DE3000145A1

DE3000145A1 - Vorrichtung zur aufladung einer brennkraftmaschine

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Publication number: DE3000145A1
Application number: DE19803000145
Authority: DE
Inventors: Hermann 7033 Herrenberg Kempter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-01-04
Filing date: 1980-01-04
Publication date: 1981-07-09

Description

Telefon (0 70 32) 31999

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Herr Hermann Kempter, Eifelstraße 1, 7033 Herrenberg

Vorrichtung zur Aufladung einer Brennkraftmaschine

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Aufladung einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptanspruchs_o Möglichkeiten, eine Brennkraftmaschine aufzuladen, d.h. den Füllungsgrad der Zylinder nicht dem normalerweise unter Drosselwirkung stattfindendem Ansaugvorgang zu überlassen, sondern die Verbrennungsluft oer Einlaßseite der Brennkraftmaschine unter Druck zuzuführen, sind vielfältig bekannt und werden umfassend unter Verwendung sogenannter Turbolader genutzt.

Durch die Aufladung von Brennkraftmaschinen, üblicherweise Dieselmotoren oder 4-Takt-Ottomotoren, läßt sich der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessern und insbesondere auch die Kraftstoffausnutzung erhöhen. Bekanntlich ist der Wirkungsgrad einer

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Brennkraftmaschine;, verglichen mit dem Energieinhalt des zugeführten Kraftstoffs nur sehr geringj er liegt bei nicht aufgeladenen Ottomotoren bsi lediglich etwa 25 % und übersteigt auch bei aufgeladenen Diesel motoren selten 40 %.

Die bekannten Lacfesysteme für Brennkraftmaschinen sind so ausgebildet, daß sie den eingangsseitigen Ladedruck der Brennkraftmaschine dadurch erzeugen daß sie den Restdruck desr Abgase der Brennkraftmaschine ausnutzen. Turboladersysteme umfassen eine Turbine, die im Abgasstrom der Brennkraftmaschine angeordnet und drehfest mit einem Verdichter verbunden ist, der den Ladedruck erzeugt, der aber selten mehr als 1 bar Überdruck beträgt. Besonders nachteilig ist bei solchen Ladesystemen, daß die normale Arbeitsdrehzahl des Laders, die etwa bis 150.000

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min betragen kann, erst bei mittleren und hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine aufgrund der dann im Abgassystem herrschenden Strömungsverhältnisse erreicht wird, so daß die Ladewirkung auch erst bei diesen Drehzahlen der Brennkraftmaschine einsetzen kann. Da aber andererseits die' Brennkraftmaschine dann, wenn sie aufgeladen ist'.,, mit einem gegenüber der Normalform eines Ottomotors geringerer Verdichtung betrieben wird, hauptsächlich aus thermischen Gründen, ergibt sich bei geringeren und mittleren Drehzahlen der Brennkraftmaschine ein ausgesprochen leistungsunwiUiges Verhalten derselben. Erst dann, wenn die Brennkraftmaschine solche Drehzahlen erreicht, daß der Turbolader entsprechend seiner Auslegung den erforderlichen Ladedruck liefert, ergibt sich ein zufriedenstellender, nicht selten ruckartig einsetzender Schub.

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Um diese eher unangenehme Charakteristik solcherart aufgeladener Motoren zu glätten und insbesondere auch schon bei niedrigen Dreh zahlen der Brennkraftmaschine eine ausreichende Aufladung zu ei— reichen, werden diese bekannten Turbolader sy sterne in neuerer Zeit so ausgelegtj daß sie ihre Arbeitsdrehzahlen, die einen ausreichenden Ladedruck sicherstellen, schon bei geringeren Brennkraftmaschinen-Drehzahlen erreichen; es müssen dann aber By^ Passventüe vorgesehen sein, die bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine sicherstellen, daß der Turbolader nicht in unzulässig hohe Drehzahl be reiche gerät. Es wird daher ein größerer Teil des über einen nutzbaren Restdruck verfügenden Abgases an der Laderturbine vorbei ungenutzt in den Auspufftrakt geleitet.

