Bild A.30 Druckwellenlader (Comprex)


Bild A.31 Prinzip der Druckwellenaufladung

Druckwellenlader (Comprex)

Die Druckwellen-Aufladung nimmt eine Sonderstellung unter den Aufladeverfahren ein. Es handelt sich um eine Kombination zwischen mechanischer Aufladung und dem Energieentzug des Abgases. Eine schematische Darstellung des Systems zeigt Bild A.30. Das mechanische Element ist ein Zellenrad, das vom Motor angetrieben wird. Die Abgasenergie (im Wesentlichen die Druckenergie, nicht der thermische Anteil) wird zur Verdichtung der angesaugten Luft verwendet. Dieser Energieaustausch wird mittels Druckwellen vollzogen. Der Druckwellenlader wird auch Comprex-Lader genannt. Der Prozess ist gekennzeichnet durch die alternative Anwesenheit von heißem Abgas und kalter Frischluft im Rotor.

Werden zwei Gasströme mit unterschiedlichem Druck in direkten Kontakt zueinander gebracht, so erfolgt der Druckausgleich schneller, als es der Gasströmung entspricht. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn die Gasströme durch enge glatte Kanäle gelenkt werden.

Die axial angeordneten Zellen sind beidseitig offen. Das Zellenrad wird über einen Riementrieb angetrieben, wobei nur die Lagerreibung zu überwinden ist. Das Gehäuse enthält die Kanäle, um Frischluft zuzuführen und die verdichtete Luft an den Motor weiterzuleiten, ebenso den Gas Ein- und Auslasskanal zum und vom Motor und zum Auspuff. Während der Drehung des Zellenrades bzw. des Rotors werden die Öffnungen abwechselnd freigegeben und geschlossen, Bild A.31.

Zu Beginn des Prozesses ist das Zellenrad mit Frischluft unter atmosphärischem Druck gefüllt. Die Öffnung zum Auslasskanal ist geschlossen.

Danach dreht das Zellenrad diese Zellen vor die Einströmöffnung der vom Motor kommenden Gase. Der Aufprall der Gase bewirkt eine Druckwelle, die einen Druckanstieg verursacht. Hinter der Druckwelle hat die Luft den gleichen Druck und die gleiche Geschwindigkeit wie das einströmende Gas. Das Zellenrad ist noch geschlossen.

Um die durch die Druckwelle erreichte Strömung aufrechtzuerhalten, muss das Zellenrad weiter gedreht werden. Das Zellenende, also die Ausströmöffnung der Ladeluft, wird geöffnet. Die verdichtete Luft (bis zu 2 bar) gelangt zum Motor. Die Strömung muss abgebremst werden, bevor das Auspuffgas auf der Frischluftseite ankommt. Dazu wird die abgasseitige Öffnung des Zellenrades geschlossen, was eine Unterdruckwelle auslöst und die Strömung abbremst. Nun erfolgt das Schließen der Ladeluftseite. Auf der Luftseite ist noch ein Luftpolster vorhanden. Es handelt sich um den Hochdruckzyklus. Der Niederdruckzyklus hat die Aufgabe, das Abgas in die Auspuffleitung zu entlassen. Dazu wird zunächst die Ausströmöffnung zur Auspuffleitung freigegeben.

Das Druckgefälle zwischen dem Zellenrad und der Auspuffleitung bewirkt eine Expansionswelle, die das Gas in den Auspuff befördert. Kommt die Welle an der Ausströmöffnung zur Auspuffleitung an, wird die Luftseite zur Füllung des Zellenrades mit Frischluft geöffnet und der Vorgang beginnt erneut.

Die Vorteile der Druckwellen-Aufladung sind:

• gutes instationäres Verhalten (schnelles Ansprechverhalten)
• hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen
• Abgasrückführung einfach zu realisieren.

Nachteile der Druckwellen-Aufladung sind:

• gegendruckempfindlich auf der Saug- und Abgasseite (Luftfilter, Rußfilter, Oxidationskatalysator)
• beim Start muss das System umgangen werden, da sonst Abgas in das Ansaugsystem gelangt
• großes Bauvolumen und hohes Gewicht
• Antrieb durch den Motor nötig ( nur zur Überwindung der Reibung bei der Drehbewegung des Rades)
• nur für den Dieselmotor geeignet (fehlende Ansaugdrosselung und niedrige Abgastemperatur)
• hohe Aufwendungen für die Akustik.

Bisher gab es nur einen Anwendungsfall in der Serie.