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Die Erfindung 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 konvexen Seiten aufweisender Läufer rotiert. Der Läufer ist dabei entlang seiner Kanten mit Dichtelementen versehen, die zur Abdichtung zwischen Läufer und Arbeitsraum dienen und dazu in permanentem Kontakt mit den Außenwänden des Arbeitsraumes sind. Diese Dichtelemente sind üblicherweise:
- a) sogenannte Radialdichtleisten auf den radialen Kanten des Läufers,
- b) sogenannte Seitendichtleisten an den Seiten des Läufers entlang seiner seitlichen Kanten, sowie
- c) sogenannte Eckbolzen, die seitlich in den Eckbereichen des Läufers, in denen die Radialdichtleisten und die Seitendichtleisten zusammenlaufen, positioniert sind.
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Für die jeweiligen Dichtelemente gibt es eine Vielzahl von Ausgestaltungen. Sie können je nach Ausführung unterschiedliche Oberflächen und Konturen aufweisen und mehrteilig ausgeführt sein. Die Dichtelemente sind im Arbeitsraum hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt und müssen auch im Ansaugtakt des Motors den Unterdruck im Arbeitsraum gut abdichten, um den Wirkungsgrad des Motors hoch zu halten. Insbesondere die wechselnden Drücke im Arbeitsraum stellen hohe Ansprüche an die Funktion der Abdichtung der Dichtelemente, wobei auch die auf die Dichtelemente wirkenden Zentrifugalkräfte, die notwendige Beweglichkeit unter allen Betriebsbedingungen des Motors und die Reibung an den Gehäuseteilen nicht zu vernachlässigen sind.
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Ist ein Rotationskolbenmotor mit einem getrennten Ölkreislauf zur Schmierung und Kühlung des Läufers ausgestattet, muss dieser ebenfalls zum Arbeitsraum abgedichtet werden. Dabei erfolgt eine Abdichtung gegen Ölverlust vorrangig durch separate Öldichtringe, die zentrisch zur Läuferachse positioniert sind, aber zusätzlich auch durch die Dichtelemente des Läufers.
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Bedingt durch die Wärmedehnung des Motors im Betrieb ist es erforderlich, dass die Dichtelemente beweglich gelagert sind und entsprechend ein Laufspiel vorgesehen ist. Dieses Laufspiel ist ferner vorteilhaft, damit speziell im Verdichtungs- und Arbeitstakt des Motors Gasdruck aus dem Arbeitsraum unter die ansonsten lediglich federbelasteten Dichtelemente gelangen kann, um die Dichtelemente an die Außenwände des Arbeitsraums zu drücken und so die Abdichtung zwischen Arbeitsraum und Läufer zu verbessern. Es sind einige Ansätze bekannt und offengelegt, um diesen Effekt zu verstärken, beispielsweise mit Bohrungen im Läufer, die Luftdruck aus dem Arbeitsraum gezielt unter die Radialdichtleisten leiten. Solche Bohrungen erzeugen jedoch im Ansaugtakt des Motors einen Unterdruck unter den Dichtleisten und verringern so in diesem wichtigen Bereich den Anpressdruck auf die Dichtleisten. Lediglich das im Patent
US 3881848 beschriebene System verhindert diesen Nachteil, indem Dichtungen unterhalb der Dichtleisten bewirken, dass Druck aus dem Arbeitsraum unter die Dichtleisten gelangen, aber nicht entweichen kann. Allerdings sind die Dichtungen so ausgeführt, dass sie die Dichtleisten in ihrer Bewegung hemmen und so zu erhöhter Reibung und erhöhtem Verschleiß führen können. Entsprechend hat sich bislang sich keiner dieser Ansätze bewährt.
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Nachteilig bei den bekannten Ausführungen der Dichtelemente ist, dass deren Abdichtung zum Arbeitsraum zumeist unvollständig ist und zu einer Leckage führt, die den Wirkungsgrad des Motors vermindert und ferner bei getrennt geschmierten Rotationskolbenmotoren zu unnötigem Ölverlust führt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden, und einen Rotationskolbenmotor anzugeben, dessen Wirkungsgrad und Ölverbrauch durch eine optimierte Abdichtung der Dichtelemente verbessert ist.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zumindest ein Dichtelement, vorzugsweise alle Dichtelemente, mit zusätzlichen Abdichtungen versehen werden, die die Bewegungsmöglichkeit der Dichtelemente erhalten und trotz der wechselnden Drücke im Motor die Abdichtung verbessern.
