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Viertaktbrennkraftmaschine mit einem zur Förderung der Spül- und Aufladeluft
dienenden, von einer Abgasturbine angetriebenen Verdichter Bei Viertaktbrennkraftmaschinen,bei
denen ein Verdichter für die Spül- und Ladeluft vorgesehen ist, wird vorteilhaft
die Wärme-und Geschwindigkeitsenergie der Abgase dazu ausgenutzt, mittels einer
Abgasturbine den Verdichter anzutreiben. Diesem Vorteil der Ausnutzung der Abgase
steht der Nachteil gegenüber, daß bei niedrigeren Drehzahlen der Maschine ihr Drehmoment
stark abfällt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Beaufsehlagung der Turbine
für alle Drehzahlen der Maschine die gleiche bleibt und daher bei Abnehmen der -Drehzahl
der Maschine und demgemäß verkleinertem Abgasvolumen die Drehzahl der Abgasturbine
stark sinkt. Die Leistung der Turbine wird dadurch so verringert, daB eine wirksame
Aufladung unmöglich gemacht ist. Insbesöndere macht sich dieser Übelstand im Fahrzeugbetrieb
bemerkbar, bei dem die Drehzahl der Maschine großen Schwankungen unterworfen ist
und insbesondere im unteren Drehzahlbereich ein möglichst großes Drehmoment erwünscht
ist.
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Es ist bereits vorgeschlagen, bei Brennkraftmaschinen, bei denen zur
Förderung der Spül= und Ladeluft ein Verdichter dient, der von einer Abgasturbine
angetrieben wird, nach Herstellung der Verbindung der Verdichterwelle mit der Maschinenwelle
durch eine selbsttätige Kupplung den Verdichter unter Zwischenschaltung eines Übersetzungsgetriebes
ebenfalls mechanisch von der Maschine anzutreiben. Die selbsttätige Kupplung besteht
bei dieser bekannten Anordnung aus
einer Freilaufvorrichtung, mittels
welcher der Verdichter nur im Bereich der kleinen Belastungen und des Leerlaufs,
jedoch bei allen Motordrehzahlen noch zusätzlich von der Maschine angetrieben wird.
Da ein zusätzlicher Antrieb durch diese Freilaufvorrichtung bei Vollast nie eintritt,
kann auch keine Verbesserung des maximalen Drehmoments in irgendeinem Drehzahlbereich
erreicht werden.
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Nach der Erfindung soll dieser Nachteil dadurch beseitigt «-erden,
daß die selbsttätige Kupplung derart ausgebildet ist, daß sie bis zu mittleren Drehzahlen
der Maschine eine Verbindung der Verdichterwelle mit der Maschinenwelle herstellt,
sofern sie nicht durch eine zusätzliche Ausrückv orrichtung daran gehindert wird,
und bei Übergang zu einer höheren Drehzahl die gegebenenfalls vorhandene Verbindung
löst und - gleichgültig, wie die Maschine belastet ist - in dein höheren Drehzahlbereich
eine Verbindung der beiden Wellen verhindert. Auch bei niedrigeren Drehzahlen ist
dann gesichert, daß der erforderliche Druck der Ladeluft erreicht wird, und zwar
unter Ausnutzung der Abgase für den Antrieb des Verdichters. Das selbsttätige Ausrücken
der Kupplung bei Erreichen der mittleren Drehzahl der Maschine kann durch einen
Kolben, der einem mit der Maschinendrehzahl steigenden Flüssigkeitsdruck ausgesetzt
ist, oder durch Fliehgewichte erfolgen, welche der auf Einrücken der Kupplung wirkenden
Kupplungsfeder entgegenwirken.
