DE102004008313B4

DE102004008313B4 - Kreiskolbenbrennkraftmaschine mit einer verbesserten Innendichtung

Info

Publication number: DE102004008313B4
Application number: DE102004008313.4A
Authority: DE
Inventors: Auf Teilnichtnennung Antrag; Wolfgang Baier; Manfred Mäthner; Dr.-Ing. Klotz Rudolf; Michael Schirmer
Original assignee: Wankel SuperTec GmbH
Current assignee: Wankel SuperTec GmbH
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2024-02-21
Also published as: DE102004008313A1; US7264454B2; US20050186102A1

Abstract

Kreiskolbenbrennkraftmaschine, umfassend im Wesentlichen ein Mantelgehäuse (1), eine endseitige Seitenscheibe (2), eine abtriebsseitige Seitenscheibe (3), einen Kolben (4) und eine Exzenterwelle (6), – wobei der dreieckige auf der Exzenterwelle (6) gelagerte Kolben (4) zwischen den Seitenscheiben (2, 3) in einer Trochoidenlaufbahn (18) mit einer langen Achse und einer kurzen Achse im Mantelgehäuse (1) unter Bildung dreier voneinander durch die Ecken (11) des Kolbens (4) getrennter Arbeitsräume umläuft, – wobei Wellendichtungen (13) und Kolbendichtungen (12) den Öl führenden Innenraum der Brennkraftmaschine gegen die Atmosphäre und gegen den Arbeitsraum abdichten und – wobei der Kolben (4) gegen die Seitenscheiben (2, 3) durch Bogenleisten (15) abgedichtet ist, die dort während des Betriebs eine Fläche überstreichen, die nach radial innen durch eine Hüllkurve begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbendichtungen (12) im Kolben (4) und die Wellendichtungen (13) in den Seitenscheiben (2, 3) als Radialdichtungen ausgeführt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kreiskolbenbrennkraftmaschine, umfassend im Wesentlichen ein Mantelgehäuse, eine endseitige Seitenscheibe, eine abtriebsseitige Seitenscheibe, einen Kolben und eine Exzenterwelle, wobei der dreieckige auf der Exzenterwelle gelagerte Kolben zwischen den Seitenscheiben in einer Trochoidenlaufbahn mit einer langen Achse und einer kurzen Achse im Mantelgehäuse unter Bildung dreier voneinander durch die Ecken des Kolbens getrennter Arbeitsräume umläuft, wobei Wellendichtungen und Kolbendichtungen den Öl führenden Innenraum der Brennkraftmaschine gegen die Atmosphäre und gegen den Arbeitsraum abdichten und wobei der Kolben gegen die Seitenscheiben durch Bogenleisten abgedichtet ist, die dort während des Betriebs eine Fläche überstreichen, die nach radial innen durch eine Hüllkurve begrenzt ist.
Bei Kreiskolbenbrennkraftmaschinen der bekannten Bauart sind im Serieneinsatz zum Abdichten des Kolbeninneren gegen Leckgas, das im Arbeitsraum bei der Verbrennung unter hohem Druck die Bogenleisten passiert, überwiegend Ringkonstruktionen aus Kolbenringmaterial verwendet worden, die teuer in der Herstellung waren und zudem keinen ausreichenden Dichtungsschutz gegen Ölleckagen im Ruhezustand der Maschine gewährten. Dafür waren zusätzliche Dichtungsmaßnahmen in Form von Standdichtungen erforderlich, die zusätzliche Funktionsprobleme mit sich brachten. Versuche mit elastischen Dichtungen an Stelle der Ringkonstruktionen aus Kolbenringmaterial führten nicht zum Erfolg, da axial wirkende Lippendichtungen schlecht hinsichtlich ihres gleichmäßigen Anpressdruckes beherrschbar sind und den auftretenden Pulsationen des Leckgases bei relativ hohen Druckdifferenzen auf Dauer nicht gewachsen waren.
Aus dem Dokument DE 39 38 329 A1 ist ein Kühlsystem für eine Kreiskolbenbrennkraftmaschine bekannt. US 3 941 522 A offenbart eine Kreiskolbenbrennkraftmaschine mit welcher eine sinusförmige Druckwelle erzeugbar ist, wobei zu diesem Zweck ein Teilbereich einer der Flanken des Kobens entfernt ist.
Aus US 3 915 599 A ist eine Kreiskolbenbrennkraftmaschine mit einer Struktur, durch welche eine Leckage von Schmieröl verhindert werden soll, bekannt. Zu diesem Zweck ist eine Öldichtung mit radial nach außen spannenden Metallringen vorgesehen.
US 3 081 745 A zeigt eine Kreiskolbenbrennkraftmaschine mit einer Gasdichtung. Dichtungen für Wellen sind zudem auch aus US 5 299 811 A bekannt.
Dem gegenüber wird vorgeschlagen, eine Abdichtung zu schaffen für das Kolbeninnere gegen Leckgas, das die Bogenleisten passiert, wenn bei der Verbrennung des Gasgemisches im Arbeitsraum hohe Drücke entstehen.
