DE2511451A1

DE2511451A1 - Fluessigkeitsgekuehlte rotationskolben-brennkraftmaschine mit einem gehaeuse

Info

Publication number: DE2511451A1
Application number: DE19752511451
Authority: DE
Inventors: Armin Bauder; Rolf Lechler; Johannes Dipl Ing Steinwart; Gottlieb Dr Ing Wilmers
Original assignee: Audi NSU Auto Union AG; Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1975-03-15
Filing date: 1975-03-15
Publication date: 1976-09-23
Also published as: DE2511451C3; GB1507762A; IT1055291B; FR2304776B1; US4037999A; SU704472A3; FR2304776A1; JPS598647B2; JPS51116317A; DE2511451B2

Description

AUDI MSÜ AUTO UNION AKTIENGESELLSCHAFT, Neckarsulm/Württ,

Plussigkeitsgekuhlte Rotationskolben-Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse

Die Erfindung bezieht sich auf eine flüssigkeitsgekühlte Rotationskolben-Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse, das aus mindestens einem ringförmigen Mantel mit einer inneren Mantellaufbahn und zwei parallelen Seitenteilen besteht und einen Innenraum begrenzt, wobei der Mantel und die Seitenteile Hohlräume für die Zirkulation von zwei völlig voneinander getrennten Kühlkreisläufen enthalten, von denen ein Kühlkreislauf den im heissen Bogen des Mantels liegenden Bereich des Gehäuses kühlt, in welchem im Innenraum die Arbeitstakte Zünden, Expandieren und Ausschieben erfolgen, und wobei im Gehäuse ein flüssigkeitsgekühlter Kolben umläuft.

Es ist eine Rotationskolben-Brennkraftmaschine der beschriebenen Art bekannt (DT-OS 2 150 478), deren beide getrennte Kühlkreisläufe verschieden hohe Temperaturen aufweisen und unabhängig voneinander arbeiten, wodurch die im allgemeinen unterschiedlich erwärmten Bereiche der Rotationskolben-Brennkraftmaschine auf eine solche Weise von Kühlmittel umspült werden, daß eine im wesentlichen gleichmäßige Erwärmung des Gehäuses erzielt werden kann. Die nicht vom Kühlmittel dieser beiden Kühlkreisläufe gekühlten Bereiche des Gehäuses werden von dem aus dem Kolben austretenden Schmiermittel gekühlt. Das bedeutet, daß sich bei dieser Anordnung somit ein weiterer, die Betriebstemperatur der Maschine beeinflußender Kühlmittelkreislauf ergibt. Bei Betrach-

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tung der Betriebstemperatur - insbesondere in der Kaltstart- und Warmlaufphase - spielt aber auch die Kolbentemperatur eine sehr bedeutende Rolle, da hiervon im wesentlichen der Kraftstoffverbrauch und der Kaltverschleiß der Maschine abhängig ist. Nach einem Kaltstart kann selbst die genannte Trennung der Kühlmittelmenge in zwei unabhängige Kühlkreisläufe eine sehr rasche Erwärmung des Kühlmittels nicht so ohne weiteres zur Folge haben, da das den zusätzlichen dritten Kreislauf bildende, in den flüssigkeitsgekühlten Kolben eingeführte verhältnismäßig kalte Schmiermittel ein rasches Ansteigen der Betriebstemperatur infolge der relativ großen wärmeabgebenden Oberfläche des Kolbens und der damit verbundenen notwendigen langen Aufheizzeit des Schmiermittels verzögert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine flüssigkeitsgekühlte Rotationskolben-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher die den Kolben durchströmende Kühlflüssigkeit verhältnismäßig schnell aufgeheizt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kühlkreislauf des Kolbens und der den Bereich des heißen Bogens durchströmende Kühlkreislauf des Mantels in Reihe geschaltet sind.

