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Die Erfindung betrifft einen Drehkolbenverbrennungsmotor mit einem Gehäuse, das eine Innenwand aufweist, einem Rotor, der in dem Gehäuse um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist, und wenigstens einer Kammer, die bezüglich der Rotationsachse radial außen von der Innenwand des Gehäuses und radial innen von dem Rotor begrenzt wird.
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Drehkolbenverbrennungsmotoren sind als Alternative zu herkömmlichen Hubkolbenmotoren seit langem aus dem Stand der Technik bekannt. Eines der prominentesten Beispiele ist der sogenannte Wankelmotor, bei dem der Rotor im Inneren des Gehäuses an drei Positionen anliegt, so dass sich zwischen jeweils zwei dieser Positionen jeweils eine Kammer ausbildet, die radial innen von dem Rotor und radial außen von der Innenwand des Gehäuses begrenzt wird. Drehkolbenverbrennungsmotoren weisen im Vergleich zu Hubkolbenmotoren eine besondere Laufruhe auf, da keine Hubkolben einer linearen Beschleunigung und Abbremsung unterworfen sind. Insbesondere beim Wankelmotor ist der Rotor jedoch exzentrisch auf der Motorwelle angeordnet, so dass sich bei einem sich drehenden Rotor in diesem Fall eine Unwucht ergibt, die zu Vibrationen führt und hohe mechanische Belastungen der einzelnen Bauteile mit sich bringt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehkolbenverbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzuentwickeln, dass eine besonders hohe Laufruhe auch bei geringen Drehzahlen sowie eine hohe Leistungsdichte und eine kompakte Bauweise erreicht wird.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch einen Drehkolbenverbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der sich dadurch auszeichnet, dass an dem Rotor wenigstens ein Dichtschieber angeordnet ist, der in bezüglich der Rotationsachse radialer Richtung über einen Umfang des Rotors hinaus verschiebbar ist und derart ausgebildet ist, dass er mit einem bezüglich der Rotationsachse radial außen liegenden Kontaktende an der Innenwand des Gehäuses anliegt, wenn sich der Rotor um die Rotationsachse dreht.
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Anders als beim Wankelmotor ist es beim erfindungsgemäßen Drehkolbenverbrennungsmotor daher möglich, den Rotor zentrisch auf der Welle zu positionieren und somit eine Unwucht und die damit einhergehenden mechanischen Belastungen und Vibrationen bei einer Rotation des Rotors nahezu vollständig zu vermeiden. Auch bei einem Drehkolbenverbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung ist zwischen der Innenwand des Gehäuses und dem Rotor wenigstens eine Kammer ausgebildet, in der die Verbrennung eines Treibstoffes erfolgt. Während der Rotation des Rotors im Betrieb des Drehkolbenverbrennungsmotors muss Treibstoff in diese Kammer eingeführt, in ihr verbrannt und anschließend wieder ausgestoßen werden. Um dies zu erreichen, muss beim Wankelmotor der Rotor exzentrisch auf der Welle angeordnet werden, so dass die Kontaktstellen, an denen der Rotor mit der Innenwand des Gehäuses in Kontakt steht, über den Umfang der Innenwand des Gehäuses umlaufen. Dies ist vorliegend nicht nötig, da bei einem Drehkolbenverbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung diese wandernde Kontaktstelle durch den wenigstens einen Dichtschieber bereit gestellt wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung liegt der Rotor an wenigstens zwei Positionen an der Innenwand des Gehäuses an. Auf diese Weise wird die wenigstens eine Kammer auch in Umfangsrichtung zu jedem Zeitpunkt abgeschlossen. Um in dieser Richtung einen möglichst dichten Abschluss der Kammer zu erreichen, kann beispielsweise in der Innenwand des Gehäuses ein Dichtelement vorhanden sein, das mit dem Rotor dichtend in Kontakt steht.
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Es ist jedoch nicht zwangsläufig nötig, dass der Rotor dichtend an der Innenwand des Gehäuses anliegt. Alternativ oder zusätzlich dazu können am Rotor Zusatzschieber oder Zusatzdichtelemente angeordnet sein, die beispielsweise zwischen zwei Dichtschiebern positioniert sind. Auch in dieser Ausgestaltung ist es von Vorteil, wenn zwischen dem Rotor und der Innenwand des Gehäuses ein möglichst kleiner Spalt besteht. Dieser wird bei bestimmten Winkelstellungen durch den am Rotor vorhandenen Zusatzschieber verschlossen. In Winkelpositionen, in denen der Zusatzschieber nicht mit der Innenwand des Gehäuses in Kontakt steht, entsteht auf diese Weise folglich nur eine sehr kleine Durchgangsöffnung zwischen zwei benachbarten Kammern, die vorteilhafterweise so klein gewählt ist, dass sie für den Betrieb des Motors nicht schädlich ist.
