WENGER URS (CH)
SMATLOCH CHRISTIAN (DE)
GLITZ GEORG (DE)
WENGER URS (CH)
SMATLOCH CHRISTIAN (DE)
DD285397A5 | 1990-12-12 | |||
EP0498825B1 | 1994-04-27 | |||
GB920624A | 1963-03-13 | |||
DE3906551A1 | 1990-09-06 | |||
DE1056094B | 1959-04-30 |
Patentansprüche
1. Gasdynamische Druckwellenmaschine zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Zellenrotor (1), der zwischen einer Zuleitung für Ladeluft und einer Abgasleitung für Verbrennungsgase angeordnet ist, wobei der Außenumfang des Zellenrotors (1) von seiner Abgasseite (3) zu seiner Ladeluftseite (4) hin zunimmt, dadurch gekennzeichnet, dass eine in Radialrichtig gemessene Höhe einer Zelle des Zellenrotors (1 ) in Längserstreckung des Zellenrotors (1 ) konstant bleibt, wobei die Querschnittsfläche der einzelnen Zellen von der Abgasseite zur Ladeluftseite hin zunimmt.
2. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Zellenrotor (1 ) kegelstumpfförmig ist.
3. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Außenmantel (2) des Zellenrotors (1) in Längserstreckung des Zellenrotors (1 ) gekrümmt ist.
4. Druckwellenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung des Außenmantels (2) von der Abgasseite (3) zur Ladeluftseite (4) zunimmt.
5. Druckwellenmaschein nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel (2) in Längserstreckung des Zellenrotors (1 ) parabolisch gekrümmt ist.
6. Druckwellenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellenrotor (1 ) aus Halbzeugen unterschiedlicher Werkstoffe zusammengebaut ist.
7. Druckwellenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellenrotor (1 ) von seiner Abgasseite (3) zu seiner Ladeluftseite (4) erstreckende Zellentrennwände (15) aufweist, wobei die Zellentrennwände (15) aus Blechelementen bestehen, die mit einem Innenmantel (9, 10) und einem Außenmantel (2, 9') verbunden sind.
8. Druckwellenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellentrennwände (15) eine Wandstärke von 0,05 bis 1 ,0 mm besitzen.
9. Druckwellenmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellentrennwände (15) stoffschlüssig durch Löten oder Schweißen mit dem Innenmantel (9, 10) und/oder dem Außenmantel (2, 9 1 ) verbunden sind.
10. Druckwellenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellentrennwände (15) formschlüssig mit dem Innenmantel (9, 10) und/oder dem Außenmantel (2, 9') verbunden sind.
11. Druckwellenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellentrennwände (15) abwechselnd im Bereich ihres Außenmantels (2, 9 1 ) und im Bereich des Innenmantels (9, 10) miteinander verbunden sind und Bestandteile eines sich in Umfangsrichtung des Zellenrotors (1 ) erstreckenden, mäanderförmig gestalteten Zellenblechs sind.
12. Druckwellenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellentrennwände (15) im Querschnitt doppelt- Z-förmig konfiguriert sind.
13. Druckwellenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass 1 bis 3 konzentrische Zellenringe (7, 8) vorgesehen sind, wobei benachbarte Zellenringe (7, 8) durch ein konzentrisches Mantelelement (9, 9') voneinander getrennt sind.
14. Druckwellenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Umfangserstreckung voneinander abweichende Zellen (11-14) unregelmäßig über den Umfang des Zellenrotors (1 ) verteilt sind.
15. Druckwellenmaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die relativen Abweichungen in der Umfangserstreckung zwischen den Zellen (11-14) jeweils eines Zellenrings (7, 8) gleich sind.
16. Druckwellenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (11-14) im Querschnitt Kreisringstücke sind.
17. Druckwellenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenumfang des Zellenrotors (1 ) wenigstens ein Wuchtring angeordnet ist.
18. Druckwellenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellentrennwände (15) zumindest teilweise eine angeraute Oberflächenstruktur besitzen.
19. Druckwellenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellentrennwände (15) zumindest teilweise mit einer katalytischen Beschichtung versehen sind. |
Gasdynamische Druckwellenmaschine
Die Erfindung betrifft eine gasdynamische Druckwellenmaschine zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Verbrennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge werden zur Erhöhung ihres Wirkungsgrades aufgeladen, d.h. der Füllungsgrad wird verbessert. Aufgeladene Motoren haben bei geringerem Hubraum einen geringeren spezifischen Verbrauch als Saugmotoren gleicher Leistung.
