DE4310611A1

DE4310611A1 - Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE4310611A1
Application number: DE4310611A
Authority: DE
Inventors: Max-Walter Elsbett
Original assignee: ELSBETT MAX WALTER
Current assignee: ELSBETT MAX WALTER
Priority date: 1992-04-01
Filing date: 1993-03-31
Publication date: 1993-10-14

Description

Man unterscheidet Schwingungsdämpfer zum Beispiel elasti scher, hydraulischer oder pneumatischer Art, die Schwin gungen nicht von einem Körper auf den anderen übertragen, oder Schwingstörer zum Beispiel von Drehschwingen, die den Aufbau einer Eigenfrequenz stören. Die dritte Möglichkeit ist, feste Materialien mit flüssigen oder mit flüssigen plus gasförmigen Massen so miteinander zu verbinden, daß nur die ganze Einheit gemeinsam schwingen könnte, die aber durch die Eigenart von festen, flüssigen und gasförmigen Medien verhindert wird. Um dieses letztere System handelt es sich bei der vorliegenden Anmeldung für Kolbenbrennkraft maschinen mit höchsten Wirkungsgraden.

Gelöst wird die Aufgabe im vorliegenden Fall zunächst schon durch die Materialfolge der Dämpfung - fest, flüssig, gas förmig, und zwar wie folgt:

1. dadurch, daß die Aktions- und Reaktionskräfte, also Motor und angetriebenes Gerät, auf einem mit Flüssigkeit gefüllten Kessel stehen, mit dem sie eine gemeinsame Masseneinheit darstellen, die selbst keine Verbindung zum Fundament des Bodens oder der Kabine hat;
2. dadurch, daß der Erregereinheit Motor, Generator, Wasser- oder Luftschraube immer erst über das statische Element Luft, also über Luftreifen, Luftkissen, Tragfläche, eine Verbindung zum Boden, zum Haus oder zur Kabine gegeben wird. Rückläufig trägt also die Luft den Wasserkessel und dieser die Festmasse, die als Erreger der Schwingen wirkt. Diese ist bei Motoren mit hohem ökonomischen Wir kungsgrad besonders groß, so daß neue Maßnahmen nötig sind.
Mit Bezug auf den Gegenstand der Erfindung, also der Dämpfung von Schwingungen eines Krafterzeugers, ist der Einbau in ein bestimmtes Gerät sekundär. Dies kann ein fahrbares, schwimmbares oder auch fliegendes Gerät sein. Primär ist, daß auf diese Weise Motoren mit wesentlich größerer Unruhe als bisher verwendet werden können, also zum Beispiel Selbstzünder mit größeren Kolbenkräften. Geplant sind Direkteinspritzer als Pflanzenölmotoren.

Um unnötige Energieverluste und CO₂-Luftbelastung zu er sparen, ist es besonders wichtig, die beiden Hauptenergien Strom und Wärme möglichst nahe an die menschlichen Wohnungen heranzubringen. Um außerdem auch mit dem Energiepreis mög lichst billig zu werden, wenn statt fossilem nachwachsendes Öl verwendet wird, gilt es, Energie über Kolbenmotoren, die ja die kleinsten Verluste ergeben, in so gedämpfter Aus führung einzusetzen, daß auch Leistung von 1000 KW und mehr in der Nähe von Wohnungen installiert werden kann.

In Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird für diese größeren Einheiten die Reihenfolge Motor, Flüssigkeits behälter, Luftreifen mit einem nachgeschalteten weiteren Flüssigkeitsbehälter in Form eines großen Kraftstofftanks fortgesetzt. Erst dieses letzte Glied der Dämpfung hat dann Verbindung mit dem Boden, der Erschütterungen an Wohnhäuser weiterleiten könnte.

Um die einzelnen Impulse der Motorkräfte möglichst kleinzu halten, werden für den gewünschten Fall einer großen Ener gieeinheit Motoren mit einer hohen Zylinderzahl, aber geringen Reibungsverlusten eingesetzt, zum Beispiel 12 Zylinder sogar in einer Gruppe von zum Beispiel drei Ein heiten, die nach Bedarf abschaltbar sind.