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Die Abdichtungen werden dazu vorzugsweise in Vertiefungen (vorzugsweise Nuten) eingesetzt, die vorzugsweise orthogonal zu den im Läufer vorhanden Nuten und Bohrungen für die Dichtelemente verlaufen. Die Abdichtungen werden dabei vorzugsweise etwa auf mittlerer Höhe der Dichtelemente positioniert, sofern die Dichtelemente noch ober- und unterhalb der Abdichtungen eine ausreichende Auflage zum Läufer benötigen, um ihre Führung und Beweglichkeit ohne Einschränkungen zu erhalten.
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Alternativ erlaubt es die erfindungsgemäße Ausgestaltung ebenfalls, die Nuten für die Abdichtungen in den Dichtelementen vorzusehen oder jeweils weniger tiefe Nuten sowohl in den Dichtelementen, als auch im Läufer vorzusehen, sofern dies beispielsweise konstruktiv aus Platzgründen oder fertigungstechnisch aus Kostengründen vorteilhaft ist. Möglich ist ebenfalls, den Läufer mehrteilig auszuführen, sodass die Nut für eine Abdichtung in ein separates Teil eingebracht wird oder sich aus dem Zusammenbau der Einzelteile ergibt.
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Die Abdichtungen werden vorzugsweise einseitig auf der dem Arbeitsraum abgewandten Seite der Dichtelemente eingebracht, sodass Gasdruck aus dem Arbeitsraum weiterhin unter die Dichtelemente gelangen kann, um so speziell im Verdichtungs- und Arbeitstakt des Motors den Druck auf die Dichtelemente zu erhöhen. Bei entsprechender Ausgestaltung der Federn, die üblicherweise Druck auf die Dichtelemente ausüben, sind aber auch eine einseitige Abdichtung auf der dem Arbeitsraum zugewandten Seite der Dichtelemente, sowie zur Optimierung der Abdichtung beidseitig der Dichtelemente eingebrachte Abdichtungen möglich.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung erlaubt weiterhin, die Abdichtungen unter den Dichtelementen anzubringen oder die Abdichtungen so auszugestalten, dass sie die Dichtelemente zumindest einseitig umschließen. Es ist dann möglich, eine Feder zur Federvorbelastung eines Dichtelements in das Dichtelement zu integrieren oder das Dichtelement so auszugestalten, dass es elastisch ist und die Funktion der Feder übernimmt, sodass die Feder selbst entfallen kann.
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Insbesondere wenn durch die Abdichtungen ein gasdichter Hohlraum unterhalb zumindest eines Dichtelements geschaffen wird (oder eine hohle Abdichtungen unterhalb zumindest eines Dichtelements eingesetzt wird), ist es des Weiteren möglich, den Rotor mit zumindest einer Verbindungsbohrung vom Arbeitsraum zur Unterseite dieses Dichtelements (bzw. in das hohle Dichtelement) zu versehen, wie es beispielsweise die Patente
US 3873250 und
US 3881848 für die Radialdichtleisten eines Rotationskolbenmotors offenlegen. Anders als bekannt kann eine solche Verbindungsbohrung anstatt mit einem Klappenventil, das den jeweils höheren, seitlich neben einer Radialdichtleiste wirkenden Druck unter eine jeweilige Radialdichtleiste leitet, oder einer Dichtung, die ein Entweichen von eingeleitetem Druck verhindert, jedoch mit einem – gegebenenfalls druckbegrenzten – Rückschlagventil versehen werden. Dies ist für alle Dichtelemente – auch mit zusätzlichen, die einzelnen Hohlräume untereinander verbindenden Kanälen – möglich. Dadurch werden die Dichtelemente an ihrer Unterseite dauerhaft mit dem gewünschten Druck aus dem Arbeitsraums beaufschlagt, sodass sich eine optimierte Abdichtung ergibt und die ansonsten benötigte Feder unterstützt wird oder gegebenenfalls ganz entfallen kann.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung erlaubt, für jedes Dichtelement zumindest eine Abdichtung verwenden. Möglich ist ebenfalls, zur besseren Abdichtung mehrere Abdichtungen für ein Dichtelement zu verwenden und eine Abdichtung so auszugestalten, dass sie zur gemeinsamen Abdichtung mehrerer Dichtelemente dient.
