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Vorrichtung zur Umwandlung der Energie einer mit hin und her gehendem
Kolben ausgerüsteten Brennkraftmaschine in Strömungsarbeit eines strömungsfähigen
Mediums Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung der Energie einer
mit hin und her gehendem Kolben ausgerüsteten Brennkraftmaschine in Strömungsarbeit
eines strömungsfähigen Mediums. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den durch
die Arbeit der Brennkraftmaschine bestimmten Betrag der Strömungsarbeit auf die
beiden Faktoren, nämlich Druck bzw. Fördervolumen, aus .denen sich die Strömungsarbeit
zusammensetzt, in beliebig steuerbarer weise aufzuteilen. Es soll also möglich sein,
bei jedem Betriebszustand der Brennkraftmaschine den von dieser erzeugten Arbeitsbetrag
in dem strömenden Medium entweder in ein kleines Fördervolumen und einen hoben Druck
oder in ein größeres Fördervolumen und entsprechend geringeren Druck zu zerlegen,
wobei, von etwaigen Reibungs- oder Strömungsverlusten abgesehen, das Produkt von
Druck und Fördervolumen dem jeweils von der Brennkraftmaschine gelieferten Arbeitsbetrag
gleichkommt.
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Durch Zwischenschaltung umlaufender Triebwerkteile zwischen die Kolben
der Brennkraftmaschine und der Förderpumpe läßt sich diese Aufgabe in bekannter
Weise lösen. Die erfinderische Forderung geht im vorliegenden Fall jedoch dahin,
derartige umlaufende Triebwerkteile zu vermeiden. Sie wird dadurch gelöst, daß bei
konstantem Hub des oder der Kolben der Brennkraftmaschine
und ebenfalls
konstantem Hub des oder der Kolben der Förderpumpe der Querschnitt des oder der
Kolben der Förderpumpe steuerbar ist.
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In der Zeichnung sind -einige Lösungsformen der Erfindung beispielsweise
dargestellt, und zwar zeigt Fig. i einen Längsschnitt durch eine Förderpumpe gemäß
Erfindung, Fig. 2 einen Querschnitt nach Linie A-B durch Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt
nach Linie C-D@ durch Fig. 2, Fig. 4 eine schaubildliche Darstellung eines Teils
der Vorrichtung, Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine etwas abgeänderte Vorrichtung,
Fig. 6 einen Querschnitt nach Linie F-F durch Fig. 5, Fig.7 eine Aufsicht auf die
Vorrichtung.
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In den Fig. i bis 7 ist die zum Antrieb der Kolbenstange i dienende
Brennkraftmaschine nicht dargestellt. Diese Brennkraftmaschine kann beliebige bekannte
Bauart besitzen und sowohl als Zweitakt- als auch als Viertaktmaschine ausgebildet
sein; auch ist es gleichgültig, ob diese Maschine nach dem Dieselprinzip, als Vergasermotor
oder sonstwie betrieben wird. Die Erfindung ist durchführbar mit einer beliebigen
geraden oder ungeraden Anzahl von Brennkraftzylindern und Förderpumpen. Besonders
zweckmäßig ist die paarweise Anordnung von Brennkraftzylindern und Pumpen, wobei
in der Pumpe der Pumpenkolben doppelseitig -wirken kann. Die Zeichnung zeigt nur
den den Gegenstand der Erfindung bildenden Pumpenteil, und zwar sind in Flucht der
Kolbenstange i in einem Abstand von den Gehäusewandungen 2, 3, der mindestens dem
Hub der Kolben der Brennkraftmaschine entspricht, diese Kolben und die dazugehörigen
Zylinder angeordnet.
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Zwischen den Wänden 2, 3 des Pumpengehäuses ist eine Mittelwand 4
angeordnet, so daß zwischen der linken Stirnwand 2 und der Mittelwand 4 ein Pumpenraum
5 und zwischen der Mittelwand 4 und der Stirnwand 3 ein Pumpenraum 6 entsteht. In
der Kolbenstange i befindet sich eine taschenartige Ausnehmung 7, in der ein Kolben
8 senkrecht zur Längsachse der Kolhenstange i gleitbar angeordnet ist. Dieser Kolben
ist druck- und zugfest, aber in Längsrichtung der Kolbenstange i gleitbar an einem
Führungsstück 9 gelagert, welches durch einen Ansatz io senkrecht zur Längsachse
der Kolbenstange i verstellbar ist.