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Da der Antrieb des Verdichters von der Welle der Maschine aus beim
Betrieb der Brennkraftmaschine mit geringerer Belastung zur Folge hat, daß der thermische
Wirkungsgrad der Anlage sinkt, anderseits die Turbine allein genügend Spül- und
Aufladeleistung aufbringt, wird vorteilhaft eine auf die Kupplung wirkende zusätzliche
Ausrückvorrichtung vorgesehen, die mit dem Füllungshebel für die Brennstoffpumpe
in einer derartigen Verbindung steht, daß die Kupplung bei geringerer Belastung
im unteren Drehzahlbereich ausgerückt ist und erst bei Überführung des Füllungshebels
nach der Vollfüllstellung hin gestattet, daß sich die Kupplung bei unter der mittleren
Drehzahl der Xlaschine liegender Drehzahl einschaltet. Die zusätzliche Ausrückvorrichtung
kann aus einer Feder bestehen, die der Kupplungsfeder entgegenwirkt. Bei Überführung
des Füllungshebels nach der Vollfüllstellung hin wirkt eine weitere Feder im Sinne
der Kupplungsfeder, so daß diese überwiegt.
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Um dabei eine Beeinflussung der zusätzlichen Ausrückvorrichtung während
des Stellbereichs des Füllungshebels beim Betrieb mit geringerer Belastung zu vermeiden,
ist der Füllungshebel mit dem die zusätzliche Ausrückvorrichtung beeinflussenden
Gestänge unter Einschaltung eines Leerlaufs verbunden.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung ist aus den in
Fig. i der Zeichnung dargestellten Kurven ersichtlich. Die ausgezogenen Kurven.4
und B zeigen den Verlauf von Laderdrehzahl und Aufladedruck in Abhängigkeit von
der Motordrehzahl für reinen Abgasturbinenantrieb. Die Brennstofffüllung sei dabei
für jede Drehzahl die größtmögliche. Die höchste Motordrehzahl betrage Nrrt
= 2000 U/min; bei dieser Drehzahl erreiche der Lader mit Abgasturbinenantrieb
seine zulässige Höchstdrehzahl von ;z"1 = 3000o U/min. Verringert sieh die Motordrehzahl
auf N = looo U/min, so sinkt die Laderdrehzahl auf etwa 11, = 12 500
U/inin und entsprechend der Aufladedruck auf etwas unter die Hälfte seines Größtweites.
Die dabei abnehmende Luftfüllung der Maschinenzylinder gestattet für jeden Arbeitshub
nur die Verbrennung eines Teils derjenigen Brennstoffmenge, welche bei den höheren
Aufladedrücken der oberen Drehzahlen rauchlos verbrannt werden kann. Um eine wirksame
Aufladung auch im unteren Drehzahl- ! Bereich zu erzielen, sollte der Aufladedruck
auf seinen Größtwert gesteigert werden, was mit einer entsprechenden Erhöhung der
Laderdrehzahl zu erzielen ist. Dies bewerkstelligt erfindungsgemäß die Fliehkraftkupp-
`-hing, die den Verdichter unter 7wischenschaltung eines Übersetzungsgetriebes mit
der Motorwelle kuppelt. Der Verlauf von Laderdrehzahl und Aufladedruck entspricht
in diesem Fall den Kurven C lind D. Sinkt die Motordrehzahl unter N = iooo U/min,
so vermindert sich die Laderdrehzahl entsprechend. Der Aufladedruck bleibt aber
immer noch wesentlich höher als bei reinem Abgasturbinenantrieb des Verdichters,
so daß im unteren Drehzahlbereich die angestrebte Vergrößerung des größtmöglichen
Motordrehmoments erreicht wird.
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Bei der bekannten Anwendung einer Freilaufkupplung läßt sich diese
Wirkung nicht erzielen. Bei einer Viertaktbrennkraftmaschine mit durch Abgasturbine
angetriebenem Aufladegebläse verlaufen nämlich bei einer bestimmten Belastung, also
auch bei Vollast, die Drehzahlen des Motors und der Gebläsegruppe, wie aus Fig.
i ersichtlich, ungefähr verhältnisgleich. Durch eine bestimmte Übersetzung mit Leerlaufkupplung
zum zusätzlichen Antrieb der Gebläsegruppe vom Motor aus kann allgemein also nur
erreicht werden, daß die Gebläsegruppe unterhalb einer bestimmten Teillast, aber
bei allen
Motordrehzahlen zusätzlich angetrieben wird und über dieser
Teillast bis Vollast freiläuft. Die gestrichelte Kurve E stellt den Verlauf der
Laderdrehzahl bei Antrieb über die Freilaufkupplung unter einem bestimmten Übersetzungsverhältnis
dar, wobei die gestrichelte Kurve F den zugehörigen Aufladedruck wiedergibt. Bei
Verwendung dieses zusätzlichen Antriebs mit einer Freilaufkupplung können also Drehzahlverhältnisse,
die einem Punkt unterhalb der Geraden E entsprechen, nicht auftreten. Ist die Abgasenergie
so groß, daß über die Leerlaufkupplung kein zusätzlicher Antrieb erfolgt und die
Ladergruppe rascher läuft, so entsprechen diese Verhältnisse einem Punkt über der
gestrichelten Geraden E, welcher aber nie über der Kurve A liegen kann.