Die Dämpfung der Auspuffschwingungen erfolgt über einen im Boden zwischen den Tanks eingelassenen Dämpfer, dessen Wärme den Kraftstoff auf der besten Gebrauchstemperatur hält.

Die Dämpfung der mechanisch angeregten Luftschwingungen erfolgt in Ergänzung der Dämpfung der Kraftschwingungen durch eine schalldichte Kuppel in einfacher oder mehrfacher Schichtstärke.

Die Bedeutung von Schwingungsdämpfung zwischen dem Energie gerät und der Kabine hat ihre besondere Bedeutung auch bei Flugzeugen insofern, als man auch in diesem Energiebereich dazu übergehen muß, weniger CO₂ durch sparsamere Motoren zu erzeugen. Dies führt auch hier von Benzinmotoren zu den we sentlich unruhigeren Diesel- und Pflanzenölmotoren. Diese erzeugen weniger oder gar keine zusätzliche CO₂-Luftbela stungen, bringen sogar größere Reichweiten, ersparen Geld, Brandgefahren etc., aber auch mehr Unruhe. Das gleiche gilt natürlich auch für Wasserfahrzeuge.

In allen Fällen, ob stationäre oder mobile Anwendung, sind die Bauelemente gleicher Art, also eine Kabine, die über einen Luftspalt von den schwingungsgedämpften Unruhemassen getrennt ist, die von der Luftstatik getragen und über flüs sigkeitsgefüllte Behälter gedämpft sind.

Die sekundären Aufgaben der dämpfenden Flüssigkeit können thermischer Art sein oder der weiteren Reinigung der Abgase dienen; im vorliegenden Fall der Dämpfung auch der Luft schwingungen im Geräteraum dadurch, daß dem Abgas durch Ab kühlung die Schwingungsenergie durch Wärmeabfuhr entzogen wird.

Um Verbrennungsmotoren möglichst sparsam betreiben zu können und um möglichst wenig CO₂ zu produzieren, wird versucht, die Zahl der Kolben-Zylindereinheiten pro Ver brennungsmotor möglichst gering zu halten. Eine weitere Mög lichkeit, die Energiebilanz zu verbessern, ist der Einsatz von Abgasturboladern. Ein Optimum zwischen der Forderung nach wenigen Zylindern und dem Einsatz eines Abgasturbo laders scheint sich nun bei 3-Zylinder-Motoren zu ergeben. Hierbei entstehen die Ladungsschübe der einzelnen Zylinder zu einem Zeitpunkt, zu dem sie auch zur Füllung eines anderen Zylinders genutzt werden können.

Andererseits bestehen bei einem 3-Zylinder-Motor naturgemäß Probleme hinsichtlich der Laufruhe. Durch die jeweils ent gegengesetzte Stellung der äußeren Kolben einer 3-Zylinder- Reihenmaschine wirken auf diesen Motor Kippmomente. Diese Momente wirken sich insbesondere bei Kraft-Wärme-Anlagen sehr störend aus, da gerade hier ein geräusch- und vibra tionsarmer Lauf gefordert ist. Aber auch bei Fahrzeugen wie zum Beispiel Schiffen und Flugzeugen sollten diese Schwin gungen vermieden werden. Alle bisher üblichen Dämpfungs einrichtungen wie zum Beispiel hydraulische oder Gummi dämpfer erfüllen ihren Zweck nur ungenügend. Bei einem 4-Zylinder-Motor treten freie Kräfte zweiter Ordnung auf, die ebenfalls einer Dämpfung bedürfen. Grundsätzlich alle Lei stungsstöße auf die Kurbelwelle erzeugen Unruhe, die ge dämpft werden müssen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die Schwingungen eines Verbrennungsmotors so zu dämpfen, daß die oben be schriebenen Nachteile vermieden werden und die Dämpfungs wirkung gegenüber herkömmlichen Dämpfungssystemen verbessert wird.

Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den kenn zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Da störende Schwingungen nicht nur bei 3- oder 4-Zylinder-Brennkraftma schinen auftreten, ist die Erfindung nicht nur auf diese Zylinderzahlen beschränkt.

