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Umlaufkolbenmotor Zusatz zu Patent ....................
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(Patentanmeldung P14 51 741.0) Die Erfindung betrifft einen Umlaufkolbenmotor
mit einem Gehäuse, welches eine allgemein ovale Mantelfläche aufweist, einem Einströmkanal,
einer
Im Gehäuse zentrisch gelagerten Abtriebswelle, an welcher
ein Nabenkörper mit konkaven Gleitflächen befestigt ist, und mit in denkonaven Gleitfläche
satt gelagerten Umlaufkolben, welche mittels Dichtleisten am Gehäuse anliegen, wobei
die zwischen Mantelfläche, Umlaufkolben und Nabenkörper gebildeten Räume als Arbeitsräume
verwendet sind und wobei im Nabenkörper und In einer Stirnfläche des Gehäuses Kanäle
zur Überführung der in den Arbeitsräumen vorverdichteten Gase in einen von einem
Umlaufkolben gebildeten Druckraum bzw, zur Ansaugung von Frischluft vorgesehen sind,
nach Patent -.
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(Patentanmeldung P 14 51 741.0) Der im Hauptpatent beschrlebene Motor
soll dadurch noch weiter verbessert werden, daß einerseits die von den Drehkolben
Rit der Mantelfläche gebildeten druckräume vor der Ansaugung von Frischgasen restlos
ausgespült und von Verbrennungsrückständen befreit werden und andererseits ein Überströmen
von Frischgasen in den Ausströmkanal sicher verhindert wird.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine gleichzeitige
Verbindung von Einstrdn- und Ausströmkanal mit einem Druckraum eines Umlaufkolbens
bei Drehung des Motors nur in einem einem kleinen Bruchteil der zwischen den axialen
Dichtleisen dieses Umlaufkolbens liegenden Sehnenlänge entsprechenden Winkelbereich
stattfindet, wobei dieser Winkelbereich derart bemessen ist, daß bei keiner vorkommenden
Drehzahl ein Überströmen von Frischgasen aus dem Einströmkanal in den Ausstronkanal
möglich ist.
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Durch die im Hauptpatent beschriebene Formgebung des Motorgehäuses
ist es möglich, Einström- und Ausströmkanal soweit voneinander zu entfernen, daß
nur eine ganz geringe gleichzeitige Überschneidung der beiden Kanäle mit dem Druckraum
eines Umlaufkolbens stattfindet. Der Winkelbereich dieser Überscneidung entspricht
vorzugsweise einem Bruchteil der Sehnenlänge, welcher 1/5 der Sehnenlänge nicht
übersteigt. Er kann jedoch im allgemeinen noch kleiner gemacht werden, wobei die
einzige Bedingung darin besteht, daß bei keiner vorkommenden Drehzahl ein Überströmen
von Frischgasen in den Ausströmkanal möglich ist. Diese Bedingung kann bei Jeder
beliebigen Motorausf(Urung von einen Fachmann auf einfache Weise ermittelt werden.
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Beim erfindungsgemäßen Motor werden, wie in Hauptpatent erläutert,
die zwischen den einzelnen Umlaufkolben liegenden Räume ebenfalls als Arbeitsräume
verwendet. Da in diesen Arbeitsräumen zwischen dem Ausströmkanal und dem zwischen
den beiden Kanälen liegenden Totpunkt nochmals eine Verdichtung stattfindet, vird
erfindungsgemäß kurz nach diese. Totpunkt ein Überströmkanal angeordnet, welcher
diese kurz nach dem Totpunkt gelegene Stelle der Mantelfläche mit dem Ausströmkanal
verbindet. Dadurch können die in diesem Arbeitsraum verdichteten Abgase durch den
Überströmkanal ebenfalls noch in den Ausströmkanal gelangen und es findet praktisch
keine Xitftihung von Abgasen zum Einströmkanal statt.
