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Die Erf
indung betrifft einen Rotationskolbenmotor. Aus der Praxis sind Rotationskolbenmotoren vorrangig in Trochoidenbauart bekannt. Bei solchen Motoren formen ein mittleres Gehäuse mit einer üblicherweise zweibogig trochoidenförmigen Innenkontur und dieses Gehäuse seitlich abschließende, seitliche Gehäuseteile – auch Seitenteile genannt – einen Arbeitsraum, in dem ein als Rotationskolben ausgebildeter und im Querschnitt die Form eines Dreiecks mit insbesondere konvexen Seiten aufweisender Läufer rotiert. Der Läufer ist dabei entlang seiner Kanten mit Dichtelementen, üblicherweise Radialdichtleisten, Seitendichtleisten und Eckbolzen versehen, die zur Abdichtung zwischen Läufer und Arbeitsraum dienen und in permanenten Kontakt mit dem Arbeitsraum sind. Solche Rotationskolbenmotoren sind entweder mit einer Mischungsschmierung oder mit einer Getrenntschmierung bekannt. Bei der Mischungsschmierung werden die Frischgase, d. h. ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, teilweise durch den Läufer geleitet, um den Läufer zu kühlen. Öl zur Schmierung wird dabei dem Kraftstoff beigemischt oder separat zugeführt, gelangt aber in jedem Fall in den Arbeitsraum des Motors und wird verbrannt. Rotationskolbenmotoren mit einer Getrenntschmierung weisen immer eine separate Ölversorgung auf. Ein bekanntes verfahren ist, das Öl in einem geschlossenen Ölkreislauf mittels einer Ölpumpe aus einem Ölsumpf in die zu schmierenden Bereiche zu fördern und anschließend das zurück geführte Öl durch einen Ölkühler zu kühlen. Dabei wird das Öl nicht nur zur Schmierung, sondern auch zur Kühlung des Motors, insbesondere des Läufers genutzt. Ein weiteres Verfahren bei einer Getrenntschmierung ist, Frischluft zur Kühlung des Rotors zu verwenden. Dabei wird Luft aus der Umgebung in die zu kühlenden Bereiche gefördert und gelangt von dort in den Auspuff (z. B. Patent
US 969.591 ) oder wird direkt wieder in die Umgebung abgegeben. Bei diesem Verfahren erfolgt die Schmierung dadurch, dass der Frischluft Öl beigemischt wird, oder dass Öl direkt an die zu schmierenden Bereiche gefördert wird. In jedem Fall wird das Öl mit dem Kühlluft-Strom aus dem Motor gesogen, sodass es entweder direkt in die Umgebung oder den Auspuff gelangt oder davor aus der Luft herausgefiltert werden muss.
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Im Patent
GB 2457456 A bzw.
US 20100313844(A1) wird eine Rotorkühlung und -Schmierung offengelegt, bei der Kühlluft, der gegebenenfalls Öl beigemischt ist, in einem geschlossenen, mit einem Umluftgebläse versehenen Kreislauf durch den Rotor geleitet wird. Die Kühlluft wird in einem entsprechenden Kühler gekühlt, und das zur Schmierung verwendete Öl kann auf diese Weise mehrfach verwendet werden. Dadurch sinkt der Ölverbrauch des Rotationskolbenmotors im Vergleich zu einem System mit Getrenntschmierung, das Frischluft zur Kühlung nutzt, oder einem System mit Mischungsschmierung erheblich, ohne dass es so komplex wäre wie eine Getrenntschmierung mit Ölkühlung.
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Um die Kühlwirkung zu verbessern, wird der Kühlkreislauf mit Druck beaufschlagt, der aus der – gegebenenfalls sogar zusätzlich verstärkten – Leckage der Dichtelemente des Läufers während der Arbeitszyklen des Motors gewonnen wird. Steigt der Druck über ein gewünschtes Maß an, entweicht das Öl-Luft-Gemisch durch ein Ablassventil ins Freie.