Durch die in dem Gefäß befindliche Flüssigkeit steht eine große Masse zur Verfügung, die die Schwingungsenergie auf nehmen und in eine andere Energieform umwandeln kann. Eine ausgezeichnete Wirkung ergibt sich, wenn das Gefäß nicht vollständig flüssigkeitsgefüllt ist, so daß die Oberfläche der Flüssigkeit bei dem Schwingungsabbau nicht behindert ist und wenn das Massenverhältnis von Flüssigkeit im Gefäß zu schwingender Masse etwa ab dem Verhältnis 1 : 1 sich be findet.

Trotz eines vorgesehenen stationären Einsatzes ermöglicht die Anordnung auf Luftreifen eine leichte Transportmöglich keit des Aggregats zu verschiedenen Einsatzorten. Um die Wirkung der Luftreifen auch für die Dämpfung voll auszunut zen, können während des stationären Betriebes Platten, die über ein Gestänge direkt mit dem Motor verbunden sind, so weit auf die Reifen heruntergedrückt werden, daß die Achsen der Reifen entlastet werden und der Motor mit seiner vollen Last über diesen Platten auf den Reifen steht, während das flüssigkeitsgefüllte Gefäß in gewisser Weise an dem Motor hängt.

Insbesondere bei einer Verwendung des Aggregats als Kraft-Wärme-Anlage kann die Flüssigkeit in dem Gefäß zusätz liche Aufgaben erfüllen. Beispielsweise können die Verbren nungsgase des Motors zur Wärmeabgabe durch die Flüssigkeit geleitet werden. Dies kann weit unterhalb der Oberfläche in geschlossenen Rohren stattfinden, oder es können mit Öff nungen versehene Rohre nahe der Oberfläche durch die Flüs sigkeit geleitet werden. In dem letzten Fall tritt das Ver brennungsgas direkt in die Flüssigkeit und gibt seine Energie dabei praktisch vollständig ab. Hierzu muß zur Abführung der Gase aus dem Gefäß oberhalb des Flüssigkeits spiegels eine Abgasöffnung vorhanden sein.

Ebenso kann die in der Kühlflüssigkeit des Motors gespei cherte Wärme wie auch die in anderen Kühlmedien enthaltene Energie über entsprechende Wärmetauscher in die Dämpfungs flüssigkeit übertragen werden. Diese in der Dämpfungsflüs sigkeit gespeicherte Energie kann ihr durch weitere Wärme tauscher, beispielsweise zur Nutzung in einem Heizsystem eines Wohnhauses oder zur Beheizung eines Schwimmbades wieder entzogen werden. Die Dämpfungsflüssigkeit kann aber auch direkt in einem Heizsystem umgewälzt und zur Wärme abgabe genutzt werden.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden anhand der Zeichnun gen eingehend erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Kraft-Wärme-Anlage in Vorder- und Seitenansicht,

Fig. 2 eine Kraft-Wärme-Anlage als Gruppe von drei Motoren mit Dachkuppel und Bodentanks,

Fig. 3 wie Fig. 2 in Draufsicht,

Fig. 4 eine schwingungsgedämpfte Flugkabine,

Fig. 5 eine schwingungsgedämpfte Luftkissenkabine eines Schiffes.

Mit 1 ist jeweils der flüssigkeitsgefüllte Dämpfungsbehäl ter, mit 2 der Motor, mit 3 das angetriebene Gerät, mit 4 der Luftspalt, mit 5 das Element der tragenden Luft, mit 6 die Auflage des ganzen Geräts als fester Boden, Wasser oder Luft, mit 7 die vor Schwingungen zu schützenden Kabinen oder Fundamente, mit 8 das Luftkissen, mit 9 das Abgas, das ein Luftkissen erzeugt, bezeichnet.

Die Dämpfung der Luftschwingungen im Motorenraum erfolgt durch die Dachkuppel 10, die in Fig. 2 eine Gerätegruppe 11 und die Tankbehälter 12 abdeckt.

