НАГНЕТАТЕЛЬ СИСТЕМЫ ВОЛНОВОГО НАДДУВА И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НАГНЕТАТЕЛЯ СИСТЕМЫ ВОЛНОВОГО НАДДУВА
PRESSURE WAVE SUPERCHARGER AND METHOD FOR OPERATING A PRESSURE WAVE SUPERCHARGER

Изобретение относится к нагнетателю системы волнового наддува. Кроме того, изобретение относится к способу эксплуатации нагнетателя 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, количество впрыскиваемого 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 возрастает, так что появляется возможность для получения той же самой 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 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.
FR 1154867 A и US 2800120 A раскрывают каждый по нагнетателю системы волнового наддува, включающему в себя камеру холодного газа, камеру горячего газа, расположенную между ними камеру ротора, а также расположенный внутри камеры ротора ячеистый ротор. Камера ротора включает в себя две части обшивки, которые помещены с возможностью перемещения в продольном направлении относительно друг друга, чтобы компенсировать изменение удлинения ячеистого ротора. Недостаток этого нагнетателя системы волнового наддува состоит в том, что части обшивки, помещенные с возможностью перемещения в продольном направлении, могут зажимать друг друга, что значительно сокращает коэффициент полезного действия нагнетателя системы волнового наддува. Кроме того, для такого нагнетателя требуются уплотнения, для которых характерен износ.
Раскрытие сущности изобретения
Задача изобретения состоит в создании нагнетателя системы волнового наддува, надежного в эксплуатации и имеющего повышенный коэффициент полезного действия. Кроме того, задача изобретения состоит в осуществлении эксплуатации нагнетателя системы волнового наддува таким способом, при котором нагнетатель системы волнового наддува работает надежно и в процессе эксплуатации имеет повышенный коэффициент полезного действия.
Эта задача решена нагнетателем системы волнового наддува, имеющим признаки пункта 1. Зависимые пункты 2-15 относятся к дальнейшим предпочтительным вариантам осуществления. Кроме того, задача решена способом работы нагнетателя системы волнового наддува, имеющим признаки пункта 16. Зависимые пункты 17-22 относятся к дальнейшим предпочтительным операциям способа.
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, 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 горячего газа включает в себя первый подшипник, а камера холодного газа - второй подшипник, ячеистый ротор включает в себя вал ротора, который опирается на первый и на второй подшипники, причем камера ротора выполнена как цельный корпус-обшивка в форме трубы, соединенной с камерой горячего газа, а также с камерой холодного газа, камера горячего газа включает в себя теплообменник, выполненный с обеспечением возможности охлаждения по меньшей мере первого подшипника, причем теплообменник имеет каналы для охлаждения, проходящие внутри камеры горячего газа.
Кроме того, 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 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 горячего газа включает в себя первый подшипник, а камера холодного газа - второй подшипник, ячеистый ротор включает в себя вал ротора, который опирается на первый и на второй подшипники камера горячего газа включает в себя теплообменник, выполненный с обеспечением возможности охлаждения по меньшей мере первого подшипника.
Кроме того, задача решена, в частности, способом работы нагнетателя системы волнового наддува для сжатия свежего воздуха для двигателя внутреннего сгорания, включающего в себя камеру холодного газа, камеру горячего газа и расположенную между ними камеру ротора, причем внутри камеры ротора расположен выполненный с возможностью вращения ячеистый ротор, камера горячего газа включает в себя канал отходящих газов высокого давления и канал отходящих газов низкого давления, причем ячеистый ротор опирается на первый подшипник и на расположенный в камере холодного газа второй подшипник, причем камеру горячего газа охлаждают посредством теплообменника таким образом, что расположенный в камере горячего газа первый подшипник охлаждается за счет того, что первый подшипник расположен в гнезде для подшипника, и гнездо для подшипника охлаждают снаружи посредством охлаждающей жидкости.
Кроме того, задача решена, в частности, способом работы нагнетателя системы волнового наддува для сжатия свежего воздуха для двигателя внутреннего сгорания, причем нагнетатель системы волнового наддува включает в себя камеру холодного газа, камеру горячего газа и расположенную между ними камеру ротора, причем в пределах камеры ротора расположен выполненный с возможностью вращения ячеистый ротор, камера горячего газа включает в себя один или несколько каналов отходящих газов высокого давления и один или несколько каналов отходящих газов низкого давления, причем камеру горячего газа охлаждают посредством теплообменника таким образом, что охлаждается расположенный в камере горячего газа первый подшипник, ячеистый ротор опирается на первый подшипник и на расположенный в камере холодного газа второй подшипник.
