EP0130433A1 - Druckwellenlader mit einem Abgasabblasventil - Google Patents

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EP0130433A1
EP0130433A1 EP84106843A EP84106843A EP0130433A1 EP 0130433 A1 EP0130433 A1 EP 0130433A1 EP 84106843 A EP84106843 A EP 84106843A EP 84106843 A EP84106843 A EP 84106843A EP 0130433 A1 EP0130433 A1 EP 0130433A1
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flap
exhaust gas
pressure wave
wall
lever
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Andreas Mayer
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BBC Brown Boveri AG Switzerland
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BBC Brown Boveri AG Switzerland
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F13/00—Pressure exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B33/00—Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
    • F02B33/32—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type
    • F02B33/42—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type with driven apparatus for immediate conversion of combustion gas pressure into pressure of fresh charge, e.g. with cell-type pressure exchangers

Definitions

  • the present invention relates to a pressure wave supercharger with an exhaust gas relief valve according to the preamble of claim 1.
  • a pressure wave supercharger for such engines is designed in such a way that it generates a boost pressure under load at the maximum engine speed that is higher than the boost pressure required to generate the permissible peak pressure without exhaust gas being blown off.
  • By blowing off exhaust gas, controlled e.g. from the boost pressure a high permissible boost pressure and thus a favorable torque curve and fuel consumption can then be achieved over a wide operating range.
  • Such a motor is elastic and a vehicle equipped with it can be driven lazily.
  • Blowing off exhaust gas does not need to be used in commercial vehicle engines, since these allow higher boost pressures and operate in a narrower speed range as passenger car engines. For commercial vehicle engines, it is therefore sufficient to design the pressure wave charger so that it delivers the maximum boost pressure in the desired operating range at which the peak value of the combustion pressure is still permissible.
  • a regulating device for regulating the boost pressure by deliberately blowing off the engine exhaust gas upstream of the pressure wave supercharger is known from CH-fatentartmeldung No. 2355 / 83-7.
  • the valve member used in the device described there, with which the blow-off channel, referred to in specialist circles as wastegate, is more or less released or closed, is a spring-loaded poppet valve.
  • the valve member is likewise spring-loaded and mushroom-shaped in the area of the sealing elements.
  • a flap valve has been used which does not require a spring in the blow-off area and is dependent on the exhaust gas pressure or, as in the mentioned Swiss patent application No. 2355 / 83-7, is actuated by another suitable process pressure.
  • the adjusting force acts on a lever which is connected to the valve shaft in a torsionally rigid manner.
  • Such a flap valve is much cheaper to produce than the two known valve types mentioned above.
  • the opening characteristic does not change as a result of the spring ceasing to exist.
  • the relaxed exhaust gases after they have done their compression work, together with the mixture of air and exhaust gas that has formed in the mixing zone, ie in the area of the interface between air and exhaust gas, must be completely in be flushed out the exhaust outlet.
  • This purging is supported by the intake air, which enters the rotor cells on the side opposite the exhaust openings, thereby cooling the rotor at the same time.
  • the rotor in order to achieve satisfactory compression efficiency, the rotor must be cooled even further.
  • the pressure wave charger has to draw in more air than it delivers compressed charge air to the engine. This additionally sucked-in air is called purge air and the ratio of purge air flow to charge air flow is the "degree of purge" of the pressure wave charger. This degree of flushing decreases with increasing engine speed and decreasing engine load.
  • wastegate Blow-off by wastegate primarily affects the overall efficiency and thus the specific fuel of a pressure wave supercharger, like a turbocharger consumption, but not the degree of rinsing. Because the rinsing energy is reduced in proportion to the compression energy.
  • the transverse component of the flow into the exhaust duct does not represent any serious impairment of the exhaust flow and thus the degree of purge.
  • the larger cross-component of the inlet speed significantly deteriorates the purge and thus also affects the compression efficiency.
  • the object of the present invention defined in claim 1 is to avoid these disadvantages of the flap valve which is superior to the known valve types in terms of cheap manufacture and simple construction.
  • Fig. 1 denotes a rotor housing, 2 an air housing and 3 a gas housing of a pressure wave charger.
  • the air housing 2 has a horizontal air inlet connection 6, through which air is sucked in from atmospheric pressure, and a vertical charge air outlet connection 7, see FIG.
  • FIG. 3 and 4 show the gas housing 3 with the exhaust gas relief valve 8 in a longitudinal section or in a side elevation.
