DE1041736B

DE1041736B - Aus einer Kolbenbrennkraftmaschine und einer Abgasturbine bestehendes Brennkraftmaschinen-Aggregat

Info

Publication number: DE1041736B
Application number: DEK28819D
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Hermann Klaue
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1956-05-12
Filing date: 1956-05-12
Publication date: 1958-10-23
Also published as: GB841262A; CH345493A; AT200851B

Description

Aus einer Kolbenbrennkraftmaschine und einer Abgasturbine bestehendes Brennkraftmaschinen-Aggregat Es ist bekannt, bei Kolbenbrennkraftmaschinen die Auspuffenergie in einer Turbine auszunutzen. Durch eine derartige Abgasturbine hat man auch schon ein Ladegebläse angetrieben, das den Kolbenmotor zwecks Erzielung einer Wirkungsgradverbesserung auf- bzw. überlädt. Da die Turbine bei einem normalen Motor bei Laständerung einer ständigen Drehzahlschwankung unterworfen ist, kann die Abgasenergie nicht restlos verwertet werden, weil die Turbine für eine geringe Belastung der Kolbenmaschine angelegt werden muß. Besonders trifft dies für die Zweitaktmaschinen zu, bei denen ein bestimmter Ladedruck zum Betrieb des Motors auch bei geringer Belastung der Maschine erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden, also ein Brenrnkraftmaschinen-Aggregat zu schaffen, welches die Auslegung der Abgasturbine für den Vollast-Auslaßdruck der Brennkraftmasc'hine gestattet und dadurch de gesamte Abgasenergie nutzbringend verwertet. Die Abgasturbine soll so mit der Brennkraftmasehine zusammengebaut werden, daß die Entfernung zwischen den Zylindern der Brennkraftmaschine und der Abgasturbine möglichst klein ist.
Die erfinderische Lösung dieser Aufgabe setzt ein Brennkraftmaschinen-Aggregat als bekannt voraus, das aus einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine mit hin- und hergehenden Kolben besteht, die annähernd mit gleichbleibender Drehzahl arbeitet und einer Abgasturbine, die mit der Brennkraftmaschine starr gekuppelt ist. Die Erfindung besteht darin, daß die Brennltraftmaschine in an sich bekannter Weise mindestens zwei hin- und 'hergehende, mit je einem Schwinghebel gekuppelte Kolben aufweist, wobei die Schwingliehel über Gleitkörper mit zu beiden Seiten in einem verstellbar angeordneten Joch gelagerten Schwingkurbeln sowie über diese nur in :einer Drehrichtung wirksamen Kupplungen kraftschlüssig verbunden sind, die über Zahnräder die senkrecht zur Zylinderachse verlaufende Abtri:ebswelle der Brennkraftmaschine abwechselnd und absatzweise in Rotation versetzen, und daß ferner zum Antrieb der Hilfsmaschinen eine eigene, von der Abtriebswelle unabhängige Exzenterwelle zwischen den einander gegenüberliegenden 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 von einander diametral gegenüberliegenden, einseitig abgeschlossenen Gleithülsen anliegen, die in den Kolben in ihrer Längsrichtung axial verschiebbar gelagert sind und jeweils unter dem Druck einer vorzugsweise zwischen den abgeschlossenen Endken der Gleithülsen und den Kolbenbodeninnenseiten wirksamen Feder stehen, und daß die Abgasturbine über eine Zahnradübersetzung mit der Exzenterwelle verbunden ist. Die Abgasturbine soll derart unterhalb des unteren Zylinderpaares angeordnet werden, daß die von der Mitte der Zylinder ausgehenden Auslaßkanäle in an sich bekannter Weise tangential in das Turbinengehäuse einmünden.
Die als Radialturbine ausgebildete Abgasturbine wird zweckmäßig so bemessen, daß sie bei Teillast die durch den Antrieb des Kühlgebläses, des Ladegebläses und der sonstigen Nebengetriebe (z. B. Ö1-und Einspritzpumpe) auftretende Verlustleistung deckt und bei Vollast zusätzlich über die Exzenterwelle Nutzleistung an das Triebwerk abgibt. In Fig. 1 ist die Vorderansicht eines mit zwei Zylinderpaaren ausgerüsteten Brennkraftmaschinen-Aggregates dargestellt; Fig.2 zeigt einen Längsschnitt dieses Aggregates entlang der Linie A-B in Fig. 1; aus Fig. 3 ist ein dazu senkrechter Schnitt entlang der Linie C-D in Fig. 1 zu erkennen; in Fig. 4 ist ein Querschnitt entlang der Linie E-F in Fig.2 veranschaulicht; Fig. 5 stellt einen weiteren Querschnitt entlang der Linie G-H in Fig. 2 dar; Fig. 6 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Fig. 3 entlang der Linie I-K.
