DE102011055568A1

DE102011055568A1 - Gekühltes Steuergerät einer Druckwellenladeranordnung

Info

Publication number: DE102011055568A1
Application number: DE102011055568A
Authority: DE
Inventors: Frank Rabe; Kathrin Steinhuber
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2011-11-21
Filing date: 2011-11-21
Publication date: 2013-05-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Druckwellenladeranordnung (1) zur Erzeugung eines Ladedrucks an einer Verbrennungskraftmaschine mithilfe eines Druckwellenladers (2). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, ein elektronisches Steuergerät (17), das zum Betreiben des Druckwellenladers (2) genutzt wird, aktiv durch Kühlluft (23) zu kühlen, wobei die Kühlluft (23) dem Aufladeprozess des Druckwellenladers (2) entnommen wird. Hierdurch ist es möglich, das Steuergerät (17) in einem unter kritischem Temperaturniveau zu betreiben und Überhitzungen zu verhindern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckwellenladeranordnung zur Erzeugung eines Ladedruckes an einer Verbrennungskraftmaschine gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die heutigen Anforderungen an Kraftfahrzeuge sind durch den Gesetzgeber sowie den Kraftfahrzeughersteller dahingehend gestiegen, dass insbesondere die Unfallsicherheit und die wirtschaftlich-ökologischen Aspekte bei einem Kraftfahrzeug überwiegen. Hierzu ist es besonders wichtig, ein Kraftfahrzeug zum einen verkehrssicher und kostengünstig betreiben zu können und zum anderen die Umwelt durch die Herstellung und den Betrieb des Kraftfahrzeuges möglichst wenig zu belasten.
Im Bereich der Fahrzeugtechnik zählt der Verbrennungsmotor seit Jahrzehnten zu den bevorzugten Kraftmaschinen im Kraftfahrzeugbereich. Aufgrund der mit der Verbreitung von Verbrennungskraftmaschinen in Kraftfahrzeugen gewachsenen Infrastruktur, insbesondere im Tankstellenbereich, bietet die Verbrennungskraftmaschine auch in zukünftiger Betrachtung für die nächsten Jahrzehnte die favorisierte Antriebsmöglichkeit in einem Kraftfahrzeug.
Aktuelle Verbrennungskraftmaschinen sind daher spezifisch derart weiterentwickelt und derart ausgelegt, dass sie den für den Verbrennungsprozess, also zur Wandlung von im Kraftstoff enthaltener chemischer Energie in Bewegungsenergie, nahezu maximalen Wirkungsgrad des idealisierten Carnot-Prozesses erreichen. Insbesondere hat sich im Laufe der letzten Jahre das Downsizing-Prinzip im Automobilbau verbreitet, wobei downgesizte Motoren ihren Einsatz gerade in Volumenmodellen finden. Hierbei handelt es sich um Motoren, die entweder bei gleicher Leistungsausbeute in ihrem Hubraum verkleinert sind, oder aber bei gleichbleibendem Hubraum eine deutlich höhere Leistung erreichen.
Insbesondere wird das Downsizing durch ein Aufladen der Verbrennungskraftmaschinen ermöglicht, wobei Turbolader, Kompressoren oder aber auch Druckwellenlader als Auflademaschinen genutzt werden. Hierbei wird die für die Verbrennung notwendige angesaugte Frischluft verdichtet, so dass die Zylinderfüllung, also der zur Verbrennung zur Verfügung stehende Sauerstoffanteil, pro Zylinderfüllung vergrößert wird. Da die Motoren bei gleichbleibender Leistung und entsprechend geringer Dimensionierung oder aber gleicher Dimensionierung und entsprechend höherer Leistung einer deutlich geringeren spezifischen Reibwiderstand aufweisen, kommt es zu einer Verbrauchssenkung und somit auch zu einer Reduzierung des CO₂-Ausstoßes.
