Gasdynamische Druckwellenmaschine mit Abgasbypass

Abstract

 Bei einer gasdynamischen Druckwellenmaschine mit einem Abgasbypass (sog. waste-gate) ist im Bypass (11) eine Klappe (12) vorgesehen, die zur Begrenzung des Spitzendrucks im Verbrennungsmotor (9) bei höheren Motordrehzahlen öffnet. Eine Klappensteuerung mittels Druckdose (14) ist vorgesehen mit einem Prozessdruck, beispielsweise Abgasdruck, als Steuergrösse. Zur Höhenkompensation und zur Temperaturkompensation wird der Prozessdruck mit einem Konstantdruck (Vakuum oder Ueberdruck) gekoppelt, derart, dass mit abnehmendem Atmosphärendruck der Prozessdruck um den gleichen Betrag zu erhöhen ist. Hierzu ist die Druckdose (14) in zwei durch eine Membran (15) getrennte Kammern (16, 17) unterteilt, von denen eine mit dem Prozessdruck beaufschlagt wird und die andere unter konstantem Druck gehalten wird. Die Membran (15) wirkt über ein Gestänge (19-23) auf die Klappe (12).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine gasdynamische Druckwellenmaschine zur Aufladung eines Verbrennungsmotors, in welcher im Gasgehäuse ein Abgasbypass mit einer mediumgesteuerten Klappe den Hochdruckgas-Zuströmkanal mit dem Niederdruckgas-Abströmkanal verbindet.

[0002] Die Anwendung eines Abgasbypasses bei mittels Druckwellenmaschinen 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 verfügen, welches durch den flachen Druckverlauf über den ganzen Motordrehzahlbereich verleiht wird, muss hier indes - im Vergleich 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 Brennstoffverbrauch nur in einem schmalen Bereich auf, der beim Personenkraftwagen erfahrungsgemäss selten vorkommt.

[0003] Eine Regelung des Ladeluftdruckes durch gezieltes Abblasen bei einer eingangs genannten Druckwellenmaschine ist aus der GB-PS 775,271 bekannt. Wenn der Abgasdruck einen vorbestimmten Wert übersteigt, öffnet 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.

[0004] Da auch bei Bergfahrten diese bekannte Abblaseregelung immer nur mit einem fest eingestellten Ueberdruck arbeitet, öffnet der Bypass unter diesen Bedingungen zu früh, so dass der für Beschleunigungsvorgänge benötigte Enddruck infolge geringer werdender Luftdichte bei steigender Höhe nicht erreicht wird.

[0005] Der im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 definierten Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine vom Atmosphärendruck unabhängige Ladedruck-Begrenzungseinrichtung zu schaffen.

[0006] Die Anwendung einer an sich bekannten Druckdose, deren Membran mit der zu betätigenden Klappe mechanisch gekuppelt ist, ist als besonders einfache und billige Lösung zu betrachten.

[0007] Aehnliche Druckdosen zur Betätigung eines Bypassventils sind bei Abgasturboladern bekannt (DE-AS 28 22 207). Dadurch, dass anlässlich des Ventilhubes in der einen Kammer der massgebende Steuerdruck anliegt, in der anderen Kammer hingegen ein atmosphärisch beeinflusster Druck vorherrscht, ist diese Anordnung ungeeignet, um eine Höhenkorrektur vorzunehmen.

[0008] Um die Energie des Bypassstromes zumindest teilweise zu rekuperieren, kann bei Druckwellenmaschinen, welche zur Gewährleistung der Niederdruckspülung eine zeitlich nach der Hochdruckgas-Zuströmöffnung angeordnete Gastasche im Gasgehäuse aufweisen (Druckschrift Nr. CH-T 123 143 der Anmelderin) diese Gastasche mit dem Bypass verbunden werden. Diese Verbindung wird zweckmässigerweise hinter der Klappe vorgenommen. Ist sie als bis in die Gastasche reichende Wandbohrung konzipiert, so wird die Gastasche bei offener Klappe mit dem statischen Druck des Bypassstromes beaufschlagt. Ein grösserer Rückgewinn wird dadurch erzielt, dass die Verbindung als ein in die Kernströmung gerichtetes offenes Entnahmerohr in der Art einer Durchströmsonde ausgebildet ist.

