EP0032144B1

EP0032144B1 - Lader für brennkraftmaschinen

Info

Publication number: EP0032144B1
Application number: EP80901266A
Authority: EP
Inventors: Willibald Hiemer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-07-17
Filing date: 1981-02-09
Publication date: 1983-08-24
Also published as: DE2928829C2; DE2928829A1; EP0032144A1; WO1981000278A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Lader für mehrzylindrige Viertakt-Brennkraftmaschinen, der für die Verbrennung erforderliche Luft vorverdichtet und dem Zylindereinlaß eines Zylinders zur weiteren Verdichtung zuführt, mit einem in einer zylindrischen Bohrung eines Gehäuses exzentrisch rotierenden Drehkolben mit radial beweglicher Abdichtung zwischen einem Saugraum und einem Druckraum.
Ein bekannter Lader dieser Art (DE-C-473 434) dient als Hilfsspülpumpe eines einzylindrigen Zweitaktmotors. Die radiale Abdichtung ist dabei von einer um einen Drehpunkt außerhalb des Drehkolbens schwingenden Steuerklappe gebildet. Zur seitlichen Abdichtung ist der Druckschrift nichts zu entnehmen.
Es ist bereits ein Lader für mehrzylindrige Brennkraftmaschinen mit einem um eine ortsfeste Achse rotierenden Drehkolben bekannt, der in radialen Schlitzen radial verschiebliche Lamellen, Flügel o. dgl. aufweist, die in allen Betriebszuständen an der exzentrisch zum Drehkolben angeordneten zylindrischen Innenwand eines Gehäuses abdichtend anliegen und so die zwischen dieser zylindrischen Innenwand und dem Kolbenumfang des Drehkolbens gebildeten Saug- und Druckraum voneinander trennen. Der eine Drehkolben kann die Brennräume der verschiedenen Zylinder nicht ohne weiteres mit Ladeluft gleichen Druckes versorgen, und die Abdichtung ist konstruktiv aufwendig (CH-A-132692).
Es ist ferner bekannt, bei Drehkolbenmaschinen eine Abdichtung am Umfang der Drehkolben mittels radial gegen Federkraft in einem Gehäuse beweglich geführten Schiebern zu bewirken (US-A-35 95 210).
Bekannt ist auch eine Kraft- bzw. Dampfmaschine mit einem in einer zylindrischen Bohrung eines Gehäuses rotierenden Läufer, der zwei exzentrisch zueinander angeordnete Drehkolben umfaßt, von denen jeder an beiden Enden seiner axialen Längserstreckung durch Dichtscheiben am Läufer gegenüber der zylindrischen Bohrung abgedichtet ist und die radial bewegliche Abdichtung jedes Drehkolbens von einem Schieber gebildet ist, der durch einen Dichtschlitz in einer außerhalb des zylindrischen Gehäuses angeordneten Schieberführung geführt und abgedichtet ist (DE-C-125165).
Weiterhin ist bekannt, jedem Motorzylinder einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine einen eigenen Verdichter zuzuordnen (GB-A-408 389).
Schließlich ist bei einem Lader der Flügelzellen-Bauart für alle Zylinder ein gemeinsamer Rotor bekannt, der in einer drehbaren Hülse rotiert, welche über am Umfang und axial versetzte Öffnungen jeweils einen von mehreren Zylindern mit komprimierter Luft versorgt (GB-A-403425).
Die oben erwähnten Lader haben sich in der Praxis nicht durchsetzen können.
Deshalb werden zur Erhöhung des Druckes in der zur Verbrennung erforderlichen Ansaugluft von Brennkraftmaschinen heute weithin Turbolader angewendet.
Turbolader laufen mit sehr hohen Drehzahlen.
Wegen der Anordnung des Turbinenrades im Abgasstrom wärmt sich das Turbinengehäuse sehr stark auf. Es sind besondere Maßnahmen erforderlich, um die Ladung jeweils zu einem zweckmäßigen Zeitpunkt während des Kolbenspieles in den Zylinder einzubringen. Bei kleinen Drehzahlen und beim Start der Brennkraftmaschine läßt sich keine nennenswerte Verdichtung erzielen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lader der eingangs genannten Art zu schaffen, der einfach im Aufbau ist, für die Anwendung bei mehrzylindrigen Kraftmaschinen besonders geeignet ist und die Nachteile der üblichen Turbolader vermeidet.