DE1451761A1

DE1451761A1 - Innenachsige Zweitakt-Rotationskolbenmaschine der Trochoidenbauart

Info

Publication number: DE1451761A1
Application number: DE19651451761
Authority: DE
Inventors: Huf Dipl-Ing Franz Josef
Original assignee: Huf dipl-Ing Franz Josef
Current assignee: Huf dipl-Ing Franz Josef
Priority date: 1965-08-28
Filing date: 1965-08-28
Publication date: 1970-03-19
Also published as: JPS4936882B1; DE1451761C3; US3410254A; FR1493155A; GB1154513A; DE1451761B2; JPS5237530B1

Description

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DORXIER SYSTEM GMBH Aktenz.: P 14 51 761.4-13 Friedrichshafen ^ _Unterlmgen

'Innenachsige Zweitakt-Rotationskolbenmaschine der Trochoidenbauart"

Die Erfindung befaßt sich mit innenachsigen Rotationskolbenmaschinen und zwar speziell mit Rotationskolbenbrennkraftmaschinen. Derartige Maschinen bestehen bekanntlich im Prinzip aus einem Gehäuse oder Umschließungekörper und einem darin angeordneten Kolbenläufer. Dabei sind die Achsen des Umschließungskörpers und des Kolbenläufers parallel zueinander, Jedoch in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet. Alle-echten innenachsigen Rotationskolbenmaschinen gehen in ihrer Entwurfsgrundlage von einer Trochoide aus und benötigen dazu noch die zugehörige äußere oder innere Rttllkurve. Aus diesem Grunde lassen sich alle Rotationskolbenmaschinen in ein mathematisch-geometrisches Otrdnungssystem einordnen und zwar in eine erste Gruppe, bei der die Trochoid· den Umschließung*- körper darstellt und der Kolbenläufer die Form der inneren Hüllkurve aufweist, und in eine zweite Gruppe, bei der umgekehrt der Kolbenläufer als Trochoide ausgebildet ist und der Umschließungskörper hierzu die äußere Hüllkurve darstellt.

Die bisher bekanntgewordenen Rotationskolbenbrennkraftmaschinen arbeiten sämtliche nach dem Viertakt-PrinzIp. Die meisten Versuche erfolgten mit Trochoiden als Gehäusewandung und mit dazugehöriger innerer Hüllkurve als Kolbenläufer. Meistens wurden mehrbogige Trochoiden als Entwurfsgrundlage verwendet. Aber dabei ergibt sich der Nachteil, daß mit jedem weiteren Bogen die Exentrizität, d. h. der Kurbelradiua der Maschine, immer kleiner wird. Im wesentlichen beschränkte man

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sich daher auf eine zweibogige Epitrochoide (Nierenkurve) als Gehäuse mit einer dreieckigen inneren Hüllkurve als Kolbenläufer. Bei dieser Ausbildungsfora Bussen die Dichtleisten an der rotierenden inneren Httllkurve angeordnet sein. Sie sind deshalb beim Rotieren der Fliehkraft unterworfen, so daβ sie während des Laufes unterschiedlich stark an der Aussenwand anliegen und daα unter Umständen sogar der zulässige Auflagedruck Oberschritten wird. Außerdem vollführen sie eine beträchtliche und vor allen Dingen eine ungleichförmige mehrfache Pendelbewegung relativ zu ihrer Lauffläche an der Aussenwand. Eine starke ungleichförmige Abnutzung ist die Folge. Dazu kommt noch, daß diese Kopfdichtleisten auch den Schwingungen der Exzenterwelle und des Kolbenläufers unterworfen sind, Infolgedessen entstehen Relativbewegungen der Dichtleisten in ihrem Bett, wobei es zu einem Verkanten und Verklemmen der Dicht leisten kommen kann. Die Kopf dicht leisten schlagen daher mit der Frequenz der genannten Eigenschwingungen der Exzenterwelle gegen die Trochoidenwand, wobei die Schwingebene sich mit der Kolbenläuferbewegung dreht. Dadurch werden nicht nur Beschädigungen der Dichtleisten selbst verursacht, sondern es werden auch mit der Frequenz der Eigenschwingung die sogenannten Rattermarken hervorgerufen, die in kurzer Zeit die Maschine unbrauchbar machen können und daher sehr gefurchtet sind. Kopfdichtleiste und ihre Lauffläche, d. h. die trochoidenförmige Stirnwand des Umschließungskörpers, müssen daher verhältnismäßig häufig ausgewechselt werden. Dabei ist nicht nur die Tatsache der Beschädigung der Teile sehr störend, sondern erschwerend kommt noch der Umstand hinzu, daß selbst das bloße Auswechseln der Dichtleisten Schwierigkeiten mit sich bringt, da hierzu der Kolbenläufer völlig ausgebaut und die maschine auseinandergenommen werden muß.

Ein weiterer Nachteil dieser Haschinenbauart liegt in der Ausbildung des Brennraumes. Vor allem beim Dreieckläufer erhält man einen sehr ungünstigen Brennraum, der in zwei Teilräume aufgeteilt ist. Der Kolbenläufer muß daher eine Ein·

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IHfMiWB₁ damit Oberhaupt die beiden Teilräume «W Kolbenläufer und Trocho!ofenwand des Gehäuses bei« Verbrenmungsvorgang miteinander in Verbindung stehen. Der

erfolgt daher gehnmmt. Erste und höchste

Forderung bei einer Brennkraftmaschine muQ aber eine Möglichst gut· Verbrennung sein und damit eng zusammenhängend selbstverständlich auch ein einwandfreier Gaswechsel. Auch letzterer bringt bei den bekannten Ausbildungsformen von Rotationskolbenbrennkraftmaschinen Schwierigkeiten mit sich. Bei den genannten lotationskolbenmaschinen mit innerer Hüllkurve als Kolbenläufer liegen die GasauslaBkanäle in der Trochoidenwand, also in der Lauffläche der Kopfdichtleisten. Is werden daher nicht nur die Kopfdichtleisten beim Darflbergleiten übermäßig beansprucht, sonder« es tritt bei Freigabe des GasauslaOkanales eine echlagartige Entspannung ein, wodurch nicht nur außerordentlich starke Auspuffgeräusche entstehen, sondern auch die oben schon erwähnten schädlichen Schwingungen des Kolbenläufer* und der Exzenterwelle hervorgerufen werden. Auch beim limlaBvorgang für das Frischgas treten ähnliche Schwierigkeiten auf . Zumindest bleibt im Brennraum ein nicht unerheblicher Gasremt der verbrannten Gase zurück, der den Virkungsgrsd der Haschime verschlechtert. Vor allem aber hat sich bei dem bieberigen.Eotationekolbenbrennkraftmaschinen eine Ausbildumg mim Dieselmaschine als nicht durchführbar erwiesen, da die erforderliche hohe Verdichtung sich nicht erreichen lieft «ad außerdem, wie oben schon erwähnt, der Verbrennungsraum merklOftet ist.

Bekannte Ausbildungen von Rotationskolbenmaschinen der anderen Gruppe, also Maschinen mit äufierer Hüllkurve als Gehäuse und trochoidenförmigem Kolbenläufer, weisen zwar die obengenannten Schwierigkeiten mit den Kopfdichtleisten nicht im dem erwähnten Ausmaß auf, aber die anderen genannten Nachteile mimsichtlich Brennraum und Gaewechsel bestehen auch hier, da es sich um Viertakt-Maschinen mit mehrbogigen Trochoiden

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handelt. Diese Maschinen weisen alle eine sehr kleine Exzentrizität bzw. Kurbelradius auf. Ferner haben sie Schwierigkeiten wegen der beträchtlich langen Dichtgrenze, vor allem, weil die an Gehäuse angeordneten Kopfdichtleisten und die am Kolbenläufer angeordneten Seitendichtleisten kein geschlossenes Dichtsysten bilden. Ferner ergeben die Ecken zwischen den einzelnen aufeinander folgenden Trochoidenbögen immer Schwierigkeiten bei der seitlichen Abdichtung. Eine Ausbildung mit einer zweibogigen Epitrochoide (Nierenkurve) ist bekannt geworden. Dabei wurde die Gaszufuhr zum Brennraum nicht von außen durch die Gehäusewand, sondern'durch die hohle Exzenterwelle und den Kolbenläufer durchgeführt. Diese Ausbildungsform ergab aber beträchtliche Schwierigkeiten bei der konstruktiven Ausbildung von Exzenterwelle und Kolben und ebenfalls auch bei der Abdichtung. Bei anderen Ausbildungsformen erfolgt der Gaswechsel durch Ein- und Auslaßschlitze in den Gehäuseseitenwändeη. Es sind auch andere Bauformen von Rotationskolbenmaschinen mit äußerer Hüllkurve vorgeschlagen worden, Jedoch handelt es sich dabei mehr oder weniger nur um die geometrischen Grundformen, die sich aus den verschiedenen Arten von Trochoiden ergeben. Dabei ist auch schon eine Bauform genannt worden, der die einfachste Epitrochoide, nämlich die Epitrochoide 1:1 (Herzkurve) zugrunde liegt. Es ist bisher aber außer der rein geometrischen Grundform noch keine in der Praxis brauchbare Haschine bekannt geworden, insbesondere sind die Fragen der Verdichtung, des Gaswechsels und der Gasabdichtung bei einer Brennkraftmaschine bisher nicht bebandelt worden.

