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Rotationsklappkolben - Verbrennungsmotor
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Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, der auf einer mittelachsigen
Rotationskolbenmaschine beruht. Derartige Motoren haben sich bisher nicht durchgesetzt.
F. Wankel [1] hat zie 1963 aufgrund des kaum lösbaren Abdichtproblems für nicht
ausführbar erklärt.
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Wenn praktisch auch noch unerprobt, weisen die Patentschriften [2,3,4]
Fortschritte in Bezug auf das Triebwerk, den Gaswechsel, die Abdichtung und die
Leistungsfähigkeit der mittelachsigen Rotationskolbenmaschine auf und zwar bei einer
neuen Art, nämlich der mit Klappkolben. In gekühlter Ausführung ergibt diese einen
vorteilhaften Verbrennungsmotor, der den Stand der Technik so umfassend ändert und
verbessert, daß es kaum möglich ist, alle Punkte gebiihrend anzusprechen.
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Nachdem die Bemilhungez; um die keramische Kleingasturbine stark
abgeklungen sind, wird in den letzten Jahren umso intensiver an der Verbesserung
der Otto-und Diesel- Hubkolbenmotoren hinsichtlich des Brennstoffverbrauchs und
der Abgasemission gearbeitet, z.
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B. durch die Entwicklung der Gemischaufbereitung und der Brennbedingungen
sowie durch Einführung von ttatalysatoren und Rußfiltern. Diese Motoren sind gut
gekühlt und haben keine Werkstoffprobleme, was auch für den Rotationsklappkolbellmotor
gilt. Nur ist seine snezifische Leistungsfähigkeit um ein Vielfaches höher, und
sind seine Kühlverkluste deshalb erheblich kleiner, was aufgrund des optimalen Triebwerks
auch auf die mechanische Reibung zutrifft.
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Durch den Kolbenring ist die Abdichtung der Hubkolbenmotoren perfekt
gelöst. Beim Rotationsklappkolbenmotor gewährleisten die Gewindewellendichtungen
mit schwimmender Buchse im Verein mit der Kleinheit der Klappkolben eine ausreichende
Abdichtung, die im ganzen kaum höhere Verluste als die Kolbenringreibung beim Hubkolbenmotor
verursachen wird. Wichtig ist, daß die gelöste Abdichtung eine kompakte Verdrängungsmaschine
mit niedrigen Gaswechselverlusten, also großen Gaswechselmöglichkeiten zur Nutzung
freigibt.
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Durch die Abgasturbloaufladung werden der Kreisprozeß, die spezifische
Leistung, der Gütegrad und das Schadstoffverhalten der Hubkolbenmotoren verbessert.
Der Rotationsklappkolbenmotor erlaubt die gleichen und weit darüberhinausgehende
Proz eßverb es serungen schon bei kleinen Einheiten. Dafür sorgen die hohe Arbeitsspielfrequenz,
die Verfügbarkeit von vielen parallel aber verschieden arbeitenden, leicht miteinander
verbindbaren, kleinen Arbeitseinheiten, die niedrigen Gaswechselverluste, der aufwandarm,
exakt und rasch mit gekühlten Organen gesteuerte Gaswechsel, die bei kleinem Schadvolumen
gegebene Kombinierbarkeit. von heißen Brennkammern mit den vorbeiwandernden Arbeitsräumen
sowie die besonders guten Brennstoffaufbereitungsmöglichkeiten und die anhaltende,
überhohe: Turbulenz in den extrem kleinen Brennkammern. Die betztgenannten Merkmale
führen zusammen mit neuartigen Prozeßschritten zu außerordentlich niedrigen Schadstoffwerten
sowohl bezüglich NOx als auch CO, Ruß, HC und Aldehyden, bleifrei bei allen möglichen
Brennstoffen, ohne Katalysator, ohne Rußfilter, ohne Wärmetauscher, ohne Zündhilfen
und mit einer vereinfachten Einspritzanlage. Bei diesen Vorteilen wird der Rotationsklappkolbenmotor
viel kleiner und leichter als der Hubkolbenmotor ausfallen und einen viel niedrigeren
Brennstoffterbrauch als dieser erreichen.
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In der Patentschrift 42 ist bereits ein Kompressor mit gekühltem
Rotor, gekühlten Klappkolben und gekühlter, axial steifer, peripher elastischer,
schwimmender Segmentdichtbuchse dargestellt, in deren Segmenten die Steuermündungen
der Gaskanäle untergebracht sind. Die Maschine besteht aus z autonomen Verdichtern,
wobei 2z die Anzahl~der in einem Kranz nahe der Peripherie im Rotor angeordneten
Arb!eitszylinder darstellt, in denen Je ein Klappkolben derart arbeitet, daß er
bei einer vollen Rctorumdrehung 2z doppelte oder 4z einfache Arbseitstakte ausführt.
In jeder Verdichtereinheit arbeiten immer zwei Klappkolben parallel. Jeder Klappkolben
vollzieht pro Rotorumdrehung 2z Zweitaktverdichtungen.
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Grundsätzlich kann jede Verdichter- in eine Expansionseinheit umgewandlt
werden, denn nur die Art der im Gehäuse, bzw. in der Segmentdichtbuchse, liegenden
Steuermündungen bestimmt, ob die Einheit ein Verdichter oder ein Expander ist. Beide
Arten können in ein- und derselben Maschine beliebig miteinander abwechseln. Zur
Gestaltung eines Motors beispielsweise im Joule- Prozeß sind zwischen die Verdichter
und Expander Brennkammern zu schalten. Z. B. lassen sich in eine Rotationsklappkolbenmaschine
2 z Viertaktmotoren einbauen, in denen jeder der 2z Klappkolben pro Rotorumdrehung
4z Arbeitstakte vollzieht. Bei einer Maschine mit 16 Klappkolben werden so pro Rotorumdrehung
512 Arbeitstakte in dem allerdings sehr kleinen Arbeitszylinder von kreisausschnittförmigem
Querschnitt ausgeführt, wobei wieder jeweils 2 Zylinder auf einen Ausgang arbeiten,
der zwischen ihnen liegt und sich entlang der ganzen Zylinderlänge erstreckt.
