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Die Erfindung betrifft einen Kolbenläufer für einen Rotationskolbenmotor und einen Rotationskolbenmotor.
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Kolbenläufer, oder kurz Läufer, sind im Betrieb eines Rotationskolbenmotors hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Zum Kühlen des Läufers sind aus dem Stand der Technik verschiedene Techniken bekannt.
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Beispielsweise ist es bekannt, den Läufer mit Öl zu kühlen. Außerdem ist ein Kühlen mit reiner Luft bekannt. Für kostengünstige Bauarten ist es weiter bekannt, den Kolbenläufer mit einem angesaugten Gemisch zu kühlen. Derartige Kolbenläufer werden im Zusammenhang mit der Erfindung auch als gemischgekühlte Kolbenläufer oder gemischgekühlte Läufer bezeichnet. Bei gemischgekühlten Läufern strömt das Gemisch axial durch den Motor und sorgt so an Läuferinnenflächen für eine notwendige Wärmeabfuhr. Die Strömung durch den Motor wird durch den Unterdruck in einer Ansaugkammer des Motors verstärkt.
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Bei bekannten Rotationskolbenmotoren mit gemischgekühltem Läufer ist ein Seiteneinlass und/oder ein Umfangeinlass vorgesehen, durch welchen das Gemisch in die Kammer des Motors strömt. Weiter ist bei gemischgekühlten Läufern ein Umfangsauslass vorgesehen, durch welchen ein Abgas abgeführt wird. Dabei gelangt jedoch teilweise auch ein in der Kammer verbliebenes unverbranntes Gemisch in den Auslass.
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US 6,325,603 B1 zeigt einen Rotationskolbenmotor mit gemischgekühltem Läufer, bei welchem ein Gemisch zunächst zu Kühlzwecken über zwei äußere Seitenscheiben in einen Innenraum des Läufers und anschließend über Seiteneinlässe und Umfangeinlässe in eine Kammer geführt wird. Ein Abgas wird durch einen Umfangsauslass abgeführt.
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Weitere Rotationskolbenmotoren mit unterschiedlichen Kühlsystemen sind auch aus
DD 67 285 A1 ,
GB 926 417 A und
WO 2007/053 006 A1 bekannt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kostengünstigen Kreiskolbenmotor mit gemischgekühltem Läufer mit verbesserten Emissionswerten zu schaffen. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Kolbenläufer für einen gemischgekühlten Kreiskolbenmotor zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kolbenläufer für einen gemischgekühlten Rotationskolbenmotor, insbesondere für einen Kreisbolbenmotor in Trochoidenbauart, mit mindestens einer, vorzugsweise drei axial von Gemisch durchströmbaren Durchströmöffnung(en), wobei die mindestens eine Durchströmöffnung wenigstens an ihrer Auslassseite eine asymmetrische Innenkontur aufweist, so dass beim Überstreichen einer Seitenauslassöffnung des Rotationskolbenmotors durch den Kolbenläufer die Seitenauslassöffnung nicht in Fluidkommunikation mit einem Innenraum der Durchströmöffnung tritt.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch einen Rotationskolbenmotor, insbesondere Kreiskolbenmotor in Trochoidenbauart, umfassend eine auslassseitige Seitenscheibe und einen erfindungsgemäßen Kolbenläufer mit mindestens einer, vorzugsweise drei axial von Gemisch durchströmbaren Durchströmöffnungen, wobei die auslassseitige Seitenscheibe eine Seitenauslassöffnung und die mindestens eine Durchströmöffnung wenigstens an ihrer Auslassseite eine asymmetrische Innenkontur aufweist, so dass beim Überstreichen der Seitenauslassöffnung durch den Kolbenläufer die Seitenauslassöffnung nicht in Fluidkommunikation mit einem Innenraum der Durchströmöffnung tritt.
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In anderen Worten sind auslassseitige Mündungen der Durchströmöffnungen und die Seitenauslassöffnung an der auslassseitigen Seitenscheibe derart aufeinander abgestimmt, dass während des Betriebs des Motors in keiner Läuferstellung die auslassseitige Mündung im Bereich der Auslassöffnung zu liegen kommt.
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Als Kreiskolbenmotoren in Trochoidenbauart werden dabei Kreiskolbenmotoren bezeichnet, welche ein Läufergehäuse mit zweibogiger Innenkontur (Trochoide) und dreieckförmigen Kolbenläufern aufweisen.