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Lader der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art vorgesehen, daß jedem Zylinder ein Drehkolben zugeordnet ist, daß jeder Drehkolben Bestandteil eines gemeinsamen, konzentrisch in der zylindrischen Bohrung des Gehäuses rotierenden Läufers ist, daß jeder Drehkolben an den beiden Enden seiner axialen Längserstreckung durch Dichtscheiben am Läufer gegenüber der zylindrischen Bohrung abgedichtet ist, daß die radial bewegliche Abdichtung jedes Drehkolbens von einem Schieber gebildet ist, der durch einen Dichtschlitz in einer außerhalb des Gehäuses angeordneten, allen Drehkolben gemeinsamen Zwischenplatte hindurch geführt und abgedichtet ist, und daß der Läufer mit halber Kurbelwellendrehzahl angetrieben ist.
Der Antrieb mit halber Kurbelwellendrehzahl erfolgt vorzugsweise von der Nockenwelle aus.
Bei einer vorteilhaften konstruktiven Weiterbildung des Laders nach der Erfindung ist vorgesehen, daß der Läufer sich parallel zu der Zylinderreihe erstreckt und daß der exzentrische Teil jedes Drehkolbens eine gegenüber dem Zylinderabstand in der Zylinderreihe um die Stärke der Dichtscheibe verringerte axiale Länge hat.
Zweckmäßig ist der Schieber in bekannter Weise (DE-C-125165) durch die Kraft einer Feder gegen den Drehkolben gedrückt, wobei jede Feder erfindungsgemäß in je einem jedem Drehkolben zugeordneten Federtopf aufgenommen ist.
Vorzugsweise ist der Schieber in einem Schiebergehäuse an Wälzlagern verschieblich geführt, um die Reibungsverluste klein zu halten.
Jede Dichtscheibe wirkt mit ihrem Umfang vorzugsweise über eine übliche Labyrinthdichtung berührungsfrei mit der Wand der Bohrung zusammen, um die Abdichtung zum benachbarten Drehkolben zu schaffen. Die Labyrinthdichtung reicht hinsichtlich der Dichtfunktion voll aus und arbeitet im Gegensatz zu einem gleitenden Dichtring praktisch verschleiß- und reibungsfrei.
Die Dichtung jedes Drehkolbens gegenüber der zylindrischen Bohrung des Gehäuses und dem Schieber erfolgt beispielsweise durch Dichtleisten, wie sie an sich bei Drehkolbenmaschinen bekannt sind (US-A-35 95 210). Die Dichtung jedes Drehkolbens gegenüber der zylindrischen Bohrung des Gehäuses und dem Schieber kann aber auch durch mindestens teilweise Beschichtung mit einem Gleitwerkstoff jeweils in einer der im Dichtkontakt stehenden Oberfläche erfolgen.
Allgemein ist die Abdichtung vergleichsweise unproblematisch, weil die abzudichtenden Drücke im Vergleich zu den bei der Kompression der Hubkolben der Brennkraftmaschine erzeugten Drücken niedrig sind (in der Größenordnung bis zu 3 bar). Ein kleiner Druckausgleich über die Dichtungen kann hingenommen werden, weshalb auch die beschriebenen Dichtungsausführungen als Labyrinthdichtung und/oder durch Beschichten an den Dichtstellen mit Gleitwerkstoff praktikabel ist.
Die Abmessungen des Druckraumes zwischen dem oder jedem Drehkolben und der Wand der Bohrung wird vorteilhaft so gewählt, daß sich etwa ein dem gewünschten Verhältnis aus Ladedruck zu Atmosphärendruck (z. B. 2 : 1) entsprechendes Volumenverhältnis aus Druckraum-Volumen zum Hubvolumen eines Hubkolbens der Brennkraftmaschine ergibt.
Vorteilhaft wird der Lader nach der Erfindung in Verbindung mit einer den Brennstoff direkt oder indirekt einspritzenden Einspritzanlage verwendet, um minimalen Verbrauch und minimale Schadstoffmengen in den Abgasen zu erzielen.
Wegen der mit dem Lader nach der Erfindung erheblich vollständigeren Verbrennung erübrigen sich aufgrund der verschärften gesetzlichen Bestimmungen heute oft notwendige Anlagen zur Reinigung bzw. Nachverbrennung der Abgase.
Gegenüber dem erwähnten bekannten Lader mit Drehkolben hat der Lader nach der Erfindung vor allem den Vorteil, daß er hinsichtlich Aufbau, Montage und Auswechselbarkeit der Schieber konstruktiv erheblich einfacher ist und vor allem ohne erheblichen Mehraufwand für mehrzylindrige Brennkraftmaschinen brauchbar ist.
Der Lader nach der Erfindung hat gegenüber den heute üblichen Turboladern folgende Vorteile :

