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Die
Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine, mit einem Gehäuse,
in dem zumindest zwei Kolben angeordnet sind, die gemeinsam in dem Gehäuse
um eine gehäusefeste Drehachse umlaufen können,
wobei die Kolben in einem Kolbenkäfig gleitend gelagert
sind, der im Gehäuse gelagert ist und gemeinsam mit dem
Kolben um die Drehachse umläuft, wobei die beiden Kolben
beim Umlaufen um die Drehachse zueinander gegensinnige hin- und hergehende
Bewegungen ausführen, um eine durch einander zugewandte
Endflächen der beiden Kolben und den Kolbenkäfig
definierte Arbeitskammer im Volumen abwechselnd zu vergrößern
und zu verkleinern, wobei die Drehachse durch die Arbeitskammer verläuft,
und wobei der Kolbenkäfig eine Gaswechselöffnung
für das Ein- und Auslassen von Gas in die und aus der Arbeitskammer
aufweist.
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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 als Brennkraftmaschine (Verbrennungsmotor), als Pumpe
oder als Kompressor verwendet werden.
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Im
Falle der Verwendung einer solchen 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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Im
Falle der Verwendung einer solchen Rotationskolbenmaschine als Kompressor
ist die Arbeitsweise ähnlich, wobei jedoch in der Rotationskolbenmaschine
kein Verbrennungsvorgang und entsprechend keine Zündung
eines Verbrennungsgemisches stattfindet, sondern lediglich ein Gas,
insbesondere Luft hochverdichtet wird.
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Die
aus dem oben genannten 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. Im Falle der Verwendung dieser bekannten Rotationskolbenmaschine
als Brennkraftmaschine vergrößern und verkleinern
sich die beiden Arbeitskammern gleichsinnig, wobei die Taktabfolge des
Einlassens, Verdichtens, Expandierens und Ausstoßens von
der einen Arbeitskammer zur anderen Arbeitskammer um zwei Takte
phasenverschoben ist. Im Fall der Verwendung dieser bekannten Rotationskolbenmaschine
als Kompressor vergrößern und verkleinern sich
die beiden Arbeitskammern gegensinnig, d. h. während die
eine Arbeitskammer im Volumen verkleinert wird, wird die andere
Arbeitskammer im Volumen vergrößert.
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In
beiden Fällen geht die Drehachse, um die die Kolben umlaufen,
und die im Sinne der vorliegenden Beschreibung als geometrische
Achse zu verstehen ist, durch beide Arbeitskammern hindurch.
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Jeder
der beiden Arbeitskammern der bekannten Rotationskolbenmaschine
ist jeweils eine Gaseinlassöffnung und eine Gasauslassöffnung
im Gehäuse zugeordnet. Im Kolbenkäfig ist für
jede Arbeitskammer jeweils eine Gaswechselöffnung vorhanden,
die in die jeweilige Arbeitskammer mündet, und die bei
jeder Umdrehung des Kolbenkäfigs um die Drehachse mit der
jeweiligen Gaseinlassöffnung bzw. Gasauslassöffnung
zeitweise kommuniziert, so dass ein Gasaustausch in die bzw. aus
der jeweiligen Arbeitskammer stattfinden kann, wenn die Gaswechselöffnung
im Kolbenkäfig mit der Gaseinlassöffnung bzw.
Gasauslassöffnung im Gehäuse überlappt.
In den übrigen Umlaufwinkelbereich des Kolbenkäfigs um
die Drehachse verschließt dieser die Gaseinlassöffnungen
und die Gasauslassöffnungen im Gehäuse dicht,
so dass in die jeweilige Arbeitskammer eingelassenes Gas, im Fall
einer Brennkraftmaschine ein Brennstoff-Luft-Gemisch, verdichtet
und gezündet werden und arbeiten kann.
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Im
Sinne der vorliegenden Erfindung ist der Begriff "Gas" allgemein
zu verstehen und umfasst beispielsweise Luft, ein Brennstoff-Luft-Gemisch, verbranntes
Brennstoff-Luft-Gemisch oder jedes andere Fluid.
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Bei
der bekannten Rotationskolbenmaschine ist die Gaswechselöffnung
im Kolbenkäfig seitlich bzw. radial von der Drehachse beabstandet
angeordnet.
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Der
Vorteil der bekannten Rotationskolbenmaschine besteht darin, dass
für den Gaswechsel zwischen der oder den Arbeitskammern
keine Ventile erforderlich sind, weil das Schließen und Öffnen
der Gaswechselöffnung allein durch die Rotation des Kolbenkäfigs
in dem Gehäuse bewerkstelligt wird.
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Auf
dem Gebiet der Hubkolbenmotoren bestehen dagegen sehr gute Erfahrungen
bei der Steuerung des Gaswechsels in und aus den Arbeitskammern
der Zylinder mittels Ventilen, insbesondere den sog. Tulpenventilen.
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Drehschiebersteuerungen
zur Steuerung des Gaswechsels, wie sie sich bei den Rotationskolbenmaschinen,
insbesondere bei Kugelmotoren wie der bekannten Rotationskolbenmaschine
als technisch sehr einfache Lösungen anbieten, wird jedoch in
der Fachwelt mit Bedenken entgegengetreten, weil diesbezügliche
langjährige Erfahrungen mit derartigen Gaswechselsteuerungen
fehlen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Rotationskolbenmaschine der
eingangs genannten Art bereitzustellen, bei der der Gaswechsel mit
einem Ventil, insbesondere einem klassischen Tulpenventil, gesteuert
werden kann.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe hinsichtlich der eingangs genannten Rotationskolbenmaschine
dadurch gelöst, dass die Gaswechselöffnung auf
der Drehachse angeordnet ist, und dass in der Gaswechselöffnung
ein Schließglied angeordnet ist, das mit dem Kolbenkäfig
bezüglich der Drehachse drehfest verbunden und zum Öffnen
und Schließen der Gaswechselöffnung in Richtung
der Drehachse relativ zum Kolbenkäfig axial beweglich ist, wobei
ein Steuermechanismus für das Schließglied vorhanden
ist, der die axiale Bewegung des Schließglieds aus der
Drehbewegung des Schließglieds um die Drehachse ableitet.
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Durch
die Erfindung wird nunmehr eine Rotationskolbenmaschine, wie sie
beispielsweise aus dem Dokument
WO 2006/089576 A1 bekannt ist, mit einem
ventilgesteuerten Gaswechsel bereitgestellt. Dazu wurde zunächst
die Gaswechselöffnung in dem Kolbenkäfig gegenüber
der bekannten Rotationskolbenmaschine auf die Drehachse verlagert,
so dass die als geometrische Achse gedachte Drehachse durch die
Gaswechselöffnung in dem Kolbenkäfig hindurchgeht.
In dieser axial angeordneten Gaswechselöffnung ist erfindungsgemäß ein
Schließglied angeordnet, das mit dem Kolbenkäfig
bezüglich der Drehachse drehfest verbunden ist und somit
mit dem Kolbenkäfig um die Drehachse umläuft.