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Nachteilig bei diesem Konzept ist es, dass bei Luftdrücken des Kühlkreislaufs, die höher sind als der Einstellwert des Ablassventils, die Luft aus dem System ins Freie entweicht. Soll dabei das in der Kühlluft enthaltene Öl nicht entweichen, muss es beispielsweise mit einem Filter aufgefangen werden, um von der Luft getrennt zu werden. Außerdem muss der entweichende Luftdruck erneut aufgebaut werden, was die Motorleistung, den Verbrauch und somit auch den Wirkungsgrad, negativ beeinflusst. Ferner ist besonders nachteilig, dass das Prinzip der Druckbeaufschlagung auf der – gegebenenfalls sogar zusätzlich verstärkten – Leckage der Dichtelemente beruht, was die Motorleistung, den Verbrauch und somit auch den Wirkungsgrad, negativ beeinflusst. Gerade der Rotationskolbenmotor ist, was die Abdichtung der Dichtleisten betrifft, besonders empfindlich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und ein Kühlverfahren für einen Rotationskolbenmotor, sowie einen Rotationskolbenmotor mit Luftkühlung in einem geschlossenen Kreislauf anzugeben, dessen Wirkungsgrad und Arbeitsweise optimiert ist.
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Die Aufgabe wird zunächst dadurch gelöst, dass die Rückführung des Überdrucks aus dem ansonsten geschlossenen Kühlkreislauf nicht ins Freie, sondern in den Arbeitsraum des Rotationskolbenmotors erfolgt. Dadurch kann das Öl gegebenenfalls noch zur Arbeitsraum-seitigen Schmierung von Dichtelementen genutzt werden und verbrennt, anstatt unverbrannt in die Umgebung abgegeben zu werden oder davor gefiltert werden zu müssen. Wichtiger ist jedoch, dass der Druck, der im Arbeitsraum verloren wird, um den Kühlkreislauf mit Druck zu beaufschlagen, wieder dem Arbeitsraum zurückgeführt.
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Darüber hinaus wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass zumindest eine Verbindung zwischen dem Kühlkreislauf und dem Arbeitsraum des Rotationskolbenmotors geschaffen wird, damit die Druckbeaufschlagung des Kühlkreislaufs nicht durch Leckage der Dichtelemente des Läufers, sondern durch diese Verbindung erfolgt.
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Sowohl für die Druck-Beaufschlagung des geschlossenen Kühlkreislaufs, als auch für die Rückführung von Überdruck aus dem Kühlkreislauf kann diese zumindest eine Verbindung mit einem Ventil versehen sein, um den Druckaustausch gezielt zu steuern oder zu regeln. Dabei erlaubt es die erfindungsgemäße Ausgestaltung, dass nach Abgleich zumindest eines gemessenen Istwertes eines beliebigen Motorparameters mit einem entsprechenden, gegebenenfalls variablen Sollwert – sofern erforderlich – ein Korrektursignal an zumindest ein verstellbares Ventil zumindest einer Verbindung ausgesandt wird und so in zumindest einer Verbindung das Strömungsvolumen und/oder der Druck zwischen Arbeitsraum und Kühlkreislauf gesteuert oder geregelt wird.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung erlaubt es außerdem, auch unterschiedlich positionierte Verbindungen anzuordnen, die je nach den benötigten Druckverhältnissen abwechselnd oder gemeinsam zur Druckübertragung in den Kühlkreislauf oder aus dem Kühlkreislauf genutzt werden können und untereinander oder unabhängig voneinander gesteuert oder geregelt werden können. Damit ist eine optimale Druckcharakteristik für das Kühlsystem hergestellt.
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Die Position zumindest einer Verbindung kann so gewählt sein, dass sie an einer Position des Arbeitsraums angebracht ist, an der im Arbeitsbetrieb der zur Übertragung gewünschte Druck herrscht, sodass es zwar vorteilhaft sein kann, aber nicht notwendig ist, diese Verbindung mit einem Ventil zur Steuerung oder Regelung der Druckübertragung zwischen Arbeitsraum und Kühlkreislauf zu versehen.
