgerät in gestreckter I-Form;
2 eine erfindungsgemäße Druckwellenladeranordnung als Einzelgerät in U-Form;
3 das Zeit-Raum-Diagramm des periodischen Druckwellenverlaufs und
4 das Zeit-Weg-Diagramm der periodischen Ventilschaltfolge.
In den Figurendarstellungen werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
1 zeigt eine Druckwellenladeranordnung D zur Aufladung einer hier nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine.
Die Druckwellenladeranordnung D weist dabei einen Kanal K1 zum Zuführen von angesaugter Frischluft AF, einen Kanal K2 zum Abführen von komprimierter Frischluft KF, einen Kanal K3 zum Zuführen von Abgas A zur Komprimierung und einen Kanal K4 zum Abführen von Abgas A nach der Komprimierung auf. Es weisen weiterhin auf der Kanal K1 ein Ventil V1, der Kanal K2 ein Ventil V2, der Kanal K3 weist ein Ventil V3 und der Kanal K4 ein Ventil V4.
Die Ventile V1 bis V4 sind dabei jeweils in reversierender Bauart ausgebildet und jedes Ventil V1 bis V4 weist ein Ventiltrieb M1 bis Ventiltrieb M4 auf. Jedes der Ventile V1 bis V4 ist dabei über dem Ventiltrieb M1 bis M4 separat und unabhängig steuerbar. Zwischen den Ventilen V1, V2, V3, V4 befindet sich ein zylinderförmiger Hohlkörper 5. Bei geschlossenen Ventilen V1 bis V4 ist in dem zylinderförmigen Hohlkörper 5 ein gasdichter Druckraum 6 ausgebildet. Durch die Regelbarkeit und Steuerbarkeit der Ventile ergibt sich somit ein Druckwellenlader DL. Der zylinderförmige Hohlkörper 5 weist weiterhin eine umlaufende Wandseite 7 sowie auf die Bildebene bezogen oben, eine Hochdruckseite 8 und auf die Bildebene bezogenen unten, eine Niederdruckseite 9 auf.
Die Hochdruckseite 8 beinhaltet dabei jeweils einen Ventilsitz VS3 für das Ventil V3 und einen Ventilsitz VS4 für das Ventil V4. Die Niederdruckseite 9 beinhaltet dabei jeweils einen Ventilsitz VS1 für das Ventil V1 und einen Ventilsitz VS2 für das Ventil V2.
Weiterhin ist im Kanal K1 eine Drossel 10 angeordnet. Die angesaugte Frischluft AF strömt somit durch den Kanal K1 in Richtung Ventil V1. Das Ventil V1 öffnet in der hier gezeigten Ausführungsvariante gegen die Strömungsrichtung der angesaugten Frischluft AF und ermöglicht es dadurch, der Frischluft in den Druckraum 6 zu strömen. Anschließend öffnet das Ventil V3, um Abgas A in den Druckraum 6 zu führen und somit die angesaugte Frischluft AF zu verdichten.
Gleichzeitig und/oder zeitversetzt öffnet es das Ventil V2, um die komprimierte Frischluft KF über den Kanal K2 der hier nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine zuzuführen. Sowohl das Ventil V3 als auch das Ventil V2 öffnen auch hier jeweils entgegengesetzt der Strömungsrichtung des jeweiligen Fluidstromes. Hieran anschließend öffnet das Ventil V4, um das in dem Druckraum 6 befindliche Abgas A einer hier nicht näher dargestellten Abgasnachbehandlung bzw. einem Abgassystem zuzuführen. Auch das Ventil V4 öffnet dabei entgegengesetzt der Strömungsrichtung des Abgases A.
Damit die Ventile V1 bis V4 sowohl den thermischen Belastungen über die Betriebsdauer der Druckwellenladeranordnung D hin widerstehen sowie stets eine gasdichte Abdichtung des Druckraumes 6 selbst sicherstellen, kann optional am Ventilsitz VS1 bis VS4 eine Dichtung 11 und/oder eine Beschichtung aufgebracht sein. Der Ventilsitz VS1 bis VS4 aller Ventile V1 bis V4 ist bevorzugt konisch verlaufend ausgebildet. Im Kanal K3 ist weiterhin bevorzugt ein wärmeisoliertes Innenrohr 12 angeordnet.
