WO1999011915A1 - Gasdynamische druckwellenmaschine - Google Patents

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Urs Wenger
Roger Martin
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • F01N3/30—Arrangements for supply of additional air

Definitions

  • the present invention relates to a gas dynamic pressure ellenmaschme according to the preamble of the independent claim.
  • Pressure wave machines are known from the prior art, for example from CH-A-681 738.
  • Gas housing of the pressure wave machine m penetrate the rotor and disrupt the actual pressure wave process of the pressure wave machine, which manifests itself in a significant deterioration in efficiency and increased recirculation.
  • the relatively large volume integrated in the exhaust manifold in front of the pressure wave machine can only steam part of these pulsations, but not eliminate them.
  • Such an exhaust manifold volume also has the disadvantage of the larger construction volume and the larger heat capacity.
  • the standard pressure wave machine is heavily dependent on filling for high charge pressures and good efficiencies.
  • the filling in the rotor of the pressure wave machine and thus the boost pressure decrease.
  • FIG. 1 schematically shows a developed cylindrical section through the cells of a rotor of a pressure wave machine according to the prior art
  • FIG. 2 shows a general illustration of a gas dynamic pressure wave machine according to the invention
  • FIG. 3 shows the gas-dynamic pressure wave machine according to FIG. 2 in a perspective view.
  • FIG. 1 shows a development of the rotor of a pressure wave machine according to the prior art and one can see the internal combustion engine 1, the gas dynamic pressure wave machine 2, the high pressure exhaust duct 3 and the low pressure exhaust duct 4 including the purge air S, the rotor 6 with the individual cells 18, the fresh air inlet 8, or low-pressure fresh air supply duct 14, the high-pressure charge air duct 10, which merges into the charge air duct 11 and leads to the internal combustion engine 1.
  • FIGS. 2 and 3 show a gas dynamic pressure wave machine according to the invention, on which a large number of improvements have been carried out in order to substantially increase the overall efficiency.
  • Pressure wave machine 30 is connected via the high-pressure exhaust gas duct 31 and the high-pressure charge air duct 32 to the schematically illustrated internal combustion engine 33.
  • the gas housing 34 there is also the low-pressure exhaust gas duct 35, and it can be seen from this figure that the two ducts, i. H. the high-pressure exhaust duct and the low-pressure exhaust duct open into the gas housing on the rotor side as sector-shaped openings, each with an opening edge 36 or 37.
  • the rotor 40 with its cells 41 can also be seen, the rotor being arranged in a casing 42 and being driven, for example, by a belt drive 43.
  • the pressure wave machine is an open system, which means that there is a direct connection between the exhaust part and the fresh air part via the rotor consists. As a result, however, the engine pressure pulsations are also transferred from the exhaust gas high-pressure section to the fresh air high-pressure section.
  • the connecting line 46 which leads from the high-pressure charge air duct 32 into the high-pressure exhaust gas duct 31, can be seen in FIGS. This transfers the positive pressure surges in the high-pressure charge air duct to the high-pressure exhaust gas duct.
  • the connecting line contains a check valve 47, which is optionally provided with an electronic control. The check valve acts as a control in the sense that only pressure surges are transmitted whose energy level is higher than the current pressure in the high-pressure exhaust gas duct. In particular, the negative pressure pulses, i. H.
  • the state of the quasi-negative pressure in the high-pressure exhaust gas duct is raised and the entire pressure level is increased both within the high-pressure exhaust gas duct and the high-pressure charge air duct by smoothing the negative pressure pulses.
  • the pressure level in the rotor can be raised significantly before the high-pressure exhaust duct is opened, and the pulsations arriving from there are dampened.
  • this measure reduces the inflow losses of the hot exhaust gas into the rotor, since the entire process is damped.
  • a further improvement can be achieved if the branch, which in FIG. 2 or 3 is arranged somewhere between the high-pressure charge-air duct edge and the engine inlet, is arranged directly after the opening edge of the high-pressure charge-air duct.
  • This variant is not shown for the sake of clarity.
  • the pressure wave machine according to the prior art is heavily dependent on filling.
  • the provision of a connecting line allows the return of charge air to the high-pressure exhaust side of the pressure wave machine, thereby increasing the mass flow rate of the machine and thus increasing the degree of filling, which is reflected in a significant increase in pressure.
  • An additional regulation of the recirculated fresh air high pressure quantity by means of the regulated
  • Check valve can thus be used for boost pressure control in general and for gasoline engines in addition for power control.
  • the pressure wave machine can be dimensioned somewhat larger at higher engine throughputs without losing boost pressure at lower engine throughputs.
  • This can also be done, for example, by regulating the cross section of the connecting channel by means of a suitable, known device, it being possible to use either the regulated check valve or an additional cross section control. This is particularly effective in the lower to medium speed, temperature and load range of the internal combustion engine.