[0009] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Die einzige Figur zeigt eine Abwicklung eines Zylinderschnittes in halber Höhe der Zellen durch den Rotor und durch die daran anschliessenden Partien der Seitenteile des Gehäuses.

[0010] Der grundsätzliche Aufbau einer Druckwellenmaschine und deren genaue Struktur kann der bereits genannten Druckschrift CH-T 123 143 entnommen werden. Die 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 1 zugekehrten Seiten mit nur je einer Hochdruck- und einer Niederdruck- öffnung versehen sind. Um die Funktion des Systems übersichtlicher zu erläutern, sind die Strömungsrichtungen der Arbeitsmedien und die Drehrichtung der Druckwellenmaschine mit Pfeilen bezeichnet.

[0011] Die heissen Abgase des Verbrennungsmotors 9 treten durch den Hochdruckgas-Zuströmkanal 4 in den mit axialgeraden, beidseitig offenen Zellen 5 versehenen Rotor 1 ein, expandieren darin und verlassen ihn über den Niederdruckgas-Abströmkanal 6 in den nicht gezeigten Auspuff. Auf der Luftseite wird atmosphärische Frischluft angesaugt, stromt über den Niederdruckluft-Eintrittskanal 7 axial in den Rotor 1 ein, wird darin verdichtet und verlässt ihn als Ladeluft über den Hochdruckluft-Austrittskanal 8 zum Motor 9 hin.

[0012] Zum Verständnis des eigentlichen, äusserst komplexen gasdynamischen Druckwellenprozesses, welcher nicht Erfindungsgegenstand ist, wird auf die schon genannte Druckschrift CH-T 123 143 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 1, welche sich bei Drehung des letzteren in Pfeilrichtung nach unten bewegt. Die Druckwellenvorgänge laufen im Innern des Rotors ab und bewirken im wesentlichen, dass sich ein gasgefüllter Raum und ein luftgefüllter Raum bilden. Im ersteren entspannt sich das Abgas und entweicht dann in den Niederdruckgas-Abströmkanal 6,während im zweiten ein Teil der angesaugten Frischluft verdichtet und in den Hochdruckluft-Austrittskanal 8 ausgeschoben wird. Der verbleibende Frischluftanteil wird durch den Rotor in den Niederdruckgas-Abströmkanal 6 überspült und bewirkt damit den vollständigen Austritt der Abgase. Diese Spülung ist für den Prozessablauf wesentlich und muss unter allen Umständen aufrechterhalten bleiben. Es muss auf jeden Fall vermieden werden, dass Abgas im Rotor 1 verbleibt und bei einem nachfolgenden Zyklus mit der Ladeluft dem Motor 9 zugeführt wird. Darüber hinaus kühlt die Spülluft die durch die heissen Abgase stark aufgeheizten Zellenwände ab.

[0013] Im Steg 10 zwischen Hochdruckgas-Zuströmkanal 4 und Niederdruckgas-Abströmkanal 6 ist ein Bypass 11 mit einer mediumgesteuerten Klappe 12 angeordnet, wie es aus der GB-PS 775,271 bekannt ist. Diese Klappe 12 ist im vorliegenden Fall innerhalb des Bypasses 11 schwenkbar in einem nicht näher bezeichneten Drehpunkt gelagert. Als Steuetmittel für di_P Klappenbetätigung wird uber eine Leitung 13 Hochdruckgas stiomaufwärts des Druckwellenprozesses entnommen und damit eine Druckdose 14 beaufschlagt.

[0014] 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. Die Darstellung dieser Elemente erfolgt nur schematisch. Die gezeigte und nachstehend beschriebene Konfiguration ist selbstverständlich nicht die einfachste und wirkungsvollste. Sie wurde lediglich gewählt, um das Erfindungsprinzip unmissverständlich zu erläutern.