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In einer Vereinfachung der zuvor genannten Ausführung reicht es für die Druck-Beaufschlagung und Rückführung von Überdruck aus, den Kühlkreislauf und den Arbeitsraum des Rotationskolbenmotors mit zumindest einer Verbindungsbohrung oder Nut in zumindest einem Seitenteil des Motors zu verbinden. Dabei wird die Verbindung von den Seitendichtleisten des Läufers, die als Steuerorgan genutzt werden, überfahren und nur kurzzeitig geöffnet. So wird auf einfache Weise der an der gewählten Position des Arbeitsraums herrschende Druck auf den ansonsten geschlossenen Kühlkreislauf übertragen. Steigt der Druck im Kühlkreislauf über den Druck an der gewählten Position des Arbeitsraums, erfolgt umgekehrt ein automatischer Ausgleich.
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Insbesondere wenn die dem Motor zur Verbrennung zugeführte Luft aufgeladen wird, beispielsweise mittels eines Kompressors oder Turboladers, kann sowohl für die Druck-Beaufschlagung des geschlossenen Kühlkreislaufs, als auch für die Rückführung von Überdruck aus dem Kühlkreislauf zumindest eine Verbindung vom Kühlkreislauf zum Ansaugtrakt des Motors führen. Außerdem kann zumindest eine Verbindung zum Auslass des Motors führen.
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Beim angegebenen Verfahren und Rotationskolbenmotor kann die Abdichtung der Dichtelemente, die zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Motors dienen, somit erhalten oder sogar verbessert werden, ohne dass der Druckaufbau des Kühlkreislaufs dadurch beeinträchtigt wird.
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Die erfindungsgemäße Ausführung sieht für die Verbindung zwischen dem Kühlkreislauf und dem Arbeitsraum des Motors vor, dass
zumindest eine Verbindung mit einem Rückschlagventil ausgestattet sein kann.
zumindest eine Verbindung schaltbar ausgebildet sein kann.
zumindest eine Verbindung mittels eines Sensors gesteuert sein kann.
zumindest eine Verbindung durch eine Mess-Einrichtung, z. B. Drehzahlmessung, geregelt sein kann.
zumindest ein Verbindung durch einen elektrischen Stellantrieb geregelt werden kann.
zumindest ein Verbindung als Nut im Seitenteil ausgeführt sein kann.
zumindest eine Verbindung als herkömmliche Gasverbindung, z. B. als Kanal oder Druckleitung mit Anschlüssen ausgeführt sein kann.
zumindest eine Verbindung nicht direkt in den Arbeitsraum, sondern zum Ansaugtrakt oder zum Auslass führt.
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Im Folgenden werden in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch einen erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor in Trochoidenbauart in parallel zur Exzenterwelle geschnittener Darstellung.
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2 schematisch einen erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor in Trochoidenbauart in orthogonal zur Exzenterwelle geschnittener Darstellung.
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3 schematisch einen erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor wie in 2, jedoch mit einer anderen Position des Läufers.
