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Die
Erfindung betrifft eine Arbeitskraftmaschine mit einem Gehäuse mit
einem Innenraum, in dem ein um eine Achse drehbar gelagerter Zylinderblock
mit Zylinderlaufbuchsen angeordnet ist, in denen Kolben angeordnet
sind, die eine hin- und
hergehenden Bewegung ausführen
und Brennräume
mit sich während
der Drehung um die Achse verändernden
Brennraumvolumina begrenzen, wobei die Kolben mit einem Steuergetriebe
gekoppelt sind, das das Verhältnis
der Winkelgeschwindigkeit des Zylinderblockes zu der Winkelgeschwindigkeit
der Kolben steuert.
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Es
gibt unterschiedliche Konstruktions- und Arbeitsprinzipien für Arbeitskraftmaschinen,
die üblicherweise
auch Verbrennungsmotoren genannt werden. Neben den Hubkolbenmotoren,
in denen eine reziproke Linearbewegung über einen Kurbeltrieb in eine
Drehbewegung umgewandelt wird, existieren Schwenkkolbenmotoren sowie
Drehkolbenmotoren, deren bekannteste Vertreter der so genannte Wankelmotor
ist. Der Wankelmotor sieht eine komplexe Drehbewegung des Kolbens
in einem speziell ausgeformten Gehäuse vor. Federgelagerte Dichtleisten dichten
den Brennraum gegenüber
den anderen Kammern ab.
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Die
DE 271552 A beschreibt
eine Viertakt-Explosionskraftmaschine mit einem ringförmigen Zylinder
und mit vier schwingenden und umlaufenden Kolben. Die Kolben sind über Pleuelstangen
mit Kurbelwellen von Planetenrädern
verbunden, wobei die Pleuelstangen gemeinsam mit den Kurbelwellen in
ein Gehäuse eingeschlossen
sind, in dem die beweglichen Teile so symmetrisch verteilt sind,
dass das ganze Gehäuse
als Schwungrad dienen kann. Dabei sind nur zwei Planetenräder zur
Steuerung der Kolben vorhanden, wobei jedes der Planetenräder mittels
einer doppelt gekröpften
Kurbel auf die Arme der beiden Kolbenscheiben einwirkt.
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Eine ähnliche
Drehkolbenbrennkraftmaschine ist in der
DE 632391 A beschrieben, bei
der aufgrund wechselnder Geschwindigkeiten der Kolbensitze eine
Relativbewegung der Kolben zueinander auftritt. Dies bedeutet, dass
die als Kolben dienenden Scheiben sowohl in dem Gehäuse als
auch ineinander drehbar gelagert sind.
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Die
DE 1927208 A beschreibt
eine Drehkolbenmaschine mit zumindest zwei Doppelflügelkolben,
die um eine gemeinsame Achse in einem kreisförmigen Zylinder drehbar angeordnet
sind, wobei zwischen den Kolben und den Wänden des Zylinders im Volumen
veränderliche
Kammern gebildet werden. Die Kolben sind miteinander durch einen
Steuer-Gelenkmechanismus verbunden, der bewirkt, dass während des
Betriebes die Relativbewegung zwischen den Kolben periodisch beschleunigt
und verzögert
werden, um das Volumen der Kammern zu verändern. Insgesamt ist die Steuerung
dieser Drehflügelmotoren
sehr aufwendig.
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Die
DE 124003 A beschreibt
eine Explosionskraftmaschine mit kreisendem Zylinder, in dem sich
während
der Drehung zwei gebogene Kolben bewegen. Der Zylinder ist durch
Scheidewände
diametral geteilt. Die Scheidewände
bilden zwei Kammern, in denen je ein Kolben eine reziproke, kreissegmentförmige Bewegung
in Bezug auf den Zylinder ausführt.
Innerhalb der beiden Zylinder werden insgesamt vier veränderliche
Kammern gebildet, in denen die Arbeitstakte des Motors stattfinden.
