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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft allgemein Comprexauflader, insbesondere Comprexauflader zur Verdichtung eines Gases für einen Verbrennungsmotor. Weiterhin betrifft die Erfindung Fahrzeuge mit Comprexaufladern.
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Stand der Technik
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Aus der
US4563997A ist ein Comprexlader, auch Druckwellenlader genannt, bekannt, der sich in Form eines Zellenrades in einem zylinderförmigen Gehäuse dreht. Das Zellenrad wird über eine Riemenradverbindung durch eine Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors angetrieben. Mithilfe aus dem Verbrennungsmotor in das Zellenrad einströmender Auspuffgase wird in das Zellenrad ebenfalls eingesaugte Frischluft verdichtet und durch die Drehung des Zellenrades zu einem in eine Brennkammer des Verbrennungsmotors führenden Ansaugrohr transportiert, so dass bei den Brennvorgängen durch den Verbrennungsmotor mehr Fischluft angesaugt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist ein Zellenrad für einen Comprexlader zum Verdichten einer durch einen Verbrennungsmotor angesaugten Frischluft gemäß Anspruch 1 sowie ein Comprexlader mit dem Zellenrad und ein Verbrennungsmotor mit dem Comprexlader gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Zellenrad für einen Comprexlader zum Verdichten einer durch einen Verbrennungsmotor angesaugten Frischluft angegeben, das folgende Merkmale umfasst:
- – einen um eine Rotationsachse drehbaren Grundkörper, den axial wenigstens ein Kanal durchdringt, und
- – einen in dem Kanal angeordneten axial beweglichen Trennkörper.
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Dem angegebenen Zellenrad liegt die Vorüberlegung zugrunde, dass ein in den Comprexlader einströmende Frischluft dadurch verdichtet wird, dass mit der einströmenden Frischluft auch ein aus dem Verbrennungsmotor ausgestoßenes Abgas eingeschossen wird, das Druck auf die Frischluft aufbaut.
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Basierend auf der Vorüberlegung liegt dem angegebenen Zellenrad die Erkenntnis zugrunde, dass die durch das ausgestoßene Abgas nicht nur eine Verdichtung der Frischluft sondern auch Durchmischung der Frischluft mit dem Abgas sowie eine Aufheizung der Frischluft durch das Abgas einhergeht. Um dies zu vermeiden, wird die Frischluft in dem Kanal des angegebenen Zellenrades vom Abgas durch das Trennelement getrennt.
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Zudem verhindern der bewegliche Trennkörper und damit die körperliche Trennung von Abgas und Frischluft aktiv, dass Abgas über den Kanal beispielsweise in speziellen Betriebspunkten des Verbrennungsmotors zurückgeführt wird, was in weiteren Motorbetriebsbereichen zu einer Verschlechterung der Verbrennung führen würde.
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In einer Weiterbildung des angegebenen Zellenrades weist der Kanal eine zylinderförmige Form und der in dem Kanal angeordnete axial bewegliche Trennkörper vorzugsweise eine zylindrische oder kugelförmige Form auf. Dieser Weiterbildung liegt die Überlegung zugrunde, dass sich der Trennkörper bei seiner Bewegung durch den Kanal, wenn er vom Abgasstrom zur Verdichtung der Frischluft oder vom Frischluftstrom zur Verdrängung des Abgases bewegt wird, im Kanal verklemmen könnte. Um diese Verklemmung zu vermeiden, sollte der Kanal in axialer Richtung zylinderförmig verlaufen, wobei das Trennelement so aufgebaut sein sollte, dass es sich in dem Kanal hindernisfrei bewegen kann. Zudem werden einem zylindrisch verlaufenden Kanal Reflexionsstellen vermieden, die die Abgasdruckwelle schwächen und so die Wirkung der Frischluftaufladung mindern.
