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Beschreibung zur Patentanmeldung
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Rotationskolbenmaschine mit ovalen Läufern" 1. Einordnung und Aufgabenstellung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotationskolbenmaschine, die nach den Einteilungskriterien
von F.Wankel bei außenachsiger Bauart mit Gegeneingriff arbeitet, als Drehkolbenmaschine
keine ruhenden Arbeitsraumwandungen bzw. als Ereiskolbenmaschine nur eine innen
ruhende Arbeitsraumwandung aufweist. Die Maschine kann als Motor oder Pumpe gebaut
werden, nachfolgend sind vorrangig die Gesichtspunkte der Kraftmaschine dargestellt.
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Mit Ausnahme des Wankelmotors konnte bislang kein Rotation kolbenmotor
in bedeutendem Umfang realisiert und eingesetzt werden. Auch dieser erwies sich
aus verschiedenen Gründen in seiner Leistungsfähigkeit begrenzt. Mit dem unter Wankel
II bekannt gewordenen Motor sind nurmehr symetrische Bauteile in kreisender Bewegung,
sodaß die Massenkräfte beherrscht werden.
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Allerdings haben die Läufer z.T. komplexe Formen mit abrupt einsetzender
Dichtung an verschiedenen Kanten, ist der Brennraum weiterhin von sichelförmiger
Gestalt, hat der Expansionsraum zerklüftete Form und ist der Gaswechsel nicht optimal.
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Es ist also Aufgabe bei der Entwicklung von Motoren, daß ausschließlich
gleichförmige, kreisrunde Bewegungen auszuführen sind. Die Bauform der Bauteile
muß kompakt sein, um größte Formfestigkeit zu erzielen. Damit können einerseits
Baustoffe verwendet werden,.die bei hohen Arbeitstemperaturen größten Wirkungsgrad
ermöglichen, eventuell ohne jede Kühlung. Andrerseits können damit höchste Drehzahlen
gefahren werden, die Voraussetzung für eine wesentliche Verbesserung des Gewicht/
Leistungsverhältnisses sind. Bei hohen Drehzahlen können auch
die
Dichtungsprobleme reduziert werden, z.B. durch brührungslose Dichtung, sofern die
Dichtflächen in sich kontinuierlich verlaufend sind. Für den Wirkungsgrad eines
Motors ist ferner der Arbeitsdurchsatz von entscheidender Bedeutung. Dies erfordert
großflächige Ein-/Auslaßkanäle, die ohne Nockenwellen und Ventile zu steuern sein
müssen. Idealvorstellung für den Brennraum ist nach wie vor die Kugelgestalt, d.h.
das Volumen des Brennraumes muß mit kleistmöglichen Arbditraumwandungen gebildet
werden können. Die Energie andrerseits sollte auf möglichst große Teilflächen abgegeben
werden können bei unmittelbarer Umsetzung in Rotationsbewegung. Nicht zuletzt ist
ein günstiges Verhältnis von Bauraum zu Arbeitsraum zu erreichen, was die Herstellkosten
und das Gewicht/Leistungsverheltnis mit bestimmt.
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Der nachfolgend beschriebene Motor erfüllt diese Voraussetzungen.
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2. Lösung Da ein allseits beweglicher Raum für Arbeits- und Kraftmaschinen
nicht realisierbar scheint, bilden alle erfolgreichen Rotationskolbenmaschinen den
Arbeitsraum zwischen zwei planen Flächen mit konstantem Abstand zu einander, so
auch diese Maschine.
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Die geforderten kreisenden Bewegungen setzen runde Formen-voraus,
wobei die reine Kreisform alleine keine Lösung bietet, sondern meist Kreisbogen
in unterschiedlichster Kombination gewählt wurden. Die Ellipse als kreisähnlichste
Form ergibt dichte Räume nur mittels zusätzlichem Exzenter oder wenn sie linsenförmig
abgeflacht ist.
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Die vorliegende Erfindung jedoch erreicht dichte Räume ohne Exzenter,
ausgehend von der Ellipse, deren Nebenachse jedoch gedehnt zu ovaler Form.
