-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckwellenlader zur Anordnung an einem Verbrennungsmotor gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
-
Verbrennungskraftmaschinen nutzen zur Erhöhung ihrer Leistungsausbeute Bauteile, die geeignet sind, angesaugte Frischluft zu verdichten und anschließend dem Verbrennungsvorgang zuzuführen. Diese als Aufladesystem bezeichneten Maschinen nutzen verschiedene Verdichtertypen um den zuvor genannten Vorgang durchzuführen.
-
Eine Möglichkeit die Verbrennungskraftmaschine durch Verdichten der angesaugten Frischluft aufzuladen, besteht in der Nutzung eines Druckwellenladers. Der Wirkungsgrad dieser Druckwellenlader wird durch die mechanischen Bauteile und durch die Möglichkeit der adaptiven Anpassung auf den jeweiligen Betriebszustand des Motors in Form einer Regelung und Steuerung bestimmt.
-
Der Druckwellenlader ist aus feststehenden und rotierenden Bauteilen aufgebaut. Die feststehenden Bauteile sind: der Gehäusemantel, das Rotorgehäuse, das in Heißgas- und Kaltgasgehäuse sowie die Zu- und Ableitungen zur Führung der gasförmigen Fluide. Die rotierenden Bauteile werden durch den Rotor selbst und gegebenenfalls durch einen Elektromotor zum Antrieb des Rotors gebildet.
-
Aus der
DE 10 2006 020 522 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem Frischluft durch ein Druckwellenlader komprimiert wird, wobei mindestens ein Betriebsparameter des Druckwellenladers abhängig von mindestens einer Ist-Betriebsgröße der Brennkraftmaschine gesteuert oder geregelt wird. Das hier offenbarte Verfahren bedeutet insoweit eine Abkehr von den bisherigen starren und im Wesentlichen ungesteuerten bzw. ungeregelten Betriebskonzepten von Druckwellenladern.
-
Durch die Anpassung des Betriebes des Druckwellenladers an den Ist-Betriebszustand der Brennkraftmaschine werden Pumpverluste der Brennkraftmaschine minimiert. Auch kann auf diese Weise das Ansprechverhalten des Druckwellenladers verbessert werden und es können die Bedingungen für eine Abgasnachbehandlung optimiert werden. Ein zu steuernder oder zu regelnder Betriebparameter des Druckwellenladers ist der Gehäuseversatz.
-
Für den Serieneinsatz eines Druckwellenladers, beispielsweise an einer Verbrennungskraftmaschine im Kraftfahrzeugbereich, gelten jedoch hohe Anforderungen an die Einsatzbedingungen sowie die Lebensdauererwartung. Hier ist es beispielsweise vorstellbar, dass der Druckwellenlader bei –20 °C oder bei +50 °C Außentemperatur und über einen Lebenszyklus von mehreren Jahren hinweg einwandfrei funktionieren muss. Auch die Abgastemperaturen von 900 °C und höher wirken sich negativ auf die Langlebigkeit und die einwandfreie Funktion des Druckwellenladers aus.
-
Weiterhin offenbaren die aus dem Stand der Technik bekannten Regelungs- und Steuerungsverfahren für Druckwellenlader den Einsatz einer Vielzahl von Sensoren, die für einen Serieneinsatz wiederum einen hohen Kostenaufwand verursachen und auch eine hohe Störanfälligkeit bedingen. Der Einsatz von redundanten Sensorsystemen würde zu noch höheren Kosten führen.
-
Aufgrund der Druckunterschiede zwischen Ansaugtrakt und Abgastrakt bildet sich ein gasdynamischer Vorgang in den Rotorzellen des Druckwellenladers aus. Hier ist eine detaillierte Modellierung eines Druckwellenladers, die auf einem Steuergerät implementiert werden könnte, mit den heutigen CAx-Methoden (zum Beispiel CAE, CFD, BEM) nicht möglich.
-
Weiterhin besteht bei einem Druckwellenlader die Problematik, dass auf einem sehr engen Bauraum eine Kaltgasseite und eine Heißgasseite über den Zellrotor miteinander gekoppelt werden. Innerhalb des Druckwellenladers werden Gase verschiedenster Temperaturen mit Temperaturdifferenzen von bis zu mehr als 500 °C aneinander vorbei geführt. Die den Druckwellenlader umgebende Temperatur kann von dem in dem Druckwellenlader geführten Gasen wiederum eine Temperaturdifferenz von bis zu mehreren Hundert °C aufweisen. So ist es beispielsweise möglich, dass bei Umgebungstemperaturen von 20 °C innerhalb des Druckwellenladers 600 oder sogar 700 °C heißes Abgas geführt wird. Hierzu ist beispielsweise aus der
DE 39 05 560 A1 ein Druckwellenlader mit thermischer Entkoppelung von der nachgeschalteten Abgasanlage bekannt.
