DE3728189A1 - Druckwellenlader fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckwellenlader gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Druckwellenlader, die die Abgasenergie der Brennkraftmaschine zum Aufladen derselben ausnutzen, sind in ihren Einzelheiten, beispielsweise aus der Patentliteratur der Klasse F 02 B 33/42, bekannt, so daß Aufbau und Wirkungs­ weise hier als bekannt vorausgesetzt werden. Im Prinzip arbeiten sie so, daß gleichsam Längskanäle bildende Zellen des rotierenden Zellenrads abwech­ selnd mit Frischluft oder Abgas beschickt werden, wobei Abgas bzw. Frischluft aus ihnen herausgedrückt wird.

Die EP 01 43 596 A 1, F 02 B 33/42, beschreibt einen Druckwellenlader dieses Aufbaues, dessen Zellenwände mit katalytisch wirksamem Material beschichtet sind, so daß das Zellenrad des Druckwellenladers zugleich als katalytischer Filter für das die Zellen durchströmende Abgas wirkt. Das Zellenrad wirkt auch als Fliehkraftabscheider für im Abgas - insbesondere einer Dieselma­ schine - enthaltene Rußpartikel; und zusammen mit der katalytischen Beschich­ tung und der damit verbundenen Herabsetzung der Entzündungstemperatur des Rußes kann es gemäß den Ausführungen in dieser Druckschrift im Zellenrad zum Abbrennen des angesammelten Rußes kommen.

Nachteilig - bezüglich der Rußbeseitigung - ist bei dem bekannten Druckwel­ lenlader jedoch die Tatsache, daß die rußabscheidende Wirkung des Zellen­ rads von seiner Drehzahl abhängt sowie aufgrund der prinzipiellen Wirkungs­ weise des Druckwellenladers die einzelnen Zellen des Zellenrads zeitweise direkte Strömungsverbindungen zwischen in das Gehäuse des Druckwellenladers eingearbeiteten Leitungen darstellen, so daß ein unmittelbarer Transport von Rußpartikeln durch die einzelnen Zellen stattfinden kann. Weiterhin beruht die rußbeseitigende Wirkung des bekannten Druckwellenladers allein auf der Verbrennung des Rußes im Lader, und wenn auch durch die katalytische Beschichtung der Zellenwände die Verbrennungstemperatur des Rußes herabge­ setzt werden mag, dürfte es doch unumgänglich sein, durch zeitweilige Ein­ stellung bestimmter Betriebsarten der Brennkraftmaschine für eine Erhöhung der Abgastemperatur zum Zwecke der Entzündung des Rußes zu sorgen.

Aus der EP 00 72 059 A1, F 02 B 33/42, ist es bekannt, bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine im Hochdruckteil des Abgassystems vor einem Druckwellen­ lader einen Abgaspartikelfilter als selbständiges Bauteil anzuordnen, der einen Bestandteil des Abgaskrümmers der Maschine bilden kann. Auch hier soll die Reinigung des Filters ausschließlich durch Verbrennen des Rußes erfolgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckwellenlader gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, also gleichsam mit in den Druckwellenlader integrierter Abgasreinigungsvorrichtung, zu schaffen, der unabhängig von der jeweiligen Drehzahl des Druckwellenladers, die bestimmt ist durch die Drehzahl der Brennkraftmaschine, zuverlässig Abgaspartikel, insbesondere Ruß in den Abgasen einer Dieselmaschine, zurückhält, wobei die Beseitigung der aufgefangenen Rußpartikel zumindest in erster Linie durch Abgasrückfüh­ rung und damit Verbrennung der Rußpartikel in den Brennräumen der Brenn­ kraftmaschine erfolgt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung be­ schreiben die Unteransprüche.

Schlagwortartig läßt sich die Erfindung also dahingehend charakterisieren, daß das Zellenrad als Rußfilter ausgebildet ist, wobei einem an sich für ihren selbständigen Einsatz bekannte Rußfilterkonstruktion Einsatz finden kann, nämlich mit gasdurchlässigen - aber den Ruß auffangenden - Filterwänden und wechselseitig verschlossenen - hier durch die Zellen des Zellenrads gebildeten - Kanälen.