Von diesem Stand der Technik ausgehend lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine innenachsige Rotationskolbenbrennkraftmaschine zu schaffen, die als Zweitaktmaschine verwendbar ist und die obengenannten Nachteile bezüglich Brennraum und Gaswechsel nicht aufweist, und einen günstigen Wirkungsgrad hat, vor allem auch eine hohe Verdichtung zuläßt und bei möglichst großem Aktivwinkel einen ausreichend großen Kurbelradius

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besitzt. Die Erfindung geht von einer innenacheigen Rotationskolbenmaschine der Trochoidenbauart aus »it einem feststehenden Gehäuse und einem dazu im Abstand der Exzentrizität E parallelachsig angeordneten trochoidenförmigen Kolbenläufer, wobei die innere Begrenzungsfläche des Gehäuses der äußeren Hüllkurve des Kolbenläufer entspricht und aus baubedingten Paarungsgründen bei der Trochoide und/oder der Hüllkurve des Kolbenläufers ein entsprechender äquidistanter Kurvenzug verwendet ist sowie der Gaswechsel über in der Gehäuseseitenwand angeordnete Schlitze erfolgt. Das Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß für die Form des Kolbenlaufers eine wendepunktsfreie Epitrochoide 1:1 (Herzkurve) zugrunde gelegt ist und daß in den beiden als Arbeitsräume verwendbaren Kammern die vom Rotationsmittelpunkt abgewandten Begrenzungslinien der Gaswechselschlitze sich im wesentlichen aus zwei Bogen zusammensetzen, die zumindest angenähert mit einem Teil derjenigen Kurvenbogen übereinstimmen, die durch die Lage des Kolbenläuferrandes zum gewünschten Zeitpunkt des Beginns des OffnungsVorganges und dem gewünschten Zeitpunkt des Endes des Schließvorganges für den betreffenden Gaswechselschlitz bestimmt ist.

Von der an sich möglichen Vielzahl der Wendepunkt freien Trochoiden sei noch die Trochoide mit Flachpunkt als besonders vorteilhaft genannt. Bei ihr fallen die beiden möglichen Wendepunkte einer eingesattelten Herzkurve in dem Flachpunkt zusammen. Die Trochoide mit Flachpunkt hat gegenüber den übrigen Wendepunktfreien (einbogigen) Trochoiden die größte Exzentrizität.

Gemäß weiterer Merkmale der Erfindung kann die Rotationskolbenbrennkraftmaschine entweder als doppelwirkende Zweitaktbrennkraftmaschine, wobei beide Arbeitsräume als Brennraum verwendbar sind, ober als einfach wirkende Zweitaktbrennkraftmaschine, wobei der eine Arbeitsraum als Brennraum und der andere Arbeitsraum als dazugehörige Spülpumpe ausgebildet ist

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und der Gaswechsel von der Spülpumpenseite zur Brennraumseite durch vom Kolbenläufer gesteuerte Überleitkanäle erfolgt, ausgebildet sein.

Herzkurvenförmige Kolbenläufer sind zwar - wie eingangs erwähnt -an sich bekannt, doch handelt es sich dabei entweder nur um rein geometrische Grundformen oder um eine Pumpe, bei der die oben genannten Probleme bezüglich Brennraum, Gaswechsel und Gasabdichtung überhaupt nicht vorhanden sind und bei der auch keine besonders gut passende Hüllkurve zur Trochoide vorgesehen bzw. erforderlich ist. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung werden alle obengenannten und an eine Rotationskolbenbrennkraftmaschine gestellten Forderungen erfüllt. Die Herzkurve ergibt im Verhältnis den größten Arbeitsraum, wobei sich der herzkurvenförmige Kolbenläufer in OT-Stellung ganz dicht an die Hüllkurve anlegt und lediglich der konstruktiv bedingte Abstand der Xquidistanten vorliegt. Der Kolbenläufer taucht wie ein Verdrängerkolben in den Arbeitsraum und schafft die größtmögliche Verdichtung. Die gesamte Gasfüllung des Arbeitsraumes wird dabei nicht verschoben, sondern verbleibt über ein vollständiges Arbeitsspiel in ihrem Arbeitsraum. Die Gasfüllung wird in den eigentlichen Brennraum, d. h. in die Höhlung in der Gehäusestirnfläche, weggequetscht. Es wird dort eine sehr hohe Verdichtung erreicht, die ohne Schwierigkeiten einen Dieselbetrieb ermöglicht. Durch die Wahl der Herzkurve als Entwurfsgrundlage für die Haschine wird auch die zweite Forderung erfüllt und der größtmögliche Kurbelradius bei gleicher Baugröße und mathematisch spezifischer Kurvenfora, z. B. nur Kurvenzüge mit Flachpunkt, gegenüber allen anderen Trochoiden erreicht. Die verwendbare Exzentrizität und damit der mögliche Kurbelradius ist so groß, daß man unbeschadet eine geringe Einbuße an Exzentrizität in Kauf nehmen kann, um damit nach den der Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnissen die außerordentlich wertvollen Vorteil· einer wendepunktfreien Trochoide zu erhalten. Der realisierbare Kurbelradius ist dann immer noch größer als bei allen anderen Trochoidenartsn vergleichbarer Baugröße. Auch das Verhältnis der Volumina voa Arbeiteraum zu

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umbautem Raum ist hier am günstigsten. Der Brennraum selbst ist nicht zerklüftet wie bei den bisher bekannten Rotationskolbenbrennkraftmaschinen und kann als Zentrum der Brennkraftmaschine in der für den VerbrennungsVorgang günstigsten For» gestaltet «erden, so daß auHer einer hohen Verdichtung auch ohne Schwierigkeiten eine einwandfreie Verbrennung mit höchster Abbrennceschwindlgkelt erzielbar ist.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer wendepunktfreien Trocholde, z. B. einer Trocholde mit Flachpunkt_t auch hinsichtlich der Gasabdichtung, denn bei diesen Kurven ist die Pendelbewegung der Kopfdicht leisten relativ zur Lauffläche am lolbenlAuf er gleichmäßig und außerdem sind auch die Schwankungen der Umfangsgeschwindigkeit, d. h. also der Gleitgeschwindigkeit der Kopfdichtleisten auf dem Kolbenläufer, gering. Daraus ergibt sich eine spezifisch geringe Beanspruchung und gleictuBä&lge Abnutzung der Kopfdichtleiste. Dabei bietet sich außerdem die Möglichkeit, eine geschlossene und leicht herstellbare Seltendicht leiste am Kolbenläufer zu verwenden. Auf diese iblee werden auch die oben erwähnten Nachteile der Maschine Mit mehrbogigen Trochoiden vermieden und eine einfache seitliche Abdichtung mit geschlossener Dichtgrenze möglich. Ferner 1st dl· Ausbildung und Anordnung der Gaswechselschlitze außerordentlich vorteilhaft, denn es läßt sich jede gewünschte asymmetrische Gmssteuerung und Differenzsteuerung für den Gaswechsel erreichen, was bisher nur beim Junkers-Doppelkolbenmotor der Fall war, der aber als Hubkolbenmotor mit zwei Kolben in einen gemeinsamen Zylinder in baulicher Hinsicht und wirkungsmäfiig nicht mit Rotationskolbenmaschinen vergleichbar ist und keine Anregung zur Lösung der hler anstehenden Probleme geben kann. Als wesentlich für die Erfindung sei noch hervorgehoben, daß die Vorteile der Differenzsteuerung nicht nur für den Gaswechsel im Brennraum, sondern auch für den Spülpumpenraum gegeben sind. Auch hinsichtlich der Gaswechselschlitze bietet die

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gewählte Trochοideηfora die größte Freizügigkeit, denn nicht nur die Steuerzeiten sind in weiten Grenzen wählbar, sondern auch die wirksame Fläche der Schlitzöffnungen ist stets groß genug, um eine einwandfreie und rasche Spülung ohne Gasrest zu gewährleisten. Es ist sogar eine überladung Möglich.

