DE10001063B4 - Mechanisch angetriebener Kompressor für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Mechanisch angetriebener Kompressor für eine Brennkraftmaschine, mit einer in einem Gehäuse (9) angeordneten Verdichtereinrichtung, über die in den Kompressor (4) einströmendes Gas auf einen erhöhten Ladedruck komprimierbar ist, und mit einer Antriebseinheit zum Antrieb der Verdichtereinrichtung, wobei in der Wandung des Gehäuses (9) ein Zwischenraum (19) ausgebildet ist, der von einem Kühlmittel durchströmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Kühlmittel des Kompressors (4) durchströmter Ladeluftkühler (5) des auf Ladedruck verdichteten Gases in das Gehäuse (9) des Kompressors (4) integriert ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen mechanisch angetriebenen Kompressor für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• Aus der Druckschrift DE 518 702 A ist ein mechanischer Kompressor bekannt, der in Brennkraftmaschinen zur Verdichtung angesaugter Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck eingesetzt wird. Der Kompressor wird mechanisch über ein Getriebe von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben, so dass die Verdichtungsarbeit für den Kompressor unmittelbar von der Brennkraftmaschine geleistet wird. Der Vorteil derartiger mechanisch angetriebener Kompressoren liegt gegenüber Abgasturboladern insbesondere darin, dass im niederen Drehzahlbereich die mechanischen Kompressoren im Gegensatz zu Abgasturboladern bereits eine signifikante Verdichtungsarbeit leisten können und somit bereits bei niedrigen Drehzahlen einen erhöhten Ladedruck mit einhergehendem Momentenaufbau erzeugen können.
• Grundsätzlich besteht bei derartigen Kompressoren das Problem, dass durch die Verdichtung der Ansaugluft Wärme abgegeben wird, die je nach Betriebszustand des Kompressors auf Grund der Wärmedehnung der Werkstoffe zu einer Spaltbildung führen kann, was Fehlluftströme mit einhergehenden Verlustleistungen und einer Minderung des Verdichtungswirkungsgrades zur Folge haben kann. Zwar ist beim Kompressor der DE 518 702 A eine Wasserkühlung in das Kompressorgehäuse integriert; diese Wasserkühlung kann jedoch nur die durch die mechanische Arbeit der Verdichterein richtung erzeugte Wärme ableiten, nicht jedoch die durch die Komprimierung erzeugte Wärme.
• Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde, einen mechanisch angetriebenen Kompressor mit hohem Wirkungsgrad und geringer Schallabstrahlung anzugeben.
• Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
• In die Wandung des Gehäuses des neuartigen Kompressors ist ein Zwischenraum eingebracht, welcher von Kühlmittel durchströmt wird. Dadurch wird zum einen eine permanente Kühlung sowohl der Bauteile des Kompressors als auch der angesaugten und der komprimierten Luft erreicht. Zum andern wird auch der im Kompressor insbesondere während des Verdichtungsprozesses erzeugte Schall gedämpft und dadurch die Schallausbreitung, insbesondere über die Ladeluftrohre der Brennkraftmaschine, stark vermindert bzw. vollständig unterbunden.
• Die Kühlung führt zu einem konstanteren Temperaturniveau des Kompressors, so dass dieser auf einen Betrieb im Bereich einer vorgegebenen Betriebstemperatur ausgelegt werden kann, wobei im Vergleich zum Stand der Technik erheblich kleinere Temperaturschwankungen zu erwarten sind. Das geringere Schwankungsniveau der Temperatur mindert die Gefahr wärmebedingter Ausdehnungen und Spaltbildungen, wodurch Fehlluftströme insbesondere zwischen der Druck- und der Ansaugseite des Kompressors weitgehend vermieden werden und der Kompressorwirkungsgrad erhöht ist.
• Weiterhin ist vorteilhaft, dass der verdichteten Luft während des Verdichtungsprozesses Wärme entzogen wird, was zur Folge hat, dass der Verdichtungsprozess anstelle eines isentropen Verlaufes zunehmend in Richtung eines isothermischen Verlaufes verschoben wird. Dadurch sinkt die zwischen den festliegenden Anfangs- und Enddrücken aufzuwendende Arbeit der Verdichtung gegenüber dem adiabaten Fall.
• In einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass das Gehäuse doppelwandig ausgeführt ist, wobei der das Kühlmittel aufnehmende Zwischenraum zwischen der Innenwand und der Außenwand des Gehäuses gebildet ist. In dieser Ausführung kann die den Kompressorinnenraum einschließende Kühlfläche maximiert werden, so dass auch die Kühlleistung ein Maximum einnimmt und darüber hinaus auch eine optimale Schalldämpfung gegeben ist.