Dies bewirkt vorteilhafterweise, dass das Schließglied
keine Relativbewegung zum Kolbenkäfig in Drehrichtung um
die Drehachse ausführt, so dass sich in der Schließstellung
des Schließglieds, in der es am Rand der Gaswechselöffnung
in dem Kolbenkäfig anliegt, keinerlei Dichtigkeitsprobleme
ergeben. Zum Freigeben der Gaswechselöffnung durch das
Schließglied und zum Wiederverschließen der Gaswechselöffnung
durch das Schließglied ist dieses in Richtung der Drehachse
relativ zum Kolbenkäfig axial beweglich. Des Weiteren ist
erfindungsgemäß ein Steuermechanismus, d. h. eine
Ventilsteuerung für das Schließglied, vorgesehen,
der die axiale Bewegung des Schließglieds aus der Drehbewegung
des Schließglieds um die Drehachse ableitet. Hierdurch wird
wie bei klassischen Hubkolbenmotoren vorteilhafterweise eine automatische
Steuerung des Öffnens und Schließens des Schließglieds
erreicht, die stets an die Drehzahl der Rotationskolbenmaschine angepasst
ist, ohne dass hierzu eine komplexe elektronische Steuerung erforderlich
ist. Eine solche Steuerung ist mit einer klassischen Nockenwellensteuerung
von Ventilen in konventionellen Hubkolbenmotoren vergleichbar.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Schließglied als
Tellerventil, insbesondere als Tulpenventil ausgebildet, dessen
Ventilteller in der Schließstellung an einem Ventilsitz
anliegt, der innenseitig am Kolbenkäfig ausgebildet ist,
und zum Öffnen der Gaswechselöffnung in Richtung
in die Arbeitskammer hinein beweglich ist.
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In
dieser Ausgestaltung verwendet die erfindungsgemäße
Rotationskolbenmaschine ein Tellerventil, insbesondere ein Tulpenventil,
das sich in der Motorentechnik vielfach bewährt hat. Durch
die innenseitige Anordnung des Ventilsitzes am Kolbenkäfig
wird das Tellerventil in seiner Schließstellung beim Verdichten
des Gases in der Arbeitskammer fest an den Ventilsitz angedrückt,
so dass eine optimale Dichtigkeit erzielt wird. Das Gleiche gilt
im Fall der Verwendung der Rotationskolbenmaschine als Brennkraftmaschine
während des Zündens und Expandierens (Arbeitens).
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Steuermechanismus
zumindest einen schließgliedfesten Steuernocken und zumindest
einen mit dem schließgliedfesten Steuernocken zusammenwirkenden
gehäusefesten Steuernocken auf, derart, dass das Schließglied
beim Vorbeilaufen des schließgliedfesten Steuernockens
an dem gehäusefesten Steuernocken aus seiner Schließstellung
in die Offenstellung bewegt wird.
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Mit
dieser Ausgestaltung wird eine konstruktiv einfache mechanische
Steuerung für das Schließglied geschaffen, um
die axiale Bewegung des Schließglieds zum Schließen
und Öffnen desselben aus der Drehbewegung des Schließglieds
um die Drehachse abzuleiten. Der schließgliedfeste Steuernocken
wird nämlich zusammen mit dem Schließglied mit
gleicher Geschwindigkeit um die Drehachse bewegt. Beim Vorbeilaufen
des schließgliedfesten Steuernockens an dem gehäusefesten
Steuernocken wird das Schließglied dann in die Offenstellung gedrückt.
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Die
Rückstellung des Schließglieds in die Schließstellung
erfolgt gemäß einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung vorzugsweise durch ein Energiespeicherelement, beispielsweise
eine Feder, die das Schließglied aus der Offenstellung
in die Schließstellung zurückdrückt.
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Insgesamt
wird dadurch eine rein mechanische drehzahlabgestimmte Steuerung
des Schließglieds erreicht.
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In
einer Weiterbildung der zuvor genannten Ausgestaltung weist der
Steuermechanismus einen schließgliedfesten und zwei in
Umfangsrichtung beabstandet angeordnete gehäusefeste Steuernocken oder
zwei in Umfangsrichtung beabstandet angeordnete schließgliedfeste
Steuernocken und einen gehäusefesten Steuernocken auf.
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In
dieser Ausgestaltung wird das Schließglied bei jeder vollen
Drehung um die Drehachse zweimal geöffnet und wieder geschlossen,
wobei das eine Öffnen dem Gaseinlass in die Arbeitskammer dient
und das andere Öffnen dem Gasauslass aus der Arbeitskammer.
Im Vergleich zu klassischen Hubkolbenmotoren wird für den
Gaseinlass und den Gasauslass bei der erfindungsgemäßen
Rotationskolbenmaschine dagegen prinzipiell nur ein Schließglied
benötigt, während bei klassischen Hubkolbenmo toren
für den Gaseinlass und für den Gasauslass separate
Ventile mit separater Steuerung vorgesehen sind.
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In
einer konstruktiv besonders einfachen Ausgestaltung ist der zumindest
eine schließgliedfeste Steuernocken im Randbereich eines
schließgliedfesten flächigen Steuerelements ausgebildet
und der zumindest eine gehäusefeste Steuernocken im Randbereich
eines dem schließgliedfesten flächigen Steuerelement
gegenüberstehenden gehäusefesten flächigen
Steuerelements angeordnet.
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Die
Anordnung der Steuernocken im Randbereich von flächigen,
beispielsweise tellerförmigen Steuerelementen, deren Oberflächen,
die die Steuernocken tragen, sich im Wesentlichen quer zur Drehachse
erstrecken, hat den Vorteil, dass die Drehachse selbst frei bleibt,
um beispielsweise durch den Schaft oder Stößel
des Schließgliedes, an dessen rückwärtigem
Ende das schließgliedfeste flächige Steuerelement
angeordnet ist, beispielsweise eine Kraftstoffeinspritzung zu ermöglichen,
wenn die erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine
als Brennkraftmaschine verwendet werden soll. An dem jeweiligen
flächigen Steuerelement ist der jeweilige Steuernocken
vorzugsweise als axiale Erhebung mit begrenzter Erstreckung in Umfangsrichtung
um die Drehachse ausgebildet, d. h. in Form von wellenförmigen,
beispielsweise sinusförmigen Erhebungen.
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Dabei
ist es weiterhin bevorzugt, wenn das gehäusefeste flächige
Steuerelement eine sich konkav verjüngende und das schließgliedfeste
flächige Steuerelement im Wesentlichen komplementär
dazu eine sich konvex verjüngende Steuerfläche
aufweist, wobei die Steuernocken an diesen Steuerflächen ausgebildet
sind.
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Hierbei
besteht ein Vorteil darin, dass das gehäusefeste Steuerelement
und das schließgliedfeste Steuerelement über die
komplementär ausgebildeten Steuerflächen eine
Führung aneinander erfahren. Der weitere Vorteil besteht
darin, dass die Steuernocken sich an bezüglich der Drehachse schräggestellten
Flächen befinden, was die Umsetzung der Drehbewegung in
eine axiale Bewegung begünstigt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Steuermechanismus
einstellbar, um den Zeitpunkt des Öffnens und/oder den
Zeitpunkt des Schließens des Schließglieds zu
verändern.
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Bekanntermaßen
ist die Leistung einer Brennkraftmaschine von der Drehzahl abhängig,
und durch diese Maßnahme wird dieser Erkenntnis auch bei
der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine
Rechnung getragen, indem der Zeitpunkt des Öffnens und/oder
der Zeitpunkt des Schließens des Schließglieds über
den Steuermechanismus, der die axiale Bewegung des Schließglieds
vermittelt, last- und drehzahlabhängig verändert
werden kann.
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In
einer konstruktiv einfachen Umsetzung dieses Aspekts ist es bevorzugt,
wenn der zumindest eine gehäusefeste Steuernocken in Umfangsrichtung um
die Drehachse lageverstellbar ist.
