Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, in dessen Innerem ein oder mehrere Rotationsverdichter befestigt sind und entweder von der Kurbelwelle angetrieben werden oder sie ganz ersetzen. Der erfindungsgemäße hoch aufgeladene kompakte Motor hat dadurch weniger Teile als typische aufgeladene Motoren vergleichbarer Stärke. Daraus ergeben sich weitere Vorteile.

Stand der Technik

Mit der Anordnung einer Kurbelwelle im Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine befasst sich DE 10 2006 033 975 A1. Ziel ist ein spannungsgünstiger Übergang der Anbindung des Lagerstuhls zum eigentlichen Kurbelgehäuse. Nachteilig sind die erforderlichen, sehr engen Toleranzen bei der Bearbeitung des Zylinderkurbelgehäuses, damit die Kurbelwelle ins Kurbelgehäuse passt.

DE 699 36 522 T2 schlägt eine aufwändige Kurbelwellen-Wiege vor, um die Hauptlager der Kurbelwelle geradlinig ausgerichtet zu halten und für eine lange Lebensdauer der Lager zu sorgen. Diese Konstruktion hat einen großen Platzbedarf.

DE 603 13 009 T2 führt aus, dass die Lagerung der Kurbelwelle mit dem Luft- Treibstoff-Gemisch geschmiert wird. Dadurch dass der Zwischenraum, durch den das Luft-Treibstoff-Gemisch aus dem Inneren strömt, bei einer Kompaktierung des Motors enger wird, wird die Schmierung der Lager auch schwierig. Durchführungen zum Schmieren der Lager führen zu einer komplizierten Motorkonstruktion, wie z.B. in US-A-483 1979 beschrieben wird.

DE 10 2007 058 757 beschreibt eine Kurbelwellenlagerung, in der mindestens ein Lagerbock eine Laufbahn aufweist, auf der die Wälzkörper der Wälzkörperanordnung direkt abrollen. Die Bearbeitung ist relativ aufwändig, weil Kurbelgehäuse und Lager aufeinander abgestimmt bearbeitet werden müssen.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Mit der Anordnung von Kompressoren zum Betrieb von Druckluftverbrauchern in Schienenfahrzeugen befasst sich DE 10 2006 010 723 A1. Die Konstruktion ist gar nicht kompakt und auch nicht für die Versorgung von Verbrennungsmotoren gedacht.

DE 10 2007 0 9 126 A1 behandelt eine schallgekapselte Kompressoranordnung in Verbindung mit einer Antriebseinheit mit dem Ziel eines erhöhten Lärmschutzes. Auch sie ist für den Einsatz in Schienenfahrzeugen gedacht. Nachteilig ist das für den Lärmschutz sehr aufwändige Gehäuse.

DE 10 2007 026 084 A1 beschreibt die Verdichtung der Luft durch einen Kolbenverdichter. Dieser muss mit Ventilen gesteuert werden, was ihn aufwändig macht.

Aufgabenstellung und Lösung

Aufgeladene Renn- und Serienmotoren benötigen ein oder mehrere hochdrehende Turbolader oder einen Kompressor, damit alle Zylinder gleichmäßig mit Druckluft versorgt werden. Obwohl die typischen, seitlich angebauten Turbolader oder auf dem Motor befestigten Kompressoren schon kompakt gebaut sind, beanspruchen sie dennoch viel Platz im Motorraum und stören dadurch den Fußgängerschutz. Beide Verdichter-Arten sind relativ teuer, weil die mit bis zu 40.000 Umdrehungen rotierenden Präzisionsteile extreme Anforderungen an die Lager stellen. Außerdem sind sie so laut, dass die Motoren zusätzlichen Lärmschutz benötigen, wodurch wiederum zusätzlicher Platz unter der Haube benötigt wird. Zudem sind Motorenlärmschutzvorrichtungen ineffizient wegen des dafür notwendigen Luftdurchsatzes.