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Der Dichtschieber ist dabei radial verschiebbar am Rotor gelagert und kann mit einer Kraft beaufschlagt sein, die ihn nach radial außen treibt. Dies kann beispielsweise durch eine vorgespannte Druckfeder geschehen, die radial innen in einer Vertiefung am Rotor angeordnet ist, in der sich auch der jeweilige Dichtschieber befindet Der Abstand zwischen einer Oberfläche des Rotors und der Innenwand des Gehäuses ist in Umfangsrichtung bezüglich der Rotationsachse variabel, so dass je nach Winkelstellung, in der der Rotor sich befindet, der wenigstens eine die Dichtschieber mehr oder weniger weit über den Umfang des Rotors hinaus durch die Kraft, mit der er beaufschlagt ist, verschoben wird. Insbesondere bei großen Drehzahlen wird diese Kraft zusätzlich durch die auftretenden Fliehkräfte verstärkt. Passiert der Dichtschieber bei einer Rotation des Rotors eine der Positionen, an der der Rotor an der Innenwand des Gehäuses anliegt, wird der Dichtschieber vollständig in einen dafür vorgesehenen Aufnahmeraum im Rotor verschoben, so dass er nicht mehr oder nur minimal über den Umfang des Rotors hinausragt.
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Alternativ dazu kann der Dichtschieber auch nicht mit einer nach radial außen wirkenden Kraft beaufschlagt sein. In diesem Fall wird er bei Rotationen des Rotors durch die auftretenden Fliehkräfte mit dem radial außen liegenden Ende an die Innenwand des Gehäuses gedrückt. Auch dadurch kommt es zu einem abdichtenden Kontakt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Kontur der Innenwand des Gehäuses so ausgebildet, dass der wenigstens eine Dichtschieber mit beiden Enden an der Innenwand des Gehäuses anliegt und sich durch den Rotor hindurch erstreckt. Der Abstand zwischen zwei gegenüber liegenden Punkten an der Innenwand des Gehäuses ist dabei konstant, sodass unabhängig von der Winkelstellung des Rotors immer beide Enden des wenigstens einen Dichtschiebers an der Innenwand des Gehäuses anliegen können. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass der Anpressdruck, mit dem das jeweilige Ende des Dichtschiebers an der Innenwand des Gehäuses anliegt, unabhängig von der Winkelposition und nahezu unabhängig von der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors konstant gehalten wird. Der wenigstens eine Dichtschieber, der mit beiden Enden an der Innenwand des Gehäuses anliegt, vollzieht dabei zusätzlich zur Rotation nur eine lineare Hin- und Herbewegung in radialer Richtung relativ zur Rotationsachse.
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Nachdem der Rotor eine dieser Positionen, in denen der Dichtschieber nicht oder nur minimal über den Umfang des Rotors hinausragt, passiert hat, wird der wenigstens eine Dichtschieber wieder nach radial außen beschleunigt und gleitet weiterhin mit dem radial außen liegenden Kontaktende an der Innenwand des Gehäuses ab. Die wenigstens eine Kammer wird dadurch in zwei Teilkammern geteilt, von denen die in Rotationsrichtung hinter dem Dichtschieber liegende Teilkammer mit weiterer Rotation des Rotors vergrößert wird. Der Drehkolbenverbrennungsmotor verfügt in diesem Bereich dieser ersten Teilkammer über eine Einspritzmöglichkeit, beispielsweise eine Einspritzdüse, für Kraftstoff. Zudem kann auch eine Einleitungsmöglichkeit für Druckluft in diese Kammer vorhanden sein.
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Im Zuge der weiteren Rotation des Rotors vergrößert sich diese in Umdrehungsrichtung hinter dem Dichtschieber liegende erste Teilkammer weiter. Bei einer bestimmten Winkelstellung wird das sich in dieser ersten Teilkammer nun befindende Gemisch aus Treibstoff und Druckluft gezündet, so dass es zur Verbrennung kommt. Dies geschieht vorzugsweise in dem Moment, in dem der wenigstens eine Dichtschieber, der die erste Teilkammer begrenzt, die Position erreicht hat, in der er am weitesten nach radial außen über den Umfang des Rotors hinaus verschoben ist. Durch die Verbrennung innerhalb der ersten Teilkammer kommt es zu einer starken Volumenvergrößerung, durch die ein Drehmoment auf den nach radial außen verschobenen Dichtschieber übertragen wird. Dieses Drehmoment wird auf den Rotor übertragen, der folglich in Rotation bleibt.
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Im Zuge der weiteren Rotation des Rotors überstreicht der wenigstens eine Dichtschieber eine Auslassöffnung, durch die anschließend die aus der Verbrennung resultierenden Abgase ausgestoßen werden können.
