EP0130331B1 - Gasdynamischer Druckwellenlader für Fahrzeug-Verbrennungsmotoren - Google Patents

Gasdynamischer Druckwellenlader für Fahrzeug-Verbrennungsmotoren Download PDF

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EP0130331B1
EP0130331B1 EP84105556A EP84105556A EP0130331B1 EP 0130331 B1 EP0130331 B1 EP 0130331B1 EP 84105556 A EP84105556 A EP 84105556A EP 84105556 A EP84105556 A EP 84105556A EP 0130331 B1 EP0130331 B1 EP 0130331B1
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EP
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rotor
gas
casing
pressure wave
end surfaces
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EP84105556A
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Hubert Kirchhofer
Raymond Schelling
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BBC Brown Boveri AG Switzerland
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BBC Brown Boveri AG Switzerland
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F13/00—Pressure exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B33/00—Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
    • F02B33/32—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type
    • F02B33/42—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type with driven apparatus for immediate conversion of combustion gas pressure into pressure of fresh charge, e.g. with cell-type pressure exchangers

Definitions

  • the invention relates to a gas-dynamic pressure wave charger for vehicle internal combustion engines according to the preamble of claim 1.
  • an abradable, for example graphite-nickel layer can be applied to the housing or rotor end faces or an abrasive fine-grained A1 2 0 3 (corundum base) layer to the housing end faces.
  • the streak is only rubbed off in the radial area of the relatively sharp-edged cell walls.
  • the layer in the area of the thick hub tube is merely compressed, which can result in the rotor becoming blocked when rubbed hard.
  • the layer can crumble and thus lead to poor efficiency of the pressure wave charger.
  • the invention is based on the object of creating a gas-dynamic pressure wave charger of the type mentioned which, without the use of stripping layers, has an optimal shape in terms of thermal expansion and rotor vibrations of the rotor and housing end faces, which ensures the proper functioning of the pressure wave charger.
  • Fig. 1 denotes the gas housing and 2 the air housing of the pressure wave charger.
  • the two housings are connected together with the stator middle part 4, in which the rotor 3 is arranged.
  • the rotor 3 is fastened on the shaft 5 and mounted in the air housing 2.
  • a V-belt wheel 6 is arranged on the shaft 5.
  • the hot exhaust gases of the internal combustion engine enter through the engine exhaust gas duct A into the rotor 3 of the pressure wave supercharger provided with axially straight rotor cells 3e which are open on both sides, expand therein and leave it into the atmosphere via the exhaust duct B and the exhaust line (not shown). Atmospheric air is drawn in on the air side, flows axially into the rotor 3 via the air intake duct C, is compressed therein and leaves it as charge air via the charge air duct D to the internal combustion engine, not shown.
  • the axial installation clearance can be measured outside via the rotor shroud. It must be large enough so that the rotor does not come into contact with the hub area during operation.
  • the thermal expansion behavior of the rotor and stator center part is very different in the individual operating states.
  • the most critical, with regard to grazing risk, is the transient play behavior when starting the cold internal combustion engine and then rapidly accelerating to full load and maximum speed.
  • the rotor has a relatively thick hub tube 3a, a thin intermediate tube 3b and a thin outer cover band 3c.
  • the rotor 3 is generally subjected to constant temperature fluctuations in the load and speed changes.
  • the hub tube 3a Because of the greater heat capacity of the hub tube 3a, this has a higher temperature on average than the outer shroud 3c. This results in greater thermal expansion of the hub tube 3a compared to the outer shroud 3c.
  • the outer shroud 3c emits more heat to the outside than the hub tube 3a due to ventilation and heat radiation. In the hub space 3d, the heat emission also leads to a build-up of heat.
  • the greater thermal expansion of the hub tube 3a leads to an axial deformation, in particular of the gas-side rotor end face. Due to the different thermal expansion at different radii, the rotor end face facing the gas housing and the gas housing end face facing the rotor are given a convex shape, the axial play increasing with increasing radius. On the air side, the relative thermal deformation between the rotor 3 and the end face of the air housing 2 facing the rotor is negligible.
