DE4030817A1 - Kreisellader - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kreisellader für einen Ver­ brennungsmotor und insbesondere einen Kreisellader für einen Verbrennungsmotor, der vom Verbrennungsmotor über eine mechanische Verbindung und nicht durch die Abgase des Verbrennungsmotors angetrieben wird.

Bei einem Kreisellader für einen Verbrennungsmotor soll im Idealfall die Drehzahl des Motors in einer linearen Beziehung zum Kreisellader-Ladedruck stehen, so daß die­ ser über den gesamten Drehzahlbereich des Motors hinweg im gleichen Maß wie die Motordrehzahl zunimmt. Im Stand der Technik sind viele verschiedene Bauarten für Kreisel­ lader wie etwa Roots-Gebläse, Schraubengebläse und dgl. als Lader für Kraftfahrzeugmotoren bekannt. Bei den mei­ sten in Gebrauch gekommenen Kreiselladern stellt sich der gewünschte Druck jedoch erst bei einer Motordrehzahl von ungefähr 3000 bis 4000 min^-1 ein, wobei bei einer weite­ ren Zunahme der Motordrehzahl der Druck plötzlich stark ansteigt, so daß sich für einen herkömmlichen Kreisella­ der beispielsweise eine Beziehung zwischen der Motordreh­ zahl und dem Ladedruck ergibt, wie sie in Fig. 12 gezeigt ist.

Bei einem solchen Kreisellader des Standes der Technik besteht daher die Gefahr eines unkontrollierten Fahrverhaltens des Fahrzeugs, falls der Fahrer mit dem Ansprechverhalten des Motors nicht ausreichend vertraut ist.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kreisellader für einen Verbrennungsmotor zu schaf­ fen, der gegenüber herkömmlichen Kreiselladern einen ver­ besserten Gasdurchsatz besitzt, derart, daß sich die an­ gesaugte Luftmenge proportional zur Motordrehzahl ver­ hält.

Diese Aufgabe wird bei einem Kreisellader der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Wenn der erfindungsgemäße Kreisellader für einen in einem Kraftfahrzeug eingebauten Verbrennungsmotor verwendet wird, wird aufgrund der proportionalen Beziehung zwischen dem Kreiselladerdruck und der Motordrehzahl sowohl die Fahrsicherheit des Kraftfahrzeugs verbessert, als auch die Motorausgangsleistung und das Motordrehmoment erhöht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnungen näher er­ läutert; es zeigen:

Fig. 1 den Querschnitt einer Ausführungsform des er­ findungsgemäßen Kreiselladers;

Fig. 2 eine auseinandergezogene, perspektivische Darstellung der in Fig. 1 gezeigten Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen Kreisella­ ders;

Fig. 3 eine perspektivische Außenansicht der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen Kreiselladers;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Verdich­ terrades des erfindungsgemäßen Kreiselladers;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer erfin­ dungsgemäßen Verdichterschaufel;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des erfindungs­ gemäßen Verdichterrades, das Gruppen von je­ weils fünf benachbarten Schaufeln besitzt, die jeweils eine Rückströmungs-Verhinderungs­ schicht bilden;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines erfin­ dungsgemäßen Leitrades;

Fig. 8 eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 7 mit W bezeichneten Bereichs, mit der die An­ ordnung der Schaufeln des erfindungsgemäßen Leitrades erläutert werden;

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung des erfin­ dungsgemäßen Leitradgehäuses, in dem sich ein Leitrad befindet;

Fig. 10 eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 9 mit X bezeichneten Bereichs, in der die An­ ordnung der Schaufeln des erfindungsgemäßen Leitrades dargestellt ist;

Fig. 11 einen Graph, der die Meßergebnisse für die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Ladedruck des erfindungsgemäßen Kreiselladers angibt; und

Fig. 12 beispielhaft die Beziehung der Motordrehzahl zum Ladedruck in einem herkömmlichen Kreisel­ lader.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Kreiselladers gezeigt. Ein solcher Kreisel­ lader umfaßt als Hauptbestandteile ein erstes Verdichter­ rad 3, ein zweites Verdichterrad 7, vier Leiträder 12, 4, 61 und 8, ein erstes Leitradgehäuse 1, ein Mittelgehäuse 5, ein zweites Leitradgehäuse 6 und ein drittes Leitrad­ gehäuse 81.

