DE102008052631A1

DE102008052631A1 - Gasdynamische Druckwellenmaschine

Info

Publication number: DE102008052631A1
Application number: DE102008052631A
Authority: DE
Inventors: Georg Glitz; Urs Wenger; Christian Smatloch; Axel Hinder
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2010-04-29
Also published as: WO2010045917A1

Abstract

Gasdynamische Druckwellenmaschine zur Verdichtung von Ladeluft einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Rotorgehäuse (1), in welchem ein Zellen aufweisender Rotor angeordnet ist, einem auf einem Ende des Rotorgehäuses (1) angeordneten Heißgasgehäuse (3), durch welches Abgas der Verbrennungskraftmaschine geführt wird, und einem auf dem anderen Ende des Rotorgehäuses (1) angeordnete Kaltgasgehäuse (2), durch welches Verbrennungsluft strömt, wobei das Rotorgehäuse (1) mit einer Wärmeisolierung (4) versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine gasdynamische Druckwellenmaschine zur Verdichtung von Ladeluft einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Verbrennungskraftmaschinen für Kraftfahrzeuge nutzen zur Erhöhung ihres Wirkungsgrades Bauteile, die geeignet sind, angesaugte Außenluft zu verdichten und als vorverdichtete Luft für den Verbrennungsvorgang zur Verfügung zu stellen. Zu diesem Zweck werden verschiedene, als Aufladesystem bezeichnete Maschinen genutzt.
Aufladesysteme, die gasdynamische Prozesse in geschlossenen Gaskanälen erzeugen und zur Aufladung nutzen, werden im Allgemeinen als ”Druckwellenlader” oder ”Druckwellenmaschinen” bezeichnet. Der Wirkungsgrad dieser Druckwellenmaschinen wird unter anderem bestimmt durch die herstellbaren Toleranzen/Spaltmaße zwischen den rotierenden und feststehenden Bauteilen. Zu den rotierenden Bauteilen gehört der Rotor. Die feststehenden Bauteile sind das Rotorgehäuse und die zur Zu- und Ableitung von Gasen an den Enden des Rotorgehäuses angeordneten Heißgas- sowie Kaltgasgehäuse. Zum Stand der Technik sind die EP 1 375 858 A1 und die EP 1 007 829 B1 zu nennen.
Die derzeit verwendeten Systeme funtionieren unter den gegebenen Anforderungen ausreichend gut, um bereits sehr hohe Wirkungsgradverbesserungen in einem Gesamtsystem ”Verbrennungsmotor” zu realisieren. Nachteile an den derzeit existierenden Lösungen sind auf ungleichmäßige Bauteilerwärmungen zurückzuführen, insbesondere im Bereich Heißgas führender Bereiche, die durch Außenluftanströmung abgekühlt werden, wodurch sich ein asymmetrischer Verzug der Bauteile ergeben kann. Zudem ist die Kühlleistung von Außenflächen für manche Betriebszustände gegebenenfalls zu hoch. Ferner ist die Materialauswahl auf Grund von Wärmedehnungsbeiwerten der Materialien eingeschränkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit aufzuzeigen, Spaltmaßtoleranzen zwischen Rotor- und Heißgasgehäuse zu minimieren.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, Einfluss zu nehmen auf die bei der Inbetriebnahme aufzuheizenden Bauteile, welche direkt oder indirekt die erforderlichen Spaltmaße bestimmen.
Bei der erfindungsgemäßen Druckwellenmaschine ist vorgesehen, dass zumindest das Rotorgehäuse mit einer Wärmeisolierung versehen ist. Dadurch kann die Aufheiz- und Durchwärmzeit für die Spaltmaß bestimmenden Bauteile verringert werden, insbesondere wenn nicht nur das Rotorgehäuse, sondern auch das Heißgasgehäuse mit einer Wärmeisolierung versehen ist. Auf Grund der Wärmeisolierung kann der Bauteilverzug, der auf eine ungleichmäßige, während des Betriebs im Wesentlichen statische Temperaturverteilung zurückzuführen ist, minimiert werden. Mit der erfindungsgemäß ausgestalteten Druckwellenmaschine wird auch die thermomechanische Materialermüdung verringert, insbesondere da ein ”Thermoschock” der thermisch belasteten Bauteile nahezu ausgeschlossen wird. Die Wärmeisolierung trägt dazu bei, Temperaturdifferenzen während der Aufheiz- und Abkühlphasen der Druckwellenmaschine zu verringern, was im Ergebnis gleichmäßigere Bauteilausdehnungen und somit engere Spaltmaßtoleranzen ermöglicht, die zu einem höheren Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Druckwellenmaschine führen.
Die Wärmeisolierung kann sich sowohl über die gesamte Länge des Rotorgehäuses als auch über die gesamte Länge des Heißgasgehäuses erstrecken. Es ist auch denkbar, dass sich die Wärmeisolierung des Rotorgehäuses lediglich über einen dem Heißgasgehäuse benachbarten Teilbereich des Rotorgehäuses erstreckt. Umgekehrt ist es natürlich auch denkbar, dass sich die Wärmeisolierung des Heißgasgehäuses über einen dem Rotorgehäuse benachbarten Teilbereich des Heißgasgehäuses erstreckt. Entscheidend ist der Übergangsbereich zwischen dem Rotorgehäuse und dem Heißgasgehäuse, da hier feststehende und rotierende Bauteile einander benachbart sind.