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Durch
die Lageverstellung des zumindest einen gehäusefesten Steuernockens
in Umfangsrichtung um die Drehachse wird bewirkt, dass der Drehwinkel
und damit der Zeitpunkt verändert wird, an dem der zumindest
eine gehäusefeste Steuernocken und der zumindest eine schließgliedfeste
Steuernocken miteinander in Eingriff kommen und ebenso wieder außer
Eingriff kommen. Dieser Zeitpunkt des In-Eingriff-Kommens und des
Außer-Eingriff-Kommens bestimmt den Zeitpunkt des Öffnens
und Schließens des Schließglieds.
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Realisiert
werden kann eine solche Lageverstellung beispielsweise dadurch,
dass das oben genannte Steuerelement, an dem der zumindest eine gehäusefeste
Steuernocken ausgebildet ist, in Umfangsrichtung um die Drehachse über
einen begrenzten Winkelbereich verdrehbar ist und dass ein entsprechender
Drehantrieb für das Steuerelement vorgesehen ist.
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Im
Rahmen der oben genannten Ausgestaltung, wonach der Steuermechanismus
einen schließgliedfesten und zwei in Umfangsrichtung beabstandet
angeordnete ge häusefeste Steuernocken aufweist, ist es
vorzugsweise vorgesehen, dass beide gehäusefesten Steuernocken
in Umfangsrichtung lageverstellbar sind, wobei die beiden gehäusefesten Steuernocken
vorzugsweise unabhängig voneinander lageverstellbar sind.
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Hierbei
ist von Vorteil, dass sowohl der Beginn und/oder das Ende des Gaseinlasses
als auch der Beginn und/oder das Ende des Gasauslasses, und dies
in bevorzugter Weise unabhängig voneinander eingestellt
werden können, wodurch das Leistungsverhalten der erfindungsgemäßen
Rotationskolbenmaschine im Falle der Verwendung als Brennkraftmaschine
noch weiter verbessert wird.
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In
einer konstruktiv technisch einfachen und daher vorteilhaften Ausgestaltung
wird dies dadurch realisiert, dass das oben genannte gehäusefeste Steuerelement
zwei Segmente aufweist, die jeweils einen der gehäusefesten
Steuernocken aufweisen, wobei die beiden Segmente in Umfangsrichtung
um die Drehachse relativ zueinander und/oder gemeinsam lageverstellbar
sind.
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In
dieser Ausgestaltung ist das gehäusefeste Steuerelement
demnach zweiteilig ausgebildet, und jedes dieser beiden Teile trägt
einen Steuernocken, und durch Lageverstellung der beiden Teile können dann
der Zeitpunkt des Öffnens und/oder der Zeitpunkt des Schließens
des Schließglieds sowohl für den Gaseinlassvorgang
als auch für den Gasauslassvorgang drehzahlabhängig
verändert werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Steuermechanismus
einstellbar, um die Dauer des Offenzustands des Schließglieds
zu verändern.
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Über
die Dauer des Offenzustands des Schließglieds kann vorteilhafterweise
insbesondere die Menge an Gas, die in die Arbeitskammer eingelassen
wird, in Abhängigkeit von der Drehzahl der Rotationskolbenmaschine
zur Erzielung eines optimalen Leistungsverhaltens angepasst werden.
Das Mischungsverhältnis aus Frischluft (Verbrennungsluft)
und Brennstoff (im Falle der Verwendung der Rotationskolbenmaschine als
Brennkraftmaschine) kann somit bei geringer Leistungsanforderung
verringert werden, indem weniger Frischluft in die Arbeitskammer
eingelassen wird, indem die Dauer der Öffnung des Schließglieds
verringert wird. Bei hohen Leistungsanforderungen wird demgegenüber
ein größeres Mischungsverhältnis aus
Frischluft und Brennstoff benötigt, was durch eine längere Öffnungszeit
des Schließglieds bewerkstelligt wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Steuermechanismus
einstellbar, um den Hub des Schließglieds zwischen der
Schließstellung und der Offenstellung zu verändern.
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Durch
die Verstellbarkeit des Öffnungshubs des Schließglieds
zwischen der Schließstellung und der Offenstellung kann
ebenfalls die Menge an in die Arbeitskammer eingelassenen Gas verändert
werden, weil der Hub des Schließglieds die Strömungsrate
des einströmenden Gases beeinflusst.
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In
einer vorteilhaft einfachen konstruktiven Ausgestaltung, mit der
die beiden vorstehend genannten Einstellungen vorgenommen werden
können, ist der zumindest eine gehäusefeste Steuernocken
relativ zu dem zumindest einen schließgliedfesten Steuernocken
in Richtung der Drehachse axial lageverstellbar.
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Wenn
der zumindest eine gehäusefeste Steuernocken von dem zumindest
einen schließgliedfesten Steuernocken beabstandet wird,
so dass der Zeitpunkt des In-Eingriff-Kommens der beiden welligen
Steuernocken später und der Zeitpunkt des Außer-Eingriff-Kommens
entsprechend früher liegt, ist die Dauer des Offenzustands
des Schließglieds entsprechend verkürzt. Gleichzeitig
wird dabei auch der Hub des Schließglieds zwischen der
Schließstellung und der Offenstellung verringert. Durch
entsprechendes axiales Bewegen des zumindest einen gehäusefesten
Steuernockens zu dem zumindest einen schließgliedfesten
Steuernocken wird die Dauer des Offenzustands des Schließglieds
entsprechend erhöht, ebenso wie der Hub des Schließglieds.
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Um
die Lageverstellung des zumindest einen gehäusefesten Steuernockens
zu bewerkstelligen, kann an dem oben genannten gehäusefesten
Steuerelement ein Axialantrieb vorgesehen sein, der das gehäusefeste
Steuerelement in Richtung der Drehachse entsprechend zu dem schließgliedfesten
Steuerelement hin bzw. von diesem weg bewegt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Gaswechselöffnung
in einem axialen Fortsatz des Kolbenkäfigs ausgebildet,
wobei die Gaswechselöffnung in einen Kanal in dem Fortsatz
mündet, der seitlich an dem Fortsatz nach außen
führt und beim Umlaufen des Kolbenkäfigs abwechselnd
mit einer gehäuseseitigen Gaseinlassöffnung und
mit einer gehäuseseitigen Gasauslassöffnung kommuniziert.
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Der
Kanal in dem Fortsatz befindet sich somit auf der der Arbeitskammer
abgewandten Seite des Schließglieds, was den Vorteil hat,
dass sich in dem Kanal und im Bereich der Gaseinlassöffnung und
der Gasauslassöffnung im Gehäuse keine wesentlichen
Drücke aufbauen, die zu Abdichtungsproblemen führen
können.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist in dem Schließglied
eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung angeordnet.
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Hierbei
ist von Vorteil, dass im Fall der Verwendung der erfindungsgemäßen
Rotationskolbenmaschine als Brennkraftmaschine ein Kraftstoff trotz Vorhandenseins
des schließglieds direkt in die Arbeitskammer eingespritzt
werden kann, und dies vorteilhafterweise auf der Drehachse und damit
mittig in die Arbeitskammer.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist in dem Schließglied
eine Zündvorrichtung zum Zünden eines Gases in
der Arbeitskammer angeordnet.
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Diese
Ausgestaltung eignet sich insbesondere für eine Verwendung
der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine
als Brennkraftmaschine, die mit Ottokraftstoff (Benzin) betrieben
werden kann, wobei wie bei der zuvor genannten Ausgestaltung der
weitere Vorteil besteht, dass die Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches
in der Arbeitskammer mittig erfolgt.