Durch diese Lösung kann die Kühlflüssigkeit, die aus dem Kolben ausströmt, anschließend in denjenigen Bereich des Mantels aufgeheizt werden, der der höchsten Erwärmung durch den Verbrennungsvorgang ausgesetzt ist. Die auf diese Weise aufgeheizte Kühlflüssigkeit gelangt dann wieder über den Kühlkreislauf zurück in den Kolben. Dadurch kann bei einem Kaltstart eine schnelle Erhöhung der Kolbentemperatur und des gesamten Temperaturniveaus der Maschine erreicht werden, während bei Leerlauf und im Teillastbereich ein Absinken der Kolbentemperatur verhindert werden kann, was sich günstig auf eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs, auf den Kaltverschleiß sowie auf eine schnelle Minderung der erhöhten Reibleistung der kalten Maschine auswirken kann. Außerdem

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>/ird durch die Zusammenfassung der beiden Kühlkreisläufe des Kolbens und des heißen Bogens des Mantels im Gegensatz zu der bekannten Ausführung eine Vereinfachung erzielt.

Bei einer Rotationskolben-Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse in Trochoidenbauart, bei dem die lange Achse des Gehäuses senkrecht steht und der heiße Bogen des Mantels unten liegt, kann der Hohlraum des Mantels, der in dem von Kühlflüssigkeit durchströmten Bereich des heißen Bogens liegt, mit einem Abfluß in Verbindung stehen, der oberhalb der höchsten Stelle der diesen Hohlraum teilweise begrenzenden äußeren Umfangswand der Mantel-' laufbahn angeordnet ist. Mit dieser Lösung kann sichergestellt werden, daß die drucklos aus dem Kolben austretende und in den Hohlraum des heißen Bogens des Mantels einfließende Kühlflüssigkeit vollständig an der äußeren Umfangswand der Mantellaufbahn vorbeigeführt wird, wodurch eine örtliche Überhitzung der Mantellaufbahn vermieden und evtl. Verzüge des Mantels verhindert werden können. Der Durchflußquerschnitt dieses Hohlraumes im heißen Bogen ist dabei so gewählt, daß die eintretende Menge an Kühlflüssigkeit sich nicht staut oder sammelt, sondern zügig durchfließen kann. Der Abfluß kann entweder im Mantel selbst oder in einem oder beiden angrenzenden Seitenteile angeordnet sein.

Bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag, bei dem das den Kolben durchströmende Kühlmittel über Kanäle in mindestens einem Seitenteil abgeführt wird, kann der im heißen Bereich liegende Hohlraum des Mantels einerseits mit den Kanälen im Seitenteil und andererseits mit der Saugseite einer Pumpe über eine Leitung verbunden sein, die bei einem über einer bestimmten Kühlmitteltemperatur liegenden Wert mit einem Ölsumpf verbindbar ist. Durch diese Anordnung kann ein Kühlmittel Verwendung finden, das gleichzeitig der Schmierung der bewegten Teile bzw. der Lagerstellen innerhalb der Maschine dient und im ölsumpf gesammelt wird. Bei dieser Lösung kann aber auch das aus dem Kolben austretende und über die Kanäle im Seitenteil und durch den Mantel fließende Kühl- bzw. Schmiermittel bei

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kalter Maschine sogleich wieder der Pumpe zugeführt werden, ohne daß es in den Ölsumpf gelangt und sich mit dem verhältnismäßig kühlerem Kühlmittel vermischt. Die hierbei veränderte Menge des umlaufenden Kühl- und Schmiermittels kann somit im heißen Bogen des Mantels sehr schnell aufgeheizt werden und zu einer schnellen Herabsetzung der Reibleistung nach einem Kaltstart beitragen. Wenn die Temperatur der Maschine steigt, kann - z. B. von einem Temperaturfühler beieinflußt - diesem heißen Kühl- und Schmiermittel kühleres Schmiermittel aus dem Ölsumpf zur Erzielung eines entsprechenden Temperaturpegels zugemischt werden.

