Druckwellenlader

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckwellenlader nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] 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.

Stand der Technik

[0003] 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.

[0004] 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 ei e andere geometrische Auslegung der Luft-, Gas-und Hilfskanäle, insbesondere ihrer Oeffnungs- und Schliesskanten.

[0005] 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.

[0006] Zur Vermeidung dieser Nachteile wird in der EP-A-235 609 - welche einen Stand der Technik nach Art 54(3) EPUe darstellt 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

Darstellung der Erfindung

[0009] 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 eine bessere Anpassung der Fördercharakteristik des Laders an den Lastzustand des Motors zu erhalten.

[0010] Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die Kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] Der Rotor 2 ist mit einer Rotorwelle 12 fest verbunden, die durch das Luftgehäuse 3 nach aussen ragt, an ihrem freien Ende mit einer Riemenscheibe 13 drehsteif verbunden und in zwei Lagern 14 und 15 gelagert ist.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] 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.

[0018] 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.

[0019] 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.

Ansprüche

1. Druckwellenlader, mit einem am Umfang mit Zellen versehenen Rotor (2), dessen Rotorwelle (12;18+20) an einem Ende eine Riemenscheibe (13;19) trägt, die dazu bestimmt ist, über einen Riemen vom aufzuladenden Verbrennungsmotor angetrieben zu werden, der ferner ein den Rotor (2) umschliessendes Rotorgehäuse (1) sowie an dessen beiden Stirnseiten ein Gasgehäuse (4) bzw. ein Luftgehäuse (3) aufweist, jeweils mit Kanälen für die Zu- und die Abfuhr der gasförmigen Arbeitsmittel Auspuffgas bzw. Luft, wobei im Luftgehäuse (3) die Lagerelemente (14,15;17) für die Welle (12;20) des Rotors (2) untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Riemenscheibe (19) und der Rotorwelle (20) eine Freilaufkupplung (23;31) und beidseits derselben je ein Wälzlager (22;30) vorhanden sind,

daß die Kanäle für die Zu- und Abfuhr der gasförmigen Arbeitsmittel so ausgelegt sind, daß bei stationärem Zustand nach Lösen der Freilaufkupplung der Rotor des Druckwellenladers nur durch die Abgase des Verbrennungsmotors angetrieben ist, und daß in instationären Fällen, bei denen das Drehmoment der Abgase zum Selbstantrieb nicht ausreicht, der Rotor über die Riemenscheibe angetrieben ist, und daß die Freilaufkupplung so eingestellt ist, daß bis in den Bereich der Nenndrehzahl des Druckwellenladers ein Überholen möglich ist.

2. Druckwellenlader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufkupplung (23;31) ein Hülsenfreilauf ohne Innenring mit Rollen als Klemmkörper ist und dass die Lagerelemente aus je einem beidseits der Freilaufkupplung (23;31) angeordneten Rillenkugellager (22) bestehen.

3. Druckwellenlader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufkupplung (23;31) ein Hülsenfreilauf ohne Innenring mit Rollen als Klemmkörper ist und dass die Lagerelemente aus je einem beidseits der Freilaufkupplung (23;31) angeordneten Nadellager (30) bestehen.

Claims

1. Pressure wave supercharger, having a rotor (2) provided with cells on the periphery, one edge of the rotor shaft (12;18+20) of which rotor carrying a belt pulley (13;19) which is intended to be driven via a belt, by the internal combustion engine to be supercharged also having a rotor casing (1) enclosing the rotor (2) and a gas casing (4) and an air casing (3) at the two end surfaces of the rotor casing, the gas and air casings each having ducts for the supply and removal of the gaseous working media, exhaust gas and air respectively, the bearing elements (14,15;17) for the shaft (12;20) of the rotor (2) being accommodated in the air casing (3), characterised in that a freewheel clutch (23;31) and a rolling contact bearing (22;30) on each side of the same are provided between the belt pulley (19) and the rotor shaft (20), in that the ducts for the supply and removal of the gaseous working media are designed in such a way that, in the steady state, after releasing the freewheel clutch the rotor of the pressure wave supercharger is driven only by the exhaust gases of the internal combustion engine, and in that, in non-steady cases, in which the torque of the exhaust gases is not sufficient for self-drive, the rotor is driven via the belt pulley, and in that the freewheel clutch is set in such a way that overrunning is possible up to the range of the nominal speed of the pressure wave supercharger.

2. Pressure wave supercharger according to Claim 1, characterised in that the freewheel clutch (23;31) is a sleeve freewheel without inner ring with rollers as the locking bodies and the bearing elements consist of grooved ball-bearings (22) located one on each side of the freewheel clutch (23;31).

3. Pressure wave supercharger according to Claim 1, characterised in that the freewheel clutch (23;31) is a sleeve freewheel without inner ring with rollers as the locking bodies and the bearing elements consist of needle bearings (30) located one on each side of the freewheel clutch (23;31).

Revendications

1. Compresseur à ondes de pression avec un rotor (2) pourvu de cellules à sa périphérie, dont l'arbre du rotor (12; 18+20) porte à une extrémité une poulie à courroie (13; 19) qui est destinée à être entraînée par l'intermédiaire d'une courroie par le moteur à combustion à suralimenter, qui présente en plus un carter de rotor (1) entourant le rotor (2) ainsi que de part et d'autre de celui-ci un corps à gaz (4) respectivement un corps à air (3), l'un et l'autre avec des canaux pour l'admission et l'expulsion des fluides de travail gazeux, gaz d'échappement respectivement air, dans lequel les éléments de palier (14, 15; 17) pour l'arbre (12; 20) du rotor (2) sont disposés dans le corps à air (3), caractérisé en ce qu'entre la poulie à courroie (19) et l'arbre du rotor (20) sont placés un accouplement à roue libre (23; 31) ainsi que de part et d'autre de celui-ci des roulements (22; 30), en ce que les canaux pour l'admission et l'expulsion des fluides gazeux ont une configuration telle que, à l'état stationnaire après le débrayage de l'accouplement à roue libre, le rotor du compresseur n'est entraîné que par les gaz d'échappement du moteur à combustion, et en ce que, dans les cas non stationnaires, dans lesquels le couple des gaz d'échappement ne suffit pas pour assurer l'autopropulsion, le rotor est entraîné par l'intermédiaire de la poulie à courroie, et en ce que l'accouplement à roue libre est réglé de telle manière qu'un rattrapage soit possible jusque dans le domaine de la vitesse nominale du compresseur.

2. Compresseur à ondes de pression suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'accouplement à roue libre (23; 31) est une roue libre à manchon sans bague intérieure avec des rouleaux comme corps de serrage et en ce que les éléments de palier se composent chacun de roulements rainurés à billes (22) disposés de part et d'autre de l'accouplement à roue libre (23; 31).

3. Compresseur à ondes de pression suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'accouplement à roue libre (23; 31) est une roue libre à manchon sans bague intérieure avec des rouleaux comme corps de serrage et en ce que les éléments de palier se composent chacun de roulements à aiguilles (30) disposés de part et d'autre de l'accouplement à roue libre (23; 31).

Zeichnung