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Scheibenläufermotor
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Die Erfindung betrifft im allgemeinen eine Verbrennungskraftmaschine
und im besonderen einen Rotationskolbenmotor, der sinngemäß nach seinem Aufbau als
Scheibenläufermotor bezeichnet ist.
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Der bekannteste und bisher einzige bis zur Serienreife entwickelte
Rotationskolbenmot or ist der Wankelmotor.
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Außer diesem Motor gibt es noch eine Vielfalt von Ausführungsformen
und Ausführungsmöglichkeiten, von denen die meisten nach Funktion und Aufbau von
Felix Wankel in seinem Buch ' Einteilung der Rotationskolbenmaßchinen' eingestuft
wurden.
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Die Probleme bisher bekanntgewordener Rotationskolbenmotoren lagen
größtenteils in einer aufwendigen Mechanik, da versucht wurde, in eine Drehbewegung
eine zusätzliche Hub - oder Exzenterbewegung zur Bildung eines Verdichtungs- und
Verbrennungsraums einzulagern.
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Zwangsläufig ergaben sich daraus erhebliche Dichtungsprobleme.
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Ein weiteres Problem war zum Teil die direkte Zuordnung eines Arbeitsverfahrens
( 2, 4-Takt - Verfahren ), das sich oftmals nur durch zusätzliche Maßnahmen (Schieber
erreichen ließ, während bei anderen Ausführungen durch zu große schädliche Räume
der Gesamtwirkungsgrad sank.
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Allgemein nachteilig bei allen Maschinen mit Hub.- oder Exzenterbewegungen
ist der fehlende Drehhebelarm im Augenblick der Zündung ( OT ).
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oder Probleme, z.B. beim Wankelmotor, liegen im hohen Kraftstoffverbrauch
und im schlechten Abgasverhalten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird deshalb wie folgt beschrieben:
Schaffung einer einfachen, problemlosen Mechanik mit überwiegend gleichförmig drehenden
Teilen ohne Hub- oder Dxzenterbewegungen von Wellen und der Gestaltungsmöglichkeit
von einfachen Dichtungsformen.
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Sicherstellen des Arbeitsverfahrens derart, daß Prinzip und Aufbau
des Motors völlig darauf ausgerichtet sind.
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Wahl eines Funktionsprinzips, das einen maximalen Drehhebelarm im
Augenblick der Zündung aufweist.
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Auslegung des Motors unter Berücksichtigung von Kraftstoffverbrauch
und Abgasverhalten.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen aufgeführte Erfindung
gelöst.
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Das Jrundprinzip des Scheibenläufermotors basiert auf mechanisch in
einem bestimmten Übersetzungsverhältnis verbundenen Arbeits- und Steuerscheibenläufern.
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Die funktion der Arbeitsscheibenläufer erfolgt nach dem Flügelzellenprinzip
( Ramelli ), die Steuerscheibenläufer enthalten Saug- und Abgasdurchgänge sowie
die Verdichtungsräume, welche auch Verbrennungsräume sind.
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Die Besonderheit des Scheibenläufermotors liegt nun darin, daß sich
einerseits durch die bestimmte Zuordnung von Arbeits- und Steuerscheibenläufern
und andererseits durch die Funktion der Steuerscheibenläufer ein bezultes Arbeitsverfahren
( 2, 4-Takt-Verfahren ) verwirklichen läßt.
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nes geschieht in der Weise, daß außer dem Ansaugen oder wusschieben
von Frisch- bzw. Abgasen das Gemisch von einem Arbeitsscheibenläufer in den Verdichtungsraum
eines Steuerscheibenläufers hinein verdichtet wird und für den
irbeitstakt
in einer anderen Arbeitskammer verwendet wird.
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Damit sind vor bzw. hinter der Dichtleiste eines Arbeitsscheibenläufers
einmal Ausschieben bzw. Ansaugen und beim nächsten Durchlauf der Dichtleiste Verdichten
( für den Arbeitstakt der anderen Arbeitskammer ) bzw. ZündeWArbeiten ( mit dem
verdichteten Gemisch von der anderen Arbeitskammer ) jeweils miteinander gekoppelt.