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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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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden mit Bezug
auf diese hiernach näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine in einer
perspektivischen Gesamtdarstellung;
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2 einen
Ausschnitt der Rotationskolbenmaschine in 1 in einem
Längsschnitt;
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3 einen
weiteren Ausschnitt der Rotationskolbenmaschine in 1 in
einem Längsschnitt mit einer ersten Ausführungsform
eines Gaswechselsystems;
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4 den
Ausschnitt in 3 in einem Längsschnitt
entlang einer Ebene, die durch einen Gaseinlass hindurchgeht, wobei
die Kolben der Rotationskolbenmaschine in einer gegenüber 3 anderen
Bewegungsstellung gezeigt sind;
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5 den
Ausschnitt in 3 in einem Längsschnitt
entlang einer Ebene, die durch einen Gasauslass der Rotationskolbenmaschine
hindurchgeht, wobei die Kolben der Rotationskolbenmaschine in einer
gegenüber 3 veränderten Bewegungsstellung
gezeigt sind;
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6a)
und b) Einzelheiten eines Steuermechanismus für ein Schließglied
des Gaswechselsystems der Rotationskolbenmaschine in der Ausführungsform
gemäß 3 in zwei perspektivischen Ansichten;
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7a)
und b) mit 3 vergleichbare Ausschnitte
einer erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine
in zwei Betriebsstellungen gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel des Gaswechselsystems;
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8a)
und b) ein weiterer Ausschnitt einer Rotationskolbenmaschine im
Längsschnitt in zwei Betriebsstellungen gemäß einem
noch weiteren Ausführungsbeispiel des Gaswechselsystems;
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9a)
bis d) mit 6 vergleichbare Darstellungen
eines Steuermechanismus für ein Schließglied des
Gaswechselsystems der Rotationskolbenmaschine gemäß 7a)
und b) in vier verschiedenen perspektivischen Darstellungen;
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10a) und b) einen Steuermechanismus für
ein Schließglied des Gaswechselsystems der Rotationskolbenmaschine
gemäß 8a) und
b) in zwei verschiedenen perspektivischen Darstellungen;
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11a) und b) weitere Einzelheiten des Steuermechanismus
gemäß 9a) bis
d) in zwei verschiedenen Ansichten;
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12 weitere
Einzelheiten des Steuermechanismus gemäß 10a) und b);
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13a) bis f) Prinzipdarstellungen der Gaswechselsteuerung
einer erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine;
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14 eine Darstellung vergleichbar mit 4 in
einer weiteren Abwandlung des Gaswechselsystems mit einem Schließglied
mit integrierter Zündvorrichtung; und
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15 einen
Ausschnitt eines Gaswechselsystems im Bereich eines Schließglieds
mit integrierter Kraftstoffeinspritzung.
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In 1 bis 5 ist
eine mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehene Rotationskolbenmaschine
dargestellt.
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Die
Rotationskolbenmaschine 10 kann als Brennkraftmaschine
(Verbrennungsmotor), aber auch als Kompressor ausgelegt sein.
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Die
Rotationskolbenmaschine 10 weist allgemein die Form eines
Kugelmotors bzw. Kugelkompressors mit einem innenseitig im Wesentlichen
kugelförmigen Gehäuse 12 auf. In 1 ist
das Gehäuse 12 geschlossen dargestellt, während
in 2 bis 5 entsprechend der dortigen
Schnittdarstellungen der Innenraum des Gehäuses 12 dargestellt
ist.
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Das
Gehäuse 12 wird im Wesentlichen durch zwei Gehäusehauptteile 14 und 16 und
zwei Gehäusestirndeckel 18 und 20 gebildet.
Die Gehäusestirndeckel 18 und 20 sind von
den Gehäusehauptteilen 14 und 16 abnehmbar,
ebenso wie die beiden Gehäusehauptteile 14 und 16 voneinander
abnehmbar sind, wobei die Befestigung der vorstehend genannten Teile
aneinander durch Schrauben erfolgt.
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In
dem Gehäuse 12 sind insgesamt vier Kolben angeordnet,
von denen in der Zeichnung nur drei Kolben zu sehen sind, und zwar
ein erster Kolben 22, ein zweiter Kolben 24, ein
dritter Kolben 26 und ein vierter Kolben (nicht dargestellt),
der dem dritten Kolben 26 vor der Zeichenebene in 2 gegenübersteht.
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Die
Kolben 22, 24, 26 sowie der nicht gezeigte
vierte Kolben laufen in dem Gehäuse 12 um eine gehäusefeste
Drehachse 28 gemeinsam um. Die Drehachse 28 ist
als geometrische Achse zu verstehen und geht durch die Gehäusemitte
hindurch.
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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 insbesondere auch im Hinblick auf die Geometrie der
Kolben verwiesen wird.
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Die
Kolben 22, 24, 26 und der nicht gezeigte vierte
Kolben sind in einem Kolbenkäfig 30 angeordnet
und darin gleitend gelagert, der wiederum selbst in dem Gehäuse 12 um
die Drehachse 28 drehbar gelagert ist. Die Kolben 22, 24, 26 und
der vierte Kolben sind in Bezug auf die Drehachse 28 drehfest
mit dem Kolbenkäfig 30 verbunden, können
jedoch relativ zu diesem im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse 28 hin-
und hergehende Bewegungen zwischen zwei Endstellungen ausführen,
wenn sie gemeinsam mit dem Kolbenkäfig 30 in dem
Gehäuse 12 um die Drehachse 28 umlaufen.
Dazu sind die Kolben 22, 24, 26 bzw.
der vierte Kolben in dem Kolbenkäfig 30 gleitend
gelagert.
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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 dem Kolben
22,
24,
26 und dem vierten
Kolben jeweils zumindest ein Lauforgan zugeordnet, wie dies für
ein Lauforgan
32 des Kolbens
22 und ein Lauforgan
34 des
Kolbens
24 in
2 dargestellt ist. Entsprechende
Lauforgane, die in der Zeichnung entsprechend der Darstellung nicht
zu sehen sind, weisen auch der dritte Kolben
26 und der vierte
Kolben auf. Die Lauforgane
32 und
34 der Kolben
22 und
24 sind
entlang einer gemeinsamen Steuerkurve
36 geführt,
die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel an einem gehäuseseitigen
Kurvenstück
38 ausgebildet ist und zur Erzielung
der hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben
22 und
24 eine
Konturierung mit Wellentälern und Wellenbergen aufweist,
wie dies in dem Dokument
WO 2006/089576 A1 beschrieben ist, auf das
für eine detaillierte Beschreibung der Kolbenbewegung verwiesen
wird, und dessen Inhalt diesbezüglich Gegenstand der vorliegenden
Offenbarung ist. Dem dritten Kolben
26 und dem vierten
Kolben ist eine entsprechende Steuerkurve
40 am Kurvenstück
38 zugeordnet.
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In 2 sind
die Kolben 22, 24 in einer Bewegungsstellung gezeigt,
in der sie maximal aufeinander zu bewegt sind. Diese Stellung wird
auch als OT-Stellung (oberer Totpunkt) bezeichnet. Ausgehend von
dieser OT-Stellung können sich die Kolben 22 und 24 beim
Umlaufen um die Drehachse 28 auseinanderbewegen, bis sie
ihre UT-Stellung erreichen (unterer Totpunkt), in der sie maximal
auseinanderbewegt sind (etwa 60° auseinander). Der dritte
Kolben 26 und der vierte Kolben führen zu den
Kolben 22 und 24 gleichsinnige Bewegungen aus,
d. h. in der Darstellung in 2 befinden
sich der dritte Kolben 26 und der vierte Kolben ebenfalls
in OT-Stellung. Diese Konfiguration, bei der alle vier Kolben die OT-Stellung
ebenso wie die UT-Stellung jeweils gemeinsam einnehmen, eignet sich
für eine Verwendung der Rotationskolbenmaschine 10 als
Brennkraftmaschine. Bei einer Verwendung der Rotationskolbenmaschine 10 als
Kompressor ist es dagegen bevorzugt, wenn das Paar aus Kolben 22 und 24 seine
OT-Stellung einnimmt, während das Paar aus drittem Kolben 26 und
viertem Kolben sich gerade in UT-Stellung befinden, und umgekehrt.