Die Abgasschwingungen werden über den Dämpfer 13 und das Rohr 14 bzw. über die Einführung 15 der Abgase in die Dämp fungsflüssigkeit 16 eingeleitet. Um die Dämpfung zu optimie ren, wird über den Abfluß 17 darauf geachtet, daß die Füllung des Behälters nicht über 90% hinausgeht. Über den Wärmetauscher 18 wird verhindert, daß sich die Dämpfungs flüssigkeit 16 nicht über den Siedepunkt erwärmt. Über den Stutzen 19 werden Abgas und Dampf abgeführt. Die Nachfüllung der dämpfenden Wassermasse wird über den Kondensator 20 des Abgases 15 reguliert. Über den Stutzen 21 wird das Wasser des Wärmetauschers abgeführt. Über die Pratzen 22 werden Geräte ortsfest fixiert.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Wärme-Kraft- Anlage ist in Fig. 1 gezeigt. Der Motor 2 ist über die Platte 22 auf dem tonnenförmigen Gefäß 1 befestigt. Mit dieser Platte ist ebenfalls der Stromgenerator 3 verbunden. Die Energieübertragung vom Motor 2 zum Generator 3 erfolgt über die Welle 23. Die Tonne 1 weist Achsstummel 24 auf, über die sie mit den Luftreifen 25 verbunden ist. Im statio nären Betrieb stützt sich die Platte 22 über die einstell baren Einheiten 26 auf den Luftreifen 25 ab. Dadurch werden die Achsstummel 24 soweit entlastet, daß die Tonne 1 prak tisch an der Platte 22 hängt.

Die Tonne 1 ist mit einer Flüssigkeit 16 vorzugsweise mit Wasser teilweise gefüllt. Der Füllungsgrad soll dabei so be schaffen sein, daß die Oberfläche so frei schwingen kann. Die Auspuffgase des Motors 2 werden über die Abgasführung 15 in die Tonne 1 eingeleitet. Durch den Wärmetauscher 18 fließt das Kühlmittel des Motors 2, das diesem über den Ein laufstutzen zugeführt wird und über den Auslaufstutzen wieder den Motor erreicht.

Der Wärmetauscher 18 ist über die Stutzen 21 mit einem Verbraucher verbunden.

Um das Flüssigkeitsniveau konstant zu halten, kann Wasser über den Überlaufstutzen 17 austreten.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Luftfahrzeug ist der Behälter 1 als Schwimm- oder Auftriebskörper ausgebildet. Behälter 1 ist über Gestänge mit den Tragflächen 5 verbunden, die über ein weiteres Gestänge die Verbindung zu dem Flugzeugrumpf 7 herstellen. Der Motor 2 ist wieder ausschließlich mit dem Gefäß 1 verbunden. Auch hier ist durch den Luftspalt 4 zwischen Tragflächen 5 und Rumpf 7 nochmals ein zusätzliches Dämpfungsglied vorhanden.

In dem ausgeführten Beispiel eines Schiffsantriebes Fig. 5 ist der Motor 2 direkt mit dem Gefäß 1 verbunden. Der eigentliche Schiffskörper 7, der den Raum zur Beförderung von Personen oder Sachen beinhaltet, hat keinerlei direkte Verbindung mit dem Motor 2. Er ist ausschließlich an den Behälter 1 fixiert, so daß dieser die Verbindung zwischen Schiffskörper 7 und Motor 2 herstellt. Auf diese Weise werden die Vibrationen des Motors 2 in der in dem Behälter 1 enthaltenen Flüssigkeit 16 in andere Energieformen umge wandelt, bevor sie in den Schiffskörper 7 gelangen können. Die Koppelung zwischen Behälter 1 und Schiffskörper 7 er folgt über die Verbindungsglieder 5 in der Weise, daß zwischen Behälter 1 und Schiffskörper 7 ein Luftspalt 4 verbleibt. Bei entsprechender Geschwindigkeit des Fahrzeuges kann dieser Luftspalt Auftriebseigenschaften haben und die Verbindungsglieder 5 können zusätzliche Dämpfungseigenschaf ten haben.

