DE3014518C2 - Aerodynamische Druckwellenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine aerodynamische Druckwellenmaschine für die Verdichtung von Luft zum Anschluß an eine Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Druckwellenmaschine einen Rotor enthält, der drehbar um seine geometrische Achse gelagert ist und der eine Nabe und um die Nabe herum angeordnete Zellen enthält, wobei ein zylindrisches Gehäuse unter Einhaltung einer engen Toleranz um den Rotor herum angeordnet ist und der Verdichter an den Luft- bzw. Luft/Kraftstoffzuströmkanal sowie an den Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine angeschlossen ist und zwischen dem Gehäuse mit dem Rotor einerseits und dem Gehäuse mit den Abgaskanälen bzw. dem Gehäuse mit den Luft- bzw. Luft/Kraftstoffzuströmkanälen andererseits auf jeder Seite des Gehäuses je ein Stator angeordnet ist.

Durch die DE-OS 17 28 083 ist eine aerodynamische Druckwellenmaschine der vorstehend genannten Art bekannt, die einen Rotor enthält, der aus einem Material mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt ist. Darüber hinaus ist auch vorgesehen, ein Gehäusemittelteil aus einem Material zu fertigen, das ebenfalls einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt. Dadurch soll erreicht werden, daß die Wärmeausdehnung der genannten Elemente für sich genommen klein ist, so daß die relative Längenausdehnung zwischen den Bauelementen infolge Erwärmung verhältnismäßig klein gehalten werden kann. Diese Anordnung liefert jedoch noch nicht die gewünschten Ergebnisse, da die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Rotor und Gehäuse zueinander nicht beliebig eng eingegrenzt werden kann, se daß immer noch unerwünschte Leckverluste eintreten. Zudem wird nicht der Tatsache Rechnung getragen, daß die Temperaturerhöhung für den Rotor wesentlich höher ist als für das den Rotor umgebende Gehäuse.

Das Problem der Anpassung zweier thermisch belasteter Bauteile einer Maschine ist auch in der

ίο DE-OS 26 16 031, der DE-OS 25 28 084 sowie der US-PS 41 23 200 angesprochen; hier werden jedoch Wärmeisolationen bzw. die Verwendung von Stützgebilden für unterschiedliche Temperaturbereiche oder aber die Aufheizung von bestimmten Maschinenteilen vorgeschlagen. Diese Maßnahmen sind jedoch aufwendig und erfordern weitgehende konstruktive Anstrengungen.

Entsprechend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine aerodynamische Druckwellenmaschine der oben geschilderten Art so auszubilden, daß Wirkungsgrad und Verläßlichkeit dadurch verbessert werden, daß die Leckverluste weiter reduziert werden können, wobei zu berücksichtigen ist, daß die Temperaturerhöhung, ausgehend von der Umgebungstemperatur, für den Rotor wesentlich höher ist als für das den Rotor umgebende Gehäuse, sobald die Maschine die Betriebstemperatur erreicht hat

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Rotor aus einem Material gefertig ist, das einen wesentlich

so niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt verglichen mit dem Material, aus dem das Gehäuse gefertigt ist, das den Rotor umschließt.

In Ausgestaltung der Erfindung kann der Rotor aus Lithium-Aluminiumsilikat und das Gehäuse aus Magnesium-Aluminiumsilikat hergestellt sein. Weiterhin kann der Rotor aus einem Material hergestellt sein, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient etwa 0,7mal groß ist wie der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials, aus dem das Gehäuse hergestellt ist. Bei der Anwendung dieser Lehre ergeben sich besonders günstige Verhältnisse.

Gemäß der Erfindung wird also durchaus in Kauf genommen, daß selbst größere Wärmeausdehnungen der betroffenen Teile stattfinden. Es wird jedoch dafür gesorgt, daß unterschiedliche Wärmeausdehnungen für Rotor und Gehäuse vorhanden sind entsprechend der unterschiedlichen Aufheizung. Dadurch wird auch in diesen Betriebsbereichen sichergestellt, daß die Abdichtung optimal ist und somit der Wirkungsgrad verbessert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren gezeigt. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer aerodynamischen Druckwellenmaschine gemäß der Erfindung, im Schnitt dargestellt;

F i g. 2 ein Detail des Rotors, wie in F i g. 1 dargestellt; Fig.3 eine vergrößerte Ansicht eines Teiles der Anordnung gemäß Fig. 1, geschnitten, wobei die Position des Stators und des Rotors dargestellt sind;

F i g. 4 eine Draufsicht auf die Stirnfläche des Rotors; Fig.4A einen Querschnitt durch die Zellen gemäß Fig.4, entlang der Linie IVA-IVA der Anordnung gemäß Fig.4;

