DE3133953A1

DE3133953A1 - Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE3133953A1
Application number: DE19813133953
Authority: DE
Inventors: Nils Hakan 22242 Lund Kronngard; Clas-Olof 4406 Grabo Kronogard
Original assignee: KRONOGAARD SVEN OLOF PROF
Current assignee: KRONOGAARD SVEN OLOF PROF
Priority date: 1980-09-29
Filing date: 1981-08-27
Publication date: 1982-05-19
Also published as: JPS5786524A; SE8006808L; SE446114B

Description

-A-

PATENTANWÄLTE Dr. rer. nat. DtETER LOUIS Dipl.-Phys. Cl-VJS PDKlAU Dipl.-inc. PRAHZ I. C'-z:nTZ

h/s-WOLFGAt;^ SEGETH

Sven Olof Krönend

Karstorpsvägen 31
S-23400 Lomma / Schweden

Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und mit einem . den Zylinder abschließenden Zylinderkopf, der mit Einlaßund'Auslaßöffnungen \ersehen ist, wobei die Maschine durch Ventile gesteuert wird.

Die Turboaufladung von Verbrennungskraftmaschinen für Fahrzeuge kleiner und mittlerer Größe wurde mit Ausnahme • von einigen speziellen Anwendungen nicht in nennenswertem Umfange angewandt. Dies ist hinsichtlich der Vorteile, die man aufgrund der vergrößerten Leistung im Verhältnis zum verringerten Volumen und Gewicht der Maschine als auch hinsichtlich des verbesserten Wirkungsgrades erreichen kann, bemerkenswert. Bei größeren Maschinen, die für Lastwagen oder für Schiffsantriebe gedacht sind, wurde eine "Aufladung" bzw. Vorverdichtung seit langem überwiegend angewandt.

Ein beachtenswerter Grund für diesen Sachverhalt könnte sein, daß die Kosten für die Installation einer Turboaufladung die Kosten für die Fahrzeugmaschine zu sehr vergrößert haben und daß die überwiegend angewandte Technik eine vergleichsweise geringe Verbesserung der Kraftstoffausnutzung gebracht hat. Dies liegt hauptsächlich darin begründet, daß/dre Arbeits- bzw. Betriebsbedingungen eines Pkw-Motors wesentlich von denen eines

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Lastwagenmotors unterscheiden, wo der "Auflade"-Faktor größer ist. Die Wartungskosten für turbogeladene Maschinen werden weiterhin anwachsen und die Verwendung eines vergleichsweise großen externen Vorverdichtergehäuses, das alle Maschinenzylinder bedient, erfordert zu viel Platz für den Einbau in die bei modernen Kompaktfahrzeugen verfügbaren Motorräume, wobei diese in der Zukunft noch kleiner werden können.

Es ist daher wünschenswert, daß Turbolader für kleine Motoren, die in Großserien hergestellt werden, billig produziert werden können, daß sie an den tatsächlichen Leistungsabgabebereich dieser Maschinen angepaßt werden können, daß sie kompakt sind und daß sie im Falle einer Fehlfunktion leicht ausgewechselt werden können. ·

Auch wird bei einer Einrichtung, die aus einer Anzahl kleiner Motorgründeinheiten besteht, die mittels einer gemeinsamen Transmission zu einem Leistungsaggregat kombiniert sind, eine Anordnung gemäß der Erfindung vorteilhaft sein. Ein großer Leistungsbereich kann dadurch abgedeckt werden, daß die Grundeinheiten, die einen Teil des Aggregates bilden, in verschiedenen Kombinationen mit Zylinderköpfen ausgestattet sind, die integrierte Turbolader haben.

