DE2557121A1

DE2557121A1 - Kraftmaschine

Info

Publication number: DE2557121A1
Application number: DE19752557121
Authority: DE
Inventors: James E Zachery
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-12-17
Filing date: 1975-12-16
Publication date: 1976-06-24
Also published as: US4010611A; JPS5183912A; CA1034550A

Description

Hamburg, dan 12. Dezember 1975 182775

Priorität: 17. Dazambar 1974, U.S.A., Pat.Anm.Nr. 533 539

Anmelder:

James E. Zachary

Tenorio Road
Corralas, Nam Mexico
U.S.A.

Kraftmaschine

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Komprassions-Expansions-Kraftmaschine und betrifft insbesondere eine Anordnung in Form eines Zylinders mit darin untergebrachten Gegenkolben und damit verbundenen Kurbelwellen für eine Hin- und Herbewegung der Kolben relativ zueinander und zum Zylinder zur Kompression und Expansion eines kompraasiblen Mediums, beispielsweise eines Gases.

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Die Versuche, bei Einrichtungen zur Energieumwandlung oder Energieumsetzung neue Anordnungen und Ausgestaltungen zu finden, beruhten im wesentlichen auf Mitteln zur Steigerung des thermischen Wirkungsgrades und einer dadurch erreichten Senkung des Kraftstoffv/erbrauchs für eine gegebene Ausgangsleistung. Werbesserungen des UJärmeujirkungsgrades von Uerbrennungskraftmaschinen, die nach dam Otto- oder Diesel-V/erfahren arbeiten, waren bisher weitgehend auf eine Verbesserung der Frühzündung und der Brenneigenschaften von Kraftstoffen gerichtet, da es seit langem bekannt uiar, daß eine Erhöhung des Kompressionsverhältnisses solcher Maschinen zu einer Steigerung ihres UJärmeu/irkungsgrades führt. Bei Maschinen, die aufgrund ihrer Bauart eine Vorverdichtung erfordern, wurden Verbesserungen im wesentlichen auf eine Herabsetzung der Kraftstoff Verluste durch die AuspuffÖffnungen beim Auspuffvorgang gerichtet, und die mit der Vorverdichtung unvermeidbar verbundenen UJärmewirkungsgradverluste wurden als eine naturgemäße Eigenschaft dieses Aufbaus in Kauf genommen· Zu solchen Maschinen gehören beispielsweise Zweitaktmotoren und durch die unten noch zitierte US-PS 2 486 185 bekannte Maschinen, bei welchen Auspuffgase mit Hilfe unter Druck stehender Einlaßluft durch Auspufföffnungen ausgestoßen werden. Bei fremdgezündeten Maschinen, wie z.B. Otto-Motoren, wird praktisch auf eine Vorverdichtung verzichtet, außer bei besonderen Anwendungen, bsi welchen eine Kraft-

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stoffersparnis keine grundlegende Bedeutung hat, und zwar wegen der drastischen Verringerung des Uiärmewirkungsgrades, die auf der zur Vermeidung einer Frühzündung des Kraftstoffes erforderlichen Herabsetzung des Kompressionsverhältnisses bzw. Uerdichtungsgrades beruht. Zur Verbes-8erung des" Gesamt-UJärmeiuirkungsgrades von Verbrennungs-Kraftmaschinen luurden auch Auslaß-Turbinen eingesetzt, um eine uieitere Expansion der Abgase zu erreichen, bevor diese in die Atmosphäre geblasen werden.

Kraftmaschinen in Form von Gegenkolbenmotoren, die nach dem Otto- und dem Diesel-Verfahren arbeiten, sind seit vielen Dahren bekannt,und einige Ausführungsformen solcher motoren waren auch in Gebrauch. Derartige [Haschinen arbeiten gewöhnlich mit gegeneinander gerichteten Kolben, die sich mit der gleichen Frequenz hin- und herbswegen. Die Zündung des Kraftsioffgemisches erfolgt dabei nahe beim Punkt des höchsten Druckes und des kleinsten Volumens zwischen den Kolben, der auftritt, wenn die beiden Kolben gleichzeitig den innersten Punkt ihrer zyklischen Bewegung erreichen, oder in der Nähe des oberen Totpunktes. Derartige Anordnungen ermöglichen theoretisch im Vergleich zu ähnlichen HiIo to ran, die nicht mit Gegenkolben arbeiten, keine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades.

Außer solchen !maschinen zeigen die US-Patente 670 966,

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1 168 877, 1 237 696, 1 689 419, 2 160 687, 2 345 056,

2 473 759, 2 486 185 und 3 485 221 Beispiele für Entwicklungen bei dieser Bauart, bei welchen sich die Kolben mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und phasenverschoben bewegen, so daß die sich überlappenden Abschnitte des Bswegungsweges der Kolben zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Bewegungszyklus jedes Kolbens auftreten.

Keines der vorstehend angeführten Patente zeigt jedoch irgendeine Anordnung der allgemein bekannten Teile, durch welche theoretisch oder praktisch eine bedeutende Steigerung des lüärmewirkungsgrades erreicht werden könnte, die über der bei einem üblichen Otto- oder Diesel-iYlotor erreichbaren Steigerung liegt.

