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Die
Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine, mit einem Gehäuse,
in dem ein erster und zumindest ein zweiter Kolben angeordnet sind,
die gemeinsam in dem Gehäuse um eine gehäusefeste Drehachse
umlaufen können, wobei die beiden Kolben in einem Kolbenkäfig
gleitend gelagert sind, der im Gehäuse konzentrisch zur
Drehachse angeordnet ist und gemeinsam mit den beiden Kolben um
die Drehachse umläuft, wobei die Kolben beim Umlaufen um
die Drehachse zueinander gegensinnige hin- und hergehende Bewegungen
ausführen, um eine von zueinander zugewandten Endflächen
der beiden Kolben und dem Kolbenkäfig begrenzte Arbeitskammer im
Volumen abwechselnd zu verkleinern und zu vergrößern,
wobei die Drehachse durch die Arbeitskammer verläuft, wobei
in dem Gehäuse zumindest eine Gaseinlassöffnung
zum Einlassen eines Gases in die Arbeitskammer vorhanden ist, und
wobei in dem Kolbenkäfig eine Öffnung vorhanden
ist, die in die Arbeitskammer mündet, und die bei jeder
Umdrehung des Kolbenkäfigs um die Drehachse die Gaseinlassöffnung
in einem ersten Umlaufwinkelbereich zumindest teilweise überlappt,
während der Kolbenkäfig in dem übrigen
Umlaufwinkelbereich die Gaseinlassöffnung verschließt.
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Eine
derartige Rotationskolbenmaschine ist aus
WO 2006/089576 A1 bekannt.
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Eine
Rotationskolbenmaschine gemäß der vorliegenden
Erfindung kann insbesondere als Brennkraftmaschine (Verbrennungsmotor),
aber auch als Pumpe oder als Kompressor verwendet werden. Eine Rotationskolbenmaschine
gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise
als Brennkraftmaschine verwendet und als solche in der vorliegenden
Beschreibung beschrieben.
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Im
Falle der Verwendung einer Rotationskolbenmaschine als Brennkraftmaschine
werden die einzelnen Arbeitstakte des Einlassens, Verdichtens, Zündens
des Verbrennungsgemisches und des Expandierens und Ausstoßens
des verbrannten Verbrennungsgemisches durch hin- und hergehende Bewegungen
zumindest zweier Kolben zwischen zwei Endstellungen vermittelt,
wobei die Bewegungen der Kolben aus deren Umlaufbewegung um die Drehachse
abgeleitet werden.
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Die
aus dem o. g. Dokument bekannte Rotationskolbenmaschine weist in
dem Gehäuse vier Kolben auf, die zusammen mit dem Kolbenkäfig
zwei entlang der Drehachse gegenüberliegend angeordnete
Arbeitskammern definieren, die den Stirnseiten des Gehäuses
zugewandt sind. In beiden Arbeitskammern finden jeweils die Takte
des Einlassens, Verdichtens, Expandierens und Ausstoßens
statt. Jeder der beiden Arbeitskammern der bekannten Rotationskolbenmaschine
ist eine Gaseinlassöffnung im Gehäuse zugeordnet.
Die jeweilige Gaseinlassöffnung befindet sich an einer
Position im Gehäuse, die von der Drehachse, die als gedachte
geometrische Achse etwa mittig durch die jeweilige Arbeitskammer verläuft,
so weit beabstandet ist, dass sie im Wesentlichen senkrecht zur
Drehachse des Kolbenkäfigs verläuft. Im Kolbenkäfig
ist jeweils eine im Wesentlichen radiale Öffnung vorhanden,
die in die jeweilige Arbeitskammer mündet, und die bei
jeder Umdrehung des Kolbenkäfigs um die Drehachse mit der
jeweiligen Gaseinlassöffnung in einem begrenzten Umlaufwinkelbereich
zumindest teilweise überlappt, so dass in diesem Umlaufwinkelbereich
ein Gas, insbesondere ein Brennstoff-Luft-Gemisch in die Arbeitskammer
eingelassen werden kann. In dem übrigen Umlaufwinkelbereich
des Kolbenkäfigs um die Drehachse verschließt
dieser die Gaseinlassöffnung dicht, so dass in die jeweilige
Arbeitskammer eingelassenes Brennstoff-Luft-Gemisch verdichtet,
gezündet und expandiert werden kann.
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Bekanntermaßen
ist die Leistung einer Brennkraftmaschine von der Drehzahl abhängig,
wobei die Drehzahl im Fall einer Rotationskolbenmaschine durch die
Umlaufgeschwindigkeit der Kolben bzw. des Kolbenkäfigs
um die Drehachse definiert ist. Es ist ebenso bekannt, dass durch
die Verstellung des Zündzeitpunktes und durch die Wahl
der Kraftstoffeinspritzung bei gegebener Drehzahl die Leistung der
Brennkraftmaschine optimiert werden kann.
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Bei
der bekannten Rotationskolbenmaschine können Zündzeitpunkt
und Kraftstoffeinspritzung durch eine entsprechende Steuerung oder
Regelung an die jeweilige Drehzahl zur Optimierung des Leistungsverhaltens
eingestellt werden.