Das erste Leitradgehäuse 1 besitzt an seinem äußeren Ende eine runde Ansaugöffnung 11 und enthält das erste Leitrad 12, der mit dem Gehäuse zu einer Baueinheit ausgebildet ist. Das erste Leitrad 12 besitzt in seinem Mittelpunkt eine Lagerbohrung 13, in der zwei Kugellager 21, eine Mutter 22 und eine Federscheibe 221 eingepaßt sind, um ein Ende einer Verdichterradwelle 2 zu unterstützen und stabil in ihrer Position zu halten.

Das erste Leitrad 12 weist an seiner Außenfläche 122 eine Mehrzahl von unter 45° angestellten und in jeweils glei­ chem gegenseitigen Abstand angeordneten Schaufeln 121 auf. Er ist in das erste Leitradgehäuse 1 so eingebaut, daß sich seine Umfangslinie sehr nahe an der Innenwand 14 des Gehäuses 1 befindet, so daß die durch die Ansaugöff­ nung 11 strömende Luft unverzüglich in den Einfangbereich A der Schaufeln 121 eintreten kann.

Das erste Verdichterrad 3 besitzt sechzehn Schaufeln 31, die an der Umfangsfläche in gleichem gegenseitigem Ab­ stand spiralförmig und radial nach außen gerichtet ange­ ordnet sind, indem sie in Strömungsrichtung von der vor­ deren Mittelbohrung nach hinten zur hinteren Außenkante gewunden sind. Wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, be­ sitzt jede Schaufel 31 fünf ineinander übergehende Berei­ che: einen Einfangbereich A, einen Winkeldruckbereich B, einen Rückströmungs-Verhinderungsbereich C, einen Zentri­ fugaldruckbereich D und einen Axialdruckbereich E. Außer­ dem ist jede Gruppe von jeweils fünf benachbarten Schau­ feln so ausgebildet, daß sie eine Rückströmungs-Verhinde­ rungsschicht darstellt, die die eingetretene Luftströmung am Zurückströmen hindert, wodurch der Ladedruck erhöht wird.

Hinter dem ersten Verdichterrad 3 ist das dritte Leitrad 4 angeordnet, das eine Mehrzahl von unter 45° angestell­ ten Schaufeln 41 aufweist, die aus dessen Umfangsfläche hervorragen und sich in einem gleichen gegenseitigen Ab­ stand befinden.

Das Leitrad 4 ist nicht drehbar. Wie in Fig. 8 gezeigt, ist jede seiner Schaufeln 41 mit einem die Luftströmung aufnehmenden vorderen Niederdruckbereich F und mit einem die Luftströmung in eine Hochdruckströmung umwandelnden Hochdruck-Auslaßbereich G versehen. Jede Schaufel 41 be­ sitzt einen Querschnitt, der demjenigen einer Flugzeug­ tragfläche ähnlich ist.

Das Mittelgehäuse 5 ist hinter dem ersten Leitradgehäuse 1 angeordnet und enthält das dritte Leitrad 4 und das zweite Leitrad 61, ferner bildet der leere Raum im Inne­ ren des Mittelgehäuses 5 eine Druckspeicherkammer 51. Die Kammer 51 kann vorübergehend die vom dritten Leitrad 4 ankommende Luftströmung, die noch nicht zum zweiten Ver­ dichterrad 7 und zum zweiten Leitrad 61 strömen kann, speichern. Dadurch besitzt die Kammer 51 die Funktion, ein Zurückströmen der Luft zum ersten Verdichterrad 3, was den Druck der angesaugten Luft verringern würde, zu verhindern.

Das zweite Leitradgehäuse 6 besitzt die gleiche Größe und den gleichen Aufbau wie das erste Leitradgehäuse 1, fer­ ner besitzt auch das zweite Leitrad 61 die gleiche Größe und den gleichen Aufbau wie das erste Leitrad 12. Glei­ ches gilt für das zweite Verdichterrad 7 bezüglich des ersten Verdichterrades 3 und für das vierte Leitrad 8 bezüglich des dritten Leitrades 4, wie aus Fig. 2 er­ sichtlich ist. Das zweite Verdichterrad 7 ist hinter dem zweiten Leitrad 61 angeordnet, während das vierte Leitrad 8 hinter dem zweiten Verdichterrad 7 angeordnet ist. Hin­ ter dem vierten Leitrad 8 ist das dritte Leitradgehäuse 81 angeordnet.

