DE3416868A1

DE3416868A1 - Doppeltaumelscheiben-brennkraftmaschine mit turbine als wandlungseinrichtung

Info

Publication number: DE3416868A1
Application number: DE19843416868
Authority: DE
Inventors: Rudolf 6460 Gelnhausen Dietel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-05-08
Filing date: 1984-05-08
Publication date: 1984-10-11

Description

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Doppeltaumelscheiben-Brennkraftmaschine "

mit Turbine als Wandlungseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Doppeltaumelscheiben-Brennkr^ '. maschine mit Triebwerkswellenrumpf aus einem Stück, kolbenhochaufgeladen und luftgekühlt, in Zweitaktdiesel-Gegenkolbenbauart, mit einer mittels Steueranlage zu- bzw. abschaltbaren Turbine, über ein Reduktions-Verbund-Planetengetriebe in mechanisch lösbarer Verbindung, drehzahlunabhängig auf einem gemeinsamen Abtrieb zusammengeführt.

Mit vorliegender Kombination von Doppeltaumelscheiben-Brennkraftmaschine und Turbine, als drehmomentwandlungsfähiges Antriebsaggregat frei von herkömmlich flüssigem Wandlungsmedium, sollen die Vorzüge der Kolbenmaschine in Bezug auf Anfahrverhalten und Bremskraftwirkung für den gesicherten Ablauf dieser Arbeitsphasen erhalten bleiben und mit den gesamten gespannten Verbrennungsgasen als Wandlungsmedium eine bestmögliche Energieausbeute in der Turbine gewährleistet sein. Dabei ist zur Anfahrbeschleunigung des gemeinsamen Abtriebes die Brennkraftmaschine auf Sekunden im Alleingang im Einsatz und bei Schub vom Abtrieb her die Kolbenbremskraft über einen Schub- bzw. Klemmrollenfreilauf von Brennkraftmaschine zum gemeinsamen Abtrieb selbsttätig wirksam,

Taumelscheiben-Brennkraftmaschinen mit Einfach- bzw. geteilter Doppeltauraelsaheiben-Triebwerkswelle sind bekannt. Trotz Merkmale besonderer Qualitäten dieses Maschinentypes konnte bislang kein Objekt überzeugen. Dennoch bietet wohl kaum ein anderes Antriebssystem bessere Möglichkeit, als eines mit ungeteilter Doppeltaumelscheiben-Triebwerkswelle, Einrichtungen wie das bewährte Zweitaktdiesel-Gegenkolbensystem mit sofortwirksamer Kolbenhochaufladung in eine Leichtbaugehäusekonstruktion unkompliziert zu integrieren.

Brennkraftmaschinen herkömmlicher Bauart mit hydrodynamischem Automatikgetriebe sind mit der Funktion von Automatik und Wandler an einem Kraftstoffmehrverbrauch gebunden. Abgasturbolader bei Brennkraftmaschinen herkömmlicher Bauart bieten wenig Möglichkeit die Energie der Verbrennungsgase annähernd vollkommen zu nutzen, denn sie erzeugen bei niedrigen Motordrehzahlen nur einen geringen Ladedruck, der dann bei

Rudolf Diet el, Ziegelei 1 Gelnhausen-Meer holz

drehzahlbedingt ansteigendem Abgasdurchsatz steil ansteigt und die bereits vor Motordrehzahlmitte erreichte erforderliche Druckhöhe konstant gehalten werden muß, wobei die überschüssigen Verbrennungsgase über einen turbinenseitigen Bypass abgeregelt ins Freie gelangen.

Zweiwellen-Gasturbinen mit an sich gutem Drehmomentverhalten sind außer dem Problem hitzebeständiger Werkstoffe und hohem Kraftstoffverbrauchs mit einer Ansprechverzögerung bei der Beschleunigung behaftet und leisten bei Schub vom Abtrieb her

10 keine Bremskraft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Sinne besserer Wirtschaftlichkeit das Einsatzgewicht einer im Aufbau, in der Wartung und in der Wirkungsweise vereinfachten hochaufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschine zu mindern und die gespannten Verbrennungsgase als Wandlungsmedium mit bestmöglicher Energieausbeute zu nutzen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die von einer kolbenhochaufgeladenen Doppeltaumelscheiben-Brennkraftmaschine, nach Sekunden im Alleingang erfolgter Anfahrbeschleunigung des gemeinsamen Abtriebes, gegebene kinetische Energie gespannter Verbrennungsgase in der mittels Steueranlage zugeschalteten Turbine annähernd bis zurvollkommenen Entspannung in mechanische Arbeit umgesetzt wird, für die Drehmomentwandlung bzw. Weiterbeschleunigung von beider gemeinsamen