  • the blow-off valve 8 has a flap 9 as the closing element.
  • This is provided with a rivet pin 10, which sits with axial and radial play in a bore in a plate-shaped flap lever 11 and is held therein by means of a washer 12 and a rivet head 13.
  • the flap lever 11 is rigidly connected to the lower end of a flap shaft 14, for example by welding.
  • This flap shaft is guided in a bearing bush 15 and extends obliquely upwards through the gas housing 3 to the outside, where it is connected with a lever 16 in a torsionally rigid manner is.
  • This carries at its free end a bolt 17 for connecting a linkage, not shown, which connects the flap 9 to a control device mentioned at the beginning.
  • a restriction screen 19 is provided at a distance around the flap 9.
  • the current threads which, when using a cheap flap instead of a more expensive, but axially symmetrically flowed plate or mushroom valve, impair the undisturbed outflow in the exhaust duct and thus the flushing of the rotor cells mentioned at the outset, immediately after passing through the annular gap released by the flap in a direction parallel to the axis of the exhaust outlet connection 5 is forced, as is indicated by the dash-dotted streamlines in FIG. 3.
  • the dash-dotted representation of the streamlines was chosen because the flap 9 is shown in the closed state. So it is the streamlines that would occur with the flap open.
  • This restriction screen 19 does not surround the entire circumference of the flap 9, but part of the same as a semicircular ring coaxial with the flap 9, only half of its circumference.
  • the two ends of this semicircular ring then run out into a tip, the inner boundaries of which, viewed radially inward, run parallel to the longitudinal edges of the flap lever 11.
  • the area of the restriction screen that is left blank for the flap lever 11 does not impair its directivity, since the narrowest point of the flap gap is located there and the flow also through the adjacent wall part of the exhaust gas outlet nozzle 5 is forced in the axis-parallel direction.
  • the axis of the restriction screen 20 is eccentric to the axis of the associated flap 21 by the distance x. This gives a larger outflow cross section after the flap gap.
  • the exhaust gas inlet connection 4 is not arranged on the upper side, as in the pressure wave charger according to FIGS. 1 and 2, but on the lower side.
  • restriction screen is also possible to design the restriction screen as a full circular ring, which thus coaxially or eccentrically surrounds the entire circumference of the flap.
  • the flap lever must then be cranked accordingly.

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Abstract

Das Abgasabblaseventil (8) (Wastegate) eines Druckwellenladers ist als Klappe (9) ausgeführt, die über einen Klappenhebel (11), eine Klappenwelle (14), einen Hebel (16) sowie ein Gestänge mit einer auf einen Prozeßdruck des Druckweilenladers ansprechenden Regeleinrichtung verbunden ist. Um den Abgasabblasestrom aus dem Gasgehäuse (3) möglichst parallel zur Achse des Abgasaustrittsstutzens (5) in diesen eintreten zu lassen und damit eine Verschlechterung des Spülgrades des Druckwellenladers zu vermeiden, ist um einen Teil des Umfanges der Klappe (9) herum mit Abstand zu dieser ein Striktionsschirm (19) vorgesehen, der das aus dem Klappenspalt überströmende Abgas in die erwünschte, zur Achse des Abgasaustrittsstutzens parallele Richtung umlenkt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckwellenlader mit einem Abgasabblaseventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bei Motoren mit Druckwellenlader für Personenautos sollen in einem weiten Drehzahlbereich die Spitzendrücke in den Zylindern in der Nähe der zulässigen maximalen Verbrennungsdrücke liegen. Um dies zu erreichen, wird ein Druckwellenlader für solche Motoren so ausgelegt, dass er unter Last bei der maximalen Motordrehzahl einen Ladedruck erzeugt, der ohne Abblasen von Abgas höher ist als der Ladedruck, der zur Erzeugung des zulässigen Spitzendrucks erforderlich ist. Durch Abblasen von Abgas, gesteuert z.B. vom Ladedruck, kann dann über einen weiten Betriebsbereich ein hoher zulässiger Ladedruck und damit günstiger Drehmomentverlauf und Kraftstoffverbrauch erreicht werden. Ein solcher Motor ist elastisch und ein damit ausgerüstetes Fahrzeug kann schaltfaul gefahren werden.