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Die Vielzahl der vorhandenen Arbeitseinheiten erlaubt aber auch,
mehrstufige Verdichter und Expander in einem Motor vorzusehen, indem für die einzelne
Stufe je nach Bedarf eine bis mehrere Einheiten parallel eingesetzt
werden.
Damit gewährt die Rotationsklappkolbenmaschine relativ große Freiheit bei der Auswahl
des Kreisprozesses und der Gestaltung großer und kleiner Verbrennungsmotoren. Es
bietet sich nämlich auch an, nur die heißen Prozeßschritte in die gekühlte Rotationsklappkolbenmaschine
zu nehmen und für die ersten VerdichtungF und letzten Expansionsstufen Radialverdichter
und -turbinen oder weitere Rotationskolbenmaschinen einzusetzen. Daraus ergeben
sich, wenn man so will, Kleingasturbinen mit einem Rotationsklappkolbenmotor als
Hochtechnologiebrennkammer.
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Ein Kreisprozeß ist umso besser, je höher sein thermischer Wirkungsgrad
ist, Je leichter er sich realisieren läßt, und je höheren Gütegrad der Motor dabei
erreicht, denn auch die mechanischen, die Leck- und die Kühlverluste hängen vom
Prozeß ab und müssen wie der Aufwand und die spezifische Leistung in die Beurteilung
einbezogen werden. Es ist keineswegs so, daß der Joule- Prozeß den optimalen Kreisprozeß
für den Rotationsklappkolbenmotor darstellt.
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Selbst wenn die Gasturbine keine Abdicht- und Werkstoffprobleme hätte,
müßte sie, um konkurrenzfähig zu werden, in ihrem Kreisprozeß unbedingt die Wärmerückführung
einsetzen. Das bedeutet aber einen hohen Aufwand und zusätzliche Probleme beim Hochdruckwärmetausch.
Wenn die Hubkolbenmotoren trotz der Kühlverluste erfolgreich sind, liegt das an
günstigen Zustandsänderungen, wie der isochoren Wärmezufuhr oder einem hohen Kompressionsverhältnis.
Andererseits schließt der Joule- Prozeß in der isobaren Kompression mit der besseren
Wärmeabgabe ab, der bei den Kolbenmotoren die isochore Kompression gegenübersteht,
wegen der sie letztlich mit Abgasturbinen ausgerüstet werden. Siencnik u. a. E5D
machen vermutlich einen Fehler, wenn sie versuchen, unter Verzicht auf die einfach
vollziehbare isochore Wärmezufuhr die struk-
turell unharmonische Regeneration und isobare Expansion in arbeitsraumbildende Maschinen
einzuführen.
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Die isochore Wärmezufuhr gelangt mit kleinstmöglichem Entropiezuwachs
zur Prozeßhöchsttemperatur, wo weitere Wärme mit kleinster Entropiezunahme isotherm
zugeführt wird Dabei gestattet ein rechtzeitiger ttbergang in eine isentrope Expansion
die Minimalhaltung der Wärmeabgabe während der nachfolgenden isobaren Kompression.
Der Anmelder hat 1954 in einer Studienarbeit das optimale Aufteilungsverhältnis
von isothermer zu isentroper Teilexpansion ermittelt. Je nach Verdichtungsverhältnis
und Prozeßhöchsttemperatur ergeben sich 3 bis 5 Prozent Wirkungsgradverbesserung.
Es handelt sich aber um ein flaches Maximum, bei dem der erste Teil der isothermen
Expansion den größten Gewinn bringt, sodaß auf ihren letzten Teil unter Umständen
verzichtet werden kann.
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Lassen sich die aufgezeigten, günstigen Zustandsänderungen im Kreisprozeß
für den neuen Motor zusammenfassen, so werde ohne Regeneration gegenuber den bekannten
Vergleichsprozessen [6] erhebliche Gewinne im thermischen Wirkunsgrad erzielt. Besonders
günstig ist es, wenn bei diesem Versuch eine schadstoffarme Verbrennung und ein
einfacher MOtOr entstehen.
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Ausgehend vom dargestellten Stand der Technik ergibt sich folgende
Erfindungsaufgabe: Nutze die Eigenarten der Rotationsklappkolberimaschine bei der
Aufstellung eines Kreisprozesses, um aus ihr ohne Katalysator, Rußfilter und Wärmetauscher
einen einfachen, energiesparenden, sehr schadstoffarmen, leichten und billigen Vielstoffverbrennungsmotor
zu machen! Zur Lösung der Erfindungsaufgabe wird zunächst folgender Kreisprozeß
abgesteckt: Zwischen Auspuff und Saugrohr isobare Kompression, dann der Einfachheit
halber isentrope Kompression ( Daß eine durch Zwischen-
kühlung
angenäherte, isotherme Kompression besser sein kann, ist Stand der Technik.), weiter
isochore Wärmezufuhr bis zur Prozeßhöchsttemperatur, dann isotherme Teilexpansion
und zum Schluß isentrope Teilexpansion. Der thermische Wirkungsgrad dieses Kreisprozesses
liegt abhängig vom Verdichtungsverhältnis und der Prozeßhöchsttemperatur bis zu
25 Prozent über dem des Otto- sowie des Joule- Prozesses, wobei der Gewinn mit steigendem
Verdichtungsverhältnis abnimmt, bei £ = 10 aber immer noch 10 Prozent beträgt. Gleichzeitig
wächst die spezifische Leistung des Arbeitsgases mehr als doppelt so stark. Wenn
auch der thermische Wirkungsgrad immer noch mit steigender Verdichtung wesentlich
besser wird, weshalb die ganz niedrigen Verdichtungsverhältnisse ausscheiden, so
ist die relativ stärkere Verbesserung bei niedrigeren Verdichtungsverhältnissen
doch sehr günstig, weil diese Motoren sich einfacher und mit besserem Gütegrad verwirklichen
lassen.
