EP0266636A1 - Druckwellenlader - Google Patents
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- 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 present invention relates to a pressure wave charger according to the preamble of patent claim 1.
- Such a pressure wave supercharger which is mainly used as a charging device for an internal combustion engine, has a rotor provided with cells on the circumference, the rotor shaft of which carries at one end a pulley which is intended to be driven by a belt by the internal combustion engine to be charged, and also a rotor which encloses the rotor Rotor housing as well as a gas housing or on its two end faces.
- an air housing each with channels for the supply and discharge of the gaseous exhaust gas or air, whereby the bearing elements for the shaft of the rotor are accommodated in the air housing.
- the rotor of a known pressure wave supercharger of this type is driven by the internal combustion engine to be charged via the belt mentioned and the pulley, which is rigidly connected to the rotor shaft, with a constant transmission ratio.
- the rotor speed is therefore proportional to the speed of the motor, which is why we speak of a "proportional drive" in this context. Since it is with Interaction of a charger with a motor depends on the fact that it works with the best possible efficiency in the speed range predominantly used for practical operation, the geometric data of the control elements of the pressure wave charger, which are mainly decisive for the charger efficiency, i.e. essentially the opening and closing edges of the Air and gas ducts as well as the auxiliary ducts, including the gas and compression pockets, are designed for this speed range, which corresponds to approximately 50% of the nominal speed.
- this pressure wave supercharger which is designed for a preferred engine speed range that is operationally and economically most important, has the disadvantage that the pressure wave process does not run optimally in the lower and higher speed range of the engine.
- the best possible exchange of energy between the exhaust gas and the charge air requires a different geometric design of the air, gas and auxiliary ducts, in particular their opening and closing edges.
- the applicant's CH application 826 / 86-9 describes a free-running pressure wave charger driven by the gas forces.
- the rotor speed does not depend on the motor speed, but on the resulting swirl energy of all air and gas flows acting on the rotor.
- a narrower speed range of the pressure wave supercharger should be obtained than with the proportional drive.
- the measures proposed there are intended to increase the drive impulse of the exhaust gases for turning up the rotor after the engine has started, to control the speed characteristic of the rotor and to counter overspeed.
- the present invention arose from the task of avoiding the above-described disadvantages of the pressure wave charger with proportional drive and the pressure wave charger with free wheel rotor driven solely by the gas forces in a pressure wave charger, and by combining their advantages a better adaptation of the delivery characteristics of the charger to the load condition of the engine to obtain.
- the pressure wave supercharger according to the invention is characterized in that there is a one-way clutch between the pulley and the rotor shaft and a roller bearing is provided on both sides thereof.
- the pulley When the pulley is mounted on the rotor shaft in this way, it is carried along by the pulley via the clamping one-way clutch at a speed proportional to the motor speed as long as the torque exerted by the swirl energy on the rotor cells is smaller than that for the respective operating state including the share required for the transient state.
- the frictional connection between the sprags and the outer ring of the one-way clutch, which is stuck in the pulley is released and the rotor runs at a higher speed until the engine revs up due to increased fuel supply and the Has caught up the pulley over the rotor and this is driven proportionally again.
- This engagement and disengagement can basically take place over the entire speed range.
- the rotor speed is set to a value dependent on the drive energy of the exhaust gases, but the rotor speed will never drop below the value given by the gear ratio between the drive pulley of the motor and the pulley on the rotor shaft.
- 1 denotes a rotor housing, which encloses a rotor 2 and is sealed on its end faces by an air housing 3 or a gas housing 4.
- the arrow 5 indicates the entry of the intake air into a low-pressure air duct 6, which is compressed in the rotor 2 by the exhaust gases coming from the engine (not shown) and leaves the charger as charging air through a high-pressure air duct 7 running perpendicular to the duct 6 and enters the engine.
- the exhaust gas coming from the engine enters a high-pressure gas duct 9 of the gas housing 4 and flows out of it after it has released part of its energy for compressing the air in the rotor 2, through a low-pressure gas duct 10 as an exhaust gas outdoors, which is indicated by the arrow 11.
- the rotor 2 is fixedly connected to a rotor shaft 12 which protrudes through the air housing 3 to the outside, at its free end with a belt disc 13 torsionally rigid and is supported in two bearings 14 and 15.
- the rotor 2 is driven by the motor with constant transmission via the pulley 13, which is firmly connected to it, via a belt, preferably a V-belt.
- FIG. 2 The modification of such a pressure wave supercharger according to the invention is shown in FIG. 2, which essentially shows only the outer mounting in the air housing.
- a bearing flange 16 which is intended for attachment to the air housing, not shown, receives a schematically drawn roller bearing 17 on the free end of the rotor shaft 18.
