DE3922491A1 - Gasdynamischer druckwellenlader mit abgas bypass - Google Patents
Gasdynamischer druckwellenlader mit abgas bypassInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen gasdynamischen Druckwellenlader
zur Aufladung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasabblase
ventil, welcher Druckwellenlader ein Rotorgehäuse mit einem
Zellenrotor aufweist, in dem das Abgas des Verbrennungsmotors
die vom Verbrennungsmotor benötige Verbrennungsluft verdichtet,
ferner mit einem Luftgehäuse, durch das atmosphärische Luft an
gesaugt und nach Verdichtung im Zellenrotor als Ladeluft dem
Verbrennungsmotor zugeführt wird, sowie mit einem Gasgehäuse,
über welches das vom Verbrennungsmotor kommende Abgas in den
Zellenrotor geleitet und nach seiner Entspannung im Zellenrotor
über einen Abgasaustrittsstutzen in einen Auspuffsammler abge
leitet wird, wobei im Gasgehäuse ein Abgasbypass mit einer me
diumgesteuerten Klappe den Hochdruckgas-Zuströmkanal mit dem
Niederdruckgas-Abströmkanal verbindet, welche Klappe mit einer
von einem Prozeßdruck des Druckwellenladers beaufschlagten Re
geleinrichtung in Wirkverbindung steht.
Die Anwendung eines Abgasbypasses bei mittels Druckwellenma
schinen aufgeladenen, kleinen Motoren für Personenkraftwagen
- bei denen der Spitzendruck begrenzt ist und die über einen
breiten Drehzahlbereich verfügen - kann durchaus interessant
sein. Da solche Motoren über ein elastisches Drehmoment verfü
gen, welches durch den flachen Druckverlauf über den ganzen
Motordrehzahlbereich verleiht wird, muß hier indes - im Ver
gleich zur Abgasturboaufladung - zum einen weniger Abgas in den
Auspuff abgeblasen werden und zum andern muß erst ab höheren
Motordrehzahlen abgeblasen werden. Somit tritt der durch das
ungenützte Abblasen bedingte schlechtere spezifische Brenn
stoffverbrauch nur in einem schmalen Bereich auf, der beim Per
sonenkraftwagen erfahrungsgemäß selten vorkommt.
Eine Regelung des Ladeluftdruckes durch gezieltes Abblasen bei
einer eingangs genannten Druckwellenmaschine ist bekannt aus
der GB-PS 7 75 271. Wenn der Abgasdruck einen vorbestimmten Wert
übersteigt, öffnet sich eine zwischen Hochdruckgas-Zuströmkanal
und Niederdruckgas-Abströmkanal in einem Bypass angeordnete
federbelastete Klappe. Ein Teil der Abgase gelangt durch diesen
Bypass direkt in den Auspuff ohne den Druckwellenprozeß zu
durchlaufen. Bei einer solchen Anordnung strömen aber die abge
blasenen Abgase mit einer Geschwindigkeitskomponente quer zur
Strömungsrichtung der Auspuffgase in den Abgasaustrittsstutzen
ein, woraus sich die im folgenden beschriebenen Nachteile erge
ben.
Für eine einwandfreie effektive Funktion des Druckwellenladers
müssen die entspannten Abgase, nachdem sie ihre Verdichtungsar
beit geleistet haben, mitsamt dem Gemisch aus Luft und Abgas,
das sich in der Mischzone, d.h. im Bereich der Trennfläche von
Luft und Abgas gebildet hat, vollständig in den Abgasaustritts
stutzen ausgespült werden. Diese Spülung wird durch die Ansaug
luft, die auf der den Auspufföffnungen gegenüberliegenden Seite
in die Rotorzelle eintritt, unterstützt und dadurch wird
gleichzeitig der Rotor gekühlt. Um befriedigende Verdichtungs
wirkungsgrade zu erzielen, ist aber eine noch weitergehende
Kühlung des Rotors erforderlich. Dazu muß der Druckwellenlader
mehr Luft ansaugen als er verdichtete Luft an den Motor abgibt.
