DE102020000641B3

DE102020000641B3 - Rotationskolbenmotor mit optimierter Luft-Innenkühlung

Info

Publication number: DE102020000641B3
Application number: DE102020000641.8A
Authority: DE
Inventors: Paul Andreas Woelfle; Poul Henrik Woelfle
Original assignee: Individual
Current assignee: Woelfle Poul Henrik De
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2021-07-22
Anticipated expiration: 2040-02-01

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotationskolbenmotor mit Luft-Innenkühlung und Aufladung (EM). Die vom Lader geförderte Luft wird aufgeteilt und sowohl zum Einlass in den Arbeitsraum des Motors als auch zu zu kühlenden Komponenten (3, 4, 5) des Motors geführt wird. Ein Absperrorgan (V) zur Druckregelung ist vorgesehen im Bereich der Kühlluft, also in Strömungsrichtung der vom Lader geförderten Luft stromabwärts von der Stelle, an der die Luft für Arbeitsraum und Kühlung aufgeteilt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotationskolbenmotor mit Luft-Innenkühlung und Aufladung. Druckschrift DE 10 2018 009 770 B3 offenbart hierzu als Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik einen Rotationskolbenmotor mit Ansaugluft-Innenkühlung und Aufladung, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindung zwischen zu kühlenden Komponenten und dem Einlass in den Arbeitsraum zumindest ein Absperrorgan vorgesehen ist, durch das Ladedruck entweichen kann. Somit wird sämtliche vom Lader geförderte Luft zunächst zur Innenkühlung genutzt, was prinzipiell vorteilhaft ist, aber auch die Komplexität erhöht.
Daher wird als Alternative hierzu erfindungsgemäß vorgeschlagen, von zumindest einem Lader geförderte Luft aufzuteilen und somit nur einen Teil der vom Lader geförderten Luft zur Innenkühlung zu nutzen und die übrige vom Lader geförderte Luft direkt in den Arbeitsraum zu leiten. Dies ändert die Innenkühlung dahingehend, dass es sich zwar weiterhin um eine Luft-Innenkühlung, jedoch nicht mehr um eine Ansaugluft-Innenkühlung handelt.
Als Stand der Technik ist hierzu die Druckschrift US 9 828 908 B2 bekannt. Diese beschreibt eine Konstellation, bei der sich mehrere schaltende, nicht regelbare Ventile in Strömungsrichtung der Luft stromaufwärts von den zu kühlenden Komponenten befinden. Je nach Betriebszustand und Kühlbedarf des Motors kann durch Schalten der Ventile die Luftführung zwischen einem Lader (bzw. funktional eher einem Gebläse) sowie einem zusätzlichen Lufteinlass geändert werden, um zu beeinflussen, wie Luft in den Arbeitsraum gelangen oder zur Innenkühlung genutzt werden soll. Auf den vom Gebläse erzeugten Druck wird dabei jedoch nicht in Form einer Regelung Einfluss genommen, und es kann auch kein zur Kühlung vorteilhafter Ladedruck aufgebaut werden, da zur Innenkühlung zugeführte Luft am Ausgang des zu kühlenden Bereichs entweicht.
Erfindungsgemäß ist dagegen wie in der DE 10 2018 009 770 B3 weiterhin zumindest ein Absperrorgan sinnvoll, um den Ladedruck zu regeln. Es kann sich erfindungsgemäß in Strömungsrichtung stromabwärts von den zu kühlenden Komponenten befinden, jedoch in diesem Fall ohne eine Verbindung zum Einlass in den Arbeitsraum des Motors.
Auch kann sich zumindest ein Absperrorgan erfindungsgemäß stromaufwärts von den zu kühlenden Komponenten befinden. In diesem Fall sollte das Absperrorgan an einer Position vorgesehen werden, die sich in Strömungsrichtung stromabwärts oder innerhalb des Bereichs befindet, in dem Luft zur Kühlung und Luft für den Arbeitsraum aufgeteilt wird.
