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Doppeldrehkolbenmotor-Verbrennungskraftmaschine mit inneren Verbrennung
Beschrei.bunE Die klassischen Verbrennungskraftmaschinen sind der Otto- uAld der
Dieselmotor, beides Bliaschinerl, bei denen thermische Energie, die durch Verbrennung
von Kohlenwasserstoffen in einem Zylinder entsteht, über Kolben, Pleuel und Kurbelwelle
in mechanische Arbeit umgewandelt wird.
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Nachteiledieser heute sehr hoch entwickelten Motoren sind ihre translatorischen
Massen, die die Laufruhe heeintrach-tigen können, und die hohe Anzahl an beweglichen
Teilen, deren Fertigung bei den erforderlichen Tolleranzen entsprechende Kosten
verursacht, und deren Verschleiß die Lebensdauer der Maschine beeinflußt.
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Mit zunehmender Zylinderzahl vervielfacht sich die Anzahl der beweglichen
Teile; dafür ist aber das Problem des Massenausgleichs bei mehrzylindrigen Maschinen
in den meisten Fällen einfacher zu beherrschen.
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Bei Motoren mit kleiner Zylinderzahl werden Ausgleichsmassen an der
Kurbelwelle angebracht, oder man erreicht den Massewauegleich mit Hilfe einer blind
mitlaufenden mit entsprechenden Unwuchten versehenen Ausgleichswelle. Erst bei Motoren
mit größerer Zylinderzahl können sich je nach Bauart die Massenkräfte ohne Hilfe
von Zusatzmassen vollständig gegeneinander ausgleichen wie z.B. beim 8-Zylinder-V-Motor.
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Abgesehen von Turbinen, bei denen die Fragen der translatorischen
Massen und der Anzahl beweglicher Teile
wohl optimal gelöst sein
dürfte, die aber- aus Gründen der Wirtschaftlichkeit erst bei größeren Einheiten
sinnvoll eingesetzt werden, gibt es heute auch noch andere zum Teil schon serienreife
Kraftmaschinen mit innerer Verbrennung, bei denen die oben genannten Probleme einfach
gelost sind oder nicht auftreten, z.B. Wankel- und huf-Motor. Bei dem von NSU gefertigten
Wankelmotor handelt es sich um einen Kreiskolbenmotor, bei dem nur kreisförmig umlaufende
Massenkräfte auftreten, die einfach und vollstandig ausgeglichen werden können.
wird bei einem Motor dieser Bauart zusätzlich das Gehäuse um seine Achse drehbar
gelagert, so wird aus dem Kreiskolbenmotor ein Drehkolbenmotor, der keinerlei äußere
Massenkräfte kennt.
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Anstelle der bei den Hubkolbenmaschinen aufgezeigten Probleme gibt
es aber bei den Kreis- und Drehkolbenmotoren eine ganze Reihe anderer Schwierigkeiten.
So sind für die Herstellung des Motorblocks und des Läufers komplizierte Spezialmaschinen
erforderlich, da die Querschnitte der Bohrung im Motorblock und des Kolbens eine
Trochoide und deren Hüllkurve darstellen, die nicht auf konventionellen Fertigungsmaschinen
hergestellt oder nachgearbeitet werden können. Diese Formen von Gehäuse und Kolben'bringen
auch erhebliche Schwierigkeiten in der Abdichtung zwischen beiden Teilen, und auch
die Gestaltung des Verbrennungsraumes ist nicht günstig.
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In der erfindungsgemäß beschriebenen Verbrennungskraftmaschine werden
die oben genannten Probleme weitestgehend vermieden. Der Doppeldrehkolbenmotor ist
damit durch folgende Vorteile gekennzeichnet: 1> Ausschließlich dynamisch voll
ausgeglichene rotierende Massen 2) keine translatorischen Massen
3)
geringste Anzahl beweglicher Teile 4) kleInes Bauvolumen 5) sehr einfache Bauweise
und damit 6) einfach und kostengünstig zu fertigen.