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Nachteilig
an der bekannten Rotationskolbenmaschine ist es jedoch, dass die
zugeführte Frischluftmenge, die durch die jeweilige Gaseinlassöffnung
in die jeweilige Arbeitskammer eingelassen wird, nicht an die Leistungsanforderung
angepasst werden kann. Das Mischungsverhältnis aus Frischluft
(Verbrennungsluft) und Brennstoff ist bei geringer Leistungsanforderung
unter Umständen zu groß, d. h. das Verbrennungsgemisch
ist ggf. zu mager, so dass die Rotationskolbenmaschine bei geringen Drehzahlen
absterben kann. Bei hohen Leistungsanforderungen, bei denen in die
jeweilige Arbeitskammer viel Brennstoff zugeführt wird,
sollte das Mischungsverhältnis aus Frischluft und Brennstoff
groß sein, damit eine vollständige Verbren nung
des Brennstoffs in der Arbeitskammer beim Zünden und Expandieren
gewährleistet ist.
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Die
bekannte Rotationskolbenmaschine ist daher hinsichtlich ihres Wirkungsgrades
bzw. Leistungsverhaltens noch verbesserungsfähig.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotationskolbenmaschine
der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass ihr Wirkungsgrad
gegenüber der bekannten Rotationskolbenmaschine erhöht
ist.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe hinsichtlich der eingangs genannten Rotationskolbenmaschine
dadurch gelöst, dass zumindest ein Steuerelement vorhanden
ist, das lageverstellbar ist, um die Größe, den
Anfangswinkel und/oder den Endwinkel des ersten Umlaufwinkelbereichs
zu verändern.
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Die
erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine unterscheidet
sich von der bekannten Rotationskolbenmaschine somit dadurch, dass
der Frischgaseinlass in die Arbeitskammer an die jeweilige Leistungsanforderung
der Rotationskolbenmaschine angepasst werden kann. Dazu ist das
lageverstellbare Steuerelement vorgesehen, durch dessen Lageverstellung
bzw. -einstellung der zeitliche (winkelmäßige)
und querschnittsbezogene Frischgaseinlass in die Arbeitskammer optimal
an die jeweilige Leistungsanforderung eingestellt werden kann. Während bei
der bekannten Rotationskolbenmaschine der Überlappbereich
zwischen der Öffnung im Kolbenkäfig und der Gaseinlassöffnung
bei jeder Umdrehung des Kolbenkäfigs um die Drehachse zum
selben Zeitpunkt (bei der gleichen Winkelstellung des Kolbenkäfigs)
beginnt, stets einen gleichen Maximalüberlappbereich aufweist
und stets zum gleichen Zeitpunkt endet, kann mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen
Steuerelement der Anfangszeitpunkt des Überlappbereichs,
der Endzeitpunkt des Überlappbereichs und der maximale Überlappungsbereich
oder -querschnitt variiert werden. Einer geringeren Leistungsanforderung
kann beispielsweise durch früheres Schließen oder
späteres Öffnen der Gaseinlassöffnung
entsprochen werden, wodurch die Frischluftmenge reduziert wird,
so dass das Gemisch aus Frischluft und Kraftstoff nicht zu mager
wird. Bei einer höheren Leistungsanforderung wird das Steuerelement
demgegenüber so lageverstellt, dass die Gaseinlassöffnung
früher geöffnet und/oder später geschlossen
wird, um entsprechend dem höheren Brennstoffeinlass mehr
Frischluft in die Arbeitskammer zuzuführen, damit das Gemisch
nicht zu fett wird.
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Der
Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine
ist somit gegenüber der bekannten Rotationskolbenmaschine
vorteilhafterweise erhöht.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Steuerelement mit dem Gehäuse
verbunden und relativ zu diesem lageverstellbar.
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Diese
Maßnahme hat den Vorteil, dass das Steuerelement bis auf
seine Lageverstellbarkeit relativ zu dem Gehäuse ein ruhendes
Bauteil der Rotationskolbenmaschine darstellt und somit nicht mit
dem Kolbenkäfig umläuft. Durch Lageverstellung
des Steuerelements überdeckt das Steuerelement die im Gehäuse
vorhandene Gaseinlassöffnung teilweise am vorlaufenden
Umlaufwinkelende, am nachlaufenden Umlaufwinkelende oder an beiden
Enden, um die Größe, den Anfangswinkel und/oder
den Endwinkel des zuvor genannten ersten Umlaufwinkelbereichs zu
verändern. Es ist zwar im Rahmen der Erfindung auch denkbar,
das Steuerelement mit dem Kolbenkäfig zu verbinden und
durch Lageverstellung den Öffnungsquerschnitt der Öffnung
des Kolbenkäfigs zu verändern, jedoch hätte
dies den Nachteil, dass das Steuerelement dann ein mit dem Kolbenkäfig
rotierendes Bauteil darstellt, was den konstruktiven Aufwand ggf.
erhöhen würde.
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In
einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist die Gaseinlassöffnung
exzentrisch zur Drehachse an einer Stirnseite des Gehäuses
um die Öffnung des Kolbenkäfigs an einer vollflächigen
Stirnseite des Kolbenkäfigs angeordnet, und das Steuerelement
ist zwischen der Stirnseite des Gehäuses und der Stirnseite
des Kolbenkäfigs angeordnet.