Der Druckwellenlader, auch bekannt als Comprex oder Hyprex, stellt dabei eine interessante Alternative zum Turbolader oder aber auch zum Kompressor dar. Hier ist beispielsweise aus der DE 10 2006 020 522 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der die Brennkraftmaschine mittels eines Druckwellenladers aufgeladen wird. Zum Antrieb des Druckwellenladers selber wird ein Elektromotor genutzt, der in seiner Drehzahl einstellbar und/oder regelbar ist. Des Weiteren sind verschiedene Einstellungsmöglichkeiten, beispielsweise eines Gastaschenventils oder aber eines Gehäuseversatzes, gegeben, mit denen es möglich ist, den dort beschriebenen Druckwellenlader auf die jeweilige Betriebssituation sowie auf den jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine einzustellen.
Zur Betätigung dieser Stellaktuaktoren sowie zur Regelung und Steuerung des Elektromotors bedarf es eines Steuergerätes, mit dem der Druckwellenlader sowie die in der Peripherie des Druckwellenladers verbauten Drosseln, Ventile, Klappen oder ähnliche Peripheriebauteile geregelt und/oder gesteuert werden können.
Der Motor des Druckwellenladers kann dabei auch im Generatorbetrieb, beispielsweise bei einer Lastabnahme der Verbrennungskraftmaschine, genutzt werden, um so elektrische Energie in das Bordnetz einzuspeisen. Hierbei sind kurzzeitig hohe elektrische Stromstärken durch das Steuergerät zu leiten. Darüber hinaus arbeitet das Steuergerät im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit stetig veränderlicher elektrischer Last dauerhaft. Da das Steuergerät unter Umständen direkt oder aber in unmittelbarer Nähe des Druckwellenladers positioniert ist, ist es zwangsläufig auch in Nähe der Verbrennungskraftmaschine positioniert. Hier im Motorraum herrscht gemäß der Lastenhefte der Automobilhersteller eine Temperatur der Umgebungsluft von –40°C bis +120°C, bei Motorbauteilen bis zu +140°C.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit aufzuzeigen, das zum Betrieb des Druckwellenladers benötigte elektronische Steuergerät vor Überhitzung zu schützen.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
Die erfindungsgemäße Druckwellenladeranordnung zur Erzeugung eines Ladedrucks einer Verbrennungskraftmaschine mittels eines Druckwellenladers, aufweisend ein Kaltgasgehäuse, welches einen Kanal 1 zum Ansaugen von Frischluft und einem Kanal 2 zum Abführen der komprimierten Frischluft beinhaltet sowie ein Heißgasgehäuse an dem ein Kanal 3 zum Zuführen von Abgas und ein Kanal 4 zum Abführen von Abgas angeschlossen sind, als auch ein elektronisches Steuergerät zum Betreiben des Druckwellenladers, welches erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, dass die als Verlustleistung der elektrischen Bauteile entstehende Wärme aktiv durch Kühlluft kühlbar ist, wobei die Kühlluft dem Aufladeprozess des Druckwellenladers entnommen wird.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine aktive Kühlung durch ein forciert bewegtes Kühlmedium, hier der Kühlluft, einem Überschreiten einer kritischen Temperatur des Steuergerätes entgegenwirkt. Eine Beschädigung durch Überhitzung oder gar eine Brandentwicklung des Steuergerätes wird somit vermieden. Auch wenn es zu Spannungsspitzen oder aber lokal hohen Stromstärken kommt, die durch das Steuergerät aufgrund des Betriebes des Druckwellenladers im Motorbetrieb, d. h. im Aufladebetrieb der Verbrennungskraftmaschine, oder aber im Generatorbetrieb, d. h. bei Abgasgegendruckbremse der Verbrennungskraftmaschine auftreten, ist ein Überschreiten einer kritischen Temperatur durch die erfindungsgemäße Kühlung des Steuergerätes nicht möglich.
Die Kühlung erfolgt maßgeblich nach dem Prinzip der Konvektion, so dass die Kühlluft über das Steuergerät und/oder durch das Steuergerät strömt und entsprechend produzierte Wärme der elektrischen Bauteile aufnimmt und abführt. Bei den elektrischen Bauteilen kann es sich um alle erdenklichen elektrischen Bauteile und elektronischen Bauteile im Bereich des Platinenbaus von Elektronikkomponenten handeln. Beispielsweise können dieses Kondensatoren, Transistoren, Leiterplatinen, Verbindungsleitungen, Spulen, Dioden, Speicherbausteine oder ähnliche elektrische bzw. elektronische Bauteile sein.
