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Die
Erfindung betrifft ein System mit einer ersten Verbrennungskraftmaschine
mit zwei Schwenkkolben, die in einem in einem Gehäuse gebildeten
Prozessraum gegenläufig zueinander verschwenkbar an zwei
Kolbenwellen angeordnet sind und zwei Brennräume innerhalb
des Prozessraumes voneinander abtrennen, die Kolbenwellen sind über eine
Kopplungseinrichtung mit einer Kurbelwelle verbunden, und mit einer
zweiten Verbrennungskraftmaschine, die korrespondierend zu der ersten
Verbrennungskraftmaschine aufgebaut ist.
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Das
Grundprinzip eines zweiflügligen Schwenkkolbenmotors mit
gegenläufigen Kolben und einer Kraftübertragung
auf ein gemeinsames Pleuel ist beispielsweise aus der
DE 18 13 107 A1 bekannt.
Innerhalb eines Gehäuses sind zwei drehschwenkbar gelagerte
Rotoren voneinander getrennt. An dem Motor sind Einrichtungen vorgesehen,
die ein Einströmen von Brennstoff und Luft in die Verbrennungsbereiche
in entsprechend zeitlicher Abstimmung mit der hin- und hergehenden
Drehverschwenkung von Rotoren steuern und das Brennstoff-Luftgemisch
innerhalb des Verbrennungsbereiches zünden.
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Die
DE 70 34 66 PS beschreibt
eine Schwenkkolbenmaschine mit einem aus zwei Zylinderabschnitten
bestehenden Arbeitsraum und darin mittig zu jedem Zylinderabschnitt
gelegenen, um 180° gegeneinander schwingenden Arbeitsflügeln, deren
Naben durch ein Zwischenstück gegeneinander abgedichtet
sind. Die Wellen der Arbeitsflügel stehen über
Zahnräder miteinander in Eingriff. Die Flügel
sind um zwei Wellen drehbar angeordnet, die über einen
Kurbelzapfen und ein Pleuel mit einer Kurbelwelle gekoppelt sind.
Mit der Kurbelwelle ist eine Steuerwelle mit Nocken verbunden, denen
Schwenkhebel zugeordnet sind. Diese Schwenkhebel steuern Einlass-
und Auslassventile.
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Ein
weiterer Schwenkkolbenmotor ist in der
DE 10 2006 003 920 A1 beschrieben.
Bei einer solchen Verbrennungskraftmaschine wird die Kraft von den
Schwenkkolben über Zahnräder an den Kolbenwellen über
eine zwischen den Zahnrädern angeordnete Zahnstange auf
einen Pleuel übertragen.
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Verbrennungskraftmaschinen
werden häufig für den Personenindividualverkehr
eingesetzt, insbesondere in Personenkraftwagen. Der Einsatzbereich von
Personenkraftwagen ist außerordentlich vielfältig und
reicht von einem rein nutzenorientierten Einsatz, beispielsweise
im Bereich des Transportes von Gütern, über vorwiegend
genussorientierte Einsatzzwecke, wie das Fahren von Motorsportrennen,
zu einem gemischten Einsatz, bei dem Personen innerorts mit relativ
geringer Geschwindigkeit transportiert werden sollen und weite Distanzen
mit möglichst hoher Geschwindigkeit zurückgelegt
werden. Der weit überwiegende Anteil der Personenkraftwagen
wird in einem solchen gemischten Betrieb eingesetzt. Im Stadtverkehr
und im Klein- und Teillastbetrieb ist der Brennstoffverbrauch von
Verbrennungskraftmaschinen für Personenkraftwagen insbesondere
dann sehr hoch, wenn diese Verbrennungskraftmaschine einen großen
Hubraum aufweist und auch für hohe Geschwindigkeiten mit
einer entsprechend hohen Leistung ausgestattet ist. Insbesondere
im Stadtbetrieb werden solche Motoren nur mit einem geringen Anteil der
Maximalleistung betrieben, dennoch müssen die Brennräume
mit Kraftstoff befüllt werden, was insgesamt einen sehr
geringen Wirkungsgrad solcher Motoren in einer solchen Betriebsweise
zur Folge hat. Insbesondere Kurzstreckenfahrten und Fahrten mit niedriger
Durchschnittsgeschwindigkeit in Städten stellen verbrauchstechnisch
ein großes Problem dar. Teilweise wurden Lösungsvorschläge
dahingehend gemacht, dass im Teillastbetrieb nur ein Teil der Zylinder
mit einem zündfähigen Gemisch befüllt
wird, was technisch jedoch sehr schwierig ist. Darüber
hinaus laufen die Kolben und der Ventiltrieb der leer laufenden
Zylinder mit, was den Gesamtwirkungsgrad des Motors verschlechtert
und zudem den Verschleiß der mitlaufenden Teile nicht vermindert.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein System bereitzustellen,
mit dem einerseits geringere Verbräuche innerhalb des Stadtverkehrs und
andererseits auch hohe Geschwindigkeiten realisiert werden können,
sofern dies notwendig ist.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch ein System mit den Merkmalen des Hauptanspruches
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Das
erfindungsgemäße System mit einer ersten Verbrennungskraftmaschine
mit zwei Schwenkkolben, die in einem in einem Gehäuse gebildeten
Prozessraum gegenläufig verschwenkbar an zwei Kolbenwellen
angeordnet sind und zwei Brennräume innerhalb des Prozessraumes
voneinander abtrennen, die Kolbenwelle ist dabei über eine
Kopplungseinrichtung mit einer Kurbelwelle verbunden, und mit einer
zweiten Verbrennungskraftmaschine, die korrespondierend zu der ersten
Verbrennungskraftmaschine aufgebaut ist, sieht vor, dass zwischen den
beiden Verbrennungskraftmaschinen eine schaltbare Kupplungseinrichtung
angeordnet ist, die beide Kurbelwellen miteinander verbindet und
Formschlusselemente aufweist, die eine mechanisch starre Kopplung
der Kurbelwellen bewirken.
