Mittels einer gasdynamischen Druckwellenmaschine aufgeladene Brennkraftmaschine

Abstract

 Zur Verbesserung des Ladeluft-Druckverhältnisses wird in eine Druckwellenmaschine (14) zusätzlich vorverdichtete Luft eingeleitet, wobei die Einführung dieser Zusatzluft durch eine zusätzliche Öffnung (VK) im luftseitigen Seitenteil (28) der Druckwellenmaschine erfolgt. Diese zusätzliche Öffnung (VK) befindet sich in Umfangsrichtung des Zellenrades (26) zwischen dem Niederdruck-Einlass (1 v) und dem Hochdruck-Auslass (2 n ) und ist so breit bemessen, dass sie mindestens zwei Druckwellen-Laufzeiten (a, b) entspricht. Die Zusatzluft, deren Anteil an der Gesamtluftmenge etwa 25% beträgt, wird den Rotorzellen ungekühlt zugeführt und zur Vorverdichtung derselben kann entweder eine zweite Druckwellenmaschine (15) der ersten Druckwellenmaschine (14) parallel vorgeschaltet werden, oder es kann ebenfalls abgasseitig ein Abgas-Turbolader (22) oder ein abgasunabhängig angetriebener Verdichter vorgesehen werden.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine mittels gasdynamischer Druckwellenmaschine aufgeladene Brennkraftmaschine, wobei die Druckwellenmaschine im wesentlichen aus einem Zellenrotor und einem aus Mittel- und je einem luftseitiggen und einem gasseitigen Seitenteil gebildeten Gehäuse besteht.

[0002] Zur Aufladung von Verbrennungsmotoren und zur Erhöhung des effektiven Mitteldruckes werden fast ausschliesslich Abgasturbolader verschiedener Bauart und Leistung verwendet. Neben den von den Abgasen des Verbrennungsmotors angetriebenen Turboladern können auch durch Fremdantrieb und teilweise mit Selbstantrieb versehene gasdynamische Druckwellenmaschinen zum Einsatz kommen, welche sich wegen ihres schnellen Ansprechens, insbesondere bei Lastwechseln, wie sie bei Fahrzeugdieselmotoren besonders häufig vorkommen, auszeichnen,

[0003] Für Motoren, bei welchen Höchstleistungen gefordert werden, wird auch eine zweistufige Aufladung der Motoren mit Abgasturboladern angewendet, wobei die Luftverdichtung in einem Hochdruck- und einem Niederdruckverdichter erfolgt, wie beispielsweise in der CH-PS 371 633 beschrieben. Dabei werden die beiden Abgasturbolader in Serie geschaltet.

[0004] Von Nachteil bei einer derartigen Anordnung ist jedoch, dass die von dem Abgas des Motors. angetriebenen Turbolader den Lastwechseln des Motors nur mit einer Verzögerung folgen können, welche abhängig ist von der Massenträgheit der Turbolader-Rotoren, vom Aufladeverfahren und von den einzelnen Betriebsbereichen, wodurch das Ansprechverhalten des Motors leidet.

[0005] Des weiteren sind Kombinationen eines Abgasturboladers mit einer gasdynamischen Druckwellenmaschine bekanntgeworden, welche abgasseitig und luftseitig in Serie geschaltet und jeweils für eine Stufe eingesetzt sind (DE-OS 26 33 568). Bei dieser Ausbildung einer zweistufigen Aufladung wird der Abgasturbolader für die Hochdruckstufe und die Druckwellenmaschine für die Niederdruckstufe verwendet, wobei die aus dem Abgasturbolader der Hochdruckstufe austretenden Abgase der Druckwellenmaschine zugeleitet werden. Um jedoch den Aufladungsprozess zu verbessern und die zulässige Eintrittstemperatur des Verdichters nicht zu überschreiten, wird eine Zwischenkühlung der Verbrennungsluft zwischen der Druckwellenmaschine und dem Abgasturbolader erforderlich. Dadurch wird wiederum das Installationsvolumen, welches gerade bei Verwendung an Fahrzeugmotoren meistens stark eingeschränkt ist, wesentlich vergrössert. Ebenso erhöhen sich die Kosten einer solchen Anlage dadurch wesentlich. Ferner leidet bei einer Serienschaltung der boide Aufladegeräte wiederum das Ansprechverha

der

[0006] Trägheit des Abgas-Turboladers.

