DE1993284U - Brennkraftmaschine. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine, in der ein kinetischer Kompressor verwendet wird, um ein verdichtetes gasförmiges Medium den Zylindern der Brennkraftmaschine zuzuführen.

Brennkraftkolbenmaschinen erfordern ein zwischen dem Motor und der getriebenen Belastung angeordnetes Schwungrad, das während der Spitzen der Drehmomentkurve Energie speichert und während der Tiefen der Drehmomentkurve die gespeicherte Energie abgibt, so dass auf diese Weise die auf die getriebene Belastung übertragenen Drehmomentschwankungen gedämpft oder geglättet werden. Insbesondere erfordern Dieselmotore derartige

Schwungräder, weil die von dem Brennverfahren erzeugten Drehmomentschwankungen im allgemeinen größer sind als Drehmomentschwankungen anderer Motorarten. Das Schwungrad verrichtet also eine notwendige Aufgabe, ist aber leider verhältnismäßig schwer, was in fast allen Fällen nachteilig ist. Wenn das Gewicht des Schwungrades verringert oder das Schwungrad ausgeschaltet werden könnte, so würde dies eine wesentliche Verbesserung der Technik sein.

Zusätzlich zu dem Schwungrad erfordern Zweitaktmotore eine Vorrichtung zum Zuführen von Luft zum Spülen und Laden der Zylinder. Zwei für diesen Zweck verwendete Vorrichtungen sind (a) Schleudergebläse und (b) Axialstromgebläse. Beide Gebläse sind kinetische Kompressoren (zum Unterschied von Verdrängungskompressoren) und haben für gewöhnlich mit hoher Geschwindigkeit umlaufende Laufräder, die - obwohl leichten Gewichtes - wegen ihrer hohen Geschwindigkeit ein großes Schwungmoment oder Schwungpotential haben.

Mit der Erfindung soll nun an Stelle eines Schwungrades das Laufrad eines kinetischen Gebläses verwendet und auf diese Weise die beiden Aufgaben, nämlich die Aufgabe des Schwungrades und die Aufgabe des Gebläses zu einer einzigen Einheit kombiniert und dadurch eine wesentliche Verbesserung in Zweitaktmaschinen hinsichtlich Leistung, Gewicht und Kosten erreicht werden. Es sind bisher nur Zweitaktmotore, die ein Luftgebläse erfordern, erwähnt, doch ist die Erfindung auch bei allen Zwei- und Viertaktbrennkraftmaschinen verwendbar, die einen kinetischen Auflader oder Verdichter haben, d.h. entweder ein Schleudergebläse oder ein Axialgebläse verwenden. Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, dieses "Laufrad-Schwungrad" als eine Vorrichtung zum Anlassen des Motors zu verwenden, wie dies später noch beschrieben wird.

Die neue Brennkraftmaschine mit einem Kraftabgabeteil und einem Strömungsgebläselaufrad kennzeichnet sich dadurch, dass eine torsionsmäßig wirksame erste Verbindungsvorrichtung das Gebläselaufrad mit dem Kraftabgabeteil verbindet, das auch über eine zweite Verbindungsvorrichtung mit einer getriebenen Belastung verbunden ist, und dass die erste und die zweite Verbindungsvorrichtung so große relative Torsionsstarrheiten haben, dass der größte Teil des von dem Kraftabgabeteil abgegebenen zyklischen Beschleunigungs- und Verzögerungs-Drehmomentes dem Gebläselaufrad, nicht aber allen anderen Schwungmassen der Anlage zugeführt wird, so dass das Gebläselaufrad funktionsmäßig zwischen dem Kraftabgabeteil des Motors und der getriebenen Belastung eingeschaltet ist.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnungen beschrieben.

