DE102009023217B4

DE102009023217B4 - Gebaute Nabe für einen Druckwellenlader

Info

Publication number: DE102009023217B4
Application number: DE102009023217.6A
Authority: DE
Inventors: Georg Glitz; Jan Araszkiewicz; Dr. Smatloch Christian
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2009-05-29
Publication date: 2014-08-28
Anticipated expiration: 2029-05-30
Also published as: EP2435675A1; WO2010136005A1; US20120114469A1; JP2012527578A; JP5414892B2; EP2435675B1; DE102009023217A1

Abstract

Gasdynamische Druckwellenmaschine (6) zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem in einem Gehäuse (8) auf einer Welle (13) drehbar gelagerten Zellenrotor (7), der zwischen einer Leitung für Ladeluft und einer Abgasleitung für Verbrennungsgase angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Nabenaußenkörper (2, 71) ein inneres Rohr (3) kleineren Durchmessers als das Rohr des Nabenaußenkörpers (2) befestigt ist, in dem die Welle (13) aufgenommen ist, wobei das innere Rohr (3) mittels mehrerer separater Blechteile (4a, 4b, 5a, 5b) im Nabenaußenkörper (2) radial gehaltert ist, wobei die axial in Richtung der Längsachse des Zellenrotors (7) beabstandeten Blechteile (4a, 4b, 5a, 5b) in Bezug auf eine Querschnittsebene (A-A) des Nabenaußenkörpers (2) konvex oder konkav zueinander gekrümmt ausgeführt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine gasdynamische Druckwellenmaschine zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem in einem Gehäuse auf einer Welle drehbar gelagerten Zellenrotor, der zwischen einer Zuleitung für Ladeluft und einer Abgasleistung für Verbrennungsgase angeordnet ist, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Aufladesysteme, die gasdynamische Prozesse in geschlossenen Gaskanälen erzeugen und zur Aufladung nutzen, werden im Allgemeinen als Druckwellenlader oder Druckwellenmaschinen bezeichnet. Die Zellenrotoren sind zylindrisch gestaltet und besitzen zumeist axial gerade, querschnittskonstant verlaufende Kanäle, die sich von der Heißgas- zur Kaltgasseite erstrecken. Einen aus Blechteilen aufgebauten Zellenrotor mit nicht-zylindrischer Außenkontur zeigt die DE 10 2007 021 467 A1 . Das tragende Innensystem des Zellenrotors als Welle-Nabe-Verbindung kann durch spanende Fertigung hergestellt werden. Es handelt sich hierbei um eine Welle mit entsprechenden Lagerungsmitteln, an der auch entsprechende Abdichtmittel vorgesehen sind. Die Welle trägt dabei eine kegelstumpfförmige Nabe, an welcher eine Zellenstruktur des Zellenrotors befestigt ist.
Die GB 920, 624 zeigt ebenfalls einen aus Blech gebauten Zellenrotor aus einem inneren und einem äußeren Zylinder und Zwischenwänden, die sich zwischen den beiden Zylindern erstrecken und die sich in Form eines Z, eines Us oder eines Is jeweils gegenseitig berühren. Sowohl der Innere als auch der äußere Zylinder sind dadurch hergestellt, dass ein Blech zu einem Zylinder entsprechender Größe zusammengerollt und dann Längsnaht geschweißt wird. Die eigentliche Welle-Nabe-Verbindung, um die der Zellenrotor rotiert, ist nicht weiter dargestellt.
Die WO 97/20134 A1 offenbart eine gasdynamische Druckwellenmaschine zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine, welche einen auf einer Welle drehbar gelagerten Zellenrotor in einem Gehäuse aufweist. Der Zellenrotor ist zwischen einer Zuleitung für Ladeluft und einer Abgasleitung für Verbrennungsgase angeordnet. Die Welle ist in einem Rohr aus Blech als Nabenaußenkörper aufgenommen. Weiterhin ist in dem Nabenaußenkörper ein inneres Rohr kleineren Durchmessers als das Rohr des Nabenaußenkörpers befestigt, in dem die Welle aufgenommen ist.