Die beiden Kolben sind durch einen außerhalb des Zylinders angeordneten
Balancierer gekoppelt, der diametral zum Zylinder angeordnet ist
und lose auf der Maschinenwelle sitzt, die die Achse des sich drehenden
Zylinders bildet. Einer der Kolben ist zudem mit dem Zylinder selbst
durch einen zweiten, außerhalb
angeordneten Balancierer verbunden, der exzentrisch zur Zylinderachse
angeordnet ist. In Folge der exzentrischen Befestigung bewegen sich
die Kolben und der Zylinder zwar in der gleichen Drehrichtung, aber
mit verschiedenen Geschwindigkeiten. Die Hebelsteuerung über die
Balancier und die doppelt wirkenden Kolben sind sehr aufwendig,
zudem bleiben nur kurze Gaswechselzeiten aufgrund der doppelt wirkenden
Anordnung der Kolben. Die Kolben laufen auf einer gekrümmten Bahn,
so dass die Fertigung und Anpassung der Kolben an die Zylinder schwierig
ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Arbeitskraftmaschine
bereit zu stellen, die einfach aufgebaut und bei der eine robuste und
zuverlässige
Steuerung möglich
ist. Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine Arbeitskraftmaschine mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Die
erfindungsgemäße Arbeitskraftmaschine mit
einem Gehäuse
mit einem Innenraum, in dem ein um eine Achse drehbar gelagerter
Zylinderblock mit Zylinderlaufbuchsen angeordnet ist, in denen Kolben angeordnet
sind, die hin- und hergehende Bewegung ausführen und Brennräume mit
sich während
der Drehung um die Achse verändernden
Brennraumvolumina begrenzen, wobei die Kolben einem Steuergetriebe
gekoppelt sind, das das Verhältnis
der Winkelgeschwindigkeit des Zylinderblockes zu der Winkelgeschwindigkeit
der Kolben steuert, sieht vor, dass die Kolben über eine Schwinge miteinander
verbunden sind und dass das Steuergetriebe zwei elliptisch ausgebildete
Zahnräder
und zwei zylindrische Zahnräder
aufweist, wobei ein erstes elliptischen Zahnrad drehfest mit einer
ersten Steuerwelle gekoppelt ist, an der die Schwinge drehfest gelagert
ist, dass das zweite elliptischen Zahnrad mit dem ersten elliptischen
Zahnrad kämmt
und mit einem ersten zylindrischen Zahnrad gekoppelt ist, das wiederum
mit dem zweiten zylindrischen Zahnrad kämmt, das an einer zweiten Steuerwelle
drehfest gelagert ist, an der der Zylinderblock wiederum drehfest
angeordnet ist. Auf diese Art und Weise ist durch eine Zwangskoppelung über Zahnräder, nämlich die
beiden zylindrischen Zahnräder
und die elliptischen Zahnräder, sowie über die
Schwinge eine kompakte, zuverlässige
und auf rotatorische Bewegungen ausgelegte Steuerung möglich. Ebenfalls
ist es möglich,
dass die Kolben eine rein geradlinige Bewegung ausführen, was
die Fertigung der Kolben und Zylinder bzw. Zylinderlaufbuchsen vereinfacht
und eine höhere
Fertigungspräzision
ermöglicht.
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Der
Zylinderblock ist bevorzugt drehfest mit einer Abtriebswelle gekoppelt,
um so die durch die Verbrennung des Luft-Treibstoffgemisches erzeugte Kraft
aus der Maschine herausführen
zu können.
