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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Druckkraftmaschine mit einer Ringstruktur,
mit einer entlang der Ringachse verlaufenden Abtriebswelle, einem
eine Gehäusewand
aufweisenden Ringgehäuse und
wenigstens einem im Ringgehäuse
entlang einer Kreisbahn gegen das Gehäuse abgedichtet umlaufenden
Umlaufkolben, der über
ein Verbindungsglied drehfest mit der Abtriebswelle verbunden ist
und der im Ringgehäuse
eine mit-umlaufende, z.B. ringsegmentförmige Druckkammer wenigstens
auf der Seite begrenzt, die von der Druckkammer aus ge sehen in Umlaufrichtung
liegt, mit an gegebenen Stellen des Ringgehäuses ausgebildeten Anschlüssen an
eine Druckluftzufuhr, im Fall einer Brennkraftmaschine an eine Brennstoff-
oder Treibstoffzufuhr, und an einen Auspuff. Die Erfindung betrifft
insbesondere eine Brennkraftmaschine, es ist jedoch bekannt, dass Brennkraftmaschinen
auch durch äußere Druckmedien
in Bewegung setzbar sind, wie z.B. der wasserdruckbetriebene dieselähnliche
Solepumpenantrieb im Salzmuseum Klaushäusl bei Bernau. Die erfindungsgemäße Maschine
kann insofern, außer
eine Brennkraftmaschine, auch eine durch ein extern eingespeistes
Druckmedium betriebene Druckkraftmaschine sein.
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Brennkraftmaschinen
der eingangs genannten Art sind z. B. aus der
deutschen Patentschrift 195 21 528 bekannt, ähnliche
Umlaufkolben-Brennkraftmaschinen sind in den folgenden deutschen
patentamtlichen Veröffentlichungen,
nämlich
der Offenlegungsschrift
18
10 346 , der Offenlegungsschrift
38 25 365 , der Offenlegungsschrift
195 23 736 und
der Patentschrift
197 34 783 beschrieben.
Gemeinsam ist den bekannten Umlaufkolbenmaschinen, dass sie eine
hintere Abstützung
des Explosionsdrucks benötigen,
also Steuerglieder, die in den ringförmigen Zylinderraum hineingeschoben
und zum Vorbeilauf des Kolbens wieder aus dem Zylinderraum herausgezogen
werden. Die entsprechende Mechanik macht die Maschine komplex, störungs- und
verschleißbefallen und
führt zu
zusätzlichem
Leistungsverlust und einem hohen Laufgeräuschpegel.
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Durch
die Erfindung soll eine verschleißarm, leise und weitgehend
unwuchtfrei laufende Druckkraftmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine geschaffen
werden, für
die auch ein guter Wirkungsgrad angestrebt wird. Die erfindungsgemäße Maschine
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Umlaufkolben ein Kolbengehäuse und
im Kolbengehäuse
einen durch eine sich andererseits am Kolbengehäuse abstützende Vorspannkraft auf die
Druckkammer, insbesondere Brennkammer zu gedrückten, entgegen der Vorspannkraft
relativ zum Kolbengehäuse
in einer Kolben-Längsrichtung
linear verschiebbaren Innenkolben aufweist, dessen Verschiebungslinie
tangential in einem Abstand an der Achse der Abtriebswelle vorbeiverläuft. Die
Druck- bzw. Brennkammer ist dabei durch das Ringgehäuse und
den Umlaufkolben begrenzt und bedarf keiner laufend in das Ringgehäuse ein-
und ausgefahrener Absperrglieder. Das Ringgehäuse besteht im wesentlichen
aus einer ringförmigen,
zum Ringinneren zu offenen Rinne, die dazu ausgebildet ist, dass
in ihr der Umlaufkolben unter dichter Abgrenzung der ebenfalls umlaufenden Druck-
bzw. Brennkammer gleitet. Es ergibt sich somit ein ruhiger, unwuchtfreier
und runder Lauf, der bei kleinem Raumbedarf und für guten
Wirkungsgrad realisierbar ist. Durch die Wahl der Flächenverhältnisse zwischen
Kolben und Ringgehäuse
in der Druck- bzw. Brennkammer und des Abstands der Kolben-Verschiebungslinie
von der Achse der Abtriebswelle lassen sich die Betriebseigenschaften
der Maschine optimieren.
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Vorzugsweise
ist der durch die Vorspannkraft belastete Innenkolben gegenüber dem
Kolbengehäuse
für seinen
Vorlauf und für
seine Rückstellung,
die durch die Vorspannkraft bewirkt wird, einer Bewegungsdämpfung unterworfen,
so dass die durch die Kraftstoffverbrennung erzeugte Schubkraft sich
zeitlich verteilt und harte Schläge
vermieden werden. Nach einer zweckmäßigen Konstruktion wird die
Vorspannkraft durch eine oder mehrere Druckfedern aufgebracht, und
wird die Bewegungsdämpfung durch
eine gedrosselte Verschiebung von Strömungsmedium im Kolbengehäuse bewirkt,
insbesondere von hydraulischem Öl.
Es handelt sich hierbei um an sich bewährte technische Maßnahmen.