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Das
Problem der Bereitstellung von ausreichender Motorleistung bei gleichzeitiger
Optimierung der Verbräuche lässt sich sinnvoll
dadurch lösen, dass für jeden Einsatzzweck ein
besonders ausgebildeter Motor eingesetzt wird. Eine Möglichkeit
hierzu wäre, dass zwei vollständig voneinander
getrennte Antriebseinheiten vorgesehen sind, einer für
den Stadtbetrieb oder das Langsamfahren über Land, der andere
für schnelle Fahrten oder für Einsatzzwecke mit
hoher Leistung. Eine solche Anordnung von Motoren innerhalb eines
Personenkraftfahrzeuges ist aus Kostengründen, Gewichtsgründen
und Platzgründen nicht sinnvoll. Erfindungsgemäß wird
daher vorgeschlagen, dass zwei Verbrennungskraftmaschinen innerhalb
eines Systems vorhanden sind, von denen eine Verbrennungskraftmaschine
ständig im Einsatz ist, während die andere nur
zur Bereitstellung von Spitzenlasten zugeschaltet wird. Die Kopplung der
beiden Verbrennungskraftmaschinen sollte möglichst sanft
und im laufenden Betrieb der Verbrennungskraftmaschinen erfolgen.
Dazu ist es notwendig, die Verbrennungskraftmaschinen so miteinander zu
koppeln, dass die Zündzeitpunkte und die Kolbenstellungen
zueinander eindeutig definiert sind, damit keine unangenehmen Schwingungen
auftreten. Aufgrund des Wirkprinzips eines Schwenkkolbenmotors ist
es möglich, zwei Verbrennungskraftmaschinen relativ einfach
miteinander zu koppeln. Da beide Verbrennungskraftmaschinen auf
eine gemeinsame Kurbelwelle wirken, müssen nur einmal die
dem Antrieb nachgeschalteten Komponenten, wie Kupplung, Getriebe
und Abtriebswelle vorgehalten werden, die allerdings dann auf die
größere Motorleistung mit den beiden miteinander
gekoppelten Verbrennungskraftmaschinen ausgelegt sein müssen.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kupplungseinrichtung
eine Reibungskupplung mit zumindest einer Gleitscheibe und einer
Reibscheibe aufweist. Bevorzugt ist diese Reibungskupplung als eine
Mehrscheibenkupplung ausgebildet, es besteht auch die Möglichkeit,
diese als eine Einscheibenkupplung auszubilden; alternativ oder
ergänzend kann zwischen den Motoren auch ein Wandler angeordnet
sein. Die Reibungskupplung dient dazu, beim Zuschalten der zunächst
stillstehenden, nicht mitlaufenden Verbrennungskraftmaschine diese
an die Drehzahl der Kurbelwelle heranzuführen, also den
zuzuschaltenden Verbrennungsmotor im Schleppbetrieb mit der bereits
im Betrieb befindlichen Verbrennungskraftmaschine zu koppeln. Die anzukoppelnde
Verbrennungskraftmaschine ist bevorzugt leistungsfähiger
als die Standardverbrennungskraftmaschine ausgelegt, damit der Verbrauch der
Standardmaschine möglichst gering ist. Die Auslegung der
Verbrennungskraftmaschinen erfolgt je nach Einsatzzweck, wird der überwiegende
Teil des Einsatzes innerhalb einer Ortschaft erfolgen, ist eine sehr
große Differenz zwischen den Leistungsfähigkeiten
der Verbrennungskraftmaschinen sinnvoll, da innerorts in der Regel
nur eine geringe Leistung notwendig sein wird.