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Der anvisierte Kreisprozeß hat aber noch den Nachteil, daß er im
vorderen Teil dem Otto- Prozeß gleicht und deshalb die Fremdzündung des Verbrennungsgemisches
mit der Beschränkung auf klopffestes Benzin sowie unnötigem Aufwand erfordert. Obwohl
bei der hohen Arbeitsspielfrequenz und der Neuartigkeit der Arbeitsräume diese Nachteile
noch nicht endgültig erwiesen sind, wird ihere Umgehung durch eine Prozeßänderung
schon definitiv vorgeschlagen, weil der entstehende Prozeß den Rückgriff auf jeden
denkbaren Brennstoff erlaubt, für die schadstoffarme Verbrennung sehr günstig ist,
bestimmte Eigenarten er Rotationsklappkolbenmaschine optimal nutzt und andererseits
der Realisation ihrer hohen Taktfrequenz sehr entgegenkommt. Das heißt aber nicht,
daß der entstehende Kreisprozeß nicht auch in Hubkolbenmotoren angewandt werden
könnte. Was daran stört, sind lediglich die Umstände, daß jeder Zylinder noch ein
Ventil mehr bekommen würde, und daß die Heiß-
gassteuerung mit
Ventilen problematisch ist, während die Rotationsklappkolbenmaschine die gekühlte,
verlustarme und leistungsfähige Schlitz steuerung einsetzt.
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Bei der Abänderung des Kreisprozesses wird die mangelhafte Selbstzündfähigkeit
von eingespritztem Brennstoff bei niedrigen bis mittleren Verdichtungsverhältnissen
dadurch verbessert, daß das Arbeitsgas vor der isochoren Wärmezufulir zunächst isobar
expandiert und dabei auf die notwendige und sogar sehr hoch wähllbare Zündtemperatur
aufgeheizt wird. Hierbei erfolgt die Wärmezufulir durch isobare Mischung mit rezirkuliertem,
heißem Arbeitsgas, das eine zusätzliche Prozeßschleife durchläuft. Als deren ersten
Schritt führt es bei der Mischung mit der verdichteten Frischluft eine isobar Kompression
von der Prozeßhöchsttemperatur auf die isochore Anfangstemperatur aus, die gleich
der gewünschten Zündtemperatur ist. Zur Schließung der Zusatzschleife wiederholt
das Rezirkulationsgas die isochore Wärmezufuhr und die isotherme Teil expansion
bis zum isentropen Verdichtungsenddruck, wobei es diese Zustandsänderungen zusammen
mit der Grundarbeitsgasmenge durchläuft.
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Da in der zusätzlichen Prozeßschleife die abgeführte Wärme groß ist,
hat sie einen schlechten thermischen Wirkungsgrad. Andererseits überträgt aber die
im Kreisprozeß neue isobare Mischung die abgeführte Wärme ohne Wärmetauscher einfach,
wenn auch nicht ganz verlustlos in den Grundprozeß, sodaß dessen thermischer Wirkungsgrad
besser wird. Daher ist der Wirkungsgrad des mit der Zusatz schleife versehenen Kreisprozesses
nur wenig schlechter als der des zuvor geschilderten, günstigen Vergleichsprozesses
und sinkt mit von Null an zunehmender Rezirkulationsgasmenge nur langsam ab. Selbst
wenn diese gleich der Grundarbeitsgasmenge wird, ist der thermische Wirkungsgrad
noch höher a.'s beim Otto- oder Joule- Prozeß. Je nach
Verdichtungsverhältnis,
Prozeßhöchsttemperatur und nrforderlicher Zündtemperatur brauchen aber nur 10 bis
70 s des Arbeitsgases rezirkuliert zu werden.
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Der Ausdruck "Rezirkulation" ist zwar zutreffend aber dennoch leicht
irreführend. In Wirklichkeit wird das Arbeitsgas nämlich nicht zurückgeführt sondern
nur in den Brennkammern zurückgelassen, in welchen die isochore Wärmezufuhr sowie
gemeinsam mit expandierenden Arbeitsräumen die isotherme Deilexpansion abläuft,
wozu sich der erwähnte Aufbau der Rotationsklappkolbenmaschine sehr gut eignet,
nämlich dadurch, daß die Steuerköpfe verschiedener Arbeitseinheiten im Gehäuse in
Drehrichtung des Rotors direkt aufeinander folgen. In jeder Arbitseinheit werden
zwei Arbeitstakte vollzogen. So kann hinter der Einheit, die im ersten Takt das
Ansaugen und im zweiten Takt das Verdichten und Ausschieben der letzten isentropen
Verdichtungsstufe ausführt, die Arbeitseinheit angeordnet werden, in der im ersten
Takt die isotherme Teilexpansion und im zweiten das dazugehörige Ausschieben des
heißen Arbeitsgases bei Verdichterenddruck erfolgt.
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Weiter läßt sich in den Segmenten der axial steifen, peripher elastischen
Dichtbuchse jeweils der Abschnitt einer Arbeitseinheit zusammenfassen, aber derart,
daß das Segment sich von der Mitte der einen Einheit bis zur Mitte der nächsten
erstreckt. Dadurch liegt ein-und dasselbe Segment über dem Verdichtungs- und Ausschiebetakt
der letzten Verdichterstufe und dem Expansionstakt der isothermen Teilexpansion.