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Bevorzugt
sind die zweite Steuerwelle und die Abtriebswelle als Halbwellen
ausgebildet, die miteinander verbunden sind, beispielsweise indem
die beiden Halbwellen miteinander verschraubt sind. Zusammen mit
der Verschraubung der Halbwellen kann der Zylinderblock mit den
Zylindern bzw. den darin angeordneten Zylinderlaufbuchsen an den
Halbwellen gekoppelt werden.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass die zylindrischen Zahnräder und die elliptischen Zahnräder jeweils
ein 1:1-Übersetzungsverhältnis aufweisen. Durch
die elliptische Ausbildung der Zahnräder wird gewährleistet,
dass die Winkelgeschwindigkeit der Kolben relativ zu der Winkelgeschwindigkeit
des Zylinderblockes variiert wird, ohne dass die grundsätzliche
geometrische Zuordnung von Kolben und Zylinder während der Drehung des Zylinderblockes
gemeinsam mit den Kolben um die Drehachse aufgehoben wird.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Gehäuse Stirnflächen aufweist,
an denen die Zylinder entlang gleiten, wobei zumindest in einer der
Stirnflächen
Ein- und Auslasskanäle
ausgebildet sind, die korrespondierend zu Einlass- und Auslassöffnungen
der Zylinder angeordnet sind. Dadurch ist es möglich, über einen relativ langen Weg
sehr präzise
Steuerzeiten für
den Gaswechsel bereitzustellen. Die Einlass- und Auslasskanäle können entweder
auf der selben Stirnfläche
oder aufeinander gegenüber liegenden
Stirnflächen
ausgebildet seien, so dass von der einen Seite das relativ kühle, zündfähige Gemisch
zugeführt
und auf der anderen Seite das heiße Verbrennungsgas abgeführt wird.
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Um
ein möglichst
reibungslosen Gasaustausch bereitzustellen, ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Einlass- und Auslasskanäle
in einem Ausgleichsring ausgebildet sind, der zwischen einer Stirnfläche des
Gehäuses
und dem Zylinder angeordnet ist. Im Bereich der Einlass- und Auslasskanäle streift
dann der Zylinder mit den korrespondierenden Einlass- und Auslassöffnungen
an dem Ausgleichsring entlang, und überbrückt den ggf. vorhandenen Zwischenraum
zwischen den übrigen
Stirnflächen und
den Zylinderwänden.
Auf diese Weise wird nur im Bereich der Einlass- und Auslasskanäle bzw.
Einlass- und Auslassöffnungen
ein schleifender Kontakt zwischen dem rotierenden Zylinderblock
und dem statischen Gehäuse
ausgebildet.
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Den
Brennräumen
sind Zündkerzen
zugeordnet, die an dem Zylinderblock und an den Zylindern angeordnet
sind und sich mit dem Zylinderblock und den Zylindern um die Drehachsen
drehen. An dem Gehäuse
ist in dem Innenraum eine Kontakteinrichtung zur Übertragung
einer Zündspannung
angeordnet, die mit den Zündkerzen
in Kontakt tritt, wenn eine bestimmte Winkelstellung des Zylinderblockes erreicht
ist. Durch eine Variation der Kontakteinrichtung kann der Zündzeitpunkt
verändert
werden.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der beigefügten
Figuren näher erläutert. Gleiche
Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bauelemente. Es zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht senkrecht zur Drehachse;
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2 eine
Schnittansicht gemäß Linie
A-A aus 1;
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3 eine
Schnittansicht gemäß Linie
C-C in 1;
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4 eine
Schnittansicht gemäß Linie
D-D in 1 in vergrößerter Darstellung;
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5 eine
vergrößerte Schnittansicht
gemäß Line E-E
in 1; sowie
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6 eine
Prinzipdarstellung der Arbeitsweise der Arbeitskraftmaschine.
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In
der 1 ist ein feststehendes, innen kreisförmiges Gehäuse 1 dargestellt,
mit einem zentral darin gelagerten Zylinderblock 2, der
um eine Drehachse gelagert ist. Um dieselbe Drehachse ist ein Kolbenblock 3 gelagert,
der zwei Kolben 16 aufweist, die innerhalb von Zylinderlaufbuchsen 15 eine gradlinige,
hin- und hergehende Bewegung ausführen. Die Kolben 16 können als
kreisförmige
oder ovale Kolben ausgebildet sein und weisen Kolbenringe sowie
einen Kolbenbolzen auf. Die Kolben 16 sind über so genannte
Gabeln 19 schwenkbar an der S-förmig ausgebildeten Schwinge 20 gelagert.
In der dargestellten Stellung befinden sich die Kolben 16 im oberen
Totpunkt, so dass der Brennraum zwischen dem Kolbenboden und dem
an dem Zylinderblock 2 durch Schrauben befestigten Zylinderkopf 21 minimal
ist. In dem Zylinderkopf 21 ist eine Zündkerze 27 eingeschraubt,
die gemeinsam mit dem Zylinderblock 2 um die Drehachse
umläuft.