Daraus ergab sich die Aufgabenstellung, die Lautstärke zu reduzieren und gleichzeitig den insgesamt durch den Kompressor selbst benötigten Platz und den Platz, der durch zusätzliche Gehäuse oder Kapselungen außerhalb des Motors gebraucht wird, zu reduzieren. Die Aufgabe bestand aber vorrangig darin, den Motor einfacher und zuverlässiger als üblich aufzuladen.

Diese Aufgabe wurde wie in Anspruch 1 beschrieben dadurch gelöst, dass Kompressoren in das Zylinderkurbelgehäuse integriert werden.

Obwohl typische Turbolader und Kompressoren genauso gut Motoren mit Druckluft von innen wie von außen versorgen können, hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass dafür auch Radialverdichter benutzt werden können.

Außer dass der erfindungsgemäße Motor mit eingebautem Kompressor kostengünstiger als bisher übliche Lösungen hergestellt werden kann, wird nach Anspruch 2 der Motor insgesamt tiefer gelegt und damit der Schutz für Fußgänger erhöht.

Außerdem besteht noch die Möglichkeit, dass gemäß Anspruch 3 zusätzlich die Funktion des Saugrohrs in das Zylinderkurbelgehäuse integriert und das Zylinderkurbelgehäuse von innen somit versteift wird.

Diese Ausgestaltung der Erfindung ist die Verwendung zuverlässiger, relativ langsam drehender, aber weitaus kostengünstigerer Rotationsverdichter, welche gemäß Anspruch 4 direkt als Lager für die Kurbelwelle verwendet werden. Weil der Verdichter so immer wieder zwischen Kolben eingebaut wird, muss er höchstens vier benachbarte Zylinder bedienen. Auf Grund der Verwendung mehrerer einfacher Baugruppen, entsteht eine gewisse Modularität. Dadurch wird die Produktion schneller, kostengünstiger und die Zuverlässigkeit der Bauteile und des gesamten Motors wird optimiert.

Rotationsverdichter sind in verschiedenen Größen herstellbar und werden gern auch in der Luftfahrtindustrie eingesetzt, z.B. als Vakuumpumpen, jedoch generell nicht als Antriebselemente oder Strukturteile. Sie gelten als eine der zuverlässigsten Arten von Verdichtern überhaupt und es ist bekannt, dass sich ihre Leistung während der Betriebszeit sogar verbessert. Der im Rahmen der Erfindung bevorzugt genutzte Rotationsverdichter - auch Umlauf- oder Zellenverdichter genannt - hat einen kreisförmigen Rotor, der exzentrisch zum Gehäuse gelagert ist und mehrere eingesetzte Schieber, welche durch die Fliehkraft immer mit dem Gehäuse Kontakt halten. Die Trennschieber bilden Zwischenräume, deren Inhalte sich durch die exzentrische Bewegung des Läufers verändern. Da das Kammervolumen auf der Ansaugseite größer ist als auf der Heißgasseite, wird das gasförmige Fluid in einem Umlauf in den sich verengenden Kammern verdichtet, bis das komprimierte Gas über einen Auslassstutzen ausgestoßen wird. Eine andere Variante ist die doppelte Ausführung, bei der sich das kreisförmige Rotorteil in der Mitte eines elliptischen Hohlraumes dreht und welches dafür an zwei Stellen Einlass- und an zwei Stellen Auslassstützen besitzt, die immer gegenüberliegend angeordnet sind. Obwohl beide Varianten in dem erfindungsgemäßen Zwei- Zylinder-Boxermotor verwendet werden können, werden zwei Rotationsverdichter der einfachen Art bevorzugt, sprich einer pro Zylinder. In kürzeren Mehrkolbenmotoren, die dafür relativ wenig Platz haben, versorgt ein größerer, doppelter Rotationsverdichter gleich alle Zylinder mit frischer Luft.