Der Innenkolben soll zweckmäßigerweise
aus zwei koaxialen Kolbenelementen insbesondere von gleicher Querschnittsfläche bestehen,
die in einem gegenseitigen Abstand auf einer gemeinsamen, sich entlang der
Kolben-Verschiebungslinie erstreckenden Kolbenstange sitzen. Das
erste Kolbenelement, nämlich das
hinsichtlich der Drehung der Abtriebswelle äußere Kolbenelement, grenzt
an die Brennkammer an. Der Innenkolben durchsetzt bei dieser Konstruktion mit
seiner Kolbenstange zwei strömungsmittelgefüllte Kammern
oder Volumina, die über
wenigstens einen Verbindungskanal reduzierten Durchströmungsquerschnitts
miteinander verbunden sind, wobei bei der Bewegung des Innenkolbens
entgegen der Vorspannkraft das erste, äußere Kolbenelement in das erste
Volumen eindringt und Strömungsmittel
daraus verdrängt
und das zweite, hinsichtlich der Drehung der Abtriebswelle innere
Kolbenelement aus dem zweiten Volumen zurückweicht und Strömungsmittelraum
freigibt. Mit dieser Konstruktion wird die erforderliche Bewegungsdämpfung durch
eine Durchströmungsdrosselung
reibungsfrei erreicht. Im einzelnen dargestellt, wird der Kolben
durch den Zündvorgang nach
unten in das Ölvolumen
geschoben; das Öl
wird nun durch – die
Durchströmungsdrosselung
darstellende – enge
Kanäle
in das untere Ölvolumen
gepresst und das am unteren Ende des Kolbenschaftes sitzende zweite
Kolbenelement des gleichen Durchmessers wie das erste Kolbenelement
saugt die gleiche Ölmenge
in das untere Volumen. Der Verbrennungsdruck drückt also den Kolbenboden gegen
den Federdruck und den Drosselwiderstand, und hierdurch entsteht
ein Drehmoment in der Drehrichtung des Rotors. Der Verbrennungsdruck
wird also direkt in eine Drehrichtung umgesetzt. Das zweite Kolbenelement
hat zur höheren
Betriebssicherheit eine Verschlussfläche, die in der durch die Vorspannkraft
zurückgeschobenen
Endstellung des Innenkolbens den Verbindungskanal oder die Verbindungskanäle verschließt. Um Schläge bei der
Kolben-Rückstellung
zu vermeiden, können
einerseits an der – hinsichtlich der
Drehung der Abtriebswelle – äußeren Seite
des zweiten Kolbenelements und andererseits an einer das zweite
Volumen nach außen
begrenzenden, als äußere Anschlagfläche für das zweite
Kolbenelement dienenden Fläche
eine Vertiefung, insbesondere eine Nut, bzw. ein hierzu komplementärer Vorsprung,
insbesondere eine Rippe ausgebildet sein. Das in der Vertiefung
befindliche Strömungsmittel wird
durch den Vorsprung entlang dem dünner werdenden Spalt vor der
Anschlagfläche
verdrängt
und wirkt so als Bremse.
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Ein
besonders verlust- und verschleißarmer Lauf der Brennkraftmaschine
ergibt sich, wenn der Innenkolben im Kolbengehäuse in seinem an die Brennkammer
angrenzenden Teil an der Innenwand des Kolbengehäuses berührungslos mit kleinem Spalt
von beispielsweise 0,1 mm entlangläuft und nur durch Führungsbuchsen
mit Dichtringen geführt
ist, an denen der Innenkolben, nämlich
die Kolbenelemente oder die Kolbenstange, gleitend angreift. Angrenzend
an die Brennkammer gibt es somit keine Ölabstreifringe am Kolben, während der
Druckverlust durch den vorhandenen Spalt praktisch vernachlässigbar
ist. Weiterhin kann der Innenkolben so konstruiert sein, dass sich
im Kolbengehäuse
im Bereich zwischen dem ersten Kolbenelement in seiner innersten
Stellung und dem zweiten Kolbenelement in seiner äußersten
Stellung Fenster für
den Durchsatz von Kühlluft
befinden, und in diesem Bereich die Kolbenstange Kühlrippen
trägt.
Durch die Kühlung
des bzw. jedes Umlaufkolbens kann die thermische Ausdehnung in Grenzen
gehalten werden und dadurch der genannte Spalt sehr eng gestaltet
werden.
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Das
Ringgehäuse
ist gemäß einer
einfachen, robusten Bauweise ein in Axialrichtung geteiltes Gehäuse, das
aus einem schüsselförmigen Teil und
einem Deckelteil zusammengesetzt ist, wobei in diesen Teilen die
Antriebswelle gelagert ist; und im Umfangsbereich des Ringgehäuses befindet/befinden
sich wenigstens eine, bevorzugt aber mehrere sich periodisch wiederholende,
Arbeitsspiellänge(n) in
einer Zahl, die von der Zahl der Umlaufkolben nicht notwendigerweise
abhängig
ist, und innerhalb der einzelnen Arbeitsspiellänge weist das Ringgehäuse entlang
der Umlaufrichtung die Armaturen auf: den Anschluss in Form eines
Fensters zur Versorgung der Brennkammer mit Druckluft, eine Durchführung zur
Treibstoffeinspritzung, eine Zündkerze,
einen Anschluss in Form eines Fensters zur Ableitung der Auspuffgase
und Anschlüsse
in Form von Fenstern zur Durchleitung von spülender und kühlender Frischluft,
wobei das Fenster zur Versorgung der Brennkammer mit Druckluft,
die Durchführung
zur Treibstoffeinspritzung, der Anschluss zur Ableitung der Auspuffgase
und die Anschlüsse
zur Durchleitung von spülender
und kühlender
Frischluft in der Gehäusewand
jeweils durch die Rotationsbewegung des bzw. der Umlaufkolben(s)
auf Durchlass oder Sperrung zu öffnen
und zu schließen
sind. Zwischen dem Fenster zur Versorgung mit Druckluft und der Durchführung zur
Treibstoffeinspritzung oder der Zündkerze liegt eine Strecke,
die die Umfangsabmessung des Umlaufkolbens übertrifft, zwischen der Durchführung zur
Treibstoffeinspritzung und der Zündkerze
liegt eine Strecke, die zwischen null und der Umfangsabmessung des
Umlaufkolbens misst – die
Durchführung
zur Treibstoffeinspritzung und die Zündkerze können auch axial gleich weit,
aber umfangsmäßig gegeneinander
versetzt sein oder die Zündkerze
kann vor der Durchführung
kommen –, der
Anschluss zur Ableitung der Auspuffgase hat eine Ausdehnung in der
Größenordnung
der Umfangsabmessung des Umlaufkolbens und die Anschlüsse zur
Durchleitung von spülender
und kühlender
Frischluft haben eine Ausdehnung in Umfangsrichtung in der Größenordnung
der Zwischenraumstrecke zwischen zwei Umlaufkolben im Umfangsbereich.
