DE102011109604A1

DE102011109604A1 - Druckwellenmaschine, insbesondere Druckwellenlader, zur Verdichtung von Luft für eine Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102011109604A1
Application number: DE201110109604
Authority: DE
Inventors: Alexander Müller
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-08-05
Filing date: 2011-08-05
Publication date: 2013-02-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Druckwellenmaschine (10), insbesondere Druckwellenlader (10), zur Verdichtung von Luft für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem um eine Drehachse drehbar gelagerten und eine Mehrzahl von Zellen (18) aufweisenden Rotor (20) und mit wenigstens einem um die Drehachse drehbaren Steuerelement (36), welches wenigstens eine Durchgangsöffnung (40) aufweist, über die ein die Druckwellenmaschine (10) zumindest bereichsweise durchströmendes Gas aus den Zellen (18) abführbar ist und welche in Umfangsrichtung durch einen ersten Wandungsbereich (50) des Steuerelements (36) begrenzt ist.
Erfindungsgemäß weist der Wandungsbereich (50) einen ersten Längenbereich (56) sowie wenigstens einen sich an den ersten Längenbereich (56) anschließenden zweiten Längenbereich (58) auf, welcher gegenüber dem ersten Längenbereich (56) in Umfangsrichtung zurückversetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckwellenmaschine, insbesondere einen Druckwellenlader, zur Verdichtung von Luft für eine Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
In der motortechnischen Zeitschrift (MTZ), Ausgabe MTZ 12/2006, Jahrgang 67, Seiten 946 bis 954, ist ein Druckwellenlader beschrieben, welcher lange, dünne Kanäle, so genannte Zellen, aufweist. In diesen Zellen wird Frischluft von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine verdichtet, indem Druckenergie von dem Abgas an die Frischluft übertragen wird. Dabei wird das physikalische Prinzip genutzt, dass der Druckausgleich schneller stattfindet als die Vermischung des Abgases und der Frischluft.
Die DE 10 2009 041 125 A1 offenbart eine gasdynamische Druckwellenmaschine zur Verdichtung von Ladeluft einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Rotorgehäuse, in welchem ein Zellen aufweisender Rotor angeordnet ist. Die Druckwellenmaschine umfasst ein auf einem Ende des Rotorgehäuses angeordnetes Kaltgasgehäuse, durch welches Ansaugluft und/verdichtete Luft strömen. Ferner umfasst die Druckwellenmaschine ein an einem anderen Ende des Rotorgehäuses angeordnetes Heißgasgehäuse, durch welches Abgas der Verbrennungskraftmaschine geführt wird. Im Kaltgasgehäuse ist eine Steuerscheibe angeordnet, welche über ein Axiallager gegenüber dem Rotor abgestützt ist. Der Rotor stützt sich über ein axiales Anschlagelement in Axialrichtung an dem Kaltgasgehäuse ab. Es ist ein sich an dem Kaltgasgehäuse abstützendes Federelement vorgesehen, das die Steuerscheibe in Richtung des Rotors drängt.
In die Zellen des Rotors tritt heißes Abgas der Verbrennungskraftmaschine ein und komprimiert dort die über eine Ansaugleitung angesaugte kalte Luft. Nach dem Verdichten der Luft tritt das Abgas wieder aus dem Rotor aus. Die Steuerscheibe ist im Kaltgasgehäuse angeordnet und kann über einen Verstellbereich verstellt werden. Eine aus der Verstellung resultierende Steuerkantenverschiebung ermöglicht unterschiedliche Füllgrade und somit unterschiedliche Betriebszustände der Druckwellenmaschine. Die Steuerscheibe weist hierzu mehrere Öffnungen auf, durch welche Luft entweder angesaugt wird oder abgegeben wird.
Es hat sich gezeigt, dass bei einer solchen Druckwellenmaschine mit einer Steuerscheibe ggf. nur ein unerwünscht geringer Teil des zur Verfügung stehenden Abgasmassenstroms insbesondere thermodynamisch zum mindest im Wesentlichen optimal genutzt werden kann, um die Luft zu verdichten. Daraus resultiert ein nur wenig effizienter Betrieb der Druckwellenmaschine.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Druckwellenmaschine, insbesondere einen Druckwellenlader, der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein effizienterer Betrieb der Druckwellenmaschinen ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Druckwellenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Eine solche Druckwellenmaschine, insbesondere ein solcher Druckwellenlader, zur Verdichtung von Luft für eine Verbrennungskraftmaschine insbesondere eines Kraftwagens umfasst einen um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor, der eine Mehrzahl von Zellen aufweist. Die Druckwellenmaschine umfasst ferner wenigstens ein um die Drehachse drehbares Steuerelement, welches wenigstens eine Durchgangsöffnung aufweist. Über die Durchgangsöffnung ist ein die Druckwellenmaschine zumindest bereichsweise durchströmendes Gas aus den Zellen abführbar. Die Durchgangsöffnung ist in Umfangsrichtung des Steuerelements durch wenigstens einen ersten Wandungsbereich des Steuerelements begrenzt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der erste Wandungsbereich einen ersten Längenbereich sowie wenigstens einen sich an den ersten Längenbereich anschließenden zweiten Längenbereich aufweist, welcher gegenüber dem ersten Längenbereich in Umfangsrichtung zurückversetzt ist. Mit anderen Worten ist der erste Längenbereich bezogen auf den zweiten Längenbereich als zumindest im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufender Vorsprung ausgebildet, der sich in Umfangsrichtung in die Durchgangsöffnung hineinerstreckt bzw. der sich in Umfangsrichtung im Vergleich zum zweiten Längenbereich weiter als der zweite Längenbereich in die Durchgangsöffnung hineinerstreckt.
