DE4039368A1 - Rotationskolbenverbrennungskraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenverbren­ nungskraftmaschine mit einem eine zylindrische Innen­ fläche und radiale Ein- und Auslaßöffnungen aufweisen­ den Gehäuse, mit einem innerhalb des Gehäuses mit gleichförmiger Geschwindigkeit umlaufenden, eine zylin­ drische Umfangsfläche aufweisenden Rotor, mit mehreren im Winkelabstand voneinander radial über eine mit un­ gleichförmiger Geschwindigkeit konzentrisch zum Rotor umlaufende Nabe überstehenden, in Arbeitskammern inner­ halb des Rotors eingreifenden und über mindestens ein Kurbelgetriebe mit dem Rotor verbundenen Kolben, und mit die Rotorwand durchsetzenden, die Arbeitskammern abwechselnd mit den Ein- und Auslaßöffnungen des Gehäu­ ses verbindenden Kanälen, deren gehäuseseitige Öffnun­ gen durch in der Rotorwand angeordnete, gegen die Ge­ häuseinnenfläche anliegende Dichtringe umschlossen sind.

Bei einer bekannten Rotationskolbenverbrennungskraftma­ schine dieser Art (EP-B 00 35 136) konnte durch die ringförmige Ausbildung der Dichtungen die Gesamtlänge der Dichtgrenzen auf der Umfangsfläche des Rotors er­ heblich verkürzt werden. Allerdings hat sich die be­ kannte Anordnung vor allem bei hohen Drehzahlen als recht verschleißanfällig erwiesen.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, die bekannte Rotationskolbenverbrennungskraft­ maschine dahingehend zu verbessern, daß auch bei hohen Drehzahlen eine lange Laufzeit gewährleistet wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung die im Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung erge­ ben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Ver­ schleiß an den Dichtringen und an der Innenfläche des Gehäuses durch die Verwendung geeigneter Dichtringmate­ rialien und -anordnungen zu minimieren. Um dies zu er­ reichen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die in Ringnuten der Rotorwand angeordneten Dichtringe aus einem Keramikmaterial bestehen und eine geschlif­ fene und/oder polierte, der gekrümmten Innenfläche des Gehäuses angepaßte Gleitfläche aufweisen und unter der Einwirkung einer Feder gegen die Innenfläche des Gehäu­ ses anpreßbar sind.

Das Keramikmaterial weist zweckmäßig eine Mohshärte von über 8,5, vorzugsweise von 9 bis 9,5 auf. Als besonders gut geeignet hat sich ein Keramikmaterial aus Silicium­ nitrid oder aus Siliciumcarbid erwiesen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die In­ nenfläche des Gehäuses mit einer verschleißfesten Be­ schichtung, vorzugsweise aus Chromoxid oder aus Nickel mit eingelagerten Silicium-Kristallen (Nikasil) verse­ hen.

Um die Herstellung des Dichtrings und der Ringnut zu erleichtern weisen diese zweckmäßig einen kreisförmigen Umriß auf. Durch die an die Innenfläche des Gehäuses angepaßte Gleitfläche ist trotzdem gewährleistet, daß sich der Dichtring selbsttätig in der Ringnut ausrich­ tet. Die Gleitfläche kann dabei im Bereich ihrer äuße­ ren und inneren Kante umlaufend angefast oder abgerun­ det sein.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß zwischen dem Dichtring und dem Grund der Ringnut eine vorzugsweise als Wellenfeder ausgebildete Feder angeordnet ist. Um innerhalb der Ringnut eine gute Ab­ dichtung zu gewährleisten, ist vorteilhafterweise zwi­ schen dem Dichtring und der Feder ein einseitig ge­ schlitzter Federring angeordnet, der dichtend gegen die Außenflanken der Ringnut anliegt. Zweckmäßig ist zwi­ schen dem Dichtring und dem Federring ein geschlosse­ ner, den Schlitz des Federrings überdeckender Zwischen­ ring aus Metall oder Keramikmaterial angeordnet, so daß auch durch den Schlitz des Federrings kein komprimier­ tes Gas entweichen kann.

Eine besonders gute Dichtwirkung während des Kompres­ sionsvorgangs und während der Expansion der unter Druck stehenden Verbrennungsgase wird vorteilhafterweise da­ durch erreicht, daß der Durchmesser der Ringnut im Be­ reich ihrer Innenflanken kleiner ist, als der des in der Ringnut angeordneten Dichtrings, Federrings und/oder Zwischenrings. Durch diese Maßnahme kann die der Gleitfläche gegenüberliegende Stirnseite des Dichtrings mit dem Druck des komprimierten Kraftstoff-Luft-Ge­ mischs bzw. der Verbrennungsgase beaufschlagt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Ringnut an ihrer Außenflanke eine vom Nutgrund abgewandte Ringschulter aufweist. Zweckmä­ ßig weist der Dichtring dabei eine größere Breite als der Zwischenring auf und übergreift mit seiner dem Nut­ grund zugewandten Stirnseitenfläche die Ringschulter zumindest teilweise.