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Der Drehkolbenverbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt folglich den Vorteil, dass bei einem Umlauf des Rotors lediglich der wenigstens eine Dichtschieber in radialer Richtung beschleunigt und abgebremst wird, dessen Masse im Vergleich beispielsweise zur Masse des Rotors sehr gering gewählt sein kann. Eine störende Unwucht beim Betrieb des Drehkolbenverbrennungsmotors wird auf diese Weise nahezu vollständig ausgeschlossen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Drehkolbenverbrennungsmotors wird die wenigstens eine Kammer in bezüglich der Rotationsachse axialer Richtung durch zwei Dichtplatten begrenzt, die drehfest mit dem Rotor verbunden sind. Dies ist eine konstruktiv besonders einfache Ausgestaltung, die zudem eine minimale Anzahl an benötigten Dichtpositionen aufweist. Um die wenigstens eine Kammer bzw. die Teilkammern, in die die wenigstens eine Kammer durch den wenigstens einen Dichtschieber im Betrieb des Drehkolbenverbrennungsmotors aufgeteilt wird, für das eingefüllte Treibstoffgemisch oder die sich in der Teilkammer befindenden Abgase hermetisch dicht zu halten, muss folglich einerseits eine ausreichende Dichtung zwischen den mit dem Rotor rotierenden Dichtplatten und dem Gehäuse des Drehkolbenverbrennungsmotors erreicht werden. Andererseits sollte auch eine Abdichtung der jeweiligen Teilkammer durch den mehr oder weniger weit nach radial außen verschobenen wenigstens einen Dichtschieber erreicht werden, so dass auch der Kontaktbereich des Dichtschiebers mit den Dichtplatten und der Kontaktbereich des wenigstens einen Dichtschiebers mit der Innenwand des Gehäuses dichtend ausgebildet sein sollte.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind sowohl der Rotor als auch die in axialer Richtung auf beiden Seiten des Rotors angeordneten Dichtplatten mit Ausnehmungen und/oder Durchbrüchen und/oder Bohrungen versehen, durch die beispielsweise ein Kühlmittel geleitet werden kann, um im Innern des Drehkolbenverbrennungsmotors entstehende Wärme abführen zu können.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung verfügt der Drehkolbenverbrennungsmotor über wenigstens zwei Kammern und wenigstens drei Dichtschieber, die jeweils äquidistant über den Umfang des Rotors verteilt sind. Dies bedeutet, dass zwei benachbarte Dichtschieber beispielsweise im Winkel von 120° zueinander angeordnet sind, wenn der Drehkolbenverbrennungsmotor über insgesamt drei Dichtschieber verfügt. Dabei sind vorteilhafter Weise alle vorhandenen Kammern mit einer Treibstoffzuführung beispielsweise in Form einer Einspritzdüse sowie jeweils einer Auslassöffnung für Abgase ausgestattet. Bei einem Drehkolbenverbrennungsmotor mit drei Dichtschiebern und zwei Kammern führt dies dazu, dass bei einer Umdrehung des Rotors um die Rotationsachse insgesamt sechs Zündungen stattfinden, durch die jeweils ein Drehmoment auf den Rotor übertragen wird. Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung verfügt der Drehkolbenverbrennungsmotor über vier Dichtschieber und zwei Kammern, so dass es bei einer Umdrehung des Rotors zu insgesamt acht Zündungen kommt. In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn jeweils zwischen zwei Dichtschiebern, die nach radial außen verschiebbar sind, jeweils ein weiterer Dichtschieber vorhanden ist, der jedoch nicht oder nicht soweit über den Umfang des Rotors hinaus verschiebbar ist.
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Bei dem hier beschriebenen Drehkolbenverbrennungsmotor ist es nicht möglich, eine Teilkammer einer Kammer, die von wenigstens einem Dichtschieber abgetrennt wird und in die Treibstoff eingebracht wurde, zu verkleinern und somit das Treibstoff-Luftgemisch zu verdichten, bis es beispielsweise ein zündfähiges Gemisch ist. Daher ist es vorteilhaft, wenn der Drehkolbenverbrennungsmotor für jede Kammer durch eine Ladepumpe mit Druckluft versorgbar ist. Die Ladepumpe weist dabei ein Pumpengehäuse mit einer Pumpeninnenwand, einen Pumpenrotor, der in dem Pumpengehäuse um eine Pumpenrotationsachse drehbar gelagert ist und wenigstens eine Pumpkammer, die bezüglich der Pumpenrotationsachse radial außen von der Pumpeninnenwand des Pumpengehäuses und radial innen von dem Pumpenrotor begrenzt wird auf. Dabei ist an dem Pumpenrotor wenigstens ein Pumpendichtschieber angeordnet, der in bezüglich der Pumpenrotationsachse radialer Richtung über einen Umfang des Pumpenrotors hinaus verschiebbar ist und so ausgebildet ist, dass er in jeder Stellung des Pumpenrotors mit einem bezüglich der Pumpenrotationsachse radial außen liegenden Pumpenkontaktende an der Pumpeninnenwand des Pumpengehäuses anliegt, wenn sich der Pumpenrotor um die Pumpenrotationsachse dreht.
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Es ist nicht nötig, dass für jede Kammer, die mit Druckluft versorgbar sein soll, eine separate Ladepumpe ausgebildet wird. Es ist durchaus ausreichend, insgesamt nur eine Ladepumpe vorzusehen, solange alle Kammern des Drehkolbenverbrennungsmotors mit Druckluft versorgbar sind. Die Ladepumpe ist dabei nahezu identisch zum Gehäuse mit dem Rotor des Drehkolbenverbrennungsmotors ausgebildet. Die Ladepumpe verfügt jedoch nicht zwangsläufig für jede Kammer über eine Möglichkeit, einen Treibstoff einzubringen, da die Ladepumpe auch nur als Pumpe benutzt und dementsprechend angetrieben werden kann. Jede Pumpenkammer ist jedoch mit einer Ansaugöffnung zum Ansaugen von Ladeluft sowie einer Auslassöffnung zum Auslassen der Ladeluft ausgebildet.