Das genannte US-Patent 2 486 185 (lYlallory) betrifft einen Motor mit einem Zylinder mit darin angeordneten Gegenkolben, welche an den beiden Zylinderenden mit Kurbelwellen verbunden sind, wobei die eine Kurbelwelle so mit der anderen verbunden ist, daß die beiden Kurbelwellen ein Umlaufverhältnis von 2:1 haben, wobei die UJinkelausrichtung der Kurbelwellen und die daran angelenkten Kolben so vorgesehen sind, daß der schnell laufende Kolben etwa 90° über seine äußere Totpunktstellung hinaus verschoben ist, wenn der langsam laufende Kolben sich an seinem inneren Totpunkt befindet. Diese Anordnung dient zur Steuerung einer

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Auspufföffnung durch den langsam laufenden Kolben. Der Zylinder meist eine AuspuffÖffnung auf, deren Freigabe durch den langsam laufenden Kolben beginnt, wenn dieser etwa 125° von seinem inneren Totpunkt verschoben wurde. Der Zylinder weist außerdem eine zentral angeordnete Öffnung mit einem durch Ventile derart gesteuerten Luft- und Kraftstoff-Zutritt zur Kammer auf, daß etwa ab dem Zeitpunkt, in dem die Freigabe der AuspuffÖffnung beginnt, Luft in den Zylinder eingelassen tuird, und zwar solange, bis der langsame Kolben die Öffnung fast freigegeben hat. Zu diesem Zeitpunkt wird das Kraftstoffventil geöffnet, und der Luft- und Kraftstoff-Einlaß tuird fortgesetzt, bis das größte Einlaßvolumen erreicht ist. Zu diesem Zaitpunkt ujerden die Luft- und Kraftstoff ventile geschlossen,und der Kompressions- oder Verdichtungstakt beginnt. Diese Anordnung ermöglicht einen vollständigen Auslaß der verbrannten Gase, bevor Kraftstoff zugeführt wird,vorausgesetzt, daß eine ausreichende Vor- oder Überverdichtung angeu/endet u/ird. In der genannten Patentschrift uiird zu der Hubkonfiguration nach Fig. 8 darauf hingewiesen, daß es für deren Betrieb wesentlich darauf ankommt, daß die Einlaßluft unter Druck steht. Es ist augenscheinlich, daß diese Anordnung nicht ohne Überverdichtung arbeitet, da nach dem Schließen der AuspuffÖffnung durch den langsam laufenden Kolben das Volumen abnimmt und keine Frischluft eingeführt werden kann, so daß das Kammer- und Zylinder-

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volumen beim Beginn des Uerdichtungshubes vollständig mit verbrannten Gasen gefüllt bleibt. Infolge der Anordnung der Einlaßöffnung, der kolbengesteuerten Auslaßäffnung und des Phasenverhältnisses zwischen den Kolben und den Kurbelwellen hinterlassen die Konfigurationen des Hubverhältnisses nach Fig. 7 und 9 Restmengen verbrannten Gases von etwa 65^ bzw. Z5% des gesamten möglichen Einlaßvqlumena , die noch vorhanden sind, wenn die Auslaßöffnung durch den langsam laufenden Kolben geschlossen ist. Es kann also davon ausgegangen werden, daß der bekannte fflotor bei diesen Konfigurationen des Hubverhältnisses ebenfalls vorverdichtet werden müßte, um arbeiten zu können. Bei diesem Stand der Technik tritt die fflittelpunktsverschiebung beider Kolben bei 90° und 270° auf, und die fflittelpunktsverschiebung des schnell laufenden Kolbens tritt außerdem bei 0° und 180 auf. Diese Phasenbeziehung führt dazu, daß die Überlappung oder der gemeinsam benutzte Raum in dem Zylinder sehr klein ist. Diese Überlappung beträgt für die Konfiguration nach Fig. 7 etwa 5% des Hubes, bei Fig. 8 etwa Z% des Hubes und liegt für Fig. 9 unter 0%, wobei kein gemeinsam benutzter Raum vorhanden ist, wenn im Punkt der größten Annäherung ein Zwischenraum von 25/10G" (etwa 6,35 mm) beibehalten wird. Im übrigen tritt der maximale Hebelarm der langsam laufenden Kurbelwelle etwa 42° hinter dem Punkt des kleinsten Volumens auf, an welchem die Expansion des Gases etwa 50/S des endgültigen Expansions-

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volumans erreicht hat und der Druck stark verringert ist.

Bei einer erfindungsgemäßen Kraftmaschine erfolgt nun die zyklische Kompression und Expansion kompressibler Medien oder Flüssigkeiten, wie z.B. verschiedener Gase in einzigartiger Weise in einem nachfolgend als "Zachery"-ProzeS oder Verfahren bezeichneten zyklischen Arbeitsverfahren. Eins nach dem Zachery-Verfahren arbeitende erfindungsgemäße Kraftmaschine ist so aufgebaut, daß aus dem zur Verfügung stehenden Gasdruck das größtmögliche Drehmoment erzeugt und im Vergleich zu anderen Anordnungen mit veränderlichem Volumen ein beträchtlicher Anstieg im Uiärmetuirkungsgrad erzielt wird.

Eine erfindungsgemäße Kraftmaschine u/eist eine Kammer, beispielsweise einen Zylinder, und bewegliche Teile, uiie z.B. gegenüberliegende Kolben auf, die der Kammer zur Veränderung des Kammervolumens und des Druckes der darin befindlichen Gase zugeordnet sind, wobei die beweglichen Teile mechanisch mit Kurbelwellen oder anderen Konstruktionsteilen mechanisch derart verbunden sind, daß die höchsten während des Kompressions-Expansions-Zyklus erreichten Drücke im oder nahe beim Punkt des maximalen Hebelarmes einer Kurbelwelle oder eines entsprechenden Mechanismus auftreten und dadurch das maximal mögliche Drehmoment aus dem zur Verfügung stehenden Gasdruck erzeugen. Die erfindungsgemäße Kraftmaschine übt also ihre maximale Kraft aus, wenn

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der Druck in der Kammer auf seinem Höchstwert ist. Die beweglichen Teile, wie z.B. die Gegenkolben brauchen 8inen gemeinsamen Raum in der Kammer, wobei die zyklische Bewegung der beweglichen Teile eine beträchtliche Überlappung der Bewegung mit den sich teilweise deckenden Abschnitten der Bewegungszyklen der einzelnen beweglichen Teile aufweist, die in verschiedenen Intervallen im Kompressions-Expansions-Zyklus auftreten und dadurch einen im Vergleich mit anderen Anordnungen veränderbaren Volumens beträchtlichen Anstieg des thermischen Wirkungsgrades gewährleisten.

