НАГНЕТАТЕЛЬ СИСТЕМЫ ВОЛНОВОГО НАДДУВА
SUPERCHARGER OF WAVE SUPERCHARGING SYSTEM

Изобретение относится к нагнетателю системы волнового наддува.
Уровень техники
2
Для транспортных средств, приводимых в движение двигателями внутреннего сгорания, законодательство требует все более низкого уровня эмиссии вредных веществ и, в частности, низкого расхода топлива. При этом процесс преобразования энергии топлива в механическую энергию подчиняется требованиям для идеального цикла Карно, так что максимальный коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания ограничен примерно 40%. Остальная энергия, содержащаяся в топливе, отдается в виде тепловых потерь через узел двигателя внутреннего сгорания или с отходящими газами. Для дальнейшего повышения КПД двигателей внутреннего сгорания двигатели внутреннего сгорания подвергают наддуву. При этом всасываемый свежий воздух, необходимый для процесса горения, сжимают, чтобы достигать более высокого коэффициента наполнения цилиндра при процессе смены рабочей смеси. Более высокий коэффициент наполнения цилиндра свежим воздухом позволяет увеличить подачу, например, впрыскивание топлива, и таким образом повысить производительность сгорания за один такт сгорания, при неизменных затратах мощности на преодоление трения в двигателе внутреннего сгорания. В результате этого эффективная мощность двигателя внутреннего сгорания растет, так что появляется возможность для той же самой получаемой мощности использовать меньший по литражу двигатель и, таким образом, снижать расход топлива, а также выпуск СО.
В качестве компрессора для наддува двигателя внутреннего сгорания подходит, в частности, нагнетатель системы волнового наддува. При этом нагнетатель системы волнового наддува, каким он известен, например, из публикации ЕР 0235609 А1, использует для сжатия всасываемого свежего воздуха энергию потока отходящего газа в виде непосредственного газового контакта и в самом частом конструктивном варианте выполняется с вращающимся ячеистым ротором. Для достижения эффективного повышения коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания важнейшее значение имеет то, что процесс наддува посредством нагнетателя системы волнового наддува также должен происходить с высоким КПД.
Недостаток известных нагнетателей для систем волнового наддува состоит в том, что зазор между вращающимся ячеистым ротором и фиксированными частями выполнен относительно большим, чтобы при эксплуатации нагнетателя системы волнового наддува избегать механического повреждения вращающегося ячеистого ротора. Этот относительно большой зазор влечет за собой сокращение КПД как во время эксплуатации, так и особенно в процессе холодного пуска. Выложенная заявка DE 102012101922 А1 раскрывает нагнетатель системы волнового наддува с уменьшенной шириной зазора. Недостатком этого устройства является его склонность к заклиниванию, так что после наступления заклинивания дальнейшее сокращение ширины зазора невозможно.
Раскрытие сущности изобретения
Задача изобретения состоит в создании нагнетателя системы волнового наддува с повышенным коэффициентом полезного действия.
Эта задача решена нагнетателем системы волнового наддува, имеющим признаки пункта 1 формулы изобретения. Зависимые пункты 2-16 относятся к дальнейшим предпочтительным вариантам осуществления.
Задача решена, в частности, нагнетателем системы волнового наддува для сжатия свежего воздуха для двигателя внутреннего сгорания, включающим в себя камеру холодного газа, камеру горячего газа, а также расположенную между ними камеру ротора, причем внутри камеры ротора расположен выполненный с возможностью вращения ячеистый ротор, причем ячеистый ротор имеет множество ячеек ротора, которые проходят в направлении прохождения ячеистого ротора и образуют соединение по текучей среде, и причем камера горячего газа включает в себя канал отходящих газов высокого давления и канал отходящих газов низкого давления, камера холодного газа включает в себя канал свежего воздуха и канал наддувочного воздуха, канал отходящих газов высокого давления, канал отходящих газов низкого давления, канал свежего воздуха и канал наддувочного воздуха соединены с ячеистым ротором по текучей среде, причем камера холодного газа включает в себя подшипник ячеистого ротора, причем ячеистый ротор соединен с валом ротора, причем вал ротора опирается на подшипник ячеистого ротора ячеистый ротор разделен в направлении прохождения вала ротора и включает в себя по меньшей мере первую часть ячеистого ротора и вторую часть ячеистого ротора, причем первая и вторая части ячеистого ротора расположены на расстоянии друг от друга в направлении прохождения вала ротора, с образованием зазора, зазор открыт таким образом, что ячейки ротора, следующие друг за другом в направлении прохождения вала ротора от первой части ячеистого ротора ко второй части ячеистого ротора, соединены друг с другом по текучей среде через открытый зазор.
Кроме того, задача решена, в частности, нагнетателем системы волнового наддува для сжатия свежего воздуха для двигателя внутреннего сгорания, включающий в себя камеру холодного газа, камеру горячего газа, а также расположенную между ними камеру ротора, причем внутри камеры ротора расположен выполненный с возможностью вращения ячеистый ротор, причем камера горячего газа включает в себя канал отходящих газов высокого давления и канал отходящих газов низкого давления, камера холодного газа включает в себя канал свежего воздуха и канал наддувочного воздуха, канал отходящих газов высокого давления, канал отходящих газов низкого давления, канал свежего воздуха и канал наддувочного воздуха соединены с ячеистым ротором по текучей среде, камера холодного газа включает в себя подшипник ячеистого ротора, причем ячеистый ротор соединен с валом ротора, причем вал ротора опирается на подшипник ячеистого ротора ячеистый ротор разделен на ячейки, проходящие в направлении прохождения вала ротора и включает в себя по меньшей мере первую часть ячеистого ротора и вторую часть ячеистого ротора.
Нагнетатель системы волнового наддува и, в частности, его ячеистый ротор должен быть выполнен таким образом, что даже при высоких температурных колебаниях должна обеспечиваться надежная и безопасная эксплуатация. Так, например, при пуске двигателя автомобиля нагнетатель системы волнового наддува имеет температуру окружающей среды. Отходящие газы, проходящие от двигателя внутреннего сгорания в ячеистый ротор, во время эксплуатации имеют температуру отходящих газов, то есть, например, для бензиновых двигателей примерно до 1050°С, что влечет за собой термически обусловленное расширение ячеистого ротора в направлении прохождения.
