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Drehkolbenbrennkraftmaschine Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenbrennkraftmaschine.
Bekanntlich ist die Aufgabe, eine Drehkolbenbrennkraftmaschine zu schaffen, sehr
alt, ohne daß doch bisher eine befriedigende Lösung gefunden worden wäre. Die Drehkolbenbrennkraftmaschine
gemäß der Erfindung hat jedoch bereits im Dauerbetrieb ihre Brauchbarkeit erwiesen.
Dieser Erfolg wurde durch die Vereinigung einer Reihe an sich bekannter Merkmale
erzielt, die jedoch in der von der Erfindung vorgesehenen Kombination bisher noch
nicht vorgeschlagen wurde. Folgende Merkmale sind in der Maschine gemäß der Erfindung
vereinigt: x. zwei in einem Gehäuse zusammenwirkende Drehkörper mit je einem flügelartigen
Drehkolben und je einer Aussparung, in die der andere Flügelkolben beim Umlauf eingreift,
2. eine derartige Anordnung und Ausgestaltung der Flügelkolben, daß sie bei jeder
Stellung im Gehäuse nur zwei Kammern veränderlichen Rauminhaltes bilden, 3. außerhalb
des Brennkammergehäuses liegende Kupplungsmittel für das zwangläufige Zusammenwirken
der beiden Drehkörper, q.. in den Gehäusestirnwänden angeordnete Einlaß- und Auslaßschlitze,
die von den Drehkörpern selbst bzw. von mit diesen verbundenen Scheiben gesteuert
werden, und 5. die Hintereinanderschaltung zweier bzw. mehrerer Doppelkammern nach
dem zweiten Merkmal, von denen die erste als Verdichter und die anderen als Kraftmaschine
arbeiten.
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Nur durch die Vereinigung aller fünf Merkmale wird die Brauchbarkeit
einer Drehkolbenbrennkraftmaschine von der Art, auf die sich die Erfindung bezieht,
gewährleistet. Dies wird aus einer kurzen Erläuterung der Bedeutung der einzelnen
Merkmale verständlich werden: Die Schwierigkeit der Vermeidung einer zu hohen Betriebstemperatur
kann nur dann mit wirtschaftlich tragbaren Mitteln überwunden werden, wenn genügend
Raum für eine möglichst weitgehende Ausdehnung des verpuffenden Betriebsmittels
zur Verfügung steht. Dieser große Raum wird dadurch gesichert, daß die beiden zusammenwirkenden
Drehkörper nur mit je einem flügelartigen Drehkolben versehen sind, die bei jeder
Stellung im Gehäuse nur zwei Kammern veränderlichen Rauminhaltes bilden. Werden
durch die Ausgestaltung der Flügelkolben oder durch die Anordnung von mehr als einem
Kolben an jedem Drehkörper mehr als zwei Kammern im Gehäuse gebildet, dann wird
die Ausdehnung des Betriebsmittels- zu gering und die Betriebstemperatur zu hoch.
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Durch die Anordnung einer Aussparung in jedem Drehkörper, in die der
andere Flügelkolben
beim Umlauf eingreift, wird einerseits die
Möglichkeit geschaffen, daß die Kolben bei jeder Stellung, wie eben erwähnt, nur
zwei Kammern im Gehäuse bilden, und andererseits können diese Aussparungen als unempfindliche
Mittel für die Steuerung von Einlaß- bzw. Auslaßschlitzen verwendet werden.
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Da der Gleichlauf der beiden zusammenwirkenden Drehkörper gesichert
werden muß, sind Kupplungsmittel vorgesehen; diese dürfen jedoch mit Rücksicht auf
die Temperatur nicht innerhalb des Gehäuses liegen.