Bei einer vorteilhaften und bevorzugten Ausführung einer nach dem erfindungsgemäßen Zachery-Verfahren arbeitenden Kraftmaschine sind beispielsweise zwei in einem gemeinsamen Zylinder hin- und hergehende Gegenkolben vorgesehen, die nacheinander einen beträchtlichen gemeinsamen Raum innerhalb des Zylinders einnehmen. Dadurch ist es möglich, in einem sich wiederholenden Zyklus ein Anfangsvolumen eines Gases auf jedes gewünschte Verdichtungsverhältnis (V₁ZV₂) zu komprimieren und dann auf irgendein gewünschtes Expansionsverhältnis (V^/Vj) zu expandieren, vorausgesetzt, daß ein Kolben mit der zweifachen Frequenz des anderen Kolbens hin- und herbewegt wird und unter der Bedingung, daß die Phasensinstellung bzw. Synchronisierung und die Versetzung bzw. überdackung der hin- und hergehenden Kolben und der zugshörigen Kurbelwellen so gewählt sind, daß in

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dem gemeinsam benutzten Raum keine mechanische Beeinflussung oder Störung zwischen den Kolbenflächen auftritt. Das gewünschte Kompressions- und Expansions-Verhältnis kann durch entsprechende Uiahl der Phasenbeziehungen der einzelnen Teile, der Hublängen und der üflittenverschiebung der hin- und hergehenden Kolben und der zugehöranden mechanischen Teile festgelegt werden, wobei diese Festlegung die Möglichkeit einschließt, einen veränderlichen Kolbenhub, eine veränderliche Phase oder veränderliche Mechanismen für die Wechselwirkung in der Witte vorzusehen, wobei die Beiuegungsfrequenz der Kolben fest oder veränderlich ist, solange die Bewegungsfrequenz eines Kolbens auf den zweifachen Wert der Bewegungsfrequenz des anderen Kolbens gehalten ist.

Bei einer bevorzugten Abwandlung der vorstehend beschriebenen Konstruktion arbeitet ein hin- und hergehender Kolben in einem hin- und hergehenden, geschlossenen Zylinder, wobei entweder der Kolben oder der Zylinder sich mit der zweifachen Frequenz des jeweils anderen Teiles bewegt.

Bei Weiterbildungen einer nach dem arfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Kraftmaschine, deren Konstruktion im Rahmen der Erfindung praktisch beliebig abgewandelt werden kann,kann der Zugang zum Zylinderraum oder zur Kammer auch durch irgendwelche herkömmlichen Verfahren oder Anordnungen mit Ventilen und/oder gesteuerten Öffnungen

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oder einer Kombination dieser Möglichkeiten erfolgen, welche den Eintritt und Austritt von Gasen oder kompressiblen Flüssigkeiten und deren Zündung zuläßt, uio brannbare Gemische in einem Verbrennungsmotor verwendet u/erden. Die Zugangsmöglichkeiten können in Abhängigkeit von dar Zweckbestimmung dar Einrichtung verschieden sein, wobei bei einem Verbrennungsmotor eine Zutrittsart vorgesehen ist, während bei anderen maschinen, Druckluft-fflotoren oder dergleichen andere Arten das Zutritts Verwendung findan können mit Kompressoren, Kühlainrichtungen, Generatoren, Pumpen und dargleichen, welche verschiedene Zutrittsartsn zum Zylinderraum oder zur Kammer erfordern.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung dar Erfindung wird ein Anfangsvolumen eines Gases oder einer kompressiblen Flüssigkeit durch Konduktion, Konvektion oder Radiation über den oder im Zylinder oder dia Kolbanwända erhitzt und/oder abgekühlt, so daß ein Zugang zu dem Volumen für den Eintritt oder Austritt während des Betriebes vorgesehen sein kann, jedoch nicht erforderlich ist. Der thermische Wirkungsgrad eines solchen Luft-Standard-Zachery-Prozasses, bei welchem Wärme bei konstantem Volumen zugeführt und bei konstantem Druck abgegeben wird, kann wie folgt angegeben werden:

1 - K (R_x-R₀)

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Dabei ist R das Expansionsverhältnis, R das Kompressionsverhältnis, K eine über den Zyklus konstante Größe, und der Druck beim Beginn der Kompression ist gleich dem Druck am Ende der Expansion. Ausdrücke für andere Zachery-Prozesse,bei Welchen Wärme bei konstantem Druck zugeführt und abgegeben wird, oder bei welchen Wärme bei konstantem Volumen zugeführt und abgegeben u/ird, können leicht abgeleitet werden·

Der Zachery-Prozeß ist bei einer bevorzugten praktischen Ausgestaltung eines Verbrennungsmotors verwirklicht, welcher zwei durch eine Kettenradanordnung verbundene Kurbelwellen gleicher Kröpfung bziu. Hubhöhe aufweist, wobei die Kurbelwellen mit Kolben in einem gemeinsamen Zylinder verbunden sind und in einem Phasenverhältnis von 2:1 synchronisiert sind, so daß bei der größten Eindringtiefe des einen Kolbens der andere Kolben sich in der geringsten Eindringstellung befindet, die für jeden Kolben mit 0° angegeben wird, wobei die Kolben in der durch den Zachery-Prozeß vorgeschriebenen Weise periodisch bewegt werden. Hierdurch wird der größstmögliche thermische Wirkungsgrad erreicht und ein maximales Drehmoment beim höchsten Druck im Zylinder auf eine Kurbelwelle ausgeübt.

Weitere Vorzüge und merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung

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und dar Zeichnung, in welchen der Aufbau und der Betrieb einer erfindungsgemäßen Kraftmaschine anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert und dargestellt ist.