- the pulley 19 is mounted on a shaft journal 20 which is concentric with the rotor shaft 18 and which is screwed into the shaft 18 by a threaded journal 21, on two deep groove ball bearings 22 and a one-way clutch 23 arranged between them.
- a nut 24 at the free end of the shaft journal 20 braces the two bearings 22 and the one-way clutch 23 arranged between them against the end face of the rotor shaft 18.
- a protective cap 25 pressed into the free end of the pulley 19 prevents contaminants from penetrating into the pulley bearing.
- FIG. 3 shows an enlarged section of the one-way clutch 23 from FIG. 2.
- This one-way clutch of known design has rollers 26 as the clamping body, which are held by a cage 27 in such a way that they oppose each other with the play required for the clamping action and the decoupling can move the outer ring 28 in the circumferential direction.
- the rollers 26 are pressed into the clamping position by leaf springs 29, which consist of short lobes bent from the cage, the pretensioning force being set such that an overtaking of the pulley which is inevitably driven by the motor is possible up to the range of the nominal speed. 3 does not have an inner ring, so the rollers run directly on the hardened shaft journal 20.
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckwellenlader nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Ein solcher, vorwiegend als Aufladegerät für einen Verbrennungsmotor verwendeter Druckwellenlader weist einen am Umfang mit Zellen versehenen Rotor auf, dessen Rotorwelle an einem Ende eine Riemenscheibe trägt, die dazu bestimmt ist, über einen Riemen vom aufzuladenden Verbrennungsmotor angetrieben zu werden, ferner ein den Rotor umschliessendes Rotorgehäuse sowie an dessen beiden Stirnseiten ein Gasgehäuse bwz. ein Luftgehäuse, jeweils mit Kanälen für die Zu- und die Abfuhr der gasförmigen Arbeitsmittel Auspuffgas bzw. Luft, wobei im Luftgehäuse die Lagerelemente für die Welle des Rotors untergebracht sind.
- Der Rotor eines bekannten Druckwellenladers dieser Bauart, wie er beispielsweise in der CH-Patentschrift 633 619 beschrieben ist, wird vom aufzuladenden Verbrennungsmotor über den erwähnten Riemen und die drehsteif mit der Rotorwelle verbundene Riemenscheibe mit konstantem Uebersetzungsverhältnis angetrieben. Die Rotordrehzahl ist demnach also proportional der Drehzahl des Motors, weshalb in diesem Zusammenhang von einem "Proportionalantrieb" gesprochen wird. Da es beim Zusammenwirken eines Aufladegerätes mit einem Motor darauf ankommt, dass er in dem für den praktischen Betrieb überwiegend benutzten Drehzahlbereich mit möglichst gutem Wirkungsgrad arbeitet, werden die geometrischen Daten der hauptsächlich für den Laderwirkungsgrad massgeblichen Steuerorgane des Druckwellenladers, das sind im wesentlichen die Oeffnungs- und Schliesskanten der Luft- und Gaskanäle sowie die Hilfskanäle, u.a. die Gas- und Kompressionstaschen, für diesen Drehzahlbereich ausgelegt, der etwa 50 % der Nenndrehzahl entspricht.
- Dieser für einen bevorzugten, und zwar betrieblich und wirtschaftlich wichtigsten Motordrehzahlbereich ausgelegte Druckwellenlader hat aber den Nachteil, dass der Druckwellenprozess im niedrigen und höheren Drehzahlbereich des Motors nicht optimal abläuft. In diesen Bereichen verlangt nämlich ein bestmöglicher Energieaustausch zwischen dem Abgas und der Ladeluft eine andere geometrische Auslegung der Luft-, Gas- und Hilfskanäle, insbesondere ihrer Oeffnungs- und Schliesskanten.
- Andernfalls treten nämlich im unteren Drehzahlbereich unerwünschte Pulsationen im Ladeluftstrom, eine zu starke Abgasrezirkulation in die Ladeluft, ein träges Ansprechverhalten des Rotors und eine Einbusse an Wirkungsgrad auf. Letzteres ist auch für den Drehzahlbereich oberhalb der Auslegedrehzahl der Fall.
- Zur Vermeidung dieser Nachteile wird in der CH-Anmeldung 826/86-9 der Anmelderin ein durch die Gaskräfte angetriebener, freilaufender Druckwellenlader beschrieben. Im Gegensatz zum Proportionalantrieb ist bei diesem Konzept die Rotordrehzahl nicht von der Motordrehzahl, sondern von der resultierenden Drallenergie aller auf den Rotor wirkenden Luft- und Gasströme abhängig. Durch verschiedene Gestaltungsmassnahmen an den luft-, Gas- und Hilfskanälen in Verbindung mit Düsen, die bei bestimmten Betriebszuständen zur Wirkung kommen, soll ein engerer Drehzahlbereich des Druckwellenladers als beim Proportionalantrieb erhalten werden. Im besonderen bezwecken die dort vorgeschlagenen Massnahmen eine Erhöhung des Antriebsimpulses der Abgase zum Hochdrehen des Rotors nach dem Starten des Motors, eine Steuerung der Drehzahlcharakteristik des Rotors und das Abfangen von Ueberdrehzahlen.