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 1.100°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 Gas führenden Elementen auf. Üblicherweise wurden daher die bei Druckwellenmaschinen bisher in der Serienproduktion für Automobile zum Einsatz gekommenen Zellenrotoren aus gegossenem Material hergestellt. Da eine gegossene Druckwellenmaschine aber relativ teuer und schwer ausfällt, gehen die Bestrebungen vermehrt in Richtung eines aus Blech gebauten Rotors. Die Welle-Nabe-Verbindung inklusive einem die Verbindung aufnehmenden Nabenaußenkörper verblieben bisher aufgrund der Bauteilkomplexität jedoch als Gussteil. Allerdings ist es aufgrund der anisotrophen thermischen Belastung problematisch, unterschiedliche Werkstoffe für die Zellenstruktur des Rotors und die Nabe zu wählen. Außerdem ergibt sich durch die bisher verwendeten hochtemperaturfesten Werkstoffe eine aufwändige, langsame Bearbeitung zum Fertigmaß.
Die US 5 154 583 A zeigt einen Zellenrotor, welcher einen Nabenaußenkörper und ein in dem Nabenaußenkörper angeordnetes inneres Rohr kleineren Durchmessers als das Rohr des Nabenaußenkörpers aufweist. Das innere Rohr ist mittels mehrerer separater Speichen im Nabenaußenkörper radial gehaltert, wobei die Speichen in oder entgegen einer Rotationsrichtung des Zellenrotors gleichgerichtet gekrümmt sind.
Die US 3 362 619 A zeigt einen Zellenrotor, welcher einen Nabenaußenkörper und zwei in dem Nabenaußenkörper angeordnete Wellen aufweist. Der Nabenaußenkörper ist mittels mehrerer Verbindungselemente radial auf den Wellen gehaltert, wobei die Verbindungselemente gegenüber einer Drehachse des Zellenrotors geneigt sind.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die thermische Entkopplung des Zellenrotors einer gasdynamischen Druckwellenmaschine in Bezug auf die Welle-Nabe-Verbindung dahingehend zu verbessern, dass eine nahezu spannungsfreie Lagerung der sich durch wechselnde thermische Belastungen ausdehnenden und zusammenziehenden Teile des Zellenrotors geschaffen wird, welche eine dauerhaft präzise Ausrichtung des mit wechselnd hoher Rotationsgeschwindigkeit drehenden Zellenrotors innerhalb des Gehäuses ermöglicht.
Diese Aufgabe löst die Erfindung, indem bei einer gasdynamischen Druckwellenmaschine zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem in einem Gehäuse auf einer Welle drehbar gelagerten Zellenrotor, der zwischen einer Zuleitung für Ladeluft und einer Abgasleitung für Verbrennungsgase angeordnet ist, wobei in einem Nabenaußenkörper ein Stück Rohr kleineren Durchmessers als das Rohr des Nabenaußenkörpers befestigt ist, welches die Welle aufnimmt. Der Nabenaußenkörper kann dabei entsprechend dem Zellenrotor aus einem höherwertigen Blechmaterial bestehen. Das Innenleben des Nabenaußenkörpers ermöglicht dann einen neuen Freiheitsgrad in Bezug auf die Werkstoffauswahl.
Die gesamte Nabe wird aus Blechteilen gebaut. Dazu wird ein inneres Rohr kleineren Durchmessers als der Nabenaußenkörper eingesetzt, um die Welle aufzunehmen.
Dieses innere Rohr kleineren Durchmessers wird dann mittels eines separaten Blechteils im Nabenaußenkörpers radial gehaltert. Das die Welle aufnehmende innere Rohr erstreckt sich dabei nur über eine Teillänge des äußeren Nabenkörpers. Es ist ausreichend dickwandig, um den Belastungen standzuhalten. Die Halterung des Rohres erfolgt dann wiederum über ein oder mehrere Einzelteile. Bevorzugt handelt es sich hierbei um Blechteile. Das Blechteil kann im Nabenaußenkörper radial oder in einem Winkel zur Querschnittsebene des Nabenaußenkörpers angebracht werden. Insbesondere sind die Blechteile in Bezug auf die Querschnittsebene des Nabenkörpers konvex oder konkav zueinander gekrümmt, um Spannungen, Fertigungstoleranzen und/oder Wärmeverzug auszugleichen. Um einen sicheren Sitz des inneren Rohres zu gewährleisten, sind bevorzugt mehrere Blechteile zwischen innerem Rohr und Nabenaußenkörper vorgesehen, die voneinander axial in Richtung der Längsachse des Zellenrotors beabstandet sind. Die innere Wandung des Nabenaußenkörpers kann in der Kontur bearbeitet sein, um einen Passsitz einzelner Teile zu gewährleisten oder Toleranzen auszugleichen. Bevorzugt sind in den Nabenaußenkörper mit Abstand zur Wellenaufnahme ein oder mehrere Hitzeschilde eingebracht, die die empfindlichen Lager der Welle vor den bis zu 950°C heißen Abgastemperaturen schützen.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Nabe;
2 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Nabe und
