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"Drehkolbenmotor" Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
neuartigen Drehkolbenmotor mit einem Verbrennungssystem der Diesel-, Benzin- oder
Gasmotorenart, sowie auf einen neuartigen Drehkolbenkompressor. Die Kolbenabdichtung
bildet bekanntlich die Hauptschwierigkeit bei sämtlichen bekannten Drehkolbenmotoren.
Bei sämtlichen bisher entwickelten Drehkolbenmotoren laufen die Drehkolben ja immer
in nichtumlaufenden Kolbengehäusen und sind die Kolbenringe daher gezwungen dem
Innenwandprofll zu folgen. Es versteht sich, dass je mehr die Innenwand von der
Zylinderform abweicht, desto schwieriger die Abdichtung des Drehkolbens ist. Es
ist eine erste Aufgabe der Erfindung die Innenwand des Kolbengehäuses der Drehkolbenmotoren
vollkommen zylindrisch zu machen im Hinblich auf eine bedeutende Vereinfachung des
Kolbenabdichtungsproblems.
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Anderseits bieten die klassischen Zwei- oder Viertaktmotoren mit
Kolbenstange und Kurbel den Nachteil einer unvermeidlichen Verschiebung zwischen
der Zündung und dem Augenblick der Bereitstellung der während des VerbrennungsT
vorganges erzeugten Energie. Dies ist ein inhärenter, wesentlicher
und
also unvermeidlicher Nachteil des Kolbenstanç;en-Kurbelmechanismus. Dies bedeutet,
dass, im Augenblick des nöchstdruckes während des Verbrennungsvorganges, die Pleuelstange
sich praktisch in der Verlängerung der Kurbel befindet, demzufolge das Treibmoment
praktisch Null ist. Beim erfindungsgemässen Drehkolbenmotor dagegen ist die vorgenannte
Verscniebung Null. Es gibt ein Treibmoment während des gesamten Verbrennungsvorganges
und dieser Treibmoment wird ausschliesslich durch die thermodynamischen Gesetzt
der Vorgänge in gasartigen Medien bestimmt. Daher die grosse Geschmeidigkeit des
erfindungsgemässen Drehkolbenmotors.
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Der erfindungsgemässe Drehkolbenmotor ist dadurch gekennzeichnet,
dass er aus einer zylinderförmigen Aussennülle und einem mit der Aussenhülle konzentrischen
Innenkörper besteht, wobei zwischen der Aussenhülle und dem Innenkörper ein koachsialer,
ebenfalls zylinderförmiger Drehkolben läuft, und dass eine Druckkammer für das zusammengedrückte
Verbrennungsgas bzw. Vergasungsgemisch für die Speisung des betreffenden Drehkolbenmotors
vorgesehen ist.
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Gemäss einer bevorzugten Ausführungsweise des erfindungsgemässen
Drehkolbenmotors ist der vorgenannte Innenkörper ein die vorgenannte Druckkammer
für das Verbrennungsgas bew. Vergasungsgemisch bildender Hohlkörper.
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Gemäss der Erfindung wird der in der vorgenannten Druckkammer herrschende
Druck durch den Ubergang des durch den Drehkolben zusammengedrückten Gas gemisches
in dieselbe erzeugt und kehrt dieses gegebenfalls vorverbrennte Gasgemisch vor der
Zündung aus der Druckkammer in den Verbrennungsraum
zurück.
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Gemäss der Erfindung besteht der vorgenannte zylinderförmige Drehkolben
aus zwei mit den Erzeugenden der Zylinderfläche gleichlaufenden, mittels zwei Flanschen
verbundenen Armen, wovon der eine Flansch zwecks Abnahme des erzeugten Treibinomentes
verlängert ist.
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Die Kennzeichen und Vorteile des erfindunÓsgemässen Systems werden
durch die nachfolgende eingehende Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele erläutert.
Diese ohne irgendeine einschränkende Absicht gegebene Beschreibung findet an Hand
der beiliggenden Zeichnungen statt, wo die Abbildung 1 einen gemäss der gebrochenen
Linie CDEFGH der Abbildung 2 gemachten Längschnitt eines erfindungsgemässen Motors
wiedergibt; die Abbildung 2 einen gemäss der Linie AB der Abbildung 1 gemachten
Querschnitt des Motors gemass der Abbildung 1 wiedergibt; die Abbildung 3 eine perspektivische
Ansicht des Drehkolbens des Motors gemäss den Abbildungen 1 und 2 ohne seine Kolbenringe
schematischerweise wiedergibt; die Abbildungen 4-7 mehrere den Rotationsvorgang
des betreffenden Drehkolbens erläuternde Schnitte schematischerweise wiedergeben;
die Abbildungen 8-12 die 'XUberleitung des Verbrennungsgases oder Vergasungsgemisches
unter Druck in die vorgenannte Druckkammer schematischerweise erläutern, die Abbildung
13 eine perspektivische Ansicht einer Auführungsabart des erfindungsgemässen Drehkolbens
schematischerwelse wiedergibt; und
die Abbildungen 14-18 mehrere
den Abbildungen 4-7 entsprechende Ansichten eines Drehkolbenkompressors wiedergeben.