25 Abtrieb.

Gleichzeitig mit Beginn der Anfahrbeschleunigung des gemeinsamen Abtriebes bringt über die mechanisch lösbare Verbindung, die von Brennkraftmaschine drehzahlabhängig selbsttätig schließende Bremseinrichtung auf Reduktionshohlrad, das über die Abtriebsplanetenräder noch zwangsläufig rückwärts drehende Turbinenläufer-Reduktionsplanetengetriebe mit Trägerhohlrad zum Stillstand, hierzu eine Rücklaufsperre, zwischen Turbinenläuferhohlwelle und Reduktionshohlrad, den Turbinenläufer gegen Rückwärtsdrehen sichert und das anstehende Anfahr-

35 drehmoment stützt.

Eine weitere Erfindungsausbildung ist, daß die zweimal gelagerte Doppeltaumelscheiben-Triebwerkswelle mit Wellenrumpf aus einem Stück, die Gehäusekonstruktion von den Arbeitskol-

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benkräften entlastet, somit eine Gehäuseleichtbauweise ermöglicht, wobei fünf gleichteilige Arbeitszylinder-Leichtbaugehäusesegmente um die Triebwerkswelle als Gehäusemittelstück zusammengefügt, zwischen vorderer und hinterer Gehäusehälfte eingespannt ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die von einer kolbenhochaufgeladenen Doppeltaumelscheiben-Brennkraftmaschine, in Zweitaktdiesel-Gegenkolbenbauart, mit bauartbedingt niedriger Kolbengeschwindigkeit, unter besonders günstigen thermodynamischen Bedingungen schon mit niedrigen Drehzahlen ein höheres und ein gleichbleibenderes Drehmoment und eine höhere Leistung aufbringt, gegebenen gespannten Verbrennungsgase als Wandlungsmedium mit bestmöglicher Energieausbeute in der Turbine genutzt werden. Günstiges Drehmomentverhalten der Brennkraftmaschine und optimale Nutzung der Verbrennungsgase in der Turbine sichern sparsames Fahren bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine mit überhöhter Turbinendrehzahl. Und die zweimal gelagerte Doppeltaumelscheiben-Triebwerkswelle mit Wellenrumpf aus einem Stück, eine gewichtssparende Gehäuseleichtbauweise ermöglicht, dabei den Aufbau, die Wartung und die Wirkungsweise der Brennkraftmaschine mit weniger unterschiedlichen einfacheren festen und bewegten Fertigungsteilen kostengünstig beeinflußt.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Abb. 1 Längsschnitt durch Doppeltaumelseheiben-Brennkraftmaschine

Abb. 2 Doppeltaumelscheiben-Brennkraftmaschine in Ansicht, mit Turbine und Reduktions-Verbund-Planetengetriebe im Längsschnitt

Abb. 3 Querschnitt durch Steueranlage Die Taumelscheiben 1, zwischen den schräg zueinandergeneigten Führungsringenpaaren je 2 und 3 mit Wälzkörpern k und 5 eingelagert (Abb. 1), übertragen in bekannter Weise die Arbeitskolbenkräfte der fünf luftgekühlten, kolbenhochaufgeladenen Zweitaktdiesel-Gegenkolbeneinheiten, mit den Fensterkolbenstangen 6 der Kolbenaggregate mittels Kreuzgelenklagerscha-

Rudolf Dietel, Ziegelei 1 Γ

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len 7 an den Taumelscheibenzapfen 8 angelenkt, auf die zweimal gelagerte Doppeltaumelscheiben-Triebwerkswelle 9. Die innenliegenden Führungsringe 2 mit Wellenrumpf aus einem Stück, dazu die außenliegenden Führungsringe 3, bei der Taumelscheibenmontage mit Keilfixierung aufgezogen, mit je einem Gewindering 10 gesichert.