In der Folge ist es möglich, das Steuergerät seinen baulichen Abmessungen entsprechend kleiner und kompakter auszulegen, so dass beispielsweise mehr elektrische Bauteile pro Raum des Steuergerätes anordenbar sind. Hierdurch ergeben sich größere Freiräume für das Packaging am Druckwellenlader oder in der Motorperipherie.
Die Folge ist eine deutlich kompaktere Bauweise des Steuergerätes, eine höhere Unabhängigkeit des Packaging, also der Anordnung des Steuergerätes an dem Druckwellenlader oder im Bereich der Verbrennungskraftmaschine, und eine höhere Betriebssicherheit werden hierdurch erreicht. Zudem ist die getroffene Maßnahme äußerst kostengünstig und effektiv, da die Anordnung von rein mechanischen Kühlluftkanälen oder aber Leitkanälen verfahrensbedingt vorhanden ist, die die ohnehin angesaugte und/oder komprimierte Frischluft des Aufladeprozesses, also bewegte Luft zu dem Steuergerät selbst leiten, so dass sie dort als kühlendes Medium einsetzbar ist.
Besonders bevorzugt umströmt und/oder durchströmt die Kühlluft das Steuergerät selber. Das Steuergerät ist im Rahmen der Erfindung als Platinenbauteil in einem Gehäuse ausgebildet, wobei das Gehäuse beispielsweise aus Leichtmetall, aus Kunststoff oder aus einem sonstigen Gehäusewerkstoff hergestellt ist. Die dem Aufladeprozess entnommene Kühlluft wird folglich durch das Gehäuse des Steuergerätes selber oder aber um das Gehäuse des Steuergerätes geleitet. Hierdurch wird es ermöglicht, dass die an das Gehäuse des Steuergerätes abgegebene Wärme und/oder die in dem Gehäuse entstehende Wärme entsprechend abgeführt wird. Zusätzlich wird bei einem Durchströmen des Gehäuses durch die Kühlluft entsprechend die Wärme direkt an den elektrischen Bauteilen durch Konvektion abgenommen und abgeführt. Insbesondere eignet sich diese Anordnung durch den Zusammenhang von entstehenden hohen Stromstärken bei schnellen Laderdrehzahländerungen im Antriebs- oder aber Generatorbetrieb, insbesondere im oberen Drehzahlbereich. Gleichsam erfolgt jedoch auch bei hohen Laderdrehzahlen ein hoher Durchsatz an Kühlluft, der entsprechend eine zu dem gestiegenen Kühlbedarf angepasste Kühlleistung liefert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist die Druckwellenladeranordnung dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft aus Kanal 1 und/oder Kanal 2 entnommen wird und dem Steuergerät zuführbar ist. Hierzu wird die Kühlluft direkt aus dem Ansaugbereich, also dem Kanal 1, entnommen. Hierbei handelt es sich um die aus der Atmosphäre angesaugte Frischluft, die aufgrund des Ansaugprozesses eine Strömung aufweist. Von dem Kanal 1 aus wird die Kühlluft über Strömungsleitkanäle dem Steuergerät zugeführt und entweder durch das Steuergerät geführt oder aber über das Steuergerät. Bei der angesaugten Frischluft handelt es sich maßgeblich um Luft, die in etwa die Temperatur der Atmosphäre, der sie entnommen wurde, bzw. infolge adiabatischer Expansion eine gegenüber dieser leicht geminderte Temperatur bei einem Unterdruck bzw. eine leicht erhöhte Temperatur gegenüber dieser aufweist. Der Druck im Ansaugtrakt bzw. im Kanal 1 ist niedriger als der Umgebungsdruck, wobei die Druckdifferenz nach dem Luftfilter und vor dem Lader in etwa 50 mbar bis 250 mbar beträgt.