[0007] Bei einem eventuellen Wegfall der Zwischenkühlung nach der ersten Stufe, d.h. nach der Druckwellenmaschine, um dadurch das Installationsvolumen zu verringern, darf aber die Eintrittstemperatur vor dem Hochdruckverdichter einen vorbestimmten Grenzwert auf keinen Fall überschreiten, wodurch das Druckverhältnis der ersten Stufe begrenzt. ist.

[0008] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zur Hochaufladung eines Verbrennungsmotors zu schaffen, welche die bekannten Nachteile nicht aufweist, welche ein geringes Installationsvolumen benötigt und welche kostengünstig hergestellt werden kann.

[0009] Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das luftseitige Seitenteil der Druckwellenmaschine mit einer zusätzlichen Oeffnung versehen ist, welche sich in Umfangsrichtung des Zellenrades zwischen Niederdruck-Einlass und Hochdruck-Auslass befindet und über die vorverdichtete Zusatzluft in die Rotorzellen eingeführt wird.

[0010] Eine solche Oeffnung im luftseitigen Seitenteil ist zwar bekannt (CH-PS 552 125, Fig. 7), wobei durch diese Oeffnung eine geringe Abgasmenge in die Luftseite des Zellenrotors eingeführt wird, Dadurch soll jedoch eine Reduzierung der Schadstoffe erreicht werden, während gemäss der erfindungsgemässen Zufuhr von vorverdichteter Luft das Ladedruckverhältnis verändert werden soll.

[0011] Durch die Einleitung vorverdichteter Zusatzluft wird in der Druckwellenmaschine ein höheres Ladeluft-Druckverhältnis erzielt. Die Einführung erfolgt über die genannte zusätzliche Oeffnung im Luftgehäuse der Druckwellenmaschine. Wegen des hohen Druckverhältnisses kann daher die Druckwellenmaschine relativ klein ausgebildet werden.

[0012] Gemäss einer vorteilhaften Ausbildung des Erfindungsgegenstandes beträgt der Anteil der Zusatzluft etwa 25 % der Ladeluftmenge.

[0013] Ein möglichst hoher Anteil an Zusatzluft wirkt in der Druckwellenmaschine gleichzeitig als Spülluft und gewährleistet ein gutes Durchspülen des Zellenrades, so dass keine Anteile von Abgasen in die Ladeluft gelangen können. Bedingt durch dieses Durchspülen der Druckwellenmaschine wird das Startverhalten verbessert und ein bisher erforderliches Startventil ist nicht mehr erforderlich.

[0014] Es ist weiterhin von Vorteil, dass die vorverdichtete Zusatzluft ungekühlt in die Rotorzellen eingeführt wird. Durch diese Anordnung wird ein Zwischenkühler eingespart, so dass sich das Installationsvolumen ebenfalls verringert.

[0015] Zur Vorverdichtung der Zusatzluft kann eine weitere Druckwellenmaschine abgasseitig parallel zur ersten Druckwellenmaschine geschaltet werden.

[0016] Ebenso kann zu diesem Zweck ein Abgasturbolader abgasseitig parallel zur Druckwellenmaschine geschaltet werden.

[0017] Da der Abgasturbolader zur Druckwellenmaschine nur abgasseitig parallel geschaltet ist, entfällt der Nachteil des Abgasturboladers bezüglich des Ansprechverhaltens, d.h. die Massenträgheit des Turboladers wirkt sich insofern nicht so stark aus, als der Hauptabgasstrom der Druckwellenmaschine und nur ein Teil des Abgases, d.h. etwa 25 % der Turbine des Abgasturboladers zugeleitet werden. Daher kann auch der Turbolader wesentlich kleiner als bei der bekannten Serienschaltung ausgebildet werden.

