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Druckaustauscher Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Druckaustauscher,
insbesondere auf solche, welche zum Aufladen von Brennkraftmaschinen verwendet werden.
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Derartige Druckaustauscher weisen im allgemeinen Zu- und Abführungskanäle
auf, mit deren Hilfe unter verschiedenen Drücken stehende Gase den Zellen eines
relativ dazu beweglichen Zellenrades zugeführt werden, wobei durch die Expansion
eines Gases in den Zellen des Zellenrades ein anderes, mit diesem Gas unmittelbar
in Berührung stehendes Gas komprimiert wird.
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Es ist bereits bekannt, derartige Druckaustauscher zum Aufladen von
Brennkraftmaschinen zu benutzen. Dabei wird in einer Niederdruckspülstufe den Zellen
des Zellenrades Luft von Atmosphärendruck zugeführt und diese Luft anschließend
in den Zellen komprimiert und danach in einer Hochdruckspülstufe in die Ansaugleitung
der Brennkraftmaschine abgelassen. Gleichzeitig wird das Abgas der Brennkraftmaschine
in der Hochdruckspülstufe in die Zellen des Zellenrades eingelassen und nach entsprechender
Expansion innerhalb der Zellen in der Niederdruckspülstufe wieder aus den Zellen
in die freie Atmosphäre abgelassen. Das Abgas der Brennkraftmaschine enthält Verbrennungsrückstände,
weshalb eine Durchmischung des Abgases mit der in die Ansaugleitung der Brennkraftmaschine
abzugebenden Ladeluft in den Zellen des Druckaustauscherzellenrades unerwünscht
ist. Eine solche gegenseitige Durchmischung des expandierenden Abgases mit der zu
verdichtenden Ladeluft im Druckaustauscher ist auch dann nicht wünschenswert, wenn
der Druckaustauscher anderweitig zum Verdichten von Gas benutzt wird, welches chemisch
vom expandierenden Gas verschieden ist und nicht mit letzterem vermischt werden
oder reagieren soll.
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Aufgabe der Erfindung ist die Vermeidung der unerwünschten Gasdurchmischung,
wie sie bei bisher bekannten Druckaustauschern auftritt.
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Die Erfindung geht von einem Zellenrad-Druckaustauscher mit durch
im wesentlichen in Achsrichtung verlaufende Radialzwischenwandungen unterteilten
Spülkanälen aus und besteht darin, daß diese Zwischenwandungen die Spülkanäle derart
in mit Bezug auf die Relativbewegungsrichtung zwischen Zellenrad und Kanälen vorausliegende
und zurückliegende Teilkanäle unterteilen, daß einerseits durch den in Zellenraddrehrichtung
gelegenen Teilkanal des Einlaßkanals in Zellen des Zellenrades ein Spülgas zugeführt
und durch den entgegen dieser Drehrichtung gelegenen Teilkanal des Auslaßkanals
Gas aus diesen Zellen ausgespült wird, während andererseits durch den entgegen der
Drehrichtung gelegenen Teilkanal des Einlaßkanals ein Puffergas in die Zellen eingeleitet
wird, welches im wesentlichen über einen außerhalb des Zellenrades verlaufenden
Verbindungskanal von dem in Drehrichtung gelegenen Teil des Auslaßkanals bezogen
wird.
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Dabei können der entgegen der Zellenraddrehrichtung gelegene Teilkanal
des Einlaßkanals und der in dieser Drehrichtung gelegene Teilkanal des Auslaßkanals
jeweils in eine Anzahl weiterer Teilkanäle unterteilt sein, deren jeder Puffergas
führt.
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Zwei Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr beispielsweise
unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen Fig. 1 eine Abwicklung eines
als Lader geschalteten Druckaustauschers zeigt, bei welchem die Hochdruckspülstufe
einen einzigen Kanal für die Überführung von Puffergas aufweist, Fig. 2 einen Teil
einer Abwicklung eines als Lader geschalteten Druckaustauschers zeigt, bei welchem
die Hochdruckspülstufe zwei Überführungskanäle für die Überführung von Puffergas
aufweist und Fig.2A eine graphische Darstellung zeigt, aus welcher zu entnehmen
ist, wie sich die Konzentration der Abgasrückstände längs der Hochdruckspülzone
entlang der Linie C-C in Fig. 2 verteilt.
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In den Figuren sind gleiche Teile durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet.
