Aus einer Kolbenbrennkraftmaschine und einer Abgasturbine bestehendes Brennkraftmaschinenaggregat Es ist bekannt, bei Kolbenbrennkraftmaschinen die Auspuffenergie in einer Turbine auszunutzen. Durch eine derartige Abgasturbine hat man auch schon ein Ladegebläse angetrieben, das den Kolben motor zwecks Erzielung einer Wirkungsgradverbesse rung auf- bzw. überlädt. Da die Turbine bei einem normalen Motor bei Laständerung einer ständigen Drehzahlschwankung unterworfen ist, kann die Abgas energie nicht restlos verwertet werden, weil die Tur bine für eine geringe Belastung der Kolbenmaschine ausgelegt werden muss.
Besonders trifft dies für Zwei taktmaschinen zu, bei denen ein bestimmter Lade druck zum Betrieb des Motors auch bei geringer Be lastung der Maschine erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden, also ,ein Brennkraftmaschinen- aggregat zu schaffen, welches die Auslegung der Ab gasturbine für den Vollast-Auslassdruck der Brenn- kraftmaschine gestattet und dadurch die gesamte Ab gasenergie nutzbringend verwertet. Die Abgasturbine soll so mit der Brennkraftmaschine zusammengebaut werden, dass die Entfernung zwischen den Zylindern der Brennkraftmaschine und der Abgasturbine mög lichst klein ist.
Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe setzt ein Brennkraftmaschinenaggregat als bekannt voraus, das aus einer mehrzylindrischen Brennkraft- maschine mit hin und her gehenden Kolben und einer von diesen angetriebenen Abgasturbine besteht.
Die Erfindung wird darin gesehen, dass die Brennkraft- maschine mindestens zwei hin und her gehende, mit je einem Schwinghebel gekuppelte Kolben aufweist, wobei die Schwinghebel über Gleitkörper mit zu bei den Seiten in einem verstellbar angeordneten Joch gelagerten Schwingkurbeln sowie über diese nur in einer Drehrichtung wirksamen Kupplungen mit Trom- meln verbunden ;
sind, die über Zahnräder die senk recht zur Zylinderachse verlaufende Abtriebswelle der Brennkraftmaschine abwechselnd und absatzweise an treiben, und dass ferner zum Antrieb der Hilfs maschine eine eigene, von der Abtriebswelle unab hängige Exzenterwelle zwischen den einander gegen überliegenden Kolben vorgesehen ist, die jeweils eine oder mehrere, in einer Zylinderlängsmittelebene bzw.
in Parallelebenen hierzu liegende Exzenterscheiben trägt, an der bzw. an denen die Stirnflächen vonein ander diametral gegenüberliegenden Druckstücken anliegen, die in den Kolben in ihrer Längsrichtung axial verschiebbar gelagert sind und jeweils unter dem Druck einer zwischen den Druckstücken und den Kolbenbodeninnenseiten wirksamen Feder stehen, und dass die Abgasturbine über ein Zahnradgetriebe mit der Exzenterwelle verbunden ist.
Es ist vorteilhaft, die Abgasturbine derart unter halb eines untern Zylinderpaares anzuordnen, dass die von der Mitte der Zylinder ausgehenden Auslass- kanäle tangential in das Turbinengehäuse einmünden.
Die als Radialturbine ausgebildete Abgasturbine kann man so bemessen, dass sie bei Teillast zumindest die durch den Antrieb des Kühlgebläses, des Lade gebläses und der sonstigen Nebengetriebe, z. B. Öl- und Einspritzpumpe, auftretende Verlustleistung deckt und zumindest bei Vollast zusätzlich über die Exzen- terwelle Nutzleistung an das Triebwerk abgibt.
In den Fig. 1 bis 5 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
In Fig. 1 ist die Vorderansicht eines mit zwei Zylinderpaaren ausgerüsteten Brennkraftmaschinen- aggregates dargestellt.
