DE102010011147B4

DE102010011147B4 - Druckwellenlader

Info

Publication number: DE102010011147B4
Application number: DE102010011147A
Authority: DE
Inventors: Georg Glitz; Frank Rabe; Jan Araszkiewicz
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2010-03-11
Filing date: 2010-03-11
Publication date: 2013-04-25
Anticipated expiration: 2030-03-12
Also published as: JP2011190802A; ITRM20110099A1; DE102010011147A8; FR2957390A1; US20120070316A1; DE102010011147A1; JP5111634B2

Abstract

Druckwellenlader mit einem in einem Gehäuse angeordneten und von einem Elektromotor (8) angetriebenen Zellenrotor (2), wobei der Elektromotor (8) einen Läufer und einen Statur (9, 11) besitzt, wobei der Läufer mitsamt dem Zellenrotor (2) mittels Lager (13, 14) an einem Lagerzapfen (12) gelagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckwellenlader gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung betrifft einen Druckwellenlader zur Anordnung an einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs. Verbrennungskraftmaschinen für Kraftfahrzeuge werden zur Erhöhung ihres Wirkungsgrads aufgeladen. Der Ladungswechselvorgang wird beim Einlasstakt durch eine Erhöhung des Füllungsgrades des Zylinders verbessert. Aufgeladene Motoren besitzen gegenüber nicht aufgeladenen Motoren einen geringeren spezifischen Verbrauch. Ein aufgeladener Motor kann bei gleich bleibendem Innenwiderstand die gleiche Luft-Kraftstoff-Gemischmenge wie ein hubraumgrößerer Motor verbrennen. Er hat folglich einen höheren Wirkungsgrad.
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.
Aus Gründen der Regelbarkeit werden Druckwellenlader heute durch Elektromotoren angetrieben, welche die ehemaligen Riementriebe ersetzen. Elektromotoren werden über eine Kupplung direkt mit der Rotorwelle des Zellenrotors verbunden. Dadurch wird erreicht, dass die Drehzahl je nach Betriebszustand innerhalb der Funktionsanforderungen frei wählbar und von der Kurbelwellendrehzahl der Verbrennungskraftmaschine unabhängig regelbar ist.
Genauso wie für alle weiteren Komponenten im Bereich einer Verbrennungskraftmaschine sollen auch Druckwellenlader ein möglichst kleines Bauvolumen besitzen, da der zur Verfügung stehende Bauraum in der Nähe der Verbrennungskraftmaschine begrenzt ist. Zudem soll die elektrische Leistungsaufnahme minimiert werden. Zu diesem Zweck müssen die kraftschlüssigen Verbindungen wie Kupplungen und Lagerungen so ausgelegt sein, dass ihr Reibungsanteil so klein wie möglich ausfällt und dennoch die Systemsteifigkeit ein Maximum erreicht. Bedingt durch die erforderliche Systemsteifigkeit gegenüber Durchbiegung und Schwingungsverhalten ist ein Festlager-Loslagerverbund für den Zellenrotor bzw. die Rotorwelle vorgesehen, um diesen in seiner Position axial zu fixieren. Der an die Welle angekuppelte Elektromotor besitzt eine separate Lagerung. Die Einzellängen und in den Lagerungen auftretende Einzelreibungen summieren sich zu einer Gesamtlänge und zu einer Gesamtreibung, die sich nachteilig auf die Verlustleistung des Rotorantriebs bzw. das Bauvolumen auswirkt.
Zum Stand der Technik ist die EP 0 286 931 A1 zu nennen, betreffend einen freilaufenden Druckwellenlader. Bei diesem Druckwellenlader ist ein Elektromotor vorgesehen, dessen Welle über eine Freilaufüberholkupplung mit Klemmrollen als Klemmkörper mit der Rotorwelle des Druckwellenladers in Wirkverbindung steht. Zum Starten einer aufgeladen Verbrennungskraftmaschine beschleunigt der Elektromotor den Zellenrotor auf eine Drehzahl, die sofort nach dem Anspringen des Motors einen funktionierenden Druckwellenprozess gewährleistet.
Die EP 0 864 035 B1 betrifft ebenfalls eine Druckwellenmaschine, die von einem Elektromotor angetrieben wird. Die Motorwelle ist über eine Nabe des Zellenrotors mit diesem drehfest verbunden. Der Zellenrotor ist auf diese Weise fliegend gelagert.
Zum Stand der Technik zählt ferner ein Druckwellenlader, wie er in der US 4 910 959 A beschrieben ist. Der aufgezeigte Druckwellenlader wird über einen Elektromotor angetrieben, der einen Achszapfen besitzt, welcher über eine Kupplung mit einer Rotorwelle des Druckwellenladers gekuppelt ist.
Der Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, einen Druckwellenlader mit reduzierter Verlustleistung und geringer Baugröße aufzuzeigen.
Diese Aufgabe ist bei einem Druckwellenlader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Druckwellenlader besitzt ein Gehäuse, in dem ein Zellenrotor angeordnet ist, welcher von einem Elektromotor angetrieben wird. Der Elektromotor besitzt als elektromotorischer Wandler einen rotierenden Teil (Läufer) und einen feststehenden Teil (Stator) zur Erzeugung mechanischer Energie. Diese beiden Teile sind über eine Lagerung gegeneinander gelagert, um die Reibung so gering wie möglich zu erhalten. Bei dem erfindungsgemäßen Druckwellenlader ist nunmehr vorgesehen, dass der Zellrotor gegenüber dem Gehäuse über dieselbe Lagerung gelagert ist, über welche auch der Stator gegenüber dem Läufer des Elektromotors gelagert ist.
Durch die Zusammenfassung der Lagerungen ist es möglich, die Einzellängen der Bauteile, das heißt der Lagerungen, zu reduzieren. Es gibt weniger Lagerstellen und auch damit weniger Reibung und somit auch eine geringere Verlustleistung. Gleichzeitig kann der Druckwellenlader durch den Wegfall einer separaten Lagerung für den Elektromotor bzw. für den Zellenrotor insgesamt kompakter, leichter und damit bauraumsparender ausgebildet werden.