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Die Grundidee ist folgende: vier Ovale mit ihren Schmalseiten zu einander
gerichtet ergeben einen kleinen Innenraum. Einen großen Raum schliessen sie ein
nach einer Drehung von 9o Grad, wenn sich wiederum an ihren Schmalseiten Berührungspunkte
ergeben. Figur 1 und 4 zeigt diese Stellungen.
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Die ovale Form muß nun so gewählt werden, daß während einer gleichgerichteten,
synchronen der Läufer um ihren Mittelpunkt die Flächen stete in Berührung bleiben.
Figur 2 und 3 zeigt solche Stellungen, jeweils nach Drehung um 3a Grad.
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Der so entstehende Arbeitsraum zwischen zwei planen Flächen hat annähernd
Würfelform, d.h. die beste Relation von Fläche zu Volumen, soweit mit planen Flächen
zu konstruieren ist.
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Bei dieser Lösung dient zudem der größtmögliche Flächenanteil der
Umsetzung von Druck in mechanische Bewegung: etwa neun Zehntel bei kleistem, noch
midsstens zwei Drittel bei größtem Volumen. Während der Raum in vier Richtungen
gleichförmig expandiert, wird die Energie unmittelbar in kreisrunde Rotationsbewegung
umgesetzt. Die Kräfte wirken dabei vorwiegend in tangentialer Richtung zum Drehpunkt.
Es ergibt sich auch ein außerit gleichförmiger Verlauf des Drehmoments.
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Diese Konstruktion kennt kein passives Absperrteil, sondern alle Läuferovale
nehmen gleichermaßen Leistung auf bzw. geben ab.
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Hier sei vermerkt, daß ein so beschaffener pulsierender Raum als Pumpe
verwendet werden kann, wenn die entsprechende Steuerung von Einlaß und Auslaß an
den beiden planen Stirnflächen konstruiert wird.
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Was die Ermittlung geeigneter ovaler Formen anlangt, so sind verschiedene
Wege denkbar. Die hier gezeigten Formen wurden folgendermaßen entwickelt:
Ausgangspunkt
ist eine Ellipse mit bestimmter Exzentrität.
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Wenn die Hauptachsen zweier Ellipsen zu einander senkrecht stehen,
hat die Tangent durch ihren gemeinsamen Berührungspunkt einen Winkel von 45 Grad
zu den Hauptachsen. Der Schnittpunkt dieser Tangente mit der verlängerten Hauptachse
bestimmt den Abstand aller Drehpunkte von einander. Zwischen obigem Berührungspunkt
und dem Hauptscheitel (Hauptscheitelbereich) wird der Kurvenverlauf nach der Formel
der Ellipse festgelegt.
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Der Verlauf zwischen diesem Berührungspunkt und dem Nebenscheitel
(Seitenflanke) dagegen wird aus der Differenz zwischen den während der Drehung sich
ergebenden geometrischen Orten der Berührungspunkte des Hauptscheitelbereiches und
dem Drehpunkt des anderen Ovals ermittelt.
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In der Anlage ist der leicht nachvdlziehbare Rechenweg beschrieben,
der auf Figur 5 Bezug nimmt. Die Formeln können verdichtet werden. Andere Lösungswegen
sind denkbar.
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Das Ergebnis von Bereichnungen ist in Figur 6 dargestellt.
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Ausgangspunkt ist eine Ellipse mit der Relation der Achsen von 17:10.
Im Hauptscheitelbereich hat die Kurve elliptischen Verlauf, die Seitenflanke ist
gedehnt. Bei dieser Relation ergibt sich eine für den Benzinmotor geeignete Verdichtung
des Arbeitsraumes. Bei einer Hauptachsenrelation von 2:1 wird eine doppelte, d.h.
für Dieselmotvren notwendige Verdichtung erreicht. Jede beliebige Verdichtung ist
zu erzielen.
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Eine höhere Verdichtung bringt zugleich noch bessere Raumverhältnisse.
In jedem Fall ist der Kurvenverlauf absolut harmonisch.