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Ein von einem Vergaser oder einer Einspritzung bereitgestelltes Kraftstoff-Luft-Gemisch, kurz Gemisch, wird über einen Seiteneinlass oder einen Umfangseinlass in eine Einlasskammer des Motors eingebracht. Das Gemisch wird beispielsweise über einen Ansaugkanal und eine Aussparung in der Seitenscheibe gesaugt, strömt zur Wärmeabfuhr von der Aussparung in der Seitenscheibe über eine der Durchströmöffnungen axial durch den Kolbenläufer und wird zu der Einlasskammer geführt, vorzugsweise über eine entsprechende Aussparung an der Gegenauslassseite.
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Nach Ablauf des üblichen 4-Takt-Prozesses wird ein Abgas abgeführt, wobei hierfür erfindungsgemäß ein Seitenauslass vorgesehen ist. Bei einem Seitenauslass verbleibt ein unverbranntes Restgas in der Kammer und wird im nächsten Zyklus mit neu zugeführtem Gemisch vermengt. Dadurch werden eine Effizienz des Motors und auch dessen Emissionswerte verbessert. Der Seitenauslass wird durch den Kolbenläufer je nach dessen Stellung in Richtung einer Auslass- oder Expansionskammer freigeben oder geschlossen. Durch die asymmetrische Gestaltung der Innenkontur der Durchströmöffnungen wenigstens auf der Auslassseite des Läufers ist es möglich, große Durchströmöffnungen für eine gute Kühlung und ggf. eine gute Gemischzufuhr zu der Einlasskammer bereitzustellen, gleichzeitig jedoch einen gemischgekühlten Innenraum des Läufers immer von der Seitenauslassöffnung getrennt zu halten.
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Vorzugsweise sind an einer Außenkontur des Kolbenläufers Dichtleisten angeordnet. Die Dichtleisten sind dabei auf herkömmliche Weise ausbildbar, wobei über die Dichtleisten auch ein Abdichten der Expansions- und/oder der Auslasskammer in Richtung der Auslassöffnung erfolgt. Bei Überstreichen der Auslassöffnung mit einer vorlaufenden Außenkontur wird die Auslassöffnung in Richtung der Expansionskammer geöffnet. Bei Überstreichen der Auslassöffnung mit einer nachlaufenden Außenkontur wird die Auslassöffnung in Richtung der Auslasskammer geschlossen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass an einer Auslassseite des Kolbenläufers die mindestens eine Durchströmöffnung eine Anlauffläche aufweist, welche im Betrieb an einer auslassseitigen Seitenscheibe des Rotationskolbenmotors anliegt. Als Auslassseite des Kolbenläufers wird dabei im Zusammenhang mit der Erfindung die der auslassseitigen Seitenscheibe zugewandte Läuferfläche bezeichnet. Durch den axial wirkenden Gasdruck wird im Betrieb die Anlauffläche in Richtung der Seitenscheibe gezwungen, wobei eine dauernde Fühlhaltung erzielt werden kann. Die Anlaufflächen sind in einer Ausgestaltung als Einsatz ausgebildet, welcher in die Durchströmöffnungen einsetzbar ist. In anderen Ausgestaltungen sind die Anlaufflächen an einer auslassseitigen Seitenfläche des Läufers angebracht, wobei durch die Anlaufflächen die Durchströmöffnungen teilweise abgedeckt werden, so dass eine asymmetrische Innenkontur der Durchströmöffnungen an der Auslassseite geschaffen wird. In wieder anderen Ausgestaltungen sind die Anlaufflächen einteilig mit dem Läufer ausgebildet. Die Anlaufflächen sind in einer Ausgestaltung aus einem geeigneten Material hergestellt und/oder mit diesem beschichtet, um einen verschleißfreien Kontakt mit der Seitenscheibe sicherzustellen.
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Vorzugweise ist vorgesehen, dass im Betrieb von einem Gasdruck beaufschlagte seitliche Läuferflächen des Kolbenläufers auf der Gegenauslassseite größer ausgebildet sind, als auf der Auslassseite. Dadurch wird der Läufer von dem Gasdruck in Richtung der Auslassseite gezwungen und somit ein Andrücken des Läufers, insbesondere der Anlaufflächen an die auslassseitige Seitenscheibe verbessert.