Es besteht daher ein Bedarf nach einer solchen Aufladung einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines 4-Takt-Ottomotors, daß bei bester Ausnutzung des Energiegehalts des Kraftstoffs eine hohe Leistungsausbeute und ein besonders günstiger Wirkungsgrad des Gesamtsystems erzielt werden kann.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem kennzeichnenden Merkmal des Hauptanspruchs hat gegenüber dem bekannten Stand der Technik den Vorteil,. ·· daß der Ladedruck über den gesamten s innvoll nutzbaren Drehzahl bereich der Brennkraftmaschine, der das Ladesystem zugeordnet ist, im wesentlichen konstant ist. Es ergibt sich daher ein kontrolliertes Arbeiten der Brennkraftmaschine unter einwandfreier Kraftentfaltung auch bei niedrigen Drehzahlen, wobei insbesondere noch von Vorteil ist, daß sich eine Art

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zweistufige Verdichtung bei stets gleichem Füllungsgrad der Zylinder erzielen läßt, so daß bei dem niedrigen Verdichtungs-Enddruck der Brennkraftmaschine selbst eine gewisse Annäherung an den Idealfall einer isothermen Verdichtung realisierbar ist.

Die Erfindung gestattet die Erzielung eines wesentlich höheren Ladedrucks durch das Ladesystem, verglichen mit dem heute reali-

optimale sierten Wert bekannter Turbolader sy sterne, so daß eine/Aufteilung zwischen der durch das Ladesystem erzielten Verdichtung und der Verdichtung der Brennkraftmaschine selbst vorgenommen werden kann.

Dabei ist wegen der drehfesten Kopplung des Ladesystems mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine auch eine über die Erzeugung des Ladedrucks hinausgehende Energiegewinnung noch möglich, die sich als zusätzliche Drehmomenterhöhung an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ergibt.

Die Erfindung nutzt den Energiegehalt des Kraftstoffs optimal aus und sichert einen besonders einwandfreien Betrieb der Brennkraftmaschine über deren gesamten Drehzahl bereich, so daß sich der Einsatz des erfindungsgemäßen Ladesystems insbesondere auch bei solchen Brennkraftmaschinen als günstig erweist, die als Antriebsquelle bei Kraftfahrzeugen oder anderen beweglichen Einheiten eingesetzt sind, die also bei stark schwankenden Drehzahlen arbeiten müssen.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt noch darin, daß nach der ersten Teil verdichtung eine Kühlung der voi— verdichteten Frischluft, etwa nach dem Wärmetauscherprinzip un-

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ter Zuführung von Kaltwasser vorgenommen werden kann, wodurch man sich weiter dem isothermen Verdichtungsprinzip annähert; das hierbei erwärmte Wasser kann dann in einer Ausgestaltung der Erfindung in den Abgaskanal vor dem Expansionsbereich des Lades stems eingespritzt werden. Man erzielt auf diese Weise eine Volumenerhöhung und eine Verbesserung der Arbeitsleistung des Abgases an der Turbine bei gleichseitig stark reduzierter Abgastemperatur nach der Turbine des Ladesystems. Dabei ist vorteilhaft, daß sich dieser, durch die Wassereinspritzung ergebende höhere Restdruck aufgrund des erfindungsgemäßen Systems wirksam in nutzbare Leistung umsetzen läßt und nicht nutzlos an der Turbine des Laders vorbeigeführt werden muß.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Aufladevorrichtung möglich. Dabei ist vorteilhaft, daß bei Verwendung einer Rotationskolbenmaschine (Trochoidenmaschine) als Lader jedem ansaugendem Zylinder bei entsprechender Drehzahl anpassung zwischen der Kurbelwelle der Trochoidenmaschine und der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine jeweils eine Verschiebeeinheit der Rotationskolbenmaschine zugeordnet werden kann, so daß die sich entwickelnde Luftsäulenschwingung harmonisch in die Zylindergradfüllung eingeht, obwohl als Ladesystem eins Verdrängermaschine im allgemeinsten Fall verwendet ist.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge-

