DE4208312A1 - Verdraengermaschine nach dem spiralprinzip - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung

Verdrängermaschine für kompressible Medien mit mehreren in einem feststehenden Gehäuse angeordneten spiralförmigen För­ derräumen, welche von einem radial außenliegenden Einlaß zu einem radial innenliegenden Auslaß führen, und mit einem den Förderräumen zugeordneten Verdrängerkörper, im wesentlichen bestehend aus einer Scheibe mit an beiden Seiten senkrecht angeordneten spiralförmigen Leisten, wobei der exzentrisch angetriebene Verdrängerkörper während des Betriebes mit jedem seiner Punkte eine von den Umfangswänden des Förderraumes begrenzte Kreisbewegung ausführt.

Stand der Technik

Verdrängermaschinen der Spiralbauart sind durch die DE-C- 26 03 462 bekannt. Ein nach diesem Prinzip aufgebauter Verdich­ ter zeichnet sich durch eine nahezu pulsationsfreie Förderung des beispielsweise aus Luft oder einem Luft-Kraftstoff- Gemisch bestehenden gasförmigen Arbeitsmittels aus und könnte daher unter anderem auch für Aufladezwecke von Brennkraftma­ schinen mit Vorteil herangezogen werden. Während des Betrie­ bes eines solchen Kompressors werden entlang der Verdränger­ kammer zwischen dem spiralförmig ausgebildeten Verdrängerkör­ per und den beiden Umfangswänden der Verdrängerkammer meh­ rere, etwa sichelförmige Arbeitsräume eingeschlossen, die sich von dem Einlaß durch die Verdrängerkammer hindurch zum Auslaß hin bewegen.

Eine Maschine der eingangs genannten Art ist bekannt aus der EP-A-03 54 342. Um das Bauvolumen der Maschine besser auszu­ nutzen, geht die Entwicklungstendenz in Richtung höherer Druckverhältnisse und höherer Drehzahlen. Ersteres bedingt noch steilere Temperaturgradienten in der Scheibe, letzteres führt zu größeren Massenkräften. Der Verdrängerkörper wird deshalb bevorzugt aus einer Leichtmetallegierung, beispiels­ weise Magnesium, ausgeführt. Damit können die auf das Hauptexzenterlager wirkenden Massenkräfte minimiert werden. Die beiden Gehäusehälften einer solchen Maschine bestehen meistens aus einem kostengünstigen Aluminium-Druckguß. Mit entsprechend steifer Konstruktion der Antriebswelle und der Lagerpartie des Läufers können sich bei dieser Material­ paarung die Spiralwände des Verdrängerkörpers und der Gehäu­ sestege in Spiral-Umfangsrichtung berühren. Die Materialien arbeiten sich auf das Spiel 0 (null) ein, ohne daß Freß­ erscheinungen an einem der beteiligten Elemente zu erwarten sind. Dieser Sachverhalt hat zum einen eine größere Tole­ ranzbreite anläßlich der mechanischen Bearbeitung der Elemente zur Folge und ermöglicht zum andern höhere Einsatz­ temperaturen der Maschine im Betrieb.

Beim Einsatz von mechanischen Ladern zur Aufladung von Ver­ brennungsmaschinen wird in der Regel eine Bypass-Schaltung eingesetzt, die im Teillastgebiet die nicht benötigte Lade­ luft von der Druckseite des Laders auf die Ansaugseite zurückbefördert. In der Bypassleitung ist ein Absperrorgan angeordnet.

Darstellung der Erfindung

Ausgehend von der Absicht, weiterhin von den Vorteilen der Magnesiumlegierungen wie Gewicht, Reibeigenschaften und der­ gleichen Gebrauch zu machen, und von der Tatsache, daß bei der Serienfertigung einer derartigen Maschine eine Trennung der Aluminium- von der Magnesiumbearbeitung erforderlich ist, was zu erhöhten Investitionen führt, stellt sich der Erfin­ dung die Aufgabe, eine Verdrängungsmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher das gleiche Ausgangs­ material für die in Wirkverbindung miteinanderstehenden Teile verwendet werden kann, und welche eine kompakte Bypassanord­ nung ermöglicht.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß sowohl der Verdränger­ körper als auch das Gehäuse aus einer gleichen Leichtmetall- Legierung, beispielsweise auf der Basis von Magnesium, be­ steht, daß das Gehäuse aus Druckguß gefertigt ist und daß in einem Gehäuseteil ein Gehäuse für eine Absperrorgan inte­ griert ist.

Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß im Falle der Berührung von Verdränger und Gehäuse auf die Einlauf­ fähigkeit des verwendeten Materials nicht verzichtet werden muß. Die voluminösten Teile einer Spiralmaschine sind näm­ lich die Gehäusehälften; sie bilden den überwiegenden Gewichtsanteil. Die durch die neue Maßnahme insgesamt wesentlich leichter werdende Verdrängermaschine bedingt in der Folge auch leichtere Abstützungen am Aufstellungsort. Ist dieser Aufstellungsort zum Beispiel ein auf zuladender Ver­ brennungsmotor, so wirkt sich die leichtere Bauart insbeson­ dere günstig auf das Schwingverhalten des Gesamtsystemes aus.

Es ist zweckmäßig, wenn sich im gleichen Gehäuseteil, wel­ ches das Gehäuse für das Absperrorgan enthält, auch der Aus­ laß für das geförderte Arbeitsmittel befindet. Wenn die beiden Kanäle zudem parallele Mittelachsen aufweisen, so ermöglicht dies deren mechanische Bearbeitung in einer einzigen Aufspannung und mit einer gemeinsamen Haupt- Bearbeitungsachse.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Verdrängermaschine in einer schematisierten Anordnung eines Verbrennungs­ motors;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Gehäusehälfte;

Fig. 3 eine Schaltungsvariante.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Gemäß Fig. 1 wird athmosphärische Luft über einen Filter 50 angesaugt und in den Einlaß 12 der spiralförmigen Verdrän­ germaschine gefördert. Nach der Verdichtung verläßt sie die Maschine als Ladeluft über eine Ladeluftleitung 51 und einen Ladeluftverteiler 52 zum Verbrennungsmotor 53.

Zwecks Erläuterung der Funktionsweise der Spiralmaschine, welche nicht Gegenstand der Erfindung ist, wird auf die bereits genannte DE-C3-26 03 462 verwiesen. Nachstehend wird nur der für das Verständnis notwendige Maschinenaufbau und Prozeßablauf kurz beschrieben.

In Fig. 1 ist das Gehäuse der Verdrängermaschine mit den För­ derräumen und dem eingelegten Verdränger gezeigt. Mit 1 ist der Läufer der Maschine insgesamt bezeichnet. An beiden Sei­ ten der Scheibe 2 sind spiralförmig verlaufende Verdränger­ körper angeordnet. Es handelt sich um Leisten 3a, 3b, die senkrecht auf der Scheibe 2 gehalten sind. Die Spiralen selbst sind in der Regel aus mehreren, aneinander anschließenden Kreisbögen gebildet.

Mit 4 ist die Nabe bezeichnet, über welche die Scheibe 2 mit einem Gleitlager 22 auf einer Exzenterscheibe 23 sitzt. Diese Scheibe ist ihrerseits Teil der Hauptwelle 24. Mit 5 ist ein radial außerhalb der Leisten 3a, 3b angeordnetes Auge bezeichnet für die Aufnahme eines Führungslagers 25, welches auf einem Exzenterbolzen 26 aufgezogen ist. Dieser ist sei­ nerseits Teil einer Führungswelle 27. Am Spiralende sind in der Scheibe Durchtrittsfenster 6 vorgesehen, damit das Medium von der linken Scheibenseite zur rechten Scheibenseite gelan­ gen kann, um in einem nur einseitig angeordneten zentralen Auslaß 13 abgezogen zu werden.

Die Elemente 2, 3a, 3b, 4 und 5 sind einteilig aus einer Magnesiumlegierung gefertigt.

