DD273670A5 - Rotationsmotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotationsmotor und bezieht sich auf den Transportmaschinenbau. Das Ziel der Erfindung ist eine Erhoehung des Motorwirkungsgrades. Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Motors, in dem dank der konstruktiven Ausfuehrung der Verbrennungszone eine Reduzierung des Verhaeltnisses des Flaecheninhalts der Verbrennungszone zum Volumen derselben gewaehrleistet waere, was den Motorwirkungsgrad zu erhoehen erlauben wuerde. Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, dass in den Stirnflaechen 13 a, 13 b eines Rotors 1 zwischen Plattenkolben 21 Aussparungen 23 ausgefuehrt sind. Entzuendungsmittel 19 sind innerhalb einer ringfoermigen Zone angeordnet, die zur Umlaufachse 01-01 des Rotors 1 konzentrisch sowie durch eine obere bzw. untere Aussparungskante begrenzt ist. Der Zentralwinkel, in dessen Oeffnung sich die Aussparung 23 befindet, ist kleiner als der Zentralwinkel der flachen Abschnitte von Stirnwaenden 7, 8 eines Gehaeuses 4 des Motors. Ein derartiger Rotationsmotor ist vorwiegend zum Einsatz im Kraftfahrzeugbau, Flugzeugbau, Schiffbau und Landmaschinenbau bestimmt. Fig. 1

Description

Rotati^nsmotor Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung besieht sich auf den Energiemaschinenbau, insbesondere auf einen Rotationsmotor.

Am effektivsten kann diese Erfindung im Kraftfahrzeugbau, Flugzeugbau, Schiffbau, Landmaschinenbau sowie auf anderen technischen Gebieten verwendet werden, wo wirtschaftliche, kompakte rauscharme Verbrennungsmotoren geringer Toxizität mit einer Einheitsleistung von bis 100 kW erforderlich sind.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Zeit ist angesichts einer recht intensiven Umweltversohmutzung durch mit Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen arbeitende Energiewandler die Notwendigkeit entstanden, Verbrennungsmotorkonstruktionen weiter zu vervollkommnen, damit eine komplexe Verbesserung von ökologischen, wirtschaftlichen, technologischen Kennziffern, Energie-Masse-Verhältnissen, Anordnungslösungen und Betriebskennwerten von Verbrennungsmotoren erzielt werden kann.

Erhebliches Entwicklungsvermögen besitzt in dieser Hinsicht der Rotationsmotor, der gegenüber dem herkömmlichen Verbrennungsmotorschema um den Paktor 1,5-2 kleinere Abmessungen besitzt, etwa halb so viele Einzelteile enthält, unkompliziert in der Herstellung sowie fertigungsgerecht ist, sich durch eine gute Auswuchtung auszeichnet, einen höheren mechanischen Wirkungsgrad besitzt und eine geringere Menge von Stickstoffoxiden mit den Abgasen in die Atmosphäre ausstößt.

Allerdings besitzen die bekannten Rotationsmotoren hohe Wärme-

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verluste dank einer stark entwickelten Oberfläche der Verbrennurigs- und Expansionskaramern, wao die Ursache für einen relativ niedrigen indizierten Wirkungsgrad und einen hohen spezifischen Kraftstoffverbrauch ist.

Bekannt ist ein Rotationsmotor (Hj, B, 38112), der ein zylindrisches Gehäuse enthält. Im Innern des Gehäuses ist ein zylindrischer Hohlraum ausgeführt, der duroh dessen zylindrische Wand sowie durch die Stirnwände begrenzt ist. Innerhalb des Gehäuses ist gleichachsig zu der zylindrischen Gehäusewand ein scheibenförmiger Rotor auf vorhandenen Lagerungen angeordnet. In jeder Stirnwand des Gehäuses sind sektorförmige Ausnehmungen ausgeführt, die in der Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt sind. Jede der Ausnehmunken besitzt einen flachen Boden, der zu den flachen Abschnitten der Gehäusestirnwand parallel und durch profilierte Oberflächen mit ihnen verbunden ist. Zwischen den sektorfb'rmigen Ausnehmungen ist an der Gehäusestirnwand ein Entzündungsmittel angebracht, das im vorliegenden Fall als eine Zündkerze ausgebildet ist. Zwischen jeder Gehäusestirnwand und Rotorstirnwand sind sektorförmige Verdichtungs- und Expansionszonen sowie eine Verbrennungszone gebildet, die hinter der Verdichtungszone in der Umlaufrichtung des Rotors liegt. Der Rotor weist an seiner Stirnfläche durchgehende Radialnuten auf, in denen in der axialen Richtung frei bewegbar Plattenkolben angeordnet sind, die über ihre Stirnflächen mit den Gehäusestirnwänden zusammenwirken und die sektorförmigen Zonen in voneinander isolierte Kammern veränderlichen Volumens unterteilen. Zur Senkung des Reibungswiderstandes bei der Bewegung der Plattenkolben sind diese in Kugellagern angeordnet. Im Gehäuee ist ein Mittel zum Einlaß mindestens einer Brenngemischkomponente, das mit der Verdichtungszone in Verbin-

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dung steht sowie ein Abgasauslaßmittel vorhanden, das mit der Expansions zone in Verbindung steht« Zur Abkühlung des Motorgehäuses sind in seinen Stirnwänden Hohlräume ausgeführt, die mit der Kühlmittelquelle in Verbindung stehen·

Eine charakteristische Besonderheit dieses Rotationsmotors liegt in der spaltförmigen Ausführung von sektorförmigen Kammern·

Beim Rotorumlauf gelangt das Brenngemisch in die Verdichtungskammer. Danach bewegt sich das Brenngemisch in die Verbrenriungszone, wo gs von der Zündkerze entzündet wird und verbrennt. Bei ihrer Bewegung in die Expansionszone wirken die Gase auf die aus dem Rotor vorstehenden Plattenkolbenflanken ein, wodurch ein Drehmoment am Rotor entsteht, das von der Rotorwelle zum Verbraucher geleitet wird.

