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Verbrennungsmotor Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor,
insbesondere einen Dieselmotor, dessen Leistung über ein Verteilungsgetriebe verzweigt
und sowohl zum Antrieb vorzugsweise eines Fahrzeugs als auch eines Laders verwendet
wird.
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Es ist bekannt, einen Lader von einem Verbrennungsmotor über ein Verzweigungsgetriebe
anzutreiben. Dabei können infolge der durch das Verteilungsgetriebe eingeführten
zusätzlichen Freiheit schwer zu übersehende und zu verstehende Schwierigkeiten in
der Zusammenarbeit zwischen Lader und Motor entstehen, die durch verschiedene Mittel
zu beheben versucht wurden.
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Eine allgemeingültige Regel, diese Schwierigkeiten zu beheben, ist
bisher nicht bekanntgeworden, und es ist auch zu keiner technischen Verwirklichung
gekommen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine solche Regel zu schaffen.
Darüber hinaus enthält die Erfindung bestimmte damit verbundene Verbesserungen bei
solchen Antrieben.
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Gemäß der neuen Regel muß die konstruktive Übersetzung vom Motor zum
Lader das 4- bis iofache der beim unmittelbaren Antrieb desselben Laders üblicherweise
notwendigen Drehzahlübersetzung betragen.
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Unter konstruktiver Übersetzung vom Motor zum Lader wird dabei das
durch die Konstruktion bedingte Verhältnis zwischen dem an der Motorwelle vorhandenen
Motorabtriebsdrehmoment und dem an der Laderwelle vorhandenen Laderantriebsdrehmoment
verstanden.
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Es ist für die Regel gleichgültig, ob außer dem Verzweigungsgetriebe
sich noch andere Getriebe
zwischen Motor und Verteilungsgetriebe
einerseits und zwischen Verteilungsgetriebe und Lader anderseits befinden.
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Bei Ladern mit verdrängender Arbeitsweise ist erfindungsgemäß bei
dem dem konstruktiven Motor-Lader-Übersetzungsverhältnis entsprechenden Motor-Lader-Drehzahlverhältnis
die sekundliche Laderförderluftmenge 4- bis iomal so groß zu wählen als die sekundliche
Motorschluckluftmenge.
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Es ist zur Erfüllung und Nachprüfung der letzten Bedingung hinreichend,
wenn die Laderfördermenge und die Motorschluckmenge auf Grund der üblichen Liefergrade
und der Druck- und Temperaturverhältnisse auf Laderförder- bzw. Motorschluckseite
berechnet sind.
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In der schematischen Abbildung ist die Erfindung erläutert.
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i ist der Verbrennungsmotor, dessen Kurbelwelle 2 an der Stelle a
aus dem Motorgehäuse austritt. An dieser Stelle ist das Motorabtriebsmoment gemäß
der Regel der Erfindung abzugreifen. Sein absoluter Wert ist nicht von Bedeutung.
Er sei z. B. M",. Zwischen der Kurbelwelle und der Stelle a erfolgt keine Drehmomentwandlung.
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3 ist ein beliebiges Getriebe oder ein Drehmomentenwandler. 4 ist
das Verteilungsgetriebe. Der Wellenast 5 des Verteilungsgetriebes führt über ein
beliebiges Getriebe 6 zum Differential 7 und zu den Abtriebsrädern 8 eines vorzugsweise
von dem Verbrennungsmotor angetriebenen Fahrzeugs.
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Der Wellenast 9 des Verteilungsgetriebes führt über ein beliebiges
Getriebe io zum Lader ii. An der Stelle b ist das Antriebsdrehmoment des Laders
gemäß der Regel der Erfindung abzugreifen. Zwischen b und der Laderwelle i2 ist
keine Drehmomentwandlung vorhanden. Das Laderantriebsmoment sei z. B. Ml.
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Vom Lader führt eine Luftleitung 13 zu den Motoreinlaßkanälen.
