DE2357941C2

DE2357941C2 - Antriebsmotor für Automobil-Hilfsaggregate

Info

Publication number: DE2357941C2
Application number: DE2357941A
Authority: DE
Inventors: Nikolaus 7148 Remseck Laing
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-11-28
Filing date: 1973-11-21
Publication date: 1983-11-03
Also published as: FR2207817A1; US3958419A; GB1460573A; FR2207817B1; DE2357941A1

Description

Eine Antriebsvorrichtung für Hilfsaggregate in Automobilen z. B. ein Kältekompressor. besteht aus einer Expansionsmaschine, die in den Ansaugkanal des Verbrennungsmotors eingesetzt wird.

Hydraulikpumpen, Ventilatoren und insbesondere auch Kompressoren für Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen werden über Keilriemen mit konstantem Drehzahlverhältnis durch die Motorkurbelwelle angetrieben. Diese Antriebsart ist ungünstig, weil das Drchzahlintcrvall der Kurbelwelle zwischen Leerlauf und Schnellfahrt etwa 1:10 betragt. Außerdem wird die Dimensionierung der Hilfsaggregate sowohl in ihrer Grosse als auch in ihrer Leistungsaufnahme dadurch bestimmt daß meistens diese Aggregate bereits bei langsam laufendem Motor, teilweise bereits im Leerlauf ihre volle Leistung abgeben sollen. Dies trifft insbesondere für Kältekompressoren zu, da bei Langsamfahrt auch die Möglichkeit der Kühlung der Kabineninsassen durch den Fahrtwind entfällt.

Für einen Teil der Zusatzaggregate ist es außerdem erwünscht daß sie abgeschaltet und wieder zugeschaltet werden können. Dies gilt wiederum in erster Linie für den Kältekompressor, gilt jedoch auch für den Ventilator zur Kühlung des Wärmetauschers, der bei Schnellfahrt durch den Fahrtwind ausreichend gekühlt wird, während er bei geringer Fallgeschwindigkeit durch die Ansaugluft eines Ventilators gekühlt wird. Solche Hilfsaggregate erfordern deshalb zusätzliche Kupplungen, die ihrerseits wiederum für einen beträchtlichen Bauaufwand und, da in der Regel elektrische Kupplungen ausgebildet sind, zusätzliche elektrische Leistungen verbrauchen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Antriebsvorrichtung, mit der Hilfsaggregate von der Kurbelwellendrehzahl weitgehend unabhängig angetrieben werden können.

Es ist bekannt eine Expansionsmaschine in den Ansaugstutzen eines Verbrennungsmotors zu installieren und damit einen Lüfter anzutreiben. Eine Expansionsmaschine erreicht jedoch nur ihre Nennleistung bei einem definierten Druckgefälle und der zugehörigen Durchsatzmenge. Für die Aufgabe der Erfindung eignet sich deshalb eine einzelne Expansionsmaschine nicht

Die Erfindung besteht darin, daß die Antriebsvorrichtung als Expansionsmotor ausgebildet ist die alternativ mit kleinen Durchsatzströ-rien bei hohem Drucksprung und mit großen Durchsatzströmen bei kleinem Drucksprung betrieben werden kdnn.

Gemäß der Erfindung wird bei Inbetriebnahme des Hilfsaggregats der Ansaugluftstrom des Motors anstelle mit der einen Drosselklappe durch einen Expansionsmotor gedrosselt. Im Ansaugrohr ei~es Verbrennungsmotors herrscht im Leerlaufbetrieb in Unterdruck von 0388 bis 0.785 bar. Dieser I 'nterdruck wird umso geringer, je weiter die Drosselklappen geöffnet werden und beträgt nur noch etwa 0.049 bar bei voller Tourenzahl. Die angesaugte Frischluftmenge nimmt zu mit kleiner werdendem Druckverlust an der Drosselklappe. Im Leerlauf ist die angesaugte Luftmenge relativ klein, bei Vollastbetrieb etwa 10 bis 20mal so groß. Das Produkt aus Unterdruck und Luftmenge hält sich in einem engen Intervall.