Diese Ausgestaltung des Wandungsbereichs führt bei einer Drehung des Rotors dazu, dass ein Teil der Zeilen zu einem anderen Zeitpunkt in Überdeckung mit der Durchgangsöffnung kommen als ein anderer Teil der Zellen. Dies führt wiederum dazu, dass dementsprechend das Abführen des Gases aus den zu dem ersten Längenbereich korrespondierenden Zellen zu einem anderen Zeitpunkt bzw. zu einer anderen Drehstellung des Rotors um die Drehachse erfolgen kann als aus den zu dem zweiten Längenbereich korrespondierenden Zellen.
Mit anderen Worten steuert die Durchgangsöffnung bzw. der Wandungsbereich das Ausströmen des Gases, insbesondere von verdichteter Luft (Frischluft). Der Grad bzw. die Stärker der Verdichtung der Luft hängt dabei davon ab, zu welchem Zeitpunkt die Luft aus den Zellen ausströmen kann. Die verdichtete Luft kann aus den Zellen ausströmen, wenn sie in Überdeckung mit der Durchgangsöffnung sind. Daraus ist es ersichtlich, dass die Verdichtung der Luft davon abhängt, warm, d. h. zu welchem Zeitpunkt bzw. zu welcher Drehstellung des Rotors, die Zellen in Überdeckung mit der Durchgangsöffnung sind.
Ein zu frühes Öffnen der Zellen (ein zu frühes in Überdeckung Kommen mit der Durchgangsöffnung) würde die Druckwelle eines die Luft (das Gas) verdichtenden Verdichtungsgases (zum Beispiel Abgas einer Verbrennungskraftmaschine) nicht in gewünschtem Maße zum Verdichten der Luft nutzen. Ein zu spätes Öffnen würde zum Einleiten einer Rückströmung und zur fortschreitenden Vermischung der Luft (des Gases) mit dem Verdichtungsgas führen. Die entsprechende Ausgestaltung des Wandungsbereichs kann diese Problematik vermeiden oder zumindest reduzieren. Dementsprechend ist es von Vorteil, wenn die Längenbereiche derart ausgestaltet, insbesondere angeordnet, sind, dass die verdichtete Luft (Gas) kurz nach der Reflektion der Druckwelle die Zellen verlassen kann.
Dies bedeutet, dass durch die entsprechende Ausgestaltung des Wandungsbereichs unterschiedliche Zeitpunkte, das heißt ein jeweils unterschiedliches Timing für die Zellen geschaffen ist, wodurch insbesondere dem thermodynamischen Zustand des andererseits in die Zellen einströmenden und das Gas verdichtenden Verdichtungsgases Rechnung getragen werden kann. Mit anderen Worten kann die entsprechende Ausgestaltung des Wandungsbereichs an den thermodynamischen Zustand des Verdichtungsgases angepasst werden.
Bei dem andererseits in die Zellen einströmenden Verdichtungsgas, mittels welchem das andererseits aus den Zeilen über die Durchgangsöffnung ausströmende Gas (Luft) verdichtet wird, handelt es sich insbesondere um Abgas der Verbrennungskraftmaschine, mittels welchem die der Verbrennungskraftmaschine zu zuführende Luft (das Gas) zu verdichten ist. So kann im Abgas enthaltene Energie genutzt werden, um die Luft zu verdichten. Daraus resultiert ein effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, was mit einem geringen Kraftstoffverbrauch und geringen CO₂-Emmissionen einhergeht.
Die Zellen sind beispielsweise in jeweiligen Zellenreihen angeordnet. Eine solche Zellenreihe umfasst dabei eine Mehrzahl von fluidisch voneinander getrennten Zellen, welche in Umfangsrichtung des Rotors aneinander anschließen bzw. aufeinander folgen. Die Zellenreihen wiederum schließen in radialer Richtung des Rotors aneinander an bzw. folgen aufeinander. In den Zellenreihen wird die der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft mittels Abgas der Verbrennungskraftmaschine verdichtet. Dabei strömt die zu verdichtende Luft bezogen auf die axiale Richtung des Rotors auf einer ersten Seite des Rotors in die Zellenreihen unverdichtet hinein und verdichtet heraus, während das Abgas auf einer der ersten Seite abgewandten zweite Seite des Rotors in die Zellenreihen hinein- und herausströmt.