Нагнетатель согласно изобретению системы волнового наддува включает в себя камеру горячего газа с теплообменником, причем теплообменник расположен и выполнен таким образом, что он охлаждает по меньшей мере расположенный в камере горячего газа первый подшипник для ячеистого ротора. В особенно предпочтительном варианте осуществления в камере горячего газа охлаждают, кроме того, поток отходящих газов высокого давления, поступающий от двигателя внутреннего сгорания. Отходящие газы, поступающие от двигателя внутреннего сгорания, имеют температуру отходящих газов примерно до 1050°С. В результате охлаждения поступающего потока отходящих газов в камере горячего газа камера горячего газа имеет более низкую температуру, и в ячеистый ротор попадает поток отходящих газов с более низкой температурой, так что рабочая температура ячеистого ротора также становится более низкой. Кроме того, охлаждение первого подшипника вызывает дополнительное охлаждение ячеистого ротора через вал ротора, который помещен на первом подшипнике, что дополнительно снижает рабочую температуру ячеистого ротора. В результате этого как камера горячего газа, так и ячеистый ротор и камера ротора во время нагревания испытывают меньшее расширение, и соответственно во время охлаждения в меньшей степени подвергаются сокращению размера. Преимущество нагнетателя согласно изобретению системы волнового наддува состоит в том, что возможно выполнение камеры ротора в виде цельного корпуса-обшивки в форме трубы. Камера ротора выполнена, например, из чугунного литья. Охлаждение позволяет располагать первый подшипник для ячеистого ротора в камере горячего газа. Вследствие этого имеется возможность опирать ячеистый ротор на первый подшипник, чтобы торцевая сторона ячеистого ротора находилась в строго определенном положении, и вследствие этого имеется возможность сохранять малый размер зазора между торцевой стороной ячеистого ротора и торцевой стороной камеры горячего газа и предпочтительное расположение зазора в определенной области. Ячеистый ротор опирается с двух сторон, на первый подшипник в камере горячего газа и на второй подшипник 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 особенно предпочтительном варианте осуществления камера горячего газа включает в себя стенку с гнездом подшипника, которая на стороне, обращенной к первому подшипнику, выполнена в виде гнезда подшипника для первого подшипника, причем первый подшипник расположен в гнезде подшипника на стороне, противоположной первому подшипнику, стенка с гнездом подшипника образует часть наружной стенки охлаждающего канала, относящейся к каналу для охлаждения теплообменника.
В предпочтительном варианте исполнения ячеистый ротор выполнен состоящим по меньшей мере из двух частей в направлении прохождения вала ротора и включает в себя первую часть ячеистого ротора и вторую часть ячеистого ротора, причем части ячеистого ротора расположены на расстоянии друг от друга в направлении прохождения вала ротора с образованием зазора, или зазора ротора. Первый подшипник, расположенный в камере горячего газа, охлаждают. Кроме того, ячеистый ротор предпочтительно помещен на первом подшипнике таким образом, что торцевая сторона ячеистого ротора находится в строго определенном положении, так что имеется возможность сохранять размер зазора между торцевой стороной ячеистого ротора и торцевой стороной камеры горячего газа небольшим и предпочтительно не изменяющимся при изменениях температуры, причем нагревание ячеистого ротора влечет за собой его линейное удлинение, при котором зазор между торцевой стороной ячеистого ротора и торцевой стороной камеры горячего газа остается по существу постоянным, ширина же зазора ротора, напротив, сокращается. Поэтому нагнетатель согласно изобретению системы волнового наддува также и в нагретом положении имеет высокий коэффициент полезного действия.
Ячеистый ротор предпочтительно опирается также на второй подшипник таким образом, что торцевая сторона ячеистого ротора находится в строго определенном положении, так что имеется возможность сохранять размер зазора между торцевой стороной ячеистого ротора и торцевой стороной камеры холодного газа небольшим, причем нагревание ячеистого ротора опять-таки влечет за собой сокращение ширины зазора ротора. Таким образом, нагревание ячеистого ротора в процессе эксплуатации по существу вызывает изменение ширины зазора ротора.