Alternativ und/oder ergänzend kann die Kühlluft auch aus dem Kanal 2 entnommen werden. In dem Kanal 2 befindet sich die bereits komprimierte Frischluft, die durch den Druckwellenprozess aufgeladen ist. Die Temperatur der verdichteten Frischluft ist höher als die der angesaugten Frischluft bzw. der Umgebungsluft. Dies hängt zum einen mit dem direkten Kontakt mit dem heißen Abgas innerhalb der Zelle des Zellrotors des Druckwellenladers zusammen, zum anderen mit dem idealen Gasgesetz. Hierdurch wird bei einer adiabatischen Druckerhöhung bei konstantem Volumen auch die Temperatur erhöht. Die Absoluttemperaturen der aus dem Kanal 1 und/oder dem Kanal 2 entnommenen Kühlluft sind jedoch ausreichend niedrig, um eine entsprechende Kühlleistung an den elektrischen Bauteilen zu bewirken.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist ein Ventil zur Regelung der Kühlluftzuführung zu dem Steuergerät vorgesehen. Über das Ventil ist es möglich, die jeweils erforderliche Menge an Kühlluft dem Steuergerät zuzuführen. Das Ventil kann dabei in einem Zuführkanal der Kühlluft angeordnet sein oder aber auch direkt im Kanal 1 und/oder im Kanal 2 oder alternativ bzw. ergänzend auch direkt am Steuergerät selber. Das Ventil kann derart ausgebildet sein, dass es einen einfachen Öffne- bzw. Schließmechanismus aufweist, der ggf. eine stufenlose Anpassung der durchgeführten Kühlluftmenge ermöglicht.
Im Rahmen der Erfindung kann es sich jedoch auch um ein Dreiwegeventil handeln, das beispielsweise die Kühlluft entweder in das Steuergerät oder aber alternativ an dem Steuergerät vorbeiführt. Hierdurch kann noch einmal zusätzlich zu der sich bereits ergebenden Regelung aufgrund der Abhängigkeit von Umdrehungsgeschwindigkeit des Zellrotors und somit Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft mit der erforderlichen Kühlleistung eine zusätzliche Regelungseinrichtung gegeben werden, so dass die Menge der Kühlluftleistung zusätzlich einstellbar ist. Das Ventil kann dabei beispielsweise wiederum selbst elektrisch oder aber pneumatisch angesteuert sein. Darüber hinaus kann an dem Ventil ein Thermostat vorgesehen sein, dass wiederum in Abhängigkeit der erforderlichen Kühlleistung die Kühlluftzuführung autark regelt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist die Kühlluft nach dem Kühlen des Steuergerätes dem Aufladeprozess wieder zuführbar, vorzugsweise in den Kanal 2. Hierdurch wird beispielsweise Kühlluft, die aus dem Kanal 2 selbst entnommen ist, zur Kühlung des Steuergerätes eingesetzt und anschließend dem Kanal 2 wieder zugeführt. Von der Entnahmestelle über den Zuführkanal zu dem Steuergerät, innerhalb des Steuergerätes sowie wiederum in der Rückführstelle zu dem Kanal 2 herrscht annähernd das gleiche Druckgefälle, so dass maßgeblich kein Druckverlust aufgrund der Kühlung zu verzeichnen ist. Ein Temperaturanstieg aufgrund des Wärmeeintrags kann beispielsweise durch einen dem Druckwellenlader nachgeschalteten Ladeluftkühler kompensiert werden. Bei dieser Ausführungsvariante handelt es sich um einen Wärmetauscher, durch den die Ladeluft geführt wird, der darin die Kühlluft des Steuergeräts beigemischt wird, so dass die komprimierte Frischluft keinem Druck- oder Massen-Verlust unterliegt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante sind an und/oder in dem Steuergerät Kühlkörper und/oder Wärmetauscherrippen vorgesehen. Hierbei handelt es sich in einfachster mechanischer Ausführung um Wärmetauscherrippen bzw. Wärmetauscherfinnen, die eine Vergrößerung der Oberfläche bereitstellen, so dass eine bis an die Oberfläche geführte Wärmeleitung hierüber mittels Konvektion an die Kühlluft abführbar ist. Im Rahmen der Erfindung können jedoch auch beispielsweise gelartige Kühlkörper in oder an dem Steuergerät angeordnet sein, die entsprechend die entstehende Wärme den Bauteilen entziehen und an die Kühlluft abführen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist an dem Druckwellenlader ein Wärmetauscher vorgesehen, wobei der Wärmetauscher selber wiederum von der Kühlluft durchströmbar ist. Die Kühlung erfolgt somit nicht direkt durch Abgabe der Wärme an die Kühlluft, sondern durch Überführung der Wärme an den Wärmetauscher und anschließendes Kühlen des Wärmetauschers mittels der Kühlluft. In den Wärmetauschern selber ist es vorstellbar, dass beispielsweise ein Kühlmedium strömt, das entsprechend die in den elektrischen Bauteilen entstehende Verlustwärme aufnimmt und an den Wärmetauscher abgibt, so dass die Kühlluft wiederum zur Kühlung des Wärmetauschers nutzbar ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante sind Wärmerohre vorgesehen, mit denen die im Steuergerät entstehende Wärme an eine Wärmesenke leitbar ist. Die Wärmesenke selbst wird dann wiederum im Rahmen der Erfindung von der Kühlluft derart gekühlt, dass eine entsprechende Wärmezirkulation innerhalb des Wärmerohres entsteht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante ist ein thermoelektrischer Generator vorgesehen, wobei der thermoelektrische Generator vorzugsweise die in dem Steuergerät entstehende Wärme als Wärmequelle und die Kühlluft als Wärmesenke nutzt. Der thermoelektrische Generator ist dabei beispielsweise an dem Gehäuse des Steuergerätes angeordnet und produziert aufgrund der Temperaturdifferenz mithilfe des Seebeck-Effektes zusätzlich entsprechende elektrische Energie. Die elektrische Energie kann beispielsweise in das Bordnetz des Kraftfahrzeuges eingespeist werden oder aber selbst wiederum zum Betreiben des Steuergerätes und/oder des Druckwellenladers genutzt werden. Die thermoelektrischen Generatoren können jedoch auch innerhalb des Steuergerätes selbst angeordnet sein, so dass in einem Innenraum des Steuergerätes sowie in einem geschachtelten Innenraum des Steuergerätes die elektrische Bauteilplatine angeordnet ist, welche von thermoelektrischen Generatoren umhüllt wird, die wiederum von Kühlluft umströmt werden und somit eine entsprechende Temperaturdifferenz zur elektrischen Energiegewinnung nutzen.
Das Steuergerät selbst ist bevorzugt mit mindestens einer Basisplatine ausgebildet, wobei die Leiterbahnen auf der Basisplatine zur Verbindung der elektrischen Bauteile als Streifenleiter ausgebildet sind. Die Streifenleiter selber erweisen sich als wiederum besonders vorteilig zur Nutzung der Konvektion als Wärmeübertragung, so dass sie ein Optimum bilden zwischen elektrischer Leitfähigkeit und bereitgestellter Oberfläche für die Wärmeabgabe.
Weiterhin bevorzugt ist eine Verbindung zwischen der Basisplatine und den Steckkontakten des Steuergerätes durch Stanzgitter ausgebildet. Stanzgitter selber finden sich in Bereichen, bei denen hohe elektrische Ströme auf engem Raum verteilt werden müssen. Die Stanzgitter selber werden wiederum derart ausgebildet, dass ein direkter Anschluss an einen Kabelsatz über beispielsweise einen mehrpoligen Stecker möglich ist. Ebenfalls ist es möglich, ein Relais oder aber Sicherungen an die Stanzgitter selbst mit anzuschließen. Weiterhin bieten die Stanzgitter aufgrund ihres Aufbaus wiederum eine Möglichkeit, von Kühlluft um- bzw. durchströmt zu werden und somit entsprechend gekühlt zu werden.
Bevorzugt ist die Oberfläche der Stanzgitter zur besseren Wärmeleitfähigkeit vergrößert ausgebildet, insbesondere durch Einprägungen und/oder Aufprägungen und/oder Rippen. Auch hierdurch ergibt sich eine bessere Kühlleistung, insbesondere an den Übergängen zwischen Basisplatine bzw. Leiterplatte sowie Steckkontakten. Beispielsweise aufgrund von Korrosionen kann es gerade in diesen Bereichen zu Stromspitzen kommen und eine besonders sichere Kühlung ist zur Verhinderung von elektrischen Überschlägen oder aber Funkenschlag sicherzustellen. Die Stanzgitter selber können beispielsweise auch beschichtet werden, beispielsweise mit einem elektrisch isolierenden und die Wärmeleitfähigkeit verbessernden Belag.