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In die Mittelwand 4 ist eine Durchtrittsöffnung eingearbeitet, die
in ihrem unteren Teil einem Kreis vom Querschnitt der Kolbenstange entspricht. Daran
schließt sich nach oben hin ein Schlitz an, welcher je nach dem Überstand des Kolbens
8 über den Querschnitt der Kolbenstange i teilweise vom Kolben 8 und teilweise von
dem Führungsstück 9 bzw. Ansatz i o dichtend abgedeckt wird. Der Ansatz i o kann
entweder ein Körper sein, der im Querschnitt die gleiche Breite besitzt wie der
Kolben 8, oder er kann, was aus Dichtungsgründen erwünscht ist, ein zylindrischer
Körper von einem Durchm:esser sein, der größer ist als die Querschnittsbreite des
Kolbens B. Während im ersten Fall die Dicke der Mittelwand q nur so bemessen zu
sein braucht, daß zwischen Mittelwand 4 einerseits und Kolben 8, Führungsstück 9
und Ansatz i o genügend lange Dichtungsflächen verbleiben, muß im zweiten Fall darauf
,geachtet werden, daß die Dicke der Mittehvan.d 4 mit ein ausreichendes Maß größer
ist als die Sehne des Kreisquerschnittes des Ansatzes io in der Flucht der beiden
Längsseitenwände des Kolbens B. Dann ist auch bei teilweise oder völlig eingefahrenem
Kolben 8 eine hinreichende Abdichtung zwischen den beiden Pumpenräumen 5 und 6 gewährleistet.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Pumpvorrichtung ist folgende:
Befindet sich der Kolben 8 beispielsweise mit seinem linken Ende gegenüber der in
Fig. i gezeichneten Stellung so weit nach rechts verschoben, -daß seine linke Stirnfläche
in Flucht der linken Seite der Mittelwand 4. steht, so ist in den Pumpenraum 5 durch
die mittels des Einlaßventils i i .gesteuerte Zuflußleitung 12 öl in den Pumpenraum
5 getreten, s @o daß dieser voll gefüllt ist. Geht die Kolbenstange i aus .dieser
Stellung in Richtung des Pfeiles G nach links und ist dabei der Kolben 8 :so weit
aus der Kolbenstange i herausgezogen, wie in der Zeichnung dargestellt, so wird
bei dem Vortreiben der Kolbenstange i aus dem Pumpenraum 5 durch die Leitung 13
unter öffnung des Ventils 14 eine ölm@enge herausgedrückt, welche dem -wirksamen
Querschnitt des Kolbens 8, multipliziert mit dem konstanten Hub, entspricht. in
gleichem Maß tritt in den Pumpenraum 6 durch die Leitung 15 unter öffnung des Ventils
16 öl ein. Ist der Kolben 8 in seine linke Totlage gelangt und wechselt er nun seine
Vorschubrichtung, so verdrängt er aus dem Pumpenraum 6 durch die Leitung 17 unter
Öffnen des Ventils 18 die gleiche 0lmenge. Bei einem gegebenen Arbeitsbetrag des
die Kolbenstange jeweils antreibenden Kolbens der Brennkraftmaschine gehört zu dem
durch die Stellung des Kolbens 8 bedingten Fördervolumen ein entsprechender Förderdruck.
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Wird unter gleichbleibenden Arbeitsbedingungen in der Brennkraftmaschine
durch Hereindrücken des Ansatzes io der Kolbens 8 tiefer in die Tasche 7 der Kolbenstange
i hineingefahren, so verringert sich der wirksame Querschnitt des Kolbens 8 um das
Maß seiner Hineindrückung in die Tasche 7 . Da unter den vorausgesetzten Bedingungen
die von der Brennkraftmaschine geleistete Arbeit gleichgeblieben ist, das Fördervolumen
sich jedoch verringert hat, steigt entsprechend der Förderdruck.
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Mit der Vorrichtung kann die wirksame Kolbenfläche bis auf den Betrag
Null verringert werden, d. h. ,die Brennkraftmaschine kann laufen und die Kolbenstange
i hin und her schieben, ohne daß überhaupt irgendeine Menge gefördert wird.