Aufladesysteme, die gasdynamische Prozesse in geschlossenen Gaskanälen erzeugen und zur Aufladung nutzen, werden im Allgemeinen als Druckwellenlader oder Druckwellenmaschinen bezeichnet. üblicherweise werden die bei Druckwellenmaschinen zum Einsatz kommenden Zellenrotoren aus gegossenem Material hergestellt. Die Zellenrotoren sind zylindrisch gestaltet und besitzen zumeist axial gerade, querschnittskonstant verlaufende Kanäle, die sich von der Heißgas- zur Kaltgasseite erstrecken. Es ist bekannt, bei Druckwellenladern, die als Ladeluftverdichter für Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, den Rotor aktiv anzutreiben. Durch die EP 0 235 609 A1 zählt allerdings auch ein durch die Gaskräfte angetriebener, freilaufender
Druckwellenlader zum Stand der Technik. Der Zellenrotor weist achsparallele oder schräg zur Rotorachse liegende oder schraubenförmig verwundene Zellentrennwände auf. Der Antrieb des Zellenrotors erfolgt durch die Beaufschlagung der Zellentrennwände durch Hochdruckabgase, die über Gaskanäle in einem entsprechenden Beaufschlagungswinkel in das Rotorgehäuse einmünden und durch den Eintritt des Abgases den Zellenrotor in Rotation versetzen.
Aus der DD 285 397 A5 ist eine gasdynamische Druckwellenmaschine mit nicht konstantem Zellenquerschnitt bekannt. Durch den sich verändernden Querschnitt sollen die wichtigsten gasdynamischen Parameter gegenüber denen von zylindrischen Rotoren verbessert werden. Eine änderung der radialen Zellenhöhe mit der Rotorlänge x um den Betrag 2ax b mit a=0,03 bis 0,1 und b=1 ,5 bis 2,5 soll verbesserte Ergebnisse liefern.
Aus der DE 690 08 541 T2 ist ein Druckaustauscher mit einem kegelstumpfförmigen Rotor bekannt. Die radiale Höhe der einzelnen Rotorzellen variiert in Längsrichtung des Rotors. In der EP 0 431 433 A1 wird ein Druckaustauscher für eine Verbrennungskraftmaschine aufgezeigt, wobei der Druckaustauscher eine erhöhte Spülenergie aufweisen soll. Die einzelnen Zellen des Zellenrotors sollen entlang ihrer Längsachsen in der Regel einen konstanten Querschnitt aufweisen, was auf Grund der Neigung der Zellen gegenüber der Längsachse des Rotors nur dadurch gelingt, dass die Zellenhöhe abnimmt.
Aerodynamische Druckwellenmaschinen zählen auch durch die DE 1 428 029 B zum Stand der Technik, bei welcher zylindrische Rotoren zum Einsatz kommen. Die einzelnen Zellen können mit einem Deckband und einer Nabe mechanisch, durch Schweißen oder durch Löten verbunden sein. Auch ist die Fertigung der Zellen aus Kastenprofilen oder einem mäanderartig gebogenen Band möglich. Aus der GB 1 058 577 A ist es bekannt, mehrere konzentrische Zellenringe vorzusehen. Auch hinsichtlich der Zellengeometrie gibt es verschiedene Ansätze. In der GB 920 624 A wird vorgeschlagen, die
Zellentrennwände aus Z-förmig gebogenen Blechen aufzubauen. Die einzelnen Zellen können auch wabenartig konfiguriert sein, wie in der GB 840 408 A aufgezeigt wird. Wenn die Zellen in mehreren konzentrischen Ringen angeordnet sind, ist es entsprechend der Lehre der GB 920 908 möglich, Zellenquerschnitte vorzusehen, die sich von Ring zu Ring unterscheiden.
Zur Verbesserung der katalytischen Effekte für die Abgase bei mittels
Druckwellenmaschinen aufgeladenen Verbrennungsmotoren wird in der
EP 0 143 956 A1 vorgeschlagen, die Zellen des Zellenrades mit einem Katalysator-Material zu beschichten.
