[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung
der Rezirkulation von Abgas in einem Druckwellenlader für einen Verbrennungsmotor
nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 5.
[0002] Es ist üblich, bei Verbrennungsmotoren zur Verringerung der Schadstoffemission, insbesondere
des Anteils der Stickoxide und Kohlenwasserstoffe, bei Verbrennungsmotoren der Verbrennungsluft
Abgas beizumischen, und zwar bei Saugmotoren der Ansaugluft und bei Ladermotoren der
verdichteten Ladeluft.
[0003] Bei dieser Rückführung oder Rezirkulation eines Teiles der Abgase in die Verbrennungsluft
stellt sich bei allen Laderbauarten das Problem der günstigsten Dosierung des rückzuführenden
Abgasanteils in Abhängigkeit von der Belastung des Motors.
[0004] Eine primäre, d.h., ohne Zusatzeinrichtungen funktionierende Rezirkulation von Abgas
in die verdichtete Ladeluft durch die Vermischung von Luft und Abgas an der Trennfront
der beiden Medien im Druckwellenlader lässt sich in einem bestimmten Drehzahl- und
Lastbereich des Motors, beispielsweise im Schwerpunktsbereich eines Fahrzyklus, durch
eine Anordnung der Steuerkanten erreichen, bei der im Niederdruckteil das entspannte
Abgas nicht vollständig ausgespült wird. Der nicht ausgespülte Anteil des Abgases
wird im Hochdruckteil zusammen mit der Frischluft verdichtet und gelangt mit dieser
in den Motor. Durch diese primäre Rezirkulationssteuerung über die Steuerkantengeometrie
werden die Wirksamkeit der Hochdruckseite und auch die Leerlaufeigenschaften verschlechtert.
Da diese Rezirkulationssteuerung über die Niederdruckspülung erfolgt, wird sie auch
von den Niederdruckwiderständen beeinflusst, die sich im Laufe der Zeit, namentlich
wegen Filterverschmützung, ändern können.
[0005] Zur Verbesserung des Rezirkulationsverlaufes über den ganzen Betriebsbereich von
Druckwellenladern sind verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden, z.B. durch die
CH-PS 552 135. Diese beschreibt ein Verfahren und eine Einrichtung, bei der neben
der primären Abgasrückführung zwecks Steuerung der Rezirkulation über den ganzen Lastbereich
eine sekundäre Abgasrückführung vorgesehen ist. Dabei wird nach den Fig. 7 und 8 dieser
Patentschrift Abgas aus dem Abgashochdruckkanal 5 abgezweigt und an mindestens einer
Stelle, an der die Zellen des Läufers mit Luft gefüllt sind, direkt in den Druckwellenprozess
eingeführt. Die dafür benötigten Elemente komplizieren jedoch den Lader bzw. wirken
beim Einbau in das Fahrzeug störend. In thermodynamischer Hinsicht hat diese Lösung
den Nachteil, dass wegen der Entnahme von Hochdruckabgas die Differenz von Ladeluftdruck
und Hochdruckabgas und auch der Ladedruck verringert werden. Es gelingt aber auf diese
Weise eine bessere Anpassung des Rezirkulationsgrades an den jeweiligen Betriebszustand
des Motors als durch eine primäre Abgasrückführung allein.
[0006] Die vorliegende, im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 und 5 definierte Erfindung
entstand aus der Aufgabe, die Nachteile der vorstehend skizzierten, bekannten Lösungen
bei möglichst geringem baulichen Aufwand zu vermindern. Insbesondere sollte sie folgende
Forderungen erfüllen:
- Die Erhöhung der Rezirkulation darf die Effizienz des Druckwellenprozesses hochdruckseitig
nur geringfügig verschlechtern,
- die hochdruckseitige Druckdifferenz und die Höhe des Ladedrucks sollen unabhängig
von den Rezirkulationskriterien optimiert werden können,
- der Rezirkulationsgrad soll unabhängig von den Erfordernissen des Leerlaufbetriebs
optimierbar sein, und
- der Rezirkulationsgrad soll unabhängig vom Ansaugwiderstand konstant bleiben, beispielsweise
bei Verschmutzung des Filters.
[0007] Diese Ziele der Erfindung werden erreicht allein durch eine Steuerung der niederdruckseitigen
Spülung, wobei aber die für bestmögliche Aufladung günstigste Steuerkantengeometrie
beibehalten werden kann.