Нагнетатель согласно изобретению системы волнового наддува включает в себя ячеистый ротор, разделенный на ячейки, проходящие в направлении прохождения вала ротора, имеющий по меньшей мере первую и вторую части ячеистого ротора, так что между первой и второй частями ячеистого ротора в направлении прохождения вала ротора образован зазор. Зазор в предпочтительном варианте осуществления имеет при температуре окружающей среды максимальную ширину 0,5 мм. В предпочтительном варианте осуществления зазор расположен в середине ячеистого ротора.
Ячеистый ротор согласно изобретению выполнен таким образом, что при нагревании линейное расширение, обусловленное температурой, влечет за собой уменьшение зазора и, соответственно, при охлаждении он увеличивается. Нагнетатель системы волнового наддува, содержащий выполненный таким образом ячеистый ротор, в особенно предпочтительном варианте осуществления обладает тем свойством, что зазор между торцевой стороной ячеистого ротора и торцевой стороной камеры горячего газа имеет одинаковую или по существу одинаковую ширину зазора независимо от температуры, причем предпочтительно возможно очень невысокое значение этой ширины зазора, находящееся предпочтительно в диапазоне от 0,05 до 0,2 мм, предпочтительно примерно равное 0,1 мм. Вследствие такой незначительной ширины зазора в области между торцевой стороной ячеистого ротора и торцевой стороной камеры горячего газа не происходит потеря давления, или происходит только незначительная потеря. Такой нагнетатель 1 системы волнового наддува имеет, например, хорошие пусковые характеристики холодного двигателя, так как имеется возможность очень быстрого создания давления наддува даже при холодном двигателе.
В предпочтительном варианте осуществления вал ячеистого ротора опирается только одной стороной, на первый подшипник в камере холодного газа. Такая конструкция называется также консольным креплением ячеистого ротора. В другом предпочтительном варианте осуществления вал ротора помещен на опоры с двух сторон, как в камере холодного газа, так и на второй подшипник в камере горячего газа.
В следующем предпочтительном варианте осуществления ячеистый ротор состоит из множества частей ячеистого ротора, расположенных друг за другом в направлении прохождения, например, в количестве от 3 до 30 частей ячеистого ротора, причем предпочтительно взаимное расположение частей ячеистого ротора, находящихся рядом друг с другом, с зазором на расстоянии друг от друга. Однако возможно также выполнение настолько узкого зазора, что находящиеся рядом части ячеистого ротора, соприкасаются друг с другом, особенно в горячем состоянии. Первая часть ячеистого ротора, обращенная к камере горячего газа, состоит из теплостойкого металла, предпочтительно из жаропрочной стали. Следующие за ней части ячеистого ротора уже не требуют такой высокой теплостойкости, так что возможно также выполнение этих частей ячеистого ротора, состоящих, например, из синтетического материала.
В следующем предпочтительном варианте осуществления нагнетатель системы волнового наддува включает в себя теплообменник, который расположен и выполнен таким образом, что он охлаждает по меньшей мере второй подшипник для ячеистого ротора, расположенный в камере горячего газа. В особенно предпочтительном варианте осуществления в камере горячего газа охлаждается, кроме того, поток отходящих газов высокого давления, приходящий из двигателя внутреннего сгорания. Охлаждение приходящего потока отходящих газов в камере горячего газа влечет за собой более низкую температуру камеры горячего газа и проникновение в ячеистый ротор потока отходящих газов с более низкой температурой, так что рабочая температура ячеистого ротора также более низкая. В результате этого как камера горячего газа, так и ячеистый ротор испытывает во время нагрева меньшее расширение и, соответственно, меньшее сужение во время охлаждения. Охлаждение позволяет располагать в камере горячего газа второй подшипник для ячеистого ротора. Вследствие этого имеется возможность опирать ячеистый ротор на второй подшипник, чтобы придавать торцевой стороне ячеистого ротора строго определенное положение, и вследствие этого имеется возможность сохранять малую ширину зазора между торцевой стороной ячеистого ротора и торцевой стороны камеры горячего газа. В наиболее предпочтительном варианте осуществления ячеистый ротор помещен на опоры с двух сторон, на втором подшипнике в камере горячего газа и на первом подшипнике в камере холодного газа. В предпочтительном варианте осуществления первый подшипник и/или второй подшипник, кроме того, смазаны, в частности, маслом или консистентной смазкой. Двустороннее опирание ячеистого ротора делает возможным отказ от известного ранее консольного крепления ячеистого ротора, недостаток которого состоял в раструбовидном деформировании ротора при высоких температурах и скоростях вращения.
Нагнетатель согласно изобретению системы волнового наддува имеет преимущество, состоящее в отсутствии или в сведении к минимуму раструбовидной деформации ячеистого ротора. Преимущество нагнетателя согласно изобретению системы волнового наддува состоит в том, что имеется возможность сохранять весьма малую ширину зазора между ячеистым ротором и камерой горячего газа в холодном состоянии, и ширина зазора предпочтительно находится в пределах от 0,05 до 0,2 мм, предпочтительно равна примерно 0,1 мм. Благодаря такой незначительной ширине зазора нагнетатель согласно изобретению системы волнового наддува имеет преимущество, состоящее в существенном улучшении характеристик холодного пуска, так как вследствие незначительной ширины зазора нагнетатель системы волнового наддува позволяет создавать достаточно высокое давление наддува уже во время фазы пуска холодного двигателя. Нагнетатель согласно изобретению системы волнового наддува создает достаточно высокое давление наддува, например, уже при температуре примерно 200°С.