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Da dieser Vorgang im Wechsel abläuft, ergibt sich ein vollständiges
Arbeitsverfahren ohne Fehltakte.
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Durch die im Verdichtungsraum beginnende Verbrennung unmittelbar vor
der Verbindung mit dem Arbeitsscheibenläufer ist der Steuerscheibenläufer ebenfalls
direkt am Arbeitsprozeß beteiligt.
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Alle dargestellten oder verbal beschriebenen Scheibenläufermotoren
zeichnen sich im wesentlichen durch folende Vorteile aus: - Einfache und kompakte
Bauweise - wenig Teile - Durch einfache geometrische Formen einfache mechanische
Bearbeitung - Aufgrund gleichförmig rotierender Teile große Laufruhe - Keine Massebeschleunigungen
bzw. Verzögerungen aufgrund fehlender oberer ( OT ) und unterer ( UT ) Totpunkte
- çleniger innere Verluste ( z.B. durch den Steuerungsantrieb ) - Besserer Gesamtwirkungsgrad,
da der Verbrennungsdruck immer alf den maximalen Hebelarm wirkt - einer Kraftstoffverbrauch
- ;eniger Abgase
Diese ~rfindunx - als Gesamtkonzept - wird in folgenden beigefigten Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigt einen einen Querschnitt durch einen geschränktachsigen
Motor in der Achse der SteuerscheibenlUufer Fig.2 die Motorhauptkonturen in der
Seitenansicht ig.3 eine perspektivische Ansicht der relevanten Motorteile Fig.4
den Punktionsablauf des Motors in einer Abwicklung ( Querformat ) Fig. 5 einen Querschnitt
durch Ansaug/Abgaskanal sowie den Steuerscheibenläufer Fig.6 als Draufsicht einen
Schnitt durch Ansaug/Abgaskanal im Augenblick der Überschneidung Fig.7 ein Funktionsschema
eines Motors mit einem anderen Arbeitsverfahren Fig.8 einen Querschnitt durch einen
möglichen Aufbau des Motors unter Fig.7 Fig.9 eine alternative Gehäuseform für den
Motor unter Fig.7 Der unter Fig.1 dargestellte mechanische Aufbau zeigt einen Scheibenläufermotor
mit zwei Arbeitsscheibenläufern (1) (2), die auf einer gemeinsamen Welle (5) angeordnet
sind. Die zwei Steuerscheibenläufer (3) (4) sind mit den Arbeitsscheibenläufern
(1) (2) über Kegelradverzahnungen (6) (7) (8) (9) im Übersetzungsverhältnis 1:2
verbunden.
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Weiterhin zu sehen sind die Ansaug (10) (11)- und Abgaskanäle (12)
(13) sowie die Verbindungsöffnungen (14) (15) (16) (17) zwischen Arbeits- und Steuerscheibenläufern.
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Aus Fig.2 und 3 ist die um 180 Grad versetzte Anordnung der von einem
gemeinsamen Gehäuse (18) gebildeten Arbeitskammern (19) (20) der Arbeitsscheibenläufer
ersichtlich.
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Jeder Arbeitsscheibenläufer besitzt eine entsprechend der Arbeitskammerkontur
(23) (24) bewegliche Dichtleiste (21) (22).
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Die Dichtleistenbewegung kann aufgrund der kreisförmigen .1rbeitskammerkontur
ohne besonderen Aufwand zwangsgesteuert werden, z.B. durch eine kreisförmige Nutenführung
an den Gehäuseseitenwänden zum Arbeitsscheibenläufer.
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ebenfalls zu sehen ist, daß durch eine bestimmte Wahl der Durchmesser
sowie Exzentrizität von Arbeitsscheibenläufer (1) (2) und Arbeitskammerkontur (23)
(24) sich die Arbeitskammer (19) (20) nur über einen bestimmten Teil des Arbeitsscheibenläuferumfangs
erstreckt.
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Während des Drehwinkels, in dem die Dichtleisten der Arbeitsscheibenläufer
sich nicht innerhalb der Arbeitskammern befinden, erreichen die Steuerscheibenläufer
die jeweilige Stellung für die nächsten Takte des Arbeitsverfahrens.
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Die xhunktion eines Steuerscheibenläufers (3) für den Ladungswechsel
ist aus Fig.5 ersichtlich.