[0018] Ferner kann auch zur Vorverdichtung der Zusatzluft ein abgasunabhängig angetriebener Verdichter vorgesehen sein. Bei Verwendung eines derartigen Verdichters erhält die Druckwellenmaschine abgasseitig die volle Abgasmenge und luftseitig neben der üblich angesaugten Frischluft eine von der Abgasmenge unabhängige, vorbestimmbare Menge an vorverdichteter Luft, welche von der Auslegung des Zusatzverdichters abhängig ist. Der Verdichter kann sowohl mechanisch vom Motor, als auch über einen Fremdantrieb, beispielsweise einen Elektromotor oder einen Hydraulikmotor angetrieben werden, wobei die Drehzahl des Verdichters in jedem Fall von der Motordrehzahl und der Motorbelastung abhängig sein soll.

[0019] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zusätzliche Oeffnung im luftseitigen Seitenteil so breit bemessen ist, dass sie mindestens zwei Druckwellenlaufzeiten (a, b) entspricht. Durch diese Ausbildung der zusätzlichen Oeffnung im luftseitigen Seitenteil wird die Zelle am Schliessende der Vorkompressionsöffnung erst dann geschlossen, wenn die Reflektionswelle b das luftseitige Seitenteil erreicht hat, wodurch eine genaue Abstimmung des Druckwellenprozesses erreicht wird.

[0020] In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

[0021] Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Anordnung mit zwei abgasseitig parallel geschalteten Druckwellenmaschinen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung mit einer Druckwellenmaschine und einem abgasseitig parallel dazu geschalteten Abgasturbolader,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Abwicklung eines Zylinderschnittes in halber Höhe der Zellen durch den Läufer und durch die benachbarten Partien der Seitenteile des Gehäuses mit einer erfindungsgemässen Eintrittsöffnung für vorkomprimierte Luft,

Fig. 4 einen zugehörigen Wellenzyklus im Druck-Geschwindigkeits-Diagramm.

[0022] In den Figuren stehen für die Bezeichnung der Randbedingungskurven die Zeichen 1 für Niederdruck, 2 für Hochdruck, sowie v für den Eintritt und n für den Austritt in das, bzw. aus dem Zellenrad der Druckwellenmaschine, und VK für Vorkompression. Die Zahlen 30 - 38 bezeichnen die Zustände im Zellenrad der Druckwellenmaschine, sowie im Druck-Geschwindigkeits-Diagramm.

[0023] Gemäss Fig. l ist mit 10 eine Brennkraftmaschine mit einer Luftzuführungsleitung 11 und einer Abgasleitung 12 bezeichnet. In der Abgasleitung 12 ist ein Abzweig 13 angeordnet, über welchen eine erste Druckwellenmaschine 14, welche aus einen Zellenrotor 26 und einem aus Mittelteil 27, sowie einem luftseitigen 28 und einem abgasseitigen Seitenteil 29 gebildeten Gehäuse besteht, mit einem Teil der Abgase beaufschlagt wird, welche bei 2 v in das Seitenteil 29 der Druckwellenmaschine 14 einströmen. Ein kleinerer Teil, d.h. etwa 25 % der genannten Abgasmenge wird einer zweiten, analog zur ersten Druckwellenmaschine 14 ausgebildeten Druckwellenmaschine 15 zugeführt. Beide Druckwellenmaschinen 14, 15 sind demnach abgasseitig parallel geschaltet. Nach Durchströmen der Zellenrotoren 26 der Druckwellenmaschinen 14, 15 gelangen die Abgase durch eine Auspuffleitung 16 ins Freie. Ueber Luftansaugleitungen 17, 17' wird über (nicht dargestellte) Luftfilter den Zellenrotoren 26 der Druckwellenmaschinen 14, 15 über die Seitenteile 28 Frischluft zugeführt. In der Druckwellenmas-chine 15 erfolgt eine Vorverdichtung einer geringeren Luftmenge, d.h. ebenfalls etwa 25 % der erforderlichen Ladeluftmenge. Die vorverdichtete Luft wird über eine Leitung 18 über eine (nicht sichtbare) zusätzliche Oeffnung im luftseitigen Seitenteil 28 der Druckwellenmaschine 14 in den Zellenrotor 26 der-selben eingeführt. Die zusätzliche Oeffnung VK im luftseitigen Seitenteil 28 ist in Umfangsrichtung zwischen Niederdruck-Einlass 1 v und Hochdruck-Auslass 2 n angeordnet, wie aus der Fig. 3 ersichtlich. Die verdichtete Verbrennungsluft gelangt bei 2 n aus der Druckwellenmaschine 14 über eine weitere Leitung 19 und einen Ladeluftkühler 20 in die Luftzuführungsleitung 11 und somit in die Brennkraftmaschine 10.