Alle diese Bauteile 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 61 und 81 werden mittels der Verdichterradwelle 2 und mittels einer Mehr­ zahl von Bolzen und Muttern 10, die durch rings um die Gehäuse 1, 5, 6 und 81 vorgesehene Bolzenlöcher verlau­ fen, zusammengebaut, wobei die Verdichterradwelle 2 durch die mittigen Öffnungen dieser Bauteile verläuft. Eine Aluminiummuffe 23 dient dazu, das erste Verdichterrad 3 stabil auf der Welle 2 zu halten. Das erste und das zweite Verdichterrad 3 bzw. 7 sind mittels zweier Vor­ sprünge 241 und 242 fest an der Welle 2 angeordnet, um sich mit dieser zu drehen.

Die Mittelbohrung des vierten Leitrades 8 wird an einer Kupferlegierungsmuffe 25 angeordnet, wobei zwischen der Muffe 25 und der Welle 2 zwei O-Ringe 251 angebracht wer­ den; anschließend wird ein am Sockel 25 anstoßendes Ku­ gellager 26 an der Welle 2, die sich in eine im dritten Leitradgehäuse 81 befindliche Ölvorratskammer 812 er­ streckt, befestigt. Am hinteren Ende der Welle 2 ist ein kleines Zahnrad 27 angebracht, das durch einen Sprengring 281 und eine Mutter 282 festgehalten wird. Das kleine Zahnrad 27 steht mit einem großen Zahnrad 9 in Eingriff, das an einer weiteren Welle 91 über Vorsprünge 92 gehal­ ten wird. Die Welle 91 wird mittels zweier Kugellager 93 gelagert, wobei ein Ende der Welle 91 mit einem der zwei Kugellager 93, das in eine Öffnung in der vertikalen Flä­ che des dritten Leitradgehäuses 81 eingesetzt ist, ver­ bunden ist, während sich das andere Ende der Welle 91 aus der Seitenabdeckung 99 heraus erstreckt und mit einem Einweglager 95 und einer Riemenscheibe 96 versehen ist. Das Lager 95 und die Riemenscheibe 96 werden mittels ei­ nes Sprengrings 971 und einer Mutter an der Welle 91 fest angebracht. Somit kann ein mit der Riemenscheibe des Mo­ tors verbundener Riemen für die Drehung der Welle 91 ver­ wendet werden, so daß die Drehung an das erste und das zweite Verdichterrad 3 bzw. 7 übertragen wird.

In den Fig. 4, 5 und 6 ist der Aufbau der zwei Verdich­ terräder 3 und 7 gezeigt. Jede Schaufel 31 ist so ausgebildet, daß sie spiralig und in radialer Richtung von der Mitte aus nach außen gewunden ist und einen Einfangbereich A, einen Winkeldruckbereich B, einen Rück­ strömungs-Verhinderungsbereich C, einen Zentrifugal­ druckbereich D und einen Axialdruckbereich E, die nach­ einander und ineinander übergehend ausgebildet sind, auf­ weist. Wie in Fig. 4 gezeigt, besitzt der Einfangbereich A eine Saugfläche A1, mit der Luft in einen leeren Raum A2 zwischen zwei benachbarten Schaufeln 31 gesaugt wird; dann verdreht sich der Einfangbereich A zum Winkeldruck­ bereich B, durch den der Druck der Luftströmung erhöht wird. Das Ende des Winkeldruckbereichs B stellt den Be­ ginn einer allmählichen Veränderung der Verdrehung dar, so daß zum Rückströmungs-Verhinderungsbereich C und zum Zentrifugaldruckbereich D hin eine entgegengesetzte Ori­ entierung der Schaufelfläche ausgebildet wird, wobei schießlich das äußere Ende einer jeden Schaufel zu einem Axialdruckbereich E ausgebildet wird, der nach unten und hinten gekrümmt und relativ zum Zentrifugaldruckbereich D entgegengesetzt orientiert ist, so daß die Luftströmung unverzüglich in sämtliche oder in einen Teil der unter 45° angestellten Schaufeln der Leiträder bewegt werden kann (Fig. 5).

Wie in Fig. 4 gezeigt, nimmt außerdem die Weite des lee­ ren Raums A1 zwischen zwei benachbarten Schaufeln 31 des Verdichterrades 3 bzw. 7 vom Einfangbereich A zum Axial­ druckbereich E allmählich ab, damit die Verdichterräder zuverlässig ein Zurückströmen der Luft verhindern können.