In den Zeichnungen ist

Fig. 1 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen

Ausführung einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine;

Fig. 2 ein Längsschnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1, der schematisch zusätzliche Kennzeichen zeigt;

Fig. 3 ein der Fig. 2 ähnlicher Schnitt einer Abänderung, und

Fig. 4 ist ein Schnitt nach Linie 4-4 der Fig. 3.

In der dargestellten Ausführung ist die Brennkraftmaschine zur Vereinfachung als ein Reihemotor dargestellt, jedoch kann die Erfindung auch bei Gabelmotoren oder Sternmotoren oder Kombinationen dieser Motorarten verwendet werden.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung besteht der Motor aus mehreren auf einem Motorträger 2 gelegenen Zylindern 1 und einem Schleuder- oder Umlaufgebläse 3.

Jeder Zylinder 1 (Fig. 2) hat einen Kolben 4, der in herkömmlicher Weise über einen Kolbenbolzen 5 und eine Kurbel 6 mit der im Motorträger 2 zweckdienlich gelagerten Kurbelwelle 7 verbunden ist. Auf dem einen Ende 8 der Kurbelwelle 7 ist ein Kraftabgabezahnrad 9 starr befestigt, das mit einem kleinen Zahnrad 10 in Eingriff steht, das fest auf einem Ansatz 11 einer Kraftabgabewelle 12 sitzt, die für hohe Drehzahlen in dem im Motorträger 2 vorhandenen Wälzlager 13 und in den im Gebläsegehäuse oder Lagergehäuse 15 angeordneten Wälzlagern

14 drehbar gelagert ist. Ein Öldichtring 16 liegt zwischen dem Gebläsegehäuse 15 und der Kraftabgabewelle 12, deren nach außen gerichtetes Ende das Laufrad 17 des Umlaufgebläses 3 trägt. Die Kraftabgabewelle 12 ist zu den nachstehend näher beschriebenen Zwecken wahlweise torsionsmäßig starr und hat eine Bohrung 18, in der eine Antriebswelle 19 in Form einer Torsions- oder Drehwelle angeordnet ist, die torsionsmäßig wesentlich weniger starr ist als die Kraftabgabewelle 12. Das innere Ende der Antriebswelle 19 wird von der Kraftabgabewelle 12 durch eine Keilnutenverbindung 20 getrieben. Das entgegengesetzte Ende der Antriebswelle 19 hat eine Verbreiterung oder einen Kolben 21, der in der Bohrung 18 gleitet und einen als Öldichtung dienenden Dichtring 22 trägt. Das Außenende der Antriebswelle 19 kann mit der zu treibenden Belastung durch eine Kupplung 23 verbunden werden.

Das kennzeichnende Merkmal der beschriebenen mechanischen Anordnung ist darin zu sehen, dass das Gebläselaufrad 17 von der Kraftabgabewelle 12 über einen torsionsmäßig starren Antrieb vom Kraftabgabezahnrad 9 getrieben wird und funktionsmäßig wie ein Schwungrad zwischen der Kurbelwelle 7 und der mit der weniger starren Drehwelle 19 verbundenen getriebenen Belastung eingeschaltet ist. Die Verdrehsteifigkeit oder Verdrehungsfestigkeit der Verbindung des Laufrades 17 mit dem Kraftabgabezahnrad 9 ist von solcher