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wie aus den Abbildungen 1 und 2 der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich
ist, besteht ein erfindungsgemässer Drehkolbenmotor aus einer zylinderförmigen Aussenhülle
1 und einem koachsialen ebenfalls zylinderförmigen Innenhohlkörper 2, wobei zwischen
dieser Aussenhülle und diesem Hohlkörper ein um die gemeinschaftliche Achse drehender,
ebenfalls zylinderförmiger hohler Drehkolben 3 angeordnet ist Die mit dem Deckel
1' versehene Aussenhülle 1 und der Innenhohlkörper 2 sind durch Keile 4 miteinander
verbunden.
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Der Drehkolben 3 ist mittels Kugellager oder ähnlicher Vorrichtuben
5 im hohlkörper gelagert, und zwar unmittelbar an der Hinterseite und mittels eines
als Drehlager wirkenden Kolbendeckels 3' an der Vorderseite. An der Hinterseite
ist zwischen der Aussenhülle und dem Kolbenfortsatz ein Kugellager oder eine ähnliche
Vorrichtung 6 angeordnet.
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Der Drehkolben 3 ist mit Innenkolbenringen 7 und Aussenkolbenringen
p, versehen, welche sich respektive mit dem Innenhohlkörper 2 und der Aussenhülle
1 in Berührung befinden.
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ad and des Drehkolbens ist mit zwei Offnungen 9 und 10 versehen (Abb.3),
die durch Wandlängsteile 11 und 12 voneinander getrennt sind, wovon eine Seitenwand
11' bzw @ 12' eine wirksame Kolbenseite ist. Diese wirksamen Kolbenseiten 11' und
12 stehen während der Entspannungsstufe mit dem Gasgemisch in Berührung. Die vorgenannten
Wandlängsteile sind mit Innenlängssegmenten 7' und Aussenlängssegmenten 8' (S. Abb.2)
ausgestattet.
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Der Innenraum 2' des vorgenannten Hohlkörpers 2 ist eine Druckkammer
worin der Druck durch das Verbrennungsgas (z. B.Luft) oder durch ein vergastes Gemisch
(z.B. Luft-Kraftstoffgemisch) erzeugt wird. In dieser gegebenenfalls zellenförmigen
Innenkammer ist achsial eine durch den Drehkolben 3 angetriebene und mit aerselben
Geschwindigkeit drehende biockenwelle 13 angeordnet, deren Aufgabe es ist vier im
Hohlkörper angeordnete Einlassventile, d.h. die Eintrittventile 14 und 14' und die
Rückkehrventile 15 und 15' für das Verbrennungsgas oder das vergaste Gemisch, zu
steuern. Diese Ventile stehen mit den durch die vorgenannten Offnungen 9 und 10
gebildeten Kammern in Verbindung. Die Innenkammer 2' muss abgedichtet werden.
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Die Aussenhülle 1 ist mit zwei Einlassventilen 16 und 17 für den
Eintritt des Verbrennungsgases bzw. des vergasten Gemisches und mit zwei Auslassventilen
18 und 19 für die Entspannten Abgase versehen. Diese Ventile 18 und 19 stehen ebenfalls
mit den Kammern 9 und 10 in Verbindung. Sämtliche Ventile werden durch nicht gezeichnete
Nocken gesteuert. Ausserdem ist die Aussenhülle 1 mit zwei, mechanisch durch den
Drehkolben mittels eines nicht gezeichneten Mechanismus gegesteurten, in die Offnungen
des Kolbens hineinragenden Klappenventilen 20 und 21 versehen (Abb.2). Diese Klappenventile
20 und 21 sind ebenfalls mit geeigneten, nicht auf den Abbildungen 1 und 2 dargestellten
Abdichtungsvorrichtungen versehen.
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Die Kühlung des Innenhohlkörpers 2 und der Aussenhülle 1 findet mittels
der Kühlwasserumlaufleitungen 22 und 23 statt.
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Auf den Abbildungen 1 und 2 sind die Innenventile 14,14?, 15 und
15', sowiel die Nockenwelle 13 wiedergegeben.
