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Die
Erfindung betrifft eine gasdynamische Druckwellenmaschine mit den
Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Verbrennungskraftmaschinen
für Kraftfahrzeuge werden zur Erhöhung ihres Wirkungsgrades aufgeladen,
d. h. der Fülllungsgrad wird verbessert. Aufgeladene Motoren
haben bei geringerem Hubraum einen geringen spezifischen Verbrauch
als Saugmotoren gleicher Leistung.
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Aufladesysteme,
die gasdynamische Prozesse in geschlossenen Gaskanälen
erzeugen und zur Aufladung nutzen, werden im Allgemeinen als Druckwellenlader
oder Druckwellenmaschinen bezeichnet. Üblicherweise werden
die bei Druckwellenmaschinen zum Einsatz kommenden Zellenrotoren aus
gegossenem Material hergestellt. Die Zellenrotoren sind zylindrisch
gestaltet und besitzen zumeist axial gerade, querschnittskonstant
verlaufende Kanäle, die sich von der Heißgas-
zur Kaltgasseite erstrecken. Es ist bekannt, bei Druckwellenladern,
die als Ladeluftverdichter für Verbrennungsmotoren eingesetzt
werden, den Rotor aktiv anzutreiben. Durch die
EP 0 235 609 A1 zählt
allerdings auch ein durch die Gaskräfte angetriebener,
freilaufender Druckwellenlader zum Stand der Technik. Der Zellenrotor weist
achsparallele oder schräg zur Rotor achse liegende und
schraubenförmig verwundene Zellentrennwände auf.
Der Antrieb des Zellenrotors erfolgt durch die Beaufschlagung der
Zellentrennwände durch Hochdruckabgase, die über
Gaskanäle in einem entsprechenden Beaufschlagungswinkel
in das Rotorgehäuse einmünden und durch den Eintritt
des Abgases den Zellenrotor in Rotation versetzen.
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Problematisch
an heutigen Systemen ist das thermische Belastungskollektiv, dem
die gesamte Bauteilgeometrie des Zellenrotors unterliegt. So finden
sich auf der Heißgasseite des Zellenrotors Temperaturen
von bis zu 1100°C und auf der Kaltgasseite Temperaturen
von maximal 200°C. Ein thermisch verursachter Bauteilverzug
und ein daraus resultierender suboptimaler Wirkungsgrad sind die
Folge. Probleme treten insbesondere bei der Spaltmaßhaltigkeit
zwischen den gasführenden Elementen auf.
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Gegossene
Zellenrotoren besitzen zudem ein hohes Trägheitsmoment,
bedingt durch relative Großwandstärken. Zudem
ist die gießtechnische Herstellung feiner Zellstrukturen
sehr kostenintensiv. Die Gussfertigung macht zudem relativ teure
Kontrollverfahren erforderlich und bringt hohe Ausschussraten mit
sich.
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Auf
Grund der fertigungstechnischen Schwierigkeiten und unter Berücksichtigung
der Anforderungsprofile an Druckwellenlader ist die wirtschaftliche
Herstellung eines Zellenrotors unter Berücksichtigung aller
Anforderungen im industriellen Maßstab sehr problematisch.
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Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine gasdynamische
Druckwellenmaschine zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine,
im Hinblick auf die Gestaltung des Zellenrotors, in fertigungstechnischer
Hinsicht zu optimieren.
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Diese
Aufgabe ist bei einer gasdynamischen Druckwellenmaschine mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen
Patentansprüche.
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Die
erfindungsgemäße Druckwellenmaschine ist dadurch
gekennzeichnet, dass wenigstens eine Zellentrennwand in einer senkrecht
zu einer Rotationsachse des Zellenrotors stehenden Querschnittsebene
einen von einer auf die Rotationsachse bezogenen Radialrichtung
abweichenden Verlauf aufweist. Mit anderen Worten ist die wenigstens
eine Zellentrennwand abweichend von der radial-geraden Richtung
gekrümmt. Diese Krümmung kann eine in Umfangsrichtung
des Zellenrotors weisende Ausstellung sein, wie z. B. in Form einer
oder mehrerer Sicken. Alternativ oder zusätzlich kann die
gesamte Zellentrennwand bogenförmig gekrümmt sein.
