DE1136532B

DE1136532B - Rotationskolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE1136532B
Application number: DEN18438A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Hanns Dieter Paschke
Original assignee: Wankel GmbH; NSU Motorenwerke AG
Current assignee: Wankel GmbH; Audi AG
Priority date: 1960-06-01
Filing date: 1960-06-01
Publication date: 1962-09-13
Also published as: BE604370A; GB943693A; OA01054A; US3180323A; CH399065A; IT649971A

Description

Rotationskolben-Brennkraftmaschine Die Erfindung befaßt sich mit der Kühlung von Rotationskolben-Brennkraftmaschinen und insbesondere Kreiskolben-Brennkraftmaschinen mit einem Umschließungskörper, dessen mehrbogige innere Mantelfläche zusammen mit Seitenwänden einen Innenraum begrenzt, welcher senkrecht zu den Seitenwänden von einer Exzenterwelle durchsetzt ist, auf deren Exzenter ein mehreckiger Kolben drehbar gelagert ist, dessen Drehzahl in einem festen Verhältnis zur Drehzahl der Exzenterwelle steht, und an dessen den Seitenwänden benachbarten Stirnflächen axialbewegliche, das Exzenterlager umgebende und an der benachbarten Seitenwand entlanggleitende Dichtungen vorgesehen sind.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, den Kolben mit Flüssigkeit zu kühlen, wobei die Kühlflüssigkeit durch den Exzenter oder durch die Seitenwände des Umschließungskörpers zu- und abgeführt wird. Dabei besteht eine gewisse Schwierigkeit darin, ein Übertreten von Kühlflüssigkeit entlang den Stirnflächen des Kolbens in die Arbeitsräume zu verhindern. Außerdem hat sich gezeigt, daß bei Flüssigkeitskühlung auf Grund der wechselnden Beschleunigungen, die dem Kolben während des Umlaufs erteilt werden, Schüttelverluste in der im Kolbenhohlraum befindlichen Kühlflüssigkeit auftreten können, die den Wirkungsgrad der Maschine erheblich verschlechtern.
Es ist das Ziel der Erfindung, die Kühlung des Kolbens derartiger Rotationskolben-Brennkraftmaschinen durch ein gasförmiges Kühlmittel, insbesondere Luft oder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, zu bewirken. Dazu ist der Kolben erfindungsgemäß mit einem gegen eine Gehäuseseitenwand hin offenen, von gasförmigem Kühlmittel durchströmten Hohlraum versehen, und in dieser Seitenwand sind Kühlmitteleinlaßkanäle angeordnet, die innerhalb der Zone liegen, die von den an dieser Seitenwand entlanggleitenden Stirnflächendichtungen des Kolbens ständig umschlossen ist.
Wenn als Kühlmittel reine Luft verwendet wird, so werden in einer Seitenwand des Gehäuses ebenfalls innerhalb der Zone, die von an dieser Seitenwand entlanggleitenden Stirnflächendichtungen des Kolbens ständig umschlossen ist, Kühlmittelauslaßkanäle angeordnet, die mit dem Kolbenhohlraum in Verbindung stehen.
Es ist bei einer Brennkraftmaschine, bei welcher in einem um eine feste Achse umlaufenden Körper radiale Zylinderbohrungen vorgesehen sind, in denen sich Kolben hin- und herbewegen, bekannt, zwischen den einzelnen Zylinderbohrungen Hohlräume vorzusehen, die voneinander getrennt sind und von Kühlluft durchströmt werden. In den Seitenwänden des Gehäuses sind dabei der Lage der Hohlräume entsprechende Einlaß- und Auslaßkanäle angeordnet. Diese Ausführung ist bei Rotationskolben-Brennkraftmaschinen, auf die sich die Erfindung bezieht, nicht verwendbar, da hierbei die volumenveränderlichen Arbeitsräume zwischen der Außenfläche des Kolbens und der Innenfläche des Gehäuses gebildet werden und daher eine Abdichtung zwischen den Stirnflächen des Kolbens und den Seitenwänden erforderlich ist. Wegen der planetenartig kreisenden Bewegung des Kolbens gegenüber dem Gehäuse kann ein Eindringen der Kühlluft in die Arbeitsräume nur verhindert werden, wenn entsprechend dem Vorschlag der Erfindung die Kühllufteinlaß- und -auslaßkanäle in derjenigen Zone der betreffenden Seitenwand angeordnet sind, die von den Stirnflächendichtungen des Kolbens ständig umschlossen ist. Diese Anordnung der Kanäle bedingt aber die Vorsehung eines einzigen Hohlraumes im Kolben, da bei mehreren getrennten Hohlräumen entsprechend der bekannten Ausführung jeder Hohlraum nur zeitweise mit den Einlaß- und Auslaßkanälen in Verbindung stehen würde, die übrige Zeit aber abgeschlossen wäre, so daß zeitweilige überhitzungserscheinungen auftreten könnten, wodurch vor allem die Lagerung des Kolbens auf dem Exzenter und gegebenenfalls in den Kolbenecken angeordnete Dichtleisten in Mitleidenschaft gezogen würden.
