DE20309004U1

DE20309004U1 - Aggregat für Antriebsaufgaben und Stromerzeugung

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Publication number: DE20309004U1
Application number: DE20309004U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2013-06-11

Abstract

Aggregat für allgemeine Antriebsaufgaben und Stromerzeugung (Beispielausführung siehe 1), dadurch gekennzeichnet, dass
– ein schnelllaufender Zweitakt- Dieselmotor eine oder mehrere Kurbelschlaufe(n) (auch genannt Kurbelschleife(n)) und je eine Ladepumpe zwischen jedem Trennwandlager zum Kurbeltrieb und jedem Kolbenboden aufweist (Unterkolbenbodenladepumpe(n)) sowie Einlassorgane im Bereich des unteren Totpunktes (UT) in jeder Zylinderwandung und Auslassorgane im Bereich der oberen Totpunkte (OT) hat,
– ein 180°- V- oder ein 90°- Stern- Bauprinzip einen Kurbeltrieb beinhaltet, der mit einer Kurbelwelle mit n Kurbelzapfen und darauf geführten n Kurbelschlaufen für eine auf einer Achse liegende Zylinderzahl z = 2 * n (für 180°-V) bzw. z = 2 * (2 * n) (für 90°- Stern) versehen ist,
– eine oder mehrere Kurbelschlaufe(n) die Funktionen je einer Kulissenführung, zweier Schubstangen und zweier Kolben beinhaltet,
– der Winkel zwischen Kulissenführung und Schubstangen 90° mit einer Abweichung von max. ±10° betragen kann, um beispielsweise der Kurbelwelle eine Vorzugsdrehrichtung zu geben oder das Gleiten des zwischen Kurbelzapfen und Kulissenführung kraftübertragenden Bauteils auf der Innenseite der Kulissenführung zu erleichtern oder das Kippverhalten der Kolben im OT zu beeinflussen,
– der Arbeitsraum jedes Kolbens durch ein Trennwandlager, welches führende und dichtende Funktionen aufweist, vom Kurbelgehäuse getrennt ist,
– die Kolben und die Zylinderlaufbuchsen entweder durch eine Minimalschmierung mittels einer Dosierpumpe, konventionell durch ein Luft- Öl- Gemisch oder mit Beschichtungen bzw. Trockenschmiermitteln vor Verschleiß ge schützt werden, was hauptsächlich dazu dient, den bisher nötigen abgasbelastenden Schmierstoff zu verringern bzw. vollkommen einzusparen,
– eine innere Gemischbildung stattfindet, beispielsweise durch Direkteinspritzung,
– das elektronische Motormanagement unter anderem die Variablen Einlassvolumenstrom, Auslasssteuerzeit, Abgasrückführungsrate, Kompressordrehzahl, Kupplungen sowie Einspritzbeginn und Einspritzdauer durch Steuer- und Regelungsvorgänge beeinflussen kann,
– eine Verdichtung des sich im Ladepumpenraum befindlichen Gases durch eine Einrichtung erfolgen kann, die variable Einlassvolumenströme zulässt, wie beispielsweise ein separat durch den Starter- Generator angetriebener Kompressor oder ein Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie,
– der Ladepumpenraum von der aufladenden Einrichtung durch ein Ventil, wie beispielsweise ein Membranventil, getrennt sein kann, so dass verhindert werden würde, dass beim Expansionshub ein Zurückströmen des Gases aus dem Ladepumpenraum erfolgt,
– Anteile des abgeführten Abgases zum Frischgastrakt zurückgeführt werden können, wobei mit sowohl heißem als auch gekühltem Abgas der Brennprozess beeinflusst werden kann,
– die Ladegastemperatur durch eine Kühleinrichtung herabgesetzt werden kann, beispielsweise durch einen Ladeluftkühler,
– das Verdichtungsorgan durch eine schaltbare Kupplung von der Kraftübertragung des Kolbentriebwerks abgekuppelt werden kann und der Antrieb des Verdichtungsorgans durch den Starter- Generator übernommen wird, der durch entsprechende Drehzahl auch bei geringer Drehzahl des Kolbentriebwerks für einen hohen Ladedruck und damit für ein hohes Drehmoment sorgt,
– das z.B. je Kurbelzapfen ein gegenläufig rotierendes Ausgleichsgewicht für 100% Massenausgleich sorgen kann.