Insbesondere wird eine Kreiskolbenbrennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Wellendichtungen und die Kolbendichtungen werden nicht mehr als axial gegen die Seitenscheiben wirkende Dichtungen ausgestaltet, sondern als Radialdichtungen, die in Bezug auf ihre Anpresskraft leichter zu beherrschen sind;
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, bei einer Kreiskolbenbrennkraftmaschine das Leckgas, das sich unter hohem Druck im Arbeitsraum durch die Zündung und die Expansion des Gasgemisches insbesondere an den Bogenleisten bildet, aufzufangen und abzuleiten, um für Wellendichtungen und Kolbendichtungen als Radialdichtungen mit Dichtlippen aus kunststoffelastischem Material ausreichend günstige Bedingungen zu schaffen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Leckgas über einen definierten Pfad in je einen Entlüftungskanal in den Seitenscheiben abgeleitet.
Die Kolbendichtungen berühren mit ihren nach radial nach innen weisenden Dichtlippen je einen ersten Dichtzylinder und die Wellendichtungen mit ihren nach radial nach innen weisenden Dichtlippen je einen zweiten Dichtzylinder, welche beide an einem Dichtungsteil angeordnet sind, das mit dem Exzenter verbunden ist. Dies gilt für die endseitige Seitenscheibe und für die abtriebsseitige Seitenscheibe gleichermaßen, sodass also zu beiden Seiten des Exzenters je ein Dichtungsteil angeordnet ist. Die Kolbendichtungen sind nahe an den Planflächen der Seitenscheiben im Kolben angeordnet, wohingegen die Wellendichtungen in die Seitenscheiben eingepresst sind und ebenfalls nahe an ihre Planflächen heranreichen. Die Dichtungsteile ragen mit je einem Bund über die Ebenen der vorgenannten Planflächen hinaus in die Naben der Seitenscheiben hinein und bilden dort mit dem zweiten Dichtzylinder die Berührungsstellen mit den Dichtlippen der Wellendichtungen. Die Lippen der Wellendichtung und der Kolbendichtung bestehen aus elastischem Kunststoff-Material, welches seine Dichtungsaufgabe nur dann einwandfrei erfüllt, wenn die Gasdrücke sich in einem erträglichen Rahmen halten.
Das Leckgas passiert die Bogenleisten, wenn sich im Arbeitsraum durch die Zündung des Gasgemisches im oberen Totpunkt hoher Druck aufbaut, der während der Expansion des Gasgemisches bei der Verbrennung ein Maximum erreicht und bis zum unteren Totpunkt wieder abklingt. Die drei Arbeitsräume beaufschlagen also nacheinander ihre Bogenleisten hauptsächlich im Expansionstakt. Da radial innerhalb der Bogenleisten nahezu kein Volumen für eine Expansion zur Verfügung steht, wird ein solches in einer Ausgestaltung in Form einer Ringnut geschaffen, die im Bereich der Mitte der Bogenleisten einen nur geringen Abstand von diesen aufweist. Im Bereich der Ecken des Kolbens vergrößert sich der Abstand zwar, was aber keinen Einfluss auf die Weiterleitung des Leckgases in die Ringnut hat.
Um die Lippen der Wellendichtungen und der Kolbendichtungen nicht zu strapazieren, wird vorgeschlagen, das Volumen der Ringnuten mit einem solchen in den Seitenscheiben zu verbinden, in die das Leckgas abströmen kann. Diese Volumina sind Vertiefungen in den Planflächen der Seitenscheiben und liegen innerhalb einer zitronenförmigen Hüllkurve, die die Bogenleisten auf den Seitenscheiben beschreiben, wenn der Kolben umläuft. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Volumina nicht ganz an die Hüllkurve heran reichen zu lassen, sondern diese innerhalb einer radial innen liegenden Äquidistanten zu dieser Hüllkurve an zu ordnen, um Fertigungsungenauigkeiten vor zu beugen. Systembedingt überstreichen die Ringnuten im Motorbetrieb nun permanent diese vertieften Bereiche und dringen mit mehr als ihrer Hälfte in diese ein, wodurch sich für das Leckgas, das in die Ringnut eindringt, der Weg in die vertieften Bereiche öffnet. Der weiter führende Pfad für das Leckgas verläuft über mindestens eine Bohrung, die die vertieften Bereiche mit mindestens einem Entlüftungskanal in jeder Seitenscheibe verbindet.
Dieser Entlüftungskanal ist vorzugsweise mit einem Ölbehälter verbunden, aus dem die Brennkraftmaschine ihr Schmieröl bezieht. Es wird ersichtlich, dass das Leckgas von den Bogenleisten kommend an den Ringnuten aufgefangen wird, die radial außerhalb der Kolbendichtungen und der Wellendichtungen angeordnet sind. In den Ringnuten herrscht nahezu atmosphärischer Druck, da sie über die vertieften Bereiche, die Bohrungen und die Entlüftungskanäle mit dem atmosphärisch belüfteten Ölbehälter in direkter Verbindung stehen.