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Mit diesen Mitteln ist somit eine Erhöhung der Laderdrehzahl über
die Drehzahl der bei Vollast freilaufenden Gebläsegruppe hinaus nicht möglich. Würde
nämlich unter Verwendung einer Freilaufkupplung durch entsprechende Übersetzung
schon bei niedrigen Motordrehzahlen durch hohe Laderdrehzahl ein entsprechend hoher
Ladedruck erreicht, so würde bei größtmöglicher Motordrehzahl die zulässige Höchstdrehzahl
der Aufladegruppe weit überschreiten. Ein freier Lauf der Gebläsegruppe käme bei
einer solchen Übersetzung des zusätzlichen Antriebes überhaupt nicht mehr zustande,
so daß die Freilaufkupplung fortgelassen werden könnte.
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In den Fig.2 bis 4 der Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen der
Brennkraftmaschine nach der Erfindung dargestellt.
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Fig. 2 zeigt die Seitenansicht der mit einer Ausführungsforen des
Verdichterantriebs ausgerüsteten Maschine.
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Fig.3 und 4 zeigen Abänderungsformen des Antriebs.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist die Viertaktbrennkraftmaschine
i mit einem Verdichter 2 für die Spül- und Ladeluft versehen, der durch eine Abgasturbine
3 angetrieben wird. Die Abgase werden durch die Leitungen 4 und 5 der Abgasturbine
3 zugeführt, und die verdichtete Luft gelangt durch die Leitung 6 aus dem Verdichter
2 in die Maschine i.
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Zwischen der Welle 7 des Verdichters 2 -und der Welle 8 der Brennkraftmaschine
i ist nun eine Plattenkupplung eingeschaltet, die aus den Platten 9 und io besteht.
Die Platte 9 sitzt auf der Welle 7, während die Platte io längsverschiebbar auf
einem Vierkant ii der Welle 8 angeordnet ist und durch eine Feder 1a gegen die Platte
9 gedrückt wird, die sich gegen eine Scheibe 13 abstützt. An der Scheibe 13 sind
Fliehgewichte 14 angelenkt, die durch Federn 15 zusammengehalten werden. An Armen
dieser Fliehgewichte sind Rollen 16 vorgesehen, die mit an der Platte io angebrachtenAnschlägen
17 so zusammenwirken, daß bei einer bestimmten Umlaufgeschwindigkeit der Welle 8
die Kupplung 9, io ausgerückt wird.
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In die Welle 8 ist vor der Kupplung noch ein Übersetzungsgetriebe
18 eingeschaltet, durch das das richtige Verhältnis zwischen der Drehzahl der Maschine
i und dem Verdichter 2 hergestellt wird.
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Die Federn 12 und 15 sind so bemessen, daß die entgegenwirkende Fliehkraft
der Gewichte 14 bei der mittleren Drehzahl der Brennkraftmaschine die Kraft der
Federn überwiegt, also die Kupplung 9, 1o ausgerückt ist. Bei der mittleren
Drehzahl und den höheren Drehzahlen wird daher der Verdichter 2 lediglich durch
die Abgasturbine 3 angetrieben. Der zur Spülung und Ladung erforderliche Druck der
Luft wird dabei erreicht. Bei unter der mittleren Drehzahl liegenden Drehzahlen
der Brennkraftmaschine i überwiegt die Kraft der Federn 12, 15 die Kraft der Fliehgewichte
14, die sich auf an der Platte 13 angebrachten Anschlägen i9 abstützen. Dies hat
zur Folge, daß die Kupplung 9, io eingerückt wird. Der Verdichter 2 wird dann nicht
nur durch die Abgasturbine 3, sondern auch von der Welle 8 der Brennkraftmaschine
i aus angetrieben. Dabei sinkt der Wirkungsgrad der Abgasturbine etwas ab, da die
Drehzahl der Turbine der Eintrittsgeschwindigkeit der Abgase nicht mehr entspricht.
