DE102007029200B3

DE102007029200B3 - Lamellendichtung mit Ladungswechsel-Steuerschieber für einen Rotationskolben-Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102007029200B3
Application number: DE200710029200
Authority: DE
Inventors: Klaus Bruchner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2027-06-26

Abstract

Ein Dichtsystem für einen Rotationskolben-Verbrennungsmotor, das die Abdichtung der Arbeitsräume und die Steuerung des Gaswechsels übernimmt, besteht aus mindestens einer Dichtlamelle, die mit einem Steuerschieber fest verbunden ist. Der Steuerschieber selbst ist im Außengehäuse und in der Trennwand in einer Art Nut axial beweglich eingelassen. Die Steuerung des Gaswechsels erfolgt mittels der im Steuerschieber links und rechts von der Trennwand eingebrachten Überströmöffnung, die in definierten Stellungen des Steuerschiebers das Überströmen des im Verdichtungsraum zur Verbrennung komprimierten Gases in den Brennraum, bzw. nach der Verbrennung von dort das Ausströmen des expandierenden Gases in den Arbeitsraum ermöglichen. Das Dichtsystem kann neben der mit dem Steuerschieber verbundenen Dichtlamelle weitere Lamellen enthalten, die hinter und vor der Dichtlamelle parallel angeordnet sind. Bei der axialen Bewegung der Lamellendichtung gleiten diese zusätzlichen Lamellen auf der Unterseite des Steuerschiebers, bzw. werden dort in einer Art Nuten geführt. Die geometrischen Abmessungen, der Aufbau und die Anordnung dieser weiteren Dichtelemente entsprechen weitestgehend der DE 103 10 185 A1.

Description

Stand der Technik
Die Anmeldungen DE 101 10 261 A1 und DE 103 10 185 A1 beschreiben ein Lamellendichtsystem, das die Abdichtung der Arbeitsräume und die Steuerung des Gaswechsels bei einem Rotationskolben-Verbrennungsmotor übernimmt, wobei die Dichtlamellen in einer Gehäusetrennwand dichtend gelagert sind und sich lediglich in axialer Richtung bewegen. Die Patentschrift US 4 170 213 A zeigt einen mit dem Rotor umlaufenden Schieber, der den Verbrennungsraum enthält und gleichzeitig die Arbeitsräume voneinander trennt. Aus den Anmeldungen GB 658 304 A , US 3 942 484 A und US 4 439 117 A sind mit dem Rotor umlaufende Dichtlamellen bekannt, die zur Trennung der Arbeitsräume und zur Steuerung der Arbeitsspiele dienen. Nachteilig bei diesen Anordnungen ist, dass beim Überlaufen der Dichtlamellen über die Brennraum- und Ein-/Ausströmöffnungen Kurzschlussströmungen zwischen den zu trennenden Arbeitsräumen entstehen. In US 2 070 606 A finden radial und ringförmig angeordnete, federbelastete Dichtleisten Anrwendung, die die Arbeitsräume voneinander trennen sollen.
Aufgabenbeschreibung
Die der hier eingereichten Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, eine Lamellendichtung so zu verbessern, dass die Dichtheit der Arbeitsräume gewährleistet bleibt, die Steuerung des Gaswechsels, d. h. Ansaug- u. Kompressionstakt, Verbrennung, Expansions- und Ausschiebetakt, optimal und mit minimalen Reibungsverlusten ablaufen kann, nur geringe Kurzschlussströmungen auftreten und die Fertigbarkeit der Dichtung in einfacher Weise kostengünstig gegeben ist.