Für jeweils fünf benachbarte Schaufeln 31 eines jeden Verdichterrades 3 bzw. 7 sind deren fünf Abschnitte A, B, C, D und E so angeordnet, daß der Bereich A der fünften Schaufel und der Bereich E der ersten Schaufel im wesent­ lichen in einer Linie L, die in Fig. 6 gezeigt ist, aus­ gerichtet sind. Diese Ausbildung hat zum Ziel, daß je­ weils eine Gruppe von fünf benachbarten Schaufeln die Funktion der Verhinderung des Zurückströmens der Luft be­ sitzt, so daß die Verdichterräder 3 und 7 optimal arbei­ ten können.

In den Fig. 7 und 9 ist eines der ersten bis vierten Leiträder 12, 4, 61 bzw. 8 gezeigt, während in den Fig. 8 und 10 die Gestalt einer jeden der Schaufeln dieser Leit­ räder gezeigt sind. Jede Schaufel ist unter 45° angestellt und besitzt an ihrem vorderen Ende einen Niederdruck-Ein­ laßbereich F und an ihrem hinteren Ende einen Hochdruck- Auslaßbereich G, so daß sie jeweils einen Querschnitt be­ sitzt, der demjenigen einer Flugzeugtragfläche ähnlich ist und die gleiche Funktion wie eine solche Flugzeug­ tragfläche besitzt. Das heißt, daß die Luftströmung mit niedrigem Druck, die sich am vorderen Ende einer Schaufel vorbeibewegt, in eine Luftströmung mit hohem Druck umge­ wandelt worden ist, wenn sie sich am hinteren Ende der Schaufel vorbeibewegt.

Claims (5)

1. Kreisellader, mit einer Verdichterradwelle (2), gekennzeichnet durch
ein erstes und ein zweites Leitradgehäuse (1, 6), die jeweils gleiche Abmessungen und die gleiche Form be­ sitzen und in ihrem Inneren ein erstes bzw. ein zweites Leitrad (12, 61) und an ihrem vorderen Ende eine Ansaug­ öffnung (11) aufweisen, wobei das erste und das zweite Leitrad (12, 61) eine Mehrzahl von unter 45° angestellten Schaufeln (121) aufweist, die in Umfangsrichtung um eine Mittelbohrung, durch die die Verdichterradwelle (2) ver­ läuft, angeordnet sind, wobei jede Schaufel (121) einen Querschnitt besitzt, der im wesentlichen gleich demjeni­ gen einer Flugzeugtragfläche ist, und wobei die Gehäuse (1, 6) hintereinander angeordnet sind;
ein erstes und ein zweites Verdichterrad (3, 7), die jeweils gleiche Abmessungen und die gleiche Form be­ sitzen und jeweils eine Mehrzahl von Schaufeln (31) auf­ weisen, die so ausgebildet sind, daß sie sich spiralig und in radialer Richtung erstrecken und in Strömungsrich­ tung von der vorderen Mittelbohrung nach hinten zur hin­ teren Außenkante hin gewunden sind und jeweils einen Ein­ fangbereich (A), einen Winkeldruckbereich (B), einen Rückströmungs-Verhinderungsbereich (C), einen Zentrifu­ galdruckbereich (D) und einen Axialdruckbereich (E), die stetig ineinander übergehen, aufweisen, wobei die Ver­ dichterräder (3, 7) jeweils eine Mittelbohrung für die durch sie verlaufende Verdichterradwelle (2) aufweisen und über das jeweilige Mittelloch mittels eines Vor­ sprungs (241, 242) und einer Aluminiummuffe (23) an der Welle (2) befestigt werden und wobei das erste Verdich­ terrad (3) hinter dem ersten Leitrad (12) und das zweite Verdichterrad (7) hinter dem zweiten Leitrad (61) angeordnet ist;
ein drittes und ein viertes Leitrad (4, 8) mit jeweils einer Mittelbohrung für die durch sie verlaufende Verdichterradwelle (2), an der sie nicht drehbar ange­ bracht sind, und einer Mehrzahl von unter 45° angestell­ ten Schaufeln (41), die im gleichen gegenseitigen Abstand an der Umfangslinie angeordnet sind, wobei das dritte Leitrad (4) hinter dem ersten Verdichterrad (3) und das vierte Leitrad (8) hinter dem zweiten Verdichterrad (7) angeordnet ist und wobei jede Schaufel (41) des dritten bzw. des vierten Leitrades (4, 8) die gleiche Form wie die Schaufeln (31) des ersten und des zweiten Leitrades (12, 61) besitzt;
ein Mittelgehäuse (5), das das dritte Leitrad (4) und das zweite Leitradgehäuse (6) abdeckt und enthält, so daß zwischen seiner Innenwand und der Außenfläche des zweiten Leitradgehäuses (6) ein leerer Raum ausgebildet wird, der eine Druckspeicherkammer (51) zum vorrüberge­ henden Speichern des Luftdruckes darstellt und ein Zu­ rückströmen der Luft verhindert;
ein drittes Leitradgehäuse (81), das hinter dem Mittelgehäuse (5) angeordnet ist und das vierte Leitrad (8) und das hintere Ende der Verdichterradwelle (2) um­ gibt und eine Ölvorratskammer (812), in die sich das hin­ tere Ende der Verdichterradwelle (2) aus dem vierten Leitrad (8) heraus erstreckt, und einen mit dem Einlaß eines Vergasers in Verbindung stehenden Luftauslaß auf­ weist;
ein kleines Zahnrad (27), das am hinteren Ende der Verdichterradwelle (2) angebracht ist;
ein großes Zahnrad (9), das an einer in der Öl­ vorratskammer (812) angebrachten Welle (91) angebracht ist und mit dem auf der Verdichterradwelle (2) angebrach­ ten kleinen Zahnrad (27) in Eingriff ist;
eine Riemenscheibe (96), die vom äußeren Ende der das große Zahnrad (9) tragenden Welle (91) mittels eines Einweglagers (95) getragen wird; und
eine Seitenabdeckung (99), die am dritten Leitradgehäuse (81) an dessen vertikaler Öffnung an­ gebracht ist und ein Loch aufweist, durch das sich die das große Zahnrad (91) tragende Welle (9) erstreckt.

