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Die Erfindung betrifft einen Gasverdichter, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Die Erfindung ist jedoch nicht auf den Einsatz im Abgasturbolader beschränkt, sondern vielmehr auf beliebige elektrisch betriebene Gasverdichter anwendbar, etwa bei der Luftversorgung einer Brennstoffzelle.
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Der Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine weist in gängiger Praxis einen Verdichter auf, dessen Verdichterrad über eine Welle mit einer Abgasturbine im Abgastrakt der Brennkraftmaschine verbunden ist. Die Abgasturbine weist ein vom Abgasstrom in Rotation versetztes Turbinenrad auf, das drehfest mit einer Antriebswelle des Verdichterrades verbunden ist, das im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Zudem kann der Abgasturbolader einen im Ansaugtrakt angeordneten drehzahlgeregelten Kompressor oder Verdichter mit elektrischem Antrieb aufweisen, der von einer elektronischen Steuereinheit im Abhängigkeit von Fahrbetriebsparametern ansteuerbar ist.
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Ein gattungsgemäßer Gasverdichter weist einen Elektromotor auf, dessen Rotor über eine Antriebswelle mit einem Verdichterrad des Gasverdichters trieblich gekoppelt ist. Das Verdichterrad ist in einem Verdichterraum, der einen Druckstutzen und einen Saugstutzen strömungstechnisch miteinander verbindet. In gängiger Praxis ist das Verdichterrad über eine Gewindeverbindung an der Antriebswelle montiert. Zudem können das Verdichterrad und die Welle aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein, wodurch das Verdichterrad unter Zwischenlage einer zusätzlichen metallischen Buchse auf der Antriebswelle anzuordnen ist, um eine einwandfreie Verbindung herzustellen.
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Im Hinblick auf einen einwandfreien Verdichter-Betrieb ist es erforderlich, dass der Gasverdichter auf Steuersignale mit hoher Ansprechempfindlichkeit reagiert, damit der Verdichter nahezu verzögerungsfrei den Nennpunkt erreicht. Hierfür ist ein geringes Massenträgheitsmoment der rotierenden Verdichter-Bauteile von Vorteil. Zudem unterliegt das Verdichterrad einer betriebsbedingt hohen Wärmebeaufschlagung, wodurch gegebenenfalls das Risiko einer übermäßig großen Wärmeübertragung vom Verdichterrad zum Drehlager oder zum elektrischen Antrieb besteht. Außerdem ist in gängiger Praxis das Verdichterrad und die zum elektrischen Antrieb führende Antriebswelle zweiteilig aufgebaut, wodurch sich eine fertigungstechnisch aufwändige sowie kostenintensive Verbindung zwischen dem Verdichterrad und der Antriebswelle ergibt.
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Aus der
DE 10 2009 004 881 A1 ist ein Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug bekannt. Der Abgasturbolader weist keinen elektrisch betriebenen Gasverdichter im Sinne der Erfindung auf, sondern lediglich ein im Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnetes Turbinenrad, das über eine Welle mit einem im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordneten Verdichterrad trieblich gekoppelt ist. Das Turbinenrad und die Welle sind als ein einstückiges metallisches Pulverspritzgussteil ausgebildet.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen einfach aufgebauten Gasverdichter bereitzustellen, der unter Bauteilreduzierung den obigen Betriebsanforderungen gerecht wird.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung beruht auf der Problematik, dass im Stand der Technik das Verdichterrad und die Antriebswelle des elektrischen Antriebes zweiteilig aufgebaut sind, was im Hinblick auf eine einfache Fertigung sowie im Hinblick auf einen Bauraumbedarf nachteilig ist. Vor diesem Hintergrund bildet gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 das Verdichterrad und die Antriebswelle eine materialeinheitliche und einstückige Baueinheit. Entsprechend sind das Verdichterrad und die Antriebswelle aus dem gleichen Werkstoff hergestellt. Bevorzugt kann die Baueinheit aus einem hochfesten sowie hochtemperaturfesten Kunststoff, insbesondere Torlon, hergestellt sein. Die Baueinheit kann bevorzugt in einem Kunststoff-Spritzgieß-Verfahren hergestellt werden.