  • axial play in the cold state of a pressure wave charger belonging to the prior art is shown to scale and exaggerated size.
  • the axial play Y which is dependent on the radius, at the operating temperature of the pressure wave charger is, among other things, a function of the temperature distribution in the rotor and in the gas housing.
  • the radius-dependent deformation Z 2 of the rotor and that Z 1 of the gas housing are dependent both on the temperature and the thermal expansion coefficient of the material used.
  • Fig. 2 the neutral position of the rotor of a pressure wave charger is shown schematically with a thick full line, the line W-W representing the axis of rotation.
  • the left side of the rotor shown in the picture is the air housing side. Since the attachment point of the rotor on the shaft 5 is in the vicinity of the relatively colder air housing, the rotor mainly expands in the direction of the gas housing and since the inner part of the rotor is warmer than the outer one, the gas-side rotor end face deforms convexly at the same time. This deformation is shown with a thick dash-dot line. The radial thermal expansion is not taken into account here.
  • the pressure wave charger is known.
  • at least one of the two mutually facing end faces of the rotor or of the air housing is now convex on the air housing side and / or at least one of the two facing end faces of the rotor or of the gas housing is concave on the gas housing side.
  • the convex or concave end faces are either designed as truncated cone surfaces or spherical surfaces or from two or more successive truncated cone surfaces with different cone angles.
  • the processing angle on the rotor end face a facing the gas housing or on the gas housing end face b facing the rotor is advantageously between 10 'and 30'.
  • both the rotor end faces and the housing end faces are machined as truncated cone surfaces in such a way that the smallest possible axial clearances are achieved in the operating state of the pressure wave loader and that a Brushing the rotor is still impossible. Both thermal expansions and mechanical rotor vibrations are taken into account.
  • the processing angles a, b, c and d are drawn out to scale because of the better clarity. If only one of the gas-side end faces is machined as a truncated cone surface, for example the end face of the gas housing 1 facing the rotor 3, the machining angle b in this case is preferably between 10 'and 30'. If the two mutually facing gas-side end faces are machined as truncated cone lateral faces, the two machining angles a and b are preferably 5 'to 15' each.
  • the required profiles of the rotor or housing faces can be calculated exactly. These profiles can also be determined by tests. For this purpose, graphite pencils can be inserted into the gas and air housing faces. The graphite pins are ground off the rotor on the test bench when the pressure wave charger is in hot operation. The optimal shape of the end faces can be determined by measuring the remaining pin lengths. If the required axial clearances between the rotor and the air or gas housing are defined, a cost comparison can be used to determine whether the radial distribution of the required axial clearances should be achieved by machining the rotor and / or housing end face.
  • the housing face should also be profiled in the circumferential direction, i.e. whether it should be machined as a rotationally asymmetrical surface is a question of optimization, according to which the additional machining costs should be compared with the gain in efficiency.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen gasdynamischen Druckwellenlader für Fahrzeug-Verbrenrjngsmotorsn gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Beim Druckwellenlader zur Aufladung von Fahrzeug-Verbrennungsmotoren ist das Problem der Axialspiele zwischen den Rotorstirnflächen und den dem Rotor zugewandten Gehäusestirnflächen von grosser Bedeutung. Der Wirkungsgrad und das Betriebsverhalten eines Druckwellenladers hängen sehr stark von diesen Axialspielen ab. Nur mit sehr kleinen axialen Betriebsspielen kann ein einwandfreies Funktionieren des Druckwellenladers und ein guter Wirkungsgrad erreicht werden, da dann die Leckverluste an den Stirnseiten des Rotors auf ein Minimum beschränkt sind. Gleichzeitig muss aber ein Anstreifen des Rotors an den Gehäusestirnflächen verhindert werden. Da sich die Stirnflächen infolge der Wärmedehnung nicht einfach planparallel verschieben, kann dieser Gefahr nicht nur durch grössere Montagespiele begegnet werden. Hierzu kommt noch die Gefahr des Anstreifens des Rotors an den zugewandten Gehäusestirnflächen, die durch die Rotorschwingungen entstehen kann.