2. Kreisellader gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Verdichterräder (3, 7) je­ weils mit 16 Schaufeln (31) ausgerüstet sind, die sich spiralig und in radialer Richtung erstrecken und in Strömungsrichtung von der vorderen Mittelbohrung nach hinten zur hinteren Außenkante hin gewunden sind, wobei jede Schaufel (31) in dieser Reihenfolge einen Einfangbe­ reich (A), einen Winkeldruckbereich (B), einen Rückströ­ mungs-Verhinderungsbereich (C), einen Zentrifugaldruckbe­ reich (D) und einen Axialdruckbereich (E), die sich von innen nach außen stetig erstrecken, aufweist, wobei der Einfangbereich (A) eine Ansaugfläche besitzt, die sich in Strömungsrichtung nach hinten zum Winkeldruckbereich (B) und zum Rückströmungs-Verhinderungsbereich (C) erstreckt, von dem ab sich die Ansaugfläche allmählich in die entge­ gengesetzte Orientierung verdreht und so den Zentrifugal­ druckbereich (D) und anschließend den am Schaufelende be­ findlichen Axialdruckbereich (E) erreicht, an dem die An­ saugfläche nach unten gekrümmt ist, und wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Schaufeln (31) ein leerer Raum ausgebildet ist, dessen Weite vom vorderen Bereich der Schaufel zum hinteren Bereich der Schaufel allmählich ab­ nimmt, so daß die in die Verdichterräder (3, 7) gesaugte Luft nicht leicht zurückströmen kann.

3. Kreisellader gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichterräder (3, 7) jeweils Gruppen von fünf benachbarten Schaufeln aufweisen, die eine Rückströmungs-Verhinderungsschicht bilden, wobei der Axialdruckbereich (E) der ersten Schaufel einer Gruppe und der Einfangbereich (A) der fünften Schaufel derselben Gruppe entlang einer geraden Linie ausgerichtet sind.

4. Kreisellader gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den vier Leiträdern (12, 61, 4, 8) vorgesehenen Schaufeln (121, 41) vorzugsweise unter 45° angestellt sind, um den Einfangbereichen (A) und den Axialdruckbereichen (E) der Verdichterschaufeln (31) zu entsprechen.

5. Kreisellader gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der in den vier Leiträdern (12, 61, 4, 8) vorgesehenen Schaufeln (121, 41) einen Niederdruck-Einlaßbereich mit vergleichweise großem Quer­ schnitt und einen Hochdruck-Auslaßbereich mit vergleichs­ weise kleinem Querschnitt besitzt.