Wie schon erwähnt, kann die Erfindung für zwei verschiedene Betriebsfälle ausgebildet sein. Im Falle, daß beide Arbeiteräume als Brennraum verwendet werden, entsteht ein doppelwirkender Zweitakt-Motor mit symmetrisches Aufbau. Dieser Motor hat die Arbeitsweise eines Boxermotors. Die beiden einander um 180° gegenüberliegenden Arbeitsräume werden dabei je nach den Erfordernissen jeweils von einer eigenen Spülpumpe oder auch von einer gemeinsamen Spülpumpe versorgt. Im andern Fall wird nur ein Arbeitsraum als Brennraum, der andere Arbeitsraum aber als Spülpumpe für diesen ersten Arbeitsraum verwendet. Hierfür sind Uberleitkanäle zwischen den beiden Arbeitsräumen vorgesehen. Die Uberleitkanäle werden in der gleichen Weise vom Kolbenläufer gesteuert und ermöglichen einen entsprechenden Gaswechsel wie bei der obenbeschriebenen Art. Es liegt hier eine einfachwirkende Zweitakt-Haschine vor. Diese Ausbildungsform hat den Vorteil, daß der Spülpumpenraum infolge günstiger Anordnung des Einlaßschlitzes und der ÜberströmkanalIe ein grosser es wirksames Volumen als der Brennraum aufweist, und daß daher dort ebenfalls eine Überladung des Brennraumes möglich ist. Bei beiden Ausbildungsformen der Erfindung können die Höhlungen in der Gehäusestirnwand, d.h. die eigentlichen Brennräume, dem gewünschten Verbrennungsvorgang entsprechend geformt sein, z.B. so, daß schon das einströmende Frischgas oder die Luft dort verwirbelt wird und dann der Kolbenläufer beim Verdichten durch seine rotierende Oberfläche diese Wirbelbildung im Brennraum noch unterstützt, so daß durch tangentiale oder schräge Kraftstoffeinspritzung zu diesem Gaswirbel eine gleichmäßige Verbrennung stattfinden kann.

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Nachstehend eel die Erfindung anhand von Ausführungebeispielen beschrieben.

Ee zeigen:

Fig. 1 einen vereinfachten Längsschnitt durch eine einfachwirkende Rotationskolbenbrennkraftmaschine;

Fig. 2 eine Anordnung gen. Fig. 1 mit dem Gaswechsel; Fig. 3 einen Querschnitt durch die Fig. 1 gemäß Linie CC;

Fig. 4a einen vereinfachten Querschnitt durch die Fig. 1 gemäß Linie DD mit dem Gaswechsel;

Fig. 4b einen vereinfachten Querschnitt durch die Fig. 1 gemäß Linie CC mit dem Gaswechsel;

Fig. 5 einen vereinfachten Längsschnitt durch eine doppelwirkende Rotationskolbenbrennkraftmaschine;

Fig. 6a und 6b die Anordnung der Gaseinlaß- und Gasauslaßkanäle gemäß Fig. 5;

Fig. 6c die Lage dar die Gaswechselkanäle begrenzenden Trochoiden

Fig. 7 einen Querschnitt zu Fig. 5.

Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel als einfachwirkende schlitzgesteuerte Zweitakt-Brennkraftmaschine mit symmetrischem Aufbau. Die Fig. 3 zeigt dazu die Ansicht gemäß der Schnittlinie C-C in Fig. 1. Die Darstellung ist stark vereinfacht, um lediglich die für das Verständnis der Erfindung wichtigen Teile ^der Anordnung hervorzuheben. Diese Zweitakt-Brennkraftmaschine ist hier als Otto-Motor ausgebildet, wobei in der Fig. 1 links der Verbrennungsraum V/_ und der rechts liegende Arbeitsraum als Spülpumpe V/_g ausgebildet ist. Dar Trochoidenläufer hat die Form einer Wendepunktfreien Epitrc— choide 1:1, d.h. einer Herzkurve. Der Kolbenläufer ist mit 1 bezeichnet und hat die durch einen Pfeil angedeutete Drehricntung. Entlang des Kolbenläuferrandes befindet sich in äquidistentem Abstand eine ringförmige geschlossene seitliche Dichtleiste 2, welche die Abdichtung gegenüber den beiden Seiten-

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wänden 5 und 6 des liaschinengehäusee durchfuhrt. Ergänzend sei erwähnt, daß hier in AusfUhrungebeiepiel diejenige wendepunktefreie Trochoide verwendet wird, die die größte Exzentrizität, also den größten Kurbelradius ermöglicht, nämlich eine Trochoide mit Flachpunkt.

Im Gehäuse befinden sich an den Simultanpunkten die Kopf dicht leisten 3, die die beiden Arbeitsraum der Maschine, d.h. den Verbrennungsraum V/„ und den Spülpumpenräum V/_g gegeneinander abtrennen. Die Gehäusewandung wird durch die beiden äußeren HUllkurvenbögen 4/1 und'4/11 zur Trochoide gebildet. Die beiden HUllkurvenbögen bilden mit dem Kolbenläufer zwei Arbeitsräume. Im linken Arbeitsraum, d. h. im Verbrennungsraum V/g ist in der Gehäusewand, d. h. im HUllkurvenbögen 4/1 noch eine Höhlung vorgesehen, die den Verdichtungsraum V bildet. In diesem Verdichtungsraum ist außerdem noch die Zündkerze 26 angeordnet. FUr den Gaswechsel wird Frischgas vom Vergaser durch einen Spulpumpeneinlaßkanal 12 in der Seiten wand in den Spttlpumpenräum V/_g gebracht. Bei der Rotationsbewegung des Kolbenläufers 1 wird dieses Frischgas in einem dort befindlichen SpUΙρυοφβηverdichtungsraum V/_ verdichtet und gelangt dann durch Überleitkanäle zu den Spülschlitzen 15 in die Seitenwand 5 des Verbrennungsraumes V/.. Der Gasauslaßschlitz 16 befindet sich im Verbrennungsraum auf der gegenüberliegenden Seite 6 der Gehäuse wand. Die Vorgänge beim Gaswechsel sind im einzelnen anhand der Fig. 4a und 4b deutlicher dargestellt. Die Fig. 2 zeigt die Vorgänge beim Gaswechsel in Abhängigkeit von der Jeweiligen Winkellage des Kolbenläufers. Aus den eingezeichneten Pfeilen geht hervor, daß die Spülschlitze 15 schräg in den Verbrennungsraum münden, um eine gute Spülung zu erhalten. Noch ein Vorteil der Anordnung von Spül- und Auslaßschlitzen auf gegenüberliegenden Gehäuseseitenwänden sei genannt. Es ist bei dieser Ausbildung die größte Freizügigkeit fvr die gewünschten Steuerzeiten beim Gaswechsel und somit auch für die Lage und Länge der die Sehlitze begrenzenden Trochoidenbogen gegeben.

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Bei der hier gezeigten Anordnung der Spül- und Abgas-SChlitze IS bzw. 16 ergibt sich eine echte Differenzsteuerung des Gaswechsels. Nach Abbrennen des Gemischeβ im Verdichtungsraum V bewegt sich der Kolbenläufer 1 von seiner (nicht dargestellten) OT-Stellung in Pfeilrichtung gemäß Fig. 1 bzw. 2 Über den Aktivwinkely a. Der Kurbelwellenzapfen 23 dreht sich dabei entgegengesetzt und sein Mittelpunkt M₁ beschreibt den Kurbelkreis in der in Fig. 2 eingezeichneten Richtung. Nach Drehung des Kolbenläufer* 1 um den Winkel ψ a öffnet der Rand des Kolben läufer s 1 drehrichtungsabhängig bei der Winkelstellung Ao des Exzentersapfenmittelpunktes M- zuerst die Auslaßschlitze 16. Die Lage des Kolbenläuferrandes, also des Trochoidenbogens bsw. einer äquidistanten Kurve dazu- zu diesen Zeitpunkt ist der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet. Es sei daher auf die Fig. β« und 6b verwiesen, in denen diese Zusammenhänge für ein· doppelwirkende Maschine dargestellt sind. Die dort beschriebenen Verhältnisse treffen in gleicher Weise für die hier erläuterte einfach wirkende Maschine zu. Dadurch ergibt sich ein praktisch vollständiges Absinken des Verbrennungsgasdruckes bis nach einer weiteren Drehung von beispielsweise 15° der Kolbenläuferrand bei der Stellung Eu des Exzenterzapfennittelpunktes M₁ die Spulschlltse 15 Öffnet und die in rechten Arbeitsrau·, d. h. lsi Spülpumpenraum V/g durch den Spülpumpe nein la ßkanal 12 angesaugten, vorgelagerten und in der Spülpumpe vorverdichteten Frischgase strömen vom Verdichtungsraum V/p durch das Kolbenfenster 30, über den Überleitkanal 19, ein zweites Kolbenfenster 21 SU den Spülechlitzen 15. Diese Strömung ist in Fig. 4a durch Pfeile dargestellt _v Die Fig. 4a entspricht dabei dem Schnitt D-D in Fig. 1.