Diese zusätzlich angesaugte Luft heißt Spülluft und das Ver
hältnis von Spülluftstrom zum Ladeluftstrom heißt "Spülgrad"
des Druckwellenladers. Dieser Spülgrad sinkt mit steigender
Motordrehzahl und abnehmender Motorbelastung.
Das Abblasen durch Wastegate beeinträchtigt bei einem Druckwel
lenlader in erster Linie, wie bei einem Turbolader, den Gesamt
wirkungsgrad und damit den spezifischen Kraftstoffverbrauch,
nicht aber den Spülgrad. Denn die Spülenergie verringert sich
annähernd proportional zur Verdichtungsenergie.
Bei kleinen Abblaseströmen stellt die Querkomponente der Strö
mung in den Ausfpuffkanal hinein keine schwerwiegende Beein
trächtigung des Auspuffstromes und damit des Spülgrades dar.
Bei größeren Abblaseströmen wird aber durch die größere Quer
komponente der Eintrittsgeschwindigkeit die Spülung nennenswert
verschlechtert und damit auch der Verdichtungswirkungsgrad be
einträchtigt.
Zudem sind Vollast-Betriebspunkte bei hohen Drehzahlen durch
eine ungenügende Niederdruckspülung gekennzeichnet. Die Ursache
liegt in der schlechten Verteilung der in den Rotorzellen noch
vorhandenen Energie längs der Niederdrucköffnung. Das Geschwin
digkeitsprofil weist zwei ausgeprägte Auströmfelder auf, näm
lich ein Feld mit hoher Ausströmgeschwindigkeit im Bereich der
Niederdrucköffnungskante und ein Feld mit geringer Auströmge
schwindigkeit im Bereich der Niederdruckschließkante. Dieses
Profil ist durch den Druckwellenprozeß vorgegeben.
Hier setzt nun die Erfindung ein. Ihr liegt die Aufgabe zu
grunde, bei einem Lader der eingangs genannten Art die Nieder
druckspülung und damit den Verdichtungswirkungsgrad zu verbes
sern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß im
Niederdruckgas-Abströmkanal ein Wastegate-Ejektor für das abzu
blasende Abgas angeordnet ist.
Vorzugsweise wird der Ejektor im Bereich der Schließkante un
tergebracht.
Zwar ist es bereits aus der DE-OS 31 01 131 bekannt, bei einem
Verfahren zur Wirkungsgradverbesserung eines Abgasturboladers
den abgeblasenen Bypass-Massenstrom mit Hilfe einer Ejektordüse
zu entspannen und in den Abgasmassenstrom so einzuleiten, daß
der Gegendruck hinter der Turbine verringert wird. Zu diesem
Zweck ist die Mündung des Bypass-Kanals in den Abgaskanal als
Ejektordüse ausgebildet, welche den Bypass-Massenstrom etwa
parallel oder unter einem Spitzenwinkel bis zu maximal etwa 30°
in den Abgasmassenstrom der Turbine einleitet.
Die vorliegende Erfindung nutzt diese Maßnahme gezielt an je
ner Stelle im Abgassektor, an welcher das Energieniveau des Mo
torenabgases mit Vorteil erhöht werden kann. Dadurch wird näm
lich die Spülenergie im Niederdruckbereich des Laders erhöht,
was via reduziertem Wärmeübergang wiederum zur gewünschten
Wirkungsgradverbesserung der Verdichtung führt.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfin
dung schematisch dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 und Fig. 2 einen Aufriß bzw. Seitenriß eines Druckwellenladers
mit einem Abgasabblaseventil;
Fig. 3 eine Abwicklung eines Zylinderschnittes in halber
Höhe der Zellen durch den Rotor und durch die daran
anschließenden Partien der Seitenteile des Gehäuses;
Fig. 4 einen ersten Wastegate-Ejektor in einem Teilzylinder
schnitt gemäß Fig. 3;
Fig. 5 einen zweiten Wastegate-Ejektor in einem Teillängs
schnitt durch das Gasgehäuse eines Druckwellenladers
nach den Fig. 1 und 2;
Fig. 6 einen dritten Wastegate-Ejektor in einem Teillängs
schnitt wie Fig. 5.