Description

Schnelllaufende Kolbentriebwerke üblicher Bauart weisen neben einer hohen Geräusch- und Vibrationsentwicklung einen relativ hohen Verbrauch und durch die Verbrennung von Schmieröl ein relativ schlechtes Abgasverhalten auf. Ebenso leiden die Kolbentriebwerke üblicher Bauart an einer ausgeprägten Drehmomentschwäche bei niedrigen Drehzahlen, was besonders im Fahrzeugbau (Anfahrdrehmoment) und bei Wasserfahrzeugen (Auslegung der Schraube bzw. anderer Antriebsmittel) störend ist. Weiterhin benötigen Kolbentriebwerke üblicher Bauart einen relativ großen Einbauraum und haben ein relativ hohes spezifisches Gewicht.
Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein schnelllaufendes Kolbentriebwerk für allgemeine Antriebsaufgaben zu schaffen, das eine geringe Geräuschentwicklung, wenig Vibrationen, hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, geringes Leistungsgewicht und gutes Abgasverhalten ermöglicht und wenig Einbauraum beansprucht. Bisherige Versuche, dieses Problem mittels alternativer Brennverfahren mit besserem Wirkungsgrad, wie z.B. einer Zweitakt- Längsspülung (bekannt aus langsamlaufenden Schiffsgroßdieseln, hier in Verbindung mit Kreuzkopfführung) zu lösen haben sehr vielversprechende Ergebnisse geliefert, sind aber immer wieder daran gescheitert, dass für das Betreiben ein externes, teures Verdichtungsorgan unbedingt notwendig war (siehe z.B. MTZ 4/2003 S.286 ff. „Schnelllaufender Hochleistungs- Dieselmotor für kleine Flugzeuge" von verschiedenen Autoren der Dr. Schrick GmbH und MTZ 9/2001 5.668 ff. „Standortbestimmung des Zweitaktmotors als PKW- Antrieb; Teil 2: Zweitaktdieselmotor").
Dieses Problem wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen (siehe 1)

– Unterkolbenladepumpe (1) zwischen Kolben (2) und Trennwandlager (3)
– Kurbelschlaufe (4) mit Schubstangen (5)
– Trennwandlager
– Einlassorgane bei UT in Zylinderwandung (6)
– Auslassorgane bei OT (7)
– 180°- V- oder 90°- Stern- Bauprinzip
– Zweitakt Längsspülung
– Minimalschmierung bzw. Beschichtungen
– Innere Gemischbildung
– Elektronisches Motormanagement
– Einrichtung zur Vorverdichtung (möglich)
– Ventil vor Ladepumpenraum (möglich)
– Abgasrückführung (möglich)
– Herabsetzung der Ladegastemperatur (möglich)
– Starter- Generator mit Kupplung als Kompressorantrieb (möglich)
– 100 % Massenausgleich (möglich) gelöst.

Mit der Erfindung wird erreicht, dass das Aggregat ohne ein externes Verdichtungsorgan start- und lauffähig ist, einen günstigen flachen Einbauraum beansprucht, ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen und ein geringes Eigengewicht hat und sich dabei durch geringe Geräusch- und Vibrationsentwicklung und ein sehr gutes Abgasverhalten auszeichnet.
Durch die Unterkolbenladepumpe ist der Start und Betrieb des Kolbentriebwerks ohne die Verwendung von teuren und aufwendigen externen Verdichtungsorganen möglich. Dadurch lässt sich eine Zweitakt Längsspülung mit hohem Wirkungsgrad und geringem Einbauraum kostengünstig realisieren. Andere Versuche wie z.B. das Patent DE 43 23 159 C1 , bei dem statt der Kurbelschlaufe eine Kreuzkopfführung eingesetzt wurde, hatten einen deutlich größeren Einbauraum zur Folge, so dass bisher keiner dieser Ansätze weiter verfolgt wurde.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Schutzanspruch 2 gegeben. Die Weiterbildung nach Schutzanspruch 2 ermöglicht den Betrieb des Kolbentriebwerks auf verschiedenste Weise ohne bauliche Veränderungen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Anwendung für den Einsatz in Wasserfahrzeugen. Die zwei eingesetzten Kupplungen lassen den Einsatz der Antriebseinheit als normalen Betrieb mit Verbrennungsmotor und Generatorbetrieb gleichzeitig zu. Durch die Abschaltung der Kupplung A (am Kolbentriebwerk) ist es möglich, mittels Elektroantrieb geräuschlose Fahrt zu machen. Durch die Abschaltung der Kupplung B (am Abtrieb) ist es möglich, ohne Antrieb den Generator laufen zu lassen. Auf diese Weise lässt sich der in Wasserfahrzeugen oft extra eingebaute Generator einsparen. Weiter ist durch den Elektroantrieb das frühmorgendliche Auslaufen ohne Lärm- und Geruchsbelästigung aus dem Hafen möglich.