  • Um eine Rotorhavarie durch eventuelles starkes Anstreifen zu vermeiden, kann eine abreibbare, beispielsweise Graphit-Nickelschicht auf den Gehäuse- oder Rotorstirnflächen oder eine abrasive feinkörnige A1203 (Korund-Basis)-Schicht auf die Gehäusestirnflächen aufgetragen werden.
  • Die Streifschicht wird nur im radialen Bereich der relativ scharfkantigen Zellenwände abgerieben. Die Schicht im Bereich des dicken Nabenrohres wird bloss komprimiert, wobei es beim starken Anstreifen zum Blockieren des Rotors kommen kann.
  • Infolge Alterung der Schicht kann es zum Abbröckeln der Schicht kommen und dadurch zu schlechtem Wirkungsgrad des Druckwellenladers führen.
  • Zudem ist die durch ein Flammspritzverfahren aufgebrachte Streifschicht für eine Seriefertigung des Druckwellenladers zu teuer.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gasdynamischen Druckwellenlader der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher unter Verzicht auf Streifschichten eine in bezug auf Wärmedehnung und Rotorschwingungen optimale Form der Rotor- und Gehäusestirnflächen aufweist, die ein einwandfreies Funktionieren des Druckwellenladers gewährleistet.
  • Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass durch gezielte Formgebung der Rotor- sowie Gehäusestirnflächen die Wärmedehnung sowie Rotorschwingungen derart kompensiert werden, dass mit sehr kleinen Axialspielen und somit mit einem guten Wirkungsgrad gefahren werden kann.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 einen zum Stand der Technik gehörenden Druckwellenlader im Längsschnitt, wobei die Wärmedeformation der gasseitigen Rotor- und Gehäusestirnflächen unmaßstäblich gross gezeichnet ist;
    • Fig. 2 eine schematische Darstellung von Schwingungen und Wärmedehnungen des Rotors eines Druckwellenladers;
    • Fig. 3 eine erfindungsgemässe Ausführung eines Druckwellenladers im Längsschnitt.
  • Gleiche Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Erfindungsunwesentliche Teile des Systems Druckwellenlader-Motor wie beispielsweise Luftansaugleitung, Ladeluftleitung, Motorabgasleitung und Auspuffleitung, sind weggelassen. Die Strömungsrichtungen der Arbeitsmittel sind mit Pfeilen bezeichnet.
  • Der grundsätzliche Aufbau eines Druckwellenladers und dessen genaue Struktur kann der Druckschrift CH-T 123 143 der Anmelderin entnommen werden.
  • In Fig. 1 ist mit 1 das Gasgehäuse und mit 2 das Luftgehäuse des Druckwellenladers bezeichnet. Die beiden Gehäuse sind mit dem Statormittelteil 4, in welchem der Rotor 3 angeordnet ist, zusammen verbunden. Der Rotor 3 ist auf der Welle 5 befestigt und im Luftgehäuse 2 gelagert. Auf der Welle 5 ist ein Keilriemenrad 6 angeordnet.
  • Die heissen Abgase des Verbrennungsmotors treten durch den Motorabgaskanal A in den mit axialgeraden, beidseitig offenen Rotorzellen 3e versehenen Rotor 3 des Druckwellenladers ein, expandieren darin und verlassen ihn über den Auspuffkanal B und die nicht gezeigte Auspuffleitung in die Atmosphäre. Auf der Luftseite wird atmosphärische Luft angesaugt, strömt über den Luftansaugkanal C axial in den Rotor 3 ein, wird darin verdichtet und verlässt ihn als Ladeluft über den Ladeluftkanal D zum nicht gezeigten Verbrennungsmotor hin.