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3. Konstruktive Mözlichkeiten Durch Kombination vorgenannter ovaler
Läufer ergibt sich eine weitere Verbesserung von Bau- zu Arbeitsraum. Figur 7 zeigt,
daß durch neun Läufer ein Viertakt-Vierzylindermotor auf engstem Raum entsteht.
In dieser Stellung ist jeweils die Endphase erreicht für Kompression, Expansion,
Ausstossen und Ansaugen.
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Die Veränderung der Räume kann auf zweierlei Art erreicht werden,
wobei zuerst die Ausbildung als Kreiskolbenmotor beschtieben wird: der mittlere
Ovalkörper bleibt dabei feststehend und bildet so eine innere unbewegliche Arbeitsraumwandung,
während alle anderen Ovalläufer um dessen Mittelpunkt rotieren und gleichzeitig
jeweils um ihren eigenen Mittelpunkt. Alle Drehbewegungen sind dabei gleichgerichtet
und synchron, hier jeweils rechtsdrehend unterstellt.
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Figur 8 zeigt die Stellung nach Drehung um 22,5 Grad, Figur 9 nach
weiterer Rotation, wobei dann alle Achsen wieder senkrecht zu einander stehen. Das
harronische Expandieren und Zusammenziehen aller Arbeitsräume ist offenkundig.
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Die auch im Längsschnitt außerordentlich kompakte Bauweise des Motors
wird aus Figur io ersichtlich. Diese Abbildung ist nur ein schematisches Beispiel
konstruktiver Möglichkeiten.
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Es zeigt keinen linearen Schnitt, sondern im oberen Teil das rechtwinklige
Anliegen eines inneren Läufers (wie z..Be in Figur 9 rechts oben), im unteren Teil
die gerade Gegenüberstellung von Innenoval und Außenläufer (wie z.B. Figur 7 rechts
unten).
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Im Gehäuse 1 befinden sich die Innenläufer 2 und Außenläufer 3.
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Alle Läufer sind mit ihren Achsen 4 bzw. 5 in der Läuferscheibe 6
gelagert. Die Rotationsbewegung des Innenläufers 2 bewirkt über dessen Zahnrad 7,
das sich am.feststehenden Zahnkranz 8 abwickelt, die Rotation ach der Läuferscheibe
6. Analog überträgt
Außenläufer 7 seine Rotation mittels Zahnrad
9 und den mit dem Gehäuse 1 fest verbundenen Zahnkranz lo auf die Läuferscheibe
6.
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Deren Rotationsbewegung kann über Zahnrad 11 bzw Achse 12 die Leistung
des Motors abgeben.
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Der Arbeitsraum 13 wird gebildet zwischen dem feststehenden Innenoval
14, zwei Innenläufern und dem hier in Schnitt abgebildeten Außenläufer 3. Eine Stirnfläche
bildet die Gehäuse wandung 1, die andere die Läuferscheibe 6. Der Außenraum 15 ist
drucklos, dient nur der Kühlung bzw. Schmierung.
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An der Gehäusestirnfläche sind Einspritzung 16 und Zündung bzw. Glühkerze
17 montiert, sowie der Einlaß 18 und Auslaß 19.
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Durch die Rotation der Läufer um die Mittelachse rotieren auch die
Arbeitsräume, sodaß vorgenannte Elemente nur einfach erforderlich sind.
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Figur 11 zeigt die auf verschiedenen Ebenen rotierenden Teile bzw.
auch die Lage von Einspritzung 16, Zündung 17, Einlaß 18 und Auslaß 19 in ihrer
prinzipiellen Anordnung in Bezug zum feststehenden Innenoval 14.
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Der Arbeitsdurchsatz ist in Figur 12 bis 15 ersichtlich für jeweils
zwei Kammern während ihrer Rotation (alle Teile rechts drehend): in Figur 12 hat
die.linke Kammer das maximale Volumen nach einer Expansion erreicht, wobei sie zum
Auslaßkanal in Stellung kommt Gleichzeitig hat die rechte Kammer den Ausstoß beendet
und kommt nunmehr zum Einlaßkanal, der sich schlagartig und weit öffnet (Figur 13
und 14)..Je kleiner dagegen die linke Kammer während des Ausstosses wird, desto
größer ist der Flächenanteil des Au.«laßkanalquerschnitts.