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Nachdem der wenigstens eine Pumpendichtschieber die Ansaugöffnung einer Pumpenkammer passiert hat, ist diese mit einer Teilkammer der Pumpenkammer verbunden, die sich bei weiterer Rotation des Rotors vergrößert. Dadurch wird Ladeluft in diese Kammer eingesogen. Sobald ein in Rotationsrichtung folgender Pumpendichtschieber die Ansaugöffnung passiert hat, wird die Teilkammer der Pumpenkammer verschlossen, so dass keine weitere Ladeluft einströmen kann. Anschließend überstreicht der erste der genannten Pumpendichtschieber eine Auslassöffnung, durch die Ladeluft aus der Teilkammer austreten kann. Diese Auslassöffnung ist beispielsweise über eine Rohrleitung oder einen Schlauch mit einer Einlassöffnung für Druckluft verbunden, durch die eine der Kammern zwischen dem Gehäuse des Drehkolbenverbrennungsmotors und dem Rotor mit Druckluft versorgbar ist. Diese Leitung oder Fluidverbindung ist beispielsweise durch ein Ventil blockiert, so dass bei einer weiteren Rotation des Pumpenrotors die Luft nicht einfach aus der Auslassöffnung der Pumpenkammer ausströmen kann, sondern durch die Verkleinerung des Volumens der Teilkammer bei einer weiteren Rotation des Pumpenrotors komprimiert wird. Erst wenn ein vorbestimmter Druck erreicht ist, wird das Ventil geöffnet, so dass nun die komprimierte Luft als Druckluft die Pumpenkammer verlassen kann und in die Kammer zwischen dem Rotor und dem Gehäuse des Drehkolbenverbrennungsmotors eingebracht werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform verfügt der Drehkolbenverbrennungsmotor über genauso viele Kammern wie Pumpkammern und über genauso viele Dichtschieber wie Pumpendichtschieber. Besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der Rotor und der Pumpenrotor auf einer einzigen Welle angeordnet sind. Dadurch wird es in besonders einfacher Weise möglich, den Pumpenrotor der Ladepumpe durch die über die Dichtschieber auf den Rotor des Drehkolbenverbrennungsmotors übertragenen Drehmomente in Rotation zu halten. Natürlich ist dafür nicht notwendig, den Rotor und den Pumpenrotor auf der gleichen Welle zu positionieren. Auch jede andere Art der Kraftübertragung oder ein externer Antrieb der Ladepumpe sind denkbar. Natürlich können auch sämtliche anderen Möglichkeiten der Druckluftbereitstellung verwendet werden. Zudem ist es auf diese Weise besonders einfach möglich, den Rotor und den Pumpenrotor in einer festen Phasenbeziehung und mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit zu betreiben.
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Vorteilhafterweise verfügt der Drehkolbenverbrennungsmotor über wenigstens ein Steuerventil, das durch einen in einer Pumpkammer herrschenden Druck aus einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand bringbar ist, wobei Druckluft aus der Pumpkammer in eine Kammer geleitet wird, wenn sich das wenigstens eine Steuerventil in dem geöffneten Zustand befindet. Die Kammer wird folglich nicht permanent mit Druckluft beaufschlagt, sondern lediglich zu den Zeiten, zu denen das entsprechende Steuerventil in den geöffneten Zustand gebracht wird. Dies geschieht beispielsweise dann, wenn der Druck im Innern einer Pumpkammer, die beispielsweise mit dem wenigstens einen Steuerventil in einer Fluidverbindung steht, einen vorbestimmten Wert überschreitet. In diesem Moment wird das wenigstens eine Steuerventil durch den vorherrschenden Druck selbsttätig geöffnet und ermöglicht so, dass Druckluft aus der Pumpkammer in die Kammer des Verbrennungsmotors eingeleitet werden kann. Sobald der Druck im Innern der Pumpkammer unter dem vorbestimmten Druck absinkt, schließt das Steuerventil ebenso selbsttätig und unterbindet eine weitere Druckluftzufuhr. Durch geschickte Wahl der Winkelposition des Rotors und des Pumprotors relativ zueinander und insbesondere der Positionen der Dichtschieber relativ zu den Pumpendichtschiebern kann auf diese Weise eine besonders einfache Steuerung des Motors mit der angeschlossene Ladepumpe erreicht werden. Allein durch den in der Pumpkammer aufgebauten und wieder abgebauten Luftdruck wird das Steuerventil geöffnet beziehungsweise geschlossen, sodass allein durch die geschickte Positionierung des Rotors relativ zum Pumprotor immer zum genau richtigen Zeitpunkt Druckluft in die jeweilige Kammer des Motors eingeleitet wird, sodass ein zündfähiges Gemisch im Innern der Kammer des Motors erzeugt wird.
