DE2724474A1 - Verbrennungskraftmaschine mit einer zentralwelle fuer zwei drehkolben und paralleler hubkolbenkurbelwelle, die drehzahlgleich im verbund umlaufen, mit zweistufiger verdichtung und zweistufiger ausdehnung der expandierenden verbrennung - Google Patents

Description

Otto Schlapp 86^2 Neustadt bei Coburg

Angerweg 3

Verbrennungskraftmaschine mit einer Zentralwelle für zwei Drehkolben und paralleler Hubkolbenkur» beiwelle,die drehzahlgleich im Verbund umlaufen, mit zweistufiger Verdichtung und zweistufiger Ausdehnung der expandierenden Verbrennung.

Die Erfindung betrifft eine neuartige Bauform einer Verbrennungskraftmaschine mit zweistufiger Verdichtung und zweistufig ger Expansion der Verbrennung,bei der zwei Drehkolben als mit. einander verbundene Funktionseinheiten,auf einer Zentralwelle angeordnet sind und einem seitlich dazwischen placiertes Hub« kolben,dessen Kurbelwelle parallel zur Drehkolbenzentralwelle gelegt ist.Die Wellen arbeiten im Verbund und Ärehzahlgleich miteinander,wobei die Kraftabgebende Welle der Verbrennungen kraftmaschine,sowohl die Zentralwelle der Drehkolben,wie auch die Kurbelwelle für den Hubkolben sein kann.

Besondere erfindungsgeaäße Vorteile ergeben sich,wenndie Hubkolbenkurbelwelle zur kraftabgebenden Welle bestimmt wird und die Berennkraftmaschine für eine hohe Verdichtung ausgelegt 1st.

Als Treibstoffe eignen sich alle Brennstoffe flüssiger oder gasförmiger Art mit der bekannte Verbrennungskraftmaschinen bisher betrieben werden können,insbesondere solche in denen eine hohe Verdichtung genutzt wird.

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Verbrennungskraftmaschinen,die zwei parallel liegende Wellen für ihre grundsätzliche Funktion benötigen,sind bekannt und in Gebrauch.Dabei wurden die verschiedensten Bauartkombinatio= nen,je nach Anwendungsgebiet für diese Brennkraftmaschienen, verwirklicht.

Die meiste Verbreitung haben dabei Brennkraftmaschinen mit zwei gegenläufigen zweitakt Hubkolben gefunden,zwischen deren Kolbenstirnflächen,die gegeneinander arbeiten,sich Kompression und Expansion der Verbrenungen abspielen.Bei dieser Bauweise für Brennkraftmaschinen entstehen sehr hohe und schmale Kraft» maschinenkörber,in deren Außenbereichen,mit großem Abstand zwei Kurbelwellen parallel liefen,die über die ganze Maschinen= blockhöhe miteinander verbunden sein müssen,denn nur eine der ist die kraftabgebende Welle« Es sind äußerlich großvolumige Brennkraftmaschinen,mit komlizierter Schmierung und stehen in krassem Gegensatz zu den kompakten,unempfindlichen Maschinen die die Erfindung ermöglicht.

Es wurden auch zeitakt Hubkolbenbrennkraftmaschinen gebaut, mit aneinandergereihten Zylindern in größerer Zahl und parallel zu der unter diesen Zylindern liegenden,langen Kurbelwelle ordnete man eine Zentralwelle an,auf der sowohl eine HfD-Ladeturbine für das Füllen der Hubkolbenzylinder angebracht war,wie auch eine Abgasturbine,die durch^die Abgase aus den Hubkolbenzylindern betrieben wurde.Dabei wurde diese Bauart so ausgelegt,daß die Abgasturbine viel mehr Kraft erzeugte wie vom Lader verbraucht wurde

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und dieser Kraftüberschuß wurde auf meehanisdEm Weger der Kurbelwelle wieder zugeführt.Es bedurfte aber dazu noch eines mechanischen Regelgetriebes und einer dritten Hilfswelle um diese Brennkraftmaschinenbauweise zu verwirklichen. Diese sehr empfindliche Verbrennungskraftmaschine mit vielen Einzelteilen fand keine Verbreitung in der Technik und ist ein Musterbeispiel einer gegensätzlichen Konstruktions= richtung im Hinblick auf die Brennkraftmaschine mit wenigen einfachen Bauteilen der erfindungsgemäßen Bauweise.