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Die Gegenwart dieser Ventile und dieser Welle erleichert die Erläuterung
des Wirkungsprinzips. Es ist aber selbstverständlich dass dieser Ventil- und Nockenwellenmechanismus
durch einen mit Löchern versehene Verteilungsbüchse ersetzt werden kann. Obschon
die Lösung der Innenlöchern eine bessere mechanische Lösung ist, findet hier trotzdem
die Erläuterung der Wirkungsweise des erfindungsgemässen Drehkolbenmotors and Hand
des Ventil- und Nockenwellenmechanismus, das eine leichtere Erklärung des Grundprinzips
ermöglicht, statt.
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Nach der vorhergehenden Beschreibung der verschiedenen Teile des
erfindungsgemässen Drehkolbenmotors kommt jetzt die Erläuterung des Umdrehungskreislaufes
des Drehkolbens and Hand der Abbildungen 4-7 an die Reihe. Obschon der erfindungsgemässe
Drehkolbenmotor sich grundsätzlich vom herkömmlichen Viertaktmotor unterscheidet,
wirkt er ebenfalls gemäss dem Viertaktprinzip. In den vorgenannten Zeichnungen wird
durch ein Pfeilchen die Drehrichtung und zugleich die jeweilige Lage des Drehkolbens
angedeutet. In der nachstehenden Beschreibung werden die Winkel ab der Senkrechte
an der Seite des oberen Klappenventils gezählt.
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Auf der schematischen-Abbildung 4 ist der Drehkolben 300 von seiner
Anfangslage entfernt. Angenommen wird dass der-Motor mit Normalleistung wird Die
entspannten Verbrennungsgase werden auf den schematischen Abbildungen durch Kreuzchen
angedeutet.
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Die Ansaugventile 16 und 17, sowie die Auspuffventile 18 und 19 sind
geöffnet, während sämtliche Ventile 14, 14', 15 und 15' der Innenkammer 2 geschoossen
sind. Die Innenkammer 2
steht unter Druck (Druck P). Die Erzeugung
dieses Druckes wird ferner beschrieben werden. Die Gasgemische - Verbrennungsgas
und Vergasungsgemisch - sind auf den schematischen Abb 11-dungen schematischerweise
durch Punkte dargestellt, deren Dichte den Druck wiedergibt. Da z.B. das Verbrennungsgas
in der Innenkammer 2 unter Druck steht, ist die Dichte der Punkte dort grösser.
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Da während der Drehung bis 1800 die Einlassventile geöffnet sind,
erzeugt der Drehkolben Unterdruck in der Innenkammer 2 und in der Hülle 1, der durch
das angesaugte Verbrennungsgas tz.B.Luft) oder durch das Vergasungsgemische ausgeglichen
wird. Da überdies die Auspuffventile geöffnet sind, werden die Abgase durch den
Drehkolben ausgetrieben.
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In der durch die Abbildung 5 erläuterten Lage, hat der Drehkolben
sich um 1800 gedreht nach vorhergehender Hebung der Klappenventile 20 und 21. Die
Auslassventile 18 und 19, sowie die Einlassventile 16 und 17 haben sich geschlossen.
Die entspannten Abgase sind abgeführt und der gesamte freie Raum zwischen der Innenkammer
2 und der Aussenhülle 1 ist mit Verbrennungsgas oder mit vergastem Kraftstoff gefüllt
unter einem vorläufig dem Aussendruck nahestehenden Druck. Es wurden auf diese Weise
bisher zwei Verbrennungsgas-bzw. Vergasungsgemischladungen angesaugt. In der Innenkammer
2 herrscht noch immer der Druck P.
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In der durch die Abbildung 6 erläuterten Lage, nach dem Schliessen
der beiden Klappenventile 20 und 21, hat der Drehkolben die Rückkehrventile 15 und
15B entblösst, welche sich bereits um einige Grade vor ihrer vollständigen Offnung
durch
den Kolben geöffnet haben (Voröffnung). Das Verbrennungsgas oder das Vergasungsgemisch
unter Druck füllt jetzt die freien Räume zwischen den vorgenannten Klappenventilen
und den wirksamen Seiten 11' und 12' des Kolbens. Die zwei derart gebildeten Räume
vergrössern sich allmählich infolge des Weiterdrehens des Kolbens und ihr Druck
entspricht theoretisch dem in der Innenkammer herschenden Druck. Wenn der Rauminhalt
der Innenkammer 2 bedeutend grösser ist als der der beiden Räume zwischen den Klappenventilen
und den wirksamen Seiten des Kolbens und die Form und Grösse der Ventile zweckmässig
gewählt sind im Hinblick auf eine möglichst weitgehende Beschränkung des Druckverlustes,
ändert sich der Druck ja nur ganz enig in den veränderlichen Räumen zwischen den
KlappenventIen und den wirksamen Seiten des Drehkolbens.