3 einen Längsschnitt durch einen Druckwellenlader im Bereich der Welle-Nabe Verbindung.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Nabe 1 ohne Welle im Längsschnitt. In einem Nabenaußenkörper 2 ist ein inneres Rohr 3 über konvex zueinander angeordnete Blechteile 4a, 4b gehaltert. Die Blechteile 4a, 4b verlaufen folglich nicht parallel zu einer Querschnittsebene A-A. Damit sich die zwischen den Blechteilen 4a, 4b eingeschlossene Luft unter thermischer Belastung ausdehnen kann, sind in den Blechteilen 4a, 4b nicht näher dargestellte Ausnehmung für einen Gasaustausch vorgesehen.
2 zeigt einen ähnlichen Aufbau, allerdings ist hier das innere Rohr 3 über konkav zueinander geformte Blechteile 5a, 5b im Nabenaußenkörper 2 festgelegt. Der Nabenaußenkörper 2 besteht aus einem aus Blech gezogenen oder geschweißten Rohr, gleiches gilt für das innere Rohr 3. Das innere Rohr 3 dient zur Aufnahme der nicht gezeigten Welle. Die nur schwach dargestellten Linien 20, 21 in der Wand des Nabenaußenkörpers 2 deuten mögliche Konturen für eine Bearbeitung der Wand des Nabenaußenkörpers 2 an. Durch den erfindungsgemäßen Konstruktionsaufbau können Nabenaußenkörper 2, inneres Rohr 3 und Blechteile 4a, 4b, 5a, 5b verschiedene Materialien aufweisen. Die Nabe 1 wird insgesamt leichter und flexibler herstellbar.
3 zeigt eine Druckwellenmaschine 6 im Längsschnitt. Die Druckwellenmaschine 6 besteht aus einem Zellenrotor 7, welcher aus zwei Reihen 7a, 7b von Zellen besteht, welche durch ein Blech 7c voneinander getrennt sind. Die Reihen 7a, 7b des Zellenrotors 7 sind um einen zylindrischen Nabenaußenkörper 71 herum angeordnet. Der Zellenrotor 7 ist mit dem Nabenaußenkörper 71 verbunden und über dessen Verbindung zu einer Welle 13 drehbar gelagert. Der drehbare Zellenrotor 7 ist von einem feststehenden doppelwandigen Gehäuse 8 umgeben, welches über eine Gehäuseanbindung 9 mit der heißen Abgasseite verbindbar ist. Auf der Kaltgasseite ist der Zellenrotor 7 mit einem Ansaugtrakt 10 und einer Ladeluftleitung 11 verbunden. Sowohl Ansaugtrakt 10 als auch Ladeluftleitung 11 befinden sich in einem gemeinsamen Gussgehäuse 12.
In dem Gussgehäuse 12 ist die Weile 13 über Kugellager 14 drehbar gelagert. An ihrem dem Zellenrotor 7 abgewandten Ende wird die Welle 13 an einem nicht näher dargestellten Antriebsmotor befestigt. Die Kugellager 14 sind über Deckel/Dichtungen 15a, 15b gegen Verschmutzungen geschützt.
Erfindungsgemäß besteht der Nabenaußenkörper 71 als inneres Rohr des Zellenrotors 7 aus einem nahtlos gezogenen oder geschweißten Rohr. Die Innenwand des Nabenaußenkörpers 71 weist eine bearbeitete Kontur 72 auf, um einen Passsitz für drei hintereinander liegende Hitzeschilde 16 zu schaffen, welche mittels einer Schraube 17 miteinander verbunden sind. Die Hitzeschilde 16 trennen die Heißgasseite von der Kaltgasseite im Inneren des Nabenaußenkörpers 71. Damit sich die zwischen den drei Hitzeschilden 16 eingeschlossene Luft unter thermischer Belastung ausdehnen kann, sind die beiden der Kaltgasseite zugewandten Hitzeschilde mit einer nicht näher dargestellten Ausnehmung für einen Gasaustausch versehen. Der erste der Heißgasseite zugewandte Hitzeschild ist jedoch gasdicht ausgeführt.
Weiterhin ist in dem Nabenaußenkörper 71 eine bearbeitete Kontur 73 vorgesehen, in der das Gussgehäuse 12 mit genügend Spiel für eine ungehinderte Drehbarkeit des Zellenrotors 7 eingeschoben ist. In der hier dargestellten Verbindungsalternative ist die Welle 13 in eine Scheibe 18 in Form eines gegossenen Felgensterns eingesteckt und über eine Schraube 19 mit der Scheibe 18 verschraubt. Die Scheibe 18 ist mit dem Nabenaußenkörper 71 stoffschlüssig verbunden.
In vorteilhafter Weise können somit die Materialien der Scheibe 18 und des Nabenaußenkörpers 71 voneinander abweichen. Zwar ist der Einzelaufbau der erfindungsgemäß gebauten Welle-Nabe-Verbindung komplexer als ein einteiliges Gießen einer Nabe. Der Einzelaufbau rechnet sich aber bei größeren Stückzahlen über die Menge und ist insgesamt leichter.