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Wie bereits dargelegt muss zwischen den mit dem Rotor rotierenden Dichtplatten und dem Gehäuse des Drehkolbenverbrennungsmotors eine möglichst gute Dichtung erreicht werden, damit weder das Treibstoff-Luftgemisch noch die bei der Verbrennung entstandenen Abgase die jeweilige Teilkammer verlassen können. Dies gilt analog für Pumpendichtplatten, die drehfest mit dem Pumpenrotor so verbunden sind, dass sie die Pumpenkammern in axialer Richtung bezüglich der Pumpenrotationsachse begrenzen. Die Schwierigkeit besteht dabei darin, einen möglichst gasdichten Kontaktbereich zwischen der ggf. schnell rotierenden Dichtplatte oder Pumpendichtplatte und dem entsprechend ruhenden Gehäuse zu schaffen. Die nun folgende Beschreibung der entsprechenden Dichtung ist daher auch für Anwendungen außerhalb der hier beschriebenen Drehkolbenverbrennungsmotoren oder der hier beschriebenen Ladepumpen von Interesse.
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Eine erfindungsgemäße Dichtung, die in einer bevorzugten Ausgestaltung des hier beschriebenen Drehkolbenverbrennungsmotors Verwendung findet, zeichnet sich daher dadurch aus, dass an einer Dichtplatte ein erstes Dichtelement und an dem Gehäuse ein korrespondierend angeordnetes zweites Dichtelement angeordnet ist, zwischen denen sich ein Gleitelement befindet. Das erste Dichtelement und/oder das zweite Dichtelement können dabei als Dichtring ausgebildet sein, wobei die beiden Dichtelemente vorteilhafterweise derart korrespondierend zueinander angeordnet sind, dass sie einander auch bei einer Rotation des Rotors mit der entsprechenden Dichtplatte immer gegenüberliegen. Das erste Dichtelement ist dabei drehfest an der Dichtplatte und das zweite Dichtelement drehfest am Gehäuse positioniert. Zwischen beiden Dichtelementen befindet sich ein Gleitelement, das beispielsweise eine Gleitscheibe sein kann. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass es auch bei großen Relativgeschwindigkeiten der beiden Bauteile zueinander nicht zu allzu großen Wärmeverlusten durch Reibungswärme kommt. Gleichzeitig wird verhindert, dass das zweite Dichtelement auch in Rotation versetzt wird.
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Vorzugsweise ist das erste Dichtelement und/oder das zweite Dichtelement durch Beaufschlagung mit einem unter Druck stehendem Druckmedium, insbesondere einem Öl, in Richtung auf das jeweils andere Dichtelement mit Druck beaufschlagbar. Es bietet sich an, das zweite Dichtelement, das sich am Gehäuse des Drehkolbenverbrennungsmotors oder der Ladepumpe befindet, mit einem Öl, das unter Druck steht, zu beaufschlagen. Dies ist die konstruktiv wesentlich einfachere Variante, da das Gehäuse sich nicht in Rotation befindet. Durch das Öl oder Druckmedium wird dabei nicht nur ein Druck aufgebaut, der die beiden Dichtelemente aufeinander zu drückt und damit für einen sicheren Kontakt zwischen den beiden Dichtelementen und dem Gleitelement sorgt, gleichzeitig kann das Druckmedium auch dazu verwendet werden, beispielsweise ein radiales Spiel des Rotors und damit auch der Dichtplatten relativ zum Gehäuse auszugleichen. Als vorteilhaft hat es sich beispielsweise herausgestellt, wenn das erste Dichtelement, das sich an der Dichtplatte befindet, in eine im Gehäuse dafür vorgesehene Nut hineinragt, in der sich das zweite Dichtelement befindet, das mit dem unter Druck stehenden Druckmedium beaufschlagt werden kann.
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Ein ähnliches Gleitelement wird vorteilhafter Weise ebenfalls am radial äußeren Kontaktende des wenigstens einen Dichtschiebers und am Pumpenkontaktende des wenigstens einen Pumpendichtschiebers verwendet, um einen möglichst reibungsarmen und dennoch dichtenden Kontakt zwischen dem jeweiligen Schieber und dem Gehäuse bzw. dem Pumpengehäuse zu ermöglichen.
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Bei der Verwendung der Dichtschieber und/oder der Pumpendichtschieber stellt sich zudem das Problem, dass die jeweilige Teilkammer, die durch den jeweiligen Schieber abgetrennt wird, nicht nur an dem Kontaktbereich zwischen Dichtschieber bzw. Pumpendichtschieber und Gehäuse bzw. Pumpengehäuse dichtend abgeschlossen sein muss. Vielmehr ist es auch nötig, einen dichtenden Kontaktbereich zwischen dem jeweiligen Schieber und den Dichtplatten zu erreichen, wobei in diesem Bereich deutlich weniger Aufwand getrieben werden muss, da der Schieber und die jeweiligen Dichtplatten drehfest miteinander verbunden sind. Es muss folglich kein Gleitelement oder ein sonstiger gleitender Kontakt vorhanden sein.