Problematisch an heutigen Systemen ist das thermische Belastungskollektiv, dem die gesamte Bauteilgeometrie des Zellenrotors unterliegt. So finden sich auf der Heißgasseite des Zellenrotors Temperaturen von bis zu 1.100 0 C und auf der Kaltgasseite Temperaturen von maximal 200 0 C. Ein thermisch verursachter Bauteilverzug und ein daraus resultierender suboptimaler Wirkungsgrad sind die Folge. Probleme treten insbesondere bei der Spaltmaßhaltigkeit zwischen den gasführenden Elementen auf.
Bei den regelmäßig axial gerade verlaufenden Gaskanälen sind die Gaseintrittswinkel nicht optimal. Gegossene Zellenrotoren besitzen zudem ein hohes Trägheitsmoment, bedingt durch relativ große Wandstärken. Zudem ist die gießtechnische Herstellung feiner Zellstrukturen sehr kostenintensiv. Die Gussfertigung macht zudem relativ teure Kontrollverfahren erforderlich und bringt hohe Ausschussraten mit sich.
Auf Grund der fertigungstechnischen Schwierigkeiten und unter Berücksichtigung der Anforderungsprofile an Druckwellenlader ist die wirtschaftliche Herstellung eines Zellenrotors unter Berücksichtigung aller Anforderungen im industriellen Maßstab sehr problematisch.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine gasdynamische Druckwellenmaschine zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere im Hinblick auf die Gestaltung des
Zellenrotors, in fertigungstechnischer Hinsicht zu optimieren und den Wirkungsgrad der Druckwellenmaschine zu erhöhen.
Diese Aufgabe ist bei einer gasdynamischen Druckwellenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Der Kerngedanke der Erfindung ist darin zu sehen, dass der Außenumfang des Zellenrotors von seiner Abgasseite zu seiner Ladeluftseite hin zunimmt. Diese im Ergebnis nicht-zylindrische Gestaltung des Zellenrotors bringt die Möglichkeit mit sich, gebaute, d.h. nicht-gegossene, Zellenrotoren mit hoher Fertigungsgenauigkeit kostengünstig herzustellen. Der Grund ist, dass die einzelnen Zellentrennwände zwischen einander benachbarten Zellen unter Einhaltung enger Maßtoleranzen, insbesondere unter Einhaltung enger Fügespalte, mit den die Zellen radial innen- und außenseitig begrenzenden Mantelelementen, d.h. außenseitig mit einem Außenmantel und innenseitig mit einem Innenmantel, verbunden werden können. Durch die nicht-zylindrische Außenkontur des Zellenrotors kann ein zuvor gefertigter Außenmantel gewissermaßen über die einzelnen Zellentrennwände gestülpt werden kann, so dass durch Verlagerung des Außenmantels oder auch des Innenmantels in Längserstreckung des Zellenrotors der Fügespalt minimal wird, was ein kostengünstiges, zuverlässiges und sehr präzises Verbinden der einzelnen Bauteile, insbesondere durch Lötprozesse oder Schmelzschweißprozesse, ermöglicht. Die Mantelelemente des Zellenrotors können daher etwas länger gestaltet sein als die einzelnen Zellentrennwände, um durch Relatiwerlagerung in Richtung der gemeinsamen Längsachse zu gewährleisten, dass der Fügespalt möglichst klein wird.
Die nicht-zylindrische Außenkontur des Zellenrotors ermöglicht zudem eine Selbstzentrierung der Mantelelemente während des Fügevorgangs. Wollte man zylindrische Zellenrotoren bauen, mussten hingegen deutlich engere
Toleranzbereiche eingehalten werden, um umfangsseitig gleich bleibend geringe Fügespalte realisieren zu können.
Der Zellenrotor ist vorzugsweise kegelstumpfförmig ausgebildet. Diese Angabe bezieht sich auf seine Außengeometrie. Die Form der Außengeometrie bestimmt auch die Innengeometrie des Zellenrotors, da die in Radialrichtung gemessene Höhe einer Zelle über die Längserstreckung des Zellenrotors konstant bleiben soll. Dennoch nimmt die Querschnittsfläche der einzelnen Zellen von der Abgasseite zur Ladeluftseite hin zu, da die Kreisringfläche eines Zellenrings von der Ladeluftseite zur Abgasseite ebenfalls zunimmt, wobei die Anzahl der Zellen jedoch konstant bleibt. Die Vergrößerung der Querschnittsfläche in Richtung zur Abgasseite führt zu einer Reduzierung der Geschwindigkeit des Verbrennungsgases innerhalb einer Zelle und damit zu einem Druckanstieg, wodurch der durch die Druckwellenmaschine erreichte Wirkungs- und Aufladegrad erhöht werden kann.