В предпочтительном варианте осуществления имеется возможность регулирования производительности теплообменника по теплосъему таким образом, что во время холодного пуска охлаждение происходит только с незначительным теплосъемом или вовсе не происходит, чтобы нагнетатель системы волнового наддува выходил на необходимую рабочую температуру, например, примерно 200°С, в течение максимально короткого времени. Начиная с определенной рабочей температуры, например, с 300°С, производительности теплообменника повышают, чтобы охлаждать поступающие отходящие газы.
Кроме того, в особенно предпочтительном варианте осуществления теплообменник выполнен таким образом, что он охлаждает также поток отходящих газов, вытекающий из нагнетателя системы волнового наддува, предпочтительно посредством охлаждения канала отходящих газов низкого давления.
Еще одно преимущество нагнетателя согласно изобретению системы волнового наддува состоит в том, что больше не возникает или почти не возникает задержанное воспламенение несгоревших углеводородов в системе выхлопа, так как значительно снижена температура потока отходящих газов, подводимого к системе выхлопа, и предпочтительно также температура камеры горячего газа. Таким образом, поток отходящих газов, выходящий из камеры горячего газа, может иметь, например, температуру примерно 700°С или ниже 700°С. На поверхности камеры горячего газа она может иметь, например, температуру около 120°С. Теплообменник предпочтительно выполнен в виде проходящих в камере горячего газа каналов, по которым в качестве охлаждающей среды течет вода. Выполненный таким образом теплообменник особенно хорошо подходит для охлаждения камеры горячего газа, так что это позволяет изготавливать камеру горячего газа, например, из алюминия, из алюминиевого сплава или из легкого сплава. Камера горячего газа, выполненная из такого металла, не подвержена термическим повреждениям во время эксплуатации, так как металл имеет высокую теплопроводность, и камера горячего газа охлаждается настолько, что не испытывает перегрева.
Кроме того, преимущество нагнетателя согласно изобретению системы волнового наддува состоит в том, что за счет охлаждения отходящих газов сокращается объемный поток отходящих газов, что влечет за собой либо возможность уменьшения размеров выпускных трубопроводов в нагнетателе системы волнового наддува, либо возможность имеющийся нагнетатель системы волнового наддува с повышенной производительностью по прохождению отходящих газов.
Кроме того, преимущество нагнетателя согласно изобретению системы волнового наддува состоит в том, что возможно его выполнение - в частности, выполнение камеры горячего газа и камеры холодного газа, однако также и ячеистого ротора - с меньшим количеством термостойких материалов и, таким образом, с более дешевыми материалами. В особенно предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере камера горячего газа выполняется из алюминия, алюминиевого сплава или другого легкого сплава, чтобы получить камеру горячего газа, более легкую по весу, и чтобы предпочтительным образом получить камеру горячего газа, имеющую повышенную теплопроводность. Преимущество такого нагнетателя системы волнового наддува состоит в том, что он выполнен особенно легким и что возможно особенно эффективное охлаждение потока отходящих газов. Камера горячего газа из алюминия или соответствующего сплава имеет то преимущество, что она очень быстро нагревается, так что при пуске холодного двигателя нагнетатель системы волнового наддува достигает необходимой рабочей температуры за очень короткое время. Таким образом, двигатель внутреннего сгорания, оборудованный нагнетателем согласно изобретению системы волнового наддува, имеет предпочтительные характеристики холодного пуска. В результате нагнетатель системы волнового наддува, например, при бензиновом двигателе с малым литражом, очень быстро начинает эффективно работать после холодного пуска, что обуславливает, например, лучшие динамические характеристики и меньшую эмиссию вредных веществ.
Теплообменник предпочтительно имеет водяное охлаждение, в частности, посредством расположенных в камере горячего газа каналов для охлаждения, которые омываются охлаждающей водой.
Ячеистый ротор предпочтительно приводится в движение активным образом, например, посредством ременного привода, или, в частности, электродвигателем, предпочтительно расположенным в камере холодного газа.
Краткое описание чертежей
На чертежах, предназначенных для пояснения вариантов осуществления, показаны:
Фиг. 1 продольный разрез нагнетателя системы волнового наддува, частично представленного в схематичном виде;
Фиг. 2 принципиальная схема прохождения газов в ячеистом роторе;
Фиг. 3 вид сбоку разделенного ячеистого ротора;
Фиг. 4 продольный разрез разделенного ячеистым ротором;
Фиг. 5 продольный разрез разделенного ячеистого ротора в дальнейшем варианте осуществления;
Фиг. 6 продольный разрез разделенного ячеистого ротора в дальнейшем варианте осуществления;
Фиг. 7 продольный разрез нагнетателя системы волнового наддува, частично представленного в схематичном виде, в дальнейшем варианте осуществления;
Фиг. 8 вид спереди камеры горячего газа;
Фиг. 9 вид сбоку нагнетателя системы волнового наддува;
Фиг. 10 разрез нагнетателя системы волнового наддува по линии А-А разреза с фигуры 9;
Фиг. 11 продольный разрез нагнетателя системы волнового наддува, в дальнейшем варианте осуществления; фиг. 12 аксонометрическое изображение передней стороны ячеистого ротора;
Фиг. 13 аксонометрическое изображение задней стороны ячеистого ротора;
Фиг. 14 продольный разрез разделенного ячеистого ротора в другом варианте осуществления.
На чертежах одинаковые детали снабжены по существу одинаковыми обозначениями.