In dem Druckraumraum 6 angrenzend und/oder hineinragend, sind zusätzlich Taschen 13 angeordnet. Über die Taschen 13 selbst können hier nicht näher dargestellte Fluidleitungen Fluide in den Druckraum 6 einleiten. Zusätzlich können Messinstrumente, beispielsweise in Form von hier als Beispiel dargestellten Messaufnehmern und/oder Druckmessaufnehmer (15) im Bereich der Taschen 13 angeordnet sein.
2 zeigt eine Druckwellenladeranordnung D mit reversierenden Ventilen V1 bis V4, welche ebenfalls einen Kanal K1 bis K4 aufweist, mit dem Unterschied zu 1, dass der Hohlkörper 5 nicht zylinderförmig ausgebildet ist, sondern eine U-Form aufweist. Hierbei sind je nach Ausführungsvariante unter Umständen die Niederdruckseite 9 und die Hochdruckseite 8 direkt benachbart angeordnet. Die Vorteile hierbei sind die raumsparende Bauform, der druckanhebende Rohrbogen als auch dass eine optionale Kondensatfalle 14 in dem Druckraum 6 selber angeordnet sein kann.
3 zeigt eine Darstellung des periodischen Druckwellenverlaufs in einem Druckwellenerzeuger, wobei der Verlauf als Kreisfrequenz ω im mathematischen Drehsinn zu sehen ist. Hierbei sind folgendes Bezugszeichen verwendet: t_0x und t_Sx, wobei der Platzhalter x jeweils für eines der Ventile V1 bis V4 steht. Somit entspricht beispielsweise t₀₂ dem Zeitpunkt des Öffnens des Ventils 2 und t_S2 dem Zeitpunkt des Schließens des Ventils 2.
4 zeigt eine Darstellung der periodischen Ventilschaltfolge für einen Druckwellenerzeuger, wobei die zu 3 genannten Bezugszeichen analog für 4 gelten.
Bezugszeichenliste

1: Kanal K1
2: Kanal K2
3: Kanal K3
4: Kanal K4
5: zylinderförmiger Hohlkörper
6: Druckraum
7: Wandseite
8: Hochdruckseite
9: Niederdruckseite
10: Drossel
11: Dichtung
12: Innenrohr in 3
13: Tasche
14: Kondensatfalle
15: Druckmessaufnehmer
A: Abgas
AF: angesaugte Frischluft
D: Druckwellenladeranordnung
DL: Druckwellenlader
KF: komprimierte Frischluft
M1: Ventiltrieb 1
M2: Ventiltrieb 2
M3: Ventiltrieb 3
M4: Ventiltrieb 4
t₀₁: Zeitpunkt Öffnen Ventil 1
t_S1: Zeitpunkt Schließen Ventil 1
t₀₂: Zeitpunkt Öffnen Ventil 2
t_S2: Zeitpunkt Schließen Ventil 2
t₀₃: Zeitpunkt Öffnen Ventil 3
t_S3: Zeitpunkt Schließen Ventil 3
t₀₄: Zeitpunkt Öffnen Ventil 4
t_S4: Zeitpunkt Schließen Ventil 4
V1: Ventil 1
V2: Ventil 2
V3: Ventil 3
V4: Ventil 4
VS1: Ventilsitz 1
VS2: Ventilsitz 2
VS3: Ventilsitz 3
VS4: Ventilsitz 4

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006020522 A1 [0007]
EP 0235609 [0012]

Claims

Druckwellenladeranordnung (D) zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine, aufweisend einen Druckwellenlader (DL) mit daran angeschlossenen vier Kanälen (1, 2, 3, 4), wobei Kanal K1 (1) Frischgas (AF) zuführt, Kanal K2 (2) komprimiertes Frischgas (KF) abführt, Kanal K3 (3) Abgas (A) zuführt und Kanal K4 (4) Abgas (A) abführt, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckwellenlader (DL) durch einen gegenüber der Verbrennungskraftmaschine ortsfest angeordneten Hohlkörper (5) mit an dem Hohlkörper (5) reversierenden Ventilen (V1, V2, V3, V4) ausgebildet ist.
Druckwellenladeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Hohlkörper (5) ein Druckraum (6) ausgebildet ist, wobei der Druckraum (6) fluiddicht mit den Ventilen (V1, V2, V3, V4) verschließbar ist.
Druckwellenladeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (6) zylinderförmig ausgebildet ist.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (6) strömungsoptimiert ausgebildet ist.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (5) eine Schalldämmung aufweist.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Kanal (1, 2, 3, 4) mindestens ein Ventil (V1, V2, V3, V4) zugeordnet ist.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (V1, V2, V3, V4) hydraulisch, pneumatisch, mechanisch und/oder elektrisch jeweils einzeln oder kombiniert betätigbar sind.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (V1, V2) zu Kanal K1 (1) und Kanal K2 (2) auf einer Niederdruckseite (9) des Druckraumes (6) liegen und die Ventile (V3, V4) zu Kanal K3 (3) und Kanal K4 (4) auf einer Hochdruckseite (8) liegen.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Steuerung der Ventile (V1, V2, V3, V4) Messwerte von Druck-Messaufnehmern genutzt sind.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (V1, V2, V3, V4) strömungsoptimiert und balanciert ausgebildet sind.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (5) mittels eines gasförmigen oder eines flüssigen Fluids gekühlt ist oder Wärme an ein angeschlossenes Bauteil ableitet.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckmessaufnehmer (15) vorgesehen ist, mit welchem ein bevorstehender Fluiddurchbruch detektierbar ist.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fluiddruckspeicher vorgesehen ist, der mit dem Hohlkörper (5) gekoppelt ist.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in Kanal K1 (1) eine Drossel (10) vorgesehen ist.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (5) einen Kondensatabscheider (14) aufweist.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Kanal (1, 2, 3, 4) ein Schalldämpferelement angeordnet ist.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (5) eine Zuführtasche (13) aufweist, wobei die Zuführtasche (13) die Zuführung von weiteren Fluiden ermöglicht.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass je ein Hohlkörper (5) einem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zugeordnet ist.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Hohlkörper (5) einem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zugeordnet sind.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Hohlkörper (5) zu einem Register gekoppelt sind.
Druckwellenladeranordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (5) in Reihe, Sternform, V-Form oder beliebiger Kombination der zuvor beschrieben Ausführungsvarianten angeordnet sind.
Druckwellenladeranordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (5) in Kombination mit einem anderen Aufladegerät angeordnet sind.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Hohlkörper (5) sich mindestens einen Kanal (1, 2, 3, 4) teilen, vorzugsweise den Ansaug Kanal K1 (1).
Verfahren zum Betreiben einer Druckwellenladeranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (V1, V2, V3, V4) in Abhängigkeit der Einlasszeiten und Auslasszeiten der Verbrennungskraftmaschine geöffnet und/oder geschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckmessaufnehmer (15) zur Detektierung eines bevorstehenden Fluiddurchbruches mit einem Referenzdrucksignal überwacht und/oder kalibriert wird.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (5) als Bypass durch jeweils gleichzeitige Öffnung der Ventile (V3, V4) zu Kanal (3) und Kanal (4) oder der Ventile (V1, V2) zu Kanal K1 (1) und Kanal K2 (2) genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterdruck in Kanal K1 (1) genutzt wird um Fluide aus einer Saugleitung und/oder einem Sammler und/oder einem Sumpf und/oder Kondensatabscheider (14) zu heben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass inkompressible Fluide dem Druckwellenlader (DL) und/oder der Verbrennungskraftmaschine optional zugeführt werden.