- Wirksames Verdichten auch bei niedrigen Drehzahlen und in der Startphase der Brennkraftmaschine.
- Zeitliche Abstimmung des Laders auf den Gaswechsel des Zylinders ohne zusätzliche Maßnahmen allein durch Wahl der Richtung der Exzentrizität.
- Mit niedriger Drehzahl drehender Läufer einer wesentlich einfacheren Konstruktion als eine hochdrehende Turbine.
- Keine Wärmeprobleme, da der Lader nicht durch den Abgasstrom angetrieben wird sondern sein Antrieb vorzugsweise unmittelbar von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine abgeleitet wird.
- Unterbringung des Laders dort, wo sonst der übliche Ansaugkrümmer vorgesehen ist, mit nur unwesentlich erhöhtem Platzaufwand.
- Niedrige Schadstoffanteile in den Abgasen bei allen Drehzahlen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen :

Figur 1 einen Querschnitt durch eine Brennkraftmaschine mit vier in Reihe angeordneten Zylindern mit angebautem Lader gemäß der Erfindung ;
Figur 2 eine perspektivische Ansicht des Laders ;
Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines Läufers des Laders nach Fig. 2 ;
Figur 4 einen Schnitt durch den Lader wie in Fig. 1, wo bei 1 weitere Einzelheiten sichtbar werden, ein in Fig. 1 gezeichneter Luftfilter jedoch weggelassen ist ;
Figur 5 einen Schnitt nach der Linie V-V in Fig. 4 ;
Figuren 6-9 in einer vereinfachten Darstellung wie in Fig. 4 unterschiedliche Drehstellungen des Läufers ;
Figuren 10-12 Schnittdarstellungen nach den Linien X-X, XI-XI und XII-XII in Fig. 10 und 12 durch ein abgewandeltes Schiebergehäuse mit Wälzlagerführung des Schiebers.

