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BESCISREIBUNG
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Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine
mit wenigstens einem maschinenfesten Zylinder, einem in dem Zylinder verschiebbaren,
auf eine Kurbelwelle arbeitenden Kolben, der zusammen mit dem Zylinder einen Brennraum
begrenzt, einem Einlaßventil sowie einem AuslaS-ventil für den Brennraum und einer
Abgasturbine.
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Das an der Kurbelwelle derartiger bekannter Brennkraftmaschinen zur
Verfügung stehende Abtriebsdrehmoment wird u.a. durch zwei wesentliche Faktoren
bestimmt. Maßgebend ist zum einen der vom momentanen Brennraumvolumen abhängige
Druck der expandierenden Brenngase, wie er üblicherweise in einem Druck-Volumen-Diagramm
(PV-Diagramm) für einen Arbeitszyklus der Maschine dargestellt wird. Zum anderen
spielt die Geometrie der Kraftübertragung vom Kolben auf die Kurbelwelle eine entscheidende
Rolle. Die auf den Kolben wirkende Druckkraft kann im Bereich der dem maximalen
Brennraumvolumen zugeordneten unteren Totpunktstellung der Kurbelwelle nur uiizure7chend
in ein Drehmoment umgewandelt werden.
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Der im Bereich der unteren Totpunktstellung der Kurbelwelle noch relativ
große Druck der expandierenden Brenngase erhöht somit lediglich den Lagerdruck der
Pleuel- und Kurbelwellenlager und liefert nur noch einen geringen, bei der unteren
Totpunktstellung der Kurbelwelle auf Null auslaufenden Beitrag zum Abtriebsdrehmoment
der Kurbelwelle.
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Durch vorzeitiges Öffnen des Auslaßventiles wird verhindert, daß dieser
noch relativ große Druck den im Hub umkehrenden Kolben bremst. Beim vorzeitigen
Öffnen des Auslaßventiles, das besonders bei Zweitaktmotoren auch wegen des in der
unteren Kolbenstellung erfolgenden Spülvorganges frühzeitig geschehen muß, geht
in Form von Druck und Wärme eine beachtliche Energiemenge für den Arbeitsprozess
verloren.
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Es ist bekannt, daß zur Nutzung dieser Energie eine Abgasturbine mit
einem Ladegebläse gekoppelt, bekannt als Turbolader,in der Auspuffanlage eingebaut
ist. Derartige Turbolader erhöhen die Füllung des Brennraumes, was sich meist nur
im oberen Leistungsbereich des Motors als vorteilhaft erweist. Eine direkte Nutzung
der Abgas energie für die Drehkraft des Motors ist durch den Turbolader nicht möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg zu zeigen, wie der Druck der
expandierenden Brenngase unabhängig von der Kurbelwellengeometrie und nach dem Öffnen
des Auslaßventiles besser ausgenutzt und die Abtriebsleistung der Brennkraftmaschine
gesteigert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Abgas durch
eine Turbine geleitet wird, welche mit einem Stromgenerator gekoppelt ist, wobei
im Zusammenwirken von Abgas, Turbine und Generator ein Abgasturbinengenerator gebildet
wird, welcher die Abgasenergie in elektrische Engerie umwandelt.
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Die vom Abgasturbinengenerator erzeugte elektrische Energie wird der
Motorabtriebswelle über einen Elektromotor zugeführt und damit die Leistung der
Brennkraftmaschine entsprechend erhöht.
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Für das Öffnen des Auslasses kann dabei ein motortechnisch besonders
bei Zweitaktmotoren giinstig, früher Zeitpunkt gewählt werden, weil die Abgas energie
über den als Strömungsmaschine arbeitenden Abgasturbinengenerator ausgenützt wird.
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Die Abgasturbine mu". freilaufend sein, damit der Lauf der Kurbelwelle
nicht beeinträchtigt wird.
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Da sie als Strömungsmaschine arbeitet, liefert sie bei hoher Drehzahl
und geringem Drehmoment einen guten Wirkungsgrad.
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Durch diese Faktoren ist der Antrieb eines Stromgenerators besonders
vorteilhaft, weil dieser bei hoher Drehzahl ein geringes Drehmoment besonders günstig
zu nützen in der Lage ist.
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Zudem kann die Leistungsaufnahme der Turbine durch Steuerung der Stromabnahme
einfach und automatisch auf den Motorbetrieb abgestimmt werden.
