DE29603280U1 - Maschine zur Aufladung von Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Maschine zur Aufladung von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Ottomotoren. Die erfindungsgemäße Maschine verbessert die Füllung des Zylinders mit Frischluft und steigert somit die Motorleistung.

In der Technik sind verschiedene Einrichtungen zur Aufladung von Verbrennungsmotoren bekannt. So wird bei Dieselmotoren z.B. häufig der Turbolader eingesetzt, der die mit Überschallgeschwindigkeit durch den Auspuffkrümmer strömenden Abgase als Antriebsqueiie für einen Läufer nutzt. Der Läufer, der sich in einem Turbinengehäuse befindet, wird durch den Abgasstrom auf hohe Drehzahlen beschleunigt und treibt über eine Weile ein Verdichterrad an, das Frischluft in ein Verdichtergehäuse ansaugt und von dort in die Brennräume preßt. Diese Turboaufladung iäßt sich nicht mit gleicher Effizienz bei Ottomotoren anwenden, weil hier die Abgasmenge in den unteren Teillastbereichen nicht ausreicht, um den Läufer auf hohe Drehzahien zu bringen.

Zur Aufladung von Ottomotoren werden deshalb oftmals Kompressoren eingesetzt, die z.B. nach dem Roots-Prinzip Frischluft in die Zylinder fördern. Von Nachteil ist hier, daß zur Kompression ein relativ hoher Energiebetrag erforderlich ist, der von der Motorleistung abgezweigt wird; die Motorleistung wird um diesen Betrag geschmälert.

Eine weitere bekannte Einrichtung zur Aufladung von Ottomotoren ist der sogenannte G-Lader. In einem Gehäuse, das mit Ein- und Auslaßöffnungen versehen ist, rotiert auf einer in sich geschlossenen Umlaufbahn ein Verdränger. Umlaufbahn und Form des Verdrängers sind so gewählt, daß zwischen der Gehäuseinnenwandung und dem Verdränger Hohlräume eingeschlossen sind, deren Volumina sich mit der Rotation des Verdrängers ändern. Dabei wird in ein großes Volumen, das sich mit Unterdruck an der Gehäuseperipherie ausbildet, Frischluft in das Gehäuseinnere gesaugt. Aufgrund der etwa G-förmigen Gestalt der Wandungen von Gehäuseinnerem und Verdränger verringert sich mit fortschreitendem Drehwinke! dieses Volumen; die angesaugte Frischluft gerät zunehmend unter Druck und strömt schließlich im Zentrum des Gehäuses axial aus der Auslaßöffnung aus. Der Nachteil besteht hierbei in der komplizierten Geometrie der Wandungen am Gehäuse und am Verdränger und der dadurch bedingten hohen Fertigungskosten für Gehäuse und Verdränger.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine zur Aufladung von Verbrennungsmotoren zu schaffen, die eine hohe Verdichtung der Frischluft ermöglicht, eine gute Aufladung des Zylinders in allen Lastbereichen gewährleistet, die effektive Leistung des Verbrennungsmotors wesentlich erhöht und auf einfache Weise und kostengünstig herstellbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Maschine zur Aufladung von Verbrennungsmotoren, welche im wesentlichen aus einem Gehäuse mit mindestens je einer Einiaß- und einer Auslaßöffnung, aus einem im Gehäuse auf einer geschlossenen Bahn umlaufenden Verdränger und aus Antriebselementen für den Verdränger besteht und bei welcher die Innenflächen des Gehäuses mit Verdrängerflächen Hohlräume einschließen, deren Rauminhalte in Abhängigkeit von der Umlaufphase des Verdrängers veränderbar sind, dadurch gelöst, daß als Bewegungsbahn für den Verdränger eine Kreisbahn vorgesehen ist und daß diejenigen Flächen am Gehäuse und am Verdränger, welche die veränderbaren Hohlräume in radialer Richtung begrenzen, lediglich aus Abschnitten planer Flächen und aus Vierteikreisbogenflächen gestaltet sind. Zwei in Umlaufrichtung aufeinander folgende Abschnitte planer Flächen sind dabei stets um einen rechten Winkel zueinander geneigt; das trifft sowohl für die Gehäuseflächen als auch für die Verdrängerflächen zu. Diese rechtwinklig zueinander geneigten Flächenabschnitte bilden je nach Ausführungsform der Querschnittsgeometrie der Maschine eine gemeinsame Kante oder sind über eine Viertelkreisbogenfiäche miteinander verbunden; charakteristisch ist, daß einer solchen Kante am Verdränger stets eine Vierteikreisbogenfläche am Gehäuse und umgekehrt einer Kante an der Gehäuseinnenfläche stets eine Viertelkreisbogenfiäche am Verdränger zugeodnet ist. Dabei ist jeweils die Viertelkreisbogenfiäche konzentrisch zur Kreisbahn der zugeordneten Kante angeordnet, und zwar in einem Abstand, der ein berührungsioses Entlangleiten ohne Reibung gewährleistet. Die Einlaßöffnung ist am Gehäuseumfang angeordnet, die Auslaßöffnung im Zentrum des Gehäuses mit axialer Öffnung zur Ausströmung der Frischluft.