In den verschiedenen Figuren sind die gleichen Teile jeweils
mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 bezeichnet 1 ein Rotorgehäuse, 2 ein Gasgehäuse und 3
ein Luftgehäuse eines Druckwellenladers. Am Gasgehäuse 2 befin
det sich an der Oberseite ein Abgaseintrittsstutzen 24, durch
den das aus dem Motor kommende Abgas, symbolisiert durch den
senkrechten schwarzen Pfeil, unter Druck eintritt. Nachdem es
im Rotor die Verdichtungsarbeit geleistet hat, tritt es durch
den Abgasaustrittsstutzen 25 parallel zur Rotorachse in eine
nicht dargestellte Auspuffanlage aus, was durch den waagerech
ten schwarzen Pfeil angedeutet ist. Das Luftgehäuse 3 weist,
wie aus Fig. 2 hervorgeht, einen waagerechten Lufteinlaßstut
zen 26 auf, durch den Luft vom Atmosphärendruck angesaugt wird,
sowie einen senkrechten Ladeluftauslaß-Stutzen 27, siehe Fig.
1, durch den die in den Rotorzellen verdichtete Ladeluft aus
tritt und von dort durch eine nicht dargestellte Ladeluftlei
tung einlaßseitig dem Motor zugeführt wird. Ein- und Auslaß
der Luft sind durch die weißen Pfeile in den beiden Figuren
dargestellt. Der Einlaß kann nur in Fig. 2 dargestellt werden,
da der Lufteinlaßstutzen in Fig. 1 nicht sichtbar ist. Das im
Gasgehäuse 2 befindliche Abgasabblaseventil 12 ist in stark
vereinfachter Darstellung aus Fig. 2 zu ersehen.
Der grundsätzliche Aufbau einer Druckwellenmaschine und deren
genaue Struktur kann der Druckschrift CH-AL 1 02 787 der Anmel
derin oder des Schweizerischen Patentes Nr. 3 78 595 entnommen
werden. Die hier in Fig. 3 gezeigte Druckwellenmaschine ist der
Einfachheit halber als Einzyklus-Maschine dargestellt, was sich
dadurch ausdrückt, daß das Gasgehäuse 2 und das Luftgehäuse 3
an ihren dem Rotor 21 zugekehrten Seiten mit nur je einer Hoch
druck- und einer Niederdrucköffnung versehen sind. Um die Funk
tion des Systemes übersichtlicher zu erläutern, sind die Strö
mungsrichtungen der Arbeitsmedien und die Drehrichtung der
Druckwellenmaschine mit Pfeilen bezeichnet.
Die heißen Abgase des Verbrennungsmotors 9 treten durch den
Hochdruckgas-Zuströmkanal 4 in den mit axialgeraden, beidseitig
offenen Zellen 5 versehenen Rotor 21 ein, expandieren darin und
verlassen ihn über den Niederdruckgas-Abströmkanal 6 in den
nicht gezeigten Auspuff. Auf der Luftseite wird atmosphärische
Frischluft angesaugt, strömt über den Niederdruckluft-Ein
trittskanal 7 axial in den Rotor 21, wird darin verdichtet und
verläßt ihn als Ladeluft über den Hochdruckluft-Austrittskanal
8 zum Motor hin.
Zum Verständnis des eigentlichen, äußerst komplexen, gasdyna
mischen Druckwellenprozesses, welcher nicht Erfindungsgegen
stand ist, wird auf die schon genannte CH-PS 3 78 595 verwiesen.