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Wie bei vielen anderen Rotationskolbenmaschinen kommt bei dieser Konstruktion
die Luftsäule des Ein- und Auslasses nicht zum Stillstand, sondern erreicht einen
gleichförmigen Fluß. Dies
führt zum Ende des Gaswechsels (Figur
15) auf der Ausstoßseite durch die Sogwirkung zu relativem Unterdruck, andrerseits
wird auf der Einlaßseite ein Nachladeeffekt erzielt. Der Arbeitsdurchsatz ist dementsprechend
hoch.
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Aufgrund der räumlichen Nähe von Einlaß und Auslaß kann bei Bedarf
eine zusätzliche Aufladung in geringstmöglicher Bauart realisiert werden. Der Auslaßkanal
kann dabei auch differenziert werden, um den jeweils entsprechenden Druck entnehmen
zu können.
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Dieser Motor hat ausschließlich ausgewuchtete Teile und kreisrunde
Bewegungen gleichgerichteter und gleichförmiger Art. Er kann darum wesentlich höhere
Drehzahlen fahren als Motoren mit Massekräften aufgrund exzentrischer oder gar Hubbewegungen.
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Seine Maximaldrehzahl wird begrenzt durch die Fliehkräfte, welche
auf die Läufer und ihre Lager wirken. Die kompakte Form der Läufer bietet bestmögliche
Formstabilität gegen diese Kräfte1 die auch durch die geringen Abmessungen des Motors
in Grenzen gehalten werden.
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Der in Figur 16 dargestellte Motor zeigt einen Achtzylinder, der das
Synchronisationgetriebe für beide tylinderkreise nutzt und dadurch zu nochmals geringerer
Abmessung kommt.
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Die Darstellung ist wiederum kein linearer Schnitt, sondernzeigt oben
einen Innenläufer in den beiden Stellungen jeweils senkrecht zu den Achsen des Innenovals,
unten Außenläufer, deren deren Achsen jeweils parallel zu den Achsen des Innenovals
laufen. Die Funktionselemente Einspritzung 16, Zündung 17, Einlaß 18 und Auslaß
19 sind hierin rechtwinkligen Schnitten angedeutet.
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Dieser Achtzylinder würde mit einem um ''.45 Grad versetzten Innenoval
inklusive der Funktionselesente bei acht Verbrennungen je Umdrehung eine turbinenartige
Laufruhe erreichen. In Verbindung mit Zylinderabschaltungen wäre bei geringstem
Baumaß eine enorme Leistungsbreite zu gewinnen.
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Die andere wesentliche Konstruktionsvariante besteht in der Bauart
der Drehkolbenmaschine, welche nurmehr unmittelbar kreisförmig drehende Teile. hat,
d.h. nochmals höhere Drehzahlen zuläßt.
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Bei diesem Motor befindet sich dann auch das Mitteloval in glichgerichteter,
synchroner Umdrehung wie alle anderen Läufer. Die Verbrennung findet dagegen an
vier fixen Punkten im Gehäuse statt.
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Figur 17 bis 20 zeigt diese Rotation aller Läufer jeweils nach Drehung
um 30 Grad. Synchron zum Mitteloval ist dabei die Steuerung der Ein-jAuslaßkanele
vorzunehmen, sodaß ein zu vorstehend analoger Arbeitsdurchsatz entsteht. Nach Kompression
hat die Einspritzung bzw. Zündung im jeweiligen Zylinder statt zu finden.
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Figur 21 zeigt hierzu eine konstruktive Möglichkeit, wiederum nur
schematisch dargestellt: Im Gehäuse 1 sind alle Achsen fest gelagert. Achse 5 verbindet
wiederum Außenläufer 3 mit seinem Zahnkranz 9, auf welchem Weg die Rotation des
Läufers über Zahnrad 1o direkt zur Abnahme der Leistung auf Achse 12 vermittelt
wird. Analog dazu auch die Koppelung von Innenläufer 2, Achse 4, Zahnrad 7 und 8.