  • Ein Abblasen von Abgas braucht bei Nutzfahrzeugmotoren nicht angewandt zu werden, da diese höhere Ladedrücke zulassen und in einem engeren Drehzahlbereich arbeiten als Personenwagenmotoren. Bei Nutzfahrzeugmotoren genügt es daher, den Druckwellenlader so auszulegen, dass er im gewünschten Betriebsbereich den maximalen Ladedruck liefert, bei dem der Spitzenwert des Verbrennungsdruckes noch zulässig ist.
  • Eine Regeleinrichtung zur Regelung des Ladedruckes durch gezieltes Abblasen des Motorabgases vor dem Druckwellenlader ist aus der CH-fatentartmeldung Nr. 2355/83-7 bekannt. Das bei der dort beschriebenen Einrichtung benützte Ventilorgan, mit dem der in Fachkreisen als Wastegate bezeichnete Abblasekanal mehr oder weniger freigegeben oder verschlossen wird, ist ein federbelastetes Tellerventil. Bei einer weiteren, in der CH-Patentschrift 398 185 beschriebenen Einrichtung zur Regelung des Ladedruckes durch Abblasen von Abgas, wobei zur Betätigung des Ventilorgans der Abgasdruck benützt wird, ist das Ventilorgan ebenfalls federbelastet und im Bereich der Dichtelemente pilzförmig gestaltet.
  • Die Federn solcher Teller- und Pilzventile sind durch die am Ventil vorbeistreichenden Abgase stark wärmebelastet und verändern dadurch im Laufe der Zeit ihre Federkonstante, so dass sich das Ventil früher öffnet. Der Abblasedruck im Lader und damit auch die Verbrennungsdrücke verringern sich. Es kommt also zu einem Leistungsverlust im eingangs erwähnten Betriebsbereich des Motors.
  • Um diese Nachteile der zwei vorerwähnten Abblaseeinrichtungen zu vermeiden, ist man dazu übergegangen, anstelle der erwähnten federbelasteten Teller- und Pilzventile ein Klappenventil zu verwenden, das im Abblasebereich keine Feder benötigt und vom Abgasdruck oder, wie in der erwähnten CH-Patentanmeldung Nr. 2355/83-7 beschrieben, von einem anderen geeigneten Prozessdruck betätigt wird. Die Verstellkraft greift dabei an einem mit der Klappenwelle drehsteif verbundenen Hebel an. Ein solches Klappenventil ist wesentlich billiger zu produzieren als die beiden oben erwähnten, bekannten Ventilbauarten. Dazu kommt, dass bei einem solchen Klappenventil infolge Fortfalls der Feder keine Aenderung der 0effnungscharakteristik auftritt. Im Gegensatz zu den genannten Teller- und Pilzventilen, bei denen die Abströmung der überschüssigen Abgase symmetrisch zur Ventillängsachse und im wesentlichen parallel zum Strom der Niederdruckabgase, d.h., der Auspuffgase im Abgasaustrittsstutzen verläuft, strömen aber die abblasenden Abgase bei einem Klappenventil mit einer Geschwindigkeitskomponente quer zur Strömungsrichtung der Auspuffgase in den Abgasaustrittsstutzen ein, woraus sich die im folgenden beschriebenen Nachteile ergeben.
  • Für eine einwandfreie, effektive Funktion des Druckwellenladers müssen die entspannten Abgase, nachdem sie ihre Verdichtungsarbeit 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 Abgasaustrittsstutzen ausgespült werden. Diese Spülung wird durch die Ansaugluft, die auf der den Auspufföffnungen gegenüberliegenden Seite in die Rotorzellen eintritt, unterstützt und dadurch gleichzeitig der Rotor gekühlt. Um befriedigende Verdichtungswirkungsgrade zu erzielen, ist aber eine noch weitergehende Kühlung des Rotors erforderlich. Dazu muss der Druckwellenlader mehr Luft ansaugen als er verdichtete Ladeluft an den Motor abgibt. Diese zusätzlich angesaugte Luft heisst Spülluft und das Verhältnis von Spülluftstrom zu Ladeluftstrom der "Spülgrad" des Druckwellenladers. Dieser Spülgrad sinkt mit steigender Motordrehzahl und abnehmender Motorbelastung.
  • Das Abblasen durch Wastegate beeinträchtigt bei einem Druckwellenlader in erster Linie, wie bei einem Turbolader, den Gesamtwirkungsgrad und damit den spezifischen Kraftstoffverbrauch, nicht aber den Spülgrad. Denn die Spülenergie verringert sich angenähert proportional zur Verdichtungsenergie.