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Die Steuerung des Einlasses und Auslasses scheint zunächst am einfachsten
beherrschbar zu sein durch zwangläufig betätigte Ventile. Tatsächlich aber hat sich
gezeigt, daß die bei Ventilen unvermeidlichen toten Räume den Wirkungsgrad dieser
Maschine so herabsetzen, daß sie unbrauchbar werden. Deshalb sind gemäß der Erfindung
in den Gehäusestirnwänden angeordnete Schlitze vorgesehen, die von den Drehkörpern
selbst bzw. von mit diesen verbundenen Scheiben gesteuert werden. Hierdurch werden
tote Räume und empfindliche hin und her gehende Teile vollkommen vermieden und die
Vorteile einer nach dem Grundsatz des Gleichstromes arbeitenden Maschine erreicht.
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Aus verschiedenen bekannten Gründen können die Vorteile einer Drehkolbenbrennkraftmaschine
gegenüber einer mit hin und her gehendem Kolben arbeitenden Maschine erst bei höheren
Drehzahlen auftreten. Diese höheren Drehzahlen bedingen aber hohe Strömungsgeschwindigkeiten
des gasförmigen Betriebsmittels und damit hohe Reibungsverluste, die so groß werden
können, daß die Maschine keine Leistung mehr abgibt. Um nun einerseits eine gute
Füllung der Verbrennungskammern zu sichern und andererseits die Reibungsverluste
des strömenden Betriebsmittels in den Zuführungsleitungen gering zu halten, ist
die Maschine gemäß der Erfindung mit einem unmittelbar mit ihr verbundenen Verdichter
versehen, der genau so ausgebildet ist wie die Kraftmaschine. Durch die gleiche
Ausbildung des Verdichters wird die Herstellung vereinfacht und eine genaue Steuerung
für den Übertritt des verdichteten Betriebsmittels in die Verbrennungsräume gesichert,
wobei die Leitungen sehr kurz sind und geringste Strömungswiderstände bieten.
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Einzelne der bekannten Vorschläge vereinigen zwar schon einzelne der
geschilderten Merkmale, deren sich auch die Erfindung bedient. Wenn jedoch selbst
die Merkmale z bis 3 vereinigt waren, statt der Ein- und Auslaßschlitze aber zwangläufig
gesteuerte Ventile vorgesehen waren, dann konnten jene Maschinen wegen der großen
toten Räume nicht arbeiten.
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Weitere Merkmale und Vorteile gemäß der Erfindung gehen aus der folgenden
Beschreibung hervor, in der an Hand der beigefügten Zeichnung zwei Ausführungsbeispiele
erläutert sind. In der Zeichnung zeigt Fig. z einen senkrechten Längsschnitt durch
die Maschine, Fig. a einen waagerechten Längsschnitt, Fig.3, q., 5 Querschnitte
nach den Linien III-III, IV-IV und V-V der Fig. z, Fig. 6 einen Schnitt durch eine
weitere Ausführungsform, Fig. 7 und 8 weitere Schnitte durch die Ausführungsform
nach Fig. 6.
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Die in Fig. z bis 5 dargestellte Maschine enthält drei nebeneinander
und in einer Flucht liegende Kammern a, b, c; eine von diesen dient der Verdichtung
des Betriebsstoffes, die anderen seiner Zündung und Verbrennung.
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Wenn im folgenden von Kammern gesprochen wird, so sind hierunter eigentlich
Doppelkammern zu verstehen, denn die Räume a, b und c, die, wie aus den Fig.
3 bis 5 erkennbar, die Form zweier achtförmig ineinandergreifender Ringkanäle aufweisen,
werden durch je zwei zusammenwirkende Flügelkolben k jeweils in zwei einzelne Kammern
unterteilt.
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Die Verdichtungskammer b ist mit den Verbrennungskammern a und c,
welche auf beiden Seiten der ersteren angeordnet sind, durch Kanäle d und c verbunden.
Um zu verhindern, daß Druckverluste bei derFörderung derLadung von dem Verdichter
nach den Verbrennungskammern auftreten, ist der Fassungsraum des Verdichters b im
Verhältnis zu dem der Verbrennungskammern a und c größer, z. B. kann der Fassüngsraum
des Verdichters eineinhalb-oder zweimal so groß sein wie der der Verbrennungskammern.