Für einen Rotationskolben-Verbrennungsmotor nach DE 101 10 261 A1 ist die vorgesehene Abdichtung deshalb so ausgelegt, dass deren radiale Ausdehnung ebenfalls einen zentrischen Abschnitt eines Kreisringes beschreibt, wobei die Dichtlamelle des Dichtsystems strahlenförmig vom Rotationsmittelpunkt aus innerhalb dieses Abschnittes angeordnet ist. Die Dichtlamelle selbst ist axial beweglich und dichtend in die Trennwand (1, 4, 6) eingebracht. Ihre radiale Höhe entspricht der radialen Höhe der profilierten Bereiche der Seitenflächen der Rotorscheiben. Unten wird die Dichtlamelle von der Rotornabe und am oberen Ende von einem Steuerschieber begrenzt, der mit der Dichtlamelle fest verbunden ist. Der Steuerschieber selbst ist im Außengehäuse und in der Trennwand in einer Aussparung, ähnlich einer Nut, axial beweglich, eingelassen. Die axiale Länge der Dichtlamelle ist so dimensioniert, dass die an deren linken und rechten Stirnseite angebrachten Radien an den beiden einander zugewandten Seitenflächen der Rotorscheiben dichtend anliegen. Die Dichtlamelle bildet somit veränderliche Arbeitsräume mit der Trennwand, den profilierten Rotorscheiben, der Rotornabe und der Innenwand des stationären Außengehäuses.
Die Dichtfunktion der Dichtlamelle kann durch den Einsatz von beweglichen Dichtleisten an den axialen Stirnseiten der Dichtlamelle und an der der Nabe zuge wandten Seite verbessert werden. Insbesondere sind hiermit Toleranzen und auch der Verschleiß, der während des Betriebes unvermeidbar ist, ausgleichbar (2). Eine weitere Erhöhung der Dichtheit wird durch die fächerförmige Anordnung mehrerer Dichtlamellen erreicht. Hierbei erfolgt der Aufbau der Lamellendichtung durch zusätzliche keilförmige Dichtlamellen, oder entsprechend der Anordnung nach DE 103 10 185 A1 , wo das Dichtsystem aus Dicht-, Ausgleichs- und Stützlamellen aufgebaut ist (4).
Abweichend von den vorgenannten Anmeldungen DE 101 10 261 A1 und DE 103 10 185 A1 , gleiten die zusätzlichen Lamellen beim erfindungsgemäßen Dichtsystem mit ihren radialen oberen Dichtkanten auf der Unterseite des Steuerschiebers, relativ zu der mit dem Steuerschieber verbundenen Dichtlamelle.
Wie bei der Einlamellen-Ausführung besteht bei der Mehrlamellen-Ausführung ebenfalls die Möglichkeit, an den axialen und radialen Stirnseiten bewegliche Dichtleisten vorzusehen (2, 4), die den toleranz- und verschleißbedingten Ausgleich übernehmen.
Die Steuerung des Gaswechsels erfolgt bei dem Dichtsystem mit Einzellamelle (1) mittels der im Steuerschieber (41) links und rechts von der Trennwand (4) vorgesehenen radialen Überströmöffnungen (3.1.1, 3.1.2), die örtlich so angebracht sind, dass sie das Überströmen des zur Verbrennung im Verdichtungsraum (6) komprimierten Gases in den Brennraum (14), bzw. des expandierenden Gases nach erfolgter Verbrennung aus dem Brennraum (14) in den Expansionsraum (7) ermöglichen.
Beim Mehrlamellen-Dichtsystem (4) sind in den Einzellamellen zusätzliche Aussparungen eingebracht, die in Summe, in der linken, bzw. rechten Endlage der Dichtlamellen, radiale Überströmkanäle (5.1.1, 5.1.2) bilden. Diese Überströmkanäle weisen in diesen Endstellungen eine direkte Überdeckung mit den Überströmöffnungen (3.1.1, 3.1.2) im Steuerschieber (41) auf und verbinden somit über den Einström-, bzw. Ausströmkanal (15; 16) den Brennraum (14) mit den jeweiligen Arbeitsräumen (6 oder 8). Dies entspricht der DE 103 10 185 A1 , ebenso wie die zur Schmierung vorgesehene jeweils mindestens eine radial verlaufende Schmiernut, die in den linken und rechten Seitenflächen, der sich in axialer Richtung relativ zueinander bewegenden inneren Lamellen vorgesehen ist. Die Lage der mindestens einen Nut ist so gewählt, dass in keinem Betriebspunkt eine Verbindung mit den Ein- oder Ausströmkanälen aus dem Brennraum vorliegt. Die mindestens eine Schmiernut in der Dichtlamelle wird beim Überstreichen von mindestens einer Ölversorgungbohrung, die im Inneren des Lamellen-Ausschnittes in der Trennwand (4) angebracht ist, mit Öl versorgt.