Eine Verbrennungskraftmaschine gemäß der Erfindung mit zumindest einem Zylinder, der mit Einlaß- und Auslaßöffnungen in einem Zylinderkopf versehen ist> der den Zylinder abschließt, wobei die Maschine durch Ventile steuerbar ist, ist gekennzeichnet durch eine Kammer innerhalb des Zylinderkopfes, die mit den Einlaß- und Auslaßöffnungen über Passagen in Verbindung steht und durch eine Einheit, die eine Abgasturbine und einen hiervon angetrie-

° benen Spülluftkompressor aufweist, wobei die Einheit so ausgebildet ist, daß sie in die Kammer paßt.

Die Kammer kann im wesentlichen zylindrische Form haben, wobei zumindest eine der Endwände, die die Kammer bilden, ein entfernbares Teil enthält, wobei die Einheit ein Gehäuse aufweist, das einen Rotor einschließt, der ein Turbinenrad und ein Kompressorrad aufweist, die auf einer gemeinsamen Welle arbeiten und die so ausgebildet sind, daß sie in die Kammer einsetzbar sind und während des Betriebes so in der Kammer gehalten werden, daß ihre Drehachse im wesentlichen, parallel zur Längsachse der Kammer liegt.

Das Kompressorrad kann so angeordnet sein, daß es ankommende Luft in axialer Flußrichtung empfängt und in radialer Richtung ausgibt, während das Turbinenrad so angeordnet sein kann, daß es Gas in radialer Richtung empfängt und in axialer Richtung ausstößt. In einer umhüllenden Wand der Kammer sind dann Einlaß- und Auslaßschnecken geformt, wobei jede mit letzterer über periphere Rillen in Verbindung steht; das Gehäuse ist so kon- struiert, .daß es einen zentralen Körper mit zwei peripheren, nach auswärts gerichteten Flanschen enthält,

die in die Rillen passen, wobei die Flansche mit Fluidpassagen versehen sind und wobei zumindest die Passagen an dem Gaseinlaß als Führungsflügel ausgebildet sind. Weitere wichtige Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen zu entnehmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher beschrieben. Es zeigt:

Figur 1 einen Schnitt durch den oberen Teil einer Ver-

' brennungskraftmaschine, deren Zylinderkopf

einen quer zur Maschine angeordneten Turbolader

umschließt;

Figur 2 eine Draufsicht auf einen Teil des Zylinder-

' kopfes derselben Maschine, wobei ein

von einem Turbolader bedientes Zylinderpaar gezeigt ist;

Figur 3 eine ebene Ansicht durch einen Zylinderkopf einer modifizierten Konstruktion, wo der Turbolader in einen Seitenteil des Zylinderkopfes eingepaßt ist und wobei seine Drehachse vertikal liegt; .

Figur 4 eine Schnittansicht durch den oberen

Teil einer weiterhin modifizierten Maschine, wo der Turbolader in einen Seitenteil des Zylinderkopfes eingepaßt.ist,

'5 wobei seine Drehachse jedoch vertikal

liegt;

Figur 5 eine Draufsicht auf den Zylinderkopf

einer 4-Zylinder-Maschine, die mit zwei

^ζυ eingebauten Turboladern ausgestattet ist;

und

Figur 6 einen vertikalen Schnitt durch die Maschine

der Figur 5.
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Figur 1 zeigt eine Schnittansicht durch den oberen Teil einer Verbrennungskraftmaschine, wobei ein Teil eines Motorblocks 10, ein Kolben 11 und ein Zylinderkopf 12 dargestellt sind. Die Schnittansicht bzw! der Schnittver-

lauf sind gestuft, wobei die Linie H-, - H- einen horizontal verlaufenden Schnitt darstellt. Vertikale Schnitte oberhalb und unterhalb der Linie H. - H- sind längs·der Linien V- - V₁ und V₂ - V2 in Figur 2 genommen,, die ihrerseits einen horizontalen Schnitt längs der Linie H₀ - H₀ ^J ■ ι ι

in Figur 2 darstellen.