- Ein befriedigendes Funktionieren dieser Konzeption setzt jedoch ein möglichst geringes Massenträgheitsmoment des Rotors voraus, das das instationäre Verhalten des Laders beeinflusst. Bei einem zu grossen Massenträgheitsmoment vermag der Rotor nämlich schnellen Drehzahländerungen des Fahrzeugmotors nicht genügend schnell zu folgen, woraus sich ein gewisser Ansprechverzug für den Lader ergibt. Für das verhältnismässig grosse Massenträgheitsmoment der üblichen Rotoren ist der üblicherweise verwendete Gusswerkstoff von relativ hohem spezifischen Gewicht verantwortlich.
- Dieser Nachteil wird sich vermeiden lassen, sobald erprobte, spezifisch leichtere Werkstoffe verfügbar sind, die sich problemlos zur Herstellung der dünnwandigen Rotoren, die mit grosser Präzision gefertig werden müssen, eignen und auch bezüglich ihrer sonstigen thermischen und mechanischen Eigenschaften den Beanspruchungen in einem Druckwellenlader gewachsen sind.
- Die vorliegende Erfindung entstand aus der Aufgabe, bei einem Druckwellenlader die vorstehend beschriebenen Nachteile des Druckwellenladers mit Proportionalantrieb und des nur alleine durch die Gaskräfte angetriebenen Druckwellenladers mit Freilaufrotor zu vermeiden und durch eine Kombination ihrer Vorteile eine bessere Anpassung der Fördercharakteristik des Laders an den Lastzustand des Motors zu erhalten.
- Der erfindungsgemässe Druckwellenlader ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Riemenscheibe und der Rotorwelle eine Freilaufkupplung und beidseits derselben je ein Wälzlager vorhanden ist.
- Bei einer solchen Lagerung der Riemenscheibe auf der Rotorwelle wird diese von der Riemenscheibe über die klemmende Freilaufkupplung so lange mit einer zur Motordrehzahl proportionalen Drehzahl mitgenommen, wie das von der Drallenergie auf die Rotorzellen ausgeübte Drehmoment kleiner ist, als das für den jeweiligen Betriebszustand einschliesslich des Anteils für den instationären Zustand erforderliche. Sobald aber das Drehmoment der Luft- und Gaskräfte dazu ausreicht, löst sich der Kraftschluss zwischen den Klemmkörpern und dem in der Riemenscheibe festsitzenden Aussenring der Freilaufkupplung und der Rotor läuft so lange mit höherer Drehzahl, bis der Motor durch erhöhte Kraftstoffzufuhr wieder auf Touren kommt und die Riemenscheibe über den Rotor eingeholt hat und dieser wieder proportional angetrieben wird. Dieses Ein- und Auskuppeln kann grundsätzlich über den ganzen Drehzahlbereich stattfinden. Nach Lösen der Freilaufkupplung stellt sich aber die Rotordrehzahl auf einen von der Antriebsenergie der Abgase abhängigen Wert ein, die Rotordrehzahl wird aber nie unter den vom Uebersetzungsverhältnis zwischen der Antriebsriemenscheibe des Motors und der Riemenscheibe auf der Rotorwelle gegebenen Wert absinken.
- Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1 den schematischen Aufbau eines konventionellen Druckwellenladers mit Proportionalriemenantrieb,
- Fig. 2 die erfindungsgemässe Lagerung einer Riemenscheibe auf der Rotorwelle,
- Fig. 3 ein Detail der Freilaufkupplung, und die
- Fig. 4 einen Ausschnitt aus einer vereinfachten erfindungsgemässen Lagerung der Riemenscheibe auf der Rotorwelle.
- Bei dem in Fig. 1 in einem schematischen Längsschnitt dargestellten Druckwellenlader bezeichnet 1 ein Rotorgehäuse, das einen Rotor 2 umschliesst und an seinen Stirnseiten von einem Luftgehäuse 3 bzw. einem Gasgehäuse 4 abgeschlossen ist. Der Pfeil 5 deutet den Eintritt der Ansaugluft in einen Niederdruckluftkanal 6 an, die im Rotor 2 durch die aus dem nicht dargestellten Motor kommenden Abgase verdichtet wird und durch einen senkrecht zum Kanal 6 verlaufenden Hochdruckluftkanal 7 als Ladeluft den Lader verlässt und in den Motor gelangt. Das aus dem Motor kommende Abgas tritt, wie durch den Pfeil 8 angedeutet, in einen Hochdruckgaskanal 9 des Gasgehäuses 4 ein und strömt aus diesem, nachdem es einen Teil seiner Energie zur Verdichtung der Luft im Rotor 2 abgegeben hat, durch einen Niederdruckgaskanal 10 als Auspuffgas ins Freie, was durch den Pfeil 11 angedeutet ist.