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Um
eine möglichst verlustfreie Kopplung der beiden Verbrennungskraftmaschinen
herzustellen, ist es vorgesehen, dass die Kopplung der beiden bevorzugt
hintereinander angeordneten Verbrennungskraftmaschinen auf einer
gemeinsamen Kurbelwelle nicht über eine Gleitkupplung,
beispielsweise eine Mehrfachlamellenkupplung oder eine Einscheibenkupplung,
stattfindet, da eine solche Kopplung zweier Verbrennungskraftmaschinen
in der Regel nicht verlustfrei erfolgen kann. Nachdem die zuzuschaltende Verbrennungskraftmaschine
angenähert die Drehzahlen der antreibenden Verbrennungskraftmaschine
aufgenommen hat, ist vorgesehen, dass eine Schiebmuffe verlagert
wird. In der Kupplungseinrichtung ist eine Schiebmuffe verschieblich
und drehfest gelagert und mit einem der beiden Verbrennungskraftmaschinen
permanent drehmomentübertragend gekoppelt. Um die angetriebenen
Massen möglichst gering zu halten, ist die Schiebmuffe
bevorzugt an der zuzuschaltenden Verbrennungskraftmaschine angeordnet,
da sie anderenfalls ständig mit der antreibenden Verbrennungskraftmaschine
mitlaufen würde. Grundsätzlich ist dies jedoch
auch möglich. Die Schiebmuffe weist Formschlusseinrichtungen zum
Verbinden der zuzuschaltenden Verbrennungskraftmaschine mit der
Kurbelwelle der antreibenden Verbrennungskraftmaschine auf, wobei
den Formschlusseinrichtungen Aufnahmeeinrichtungen für
die Formschlusseinrichtungen zugeordnet sind.
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Sofern
sich die beiden Verbrennungskraftmaschinen mit synchroner Drehzahl
drehen und darüber hinaus noch die Winkelstellung der Kolben
zueinander wie gewünscht vorhanden ist, also beispielsweise
synchron oder exakt gegenläufig vorhanden sind, kann eine
formschlüssige Verbindung allein durch das Verschieben
der Schiebmuffe erfolgen. Dann würde eine sehr einfache
Kopplung über eine Klauenkupplung stattfinden. In der Regel
werden solche Betriebszustände nicht ohne weiteres vorzufinden
sein. Daher ist es vorgesehen, dass die Formschlusseinrichtungen
an der Schiebmuffe in Verschieberichtung und radial zueinander versetzt
angeordnet sind, so dass mehrere Schaltringe oder Verriegelungsringe
konzentrisch zueinander ausgebildet sind. Die zuerst in Eingriff
tretenden und bevorzugt in Axialrichtung vorderen Formschlusseinrichtungen, also
diejenigen Formschlusseinrichtungen, die näher zu den Aufnahmeeinrichtungen
angeordnet sind als die anderen Formschlusseinrichtungen, liegen
Aufnahmeeinrichtungen gegenüber, die größer
als die Formschlusseinrichtungen sind, so dass ein Hineingleiten
der vorderen Formschlusseinrichtungen der Schiebmuffe in die Aufnahmeeinrichtungen
relativ leicht erfolgen kann, da keine exakte Zuordnung der Aufnahmeeinrichtungen
zu den Formschlusselementen erfolgen muss. Grundsätzlich
besteht jedoch die Möglichkeit, dass die Formschlusseinrichtungen
und die Aufnahmeeinrichtungen so angeordnet sind, dass sie nur in
genau einer Stellung zueinander in Eingriff treten und miteinander
verriegelt werden können.