Besonders vorteilhaft ist es, die zur Verbrennung bestimmten Frischgase, also ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, zur Kühlung zu verwenden, da durch die Verdampfung der Kraftstoffteile beim Berühren der heißen Hohiraumwandungen eine zusätzliche. Kühlwirkung entsteht. In diesem Falle ist in einer Gehäuseseitenwand an Stelle der Auslaßkanäle ein überströmkanal angeordnet, der den Kolbenhohlraum zeitweise mit den Arbeitskammern in Verbindung bringt und von der Außenbegrenzung des Kolbens übersteuert wird. Dabei kann beispielsweise in einer oder jeder Seitenwand ein Einlaßkanal und ein überströmkanal oder in der einen Seitenwand ein Einlaßkanal und in der anderen ein Überströmkanal vorgesehen sein. Die gleiche Anordnung läßt sich naturgemäß auch bei Maschinen mit Kraftstoffeinspritzung zur Führung der Verbrennungsluft verwenden. Schließlich ist eine derartige Kanalanordnung auch dann brauchbar, wenn nur ein Spülstrom durch die Arbeitskammern geführt werden soll. In diesem Falle wird der überströmkanal so gelegt, daß er im Gegensatz zu den vorhergehenden Fallen nicht während der Ansaug-, sondern während der Ausschubperiode geöffnet ist.
Wenn man dem Kraftstoff-Luft-Gemisch bzw. der Verbrennungsluft oder auch der Spülluft ein Schmiermittel zugibt, so läßt sich eine Schmierung der aufeinander gleitenden Teile der Maschine, insbesondere der am Kolben angeordneten und an den Innenflächen des Gehäuses entlanggleitenden Dichtungen erreichen. Um auch die Lager, insbesondere das Exzenterlager und die Lager der Exzenterwelle, ohne zusätzliche Maßnahmen schmieren zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, Bohrungen vorzusehen, die sich von den Frischgas oder Luft führenden Kanälen, Hohlräumen u. dgl. des Kolbens bzw. des Gehäuses zu dem Exzenterlager und/oder den Lagern der Exzenterwelle erstrecken und durch welche das mit einem Schmiermittel versehene Kühlmedium zu den Lagern gelangen kann. Da sich an den Innenflächen der Seitenwände des Gehäuses ein Ölnebel niederschlägt, der durch die Stirnflächendichtungen des Kolbens abgestreift wird, kann die Schmierung der Lager dadurch verbessert werden, daß die genannten Bohrungen von Auffangtaschen ausgehen, die in der Ebene der Innenflächen der Seitenwände unterhalb der Einlaßkanäle und des überströmkanals angeordnet sind.
Wenn auf das Zumischen von Schmiermittel verzichtet werden soll, kann die Schmierung der Lager in bekannter Weise durch Schmieröl erfolgen, das durch Bohrungen in der Exzenterwelle zugeführt wird. Um auch bei dieser Ausbildung eine Schmierung insbesondere der Stimflächendichtungen zu erzielen, sind auch hier wiederum von den Lagern ausgehende Bohrungen vorgesehen, die in die Luft oder Frischgas führenden Kanäle, Hohlräume od. dgl. des Kolbens und des Gehäuses münden und durch welche auf Grund der Saugwirkung der Gase diesen Schmiermittel zugegeben wird.