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Eine
verbesserte Nachverbrennung von eventuellen die Brennkammer unverbrannt
verlassenden Restgasen wird dadurch bewirkt, dass von einer Druckluftleitung,
die mit dem Fenster zur Versorgung der Brennkammer mit Druckluft
verbunden ist, oder von einem Bereich dieses Fensters eine Leitung abzweigt,
die in einen Nachverbrennungsraum mündet, der strömungsmäßig an den
Anschluss zur Ableitung der Auspuffgase anschließt.
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Die
Konstruktion der Brennkraftmaschine kann ohne weiteres durch Vervielfachung
erweitert werden, z.B. dadurch, dass im Ringgehäuse eine größere Zahl von mit der Abtriebswelle
verbundenen Umlaufkolben vorzugsweise in gleichen Winkelabständen umlaufend
angeordnet sind und insgesamt einen Rotor bilden, dass auf der Abtriebswelle
in Axialrichtung hintereinander mehrere parallele Rotoren sitzen,
deren Kolben jeweils in einem Ringgehäuse laufen, oder dadurch, dass
um die Abtriebswelle mehrere Ringgehäuse in Axialrichtung hintereinander
angeordnet sind, in denen jeweils einer der über ein eigenes Verbindungsglied
mit der Abtriebswelle verbundenen Umlaufkolben umläuft.
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Sind
mehr als ein Umlaufkolben vorhanden, so kann bei Teillast oder auch
bei Ausfall eines der Umlaufkolben der Betrieb mit weniger Umlaufkolben fortgeführt werden,
ohne dass wesentliche Verluste durch Umsteuerungen, Unwucht und
nutzlose Reibung entstehen. Eine Synchronsteuerung steuert dabei
die Treibstoffzufuhr in Abhängigkeit
von der Drehphase des Umlaufkolbens und kann im Fall von mehreren
vorhandenen Umlaufkolben für
einzelne von ihnen selektiv die Treibstoffzufuhr sperren; und zur Schaffung
einer Ausfallsicherheitseinrichtung können die ölgefüllten Volumina jedes Umlaufkolbens mit
einem Strömungsmitteltank
verbunden sein, der ein Be- und Entlüftungsventil aufweist und einen
Sensor enthält,
der im Fall eines durch einen Schaden entstehenden Strömungsmittelmangels
ein Signal abgibt, durch das ebenfalls die Treibstoffzufuhr abschaltbar
ist, so dass Schäden
infolge des Strömungsmittelmangels
in einzelnen Umlaufkolben vermieden sind. Die Signalübertragung
vom Rotor zum Sensor erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von von Dauermagneten
erzeugten Magnetfeldern, so dass der Rotor keinen Stromanschluss
benötigt.
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Weitere
Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele von
erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen
unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1 einen
schematischen Querschnitt durch eine Brennkraftmaschine mit sechs
Umlaufkolben, von denen zwei gerade in der Arbeitsphase der Zündung nach
einer Aufladung mit Druckluft und Einleitung von Treibstoff sind;
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2 einen
Querschnitt in einer Schnittebene II-II in 7 entsprechend 1 in
einer späteren Arbeitsphase;
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3 bis 6 Querschnitte
entsprechend 1 und 2 in weiterhin
späteren
Arbeitsphasen;
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7 einen
Längsschnitt
in einer geknickten Ebene VII-VII in 2;
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8 einen
Längsschnitt
in einer geknickten Ebene VIII-VIII in 4;
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9 einen
Querschnitt entsprechend 1 durch eine abgewandelte Brennkraftmaschine, nämlich mit
fünf Umlaufkolben;
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10 einen
Schnitt durch einen der Umlaufkolben in der Längsrichtung des Umlaufkolbens;
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11 einen
Schnitt entsprechend 10 in der auch in 4 dargestellten
Arbeitsphase;
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12 und 13 Schnitte
durch unterschiedliche Ausführungen
einer Ausfallsicherheitseinheitseinheit;
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14 einen
Schnitt etwa entsprechend 7 durch
eine etwas abgewandelte Ausführungsform
des Umlaufkolbens;
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15 einen
Querschnitt durch einen Umlaufkolben nach einer weiterhin abgewandelten
Ausführungsform.
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Die 1 bis 6 zeigen
die Kernbestandteile einer erfindungsgemäßen sechskolbigen Brennkraftmaschine
in verschiedenen Arbeitsphasen in einem Querschnitt. Die dargestellten
Maschinenteile umfassen einen Rotor 1, der drehfest auf
einer Maschinen-Abtriebswelle 2 sitzt, die die Rotationsachse des
Rotors bestimmt, und einen Stator 3, der stationär oder gehäusefest
ist. Der Rotor 1 enthält
im Beispiel von 1 sechs Umlaufkolben 4,
die nacheinander mit A bis F bezeichnet sind. Der Stator 3 hat eine
Scheiben- oder Ringstruktur, seine rinnenförmige oder bandringförmige Außenfläche entspricht etwa
dem "Zylinder" einer Hubkolbenmaschine.
Beim dargestellten Beispiel enthält
der Stator zwei Arbeitsspielstrecken 5, mit sich wiederholendem
Aufbau entlang dem Innenumfang des Stators 3. Die Zahl
der Arbeitsspielstrecken kann der Polzahl von Elektromotoren verglichen
werden. Eine höhere
Zahl von Arbeitsspielstrecken 5 hat eine höhere Zahl
von Zündungen
und Zündgemisch-Verbrennungen
je Umdrehung zur Folge, je nach Bauart aber andererseits kleinere
Abmessungen der Brennkammern. Insofern ist eine Optimierung der
Maschinenleistung nach dem vorgesehenen Zweck in Abhängigkeit
von den Gegebenheiten des Einzelfalls vorzunehmen. Die Zahl der
Arbeitsspielstrecken 5 ist jedenfalls nicht eine unmittelbare
Funktion der Zahl der Umlaufkolben 4, beim Beispiel nach 1 bis 6 mit
sechs Kolben könnte
z.B. auch eine einzige Arbeitsspielstrecke über den gesamten Innenumfang
des Stators 3 erstreckt sein, oder beim Beispiel mit zwei
Arbeitsspielstrecken 5 könnten auch vier oder fünf Umlaufkolben
vorhanden sein. Bei einer Geradzahligkeit der Kolben und deren Anordnung
in gleichmäßigen Winkelabständen ergibt
sich ein etwas stärker
stoßweiser
Lauf, da die Explosionen an den gegenüberliegenden Arbeitsspielstrecken
im allgemeinen gleichzeitig stattfinden. Die gleichmäßigen Winkelabstände sind
zwar naheliegend, aber nicht notwendig. Auch können die Zündzeitpunkte etwas gegeneinander versetzt
sein.