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Abstract

Die gasdynamische Druckwellenmaschine, die bestimmt ist, einer Verbrennungsmaschine Ladeluft zuzuführen, weist einen Zellen (18, 41) aufweisenden Rotor (6, 40), einen Niederdruck-Frischluftzufuhrkanal (14, 38), einen zur Verbrennungsmaschine (1, 33) führenden Hochdruck-Ladeluftkanal (10, 32), einen von der Verbrennungsmaschine herkommenden Hochdruck-Abgaskanal (3, 31) und einen Niederdruck-Abgaskanal (4, 35) auf, wobei der Niederdruck-Abgaskanal (4, 35) und der Hochdruck-Abgaskanal (3, 31) in einem Gasgehäuse (5, 34) und der Niederdruck-Frischluftzufuhrkanal (14, 38) und der Hochdruck-Ladeluftkanal (10, 32) in einem Luftgehäuse (15, 39) angeordnet sind. Um einerseits die schädlichen Druckpulsation en zu beseitigen und andererseits den Kompressions-Wirkungsgrad zu erhöhen, ist zwischen dem Hochdruck-Ladeluftkanal (32) und dem Hochdruck-Abgaskanal (31) eine direkte Verbindungsleitung (46) angeordnet, die vorzugsweise ein Rückschlagventil (47) aufweist.