Der eigentliche Spülvorgang sei anhand der Fig. 4b nochmals hervorgehoben. Durch den Spttlschlitz 15 treten die frischen Gase in den Verbrennungsraum ein. Dadurch, daS Spülschlitz 15 und Abgasechlitm 16 nicht einander unmittelbar auf den beiden

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Seitenwänden 5 bzw. 6 gegenüberliegen, sondern in der Umlauf~ richtung des Kolbenläufers aufeinanderfolgen, erfolgt eine einwandfreie Gleichstromspülung, wie durch den Pfeil dargestellt ist. Die Gase legen dabei eine räumliche Bahn zurück, da, wie erwähnt, Spülschlitz 15 und Auslaßschlitz 16 nicht in der Zeichenebene liegen, sondern der eine davor und der andere dahinter zu denken ist. Bei dieser räumlichen spiralförmigen Bewegung der frischen Gase wird der Verdichtungsraum V , der als Höhlung ausgebildet ist, sehr gut durchströmt, so daß dort die alten Gasreste ausgeräumt werden und eine einwandfreie neue Füllung erzielt wird. Der Gaswechsel weist also bei der beschriebenen Art und Weise sowohl Eigenarten der Gleichstromspülung als auch der Umkehrspülung auf, so daß er im folgenden als Gleichstrom-Umkehr-Spülung bezeichnet werden soll. Die Form des Verdichtungsraumes V , hier z. B. als kugelförmige Höhlung in der Wand 4/1 des Umschließungskörpers, d. h. in der HUllkurvenwand, begünstigt die Wirbelbildung und Spülwirkung. Diese Verwirbelung ist in der Fig. 1 ebenfalls durch Pfeile im Verdichtungsraum V angedeutet. Wenn der Kolbenläufer 1 rotiert, wird die durch den SpülVorgang eingeleitete Gasströmung an der Wand des Verdichtungsraumes V_n entlang weitergeführt und der Kolbenläufer schafft nach Schließen der Auslaß- und der Spülschlitze durch Oberflächenreibung eine geschlossene Wirbelströmung des Gases, wobei sich der Wirbel mit weiterschreitender Rotation des Kolbenläufers immer mehr verkleinert und verdichtet und schließlich auf den Verdichtungsraum V beschränkt ist. Die eingezeichnete Drehrichtung des Gaswirbels hat an der Wandung des Verdichtungsraumes immer noch die vom Spülvorgang eingeleitete Richtung. Auf der anderen Seite, d. h. auf der Seite des Kolbeηläyfers ist die Wirbelströmung gleichlaufend mit der rotierenden Kolbenläuferoberfläche. Es unterstützt also der Kolbenläufer in seiner Bewegungsrichtung durch Oberflächenreibung die Verwirbelung der verdichteten Gase im Verdichtungs-

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raum V . Der VerbrennungsVorgang wird daher beträchtlich verbessert .

Bei der Winkellage Az des Mittelpunktes M₁ des Exzenterwellenzapfens 23 schließt der Kolbenrand den Auslaßschlitz 16, der sich gemäß Fig. 3 und 4b in der Seitenwand 6 befindet. Die Abgase strömen durch den Schlitz 16 und das anschließende Abgasrohr ins Freie. Befindet sich beim Weiterdrehen des Exzenterzapfens 23 dessen Mittelpunkt M₁ gemäß Fig. 2 in der Winkelstellung Vö, so öffnet der Rand des Kolbenläufers 1 den Spülpumpeneinlaßschlitz 12 in der Seitenwand 5 des Gehäuses. Vom nicht dargestellten Vergaser kann dann Frischgas in den rechten Arbeitsraum oder Spülpumpenraum V/_g einströmen. Bei der gewünschten Winkelstellung Vz schließt der Spülpumpeneinlaßschlitz 12 wieder.

Die Überströmvorgänge zwischen dem Spülpumpenarbeitsraum V/_g und dem Brennraum V/_ sollen nochmals betrachtet werden. Wie erwähnt, wird das vom Vergaser angesaugte Frischgas im Spülpumpenraum V/„ verdichtet und schließlich im Spülpumpenverdicbtungsraum V/_D, der sich an einer Gehäuseseitenwand befindet, zusammengepreßt. Die Verbindung zum Brennraum V/_ß wird in der Weise hergestellt, daß zunächst die Spülschlitze 15 durch den Kolbenläuferrand im Verbrennungsraum V/_ß geöffnet werden. Sodann tritt das Kolbenfenster 20 vor den Spülpumpenverdichtungsraum V/_Q , so daß die verdichteten. Frischgase durch das Kolbenfenster 20 in den als Überleitkanal dienenden Kolbenhohlraum 19 eintreten können. Der Überleitkanal mündet an seinem anderen Ende in einem weiteren Kolbenfenster 21 und stellt dort die Verbindung zu den Spülschlitzen 15 im Brennraum her. Selbstverständlich ist es auch möglich, dem Kolbenläufer eine andere Gestalt zu geben und anstelle des Hohlraumes 19 nur eine Vertiefung in der Seitenwand des Kolbenläufers als Überleitkanal vorzusehen. Es fallen dann die beiden Kolbenfenster 20 und 21 weg. Die Lage und Ausbildung des seitlichen Überleitkanals kann

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ähnlich sein vie die aus Flg. 1 ersichtliche Lage des Kolbenhohlraumes 19. Es ist auch eine Ausbildung Möglich, bei der auf beiden Seitenflanken des Kolbenläufers derartige Vertiefungen als Uberleitkanäle vorgesehen sind. Schließlich sei der Voll« ständigkeit halber noch erwähnt, daß die Uberleitkanäle auch in den Gehäuseseitenwänden 5 und/oder 6 angeordnet sein können, wobei auch diese Überleitkanäle von Kolbenläufer gesteuert wer· den.

Am Beispiel der Fig. 1 lädt sich noch die Anordnung und Größe des Spülpumpenverdichtungsraumes V/_D und des Kolbenfensters 20 erkennen. Die Verbindung zum Kolbenhohlraum bzw. Überlei tkanal 19 wird durch das Kolbenfenster 20 kurz vor Erreichen der OT-Stellung des Kolbenläufers im Spülpumpenarbeitsraum V/_g hergestellt. Diese Verbindung bleibt nur eine bestimmte kurze Zeit offen, so daß nur in dieser Zeit ein überströmen der vorgelagerten Frischgase zum Verbrennungsraue V/_ß Boglieh ist. Diese Frischgase können durch die offenen Spülschlitze 15 in den Verbrennungsraum austreten, wobei durch die Vorverdichtung ohne weiteres ein überladen des Verhrennungsraumes infolge der Differenzsteuerung möglich ist, ohne daß ein Rückschlägen durch die offenen Einlaßschlitze erfolgen kann, wenn der Kolbenläufer bei seiner Rotation den Verdichtungsvorgang einleitet. Ebenso hat man freie Wahl für den Zeitpunkt des Schließens der Verbindung zwischen Spülpumpenverdichtungsraum V/_D und Kolbenfenster 20. Der Schließzeitpunkt wird etwa so viele Winkelgrade nach der OT-Stellung gewählt, daß die Verbindung zwischen Spülpumpenverdichtungsraum V/_D und Kolbenhohlraum 19 etwa gleich lang besteht wie die Spülschlitze 15 im Verbrennungsraum V/_ geöffnet sind. Durch diese Ausbildung entsteht beim Weiterdrehen des Kolben lauf er s von der OT-S te llung im Spttlpumpenraum V/_g aus dort ein Unterdruck für das Ansaugen der Frischgase aus dem Vergaser. Da aber der Rand des Kolbenfensters 20 gleichzeitig den Spülpumpenverdichtungsraum V/_Q vom überleitkanal 19 wieder ab—

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trennt, kann eich der unterdruck im Kanal 19 oder gar im Verbrennungsraum V/_ß nicht schädlich auswirken.

