DE102012219201A1

DE102012219201A1 - Dynamic pressure wave supercharger for compressing fresh air sucked-in through internal combustion engine, has cell wheel rotatably arranged around axis and penetrating through channel, and electromotor rotating cell wheel relative to axis

Info

Publication number: DE102012219201A1
Application number: DE201210219201
Authority: DE
Inventors: Joachim Wahl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2014-04-24

Abstract

The supercharger (10) has a cell wheel (32) rotatably arranged around an axis (34) and axially penetrating through a channel (50). An electromotor (37) rotates the cell wheel relative to the axis. A stator (35) of the electromotor is arranged on the axis. A rotor (45) of the electromotor is arranged on or inside the cell wheel. A control device (48) drives the cell wheel according to rotation speed of the rotor. The cell wheel is axially held on a shaft over a rolling bearing (46). The housing comprises a fresh gas inlet (38). An independent claim is also included for an internal combustion engine.

Description

Technisches Gebiet Technical area

Die Erfindung betrifft allgemein Druckwellenlader, insbesondere Druckwellenlader zur Verdichtung eines Gases für einen Verbrennungsmotor. Weiterhin betrifft die Erfindung Verbrennungsmotoren mit Druckwellenladern.The invention relates generally to pressure wave superchargers, in particular pressure wave superchargers for compressing a gas for an internal combustion engine. Furthermore, the invention relates to internal combustion engines with pressure wave chargers.

Stand der TechnikState of the art

Aus der US4563997A ist ein Druckwellenlader, auch Comprexlader 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 zugeführt werden kann.From the US4563997A is a pressure wave loader, also called Comprexlader known, which rotates in the form of a cellular wheel in a cylindrical housing. The feeder is driven by a pulley connection through a crankshaft of an internal combustion engine. With the help of the internal combustion engine in the inflowing exhaust gases, fresh air also sucked into the bucket is compressed and transported by the rotation of the bucket to a leading into a combustion chamber of the engine intake pipe, so that in the burning processes by the engine more fish air can be supplied.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß ist ein Druckwellenlader zum Verdichten einer durch einen Verbrennungsmotor angesaugten Frischluft gemäß Anspruch 1 sowie ein Verbrennungsmotor mit dem Druckwellenlader gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.According to the invention, a pressure wave supercharger for compressing a fresh air drawn in by an internal combustion engine according to claim 1 and an internal combustion engine with the pressure wave supercharger according to the independent claims are provided.

Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Preferred embodiments are specified in the dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Druckwellenlader zum Verdichten einer durch einen Verbrennungsmotor angesaugten Frischluft vorgesehen, der:

– ein drehbar um eine Welle angeordnetes Zellenrad, das axial wenigstens ein Kanal durchdringt, und
– einen Elektromotor zum Drehen des Zellenrades gegenüber der Achse/ dem Gehäuse umfasst.

According to a first aspect of the invention, a pressure wave supercharger is provided for compressing fresh air drawn in by an internal combustion engine which:

- A rotatably arranged about a shaft cell wheel, which axially penetrates at least one channel, and
- Includes an electric motor for rotating the cell wheel relative to the axis / the housing.

Dem angegebenen Druckwellenlader liegt die Überlegung zugrunde, dass

– die räumliche Anordnung des Druckwellenladers wegen seines Riemen-(/ Ketten)Antriebs nahezu vorgegeben ist und damit kaum geometrische Freiheitsgrade bestehen,
– somit eine mechanisch aufwendige und verschleißende Konstruktion (Wartungsbedarf) vorgegeben ist, die auch teuer in der Fertigung ist,
– und dass vor allem ein festes Drehzahlverhältnis zur Motordrehzahl gegeben ist, sofern nicht zusätzlich ein weiteres Getriebe eingebaut ist, das sich aus Aufwands- und Packaging-Gründen nahezu verbietet.

The specified pressure wave loader is based on the consideration that

- The spatial arrangement of the pressure wave loader because of its belt - (/ chains) drive is almost predetermined and thus there are hardly any geometric degrees of freedom,
- Thus, a mechanically complex and wear-resistant construction (maintenance requirement) is given, which is also expensive to manufacture,
- And that, above all, a fixed speed ratio is given to the engine speed, unless another additional gearbox is installed, which almost prohibits for cost and packaging reasons.