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Der in Fig.1 beispielsweise schematisch dargestellte Druckaustauscher
weist ein Zellenrad 1 mit an beiden Stirnseiten offenen Zellen auf, welches zwischen
Endplatten 2 drehbar angeordnet ist. Die Endplatten 2 weisen Niederdruckspülöffnungen
3 und 4 sowie Hochdruckspülöffnungen 5 und 5 A auf, wobei die Öffnung 5 eine Eintrittsöffnung
darstellt, während die Öffnung 5 A eine Auslaßöffnung darstellt.
Ein
durch eine gestrichelte Linie angedeuteter Kanal 8 verbindet die Öffnungen 5 und
5A mit einer Brennkraftmaschine 9. Entgegen der Drehrichtung des Zellenrades 1 ist
neben der Hochdruckspülöffnung 5 eine weitere Hochdruckspül-Einlaßöffnung 6 angeordnet,
die über einen durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Kanal 7 mit einer weiteren
Hochdruckspül-Auslaßöffnung 6 A verbunden ist, welch letztere in Zellenrad-Drehrichtung
neben der Hochdruckspül-Auslaßöffnung 5A angeordnet ist. Jede dieser Öffnungen ist
also an einen entsprechenden Verbindungskanal angeschlossen und bildet gleichzeitig
das jeweilige stirnseitige Ende des betreffenden Kanals. Die Einlaßöffnungen 6 und
5 stellen also praktisch jeweils entgegen der Drehrichtung bzw. in Drehrichtung
des Zellenrades gelegene Teile der Mündung des Hochdruckspül-Einlaßkanals dar. In
gleicher Weise stellen die Auslaßöffnungen 6.i und 5_3 praktisch in und entgegen
der Zellenraddrehrichtung gelegene Teile der Mündung des Hochdruckspül-Auslaßkanals
d'ar.
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Die Wirkungsweise des als Lader geschalteten Druckaustauschers nach
der Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf Fig. 1 der Zeichnung im einzelnen erläutert.
Das Zellenrad 1 dreht sich relativ zu den Endplatten 2 in einer durch einen Pfeil
A angedeuteten Richtung. In der Niederdruckspülstufe, welche die Öffnungen 3 und
4 aufweist, wird frische Luft unter Atmosphärendruck durch die Einlaßöffnung 4 eingelassen,
welche das vorher in den Zellen des Zellenrades 1 befindliche Abgas ersetzt, das
diese Zellen über die Auslaßöffnung 3 verlassen hat. Die unter Atmosphärendruck
stehende Frischluft wird in den Zellen des Zellenrades durch Stoßwellenwirkung auf
den Ladedruck verdichtet, so daß diejenigen Zellen, welche sich der Hochdruckspülstufe
nähern, Frischluft von einem Druck von etwa 1,2 at enthalten, Diese verdichtete
Frischluft verläßt die Zellen des Zellenrades in der Hochdruckspülstufe über die
Auslaßöffnung 5.4 auf Grund der Spülwirkung einer Gasströmung, die von der Auslaßöffnung
6A her über den Kanal 7 zur Einlaßöffnung 6 strömt. Danach wird das vom Abgasstutzen
der Brennkraftmaschine 9 herrührende Abgas über die Einlaßöffnung 5 der Hochdruckspülstufe
in die Zellen des Zellenrades eingelassen. Dieses Abgas expandiert in den Zellen
des Zellenrades und wird über die Auslaßöffnung 3 der Niederdruckspülstufe in die
freie Atmosphäre abgelassen.
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Das in den einzelnen Zellen des Druckaustauscherzellenrades befindliche
Abgas ist in der Zeichnung durch Kreuzschraffur angedeutet. Die Grenzflächen zwischen
demjenigen Gas, welches Abgasrückstände der Maschine 9 enthält, und demjenigen Gas,
welches als verhältnismäßig wenig verunreinigt anzusehen ist und welches zwischen
den Öffnungen 6 und 6A durch die Zellen des Zellenrades zirkuliert, sind durch die
gestrichelten Linien 10 und 11 angedeutet. Das verhältnismäßig wenig verunreinigte
Gas zwischen diesen beiden Grenzflächen wirkt als Puffergas zwischen der die Zellen
des Zellenrades über den Kanal 5.4 verlassenden verdichteten Ladeluft und dem über
den Kanal 8 und die Einlaßöffnung 5 in die Zellen des Zellenrades einströmenden
Abgas der Brennkraftmaschine. Ohne das Vorhandensein dieses Puffergases würde sich
das Verbrennungsrückstände enthaltende Maschinenabgas mit der die Zellen des Zellenrades
über den Kanal 5 A verlassenden verdichteten Ladeluft mischen und diese infolgedessen
verunreinigen, so daß verunreinigte Ladeluft in den Einlaßkanal der Brennkraftmaschine
9 gelangen würde. Der Einlaßkanal und der Abgaskanal der Brennkraftinaschine 9 sind
in der Zeichnung nicht angegeben, doch dürfte es ohne weiteres klar sein, daß der
Einlaßkanal mit der Öffnung 5 A in Verbindung steht, während der Abgaskanal der
Brennkraftmaschine mit der Öffnung 5 in Verbindung steht.
