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Rotationskolbenmaschine, insbesondere -Brennkraftmaschine Die 2:3-Kreiskolbenmaschine
mit Schlupfeingriff hat durch ihre Brennkammer gegenüber der Brennkammer (Zylinder)
beim Hubkolbenmotor gewisse Nachteile. Bedingt durch die Konstruktion entsteht in
der Brennkammer zwischen der Kolbenfläche und der Radialdichtleiste am Kolben und
Mantelinnenfläche ein kleiner Winkel. Bei der Verbrennung ist in diesem Raum das
Kraftstoff-Luft-Gemisch zu kalt, um eine vollständige Verbrennung zu erhalten. Durch
die schlechte Verbrennung ist wegen der Rohlen-l-Vasserstoff-Emission eine Nachverbrennung
erforderlich. Außerdem hat die Brennkammer im Verhältnis zu dem Brennstoff-Füllgewicht
eine große Oberfläche, die viel Wärme an den Mantel und das Kühlwasser abführt.
Dadurch und durch die oben geschilderte unvollständige Verbrennung verschlechtert
sich der Wirkungsgrad des Rotors.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindungen ist es, eine Anordnung mit vergrößerter
Wirksamkeit zu schaffen. Diese soll erzielt werden durch: 1. Gute Verbrennung, um
schadstoffarme Abgase zu erhalten, 2. geringe Wärmeabgabe an den Mantel und das
Kühlwasser, 3. eine hohe Motorleistung bei geringem Motorgewicht und geringem Kraftstoffverbrauch.
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Die Erfindung betrifft damit eine Anordnung entsprechend dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1. Das Neue besteht erfindungsgemaß in-der im Kennzeichen des
Patentanspruches 1 -enthaltenen technischen Lehre und den Unteransprüchen.
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Als Ausfiihrungsbeispiel ist die vorliegende Erfindung in Fig. 1-5
im Querschnitt, Längsscnnitt und Draufsicht dargestellt.
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Fig. 1 zeit den Aufbau einer 2:3-Kreis-eg-enkolbenmaschine mit Schlupfeingriff.
Der Ablauf geht wie folgt vor sich:
Der Mantel (1), dessen mehrbogige
innere Mantelfläche zusammen i--iit mehrbogigen inneren Flächen der Seitenteile
(2) und inneren Flächen der Stirnwände einen Innenraum begrenzt, welcher senkrecht
zu den Seitenwänden von zwei Exzenterwellen (3) durchsetzt ist, wo auf jedem Exzenter
ein mehreckiger Kolben (4), der in der Fritte des Querschnittes ein größeres Dreieck
(5) mit drei gleichen Seiten aufweist und in axialer Richtung zu den Stirnseiten
jeweils zwei kleinere Dreiecke (6) mit drei gleichen Seiten und an den Ecken radiale
Dichtleisten (7) besitzt,drehbar gelagert ist und exzentrisch umläuft, dessen Drehzahl
durch ein Getriebe, das aus einem am Kolben (4) befestigten Innenzahnrad (8) und
im Eingriff mit einem an Seitenteil feststehenden Ritzel (9) mit Übersetzung 2:3
besteht, in einem festen Verhältnis zur Drehzahl der Exzenter-Welle (3) steht. Die
Exzenterwellen (3) sind außerhalb des Motors blocks mit einer Abtriebswelle formschlüssig
verbunden.
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Auf den Stirnseiten des Mantels sind Einlaßöffnungen (10) und Auslaßöffnungen
(11). Die Ein- und Auslaßöffnungen können auch an den Seitenteilen angeordnet sein.