Art, dass während der zyklischen Beschleunigungen und Verzögerungen des Motors, die durch die zyklischen Drehmomentänderungen bedingt sind, ein größerer Teil des von dem Kraftabgabezahnrad 9 gelieferten Beschleunigungs- und Verzögerungsdrehmomentes auf das Laufrad 17 übertragen wird, und nicht auf die in der Anlage vorhandenen anderen getrennten Schwungmassen. Infolgedessen kann das Gebläselaufrad 17 sowohl als ein Gebläse als auch als ein Schwungrad arbeiten. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass das Umsetzungsverhältnis zwischen dem Kraftabgabezahnrad 9 und dem getriebenen Zahnrad 10 sowie dem Spitzendurchmesser des Laufrades 17 so gewählt ist, dass eine hohe Laufradspitzen-Geschwindigkeit von 150 m/Sek bis zu 450 m/Sek erreicht wird, im Vergleich zu den herkömmlichen Geschwindigkeiten der Laufradspitzen von weniger als 60 m/Sek, so dass das Schwungmoment des Gebläselaufrades 17 das 6-fache bis mehr als das 50-fache des Schwungmomentes eines herkömmlichen Schwungrades sein kann. In der praktischen Ausführung können Geschwindigkeiten der Laufradspitzen spezieller auf das Verhältnis der Geschwindigkeit der Laufradspitzen des Laufrades 17 und der mittleren Geschwindigkeit oder Durchschnittsgeschwindigkeit der Kolben 4 abgestimmt werden, wobei zur Erreichung des mit der Erfindung erstrebten Zieles dieses Verhältnis mindestens 8 zu 1 sein muß, damit eine praktisch verwertbare Luftzuführung erfolgt. Für Ladezwecke muß dieses Verhältnis wesentlich größer als 8 zu 1 sein.

Es wird also auf diese Weise eine bedeutende Gewichtsverringerung und auch eine wesentlich verbesserte Regelung der Umdrehungszahlen je Minute erreicht.

Ein anderer Kraftabgabeflansch zum Anschluß einer getriebenen Belastung kann durch einen axialen Ansatz 31 des Kraftabgabezahnrades 9 ohne Beeinträchtigung des Schwungmomentes von Laufrad 17 geschaffen werden, vorausgesetzt, dass die erwähnte Verteilung des zyklischen Beschleunigungsdrehmomentes in diese Ausführung aufgenommen wird.

Das Umlaufgebläse 3 (Fig. 2) hat ein Gehäuse mit einem Lufteinlaß 24, von dem aus die Luft in eine Eintrittsöffnung 25 des Laufrades einströmt und von den Spitzen des Laufrades nach außen in eine Druckkammer 26 gedrückt wird, die in Verbindung mit einer Lufteinlasssammelleitung 27 steht, welche die Druckluft (oder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch) aus dem Umlaufgebläse den Motorzylindern 1 über kolbengesteuerte Einlassöffnungen 28, 29 zuführt. Die Öffnungen 29 dienen auch als Auspufföffnungen, die in Verbindung mit einer Luftauslasssammelleitung 29a (Fig. 1) stehen. Kraftstoffeinlassdüsen 30 führen in der dargestellten Ausführung den Kraftstoff in die Zylinder 1 ein. Die Darstellung zeigt zwar einen Motor mit Verdichtungszündung, also einen Eigenzündungsmotor, doch kann die Erfindung gleich gut bei einem Zündkerzenmotor verwendet werden.

Fig. 3 zeigt eine Abänderung, in der das "Gebläselaufrad-Schwungrad" auch als Anlasser verwendet wird. Die Ausführung ist ähnlich der in Fig. 2 dargestellten Ausführung mit der Abweichung, dass eine Kupplung 40 zwischen Motor und "Laufrad-Schwungrad" eingeschaltet ist, so dass das Laufrad durch äußere Vorrichtungen unabhängig auf eine ausgewählte Umdrehung je Minute vorgedreht werden kann, ehe das "Laufrad-Schwungrad" mit dem Motor durch Einkuppeln der Kupplung 40 verbunden wird. Auf diese Weise kann die im Laufrad-Schwungrad aufgespeicherte Schwungkraft zum Anlassen oder Anwerfen des Motors verwendet werden. Sobald das Anwerfen durch Einkuppeln der Kupplung begonnen hat, kann der von außen erfolgende Antrieb des Laufrades fortgesetzt werden, um das Anlassen des Motors so lange aufrechtzuerhalten, bis der Motor mit eigener Kraft arbeitet.