Um den Durchsatz an Kühlmittel zu vergrößern, kann auf der Exzenterwelle vor den Außenmündungen der Kühlmittelkanäle ein Gebläse angeordnet werden, das bei der Verwendung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches oder Verbrennungs- oder Spülluft als Kühlmittel gleichzeitig als Auflade- oder Spülgebläse dient. Wenn in beiden Seitenwänden Kühlmittelkanäle vorgesehen sind, so kann auf beiden Seiten des Gehäuses je ein Gebläse vorgesehen werden, von denen eines als Druck- und das andere als Sauggebläse ausgelegt ist. Die Gebläseräder sind zweckmäßigerweise als Schwung- und Ausgleichsmassen ausgebildet, und es kann in bekannter Weise zwischen dem Gebläserad und den Kühlmittelkanälen ein die Strömung begünstigender Leitapparat vorgesehen werden.
Da in den Ecken des Kolbens bewegliche Dichtelemente angeordnet werden müssen, ist eine gute Wärmeabfuhr im Bereich dieser Ecken von besonderer Bedeutung, um ein Festklemmen der Dichtelemente zu vermeiden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß im Bereich der Ecken im Kolbenhohlraum sich vornehmlich in axialer Richtung erstreckende Kühlrippen angeordnet sind, die von dem gasförmigen Kühlmittel bestrichen werden und für eine gute Wärmeabführung sorgen.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung an Kreiskolben-Brennkraftmaschinen im Prinzip dargestellt. Es zeigt Fig.1 eine Kreiskolben-Brennkraftmaschine mit Gemischkühlung im Längsschnitt, Fig. 2 einen Querschnitt gemäß Linie II-11 in Fig. 1 und Fig.3 eine Kreiskolben-Brennkraftmaschine mit reiner Luftkühlung, ebenfalls im Längsschnitt.
Das Gehäuse der Brennkraftmaschine besteht aus den beiden Seitenwänden 1 und 2 und dem dazwischen angeordneten, im Querschnitt zweibogigen Umschließungskörper 3. Die Seitenwände l und 2 sind mit Lagerflanschen 1' bzw. 2' versehen, in denen über Lager 4 und 5 eine Welle 6 gelagert ist, die einen Exzenter 7 aufweist, auf welchem über Lager 8 der Kolben 9 drehbar gelagert ist. Der Kolben 9 weist drei Ecken 10 auf, in denen radialbewegliche Dichtleisten 24 angeordnet sind, die ständig an der inneren Mantelfläche 11 des Umschließungskörpers 3 entlanggleiten, wodurch drei volumenveränderliche Arbeitsräume 32 gebildet werden, in denen jeweils die vier Takte des Ansaugens, Verdichtens, Expandierens und Ausschiebens mit entsprechender Phasenverschiebung ablaufen. Ein Getriebe 12, 13 sorgt für ein. bestimmtes Drehzahlverhältnis zwischen Kolben 9 und Exzenterwelle 6, das im Ausführungsbeispiel 1: 3 beträgt. Auf der Exzenterwelie 6 sind Schwungräder 14, 42 aufgekeilt, von denen das Schwungrad 14 mit Gebläseschaufeln 15 ausgestattet und durch einen Gehäusedeckel 16 abgedeckt ist. In diesem Gehäusedeckel 16 ist ein Ansaugkanal 17 für Frischgase angeordnet, der an einen Vergaser angeschlossen ist. Der Lagerflansch 2' der Seitenwand 2 weist Einlaßkanäle 19 zur Weiterleitung der Frischgase auf. Diese Kanäle können mit Leitschaufeln versehen werden und münden in einen Ringraum 20, der zu dem Kolben 9 hin offen ist und in der von dessen Stirnflächendichtungen 33 ständig umschlossenen Zone liegt. Der Kolben 9 weist einen Hohlraum 21 auf, der zu beiden Seitenwänden 1 und 2 hin offen ist. In der Seitenwand 1 ist ein überströmkanal 22 vorgesehen, der von einem ebenfalls innerhalb der von den Stirnflächendichtungen 33 des Kolbens 9 ständig umschlossenen Zone liegenden Ringraum 23 ausgeht und von der Außenbegrenzung des Kolbens 9 derart übersteuert wird, daß er den Hohlraum 21 während des Ansaugtaktes mit der Arbeitskammer 32 in Verbindung bringt. Die Frischgase werden durch den Unterdruck in der Arbeitskammer und durch das Gebläserad 14 angesaugt und gelangen über die Kanäle 19 und den Ringraum 20 in den Hohlraum 21 des Kolbens 9, von wo aus sie durch den Ringraum 23 und den überströmkana122 in die sich im Ansaugtakt befindliche Arbeitskammer 32 strömen können. Zusätzlich oder an Stelle des überströmkanals 22 kann auch in der Seitenwand 2 ein gestrichelt eingezeichneter überströmkanal 22' angeordnet werden.