[0024] In der in der Fig. 2 gezeigten Variante ist wiederum mit 10 die Brennkraftmaschine bezeichnet, deren Abgase über die Abgasleitung 12 und den Abzweig 13 zum überwiegenden Teil, nämlich etwa 75 % bei 2 v der Druckwellenmaschine 14 zugeführt werden, während etwa 25 % der Gesamtabgasmenge der Turbine 21 eines Abgasturboladers 22 zugeleitet werden. Ueber eine Welle 23 treibt die Turbine 21 einen Verdichter 24 an, in welchem über die Luftansaugleitung 17 angesaugte Luft vorverdichtet und über die Leitung 18 bei VK der Druckwellenmaschine 14 zugeführt wird. Gleichzeitig erhält die Druckwellenmaschine 14 über die Luftansaugleitung 17' zu verdichtende Frischluft. Die in der Druckwellenmaschine 14 verdichtete Luft verlässt diese bei 2 n und gelangt über die Leitung 19 und den Lade.luftkühler 20 durch die Luftzuführungsleitung 11 in die Brennkraftmaschine 10. Die entspannten Abgase verlassen die Druckwellenmaschine 14 bei 1 n, sowie die Turbine 21 über die Auspuffleitung 16.

[0025] Die Funktionsweise der erfindungsgemässen Anordnung geht aus den Fig. 3 und 4 am deutlichsten hervor.

[0026] Fig. 3 die Abwicklung eines Zylinderschnittes durch den Läufer der Druckwellenmaschine 14, bzw. ein Weg-Zeit-Diagramm zeigt, während die Fig. 4 das zugehörige Druck-Geschwindigkeits-Diagramm, wie es bei den Charakteristiken-Verfahren der instationären Gasdynamik überlicherweise Verwendung findet, darstellt.

[0027] Die Fig. 4 gibt den Zustand im Verlauf des gasdynamischen Prozesses in der Druckwellenmaschine 14 an, charakterisiert einerseits durch das Druckverhältnis

und andererseits durch die auf die Schallgeschwindigkeit bezogene Strömungsgeschwindigkeit U., wobei mit A das modifizierte Druckverhältnis₎mit P der im Zellenrotor vorherrschende Drucke mit P ein freiwählbarer Bezugsdruck bezeichnet ist, während χ den Isentropenexponenten darstellt. Die Zustandspunkte im Schnittpunkt zweier Charakteristiken sind fortlaufend numeriert, wobei in der Fig. 3 die Felder, in denen dieser Zustand herrscht, mit denselben Ziffern bezeichnet sind. Der Läufer dreht sich in Richtung des Pfeiles 25 zwischen den beiden Seitenteilen 28, 29 der Druckwellenmaschine 14. In der Niederdruckzone wird der Zellenrotor 26 mit Frischluft aus der Niederdruck-Eintrittsöffnung 1 v gespeist. Eine Kompressionswelle zwischen den Feldern 38 und 30 bremst die Strömungsgeschwindigkeit auf Null ab. Sobald eine Zelle des Zellenrotors 26 in den Bereich der Vorkompressionsöffnung VK tritt, entsteht eine Kompressionswelle a, die den Zelleninhalt auf den Zustand 31 vorverdichtet. Die Druckwelle a wird vom gasseitigen Seitenteil 29 als Druckwelle b reflektiert. Aus der Vorkompressionsöffnung VK strömt Zusatzluft in die Zelle ein. Es ergibt sich somit, dass zwecks richtiger Abstimmung des Druckwellenprozesses die Breite in Umfangsrichtung der Eintrittsöffnungen VK etwa so bemessen ist, dass sie zwei Druckwellenlaufzeiten (a, b) entspricht. Von diesem, gegenüber dem Zustand 30 erhöhten Druckniveau 31 aus beginnt dann erst die Restverdichtung des Zelleninhaltes, sobald eine Zelle gasseitig gegen die Hochdruck-Eintrittsöffnung 2 v hin öffnet. Danach läuft der bekannte Zyklus der Druckwellenmaschine ab, wie er beispielsweise in der Veröffentlichung "Shock Tube and ShockWave Research", Sonderdruck der University of Washington Press, 1978, Juli 1977, unter dem Titel "The Principle of the Pressure-Wave Machine as used for charging Diesel Engines" von Nic. Croes auf den Seiten 41 - 44 beschrieben ist. Die verdichtete Luft wird durch die Hochdruck-Austrittsöffnung 2 n, das expandierte Gas durch die Niederdruck-Austrittsöffnung 1 n ausgeschoben, und Frischluft wird durch die Niederdruck-Eintrittsöffnung 1 v angesaugt, bis wieder der Zustand 30 erreicht ist.