-
Die Problematik besteht darin, dass in den einzelnen Bauteilen des Druckwellenladers Temperaturdifferenzen bestehen, die wiederum im Zusammenspiel mit verschiedenen Temperaturausdehnungskoeffizienten der Materialien zu Spannungen, Rissen oder ähnlichem führen können. Hierdurch tritt bei sich rotierenden Bauteilen oder aber Stellelementen des Druckwellenladers, beispielsweise Ventilen, eine signifikante Leckage auf, die den Wirkungsgrad des Druckwellenladers erheblich herabsetzen kann. Weiterhin können Ausdehnungen zu mechanischen Kontakten führen, die wiederum einen höheren Verschleiß oder gar einen Defekt des Druckwellenladers herbeiführen können. Hierzu ist beispielsweise aus der
EP 379 715 A1 die Herstellung eines Gehäuses für einen Druckwellenlader bekannt, bei dem eine Aufteilung der Struktur des Gehäuses in einen gasförmigen und in einen kraftaufnehmenden Teil erfolgt ist.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen einfachen und kostengünstigen Aufbau eines Druckwellenladers bereit zu stellen, der unterschiedliche Temperatureinflüsse kompensiert.
-
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Druckwellenlader zur Anordnung an einem Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
-
Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
-
Der erfindungsgemäße Druckwellenlader zur Anordnung an einem Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug weist eine Heißgasseite mit einem Heißgasgehäuse und eine Kaltgasseite mit einem Kaltgasgehäuse auf. Zwischen der Heißgasseite und der Kaltgasseite befindet sich ein Zellrotorgehäuse mit einem Zellrotor, wobei der Druckwellenlader einen Kanal 1 zum Ansaugen von Frischluft, einen Kanal 2 zum Abführen komprimierter Frischluft, einen Kanal 3 zum Zuführen von Abgas und einen Kanal 4 zum Abführen von Abgas aufweist, wobei in dem Kaltgasgehäuse Kanal 1 und Kanal 2 und in dem Heißgasgehäuse Kanal 3 und Kanal 4 ausgebildet sind. Insbesondere zeichnet sich der Druckwellenlader erfindungsgemäß dadurch aus, dass das Heißgasgehäuse als gebautes Gehäuse ausgebildet ist, wobei das Heißgasgehäuse einen Zellrotorflansch und einen Abgasflansch aufweist sowie sich zwischen dem Zellrotorflansch und dem Abgasflansch erstreckende Kanalrohre, die den Kanal 3 und den Kanal 4 ausbilden, wobei ein Kanalrohr in den Zellrotorflansch und/oder den Abgasflansch formschlüssig als Schiebesitz eingesteckt ist.
-
Unter einem gebauten Gehäuse ist im Rahmen der Erfindung ein Gehäuse zu verstehen, dass aus einzelnen Bauteilen zusammengebaut ist. Insbesondere sind die einzelnen Bauteile miteinander formschlüssig und/oder stoffschlüssig gefügt. Die jeweiligen Flansche lassen sich im Falle des Zellrotorflansches mit dem Zellrotorgehäuse koppeln und im Falle des Abgasflansches mit weiterführenden Abgasbauteilen. Der Abgasflansch ist beispielsweise im Falle von Kanal 3 mit einem Krümmer, der direkt von der Verbrennungskraftmaschine kommt, koppelbar und im Falle von Kanal 4 mit der weiterführenden Abgasanlage zum Abführen des Abgases.
-
Der erfindungsgemäße Vorteil ist, dass die einzelnen Bauteile, die das Heißgasgehäuse bilden, den jeweiligen thermischen und mechanischen Belastungen optimal anpassbar sind. Insbesondere ergeben sich höhere Freiheitsgrade in der Wahl eines jeweiligen Werkstoffs und auch in der jeweiligen geometrischen Ausgestaltung des einzelnen Bauteils. So kann beispielsweise für das Kanalrohr zum Ausbilden des Kanals 3 ein thermisch höher belastbares Material eingesetzt werden, als es für den Kanal 4 der Fall ist. Ebenfalls ist es im Rahmen der Erfindung möglich, für die Flansche oder sonstige Bauteile, die in dem Heißgasgehäuse verbaut sind, entsprechende Materialien auszuwählen, die jeweils ein Optimum zwischen Stabilität, Temperaturdifferenzierung und Materialkosten bilden.
-
Darüber hinaus ist es einfacher möglich, zusätzliche Stellelemente mit in das Heißgasgehäuse zu integrieren, beispielsweise einen Kantenschieber, verstellbare Luftleitschaufeln, Ventile oder aber auch eine Steuerwalze. Die jeweiligen Stellelemente sind dabei mit einem eigenständigen Gehäuse einfach in das Heißgasgehäuse eingliederbar, wodurch sich eine besonders hohe Gasdichtigkeit ergibt. Die einzelnen Bauteile wie Stutzen, Kanalrohre und sonstige Zwischenbauteile sind kostengünstig und einfach auf herkömmlichen Produktionsanlagen herstellbar und dann durch ein einfaches Zusammenbauen kostengünstig komplettierbar.