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Die Regel gemäß der Erfindung besagt, daß die konstruktive Übersetzung
Mm/Ml, d. h. die Gesamtübersetzung, die sich durch Einzelbestimmung und Multiplikation
aller zwischen a und b vorgenommenen Drehmomentwandlungen ergibt,
4- bis etwa iomal so groß zu machen ist als die Drehzahlübersetzung, d. h. das Verhältnis
zwischen - Laderdrehzahl und Motordrehzahl, die mit demselben Lader beim unmittelbaren
Antrieb üblich wäre. Ein solcher unmittelbarer Antrieb würde z. B. über die gestrichelte
Wellenverbindung 14 und das gestrichelte Übersetzungsgetriebe 15 gehen.
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Beim unmittelbaren Laderantrieb wird, wie bekannt und aus physikalischen
Gründen unvermeidlich, der Höchstladedruck bei Höchstmotordrehzahl erhalten. Aus
motortechnischen Gründen ist in Verwirklichungen dieser Art ein Ladedruck von 1,6
kg/cm' bzw. ein Lader-Druck-Verhältnis von 1,6 bei Volldrehzahl nicht überschreitbar.
Demgemäß ist unter üblich etwa und höchstens diejenige Laderdrehzahlübersetzung
zu verstehen, die sich bei einem solchen Druckverhältnis für Vollmotordrehzahl ergibt.
Diese Übersetzung kann auf Grund von üblichen Lader-und Motorkennwerten auch rechnerisch
festgelegt sein. Für den durch die der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken nicht
voreingenommenen Konstrukteur besteht kein verständlicher Grund für eine solche
außerordentliche Steigerung des Übersetzungsverhältnisses, wie sie durch die erfindungsgemäße
Regel vorgeschlagen wird. Denn offenbar erhält man bei Anwendung der Regel sehr
hohe, gegebenenfalls unzulässige Laderdrehzahlen, wenn die Abtriebswelle langsam
dreht, so daß der Motor blockiert wird oder der Lader überdreht. Um- dies zu verhindern,
müssen in der Tat Vorkehrungen getroffen werden. Die Mittel zur Vermeidung solcher
Überdrehzahlen sind eine rechtzeitige Entkupplung oder Abblasevorrichtungen für
den Lader.
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Wenn man sich indessen nicht an die erfindungsgemäße Regel hält und
die Übersetzung unter dem 4fachen der üblichen wählt, treten noch unangenehmere
eigenartige Erscheinungen auf. Der Lader arbeitet z. B. gut und gibt normale Drücke
in bestimmten niederen Lastzuständen, in andern, und zwar gerade in wichtigen Betriebslastzuständen,
will er dauernd zuviel Druck schaffen, und man muß dann, z. B. bei Verdrängltngsladern,
Akkumulierbehälter zwischen dem Lader und dem Motor anordnen und verwickelte Regeleinrichtungen
vorsehen zur Beschickung des Motors während des Verdichtungshubes im Moment der
Gleichheit zwischen Motorinnen-und Akkumulierbehälterdruck. Bei Schleuderladern
fängt der Lader in solchen Betriebszuständen an zu pumpen, die Luft heizt stark
auf, und unter Umständen geht er bei Betriebsdrehzahl und -last durch.
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Diese Erscheinungen sind verblüffend und paradox, denn beim üblichen
Laderantrieb ist es umgekehrt; ähnliche Verhältnisse könnten sich gegebenenfalls
bei zu hohem Übersetzungsverhältnis ergeben, aber nicht bei zu niedrigem.
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Die neue Regel bricht mit dieser fest eingewurzelten Anschauung. Sie
stellt eine Lösung des Problems dar, die unter Umständen gewisse Unannehmlichkeiten
bei geringen Abtriebsdrehzahlen in Kauf nimmt, um gesunde Verhältnisse bei den vorwiegenden
Betriebsverhältnissen zu schaffen.