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Vor
der Beschreibung der in den 1 bis 6 dargestellten
Arbeitsphasen wird zunächst
anhand von 7 und 8 die Erläuterung
des Aufbaus der Maschine ergänzt.
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Die 7 und 8 zeigen
die Maschine im axialen Längsschnitt
in in 2 bzw. 4 eingezeichneten geknickten
Schnittebenen. Die Ausrichtung der Umlaufkolben 4 ist also
nicht – wie 4 zunächst den
Anschein zu erwecken scheint – auf
die Achse der Welle 2 gerichtet, sondern läuft tangential an
der Welle 2 vorbei. Die Verbindung der Umlaufkolben 4 mit
der Welle 2 ist durch Seitenwände 10 des Rotors 1 hergestellt,
die auf die Welle aufgekeilt sind. Die Seitenwände 10 sind mehrfach
unterbrochen, um Luftströme
durchzulassen, und können
beispielsweise Speichenfelder sein. Nach einer Variante ist nur auf
einer Seite eine Seitenwand vorhanden, an der die Teile des Rotors 1 befestigt
sind. Außerhalb
der Seitenwände 10 des
Rotors 1 verlaufen Seitenwände 11 des Stators 3.
In diesen Seitenwänden 11 ist
die Welle 2 über
Lager 12 gelagert. Die radiale Außenseite des Stators 3 wird
durch eine zylinderförmige Außenwand 13 gebildet.
Zwischen den Seitenwänden 10 und 11 liegen
schmale Luftspalte von z.B. 0,1 mm Breite, so dass der Rotor 1 und
der Stator 3 berührungslos
und öllos
gegeneinander drehbar sind.
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Auf
der Welle 2 und in starrer Verbindung mit dem Stator 3 sitzt
ein ebenfalls einen Rotor und einen Stator umfassender Luftverdichter 16,
der extern die Luftverdichtung für
das Treibstoffgemisch erzeugt, die bei Hubkolbenmaschinen üblicherweise
durch einen Takt des Hubkolbens bewirkt wird. Der Verdichter 16 ist über Druckluftleitungen 17 mit
den beiden entsprechenden Stellen des Stators 3 in den
jeweiligen Arbeitsspielstrecken 5 verbunden. Weiterhin
sitzt auf der Welle 2 ein später erläuterter Luftverdichter 18, der
als Lüfterflügel dargestellt
ist. Ein Lagereinstellring 19, der auf die Welle 2 aufgeschraubt
ist, sorgt zusammen mit einer gegenüberliegenden Wellenschulter 19a für die axiale
Festlegung von Rotor und Stator auf der Welle.
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Jeder
Umlaufkolben 4 schließt
an seiner radialen Außenseite
und den Wandteilen des Stators 3 eine geschlossene Kammer
ein, die die Brennkammer 20 des betreffenden Kolbens ist
und durch Vorbeilauf an Fenstern im Stator zu entsprechenden Phasen
des Brennzyklus Verbindung zu äußeren Strömungswegen
erhält,
so dass sie in diesen Phasen dann nicht vollständig geschlossen ist. Jede
Arbeitsspielstrecke 5 umfasst in Drehrichtung hintereinander,
wie die 1 bis 6 zeigen,
ein mit der Druckluftleitung 17 kommunizierendes Fenster 21 zur
Versorgung der Brennkammer 20 mit Druckluft (2),
eine Durchführung 22 zur
Treibstoffeinspritzung (1), eine Zündkerze 23, einen
Anschluss in Form eines Fensters 24 zur Ableitung der Auspuffgase
und Anschlüsse
in Form von Fenstern 25 zur Durchleitung von spülender und
kühlender
Frischluft. Die Fenster 25 sind in den Seitenwänden 10 und
in der Außenwand 13 gebildet
und erlauben eine effektive Durchspülung. Die Abmessungen und Abstände dieser
Fenstern und Teile sind auf die umfangsmäßige Länge der Brennkammer 20 und
der Arbeitsspielstrecke 5 abgestimmt. Das Fenster 21 soll
möglichst lang
sein, damit der hohe Druck in der Bremskammer, der sich über die
Spalte zwischen den Teilen abbaut, bis zum Zündzeitpunkt möglichst
vollständig
erhalten bleibt. Zwischen dem Fenster 21 zur Versorgung
mit Druckluft und der Zündkerze 23 liegt
ein Korridor, dessen Länge
die – hinsichtlich
des Rotors und Stators – umfangsmäßige Abmessung
des Umlaufkolbens 4 übertrifft,
zwischen der Durchführung 22 zur
Treibstoffeinspritzung und der Zündkerze 23 liegt
eine Winkelstrecke, die kürzer
als die Brennkammer 20 und somit als die Umfangsabmessung des
Umlaufkolbens 4 ist – in
der dargestellten Ausführung
haben sie die gleiche Winkellage –, das Fenster 24 zur
Ableitung der Auspuffgase hat eine Ausdehnung in der Größenordnung
der Brennkammer 20 und die Fenster 25 zur Durchleitung
von spülender
und kühlender
Frischluft haben in Umfangsrichtung eine Ausdehnung in der Größenordnung
des Zwischenraums zwischen zwei Umlaufkolben 4 im Umfangsbereich
oder größer. Bei
der dargestellten Ausführungsform
sind das Fenster 21 und die Durchführung 22 in einer
der Seitenwände 11 gebildet,
die Zündkerze
ist in der Außenwand 13 eingeschraubt, das
Fenster 24 ist ebenfalls in der Außenwand 13 gebildet
und die Fenster 25 befinden sich gegenüberliegend in den beiderseitigen
Seitenwänden 11,
so dass die Luft an diesen Stellen in Axialrichtung durch den Stator
hindurchtreten kann. Die Fenster 25 sind auch länger als
die Brennkammer 20 und bewirken somit eine Durchspülung und
Kühlung
der Umlaufkolben 4 und der zwischen den Umlaufkolben 4 liegenden Rotorteile,
die in diesem Bereich seitlich offen sind. Die Luft zur Durchspülung und
Kühlung
kommt von dem in den 7 und 8 dargestellten
Verdichter 18, dessen Verdichtungsgrad aber niedriger sein kann
als der des Verdichters 16, oder kann auch von diesem geliefert
werden. In der dargestellten Form ist der Verdichter 18 ein
auf der Welle 2 sitzender Lüfter, der dir Spül- und Kühlluft durch
das System drückt.