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In jeder dieser Kammern a, b, c ist je ein Drehkörper
f, f l, g, g1, h, hl untergebracht, die auf parallel verlaufenden
Wellen i und j sitzen und darauf in bekannter Weise befestigt sind. Die Drehkörper
haben einen solchen Durchmesser, daß ein vorbestimmter Raum zwischen denselben und
den Kammerwänden bleibt. Sie besitzen eine glatte Umfangsfläche und je einen als
Kolben wirkenden Flügel k, der an der Innenwandung und den Seiten der Doppelkammern
a, b, c dicht anliegt. Die Drehkörper weisen an ihrem Umfang solche Aussparungen
L auf, daß die Flügelkolben k ihre volle Umdrehung ausführen können. Dabei sind
die Flügelkolben der Verdichtungskammer b in entgegengesetztem Sinne angeordnet
und ausgebildet wie die der Verbrennungskammern a und c.
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Die Drehkörper f, g und h sind an der Seite mit Scheiben
ausgerüstet, welche in zylindrischen Aussparungen nz der Wände der Kammern
a, b, c umlaufen, und zwar ist der Drehkörper f mit zwei Scheiben
n und o, der Drehkörper g mit zwei Scheiben P und q und der Drehkörper 1a mit zwei
Scheiben r und s ausgerüstet.
Kolbenringe z sind am Umfang
der Scheiben zwecks gasdichter Abdichtung vorgesehen.
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Die Scheiben o, _P, q, y sind mit Schlitzen t, 2L, v,
w versehen, welche der Form der Aussparungen in den Drehkörpern angepaßt sind. Die
Scheiben n und s sind nur dazu da, um die Verbrennungskammern abzudichten. Sie sind
nicht mit Ausnehmungen versehen.
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Die Ausnehmungen u und v in den Scheiben und
q auf den Seiten der Drehkörper g und h
sind einander gegenüberliegend
angeordnet und regeln das Öffnen und Schließen der Kanäle x und y, die von der Verdichtungskammer
zu den Verbindungskanälen d und e führen. Die gegenüberliegenden Ausgänge
der Kanäle d und e werden durch die Scheiben o und y gesteuert, welche die Kanäle
x1 und y1 öffnen und schließen und von denselben zu den Verbrennungskammern a und
c führen.
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Die Ausnehmungen t, u, v und w in den Scheiben und die
Öffnungen x, x1, y, y1 in den Kammerwänden sind so bemessen, daß die letzteren eine
vorher bestimmte Zeit offenbleiben, so daß eine ungehinderte Überführung des verdichteten
Gases vom Verdichter b nach den Verbrennungskammern a und c erfolgt. Dabei treten
die Öffnungen in der Scheibe und in den Wandungen der Verbrennungskammern a etwas
vor denen der anderen Verbrennungskammer c in Wirkung, so daß das Gas aus dem Verdichter
erst der einen und dann der anderen Verbrennungskammer zugeführt wird.
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Es sind Bohrungen i in den Wänden der Verdichtungskammer auf jeder
Seite des Drehkörpers g1 vorgesehen, die durch die Drehkolben geöffnet und geschlossen
werden und durch Kanäle 3 mit dem Vergaser in Verbindung stehen. Der Auspuff erfolgt
durch Kanäle 4, die im unteren Teil der Verbrennungskammern vorgesehen sind. , Eine
besondere Leitung verbindet den unteren Teil der Verdichtungskammer mit dem oberen
Teil. Diese kann zur Abdrosselung der Maschine geöffnet werden, so daß ein Teil
der Ladung von der Verdichtungsseite der Flügelkolben zu der Ansaugseite gelangt,
wodurch die Förderung der Brennstoffmischung, die zu den Verbrennungskammern strömt,
verringert wird. Daher ist es unnötig, den Vergaser zu drosseln, und die Bildung
von Unterdruck wird verhindert.
