DE3922491A1 - Gasdynamischer druckwellenlader mit abgas bypass - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

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.

Stand der Technik

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.

Darstellung der Erfindung

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.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

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.

Weg zur Ausführung der Erfindung

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.