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Die Erfindung betrifft einen Druckwellenlader zur Anordnung an einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs mit einem Rotor und einem Rotorgehäuse.
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Verbrennungskraftmaschinen für Kraftfahrzeuge werden zur Erhöhung ihres Wirkungsgrads aufgeladen. Der Ladungswechselvorgang wird beim Einlasstakt durch eine Erhöhung des Füllungsgrads des Zylinders verbessert.
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Aufgeladene Motoren besitzen gegenüber nicht aufgeladenen Motoren einen geringeren spezifischen Verbrauch. Ein aufgeladener Motor kann bei gleich bleibendem Innenwiderstand die gleiche Luft-Kraftstoff-Gemisch-Menge wie ein hubraumgrößerer Motor verbrennen. Er hat folglich einen höheren Wirkungsgrad.
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Aufladesysteme, die gasdynamische Prozesse in geschlossenen Gaskanälen erzeugen und zur Aufladung nutzen, werden im Allgemeinen als Druckwellenlader oder Druckwellenmaschinen bezeichnet. Die bei Druckwellenmaschinen zum Einsatz kommenden Zellenrotoren sind in der Regel zylindrisch gestaltet und besitzen zumeist querschnittskonstant verlaufende Kanäle, die sich von der Heißgas- zur Kaltgasseite erstrecken.
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Es ist bekannt, bei Druckwellenladern, die als Ladeluftverdichter für Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, den Zellenrotor aktiv anzutreiben. Durch die
EP 0 235 609 A1 zählt allerdings auch ein durch die Gaskräfte angetriebener, frei laufender Druckwellenlader zum Stand der Technik. Der Antrieb des Zellrotors erfolgt durch die Beaufschlagung der Zelltrennwände durch Hochdruckabgase, die über Gaskanäle in einen entsprechenden Beaufschlagungswinkel in das Rotorgehäuse einmünden und durch den Eintritt des Abgases den Zellenrotor in Rotation versetzen.
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Problematisch bei heutigen Druckwellenladeraufbauten ist das thermische Belastungskollektiv, dem die gesamte Bauteilgeometrie des Zellenrotors unterliegt. So finden sich auf der Heißseite des Zellenrotors prinzipbedingt Temperaturen von bis zu 1.100°C und auf der Kaltseite Temperaturen von maximal 200°C. Ein thermisch verursachter Bauteilverzug und ein daraus resultierender suboptimaler Wirkungsgrad des Druckwellenladers können die Folge sein.
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Ein Lösungsansatz dieser Problemstellungen ist es, die thermische Ausdehnung des Rotors mit dem Rotorgehäuse für die auftretenden Betriebszustände so zu berechnen, dass sich im Betrieb ein optimaler Spalt zwischen Zelltrennwänden des Rotors und Rotorgehäuses einstellt. Es besteht jedoch weiterhin die Problematik, dass sich zunächst aus dem Kaltstartverhalten heraus der mit Heißgas beaufschlagte Rotor thermisch stärker ausdehnt als das später mit Heißgas in Kontakt tretende Rotorgehäuse.
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Da der erreichbare Wirkungsgrad des Druckwellenladers direkt von den Spaltmaßen zwischen Rotor und Rotorgehäuse abhängt, wird der Wirkungsgrad maßgeblich von den thermomechanischen Verhaltensweisen der beteiligten Komponenten mitbestimmt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, zur Wirkungsgradsteigerung ein gleichmäßiges Aufheizung von Rotor und Rotorgehäuse zu realisieren, so dass eine möglichst geringe Temperaturdifferenz zwischen den beiden Bauteilen entsteht mit dem Ziel, Spaltmaße möglichst klein halten zu können.