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Es
ist vorgesehen, dass die zuletzt in Eingriff tretenden axial hinteren
Formschlusseinrichtungen, die auch auf einer radial versetzten Ebene
angeordnet sind, den Aufnahmeeinrichtungen an der anderen Verbrennungskraftmaschine
dergestalt zugeordnet sind, dass die beiden Kurbelwellen nur in
genau einer Stellung zueinander koppelbar sind, um auszuschließen,
dass die Verbrennungskraftmaschinen in einer Stellung der Schwenkkolben
miteinander gekoppelt werden, die nicht gewünscht wird.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Aufnahmeeinrichtungen
für die axial vorderen oder zuerst in Eingriff tretenden
Formschlusselemente an einem Schaltring angeordnet sind, der der antreibenden
Verbrennungskraftmaschine zugeordnet sind. Der Schaltring ist zwischen
Anschlägen verdrehbar an der antreibenden Verbrennungskraftmaschine
gelagert und bildet zwischen den Anschlägen fluidgefüllte
Verbrennungskammern aus. Diese Verdrängerkammern weisen
zumindest eine Ausströmöffnung für das
Fluid, beispielsweise Hydrauliköl auf, so dass nach dem
Ineingriffbringen der Formschlusselemente mit den Aufnahmeeinrichtungen
des Schaltringes eine kontrollierte Verdrehung des Schaltringes
erfolgen kann. Je nach Öffnungsgrad der Ausströmöffnungen
kann eine mehr oder weniger schnelle Relativbewegung zwischen den
Anschlägen erfolgen. Durch den Schaltring ist es möglich,
einen nahezu stoßfreien Kopplungsvorgang zwischen den beiden
Verbrennungskraftmaschinen vorzunehmen, da die Drehzahldifferenz
zwischen den beiden Verbrennungskraftmaschinen durch die Relativbewegung
des Schaltringes zwischen den Anschlägen langsam ausgeglichen
werden kann. Der über die Reibungskupplung immer noch vorhandene
Unterschied der Drehzahlen ist notwendig, damit die Formschlusselemente
und die Aufnahmeeinrichtungen so zueinander verdreht werden können,
dass die gewünschte Stellung erreicht ist. Diese gewünschte Stellung
ist insbesondere dann erreicht, wenn die Anschläge aneinander
anliegen, so dass die fluidgefüllten Verdrängerkammern
als eine Dämpfung wirken. Die Anschläge sind daher
bevorzugt dergestalt angeordnet, dass bei einem Kontakt der Anschläge
die axial hinteren Formschlusseinrichtungen zu den korrespondierenden
Aufnahmeeinrichtungen fluchtend ausgerichtet sind, so dass durch
eine weitere Verschiebung der Schiebmuffe in Richtung auf die jeweilige
Verbrennungskraftmaschine eine formschlüssige Kopplung
der beiden Verbrennungskraftmaschinen in exakt der gewünschten
Stellung erfolgen kann.
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Die
Formschlusseinrichtungen sind bevorzugt als Stirnverzahnungen ausgebildet
und weisen, gegebenenfalls ebenfalls wie die Aufnahmeeinrichtungen,
Einführschrägen auf, um das Einführen
der Formschlusselemente in die Aufnahmeeinrichtungen zu erleichtern.
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Die
Schaltung sowohl der Kupplung als auch der Schiebmuffe erfolgt bevorzugt
hydraulisch. Nach der mechanischen Verriegelung der beiden Kurbelwellen
wird die zugeschaltete Verbrennungskraftmaschine aktiviert und gibt
Leistung an die Kurbelwelle ab. Bei dem Betrieb der Motoren ist
darauf zu achten, dass eine abgestimmte Drehzahlführung
vorliegt und die Motoren fest miteinander gekoppelt sind. Dadurch
wird verhindert, dass ein langsam laufender Motor von einem schneller
laufenden Motor mitgeschleppt werden muss. Um die Drehzahlsynchronität zu
erreichen, werden die Gemischaufbereitung und die Zündung
aufeinander abgestimmt.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten
Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 – eine
Gesamtansicht des Systems in Draufsicht;
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2 – eine
Schnittdarstellung des Systems;
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3 – eine
Schnittdarstellung der Verbindungskupplung; sowie
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4 – eine
Schnittdarstellung durch die Kupplung senkrecht zu der Kurbelwelle.
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In
der 1 ist ein System aus einer ersten Verbrennungskraftmaschine 1 und
einer zweiten Verbrennungskraftmaschine 2 gezeigt, die über
eine Verbindungskupplung 3 und eine Verbindungswelle 4 miteinander
gekoppelt sind. Beide Verbrennungskraftmaschinen 1, 2 sind
als Schwenkkolbenmotoren ausgebildet. Beide Motoren 1, 2 weisen
ein Gehäuse 12, 22 auf, die jeweils mit
einer Ventilverstelleinrichtung 13, 23 ausgestattet
sind. Die Funktionsweise der Schwenkkolbenmotoren wird später
anhand der 2 erläutert werden.
Jeder Motor 1, 2 wirkt auf eine eigene Kurbelwelle 11, 21.
Die erste Verbrennungskraftmaschine 1 ist im dargestellten
Ausführungsbeispiel als der Standardmotor vorgesehen, der für
den Antrieb insbesondere von Personenkraftwagen ausgebildet ist.
Die erste Verbrennungskraftmaschine 1 weist einen relativ
kleinen Hubraum auf und ist für den Stadtbetrieb oder für
Kleinlasten ausgelegt. An der ersten Verbrennungskraftmaschine 1 ist eine
Abtriebseinrichtung 6 vorgesehen, über die die Motorleistung
auf eine Kupplung oder ein Getriebe übertragen wird. Die
erste Verbrennungskraftmaschine 1 ist als ein vollständiges
Motorenaggregat ausgebildet und kann alleine betrieben werden.