Weiterhin bevorzugt ist die entstehende elektrische Verlustwärme der elektrischen Bauteile über die Stanzgitter und/oder Streifenleiter an die Basisplatine und/oder eine Gehäusefläche des Steuergerätes leitbar und von dort aus kühlbar. Insbesondere kommt diese Ausführungsvariante zum Tragen, wenn das Gehäuse des Steuergerätes gekühlt werden soll und nicht die Basisplatine bzw. Leiterplatte selber. Die Verbindungsleitungen, insbesondere Streifenleiter und/oder Stanzgitter werden somit zum einen zur Leitung von elektrischer Energie, zum anderen zur Wärmeleitung optimal genutzt.
Die zuvor beschriebenen Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig untereinander zu kombinieren. Es ergeben sich dann die damit einhergehenden Vorteile, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der folgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten sind in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfacheren Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Druckwellenladeranordnung mit Steuergerät im Kanal 1;
2 einen erfindungsgemäßen Druckwellenlader mit Kühlkörper im Kanal 1;
3 einen erfindungsgemäßen Druckwellenlader mit einer im Kanal 1 mündenden Kühlluftleitung;
4 einen erfindungsgemäßen Druckwellenlader mit einer vom Kanal 2 in Kanal 1 mündenden Kühlluftleitung und
5 einen erfindungsgemäßen Druckwellenlader mit von dem Kanal 2 abgezweigter Kühlluftleitung.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselbe Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Druckwellenladeranordnung 1 mit einem Druckwellenlader 2, der einen Kanal 1 K1, einen Kanal 2 K2, einen Kanal 3 K3 sowie einen Kanal 4 K4 aufweist. In dem Kanal 1 K1 wird Frischluft 3 angesaugt, die dann in den Zellen 4 eines rotierenden Zellrotors 5 verdichtet wird. Die verdichtete Frischluft, auch als Ladeluft 6 bezeichnet, wird in dem Verbrennungsmotor unter Hinzufügung von Kraftstoff verbrannt. Hierbei ensteht Abgas 7, dass dem Druckwellenlader 2 über den Kanal 3 K3 wiederum zugeführt wird. Das Abgas 7 wird wiederum in den Zellen 4 des Zellrotors 5 zum Verdichten der angesaugten Frischluft 3 genutzt. Zwischen dem Abgas 7 und der angesaugten Frischluft 3 befindet sich eine Gasgrenzschicht 8, die repräsentativ für die Lauflänge der Druckwelle steht. Nach Verdichten der Frischluft 3 und Auslass der verdichteten Frischluft in Form von Ladeluft 6 in den Kanal 2 K2 wird das in der Zelle 4 befindliche Abgas 7 in den Kanal 4 K4 entlassen. Unterstützt wird dieser Prozess durch das Ansaugen neuer Frischluft 3, die entsprechend die Zelle 4 spült.
Weiterhin verfügt der Druckwellenlader 2 über ein Gastaschenventil 9, dass eine direkte Überleitung von dem Abgas 7 von Kanal 3 K3 in Kanal 4 K4 ermöglicht. Darüber hinaus ist linksseitig des Zellrotors 5 ein Heißgasgehäuse 10 sowie rechtsseitig des Zellrotors 5 ein Kaltgasgehäuse 11 ausgebildet. In dem Kaltgasgehäuse 11 befindet sich ferner eine Steuerscheibe 12, über die die nicht näher dargestellten Querschnittsöffnungen von Kanal 1 K1 und Kanal 2 K2 in ihrer Größe eingestellt werden können, so dass hierüber die Menge an zugeführter Frischluft 3 bzw. abgeführter Ladeluft 6 einstellbar ist.