Wird nun in dieses Segment die Brennkammer so breit, wie die Steuerschlitze lang,
derart eingebaut, daß sie vom Beginn des Ausschiebens an bis zum Ende der isothermen
Teilexpansion zum Rotor hin offen ist, so ergibt sich von selbst der im entwickelten
Kreisprozeß vorgeschriebene Ablauf der Zustandsänderungen vom Ende
der
isentropen Kompression bis zum Ende der isothermen Teilexpansion einachließlich
der zusätzlichen Prozeßschleife.
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Durch den Prozeßablauf hängt die Brennkammergröße von der Arbeitsraumgröße
ab, welche gleich dem Volumen eines Arbeitszylinders minus dem des Klappkolbens
ist. Die Prozeßdaten erfordern, daß die Brennkammer etwa 1,5-fach so groß, bzw 3-fach
so groß wird, da immer zwei Arbeitsräume parallel geschaltet sind. Trotzdem ist
die Brennkammer immer noch außerordentlich klein, z. B 35 cm3 Volumen. Da sie mit
der angegebet langen und breiten Fläche zum Rotor hin offen seinmuß, kann sie als
kleiner Metall- oder Keramiknapf wärmeisoliert in das gekühlte Dichtbuchsensegment
eingebaut werden, wobei ihre Wandtemperatur durch Bemessung der Isolationsstärke
so hoch wie eben zulässig, bei Siliciumkarbid beispielsweise 1600K, einzustellen
ist.
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Zu Beginn der Frischlufteinschiebung befindet sich in dieser kleinen,
heißen Brennkammer heißes Arbeitsgas mit einer Temperatur von ca. 2000 K. Die Frischluft
einschiebung dauert etwa 0,5 ms. Während sie aus dem gerade ankommenden Steuerschlitz
heraus geschieht, ist der vorherige noch an die Brennkammer angeschlossen und entnimmt
ihr noch das gleiche Volumen an Heißgas, das an Frischluft eintritt. Bei Taktende
wird dieser Steuerschlitz an der Endkante der Brennkammeröffnung geschlossen, während
der nachfolgende noch über den ganzen nächsten Arbeitstakt mit der Brennkammer verbunden
ist, die Klappkolben in den zugehörigen Arbeitsräumen aber aufgehört haben, Frischluft
einzuschieben, und stattdessen langsam mit dem Rückhub beginnen.
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Während dieser Totphase der Klappkolben findet in der Brennkammer
die isochore Wärmezufuhr durch Ver-
brennung von eingespritztem
Brennstoff mit der Frischluft statt. Das Einspritz- und Brenngesetz wird aber so
gestaltet, daß die Wärme, die in der isothermen Teilexpansion zugeführt werden soll,
erst und entsprechend frei wird, wenn und wie der angeschlossene Arbeitsraum expandiert.
Die isotherme Teilexpansion endet, sobald der nächste Steuerschlitz die Anfangskante
der Brennkammer erreicht, um Frischluft einzuschieben.
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Es ist nicht notwendig, daß die Frischluft sich vor der Verbrennung
vollkommen mit dem vorhandenen Heißgas vermischt, das sich mit dem entstehenden
Verbrennungsgas erneut mischen muß, um die Prozeßhöchsttemperatur zurückzuerlangen.
Vielmehr wird der Brennstoff in zahlreichen kleinen Strahlen über die Brennkammerbreite
verteilt so in das Heißgas eingespritzt, daß er in diesem blitzschnell aufbereitet
wird, bevor er auf den Frischluftstrahl trifft. Die starke Auffächerung des Brennstoffstrahles
ist wegen des flachen Luftstrahles nötig, wegen der kleinen erforderlichen Eindringtiefe
von nur wenigen Millimetern aber auch möglich. Die vielen äußerst dünnen Strahlen
( 0,2 -o,4 ß ) brechen sehr schnell in sehr feine Tröpfchen auf, was den Zündverzug
verkürzt. Unter Umständen kann auch eine Aufspritzung auf die extrem heiße Brennraumwand
in die Aufbereitung einbezogen werden.
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Über den Zündverzug bei so hohen Temperaturen liegen keine Daten
vor. Bei Extrapolation beispielsweise der Messungen von Scheid/ Reuter 72 und Ciezki/Adomeit
r87 darf aber mit Zündverzugszeiten von weit unter einer Millisekunde gerechnet
werden, sodaß die hochfrequente Verbrennung realisierbar erscheint. Es werden nämlich
Taktfrequenzen von 300 bis 400 Hz angel strebt, sodaß für die ganze isochor- isotherme
Verbrennung nur soviel Zeit zur Verfügung steht, wie in einem konventionellen Dieselmotor
der Zündverzug ko-
stet. Man darf aber erwarten, daß sich diese rapide Verbrennung gut durchführen
läßt, weil die Brennkammer so klein und heiß ist, weil das Gas so heiß und anhaltend
turbulent ist, und weil der Brennstoff so gut eingemischt und aufbereitet wird.
Außerdem braucht die Nachreaktion am Ende des Arbeitstaktes nicht abgeschlossen
zu sein, da das Arbeitsgas im nächsten Takt bei der Ausschiebung aus dem Expansionsarbeitsraum
in den heißen Heißgaszwischenspeicher seine hohe Temperatur und Turbulenz beibehält.
Darüberhinaus hat es in diesem und in der ersten isentropen Expansionsstufe noch
erheblich mehr Zeit zur vollkommenen Ausreaktion als notwendig. In dem darauf folgenden
Heißgasspeicher zwischen den isentropen Expansionsstufen hat sich die Gastemperatur
soweit abgesenkt, und besteht genügend Zeit für das Rückgängigmachen der C02 - Dissoziation.