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7) Viertaktmotor ohne Ventilsteuerung Aufbau des Doppeldrehkolbenmotors
Das Antriebsaggregat besteht im wesentlichen aus einem außen gekühlten, æylinderförmigen
Gehäuse mit ebenfalls zylinderförmiger Bohrung, in der sich zwei Drehschieberpaare
befinden (Abb. 1). Lurch die Drehschieber wird der hohlraum des Gehauses in vier
segmentförmige Kammern aufgeteilt, von denen jeweils die sich gegenüberliegenden
Kammern die gleiche Größe besitzen, da die sich--gegenüberstehenden Schieber paarweise
starr miteinander verbunden sind. Die Drehechieberpaare sind voneinander unabhängig
In Freilauflagern gelagert, wodurch die für beide Paare gleiche Drehrichtung vorgeschrieben
ist.
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Laufen die Schieberpaare um, so ist ihre mittlere Winkelgeschwindigkeit
zwangsläufig gleich. Bei einer als Funktion der Zeit oder Winkellage pulsierenden
Winkelgeschwindigkeit mit einer Phasenverschiebung für die beiden Drehschieber gegeneinander
tritt zusätzlich zu der Drehbewegung durch Voreilen bzw. Nacheilen ein @Gegeneinanderdrehen"
der Schieber auf, wodurch die Kammern zwischen zwei benachbarten Schiebern abwechselnd
vergrößert und verkleinert werden. Auf diese Weise läßt sich Gasarbeit in mechanische
Arbeit umwandeln. Die Bewegung der Drehschieber laßt sich grundsätzlich auch durch
ein entsprechendes Getriebe zwangsläufig steuern.
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Abbildung 1 zeigt einenLängs- und eie Querschnitt durch den Drehkolbenmotur.
Zur eindeutigen Beschreibung des Funktionsprinzips werden folgende Bezeichnungen
eingeführt: Die Drehschieber sind mit den Buchstaben A bis D bezeichnet, die dazwischenliegenden
Kammern mit den römischen Zahlen I bis IV.
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Die Bezeichnungen für Schieber und Kammern laufen mit um, während
die kleinen Buchstaben a bis d feststehende Zonen oder Bereiche des Gehäuses kennzeichnen.
Die von den Freiläufen vorgeschriebene Drehrichtung der Schieber ist durch die Pfeile
angegeben.
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Arbeitsweise des Doppeldrehkolbenmotors In der gezeichneten Stellung
der Drehschieber (Abb.2.1) ist Kammer I verkleinert. Kammer II ist vergrößert und
hat sich über das Ansaugrohr mit zündfähigem Gemisch gefüllt. In Kammer III befindet
sich komprimiertes Gasgemisch und Kammer IV ist über den Auslaßschlitz mit dem Auspuff
verbunden. Durch Zündung und Verbrennung des Gasgemisches in Kammer III steigt hier
der Druck an und übt auf die Schieber C und D entsprechende Kräfte aus. Durch die
von dem Freilauf vorgeschriebene -Drehrichtung kann der Schieber C seine Lage nicht
verändern, D dagegen wird in Drehrichtung bewegt (Abb.2.2). Dadurch wird auch Kammer
I vergrößert, die sich mit frischem Gemisch füllt. Gleichzeitig wird durch Verkleinern
der Kammern verbranntes Gas aus Kammer IV verdrängt und in II das frische Gemisch
komprimiert.Das Drehschieberpaar A 0 bleibt dabei solange in Ruhe, bis in den Kammern
II und III derselbe Druck herrscht. Bei Druckgleichheit werden
sich
beide Schieberpaare infolge der Massenträgheit gemeinsam drehen, wodurch Kammer
II in ZUndposition gebracht wird (Abb. 2.3). Jetzt bleibt zunächst das Schieberpaar
B D in Ruhe, während C A angetrieben wird (Abb. 2.4). Das heißt: Beide Drehschieberpaare
werden abwechselnd angetrieben. Zur Verdeutlichung des Funktionsprinzips wurde in
dem bisher Gesagten von einer "Ruhe-" und einer "Antriebsphase" gesprochen. Da aber
beide Schieberpaare mit hoher mittlerer Winkelgeschwindigkeit umlaufen, wird keines
von ihnen die Geschwindigkett "Null" erfahren, so daß es richtiger ist, den Begriff
Verzögerungs-" anstelle von "Ruhephase" einzuführen. Lediglich während das Anfahrens
ist der Begriff "Ruhephase" in etwa gerechtfertigt.