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Bei
dieser Ausgestaltung ist die Gaseinlassöffnung im Unterschied
zur bekannten Rotationskolbenmaschine nun nicht mehr in einem Gehäusebereich
angeordnet, der einen großen Abstand von der Drehachse
aufweist, sondern an der Stirnseite des Gehäuses in unmittelbarer
Zuordnung zu der auf der Drehachse liegenden Arbeitskammer. Die
an der vollflächigen Stirnseite des Kolbenkäfigs
vorgesehene Öffnung läuft beim Rotieren des Kolbenkäfigs
an der Innenseite der Stirnseite, die beispielsweise als Gehäusedeckel
ausgebildet ist, entlang und öffnet in dem ersten Umlaufwinkelbereich,
der durch das Steuerelement wie oben beschrieben variierbar ist, die
Gaseinlassöffnung. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung
besteht darin, dass das Steuerelement bei dieser Ausgestaltung als
scheibenförmiges Element ausgebildet werden kann, das in
Sandwichanordnung zwischen der Stirnseite des Gehäuses
und der Stirnseite des Kolbenkäfigs in konstruktiv einfacher
Weise montiert werden kann.
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Dabei
ist weiterhin bevorzugt, wenn das Steuerelement zur Lageverstellung
um die Drehachse in einem begrenzten Winkelbereich drehbar ist.
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In
dieser Ausgestaltung ist das Steuerelement in der Art eines Drehschiebers
ausgebildet, der in konstruktiv vorteilhaft einfacher Weise konzentrisch
zur Drehachse an der Innenseite der Stirnseite des Gehäuses
gelagert werden kann. Das Steuerelement muss sich dabei nicht vollumfänglich
um die Drehachse erstrecken, sondern kann umfänglich begrenzt
sein, und durch Verdrehen des Steuerelements um die Drehachse wird
dann die Gaseinlassöffnung in der Stirnseite des Gehäuses
mehr oder weniger verdeckt oder vollständig freigegeben.
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Es
versteht sich ebenso, dass das Steuerelement im Sinne der vorliegenden
Erfindung aus mehreren Teilen oder aus Segmenten bestehen kann,
die beispielsweise in Umlaufrichtung gesehen an beiden Enden der
Gaseinlassöffnung angeordnet und zusammen oder einzeln
in eine Lage gebracht werden können, in der sie die Gaseinlassöffnung
teilweise verdecken.
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Bevorzugt
ist es jedoch, wenn das Steuerelement als vollflächige
Scheibe ausgebildet ist, die zumindest eine Öffnung aufweist,
deren Überlappbereich mit der Gaseinlassöffnung
durch Lageverstellung des Steuerelements variierbar ist.
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Die
Ausgestaltung des Steuerelements als vollflächige Scheibe
hat den Vorteil hat, dass sie zwischen der Stirnseite des Gehäuses
und der Stirnseite des Kolbenkäfigs mit axial wirkenden
Ringdichtungen angeordnet werden kann. Außerdem haat diese Ausgestaltung
den Vorteil, dass das Steuerelement einteilig und damit konstruktiv
einfach ausgebildet werden kann, um sowohl den Anfangswinkel und
den Endwinkel des ersten Umlaufwinkelbereichs und auch die Größe
des ersten Umlaufwinkelbereichs variieren zu können. Wird
das Steuerelement in dieser Ausgestaltung in einer ersten Richtung
lageverstellt, kann beispielsweise der Anfangswinkel des ersten Umlaufwinkelbereichs
verändert werden, und wenn das Steuerelement in der entgegengesetzten
Richtung lageverstellt wird, kann der Endwinkel des ersten Umlaufwinkelbereichs
verändert werden.
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In
einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist an der Stirnseite des
Gehäuses weiterhin eine Gaseinlassöffnung zum
Auslassen eines Gases aus der Arbeitskammer angeordnet, wobei die Öffnung
in der Stirnseite des Kolbenkäfigs beim Umlaufen um die Drehachse
bei jeder Umdrehung des Kolbenkäfigs um die Drehachse die
Gaseinlassöffnung in einem zweiten Umlaufwinkelbereich,
der von dem ersten Umlaufwinkelbereich verschieden ist, zumindest
teilweise überlappt, während der Kolbenkäfig
in dem dazu übrigen Umlaufwinkelbereich die Gaseinlassöffnung
verschließt.
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Bei
dieser Ausgestaltung sind demnach zwei Gaseinlassöffnungen
in der Stirnseite des Gehäuses vorgesehen, von denen die
eine zum Einlassen von Frischluft und die andere zum Auslassen von
verbranntem Brennstoff-Luft-Gemisch dient. Der Kolbenkäfig
benötigt demgegenüber nur die bereits erwähnte
eine Öffnung, die abwechselnd und nacheinander an der Gaseinlassöffnung
und an der Gasauslassöffnung vorbeiläuft. Während
die eine der beiden Gaswechselöffnungen im Gehäuse
geöffnet ist, ist die andere durch die Stirnseite des Kolbenkäfigs dicht
geschlossen. Insgesamt hat diese Ausgestaltung den Vorteil, dass
das Einlassen von Frischluft in die Arbeits kammer und das Auslassen
des verbrannten Gemisches aus der Arbeitskammer auf konstruktiv
einfache Weise gesteuert werden kann.