Zusätzlich muß bei dieser Konstruktion der mittlere Läufer 14 in gleichsinniger
Rotation gehalten- werden, angedeutet über die Zahnräder 20 21 und 22.
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Für dieses Synchronisationsgetriebe sind diverse Lösungen machbar,
z.B. mittels eines äußeren Zahnkranzes oder auch eine äußere Koordination des Mittelovals,
welche mehr Platz für die Einspritzung bzw. Zündung an der Stirnfläche liesse. Die
neun Achsen der Läufer wären auch mittels dreier hierzu quer liegender Wellen zu
syichronisieren.
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Wesentlich ist gegenüber der vorbeschriebenen Ereiskolbenmaschine,
daß
hier die Läuferachsen an fixem Punkt im Gehäuse montiert sind, sodaß die Steuerung
der Ein-/Auslaßkanäle über die andere Stirnfläche erfolgen sollte. Im Beispiel ist
es so realisiert, daß diese Stirnfläche durch feste Verbindung mit dem mittleren
Läufer in Rotation gehalten wird. Der Einlaß kann dann axial zugeführt werden, während
der Auslaß in einem ringförmigen Kanal aufzunehmen ist.
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Diese Konstruktion verbindet dann die Vorteile des optimalen Arbeitsraumes,
des guten Arbeitsdurchsatzes und der großflächigen, unmittelbaren Energieumsetzung
in Rotation ausschließlich über kreisrund drehende Teile. Das Kernproblem aller
Roationskolbenmaschinen jedoch bildet die Dichtung.
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Unproblematisch ist die Dichtung der Läuferscheibe bzw. der Steuerscheibe
zum Gehäuse bzw. dem drucklosen Außenraum.
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Analog zu den Lösungen beim Wankelmotor kann auch die Dichtung der
Läufer gegen die planen Stirnflächen des Gehäuses bzw. der Scheiben vorgenommen
werden.
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Das eigentliche Problem liegt in der Dichtung der Ovale gegen einander.
Dabei ist festzustellen, daß immer nur das Mitteloval mit Innenläufern, diese nur
mit Außenläufern in Beruhrung sind, ebenso immer nur ein Hauptscheitelbereich mit
einer Seitenflanke.
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Dichtung würde also erreicht, wenn ganzflächig das Mitteloval und
alle Außenovale Dichtgrenzen bilden, oder Dichtungen an allen Hauptscheitelbereichen
angebracht wären, oder an allen Seitenflankenw Solange in herkömmlicher Dichtung
gedacht wird, ist hier also erforderlich anstelle von fixen Dichtgrenzen großflächige
Dichtflächen zu schaffen.
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An den Seitenflanken könnten hierzu Bündel parallel angelegter Dichtlamellen
angebracht werden, verbunden durch eine Halterung, welche den Lamellen eine geringe
Bewegung erlaubt.
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Die Lamellen müßten im Querschnitt konische Form aufweisen, d.h. ihre
Seitenflächen etwa senkrecht zur jeweiligen Berührungstangente stehen. Ihre Außenflächen
könnten jeweils dem Profil der an diesem Ort gegenüber vorbei gleitenden Hauptscheitelabschnitt
nachgebildet sein. Im Zeitpunkt der Berührung ergeben sich dann völlig parallele
Anlageflächen von genügender Breite. Anstelle der fixen Dichtgrenze bildet sich
so eine ebenso wirksame fortlaufende Dichtfläche. Die stets gleichgerichtete Gleitrichtung
wird die Ausformung und Halterung der Dichtlamellen erleichtern.
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Bei dieser Maschine wäre auch eine Dichtung mittels Gasgegendruck
bzw. Feder- und Fliehkraft denkbar. Die Strrnseiten des Gehäuses und der Scheiben
könnten mit beweglichen Dichfscheiben belegt sein (eventuell auch segmentweise),
welche durch Bohrungen auch von hinten Druck erfahren und diesem Druck entsprechend
gegen lie Läuferstirnseiten gehalten werden.