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Die
Kolben 22 und 24 bilden ein erstes Kolbenpaar,
das eine erste Arbeitskammer 42 definiert, und der dritte
Kolben 26 und der vierte Kolben bilden ein zweites Kolbenpaar,
das eine zweite Arbeitskammer 44 definiert. Entsprechend
der in 2 und 3 gezeigten OT-Stellung aller
Kolben 22, 24, 26 bzw. des vierten Kolbens
sind die Volumina der Arbeitskammern 42 und 44 minimal.
In der UT-Stellung sind die Volumina der Arbeitskammern 42 und 44 entsprechend
maximal.
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Die
Drehachse 28 geht durch beide Arbeitskammern 42 und 44 hindurch,
und zwar mittig durch die Arbeitskammern 42 und 44 hindurch.
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Entsprechend
der hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben 22, 24, 26 und
des vierten Kolbens verkleinern und vergrößern
sich die Volumina der Arbeitskammern 42 und 44 periodisch.
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Die
Arbeitskammer 42 wird zum einen durch eine Endfläche 46 des
Kolbens 22 und eine Endfläche 48 des
Kolbens 24 sowie durch den Kolbenkäfig 30 begrenzt,
wobei die Endflächen 46 und 48 einander
zugewandt sind. Der dritte Kolben 26 weist eine entsprechende
Endfläche 50 auf, die mit der ihr zugewandten
Endfläche (nicht dargestellt) des vierten Kolbens die Arbeitskammer 44 in
Verbindung mit dem Kolbenkäfig 30 begrenzt. Wie
insbesondere bei dem dritten Kolben 26 in 2 und
in 4 und 5 zu sehen ist, sind die Endflächen 46, 48 und 50 kreisförmig,
und entsprechend sind die Bohrungen in dem Kolbenkäfig 30,
in denen die Kolben 22, 24, 26 und der
vierte Kolben gleitend gelagert sind, kreisförmig, wie
für die Bohrung 52 für den dritten Kolben 26 und
den vierten Kolben erkennbar ist.
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In
den Arbeitskammern 42 bzw. 44 finden aufgrund
der hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben 22, 24, 26 und
des vierten Kolbens beim Umlaufen um die Drehachse 28 periodisch
die Takte des Einlassens, Verdichtens, Arbeitens (Expandierens) und
Ausstoßens statt.
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Für
den dazu erforderlichen periodischen Gaswechsel in die und aus den
Arbeitskammern 42 und 44 ist der Arbeitskammer 42 gemäß 1 ein Gaswechselsystem 54 und
der Arbeitskammer 44 ein Gaswechselsystem 56 zugeordnet.
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Da
das Gaswechselsystem 54 und das Gaswechselsystem 56 konstruktiv
identisch ausgebildet sind, beschränkt sich die nachfolgende
Beschreibung auf das Gaswechselsystem 54.
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Das
Gaswechselsystem 54 weist einen gehäusefesten
Gaseinlass 58 und einen gehäusefesten Gasauslass 60 auf,
die hier durch Stutzen am Gehäuse 12 dargestellt
sind. Der Kolbenkäfig 30 weist eine Gaswechselöffnung 62 auf,
die auf der Drehachse 28 angeordnet und zu dieser konzentrisch
ist. Die Gaswechselöffnung 62 setzt sich gemäß 4 und 5 in
einen Kanal 64 fort, der als Bohrung in einem axialen Fortsatz 66 des
Kolbenkäfigs 30 ausgebildet ist, wobei der Fortsatz 66 konzentrisch
zur Drehachse 28 ausgebildet ist, wie insbesondere aus 3 hervorgeht.
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Beim
Umlaufen des Kolbenkäfigs 30 um die Drehachse 28 kommuniziert
der Kanal 64 abwechselnd mit dem Gaseinlass 58,
wie in 4 dargestellt ist, und mit dem Gasauslass 60,
wie in 5 dargestellt ist. In der in 3 gezeigten
Drehstellung des Kolbenkäfigs 30 kommuniziert
der Kanal 64 in dem Fortsatz 66 weder mit dem
Gaseinlass 58 noch mit dem Gasauslass 60.
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Zum
druckdichten Verschließen der Gaswechselöffnung 62 in
dem Kolbenkäfig 30 ist in der Gaswechselöffnung 62 ein
Schließglied 68 angeordnet, das Teil des Gaswechselsystems 54 ist.
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Das
Schließglied 68 ist in Form eines Tellerventils,
in der gezeigten Ausführung als Tulpenventil ausgebildet
und weist einen Ventilteller 70 auf, der in der Schließstellung
des Schließglieds 68 an einem Ventilsitz 72 anliegt,
der innenseitig am Kolbenkäfig 30 am Rand der
Gaswechselöffnung 62 ausgebildet ist. Der Ventilteller 70 und
der Ventilsitz 72 sind kreisförmig oder oval In 2 und 3 ist
das Schließglied 68 in seiner Schließstellung
gezeigt, in der es die Gaswechselöffnung 62 gegen
den Kanal 64 in dem Fortsatz 66 des Kolbenkäfigs 30 hermetisch dicht
verschließt. In der Arbeitskammer 42 kann somit
ein zuvor eingelassenes Gas hochverdichtet und nach Zündung
mit entsprechend hohem Druck expandiert werden.
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Ausgehend
von seiner Schließstellung gemäß 2 und 3 kann
das Schließglied 68 in Richtung der Drehachse 28 axial
in seine Offenstellung gemäß 4 und 5 bewegt
werden, so dass gemäß 4 Gas durch
den Gaseinlass 58 in die Arbeitskammer 42 eingelassen
werden kann und gemäß 5 Gas aus
der Arbeitskammer 42 über den Gasauslass 60 wieder
ausgestoßen werden kann.
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Das
Schließglied 68 ist mit dem Kolbenkäfig 30 drehfest
verbunden und dreht mit dem Kolbenkäfig 30 um
die Drehachse 28, wobei die drehfeste Verbindung zwischen
dem Schließglied 68 und dem Kolbenkäfig 30 über
den Fortsatz 66 des Kolbenkäfigs 30 erfolgt,
wie noch später beschrieben wird. Der Ventilteller 70 und
der Ventilsitz 72 führen somit bei rotierendem
Schließglied 68 keine Rotationsbewegung in Drehrichtung
um die Drehachse 28 aus. Demgegenüber ist das
Schließglied 68 relativ zum Kolbenkäfig 30 in
Richtung der Drehachse 28, d. h. axial beweglich, damit
es entsprechend seiner Funktion von seiner Schließstellung
in seine Offenstellung und umgekehrt bewegt werden kann.
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Um
das Schließglied 68 aus seiner Schließstellung
gemäß 2 und 3 in die
Offenstellung gemäß 4 und 5 zu
bewegen, in der das Schließglied 68 in die Arbeitskammer 42 hinein
verschoben ist, ist ein Steuermechanismus 74 für
das Schließglied 68 vorgesehen, der die axiale
Bewegung des Schließglieds 68 aus der Drehbewegung des
Schließglieds 68 um die Drehachse 28 ableitet, wenn
das Schließglied 68 zusammen mit dem Kolbenkäfig 30 um
die Drehachse 28 rotiert.