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Wenn die Mengen des Verbrennungsgases bzw. Vergasungsgemisches zwischen
den beiden Klappenventilen 20 und 21 und en wirksamen Seiten 111 und 12' des Drehkolbens
gross genug sind (es handelt sich um reehnerisch bestimmte Grössen) um. die vollständige
Verbrennung des Kraftetoffes zu sichern, schliessen sich die Ventile 15 und 15'.
In diesem Augenblick, falls die angesaugten Mengen Verbrennungegasmengen sind, werden
die beiden Verbrennungsgasmengen eingespritzt, wobei das Einspritzen durch die Einspritzpumpe
gesteuert wird. Die Zündung findet entweder mit Zündkerzen oder wie im Dieselmotor
spontan durch Verdichtungszündung gemäss dem eingestellten Kompressionsverhältnis
statt. Falls die angesaugten Mengen Vergasungsgemische sind, findet die Zündung
mittels Zündkerzen statt.
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Die Abbildung 6 bezieht sich auf den Beginn des Verbrennungsvorganges.
Die Kreuzschraffierungen beziehen sich auf das heisse Verbrennungsluft-Xraftstoffgemisch.
Die durch die Entnalpiezunahme bedingte Entspannung des Gemisches bildet den ersten
Takt des Drehkolbenmotors, wobei der rotierende Drehkolben die zwei neuen Verbrennungsgasmengen
bzw. Vergasungsgemische zusammendrückt.
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Der Druckverlust A P in der Innenkammer 2 beträgt nur einen geringen
Bruchteil des Druckes P. In der durch die Abbildung 6 erläuterten Lage beträgt der
in der betreffenden Innenkammer herrschende Druck demnach P - aP.
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Die Abbildung 7 zeigt den Drehkolben am Ende des Entspannungsvorganges
und am Ende des Zusammendrückens des Verbrennungsgases bzw. des Vergasungsgemisches.
In diesem Augenblick, d.h nach einer Drehung des Drehkolbens, von ungefähr 3200,
öffnen sich die Einlassventile der Innenkammer 2 Dies ermöglicht den Eintritt der
Verbrennungsgasmengen bzw.
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Vergasungsgemische in die Innenkammer, deren Druck sich demzufolge
um den Wert AP erhöht. Der in der Innenkammer herrschende Druck beträgt jetzt wieder
P - AP + aP = P (Anfangsdruck).
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Nach der durch die Abbildung 7 erläuterten Lage fängt ein neuer Kreislauf
mit der auf der Abbildung 4 wiedergegebenen Lage an. Es ist zu bemerken, dass pro
Umdrehung des Drehkolbens zwei Verbrennungsvorgänge stattgefunden haben und zwei
Verbrennungsgasmengen bzw. Vergasungsgemische angesaugt wurden.
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Es wurde bisher vorangesetzt, dass der in der Innenkammer herrschende
Druck zwischen den Werten P und P - AP
variiert. Aus dem Grundprinzip
des erfindungsgemässen Drehkolbenmotors geht hervor, dass dieser Druck durch den
Motor selber während seiner aufeinanderfolgenden Umdrehungen aufrechterhalten wird.
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Anfangs entspricht der im ruhenden Motor herrschende Druck dem Aussendruck.
Es wurde bisher in sämtlichen durch die vorhergehenden Abbildungen erläuterten Lagen
angenommen, dass der Motor mit Normalleistung arbeitet und dass in der Innenkammer
ein Druck P herrscht, der idem Druck am Ende des Kompressionsvorganges entspricht.
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In den nachfolgenden Zeilen wird untersucht wie dieser Druck in der
Innenkammer zustandekommt. Der in der Innenkammer des ruhenden Motors herrschende
Druck entspricht natürlich dem Aussendruck. Bei der nachfolgenden Beschreibung des
Druckaufbaues in der Innenkammer werden die folgenden Symbole verwendet: Vk = Rauminhalt
der Innenkammer T = Kompressionsverhältnis V3 = Rauminhalt am Ende des Kompressionsvorgänges
Vorausgesetzt wird das Vk k .V3 Zuerst müssen die vorgenannten Symbole etwas näher
erläutert werden.
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V Vk = Rauminhalt der Innenkammer, d.h. des Raumes worin sich das
zusammengedrückte Gasgemisch befindet.