Die äußere Kraftquelle zum Vordrehen des Laufrades kann ein Motor, z.B. ein Elektromotor oder ein anderer Motor sein. Das Laufrad selbst kann wie ein Turbinenrad verwendet und gedreht werden, und zwar durch Zuführung eines Antriebsmittels, z.B. Druckluft oder anderes Druckgas, das über zweckdienlich ausgeführte Düsenkanäle zugeführt wird. Mit der Erfindung soll ferner auch eine neue Vorrichtung zum Turbinenantrieb geschaffen werden, wie dies nachstehend näher beschrieben ist. Zur Vereinfachung der Beschreibung von Fig. 3 sind diejenigen Teile der Fig. 3, die bereits in Fig. 2 dargestellt worden sind, mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 bezeichnet.

Das Zahnrad 10 kann mit der Kraftabgabewelle 12 und infolgedessen mit dem Laufrad 10 durch eine Kupplung 40 verbunden werden, deren Betätigung durch eine in dem Durchlaß 41 eingeführte Druckflüssigkeit erfolgt. Die Antriebswelle 19 ist mit einer getriebenen Belastung durch die herkömmliche Kupplung 23 verbunden. Das Laufrad 17 kann daher vor dem Anlassen des Motors gedreht werden, wobei die Kupplung 40 erst dann eingekuppelt wird, wenn eine vorausgewählte Umlaufzahl je Minute des Laufrades erreicht worden ist. Beim Einkuppeln der Kupplung 40 wird dann die Schwungkraft des Laufrades zum Anlassen des Motors verwendet. Die in den Durchlaß 41 einströmende Druckflüssigkeit strömt über entsprechende Durchlässe in die Bohrung 18, in welcher mittels eines Dichtungsstopfens 43 eine Druckkammer 42 gebildet ist. Der Stopfen 43 trägt einen Dichtring 44 und wird in seiner Stellung von einem Sprengring 45 gehalten. Aus der Druckkammer 42 strömt die Arbeitsflüssigkeit über Durchlässe in die Bremskammer 46, die die Kupplungsteile in Kupplungsstellung drückt.

Die Vorrichtung, die zum Anlassen des Motors die Verwendung des Laufrades wie eine Turbine ermöglicht, ist nachstehend an Hand der Fig. 3 und 4 beschrieben. Im Laufradgehäuse ist ein Düsendurchlaß 50 (Fig. 4) vorhanden, der mit einem Rohr 51 verbunden ist, das ein zum Antrieb der Turbine dienendes Strömungsmittel (Druckluft oder Druckgas) dem Düsendurchlaß 50 zuführt, aus dem das Strömungsmittel auf die Spitzen der Laufradschaufeln im wesentlichen in Tagentialrichtung (in Richtung der Laufraddrehung) auftrifft und dann die Schlitze 52 durchströmt, die in die Rückwand des Laufrades 17 an der Randzone eingefräst sind. Diese Schlitze 52 stehen unter einem solchen Winkel zur Laufradwand, dass sie dem Turbinenantriebsmittel eine Anti-Drehrichtung relativ zum Laufrad erteilen und auf diese Weise auf die Turbinendurchlässe einen Druck ausüben.

Nach Verlassen der Laufraddurchlässe kann das Antriebsmittel entweder über einen Diffusor einem Durchlaß 53 der Gebläseleitvorrichtung und von dort über die Gebläsekammer 26 und die Einlasssammelleitung 27 den Motorzylindern 1 (wie bei der bereits beschriebenen Ausführung nach Fig. 1) zugeführt oder bei offenem Ventil 56 über die Durchlässe 54 und 55 geleitet werden. Eine zweckdienliche Vorrichtung (nicht dargestellt) bewegt das Ventil 56 in der durch die Pfeile bezeichneten Richtung in die Offenstellung oder in die Schließstellung. Der letzterwähnte Abströmweg wird verwendet, wenn die Menge oder die

Zusammensetzung dieses Strömungsmittels nicht so ist, dass es ratsam wäre, das gesamte Strömungsmittel durch die Motorzylinder hindurchzuleiten.