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Vom
Bereich des Fensters 21 zweigt eine zweite Druckluftleitung 26 ab,
die zu einem an das Fenster 24 für die Abgase anschließenden Nachverbrennungsraum 27 führt. Jedem
Umlaufkolben 4 ist in der Ausführungsform von 5 eine
später
genauer beschriebene Ausfallsicherheitseinheit 28 zugeordnet.
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Das
Ringgehäuse
des Stators mit den beiden Seitenwänden 11 und der Außenwand 13 ist
bei der aus den 7 und 8 ersichtlichen
Ausführung
nach Art einer Schüssel
mit Deckel ausgeführt, indem
die in der Zeichnung rechts dargestellte Seitenwand 11 mit
der Außenwand 13 die "Schüssel" und die links dargestellte
Seitenwand 11 den "Deckel" bilden, die über radiale
Flansche zusammengeschraubt sind. Der Einbau des Rotors 1 ist
also nicht problematisch.
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Die
Zahl der sechs Umlaufkolben in der bisherigen Beschreibung ist nur
beispielhaft, 9 zeigt eine Brennkraftmaschine
mit fünf
Umlaufkolben um den Wellenumfang. Die Betriebsweise dieser Maschine
ist ähnlich
der mit sechs Kolben, jedoch ist aufgrund der ungeraden Kolbenzahl
und damit der generell ungleichen Zündzeitpunkte an den gegenüberliegenden
Zündkerzen 23 der
Lauf insgesamt noch ruhiger, da zu einer Zeit jeweils nur ein einziger Umlaufkolben
zündet,
in der dargestellten Phase der in der Figur rechts befindliche.
Die Ausführung
gemäß 9 unterscheidet
sich außerdem
dadurch von derjenigen nach den 1 bis 6,
dass im Rahmen einer einfacheren Ausführung die Ausfallsicherheitseinheiten 28 weggelassen
sind.
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Die
Konstruktion der einzelnen Umlaufkolben 4, die zwischen
den Seitenwänden 10 des
Rotors 1 eingebaut sind, kann insbesondere den 10 und 11 entnommen
werden. Ein starr mit den Rotorseitenwänden 10 verbundenes
Kolbengehäuse 29,
das je nach der Form der Brennkammer 10 zylindrisch, quaderförmig oder
mit einer sonstigen Umfangsform ausgebildet ist, weist an seiner
der Außenwand 13 des
Stators 3 zugewandten und der Drehrichtung nachlaufenden
Seite eine Wandverlängerung 30 auf
(1 bis 6), die die Brennkammer 20 an
ihrer Rückseite
begrenzt. Im Kolbengehäuse 29 ist
gleitfähig
ein Innenkolben 31 angeordnet. Der Innenkolben 31 schließt mit einem
Kolbenboden 32 die Brennkammer 10 gegen die Innenflächen des Ringgehäuses des
Stators 3 ab. Der Innenkolben besteht aus zwei Kolbenelementen,
die im folgenden in Anlehnung an die Darstellung in den 10 und 11 als "Oberkolben" 33 und "Unterkolben" 34 bezeichnet
sind, koaxial hintereinander angeordnet sind und durch eine Kolbenstange 35 miteinander verbunden
sind. Der Oberkolben 33 in seinem inneren, gegenüber dem
Kolbenboden verjüngten
Teil und der Unterkolben 34 haben gleiche Querschnittsflächen und
bei der beschriebenen Ausführungsform auch
gleiche Querschnittsform. Sie sind durch – bei der dargestellten Ausführung – zwei Druck-Schraubenfedern 36 und 37 nach
außen
in Richtung zur Brennkammer 20 gedrückt, wobei sich die Federn 36 und 37 innen
an einem kolbengehäusefesten
Zwischenring 40 bzw. an einem inneren Gehäusedeckel 41 abstützen. Die
Zweizahl der Federn 36 und 37 hat nur Gründe der
leichteren Gestaltung, um die gewünschte Höhe der gesamten Federsteifigkeit
im zur Verfügung
stehenden Raum zu erzielen. Anstelle von einzelnen koaxialen Schraubendruckfedern
kommen als Rückstellkonstruktionen
natürlich
auch andere elastische Energiespeicher in Frage, beispielsweise Kränze von
parallelen Schraubendruckfedern kleineren Durchmessers oder auch,
wenn die sonstigen Voraussetzungen dafür gegeben sind, z.B. pneumatische
Gasfedern. Die Federkraft der Federn 36 und 37 ist
so bemessen, dass sie als Rückstellfedern
eine Rückstellung
des Innenkolbens 31 bewirken, aber nicht die gesamte Antriebskraft
der Explosion in der Brennkammer aufzehren. An den Außenseiten
des Oberkolbens 33 und des Unterkolbens 34 sitzen Ölabstreifringe 38 bzw. 39.
Die Kolbenstange 35 verbindet nicht nur die beiden Kolbenelemente 33 und 34,
sondern steht auch über
den Unterkolben 34 nach innen (in der Figur unten) vor
und durchsetzt den Gehäusedeckel 41;
an ihrem inneren Ende sitzen Mutter 42 zum Einstellen der
Federkraft und Tellerfedern 43 als Sicherheitsanschlag.
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Der
Oberkolben 33 ist unterhalb des Kolbenbodens 32 verjüngt, dort
befindet sich ein Raum 47 zur Kühlung des Innenkolbens. Der
verjüngte
Kolbenteil trägt
dort Kühlrippen 48,
und das Kolbengehäuse
weist Fenster 49 auf, durch die ein Kühlluftstrom fließen kann.