[0028] der In der Fig. 4 wird am Schnittpunkt/Abszisse U mit der Ordinate A die Gasgeschwindigkeit 0 und der Druck gleich dem Bezugsdruck gesetzt. Die Randbedingungskurve 1 v charaktesiert das Einströmen der Niederdruckluft, 1 n das Ausströmen des Niederdruckgases,2 v das Einströmen des Hochdruckgases, 2 n das Ausströmen der Hochdruckluft und VK das Einströmen der Zusatzluft.

[0029] Gegenüber einer Ausführung ohne die erfindungsgemässe Einleitung von Zusatzluft würde das Zustandsdiagramm der liert eingezeichneten Charakteristiken en^+- .., d.h. das Hochdruck-Niveau würde bei den Zuständen 32', 33' liegen.

[0030] Durch die vorbeschriebenen Massnahmen beträgt die Vorkompression etwa 45 % des Gesamtdruckverhältnisses bei einer Zusatzluftmenge von etwa 25 % der Ladeluftmenge.

[0031] Es ist natürlich auch möglich, anstelle der Druckwellenmaschine 15, bzw. des Abgasturboladers 22 einen abgasunabhängig angetriebenen (nicht dargestellten) Verdichter zur Erzeugung vorverdichteter Zusatzluft für die Druckwellenmaschine 14 vorzusehen. Ein derartiger Verdichter kann mit einer entsprechenden Uebersetzung von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1, elektrisch oder mittels Hydraulikantriebes angetrieben werden. Bei Verwendung eines derartigen Verdichters werden die expandierten Abgase der Druckwellenmaschine 14 direkt über die Auspuffleitung 16 abgeführt.

[0032] Durch das Einleiten vorkomprimierter Luft an einer genau definierten Stelle des luftseitigen Seitenteils 28 in den Zellenrotor 26 und die Anordnung einer abgasseitig parallel geschalteten zweiten Druckwellenmaschine, bzw. eines Turboladers wird auf relativ einfache Weise eine Hochaufladung einer Brennkraftmaschine erzielt, wobei das gesamte Installationsvolumen der Aufladekomponenten klein gehalten werden kann.

Ansprüche

1. Mittels gasdynamischer Druckwellenmaschine aufgeladene Brennkraftmaschine, wobei die Druckwellenmaschine im wesentlichen aus einem Zellenrotor und einem aus Mittel-und je einem luftseitigen und einem gasseitigen Seitenteil gebildeten Gehäuse besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das luftseitige Seitenteil der Druckwellenmaschine (14) mit einer zusätzlichen Oeffnung (VK) versehen ist, welche sich in Umfangsrichtung des Zellenrades zwischen Niederdruck-Einlass (1 v) und Hochdruck-Auslass (2 n) befindet und über die vorverdichtete Zusatzluft in die Rotorzellen eingeführt wird.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Zusatzluft etwa 25 % der Ladeluftmenge beträgt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die vorverdichtete Zusatzluft ungekühlt in die Rotorzellen eingeführt wird.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorverdichtung der Zusatzluft eine weitere Druckwellenmaschine (15) zur ersten Druckwellenmaschine (14) abgasseitig parallel geschaltet vorgesehen ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorverdichtung der Zusatzluft ein Abgasturbolader (22) zur Druckwellenmaschine (14) abgasseitig parallel geschaltet vorgesehen ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorverdichtung der Zusatzluft ein abgasunabhängig angetriebener Verdichter vorgesehen ist.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Oeffnung (VK) im luftseitigen Seitenteil (28) so breit bemessen ist, dass sie mindestens zwei Druckwellenlaufzeiten (a, b) entspricht.

Zeichnung