DE10253142A1 - Verdichterantrieb zur luftunterstützten Einspritzung für einen Motor - Google Patents

Abstract

An einem Motor ist ein Luftverdichter zur Lieferung von Druckluft an luftunterstützte Kraftstoffeinspritzeinrichtungen befestigt. Der Verdichter wird durch eine Motornockenwelle angetrieben, die bereits zur Betätigung eines Ventiltriebes verwendet wird. Der Luftverdichter ist an einem Ende des Motors bevorzugt benachbart des rückwärtigen Endes der Nockenwelle befestigt, die ihrerseits direkt durch die Kurbelwelle über eine Kette oder einen Getriebezug angetrieben wird. Bei bestimmten Ausführungsformen besitzt der Luftkompressor eine Eingangswelle, an der ein angetriebenes Zahnrad befestigt ist, das mit einem Antriebszahnrad an dem rückwärtigen Ende der Nockenwelle in Eingriff steht, wobei die Nockenwelle und die Antriebswelle des Luftkompressors auf beabstandeten parallelen Achsen rotieren können. Es sind alternative Antriebsanordnungen mit innen- und außenverzahnten Zahnrädern und Kegelrädern offenbart. Ein direkter Antrieb einer Verbindungsstange eines Verdichters durch einen Kurbelzapfen an der Nockenwelle ist ebenfalls offenbart. Die vereinfachten Antriebe minimieren die Verwendung zusätzlicher Komponenten und die Kosten für die Verdichterbefestigung.