Осуществление изобретения
На фигуре 1 показан, частично в схематичном виде, нагнетатель 1 системы волнового наддува для сжатия 2 свежего воздухаа для не представленного двигателя внутреннего сгорания, к которому подводится сжатый свежий воздух, обозначаемый также как наддувочный воздух 3а. Нагнетатель 1 системы волнового наддува включает в себя камеру 6 холодного газа, камеру 7 горячего газа, а также расположенную между ними камеру 11 ротора, причем внутри камеры 11 ротора расположен выполненный с возможностью вращения ячеистый ротор 8. Ячеистый ротор 8 включает в себя первую и вторую части 8а, 8b ячеистого ротора, которые расположены на расстоянии друг от друга с образованием зазора 18. Ячеистый ротор 8 включает в себя вал 12 ротора или соединен с валом 12 ротора, который каждым из обоих концов помещен с возможностью вращения во втором и в первом подшипниках 13, 14. Второй подшипник 13 расположен в камере 7 горячего газа, первый же подшипник 14 расположен, напротив, в камере 6 холодного газа. Камера 7 горячего газа включает в себя канал 4 отходящих газов высокого давления и канал 5 отходящих газов низкого давления, причем поступающий от двигателя поток 4а отходящих газов высокого давления подводится в канал 4 отходящих газов высокого давления, поток 5а отходящих газов низкого давления, вытекающий из канала 5 отходящих газов низкого давления, подводится к выхлопу. В дальнейшем варианте исполнения возможна камера 6 холодного газа, включающая в себя канал 2 свежего воздуха и канал 3 наддувочного воздуха. Возможна также камера 6 холодного газа, включающая в себя несколько каналов 2 свежего воздуха и несколько каналов 3 наддувочного воздуха, предпочтительно по два. Камера 7 горячего газа в дальнейшем варианте исполнения также могла бы включать в себя несколько каналов 4 отходящих газов высокого давления и несколько каналов 5 отходящих газов низкого давления, предпочтительно по два. Канал 4 отходящих газов высокого давления, канал 5 отходящих газов низкого давления, канал 2 свежего воздуха и канал 3 наддувочного воздуха в обычной для нагнетателя системы волнового наддува, однако лишь схематично представленной здесь конструкции соединены по текучей среде с ячеистым ротором 8, причем ячеистый ротор 8 имеет ячейки 10 ротора, которые образуют соединения с возможностью прохождения текучей среды, проходящие в направлении ячеистого ротора 8 от первой торцевой стороны 8с вплоть до второй торцевой стороны 8d ячеистого ротора 8, чтобы посредством потока 4а отходящих газов высокого давления сжимать всасываемый свежий воздух 2а и подводить его в качестве потока 3а наддувочного воздуха к двигателю внутреннего сгорания. Камера 7 горячего газа имеет в торцевой стороне 7f, обращенной в направлении ячеистого ротора 8, впускное окно 7h, а также выпускное окно 7g. Между этой торцевой стороной 7f и ячеистым ротором 8 имеется зазор 16. Зазор 16 предпочтительно имеет ширину в пределах от 0,05 мм до 0,2 мм и, в частности, примерно равную 0,1 мм. Камера 6 холодного газа имеет в торцевой стороне 6с, обращенной в направлении ячеистого ротора 8, впускное окно 6d, а также выпускное окно 6е. Между этой торцевой стороной 6с и ячеистым ротором 8 имеется зазор 17. Ячеистый ротор 8 имеет наружную стенку 8е ячеистого ротора, которая ограничивает ячейки 10 ротора.
Камера 7 горячего газа включает в себя теплообменник 7с, представленный частично в схематичном виде, причем теплообменник 7с выполнен таким образом, что им охлаждается по меньшей мере второй подшипник 13. Камера 7 горячего газа предпочтительно включает в себя стенку 7n с гнездом подшипника, которая на стороне, обращенной ко второму подшипнику 13, выполнена в виде гнезда 7о подшипника для второго подшипника 13, причем второй подшипник 13 расположен в гнезде 7о подшипника на стороне, противоположной второму подшипнику 13, стенка 7n с гнездом подшипника образует часть наружной стенки 7р охлаждающего канала, относящейся к каналу 7d для охлаждения теплообменника 7с.
В особенно предпочтительном случае теплообменник 7с выполнен таким образом, что имеется также возможность охлаждения канала 4 отходящих газов высокого давления, и таким образом охлаждается поток 4а отходящих газов высокого давления, проходящий через канал 4 отходящих газов высокого давления. Теплообменник 7с предпочтительно включает в себя охлаждающий канал 7е, который полностью охватывает канал 4 отходящих газов высокого давления по меньшей мере на протяжении участка 4b охлаждения, так что наружная стенка канала 4 отходящих газов высокого давления в то же время образует часть наружной стенки охлаждающего канала 7р.
Охлаждающий поток предпочтительно проводится в теплообменнике 7с таким образом, что охладитель сначала охлаждает второй подшипник 13 и после этого подводится к каналу 4 отходящих газов высокого давления, чтобы охлаждать его. Охладитель предпочтительно протекает по каналам для охлаждения, которые находятся в наружной стенке канала 4 отходящих газов высокого давления. В следующем предпочтительном варианте осуществления теплообменник 7с выполнен таким образом, что, кроме того, имеется также возможность охлаждения канала 5 отходящих газов низкого давления, так что проходящий через этот канал поток 5 отходящих газов низкого давления охлаждается. В качестве охладителя предпочтительно используется вода. В предпочтительном варианте осуществления каналы для охлаждения соединены с циркуляционным контуром воды двигателя внутреннего сгорания, чтобы он поставлял охлаждающую воду и вызывал ее циркуляцию. Вал 12 ротора в представленном варианте осуществления приводится в движение электродвигателем 15, расположенным в камере 6 холодного газа. Вал 12 ротора может приводиться в движение, например, также ременным приводом.
В предпочтительном варианте осуществления в нагнетателе 1 системы волнового наддува расположен датчик 21 для учета температуры потока 4а отходящих газов высокого давления, температуры потока 5а отходящих газов низкого давления или связанной с ними величины, причем датчик 21 соединен с регулирующим устройством 23 с возможностью передачи сигнала. Теплообменник 7с соединен по текучей среде с не представленным устройством теплоотдачи, так что образуется циркуляционный контур воды, который включает в себя также не представленный циркуляционный насос. В предпочтительном варианте осуществления циркуляционный насос управляется регулирующим устройством 23, так что имеется возможность управления холодильной мощностью теплообменника 7с, предпочтительно в зависимости от температуры, измеренной датчиком 21.