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Vorteilhafterweise ist der wenigstens eine Dichtschieber und/oder der wenigstens eine Pumpendichtschieber in bezüglich der Rotationsachse axialer Richtung längenveränderlich ausgebildet. Damit kann ein axiales Spiel bei der Herstellung der Schieber bzw. des Rotors auf besonders einfache und elegante Weise ausgeglichen werden. Vorteilhafterweise weist dabei der wenigstens eine Dichtschieber und/oder der wenigstens eine Pumpendichtschieber wenigstens zwei verschieblich zueinander angeordnete Bauteile auf, die bezüglich der Rotationsachse bzw. der Pumpenrotationsachse axial in unterschiedliche Richtungen kraftbeaufschlagt sind. Dies bedeutet, dass der jeweilige Schieber durch die beaufschlagte Kraft immer in die Position gebracht wird, in der er an beiden Dichtplatten, die die jeweiligen Kammern bzw. Pumpenkammern in axialer Richtung begrenzen, anliegt.
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Mit Hilfe der beiliegenden Figuren wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
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1 – die schematische Schnittdarstellung durch eine Ladepumpe,
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2 – die schematische Darstellung eines Drehkolbenverbrennungsmotors,
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3 – die schematische Längsschnittdarstellung durch einen Drehkolbenverbrennungsmotor,
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4 – einen vergrößerten Ausschnitt aus 3,
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5 – die schematische Teildarstellung eines Querschnitt durch einen Dichtschieber,
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6 – eine schematische Schnittdarstellung durch einen Drehkolbenverbrennungsmotor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel und
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7 – eine schematische Darstellung des Dichtsystems.
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1 zeigt eine Ladepumpe 2, die über ein Pumpengehäuse 4 mit einer Pumpeninnenwand 6 verfügt, in dem ein Pumpenrotor 8 um eine Pumpenrotationsachse 10 herum drehbar gelagert ist. An dem Pumpenrotor 8 sind drei Pumpendichtschieber 12 positioniert, die über den Umfang des Pumpenrotors 8 hinaus nach radial außen verschiebbar sind und jeweils mit einem Pumpenkontaktende 14 an der Pumpeninnenwand 6 des Pumpengehäuses 4 anliegen.
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Zwischen dem Pumpenrotor 8 und der Pumpeninnenwand 6 des Pumpengehäuses 4 sind zwei Pumpenkammern 16 ausgebildet, die über jeweils eine Ansaugöffnung 18 und eine Auslassöffnung 20 verfügen.
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Bei der in 1 gezeigten Darstellung wird der Pumpenrotor 8 entlang der Richtung des Pfeils 22 gedreht. Man erkennt, dass dabei gerade unten rechts ein Pumpendichtschieber 12 die Ansaugöffnung 18 der rechten Pumpenkammer 16 überschritten hat. Dadurch wird eine Teilkammer 24 von der Pumpenkammer 16 abgetrennt, die sich bei weiterer Rotation des Pumpenrotors 8 vergrößert. Daher wird durch die Ansaugöffnung 18 Ladeluft in die sich vergrößernde Teilkammer 24 hineingesaugt. Nachdem der Pumpendichtschieber 12 im weiteren Zuge der Drehung des Pumpenrotors 8 die Auslassöffnung 20 passiert hat, wird die sich nun zwischen dem Pumpendichtschieber 12 und dem folgenden Pumpendichtschieber 12 befindliche Teilkammer 24 verkleinert und so die sich darin befindende Luft, die durch die Ansaugöffnung 18 in die Teilkammer 24 gelangt ist, durch die Auslassöffnung 20 ausgestoßen.
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Die in 1 gezeigte Ladepumpe 2 ist insofern symmetrisch ausgebildet, als dieses Vorgehen mit beiden Pumpenkammern 16 und den entsprechenden Ansaugöffnungen 18 und Auslassöffnungen 20 funktioniert. Der Pumpenrotor 8 liegt an zwei Positionen 26 an der Pumpeninnenwand 6 des Pumpengehäuses 4 an. Um hier einen möglichst dichtenden Kontakt zu erreichen sind spezielle Kontaktelemente 28 vorhanden.
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2 zeigt die schematische Darstellung eines Drehkolbenverbrennungsmotors 30. Im rechten Teil befindet sich die Ladepumpe 2, die im Vergleich zu der in 1 gezeigten Ladepumpe 2 zusätzlich über zwei Steuerluftausgänge 32 verfügt.
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Im linken Teil befindet sich ein Gehäuse 34 mit einer Innenwand 36, in dem sich ein Rotor 38 um eine Rotationsachse 40 drehbar gelagert befindet. Durch die die Rotationsachse 40 mit der Pumpenrotationsachse 10 verbindende gestrichelte Linie wird dargestellt, dass die Rotationsachse 40 und die Pumpenrotationsachse 10 sich auf der gleichen Welle befinden.
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Der Rotor 38 verfügt über drei Dichtschieber 42, die mit jeweils einem Kontaktende 44 an der Innenwand 36 des Gehäuses 34 anliegen. Im Rotor 38 sind Durchbrüche 60 vorhanden, die der Kühlung dienen.
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Zwischen der Innenwand 36 des Gehäuses 34 und dem Rotor 38 befinden sich im 2 gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Kammern 46, von denen jede mit einer Kraftstoffeinspritzdüse 48 oder einer Zündkerze, einer Druckluftzufuhr 50 und einem Abgasauslass 52 ausgerüstet ist. Man erkennt, dass jede Druckluftzufuhr 50 über eine Leitung 51 mit einer der Auslassöffnungen 20 der Ladepumpe 2 verbunden ist, wobei jeweils ein Steuerventil 54 diese Verbindung öffnen oder schließen kann. Dazu ist der Steuerluftausgang 32 der jeweiligen Pumpkammer 16 über eine Steuerleitung 53 mit dem jeweiligen Steuerventil 54 verbunden.