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Je niedriger der Höchstladedruck des Motors sein soll, um so höher
muß die Übersetzung 111m /Ml gemacht werden. Es ist für Dieselmotoren im allgemeinen
nicht lohnend, über das iofache des üblichen hinauszugehen, weil man dann geringe
Höchstladedrücke erhält, für die es nicht der Mühe Wert ist, die Verteuerung durch
das Verteilungsgetriebe in Kauf zu nehmen. Für Vergasermotoren können gegebenenfalls
geringe Höchstladedrücke noch lohnend sein, und dann kann gegebenenfalls die zu
wählende Übersetzung M,JMl noch größer als das iofache der üblichen Drehzahlübersetzung
werden.
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Die Regel gemäß der Erfindung setzt grundsätzlich eine scharfe Grenze
noch unten, während diejenige nach oben mehr verwaschen ist. Als oberste Grenze
wird empfohlen, den Wert io nicht zu überschreiten, indessen fällt ein Überschreiten
dieses Wertes in den Grenzen der üblichen Benutzung von Verbrennungsmotoren in den
Bereich der Erfindung, da hierbei außer dem Nachteil einer zu geringen Aufladung
kein funktioneller Schaden eintritt, womit die durch
die Erfindung
angestrebte Verbesserung wenigstens grundsätzlich erreicht ist.
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Die neue Regel kann in jedem Anwendungsfall von vornherein festgelegt
oder nachträglich überprüft werden, ohne z. B. den Lader abzubauen, sei es auch
nur als Gedankenexperiment, um in unmittelbarem Antrieb mit einem Höchstladedruck
von 1,6 kg/cm2 zu ermitteln, welches seine dann notwendige Übersetzung wäre. Man
braucht nämlich nur eine bei stillstehendem Abtrieb und beliebiger sehr niedriger
Motordrehzahl sich ergebende Laderdrehzahl zu ermitteln, wobei die rechnerische
Feststellung wieder genügt, und dieselbe Laderdrehzahl bei drehendem Abtrieb und
bei einem Höchstladedruck von 1,6 kg/cm2 rechnerisch oder wirklich einzustellen.
Ist die bei der letzten Einstellung ermittelte Motordrehzahl q.- bis iomal so hoch
wie die beliebige sehr niedrige Motordrehzahl, von der ausgegangen wurde, so ist
die neue Regel erfüllt. Bei Berechnung dieser Verhältnisse geht man dabei von den
üblichen Liefergraden von Motor und Lader aus sowie zwecks Bestimmung der Laderaustrittstemperatur
von den üblichen Laderwirkungsgraden des betreffenden Ladertyps. Man legt ferner
einen Außendruck von i kg/cm2 zugrunde, so daß die Zahlenwerte der absoluten Drücke
gleich deren Verhältnissen zum Atmosphärendruck werden.
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Durch die Einführung der Erfindungsregel sind weitere Verbesserungen
an Antrieben der behandelten Art möglich, die nachfolgend angegeben werden.
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Man kann solchen Laderantrieben eine Gasturbine hinzufügen in der
Weise, daß die Turbine die zu den Fahrzeugrädern führende Abtriebswelle antreibt
und von der Laderluft mit beaufschlagt wird. In Verbindung mit der Erfindung hat
diese Ausführung besondere Bedeutung.
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Erfindungsgemäß wird in die zur Turbine abgezweigte Laderluft in an
sich bekannter Weise Brennstoff eingespritzt und angezündet, so daß die Gasmenge
zur Turbine und das Turbinenabtriebsmoment erhöht werden.
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In der Abbildung ist diese Verbesserung erläutert. Eine Gasturbine
2i treibt über ein Untersetzungsgetriebe 22 die Abtriebswelle 5 zusätzlich an. Sie
wird außer von den Motorabgasen, die über eine Leitung 16 in sie einströmen, von
überschüssiger Laderluft über eine Leitung z7, 2o beaufschlagt. Erfindungsgemäß
ist zwischen dem vom Lader kommenden Leitungsstück 2o und dem zur Turbine führenden
Leitungsstück 17 eine Brennkammer 18 mit einer Einspritzdüse i9 und einer Zündvorrichtung
23 angeordnet. In der Brennkammer 18 wird die Laderluft in an sich bekannter Weise
teilweise verbrannt und ihr Volumen so vergrößert.