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Die Zahnräder 6 und 7, die auf den Wellen x und y sitzen, dienen der
Kupplung der Drehkörperpaare und gewährleisten ihre Bleichgestimmte. Drehung.
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Im oberen Teil jeder Verbrennungskammer sind Zündkerzen 7a vorgesehen.
Um Brennstoffverluste bei der Förderung vom Verdichter nach den Verbrennungskammern
zu vermeiden, ist an beiden Enden der Kanäle d und e eine Kammer 8 mit einer Ringnut
9 ausgespart, welche an die Scheiben der Drehkörper angrenzen. In die Nut 9 ist
ein Ring io eingelegt, der durch eine Feder ii gegen die Scheibe angepreßt wird,
wodurch eine wirksame Abdichtung erfolgt. Die Maschine ist mit einem Wassermantel
12 versehen.
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Die Arbeitsweise ist am Anschluß an die Fig. 3, 4 und 5 zu erläutern
Bei der in vollen Linien in Fig. 3 dargestellten Stellung stehen die Flügelkolben
k des Drehkörperpaares g; g1 im Begriff, sich in der Pfeilrichtung voneinander zu
drehen. Dadurch wird die Brennstoffmischung durch die Kanäle i angesaugt bzw. eingepreßt,
die von dem Drehkörper g1 während dieses Teiles der Umdrehung unbedeckt sind. Gleichzeitig
wird der Brennstoff, der sich vor den Flügelkolben befindet und früher zugeführt
worden ist, verdichtet. Während dieses Arbeitsspieles befinden sich die Drehkolbenpaare
innerhalb der Verbrennungskammern a und c in der in vollen Linien gezeichneten Stellung
der Fig. 4 und 5. Daraus ergibt sich, daß hierbei die Öffnungen x, x1 und y, y1
der Kanäle d und e durch die Scheiben o, p, q und r
geschlossen sind,
so daß keine Ladung vom Verdichter zu den Verbrennungskammern strömen kann.
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Die Weiterdrehung des Verdichterdrehkolbenpaares bringt die Kolben
k in die strichpunktiert gezeichnete Stellung der Fig.3, wobei der Schlitz u der
Scheibe P die Öffnung x freigibt, welche nach dem Kanal d führt, der die Verbindung
mit der Verbrennungskammer a bildet. Gleichzeitig hat, wie das aus Fig. 4 ersichtlich
ist, der Drehkolben f in der Verbrennungskammer cs sich mit der Scheibe o in die
strichpunktierte Stellung gedreht, so daß der Schlitz t hinsichtlich der Öffnung
x1 am Ende der Leitung d in dieselbe Lage kommt wie der Schlitz
u
hinsichtlich der Öffnung x. Während dieser Zeit haben sich die Drehkolben
h in der Verbrennungskammer c zu der strichpunktiert gezeichneten Stellung der Fig.
5 bewegt, bei welcher die Öffnungen y, y1 an den Enden des Kanals e noch
durch die Scheiben q und y geschlossen sind (s. auch Fig. i).
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Weitere Drehung der Drehkolben f und g bewirkt die gleichzeitige Öffnung
der Öffnungen x und x1 durch die Schlitze t und 2i, so daß die verdichtete
Brennstoffmischung durch den Kanal d in die Verbrennungskammer
a zwischen die Flügelkolben des Drehkörperpaares f, f l strömt. Während
dieser Überführung der Ladung tritt deshalb kein Druckverlust ein, weil das Fassungsvermögen
des Verdichters b so groß ist, daß mehr Ladung gefördert wird, als die Verbrennungskammern
aufnehmen können.
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Die Öffnungen x und xl bleiben während einer vorbestimmten Zeit offen,
während sich die Schlitze t und u darüber hinwegbewegen, worauf sie durch die Scheiben
o und P geschlossen
'werden. Die Stellung, die die Drehkörperpaare
f, f 1, g, g1 dabei einnehmen, ist gestrichelt in Fig. 3 und 4 gezeigt. Sobald
die Verbrennungskammer a vom Verdichter abgeschlossen ist, wird die Brennstoffmischung
unverzüglich zur Entzündung gebracht, und die Verpuffung treibt die Drehkörper
f und f 1 zu entgegengesetzt gerichteter Drehung.