Es zeigen :

Fig. 1-3 schematische Darstellungen eines Zylinders

mit zwei gegenüberliegenden Kolben und Kurbelwellen zur Ueranschaulichung der IMennbeziehung der Winkelstellung der beiden Kurbelwellen und der Kolbenstellungen bei deren Drehung,

Fig. 4 eine schematisch vereinfachte Darstellung

einer Zahnkettenverbindung zwischen den Kurbelwellen zur Aufrechterhaltung des Umlaufverhältnisses,

Fig. 5 eine schamatische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform, bei welcher dor feststehende Zylinder und einer der Kolben gemäß Fig. 1-3 durch einen an einem Ende geschlossenen Zylinder ersetzt ist,

Fig. 6 U.6A-6D Kurvendarstellungen eines Beispieles eines

Zachery-Prozesses einschließlich der Beziehungen zwischen Kolben, Zylinder und Kurbelwellen sowie anderer Eigenschaften des Prozesses,

Fig. 7 · eins Reihe schematischer Darstellungen zur

Veranschaulichung der verschiedenen Kolbenstellungen beim Zachery-Prozeß,

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Fig. 8 eine schamatischa Ansicht eines erfindungsgemäßen Motors, der mit ungleichem Hub und einer Phasenverschiebung arbeitet, die einen noch vollständigeren Austritt des Volumens gestattet,

Fig. 9 eine Kurvandarstellung des Prozesses mit dom in Fig. 8 gezeigten ungleichen Hub-System,

Fig. 10 eine der Fig. 7 entsprechende Reihe schematischsr Darstellungen zur Veranschaulichung der Arbeitsweise das ungleichen Hub-Systems und

Fig. 11 eine graphische Darstellung des Prozesses zur Veranschaulichung eines jeweils unterschiedlichen Hub-, Kompressions-, und Expansions-Verhältnisses.

Eine schematisch dargestellte arfindungsgemäße Kraftmaschine, bei welcher für gleiche oder entsprechende Teile in den Figuren jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet sind, meist bei der in Fig. 1-3 dargestellten Ausführung einen Zylinder 20 mit offenen Enden auf, welcher eine innere Kammer 22 zur Aufnahme gegeneinander gerichteter Kolben 24 und 26 aufweist, die darin zwischen einem inneren und einem äußeren Totpunkt hin- und hergehen. Zum Kolben 24 gehören dabei ein Kolbenbolzen 28 und eine Verbindungsstange 30, die an eine Kurbelkröpfung 32 einer Kur- . beiwelle 34 angelenkt ist. Der Kolben 26 weist die gleiche Anordnung eines Kolbanbolzans 36, einer Verbindungsstange 38, einer Kurbelkröpfung 40 und ainer Kurbelwelle 42 auf.

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Beide Kurbeliuellen laufen in gleicher Drehrichtung entujeder im Uhrzeigersinne oder gegen den Uhrzeigersinn um. Die beiden Kurbelwellen 34 und 42 sind durch eine Antriebsverbindung in Form einer mit Kettenrädern 46 und 48 in Eingriff stehenden flexiblen Kette 44 miteinander verbunden. Der Durchmesser und die Anzahl der Zähne des mit der Kurbelwelle 34 verbundenen Kettenrades 46 ist dabei doppelt so groß wie bei dem an die Kurbelwelle 42 angekuppelten Kettenrad 48, sq daß die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle 42 immer gleich der zweifachen Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle 34 ist. Im Interesse der Übereinstimmung und Vereinfachung der Beschreibung des Zachery-Prozesses werden der Kolben 24, die Kurbelwelle 34 und die zugehörige Anordnung im folgenden mit w, und die Kurbelwelle 42, der Kolben 26 und die zugehörige Anordnung mit ®2 bezeichnet.

Bei der in Fig. 5 dargestellten abgewandelten Ausführungsform der Erfindung ist ein Zylinder 20' mit einem geschlossenen Ende 21 vorgesehen. Diese Anordnung wirkt in der gleichen Weise wie der Kolben 26 und dar demgegenüber feststehende Zylinder in Fig. 1. Diese Anordnung wirkt in der gleichen Weise wie der Kolben 26 und der demgegenüber feststehende Zylinder 20 in Fig. 1, wobei die Kurbelwelle w„ mit dem Zylinder 20' so verbunden ist, daß dieser in gleicher Weise und einer der Kurbelwelle W₂ in Fig. 1

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entsprechenden lliinkelbeziehung hin- und herbewegt wird.
Der Kolben 24 in Fig. 5 ist mit der Kurbelwelle W₁ in der gleichen Uieise wie in Fig. 1- verbunden und bewegt sich
damit auch gleich wie in Fig. 1. Es wird darauf hingewiesen, daß ve-rschiedene feste Getriebeverbindungen unterschiedlicher Anordnung und Ausgestaltung vorgesehen werden können, die eine Drehung der Kurbelu/ellenanordnungen w.
und uu entweder in entgegengesetzter oder gleicher Drehrichtung zulassen, wobei sich in beiden Fällen der gleiche Zyklus ergibt.

Die Kurvendarstellung in Fig. 6 veranschaulicht die Phasenlagen der Kolbenbewegungen für W₁ und W2 bei einem typischen Zachery-Prozeß. Die den w*-Kolben antreibende oder von diesem angetriebene u/*-Kurbelwelle ist gegenüber der den uu-Kolben antreibenden oder von diesem angetriebenen Uij-Kurbelmelle. derart phasenversetzt, daß bei Beginn des Zyklus der m^-Kolben sich in dem gemeinsamen Zylinder an der Stelle seiner tiefsten Eindringung befindet, während der uu-Kolben gleichzeitig an der Stelle seiner geringsten Eindringung ist. Diese Stellungen sind für die w^-Kurbel-U)BHe und die ui^-Kurbeliuelle jeweils mit 0 bezeichnet,
und sämtliche anderen Stellungen sind auf diese Anfangsstellungen bezogen. Dabei ist zu beachten, daß die Gradzahl der Drehung der uu-Kurbelwelle immer gleich der zweifachen Grad-Zahl der Drehung der ω*-Kurbelwelle ist.