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Der
Vorteil von Zellentrennwänden mit von der geraden Radialrichtung
abweichendem Verlauf ist darin zu sehen, dass gebaute, d. h. nicht
gegossene, Zellenrotoren mit hoher Fertigungsgenauigkeit kostengünstig
hergestellt werden können. Der Grund ist, dass die einzelnen
Zellentrennwände unter Einhaltung enger Maßtoleranzen,
insbesondere unter Einhaltung enger Fügespalte, mit den
die Zellen radial innen- und außenseitig begrenzenden Mantelelementen,
d. h. außenseitig mit einem Außenmantel und innenseitig
mit einem Innenmantel, verbunden werden können. Die Herstellung
von gebauten Zellenrotoren setzt voraus, dass der Fügespalt
zwischen den Zellentrennwänden und dem Außenmantel
bzw. Innenmantel minimal wird, um ein präzises Verbinden
der einzelnen Bauteile, insbesondere durch Lötprozesse
oder Schmelzschweißprozesse, zu ermöglichen. Durch
den von der geraden Radialrichtung abweichenden Verlauf der Zellentrennwände
können größere Maßdifferenzen
zwischen den Bauteilen aus den Mantelelementen und den Zellentrennwänden ausgeglichen
werden, so dass sich beim Zusammenbau der Fügespalt nicht
vergrößert. Die Zellentrennwände verhalten
sich durch den von der Radialrichtung abweichenden Verlauf in einem
gewissen Umfang in Radialrichtung nachgiebig, so dass die Gefahr von
Beschädigungen während des Montageprozesses im
Vergleich zu ausschließlich radial-gerade verlaufenden
Zellentrennwänden verringert wird. Zudem erfolgt eine Selbstjustierung
im Hinblick auf die Lötspaltweite zwischen den Mantelelementen
und den Zellentrennwänden. Grundsätzlich lässt
sich eine verbesserte Nachjustierbarkeit der einzelnen Komponenten
eines gebauten Zellenrotors feststellen.
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Im
praktischen Betrieb ergeben sich auf Grund der geänderten
Belastungsverhältnisse der Zellentrennwände Vorteile
für die Betriebsfestigkeit und Dauerfestigkeit, da die
Steifigkeit in den einzelnen Zellen gegen Betriebsbelastungen erhöht
wird. Die Steifigkeitserhöhung wird insbesondere durch eine
oder mehrere Sicken erzielt.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass durch unterschiedlich verteilte Temperaturbelastungen
verursachte, asymmetrische Verzüge des Bauteils durch das
nachgiebige Verhalten der Zellentrennwände vorgehalten
bzw. ausgeglichen werden können.
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In
praktischer Ausgestaltung wird besonders die Bogenform der in Umfangsrichtung
ausgestellten Zellentrennwände als vorteilhaft angesehen.
Zudem haben sich insbesondere Zellentrennwände mit wenigstens
einer sich in Richtung der Rotationsachse des Zellenrotors erstreckenden
Sicke als zweckmäßig erwiesen. Grundsätzlich
wird hierbei eine einzige Sicke als ausreichend angesehen, um die
Steifigkeit der Zellentrennwände zu verbessern. Die Vorteile
der begrenzt nachgiebigen, aber hinreichend steifen Zellentrennwände
kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn diese aus dünnen
Blechelementen gebildet sind. Diese Blechelemente werden in Radialrichtung
gesehen innenseitig mit dem Innenmantel und außenseitig
mit dem Außenmantel verbunden. Die Verbindung kann stoffschlüssig
durch Löten oder Schweißen erfolgen. Auch eine
formschlüssige Verbindung der Zellentrennwände
mit dem Innenmantel und/oder dem Außenmantel ist denkbar.
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Der
Zellenrotor kann aus Halbzeugen unterschiedlicher Werkstoffe zusammengebaut
sein, d. h. es können metallische Werkstoffe, insbesondere Stähle
unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung mit unterschiedlichen
mechanischen Eigenschaften, zum Einsatz kommen. Beispielsweise können
die einzelnen Zellen aus Dünnblechelementen gebildet sein.
Hierbei kann das aus den Zellentrennwänden gebildete Gasleitgitter
aus gebogenen, dünnen Blechelementen hergestellt und mit
den äußeren und inneren tragenden Strukturelementen,
d. h. mit dem Außenmantel und dem Innenmantel, verbunden sein.
Die feinstrukturierten Zellentrennwände bestehen bevorzugt
aus einer dünnen Edelstahlfolie mit Wandstärken,
die in einem Bereich von 0,05–1,0 mm liegen können.