Durch die entsprechende Ausgestaltung des Wandungsbereichs kann somit ein jeweiliges, zumindest im Wesentlichen optimales Timing für das Ausströmen der Luft für jede Zellenreihe eingestellt und realisiert werden, wodurch ein besonders großer Teil des Abgasmassenstroms zum Verdichten der Luft genutzt werden kann. Das Abgas weist in radialer Richtung von innen nach außen und somit für die jeweiligen Zellenreihe unterschiedliche thermodynamische Zustände auf, die insbesondere von den Einströmbedingungen auf der zweiten Seite abhängen. Die Ausgestaltung des Wandungsbereichs des auf der ersten Seite angeordneten Steuerelements kann auf diese unterschiedlichen thermodynamischen Zustände auf der zweiten Seite beim oder nach dem Hineinströmen (Befüllen) des Abgases in die Zellenreihen angepasst werden und so den unterschiedlichen thermodynamischen Zuständen Rechnung tragen.
Somit bietet sich die Möglichkeit, für Druckwellenmaschinen mit einem jeweiligen Rotor, der eine besonders hohe Anzahl an Zellenreihen aufweist, eine für zumindest im Wesentlichen jede der Zellenreihen zumindest im Wesentlichen optimale Auslegung des Wandungsbereichs zu realisieren und den Wandungsbereich auf unterschiedliche und den einzelnen Zellenreihen zugeordnete Randbedingungen insbesondere hinsichtlich der Temperatur und des Drucks des auf der zweiten Seite den Zellenreihen zu zuführenden Verdichtungsgases einzustellen und an die unterschiedlichen Randbedingungen anzupassen. Die Ausgestaltung des Wandungsbereichs mit den Längenbereichen kann dabei in Abhängigkeit von einer Geschwindigkeit der Druckwelle des Verdichtungsgases, insbesondere des Abgases, erfolgen, mit welcher die Druckwelle in die Zellen einströmt. Dabei hängt die Geschwindigkeit von der Temperatur und/oder dem Druck des Verdichtungsgases ab, so dass vorteilhafter Weise die Ausgestaltung des Wandungsbereichs insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder des Drucks des Verdichtungsgases, die beispielsweise beim Betrieb der Druckwellenmaschine vorwiegend vorherrschen, erfolgt.
Dabei sind die Eintrittstemperatur, mit der das Verdichtungsgas (Abgas) in die Zellen einströmt, und Wandtemperaturen von die Zellen begrenzenden Wandungsbereiche nicht homogen. Durch die entsprechende Ausgestaltung des Wandungsbereichs und die entsprechende Zurückversetzung des zweiten Längenbereichs gegenüber dem ersten Längenbereich kann dieser inhomogenen Temperaturverteilung Rechnung getragen werden, so dass der zur Verfügung stehende Abgasmassenstrom besonders effizient genutzt werden kann, um die der Verbrennungskraftmaschine zu zuführende Luft effizient zu verdichten.
Die erfindungsgemäße Druckwellenmaschine weist somit einen besonders vorteilhaften Wirkungsgrad auf, insbesondere gegenüber einer Druckwellenmaschine ohne eine erfindungsgemäße zurückversetzte Ausgestaltung des Wandungsbereichs, was auch dem Ansprechverhalten der Druckwellenmaschine zugute kommt. So kann das so genannte Turboloch vermieden oder zumindest gering gehalten werden. Ferner ist es möglich, die Temperatur des Verdichtungsgases, die herkömmlicherweise zur Darstellung eines befriedigenden Ansprechverhaltens der Druckwellenmaschine relativ hoch zu sein hat, gering zu halten, was sich wiederum positiv auf einen geringen Kraftstoffverbrauch und damit auf geringe CO₂-Emmissionen der Verbrennungskraftmaschine auswirkt. Somit kann die erfindungsgemäße Druckwellenmaschine auch dazu genutzt werden, die Verbrennungskraftmaschine nach dem so genannten Downsizing-Prinzip auszugestalten, wobei die Verbrennungskraftmaschine ein relativ geringes Hubvolumen aufweist jedoch relativ hohe Drehmomente und Leistungen bereitstellen kann. Dadurch kann das Gewicht der Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden, was wiederum vorteilhaft zur Darstellung eines niedrigen Kraftstoffverbrauchs ist.
Bei der erfindungsgemäßen Druckwellenmaschine kann vorgesehen sein, dass der erste Längenbereich und/oder der zweite Längenbereich zumindest im Wesentlichen gerade ausgebildet sind. So kann die Öffnungszeit über jeweilige Querschnitte der Zellen zumindest im Wesentlichen gleich sein. Dies kommt dem effizienten Betrieb der erfindungsgemäßen Druckwellenmaschine zugute.
Das Steuerelement ist beispielsweise als zumindest im Wesentlichen scheibenförmige Steuerscheibe ausgebildet, die beispielsweise auf einer Kaltgasseite (der ersten Seite) der Druckwellenmaschine angeordnet ist. Auf der Kaltgasseite strömt relative kalte und zu verdichtende Luft in die Zellen ein und entsprechend verdichtete Luft aus den Zellen aus.
Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind der erste Längenbereich und der zweite Längenbereich stufenförmig ausgebildet, wobei die Längenbereiche beispielsweise zumindest im Wesentlichen gerade ausgebildet sind. Dadurch kann das jeweilige Timing zum Ausführen des Gases aus den Zellen an die vorliegenden Randbedingungen angepasst werden.
