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Die
Erfindung betrifft eine gasdynamische Druckwellenmaschine gemäß den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben
einer solchen Druckwellenmaschine gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 9.
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Gasdynamische
Druckwellenmaschinen zählen durch die
DE 698 23 039 T2 zum Stand
der Technik. Bei gasdynamischen Druckwellenmaschinen ist ein als
Zellenrad ausgebildeter Rotor innerhalb eines Mantels angeordnet.
An den gegenüberliegenden Stirnseiten sind je zwei Frischluft-
bzw. Abgasöffnungen angeordnet. Wenn eine mit Frischluft gefüllte
Zelle vor die Abgaseinlassöffnung gedreht wird, wird die
Luft von dem heißen und unter Druck stehenden Abgas aus
der Zelle herausgedrückt. Beim Weiterdrehen des Rotors
erreichen die Zellen die Öffnung der Ladeluftleitung, so
dass die verdichtete Frischluft in den Motor strömt. Bevor
auch das Abgas in der Zelle die Ladeluftöffnung erreicht,
haben die Zellen die Ladeluftöffnung bereits passiert und
sind wieder geschlossen. Nach weiterer Drehung strömt das
noch immer unter Druck stehende Abgas in die darauf folgende Abgasöffnung,
die zur Auspuffleitung führt. Durch dieses Abströmen
entsteht wiederum ein Unterdruck in der entsprechenden Zelle des
Rotors, der Frischluft aus der inzwischen erreichten Frischluftansaugöffnung
nachsaugt.
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Bei
Druckwellenladern ist eine Synchronisation der Drehzahl des Zellenrads
mit der Motordrehzahl erforderlich. Dies kann entweder direkt von
der Kurbelwelle aus über Zahn- oder Keilriemen erfolgen oder
durch drehzahlgeregelte Elektromotoren.
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Bedingt
durch die abgasseitig hohen Temperaturen unterliegen im Motorraum
angeordnete elektronische Baugruppen hohen thermischen Belastungen
durch Strahlungswärme. Um die Effizienz der elektronischen
Bauteile zu verbessern, werden elektronische Baugruppen gegen Temperatureinflüsse abgeschirmt.
Durch die Abschirmung werden eine verbesserte Leistungsentwicklung
und eine niedrigere Stromaufnahme erzielt. Um diesen Schutz vor Strahlungswärme
zu erreichen, werden Wärmeschutzbleche zwischen der Wärmequelle
und den zu schützenden Bauelementen positioniert. Auf diese Weise
müsste auch ein Elektromotor zum Antrieb einer Druckwellenmaschine
geschützt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Kühlung und
Abschirmung eines Elektromotors, welcher zum Antrieb eines Zellenrotors
einer gasdynamischen Druckwellenmaschine dient, zu verbessern.
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Diese
Aufgabe ist bei einer Druckwellenmaschine mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zum Betreiben einer
Druckwellenmaschine, durch welches diese Aufgabe ebenfalls gelöst
wird, ist Gegenstand des Patentanspruchs 9.
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Bei
der erfindungsgemäßen Druckwellenmaschine ist
vorgesehen, dass der Elektromotor im Strömungsbereich der
Frischluft angeordnet ist, die auch das Kaltgasgehäuse
durchströmt. Der wesentliche Vorteil ist, dass der Elektromotor mit
einer relativ großen Luftmenge in Kontakt kommt, die beim
Betrieb eines Verbrennungsmotors diesem zwingend zugeführt
werden muss. Durch die Ausnutzung der Frischluft im Ansaugbereich
der Druckwellenmaschine und die zwingende Integration des Elektromotors in
diesen Strömungsbereich ergibt sich eine sehr kompakte
Bauweise, wodurch sich erhöhte Freiheitsgrade im Packaging,
d. h. bei der Konzeption derartiger Druckwellenmaschinen, ergeben.
Es erfolgt eine aktive Kühlung des Elektromotors durch
Wärmeabfuhr im Frischluftstrom der angesaugten Luft.
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Der
Elektromotor kann in das Kaltgasgehäuse integriert sein.
Hierzu kann eine den Elektromotor umgebende Frischluftzuführung
mittel- oder unmittelbar mit dem Kaltgasgehäuse verbunden
sein.
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Von
Vorteil ist, dass das Kaltgasgehäuse nur von gereinigter
Luft durchströmt wird, da die angesaugte Frischluft zuvor
einen Luftfilter passiert, welcher dem Kaltgasgehäuse vorgelagert
ist. Dadurch ergeben sich keine Verschmutzungen der am Elektromotor
befindlichen Kühlöffnungen bzw. an einem Kühlkörper
des Elektromotors, so dass das Risiko thermisch bedingter Fehlfunktionen
des Elektromotors weiter reduziert wird.
