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Aufgeladene Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft eine aufgeladene
Brennkraftmaschine mit einem hydrodynamischen Kraftübertragungsteil und mit einem
von der Maschine angetriebenen Verteilergetriebe mit zwei Abtriebszweigen, wobei
mittels des ersten Abtriebszweiges das Ladegebläse der Maschine und mittels des
zweiten Abtriebszweiges eine Leistungsabtriebswelle angetrieben wird, während das
hydrodynamische Kraftübertragungsteil das Drehzahlverhältnis zwischen dem Leistungsabtrieb
und dem Antriebszweig des Verteilergetriebes über seine gegebene Veränderlichkeit.
hinaus veränderbar gestaltet.
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Bei den bekannten derartigen oder im Aufbau verwandten Maschinen wurde
das hydrodynamische Kraftübertragungsteil parallel zu Zweigen des Verteilergetriebes
angeordnet. Solche Parallelanordnungen erzeugen aber notwendigerweise eine derartige
Leistungsteilung, daß die Gesamtanordnung ein Kompromißverhalten zeigt zwischen
der rein hydrodynamischen und der rein mechanischen übertragung.
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Ziel der Erfindung ist, ein solches Kompromißverhalten zu vermeiden.
Es sollen im Gegenteil erfindungsgemäß die Wirkungen der Verteilergetriebeanordnung
mit denen der hydrodynamischen Übertragung so vereint werden, daß jede Einzelwirkung
erhalten bleibt und teils für sich, teils zusätzlich zur anderen voll zum Tragen
kommt. Die erfindungsgemäße Anordnung ergibt dadurch eine Abtriebs-Drehmomentkurve,
die einen sehr hohen Stand-Übersetzungswert hat und sich gleichzeitig einer idealen,
stufenlosen, hyperbolischen, dampfmaschinenartigen Kennung teils nähert, teils sie
übertrifft, wobei kein Wechselgetriebe vorgesehen ist, es sei denn in Spezialfällen
ein Zweiganggetriebe mit Rückwärtsgang, um überaus hohe Sonderübersetzungen zu erhalten.
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Bemühungen, eine derartige Abtriebsdrehmomentkurve zu bekommen, sind
in der einschlägigen Technik sehr bekannt. Außer den Kombinationen eines Verteilertriebwerks
mit einer die Abtriebswelle direkt antreibenden Abgasturbine, die von dem Urheber
der Neuerung selbst vorgeschlagen wurden, außer ferner den obengenannten Kompromißlösungen,
die sich einer Parallelschaltung zwischen einem hydrodynamischen Kraftübertragungsteil
und einem Verteilergetriebe bedienen, sind Kombinationen von Abgasturbo-Brennkraftmaschinen
mit einem hydrodynamischen Kraftübertragungsteil unter gleichzeitiger Ladeluftabzweigung
und -vorwärmung bekanntgeworden. Alle diese Vorschläge haben aus diesen oder jenen
Gründen bisher nicht zum Erfolg geführt. Die Neuerung sieht nun vor, daß bei Benutzung
eines Verteilergetriebes und eines hydrodynamischen Kraftübertragungsteils das letztere
im eingangs definierten zweiten Abtriebszweig des Verteilergetriebes diesem nachgeschaltet
wird, indem das Pumpenrad des als Wandler ausgebildeten hydrodynamischen Kraftübertragungsteils
über den zweiten Abtriebszweig des Verteilergetriebes angetrieben ist.
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Ein besonderes Kennzeichen der Neuerung besteht zusätzlich darin,
daß ein an sich bekannter, sogenannter Mehrphasenwandler benutzt wird, z. B. ein
solcher mit automatisch sich einstellendem Flüssigkeitskupplungs-Drehzahlbereich
und (oder) mit mechanischer Überbrückungsmöglichkeit vom Pumpen- und Turbinenrad,
und daß die Kupplungsphase sich auf etwa die gesamte obere Hälfte oder mehr des
vollen Drehzahlbereichs der Abtriebswelle erstreckt. Die Ausführung der letztgenannten
Regel wird durch geeignete Wahl der Durchmesser und Schaufelprofile von Pumpe, Turbine
und Leitrad im Wandler möglich, wenn auch sonst entsprechende konstruktive Maßnahmen
getroffen werden.
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In weiterer Vervollkommnung wird erfindungsgemäß eine solche Auslegung
des Verteilergetriebes empfohlen, daß in seinen beiden Abtriebszweigen in an sich
bekannter Weise Übersetzungen ins Schnelle vom Motor her erhalten werden und daß
die kleinere dieser Übersetzungen dem zweiten Abtriebszweig zugeordnet ist, dem
erfindungsgemäß auch das hydrodynamische Kraftübertragungsteil nachgeschaltet ist.