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Auf diese Weise können die Fertigungskosten des Gasverdichters beträchtlich reduziert werden. Zudem können mechanische Probleme an den Verbindungsstellen entfallen, zum Beispiel Ausfälle durch unbeabsichtigtes Lösen der Verbindung. Zudem kann mit der materialeinheitlichen sowie einstückigen Verbindung das Massenträgheitsmoment der rotierenden Verdichter-Bauteile reduziert werden. Bei Auswahl eines entsprechend hochtemperaturfesten Kunststoffes kann zudem auch die Wärmeübertragung und damit die Wärmebelastung des Drehlagers und des elektrischen Antriebes reduziert sein. Aufgrund des reduzierten Massenträgheitsmomentes kann auch der elektrische Antrieb, zum Beispiel ein Elektromotor, kleiner ausgelegt sein. Zudem ist weniger Energie zum Beschleunigen des Verdichterrades erforderlich. Sofern der Gasverdichter in einem Kraftfahrzeug mit Brennkraftmaschine eingesetzt wird, verringert sich daher auch der Kraftstoffverbrauch.
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Entsprechend sind auch die Anforderungen an das elektrische Bordnetz zur Versorgung des Verdichters mit elektrischer Energie reduziert.
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Das vom Verdichterrad beabstandete Wellenende der Antriebseinheit ist mit dem Rotor des Elektromotors drehfest gekoppelt. Bevorzugt kann das, dem Verdichterrad gegenüberliegende Wellenende der Antriebswelle in ein hohlzylindrisches Rotorgehäuse übergehen, in dessen Innenraum der Rotor angeordnet ist. In einer ersten Ausführungsform kann das Rotorgehäuse als ein separates Anbauteil am Wellenende der Antriebswelle befestigt sein.
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Zudem kann die Antriebswelle einen Nabenabschnitt aufweisen, der über ein Drehlager an einem radial äußeren Lagerflansch eines Verdichtergehäuses abgestützt ist. Das Drehlager kann in an sich bekannter Weise Wälzkörper aufweisen. Die Innenlaufbahnen der Wälzkörper des Drehlagers können gegebenenfalls unmittelbar im Nabenabschnitt ausgebildet sein oder alternativ in einem separaten Innenring, der auf dem Nabenabschnitt der Antriebswelle aufgesetzt ist.
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Beim Zusammenbau kann die aus dem Verdichterrad und der Antriebswelle bestehende Baueinheit in einer ersten Montagerichtung von außen bei noch demontiertem Rotorgehäuse mit dem Nabenabschnitt in den gehäuseseitigen Lagerflansch eingesetzt werden, und zwar unter Zwischenlage des oben erwähnten Drehlagers. Anschließend kann das Rotorgehäuse in einer, der ersten Montagerichtung axial entgegengesetzten zweiten Montagerichtung am Wellenende der Antriebswelle befestigt werden. Bei einem solchen Montagevorgang ist somit das Rotorgehäuse nicht durch den gehäuseseitigen Lagerflansch vom Stator begrenzten Innenraum einzuführen. Vielmehr ist das Rotorgehäuse an der, dem Lagerflansch axial gegenüberliegenden Verdichter-Seite zu montieren. Entsprechend ist die Geometrie des Rotorgehäuses unabhängig von dem Durchlassquerschnitt des gehäuseseitigen Lagerflansches. Beispielhaft kann der Außendurchmesser des Rotorgehäuses größer als der Außendurchmesser der Antriebswelle bemessen sein.
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In einer weiteren Ausführungsform kann das Rotorgehäuse – unter weiterer Bauteilreduzierung – nicht mehr ein separates Anbauteil sein, sondern vielmehr zusammen mit dem Verdichterrad und der Antriebswelle die materialeinheitliche und einstückige Baueinheit bilden.
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In einem Montagevorgang wird somit die aus dem Verdichterrad, der Antriebswelle und dem Rotorgehäuse bestehende Baueinheit von außen in der bereits erwähnten axialen Montagerichtung mit ihrem Rotorgehäuse mit Bewegungsspiel durch den gehäuseseitigen Lagerflansch geführt und mit ihrem Nabenabschnitt – unter Zwischenlage des Drehlagers – in den gehäuseseitigen Lagerflansch eingesetzt. Auf diese Weise entfällt ein zusätzlicher Montageschritt zum Anbau des Rotorgehäuses an der Antriebswelle.