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stellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: in schematisierter Darstellung eine Brennkraftmaschine

mit zugeordnetem Aufladesystem in Form einer Rotations-Ko!b®nmaschine_s wobei die Kurbelwellen beider Maschi- nen_s gegebenenfalls über ein Untersetzungsgetriebe, mitäs©hf<sst verbunden sind,,

Fig ο 1a eiao D©tailäarstallung der Abdichtung im Simultaapankt„

FIg₀ 2 das p-v-Diagraran der Brennkraftmaschine mit zugeorönstsia Ladersystem und zusätzlicher Wassereinspritzung in den Äbgasbereich und

Fig» 3 mögliehe Ausführungsformen von zur Realisierung ä®z Erfindung wahlweise einsetzbaren Trochoidenmaschinen in einer Übersichtsdarstellung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, dem Ansaugbereich und dem Abgasbereich einer Brennkraftmaschine eine Verdrängermaschine in Form einer Rotationskolbenmaschine (Trochoidenmaschine) als gleichzeitige Expansions- und Kompressionsmaschine so zuzuordnen j daß in dieser Rotationskolbenmaschine gleichzeitig zwei wirksame Arbeitsräume für den Verdichter be reich und den Turbinenbereich vereinigt sind.

Bei dem In Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Brennkraftmaschin® mit 1 und der mit Einlaß- und Auslaßseite der Brennkraftmaschine verbundene Lader mit 2 bezeichnet. Bei dem Lader 2 handelt es sich um die schon erwähnte Rotationskolbenmaschine_s und zwar bevorzugt um eine modifizierte Trochoidenmaschine^ wie sie unter der Bezeichnung Wankel-Motor weltweit bekanntgeworden ist. Es sei aber gleich darauf hingewiesen, daß

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der Lader nicht notwendigerweise eine solche spezielle Wankel-Maschine sein muß, sondern jede Art einer Trochoidenmaschine oder Rotationskolbenmaschine in modifizierter Form verwendet werden kann, sofern sie in der Lage ist, die im folgenden noch genauer erörterten Wirkungen und den gewünschten Arbeitsablauf zu erzielen.

Das Grundprinzip der Erfindung wird nach Aufbau und Wirkung weise im folgenden jedenfalls anhand einer wankelähnlichen Trochoidenmaschine erläutert, die für einige Anwendungsfäll bevorzugt eingesetzt werden kann. Diese Bezeichnung und der Hinweis auf eine wankelähnliche Trochoidenmaschine wird wegen des Bekanntheitsgrades des Wankelmotors verwendet als einfache Bezeichnung für eine Verdrängermaschine, bestehend hier aus einer "EPI"-Trochoide 2:1 (Gehäuseform) und innere Hüllkurve (Läuferform).

Weitere, wahlweise und je nach den Gegebenheiten im Sinne der Erfindung einsetzbare Trochoidenmaschinen sind in Fig. 3 in einer Übersichtsdarstellung angegeben, wobei zum besseren Verständnis in Fig. 3 auch noch einige charakteristische Merkmale für jede der dargestellten Trochoidenmaschinen 1 bis 20 angegeben sind. Da es sich bei den in Fig. 3 gezeigten Trochoidenmaschinen aber grundsätzlich um bekannte Systeme handelt, die für die Erfindung lediglich in einer modifizierten Form einzusetzen sind - eine solche modifizierte Form wird im folgenden anhand einer im Prinzip als Wankelmaschine ausgebildeten Verdrängermaschine noch genauer erläutert -, braucht im folgenden auf die Wirkungsweise der Trochoidenmaschinen an sich nicht genauer eingegangen zu werden.