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Bei
der erfindungsgemäßen Druckwellenmaschine ist
es möglich, nicht nur den Elektromotor durch die angesaugte
Frischluft zu kühlen, sondern auch ein elektrisches Steuergerät,
das hierzu im Strömungsbereich der Frischluft angeordnet
ist. Das elektrische Steuergerät dient vorzugsweise zur
elektrischen Steuerung der Druckwellenmaschine und insbesondere
des Elektromotors. Das Steuergerät kann hierzu räumlich
im Strömungsbereich der Frischluft angeordnet sein. Eine
räumliche Trennung ist jedoch nicht so zu verstehen, als
dass das Steuergerät möglichst weit vom Elektromotor
entfernt angeordnet sein soll. Vielmehr sollten die Leitungs- und Signalwege
zwischen den einzelnen Komponenten der Druckwellenmaschine und dem
Steuergerät kurz gehalten werden, so dass das elektrische
Steuergerät dem nah am Zellenrotor angeordneten Elektromotor – in
Strömungsrichtung der Frischluft gesehen – vorgelagert
ist.
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In
vorteilhafter Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist die Druckwellenmaschine
mehrflutig, insbesondere zweiflutig ausgebildet. Das heißt, das
an der Seite des Kaltgasgehäuses zwei Frischluftöffnungen
und dementsprechend zwei Ladeluftöffnungen für
die komprimierte Frischluft vorgesehen sind, so dass sich der Prozess
der Ladeluftverdichtung im Gegensatz zu einer einflutigen Druckwellenmaschine
auf etwa dem hälftigen Umfangsbereich des Zellenrotors
abspielt. Die mehr- und insbesondere zweiflutige Bauweise hat im
Hinblick auf die Erfindung den Vorteil, dass der dem Zellenrotor
zugeordnete Elektromotor an wenigstens zwei gegenüberliegenden
Seiten von Frischluft umspült ist. Dadurch erfolgt eine
noch bessere Kühlung und auch Wärmeabfuhr der
im Elektromotor entstehenden Wärme.
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Unabhängig
von einer einflutigen oder mehrflutigen Bauweise ist der Frischluft
führende Ansaugkanal so konfiguriert, dass der Elektromotor
umfangsseitig möglichst großflächig umspült,
d. h. gekühlt, wird. Bei einer zwei- oder mehrflutigen
Druckwellenmaschine werden an die jeweiligen Ladeluftöffnungen
angeschlossenen Ladeluftleitungen zusammengeführt. Dabei
werden diese zusammengeführten Leitungen vorzugsweise nach
radial außen geführt, so dass die Ansaugkanäle
den größeren Teil des radial innen liegenden Bereichs
der Druckwellenmaschine einnehmen, um den dort angeordneten Elektromotor
besser kühlen zu können. Bei einer mehrflutigen
Bauweise ist daher vorgesehen, dass die von der Druckwellenmaschine
verdichtete Fischluft in eine Ladeluftleitung eintritt, welche den
Ansaugkanal zumindest teilweise außenseitig umgibt.
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Es
ist im Rahmen der Erfindung möglich, dem Elektromotor aber
auch dem elektrischen Steuergerät eine aerodynamisch günstigere
Kontur zu verleihen, sei es durch günstige Gestaltung eines Gehäuses
des Elektromotors oder des elektrischen Steuergeräts, oder
auch durch geeignete, den Gehäusen separat zugeordneten
Luftleitmittel, die dazu beitragen Strömungsverluste im
Ansaugbereich zu minimieren.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben
einer gasdynamischen Druckwellenmaschine wird der Elektromotor durch
die von der Druckwellenmaschine angesaugte Frischluft zwangsgekühlt.
Hierzu ist eine besondere Strömungsführung der
Frischluft im Kaltgasgehäuse vorgesehen. Eine zentrale
Anordnung des Elektromotors im oder am Kaltgasgehäuse mit
entsprechender Kühlung gewährleistet zugleich
eine effektive Abschirmung des Elektromotors gegenüber
im Motorraum auftretender Strahlungswärme. Ferner können gegebenenfalls
durch die Integration des Elektromotors in das Kaltgasgehäuse
Teile der Gehäusestruktur des Elektromotors eingespart
werden. Der Materialaufwand und damit das Gewicht werden reduziert.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
stark vereinfachte Darstellung einer Druckwellenmaschine im Längsschnitt
und
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2 eine
weitere, stark vereinfachte Darstellung einer zweiflutigen Druckwellenmaschine, ebenfalls
im Längsschnitt.