  • Zum Verständnis des eigentlichen, äusserst komplexen gasdynamischen Druckwellenprozesses, welcher nicht Erfindungsgegenstand ist, wird auf die schon genannte Druckschrift CH-T 123 143 der Anmelderin verwiesen.
  • Der für das Verständnis der Erfindung notwendige Prozessablauf wird nachstehend kurz erläutert:
    • Die Druckwellenvorgänge laufen im Inneren des Rotors 3 ab und bewirken im wesentlichen, dass sich ein gasgefüllter Raum und ein luftgefüllter Raum bilden. Im ersteren entspannt sich das Abgas und entweicht dann in den Auspuffkanal B, während im zweiten Raum ein Teil der angesaugten Frischluft verdichtet und durch den Ladeluftkanal D ausgeschoben wird. Der verbleibende Frischluftanteil wird durch den Rotor 3 in den Auspuffkanal B überspült und bewirkt damit den vollständigen Austritt des Abgases.
  • Um einen guten Wirkungsgrad des Druckwellenladers zu erhalten ist es erforderlich, dass die Axialspiele zwischen den Rotorstirnflächen und den entsprechenden Gehäusestirnflächen an allen Durchmessern, möglichst klein gehalten werden.
  • Das axiale Einbauspiel kann aussen über dem Rotordeckband gemessen werden. Es muss genügend gross sein, damit im Betrieb der Rotor in der Nabenpartie nicht zum Anstreifen kommt.
  • Das Wärmedehnungsverhalten von Rotor und Statormittelteil ist in den einzelnen Betriebszuständen ganz verschieden. Am kritischsten, bezüglich Streifgefahr, ist das transiente Spielverhalten beim Starten des kalten Verbrennungsmotors und darauffolgendem raschen Beschleunigen auf Vollast und Maximaldrehzahl.
  • Im Betrieb eines Druckwellenladers treten zudem relative Deformationen von Gehäuse- und Rotorstirnflächen insbesondere auf der Gasseite auf und zwar infolge ungleichmässiger Temperaturverteilung auf der Gasgehäusestirnfläche, sowohl in der Umfangsrichtung (Hochdruckzone-Niederdruckzone) als auch in der Radialrichtung.
  • Der Rotor weist ein relativ dickes Nabenrohr 3a, ein dünnes Zwischenrohr 3b und ein dünnes aussenliegendes Deckband 3c auf. Bei den Druckwellenmaschinen für Fahrzeug-Verbrennungsmotoren ist der Rotor 3 in der Regel ständigen Temperaturschwankungen bei den Last- und Drehzahländerungen unterworfen.
  • Wegen der grösseren Wärmekapazität des Nabenrohrs 3a weist dieses im Mittel eine höhere Temperatur auf als das äussere Deckband 3c. Daraus resultiert eine grössere Wärmedehnung des Nabenrohres 3a gegenüber dem äusseren Deckband 3c. Das äussere Deckband 3c gibt infolge Ventilation und Wärmestrahlung mehr Wärme nach aussen ab als das Nabenrohr 3a. Im Nabenraum 3d führt die Wärmeabgabe ausserdem zu einem Wärmestau. Die grössere Wärmedehung des Nabenrohrs 3a führt im Betrieb zu einer axialen Deformation insbesondere der gasseitigen Rotorstirnfläche. Durch die unterschiedliche Wärmedehnung an verschiedenen Radien wird die dem Gasgehäuse zugewandte Rotorstirnfläche sowie die dem Rotor zugewandte Gasgehäusestirnfläche eine konvexe Form erhalten, wobei das Axialspiel mit zunehmendem Radius zunehmen wird. Luftseitig ist die relative Wärmedeformation zwischen dem Rotor 3 und der dem Rotor zugewandten Stirnfläche des Luftgehäuses 2 vernachlässigbar.