Die Erfindung sieht deshalb vor. daß ein Expansionsmotor an die Stelle der Drosselklappe tritt und daß die Entspannung der Luft beim Eintritt in das Saugrohr über einen F.xpansionsmotor erfolgt. Die sonst durch Verwirbelung hinter der Drosselklappe verlorengehende Energie wird auf diese Weise dem Fxpansionsmotor zugeführt, der damit in die 1-age verset/t wird. Hüfsaggregate anzutreiben. Für den Verbrennungsmu= tor des Fahrzeuges hat der Einsatz eines solchen Motors den Vorteil, daß die Verwirbelungsenergie, die der Ansaugluft Wärme zuführt, entfällt, so daß zusätzlich zur Leistung des Expansionsmoiors auch noch die Leistung und der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors ansteigen. Die Erfindung verwendet solche Expansionsmotore, deren Expansionsverhältnis veränderbar ist. Am vorteilhaftesten hat sich der l!ins;it/ von

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mehreren, mindestens jedoch von zwei Expansionsmotoren erwiesen. Einer dieser Motoren ist für ein sehr großes Teiidruckverhältnis, z. B. für ein Druckverhältnis von 1 :3 oder gar 1 :5 und für kleine Druchsatzströme ausgelegt, während die weiteren Expansionsmotoren für kleinere Druckverhältnisse, dafür aber für größere Durchsatzströme ausgelegt sind. Zwei oder auch mehrere solcher Expansionsmotoren können eine gemeinsame WeUe antreiben. Gemäß der Erfindung ist als vorteilhafte Lösung vorgesehen, daß jeweils zwischen dem Rotor jeder dieser Expansionsmotoren und der gemeinsamen Antriebswelle ein Oberholkupplungselement eingebaut ist, welches nur dann eine Verbindung zwischen dem Rotor und der Abtriebswelle herstellt, wenn der Rotor schneller läuft als die Welle. Hierdurch wird vermieden, daß bei jedem Betriebszustand alle Expansionsmaschinen in Betrieb sind. Nur die jeweils optimal angepasste Expansionsmaschine ist so im Eingriff. Die Frischluftzufuhr für die übrigen Expansionsmotoren werden z. B. durch einen Schieber gesperrt. Durch Drosselklappen, in einer Bypass-Leitung, läßt sich der gesamte Antrieb stillegen. \ Uerdurdi ist es möglich, beispielsweise Kältekompressoren stillzulegen, wenn sie nicht benötigt werden, und während der Fahrt wieder in Betrieb zu nehmen. Die anzutreibenden Aggregate selbst werden durch die erfmdungsgemäße Antriebsvorrichtung wesentlich kleiner als bisher. Bisher mußte ein Kältekompressor so ausgelegt werden, daß er mit einer geringen Motordrehzahl von etwa 1000 UpM bereits die volle Kälteleistung abgibt Bei der Höchstdrehzahl der Kurbelwelle entnahm er somit der Welle annähernd die sechsfache Leistung. Dies fällt insbesondere bei kleineren Automobilmotoren außerordentlich nachteilig ins Gewicht In Verbindung mit Expansionsmotoren nach der Erfindung dagegen kann der Käitekompressor für eine konstante Drehzahl ausgelegt werden und nimmt somit in allen Betriebszuständen auch nur die gleiche Leistung auf. die außerdem der Kurbelwelle nicht verlorengeht. Da die Baumaße erfi dungsgemäßer Expansionsmotoren umso kleiner werden, je höher die Drehzahlen gewählt werden, sieht die Erfindung in der Regel sehr hochtourige Rotoren vor. Hochtourige Systeme haben den Vorteil, daß nicht nur die Expansionsmaschinen sondern auch die anzutreibenden Maschinen einen geringen Bauaufwand erfordern.

Kompressoren für die Kältemittelverdichtung beispielsweise können auf ca. Vi₂ des Hubvolumens der bisherigen Automobil-Kälteverdichter ausgelegt werden. Hierdurch wird der Kompressor außerordentlich billig. Schließlich lassen sich die Kompressoren derart hoher Drehzahl aufgrund der kleinen Drehmomente mit magnetischen Übertragungsvorrichtungen ausbilden. Die Erfindung sieht deshalb als weitere Verbesserung für den Antrieb von Kältekompressoren die Zwischenschaltung einer magnetischen Übertragungskupplung vor. Hierdurch wird es möglich, den Kälteverdichter gegenüber der Antriebswelle hermetisch abzukapseln. Damit wird ein weiterer bedeutender Nachteil aller Klimaanlagen in Automobilen, nämlich der stetige Kältemittelverlust durch die Wellenabdichtung beseitigt.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise erläutert.