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Da
die Zellentrennwände vorzugsweise eine sehr geringe Wandstärke
aufweisen, ist die erfindungsgemäße Bauform des
Zellenrotors umfangsseitig geschlossen, um die Zellentrennwände
abstützen zu können.
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Je
nach Größe des Rotors können 1 bis 3 konzentrische
Zellenringe, die durch konzentrische Mantelelemente voneinander
getrennt sind, vorgesehen sein. Bei mehreren Zellenringen ist das
die Zellenringe trennende Mantelelement gleichzeitig Außenmantel
für den inneren Zellenring und Innenmantel für
den äußeren Zellenring.
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Es
wird als zweckmäßig angesehen, wenn alle Zellentrennwände
eines Zellenrings gleichsinnig orientiert sind, d. h. in die gleiche
Umfangsrichtung ausgestellt sind. Die Zellentrennwände
einander benachbarter Zellenringe können ebenfalls gleichsinnig orientiert
sein, so dass sämtliche vom radial-geraden Verlauf abweichenden
Krümmungen, Ausstellungen oder Sicken in die gleiche Umfangsrichtung
weisen, d. h. in den Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn.
Die Zellentrennwände einander benachbarter Zellenringe
können auch gegensinnig orientiert sein, um ungleichmäßige
thermische Belastungen des Zellenrotors noch besser kompensieren
zu können.
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Der
Rotor sollte gegen elastische Reaktionen mit äußeren
Versteifungselementen ausgerüstet sein, die eine von der
Kreisform abweichende Verformung, eine so genannte Ovalisierung,
im laufenden Betrieb sicher unterbinden. Bei dem erfindungsgemäßen
Zellenrotor können so genannte Wuchtringe vorgesehen sein,
die bevorzugt auf beiden Enden des Zellenrads montiert werden. Diese
Wuchtringe dienen einerseits zur Abstützung des filigranen
Zellensystems und erfüllen des Weiteren eine Dichtfunktion
zu den angrenzenen Abgasleitungen bzw. Ladeluftleitungen. Über
die Wuchtringe ist ein zusätzliches Fixieren des Außenmantels
möglich. Die Wuchtringe dienen auch dazu, ungleichmäßige
Masseverteilungen zu kompensieren.
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Die
Zellentrennwände besitzen vorzugsweise über ihre
gesamte Längserstreckung eine gleich bleibende Konturgebung,
wobei die Längserstreckung der Zellentrennwände
nicht zwangsläufig koaxial zur Rotationsachse sein muss,
d. h. die Zellentrennwände können sowohl achsparallel
als auch schräg zur Rotationsachse liegen.
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Das
tragende Innensystem des Zellenrotors kann durch spanende Fertigung
hergestellt werden. Es handelt sich hierbei um eine Welle mit entsprechenden
Lagerungsmitteln, an der auch entsprechende Abdichtmittel vorgesehen
sind.
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Grundsätzlich
können zur Herstellung der einzelnen Komponenten des Zellenrotors
Herstellungsverfahren wie Biegen, Tiefziehen oder Hydroformen zum
Einsatz kommen, wobei die Wahl der Fertigungsverfahren wesentlich
von der Bauteilgeometrie abhängig ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten,
schematisierten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt:
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1 einen
Querschnitt durch einen Zellenrotor einer Druckwellenmaschine und
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2 einen
Querschnitt durch einen Zellenrotor einer Druckwellenmaschine in
einer weiteren Ausführungsform.
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1 zeigt
einen Zellenrotor 1, welcher den Kernbestandteil einer
gasdynamischen Druckwellenmaschine zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine
bildet. Der Zellenrotor 1 ist in nicht näher dargestellter
Weise in einem Gehäuse um seine Rotationsachse RA drehbar
gelagert. Er befindet sich zwischen einer Zuleitung für
Ladeluft und einer Abgasleitung für Verbrennungsgase. Die
innerhalb des Zellenrotors aufgenommene Luft wird durch zuströmende
Abgase, die von der gegenüberliegenden Seite in den Zellenrotor 1 strömen, verdichtet.
Die verdichtete Ansaugluft wird nach einer weiteren Rotation des
Rotors ausgestoßen. Das Abgas tritt nach einer weiteren
Rotation des Rotors ebenfalls aus dem Zellenrotor 1 aus.