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Deshalb ist Stickoxyd der einzige Schadstoff der in diesem Motor
enstehen kann, was sich aber auch weitgehend vermeiden läßt. Wenn auch die Arbeitstakte
sehr kurz sind, ergibt sich doch eine längere Gesamtheißzeit als beispielsweise
in einem Dieselmotor. Dafür ist aber das Gemisch homogener und stärker durchmischt,
und die Stöchiometrienähe läßt sich besser meiden. Die hohe Gastemperatur bei der
Brennstoffeinspritzung erlaubt eine magere Verbrennung mit Luftüberschuß, was auch
notwendig ist, um die Prozeßhöchst temperatur so niedrig zu halten, daß wenig Stickoxyd
entsteht.
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Für den thermischen Wirkungsgrad, nicht für den Gütegrad, wird man
sie aber möglichst hoch einstellen, wobei der erstere allerdings schon bei relativ
niedriger Höchsttemperatur gut ist und nur noch langsam mit ihr steigt. Diese Optimierungsaufgabe
muß bei der Entwicklung des Rotationsklappkolbenmotors gelöst werden.
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Die beschriebenen beiden Arbeitseinheiten mit der tangentialen Brennkammer
stellen den wesentlichen Bestandteil eines Rotationsklappkolbenmotors zur Lösung
der Erfindungsaufgabe dar. Infolge des Zusammenwirkens von Brennkammer und Arbeitsraum
hängt das Verdichtungsverhältnis der einbezogenen isentropen Verdichtungsendstufe
von der Prozeßhöchsttemperatur und der isochoren Anfangs-, der gewählten Zündtemperatur
ab. Wie eingangs erwähnt, können die noch fehlenden Verdichter und Expander als
Teile der Klappkolbenmaschine oder auch anders gestaltet werden. Die geschilderte
Viertakteinheit mit vier Klappkolben kann man mehrfach um den Rotor herum anordnen
und die Ein- und Auslässe zusammengefaßt zu den anderen Komponenten hinschalten.
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Die Brennkammer des Rotationsklappkolbenmotors hat im Gegensatz zu
den in modernen PKW- Dieselmotoren gebräuchlichen Vorkammern keinen Schadraumeffekt.
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Die Dieselmotoren sind als schärfste Konkurrenten anzusehen. Die Vor-
und Nachteile der enstandenen Konfiguration ihnen gegenüber werden noch einmal aufgelistet:
Vorteile: a) Bedeutend kleineres und leichteres Triebwerk; Konzentration der Verbrennung
auf 1 bis 2 heiße Brennkammern.
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b) Kreisprozeß mit besserem thermischem Wirkungsgrad.
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c) Geringere Gesamtverluste durch Kühlung, Reibung, Undichtheit, Schadraum
und Strömung.
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Aufgrund von e) und b) stark verringerter Brennstoffverbrauch.
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d) Schadstoffärmeres, ruß- und geruchfreies Abgas.
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e) Vielstoffähigkeit; Selbstzündung auch bei relativ zündunwilligen
Brennstoffen.
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f) Einfachere Einspritzanlage mit nur einer Pumpe und nur ein bis
zwei Düsen.
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Nachteile: g) Noch unbekannte, unentwickelte Technik.
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h) Relativ hohe Anforderungen an die Präzision.
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i) Komplexerer Aufbau, viele, wenn auch gleiche, einfach gekröpfte
und sehr kleine Kurbelwellen, viele, wenn auch einteilige und winzige Pleuel, viele,
wenn auch sehr kleine Zahnräder und viele kleine Lager, die sich aber in wenigen
Scheiben befinden, angepreßte Segmentdichtbuchsen.
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) Unbekanntes Verschleißverhalten z.B. der Gewindewellendichtungen,
der Dichtungen und der Klappkolben.
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k) Wahrung einer eng tolerierten Ölviskosität bei Ölkühlung aber im
Langzeitbetrieb.
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Die meisten Vor- und Nachteile gelten auch gegenüber dem Ottomotor.
Hinzu kommt,daß dieser einen aufwändigen Katalysator benötigt. Die Kleingasturbine
steht bei kleineren Motoren völlig außerhalb der Konkurrenz. Bei mittleren bis größeren
Motorleistungen kann sie durch Kombination mit dem Rotationsklappkolbenmotor sehr
leistungsfähig werden.
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Im folgenden wird in den Figuren 1 bis 4 ein Ausführungebeispiel
gezeigt, bei dem außer dem geschilderten Hochtemperaturteil des Motors die erste
isentrope Expansionsstufe in zwei Arbeitseinheiten einer halben 1 6-klappigen Rotationsklappkolbenmaschine
mithineingenommen worden ist, um die Austrittstemperatur aus dieser gekühlten Einheit
auf ein für eine ungekühlte Turbine zulässiges Niveau abzusenken.
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Im einzelnen zeigen: Fig. 1 den ausgewählten Kreisprozeß mit Rezirkulationsschleife
im T-s-Diagramm, Fig. 2 einen Querschnitt durch den Motor längs der Linie II-II
in Fig. 3,
Fig. 3 einen Längs schnitt längs der Linie III-III in
Pig. 2, der die Brennkammer schneidet, und Fig. 4 einen Längsschnitt längs der Linie
IV-IV in Fig. 2, der die Ausschiebeöffnung aus dem isothermen Expander schneidet.
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Zu Fig. 1: Der theoretisch optimale Prozeß erfordert im allgemeinen
ein größeres Druckverhältnis der isothermen Teilexpansion als das der Prozeßschleife,
das durch das Verhältnis von Höchst- zu Zündtemperatur festgelegt ist. Das würde
bedeuten, daß die Grundarbeitsgasmengewnachdem sie aus dem gemeinsam mit der Rezirkulattonsgasmenge
durchlaufenen ersten isothermen Expander ausgeschoben worden ist, in einen zweiten
eintreten muß. Da dieser bei der festliegenden Arbeitsraumgeometrie entweder 2,
3 oder 4 Arbeitseinheiten umfassen müßte, könnte er auch nur ein festes, wahrscheinlich
nicht das optimale Expansionsverhältnis anbieten. Es ist auch nicht sicher, ob noch
genügend Sauerstoff für die neue Verbrennung vorhanden wäre.