[0015] In der Kammer 17 herrscht in der Ausgangslage ein konstanter Druck, der entweder ein Teilvakuum, Vollvakuum oder ein Uebepdruck sein kann. In der Gleichgewichtslage der Membran 15, d.h. wenn in der Kammer 16 nur Atmosphärendruck herrscht, ist die Bypassklappe 12 geschlossen. Beim Motorenbetrieb in der Ebene, beispielsweise auf Meereshöhe, wird mit steigendem Abgasdruok die Membran 15 gegen die Federwirkung nach rechts bewegt. Es wird hier eine sehr weiche Feder 18 und ein nur geringer Gegendruck in der Kammer 17 vorausgesetzt, so dass die Membranbewegung frühzeitig einsetzt. Ab einem bestimmten Gasdruck, dem sogenannten Ansprechdruck, liegt die Mitnehmerfläche 22 der an der Verbindungsstange 19. angeordneten Hülse 21 an der Endfläche 23 der zur Klappe 12 führenden Verbindungsstange 20 an. Wird durch erhöhte Motorendrehzahl der Abgasdruck nun weiter gesteigert und die Membran weiter nach rechts bewegt, so öffnet die Bypassklappe 12.

[0016] In Höhenlagen, beispielsweise beim Befahren von Passstrassen im Gebirge, nimmt die Leistung des Motors wegen der geringen Luftdichte ab. Abgastemperatur und Rauch nehmen hingegen zu. Ueber diese steigende Abgastemperatur, welche den Druckwellenprozess verbessert, wird der hhhenbedingte Leistungsverlust zu einem grossen,allerdings unzureirhend^pn Teil ausgeglichen.

[0017] Die Anwendung einer vom Umgebungsdruck abhängigen Bypassverstelleinrichtung ohne Höhenkorrektur, wie sie aus der DE-AS 28 22 207 bekannt ist, würde sich jetzt jedoch nachteilig auswirken. Bei dieser bekannten Druckdose wird durch den geringen Aussendruck die Kraft in Ventilschliessrichtung geringer, wodurch der Bypass bei noch tieferem Steuerdruck öffnet als bei einem Betrieb auf Meereshöhe. Dies hätte einen niedrigeren Ladedruck zur Folge sowie einen Leistungsabfall wie bei einem reinen Saugmotor.

[0018] Die Anwendung einer Druckdose gemäss der Erfindung schafft hier Abhilfe, was zunächst in einer Phase mit verschlossenem Bypass erläutert wird. Der niedrige Aussendruck in der Höhe schafft einen neuen Gleichgewichtszustand durch eine Ausdehnung der Kammer 17 und somit einer Membranbewegung nach links. Hierdurch ist auch die Verbindungsstange 19 nach links verschoben. Um diese Bewegung bei ohnehin geschlossener Klappe 15 zu gestatten, gleitet die Hülse 21 der Membranverbindungsstange 19 ohne Kraftausübung über die Endfläche 23 der Klappenverbindungsstange 20.

[0019] Wird nun der Motor belastet, so wird mit zunehmendem Abgasdruck die Membran 15 und die Hülse 21 nach rechts bewegt, ohne dabei im Eingriff mit der Klappenverbindungsstange 20 zu sein. Auch jener Abgasdruck, der auf Meereshöhe bereits die Klappe öffnet, reicht hierzu in der Höhe nicht aus. Erst bei weiterer Erhöhung der Motordrehzahl und somit Steigerung des Ladedrucks bzw. Abgasdruckes kommt die Mitnehmerfläche 22 an der Endfläche 23 zum Anschlag. Mit dem dann einsetzenden Hub der Verbindungsstange 20 wird die Klappe in Oeffnungsrichtung betätigt.

[0020] Die Dimensionierung aller beteiligten Elemente erfolgt derart, dass lediglich eine echte Höhenkompensation vorgenommen wird. Die Grössenordnung der Verschiebungen wird so gewählt, dass die Klappe 12 stets bei gleichem absoluten Ansprechdruck zu öffnen beginnt. Ausgehend von Meereshöhe heisst dies, dass um den gleichen Betrag, um den der Atmosphärendruck mit zunehmender Höhe sinkt, der massgebende Steuerdruck in der Kammer 16 erhöht werden muss, um die Membran 15 in die Klappen-Ansprechstellung zu bewegen.

[0021] Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist die Verbindung des Bypasses 11 mit einer Gastasche 24, die ebenfalls im Steg 10 zwischen dem Hochdruckgas-Zuströmkanal 4 und dem Niederdruckgas-Abströmkanal 6 angeordnet ist und zum Rotor 1 hin offen ist. Je nach Maschinenauslegung ist eine derartige Gastasche unerlässlich, um die Spülung - d.h., das vollständige Ausschieben der expandierten Gase in den Auspuff - in der Niederdruckzone in jedem Betriebszustand aufrechtzuerhalten. Beim Betrieb mit geschlossenem Bypass bezieht diese Gastasche Hochdruckabgasenergie über die Oeffnung 25 im Steg 10. Diese Energiezufuhr vermag das Kennfeld der Druckwellenmaschine zu verschieben und das Schluckvermögen zu verändern. Beim Bypassbetrieb kann der Fall eintreten, dass die Versorgung der Gastasche mit Hochdruckabgas ungenügend ist, was die unbedingt erforderliche Niederdruckspülung beeinträchtigt.