В предпочтительном варианте осуществления холодильная мощность теплообменника регулируют таким образом, что во время холодного пуска не производят охлаждение теплообменника или производят только ограниченное его охлаждение, чтобы нагнетатель системы волнового наддува за максимально короткое время нагревался до необходимой рабочей температуры, например, около 200°С. Начиная с определенной рабочей температуры, например, от 300°С, холодильную мощность повышают, чтобы охлаждать поступающие отходящие газы.
Кроме того, в особенно предпочтительном варианте осуществления теплообменник выполнен так, что он охлаждает также выходящий из нагнетателя системы волнового наддува поток отходящих газов, 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.
Помимо этого, 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, поскольку алюминий имеет низкую тепловую инерционность, 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. Нагнетатель согласно изобретению системы волнового наддува особенно подходит для сочетания с бензиновыми двигателями, поскольку бензиновый двигатель имеет высокие температуры отходящих газов, например, до 1050°С. У дизельного двигателя температуры отходящих газов более низкие.
В особенно предпочтительном варианте осуществления ячеистый ротор разделен на две части и включает в себя первую часть ячеистого ротора и следующую в направлении прохождения ротора вторую часть ячеистого ротора, причем обе части ячеистого ротора расположены на расстоянии друг от друга в направлении прохождения вала ротора с образованием зазора ротора. Этот ячеистый ротор предпочтительно выполнен таким образом, что нагревание частей ячеистого ротора влечет за собой уменьшение зазора ротора. Зазор ротора предпочтительно расположен в середине ячеистого ротора. Преимущество такого варианта осуществления состоит в том, что в середине разность давлений между первой и второй частью ячеистого ротора относительно мала, так что относительно мала вызываемая зазором потеря эффективности. Однако ячеистый ротор мог бы быть разделен также на большее количество частей, например, три, четыре или пять частей ячеистого ротора, между которыми находится по одному зазору ротора. Тем не менее зазор ротора может быть расположен также вне середины ячеистого ротора.
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, расположенным предпочтительно 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 ячеистого ротора;
фиг. 5 - вид спереди камеры горячего газа;
фиг. 6 - вид сбоку нагнетателя системы волнового наддува;
фиг. 7 - разрез нагнетателя системы волнового наддува по линии А-А разреза с фигуры 6;
фиг. 8 - продольный разрез нагнетателя системы волнового наддува, в дальнейшем варианте осуществления;
фиг. 9 - аксонометрическое изображение передней стороны ячеистого ротора;
фиг. 10 - аксонометрическое изображение задней стороны ячеистого ротора;
фиг. 11 - вид сбоку разделенного ячеистого ротора
фиг. 12 - продольный разрез разделенного ячеистого ротора.
На чертежах одинаковые детали снабжены по существу одинаковыми обозначениями.
Осуществление изобретения
На фигуре 1 показан в схематичном виде нагнетатель 1 системы волнового наддува для сжатия свежего воздуха 2а для не представленного двигателя внутреннего сгорания, к которому подводится сжатый свежий воздух, обозначаемый также термином 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 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. Первый подшипник 13 расположен в камере 7 горячего газа, второй 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. Камера 6 холодного газа включает в себя канал 2 свежего воздуха и канал 3 наддувочного воздуха. В дальнейшем варианте исполнения 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 конструкции, обычной для нагнетателя системы волнового наддува, однако здесь представленной лишь схематично, 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 прохождения 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 первый подшипник 13. Камера 7 горячего газа предпочтительно включает в себя стенку 7n с гнездом подшипника, которая на стороне, обращенной к первому подшипнику 13, выполнена в виде гнезда 7о подшипника для первого подшипника 13, причем первый подшипник 13 расположен в гнезде 7о подшипника на стороне, противоположной первому 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 тем самым 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 7р охлаждающего канала.