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Vorzugsweise ist die Seitenauslassöffnung mittels des Kolbenläufers bei oder vor Erreichen eines kleinsten Volumens in einer Auslasskammer, in anderen Worten im oder vor dem Überscheidungs-OT, verschließbar. Weiter ist vorzugsweise der Läufer derart ausgelegt, dass die Seitenauslassöffnung mittels des Kolbenläufers in einem Bereich von ca. 20° bis ca. 30° vor Erreichen des größten Volumens in der Auslasskammer für eine Abgasabfuhr öffenbar ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in einem Auslasskanal der auslassseitigen Seitenscheibe ein wärmeisolierender Einsatz vorgesehen. Durch den Einsatz wird eine Wärmebelastung der Seitenscheibe verringert.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in den Zeichnungen schematisch dargestellt ist. Für gleiche oder ähnliche Bauteile werden in den Zeichnungen einheitliche Bezugszeichen verwendet.
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Die Zeichnungen zeigen schematisch:
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1: eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotor mit einem Kolbenläufer;
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2: eine Ansicht axial durch den Kreiskolbenmotor gemäß 1 auf eine gegenauslassseitige Seitenscheibe;
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3: eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Kolbenläufer;
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4: eine Ansicht axial durch den Kreiskolbenmotor gemäß 1 auf eine auslassseitige Seitenscheibe beim Öffnen einer Seitenauslassöffnung und
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5: eine Ansicht gemäß 4 auf die auslassseitige Seitenscheibe beim Schließen der Seitenauslassöffnung.
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1 zeigt schematisch einen Kreiskolbenmotor 1 in einer geschnittenen Darstellung. Der Kreiskolbenmotor 1 umfasst ein Mittelgehäuse 2, Seitenscheiben 3, 4, eine Exzenterwelle 5 und einen auf der Exzenterwelle 5 gelagerten Kolbenläufer 6.
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Ein Kühlmittelstrom durch den Kreiskolbenmotor 1 ist schematisch durch Pfeile dargestellt. Als Kühlmittel wird das Gemisch verwendet. Das Gemisch wir über eine an der in 1 rechts dargestellten Seitenscheibe 4 vorgesehene Ausnehmung 40 von einem Einlasskanal 41 angesaugt und über eine im Kolbenläufer 6 vorgesehene Durchströmöffnung 60 axial durch den Kolbenläufer 6 geführt. Das Gemisch gelangt so zu einer Aussparung 30 in der in 1 links dargestellten Seitenscheibe 30 und strömt über eine Seiteneinassöffnung 31 in eine Ansaugkammer.
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Nach Ablauf eines allgemein bekannten 4-Takt Prozesses wird das verbrannte Gemisch über einen Auslasskanal 42 in der Seitenscheibe 4 abgeführt. Die Seitenscheibe 4 wird daher auch als auslassseitige Seitenscheibe bezeichnet. Die gegenüberliegende Seitenscheibe 3 wird auch als gegenauslassseitige Seitenscheibe bezeichnet. Um eine Temperaturbelastung der auslassseitigen Seitenscheibe 4 zu verringern, weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Auslasskanal 42 einen Isoliereinsatz 7 auf. Erfindungsgemäß wird das Gemisch dem Auslasskanal 42 über einen Seitenauslass 43 zugeführt. Eine derartige Anordnung des Auslasses 43 hat den Vorteil, dass ein während des 4-Takt Prozesses nicht verbranntes Gemisch in der Kammer verbleibt. Die Konstruktion eines Kreiskolbenmotors 1 mit einem Seitenauslass 43 wird durch die besondere Konstruktion des Kolbenläufers 6 möglich.
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2 zeigt schematisch eine Ansicht axial durch den Kreiskolbenmotor 1 auf die Seitenscheibe 3 während eines Einströmens des Gemischs über die Seiteneinassöffnung 31, wie schematisch durch einen Pfeil dargestellt. Dabei wird das Gemisch in die Ansaug- oder Einlasskammer 20 gesaugt, wobei die Strömung durch den Kolbenläufer 6 durch einen Unterdruck in der Ansaugkammer 20 beschleunigt wird.