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Die Abdichtungen können erfindungsgemäß als entsprechend ihrer benötigten Länge zugeschnittene, im Querschnitt kreisrunde Stücke eines vorzugsweise flexiblen Materials ausgeführt sein. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung der jeweiligen Nut, in der sie vorgesehen sind, erreichen die Abdichtungen eine Gasdichtigkeit zwischen Läufer und Dichtelement und erlauben gleichzeitig ein Abrollen der Dichtelemente auf den Abdichtungen, sodass auch die Beweglichkeit der Dichtelemente weiterhin gegeben ist. Sie sollen jedoch ausdrücklich nicht die ansonsten übliche, gleitende Lagerung der Dichtelemente ersetzen, wie es im Patent
US 5397224 beschrieben ist.
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Erfindungsgemäß können die Abdichtungen weiterhin so ausgestaltet sein, dass sie im Querschnitt ein zur Abdichtung vorteilhaftes Profil, beispielsweise rechteckig mit zumindest einer gewölbten Kontaktfläche oder Dichtlippe, aufweisen. Auch andere zur Abdichtung und Integration in den Läufer vorteilhafte Ausgestaltungen der Abdichtungen, beispielsweise mit einer runden Außenkontur und einer eckigen Innenkontur, speziell bei einer Positionierung unterhalb eines Dichtelements auch mit der Integration einer Feder oder einer verschleißoptimierenden Auflage für eine Feder, oder insbesondere bei einem Eckbolzen mit einer geschlitzten, schlauchförmigen Kontur, sind möglich. Ebenso kann die Abdichtung auch direkt auf den Läufer oder ein Dichtelement vulkanisiert werden oder als Formteil ausgebildet sein, das ein oder mehrere Dichtelemente gemeinsam abdichtet.
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Die Abdichtungen können erfindungsgemäß aus einem beliebigen Werkstoff hergestellt werden, der die Anforderungen hinsichtlich Flexibilität, Temperaturfestigkeit, Festigkeit gegen Betriebsstoffe, sowie Verschleiß, Haltbarkeit und Montierbarkeit erfüllt. Bei einer mehrteilig ausgeführten Abdichtung, die nicht unbedingt vorteilhaft aber möglich ist, ist auch eine Kombination eines nicht federnden mit einem federnden Material, wie sie beispielsweise bei den Dichtelementen selbst zum Einsatz kommt, möglich. Des Weiteren ist natürlich der Einsatz von Werkstoffen mit zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften veredelter Oberfläche möglich.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung erlaubt, dass die teilweise hohen Temperaturen der Dichtelemente weiterhin durch Kontakt zu den Gehäuseteilen und zum Läufer abgeleitet werden können.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht für die Abdichtungen der Dichtelemente vor, dass
- – zumindest eine Abdichtung aus einem federelastischen Material hergestellt sein kann.
- – zumindest eine Abdichtung eine Oberflächenveredlung aufweisen kann.
- – zumindest eine Abdichtung mit zumindest einer zur Abdichtung vorteilhaften, gewölbten Oberfläche oder Dichtlippe ausgeführt sein kann.
- – zumindest eine Abdichtung so ausgeführt sein kann, dass die Beweglichkeit des abgedichteten Dichtelements im Läufer weiterhin vollständig gegeben ist.
- – zumindest eine Abdichtung auf zumindest ein Dichtelement oder den Läufer vulkanisiert sein kann.
- – zumindest eine Abdichtung mehrteilig und nicht ausschließlich aus verschiedenen Werkstoffen ausgeführt sein kann.
- – zumindest eine Abdichtung zur Abdichtung mehrerer Dichtelemente dienen kann.