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 5а 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 23с 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 посредством регулирующего устройства 23, так что имеется возможность управления холодильной мощностью теплообменника 7с, предпочтительно в зависимости от температуры, измеренной датчиком 21.
min
st
st
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 T, и после этого повышают холодильную 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 на протяжении заданного начального промежутка T времени ограничивают холодильную мощность теплообменника или отключают теплообменник 7с, а по истечении начального промежутка T времени холодильную мощность теплообменника 7с повышают.
На фигуре 2 показана принципиальная схема прохождения газов в нагнетателе 1 системы волнового наддува с ротором 8. 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 оканчиваются в направлении прохождения ротора, как представлено на фигуре 1, на первой или на второй торцевой стороне 8с, 8d. Ячейки 10 ротора выполнены непрерывными в направлении прохождения ячеистого ротора 8, или соответственно вала 12 ротора, с целью образования 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. 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 сжимают давлением отходящих газов 4а, а после этого через канал 3 наддувочного воздуха подводят к двигателю внутреннего сгорания на всасывающей стороне и затем проводят в цилиндр, где происходит процесс смены рабочей смеси, и там смешивают с топливом и сжигают. Потом отходящие газы 4а через канал 4 отходящих газов высокого давления снова подводят к нагнетателю 1 системы волнового наддува. После сжатия свежего воздуха 2а отходящими газами 4а отходящие газы 5а, больше не нужные, выпускают из ячеистого ротора 8 в канал 5 отходящих газов низкого давления и подводят 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, в представленном варианте осуществления выполненный 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 первый подшипник 13, чтобы охлаждать сначала первый 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 первый пример исполнения составного ячеистого ротора 8, который выполнен в направлении прохождения вала 12 ротора состоящим из двух частей и имеет первую часть 8а ячеистого ротора с первой опорной частью 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, так что обе части 8а ячеистого ротора, 8b расположены на расстоянии друг от друга с образованием зазора 18. Ячейки 10 ротора, проходящие непрерывно между первой и второй торцевыми сторонами 8с, 8d, в области перехода между первой и второй частями 8а, 8b ячеистого ротора также расположены на расстоянии зазора 18 друг от друга, причем зазор 18 не препятствует потоку текучей среды в ячейке 10 ротора, проходящей непрерывно от первой ко второй торцевой стороне 8с, 8d. Обе части 8а ячеистого ротора, 8b соединены друг с другом посредством вала 12 ротора и поворачиваются в одном и том же направлении D вращения. Опорные части 8h, 8i на их конечных участках 8l, 8m жестко соединены с валом 12 ротора. Нагревание ячеистого ротора 8 вызывает расширение частей 8а ячеистого ротора, 8b, так что зазор 18 уменьшается. Снижение температуры ячеистого ротора 8 вызывает увеличение зазора 18. Преимущество варианта исполнения, представленного на фигуре 3, состоит в том, что зазор 16 между торцевой стороной 7f камеры горячего газа 7 и первой частью 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 лишь 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 нагрева ячеистого ротора 8 уменьшается, предпочтительно до значения менее 0,2 мм. В особенно предпочтительном варианте осуществления зазор 18 на основании нагрева закрывается полностью. При охлаждении ячеистого ротора 8 зазор 18 снова увеличивается до его ширины в холодном положении.
На фигуре 4 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 19с возможностью перемещения относительно друг друга, так что возможно изменение ширины зазора 18, вызываемое изменением температуры ячеистого ротора 8.
На фигуре 5 показана торцевая сторона 7f камеры 7 горячего газа, причем на торцевой стороне 7f расположены в ряд следующие друг за другом впускное окно 7h и за ним выпускное окно 7g, находящиеся на расстоянии друг от друга в направлении окружности, 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 6 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 7l, 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 или на камере 6 холодного газа. Кроме того, показан вход 7i охлаждающей воды, а также выход 7k охлаждающей воды, через которые происходит циркуляция охлаждающей воды расположенного в камере 7 горячего газа теплообменника 7с.
На фигуре 7 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 воду заменяют через подвод и отвод 7i, 7k и охлаждают 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.
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 6 холодного газа и камерой 11 ротора и/или между камерой 7 горячего газа и камерой ротора, как показано на фигуре 8, 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.
Кроме того, как показано на фигуре 1, может оказаться предпочтительным размещение дополнительного теплообменника 24 с целью охлаждения линии 25 подвода отходящих газов высокого давления, причем линия 25 подвода отходящих газов высокого давления по своему расположению в направлении потока отходящих газов предшествует каналу 4 отходящих газов высокого давления.