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt dieses Aggregates entlang der Linie<I>A -B</I> in Fig. 1. Aus Fig.3 ist ein dazu senkrechter Schnitt ent lang der Linie C-D in Fig. 1 zu erkennen.
In Fig.4 ist ein Querschnitt entlang der Linie F-E in Fig. 2 veranschaulicht.
Fig. 5 stellt einen weiteren Querschnitt entlang der Linie<B><I>G -H</I></B> in Fig. 2 dar.
In Fig. 5 sind mit 1 und 2 in den Zylindern 3 und 4 gleitenden obern Kolben und mit 5 und 6 die in den Zylindern 7 und 8 gleitenden untern Kolben bezeichnet. Die Zylinder 3 und 7 und die Zylinder 4 und 8 bilden zusammen jeweils ein geripptes Guss- stück. Die Zylinderköpfe <B>105</B> und 106 schliessen die vorgenannten Zylinder ab.
Die beiden obern Kolben 1 und 2 stehen über Druckfedern 9, 10 und Druckstücke 11, 12 mit den auf den Exzentern 13, 14 der Exzenterwelle gelager ten Laufringen 15, 16.in kraftschlüssiger Verbindung.
Die Kolben 1 und 5 bzw. 2 und 6 haben über in Nuten 22, 24 bzw. 23, 25 -eingreifende Gleitkörper 18, 20 bzw. 19, 21 Kraftschluss mit den Schwing hebeln 26 und 27, deren Lagerzapfen 28 und 29 mit tels Nadellagern 30 und 31 im Motorgehäuse 32 ein seitig gelagert sind. Ein ähnliches Getriebe für solche Maschinen ist in der schweizerischen Patentschrift Nr. 341356 beschrieben.
Die Schwinghebel 26 und 27 sind mit verzahnten Fortsätzen 33 und 34 ausgerüstet, die - wie die Fig. 5 erkennen lässt - miteinander in Eingriff ste hen. Die Fortsätze 35 und 36 dienen zum Massen ausgleich. Die Schwinghebel weisen auf der von den Zylindern abgekehrten Seite eine durchgehende Nut 37 bzw. 38 auf, in die mittels Gleitkörper 39 und 40 die in dem schwenkbaren Joch 41 auf den Kugellagern 42, 43 und 44, 45 gelagerten Schwingkurbeln 46 und 47 derart eingreifen, dass bei Verschwenken des Joches 41 eine Vergrösserung oder Verkleinerung der wirksamen Hebelarmlänge erreicht werden kann.
Die Zapfen 48 und 49 der Schwingkurbeln sind mit den Flanschen 50 und 31 fest verbunden. In einer Aussparung 52 bzw. 53 dieser Flanschen liegen die Enden der Federbandkupplungen 54 und 55, die jeweils um 180 versetzt das von den Kolben aufge nommene Drehmoment auf die Trommeln 56 und 57 übertragen. Die letzteren stehen über Zahnräder 58 und 59 mit dem Abtriebszahnrad 60 und der Ab triebswelle 61 in Verbindung. Die Verschwenkung des Joches 41 erfolgt mittels einer Schneckenspindel 62, die in eine auf dem Joch 41 befestigte Verzahnung 63 eingreift, und durch eine Zahnstange 64, welche hydraulisch über die Verzahnung 65 verschoben wird.
Der Abtrieb geht von der Welle 61 über eine Sicherheitskupplung 66 und ein Antriebskegelrad 67, welches zwei Tellerräder 68 für Vorwärtsfahrt und 69 für Rückwärtsfahrt antreibt. Die letzteren können durch eine Schaltklaue 70 ein- und ausgeschaltet wer den. Die Tellerräder treiben das Differentialgehäuse 71 an, in welchem das Differential 72 untergebracht ist. Von hier aus erfolgt in bekannter Weise der An trieb der Fahrzeugräder.