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In einer alternativen Weiterbildung des angegebenen Zellenrades teilt der in dem Kanal axial bewegliche Trennkörper den Kanal in zwei Räume und dichtet diese beiden Räume gegeneinander ab. Auf diese Weise werden sämtliche durch das Abgas im Kanal aufgebauten Drücke zum Bewegen des Trennkörpers und damit zum Verdichten der Frischluft verwendet, ohne dass Teile des Abgases am Trennkörper vorbeiströmen könnten. Dazu sind die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Zellenradwerkstoffs wie auch der Trennkörper aufeinander derart so abzustimmen, dass es einerseits bei variierenden thermischen Beaufschlagungen zu keinen Verklemmungen kommen kann, und andererseits unvermeidliche Leckströme durch einen Restspalt minimiert werden, der sich radial zwischen dem Kanal und dem axial beweglichen Trennkörper ausbildet.
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In einer anderen Weiterbildung des angegebenen Zellenrades weist der Kanal zwei sich axial gegenüberliegende Randbereiche auf, in denen sich ein Querschnitt des Kanals verjüngt. Durch die Verjüngung kann vermieden werden, dass der axial bewegliche Trennkörper beispielsweise im Stillstand des Zellenrades aus dem Kanal herausfällt oder dass das Zellenrad durch einen austretenden Trennkörper blockiert wird.
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In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Zellenrades sind in den Randbereichen des Kanals Anschläge angeordnet, die sich axial in den Kanal hinein erstrecken. Durch die Anschläge kann eine fest definierte Position bestimmt werden, an denen das Trennelement im Kanal zum Halten kommen soll. Ein Verkanten oder Verklemmen des Trennkörpers in den axialen Randbereichen kann somit wirksam verhindert werden.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung sind die Anschläge axial elastisch beziehungsweise gedämpft gelagert. Dieser Weiterbildung liegt die Überlegung zugrunde, dass der Trennkörper beim Anschlagen auf den Anschlag Geräusche verursachen könnte, die durch ein elastisches Ausbilden des Anschlages beispielsweise in Form einer Feder wirksam vermieden werden können.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung des angegebenen Zellenrades ist der Trennkörper hohl ausgebildet. Dieser Weiterbildung liegt die Überlegung zugrunde, dass der Trennkörper eine Masse und damit eine Trägheit aufweist, die durch das Abgas zum Verdichten der Frischluft beschleunigt werden muss. Damit sollte der Trennkörper so leicht wie möglich ausgebildet sein, um die zu überwindende Trägheit so gering wie möglich zu halten. Andererseits benötigt der Trennkörper eine hinreichende geometrische Ausdehnung um den gewünschten Aufladeeffekt zu erzielen. Diese geometrischen Ausdehnungen können gemeinsam mit einem geringen Gewicht durch eine hohle Ausbildung des Trennkörpers bereitgestellt werden.
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In einer alternativen Weiterbildung des angegebenen Zellenrades weist der Trennkörper eine reibbeiwertgeminderte Außenfläche und/oder der Kanal eine reibbeiwertgeminderte Innenfläche auf. Die reibbeiwertgeminderten Flächen können in jeder beliebigen Weise bereitgestellt werden. So können der Trennkörper und/oder der Kanal beispielsweise geschliffen und gehärtet sein, um eine dauerhafte reibbeiwertgeminderte Außenfläche zu besitzen. Alternativ oder zusätzlich können die entsprechenden Flächen auch mit einem reibweiwertmindernden Material beschichtet sein.