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Koaxial
zu der Kurbelwelle 11 der ersten Verbrennungskraftmaschine 1 ist
die Kurbelwelle 21 der zweiten Verbrennungskraftmaschine 2 angeordnet. Die
zweite Verbrennungskraftmaschine 2 ist korrespondierend
zu der ersten Verbrennungskraftmaschine 1 aufgebaut, kann
jedoch eine unterschiedliche Leistung und einen von der Verbrennungskraftmaschine 1 unterschiedlich
großen Hubraum aufweisen. Die zweite Verbrennungskraftmaschine 2 wird
der ersten Verbrennungskraftmaschine 1 zugeschaltet, wenn
eine Leistung benötigt wird, die höher als die der
ersten Verbrennungskraftmaschine 1 ist. Dazu ist zwischen
der Kurbelwelle 11 der ersten Verbrennungskraftmaschine 1 und
der Kurbelwelle 21 der zweiten Verbrennungskraftmaschine 2 eine
Verbindungswelle 4 vorgesehen, auf der auch eine Riemenscheibe 5 angeordnet
ist, über die Zusatzaggregate angetrieben werden können.
Zwischen den beiden Verbrennungskraftmaschinen 1, 2 kann
zusätzlich ein Ruckdämpfer und/oder eine elastische
Kupplung geschaltet werden, beispielsweise vor der Kurbelwelle 11 der
ersten Verbrennungskraftmaschine 1, um stoßartige
Belastungen von der Verbindungswelle 4 zu dämpfen
oder die Kurbelwelle 11 davon zu entkoppeln.
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Im
Normal- oder Standardbetrieb ist die zweite Verbrennungskraftmaschine 2 von
der ersten Verbrennungskraftmaschine 1 komplett abgekoppelt. Erst
wenn eine Leistung benötigt wird, die über das Leistungsvermögen
der Verbrennungskraftmaschine 1 hinausgeht, wird die zweite
Verbrennungskraftmaschine 2 zugeschaltet. Dieses Zuschalten
erfolgt über die Verbindungskupplung 3. Das Zuschalten
der zweiten Verbrennungskraftmaschine 2 soll möglichst ohne
Betriebsunterbrechung erfolgen, also während des Fahrens
bzw. während des Betreibens der ersten Verbrennungskraftmaschine 1.
Darüber hinaus ist es aus schwingungstechnischen Gründen
vorteilhaft, wenn die beiden Schwenkkolbenmotoren 1, 2 in
einer genau definierten Kolbenstellung zueinander miteinander gekoppelt
werden, beispielsweise in einer Parallelstellung der Kolben zueinander
oder in einem 90° Winkelversatz. Vorteilhafterweise sind
die Kolbenstellungen so zu wählen, dass im Doppelbetrieb die
beiden Motoren 1, 2 so miteinander verriegelt sind,
dass der Zündabstand gegenüber einem Einzelmotorenbetrieb
halbiert wird, so dass im Doppelbetrieb ein vergleichmäßigter
Lauf der beiden Motoren 1, 2 verwirklicht werden
kann.
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Die
Aufgabe der Verbindungskupplung 3 besteht darin, die beiden
Motoren 1, 2 bei Volllastbetrieb möglichst
verlustfrei zu verriegeln und in der Phase des Zusammenschaltens
der beiden Motoren 1, 2 den zuzuschaltenden Motor 2 im Schleppbetrieb zu
aktivieren. Wenn beide Motoren 1, 2 mit gleicher Drehzahl
laufen, sollen diese mechanisch starr in genau vorgegebener Zündposition
miteinander verriegelt werden, so dass sie wie ein gemeinsamer Motor mit
einer durchgehenden Kurbelwelle arbeiten. Die Zuschaltung der zweiten
Verbrennungskraftmaschine 2 erfolgt entweder automatisiert
durch Erfassung von Leistungsdaten oder manuell vom Fahrer gesteuert,
wobei nach Initiierung des Zuschaltmodus dieser automatisiert abläuft.
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In
der 2 sind in einer Schnittdarstellung die beiden
Verbrennungskraftmaschinen 1, 2 oder Motoren 1, 2 dargestellt.
Die beiden Motoren 1, 2 sind korrespondierend
aufgebaut und weisen jeweils ein Gehäuse 12, 22 auf,
in dem zwei Schenkkolben 14, 24 an Kolbenwellen 15, 25 gelagert
sind. Die Schwenkkolben 14 des ersten Motors 1 befinden
sich in einer angenäherten Stellung und komprimieren das
Kraftstoff-Luftgemisch in der zwischen den Schwenkkolben 14 gebildeten
Verbrennungskammer. Die Schwenkkolben 24 der zweiten Verbrennungskraftmaschine
stehen um 90° versetzt zu den Schwenkkolben 14 der
ersten Verbrennungskraftmaschine 1, wobei der Gaswechsel
durch die Ventile 16, 26 bereits abgeschlossen
ist. Eine Ventilsteuerung erfolgt über die Verstellmechanismen 13, 23,
die beispielsweise über Riemenantriebe oder Ketten mit
der jeweiligen Kurbelwelle gekoppelt sind. In der 2 ist
in der Schnittdarstellung nur die Verbindungswelle 4 dargestellt,
die koaxial zu den einzelnen Kurbelwellen 11, 21 verläuft.