Alternativ dazu kann der die Ringschulter übergreifende Dichtring als Stufenring ausgebildet sein und umittel­ bar auf dem Federring aufliegen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die lichte Weite der Ein- und Auslaßöff­ nungen zumindest in axialer Richtung kleiner als der Innendurchmesser der Dichtringe. Dadurch wird gewähr­ leistet, daß die Dichtringe auch beim Überfahren der Ein- und Auslaßöffnungen gleichmäßig gegen die Gehäuse­ innenfläche anliegen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Rotationskolben­ verbrennungskraftmaschine in zwei einen Winkel miteinander bildenden Schnittebenen entlang der Schnittlinie 1-1 der Fig. 2;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 eine Ausschnittsvergrößerung aus Fig. 2.

Die Rotationskolbenverbrennungskraftmaschine besteht im wesentlichen aus einem stationären, eine zylindrische Innenfläche 12 und radiale Ein- und Auslaßöffnungen 14, 16 aufweisenden Gehäuse 10, einem darin mit gleichför­ miger Geschwindigkeit umlaufenden Rotor 18, sowie einer im Rotor 18 gelagerten und mit ungleichförmiger Ge­ schwindigkeit umlaufenden Nabe 20 mit vier radial nach außen abstehenden flügelförmigen Kolben 22. Die zylin­ drische Rotorwand 24 begrenzt zusammen mit zwei durch die Rotorwand 24 verbundenen Stirnseitenteilen 26 und 28 die Arbeitskammern 30, deren Volumen durch das Hin- und Herschwingen der Kolben 22 zwischen vier nach innen weisenden, mit der Rotorwand 24 verbundenen Rippen 32 verringert und wieder vergrößert wird.

Die Kraftstoffzufuhr und der Abgasausstoß erfolgt durch im Winkelabstand voneinander angeordnete, die Rotorwand 24 durchsetzende Kanäle 34, welche die Arbeitskammern 30 abwechselnd mit den Ein- bzw. Auslaßöffnungen 14 bzw. 16 verbinden. Das jeweils gleichzeitig über zwei sich gegenüberliegende Einlaßöffnungen 14 und Kanäle 34 zwei Arbeitskammern 30 zugeführte Kraftstoff-Luft-Ge­ misch wird bei der Schwingbewegung der Kolben 22 zwi­ schen diesen und den Seitenwänden 36 der Rippen 32 so­ wie in den Kanälen 34 komprimiert. Die Zündung des ver­ dichteten Gemischs erfolgt im Totpunkt der Kolben 22 durch zwei in den Gehäusemantel 38 eingeschraubte Zünd­ kerzen 40. Die expanierenden Verbrennungsgase treiben die Kolben 22 und die Rippen 32 auseinander und entwei­ chen anschließend über die Kanäle 34 in die Auslaßöff­ nungen 16.

Die Relativbewegung zwischen den Kolben 22 und dem Ro­ tor 18 wird mit Hilfe von vier an Bolzen 42 der Nabe 20 angelenkten Pleuelstangen 44 auf die Kurbelzapfen 46 von vier, die Rippen 32 axial durchsetzenden Kurbelwel­ len 48 übertragen und damit in eine Drehbewegung umge­ setzt. Stirnseitig mit den Kurbelwellen 48 verbundene Zahnräder 50 kämmen mit den Zähnen eines innenverzahn­ ten, elastisch mit dem Gehäuse 10 verbundenen Hohlrads 52 und überführen dadurch die Drehbewegung der Kurbel­ wellen 48 in eine Drehbewegung des Rotors 18 gegenüber dem Gehäuse 10. Die Rotordrehung kann mittels einer einstückig mit dem Stirnseitenteil 28 verbundenen und in den Lagern 54, 56 der Gehäusedeckel 58, 60 gelager­ ten Abtriebswelle 62 auf einen Verbraucher übertragen werden.

Um die Arbeitskammern 30 gegeneinander und gegenüber dem Gehäuse 10 abzudichten, sind an den entlang der Innenseite der Rotorwand 24 bewegten freien Enden der Kolben 22 sowie an den Stirnseitenflächen der Kolben 22 und der Nabe 20 Dichtleisten 64 vorgesehen. Ein Druck­ ausgleich zwischen den Arbeitskammern 30 bzw. ein Ent­ weichen des komprimierten Kraftstoff-Luft-Gemischs über den Ringspalt 66 zwischen der Rotorumfangsfläche 68 und der Gehäuseinnenfläche 70 wird durch die Öffnungen 74 der Kanäle 34 auf der Rotorumfangsfläche 68 umschlie­ ßende Dichtringe 72 verhindert, die jeweils in einer Ringnut 76 der Rotorwand 24 angeordnet sind und gegen die Gehäuseinnenfläche 70 anliegen.