Wie bereits angedeutet ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass den Längenbereichen jeweilig die in radialer Richtung fluidisch voneinander getrennten Zellen bzw. Zellenreihen des Rotors zugeordnet sind. Dadurch kann für die Zellen einer jeden Zellenreihe das jeweilige zumindest im Wesentlichen optimale Timing eingestellt werden, zu der das Gas aus der jeweiligen Zellenreihe ausströmen kann. So kann der zur Verfügung stehende Abgasmassenstrom besonders effizient zur Verdichtung der Luft genutzt werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung schließt sich der zweite Längenbereich in radialer Richtung in Richtung der Drehachse an den ersten Längenbereich an. Mit anderen Worten ist der gegenüber dem ersten Längenbereich zurückversetzte zweite Längenbereich innenseitig und somit näher zur Drehachse angeordnet als der erste Längenbereich. Dadurch ist der Wandungsbereich mit den Längenbereichen besonders effizient und vorteilhaft an die insbesondere thermodynamischen Randbedingungen des Verdichtungsgases angepasst, da die Temperatur des Verdichtungsgases, insbesondere des Abgases, ausgehend von der Drehachse in radialer Richtung mit zunehmendem Radius (nach außen hin) abnimmt. Dadurch kann die Druckwellenmaschine besonders effizient betrieben werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist wenigstens ein sich an den zweiten Längenbereich anschließender dritter Längenbereich vorgesehen, welcher gegenüber dem zweiten Längenbereich in Umfangsrichtung zurückversetzt ist. Somit ist der Wandungsbereich besonders vorteilhaft an das geschilderte Temperaturprofil des Verdichtungsgases ausgehend von der Drehachse in radialer Richtung nach außen hin angepasst, was dem effizienten Betrieb der Druckwellenmaschine und damit dem geringen Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine zugute kommt.
Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sich der dritte Längenbereich in radialer Richtung in Richtung der Drehachse an den zweiten Längenbereich anschließt, wobei also der dritte Längenbereich in radialer Richtung innenseitig und näher an der Drehachse angeordnet ist als der zweite Längenbereich. Der zweite Längenbereich ist wiederum In radialer Richtung innenseitig und näher zur Drehachse angeordnet als der erste Längenbereich.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Druckwellenmaschine wenigstens eine Expansionstasche, mittels welcher das verdichtete Gas (die verdichtete Luft) zumindest teilweise expandierbar ist, wobei die Expansionstasche eine zumindest im Wesentlichen zur Zurückversetzung der Längenbereiche des wenigstens einen Wandungsbereichs korrespondierende Zurückversetzung aufweist. Die Expansionstasche ist dabei analog zu der Durchgangsöffnung in Umfangsrichtung durch wenigstens einen weiteren Wandungsbereich der Druckwellenmaschine, welcher als Taschenwandungsbereich bezeichnet wird, begrenzt. Dabei weist der Taschenwandungsbereich einen vierten Längenbereich, welcher als erster Taschenlängenbereich bezeichnet wird, sowie wenigstens einen sich an den ersten Taschenlängenbereich anschließenden fünften Längenbereich auf, welcher als zweiter Taschenlängenbereich bezeichnet wird. Der zweite Taschenlängenbereich schließt sich somit an den ersten Taschenlängenbereich an.
Der zweite Taschenlängenbereich ist gegenüber dem ersten Taschenlängenbereich in Umfangsrichtung zurückversetzt. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Steuerelements und damit des Wandungsbereichs sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des Taschenwandungsbereichs der Expansionstasche anzusehen und umgekehrt.
Durch diese Darstellung des zum Versatz des Wandungsbereichs analogen Versatzes des Taschenwandungsbereichs kann auch die Expansionstasche an die insbesondere thermodynamischen Randbedingungen des Verdichtungsgases angepasst werden, so dass ein besonders hoher Teil des Abgasmassenstroms genutzt werden kann, um die Luft zu verdichten. Somit kommt die entsprechende Ausgestaltung des Taschenwandungsbereichs dem effizienten Betrieb der Druckwellenmaschine und damit dem kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zugute. Die Expansionstasche fördert dabei das Ausführen (Ausspülen) des Verdichtungsgases (Abgases) aus den Zellen und die Kühlung der Zellen. Das Ausspülen des Abgases kann dabei durch die entsprechende Ausgestaltungen des Taschenwandungsbereichs besonders vorteilhaft erfolgen.
Weist der Rotor die Mehrzahl von in radialer Richtung aneinander anschließenden und fluidisch voneinander getrennten Zellen bzw. Zellenreihen auf, aus welchen das Gas über die Durchgangsöffnung, insbesondere im Bereich der jeweiligen Längenbereiche des Wandungsbereichs, abführbar ist, so ist bevorzugt vorgesehen, dass die Expansionstasche mit wenigstens einem Trennelement versehen ist, mittels welchem ein Überströmen des in den Zelten aufgenommenen Gases zwischen den in radialer Richtung aneinander anschließenden Zellen zumindest im Wesentlichen vermeidbar bzw. vermieden ist.