In Fig. 1 ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 eine Brennkraftmaschine bezeichnet, die einen Zylinder 2, einen Zylinderkopf 3 mit Zylindereinlass 4 und Einlassventil 5, Brennraum 6, Kolben 7, Pleuel 8 und Kurbelwelle 9 aufweist. Bei der dargestellten Brennkraftmaschine handelt es sich um einen Vierzylinder-Reihen-Motor, der im Viertaktverfahren arbeitet.
Seitlich vom Zylinderblock ist ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichneter Lader angeordnet. Dieser Lader umfaßt ein horizontales Gehäuse 11 mit einer zylindrischen Innenbohrung 12, in der ein zylindrischer Läufer 13 mit der Zylinderanzahl entsprechender Anzahl von vier Drehkolben 14 in Reihenanordnung drehbar ist. Der Läufer 14 ist an seinen beiden Enden über Wellenzapfen 15 in Lagern 16 gelagert und über ein Ritzel 17 von der Kurbelwelle 9 oder der Nockenwelle aus vorzugsweise über einen Kunststoff-Zahnriemen mit halber Kurbelwellendrehzahl antreibbar (Fig. 2, 3).
Die einzelnen Drehkolben 14 haben gleiche Exzentrizität e bezüglich der Achse 18 des Läufers 13, wobei ihre Exzentrizität e jedoch um 90° zum nächstfolgenden Drehkolben 14 versetzt ist.
Jeder Drehkolben ist durch einen Schieber 19 mit an seinem freien Ende angeordneter, axial über die Länge des Drehkolbens verlaufender-Dichtleiste 20 im Bereich zwischen einem Gaseinlass 21 und einem Gasauslass 22 des Gehäuses 11 sowie durch eine axiale Dichtstelle z. B. Dichtleiste 25 am Umfang des Drehkolbens an der Stelle größter Exzentrizität in einen Saugraum 23 und einen Druckraum 24 unterteilt.
Wie am besten aus Fig. 4 und 5 ersichtlich ist, sind sämtliche Schieber mit Spiel durch die Wand des Gehäuses 11 geführt und in einem gemeinsamen Schlebergehäuse 26 aufgenommen, das au-Berhalb des Gehäuses 11 eine durchgehende Zwischenplatte 27 aufweist. In dieser Zwischenplatte 27 sind Schlitze vorgesehen, die mit Dichtungen 28 ausgekleidet sind. In diesen Dichtungen 28 sind die Schieber abgedichtet in Richtung radial zur Achse 18 der Bohrung 12 geführt und jeweils durch eine Feder 29 angedrückt, die sich mit Ihrem einen Ende an einer schieberfesten Platte 30 und mit ihrem anderen Ende am Boden eines Federtopfes 31 abstützt. Dieser Federtopf 31 weist ferner eine Führungshülse 32 zur Gleitführung eines am Schieber 19 festen Führungszapfens 33 auf.
Die Abdichtung der einzelnen Drehkolben 14 In Umfangsrichtung gegeneinander besorgen Dichtscheiben 34, die an ihrem Umfang je über eine berührungsfrel arbeitende, übliche Labyrlnthdlchtung 35 mit der innenbohrung 12 abdichtend zusammenwirken.
Alternativ kann auch eine Teflonbeschichtung der Umfänge der Dichtscheiben bzw. des Inneren, mit dem Umfang des betreffenden Drehkolbens 14 zusammenwirkenden Schiebers 19 vorgesehen sein.
Alternativ kann ferner jeder Schieber 19 anstatt mittels einer Feder mit hydraulischer oder pneumatisch erzugter Druckkraft an den Umfang jedes Drehkolbens 14 angepreßt sein.
In Fig. 1 ist an den Saugeinlaß 21 über einen Stutzen 36 angeschlossen ein Luftfilter 37 dargestellt. Ferner ist bei 38 ein Verbindungsstutzen dargestellt, der den Druckauslaß 22 des Laders mit dem Zyllndereinlaß 4 verbindet.
Im folgenden wird nun anhand der Fig. 6 bis 9 die Arbeitsweise des Laders abgestimmt auf die vier Takte der dargestellten Vier-Zylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine erläutert.
Gegen Ende des Kompressionshubes und zu Beginn des Arbeitshubes des Kolbens 7 steht der zugehörige Drehkolben 14 des Laders 10 etwa in der Drehlage gemäß Fig. 6. Dabei wird über den Saugeinlaß 6 Luft in den Saugraum 23 eingesaugt. Mit fortschreitender Drehung in Pfeilrichtung des Drehkolbens überstreicht dieser mit der Umfangsstelle der größten Exzentrizität bei 25 den Saugeinlaß. Die Ansaugphase ist dann abgeschlossen und es beginnt die Kompressionsphase, wobei der Drehkolben mit fortschreitender Drehung die Luft bei geschlossenem Einlaßventil gegen den Schieber 19 verdichtet (Fig. 7). Während dieser Verdichtungsphase erfolgen der Arbeits- und der Auspuffhub des Kolbens 7 bei weiterhin geschlossenem Einlaßventil 5. Etwa in der Position des Drehkolbens 14 gemäß Fig. 9 öffnet das Einlaßventil. Die verdichtete Luft wird dann aufgrund ihres Oberdrucks und durch die weitere Drehbewegung des Drehkolbens 14 in den Brennraum 6 des Zylinders 2 eingeschoben.
Selbstverständlich kann der Lader nach der Erfindung auch bei einer im Zweitakt-Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Sein Läufer müßte dann allerdings mit gleicher Drehzahl umlaufen wie die zugehörige Kurbelwelle.
Die Figuren 10 bis 12 zeigen eine Alternative für die Schieberführung. Demzufolge sind in diesen Figuren nicht das Gehäuse 11 mit Läufer 13 sondern nur anstelle des Federkopfes 31 ein am Gehäuse 11 zu befestigendes Schiebergehäuse 40 mit den darin untergebrachten Bautellen dargestellt. Dabei sind funktionsgleich Bauteile mit gleichen Bezugszeichen wie bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 bis 9 bezeichnet.
Ein Schieber 19 ist in einem Schlitz 41 im Schiebergehäuse 40 in Richtung des Doppelpfeiles F (Fig. 12) beweglich geführt, und zwar an Insgesamt acht Kugellagern 42 bis 45 auf der der einen Schieberseite und 46 bis 49 auf der anderen Schieberseite. Sämtliche Kugellager sind In Ausnehmungen des Schiebergehäuses 40 untergebracht, von denen eine in Fig. 10 und 12 mit 51 bezeichnet ist, und auf Stiften 52 gehaltert, die in Bohrungen (nicht bezeichnet) des Schiebergehäuses 40 eingedrückt sind. Die Kugellager haben Wälzkontakt mit den Schleberseiten, z. B. das Kugellager 43 bei 53 (Fig. 10) oder das Kugellager 45 bei 55 (Fig. 11). Der Schlitz 41 ist in seiner Mitte der Länge nach von einer zylindrischen Ausnehmung 56 durchsetzt, die eine Schraubendruckfeder 57 aufnimmt. Mit ihrem oberen Ende ist die Schraubendruckfeder von einer Deckwand 58 des Schiebergehäuses 40 und mit ihrem unteren Ende an einem Federteller 59 abgestützt, der in einer rechteckigen Aussparung 60 des Schiebers 19 sitzt.
Wie bei der Ausführung nach Fig. 1 bis 9 durchsetzt der Schieber 19 mit seinem aus dem Schiebergehäuse 49 herausragenden Dichtende einen Dichtschlitz in einer Zwischenplatte 27 des Gehäuses und dichtet den zugehörigen exzentrischen Teil des betreffenden Drehkolbens in gleicher Weise ab wie anhand der Fig. 1 bis 9 beschrieben. Im übrigen sind Aufbau und Funktion gleich wie bei der Ausführung nach den Fig. 1 bis 9.