Von besonderem Vorteil ist, dass mehrere als Radialverdichter ausgebildete, den Verdichter bildende Gehäuse als Strukturteile ausgebildet und die Kurbelwelle ersetzend in das Zylinderkurbelgehäuse eingebaut sind.

Ausführungsbeispiele

Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 Rotationskompressor mit der Zusatzfunktion, die Kurbelwelle zu halten oder zu ersetzen. Dargestellt sind Gehäuse, Endplatten, Rotor, Trennschieber, Kugellager, Einlassstutzen, Auslassstutzen und Verschraubung im Zylinderkurbelgehäuse; Figur 2 Kolbentrieb eines hoch aufgeladenen, kompakten V8-Motors. In dieser Ansicht zu erkennen: Rotationsverdichter Baugruppe mit einem elliptischen Hohlraum für die doppelte Ausführung, seitlichen Luftfiltern, oberem und unterem Sammler, die Druckluft in den Ladeluftkühler fördern;

Figur 3 Kolbentrieb eines hoch aufgeladenen, kompakten Zweizylinder- Boxer-Motors. Zu erkennen: Rotationsverdichter Baugruppe mit eingepresster Lagern, Kurbelwellen-Hälfte mit integrierten Kurbelwangen, Boxer- Motor typisches, zentrales Schwungrad, versetzte Pleuel mit gelagertem Hubzapfen-Bereich, aus dem Pleuel- Versatz resultierenden koaxialen Kolben, die in dem resultierenden kompakten Motor - ohne Ausgleichwelle - erhöhte Laufruhe verursachen.

Figur 1 zeigt einen Rotationsverdichter, der geeignet ist, die Kurbelwellenwangen an einer Kurbelwelle zu ersetzen. Er besteht aus eine Gehäuse 1 , zwei Endplatten 2, einem Rotor 3, Trennschiebern 4, die die Luft befördern und ein bis zwei Kugellagern 5, die in die Endplatten 2 eingepresst sind. Der Verdichter hat einen Einlass 6- und einen Auslassstutzen 7 und wird von Innen als Strukturteil im Zylinderkurbelgehäuse 8 befestigt. Das aus zwei Hälften bestehende Gehäuse 1 bildet Strukturteile, die am nur angedeuteten Zylinderkurbelgehäuse 8 im Bereich nur ebenfalls angedeuteter Befestigungslöcher 8' befestigt wird.

Daraus ergeben sich für den Antriebsstrang zahlreiche Vorteile:

1) Wie in Anspruch 1 beschrieben wird der erfindungsgemäße Motor mit in das Zylinderkurbelgehäuse 8 integrierten Verdichtern leiser, kompakter und aus wenigen, einfachen Teile zusammengebaut. Dadurch werden die Herstellkosten der erfindungsgemäßen Kurbelwelle und des gesamten Motors gesenkt. 2) Nach Anspruch 2 liegt der resultierende Motor insgesamt tiefer, was zu einem besseren Fußgängerschutz führt. Nach Anspruch 3 entfällt das Saugrohr als separates Teil. Es wird ins Zylinderkurbelgehäuse 8 integriert. So können ein oder mehrere Verdichter 9, wie im Figur 2 dargestellt, die Luft auf dem kürzesten Weg durch einen Luftfilter 16 ansaugen - beispielsweise von der Seite - und saubere Luft zu einem Ladeluftkühler oder direkt zur Zylinderhaube befördern.

3) Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 ist in Figur 2 und 3 dargestellt, in welcher die Kurbelwelle durch eine oder mehrere Verdichter- Baugruppen 9 ersetzt wird. Da in Kurbelgehäusen zwischen den Pleueln12 noch Platz vorhanden ist, können stark gelagerte, überdimensionierte Radialverdichter als Lager verwendet werden. Ob aus mehreren Teilen zusammengebaut oder einteilig und geschmiedet oder gegossen, besteht die Kurbelwelle aus Wellenzapfen (Hauptlager), Hubzapfen (Pleuellager) und Kurbelwangen 10 sowie Gegengewichten. Erfindungsgemäß werden die Kurbelwellen-Hälften mit den integrierten Kurbelwangen 10 am Verdichter-Rotor so befestigt, dass sie über Hubzapfen 13 weiterhin die Kraft von den Pleueln 12 übertragen. Da der Verdichter zur Hälfte hohl ist, benötigt er keine schweren Teile, wodurch die Motorkonstruktion leicht bleibt.