Die Exzenterwelle 17, die unabhängig von dem ständig in Abhängigkeit von der Last seine Drehzahl wechselnden Abtrieb mit annähernd gleicher Drehzahl umläuft, treibt über die Zahnräder 73, 74 und die Welle 75 die als Schwungrad ausgebildete Licht- und Anlassmaschine 76 an. Auf der Welle 75 ist auch der als Flachschieber ausgebildete Einlassdrehschieber 77 angeordnet, durch den der Einlass des Frischgases in die Zylinder gesteuert wird. Zur Abdichtung wer den die Druckstücke 80 und 81 durch Federn 78 und 79 an den Drehschieber gedrückt, von wo aus das Frischgas über die Einlasskanäle 82 und 83 in die Motorzylinder gelangt.
Auf dem rotierenden Gehäuse der Lichtanlass- maschine 76 ist der Kühllüfter 84 angebracht, der durch die öffnung 85 Luft ansaugt und sie zum Kühlen der Zylinder durch Kanäle 86 und 87. an die Kühlrippen der Motorzylinder heranführt.
Das Zahnrad 74 auf der Welle 75 steht über das Zahnrad 88 mit der Welle 93 in Verbindung, die auf der vordern Stirnseite das Ladegebläse 94 und auf der rückwärtigen Stirnseite das Radialturbinenrad 95 trägt. Das Zahnrad 88 treibt die Zahnradpumpe 89, die Druckpumpe 90 für den Schmierkreislauf und die Druckpumpe 91 für die Betätigung an.
Das Ladegebläse saugt über den durch die Dros selklappe 96 gesteuerten Ansaugkanal 97 Luft an und drückt die Ladeluft über die Kanäle 98 und 99 zum Drehschieber 77. Die Abgasturbine steht mit den Aus lassschlitzen 100 und 101 über die tangential in das Gehäuse 102 der Turbine einmündenden Kanäle 103 und 104 in Verbindung.
Die Wirkungsweise des beschriebenen Brennkraft- maschinenaggregates soll nachstehend erläutert wer den. Die mit der Exzenterwelle 17 starr verbundenen Exzenter 13 und 14 drehen sich entgegen dem Uhr zeigersinn. Fig. 5 lässt erkennen, dass die Kolben 1 und 2 verdichten, während die über die Schwinghebel 26 und 27 mit den Kolben 1 und 2 verbundenen Kolben 5 und 6 Arbeit leisten. Sobald die Oberkanten dieser Kolben die Auslassschlitze erreicht haben, drin gen die Abgase aus den Auslassschlitzen 100 und 101 über die Kanäle 103 und 104 in das Turbinengehäuse 102 und treiben die Abgasturbine 95 an (vgl. Fig. 4).
Erst in der Nähe des untern Totpunktes, wenn der Druck in den Zylindern entsprechend abgesunken ist, öffnet der Drehschieber 77 (vgl. Fig. 3) den Einlass. Die vom Ladegebläse 94 (vgl. Fig. 2) vorverdichtete Verbrennungsluft kann nunmehr über die Einlass- kanäle 82 und 83 (vgl. Fig. 3) in die Zylinder ein dringen.
Das Einspritzen des Brennstoffes erfolgt während des Verdichtungshubes. Wenn die Kolben 5 und 6 das Gemisch so hoch verdichtet haben, dass Selbst zündung eintritt, kehren diese Kolben ihre Bewe gungsrichtung um, und es beginnt ein neuer Arbeits takt. Dasselbe spielt sich um 180 versetzt in den Zylindern 3 und 4 ab. Die Arbeitskolben 1 und 2 stehen mit der Exzenterwelle über Federn 9 und 10 in elastischer Verbindung. Mit den Schwinghebeln 26 und 27, die untereinander über die verzahnten Fort sätze 33 und 34 kraftschlüssig verbunden sind (vgl. Fig. 5), sind sie jedoch durch schwenkbar gelagerte Gleitkörper 18, 20 bzw. 19, 21 bewegungsstarr ge kuppelt.
