DE10061970B4

DE10061970B4 - Turboverdichter

Info

Publication number: DE10061970B4
Application number: DE10061970A
Authority: DE
Inventors: Peter Morath
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-12-13
Filing date: 2000-12-13
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2020-12-14
Also published as: DE10061970A1

Abstract

Turboverdichter, insbesondere radialer oder axialer Laufradverdichter, mit mechanischem Antrieb für Verbrennungskraftmaschinen, wobei der Laufradverdichter direkt ohne Getriebe von der Kurbelwelle (18) angetrieben ist und Laufradschaufeln (10) an einem Schwungrad (1) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwungrad (1) als Teil einer Kupplung (17) in einem druckdichten Kupplungsgehäuse (15) integriert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Turboverdichter mit den oberbegrifflichen Merkmalen des Anspruches 1.

Ein derartiger Turboverdichter ist aus der DE 363 856 C bekannt.

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 mechanischem 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 mechanischem Antrieb wird vom Motor über ein mechanisches Getriebe angetrieben. Dabei wird als Verdichterart insbesondere das Roots-Gebläse eingesetzt. Dabei 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 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.

Dabei werden axiale oder radiale Laufradverdichter direkt von der Kurbelwelle bei Hubkolbenmotoren oder der Motor-Exzenter-Welle bei Wankel-Kreiskolbenmotoren ohne zwischengeschaltetes Getriebe angetrieben, wobei die Verdichterschaufeln am Rand des Schwungrades der Kupplung fixiert sind, so dass Schwungrad und Verdichterschaufeln einen radialen Laufradverdichter bilden. Am Kupplungsgehäuse, das die Kupplung mit Schwungrad erfindungsgemäß druckdicht umschließt, sind eine Ansaug- und Auslassöffnung ausgebildet.

Die Ansaugöffnung verfügt bevorzugt 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.

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.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert und beschrieben. Hierbei zeigt:
1 einen Querschnitt einer Membranfederkupplung mit einstufigem radialen Laufradverdichter.
In 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 radiale 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 radiales 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 dem 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

Turboverdichter, insbesondere radialer oder axialer Laufradverdichter, mit mechanischem Antrieb für Verbrennungskraftmaschinen, wobei der Laufradverdichter direkt ohne Getriebe von der Kurbelwelle (18) angetrieben ist und Laufradschaufeln (10) an einem Schwungrad (1) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwungrad (1) als Teil einer Kupplung (17) in einem druckdichten Kupplungsgehäuse (15) integriert ist.
Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufeln (10) am Schwungrad (1) bei Kupplungen, insbesondere trockene Ein- und Zweischeibenreibungskupplungen, im druckdichten Kupplungsgehäuse (15) integriert sind.
Turboverdichter nach Anspruch 2, 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.
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.
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.
Turboverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladedruck, insbesondere durch eine Bypassleitung mit Ventil zwischen Druck- und Saugseite oder verstellbare Laufradschaufeln, einstellbar ist.
Turboverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die komprimierte Frischluft durch einen Ladeluftkühler (13) in der Druckleitung (14) kühlbar ist.