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Dabei
ist es weiterhin bevorzugt, wenn durch das Steuerelement durch Lageverstellung
desselben die Größe, der Anfangswinkel und/oder
der Endwinkel des zweiten Umlaufwinkelbereichs veränderbar ist.
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Hierbei
ist von Vorteil, dass der Gasauslassquerschnitt der Gasauslassöffnung
entsprechend an den Gaseinlassquerschnitt der Gaseinlassöffnung angepasst
werden kann. Wird beispielsweise die Gaseinlassöffnung
hinsichtlich ihres Gaseinlassquerschnittes verkleinert, entsteht
bei der Verbrennung auch weniger Abgas, so dass es im gleichen Maße günstig
ist, auch den Gasauslassquerschnitt zu verkleinern. In der vorgenannten
Ausgestaltung wird vorteilhafterweise die Steuerung des Gaseinlassquerschnittes
und des Gasauslassquerschnittes durch ein einziges, vorzugweise
einteiliges, Steuerelement realisiert, was den konstruktiven Aufwand
bei gleichzeitig weiter verbessertem Wirkungsgrad der Rotationskolbenmaschine
gering hält.
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In
diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn das Steuerelement eine
zweite Öffnung aufweist, deren Überlappbereich
mit der Gasauslassöffnung durch Lageverstellung des Steuerelements
veränderbar ist.
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In
dieser Ausgestaltung wird vorteilhafterweise gewährleistet,
dass die Veränderung des Gasauslassquerschnittes mit der
Veränderung des Gaseinlassquerschnittes auf konstruktiv
einfache Weise synchronisiert ist.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist dem Steuerelement ein
doppelseitig wirkender Stellantrieb zur Lageverstellung des Steuerelements zugeordnet.
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Als
doppelseitig wirkender Stellantrieb kann beispielsweise ein elektrischer
Antrieb mit einem Linearmotor verwendet werden, der im Falle, dass
das Steuerelement als Drehschieber ausgebildet ist, über einen
Hebelmechanismus auf das Steuerelement wirkt. Es kann jedoch ebenso
vorgesehen sein, dass der doppelseitig wirkende Stellantrieb mittels
eines mit der Abtriebswelle der Rotationskolbenmaschine in Verbindung
stehenden Getriebes direkt, insbesondere drehzahlabhängig,
das Steuerelement hin- und herbewegt.
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Vorzugsweise
verstellt der Stellantrieb des Steuerelements in Abhängigkeit
der Drehzahl der Umlaufbewegung der Kolben in seiner Lage.
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Hierdurch
wird vorteilhafterweise eine leistungsabhängige Steuerung
des Gaseinlasses und vorzugsweise auch des Gasauslasses realisiert,
so dass die Rotationskolbenmaschine im Gesamten oder zumindest einem
großen Drehzahlbereich einen optimalen Wirkungsgrad besitzt.
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Weitere
Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
und der beigefügten Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch
zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen
Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung
verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird mit Bezug auf diese hiernach näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Gesamtdarstellung einer Rotationskolbenmaschine;
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2 eine
perspektivische Darstellung der Rotationskolbenmaschine in 1 im
Längsschnitt entlang einer vertikalen Längsmittelebene;
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3 eine
perspektivische Ansicht von außen auf eine Anordnung von
Bauteilen der Rotationskolbenmaschine in 1 in auseinandergezogener Darstellung;
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4 eine
perspektivische Ansicht von innen auf die Anordnung in 3,
wobei 4 gegenüber 3 eine weitere
Einzelheit zeigt;
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5 eine
Längsschnittdarstellung eines Details der Rotationskolbenmaschine
in 1 und 2 in gegenüber 1 und 2 vergrößertem Maßstab,
wobei die Schnittebene von der Schnittebene in 2 unterschiedlich
ist;
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6 eine
perspektivische Darstellung eines Steuerelements zur Steuerung des
Gaswechsels der Rotationskolbenmaschine in 1 mit Stellantrieb
in Alleinstellung;
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7 eine
Innenansicht auf das Steuerelement und die Stirnseite des Gehäuses
der Rotationskolbenmaschine in 1, wobei
das Steuerelement in einer ersten Betriebsstellung gezeigt ist;
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8 eine
Innenansicht auf das Steuerelement und die Stirnseite des Gehäuses
der Rotationskolbenmaschine in 1, wobei
das Steuerelement in einer zweiten Betriebsstellung gezeigt ist;
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9 eine
Innenansicht auf das Steuerelement und die Stirnseite des Gehäuses
der Rotationskolbenmaschine in 1, wobei
das Steuerelement in einer dritten Betriebsstellung gezeigt ist.
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In 1 und 2 ist
eine mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehene Rotationskolbenmaschine
dargestellt. Weitere Einzelheiten der Rotationskolbenmaschine 10 sind
in den 3 bis 9 gezeigt.