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In allen Figuren werden für gleiche bzw. gleichartige Bauteile übereinstimmende Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt schematisch einen Rotationskolbenmotor (1) in Trochoidenbauart in parallel zur Exzenterwelle (5) geschnittener Darstellung. Der Rotationskolbenmotor (1) umfasst ein mittleres Gehäuse (2) mit zweibogig trochoidenförmiger Innenkontur, dieses mittlere Gehäuse (2) seitlich abschließende Seitenteile (3, 4), eine Exzenterwelle (5), einen auf der Exzenterwelle (5) gelagerten Läufer (6), sowie einen exemplarischen Einlass (7), hier mit einer Drosseleinrichtung (8). Zwischen dem mittleren Gehäuse (2) und den Seitenteilen (3, 4) ergibt sich der Arbeitsraum (9), in dem der Läufer (6) kontrolliert um sich selbst und die Exzenterwelle (5) rotiert und dabei mit seinen radialen Kanten permanenten Kontakt zum mittleren Gehäuse (2) hat. Ferner ist der geschlossene Kühlkreislauf (10) dargestellt. Die Fließrichtung der Kühlluft im Kühlkreislauf (10) ist mit Pfeilen dargestellt. Die Kühlluft im Kühlkreislauf (10) wird durch ein Umluftgebläse (11) in die Luftzuleitung (12) und von dort in einen Kanal (13) des Seitenteils (3) gefördert. Von dort fließt die Kühlluft zur Schmierung und Kühlung durch Öffnungen im Läufer (6) und Bohrungen in der Exzenterwelle (5) und danach weiter durch einen Kanal (14) im gegenüberliegenden Seitenteil (4) in die Luftableitung (15). Aus der Luftableitung (15) gelangt die Luft in einen Kühler (16) und wird von dort wieder vom Umluftgebläse (11) angesaugt. 1 zeigt weiterhin beispielhaft eine Verbindung (20) zwischen dem Arbeitsraum (9) und dem Kühlkreislauf (10). Die Verbindung (20) ist in radialer Richtung zur Exzenterwelle (5) im mittleren Gehäuse (2) angebracht. Die Verbindung (20) zum Arbeitsraum (9) wird bei Rotation des Läufers (6) kaum unterbrochen, da nur die radialen Kanten des Läufers (6) die Verbindung passieren. Um den Druckausgleich zwischen Kühlkreislauf (10) und Arbeitsraum (9) nach Bedarf zu beeinflussen, ist in der Verbindung (20) ein Ventil (21) vorgesehen. Ebenso zeigt 1 beispielhaft eine Verbindung (30) zwischen dem Kühlkreislauf (10) und dem Einlass (7) des Rotationskolbenmotors (1). Um den Druckausgleich zwischen Kühlkreislauf (10) und Einlass (7) nach Bedarf zu beeinflussen, ist in der Verbindung (30) ein Ventil (31) vorgesehen. 1 zeigt außerdem beispielhaft eine Verbindung (40) zwischen dem Arbeitsraum (9) und dem Kühlkreislauf (10). Die Verbindung (40) ist in axialer Richtung zur Exzenterwelle (5) in einem Seitenteil (4) angebracht. Die Verbindung (40) kann so während der Rotation des Läufers (6) teilweise vom Läufer (6) überdeckt werden, sodass dann keine Druckübertragung mehr zum Arbeitsraum (9) erfolgen kann. Bei entsprechender Positionierung der Verbindung (40) ist es dann leichter möglich die Verbindung so zu gestalten, dass ein Ventil (41) zwar vorteilhaft sein kann, eine dauerhaft offene Verbindung ohne Ventil (41) aber auch möglich ist. Als Vereinfachung einer dauerhaft offenen Verbindung ohne Ventil ist die Verbindung (50) im Seitenteil (4) als Nut ausgeführt, die während der Rotation des Läufers (6) teilweise vom Läufer (6) überdeckt wird und so gegebenenfalls nur kurzzeitig, wenn im Arbeitsraum (9) der gewünschte Druck herrscht, einen Druckausgleich zwischen Arbeitsraum (9) und Kühlkreislauf (10) erlaubt.
