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Die Erfindung bezieht sich auf einen Kreiskolbenmotor.
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Seit vielen Jahren arbeiten nahezu alle Verbrennungsmotoren als Hubkolbenmotoren. Bei solchen Motoren wird die Volumenänderung eines Gases über einen oder mehrere sich linear bewegende Kolben mittels einer Pleuelstange und einer Kurbel in eine Drehbewegung umgewandelt. Die verrichtete Arbeit wird über die Pleuelstange auf die Kurbelwelle übertragen. Auf diese Weise wird die oszillierende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgewandelt. Derartige Hubkolbenmotoren arbeiten in der Regel nach dem Zweitakt- bzw. Viertaktverfahren.
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Ferner sind Rotationskolbenmotoren bekannt, bei der die mechanische Arbeit verrichtenden Teile ausschließlich Drehbewegungen ausführen. Im Gegensatz zu den vorgenannten Hubkolbenmotoren führen die mechanische Arbeit verrichtenden Teile bei Rotationskolbenmotoren eine periodische Drehbewegung aus. Bekanntestes Beispiel eines Rotationskolbenmotors ist der Wankelmotor. Bei diesem wird die Verbrennungsenergie direkt in eine Drehbewegung umgesetzt. Diejenigen Teile, welche die Arbeit verrichten, drehen sich auf einer Kreisbahn. Nachteilig ist dabei, dass Rotationskolbenmotoren in aller Regel Abdichtungsprobleme haben. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei Rotationskolbenmotoren in aller Regel unterschiedliche Dichtungssysteme eingesetzt werden. Häufig sind bei derartigen Rotationskolbenmotoren sehr spezielle Teile zu fertigen, was sich nachteilig auf die Herstellungskosten derartiger Motoren auswirkt. Die Teile selbst sind häufig kompliziert aufgebaut, wodurch sich der Herstellungsaufwand weiter erhöht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kreiskolbenmotor zu schaffen, der effizient betreibbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kreiskolbenmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der erfindungsgemäße Kreiskolbenmotor hat wenigstens einen eine Innenwand aufweisenden Zylinder und einen in dem Zylinder exzentrisch zu dessen Längsachse drehbar gelagerten Kolben mit kreisförmigem Querschnitt, wobei der Außendurchmesser des Kolbens zwecks Ausbildung wenigstens eines Brennraums kleiner als der Innenquerschnitt des Zylinders ist und der Kolben in abdichtendem Kontakt mit der Innenwand des Zylinders steht und eine in radialer Richtung des Kolbens bewegbare Einrichtung aufweist, die ebenfalls in abdichtendem Kontakt mit der Innenwand des Zylinders steht und mit dem Kolben rotiert. Dieser Motor hat eine deutlich geringere Masse als beispielsweise ein Hubkolbenmotor. Außerdem sind durch die Bewegung des rotierenden Kolbens mit kreisförmigem Querschnitt keinerlei Umkehrpunkte zu überwinden. Schon von daher ist der erfindungsgemäße Motor bei gleicher Leistung mit deutlich geringerem Energieaufwand betreibbar. Das vorgenannte Bauprinzip des Kreiskolbenmotors lässt sich bei vergleichbarer Leistung zu einem deutlich geringeren Herstellungspreis im Vergleich zu einem Hubkolbenmotor, aber auch im Vergleich zu dem vorgenannten Wankelmotor fertigen. Dieses Bauprinzip erfordert pro Leistungseinheit bedeutend weniger Eigengewicht. Durch das vereinfachte Bauprinzip und das geringere Eigengewicht lässt sich der Kreiskolbenmotor bei gleicher Leistung mit deutlich weniger Kraftstoff betreiben. Die rotierenden Kolben mit kreisförmigem Querschnitt lassen sich ohne Umkehrpunkte und damit ohne besonderen technischen Aufwand mit einfachen Mitteln deutlich einfacher betreiben. Zudem wird die Wartung des Kreiskolbenmotors unkomplizierter und weniger differenziert als beim Hubkolbenmotor. Der erfindungsgemäße Kreiskolbenmotor kann, insbesondere wenn mehrere Einheiten zu einer Motorengruppe zusammengeschaltet sind, auch und bereits im sehr niedrigen Drehzahlbereich eine vergleichsweise hohe Leistung entwickeln, ohne dass ein derartiger Betrieb den technischen Teilen oder den mechanischen Bauelementen schadet. Zudem wird die Geräuschentwicklung im Vergleich zum Hubkolbenmotor deutlich verringert sein, wodurch sich auch der Aufwand für die Dämpfung reduziert. Ein üblicher Hubkolbenmotor, wie der Ottomotor, entwickelt durch sein Konstruktionsprinzip vielfache Vibrationen und Schwingungen, die nur durch aufwändige Technik kompensiert werden können. Der erfindungsgemäße Kreiskolbenmotor arbeitet von seinem Prinzipaufbau her ausschließlich mit radialsymmetrischen Teilen, die sich einerseits sehr kostengünstig herstellen lassen, andererseits im Betrieb keine Schwingungen und Vibrationen erzeugen. Ferner lässt sich die Anzahl der benötigten Bauteile beim Kreiskolbenmotor im Verbleich zum Hubkolbenmotor reduzieren. Die Abmessungen des Motors, dessen Masse und Gewicht sind im Vergleich zum Ottomotor geringer. Daraus folgt, dass bei gleicher Leistung der Kreiskolbenmotor ein beträchtlich geringeres Gewicht als ein entsprechender Hubkolbenmotor aufweist. Insofern sind die Herstellungs- und Betriebskosten bei dem erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotor im Vergleich zu einem Hubkolbenmotor entsprechender Leistung verringert.