Obige, sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten, nichteinchränkenden Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen (1 bis 6) besser verständlich. Zudem werden der Aufbau und die Wirkungsweise der Lamellendichtung näher erläutert.
Die Lamellendichtung besteht dabei mindestens aus einer Dichtlamelle (40) (1, 2, 6) die radial am oberen Ende mit dem Steuerschieber (41) fest verbunden ist. Der Steuerschieber (41) wird in der Tennwand (4) und im Außengehäuse (1.4 u. 1.5) in einer dort eingebrachten Führungsnut (43) geführt und ist axial verschiebbar (1, 3, 4, 6). Die axiale Länge des Steuerschiebers (41) ist so bemessen, dass dieser die Rotorscheiben (2.1 u. 2.2) an deren Außendurchmesser auf beiden Seiten, zumindest teilweise, überdeckt und damit eine größere Länge als die Dichtlamelle (40) aufweist. Weiterhin sind in Laufrichtung der Rotorscheiben (2.1 u. 2.2), vor und hinter der Dichtlamelle, Überströmöffnungen (3.1.1 u. 3.1.2) vorhanden, die die Steuerung des Gaswechsels übernehmen (2, 3).
Das Querschnittsprofil der Dichtlamelle (40) kann über deren radiale Ausdehnung sowohl mit gleich bleibender Wandstärke (2), als auch keilförmig (42) ausgeführt werden (5). Im letzteren Fall wird die Querschnittsform vorzugsweise von jeweils einer vorderen und rückseitigen ebenen Fläche gebildet, deren gedachte Verlängerungen sich im Rotationsmittelpunkt (31) der Welle (3) treffen. Die mindestens eine Dichtlamelle selbst ist, in einem deren Querschnittsgeometrie angepassten Ausschnitt, in der Trennwand (4) axial verschiebbar und dichtend gelagert. Wesentlich für die Ausführung der Dichtlamellengeometrie ist eine optimale Dichtheit bei minimalen Reibungsverlusten.
Abhängig von der Winkelstellung der Rotorscheiben (2.1 u. 2.2) und dem jeweiligen Arbeitsraum ist die Überströmöffnung (3.1.1) auf der Verdichtungsseite entgegen der Rotorlaufrichtung, d. h. vor der Dichtlamelle (40), so ausgeführt, dass die im Verdichtungsraum (6) komprimierte Luft über diese Überströmöffnung (3.1.1) im Steuerschieber (41), den Einströmkanal (15) im Außengehäuse (1.4) und weiter in den Brennraum (14) strömen kann, während nach der Verbrennung das Gas über den, rechts von der Trennwand (4) liegenden, Ausströmkanal (16) und die Überströmöffnung (3.1.2), die in Drehrichtung nach der Dichtlamelle (40) angeordnet ist, in den nachfolgenden Expansionsraum (7) überströmen und expandieren kann (2).
Beispielhaft ist in einer Ausgangsposition nach (3) die Dichtlamelle (40) und damit gleichzeitig der mit dieser verbundene Steuerschieber (41) axial soweit nach rechts verschoben, dass auf der Verdichtungsseite, links von der Trennwand, keine Überdeckung mehr zwischen dem Einströmkanal (15) im Außengehäuse und der Überströmöffnung (3.1.1) im Steuerschieber (41) vorliegt. Bei der weiteren Bewegung der Rotorscheiben (2.1; 2.2) in Drehrichtung, gleitet die Dichtlamelle noch weiter nach rechts und ab der Überdeckung der Ausströmkanals (16) mit der Überströmöffnung (3.1.2) auf der rechten Schieberseite beginnt der Expansionstakt. Nach einem Weiterdrehen um ca. 180° erfolgt das Verschieben der Dichtlamelle (40) nach links. Hierbei wird der Ausströmkanal (16) durch den Steuerschieber (41) wieder verschlossen, wogegen auf der linken Seite, im Kompressionstakt, die Überströmöffnung (3.1.1) mit dem Einströmkanal (15) zur Überdeckung kommt und der Brennraum (14) wieder mit frischem, verdichtetem Gas befüllt wird.