Durch den Antrieb des Druckwellenladers über einen eigenen Elektromotor kann das Zellenrad nah am Ansaug- beziehungsweise Abgastrakt des Verbrennungsmotors platziert werden, ohne dass eine platzraubende mechanische Antriebsverbindung des Zellenrades zur Kurbelwelle notwendig wäre. Ferner können durch das nah am Ansaug- beziehungsweise Abgastrakt des Verbrennungsmotors platzierte Zellenrad die Gaswege reduziert werden, was das Aufladeverhalten des angegebenen Druckwellenladers dynamisch verbessert.By driving the pressure wave supercharger via its own electric motor, the star feeder can be placed close to the intake or exhaust tract of the internal combustion engine, without a space-consuming mechanical drive connection of the star feeder to the crankshaft would be necessary. Furthermore, the gas paths can be reduced by the close to the intake or exhaust gas tract of the internal combustion engine placed the fuel cell, which improves the charging behavior of the specified pressure wave supercharger dynamically.

In einer Weiterbildung des angegebenen Druckwellenladers ist auf der Achse ein Stator des Elektromotors und auf dem Zellenrad ein Rotor des Elektromotors angeordnet. Auf diese Weise kann der Elektromotor in den Druckwellenlader integriert werden, was zu einer Gewichtsersparnis im angegebenen Druckwellenlader führt.In a further development of the specified pressure wave supercharger, a stator of the electric motor is arranged on the axis and a rotor of the electric motor is arranged on the cellular wheel. In this way, the electric motor can be integrated into the pressure wave supercharger, which leads to a weight saving in the specified pressure wave supercharger.

In einer anderen Weiterbildung umfasst der angegebene Druckwellenlader eine Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, den Elektromotor in Abhängigkeit einer Solldrehzahl des Rotors anzutreiben. Auf diese Weise kann die Rotordrehzahl auf einen bestimmten Wert geregelt werden, wodurch sich ein stationär und dynamisch optimales Aufladeverhalten erreichen lässt.In another development, the specified pressure wave loader comprises a control device which is set up to drive the electric motor in dependence on a setpoint rotational speed of the rotor. In this way, the rotor speed can be controlled to a certain value, whereby a stationary and dynamically optimal charging behavior can be achieved.

In einer anderen Weiterbildung des angegebenen Druckwellenladers ist das Zellenrad auf der Achse über wenigstens ein Wälzlager gehalten. Auf diese Weise kann das Zellenrad mit wenig Reibung auf der Achse gedreht werden, wodurch ein optimaler Wirkungsgrad beim Antrieb des Zellenrades gegeben ist.In another development of the specified pressure wave loader, the cell wheel is held on the axle via at least one roller bearing. In this way, the cell wheel can be rotated with little friction on the axis, whereby optimum efficiency in driving the cell wheel is given.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verbrennungsmotor angegebenen, der

– eine Brennkammer zum Verbrennen eines über einen Frischluftkanal aufgenommen Frischluftstromes, der nach der Verbrennung als Abgasstrom über einen Abgaskanal ausgestoßen wird, und
– einen Druckwellenlader umfasst,
– wobei der Frischluftkanal in einen ersten Eingang und aus einem ersten Ausgang des Druckwellenladers und der Abgaskanal in einen zweiten Eingang und aus einem zweiten Ausgang des Druckwellenladers geführt sind.

According to a further aspect of the invention, an internal combustion engine is specified, the

A combustion chamber for burning a fresh air stream received via a fresh air duct, which is discharged after combustion as an exhaust gas stream via an exhaust gas duct, and
Comprises a pressure wave charger,
- The fresh air duct are guided in a first input and from a first output of the pressure wave supercharger and the exhaust duct into a second input and from a second output of the pressure wave supercharger.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine Strukturdarstellung eines Verbrennungsmotors, und 1 a structural representation of an internal combustion engine, and

2 eine Strukturdarstellung eines Druckwellenladers. 2 a structural representation of a pressure wave supercharger.

Beschreibung der AusführungsformenDescription of the embodiments

In den Figuren werden Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.In the figures, elements of identical or comparable function are provided with the same reference numerals and described only once.