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Der Druck der in den Zellen des Zellenrades innerhalb der Hochdruckspülstufe
befindlichen Luft liegt etwa zwischen 2,0 und 2,1 at, wobei der Luftdruck von, der
Frischluftseite her zur Abgasseite hin ansteigt, während der Druck des in den die
Hochdruckspülstufe des Druckaustauschers verlassenden Zellen befindlichen Gases
etwa bei 1,5 at liegt. Die Größe der Druckänderung von der jeweils einen Stirnseite
der Hochdruckspülstufe zur anderen Stirnseite dieser Hochdruckspülstufe hängt von
der Reibung im Überführungskanal s ab. Dieser Reibung kann dadurch entgegengewirkt
werden, daß die Auslaßöffnung 6.-1 einen größeren Querschnitt bekommt als die Einlaßöffnung
6.
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Im Einlaßkanal der Niederdruckspülstufe wird etwas mehr Luft in die
Zellen des Druckaustauscherzellenrades eingelassen, als zur Ladung der Brennkraftmaschine
9 nötig wäre. Die Zellen werden also in der Niederdruckspülstufe etwas überspült.
Da das Puffergas innerhalb des Überführungskanals 7 in einem praktisch geschlossenen
Kreislauf zirkuliert, ist an sich keine äußere Puffergasquelle erforderlich. Tatsächlich
findet innerhalb der Zellen des Zellenrades eine geringfügige Luftströmung von der
Grenzfläche 11 zur Grenzfläche 10 hin statt. Diese Grenzflächen sind also in der
Praxis nicht klar definiert, so daß eine gewisse Durchmischung der beiden Gase stattfindet,
die sich in einer Diffusion des Abgases von der Grenzfläche 10 her in Richtung der
Grenzfläche 11 äußert. Trotzdem findet eigentlich zwischen diesen beiden Grenzflächen
keine Gasströmung statt, da die Ladeluft turbulent in den Abgasbereich hinein diffundiert
und umgekehrt auch Abgas in die Ladeluft hinein diffundiert. Infolgedessen findet
tatsächlich ein starker Abfall des Abgasanteils im Puffergas statt, wobei dieser
Abfall von einem Höchstwert auf der Abgasseite auf einen im wesentlichen dem Wert
Null gleichkommenden Mindestwert auf der Ladeluftseite verläuft.
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Fig. 2 zeigt eine im allgemeinen der in Fig. 1 gezeigten Anordnung
ähnliche Ausführungsform eines Druckaustauschers nach der Erfindung. Die Öffnungen
6 und 6A und die jeweils dazugehörigen Kanäle der Fig. 1 sind nach der hier gezeigten
Ausführungsform der Erfindung in zwei Unterabteilungen unterteilt, so daß Öffnungen
18 und 19 bzw. 18A und 19A gebildet werden. Die Öffnungen 18 und 18A sind über einen
Kanal 15 miteinander verbunden, der durch eine gestrichelte Linie angedeutet
ist. In gleicher Weise sind die Öffnungen 19 und 19A durch einen ebenfalls in gestrichelten
Linien angedeuteten Kanal 16 miteinander verbunden. Die Unterteilung der Öffnungen
und Überführungskanäle in der dargestellten Weise hat die Wirkung, daß die Zahl
der einzelnen Grenzflächen erhöht wird. Fig. 2 zeigt infolgedessen drei Grenzflächen
10, 11 und 14. Die Grenzfläche 10 liegt zwischen dem Abgas und der in der Zeichnung
oberen Puffergasschicht, während die Grenzfläche 11 zwischen den beiden Puffergasschichten
liegt und die Grenzfläche 14 zwischen der verdichteten Ladeluft und der unteren
Puffergasschicht liegt.
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Die Wirkungsweise der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der
Erfindung ist die gleiche wie diejenige der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform,
wobei
lediglich eine weitere Puffergasströmung vorhanden ist, durch welche eine noch bessere
Trennung zwischen Abgas und Ladeluft sichergestellt wird.
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Bei beiden Ausführungsformen der Erfindung verlaufen die Stromlinien
der Puffergasschichten innerhalb der Überführungskanäle und der jeweils in der Pufferzone
befindlichen Zellen des Zellenrades in sich geschlossen.