In den Zeichnungen sind mit 1 und 2 die in den Zylindern 3 und 4 gleitenden oberen Kolben und mit 5 und 6 die in den Zylindern 7 und 8 gleitenden unteren Kolben bezeichnet. Die Zylinder 3 und 7 und die Zylinder 4 und 8 bilden zusammen jeweils ein v erripptes Gußstück. Die Zylinderköpfe 105 und 106 schließen die vorgenannten Zylinder ab.
Die beiden oberen Kolben 1 und 2 stehen über Druckfedern 9, 10 und Druckstücke 11, 12 mit den auf den Exzentern 13, 14 der Exzenterwelle gelagerten 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 Kraftschläß mit den Schwinghebeln 26 und 27, deren Lagerzapfen 28 und 29 mittels Nadellagern 30 und 31 im Motorgehäuse 32 einseitig gelagert sind.
Die Schwinghebe126 und 27 sind mit verzahnten Fortsätzen 33 und 34 ausgerüstet, die - wie die Fig. 5 erkennen läßt - miteinander im Eingriff stehen. Die Fortsätze 35 und 36 dienen zum Massenausgleich. Die Schwinghebel weisen auf der von den 7_y lindern abgekehrten Seite eine durchgehende Nut 37 bzcv. 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 51 fest verbunden. In einer Aussparung 52 bzw. 53 dieser Flansche liegen die Enden der Federbandkupplungen 54 und 55, die jeweils um 180° versetzt das von den Kolben aufgenommene Drehmoment auf die Trommeln 56 und 57 übertragen. Die letzteren stehen über Zahnräder 58 und 59 mit dem Abtriebszahnrad 60 und der Abtriebswelle 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 werden. Die Tellerräder treiben das Differentialgehäuse 71 an, in welchem das Differential 72 untergebracht ist. Von hier aus erfolgt in bekannter Weise der Antrieb 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 Anlaßmasehine 76 an. Auf der Welle 75 ist auch der als Flachschieber ausgebildete Einlaß-Drehschieber 77 angeordnet, durch den der Einlaß des Frischgases in die Zylinder gesteuert wird. Zur Abdichtung werden 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 Lichtanlaßmaschine 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 .?Grelle 75 steht über das Zahnrad 88 mit der Welle 93 in Verbindung, die auf der vorderen Stirnseite das Ladegebläse 94 und auf der rückwärtigen Stirnseite das Radialturhinenrad 95 trägt. Das Zahnrad 88 treibt die Zahnradpumpe 89, die Druckpumpe 90 für den Schmierkreislauf und die Drucl-:pumpe 91 für die Betätigung an. Das Ladegebläse saugt über den durch die Drosselklappe 96 gesteuerten Ansaugkanal 97 Luft an und drückt die Ladeluft über die Kanäle 98 und 99 zum Drehschieber 77. Die Abgasturbine steht mit den Auslaßsahlitzen 100 und 101 über die tangential in das Gehäuse 102 der Turbine einmündenden Kanäle 1(13 und 104 in Verbindung.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen-Aggregates soll nachstehend an Hand des Zusammenspiels der frei fliegenden Kolben mit dem beschriebenen Triebwerk erläutert werden. Die mit der Exzenterwelle 17 starr verbundenen Exzenter 13 und 14 drehen sich entgegen dem Uhrzeigersinn. Fig. 5 läßt erleennen, daß die Kolben 1 und 2 verdichten, während die über die Schwinghebel 26 und 27 mit den Kolben 1 und 2 starr verbundenen Kolben 5 und 6 Arbeit leisten. Sobald die Oberkanten dieser Kolben die Auslaßschlitze erreicht haben, dringen 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 unteren 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 Einlaßkanäle 82 und 83 (vgl. Fig. 3) in die Zylinder eindringen.