Description

• Diese Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren und insbesondere Antriebsanordnungen für einen am Motor befestigten Luftverdichter/Luftkompressor, der direkt durch eine Nebenwelle eines Motors angetrieben wird.
• Es ist in der Verbrennungsmotortechnik bekannt, eine luftunterstützte Einspritzung von Kraftstoff direkt in die Motorzylinder vorzusehen. Zu diesem Zweck kann ein Hochdruck-Luftverdichter an dem Motor befestigt sein, um Druckluft an luftunterstützte Kraftstoffeinspritzeinrichtungen des Motors zu liefern. Ein Luftverdichter für diesen Zweck kann separat durch einen Elektromotor angetrieben werden oder kann durch den Motor über einen Nebenriemenantrieb angetrieben werden. Jede Anordnung trägt zu der Anzahl von Komponenten in dem Motor und zur Zubehörpackung bei und steht mit zusätzlichen Kosten in Verbindung. Somit besteht Bedarf nach einer Entwicklung eines Verdichterantriebs mit einem Minimum an zusätzlichen Komponenten und verringerten Kosten.
• Die vorliegende Erfindung sieht vereinfachte Luftverdichterantriebe für Motoren mit Zylindern vor, die für eine Direkteinspritzung von Kraftstoff durch luftunterstützte Kraftstoffeinspritzeinrichtungen ausgebildet sind, die mit Druckluft von einem am Motor befestigten Verdichter beliefert werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform verwendet ein Verdichterantrieb eine Nebenwelle in der Form einer am Motor befestigten Nockenwelle, die bereits zur Betätigung des Ventiltriebs verwendet wird, um Kraftstoff und Luft dem Motor zuzuführen und Verbrennungsprodukte zu von diesem auszustoßen. Der Luftverdichter ist an einem Ende des Motors bevorzugt benachbart des rückwärtigen Endes der Nockenwelle befestigt, die ihrerseits direkt durch die Kurbelwelle über eine Kette oder einen Getriebezug angetrieben wird, der mit der Motorkurbelwelle verbunden ist. Bei bestimmten Ausführungsformen besitzt die Luftpumpeinrichtung eine Eingangswelle, an der ein angetriebenes Zahnrad befestigt ist, das mit einem Antriebszahnrad an dem rückwärtigen Ende der Nockenwelle in Eingriff steht. Die Nockenwelle und die Eingangswelle des Luftverdichters sind an beabstandeten parallelen Achsen drehbar. Verschiedene zahnradgetriebene Ausführungsformen umfassen in Eingriff stehende Zahnräder mit Außenverzahnung, in Eingriff stehende Zahnräder mit Innen- und Außenverzahnung und in Eingriff stehende Kegelräder mit Innen- und Außenverzahnung, wobei eines der Zahnräder über Feder vorgespannt ist, um eine Fehlausrichtung und ein Flankenspiel in dem Zahnradantrieb aufzunehmen.
• Eine andere Ausführungsform verwendet eine Kurbel oder einen Exzenter, die/das mit einem Antriebselement in dem Verdichter direkt in Kontakt steht, das seinerseits ein Arbeitselement, wie beispielsweise einen Kolben oder eine Membran betätigt, um die Druckluft vorzusehen. Die Kurbel oder die Nocke kann mit einer Verbindungsstange oder einer Lagerfläche verbunden sein, die direkt mit dem Arbeitselement verbunden ist, um eine Hin- und Herbewegung des Elements zur Verdichtung der Luft vorzusehen. Die Stange oder das Exzenter können optional mit einem Ausgleichsmittel in der Form eines Gegengewichts an der Nockenwelle versehen sein, das die Exzentermasse der Kurbel oder Nocke ausgleicht.
• Die verschiedenen Nebenwellenanordnungen zum Verdichterantrieb benötigen ein Minimum an zusätzlichen Komponenten zum Antrieb des Luftverdichters und minimieren demgemäß die Kosten eines Einbaus eines Verdichters, um eine luftunterstützte Kraftstoffeinspritzung in den Motorzylinder vorzusehen.
• Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
• Fig. 1 eine Darstellung eines teilweise in Explosionsansicht dargestellten teilweisen Motoraufbaus ist, der eine erste Ausführungsform des Luftverdichterantriebs unter Verwendung von Zahnrädern mit Außenverzahnung gemäß der Erfindung umfasst;
• Fig. 2 eine Ansicht ähnlich zu Fig. 1 ist, die eine alternative Ausführungsform des Luftverdichterantriebs zeigt, det Zahnräder mit Innenverzahnung und Außenverzahnung verwendet;
• Fig. 3 eine Ansicht ähnlich zu Fig. 2 ist, aber eine modifizierte Ausführungsform zeigt, die Kegelräder mit Innen- und Außenverzahnung verwendet;
• Fig. 4 eine Darstellung der federbelasteten pumpengetriebenen Kegelradanordnung in Explosionsansicht der Ausführungsform von Fig. 3 ist;
• Fig. 5 eine Ansicht ähnlich zur Fig. 1 ist, aber eine alternative Ausführungsform zeigt, bei der ein Kurbelzapfen an der Nockenwelle mit einer Verbindungsstange in dem Luftverdichter in Eingriff steht, um den Arbeitskolben des Verdichters direkt anzutreiben; und
• Fig. 6 eine Darstellung in Explosionsansicht ist, die die Kurbelwelle und die Verbindungsanordnung von Fig. 5 zeigt.
• In den Zeichnungen bezeichnet Bezugszeichen 10 allgemein einen Hubkolben-Verbrennungsmotor, der in einem teilweisen Aufbau gezeigt ist, wobei Abschnitte des Aufbaus in Explosionsansicht dargestellt sind, um ihre Beziehung untereinander darzustellen. Der teilweise zusammengebaute Motor umfasst einen Zylinderblock 12 mit zwei Bänken von Zylindern 14. Ein Zylinderkopf 16 ist auf einer der Zylinderbänke befestigt, während die andere ohne den Zylinderkopf und den Ventiltrieb gezeigt ist, die in dem vollständig zusammengebauten Motor vorgesehen sind. Der Motor umfasst auch Kolben in den Zylindern, die durch Pleuelstangen mit einer Kurbelwelle verbunden sind, die in dem unteren Abschnitt des Blockes befestigt ist, wobei all dies herkömmlich und daher zur Vereinfachung der Zeichnungen weggelassen ist.