Der für das Verständnis der Erfindung notwendige Prozeßablauf
wird nachstehend kurz erläutert:
Das aus den Zellen 5 bestehende Zellenband ist die Abwicklung
eines Zylinderschnittes des Rotors 21, welche sich bei Drehung
des Letzteren in Pfeilrichtung nach unten bewegt. Die Druckwel
lenvorgänge laufen im Innern des Rotors ab und bewirken im we
sentlichen, daß sich ein gasgefüllter Raum und ein luftgefüll
ter Raum bilden. Im ersteren entspannt sich das Abgas und ent
weicht dann in den Niederdruckgas-Abströmkanal 6, während im
zweiten ein Teil der angesaugten Frischluft verdichtet und in
den Hochdruckluft-Austrittskanal 8 abgeschoben wird. Der ver
bleibende Frischluftanteil wird durch den Rotor in den Nieder
druckgas-Abströmkanal 6 überspült und bewirkt damit den voll
ständigen Austritt der Abgase. Diese Spülung ist für den Pro
zeßablauf wesentlich und muß unter allen Umständen aufrecht
erhalten bleiben. Es soll auf jeden Fall vermieden werden, daß
Abgas im Rotor 21 verbleibt und bei einem nachfolgenden Zyklus
mit der Ladeluft dem Motor 9 zugeführt wird. Darüberhinaus
kühlt die Spülluft die durch die heißen Abgase stark aufge
heizten Zellenwände ab. Das Prinzip der direkten Energieüber
tragung vom Strömungsmedium hohen Energieinhaltes - hier Abgas
- auf ein Medium niedrigen Energieinhaltes - hier angesaugte
Frischluft - findet anhand von instationären Strömungsvorgängen
statt, die erst in den Rotorzellen beginnen. Es handelt sich
dabei um Druckwellen-Effekte, welche den Energietransport be
sorgen.
Als zusätzliche Maßnahme, welche eine drehzahl- und lastkon
forme Steuerung der Druckwellenvorgänge erlauben, gilt die Ex
pansionstasche 22, die zeitlich gesehen nach dem Hochdruckluft-
Austrittskanal 8 angeordnet ist. In dieser Tasche 22 wird Rest
energie vom vorangegangenen Hochdruckprozeß gespeichert und
mit Hilfe von Druckwellen in den Niederdruckabschnitt weiterge
leitet, wo sie als Spühlenergie maßgeblich den Niederdruckpro
zeß beeinflußt. Diese Tasche 22 sorgt also dafür, daß der
Druckwellenprozeß selbst bei tiefsten Lasten nicht zum Erlie
gen kommt, d.h., daß die Niederdruckspülung in jedem Be
triebszustand aufrecht erhalten bleibt. In der Trennwand 10
zwischen Hochdruckgas-Zuströmkanal 4 und Niederdruckgas-Ab
strömkanal 6 ist ein Bypass 11 mit einem mediumgesteuerten Ab
blaseventil 12 - hier eine Klappe - angeordnet, wie es aus der
GB-PS 7 75 271 bekannt ist. Diese Klappe 12 ist im vorliegenden
Fall innerhalb des Bypasses 11 schwenkbar in einem nicht näher
bezeichneten Drehpunkt gelagert. Als Steuermittel für die Klap
penbetätigung wird über eine Leitung 13 Hochdruckgas stromauf
wärts des Druckwellenprozesses entnommen und damit eine Druck
dose 14 beaufschlagt. Diese Druckdose ist durch eine Membran 15
in zwei Kammern 16, 17 unterteilt. Die Membran 15 wirkt mit
einer Druckfeder 18 zusammen und ist über ein Gestänge 19, 20
mit der Klappe 12 verbunden.
Je nach Maschinenauslegung und Betriebsbedingungen findet in
nerhalb des Systems ein Rezirkulieren einer bestimmten Abgas
menge statt; aus Umweltschutzgründen ist dies sogar erwünscht.