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An
dem Gehäuse 1 ist
an dem äußeren Umfang
ein Zündbolzen 29 angeordnet, über den
die Zündspannung über ein
innerhalb des Innenraumes angeordnetes Zündblech 30 an die
jeweils vorbeistreichende Zündkerze 27 übertragen
wird. Die Zündspannung
wird extern von einer Zündanlage
erzeugt, wobei der Zündbolzen 29 und
das Zündblech 30 als Zündsegment 28 zusammengefasst
sein können, das
an dem Gehäuse 1 von
außen
verschraubt ist. Sobald die Zündkerze 27 an
dem Zündblech 30 vorbeistreicht
und die gewünschte
Zündposition
erreicht hat, wird die Zündspannung übertragen
und Zündfunke
innerhalb des Brennraumes erzeugt. Die Übertragung der Zündspannung
erfolgt kurz vor dem oberen Totpunkt des gerade vorbeistreichenden Kolbens 16,
so dass das bis dahin verdichtete Luft-Kraftstoffgemisch durch den
Zündfunken
gezündet
und die Verbrennung eingeleitet wird.
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In
der 1 ist angedeutet zu sehen, dass ein Steuergetriebe
aus mehreren Zahnrädern 22, 23, 25, 26 besteht,
die paarweise miteinander kämmen. Der
Aufbau und die Wirkungsweise des Steuergetriebes wird anhand der 2 näher erläutert werden.
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Die
Funktionsweise der Arbeitsmaschine sieht vor, dass der Zylinderblock 2 im
Wesentlichen gleichförmige
Winkelgeschwindigkeit um die Drehachse innerhalb des Gehäuses 1 kreist.
Der Kolbenblock 3, bestehend aus den miteinander verbundenen
Kolben 16, den Kolbenbolzen 17, 18, den
Gabeln 19 und der Schwinge 20, die zueinander
beweglich sind, kreist in gleicher Drehrichtung, im dargestellten Ausführungsbeispiel
im Uhrzeigersinn, wie der Zylinderblock 2, allerdings mit
einer veränderlichen
Winkelgeschwindigkeit. Während
der Zylinderblock 2 zusammen mit dem Kolbenblock 3 umläuft, werden
die Kolben 16 in den Zylinderbuchsen 15 hin- und
herbewegt. Dabei entfernt sich der Kolben 16 aus der dargestellten
oberen Totpunktposition von dem Zylinderkopf 21 bis zum
unteren Totpunkt, ungefähr
90 Grad später.
Die veränderliche
Winkelgeschwindigkeit, der Geschwindigkeitsverlauf sowie die Taktung
werden durch das Steuergetriebe vorgegeben. Bei einem Umlauf bzw.
einer Umdrehung des Zylinderblockes 2 schließt der Drehkolbenverbrennungsmotor
in der dargestellten Ausführungsform
nach vier Takten seinen Verbrennungszyklus ab.
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Der
Verbrennungszyklus besteht hier aus Ansaugen, Verdichten, Arbeiten
und Ausstoßen.
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In
der 2 ist im Querschnitt entlang der Linie A-A der
Aufbau insbesondere des Steuergetriebes gut zu erkennen. Das Gehäuse 1 bildet
einen im Wesentlichen kreisförmigen
Innenraum 31 aus, der stirnseitig von zwei Stirnflächen 32, 33 abgeschlossen
wird. Um die zentrale Drehachse ist der Zylinderblock 2 schwenkbar gelagert,
der mit einer Abtriebswelle 4 und einer Steuerwelle 5 verschraubt
ist. Innerhalb der Halbwellen 4, 5, die in dem
Gehäuse 1 gelagert
sind, ist eine weitere Steuerwelle 6 drehbar gelagert,
die mit dem Kolbenblock 3 drehfest verbunden ist, beispielsweise
durch eine Keilnutenverbindung. Auf der Steuerwelle 6 ist
ein erstes elliptisches Zahlrad 26 drehfest angeordnet,
beispielsweise über eine
Keilverzahnung. Dieses erste elliptische Zahnrad 26 kämmt mit
einem zweiten elliptischen Zahnrad 25, das auf eine Zwischenwelle 24 drehbar
gelagert ist. Das zweite elliptischen Zahnrad 25 ist mit
dem ebenfalls drehbar auf der Zwischenwelle 24 gelagerten
ersten zylindrischen Zahnrad 23 gekoppelt, das wiederum
mit einem zylindrischen Zahnrad 22 kämmt, das drehfest auf der zweiten
Steuerwelle 5, die als Halbwelle ausgebildet ist und drehfest
mit dem Zylinderblock 2 gekoppelt ist, verbunden ist. Die Verbindung
erfolgt beispielsweise über
eine Verzahnung. Durch dieses mechanische Steuergetriebe mit dem
zylindrischen Zahnrädern 22, 23 und
den elliptischen Zahnrädern 25, 26 wird
die relative Bewegung der Kolben 16 zu den Zylinderbuchsen 15 vorgegeben.