[0008] Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
In diesen stellen dar:
Fig. 1 schematisch die prinzipiellen Elemente für die Steuerung des Rezirkulationsgrades,
Fig. 2 den Verlauf der Trennfronten mit und ohne Rezirkulationssteuerung,
Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Druckwellenmaschine mit steuerbarer Rezirkulation,
Fig. 4 ein Rezirkulationskennfeld,
Fig. 5 ein Steuerdiagramm für den Rezirkulationsgrad,
Fig. 6 die Definition für den Klappenwinkel, und die
Fig. 7 und 8 schematisch das Prinzip zweier möglicher Einrichtungen für eine Steuerung
des Rezirkulationsgrades.
[0009] Die schematische Darstellung von Fig. 1 zeigt einen Teil des abgewickelten Mittelschnittes
durch den Rotorraum und die angrenzenden Kanäle im Luft- bzw. Gasgehäuse eines Druckwellenladers
für einen Dieselmotor. Der Rotorraum ist mit 1 bezeichnet, vom Gasgehäuse 2 und vom
Luftgehäuse 3 ist je einer der beiden Hoch- und Niederdruckabgaskanäle, nämlich 4
und 5
?bzw. Hoch- und Niederdruckluftkanäle 6 und 7 gezeigt. Der Pfeil 8 deutet die Drehrichtung
des Rotors an, die Pfeile 9, 10, 11 und 12 die Strömungsrichtungen des aus dem Motor
kommenden Hochdruckabgases, der aus dem Rotor ausgeschobenen, verdichteten Hochdruckluft,
d.h., der Ladeluft, des aus dem Rotor auspuffenden Niederdruckabgases bzw. der in
den Rotor einströmenden Niederdruckluft, d.h., der Ansaugluft.
[0010] Der Grundgedanke der Erfindung besteht nun darin, den Verlauf des Rezirkulationsgrades
in Abhängigkeit vom Lastzustand durch Aenderung des Ansaugwiderstandes im Niederdruckluftkanal
7 (=
Ansaugluftkanal) und/oder des Auspuffwiderstandes im Niederdruckabgaskanal 5 (=Auspuffkanal)
über den ganzen Betriebsbereich in der gewünschten Weise zu steuern.
[0011] Diese Beeinflussung des Rezirkulationsgrades gelingt durch Anordnung von Stauklappen
13 bzw. 14 entweder im Niederdruckluftkanal 7 oder im Niederdruckabgaskanal 5 oder
in beiden Kanälen. Im Schema der Fig. 1 ist sowohl eine Ansaugstauklappe 13 im Niederdruckluftkanal
7 als auch eine Auspuffstauklappe 14 im Niederdruckabgaskanal 5 vorgesehen. Die Drehachsen
15, 16
'dieser Stauklappen liegen in der Mitte der Stauklappen bzw. der Querschnitte der Kanäle.
Andere Klappenanordnungen bzw. Drosselbauarten, wie Drehschieber oder dergl. sind
natürlich auch möglich, doch sollen sie bei voller Oeffnung den Ansaugwiderstand bzw.
auch den Auspuffwiderstand-gegenüber dem Widerstand der freien Kanäle möglichst wenig
verschlechtern.
[0012] Die Wirkung solcher Stauklappen, die, wie gesagt in einem oder in beiden Kanälen
vorgesehen werden können, sei anhand der Fig. 2 erläutert, in der im Rotorraum zwei
Rotorzellen 17 eingetragen sind, auf deren Darstellung in Fig. 1 verzichtet wurde.
Der Uebersichtlichkeit halber sind in Fig. 2 hingegen die Stauklappen 13, 14 weggelassen.
[0013] In Fig. 2 stellt die eng strichlierte Linie 18 den Verlauf der Trennfront dar, wie
sie sich vom Hochdruckbereich zwischen dem Hochdruckabgaskanal 4 und dem Hochdruckluftkanal
6 ausbildet, wenn dort keine Rezirkulation von Abgas auftritt. Die Trennfront 18 verbleibt
dann im Hochdruckbereich und in ihrem weiteren Verlauf bis zum Eintritt in den Bereich
der Niederdruckkanäle 5 und 7 immer innerhalb des Rotorraums 1. Es kann also, unter
der idealisierenden Voraussetzung, dass die Mischzone im Bereich der Trennfront schmal
bleibt, kein Abgas in den Kanal 6, also in die Ladeluft,eintreten. Ab dem Gabelungspunkt
19 des Verlaufes der Trennfront 18 biegt diese in den Niederdruckabgaskanal 5, also
in den Auspuff,ein, was bedeutet, dass die Ansaugluft die Abgase vollständig ausspült
und mit einem geringen, durch einen Strömungspfeil 20 angedeuteten Anteil zusammen
mit den Abgasen den Druckwellenlader verlässt. Es findet also bei diesen Verhältnissen
theoretisch keine Rezirkulation statt. Praktisch wird aber ein Druckwellenlader so
ausgelegt, dass ein Teil der erwähnten Mischzone in einem gewissen Lastbereich in
den Hochdruckluftkanal 6 hinein gelangt, was die eingangs erwähnte primäre Abgasrezirkulation
ergibt.