Zwischen vorderer und hinterer Gehäusehälfte 11 und 12, mit an den Stirnseiten angeformten Laderzylindern 13 und zentraler Lagerstelle der Triebwerkswelle 9» mit je einem Nadellager IZf ohne Innenring und mit je einem Axialkugellager 15» sind fünf gleichteilige Leichtbaugehäusesegmente 16 mit Kühlrippen und eingezogenen Zylinderlaufbuchsen um die Triebwerkswelle 9 als Gehäusemittelstück kühlluft- und öldicht in gesicherter Axiallage eingesetzt. Hierzu die Gehäusedeckel 17, mit vorgeformtem Ladeluftverteilungskanal 18 und Druckausgleichsringkanal 19 sowie angeordneten Ringplattenventilen 20 der Laderzylinder 13, beide Gehäusehälften 11 und 12 stirnseitig abschließend, mit vorderseitigem Lade- und Kühlluftgebläse zur Brennkraftmaschine (Abb. 1) zusammengefügt und mit rückseitig folgender Turbine mit Steueranlage, dazu Reduktions-Verbund-Planetengetriebe zu einer Einheit (Abb. 2) achsgleich verbunden. Ein zweiteiliges Lüfterrad 21 in der vorderen Gehäusehälfte 11 auf dem Triebwerkswellenmittelstück aufgeklemmt, sorgt für Luftbewegung im Wellentunnel 22 und wirkt temperaturausgleichend zwischen beiden Gehäusehälften 11 und 12 über nichteingezeichnete Lufterstutzen. Bringen die rotierenden Taumelscheiben-Führungsringe 2 und 3 mit den Totpunkten einen Taumelscheibenzapfen 8 in die äußere bzw. in die innere Totpunktlage, dann bilden auf der gegenüberliegenden Totpunktseite zwei Taumelscheibenzapfen eine Gabel, deren Teilkreisschnittpunkte sich parallel zur diametrischen Totpunktachse nach innen verlagern, dabei auf die Kreuzgelenklagerschalen 7 einen Spreizeffekt ausüben, die sich folglich zu beiden Seiten der Gabel in einen vorgegebenen Freiraum zwischen den Fensterholmen der Kolbenstange 6 verschieben und die Lage der Taumelscheibe gegen seitliches Ausweichen stabilisieren. Bei Schritten von 18 Winkelgraden wiederholt sich der Zapfen-Gabel-Vorgang abwechselnd mit kontinuierlichem übergang, längs der Totpunktachse mit Spreiz-

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effekt und quer zur Totpunktachse mit Klemmeffekt bei gleichen Verschiebegrößen, entgegengesetzt zur Drehrichtung zwanzigmal auf einer Triebwerkswellenumdrehung. Die vom Lade- und Kühlluftgebläse geförderte Luftmenge strömt durch die zwischen den Zylindern liegenden Luftführungskanäle 23, zum Teil in eine Abzweigung 24 zur Zylinderkühlung und als Ladeluft über Verteilungskanal 18 zu den Ringplattenventilen 20 in die Laderzylinder 13. Von hier aus gelangt die vorkomprimierte Ladeluft über Druckausgleichsringkanal 19» durch die in den Luftführungskanälen 23 einliegenden Ladeluft fFührungsrohre 25 und 26 über tangentiale Einlaßschlitze 2.7 in die Arbeitszylinder.

Die Steuerung des Arbeitsprozesses erfolgt wie bekannt mit einer gewissen Vorauseilung des Kolbens an der Auspuffseite, gegenüber des Kolbens an der Einlaßseite, Bei der Begegnung beider Kolben bilden die muldenförmig ausgearbeiteten Kolbenboden, mit Je einer halbrunden radialführenden Eingangsnut, einen fast spaltfreien Brennraum 28 mit Einspritzkanal 29» so daß der Einspritzstrahl des direkteingespritzten Dieselkraftstoffes die in Drallbewegung komprimierte Ladung durchkreuzt und die damit verbundene gute Durchwirbelung der Luft- und Kraftstoffteilchen einen optimalen Verbrennungsablauf bewirkt. Allseitig der Auspufföffnung am Ende des Kühlrippenbereiches der Zylindergehäusesegmente 16 gelangt die bei 24 abgezweigte Kühlluft verbraucht ins Freie. In formgleichen Rohren 30 (Abb. 2 und 3) strömen die gespannten intermittierenden Verbrennungsgase der Brennkraftmaschine über Steueranlage mit entsprechend eingestellter Steuerklappen 31 bei Anfahrbeschleunigung des gemeinsamen Abtriebes J>2. kurzfristig von der Turbine abgelenkt bei 33 ins Freie. Dabei ist die Brennkraftmaschine mit der gesamten Leistung steigernd bis um 70 % auf Sekunden im Alleingang im Einsatz und am Abtrieb mit Sonnenrad 35» über Abtriebsplanetenräder 36 zum arretierten Trägerhohlrad 37 in Anfahrübersetzung zum gemeinsamen Abtrieb 32 im Eingriff, über die mechanisch lösbare Verbindung bringt die von Brennkraftmaschine drehzahlabhängig selbsttätig schließende Bremseinrichtung 38 auf Reduktionshohlrad 39, gleichzeitig mit Beginn der Anfahrbeschleunigung des gemeinsamen Abtriebes 32, das noch zwangsläufig rückwärtsdrehende Turbi-