• Der Motor 10 ist auch mit einer Nockenwelle 18 versehen, die in dem Zylinderblock 12 zur Rotation an Innenlagern 20 gelagert ist. Die Welle 18 wird herkömmlich von der Kurbelwelle durch eine Kette oder eine andere Steuerantriebsanordnung angetrieben, die herkömmlich an dem vorderen Ende (nicht gezeigt) des Motorblocks angeordnet ist. Die Nockenwelle umfasst Nocken 22 zur Betätigung von Abschnitten des Motorventiltriebes (nicht gezeigt) und beabstandete Lagerzapfen 24, die in den zugehörigen Lagern 20 des Zylinderblocks rotieren können.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Motor ferner mit einem Hochdruck-Luftverdichter 26 versehen, der an einer Rückwand 28 des Motorzylinderblocks befestigt ist. Der Verdichter 26 kann einen beliebigen geeigneten Aufbau besitzen und umfasst ein Arbeitselement, wie beispielsweise einen hin- und herbewegbaren Kolben 30, der durch ein Antriebselement, wie beispielsweise eine Verbindungsstange 32, mit einem exzentrischen Kurbelzapfen 34 an dem Ende einer angetriebenen Welle 36 verbunden ist, die drehbar in einem Körper 38 des Luftverdichters gelagert ist. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Verdichter 26 zur Lieferung von Druckluft an luftunterstützte Kraftstoffeinspritzeinrichtungen (nicht gezeigt) vorgesehen, die in dem Motor zur Lieferung von Kraftstoff, der mit der Druckluft gemischt ist, direkt zu den Motorzylindern während eines Motorbetriebes befestigt sind. Die Form und der Betrieb von luftunterstützten Einspritzeinrichtungen in einem Motor ist gut bekannt und stellt somit keinen Teil der vorliegenden Erfindung dar.
• Gemäß der Erfindung wird der Luftverdichter 26 durch einen Verdichterantrieb betätigt, der ein Antriebszahnrad 40 umfasst, das an einem rückwärtigen Ende 42 der Nockenwelle 18 befestigt ist. Das Antriebszahnrad ist rückwärts des rückwärtigen Lagerzapfens 24 befestigt und im zusammengebauten Zustand in einer Öffnung 44 eingeschlossen, die in der rückwärtigen Wand 28 des Motorzylinderblockes 12 vorgesehen ist. Das Antriebszahnrad 40 steht mit einem angetriebenen Zahnrad 46 in Eingriff, das an dem vorderen Ende der angetriebenen Welle 36 des Luftverdichters 26 befestigt ist. Wie gezeigt ist, sind die antreibenden und angetriebenen Zahnräder 40, 46 Zahnräder mit Außenverzahnung, die an parallelen Achsen 48, 50 der Nockenwelle bzw. der angetriebenen Welle 18, 36 rotieren können. Die gezeigten Zahnräder sind Stirnräder, könnten aber auch ggf. schraubenartige und andere geeignete Zahnradformen besitzen. Auch könnte die Nockenwelle anstatt in dem Zylinderblock in einem der Zylinderköpfe befestigt sein, und der Verdichter könnte an einem geeigneten Ort in dem Motor befestigt sein, an dem ein Eingriff seines angetriebenen Zahnrads mit dem Antriebszahnrad vorgesehen sein könnte.
• Im Betrieb des Motors dreht die Kurbelwelle (nicht gezeigt) die Nockenwelle 18 zur Betätigung des Motorventiltriebes auf eine herkömmliche Art und Weise. Eine Rotation der Nockenwelle dreht das Antriebszahnrad 40, das seinerseits das angetriebene Zahnrad 46 dreht, wobei die Luftpumpeinrichtung betätigt wird, um die erforderliche Druckluft zur Verwendung mit den luftunterstützten Kraftstoffeinspritzeinrichtungen oder ggf. zu anderen Zwecken vorzusehen. Eine Positionierung der antreibenden und angetriebenen Zahnräder der Nockenwelle bzw. des Verdichters innerhalb oder einwärts der rückwärtigen Wand 28 des Motors erlaubt, dass der Antrieb durch das Motoröl zusammen mit den Lagern und anderen internen, sich bewegenden Komponenten des Motors geschmiert werden kann. Der einfache Aufbau des Verdichterantriebs und seine Verwendung der Nockenwelle als eine Betätigungsquelle sieht eine einfache Antriebsanordnung vor, die ein Minimum an zusätzlichen Komponenten zur Betätigung des Verdichters verwendet, die für die luftunterstützten Einspritzeinrichtungen erforderlich sind, die zum Gebrauch in dem Motor bestimmt sind. Der Zahnradantrieb erlaubt auch, dass der Luftverdichter durch Auswahl der relativen Durchmesser der antreibenden und angetriebenen Zahnräder mit einer gewünschten Drehzahl relativ zu einer Nockenwellendrehzahl angetrieben werden kann.
• In Fig. 2 ist ein Motor 52 gezeigt, der eine Vielzahl von Komponenten aufweist, die identisch zu denjenigen des Motors 10 sind, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen. Der Motor 52 unterscheidet sich hauptsächlich in der Form des Verdichterantriebes und seinem Bezug zu der Nockenwelle 54 und dem Luftverdichter 56 und seiner Befestigung in der Öffnung 58 in der Rückwand 60 des Motors 52.