Die Kolben (4) sind derart angeordnet, daß sie zusarxnen kurzzeitig in der Mantelmitte
eine Verbrennungskammer (12) und gleichzeitig Verbrennungskammern in den Seitenteil
len (13) bilden. Bei der Entzündung des komprimierten Brennkraftstoff-Luftgemisches
durch einen Zündfunken von der Zündkerze (14) stoßen sich-die Kolben (4) gegenseitig
ab. Reaktionen am Motor treten nicht auf, da die Rückstoßkräfte sich in der Mitte
zueinander aufheben. Die Kolben (4) laufen gegenläufig und synchron in Pfeilrichtung
(15, 16). Da sie mit ihren Radial-Dichtleisten (7) an der mehrbogigen inneren Mantelfläche
und den inneren Seitenflächen.entlanggleiten, bilden sich zwischen benachbarten
Kolben volumenveränderliche Kammern, in denen mit entsprechender Phasenversetzung
die vier Takte des Ansaugens des Brennstoff-Luftgemisches, Verdichtens, Expandierens
und Ausschiebens der verbrannten Gase ablaufen. An bestimmten Stellen werden gemeinsam
von zwei Radial-Dichtleisten (7) der Kolbenecken mit den benachbarten Radial-Dichtleisten
der Kolbenecken und der inneren Mantelfläche volumenveränderliche Kammern gebildet,
wodurch es mit einer Radial-Dichtleiste (7) und mit der
anderen
Radial-Dichtleiste (7) jedes Kolbens, die kurzzeitig einen gemeinsamen Weg zurücklegen,
beim Auslaufen aus dem Innenmantol schon dann zu einer Linienberührung kommt, während
die Radial-Dichtleisten (7) noch im Innenmantel gleiten. Dagegen erhalten beim Einlaufen
auf der gegeniJberliegenden Seite die Radial-Dichtleisten(7) eines jeden Kolbens
bereits dann eine Linienberührung mit dem Innenmantel, bevor der Kontakt mit den
beiden Radial-Dichtleisten (7) aufgehoben ist. Die beiden 'Radial-Dlch-t;lsisten
(7) an den Kolbenecken machen zusammen eine abrollende Bewegung nach dem Auslaufen
auf der einen Seite (17) bis zum Einlaufen auf der anderen Seite (18) der Ecken
des inneren Mantels. Die Linienberührung der Radial-Dichtleisten gibt die Laufbahnlinie
bzw. Abgrenzungslinie. Da es zu diesem Kontakt bzw. der Linienberührung der Radial-Dichtleisten
im Mantel kommen muß, muß in jedem Seitenteil der Steg (19) parallel zu der Laufbahnlinie
(Ecke 17,18) im Mantel führen, damit die Radial-Dichtleisten nachschieben können.
Dadurch kann kein Spalt zwischen den Radial-Dichtleisten in der Mantelmitte entstehen.
Durch diese Konstldçtion läßt sich ein stoßfreier Ubergang der Radial-Dichtleisten
beim Verlassen und Wiederauflaufen der Ecken (17, 18) auf die Epitrochoidenbahnen
bzw. der Mantelinnenbahnen erreichen. Die innere Mantelfläche und die innere Fläche
der Seitenteile müssen ebenfalls zueinander parallel laufen.Die Höhe der Aussparung
im Seitenteil (2) soll nur so hoch sein, daß die Radial-Dichtleisten beim Auslaufen
aus der einen Ecke (17) der Epitrochoidenlaufbahnen bis zur anderen Ecke ( (18)
8 ) der Epitrochoidenlaufbahnen sich nicht radial verschieben können, sondern gehalten
und geführt werden.
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Der Vorsprung der Radial-Dichtleiste (7) ist so lang wie die Mantelhöhe
(1). Die Gesamtlänge der Dichtleiste (7) ist gleich der Mantelhöhe (1) und zweimal
so hoch wie die Aussparungen in den Seitenteilen (2).Die Dichtleisten (20) sind
nur an den Kolben (4) der Stirnflächen eingesetzt, ebenso die Eckbolzen bzw. Verbindungsdichtungen.
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Eine radiale Dichtleiste legt bei einer 2:3-Kreisgegenkolbenmaschine
mit Schlupfeingriff kleinere Wege als Gleitbewegung zurück als bei einer 2:3-Kreiskolbenmaschine
mit Schlupfeingriff, da die Radial-Dichtleiste in dem Mantel (1) beim Auslaufen
aus der einen Epitrochoidenlaufbahn bis zum Einlaufen in die gegenüberliegende Epitrochoidenlaufbahn
nur eine abrollende Bewegung macht.
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n hat die kadial-Dichtleiste in der Epitrochoidenlaufbahn des Seitenteils
(2) eine kürzere Strecke wegen des kleineren Dreiecks an dcin Kolben (4) zurückzulegen.
Dadurch wird die Lebensdauer der Dichtleisten und der Laufbahnflächen erhöht. Jedes
Seitenteil (2) kan) auch aus einem Teil mit den Aussparungen in Epitrochoidenform
und dem parallelen Steg (19) sowie einem Seitenteil als Abschlußteil bestehen und
somit zweiteilig sein.