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Darüber hinaus kann durch die bekannten Regelmittel auch die Leistung
der Brennkraftmaschine durch Verminderung oder Vermehrung der Brennstoffzufuhr geregelt
werden. Bei jedem durch die Brennstoffzufuhr zu der Brennkraftmaschine .gegebenen
Arbeitszustand
kann deren jeweiliger Arbeitsbetrag auf die beiden ihn bildenden Faktoren, nämlich
Druck und Fördervolumen, beliebig aufgeteilt werden, und zwar läßt sich diese Aufteilung
bei jedem Betriebszustand und während jedes Betriebszustandes stufenlos regeln.
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In Fig. q. ist derjenige Teil des Pumpengehäuses, der die Durchdringung
der sich bewegenden Teile durch die feststehenden Teile erkennen läßt, schaubildlich
dargestellt, wobei die die beiden Gehäuse umschließenden Wände teilweise fortgebrochen
sind.
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Fig. 5 und 6 zeigen eine Ausführungsform der Vorrichtung, die in ihren
wesentlichen Grundzügen der in den Fig. i 'bis 3 dargestellten entspricht. Die Kolbenstange
i, das Führungsstück 9 mit Ansatz i o und die Zu- und Abführungsleitungen 12,
13,
17, 15 für das Öloder sonstige strömungsfähige Medium sowie
die Ventile i i, 14, 16 und 18 sind die gleichen Teile wie bei der
Ausführungsform nach Fig. i bis 3.
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An Stelle einer in die Kolbenstange i eingearbeiteten Tasche 7 ist
in die Kolbenstange ein durchgehender Schlitz @eingearbeitet, so daß der Kolben
i9 nach unten aus der Kolbenstange i heraustreten kann. In Höhe der Kolbenstange
ist in Längsrichtung der beiden Pumpenräume 5, 6 eine Wand 2o angeordnet, welche
,zur Längsführung der Kolbenstange i dient. Das eigentliche Pumpengehäuse. endet
in der Höhe der Unterkante dieser Wand 2o. Durch den in den Pumpenräumen 5, 6 herrschenden
Drück wird die Kolbenstange i mit ihrem unteren Umfangsteil ständig dichtend gegen
die zylindrisch gewölbten Führungsflächen der Wand 2o gedrückt. Der Kolben i 9 kann
mit seinem unteren Ende außerhalb des eigentlichen Pumpengehäuses laufen. Um etwaiges
öl, das zwischen den Wandungen des Kolbens 19 und den Seitemvandungen des
in Kolbenstange i eingearbeiteten Schlitzes hindurchtritt, aufzufangen, kann unterhalb
des Pumpengehäuses ein Blechgehäuse 2 1 angeordnet sein, welches einen AbflUß 22
besitzt, durch den dieses Lecköl in den ölkreislauf wieder zurückbefördert wird.
Der Querschnitt des Abflusses 22 läßt sich leicht so groß bemessen, daß durch diesen
Abfluß mehr Öl abfließen kann, als im ungünstigsten Fall durch Undichtheiten in
das Innere des Gehäuses 2 i eintreten kann. Auf diese Weise kann das Gehäuse 21
ölfrei, zum mindesten frei von unter Druck stehendem Öl gehalten werden, so daß
das aus der Kolbenstange nach unten zu etwa vorstehende Ende des. Kolbens i 9 bei
seiner Bewegung entsprechend dem Hub der Kolbenstange i keine Strömungswiderstände
zu überwinden braucht. Die Verstellung des Kolbens 19 kann dann auch von
der Seite des Gehäuses 2 i her erfolgen.
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Die Vorrichtung gemäß Erfindung ist in erster Linie für das Pumpen
von Flüssigkeiten, z. B. Öl, bestimmt. Sie kann aber in sinngemäß gleicher Weise
auch für das Pumpen kompressibler Gase verwendet werden. Die konstruktive Ausgestaltung
wird dann zweckmäßig so getroffen, daß die schädlichen Räume möglichst gering gehalten
werden. Zu diesem Zweck kann der Querschnitt der Pumpenräume 5, 6 so gewählt werden,
daß er durch die Kolben g bzw. i 9 und das Führungsstück g stets vollständig ausgefüllt
ist, und die Zu- und Ableitungen für die Pumpenräume 5 und 6 können unmittelbar
in die Stirnwandungen 2 und 3 des Pumpengehäuses verlegt werden.