Zwei Wellen sind auch erforderlich für eine Brennkraftmaschin ne bei der zwei Rotationskolben verschiedener Größe eine Verbrennungskraftmaschine mit zweistufiger Verdichtung und zweistufiger Ausdehnung der expandierenden Verbrennung bilden. Sie wurde für Dieselbetrieb entwickelt.

Ein größerer Rotationskolben saugt Luft an,und drückt diese vorverdichtet,in die eigentliche Ansaugöffnung des nachge= geschalteten Rotationskolbensystems ,wo die zweite Verdich=» tungsstufe erfolgt,mit anschließender Einspritzung von Kraft= stoff.Die Verbrennung beaufschlagt dann sinngemäß umgekehrt, erst den kleinen Rotationskolben,strömt über auf den großen Rotationskolben und nach einer teilweisen Drehung desselben in den Auspuff.

Die Kombination: Rotationskolben mit Rotationskolben aufye einer Welle hat große Nachteile gegenüber der erfindungs= gemäßen Anordnung von zwei Drehkolben in Kombination mit ei= nem Hubkolben,auf einer Drehkolbenzentralwelle und einer Hub= kolbenkurbelwelle. Insbesondere sind es die Nachteile eines in der Herstellang sehr empfindlichen präzisions- und werk= stoffaufwendigen Gehäuses für die beiden Rotationskolben,mit

mit Janzerungszonen und unngünstigen Kurven.Aber auch die Machteile des Verbrennungsablaufe in einem sehr ungünstig geformten Verbrennungsraum sind groß,wobei noch die Sdmierungs und Kühlaufgaben für die empfindlichen Innenteile der Rotationskolben hinzukommen.

Die Scheibenkörper mit den Sohleifbahninnenaussparungen für die unter Fliehkraftlast gleitenden Dichtleisten,der bekannten Rotationskolbenbrennkraftmaschinen mit ihren beidseitigen Deckscheiben,erfordern insbesondere beim Aneinandereihen solcher Arbeitseinheiten,zusätzlich noch genaueste Schleif= arbeiten und schwierige Montagen.Ein wesentlicher Nachteil einer solchen Brennkraftmaschine mit Rotationskolben,ist aber der ,daß die Verbrennung,vor allem schon in der Phase ihres Beginns,sofort durch den sich ständig verändernden, ungünstigen Brennraum nachteilig verzerrt und negativ beeia» flußt wird.

Die Ferbrennung im Hubkolbenverbrennungsraum der erfindungs« gemäßen Brennkraftmaschine kann sich ideal und unverzerrt entwickeln,in der ersten Verbrennungsstufe und gut durch« brennend beaufschlagt die Expansion dann die zweite Ausdehn« ungastufe.Der kompakte Block der e rf in dungs gemäßen Brenn=, kraftmaschinenbauweise läßt sich,insbesondere wenn mehrere Baugruppen in Reihe aneinandergereiht sind,wirtschaftlich und ohne extreme Genauigkeiten bearbeiten,wie bisherige konservative Hubkolbenmotoren.Das gilt besonders für die Zylinderkopf-Sitzflächen,die geteilten Gehäuse der Drehkolben t7. die Lagerungsbahnflächen der Kurbelwelle der Hubkolben.

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Bisherige Verbrennungskraftmaschine]! mit zweistufiger Ver= dichtung und zweistufiger Expansion der Verbrennung,unter Verwendung einer Kombination von Drehkolben und Hubkolben für eine gemeinsame Erzeugung und Nutzung sich aneinander» reihender Verbrennungen haben meist nur eine zentrale Welle. Diese Welle ,die la ersten Abschnitt Zentralwelle des Verdichtungsdrehkolbens ist,die dann zur Kurbelwelle des Hub= kolbens wird und als Zentralwelle des Arbeitsdrehkolbens endet,ist auch die Kraftabgebende welle«Maschinen dieses Typs sind am Besten als kleinere Einheiten zu gebrauchen. Dieser eignet sich weniger zu einem Bauelement,das zu einer Brennkraftmaschine größerer Leistung mwhrfach aneinander=, gereiht werden muß,es würde dabei auch eine mehrfach geteil. Zentralwelie notwendig,wie sie auch für mehrfach aneinander» gereihte Rotationskolbenmotor-Bauelemente notwendig ist.