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Bei der dargestellten Wankel-Maschine als Lader 2 sind auf der Kompressionsseite 3 eine Einlaßöffnung 4 im Zylinder als Frischlufteinlaß und eine Auslaßöffnung 5 als Auslaß für die vorverdichtete Frischluft vorgesehen; in entsprechender Weise befinden sich auf der Expansionsseite 6 eine Einlaßöffnung 7 für das teilentspannte AbgaÖ der Brennkraftmaschine 1 (Hubkolbenmaschine mit vier Zylindern beim dargestellten Ausführungsbeispiel) sowie eine Auslaßöffnung 8 für das nunmehr im wesentlichen völlig entspannte Abgas. Die Ein- und Auslaßöffnungen 4, 5 sowie 7 und 8 können als Ein- und Auslaßschlitze ausgebildet sein und befinden sich in den beiden Totpunktbereichen der Wankel-Trochoidenmaschine, so daß sowohl die als eigentlicher Lader arbeitende Kompressionsseite 3 als auch die als Antrieb für diesen Lader (und gegebenenfalls zur Erzeugung zusätzlichen, auf die Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine einwirkenden Drehmoments) arbeitende Expansionsseite 6 ortsfest an der jeweils zugeordneten Zylinderseite der Wankel-Trochoidenmaschine 2 angeordnet sind. Der Kolben 9 vollführt, wie für sich gesehen bei Wankel-Trochoidenmaschinen durchaus bekannt, mit einer nicht dargestellten Innenverzahnung eine Taumelbewegung um die Außenverzahnung der Kurbelwelle der Trochoidenmaschine aus; diese Kurbelwelle ist schematisch bei 10 angedeutet. Ihren Antrieb für den Kompressionsbereich 3 gewinnt die Wankel-Trochoidenmaschine aus dem Restdruck des auf die Expansionsseite 6 einwirkenden, teilent-

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spannten Abgases des Hubkolbenmotors, wobei, wie schon angedeutetj, auch nutzbare zusätzlich© Arbeit an.der Kurbelwelle entstehen kann. Diese zusätzliche, im Laderbereich gewonnene Arbeit gelangt über eine drehfeste,, gestrichelt angedeutete Verbindung 11 von der Kurbelwelle 10 der Wankel-Trochoidenmaschine oder allgemein der Rotationskolbenmaschine, gegebenenfalls über ein Untersetzungsgetriebe 12,auf die bei 13 angedeutete Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, also des Hubkolbenmotors.

Diese drehfeste Kopplung der beiden Kurbelwellen der Brennkraftmaschine 1 einerseits und des Laders 2 andererseits ermöglicht weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dahingehend, daß beispielsweise je ansaugendem Zylinder der Brennkraftmaschine jeweils eine Verschiebeeinheit der Rotations-Kolbenmaschine stattfindet, so daß sich über den gesamten Drehzahlbereich des Hubkolbenmotors ein praktisch konstanter Ladedruck infolge dieser festen Drehzahlbeziehung aufbauen läßt. Dabei ist der Ladedruck abhängig von der Größe des angesaugten Volumens zur Größe des die jeweilige Verschiebemenge am Lader aufnehmenden Zylindervolumens der Hubkolbenmaschine und läßt sich durch ent-

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sprechende Anpassung, hauptsächlich der Abmessungen der beiden Systeme in gewünschter Weise einstellen; selbstverständlich ist es auch möglich,, die Untersetzung zwischen den beiden Kurbelwellen 13 und 10 so auszubilden, daß etwa zwei "Hübe", also Verschiebeeinheiten der Rotations-Kolbenmaschine auf einen Ansaugtakt bei einem der Zylinder der Hubkolbenmaschine entfallen, so daß man dann mit kleineren Baueinheiten der Rotationskolbenmaschine arbei ten kann.