Um bei Betrieb der Maschine eine schädliche Überhitzung im heissen Bogen des Mantels zu vermeiden, wird weiterhin vorgeschlagen, daß eine mit der Druckseite der Pumpe verbundene, überschüssige Kühlflüssigkeit führende Bypassleitung in den Hohlraum mündet, der im Bereich des heißen Bogens angeordnet ist. Durch diese Einrichtung kann bei hoher Last und hoher Drehzahl, die eine Erhöhung der Manteltemperatur insbesondere im heißen Bogen zur Folge haben und während derer die von der Pumpe geförderte Menge an Kühl- bzw. Schmierflüssigkeit den Bedarf übersteigt, die überschüssige Kühlflüssigkeit über die übliche Bypaßleitung, in welcher ein Überdruckventil bei bestimmtem Druck Schmiermittel abläßt, dem Kühlkreislauf zugeführt werden, so daß sich ein gleichmäßigeres Temperaturniveau einstellen kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung in Form eines Gehäuses einer Zweifach-Rotationskolben-Brennkraftmaschine in Trochoidenbauart werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Mantel des Gehäuses mit Kolben,

Fig. 2 einmLängsschnitt des Gehäuses gemäß Linie II-II in Fig. 1, wobei nur die untere Hälfte zum Teil schematisch dargestellt ist,

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Fig. 3 einen Längsschnitt des Gehäuses ähnlich Figo 2 in einer zweiten Ausführungsform, und

Fig. 4 einen Längsschnitt des Gehäuses ähnlich Fig. 2 in einer dritten Ausführungsform.

Es sei zunächst auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen, in denen' sich das dargestellte Gehäuse einer Rotationskolben-Brennkraftmaschine in Trochoidenbauart aus je einem flüssigkeitsgekühlten-Mantel 1 mit einer inneren Mantellaufbahn 2, zwei parallelen Seitenteilen 3 und 4 und einem Zwischenteil 5 zusammensetzt und zwei Innenräume 6 umschließt, die von einer in den Seitenteilen 3 und

4 in Lagerstellen 7 und 8 gelagerten und durch das Zwischenteil

5 hindurchgeführten Exzenterwelle 9 mit zwei Exzentern 10 durchsetzt wird. Auf jeden Exzenter 10 ist auf einem Kolbenlager 11 ein mehreckiger, flussigkeitsgekuhlter Kolben 12 drehbar gelagert, der von Kühlflüssigkeit durchströmte innere Hohlräume 13 aufweist. Der Kolben 12 ist an seinen Kolbenecken mit Dichfeelementen 14 versehen, die beim Umlauf des Kolbens 12 in Drehrichtung D ständig an der inneren Mantellaufbahn 2 entlanggleiten, wodurch drei volumenveranderlxehe Arbeitskammern A, B und C gebildet werden, in denen jeweils ein vollständiges Viertaktverfahren mit entsprechender Phasenverschiebung durchgeführt wird. Zu diesem Zweck sind ein Einlaßkanal 15 für die Zuführung von Frischgas, zwei Bohrungen für Zündkerzen 16 und ein Auslaßkanal 17 für den Ausschub von verbrannten Gasen vorgesehen. In der gezeigten Stellung des Kolbens 12 befindet sich die Arbeitskammer A im Ansaugtakt, die Arbeitskammer B im Verdichtungstakt und die Arbeitskammer C im Ausschubtakt. Das Gehäuse ist dabei so angeordnet, daß die Längsachse 18 der trochoidenförmigen Mantellaufbahn 2 senkrecht steht und der heiße Bogen des Mantels 1, in dem der Verbrennungs- und Ausschubtakt erfolgt - wie in der Fig. 1 dargestellt - unten liegt. Um ein Übertreten von Kühl- oder Schmiermittel aus dem Kolbenhohlraum I3 in die ArbeitskammemA, B, C des Innenraumes 6 zu verhindern, sind in jeder Stirnwand des Kolbens

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12 je ein zwischen den Kolben 12 und den benachbarten Seitenwänden der Seitenteile 3 und 4 und des Zwischenteiles 5 wirkender axialbeweglicher Dichtring 19 vorgesehen.