4) Weil die typische einteilige Kurbelwelle nach Anspruch 5 erfindungsgemäß durch die aus Verdichtern 9 und Hubzapfen 13 zusammengesteckte und geschweißte Kurbelwelle ersetzt wird, können stärkere einteilige Pleuel 12 verwendet werden. Alle Mehrkolbenmotoren profitieren davon, wie in Figur 2 und 3 zu sehen ist.

5) Typische Pleuel 12 sind ziemlich flach und werden mittig unter der Kolbenachse angeordnet, so dass sie die Kolben 14 auf kürzestem Weg effektiv mit dem Hubzapfen 13 der Kurbelwelle verbinden. Dies führt automatisch zu einem Versatz der Kolben 14 und zu einer längeren Motorkonstruktion. Gemäß Anspruch 6 wird durch einen einfachen Versatz im Pleuel 12 ein kompakter Motor erreicht. Dadurch werden, wie in Figur 3 dargestellt, in Boxer-Motoren die gegenüberliegenden Kolben 14, sogar koaxial angeordnet sein.

6) Die durch die Zündung bewirkten Kräfte verursachen in verschiedenen Motorarten und in unterschiedlichem Maße Laufunruhe. Die industrielle Standardlösung dagegen ist die Ausgleichswelle, die nicht nur Platz braucht, sondern oft auch kompliziert und mehrteilig ausgeführt ist. Ein Zwei-Zylinder- Boxermotor hat zwei gegenläufige Kolben 14, die gleichzeitig zünden, und läuft damit relativ ruhig. Dieses spürbare Drehmoment kommt teilweise vom Zylinderversatz.-Nach Anspruch 7 wird der Zylinderversatz erfindungsgemäß durch den Versatz der Pleuel 12 minimiert, wodurch der Motor ruhiger läuft.

6) Wie in Figur 2 dargestellt verwendet eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Motorkonstruktion den Pleuel 12 gemäß Anspruch 8 in Kombination mit Hybridlagern. Die Vorteile dieser Art Lager, die aus Metallringen und härteren, perfekteren Kugeln aus Keramik bestehen, sind, dass sie höheren Betriebstemperaturen standhalten und größere Kräfte aufnehmen können. Außerdem drehen sie leichter. Selbst bei mehr als 20.000 Umdrehungen brauchen sie wenig Schmierung.

7) Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor mit im Zylinderkurbelgehäuse 8 integriertem Verdichter 9 kann vielseitig verwendet werden: als kompakter Antrieb in Land-, Wasser- und Luftfahrzeugen oder für Maschinen, Aggregate aber auch zur Energieversorgung. Da die Hubzapfen 13 mit den Verdichtern 9 durch einfaches Einstecken oder auch Schweißen zusammengebaut werden, ist der Einbau von robusteren, einteiligen Pleueln 12 möglich. In seiner Herstellung ist der Motor nach Anspruch 1 bis 14 kostengünstiger als üblich auf Grund einer relativ geringeren Anzahl von Teilen und deutlich kürzeren Produktionszeiten. Bezugszeichenliste

1 Gehäuse

2 Endplatte

3 Rotor

4 Trennschieber

5 Kugellager

6 Einlassstutze

7 Auslassstutze

8 Zylinderkurbelgehäuse 8' Befestigungselement

9 Verdichter-Baugruppe

10 Kurbelwange

11 Schwungrad

12 versetztes Pleuel

13 Hubzapfen-Bereich

14 Kolben

15 elliptischer Hohlraum

16 Luftfilter

17 Sammler