Der äußere Teil des Elektromotors ist als rotierender Außenläufer gestaltet, der mit dem Zellenrotor verbunden ist. Der Stator des Elektromotors liegt dann innen und ist auf einem mit dem Gehäuse verbundenen Lagerzapfen angeordnet. Die Zellenrotorwelle ist in diesem Fall als Hohlwelle ausgestaltet, wobei zwischen dem Lagerzapfen und der hohlen Zellenrotorwelle der Elektromotor angeordnet ist.
Es ist sogar möglich, dass der Elektromotor nicht nur in der Zellenrotorwelle, sondern unmittelbar in dem Zellenrotor angeordnet ist. Der Elektromotor ist dann nicht axial zum Zellenrotor versetzt platziert, sondern befindet sich direkt innerhalb des Zellenrotors. Diese Bauweise kann zwar zu einem im Durchmesser vergrößerten Zellenrotor führen, ist allerdings in der Länge deutlich kompakter als eine Lösung mit axial versetztem Elektromotor.
Die kompakte Bauform mit dem feststehenden Lagerzapfen setzt voraus, dass durch den Lagerzapfen die Energiezufuhr zu dem Elektromotor erfolgt. Vorzugsweise erfolgt durch den Lagerzapfen auch eine Kühlmittelzufuhr und gegebenenfalls auch -abfuhr. Der Lagerzapfen ist daher als Hohlzapfen ausgebildet. Als Kühlmittel kann insbesondere die angesaugte Frischluft verwendet werden. Es handelt sich bei der Kühlmittelzufuhr somit bevorzugt um einen Lüftungskanal.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist auf der Zellenrotorwelle ein Axialverdichter angeordnet, welcher dafür vorgesehen ist, dass Druckniveau angesaugter Kühlluft vor Eintritt in den Zellenrotor anzuheben.
Der Axialverdichter ist dem Elektromotor insbesondere in Strömungsrichtung vorgelagert. Der Axialverdichter erzwingt eine Kühlluftströmung durch einen oder mehrere Verdichterstufen (Laufräder).
Die Kühlung der Ständerwicklung des Elektromotors erfolgt über das Ständerblechpaket und über die angesaugte Frischluft, die durch das Gehäuse des Druckwellenladers strömt. Ferner erfolgt eine Wärmeabgabe durch Wärmeleitung und Konvektion und/oder über eigens vorgesehene Kühlluftkanäle, welche einen Frischluftstrom aus der angesaugten Frischluft gezielt zur Motorkühlung abzweigen.
Die Vorteile der Erfindung bestehen zusammengefasst darin, dass eine kompaktere Bauweise hinsichtlich der Gesamtsystemlänge realisiert werden kann. Es werden mindestens drei Bauteile, nämlich eine Motorlagerung, eine Kupplung und ein Motorträger bzw. Motorflansch eingespart. Die Reibung von zwei Komponenten, nämlich der Motorlagerung und etwaige Kupplungsreibungskräfte, entfallen. Das Massenträgheitsmoment wird reduziert. Es sind geringere Beschleunigungskräfte erforderlich. Der Druckwellenlader spricht dadurch rascher an.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
1 dient lediglich zur Illustration des Erfindungsgedankens und ist keine Ausführungsform, für die Schutz begehrt wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Elektromotors 1, der einen Druckwellenlader antreibt. Von dem Druckwellenlader ist lediglich ein Zellenrotor 2 dargestellt. Der Zellenrotor 2 ist rotierend in einem hier nicht näher dargestellten Gehäuse gelagert. Er befindet sich auf einer Zellenrotorwelle 3, die über Lagerungen 4, 5 gegenüber einem nicht näher dargestellten Gehäuse gelagert ist. Das besondere ist, dass die Zellenrotorwelle 3 einstückig durch den Elektromotor 1 geführt ist. Die Lagerungen 4, 5 dienen somit sowohl zur Lagerung des Zellenrotors 2 gegenüber dem Gehäuse als auch zur Lagerung des inneren, mit der Zellenrotorwelle 3 verbundenen rotierenden Teils (Läufer) 6 des Elektromotors 1 gegenüber dem korrespondierenden äußeren, feststehenden Teil (Stator) 7. Der Elektromotor 1 ist hier als Innenläufer ausgestaltet. Die Lagerungen 4, 5 befinden sich beidseitig des Elektromotors 1, wobei die in der Bildebene rechte Lagerstelle damit zwangsläufig zwischen dem Elektromotor 1 und dem Zellenrotor 2 liegt.
In der Ausführungsform der 2 ist der Elektromotor 8 innerhalb des Zellenrotors 2 angeordnet. Der Elektromotor 8 ist als Außenläufer konzipiert, so dass sein Läufer 9 mit einer Nabe 10 des Zellenrotors 2 zusammen um den Stator 11 rotiert. Der Stator 11 ist auf einem Lagerzapfen 12 befestigt. Zwischen der Nabe 10 des Zellenrotors 2 und dem Lagerzapfen 12 befinden sich Lagerungen 13, 14 beidseitig des Elektromotors 8. Die in der Bildebene linke Lagerung 13 ist als Schrägschulterlager und somit als Festlager konzipiert. Die in der Bildebene rechte Lagerung 14 ist als Loslager/Führungslager ausgelegt. Es ist durch einen Schirm 15 von der Heißgasseite abgeschirmt.
Die Kühlung des Elektromotors 8 erfolgt durch angesaugte Kühlluft, welche durch den als Hohlwelle gestalteten Lagerzapfen 12 geführt wird. Der Lagerzapfen 12 besitzt hier nicht näher dargestellte Kühlmittelzuführungen, durch welche die Kühlluft strömt und endseitig des Lagerzapfens 12 umgelenkt wird. Dies wird durch die eingezeichneten Pfeile P verdeutlicht. Die Kühlluft wird nach der Umlenkung dem Elektromotor 8 zugeführt.
In nicht näher dargestellter Weise befindet sich innerhalb des Lagerzapfens 12 auch eine Energiezuführung für den Elektromotor 8.
Bezugszeichenliste