Weitere Verbrennungskraftmaschinen mit zweistufiger verdicht= ung und Zweistufiger Expansion,unter Verwendung von Drehkolben und Hubkolben,haben drei separate wellen,die im Verbund mita einander arbeiten. Diese Bauweise einer Brennkraftmaschine ist nur als Baugruppe ron Vorteil,wenn mehrere Baugruppen zu einer größeren Verbrennungskraftmaschine aneinandergereiht werden sollen.Ss entsteht aus solchen Baugruppen eine pehr breite Brennkraftmaschine,die XXI auf Grund ihres Platzbedarfβ nur in begrenzter Weise eingesetz werden kann.sowohl die Verbrennungskraftmascfcinen mit einer Welle,wie die drei| Mit Wellen und die erfindungsgemäße Neuerung,mit zwei Wellen, funktionieren nach dem gleichen Arbeitsschema.

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Aufgabe der Erfindung ist es,

eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen,die bei glei= eher Arbeitsweise,wie die Brennkraftmaschine mit einer, oder drei Wellen,alle deren Nachteile,des schwierigen Ver= bundes,οder der großen Breite vermeidet,.

Die erfindungsgemäße Bauform,sollbereits eine sehr ein= fache und kompakte Einzelbaueinheit ermöglichen,die viele fertigungs- und Montagevorteile hat,sie soll raumsparend sein und sich auch besonders günstig zu einer größeren Ver= brennungskreaftmaschine in Reihe hintereinander zusam= menfassen lassen.

Insbesondere die Teilung der Drehkolbengehäuse ermöglicht es die Drehkolben,komplett und fertig,mit der Zentralwelle vereinigt,in den Block der Brennkraftmaschine einzusetzen oder herauszunehmen,dabei liegen die Trennfllächen der Dreh= kolbengehäuse bearbeitungsgünstig und parallel mit den Montageflächen der Kurbelwelle und der des Zylinder kopfes.

Darüberhinaus ermöglicht es die Erfindung im Raum zwischen den zwei Drehkolben,auf der Drehkolbenzentralwelle ein Radialgebläse für eine Luftkühlung der Brennkraftmaschine nach der neuartigen Bauform anzuordnen,das über den Hubkolben» Zylinderkopf Frischluft ansaugt und diesen dabei abkühlt, gleichzeitig blaßt dieses Gebläse die angesaugte Luft noch über die Stirnseiten der Drehkolbengehäuse aus und kühlt diese Maschinenteile.Durch diese Neuerung entfallen die Leitbleche zu einem separaten Kühlgebläse mit einem stan= diger Wartung unterliegendem zusätzlichem Antrieb·

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Besonders günstig durch die neuartige erfindungsgeniäße Bauform der Brennkraftmaschine gestaltet sich der unbe= hinderte Zugang zun Hubicolbenzylinderlcopf ,durch die seit= liehe Position des Hubkolbenzylinders zu den Drehkolben= gehäusen,so daß bei einem Aneinanderreihen von erfindungs= gemäßen Kraftmaschinenbaueinheiten,über den zylinderkopf wirkende Einrichtungen,für eine Dekompression,eine Ein= spritzung oder eine Zündung,gut und ungestört miteinander verbunden werden können.

Ein weitere erfindungsgemäßer Vorteil ist es,daß der Ar=. beitsdrehkolben und der Verdichtungsdrehkolben auf einer gemeinsamen Welle sitzen.Die Drehkräfte die am Arbeitsdrehkolben durch die zweite Expansionsstufe der Verbrennung entste= hen,wirken direkt,durch die kurze Zentralwellenverbindung auf den dazugehörigen Verdichterdrehkolben,ohne über wei= tere Bauelemente geleitet zu werden.Aus diesem Grunde kann auch die gleichlaufverbindung zur Hubkolbenkurbelwelle leicht dimensioniert werden,da es keine hochbelastete Kraft= übertragung ist.

tJber die bereits angeführten Vorteile und Neuerungen der Erfindung hinaus wirkt sich die erfindungsgemäße Bauweise der Brennkraftmaschine vorteilhaft auf die Gestaltungsmög= lichkeiten für die Kurbelwelle der Hubkolben aus.Es entsteht durch Anordnung des Hubkolbenzylinders seitlich zwischen den Drehkolben,viel Raum im Kurbelgehäuse,direkt in KoI= bennähe zur Verfügung und es können dort günstig,an der Kurbelwelle ausgleichende Massen placiert werden,nicht erst amEnde der Kurbelwelle als große Schwungmasse.