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Die vorliegende Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird auf dem Rotorgehäuse eines Druckwellenladers eine Beschichtung zur Absorption von Wärmestrahlung an einer Rotorgehäuseinnenfläche aufgebracht. Durch eine Beschichtung der Rotorgehäuseinnenfläche zur Absorption von Wärmestrahlung erhitzt sich das Rotorgehäuse an der Innenfläche nicht nur durch Konvektion des in den Zellkammern vorbeiströmenden Heißgases, sondern auch durch aufgenommene Wärmestrahlung des Heißgases sowie durch Wärmestrahlung des Rotors. Im Rahmen der Erfindung ist unter einer Wärmestrahlung absorbierenden Beschichtung eine Beschichtung zu verstehen, die die Rotorgehäuseinnenfläche im Wesentlichen als schwarzen Strahler ausbildet. Die durch das Heißgas und auch durch den Rotor abgegebene Wärmestrahlung wird somit an der Rotorgehäuseinnenfläche in Wärme umgewandelt, was durch die Beschichtung derart optimiert wird, dass durch diese ein Maximum an Wärmestrahlung absorbiert werden kann.
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Die Temperaturdifferenz zwischen Rotor und Gehäuse wird verringert. Spaltmaße können daher kleiner gewählt werden, da sich die Bauteile proportional zueinander dehnen. Kleinere Spaltmaße führen zu Wirkungsgradsteigerungen.
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Vorzugsweise weist das Rotorgehäuse auf einer Rotorgehäuseaußenseite eine geringere Oberflächenrauigkeit als die Rotorgehäuseinnenfläche auf. Innerhalb des Rotorgehäuses entsteht durch die durch Wärmestrahlung und Konvektion aufgenommene Wärme eine Wärmeleitung. Die Wärme folgt einem Temperaturgradienten, der zu einer kälteren Rotorgehäuseaußenseite hin orientiert ist. An der Rotorgehäuseaußenseite tritt wiederum die Wärme über Konvektion und Wärmestrahlung aus dem Rotorgehäuse aus und kühlt dieses dadurch ab.
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Um den Austritt der Wärme an der Rotorgehäuseaußenseite in Bezug auf die Umwandlung der im Rotorgehäuse enthaltenen Wärmeenergie in Wärmestrahlung zu minimieren, weist die Rotorgehäuseaußenseite eine möglichst geringe Oberflächenrauigkeit auf. Im Rahmen der Erfindung ist unter einer Oberfläche mit möglichst geringer Oberflächenrauigkeit bei einem metallischen Blechbauteil eine walzglatte Oberfläche zu verstehen. Die Oberfläche kann aber auch eine noch geringere Oberflächenrauigkeit aufweisen, so dass sie möglichst spiegelnd ist. Dadurch wird ein Maximum der durch das Rotorgehäuse geleiteten Wärme und an der Oberfläche in Wärmestrahlung gewandelte Energie in das Material desselben reflektiert. Der Austritt von Wärmestrahlung an der Rotorgehäuseaußenseite wird durch die erfindungsgemäße Oberflächenbeschaffenheit minimiert.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist die Oberfläche auf der Rotorgehäuseaußenseite durch mechanisches und/oder chemisches und/oder physikalisches Bearbeiten hergestellt. Damit die Oberflächenbeschaffenheit des Rotorgehäuses nach dem Herstellungsprozess weiter in Bezug auf zu reflektierende Wärmestrahlung optimiert werden kann, ist im Rahmen der Erfindung die Oberflächenrauigkeit durch weiteres Bearbeiten herstellbar. Hierbei ist beispielsweise unter einer mechanischen Bearbeitung ein Polieren der Oberfläche zu verstehen, das durch Zusätze, beispielsweise Poliermittel, weiter verbessert werden kann. Unter einem chemischen Bearbeitungsverfahren ist beispielsweise eine Ätzung der Oberfläche bzw. ein Chemical-Vapour-Deposition-Verfahren zu verstehen. Unter einem physikalischen Bearbeitungsverfahren ist beispielsweise das Physikal-Vapour-Deposition zu verstehen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist die Rotorgehäuseaußenseite durch Beschichten hergestellt. Das hergestellte Bauteil des Rotorgehäuses kann ohne weitere Bearbeitung auf der Außenseite so beschichtet werden, dass durch die Beschichtung der Austritt von Wärmeenergie über die Rotorgehäuseaußenseite durch Wärmestrahlung minimiert wird. Die Beschichtung kann auch zusätzlich zu einer bearbeiteten Oberfläche aufgebracht werden. Ebenso ist es im Rahmen der Erfindung vorstellbar, dass die Beschichtung selbst durch ein weiteres Verfahren auf ihrer Oberfläche bearbeitet wird.