Somit kann anders als bei der Druckschrift DE 10 2018 009 770 B3 nur noch ein Teil der vom Lader geförderten Luft zur Kühlung genutzt werden. Dennoch ist auch so die Luftmenge zur Kühlung nicht mehr durch die vom Motor umsetzbare Luftmenge und die Drosselstellung begrenzt, der Lader kann direkt auf den Kühlbedarf des Motors ausgelegt werden, und es kann ein hinsichtlich der vom Motor umsetzbaren Luftmenge überdimensionierter Lader verwendet werden. Eine zusätzliche Kühlung von Luft, die sich beim Durchströmen zu kühlender Komponenten aufgeheizt hat, vor Eintritt in den Arbeitsraum ist jedoch nicht mehr erforderlich.
Zur Innenkühlung genutzte, aufgeheizte Luft kann erfindungsgemäß auch hier zumindest anteilig zu weiteren Komponenten wie Abgasanlage oder Turbinenseite eines Turboladers geleitet werden, um diese zu kühlen. Ebenfalls kann zumindest anteilig zur Kühlung genutzte Luft in den Abgasstrom eingeleitet werden, beispielsweise mittels eines Ejektors bzw. einer Venturidüse. Weiterhin kann erfindungsgemäß zur Innenkühlung genutzte Luft auch zumindest anteilig zur Einlass-Seite des Laders geführt werden, um so die benötigte Saugleistung zu reduzieren. Auch kann ein beliebiges Absperrorgan zum Einsatz kommen.
Außerdem ist dabei jeweils ein Auffangen und Abscheiden von Öl möglich, wie es in der Druckschrift EP 0 273 653 B1 beschrieben ist. Erfindungsgemäß kann das Abscheiden von Öl jedoch auch innerhalb eines Absperrorgans erfolgen.
Bei erfindungsgemäßen Mehrscheiben-Rotationskolbenmotoren kann die Luftführung einfacher ausgeführt werden als bei Motoren nach der Druckschrift DE 10 2018 009 770 B3 , da zur Kühlung genutzte Luft nicht im Anschluss in den Arbeitsraum geführt werden muss. Möglich ist auch hier erfindungsgemäß eine beliebige Luftführung, also beispielsweise eine Abdichtung im Bereich der Exzenterwelle und jeweils separate Kühlung innenliegender Komponenten der Arbeitsräume oder auch eine gemeinsame Kühlung der innenliegenden Komponenten mehrerer Arbeitsräume, wobei je nach Ausführung ein oder auch mehrere Absperrorgane zum Einsatz kommen können.
Für einen erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor ist vorgesehen, Öl getrennt vom Kraftstoff zuzuführen. Es ist weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen, dass Öl nach Durchströmen der innenliegenden Komponenten zumindest teilweise mit zumindest einem Abscheider nach Stand der Technik von zur Kühlung genutzter Luft getrennt werden kann. Wird zur Kühlung genutzte Luft zum Einlass der Verdichterseite des Laders geführt, so kann auch der Lader durch die in ihm auftretenden Fliehkräfte oder ein an den Lader anschließender Ladeluftkühler, in dem Öl kondensiert, als Ölabscheider genutzt werden. Es ist dann außerdem möglich, auf ein Abscheiden von Öl zu verzichten, da ein Teil davon ohnehin wieder zu den innenliegenden Komponenten gelangt.
In der Beschreibung wird der Begriff Luft bzw. Ansaugluft verwendet. Es ist verständlich, dass anstelle von Luft auch ein anderes zum Betrieb eines Motors nutzbares Medium zum Einsatz kommen kann. Ebenfalls ist verständlich, dass ein erfindungsgemäßer Motor mit beliebigen anderen Optimierungen nach Stand der Technik versehen sein kann. Beispielsweise kann eine mehrstufige Aufladung, eine Aufladung mit elektrischer Unterstützung oder eine zusätzliche Nutzung der Abgasenergie (sog. Turbo Compound) zum Einsatz kommen.
Im Folgenden werden in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
In allen Figuren werden für gleiche bzw. gleichartige Bauteile übereinstimmende Bezugszeichen verwendet.
Es ist verständlich, dass die dargestellten Bauteile und Konturen lediglich beispielhaft sind und eine beliebige Kombination und Ausführung möglich ist.
Es zeigen:

1 einen Rotationskolbenmotor mit Ansaugluft-Innenkühlung nach Stand der Technik in Schnittansicht zur Erläuterung der Komponenten.
2 den Rotationskolbenmotor aus 1 zur Darstellung der Durchströmung.
3 einen Rotationskolbenmotor mit Ansaugluft-Innenkühlung nach Stand der Technik als Prinzipskizze.
4 als Prinzipskizze einen Rotationskolbenmotor mit Ansaugluft-Innenkühlung und Aufladung nach Stand der Technik.
5 als Prinzipskizze einen Rotationskolbenmotor mit Ansaugluft-Innenkühlung und Aufladung nach Druckschrift DE 10 2018 009 770 B3 .
6-9 als Prinzipskizzen erfindungsgemäße Rotationskolbenmotoren mit Innenkühlung und Aufladung.

1 dient der Erläuterung der Komponenten und zeigt einen Rotationskolbenmotor in Trochoidenbauart mit Ansaugluft-Innenkühlung (M) in Schnittansicht durch die Mittelachse und den Einlasskanal. Dargestellt ist der Ansaugkrümmer (1), das an den Ansaugkrümmer anschließende Seitenteil (2), der Rotor (3), die Exzenterwelle (5), das sog. Hauptlager (4) zwischen Rotor (3) und Exzenterwelle (5), das zweite Seitenteil (6), die Trochoide (8), sowie eine Brücke (7) als Verbindung zwischen Seitenteil (6) und Trochoide (8). Weiterhin zur Übersicht dargestellt sind seitliche Lager (9, 10) der Exzenterwelle (5), Wellendichtringe (11, 12) zum Abdichten der Exzenterwelle (5), sowie das Ritzel (13) im Rotor (3) und das entsprechende feststehende Ritzel (14) im Seitenteil (6).
2 zeigt anhand der Schnittansicht aus 1 mit Pfeilen, wie ein Rotationskolbenmotor in Trochoidenbauart mit Ansaugluft-Innenkühlung (M) durchströmt wird. Weiße Pfeile zeigen dabei kalte Luft an, schwarze Pfeile aufgewärmte Luft. Kalte Luft gelangt zunächst in den Ansaugkrümmer (1) und strömt von dort durch das Seitenteil (2). Beim Austritt aus dem Seitenteil (2) verteilt sich die Luft an den rotierenden Komponenten, Rotor (3), Hauptlager (4) und Exzenterwelle (5). Die Luft durchströmt und kühlt Rotor (3), Hauptlager (4) und Exzenterwelle (5) und heizt sich dabei auf. Im Seitenteil (6) sammelt sich die Luft wieder und gelangt über die als Brücke ausgebildete Verbindung (7) in den Einlassbereich der Trochoide (8).
3 zeigt einen zuvor beschriebenen Rotationskolbenmotor in Trochoidenbauart mit Ansaugluft-Innenkühlung (M) schematisch. Angedeutet sind die beiden Seitenteile, die Trochoide, sowie der Ansaugkrümmer und die Verbindung vom Seitenteil zum Einlassbereich der Trochoide.
4 zeigt schematisch einen Rotationskolbenmotor in Trochoidenbauart mit Ansaugluft-Innenkühlung und Aufladung (KM) nach Stand der Technik. Dabei ist ein Lader (L) mit dem Ansaugkrümmer verbunden und erzeugt Ladedruck, und es wird ein als Überdruckventil (V) ausgeführtes Absperrorgan zur Ladedruckregelung nach Stand der Technik verwendet. Vom Lader (L) geförderte und nicht durch das Überdruckventil (V) entwichene Luft gelangt, eventuell nach Durchströmen eines hier nicht dargestellten Ladeluftkühlers, zu einer Drossel (D), die als Vergaser oder Drosselklappenstutzen mit einer Düse zur Einspritzung von Kraftstoff (K) ausgeführt ist. Die Ölzufuhr (O) erfolgt im dargestellten Beispiel separat, könnte aber auch durch Beimischen von Öl in den Kraftstoff erfolgen. Die zur Kühlung verfügbare Luft ist hier direkt abhängig von der Öffnung der Drossel (D) und bei voll geöffneter Drossel (D) durch die maximal vom Motor (M) umsetzbare Luftmenge. Dadurch kann die Kühlung des Motors insbesondere bei Volllast und schnellen Lastwechseln unzureichend sein, was die Maximalleistung und die Haltbarkeit des Motors einschränkt.
5 zeigt als Alternative hierzu schematisch einen Rotationskolbenmotor in Trochoidenbauart mit Ansaugluft-Innenkühlung und Aufladung gemäß DE 10 2018 009 770 B3 (EM1). Wieder ist der Lader (L) - beispielsweise ein Kompressor oder Turbolader - mit dem Ansaugkrümmer verbunden und erzeugt Ladedruck. Absperrorgan (V) und Drossel (D) befinden sich jedoch hier in Strömungsrichtung hinter dem Motor (M), sodass die gesamte vom Lader geförderte Luftmenge den Motor (M) durchströmt. Um die inneren Komponenten des Motors (M) zu schmieren, ist eine separate Ölzufuhr (O) erforderlich. Die Kraftstoffzufuhr (K) kann wie zuvor in der Drossel (D) oder stromabwärts von der Drossel (D) erfolgen.
6 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor in Trochoidenbauart mit Luft-Innenkühlung und Aufladung (EM6). Vom Lader (L) geförderte Luft wird hier aufgeteilt. Ein Teil der Luft gelangt zur einer Drossel (D), es wird Kraftstoff (K) zugeführt, und sie gelangt dann direkt in den Arbeitsraum des Motors (M). Der übrige Teil der vom Lader (L) geförderten Luft wird zur Kühlung innenliegender Komponenten durch den Motor geleitet und gelangt danach zu einem Absperrorgan (V) aus dem sie bei entsprechendem Druck entweichen kann. Wiederum kommt eine separate Ölzufuhr zum Einsatz.
7 zeigt als alternatives Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor in Trochoidenbauart mit Luft-Innenkühlung und Aufladung (EM7) analog zu 6. Das Absperrorgan (V) ist in diesem Fall jedoch mit einem Ölabscheider (A) kombiniert. Außerdem ist im Anschluss an den Lader (L) ein Ladeluftkühler (LLK) vorgesehen, damit sowohl in den Arbeitsraum geführte Luft als auch zur Kühlung genutzte Luft eine möglichst niedrige Temperatur aufweist.
8 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor in Trochoidenbauart mit Luft-Innenkühlung und Aufladung (EM8) analog zu 6. In diesem Fall befindet sich das Absperrorgan (V) jedoch in Strömungsrichtung vor den zu kühlenden Komponenten des Motors (M), während sich dahinter nur ein Abscheider (A) befindet.
9 zeigt eine weitere Option eines erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor in Trochoidenbauart mit Luft-Innenkühlung und Aufladung (EM9). Die Aufteilung von Luft für Arbeitsraum und Kühlung erfolgt hier direkt durch das Absperrorgan (V). Außerdem wird die Kühlluft in diesem Fall nach Durchströmen des Motors (M) zum Lader (L) zurückgeführt, in den ein Abscheider (A) integriert ist, um die Ölversorgung besser steuern zu können.