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Wie sich aus Fig. 5 ergibt, ist der Verbindungskanal e bis zu diesem
Zeitpunkt durch die Scheiben q und y geschlossen gewesen. Aber sobald die
Öffnungen, die zu der Verbrennungskammer a führen, geschlossen und die Ladung entzündet
ist, werden die Öffnungen auf der anderen Seite der Verdichtungskammer freigegeben,
so daß eine neue Ladung Brennstoff zur Verbrennungskammer c strömen kann. Nun beginnen,
wie sich das aus der gestrichelten Stellung der Drehkolben in Fig. 3 und 5 ergibt,
die Schlitze v und w der Scheiben q und y die Öffnungen y und y1 freizugeben,
so daß eine Ladung in die Verbrennungskammer c zwischen die Flügelkolben der Drehkörper
h und hl geschafft wird. Die Öffnungen y, y1 werden dann durch die Scheiben q und
y geschlossen und die Ladung sofort entzündet. Eine weitere Drehung der Drehkolben
bringt sie wieder in die in vollen Linien in Fig.3 dargestellte Stellung, worauf
das Arbeitsspiel wiederholt wird. Es ergibt sich hieraus, daß während der Zeit zwischen
der Entzündung der zweiten Ladung und der Vollendung eines Arbeitsspieles die Einlaßöffnungen
1 des Verdichters geschlossen sind.
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Auf diese Weise werden also bei jeder Umdrehung zwei Krafthube ausgelöst.
In der Verdichterkammer findet die Brennstoffeinführung und die Verdichtung, in
der einen Explosionskammer die Zündung und der Auspuff gleichzeitig statt, woran
sich die gleichzeitig erfolgende Zündung und Auspuff in der anderen Verbrennungskammer
anschließen. ' Es ist klar, daß, wenn die Verdichterdrehkolben sich zueinander einwärts
drehen und, nachdem die zweite Ladung herübergeschafft ist, wiederum ineinander
eingreifen, um eine neue Ladung aufzunehmen, eine Stellung vorhanden ist, bei welcher
die Räume zu beiden Seiten der Flügelkolben k in freier Verbindung sind. Ferner
ist klar, daß bei Beendigung der Überführung zu der Verbrennungskammer c eine gewisse
Brennstoffmenge unter einem Druck zwischen den Flügelkolben k der Verdichterkolben
verbleibt, der dem endlichen Verdichtungsdruck entspricht. Unmittelbar hierauf wird
diese Restbrennstoffmenge durch die weitere Drehung der Kolben freigegeben und kann
dann nach den anderen Seiten der beiden Drehkolben strömen.
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Die Räume zu diesen Seiten stehen unter gewöhnlichem Druck, der jedoch
durch das Überströmen der Restladung etwas erhöht wird, so daß sich die Ladung zu
Beginn des Verdichtungshubes bereits unter Überdruck befindet. Andererseits wird
beim Saughub während nahezu einer vollen Umdrehung Luft unter Atmosphärendruck angesaugt,
so daß die Drehung der Verdichterkolben zu höchster Leistung ausgenutzt ist.
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In den Fig. 6, 7 und 8 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung
dargestellt. Hierbei ist die Verdichtungskammer 13 an der Seite der Verbrennungskammern,
und zwar unmittelbar über diesen angeordnet (s. Fig. 6).
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Die Verdichtungskammer 13 und die Verbrennungskammern 14 und 15 haben
im wesentlichen die gleiche Ausbildung wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel;
es sind auch hier mit Flügelkolben versehene Drehkörper 16, 17, 18, 1g, 2o und 21
angeordnet, wobei die Drehkörper 16, 17 auf den Wellen 22, 23, die Drehkörper 18,
1g, 2o und 21 auf den Wellen 24 und 25 sitzen.