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Vorzugsweise ist das Rotorgehäuse von einem Isolationsmantel umgeben. Der Isolationsmantel ist dabei eine Isolierung, um das Rotorgehäuse gegenüber der Umgebung zusätzlich thermisch zu isolieren. Wärme, die durch Konvektion oder Wärmestrahlung über die Oberfläche des Rotorgehäuses austritt, wird durch den Isolationsmantel weiterhin minimiert. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass gerade in der Aufheizphase des Druckwellenladers nur ein geringer Teil der Wärme vom Rotorgehäuse an die Umgebung abgegeben wird. In der Folge heizt sich das Rotorgehäuse schneller auf und erreicht eine zum Rotor optimal korrespondierende Betriebstemperatur, auf deren Basis sich stets ein optimales Spaltmaß zwischen Rotor und Rotorgehäuse ergibt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Isolationsmantel auf einer Isolationsmantelinnenseite und auf einer Isolationsmantelaußenseite eine geringere Oberflächenrauigkeit auf als die Rotorgehäuseinnenfläche. Hierbei ist unter einer Oberflächenrauigkeit ebenfalls wiederum eine walzglatte, möglichst spiegelnde Fläche zur Reflektion von Wärmestrahlung zu verstehen. Die Isolationsmantelinnenseite reflektiert die vom Rotorgehäuse abgegebene Wärme auf dieses zurück. Hierdurch ergibt sich auch der Vorteil, dass sich das Rotorgehäuse gerade in einer Aufwärmphase schneller aufheizt.
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Die möglichst verspiegelte bzw. metallisch blanke Oberfläche auf der Isolationsmantelaußenseite bewirkt den gleichen Effekt wie die Oberflächenbeschaffenheit auf der Rotorgehäuseaußenseite. Die in dem Isolationsmantel enthaltene Wärmeenergie wird an der Isolationsmantelaußenseite daran gehindert, in Form von Wärmestrahlung aus dem Isolationsmantel auszutreten. Als Folge stellt sich ein geringerer Temperaturgradient in dem Isolationsmantel selbst ein, wodurch weniger Wärme von dem Rotorgehäuse selber über den Isolationsmantel an die Umgebung abgegeben wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem Isolationsmantel und dem Rotormantel ein Luftspalt ausgebildet. Der Luftspalt bietet aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Luft eine zusätzliche Isolationsschicht zwischen der Rotorgehäuseaußenseite und der Isolationsmantelinnenseite. Hierdurch wird ein schnelleres Aufheizen des Rotorgehäuses begünstigt.
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Der Isolationsmantel ist vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet. Die Bauteile des Druckwellenladers selber erwärmen sich auf ca. 100°C bis 400°C maximal, die vom Abgas in den Druckwellenlader beförderten Heißgase haben eine Temperatur bis zu ca. 1.100°C und die unmittelbare Umgebung des Verbrennungsmotors liegt in einem Temperaturbereich von ca. 70°C bis 130°C Betriebstemperatur. Der metallische Werkstoff des Isolationsmantels wirkt sich somit besonders vorteilhaft auf die Dauerhaltbarkeit des Isolationsmantels aus.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt der Werkstoff des Rotorgehäuses einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der größer oder gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Rotorwerkstoffs ist. Durch die Beaufschlagung der Bauteile mit Wärmeenergie stellt sich in Folge eine thermische Ausdehnung der einzelnen Bauteile ein. Aufgrund verschiedener Bauformen und verschiedener Kontaktintensität mit dem Heißgas ist die Ausdehnung der einzelnen Baukomponenten antiproportional zueinander. Weist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Rotorgehäuses einen zumindest gleichen oder höheren Wert auf als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Rotors, so wird die Gefahr vermieden, dass bei minimal eingestelltem Spaltmaß zwischen Rotor und Rotorgehäuse sich der Rotor im Rotorgehäuse festsetzen kann. Der zumindest gleiche oder höhere Wärmeausdehnungskoeffizient des Rotorgehäuses sorgt für eine schnellere Ausdehnung des Rotorgehäuses in der Aufwärmehase gegenüber dem Rotor. Es stellt sich folglich während des regulären Betriebs ein zuvor berechneter optimaler Spalt zwischen Rotor und Rotorgehäuse ein.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, eine bevorzugte Ausführungsform anhand der Zeichnung. Diese dient lediglich dem einfacheren Verständnis der Erfindung.