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Für die Dichtung der Läufer untereinander könnten alle deren Hauptscheitelbereiche,
wahrscheinlich besser noch älle deren Seitenflanken als ganzes beweglich gehalten
werden. Federkraft durch Fliehkraft unterstützt würden entsprechenden Andruck besorgen.
Die Verbindung fixer zu beweglicher Flächen ist dann mittels Dichtleisten vorzunehmen.
Alle Flächen werden auch hierbei stoßfrei auf einander gleiten.
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Eine Dichtung alleine durch den Ölfilm kann erzielt werden auch bei
geringer Dichtbreite und auch bei angerundetem Flächenansatz (siehe Versuche von
F.Wanel), wenn die Druckdifferenzen rasch wechselnde Verhältnisse aufweise; Der
harmanische Verlauf der Läuferoberflächen ergibt bei einer angenommenen Dichtbreite
von 3,5 mm nur eine maximale Spreizung der Flächen von o,15 mm. Auch ohne oben beschriebenen
Ausgleich von Toleranzen müßte damit der Effekt berührungsloser Dichtung erreicht
werden. Für den Aufbau des notwendigen Ölfilms sind
sind gute Voraussetzungen
vorhanden: die Berührung ist kontinuierlich in sich verlaufend und stets gleichgerichttt.
Durch das Zurückweichen der Arbeitsraumwandangen von der Flammfront wird der Ölfilm
kaum durch die Verbrennung angegriffen, zumal stets im Außenraum bzw. beim Ansaugen
Kühlung eintritt. Dieser Motor müßte ohne spezielle Dichtnaterialien und ohne Beruhrung
der beweglichen Teile ausreichende Dichtung erreichen.
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Endziel dieser Konstruktion muß es jedoch sein, alle Arbeitsraumwandungen
aus extrem hitzebeständigem Material herzustellen.
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Aufgrund der planen Flächen bzw. der sehr kompakten Läuferform, sowie
des gleichförmigen und stoßfreien Arbeitsablaufes können hierzu auch relativ spröde
Materialien eingesetzt werden. Bei diesen Temperaturen wird ein Ölfilm nicht zu
halten sein, sodaß ohne Dichtung zu arbeiten ist. Der hohe termische Wirkungsgrad
bei höchsten Drehzahlen machen ent-«prechende Leckmengen vertretbar. Die geringe
Wärmeausdehnung dieser Materalien verbunden mit den dann nur sehr kleinen Abmessungen
der Teile dieses Motors ermöglichen dabei enge Spaltbreiten.
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4. Vorteile Diese Erfindung zeichnet eine klare geometrische Konzeption
aus.
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Es gibt nur gleichförmige, synchrone und kreisrunde Bewegungen.
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Alle rotierenden Teile sind problemlos zu wuchten. Die Bauform der
Teile ist kompakt; deren Formstabilität läßt hohe Drehzahlen zu. Der Flächenverlauf
aller Teile ist plan oder harmonisch verlaufend, alle Berührungsflächen bleiben
in konstantem Kontakt bei gleichförmiger Gleitrichtung.
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Der Arbeitsdurchsatz entspricht einem sauberen Viertaktverfahren,
die Vorteile der Rotationskolbenmaschinen verbessern noch den Gaswechsel mit Nachladeeffekt
bzw. Sogwirkung des Ausstosses aufgrund der kontinnierlichen Strömungen.
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Der Arbeitsraum weist mit seiner würfelähnlichen Gestalt ein optimales
Verhältnis von Volumen zu Fläche auf. Die Energie des Gases wirkt auf einen maximalen
Flächenan-t-eil, wobei mit tangentialem Vektor die Kräfte unmittelbar Rotationsbewegung
erzeugen. Durch das allseitige Zurückweichen der Wandungen von der Flammfront wird
hoher termischer Wirkungsgrad erreicht.
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Die Läufer erfahren ohne besonderen Aufwand genügend Kühlung im drucklosen
Außenraum bzw. beim Ansaugen.