Die Folge der Flächenabschnitte, in Umlaufrichtung betrachtet, kann so gewählt sein, daß Verdränger und Gehäuseinneres im Schnitt senkrecht zur Umlaufachse eine angenähert spiralförmige oder auch eine angenähert sinusförmige Gestaltung aufweisen. Die planen Flächen am Gehäuseinneren, welche planen Flächen des Verdrängers gegenüberstehen, können zumindest teilweise um einen geringen Betrag gegen das Umlaufzentrum des Verdrängers zurückgesetzt sein. Als Antriebselemente für den Verdränger sollten zwei synchron zueinander laufende Exzenter vorgesehen sein, deren Rotationsachsen parallel zur Umlaufachse des Verdrängers ausgerichtet sind. Zur Übertragung der Exzenterbewegung auf den Verdränger kann eine Platte vorhanden sein, in welcher die Exzenter gleitend angeordnet sind und mit welcher der Verdränger fest verbunden ist. Diese Platte kann zugleich als abschließende Gehäusebegrenzung in einer Achsrichtung ausgelegt sein. Möglich ist dagegen auch, die Platte als Zwischenwandung im Gehäuse auszuführen und in Achsrichtung zu beiden Seiten der Platte Verdränger anzuordnen.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die Formgebung am Verdränger wie auch am Gehäuseinneren die Nutzung einfacher Fertigungstechnologien ermög-

licht, wodurch die Herstellung der Maschine äußerst kostengünstig erfolgen kann und so eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit von Verbrennungsmotoren erzielt wird.

Die Erfindung soli nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig.1 einen spiralförmigen Verdränger in einem Schnitt senkrecht zu seiner

Umlaufachse in Ausgangsposition

Fig.2 die Position des Verdrängers nach einem Drehwinkei von 90°

Fig.3 die Position des Verdrängers nach einem Drehwinkei von 180°

Fig.4 die Position des Verdrängers nach einem Drehwinkel von 270°

Fig.5 eine Ausführungsvariante der Maschine mit etwa sinusförmigem

Querschnitt

in Fig.1 äst in einem Gehäuse 1 mit einer Einlaßöffnung 2 und einer Ausiaßöffnung 3 ein Verdränger 4 vorgesehen. Der Verdränger 4 ist auf einer Platte 5 befestigt in weicher zwei synchron zueinander laufende Exzenter 6 gleitend angeordnet sind. Die Exzenter 6 weisen beide die gleiche die Exzentrizität e auf. Die Platte 5 ist zugleich als eine abschließende und gleitend abdichtende Begrenzung des Gehäuses 1 (parallel unter der Zeichenebene) vorgesehen, während die zweite Begrenzung des Gehäuses 1 (parallel über der Zeichenebene) als feste Platte, im Beispiei nicht dargestellt, ausgeführt sein kann. Der angenähert spiralförmige Querschnitt des Gehäuses 1 wird von einer Innenfläche 7 begrenzt, die mit der Verdrängerfläche 8, welche den Verdränger 4 umlaufend begrenzt, Hohlräume 9 und 10 einschließt.

Die Innenfläche 7 des Gehäuses 1 besteht aus den Abschnitten planer Flächen 7.1 bis 7.11 (Fig.2) und aus Viertelkreisbogenflächen 7.12 bis 7.18. Die einzelnen Abschnitte der planen Flächen 7.1 bis 7.11 sind rechtwinklig zueinander angeordnet, wobei jeweils zwei Abschnitte einen gemeinsamen Scheitel besitzen, in dem sich alternativ eine Kante oder eine der Viertelkreisbogenflächen 7.12 bis 7.18 befinden kann.