Der Mantel 1, die Seitenteile 3 und 4 sowie das Zwischenteil 5 enthalten Hohlräume für die Zirkulation von zwei völlig voneinander getrennten Kühlkreisläufen. Der erste Kühlkreislauf durchströmt im Mantel 1 die Hohlräume la,in den Seitenteilen 3 und 4 die Hohlräume 3^a und 4a sowie im Zwischenteil 5 den Hohlraum 5a, während der Kühlkreislauf des Kolbens 12, der mit dem Kühlkreislauf des Mantels 1 in Reihe geschaltet ist und den Bereich des heißen Bogens durchströmt, vom zweiten Kühlkreislauf gebildet wird, der im Mantel 1 den Hohlraum Ib, sowie in den Seitenteilen 3 und 4 die Kanäle 3t) und 4b durchströmt. Der Hohlraum Ib des Mantels 1 erstreckt sich dabei über den Bereich des heißen Bogens, in dem der Verbrennungs- und Ausschubtakt vor sich geht, während sich die Hohlräume la bei diesem Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 1 gezeigt, in Drehrichtung gesehen vom Auslaßkanal I7 über die Arbeitskammern A und B sowie den Zündbereich bis an die Arbeitskammer C erstrecken und jeweils an den Hohlraum Ib angrenzen. Um im Bereich des Auslaßkanais I7 eine zuverlässige und gleichmäßige Wärmeübertragung zu erreichen, wird der Abfluß 27 an seiner an die Hohlräume la angrenzenden Stelle beidseitig von diesen Hohlräumen la umgriffen, was in Fig. 1 durch die gestrichelte Linie K dargestellt ist.

Die Versorgung des zweiten Kühlkreislaufes mit Kühlflüssigkeit erfolgt durch den zur Schmierung der Lagerstellen 7 und 8, der KoIt benlager 11 sowie zur Kühlung der Kolben 12 vorgesehenen Kühl- und Schmiermittelkreislauf, der eine Pumpe 20 aufweist, welche die Kühl- und Schmierflüssigkeit über einen Saugkorb 28 aus dem Behälter 21 ansaugt und über eine Leitung 22 und nicht gezeigten Kanälen zu den Lagerstellen 7, 8, 11 fördert. Von der Leitung 22 zweigt eine übliche Bypassleitung 23 ab, die ein federbelastetes Überdruckventil 24 enthält, weiches unter der Wirkung erhöhten

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Kahlmitteldruckes offnem und überschüssig: •""ühlflücsigkeit_> erfindungsgemäß über die Bypassleitung 23 und die Öffnungen 25 in den Mänteln 1 zusätzlich in die Hohlräume Ib des zweiten Kühlkreislaufes fördert.

Bei Betrieb der Rotationskolben-Brennkraftmaschine gelangt das aus den Lagerstellen J und 8 und den Kolbenlagern 11 austretenden Kühl- und Schmiermittel in die Hohlräume 13 der Kolben 12 und von dort drucklos über die Kanäle Jb und 4b der Seitenteile 3 und 4. und öffnungen 26 in den Hohlraum Ib des Mantels 1. Der Abfluß 27, über den das Kühl- und Schmiermittel bzw. die Kühlflüssigkeit aus dem Hohlraum Ib in den Behälter 21 abfließen kann, ist oberhalb der höchsten Stelle der äußeren Umfangswand 2a der Mantellaufbahn 2 angeordnet, welche den Hohlraum Ib auf der Seite des Innenraumes 6 begrenzt. Hierdurch wird die Kühlflüssigkeit zwangsläufig an der Umfangswand 2a vorbeigeführt und gewährleistet somit eine zuverlässige Wärmeübertragung von der Mantellaufbahn 2 auf die Kühlflüssigkeit, bevor diese in den Behälter 21 abfließt. Der Abfluß 27 ist so gestaltet, daß die äußere Umfangswand 2a über ihre gesamte an die Mantellaufbahn 2 grenzende Fläche weitgehend von Kühl- und Schmiermittel umspült wird. Vom Behälter 21 gelangt die erhitzte Kühlflüssigkeit durch die Pumpe 20 und die Leitung 22 wiederum in die Lagerstellen 7> 8 und 11 sowie in die Hohlräume 13 zur Erwärmung der Kolben 12. Bei höheren Drehzahlen und höherer Last, also wenn die Pumpe 20 eine größere Kühlmittelmenge fördert und eine stärkere Erhitzung des heißen Bogens im Mantel 1 eintritt, wird zur Vermeidung einer Überhitzung dieses Bereiches die üblicherweise über die Bypassleitung 23 abgesteuerte Kühl- und Schmierflüssigkeit zusätzlich in den Hohlraum Ib des Mantels gefördert.