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- T = Kompressionsverhältnis, dessen Wert den Augenblick des Offnens
der Ventile 14 und 14' bestimmt. Die OffnungsdSuer dieser Ventile 14 und 14' entspricht
der der Ventile 15 und 15'. Das Kompressionsverhältnis bestimmt ebenfalls die
Offnungsdauer
der Ventile 14, 14', 15 und 15' für eine bestimmte Tourenzahl, sowie den Augenblick
des Schliessens der Ventile 15 und 15'.
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-V-3 = Rauminhalt am Ende des Kompressionsvorganges. Bei Normalleistung,
während der Kompressionsstufen, wenn der Gasdruck im Raum zwischen dem Kolben und
den Klappenventile sich dem in der Innenkammer herrschenden Druck herannähert, öffnen
sich die Ventile 14 und 14'. Beim vorliegenden AusführungsbeispIel ist V3 die Summe
der beiden zwischen dem Kolben und den Klappenventilen befindlichen Verbrennungsgas-
bzw. Vergasungsgemischmengen kurz vor dem Offnen der Ventile 14 und 14'.
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Das Volumen V3 entspricht ungefähr dem Volumen der am Ende des Kompressionsvorganges
zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf der herkömmlichen Kolbenmotoren befindlichen
Gasmenge.
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k = Verhältnis zwischen dem Rauminhalt der Innenkammer und dem Volumen
am Ende des Kompressionsvorganges.
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Der AuEbau des Druckes in der Innenkammer des erfindungsgemässen
Drehkolbenmotors wird an Hand eines Beispiels studiert. Es werden für T und k die
folgenden Werte gewählt: T - 8 und k = 3, d.h. Vk = 3 V3 Der Ubertritt des zusammengedrückten
Gases lässt sich an Hand der schematischen Abbildungen 8-12 beschreiben.
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- In der durch die Abbiludng 8 erläuterten Lage befinden die Gasmengen
sich am Ende der Kompressionsstufe; die Ventile 14 und 14 stehen im Begriff sich
zu öffnen und die Ventile 15 und 15' sind geschlossen.
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- In der durch die Abbildung 9 erläuterten Lage sind die Ventile 14
und 14 geöffnet, befindet das zusammengedrückte Gasgemisch
sich
in der Innenkammer und sind die Ventile 15 und 15' geschlossen.
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- In der durch die Abbildung 10 erläuterten Lage ist die erste Übertrittstufe
beendet und sind die Ventile 14, 14', 15 und 15' geschlossen.
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- In der durch die Abbildung 11 erläuterten Lage sind die Ventile
14 und 14' geschlossen und die Ventile 15 und 15' geöffnet und beginnt der Übertritt
in der anderen Richtung 1n der durch die Abbildung 12 erläuterten Lage ist der Ubertritt
in der anderen Rnchting beendet und sin die Ventile 14, 14', 15 und 15 geschlossen.
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Die während des Druckaufbaues In der Innenkammer stattfindenden Druckverluste
werden vernachlässigt.
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Der Initialdruck in der Innenkammer beträgt also P = Patm und der
Zustand ändert sich folgendermassen während der ersten Umdrehung des Drehkolbens
- Abbildung 8. Aus den thermodynamischen Gasgesetzen ergibt sich der folgende Druckwert
im Raum V3: p = pr@γ = 1 x 81,4 = 18,38 kg/cm3 mit po = Initialdruck bei der
adiabatischen Druckänderung.
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Im vorliegenden Fall p@ = p atm = 1 kg/cm@.
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Abbildung 9. Der Druck erhöht sich in der Innenkammer.
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- Abbildung 10. Der Druck in der Innenkammer beträgt jetzt ungefähr
pk = 18,38 = 6,126 kg/cm² da Vk = 3 V3 (erste Annäherung: es wird eine konstante
Gastemperatur vorausgesetzt) Abbildung 11. Der übertritt in umgekehrter Richtung
beginnt, demzufolge der Druck in der Innenkammer fällt.
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- Abbildung 12. Der Druck in der Innenkammer beträgt jetzt pk = @/4
6,126 = 4,565 kg/cm2 Zweite Umdrehung: - Abbildung 8 = Pk = 4,595 kg/cm2 - Abbildung
9 : pk > 4,595 kg/cm2 - Abbildung 10: pk = 4,595 * 6,126 = 10,721 kg/cm2 - Abbildung
12 : pk = 3/4 10,721 = 8,040 kg/cm2 Dritte Umdrehung: - Abbildung 8 : pk = 8,040
kg/cm2 - Abbildung 10 : pk = 8,040 + 6,126 = 14,166 kg/cm2 - Abbildung 12 : pk =
3/4 14,166 = 10,625 kg/cm2 Vierte Umdrehung: - Abbildung 8 : pk = 10,625 kg/cm2
- Abbildung 10 : pk = 10,625 + 6,126 = 16,751 kg/cm2 - Abbildung 12 = pk = 3/@ 16,751
= 12,563 kg/cm2 4 Zwanzigste Umdrehung: - Abbildung 8 : pk = 18,300 kg/cm2 - Abbildung
10: Pk = 18,300 + 6,126 = 24,426 kg/cm2 - Abbildung 12: pk = @/4 24,426 = 18,319
kg/cm2
Aus der vorhergehenden Betrachtungen treten die Grenzen
des in der Innenkammer herrschenden Druckes hervor. Dieser Druck variiert ja zwischen
18,38 und 18,38 + 6,126 kg/cm2; d.h.