  • Bei kleinen Abblaseströmen stellt die Querkomponente der Strömung in den Auspuffkanal hinein keine schwerwiegende Beeinträchtigung des Auspuffstromes und damit des Spülgrades dar. Bei grösseren Abblaseströmen aber wird durch die grössere Querkomponente der Eintrittsgeschwindigkeit die Spülung nennenswert verschlechtert und damit auch der Verdichtungswirkungsgrad beeinträchtigt.
  • Die Aufgabe der vorliegenden, im Patentanspruch 1 definierten Erfindung besteht darin, diese Nachteile des an sich bezüglich billiger Herstellung und einfachen Aufbaus den bekannten Ventilbauarten überlegenen Klappenventils zu vermeiden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruch 1 gelöst.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
  • Es stellen dar: Die
    • Fig. 1 und 2 einen Aufriss bzw. Seitenriss eines Druckwellenladers mit einem Abgasabblaseventil,
    • Fig. 3 einen Längsschnitt durch das Gasgehäuse eines Druckwellenladers nach den Fig. 1 und 2, mit einer ersten Ausführungsform eines Abgasabblaseventils,
    • Fig. 4 den zu Fig. 3 gehörigen Seitenriss, und
    • Fig. 5 einen Seitenriss eines Druckwellenladers mit einer zweiten Ausführungsform eines Abgasabblaseventils.
  • In Fig. 1 bezeichnet 1 ein Rotorgehäuse, 2 ein Luftgehäuse und 3 ein Gasgehäuse eines Druckwellenladers. Am Gasgehäuse 3 befindet sich an der Oberseite ein Abgaseintrittsstutzen 4, 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 5 parallel zur Rotorachse in eine nicht dargestellte Auspuffanlage aus, was durch den waagrechten schwarzen Pfeil angedeutet ist. Das Luftgehäuse 2 weist, wie aus Fig. 2 hervorgeht, einen waagrechten Lufteinlassstutzen 6 auf, durch den Luft von Atmosphärendruck angesaugt wird, sowie einen senkrechten Ladeluftauslassstutzen 7, siehe Fig. 1, durch den die in den Rotorzellen verdichtete Ladeluft austritt und von dort durch eine nicht dargestellte Ladeluftleitung einlasseitig 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 3 befindliche Abgasabblaseventil 8 ist in stark vereinfachter Darstellung aus Fig. 2 zu ersehen.
  • Die Fig. 3 und 4 zeigen das Gasgehäuse 3 mit dem Abgasabblaseventil 8 in einem Längsschnitt bzw. in einem Seitenriss. Das Abblaseventil 8 weist als Schliessorgan eine Klappe 9 auf. Diese ist mit einem Nietzapfen 10 versehen, der mit axialem und radialem Spiel in einer Bohrung eines plattenförmigen Klappenhebels 11 sitzt und darin mittels einer Scheibe 12 und eines Nietkopfes 13 gehalten ist. Der Klappenhebel 11 ist mit dem unteren Ende einer Klappenwelle 14 starr verbunden, z.B. durch Schweissung. Diese Klappenwelle ist in einer Lagerbüchse 15 geführt und erstreckt sich schräg nach oben durch das Gasgehäuse 3 nach aussen, wo sie mit einem Hebel 16 drehsteif verbunden ist. Dieser trägt an seinem freien Ende einen Bolzen 17 zum Anschluss eines nicht dargestellten Gestänges, das die Klappe 9 mit einer eingangs erwähnten Regeleinrichtung verbindet.
  • Um nun die in der Einleitung erwähnte Querkomponente der Abblaseströmung, die durch den Abblasekanal 18 in die an den Abgasaustrittsstutzen 5 anschliessende Auspuffanlage eintritt, zu vermeiden oder mindestens entscheidend zu verkleinern, ist in einem Abstand um die Klappe 9 herum ein Striktionsschirm 19 vorgesehen. Durch ihn werden die Stromfäden, die bei Verwendung einer billigen Klappe anstelle eines teureren, aber axialsymmetrisch umströmten Teller- oder Pilzventils die ungestörte Abströmung im Auspuffkanal und damit die eingangs erwähnte Spülung der Rotorzellen beeinträchtigen, gleich nach dem Durchtritt durch den von der Klappe freigegebenen Ringspalt in eine zur Achse des Abgasaustrittsstutzens 5 parallele Richtung gezwungen, wie dies durch die strichpunktierten Stromlinien in Fig. 3 angedeutet ist. Die strichpunktierte Darstellung der Stromlinien wurde gewählt, weil die Klappe 9 im geschlossenen Zustand dargestellt ist. Es sind also die Stromlinien, wie sie bei offener Klappe auftreten würden.