Es wird durch diese Maßnahme erreicht, daß einerseits
das letztgenannte
Maschinenteil trotz der ihm zugeführten, relativ hohen, weil bereits vervielfachten
Drehmomente von verhältnismäßig geringen Abmessungen wird, daß aber auch gleichzeitig
ein möglichst großer Teil der für den Luderantrieb notwendigen Übersetzung bereits
im Verteilergetriebe in an sich bekannter Weise vorweggenommen wird.
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Gemäß einer besonders zweckmäßigen Ausführung wird der konstruktive
Aufbau der Erfindungselemente erfindungsgemäß so vorgenommen, daß das Kranzrad des
in an sich bekannter Weise als Stirnrad-Planetengetriebe ausgeführten, mit dem als
Wandler ausgebildeten hydrodynamischen Kraftübertragungsteil, mit den übrigen Teilen
des Verteilergetriebes und mit dem Luderantrieb in an sich bekannter Weise innerhalb
eines gemeinsamen, uneingeschnürten Gehäuses angeordneten Verteilergetriebes zusammen
mit dem Pumpenrad des Wandlers einen einzigen Läufer bildet, welcher mittels einer
scheibenartigen, inneren Abstützung gelagert und zentriert ist.
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Eine genauere Kenntnis der Erfindungsgedanken wird sich aus der nachfolgenden
gegenständlichen Beschreibung an Hand der Zeichnung ergeben. Es zeigt Fig. 1 eine
Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Triebwerks mit im Schnitt dargestellten Einzelheiten
einer beispielsweisen Ausführung, Fig.2 die Drehmomentkennung einer differential
aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Eintragung des erwähnten besonderen Bereiches,
Fig. 3 die durch die Erfindung erhaltene Abtriebsdrehmomentkennung im Vergleich
zu bekannten Kennungen.
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In Fig. 1 ist 1 die eigentliche Brennkraftmaschine, deren Aufladegebläse
2 über das Luftfilter 7 Frischluft ansaugt und nach Verdichtung in die Einlaßleitung
6 der Maschine fördert. Die Antriebswelle 9
des Ladegebläses wird dabei
über eine Zwischenradübersetzung 9 a, 9 b von dem inneren Abtriebszweig
13 des Verteilergetriebes 3 angetrieben. Das letztere ist in als besonders zweckmäßig
empfohlener Weise als Stimrad-Planetengetriebe ausgeführt. Sein Planetenträger 12
wird über die Welle 14 und über das Schwungrad 15 von der Brennkraftmaschine
angetrieben. Er verteilt das erhaltene Drehmoment einerseits zum inneren Sonnenrad
13, dem einen, als »ersten« definierten Abtriebszweig, welcher das Ladegebläse antreibt,
und andererseits zum Kranzrad 16,
dem andern, als »zweiten« definierten Abtriebszweig,
welcher das hydrodynamische Kraftübertragungsteil antreibt.
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Die Definition des ersten und zweiten Zweiges ist mit Bezug auf die
Elemente des Verteilergetriebes beliebig. Es könnte auch das innere Sonnenrad als
zweiter Abtriebszweig benutzt werden und dann, gemäß der angewandten Terminologie,
zum hydrodynamischen Kraftübertragungsteil führen. Die dargestellte konstruktive
Lösung ist aber vorteilhafter.
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Während also das Sonnenrad 13 über das Vorgelege 9
a-9 b die Welle 9 des Ladegebläses 2 antreibt, ist dem Kranzrad
16 als zweitem Abtriebszweig das hydrodynamische Kraftübertragungsteil4 nachgeschaltet.
Dessen Pumpenrad 17 mit der Beschaufelung 20 bildet in besonders vorteilhafter
Ausführungsweise zusammen mit dem Kranzrad 16 einen einzigen, verschraubten oder
sonstwie zu einer Einheit gestalteten Läufer 10, der über eine innere, radscheibenähnliche
Abstützung 18 zentral bei 19 gelagert ist. Die Turbinenbeschaufelung
21 des als Wandler ausgeführten hydrodynamischen Kraftübertragungsteils
4 ist fest mit der Abtriebswelle 5 verbunden, an der die Leistung des Triebwerks
abgenommen wird. Die Leitradbeschaufelung 22 des Wandlers ist in bekannter
Weise über einen Freilauf 23 auf einem nach innen ragenden, röhrenförmigen Arm des
Gehäuses 11 gelagert. Der Freilauf 23 erlaubt in üblicher Weise dem
Leitrad, im Sinne der Drehrichtung von Pumpe und Turbine frei zu laufen, während
es im entgegengesetzten Sinn auf dem hohlen Gehäusearm blockiert ist. Das Gehäuse
11 umschließt in an sich bekannter, uneingeschnürter Weise den Wandler, das Verteilergetriebe
und das Vorgelege mitsamt dem Abtrieb zum Lader, so daß eine Anordnung entsteht,
die sich von der üblichen Abtriebsseite von Brennkraftmaschinen äußerlich nicht
unterscheidet.