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Der
Steuermechanismus 74 weist dazu ein gehäusefestes
Steuerelement 76 und ein schließgliedfestes Steuerelement 78 auf.
Das gehäusefeste Steuerelement 76 ist in einem
Gehäuseteil 80 angeordnet (vgl. auch 1),
das mit dem Gehäusestirndeckel 18 verbunden ist.
Das Steuerelement 76 ist in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 bis 5 sowohl
axial als auch in Drehrichtung um die Drehachse 28 unverstellbar.
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Das
schließgliedfeste Steuerelement 78 ist über
einen Ventilstößel 82 des Schließglieds 68 mit dem
Ventilteller 70 des Schließglieds 68 drehfest
verbunden ist. Wie bereits erwähnt, ist das Schließglied 68 mit
dem Kolbenkäfig 30 drehfest verbunden, was in
dem gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch realisiert ist,
dass das Steuerelement 78 einen Zapfen 84 aufweist,
der formschlüssig und damit drehschlüssig, jedoch
axial beweglich in einer komplementär konturierten Aufnahme 86 in
dem Fortsatz 66 des Kolbenkäfigs 30 aufgenommen
ist. In 6a) und b) sind das gehäusefeste
Steuerelement 76 und das schließgliedfeste Steuerelement 78 in
Alleinstellung und in auseinandergezogener Darstellung gezeigt. Der
mit dem gehäusefesten Steuerelement 76 einstückig
verbundene Zapfen 84 ist hier als Vierkant gezeigt.
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An
dem gehäusefesten Steuerelement 76 ist ebenfalls
eine Drehsicherung in Form von einer oder mehreren Abflachungen 88 vorgesehen,
die mit entsprechenden Flächen im Gehäuseteil 80 zusammenwirken,
um das Steuerelement 76 unbeweglich zu halten.
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Das
schließgliedfeste Steuerelement 78 und das gehäusefeste
Steuerelement 76 sind beide flächig ausgebildet,
d. h. sie weisen einander zugewandte Steuerflächen 90 und 92 auf.
Die Steuerflächen 90 und 92 erstrecken
sich konzentrisch um die Drehachse 28 herum, befinden sich jedoch
außerhalb der Drehachse 28. Die Steuerfläche 90 verjüngt sich
konkav von radial außen nach radial innen, und die Steuerfläche 92 verjüngt
sich konvex von radial außen nach radial innen, so dass
die beiden Steuerflächen 90 und 92 im
Wesentlichen komplementär zueinander sind.
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An
der Steuerfläche 92 des schließgliedfesten
Steuerelements 78 ist ein schließgliedfester Steuernocken 94 ausgebildet,
der in Umfangsrichtung um die Drehachse 28 gesehen ein
erstes Ende 96 und ein zweites Ende 98 aufweist,
wobei der Steuernocken 94 zwischen den Enden 96 und 98 über den
verbleibenden Teil der Steuerkurve 92 axial erhaben ist.
Der Übergang dieser Erhabung im Bereich der Enden 96 und 98 in
den verbleibenden Teil der Steuerkurve 92 ist sinusförmig
ausgebildet.
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Die
Steuerfläche 90 des gehäusefesten Steuerelements 76 weist
dagegen zwei gehäusefeste Steuernocken 100 und 102 auf,
die in Umfangsrichtung um die Drehachse 28 gesehen voneinander beabstandet
sind und jeweils eine axiale Erhabung an der Steuerfläche 90 darstellen,
die wie der Steuernocken 94 im Wesentlichen sinusförmig
ausgebildet sind.
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Im
montierten Zustand gemäß 2 bis 5 greifen
die Steuerflächen 90 und 92 ineinander ein,
so dass der Steuernocken 92 beim Rotieren des Steuerelements 78 um
die Drehachse 28 nacheinander an den Steuernocken 100 und 102 vorbeiläuft und
mit diesen in Eingriff kommt und wieder außer Eingriff
kommt, wobei bei jedem In-Eingriff-Kommen das Steuerelement 78 und
damit über den Stößel 82 das
Schließglied 68 in seine Offenstellung gedrückt bzw.
geschoben wird, wie in 4 und 5 dargestellt
ist. Die umfängliche Erstreckung der Steuernocken 94 sowie 100 und 102 sowie
die umfängliche Anordnung der Steuernocken 100 und 102 ist
entsprechend den Zeitpunkten des Öffnens, des Schließens
und der Dauer des Öffnungszustandes des Schließglieds 68 sowie
dem erforderlichen Hub des Schließglieds 68 ausgestaltet.
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Die
Rückstellung des Schließglieds 68 von seiner
Offenstellung in seine Schließstellung wird durch ein Energiespeicherelement 104 beispielsweise
in Form einer Druckfeder bewerkstelligt, die in der Aufnahme 86 des
Fortsatzes 66 des Kolbenkäfigs 30 angeordnet
ist und sich einerseits gegen den Zapfen 84 des schließgliedfesten
Steuerelements 78 und andererseits gegen den Kolbenkäfig 30 abstützt,
so dass das Schließglied 68 in seine Schließstellung
gemäß 2 und 3 vorgespannt
ist. Die Rückstellung des Schließglieds 68 von
seiner Offenstellung in seine Schließstellung erfolgt automatisch
dann, wenn der Steuernocken 94 des schließgliedfesten Steuerelements 78 mit
dem Steuernocken 100 bzw. dem Steuernocken 102 außer
Eingriff kommt.
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Durch
das Vorsehen zweier Steuernocken 100 und 102 an
dem gehäusefesten Steuerelement 76 wird das Schließglied 68 bei
einem vollen Umlauf des schließgliedfesten Steuerelements 78 zweimal geöffnet,
und zwar einmal zum Einlassen eines Gases in die Arbeitskammer 42 (4),
und einmal zum Ausstoßen von Gas aus der Arbeitskammer 42 (5).
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Der
zuvor beschriebene Steuermechanismus 74 stellt eine konstruktiv
sehr einfache Möglichkeit der Steuerung des Schließglieds 68 dar.
In dieser einfachen Ausgestaltung lässt sich der Zeitpunkt
des Öffnens und der Zeitpunkt des Schließens und
die Dauer des Öffnens des Schließorgans 68 während des
Betriebs der Rotationskolbenmaschine 10 nicht verändern.
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Nachfolgend
werden Weiterbildungen dieses Steuermechanismus beschrieben, bei
denen der Steuermechanismus einstellbar ist, um den Zeitpunkt des Öffnens
und/oder den Zeitpunkt des Schließens des Schließglieds 68 zu
verändern.
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Ein
solcher Steuermechanismus 74a ist in 7a)
und 7b) dargestellt, wobei sich die nachfolgende Beschreibung
auf die Unterschiede zu dem Steuermechanismus 74 beschränkt.
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Der
Unterschied des Steuermechanismus 74a zu dem Steuermechanismus 74 besteht
darin, dass das gehäusefeste Steuerelement 76a gemäß 9a)
bis c) zwei Segmente 106 und 108 aufweist, die
zusammen die Steuerkurve 90a bilden, die entsprechend auf
beide Segmente 106 und 108 in Umfangsrichtung
hälftig aufgeteilt ist. Die Segmente 106 und 108 sind
gleitend auf einem Lagerring 109 gelagert.
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Der
Steuernocken 100 ist dabei an dem Segment 108 und
der Steuernocken 102 an dem Segment 106 ausgebildet.