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Der
Zellenrotor 1 weist einen umfangsseitig geschlossenen Außenmantel 2 auf,
der zylindrisch oder auch kegelstumpfförmig ausgebildet
sein kann. Im Falle eines Kegelmantels nimmt der Außenumfang
des Zellenrotors 1 der Abgasseite zu seiner Ladeluftseite
hin zu. Der Zellenrotor 1 ist auf einer nicht näher
dargestellten Welle gelagert, die mit Antriebsmitteln gekoppelt
sein kann. Der Zellenrotor 1 besitzt eine Nabe 3 zur
Fixierung des Zellenrotors 1 auf der Welle.
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An
der Nabe 3 ist eine Zellenstruktur des Zellenrotors 1 befestigt.
Die gasdurchlässigen Bereiche des Zellenrotors 1 sind
in zwei konzentrische Zellenringe 4, 5 eingeteilt.
Die Zellenringe 4, 5 sind in Radialrichtung R,
d. h. umfangsseitig, jeweils geschlossen, so dass ein Gasaustausch
nur in Längsorientierung des Zellenrotors 1, d.
h. in dieser Darstellung in die Bildebene hinein, erfolgen kann.
Der innere Zellenring 4 grenzt an die Nabe 3 und
ist radial außenseitig von einem Außenmantel 6 umschlossen.
Der Außenmantel 6 ist bezogen auf den äußeren
Zellenring 5 als Innenmantel 6' zu betrachten.
Der äußere Zellenring 5 ist von dem Außenmantel 2 umgeben. Die
Mantelelemente 2, 6, 6' verlaufen insgesamt
konzentrisch zueinander.
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Das
Entscheidende an dem Zellenrotor der 1 ist die
Gestaltung der Zellentrennwände 7, die sich im
Wesentlichen in Radialrichtung R erstrecken. Die Radialrichtung
R ist bezogen auf die Rotationsachse RA bzw. Längsachse
des Zellenrotors 1. Es ist anhand der 1 zu
erkennen, dass sämtliche Zellentrennwände 7 eines
Zellenrings in die gleiche Richtung, d. h. in diesem Ausführungsbeispiel
bezüglich des äußeren Zellenrings 5 in
Richtung des Uhrzeigersinns, bogenförmig ausgestellt, d.
h. gleichsinnig orientiert sind. Sämtliche Zellentrennwände 7 des inneren
Zellenrings 4 sind zwar ebenfalls gleichsinnig orientiert,
allerdings weist die bogenförmige Krümmung gegen
den Uhrzeigersinn. Wie anhand der Detaildarstellung zu erkennen
ist, befindet sich im mittleren Bereich der bogenförmig
gekrümmten Zellentrennwände eine im Querschnitt dreieckförmige
Sicke 8, die sich in nicht näher dargestellter
Weise in Längsrichtung der gesamten Zellentrennwände 7 erstreckt.
Diese Sicke 8 besitzt eine Orientierung, die gleichsinnig
zur Orientierung der bogenförmigen Ausstellung ist, d.
h. die Sicke 8 weist in diesem Ausführungsbeispiel
bei den Zellentrennwänden 7 des äußeren
Zellenrings 5 ebenfalls in Richtung des Uhrzeigersinns.
Die Sicke 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel
im mittleren Längenbereich der einzelnen Zellentrennwände 7 angeordnet.
Sämtliche Zellentrennwände 7 sind identisch
konfiguriert. Die Sicken 8 haben insbesondere die Funktion,
die einzelnen Zellentrennwände 7 auszusteifen,
wohingegen die bogenförmige Konturgebung primär
dazu dient, den Montageprozess des Zellenrotors 1 beim
Zusammenbau der Zellentrennwände 7 mit dem jeweiligen Innen-
und Außenmantel 6', 2 zu vereinfachen.
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Es
wird angemerkt, dass die bogenförmige Konturgebung der
Zellentrennwände auch ohne zusätzliche Sickung
möglich ist, wie anhand des Ausführungsbeispiels
der 2 zu erkennen ist.
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- 1
- Zellenrotor
- 2
- Außenmantel
- 3
- Nabe
- 4
- innerer
Zellenring
- 5
- äußerer
Zellenring
- 6
- Außenmantel
- 6'
- Innenmantel
- 7
- Zellentrennwand
- 8
- Sicke
- R
- Radialrichtung
- RA
- Rotationsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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