Die Geometrie der Überströmöffnungen (3.1.1, 3.1.2) ist der Einfachheit halber hier jeweils als eine Bohrung dargestellt, ohne dass die vorliegende Erfindung alleine auf diese Querschnittsform und die Anzahl der pro Seite angeordneten Öffnungen beschränkt sein soll.
Bei Verwendung von mehreren Dichtlamellen übernimmt primär der Steuerschieber (41) mit den Überströmöffnungen (3.1.1 u. 3.1.2) die Steuerung des Gaswechsels. Zudem dichten die weiteren Einzellamellen (40.3, 40.4, 40.5, 40.6, 40.7, 40.8, 40.9, 40.10) im Verdichtungs- und Verbrennungstakt zusätzlich, je nach Rotorlage, die Ein- oder Ausströmkanäle (15; 16) aus dem Brennraum (14) ab. Hierzu ist die Geometrie der dem Außengehäuse zugewandten, radialen Lamellendichtkanten dieser zusätzlichen Einzellamellen entsprechend dem Radius auf der Unterseite des Steuerschiebers (41) angepasst (4), oder diese werden in Nuten, die alternativ auf der Unterseite des Steuerschiebers (41) angebracht sind, geführt. Zum Ausgleich von Toleranzen und Verschleiß können auch hier an den stirnseitigen und radialen Dichtkanten bewegliche Dichtleisten (40.1) verwendet werden, die z. B auch druckbeaufschlagt, oder mittels federnder Elemente (40.1.1) angedrückt, ausgeführt sein können. Die Anzahl der zusätzlichen Lamellen (40.3 bis 40.10) sowie deren Führung auf der Unterseite des Steuerschiebers (41) sind hier nur beispielhaft gewählt. Je nach Anforderung kann sowohl die Kombination von Dicht-, Ausgleichs- und Stützlamellen, als auch deren Anzahl verändert und an den spez. Verwendungsfall angepasst werden. Ebenso ist auch die Geometrie der Führungsnuten auf der Unterseite des Steuerschiebers (41) und somit auch die Ausführung der radialen stirnseitigen Flächen der sich relativ zur Dichtlamelle (40) bewegenden Lamellen beliebig gewählt, ohne dass die vorliegende Erfindung allein auf dieses Beispiel beschränkt sein soll (4).
Die Funktion der Mehr-Lamellendichtung ist in DE 101 10 261 bereits beschrieben. Demnach ist die Lage der Aussparungen in den einzelnen Lamellenelementen, die in Summe die radialen Überströmkanäle (12, 13) in der Lamellendichtung bilden, so ausgeführt, dass sich diese beim axialen Verschieben der Einzellamellen – abhängig von der Winkelstellung der Rotorscheiben (2.1 u. 2.2) – relativ zu den Überströmöffnungen (3.1.1 u. 3.1.2) im Steuerschieber (41) verändern. Erst in der linken oder rechten axialen Endstellung der Dichtung weist einer der beiden radialen Überströmkanäle (12 oder 13) auf der linken, bzw. rechten Seite der Trennwand (4) mit der jeweiligen Überströmöffnung (3.1.1 oder 3.1.2) und weiterhin mit den zugehörigen Ein- oder Ausströmkanälen (15, 16) im Außengehäuse eine direkte Überdeckung auf, während der Kanal auf der jeweils anderen Seite soweit verschoben ist, dass keine Verbindung mehr zum Brennraum (14) besteht (3, 4).
Die Schmierung zur Reduzierung von Reibungsverlusten an den Einzellamellen, bei deren Relativbewegung im Betrieb, erfolgt über mindestens eine im Lamellenausschnitt innerhalb der Trennwand (4) angebrachten Ölversorgungsnut, über die das Öl bei Überdeckung mit den in den Lamellen befindlichen Schmiernuten, bzw. mit den Trennnuten bei den geteilten Lamellen, in diese einströmen kann und eine intermittierende Ölversorgung gewährleistet (s. hierzu DE 103 10 185 A1 ).