Description

GASDYNAMISCHE DRUCKWELLENMASCHINE
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine gasdynamische Druck ellenmaschme gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs. Eine solche
Druckwellenmaschme ist aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der CH-A-681 738.
Da die Druckwellenmaschme nach Stand der Technik konzeptbedingt nur mit einem möglichst pulsationsfreien
Gleichdrucksystem gute Wirkungsgrade liefert, wird vor αer Druckwellenmaschme ein Volumen den Abgassammler integriert, um die Motorpulsationen zu dampfen. Ohne diese Dampfung wurden die harten Motorpulsationen vor allem bei tieferen Motordrehzahlen αurch den Abgaskanal des
Gasgehauses der Druckwellenmaschme m den Rotor eindringen und den eigentlichen Druckwellenprozess der Druckwellenmaschme stören, was sich m einer deutlichen Verschlechterung der Wirkungsgrade und erhöhter Rezirkulation bemerkbar macht. Das im Abgassammler vor der Druckwellenmaschme integrierte, relativ grosse Volumen vermag nur einen Teil dieser Pulsationen zu dampfen, nicht aber zu beseitigen. Ebenso hat ein solches Abgassammler- Volumen den Nachteil des grosseren Bauvolumens und der grosseren Wärmekapazität.
Die Standard-Druckwellenmaschme ist für hohe Ladedr cke und gute Wirkungsgrade stark fullungsabhangig. Bei tiefem Verbrennungsmotor-Durchsatz sinkt die Füllung im Rotor der Druckwellenmaschme und somit auch der Ladedruck. Die
Maschine ist in diesem Kennfeldbereich eigentlich zu gross. Bei hohem Verbrennungsmotor-Durchsatz steigt die Füllung stark an und der Kompressionswirkungsgrad verschlechtert sich. In diesem Kennfeldbereich ist die Druckwellenmaschme also eigentlich zu klein. Es ist von diesem Stand der Technik ausgehend Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Druckwellenmaschine anzugeben, die bei kleinerem Abgassammler-Volumen die schädlichen Pulsationen beseitigt und den Ko pressions-Wirkungsgrad erhöht. Diese Aufgabe wird mit einer Druckwellenmaschine nach Anspruch 1 gelöst.
Weitere Vorteile und Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Druckwellenmaschine sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch einen abgewickelten zylindrischen Schnitt durch die Zellen eines Rotors einer Druckwellenmaschine gemäss Stand der Technik,
Figur 2 zeigt eine allgemeine Darstellung einer erfindungsgemässen gasdynamischen Druckwellenmaschine, und
Figur 3 zeigt in perspektivischer Sicht die gasdynamische Druckwellenmaschine gemäss Figur 2.
Der Einfachheit halber ist in der Abwicklung gemäss Figur 1 ein Druckwellen-Zyklus dargestellt und beschrieben, während in den Figuren 2 und 3 eine Zwei-Zyklusmaschine dargestellt ist. Die Erfindung ist jedoch von der Anzahl Druckwellen- Zyklen unabhängig, sie kann für Druckwellenmaschinen mit nur einem Zyklus oder aber mit zwei oder mehr Zyklen angewandt werden. Figur 1 zeigt eine Abwicklung des Rotors einer Druckwellenmaschine gemäss Stand der Technik und man erkennt die Verbrennungsmaschine 1, die gasdynamische Druckwellenmaschine 2, den Hochdruck-Abgaskanal 3 und den Niederdruck-Abgaskanal 4 inklusive der Spülluft S, den Rotor 6 mit den einzelnen Zellen 18, den Frischlufteintritt 8, bzw. Niederdruck-Frischluftzufuhrkanal 14, den Hochdruck- Ladeluftkanal 10, der in den Ladeluftkanal 11 übergeht und zur Verbrennungsmaschine 1 führt.
In den Figuren 2 und 3 ist eine erfindungsgemässe gasdynamische Druckwellenmaschine dargestellt, an der eine Vielzahl von Verbesserungen durchgeführt worden sind, um insgesamt den Wirkungsgrad wesentlich zu erhöhen. Die
Druckwellenmaschine 30 ist über den Hochdruck-Abgaskanal 31 und den Hochdruck-Ladeluftkanal 32 mit der schematisch dargestellten Verbrennungsmaschine 33 verbunden. Im Gasgehäuse 34 befindet sich ferner der Niederdruck- Abgaskanal 35, und es ist aus dieser Figur ersichtlich, dass die beiden Kanäle, d. h. der Hochdruck-Abgaskanal und der Niederdruck-Abgaskanal, im Gasgehäuse rotorseitig als sektorförmige Oeffnungen mit je einer Oeffnungskante 36, bzw. 37 münden. Man erkennt ferner den Rotor 40 mit seinen Zellen 41, wobei der Rotor in einem Mantel 42 angeordnet ist und beispielsweise durch einen Riemenantrieb 43 angetrieben wird.
Wie bereits eingangs erwähnt, muss das für die vorbekannten Druckwellenmaschinen verwendete Abgassammler-Volumen zur
Dämpfung der Motorpulsationen relativ gross sein und vermag trotzdem nicht die schädlichen Pulsationen zu beseitigen. Die Druckwellenmaschine stellt ein offenes System dar, und das heisst, dass zwischen dem Abgasteil und dem Frischluftteil eine direkte Verbindung über den Rotor besteht. Dadurch werden aber auch die Motordruckpulsationen vom Abgas-Hochdruckteil auf den Frischluft-Hochdruckteil übertragen.
Durch eine direkte Frischluftzuführung in den Abgaskanal kann nun dieser Nachteil behoben werden. Man erkennt in den Figuren 2 und 3 die Verbindungsleitung 46, die vom Hochdruck-Ladeluftkanal 32 in den Hochdruck-Abgaskanal 31 führt. Dadurch werden die positiven Druckstösse im Hochdruck-Ladeluftkanal auf den Hochdruck-Abgaskanal übertragen. Die Verbindungsleitung enthält ein Rückschlagventil 47, das gegebenenfalls mit einer elektronischen Regelung versehen ist. Dabei wirkt das Rückschlagventil als Regelung in dem Sinne, dass nur Druckstösse übertragen werden, deren energetisches Niveau höher liegt als der momentane Druck im Hochdruck-Abgaskanal. Damit werden vor allem die negativen Druckpulse, d. h. der Zustand des Quasi-Unterdruckes im Hochdruck-Abgaskanal, angehoben und das gesamte Druckniveau sowohl innerhalb des Hochdruck-Abgaskanals als auch des Hochdruck-Ladeluftkanals durch die Glättung der negativen Druckpulse angehoben. Dadurch kann das Druckniveau im Rotor vor dem Öffnen des Hochdruck-Abgaskanals deutlich angehoben werden, und die von dort eintreffenden Pulsationen werden gedämpft. Ausserdem verringert diese Massnahme die Einströmverluste des heissen Abgases in den Rotor, da der ganze Prozess gedämpft wird.
Eine weitere Verbesserung kann erzielt werden, falls die Abzweigung, die in Figur 2 oder 3 irgendwo zwischen der Hochdruck-Ladeluftkanal-Kante und dem Motoreinlass angeordnet ist, direkt nach der Öffnungskante des Hochdruck- Ladeluftkanals angeordnet wird. Diese Variante ist der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet. Wie bereits erwähnt wurde, ist die Druckwellenmaschine nach Stand der Technik stark füllungsabhängig. Zusätzlich zur Reduzierung der Druckpulsationen, wie oben beschrieben, erlaubt das Vorsehen einer Verbindungsleitung die Rückführung von Ladeluft auf die Hochdruck-Abgasseite der Druckwellenmaschine, dadurch eine Erhöhung des Massendurchsatzes der Maschine und somit eine Erhöhung des Füllgrades, was sich in einer deutlichen Drucksteigerung bemerkbar macht. Eine zusätzliche Regelung der rückgeführten Frischluft-Hochdruckmenge mittels dem geregelten
Rückschlagventil kann somit zur Ladedruckregelung im allgemeinen und- beim Otto-Motor zusätzlich zur Leistungsregelung verwendet werden.
Das heisst mit anderen Worten, dass die Druckwellenmaschine zur Verbesserung des Kompressionswirkungsgrades bei höheren Motordurchsätzen etwas grösser dimensioniert werden kann, ohne bei tieferen Motordurchsätzen an Ladedruck zu verlieren. Dies kann beispielsweise auch dadurch geschehen, dass der Querschnitt des Verbindungskanals mittels einer geeigneten, bekannten Vorrichtung geregelt wird, wobei entweder das geregelte Rückschlagventil oder eine zusätzliche Querschnittsregelung eingesetzt werden kann. Dies ist besonders wirksam im unteren bis mittleren Drehzahl-, Temperatur- und Lastbereich des Verbrennungsmotors .