Der Zellrotor 5 wird über einen Elektromotor 13 angetrieben. Hierzu befindet sich im Kaltgasgehäuse 11 ein Rotorlager 14 sowie eine den Zellrotor 5 durchgreifende Rotorwelle 15. Der Elektromotor 13 ist in der hier gezeigten Ausführungsvariante über mindestens eine elektrische Anschlussleitung 16 mit einem elektrischen Steuergerät 17 gekoppelt. Das Steuergerät 17 regelt und/oder steuert damit die verschiedenen Betriebsarten sowie die dabei fließenden Stromstärken des Elektromotors 13. Das Steuergerät 17 ist wiederum über einen elektrischen Stecker 18 mit dem weiteren, hier nicht näher dargestellten Bordnetz des Kraftfahrzeuges gekoppelt. Über den Stecker 18 sind sowohl Daten, als auch elektrische Leistung mit dem Bordnetz des Kraftfahrzeuges austauschbar.
Damit das Steuergerät 17 nicht überhitzt, ist es in der in 1 gezeigten Ausführungsvariante in dem Kanal 1 K1 angeordnet. Eine Oberfläche 19 des Steuergeräts 17 wird dabei von der angesaugten Frischluft 3 überströmt, so dass durch Konvektion Wärme des Steuergeräts 17 abgeführt wird. Ist der Druckwellenlader 2 in einem Betrieb mit hoher Drehzahl, fließen entsprechend hohe elektrische Stromstärken. Gleichzeitig wird jedoch auch eine erhöhte Menge an angesaugter Frischluft 3 über den Kanal 1 K1 dem Zellrotor 5 zugeführt, was zu einer erhöhten Kühlleistung des Steuergeräts 17 führt.
2 zeigt eine alternative Ausführungsvariante zu 1, wobei hier das Steuergerät 17 außerhalb des Kanals 1 K1 angeordnet ist. Das Steuergerät 17 ist mit einem Kühlkörper 20 gekoppelt, wobei der Kühlkörper 20 in der hier gezeigten Ausführungsvariante Wärmetauscherrippen 21 aufweist. Die Wärmetauscherrippen 21 werden durch die angesaugte Frischluft 3 umströmt bzw. durchströmt, so dass wiederum hierüber eine Kühlung des Steuergeräts 17 erzeugt wird.
3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung. Hierbei ist ein separater Kühlluftkanal 22 vorgesehen, durch den Kühlluft 23 strömt. Das Steuergerät 17 selber ist wiederum in dem Kühlluftkanal 22 angeordnet, so dass eine Oberfläche 19 des Steuergeräts 17 von der Kühlluft 23 überströmt wird und somit das Steuergerät 17 kühlt. Der Kühlluftkanal 22 mündet dabei in den Kanal 1 K1, so dass die Kühlluft 23 sich mit der angesaugten Frischluft 3 vermengt und in die Zellen 4 des Zellrotors 5 einströmt.
4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante, bei der eine separate Kühlluftschleife 24 angeordnet ist, in der sich das Steuergerät 17 befindet. In der Kühlluftschleife 24 wird Ladeluft 6 nach Verlassen der Zellen 4 des Zellrotors 5 dazu genutzt, das Steuergerät 17 zu umströmen bzw. zu durchströmen. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um einen abgezweigten Teil 6a der Ladeluft 6, die ansonsten regulär dem Kanal 2 K2 zugeführt wird. Der abgezweigte Teil 6a übernimmt die Funktion der Kühlluft 23 und wird anschließend von der Kühlluftschleife 24 wiederum in den Kanal 1 K1 überführt, indem er sich mit der angesaugten Frischluft 3 vermengt. Hieran anschließend wird wiederum die angesaugte Frischluft 3 mit dem vermengten abgezweigten Teil 6a der Ladeluft 6 über den Kanal 1 K1 den Zellen 4 des Zellrotors 5 für den Verdichtungsvorgang zugeführt.