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Bedingt durch die Brennkammerform und das -Volumen kann man auf Mulden
in den Kolben (4) verzichten. In diesem Fall können die verbrannten Gase besser
aus den Kammern ausgestoßen werden. Die Verbrenrangskam.mer könnte somit mit fast
reinem Kraftstoff-Luftgewisch gefüllt werden. Von großem Einfluß auf eine gute Homogenisierung
ist eine gute Durchmischung des Kraftstoff-Luftgewisches, so daß eine vollständige
Verbrennung und somit ein schadstoffarmes Abgas entsteht. Diese intensive Durchmischung
wird erreicht, wenn die zwei Kammern mit dem angesagten Gemisch sich durch die Rotation
im Verbrenrnrngsraum (12,13) vereinigen.
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Für die Verbrennung hat die 2:3-Kreis-Gegenkolbenmaschine, wie Fig.1
zeigt, noch wesentliche Vorteile gegenüber einer 2:3-Rreiskolbenmaschine mit einem
Kolben bzw. einem Hubkolbenmotor. Der Vorteil bei zwei Kolben liegt außerdem noch
darin, daß im Verbrennungsraum des Mantels (1), da die Kolben (4)synchron laufen,
der Winkel zwischen einer Kolbenfläche, den zwei Radial-Dichtleisten und der anderen
Kolbenfläche noch einmal so groß ist wie bei einer Kreiskolbenmaschine bei einer
Kolbenfläche, Radial-Dichtleiste und Innenmantelfläche. Dadurch wird der Verbrennungsraum
und die Brennkammerform verbessert. Das Brennstoff-Luftgemisch wird im gesamten
Verbrennungsraum gut ausgenützt und die Flammtemperatur ist im gesamten Verbrennungsraum
gleich. Dadurch wird der beste thermische Wirkungsgrad erzielt, da kein Temperaturgefälle
gegenüber der Umgebung vorhanden ist. Der Verbrennungsablauf geht somit sehr schnell
vor sich und spielt sich nur zwischen den Kolbenflächen, den Seitenwänden und den
Radial-Dichtleisten (7) ab. Die Zündung würde schon in etwa da erfolgen, bevor die
Radial-Dichtleisten (7) an der Ecke (18) der Epitrocheidenlaufbahnen aufgelaufen
sind. Da die Brenngescharindigkeit
des von der Zündkerze entzunde-ten
Kraftstoff-Luftgewisches geringer ist als die Gasgeschwindigkeit und die Flammenfront
fast an gleich cher Stelle stehen bleibt, haben die Radial-Dichtleisten die Epitrochoidenlaufbahnen
der Ecke (17) schon verlassen. Die Wärmeverluste durch weniger Wärmeabfuhr an den
Mantel (i) und das Kühlwasser sind sehr gering. Dadurch wird der Wirkungsgrad des
Motors wesentlich verbessert. Die Kolbenflächen sind somit nicht unmittelbar durch
die Höchsttemperatur des Arbeitsprozesses gefährdet. Die Kolbenflächen wiederholen
in rascher Folge stets das gleiche zwischen hohen und niedrigen Temperaturen wechselnde
Arbeitsspiel, so daß die Kolbenflächen nur eine Durchschnittstemperatur wahrnehmen.
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Eine 2:3-Kreis-Gegenkolbenmaschine ist einer 2:3-Kreiskolbenmaschine
und einem Hubkolbenmotor, wie die Verbrennungskammer und der Verbrennungsablauf-zeigen,
in der Thermodynamik überlegen. Eine Nachverbremlung ist bei diesem Motor nicht
erforderlich. Bei doppeltem Brennstoff-Luf,tgemisch in einer 2:3-Kreis-Gegenkolbenmaschine
ist die Kühloberfläche in den Brennkammern in etwa genauso groß wie in einer 2:3-Kreiskolbenmaschine
mit einem Kolben. Die Drehgeschwindigkeit der Kolben ist in beiden Maschinen die
gleiche. Dagegen ist die Leistung an der Abtriebswelle nach der formschlüssigen
Verbindung der beiden Exzenterwellen außerhalb des Motorblocks bei einer 2:3-Kreis-Gegenkolbenmaschine
mit Schlupfeingriff noch einmal so groß.
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Somit kann man leistungsstarke Maschinen bauen. Diese Konstruktion
ist auch anwendbar bei einer 2:3-Kreis-Gegenkolbenmaschine mit Schlupfeingriff und
vier Kolben, wie in der Offenlegungsschrift 22 21 222 Fig. 5 und Fig. 7 dargestellt.