Diese Kanalanordnung ist auch bei Motoren mit Luftansaugung und Kraftstoffeinspritzung verwendbar. Soll lediglich eine Spülung der Arbeitskammer erfolgen, so ist der Überströmkanal derart zu legen, daß er von der Kolbenkontur etwa gleichzeitig mit dem Auslaß geöffnet und geschlossen wird.
Die Dichtleisten 24 sind in Nuten in den Ecken 10 des Kolbens 9 radialbeweglich angeordnet. Um eine Überhitzung des Bereiches der Ecken und die Gefahr eines Festklemmens der Dichtleisten 24 in ihren Nuten zu vermeiden, ist eine intensive Kühlung dieses Bereiches notwendig. Zu diesem Zweck sind im Kolbenhohlraum 21 im wesentlichen in axialer Richtung sich erstreckende Kühlrippen 25 vorgesehen, wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich.
Um das Exzenterlager 8 möglichst kühl zu halten, ist der Exzenter 7 mit einem Durchbruch 43 versehen, durch den das Kühlmittel ebenfalls durchströmen kann.
Wenn dem Kraftstoff-Luft-Gemisch bzw. der Spül- oder Verbrennungsluft ein Schmiermittel beigegeben wird, welches in erster Linie die Schmierung der auf den Innenwandungen des Gehäuses gleitenden Dichtteile bewirken soll, so kann gleichzeitig eine Schmierung der Exzenterwellenlager 4 und 5 und des Exzenterlagers 8 dadurch erfolgen, daß Kanäle 26, 27 und 28 vorgesehen werden, die sich von den die Frischgase führenden Kanälen, Hohlräumen u. dgl. zu den entsprechenden Lagern 4, 5 und 8 erstrecken. Durch diese Bohrungen kann das mit dem Schmiermittel versehene Gas zu den Lagern gelangen. Eine Verstärkung der Schmierung der Wellenlager 4 und 5 kann dadurch erzielt werden, daß in den Lagerflanschen 1' und 2' Auffangtaschen 29 und 30 vorgesehen werden, welche in der Ebene der Innenflächen der Seitenwände 1 und 2 radial innerhalb der Ringräume 20 und 23 angeordnet sind und von diesen Innenflächen durch die Stirnflächendichtungen des Kolbens abgestreiftes Öl auffangen.
Wenn eine Beimischung von Schmiermitteln nicht gewünscht wird, so kann die Schmierung der Lager 4, 5 und 8 über Bohrungen 31 erfolgen, die in der Exzenterwelle 6 angeordnet sind. Da jedoch auch in diesem Falle eine Schmierung der Gleitflächen der Dichtleisten 24 und der Stirnflächendichtungen 33 erfolgen muß, so können die Bohrungen 26, 27 und 28 beibehalten werden, durch welche dann Öl auf Grund der Saugwirkung der Gase angesaugt und den Gasen beigegeben wird.
Die Ausführung gemäß Fig. 3 entspricht in ihrem Aufbau im wesentlichen derjenigen gemäß Fig.l und 2 mit dem Unterschied, daß in diesem Falle kein Kraftstoff-Luft-Gemisch oder Verbrennungs-oder Spülluft zur Kühlung des Kolbens verwendet wird, sondern reine Kühlluft. Zu diesem Zweck sind an Stelle des überströmkanals 22 in Fig. 1 Auslaßkanäle 40 in dem Lagerflansch 1' der Seitenwand 1 vorgesehen, die wiederum von dem Ringraum 23 ausgehen, der in der ständig von den Stirnflächendichtungen des Kolbens umschlossenen Zone angeordnet ist. Das Schwungrad 42 ist hierbei als Sauggebläserad mit Schaufeln 41 ausgebildet und unterstützt die Förderwirkung des Druckgebläserades 14. Die Kanäle 40 können wiederum mit Leitschaufeln versehen werden. Die Ansaugung des Kraftstoff-Luft-Gemisches oder der Verbrennungsluft erfolgt in diesem Falle in üblicher Weise durch einen gesonderten Kanal, der an der Innenfläche einer Seitenwand oder der inneren Mantelfläche 11 mündet und von der Außenkontur des Kolbens 9 übersteuert wird.