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zwischen den renzwerten bei unendlich grosser Tourenzahl.
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Das allgemeine Gesetz lässt sich folgendermassen schreiben:
mit Vk = k V3 Wenn po # p atm #1 kg/cm2 gibt der folgende Ausdruck:
Diese Beziehung gilt streng nur bei unendlicher Tourenzahl, aber bereits nach 20
Umdrehungen nach dem Anlassen des Motors unterscheiden die Druckwerte in der Innenkammar
sicn nur noch ungefähr 0,30% von ihren Grenzwerten.
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Aus der obigen Beziehung ist ferner sofort ersichtlich, dass die
beiden Grenzwerte sich bei zunehmenden k-Wert aneinander herannähern. So z.B. für
Vk = 10 V3 (k=10) und #=8
oder 18,379 # pk # 20,217 kg/cm2 Dies bedeutet, dass, je grösser der Rauminhalt
der Innenkammer im Vergleich zum Volumen V3 ist, desto geringer sind die Druckschwankungen
in der Innenkammer bei Normalleistung und desto langer ist die betreffende Druckaufbauzeit.
Diese ist ja verhältnismässige kurz. Z.B. bei einer Tourenzahl von 600 U/min während
des Anlassperiode hat der Druck in der Innenkammer bereits nach 2 Sekunden praktisch
seinen Grenzwert erreicht (bis auf 0,38 nach 20 Umdrehungen).
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Es ist auf das Glied #γ/Kdes Ausdruckes des oberen Druckgrenzwertes
(#γ + #γ/K) dass sich das obendefinierte k Zeichen d A pfl bezieht.
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Während der Anlassperiode kann die Innenkammer natürlich auch augenblicklich
durch ihre Verbindung mit einem Hilfsdruckbehälter für das Verbrennungsgas oder
das Vergasungsgemisch unter Druck gesetzt werden.
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Die erfindungsgemässen Drehkolbenmotoren sind äusserst einfacher
Bauart. Sämtliche Hauptteile, d.h. der Drehkolben, die Innenkammer, die Aussenhülle
und die Ventile, sind ja Umdrehungskörper, deren Herstellung ohne Spezialmaschinen
stattfindet.
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Uberdies ist ihre Anzahl auf ein Mindestmass beschränkt.
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Der erfindungsgemässe Motor ist immer ausgewuchtet, da die beanspruchten
Seiten des Drehkolbens immer gleichzeitig belastet werden.
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Ausserdem ist die Wirkung des erfindungsgemässen Motors sehr geschmeidig.
Gleich nach der Zündung erzeugt er schon ein Antriebmoment und seine Leistung ist
ausschliesslich von den thermodynamischen Gasgesetzen abhängig.
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Bei der Beschreibung des Motorkreislaufes hat es sich gezeigt, dass
es zwei Verbrennungsstufen je Umdrehung gibt also im Gegensatz zum klassischen Viertaktmotor
mit einer Verbrennungsstufe je zwei Kurbelwellenumdrehungen. Demzufolge ist die
Leistung bei gleichem Hubvolumen viermal so gross. Die Leistung des erfindungsgemässen
Motors lässt sich aber um ein Vielfaches steigern, da der Drehkolben, im Gegensatz
zur durch die Abbildungen 1-7 erläuterten Ausführungsweise, statt zwei Arme, eine
grössere Anzahl Arme aufweisen kann. Da die Kompressions- und
Entspannungshübe
dem Drehkolbendurchmesser direkt proportional sind, ermölgicht eine Durchmesservergrösserung
eine entsprechende Vergrösserung der Armzahl bei annehmlichen Kompressions- und
Entspannungshüben. Ein erfindungsgemässer Drehkolbenmotor mit vier Armen hat also
sechszehn Verbrennungsstufen je zwei Umdrehungen. Ganz allgemein entspricht die
Anzahl der Verbrennungsstufen dem Quadrat der Anzahl der Drehkolbenarme-. Daher
die Beziehung nc=(nb)2 mit nc = Anzahl der Verbrennungsstufen ie zwei Umdrehungen
nb = Anzahl der Arme des Drehkolbens Jetzt kommt die Ventilzahl des erfindungsgemässen
Motors an die Reihe. Bei der vorhergehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
hat es sich gezeigt, dass ein erfindungsgemässer Drehkolbenmotor mit zwei Kolbenarmen
2 x 4 = 8 Ventile oder 4 Ventile + D, Offnungen) aufweisen muss, wobei der Begriff
Ventil im breiteren Sinne des Wortes zu fassen ist. Diese Venteilzahl ist keineswegs
prohibitiver Art, da es ebenfalls 4 Verbrennungsstufen je 2 Umdrehungen gibt. Ein