Die erfindungsgemäßen Vorteile kommen nicht nur bei kegelstumpfförmigen Zellenrotoren zum Tragen, sondern auch dann, wenn der Außenmantel des Zellenrotors in Längserstreckung des Zellenrotors gekrümmt ist und dementsprechend auch sämtliche Zellen in ihrer Längserstreckung gekrümmt sind, in dem Sinne, dass sie auf der Kaltgasseite im größeren Abstand zur Rotationsachse des Zellenrotors verlaufen als auf der von Abgas beaufschlagten Heißgasseite. Die Krümmung kann über die Längserstreckung des Zellenrotors konstant sein. Vorzugsweise nimmt die Krümmung des Außenmantels von der Abgasseite zur Ladeluftseite hin zu. Die Mantelfläche kann daher in Längserstreckung des Zellenrotors parabolisch gekrümmt sein bzw. einen parabolischen Rotationskörper bilden. Theoretisch ist es auch möglich, gerade oder gekrümmte Kurvenabschnitte, d.h. solche mit konstanter und variabler Steigung, aneinander zu reihen mit dem Ergebnis, dass der Außenumfang des Zellenrotors von seiner Abgasseite zu seiner Ladeluftseite hin zunimmt. In jedem Fall soll aber die Höhe der Zellen konstant bleiben.
In praktischer Umsetzung kann der Winkel zwischen der Rotationsachse bzw. Längsachse des Zellenrotors und seinem Außenmantel bis zu 50° betragen. Der Winkel kann in Abhängigkeit von der Krümmung bzw. Steigung des Außenmantels variieren. Der Winkel ist vorzugsweise größer als 20°.
Der Zellenrotor kann aus Halbzeugen unterschiedlicher Werkstoffe zusammengebaut sein. Das heißt es können insbesondere metallische Werkstoffe, insbesondere Stähle unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften, zum Einsatz kommen. Beispielsweise können die einzelnen Zellen aus Dünnblechelementen gebildet sein. Hierbei kann das aus den Zellentrennwänden gebildete Gasleitgitter aus gebogenen, dünnen Blechelementen hergestellt und mit den äußeren und inneren tragenden Strukturelementen, d.h. einem Außenmantel und einem Innenmantel, verbunden sein. Die feinstrukturierten Zellentrennwände bestehen bevorzugt aus einer dünnen Edelstahlfolie mit Wandstärken, die in einem Bereich von 0,05 - 1 ,0 mm liegen können.
Der Mantel kann aus einem durch konisches Aufweiten eines zylindrischen Rohrbauteils, d.h. durch Kaltumformung, hergestellt werden. Die Auswahl anforderungsgerechter Werkstoffe ermöglicht eine Reduzierung der Masse und in Relation zu Gussbauteilen eine signifikante Reduzierung des Massenträgheitsmoments. Gleichzeitig können die durch die einzelnen Zellentrennwände resultierenden Versperr- und Blindflächen weitestgehend reduziert werden, wobei ein Optimum zwischen möglichst vielen Zellen und möglichst geringer Blindfläche bzw. Versperrfläche angestrebt wird. Das optimale Verhältnis der Querschnittsflächen der Zellen zu der Querschnittsfläche der einzelnen Zellentrennwände ist im Wesentlichen materialabhängig, da die einzelnen Zellentrennwände starken mechanischen und thermischen Belastungen unterliegen.