Die Verbrennung des Gemisches findet in der spaltförmigen Verbrennungskammer statt, die durch eine recht ausgedehnte Wärmeabgabefläche der Kammerwände und ein relativ geringes Volumen gekennzeichnet ist. Daher kommt es infolge hoher Wärmeverluste in die Gehäuse- und RotorStirnwände, wegen des ebenen Strömungscharakters des Brenngemisches im Spalt, der keine volumenmäßige Durchmischung desselben gewährleistet sowie wegen einer schwachen Turbulenz des Brenngemischstroms zu keiner vollständigen Verbrennung des Brenngemisches. Dies ruft einen erhöhten spezifischen Kraftstoffverbrauch hervor, bedingt einen erhöhten CO-Gehalt und einen erhöhten Gehalt an nichtausgebrannten Kohlenwasserstoffen und weiteren toxischen Produkten der unvollständigen Kraftstoffverbrennung im Abgas und bewirkt auch eine verstärkte Ölkohlebildung sowie einen Plattenkolbenverschleiß«

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Dieser Motor besitzt eine erhöhte Detonationsneigung, die durch einen weiten Abstand der meisten Einzelpunkte der spaltförmigen Verbrennungskammer von der Zündkerze und ein recht gleichmäßiges Temperaturfeld der Rotor- und Gehäusestirnwände bedingt ist. Dies schränkt den Verdichtungsgrad des Brenngemisches ein, verringert den indizierten Wirkungsgrad und setzt die Anwendung von Kraftstoffen mit hoher Oktanzahl voraus. Im Detonationsbetrieb geht die Motorleistung rasch herunter, die maximale Temperatur und der Druck aber nehmen rasch zu, was eine schnelle Beschädigung von Motorkolben mit sich bringt.

In der Konstruktion dieses Motors läßt sich der hocheffektive Dieselzyklus bzw. der Zyklus mit gemischter Kraftstoffzuführung infolge erschwerter Brenngemischzerstäubung und Durchmischung des Brenngemisches mit der Luft im gesamten Volumen der spaltförmigön Verbrennungükammer vor allem wegen ebenen Strömlings charakters der Luft in der letzteren bei einem kleinen Spalt von 0,4-0,8 mm zwischen den Gehäuse- und den Rotorstirnwänden nur schwer realisieren·

In der Konstruktion dieses Motors steht ein Teil der Plattenkolbenoberfläche während der Brennkammerbildung über die Rotorstirnfläche stets vor und erfährt beim Verbrennen des Gemisches die Einwirkung der Verbrennungsprodukte bei einer Temperatur von 25OO-27OO K und einem Druck von 3-10 MPa, was eine intensive Abkühlung derselben erfordert. Allerdings ist in der Konstruktion des in Rede stehenden Verbrennungsmotors keine Durchflußschmierung sowie keine Abkühlung reibender Oberfläche der Plattenkolben und des Rotors vorgesehen, was die Motorbetriebs· dauer begrenzt.

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Darüber hinaus führt die Anordnung der Plattenkolben in vorgesehenen Kugellagern zur Erhöhung der Masse der beweglichen Elemente und somit zur Steigerung des Kontaktdruckes der Plattenkolben auf die Gehäusestirnwände und zum schnellen Verschleiß derselben·

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotationsmotor zu schaffen, in dem dank der konstruktiven Ausführung der Verbrennungszone eine Reduzierung dea Verhältnisses der Verbrennungskammer zu deren Volumen gewährleistet ist»

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß der Rotationsmotor einen scheibenförmigen Rotor aufweist, der auf Lagerungen in einem Gehäuse angeordnet ist, das einen zylindrischen Hohlraum besitzt, der den scheibenförmigen Rotor umfaßt und durch eine zylindri- · sehe V/and sowie Stirnwände begrenzt ist, wobei in jeder von ihnen in der Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte, sektorförmige Ausnehmungen ausgeführt sind, wobei eine jede der Ausnehmungen einen flachen Boden besitzt, der zu den flachen Abschnitten der Gehäusestirnwand parallel und über profilierte Oberflächen mit ihnen verbunden ist sowie ein Entziindungsmittel enthält, das zwischen den sektorförmigen Ausnehmungen in einem der flachen Abschnitte einer jeden Gehäusestirnwand angebracht ist, die mit der Rotorstirnfläche sektorförmige Verdichtungszonen, die mit

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einem Mittel zum Einlaß mindestens einer Brenngemischkomponente in Verbindung stehen, eine Expansionszone, die mit einem Abgasauslaßmittel in Verbindung steht sowie eine Verbrennungszone bildet, die hinter der Verdichtungszone in der Umlaufrichtung des Rotors liegt, der gleichmäßig verteilte durchgehende Radialnuten aufweist, in denen in der axialen Richtung frei bewegbar Plattenkolben untergebracht sind, die über ihre Stirnflächen mit den Gehäusestirnwänden zusammenwirken und die sektorförmigen Zonen in voneinander isolierte Kammern veränderlichen Volumens unterteilen, erfindungsgemäß in den Stirnflächen des Rotors zwischen den Plattenkolben Aussparungen ausgeführt und die Entzündungsmittel innerhalb einer ringförmigen Zone angeordnet sind, die zur Umlaufachse des Rotors konzentrisch und durch eine untere, der Rotorumlaufachse zugewandte Aussparungskante sowis eine obere, dem Rotorumfang zugewandte Aussparungskante begrenzt ist, während der Zentralwinkel, in dem sich die Aussparung befindet, kleiner als der Zentralwinkel der flachen Abschnitte der Gehäusestirnwände ist.

Die Ausführung von Aussparungen an der Rotorstirnfläche gestattet es, die Spalte zwischen den Gehäuse- und Rotorstirnwänden auf ein Minimum zu reduzieren, auf eine spaltförmige Verbrennungskammer zu verzichten und den Verbrennungsvorgang in die vorerwähnten Aussparungen zu verlegen, weil praktisch das gesamte Brenngemisch nach dem Verdichten in diese Aussparungen kommt, wo es sich entzündet und verbrennt.