konventioneller Viertaktmotor braucht für 4 Verbrennungsstufen je 2 Umdrehungen
4 Zylinder mit 2 Ventilen je Zylinder, also irsgesamt mit 3 Ventilen.
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Die ändert sich die Ventil zahl in Abhängigkeit der Kolbenarmzahl.
Bei einem Drehkolben mit 3 Armen gibt es 9 Verbrennungsstufen je zwei Umdrehungen,
da nc = (nb)2; dies erfordert 2 x @ = 12 Ventile (oder 6 Aussenventile + 6 Innenöffnungen).
Bei einem Drehkolben mit 4 Armen gibt es 16 Verbrennungsstufen je zwei Umdrehungen;
dies erfordert 2 x 8 = 16 Ventile (oder 8 Ventile + 8 Offnungen). Bei einem Drehkolben
mit
5 Armen gibt es 25 Verbrennungsvorgänge je zwei Undrehungen; dies erfordert 20 Ventile.
Daraus geht hervor, dass die Gesamtventilzahl der Anzahl der Verbrennungsstufen
pro zwei Undrehungen entspricht, wenn die Anzahl der Kolbenarme vier ist, aber kleiner
ist als die Anzahl der Verbrennungsstufen bei grösseren Kolbenarmzahlen. Dies führt
zur allgemeinen Beziehung zwischen der Ventilzahl und der Kolbenarmzahl.
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Mit ns = Ventilzahl nc = Anzahl der Verbrennungsstufen je 2 Umdrehungen
nb = Kolbenarmzahl ist n5 = 4 nb oder, da nc = (nb)2,
Wenn man dies mit dem klassischen Viertaktmotor vergleicht, sieht man dass die Ventilzahl
eines derartigen Motors zweimal so gross ist wie die Zylinderzahl, d.h. zweimal
so gross wie die Anzahl der Verbrennungsstufen je zwei Umdrehungen.
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Also, für n's = Ventilzahl eines klassischen Viertaktmotors, hat man:
n's = 2 nc Wenn man die zwei Motoren miteinander vergleicht, sieht man dass nc wenigstens
4 sein muss (nb = 2 ist ja die Mindestzahl).
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Also ns # n's wobei ns = n's für nc = 4 (nb = 2). Die Differenz n's
- ns nimmt zu bei zunehmender Kolbenarmzahl. Es ist ebenfalls zu bemerken, dass
für nb) 4 (nc# 16) n5 n0 Wenn die Kolbenarmzahl grösser ist als 4, ist die Ventilzahl
kleiner
als die Anzahl der Verbrennungsstufen je zwei Umdrehungen. Dies sind die Gesetze
für die Ventilzahl der erfindungsgemässen Drehkolbenmotoren.
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Es ist ausserdem zu bemerken, dass die Zweifach-, Dreifach- oder
Mehrfachausführung des Drehkolbens eine weitere Vergrösserung der Drehkolbenmotorlestng
mit gleichzeitiger Verbesserung der Konstanz des erzeugten Antriebmomentes ermöglicht.
Diese letzte Eigenschaft bietet ausserdem den Vorteil einer geringeren Schwungradmasse.
Auf der hbbildung 13 ist ein Doppeldrehkolben 30 in perspektivischer Ansicht schematischerweise
wiedergegeben, wobei die Offnungen 9' und 10' der einen Kolbenhälfte um 900 in bezug
auf die Offnungen 9 und 10 der anderen Kolbenhälfte verschoben sind. Dies ist natürlich
ebenfalls der Fall für die Arme 31 und 32, welche um 900 in bezug auf die Arme 11
und 12 verschoben sind.