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Die Vorrichtung gemäß Erfindung kann vorteilhaft als Getriebe für
Fahrzeuge verwendet werden, insbesondere als Flüssigkeitsgetriebe. Die Auslaufleitungen
der Pumpenräume können dabei in einen D:ruekb,ehälter einmünden, der an passender
Stelle einen Luftdom besitzt, so daß die durch den Pumpvorgang auftretenden Druckschwankungen
in dem Druckbehälter ausgeglichen werden. Von dem Druckbehälter führt dann eine
Druckleitung zu einer Vorrichtung, w_ elche das Arbeitsvermögen der Druckflüssigkeit
in eine Drehbewegung umwandelt. Diese Drehmaome nterz@euger können in bekannter
Weise so ausgebildet sein, daß sie unmittelbar an ihrer abtreibenden Welle ohne
Zwischenschaltung anderer Elemente, wie Kurbeln od. dgl., eine Drehbewegung erzeugen.
Erforderlichenfalls kann zwischen die abtreibende Welle des Drehmomenterzeugers
und die Triebwelle des Fahrzeuges noch eine feste übersetzung eingebaut werden,
so daß z. B. die Triebwelle des Fahrzeuges mit geringerer Drehzahl umläuft als die
abtreibende Welle des Drehmomenterzeugers. Jeder D,rehmomenterzeuger kann ein oder
mehrere Räder des Fahrzeuges antreiben. Wirkt bei einem Fahrzeug mit zwei angetriebenen
Rädern auf jedes der Treibräder ein D-rehmomenterzeuger, so wird das sonst notwendige
Differentialgetriebe zwischen diesen beiden Rädern entbehrlich. Wirkt bei einem
Fahrzeug mit vier ,angetriebenen, auf zwei Achsen sitzenden Rädern auf jedes Rad
ein Drehmomenterzeuger ein, so erspart man sogar drei Differentialgetriebe, nämlich
je eines in jeder der Achsen und ein drittes zwischen den beiden Achsen. Durch Vertauschung
der Zu- und Ableitung für die Druckflüssigkeit bzw. die drucklose Flüssigkeit kann
in bekannter Weise die Umlaufrichtung des oder der Drehmomenterzeuger geändert werden.
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Für die Drehmomenterzeuger können grundsätzlich zwei verschiedene
Bauarten benutzt werden: A. Drehmomenterzeuger mit im Betrieb, unveränderlichen
Wirkungsflächen bzw. Wirkungsräumen Dadurch, daß die von der Brennkraftmaschine
gelieferte Förderleistung durch das beschriebene Getriebe beliebig auf ihre beiden
Faktoren aufteilbar ist, kann auf den Drehmomenterz@euger entweder eine große Fördermenge
mit kleinem Druck oder eine kleinere Fördermenge mit größerem Druck zur Einwirkung
gebracht werden, wenn man von der Möglichkeit, die Leistung der antreibenden Brennkraftmaschine
ihrerseits durch Veränderung der Brennstoffzufuhr zu regeln, absieht. Eine große
Fördermenge mit verhältnismäßig kleinem Druck bedeutet bei gegebenem Arbeitsvolumen
des Drehmomenterzeugers die Erzielung einer hohen Geschwindigkeit, wobei jedoch
die auf die abtreibende Welle des Drehmomenterzeugers wirkende Kraft verhältnismäßig
gering ist, während eine kleine
Fördermenge mit verhältnismäßig
hohem Druck eine geringe Drehgeschwindigkeit der abtreibenden Achse des Dmehmomenterzeugers
hervorruft, die auf die abtreibende Achse des Drelunomenterzeugers wirkende Kraft
jedoch entsprechend vergrößert wird. Wird die Fördermenge unter Benutzung der geschilderten
Vorrichtungen auf den Wert Null verringert, so kann die Brennkraftmaschine im Leerlauf
weiterarbeiten, ohne daß auf den Drehmomenterzeuger überhaupt ein Drehmoment ausgeübt
wird, d.h. das beschriebene Getriebe ersetzt gleichzeitig auch eine Kupplung.