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Die Figur zeigt einen Querschnitt durch ein Druckwellenlader 1 mit erfindungsgemäßem Isolationsaufbau. Der Druckwellenlader 1 besteht dabei aus dem innen liegenden Rotor 2 und einem den Rotor 2 umgebenden Rotorgehäuse 3. Der Rotor 2 dreht im Betrieb rotationssymmetrisch um die Drehachse D. Das Rotorgehäuse 3 ist fest mit einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor verbunden. Zwischen Rotor und Rotorgehäuse ist ein Spalt S dargestellt, der mit einem erfindungsgemäßen Isolationsaufbau minimiert werden kann, ohne dass die Gefahr besteht, dass sich der Rotor 2 im Rotorgehäuse 3 festsetzt.
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Das Rotorgehäuse 3 weist im Rahmen der Erfindung eine Beschichtung 4 zur Absorption von Wärmestrahlung an einer Rotorgehäuseinnenfläche 5 auf. Von dem Rotor 2 bzw. von dem im Druckwellenlader 1 befindlichen Heißgas ausgesandte Wärmestrahlung wird somit durch die Beschichtung 4 an der Rotorgehäuseinnenfläche 5 maximal möglich absorbiert.
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Durch die über die Rotorgehäuseinnenfläche 5 aufgenommene Wärmeenergie stellt sich in dem Rotorgehäuse 3 ein Temperaturgradient ΔT von der Rotorgehäuseinnenfläche 5 zu einer Rotorgehäuseaußenseite 6 zeigend ein. Der Temperaturgradient ΔT sorgt für eine Wärmeleitung innerhalb des Rotorgehäuses 3 und führt zu einem Austritt der Wärme in Form von Konvektion und Wärmestrahlung über eine Oberfläche 7 der Rotorgehäuseaußenseite 6. Die Rotorgehäuseaußenseite 6 weist eine zumindest walzglatte, insbesondere spiegelnde Oberfläche 7 auf, so dass die im Rotorgehäuse 3 enthaltene Wärme um ein Maximum der vom Rotorgehäuse 3 erzeugten Wärmestrahlung in das Rotorgehäuse 3 selber zu reflektieren.
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Weiterhin befindet sich um das Rotorgehäuse 3 ein Isolationsmantel 8. Der Isolationsmantel 8 weist an einer Isolationsmantelinnenseite 9 und an einer Isolationsmantelaußenseite 10 ebenfalls eine möglichst walzglatte, insbesondere spiegelnde Oberfläche auf. Die Isolationsmantelinnenseite 9 reflektiert dabei die über die Rotorgehäuseaußenseite 6 austretende Wärmestrahlung auf dieselbe zurück, die Isolationsmantelaußenseite 10 verfährt nach dem gleichen Prinzip wie die Rotorgehäuseaußenseite 6, sie reflektiert ein Maximum der vom Isolationsmantel 8 erzeugten Wärmestrahlung in den Isolationsmantel 8 selber zurück.
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In einer besonders bevorzugten, hier dargestellten Bauweise weist der Druckwellenlader 1 zwischen dem Rotorgehäuse 3 und dem Isolationsmantel 8 einen Luftspalt 11 auf. Der Luftspalt 11 übernimmt aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Luft eine weitere thermische Isolierung des Rotorgehäuses 3.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckwellenlader
- 2
- Rotor
- 3
- Rotorgehäuse
- 4
- Beschichtung zu 5.
- 5
- Rotorgehäuseinnenfläche
- 6
- Rotorgehäuseaußenseite
- 7
- Oberfläche zu 6.
- 8
- Isolationsmantel
- 9
- Isolationsmantelinnenseite
- 10
- Isolationsmantelaußenseite
- 11
- Luftspalt
- S
- Spalt
- ΔT
- Temperaturgradient
- D
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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