Die Ausnutzung des Brennstoffs ist aber immer noch weit besser als wenn der Verdichter
ausschließlich von der Welle 8 der Brennkraftmaschine i angetrieben wird. Durch
den zusätzlichen Antrieb von der Welle der Brennkraftmaschine aus erhält der Verdichter
2 die Leistung, welche der Abgasturbine 3 bei den niedrigeren Drehzahlen der Brennkraftmaschine
fehlt, so daß auch dann der erforderliche Aufladedruck der Luft gesichert ist.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird ein Einrücken der Kupplung
9, 1o beim Betrieb der Brennkraftmaschine i mit geringerer Belastung verhindert,
so daß die bei der Ausführungsform nach Fig. 2 beschriebene selbsttätige Ein- und
Ausrückung der Kupplung nur bei stärkerer Belastung erfolgt.
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Auf der Welle 8 der Maschine i ist eine Ausrückmuffe 20 vorgesehen,
die mit einem um den festen Punkt 21 drehbaren Doppelhebel 22, 23 zusammenwirkt.
Dieser Hebel steht unter der Wirkung einer Zugfeder 24, welche die Kupplung 9, io
auszurücken bestrebt ist. Die Vorrichtung 20, 22, 23, 24 bildet eine zusätzliche
Ausrückvorrichtung für die Kupplung 9, io. Die Feder 24 ist
unter
Einschaltung einer etwas stärkeren Feder 26 an einem Gelenkpunkt 27 mit einem Hebel
28 verbunden, an dessen Mitte eine Kupplungsstange 29 angreift, mit welcher der
Füllungshebel 30 gelenkig verbunden ist. Der Hebel 28 greift mit einer Gabel
an einem Zapfen 31 der Füllungsstange 32 der BrennstoffeinspritzPumPe 33 an. Diese
Stange hat am anderen Ende einen Anschlag 34. Zwischen diesem Anschlag und dem Gehäuse
der Einspritzpumpe 33 ist noch eine um den Punkt 3,9 drehbare Gelenkstange 36 vorgesehen,
die an dem Gestänge 25 angelenkt ist und im Bereiche der Füllungsstange 32 mit einem
Anschlag 37 versehen ist.
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Bei der mit voll ausgezogenen Linien dargestellten Lage des Füllungshebels
30 erhält die Brennkraftmaschine i nur eine geringere Teilfüllung. Die Drehzahl
der Brennkraftinaschine ist bei der dargestellten Lage der Fliehgewichte 1.l so
groß, daß die Fliehkraft die Kraft der Federn 12 und 15 überwiegt, also die Kupplung
9, io ausgerückt ist. Sinkt nun die Drehzahl der Brennkraftmaschine i unter die
mittlere Drehzahl, so daß die Kraft der Federn überwiegt, so bleibt die Kupplung
9, io ausgeschaltet, da die Kraft der Feder 24 die der Kupplungsfeder i2 überwiegt,
indem die Kupplungsmuffe 2o nach rechts gedrückt wird.
