DE10061970A1 - Turboverdichter - Google Patents

Abstract

Es wird ein Turbolader mit mechanischem Antrieb für Verbrennungskraftmaschinen vorgeschlagen, bei dem radiale oder axiale Laufradverdichter mit der Kurbelwelle (18) des Motors ohne Getriebe verbunden sind. Vorzugsweise werden die Laufradschaufeln (10) am Schwungrad (1) der Kupplung (17) befestigt. Ein druckdichtes Kupplungsgehäuse (15) mit Verdichtersammelkanal (11) ermöglicht das Ansaugen von Frischluft an der Einlaßöffnung (22), das Verdichten, vorzugsweise mit radialen Laufradschaufeln (10), und das Abführen der komprimierten Frischluft am Auslaß (12). Der große Radius des Schwungrades (1) erlaubt auch bei geringen Motordrehzahlen ausreichende Umlaufgeschwindigkeiten der Laufradschaufeln (10) und damit ausreichende Ladedrücke für die Verbrennungskraftmaschine.

Description

Die Erfindung betrifft einen Turboverdichter für Verbrennungskraftmaschinen, wobei die Energie zum Antrieb von der Kurbelwelle bereitgestellt wird.

Die Leistung von Verbrennungsmotoren hängt von der Füllung ab, die für die Verbrennung in den Zylindern vorhanden ist. Bei einem Saugmotor kann eine Leistungssteigerung durch eine Vergrößerung des Hubvolumens bzw. der Zylinderzahl oder eine Erhöhung der Motordrehzahl erreicht werden. Eine Leistungssteigerung ohne größere und schwerere Motoren kann nur durch eine Aufladung des Motors, d. h. ein Vorverdichten des Kraftstoff-Luft-Gemisches außerhalb des Zylinders, erreicht werden.

Dabei unterscheidet man prinzipiell den Abgasturbolader und den Turbolader mit mechanischen Antrieb. Beim Abgasturbolader ist das Turbinenrad über eine Welle mit dem Verdichterrad verbunden. Das Turbinenrad wird vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors angetrieben, wodurch das Verdichterrad bei Drehzahlen von 50 000 1/min bis 100 000 1/min die Vorverdichtung der Frischluft übernimmt.

Der Turbolader mit mechanischen Antrieb wird vom Motor über ein mechanisches Getriebe angetrieben. Dabei wird als Verdichterart insbesondere das Roots-Gebläse eingesetzt. Hierbei rotieren zwei oder drei Läufer in einem ovalen Gehäuse und verdrängen die Luft ähnlich einer Zahnradölpumpe an den Außenwänden entlang. Die beiden Läufer sind durch ein außenliegendes Zahnradpaar verbunden.

Nachteilig ist hierbei, daß der Turbolader über einen gesonderten Antrieb mit Getriebe verfügt und somit ein zusätzliches Bauteil bzw. Gehäuse erforderlich ist.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten Turboverdichter für Verbrennungskraftmaschinen zu schaffen, mit dem die vorstehenden Nachteile beseitigt werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Turboverdichter gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Neuerungsgemäß werden dabei axiale oder radiale Laufradverdichter direkt von der Kurbelwelle bei Hubkolbenmotoren oder der Motor-Exzenter-Welle bei Wankel- Kreiskolbenmotoren ohne zwischengeschaltetes Getriebe angetrieben. Vorzugsweise sind die Verdichterschaufeln am Rand bzw. Umfang des Schwungrades der Kupplung fixiert, so daß Schwungrad und Verdichterschaufeln einen radialen Laufradverdichter bilden. Am Kupplungsgehäuse, das die Kupplung mit Schwungrad umschließt, sind eine Ansaug- und eine Auslaßöffnung ausgebildet. Die Ansaugöffnung verfügt über ein Ventil, so daß nur Frischluft in Ansaugrichtung in das Kupplungsgehäuse gelangen kann sowie über einen Luftfilter. Die Auslaßöffnung ist am Verdichtersammelkanal ausgebildet, welcher das Schwungrad mit Verdichterschaufeln umschließt. Die Durchführung der Antriebswelle zum Schwungrad, der Kupplungswelle zum Getriebe und der Anlasserwelle zum Anlasser im Gehäuse sind druckdicht abgeschlossen, beispielsweise mit Dichtlippen, Stopfbüchsen oder berührungslose Labyrinthe. Dadurch kann über den Luftfilter und dem Einlaßventil an der Ansaugöffnung Frischluft angesaugt, mit Hilfe der Verdichterschaufeln am Schwungrad verdichtet sowie im Verdichtersammelkanal komprimiert aufgenommen werden und dem Auslaß zugeführt werden. Die daran anschließende Druckleitung ist vorzugsweise mit einem Ladeluftkühler ("intercooler") ausgestattet, um die Füllung der Zylinder zusätzlich zu verbessern. Bei Bedarf ist auch eine Regelung des Ladedruckes möglich. Hierfür können vorzugsweise verstellbare Laufradschaufeln oder eine Bypassleitung mit Ventil zwischen Druck- und Saugseite eingesetzt werden. Beim Betrieb darf sich das Gehäuse weder unter dem Innendruck noch unter den thermischen Beanspruchungen so weit verziehen, daß die Schaufel- oder Labyrinthspiele überbrückt werden. Für diese Kombination von Verdichter und Kupplung eignen sich alle Kupplungsarten, insbesondere trockene Ein- und Zweischeibenkupplungen mit Druckfedern oder Membranfederkupplungen, weil diese bauartbedingt bereits über ein entsprechend großes Schwungrad verfügen, an denen die Laufradschaufeln fixierbar sind. Vorteilhaft ist hierbei insbesondere, daß durch den großen Radius des Schwungrades auch bei niedrigen oder mittleren Drehzahlen des Motors verhältnismäßig große Umlaufgeschwindigkeiten der Laufradschaufeln erreichbar sind. Dadurch kann auch bereits im gemäßigten Drehzahlbereich ausreichender Ladedruck für den Motor zur Verfügung gestellt werden, was sich besonders bei Lkw-Motoren günstig auf die Kennlinien des Motors für Nutzleistung und Drehmoment auswirkt.