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2 und 3 veranschaulichen noch einmal die Positionen der beschriebenen Verbindungen zwischen einem Rotationskolbenmotor (1) und einem in 2 und 3 nicht dargestellten Kühlkreislauf (10). Sie zeigen schematisch einen Rotationskolbenmotor (1) in Trochoidenbauart in orthogonal zur Exzenterwelle (5) entlang dem mittleren Gehäuse (2) geschnittener Darstellung. Zu sehen ist das mittlere Gehäuse (2) mit einer zweibogig trochoidenförmigen Innenkontur, ein Seitenteil (4) – das gegenüberliegende Seitenteil (3) ist aufgrund der Schnittdarstellung nicht zu sehen –, eine Exzenterwelle (5) und ein auf der Exzenterwelle (5) gelagerter Läufer (6). Außerdem ist ein Einlass (7) in den Arbeitsraum (9), ein Auslass (61) aus dem Arbeitsraum (9), sowie zur Orientierung die Position einer Zündkerze (62) gezeigt. Weiterhin dargestellt ist eine radial zur Exzenterwelle (5) im mittleren Gehäuse (2) angebrachte Verbindung (20) zwischen dem Arbeitsraum (9) und einem nicht dargestellten Kühlkreislauf (10), eine am Einlass (7) angebrachte Verbindung (30) zwischen dem Einlass (7) und dem nicht dargestellten Kühlkreislauf (10), eine am Auslass (61) angebrachte Verbindung (60) zwischen dem Auslass (61) und dem nicht dargestellten Kühlkreislauf (10), eine axial zur Exzenterwelle (5) im Seitenteil (3) angebrachte Verbindung (40) zwischen dem Arbeitsraum (9) und dem nicht dargestellten Kühlkreislauf (10), sowie eine als Nut im Seitenteil (3) ausgeführte Verbindung (50) zwischen dem Arbeitsraum (9) und dem nicht dargestellten Kühlkreislauf (10). Die in 2 und 3 dargestellten unterschiedlichen Positionen des Läufers (6) veranschaulichen, wie die außerhalb des Arbeitsraums (9) angebrachten Verbindungen (30, 60) von der Position des Läufers unbeeinflusst bleiben und auch die radial angebrachte Verbindungen (20) zum Arbeitsraum (9) bei Rotation des Läufers (6) kaum unterbrochen wird, da nur die radialen Kanten des Läufers (6) die Verbindung passieren. Deshalb kann es besonders sinnvoll sein, für diese Verbindung (20), ein hier nicht dargestelltes Ventil (21) zu verwenden, um die Druckübertragung zwischen dem Arbeitsraum (9) und dem Kühlkreislauf (10) nach Bedarf zu beeinflussen. Gleiches kann auch für die weiteren vom Rotor unabhängigen Verbindungen (30, 60) gelten. Die in 2 und 3 dargestellten unterschiedlichen Positionen des Läufers (6) veranschaulichen außerdem, wie die axial angebrachte Verbindung (40) vom Läufer (6) überdeckt werden kann, sodass dann zwischen Arbeitsraum (9) und Kühlkreislauf (10) jeweils keine Druckübertragung mehr erfolgen kann, da der Kühlkreislauf (10) durch den Läufer (6) führt. Bei entsprechender Positionierung der Verbindung (40) ist es deshalb leichter möglich, sie so zu gestalten, dass ein hier nicht dargestelltes Ventil (41) zwar vorteilhaft sein kann, eine Verbindung (40) aber auch ohne ein Ventil (41) ausgeführt werden kann. Die in 2 und 3 dargestellten unterschiedlichen Positionen des Läufers (6) veranschaulichen weiterhin, wie die als Nut ausgeführte Verbindung (50) zumeist vollständig vom Läufer (6) überdeckt wird, sodass nur kurzzeitig, vorzugsweise wenn im Arbeitsraum (9) der gewünschte Druck herrscht, ein Druckausgleich zwischen Arbeitsraum (9) und Kühlkreislauf (10) erfolgen kann.
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Weitere Komponenten des Rotationskolbenmotors (1) wie Dichtelemente des Läufers (6) sind der Einfachheit halber nicht dargestellt. Es ist außerdem verständlich, dass die dargestellten Bauteile und Konturen lediglich beispielhaft sind und eine beliebige Kombination und Ausführung von Verbindungen (20, 30, 40, 50, 60) und Ventilen (21, 31, 41) möglich ist.