Die herzkurvenförmigen Seitendichtunken 2 dichten den Kolbenläufer 1 in einer geschlossenen Dichtgrenze gegen die Seitenwand* 5 und 6 ab. Zusätzliche Öldichtungen 24, kreisförmig und gegebenenfalls durch eine Feder in ihrer Funktion unterstützt, trennen den Exzenterwe1lenrawa gegen den Verbrennungsraum und die Seitenwände 5 und 6 ab.

Oh diese Rotationskolbenmaschine statisch und dynamisch vollkommen mit Haschinengenauigkeit auswuchten zu können, ist es notwendig, den herzkurvenförmigen Kolbenläufer 1 um seinen Drehmittelpunkt M^ vorerst selbst statisch und dynamisch auszuwuchten. Dies geschieht z. B. gemäß Fig. 3 durch Hohlräume 19 im Kolben, wobei dann diese, Hohlräume gegebenenfalls als Überlei tkanä Ie für den Gaswechsel verwendbar sind. Dreht der Kolbenläufer 1 auf dem Exzenterwellenzapfen 23, so ist es notwendig, durch entsprechende Gegenmassen auf der Exzenterwelle einen statischen und dynamischen Ausgleich anzuordnen. Es ist s. B. in Fig. 1 am Schwungrad 27 die Gegenmasse 22 und am vorderen Zahn- und Keilriemenrad 28 ebenfalls eine Gegenmasse 22 angeordnet. Beide Gegenmassen sind selbstverständlich in ihrer Summenwirkung so konstruktiv angeordnet, daß sie zur Exzentermasse des Kolbenläufers 1 einen exakten statischen und dynamischen Ausgleich darstellen.

Die notwendige planetenartige Sekundärdrehbewegung des Kolbenläufers 1 wird durch das auOenverzahnte Zahnrad 8, welches mit dem Kolbenläufer 1 fest verbunden ist und im innenverzahnten Zahnring 7 beim Drehen des* Exzenterw«l lenzapfens 23 abrollt, erzwungen.

. Der Verbrennungsraum V/„ und der Spulpumpenraum V/_g sind von einem Kühlwassermantel 13 umgeben. Die Exzenterwelle 9 ist in lagern im Gehäuse 4, das gleichzeitig die Seitenwände 5 und 6 bildet, gelagert. Das Schwungrad 27 und das Keilriemenrad 28 sitmen auf der Exzenterwelle 9 so, daß die Auswuchtbedingungen

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erfüllt werden. Die Seitenwand 5 enthält auch die Spülechlitze 15 und den Spülpumpenverdichtungsraum VAj. Der Mittelteil der Brennkraftmaschine, der die Begrenzungswand 4 darstellt, entspricht in seiner inneren Begrenzungsfläche der äußeren Hüllkurve zur gewählten Epitrochoide 1:1, d. h. der Herzkurve. Die Kopf dicht leisten 3 sind in den Simultanpunkten, angeordnet. Sie erstrecken sich über die volle Kolbenbreite von der Seitenwand 5 zur Seitenwand 6 und bilden geneinsam mit den der Herzkurvenfora angepaßten Seitendichtleisten 2 zu beiden Seiten des Kolbenläufers 1 eine geschlossene Dichtgrenze für die Arbeiteräume V/_B und V/g.

Die vordere Seitenwand 6 enthält den Auelaßschlitz 16 mit dem daran anschließenden Abgasrohr und zentrisch symmetrisch dazu den Spulpumpeneinla»schlitz 12 mit dem Vergaserrohr. Hit der Seitenwand 6 ist verdrehungsfest das innenverzahnte Zahnrad 7 mit seinem Teilkreieradius 2E verbunden. Der Teilkreisradius rj des außenverzahnten Zahnrades 8, das fest mit dem Kolbenläuferteil 1 verbunden ist, entspricht der Exzentrizität E. In den Seitenteilen mit den Wänden 5 und 6 sind noch Kühlwasserkanäle 13 angedeutet. Das Volumen des Verbrennungsraumes errechnet sich zu

V_a - V/_B - V/_s - 8 . E . R - B,

wobei E die Exzentrizität der gewählten Epitrochoide 1:1, R die Summe der Radien von Grund- und Rollkreis der Epitrochoide und B die Breite des Arbeitsraumes zwischen den Seitenwänden ist.

Werden die Größen in dm eingesetzt, so erhält man das Volumen

3
sofort in dm bzw. Literangabe. Die Leistungsformel dazu lautet:

V
*

450

N_e - * * (PS)

wobei η die Umdrehungszahl der Exzenterwelle Je Hinute und ρ

2 der mittlere Verbrennungsdruck in kp/cm ist.

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IAD

.17- 1*51761

Bei dieser Ausbildungeform als einfachwirkend· Rotationskolbenbrennkraftmaschine wird ein ausgezeichneter Gaswechsel er· reicht. Es Öffnen zunächst die Auslaßschlitze 16 und der Druck der Verbrennungsgase sinkt so stark ab, daß beim nachfolgenden Öffnen der Spülschlitze 15 ein einwandfreies Ausspülen des Verbrennungsräume s stattfinden kann. Während des Spülvorganges sind SpUl- und Auslaßschlitze geöffnet. Dann schließt zunächst der Auslaßschlitz 16 und zuletzt der Spülschlitz 15, wenn sie vom Kolbenlauferrand überdeckt werden. Man erreicht also eine gewünschte steymme tr Ische Gassteuerung. Hinzu kommt noch die aus der Fig. 6a ersichtliche Differenzsteuerung mit dem Differenzwinkel /3 zwischen dem Schließen der Auslaß- und der SpUlschlitze. Dieser Winkel liegt vorteilhafterweise in der Größenordnung von etwa 15° und ermöglicht ein überladen des Verbrenmmgsraumes V/„. Die öffnungs- und Schließungszeiten können Je nach den Erfordernissen der asymmetrischen Steuerung gewählt werden. Dabei sind die äußeren Begrenzungslinien, d. h. die dem Rotationsmittelpunkt abgewandten Begrenzungslinien der Spül- und der Auslaßschlitze wenigstens durch zwei Trochoidenbögen bestimmt, nämlich durch die Lage der Trochoide, d. h. des Kolbenläuferrandes, beim Beginn und die Lage der Trochoide beim Ende des AulaßVorganges und entsprechend auch des Einlaßvorganges Die Spülwirkung und die Tendenz zur Wirbelbildung wird verbessert, wenn wenigstens die Spülschlitze schräg in den Verbrennungsraum V/g münden und dabei eine Richtung etwa zur Höhlung des Verdichtungsraumes V haben. Fig. 2 zeigt schematisch die Richtung an, in der die Frischgase vom Spülschlitz 15 her in den Verbrennungsraum eintreten.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal besteht darin, daß der Spülpumpeneinlaßkanal 12 aus einem schmalen, langezogenen Schlitz besteht, der ebenfalls aus zwei Trochoidenbögen gebildet sein kann, aber schmaler ist, a*ls die Spül- und Auslaßschlitze im Verbrennungsraum. Infolgedessen ist da· Anfangsvolumen für den Verdichtungsvorgang im Spülpumpenraum V/_g

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größer als das Anfangsvolumen im Brennraum V/_D, wenn bei Beginn des Verdichtungsvorganges die seitlichen Schlitze geschlossen sind. Es kann daher eine genügende JJenge Frischgas für den SpUl- und ÜberladeVorgang im Spülpumpenverdichtungsrau» V/_ß vorverdichtet werden. Die inneren Begrenzungslinien des SpOlpumpeneinlaßschlitzes 12 und auch der Auslaßschlitze 16 können ebenfalls durch einen Trochoiderfbogen gebildet werden und zwar durch den Trochoidenbogen bei UT-Stellung des Kolbenläufers, oder mit anderen Worten durch die innere Hüllkurve. Eine derartige Begrenzung nach dem Rotationsmittelpunkt zu, ist bei den Spülschlitzen 15 hier nicht möglich, weil sie den Abstand zwischen Kolbenfenster 21 und Kolbenläuferrand in der betreffenden Stellung überbrücken müssen. Durch diese Schlitzausbildung hat man es in der Hand, die Zeitpunkte für Öffnen und Schließen der Schlitze ganz nach den Erfordernissen zu wählen. Außerdem bringt diese Anordnung der Schlitze einen zeitlich günstigen Öffnungsverlauf der Auslaßschlitze 16, so daß die Neigung der Exzenterwelle zu Eigenschwingungen geringer ist. Abschließend sei noch erwähnt, daß die hier beschriebene Ausbildungsform der Maschine als einfachwirkende Brennkraftmaschine gleichermaßen für das Ansaugen von Frischgas oder von reiner Luft geeignet ist, so daß außer dem dargestellten Beispiel als Otto-Motor die Rotationskolbenbrennkraftmaschine auch für Dieselbetrieb abwandelbar ist, denn wie oben schon erwähnt, wird die gesamte Füllung; für den Brennraum in den kleinen Verdichtungsraum V weggequetscht, so daß dort die für den Dieselbetrieb erforderliche hohe Verdichtung erreicht wird.