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In
der 2 ist eine spiegelbildlichen Anordnung der beiden
Verbrennungskraftmaschinen 1, 2 gezeigt, es ist
jedoch auch möglich, die Verbrennungskraftmaschinen 1, 2 zueinander
zu verkippen, so dass die Ebenen, in denen die Kolbenwellen 15, 25 liegen,
in einem Winkel zueinander ausgerichtet sind und sich schneiden.
Hierdurch kann eine Anpassung an die Einbausituation in den Fahrzeugen
erfolgen und eine noch kompaktere Bauweise verwirklicht werden.
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In
der 3 ist in einer vergrößerten
Darstellung die Verbindungskupplung 3 mit der Verbindungswelle 4 und
der Kurbelwelle 21 der zweiten Verbrennungskraftmaschine 2 dargestellt.
Die Verbindungskupplung 3 weist zwei Gehäusehälfte 31, 32 auf.
Die rechte Gehäusehälfte 31 ist beispielsweise über
eine Vielzahnverbindung mit der Verbindungswelle 4 gekoppelt,
die linke Gehäusehälfte 32 kann an der
Kurbelwelle 21 des zuzuschaltenden Motors 2 angeflanscht
sein. In der Verbindungskupplung 3 ist eine Mehrscheibenreibkupplung 33 angeordnet,
die über einen hydraulisch betätigbaren Kolben 32 geschaltet
werden kann. Der Hydraulikdruck wird über die Hydraulikzuleitungen 36 aufgebracht.
Soll der zuzuschaltende zweite Motor 2 an den standardmäßig ständig
laufenden Motor 1 angekoppelt werden, wird zunächst
die Reibungskupplung 33 durch die Aktivierung des Druckkolbens 32,
der als Ringkolben ausgebildet ist, betätigt. Durch die
Betätigung der Reibungskupplung 32 wird die linke
Kupplungsgehäusehälfte 32 zusammen mit
der Kurbelwelle 21 des zweiten Motors 2 in Bewegung
gesetzt, der erste Motor 1 nimmt den zuzuschaltenden Motor 2 in
Schleppbetrieb. Im nicht geschalteten Zustand werden möglichst
wenig Teile ständig von dem ersten Motor 1 angetrieben.
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An
der linken Kupplungsgehäusehälfte 32 ist eine
Schiebemuffe 34 angeordnet, die über einen nicht
dargestellten Gabelantrieb oder einen Motor parallel zur Drehachse
der Verbindungswelle 4 oder der Kurbelwelle 21 verschoben
werden kann. Die Schiebemuffe 34 dient dazu, die beiden
Gehäusehälften 31, 32 starr
miteinander zu verriegeln, um die zusätzliche Leistung
des zweiten Motors 2 über die Verbindungswelle 4 auf
die erste Kurbelwelle 11 zu übertragen. Diese
formschlüssige Verriegelung erfolgt über Formschlusselemente 341,
die korrespondierenden Aufnahmeeinrichtungen 351 an der
rechten Kupplungsgehäusehälfte 31 angeordnet
sind. Befindet sich die Schiebehülse 34 in formschlüssigem
Eingriff mit der rechten Kupplungsgehäusehälfte 31,
sind die beiden Kurbelwellen 11, 21 starr miteinander
gekoppelt. Die Kraftübertragung verläuft über die
Kurbelwelle 21, das angeflanschte linke Gehäuse 32,
die formschlüssig mit dem Gehäuse 32 gekoppelte
Schiebehülse 34, die Formschlusselemente 341, die
Aufnahmeeinrichtungen 351, das rechte Kupplungsgehäuse 31 und
die Verbindungswelle 4 zur Kurbelwelle 11 der
ersten Verbrennungskraftmaschine 1.
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An
dem rechten Kupplungsgehäuse 31 ist ein Schaltring 35 angeordnet, über
den eine sanfte, hydraulische Drehzahlanpassung der beiden Gehäusehälften 31, 32 in
der Phase der Ankopplung der beiden Motoren 1, 2 erfolgt.