Die in den Ringnuten 76 radial verschiebbar eingesetz­ ten Dichtringe 72 bestehen aus einem Keramikmaterial großer Härte wie Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid und werden mit ihrer geschliffenen oder polierten, der Run­ dung der Gehäuseinnenfläche 70 angepaßten Gleitfläche 78 gegen die mit einer verschleißfesten Beschichtung 80 versehene Gehäuseinnenfläche 70 angepreßt.

Das Anpressen der Dichtringe 72 erfolgt einmal durch eine in die Ringnut eingelegte Feder 82. Während der Kompression des Kraftstoff-Luft-Gemischs und während der Expansion der komprimierten Verbrennungsgase wird die dem Grund 84 der Ringnut 76 zugewandte Stirnfläche 86 des Dichtrings 72 über den Spalt 66 und über eine zwi­ schen der Innenflanke 88 der Ringnut 76 und dem Dicht­ ring 72 freibleibenden Ringspalt 89 vom Kanal 34 her mit dem in der Arbeitskammer 30 herrschenden Überdruck beaufschlagt, so daß die Anpreßkraft der Feder 82 ver­ stärkt wird.

Die Beschichtung 80 auf der Gehäuseinnenfläche 70 kann aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß eine 3/10 bis 4/10 mm starke plasmagespritzte Beschichtung aus Chromoxid in Kombination mit Keramikdichtringen aus Silicium­ carbid oder eine 2/10 bis 3/10 mm starke, elektro­ lytisch aufgebrachte Beschichtung aus Nickel mit einge­ lagerten Siliciumcarbid-Kristallen (Nikasil) zusammen mit Dichtringen aus Siliciumnitrid gute Laufeigenschaften und einen geringen Verschleiß gewährleisten.

Der in Fig. 3 dargestellte Dichtring 72 weist einen kreisförmigen Umriß auf und ist zusammen mit einer Wel­ lenfeder 82, einem auf der Wellenfeder 82 aufliegenden, einseitig geschlitzten Federring 90 und einem zwischen Federring 90 und Dichtring 72 angeordneten geschlosse­ nen Zwischenring 92 in eine Ringnut 76 eingesetzt, die an ihrer Außenflanke 94 eine vom Nutgrund 84 abgewandte Ringschulter 96 aufweist. Der Durchmesser der Ringnut 76 ist an ihrer Innenflanke 88 geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des Dichtrings 72, des Zwischen­ rings 92 und des Federrings 90, so daß das verdichtete Kraftstoff-Luft-Gemisch bzw. das expandierende, unter Druck stehende Abgas vom Kanal 34 her zwischen den Grund 84 der Ringnut 76 und die dem Grund 84 der Ring­ nut 76 zugewandte Unterseite des Federrings 90 eindrin­ gen kann. Der Federring 90 liegt dichtend gegen die Außenflanke 94 der Ringnut 76 an und blockiert dadurch einen Austritt des Gemischs bzw. der Abgase nach außen. Der auf der Oberseite des Federrings 90 aufliegende Zwischenring 92 überdeckt den Schlitz des Federrings 90, so daß dort nur eine sehr geringe Gasmenge durch­ treten kann. Diese Gasmenge wird aufgrund des sehr en­ gen Spaltes zwischen der Stirnseitenfläche 86 des Dichtrings 72 und der Ringschulter 96 weiter reduziert.

Die Ringschulter 96 in der Ringnut 76 ermöglicht es, die Wandstärke des Keramikdichtrings 72 relativ groß auszubilden und dadurch die Bruchgefahr zu reduzieren, ohne durch eine Vergrößerung der vom Gasdruck beauf­ schlagten Fläche die auf den Keramikdichtring 72 wir­ kende Anpreßkraft und damit die Gleitreibung zwischen Dichtring 72 und Gehäuseinnenfläche 70 zu erhöhen. Gleichzeitig läßt sich der Dichtring 72 relativ flach ausbilden, wodurch bei einem im Betrieb geringfügig verzogenen Dichtring 72 die elastische Anpassung der Gleitfläche 78 an die Gehäuseinnenfläche 70 erleichtert wird.