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Vorteilhafterweise weist die in radialer Richtung des Kolbens bewegbare Einrichtung zwei einander diametral gegenüber liegende Flügelteile auf, die jeweils radial nach außen vorbelastet an der Innenwand des Zylinders anliegen. Vorteilhaft ist dabei, dass ein solcher Kreiskolbenmotor pro Umdrehung zwei Arbeitstakte ermöglicht, wohingegen ein Hubkolbenmotor, wie der Ottomotor, bei zwei vollständigen Umdrehungen lediglich einen Arbeitstakt bereitstellt. Daraus ergibt sich für den erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotor eine vierfach höhere Effizienz. Pro Arbeitstakt hat der Ottomotor viermal einen Umkehrpunkt für die Bewegung des Kolbens zu überwinden. Der Kreiskolbenmotor hingegen hat keinen Umkehrpunkt. Er läuft ähnlich wie ein einfacher Wechselstrommotor immer rund. Er entwickelt seine beiden Arbeitstakte pro Umdrehung während des Umlaufs. Komplizierte Ventilsteuerungen können entfallen. Die zwei einander diametral gegenüber liegenden Flügelteile ermöglichen insofern zwei Arbeitstakte pro Umdrehung.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Flügelteile im Kolben geführt mittels Federkraft und/oder über im Kolben vorgesehene Verbindungskanäle mit Hilfe der expandierenden Verbrennungsgase radial nach außen zur Innenwand des Zylinders hin belastet. Insofern ist ein Gleitkontakt der Flügelteile entlang der Innenwand des Zylinders mit einfachen Mitteln herbeiführbar. Auch die expandierenden Verbrennungsgase können mit dazu beitragen, dass die Flügelteile ständig in Kontakt zur Innenwand des Zylinders stehen.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung weist der Zylinder für die am Verbrennungsvorgang beteiligten Fluide Einlass- und Auslassventile auf, und es ist eine Kompressionsvorrichtung derart angeordnet und ausgebildet, dass über das Einlassventil verdichtete Luft oder ein verdichtetes Kraftstoff/Luft-Gemisch in den Brennraum einleitbar ist. Insofern erhält der erfindungsgemäße Kreiskolbenmotor vor jedem Arbeitstakt verdichtete Luft oder ein verdichtetes Kraftstoff/Luft-Gemisch in den Brennraum seines Zylinders. Der Kreiskolbenmotor komprimiert also selbst keine Luft und kein Luftgemisch. Im Gegensatz dazu muss der Ottomotor vor einem Arbeitstakt die eingeflossene Luft verdichten, wobei das Luftvolumen gegebenenfalls durch eine Ladeeinrichtung, wie einen Turbolader, erhöht werden kann. Beim Ottomotor entspricht also die für die Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmenge ohne zusätzliche Ladeeinrichtung etwa dem Zylinderinhalt. Die Kompressionsvorrichtung kann beim Kreiskolbenmotor in jedem gewünschten Volumen ausgelegt sein. Bei einem Ottomotor mit Turbolader setzt die Wirkung des Laders in der Regel erst ab einer bestimmten Drehzahl ein. Beim Kreiskolbenmotor hingegen setzt die volle Leistung mit der zugeführten verdichteten Luft bzw. dem verdichteten Kraftstoff/Luft-Gemisch bereits ab der ersten Umdrehung ein.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Kompressionsvorrichtung wenigstes einen, eine Innenwand aufweisenden Zylinder und einen in dem Zylinder exzentrisch zu dessen Längsachse drehbar gelagerten Kolben mit kreisförmigem Querschnitt auf, wobei der Außendurchmesser des Kolbens zwecks Ausbildung wenigstens eines Kompressionsraums kleiner als der Innenquerschnitt des Zylinders ist und der Kolben in abgedichtetem Kontakt mit der Innenwand des Zylinders steht und eine in radialer Richtung des Kolbens bewegbare Einrichtung aufweist, die ebenfalls in abdichtendem Kontakt mit der Innenwand des Zylinders steht und mit dem Kolben rotiert. Vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass die Kompressionsvorrichtung weitgehend ähnlich wie der Kreiskolbenmotor aufgebaut sein kann. Kreiskolbenmotor und Kompressionsvorrichtung arbeiten nach demselben Prinzip. Das Konstruktionsprinzip von Kreiskolbenmotor und Kompressionsvorrichtung kann deshalb identisch ausgebildet sein und ist im Vergleich zu dem vorher erwähnten Wankelmotor nicht unbeträchtlich vereinfacht. Dieses Bauprinzip der Kompressionsvorrichtung erlaubt es, diese anstelle eines Turboladers bei einem Ottomotor einzusetzen. Dadurch wird eine Leistungssteigerung in der Praxis bereits ab der ersten Umdrehung des Motors erreicht. Die von der Kompressionsvorrichtung erzeugte, verdichtete Luft bzw. das Luftgemisch kann in einem einfachen Vorgang in einen Pufferspeicher geleitet und von diesem auch flexibel nach Bedarf oder Berechnung in den bzw. die Zylinder des Kreiskolbenmotors abgerufen und eingeleitet werden. Ein Motormanagement kann es auf einfache Weise ermöglichen, das Volumen der aufgenommen und letztendlich verdichteten bzw. komprimierten Luft dem Bedarf pro Arbeitstakt entsprechend einzustellen bzw. zu regeln. So kann die Kompressionsvorrichtung also als Verdichter bzw. Kompressor ausgebildet sein und arbeiten.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung weist die in radialer Richtung des Kolbens bewegbare Einrichtung der Kompressionsvorrichtung zwei einander diametral gegenüber liegende Flügelteile auf, die jeweils radial nach außen vorbelastet an der Innenwand des Zylinders anliegen. Insofern ist auch der Innenaufbau der Kompressionsvorrichtung weitgehend identisch mit demjenigen des Arbeitszylinders des Kreiskolbenmotors. Die Kolben einschließlich der Flügelteile sowie deren die in radialer Richtung verschiebbare Beweglichkeit ermöglichende Teile können identisch sein, wodurch sich die Herstellungs- und Betriebskosten weiter verringern können.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung sind die Flügelteile der bewegbaren Einrichtung der Kompressionsvorrichtung im Kolben geführt mittels Federkraft und/oder über im Kolben vorgesehene Verbindungskanäle mit Hilfe der verdichteten Luft oder des verdichteten Kraftstoff/Luft-Gemisches radial nach außen zur Innenwand des Zylinders der Kompressionsvorrichtung hin belastet. Auch insofern können die Kompressionsvorrichtung sowie Zylinder und Kolben des Hubkolbenmotors identisch ausgebildet sein.