Rudolf Dietel, Ziegelei 1 3416868 6A-6O Gelnhausen-Meerholz

nenläufer-Reduktionsplanetengetriebe mit Trägerhohlrad 37 zum Stillstand, Eine Rücklaufsperre 2fO zwischen Turbinenläuferhohlwelle i+1 und Reduktionshohlrad 39 sichert den Turbinenläufer 1+2. gegen Rückwärtsdrehen und stützt das anstehende Anfahrdrehmoment. Zur Weiterbeschleunigung bzw. Drehmomentwandlung von beider gemeinsamen Abtrieb 32, strömen die Verbrennungsgase mittels Steuerklappen 31 zugeschaltet, bei 3k direkt zur Turbine. Am Ende dieser Beschleunigungsphase haben Trägerholhlrad 37 und Brennkraftmaschine am Ab- trieb mit Sonnenrad 35 gleiche Drehzahlen und ein Übersetzungsverhältnis 1:1 zum gemeinsamen Abtrieb 32. Im Beschleunigungsbereich bis 100 % steigert Brennkraftmaschine mit Tur bine drehzahlelastisch oder bei Bedarf mit geschlossener Fix schaltung 43 zwischen Brennkraftmaschine und Turbine.

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dadurch gekennzeichnet, daß die von einer kolbenhochaufgeladenen Doppeltaumelscheiben-Brennkraftmaschine (Abb. 1 und 2), nach Sekunden im Alleingang erfolgter Anfahrbeschleunigung des gemeinsamen Abtriebes 32, gegebene kinetische Energie gespannter Verbrennungsgase in der mittels Steueranlage (Abb. 3) zugeschalteten Turbine ^2 annähernd bis zur vollkommenen Entspannung in mechanische Arbeit umgesetzt wird, für die Drehmomentwandlung bzw. Weiterbeschleunigung von beider gemeinsamen Abtrieb 32.
2. Doppeltaumelscheiben-Brennkraftmaschine mit Turbine nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit Beginn der Anfahrbeschleunigung des gemeinsamen Abtriebes, über die mechanisch lösbare Verbindung, die von Brennkraftmaschine drehzahlabhängig selbsttätig schließende Bremseinrichtung 38 auf Reduktionshohlrad 39» das über die Abtriebsplanetenräder 36 noch zwangsläufig rückwärts drehende Turbinenläufer-Reduktionsplanetengetriebe mit Trägerhohlrad 37 zum Stillstand bringt, hierzu eine Rücklaufsperre ZfO, zwischen Turbinenläufer-Hohlwelle ^.1 und Reduktionshohlrad 39 > ^d©ⁿ Turbinenläufer l+Z gegen Rückwärtsdrehen sichert und das anstehende Anfahrdrehmoment stützt.
3. Doppeltaumelscheiben-Brennkraftmaschine mit Turbine nach Anspruch 1 und 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die zweimal gelagerte Doppeltaumelscheiben-Triebwerkswelle 9 (Abb. 1) mit Wellenrumpf aus einem Stück, die Gehäusekonstruktion von den Arbeitskolbenkräften entlastet, somit eine Gehäuseleichtbauweise ermöglicht, wobei fünf gleichteilige Arbeitszylinder-Leichtbaugehäusesegmente 1 6 um die Triebwerkswelle 9 als Gehäusemittelstück zusammengefügt, zwischen vorderer und hinterer Gehäusehälfte 11 und 12 eingespannt ist.