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Sowohl die Ausführung als Hohlkörper als auch eine geeignete Beschichtung tragen zur thermischen Isolation zwischen heißem Abgas und kühler Ansaugluft bei und unterstützen damit den gewünschten Aufladeeffekt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Comprexlader zum Verdichten einer durch einen Verbrennungsmotor angesaugten Frischluft angegeben, der folgende Merkmale umfasst:
- – ein Gehäuse mit einem ersten Eingang zum Aufnehmen eines in den Verbrennungsmotor zu führenden Frischluftstomes, mit einem zweiten Eingang zum Aufnehmen eines aus dem Verbrennungsmotor auszustoßenden Abgasstromes, mit einem ersten Ausgang zum Ausgeben des aufgenommenen Frischluftstromes und mit einem zweiten Ausgang zum Ausgeben des aufgenommenen Abgasstromes; und
- – das obige, in dem Gehäuse drehbar angeordnetes Zellenrad. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verbrennungsmotor angegeben, der folgende Merkmale umfasst:
- – eine Brennkammer zum Verbrennen eines über einen Frischluftkanal aufgenommen Frischluftstromes, der nach der Verbrennung als Abgasstrom über einen Abgaskanal ausgestoßen wird, und
- – den obigen Comprexlader, wobei der Frischluftkanal in den ersten Eingang und aus dem ersten Ausgang und der Abgaskanal in den zweiten Eingang und aus dem zweiten Ausgang geführt sind.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Strukturdarstellung eines Verbrennungsmotors, und
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2 eine Strukturdarstellung eines Comprexaufladers.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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In den Figuren werden Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
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Es wird Bezug auf 1 genommen, die eine strukturelle Darstellung eines Verbrennungsmotors 2 zeigt. Der Verbrennungsmotor 2 weist einen Ansaugtrakt 4 zum Ansaugen von Frischluft 6 auf. Der Ansaugtrakt 4 ist durch einen Comprexlader 10 geführt. Die aus dem Comprexlader 10 austretende verdichtete Frischluft 12 wird über eine Drosselklappe 14 einer Brennkammer 16 zugeführt, wobei der verdichteten Frischluft 12 vorher in einer nicht gezeigten Weise ein Kraftstoff zu Verbrennung in der Brennkammer 16 beigemischt wird.
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In der Brennkammer 16 werden die verdichtete Frischluft 12 und der Kraftstoff zu einem Abgas 18 verbrannt, das über eine Abgasanlage 20 aus dem Verbrennungsmotor 2 ausgestoßen wird. Dazu wird die Abgasanlage 20 über den Comprexlader 10 geführt, die den Comprexlader 10 basierend auf der thermischen und kinetischen Energie des Abgases 18 speist. Das aus dem Comprexlader 10 austretende Abgas 23 wird über eine Abgasausstoßanlage 24 an die Umgebung abgegeben.
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Es wird auf 2 Bezug genommen, die eine strukturelle Darstellung des Comprexaufladers 10 zeigt.
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Der Comprexlader 10 weist ein Zellenrad 32 auf, das auf einer Rotorwelle 34 in einem Gehäuse 36 drehbar gelagert ist. Die Rotorwelle 34 wird in einer dem Fachmann bekannten Weise durch eine Rotationsenergiequelle, wie beispielsweise einer nicht weiter dargestellten Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 2 angetrieben.
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Das Gehäuse 36 des Comprexladers 10 weist einen Frischgaseintritt 38, über den das Frischgas 6 in den Comprexlader 10 eintritt, einen Frischgasaustritt 40, über den das verdichtete Frischgas 12 aus dem Comprexlader 10 austritt, einen Abgaseintritt 42, über den das Abgas 18 in den Comprexlader 10 eintritt und einen Abgasaustritt 44, über den das entspannte Abgas 23 aus dem Comprexlader 10 austritt auf.
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Die Rotorwelle 34 ist im Gehäuse 36 über zwei Lager 46 gehalten, die als Gleitlager oder als Wälzlager ausgebildet sein können. Somit kann sich die Rotorwelle 34 im Gehäuse 36 drehen. Alle vier Gehäuseöffnungen 38 bis 44 weisen von der Rotorwelle 34 aus gesehen den gleichen radialen Abstand auf.
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Das Zellenrad 32 ist in der vorliegenden Ausführung in der Art einer Revolvertrommel aufgebaut. Es weist einen zylindrischen Grundkörper 48 auf, der drehfest mit der Rotorwelle 34 verbunden ist. Wird damit die Rotorwelle 34 gedreht, dreht sich der zylindrische Grundkörper 48 mit. Den zylindrischen Grundkörper 48 durchdringen axial Kanäle 50, die in Umfangsrichtung der Rotorwelle 34 gesehen gleich beabstandet sein können. Von diesen axialen Kanälen 50 sind in 2 lediglich zwei dargestellt.