-
Insgesamt ergeben sich durch die erfindungsgemäßen Lösungen deutlich höhere Konstruktionsfreiheitsgrade, sodass ein entsprechend hergestellter Druckwellenlader optimal an die vorgegebenen Bauraumabmessungen des Verbrennungsmotors sowie des Motorraumes anpassbar ist.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung sind die Kanalrohre von dem Heißgasgehäuse thermisch entkoppelt. Hierdurch ergibt sich insbesondere die Möglichkeit, dass maßgeblich nur die Kanalrohre selbst aus einem thermisch hoch belastbaren Werkstoff verbaut werden, die übrigen Komponenten aus relativ hierzu kostengünstigerem Werkstoff. Somit sind nur einzelne oder aber auch alle Kanalrohre, insbesondere die Kanalrohre des Heißgasgehäuses aus einem thermisch hoch belastbaren Werkstoff, insbesondere einem metallischen Werkstoff, ausgebildet. Der Werkstoff kann zusätzlich an einer Innenseite oder Außenseite beschichtet sein, so dass sich an der Innenseite bessere Strömungseigenschaften oder an der Außenseite bessere thermische Isolations- bzw. Entkopplungseigenschaften ergeben.
-
Weiterhin ist mindestens ein Kanalrohr in den Zellrotorflansch und/oder den Abgasflansch formschlüssig eingesteckt. Durch das formschlüssige Einstecken wird zum einen eine einfache und kostengünstige Art und Weise des Zusammenbaus ermöglicht. Weiterhin ist im Bereich des Heißgasgehäuses, durch zumindest ein eingestecktes Kanalrohr, vorzugsweise am Abgasflansch ein Schiebesitz ausgebildet. Der Schiebesitz kompensiert dabei derart Längenänderungen des Kanalrohrs, dass sich das Kanalrohr in dem Schiebesitz relativ zu dem Abgasflansch selber verschieben kann und somit unterschiedliche thermische Ausdehnungen kompensiert. Auf der Zellrotorflanschgehäuseseite wird hierdurch eine besonders hohe Maßhaltigkeit erreicht, die wiederum eine gute Gasdichtigkeit im Bereich des Übergangs zwischen Zellrotorflansch und rotierenden Zellen des Zellrotors ermöglicht. In der Folge steigt der Gesamtwirkungsgrad des erfindungsgemäßen Druckwellenladers. Ebenfalls steigt die Lebensdauererwartung, da ein Bauteilversagen beispielsweise durch mechanischen Kontakt in Form von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten vermieden wird. Aufwendigere Kompensierungsmaßnahmen oder teure Werkstoffe, die kaum oder annähernd gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, werden durch diese Möglichkeit des Schiebesitzes nicht benötigt. Im Rahmen der Erfindung kann im Bereich des Schiebesitzes zusätzlich ein Faltenbalg angeordnet sein, der eine zusätzliche Gasdichtigkeit des relativ verschieblichen Kanalrohres in dem Abgasflansch ermöglicht.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung durchgreift das Kanalrohr den Zellrotorflansch und/oder den Abgasflansch, wobei bevorzugt das Kanalrohr direkt mit einer Eingangsöffnung an dem Zellrotor und/oder dem Abgaskanal zur Anlage kommt. Die Eingangsöffnung ist dabei derart zu verstehen, dass sie die Eingangsöffnung des Kanalrohres selber darstellt. Durch den direkten Kontakt oder aber unmittelbaren Kontakt werden somit die strömenden Fluide direkt von einem Abgaskrümmer in das Kanalrohr und von dem Kanalrohr direkt in die Zelle des Zellrotors geleitet, ohne dass andere Bauteile der direkten Gasströmung ausgesetzt sind. Hierdurch lassen sich zum einen die Strömungsverluste minimieren, zum anderen sind keine weiteren Bauteile der direkten Gasströmung ausgesetzt. Insofern erwärmt sich maßgeblich das Kanalrohr selber durch den Kontakt mit einem heißen Strömungsfluid.
-
Die entsprechende Anordnung des Kanalrohrs mit einer jeweiligen Eingangsöffnung ist für den Kanal 1, den Kanal 2, den Kanal 3 und/oder den Kanal 4 beliebig anwendbar. Bei allen ergeben sich geringe Strömungsverluste sowie geringe Temperatureinwirkungen auf andere Bauteile. Im Falle der jeweiligen Übergänge in die Zellen des Zellrotors, also an dem Zellrotorflansch des Kaltgasgehäuses oder aber auch dem Zellrotorflansch des Heißgasgehäuses, ergibt sich wiederum eine besonders hohe Gasdichtigkeit, welche einen hohen Wirkungsgrad sowie eine hohe Lebensdauer des erfindungsgemäßen Druckwellenladers sicherstellt.