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Die Geräte ii, i8 und 21 bilden so in ihrer Gesamtheit eine Verbrennungsturbine,
die erfindungsgemäß in der beschriebenen Art mit dem Motor und Abtrieb durch ein
Verteilungsgetriebe q., über motorsaugrohrseitige und motorabgasseitige Abzweigeleitungen
13, 16 sowiedurch einUntersetzungsgetriebea2verbunden ist.
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Eine weitere mit der Einführung der erfindungsgemäßen Regel verbundene
Verbesserung betrifft eine Drosselvorrichtung als zusätzliches Organ bei Laderantrieben
der behandelten Art. Eine solche Drosselvorrichtung ist z. B. an der Luftleitung
zwischen Lader und Motor vorgesehen, um den Luftüberschuß des Laders abblasen zu
lassen, der bei Anwendung der erfindungsgemäßen Regel unter gewissen Betriebsbedingungen
entsteht.
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Es ist zweckmäßig, eine solche Drosselvorrichtung in abtriebsdrehzahlabhängiger
Weise durch eine Zahnradpumpe zu steuern, die von der Abtriebswelle hinter dem Verzweigungsgetriebe
angetrieben wird. Es ist ferner notwendig, diese Steuerung in bestimmten Betriebszuständen
willkürlich aufzuheben, z. B. durch Entlastung des Flüssigkeitsdrucks der Zahnradpumpe.
Erfindungsgemäß erfolgt diese Aufhebung der automatischen Steuerung automatisch,
indem der dazu notwendige Eingriff, z. B. die Entlastung des Flüssigkeitsdrucks,
mit einem andern Bedienungsvorgang zwangläufig verknüpft wird, z. B. mit der Leerlaufstellung
des Gaspedals in selbsttätiger Weise verbunden wird.
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In der Abbildung ist diese Neuerung erläutert. 24 ist die Drosselvorrichtung,
die über eine Flüssigkeitsdruckleitung 25 von der Zahnradpumpe 26 gesteuert wird,
z. B. mittels eines in die Drosselvorrichtung 2q. eingebauten, nicht gezeichneten
Steuerkolbens. Erfindungsgemäß kann der Druck in der Leitung 25 automatisch entlastet
werden, dadurch, daß die Betätigung des Entlastungsvorgangs, z. B. die Öffnung eines
Entlastungsventils, mit einem andern Steuervorgang selbsttätig verknüpft ist, z.
B. mit der Bewegung des Gaspedals in der Weise, daß bei Leerlaufstellung des Gaspedals
der Flüssigkeitsdruck automatisch entlastet ist. In der entlasteten Stellung ist
dann die Drosselvorrichtung offen, so daß der Lader überschüssig vorhandene Luft
ohne Gegendruck abblasen kann bzw. bei andern Betriebsdrehzahlen der Motor durch
die offene Drosselvorrichtung aus der freien Atmosphäre ansaugen kann.
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Eine andere mit der Einführung der Regel der Erfindung verbundene
Neuerung betrifft den Antrieb zusätzlicher Hilfsgeräte, bei denen es vorteilhaft
ist, wenn sie bei hoher Motorbelastung und vorzugsweise auch bei niedriger Motordrehzahl
bereits eine hohe Wirksamkeit haben. Solche Hilfsgeräte sind z. B. die Schmierstoffpumpe,
der Ventilator, die Wasserpumpe, die Lichtmaschine, ein Schleuderfilter für den
Schmierstoff und andere, d. h. sehr viele Hilfsgeräte. Erfindungsgemäß werden diese
Hilfsgeräte zusätzlich zu dem Lader von der zur Laderabzweigung führenden Welle
des Verteilungsgetriebes oder von der Laderantriebswelle selbst angetrieben,wobei
durch Zwischenschaltung von Über- oder Untersetzungsgetrieben dafür zu sorgen ist,
daß die Drehzahl des Hilfsgeräts im gewünschten Verhältnis zur Laderdrehzahl steht.