Auf diese Weise schließen die planen FläGhen 7.2 und 7.3 einen rechten Winkel ein, in dessen Scheitel sich die Viertelkreisbogenfläche 7.13 befindet, und zwar so, daß die plane Fläche 7.2 über die Vierteikreisbogenfiäche 7.13 mit der planen Fläche 7.3 verbunden ist. Analog ist die plane Fläche 7.3 über den Viertelkreisbogen 7.14 mit der planen Fläche 7.4 verbunden, die plane Fläche 7.4 über den Viertelkreisbogen 7.15 mit der planen Fläche usw. bis zur planen Fläche 7.8. Diese ist zwar wiederum über den Viertelkreisbogen 7.18 mit der planen Fläche 7.7 verbunden, jedoch schließt sie nicht tangential, sondern radial,

eine Kante bildend, an die Viertelkreisbogenfläche 7.18 an. Im weiteren Verlauf der Spirale ist die plane Fläche 7.8 mit der folgenden planen Fläche 7.9 nicht über eine Viertelkreisbogenfläche, sondern unmittelbar (eine Kante bildend) verbunden; das ist ebenso bei den folgenden Paaren planer Flächen 7.9/7.10 und 7.10/7.11 der Fall. Dabei ist, in Umlaufrichtung U (Fig.2) gesehen, jeder Abschnitt einer planen Fläche kürzer ausgeführt als der vorhergehende Abschnitt, was den spiralförmigen Querschnitt zur Folge hat.

Die Verdrängerfläche 8 besteht in analoger Weise aus Abschnitten planer Flächen und aus Viertelkreisbogenflächen, und zwar so, daß sich plane Abschnitte der Gehäuseinnenfläche 7 und plane Abschnitte der Verdrängerfläche 8 stets parallel gegenüberstehen. Charakteristisch ist weiterhin, daß einer Viertelkreisbogenfläche am Gehäuse 1 stets eine Kante an der Verdrängerfläche 8 und einer Kante am Gehäuse 1 eine Viertelkreisbogenfläche am Verdränger zugeordnet ist. Der Übersichtlichkeit halber sind (in Fig.2) am Verdränger 4 lediglich die Kante 8.1, die der Viertelkreisbogenflache 7.13 zugeordnet ist, und die Viertelkreisbogenfläche 8.2 bezeichnet, die der von den planen Flächen 7.9 und 7.10 gebildeten Kante zugeordnet ist.

Die Einlaßöffnung 2 ist radial zur Umlaufrichtung U der Exzenter 6 und damit der Platte 5 und des Verdrängers 4 angeordnet. Die Ausiaßöffnung 3 ist axial zur Umlaufrichtung U etwa im Zentrum des Gehäuses 1 angeordnet.

Einzelne Abschnitte planer Flächen können, wie bei der Fläche 7.3 in Fig.2 durch eine gestrichelte Linie angedeutet, um eine Breite b vom Gehäusezentrum zurückgesetzt sein.

Werden die beiden Exzenter 6 synchron angetrieben, führt die Platte 5 mit dem Verdränger 4 eine kreisende Bewegung in der Umiaufrichtung U aus. Zu Beginn dieser Kreisbewegung (Fig.1) ist der Hohlraum, der zwischen den planen Flächen 7.11 und 8.3 sowie der Viertelkreisbogenfläche 8.4 eingegrenzt ist, klein. Dieser Hohlraum vergrößert sich mit fortschreitender Kreisbewegung des Verdrängers 4 zunehmend (Fig.2), wodurch Frischluft durch die Einlaßöffnung 2 angesaugt wird. Bei einem Drehwinkel des Verdrängers 4 von 180 Grad erreicht das Volumen dieses Hohlraumes sein Maximum (Fig.3). Im weiteren Verlauf der Kreisbewegung bis zum Drehwinkel von 270 Grad wird mit Annäherung der Fläche 8.3 an die Fläche 7.11 die Einlaßöffnung 2 geschlossen, zugleich verringert sich das Volumen in diesem Hohlraum und die eingeschlossene Luft gerät unter Druck (Fig.4). Mit der Vollendung eines Umlaufes des Verdrängers 4 wird schließlich die Auslaßöffnung 3 freigegeben und die unter Druck eingeschlossene Frischluft entweicht durch die Auslaßöffnung 3 in den Zylinder des Verbrennungsmotors (Fig.1).