Weiterhin läuft
der verjüngte
Kolbenteil abgedichtet in einer äußeren Führungsbuchse 50 und
der Unterkolben 34 in einer inneren Führungsbuchse 51, wobei
sich die Worte "äußere" und "innere" auf die Drehung
der Welle 2 und des Rotors 1 beziehen. Zwischen
den Führungsbuchsen 50 und 51 liegen
im Kolbengehäuse 29 zwei ölgefüllte Volumina 55 und 56,
die durch den Zwischenring 40 voneinander getrennt sind,
jedoch über
Verbindungskanäle 57 miteinander
verbunden werden können. Wenn
der Unterkolben 34 am Zwischenring 40 anliegt,
verschließt
er die Verbindungskanäle 57,
wenn er entgegen der Federkraft vom Zwischenring 40 abhebt,
sind die Volumina strömungsmäßig gedrosselt verbunden.
Die Ölabstreifringe 38 und 39 zwi schen dem
Oberkolben 33 und der äußeren Führungsbuchse 50 bzw.
zwischen dem Unterkolben 34 und der inneren Führungsbuchse 51 dichten
die Gesamtheit der ölgefüllten Volumina 55 und 56 nach
außen
hin ab. An das Volumen 55 schließt sich ein Entlüftungsventil 58 an.
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Der
Zwischenring 40, der leicht außermittig zwischen den Führungsbuchsen 50 und 51 im
Kolbengehäuse 29 liegt,
hat eine mehrfache Funktion: Er trennt die Volumina 55 und 56 unter
Belassung der Verbindungskanäle 57;
er dient der Druckfeder 36, die von innen auf den Oberkolben 33 drückt, als
Gegen-Abstützung;
er stellt für
den Unterkolben 34 den äußeren Anschlag
dar, an den er durch die Druckfedern 36 und 37 gedrückt wird;
und er dämpft
den Aufschlag des Unterkolbens 34 bei dessen Bewegung von
innen nach außen
durch eine von ihm gegen den Unterkolben 34 zu abstehende
Ringrippe 60, der im Unterkolben eine komplementäre Ringnut 61 gegenüberliegt.
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Die
beschriebene Brennkraftmaschine arbeitet folgendermaßen, wobei
unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 zunächst nur
auf die Vorgänge bei
einem einzigen der Umlaufkolben 4, nämlich der Kolben A, eingegangen
wird.
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Der
Rotor dreht sich in einer durch einen Drehrichtungspfeil 70 angegebenen
Richtung. In 1 ist die Brennkammer 20 des
Kolbens A noch drucklos, aber bereits geschlossen. Gemäß 2 läuft sie
am Fenster 21 für
die Druckluftzufuhr entlang und wird dadurch aufgeladen. Der Zustand
des Umlaufkolbens 4 ist der von 10. In 3 besteht
die Verbindung zur Druckluft noch weiter. 4 zeigt
die Druckkammer 20 des Kolbens A dann vom Fenster 21 getrennt
und im Bereich der Treibstoffdurchführung 22 und der Zündkerze 23 befindlich,
wobei der niedergedrückte
Zustand des Innenkolbens 31 die schon erfolgte Zündung anzeigt.
Nach dem Aufladen der Brennkammer 20 mit Druckluft folgte
also der Moment der Entzündung
des Treibstoffgemischs, und nach dem Zündvorgang wurde der Innenkolben 31 aufgrund
des Drucks auf den Kolbenboden 32 nach unten bewegt, wie 11 veranschaulicht.
Das Öl des
oberen Ölvolumens 55 wird
dabei durch die engen Verbindungskanäle 57 in die Kammer
des unteren Ölvolumens 56 gepresst
und die Druckfedern 36 und 37 werden zusam mengedrückt. Die
Kraft aufgrund des Gasdrucks der Treibstoff-Luft-Explosion wird
vom Kolbenboden 32 über
den Widerstand der Federn 36 und 37 und das Pressen
des Öls
durch die Kanäle 57 sowie
den weiterhin wirkenden Schub in eine Bewegung des Rotors in Drehrichtung
umgewandelt. Nach diesem Arbeitsgang gerät die Brennkammer 20 des
Kolbens A in den Bereich des Abgasfensters 24, wie 5 zeigt,
und die Federn 36 und 37 drücken den Innenkolben 31 wieder
zurück
nach außen,
wenn der Druck in der Brennkammer 20 nachlässt. Ein
zu harter Schlag bei Auftreffen des Unterkolbens 43 auf
den Zwischenring 40 wird einerseits durch den Widerstand,
der dem Rückfluss
des Öls
durch die Kanäle 57 entgegenwirkt,
und andererseits kurz vor dem Nullpunkt durch das Eindringen der
Ringrippe 60 in die ölgefüllte Ringnut 61 vermieden.
Da der Rotor 1, das Kolbengehäuse 29 und der Kolbenboden 31 keine
Dichtungen tragen und mit einem kleinstmöglichen Spiel arbeiten, werden
bei diesen Innenkolbenbewegungen und bei der Rotordrehung Reibung
und Verschleiß minimiert.
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Mehr
im einzelnen und unter Betrachtung aller sechs Umlaufkolben 4,
die mit den Buchstaben A, B, C, D, E und F bezeichnet sind, werden
unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 die im
Rahmen der Drehung des Rotors 1 auftretenden Arbeitsphasen
oder Takte angegeben. Zunächst
sind zum Vorbereiten der Zündung
die Brennkammern 20 der Kolben A und D mit Luft hohen Drucks
aufgeladen worden und nun wird gemäß der in 4 dargestellten Phase
durch eine (nicht dargestellte) Steuerung die Einspritzung des Treibstoffs
in die Brennkammern 20 und dann, für A und D gleichzeitig oder
zeitlich etwas versetzt, die Zündung
des Treibstoff-Luft-Gemischs mit
Hilfe der Zündkerzen 23 verursacht,
woraufhin die Kolben A und D den "Korridor" verlassen und sich dem Fenster 24 für den Auspuff
nähern,
während sich
die Kolben C und F im Kühl-
und Durchblasabschnitt befinden. In der in 5 dargestellten
Phase haben also die Kolben A und D Verbindung zum Auspuff-Fenster 24;
der Druck in den beiden Brennkammern 20 bricht zusammen
und die Innenkolben 31 des Umlaufkolbens 4 kehren
in ihre Nullstellung zurück.