Claims

Gasdynamische Druckwellenmaschine (6) zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem in einem Gehäuse (8) auf einer Welle (13) drehbar gelagerten Zellenrotor (7), der zwischen einer Leitung für Ladeluft und einer Abgasleitung für Verbrennungsgase angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Nabenaußenkörper (2, 71) ein inneres Rohr (3) kleineren Durchmessers als das Rohr des Nabenaußenkörpers (2) befestigt ist, in dem die Welle (13) aufgenommen ist, wobei das innere Rohr (3) mittels mehrerer separater Blechteile (4a, 4b, 5a, 5b) im Nabenaußenkörper (2) radial gehaltert ist, wobei die axial in Richtung der Längsachse des Zellenrotors (7) beabstandeten Blechteile (4a, 4b, 5a, 5b) in Bezug auf eine Querschnittsebene (A-A) des Nabenaußenkörpers (2) konvex oder konkav zueinander gekrümmt ausgeführt sind.
Gasdynamische Druckwellenmaschine (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil (4a, 4b, 5a, 5b) im Nabenaußenkörper (2) in einem Winkel zu der Querschnittsebene (A-A) des Nabenaußenkörpers (2) angebracht ist.
Gasdynamische Druckwellenmaschine (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem der Blechteile (4a, 4b, 5a, 5b) eine Ausnehmung für einen Gasaustausch vorgesehen ist.
Gasdynamische Druckwellenmaschine (6) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine innere Wand des Nabenaußenkörpers (2, 71) eine bearbeitete Kontur (20, 21, 72, 73) aufweist.
Gasdynamische Druckwellenmaschine (6) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit Abstand zur Wellenaufnahme ein oder mehrere Hitzeschilde (16) im Nabenaußenkörper (2, 71) angebracht sind.
Gasdynamische Druckwellenmaschine (6) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Hitzeschild (16) eine Ausnehmung für einen Gasaustausch vorgesehen ist.