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In diesem Überströmkanal kann erfindungsgemäß ein Druckventil angeordnet
werden, welches vorzugsweise regelbar
ist. Bei einer vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung kann das Druckventil beispielsweise durch die Drehzahl
des Motors automatisch regelbar sein. Dieses Druckventil hat den Vorteil, daß keine
Abgase aus dem Ausströmkanal in die von den Drehkolben gebildeten eigentlichen Druckräume
gelangen kannn, andererseits aber bei Übersteigen eines vorbestimmten Druckes in
den zwischen den Drehkolbengelegenen Arbeitsräumen ein Überströmen der in diesen
Arbeitsräumen befindlichen Abgase in den Ausstr8mkanal möglich ist. Da dieser vorbestimmte
Druck bei Jeder Drehzahl des Motors eine etwas andere größe besitzen sollte, wird
das Druckventil vorteilhafterweise direkt durch die Drehzahl des Motors automatisch
so geregelt, daß es immer bei dem richtigen, der Jeweiligen Drehzahl entsprechenden
Druck ordnet.
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Durch die errindungsgemäße Verwendung der zwischen den Umlaufkolben
liegenden Arbeitsräume zur Ansaugung von Frischluft zwecks KUhlung in der zweiten
Hälfte Jedes Umlaufzyklus iFd zwar gegentiber bekannten Umlaufkolbenmotoren bereits
eine wesentlich bessere KUhlung erzielt. Um die se Kühlung Jedoch noch weiter zu
verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß auf der Abtriebsachse des Motors
ein Turbinenrad befestigt ist, welches mit Öffnungen in den gegenüberliegenden Stirnflächen
des Gehäuses sowie damit fluchtenden axialen Durchbrüchen der Umlaufkolben in Verbindung
steht. Bei Drehung des Motors wird durch dieses Turbinenrad ein Unterdruck im Inneren
der Drehkolben erzeugt. Dadurch wird sowohl Lurt als auch, bei entsprechender Anbringung
von Ölzuführungsleitungen, t'l zur Schmierung durch die Drehkolben gesaugt. Der
durch das
Turbinenrad entstehende Unterdruck wirkt mit der Vorverdichtung
in den zwischen den Umlaufkolben liegenden Arbeitsräumen gleichsinnig zusammen,
so daß das Öl von der Mantelfläche ins Innere der zwischen Nabenkörper und Umlaufkolben
liegenden Gleitflächen zurückgedrängt wird.
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das Turbinenrad trägt damit nicht nur zur Kühlung und Schmierung bei,
sondern hilft infolge des erzeugten Unterdrucks in den Umlaufkolben auch zur Zurückdrängung
des Schmieröls und damit sur Verminderung des Ölverlustes bei.
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Um das öl zu den Unterdruckräunen in den Umlaufkolben zuzuführen,
enthält die Abtriebswelle gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
eine axiale Elsuleitung, welche über radiale Bohrungen mit den Durchbrüchen der
Umlaufkolben in Verbindung steht. Das öl wird aus diesen radialen Bohrungen mittels
des Unterdrucks herausgesogen und durch die Kühlungsluft mitgeführt.
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Um die Ölverluste noch geringer su machen, weist der Nabenkörner bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in die an den Umlaufkolben
anliegenden Gleitflächen mündende Ölabführbohrungen auf. Durch die gleichsinnig
wirkenden Drücke in den zwischen den Umlaufkolen liegenden Arbeitsräumen und innerhalb
der Drehkolben tritt das in den Gleitflächen befindliche Öl vorzugsweise in diese
Ölabführbohrungen ein und wird in den ölvorrat zurück geführt. Diese Ölabführbohrungen
münden vorzugsweise scräg nach innen in die Gleitflächen, so daß das von innen nach
ausen gedrängte Öl leichter in dieselben eindringen kann.