Die Fig. 5 und 7 zeigen eine andere Ausbildungsform der Erfindung und zwar eine doppelwirkende schlitzgesteuerte Gleichstrom-Zweitaktbrennkraftmaschine. Hier wird die Rotationskolbenbrennkraftmaschine als Dieselvariante dargestellt, wobei gemäß Fig. 5 der linke Arbeitsraum die Bezeichnung V .. und der rechte Arbeitsraum die Bezeichnung V /.- trägt. Selbstverständlich sind beide Arbeitsräume vollständig gleich, dm auch diese

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Maschine einen herzkurvenföralgen Kolbenläufer «it der dazu gehörigen zweibogIgen äuOeren HUllkurve als UaechlieQungskörper verwendet. Auch in diese« Beispiel ist eine Herzkurve alt Flachpunkt gewählt. Diese Brennkraftmschine benötigt eine Freadspülpuape, z. B.*eine abgasgetriebene Gasturbine alt direkt gekuppelter Radialspülpuape, vie es* bei Großdleselaotoren oder abgasgeladenen Brennkraftmaschinen üblich ist.

Diese AusftthrungsVariante ist wie folgt aufgebaut: Der Kolbenläufer 1 alt den üblichen Seitendichtleisten 2 und den Siaultanpunkt-Kopfdichtleisten 3 vergrößert und verkleinert sinusföTMlg die Arbeitsräuae V .. und V .... Durch die planetenartige Sekundärdrehbewegung des Kolbenlaufers 1 wird die Verbrennungsluft entsprechend de« oben in Fig. 4 beschriebenen Beispiel la Verbrennungsraua V,- bzw. V^ ,._ in Richtung der Pfeile neruagewirbelt. Dieser geoaetrisch streng kontrollierte Luftwirbel wird durch die Einströakineaatik der Spülluft aus den Spülschlitzen 15, welche die saal geaäß Fig. 7 sowohl in der Seitenwand 5 als auch in der Seitenwand 6 angebracht sind, eingeleitet, wobei gegebenenfalls die Spttlschlitze schräg und etwa zuBi Verdichtungsrau« V ,_χ bzw. V ,^ gerichtet in den Seitenwänden Kunden können. Durch die Drehbewegung des Kolbenläufer« wird dann die Wirbelströmung vollende hergestellt. Erreicht der Kolbenläufer 1 die in Flg. 5 eingezeichnete OT-Stellung ia rechten Arbeitsraum. V /--, so wird die gesaate Verbrennungsluft in den Verdichtungsraua V ,_. weggequetscht und bildet hier in dieses zweckaäßlgerweise zylindrisch ausgebildeten Verdichtungsraua eine Wirbeldrehbewegung in Richtung der Pfeile. Tangential zu dies·« schnell drehenden Lu ftzylinder wird durch die Brennstoffdüse 10 Brennstoff eingespritzt, der sich zua Teil auf der heissen zylindrischen Verdichtungsrauawand anlegt und hier abda«pft und «arch die drehende Luftsäule sanft, sehr vollständig verbrannt wird. Je nach Breite der Maschine bzw. des Kolbenläufers kennen, wie Fig. 7 zeigt, auch «ehrere Brennstoffdüsen i« gleichen Verdichtungsrau« vorgesehen werden. Ergänzend sei noch

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BAD

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die Anordnung von Glühkerzen 11 im Verdichtungsraue V erwähnt.

Die Fig. 5 zeigt zusammen Bit der Fig. 7 die Anordnung der Spülschlitze 15 und der Auslaßschlitze 16. Es ist ersichtlich, daß diese Schlitze paarweise auf den beiden Gehäuses«itenwänden 5 und 6 angeordnet sind. Außerdem liegen die SpUlschlitze 15 und Auslaßschlitze 16 symmetrisch zur OT-Stellung der Maschine. Auch hier ist die äußere Begrenzung der Schlitze durch zwei Trochoidenbögen gebildet, wie aus den Fig. 6a, 6b und 6c ersichtlich ist. Die innere Begrenzungslinie der Schlitze kann hier durch die innere Hüllkurve bzw. durch den Rand des Kolbeηlaufers 1 in seiner UT-Lage gebildet werden.

Die Fig. 6b zeigt den Kolbenläufer 1 in seiner UT-Steilung bezüglich des Arbeltsraunes V_/·· Der Kolbenläuferrand bildet hier die innere Begrenzung der Spül- und Auslaßschlitze 15 bzw. 16. Nimmt man den Kolbenläufer in einer Stellung von z.B. 45° vor UT-Lage an, so befindet sich der Exzenterwellenmittelpunkt M. in der Stellung Ao auf dem Kurbelkreis 14. Entsprechend liegt dann auch die mit UT bezeichnete Stelle des Kolbenrandes an der Stelle Aö. Der Kolbenläufer bzw. die Trochoide nimmt hierbei die gestrichelt eingezeichnete Stellung T. ein. Es ist ersichtlich, daß in der Umgebung des Punktes Aö diese Trochoidenbahn T- die Auslaßschlitze 16 außen begrenzt und beim Weiterdrehen des Kolbenlaufer8 zur UT-Lage hin die AuslaOechlitze 16 öffnet. Beim Weiterdrehen des Kolbenläufers 1 über die UT-Lage hinaus nimmt der Kolbenläufer einmal die Trochoidenstellung T₂ ein, die ebenfalls gestrichelt dargestellt ist. Der Exzenterwellenzapfenmitte lpunkt Ii₁ befindet sich dann in der Stellung Az, z.B. 30° nach UT. Es ist ersichtlich, daß bei diesem Trochoidenbögen T₂ der andere Teil der Auslaßschlitze 16 gerade wieder geschlossen wird. Man hat es also in der Hand durch Wahl der Trochoidenstellung den Zeitpunkt für Beginn des Öffnens und Ende des Schließens der Auslaßschlitze 16 je nach der gewünsch- ' ten asymmetrischen Steuerung zu wählen. Entsprechendes gilt für die äußere Begrenzung der Spülschlitze 15, die ebenfalls durch

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— ΛιΧ —

die beiden Trochoidenbögen zu Beginn des ÖffnungsVorganges und Ende des Schlieavorganges gebildet wird. Diese Trochoiden sind hier der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet, jedoch würden sie zur Lage des Exzenter Wellenmittelpunktes IL bei Eö 30° vor UT und bei Ez 45° nach UT liegen. Auch hier gilt, daß die Steuerzeiten je nach Erfordernis wählbar sind. Aus Fig. 6b geht außerdem noch der Aktivwinkel y a hervor, der hier 135° betrügt.

In der Fig. 6a sind die beiden Trochoidenbögen T₂ bei Ende des Schließvorganges der Auslaßschlitze 16 und T₃ bei Ende des SchließVorganges der Spülschlitze 15 dargestellt. Entsprechend würde sich der Exzenterwellenmittelpunkt M₁ in den Stellungen Az bei 30° nach UT und Ez bei 45° nach UT befinden. Der Differenzwinkel β , der hier beispielsweise 15° beträgt, ermöglicht die Differenzsteuerung und die Überladung des Arbeitsraumes .