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3 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Kolbenläufer 6 mit drei axial von einem Gemisch durchströmbaren Durchströmöffnungen 60 in einer Draufsicht auf die der auslassseitigen Seitenscheibe 4 zugewandten Seite des Kolbenläufers 6. Die Durchströmöffnungen 60 weisen an der in 3 sichtbaren Auslassseite eine asymmetrische Innenkontur 600 auf. Durch die asymmetrische Innenkontur 600 wird erreicht, dass beim Überstreichen der Seitenauslassöffnung 43 gemäß 1 durch den Kolbenläufer 6 die Seitenauslassöffnung 43 und damit der Auslasskanal 42 nicht in Fluidkommunikation mit einem Innenraum des Kolbenläufers 6, d. h. einem Innenraum der Durchströmöffnungen 60 tritt. In anderen Worten wird durch die asymmetrische Innenkontur 600 erreicht, dass die Seitenauslassöffnung 43 immer von den Durchströmöffnungen 60 getrennt gehalten wird.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Kolbenläufer 6 an der in 3 dargestellten Auslassseite Anlaufflächen 61 auf, durch welche die Durchströmöffnungen 60 teilweise abgedeckt sind, so dass eine Innenkontur der Mündung der Durchströmöffnungen 60 an der Auslassseite verringert wird. An den seitlichen Läuferkanten sind Dichtleisten 8 angeordnet. Um die Anlaufflächen 61 gegen die auslassseitige Seitenscheibe 4 gemäß 1 zu zwingen ist vorzugsweise vorgesehen, dass seitliche Läuferflächen des Kolbenläufers 6 auf der Gegenauslassseite größer ausgebildet sind als auf der Auslassseite, so dass der Kolbenläufer 6 in Richtung der auslassseitigen Seitenscheibe 4 durch den axial wirkenden Gasdruck gezwungen wird. Dadurch wird eine dauernde Fühlhaltung der Anlaufflächen 61 zu einer Oberfläche der auslassseitigen Seitenscheibe 4 erzielt.
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Die 4 und 5 zeigen schematisch Ansichten axial durch den Kreiskolbenmotor 1 gemäß 1 auf die auslassseitige Seitenscheibe 4 beim Öffnen (4) der Seitenauslassöffnung 43 und beim Schließen (5) der Seitenauslassöffnung 43. In der in 4 dargestellten Stellung des Läufers 6 ist die Auslassöffnung 43 gegenüber den Kammern 22, 23 des Kreiskolbenmotors 1 mittels der Dichtleisten 8 abgedichtet. Eine Abdichtung der Auslassöffnung 43 gegenüber den Durchströmöffnungen 60 und damit gegenüber dem Innenraum des Läufers 6 erfolgt mittels der Anlauffläche 61. Der Kolbenläufer 6 setzt seine Drehung in die durch einen Pfeil dargestellte Richtung fort, wobei der Kolbenläufer 6 mit seiner vorlaufenden Außenkontur 62 über die Auslassöffnung 43 bewegt wird und damit die Auslassöffnung 43 in Richtung der Kammer 22 öffnet. Die Auslassöffnung 43 bleibt jedoch aufgrund der asymmetrischen Kontur der Mündung der Durchströmöffnung 60 von dem Innenraum des Läufers 6 getrennt. Damit wird verhindert, dass ein Abgas aus der Kammer 22 in den Innenraum des Läufers 6 gelangt. Ein Öffnen der Auslassöffnung 43 für ein Abgas erfolgt dabei vorzugsweise spätestens in einem Bereich von 20° bis 30° Exzenterwellenwinkel vor Erreichen des größten Volumens in der Kammer 22.
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5 zeigt eine Ansicht ähnlich 4 beim Schließen der Auslassöffnung 43. Ein Schließen erfolgt dabei, in dem die nachlaufende Außenkontur 63 über den Bereich der Auslassöffnung 43 verschoben wird und der Läufer 6 mittels der Dichtleiste 8 die Auslassöffnung 43 gegenüber der Kammer 23 abdichtet. Auch in dieser Stellung bleibt die Auslassöffnung 43 von der Durchströmöffnung 60 getrennt. Bei einer weiteren Bewegung wird die Auslassöffnung 43 wieder gegenüber der Kammer 22 gemäß 2 geöffnet, so dass verbranntes und expandiertes Abgas über die Auslassöffnung 43 ausgeschoben werden kann.
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Es ist verständlich, dass die dargestellte Innenkontur 600 der Durchströmöffnungen 60 lediglich beispielhaft ist. Die Innenkontur 600 und die Kontur der Auslassöffnung 43 sind jedoch in jedem Fall derart aufeinander abgestimmt, dass die Auslassöffnung 43 immer von den Durchströmöffnungen 60 getrennt gehalten wird.