Die kontinuierliche Drehbewegung bei einer gleichmäßigen Winkelgeschwindigkeit
des Zylinderblockes 2 wird in eine sich verändernde
Drehgeschwindigkeit der jeweiligen Kolben 16 umgewandelt.
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Der
Gasaustausch erfolgt über
einen Ausgleichsring 7, der umlaufend an der einen Stirnfläche 33 angeordnet
ist. In der 2 ist der Einlasskanal 34 gezeigt,
durch den ein entzündbares
Luft-Kraftstoffgemisch zugeführt
werden kann. Weiterhin befindet sich in dem Ausgleichsring 7 ein
Auslasskanal, der in dem vorgenommenen Schnitt nicht zu erkennen
ist. Der Ausgleichsring 7 dient zum Ausgleich des Abstandes
zwischen der Stirnfläche 33 und
dem umlaufenden Zylinderblock 2 und dichtet den Spalt zwischen
dem kreisenden Zylinderblock 2 und dem Gehäuse 1 ab.
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In
der 3 ist in der Schnittdarstellung der Auslasskanal 35 gezeigt,
der in dem Ausgleichsring 7 ausgebildet ist. Ebenfalls
ist in der 3 zu erkennen, dass der Zylinderblock 2 nur
im Bereich des Ausgleichsrings 7 an der dem Gehäuse 1 schleift. Ebenfalls
ist zu erkennen, dass die Halbwellen 4, 5 mit
dem Zylinderblock 2 verschraubt sind, während die Kolben 16 an
der Schwinge 20 zentral zwischen Halbwellen 4, 5 gelagert
sind. Die Schwinge 20 ist relativ zu den Halbwellen 4, 5 und
damit auch zu dem Zylinderblock 2 verschwenkbar.
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In
der 4 ist einer vergrößerten Detaildarstellung gezeigt,
dass zum Abdichten des Verbrennungsraumes zwischen dem Ausgleichsring 7 und dem
Zylinderblock 2 ein Abdichtblech 8 angeordnet ist,
das zur Abdichtung des Einlasses und des Auslasses vorgesehen ist.
Das Abdichtblech 8 ist an einem Abdichtelement angeordnet,
das einen Außenring 9,
einen Innenring 10 und drei Dichtringe 11, 12 und 13 aufweist,
die ein unbeabsichtigtes Austreten von Abgasen oder von Frischgasen
verhindern. Über Druckfedern 14,
die vorgespannt sind, werden die Dichtringe, 11, 12, 13 in
Richtung auf den Ausgleichsring 7 gedrückt. Das Abdichtblech 8 ist
zum zusätzlichen
Abdichten, insbesondere beim Ansaugen des Gasgemisches über dem
Einlasskanal, vorgesehen, dient jedoch auch zum zusätzlichen
Abdichten beim Ausstoßen
der Abgase.
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Um
den Verbrennungsprozess durchzuführen,
bewegt sich in der Zylinderbuchse 15 ein Kolben 16 auf
und ab und wird periodisch mit zündfähigem Frischgas
versorgt, das verdichtet wird, nach dem Zünden expandiert und anschließend durch
den Auslasskanal ausgestoßen
wird. Dieses geschieht während
einer Umdrehung um die Drehachse, so dass sich während einer Umdrehung des Zylinderblockes 2 um
die Drehachse der Kolben 16 zweimal im oberen Totpunkt
befindet.