Dabei ist beispielsweise vorgesehen, dass die Expansionstasche mittels des Trennelements, welches beispielsweise als Zwischensteg ausgebildet ist, in wenigstens zwei Teiltaschen unterteilt ist. Ferner ist es möglich, eine Mehrzahl von Trennelementen vorzusehen und so beispielsweise die Expansionstasche in eine Mehrzahl von Teiltaschen, das heißt beispielsweise in wenigstens drei Teiltaschen zu unterteilen. Die Anzahl der Teiltaschen korrespondiert dabei vorteilhafterweise zur Anzahl der Längenbereiche des Wandungsbereichs bzw. des Taschenwandungsbereichs. Dies bedeutet, dass die Anzahl der Trennelemente zur Anzahl der Längenbereiche (Taschenlängenbereiche) korrespondiert, welche jeweilig gegenüber den jeweils in radialer Richtung vorangehenden Längenbereichen (Taschenlängenbereichen) zurückversetzt sind.
Weist der Wandungsbereich beispielsweise den ersten Längenbereich, den zweiten Längenbereich und den dritten Längenbereich auf, so sind entsprechend zwei Trennelemente (da zwei der drei Längenbereiche zurückversetzt sind) vorgesehen, durch welche die Expansionstasche in drei Teiltaschen (da drei Längenbereiche vorgesehen sind) unterteilt ist. Dadurch kommt den entsprechenden, in radialer Richtung aneinander anschließenden Zellen das jeweilig vorteilhafte und eingestellte Timing zugute. Das heißt jeweilige, zu den Längenbereichen des Wandungsbereichs korrespondierende Massenströme des Gases, welche entsprechend zu den jeweiligen, in radialer Richtung aneinander anschließenden Zellen korrespondieren, beeinflussen sich nicht gegenseitig. Somit kommt der Effekt des jeweiligen vorteilhaften Timings sehr effizient zum Tragen und die Druckwellenmaschine weist einen besonders effizienten Betrieb auf.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 ausschnittsweise eine schematische und abgewickelte Schnittansicht eines Druckwellenladers;
2 eine schematische Perspektivansicht einer Steuerscheibe für den Druckwellenlader gemäß 1;
3 eine schematische Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform der Steuerscheibe gemäß 2; und
4 ein Diagramm mit einem Temperaturverlauf in radialer ausgehend von einer Drehachse der Steuerscheibe gemäß 3 bei einem Betrieb des Druckwellenladers
Die 1 zeigt eine schematische und abgewickelte Schnittansicht eines zumindest im Wesentlichen zylinderförmigen Druckwellenladers 10 zur Verdichtung von Luft für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens. Der Druckwellenlader 10 umfasst ein Gehäuseteil 12, welches als Gasgehäuseteil bezeichnet wird. Das Gehäuseteil 12 weist einen ersten Zuführkanal 14 auf, über welchen Abgas – wie durch einen Richtungspfeil 16 dargestellt ist – in Zellen 18 eines Rotors 20 des Druckwellenladers 10 einströmen kann. In der 1 sind die Zellen 18 von innerhalb des Druckwellenladers 10 her gezeigt. In Blickrichtung auf die 1 liegt dabei eine entsprechende Drehachse, um welche sich der Rotor 20 beim Betrieb des Druckwellenladers 10 dreht, vor der Bildebene der 1. Von Seiten des ersten Zuführkanals 14 auf den Druckwellenlader 10 in Richtung des Richtungspfeils 16 geblickt dreht sich der Rotor 20 rechts. Dies ist durch einen Richtungspfeil 22 angedeutet.
Durch das Gehäuseteil 12, welches eine Mehrzahl von Gehäuseelementen umfassen kann, ist ein erster Abführkanal 24 gebildet, über welchen die von dem Abgas verdichtete Luft von den Zellen 18 abführbar und zur Verbrennungskraftmaschine führbar ist. Ferner umfasst das Gehäuseteil 12 eine so genannte Expansionstasche 26, mittels welcher die von dem Abgas verdichtete Luft zumindest teilweise nach dem Ausströmen durch den ersten Abführkanal 24 zumindest teilweise expandiert werden kann. Dies bedeutet, dass die Expansionstasche 26 auf das Öffnen des Abführkanals 24 folgt. Der nach dem Ausströmen vorhandene restliche Druck der verdichteten Luft sowie durch weiteres Einströmen von Abgas verdrängte Luft werden genutzt, um die Strömungsrichtung umzukehren, damit bei einem Öffnen eines zweiten Zuführkanals 28 des Gehäuseteils 12, über welchen die Luft in die Zellen 18 des Rotors 20 einströmen kann, eine treibende Kraft für eine Frischluftspülung in einen zweiten Abführkanal 32 vorliegt. Das Einströmen der Luft über den zweiten Zuführkanal 28 in die Zellen 18 ist in der 1 durch einen Richtungspfeil 30 angedeutet.