Da zur gleichen Zeit auf der Expansionsseite 6 der Rotations-Kolbenmaschine der Auslaß teilentspannten Abgases aus einem cinderen Zylinder stattfindet^ wirkt dieser Restdruck auf die "Rücksei te " des Rotationskolbens 9 als Antrieb, so daß die Rotations-Kolbenmaschine immer gleichzeitig als Kompressions- und Expansionsmaschine arbeitet. In diesem Zusammenhang ist dann eine weitere notwendige Änderung an der als Lader eingesetzten Wankel-Trochoidenmaschine neben den vier Ein- oder Auslaßöffnungen erforderlich dahingehend, daß der Kolbenläufer geschlossen und ohne Aussparung ausgebildet ist, wie bei einem echten Wankelmotor sonst üblich, denn es ist der Kolbenläufer, der aufgrund der geometrischen Gegebenheiten bei einer solchen Wankel-Trochoidenmaschine oder einer sonstigen Rotations-Kolbenmaschine die Ein- und Auslaßschlitze des Expansions- und des Kompressionsbereichs gegeneinander abdichtet? auf eine bevorzugte Ausgestaltung der Abdichtung wird weiter unten Hoch eingegangen,,

Besonders vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Aufladung eines Hubkolbenmotors, daß die Aufladung praktisch sofort nach dem Anlassen auch bei sehr niedrigen D rehzahl be reiche η des Hub-

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kolbenmotors schon einsetzt, wobei der optimale Ladedruck im Gru de beliebig hoch gewählt werden kann, also nicht auf die ca. 1 bar Überdruck beschränkt ist, die die bekannten Turboaufladersysteme nach Erreichen ausreichend hoher Drehzahlen in etwa zur Verfügung stellen können.

Neben der vorteilhaften Möglichkeit der Synchronisation des Laders auf die Atmungsvorgänge des Hubkolbenmotors bietet sich bei der Erfindung in vorteilhafter Weise noch die Möglichkeit an, die durch den Lader erzeugte Vorverdichtung höher zu wählen und so eine Verdichtungsaufteilung zwischen dem Hubkolbenmotor und dem Lader vorzunehmen, was bei gleicher Füllung einer zweistufigen Vei— dichtung entspricht. Tatsächlich hängt, wie schon erwähnt, der Aufladedruck im wesentlichen lediglich vom Volumenverhältnis der Kompressionsmaschine zum Hubkolbenmotor-Hubraum ab, bei einer zweistufigen Verdichtungsaufteilung nähert man sich stärker an eine isotherme Vorverdichtung an und arbeitet in einem günstigeren Wirkungsgradbereich.

Da die Drehzahlen des Laders und des Hubkolbenmotors in etwa in der gleichen Größenordnung sind, ergeben sich auch keine übermäßigen Beanspruchungen des Laders selbst, wie dies bei den extrem hohen Drehzahlen bekannter Turboladersysteme üblich ist, denen nur durch die Verwendung hochwertiger Werkstoffe begegnet werden kann. Tatsächlich ist die Belastung des Kolbenläufers bei der erfindungsgemäß eingesetzten Trochoidenmaschine besonders gering, so daß sich auch Schwierigkeiten im Abdichtungsbereich, die früher bei Wankel-Trochoidenmaschinen auftreten konnten, in