F i g. 4B einen Querschnitt durch die Zellenanordnung einer anderen Ausführungsform der Anordnung gemäß Fig.4A;

F i g. 5 ein Diagramm, in dem die Wärmeausdehnung für Magnesium-Aluminiumsilikat (MAS) und Lithium-

Aluminiumsilikat (LAS) über einem Temperaturbereich von 0° Celsius bis 700° Celsius dargestellt ist;

F i g. 6 ein Diagramm, in dem die Wärmeausdehnung des Rotors eines keramischen Turboladers dargestellt ist;

Fig.7 eine Draufsicht auf die Stirnfläche eines Stators, wie in den F i g. 1 und 2 dargestellt;

F i g. 8 einen Querschnitt entlang der linie VIII-VIII der Anordnung nach F i g. 7.

In den Figuren ist mit 10 ein stationäres, zylindrisches Gehäuse bezeichnet, das den Rotor 12 einer Druckwellenmaschine umgibt Der Rotor 12 weist eine Welle 14 auf, die sich durch eine Wellenbohrung 16 in einem Ansaugstutzen 18 einer Verbrennungskraftmaschine erstreckt Der Ansaugstutzen 18 enthält einen Lufteinlaßkanal 20 sowie einen Auslaßkanal 22, wobei letzterer in Verbindung steht mit einem Kanal 24. Die Zufuhr von Luft durch den Kanal wird durch eine Drosselklappe 26 in bekannter Weise gesteuert

Mit 28 ist ein Auspuffkanal für die Auspuffgase der Verbrennungskraftmaschine bezeichnet Er enthält einen Hochdruckkanal 30 sowie einen Niederdruckkanal 32. Auspuffgase von hohem Druck treten in den Hochdruckkanal 30 ein und werden dem Verdichter zugeleitet Die Energie der Auspuffgase wird dazu benutzt, um einen Druckanstieg für die eintretende Luft herbeizuführen. Daraufhin werden die Auspuffgase entspannt, gekühlt und dann dem Niederdruckkanal 32 zugeleitet Die Luft, auf die die erhitzten, hochgespannten Auspuffgase einwirken, wird der Druckwellenma- schine durch den Lufteinlaßkanal 20 zugeleitet Nachdem die Energieübertragung von den Auspuffgasen auf die Luft durchgeführt wurden, wird die verdichtete Luft von der Druckwellenmaschine dem Auslaßkanal 22 zugeleitet

Wie insbesondere aus der Fig.4 hervorgeht, weist die Druckwellenmaschine eine Nabe 34 sowie einen Ringbereich 36 auf. Die Nabe und der Ringbereich sind konzentrisch zueinander angeordnet mit dazwischenliegenden radialen Wänden 38. Die Nabe 34, der « Ringbereich 36 und die Wände 38 bilden Kanäle von tetraedrischer Gestalt Durch die Gestaltung der Wände 38 wird ein maximaler Querschnitt erreicht, wobei der Mittelbereich mit 40 und die Endbereiche mit 42 und 44 bezeichnet sind.

Die größere Dicke der Wände im Mittelbereich wurde deshalb vorgesehen, um die Steifigkeit der Wände zu erhöhen. Zum Ende hin wird die Dicke der Wände reduziert, soweit es die Festigkeit erlaubt, um auf diese Weise die thermischen Verluste und die thermische Beanspruchung durch die Aufheizung der Wände durch die Abgase zu vermindern. Eine modifizierte Ausführungsform der Wände ist in der F i g. 4B gezeigt, wo der Mittelbereich mit 40 bezeichnet ist; dieser Mittelbereich ist relativ lang ausgeführt. Die Endbereiche tragen die Bezeichnung 42' und 44' und sind so ausgebildet, daß ein maximaler Querschnitt an den Enden des Rotors zur Verfügung steht Die Verringerung des Querschnittes bei der Ausführungsform gemäß Fig.4B erfolgt jedoch etwas schärfer M ausgeprägt verglichen mit der Ausführungsform nach der F i g. 4A.

Zwischen der Luftseite des Rotors 12 und dem Ansaugstutzen 18 ist ein Stator 46 angeordnet. An einer planen Stirnfläche 48 endet der Lufteinlaßkanal 20 und beginnt der Luftauslaßkanal, wobei die Stirnfläche 48 direkt am Stator 46 anliegt. In der Darstellung gemäß F i g. 1 sind diese Teile getrennt dargestellt, um ihr Aussehen zu verdeutlichen. Im Betriebszustand liegen die Teile jedoch eng aufeinander.

Ein weiterer Stator 50 ist zwischen dem Auspuffkanal 28 und der Auspuffseite des Rotors 12 angeordnet An einer Stirnfläche 52 beginnt der Niederdruckkanal 32 und endet der Hochdruckkanal 30. Die Stirnfläche 52 liegt an einer Seite des Stators 50 an und weist einen minimalen Abstand auf der anderen Seite des Stators 50 zum Rotor 12 auf.