Die Schwinghebel wiederum übertragen über die schwenkbaren Gleitkörper 39 bzw. 40, die in ihren Nuten 37 bzw. 38 durch Verschwenken des Joches 41 zur Veränderung der Übersetzung ver schoben werden können, um 180 versetzt Impulse über die Schwingkurbeln 46 bzw. 47, dann deren Zapfen 48 bzw. 49 mit den Flanschen 50 bzw. 51 auf die in Fig. 3 nur im Schnitt angedeuteten Feder bandkupplungen 54 und 55. Zu diesem Zweck greift die Schwingkurbel 46 mit ihrem Gleitkörper 39 nach oben in die Nut 37 des Schwinghebels 26 und die Schwingkurbel 47 mit ihrem Gleitkörper 40 nach unten, also um 180 gegenüber der Schwingkurbel 46 versetzt, in die Nut 38 des Schwinghebels 27 ein.
Beide Federbandkupplungen sind im gleichen Drehsinn gewickelt; sie übertragen nur das Dreh moment jeweils einzeln um 180 phasenverschoben auf den Abtrieb, da das obere Ende des Schwinghebels 26, wo bei kleinster Übersetzung die Schwingkurbel 46 angreift, sich z. B. gerade im innern Totpunkt seiner Bewegung und das untere Ende des Schwing- hebels-27, wo die Schwingkurbel 47 angreift, sich im äussern Totpunkt seiner Bewegung befindet.
Kurz nach dem innern Totpunkt der obern Kolben 1 und 2, welcher dem äussern Totpunkt der untern Kolben 5 und 6 entspricht, beginnt also die Federbandkupplung 54 zu greifen, während sich die Federbandkupplung 55 kurz vor dem innern Totpunkt der obern Kolben gelöst hat. Die Federbandkupplungen 54 'und 55 übertragen in der entgegen ihrem Wicklungssinn ge richteten Bewegung ein Drehmoment auf die Trom meln 56 und 57, von wo es durch die Zahnräder 58 und 59 auf das Antriebszahnrad 60 und damit die Antriebswelle 61 übertragen wird.
Internal combustion engine assembly consisting of a piston internal combustion engine and an exhaust gas turbine It is known to utilize the exhaust energy in a turbine in piston internal combustion engines. Such an exhaust gas turbine has already driven a charging fan that charges or overcharges the piston engine for the purpose of improving efficiency. Since the turbine in a normal engine is subject to constant speed fluctuations when the load changes, the exhaust gas energy cannot be fully utilized because the turbine must be designed for a low load on the piston engine.
This is particularly true for two-stroke machines, where a certain boost pressure is required to operate the engine even when the machine is under low load.
The invention is based on the object of avoiding this disadvantage, that is to say of creating an internal combustion engine unit which allows the exhaust gas turbine to be designed for the full-load outlet pressure of the internal combustion engine and thereby utilizes the entire exhaust gas energy in a beneficial manner. The exhaust gas turbine is to be assembled with the internal combustion engine in such a way that the distance between the cylinders of the internal combustion engine and the exhaust gas turbine is as small as possible.
The inventive solution to this problem assumes as known an internal combustion engine unit which consists of a multi-cylinder internal combustion engine with reciprocating pistons and an exhaust gas turbine driven by these.
The invention is seen in the fact that the internal combustion engine has at least two reciprocating pistons, each coupled to a rocker arm, the rocker arm via sliding bodies with rocker cranks mounted on the sides in an adjustable yoke and via these only in one direction of rotation effective clutches connected to drums;
are, which alternately and intermittently drive the output shaft of the internal combustion engine running perpendicular to the cylinder axis via gears, and that a separate eccentric shaft, independent of the output shaft, is provided between the opposing pistons, each of which has one or several, in a cylinder longitudinal center plane or
eccentric disks lying in parallel planes to this, on which the end faces of one another lie diametrically opposite pressure pieces which are axially displaceable in the piston in their longitudinal direction and are each under the pressure of a spring acting between the pressure pieces and the inner sides of the piston crown, and that the exhaust gas turbine is connected to the eccentric shaft via a gear drive.