Da für die Zellentrennwände Halbzeuge mit sehr geringer Wandstärke eingesetzt werden, ist die erfindungsgemäße Bauform des Zellenrotors
umfangsseitig geschlossen. Je nach Größe des Rotors können 1 bis 3 konzentrische Zellenringe, die durch konzentrische Mantelelemente voneinander getrennt sind, vorgesehen sein. Bei mehreren Zellenringen ist das die Zellenringe trennende Mantelelement gleichzeitig Außenmantel für den inneren Zellenring und Innenmantel für den äußeren Zellenring.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung ist die reduzierte Geräuschentwicklung der Druckwellenmaschine. Ein Zellenrotor besitzt üblicherweise über seinem gesamten Umfang gleich große Zellenquerschnitte. Es besteht allerdings die Gefahr, dass es in Verbindung mit Verbrennungskraftmaschinen zu stehenden Wellen innerhalb des Zellenrotors und dadurch zu Lärmentwicklung durch Resonanzschwingungen kommt. Bei dem erfindungsgemäßen Zellenrotor ist es möglich, auf die jeweilige Verbrennungskraftmaschine abgestimmte Druckwellenmaschinen zu bauen, indem in der Umfangserstreckung voneinander abweichende Zellen unregelmäßig über den Umfang des Zellenrotors verteilt angeordnet werden. Mit anderen Worten kann die Lärmentwicklung durch Variation der Abstände zwischen den einzelnen Zellentrennwänden extrem eingeschränkt oder sogar verhindert werden. Durch die Variation der Abstände kann die Schalldruckwelle aus dem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine durch die Vielzahl der einzelnen Zellen gewissermaßen zerhackt werden, so dass austrittsseitig des Zellenrads ein gleichmäßiger Austrittsgasstrom entsteht, der nur geringe Druckschwankungen und damit minimale Schallemissionen aufweist. Der besondere Vorteil gegenüber gusstechnisch hergestellten Zellenrotoren ist, dass durch Veränderung der Position einzelner Zellentrennwände Resonanzschwingungen fertigungstechnisch einfach und zugleich kostengünstig eingeschränkt oder verhindert werden können.
Bezüglich der Verteilung der Zellen über den Umfang ist eine möglichst unregelmäßige Abfolge von Zellen unterschiedlicher Breite bzw. unterschiedlicher Umfangserstreckung vorgesehen. Im einfachsten Fall sind zwei unterschiedlich breite Zellen ungleichmäßig, d.h. mit einem möglichst unregelmäßigen Muster, über den Umfang des Zellenrotors verteilt, um
Wiederholungen und damit die Möglichkeit, zu Resonanzschwingungen angeregt zu werden, zu vermeiden. Die unregelmäßige Verteilung der Zellen über den Umfang bezieht sich nicht nur auf einen einzelnen Zellenring, sondern auf die Zellen aller Zellenringe. Hierbei kann es günstig sein, wenn die relativen Abweichungen in der Umfangserstreckung zwischen den Zellen jeweils eines Zellenrings gleich sind. Wenn sich die Zellen eines Zellenrings beispielsweise in einem über 2° und im anderen Fall über 3,5° erstrecken, so gilt dieses Verhältnis auch für die Zellen weiterer Zellenringe. Bevorzugt handelt es sich bei den Zellen im Querschnitt um Kreisringstücke.
Bei dem erfindungsgemäßen Zellenrotor können Wuchtringe vorgesehen sein, die bevorzugt auf beiden Enden des Zellenrads montiert werden. Die Wuchtringe dienen einerseits zur Abstützung des filigranen Zellensystems und erfüllen des Weiteren eine Dichtfunktion zu den angrenzenden Abgasleitungen bzw. Ladeluftleitungen. über die Wuchtringe ist ein zusätzliches Fixieren des Außenmantels möglich. Die Wuchtringe dienen auch dazu, ungleichmäßige Masseverteilungen zu kompensieren.
Ferner wird als vorteilhaft angesehen, wenn die Oberfläche der Zellentrennwände zur Minimierung der Gasreibung an den Zellentrennwänden gezielt angeraut ist. Diese angeraute Oberflächenstruktur führt zu einer strömungstechnischen Grenzschichtminimierung und zu einer Verbesserung der Strömungsverhältnisse innerhalb der einzelnen Zellen. Auch dieses Merkmal der angerauten Oberflächenstruktur lässt sich bei gebauten Zellenrädern relativ einfach und kostengünstig realisieren im Gegensatz zu Gusslösungen.
Ferner ist es möglich, die Zellentrennwände zumindest teilweise mit einer katalytischen Beschichtung zu versehen, die bereits während der Aufladung des Abgases weitere Abgasreinigungsprozesse bewirkt.