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Dargestellt ist der Steuerscheibenläufer (3) mit einem zu dem Ansaugkanal
(10) und der Verbindungsöffnung (16) zum Arbeitsscheibenläufer (1) offenem Durchgang
(25) und mit dem Verdichtungsraum (26), der gerade über die Verbindungsöffnung (14)
zum Arbeitsscheibenläufer (2) verbunden ist.
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Deutlich sichtbar ist, daß der Durchgang (25) durch den Steuerscheibenläufer
(3) eine Doppelfunktion hat.
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Während er in der gezeichneten Stellung für den Arbeitsscheibenläufer
(1) das Ansaugen ermöglicht, ist er 180 Grad Drehwinkel des Steuerscheibenläufers
(3) später für den Austritt der verbrannten Gase vom Arbeitsscheiben-
läufer
(2) in den Abgaskanal (12) zuständig.
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Ebenso nimmt der Verdichtungsraum (26) in der gezeichne-Stellung das
von Arbeitsscheibenläufer (2) verdichtete gemisch auf, um eine halbe Umdrehung später
als Verbrennungsraum zuständig zu sein und den Arbeitstakt des Arbeitsscheibenläufers
(1) einzuleiten.
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Damit wird auch der Punktionsablauf nach Fig.4 verständlich. Der Funktionsablauf
ist dargestellt als Abwicklung in vier Phasen über 720 Grad Drehwinkel der Arbeitsscheibenläuf
er gesehen. Aufgrund dessen, daß in den Abwiclclungen die Oberflächen der Steuerscheibenläufer
(3) (4) gezeichnet wurden, mußte die Drehrichtung des einen Steuerscheibenläufers
(4) entgegengesetzt zur richtigen Drehrichtung - siehe Fig. 1 und 3 - eingetragen
werden.
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Wie aus den Abwicklungen ersichtlich ist, arbeitet der Scheibenläufermotor
im 4-Takt-Verfahren, d.h., für einen Arbeitsscheibenläufer finden Ansaugen, Verdichten,
Z<nden/Arbeiten und Ausschieben innerhalb von zwei Umdrehungen ( 720 Grad ) statt.
Der Steuerscheibenläufer macht aufgrund der Übersetzung in dieser Zeit nur eine
Umdrehung ( 360 Grad ).
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Der Funktionsablauf ist jetzt folgender: - Hinter der Dichtleiste
(21) - immer in Drehrichtung der Arbeitsscheibenläufer gesehen - beginnt bei ca.
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0 Grad ( 720 Grad ) der Saugtakt über den Steuerscheibenläufer (3),
vor der Dichtleiste das Ausschielaien von verbrannten Gasen über den Steuerscheibenläufer
(4).
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Jleichzeitig wird im Verdichtungsraum (27) des Steuerscheibenläufers
(4) gezündet und es beginnt hinter der Dichtleiste (22) des Arbeitsscheibenläufers
(2) der Arbeitstakt, vor der Dichtleiste das Verdichten in den Verdichtungsraum
(26) des Steuerscheibenläufers (3).
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- Bei ca. 180 Grad des Arbeitsscheibenläufers (1) ist sowohl das Ansaugen
hinter bzw. das Ausschieben vor der Dichtleiste (21) beendet.
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Für den Arbeitsscheibenläufer (2) ist in dieser Stellung sowohl der
Arbeitstakt hinter als auch der Verdichtungstakt vor der Dichtleiste (22) abgeschlossen.
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- Im Verdichtungsraum (26) des Steuerscheibenläufers (3) wird bei
ca. 360 Grad des Arbeitsscheibenläufers (1) gezündet und es beginnt hinter der Dichtleiste
(21) der Arbeitstakt, vor der Dichtleiste erfolgt das Verdichten in den Verdichtungsraum
(27) des Steuerscheibenläufers (4).
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Für den Arbeitsscheibenläufer (2) beginnt jetzt hinter der Dichtleiste
(22) der Saugtakt über den Steuerscheibenläufer (4), vor der Dichtleiste das Ausschieben
der verbrannten Gase über den Steuerscheibenläufer (3).