[0022] Hier setzt nun die Erfindung ein, indem bei offener Klappe 12 ein entsprechend bemessener Anteil der Bypassströmung in ein sondenähnliches Entnahmerohr 26 einströmt und in die Gastasche 24 geleitet wird. Von dort gelangt der energiereiche Tascheninhalt zum bereits entspannten Gas in den Zellen 5 und erfüllt dort seine ihm eigene Funktion.

[0023] Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das Dargestellte und das Beschriebene beschränkt. In Abweichung hiervon könnte als Steuergrösse statt des Abgasdruckes genauso gut der Ladeluftdruck oder jeder andere Prozessdruck zur Anwendung gelangen. Des weiteren könnte die Druckdose ein eigentlicher Druckzylinder sein, in dem die beschriebene Membran durch einen hin und her gehender Kolben ersetzt ist. Ferner könnte bei Anwendung einer Membran diese gleichzeitig als Feder ausgebildet sein. Auch eine Gummiblase wäre als Behältnis für den zu speichernden Konstantdruck denkbar. Der Konstantdruck kann selbstverständlich auch zu Anpassungszwecken variiert werden, wozu die entsprechende Kammer mit einem Ventil, beispielsweise einem Kugelrückschlagventil versehen werden kann.

[0024] Ueberhaupt sind bei der Wahl des Konstantdruckes zwei grundsätzliche Möglichkeiten gegeben. Verwendet man hierzu einen hohen Ueberdruck in der Kammer 17 und eine sehr weiche Feder 18, so erhält man eine für die Klappensteuerung interessante, progressive Steuerdruck/Hubfunktion. Andere Ueberlegungen liegen der Anwendung von Vakuum als Konstantdruck und harter Feder 18 zugrunde. Hier kommt der Federcharakteristik eine ausschlaggebende Bedeutung zu. Von Vorteil ist eine Vakuumdose insofern, als hier Temperatureinflüsse ausgeschaltet werden, die sich je nach Anordnung der Druckdose im heissen Motorraum ergeben können. Bei Ueberdruckdosen beeinflussen diese Temperaturen den Druck in der Kammer 17, den es konstant zu halten gilt.

[0025] Schliesslich muss der Bypass 11 nicht unbedingt im Steg 10 des Gasgehäuses 2 angeordnet sein. Genauso gut könnte er ausserhalb der Druckwellenmaschine in den Leitungen untergebracht sein, die zum und vom Hochdruckgas-Zuströmkanal 4 resp. Niederdruckgas-Abströmkanal 6 führen.

Ansprüche

1. Gasdynamische Druckwellenmaschine zur Aufladung eines Verbrennungsmotors, in welcher im Gasgehäuse ein Abgasbypass mit einer mediumgesteuerten Klappe den Hochdruckgas-Zuströmkanal mit dem Niederdruckgas-Abströmkanal verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass zur Betätigung der Bypassklappe (12) eine an sich bekannte Druckdose (14) vorgesehen ist, die von einer mit der Klappe (12) verbundenen, beweglichen Membran (15) in zwei Kammern (16, 17) unterteilt ist, von denen eine Kammer (16) mit einem Steuerdruck beaufschlagt ist, urrd dass in der zweiten Kammer (17) ein konstanter Druck herrscht der entweder grösser oder kleiner als der atmosphärische Druck ist.

2. Gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, bei welcher im Gasgehäuse (2) zwischen Hochdruckgas-Zuströmkanal (4) und Niederdruckgas-Abströmkanal (6) eine zum Rotor hin offene Gastasche (24) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasbypass (11) stromabwärts der Klappe (12) mit der Gastasche (24) verbunden ist.

3. Gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gastasche (24) mit dem Bypass (11) über ein in die Kernströmung des Bypasses (11) gerichtetes Entnahmerohr (26) verbunden ist.

Zeichnung