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Weiter würde die Zeit, in der sich Stickoxyd bildet, erheblich verlängert.
Deshalb ist der Optimalprozeß nur gestrichelt eingezeichnet, während zu dem vorzugsweise
auszuführenden verkürzten Prozeß der thermische Wirkungsgrad formuliert wird.
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Der Kreisprozeß besteht aus zwei Teilen: a) Grundprozeß für die Arbeitsgasmenge
m: 1-2: Isobare Kompression, 2-3: Isentrope Kompression (9-3: Letzte Stufe der isentropen
Kompression), 3-4:Isobare Expansion, 4-5: Isochore Wärmezufuhr, 5-6: Isotherme Expansion,
6-1: Isentrope Expansion (6-10: Erste Stufe der isentropen Expansion), (theor. optimal:
5-7: Isotherme Expansion, 7-8: Isentrope Expansion)
b) Zusätzliche
Prozeßschleife für mr: 6-4: Isobare Kompression, 4-5: Isochore Wärmezufuhr, 5-6:
Isotherme Expansion Zugeführte Wärme: mQ34+(m+mr) (Q45+Q96)=mcp(T4T3)+ (m+mr)[cv(T5-T4)+RT5ln(P5/P6)]
Abgegebene Wärme: mQ12+mrQ64=mcp (T1-T2)+mrcp (T6-T4) Durch isobare Mischung zurückgeführte
Wärme: mrQ64=mQ34 Thermischer Wirkungsgrad:
In der Fig. 2 ist auf 1800 Umfang einer Rotationsklappkolbenmaschine ein Kernmotor,
der von Punkt 9 bis Punkt 10 des gezeigten T-s-Diagramms arbeitet, angeordnet. Auf
diesem Abschnitt enthält der Rotor 51 acht Arbeitszylinder 52, in denen je ein Klappkolben
53 gegenphasig zu den Nachbarklappkolben hin-und herklappt derart, daß er bei 45°
Rotordrehung einen Hin- und Herschwenk ausführt. Am Rotorumfang befindet sich zwischen
den benachbarten Arbeitszylindern jeweils ein gemeinsamer Gaswechselkanal 54 mit
dem Steuerschlitz 5, der sichentlang der ganzen Zylinderlänge erstreckt (s. Fig.
3/4).
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Von der axial steifen, radial und peripher elasti-
schen
Dichtbuchse 57, die den Rotor 51 mit Mikrospalt 56 umschließt, sind fünf Segmente
58, 59, 60,61,62 sichtbar, die durch die gummielastische Einlage 63 dicht miteinander
verbunden und durch kaltes, die Kanäle 64 durchfließendes öl gekühlt sind. Die Segmente
der Dichtbuchse werden jeweils durch zwei Hydraulikkolben 65/66, eventuell von dem
unter Einspritzdruck stehenden Brennstoff, auf den Ölfilm über den Gewindewellendichtungen
67/68 im Mantel des Rotors 51 gepreßt. Die Größe der Hydraulikkolben 65/66 entspricht
der notwendigen Anpressung, die sich aus dem unter dem; jeweiligen Segment auftretenden
und dem außen auf ihm lastenden Druck ergibt. In Umfangsrichtung festgehalten, schwimmen
die Buchsensegmente 58-62 auf den Sperrölfilmen, die sich bei Rotordrehung über
den gegenläufigen Gewindewellendichtungen 67/68 aufbauen.
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Die Ölfördergewinde 67 verhindern, daß Öl in die Dichtspalte 56 unter
den Buchsensegmenten zwischen den Ein- und Auslässen 72-77 eintritt, und erzeugen
einen Sperrdruck, der über dem mittleren Gasdruck am Rotorumfang im Dichtspalt 56
liegt. Die Fördergewinde 68 bauen denselben Sperrdruck vom Niederdruck des Öls im
Gehäuseraum 69 aus auf, wobei sich die Dichtspalte 70 über den Ölfördergewinden
67/68 anpressungsabhängig auf die benötigte Spalthöhe einstellen, die gleich der
im trockenen Spalt 56 ist. Die Anpressung der Segmente ist so auszulegen, daß sich
unter allen Segmenten in etwa die gleiche Mikrospalthöhe ergibt.
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Infolge des unterschiedlichen Gasdrucks schwankt die Breite der Ölfilme
in den Spalten 70 von Segment zu Segment, aufgrund der Massenträgheit jedoch nur
wenig.
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Wenn der Rotor 51 steht, setzt die schwimmende elastische Dichtbuchse
57 sich infolge der Anpressung auf die Weichdichtungen 71 im Rotormantel auf, sodaß
auch dann kein Sperröl in den ohnehin verschwindenden
Dichtspalt
56 hineinkriechen kann. In diesem Fall umschließt der Innenmantel der Dichtbuchse
den Rotor fugenlos. Wenn er im Betrieb drehzahlabhängig um einige Hundertstel von
Millimetern abhebt, öffnen sich zwischen den Segmenten axiale Fugen in der Dichtfläche,
die weniger als halb so breit und deshalb nicht schädlich sind. Auch bei hohen Differenzdrücken
lassen die engen Dichtspalte 56 nur wenige Prozent des Arbeitsgases, das umso zäher
ist, je heißer es ist, unter der Dichtbuchse in Umfangsrichtung von den Hochzu den
Niederdruckmündungen 72-77 fließen, die sich in den Segmenten 58-62 abwechseln.
In axialer Richtung kann durch die Sperrölfilme hindurch kein Leekgas abströmen.