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In der Bezugsstellung ist also für die W₁- und die w₂-Kurbelwelle jeweils Q⁰ und das Zylindervolumen mit V-angenommen, welches bei Atmosphärendruck P- und Umgebungstemperatur T₁ mit einem Luft-Kraftstoff-Gemisch gefüllt u/erden soll. Weiter ist angenommen, daß die Einlaßventile oder Einlaßöffnungen geschlossen sind. Diese Anordnung ist in Fig. 6 durch Kurven veranschaulicht und in der ersten Darstellung in Fig. 7 schamatisch dargestellt.

Während des Verdichtungsvorganges dreht sich die w.-Kurbelwelle von 0 - 80 , während die w₂-Kurbelwelle von 0 - 160° läuft. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wurde auf sein Hflinimalvolumen V« bei einem Druck P^ und einer Temperatur T_? komprimiert, und an diesem Punkt wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch gezündet und verbrennt unter Erhöhung des Druckes auf P₃ und der Temperatur auf T₃, wenn angenommen wird, daß V₉ während des Verbrennungsvorganges gleich V., ist. Dieser Prozeß setzt einen Wärme-Zuführungsvorgang bei konstantem Volumen voraus, während die w,. -Kurbelwelle sich nahe bei ihrer maximalen Hebelarm-Stellung befindet, siehe Fig. 6a.

Beim Expansionsvorgang bzw. Arbeitstakt dreht sich die UJ₁-Kurbelwelle von 80° - 180°, während die iu₂-Kurbelwelle von 160° - 360° läuft. Das Zylindervolumen vergrößert sich auf V4 bei einem Druck P. und einer Temperatur T*, und bei

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diesem Baipiel ist \J, etu/a dreimal so groß wie

Beim Auslaßvorgang oder Auspufftakt dreht sich die w«- Kurbelwelle von 180° - 280°, während sich die u^-Kurbeluielle von 350° - 560° dreht, wobei das Auspuff ventil bzw. die AuslaQöffnung zum Zeitpunkt der 180 -Stellung der w,.-Kurbelwelle öffnet und bei Erreichen der 280 -Stellung schließt, wobei in diesem Zeitraum die Verbrennungsprodukte ausgestoßen werden.

Beim Einlaßvorgang bzw. Ansaugtakt dreht sich die w,.-Kurbeluielle von 280° - 360 und die w₂-Kurbelu/elle von 560° - 720°. Dabei öffnet das Einlaßventil oder die Einlaßöffnung bei der 280°-Stellung der W₁-Kurbelwelle und schließt wieder bei Erreichen der 360°-Stellung der W₁-Kurbelwelle.

Eines der hervorstechenden Merkmale bei diesem Prozeß in einer Verbrennungsmaschine ist das außerordentlich hohe Verdichtungsvermögen eines Einlaßvolumens V₁ auf ein komprimiertes Volumen V2> bei dessen Erreichen durch den Verbrennungsvorgang Wärme zugeführt wird, bevor es dann auf das gegenüber dem Einlaßvolumen V- erheblich größere Volumen Uz expandiert wird. Hierdurch wird ein größerer Prozentsatz der zugeführten Wärme in Ausgangsarbeit umgesetzt ale dies bei einem herkömmlichen Verbrennungsmotor

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mit gleichem Einlaßvolumen und Verdichtungsverhältnis möglich ist. Anders ausgedrückt wird ein geringerer Prozentsatz der zugeführten Wärme mit den Auspuffgasen ausgestoßen. Dies gewährleistet bei einem Zachery-iKlotor für ein gegebenes Einlaßvolumen und ein gegebenes Verdichtungsverhältnis einen wesentlich größeren thermischen Wirkungsgrad als bei einem herkömmlichen Otto- oder Dieselmotor.

Ein Vergleich des Luft-Standard-Qtto-Verfahrens mit dem Luft-Standard-Zachery-Verfahren zeigt, daß das Otto-Verfahren bei einem Verdichtungsverhältnis von 10:1 einen thermischen Wirkungsgrad von etwa 60% erreicht, während das Zachery-Verfahren beim gleichen Verdichtungsverhältnis einen thermischen Wirkungsgrad von etwa 71% erzielt. Dieser beträchtliche Unterschied im thermischen Wirkungsgrad beruht auf der zusätzlichen Ausdehnung des Gases beim Zachery-Prozeß, welche durch, die besonders vorteilhafte Zuordnung der Kurbelwellen und Kolben gewährleistet ist.

Aus thermodynamischen Tabellen, die das ideale Luft-Kraftstoff-Verhältnis für Oktan benutzen, entnommene. Daten zeigen, daß ein Otto-Hflotor für ein Verdichtungsverhältnis von 10:1 einen thermischen !Wirkungsgrad von etwa 44% hat, während ein erfindungsgemäßer Zachery-IYlotor für dieses Verdichtungsverhältnis einen thermischen Wirkungsgrad von etwa 63% erreicht. Neben den Verlusten in den Auspuffgasen

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aufgrund der begrenzten Expansion des herkömmlichen Otto-Motors treten bei praktischen Betriebszuständen in Motoren U/ärmeverluste auf mit weiteren Beschränkungen infolge der Verbrennung bei nicht konstantem Volumen, und weitere Faktoren führen im allgemeinen zu einer Herabsetzung des tatsächlich verwirklichten thermischen Wirkungsgrades um etwa 20% des Idealwertes.