Dabei ist das Verhältnis des Flächeninhalts der an der Rotorstirnwand ausgeführten Aussparung, die eine Funktion einer zum Verbrennen des Brenngemisches bestimmten Brennkammer erfüllt, zum Volumen derselben viel kleiner als das Verhältnis des Flächeninhalts der spaltförmigen Verbrennungskammer zum Volumen dersel-

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ben, was die Wärmeverluste stark zu senken und die Turbu ,jnz des Brenngemisches in der Aussparung am Ende eines Verdichtungszyklus zu intensivieren erlaubt, was wiederum das Verbrennen des Brenngemisches zu beschleunigen, einen hohen Verbrennungsgrad zu erreichen und dadurch den Motorwirkungsgrad zu erhöhen gestattet.

Der geringe Abstand aller Auasparungspunkte vom Entzündungsmittel gewährleistet die Entzündung des Brenngemisches in der ersten Reihe eben in der Aussparung, d, h. in der Zone mit der höchsten Wändetemperatur, bei nachfolgender unwesentlicher Ausbreitung des Brennvorganges in die Spalte mit "kalter" Wandcberflache. Dadurch wird die Gefahr einer Detonationsentstehung vermieden, der Verdichtungsgrad erhöht und somit der indizierte Motorwirkungsgi'ad vergrößert·

Die Ausführung der Aussparung innerhalb des Zentralwinkels, der kleiner als der Zentralwinkel der flachen Abschnitte der Gehäusestirnwände ist, gestattet es, den spezifischen Kraftstoffverbrauch zu verringern und die Erhöhung des indizierten Wirkungsgrades zu erzielen.

Zweckmäßigerweise wird der Rotor relativ zu den Stirnwänden des Gehäuses mit einem minimalon Spalt innerhalb von 0,03-0,3 mm angeordnete

Dies gestattet, das Volumen der Spalte zwischen den Rotor- und Gehäusestirnwänden auf ein Minimum zu reduzieren, die Verbrennung des Gemisches in denselben praktisch vollkommen auszuschließen und hierdurch die Wärmeverluste in die Rotor- und Gehäusestirnwände, die in das Kühlsystem abgeleitet werden, stark zu vermindern.

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Bei einer Verkleinerung des Spaltes zwischen den Rotorstirnflächen und den flachen Abschnitten der Gehäusestirnwände bis auf weniger als 0,03 mm ist eine Reibung dieser Oberflächen wegen der beim Motorbetrieb unvermeidlich auftretenden wärmebedingten und mechanischen Verformungen der Motorelemente möglich, was ihre Zerstörung bewirken kann«

Bei einer Vergrößerung des genannten Spaltes auf Über 0,3 mm wird dem Aussparungsvolumen das Volumen des jeweiligen Spaltes, wo die Verbrennung des Brenngemisches ebenfalls stattfinden kann, hinzugefügt.

Die Spalte besitzen eine große Wärmeabgabefläche an ihren Wänden. Daher kommt es infolge hoher Wärmeverluste in die Rotorstirnflächen, die flachen Gehäuseabschnitte und die vorstehenden Plattenkolbenteile wegen ebenen Strömlings Charakters' des Brenngemisches im Spalt, der keine volumenmäßige Durchmischung gewährleistet sowie wegen der schwachen Turbulenz des Brenngemischstromes zu keiner vollständigen Verbrennung des Brenngemisches. i>ies ruft einen erhöhten spezifischen Kraftstoffverbrauch hervor, bedingt einen erhöhten CO-Gehalt sowie einen erhöhten Gehalt an toxischen Produkten der unvollständigen Kraftstoff verbrennung im Abgas und führt zur verstärkten Ölkohlenbildung und zum Plattenkolbenverschleiß.

Zweckmäßigerweise ist die Aussparungswand mindestens von einem Teil der Rotationsfläche gebildete

Diese Ausführung der Aussparung gestattet es, ein minimales Verhältnis der Oberfläche derselben zu ihren Volumen zu erreichen, die Wärmeveriuste in das Kühlsystem zu senken, ein

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gutes Einströmen des Brenngemisches in die Aussparung am Ende eines Verdichtungazyklus sowie ein gutes Ausfließen des Gases zu Beginn eines Expansionszyklus zu gewährleisten, die Entstehung vcn Stauzonen zu vermeiden, die eine schlechtere Durchmischung des Brenngemisches bewirken können, sowie den Verbrennungs· grad des Kraftstoffes zu erhöhen.

In der Motorkonstruktion ist zweckmäßigerweise ein Mittel zur Verhinderung des Überströmens des gasförmigen Mediums zwischen den Kammern veränderlichen Volumens vorgesehen, das sich zwischen der zylindrischen Gehäusewand und dem Rotor befindet, mit dem letzteren verbunden ist und mit dön Stirnwänden des Gehäuses kontaktiert.

Dies gestattet es, das Überströmen des gasförmigen Mediums zwischen den Kammern auf ein Minimum zu reduzieren und dadurch den Motorwirkungsgrad zu erhöhen.

Das Mittel zur Verhinderung des Überströmens des gasförmigen Mediums zwischen den Kammern veränderlichen Volumens kann einen Ring, der am Rotorumfang angebracht und mit dom Rotor starr verbunden ist, wobei an der der zylindrischen·Gehäuseoberfläche zugewandten Ringflanke eine Vielzahl von Nuten ausgeführt ist sowie eine Verkleidung einschließen, die konzentrisch zum Ring angeordnet, mit der zylindrischen Gehäusewand starr verbunden ist und gemeinsam mit den Nuten eine Labyrinthdichtung bildet·

Diese Ausführung des Mittels zur Verhinderung des Überströmens des gasförmigen Medipmc zwischen den Kammern veränderlichen Volumens gestattet es, dank der Schaffung eines hohen hydraulischen V/iderstandes im Bewegungsbahn des überströmenden Gases

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die Gasleckverluste zu verringern. Im praktischen Motorenbau fand man heraus, daß eine Labyrinthdichtung mit kleinen Spalten und sogar mit einem Mullspalt ausgeführt sein kann, wenn man auf den feststehenden Ring eine Graphit-Aluminium-Überzugsschicht bzw. irgendeinen anderen Überzug aufträgt. Der Nullspalt ist unter anderem dadurch möglich, daß die erwähnte Überzugsschicht weich ist und die Labyrinthvorsprünge für sich selber Nuten schneiden können. Diese Labyrinthdichtungen besitzen ein geringeres Widerstandsmoment beim Einwirken von Reibungskräften als die Kontaktdichtungen.