Der erfindungsgemäße Zellenrotor kann hinsichtlich des Eintrittswinkels des Gasstroms durch schräg zur Drehrichtung verlaufende Zellenwände in Drehung
versetzt werden. Die Zellenwände können achsparallel oder schräg zur Rotorachse liegen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Druckwellenmaschine ist, dass bei gleichbleibender Länge der Gaskanäle bzw. der einzelnen Zellen die Baulänge des Zellenrotors insgesamt verkürzt werden kann. Dieser Effekt ist umso ausgeprägter, je größer der Winkel zwischen der Mittellängsachse des Zellenrotors und dem Außenmantel ist.
Der ganz entscheidende Vorteil der Erfindung ist in der verbesserten Herstellbarkeit des Zellenrotors zu sehen. Die stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Außenmantel bzw. dem Innenmantel verbundenen Zellentrennwände lassen sich mit hoher Präzision kostengünstig fügen. Das Zellensystem kann beispielsweise mechanisch mit den benachbarten Mantelelementen verbunden werden. Als besonders günstig werden Lötprozesse angesehen. Mögliche Maßdifferenzen lassen sich durch nichtzylindrische Ausgestaltung, insbesondere durch Konizität der Bauteile, weitestgehend reduzieren. Zudem ist eine Nachjustierbarkeit auf Grund der Selbstzentrierung einzelner Komponenten der Druckwellen des Zellenrotors möglich, ebenso wie Prozessänderungen bei der Herstellung des Zellenrotors sowie Geometrieveränderungen flexibler und in kürzerer Zeit möglich sind.
Das tragende Innensystem des Zellenrotors kann durch spanende Fertigung hergestellt werden. Es handelt sich hierbei um eine Welle mit entsprechenden Lagerungsmitteln, an der auch entsprechende Abdichtmittel vorgesehen sind.
Grundsätzlich können zur Herstellung der einzelnen Komponenten des Zellenrotors Herstellungsverfahren wie Biegen, Tiefziehen oder Hydroformen zum Einsatz kommen, wobei die Wahl des Fertigungsverfahrens wesentlich von der Bauteilgeometrie abhängig ist. Hierbei bestehen insbesondere bei der Ausbildung der Zellen vielfältige Möglichkeiten. Als besonders günstig wird es angesehen, wenn die Zellentrennwände abwechselnd im Bereich des Außenmantels und im Bereich des Innenmantels miteinander verbunden sind und Bestandteile eines sich in Umfangsrichtung des Zellenrotors
erstreckenden, mäanderförmig gestalteten Zellenblechs sind. Ein solches Zellenblech wird bei der Montage auf Grund der geringen Wandstärken in die gewünschte nicht-zylindrische Form, insbesondere eine Kegelform, gebracht und mit dem Außenmantel sowie dem Innenmantel gefügt.
Alternativ können auch einzelne Zellentrennwände verbaut werden, insbesondere solche, die im Querschnitt Z-förmig konfiguriert sind. Der jeweils obere und untere Schenkel einer Z-förmigen Zellentrennwand dient zur Fügung mit dem Außenmantel bzw. dem Innenmantel.
Auch doppelt-Z-förmig konfigurierte Zellentrennwände sind denkbar, wobei der mittlere Querschnitt derartig konfigurierter Zellentrennwände gewissermaßen einen Mantel bildet, der sich zwischen dem radial außenliegenden und radial innenliegenden Bereich der Zellentrennwände bzw. der Zellen erstreckt und somit gewissermaßen einen Trennmantel bildet.
Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Zellentrennwände Bestandteil von im Querschnitt U-förmig profilierten Zellenelementen sind, d.h. ganz allgemein Bestandteil von offenen Hohlprofilen sind. Alternativ ist es auch denkbar, dass die Zellentrennwände Bestandteil von dünnwandigen, geschlossenen Hohlprofilen sind. Beispielsweise könnte eine Reihe von Vierkantprofilen im Abstand zueinander über den Umfang verteilt angeordnet werden. Durch Variation der Abstände zwischen den einzelnen Vierkantprofilen ergibt sich auch die gewünschte Variation der Querschnitte der einzelnen Zellen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellen, schematisierten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Rotor einer Druckwellenmaschine und
Figuren
2 und 3 in der Stirnansicht und in der Seitenansicht eine schematische Darstellung eines Zellenrotors.