-
Weiterhin bevorzugt ist das Kanalrohr in einer Öffnung des Abgasflansches und/oder des Zellrotorflansches stoffschlüssig gekoppelt, vorzugsweise geklebt und/oder geschweißt, insbesondere ist die stoffschlüssige Kopplung auf einer Außenmantelfläche des Kanalrohrs angeordnet. Hierdurch ergeben sich wiederum insbesondere produktionstechnische Vorteile bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Druckwellenladers. Durch das stoffschlüssige Koppeln des Kanalrohrs eines jeweiligen Kanals, also des Kanals 1, des Kanals 2, des Kanals 3 und/oder des Kanals 4 mit einem jeweiligen Flansch mit einer Klebeverbindung und/oder einer Schweißverbindung wird eine sichere, feste und gasdichte Verbindung hergestellt.
-
Insbesondere kann die stoffschlüssige Verbindung mit der bereits zuvor beschriebenen, formschlüssigen Verbindung in Kombination angewendet werden. Auch ist eine Kombination von stoffschlüssiger und formschlüssiger Verbindung an jeweils einem Flansch möglich. Dies bedeutet, dass beispielsweise an dem Zellrotorflansch eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt wird und an dem Abgasflansch eine formschlüssige Verbindung. Insbesondere ergibt sich bei der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung auf der Außenmantelfläche des Kanalrohres der Vorteil, dass die Strömungsinnenflächen der Kanalrohre selber durch die Kopplung und/oder die Verbindung selbst nicht beeinflusst werden.
-
Darüber hinaus ist es insbesondere bei der Klebeverbindung, aber auch bei der stoffschlüssigen Verbindung möglich, dass durch das Herstellungsverfahren der Verbindung selber, die Gefügestruktur an der Innenmantelfläche des Kanalrohres nicht oder nur kaum beeinflusst wird. Die Kanalrohrinnenflächen sind somit auch bei jahrelangem Betrieb und direktem Kontakt mit hochkorrosivem Abgas hitzebeständig und langlebig ausgebildet.
-
Weiterhin bevorzugt ist zumindest ein Kanalrohr zusätzlich thermisch isoliert. Vorzugsweise handelt es sich dabei um das Kanalrohr des Kanals 3 und/oder des Kanals 4. Diese Kanalrohre sind hohen thermischen Schwankungen bei verschiedenen Betriebspunkten, insbesondere jedoch im Kaltstartverhalten oder nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine ausgesetzt. Im Falle des Kaltstartverhaltens wird der Druckwellenlader von Umgebungstemperatur, die je nach Einsatzgebiet des Kraftfahrzeuges zwischen –40° C und +40° C liegen kann, schnell auf eine erhöhte Temperatur gebracht. Das Abgas kann je nach Betriebspunkt und Typ des Verbrennungsmotors, beispielsweise Diesel- oder Ottokraftstoffmotor, auf bis zu über 1000° C ansteigen. Während des Betriebs selber kann die Temperatur des Abgases insbesondere im Kanal 3 wiederum von 300° bis 400° auf bis zu über 1000° betragen. Diese Temperaturschwankungen können für die umliegenden Bauteile durch die zusätzliche thermische Isolation des Kanalrohres derart beschränkt werden, dass für die umliegenden Bauteile deutlich kostengünstigere Werkstoffe einsetzbar sind. Hochtemperaturresistente Werkstoffe sind somit nur für die Kanalrohre, insbesondere für die Kanäle 3 und/oder 4 einzusetzen. Hierdurch senken sich die Produktionskosten des erfindungsgemäßen Druckwellenladers, bei gleichzeitiger hoher Dauerhaltbarkeit bzw. verbessertem Dauerhaltbarkeitsverhalten gegenüber konventionell hergestellten Druckwellenladern, beispielsweise mit gegossenen Gehäusen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist das Kanalrohr zur thermischen Isolierung von einem Hüllrohr umgeben, insbesondere sind die Kanalrohre von Kanal 3 und/oder Kanal 4 von einem Hüllrohr umgeben. Zwischen dem Kanalrohr und dem Hüllrohr wird somit ein Luftspalt ausgebildet, der für eine thermische Entkopplung sowie eine zusätzliche thermische Isolierung sorgt. Der Raum zwischen dem Kanalrohr und dem Hüllrohr kann ebenfalls evakuiert und/oder mit einem zusätzlichen Isoliermaterial, beispielsweise einer hitzebeständigen Glasfaserwolle oder einem ähnlichen Isoliermaterial gefüllt sein. Hierdurch wird die thermische Entkopplung zwischen Kanalrohr und Hüllrohr noch verstärkt und die umliegenden Bauteile sind deutlich geringeren Temperaturschwankungen und Spitzentemperaturen ausgesetzt, was sich vorteilig auf die Langlebigkeit auswirkt.