Bei Anwendung einer Labyrinthdichtung wird gleichzeitig auch die Aufgabe der Verlängerung der Motorbetriebsdauer gelöst. Der am Rotorumfang angeordnete und mit dem Rotor starr verbundene Ring verhindert die Berührung der Plattenkolben mit der zylindrischen Gehäusewand, wo die Umfangsgeschwindigkeiten und die auf die Plattenkolben einwirkenden Fliehkräfte sehr groß werden. Dank dem angeordneten Ring gleiten die Plattenkolben, die eine hin- und hergehende Bewegung in der axialen Richtung ausführen, an der Ringinnenfläche mit einer um den Paktor 4-6 kleineren Geschwindigkeit als ihre Umfangsgeschwin-. digkeit am Außendurchmesser des Rotors, was den Verschleiß der Plattenkolbenseitenflachen stark verringert. Dies gestattet es, die Plattenkolben anhand ihrer Seitenflächen zu zentrieren, was das Schiefstellen und Verklemmen der Platten zu vermeiden erlaubt. Da aber die Plattenkolben sich dabei intensiver am Außendurchmesser abnutzen, wo höhere lineare Geschwindigkeiten bestehen, während sie am kleineren Durchmesser mit den Gehäusestirnwänden nach wie vor in Berührung stehen, so beginnt im entstandenen Kleinspalt eine gashydrodynamische Dichtung effektiv zu wirken, die die Funktion eines Lagers mit erfüllt, was eine höhere Betriebsdauer der Schaufeln ermöglicht·

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Zweckmäßigerweise ist an der Außenfläche des Ringes ein ringförmiger Sammelkanal ausgeführt, der über im Ring vorgesehene Kanäle mit im Rotor ausgeführten Radialkanälen in Verbindung steht, die mit den durchgehenden Radialnuten und mit einem im Rotor ausgeführten Axialkanal verbunden sind, der mit einer Schiniermittelquelle in Verbindung steht, die über einen Abflußkanal mit dem ringförmigen Sammelkanal verbunden ist.

Dies gestattet es, eine kontinuierliche Zuführung des Schmiermittels zu den reibenden Oberflächen beim Betrieb, eine ständige Reinigung der letzteren zwecks Entfernung von Verschleißprodukten, eine Reduzierung der Reibungsverluste sowie eine beträchtliche Verlangsamung des Plattenkolbenverschleißes sowohl an den Seitenwie auch an den Stirnflächen, darunter dank einer intensiven Abkühlung der wärmeintensivsten Elemente des Rotationsmotors, nämlich der Plattenkolben und des Rotors, zu gewährleisten.' Gleichzeitig kann dank der angewendeten hydrodynamischen Dichtung das Überströmen des gasförmigen Mediums zwischen den Kammern veränderlichen Volumens vermindert werden. Darüber hinaus gestattet es die beschriebene Ausführung des Mittels zur Verhinderung des Überströmens des gasförmigen Mediums zwischen den Kammern veränderlichen Volumens, in Kombination mit dem System von Kanälen im Rotor, die zur Schmierung und Kühlung der Plattenkolben und des Rotors eingeführt sind, auf eine Sonderpumpe zum Schmiermittel· einpressen zu verzichten, weil in diesem Fall der Rotor selber mit den in ihm vorhandenen Radialkanälen die Punktionen einer Kreiselpumpe erfüllt.

Ausführungsbeispiele

Im folgenden wird die Erfindung in einer ausführlichen Beschreibung des Rotationsmotore unter Bezugnahme auf beiliegende Zeich-

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nungen näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1: die Gesamtansicht des Rotationsmotors, gemäß der Erfindung, im Längsschnitt}

Fig. 2: einen Schnitt nach Linie II-II der Fig. 1, Ansicht in der Abwicklung;

Fig. 3: einen Schnitt nach Linie III-III der Fig. 1; Fig. 4: eine Ansicht in der Axonometrie der Gehäusestirnwand j Fig. 5: einen Plattenkolben, Seitenansicht; Fig. 6: einen Schnitt nach Linie VI-VI der Fig. 5}

Fig. 7: einen verlustlosen Zyklus des Rotationsmotors mit der Wärmezuführung bei konstantem Volumen (V=const) in den Koordinaten P-V;

Fig. 8: eine Ausführungsform des Entzündungsmittels in Gestalt einer Düse;

Fig. 9: eine Ausführungsform des Entzündungsmittels in Gestalt einer Düse-Zündkerze;

Fig.10: einen verlustlosen Zyklus des Rotationsmotors mit Kompreßionszündung mit der Wärmezuführung bei konstantem Volumen (V=const) und konstantem Druck (P=const) in den Koordinaten P-V;

Fig. 11:einen verlustlosen Zyklus de» Rotationsmotors mit der V/ärmezuführung bei konstantem Druck (P=const) in den

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Koordinaten P-V.

Der erfindungsgemäß ausgeführte und nach dem Ottomotorprinzip arbeitende Rotationsmotor enthält einen scheibenförmigen Rotor 1 (Pig. 1), der auf einer Welle 2 angebracht ist und in Lagerungen 3 in einem Gehäuse 4 umläuft, das einen zylindrischen Hohlraum 5 besitzt, der den scheibenförmigen Rotor 1 umfaßt und durch eine zylindrische V/and 6 sowie durch Stirnwände 7, 8 begrenzt ist. In jeder der Stirnwände 7» 8 sind sektorförmige Ausnehmungen 9a (Fig. 2), 9b, 9c, 9d ausgeführt, die in der Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt sind. Jede der Ausnehmungen 9a, 9b, 9c, 9d besitzt einen flachen Boden 10a, 10b, 10c, 1Od, der zu flachen Abschnitten 11a, 11b, 11c, 11d der Stirnwände 7» 8 des Gehäuses 4 parallel und über profilierte Oberflächen 12 mit ihnen verbunden sind. Die Oberflächen der sektorförmigen Ausnehmungen 9a, 9b, 9c, 9d der Stirnwände 7» 8 bilden gemeinsam mit Stirnflächen 13a, 13b des Rotors 1 in der Umlaufrichtung des Rotors in abwechselnder Reihenfolge liegende Verdichtungszonen A-, A₂, Verbrennungszonen B.., B₂, Expansionszonen C₁, C₂ und Trennzonen D-, D₂. Die Verdichtungszonen A-, A₂ stehen mit Mitteln 14» 15 zum Einlaß mindestens einer Brenngemischkomponente in Verbindung, die im Anfangsbereich der Verdichtungszonen A-, A₂ liegen. Die Expansionszonen C-, C₂ stehen mit im Endbereich der Expansionszonen C-, C₂ liegenden Abgasauslaßmitteln 16, 17 in Verbindung· In den flachen Abschnitten 11a, 11c der Stirnwände 7, 8 des Gehäuses 4 sind Entzündungsmittel 18, 19 angeordnet, die mit den Verbrennungszonen B-, B₂ in Verbindung stehen.