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Der Weg des Arbeitsgases durch den Motor beginnt, wenn der Verdichter
79 der ersten isentropen Stufe es als Frischluft ansaugt und in den Zwischenspeicher
80 drückt, der als Pufferraum die Druckschwankungen, die gegebenenfalls schon mit
dieser Kompression auf jeden Fall aber mit der nachfolgenden verbunden sind, dämpft.
Bei jeder Drehung des Rotors 51 um einen Arbeitstakt = 22,5° läuft ein Steuerschlitz
55 an der Eintrittsmündung 72 entlang, und die Klappkolben 53 saugen vorverdichtete
Luft aus dem Zwischenspeicher 80 in die beiden Arbeitsräume 92. In den beiden nächsten
Arbeitstakten wandert derselbe Steuerschlitz 55 unter dem Dichtbuchsensegment 59
her, in dem sich die Brennkammer 81 befindet, deren zum Rotor hin liegende Öffnung
den Auslaß 73 aus dem Verdichter und den Einlaß 74 in den isothermen Expander umfaßt.
Im ersten Abschnitt des ersten Taktes ist der Steuer, schlitz 55 durch das Dichtbuchsensegment
59 abgesperrt, und die Klappkolben in den Arbeitsräumen 92 komprimmieren die vorverdichtete
Luft zu Ende. Sobald der Steuerschlitz die Brennkammer erreicht, wird die Druckluft
in diese eingeschoben, wobei die Arbeitsräume 92 sich auf die Größe Null zu den
Räumen 82 reduzieren.
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Die Brennkammer 81 ist als heiße Keramikschale 83 mit einer Isolierschicht
14 in das gekühlte, radial erweiterte Buchsensegment 59 eingebaut und enthält auf
ihrer Breite eine Reihe von Einspritzöffnungen 84, hinter denen eine Rohrdüse 85
mit entsprechend vielen parallelen Einspritzbohrungen 48 liegt. Aus diesen heraus
erfolgt jeweils um die Zündverzugszeit vor der Druckluft einschiebung eine Einspritzung
von Brennstoff. In der heißen Brennkammer 81 befindet sich zu dieser Zeit Brenngas
vom Vortakt mit Prozeßhöchsttemperatur und Verdichterenddruck. Der Brennstoff dringt
nicht sehr tief in das zähe Heißgas ein, sondern wird sofort zersprüht, verteilt
und verdampft. In der Umkehrphase der Klappkolben 53 trifft die komprimmierte Frischluft
auf die heiße Brennstoffwolke und verbrennt sie fast schlagartig, wodurch der Gasdruck
isochor auf den Prozeßhöchstdruck steigt.
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Während man beim Dieselmotor derartig steile Druckanstiege nicht
liebt und zu mildern versucht, ist das beim Klappkolbenmotor anders, weshalb er
auch für Benzin und Wasserstoff geeignet erscheint. Es ergeben sich zwar ebenfalls
Belastungsspitzen für das Triebwerk, aber die Frequenz der Verbrenr nungen ist 6-
bis 10-fachhöher, und die Explosionsstöße sind allein dadurch entsprechend kleiner,
während aber auch das o-ptimale Druckniveau vermutlich niedriger sein wird. Der
Rotationsklappkolbenmotor kann und muß mit steilem Druckanstieg verbrennen.
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Im zweiten Arbeitstakt der Steuerschlitzpassage über die Brennkammeröffnung
dringt das Druckgas in die jetzt expandierenden Arbeiträume 82 ein und leistet Arbeit
an den Klappkolben 53. Gleichzeitig sendet ein Nachpuls neuen Brennstoff aus der
Düse 85 in die Brennkammer, damit er zur Aufrechterhaltung der Höchsttemperatur
verbrennt. Das in der Brennkammer vorgefundene und das neugebildete Brenngas expandieren
gemeinsam isotherm. Die Arbeitsräume 82 nehmen die Grundarbeitsgasmenge als Heißgas
mit Höchsttemperatur und Verdichterenddruck wieder auf, um sie während des ganzen
nächsten
Arbeitstakt es, wenn derselbe Steuerschlitz 55 über den
Auslaß 75 streicht, und die Klappkolben wieder zu ihm hinklappen, in den Hochtemperaturgasspeicher
78 auszuschieben. Das Rezirkulationsarbeitsgas bleibt mit gleichem Zustand erneut
in der Brennkammer zurück, an welcher gleichzeitig schon der nächste Steuerschlitz
55 mit der Wiederholung der geschilderten Arbeitsgänge beginnt.
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Der Hochtemperaturgasspeicher 78 ist als wärmeisolierte, geschlossene,
keramische Röhre derart in das zylindrische Motorgehäuse 15 eingebaut, daß er Temperaturdehnungen
ausführen kann, dabei aber dicht sowie dicht mit dem Auslaß 75 und den beiden Einlässen
76 verbunden bleibt. Der axial daneben liegende, nicht sichtbare Sammelkanal für
die Auslässe 77 ist gleichartig aufgebaut. Der Hochtemperaturgasspeicher 78 besteht
aus gewölbeartig zusammengestellten Kanalstücken 95, die mit glattgeschliffenen
radialen Endflächen aneinanderliegen und durch Druckfedern 96 zusammengepreßt sind.
Die Kanal stücke 95 sind mit eingeschliffenen Sitzen auf die von den Ein- und Auslaßmündungen
kommenden Keramikrohrstutzen 93/94 aufgesteckt. In den Arbeitstakten wird die Grundarbeitsgasmenge
aus den zwei Arbeitsräumen 87 in den Heißgasspeicher 78 ein- und aus diesem heraus
in die vier Arbeitsräume 86 ausgeschoben. In diesen expandiert das Arbeitsgas isentrop
im Raumverhältnis 1:2, um anschließend, bzw. auch parallel, aus den Arbeitsräumen
88 über die Auslässe 77, den Sammelkanal und die Anschlußleitung 89 in den zweiten
Heißgasspeicher 90 zu gelangen. Dort ist der Punkt 10 des Kreisprozesses erreicht,
und vollzieht sich bei ermäßigtem Temperaturniveau die CO - C02 - Nachraktion, bevor
das Arbeitsgas in der Expansionsmaschine 91 auf den Außendruck bis zum Punkt 1 des
Kreisprozesses ausexpandiert.