-
Weiterhin bevorzugt weist zumindest ein Kanalrohr ein Dehnungsausgleichselement auf, insbesondere ein thermisches Dehnungsausgleichselement. Hierdurch ist es zusätzlich möglich, dass beispielsweise das Kanalrohr von Kanal 3 und/oder Kanal 4 am Abgasflansch und am Zellrotorflansch formschlüssig und/oder stoffschlüssig fest mit dem Flansch gekoppelt sind und durch ein zusätzliches Dehnungsausgleichselement den unterschiedlichen Temperaturausdehnungen Rechnung getragen wird. Durch das gebaute Druckwellenladergehäuse, insbesondere das gebaute Heißgas- und/oder Kaltgasgehäuse ist es in besonders einfacher Weise möglich, das Kanalrohr mit dem Dehnungsausgleichselement einzubauen.
-
Weiterhin bevorzugt ist das Hüllrohr das Kanalrohr formschlüssig umgreifend ausgebildet. Hierbei ergibt sich der Vorteil, dass das Hüllrohr ausschließlich formschlüssig in dem Heißgasgehäuse und/oder Kaltgasgehäuse gehalten wird, ein zusätzliches Fixieren des Hüllrohres ist nicht notwendig. Hierzu weist das Hüllrohr Distanzstücke auf und/oder es sind Distanzstücke zwischen Hüllrohr und Kanalrohr eingebracht. Die sich durch den Zusammenbau des erfindungsgemäßen Druckwellenladergehäuses ergebenden Kosten werden somit gering gehalten. Das Hüllrohr kann aber auch nur als Schirmblech ausgebildet sein. Es umgreift das Kanalrohr somit nur abschnittsweise.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante weist zumindest ein Kanalrohr auf seiner Außenmantelfläche eine glänzende, insbesondere eine spiegelnde Oberfläche auf. Hierdurch ist es möglich, die durch Konvektion von dem strömenden Fluid auf das Kanalrohr übertragende Wärme an der Außenmantelfläche in das Kanalrohr zurückreflektieren, so dass diese nicht über Wärmestrahlung über die Oberfläche des Kanalrohrs an die umliegenden Bauteile austritt.
-
Weiterhin bevorzugt weist auch das Hüllrohr ein Dehnungsausgleichselement auf. Insbesondere im Falle eines gasdichten Anschlusses des Hüllrohrs zwischen den zwei Flanschen, bietet es sich an, auch das Hüllrohr mit einem Dehnungsausgleichselement auszustatten, da so eventuell auftretende, thermische Ausdehnungen des Hüllrohrs auch hierdurch kompensierbar sind.
-
Weiterhin bevorzugt ist in dem Heißgasgehäuse eine Steuerwalze angeordnet, die zur Einstellung der Durchgangsquerschnitte der strömenden Fluide in Kanal 3 und/oder in Kanal 4 dient. Durch die Steuerwalze, insbesondere eine Drehbewegung der Steuerwalze ist es somit möglich, die Durchtrittsquerschnitte in ihrer Querschnittsfläche zu variieren, so dass sich hierdurch eine Steuerungsmöglichkeit des Druckwellenladers, insbesondere des Zellfüllgrades des Zellrotors ergibt. Durch das gebaute Heißgasgehäuse ergibt sich eine besonders einfache Möglichkeit, die Steuerwalze entsprechend in das Heißgasgehäuse zu integrieren. Im Rahmen der Erfindung ist es dann möglich, die Kanalrohre mit einer Öffnung zur Anordnung der Steuerwalze und/oder zweigeteilt auszubilden, so dass ein Teil von einem Flansch bis zur Steuerwalze und ein zweiter Teil von der Steuerwalze bis zu dem anderen Flansch ragt.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung weist das Heißgasgehäuse ein Außengehäuse auf, das sich im Wesentlichen zwischen Abgasflansch und Zellrotorflansch erstreckt und alle dazwischen befindlichen Bauteile umschließt. Durch das Außengehäuse des Heißgasgehäuses ist es wiederum möglich, entsprechende zusätzliche Bauteile, Sensoren, Leitungen und/oder Kabel zu integrieren und/oder an diesem zu befestigen. Darüber hinaus ergibt sich ein optischer schlüssiger Gesamteindruck der einzeln miteinander gefügten Komponenten. Das Außengehäuse kann ebenfalls eine abschließende thermische Isolierung darstellen, so dass über das Kanalrohr und das Hüllrohr bzw. das Isolationsmaterial hinaustretende, thermische Belastungen durch das Außengehäuse ebenfalls abgefangen werden.
-
Die Kanalrohre selber können dabei im Rahmen der Erfindung aus einem metallischen Werkstoff und/oder einem beschichteten Werkstoff und/oder einem leicht-metallischen Werkstoff und/oder einem Kunststoffwerkstoff ausgebildet sein.