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Ein optimales Verhältnis von Arbeits- nu Bauvolumen wird erreicht,
weil nur neun Ovalkörper in Kombination auf engetem Raum einen Vierzylindermotor
abbilden. Durch die gegenüber herkömmlichen Motoren vielfach höhere Drehzahl kann
mit einem Bruchteil an Arbeitsvolumen gearbeitet werden. Das geringere Gewicht und
geringere Verluste z.B. aufgrund fehlender Nocken-und Kurbelwellen erhöhen diesen
Effekt.
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Aufgrund dei harmonischen Kurvenverläufe und des kontinuierlichen
Kontaktes der gleichförmig gleitenden Berührungsflächen lassen sich die Arbeitsräume
gut dichten mit herkömmlichem Material und Methoden, auch wenn anstelle fixer Dichtgrenzen
hier gleitende Dichtflächen eingesetzt werden. Zielsetzung jedoch ist eine berührungsfreie
Dichtung durch einen Ölfilm, welcher durch die Verbrennung wenig beeinflußt und
stets gekühlt wird und welcher sich auf den Wandungen abrißfrei ausbilden kann.
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Die hohen Drehzahlen sorgen für den erforderlichen raschen Wechsel
der Druckverhältnisse, die geringen Abmessungen der Teile und die große Laufruhe
machen enge Spalttoleranzen möglich.
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Der hohe termische Wirkungsgrad kann noch gesteigert werden durch
den Einsatz extrem hitzebeständiger Materialien, bei denen auch ohne Ölfilm und
ohne dichtende Berührung die Leckmengen in Kauf genommen werden können. Die Formstabilität
der bewegten Teile erlaubt auch den Einsatz relativ spröder Materialien, die aufgrund
ihrer geringen Wärmeausdehnung bei den kleinen Abmessungen nur eine geringe Toleranz
in den Spalten realisieren lassen.
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Nachdem weder Hubkolbenmotorwn noch Turbinen den Einsatz solchen Materials
möglich machten, bietet dieser Motor die besten Voraussetzungen zur Realisierung
der höchsten Verdichtung und extremen termischen Wirkungsgrades.
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Die Vorteile dieser Konzeption der ausschließlich kreisrund drehenden,
kompakten Bauteile, des optimalen Brennraumes mit der wirkungsvollen, direkten Umsetzung
der Energie in Rotationsbewegung, des einwandfreien Viertaktverfahrens mit bestem
Arbeitsdurchsatz, des hervorragenden Gewicht/ Leistungsverhältnisses werden den
Aufwand der technischen Realisierung rechtfertigen.
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5. Anlage - Berechnung der Läuferform Zur Ermittlung geeigneter Formen
für die ovalen Körper sind verschiedene Methoden denkbar. Die in den Zeichnungen
dargestellten wurden mittels folgenden Rechenweges festgestellt, wobei Figur 5 die
Rechenvariailen und Formeln aufzeigt.
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Ausgangsgröße ist eine Ellipse mit den Achsen a und b. Die Relation
beider Achsen zu einander ergibt die Exzentrität, welche auch für die erreichte
Verdichtung maßgebend ist.
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Wenn beide Läufer zueinander senkrecht stehen und sich im Bereich
beider Hauptscheitel berühren, hat die Tangente im Berührungspunkt zu den Achsen
einen Winkel a von 45 Grad.
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Nach einer Drehung der Läufer in gleichem Sinne um 45 Grad berühren
sich Hauptscheitel und Seitenscheitel, wobei die Tangente dann einen Winkel von
9o Grad zu den Achsen aufweist.
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Die Steigung m der Berührungstangente ergibt sich aus dem Tangens
Winkel a, welcher sich zwischen 45 und 9o Grad bewegt.
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Aus der Tangentengleichung ergibt sich dann auch der Schnittpunkt
der Tangente mit der Koordinate als n = Wurzel aus 2 (a2m2+b ). Aus dem Wert für
n bei Winkel a = 45 Grad ergibt sich der Punkt 0, welcher den Abstand der Läuferdrehachsen
von einander bestimmt und als Größe 1 vermerkt wird.