Als radiale Laufradbauart kann das sog. geschlossene 2D-Laufrad mit Deckscheibe und rückwärtsgekrümmten Schaufeln, die über die ganze Schaufelbreite dieselbe Krümmung besitzen, eingesetzt. Vorzugsweise wird das geschlossene 3D-Laufrad mit räumlich verwundenen Schaufeln mit vorgezogenen Eintrittskanten und mit unterschiedlichen Krümmungen über die Schaufelbreite Einsatz finden. Außerdem ist auch der Einsatz des offenen Laufrades ohne Deckscheibe möglich. Erfolgt die Befestigung der Laufradschaufeln nicht am Umfang des Schwungrades, sind bei größerer Baulänge auch mehrstufige radiale Einwellenverdichter an der Antriebswelle zwischen Kurbelwelle und Kupplung einsetzbar.

Neben Radialverdichtern können auch Axialverdichter eingesetzt werden. Axialverdichter benötigen für das gleiche Druckverhältnis mehr Stufen als Radialverdichter. Aus diesem Grund sollte auch bei der Befestigung am Schwungrad eine zweistufige Variante mit zwei Laufrädern und einem Leitrad gewählt werden. Das Gehäuse und unter Umständen auch das Schwungrad ist bei dieser Bauart entsprechend anzupassen. Darüber hinaus können mehrstufige radiale Verdichter auch als Einwellenverdichter an der Antriebswelle zwischen Kurbelwelle und Schwungrad an der Kupplung eingesetzt werden. Hierbei ist das Gehäuse der Kupplung nicht Teil des Verdichters. Ein gesondertes Gehäuse am axialen Verdichter ist notwendig. Vorzugsweise werden die vorderen Stufen mit verstellbaren Leitschaufeln versehen.

In Pkw- oder Lkw-Motoren kommt der Baulänge der Motor-Getriebe- Einheit große Bedeutung zu, so daß für sie die Variante vorteilhaft ist, bei welcher die Laufradschaufeln am Schwungrad- Umfang als axiale oder radiale Verdichter befestigt sind, weil damit keine Vergrößerung der Baulänge verbunden ist. Bei anderen Anwendungsgebieten, beispielsweise stationären Motoren, kommt der Baulänge der Motor-Getriebe-Einheit keine erhebliche Bedeutung zu, so daß auch die Anordnung der radialen oder axialen Laufradschaufen als Einwellenverdichter zwischen Kurbelwelle des Motors und Schwungrad der Kupplung an der Antriebswelle, insbesondere auch mehrstufig, sinnvoll ist. Durch den mehrstufigen Aufbau können hiermit letztlich auch höhere Ladedrücke gegenüber einem einstufigen Aufbau erreicht werden. Erfolgt auch hier die Befestigung der Laufradschaufeln an Laufrädern mit großem Radius, können auch bei mäßigen Drehzahlen des Motors große Umlaufgeschwindigkeiten der Laufradschaufeln erreicht werden. Der Ladedruck wird damit zusätzlich erhöht.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert und beschrieben. Hierbei zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt einer Membranfederkupplung mit einstufigen radialen Laufradverdichter.