It is advantageous to arrange the exhaust gas turbine beneath a lower pair of cylinders in such a way that the outlet ducts starting from the center of the cylinder open tangentially into the turbine housing.
The exhaust gas turbine designed as a radial turbine can be dimensioned so that at part load at least the blower by the drive of the cooling fan, the loading and the other auxiliary gears, eg. B. oil and injection pump, covers occurring power loss and, at least at full load, also delivers useful power to the engine via the eccentric shaft.
1 to 5, an embodiment of the invention is illustrated.
In Fig. 1 the front view of an internal combustion engine unit equipped with two pairs of cylinders is shown.
Fig. 2 shows a longitudinal section of this unit along the line <I> A -B </I> in FIG. 1. From FIG. 3, a perpendicular section along the line C-D in FIG. 1 can be seen.
FIG. 4 shows a cross section along the line F-E in FIG.
FIG. 5 shows a further cross section along the line <B> <I> G -H </I> </B> in FIG. 2.
In Fig. 5, 1 and 2 are upper pistons sliding in cylinders 3 and 4, and 5 and 6 are lower pistons sliding in cylinders 7 and 8. The cylinders 3 and 7 and the cylinders 4 and 8 together each form a ribbed casting. The cylinder heads <B> 105 </B> and 106 close off the aforementioned cylinders.
The two upper pistons 1 and 2 are via compression springs 9, 10 and pressure pieces 11, 12 with the bearing on the eccentrics 13, 14 of the eccentric shaft th races 15, 16. in a positive connection.
The pistons 1 and 5 or 2 and 6 have over in grooves 22, 24 and 23, 25-engaging sliders 18, 20 and 19, 21 frictional connection with the rocker levers 26 and 27, the journals 28 and 29 with means of needle bearings 30 and 31 are mounted on one side in the motor housing 32. A similar transmission for such machines is described in Swiss Patent No. 341356.
The rocker arms 26 and 27 are equipped with toothed extensions 33 and 34, which - as shown in FIG. 5 shows - are hen in engagement with one another. The extensions 35 and 36 are used to balance the masses. On the side facing away from the cylinders, the rocker arms have a continuous groove 37 and 38, into which the rocker cranks 46 and 47, which are mounted in the pivotable yoke 41 on the ball bearings 42, 43 and 44, 45, engage by means of sliding bodies 39 and 40, that when the yoke 41 is pivoted, the effective lever arm length can be increased or decreased.
The pins 48 and 49 of the oscillating cranks are firmly connected to the flanges 50 and 31. In a recess 52 or 53 of these flanges are the ends of the spring band couplings 54 and 55, each offset by 180, the torque recorded by the piston on the drums 56 and 57 transferred. The latter are connected via gears 58 and 59 to the output gear 60 and the drive shaft 61 from. The pivoting of the yoke 41 takes place by means of a worm spindle 62, which engages in a toothing 63 fastened on the yoke 41, and by means of a toothed rack 64, which is shifted hydraulically via the toothing 65.
The output goes from the shaft 61 via a safety clutch 66 and a drive bevel gear 67, which drives two ring gears 68 for forward travel and 69 for reverse travel. The latter can be switched on and off by a switching claw 70. The ring gears drive the differential housing 71 in which the differential 72 is housed. From here, the vehicle wheels are driven in a known manner.
The eccentric shaft 17, which rotates at approximately the same speed independently of the output, which constantly changes its speed depending on the load, drives the dynamo and starting machine 76, designed as a flywheel, via the gears 73, 74 and the shaft 75. The rotary inlet slide valve 77, designed as a flat slide valve, is also arranged on the shaft 75 and controls the inlet of the fresh gas into the cylinder. For sealing, the pressure pieces 80 and 81 are pressed against the rotary valve by springs 78 and 79, from where the fresh gas passes through the inlet channels 82 and 83 into the engine cylinder.