-8-Τ In den Figuren 2 und 3, wo zwei benachbarte Zylinder mit gestrichelten Linien dargestellt und mit I, II bzw. III, IV dargestellt sind, haben die Maschinenkomponenten die gleiche Funktion, wobei verschiedenen Zylindern zwar das gleiche Bezugszeichen gegeben wurde, sie jedoch durch Indizes die zugeordneten Zylinder bezeichnen, unterschieden wurden.

Der Zylinderkopf 12 enthält in herkömmlicher Weise ein Einlaßventil 13 und ein Auslaßventil 14 für jeden Zylinder. Die Ventile steuern bzw. überwachen Einlaß- und Auslaßpassagen 15, 16, die mit einem Verbrennungsraum 17 in Verbindung stehen. Die Passagen verbinden den Verbrennungsraum mit einer Kammer 18, die in dem Zylinderkopf ausgebildet ist und dazu dient, einen Turbolader 19 aufzunehmen. Dieser ist als Einsatz ausgebildet, der in • den Raum in dem Zylinderkopf paßt, wobei er nachfolgend detaillierter beschrieben wird.

Bei dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Turbolader so ausgebildet, daß er zwei benachbarte Zylinder I und II "bedient", wobei die Kammer 18 quer in dem Zylinderkopf 12 angeordnet ist und etwa in der' Mitte zwischen den beiden darunterliegenden Zylindern.

Die Ventile 13 und 14 liegen in Ebenen, die ungefähr parallel zur vertikalen Ebene durch die Mittellinie der Kammer verläuft. Hierdurch werden die Kanäle 15 und 16 kurz sein und hinsichtlich des Fluidflusses an einem sehr günstigen Ort liegen. Es wird auch ein ausreichender Raum (ungefähr gleich dem Zylinderdurchmesser) für den Turbolader zwischen den Ventilschäften bzw. -stößein der beiden Zylinder vorhanden sein, selbst wenn nur ein

*" geringer Abstand zwischen den beiden Zylindern vorhanden ist. Der die Ventile betätigende Antrieb ist von herkömmlicher Bauart und enthält zwei oben liegende Nockenwellen (nicht dargestellt) oder möglicherweise eine

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zentrale Nockenwelle, die zwei Sätze von Kipphebeln betätigt.

Der Turbolader 19 hat am Kompressorrad vorzugsweise einen axialen Einlaß und einen radialen Auslaß, während er am Turbinenrad einen radialen Einlaß und einen axialen Auslaß hat. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Turboladers bzw. Vorverdichters ist in den Fig. 1 und 2 gezeigt.

Die Kammer 18, die den Turbolader aufnimmt, ist hier a.i beiden Enden offen. Die Einlaßpassagen 15 und die Auslaßpassagen 16 an den beiden Zylindern I und II münden in eine "Auslaßschnecke" 20 bzw. eine "Einlaßschnecke" 21 in einer umhüllenden Wand der Kammer. Jede Schnecke ist in Richtung zur Kammer mittels einer peripheren Rille 22 bzw. 23 geöffnet.

Die Turbolader 19 besitzen jeweils eine Rotorspule mit einem Kompressorrad 24 und einem Turbinenrad 25 auf einer gemeinsamen Welle 26. Die Rotorspule ist in einem. Gehäuse 27 gelagert, das als zentraler Körper ausgebildet ist, die Rotorspule umschließt und zwei periphere, nach außen gerichtete Flansche 28 und 29 aufweist, die in montierter Lage mit den Rillen 22 und 23 zusammenpassen und die Einlaß- und Auslaßpassagen haben. Die Einlaßpassage-an dem Turbinenrad ist - wie schematisch dargestellt - mit Führungsflügeln 30 versehen. Ebenfalls ist die Auslaßpassage an dem Kompressorrad mit Führungsflügeln versehen, die mit 31 bezeichnet sind. In gewissen Ausführungsbeispielen wird es ausreichend sein, an der .Turbine und dem Kompressor Auslaß- bzw. Einlaßschnecken zu verwenden. Die Rotorspule ist an der Welle 26 gelagert, die vorzugsweise in Luftlagern gehalten ist, wie schematisch mit' dem

·" Bezugszeichen 32 angedeutet.