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- Bei ca. 540 Grad des Arbeitsscheibenläufers (1) ist sowohl der Arbeitstakt
hinter als auch der Verdichtungstakt vor der Dichtleiste (21) abgeschlossen.
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Für den Arbeitsscheibenläufer (2) ist das Ansaugen hinter bzw. das
Ausschieben vor der Dichtleiste (22) beendet.
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Bis hin zu 720 Grad ist ein vollständiges 4-Takt-Verfuhren abgeschlossen
und der zuvor beschriebene FunX-tionsablauf beginnt von vorn.
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zig.6 zeigt den St euerscheibenlä ufer (3) in der Stell-*mg, wo sich
durch den Durchgang (25) eine Überschneidung zwischen Saug (10) - und Abgaskanal
(12) ergibt.
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Diese Stellung entspricht z.3. im Punktionsablauf nach Fig.4 der Position
des Steuerscheibenläufers (3) für den Drehwinkel zwischen 540 und 720 Grad.
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Bei ca. 540 Jrad des Arbeitsscheibenläufers (1) ist das Ausschieben
der verbrannten Gase aus dem Arbeitsscheibenläuf er (2) über den Steuerscheibenläufer
(3) beendet.
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?ür einen kleinen Drehwinkel ist die Verbindung von Arbeitsscheibenläufer
(2) über Steuerscheibenläufer (3) zum Abgaskanal (12) jetzt geschlossen, wodurch
hinter der ausgeschobenen Abgassäule ein Unterdruck entsteht.
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Durch diesen Unterdruck wird im Augenblick der Uberschneidung über
den Ansaugkanal (10) Luft in den Abgaskanal (12) gesaugt, es wirkt sich der sogenannte
Sekundärlufteffekt in einer Art Nachverbrennung aus mit entsprechend besseren Abgaswerten.
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Das Einspritzen des Kraftstoffs geschieht erst nach der Uberschneidung.
Eine mögliche Plazierung der Einspritzdüse (28) ist in Fig.5 dargestellt.
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Ein weiterer Vorteil der Überschneidung ist, daß die Luft säule für
den folgenden Saugtakt bereits in Füllrichtung in Bewegung geraten ist, womit eine
optimale Püllung erreicht wird.
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Etw<. 180 Grad Drehwinkel des Steuerscheibenläufers (3) später
gibt es wieder eine Überschneidung zwischen Saug - und Abgaskanal. Durch die Luftsäule,
die vom Saugtakt noch in Bewegung ist, wird wieder Luft in den Abgaskanal gedrückt.
Die Kraftstoffeinspritzung ist bereits solange vor dieser Überschneidung abgeschlossen,
daß kein Kraftstoffgemisch mehr in den Abgaskanal gelangen kann.
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Die Zündkerze ( nicht eingezeichnet ) kann sich direkt im Steuerscheibenläufer
befinden mit Zündspannungssuführung über Schleifkontakt ähnlich wie im Zündverteiler
oder aber an der Gehäusewand zum Steuerscheibenlzufer.
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Die Abgase im Bereich der Arbeitsscheibenläufer werden nahezu vollständig
ausgeschoben, jedoch die Abgasreste in den Verdichtungsräumen der Steuerscheibenläufer
bleiben vorerst enthalten. Zur Entleerung befinden sich am Umfang der Steuerscheibenläufer
Bohrungen (29)(30)
im Gehause, durch die die Abgasreste entweichen
können.
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Während der Verdichtungsraum an dieser Bohrung vorbeiläuft, besteht
bereits die Verbindung zum Arbeitsscheibenläufer, der sich gerade im Verdichtungstakt
befindet. Durch den entstehenden Überdruck werden die Restabgase endgültig ausgeschoben,
bevor die Bohrung wieder abgedeckt ist.
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Daß der Durchgang (25) des Steuerscheibenläufers auch an dieser Bohrung
vorbeiläuft, ist ohne Einfluß, da diese Verbindung nur am Beginn des Ausschiebens
besteht, wenn bereits die Verbindung zum Abgaskanal offen ist.
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Vorteilhaft wirken sich die aufgrund der Anordnung der Kegelradverzahnungen
ergebenden Drehrichtungen aus, bezogen auf eine gleichförmige Rotationsbewegung
wie eine zusätzliche DrehunterstUtzung.