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 Druckwellenlader 10 geführt. Die aus dem Druckwellenlader 10 austretende verdichtete Frischluft 12 wird über eine Drosselklappe 14 einer Brennkammer 16 zugeführt, wobei der verdichteten Frischluft 12 in einer nicht gezeigten Weise ein Kraftstoff zur Verbrennung in der Brennkammer 16 beigemischt wird.It is referring to 1 taken, which is a structural representation of an internal combustion engine 2 shows. The internal combustion engine 2 has an intake tract 4 for intake of fresh air 6 on. The intake tract 4 is by a pressure wave loader 10 guided. The from the pressure wave loader 10 exiting compressed fresh air 12 is via a throttle 14 a combustion chamber 16 fed, the compressed fresh air 12 in a manner not shown, a fuel for combustion in the combustion chamber 16 is added.

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 Druckwellenlader 10 geführt, die den Druckwellenlader 10 basierend auf der thermischen und kinetischen Energie des Abgases 18 speist. Das aus dem Druckwellenlader 10 austretende Abgas 23 wird über eine Abgasausstoßanlage 24 an die Umgebung abgegeben.In the combustion chamber 16 become the compressed fresh air 12 and the fuel to an exhaust 18 burned that over an exhaust system 20 from the internal combustion engine 2 is ejected. This is the exhaust system 20 over the pressure wave loader 10 led the pressure wave loader 10 based on the thermal and kinetic energy of the exhaust gas 18 fed. That from the pressure wave loader 10 exiting exhaust 23 is via an exhaust emission system 24 delivered to the environment.

Es wird auf 2 Bezug genommen, die eine strukturelle Darstellung des Druckwellenladers 10 zeigt.It will open 2 Reference is made to a structural representation of the pressure wave supercharger 10 shows.

Der Druckwellenlader 10 weist ein Zellenrad 32 auf, das auf einer Achse 34 in einem Gehäuse 36 drehbar gelagert ist. Auf der Achse 34 ist in der vorliegenden Ausführung ein Stator 35 eines noch zu beschreibenden Elektromotors 37 drehfest gelagert.The pressure wave loader 10 has a cellular wheel 32 up, that on an axis 34 in a housing 36 is rotatably mounted. On the axis 34 is a stator in the present embodiment 35 an electric motor to be described later 37 rotatably mounted.

Das Gehäuse 36 des Druckwellenladers 10 weist einen Frischgaseintritt 38, über den das Frischgas 6 in den Druckwellenlader 10 eintritt, einen Frischgasaustritt 40, über den das verdichtete Frischgas 12 aus dem Druckwellenlader 10 austritt, einen Abgaseintritt 44, über den das Abgas 18 in den Druckwellenlader 10 eintritt und einen Abgasaustritt 42, über den das entspannte Abgas 23 aus dem Druckwellenlader 10 austritt auf. In das Gehäuse 36 ist ein Rotor 45 des Elektromotors 37 integriert, der in einer noch zu beschreibenden Weise über den Stator 35 des Elektromotors 37 angetrieben wird.The housing 36 the pressure wave loader 10 indicates a fresh gas inlet 38 about which the fresh gas 6 in the pressure wave loader 10 enters, a fresh gas outlet 40 over which the compressed fresh gas 12 from the pressure wave loader 10 exits, an exhaust gas inlet 44 over which the exhaust 18 in the pressure wave loader 10 enters and an exhaust outlet 42 about which the relaxed exhaust 23 from the pressure wave loader 10 exit. In the case 36 is a rotor 45 of the electric motor 37 integrated, in a manner to be described on the stator 35 of the electric motor 37 is driven.

Das Zellenrad 32 ist in der vorliegenden Ausführung auf der Achse 34 über zwei als Wälzlager ausgebildete Lager 46 gehalten. Somit kann sich das Zellenrad 32 gegenüber der Achse 34 drehen. Alle vier Gehäuseöffnungen 38 bis 44 weisen von der Achse 34 aus gesehen den gleichen radialen Abstand auf.The cell wheel 32 is in the present embodiment on the axis 34 via two bearings designed as rolling bearings 46 held. Thus, the cell wheel can 32 opposite the axis 34 rotate. All four housing openings 38 to 44 pointing away from the axis 34 seen from the same radial distance.