Das Gehäuse 27, das oben erwähnt wurde, i.st eine Art. Umhüllung, die zur Außenseite als syminotrLiichor-Rotation«-

-ΙΟΙ körper ausgebildet ist, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt. Die radial nach außen ragenden Flansche 28 und 29 weisen jeweils zwei ringförmige Scheiben auf,, die in die umhüllende Wand des Hohlraumes an jeder Seite der z'ugeordneten Rille 22 bzw. 23 eingreifen. Die Führungsflügel 30 bzw. 31 erstrecken sich bis zwischen diese Scheiben und verbinden die äußeren Teile des Gehäuses mit dessen Mittelteil, der die Welle 26 umschließt.

Der Rotor als auch das Gehäuse sind vorzugsweise aus Keramikmaterial hergestellt. Vorzugsweise ist das Gehäuse längs einer axialen Mittelebene in zwei Hälften geteilt, wobei die Rotorspule als einstückige Einheit gefertigt ist. Die Gehäusehälften werden in bekannter Weise vereinigt,

15. beispielsweise durch Klemmen oder Verlaschen.

Der Turbolader 19 kann in dem gezeigten Ausführungsbeispiel betrieben werden, wenn· er in dem Hohlraum eingebaut ist und wenn die Flansche 33 und 34, die einer

2Ό Auspuffleitung und einem Vergaser bzw. einem Luftfilter bei einer Einspritzmaschine zugeordnet sind, mit den offenen Enden des Hohlraumes verbunden wurden. Wenn der Hohlraum wesentlich länger als der Turbolader ist, so sind ein Auspuffidffusor und/oder eine Einlaßdüse 36 zwischen den Turbolader und die Verbindungsflansche eingesetzt. Allerdings kann der Hohlraum auch im wesentlichen die gleiche Länge wie der Turbolader haben, wobei in diesem Falle die den Verbindungsflanschen 33 und 34 benachbart liegenden Leitungen vorzugsweise mit einer Diffusor- und/ oder Düsen-Geometrie ausgebildet sind.

Die Figuren 3 und 4 zeigen zwei modifzierte Ausführungsbeispiele von Zylinderköpfen gemäß der Erfindung und auch weitere Details des Turboladers. Beide Zylinder- ° köpfe sind so ausgebildet, daß sie Turbolader-Einsätze der oben beschriebenen Art aufnehmen können, wobei in der Figur 3 ein Querschnitt durch den Kompressorteil und in Figur 4 ein Querschnitt durch den Turbinenteil

dargestellt ist. Es wurden die gleichen Bezugszeichen wie bei den oben beschriebenen Figuren verwendet.

Figur 3 zeigt einen Teil eines Zylinderkopfes 40. Zwei benachbart zueinander liegende Zylinder sind mit III bzw. IV bezeichnet. In einem der längs verlaufenden Seitenteile des Zylinderkopfes ist ein Hohlraum 41 derart ausgebildet, daß der Turbolader 19 in eingebauter Lage seine Welle 26 parallel zur längs verlaufenden Mittelebene durch die Zylinder hat. Der Turbolader wird hier zwei Zylinder bedienen, wobei der Hohlraum ungefähr symmetrisch hinsichtlich dieser Zylinder gelegen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Einlaß- bzw. Auslaßventile 4 2 bzw. 43 an den beiden Zylindern in einer gemeinsamen längs verlaufenden vertikalen Ebene gelegen. Die Einlaß- und Auslaßpassagen 44 und 45 und die zugeordneten "Schnekken" 46, 47 sind in gleicher Weise ausgebildet, wie oben beschrieben.