In 5 ist eine weitere alternative Ausführungsvariante dargestellt, bei der das Steuergerät 17 zum Betreiben des Druckwellenladers 2 in einem Kühlluftkanal 22 in dem Kanal 2 K2 angeordnet ist. Hierzu ist der Kanal 2 K2 zweigeteilt, wobei wiederum die Ladeluft 6 der nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird sowie ein abgezweigter Teil 6a der Ladeluft 6 über den Kühlluftkanal 22 an dem Steuergerät 17 vorbeigeführt wird. Auch hier wird wiederum der abgezweigte Teil 6a als Kühlluft 23 dazu genutzt, eine Oberfläche 19 des Steuergeräts 17 zu überströmen bzw. das Steuergerät 17, hier nicht näher dargestellt, zu durchströmen.
Bezugszeichenliste

1: Druckwellenladeranordnung
2: Druckwellenlader
3: Frischluft
4: Zellen
5: Zellrotor
6: Ladeluft
6a: abgezweigter Teil zu 6
7: Abgas
8: Gasgrenzschicht
9: Gastaschenventil
10: Heißgasgehäuse
11: Kaltgasgehäuse
12: Steuerscheibe
13: Elektromotor
14: Rotorlager
15: Rotorwelle
16: elektrische Anschlussleitung
17: Steuergerät
18: Stecker
19: Oberfläche zu 17
20: Kühlkörper
21: Wärmetauscherrippen
22: Kühlluftkanal
23: Kühlluft
24: Kühlluftschleife
K1: Kanal 1
K2: Kanal 2
K3: Kanal 3
K4: Kanal 4

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006020522 A1 [0006]

Claims

Druckwellenladeranordnung (1) zur Erzeugung eines Ladedruckes an einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Ladedruck durch einen Druckwellenlader (2) aufgebaut wird und an den Druckwellenlader (2) ein Kanal 1 (K1) zum Ansaugen von Frischluft (3), ein Kanal 2 (K2) zum Abführen der komprimierten Frischluft (3), ein Kanal 3 (K3) zum Zuführen von Abgas (7) und ein Kanal 4 (K4) zum Abführen von Abgas (7) angeschlossen sind und ein elektronisches Steuergerät (17) zum Betreiben des Druckwellenladers (2) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die als Verlustleistung der elektrischen Bauteile entstehende Wärme aktiv durch Kühlluft (23) kühlbar ist, wobei die Kühlluft (23) dem Aufladeprozess des Druckwellenladers (2) entnommen wird.
Druckwellenladeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft (23) das Steuergerät (17) umströmt und/oder durchströmt.
Druckwellenladeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft (23) aus Kanal 1 (K1) und/oder Kanal 2 (K2) entnommen wird und dem Steuergerät (17) zuführbar ist.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil zur Regelung der Kühlluftzuführung zu dem Steuergerät (17) vorgesehen ist.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft (23) nach Kühlen des Steuergerätes (17) dem Aufladeprozess wieder zuführbar ist, vorzugsweise in den Kanal 2 (K2).
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an und/oder in dem Steuergerät (17) Kühlkörper (20) und/oder Wärmetauscherrippen (21) vorgesehen sind.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher vorgesehen ist, wobei der Wärmetauscher von der Kühlluft (23) durchströmbar ist.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Steuergerät (17) Wärmerohre vorgesehen sind, mit denen die in dem Steuergerät (17) entstehende Wärme an eine Wärmesenke leitbar ist.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermoelektrischer Generator vorgesehen ist, wobei der thermoelektrische Generator vorzugsweise die in dem Steuergerät (17) entstehende Wärme als Wärmequelle und die Kühlluft (23) als Wärmesenke nutzt.
Druckwellenladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (17) mindestens eine Basisplatine aufweist, wobei Leiterbahnen auf der Basisplatine als Streifenleiter ausgebildet sind.
Druckwellenladeranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindung zwischen der Basisplatine und Steckkontakten durch Stanzgitter ausgebildet ist.
Druckwellenladeranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche (19) der Stanzgitter zur besseren Wärmeleitfähigkeit vergrößert ausgebildet ist, vorzugsweise durch Einprägungen und/oder Aufprägungen und/oder Rippen.
Druckwellenladeranordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die entstehende elektrische Verlustwärme der einzelnen elektrischen Baukomponenten über die Stanzgitter und/oder Streifenleiter an die Basisplatine und/oder eine Gehäusefläche des Steuergerätes (17) leitbar ist und von dort aus kühlbar ist.