F i g. 1 zeigt teihveise im Schnitt und schematisiert den Aufbau einer Vorrichtung nach der Erfindung.

F i g. 2 zeigt in eine, schematischen Darstellung, teilweise im Schnitt, die funktionswichtigen Teile

F i g. 1 dargestellten Vorrichtung.

F i g. 3 zeigt einen Schnitt durch den Drehschieber der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung.

Fig.4 zeigt die Abwicklung der öffnungen des in F i g. 3 dargestellten Drehschiebers.

F i g. 5 zeigt einen Schnitt durch die drei Stufen des als Verdrängermaschine ausgebildeten Expansionsmotors.

Fig,6 zeigt einen Schnitt durch eine Stufe des Expansionsraotors quer zur Achse derselben und

Fig.7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Expansionsmotors nach der Erfindung.

In F i g. 1 sind schematisch ein Luftfilter 1, ein

Verbrennungsmotor 20 mit 4 Zylindern, ein luftdurchströmter Wasserkühler 21, eine Antriebseinrichtung 3 nach der Erfindung und ein Hilfsaggregat 22, das von der Antriebseinrichtung angetrieben wird, dargestellt Die über das Luftfilter 1 angesaugte Luft 23 strömt wenn das anzutreibende Hilfsaggregat außer Betrieb ist durch den Kanal 24 in den Verteiler 25 der Ansaugleitung des Motors 20. Die Luftmenge wird in diesem Fall durch die Drosselklappe !geregelt

Wenn das Hilfsaggregat 22, in die^m Fall eine Kühlkompressionsmaschine, in Betrieb genommen werden soll, wird die Frischluft 23 bei geschlossener Drosselklappe 2 einem Expansionsmotor 3 zugeführt Jeweils ;.ur eine der Stufen Mi, M2 und M3 dieses Expansionsmotors wird in Abhängigkeit von der Motorleistung bzw. der Stellung des Gaspedais 4 (siehe F i g. 2) durchströmt Ein Drehschieber 5, der mit dem Gaspedal gekoppelt ist bestimmt welche der drei Stufen Mi, MI oder M3 des Expansionsmotors beaufschlagt werden soll. Insbesondere im Überschneidungsgebiet können auch zwei Stufen im Einsatz sein. Nicht beaufschlagte Läufer 6 (siehe Fig.6) der einzelnen Stufen drehen sich nicht mit da sie mit einer Überholkupplung ausgestattet sind.

Der Drehschieber 5, der in F i g. 1 schematisch dargestellt ist, wird anhand der Darstellungen in den Fig.3 und 4 erläutert. Der Stellhebel IS des Drehschiebers 5 wird vom Gaspedal bewegt und verd^reht diesen Drehschieber. Je nach Stellung dieses Drehschiebers kommt, wenn das Hilfsaggregat 22 in Betrieb genommen werden soll, eine der Öffnungen 5', 5" oder 5'" des Drehschiebers mit den Ansargöffnungen 3', 3" oder 3'" der Stufen Mi, M? und M3 zur Deckung, so daß in die entsprechende Stufe die Frischluft einströmen und den Expansionsmotor betrieben kann. Wenn keine Kühlleistung gefordert wird, steht der Drehschieber 5 so, daß er alle drei Einströmöffnungen 3', 3" bzw. 3'" verdeckt. Die Wellenleistung der Stufen Mi, M2. M3 der Expansionsmaschine wird über eine Kupplung, z. B. ein? Magnetkupplung 7, auf den Kältekompressor 22 übertragen, von dem nur der Verflüssiger 8 und der Verdampfer 9 dargestellt ist. Die Kühlleistung des Kompressors wird im Gegensatz zu allen herkömmlichen Kraftfahrzeugklimageräten nicht von der Motorleistung abgezweigt, sondern von der Frischluft, die im Gegensatz zu der b'^cherigen veriustbehafteten adiabatischen Drosselung in den Stufen der Expansionsmaschine isotrop unter Leistungsabgabe entspannt wird.