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Zweckmäßig ist bei einer Brennkraftmaschine nach der Erfindung im
besonderen als Fahrzeugmotor der zur Verwertung der zusätzlichen Abgas energie notwendige
Elektromotor als Anlaß er und Zusatzmotor für den Spitzenleistungsbedarf, wie Anfahren
und Überholen ausgelegt. Der Kolbenmotor kann dadurch auch kleiner, billiger und
energiesparender gebaut sein.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist an einer Stirnseite der Kurbelwelle
der Elektromotor mit der Kurbelwelle über eine Fliehkraft oder Magenetkupplung verbunden.
Mit dem Magentanlasserschalter kann dabei zum Anlassen des Motors, zur Erhöhung
des Drehmomentes1 der Elektromotor über ein Untersetzungszahnrad an der Kurbelwelle
in Eingriff gebracht werden. Bei laufendem Motor und auger Eingriff befindlichem
Untersetzungszahnrad wirkt der Elektromotor über die Fliehkraft oder Magentkupplung
auf die Kurbelwelle.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die auf der Kurbelwelle
angebrachte Schwungscheibe als Läufer eines Elektromotores ausgebildet, dadurch
kann diB anfallende elektrische Energie der Kurbelwelle zusätzlich als Drehkraft
zugeführt werden.
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Die bei fast allen Motoren iibliche Lichtmaschine kann entfallen,
weil die Blotorzusatzaggregate, wie Zündung, Batteriespeisung und gegebenenfalls
das Kiihlluftgebläse vom Turbinengenerator versorgt werden.
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In einer einfacheren Ausführungsform kann der Turbinengenerator auch
nur auf den Leistungsbedarf der Afotorzusatzaggregate ausgelegt sein.
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Bei elektrischem Kühlergeblaseantrieb erübrigt sich neben dem Lichtmaschinenantrieb
auch dieser Keilrjemenantrieb. Durch weitere Einsparungen in der Auspuffanlage ist
bei dieser einfachen Ausführungsform die Nehrkostenbelastung bei einem Fahrzeugmotor
unwesentlich.
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Die verschiedenen techni schen Ausfiihrungsformen vom Stromgellerator
für Gleichstrom oder Drehstrom
und Gleichstrommotor oder Drehstrommotor,
Gleichrichter, Umformer und Schaltungstechnik werden nach dem bekannten Stand der
Technik angewendet. Eine besondere Erläuterung erübrigt sich dadurch.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung, die auch von der vorliegenden
Erfindung unabhängig Bedeutung beT sitzt, ist die Abgasturbine als Rückstoßturbine
gebaut.
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Der Turbinenläufer besteht dabei aus einer Scheibe mit einem erhöhtem
Ring am Rand. In diesem Ring sind im Umfang gleichmäßig verteilt, tangential im
Ring von innen nach außen führende Rückstoßdüsen in der Form von Lavaldiisen angebracht.
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Über einen in Verbindung mit dem Gehäuse feststehenden Ansatz werden
die noch arbeitsfähigen Abgase dem Innenraum des Ringes in einem Teilbereich zugeführt
und bewirken durch das Ausströmen über die Rückstoßdüsen beim Abbau des Druckes
und der Strömungsenergie eine Drehung des Turbinenläufers. Da sich die Brenngase
in der Turbine entspannen, ist die Geräuschentwicklung der Maschine auch ohne aufwendige
Auspuffanlage relativ gering.
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Vorteilhoft ist der Generator als Drehstromgenerator ausgeführt und
mit der Turbinenwelle gekuppelt.
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Im folgenden soll ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
anhand von Zeichnungen näher erläutert werden.
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Es zeigen: Fig. 1 : schematisch eine Brennkraftmasctnine mit einem
Kolben und Zylinder im Zusammenwirken mit einem Abgasgenerator und Elektromotor
Fig. 2 : schematisch den Elektromotor als Anlasser und Zusatzmotor in Kupplung mit
der Kurbelwelle Fig. 3 : eine Rückstoßturbine mit weggelassenem Gehäusedeckel und
teilweise im Schnitt gezeigter Turbine Fig. 4 : eine Schnittdarstellung im Verlauf
der Linie A-B der Fig. 2 Die in der Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine umfaßt
ein Maschinengehäuse 1 mit wenigstens einem Kolben 2, der über Brenngase in einem
Brennraum 4 eine Kurbelwelle 5 antreibt. Der Brennraum 4 hat für Viertakt- oder
Zweitaktsteuerung ein Auslaßventil 6, an welchem sich eine Abgasleitung 7 anschließt,
die in eine Turbine 8 mündet. Das Abgas treibt die Turbine 8 und gelangt in den
Auspuff 9.