Die Erfindung erschöpft sich aber nicht in dieser Ausbildung des Zellenrads als Partikelfilter, sondern beinhaltet auch eine bestimmte Führung der Lei­ tungen im Gehäuse des Druckwellenladers an den beiden Stirnseiten des Zellen­ rads. Die Leitungsführung muß nämlich so erfolgen, daß jede der Zellen in abwechselnder Folge mit Frischluft und Abgas beaufschlagt wird, wobei sich an jede Frischluftbeaufschlagung eine in entgegengesetzter Strömungsrich­ tung erfolgende Abgasbeaufschlagung anschließt, während die darauf folgende nächste Frischluftbeaufschlagung in derselben Richtung wie die zuvor erfolgte Abgasbeaufschlagung erfolgt. Auf jeder Gehäuseseite müssen insgesamt zumin­ dest vier Leitungen vorhanden sein, deren Strömungsquerschnitte so bemessen sind, daß stets mehrere Zellen des Zellenrades von Frischluft bzw. Abgas durchströmt werden. Erst dadurch ist sichergestellt, daß bei Abgasbeaufschla­ gung das Abgas Zellenwände durchströmen muß, die die Abgaspartikel zurück­ halten, und daß bei Frischluftbeaufschlagung diese Zellenwände in umgekehrter Richtung durchströmt werden, wobei die abgelagerten Rußpartikel von der Frisch­ luft mitgerissen und in die Brennräume der Maschine transportiert werden.

Durch entsprechende Gestaltung des Zellenrads, der an dieses angrenzenden Leitungsquerschnitte und durch geeignete Wahl der Drehzahl des Zellenrads kann die Vermischung von Frischluft und Abgas so beeinflußt werden, daß eine gewünschte NO _x -Senkung und Sauerstoffanreicherung des Abgases erzielt wird. Ggf. kann die Querströmung durch die Zellenwände örtlich verringert bzw. verhindert werden, indem einzelne Zellenwände gasundurchlässig ausgeführt werden. Auch ist es grundsätzlich möglich, die Zellenwände nicht nur als mechanisch wirkende Filter auszubilden, sondern sie katalytisch zu beschichten oder in anderer Weise katalytisch wirksam zu machen, wodurch örtlich die Zündtemperatur des Abgases verringert und/oder eine katalytische Reinigung des Abgases sichergestellt wird.

Wie auch aus der letzten Bemerkung folgt, ist die Erfindung nicht beschränkt auf die vollständige Beseitigung der aufgefangenen Rußpartikel durch Abgas­ rückführung, sondern sie läßt auch eine Verbrennung des Rußes in dem durch das Zellenrad gebildeten Filter zu. Infolge der bei der Erfindung erfolgenden Rückführung der Rußpartikel in die Brennräume erübrigen sich jedoch Maßnahmen, die eine zeitweilige Erhöhung der Abgastemperatur zur Folge haben; die Ver­ brennung der Rußpartikel im Zellenrad erfolgt vielmehr dann, wenn die Abgas­ temperatur ohnehin den Wert der Zündtemperatur des Rußes übersteigt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, deren Fig. 1 perspektivisch, teilweise im Schnitt, einen Zylinder einer Dieselmaschine mit dem Druckwellenlader zeigt, während Fig. 2 eine Abwicklung des Druckwellenladers sowie die verschiedenen Leitungen wiedergibt.

In beiden Figuren sind dieselben Teile mit demselben Bezugszeichen versehen.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so läuft in üblicher Weise im Zylinder 1 der Hubkolben 2, der über das Pleuel 3 mit der Kurbelwelle 4 in Verbindung steht. Die Kurbelwelle 4 treibt über den Riementrieb 5 synchron mit der Drehbewegung der Kurbelwelle die Antriebswelle 6 des allgemein mit 7 be­ zeichneten Druckwellenladers an. Drehfest mit der Welle 6 ist das Zellenrad 8 verbunden, das eine Vielzahl von im Querschnitt winkelförmigen, längskanal­ artigen Zellen aufweist, deren Aufeinanderfolge und Ausbildung noch anhand Fig. 2 beschrieben wird.