Die Wärmeisolierung kann in einer ersten Ausführungsform von einem Luftspalt gebildet sein, der sich zwischen einem das Rotorgehäuse und einem das Rotorgehäuse außenseitig umgebenden Außenmantel befindet. Ein solcher Außenmantel kann auch im Bereich des Heißgasgehäuses zur Ausbildung eines Luftspalts vorgesehen sein. Es ist auch denkbar, dass ein gemeinsamer Außenmantel zumindest den Kopplungsbereich von Rotorgehäuse und Heißgasgehäuse überdeckt, um in diesem Bereich eine homogenere Temperaturverteilung zu ermöglichen.
Die Wärmeisolierung kann alternativ auch von einem Dämmmaterial gebildet sein, das aus Keramik- oder Metallfasern besteht. Ein solches Dämmmaterial kann zur Lagefixierung auch in den Luftspalt zwischen dem Rotorgehäuse und/oder dem Heißgasgehäuse angeordnet sein und somit unverlierbar an der Druckwellenmaschine fixiert sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Rotorgehäuses mit einer sich über die gesamte Länge erstreckenden Wärmeisolierung in Form eines Dämmmaterials;
2 eine Variante eines wärmeisolierten Rotorgehäuses mit einer Luftspaltisolierung auf einem dem Heißgasgehäuse benachbarten Teilbereich;
3 eine Variante, bei welcher das Rotorgehäuse über seine gesamte Länge mit einer Luftspaltisolierung versehen ist und
4 eine Ausführungsform, bei welcher ein über seine gesamte Länge wärmeisoliertes Rotorgehäuse mit einem Dämmmaterial innerhalb eines Außenmantels zu sehen ist.
1 zeigt ein stark vereinfacht dargestelltes Rotorgehäuse 1 einer gasdynamischen Druckwellenmaschine, die zur Verdichtung von Ladeluft einer Verbrennungskraftmaschine dient. In dem Rotorgehäuse 1 ist in nicht näher dargestellter Weise ein mit Zellen versehener Rotor angeordnet. Der Rotor saugt auf seiner Kaltgasseite Umgebungsluft an und verdichtet diese, um sie der Verbrennungskraftmaschine zuzuführen. Die entsprechenden Luftführungskanäle verlaufen in einem schematisch angedeuteten Kaltgasgehäuse 2. Auf der gegenüberliegenden Seite des Rotorgehäuses 1 befindet sich ein Heißgasgehäuse 3, durch welches Abgas der Verbrennungskraftmaschine in das Rotorgehäuse 1 einströmt und aus diesem auch wieder abströmt. Die thermische Belastung auf Seiten des Heißgasgehäuses 3 ist wesentlich höher als auf der Seite des Kaltgasgehäuses 2.
In der ersten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Rotorgehäuse 1 mit einer Wärmeisolierung 4 versehen ist, und zwar in Form eines Dämmmaterials, das aus Keramik- oder Metallfasern besteht. Das Dämmmaterial ist unmittelbar auf das Rotorgehäuse 1 aufgebracht und erstreckt sich über die gesamte Länge des Rotorgehäuses 1. In gleicher Weise ist auch eine Wärmeisolierung 7 an dem Heißgasgehäuse 3 vorgesehen.
Die Ausführungsform der 2 unterscheidet sich von derjenigen der 1 dadurch, dass anstelle einer Wärmeisolierung in Form eines Dämmmaterials ein zusätzlicher Außenmantel 5 im Bereich des Rotorgehäuses 1 angeordnet ist, der mit dem Rotorgehäuse 1 einen Luftspalt 6 begrenzt. Die Wärmeisolierung 4a ist somit von dem Außenmantel 5 in Verbindung mit dem Luftspalt 6 gebildet. Es ist zu erkennen, dass sich der Außenmantel 5 nicht über die gesamte Länge des Rotorgehäuses 1 erstreckt, sondern nur auf der dem Heißgasgehäuse 3 benachbarten Seite des Rotorgehäuses 1 angeordnet ist. Der Außenmantel 5 weist einen gewellten Bereich auf, der als Faltenbalg ausgebildet ist und somit als Kompensator für thermisch bedingte Längenänderungen dient. Ebenso wie am Rotorgehäuse 1 ist auch am Heißgasgehäuse 3 eine Wärmeisolierung 7a mit einem Außenmantel 8 zur Begrenzung eines Luftspalts vorgesehen.
Die Ausführungsform der 3 unterscheidet sich von derjenigen der 2 dadurch, dass sich der Außenmantel 5a über die gesamte Länge des Rotorgehäuses 1 erstreckt. Auch der Außenmantel 8a des Heißgasgehäuses 3 erstreckt sich im Unterschied zu 2 über die gesamte Länge des Heißgasgehäuses 3.
Die Ausführungsform der 4 ist eine Kombination der in den 1 und 3 dargestellten Varianten. Hier ist das in 1 dargestellte Dämmmaterial innerhalb des Außenmantels 5a angeordnet, so dass die Wärmeisolierung 4b von dem Außenmantel 5a und dem Dämmmaterial gebildet ist. Dementsprechend ist die Wärmeisolierung 7b des Heißgasgehäuses 3 auch mit einem Dämmmaterial versehen.
In nicht näher dargestellter Weise können sämtliche in den 1 bis 4 dargestellten Varianten miteinander kombiniert werden. Das heißt, das Heißgasgehäuse 3 kann sowohl auf seiner gesamten Länge als auch auf einem dem Rotorgehäuse 1 benachbarten Teilbereich mit einer Wärmeisolierung 7, 7b in Form einer Dämmung, eines Luftspalts unterhalb eines Außenmantels 8, 8a oder durch ein Dämmmaterial innerhalb eines Außenmantels 8a gebildet sein. Es ist im Rahmen der Erfindung möglich, unterschiedliche Maßnahmen zur Wärmeisolierung an dem Rotorgehäuse 1 und dem Heißgasgehäuse 3 vorzunehmen.