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Der Berührungspunkt P hierzu läßt sich nach der Tangentenbedingung
bestimmen mit x = a mn/n und y = n-mx. Der Ellipsenabschnitt zwischen Hauptscheitel
und den Berührungspunkten bei Winkel a = 45 Grad wird nachfolgend Hauptscheitelbereich
genannt, die restlichen Abschnitte als Seitenflanke benannte Die geometrischen Orte
des Hauptscheitelbereiches liegen auf elliptischer Bahn und können für jede Steigung
m der Berührungstangente entsprechend berechnet werden. Danach ist für die jeweiligen
Berührungspunkte ihr geometrischer Ort unter Berücksichtigung der Läuferdrehung
zu berechnen.
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Zunächst ergibt sich für Winkel b zwischen Hauptachse und Radialer
r als Tangens y/x und r = y/Sinus Winkel b. Der Drehwinkel c des Läufers variiert
zwischen 0 und 45 Grad, addiert zum jeweiligen Winkel b ergibt sich der Winkel d
der Radialen r im Berührungszeitpunkt.
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Die Koordinaten des Berührungspunktes sind dann c = Cosinus Winkel
d . r und d = Sinus Winkel d . r. Bezogen auf den Drehpunkt N des anderen Läufers
sind entsprechend e = 1 - c und'f = 1 - d, woraus sich auch die Radiale g = Wurzel
aus (e2+f2) errechnet sowie der Winkel e = Tangens e/f. Hierzu addiert den Drehwinkel
c des Läufers ergibt für den Berührungspunkt den Winkel f zur Hauptachse dieses
Läufers. Damit lassen sich die Koordinaten der Seitenflanke ermitteln als h = Sinus
Winkel f .g und i = Cosinus Winkel f . g.
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Es ergibt sich für die Läufer eine elliptische Form im Hauptscheitelbereich,
während die Seitenflanken als Differenz zum anderen Drehpunkt gerechnet sind. Die
Flanken erhalten damit die Form einer in Richtung Halbschse gedehnten Ellipse.
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Alle Kurvenverläufe sind harmenisch, in den Berührungspunkten ergeben
sich relativ konstante Spaltenquerschnitte mit geringer Spreizung.
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Zeichnungen zur Patentanmeldung "Rotationskolbenmaschine mit ovalen
Läufern" Verzeichnis der Bauelemente 1 Gehäuse 2 Innenläufer 3 Außenläufer 4 Achse-Innenläufer
5 Achse-Außenläufer 6 Läuferscheibe 7 Zahnrad auf Achse-Innenläufer 8 Zahnkranz
für Innenläufer 9 Zahnrad auf Achse-Außenläufer lo Zahnkranz für Außenläufer 11
Zahnrad zur Leistungsabnahme 12 Achse zur Leistungsabnahme 13 Arbeitsraum 14 Mitteloval
15 Außenraum 16 Einspritzung 17 Zündung 18 Einlaß' 19 Auslaß Verzeichnis der Figuren
1 Minimaler Arbeitsraum 2 Arbeitsraum bei 3o Grad Drehung 3 Arbeitsraum bei 60 Grad
Drehung 4 Maximaler Arbeitsraum 5 Berechnung des Ovals 6 Ellipse und Oval 7 Läuferkombination
zum Vierzylinder 8 dito nach Drehung um 22.5 Grad 9 dito nach Drehung um 45 Grad
1o Längsschnitte Vierzylinder 11 Querschnitte Vierzylinder 12 Ausstossen und Ansaugen
- Beginn 13 dito nach Drehung um 22.5 Grad 14 dito nach Drehung um 45 Grad 15 dito
nach Drehung um 67,5 Grad 16 Achtzylinder 17 Drehkolbenmotor - Läuferstellung 18
dito nach Drehung um 30 Grad 19 dito nach Drehung um 60 Grad 20 dito nach Drehung
um 9o Grad 21 Längsschnitte Drehkolbenmotor