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Die axialen Kanäle 50 weisen von der Rotorwelle 34 den gleichen radialen Abstand auf, wie die bereits beschriebenen vier Gehäuseöffnungen 38 bis 44. Die Verdichtung der Frischluft 6 geschieht stoßartig mithilfe der Energie des aus der Brennkammer 16 in den Comprexlader 10 einströmenden Abgases 18. Dazu wird das in den Comprexlader 10 einströmende Abgas 18 in einen einzelnen oder mehrere Kanäle 50 des Zellenrades 32 gelenkt, so dass sie die in den Kanälen 50 bereits vorhandene Frischluft 6 verdichten. Dann wird die verdichtete Frischluft 12 durch Weiterdrehen des Zellenrades 32 zum Frischgasaustritt 40 geführt und in die Brennkammer 16 entlassen.
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Um eine Vermischung des Frischgases 6, 12 und des Abgases 18, 23 zu vermeiden werden die Kanäle durch Trennkörper 52 in je zwei Kanalräume 54, 56 aufgeteilt. Während sich in die Bildebene hinein betrachtet dadurch in den linken Kanalraum 54, nachstehend Frischgasraum 54 genannt, ausschließlich das Frischgas 6, 12 aufhalten kann, kann sich in die Bildebene hinein betrachtet im rechten Kanalraum 56, nachstehend Abgasraum 56 genannt, ausschließlich das Abgas 18, 23 aufhalten. Auf diese Weise wird eine Durchmischung des Abgases 18, 23 und des Frischgases 6, 12 vermieden.
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Der Trennkörper 52 kann wie in 2 gezeigt zylindrisch oder kugelförmig aufgebaut sein. Während der zylindrische Trennkörper 52 eine bessere Dichtwirkung zwischen dem Frischgasraum 54 und dem Abgasraum 56 erreicht, kann der kugelförmige Trennkörper 52 durch den Kanal 50 rollen und sich so mit weniger Reibung als der zylindrische Trennkörper 52 bewegen, wodurch eine unmittelbarere Energieübertragung vom Abgas 18 aus der Brennkammer 16 zum Frischgas 6 erfolgt.
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Damit die Trennkörper 52 nicht axial aus den Kanälen 50 austreten können sind an den axialen Enden der Kanäle 50 verjüngte Bereiche 58 ausgebildet. In der vorliegenden Ausführung sind zur Verjüngung dieser Bereiche 58 Lochelemente mit axialen Durchgängen an den axialen Enden angeordnet, wobei die Trennkörper 52 die axialen Durchgänge nicht passieren können.
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Von den Lochelementen erstrecken sich axial in die Kanäle 50 Anschlagselemente 60, an denen die Trennkörper 52 anschlagen können, bevor sie die verjüngten Bereiche 58 an den axialen Enden der Kanäle erreicht haben. Die Anschlagselemente 60 können bevorzugt elastisch ausgebildet sein, um Geräusche durch ein axiales Aufschlagen der Trennkörper 52 auf die Anschlagselemente 60 zu dämpfen.
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Um zu vermeiden, dass in den Kanälen 50 transportiertes verdichtetes Frischgas 12 durch technisch nicht vermeidbare Spalte zwischen dem Zellenrad 32 und dem Gehäuse 36 austritt können an den axialen Stirnseiten des Zellenrades 32 entsprechend Dichtungen 62 angeordnet sein. In der vorliegenden Ausführung sind diese Dichtungen 62 Labyrinthdichtungen, die den Weg des komprimierten Frischgases 12 durch die Spalte verlängern und so die Reibung des komprimierten Frischgases 12 beim Strömen durch die Spalte erhöhen. Auf diese Weise kann Dichtwirkung an den Stirnseiten des Zellenrades 32 verbessert werden. Das gleiche Prinzip ist auch auf der Abgasseite anwendbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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