Der Rotor 45 und der Stator 35 bilden zusammen den Elektromotor 37 aus, der das Zellenrad 32 gegenüber der Achse 34 dreht. Der Elektromotor 37 kann dabei nach jedem beliebigen Prinzip aufgebaut sein. So kann der Elektromotor 37 nach Art eines Asynchronmotors oder nach Art eines Synchronmotors aufgebaut sein. Auch kann der Elektromotor ein Gleichstrom-, ein Wechselstrommotor oder ein Drehstrommotor sein. The rotor 45 and the stator 35 together form the electric motor 37 out, the cell wheel 32 opposite the axis 34 rotates. The electric motor 37 can be constructed according to any principle. So can the electric motor 37 be constructed in the manner of an asynchronous motor or in the manner of a synchronous motor. Also, the electric motor may be a DC, an AC motor or a three-phase motor.

Die Motorsteuerung kann die Bestromung der Antriebswicklungen im Rotor 45 in jeder beliebigen Weise steuern. Zum einen kann die Motorsteuerung 48 dazu die Drehzahl 50 des Rotors 45 gegenüber den Stator 35 über einen Drehzahlgeber 52 erfassen. Der Aufbau eines Drehzahlgebers ist bestens bekannt und soll daher nicht weiter erläutert werden.The motor control can energize the drive windings in the rotor 45 control in any way. For one, the engine control 48 to the speed 50 of the rotor 45 opposite the stator 35 via a speed sensor 52 to capture. The structure of a speed sensor is well known and should therefore not be further explained.

Alternativ oder zusätzlich kann die Motorsteuerung 48 mit einem Drucksensor 58 den Ladedruck 60 der komprimierten Frischluft 12, mit einem Temperatursensor 62 die Temperatur 64 des komprimierten Abgases 18 und/oder mit einer λ-Sonde 66 einen λ-Wert 68 des Abgases 18 erfassen und bei der oben genannten Rotordrehzahlregelstrategie berücksichtigen.Alternatively or additionally, the engine control 48 with a pressure sensor 58 the boost pressure 60 the compressed fresh air 12 , with a temperature sensor 62 the temperature 64 of the compressed exhaust gas 18 and / or with a λ-probe 66 a λ value 68 the exhaust gas 18 and take into account in the above-mentioned rotor speed control strategy.

Da es in der vorliegenden Ausführung um den Aufbau des Druckwellenladers 10 geht, soll auf eine Darstellung von Details zu der oben genannten Regelung der Drehzahl 50 des Rotors 45 verzichtet werden.As in the present embodiment, the structure of the pressure wave charger 10 is going to be on a display of details about the above regulation of the speed 50 of the rotor 45 be waived.

Das Zellenrad 32 ist in der vorliegenden Ausführung in der Art einer Revolvertrommel aufgebaut. Es weist einen zylindrischen Grundkörper 72 auf, der drehfest mit Rotor 45 verbunden ist. Wird damit der Rotor 45 gedreht, dreht sich der zylindrische Grundkörper 72 mit. Den zylindrischen Grundkörper 72 durchdringen axial Kanäle 74, die in Umfangsrichtung des Rotors 45 gesehen gleich beabstandet sein können. Von diesen axialen Kanälen 74 sind in 2 lediglich zwei dargestellt. The cell wheel 32 is constructed in the present embodiment in the manner of a revolver drum. It has a cylindrical body 72 on, the rotation with rotor 45 connected is. Will thus the rotor 45 turned, the cylindrical body rotates 72 With. The cylindrical body 72 penetrate axially channels 74 in the circumferential direction of the rotor 45 can be equally spaced. From these axial channels 74 are in 2 only two shown.