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Die
Rotationskolbenmaschine 10 ist allgemein als Brennkraftmaschine
ausgelegt, wobei sie in der Verwendung als Brennkraftmaschine insbesondere
zum Betrieb mit einem Ottokraftstoff oder Gas ausgelegt ist.
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Die
Rotationskolbenmaschine 10 weist allgemein die Form eines
Kugelmotors mit einem innenseitig im Wesentlichen kugelförmigen
Gehäuse 12 auf. In 1 ist das
Gehäuse 12 geschlossen dargestellt, während 2 entsprechend
der dortigen Schnittdarstellung den Innenraum des Gehäuses 12 näher
darstellt.
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Das
Gehäuse 12 ist mehrteilig aufgebaut und weist
ein erstes Gehäusehauptteil 14, ein zweites Gehäusehauptteil 16,
eine erste Stirnseite 18 und eine zweite Stirnseite 20 auf.
Die Stirnseiten 18 und 20 sind als Gehäusedeckel
ausgebildet, die mit den Gehäusehauptteilen 14 und 16 verbunden
und von diesen abnehmbar sind. Die Gehäusehauptteile 14 und 16 sind
ebenfalls voneinander abnehmbar ausgebildet.
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Gemäß 2 sind
in dem Gehäuse 12 vier Kolben angeordnet, von
denen in 2 nur drei Kolben 22, 24 und 26 zu
sehen sind. Der vierte Kolben liegt dem Kolben 26 vor der
Zeichenebene der 2 gegenüber.
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Die
Kolben
22,
24 und
26 sowie der nicht
gezeigte vierte Kolben laufen in dem Gehäuse
12 um eine
gehäusefeste Drehachse
28 gemeinsam um. Die Kolben
22 und
24 sind
in Bezug auf die Drehachse
28 gegenüber dem Kolben
26 und
dem vierten Kolben, um 90° versetzt in dem Gehäuse
12 angeordnet,
wobei der dritte Kolben
26 und der vierte Kolben jedoch
auch in der gleichen Ebene wie die Kolben
22 und
24 angeordnet
sein können, wie dies in dem Dokument
WO 2006/089576 A1 dargestellt
und beschrieben ist, wobei auf dieses Dokument zu einer näheren
Beschreibung verwiesen wird.
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Die
Kolben 22, 24, 26 und der nicht gezeigte vierte
Kolben sind in einem Kolbenkäfig 30 gleitend gelagert,
wobei eine axiale Hälfte des Kolbenkäfigs 30 in 3 und 4 dargestellt
ist. Der Kolbenkäfig 30 läuft zusammen
mit den Kolben 22, 24, 26 und dem vierten
Kolben in dem Gehäuse 12 um die Drehachse 28 um.
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In
dem Kolbenkäfig 30 führen die Kolben 22, 24, 26 und
der vierte Kolben beim Umlaufen um die Drehachse 28 hin-
und hergehende Bewegungen aus. Der Kolbenkäfig 30 weist
zur gleitenden Lagerung für die hin- und hergehenden Bewegungen
der Kolben 22, 24, 26 und dem vierten
Kolben vier Mulden 32 (Kolben 22), 34 (Kolben 26), 36 (Kolben 24) und 38 (vierter
Kolben) auf, wobei in 4 die entsprechenden Mulden 32 bis 38 ohne
die zugehörigen Kolben 22, 24, 26 und
ohne den vierten Kolben dargestellt sind.
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Um
die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben 22, 24, 26 und
des vierten Kolbens aus der Umlaufbewegung derselben um die Drehachse 28 abzuleiten,
ist den Kolben 22, 24, 26 und dem vierten
Kolben jeweils zumindest ein Lauforgan zugeordnet, wobei die Lauforgane
entlang entsprechender Steuerkurven, die innenseitig am Gehäuse 12 oder
an Steuerkurvenelementen ausgebildet sind, die mit dem Gehäuse 12 verbunden
sind, geführt sind.
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In
2 sind
Lauforgane
40 und
42 für die Kolben
22 und
24 dargestellt
sowie eine Steuerkurve
44, entlang der die Lauforgane
40 und
42 geführt sind.
Zur näheren Beschreibung einer möglichen Konturierung
der Steuerkurve
44 wird auf das oben genannte Dokument
WO 2006/089576 A1 verwiesen.
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Dem
dritten Kolben 26 und dem vierten Kolben sind entsprechende
in der Zeichnung nicht dargestellte Lauforgane und eine Steuerkurve
zugeordnet.
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Die
folgende Beschreibung bezieht sich vorrangig auf das Paar Kolben 22, 24,
wobei die Beschreibung in entsprechender Weise auch für
das Paar Kolben 26 und vierter Kolben zutrifft.
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Die
Kolben 22 und 24 führen beim Umlaufen um
die Drehachse 28 zueinander entgegengesetzt gerichtete
Schwenkbewegungen um eine gemeinsame Schwenkachse 46 aus.
Der dritte Kolben 26 und der vierte Kolben führen
dabei entsprechende Schwenkbewegungen um eine zur Schwenkachse 46 senkrechte
Schwenkachse aus.