Insbesondere in der F i g. 3 ist die genaue Position des Auspuffkanals 28 zum Stator 50, zum Gehäuse 10 und zum Rotor 12 dargestellt Der Stator 50 befindet sich zwischen der Stirnfläche 52 und der Fläche 54 des Stators 10. Eine Wand des Stators 10 ist, wie insbesondere aus der F ig. 3 zu entnehmen ist, abgestuft ausgeführt, so daß sich Flächen 54 und 56 ergeben. Der Umfang des Stators 50 ist weiterhin mit einer Fläche 58 versehen, die zusammenwirkt mit einer Fläche 60 des Stators 10. Der Stator kann aus demselben Material hergestellt sein wie der Rotor.

Die entsprechenden Flächen des Stators und des Gehäuses mit den Bezeichnungen 56, 54 und 58 bilden einen Kanal zur Führung der Abgase, wobei auf diese Weise Leckverluste reduziert werden.

Der Stator 50 ist mit einem Hochdruckkanal 62 zum Hochdruckkanal 30 hin verbunden. Er weist auch einen Niederdruckkanal 64 auf, der an den Niederdruckkanal 32 angeschlossen ist In gleicher Weise ist der Stator 46 auf der Luftseite des Turboladers mit einem Niederdruckkanal 66 und einem Hochdruckkanal 68 versehen. Der Niederdruckkanal 66 steht in Verbindung mit dem Lufteinlaßkanal 20 und der Hochdruckkanal 68 hat Verbindung mit dem Auslaßkanal 22.

In den F i g. 7 und 8 sind Einzelheiten des Stators 46 gezeigt Der Stator weist einen Niederdruckkanal (56 sowie einen Niederdruckkanal 72 auf sowie einen Hochdruckkanal 68 und einen Hochdruckkanal 76. Die Einlaßöffnungen und die Auslaßöffnungen sind so angeordnet, daß eine gesteuerte Verbindung mit den Luftzellen in zeitlicher Abstimmung möglich ist. Mit der Anordnung von zwei öffnungen gemäß den F i g. 7 und 8 können zwei Kompressionszyklen für jede Umdrehung des Rotors erreicht werden. Die Ausbildung des Stators 50 kann in ähnlicher Weise erfolgen; die Ausbildung muß jedoch nicht identisch sein mit der Darstellung in den F i g. 7 und 8. Der Stator 50 kann ebenfalls so ausgebildet sein, daß zwei Zyklen pro Umdrehung ausgeführt werden.

Wie insbesondere aus der F i g. 3 hervorgeht, befindet sich eine abreibbare Dichtung 78 sowie 80 zwischen der Stirnfläche des Stators 64 und der anliegenden Fläche des Rotors. In gleicher Weise ist ein abreibbares Dichtmaterial auf der anderen Seite des Rotors zwischen der Stirnfläche des Rotors auf der Luftseite und dem anliegenden Stator 46 angeordnet. Die Dichtung besteht bevorzugt aus einem mit Nickel überzogenem Graphitmaterial, sofern der Stator aus Metall besteht. Die Dichtung kann aus porösem Keramikmaterial hergestellt sein, sofern der Stator aus keramischem Material besteht. Weiterhin kann poröses Material verwendet werden, das Magnesium-Aluminiumsilikat oder Aluminiumsilikatpuder enthält, wobei Graphitpuder zugesetzt sein kann. Mit derartigen Dichtungen kann eine Montage ohne das Vorsehen eines Spaltes zwischen dem Rotor, dem Stator und dem Gehäuse vorgenommen werden. Die Dichtungen laufen selbst ein und bilden sodann einen Spalt mit minimalen Dimensionen, wenn der Rotor in Betrieb ist.

In der Fig.6 ist über die Länge des Kanals als Abszisse die in den jeweiligen Punkten herrschende Temperatur in der Ordinate aufgetragen. Dabei zeigt die mit R gekennzeichnete Kurve die Temperatur über der Länge des Rotors und die Kurve mit der Bezeichnung S die Temperatur über die Länge des Gehäuses, das um den Rotor herum angeordnet ist. Aus der Darstellung geht hervor, daß die Temperatur des Gehäuses ungefähr gleich ist der Temperatur des Rotors mit Ausnahme der beiden Endregionen auf der Auspuffseite bzw. auf der Luftseite. Auf der Luftseite des Rotors fällt die Temperatur des Stators ab in der Nähe des Rotorendes, bedingt durch den Kühleffekt der eintretenden Luft. Im Gegensatz dazu wird die Temperatur des Gehäuses nahe der Seite des Rotors, die den Abgasen zugekehrt ist, erhöht, da dieser Bereich den heißen Abgasen zugewandt ist. Die Temperaturveränderungen in den Mittelregionen des Rotors sind sehr extrem. Aus diesen Gründen ist es daher notwendig, sehr sorgfältig die Materialien für den Stator und den Rotor auszuwählen, um auf diese Weise das Entstehen von ungewollten Toleranzen zwischen dem Rotor und dem Stator zu vermeiden, was zur Folge haben würde, daß Leckverluste in großem Ausmaß auftreten. Darüber hinaus sollten natürlich auch nicht die Toleranzen so eng werden, daß dadurch Schwierigkeiten eintreten. Aus diesem Grunde sollten daher für die entsprechenden Teile Materialien gewählt werden, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen.