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Selbstverständlich wird der Erfindungsrahmen nicht überschritten
wenn ein Teil des erfindungsgemässen Drehkolbenmotors durch einen gleichwertigen
Teil ersetzt wird. So lässt sich z.B. der Trennungsmechanismus mit Schwenkklappenventilen
auch andersartig ausführen und können die Klappenventile durch die verschiedenartigsten
gleichwertigen Vorrichtungen ersetzt werden. Dies gilt ebenfalls für die Einlass-
und Auslassventile, deren Aufgabe durch einfache Einlass- und Auslassöffnungen übernommen
werden kann.
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Der erfindungsgemässe Drehkolbenmotor lässt sich in einen Drehkolbenkompressor
umbauen, wobei einige Teile fortzulassen sind.
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Die dabei erforderlichen Anderungen der Abbildungen
1,
2, 4-7 sind die folgenden: Entfernung der Ventile 18 und 19; Ersetzung an Ort und
Stelle der Ventile 16 und 17 durch fortwährend geöffnete Einlassöffnungen 43 und
44 (Abb. 14-18) für das-zusammenzudrückende Gas; Fortlassung der Ventile 15 und
15'; Beibehaltung der Ventile 14 und 14' oder ihre Ersetzung durch eine am Kolben
befestigte, mit dem Kolben drehende und die Offnungen 41 und 42 aufweisende Büchse
40. Die unbewegliche Innenkammer 2 ist ebenfalls mit zwei Offnungen 41' und 42'
versehen. Die Abfuhr des zusammengedrückten Gases findet achsial durch einen Kanal
an der Seite des Kugellagers 5 statt (Abb.l).
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Dieser Kanal ist auf keiner Abbildung der beiliegenden Zeichnungen
wiedergegeben.
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Der derart erhaltene Kompressor hat den folgenden Kreislauf. Vorausgesetzt
wird dass der Kompressor bei Normalleistung arbeitet. In der durch die Abbildung
14 erläuterten Lage befindet der Kolben 3 sich im Beginnpunkt seines Kreislaufes;
die Klappenventile 20 und 21 sind geöffnet und der Raum zwischen der Aussenhülle
1 und dem Innenhohlkörper 2 ist mit Gas gefüllt, dessen Druck ungefähr dem Aussendruck
entspricht, falls der Zufuhrdruck des Kompressors der Aussendruck ist.
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In der durch die Abbildung 15 erläuterten Lage ist der Kolben bereits
300 von seiner Anfangslage entfernt; der Kompressionsvorgang und der Gaseinlass
beginnen.
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In der durch die Abbildung 16 erläuterten Lage ist die Gaseinlassstufe
fast beendet.
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Am Ende der Kompressionsstufe stehen die Offnungen 41 und 41' 9 sowie
die Offnungen 42 und 42' miteinander in Verbindung und wird das zusammengedrückte
Gas in die Innenkammer 2 t
hineingepresst. In der Lage gemäss der
der Abbildung 15 entsprechenden Abbildung 17 fängt ein neuer Kreislauf an.
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Der Kreislauf des erfindungsgemässen Kompressors entspricht also
einer halben Umdrehung des Drehkolbens 3. In der durch die der Abbildung 16 entsprechende
Abbildung 18 erläuterten Lage hat der Kolben 3 sich praktisch um 3600 gedreht.
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Während einer Umdrehung des Kolbens haben also vier Ansaugvorgänge
und vier Kompressionsvorgänge stattgefunden.
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Die Beziehung zwischen der Kompressionsstufenzahl pro Umdrehung der
Kolbens und der Kolbenarmzahl lässt sich auf derselben Weise als die Beziehung zwischen
der Verbrennungsstufenzahl und dër Kolbenarmzahl des vorherbeschriebenden erfindungsgemässen
Drehkolbenmotors ableiten. Diese Beziehung ist die folgende: nc = (nb)2 wo nc =
Anzahl der Kompressionsstufen je Umdrehung des Drehkolbens (im Falle des Drehkolbenmotors
bedeutet dieses Symbol die Anzahl der Verbrennungsstufen je zwei Umdrehungen des
Drehkolbens) nb = Anzahl der Arme des Drehkolbens Bei einem Kompressor dessen Drehkolben
mit 4 Armen versehen ist, finden also 16 Ansaugstufen und 16 Kompressionsstufen
pro Umdrehung des Drehkolbens statt.
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Ausserdem, da lediglich die Innenventile 14 und 14' CAbb. 1-7) bzw.
die gleichwertigen Offnungen 41 und 42 vorhanden sind, gilt die folgende Beziehung.
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wo n5 = Anzahl der innenventile oder Innenöffnungen
Dies
sind die beiden Gesetze für die Anzahl Innenventile bzw. Innenöffnungen des erfindungsgemässen
Drehkolbenkompressors.