Wie in Fig. 3 dargestellt, in der für gleiche und gleichartige Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 und 2 verwendet worden sind, ist abweichend davon bei einer Mehrfachmaschine eine Ausführung denkbar, bei welcher die Hohlräume Ib an ihrer höchsten

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Stelle im Mantel 1 über Öffnungen 29 mit einem Hohlraum 30b im Zwischenteil 30 in Verbindung stehen, während der Hohlraum 30a im Zwischenteil 30 mit den Hohlräumen 3^a und 4a des anderen Kühlkreislaufes verbunden ist. Der Hohlraum 30b weist einen Abflußstutzen 31 auf, dessen Oberkante 32 an einer höheren Stelle liegt als die höchste Stelle des Hohlraumes Ib im Mantel 1 bzw. der Öffnungen 29· Das aus den Kolben 12 in die Hohlräume 3b, 4b und Ib einströmende Kühl- und Schmiermittel kann bei dieser Anordnung erst dann in den Behälter 21 ablaufen, wenn es im Hohlraum 30b bis an die Oberkante 32 des Abflußstutzens 3I gestiegen ist, so daß mit Sicherheit eine vollständige Umspülung der Umfangswand 2a der Mantellaufbahn 2 in den Mänteln 1 erreicht wird.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind für gleiche und gleichartige Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 verwendet worden. Abweichend von der Ausführung gemäß Fig. 2 ist das Zwischenteil 5 in demjenigen Bereich geschnitten dargestellt, in dem die auf bekannte Weise im allgemeinen mit einem Öleinfüllstutzen bzw. einer Absaugung verbundene Entlüftung des Behälters 21 angeordnet ist und in einem verhältnismäßig kalten Bereich des Zwischenteiles 5 den Hohlraum 5c bildet. Außerdem münden im Gegensatz zu den Ausführungen nach den Fig. 2 und Fig. 3 die Abflüsse 27 in einem innerhalb des Behälters 21 angeordneten kleineren Auffangbehälter 33· Bei kalter Maschine und in der Warmlaufphase steht der Auffangbehälter 33 über eine Ablauföffnung Jk und eine Leitung bzw. einen Saugstutzen 35 direkt mit dem Saugkorb 28 der Pumpe 20 in Verbindung. Auf diese Weise kann das aus dem Kolben 12 austretende Kühl- und Schmiermittel über die Hohlräume 3d* 4b und Ib auf dem kürzesten Weg unmittelbar wieder in den Schmiermittelkreislauf geführt werden, so daß sich die somit verringerte Schmiermittelmenge sehr schnell aufheizt. Ander zwischen dem Saugkorb 28 und der Pumpe 20 liegenden Saugleitung 36 ist ein Temperaturfühler 37 vorgesehen, der auf die Temperatur der angesaugten Kühl- und Schmierflüssigkeit anspricht. Bei steigender Temperatur