  • Dieser Striktionsschirm 19 umgibt nicht den ganzen Umfang der Klappe 9, sondern ein Teil desselben als zur Klappe 9 koaxialer Halbkreisring nur deren halben Umfang. Die beiden Enden dieses Halbkreisringes laufen dort anschliessend in je eine Spitze aus, deren innere Begrenzungen, radial einwärts gesehen, parallel zu den Längskanten des Klappenhebels 11 verlaufen. Der auf diese Weise für den Klappenhebel 11 ausgesparte Bereich des Striktionsschirms verschlechtert seine Richtwirkung nicht, da sich dort die engste Stelle des Klappenspaltes befindet und die Strömung auch durch den benachbarten Wandteil des Abgasaustrittsstutzens 5 in die achsparallele Richtung gezwungen wird.
  • Bei der Ausführung nach Fig. 5 liegt die Achse des Striktionsschirms 20 um die Strecke x exzentrisch zur Achse der zugehörigen Klappe 21. Man erhält dadurch einen grösseren Abströmungsquerschnitt nach dem Klappenspalt.
  • Es bleibt noch nachzutragen, dass bei der Ausführung des Gasgehäuses nach den Fig. 3 bis 5 der Abgaseintrittsstutzen 4 nicht, wie bei dem Druckwellenlader gemäss den Fig. 1 und 2, auf der Oberseite, sondern auf der Unterseite angeordnet ist.
  • Es ist auch möglich, den Striktionsschirm als vollen Kreisring auszuführen, der also den ganzen Umfang der Klappe mit Abstand koaxial oder exzentrisch umschliesst. Der Klappenhebel muss dann entsprechend gekröpft ausgeführt sein.

Claims (4)

1. Druckwellenlader mit einem Abgasabblaseventil, welcher Druckwellenlader ein Rotorgehäuse (1) mit einem Zellenrotor aufweist, in dem das Abgas eines Verbrennungsmotors die vom Vebrennungsmotor benötigte Verbrennungsluft verdichtet, ferner mit einem Luftgehäuse (2), durch das atmosphärische Luft angesaugt und nach Verdichtung im Zellenrotor als Ladeluft dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, sowie mit einem Gasgehäuse (3) mit einem Abgasraum, über welchen das vom Verbrennungsmotor kommende Abgas in den Zellenrotor geleitet und nach seiner Entspannung im Zellenrotor über einen Abgasaustrittsstutzen (5) in einen Auspuffsammler abgeleitet wird, wobei das Abgasabblaseventil in einer den genannten Abgasraum vom Abgasaustrittsstutzen (5) trennenden Wand des Gasgehäuses (3) angeordnet und als Klappenventil ausgebildet ist, dessen Klappe (9) über einen Klappenhebel (11), eine Klappenwelle (14) und einen Hebel (16) mit einer von einem Prozessdruck des Druckwellenladers beaufschlagten Regeleinrichtung in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasaustrittsstutzen (5) ein Striktionsschirm (19; 20) vorgesehen ist, der zumindest einen Teil des Umfanges der Klappe (9; 21) in einem Abstand von deren Umfang umgibt und dessen Wandung sich im wesentlichen parallel zur Achse des Abgasaustrittsstutzens (5) in diesen hinein erstreckt.
2. Druckwellenlader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (9) als Kreisscheibe mit einem Nietzapfen (10) ausgeführt ist, der zur Verbindung mit dem Klappenhebel (11) dient, und dass die Wandung des Striktionsschirms (9) koaxial zur Klappe (9) ist.
3. Druckwellenlader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (21) als Kreisscheibe mit einem Nietzapfen ausgeführt ist, der zur Verbindung mit dem Klappenhebel dient, und dass die Wandung des Striktionsschirms (20) um eine Strecke (x) exzentrisch zur Achse der Klappe (21) liegt, derart, dass die Mitte der Wandung des Striktionsschirms (20) vom Umfang der Klappe
(21) weiter entfernt ist als die beiden Enden der Wandung des Striktionsschirms (20).
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