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der Zwischenzeit aber ohnehin im wesentlichen beherrscht werden, keinesfalls auftraten. Ein bevorzugter Montageort für den Lader ist in Fig. 1 mit 14 angegeben; da der Lader nur eine sehr geringe Baugröße hat, kann er stirnseitig an die Hubkolbenmaschine angesetzt werden, wobei seine Kopplung sich durch ein oder zwei Zwischenzahnräder zur Kurbelwelle vornehmen läßt, gegebenenfalls ist auch eine mechanische Verbindung mit einer dort arbeitenden Nockenwelle, mittels Zahnriemen o.dgl. möglich.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung vorliegender Erfindung besteht darin, die aufgrund des höheren Ladedrucks gegebenenfalls höhere Temperatur der vorverdichteteten Frischluft zur Vorwärmung von bei 15 in Fig. 1 zugeführten Kaltwasser zu benutzen, welches über eine geeignete, mit 16 bezeichnete und in der Fig. 1 lediglich schematisch angedeutete Wärmetauscher-Einrichtung der vorverdichteten Frischluft einen Teil ihrer Wärmeenergie entzieht. Man erzielt so einerseits eine Ladeluftkühlung, andererseits läßt sich das auf diese Weise vorgewärmte Wasser dann über Düsen an einer Stelle im Verbindungsbereich zwischen Hubkolbenmotor und Lader oder im Expansionsbereich des Laders selbst in das teilentspannte Abgas einspritzen. Die Abgastemperatur des Hubkolbenmotors 1 liegt weit über der Verdampfungstemperatur des Wassers, so daß dieses augenblicklich verdampft und Wärmeenergie höheren Temperaturniveaus auf ein niedrigeres Temperatui— niveau transformiert unter Ausnutzung dieser Wärmemenge zur Dampferzeugung, also zur Volumenvergrößerung des nutzbaren Abgases. Hierdurch läßt sich ein beträchtlicher zusätzlicher Bereich der im Abgas enthaltenen Wärmeenergie zur Gewinnung von Arbeit

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heranziehen, die dann nicht nur zur Vorverdichtung der zug"eführten Frischluft auf der Kompressionsseite des Laders 2 dient, sondern über die starre Verbindung der beiden Kurbelwellen 10 und 13 als Antriebsleistung nutzbar gemacht werden kann. Das bei 8 den Expansionsbereich der Trochoidenmaschine verlassende Abgas hat dann eine vergleichsweise sehr niedrige Temperatur, woran man die beträchtliche Wirkungsgraderhöhung im Gesamtsystem der Erfindung gut erkennen kann.

Das in Fig. 2 gezeigte p-v-Diagramm (Druck-Volumen-Diagramm) des Gesamtsystems versucht, die sich ergebenden Wirkungszusammenhänge zu verdeutlichen. Unterhalb des Diagramms sind schematisch Kolben und Zylinder einer Brennkraftmaschine aufgetragen, um so die Begriffe oberer Totpunkt (OT) und unterer Totpunkt (UT) in das p-v-Diagramm einzubringen. Der Ansaugtakt, bei welchem sich der Kolben von OT nach UT bewegt, verläuft längs der Linie I] es ergibt sich bei nahezu konstantem Druck eine entsprechende Volumenvergrößerung und eine hierdurch bewirkte Zylinder— füllung. Der Kurvenverlauf I setzt in Fig. 2 bei einem höheren Druck als dem Druck von 1 bar, dem äußeren Atmosphärendruck an, weil es sich um eine aufgeladene Brennkraftmaschine handelt. Anschließend ergibt sich bei Annäherung des Kolbens an den OT der Kurvenverlauf entsprechend Ii, also der Verdichtungshub des Hubkolbenmotors, wobei im Bereich von OT die Zündung des eingespritzten oder sonstwie zugeführten Kraftstoffs erfolgt, so daß es zu der ausgeprägten Drucküberhöhung im Verlauf der Kurve III kommt, da der sich nach unten bewegende Kolben eine, entsprechend schnelle Volumenvergrößerung nicht mitmachen kann. Das