Im Rotor 1 sind gleichmäßig verteilte durchgehende Radialnuten 20 ausgeführt, in denen Plattenkolben 21, die über ihre Stirn-

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flachen rait den Stirnwänden 7» 8 zusammenwirken und in der axialen ^xiichtung frei bewegbar untergebracht sind. Die Plattenkolben 21 unterteilen die Zonen A₁, A₂, B₁, B₂, C₁, C₂, D₁, D₂ in voneinander isolierte Kammern 22 veränderlichen Volumens· An den Stirnflächen 13 des Rotors 1 sind zwischen den Plattenkolben 21 Aussparungen 23 (Fig. 1) ausgeführt, deren Wände mindestens von einem Teil der Rotorrotationsfläche, in der vorliegenden Ausführungsform von einem Teil der torähnlichen Rotationsfläche gebildet sind.

Das Entzündungsmittel 18, 19 ist innerhalb einer ringförmigen Zone angeordnet, die zur Umlaufachse O₁ - O₁ des Rotors 1 konzentrisch und durch eine untere, der Umlaufachse O₁ - O₁ des Rotors 1 zugewandten Kante der Aussparung 23 sowie eine obere, dem Umfang des Rotors 1 zugewandten Kante dieser Aussparung 23 begrenzt ist. In der vorliegenden Ausführungsform stellen die Entzündungsmittel 18, 19 Zündkerzen 18a, 19a dar.

Die Aussparungen 23 sind auf eine solche Weise ausgeführt, daß der ZentralwinkelcC (Pig· 3), in dessen Öffnung die Aussparung 23 liegt, kleiner als der Zentralwinkel J^ (Fig, 4) der flachen. Abschnitte Ha, lib, Hc, Hd der Stirnwände 7» 8 des Gehäuses 4 ist.

Der Rotor 1 ist jr.it einem minimalen Spalt zwischen den Stirnwänden 13a, 13b des Rotors 1 und den Stirnwänden 7, 8 des Gehäuses 4 innerhalb von 0,03-0,3 mm angeordnet; in der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Spalt 0,1 mm.

In der Motorkonstruktion ist ein Mittel 24 zur Verhinderung des Überstrb'mens des gasförmigen Mediums zwischen den Kammern 22

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veränderlichen Volumens vorgesehen. Das Mittel 24 ist zwischen der zylindrischen Wand 6 des Gehäuses 4 und dem Rotor 1 angeordnet, ist mit dem lezteren verbunden und kontaktiert mit den Stirnwänden 7, 8 des Gehäuses 4·

Das Mittel zur Verhinderung des Überströmens des gasförmigen Mediums zwischen den Kammern 22 veränderlichen Volumens enthält einen #ing 25, der am Umfang des Rotors 1 angebracht und mit ihm starr verbunden ist sowie eine Verkleidung 26. An der der zylindrischen Oberfläche 6 des Gehäuses 4 zugewandten Planke des Ringes 25 ist eine Vielzahl von Nuten 27 ausgeführt. Die Verkleidung 26 ist konzentrisch zum Ring 25 angebracht und mit der zylindrischen V/and 6 des Gehäuses 4 starr verbunden. Der Ring 25 bildet gemeinsam mit den Nuten 27 eine Labyrinthdichtung. Zur Gewährleistung eines ⁿNull"-spaltes kann die Verkleidung 26 aus einem verhältnismäßig weichem Material, beispielsweise aus Graphitaluminium, ausgeführt sein.

Zur Gewährleistung des Abschmierens der reibenden Oberflächen der Plattenkolben 21 und des Rotors 1 ist in dem letzteren ein Axialkanal 28 sowie Radialkanäle 29 ausgeführt, die den Axial-, kanal 28 mit den durchgehenden Radialnuten.20 verbinden, in denen die Plattenkolbea 21 untergebracht sind.

Zur Abkühlung des Rotors 1 und der Plattenkolben 21 sowie zur Gewährleistung ihrer Durchflußschmierung zum Reinigen der reibenden Oberflächen von den Verschleißprodukten ist in der zylindrischen V/and 6 des Gehäuses 4 bzw. an der Außenfläche des Ringes 25 ein ringförmiger Sammelkanal 30 in Gestalt einer Ringnut ausgeführt.

Der Sammelkanal 30 steht über im Ring 25 ausgeführte Kanäle mit

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den im Rotor 1 ausgeführten Kanälen 31 in Verbindung, wobei die Radialkanäle 2 mit den durchgehenden Radialnuten 20 in Verbindung stehen. Der Axialkanal 28 und der ringförmige Sammelkanal 30 stehen über einen Abflußkanal 32 (Fig. 3) mit einer (in Figuren nicht mit abgebildeten) Schmiermittelquelle in Verbindung.

Zum Verhindern des Gaseindringens in einen Hohlraum 33 (Fig· 1) des Schmiersystem^ sowie zum Abkühlen des Gehäuses 4 und Überströmen des Öles in den zylindrischen Hohlraum 5 sind am Rotor 1 Dichtungen 34 angebracht.

Die Stirnwände 7, 8 sind mittels Schrauben 35 zusammengehalten.