• Der Verdichter 56 ist ähnlich dem Verdichter 26 der ersten beschriebenen Ausführungsform aufgebaut, mit der Ausnahme, dass die angetriebene Welle 62 des Verdichters 56 mit einem kleineren Zahnrad 64 mit Außenverzahnung versehen ist, das in das Innere eines Zahnrades 66 mit Innenverzahnung eingreift, das an dem rückwärtigen Ende 68 der Nockenwelle 54 befestigt ist. Wie zuvor sind die beiden Zahnräder 64, 66 an einer beabstandeten parallelen Achse (nicht gezeigt) befestigt, aber der Abstand ist aufgrund der Verbindung der innen- und außenverzahnten Zahnräder kleiner als bei der ersten Ausführungsform. Der Verdichter 56 ist wiederum an der rückwärtigen Wand 60 des Motors befestigt, obwohl der Verdichter und die Nockenwelle ggf. anderweitig in dem Zylinderkopf oder an einem anderen Ort angeordnet sein könnten. Die Antriebsanordnung von Fig. 2 erfordert, dass der Verdichter durch den notwendigerweise kleineren Durchmesser des Zahnrades 64 als dem des Zahnrades 66 mit einer Drehzahl angetrieben wird, die schneller als die der Nockenwelle ist.
• Die Fig. 3 und 4 betreffen eine dritte Ausführungsform der Erfindung, die in einem Motor 70 installiert ist, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen. Diese dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der von Fig. 2 wiederum in der Form des Verdichterantriebs, der die Nockenwelle 72 und den Luftverdichter 74 umfasst, der in einer Öffnung 76 in der Rückwand 78 des Motors befestigt ist. An der angetriebenen Welle 80 des Verdichters ist ein Zahnrad 82 mit Außenverzahnung befestigt, das mit einem Zahnrad 84 mit Innenverzahnung an dem rückwärtigen Ende 86 der Nockenwelle in Eingriff steht. Die Zahnräder 82, 84 sind mit einer Kegelverzahnung ausgebildet, und das Zahnrad 82 mit Außenverzahnung ist verschiebbar an der angetriebenen Welle 80 ausgebildet und wird durch eine Feder 88 vorwärts in Eingriff mit der Innenverzahnung des Zahnrades 84 gedrückt. Eine Klemme 90 verhindert, dass das Zahnrad 82 mit Außenverzahnung vor einer Anbringung des Verdichters an dem Motor von der Welle 80 abgelöst wird.
• Im Betrieb drückt die Feder 88 das Zahnrad 82 mit Außenverzahnung vorwärts in Eingriff mit dem Zahnrad mit Innenverzahnung, wodurch das Flankenspiel und eine gewisse Fehlausrichtung der Zahnradachsen aufgenommen wird. Es sei zu verstehen, dass die Zahnräder 82, 84 auch auf beabstandeten parallelen Achsen (nicht gezeigt) rotieren können, und dass der Verdichter aufgrund der Antriebsanordnung mit innen- und außenverzahnten Zahnrädern selbst mit einer Drehzahl rotiert, die schneller als die der Nockenwelle ist. Es wäre selbstverständlich auch möglich, die Zahnradanordnung so zu ändern, dass das Zahnrad mit Innenverzahnung an dem Verdichter und das Zahnrad mit Außenverzahnung an der Nockenwelle angeordnet ist, so dass der Drehzahlwechsel in der entgegengesetzten Richtung erfolgen würde.
• In den Fig. 5 und 6 ist eine vierte Ausführungsform der Erfindung in einem Motor 92 angebracht gezeigt, der Ähnlichkeiten zu den anderen Motoren aufweist, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen. Diese Ausführungsform unterscheidet sich bezüglich des Aufbaus der Nockenwelle 94 und des Verdichters 96 darin, dass eine Verbindungsstange 98 in dem Verdichter direkt mit einem versetzten Kurbelzapfen 100 an einer Kurbel und einem Gegengewicht 102 verbunden ist, das als ein Teil der Nockenwelle 94 ausgebildet ist. Wenn der Verdichter 96 über der Öffnung 104 in der Rückwand 106 des Motors befestigt wird, tritt der Kurbelzapfen 100 mit der Verbindungsstange 98 in Eingriff. Dann wird ein zweites Gegengewicht 108 durch eine entfernbare Abdeckung 110 in der Außenwand des Verdichters angebracht und durch eine Schraube 112 gehalten, die sich durch einen Phasensteuerstift 114 erstreckt.
• Somit treibt, wenn die Nockenwelle durch die Motorkurbelwelle (nicht gezeigt) gedreht wird, der umlaufende Kurbelzapfen 100 die Verbindungsstange 98 an, um einen befestigten Kolben oder eine andere druckentwickelnde Vorrichtung (nicht gezeigt) hin- und herzubewegen und damit den Luftverdichter 96 direkt zu betätigen. Offensichtlich ist die Betriebsdrehzahl des Verdichters bei dieser Ausführungsform identisch zu der Drehzahl der Nockenwelle, die direkt den Verdichterkolben antreibt. Bei dieser Ausführungsform ist die Zahnradverbindung vollständig überflüssig, und die interne Kurbel, die gewöhnlich in dem Verdichter vorgesehen ist, ist an der Nockenwelle selbst vorgesehen, wodurch die Antriebsanordnung bezüglich denjenigen der beschriebenen ersten drei Ausführungsformen weiter vereinfacht ist.
• Zusammengefasst ist an einem Motor ein Luftverdichter zur Lieferung von Druckluft an luftunterstützte Kraftstoffeinspritzeinrichtungen befestigt. Der Verdichter wird durch eine Motornockenwelle angetrieben, die bereits zur Betätigung eines Ventiltriebes verwendet wird. Der Luftverdichter ist an einem Ende des Motors bevorzugt benachbart des rückwärtigen Endes der Nockenwelle befestigt, die ihrerseits direkt durch die Kurbelwelle über eine Kette oder einen Getriebezug angetrieben wird. Bei bestimmten Ausführungsformen besitzt der Luftkompressor eine Eingangswelle, an der ein angetriebenes Zahnrad befestigt ist, das mit einem Antriebszahnrad an dem rückwärtigen Ende der Nockenwelle in Eingriff steht, wobei die Nockenwelle und die Antriebswelle des Luftkompressors auf beabstandeten parallelen Achsen rotieren können. Es sind alternative Antriebsanordnungen mit innen- und außenverzahnten Zahnrädern und Kegelrädern offenbart. Ein direkter Antrieb einer Verbindungsstange eines Verdichters durch einen Kurbelzapfen an der Nockenwelle ist ebenfalls offenbart. Die vereinfachten Antriebe minimieren die Verwendung zusätzlicher Komponenten und die Kosten für die Verdichterbefestigung.