Es folgt eine in 6 gezeigte Phase, in der diese
Kolben sich in Verbindung mit dem jeweiligen Fenster 25 im
Kühl- und
Luftspülabschnitt
befinden, während
die Brennkammern der Kolben B und E Verbindung zum Fenster 21 bekommen,
indem der vorlaufende Rand des Kolbenbodens 31 das Fenster 21 freigibt,
und mit Druckluft aufgeladen werden, und die Kolben C und F in den
Zündbereich
kommen. Die Druckluft wird außerdem,
und zwar zunächst überwiegend,
durch die zweite Druckluftleitung 26 zum Nachverbrennungsraum 27 geleitet,
um diesen mit Sauerstoff für
die Nachverbrennung unverbrannt gebliebener Treibstoffreste zu versorgen,
und bei der weiteren Drehung des Rotors wird die zu dieser Leitung 26 führende Öffnung wieder
geschlossen und es füllt
sich die Brennkammer 20 mit Druckluft. 6 veranschaulicht
dann auch die Kühlung
und Luftspülung
der Kolben A und D, und 2 die Auspuffverbindung der
Kolben B und E und den Zustand der Kolben A und D, in dem sie die
jeweilige zweite Druckluftleitung 26 geöffnet haben und Nachverbrennungsluft
zum Nachverbrennungsraum 27 fließen lassen. Solange die Fenster 25 für die Spül- und Kühlluft frei
sind, werden die Umlaufkolben gekühlt, während in ihrem jeweiligen Außenbereich
die Brennkammer 20 drucklos weitergleitet, bis sie an das
nächste
Fenster 21 gelangt. Innerhalb der Umlaufkolben 4 schließen sich
die beschriebenen Vorgänge
erneut an. Die Rotoren 1 und mit ihnen die Brennkammern 20 drehen
sich weiter.
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Wenn
der Rotor nun den Durchlauf durch die beschriebene Arbeitsspielstrecke 5 beendet,
kommt die Brennkammer des Kolbens A in den gegenüber 1 um 180° versetzten
Zündbereich
der nächsten Arbeitsspielstrecke 5 (nicht
separat dargestellt) und gelangt weiter in den Zündbereich und dann in den Zustand,
in dem A sich am Auspuff-Fenster 24 der zweiten Arbeitsspielstrecke
befindet und in seinem Nachverbrennungsraum 27 von B freigegebene Nachverbrennungsluft
erhält,
C sich im Kühl-
und Luftspülabschnitt
befindet, D das Fenster 21 für die Druckluft verlässt und
in den Treibstoff- und Zündbereich
gerät und
E den Kühl- und Luftspülabschnitt
zu verlassen beginnt und in den Korridor eintritt.
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Jeder
der Brennkammern 20 wird bei der dargestellten Ausführung im
wesentlichen von drei Flächen
begrenzt, nämlich
von den Wanden 11 und 13 des Statorgehäuses, vom
Kolbenboden 32 und von der Wandverlängerung 30. Soweit
der Explosionsdruck auf die Fläche
des Kolbenbodens 32 wirkt, handelt es sich um die positive
Druckkomponente. Soweit er auf die Wandverlängerung 30 wirkt,
ist es eine negative Komponente, da sie entgegen der Drehrichtung
wirkt; diese negative Komponente muss von der positiven Komponente
abgezogen wer den. Der Druck auf die Außenwand 13 des Statorgehäuses stellt
den Gegendruck zur Bewirkung der Kolbenbewegung dar. Die Höhe der negativen
Komponente ist abhängig
von der allgemeinen Dimensionierung der Maschinenelemente und von
der Neigung der Umlaufkolben zum Radius des Rotors und Stators,
durch die Gestaltung der Brennkammer 20 und des Kolbenbodens 32 können die
Betriebsbedingungen optimiert werden. Beispielsweise ist bei einem viereckigen
Kolbenboden, im Vergleich zu einem runden Kolbenboden, eine Vergrößerung der
vom Explosionsdruck beaufschlagten Fläche um über 20% möglich, ohne dass die Negativseite
größer wird.
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Die
Steuerung der Treibstoffeinspritzung und der Zündung zu den jeweils optimalen
Zeitpunkten in Abhängigkeit
von der Drehphase des Rotors ist nicht im einzelnen dargestellt
und beschrieben, da es sich hier um an sich bekannte Techniken handelt.
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In
den 1 bis 6 sind an den einzelnen Umlaufkolben 4 die
Ausfallsicherheitseinheiten 28, die einen über eine
Leitung 63 mit einem Rückschlagventil 64 an
den Umlaufkolben 4 angeschlossenen kleinen Öltank 65 enthalten,
dargestellt. Die Einheiten 28 mit dem Öltank 65 dienen der
Sicherheit vor einem Ölverlust
in den ölgefüllten Volumina 55 und 56.
Ausführungen
dieser Ausfallsicherheitseinheiten sind in den 12 und 13 gezeigt.