Claims (8)

1. Brennkraftmaschine mit einem Kraftabgabeteil und einem Strömungsgebläselaufrad, dadurch gekennzeichnet, dass eine torsionsmäßig wirksame erste Verbindungsvorrichtung (10, 12) das Gebläselaufrad (17) mit dem Kraftabgabeteil (9) verbindet, das auch über eine zweite Verbindungsvorrichtung (12, 19) mit einer getriebenen Belastung (23) verbunden ist, und dass die erste und die zweite Verbindungsvorrichtung (10, 12; 12, 19) so große relative Torsionsstarrheiten haben, dass der größte Teil des von dem Kraftabgabeteil (9) abgegebenen zyklischen Beschleunigungs- und Verzögerungs-Drehmomentes dem Gebläselaufrad (17), nicht aber allen anderen Schwungmassen der Anlage zugeführt wird, so dass das Gebläselaufrad (17) funktionsmäßig zwischen dem Kraftabgabeteil (9) des Motors und der getriebenen Belastung (23) eingeschaltet ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verbindungsvorrichtung eine Hohlwelle (12) enthält, auf der das Gebläselaufrad (17) befestigt ist, und dass die zweite Verbindungsvorrichtung eine Antriebswelle (19) enthält, die innerhalb der Hohlwelle (12) angeordnet ist und von der Hohlwelle (12) getrieben wird.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kurbelwelle (7) der Brennkraftmaschine das Kraftabgabeteil in Form eines Kraftabgabezahnrades (9) befestigt ist, das in Eingriff mit einem wesentlich kleineren Zahnrad (10) steht, welches das Gebläselaufrad (17) treibt, und dass das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Kraftabgabezahnrad (9) und dem getriebenen Zahnrad (10) sowie dem Spitzendurchmesser des Gebläselaufrades (17) so gewählt ist, dass das Gebläselaufrad eine Umfangsgeschwindigkeit von 150 m/Sek bis 450 m/Sek hat.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftabgabezahnrad (9) einen in Axialrichtung fluchtenden Ansatz (31) hat, der sich mit dem Kraftabgabezahnrad (9) dreht und an dem eine getriebene Belastung angebracht werden kann.

5. Brennkraftmaschine nach dem Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zylinder (1) mit auf und ab beweglichen Kolben (4) die Kurbelwelle (7) treiben; dass das Gebläselaufrad (17) von der Kurbelwelle (7) gedreht wird, um ein Druckgas den Zylindern (1) der Brennkraftmaschine zuzuführen, und dass das Verhältnis zwischen der Umfangsgeschwindigkeit des Gebläselaufrades (17) und der mittleren Kolbengeschwindigkeit mindestens 8 zu 1 ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläselaufrad (17) ein überverdichtetes Gas den Zylindern 1 zuführt und das Verhältnis zwischen der Umfangsgeschwindigkeit und der mittleren Kolbengeschwindigkeit wesentlich größer als 8 zu 1 ist.

7. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Kupplung (40) zwischen dem Kraftabgabeteil (9) und dem Gebläselaufrad (17) angeordnet ist; dass eine zweite Kupplung (23) zwischen dem Kraftabgabeteil (9) und der getriebenen Belastung angeordnet ist, und dass eine Vorrichtung (50, 51, 52) dem Gebläselaufrad (17) eine Vor-Drehung erteilt, ehe das Gebläselaufrad (17) über die erste Kupplung (40) von dem Kraftabgabeteil (9) getrieben wird.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung, die dem Gebläselaufrad (17) eine Vor-Drehung erteilt, im Gebläselaufrad (17) vorhandene Schlitze (52) aufweist, so dass das Gebläselaufrad (17) wie eine Turbine getrieben werden kann.