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Diagramm der Fig» 2 umfaßt im übrigen sofort die bevorzugte Möglichkeit dsr Wassereinspritzung in den Bereich des teilentspannten Abgasesj, wodurch sich bei Erreichen des unteren Totpunktes entsprechend Kurvenverlauf III zunächst eine VoI urne nvergrößerung Av durch Wassereinspritzung bei annähernd gleichem Druck ergibt., entsprechend Kurvenverlauf III*. Diese Volumenvergrößerung wird durch die Expansion des nachgeschalteten Expansionsteils der Trochoidenmaschine 2 aufgenommen, wobei sich schließlich bsi Erreichen eines vorgegebenen Volumens auch wieder der Druck zu verringern beginnt und entsprechend Kurvenverlauf III" schließlich am Auslaß der Trochoidenmaschine auf Atmosphärendruck entspanntes Abgas ergibt. Hierbei ergibt sich insgesamt eine Druckdifferenz Ap für den Expansionsteü der Trochoidenmaschine, die in Fig. 2 dargestellt ist und die in Verbindung mit der gesamten Volumendifferenz im Laderbereich die zusätzlich gewinnbare Arbeit angibt, von welcher eine Druckdifferenz /\p' für den Kompressionsteil benötigt wird, um die vom Lader angesaugte Frischluft auf den Zwischenwert zwischen Lader und Hubkolbenmotor vorzuverdichten. In dieser Zeit hat dann der Kolben des Hubkolbenmotors entsprechend dem Kurvenverlauf IV den Auspufftakt vollendet und es ergibt sich für den im neuen Zyklus wiederum beginnenden Ansaugtakt entsprechend Kurvenverlauf 1 der gleiche Ausgangsdruck. Durch die drehfeste Verbindung von Lader und Motor läßt sich aus dem Expansionsteü der Trochoidenmaschine gewonnene; überschüssige Arbeit, die nicht für den Kompressionsteil zur Vorverdichtung verwendet wird, nutzbar und energiesparend zur Drehmomente rhöhu ng des Hubkolbenmotors einsetzen.

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Die erfindungsgemfiße Konzeption einer Aufladung eines Hubkolbenmotors bietet eine Vielzahl von Vorteilen, auch dann, wenn auf die zusätzliche Wassereinspritzung verzichtet wird, die allerdings nicht aufwendig ist, für die jedoch ein Wassertank entsprechender Abmessungen jeweils mitzuführen wäre.

Auch ohne Wassereinspritzung -sichert die erfindungsgemäße Aufladung die gründliche Ausnutzung der Restenergie im Abgasj Abgasteilmengen werden nicht nutzlos durch By-Pass-Systeme abgeblasen. Es bedarf auch keiner komplizierten Regelung bezüglich des Laderbetriebs. Ein besonderer Vorteil besteht noch darin, daß auch im Teillastbereich der Hubkolbenmotor optimal bei hoher Vei— dichtung und, wenn gewünscht, mit erheblichem Luftüberschuß, also auch im extremen Magerbereich, betrieben werden kann, wodurch sich zusätzlich zu der Energieeinsparung auch besonders umweltfreundliche Arbeitsbedingungen des Hubkolbenmotors realisieren lassen.

Zur Abdichtung verfügt der Rotor- oder Kolbenläufer an seinei Eckpunkten« wie bei Trochoidenmaschinen bzw. der dargestellten Wankelmaschine üblich, über mit 20 bezeichnete Dichtungselemente, wobei dann zur Erlangung einer einwandfreien Abdichtung an der in Fig. 1 mit Z bezeichneten, den Simultanpunkt bildenden Stelle ein weiteres Dichtungselement im Gehäuse hinzukommt, welches in Fig. 1a im größeren Detail noch dargestellt ist. Dieses Dichtungselement übernimmt die Abdichtung zwischen dem Gehäuse und dem Trochoidenläufer im Simultanpunkt, es ist federvorgespannt, wie bei 21 in Fig. 1a gezeigt und mit 22 bezeichnet. Mit seiner Außenform bildet das Dichtungselement 22 die innere Gehäuseform nach, es arbeitet aber hubfrei, da der rotierende Kolbenläufer die innere Hüllkurve der gewählten EPI-Trochoide darstellt. Es empfiehlt sich, das Dichtungselement 22 in der dargestellten Form und an der angegebenen Stelle vorzusehen,