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Die acht Einzelbilder (in Abb. 2) stellen die Vorgänge während einer
voller Umdrehung dar. Die Arbeitsweise der Maschinen ist durch einen Viertaktprozeß
gekennzeichnet, wobei das Arbeitsmedium in den Kammern umläuft. Dadurch kann der
Motor ohne Ventile betrieben werden. Die einzelnen Arbeitstakte sind der Lage des
Gasgemisches in den verschiedenen Zonen des Gehäuses (siehe Abb. 1) zugeordnet:
a = Ansaugen c = Zilnden, Verbrennen b = Verdichten d = Ausschieben Ausführungsbeispiele
Ein Drebschiebermotor, der nach dem oben beschriebenen Funktionsprinzip arbeitet,
und der mit zwei gleichen Drehschieberpaaren ausgerUstet list, könnte demnach zwei
Antriebswellen besitzen. Diese Wellen wUrden sich dann funktionsgemäß abwechselnd
tu der Verzögerungs- bzw. Antriebsphase befinden, und zwar wird Jede Phase von beiden
Schieberpaaren zweimal pro Umdrehung durchlaufen. Ein derartig pulsierender Antrieb
ist als Motor fUr eine Arbeitsmaschine oder für ein Fahrzeug nicht geeignet, es
sei denn, daß die Leistung beider Wellen Fieber entsprechende Wandler auf eine gemeinsame
gleichmäßig angetriebene Welle uebertragen wird.
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Es läßt sich aber auch ohne den Umweg über Wandler eine Antriebsmaschine
nach dem genannten Funktionsprinzip bauen, die einen gleichmäßigen Verlauf des Drehmomentes
sichergestellt: Durch konstruktive Maßnahmen werden hierfür die Drehschieberpaare
so ausgeführt, daß das eine Paar ein möglichst geringes, das andere hingegen durch
äußere Schwungnassen ein hohes Massenträgheitsmoment besitzt.
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Dadurch wird der leichte Drehschieber entsprechend den prozeßbedingten
Druckschwankungen in den Kammern seiner Drehbewegung eine Schwingung überlagern,
während das schwere Schieberpaar infolge seiner Massenträgheit mit nahezu konstanter
Winkelgeschwindigkeit umläuft.
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Damit fallen den beiden Kolbenpaaren unterschiedliche Aufgaben zu.
Während die leichten Drehschieber nur innere Arbeit leisten, wird von dem schweren
Drehschieberpaar zusätzlich die mechanische Antriebsleistung abgenommen. Die Kolbenpaare
sollen dann durch die Begriffe "Gasarbeits"- bzw UAntriebskolben1, unterschieden
werden.
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Zur Verringerung der Anzahl der Dichtstellen zwischen Gehäuse und
Drehschieber kann ein Drehschieberpaar starr mit dem Gehäuse verbunden werden. Das
Gehäuse muß dann drehbar gelagert werden, da es mit umläuft, während die Zu- bzw.
Abfuhr von Gasgemisch bzw Abgas durch die Achse erfolgen muß.
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Ein nach dem oben beschriebenen Verfahren arbeitender Drehschiebermotor
kann auch mit verdichteten Gasen oder Dampf getrieben werden, also ohne innere Verbrennung.
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Dies ist leicht zu bewerkstelligen, indem die Druckleitung etwa in
der Zone der Zündkerze am Motor angeschlossen wird. Der Arbeitsablauf bleibt dadurch
unverändert bis auf die Art der Energiezuführung.