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Der
Kolben 22 und der Kolben 24 weisen jeweils eine
Endfläche 48 (Kolben 22) bzw. 50 (Kolben 24)
auf, die einander zugewandt sind. Die Ausgestaltung der Endflächen 48 und 50 ist
identisch mit der Ausgestaltung einer Endfläche 52 des
Kolbens 26, die in 2 nahezu
in Draufsicht zu sehen ist.
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Zwischen
den Endflächen 48 und 50 und dem Kolbenkäfig 30 ist
eine Arbeitskammer 54 definiert bzw. begrenzt, in der im
Betrieb der Rotationskolbenmaschine 10 die Arbeitstakte
des Einlassens, Verdichtens, Zündens, Expandierens und
Ausstoßens ablaufen.
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Aufgrund
der beim Umlaufen der Kolben 22 und 24, um die
Drehachse 28 zueinander entgegengesetzten hin- und hergehenden
Bewegungen, vergrößert und verkleinert sich das
Volumen der Arbeitskammer 54 entsprechend. In 2 ist
die Arbeitskammer 54 mit ihrem minimalen Volumen (OT-Stellung
(OT = oberer Totpunkt)) dargestellt. Dieser Zustand der Arbeitskammer 54 ist
der Zustand vor dem Zünden des verdichteten Luft-Brennstoffgemisches oder
der Zustand am Ende des Ausstoßens des verbrannten Luft-Brennstoffgemisches
bzw. zu Beginn des Einlassens von Frischluft und Brennstoff.
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Eine
der Arbeitskammer 54 entsprechende Arbeitskammer 56 wird
von dem dritten Kolben 26 und dem vierten Kolben sowie
wiederum von dem Kolbenkäfig 30 begrenzt.
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Für
das allgemeine Funktionsprinzip der Atmungsbewegungen der Kolben
22,
24,
26 und
des vierten Kolbens bei umlaufender Drehachse
28 und die
dadurch vermittelten Arbeitstakte des Ansaugens, Verdichtens, Zündens,
Expandierens und Ausstoßens wird wiederum auf das oben
genannte Dokument
WO
2006/089576 A1 verwiesen.
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Wie
aus 2 hervorgeht, verläuft die Drehachse 28,
die im Sinne der vorliegenden Beschreibung als geometrische Drehachse
zu verstehen ist, durch die Arbeitskammern 54 und 56,
und zwar zumindest näherungsweise mittig durch diese hindurch.
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Der
Arbeitskammer 54 ist an der Stirnseite 18 des
Gehäuses 12 in unmittelbarer Nähe zur
Drehachse 28 eine Gaseinlassöffnung 58 sowie
ebenfalls in unmittelbarer Nähe zur Drehachse 28 eine
Gasauslassöffnung 60 zugeordnet (vgl. 2).
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In
die Gaseinlassöffnung mündet eine Gaszufuhrleitung 62,
und der Gasauslassöffnung 60 führt eine
Gasabfuhrleitung 64 (zum Auspuff) weg.
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Über
die Gaszufuhrleitung 62 wird Frischluft zugeführt,
die als Verbrennungsluft für den Verbrennungsprozess in
der Arbeitskammer 54 dient. In die Gaszufuhrleitung 62 mündet
ferner eine Kraftstoffzufuhr, insbesondere eine Kraftstoffdüse 66,
so dass durch die Gaseinlassöffnung 58 ein Gemisch
aus Luft und Kraftstoff bzw. Brennstoff in die Arbeitskammer 54 eingeleitet
werden kann.
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Die
Gaseinlassöffnung 58 und die Gasauslassöffnung 60 sind
beide exzentrisch zur Drehachse 28 angeordnet.
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Der
Kolbenkäfig 30 weist eine der Stirnseite 18 des
Gehäuses 12 zugewandte vollflächige Stirnseite 68 auf,
wie in 3 dargestellt ist. Die Stirnseite 68 des
Kolbenkäfigs 30 ist mit Ausnahme einer Öffnung 70 vollständig
geschlossen.
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Bei
jeder Umdrehung des Kolbenkäfigs 30 im Betrieb
der Rotationskolbenmaschine 10 läuft die Öffnung 70 des
Kolbenkäfigs 30 nacheinander einmal an der Gasauslassöffnung 60 und
einmal an der Gaseinlassöffnung 58 vorbei, um
den entsprechenden Gaswechsel in bzw. aus der Arbeitskammer 54 zu
ermöglichen. Mit anderen Worten überlappt die Öffnung 70 in
der Stirnseite 68 des Kolbenkäfigs 30 die
Gaseinlassöffnung 58 in einem Umlaufwinkelbereich
zumindest teilweise und die Gasauslassöffnung 60 in
einem zweiten Umlaufwinkelbereich zumindest teilweise, während
die Stirnseite 68 des Kolbenkäfigs 30 in
dem jeweils ergänzenden Umlaufwinkelbereich (zu 360°)
zu dem ersten Umlaufwinkelbereich und zu dem zweiten Umlaufwinkelbereich
die Gaseinlassöffnung 58 bzw. die Gasauslassöffnung 60 dicht
verschließt.
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Die
maximale Größe des ersten Umlaufwinkelbereichs
ist in 7 veranschaulicht und mit dem Bezugszeichen 72 versehen.