Anmeldetag meiner Erfindung 29.April 1972.
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Auch für die Anwendung des Diesel-Verfahrens wäre eine 2:3-Kreis-Gegenkolbenmaschine,
wie Fig. 1 zeigt, gut geeignet. Mit dem guten Verbrennungsraum würden sich die notwendigen
Verdichtungsdrücke und die Temperatur für die Selbstentzündung erzielen lassen.
Der Kraftstoff würde beim Austritt aus der Düse, die an der Stelle angeordnet sein
müßte, wo sich die Zündkerze (14) befindet, von der Verbrennungsluft, die von zwei
Seiten in die Verbrennungskammer einströmt, mitgerissen werden. Dadurch würde eine
gute Mischung Kraftstoff/Verbrennungsluft
entstehen. Für Dieselmotore
müßte auf jeder Stirnseite einer 2:3-Kreis-Gegenkolbenmaschine je eine Verdichtungsstufe
vorgeschaltet werden.
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Ein 2: 3-Kreisgegenkolbenmaschine würde sich auch mit einem Spaltvergaser
ohne Mischer gut kombinieren lassen nach einem Verfahren mit dem Spaltgas @ eines
Gaserzeugers, der in Größe und Leistung dem Verbrennungsmotor angepaßt ist, entsprechend
den Betriebsbedingunges des Gaserzeugers aus diesem angesaugt und unter Einsparurrt
einet Gas-Luft-Mischers zugeführt wird in der Weise, daß unmittelbar vor der Verbrennung
eine gute Durchmischung der beiden Komponenten erreicht wird, so daß eine vollstandige
Verbrennung und somit ein schadstoffarmes Abgas entsteht.
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Im Falle der Kopplung vorn Motor mit einer Vergasungsanlage tritt
bei hoher Leistung der Fall ein, daß das Gas aus der Vergasungseinrichtung mit größerem
Unterdruck angesaugt werden muß, so daß die Füllung des Motors und damit seine Leistung
absinkt. Zum Ausgleich dieses verminderten Gasdruckes kann der Vergasungseinrichtung
das Oxydationsmittel mit erhöhtem Druck zugeführt oder das von der Vergasungseinrichtung
erzeugte Gas durch einen Verdichter angesaugt und vorverdichtet werden. Wenn'dieser
Gasverdichter so gebaut ist, daß der Gasverdichtungrraum sich beim Verdichtungshub
mit dem Verbrennungsraum des Motors vereinigt, entsteht im Moment der Vereinigung
des Verdichtungsraumes des Gases mit dem Verdichtungsraum der Luft zum Brennraum
durch den Druckunterschied eine intensive Vermischung. Die eine Kammer saugt durch
die Einlaßöffnung (10) ein Gas oder Gas-Luft-Gemisch an, wobei das Gas unter Unterdruck
stehen kann (größere Druckverluste der Vergasereinrichtung). In-der anderen Kammer
wird durch die Einlaßöffnung (10) Luft angesaugt. Bei dem gegenläufigen Umlaufen
der beiden Kolben (4) vereinigen sich die beiden Kammern, wie in Fig. (1) Kammer
(12,13) gezeigt ist.
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Dabei entsteht durch den Druckausgleich eine intensive Vermischung
von Gas und Luft. Kurz vor dieser Kolbenstellung erfolgt die Zündung.
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Beide Kammern (12,13) können ein Gas-Luft-Gemisch ansaugen.
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Durch die bei der Arbeitsweise möglichen Verhältnisse wird erreicht,
daß die von einer sehr kompakten und kleinen Vergasungseinrichtung verursachten
höheren Druckverluste von der Motorkombination unter geringer Leistungseinbuße und
der möglichen Einsparung des Gas-Luftmischers bewältigt werden.
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Mit dieser 2:3-Kreisgegenkolbenmaschine mit Schlupfeingriff ist ein
Verfahren ohne dazwischengeschaltetem Gas-Luft-Mischer, der jedes Gas und die Verbrennungsluft
teilweise oder vollständig getrennt ansaugt bis die beiden Verdichtungsräume sich
vereinigen und die spätere Verbrennungskammer bilden vorteilhafterweise in der Weise,
daß bei der Vereinigung von Gas und Luft beide Medien unter unterschiedlichem Druck
stehen, so daß eine intensive vermischende Verwirbelung entsteht, möglich.
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Anlagen Fig. 1 bis 5 Patentansprüche 1 bis 5