In beiden Figuren ist die Frischluftströmung durch weiße (umrandete) Pfeile, die Abgasströmung durch schwarze Pfeile gekennzeichnet. Die Maschine besitzt den Abgaskrümmer 9, der partikelhaltiges Abgas in die Abgaszuströmleitung 10 liefert; dieser steht bezüglich des Zellenradfilters 7 die Frischluftaus­ strömleitung 11 gegenüber, so daß sich zeitweilig Strömungsverbindungen zwischen den Leitungen 10 und 11 durch die einzelnen noch zu beschreibenden Zellen des Zellenrades 8 ergeben; die in diesen Zellen enthaltene Frischluft wird durch das Abgas dem Ansaugkrümmer 26 der Maschine und damit - bei geöff­ neten Einlaßventilen - den einzelnen Brennräumen im Zylinder zugeführt.

Nachdem die Zellen des Zellenrads 8 die Leitungen 10 und 11 passiert haben, gelangen sie in den Wirkungsbereich der Abgasausströmleitung 13, die mit der Atmosphäre in Verbindung steht und der Frischluftzuströmleitung 12, die über ein nicht gezeichnetes Luftfilter ebenfalls mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Dabei entweicht das Abgas aus den Zellen unter erneuter Ansaugung von Frischluft in die Zellen.

Stehen die Zellen nach weiterer Drehung des Zellenrads B zwischen der Abgaszu­ strömleitung 14 und der Frischluftausströmleitung 15, die mit dem Abgaskrümmer 10 bzw. dem Ansaugkrümmer 26 in Verbindung stehen, wird die in diesen Zellen enthaltene Frischluft wieder durch das Abgas verdrängt und dabei über den Ansaugkrümmer 26 in diejenigen Brennräume geschoben, deren Einlaßventil geöffnet ist.

Schließlich ist noch ein viertes Leitungspaar in Gestalt der Frischluftzu­ strömleitung 16 und der Abgasausströmleitung 17 vorhanden; beide Leitungen stehen mit der Atmosphäre in Verbindung. Wichtig und daher festzuhalten ist, daß sich die Strömungsrichtung innerhalb jeder Zelle, wenn sie den Wirkungsbereich von zwei der beschriebenen Leitungspaare verlassen hat, umkehrt. Dadurch wird sichergestellt, daß die Frischluftausströmung in Rich­ tung auf den Frischluftkrümmer entgegengesetzt zu der jeweils zuvor erfolg­ ten Abgasausströmung erfolgt, wobei die an den Zellenwänden zurückgehaltenen Rußpartikel von dieser entgegengesetzten Frischluftströmung mitgerissen werden.

Diese Verhältnisse werden in Fig. 2 besonders deutlich, die auch den Aufbau des Zellenrades 8 im einzelnen zeigt. Man erkennt zwei Arten von Zellen 18 und 19, die, durch Zellenwände 20 getrennt, aufeinander folgen: Die Zellen 18 sind an ihren in Fig. 2 linken Enden durch Stopfen 21 zumindest für die Rußpartikel undurchlässig verschlossen, während die Zellen 19 an ihren in Fig. 2 rechten Enden mit entsprechenden Stopfen 22 versehen sind. Die Zellenwände sind als Filterwände insofern porös ausgebildet, als sie zwar, wie durch die Pfeile 23 angedeutet, gasdurchlässig, dagegen für die Ruß­ partikel undurchlässig sind. Bezüglich der beispielsweise zwischen den Lei­ tungen 14 und 15 liegenden Zellen bedeutet dies, daß das von der Leitung 14 zugeführte Abgas durch die beiden äußeren Zellen einströmt, dann unter Ver­ drängung der Frischluft zusammen mit dieser die Zellwände zur inneren Zelle durchströmt und aus dieser die Frischluft in die Frischluftausströmleitung 15 drückt. Demgemäß setzt sich Ruß 24 an den - bezüglich der inneren Zelle - äußeren Oberflächen der Zellwände ab. Diese Ablagerung bleibt, sofern sie nicht in Folge hoher Abgastemperatur verbrennt, erhalten, wenn diese Zellen zwischen die Leitungen 16 und 17 geschwenkt werden. Erst nach Umkehr der Strömungsrichtung, d. h. wenn die Zellen zwischen den Leitungen 10 und 11 stehen, wird die Frischluft entsprechend den Pfeilen 23 durch das Zuströmen der Abgase durch die Zellwände gedrückt und nimmt die Rußpartikel 24 bei ihrer Strömung durch die Leitung 11 zum Ansaugkrümmer 26 mit. Gleichzeitig lagern sich auf den anderen Oberflächen dieser Zellenwände vom zuströmenden Abgas stammende Rußpartikel 25 ab, die dann durch ausströmende Frischluft beseitigt werden, wenn sich die betrachteten Zellen zwischen den Leitungen 14 und 15 befinden.