In der F i g. 5 sind zwei Materialien gezeigt, die einen solchen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Dabei kann Magnesium-Aluminiumsilikat bevorzugt zur Herstellung des Gehäuses benutzt werden, wenn der Rotor aus einem Lithium-Aluminiumsilikat als keramischem Werkstoff besteht. In der F i g. 5 ist die Wärmeausdehnungscharakteristik für die genannten Materialien dargestellt, wobei mit MAS das Magnesium-Aluminiumsilikat und mit LAS das Lithium-Aluminiumsilikat bezeichnet ist. Der Temperaturbereich bei einem typischen Anwendungsfall kann variieren zwischen einer Temperatur von 0° Celsius auf der Luftseite und 700° Celsius auf der Abgasseite. Die Ausdehnungen in diesem Temperaturbereich sind in der F i g. 5 dargestellt.

Die Ausdehnung von Lithium-Aluminiumsilikat erfolgt zunächst einmal in negativer Richtung. Die Temperaturveränderung, wie sie in der F i g. 6 dargestellt ist, und die Darstellung aus der Fig.5 erlauben

ίο zusammengenommen die Einhaltung einer gleichmäßigen Abstandswahrung zwischen den fraglichen Teilen im Bereich der linken Seite der Darstellung gemäß F i g. 6, wo die Temperatur des Rotors sich rasch ändert, die thermische Ausdehnung des Materials des Rotors aber gering ist oder sogar abnimmt. In diesem Bereich bewegt sich der Rotor vom Gehäuse weg, wobei jedoch die Änderung des Abstandes durch diese Eigenschaft klein gehalten wird, da das Gehäuse in diesem Bereich einen reduzierten Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt Im Gegensatz dazu ist im Hochtemperaturbereich nahe der Auspuffseite die Temperatur des Rotors höher als die Temperatur des Stators. Da jedoch das Material des Stators einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als der Rotor in dem gleichen Bereich, tritt keine beträchtliche Änderung in den Toleranzen auf.

Mit den gestrichelten Linien in der F i g. 6 ist die Änderung der radialen Dimensionen und der axialen Dimensionen für den Stator (S) und den Rotor (R) dargestellt. Diese Linien liegen im rechten Bereich der Darstellung relativ eng beieinander und zeigen die gleiche Tendenz. Auf der linken Seite der Darstellung der F i g. 6 laufen sie jedoch nicht völlig parallel, zeigen jedoch an, daß die unterschiedlichen Ausdehnungen bei Temperaturänderungen nicht sehr groß sind, zumindest im Vergleich mit den Temperaturausdehnungswerten, die auftreten wurden, wenn sowohl der Rotor als auch das Gehäuse aus dem gleichen Material gefertigt sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Aerodynamische Druckwellenmaschine für die Verdichtung von Luft zum Anschluß an eine Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Druckwellenmaschine einen Rotor enthält, der drehbar um seine geometrische Achse gelagert ist und der eine Nabe und um die Nabe herum angeordnete Zellen enthält, wobei ein zylindrisches Gehäuse unter Einhaltung einer engen Toleranz um den Rotor herum angeordnet ist und der Verdichter an den Luft- bzw. Luft/Kraftstoffzuströmkanal sowie an den Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine angeschlossen ist und zwischen dem Gehäuse mit dem Rotor einerseits und dem Gehäuse mit den Abgaskanälen bzw. dem Gehäuse mit den Luft- bzw. Luft/Kraftstoffzuströmkanälen andererseits auf jeder Seite des Gehäuses je ein Stator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) aus einem Material gefertigt ist, das einen wesentlich niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, verglichen mit dem Material, aus dem das Gehäuse (10) gefertigt ist, das den Rotor (12) umschließt

2. Aerodynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) aus Lithium-Aluminium-Silikat und das Gehäuse (10) aus Magnesium-Aluminium-Silikat hergestellt sind.

3. Aerodynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) aus einem Material hergestellt ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient etwa 0,7mal so groß ist wie der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials, aus dem das Gehäuse (10) hergestellt ist.