-
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 7.
-
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.
-
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.
-
Die
US 4 910 959 A offenbart einen schalldämpfenden Druckwellenlader mit einem Zellenrotor, wobei der Zellenrotor über einen Elektromotor angetrieben wird, der innerhalb eines Frischluft ansaugenden Gehäuses angeordnet ist. Auf einer der Frischluftzufuhr gegenüberliegenden Seite des Zellenrotors wird dieser über Verbrennungsgase eines mit dem Druckwellenlader zusammenwirkenden Verbrennungsmotors druckbeaufschlagt. Während die Zuführung der Verbrennungsgase zum Zellenrotor über zwei Abgasrohre erfolgt, wird der Frischluftbereich über eine einzelne Zuleitung mit Frischluft versorgt.
-
Ferner ist der
DE 20 2006 004 975 U1 ein elektromotorisch unterstützter Turbolader zu entnehmen. Die Anordnung gestattet es, den Ladedruck unabhängig von der mechanischen Ladedruckanforderung sowohl über den Elektromotor als auch über eine Abgasturbine des Turboladers zu steuern.
-
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.
-
Aus der
EP 1 342 909 A2 geht eine Anordnung für eine elektronische Steuereinheit hervor, welche innerhalb eines Ansaugrohrs angeordnet ist. Durch eine stromlinienförmige Ausgestaltung des die elektronische Steuereinheit umgebenden Gehäuses wird eine Erhöhung des Ansaugluftwiderstandes weitestgehend verhindert. Durch die an der Steuereinheit vorbeiströmende Frischluft werden die elektronischen Komponenten gekühlt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Kühlung und Abschirmung eines Elektromotors, welcher zum Antrieb eines Zellenrotors einer gasdynamischen Druckwellenmaschine dient, zu verbessern und diese kompakter zu gestalten.
-
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 7.
-
Bei der erfindungsgemäßen Druckwellenmaschine ist vorgesehen, dass diese mehrflutig, insbesondere zweiflutig ausgebildet ist. 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. Der Frischluft führende Ansaugkanal ist so konfiguriert, dass der Elektromotor umfangsseitig möglichst großflächig umspült, d. h. gekühlt, wird. Die an die jeweiligen Ladeluftöffnungen angeschlossenen Ladeluftleitungen werden 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. Daher ist vorgesehen, dass die von der Druckwellenmaschine verdichtete Frischluft in eine Ladeluftleitung eintritt, welche den Ansaugkanal zumindest teilweise außenseitig umgibt.
-
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.
-
Der Elektromotor kann in das Kaltgasgehäuse integriert sein. Hierzu kann eine den Elektromotor umgebende Frischluftzuführung mittel- oder unmittelbar mit dem Kaltgasgehäuse verbunden sein.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer gasdynamischen Druckwellenmaschine wird der Elektromotor durch die von der Druckwellenmaschine angesaugte Frischluft an wenigstens zwei gegenüberliegenden Seiten 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.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine stark vereinfachte Darstellung einer Druckwellenmaschine im Längsschnitt und
-
2 eine weitere, stark vereinfachte Darstellung einer zweiflutigen Druckwellenmaschine, ebenfalls im Längsschnitt.
-
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 das 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.
-
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.
-
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.
-
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 5 der nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine zuzuführen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 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 PPfeil
- P
- Pfeil