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Während desselben Umlaufes wird in analoger Weise in den sich vergrößernden Hohlraum zwischen der Fläche 7.2 am Gehäuse 1 und der Fläche 8.5 am äußeren Umfang des Verdrängers 4 Frischluft durch die Einlaßöffnung 2 gesaugt (Fig.3 und Fig.4). Dieser Hohlraum erreicht sein maximales Volumen in der Verdrängerposition nach Fig.1. Mit dem Erreichen dieser Position wird der Hohlraum zugleich gegen die Einlaßöffnung 2 verschlossen, die nun hier eingeschlossene Frischluft gerät unter Druck, da sich das Volumen dieses Hohlraumes im Verlaufe des weiteren Verdrängerumiaufes verringert (Fig.2 und Fig.3). Mit der Vollendung des Verdrängerumlaufes wird schließlich auch für diesen Hohlraum die Auslaßöffnung 3 freigegeben, die unter Druck eingeschlossene Frischluft entweicht durch die Auslaßöffnung 3 in den Zylinder des Verbrennungsmotors (Fig.4).

Aufgrund der in Abhängigkeit von der Drehphase sich abwechselnd wiederholenden Fördervorgänge durch die beiden Hohlräume ergibt sich in der Ausiaßöffnung 3 ein relativ gleichmäßiger Frischluftförderstrom.

Die erfindungsgemäße Maschine läßt sich nicht nur als Lader zum Fördern von Frischluft in den Zylinder nutzen, sie ist auch als Expansionsmaschine zur Gewinnung mechanischer Energie aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors einsetzbar. In diesem Fall wird die Öffnung im Zentrum des Querschnitts nicht als Auslaß-, sondern als Einlaßöffnung genutzt, durch die das Abgas auf kurzem Weg vom Zylinder in einen zwischen Verdränger und Gehäuse ausgebildeten (noch) kleinen Hohlraum gelangt und hier expandiert. Der Expansionsdruck auf die Verdrängerfläche versetzt den Verdränger in eine Bewegung, die über die Platte auf die beiden Exzenter übertragen und dort in eine Kreisbahn gelenkt wird. Das weitgehend entspannte Abgas gelangt dann durch die Öffnung an der Peripherie des Gehäuses nach außen.

Der auf diese Weise in Abhängigkeit von der Abgasmenge beschleunigte Verdränger (und mit diesem die Platte und die beiden Exzenter) wird in mehr oder weniger kontinuierliche Drehung versetzt. Diese Drehbewegung wiederum kann durch eine unkomplizierte Konstruktionsanordnung auf eine als Lader genutzte Maschine, wie im obigen Ausführungsbeispiel dargestellt, übertragen werden. So ist es mit der erfindungsgemäßen Lösung möglich, Abgasenergie zur effektiven Aufladung des Zylinders mit Frischluft zu nutzen. Im Vergleich zum Turbolader besteht hier nicht der Nachteil, daß die zugeführte Frischluftmenge im Teilastbereich nicht ausreicht, da bei dieser Anordnung die Fördermenge auch bei niedrigeren Drehzahlen genügend groß ist.

Fig.5 zeigt eine alternative Variante der erfindungsgemäßen Maschine mit einem etwa sinusförmig ausgebildeten Querschnitt. Hier ist lediglich eine Position des Verdrängers 4 auf

seiner Kreisbahn, z.B. die Ausgangsposition, dargestellt. Die Förderung der Frischluft erfolgt in analoger Weise zum oben dargelegten Beispiel· Aufgrund der sich mit dem Umlauf des Verdrängers 4 zunächst vergrößernden Hohlräume wird Frischluft durch die Einlaßöffnung 2 angesaugt; die Hohlräume werden im weiteren Veriauf gegen die Einlaßöffnung 2 abgedichtet; die Hohlräume werden kleiner, die eingeschlossene Frischluft wird verdichtet und entweicht durch die Auslaßöffnung 3, sobald diese freigegeben wird.