Das Gehäuseteil 12 weist dabei den zweiten Abführkanal 32 auf, über welchen das Abgas nach Verdichtung der Luft aus den Zellen 18 abgeführt werden kann. Dies ist durch einen Richtungspfeil 34 in der 1 dargestellt.
Die Zellen 18 sind dabei in jeweiligen, in Umfangsrichtung des Rotors 20 um die Drehachse verlaufenden Zellenreihen angeordnet, wobei die Zellenreihen in radialer Richtung ausgehend von der Drehachse aneinander anschließen. Die Zellenreihen sowie die einzelnen Zellen 18 der jeweiligen Zellenreihen sind dabei durch jeweilige Wandungen des Rotors 20 fluidisch voneinander getrennt.
Um nun einen besonders hohen Teil des Abgases zu nutzen, um somit die Luft besonders effizient zu verdichten, umfasst der Druckwellenlader 10 gemäß 1 beispielsweise eine in der 1 nicht dargestellte Steuerscheibe 36, welche in der 2 dargestellt ist. Die Steuerscheibe 36 umfasst zwei erste Durchgangsöffnungen 38 und zwei zweite Durchgangsöffnungen 40, welche einen kleineren Durchströmquerschnitt aufweisen als die ersten Durchgangsöffnungen 38. Die zweiten Durchgangsöffnungen 40 sind in Umfangsrichtung auf einer jeweiligen ersten Seite 46 von jeweiligen ersten Wandungsbereichen 50 sowie auf einer jeweiligen zweiten Seite 48, die gegenüber der ersten Seite 46 angeordnet ist, von jeweiligen zweiten Wandungsbereichen 52 begrenzt. Über die ersten Durchgangsöffnungen 38 kann unverdichtete Luft in die Zellen 18 einströmen, während die verdichtete Luft über die zweiten Durchgangsöffnungen 40 aus den Zellen 18 ausströmen kann.
Die Luft wird mittels des Druckwellenladers 10 durch einen Transfer von Abgasenergie auf die Luft mittels Druckwellen realisiert. Dabei stellen insbesondere die ersten Wandungsbereiche 50 jeweilige Steuerkanten 54 dar, an denen die jeweiligen Druckwellen reflektiert werden. Über die ersten Durchgangsöffnungen 38 kann unverdichtete Luft in die Zellen 18 einströmen. Zur Darstellung unterschiedlicher Betriebszustände des Druckwellenladers 10 ist die Steuerscheibe 36 um die Drehachse, um die auch der Rotor 20 drehbar ist, relativ zum Rotor 20 und relativ zu dem Gehäuseteil 12 zu verdrehen bzw. zu verschieben. Damit einher geht eine entsprechende Verdrehung bzw. Verschiebung der Steuerkanten 54. Daher wird die Steuerscheibe 36 auch als Kantenschieber bezeichnet.
Wie der 2 zu entnehmen ist, weist die jeweilige Steuerkante 54 einen ersten Längenbereich 56, einen zweiten, sich an den ersten Längenbereich 56 in radialer Richtung der Steuerscheibe 36 von außen nach innen in Richtung der Drehachse anschließenden zweiten Längenbereich 58 und einen dritten Längenbereich 60 auf, der sich in radialer Richtung der Steuerscheibe 36 von außen nach innen in Richtung der Drehachse an den zweiten Längenbereich 58 anschließt. Dabei ist der zweite Längenbereich 58 gegenüber dem ersten Längenbereich 56 in Umfangsrichtung zurückversetzt. Entsprechend dazu ist der dritte Längenbereich 60 gegenüber dem zweiten Längenbereich 58 in Umfangsrichtung zurückversetzt. Ebenso könnte der zweiten Längenbereich 58 gegenüber dem ersten Längenbereich 56 vorversetzt sein und dazu entsprechend der dritte Längenbereich 60 ebenfalls vorversetzt sein. Mit anderen Worten ist der zweite Längenbereich 58 gegenüber dem dritten Längenbereich 60 als Vorsprung ausgebildet, wobei auch der erste Längenbereich 56 gegenüber dem zweiten Längenbereich 58 als Vorsprung ausgebildet ist. Vorliegend sind der erste Längenbereich 56, der zweite Längenbereich 58 und der dritte Längenbereich 60 stufenförmig ausgebildet bzw. stufenförmig zueinander angeordnet, so dass die Steuerkanten 54 in radialer Richtung gestuft ausgebildet sind.
Die Drehung der Steuerscheibe 36 bzw. ihre Verschiebung erfolgt derart, dass ihre Position in Bezug auf die Laufzeit des Druckwelle zumindest im Wesentlichen optimal ist, so dass die Luft besonders effizient durch das Abgas verdichtet werden kann. Durch die gestufte Ausbildung der Steuerkanten 54 ist nun ein zumindest im Wesentlichen optimales Timing für jede Zellenreihen einstellbar, so dass ein besonders großer Teil des Abgasmassenstroms auf thermodynamisch optimaler Weise zum Druckwellenprozess zum Verdichten der Luft beitragen kann bzw. den Druckwellenprozess zumindest im Wesentlichen optimal unterstützt. Mit anderen Worten sind die Steuerkanten 54 auf in radialer Richtung ausgehend von der Drehachse unterschiedliche thermodynamische Zustände des entsprechenden Gases, insbesondere des Abgases, angepasst, was der effizienten Verdichtung der Luft zugute kommt.