Claims

Aggregat für allgemeine Antriebsaufgaben und Stromerzeugung (Beispielausführung siehe 1), dadurch gekennzeichnet, dass – ein schnelllaufender Zweitakt- Dieselmotor eine oder mehrere Kurbelschlaufe(n) (auch genannt Kurbelschleife(n)) und je eine Ladepumpe zwischen jedem Trennwandlager zum Kurbeltrieb und jedem Kolbenboden aufweist (Unterkolbenbodenladepumpe(n)) sowie Einlassorgane im Bereich des unteren Totpunktes (UT) in jeder Zylinderwandung und Auslassorgane im Bereich der oberen Totpunkte (OT) hat, – ein 180°- V- oder ein 90°- Stern- Bauprinzip einen Kurbeltrieb beinhaltet, der mit einer Kurbelwelle mit n Kurbelzapfen und darauf geführten n Kurbelschlaufen für eine auf einer Achse liegende Zylinderzahl z = 2 * n (für 180°-V) bzw. z = 2 * (2 * n) (für 90°- Stern) versehen ist, – eine oder mehrere Kurbelschlaufe(n) die Funktionen je einer Kulissenführung, zweier Schubstangen und zweier Kolben beinhaltet, – der Winkel zwischen Kulissenführung und Schubstangen 90° mit einer Abweichung von max. ±10° betragen kann, um beispielsweise der Kurbelwelle eine Vorzugsdrehrichtung zu geben oder das Gleiten des zwischen Kurbelzapfen und Kulissenführung kraftübertragenden Bauteils auf der Innenseite der Kulissenführung zu erleichtern oder das Kippverhalten der Kolben im OT zu beeinflussen, – der Arbeitsraum jedes Kolbens durch ein Trennwandlager, welches führende und dichtende Funktionen aufweist, vom Kurbelgehäuse getrennt ist, – die Kolben und die Zylinderlaufbuchsen entweder durch eine Minimalschmierung mittels einer Dosierpumpe, konventionell durch ein Luft- Öl- Gemisch oder mit Beschichtungen bzw. Trockenschmiermitteln vor Verschleiß ge schützt werden, was hauptsächlich dazu dient, den bisher nötigen abgasbelastenden Schmierstoff zu verringern bzw. vollkommen einzusparen, – eine innere Gemischbildung stattfindet, beispielsweise durch Direkteinspritzung, – das elektronische Motormanagement unter anderem die Variablen Einlassvolumenstrom, Auslasssteuerzeit, Abgasrückführungsrate, Kompressordrehzahl, Kupplungen sowie Einspritzbeginn und Einspritzdauer durch Steuer- und Regelungsvorgänge beeinflussen kann, – eine Verdichtung des sich im Ladepumpenraum befindlichen Gases durch eine Einrichtung erfolgen kann, die variable Einlassvolumenströme zulässt, wie beispielsweise ein separat durch den Starter- Generator angetriebener Kompressor oder ein Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie, – der Ladepumpenraum von der aufladenden Einrichtung durch ein Ventil, wie beispielsweise ein Membranventil, getrennt sein kann, so dass verhindert werden würde, dass beim Expansionshub ein Zurückströmen des Gases aus dem Ladepumpenraum erfolgt, – Anteile des abgeführten Abgases zum Frischgastrakt zurückgeführt werden können, wobei mit sowohl heißem als auch gekühltem Abgas der Brennprozess beeinflusst werden kann, – die Ladegastemperatur durch eine Kühleinrichtung herabgesetzt werden kann, beispielsweise durch einen Ladeluftkühler, – das Verdichtungsorgan durch eine schaltbare Kupplung von der Kraftübertragung des Kolbentriebwerks abgekuppelt werden kann und der Antrieb des Verdichtungsorgans durch den Starter- Generator übernommen wird, der durch entsprechende Drehzahl auch bei geringer Drehzahl des Kolbentriebwerks für einen hohen Ladedruck und damit für ein hohes Drehmoment sorgt, – das z.B. je Kurbelzapfen ein gegenläufig rotierendes Ausgleichsgewicht für 100% Massenausgleich sorgen kann.
Kolbentriebwerk nach Schutzanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass – der Starter- Generator über eine Kupplung A von dem Kolbentriebwerk getrennt werden kann, so dass allein der Starter- Generator als Antrieb dient, – das Kolbentriebwerk zusammen mit dem Starter- Generator bei geschlossener Kupplung A als Antrieb und Generator dient, – der Abtrieb des Kolbentriebwerks durch eine schalt- oder regelbare Kupplung B getrennt werden kann, so dass das Kolbentriebwerk zusammen mit dem Starter- Generator als Generator dient.