-
Auch ist es im Rahmen der Erfindung vorstellbar, Kanalrohre aus einem Faserverbundwerkstoff einzusetzen. Je nach Anwendungsfall und Kanal, also Kanal 1, Kanal 2, Kanal 3 oder Kanal 4 ist eine entsprechende Auswahl des zu verwendenden Werkstoffes zu sehen. Hier ergeben sich durch die Möglichkeit des selektiven Zusammenbaus der verschiedenen Bauteile breite Spektren in der Auswahl des Werkstoffs für den Kanal selber. Insbesondere für den Kanal 3 und/oder den Kanal 4 bieten sich temperaturbeständige und korrosionsbeständige Stähle, insbesondere Edelstähle, an. Im Bereich der angesaugten und komprimierten Frischluft, also im Bereich von Kanal 1 und/oder Kanal 2 ist es wiederum möglich, Kunststoffwerkstoffe und/oder Faserverbundwerkstoffe, aber auch leichtmetallische Werkstoffe einzusetzen, da hier in Relation zu Kanal 3 und 4 geringere thermische Belastungen entstehen.
-
Im Rahmen der Erfindung weist weiterhin das Zellrotorgehäuse des Zellrotors einen Heißgasgehäuseflansch auf, wobei der Heißgasgehäuseflansch mit dem Zellrotorflansch des Heißgasgehäuses koppelbar ist, vorzugsweise durch eine formschlüssige Verbindung, insbesondere durch eine Schraubverbindung, wobei besonders bevorzugt eine Dichtung oder keine Dichtung zwischen dem Zellrotorflansch und dem Heißgasgehäuseflansch eingegliedert ist. Die gleiche Ausführungsvariante ist auch für das Kaltgasgehäuse vorstellbar, wobei der Zellrotorflansch des Kaltgasgehäuses mit einem Kaltgasgehäuseflansch des Zellrotorgehäuses koppelbar ist. Auch hier ist wiederum eine Dichtung eingliederbar oder aber auch keine Dichtung eingliederbar.
-
Bevorzugt ist auch der Kaltgasgehäuseflansch mit dem Zellrotorflansch des Kaltgasgehäuses formschlüssig, insbesondere über eine Schraubverbindung, gekoppelt. Hierdurch ergibt sich zum einen die Möglichkeit, dass der Druckwellenlader für spätere Wartungs- oder Instandsetzungszwecke leicht demontierbar ist. Es ist beispielsweise einfach, das Heißgasgehäuse und/oder das Zellrotorgehäuse und/oder das Kaltgasgehäuse auszutauschen. Ebenfalls ist bevorzugt in dem Kaltgasgehäuse ein Elektromotor zum Antrieb des Zellrotors anordenbar. Im Falle eines Defekts oder im Falle von Wartungsarbeiten des Elektromotors kann auch hier wiederum durch einfache Demontage von Zellrotorgehäuse und Kaltgasgehäuse an den Elektromotor gelangt werden, so dass an diesem Wartungsarbeiten und/oder Austauscharbeiten durchgeführt werden können. Je nach verwendeten Materialien der Flansche ist es möglich, die Gasdichtigkeit durch ein Dichtungsmaterial herzustellen, es ist jedoch auch möglich, auf eine Dichtung zu verzichten, so dass eine Gasdichtigkeit nur durch Anlage der unterschiedlichen und/oder gleichen Werkstoffe der Flansche aneinander herstellbar ist.
-
Weiterhin bevorzugt ist der in dem Kaltgasgehäuse angeordnete Elektromotor derart angeordnet, dass er formschlüssig in das Kaltgasgehäuse integriert ist. Insbesondere ist er formschlüssig an dem Zellrotorflansch des Kaltgasgehäuses angeordnet. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, die auftretenden Kräfte, insbesondere die Rotations- bzw. Fliehkräfte im Betrieb des Druckwellenladers aufzunehmen. Rotationskräfte in Form von Beschleunigungskräften oder aber auch Bremskräften werden ebenfalls auf den Motor übertragen und durch die formschlüssige Kopplung zwischen Motor und Flansch aufgefangen.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist der Elektromotor gasdicht in dem Kaltgasgehäuse angeordnet, so dass ein Teil des Elektromotorgehäuses die Innenwandung des Kanal 1 des Kaltgasgehäuses ausbildet, wobei der Elektromotor durch die angesaugte Frischluft in dem Kanal 1 kühlbar ist. Insbesondere weist der Elektromotor Wärmetauscherrippen auf, die in den Kanal 1 hineinragen. Durch die angesaugte Frischluft entsteht an der Oberfläche des Elektromotorgehäuses eine Konvektion, so dass bei Betrieb des Elektromotors im Generator oder im Rotorbetrieb entstehende Wärme über die Oberfläche und die Konvektion an die Kühlluft abführbar ist. Die Leistungsfähigkeit des Elektromotors ist hierüber steigerbar, was sich wiederum positiv auch auf das Langlebigkeitsverhalten des Elektromotors auswirkt. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Elektromotors in dem Kaltgasgehäuse, wobei der Elektromotor in dem Kaltgasgehäuse gleichzeitig gekühlt wird ist es möglich, einen Druckwellenlader mit kompakteren Baumaßen und gleichzeitig höherer Leistungsausbeute bereitzustellen. Hierdurch sinken die Produktionskosten, da aufgrund geringerer Abmaße weniger Material eingesetzt werden muss.