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Die3 ist besonders günstig,wenn die Kurbelwelle länger wird,weil mehräre Baueinheiten zu einer größeren Brenn=* kraftmaschine zusammengefasst werden. Durch solche Möglichkeiten ist es zu erreichen,gefährliche Schwingungen für die Kurbelwelle von vorneherein auszuschalten.

Die Drehkolben benötigen keine zusätzlichen,äußeren Schwungmassen.Ihre Massen sind durch innere Aussparungen und Aufgliederungen gut zu verteilen,so daß sie ausge= wuchtet rundlaufen.Außerdem lassen sich bei Anordnung von von mehreren Baueinheiten hintereinander,zu einem Block, die Kröpfungen der Kurbelwelle in günstige winkel zuein=» ander legen.Daraus ergeben sich dann vorteilhafte ver« brennungsüberschneidungen an den Hubkolben und gute über« schneidungen in den Arbeitsphasen der Drehkolben,die schädlichen schwingungen entgegenwirken.

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Die Erfindung wird von dem in Figur 1 und in Figur 2 und in Figur 3 dargestelltem Ausführungsbeispiel,unter Hervorhebung der erf indungsgemäJ3en Merkmale näher er=» läutert;es zeigen :

Figur 1 Einen Schnitt,welcher dee parallel liegenden Wellen,der Drehlcolbenverbindungswelle und der Hubkolbefckurbelwelle folgt,unter gleichzeitiger Darlegung der Positionen der Drehlcolbenzylinder und des Hubkolbenzylinders zueinander.

In dieser Darstellung wir auch gleichzeitig der Weg der Arbeitsluft durch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine angezeigt und die Kanäle für die Kühlluft mit Gebläse im Innern einer luftgekühlten Kraftmaschine sichtbar gemacht.

Figur 2 zeigt im Schema wie die Bauelemente einer erfind=. ungsgemäBen Verbrennungskraftmaschine anein=* andergereiht werden,um größere Masohineneinheiten zusammenzustellen.Die geteilten Drehkolbenge* häuse sind besonders hervorgexxtu - hoben··

Figur 3 zeigt einen Querschnitt,der die Hubkolbenkurbel=, welle mit Hubkolben und die Drehkolbenverbind* ungswelle mit Verdichterdrehkolben offen darlegt, sowie die Lage die Lage dieser Teile in einer luftgekühlten Brennkraftmaschine zueinander zeigt.

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in Figur 1 und in Figur 3 ist mit dem Bezugszeichen 1 der Anaaugluftfilter bezeichnet,durch welchen die Verbrenn» ungsluft der Brennkraftmaschine zugeführt wird,Da die neu=» artige Verbrennungskraftmaschine sich auch gut zu einer Brennkraftmascine mit Selbstzündung eignet,weil mit ihr hohe hohe Verdichtungen ohne harten Lauf erreicht werden können,wird sie in Figur 3 auch als solche dargestellt, was zu einer besonders guten Obersicht über die erfindungs= gemäße Bauweise führt,weil Zündkerze oder Einspritzdüse, sowie die dazugehörigen Hilfsaggregate fehlen.

Durch die entsprechende Modifizierung der Verdichtung und durch Ausrüstung mit Einspritzpumpe oder Vergaser ist die die Brennkraftmaschine natürlich in gleicher weise für jeden Ottokraftstoffbetrieb oder Dieselkraftstoffbetrieb geeignet,denn über die wellenstuiomel 13a und 14a lassen . sich alle notwendigen Zusatzaggregate anschließen.