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Um einen derartigen Montagevorgang zu ermöglichen, muss das Rotorgehäuse im Vergleich zur Antriebswelle durchmesserkleiner ausgeführt sein, das heißt das Rotorgehäuse geht an einer Ringschulter in die durchmessergrößere Antriebswelle über, so dass die insgesamt rotationssymmetrische Baueinheit in etwa konusartig ausgeführt ist und sich der Durchmesser der Baueinheit entgegen der Montagerichtung stufenartig erhöht.
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Zur weiteren Reduzierung des Massenträgheitsmomentes kann die Antriebswelle als eine Hohlwelle ausgeführt sein, deren Hohlraum am Übergang zum Verdichterrad einseitig geschlossen ist und an der axial gegenüberliegenden Seite in den Innenraum des Rotorgehäuses übergeht. In einer technischen Ausführung kann die rotationssymmetrische Baueinheit an der, dem Verdichterrad gegenüberliegenden Wellenende eine Sacklochbohrung aufweisen, und zwar mit einem durchmesserkleineren Abschnitt im Bereich der Antriebswelle (d.h. der Wellen-Hohlraum) und einem durchmessergrößeren Bohrungsabschnitt, der den Innenraum des Rotorgehäuses bildet. Die Ringschulter am Übergang zwischen den Bohrungsabschnitten bildet einen Axialanschlag, mit dem der Rotor in Anlage ist.
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Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
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Es zeigen:
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1 in einem vereinfachten Blockschaltdiagramm eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs mit einem Abgasturbolader sowie einem elektrischen Verdichter;
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2 in einer Vollschnittdarstellung einen Gasverdichter mit darin integriertem elektrischen Antrieb;
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3 eine aus dem Verdichterrad, der Antriebswelle und dem Rotorgehäuse bestehende Baueinheit in Alleinstellung; und
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4 in einer Explosionsdarstellung eine aus dem Verdichterrad und der Antriebswelle bestehende einstückige Baueinheit sowie ein als Anbauteil ausgeführtes Rotorgehäuse.
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In der 1 ist ein grob vereinfachtes Blockschaltdiagramm mit einer Brennkraftmaschine 1 mit zugeordnetem Abgasturbolader 8 gezeigt. Das Blockschaltdiagramm in nur insoweit dargestellt, als es zum Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Ansaugtrakt 2 zur Ansaugung von Frischluft in die Zylinder 3 der Brennkraftmaschine und einen Abgastrakt 4 zur Abfuhr der Verbrennungsabgase aus den Zylindern 3 auf. Im Abgastrakt 4 ist ein nicht gezeigter Abgaskrümmer und ein Auspuffrohr 6 angeordnet, zwischen denen eine vom Abgas durchströmte Turbine 7 des Abgasturboladers 8 geschaltet ist. Die Turbine 7 ist über eine Welle 9 in trieblicher Verbindung mit einem Verdichter 10, der im Ansaugtrakt 2 angeordnet ist und aus der Umgebung Frischluft ansaugt, verdichtet und über eine Hochdruckleitung 13, in der ein nicht gezeigter Ladeluftkühler angeordnet ist, in die Zylinder 3 der Brennkraftmaschine 1 leitet. In die Hochdruckleitung 13 ist ein Gasverdichter 15 mit drehzahlgeregeltem Elektromotor 16 geschaltet, der mittels einer Fahrzeugbatterie 17 mit elektrischer Energie versorgt wird. Der Elektromotor 16 des Gasverdichters 15 ist von einer nicht gezeigten elektronischen Steuereinheit drehzahlgeregelt ansteuerbar.