В предпочтительном способе эксплуатации во время холодного пуска не производят охлаждение теплообменника 7с или производят только ограниченное его охлаждение, так что во время первой фазы S1 пуска двигателя охлаждение не происходит или происходит только в уменьшенной степени, до тех пор, пока нагнетатель 1 системы волнового наддува, в частности, поток отходящих газов высокого давления или поток отходящих газов низкого давления не нагреется до определенной минимальной температуры Tmin и пока после этого не повысится холодильная мощность теплообменника 7с. Преимущество этого способа состоит в том, что во время холодного пуска нагнетатель системы волнового наддува быстро нагревается и поэтому быстро создает необходимое давление. В дальнейшем предпочтительном способе эксплуатации при холодном пуске ограничивают на протяжении заданного начального промежутка Tst времени холодильную мощность теплообменника или отключают теплообменник 7с, а по истечении начального промежутка Tst времени холодильную мощность теплообменника 7с повышают.
На фигуре 2 показана принципиальная схема прохождения газов в нагнетателе 1 системы волнового наддува с составным ячеистым ротором 8, имеющим зазор 18. Ячеистый ротор 8 помещен с возможностью поворота в направлении D вращения. Ячеистый ротор 8 включает в себя множество стенок 9 ячеек, расположенных на расстоянии друг от друга в направлении D вращения и ограничивающих ячейки 10 ротора. Ячеистый ротор 8 и соответственно ячейки 10 ротора в середине прерываются зазором 18 и оканчиваются в направлении прохождения ротора, как представлено на фигуре 1, на первой или на второй торцевой стороне 8с, 8d. В области зазора 18 ячейки 10 ротора расположены, продолжая друг друга, и в направлении прохождения ячеистого ротора 8 и соответственно вала 12 ротора ячейки 10 ротора выполнены непрерывными, с целью осуществления сквозного, беспрепятственного соединения для прохождения текучей среды в направлении прохождения ячеистого ротора 8 или вала 12 ротора между первой и второй торцевыми сторонами 8с, 8d, чтобы ударная волна могла беспрепятственно распространяться по ячейкам 10 ротора. Во вращающемся ячеистом роторе 8 через канал 2 свежего воздуха проходит всасываемый свежий воздух 2а, а через канал 4 отходящих газов высокого давления - отходящие газы 4а, поступающие в результате рабочего хода поршня. Всасываемый свежий воздух 2а сжимается давлением отходящих газов 4а, а после этого через канал 3 наддувочного воздуха подводится к двигателю внутреннего сгорания на всасывающей стороне и затем устремляется в цилиндр, где происходит процесс смены рабочей смеси, и там смешивается с топливом и сжигается. Потом отходящие газы 4а в свою очередь подводятся через канал 4 отходящих газов высокого давления к нагнетателю 1 системы волнового наддува. После сжатия свежего воздуха 2а отходящими газами 4а отходящие газы 5а, больше не нужные, выпускаются из ячеистого ротора 8 в канал 5 отходящих газов низкого давления и подводятся к дальнейшей части трубопровода отходящих газов.
В камере 7 горячего газа проходит канал 4 отходящих газов высокого давления, который подведен к ячеистому ротору 8. В камере 7 горячего газа расположен, кроме того, теплообменник 7с, который в представленном варианте осуществления выполнен в виде каналов 7d подачи воды, которые охватывают канал 4 отходящих газов высокого давления, чтобы охлаждать его внутренние стенки и чтобы тем самым охлаждать протекающий в нем поток 4а отходящих газов высокого давления. В представленном варианте осуществления теплообменник 7с, или каналы 7d подачи воды представляет собой часть камеры 7 горячего газа. В не представленном предпочтительном варианте осуществления каналы 7d подачи воды сначала подведены к той области камеры 7 горячего газа, в которой расположен второй подшипник 13, чтобы охлаждать сначала второй подшипник 13, прежде чем охлаждать ту часть камеры 7 горячего газа, которая окружает канал 4 отходящих газов высокого давления. В не представленном предпочтительном варианте исполнения возможно также расположение теплообменника 7с, в частности, каналов 7d подачи воды, в области канала 5 отходящих газов низкого давления с целью охлаждения потока 5а отходящих газов низкого давления.
На фигуре 3 показан вид сбоку составного ячеистого ротора 8, который выполнен в направлении прохождения вала 12 ротора состоящим из двух частей и имеет первую часть 8а ячеистого ротора и вторую часть 8b ячеистого ротора. Части 8а, 8b ячеистого ротора соединены с валом 12 ротора таким образом, что при расширении в результате нагревания они имеют возможность перемещения 8с, 8d только в направлении центра, так что ширина зазора 18 сокращается. Положение частей 8а, 8b ячеистого ротора по отношению к валу 12 ротора в направлении торцевых сторон 8с, 8d ячеистого ротора 8 предпочтительно не изменяется, так что обеспечивается постоянная или по существу постоянная ширина зазоров 16, 17 между торцевой поверхностью 7f камеры 7 горячего газа и ячеистым ротором 8.
На фигуре 4 показан ячеистый ротор 8, включающий в себя первую часть 8а ячеистого ротора с первой опорной деталью 8h и вторую часть 8b ячеистого ротора со второй опорной частью 8i, причем обе части 8а, 8b ячеистого ротора и соответственно обе опорных части 8h, 8i образуют друг с другом зазор 18. Опорные части 8h, 8i помещены с возможностью перемещения относительно вала 12 ротора. В опорных частях 8h, 8i имеется полость, внутри которой расположена приведенная в напряженное состояние пружина 28, отжимающая обе опорных части 8h, 8i в стороны и тем самым отжимающая обе части 8а, 8b ячеистого ротора друг от друга, так что части 8а, 8b ячеистого ротора почти прилегают своими торцевыми сторонами к торцевой стороне 7f камеры 7 горячего газа или к торцевой стороне 6с камеры 6 холодного газа, образуя с ними только незначительный зазор 16. Нагревание ячеистого ротора 8 вызывает расширение частей 8а, 8b ячеистого ротора, так что зазор 18 уменьшается. Снижение температуры ячеистого ротора 8 вызывает увеличение зазора 18. Вариант исполнения, представленный на фигуре 4, дает то преимущество, что зазор 16 между торцевой стороной 7f камеры 7 горячего газа и первой частью 8а ячеистого ротора остается постоянным или по существу постоянным, независимо от температуры части 8а ячеистого ротора, так как изменение длины части 8а ячеистого ротора, возникающее вследствие нагревания, влияет на ширину зазора.