Unter der Annahme, daß dieser Verlust von 20% beim Otto-Motor und beim Zachery-Motor auftritt, erreicht der Otto-Motor beim praktischen Einsatz einen thermischen Wirkungsgrad von etwa 35%, während der tatsächlich erreichte Wirkungsgrad des Zachery-Motors bei etwa 50% liegt. Danach zeigt sich also, daß ein herkömmlicher Otto-Motor bei gleichem Einlaßvolumen, gleichem Verdichtungsverhältnis und gleicher Ausgangsleistung etwa 43% mehr Kraftstoff verbraucht als der erfindungsgemäße Zachery-Motor. .Es wird darauf hingewiesen, daß der Wirkungsgrad des Zachery-IYIotors für ein beliebiges gegebenes Kompressionsverhältnis erhöht oder gesenkt werden kann, und zwar durch Auswahl und Kombination der gekröpften Kurbelzapfen der Kurbelwellen bei w. und W₂, durch die der Hub der zugehörigen Kolben festgelegt wird sowie durch Wahl der Versetzung der Mittelpunkte der Kurbelwellen w«. und W₂ und der relativen Phasenverschiebung dieser Kurbelwellen· Eine derartige Auswahl

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kann das Expansionsverhältnis V./V₂ ^zur Erzielung einer Steigerung im thermischen Wirkungsgrad vergrößern, mährend eine andere Auswahl das Expansionsverhältnis V,/V₂ verringern kann, wodurch eine Senkung des thermischen Wirkungsgrades erzielt wird.

Dabei ist hervorzuheben, daß durch geeignete Auswahl eine Expansion bis zum Atmosphärendruck und darunter erreicht werden kann. Ferner ist zu beachten, daß der maximale Druck im Zachery-fflotor nahe bei der größstmöglichen Hebelarmstellung der IU₁ -Kurbelwelle und in der Nähe der kleinstmöglichen Hebelarmstellung der w₂-Kurbelwelle auftritt, wodurch ein höheres Spitzendrehmoment als beim herkömmlichen Otto-Motor erreicht wird, da der IKlaximaldruck im Otto-Motor in der Mähe der kleinstmöglichen Hebelarmstellung seiner Kurbelwelle auftritt. Außerdem ist hervorzuheben, daß durch richtige Phasenlage und Versetzung der Kurbelwellen w* und w₂ das Zylindervolumen unter Beibehaltung des gewünschten Verdichtungsverhältnisses vollständig von sämtlichen Auspuffgasen befreit werden kann. Da im Zachery-IYlotor mehr Wärme in Arbeit umgesetzt wird als im herkömmlichen Ottomotor, sind im Zachery-Iilotor bei gleicher Eingangswärme die mittlere Temperatur und daher auch die Anforderungen im Hinblick auf thermische Belastungen und lliärmeverluste geringer. Im übrigen ist auch die Austrittstemperatur der Verbrennungsprodukte beim Zachery-IKlotor geringer als beim

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Otto-Motor. Dar erfindungsgemäßa Motor trägt somit zu einer geringeren Wärmabalastung der Atmosphäre bei", und dia geringere Auspuff temperatur vermindert höchstu/ahrscheinlich auch den Anteil anderer Schadstoffe oder Verunreinigungen in den Auspuffgasen.

Die vorstehend angeführten Unterschiede und Vorteile des Zachery-Motors im Vergleich mit einem herkömmlichen Otto-Motor galten in gleichem Umfange auch im Vergleich mit einem Standard-Diesel-lYlotar oder einem Diesel-IYlotor mit Doppelverbrennung. Der Standard-Diesel-Prozeß, der näherungsu/eise einem Verbrennungsprozeß bei konstantem Druck entspricht, erreicht für das glaiche Einlaßvolumen und Kompressionsverhältnis einen geringeren thermischen Wirkungsgrad als das Standard-Otto-Verfahren, u/elches nähsrungs· weise einem Verbrennungsprozeß mit konstantem Volumen entspricht.

Der thermische Wirkungsgrad eines Diesal-Motors, eines Otto-Motors und auch eines Zachery-ffiotors ist von Natur aus eine Funktion das Verdichtungsverhältnisses, da dieses Verhältnis die durchschnittliche Temperatur bestimmt, bei welcher dsm System Wärme zugeführt u/ird. Der thermische Wirkungsgrad dieser Motoren ist außerdem eine zugehörige Funktion der jau/ailigen Expansionsverhältnisse, da das Expansionsverhältnis dia durchschnittliche Temperatur bestimmt, bei

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welcher Wärme von dem System abgegeben wird. Das das Expansionsverhältnis beim Zachsry-Prozeß immer ein Vielfaches des Verdichtungsverhältnisses und beim Otto- oder Diesel-Verfahren immer gleich oder kleiner als das Verdichtungsverhältnis ist, ergibt sich demzufolge, daß der thermische Wirkungsgrad des Zachery-Verfahrens für ein beliebig vorgegebenes Kompressionsverhältnis immer größer ist als der thermische Wirkungsgrad des Otto- oder Diesel-Verfahrens.

Der Zachery-Motor kann auch in einem dem Diesel-Verfahren ähnlichen Verfahren verwendet werden, wobei Luft von einem Volumen V₁ auf ein Volumen V« komprimiert wird, bevor dann flüssiger Kraftstoff derart zugeführt wird, daß er in einem Prozeß mit nahezu konstantem Druck verbrennt, worauf eine Expansion auf ein Volumen \1. erfolgt. Da in einem Dieselähnlichen Verfahren höhere Verdichtungsverhältnisse verwendet werden können, ist es möglich, durch Einsatz des Zachery-IYlotors bei einem Diesel-ähnlichen Prozeß entsprechend höhere thermische Wirkungsgrads zu erreichen als bei einem Standard-Diesel-Verfahren mit gleichem Verdichtungsverhältnis.

Fig. B, 9 und 10 veranschaulichen schematisch den Zachery-Prozeß in einer mit ungleichen Kolbenhüben arbeitenden Kraftmaschine. Das Hubverhältnis zwischen ui./u/. beträgt beispielsweise 3:2, und die Phasenverschiebung 2°, d.h.,daß

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der Drehminkai der Kurbelwelle von u»₂ b⁸* "2° liegt, tusnn der Kurbeluiellenminkel von u/- 0° beträgt. Diese Phasenbaziehung und die Beu/egung der Kolben von w.. und u^ sou/ie die U/inkelbeziehungen der Kurbelwellen sind in Fig. 9 veranschaulicht, während die räumliche Lage der Kolben in Tig· 10 schematisch dargestellt ist. Bei dieser Anordnung beträgt das Verdichtungsverhältnis 10:1, das Expansionsverhältnis etu/a 60:1, und die Auspuff-Entgasung annähernd 100Ji.