Das Maschinengehäuse setzt sich aus den Gehäusehälften 7a, 7b zusammen, die über nicht dargestellte Befestigungsaugen zur Aufnahme von Verschraubungen miteinander verbundenen sind. 11a, 11b bezeichnen die zwei jeweils um 180° gegeneinander versetzten Förderräume, die nach Art eines spiralförmigen Schlitzes in die Gehäusehälften eingearbeitet sind. Sie ver­ laufen von einem am äußeren Umfang der Spirale im Gehäuse angeordneten Einlaß 12 zu einem im Gehäuse inneren vorgese­ henen, beiden Förderräumen gemeinsamen Auslaß 13. Sie weisen im wesentlichen parallele, in gleichbleibendem Abstand zuein­ ander angeordnete Zylinderwände auf, die wie die Verdränger­ körper der Scheibe 2 eine Spirale von 360° umfassen. Zwischen diesen Zylinderwänden greifen die Verdrängerkörper 3a, 3b ein, deren Krümmung so bemessen ist, daß die Leisten die in­ neren und die äußeren Zylinderwände des Gehäuses an mehre­ ren, beispielsweise an jeweils zwei Stellen nahezu berühren. An den freien Stirnseiten der Leisten 3a, 3b und der Stege 9, 10 sind Dichtungen 21 in entsprechenden Nuten eingelegt. Mit ihnen werden die Arbeitsräume gegen die Seitenwände des Gehäuses resp. gegen die Verdrängerscheibe gedichtet.

Gemäß der Erfindung sind nunmehr beim gezeigten Beispiel die beiden Gehäusehälften 7a und 7b zusammen mit den die Förder­ räume 11a und 11b bildenden Stege 9 und 10 ebenfalls aus einer Magnesiumlegierung gefertigt, die nicht notwendiger­ weise die gleiche sein muß wie jene des Verdrängerkörpers. Es kann sich dabei bei beiden Teilen um eine Guß- oder um eine Schmiedekonstruktion handeln.

Fertigungsvorteile sind in der Art zu erwarten, daß nunmehr

• - Verdränger und Gehäuse auf der gleichen Fräsmaschine bearbeitet werden können;
• - daß bei der Magnesiumzerspanung die Fräswerkzeuge wesentlich höhere Standzeiten aufweisen als bei der Aluminiumzerspanung;
• - daß die Magnesiumzerspanung weniger Energie braucht;
• - und daß infolge des kleineren Energieverbrauchs die Zerspanungsmaschine eine kleinere Antriebseinheit benötigt.

In der rechten Gehäusehälfte 7a ist unmittelbar stromabwärts des Einlasses 12 das Gehäuse 55 für das Absperrorgan 56, hier eine Klappe, angeordnet. Dieses Gehäuse 55 und das den Aus­ laß 13 begrenzende Gehäuse 14 münden in einen auf übliche Weise angeflanschten Gehäusedeckel 57, von dem die Ladeluft­ leitung abzweigt. Der Gehäusedeckel 57 bildet den eigentli­ chen Bypass, welcher somit kürzeste Strömungswege ermöglicht.

Den Antrieb und die Führung des Läufers 1 besorgen die zwei beabstandeten Exzenteranordnungen 23, 24 resp. 26, 27. Die Hauptwelle 24 ist in einem Wälzlager 17 und einem Gleitlager 18 gelagert. An ihrem aus der Gehäusehälfte 7b herausragendem Ende ist die Welle mit einer Riemenscheibe 19 für den Antrieb versehen. Der Antrieb erfolgt über einen mit dem Verbren­ nungsmotor 53 verbundenen Keilriemen 54. Auf der Welle 24 sind Gegengewichte 20 angeordnet zum Ausgleich der beim exzentrischen Antrieb des Läufers entstehenden Massenkräfte. Die Führungswelle 27 ist innerhalb der Gehäusehälfte 7b in einem Gleitlager 28 eingelegt.

Um in den Totpunktlagen eine eindeutige Führung des Läufers zu erzielen, sind die beiden Exzenteranordnungen winkelgenau synchronisiert. Dies geschieht über einen Zahnriemenantrieb 16. Anläßlich des Betriebes sorgt der Doppelexzenterantrieb dafür, daß alle Punkte der Läuferscheibe und damit auch alle Punkte der beiden Leisten 3a, 3b eine kreisförmige Verschie­ bebewegung ausführen. Infolge der mehrfachen abwechselnden Annäherungen der Leisten 3a, 3b an die inneren und äußeren Zylinderwände der zugeordneten Förderkammern - wobei eine direkte gegenseitige Berührung infolge der verwendeten Mate­ rialien unschädlich ist - ergeben sich auf beiden Seiten der Leisten sichelförmige, das Arbeitsmedium einschließende Arbeitsräume, die während des Antriebs der Läuferscheibe durch die Förderkammern in Richtung auf den Auslaß verscho­ ben werden. Hierbei verringern sich die Volumina dieser Arbeitsräume und der Druck des Arbeitsmittels wird entspre­ chend erhöht.