An dem Schaltring 35 sind Aufnahmeeinrichtungen 352 angeordnet,
die Formschlusselemente 342 der Schiebemuffe 34 aufnehmen
können. Die Formschlusselemente 342 treten mit
den Aufnahmeeinrichtungen 352 bei einer Axialverschiebung
der Schiebemuffe 34 als erstes in Kontakt. Daran anschließend
werden durch das Ineingrifftreten der Formschlusselemente 342 mit
den Aufnahmeeinrichtungen 352 der Schaltring 35 zusammen
mit darin ausgebildeten Rotorflügeln 353 relativ
zu dem rechten Kupplungsgehäuse 31 verdreht. Die
Rotorflügel 353 laufen in einer fluidgefüllten Bahn,
die als Verdrängerkammer 355 ausgebildet ist, gegen
einen Anschlag 354 an. Die Funktionsweise wird in Verbindung
mit der 4 deutlich werden.
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In
der 4 sind in Draufsicht auf das rechte Kupplungsgehäuse 31 die
Aufnahmeeinrichtungen 351 für korrespondierend
ausgebildete Formschlusselemente 341 und die radial innen
angeordneten Aufnahmeeinrichtungen 352 für die
korrespondierenden Formschlusseinrichtungen 342 zu erkennen.
Weiter radial innen sind die Rotorflügel 353 angeordnet,
die durch den gestrichelten Pfeil angedeutet gegen einen Anschlag 354 verfahren
werden kann. Vor den Anschlägen 354 sind Auslasskanäle 360 für
das zwischen den Anschlägen 354 und den Schwenkflügeln 353 befindliche
Fluid, insbesondere Hydrauliköl, vorgesehen.
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Die
Schaltung und Kopplung der beiden Motoren 1, 2 erfolgt
in einem mehrstufigen Verfahren. Zunächst wird die Reibungskupplung 33 durch
Betätigung des Hydraulikkolbens 32 in Eingriff
gebracht, so dass das linke Kupplungsgehäuse 32 und
damit auch die Kurbelwelle 21 angetrieben wird. Der zweite Schwenkkolbenmotor 2 wird
im Schleppbetrieb über die Reibungskupplung 33 mit
dem ersten Schwenkkolbenmotor 1 gekoppelt. Zwischen den
Drehzahlen der beiden Motoren 1, 2 besteht eine
geringe Differenz, so dass die formschlüssig mit der rechten Kupplungsgehäusehälfte 32 verbundene
Schiebemuffe 34 sich relativ zu den zugehörigen
Aufnahmeeinrichtungen 351, 352 des Schaltringes
und der rechten Kupplungsgehäusehälfte 31 bewegt.
Sobald die Drehzahldifferenz gering ist, was beispielsweise über
einen Sensor erfasst werden kann, wird die Schiebemuffe 34,
wie durch den Doppelpfeil angedeutet, in Richtung auf die rechte
Kupplungsgehäusehälfte 31 verlagert.
Dabei treten zunächst die radial inneren Formschlusseinrichtungen 342 mit
den zugehörigen Ausnehmungen 352 in Eingriff,
wobei die Formschlusselemente 342 und die Aufnahmeeinrichtung 352 als
eine Stirnverzahnung ausgebildet sein können. In der 4 zu
sehen ist, dass die Aufnahmeeinrichtungen 352 mit einem
gewissen Spiel ausgestattet sind, so dass die zugehörigen
Formschlusseinrichtungen 342 leichter einrasten können.
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Durch
die formschlüssige Kopplung der Schiebehülse 34 mit
dem Schaltring 35 werden die Schwenkflügel 353 mitgenommen
und in Richtung auf die Anschläge 354 bewegt.
Erst wenn die Schwenkflügel 353 zur Anlage an
die Anschläge 354 gelangt sind, sind die radial äußeren
Formschlusseinrichtungen 341 so gegenüber den
radial äußeren Aufnahmeeinrichtungen 351 ausgerichtet,
dass die Schwenkkolben 14, 24 der beiden Motoren 1, 2 in
exakt der richtigen Stellung zueinander stehen. Wenn dies der Fall
ist, was beispielsweise durch einen Sensor ermittelt werden kann,
wird die Schiebehülse 34 weiter in Richtung auf
die Aufnahmeeinrichtungen 351 bewegt, wobei die Formschlusselemente 341 und
die Aufnahmeeinrichtungen 351 so ausgebildet sind, dass
eine formschlüssige Verriegelung nur in exakt einer Stellung
erfolgen kann. Dies ist durch eine asymmetrische Anordnung der Formschlusselemente
und Aufnahmeeinrichtungen in einem eindeutigen Zuordnungsmuster
möglich. Ist die gewünschte Stellung erreicht,
gleitet die Schiebehülse 34 weiter in Richtung
auf die Gehäusehälfte 31 und verriegelt
die beiden Kupplungsgehäuse 31, 32 formschlüssig
miteinander.