Claims

Rotationskolbenmotor mit Aufladung (EM6-7), dadurch gekennzeichnet, dass von zumindest einem Lader geförderte Luft aufgeteilt und sowohl zum Einlass in den Arbeitsraum des Motors als auch zu zu kühlenden Komponenten (3, 4, 5) des Motors geführt wird, und dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein Absperrorgan (V) in Strömungsrichtung der Luft stromabwärts von den zu kühlenden Komponenten (3, 4, 5) befindet.
Rotationskolbenmotor mit Aufladung (EM8), dadurch gekennzeichnet, dass von zumindest einem Lader geförderte Luft aufgeteilt und sowohl zum Einlass in den Arbeitsraum des Motors als auch zu zu kühlenden Komponenten (3, 4, 5) des Motors geführt wird, und dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein Absperrorgan (V) in Strömungsrichtung der Luft stromaufwärts von den zu kühlenden Komponenten (3, 4, 5) und stromabwärts vom Bereich, in dem die Luft des Laders (L) aufgeteilt wird, befindet.
Rotationskolbenmotor mit Aufladung (EM9), dadurch gekennzeichnet, dass von zumindest einem Lader geförderte Luft aufgeteilt und sowohl zum Einlass in den Arbeitsraum des Motors als auch zu zu kühlenden Komponenten (3, 4, 5) des Motors geführt wird, und dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Luft des Laders in zumindest einem regelbaren Absperrorgan (V) erfolgt.
Rotationskolbenmotor (EM7-9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein Ölabscheider (A) in Strömungsrichtung der Luft stromabwärts von den zu kühlenden Komponenten (3, 4, 5) befindet und dabei mit dem zumindest einen Absperrorgan (V) kombiniert ist.
Rotationskolbenmotor (EM9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem zumindest einen Absperrorgan (V) entweichende Luft zum Einlass der Verdichterseite des Laders (L) geführt wird.
Rotationskolbenmotor (EM6-9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem zumindest einen Absperrorgan (V) entweichende Luft zumindest anteilig in zumindest eine Einhausung geführt wird, in der sich zumindest Teile der Abgasanlage des Rotationskolbenmotors (EM6-9) befinden und sich auch zumindest eine Turbinenseite eines Turboladers (L) befinden kann.
Rotationskolbenmotor (EM6-9) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Einhausung mit zumindest einem Ölabscheider (A) versehen ist.
Rotationskolbenmotor (EM6-9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem zumindest einen Absperrorgan (V) entweichende Luft zumindest anteilig in zumindest eine Abgasanlage des Rotationskolbenmotors (EM6-9) geleitet wird.