Figur 4 zeigt einen Zylinderkopf 50, der hier ebenfalls einen Hohlraum 51 aufweist, der in einem längs verlaufenden Seitenteil des Zylinderkopfes gelegen ist. Allerdings ist der Turbolader so montiert, daß seine Welle 26 in Längsrichtung der Maschine liegt. Der Zylinderkopf ist hier detaillierter dargestellt und zwar mit einem Auslaßventil 52 an einem Zylinder V sowie auch mit■einer zugeordneten Auspuffpassage 53 und einer Einlaßschnecke 54 zu der Turbine. Eine Nockenwelle ist mit 55 bezeichnet

und eine Zündkerze mit 56.
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Die Figuren 5 und 6 zeigen einen horizontalen bzw. vertikalen Schnitt durch eine 4-Zylinder-Maschine, bei der zwei Turbolader in horizontalen, quer verlaufenden Passagen in einem Zylinderkopf 61 eingebaut sind, der allen vier *" Zylindern gemeinsam ist. Die Kompressorräder der Turbolader sind mit einem Einlaßkrümmer 62 verbunden, der

mit Injektoren bzw. Einspritzdüsen 63 für den Kraftstoff versehen ist. Die Anordnung der Einspritzdüsen stromaufwärts der Kompressoren wird eine hervorragende Mischung von Luft und Brennstoff sicherstellen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn andere Brennstoffe verwendet werden, als die die bisher üblicherweise bei Vergasermotoren verwendet werden, wie z.B. Methylalkohol oder Kohlestaub in Suspension oder in Form eines Gels.

Die Auspuffgase aus den Turbinen der Vorverdichter bzw. Turbolader werden in einem Krümmer 64 gesammelt,.in den ein Nachverbrenner 65, der Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 66 und eine Zündeinrichtung 67 aufweist, eingesetzt ist.Eine zweite Gasturbine 68 ist in dem Auslaß aus dem Nachverbrenner eingebaut. Letzterer kann über eine Transmission und ein (nicht dargestelltes) Freilaufrad mit der Kurbelwelle der Maschine verbunden sein, . oder er kann so ausgebildet sein, daß er einen elektrischen Generator oder einen Schwungradakkumulator antreibt.

Wenn geringere Ausgangsleistung gefordert wird, so ist es möglich, Energie in Batterien zu speichern oder in dem Schwungrad, um sie dann später zu verbrauchen, wenn eine höhere Abgabeleistung angefordert wird.

Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Zylinderköpfe können durch Wasser oder Luft gekühlt werden. Im letzteren Falle können die Zylinderkopfe auch aus Keramikmaterial hergestellt sein. Die Anordnung mit eingebauten Vorverdichtern bzw. Turboladern schafft einen großen Freiraum hinsichtlich der Möglichkeit, in an sich bekannter Weise, Teile des die Ventile betätigenden Antriebes und/oder der Kraftstoffeinspritzeinrichtungen abzuschalten, um die Teillastwirtschaftlichkeit zu verbessern.

1 Die dargestellten Turbolader werden als äußerst zweckmäßig für den vorgesehenen Zweck angesehen. Es ist jedoch auch möglich, Einheiten der Verdrängerbauart zu verwenden, die beispielsweise radiale Flügel haben.

Leers eite

Claims

Sven Olof Kronogärd
Karstorpsvägen 31
S-23400 Lomma / Schweden

Patentansprüche

PATENTANWÄLTE Dr rer. nat. DIETER LOUIS Dlpl.-Phys. CLAUS POHLAU Dlpl.-Ing. FRANZ LOHRENTZ Dlpl.-Phys.WOLFGANG StGETH

KESSLERPLATZ 1

8500 NÜRNBERG 20

Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (I - V) mit einem den Zylinder abschließenden Zylinderkopf mit Einlaß- und Auslaßöffnungen, wobei die Maschine durch Ventile (13, 14; 42, 43; 52) gesteuert wird, gekennzeichnet durch eine Kammer (18, 41, 51) innerhalb des Zylinderkopfes (12, 40, 50), wobei die Kammer mit den Einlaß- und Auslaßöffnungen über Passagen (15, 16; 44, 45, 53) in Verbindung steht und durch eine Einheit (19), die eine Abgasturbine und einen durch diese angetriebenen Spülluftkompressor enthält, wobei die Einheit so ausgebildet ist, daß sie in die Kammer paßt.