Durch die Zu- und Ausströmung des Abgases mit gleicher Strömungsrichtung werden unter optimaler Ausnutzung der Abgasenergie Umlenkverluste vermieden.

Mit der Erfindung ist also ein Druckwellenlader geschaffen, dessen Zellen­ rad als durch Abgasrückführung regenerierbarer Partikelfilter ausgebildet ist, so daß sich eine besondere Filteranordnung im Abgassystem - insbesondere einer Dieselmaschine - sowie Maßnahmen zur zeitweiligen Erhöhung der Abgas­ temperatur zwecks Verbrennung des Rußes erübrigen.

Claims (7)

1. Druckwellenlader für eine Brennkraftmaschine mit einem von dieser ange­ triebenen Zellenrad, dessen Zellen nacheinander vom Abgas der Maschine oder dieser zuzuführender Verbrennungsluft durch zeitweilige Verbindung mit im Ladergehäuse vorgesehenen Abgas- und Verbrennungsluftleitungen beströmt werden und der als Abgasreinigungsvorrichtung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die die Zellen (18, 19) trennenden Zellenwände (20) zumindest in überwiegender Anzahl als gasdurchlässige, aber im Abgas enthaltenen Ruß zurückhaltende Filterwände ausgebildet und die Zellen (18, 19) in rotationssymmetrischer Folge wechselseitig an jeweils einem ihrer Enden verschlossen sind, und daß sich im Gehäuse an den Stirnseiten des Zellenrades (8) Abgaszuströmleitungen (10, 14) und Frisch­ luftausströmleitungen (11, 15) sowie Frischluftzuströmleitungen (12, 16) und Abgasauströmleitungen (13, 17) in wechselnder Folge gegenüberliegen, deren Querschnitte sich jeweils über mehrere Zellen (18, 19) erstrecken und von denen die Frischluftausströmleitungen (10, 11) zu den Brennräumen der Maschine führen, wobei die Zellen (18,19) abwechselnd in entgegenge­ setzten Richtungen sowohl vom Abgas als auch von Verbrennungsluft durch­ strömt werden unter Umkehrung der Strömungsrichtung nur des Abgases oder nur der Verbrennungsluft innerhalb der Zellen (18,19).

2. Druckwellenlader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich jeweils gegenüberliegenden Leitungen (10, 11; 12, 13; 14, 15; 16, 17) in Umfangsrichtung des Zellenrades (8) etwas versetzt sind.

3. Druckwellenlader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne der Zellenwände (20) gasundurchlässig sind.

4. Druckwellenlader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Abgaszuströmleitungen (10, 14) und/oder alle Frischluftausström­ leitungen (11, 15) mit einem gemeinsamen Abgas- bzw. Frischluftkrümmer (26, 9) der Maschine in Verbindung stehen.

5. Druckwellenlader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuströmleitungen (10, 14; 12, 16) und die Ausströmleitungen (13, 17; 11, 15) derart angeordnet sind, daß die Abgaszu- und die Abgas­ ausströmung der Zellen (18, 19) gleich gerichtet sind.

6. Druckwellenlader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Abgaszuströmleitung (10, 14) und je eine Frischluftausström­ leitung (11, 15) für eine Teilmenge der Brennräume der Maschine vorhanden sind und zur Berücksichtigung der Zündfolge sich Abgaszuströmleitungen (10, 14) und Frischluftausströmleitungen (11, 15) jeweils solcher Brenn­ räume am Zellenrad (8) gegenüberliegen, die zumindest ungefähr gleich­ zeitig Abgas ausschieben bzw. Frischluft ansaugen.

7. Druckwellenlader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest jeweils ein Paar Abgaszu- und -ausströmleitungen (10, 14; 13, 17) sowie Frischluftzu- und Ausströmleitungen (12, 16; 11, 15) vorhan­ den ist.