Claims (10)

1. Motor mit zumindest einem Zylinder, einem Luftverdichter, der an dem Motor befestigt und derart ausgebildet ist, um Druckluft an eine luftunterstützte Kraftstoffeinspritzeinrichtung zur Lieferung von Druckluft- und Kraftstoffgemischen an den Zylinder zu liefern, und einem Verdichterantrieb zum direkten Antrieb des Verdichters von dem Motor, wobei der Antrieb umfasst:
eine Nebenwelle, die drehbar in dem Motor befestigt und derart ausgebildet ist, dass sie durch eine Abtriebswelle des Motors zur Betätigung verschiedener Motorkomponenten angetrieben wird;
wobei der Luftverdichter an einem Ende des Motors befestigt ist und ein Antriebselement zur Betätigung eines Arbeitselements in dem Kompressor umfasst, um die Druckluft zu liefern; und
ein Verbindungsmittel, das antreibbar ein Ende der Nebenwelle mit dem Antriebselement zur Betätigung des Arbeitselementes verbindet.

2. Motor nach Anspruch 1, wobei die Nebenwelle eine Nockenwelle zur Betätigung eines Ventiltriebs des Motors ist.

3. Motor nach Anspruch 1, wobei das Antriebselement eine Antriebswelle des Verdichters ist und das Verbindungsmittel antreibende und angetriebene Zahnräder an der Nebenwelle bzw. der Verdichterantriebswelle umfasst.

4. Motor nach Anspruch 3, wobei die Nebenwelle und die Antriebswelle an parallelen Achsen rotieren können.

5. Motor nach Anspruch 4, wobei die Zahnräder in Eingriff stehende Zahnräder mit Außenverzahnung sind, die an den Achsen rotieren können.

6. Motor nach Anspruch 4, wobei die Zahnräder in Eingriff stehende Zahnräder mit Innen- und Außenverzahnung sind, die an den Achsen rotieren können.

7. Motor nach Anspruch 6, wobei die Zahnräder Kegelräder sind, wobei eines der Zahnräder axial bewegbar und in einen Eingriff mit dem anderen Zahnrad vorgespannt ist, um eine Fehlausrichtung und ein Spiel zwischen den in Eingriff stehenden Zahnradverzahnungen aufzunehmen.

8. Motor nach Anspruch 1, wobei das Verbindungsmittel eine Kurbel/ein Exzenter ist.

9. Motor nach Anspruch 8, mit einem Gegengewicht an der Nebenwelle zum Ausgleich der Exzentermasse der Kurbel/des Exzenters.

10. Motor nach Anspruch 1, wobei das Verbindungsmittel eine Kurbel und das Antriebselement eine Verbindungsstange ist, die zwischen der Kurbel und dem Arbeitselement verbunden ist.