F i g. 2 veranschaulicht den Betrieb der Expansionsmaschine in Abhängigkeit von der Stellung des Gaspedals 4. Wenn das Hilfsaggregat 22 eingeschaltet werden soll, wird übt/· einen Kabelzug der Anschlag !0 in Richtung des Pfeiles 30 eingedrückt und gleichzeitig der Anschlag 12 in Richtung des Pfeiles 31 herausgezogen. Der Angriffspunkt des Kabelzuges ist nicht

dargestellt. Hierdurch wird eine Bewegung der die Stellung der Drosselklappe 2 bestimmenden Stange 11 in Richtung des Pfeiles 32 verhindert, jedoch die Bewegung der Stange 13. die an dem Stellhebel 15 angelenkt ist, in Richtung des Pfeiles 33 ermöglicht. Die Beweglichkeit desjenigen Armes 34 oder 35 des Gaspedals, der an demjenigen Gestänge ti oder 13 angelenkt ist, das durch den entsprechenden Anschlag 10 oder 12 blockiert ist, wird durch eine Feder 36 bzw. 37 gewährleistet, die am Ende des jeweiligen Gestänges befestigt ist und von dem jeweiligen Kopf 38 bzw. 39 der Arme 34 bzw. 35 gegen die Kraft der Feder auf dem entsprechenden Gestänge herabgedrückt werden kann. Es ist also je nach Stellung der Anschläge 10 oder 12 jeweils nur ein Gestänge 11 oder 13 beweglich, d. h. es IS kann entweder der Drehschieber 5 oder die Drosselklappe 2 verdreht werden. Wenn der Drehschieber 5 in Abhängigkeit von der Gaspedalstellung betätigt wird, wird je nach Motorleistung und Frischiuttmenge die entsprechende Stufe M l,M2oder M3des Expansionsmotors betätigt. Über einen der Kanäle 3', 3" oder 3'" strömt die Luft in den Expansionsmotor, so daß der Rotor 40' umläuft. Die expandierte Luft strömt dann über den Kanal zum Ansaugkanal 25 des Verbrennungsmotors.

Wenn das Klimagerät 22 außer Betrieb gesetzt werden soll, d. h. wenn keine Kühlleistung gefordert wird, wird der Anschlag 12 entgegengesetzt der Richtung des Pfeils 31 eingedrückt, so daß das Gestänge blockiert, und der Anschlag 10 entgegengesetzt der Richtung des Pfeils 30 herausgezogen, so daß er das Gestänge 11 und damit die Verschwenkbarkeit der Drosselklappe 2 freigibt. Über das Gestänge 11 wird dann in Abhängigkeit vor, der Gaspedalstellung im Normalbetrieb die Drosselklappe 2 betätigt.

Im Leerlauf wird, wenn das Klimagerät 22 in Betrieb geseizi wird, durch Eindrücken des Anschlags 10 über eine nicht dargestellte Einrichtung gleichzeitig die erste Öffnung 5' des Drehschiebers 5 mit dem Einlaß 3' der ersten Stufe MI zur Deckung gebracht. )e nach *o Fahrbetrieb werden dann durch Verdrehen des Drehschiebers 5 die anderen Stufen M 2 und M3 beaufschlagt.

In F i g. 4 ist eine Abwicklung des Drehschiebers 5 mit der Anordnung der öffnungen 5', 5" und 5'" dargestellt. Diese Öffnungen sind so angeordnet, daß bei voller Beaufschlagung einer Stufe die Einlaßöffnungen der beiden anderen Stufen verdeckt sind.

F i g. 5 stellt einen Schnitt durch die drei Expansionsmaschinenstufen M 1, M 2 und M 3 mil den Läufern 40', 40" und 40'" dar.

In Fig. 6 ist ein Querschnitt durch die Stufe Mi gezeigt. Wie aus den F i g. 5 und 6 ersehen werden kann, drehen die l.aufräder einer nicht beaufschlagten Maschine nicht mit. da jedes Laufrad mit einer Überholkupplung 16 ausgestattet ist. Dadurch wird der Verschleiß wesentlich herabgesetzt und die Leistung der Maschine erhöht.