[0014] Mit den beiden Stauklappen 13, 14, siehe Fig. 1, oder einer derselben kann der Rezirkulationsgrad
verstärkt und dessen Verlauf
'im Motorkennfeld gesteuert werden. Bei einer Drosselung des Ansaugluftstromes im Kanal
7 durch die Stauklappe 13 und/oder die Stauklappe 14 im Kanal 5 wird die Ausspülung
der Abgase behindert, so dass die sich jetzt einstellende Trennfront 21 im Niederdruckbereich
vom Gabelungspunkt 19 an den punktiert gezeichneten Verlauf nimmt. Sie verbleibt also
nach Verlassen des Niederdruckbereiches im Rotorraum, d.h., in den Rotorzellen. Damit
gelangt Abgas zusammen mit der Ansaugluft in den Hochdruckbereich, wo sie zusammen
mit der Luft verdichtet und in den Verbrennungsmotor gefördert wird.
[0015] Die Trennfront 21 zwischen der angesaugten Luft und dem rückzuführenden Abgas bleibt
bis zum Eintritt in den nächsten Hochdruckbereich etwa wie im oberen Teil der Fig.
2 erhalten und wird dann von der Front der Hochdruckabgase gegen und in den Hochdruckluftkanal
abgedrängt. Da eine Druckwellenmaschine im allgemeinen zwei Hoch- und zwei Niederdruckteile
hat, stammt die im unteren Teil der Fig. 2 eingetragene Trennfront 21 nicht vom Niederdruckteil
5+7 im oberen Teil der Fig. 2, sondern vom zweiten, nicht dargestellten Niederdruckteil,
während die obere Trennfront 21 in den zweiten, nicht dargestellten Hochdruckteil
übergeht.
[0016] Ein Blockdiagramm eines Druckwellenladers mit steuerbarer Rezirkulation ist in Fig.
3 dargestellt. Darin bezeichnen 22 einen Ansaugluftfilter, 23 einen Ansaugschalldämpfer,
24 den Druckwellenlader, 25 einen Auspuffschalldämpfer, 26 die Ansaugleitung, 27 die
Auspuffleitung, 28 die Hochdruckabgasleitung, 29 die Ladeluftleitung, 30 einen dem
Luftfilter 22 vorgeschalteten Ansaugstutzen, in dem die ansaugluftseitige Stauklappe
31 vorgesehen ist. Diese könnte, wie beispielsweise in Fig. 1 gezeigt, auch unmittelbar
vor der Einmündung des Niederdruckluftkanals in den Rotorraum angeordnet sein, aber
ebenso an beliebiger anderer, für den Einbau, die Wartung oder das Betätigungsgestänge
günstiger Stelle zwischen dem Filter und dem Eintritt der Ansaugluft in den Rotorraum.
[0017] Die Anordnung einer Stauklappe 31 gemäss Fig. 3 vor dem Filter 22 ergibt eine ausreichend
lange Beruhigungsstrecke für die nach Passieren der Stauklappe verwirbelte Ansaugluft.
[0018] Um den bei einer Verschmutzung des Luftfilters 22 zunehmenden Ansaugwiderstand zu
kompensieren, kann, wie später gezeigt wird, im Betätigungsgestänge für die Stauklappe
ein Kompensationsglied, etwa eine Druckdose, vorgesehen werden.
[0019] Die Steuerung für die Stauklappe wird man vorzugsweise so auslegen, dass die Klappe
im Leerlauf und im oberen Lastbereich sowie ab einer bestimmten Drehzahl ganz geöffnet
ist. In diesen Bereichen ist dann also nur eine primäre Rezirkulation wirksam. Die
Fig. 4 zeigt ein ideales Rezirkulationskennfeld, wobei im schraffierten Bereich, der
sogenannten "Rezirkulationsinsel" 32, der Schwenkwinkel α , siehe Fig. 6, der Stauklappe
konstant sein oder gesteuert werden kann, um den gewünschten Verlauf des Rezirkulationsgrades
zu erhalten. Die Muschelkurve 33 gilt für eine konstante Rezirkulation.