Der Innendurchmesser der Dichtringe 72 ist größer als die lichte Weite der Ein- und Auslaßöffnungen 14, 16, so daß die Dichtringe 72 beim Passieren der Ein- und Aus­ laßöffnungen mit einem Teilbereich ihrer Gleitfläche 78 gegen die Gehäuseinnenfläche 70 anliegen.

Claims (16)

1. Rotationskolbenverbrennungskraftmaschine mit einem eine zylindrische Innenfläche und radiale Ein- und Auslaßöffnungen (14, 16) aufweisenden Gehäuse (10), mit einem innerhalb des Gehäuses (10) mit gleich­ förmiger Geschwindigkeit umlaufenden, eine zylind­ rische Umfangsfläche (68) aufweisenden Rotor (18), mit mehreren im Winkelabstand voneinander radial über eine mit ungleichförmiger Geschwindigkeit kon­ zentrisch zum Rotor (18) umlaufende Nabe (20) über­ stehenden, in Arbeitskammern (30) innerhalb des Rotors (18) eingreifenden und über mindestens ein Kurbelgetriebe mit dem Rotor (18) gekoppelten Kol­ ben (22), und mit die Rotorwand (24) durchsetzen­ den, die Arbeitskammern (30) abwechselnd mit den Ein- und Auslaßöffnungen (14, 16) des Gehäuses (10) verbindenden Kanälen (34), deren gehäuseseitige Öffnungen (74) durch in der Rotorwand (24) angeord­ nete, gegen die Gehäuseinnenfläche (70) anliegende Dichtringe (72) umschlossen sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die in Ringnuten (76) der Rotorwand (24) angeordneten Dichtringe (72) aus einem Kera­ mikmaterial bestehen, eine geschliffene und/oder polierte, der gekrümmten Innenfläche (70) des Ge­ häuses (10) angepaßte Gleitfläche (78) aufweisen und unter der Einwirkung je einer Feder (82) gegen die Innenfläche (70) des Gehäuses (10) anpreßbar sind.

2. Rotationskolbenverbrennungskraftmaschine nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramik­ material eine Mohshärte von über 8,5, vorzugsweise von 9 bis 9,5 aufweist.

3. Rotationskolbenverbrennungskraftmaschine nach An­ spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial aus Siliciumnitrid oder aus Sili­ ciumcarbid besteht.

4. Rotationskolbenverbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche (70) des Gehäuses (10) mit einer verschleißfesten Beschichtung (10) vorzugsweise aus Chromoxid oder aus Nickel mit eingelagerten Silici­ umcarbid-Kristallen (Nikasil) versehen ist.

5. Rotationskolbenverbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (76) und der Dichtring (72) einen kreis­ förmigen Umriß aufweisen.

6. Rotationskolbenverbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitfläche (78) im Bereich ihrer äußeren und inneren Kante umlaufend angefast oder abgerundet ist.

7. Rotationskolbenverbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Dichtring (72) und dem Grund (84) der Ringnut (76) eine vorzugsweise als Wellenfeder aus­ gebildete Feder (82) angeordnet ist.

8. Rotationskolbenverbrennungskraftmaschine nach An­ spruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Dichtring (72) und der Feder (82) ein einseitig ge­ schlitzter Federring (90) angeordnet ist.

9. Rotationskolbenverbrennungskraftmaschine nach An­ spruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Feder­ ring (90) dichtend gegen die Außenflanke (94) der Ringnut (76) anliegt.

10. Rotationskolbenverbrennungskraftmaschine nach An­ spruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen dem Dichtring (72) und dem Federring (90) ein geschlossener, den Schlitz des Federrings (90) überdeckender Zwischenring (92) aus Metall oder Keramikmaterial angeordnet ist.

11. Rotationskolbenverbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Ringnut (76) im Bereich ihrer Innenflanke (88) kleiner ist als der des in der Ringnut (76) angeordneten Dichtrings (72), Feder­ rings (90) und/oder Zwischenrings (92).

12. Rotationskolbenverbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (76) an ihrer Außenflanke (94) eine vom Nutgrund (84) abgewandte Ringschulter (96) aufweist.

13. Rotationskolbenverbrennungskraftmaschine nach An­ spruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Dicht­ ring (72) eine größere Breite als der Zwischenring (92) aufweist und mit seiner dem Nutgrund (84) zu­ gewandten Stirnseitenfläche (86) die Ringschulter (96) zumindest teilweise übergreift.

14. Rotationskolbenverbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (72) als Stufenring ausgebildet ist und die Ringschulter übergreift.

15. Rotationskolbenverbrennungskraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (72) unmittelbar auf dem Federring (90) aufliegt.

16. Rotationskolbenverbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Weite der Ein- und Auslaßöffnungen (14, 16) zumindest in axialer Richtung kleiner als der Innendurchmesser der Dichtringe (72) ist.