In der Fig. 6c sind die Trochoidenbögen herausgezeichnet, die als Begrenzung für die Spül- und Auslaßschlitze dienen. Zur Verdeutlichung der Vorgänge sind hier zwei Öffnungen der Spülschlitze wie vorhergehend mit 15 bezeichnet, während zwei weitere Öffnungen der Spülschlitze mit 15* bezeichnet sind. Ebenso sind die Auslaßschlitze 16 in zwei Gruppen unterteilt, bei denen die eine Gruppe nach wie vor mit 16 und die Öffnungen der anderen Gruppe mit 16* bezeichnet sind. Diese Unterscheidung dient nur zur Kenntlichmachung des Bereiches, in dem die Trochoidenbögen den Beginn des Öffnungsvorganges und das Ende des Schließvorganges festlegen. Ferner sei hier erwähnt, daß der Einfachheit halber nur für einen Arbeitsraum die Spül- und Auslaßschlitze eingezeichnet sind. Wie oben schon erwähnt, wandert während des Laufes der Maschine der Trochoidenmittelpunkt IL auf einer Kreisbahn. Er durchläuft dabei auch diejenigen Stellungen, die in der Fig. 6c mit A„, E„, k_t E_ bezeichnet sind. Diese Bezeichnungen A₀, E₅ bzw. A^, E₃₅ sollen

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die Stellungen des Trochoidenmittelpunktes M₁ zu folgenden Steuerzelten darstellen:

A„ - Auslaßschlitz öffnet
ο

A - Ausla3schlltz schlieat
ζ

E₀ - Einlaß- oder Spülschlitz Öffnet
E - Einlaß- oder Spülschlitz schließt

Ferner ist ein Punkt auf de« Umfang des Kolbenläufers, nämlich hier der Flachpunkt der Trochoide, ebenfalls In den entsprechenden Stellungen A bis E eingezeichnet. Diesen vier Stellungen entsprechen somit vier verschiedene Lagen der Trochoide zu den angegebenen Steuerzeitpunkten. Diese Trochoiden sind wieder mit den Bezeichnungen Tl bis T4 versehen. Für ein gewähltes Beispiel der Steuerzeiten ergibt sich somit folgende Zuordnung:

Trochoide: Stellung:

wird freigegeben

Tl - A_M - der Rand der Schlitze 16* - 45° vor UT T2 - A der Rand der Schlitze 16 - 30° nach UT

wird geschlossen

der Rand der Schi wird geschlossen

T3 E_ der Rand der Schlitze 15» - 45° nach UT T4 - E₀ - der Rand der Schlitze 15 - 30° vor UT

wird freigegeben

Es ist deutlich zu erkennen, daß der Beginn des öffnens und das Ende des Schließens eines Schlitzes von zwei Trochoidenbogen, nämlich für die Auslaßschlitze durch die Trochoidenbogen Tl und T2 und für die Spülschlitze durch die Trochoidenbogen T3 und T4, gebildet wird. Die oben angegebenen Steuerzeiten sind frei gewählt. Es sind selbstverständlich auch ander« Steuerzeiten ohne weiteres möglich. Genau so wie die Verhältnisse hier für die doppelt wirkende Maschine aufgezeichnet sind, so lassen sich auch für die einfach wirkende Maschine die Auslaß- und Spülschlitze durch Trochoidenbogen begrenzen. Außerdem wird bei der

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.23- H51761

einfach wirkenden Maschine auch der Einlaßschlitz in den SpülpuapenrauB durch ein Trochoidenpaar begrenzt.

Der Gaswechsel ist hier ebenso ideal wie bei der oben beschriebenen Variante der einfachwirkenden Zweitakt-Haschine. Befindet sieh geaäß Fig. 6b der Mittelpunkt M₁ des Exzenterwellensapfene 23 in der Winkellage A_, z.B. 45° vor UT-Lage bezüglich des Arbeitsrauaes \/i» so öffnen die Auslaßschlitze Der Druck der Verbrennungsgase sinkt jetzt so stark ab, daß beia nachfolgenden Öffnen der Spülschlitze 15 ein gründliches Ausspülen des Verbrennungsrauaes stattfinden kann. Sodann öffnen In der Winkellag« E_Q 3O° vor UT die Spülschlitze 15. Der SpUlvorgaat e*tzt Jetzt ein und dauert so lange, bis bei A 30° nach OT die Aus la Sech litze 16 wieder schließen. Da die Spül-SChUtM 15 bis B_x bei 45° nach UT offen bleiben, kann während dieser Steit überladen werden. Man kann daher ia Verbrennungsraua ■lt elaea Anfangsdruck über dea Ataosphärendruck rechnen. Es ergeben sich ideale Gaswechselzeiten und ideale Wirbelbewegungen der Verbrennungsluft, wobei der Spülvorgang die Wirbelbewegung ia Verbrenaungsraua unterstützt und der Kolbenläufer durch Oberflächenreibung vervollständigt. Dadurch bedingt ergeben sich ideale und geometrisch streng kontrollierte Wirbelbewegungen auch la dea beiden Verdichtungeräuaen V ,_χ und V ,_χΙ und infolgedessen ausgezeichnete Verbrennungsvorgänge.

Die Fig. 7 zeigt einen Querschnitt dieser Maschine nach Schnittlinie A-A in Fig. 5. Es ist hier die einfache Zahnradanordnung erkennbar, d.h. das außen verzahn te Zahnrad 8 ist fest alt dea Kolbenläufer 1 verbunden und rollt beia Drehen der Exzenterwelle 9 im innenverzahnten Zahnring 7 ab, der alt der Seitenwand 5 fest verbunden ist. Die Seitendicht leisten 2 zu beiden Selten des herzkurvenföraigen Kolbenläufers 1 und die Kopfdlchtleisten 3 bilden geschlossene Dichtgrenzen für die beiden Arbeit sräuae V .j und V

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Selbstverständlich ergeben sich ähnlich wie bei Zweitakt-Hubkolbenboxermotoren zwei symmetrisch gegenüberliegende Aktivwinkelzonen ψ », hier von jeweils 135°, wie aus der Fig. 6b ersichtlich ist. Diese beiden Aktivwinkelzonen ergeben zusannen einen doppelt so großen Aktivwinkel wie bei der oben beschriebenen Variante der einfachwirkenden Maschine. Dies bedeutet, daß der herzkurvenförmige Kolbenläufer bei einer vollen Umdrehung der Exzenterwelle Über den Winkel von 270° vom Druck der Verbrennungsgase aktiv weiterbewegt wird, wobei je Exzenter welle nümdrehung zwei Arbeitsspiele der Zweitakt-Rotationskolbenbrennkraftmaschine erfolgen.

Zu betonen ist, daß bei diesen symmetrischen Boxer-Rotationskolbenmotor beide Seitenbegrenzungsflächen 5 und 6 Spülbzw. Auslaßschlitze 15 bzw. 16 tragen können, so daß sich wie oben erwähnt, durch entsprechend schräg gerichtete Spülschlitze die Spülluft bzw. das Frischgasgemisch im Verbrennungsraum V_a ,- und V .__ so verteilen, daß der sog. Gasrest nach jedem Arbeitespiel praktisch Null ist. Die beim SpülVorgang entstehenden Gasströmungen im Verbrennungsraum V' ,- und im hier zylindrischen Verdichtungsraum V ,. sind in Fig. 5 durch Pfeile angedeutet. Den Einfluß der paarweisen Anordnung der Spül- bzw. der Auslaßschlitze 15 und 16 auf den beiden Seltenwänden 5 und 6 erkennt man aus den Pfeilen der Fig. 7. Es entsteht eine räumliche Gasströmung, da in Fig. 7 im Verbrennungsraum V_a/j die Spülschlitze 15 oberhalb der Zeichenebene zu denken sind und die Auslaßschlitze 16, wie gestrichelt eingezeichnet, hinter der Zeichenebene liegen. Durch das Aufeinandertreffen der schräg von beiden Seiten her einströmenden Luft wird im Verdichtungsraum V die Bildung eines walzenförmigen Wirbels eingeleitet und die Spülung in Richtung der Pfeile zu den Auslaßkanälen 16 fortgesetzt. Die oberhalb der Zeichenebene liegende, von den Spülschlitzen ausgehende und in der Mitte aufeinandertreffende Anfangsströmung der einströmenden Luft ist in Fig. 7 nicht dargestellt. Gegebenenfalls kann die Einlaßrichtung auf den beiden

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Seitenwinden verschieden stark schräg gewählt werden, so daß die beiden Teilströme in eine den Spül- und Verwirbelungsvorgang begünstigende spiralförmige Rotationsbewegung versetzt werden.