Die axialen Kanäle 72 weisen vom Rotor 45 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 Druckwellenlader 10 einströmenden Abgases 18. Dazu wird das in den Druckwellenlader 10 einströmende Abgas 18 in einen einzelnen oder mehrere Kanäle 72 des Zellenrades 32 gelenkt, so dass sie die in den Kanälen 50 bereits vorhandene Frischluft 6 verdichten und ausstoßen. Dann wird die verdichtete Frischluft 12 durch Weiterdrehen des Zellenrades 32 zum Frischgasaustritt 40 geführt und in die Brennkammer 16 entlassen. The axial channels 72 point from the rotor 45 the same radial distance as the four housing openings already described 38 to 44 , The compression of the fresh air 6 happens jerkily using the energy of the combustion chamber 16 in the pressure wave loader 10 incoming exhaust gas 18 , This is done in the pressure wave loader 10 incoming exhaust gas 18 in a single or multiple channels 72 the cellular wheel 32 steered so that they are in the channels 50 already existing fresh air 6 compact and eject. Then the compressed fresh air 12 by further rotation of the cell wheel 32 to the fresh gas outlet 40 guided and into the combustion chamber 16 dismiss.

Um eine Vermischung des Frischgases 6, 12 und des Abgases 18, 23 zu vermeiden können die Kanäle 74 durch nicht weiter dargestellte Trennkörper in je zwei Kanalräume aufgeteilt werden. Diese Trennkörper können sich in den Kanälen 74 axial bewegen und so von der einströmenden Frischluft 6 beziehungsweise vom einströmenden Abgas 18 axial verschoben werden. To a mixture of the fresh gas 6 . 12 and the exhaust gas 18 . 23 to avoid the channels 74 are divided by not shown separating body in two channel spaces. These separators can be in the channels 74 move axially and so from the incoming fresh air 6 or from the incoming exhaust gas 18 be moved axially.

Um zu vermeiden, dass in den Kanälen 74 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 76 angeordnet sein. In der vorliegenden Ausführung sind diese Dichtungen 76 Labyrinthdichtungen, die den Weg des komprimierten Frischgases 12 durch die Spalte umlenken und verlängern und so die Reibung des komprimierten Frischgases 12 beim Strömen durch die Spalte erhöhen. Damit werden Druckverluste und Vermischung minimiert. Auf diese Weise kann Dichtwirkung an den Stirnseiten des Zellenrades 32 verbessert werden. Das gleiche Prinzip ist auch auf der Abgasseite anwendbar.To avoid that in the channels 74 transported compressed fresh gas 12 through technically unavoidable gaps between the cellular wheel 32 and the housing 36 can exit, at the axial end faces of the cellular wheel 32 according to seals 76 be arranged. In the present embodiment, these seals 76 Labyrinth seals that are the path of compressed fresh gas 12 through the column divert and extend and so the friction of the compressed fresh gas 12 when flowing through the column increase. This minimizes pressure losses and mixing. In this way, sealing effect on the end faces of the cellular wheel 32 be improved. The same principle applies to the exhaust side.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 4563997 A [0002]

Claims

Pressure wave loader ( 10 ) for compressing one by an internal combustion engine ( 2 ) sucked fresh air ( 6 ), comprising: - a cellular wheel rotatably arranged about an axis ( 32 ), which axially at least one channel ( 50 ) penetrates, and - an electric motor ( 37 ) for rotating the cellular wheel ( 32 ) with respect to the axis ( 34 ).

Pressure wave loader ( 10 ) according to claim 1, wherein on the axis ( 34 ) a stator ( 35 ) of the electric motor ( 37 ) and on the cellular wheel ( 32 ) a rotor ( 45 ) of the electric motor is arranged.

Pressure wave loader ( 10 ) according to claim 2, wherein the rotor ( 45 ) of the electric motor inside the cellular wheel ( 32 ) is arranged.

Pressure wave loader ( 10 ) according to one of the preceding claims, comprising a control device ( 48 ), which is adapted to the electric motor ( 32 ) as a function of a rotational speed ( 50 ) of the rotor ( 45 ) to drive.

Pressure wave loader ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the cellular wheel ( 32 ) on the shaft ( 34 ) via at least one rolling bearing ( 46 ) is held axially.

Internal combustion engine ( 2 ) - a combustion chamber ( 16 ) for burning a fresh air stream received via a fresh air duct ( 6 ), which after combustion as exhaust gas flow ( 18 ) is expelled via an exhaust duct, and - a pressure wave loader ( 10 ) according to one of the preceding claims, - wherein the fresh air duct into a first input ( 38 ) and from a first exit ( 40 ) of the pressure wave loader ( 10 ) and the exhaust duct into a second input ( 42 ) and a second output ( 44 ) of the pressure wave loader ( 10 ) are guided.