Bei der Betrachtung der Bewegung der Ringnuten auf den Seitenscheiben wird klar, dass es eigentlich genügen würde, anstatt des vertieften Bereiches eine Entlüftungsnut entlang der kurzen Achse in die von der Äquidistanten vorgegebene Fläche ein zu arbeiten. Dort nämlich schneidet die Ringnut die Entlüftungsnut permanent und bildet eine Schnittstelle aus, die einen ununterbrochenen Durchtritt für das Leckgas garantiert, wenn die in den Entlüftungsnuten angeordneten Bohrungen mit den Entlüftungskanälen in den Seitenscheiben verbunden sind.
Anhand von drei Zeichnungen wird eine Kreiskolbenbrennkraftmaschine mit einer Gasführung für an den Bogenleisten anfallendes Leckgas erläutert. Es zeigen:
1 eine Kreiskolbenbrennkraftmaschine mit einem Mantelgehäuse, zwei Seitenscheiben und einem Kolben mit Ringnuten auf seinen Planflächen im Teilschnitt sowie ein Dichtungsteil mit einer Kolbendichtung und einer Wellendichtung in vergrößertem Maßstab;
2 das Mantelgehäuse, den Kolben und eine der Seitenscheiben mit einer darauf abgebildeten Hüllkurve sowie die Position der Ringnut;
3 die Hüllkurve mit der Ringnut und zwei Entlüftungsnuten mit je einer Bohrung in schematischer Darstellung.
Wird gemäß der 1 mit 1 ein Mantelgehäuse bezeichnet, so bildet dieses mit einer endseitigen Seitenscheibe 2 und einer abtriebseitigen Seitenscheibe 3 ein Gehäuse, in welchem ein Kolben 4 angeordnet ist, der drei Ecken 11 aufweist, die auf einer Trochoidenlaufbahn 8 mit einer langen Achse 9 und einer kurzen Achse 10 entlang gleiten und mit einem Kolbenboden 5 drei abgeschlossene Arbeitsräume 22 bilden, in denen je ein Viertakt-Prozess abläuft, wobei sich insbesondere bei der Zündung des Gasgemisches und beim Expansionstakt hohe Drücke bilden. An den vier Seiten des Kolbenbodens 5 sind Dichtelemente angeordnet, zu denen Bogenleisten 15 gehören, welche jeweils von einer Ecke 11 des Kolbens 4 zur anderen verlaufen und gegen die Planflächen sowohl der endseitigen Seitenscheibe 2 als auch der abtriebsseitigen Seitenscheibe 3 gerichtet sind. Die hohen Drücke erzeugen an allen Dichtelementen Leckgase, die an den Ecken 11 von Arbeitsraum 22 zu Arbeitsraum 22, bei den Bogenleisten 15 aber in das Innere der Brennkraftmaschine strömen, wo sie primär Schäden an einer Kolbendichtung 12 und an einer Wellendichtung 13 anrichten können.
Der Kolben 4 ist auf einem Exzenter 7 einer Exzenterwelle 6 drehbar gelagert, wobei ein Hohlrad 21 am Kolben 4 angeordnet ist und mit seiner Verzahnung in eine solche an einem Sonnenrad 14 eingreift, um die Bewegungen des Kolbens 4 zu koordinieren. Im Kolben 4 sind an jeder seiner Planflächen Kolbendichtungen 12 angeordnet, die als Radialdichtungen ausgestaltet sind und mit ihren Dichtlippen auf je einem ersten Dichtzylinder 27 je eines Dichtungsteiles 24 abläuft. Diese Dichtungsteile 24 sind zu beiden Seiten des Exzenters 7 angeordnet und weisen je einen Bund 25 auf, der in die Naben der Seitenscheiben 2, 3 hinein ragt und einen zweiten Dichtzylinder 28 aufweist, welcher als Laufbahn für die Dichtlippen der Wellendichtungen 13 dient, die in die Seitenscheiben 2, 3 eingepresst sind.
Im Kolben 4 sind an jeder seiner Planflächen Ringnuten 23 angeordnet, die im Bereich zwischen den Bogenleisten 15 und den Kolbendichtungen 12 konzentrisch zu diesen angeordnet sind. Gemäß 2 überstreichen die Ringnuten 23 jeweils die Fläche einer von den Bogenleisten 15 herrührenden Hüllkurve 16 mit einer innen liegenden Äquidistanten 17, welche die Außenbegrenzung eines vertieften Bereiches 18 vorzugsweise in beiden Seitenscheiben 2, 3 darstellt, der somit in permanentem Kontakt mit der Ringnut 23 zur Ableitung des Leckgases steht. Aus 1 wiederum geht hervor, dass der vertiefte Bereich 18 über mindestens eine Bohrung 19 mit einem Entlüftungskanal 26 verbunden ist, durch welchen das Leckgas schließlich abgeleitet werden kann.
Gemäß 3 sind innerhalb der Hüllkurve 16 Entlüftungsnuten 20 entlang der kurzen Achse 10 angeordnet, die permanent von der Ringnut 23 überstrichen werden und an Schnittstellen 29 einen Pfad für das Leckgas öffnen, wenn es über die in den Entlüftungsnuten 20 angeordneten Bohrungen 19 in die Entlüftungskanäle 26 abstreichen kann. Der erfindungsgemäße Vorteil liegt darin, dass es im Bereich der Kolbendichtungen 12 und Wellendichtungen 13 keine durch das Leckgas verursachten Druckspitzen mehr gibt, die die Lebensdauer dieser Dichtungen 12, 13 beeinträchtigen können.