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Die
beiden Segmente 106 und 108 sind in Umfangsrichtung
um die Drehachse 28 herum unabhängig voneinander
lageverstellbar, wodurch die Steuernocken 100 und 102 in
ihrer Winkelstellung bezüglich der Drehachse 28 verstellbar
sind. Die Winkelverstellung des Steuernockens 100 und/oder 102 um
die Drehachse 28 verändert den Zeitpunkt des Öffnens
des Schließglieds 68 als auch den Zeitpunkt des
Schließens des Schließglieds 68 beim
Vorgang des Einlassens von Gas in die Arbeitskammer 42 und/oder
beim Vorgang des Ausstoßens von Gas aus der Arbeitskammer 42.
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In 11a) und b) sind Antriebe zum Lageverstellen der
beiden Segmente 106 und 108 des gehäusefesten
Steuerelements 78a dargestellt.
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Zur
Lageverstellung des Segments 108 ist ein Antrieb 110,
beispielsweise ein Servomotor, vorgesehen, der eine Schnecke 112 in
zwei entgegengesetzten Drehrichtungen antreiben kann, wobei die Schnecke 112 mit
einer Außenverzahnung 114 des Segments 108 in
Eingriff steht, wobei je nach Drehrichtung der Schnecke 112 das
Segment 108 im oder entgegen dem Uhrzeigersinn um die Drehachse 28 lageverstellt
wird. Der Verstellwinkel kann dabei auf 5° bis 20° begrenzt
sein.
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Für
das Segment 106 ist ein Antrieb 116 vorgesehen,
der eine Schnecke 118 antreibt, die mit einer Außenverzahnung 120 des
Segments 106 zusammenwirkt, um dieses um die Drehachse 28 lagezuverstellen.
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In 1 sind
die Antriebe 110 und 116 ebenfalls dargestellt.
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In 8a)
und b) ist eine weitere Weiterbildung des Steuermechanismus dargestellt,
die eine weitere Einstellmöglichkeit für die Steuerung
des Schließglieds 68 besitzt, wobei sich 8a)
und b) auf das Gaswechselsystem 56 beziehen, das aber wie
bereits erwähnt konstruktiv (bis auf die Winkellage bezüglich
der Drehachse 28) mit dem Gaswechselsystem 54 identisch
ist.
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Dieser
mit dem Bezugszeichen 74b versehene Steuermechanismus ist
weiterhin einstellbar, um den Hub des Schließglieds 68 zwischen
der Schließstellung und der Offenstellung zu verändern,
sowie um die Dauer des Offenzustands des Schließglieds 68 zu
verändern.
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Der
Steuermechanismus 74b ist dazu in der Lage, das gehäusefeste
Steuerelement 76b relativ zu dem schließgliedfesten
Steuerelement 78b axial, d. h. in Richtung der Drehachse 28 lagezuverstellen, d.
h. die Steuerfläche 90b von der Steuerfläche 92b mehr
oder weniger zu beabstanden. Durch die Beabstandung der Steuerflächen 90b und 92b werden auch
die zugehörigen Steuernocken 100b, 102b und 94b mehr
oder weniger voneinander beabstandet, wodurch die Eingriffsdauer
dieser Steuernocken beim Umlaufen des schließgliedfesten
Steuerelements 78b um die Drehachse 28 und damit
die Öffnungsdauer des Schließglieds 68 verkürzt
bzw. verlängert wird, und ebenso wird der axiale Hub des schließgliedfesten
Steuerelements 78b und damit der Hub des Schließglieds 68 zwischen
seiner Schließstellung und seiner Offenstellung vergrößert oder
verkleinert.
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In 10a) und b) ist das gehäusefeste Steuerelement 76b dargestellt,
das gegenüber dem gehäusefesten Steuerelement 76a einen
axialen Fortsatz 122 mit einem Gewinde 124 aufweist.
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Gemäß 12 steht
mit diesem Gewinde ein Zwischenrad 126 in Eingriff, das
axial unbeweglich ist, und das eine Außenverzahnung 128 aufweist, mit
der eine Schnecke 130 in Eingriff steht, die von einem
Antrieb 132 in Drehung versetzt wird. Der Antrieb 132 ist
in 1 ebenfalls dargestellt.
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Mit
Bezug auf 13 wird nachfolgend die Funktionsweise
des Gaswechselsystems 54 beschrieben.
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In 13f) ist in Blickrichtung von der Arbeitskammer 42 her
das gehäusefeste Steuerelement 76b dargestellt,
das für die Zwecke der nachfolgenden Beschreibung in vier
Sektoren 1, 2, 3 und 4, die sich jeweils über etwa 90° erstrecken,
unterteilt ist. Ein Pfeil 131 deutet die Umlaufrichtung
des schließgliedfesten Steuerelements 78b um die
Drehachse 28 an. Mit R ist der maximale Bereich der Lageverstellung
der Segmente 106 und 108 mit den Steuernocken 100b und 102b in
Umfangsrichtung um die Drehachse 28 veranschaulicht, der
etwa 15° beträgt.
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In 13a) ist das gehäusefeste Steuerelement 76 sowie
das schließgliedfeste Steuerelement 78 jeweils
in abgerollter Darstellung gezeigt, wobei sich die in 13a) linken Enden der Steuerelemente 76, 78 an
das jeweilige rechte Ende anschließen.
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13a) betrifft den einfachsten Fall des Steuermechanismus 74 ohne
Verstellmöglichkeiten für die gehäusefesten
Steuernocken 100 und 102. In 13a) ist das schließgliedfeste Steuerelement 78 mit
seinem schließgliedfesten Steuernocken 94 in einer
Umlaufstellung um die Drehachse 28 gezeigt, in der der
Steuernocken 94 sich gerade im Übergang von Sektor 4 zu
Sektor 1 des gehäusefesten Steuerelements 76 befindet.
Das Schließglied 68 ist in dieser Umlaufstellung
des schließgliedfesten Steuerelements 78 geschlossen.
In der Arbeitskammer 42 ist gerade der Arbeitstakt des
Arbeitens (Expandierens) beendet. Die Kolben 22 und 24 befinden
sich dabei in der UT-Stellung. Läuft das schließgliedfeste
Steuerelement 78 mit dem schließgliedfesten Steuernocken in
Richtung eines Pfeils 132 an dem gehäusefesten Steuerelement 76 entlang,
so läuft der schließgliedfeste Steuernocken 94 zunächst
auf den gehäusefesten Steuernocken 100 auf, wodurch
das Schließglied 68 geöffnet wird, während
sich die Kolben 22, 24 von ihrer UT-Stellung in
Richtung ihrer OT-Stellung aufeinander zu bewegen. Es findet nun
der Arbeitstakt des Auslassens von Gas aus der Arbeitskammer 42 durch
den Gasauslass 60 hindurch statt, wie in 5 dargestellt
ist. Am Ende des Sektors 1 schließt das Schließglied 68 aufgrund
der Vorspannung mittels des Energiespeicherelements 104 selbsttätig.
Die Kolben 22, 24 befinden sich nun in der OT-Stellung,
in der die Arbeitskammer 42 gemäß 3 minimales
Volumen aufweist.