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Die
Verschwenkung des Schaltringes 35 wird hydraulisch gesteuert
und sensorisch überwacht, so dass nach dem Einrasten der
radial inneren Formschlusselemente 342 in die axial hervorstehenden
Aufnahmeeinrichtungen 352 des Schaltringes 35 eine
gedämpfte Verlagerungsbewegung der Schwenkflügel 353 in
Richtung auf die Anschläge 354 erfolgen kann.
Nach dem Einrasten erfolgt eine gedämpfte Verschwenkung
aus der Warteposition der Schwenkflügel 353, so
dass das Hydraulikfluid aus dem Ringraum 355 zwischen den
Anschlägen 354 herausgedrückt werden
kann. Der Grad der Dämpfung kann durch Ventile gesteuert
werden. Ein Rückströmen kann durch die Hydraulikanschlüsse 36 erfolgen.
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Die
Verrieglung der beiden Kurbelwellen 11, 21 auf
diese Art und Weise ermöglicht die Zündwinkelanpassung
beider Motoren 1, 2, eine Verriegelung der beiden
Motoren 1, 2 ohne Zündwinkelanpassung hätte
Nachteile hinsichtlich des Komforts und des Gleichlaufes des Motors
zur Folge.
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Das
Entriegeln der Motoren 1, 2 erfolgt in umgekehrter
Reihenfolge, wobei zunächst die Lastfreiheit der radial äußeren
Formschlusselemente 341, 351 sensorisch erfasst
und sichergestellt wird. Anschließend wird die Schiebemuffe 34 zurückbewegt
und der Öldruck zwischen den Schwenkflügeln 353 und
den Anschlägen 354 erhöht, indem Hydrauliköl
durch die Hydraulikanschlüsse 36 hinein gepumpt
wird, so dass die Schwenkkolbenflügel 353 zusammen
mit dem Schaltring 35 in ihrer Ausgangsposition zurückkehren.
Anschließend wird die Schiebemuffe 34 weiter in
ihrer Ausgangsposition, wie sie in der 3 gezeigt
ist, zurückgeführt und die Reibungskupplung 33 gelöst,
so dass beide Motoren 1, 2 vollständig
voneinander gekoppelt sind.
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In
der 4 ist in Axialansicht deutlich gemacht, dass die
Aufnahmeeinrichtungen 351, 352 koaxial und so
versetzt zueinander angeordnet sind, dass eine Verriegelung der
radial äußeren Formschlusselemente 341 mit
den entsprechenden Aufnahmeeinrichtungen 350 nur in genau
einer Stellung erfolgen kann, weil die Aufnahmeeinrichtungen 351, 352 und
die Schwenkflügel 353 und die Anschläge 354 nicht
symmetrisch angeordnet sind, also ungleichmäßige
Abstände zueinander aufweisen. Während die Anschläge 354 symmetrisch
zueinander angeordnet sind, also einen Winkelabstand von 120° zueinander
und dies auch die Schwenkflügel 353 sind, sind
sowohl die Aufnahmeeinrichtungen 351 als auch die Aufnahmeeinrichtungen 352 asymmetrisch verteilt.
Um die Schaltsicherheit zu vergrößern, sind die
Aufnahmeeinrichtungen 352 größer als
die Formschlusselemente 342, ebenfalls können
Einführschrägen vorgesehen sein. Einführschrägen
können ebenfalls an den Aufnahmeeinrichtungen 351 und/oder
den Formschlusselementen 341 vorhanden sein, die nur in
genau einer Stellung zueinander koppelbar sind.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung und Anordnung
der beiden Schwenkkolbenmotoren 1, 2 entlang einer
gemeinsamen Achse ist es möglich, sehr kompakt zu bauen,
da die Brennräume axial versetzt zu den Kurbelwellen 11, 12 angeordnet werden
können.
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Wenn
die beiden Motoren 1, 2 miteinander gekoppelt
sind, wird der zusätzliche zweite Motor 2 in Betrieb
genommen, so dass eine erhöhte Leistung des Gesamtsystems
zur Verfügung gestellt wird. Das Motorsystem kann auch
in Verbindung mit einem Elektroantrieb eingesetzt werden, um so
einen Hybridantrieb zu realisieren. Der Elektromotor kann dabei
insbesondere den Antrieb der Fahrzeuges während der Startphase übernehmen,
so dass auf einen Anlasser im herkömmlichen Sinn verzichtet
werden kann. Drehmomentstarke Elektromotoren werden für die
ersten Meter Fahrstrecke genutzt, anschließend wird die
kleinere der Verbrennungskraftmaschinen zugeschaltet und über
den Schleppbetrieb in Gang gesetzt. Wird mehr Leistung benötigt,
wird die zwite Verbrennungskraftmaschine zugeschaltet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 1813107
A1 [0002]
- - DE 703466 [0003]
- - DE 102006003920 A1 [0004]