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Um das durch das Turbinenrad geförderte öl-Luftgemisch
wieder
voneinander zu trennen und um das Öl möglichst Verlustfrei in den Ölvorrat zurückzuführen,
erhält gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal das Turbinengehäuse mindestens eine
unterhalb des Turbinenrades angeordnete, in Drehrichtung des Turbinenr4ades weisende
Ausstrittsöffnung, welche mit des Ifihler des Motors in Verbindung steht, und mindestens
eine oberhalb des Turbinenrades angeordnete, gegen die Drehrichtung des Turbinenrades
weisende Austrittsöffnung, welche mit dem Vergaser des Motors in Verbindung steht.
Durch die erstere Austrittsöffnung wird praktisch das gesamte Öl und ein kleinerer
Teil der Kühlluft beispielsweise in einen Absitzbehälter geleitet, aus welchem die
Lutt entweichen kann, so daß ein praktisch luftfreies Öl wieder in den Kreislauf
zurückgeftihrt werden kann. Durch die letztere Austrittsöffnung wird im wesentlichen
der größere Teil der Kühlluft nach oben abgeleitet und wieder dem Vergaser des Motors
zugeführt, Dadurch wird nicht nur der Olhaushalt, sondern auch der Wärmehaushalt
des Motors außerordentlich günstig beeinflußt.
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Ein weiteres Problem bei Umlaufkolbenmotoren besteht darin, daß die
Dichtleisten einen Verschleiß unterworfen sind und von Zeit zu Zeit ausgewechselt
werden müssen. Um diese Dichtleisten bei der Wartung und beim Auswechseln leichter
zugänglich zu machen, wird erfindungsgemäß eine unmittelbar an die Mantelfläche
angrenzende Gewindeöffnung in einer StlrnflEche des Gehluses vorgeschlagen, in welche
eine Schraube abdichtend einsetzbar ist. Durch Herausdrehen der Schraube wird eine
an dieser Stelle befindliche Dichtleiste völlig offengelegt und kann begutachtet
bzw.
ausgewechselt werden. Diese Gewindebohrung wird vorzugsweise nahe einem der bei
Drehung des Motors auftretenden Totpunkte, eispielsweise dem zwischen Einström-
und Ausströmkanal gelegenen Totpunkt angeordnet.
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Im Hauptpatent ist ein dreiarmiger Führungskörper vorgeschlagen worden,
welcher in den Nabenkörper eingesetzt ist. Dieser Führungskörper weist drei Arme
auf, welche Je einen Schieber tragen, der in Je einen in einen Umlaufkolben vorgesehenen
Führungsschlietz gleitbar eingreift.
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Diese Art der Führung der Uinlaufkclben kann erfindungagemäß dadurch
vereinfacht werden, daß für Jeden Umlaufkolben ein denselben in Anlage am Nabenkörper
haltender Gleitkörper vorgesehen ist, welcher durch eine in den Nabenkb'rper geschraubte
Schraube am Nabenkörper festgelegt ist.
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Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigt Figur 1 einen Axialschnitt durch eine zweistufige Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Umlaufkolbenmotors, Figur 2 einen Scnitt lägs der linie II-II in Figur 1 und Figur
3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Figur t.
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Wie aus Figur t ersichtlich, besteht die dargestellte Ausführungsform
aus einem Umlaufkolbenmotor mit zwei Stufen A und B. Zwischen den beiden Motorsturen,
welche atif die
gleiche Abtriebswelle 1 einwirken, ist die Turbine
C angeordnet.
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Figur 2 gibt den Schnitt durch die Motorstufe A wieder.
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Auf der Abtriebswelle 1 ist ein dreiarmiger Nabenkörper 2 befestigt,
zwischen dessen Armen drei konkave Gleitflächen 3 gebildet sind. Auf diesen Gleitflächen
gleiten denselben angepaßte Umlaufkolben 4. Die Umlaufkolben sind mittels Dichtleisten
5 an den Stirnflächen 6 des Motorgehäuses abgedichtet. Mittels axialer Dichtleisten
7 lieeen die Um-Laufkolben an der mantelfläche 8 des Motorgehäuses an. An der der
Mantelfläche 8 zugewandten Seite sind an den Umlaufkolben 4 Druckräume 9 ausgebildet.