В предпочтительном варианте осуществления первая часть 8а ячеистого ротора состоит из более теплостойкого материала, чем вторая часть 8b ячеистого ротора - например, из стали или чугунного литья. Во время эксплуатации нагнетателя 1 системы волнового наддува первая часть 8а ячеистого ротора может иметь, например, температуру примерно 800°С, вторая же часть 8b ячеистого ротора, напротив, имеет температуру только примерно 200°С. Зазор 18 предотвращает передачу тепла за счет теплопроводности в направлении прохождения ячеистого ротора 8, так что части 8а, 8b ячеистого ротора значительно различающиеся температуры. Поэтому имеется также возможность изготавливать вторую часть 8b ячеистого ротора из менее теплостойкого материала, например, также из синтетического материала. Такой ячеистый ротор 18 экономичнее, а также предпочтительно легче.
На фигуре 5 показан дальнейший вариант осуществления ячеистого ротора 8, причем, в отличие от варианта осуществления, представленного на фигуре 4, он имеет упоры 12с, 12d, которые жестко соединены с ротором 12, так что максимально возможный путь перемещения обеих частей 8а, 8b ячеистого ротора в направлении прохождения 12 ротора ограничен упорами 12с, 12d. В возможном варианте осуществления обе части 8а, 8b ячеистого ротора могут иметь обращенные к зазору 18 концевые участки, которые в направлении прохождения 12 ротора взаимно перекрываются и вследствие этого образуют уплотнение. Это уплотнение может быть выполнено, например, в виде лабиринтного уплотнения. Такое выполнение возможно для всех представленных здесь вариантов осуществления ячеистых роторов 8. В качестве альтернативы возможно расположение уплотнения, в частности, лабиринтного уплотнения 26, в камере 11 ротора, как представлено на фигуре 11.
На фигуре 6 показан дальнейший вариант осуществления ячеистого ротора 8, который выполнен состоящим по меньшей мере из двух частей в направлении прохождения вала 12 ротора, и включает в себя первую часть 8а ячеистого ротора с первым частичным валом 12а ротора и вторую часть 8b ячеистого ротора со вторым частичным валом 12b ротора, причем обе части 8а, 8b ячеистого ротора и соответственно оба частичных вала 12а, 12b ротора соединены друг с другом посредством муфты 19. Между обеими частями 8а, 8b ячеистого ротора имеется зазор 18 ротора. Оба частичных вала 12а, 12b ротора помещены в муфте 19 с возможностью перемещения относительно друг друга, так что возможно изменение ширины зазора 18, вызываемое изменением температуры ячеистого ротора 8.
На фигуре 7 показан вариант осуществления нагнетателя 1 системы волнового наддува с консольным креплением ячеистого ротора 8. В отличие от нагнетателя 1 системы волнового наддува, показанного на фигуре 1, в нагнетателе системы волнового наддува, показанном на фигуре 7, вал 12 ротора опирается только справа на первом подшипнике 14 в камере 6 холодного газа. На левом конце вал 12 ротора не имеет опоры.
Возможно также такое исполнение нагнетателя 1 системы волнового наддува, в котором вторая часть 8b ячеистого ротора, а также участок 11а камеры 11 ротора, охватывающий вторую часть 8b ячеистого ротора, подогнаны друг к другу таким образом, что вторая часть 8b ячеистого ротора, а также охватывающий ее участок 11а, совместно образуют лабиринтное уплотнение 26, как представлено на фигуре 11.
В следующем возможном варианте исполнения в нагнетателях 1 системы волнового наддува, представленных на фигурах 1, 7 и 11, возможен отказ от охлаждения камеры 7 горячего газа. При таком варианте исполнения также обеспечивается сохранение малого размера зазора 16, и нагревание ячеистого ротора 8 вызывает изменение ширины зазора 18 ротора.
На фигуре 8 показана торцевая сторона 7f камеры 7 горячего газа, причем на торцевой стороне 7f расположены в ряд следующие друг за другом, находящиеся на расстоянии друг от друга в направлении окружности впускное окно 7h и за ним выпускное окно 7g, причем далее расположено еще одно впускное окно 7h и за ним выпускное окно 7g. Нагнетатель 1 системы волнового наддува, включающий - в себя представленную на фигуре 5 камеру 7 горячего газа, выполнен таким образом, что в нем имеется газоход, состоящий из двух расположенных друг над другом газоходов, как представлено на фигуре 2.
На фигуре 9 показан в виде сбоку дальнейший вариант осуществления нагнетателя 1 системы волнового наддува с камерой 7 горячего газа, камерой 11 ротора и камерой 6 холодного газа, причем камера 7 горячего газа включает в себя фланец 71, в который впадают канал 4 отходящих газов высокого давления и канал 5 отходящих газов низкого давления. Камера 11 ротора имеет два фланца 11а, 11b, которые укреплены соответственно на камере 7 горячего газа и на камере 6 холодного газа. Кроме того, представлен вход 7i охлаждающей воды, а также выход 7k охлаждающей воды, через которые происходит оборот охлаждающей воды расположенного в камере 7 горячего газа теплообменника 7с.
На фигуре 10 показан разрез по линии А-А разреза с фигуры 6. Канал 4 отходящих газов высокого давления, а также канал 5 отходящих газов низкого давления по меньшей мере частично окружены водяной оболочкой 7m, находящейся внутри теплообменника 7с, причем вода заменяется через подвод и отвод 7i, 7k и охлаждается вне камеры 7 горячего газа. Камера 7 горячего газа предпочтительно выполнена местами с двойными стенками, образуя между стенками, расположенными на расстоянии друг от друга, теплообменник 7с. На фигуре 7 видны, кроме того, два выпускных окна 7g, а также часть расположенного за ними ячеистого ротора 8 и его ячейки.