Claims

1. Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungsübertragung von motorgetriebenen Geräten, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor und das getriebene Gerät eine statische Einheit mit einem flüssigkeitsgefüllten Behälter bilden, der erst über ein tragendes Gas mit einem Haus oder einer Kabine oder dem Boden verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Dämpfungsflüssigkeit wie die Dämpfungsluft auch sekundäre Aufgaben haben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ortsfeste Fixierung über Luftreifen, die den schwin genden Teil des Geräts durch einen Luftspalt vom Funda ment trennen, dadurch erfolgt, daß die Luftreifen durch Spannpratzen, die am schwingenden Teil befestigt sind, vorgespannt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß das Fundament, auf dem das Energiegerät steht, wiederum ein Flüssigkeitsbehälter ist, der zum Beispiel als Kraftstofftank dient.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und folgende, dadurch gekenn zeichnet, daß die Anordnung auf eine Gruppe von Energie geräten angewendet wird, die unterschiedliche Eigen schwingungen haben.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die entstehenden Luftschwingungen durch eine isolierte und schwingungsgedämpfte Dachkuppel in einfacher oder mehrfacher Schalenbauweise gedämpft werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasschwingungen dadurch gedämpft werden, daß das Abgas in die Dämpfungsflüssigkeit austritt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundären Aufgaben der Dämpfungselemente im Energie entzug durch Abkühlung und Waschen der Abgase in der Dämpfungsflüssigkeit oder zur Einsparung von Bewegungs energie auch für Luft- oder Wasserfahrzeuge dient, deren Kabinen besonderer Dämpfung bedürfen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß der Luftspalt zwischen dem Flüssigkeitsbehälter und seiner Auflage durch die Abgase des Motors herge stellt wird, um ein energiesparendes und dämpfendes Luftkissen für die Bewegung auf dem Wasser herzustellen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Luftfahrzeugen die Trennung der Kabine von dem schwingenden Antriebsgerät und dem dämpfenden Flüssig keitsbehälter über den von der Luft getragenen Flügel er folgt, der in Fig. 5 die Aufgabe der Statik eines Gases übernimmt, die in Fig. 1 der Luftreifen hat.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Fig. 5 die Trennung der Schiffskabine von den Schwingungen des Antriebsgerätes sowohl über das tragende Luftkissen unter dem Flüssigkeitsbehälter als über gasgefüllte Dämpfer erfolgt, die den Luftspalt aufrecht erhalten.

12. Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch einen Verbrennungsmotor ge triebener Stromgenerator mit einem Tragrahmen, auf dem sowohl der Stromgenerator als auch der Verbrennungsmotor fest verankert sind, und eine Antriebsverbindung zwischen Verbrennungsmotor und Generator vorhanden ist, der Trag rahmen mit einem Gefäß verbunden ist, welches mit Flüs sigkeit gefüllt ist, und das Gefäß und/oder der Tragrah men sich über Luftreifen auf dem Untergrund abstützen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß teilweise mit Flüssigkeit und teilweise mit Gas gefüllt ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn zeichnet, daß der Untergrund, auf dem sich die Luftrei fen abstützen, durch Flüssigkeitsbehälter gebildet ist, die im Boden eingelassen sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsgase zur Wärmeabgabe in offenen oder geschlossenen Rohren durch die Flüssigkeit geleitet werden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Flüssigkeit Wärmetauscher zur Nutzung der ge speicherten Wärme oder Einspeisung zusätzlicher Wärme, insbesondere der Abwärme des Motors, vorgesehen sind.

17. Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fahrzeug mit einem Verbrennungs motor und einem Raum zur Beförderung von Personen oder Sachen sowie einem Dämpfungssystem zur Verminderung der Übertragung von Schwingungen von dem Verbrennungsmotor auf den Raum zur Beförderung von Personen oder Sachen der Verbrennungsmotor starr mit einem Gefäß verbunden ist, welches teilweise mit Flüssigkeit und teilweise mit Gas gefüllt ist und die Verbindung zwischen dem Motor und dem Raum zur Beförderung von Personen oder Sachen ausschließlich über das Gefäß hergestellt ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug als Wasserfahrzeug ausgebildet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß an dem Wasserfahrzeug unterhalb der Wasserlinie befestigt ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug als Luftfahrzeug ausgebildet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß als Schwimmkufe ausgebildet ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß als Kraftstofftank genutzt wird.

23. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, durch die die Abgase des Verbrennungsmotors zur Reinigung geleitet werden.