In F i g. 7 ist eine Anordnung mit einem Luftfilter 71. einem Ansaugkanal 72, einem Bypass 73 und einem Expansionsmotor 76 dargestellt. Der Anschlag 10, das Gestänge 11, das Gaspedal 4 und die Arme 34 und 35 des Gaspedals sind praktisch genau so ausgebildet wie bei der Anordnung nach Fig. 2 und erfüllen die gleichen Funktionen. Das Ein- und Ausschalten des Bypasses criulgt über den Anschlag 77. weicher über ar· Gestänge 78 mit einem Schieber 79 verbunden ist. der den Bypass 73 öffnet oder schließt, je nach dem der Motor 76 in Betrieb oder außer Betrieb gesetzt werden soll. Soll der Expansionsmotor 76 in Betrieb gesetzt werden, dann wird über das Pedal 4 und den Hebel 35 ein Gestänge 80. das über einen in Punkt 81 drehbar gelagerten Hebel 82 verschoben werden kann und das in Punkt 83 an einem am Motor 76 befestigten Ansatz 84 anfet'lenkt ist. das Motorgehäuse 87 um den Zapfen 85 verschwenken, so daß damit die Exzentrizität des Drehkolbens 86 zu dem Kolbengehäuse 87 und damit die Kompresiionsleiiung oder das Entspannungsverhältnis des Motors verändert werden kann. Es wird betont, daß bei der dargestellten Ausführungsform der Läufer 86 mit seiner Achse 90 unverschieblich angeordnet ist und das Gehäuse 87 um den Schwenkpunkt 85 gegenüber dem Motor verstellt werden kann, so daß damit die E*zent.i/ität verändert wird. Die größte Exzentrizität, die der in F i g. 7 dargestellten Stellung entspricht, wird bei kleinen Drehzahlen des Verbrennungsmotors gewählt, während bei größeren Drehzahlen durch die Betätigung des Gaspedals 4 die Exzentrizität und damit das Entspannungsverhältnis verkleinert wird. Die Beweglichkeit Her Einströmleitung 93 und Abströmleitung 94 des Motors gegenüber dem Bypass 73 und der Leitung 95 wird durch flexible Elemente 96 und 97, die in der dargestellten Weise in die Leitungen eingesetzt sind, gewährleistet.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Antriebsvorrichtung für Hilfsaggregate in Automobilen, insbesondere Antriebsmotor für Kältekompressoren einer Automobil-Kühlanlage, die als Expansionsmaschine ausgebildet ist und zwischen die Lufteintrittsöffnung und den Ansaugkanal des Motors des Autombils geschaltet ist und eine Drosselung des Ansaugstroms bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtung aus mehreren Expansionsmotoren (Mi, M2, Ai3) mit unterschiedlichen Expansionsverhältnissen und/ oder unterschiedlichem Schluckvermögen besteht und daß eine Einrichtung (5) vorgesehen ist, die der: Ansaugluftstrom in Abhängigkeit von der ge- is wünschten Drosselwirkung durch einen oder durch mehrere dieser Expansionsmotoren (Mi —M3) steuert

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsmaschine als Verdrängermotor, z. B. Flügelzellenmotor (F i g. 5 und 6) mit exzentrisch zum Gehäuse gelagertem Läufer (6), ausgebildet ist

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Steuerung des Ansaugluftstroms als Verteiler (5) ausgebildet ist der mit zunehmendem Betätigungsweg des Gaspedales oder mit abnehmendem Ansaugunterdruck nacheinander Maschinen mit kleiner werdendem Expansionsverhältnis in den Ansaugluftstrom einschaltet.

4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet drß mindestens eine Bypass-Leitung (24) mit einer Dross»^ orrichtung (2) vorgesehen ist durch die ebenfalls Luft in das Saugrohr eintreten kann, wodurch die Antriebsvorrichtung zum Stillstand gebracht wird.

5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsmaschine unterschiedlichen Expansionsgrades eine gemeinsame *o Antriebswelle haben.

6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Läufer (40) der Expansionsmaschinen mittels einer Überholkupplung (16) mit der Antriebswelle verbunden ist so daß nur der mit der höchsten Drehzahl betriebene Läufer die Antriebswelle antreibt.

7. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 zum Antrieb eines Kältekompressors, dadurch gekernzeichnet daß der Kältekompressor durch eine magnetisch durchlässige Trennwand hermetisch abgedichtet ist und daß die Übertragung des Drehmomentes durch eine magnetische Kupplung (7) erfolgt.

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