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	Bezugszeichenliste
1	Gehäuse
2	Einlaßöffnung
3	Auslaßöffnung
4	Verdränger
5	Platte
6	Exzenter
7	innenfiäche des Gehäuses
7.1 bis 7.11	Abschnitte pianer Flächen
7.12 bis 7.18	Viertelkreisbogenflächen
8	Verdrängerfläche
8.1	Kante
8.2, 8.4	Viertelkreisbogenfläche
8.3	plane Fläche
9,10	Hohlräume
b	Breite
e	Exzentrizität
U	Umiaufrichtung

Claims (8)

Schutzansprüche

1. Maschine zur Aufladung von Verbrennungsmotoren, im wesentlichen bestehend aus einem Gehäuse (1) mit mindestens je einer Einlaßöffnung (2) und einer Auslaßöffnung (3), aus einem im Gehäuse (1) auf einer Umlaufbahn (U) sich bewegenden Verdränger (4) und aus Antriebselementen für den Verdränger (4), wobei innenflächen (7) des Gehäuses (1) mit Verdrängerfiächen (8) Hohlräume einschließen, deren Rauminhalte in Abhängigkeit von der Umiaufphase des Verdrängers (4) veränderbar sind, gekennzeichnet dadurch,

daß die Umlaufbahn (U) eine Kreisbahn ist,

daß die Flächen des Gehäuses (1), weiche die Hohlräume in radialer Richtung begrenzen, aus Abschnitten pianer Flächen (7.1 bis 7.11) und aus Viertelkreisbogenflächen (7.12 bis 7.18) gebildet sind,

daß die Flächen des Verdrängers (4), welche die Hohlräume in radialer Richtung begrenzen, ebenfalls aus Abschnitten planer Flächen und aus Vierteikreisbogenfiächen bestehen,

daß sowohl am Gehäuse (1) als auch am Verdränger (4) jeweils zwei in Umlaufrichtung (U) aufeinander folgende Abschnitte planer Flächen rechtwinklig zueinander angeordnet sind,

daß sowohl am Gehäuse (1) als auch am Verdränger (4) jeweils die in Umiaufrichtung (U) aufeinanderfolgenden Abschnitte planer Flächen eine Kante bilden oder über eine Viertelkreisbogenfläche miteinander verbunden sein können, daß einem Kreisbahnabschnitt einer Kante des Verdränger (4) stets eine Vierteikreisbogenfläche am Gehäuse (1) nahe gegenübersteht und umgekehrt einer Kante am Gehäuse (1) stets eine Viertelkreisbogenfläche am Verdränger (4) zugeordnet ist und daß die Einlaßöffnung (2) radial und die Auslaßöffnung (3) axial angeordnet ist.

2. Maschine zur Aufladung von Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Folge der Flächenabschnitte in Umlaufrichtung (U) so gewählt ist, daß der Verdränger (4) in einem Schnitt senkrecht zur Umlaufachse die Form einer Spirale aufweist.

3. Maschine zur Aufladung von Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Folge der Flächenabschnitte in Umlaufrichtung (U) so gewählt ist, daß der Verdränger (4) in einem Schnitt senkrecht zur Umlaufachse eine Sinusform aufweist.

4. Maschine zur Aufladung von Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die planen Flächen des Gehäuses (1), welche planen Flächen des Verdrängers (4) parallel gegenüberstehenden, zumindest teilweise um einen Betrag (b) gegen das Umlaufzentrum zurückgesetzt sind.

5. Maschine zur Aufladung von Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß als Antriebselemente für den Verdränger zwei synchron zueinander laufende Exzenter (6) vorgesehen sind, deren Rotationsachsen parallel zur Umlaufachse des Verdrängers (4) ausgerichtet sind.

6. Maschine zur Aufladung von Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß zur Übertragung der Exzenterbewegung auf den Verdränger (4) eine Platte (5) vorgesehen ist, in welcher die Exzenter (6) gleitend angeordnet sind und auf welcher der Verdränger (4) befestigt ist.

7. Maschine zur Aufladung von Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Platte (5) zugleich als abschließende Gehäusebegrenzung in Achsrichtung vorgesehen ist.

8. Maschine zur Aufladung von Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Platte (5) als Zwischenwandung im Gehäuse (1) angeordnet ist und auf beiden Seiten der Platte (5) Verdränger (4) angeordnet sind.