2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (18) im wesentlichen zylindrische Form aufweist und daß zumindest eine die Kammer bildende Endwand ein entfernbares Teil (33,34) enthält.und daß die Einheit (19) ein Gehäuse (27) aufweist, das einen Rotor einschließt, der ein Turbinenrad (25) und ein Kompressorrad (24) aufweist, die auf einer gemeinsamen Welle (26) betrieben werden, wobei die Einheit so ausgebildet ist, daß sie in die Kammer einsetzbar ist und während des Betriebes in ihr so gehalten wird, daß die Drehachse der Einheit im we-

sentlichen parallel zur Längsachse der Kammer liegt.

3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (18) so angeordnet ist, daß die Drehachse (26) der Einheit (19) senkrecht zur Längsachse der zugeordneten Zylinder (I, II) und quer zur Maschine liegt.

4. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (41) so angeordnet ist, daß die Drehachse (26) der Einheit (19) parallel zur Längsachse der zugeordneten Zylinder (III, IV) und möglicherweise seitlich hierzu versetzt liegt.

5. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (18; 41) so angeordnet ist, daß die Drehachse (26) der Einheit (19) symmetrisch zu zwei zugeordneten Zylindern (I, II; .III, IV) liegt.

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6. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (51) so angeordnet ist, daß die Drehachse (26) der Einheit (19) senkrecht zur Längsachse eines zugeordneten Zylinders (V) und parallel zur Längsrichtung der Maschine liegt.

•7. Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, wobe^ das Kompressorrad (24) so angeordnet ist, daß es ankommende Luft in axialem Fluß empfängt und die Luft radial ausgibt, während das Turbinenrad (25) so angeordnet ist, daß es Gas in radialer Richtung empfängt \und in axialer Richtung ausgibt, dadurch g e k e η n\z e i c h η e t , daß Einlaß- und Auslaßschnecken (20V, 21) in der umhüllenden Wand der Kammer (18) ausgebildet sind, wobei jede mit letzterer über eine periphere Rille (22, 23) in Verbindung steht, wobei das Gehäuse .(27) als zentraler Körper ausgebildet ist, der zwei periphere;

nach außen gerichtete Flansche (28, 29) aufweist, die mit den Rillen zusammenpassen, und mit Fluidpassagen versehen ist, von denen zumindest die Passage am Gaseinlaß als Führungsflügel (30) ausgebildet sind.

8. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftauslaßpassagen als Führungsflügel (31) ausgebildet sind.

9. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 7 od r 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (24-26) einstückig ausgebildet ist und daß das Gehäuse (27) in Längsrichtung in zwei Hälften geteilt ist, wobei der Rotor als auch das Gehäuse aus Keramikmaterial hergestellt ist.

10. Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf aus Keramikmaterial hergestellt ist.

11.' Verbrennungskraftmaschine nach einem .öder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zylinderkopf (61), der einer Anzahl von Zylindern gemeinsam ist, mit mindestens zwei querliegenden Kammern für Turbo-Kompressor-Einheiten (60) versehen ist, wobei deren Auslässe mit einergemeinsamen Passage (64) verbunden sind, einschließlieh einer Nachverbrennereinheit (65).

12. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Abgasturbine (68) vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, daß sie Gase von der Nachverbrennereinheit (65) empfängt und die Ausgangswelle der Maschine entweder direkt oder mittels einer Akkumulatoreinrichtung antreibt.