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Vorteilhafterweise sind die Zylinder von Kreiskolbenrotor und Kompressionsvorrichtung parallel zueinander angeordnet und bilden eine Einheit, wobei das Einlassventil des am Verbrennungsvorgang beteiligten Zylinders das Auslassventil der Kompressionsvorrichtung bildet und als Ventil zum Überleiten der verdichteten Luft oder des verdichteten Kraftstoff/Luft-Gemisches in den Brennraum ausgebildet ist. Das Überleitungsventil erfüllt insofern eine Doppelfunktion; es ist Einlassventil in Bezug auf den Zylinder des Kreiskolbenmotors und gleichzeitig Auslassventil in Bezug auf die Kompressionsvorrichtung. Dadurch kann sich der Herstellungsaufwand für den erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotor weiter reduzieren. Der Kreiskolbenmotor kann dadurch ferner sehr kompakt aufgebaut und ausgebildet sein und insofern ein geringes Volumen einnehmen.
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Vorteilhafterweise ist der Kolben der Kompressionsvorrichtung antriebsmäßig mit dem Kolben des am Verbrennungsvorgang beteiligten Zylinders verbunden und von letzterem antreibbar. Dadurch kann eine eigene Antriebseinheit für den Kolben der Kompressionsvorrichtung entfallen, so dass der erfindungsgemäße Kreiskolbenmotor einfach ausgebildet sein kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Kolben synchron zueinander, jedoch in entgegengesetzten Drehrichtungen rotierbar. Der Synchronlauf der Kolben reduziert Schwingungen und Vibrationen, so dass der erfindungsgemäße Kreiskolbenmotor äußerst ruhig läuft. Dies ergibt sich auch aus den vorerwähnten entgegengesetzten Drehrichtungen der Kolben.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist an den Kopfteilen der Zylinder jeweils eine freilaufende Dichtungsplatte angeordnet, die auf ihrer vom jeweiligen Kolben wegweisenden Außenseite Rillen für ein Schmiermittel aufweist, wobei die Rillen vorzugsweise unter einem spitzen Winkel schräg zur radialen Richtung der Dichtungsplatte angeordnet sind. Solche Dichtungsplatten erfüllen, stark vereinfacht, in etwa die Funktion der Kolbenringe bei einem Hubkolbenmotor. Eine solche Anordnung der Rillen ermöglicht, dass die rotierenden Dichtungsplatten gleichzeitig im Sinne einer Doppelfunktion auch als Umwälzpumpe für das Schmiermittel, beispielsweise eine Ölschmierung, arbeiten. Dadurch kann sich der apparative Aufwand des erfindungsgemäßen Motors weiter reduzieren. Eine gute Schmierung gestattet einen möglichst verlustfreien Lauf des erfindungsgemäßen Motors.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind an den Kopfseiten der Zylinder Zylinderkopf-Abdeckplatten mit Schmiermittelkanälen derart angeordnet, dass die Schmiermittelkanäle in den Bereich der an der jeweiligen Dichtungsplatte vorgesehenen Rillen münden. Auf diese Weise kann das Schmiermittel auf einfache Weise zu den Dichtungsplatten und damit zu denjenigen Stellen und Bereichen geleitet werden, wo eine Schmierung vorgesehen sein soll.
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Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung bilden. Es zeigen:
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1 einen schematischen Schnitt durch einen Kreiskolbenmotor mit Kompressionsvorrichtung in einer ersten Arbeitsstellung;
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2 einen schematischen Schnitt durch den Kreiskolbenmotor mit Kompressionsvorrichtung gemäß 1 in einer zweiten Arbeitsstellung;
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3 einen schematischen Schnitt durch den Kreiskolbenmotor mit Kompressionsvorrichtung gemäß 1 in einer dritten Arbeitsstellung;
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4 einen schematischen Schnitt durch den Kreiskolbenmotor mit Kompressionsvorrichtung gemäß 1 in einer vierten Arbeitsstellung;
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5 einen schematischen Schnitt durch den Kreiskolbenmotor mit Kompressionsvorrichtung gemäß 1 in einer fünften Arbeitsstellung;
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6 einen schematischen Schnitt durch den Kreiskolbenmotor mit Kompressionsvorrichtung gemäß 1 in einer sechsten Arbeitsstellung;
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7 einen schematischen Schnitt durch den Kreiskolbenmotor in einer vergrößerten Darstellung;
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8 einen schematischen, teilweisen Längsschnitt durch die Kompressionsvorrichtung;
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9 eine schematische Vorderansicht einer Dichtungsplatte des Kreiskolbenmotors;
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10 einen schematischen Schnitt durch einen Kreiskolbenmotor mit Kompressionsvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform;
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11 einen schematischen, vereinfachten Schnitt durch einen Kreiskolbenmotor mit Kompressionsvorrichtung; und
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12 einen schematischen, teilweisen Längsschnitt durch den Kreiskolbenmotor mit Kompressionsvorrichtung gemäß 11.
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In 1 ist ein schematischer, teilweiser Querschnitt durch einen Kreiskolbenmotor 1 mit Kompressionsvorrichtung 2 gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Die Kompressionsvorrichtung 2 ist beispielsweise ein Kompressor oder ein Verdichter.