Система охлаждения, включающая в себя теплообменник 7с, может быть выполнена разными способами, например, возможно также ее выполнение в виде циркуляционного контура пара, с тепловыми трубами и осуществляющего циркуляцию пара с фазовыми переходами.
На фигуре 11 показан в продольном разрезе дальнейший вариант осуществления нагнетателя 1 системы волнового наддува с составным ячеистым ротором 8, укрепленным с возможностью вращения. Камера 11 ротора выполнена как цельный корпус-обшивка в форме трубы и соединена с камерой 7 горячего газа, а также с камерой 6 холодного газа посредством фланцев 11а, 11b. Камера 7 горячего газа выполнена из алюминия или из легкого сплава. Вал 12 ротора выполнен сплошным и помещен с возможностью поворота на втором подшипнике 13, а также на первом подшипнике 14. Бортик, или упор 12с жестко соединен с валом 12 ротора. Первая и вторая части 8а, 8b ячеистого ротора помещены на валу 12 ротора посредством опорных частей 8h, 8i с возможностью перемещения. Пружина 28 создает силу, разжимающую обе части 8а, 8b ячеистого ротора так что они прилегают с предварительным напряжением к бортику 12с и соответственно к диску 29 упора.
На фигурах 12 и 13 показаны в аксонометрическом изображении соответственно передняя сторона и задняя сторона представленных на фигуре 11 частей 8а, 8b ячеистого ротора. Обе части 8а, 8b ячеистого ротора выполнены идентично. Часть 8а, 8b ячеистого ротора включает в себя наружную стенку ячеистого ротора 8е, внутреннюю стенку 8g ячеистого ротора, а также множество стенок 9 ячеек, образующих ячейки 10 ротора. Кроме того, часть 8а, 8b ячеистого ротора включает в себя первую торцевую сторону 8с, которая содержит упор 8f, а также выемку 8k для вала 12 ротора. Кроме того, часть 8а, 8b ячеистого ротора включает в себя опорную часть 8h.
Обе части 8а, 8b ячеистого ротора прилегают посредством упора 8f к бортику 12с или соответственно к диску с 29 упора, причем их расположение подобрано таким образом, что между первой торцевой стороной 8с первой части 8а ячеистого ротора и торцевой стороной 7f камеры 7 горячего газа получается зазор 16 с определенной шириной зазора, а между второй торцевой стороной 8d второй части 8b ячеистого ротора и торцевой стороной 6с камеры 6 холодного газа получается зазор 17 с определенной шириной зазора. В результате изменение температуры в нагнетателе 1 системы волнового наддува вызывает изменение ширины зазора ротора 18, ширина же зазоров 16 и 17, напротив, остается постоянной или по существу постоянной независимо от температуры. Это одна из причин того, что нагнетатель 1 системы волнового наддува имеет высокий КПД.
Однако возможно также и выполнение нагнетателя 1 системы волнового наддува, представленного на фигуре 11, цельным, то есть без зазора ротора 18, как это представлено, например, на фигуре 1.
Нагнетатель 1 системы волнового наддува, представленный на фигуре 11, включает в себя теплообменник 7с в камере 7 горячего газа, выполненный так, что имеется возможность охлаждения по меньшей мере второго подшипника 13, причем теплообменник 7с имеет каналы 7d для охлаждения, проходящие внутри камеры 7 горячего газа. Камера 7 горячего газа включает в себя стенку 7n с гнездом подшипника для второго подшипника 13, которая на стороне, обращенной ко второму подшипнику 13, выполнена в форме гнезда 7о подшипника, причем второй подшипник 13 расположен в гнезде 7о подшипника, на противоположной второму подшипнику 13 стороне стенка 7n с гнездом подшипника образует часть наружной стенки 7р охлаждающего канала для канала 7d охлаждения теплообменника 7с. Стенка 7n с гнездом подшипника предпочтительно включает в себя торцевую сторону 7q, а также отходящий от торцевой стороны 7q полый цилиндрический опорный участок 7r, причем торцевая сторона 7q и опорный участок 7r образуют гнездо 7о подшипника, как торцевая сторона 7q, так и полый цилиндрический опорный участок 7r образуют часть наружной стенки охлаждающего канала 7р. Такой вариант осуществления особенно предпочтителен, так как при этом значительно сокращен тепловой поток от камеры 7 горячего газа к опорному гнезду 7о подшипника. В результате это предпочтительным образом препятствует поступлению тепла от второго подшипника 13 на ячеистый ротор 8. Особенно предпочтительно настолько сильное охлаждение гнезда 7о подшипника, что, кроме того, через второй подшипник 13 возможен теплоотвод от ячеистого ротора 8. Это позволяет особенно предпочтительным образом охлаждать ячеистый ротор 8.
Стенка 7n с гнездом подшипника предпочтительно соединена с остальной частью камеры 7 горячего газа посредством тонкостенного элемента 7s, или мостика, чтобы сокращать тепловой поток из остальной части камеры горячего газа к стенке 7n с гнездом подшипника.
В предпочтительном варианте осуществления нагнетатель 1 системы волнового наддува, если он имеет разделенный ротор 8, включает в себя множество лабиринтных уплотнений 26, как это приблизительно и схематично показано на фигуре 11. Лабиринтные уплотнения 26 расположены, например, на внутренней стороне камеры 11 ротора и на наружной стороне наружной стенки 8е ячеистого ротора, причем на фигуре 11 представлены только лабиринтные уплотнения 26, расположенные в камере 11 ротора. Лабиринтные уплотнения 26 проходят в направлении окружности на 360°, причем для упрощения на фигуре 11 лабиринтные уплотнения 26 в камере 11 ротора показаны только внизу. Однако в камере 11 ротора возможно прохождение лабиринтных уплотнений 26 также вверху. Лабиринтное уплотнение 26 предпочтительно расположено по меньшей мере в области зазора 18, чтобы предотвращать выход текучей среды через зазор 18 из ячейки 10 ротора в области между зазором 18 и камерой 11 ротора. Кроме того, еще два лабиринтных уплотнения 26, каждое из которых проходит на 360° в направлении окружности, предпочтительно расположены в области концов ячеистого ротора 8, как показано на фигуре 11, чтобы избегать проникновения текучей среды в зазор между наружной стенкой ячеистого ротора 8е и внутренней стороной камеры 11 ротора.