[0020] Praktisch wichtige Möglichkeiten der Klappensteuerung sind beispielsweise:
- Die Stauklappe wird über das Gaspedal mechanisch in zwei Stellungen gebracht, und
zwar in die voll geöffnete in einem gewissen unteren Lastbereich einschliesslich.Leerlauf und in einem oberen Lastbereich bis Vollast sowie in eine zweite, teilgeöffnete
Stellung, beispielsweise mit einem Klappenwinkel von 60°, wie es im Oeffnungsdiagramm
der Fig. 5 dargestellt ist, wo die Ordinate den in der Fig. 6 definierten Stauklappenwinkel
und die Abszisse die Last bzw. die davon abhängige Gaspedalstellung darstellen.
- Das Oeffnen und Schliessen der Klappe erfolgt -über einen Drehzahlgeber, der die
Klappe so steuert, dass die Rezirkulation im oberen Drehzahlbereich reduziert wird.
- Steuerung der Klappe in Abhängigkeit vom Grad der primären Rezirkulation.
[0021] Die Fig. 7 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Steuerung der Klappenstellung bei
einem Dieselmotor in Abhängigkeit von der Gaspedalstellung zur Kompensation einer
vom Verschmutzungsgrad des Luftfilters und der Drehzahl abhängigen Aenderung des Ansaugwiderstandes.
[0022] Die Ansaugluftleitung 34 wird dabei in der durch die beiden Strömungspfeile 35 angedeuteten
Richtung durchströmt, d.h., dass die Stauklappe 36 vor dem Luftfilter 37 liegt. Die
Stauklappe 36 wird in der gewünschten last- oder drehzahlabhängigen Weise vom Gasgestänge
38, 39 über ein zwischen den Stangen 40, 41 eingebautes federndes Element in Form
einer in der Nebenfigur dargestellten Druckdose 42 betätigt. In der Hauptfigur ist
diese Druckdose 42.schematisch als Feder dargestellt. Der Doppelpfeil 44 weist auf
diesen Zusammenhang hin. Der Verstellung der Klappe 36, wie sie sich bei einer starren
Verbindung des Gasgestänges mit der Klappe einstellen würde, wird durch die Druckdose
42 eine Korrekturbewegung überlagert, die eine Aenderung des Ansaugwiderstandes infolge
einer Filterverschmutzung und/oder Drehzahländerung kompensiert. Das Gehäuse der Druckdose
42 ist mit der Stange 40 und ihre federbelastete, beiderseitig druckbeaufschlagte
Membran 43 ist mit der Stange 41 starr verbunden.
[0023] Für die Beaufschlagung der Membran 43 kommen beispielsweise die statischen Drücke
PvK und p
nK in der Ansaugluftleitung vor bzw. hinter der Klappe 36 in Frage. Es könnte sich aber
auch eine andere Druckdifferenz, vorzugsweise im Ansaugbereich des Druckwellenladers,
hiefür als brauchbar erweisen.
[0024] Nach Fig. 8 kann die Kompensation einer Aenderung des Ansaugwiderstandes auch durch
eine Druckdose 45 erreicht werden, bei der die Druckdifferenz zwischen der Umgebungsluft
und der Ansaugluftleitung 49 nach dem Luftfilter 46 zur Kompensation der Aenderung
des Ansaugwiderstandes benutzt wird, wozu eine Druckabnahmeleitung 50 zwischen der
federbelasteten Oberseite der Druckdose 45 und der Ansaugluftleitung 49 hinter dem
Filter vorgesehen ist.
[0025] Zu den Fig. 1 und 2 wäre noch zu erwähnen, dass die schrägverlaufenden Vollinien
im Rotorraum Verdichtungswellen und die schrägverlaufenden strichlierten Linien die
Expansionswellen des Druckwellenprozesses darstellen.
[0026] Um zu verhindern, dass bei einem unprogrammgemässen Schliessen einer Stauklappe als
Folge einer Havarie im Betätigungsgestänge die Durchströmung und damit Kühlung des
Rotors ausfällt, was zur Zerstörung des Laders führen könnte, sind Massnahmen vorzusehen,
die eine solche Gefährdung verhindern, z.B. ein Anschlag, der den Klappenschwenkwinkel
so begrenzt, dass die Ansaugluftleitung nie ganz geschlossen werden kann. Einen solchen
Anschlag wird man vorzugsweise möglichst nahe der Klappenachse vorsehen. Eine weitere
vorteilhafte Massnahme für diesen Zweck besteht darin, die Klappe mit dem Schnüffelventil,
durch das der Motor in der Anfahrperiode die Verbrennungsluft direkt aus der Atmosphäre
ansaugen kann, so zu verbinden, dass letzteres bei geschlossener Stauklappe geöffnet
wird. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung einer Rückholfeder, die die
Klappe im Havariefall in die voll geöffnete Stellung zurückschwenkt.