Durch die Relativbewegung der einzelnen Lamellen wird zumindest ein Teil des Öls auch an die axialen und radialen stirnseitigen Dichtflächen gefördert, so dass hier ebenfalls eine ausreichende Schmierung vorliegt.
Zur Minimierung der bewegten Massenkräfte sind für die Dichtlamellen und den Steuerschieber insbesondere Werkstoffe mit geringer Dichte vorteilhaft. Gleichzeitig werden aber auch Anforderungen an eine hohe Wärmebeständigkeit, einen hohen Verschleißwiderstand und eine gute, kostengünstigen Herstellbarkeit gestellt, was den Einsatz keramischer Werkstoffe prädestiniert.

Claims

Dichtungssystem für einen Rotationskolben-Verbrennungsmotor, dessen radiale Ausdehnung einen zentrischen Abschnittes eines Kreisrings beschreibt, wobei eine Dichtlamelle (40) strahlenförmig vom Rotationsmittelpunkt aus innerhalb dieses Abschnittes angeordnet ist, wobei die radiale Höhe der Dichtlamelle (40) der Höhe der profilierten Bereiche der Seitenflächen der Rotorscheiben (2.1, 2.2) entspricht und einerseits von einer Rotornabe und andererseits von einem Steuerschieber (41) begrenzt wird, wobei der Steuerschieber (41) mit der Dichtlamelle (40) fest verbunden ist, wobei der Steuerschieber (41) axial beweglich in einer Führungsnut (43), die in einer Trennwand (4) und in einem Außengehäuse (1.4, 1.5) eingearbeitet ist, angebracht ist, wobei der Steuerschieber (41) links und rechts von der Trennwand (4) mit Überströmöffnungen (3.1.1, 3.1.2) versehen ist, die den Gaswechsel von einem Verdichtungsraum (6) zu einem Brennraum (14) und von dem Brennraum (14) zu einem Expansionsraum (7) steuern, wobei die axiale Ausdehnung der Dichtlamelle (40) so festgelegt ist, dass deren Enden an den beiden, einander zugewandten Seitenflächen der Rotorscheiben (2.1, 2.2) dichtend anliegen, wobei durch die Dichtlamelle, die Trennwand (4), den profilierten Rotorscheiben (2.1, 2.2), der Rotornabe und der Innenwand des stationären Außengehäuses (1.4, 1.5) Arbeitsräume gebildet werden.
Dichtsystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtlamelle (40) an den axialen stirnseitigen Dichtflächen und zur Nabe hin mit beweglichen Dichtleisten (40.1) ausgestattet ist, die druckbeaufschlagt sind oder mittels federnder Elemente (40.1.1) an die Dichtflächen angepresst werden.
Dichtsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass neben der mit dem Steuerschieber verbundenen mittleren Dichtlamelle (40) weitere Dichtlamellen (40.3, 40.4, 40.5, 40.6, 40.7, 40.8, 40.9, 40.10) angeordnet sind, die in radialer Richtung auf der Unterseite des Steuerschiebers (41) gleiten und sich relativ zum Steuerschieber (41) und der mittleren Dichtlamelle (40) bewegen.
Dichtsystem nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass zur axialen Führung der zusätzlichen Lamellen auf der Unterseite des Steuerschiebers (41) Nuten vorgesehen sind, in denen zumindest ein Teil der Lamellen geführt wird.
Dichtsystem nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtlamellen (40.3, 40.4, 40.5, 40.6, 40.7, 40.8, 40.9, 40.10) an den axialen stirnseitigen Dichtf1chen und zur Nabe hin mit beweglichen Dichtleisten (40.1) ausgestattet werden, die druckbeaufschlagt sind, oder mittels federnder Elemente (40.1.1) an die Dichtflächen angepresst werden.
Dichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen in den Einzellamellen, die in den axialen Endstellungen die radialen Überströmkanäle (12, 13) bilden, und die Überströmöffnungen (3.1.1 u. 3.1.2) im Steuerschieber (41) derart angeordnet sind, dass die Vorrichtung auch als Verdichter genutzt werden kann.
Dichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Einzellamellen aus hochwärmebeständigen, verschleißfesten Materialien mit einem geringen spez. Gewicht, vornehmlich keramischen Werkstoffen, hergestellt werden können.