Fig. 11 veranschaulicht eine u/eitere Abwandlung des Zachsry-Verfahrens mit einem Hubverhältnis uf-j/uu ^von 2:3, einem Kompressionsverhältnis von 32:1 und einem Expansionsverhältnis von 64:1.

Fig. 6D'zeigt den durch dis Kurvendarstellungen veranschaulichten erhöhten thermischen Wirkungsgrad des Zachery-Verfahrens im Vergleich zum Otto-Verfahren. Ulis in den Fig. 6A, 6B und 6C dargestellt ist, erreicht das Zachery-Verfahren aufgrund der Koinzidenz des maximalen Hebelarmes und des maximalen Druckes ein maximales Spitzen-Drehmoment.

Der Anstieg des thermischen Wirkungsgrades beim Zachery-Verfahren ist ein Ergebnis der beträchtlichen Überlappung der Kolben-Hübe, die praktisch fast 41$ des Hubes für die gleiche Hubkonfiguration beträgt, wenn am Punkt der engsten

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Annäherung ein Zwischenraum von 25/10D" (etwa 6,35 mm) eingehalten tuird. Unabhängig davon, ob ein System mit gleichem Hubverhältnis oder ein System mit ungleichem Hubverhältnis verwendet wird, ist die Synchronisation der Kolben so, daß die größte und kleinste Eindringung oder Verschiebung des ü/.-Kolbens immer in der Nähe der kleinsten Eindringung des uu-Kolbene in den Zylinder auftritt. Diese Anordnung ermöglicht die große Überlappung, die notwendig ist, um die für einen beträchtlichen Anstieg des thermischen Wirkungsgrades erforderliche Expansion zu erreichen.

Ein Vergleich der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer eingangs beschriebenen, durch die US-PS 2 486 1B5 bekannten Anordnung zeigt, daß die bekannte Anordnung einen Überlappungsbereich bzui. einen gemeinsam benutzten Bereich von annähernd 5% der Hublänge bei einem System mit gleichem Hubverhältnis aufweist, der bei einem System mit ungleichem Hubverhältnis noch geringer ist. Demgegenüber gewährleistet die besondere Phasenbeziehung beim Zachery-Verfahren eine Überlappung von etwa 41^ für eine Anordnung mit gleichem Hubverhältnis und im wesentlichen vergleichbare Überlappungen für Anordnungen mit anderen Hubverhältnissen. Ferner befindet sich bei der bekannten Anordnung die langsam laufende Kurbelwelle im Punkt der engsten Annäherung der Kolben nich.t in ihrer maximalen Hebelarm-Stellung, während beim Zachery-Varfahren eine Stellung von etwa 95$ des verfügbaren

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Hebelarmes erreicht wird, da die w*-Kurbelwelle im Punkt der engsten Annäherung der Kolben etuja in einer 80 -Stallung befindet, während die verglichene langsam laufende Kurbelwelle bei der bekannten Anordnung am Punkt der nächsten Annäherung eine Stallung von etuia 37° einnimmt. Bei der bekannten Anordnung u/ird das Volumen auf etwa 50^ seines Expansionsvolumens vergrößert, bevor der maximale Hebelarm erreicht ist,und als Folge davon ergibt sich an diesem Punkt ein starker Druckabfall, der wiederum zu einer drastischen Verringerung des Spitzen-Drehmomentes führt. Dagegen tritt beim Zachery-Verfahren der maximale Druck bsim größstmöglichen Hebelarm auf, wodurch ein maximales Spitzen-Drehmoment erzielt wird.

Ferner ist die Geschwindigkeit der beiden Kolben bei der bekannten Anordnung im Punkt ihrer größsten Annäherung etwa gleich groß, während beim Zachery-Verfahren der langsam laufende Kolben in diesem Punkt etwa seine höchste Geschwindigkeit und der schnell laufende Kolben etwa seine niedrigste Geschwindigkeit besitzt. Im übrigen ist eine Überverdichtung bei wenigstens einer Ausgestaltung der bekannten Anordnung wesentlich und bei den anderen Ausgestaltungen vermutlich sogar erforderlich, während beim Zachery-Verfahran mit Ausnahme spezieller AnwendungsfMlIe eine Überverdichtung nicht wesentlich und auch gar nicht erwünscht ist, da eine Überverdichtung eins Herabsetzung des für einen gege-

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benen Kraftstoff maximal möglichen Verdichtungsverhältnisses und demzufolge eine beträchtliche Verringerung des thermischen Wirkungsgrades bedingt. Darüber hinaus kann das Zachery-Verfahren so synchronisiert werden, daß der Punkt der engsten Annäherung nahe beim Ende des Auslaßabschnittes des Zyklus erfolgt, wodurch eine noch bessere Volumenentleerung gewährleistet ist.

Bei weiteren Ausgestaltungen und Abwandlungen.der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung können beispielsweise auch Kombinationen mit !Ylehrfachzylindern eingesetzt werden, und es sind auch noch weitere Konstruktionsänderungen im Rahmen der Erfindung möglich.