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Beim Verdichten übt das Gemisch durch Anordnung und Form des Verdichtungsraums
ein Moment in Drehrichtung des Steuerscheibenläufers aus.
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Im Arbeitstakt wirkt der Verbrennungsdruck nicht nur in Drehrichtung
des Arbeitsscheibenläufers, sondern -9:uch in Drehrichtung des Steuerscheibenläufers,
d.h., durch den Verbrennungsdruck streben beide Läufer auseinander, jeder jedoch
in seine vorgegebene Drehrichtung.
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zig 7 zeigt das Funktionsschema eines Motors mit einem 2-Takt-Verfahren
in zwei verschiedenen Arbeitsstellungen.
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Im Gegensatz zum 4-Dakt-Verfahren haben die Arbeitsscheibenläufer
(31)(32) hier jedoch zwei miteinander verbundene Dichtleisten (33)(34) auf dem Umfang.
Die Verbindung der Dichtleisten ist möglich aufgrund der worm des Gehäuses (35)
sowie der Anordnung über einen gemeinsamen Mittelpunkt mit dem Arbeit sscheib enläuf
er.
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Im Steuerscheibenläufer (36)(37) sind nur die Verdichtungsräume (38)(39)
untergebracht, die Steuerung des Arbeitsverfahrens erfolgt über Ein (40)(41)- und
Auslaßventile (42) (43).
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In Fig.8 ist im Querschnitt eines weiteren möglichen 5 hRElS des 2-Takt-Motors
die Betätigung der Ventile über zwei Nockenscheiben(44)(45) zu sehen, die auf einer
durchgehenden Welle (46), durch welche auch die Steuerscheibenläufer (53)(54) angetrieben
werden, angeordnet sind. Weiterhin zu sehen ist eine andere Kegelradanordnung (47)
(48) (49), wodurch die Arbeitsscheibenläufer gegenläufig werden. Dem Vorteil von
geringeren Lastwechselreaktionen steht hier der Nachteil der fehlenden Drehunterstützung
eines Steuerscheibenläufers gegenüber.
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Beim 2-Takt-Verfahren ergibt sich ein gewisser FUllungsverlust, wenn
sich der nutzbare Raum des Gehäuses über mehr als 180 Grad erstreckt, da zwei Dichtleisten
auf dem Umfang nur maximal 180 Grad für einen Arbeitstakt zulassen.
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Eine andere Gehäuseform für. den 2-Takt-Motor ist unter Fig.9 dargestellt,
wobei sich der nutzbare Raum (50) sich auch über noch weniger als 180 Grad erstrecken
könnte. Zwingend wird für diese Gehäuseform jedoch die Anordnung mit zwei Einzeldichtleisten
(51)(52).
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Bei allen dargestellten Gehäuseformen des 2-Takt-Verfahrens dichten
die Dichtleisten in den Übergangsbereichen von Arbeitsscheibenläuferdurchmesser
bis auf den äußeren Durchmesser des Gehäuses nur mit der Kante wie beim Wankelmotor
und nicht mit der ganzen Fläche wie beim 4-Takt-Verfahren unter Fig.1.
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Pür ein Motorenkonzept mit mehr als zwei Arbeitsscheibenläufern würde
sich ein separater Hauptantrieb für die entsprechenden Steuerscheibenläufer anbieten.
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Alle beschriebenen Scheibenläufermotoren lassen sich auch nach dem
Dieselprinzip betreiben.
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Unabhängig vom Arbeitsverfahren ist es möglich, die Steuerung gemischt
über Ventile und Steuerscheibenläufer oder komplett über die Steuerscheibenläufer
zu betreiben, wobei allerdings die Platzverhältnisse beim 2-Takt-Verfahren nicht
so günstig sind.
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Schädliche Räume - im wesentlichen die Verbindun>söffnungen (14)(15)
beim Verdichtungstakt - lassen sich bei der geschranktachsigen Ausführung relativ
klein halten.
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Zwischen Arbeitsverfahren, nutzbarem Arbeitsraum, Anzahl von Arbeits-,
Steuerscheibenläufer und Dichtleisten bestehen bestimmte Abhängigkeiten.
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