1: Elektromotor
2: Zellenrotor
3: Zellenrotorwelle
4: Lagerung
5: Lagerung
6: Läufer
7: Stator
8: Elektromotor
9: Läufer
10: Nabe
11: Stator
12: Lagerzapfen
13: Lagerung
14: Lagerung
15: Schirm
P: Pfeil

Claims

Druckwellenlader mit einem in einem Gehäuse angeordneten und von einem Elektromotor (8) angetriebenen Zellenrotor (2), wobei der Elektromotor (8) einen Läufer (9) und einen Stator (11) besitzt, welche über Lagerungen (13, 14) gelagert sind, wobei der Zellenrotor (2) gegenüber dem Gehäuse über dieselbe Lagerung (13, 14) wie der Läufer (9) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem als Außenläufer ausgebildeten Elektromotor (8) der Stator (11) auf einem mit dem Gehäuse verbundenen Lagerzapfen (12) des Elektromotors (8) angeordnet ist, wobei der Läufer (9) mit dem Zellenrotor (2) verbunden ist, wobei der Läufer (9) mitsamt dem Zellenrotor (2) mittels der Lager (13, 14) an dem Lagerzapfen (12) gelagert ist.
Druckwellenlader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (8) in dem Zellenrotor (2) angeordnet ist.
Druckwellenlader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerzapfen (12) als Hohlzapfen ausgebildet ist und eine Kühlmittelzufuhr aufweist.
Druckwellenlader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Zellenrotorwelle (3) ein Axialverdichter angeordnet ist, welcher dafür vorgesehen ist, das Druckniveau angesaugter Kühlluft vor Eintritt in den Zellenrotor (2) anzuheben.
Druckwellenlader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialverdichter dem Elektromotor in Strömungsrichtung vorgelagert ist.