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Der Kreiskolbenmotor 1 hat wenigstens einen Zylinder 3, welcher eine Innenwand 4 aufweist. Der Zylinder 3 hat in der in 1 gezeigten Ausführungsform einen Kreisquerschnitt. Es ist aber auch möglich, dass der Zylinder 3 einen anderen, insbesondere einen elliptischen Querschnitt hat.
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Ferner hat der Kreiskolbenmotor 1 einen Kolben 5, welcher in dem Zylinder 3 exzentrisch zu dessen Längsachse 6 drehbar gelagert ist. Die Längsachse 6 des Zylinders 3 ist in 12 dargestellt.
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Der Kolben 5 hat einen kreisrunden, nämlich kreisförmigen Querschnitt 7. Der Außendurchmesser 10 des Kolbens 5 ist zwecks Ausbildung wenigstens eines Brennraums 11 kleiner als der Innenquerschnitt des Zylinders 3, welcher gemäß 1 als kreisförmige Fläche mit dem Innendurchmesser 12 ausgebildet ist.
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Der Kolben 5 steht gemäß der Darstellung in den 1 bis 7 in abdichtendem Kontakt mit der Innenwand 4 des Zylinders 3. Der Kolben 5 weist eine in radialer Richtung des Kolbens 5 bewegbare Einrichtung 13 auf, die ebenfalls in abdichtendem Kontakt mit der Innenwand 4 des Zylinders 3 steht und mit dem Kolben 5 rotiert.
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Die in radialer Richtung des Kolbens 5 bewegbare Einrichtung 13 hat zwei einander diametral gegenüber liegende Flügelteile 14, 15. Die Flügelteile 14, 15 liegen jeweils radial nach außen hin vorbelastet in der Innenwand 4 des Zylinders 3 an. Dies ist in einer vergrößerten Darstellung in 7 gezeigt. Die Flügelteile 14, 15 sind im Kolben 5 geführt mittels Federkraft und/oder über im Kolben 5 vorgesehene Verbindungskanäle 16, 17 mit Hilfe der expandierenden Verbrennungsgase radial nach außen zur Innenwand 4 des Zylinders 3 hin belastet. Die Verbindungskanäle 16, 17 sind in den 1 bis 6 der Einfachheit halber weggelassen und genauer lediglich in 7 dargestellt. Die in 7 gezeigten Federn 20 sind daher Druckfedern.
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Ferner hat der Zylinder 3 für die am Verbrennungsvorgang beteiligten Fluide Einlass- und Auslassventile 21, 51; 22, 52. Ferner ist die vorerwähnte Kompressionsvorrichtung 2 derart angeordnet und ausgebildet, dass über das Einlassventil 21 des Zylinders 3 verdichtete Luft oder ein verdichtetes Kraftstoff/Luft-Gemisch in den Brennraum 11 einleitbar ist. Die verdichtete Luft bzw. das verdichtete Kraftstoff/Luft-Gemisch gelangt also von der Kompressionsvorrichtung 2 über das Einlassventil 21 in den sichelförmigen Brennraum 11 des Zylinders 3.
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Wie 1 verdeutlicht, sind Kreiskolbenmotor 1 und Kompressionsvorrichtung 2 weitgehend ähnlich bzw. baugleich aufgebaut.
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Insofern weist die Kompressionsvorrichtung 2 ebenfalls wenigstens einen eine Innenwand 23 aufweisenden Zylinder 24 und einen in dem Zylinder 24 exzentrisch zu dessen Längsachse 25 drehbar gelagerten Kolben 26 mit kreisförmigem Querschnitt 27 auf. Außerdem ist der Außendurchmesser 30 des Kolbens 26 zwecks Ausbildung wenigstens eines Kompressionsraums 31 kleiner als der Innenquerschnitt des Zylinders 24, wobei der Innenquerschnitt bei der in 1 gezeigten Ausführungsform des Zylinders 24 ein Kreisquerschnitt ist. Ferner steht der Kolben 26 auch im Falle der Kompressionsvorrichtung 2 in abdichtendem Kontakt mit der Innenwand 23 des Zylinders 24. Auch im Falle der Kompressionsvorrichtung 2 weist der Kolben 26 eine in radialer Richtung des Kolbens 26 bewegbare Einrichtung 32 auf, die ebenfalls in abdichtendem Kontakt mit der Innenwand 23 des Zylinders 24 steht und mit dem Kolben 26 rotiert.
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Die in radialer Richtung des Kolbens 26 bewegbare Einrichtung 32 der Kompressionsvorrichtung 2 hat zwei einander diametral gegenüber liegende Flügelteile 33, 34, die jeweils radial nach außen hin vorbelastet an der Innenwand 23 des Zylinders 24 anliegen. Die Flügelteile 33, 34 der bewegbaren Einrichtung 32 der Kompressionsvorrichtung 2 sind im Kolben 26 geführt mittels Federkraft und/oder über im Kolben 26 vorgesehene Verbindungskanäle (nicht gezeigt) mit Hilfe der verdichteten Luft oder des verdichteten Kraftstoff/Luft-Gemisches radial nach außen zur Innenwand 23 des Zylinders 24 der Kompressionsvorrichtung 2 hin vorbelastet. Der Einfachheit halber sind in den 1 bis 6 die Verbindungskanäle im Kolben 26 der Kompressionsvorrichtung 2 weggelassen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Verbindungskanäle im Kolben 26 der Kompressionsvorrichtung 2 ähnlich und damit baugleich angeordnet und ausgebildet wie die Verbindungskanäle 16, 17 im Kolben 5 des Zylinders 3.