Der zweite Umlaufwinkelbereich ist in 7 ebenfalls
dargestellt und mit dem Bezugszeichen 74 versehen.
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Die
Größe des ersten Umlaufwinkelbereichs 72 wird
durch die Erstreckung der Gaseinlassöffnung 58 in
Umlaufrichtung des Kolbenkäfigs 30, um die Drehachse 28 gesehen,
bestimmt, und der zweite Umlaufwinkelbereich 74 wird entsprechend
durch die Erstreckung der Gasauslassöffnung 60 in
Umlaufrichtung des Käfigs 30 um die Drehachse 28 bestimmt.
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Die
in 7 gezeigten Umlaufwinkelbereiche 72 und 74 sind
dort in ihrer maximalen Größe eingezeichnet.
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Der
erste Umlaufwinkelbereich 72 weist ferner, in Umlaufrichtung
des Kolbenkäfigs 30 gesehen, die in 7 im
Gegenuhrzeigersinn gerichtet ist, einen Anfangswinkel 76 und
einen Endwinkel 78 auf, wobei diese Winkel ohne Beschränkung
der Allgemeinheit mit einer gedachten Achse 80 gebildet
werden.
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Ebenso
weist der zweite Umlaufwinkelbereich einen Anfangswinkel 82 und
einen Endwinkel 84 auf.
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Um
die Größe des Umlaufwinkelbereichs 58 bzw.
des Umlaufwinkelbereichs 60, den jeweiligen Anfangswinkel 76 bzw. 82 und/oder
den jeweiligen Endwinkel 78 bzw. 84 zu verändern
und damit den Gaseinlassquerschnitt der Gaseinlassöffnung 58 bzw. den
Gasauslassquerschnitt der Gasauslassöffnung 60 zu
verändern, weist die Rotationskolbenmaschine 10 ein
Steuerelement auf, das nachfolgend insbesondere in Bezug auf 3 bis 6 näher
beschrieben wird.
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Das
mit dem Bezugszeichen 86 versehene Steuerelement ist als
vollflächige Scheibe 88 ausgebildet, in der zwei Öffnungen 90 und 92 vorhanden sind,
während die Scheibe 88 in ihrem übrigen
Bereich vollständig geschlossen ist.
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Die
erste Öffnung 90 in dem Steuerelement 86 weist
in Umlaufrichtung um die Drehachse 28 gesehen eine Erstreckung
auf, die etwa der Erstreckung der Gaseinlassöffnung 58 entspricht.
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Die Öffnung 92 ist
entsprechend an die Gasauslassöffnung 60 angepasst.
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In
der „Neutralstellung" gemäß 7 liegen die Öffnungen 90 und 92 im
Wesentlichen deckungsgleich auf der Gaseinlassöffnung 58 und
der Gasauslassöffnung 60.
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Zwischen
der Öffnung 90 und der Öffnung 92 weist
das Steuerelement 86 bzw. die Scheibe 88 einen
Steg 94 auf, der eine ausreichende Breite in Umlaufrichtung
um die Drehachse 28 gesehen aufweist, um eine sichere Trennung
zwischen den Öffnungen 90 und 92 und
damit zwischen der Gaseinlassöffnung 58 und der
Gasauslassöffnung 60 zu gewährleisten.
In 7 ist schraffiert die Öffnung 70 des
Kolbenkäfigs 30 als Projektion eingezeichnet.
Wie sich aus der Darstellung ergibt, ist die Öffnung 70 in
Umlaufrichtung um die Drehachse 28 gesehen kleiner als
der Steg 94.
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Das
Steuerelement 86 ist zwischen der Stirnseite 68 des
Kolbenkäfigs 30 und der Stirnseite 18 des
Gehäuses 12 angeordnet, wie insbesondere aus den
auseinandergezogenen Darstellungen gemäß 3 und 4 hervorgeht.
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Das
Steuerelement 86 ist entsprechend gegen die Stirnseite 68 gasdicht
abgedichtet, und ebenso gegen die Innenseite der Stirnseite 18 des
Gehäuses 12.
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Das
Steuerelement 86 ist dabei bis auf seine noch zu beschreibende
Lageverstellbarkeit mit dem Gehäuse 12 fest verbunden,
so dass der Kolbenkäfig 30 mit seiner Stirnseite 68 und
der darin vorgesehenen Öffnung 70 während
des Betriebs der Rotationskolbenmaschine 10 relativ zu
dem Steuerelement 86 rotiert.
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Das
Steuerelement 86 ist zwischen der Innenseite der Stirnseite 18 des
Gehäuses 12 und der Stirnseite 68 des
Kolbenkäfigs 30 so angeordnet, dass in einer „Neutralstellung",
die in 7 dargestellt ist, die Öffnung 90 mit
der Gaseinlassöffnung 58 vollständig
oder fast vollständig in Überlappung steht, und
ebenso steht in dieser Neutralstellung die Öffnung 92 des
Steuerelements 86 mit der Gasauslassöffnung 60 vollständig
oder nahezu vollständig in Überlappung.
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Aus
der Neutralstellung in 7 lässt sich das Steuerelement 86 um
die Drehachse 28 lageverstellen, um die Gaseinlassöffnung 58 bzw.
die Gasauslassöffnung 60 teilweise zu verdecken.