-
Weiterhin bevorzugt ist in dem Kaltgasgehäuse ein Ansaugluftflansch vorhanden, wobei sich zwischen dem Ansaugluftflansch und dem Zellrotorflansch ein Kanalrohr zur Ausbildung des Kanals 1 erstreckt. Der Ansaugluftflansch ist wiederum an eine Ansaugbrücke und/oder an eine Luftfilterleitung oder eine andere Frischluftleitung koppelbar, so dass hierüber Frischluft zur Verdichtung ansaugbar ist.
-
Weiterhin bevorzugt weist das Kaltgasgehäuse einen Verdichtungsluftflansch auf, wobei sich zwischen dem Verdichtungsluftflansch und dem Zellrotorflansch ein Kanalrohr zur Ausbildung des Kanals 2 erstreckt. An dem Verdichtungsluftflansch ist wiederum eine Ansaugbrücke zur Zuführung der verdichteten Frischluft zu der Verbrennungskraftmaschine angeschlossen. Ebenfalls kann an den Verdichtungsluftflansch auch ein Ladeluftkühler angeschlossen werden, so dass die Temperatur der verdichteten Frischluft herabgesetzt wird, was zu einer höheren Zylinderfüllung der Verbrennungskraftmaschine führt.
-
Die einzelnen Merkmale sind im Rahmen der Erfindung frei untereinander kombinierbar mit den damit einhergehenden Vorteilen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der folgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
-
1 eine seitliche Teilschnittansicht eines erfindungsgemäßen Druckwellenladers und
-
2 einen Querschnitt durch das Kaltgasgehäuse des erfindungsgemäßen Druckwellenladers.
-
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
-
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Druckwellenlader 1 aufweisend ein Heißgasgehäuse 2, ein Kaltgasgehäuse 3 und ein zwischen dem Heißgasgehäuse 2 und dem Kaltgasgehäuse 3 angeordnetes Zellrotorgehäuse 4. Erfindungsgemäß ist das Heißgasgehäuse 2 aus mehreren Bauteilen gebaut. Hierzu weist das Heißgasgehäuse 2 einen Zellrotorflansch 5 auf sowie in dem Heißgasgehäuse 2 angeordnete Kanalrohre 6, wobei hier exemplarisch das Kanalrohr 6 des Kanals 4 K4 dargestellt ist. Weiterhin weist das Heißgasgehäuse 2 einen Abgasflansch 7 auf, wobei sich das Kanalrohr 6 zwischen dem Zellrotorflansch 5 und dem Abgasflansch 7 erstreckt.
-
Das Kanalrohr 6 durchgreift den Zellrotorflansch 5 an einer Ausnehmung 8 und ist bevorzugt stoffschlüssig über eine umlaufende Fügenaht 9 mit dem Zellrotorflansch 5 gekoppelt. Die Fügenaht 9 ist dabei auf einer Außenmantelfläche 10 des Kanalrohrs 6 ausgebildet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Innenmantelfläche 11 des Kanalrohrs 6 durch die Fügenaht 9 strömungstechnisch nicht beeinflusst ist und auch nicht durch die Wärmeeinflusszone der Fügenaht 9 an der Innenmantelfläche 11 eine Gefügeumwandlung stattfindet, die aufgrund des in dem Kanalrohr 6 strömenden Abgas A sich negativ auf die Langlebigkeit des Kanalrohrs 6 auswirken könnte. Im Bereich des Abgasrohrflansches durchgreift das Kanalrohr 6 den Abgasflansch 7 ebenfalls in einer Ausnehmung 12, wobei hier der formschlüssige Sitz zwischen Kanalrohr 6 und Ausnehmung 8 als Schiebsitz 13 ausgebildet ist.
-
Weiterhin ist das Kanalrohr 6 von einem Hüllrohr 14 umfangsseitig umgriffen, wobei hier dargestellt, das Hüllrohr 14 nur einseitig das Kanalrohr 6 umgreift. Zwischen dem Hüllrohr 14 und dem Kanalrohr 6 entsteht ein isolierender Luftspalt 15. Weiterhin ist in dem Heißgasgehäuse 2 eine Steuerwalze 16 angeordnet, die zur Regulierung bzw. Einstellung der nicht näher dargestellten Kanalquerschnittsöffnungen des Kanals 3 K3 geeignet ist.