Figur 1 zeigt einen Zellenrotor 1 , welcher den Kernbestandteil einer gasdynamischen Druckwellenmaschine zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine bildet. Der Zellenrotor 1 ist in nicht näher dargestellter Weise in einem Gehäuse um seine Längsachse LA drehbar gelagert. Er befindet sich zwischen einer Zuleitung für Ladeluft und einer Abgasleitung für Verbrennungsgase. Der Pfeil A kennzeichnet die Zuströmrichtung von Ladeluft. Die innerhalb des Zellenrotors 1 aufgenommene Luft wird durch zuströmende Abgase, die von der gegenüberliegenden Seite in Richtung des Pfeils B in den Zellenrotor 1 strömen, verdichtet. Die verdichtete Ansaugluft wird in Richtung des Pfeils C ausgestoßen. Das Abgas tritt in Richtung des Pfeils D aus dem Zellenrotor 1 aus.
Wesentlich bei dem erfindungsgemäßen Zellenrotor ist sein nicht-zylindrischer Aufbau. Der Zellenrotor 1 weist einen umfangsseitig geschlossenen Außenmantel 2 auf, der in diesem Ausführungsbeispiel kegelmantelförmig ausgebildet ist. Dadurch besitzt der Zellenrotor insgesamt die Form eines Kegelstumpfes. Der Außenumfang des Zellenrotors nimmt von seiner Abgasseite 3 zu seiner Ladeluftseite 4 hin zu. Der Zellenrotor ist auf einer Welle 5 gelagert, die in nicht näher dargestellter Weise mit Antriebsmitteln gekoppelt sein kann. Die Welle 5 trägt eine kegelstumpfförmige Nabe 6, an welcher eine Zellenstruktur des Zellenrotors 1 befestigt ist. Die gasdurchlässigen Bereiche des Zellenrotors 1 sind in zwei konzentrische Zellenringe 7, 8 eingeteilt. Die Zellenringe 7, 8 sind in Radialrichtung jeweils geschlossen, so dass ein Gasaustausch nur in Längsorientierung des Zellenrotors 1 erfolgen kann. Die in Radialrichtung gemessene Höhe der einzelnen Zellen ist konstant. Das heißt, dass der Außenmantel 2 parallel zu einem Innenmantel 9 des äußeren Zellenrings ist. Dieser Innenmantel 9 ist bezüglich des innenliegenden Zellenrings als Außenmantel 9' zu betrachten, der zusammen mit einem weiteren, radial innenliegenden Innenmantel 10 den
radial innenliegenden Zellenring 8 in Radialrichtung begrenzt. Die Mantelelemente 2, 9, 10 verlaufen insgesamt konzentrisch zueinander.
Anhand der Figur 2 ist zu erkennen, dass der Zellenrotor 1 eine Vielzahl von Zellen 11 , 12, 13, 14 aufweist. Zwischen den einzelnen Zellen 11-14 befinden sich Zellentrennwände 15, die aus Blechelementen ausgebildet sind. Die Zellentrennwände 11-15 sind vorzugsweise stoffschlüssig durch Löten oder Schmelzschweißen mit dem jeweiligen Innenmantel 9, 10 bzw. dem jeweiligen Außenmantel 2, 9' verbunden.
In jedem Zellenring 7, 8 befinden sich zwei Zellen unterschiedlicher Umfangserstreckung. Die jeweiligen Zellentypen 11 , 12; 13, 14 sind bevorzugt regelmäßig über den Umfang des Zellenrotors 1 verteilt angeordnet.
In der Seitenansicht der Figur 3 ist zusätzlich der Winkel W eingezeichnet, der zwischen dem Außenmantel 2 und der Längsachse LA des Zellenrotors 1 gemessen wird und maximal 50° beträgt.
Bezugszeichen:
1 - Zellenrotor
2 - Außenmantel 3- Abgasseite
4 - Ladeluftseite
5- Welle
6- Nabe
7 - Zellenring
8 - Zellenring
9 - Innenmantel 9' - Außenmantel
10- Innenmantel
11 - Zelle
12- Zelle
13- Zelle
14- Zelle
15 - Zellenwand
LA - Längsachse
A- Pfeil
B- Pfeil
C- Pfeil
D- Pfeil
W- Winkel
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