Nach 12 umfasst die Einheit 28 eine Kontakthalterung 71,
Kontakte 72 und 73 für ein Signal zur Abschaltung
der Treibstoffzufuhr bei Ölverlust,
einen Kolbenschaft 74, eine Kolbenführungsbuchse 75, einen
Gehäusedeckel 76,
ein Gehäuse 77,
eine Druckfeder 78, einen Kolben 79 ausreichender
Masse, um bei der Rotation seine Zentrifugalkraft ausnützen zu
können,
ein Entlüftungsventil 80,
ein Befüllungsventil 81, eine
Kolbenmanschette 82, eine Befestigung 83 für die Kolbenmanschette,
und das Strömungsmedium, nämlich beim
beschriebenen Beispiel Hydrauliköl 84 im
Tank 65. Die Ausfallsicherheitseinheit ist ein Öldruckerzeuger,
der bei Ölmangel
das beschriebene Signal abgibt. Die Arbeitsweise ist aus der Zeichnung zu
entnehmen: Der Ölvorrat
im Tank 65 hält über das Rückschlagventil 85 die Ölvolumina 55 und 56 des zugeordneten
Umlaufkolbens 4 gefüllt,
wobei die Druckfeder 78 und die Fliehkraft des Kolbens 79 diesen
bei Ölverbrauch
allmählich
nach außen
schieben. Durch den Öldruck
wird der Kolben 79 im Regelfall entgegen der Kraft der
Druckfeder 78 umdrehungsmäßig nach innen, also in der
Zeichnung nach unten geschoben gehalten, so dass die Kontakte 72 und 73 nicht
in Berührung
kommen. Bei Ölmangel schieben
die Druckfeder 78 und die Fliehkraft den Kolben 79 nach
außen/oben,
bis schließlich
aufgrund der Auswärtsbewegung
des Kolbenschafts 74 die Kontakte 72 und 73 schließen und
die Sicherheitsmaßnahmen
eingeleitet werden.
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Nachteil
der Konstruktion von 12 ist die Notwendigkeit, im
Rotor elektrische Spannung bereitzuhalten, beispielsweise mit Hilfe
von Schleifringen. 13 zeigt in vergleichbarer Darstellung
eine Ausfallsicherheitseinheit, die einen "stromfreien" Rotor ermöglicht, indem das Ölmangelsignal
magnetisch zum Stator übermittelt
wird. Die Grundkonstruktion gleicht der von 12, jedoch
trägt der
Kolben 79 auf der dem Kolbenschaft 74 gegenüberliegenden Seite
eine weitere Kolbenstange 87, die durch einen Dichtring 88 gegen
den Vorratsraum des Hydrauliköls
abgedichtet ist und an ihrem Ende einen Magnetkopf 89 trägt, der
mit Hilfe eines Dauermagneten ein magnetisches Feld nach außen, also
in der Zeichnung nach oben, abgibt. An Stellen, an denen die Ausfallsicherheitseinheiten
bei der Drehung des Rotors vorbeilaufen, befinden sich im Stator 3 Magnetfeldsensoren 90.
Bei Ölschwund
steigt die Kolbenstange 87 nach außen/oben und erregt den Magnetfeldsensor 90,
der ein Signal an die Steuerung abgibt, die für den betreffenden Umlaukolben
das Abschalten der Treibstoffeinspritzung veranlasst. Der Treibstoff,
der von einer Einspritzpumpe gefördert wird,
wird nun in einen Rücklauf
zum Tank geleitet.
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Bei
Maschinen mit mehreren Umlaufkolben wie z.B. fünf oder sechs Umlaufkolben
muss der Steuerung natürlich
die Information eingegeben werden, welchem Umlaufkolben, dem die
Treibstoffzufuhr gesperrt werden soll, das Ölmangel-Signal zuzuordnen ist.
Für eine
entsprechende Technik gibt es verschiedene Verwirklichungen, beispielsweise
können
entsprechend der Zahl der Kolben und der Ausfallsicherheitseinheiten
vorhandene Magnetfeldsensoren 9 im Ständer 3 in Übereinstimmung
mit den Magnetköpfen 89 axial
etwas versetzt sein, so dass jedem Magnetkopf ein eigener Sensor
zugeordnet ist; oder es gibt einen einzigen Magnetfeld sensor für alle Magnetköpfe 89,
die Steuerung greift aber auch laufend die Drehstellung des Rotors 1 ab
und setzt die beiderseitigen Signale in Beziehung zueinander; schließlich ist
es auch möglich,
dass die Magnetköpfe
an der Außenseite
jeweils unterschiedlich viele Magnetpole aufweisen, beispielsweise
der Magentkopf des ersten Umlaufkolbens einen und der des fünften Kolbens
fünf Pole,
und dass der Sensor 90 oder ein Teil der Steuerung eine
Auswertung entsprechend der Impulszahl des aufgefangenen Signals vornimmt.
Durch eine solche Unterscheidung kann die Steuerung selektiv den
Umlaufkolben leerlaufen lassen, der den Ölmangel angezeigt hat.
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Bei Ölmangel
als Folge eines Defekts wird über
das in diesem Fall vom Geber abgegebene Signal die Treibstoffzufuhr
zum betreffenden Umlaufkolben abgeschaltet, während die anderen Umlaufkolben
in ihren jeweiligen Zündphasen
nach wie vor mit Treibstoff versorgt werden. Der defekte Umlaufkolben
läuft also
leer mit, und zwar praktisch ohne Reibung und ohne Unwucht. Eine
Beschädigung
des Systems ist vermieden.
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Aufgrund
des reibungs- und unwuchtarmen Laufs, auch wenn der betreffende
Umlaufkolben abgeschaltet ist, kann auch zum Zweck eines Teillastlaufs
ein Umlaufkolben oder ein Teil der Umlaufkolben "stillgelegt" werden, indem bei ihrem Vorbeilauf keine
Treibstoffeinspritzung erfolgt, während die übrigen Umlaufkolben – mindestens
einer – unverändert weiterarbeiten.
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14 zeigt
einen Längsschnitt
etwa entsprechend 7, aber mit einer gewölbten Außenwand 91 des
Stators und entsprechend geformter Wandverlängerung 30 des Kolbengehäuses 29. Grundsätzlich kann
die Querschnittform der die Brennkammer außen umschließenden Rinne
vielfältig
abgewandelt werden und beispielsweise kreissegmentförmig-rund,
ellipsensegmentförmig-rund, rechteckig,
trapezförmig
oder auch irregulär
sein. Die Wahl der Form wird einerseits von den thermodynamischen
Konsequenzen und andererseits vom jeweiligen Herstellungsaufwand
abhängig
gemacht werden.
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In 15 ist
eine Brennkammer 93, die weitgehend im Außenkolben 33 versenkt
ist und in diesem, sofern er einen rechteckigen Grundriss hat, eine
Zylindersegmentform hat, dargestellt.
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Diese
Ausführungsvarianten
veranschaulichen die vielfältige
Abwandelbarkeit des erfindungsgemäßen Konzepts.