  • Mit X ist in Fig. 1 ein Axialspiel in kaltem Zustand eines zum Stand der Technik gehörenden Druckwellenladers unmassstäblich und übertrieben gross dargestellt. Das vom Radius abhängige Axialspiel Y bei der Betriebstemperatur des Druckwellenladers ist unter anderem eine Funktion der Temperaturverteilung im Rotor und im Gasgehäuse. Die vom Radius abhängige Deformstion Z2 des Rotors sowie diejenige Z1 des Gasgehäuses sind sowohl von der Temperatur und der Wärmedehnzahl des angewandten Werkstoffes abhängig.
  • Darüber hinaus entstehen wegen der asymmetrischen Aufhängung des Rotors 3 auf der Welle 5 Rotorschwingungen (Taumelbewegungen), die bei der Dimensionierung der Axialspielverteilung sowohl auf der Luftseite als auch auf der Gasseite eine wesentliche Rolle spielen.
  • In Fig. 2 ist mit dicker voller Linie die neutrale Lage des Rotors eines Druckwellenladers schematisch dargestellt, wobei die Linie W-W die Rotationsachse darstellt. Die im Bild dargestellte linke Rotorseite ist die Luftgehäuseseite. Da der Befestigungspunkt des Rotors auf der Welle 5 in der Nähe des relativ kälteren Luftgehäuses liegt, dehnt sich der Rotor hauptsächlich in Richtung des Gasgehäuses aus und da die innere Partie des Rotors wärmer als die äussere ist, deformiert sich gleichzeitig die gasseitige Rotorstirnseite konvex. Diese Deformation ist mit einer dicken Strich-Punkt-Linie dargestellt. Die radiale Wärmedehnung ist hier nicht berücksichtigt. Wegen der erwähnten asymmetrischen Lagerung des Rotors entstehen im Betrieb Rotorschwingungen, die in Fig. 2 mit strichlierten Linien gezeigt sind. Diese Schwingungen müssen bei der Profilierung von Rotor- bzw. Gehäusestirnflächen berücksichtigt werden, um möglichst kleine axiale Betriebsspiele zu erreichen.
  • Soweit ist der Druckwellenlader bekannt. Gemäss der Erfindung ist nun luftgehäuseseitig mindestens eine der beiden einander zugewandten Stirnflächen des Rotors bzw. des Luftgehäuses konvex und/oder gasgehäuseseitig mindestens eine der beiden einander zugewandten Stirnflächen des Rotors bzw. des Gasgehäuses konkav ausgebildet. Dadurch wird luftgehäuseseitig ein radial von innen nach aussen zunehmendes und gasgehäuseseitig ein radial von innen nach aussen im kalten Zustand abnehmendes Axialspiel erreicht.
  • Die konvexen oder konkaven Stirnflächen sind entweder als Kegelstumpfmantelflächen oder sphärische Flächen oder aus zwei oder mehreren nacheinanderfolgenden Kegelstumpfmantelflächen mit unterschiedlichen Kegelwinkeln ausgebildet.
  • Vorteilhafterweise beträgt der Bearbeitungswinkel an der dem Gasgehäuse zugewandten Rotorstirnfläche a oder an der dem Rotor zugewandten Gasgehäusestirnfläche b zwischen 10' und 30'.
  • Bei dem in Fig. 3 in kaltem Zustand dargestellten erfindungsgemässen Druckwellenlader sind sowohl die Rotorstirnflächen als auch die Gehäusestirnflächen als Kegelstumpfmantelflächen derart bearbeitet, dass man im Betriebszustand des Druckwellenladers möglichst kleine Axialspiele erreicht und dass ein Anstreifen des Rotors trotzdem unmöglich ist. Dabei sind sowohl thermische Dehnungen als auch mechanische Rotorschwingungen berücksichtigt. Die Bearbeitungswinkel a, b, c und d sind hier wegen der besseren Klarheit unmaßstäblich gross eingezeichnet. Wenn nur eine der gasseitigen Stirnflächen als eine Kegelstumpfmantelfläche bearbeitet wird, beispielsweise die dem Rotor 3 zugewandte Stirnfläche des Gasgehäuses 1, so beträgt der Bearbeitungswinkel b in diesem Falle vorzugsweise zwischen 10' und 30'. Sollten die beiden einander zugewandten gasseitigen Stirnflächen als Kegelstumpfmantelflächen bearbeitet werden, so betragen die beiden Bearbeitungswinkel a und b vorzugsweise je 5' bis 15'.