Im allgemeinen sollen die Plattenkolben 21 eine kleinstmögliche Masse, eine hohe Verschleißfestigkeit und Wärmebeständigkeit besitzen, eine zuverlässige Abdichtung von Kammern veränderlichen Volumens garantieren. Angesichts der aufgeführten Anforderungen sind die Plattenkolben 21 (Fig. 5) aus drei Platten ausgeführt, und zwar derart, daß Platten 36a, 36b, 36c relativ zueinander gleiten können, wobei die zentrale Platte 36c (Fig. 6) mit abgefederten Dichtungselementen 37a, 37b ausgeführt sind. Dies ermöglicht es, den Kontaktdruck einer jeden von den Seitenplatten 36a, 36b sowie der abgefederten Dichtungeelemente 37a, 37b auf die Stirnwände 7, 8 des Gehäuses 4 etwa um das Dreifache zu verringern und dadurch ihre Betriebsdauer zu verlängern, eine Abdichtung nicht über eine lineare Oberfläche, wie dies im Y/ankelmotor der Fall ist, sondern über drei lineare Oberflächen zu gewährleisten, die Abdichtung des Radialspaltes zu verbessern und die Gasverluste infolge des Überströmens des Gases durch die Plattenkolben 21 hindurch herabzusetzen.

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Die Punktion des Rotationsmotors geschieht auf die folgende Weise. Beim Umlauf des Rotors 1 in der durch einen Pfeil E (Fig. 2) angedeuteten Richtung gelangt das Brenngemisch über die Mittel 14, 15 zum Einlaß zumindest einer Brenngemischkomponente in die Verdichtungszonen A₁, Ap. Im weiteren wird das Brenngemisch in den Kammern 22 veränderlichen Volumens "eingesperrt", in den Verdichtun;szonen A₁, A₂ zusammengedrückt und zum Überströmen in die Aussparungen 23 veranlaßt, wobei eine intensive Turbulenz des Brennmischea in den Aussparungen 23 am Ende eines Verdichtungszyklus gewährleistet wird. Im Augenblick des Durchgangs durch die Aussparungen 23 wird das Brenngemisch unter den Entzündungsmitteln 18, 19 in den Verbrennungszonen B₁, Bg entzündet und verbrennt bei konstant bleibendem Volumen der Aussparungen 23, Beim Übergang der Aussparungen 23 in die Expansionszonen C₁, C₂ setzt der Prozeß der Gasexpandierung ein. Die expandierenden Gase wirken auf die aus dem Rotor 1 vorstehenden Planken der Plattenkolben 21 ein und erzeugen ein Drehmoment am Rotor 1, von dessen Welle 2 dieses Moment zum Verbraucher geleitet wirdo Die abgearbeiteten Gase werden von den Plattenkolben 21 aus der Expansionszone C₁, C₂ über die Abgagauslaßmittel 16, 17 ausgestoßen, die· sich im Endbereich der Expansionszonen C₁J-C₂ befinden. Anschaulich ist die Punktion des obenbeschriebenen Verbrenn'^vigs = motors mit der Wärmezuführung bei V=const aus dem in Pig. 7 dargestellten verlustlosen Zyklus ersichtlich. Der Prozeß e - f ist eine adiabatische Verdichtung des Brenngemisches in den Verdichtungszonen A₁, A₂* Der Prozeß f - g ist eine isochore Wärmezuführung q* in die Verbrennungszonen B₁, B₂, Der Prozeß g - h ist eine adiabatische Gasexpansion in den Expansionszonen C₁, C₂O Der Prozeß h - e ist eine isochore Abkühlung der Brenngemischverbrennungsprodukte bei einer - Abführung der q₂-Wärme

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zur kalten Quelle (Verdrängung von Verbrennungaprodukten mittels der Plattenkolben 21 geschieht durch die Gasauslaßmittel 16, 17).

Es ist zu erwähnen, daß angesichts der Anordnung des Rotors im Gehäuse 4 mit einem minimalen Spalt zwischen den Stirnflächen 13a, 13b das Rotors 1 und den Stirnwänden 7_t 8 des Gehäuses 4 innerhalb von 0,03-0,3 mm die Hochtemperaturverbrennungsprodukte auf die vorstehenden Teile der Plattenkolben 21 bia zu dem Zeitpunkt- nicht einwirken, in dem sie in die Expansionszonen G₁, C₂ austreten, was einen entlasteten Betriebszustand der Plattenkolben 21 gewährleistet.

Die im vorstehenden beschriebene Ausführungsform des Rotationsmotors ist eben nur als ein Beispiel angeführt und schränkt das Erfindungsvolumen in keiner Weise ein. Denkbar sind verschiedene Modifikationen und Vervollkommnungen der Erfindung ohne Abweichung von deren Grundprinzip bzw. vom Erfindungshalt, die durch die Patentansprüche festgelegt sind. Nachstehend ist eine weitere Ausführungsform des Rotationsmotors angeführt, der nach dem Zyklus mit gemischter V/ärmezuführung arbeitet. Ein derartiger Rotationsmotor wiederholt das Konstruktionsschema der beschriebenen Ausführungsform des nach dem Ottomotorprinzips arbeitenden Rotationsmotors, allerdings stellen die Entzündungsmittel 18, 19 in diesem Pail entweder eine Düse 18b (Fig. 8), 19a oder aber in der Umlaufrichtung des Rotors 1 aufeinanderfolgend angeordnete Düsen-Zündkerzen 18c (Figo 9), 19c dar. Die Konstruktion der Düsen-Zündkerzen 18c, 19c erlaubt es, das Einspritzen der Brenngemischkomponente (des Kraftstoffes) unter gleichzeitigem zuverlässig herbeige-

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führten Entzünden des letzteren vorzunehmen, wobei die Düsen 18b und 19b nur zum Kraftstoffeinlaß bestimmt sind. Die Einlaßmittel 14, 15 sind zum Zuführen in den Motor einer der Brenngemiaohkomponenten, nämlich einem Oxydationsmittel (beispielsweise Luft), bestimmt. Ein solcher Motor wird den größten indizierten Wirkungsgrad haben.