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Wie in den 1 bis 6 angedeutet und genauer in 12 gezeigt, sind die Zylinder 3, 24 parallel zueinander angeordnet. Sie bilden eine Einheit 35, wobei das Einlassventil 21 des am Verbrennungsvorgang beteiligten Zylinders 3 das Auslassventil der Kompressionsvorrichtung 2 bildet und als Ventil 36 zum Überleiten der verdichteten Luft oder des verdichteten Kraftstoff/Luft-Gemisches in den Brennraum 11 ausgebildet ist. Das letztgenannte Ventil 36 wird nachfolgend vereinfachend Überleitungsventil genannt.
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Der Kolben 26 der Kompressionsvorrichtung 2 ist antriebsmäßig mit dem Kolben 5 des am Verbrennungsvorgang beteiligten Zylinders 3 verbunden (nicht näher gezeigt) und von letzterem antreibbar. Die Kolben 5, 26 sind synchron zueinander, jedoch in entgegengesetzten Drehrichtungen (siehe Pfeile A, B) rotierbar. Wie in 1 gezeigt, rotiert der Kolben 5 in Richtung des Pfeils A im Uhrzeigersinn und der Kolben 26 gemäß dem Pfeil B im Gegenuhrzeigersinn.
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In 8 ist in schematischer Darstellung ein teilweiser Längsschnitt durch den Zylinder 24 gezeigt. Der Längsschnitt durch den Zylinder 3 entspricht weitgehend der Darstellung des Zylinders 24 in 8 und ist schematisch in 12 dargestellt.
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In den Kopfseiten 40, 41 der Zylinder 3, 24 ist jeweils eine freilaufende Dichtungsplatte 42 angeordnet. Eine solche Dichtungsplatte 42 ist in einer schematischen Vorderansicht in 9 dargestellt. Die Dichtungsplatte 42 hat auf ihrer vom jeweiligen Kolben 5, 26 weg weisenden Außenseite 43 Rillen 44 für ein Schmiermittel. Die Rillen 44 sind unter einem spitzen Winkel 45 schräg zur radialen Richtung der Dichtungsplatte 42 angeordnet.
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Gemäß 8 sind an den Kopfseiten 40, 41 der Zylinder 3, 24 Zylinderkopf-Abdeckplatten 46, 47 angeordnet. Die Zylinderkopf-Abdeckplatten 46, 47 haben Schmiermittelkanäle 50, die in den Bereich der an der jeweiligen Dichtungsplatte 42 vorgesehenen Rillen 44 münden. Die Rillen der Dichtungsplatte 42 sind in der in 8 gezeigten Darstellung der besseren Übersicht halber weggelassen. Abdeckplatten 42 und Zylinderkopf-Abdeckplatten 46, 47 sind auch in dem teilweisen Längsschnitt durch den Zylinder 3 und den Zylinder 24 in 12 gezeigt.
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Nachfolgend wird die Arbeitsweise des Kreiskolbenmotors 1 einschließlich derjenigen der Kompressionsvorrichtung 2 mit Bezug auf die 1 bis 6 näher erläutert.
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1 zeigt diejenige Arbeitsstellung, bei welcher die komprimierte Luft über das Überleitungsventil 36 nahezu vollständig in den Brennraum 11 im Zylinder 3 des Kreiskolbenmotors 1 eingeleitet wurde. Das Überleitungsventil 36 wird in Kürze geschlossen. Das Auslassventil 22 des Zylinders 3 ist geöffnet, um das Abgas abzuleiten. Gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform ist ferner neben dem Auslassventil 22 ein weiteres Einlassventil 51 vorgesehen, über das Luft in den Brennraum 11 eingeleitet werden kann. Diese Luft kann, wie dies in 10 angedeutet ist, zum Befüllen des Kompressionsraums 31 des Zylinders 24 dienen. Das weitere Einlassventil 51 kann auch dazu dienen, Frischluft in den Brennraum 11 einzuleiten, um die darin befindlichen Abgase schneller und vollständiger über das Auslassventil 22 abzuleiten. Das weitere Einlassventil 51 kann aber auch entfallen. Es ist somit für den Betrieb des erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotors nicht zwingend erforderlich.
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Insbesondere in dem Fall, wo über das weitere Einlassventil 51 keine Luft in den Brennraum eingeleitet wird oder kein weiteres Einlassventil 51 vorgesehen ist, wird noch teilweise mit Abgasen verunreinigte Luft wird über das weitere Auslassventil 52 abgeleitet. Dieser Teilbereich 53, welcher mit Abgasen verunreinigte Luft enthält, ist in 1 vertikal schraffiert dargestellt.
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Kolben 26 und Flügelteile 33, 34 im Zylinder 24 der Kompressionsvorrichtung 2 sind derart angeordnet, dass das Überleitungsventil 36 durch das Flügelteil 34 in Kürze geschlossen und ein Einlassventil 54 der Kompressionsvorrichtung 2 bereits teilweise durch das Flügelteil 33 der Einrichtung 32 geschlossen wird. Insofern ist in der in 1 gezeigten Stellung der Kompressionsraum 31 nahezu vollständig mit Frischluft gefüllt. Der Beginn des Kompressionsvorgangs steht unmittelbar bevor.
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Ein Weiterbewegen des Kolbens 5 in Richtung des Pfeils A und des Kolbens 26 in Richtung des Pfeils B führt zur zweiten Arbeitsstellung gemäß 2. Hier ist das Überleitungsventil 36 geschlossen. Der Kraftstoff wurde über eine Düse 55 (siehe 12) in den Brennraum 11 eingespritzt. Das Kraftstoff/Luft-Gemisch wurde mittels einer Zündkerze 56 (siehe 12) gezündet, das heiße Gas 57 dehnt sich aus und drückt dadurch das Flügelteil 14 in Drehrichtung, d. h. in Richtung des Pfeils A.
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Abgas aus einem vorhergehenden Verbrennungsvorgang verlässt den Zylinder 3 über das Auslassventil 22 in Richtung des Pfeils C. Mit Abgasen verunreinigte Luft verlässt den Teilbereich 53 weiterhin über das weitere Auslassventil 52 in Richtung des Pfeils D.