На фигуре 8 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 первом подшипнике 13, а также на втором подшипнике 14. С валом 12 ротора жестко соединен бортик 12с. 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 9 и 10 показаны в аксонометрическом изображении соответственно передняя сторона и задняя сторона представленных на фигуре 8 частей 8а, 8b ячеистого ротора. Обе части 8а, 8b ячеистого ротора выполнены идентично. Часть 8а, 8b ячеистого ротора включает в себя наружную стенку 8е ячеистого ротора, 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 8, цельным, то есть без зазора ротора 18, как это представлено, например, на фигуре 1.
Нагнетатель 1 системы волнового наддува, представленный на фигуре 8, включает в себя теплообменник 7с в камере 7 горячего газа, выполненный так, что имеется возможность охлаждения по меньшей мере первого 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 первого подшипника 13, которая на стороне, обращенной к первому подшипнику 13, выполнена в форме гнезда 7о подшипника, причем первый подшипник 13 расположен в гнезде 7о подшипника, на противоположной первому 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, и при этом как торцевая сторона 7q, так и полый цилиндрический опорный участок 7r образуют часть наружной стенки 7р охлаждающего канала. 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 первого подшипника 13 на ячеистый ротор 8. Особенно предпочтительно настолько сильное охлаждение гнезда 7о подшипника, что, кроме того, через первый 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 8. Лабиринтные уплотнения 26 расположены, например, на внутренней стороне камеры 11 ротора и/или на наружной стороне наружной стенки 8е ячеистого ротора, причем на фигуре 8 представлены только лабиринтные уплотнения 26, расположенные в камере 11 ротора. Лабиринтные уплотнения 26 проходят в направлении окружности на 360°, причем для упрощения на фигуре 8 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 8, 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 7р охлаждающего канала. В особенно предпочтительном случае тонкостенный элемент 7s, или мостик, как представлено на фигуре 11, образует с двух сторон наружную стенку 7р охлаждающего канала, 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 7р охлаждающего канала.
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 13, 14, причем на фигуре 8 необходимые для этого маслопроводы, проходящие в камере 7 горячего газа и/или в камере 6 холодного газа, не показаны.
На фигуре 11 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 в случае нагревания они имеют возможность перемещения 8с, 8d при расширении только в направлении середины, так что ширина зазора 18 сокращается. Положение частей 8а, 8b ячеистого ротора по отношению к валу 12 ротора в направлении торцевых сторон ячеистого ротора 8 предпочтительно не изменяется, так что обеспечивается постоянная или по существу постоянная ширина зазоров между торцевой поверхностью камеры горячего газа и ячеистым ротором.
На фигуре 12 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, 17. 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 12, 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 лишь на ширину зазора 18.
В предпочтительном варианте осуществления первая часть 8а ячеистого ротора состоит из более теплостойкого материала, чем вторая часть 8b ячеистого ротора. 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 имеют 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.
В предпочтительном способе работы нагнетателя 1 системы волнового наддува камеру 7 горячего газа охлаждают посредством теплообменника 7с таким образом, что расположенный в камере 7 горячего газа первый подшипник 14 охлаждается за счет того, что первый подшипник 15 расположен в гнезде 7о для подшипника, и гнездо 7о для подшипника охлаждают снаружи посредством охлаждающей жидкости.
Поток 4а отходящих газов двигателя внутреннего сгорания, идущий через канал 4 отходящих газов высокого давления, предпочтительно охлаждают. Охлаждающий канал 7е предпочтительно полностью окружает канал 4 отходящих газов высокого давления по меньшей мере на протяжении участка 4b охлаждения, так что канал 4 отходящих газов высокого давления 4 на участке 4b охлаждения охлаждают по всей его боковой поверхности.
В примере осуществления способа отходящие газы выходят из бензинового двигателя с температурой примерно 1050°С, их охлаждают в канале 4 отходящих газов высокого давления, и они входят в ячеистый ротор с температурой примерно 850°С. Кроме того, ячеистый ротор охлаждают входящим свежим воздухом 2а, имеющим температуру примерно 20°С, так что температура ячеистого ротора составляет примерно 450°С.