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Unmittelbar
danach läuft der schließgliedfeste Steuernocken 94 auf
den gehäusefesten Steuernocken 102, und das Schließglied 68 wird
wieder geöffnet, um nunmehr Gas durch den Gaseinlass 58 in
die Arbeitskammer 42 einzulassen, wie in 4 dargestellt
ist. Am Ende von Sektor 2 wird das Schließglied 68 wieder
geschlossen. Wenn der schließgliedfeste Steuernocken 94 anschließend
an dem gehäusefesten Steuerele ment 76 entlang
der Sektoren 3 und 4 desselben läuft,
ist das Schließglied 68 geschlossen, und es findet
in der Arbeitskammer 42 zunächst der Arbeitstakt
des Verdichtens ausgehend von der UT-Stellung der Kolben 22, 24 und
anschließend ausgehend von der OT-Stellung der Kolben 22, 24 wieder
der Arbeitstakt des Arbeitens statt. Die Kolben 22, 24 sind
dann insgesamt ausgehend vom linken Ende in 13a)
bis zum Ende in 13a) um 360° um die
Drehachse 28 zusammen mit dem Kolbenkäfig 30 in
dem Gehäuse 12 umgelaufen.
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In 13b) bis d) ist die gleiche Funktionsweise wie
in 13a) nunmehr für das gehäusefeste Steuerelement 76a dargestellt,
das eine Lageverstellung der gehäusefesten Steuernocken 100a und 102a um
die Drehachse 28 zulässt, um den Zeitpunkt des Öffnens
und Schließens des Schließglieds 68 zu verändern.
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13b) zeigt eine Einstellung des gehäusefesten
Steuerelements 76a, bei der das Segment 108 um
die Drehachse 28 so lageverstellt wurde, dass der Arbeitstakt
des Auslassens (Sektor 1) früher beginnt, während
der Zeitpunkt des Beginns des Einlassens unverändert, d.
h. neutral ist. O bezeichnet die Dauer der Offenstellung des Schließglieds 68.
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13c) zeigt eine Lageverstellung des gehäusefesten
Steuerelements 76a, bei der das Segment 108 des
Steuerelements 76a in umgekehrter Weise zu 13b) derart um die Drehachse 28 lageverstellt
wurde, dass der Arbeitstakt des Auslassens später beginnt,
während der Zeitpunkt des Einlassens weiterhin unverändert
ist.
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13d) zeigt einen Betriebszustand, bei dem nunmehr
das Segment 106 um die Drehachse 28 lageverstellt
wurde, während sich das Segment 108 in Neutralstellung
befindet. Der Zeitpunkt des Beginns des Auslassens ist somit gegenüber
der Neutralstellung unverändert, während das Einlassen gegenüber
der Neutralstellung früher beginnt.
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13e) zeigt die Funktionsweise des Gaswechsels
im Fall der Verwendung des gehäusefesten Steuerelements 76b,
das relativ zum schließgliedfesten Steuerelement 78 axial
in Richtung der Drehachse 28 lageverstellbar ist. 13e) zeigt eine axiale Stellung des gehäusefesten
Steuerelements 76b, in der es von dem schließgliedfesten
Steuerelement 78 gegenüber den Darstellungen in 13A a) bis d) weiter beabstandet ist. Die Folge
ist, dass der schließgliedfeste Steuernocken 94 mit
den gehäusefesten Steuernocken 100b und 102b jeweils
kürzer in Eingriff steht und auch der Hub des schließgliedfesten
Steuerelements 78 und damit auch des Schließglieds 68 verringert
ist. 13e) zeigt insbesondere eine
Betriebsstellung des gehäusefesten Steuerelements 76b,
in der die Dauer O1 des Auslassens verringert
ist, weil die Eingriffsdauer des schließgliedfesten Steuernockens 94 mit
dem gehäusefesten Steuernocken 100b verkürzt
ist. Der gehäusefeste Steuernocken 102b ist zusätzlich
noch in Richtung um die Drehachse 28 derart lageverstellt,
dass der Zeitpunkt des Einlassens gegenüber der Neutralstellung
später liegt und gleichzeitig auch die Dauer O1 des
Einlassens aufgrund der axialen Verstellung des gehäusefesten
Steuerelements 76b kürzer als in der Neutralstellung
ist.
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Die
Funktionsweise des Gaswechselsystems 56, das der Arbeitskammer 44 zugeordnet
ist, ist die gleiche, mit dem einzigen Unterschied, dass die Arbeitstakte
des Arbeitens, Auslassens, Einlassens, Verdichtens gegenüber
dem Gaswechselsystem 54 um zwei Arbeitstakte phasenverschoben
ist. Während in der Arbeitskammer 42 gerade der
Arbeitstakt des Arbeitens stattfindet, findet in der Arbeitskammer 44 der
Arbeitstakt des Einlassens statt, usw.
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In 14a) und b) ist eine Ausgestaltungsvariante des
Schließglieds 68 dargestellt, die sich für die
Verwendung der Rotationskolbenmaschine 10 als Brennkraftmaschine
eignet, die mit Ottokraftstoff betrieben werden kann. In den Gaseinlass 58 ist
dazu eine Kraftstoffeinspritzdüse 133 integriert,
durch die Kraftstoff 135 in den Gaseinlass 58 eingespritzt
werden kann, so dass bei geöffnetem Schließglied 68 ein Gas
in die Arbeitskammer 42 eingelassen werden kann, das ein
Gemisch aus Luft und Kraftstoff ist. Um das Gas in der Arbeitskammer 42 zu
zünden, ist in das Schließglied 68 eine Zündvorrichtung 134 integriert,
dessen Zündelektroden 136 in unmittelbarer Nähe
zur Drehachse 28 angeordnet sind.
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Die
Zündelektroden 136 befinden sich auf Höhe
des Ventiltellers 70. Der Ventilstößel 82 des Schließglieds 68 ist
zu diesem Zweck als Hohlrohr ausgebildet, in dem die Zündvorrichtung 134 bezüglich
der Drehachse 28 feststehend angeordnet ist, d. h. die
Zündvorrichtung 134 dreht nicht zusammen mit dem
Ventilstößel 82 und dem Ventilteller 70 um
die Drehachse 28 mit. Die Zündvorrichtung 134 oder Zündkerze
weist elektrische Zuleitungen auf, die bis zu einem Kabelanschluss 139 reichen.
Dabei geht die Zündvorrichtung 134 durch die Steuerelemente 76 und 78 (bzw. 76a oder 76b)
hindurch. Gegebenenfalls kann Druckluft 141 durch den Spalt
zwischen der Zündvorrichtung 134 und dem Stößel 82 in
die Arbeitskammer eingeblasen werden, um ein Rückschlagen
des brennenden Gases zu vermeiden.
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In 15 ist
eine weitere Abwandlung des Schließglieds 68 dargestellt,
die sich insbesondere für eine Verwendung der Rotationskolbenmaschine 10 als
Dieselmotor eignet.
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Durch
den wiederum als Hohlrohr ausgebildeten Ventilstößel 82 des
Schließglieds 68 erstreckt sich eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 138,
an deren arbeitskammerseitigen Ende eine Einspritzdüse 140 mit
einer Mehrzahl an feinen Düsenöffnungen 142 angeordnet
ist, durch die Dieselkraftstoff unter sehr hohem Druck in die Arbeitskammer 42 eingespritzt werden
kann. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 138 ist in dem
Ventilstößel 82 wiederum vorzugsweise bezüglich
der Drehachse 28 feststehend angeordnet. An der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 138 kann
noch ein Glühfaden 146 angeordnet sein. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 138 erstreckt
sich durch den Stößel 82 und durch die
Steuerelemente 78 und 76 (bzw. 76a oder 76b)
hindurch bis zu einem nicht näher dargestellten Einspritzventil.
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Diese
Ausführungsbeispiele zeigen, dass es trotz Vorhandensein
des Schließglieds 68 auf der Drehachse 20 möglich
ist, die Rotationskolbenmaschine 10 als Brennkraftmaschine
zu verwenden, und zwar sowohl als Otto- als auch als Dieselmotor.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2006/089576
A1 [0002, 0016, 0075, 0077]