• Die in die Wandung des Gehäuses integrierte Kühlung bietet zusätzlich den Vorteil einer besonders raumsparenden, kompakten Bauform.
• In das Gehäuse des Kompressors ist ein Ladeluftkühler integriert, der vom Kühlmittel des Kompressors durchströmt wird. In dieser Ausführung übernimmt das Kühlmittel sowohl die Kühlung über das Gehäuse des Kompressors als auch über den in das Gehäuse integrierten Ladeluftkühler. Die Integration des Ladeluftkühlers in das Gehäuse verringert erheblich den Raumbedarf von Kompressor und Ladeluftkühler und vereinfacht darüber hinaus auch die Montage des zu einer Baueinheit zusammengefassten Aggregates. Die gemeinsame Durchströmung von Gehäuse und Ladeluftkühler mit Kühlmittel vereinfacht die konstruktive Ausfüh rung des Bauteils, da im Bauteil lediglich ein gemeinsamer Kühlmitteleintritt und ein gemeinsamer Kühlmittelaustritt vorgesehen sein muss.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung besteht die Verdichtereinrichtung (insbesondere der Rotor) aus einem Werkstoff mit einem geringen Ausdehnungskoeffizienten, um Wärmedehnungen weiter zu reduzieren.
• Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer einen mechanischen Kompressor und einen Ladeluftkühler umfassenden Baueinheit, wobei Kompressor und Ladeluftkühler von einem gemeinsamen Kühlmittel durchströmt werden,
• 2 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kompressor.
• Gemäß 1 wird dem Motor 1, insbesondere einer Brennkraftmaschine, über eine Ladeluftleitung 2 auf einen erhöhten Druck verdichtete Verbrennungsluft zugeführt, welche in einer Baueinheit 3 komprimiert wird, die einen Kompressor 4 und einen Ladeluftkühler 5 umfasst. Der Kompressor 4 saugt Umgebungsluft mit Umgebungsdruck an und verdichtet die Umgebungsluft mit Hilfe einer Verdichtereinrichtung auf den gewünschten Ladedruck. Der Kompressor 4 wird mechanisch über eine Antriebseinheit angetrieben, insbesondere erfolgt der Antrieb über eine direkte oder indirekte mechanische Kopplung mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1. Nach der Verdichtung der angesaugten Umgebungsluft im Kompressor 4 erfolgt im Ladeluftkühler 5 eine Kühlung der verdichteten Luft. Im Anschluss an die Kühlung im Ladeluftkühler 5 wird die verdichtete Luft mit dem gewünschten Ladedruck der Brennkraftmaschine zugeführt.
• Der Kompressor 4 und der Ladeluftkühler 5 bilden zweckmäßig eine gemeinsame Baueinheit 3. In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist der Ladeluftkühler 5 in das Gehäuse des Kompressors 4 integriert.
• Zur Kühlung der Baueinheit 3 ist ein Luft-/Wasserkühler 6 vorgesehen. Der Luft-/Wasserkühler 6 ist über eine Zufuhrleitung 7 mit der Baueinheit 3 verbunden; über die Zufuhrleitung 7 wird der Baueinheit 3 Kühlmittel zugeführt, das zweckmäßig sowohl den Kompressor 4 als auch den Ladeluftkühler 5 durchströmt und über die Rückführleitung 8 dem Luft-/Wasserkühler 6 wieder zugeführt wird. Alternativ zum Antrieb über die Brennkraftmaschine 1 kann der Kompressor 4 auch über einen Elektromotor betrieben werden. Gegebenenfalls kann es auch angezeigt sein, den Kompressor als Teil eines Abgasturboladers auszubilden und den Antrieb des Kompressors über eine Abgasturbine vorzunehmen.
• In 2 ist die den Kompressor 4 und den Ladeluftkühler 5 umfassende Baueinheit 3 im Schnitt dargestellt, wobei der Ladeluftkühler 5 in das Gehäuse 9 des Kompressors 4 integriert ist. Der Kompressor 4 ist vorteilhaft als Rootsgebläse oder Schraubenverdichter ausgeführt und weist als Verdichtereinrichtung zwei Rotoren 10, 11 auf, die drehbar im Gehäuse 9 gelagert sind und von der den Kompressor beaufschlagenden Antriebseinheit gegenläufig angetrieben werden. Der vom Gehäuse 9 umschlossene Innenraum 12 des Kompressors 4 weist eine Lufteintrittsöffnung 13 auf, über die in Pfeilrichtung 14 Frischluft mit Umgehungsdruck in den Innenraum 12 angesaugt wird. Die Verdichtereinrichtung trennt den Innenraum 12 in einen der Lufteintrittsöffnung benachbarten druckfreien Raum und einen dem Ladeluftkühler 5 benachbarten Druckraum; über die Lufteintrittsöffnung 13 einströmende Verbrennungsluft wird durch die Rotoren 10, 11 in den dem Ladeluftkühler 5 benachbarten Druckraum gefördert und hierbei zugleich verdichtet. Die verdichtete Luft wird in Pfeilrichtung 15 aus dem Druckraum innerhalb des Innenraums 12 ausgeleitet und dem Ladeluftkühler 5 zugeführt, in welchem eine Kühlung der verdichteten Luft erfolgt. Anschließend wird die gekühlte Luft als Ladeluft in Pfeilrichtung 16 aus dem Gehäuse 9 des Kompressors 4 ausgeleitet und der Brennkraftmaschine zugeführt.