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Die in den Kompressionsraum 31 eingeleitete Luft wird durch ein Weiterdrehen des Kolbens 26 mit Hilfe des Flügelteils 33 komprimiert. Über das Einlassventil 54 kann der Druckausgleich in der zweiten Zylinderkammer 60 des Zylinders 24 erfolgen. Dadurch strömt frische Luft in Richtung des Pfeils E in die zweite Zylinderkammer 60 ein. Das Flügelteil 34 des Kolbens 26 befindet sich nahezu vollständig im Kolben.
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Es ist klar, dass die Flügelteile 14, 15 sowie 33, 34 in Richtung der Doppelpfeile F verschiebbar im jeweiligen Kolben geführt sind.
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Eine dritte Arbeitsstellung der Kolben 5, 26 ist in 3 gezeigt.
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Wiederum haben sich beide Kolben einschließlich ihrer Einrichtungen 13, 32 in Richtung der Pfeile A bzw. B weiter bewegt. Das heiße Gas 57 im Zylinder 3 dehnt sich weiter aus. Das Abgas aus dem vorhergehenden Verbrennungsvorgang verlässt den Brennraum 11 weiterhin über das Auslassventil 22 in Richtung des Pfeils C. Mit Abgasen verunreinigte Luft hat den Teilbereich 53 nun vollständig über das weitere Auslassventil 52 in Richtung des Pfeils D verlassen. Das Flügelteil 15 steht unmittelbar vor dem weiteren Auslassventil 52. In der Kompressionsvorrichtung 2 wird die Luft im Kompressionsraum 31 weiter verdichtet. Frischluft kann weiterhin über das Einlassventil 54 in Richtung des Pfeils E in die zweite Zylinderkammer 60 des Zylinders 24 einströmen. Das Flügelteil 34 befindet sich vollständig innerhalb des Kolbens 26 und liegt unmittelbar gegenüber einer Druckeinrichtung 61 für die Abdichtung zwischen Zylinder 24 und Kolben 26. Die Druckeinrichtung 61 kann eine hydraulische, pneumatische oder mechanische Druckeinrichtung sein. Eine entsprechende Druckeinrichtung 62 dient zur Abdichtung zwischen dem Zylinder 3 und dem Kolben 5.
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Bei einem Weiterbewegen der Kolben in Richtung der Pfeile A, B gelangen diese schließlich in die vierte Arbeitsstellung gemäß 4.
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In dieser Stellung hat das heiße Gas 57 nahezu sein größtes Volumen erreicht. Es steht kurz vor dem Austritt durch das Auslassventil 22. Die heißen Gase 57 stehen also kurz vor der Entspannung. Das Flügelteil 14 befindet sich unmittelbar am Auslassventil 22. Durch Abgase verunreinigte Luft verlässt den Teilbereich 53, sobald das Flügelteil 14 das Auslassventil 22 überschritten hat. Die verunreinigte Luft verlässt den Teilbereich 53 wiederum über das weitere Auslassventil 52 in Richtung des Pfeils D. Im Kompressionsraum 31 wird die bereits hoch komprimierte Luft weiter verdichtet. Über das Einlassventil 54 gelangt weiterhin Frischluft in die zweite Zylinderkammer 60 (siehe Pfeil E).
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In der fünften Arbeitsstellung gemäß 5 strömt das heiße Gas 57 als Abgas über das Auslassventil 22 aus dem Brennraum 11 (siehe Pfeil C).
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Mit Abgasen verunreinigte Luft strömt wiederum aus dem Teilbereich 53 über das weitere Auslassventil 52 in Richtung des Pfeils D. Im Zylinder 24 der Kompressionsvorrichtung 2 wird die komprimierte Luft im Kompressionsraum 31 weiter verdichtet. Sobald das Flügelteil 15 des Arbeitszylinders 3 das Überleitungsventil 36 passiert hat, wird letzteres öffnen, so dass die hoch verdichtete Luft aus dem Kompressionsraum 31 in den Brennraum 11 einströmen kann, wie dies in 6 angedeutet ist.
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Sobald die hochverdichtete Luft sich vollständig im Brennraum 11 befindet, wird das Überleitungsventil 36 geschlossen, Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt und das Gemisch gezündet. Die in Bezug auf die 1 bis 5 erläuterten Arbeitsstellungen wiederholen sich pro vollständiger Umdrehung jedes Kolbens zweimal. Mit Abgasen verunreinigte Luft verlässt den Teilbereich 53 wiederum über das weitere Auslassventil 52 in Richtung des Pfeils D. Frischluft strömt über das Einlassventil 54 in den Kompressionsraum 31 (siehe Pfeil E).
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In 7 ist der Zylinder 3 des Kreiskolbenmotors 1 gemäß einer anderen Ausführungsform in einer vergrößerten Darstellung teilweise im Schnitt gezeigt. Hier ist das weitere Einlassventil 51 (siehe 1 bis 6) nicht vorgesehen. Nachfolgende Beschreibung gilt, was die Ausbildung des Kolbens und der Flügelteile und die Abdichtung des Kolbens gegenüber der Innenwand des Zylinders betrifft, in analoger Weise auch für die Kompressionsvorrichtung 2.
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Zwischen jedem Brennraum und dem freien Sockelraum 63 jedes Flügelteils 14, 15 ist der Verbindungskanal 16, 17 eingearbeitet, so dass jeder freie Sockelraum 63 mit dem jeweiligen Brennraum 11 in Verbindung steht. Dadurch können die expandierenden, heißen Gase zumindest vorübergehend in den freien Sockelraum gelangen; sie werden daher unter das jeweilige Flügelteil 14, 15 geleitet, wodurch das jeweilige Flügelteil in radialer Richtung nach außen beaufschlagt abdichtend an die Innenwand 4 des Zylinders 3 gedrückt wird. Die Flügelteile 14, 15 sind mittels eines Gleitbolzens 64 so geführt, dass der Gleitbolzen als Sitz für das innenliegende Ende jedes Flügelteils dient und das innere Ende jedes Flügelteils das jeweilige Ende des Gleitbolzens umfangseitig umgibt. Das Bezugszeichen 65 bezeichnet die Drehachse des Kolbens 5. Die Drehachse 65 entspricht der Längsachse des Kolbens.