- – zumindest eine Abdichtung auf der dem Arbeitsraum des Rotationskolbenmotors abgewandten Seite eines Dichtelements vorgesehen sein kann.
- – zumindest eine Abdichtung auf der dem Arbeitsraum des Rotationskolbenmotors zugewandten Seite eines Dichtelements vorgesehen sein kann.
- – sowohl auf der dem Arbeitsraum des Rotationskolbenmotors zugewandten Seite, als auch auf der dem Arbeitsraum abgewandten Seite eines Dichtelements zumindest eine Abdichtung vorgesehen sein kann.
- – zumindest eine Abdichtung unterhalb zumindest eines Dichtelements vorgesehen sein kann.
- – zumindest eine Abdichtung zumindest ein Dichtelement umschließen kann.
- – zumindest eine Abdichtung mit zumindest einer Verstärkung für zumindest eine auf ein Dichtelement wirkende Feder versehen sein kann.
- – zumindest in eine Abdichtung zumindest eine Feder integriert sein kann.
- – zumindest eine Abdichtung so ausgeführt sein kann, dass ein Hohlraum unter zumindest einem Dichtelement mit zumindest einer Verbindungsbohrung zum Arbeitsraum des Rotationskolbenmotors ausgestattet sein kann, wobei die zumindest eine Verbindung mit zumindest einem gegebenenfalls druckbegrenzten Rückschlagventil ausgestattet sein kann, um ein jeweiliges Dichtelement mit Druck aus dem Arbeitsraum des Rotationskolbenmotors an die Außenwand des Arbeitsraums zu drücken.
- – zumindest eine Abdichtung in zumindest einer Nut im Läufer vorgesehen sein kann.
- – zumindest eine Abdichtung in zumindest einer Nut in zumindest einem Dichtelement vorgesehen sein kann.
- – zumindest eine Abdichtung zwischen zumindest einer Nut in zumindest einem Dichtelement und zumindest einer Nut im Läufer vorgesehen sein kann.
- – zumindest eine Nut in zumindest einem Teil oder Zwischenraum eines mehrteilig ausgebildeten Läufers vorgesehen sein kann.
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Im Folgenden werden in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigen:
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1 zur Übersicht schematisch einen Rotationskolbenmotor in Trochoidenbauart in orthogonal zur Exzenterwelle geschnittener Darstellung.
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2a–d schematisch einen Ausschnitt eines Läufers eines Rotationskolbenmotors mit beispielhaften Ausführungen einer erfindungsgemäßen Abdichtung einer Radialdichtleiste.
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3a–c schematisch einen Ausschnitt eines Läufers eines Rotationskolbenmotors mit beispielhaften Ausführungen einer erfindungsgemäßen Abdichtung eines Eckbolzens.
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4a–c schematisch einen Ausschnitt eines Läufers eines Rotationskolbenmotors mit beispielhaften Ausführungen und Möglichkeiten der Integration einer erfindungsgemäßen Abdichtung einer Seitendichtleiste.
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5 schematisch einen Läufer eines Rotationskolbenmotors mit einer beispielhaften Ausführungen einer erfindungsgemäßen Abdichtung für mehrere Dichtelemente.
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In allen Figuren werden für gleiche bzw. gleichartige Bauteile übereinstimmende Bezugszeichen verwendet.
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1 dient lediglich der Übersicht und zeigt schematisch einen Rotationskolbenmotor (1) in Trochoidenbauart in parallel zur Exzenterwelle (3) geschnittener Darstellung. Zu sehen ist ein mittleres Gehäuse (2) mit zweibogig trochoidenförmiger Innenkontur, eine Exzenterwelle (3), ein auf der Exzenterwelle (3) gelagerten Läufer (4), sowie die Radialdichtleisten (5) auf den radialen Kanten des Läufers (4), Eckbolzen (6) seitlich in den Eckbereichen des Läufers (4) und Seitendichtleisten (7) entlang der seitlichen Kanten des Läufers (4). Weiterhin dargestellt ist ein exemplarischer Einlass (8) in den Arbeitsraum (9), ein Auslass (10), sowie mit einem Blitz dargestellt die Position einer Zündkerze (11).