Das Einspritzen des Brennstoffes erfolgt während des Verdichtungshubes. Wenn die Kolben 5 und 6 das Gemisch so hoch verdichtet haben, daß Selbstzündung eintritt, kehren diese Kolben ihre Bewegungsrichtung um, und es beginnt ein neuer Arbeitstakt. 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 Schwinbhebeln 26 und 27, die untereinander über die verzahnten Fortsätze 33 und 34 kraftschlüssig verbunden sind, sind sie jedoch durch schwenkbar gelagerte Gleitkörper 18, 20 bzw. 19, 21 starr gekuppelt. Die Schwinghebel wiederum übertragen über die schwenkbaren Gleitkörper 39 bzw. -40, die in ihren Nuten 37 bzw. 38 durch Verschiwenken des Joches 41 zur Veränderung der Übersetzung verschoben 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 Federbandkupplungen 54 und 55. Zu diesem Zweck greift die Schwingkurbel 46 mit ihrem Gleitkörper 39 nach oben in die Nut 37 des Schwingnebels 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 Drehmoment 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 inneren Totpunkt seiner Bewegurig und das untere Ende des Schwinghebels 27, wo die Schwingkurbel 47 angreift, sich im äußeren Totpunkt seiner Bewegung befindet. Kurz nach dem inneren Totpunkt der oberen Kolben 1, 2 (= dem äußeren Totpunkt der unteren Kolben 5, 6) beginnt also die Federbandkupplung 54 zu greifen, während sich die Federbändkupplung 55 kurz vor dem inneren Totpunkt der oberen Kolben gelöst hat. Die Federbandkupplungen 54 und 55 übertragen in der entgegen ihrem Wicklungssinn gerichteten Bewegung Drehmoment auf die Trommeln 56 und 57, von wo es durch die Zahnräder 58 und 59 auf das Abtriebszahnrad 60 und damit die Abtriebswelle 61 übertragen wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Brennkraftmaschinen-Aggregat, bestehend aus einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine mit hin- und hergehenden Kolben, die annähernd mit gleichbleibender Drehzahl arbeitet und einer Abgasturbine, die mit der Brennkraftmaschine starr gekuppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine in an sich bekannter Weise mindestens zwei hin- und hergehende, mit je einem Schwinghebel (26 bzw. 27) gekuppelte Kolben (1, 2 bzw. 5, 6) aufweist, wobei die Schwinghebel über Gleitkörper (18, 19 bzw. 20,21) mit zu beiden Seiten in einem verstellbar angeordneten Joch (41) gelagerten Schwingkurbeln (46, 47) sowie über diese nur in einer Drehrichtung wirksamen Kupplungen (54,55) kraftschlüssig verbunden sind, die über Zahnräder (58, 59, 60) die senkrecht zur Zylinderachse verlaufende Abtriebswelle (61) der Brennkraftmaschine abwechselnd und absatzweise in Rotation versetzen, und daß ferner zum Antrieb der Hilfsmaschinen (76, 84, 94) eine eigene, von der Abtriebswelle (61) unabhängige Exzenterwelle (17) zwischen den einander gegenüberliegenden Kolben (1, 2 bzw. 5, 6) vorgesehen ist, die jeweils eine oder mehrere in einer Zylinderlängsmittelebene bzw. in Parallelebenen hierzu liegende Exzenterscheiben (13,14) trägt, an der bzw. an denen die Stirnflächen voneinander diametral gegenüberliegenden, einseitig abgeschlossenen Gleithülsen (11, 12) anliegen, die in den Kolben (1, 2) in ihrer Längsrichtung axial verschiebbar gelagert sind und jeweils unter dem Druck einer vorzugsweise zwischen den abgeschlossenen Enden der Gleithülsen (11, 12) und den Kolbenbodeninnenseiten wirksamen Feder (9 bzw. 10) stehen, und daß die Abgasturbine (95) über eine Zahnradübersetzung (74, 78) mit der Exzenterwelle (17) verbunden ist. z. Brennkraftmaschinen-Aggregat mit einem oder mehreren Zylinderpaaren, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasturbine (95) derart unterhalb des unteren Zylinderpaares (7, 8) angeordnet ist, daß die von den Zylindern (7, 8) ausgehenden Auslaßkanäle (103, 104) tangential in an sich bekannter Weise in das Turbinengehäuse (102) einmünden. 3. Brennkraftmaschinen-Aggregat nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasturbine (95) so bemessen ist, daß sie bei Teillast die durch den Antrieb des Kühlgebläses (84), des Ladegebläses (94) und der sonstigen Nebenantriebe (z. B. Öl- und Einspritzpumpe) auftretende Verlustleistung deckt und bei Vollast zusätzlich über die Exzenterwelle (17) eine Nutzleistung an das Triebwerk abgibt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 803 499, 738 442, 607 728, 552 105, 532 582, 529 918; österreichische Patentschrift Nr. 157 550; schweizerische Patentschrift Nr. 242 225; französische Patentschriften Nr. 862 734, 640 934; USA.-Patentschriften Nr. 1721 173, 1456 479. In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1017 411.