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Die Verwendung von Drehmomenterzeugern mit im Betrieb, unveränderlichen
Wirkungsflächen bzw. Wirkungsräumen setzt voraus, daß auch bei der größten vorgeschriebenen
Drehzahl des Drehmom-enterzeugers die Fördermenge der Pumpe ausreicht, um die Wirkungsräume
des Drehmomenterzeugers bei dieser Drehzahl zu füllen. Falls sich diese -Bedingung
aus konstruktiven oder betrieblichen Gründen nicht oder nur mit Schwierigkeiten
erfüllen läßt, so kann eine andere Bauart des Drehmomenterzeugers benutzt werden,
nämlich B. Drehmbmenterzeuger mit im Betrieb veränderlichen Wirkungsflächen bzw.
Wirkungsräumen Um eine ausreichende Drehzahl an der abtreibenden Welle des Drehmomenterzeugers
auch bei beschränktem, durch die Baugröße der Pumpe bedingten maximalem Fördervolumen
zu erreichen, kann man bei durch Druckflüssigkeit angetriebenen Dmehmomenterzeugern
deren Arbeitsräume so verkleinern, daß die unter Druck gesetzten Arbeitsflächen,
die mit der abtreibenden Welle des Drehmomenterzeugers gekuppelt sind, von einem
bestimmten Drehzahlbereich des Drehmomenterzeugers an verkleinert werden. Dadurch
wird erreicht, daß eine geringe Fördermenge je Zeiteinheit eine ausreichende Drehzahl
das Drehmomenterzeugers je Zeiteinheit hervorruft. Es muß erforderlichenfalls der
Druck der Förderflüssigkeit umgekehrt proportional zur Verringerung der Größe der
Wirkungsfläche heraufgesetzt werden, um ein konstantes Gesamtdrehrnoment zu erzielen.
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Zur Verringerung der Größe der Wirkungsflächen an mittels Druckflüssigkeit
angetriebenen Drehmomenterzeugern kann man entweder die Zahl der Wirkungsflächen
verringern, wobei man. die Einzelgröße jeder Wirkungsfläche gleich läßt, oder man
kann die Zahl der Wirkungsflächen gleich lassen, jedoch deren Einzelgrößen verringern.
Es sind .auch Kombinationen beider Möglichkeiten durchführbar. Die Verringerung
.der Größe der Wirkungsflächen kann stufenweise vor sich gehen (insbesondere dann,
wenn man die Einzelgröße jeder Wirkungsfläche unverändert läßt und dafür die Zahl
der beaufschlagben Wirkungsflächen verringert) !oder stufenlos (insbesondere dann,
wenn man die Zahl der beaufschlagten Wirkungsflächen unverändert läßt und dafür
deren Einzelgröße verringert).
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Die Steuerung der Größe der Wirkungsflächen hat insbesondere Bedeutung
in den Fällen, in denen der Drehmomenterzeuger durch ein nicht kompressibles Medium,
also eine Druckflüssigkeit, angetrieben wird.
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Erfolgt der Antrieb des Drehmomenterzeugers durch ein kompressibles
Druckgas und dessen Steurung derart, daß dieses bei Arbeitsleistung expandiert,
so wird der oben beschriebene Zweck auch erreicht, wenn ohne Veränderung der auf
die Abtriebswelle des Drehmomenterzeugers .arbeitenden Größe jeder Einzelwirkungsfläche
die Größe der Wirkungsräume verringert und dafür der Druck des Gases erhöht wird.
Dies hat den Vorteil, daß die Größe der Förderpumpe verhältnismäßig gering gehalten
werden kann, denn bei einem Fahrzeug kommen große Drehzahlen der Triebräder und
damit der Welle des Drehmomenterzeugers nur dann in Frage, wenn der Fahrwiderstand
nicht überaus groß ist, d. h. wenn die Druckerzeugungskapazität der Förderpumpe
nicht ausgenutzt wäre. Es kann in solchen Fällen betrieblich und konstruktiv günstiger
sein, die Pumpe so zu bauen und zu betreiben, daß sie lieber mit einem hohen Druck,
dafür aber mit einem geringeren Fördervolumen arbeitet. Man kann dann entweder die
Querschnitte und sonstigen Abmessungen der Pumpe oder deren Hubzahl je Zeiteinheit
herabsetzen.
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Die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen können .auch für andere
Zwecke als für den Antrieb von Fahrzeugen benutzt werden, z. B. zur stufenlosen
Regelung von Kompressoren für Gase. Die aus den Pumpenräumen wegführenden Druckleitungen
können dann unmittelbar zu den Verbrauchsstell@en des Druckgases führen, z. B. zu
durch das Druckgas angetriebenen Werkzeugen od. dgl.