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Nachfolgend ist anhand der 2 bis 4 der Aufbau des Gasverdichters 15 mit darin integriertem Elektromotor 16 beschrieben. In der 2 weist der Gasverdichter 15 ein Verdichtergehäuse 19 mit einem axial ausgerichteten Saugstutzen 21 und einem radial äußeren tangential anschließenden Druckstutzen 23 auf, die in einen Verdichterraum 25 münden, in dem ein Verdichterrad 27 drehbar angeordnet ist. An dem Verdichterrad 27 schließt sich eine zum Elektromotor 16 führende Antriebswelle 29 an, die in ein hohlzylindrisches Rotorgehäuse 31 übergeht. Das Verdichterrad 27, die Antriebswelle 29 sowie das Rotorgehäuse 31 sind in der 1 und 2 in einer materialeinheitlichen sowie einstückigen Baueinheit 33 zusammengefasst. Gemäß der 2 weist die Antriebswelle 29 unmittelbar am Verdichterrad 27 einen Nabenabschnitt 35 auf, der unter Zwischenlage eines Drehlagers 37 gegen einen radial äußeren Lagerflansch 39 abgestützt ist. Der Lagerflansch 39 ist Bestandteil eines Antriebsgehäuses 41. In dem Antriebsgehäuse 41 ist ein Stator 43 des Elektromotors 16 drehfest angeordnet, dessen Statorwicklungen 45 einen hohlzylindrischen Stator-Innenraum begrenzen, in dem das Rotorgehäuse 31 der Baueinheit 33 drehbar angeordnet ist. Im Innenraum des Rotorgehäuses 31 ist ein Rotor-Magnet 47 positioniert, der mit den Statorwicklungen 45 zusammenwirkt. Der Elektromotor 16 ist über angedeutete Motorphasenleitungen 49 in Verbindung mit einer elektronischen Steuereinheit um eine drehzahlgeregelte Ansteuerung des Gasverdichters 15 vorzunehmen.
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Das Drehlager 37 weist in der 1 zwei in Axialrichtung voneinander über Zwischenringe beabstandete Wälzlager auf, deren Innen- und Außenringe jeweils am Wellen-Nabenabschnitt 35 und am radial äußeren Lagerflansch 39 abgestützt sind.
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In der 3 ist die aus dem Verdichterrad 27, der Antriebswelle 29 und dem Rotorgehäuse 31 bestehende Baueinheit 33 in Alleinstellung gezeigt. Die Baueinheit 33 ist aus einem hochfesten sowie hochtemperaturfesten Kunststoff, bevorzugt Torlon, in einem Kunststoff-Spritzgießverfahren hergestellt. In der 3 ist der Außendurchmesser dR des Rotorgehäuses 31 im Vergleich zum Außendurchmesser dA der Antriebswelle 29 kleiner ausgeführt, so dass das Rotorgehäuse 31 an einer äußeren Ringschulter 51 in die durchmessergrößere Antriebswelle 29 übergeht. Bei einem Montagevorgang wird die Baueinheit 33 von außen in einer ersten Montagerichtung I in das Antriebsgehäuse 41 eingeführt, und zwar so, dass zunächst das Rotorgehäuse 31 mit Bewegungsspiel durch den gehäuseseitigen Lagerflansch 39 bis in den Stator 43 eingeführt wird und der Nabenabschnitt 35 unter Zwischenlage des Drehlagers 37 in den gehäuseseitigen Lagerflansch 39 eingesetzt wird.
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Zur weiteren Reduzierung der Massenträgheit der Baueinheit 33 ist der Innenraum des Rotorgehäuses 31 axial in Richtung auf das Verdichterrad 27 mit einer Sacklochbohrung 53 versehen, das heißt die Antriebswelle ist etwa bis auf Höhe des aus Vollmaterial ausgeführten Verdichterrads 27 als eine Hohlwelle ausgeführt.
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In der 4 ist die materialeinheitliche sowie einstückige Baueinheit 33 in einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Im Unterschied zur 2 und 3 besteht die Baueinheit 33 aus dem Verdichterrad 27 und der Antriebswelle 29, während das Rotorgehäuse 31 als ein separates Anbauteil ausgeführt ist, das zum Beispiel mit dem freien Wellenende 55 verschraubbar ist. Im Unterschied zur 3 ist in der 4 der Außendurchmesser dR des Rotorgehäuses 31 größer bemessen als der Außendurchmesser dA der Antriebswelle 29.
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Beim Zusammenbau wird die aus dem Verdichterrad 27 und der Antriebswelle 29 bestehende Baueinheit 33 in der ersten Montagerichtung I von außen – bei noch demontiertem Rotorgehäuse 31 – in das Antriebsgehäuse 41 eingeführt, und zwar so, dass der Nabenabschnitt 35 unter Zwischenlage des Drehlagers 37 im gehäuseseitigen Lagerflansch 39 sitzt. Anschließend wird das Rotorgehäuse 31 in einer, der ersten Montagerichtung I entgegengesetzten zweiten Montagerichtung II am freien Wellenende 55 der Antriebswelle 29 verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009004881 A1 [0005]