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da in diesem Bereich Gehäusedichtelement und Rotordichtelement aufeinandertreffen und sich aus dieser gegenseitigen Beeinflussung eventuell ergebende Schwingungen gedämpft bzw β. verhindert werden»

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ι Z° . Leerseite

Claims

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@δδθ 7033 Morreinlborg (Kupplngon)

ElfeästraßG 7 Tol<B?on (0 70 32) 319 99

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PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zur Aufladung einer BrennKraftmaschine, insbesondere eines 4-Takt-Ottomotors, dessen Einlaßseite von einem vorgeschalteten, mit der Auslaßseite der Brennkraftmschine in Wirkverbindung stehendem Drucküberhöher (Ladersystern) einen über dem Atmosphärendruck Hegender Ladedruck zugeführt ist,, dadurch gekennzeichnet, daß der Lader eine modifizierte Rotationskolbenmaschine (Trochoidenmaschine 2) ist, die gleichzeitig eingangsseitig als Kompressionsmaschine und ausgangsseitig_s jeweils auf die Brennkraftmaschine bezogen, als Expansionsmaschine arbeitet, daß die Rotations-Kol honmaschine (2) für ihren Kompressionsbereich (3) und für ■ ihren Expansionsbereich (6) über jeweils getrennte Einlaß-(4, 7) und Auslaßöffnungen. (5_S 8) verfügt und daß die Rotaüons-Kolbenmaschine (2) mit der Brennkraftmaschine (1) drehfest verbunden ist.

2„ Vorrichtung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die Rotations-Kolbenmaschine eine Wankel-Trochoidenmaschine (2) mit einem dreiseitigen Kolbenläufer in einen trochoi-

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denförmigen Zylindergehäuse ist, daß die Kurbelwelle (10) der Wankel-Trochoidenmaschine und die Kurbelwelle (13) des Hubkolbenmotors (1) über ein Untersetzungsgetriebe (12) miteinander verbunden sind und daß der Kolbenläufer zur kontinuierlichen Abdichtung des Kompressionsteils zum Expansionsteil aussparungsfrei ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Lader dienende Trochoidenmaschine (2) stirnseitig -am Hubkolbenmotor gelagert ist und angetrieben ist über Zwischenzahnräder von der Kurbelwelle des Hubkolbenmotors, über einen Zahnriemen und/oder von einer im Zylinderkopf des Hubkolbenmotors angeordneten Nockenwelle.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumenverhältnis jeweils einer Verschiebeeinheit der Rotations-Kolbenmaschine (2) zum jeweils ansaugenden Zylinder so bemessen ist, daß infolge der drehfesten Kopplung zwischen Lader und Hubkolbenmotor der Ladedruck im gesamten D rehzahl be reich im wesentlichen konstant ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ladeluftkühlung durch Kaltwasserzufuhr über einen Wärmetauscher (16) im Ansaugrohrbereich zwischen dem Auslaß des Laders und dem Ansaugverteüer der Hubkolbenmaschine vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge-

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kennzeichnet, daß in das teil entspannte Abgas zwischen dem Auslaß des Hubkolbenmotors und dem Einlaß des Expansionsteils (6) der Trochoidenmaschine eine Wassereinspritzung, vorzugsweise von durch die vorverdichtete Frischluft vorgewärmtem Wasser, vorgesehen ist, derart, daß sich eine Vo lumenvergrößerung des nutzbaren Abgases ergibt.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung zwischea Trochoidenläufer und Gehäuse im Simultanpunkt zwischen Fiischluftauslaß- und Abgaseinlaß ein federbelastetes Dichtungselement (22) im Gehäuse gelagert ist, dessen Außenform die Gehäuse-form nachbildet»

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