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In Fig. 2 ist das an der Welle 14 der Brennkraftmaschine auftretende
Drehmoment M in Abhängigkeit von der Drehzahl n der Welle 14 dargestellt.
Die Kurve zeigt einen sehr starken, zunächst überhyperbolischen Anstieg des Drehmoments,
wenn die Drehzahl vom Höchstwert bis zu einem mittleren Wert (Punkt k) abfällt.
Bei noch weiter sinkender Abtriebsdrehzahl steigt das Drehmoment noch weiter an,
aber weniger als hyperbolisch. Es erreicht dann einen Höchstwert und fällt wieder
ab. Die Kupplungsphase erstreckt sich also etwa über die obere Hälfte
(n = k bis 1000/0) des Gesamtdrehzahlbereiches (n = 0 bis 100 %).
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Der sogenannte Kupplungspunkt des Wandlers, d. h. der Drehzahlpunkt,
bei dem das Leitrad 22 beginnt frei zu laufen, so daß der Wandler bei Barüberliegenden
Drehzahlen nur mehr als Kupplung arbeitet, bzw. der Punkt, bei dem eine nicht gezeichnete
mechanische Verbindung Turbine und Pumpe fest verbindet, unter gleichzeitigem Freilaufen
des Leitrades 22 (bzw. möglichst selbsttätigem Entleeren des Wandlers), soll
nach der Vorschrift der Erfindung etwa mit dem Punkt k zusammenfallen, der das Ende
des hyperbolischen Anstiegs der Drehmomentkennung der Brennkraftmaschine allein
darstellt. Bezüglich des Leitradverhaltens kann ein solches Zusammenfallen durch
zweckmäßige, dem Fachmann nach Kenntnis vorliegender Regeln zugängliche, allerdings
ungewöhnliche und besondere konstruktive Maßnahmen erfordernde Auslegung der Durchmesser
von Pumpen- und Turbinenrad sowie der Beschaufelungen 20, 21, 22 von Pumpe,
Turbine und Leitrad erfolgen. Um außerdem eine mechanische Verbindung im erwünschten
Augenblick automatisch einsetzen und wieder sich lösen zu lassen, wird erfindungsgemäß
die Benutzung von Fliehkraft als steuernde Kraft bzw. auslösende Ursache empfohlen.
Dieses Prinzip ist in ähnlicher Anwendung bekannt. In Verbindung mit den übrigen
Merkmalen vorliegender Neuerung hat es eine Wirkung, die das Ganze zu einer technisch
vollkommenen Lösung abrundet.
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In Fig. 3 sind verschiedene Drehmomentkennungen Ma über der Drehzahl
na einer umlaufenden Triebwerks-Austrittswelle dargestellt. i ist die oft als ideal
bezeichnete Kennung bei konstanter Austrittsleistung, die eine reine hyperbolische
Kurve l-ten Grades ist. w zeigt eine Kurve, wie sie gemäß dem derzeitigen Stand
der Technik bei Verwendung einer hydrodynamischen Kraftübertragung mit den bekannten
Triebwerken günstigstenfalls erhalten wird, sofern gleichzeitig auf Wirtschaftlichkeit
der Gesamtmaschine
Wert gelegt wird. Sie zeigt an der mit Pfeil
bezeichneten Stelle ein sogenanntes »Loch«, welches im Betrieb der Maschine als
Unterbrechung in der stetigen Zugkraft sehr unangenehm empfunden wird. x ist die
Kennung der Maschine gemäß vorliegender Neuerung.
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Die Beschreibung der Kurve x erläutert gleichzeitig die Arbeitsweise
der gesamten Maschine.
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Im oberen Drehzahlbereich erzeugt das Triebwerk aus den der
Differentialaufladung eigenen, bekannten Gründen einen hohen, hier überhyperbolischen
Drehmomentanstieg (Kurve x liegt oberhalb von Kurve i). In diesem Gebiet verhält
sich der Wandler als teils hydrodynamische, teils starre Kupplung oder eins von
beiden, d. h. über die gesamte obere Hälfte oder mehr des Drehzahlbereichs na erstreckt
sich das Gebiet einer oder mehrerer Kupplungsphasen n des hydrodynamischen Kraftübertragungsteils.