Zwischen den Umlaufkolben * werden von diesen, dz Nabenkörper 2 und der Mantelfläche
8 Räume 10 gebildet, welche in der im Hauptpatent geschilderten Weise als Arbeitsräume
verwendet wird den. An der oberen Seite der Figur 2 ist die Mantelfläche mit einem
Einströmkanal 11 und einem Ausströmkanal 12 versehen. Den beiden Kanälen gegenüber
an der unteren Seite der Figur 2 ist etwa am unteren Totpunkt des Motors eine Zündkerze
13 angeordnet, welche über enge Kanäle 14 und 15 mit dem Inneren der Mantelfläche
in Verbindung steht.
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Außerhalb der Mantelfläche 8 ist das Motorgehäuse mit Durchbrüchen
16 versehen, welche der Durchleitung von Kühlmittel dienen.
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Bei Drehung des Motors in Richtung des Pfeils D wird aus dem Einströmkanal
11 Frischgas sowohl in die zwischen den UM-laufkolben 4 und der Mantelfläche 8 gelegenen
Druckräume als auch in die Abeitsräume 10 gesaugt. An den Inden der Nabenkörperarme
sind Öffnungen vorgesehen, welche in radiale
Kanäle 17 übergehen.
An die radialen Kanäle 17 schließen sich axiale Kanöle 18 an. Bei bestimmten Drehstellungen
des Motors kommen diese axialen Kanäle 18 mit einem nicht dargestellten Überstromkanal
in einer Stirnfläche des Gehäuses zur Deckung; wie im Hauptpatent ausführlich beschrieben.
Dieser Überstromkanal in der Stirnfläche führt das in den.Arbeitsräumen 10 vorverdichtete
Frischgas in einen gerade den Einströmkanal 11 verlassenden Druckraum 9 zurUck,
wodurch die Verdichtung in diesem Druckraum erhöht wird. Eine Mündung dieses Überströmkanals
ist bei 19 in Figur 2 dargestellt.
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In der zweiten Hälfte eines Arbeitszyklus (der linken Hälfte der Figur
2 entsprechend) vergrößern sich die Arbeitsräume 10 wieder, durch-in ihnen ein Unterdruck
entsteht. Die axialen Kanäle 18 kommen bei einer bestimmten Drehstellung mit einer
nicht dargestellten Öffnung in einer Stirntläche des Gehäuses zur Deckung, 80 daß
Kühlluft von außen in den Arbeitsraum 10 gesaugt wird. Diese Wirkungsweise ist ebenfalls
im Hauptpatent ausführlich beschrieben.
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Erfindungsgemäß werden nun Einströmkanal 11 und Ausströmkanal 12 so
weit voneinander entfernt angeordnet, daß die zwischen zwei Dichtleisten 7a und
7b liegende Sehne eines Umlaufkolbens * nur geringfügig länger ist als der Abstand
der zwei nächstgelegenen Wände von Einströmkanal 11 und Ausströnkanal 12. Dadurch
ist eine gleichzeitige Überschneidung von Einströmkanal und Ausströmkanal mit dem
Druckraum eines Ullaufkolbens nur während einer sehr geringen Zeitdauer bei Drehung
des Motors möglich. Die Entfernung der beiden Kanäle voneinander wird dabei im Verhältnis
sur
Sehne zwischen den Dicht leisten Ta und 7b so bemessen, daß die an der Dichtleiste
7b aus den Einströmkanal 11 einströmenden Prichgase zwar den Druckraum des Kolbens
möglichst weitgehend ausspüllen, Jedoch bei Jeder vorkommenden Drehzahl gerade nicht
mehr bis zum Ausströmkanal 12 gelangen kannen. Durch diese Bedingung wird dem Fachmann
bei Jeder Ausführungsform des Motors eine klare Anweisung gegeben, wie er den Abstand
der beiden Kanäle in bezug auf die Größe der Umlaufkolben und des Motorgehauses
zu bemessen hat.