Der erfindungsgemäße Motor kann auch mit schweren Sorten von flüssigen Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen arbeiten, aber bei niedrigeren Rotordrehzahlen. Der verlustlose thermodynamische Arbeitszyklus eines solchen Verbrennungsmotors mit gemischter Wärmezuführung ist in Pig. 10 gezeigt«

Die Kurve m - η gibt die adiabatische Verdichtung einer Brenngemischkomponente, nämlich dem Oxydationsmittel (beispielsweise Luft), in den Verdichtungszonen Α., Ag wieder. Dabei geht mit dem Verdichtungsprozeß eine Erwärmung des Oxydationsmittels einher, dessen Temperatur eine Höhe erreicht, bei der eine Selbstentzündung des durch die Düsen 18b, 19b bzw. durch die Düsen-Zündkerzen 18c, 19c einströmenden Kraftstoffes stattfindet. Der Prozeß η - ο ist die Zuführung einer Wärmemenge q*.. zu dem, Brenngemisch nach einer in den Verbrennungszonen B.., B₂ liegenden Isochore. D_er Prozeß ο - ρ ist die Zuführung einer Wärmemenge q'J zu dem Brenngemisch nach einer dem Nachbrennen des Brenngemisches in den Expansionszonen CL, C₂ entsprechenden Isobare. Der Prozeß ρ - r ist die adiabatische Expansion der Brenngftmischverbrennungsprodukte in den Expansionszonen C₁, C₂· Der Prozeß r - m ist isochore Abkühlung der Brenngemischverbrennungsprodukte mit einer Wärme q'₂ (Auspuff von Verbrennungsprodukten über die Abgasauslaßmittel 16, 17)·

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Nachstehend ist eine weitere Ausführungsform des nach dem Dieselzyklus arbeitenden Rotationsmotors angeführt. Ähnlich der eben beschriebenen Ausführungsform bleibt das Konstruktionsschema des Rotationsmotors unverändert, die Punktionsweise des Motors ist ebenfalls dieselbe, doch arbeitet der nach dem Dieselzyklus funktionierende Rotationsmotor zum Unterschied vom Rotationsmotor mit gemischtem Zuführungszyklus mit höheren Rotordrehzahlen. In Fig. 11 ist der verlustlose Zyklus des Rotationsmotors mit der Wärmezuführung bei konstantem Druck (p=const) in den Koordinaten ρ - ν dargestellt. Der Pr ¹S i - j ist die adiabatische Verdichtung einer Brenngemischkomponente, und zwar des Oxydationsmittels (beispielsweise Luft) in den Verdichtungszonen A., A₂* Dabei geht mit dem Verdichtungsprozeß eine Erwärmung des Oxydationsmittels einher, dessen Temperatur eine Höhe erreicht, bei der eine Selbstentzündung des Kraftstoffs stattfindet. Der Prozeß j - k ist die isobare Zuführung einer Wärme q^uJ dem Brenngemisch in den Verbrennungszonen B., B₂ und Expansionszonen Ο-, C₂. Der Prozeß k - 1 ist die adiabatische Expansion der Brenngemischverbrennungsprodukte in den Expansionszonen CL, C₂. Der Prozeß 1 - i ist die isochore Abkühlung der Brenngemischverbrennungsprodukte mit einer Wärme q'^ (Auspuff von Verbrennungsprodukten über die Auslaßmittel 16, 17).

Ein wichtiger Vorteil dieses Verbrennungsmotors besteht darin, daß der in die Aussparungen 23 eingespritzte Kraftstoff aus denselben nicht durch die Fliehkraft ausgetragen wird, wie dies für andere Schemate der Rotationsmotoren charakteristisch ist, und zwar um allgemeinen Fall dank der Einführung einer zur Fliehkraft senkrechten Seitenfläche der Aussparung, son-

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dern in den Aussparungen unter optimalen Bedingungen (mit eventuellem Nachbrennen) verbrennt, was eine höhere Vollkommenheit der Verbrennung des Kraftstoffs gewährleistet.

Die beschriebene Konstruktion des erfindungsgemäßen Rotationsmotors bezieht sich nur auf einen Verbrennungsmotor, der durch die Verbrennung von Brenngemischen in Funktion gesetzt wird· Der Motor kann auch durch Dampf, Druckluft bzw. ein anderes Arbeitsmedium angetrieben und als Pumpe bzw. verdichtet benutzt werden. Hierzu müssen in den Verdichtungs- und Expansionskammern in den profilierten Oberflächenabschnitten neben anderen Mitteln Ein- und Auslaßbohrungen extra ausgeführt werden.

In dieser Weise läßt sich im Endergebnis feststellen, daß die Ausführung der Brennkammern in ^uestalt von Aussparungen in den Rotorstirnflächen erlaubt:

- die Verluste an der ins Kühlsystem abgeführten Wärme stark herabzusetzen;

- die Wärmeintensität der Plattenkolben zu verringern;

- den Verbrennungsgrad des Kraftstoffs zu erhöhen;

- den indizierten Motorwirkungsgrad zu vergrößern;

- den Ausstoß der in den Abgasen enthaltenen Schadstoffe in die Atmosphäre zu vermindern.

Die Anordnung eines Ringes an der zylindrischen Aussendfläche des Rotors erlaubt:

- das Überströmen des Gases zwischen den Kammern dank dsr dabei möglichen Anordnung verschiedener Abdichtungsmittel an der Außenfläche des Ringes zu vermindern;

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- ein zuverläßiges Kühl- und Schmiersystem für alle wärmeintensiven Konstruktionselemente unter gleichzeitig gewährleisteter Möglichkeit für die Ausübung der Ölpumpenfunktion durch den Rotor einzubauen;

- die Betriebsdauer der Plattenkolben dank deren intensiver Abkühlung und Abschmieriing sowie dank der Verhinderung einer Berührung derselben mit der zylindrischen Gehäusewand zu verlängern, wobei neuartige Möglichkeiten zum Formen von die Plattenkolben abdichtenden Dichtungselementen in dieser Hinsicht einen maßgeblichen Beitrag leisten.

Die erfindungsgeraäße Motorkonstruktion sieht einen umfassenden Einsatz von keramischen Werkstoffen und Verbundwerkstoffen sowie von abfallfreien Herstellungstechnologien für die Motorelemente vor.

Der erwartete effektive Wirkungsgrad soll von 28 % bis 55 % je nach dem gewählten Arbeitszyklus und dan eingesetzten Konstruktionswerkstoffen betragen.