Die Steuerscheibe 36 ist auf Seiten des zweiten Zuführkanals 28 und des ersten Abführkanals 24 und somit auf einer Kaltgasseite des Druckwellenladers 10 anzuordnen bzw. angeordnet.
Die Steuerscheibe 36 weist Expansionstaschen 26 auf. Mittels der Expansionstaschen 26 der Steuerscheibe 36, die die Funktion des Expansionstasche 26 gemäß 1 übernehmen können, ist die von dem Abgas verdichtete Luft zumindest teilweise nach dem Ausströmen durch den ersten Abführkanal 24 zumindest teilweise expandierbar. Dies bedeutet, dass die Expansionstaschen 26 bzw. eine der Expansionstaschen 26 auf das Öffnen des Abführkanals 24 folgt. Der nach dem Ausströmen vorhandene restliche Druck der verdichteten Luft sowie durch weiteres Einströmen von Abgas verdrängte Luft werden genutzt, um die Strömungsrichtung umzukehren, damit bei einem Öffnen des zweiten Zuführkanals 28 eine treibende Kraft für eine Frischluftspülung in einen zweiten Abführkanal 32 vorliegt.
Auch die Expansionstaschen 26 sind in Umfangsrichtung durch jeweilige erste Taschenwandungsbereiche 62 und zweite Taschenwandungsbereiche 64 begrenzt, wobei die jeweiligen ersten Taschenwandungsbereiche 62 analog zur stufenförmigen Ausgestaltung der Steuerkanten 54 stufenförmig ausgebildet sind. Der erste Taschenwanungsbereich 62 umfasst somit einen ersten Taschenlängenbereich 65, einen sich in radialer Richtung nach innen hin daran anschließenden zweiten Taschenlängenbereich 66 sowie einen sich in radialer Richtung nach innen hin daran anschließenden dritten Taschenlängenbereich 68, wobei der zweite Taschenlängenbereich 66 gegenüber dem ersten Taschenlängenbereich 65 in Umfangsrichtung zurückversetzt ist und wobei der dritte Taschenlängenbereich 68 gegenüber dem zweiten Taschenlängenbereich 66 in Umfangsrichtung zurückversetzt ist. Auf den ersten Taschenlängenbereich 65, den zweiten Taschenlängenbereich 66 und den dritten Längenbereich 68 ist dabei das bereits zu den ersten Längenbereich 56, zweiten Längenbereich 58 und den dritten Längenbereich 60 Geschilderte analog anwendbar und übertragbar, so dass auch die Expansionstaschen 26 in radialer Richtung auf in radialer Richtung unterschiedliche thermodynamische Zustände des ansprechenden Gases angepasst ist. So kann das Abgas besonders vorteilhaft aus den Zellen 18 ausgespült werden.
Die Expansionstaschen 26 sind dabei mit jeweiligen Zwischenstegen 69 versehen, durch welche die Expansionstaschen 26 in eine erste Teiltasche 70, eine zweite Teiltasche 72 und eine dritte Teiltasche 74 unterteilt sind. Wie der erste Längenbereich 56, der zweite Längenbereich 58 und der dritte Längenbereich 60 der Steuerkanten 54 korrespondieren auch der erste Taschenlängenbereich 65, der zweite Taschenlängenbereich 66 und der dritte Taschenlängenbereich 68 und die erste Teiltasche 70, die zweite Teiltasche 72 und dritte Teiltasche 74 der Expansionstaschen 26 zu den entsprechenden Zellenreihen. Durch die Zwischenstege 69 ist dabei ein Überströmen des Gases zwischen den einzelnen Zellenreihen vermieden, so dass sich das Gas nicht negativ gegenseitig beeinflusst.
Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Steuerscheibe 36 gemäß 2. Ausgehend von dem zweiten Längenbereich 58 als Ausgangslängenbereich ist der zweite Längenbereich 58 gegenüber dem ersten Längenbereich 56 bezogen auf die Umfangsrichtung um den Winkel α₁ in einem Winkelbereich von 1° bis 3°, insbesondere von zumindest im Wesentlichen 2°, zurückversetzt. Entsprechend dazu ist der dritte Längenbereich 60 gegenüber dem zweiten Längenbereich 58 um den Winkel α₂ von zumindest im Wesentlichen 2° zurückversetzt. Analoges trifft auf die ersten Taschenwandungsbereiche 62 der Expansionstaschen 26 der Steuerscheibe 36 zu.