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Der dargestellte Prozeß beansprucht 1800 des Motorumfangs. Auf den
anderen 1800 Grad wird er entweder wiederholt, oder sie werden für die erste Stufe
der Verdichtung genutzt. Ob man für die zweite Stufe der isentropen Expansion besser
eine Rotationskolbenmaschine oder eine Turbine einsetzt, muß sich in der Entwicklung
ergeben.
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Das Planeten- Kurbelgetriebe, das die Klappkolben beim Umlauf des
Rotors hochfrequent hin- und herschwingen läßt, gehört nicht zum Umfang der Erfindung
und ist nicht dargestellt. Es ist aber in den Rotor integriert und befindet sich
als sehr effektives, starkes und robustes Organ ein- oder beidseitig axial neben
den Arbeitszylindern 52, durch welche die Klappkolbenwellen 45 hindurchlaufen, die
die Klappkolben 53 tragen. Die Klappkolbenwellen 45 sollen möglichst nah bei den
Arbeitszylindern axial geführt sein, z. B.
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durch die beidseitigen Bundlager 34, damit die Klappkolben auch bei
der unvermeidbaren, aber möglichst kleinen Temperaturdehnung der Klappenwellen noch
mit geringem Axialspiel frei oszillieren können. Das Radialspiel der Radialgleitlager
18/19 ist ebenfalls klein, sodaß die kleinen Klappkolben trotz Berührungslosigkeit
allseits mit sehr engen Spalten zu den Wänden der Arbeitszylinder hergestellt werden
können.
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Das ist notwendig, damit die Spalte, laminar durchströmt, hohe Prozeßdrückw
mit kleinen Leckverlusten abdichten.
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Wellendichtringe 46 verhindern, daß Drucköl in die Arbeitszylinder
übertritt, wobei aber auch die trokkenen Dichtspalte 40 an den Klappkolbenwellen
Leckkanäle für das Arbeitsgas darstellen und sehr eng zu halten sind.
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Damit die engen Spalte auch im Motorbetrieb gewahrt bleiben, werden
sowohl die Arbeitsraumwände als auch die Klappkolben durch intensive Kühlung kalt
gehalten.
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Für die letzteren wird z. B. das Drucköl für die Schmie-
rung
der Gleitlager 18,19,34 sowie der weiteren nicht gezeigten Gleitlager an den Klappkolben-
und Kurbelwellen gekühlt über Bohrungen 47 und Dichtungen 43 durch die Zentralbohrungen
44 der Klappkolbenwellen 45 geleitet. Von diesen aus wird es über Bohrungen 42 durch
die Hohlräume 49 der Klappkolben 53 umgelenkt, um sie von innen zu kühlen.
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Zur Kühlung der Arbeitszylinder 53 fungiert der Rotor 51 selbst als
Kühlölförderpumpe. Durch die Bohrungen 30 saugt er in Nabennähe kaltes Öl aus dem
Gehäuseraum 69 an und fördert es mit Hilfe der Fliehkraftwirkung durch die Hohlräume
31 in seinem Mittelstück sowie über die Bohrungen 32 und durch die radialen Kanäle
37 in den Stirnwänden der Arbeitszylinder in die axialen Bohrungen 36, die es neben
den Gewindewellendichtungen am Rotorumfang wieder in den Gehäuseraum 69 ausstoßen.
Die axialen Bohrungen 36 führen das Kühlöl auch durch die Deckwände 33 im Rotor
mantel über den Arbeitszylindern 52, wobei es von Zylinder zu Zylinder abwechselnd
nach rechts und nach links geleitet wird. Auf diese Weise durchströmt das Kühlöl
alle Arbeitsraumwände flächendeckend und mit relativ hoher Geschwindigkeit. Durch
Kühlschlangen 39 wird das 01 im Gehäuseraum 69 oder auch außerhalb des Motors rückgekühlt.
Auch für die Gewindewellendichtungen, die es ebenfalls versorgt, muß seine Temperatur
in engen Grenzen gehalten werden.
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Der Rotor 51 ist in Wälzlagern 35 im Motorgehäuse 15 gelagert, und
der Gehäuseraum 69 ist mit Wellendichtringen 38 gegen Ölaustritt abgedichtet.
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Literatur 1 2 Wankel, F.: Einteilung der Rotationskolbenmaschinen.
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Deutsche Verlagsanstalt, Stuttgart 1963 [ 2 2 7 DE 33 23 397 Al:
Rotationsmaschine mit Klappkolben.
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Auch: Eur. Pat.anm. 84 106 846.3 : Rotationskolben-3 3 7 maschine
als Expansionsmaschine oder Verdichter.
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4 4 7 P 35 40 369.1 : Gegenläufige Gewindewellendichtung sowie berührungslose,
trockene Spaltdichtung mit selbsttätiger Minimalspalteinstellung.
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E 5 m Sienenik,L., J. Keylwert, P. Hofbauer, B. Wiedemann: Arbeitsraumbildende
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6 6 7 Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 14. Aufl.
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1981, Springer- Verlag, Berlin Heidelberg N. York, D Thermodynamik,
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Reuter: Erste Untersuchungen des Zündverhaltens bei Einspritzung in eine Druckkammer
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Selbstzündverhalten von N-Heptan- Luft- Argon Gemischen. Sonderforschungsbereich
224, Koll. "Mot. Verbr." Nov. 1985, RWTH Aachen