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In
der 5 ist in einer Detaildarstellung der Kolben 16 mit
dem Kolbenbolzen 17, der Gabel 19 und dem Gabelbolzen 18 dargestellt, über den
der Kolben 16 doppelt gelenkig an der Schwinge 20 gelagert
ist. Der Kolben 16 kann entweder einen kreisförmigen oder
ovalen Querschnitt aufweisen, da diese Querschnittsformen sich als
besonders günstig hinsichtlich
der Abdichtungsproblematik erwiesen haben.
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In
der 6 ist schematisch der Ablauf des Arbeitsprozesses
gezeigt, im ersten Takt wird das Luft-Kraftstoffgemisch angesaugt.
Der Kolben 16 bewegt sich vom oberen Totpunkt, also in
maximaler Annäherung
zu dem Zylinderkopf 21, in Richtung zum unteren Totpunkt
und erzeugt dadurch einen Unterdruck im Raum zwischen dem Zylinderkopf 21 und dem
Kolbenboden. Durch den Einlasskanal 34 strömt das Luft-Kraftstoff-Gemisch
in den Brennraum. Bei maximaler Entfernung des Kolbenbodens zu dem
Zylinderkopf 21, also bei einem maximalen Brennraumvolumen,
wird im unteren Totpunkt die Zuführung
des Luft-Kraftstoff-Gemisches beendet. Die Einlassöffnung in
dem Zylinderkopf 21 befindet sich nun nicht mehr in Überdeckung
mit dem Einlasskanal 34, so dass der Brennraum geschlossen
ist.
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Nach
dem Abschluss des Ansaugvorganges bewegt sich der Kolben 16 vom
unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt, das angesaugte Luft-Kraftstoff-Gemisch
wird verdichtet und zündfähig gemacht.
Kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes wird die Zündkerze 27 in
Kontakt mit dem Zündleitblech 30 gebracht.
Damit wird der dritte Takt des Arbeitsprozesses, der Arbeitstakt
eingeleitet. Durch die Zündung
des Luft-Kraftstoff-Gemisches
wird die Verbrennung eingeleitet, die wiederum die Erhöhung des
Gasdruckes innerhalb des Brennraumes bewirkt. Dadurch wird der Kolben 16 vom
oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt bewegt. Die Wärmeenergie wird
in kinetische Energie umgesetzt und an die Abtriebswelle 4 abgegeben.
Kurz vor dem Erreichen des unteren Totpunktes passiert die Auslassbohrung innerhalb
des Zylinderkopfes 21 den Auslasskanal 35 und
die verbrannten Abgase werden ausgestoßen. Nach dem Durchgang durch
den unteren Totpunkt nähert
sich der Kolbenboden dem Zylinderkopf 21 wieder an. Die
Auslassbohrung im Zylinderkopf 21 streicht an dem Auslasskanal 35 vorbei
und wird geschlossen. Der Verbrennungszyklus ist nach dem Erreichen
des oberen Totpunktes nach dem Ausstoßen des Abgases abgeschlossen.
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Wie
der 6 zu entnehmen ist, sind die Winkel für das Ansaugen
und für
das Arbeiten größer als
für Verdichten
und das Ausstoßen.
Die Länge
der Zeiträume
wird durch die Anordnung der Einlass- und Auslasskanäle 34, 35 sowie
durch die Ausgestaltung der elliptischen Zahnräder 25, 26 festgelegt,
die die veränderliche Drehgeschwindigkeit
der Kolben um die Drehachse festlegen.
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Neben
der dargestellten Ausführungsform mit
zwei zylindrischen Zahnrädern,
zwei ellipsenförmigen
und einer Zwischenwelle können
auch drei zylindrische Zahnräder,
drei elliptische Zahnräder
und zwei Zwischenwellen angeordnet sein. Neben der dargestellten,
einseitigen Ausgestaltung des Gaswechsels, vorliegend auf der Stirnfläche 33,
kann der Gaswechsel auch auf einander gegenüberliegenden Stirnflächen 33, 32 durchgeführt werden.