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2a–c zeigen jeweils einen Ausschnitt des Läufers (4) mit einer Radialdichtleiste (5). In 2a ist eine im Querschnitt kreisrunde Abdichtung (20) dargestellt, die in einer Nut (30) des Läufers (4) liegt. Da die Nut (30) breiter als die Abdichtung (20) ist, kann sich die Abdichtung (20) in der Nut (30) rollend bewegen und hindert so die Radialdichtleiste (5) nicht daran, sich durch den Druck der unter ihr liegenden Feder (40) (bzw. aus dem Arbeitsraum unter sie gelangenden Gasdruck) zu bewegen und so den permanenten Kontakt zur hier nicht dargestellten Lauffläche des mittleren Gehäuses (2) sicherzustellen.
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In 2b sind zwei im Querschnitt kreisrunde Abdichtungen (20) dargestellt, die die Radialdichtleiste (5) beidseitig abdichten. Eine solche Ausführung kann insbesondere sinnvoll sein, wenn eine stärkere Feder (41) verwendet wird, um Druck auf die Radialdichtleiste (5) auszuüben, oder wenn Gasdruck durch ein Rückschlagventil (50) aus dem Arbeitsraum oder von einer anderen Stelle des Läufers (4) gezielt unter die Radialdichtleiste (5) geleitet wird.
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2c zeigt eine unter der Dichtleiste (5) angebrachte Abdichtung (21). Eine solche Abdichtung (21) erlaubt, dass Gasdruck beidseitig unter die Dichtleiste (5) gelangen kann, ohne dass es zu einer Fluidkommunikation der beiden Seiten der Dichtleiste (5) kommt. Die Abdichtung (21) kann weiterhin so ausgeführt sein, dass eine Druckfeder (40, 41) unter der Dichtleiste nicht erforderlich ist. Außerdem ist es möglich, die Abdichtung (21) hohl auszuführen, um sie beispielsweise mit Druck aus dem Arbeitsraum (9) zu beaufschlagen und so die Abdichtung zu verbessern.
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2d zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine unter der Dichtleiste (5) angebrachte Abdichtung (22), die die Dichtleiste umschließt. Mit einer solchen Abdichtung (22) kann die Dichtleiste (5) bei Bedarf noch besser abgedichtet werden.
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3a–c zeigen jeweils einen Ausschnitt des Läufers (4) mit einem Eckbolzen (6). In 3a ist die Nut (31) für eine Abdichtung (23) in den Läufer (4) eingebracht. 3b zeigt, wie eine Nut (32) für eine Abdichtung (23) alternativ in den Eckbolzen (6) eingebracht werden kann. 3c zeigt als weitere Möglichkeit eine Abdichtung (24), die unter dem Eckbolzen (6) liegt.
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4a–c zeigen jeweils einen Ausschnitt des Läufers (4) mit einer Seitendichtleiste (7). In 4a ist analog zu 2a eine einseitige Abdichtung zu sehen, wobei die Abdichtung (25) bei diesem Beispiel im Querschnitt rechteckig und mit Dichtlippen ausgeführt ist.
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4b zeigt eine exemplarische mehrteilige Ausführung des Läufers (4) mit einer im Querschnitt kreisrunden Abdichtung (26). Dabei wird ein zusätzliches Teil (12) in den Läufer (4) eingesetzt, da dies für die Machbarkeit oder Fertigungskosten des Läufers vorteilhaft sein kann. 4c zeigt ebenso exemplarisch einen mehrteiligen Läufer mit einem zusätzlichen Teil (13) und einer in dieses Teil (13) eingelassenen, die Seitendichtleiste (7) halb umschließenden Abdichtung (27).
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5 zeigt schematisch einen Läufer (4) mit einer als Formteil ausgeführten Abdichtung (28), die alle Eckbolzen (6) und Seitendichtleisten (7) einseitig abdichtet.
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Es ist verständlich, dass die dargestellten Bauteile und Konturen lediglich beispielhaft sind und eine beliebige Kombination und Ausführung von Abdichtungen möglich ist.