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1 zeigt
in eine Druckwellenmaschine 1, deren zentraler Bestandteil
ein Zellenrotor 2 ist. Benachbart des Zellenrotors 2 befindet
sich einerseits ein Kaltgasgehäuse 3 und abgasseitig
ein Heißgasgehäuse 4. In der Bildebene
links ist anhand des eingezeichneten Pfeils zu erkennen, dass Frischluft 5 zunächst
durch einen Luftfilter 6 strömt, der in einem Ansaugkanal 7 angeordnet
ist. Die angesaugte Frischluft 5 tritt bezogen auf die
Darstellung unten links in den Zellenrotor 2 ein und strömt
nach einer entsprechenden Drehung des Zellenrotors 2 oben links
aus diesem aus und wieder in das Kaltgasgehäuse 3 ein,
von wo es dem nicht näher dargestellten Verbrennungsmotor
zugeführt wird. In umgekehrter Weise strömt Abgas 9 durch
ein Heißgasgehäuse 4 auf der gegenüberliegenden
Seite des Kaltgasgehäuses 3 in den Zellenrotor 2 ein,
verdichtet dort die angesaugte Frischluft 5 und tritt nach
einer entsprechenden Drehung des Zellenrotors 2 in der
Bildebene unten wieder aus dem Heißgasgehäuse 4 aus
und wird einem Auspuff zugeführt.
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Wesentlich
bei der erfindungsgemäßen Druckwellenmaschine 1 ist,
dass der Zellenrotor 2 von einem Elektromotor 8 angetrieben
wird, der bei diesem Ausführungsbeispiel in das Kaltgasgehäuse 3 integriert
ist. Dabei umströmt die angesaugte Frischluft 5 den
Elektromotor 8, um diesen zu kühlen. Dem Elektromotor 8 wird
nur durch den Luftfilter 6 gefilterte Frischluft 5 zugeführt,
so dass der Elektromotor vor Verschmutzungen geschützt
ist. Zudem wird er durch die gekapselte Bauweise innerhalb des Kaltgasgehäuses 3 vor
Strahlungswärme geschützt. Die verbesserte Kühlung
des Elektromotors 8 ermöglicht eine höhere
Leistungsentwicklung bei gleichzeitig niedrigerer Stromaufnahme
und somit eine erhöhte Effizienz. Das wirkt sich letztendlich
positiv auf den Kraftstoffverbrauch der nachgeschalteten Verbrennungskraftmaschine
aus, welche durch die Druckwellenmaschine 1 aufgeladen
wird.
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2 zeigt
in stark vereinfachter Darstellung einen vertikalen Längsschnitt
durch eine zweiflutige Druckwellenmaschine 10, von der
nur der Zellenrotor 2 und die Kaltgasseite dargestellt
ist. Es ist zu erkennen, dass in der dargestellten Schnittebene
die Frischluft 5 in Richtung der Pfeile P am Elektromotor 8 vorbeiströmt.
Das Besondere bei dieser Ausführungsform ist, dass zusätzlich
ein elektrisches Steuergerät 12 im Ansaugkanal 13 angeordnet
ist. Das elektrische Steuergerät 12 dient zur
Steuerung der gesamten Druckwellenmaschine 10 und somit
insbesondere zur Steuerung des Elektromotors 8.
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Auf
Grund der zweiflutigen Bauweise des Kaltgasgehäuses 14 dieser
Druckwellenmaschine 10 strömt die Frischluft 5 beiderseits
des Elektromotors 8 an diesem vorbei und sorgt für
eine intensive Kühlung. Die Frischluft 5 strömt
in der nicht dargestellten horizontalen Längsschnittebene,
aus nicht dargestellten Ladeluftöffnungen ab, aus welchen
die komprimierte Frischluft 5 in Ladeluftkanäle 15, 16 einströmt.
Es ist zu erkennen, dass die Ladeluftkanäle 15, 16 bei
dieser Ausführungsform den Ansaugkanal 13 bzw.
dessen im Kaltgasgehäuse 14 liegenden Endabschnitt
radial außenseitig umschließen. Die Ladeluftkanäle 15, 16 werden
in nicht näher dargestellter Weise zusammengeführt,
um die komprimierte Frischluft der nicht näher dargestellten
Verbrennungskraftmaschine zuzuführen.
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- 1
- Druckwellenmaschine
- 2
- Zellenrotor
- 3
- Kaltgasgehäuse
- 4
- Heißgasgehäuse
- 5
- Frischluft
- 6
- Luftfilter
- 7
- Ansaugkanal
- 8
- Elektromotor
- 9
- Abgas
- 10
- Druckwellenmaschine
- 11
- Zellenrotor
- 12
- Steuergerät
- 13
- Ansaugkanal
- 14
- Kaltgasgehäuse
- 15
- Ladeluftkanal
- 16
- Ladeluftkanal
- P
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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