• Das Gehäuse 9 ist zumindest teilweise doppelwandig ausgeführt und weist eine Innenwand 17 und eine Außenwand 18 auf, zwischen denen ein Zwischenraum 19 gebildet ist. Die doppelwandige Ausführung der Gehäusewand erstreckt sich über einen Großteil des den Innenraum 12 umschließenden Gehäusebereiches.
• Der Zwischenraum 19 zwischen Innenwand 17 und Außenwand 18 der Gehäusewandung ist zur Aufnahme eines Kühlmittels ausgebildet, welches zweckmäßig über einen Kühlmittel-Eintrittsstutzen 20, der in der Außenwand 18 vorgesehen ist, in Pfeilrichtung 21 in den Zwischenraum 19 eingeleitet wird. Das im Zwischenraum 19 befindliche Kühlmittel bildet einen Kühlmittelmantel, der den Innenraum 12 und damit auch die wärme- und geräuschbildenden Bauteile im Innenraum 12 zumindest zu einem großen Teil umschließt. Es wird dadurch sowohl eine optimale Wärmeableitung als auch eine optimale Geräuschdämpfung erzielt.
• Der Kühlmittel-Eintrittsstutzen 20 befindet sich im Bereich einer Seite des Kompressors 4. Das Kühlmittel wird durch den Zwischenraum 19 zwischen Innen- und Außenwand 17, 18 geleitet und auf der gegenüberliegenden Wandseite über eine Übertrittsbohrung 22, welche in der Außenwand 18 ausgebildet ist, in den Ladeluftkühler 5 geleitet, der sich in einem zum Innenraum 12 be nachbarten Gehäuseabschnitt im Gehäuse 9 des Kompressors 4 befindet. Über einen Kühlmittel-Austrittsstutzen 23, welcher vorteilhaft auf der gleichen Seite wie der Eintrittsstutzen 20 am Gehäuse 9 angeordnet ist, verlässt das Kühlmittel nach Durchströmen des Ladeluftkühlers 5 das Gehäuse 9 des Kompressors in Pfeilrichtung 24.
• Mit der gezeigten Ausführung wird eine effiziente Kühlung der Bauteile des Kompressors 4 und der Ladeluft erreicht. Es erfolgt zunächst eine Kühlung des Innenraums im Kompressor 4 einschließlich der darin befindlichen Bauteile und der komprimierten Ladeluft und anschließend eine weitere Kühlung der verdichteten Luft über den Ladeluftkühler 5.

Claims (6)

1. Mechanisch angetriebener Kompressor für eine Brennkraftmaschine, mit einer in einem Gehäuse (9) angeordneten Verdichtereinrichtung, über die in den Kompressor (4) einströmendes Gas auf einen erhöhten Ladedruck komprimierbar ist, und mit einer Antriebseinheit zum Antrieb der Verdichtereinrichtung, wobei in der Wandung des Gehäuses (9) ein Zwischenraum (19) ausgebildet ist, der von einem Kühlmittel durchströmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Kühlmittel des Kompressors (4) durchströmter Ladeluftkühler (5) des auf Ladedruck verdichteten Gases in das Gehäuse (9) des Kompressors (4) integriert ist.
2. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (9) doppelwandig ausgeführt ist.
3. Kompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (9) eine Übertrittsbohrung (22) aufweist, welche mit einem Kühlmitteleinlass des Ladeluftkühlers (5) kommuniziert.
4. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (9) einen Kühlmittel-Austrittsstutzen (23) aufweist, der mit dem Kühlmittelauslass des Ladeluftkühlers (5) kommuniziert.
5. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinrichtung aus einem Werkstoff mit geringem Ausdehnungskoeffizienten besteht.
6. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (4) als Rootsgebläse oder Schraubenverdichter ausgebildet ist.