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Die Verdichterkammer 13 ist mit dem Verbrennungskammern 14 und 15
durch die Kanäle 26 und 27 verbunden, die durch Scheiben 28, 29 gesteuert werden,
deren jede einen Schlitz besitzt, der den in den Fig. 3 und 5 dargestellten Schlitzen
ähnlich ist.
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Der Verdichterdrehkolben 17 ist mit einer Scheibe 30 versehen,
die einen Schlitz 31 besitzt und den Brennstoffeinlaß aus der Leitung 32 durch Steuerung
der Öffnung 33 regelt, die der Öffnung i der Fig. 3 gleich ausgebildet ist und in
der Wandung der Verdichterkammer zwischen den Scheiben 30 und der Leitung
32 angeordnet ist.
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Auf dem einen Ende der Verdichterdrehkolbenwellen 22 und 23 sitzen
Zahnräder 34, die miteinander in Eingriff stehen; Zahnräder 35 sind auf den Wellen
24, 25 der Verbrennungsdrehkolben befestigt. Die Kraftübertragung von- den Verbrennungsdrehkolbenwellen
zu den Verdichterdrehkolbenwellen erfolgt durch die Zahnräder 36 und 37, die auf
der Welle 38 sitzen und mit Zahnrädern 34 und 35 in Eingriff stehen.
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Kolbenringe 39 sind am Umfange der Scheiben 28, 29 angeordnet,
um die Abdichtung zu bewirken. Es sind ferner Rippen 4o für Kühlzwecke vorgesehen;
selbstverständlich könnte auch Wasserkühlung verwendet sein.
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Die Maschine arbeitet in ähnlicher Weise wie die oben beschriebene
Ausführungsform.
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Die Ladung wird durch die Leitungen 32 und 33 in die Verdichterkammer
13 gesaugt; von dort wird sie verdichtet durch die Kanäle 26 und 27 in die Verbrennungskammern
14 und 15 gebracht, wobei die Kanäle 26 und 27 abwechselnd durch die Scheiben 28
und 29 geöffnet werden. Es finden also zwei Verpuffungen während jeder Umdrehung
der Drehkolben statt, wie bei der vorgeschriebenen Ausführungsform.
Dadurch,
daß das Übersetzungsverhältnis zwischen den Wellen der Verdichter- und der Verbrennungsdrehkolben
veränderbar ist, kann der Verdichter mit gleicher Geschwindigkeit wie die Verbrennungsdrehkolben
angetrieben werden, in welchem Falle das Fassungsvermögen des Verdichters größer
sein soll als das der Verbrennungsräume 1q., 15. Der Verdichter kann aber auch mit
einer Geschwindigkeit, die größer als die der Verbrennungsdrehkolbenwelle, beispielsweise
doppelt so groß ist, angetrieben werden, in welchem Falle das Fassungsvermögen des
Verdichters dem der Verbrennungsräume gleich sein kann.
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Beide Ausführungsbeispiele sind Maschinen mit drei Hauptkammern, aber
selbstverständlich kann die Kammerzahl vergrößert werden, d. h. die Maschine kann
mit sechs Kammern, vier Verbrennungs- und zwei Verdichtungskammern arbeiten; sie
erhält dann j e Umdrehung vier Arbeitshübe.
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Die Maschine gemäß Erfindung ist einfach in der Herstellung, betriebssicher
und läuft frei von allen Erschütterungen, weil sie keine hin und her gehenden Teile,
Kurbelwellen, Kolben, Verbindungsstangen usw. besitzt und weil alle sich drehenden
Teile gut ausgewuchtet werden können. Außerdem gestattet sie eine für ihre Größe
überraschend hohe Kraftentwicklung, weil sie einen sehr guten volumetrischen und
mechanischen Wirkungsgrad hat und mit höchsten Drehzahlen betrieben werden kann.