Der Ansaugluft wird im Saugrohr 2 der Kraftstoff beigemischt und über die Öffnung 2a strömt dann das Gemisch in den Saug» raum des Drehkolbens 3. Schon bei der nächsten Drehkolben= Umdrehung wandert diese Saugraumfüllung über die Sperreia» richtung 5 und den Kanal 5 (flg.3)in den Zylinderraum 6 , wo durch das Pleuel 2o und den Hubkolben 19 auf Grund der Drehung der Kurbelwelle 12 die zweite Verdiohtungsstufe und die Zündung erfolgt.Der Zylinderkopf 18 trägt zahlreiche Kühlrippen 16 ,an denen die zwangsgeführte Kühlluft 17 vorbeistreioht und überflüssige Wärme mitnimmt.Angesaugt wird diese Kühlluft durch das Gebläse 18 ·

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Das Gebläse sitzt afif der Drehkolbenverbindungswelle 11 zwischen den Drehkolben 8 und 3. Ausgeblasen wird die Kühlluft 17 durch die Kanäle 17a über die Stirnseiten der Drehkolbenzylinder,wobei auch deren überflüssige wärme noch mit abgeführt wird.

Die erste Ausdehnungsstufe der gezündeten Gase treibt den Hubkolben I9 etea bis in Kolbenmittelstellung,wo die aase bereits mit dem überströmen durch den Schlitz 7 in den Kanal 7a mit der zweiten Expansionsstufe beginnen. Am Drehkolben 8 erfolgt die Fortsetzung dieser Entspannungs= stufe.bei der nächsten Drehung des Drehkolbens 8 erfolgt dan das Ausschieben derfßst entspannten Gase über einen offenen Auspuff schlitz durch das Auspuffrohr 9aus der Brenn=» Kraftmaschine. Starke Knallgeräusche entstehen dabei nicht.

Mit der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine sind wirkungsvolle Konstruktionvereinfachangen an den Drehkol= ben sowie an ihren Zentralwellen und Lagerungen möglich, weil diese Bauteile bei Neufertigung komplett montierbar sind und bei Inspektionen vor Allem die Drehkolben unter= sucht werden können ohne diese zu demontieren. Solche Möglichkeiten sind besonders wichtig bei großen Kraft= maschinen,wie diese für schiffsantriebe oder für Lokoino= tivantriebe benötigt werden. Die glatten Drehkolben ohne bewegliche Innenteileile und unempfindlich gegen Wärme, lassen sich auch für Große Brennkraftmaschinen als besonders zuverlässigege Bauteile gestalten,die in eich völlig ausgewuchtet sind.

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/IS*

Wie aus Fig.3 hervorgeht sind die beiden Zylinderräuae für die Drehkolben 3 und8 an der Linie A - A,die durch den Mittelpunkt der Welle 11 läuft getrennt.

Die Drehkolbenzylinderdeckel sind einzeln rom Motorfliock 10 abtrennbar,ohne daß bei einer Verwendung der Brennkraft= maschine als Diesel- oder Otto-Kraftmaschine die jeweili= gen Hilfsaggregate demontiert werden müssen,denn diese finden alle am Zylinderblock 10 Platz. Auch die Kupplungs= glocke 22 die beim Einbau der Brennkraftmaschine in ein Kraftfahrzeug die Verbindung mit dem Getriebe herstellt, bleibt weitgehend unbeeinflußt und alles kann an der Kraft= fahrzeugbrennkraftmaschine montiert bleiben,wenn die Dreh= kolbenzjlinderdeckel abgenommen werden.

Die Kanten von Block und Deckel an der Trennlinie A -A im Innern der Drehicolbenzylinder auf der Drehkolbenlaufbahn, bilden keine Gefahr einer Störung,da keine gagenstoßende Kanten von fliehkraftbelasteten Dichtleisten oder ähnlichen Teilen vorhanden sind und die Drehkolben mitgroßer Dicht=* fläche arbeiten. Darüberhinaus liegt die Trennlinie A -A so,daß sie in Bereichen mit niedriger Druckbeaufschlagung angordnet ist. Der Verdichterdrehkolben verdichtet im Bereich des Blockes 10 und der Arbeitsdrehkolben 8 hat im Trenn« linenbereich A -A seinen stärksten Druckabfall.Alle Vor=» gänge die mit höheren Drücken zusammenhängen spielen sich im Hubkolbenzylinder 6 ab,οder bei den Drehkolben im Bereich des Blockes 10.