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Eine solche beliebige Abstandsgebung von Einstrõmw und Ausströmkanal
ist praktisch nur aufgrund der langovalen Formgebung des Gehäuses in Verbindung
mit den auf einem konkaven Nabekörper gelagerten Uinlaufkolben möglich. Bei allen
bekannten Umlaufkolbenmotoren ist die Überschneidung der beiden Kanäle mit den Druckräumen
des Umlaufkolbens wesentlich größer, so daß unvermeidlich Frischgase in den Ausströmkanal
gelangen.
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Um eine restlose Entleerung der Arbeitsräume 10 vor der Ankunft al
Einstr5mkanal 11 zu erzielen, ist in der Nähe des oberen Totpunkts des Motors, welcher
in Figur 2 etwa bei 20 anzunehmen ist, ein Überatrönkanal 21 vorgesehen, welcher
einerseits mit dem Inneren der Mantelfläche 8 und andererseits mit den Ausströmkanal
12 in Verbindung steht.
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In diesem Überströmkanal 21 ist ein Druckventil 22 angeordnet. Der
Öffnungsdruck dieses Druckventils kann mittels einer Stelischraube 23 verändert
werden. Anstelle der Stellschraube 23 kann auch eine automatische Regelung durch
die Drehzahl des Motors treten. Sobald einer der Arbeitsräume
10
den oberen Totpunkt 20 und damit den Punkt der größten Verdichtung in den Arbeitsräumen
10 befindlichen Abgase überschreitet, wird das Druckventil 22 durch den im Arbeitsraum
10 herrschenden Druck geöffnet und der größte Teil der restlichen Abgase kann durch
den fberströmkanal 22 in den Ausströmkanal 12 gelangen.
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Ebenfalls in der Nähe des oberen Totpunktes 20 ist in einer Stirnflffcbe
des Gehluses eine Gewindeöffnung 24 angeordnet, in welche eine Schraube 25 dbdichtend
eingesetzt ist. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist diese Schraube nur in Figur
2 dargestellt. Durch langsames Drehen des Wotors ist Jede der Dichtleisten 7 an
die Stelle der Gewindeöffnung 28 zu bringen, wodurch sie freigelegt und für Wartung
und Auswechslung zugänglich ist.
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Die Turbine C besteht aus eines Turbinengehäuse 26 und einen auf der
Abtriebswelle 1 sitzenden, doppelten Radialturbinenrad 27. Das Turbinenrad 27 steht
mit Öffnungen 28 in den gegenüberliegenden Stirnflächen 6 des Gehäuses sowie damit
fluchtenden axialen Durchbrüchen 29 der Umlaufkolben X in Verbindung. Dadurch wird
Kühlluft in Richtung ser Pfeile 30 durch die Umlaufkolben gesaugt.
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Die Abtriebswelle t weist eine axiale Ölzuleitung 31 aut, welche über
radiale Bohrungen 32 mit den axialen Durchbrüchen 29 der Umlaufkolben b in Verbindung
steht. Das Öl wird durch die axialen Bohrungen 32 angesaugt und auf die Innenflächen
der Umlaufkolben gespritzt. Der Druck des Öls in der Ölzuleitung 31 kann durch eine
beliebige, nicht dargestellte Pumpe erhöht werden. Das Öl verteilt sich über alle
Gleitflächen der Umlaufkolben und wird
durch die in den Arbeitsräumen
10 entstehenden fberdrUcke sowie durch die in den Durchbrüchen 29 entstehenden Unterdrücke
in; Inneren des Motors gehalten. Ein Teil des als wird durch die in Richt;ung der
Pfeile 30 strömende Kühlluft abgeführt.
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Der Nabenkörper weist an den Gleitflächen 3 mündende blabführbohrungen
33 auf. Die Ölabführbohrungen münden schräg nach innen gerichtet in die Gleitflächen
3, so daß das an den Gleitflächen von innen nach außen gleitende Öl leichter in
die Bohrungen 33 elntre1:en kann. Die Bohrungen 33 sind mit einem Ölvorratsbehälter
oder mit einer anderen, nicht unter Druck stehenden Stelle des Ölkreislaufs verbunden.