Claims

1. Lader für mehrzylindrige Viertakt-Brennkraftmaschinen, der für die Verbrennung erforderliche Luft vorverdichtet und dem Zylindereinlaß eines Zylinders zur weiteren Verdichtung zuführt, mit einem in einer zylindrischen Bohrung eines Gehäuses exzentrisch rotierenden Drehkolben mit radial beweglicher Abdichtung zwischen einem Saugraum und einem Druckraum, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Zylinder ein Drehkolben (14) zugeordnet ist, daß jeder Drehkolben (14) Bestandteil eines gemeinsamen, konzentrisch in der zylindrischen Bohrung (12) des Gehäuses (11) rotierenden Läufers (13) ist, daß jeder Drehkolben (14) an den beiden Enden seiner axialen Längserstreckung durch Dichtscheiben (34) am Läufer (13) gegenüber der zylindrischen Bohrung (12) abgedichtet ist, daß die radial bewegliche Abdichtung jedes Drehkolbens (14) von einem Schieber (19) gebildet ist, der durch einen Dichtschlitz (bei 28) in einer außerhalb des Gehäuses (11) angeordneten, allen Drehkolben gemeinsamen Zwischenplatte (27) hindurch geführt und abgedichtet ist, und daß der Läufer (13) mit halber Kurbelwellendrehzahl angetrieben ist.

2. Lader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (13) sich parallel zu der Zylinderreihe erstreckt und daß der exzentrische Teil jedes Drehkolbens (14) eine gegenüber dem Zylinderabstand in der Zylinderreihe um die Stärke der Dichtscheibe verringerte axiale Länge hat.

3. Lader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (19) durch die Kraft einer Feder (29), welche in je einem jedem Drehkolben (14) zugeordneten Federtopf (31) aufgenommen ist, gegen den Drehkolben (14) gedrückt ist.

4. Lader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (19) in einem Schiebergehäuse (40) an Wälzlagern (42-49) verschiebbar geführt ist.

5. Lader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Dichtscheibe (34) mit ihrem Umfang über eine Labyrinthdichtung (35) berührungsfrei mit der Wand der Bohrung (12) zusammenwirkt.

6. Lader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung jedes Drehkolbens (14) gegenüber dem Schieber (19) durch eine Dichtleiste (20) erfolgt.

7. Lader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung jedes Drehkolbens (14) gegenüber der zylindrischen Bohrung (12) des Gehäuses (11) und dem Schieber (19) durch mindestens teilweise Beschichtung mit einem Gleitwerkstoff jeweils einer der im Dichtkontakt stehenden Oberflächen erfolgt.