- Der Rotor 2 ist mit einer Rotorwelle 12 fest verbunden, die durch das Luftgehäuse 3 nach aussen ragt, an ihrem freien Ende mit einer Rie menscheibe 13 drehsteif verbunden und in zwei Lagern 14 und 15 gelagert ist.
- Bei diesem konventionellen Druckwellenlader wird also der Rotor 2 über die mit ihm festverbundene Riemenscheibe 13 über einen Riemen, vorzugsweise einen Keilriemen, vom Motor mit konstanter Uebersetzung angetrieben.
- Die erfindungsgemässe Modifikation eines solchen Druckwellenladers ist in Fig. 2, die im wesentlichen nur die äussere Lagerung im Luftgehäuse zeigt, dargestellt. Ein Lagerflansch 16, der zur Befestigung am nicht dargestellten Luftgehäuse bestimmt ist, nimmt ein schematisch gezeichnetes Wälzlager 17 auf dem freien Ende der Rotorwelle 18 auf. Die Riemenscheibe 19 ist auf einem zur Rotorwelle 18 konzentrischen Wellenzapfen 20, der durch einen Gewindezapfen 21 in der Welle 18 verschraubt ist, auf zwei Rillenkugellagern 22 und einer zwischen diesen angeordneten Freilaufkupplung 23 gelagert. Eine Mutter 24 am freien Ende des Wellenzapfens 20 verspannt die zwei Lager 22 und die dazwischen angeordnete Freilaufkupplung 23 gegen die Stirnseite der Rotorwelle 18. Eine am freien Ende der Riemenscheibe 19 eingepresste Schutzkappe 25 verhindert das Eindringen von Verunreinigungen in die Riemenscheibenlagerung.
- Einen vergrösserten Ausschnitt aus der Freilaufkupplung 23 von Fig. 2 zeigt die Fig. 3. Diese Freilaufkupplung bekannter Bauart hat als Klemmkörper Rollen 26, die von einem Käfig 27 so gehalten werden, dass sie sich mit dem für die Klemmwirkung und die Entkupplung erforderlichen Spiel gegenüber dem Aussenring 28 in Umfangsrichtung bewegen können. Die Rollen 26 werden von Blattfedern 29, die aus vom Käfig abgebogenen kurzen Lappen bestehen, in die Klemmstellung gedrückt, wobei die Vorspannkraft so einzustellen ist, dass bis in den Bereich der Nenndrehzahl ein Ueberholen der vom Motor zwangsläufig angetriebenen Riemenscheibe möglich ist. Die Bauart nach Fig. 3 besitzt keinen Innenring, die Rollen laufen also direkt auf dem gehärteten Wellenzapfen 20.
- Es sind natürlich auch alle anderen Bauarten von Freilaufkupplungen, mit oder ohne Innenring, für den vorliegenden Zweck verwendbar. Die in Fig. 3 gezeigte Bauart ist jedoch besonders platzsparend und wegen der anzustrebenden möglichst kompakten Abmessungen von Druckwellenladern für Kraftfahrzeugmotoren zu bevorzugen. Diesbezüglich noch günstiger ist die Ausführung nach Fig. 4, bei der eine Freilaufkupplung 23 der vorstehend beschriebenen Art mit zwei Nadellagern 30, ebenfalls ohne Innenring und von gleichem Aussendurchmesser wie die Freilaufkupplung 31 anstelle von Ringkugellagern nach Fig. 3 kombiniert ist.
- Diese Konzeption mit dem Proportionalantrieb der Riemenscheibe und einer Freilaufkupplung zwischen dieser und der Rotorwelle ermöglicht es, die Steuerkanten der Kanäle gegenüber dem reinen Proportionalantrieb für höhere Rotordrehzahlen auszulegen, woraus im gesamten unteren und mittleren Motordrehzahlbereich ein besserer Wirkungsgrad, eine verringerte Leerlaufrezirkulation und Pulsationsempfindlichkeit sowie ein verbessertes Ansprechverhalten resultieren. Als baulicher Vorteil ergibt sich, dass kleinere Abgassammler verwendet werden können. Der obere Rotordrehzahlbereich lässt sich auf ein tieferes Niveau abstimmen, was ebenfalls den Wirkungsgrad verbessert.
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