Im Teillastbetrieb wird die nicht benötigte Ladeluft unmit­ telbar aus dem Auslaß 13 über das teilweise oder vollständig geöffnete Absperrorgan 56 in den Einlaß 12 zurückgefördert.

Fig. 2 zeigt die Gehäusehälfte 7a mit der insbesondere aus wirtschaftlicher Sicht vorteilhaften Bypassanordnug. Die Gehäusehälfte ist in einer Druckgußform hergestellt, die ihrerseits aus zwei Formhälften besteht. Die Zugrichtung der Formhälften erfolgt in Richtung der Achse 15, die auch Mitte­ lachse des Auslaßgehäuses 14 ist. Erkennbar ist, daß die Mittelachse 58 des Klappengehäuses 55 parallel zur Achse 15 verläuft, demnach auch in Zugrichtung der Formhälften. Dadurch muß kein zusätzlicher Ziehkern für das Klappen­ gehäuse eingebaut werden. Auch für die mechanische Bearbei­ tung kann für Auslaß und Klappengehäuse mit Vorteil die gleiche Haupt-Bearbeitungsachse, welche ebenfalls parallel zur Zugrichtung verläuft, zugrundegelegt werden. Lediglich die Bearbeitung der Klappenwelle 59 erfordert eine zusätzli­ che Bearbeitungsachse.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsvariante, bei welcher sich - bei sonst gleicher Ausbildung der Gehäusehälfte 7a - die eigent­ liche Bypassleitung außerhalb des Gehäusedeckels 57 befin­ det. Diese Variante kommt mit Vorteil zur Anwendung, wenn ein Ladekuftkühler 60 stromabwärts der Spiralmaschine vorge­ sehen ist.

Bezugszeichenliste

 1 Läufer
 2 Scheibe
 3a, 3b Leiste
 4 Nabe
 5 Auge
 6, Durchtrittsfenster
 7a, 7b Gehäusehälfte
 9 Steg
10 Steg
11a, 11b Förderraum
12 Einlaß
13 Auslaß
14 Auslaßgehäuse
15 Maschinenachse
16 Zahnriemenantrieb
17 Wälzlager für 24
18 Gleitlager für 24
19 Keilriemenscheibe
20 Gegengewicht an 24
21 Dichtung
22 Gleitlager für 23
23 Exzenterscheibe
24 Hauptwelle
25 Führungslager
26 Exzenterbolzen
27 Führungswelle
28 Gleitlager für 27
50 Filter
51 Ladeluftleitung
52 Ladeluftverteiler
53 Verbrennungsmotor
54 Keilriemen
55 Klappengehäuse
56 Absperrorgan
57 Gehäusedeckel
58 Mittelachse des Klappengehäuses 55
59 Klappenwelle
60 Ladeluftkühler

Claims (3)

1. Verdrängermaschine für kompressible Medien mit mehreren in einem feststehenden, zweiteiliegen Gehäuse (7a, 7b) angeordneten spiralförmigen Förderräumen (11a, 11b), welche von einem radial außenliegenden Einlaß (12a, 12b) zu einem radial innenliegenden Auslaß (13) führen, und mit einem den Förderräumen zugeordneten Verdränger­ körper, im wesentlichen bestehend aus einer Scheibe (2) mit an beiden Seiten senkrecht angeordneten spiralförmi­ gen Leisten (3a, 3b), wobei der exzentrisch angetriebene Verdrängerkörper während des Betriebes mit jedem seiner Punkte eine von den Umfangswänden des Förderraumes begrenzte Kreisbewegung ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Verdrängerkörper (2, 3a, 3b) als auch das Gehäuse (7a, 7b) aus einer gleichen Leichtmetall- Legierung, beispielsweise auf der Basis von Magnesium, besteht, daß das Gehäuse aus Druckguß gefertigt ist und daß in einem Gehäuseteil (7b) ein Gehäuse (55) für ein Absperrorgan (56) integriert ist.

2. Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß sich im gleichen Gehäuseteil (7b), welches das Gehäuse (55) für das Absperrorgan (56) enthält, auch das Gehäuse (14) des Auslasses (13) für das geförderte Arbeitsmittel befindet.

3. Verdrängermaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die geometrische Mittelinie (58) des Gehäuses (55) parallel zur Mittellinie des Gehäuses (14) verläuft.