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In der in 2 dargestellten Position des Rotors 38 hat der Dichtschieber 42 oben links gerade die Druckluftzufuhr 50 passiert. Wenn er auch die Kraftstoffeinspritzdüse 48 passiert hat, wird Kraftstoff durch die Kraftstoffeinspritzdüse 48 eingeleitet. Das Steuerventil 54 befindet sich noch im geöffneten Zustand, so dass Druckluft durch die Druckluftzufuhr 50 aus der Auslassöffnung 20 in die Teilkammer 24 eingeleitet werden kann. Durch die Rotation des Rotors 38 vergrößert sich die Teilkammer 24 dabei.
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Zu einem späteren Zeitpunkt hat sich der Dichtschieber 42 mit dem Rotor 38 weiter bewegt. Das Steuerventil 54 befindet sich im geschlossenen Zustand. Daher kann durch die Auslassöffnung 20 der Ladepumpe 2 keine Druckluft durch die Druckluftzufuhr 50 in die Teilkammer 24 eintreten. Gleichzeitig wird auch kein weiterer Kraftstoff durch die Kraftstoffeinspritzdüse 48 in die Teilkammer 24 eingeleitet. In diesem Zustand wird das sich in der Teilkammer 24 befindende Gemisch aus Treibstoff und Druckluft gezündet, so dass es verbrennt und es zu einer Volumenvergrößerung kommt. Dadurch wird ein Drehmoment auf den Dichtschieber 42 und damit auf den Rotor 38 ausgeübt. In der vorlaufenden Teilkammer 24' befindet sich nur noch das Abgas aus einer vorherigen Zündung, das nun durch den Abgasauslass 52 ausgetrieben wird.
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In der Teilkammer 24 der Ladepumpe 2, die in 2 in der linken Hälfte der Pumpe dargestellt ist, befindet sich die Luft in einem noch nicht stark komprimierten Zustand, so dass sich in der Teilkammer 24 der Ladepumpe 2 kein nennenswert erhöhter Druck aufgebaut hat. Daher ist die über den Steuerluftausgang 32 mit dem Steuerventil 54 verbundene Luft nicht mit einem ausreichenden Druck versehen, um das Steuerventil 54 zu öffnen.
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Anders sieht die Situation bei dem zweiten in 2 oben dargestellten Steuerventil 54 aus. Dieses ist nach der Weiterbewegung mit einer Teilkammer verbunden, in der sich stark komprimierte Luft befindet, die ebenfalls über den Steuerluftausgang 32 mit dem unteren Steuerventil 54 verbunden ist und genug Druck aufweist, um dieses Ventil zu öffnen. Dadurch wird Druckluft durch die Druckluftzufuhr 50 der in 2 links dargestellten Kammer 46 eingeleitet.
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3 zeigt einen Längsschnitt durch einen Drehkolbenverbrennungsmotor 30, bei dem die Rotationsachse 40 sowie der Rotor 38 dargestellt ist. In 3 rechts und links am Rotor 38 befinden sich Dichtplatten 56, die im gezeigten Ausführungsbeispiel über Schrauben 58 drehfest mit dem Rotor 38 verbunden sind. Das ganze befindet sich im Gehäuse 34, das von zwei Gehäusedeckeln 35 abgeschlossen wird. Sowohl der Rotor 38 als auch die Dichtplatten 56 und die Gehäusedeckel 35 sind mit Durchbrüchen 60 versehen, durch die Kühlmittel geleitet werden kann, um im Innern des Drehkolbenverbrennungsmotors 30 entstehende Wärme abzuführen.
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Zwischen den Dichtplatten 56 und dem Gehäuse 34 sind Dichtvorrichtungen 62 vorhanden, auf die im Folgenden näher eingegangen werden wird.
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4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 3, bei dem ein Teil einer Dichtplatte 56 erkennbar ist, die am Rotor 38 befestigt ist. Zudem ist ein kleines Stück eines Dichtschiebers 42 zu erkennen, das am Gehäuse 34 anliegt. An der Dichtplatte 56 befindet sich ein erstes Dichtelement 64 das drehfest mit der Dichtplatte 56 verbunden ist. Es ragt in eine dafür vorgesehene Nut 66 in einem Bauteil des Gehäuses 34 hinein. Darin befindet sich ein zweites Dichtelement 68, das drehfest mit dem Gehäuse 34 verbunden ist. Zwischen dem ersten Dichtelement 64 und dem zweiten Dichtelement 68 befindet sich ein Gleitelement 70, auf dem die beiden Dichtelemente 64, 68 leicht und mit möglichst wenig Reibungswiderstand abgleiten können. Die beiden Dichtelemente 64, 68 und das Gleitelement 70 bilden zusammen die Dichtvorrichtung 62. Die verschiedenen Teile des Gehäuses 34 und der Gehäusedeckel 35 werden durch einen Dichtring 67 gegeneinander abgedichtet.