-
Der Zellrotorflansch 5 des Heißgasgehäuses 2 ist mit einem Heißgasgehäuseflansch 17 des Zellrotorgehäuses 4 formschlüssig gekoppelt. Hierzu sind Schrauben 18 umfangsseitig vorgesehen, die die beiden Flansche miteinander verbinden. In dem Zellrotorgehäuse 4 ist der Zellrotor 19 angeordnet sowie ein den Zellrotor 19 antreibender Elektromotor 20. Auf der Seite des Kaltgasgehäuses 3 ist das Zellrotorgehäuse 4 mit einem Kaltgasgehäuseflansch 21 formschlüssig mit dem Zellrotorflansch 22 des Kaltgasgehäuses 3 gekoppelt. Auch hier sind die beiden Flansche über Schrauben 18 miteinander verschraubt.
-
Weiterhin weist das Heißgasgehäuse 2 ein Außengehäuse AGH und das Kaltgasgehäuse 3 ein Außengehäuse AGK auf.
-
Das Kaltgasgehäuse 3 ist von dem Elektromotor 20 durchsetzt. Weiterhin dargestellt ist in der hier gezeigten Variante ein Verdichtungsluftflansch 23, der die verdichtete Frischluft über den Kanal 2 K2 zu einem hier nicht näher dargestellten Verbrennungsmotor führt. Ebenfalls dargestellt ist der Ansaugluftflansch 24, an den eine nicht näher dargestellte Ansaugluftleitung anschließbar ist, über welche der Druckwellenlader 1 Luft ansaugt.
-
2 zeigt eine Schnittdarstellung des Kaltgasgehäuses 3 entlang der Schnittlinie II-II in 1. Hierbei ist gut zu erkennen, dass der Kanal 2 K2 in der hier gezeigten Ausführungsvariante zweigeteilt ist, ebenso der Kanal 1 K1. Am Ende des Kanals 1 K1 ist der Verdichtungsluftflansch 23 angeordnet. An dem Verdichtungsluftflansch 23 ist ein Sammelstutzen 25 angeordnet, der sich aufteilt in zwei Rohrsysteme. Ein oberes Rohrsystem 26 bildet den oberen Teil des Kanals 2 K2 aus, dass untere Rohrsystem 27 ist außenseitig das Kaltgasgehäuse 3 umlaufend derart ausgebildet, dass es den zweiten Teil von Kanal 2 K2 bildet. Das untere Rohrsystem 27 ist mehrgeteilt, wobei in Verbindungsstellen 28 die einzelnen Rohre ineinander gesteckt sind und beispielsweise zusätzlich thermisch fügbar sind, so dass diese gasdicht sind.
-
Weiterhin dargestellt ist das Kanalrohr 6 zu Kanal 1 K1, wobei das Kanalrohr 6 zu Kanal 1 K1 einen spiegelsymmetrischen Aufbau besitzt. Das Kanalrohr 6 zu Kanal 1 K1 ist ebenfalls von einem Hüllrohr 14 umgeben. Auch ist das Kanalrohr 6 zu Kanal 1 K1 thermisch entkoppelt. Ebenfalls ist in 2 dargestellt der Elektromotor 20, wobei Wärmetauscherrippen 31 des Elektromotors 20 in den Kanal 1 K1 hineinragen, so dass hieran vorbeiströmende, angesaugte Frischluft den Elektromotor 20 kühlt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Druckwellenlader
- 2
- Heißgasgehäuse
- 3
- Kaltgasgehäuse
- 4
- Zellrotorgehäuse
- 5
- Zellrotorflansch zu 2
- 6
- Kanalrohr
- 7
- Abgasflansch
- 8
- Ausnehmung zu 5
- 9
- Fügenaht
- 10
- Außenmantelfläche zu 6
- 11
- Innenmantelfläche zu 6
- 12
- Ausnehmung zu 7
- 13
- Schiebesitz
- 14
- Hüllrohr
- 15
- Luftspalt
- 16
- Steuerwalze
- 17
- Heißgasgehäuseflansch
- 18
- Schraube
- 19
- Zellrotor
- 20
- Elektromotor
- 21
- Kaltgasgehäuseflansch
- 22
- Zellrotorflansch zu 3
- 23
- Verdichtungsluftflansch
- 24
- Ansaugluftflansch
- 25
- Sammelstutzen
- 26
- oberer Rohrstutzen
- 27
- unterer Rohrstutzen
- 28
- Verbindungsstelle
- 29
- Kanalrohr zu Kanal 1
- 30
- Hüllrohr zu 29
- 31
- Wärmetauscherrippe
- K1
- Kanal 1
- K2
- Kanal 2
- K3
- Kanal 3
- K4
- Kanal 4
- A
- Abgas
- AGH
- Außengehäuse zu 2
- AGK
- Außengehäuse zu 3
