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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 Rotorachse 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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Aus
der
GB 1 058 577 A ist
es bekannt, mehrere konzentrische Zellenringe vorzusehen. Auch hinsichtlich
der Zellengeometrie gibt es verschiedene Ansätze. Wenn die Zellen in mehreren
konzentrischen Ringen angeordnet sind, ist es entsprechend der Lehre
der
GB 920 908 A möglich, Zellenquerschnitte
vorzusehen, die sich von Ring zu Ring unterscheiden. Aus der
US 3 101 168 A ist
es grundsätzlich
bekannt, Zellentrennwände
so zu gestalten, dass sie in ihrer senkrecht zur Rotationsachse
des Zellenrotors stehenden Querschnittebene einen von einer auf
die Rotationsachse bezogenen Radialrichtung abweichenden Verlauf
aufweisen. Das lehrt auch die
GB
999 036 A , sowie die
GB
866 935 A . Ferner ist zum Stand der Technik die
US 4 352 638 A zu
nennen, bei welchem die einzelnen Zellentrennwände mit muldenartigen Ausprägungen versehen
sind, um die Zellentrennwände
auszusteifen.
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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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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 sind jedoch gegensinnig orientiert, so
dass sämtliche
vom radial-geraden Verlauf abweichenden Krümmungen, Ausstellungen oder
Sicken innerhalb eines Zellenrings in die gleiche Umfangsrichtung
weisen, d. h. in den Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn,
allerdings bewirkt eine gegensinnige Orientierung, dass ungleichmäßige thermische
Belastungen des Zellenrotors noch besser kompensiert 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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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