[0027] Einfachere Massnahmen bestehen darin, die Klappe mit Löchern zu versehen oder sie
nur so gross zu bemessen, dass sie beim grösstmöglichen Schwenkwinkel noch immer einen
Teil des Querschnittes der Ansaugluftleitung frei hält.
[0028] Das für die Stauklappe in einem Niederdruckluftkanal oder in einer Ansaugluftleitung
bezüglich der Steuerung oder Regelung und der Kompensation infolge von Druckänderungen
im angesaugten Luftstrom gesagte gilt sinngemäss auch für eine allein oder in Verbindung
mit einer Luftstauklappe vorgesehene Auspuffstauklappe im Niederdruckabgaskanal bzw.
in der Auspuffleitung.
1. Verfahren zur Steuerung der Rezirkulation von Abgas in einem Druckwellenlader für
einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Rezirkulationsgrades
in Abhängigkeit vom Lastzustand des Verbrennungsmotors durch Aenderung des Widerstandes
im Niederdruckleitungssystem des Druckwellenladers gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand im Ansaugluftkanal
geändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand im Auspuffkanal
geändert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Widerstand im
Ansaugluftkanal als auch der Widerstand im Auspuffkanal geändert wird.
5. Druckwellenlader zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Einrichtung
zur Rezirkulationssteuerung der Abgase, mit einem Rotorgehäuse, das einen mit axial
durchströmten Zellen versehenen Rotor aufnimmt, einem Luftgehäuse mit einem Zuströmkanal
für die Ansaugluft und einem Abströmkanal für die verdichtete Ladeluft, ferner mit
einem Gasgehäuse mit einem Zuströmkanal für die Hochdruckabgase und einem Abströmkanal
für die Auspuffgase, wobei der Zuströmkanal für die Hochdruckabgase und der Abströmkanal
für die Ladeluft die Hochdruckseite und der Abströmkanal für das Auspuffgas und der
Zuströmkanal für die Ansaugluft die Niederdruckseite des Druckwellenladers bilden,
dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem der Kanäle (5, 7; 34; 49) der Niederdruckseite
eine Stauklappe (14 und/oder 13; 36; 48) vorgesehen ist und dass die Stauklappe mit
einer Betätigungseinrichtung (38 bis 43; 45, 50) für die Steuerung oder Regelung des
Rezirkulationsgrades in Wirkverbindung steht.
6. Druckwellenlader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl im Abströmkanal
(5) für die Auspuffgase als auch im Zuströmkanal (7) für die Ansaugluft eine Stauklappe
(14 bzw. 13) vorgesehen ist.
7. Druckwellenlader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nur im Abströmkanal
(5) für die Auspuffgase eine Stauklappe (14) vorgesehen ist.
8. Druckwellenlader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nur im Ansaugluftkanal
(34; 49) eine Stauklappe (36; 48) vorgesehen ist und diese Stauklappe in Strömungsrichtung
vor dem Luftfilter (37; 46) angeordnet ist.
9. Druckwellenlader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung
für die Stauklappe (36) bzw. die Stauklappen aus einem mit dem Regelgestänge des Motors
verbundenen Gestänge besteht.
10. Druckwellenlader nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine auf die Betätigungseinrichtung
einwirkende Kompensationseinrichtung (42; 45) zum Ausgleich der Wirkung von Druckänderungen in der Ansaugluftleitung (34;
49).
11. Druckwellenlader nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinrichtung
eine Druckdose (42), die von den Drücken vor und hinter der Stauklappe (36) in der
Ansaugluftleitung (34) beaufschlagbar ist, sowie ein Gestänge (40, 41) aufweist, das
die Druckdose (42) mit dem Gestänge (38, 39) der Betätigungseinrichtung kinematisch
koppelt.
12. Druckwellenlader nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinrichtung
aus einer in das Betätigungsgestänge eingeschalteten Druckdose (45) besteht, deren
Membran vom atmosphärischen Luftdruck und vom Druck hinter einem Luftfilter (46) in
der Ansaugluftleitung (49) beaufschlagbar ist.