.- ANSPRÜCHE -

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

[ 1, j Kraftmaschina mit einer Kammer vorbestimmten Volumens zur Kompression und Expansion eines kompressiblen Mediums, gekannzeichnet durch relativ zueinander bewegbare, einander gegenüberliegend angeordnete Teile (24,26,20'), uielche zur Ausführung vorbestimmter Änderungen des Volumens der bei verschiedenen Relativstellungen dieser Teile zwischen diesen liegenden Kammer (22) in zeitlich verschiedenen Intervallen den gleichen Raum in der Kammer einnehmen, wobei der wechselseitig gemeinsam eingenommene Raum sich über einen beträchtlichen Abschnitt das vorbestimmten Volumens erstreckt.
2. Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß'die Kammer (22) durch einen an den Enden offenen Zylinder (20) gebildet ist und die gegenüberliegenden Teile ein in dem Zylinder hin- und hergehendes Kolbenpaar (24,26) umfassen, und daß mittel (28 bis 36) zur Erzeugung der Kolbenbewegung derart vorgesehen sind, daß sich ein wesentlicher Teil der inneren Abschnitte der jeweiligen Kolbenhübe überdeckt, wobei sich zu einer bestimmten Zeit jeweils nur ein Kolben in dem Überlappungsteil der Hübe befindet.

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3. Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die IYIitte 1 zur Erzeugung der Kolbenbowegung dem jeweiligen Kolben (24,26) zugeordnete Kurbelwellen (34,42) umfassen, daß eine Kröpfung jeder Kurbelwelle über eino Verbindungsstange (30,38) mit dem zugehörigen Kolben verbunden ist, und daß die Kurbelwellen zur Drehung in einem vorbestimmten Verhältnis miteinander verbunden sind (44).
4. Kraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlaufverhältnis der Kurbelwellen 2:1 beträgt und die Bewegungsfrequenz des einen Kolbens (w„) gleich der doppelten Bewegungsfrequenz des anderen Kolbens (uj.j) ist.
5. Kraftmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kammervolumen Einlaß- und Auslaß-Öffnungen zugeordnet sind.
6. Kraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben und Kurbelwellen so in Phase sind, daß beim Beginn eines Bewegungszyklus der langsam laufende Kolben in dem gemeinsamen Zylinder an der Stelle seiner tiefsten Eindringung ist, während der schneller laufende Kolben an der Stelle seiner geringsten Eindringung ist, daß während des Verdichtungsvorganges der langsamer

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laufende Kolben und die zugehörige Kurbelu/alle von atu/a bis 80° und der schneller laufende Kolben und dia zugehörige Kurbelwelle von 0 bis 160 laufen, daß während des Expansionsvorganges der langsamer laufende Kolben etwa von 80 bis 180° und der schneller laufende Kolben etu/a von 160 bis 360 läuft, daß u/ährend des Auspuffvorganges der langsamer laufende Kolben etwa von 180 bis 280 und dar schneller laufende Kolben etiua von 360 bis 560° läuft, daß mährend des Einlaßvorganges der langsamer laufende Kolben etwa von 280° bis 360° und dar schneller laufende Kolben etuja von 560° bis 720° läuft, ωό ein Arbeitszyklus bei Nennbetrieb der Kraftmaschine endet.
7. Kraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Druck zwischen den Kolben in der Nähe der maximalen Hebelarmstellung der langsameren Kurbelwelle und in der Nähe der minimalen Hebelarmstellung der schnelleren Kurbelwelle auftritt.
8. Kraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch Veränderung des gewählten Hubverhältnisses der Kolben und der gewählten Phasen- und Fflittenverschiebung der Kurbelwellen verschiedene Verdichtungsverhältnisse, Expansionsverhältnisse, Spitzendrehmomente und thermische Wirkungsgrade einstellbar sind.

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9. Kraftmaschine nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Phasenainstellung der Kurbelwellen, bei welcher der Punkt des kleinstmöglichen Volumens zur Erziehlung einer vollständigen Entleerung nahe beim Ende des Auspuffabschnittes eines Zyklus auftritt. .
10. Kraftmaschine nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Erwärmung und/oder Abkühlung eines Anfangsvolumans eines kompressiblen Mediums.
11. Kraftmaschine nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Mittel zur Veränderung der PhassneinstBllung der Kurbelwellen während das Betriebes.
12. Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer durch einen an einem Ende geschlossenen Zylinder (2O',21) und einen in diesem Zylinder hin- und hergehenden Kolben (24) begrenzt ist, wobei die gegenüberliegenden beweglichen Teile durch die Kolbonfläche und das geschlossene Ende des Zylinders festgelegt sind, daß jeweils eine Kurbelwelle (W₁, w«) am Kolben und am geschlossenen Ende des Zylinders angelenkt ist, so daß ein wesentlicher Teil der inneren Abschnitte des Kolbenhubes und des Hubes des geschlossenen Zylinderendss sich überlappen, wobei zu einer bestimmten Zeit jeweils nur einer der beiden Teils sich in dem Überlappungsbareich befindet.

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13. Kraftmaschina nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dia Phasenbaziehung zwischen den Kolben und Kurbelwellen zur Einstellung des Anfangsvolumens, des Verdichtungsvolumens und des Expansionsvolumens zwischen den Kolben und eine hierdurch veränderte Einstellung des KompressioneVerhältnisses, des Expansionsverhältnisses, des Spitzendruckes und des Drehmomentes in einem Arbeitszyklus einstellbar ist.
14.. Verfahren unter Verwendung eines kompressiblen und axpandierbaren Mediums in einer Kraftmaschine, gekennzeichnet durch die Schritte, daß ein vorbestimmtes Volumen in einem Zylinder festgelegt wird, dessen entgegengesetzte Endabschnitte relativ zueinander bewegbar sind, daß das Anfangsvolumen auf ein kleineres Volumen verdichtet und der Anfangsdruck auf einen maximalen Druck erhöht u/ird, wenn die entgegengesetzten Endabschnitte des Volumens in eine eng benachbarte Lage gebracht werden, wobei die Bewegung der Endabschnitte im Verhältnis 2:1 erfolgt, daß der Spitzendruck und das Drehmoment des langsamer laufenden Endabschnittes über sinB mit diesem verbundene mechanische Anordnung mit maximalem Hsbalarm ausgenutzt werden, und daß der IKlaximaldruck auf dem schneller bewegten Endabschnitt über eine mechanische Anordnung mit einem minimalen Hebelarm aufgebracht wird.

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