  • Mit den genau gemessenen Temperaturfeldern sowie den Schwingungsamplituden lassen sich die erforderlichen Profile der Rotor- bzw. Gehäusestirnflächen exakt berechnen. Diese Profile lassen sich ausserdem durch Versuche bestimmen. Zu diesem Zweck können Graphitstifte in die Gas- sowie Luftgehäusestirnflächen eingesetzt werden. Die Graphitstifte werden im Heissbetrieb des Druckwellenladers auf dem Prüfstand vom Rotor abgeschliffen. Durch Ausmessen der Reststiftlängen kann die optimale Form der Stirnflächen bestimmt werden. Wenn die erforderlichen Axialspiele zwischen dem Rotor und dem Luft- bzw. Gasgehäuse festgelegt sind, kann durch einen Kostenvergleich entschieden werden, ob die Radialverteilung des erforderlichen Axialspieles durch Bearbeitung der Rotor-und/oder Gehäusestirnfläche erreicht werden soll.
  • Ob die Gehäusestirnfläche auch in Umfangsrichtung profiliert werden soll, d.h. ob sie als eine rotationsasymmetrische Fläche bearbeitet werden sollte, ist eine Frage der Optimierung, gemäss der die Bearbeitungsmehrkosten dem Wirkungsgradgewinn gegenübergestellt werden sollen.

Claims (5)

1. Gasdynamischer Druckwellenlader zur Aufladung eines Fahrzeug-Verbrennungsmotors, bei dem ein zwischen einem Luftgehäuse (2) und einem Gasgehäuse (1) angeordneter Rotor (3) im Luftgehäuse (2) gelagert ist, wobei die Rotorstirnflächen von den dem Rotor zugewandten Gehäusestirnflächen jeweils durch ein Axialspiel entfernt sind, dadurch gekennzeichnet, dass luftgehäuseseitig mindestens eine der beiden einander zugewandten Stirnflächen des Rotors bzw. des Luftgehäuses konvex ist, um ein radial von innen nach aussen im kalten Zustand zunehmendes Axialspiel zu erhalten und/oder dass gasgehäuseseitig mindestens eine der beiden einander zugewandten Stirnflächen des Rotors bzw. des Gasgehäuses konkav ist, um ein radial von innen nach aussen in kaltem Zustand abnehmendes Axialspiel zu erhalten.
2. Gasdynamischer Druckwellenlader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe oder konkave Stirnfläche als Kegeistumpfmantelfläche ausgebildet ist.
3. Gasdynamischer Druckwellenlader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe oder konkave Stirnfläche sphärisch ausgebildet ist.
4. Gasdynamischer Druckwellenlader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe oder konkave Stirnfläche aus zwei Kegelstumpfmantelflächen mit unterschiedlichen Kegelwinkeln ausgebildet ist.
5. Gasdynamischer Druckwellenlader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungswinkel entweder an der dem Gasgehäuse zugewandten Rotorstirnfläche (a) oder an der dem Rotor zugewandten Gasgehäusestirnfläche (b) zwischen 10' und 30' beträgt.
EP84105556A 1983-06-29 1984-05-16 Gasdynamischer Druckwellenlader für Fahrzeug-Verbrennungsmotoren Expired EP0130331B1 (de)

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CH355883 1983-06-29
CH3558/83 1983-06-29

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EP0130331A1 EP0130331A1 (de) 1985-01-09
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