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Um zu gewährleisten, dass die beiden Dichtelemente 64, 68 und das Gleitelement 70 in gutem mechanischen Kontakt zueinander stehen, ist eine Ölbohrung 72 vorhanden, durch die ein Druckmedium, insbesondere Öl in einen Zwischenraum 74 geleitet werden kann. Dadurch wird ein Druck auf das zweite Dichtelement 68 ausgeübt, der das zweite Dichtelement 68 in Richtung auf das erste Dichtelement 64 presst und somit für einen guten mechanischen Kontakt der Teile, die die Dichtvorrichtung 62 bilden, sorgt.
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5 zeigt einen weiteren vergrößerten Ausschnitt aus einer Längsschnittdarstellung. Zwischen zwei Gehäusedeckeln 35 befindet sich der Rotor 38 und die Dichtplatte 56. Der Dichtschieber 42 weist zwei Bauteile 76 auf, zwischen denen eine Feder 78 angeordnet ist, die dafür sorgt, dass die beiden Bauteile 76 in unterschiedliche Richtungen, nämlich in 5 nach rechts bzw. nach links, federbeaufschlagt sind, so dass sie sich in diese Richtungen relativ zueinander verschieben. Dies führt dazu, dass jeweils eines der beiden Bauteile 76 an einer der beiden Dichtplatten 56 anliegt und so zu einer dichtenden Verbindung führt.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Drehkolbenverbrennungsmotors 30, bei dem ebenfalls eine Ladepumpe 2 vorhanden ist, wie sie beispielsweise in 2 dargestellt ist. Im Unterschied zu dem dort dargestellten Drehkolbenverbrennungsmotor verfügt der in 6 dargestellte Drehkolbenverbrennungsmotor 30 über einen Rotor 38 bzw. einen Pumpenrotor 8, bei denen jeweils vier Dichtschieber 42 bzw. Pumpendichtschieber 12 vorhanden sind. Dies führt zu kleineren Teilkammern 24 und zu insgesamt acht Zündungen pro Umdrehung des Rotors 38. Zwischen jeweils zwei Dichtschiebern 42 bzw. zwei Pumpendichtschiebern 12 sind jeweils Zusatzschieber 80 vorhanden.
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7 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 6. Man erkennt einen Teil des Gehäuses 34 sowie einen Teil des Rotors 38. Der gezeigte Dichtschieber 42 verfügt über ein vorlaufendes Schieberelement 82, an dessen Kontaktende 44 ein Dichtroller 84 angeordnet ist. Zudem verfügt der Dichtschieber 42 über einen nachlaufenden Abstreifer 86. Die zweite gezeigte Ölbohrung 72 führt zum Zusatzschieber 80, an dessen radial äußeren Ende sich eine Dichtrolle 88 befindet. Man erkennt, dass es unabhängig von der ansonsten gewählten Ausführungsform vorteilhaft sein kann, den Zusatzschieber 80 nicht genau in die Mitte zwischen zwei benachbarter Dichtschieber zu positionieren. Über die Ölbohrung 72 wird Öl auf die Dichtrolle 88 gedrückt, die an der Innenwand 36 des Gehäuses 34 abrollt und dort einen dünnen Ölfilm hinterlässt. Auf diesem Ölfilm kann der Dichtroller 84 des Dichtschiebers 42 abrollen und so einen möglichst reibungsarmen dichtenden Kontakt herstellen. Der nachlaufende Abstreifer 86 entfernt zumindest einen großen Teil oder die gesamte Ölschicht.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Ladepumpe
- 4
- Pumpengehäuse
- 6
- Pumpeninnenwand
- 8
- Pumpenrotor
- 10
- Pumpenrotationsachse
- 12
- Pumpendichtschieber
- 14
- Pumpenkontaktende
- 16
- Pumpenkammer
- 18
- Ansaugöffnung
- 20
- Auslassöffnung
- 22
- Pfeil
- 24, 24'
- Teilkammer
- 26
- Position
- 28
- Kontaktelement
- 30
- Drehkolbenverbrennungsmotor
- 32
- Steuerluftausgang
- 34
- Gehäuse
- 35
- Gehäusedeckel
- 36
- Innenwand
- 38
- Rotor
- 40
- Rotationsachse
- 42
- Dichtschieber
- 44
- Kontaktende
- 46
- Kammer
- 48
- Kraftstoffeinspritzdüse
- 50
- Druckluftzufuhr
- 51
- Leitung
- 52
- Abgasauslass
- 53
- Steuerleitung
- 54
- Steuerventil
- 56
- Dichtplatte
- 58
- Schraube
- 60
- Durchbruch
- 62
- Dichtvorrichtung
- 64
- erstes Dichtelement
- 66
- Nut
- 67
- Dichtring
- 68
- zweites Dichtelement
- 70
- Gleitelement
- 72
- Ölbohrung
- 74
- Zwischenraum
- 76
- Bauteil
- 78
- Feder
- 80
- Zusatzschieber
- 82
- Schieberelement
- 84
- Dichtroller
- 86
- Abstreifer
- 88
- Dichtrolle