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Die Führung der Umlaufkolben 4 geschieht bei der dargestellten Ausführungsform
erfindungsgemäß dadurch, daß für jeden Umlaufkolben 4 ein denselben i!I Anlage an
einer konkaven Gleitfläche 3 des Nabenkörpers 2 haltender Gleitkörper 34 vorgesehen
ist, welcher durch eine in den Nabenkörper geschraubte Schraube 35 am Nabenkörper
festgelegt ist. Der Gleitkörper 35 weist gekrümmte Gleitflächen 36 auf, welche an
einer die gleiche Krffmmung besitzenden Innenfläche 37 des axialen Durchbruchs 29
Jedes Umlaufitolbens 4 gleitend zur Anlage kommt. Die Halteschraube 35 kann bei
dieser Ausführungsform eine der axialen Ölbohrungen 32 enthalten.
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In Figur 1 ist nur die Motorstufe A ausführlich mit Bezugszeichen
versehen, da die Motorstufe B vollständig spiegelbildlich zur Stufe A aufgebaut
ist und daher nicht mehr naher erläutert werden muß. Vorzugsweise sind Jedoch die
Umlaufkolben
in den beiden Motorstufen gegeneinander winkelversetzt, um den Lauf des Motors ruhiger
zu machen.
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Figur 3 gibt einen vereinfachten Schnitt durch die Turbine C längs
der Linie III-III in Figur 1 wieder. Das Turbinengehäuse 26 weit an der Unterseite
zwei in Drehrichtung D des turbinenrads 27 weisende Austrittsöffnungen 38 auf,durch
welche ein überschössiger, durch die Kühlluft mitgeführter Teil des Öls und ein
Teil der Kühlluft selbst gemäß den Pfeilen 39 in einen Schacht 40 austritt, welcher
mit einem Absitzbehälter und mit dem Kühler des Motors in Verbindung steht.Das im
Absitzbehälter von Luft befreite Öl wird in nicht näher dargestellter Weise verlustlos
in den Ölkreislauf zurückgeführt.
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An der Obeflelte des Turbinengehäuses 26 ist eine gegen die Drehrichtung
D weisende Austrittsöffnung 41 angeordnet, durch welche ein großer Teil der erwärmten
Kühlluft gemäß denPfeilen 42 in einen Vorraum 43 austritt, welcher durch ein das
Turbinengehäuse 26 angeflanschtes Rohr 44 gebildet wird. Aus dem Vorraum 43 führt
ein Rohr 45 zum nicht dargestellten Vergaser des Motors. Die Größe des Vorraums
43 ist so bemessen, daß ein gleichmäßiger Überdruck der dem Vergaser zugeführten
Luft während des Laufes des Motors sichergestellt ist. Dadurch wird die Luft auch
aerodynamisch besser ausgenützt. Andererseits dient die zusammen mit den Öl durch
die Austrittsöffnungen 38 abgeführte Kühlluft gleichseitig zur Kühlung des Öls im
Kühler und kann anschließend wieder dem Motor zugeführt werden.
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Der in Figur 2 gezeigte Überströmkanal 21 hat noch den weiteren
Vorteil,
daß er zur Überprüfung der Druck- und Unterdruckverhältnisse im Raum des oberen
Totpunktes 20 herangezogen werden kann. Diese Druckverhältnisse sind dadurch in
allen Drehzahlbereichen leicht zu ermitteln.
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Durch das Gleiten der Umlaufkolben 4 auf den Gleitflächen 3 während
der Drehung des Motors werden alle Kolbenteile, insbesondere die unter direkter
Hitzeeinwirkung at.ehenden Teile, nacheinander durch die aus den axialen Bohrungen
32 austretenden Ölstrahlen gekühlt und gleichzeitig durch die Gleitbewegung eine
ausreichende Verteilung des ls gewährleistet