Bei fallender Abtriebsdrehzahl na nähert man sich dem Kupplungspunkt k der
Fig. 2. In seiner Nähe geht der rechte Ast der x-Kurve unmerkbar (d. h. ohne Veränderung
der Tendenz) in den linken über, weil aus der hydrodynamischen Kupplung allmählich
ein Drehmomentwandler wird. Die Kupplungsphase wird damit durch die Wandlerphase
abgelöst. Das Drehmoment der Kurve aus Fig. 2 erscheint von nun ab in der Kurve
x relativ mehr und mehr erhöht, so daß das Nachlassen im Anstieg der Kurve in Fig.
2 ausgeglichen und unmerkbar wird. Die Eigenart des Verteilertriebs bewirkt dabei,
daß der Punkt k in erwünschter Weise in der Kurve x verstrichen und relativ niedriger
im Drehzahlbereich wieder erscheint als auf der Kurve der Fig. 2. Die Drehmomentkurve
x steigt weiter in gleicher Weise wie vor, hier überhyperbolisch, an. Erst bei verhältnismäßig
sehr geringer Abtriebsdrehzahl (hier etwa 25% der Höchstdrehzahl) wird die Kurve
x weniger steil, schneidet die Kurve i und verläuft dann unterhalb derselben, bis
sie die Ordinate trifft.
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An diesem Treffpunkt ist das Stand-Drehmoment des Triebwerks erreicht,
welches sich numerisch als etwa proportional dem Produkt des höchsten Drehmoments
der Fig. 2 mit dem Anfahrwandlungsfaktor des Wandlers ergibt. Im Stand ist zwecks
Entkupplung eine Trennung des Triebwerks von seiner Abtriebswelle nicht erforderlich,
weil einerseits bei Leerlaufdrehzahl des Motors die Kraftübertragungsfähigkeit des
hydrodynamischen Kraftübertragungsteils bekanntermaßen nur mehr gering ist und weil
andererseits zusätzlich die differentialaufgeladene Ma- ; schine besondere, bereits
bekannte Eigenschaften hat, die, wenn auch nicht immer vollständig, so doch im selben
Sinne wie eine übliche Rutsch-Trennkupplung wirken.
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Man erkennt also, daß auch ein nicht als Wandler ausgebildetes hydrodynamisches
Kraftübertragungsteil in der vorgeschlagenen Anordnung besondere Vorteile bietet,
weil es sich mit dem Verteilergetriebemotor im Sinne der Entlastung der Abtriebswelle
im Stand und bei Leerlauf des Motors günstig ergänzt.
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Durch die erfindungsgemäße Kombination von einfachen, technisch kaum
Probleme stellenden Mitteln wird die Möglichkeit der Verwirklichung einer idealen
Drehmomentkennung geschaffen. Gleichzeitig wird eine Wirtschaftlichkeit erreicht,
die alle bisher bekannten ausgeführten Lösungen übertreffen dürfte, da der unwirtschaftliche
Wandler-Arbeitsbereich auf die ganz niederen, selten benutzten Abtriebsdrehzahlen
beschränkt bleibt. Das Drehmoment beim Start und am Berg kann ohne allzu große Schwierigkeit
ein Vielfaches des Drehmoments der unaufgeladenen Brennkraftmaschine erreichen,
da seitens der differential aufgeladenen Brennkraftmaschine allein bereits eine
Verdreifachung, seitens eines einstufigen Wandlers fast eine Vervierfachung möglich
ist und da beide Wirkungen sich erfindungsgemäß multiplizieren.
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Ein mehrstufiger Wandler würde noch höhere Stand-Übersetzungen des
Drehmoments erlauben, wie jedem Fachmann bekannt ist, allerdings weniger wirtschaftlich
sein. Die vorliegende Neuerung ist auf die beschriebene Ausführung des hydrodynamischen
Kraftübertragungsteils nicht beschränkt.
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Gegenüber der bekannten, üblichen Anordnung, bei der das hydrodynamische
Kraftübertragungsteil direkt das Motordrehmoment übernimmt, hat die beschriebene
neue Lösung die geschilderten Vorteile, die aus dem neuartigen und eigenartigen
Zusammenwirken mit dem Verteilergetriebe unter dem Einfluß des Laderabtriebs erwachsen.