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Das
Steuerelement 86 ist dabei um die Drehachse 28 sowohl
im Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn drehbar und somit
lageverstellbar.
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Zur
Lageverstellung des Steuerelements 86 ist ein Stellantrieb 96 vorgesehen,
der in 4 bis 6 dargestellt ist.
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Der
Stellantrieb 96 weist einen Elektromotor 98 auf,
der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Linearmotor
ausgebildet ist, und zwar als doppelseitig wirkender Linearmotor.
Gemäß 6 ist ein von dem Elektromotor 98 linear
bewegter Stößel 100 gelenkig mit einem
Kipphebel 102 verbunden, der wiederum drehfest mit einer
Stange 104 verbunden ist, die an ihrem dem Steuerelement 86 zugewandten Ende
eine Ausnehmung 106 mit nockenartiger Umfangskontur aufweist,
in die ein Zapfen 108, der zylindrisch ist, eingreift.
Wenn sich der Stößel 100 linear bewegt,
wird die Stange 104 durch den Kipphebel 102 in
eine begrenzte Drehbewegung um eine Achse 110 versetzt,
wodurch das Steuerelement 86 um die Drehachse 28 gedreht
und dadurch lageverstellt wird.
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Der
Drehwinkel des Steuerelements 86 um die Drehachse 28 ist
in beiden Drehrichtungen auf etwa 25° begrenzt.
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Die
Lageverstellung des Steuerelements 86 erfolgt insbesondere
in Abhängigkeit der Drehzahl der Rotationskolbenmaschine 10,
die durch die Umlaufdrehzahl des Kolbenkäfigs 30 um
die Drehachse 28 gegeben ist. Für eine solche
drehzahlabhängige Regelung der Lageverstellung des Steuerelements 86 ist
entsprechend eine nicht dargestellte Steuerelektronik vorgesehen,
die einerseits die Drehzahl der Rotationskolbenmaschine 10 erfasst
und entsprechend den Elektromotor 98 des Stellantriebs 96 steuert.
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In 7 bis 9 sind
beispielhaft drei Betriebsstellungen des Steuerelements 86 dargestellt.
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In 7 ist
die bereits erwähnte Neutralstellung des Steuerelements 86 dargestellt,
in der der erste Umlaufwinkelbereich 72, in dem die Öffnung 70 in
der Stirnseite 68 des Kolbenkäfigs 30 beim
Umlaufen des Kolbenkäfigs 30 um die Drehachse 28 mit
der Gaseinlassöffnung 58 gasleitend kommunizieren kann,
maximal ist. Diese Stellung des Steuerelements 86 wird
insbesondere bei hohen Leistungsanforderungen eingestellt.
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8 zeigt
eine Betriebsstellung des Steuerelements 86, in der dieses
im Uhrzeigersinn aus der Neutralstellung gemäß 7 um
einen Winkel 110 von etwa 10° lageverstellt ist.
Wenn die Öffnung 70 in der Stirnseite 68 des
Kolbenkäfigs 30, bezogen auf die Ansicht in 8 im
Gegenuhrzeigersinn, an der Gaseinlassöffnung 58 vorbeiläuft,
ist der Gaseinlass durch entsprechende Veränderung des
Endwinkels 76 zu 76' gegenüber 7 früher
beendet. Die Menge an in die Arbeitskammer 54 eingelassene
Frischluft ist entsprechend geringer, weil das Steuerelement 86 die Gaseinlassöffnung 58 teilweise
bedeckt. Die Größe des ersten Umlaufwinkelbereichs 72 ist somit
verkleinert und durch die Winkel 78' und 76 begrenzt,
wie mit 72' angedeutet ist.
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Auch
das Ausstoßen von verbranntem Luft-Brennstoffgemisch ist
bei der Betriebsstellung des Steuerelements 86 gemäß 8 früher
beendet.
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In
der Betriebsstellung in 9 ist der umgekehrte Fall dargestellt,
in dem das Steuerelement 86 aus der Neutralstellung gemäß 7 im
Gegenuhrzeigersinn um die Drehachse 28 lageverstellt ist,
so dass die Gaseinlassöffnung 58 beim Vorbeilaufen
der Öffnung 70 zeitlich gegenüber der
Neutralstellung später und mit ebenfalls geringerem Querschnitt
freigegeben wird. Hierbei wurde der Anfangswinkel 76 verändert,
wie mit 76' angegeben ist.
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Es
versteht sich, dass für die gegenüberliegende
Arbeitskammer 56 ein entsprechendes Steuerelement vorgesehen
ist, für das die vorliegende Beschreibung in gleichem Maße
gilt.
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Die
Rotationskolbenmaschine 10 weist weiterhin in ihrer Verwendung
als Brennkraftmaschine eine Zündkerze 114 für
die Arbeitskammer 54 sowie eine Zündkerze 116 für
die Arbeitskammer 56 auf.
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Die
Drehbewegung des Kolbenkäfigs um die Drehachse 28 wird über
eine Abtriebswelle 118 (2) abgegriffen,
die parallel zur Drehachse 28 angeordnet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2006/089576
A1 [0002, 0050, 0054, 0062]