The cooling fan 84 is attached to the rotating housing of the light starting machine 76, which sucks in air through the opening 85 and guides it through channels 86 and 87 to the cooling fins of the engine cylinders to cool the cylinders.
The gear wheel 74 on the shaft 75 is connected via the gear wheel 88 to the shaft 93 which carries the charging fan 94 on the front face and the radial turbine wheel 95 on the rear face. The gear 88 drives the gear pump 89, the pressure pump 90 for the lubrication circuit and the pressure pump 91 for actuation.
The charge fan sucks in air through the intake duct 97 controlled by the throttle valve 96 and pushes the charge air through the ducts 98 and 99 to the rotary valve 77. The exhaust gas turbine is with the outlet slots 100 and 101 via the ducts opening tangentially into the housing 102 of the turbine 103 and 104 in conjunction.
The mode of operation of the internal combustion engine unit described will be explained below. The eccentrics 13 and 14 rigidly connected to the eccentric shaft 17 rotate counter-clockwise. 5 shows that the pistons 1 and 2 compress, while the pistons 5 and 6 connected to the pistons 1 and 2 via the rocker arms 26 and 27 perform work. As soon as the upper edges of these pistons have reached the outlet slots, the exhaust gases from the outlet slots 100 and 101 via the ducts 103 and 104 into the turbine housing 102 and drive the exhaust gas turbine 95 (see FIG. 4).
The rotary slide valve 77 (see FIG. 3) only opens the inlet in the vicinity of the bottom dead center, when the pressure in the cylinders has correspondingly decreased. The combustion air pre-compressed by the charging fan 94 (see FIG. 2) can now penetrate into the cylinders via the inlet channels 82 and 83 (see FIG. 3).
The fuel is injected during the compression stroke. When pistons 5 and 6 have compressed the mixture to such an extent that self-ignition occurs, these pistons reverse their direction of motion and a new work cycle begins. The same takes place in cylinders 3 and 4 offset by 180. The working pistons 1 and 2 are in elastic connection with the eccentric shaft via springs 9 and 10. With the rocker arms 26 and 27, which are frictionally connected to each other via the toothed extensions 33 and 34 (see. Fig. 5), they are, however, coupled by pivotably mounted sliding bodies 18, 20 and 19, 21 rigidly ge.
The rocker arm in turn transmitted via the pivotable slider 39 and 40, which can be pushed ver in their grooves 37 and 38 by pivoting the yoke 41 to change the translation, offset by 180 pulses on the rocker cranks 46 and 47, then their pins 48 and 49 with the flanges 50 and 51 on the spring band couplings 54 and 55, indicated only in section in FIG. 3. For this purpose, the oscillating crank 46 engages with its sliding body 39 upwards into the groove 37 of the oscillating lever 26 and the oscillating crank 47 with its sliding body 40 downwards, that is to say offset by 180 with respect to the oscillating crank 46, into the groove 38 of the oscillating lever 27.
Both spring band couplings are wound in the same direction of rotation; they only transmit the torque individually phase-shifted by 180 to the output, since the upper end of the rocker arm 26, where the rocker crank 46 engages at the lowest translation, z. B. just in the inner dead center of its movement and the lower end of the rocking lever 27, where the rocking crank 47 engages, is in the outer dead center of its movement.
Shortly after the inner dead center of the upper pistons 1 and 2, which corresponds to the outer dead center of the lower pistons 5 and 6, the spring band clutch 54 begins to grip, while the spring band clutch 55 has released just before the inner dead center of the upper piston. The spring band clutches 54 'and 55 transmit a torque to the drums 56 and 57, from where it is transmitted through the gears 58 and 59 to the drive gear 60 and thus the drive shaft 61 in the movement directed against their winding direction.