In der 4 ist ein Diagramm 76 dargestellt, auf dessen Abszisse 78 der Radius ausgehend von der Drehachse ansteigend aufgetragen ist. Auf der Ordinate 80 des Diagramms 76 ist die Temperatur des Gases bzw. der Druckwellen zum Aufladen der Luft aufgetragen. Ordnet man nun das Diagramm 76 gedacht derart in Bezug Zur Steuerscheibe 36 an, so dass der Ursprung O des Diagramms auf der Drehachse der Steuerscheibe 36 liegt, so ist anhand eines Verlaufs 82 sehr gut erkennbar ist, dass die Temperatur ausgehend von der Drehachse mit zunehmendem Radius, das heißt mit zunehmendem Abstand von der Drehachse, sukzessive abnimmt. Die Steuerkanten 54 und die ersten Taschenwandungsbereiche 62 sind somit auf dieses Temperaturprofil bzw. auf diese radiale Temperaturverteilung abgestimmt. Analog zu dieser radialen Temperaturverteilung ergeben sich unterschiedliche Ankunftszeiten der Druckwellen. Dies wird durch die entsprechende Ausgestaltung der Steuerkanten 54 und der ersten Taschenwandungsbereiche 62 berücksichtigt, indem beispielsweise die Steuerkanten 54 durch die entsprechende Ausgestaltung des ersten Längenbereichs 56, des zweiten Längenbereichs 58 und des dritten Längenbereichs 60 im Bereich der ersten Zellenreihe früher öffnen als im Bereich der zweiten Zellenreihe, in deren Bereich die Steuerkanten 54 wiederum früher öffnen als im Bereich der dritten Zellenreihe. Anhand des Diagramms 76 ist dabei erkennbar, dass der ersten Zellenreihe eine höhere Temperatur des Gases zugeordnet ist als der zweiten Zellenreihe, der wiederum eine höhere Temperatur des Gases zugeordnet ist als der dritten Zellenreihe.
Auch Einströmbedingungen des Abgases können durch die Umfangsgeschwindigkeit als Funktion des Radius unterschiedlich sein, was durch die entsprechende Ausgestaltung insbesondere der Steuerscheibe 36, d. h. deren Steuerkante 54 Rechnung getragen werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009041125 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

(MTZ), Ausgabe MTZ 12/2006, Jahrgang 67, Seiten 946 bis 954 [0002]

Claims

Druckwellenmaschine, insbesondere Druckwellenlader, zur Verdichtung von Luft für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem um eine Drehachse drehbar gelagerten und eine Mehrzahl von Zelten (18) aufweisenden Rotor (20) und mit wenigstens einem um die Drehachse drehbaren Steuerelement (36), welches wenigstens eine Durchgangsöffnung (40) aufweist, über die ein die Druckwellenmaschine (10) zumindest bereichsweise durchströmendes Gas aus den Zellen (18) abführbar ist und welche in Umfangsrichtung durch einen ersten Wandungsbereich (50) des Steuerelements (36) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wandungsbereich (50) mindestens einen ersten Längenbereich (56) sowie wenigstens einen sich an den ersten Längenbereich (56) anschließenden zweiten Längenbereich (58) aufweist, welcher gegenüber dem ersten Längenbereich (56) in Umfangsrichtung zurückversetzt ist.
Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Längebereich (56) und der zweite Längenbereich (58) stufenförmig ausgebildet sind.
Druckwellenmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Längenbereich (56) und dem zweiten Längenbereich (58) jeweilige, in radialer Richtung fluidisch voneinander getrennte Zellen (18) des Rotors zugeordnet sind, aus welchen das Gas über die Durchgangsöffnung (40) im Bereich des ersten Längenbereichs (56) bzw. des zweiten Längenbereichs (58) abführbar ist.
Druckwellenmaschine nach einem der vorhergehen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite Längenbereich (58) in radialer Richtung in Richtung der Drehachse an den ersten Längenbereich (56) anschließt.
Druckwellenmaschine nach einem der vorhergehen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein sich an den zweiten Längenbereich (58) anschließender dritter Längenbereich (60) vorgesehen ist, welcher gegenüber dem zweiten Längenbereich (58) in Umfangsrichtung zurückversetzt ist.
Druckwellenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der dritte Längenbereich (60) in radialer Richtung in Richtung der Drehachse an den zweiten Längenbereich (58) anschließt.
Druckwellenmaschine nach einem der vorhergehen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Expansionstasche (26) der Druckwellenmaschine (10), mittels welcher die verdichtete Luft zumindest teilweise expandierbar ist, eine zumindest im Wesentlichen zur Zurückversetzung des ersten Längenbereichs (56), des zweiten Längenbereichs (58) und des dritten Längenbereichs (60) korrespondierende Zurückversetzung aufweist.
Druckwellenmaschine nach einem der vorhergehen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20) eine Mehrzahl von in radialer Richtung aneinander anschließender und fluidisch voneinander getrennter Zellen (18) aufweist, aus welchen das Gas über die Durchgangsöffnung (40), insbesondere im Bereich des ersten Längenbereichs (56), des zweiten Längenbereichs (58) und des dritten Längenbereichs (60), abführbar ist, wobei wenigstens eine den Zellen (18) zugeordnete Expansionstasche (26) der Druckwellenmaschine (10), mittels welcher das verdichtete Gas zumindest teilweise expandierbar ist, mit wenigstens einem Trennelement (69) versehen ist, mittels welchem ein Überströmen des in den Zellen (18) aufgenommen Gases zwischen den in radialer Richtung aneinander anschließenden Zellen (18) zumindest im Wesentlichen vermeidbar ist.