Claims

Patentansprüche
1. Gasdynamische Druckwellenmaschine, die bestimmt ist, einer Verbrennungsmaschine Ladeluft zuzuführen, mit einem Zellen (18, 41) aufweisenden Rotor (6, 40), einem
Niederdruck-Frischluftzufuhrkanal (14, 38), einem zur Verbrennungsmaschine (1, 33) führenden Hochdruck- Ladeluftkanal (10, 32) , einem von der Verbrennungsmaschine herkommenden Hochdruck-Abgaskanal (3, 31) und einem Niederdruck-Abgaskanal (4, 35), wobei der Niederdruck- Abgaskanal (4, 35) und der Hochdruck-Abgaskanal (3, 31) in einem Gasgehäuse (5, 34) und der Niederdruck- Frischluftzufuhrkanal (14, 38) und der Hochdruck- Ladeluftkanal (10, 32) in einem Luftgehäuse (15, 39) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine
Verbindungsleitung (46) zwischen dem Hochdruck-Ladeluftkanal (32) und dem Hochdruck-Abgaskanal (31) aufweist.
2. Gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (46) ein Rückschlagventil (47) aufweist, um zu verhindern, dass Abgas in die Ladeluft gelangt, und um die schädlichen Druckstösse auszufiltern.
3. Gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (47) über eine elektronische Schaltung gesteuert ist.
4. Gasdynamische Druckwellenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
Querschnitt der Verbindungsleitung (46) durch eine Regeleinrichtung veränderbar ist.
5. Gasdynamische Druckwellenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (46) nahe der Oeffnungskante des Hochdruck-Ladeluftkanals (32) abzweigt.
PCT/EP1998/005379 1997-08-29 1998-08-25 Gasdynamische druckwellenmaschine WO1999011915A1 (de)

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