Claims

Kreiskolbenbrennkraftmaschine, umfassend im Wesentlichen ein Mantelgehäuse (1), eine endseitige Seitenscheibe (2), eine abtriebsseitige Seitenscheibe (3), einen Kolben (4) und eine Exzenterwelle (6), – wobei der dreieckige auf der Exzenterwelle (6) gelagerte Kolben (4) zwischen den Seitenscheiben (2, 3) in einer Trochoidenlaufbahn (18) mit einer langen Achse und einer kurzen Achse im Mantelgehäuse (1) unter Bildung dreier voneinander durch die Ecken (11) des Kolbens (4) getrennter Arbeitsräume umläuft, – wobei Wellendichtungen (13) und Kolbendichtungen (12) den Öl führenden Innenraum der Brennkraftmaschine gegen die Atmosphäre und gegen den Arbeitsraum abdichten und – wobei der Kolben (4) gegen die Seitenscheiben (2, 3) durch Bogenleisten (15) abgedichtet ist, die dort während des Betriebs eine Fläche überstreichen, die nach radial innen durch eine Hüllkurve begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbendichtungen (12) im Kolben (4) und die Wellendichtungen (13) in den Seitenscheiben (2, 3) als Radialdichtungen ausgeführt sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu beiden Seiten des Exzenters (7) je ein Dichtungsteil (24) angeordnet ist, das einen ersten Dichtzylinder (27) für die Kolbendichtung (12) und einen Bund (25) mit einem zweiten Dichtzylinder (28) für die Wellendichtung (13) aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtlippen der Kolbendichtung (12) und der Wellendichtung (13) aus elastischem Kunststoff bestehen.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das im Arbeitsraum (22) bei der Verbrennung unter hohem Druck die Bogenleisten (15) passierende Leckgas über eine Gasführung entlang den Planflächen der Seitenscheiben (2, 3) nach radial innen geleitet wird, von wo aus das Leckgas in einen Entlüftungskanal (26) aus dem Motorinneren herausgeführt wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasführung aus je einer konzentrisch an den Planflächen des Kolbens (4) angeordneten Ringnut (23), die zwischen den Bogenleisten (15) und der Kolbendichtung (12) angeordnet ist, je einem vertieften Bereich (18) auf den Seitenscheiben (2, 3) innerhalb der Hüllkurve (16), und mindestens je einer Bohrung (19), die die vertieften Bereiche (18) mit den Entlüftungskanälen (26) verbindet, besteht.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vertieften Bereiche (18) aussen durch je eine Äquidistante (17) zur Hüllkurve (16) begrenzt sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasführung aus je einer konzentrisch an den Planflächen des Kolbens (4) angeordneten Ringnut (23), die zwischen den Bogenleisten (15) und der Kolbendichtung (12) angeordnet ist, je zwei innerhalb der Hüllkurve (16) entlang der kurzen Achse (10) der Trochoidenlaufbahn (18) angeordneten Entlüftungsnuten (20), die permanent von der Ringnut (23) überstrichen werden, und aus je zwei in den Entlüftungsnuten (20) angeordneten Bohrungen (19), die Entlüftungsnuten (20) innerhalb der Hüllkurve (16) mit den Entlüftungskanälen (26) verbindet, besteht.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsnuten (20) innerhalb der Äquidistanten (17) entlang der kurzen Achse (10) angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsnuten (20) kanalförmig ausgestaltet sind.