Теплообменник 7с предпочтительно имеет охлаждающий канал 7е, который полностью охватывает канал 4 отходящих газов высокого давления по меньшей мере на протяжении участка 4b охлаждения, так что наружная стенка канала 4 отходящих газов высокого давления в то же время образует часть наружной стенки охлаждающего канала 7р. В особенно предпочтительном случае тонкостенный элемент 7s, или мостик, как представлено на фигуре 11, образует с двух сторон наружную стенку охлаждающего канала 7р, что дополнительно сокращает тепловой поток от остальной части камеры горячего газа на стенку 7n с гнездом подшипника.
Кроме того, теплообменник 7с предпочтительно имеет охлаждающий канал 7е, который полностью охватывает канал 5 отходящих газов низкого давления по меньшей мере на протяжении участка 5b охлаждения, так что наружная стенка канала 5 отходящих газов низкого давления в то же время образует часть наружной стенки охлаждающего канала 7р.
Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления возможно наличие предусмотренного циркуляционного контура 30 масла, включающего в себя маслопроводы 30а, для снабжения маслом первого и/или второго подшипника 14, 13, причем на фигуре 11 необходимые для этого маслопроводы, проходящие в камере 7 горячего газа и/или в камере 6 холодного газа, не показаны.
Благодаря охлаждению нагнетателя 1 системы волнового наддува он имеет во время эксплуатации более низкую температуру. В результате это дает преимущество, состоящее в возможности использования уплотнительных колец 27, или колец круглого сечения, для уплотнения между камерой холодного газа 6 и камерой 11 ротора и/или между камерой 7 горячего газа и камерой ротора, как показано на фигуре 11, причем уплотнительные кольца 27 выполнены из металла или из синтетического материала, предпочтительно из постоянно эластичного материала, такого, как силикон. Уплотнительное кольцо 27 проходит в направлении окружности на 360 градусов.
На фигуре 14 показан дальнейший вариант осуществления ячеистого ротора 8, который выполнен состоящим из двух частей, проходящих в направлении прохождения вала 12 ротора, и первая часть 8а ячеистого ротора включает в себя первую опорную часть 8h, а вторая часть 8b ячеистого ротора - вторую опорную часть 8i, причем обе части 8а, 8b ячеистого ротора и соответственно обе опорных части 8h, 8i, образуют друг с другом зазор 18, так что обе части 8а, 8b ячеистого ротора расположены на расстоянии друг от друга с образованием зазора 18. Проходящие непрерывно между первой и второй торцевыми сторонами 8с, 8d ячейки 10 ротора в месте перехода между первой и второй частями 8а, 8b ячеистого ротора также расположены друг от друга на расстоянии зазора 18, причем зазор 18 не препятствует потоку текучей среды в ячейках 10 ротора, проходящих непрерывно от первой ко второй торцевой стороне 8с, 8d и в области зазора 18 продолжающих друг друга. Обе части 8а, 8b ячеистого ротора соединены друг с другом посредством вала 12 ротора и поворачиваются в одном и том же направлении D вращения. Опорные части 8h, 8i на своих концевых участках 8l, 8m жестко соединены с валом 12 ротора. Нагревание ячеистого ротора 8 вызывает расширение частей 8а, 8b ячеистого ротора, так что зазор 18 уменьшается. Снижение температуры ячеистого ротора 8 вызывает увеличение зазора 18. Преимущество варианта исполнения, представленного на фигуре 14, состоит в том, что зазор 16 между торцевой стороной 7f камеры 7 горячего газа и первой части 8а ячеистого ротора остается постоянным или по существу постоянным во время эксплуатации нагнетателя 1 системы волнового наддува, независимо от температуры части 8а ячеистого ротора, так как изменение длины части 8а ячеистого ротора, происходящее вследствие нагревания, отражается на ширине зазора 18. В предпочтительном варианте осуществления ширина зазора 18 в холодном положении ячеистого ротора 8 составляет 0,4 мм, причем во время эксплуатации нагнетателя 1 системы волнового наддува эта ширина вследствие нагревания ячеистого ротора 8 уменьшается, предпочтительно до значения менее 0,2 мм. В особенно предпочтительном варианте осуществления зазор 18 вследствие нагревания закрывается полностью. Во время охлаждения ячеистого ротора 8 зазор 18 снова увеличивается до его ширины в холодном положении.
Благодаря охлаждению нагнетателя 1 системы волнового наддува он имеет более низкую температуру во время эксплуатации. Это дает в результате преимущество, состоящее в том, что для уплотнения между холодным корпусом 6 и камерой 11 ротора и/или между камерой 7 горячего газа и камерой 11 ротора возможно использование уплотнительного кольца 27, причем уплотнительные кольца 27 состоят из металла или синтетического материала.
Кроме того, может оказаться предпочтительным наличие дополнительного теплообменника для охлаждения подводящей линии для отходящих газов высокого давления, причем подводящая линия для отходящих газов высокого давления расположена в направлении потока отходящих газов перед каналом 4 отходящих газов высокого давления.
Ячеистый ротор 8 согласно изобретению показан в представленных вариантах осуществления в сочетании с охлаждаемой камерой 7 горячего газа. Однако ячеистый ротор 8 согласно изобретению подходит также для такого нагнетателя 1 системы волнового наддува, в котором не имеется охлаждаемой камеры 7 горячего газа.
В примере осуществления способа отходящие газы с температурой примерно с 1050°С выходят из бензинового двигателя, охлаждаются в канале 4 отходящих газов высокого давления и входят в ячеистый ротор, имея температуру примерно с 850°С. Кроме того, ячеистый ротор охлаждается поступающим свежим воздухом 2а, который имеет температуру примерно 20°С, так что первая часть 8а ячеистого ротора имеет температуру примерно 450°С, а вторая часть 8b ячеистого ротора - температуру примерно 200°С.