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7 verdeutlicht ferner, dass das weitere Auslassventil 52 über eine Leitung 66 an eine Abgasleitung 67 angeschlossen sein kann, welche mit dem Auslassventil 22 verbunden ist.
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Die Druckeinrichtung 62 umfasst eine Druckleitung 70, welche über ein Zwischenstück 71 mit einer Druckeinheit 72 verbunden ist. Die Druckeinheit 72 wirkt auf ein Dichtungsgefüge 73, welches den Zylinder 3 gegenüber dem Kolben 5 abdichtet. Die Druckleitung 70 kann eine Hydraulik- oder Druckluftleitung sein. Das Druckgefüge 73 kann, wie in den 1 bis 6 dargestellt, einteilig oder, wie in 7 angedeutet, mehrteilig ausgebildet sein.
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8 zeigt einen teilweisen Längsschnitt durch den Zylinder 24 der Kompressionsvorrichtung 2. An den Kopfseiten 40, 41 befindet sich im Innenquerschnitt des Zylinders 24 an jedem Ende die Dichtungsplatte 42. Jede Dichtungsplatte hat eine zentrale Innenbohrung 74. Jede Dichtungsplatte läuft frei und bewegt sich, nur von Flügelteilen 33, 34 mitbewegt, auf einer Kreisbahn. Da jede Dichtungsplatte 42 um eine Antriebswelle 75 des Kolbens 26 oszilliert, ist die Innenbohrung 74 größer als der Außendurchmesser der Antriebswelle 75, wie dies 8 zu entnehmen ist. In 8 ist ferner die Mittellinie bzw. Längsachse 25 des Zylinders 24 und die Längsachse 76 des Kolbens 26 eingezeichnet, wobei letztere der Drehachse des Kolbens 26 entspricht.
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Durch die Anordnung der zuvor erwähnten Rillen 44 auf der Außenseite 43 jeder Dichtungsplatte 42 arbeitet jede der Platten als eigene Schmiermittelpumpe und hält dadurch das Schmiermittel, beispielsweise ein Schmieröl, im Kreislauf. Die Drehrichtung der Abdeckplatte 42, wie sie in 9 dargestellt ist, ist durch den Pfeil G angegeben. In 8 entspricht die Längsachse 65 des Kolbens 24 dessen Drehachse.
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In 10 ist ein schematischer, teilweiser Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
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Zum einen besteht hier eine asymmetrische Größenordnung von Zylinder 3 des Kreiskolbenmotors 1 und Zylinder 24 der Kompressionsvorrichtung 2. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Zylinder 24 der Kompressionsvorrichtung 2 größer als der Zylinder 3 des Kreiskolbenmotors 1. In diesem Beispiel kann also eine größere Luftmenge für den Verbrennungsvorgang bereitgestellt werden. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Drehzahlen der Kolben 5, 26 synchron. Das in 10 gezeigte Ausführungsbeispiel mit Zylindern unterschiedlicher Größen kann auch bei dem in den 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiel zur Anwendung kommen.
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Ein weiterer Unterschied des in 10 gezeigten Ausführungsbeispiels besteht darin, dass der Kreiskolbenmotor 1 hier als Saugmotor arbeitet. Der Zylinder 24 der Kompressionsvorrichtung 2 hat ein Ansaugventil 77, das mit an einen Vergaser 80 angeschlossen ist. Bei dieser Ausführungsform kann das Volumen des angesaugten Kraftstoff/Luft-Gemisches je nach Lage bzw. Sitz des Vergasers 80 bzw. des Ansaugventils 77 zum Zylinder 24 optimal gewählt werden.
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Eine weitere Besonderheit der in 10 gezeigten Ausführungsform besteht darin, dass das weitere Einlassventil 51, welches beispielsweise als so genanntes bei Überdruck von innen geschlossenes Flatterventil ausgebildet ist, zur Befüllung des Teilbereichs 53 mit Luft dient, sobald die heißen Gase über das Auslassventil 22 den Brennraum 11 vollständig verlassen haben. Insofern kann der Teilbereich 53 als weiterer Kompressionsraum nach dem Austritt der Abgase arbeiten. Das Auslassventil 52 ist so eingestellt, dass es sich bei einem bestimmten Kompressionsdruck öffnet und die komprimierte Luft über eine Leitung 81 zu einem weiteren Einlassventil 82 des Zylinders 24 der Kompressionsvorrichtung 2 führt. Die Leitung 81 ist in 10 in ihrem mittleren Bereich durch die Pfeilfolge 83 dargestellt. Insofern dient das weitere Einlassventil 82 dazu, vorverdichtete Luft aus dem Teilbereich 53 des Zylinders 3 des Kreiskolbenmotors 1 in den Kompressionsraum 31 des Zylinders 24 der Kompressionsvorrichtung 2 zu leiten. Falls erforderlich, kann auch bei der in 10 gezeigten Ausführungsform das in den 1 bis 6 gezeigte Einlassventil 54 zusätzlich vorgesehen sein.