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beeinflußt der Temperaturfühler 37 über ein Betätigungsgestänge 40 ein an der Ablauföffnung 34 angeordnetes, auf einer Lagerwelle 39 schwenkbares Klappenventil 38» wodurch einerseits die Verbindung der Ablauföffnung 3^ mit dem Saugstutzen 35 verkleinert wird und sich andererseits eine gegensinnig vergrößernde Verbindung zwischen dem Saugstutzen 35 mit dem Ö'lsumpf 21a des Behälters 21 einstellt. Bei Betriebstemperatur besteht dann über die Ablauföffnung J>k eine vollständige Verbindung des Auffangbehälters 33 mit dem Behälter 21. Durch diese Einrichtung wird je nach Höhe der Temperatur des Schmiermittels dem Schmiermittelkreislauf kühleres Kühl- und Schmiermittel aus dem Ölsumpf 21a des Behälters 21 zugemischt. Trotz einer schnellen Aufheizung des Schmiermittels und rascher Erzielung eines wirtschaftlichen Temperaturniveaus des Kolbens 12 kann somit keine Überhitzung der Maschine eintreten.

Bei einer Einfach-Rotationskolben-Brennkraftmaschine, die aus einem Mantel 1 und zwei parallelen'Seitenteilen besteht, kann der im Zwischenteil angeordnete Abflußstutzen 31 in dem Seitenteil angeordnet sein, welches dem Seitenteil gegenüberliegt, das mit dem zum Mantel 1 führenden Kanal für den Zufluß des Kühl- und Schmiermittels versehen ist.

Die Erfindung ist nicht nur auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt; es ist beispielsweise auch möglich, daß die Zuführung von Kühlflüssigkeit in den Hohlraum 13 sowohl aus den Lagerstellen als auch über eine zusätzliche besondere Einspritzvorrichtung erfolgt.

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Claims

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Patentansprüche

1./Flüssigkeitsgekühlte Rotationskolben-Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse, das aus mindestens einem ringförmigen Mantel mit einer inneren Mantellaufbahn und zwei parallelen Seitenteilen besteht und einen Innenraum begrenzt, wobei der Mantel und die Seitenteile Hohlräume für die Zirkulation von zwei völlig voneinander getrennten Kühlkreisläufen enthalten, von denen ein Kühlkreislauf den im heißen Bogen des Mantels liegenden Bereich des Gehäuses kühlt, in welchem im Innenraum die Arbeitstakte Zünden, Expandieren und Ausschieben erfolgen, und wobei im Gehäuse ein flüssigkeitsgekühlter Kolben umläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreislauf des Kolbens (12) und der den Bereich des heißen Bogens durchströmende Kühlkreislauf des Mantels (1) in Reihe geschaltet sind·..

2. Flüssigkeitsgekühlte Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1-mit einem Gehäuse in Trochoidenbauart, bei dem die lange Achse des Gehäuses senkrecht steht und der heiße Bogen des Mantels unten liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (Ib) des Mantels (1), der in dem von Kühlflüssigkeit durchströmten Bereich des heißen Bogens liegt, mit einem Abfluß (27, 31) in Verbindung steht, der oberhalb der höchsten Stelle der diesen Hohlraum (Ib) teilweise begrenzenden äußeren Umfangswand (2a) der Mantellaufbahn (2) angeordnet ist.

~% Flüssigkeitsgekühlte Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und Anspruch 2, bei welcher das den Kolben durchströmende Kühlmittel über Kanäle in mindestens einem Seitenteil abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der im heißen Bereich liegende Hohlraum (Ib) des Mantels (1) einerseits mit den Kanälen (j5b, 4b) im Seitenteil (3, 4) und andererseits mit der Saugseite einer Pumpe (20) über eine Leitung (35) verbunden ist, die bei einem über einer bestimmten Kühlmitteltemperatur liegenden Wert mit einem ölsumpf (21b) verbindbar ist_o _ ]i _

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4. Flussigkeitsgekuhlte Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 3j dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Druckseite der Pumpe (20) verbundene, überschüssige Kühlflüssigkeit führende Bypassleitung (23) in den Hohlraum (Ib) mündet, der im Bereich des heißen Bogens angeordnet ist.

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Go/tk, N/RRX

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