Dies wird dadurch erreicht, daß ein gewisser Gasanteil auf die
Luftseite hinübertritt und im Bereich der Schließkante 28 in
den Hochdruck-Austrittskanal 8 überspült wird. Dieser Sachver
halt ist in der Prinzipskizze durch die Trennfront 29 zwischen
Luft und Gas dargestellt. Diese Trennfront ist nicht eine
scharfe Begrenzung sondern vielmehr - wie bereits eingangs er
wähnt - eine relativ breite Mischzone.
Im Niederdruckgas-Abströmkanal 6 ist mit 32 das Geschwindig
keitsprofil des ausgestoßenen Abgases aufgetragen. Zu erkennen
sind zwei ausgeprägte Felder, zum einen ein Feld mit hoher Aus
strömgeschwindigkeit im Bereich der Öffnungskante 31, zum an
dern ein Feld mit niedrigerer Austrittsgeschwindigkeit im Be
reich der Schließkante 30. Die nicht beaufschlagte Zone zwi
schen den zwei Feldern ist bedingt durch den unvermeidbaren
Steg 23 im Luftgehäuse 3 zwischen der Expansionstasche 22 und
dem Niederdruckluft-Eintrittskanal 7.
Gemäß der Erfindung kann nun gerade dieser tote, nicht durch
strömte Raum als Ergänzung zur Wirkung der Expansionstasche 22
ausgenützt werden, indem ein Teil der Wandung 38 des Wastegate-
Ejektors dorthin verlegt wird. In Fig. 4 ist diese neue Maß
nahme anhand des abgewickelten Zylinderschnittes erläutert.
Beim dortigen Ejektor handelt es sich um einen Ringdüsen-Ejek
tor. Nicht dargestellt ist das eigentliche Abgasabblaseventil
und die Verbindung vom Hochdruckgas-Zuströmkanal 4 zur Sammel
kammer 34. Aus dieser ringförmigen Sammelkammer 34 strömt das
Treibmittel, d.h. das abgeblasene Abgas durch den Konfusor 35
in die Mischstrecke 36 und von dort in den Diffusor 37. Die
vier genannten Teile 34 bis 37 sind vollkommen im Gasgehäuse 2
integriert.
Die Wirkung der Maßnahme beruht darauf, daß in der Flansch
ebene 39 zwischen Rotor und Gasgehäuse 2 innerhalb der strö
mungsbegrenzenden Wand 40 ein tieferer Druck vorherrscht. Das
bei hohen Drehzahlen des Laders dort übliche energiearme, ent
spannte Abgas erfährt demnach im Einflußbereich des Ejektors
eine Erhöhung seines Energieniveaus dadurch, daß die Druckdif
ferenz zwischen Hochdruck-Zone 4 und Niederdruckgas-Abströmka
nal 6 nunmehr größer wird. Wesentlich dabei ist, daß die
Niederdruck-Spülenergie erhöht ist. Gegenüber der Darstellung
in Fig. 3 ist dies durch das nunmehr größere Geschwindig
keitsprofil 32′ erkennbar.
Eine Ausführungsvariante, diesmal in einem Teillängsschnitt
nach Fig. 1, ist in der Fig. 5 dargestellt. Erkennbar ist bei
dieser Lösung, daß der Bypass 11 lediglich eine Öffnung in der
Trennwand resp. dem Steg 10 zwischen dem Hochdruckgas-Zuström
kanal 4 und dem Niederdruckgas-Abströmkanal 6 ist. Bei dieser
Darstellung ist es nicht möglich zu zeigen, daß der Ringdüsen-
Ejektor 33′ sich im Schließbereich des Niederdruckgas-Abström
kanals 6 befinden kann. Der Bypass 11 wird durch die Klappe 12
abgedeckt. Er leitet das abgeblasene Abgas in die Sammelkammer
34′, von wo aus es durch den Konfusor 35′ in den entsprechenden
Abschnitt des Niederdruckgas-Abströmkanals 6 einströmt. Bei
dieser Variante ist der innere Düsenring 41 Bestandteil des
Gasgehäuses 2, während der äußere Düsenring 42 von der am Gas
gehäuse anzuflanschenden Einströmpartie der Auspuffanlage 43
gebildet ist.