Die Realisierung des Gesamtkomplexes der erfindungsgemäß vorgeschlagenen technischen Lösungen ermöglicht die Schaffung eines neuartigen hocheffektiven Rotationsmotors, der zum Unterschied vom Wankel-Rotationsmotor besitzt:

- eine einfachere und fertigungsgerechtere Konstruktion;

- ungefähr um den Paktor 1,5-2 kleinere Abmessungen und Motormasse;

- ungefähr um den Paktor 1,5-3 kleinere Herstellungs- und Betriebskosten;

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- einen niedrigeren Geräuschpegel}

- eine vollkommene dynamische Auswuchtung, was irgendwelche Dämpfungssysteme unnötig macht;

- ein höheres und gleichmäßigeres Drehmoment bei niedrigen Motordrehzahlen, was günstige Bedingungen für einen umfassenden Einsatz von Auoomatikgetrieben schafft}

- Vielstoffeingeschaften, d. h. das Vermögen, mit flüssigen Kraftstoffen einer weiteren Fraktionszusammensetzung sowie mit gasförmigen Kraftstoffen bei mangelhaft vorhandenen Qualitätskraftstoffen betrieben zu werden, was den Kraftstoff betriebsaufwand beträchtlich herabsetzt.

Die genannten Vorteile gestatten es, gemeinsam mit potentiell vorhandenen weiteren Möglichkeiten zur Reduzierung schädlicher Einwirkung auf die Umwelt, für den erfindungagemäßen Rotationsmotor ein gerechtfertigtes Einsatzgebiet zu finden.

Claims (6)

1. Μ-

   Berlin, 18. 1. 1989 71 169/13

   Patentansprüche

   1. Rotationsmotor, dei einen scheibenförmigen Rotor aufweist, der auf Lagerungen in einem Gehäuse angeordnet ist, das einen zylindrischen Hohlraum besitzt, der den scheibenförmigen Rotor umfaßt und durch eine zylindrische Wand sowie durch Stirnwände begrenzt ist, wobei in jeder von ihnen sektorförmige, in der Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Ausnehmungen ausgeführt sind und eine jede der Ausnehmungen einen flachen Boden besitzt, der zu den flachen Abschnitten der Gehäuaestirnwand parallel und über profilierte Oberflächen mit ihnen verbunden ist sowie ein Entzündungsmittel enthält, das zwischen den sektorförmigen Ausnehmungen in einem der flachen Abschnitte einer jeden Gehäusestirnwand angeordnet ist, die mit der Stirnfläche des Rotors eine sektorförmige Verdichtungszone, die mit einem Mittel zum Einlaß mindestens einer Brenngemischkomponente in Verbindung steht, eine sektorförmige Expansionszone, die mit einem Abgasauslaßmittel in Verbindung steht sowie eine sektorförmige Ve.vbrennungazone bildet, die hinter der· Verdichtungszone in der Umlaufrichtung·des Rotors liegt, der gleichmäßig verteilte durchgehende Radialnuten aufweist, in denen axialer Richtung frei bewegbar Plattenkolben untergebracht sind, die über ihre Stirnflächen mit den Gehäusestirnwänden zusammenwirken und die sektorförmigen Zonen in voneinander isolierte Kammern veränderlichen Volumens unterteilen, dadurch gekennzeichnet, daß an den Stirnflächen (13a, 13b) des Rotors (I) zwischen den Plattenkolben (21) Aussparungen (23) ausgeführt sind und ein Entzündungsmittel (18, 19) innerhalb einer ringförmigen Zone angeordnet ist, die zur Umlaufachse (CL - O^) des Rotors (1) konzentrisch sowie durch eine untere, der Umlaufachse (CL-0^) des Rotors (1) zugewandte Kante der Aussparung (23) und eine obere,

   dem Umfang des Rotors (1) zugewandte Kante der Aussparung

   (23) begrenzt ist, während der Zentralwinkel (cC )» i& dessen Öffnung sich die Aussparung (23) befindet, kleiner als der Zentralwinkel ( f ) flacher Abschnitte (Ha, lib, Hc, Hd) von Stirnwänden (7, 8) eines Gehäuses (4) ist·
2. 2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) in bezug auf die Stirnwände (7, 8) des Gehäuses (4) mit einem minimalen Spalt innerhalb von 0,03-0,3 mm angeordnet ist.
3. 3. Motor nach Ansprt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand der Aussparung (23; mindestens von einem Teil der Rotationsfläche gebildet ist ο
4. 4. Motor nach Ansprüchen 1 bzw» 3» dadurch gekennzeichnet, daß in ihm ein Mittel (24) zur Verhinderung des Überströmens des gasförmigen Mediums zwischen Kammern (22) veränderlichen Volumens vorgesehen ist, das sich zwischen einer zylindrischen Wand (6) des Gehäuses (4) und dem Rotor (1) befindet, mit dem letzteren verbunden ist und mit den Stirnwänden (7, 8) des . Gehäuses (4) kontaktierte
5. 5. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel

   (24) zur Verhinderung des Überströmens des gasförmigen Mediums zwischen den Kammern (22) veränderlichen Volumens einen Ring (25) enthält, der am Umfang des Rotors (1) liegt und mit ihm starr verbunden ist, wobei an der der zylindrischen Wand (6) des Gehäuses (4) zugewandten Flanke des Ringes

   (25) eine Vielzahl von Nuten (27) ausgeführt ist sowie eine Verkleidung (26) einschließt, die konzentrisch zum Ring (25)

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   liegt, mit der zylindrischen Wand (6) des Gehäuses (4) starr verbunden ist und gemeinsam mit den Nuten (27) eine Labyrinthdichtung bildet·
6. 6. Motor nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenfläche des Ringes (25) ein ringförmiger Sammelkanal (30) ausgeführt ist, der über im Ring (25) ausgeführte Kanäle mit im Rotor (1) ausgeführten Radialkanälen in Verbindung steht, die mit durchgehenden Radialnuten (20) und einem im Rotor (1) ausgeführten Axialkanal (28) verbunden sind, der mit einer Schmiermittelquelle in Verbindung steht, die über einen Abflußkanal (32) mit dem ringförmigen Sammelkanal (30) verbunden ist»

   5" Wen