1: Rotorgehäuse
2: Kaltgasgehäuse
3: Heißgasgehäuse
4: Wärmeisolierung
4a: Wärmeisolierung
4b: Wärmeisolierung
5: Außenmantel
5a: Außenmantel
6: Luftspalt
7: Wärmeisolierung
7a: Wärmeisolierung
7b: Wärmeisolierung
8: Außenmantel
8a: Außenmantel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1375858 A1 [0003]
- EP 1007829 B1 [0003]

Claims

Gasdynamische Druckwellenmaschine zur Verdichtung von Ladeluft einer Verbrennungkraftmaschine mit einem Rotorgehäuse (1), in welchem ein Zellen aufweisender Rotor angeordnet ist, einem auf einem Ende des Rotorgehäuses (1) angeordneten Heißgasgehäuse (3), durch welches Abgas der Verbrennungskraftmaschine geführt wird und einem auf dem anderen Ende des Rotorgehäuses (1) angeordnete Kaltgasgehäuse (2), durch welches Verbrennungsluft strömt, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorgehäuse (1) mit einer Wärmeisolierung (4, 4a, 4b) versehen ist.
Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wärmeisolierung (4, 4b) über die gesamte Länge des Rotorgehäuses (1) erstreckt.
Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wärmeisolierung (4a) über einen dem Heißgasgehäuse (3) benachbarten Teilbereich des Rotorgehäuses (1) erstreckt.
Druckwellenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißgasgehäuse (3) mit einer Wärmeisolierung (7, 7a, 7b) versehen ist.
Druckwellenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung (4a) von einem Luftspalt (6) gebildet ist, der sich zwischen einem das Rotorgehäuse (1) und einem das Rotorgehäuse (1) außenseitig umgebenden Außenmantel (5, 5a) befindet.
Druckwellenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung (7a) von einem Luftspalt gebildet ist, der sich zwischen einem Heißgasgehäuse (3) und einem das Heißgasgehäuse (3) außenseitig umgebenden Außenmantel (8) befindet.
Druckwellenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung von einem Luftspalt gebildet ist, der sich in einem den Überbangsbereich zwischen dem Rotorgehäuse (1) und dem Heißgasgehäuse (3) überpannenden Außenmantel befindet.
Druckwellenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung (4, 4b; 7, 7b) von einem Dämmmaterial gebildet ist, das aus Keramik- oder Metallfasern besteht.
Druckwellenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämmmaterial im Luftspalt (6) zwischen dem Rotorgehäuse (1) und/oder Heißgasgehäuse (3) und dem Außenmantel (5, 5a; 8, 8a) angeordnet ist.