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Wird der Füllungshebel 30 aus der mit voll ausgezogenen Linien
dargestellten Lage weiter nach rechts verschoben, so dreht sich der Hebel 28 um
den Purikt 27, während sich die Füllungsstange 32 nach rechts verschiebt, bis der
Anschlag 34 der Stange auf den Anschlag 37 der Gelenkstange 36 auftrifft. Diese
Stellung ist mit gestrichelten Linien in Fig.3 dargestellt. Bei allen diesen Füllungen
bleibt die zusätzliche Ausrückvorrichtung 20, 22, 23, 24 unbeeinflußt. Wird
nun aber der Hebel 3o aus der mit gestrichelten Linien dargestellten Lage weiter
nach rechts gedreht bis schließlich in die mit strichpunktierten Linien dargestellte
Vollfüllungsstellung, so wird einmal durch den Hebel 28 der Hebel 36 nach rechts
gedreht, wobei das Gestänge 25 mitgenommen wird. Durch die entstandene Verschiebung
des Anschlages 37 wird aber auch die Füllungsstange 32 nach rechts in Richtung zunehmender
Füllung gezogen. Es können dabei zwei Fälle eintreten. Hat in diesem Augenblick
die Brennkraftmaschine i eine Drehzahl, die unter der mittleren Drehzahl liegt,
so daß die Fliehgewichte 14 außer Wirkung sind. so wird durch die Verschiebung des
Gestänges 25 die Ausrückkraft der Feder 24 verringert, was zur Folge hat, daß die
Kraft der Kupplungsfeder 12 überwiegt und die Kupplung 9, io selbsttätig eingerückt
wird. Wenn dagegen in diesem Augenblick die Drihzahl der Brennkraftmaschine die
mittler; Drehzahl oder eine höhere Drehzahl ist, so daß die Kupplung 9, io durch
die Fliehgewichte 14. ausgerückt ist, so liegt die zusätzliche Ausrückvorrichtung
20, 22, 23, 2.1 fest, und es wird durch die Verschiebung des Gestänges 25 nach rechts
lediglich die Feder 26 gespannt. Diese Spannung hat zur Folge, daß, wenn nun die
Drehzahl der Brennkraftmaschine wieder unter die mittlere sinkt, die Ausrückwirkung
der zusätzlichen .,.l#,usrückvorrichtung aufgehoben und die Kupplung 9, io eingerückt
wird.
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An die Stelle der Fliehgewichte 1.4 tritt bei der Ausführungsform
nach Fig. 4 ein durch eine Feder 38 belasteter Kolben 39, der in einem Zylinder.l.o
verschiebbar ist und unter dem Druck steht, der in der Druckleitung d l einer Zahnradpumpe
42 steht. Diese Pumpe saugt Schmieröl durch die Leitung 43 an und fördert es durch
die mit einer Drosselstelle dd. versehene Leitung 45 in das Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine
zurück.
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Die Kolbenstange 46 des Kolbens-39 wirkt mit einem Anschlag 47 zusammen,
der an dem Gestänge 25 angebracht ist, und zwar so, daß auf der einen Seite die
Feder 2.1 der zusätzlichen Ausrückv orrichtung und auf der anderen Seite die Feder
26 liegt. Die finit voll ausgezogenen Linien dargestellte Lage des Kolbens 39 zeigt
seine Lage bei der mittleren Drehzahl der Brennkraftmaschine, während die mit gestrichelten
Linien gezeichnete Stellung die Lage bei einer wesentlich niedrigeren Drehzahl der
Maschine veranschaulicht.
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Beim Betrieb mit kleinerer Teillast wird die zusätzliche Ausrückvorrichtung
20, 22, 23, 24 ebenso wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform infolge der
Verschiebung des Füllungshebels 3o nicht beeinflußt. Wird der Füllungshebel
30 nach rechts gedreht, so können auch hier die beiden genannten Fälle eintreten.
Hat in diesem Augenblick die Brennkraftmaschine eine niedrigere Drehzahl, so kann
das Gestänge 25 der Bewegung des Füllungshebels 30 folgen, da der Kolben
39 die mit gestrichelten Linien dargestellte Lage einnimmt und somit zwischen dein
Ende der Kolbenstange .16 und dem Anschlag 47 ein Spiel besteht. Es wird daher die
Kraft der Feder 24. der zusätzlichen Ausrückvorrichtung vermindert und damit die
Kupplung 9, io eingerückt. Hat dagegen in diesem Augenblick die Brennkraftmaschine
i eine mittlere oder höhere Drehzahl, so legt sich bei Verschiebung des Gestänges
25 nach rechts der Anschlag 27 gegen die Kolbenstange .46. und es wird lediglich
die Feder 26 gespannt. Es bleibt also die Kupplung 9, io ausgerückt. Sinkt nun die
Drehzahl der Brennkraftmaschine,
so. geht der Kolben 39 zurück,
und durch die gespannte Feder 26 wird die zusätzliche Ausrückvorrichtung so beeinflußt,
daß die Kupplung 9, zo eingerückt wird.