In Fig. 6 ist ein weiteres Beispiel dargestellt. Hier mündet
der von der Klappe 12 verschlossene Bypass 11 unmittelbar in
die Sammelkammer 34′′. Über mehrere, hier drei Einzeldüsen 44,
welche gesamthaft den Ejektor 33′′ bilden, gelangt das Abgas in
den nicht näher illustrierten Niederdruckgas-Abströmkanal 6. Es
versteht sich, daß auch hier die über der Kanalhöhe gestaffel
ten Einzeldüsen lediglich im Schließbereich des Niederdruck
gas-Abströmkanals 6 angeordnet sein können, und daß die sich
über die Kanalhöhe erstreckende Wandung, welche die beiden
Geschwindigkeitsfelder begrenzt, bei dieser Darstellung nicht
gezeigt werden kann.
Versuche haben ergeben, daß es bei größerer Länge der Misch
strecke (36 in Fig. 4) vorteilhaft ist, unterschiedliche
Ejektordüsenquerschnitte zu wählen. Andererseits ist es bei
kurzer Mischstrecke angebracht, die einzelnen Düsen mit glei
chem Austrittsquerschnitt zu versehen.
Claims (6)
1. Gasdynamischer Druckwellenlader zur Aufladung eines Ver
brennungsmotor mit einem Abgasabblaseventil, welcher
Druckwellenlader ein Rotorgehäuse (1) mit einem Zellenro
tor aufweist, in dem das Abgas des Verbrennungsmotors (9)
die vom Verbrennungsmotor benötige Verbrennungsluft ver
dichtet, ferner mit einem Luftgehäuse (3), durch das
atmosphärische Luft angesaugt und nach Verdichtung im Zel
lenrotor als Ladeluft dem Verbrennungsmotor zugeführt
wird, sowie mit einem Gasgehäuse (2), über welches das vom
Verbrennungsmotor kommende Abgas in den Zellenrotor gelei
tet und nach seiner Entspannung im Zellenrotor über einen
Abgasaustrittsstutzen (25) in einen Auspuffsammler abge
leitet wird, wobei im Gasgehäuse ein Abgasbypass (11) mit
einer mediumgesteuerten Klappe (12) den Hochdruckgas-Zu
strömkanal (4) mit dem Niederdruckgas-Abströmkanal (6)
verbindet, welche Klappe (12) mit einer von einem Prozeß
druck des Druckwellenladers beaufschlagten Regeleinrich
tung (13-20) in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeich
net, daß im Niederdruckgas-Abströmkanal (6) ein Waste
gate-Ejektor (33, 33′, 33′′) für das abzublasende Abgas ange
ordnet ist.
2. Druckwellenlader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ejektor sich im Bereich der Schließkante (30)
befindet.
3. Druckwellenlader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Wastegate-Ejektor ein Ringdüsenejektor
(33) ist, welcher integraler Bestandteil des Gasgehäuses
(2) ist.
4. Druckwellenlader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wastegate-Ejektor ein Ringdüsenejektor (33′) ist,
dessen innerer Ring (41) Bestandteil des Gasgehäuses (2)
ist und dessen äußerer Düsenring (42) von der Einström
partie der angeflanschten Auspuffanlage (43) gebildet ist.
5. Druckwellenlader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Wastegate-Ejektor ein Mehrdüsen-Ejektor
(33′′) ist.
6. Druckwellenlader nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wastegate-Ejek
tor (33, 33′, 33′′) und der Klappe (12) eine Sammelkammer
(34, 34′, 34′′) angeordnet ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: COMPREX AG, BADEN, AARGAU, CH |
|
8141 | Disposal/no request for examination |