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11 zeigt einen schematischen teilweisen Schnitt durch einen Kreiskolbenmotor 1 mit Kompressionsvorrichtung 2, deren Zylinder 24 größer als der Zylinder 3 des Kreiskolbenmotors ausgebildet ist. 12 zeigt einen Längsschnitt durch die Anordnung gemäß 11. 12 zeigt, dass der Zylinder 24 der Kompressionsvorrichtung 2 kürzer als der Zylinder 3 des Kreiskolbenmotors 1 ausgebildet ist. Dadurch wird es möglich, auf einer Seite der Kompressionsvorrichtung 2 die Zündkerze 56 und auf der anderen Seite der Kompressionsvorrichtung 2 die Düse 55 für die Einspritzung des Kraftstoffs vorzusehen. Größe, Durchmesser und Volumen des Zylinders 24 der Kompressionsvorrichtung 2 sind so gewählt, dass für den Verbrennungsvorgang ausreichend Luft zur Verfügung steht. Bei einem Saugmotor, wie er in 10 schematisch dargestellt ist, reicht es aus, den Zylinder 24 der Kompressionsvorrichtung 2 einseitig in Bezug auf den Zylinder 3 des Kreiskolbenmotors zu verschieben, da in dem letztgenannten Fall keine Düse 55 zum Einspritzen des Kraftstoffs vorhanden ist.
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Die Antriebswelle 78 des Kolbens 5 des Motors erstreckt sich gemäß 12 parallel zur Antriebswelle 75 des Kolbens 26 der Kompressionsvorrichtung 2. In beiden Kolben 5, 26 arbeiten in Längsrichtung, zentrisch ausgerichtete und radial bewegliche, zweigeteilte Flügelteile 14, 15; 33, 34 in den für sie vorgesehenen freien Sockelräumen 63. Die Flügelteile können auch ”Paddel” bezeichnet werden. Sie sind durch Feder- und/oder Gasdruck stets nach außen, d. h. zur Innenwand des jeweiligen Zylinders hin vorbelastet und befinden sich so ständig in abdichtendem Kontakt mit der Innenwand des betreffenden Zylinders.
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Jeder drehbare Kolben 5, 26 wird ortsfest an die Druckeinrichtung 61, 62 in der Wand des betreffenden Zylinders 3, 24 gedrückt. Das Überleitungsventil 36 kann beispielsweise eine rotierende Lochscheibe mit Ventilfunktion zwischen den beiden Zylindern 3, 24 sein. Üblicherweise wird Kraftstoff in den Brennraum 11 eingeleitet und gezündet. In dem sich weitenden Brennraum 11 wird der Kolben 5 durch das heiße Gas in Drehrichtung, d. h. in Richtung des Pfeils A, gedrückt, wodurch der Kolben rotiert.
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Der in Bezug auf die 1 bis 6 beschriebene Vorgang wiederholt sich innerhalb einer Umdrehung jedes Kolbens zwei Mal, so dass der erfindungsgemäße Kreiskolbenmotor äußerst effektiv arbeitet. Der erfindungsgemäße Kreiskolbenmotor kann besonders vorteilhaft in einem Hybridfahrzeug mit Elektromotor zum Einsatz kommen. Die Wirtschaftlichkeit des Fahrzeugs kann optimiert werden, indem insbesondere bei Fernfahrten der Kreiskolbenmotor mit einer voraus berechneten Laufleistung permanent und entsprechend dem für die Strecke voraus berechneten Bedarf Strom erzeugt und diesen den Batterien zuführt. Bei hintereinander geschalteten Kreiskolbenmotor-Einheiten lässt sich in technisch relativ einfachen Vorgängen durch Zu- bzw. Abschalten einzelner Einheiten Kraftstoff einsparen.
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Es ist auch möglich, den Kolben 26 der Kompressionsvorrichtung 2 mittels eines Elektromotors anzutreiben. Die Stellung des Auslassventils 22 entscheidet über die Geräuschentwicklung und den Grad an Energieausbeute. Insofern könnte das am Zylinder 3 vorgesehene Auslassventil 22, weiter in Drehrichtung A des Kolbens verschoben, angeordnet und insbesondere dem Einlassventil 21/Übergangsventil 36 diametral gegenüber liegend positioniert sein. Beim Hubkolbenmotor verpufft ein Teil des eingesetzten Treibstoffs beim Gasaustritt und setzt damit den Wirkungsgrad herab. Bei einem Kreiskolbenmotor ist vorteilhaft, dass hier der eingesetzte Treibstoff je nach Einstellung besser ausgenutzt werden kann, wobei sich, wie zuvor erwähnt, gleichzeitig die Geräuschentwicklung beim Abgasaustritt stark verringert. Dieser Effekt könnte noch vorteilhafter gestaltet werden, wenn die Abgasaustrittsöffnung nicht an einem Punkt im Zylinder sondern durch einen schräg positionierten Auslassschlitz gegebenenfalls mit unterschiedlichem Querschnitt vorgesehen wird.
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Gemäß einer weiteren, in 8 schematisch angedeuteten Ausführungsform können die Flügelteile an ihrer radial innen liegenden Kante nicht, wie in 8 in durchgezogenen Linien gezeigt, gerade ausgebildet, sondern mit in 8 gestrichelt dargestellten Einbuchtungen 84 versehen sein. Diese Einbuchtungen können etwa halbzylindrisch konkav und/oder mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sein und bei diametral gegenüber liegenden Flügelteilen ebenfalls einander gegenüber liegen. Dadurch kann eine sicherere seitliche Führung der Flügelteile im Kolben, also eine verbesserte Stabilität der Flügelteile, ein geringerer Verschleiß der Flügelteile, eine verbesserte Abdichtung bei der Führung des jeweiligen Flügelteils im Kolben, der Einsatz einer verstärkten Druckfeder, ein verbesserter Sitz für die Druckfeder und den Führungsbolzen und eine vergrößerte Fläche für den Gas-/Luftdruck und daher eine verbesserte Abdichtung des Flügelteils gegenüber der Innenwand des jeweiligen Zylinders möglich sein.
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Damit wird ein Kreiskolbenmotor geschaffen, der äußerst effizient betreibbar ist.