Obgleich sich die Ausführungsbeispiele nur auf Kreiskolben-Brennkraftmaschinen beziehen, ist es verständlich, daß eine derartige Kühlung des Kolbens auch bei Drehkolben-Brennkraftmaschinen, d. h. Rotationskolbenmaschinen, bei denen das Gehäuse einen Außenläufer bildet, in welchem der Kolben exzentrisch um eine feststehende Achse umläuft, anwendbar ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Rotationskolben-Brennkraftmaschine, insbesondere Kreiskolben-Brennkraftmaschine, mit einem Umschließungskörper, dessen mehrbogige innere Mantelfläche zusammen mit Seitenwänden einen Innenraum begrenzt, der senkrecht zu den Seitenwänden von einer Exzenterwelle durchsetzt ist, auf deren Exzenter ein mehreckiger Kolben drehbar gelagert ist, dessen Drehzahl in einem festen Verhältnis zur Drehzahl der Exzenterwelle steht, und an dessen den Seitenwänden benachbarten Stirnflächen axialbewegliche, das Exzenterlager umgebende und an den benachbarten Seitenwänden entlanggleitende Dichtungen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der Kolben (9) einen gegen eine Gehäuseseitenwand (2) hin offenen, von gasförmigem Kühlmittel durchströmten Hohlraum (21) aufweist und daß in dieser Seitenwand Kühlmitteleinlaßkanäle (19) angeordnet sind, die innerhalb einer Zone liegen, die von den an dieser Seitenwand entlanggleitenden Stirnflächendichtungen (33) des Kolbens ständig umschlossen ist.
2. Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenhohlraum (21) mit Kühlmittelauslaßkanälen (40) in Verbindung steht, die in einer Seitenwand (1) innerhalb einer Zone angeordnet sind, die ebenfalls von den an dieser Seitenwand entlanggleitenden Stirnflächendichtungen (33) des Kolbens (9) ständig umschlossen ist.
3. Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Gehäuseseitenwand (1) ein Überströmkanal (22) angeordnet ist, der den Kolbenhohlraum (21) zeitweise mit den Arbeitskammern (32) in Verbindung bringt und von der Außenbegrenzung des Kolbens (9) übersteuert wird.
4. Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich von Luft oder Frischgas führenden Kanälen, Hohlräumen usw. des Kolbens (9) oder des Gehäuses Bohrungen (26, 27, 28) zu den Lagern (4, 5 bzw. 8) der Exzenterwelle (6) und/oder des Kolbens (9) erstrecken.
5. Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (26, 27) von Auffangtaschen (29, 30) ausgehen, die in der Ebene der Innenflächen der Seitenwände (1, 2) unterhalb des Einlaßkanals (19) bzw. unterhalb des überströmkanals (22) angeordnet sind.
6. Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Seitenwand (2) des Gehäuses Kühhnitteleinlaßkanäle (19) und der anderen Seitenwand (1) Kühlmittelauslaßkanäle (40) angeordnet sind.
7. Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Exzenterwelle (6) außerhalb mindestens einer Seitenwand des Gehäuses ein Kühlmittelfördergebläse vorgesehen ist. B.
Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten der Maschine je ein Gebläse vorgesehen ist, von denen eines als Saug- und das andere als Druckgebläse ausgebildet ist.
9. Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebläseräder als Schwung- und Ausgleichsmassen ausgebildet sind.
10. Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gebläserad (14) und den Kühlmittelkanälen (19, 40) ein die Strömung begünstigender Leitapparat angeordnet ist.
11. Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Ecken (10) des Kolbens (9) im Kolbenhohlraum (21) sich vornehmlich in axialer Richtung erstreckende Kühlrippen (25) angeordnet sind. `
12. Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Exzenter (7) eine Aussparung (43) zum Durchströmen des Kühlmittels aufweist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 866113; britische Patentschrift Nr. 583 035; USA: Patentschrift Nr. 2 920 611.