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Claims (1)

1. -Ji--

   Patentansprüche

   11.)Verbrennungskraftmaschine mit einer Zentralwelle für zwei Drehkolben und paralleler Hubkolbenkurbelwelle, die drehzahlgleich im Verbund umlaufen,mit zweistufiger Verdichtung und zweistufiger Ausdehnung der expandie=» renden Verbrennung,bestehend aus einem Verdichterdreha kolben,als Saugkolben,und als erste Verdichtungsstufe, sowie einem Hubkolben,der als Steuer und Arbeitskolben wirkt und dessen Kurbelwelle drehzahlgleioh mit den Drehkolben im Verbund umläuft,wobei der derHubkolben die |X|t^ Verdichtungsstufe und die erste Ausdehnungs=. stufe übernimmt,sowie einem Arbeitsdrehkolben,in dessen Verbrennungsraum die Verbrennung in der zweiten stufe genutzt wird,dadurch gekennzeichnet,daß der ansaugende Drehkolben 3,der auchndie erste Stufe ver= dichtet,mit dem Drehkolben 8 der zweiten Stufe der Gas=, entspannung,auf einer gemeinsamen Zentralwelle 11 sitzt, wodurch ein direkter Kraftschluß zwischen den beiden Drehkolben 3 und 8 gegeben ist und die Kräfte der expan=» dierenden Verbrennung am Arbeitsdrehkolben der zweiten Stufe 8, ohne Wirkungsgradminderung direkt die Arbeit des Verdiohterdrehkolbena bewirken.

   2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1,dadurch ge= kennzeichnet,daß der Hubkolben seitlich 19 und zischen

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   den beiden Drehlcolben 8 ^&aloJgjJte^acL seine,mit der

   Drehkolbenzentralwelle 11 amix achsparallel umlaufende Kurbelwelle 12 mit dieser über kraftschlüssige übertrage ungselemente 13, 14 und 15 verbunden ist.

   3* verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet,daß durch die Zusammenfassung der Dreh^* kolben 3 und 8 mit dem Hubkolben 19 auf den zwei wellen

   11 und 12 ein Zylinderblock entsteht lo,der alle Kanäle 5 und 7a für die Gasströmungen,bis aug den Ansaugweg 2a in sich aufnimm* und die Teilung der zwei Drehkolben ge= häuse 4 durch ihren Zentralpunkt auf der Linie A-A ermöglicht.

   4· Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet,daß die Bauweise mit zwei Wellen 11 und

   12 bei einer Kühlung der Brennkraftmaschine mit Luft 17 die Anordnung eines Schleudergebläses 18 zwischen den beiden Drehkolben 3 und 8 auf Welle 11 ermöglicht,das seine Kaltluft über den Zylinderkopf 18a ansaugt,durch

   den gemeinsamen Zylinderblock von Drehtolben und Hubkol= ben hindurchzieht und über die Stirnseiten der Dreh=*

   kolbengehäuse bei 17a ausbläßt.

   5· Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet,daß beim Aneinanderreihen von Baueinheiten der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine nach Figur 2, zu einer gößeren Leistungseinheit,nur für Kurbelwelle 12 der Hubkolben eine ausgleichende Schwungmasse notwendig wird und bei der Versetzung der Kurbelwellenkröpfungen nur die gute Überschneidung der Hubkolbenabeit angestrebt werden muß,da die Drehkolben infolge ihrer großen Arbeits winkel sich immer ausreichend überschneiden.

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   6. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet,daß die Trennflächen der geteilten Drehkolben-gehäuse 4 parallel zu den Montageflächen der Hubkolbenkurbelwelle 12 und der Aufliegef}.äche des Zylinderkopfes 18a liegen und sowohl beia Verdichter= drehkolben 3 wie beim Arbeitsdrehkolben 8 die Ge= häuse geteilt sind in den Zonen,in denen die geringsten Drücke vorhanden sind.Sowohl bei der Vorverdichtung wie bei der zeiten Expansionsstufe.

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