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Mit der Turbinenwelle lo ist zweckmßig achsgleich ein Stromgenerator
11 gekoppelt. Er liefert Strom, welcher in einer Steuerungsanlage 12 aufbereitet
wird und die Zusatzaggregate 13 versorgt.
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Bei entsprechender Auslegung der Turbine 8 unter weitgehender Nutzung
der Agasenergie kann wesentlich mehr Strom erzeugt werden, wie bei einem Kraftfahrzeug
die
Zusatzgeräte verbrauchen. Dieser Strom wird einem Elektromotor
14 zugeführt. Der Elektromotor 14 steht in Wirkverbindung mit der Kurbelwelle 5
und gibt Drehkraft an diese ab.
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Wie in der Fig. 2 gezeigt ist, kann der Elektromotor 14a auch als
Anlasser und Zusatzmotor ausgelegt sein. An der Stirnseite einer Motorkurbelwelle
ist dabei ein Zahnrad 15 angebracht, in dessen Innenbereich die Läuferwelle 16 des
Elektromotores 14a mit einer Fliehkraft oder Magnetkupplung 17 formschlüssig bei
entsprechender Drehzahl verbunden wird.
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Zum Anlassen des Motores wird ein Untersetzungszahnrad 18 bei Betätigung
des Magnetanlasserschalters 19 achsial verschoben und verbindet dabei kraftschlüssig
die Läuferwelle 16 durch das Zahnrad 16a mit dem Zahnrad 15 auf der Kurbelwelle.
Bei entregtem Anlasserschalter ist das Untersetzungszahnrad durch Rückzug mit einer
nicht dargestellten Feder außer Eingriff.
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Die bei allen Kolbenmotoren übliche Schwungscheibe kann als Läufer
eines Gleichstrommotores 14 ausgebildet sein, wodurch sich gegebenenfalls ein eigener
Anlasser und der Zahnkranz erübrigt.
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In den Fig. 3 und 4 ist eiw bevorzugte Ausführungsform der Abgasturbine
dargestellt. Der bei abgenommenem Gehäusedeckel 20 sichtbare Turbinenläufer 21 besteht
dabei aus einer Scheibe 22 mit einem erhöhten Ring 23 am Scheibenrand. Im Ring 23
sind am Umfang gleichmäßig verteilt, tangential von innen nach außen führende, in
der Form von Lavaldüsen ausgeführte Öffnungen 24 angebracht.
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Am Gehäusedeckel 20 ist ein Ansatz 25 angebracht, der in den Innenraum
des Läuferringes 23 hineinragt. Im Ansatz 25 ist mit einer segmentförmigen Ausnehmung
26 in einer aufgeschraubten Deckscheibe 27 ein schlitzartiger Raum 25 ausgebildet,
an dessen am Rand befindlichen Teilkreisöffnungen 29 die Öffnungen 24 bei drehendem
Läufer 21 vorbeilaufen. In den Raum 28 mündet strömungstechnisch günstig schräg
angeschnitten eine Abgasleitung 7a, in welcher die Abgasleitungen bei mehreren Kolben
und Zylindern bei Stauaufladung zusammengefaßt sind.
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Wird dem Raum 2P das noch arbeitsfähige Abgas zugeführt, dann strömt
es an der am Rand befindlichen Teilkreisöffnung 29 in die als RückstorJdüsen wirkenden
Öffnungen 24 und dreht unter Abbau des Druckes und der Strömungsenergie den Turbinenläufer.
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Das entspannte Abgas verlärt iiber einen äußeren Gehäusering 30 den
Auspuff 31 der Turbine.
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Zur Verhinderung von Spaltverlsten zwischen dem Innenraum des Turbinenläuferringes
23 und dem äußeren Gehäusering 30 bei Umgehung der Rückstodüsen ist zwischen dem
Gehäusedeckel 20 und der Stirnfläche des Turbinenläuferringes 23 eine durch kreisförmige
Verzahnung gebildete Labyrinthdichtung 32 ausgebildet. Der Turbinenläufer 23 ist
mit einer Welle 33 im Gehäuseteil 34 gelagert und mit einer Kupplung 35 mit der
Welle des Generators 11a gekoppelt.
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Die Abgas turbine kann auch mit einem Läufer ausgerüstet sein, wie
er in verschiedenen Formen bei den bekannten Turboladern angewendet wird.