In Fig. 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Membranfederkupplung 17 im Querschnitt dargestellt. Sie besteht aus einem Schwungrad 1, einem Kupplungsbelag 2, einer Kupplungsscheibe 3, einem Kupplungsführungslager 4, einer Kupplungswelle 5, einer Membranfeder 6 und einem Kupplungshebel 7. Am äußeren Rand des Schwungrades 1 sind geschlossene radiale 3D-Laufradschaufeln 10 befestigt. Nachdem das Schwungrad 1 direkt mit der Kurbelwelle 18 des Motors verbunden ist, wird das Schwungrad 1 ständig in Motordrehzahl gehalten. Das Schwungrad 1 mit den radialen Laufradschaufeln 10 bildet somit ein geschlossenes radiales 3D-Laufrad. Bedingt durch den relativ großen Radius des Schwungrades 1 ergeben sich auch bei kleinen Drehzahlen des Motors große Umfangsgeschwindigkeiten für die radialen Laufradschaufeln 10. Im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Kupplungsgehäusen 15 ist das hier vorliegende druckdicht verschlossen. Dafür sorgen Dichtlippen 16 an der motorseitigen Antriebs- bzw. Kurbelwelle 18, an der getriebeseitigen Kupplungswelle 5 und an der Anlasserwelle 20 des Anlassers 19.

Über einen Luftfilter 9 und ein Membran-Einlaßventil 8 wird an der Einlaßöffnung 22 die Frischluft in das Innere des Kupplungsgehäuses 15 angesaugt. Das Einlaßventil 8 verhindert, daß Luft entgegengesetzt der Einströmrichtung 21 aus der Einlaßöffnung 22 austreten kann. Die radialen Laufradschaufeln 10 am Schwungrad 1 verdichten die Frischluft und führen sie den umfangsseitig angeordneten Verdichtersammelkanal 11 zu. Auch bei niedrigen und mittleren Motor- bzw. Schwungraddrehzahlen können noch relativ hohe Verdichtungsgrade erreicht werden, weil durch den großen Radius des Schwungrades 1 ausreichende Umfangsgeschwindigkeiten für die radialen Laufradschaufeln 10 erreicht werden können. Die im Verdichtersammelkanal 11 verdichtete Luft wird über den Auslaß 12 der Druckleitung 14 zugeführt. In der Druckleitung 14 befindet sich ein Ladeluftkühler 13 ("intercooler"), der die komprimierte Frischluft abkühlt. Dadurch verbessert sich die Füllung des Brennraumes des Motors zusätzlich, wodurch sich die Leistung und das Drehmoment des Motors erhöhen. Zur Regelung des Ladedruckes der verdichteten Frischluft in der Druckleitung 14 können, hier nicht dargestellt, Steuereinrichtungen eingesetzt werden. Dies kann beispielsweise über verstellbare Schaufeln oder einen teilweisen Kurzschluß zwischen Druck- und Saugseite mit Hilfe einer Bypassleitung mit Ventil erfolgen.

Insgesamt betrachtet ermöglicht es die vorliegende Erfindung, bei einfacher Bauweise auf aufwendige Getriebe bei Verwendung von Laufradverdichtern zu verzichten. Insbesondere bei der Positionierung der Laufradschaufeln am Schwungrad können bei unveränderter Baulänge der Motor-Getriebe-Einheit hohe Ladedrücke auch bei niedrigen und mittleren Drehzahlen des Motors erreicht werden, weil der große Radius des Schwungrades hohe Umlaufgeschwindigkeiten der Laufradschaufeln bedingt.

Claims (10)

1. Turboverdichter, insbesondere radialer oder axialer Laufradverdichter, mit mechanischen Antrieb für Verbrennungskraftmaschinen dadurch gekennzeichnet, daß der Laufradverdichter direkt ohne Getriebe von der Kurbelwelle (18) angetrieben ist.

2. Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufradschaufeln (10) am Schwungrad (1) befestigt sind.

3. Turboverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad (1) als Teil einer Kupplung (17) in einem druckdichten KupplungsgehÄuse (13) integriert ist.

4. Turboverdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufradschaufeln (10) am Schwungrad (1) bei Kupplungen, insbesondere trockene Ein- und Zweischeibenreibungskupplungen, im druckdichten Kupplungsgehäuse integrierbar sind.

5. Turboverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungsgehäuse (13) über eine Einlaßöffnung (22), vorzugsweise mit einem Einlaßventil (8) und Luftfilter (9), einen Auslaß (12) und einen Verdichtersammelkanal (11) verfügt.

6. Turboverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen (20; 18; 5) im KupplungsgehÄuse (15) durch Dichtlippen (16), Stopfbuchsen oder Labyrinthe druckdicht abgeschlossen sind.

7. Turboverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein- oder mehrstufige axiale oder radiale Laufradverdichter als Einwellenverdichter zwischen Kurbelwelle (18) und Kupplung (17) angeordnet sind.

8. Turboverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß geschlossene 2D-, 3D-LaufrÄder oder offene LaufrÄder verwendbar sind.

9. Turboverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladedruck, insbesondere durch eine Bypassleitung mit Ventil zwischen Druck- und Saugseite oder verstellbare Schaufeln, einstellbar ist.

10. Turboverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die komprimierte Frischluft durch einen Ladeluftkühler (13) in der Druckleitung (14) kühlbar ist.