Das hier beschriebene Triebwerk macht je einer Umdrehung der Exzenterwelle und je Arbeitsraum ein Arbeitsspiel, so daß der Gesamtarbeiteraum je einer Exzenterwellenumdrehung V^ - 2·V beträgt. Die Arbeitsraumformel lautet:

V_A - 16 · E . R . B

Hierbei ist E die Exzentrizität der gewählten Epitrochoide 1:1 (Herzkurve), R die Summe der Radien von Fest- und Rollkreis der Epitrochoide und B die Breite des Arbeitsraumes. Die Leistung wird nach der allgemeinen Zweitakt-Leistungsformel ermittelt:

_v « Va .p . η

^Ne 45§ (PS),

wobei η die Umdrehungszahl der Exzenterwelle je Minute und p_

der mittlere Verbrennungsdruck in kp/cm ist. Die mittlere Umfangsgeschwindigkeit des Kolbenläufers bezüglich der Kopfdichtleisten in den Simultanpunkten beträgt

. r ta/·)

An sich können Maschinen der oben beschriebenen einfachwirkenden Bauweise durchaus mit einem Kolbenläufer verwendet werden. Für bestimmte Anwendungszwecke jedoch ist es ohne weite res möglich, zwei derartige aus Brennraum und Spülpumpenraum be stehende Systeme spiegelbildlich auf gemeinsamer Achse anzuordnen. Selbstverständlich ist es auch möglich, noch weitere Kolbenläufer sinngemäß symmetrisch auf gemeinsamer Achse anzuordnen, so daß vor allen Dingen die Auswuchtbedingungen erfüllt sind. Eine solche Anordnung ergibt naturgemäß eine Vergrößerung des Aktivwinkels y^a und dadurch wird eine gleichmäßige Drehmomentenabgabe und ruhiger Lauf gewährleistet. Entsprechendes gilt auch für die obenbeschriebene doppeltwirkende Maschine.

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Zusammenfassend seien nochmals einige wesentliche durch die Erfindung erzielte Fortschritte gegenüber den bisher bekannten Stand der Technik aufgezählt. Die Erfindung zeigt erstmalig eine Zweitakt-Rotationskolbenbrennkraftmaschine, die wegen der hohen Verdichtung als Hochleistungsmaschine ausgebildet werden kann und sich darüber hinaus auch für Dieselbetrieb eignet, während bei den bisher bekannten Ausbildungen eine Verdieselung stets gescheitert ist. Dabei hat diese Ua sch ine den opt ImI erreichbaren Kurbelradius, bei den eine hohe Drehmomentenabgabe auch bei geringen Drehzahlen Möglich ist. Diese Maschine eignet sich daher als Langsam läufer genau so gut wie als Schnelläufer. Durch das außerordentlich günstige Zusammenspiel der Spülechlitzanordnung und der Verdichtungsraum im Umschließungskörper wird eine innige Verwirbelung des verdichteten Mediuns und ein sehr günstiger Verbrennungsablauf erreicht. Die Abbrenngeschwindigkeit sowohl bei der Otto- als auch bei der Diesel Variante wird ganz wesentlich in positiven Sinne beeinflußt, so daß sich höchste Drehzahlen bei günstigsten AbbrennVerhältnissen erreichen lassen. Damit verbunden ist ein sehr niedriger Brennstoffverbrauch über den gesamten Drehzahlbereich garantiert. Die Steuerzeiten sind je nach den Erfordernissen wählbar und es ist Jegliche gewünschte asymmetrische Gassteuerung und Differenzsteuerung zu verwirklichen. Durch die besonders günstige Form der als Höhlung im Umschließungskörper angeordneten Verdichtungsräume, in denen der Verbrennungsvorgang einsetzt, bleibt beim Spülvorgang kein Gasrest übrig, der den Wirkungsgrad der Uaschine herabsetzt. Die Kolbenläufer selbst können u.U. als Schwungmassen groß genug und in sich ausgewuchtet sein, so daß sie die gasdruckfreien Zonen überbrücken können. Die Ausbildung als einfachwirkende Maschine, bei der der eine Arbeitsraum als Brennkammer und der andere Arbeitsraum als Spülpumpe dient, stellt eine besonders glückliche Lösung dar, da hier durch einen Kolbenläufer nicht nur eine Drehmomentabgabe, sondern auch eine

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VorVerdichtung der Spülluft oder dee Frischgaegeeleches in eines solchen hohen Grade erreicht wird, vie es bei RotationskolbenMischinen bisher noch nicht und bei Hubkolben-Zweitaktsa sch Inen bei weite« nicht in diesem AusaaQ erreicht wird.

22.10.1969
Bau/kn

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Claims

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Patentansprüche

1. Innenachsige Rotationskolbenmaschine ait eines feststehenden Gehäuse und einen dazu im Abstand der Exzentrizität E parallelachsig angeordneten trochoidenformigen Kolbenläufer, wobei die innere Begrenzungsfläche des Gehäuses der äufteren Hüllkurve des Kolbenläufers entspricht und aus baubedingten Paarungsgründen bei der Trochoide und/oder der Hüllkurve des Kolbenläufers ein entsprechender äquidlstanter Kurvenzug verwendet ist sowie der Gaswechsel über in der Gehäuseseitenwand angeordnete Schlitze erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß für die Form des Kolbenläufers (l)eine Wendepunktsfreie Epitrochoide 1:1 (Herzkurve) zugrunde gelegt ist und daβ in den beiden als Arbeitsräume verwendbaren Kammern (V ,., V /«,) die vom Rotationsmittelpunkt (112) abgewandten Begrenzungs linien der Gaswechselschlitze (z.B. 16, 15) sich im wesentlichen aus zwei Bogen (Tl, T2 bzw. T3, T4) zusammensetzen, die zumindest angenähert mit einem Teil derjenigen Kurvenbogen übereinstimmen, die durch die Lage des Kolbenlauferrandes zum gewünschten Zeitpunkt des Beginne des Öffnungsvorganges (Ag bzw. Eg) und dem gewünschten Zeitpunkt des Endes des Schließvorganges (A₂ bzw. E.) für den betreffenden Gaswechselschlitz bestimmt ist.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Epltrochoide mit Flachpunkt.

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Ausbildung als doppelwirkende, schlitzgesteuert^ Zweitakt-Brennkraftmaschine von symmetrischem Aufbau mit zwei von den beiden äufteren Hüllkurvenbogen (4/jj 4/u;) «it dem Kolbenläufer (1) gebildeten, gegeneinander um 180° versetzten Arbeitsräumen (V^₁; ^v _a/n ⁱⁿ Figur 5).

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Neue Unterlagen s ''■■ ι s ι*^D£· ^{2 Ur}- ^ ^Sau '* ^'~-^l ^

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4. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Ausbildung als einfachwirkende, schlitzgesteuerte Zweitakt-Brennkraftmaschine mit sysmntrischem Aufbau, wobei der zwischen dem einen äußeren Hüllkurvenbogen (4/j) und dem Kolbenläufer (1) gebildete Arbeitsraum als Verbrennungsraum (V #o) und der zwischen dem anderen Hüllkurvenbogen (*/*▼) und dem Kolbenläufer (1) gebildete Arbeitsraum als dazugehörige Spülpumpe (V/_g) ausgebildet ist (Figur 1).

5. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daS SpUl- und Auslaßschlitze (15 bzw. 16) auf den beiden einander gegenüber liegenden Gehäuseseitenwänden (5 bzw. 6) angeordnet sind (Figur 1).

6. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch symmetrische Anordnung der Spül- und Auelaßschlitze (15, 16) in den Arbeitsräumen OL^₁; ^v _a/n> gegenüber der OT-Stellung des Kolbenläufer (1) .

7. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekemnzeich-' net, daft die Spül- und Auslaßschlitze (15 bzw. 16) paarweise auf beiden Gehäuseseitenwänden (5, 6) angeordnet sind.

8. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daft wenigstens die Spülschlitze (15) in schräger, wenigstens teilweise zum Verdichtungsraum (V.) weisender Richtung in die Seitenwände (5, 6) der Arbeitsräume münden.

9. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Verdichtungsraum (V bzw. V_cyj; V_c/jt) bildende Höhlung im Hüllkurvenbogen (4/ji 4/jj) eine solche Form aufweist, daß die beim Spülvorgang entlang seiner Wand eingeleitete Gasströmung infolge der Oberflächen, reijungdes Kolbenläufers (1) während der Verdichtung in eime geschlossen·, im gleichen Sinn weiterdrehende Wirbelströmung im Verdichtungsraum übergeführt wird.

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10. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Verdichtungsraum (V__/T; V *_TT) die Brennstoff einspritzung (bei 10) in der Wirbeldrehrichtung erfolgt.

11. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der SpUlpumpen-Einlaßschlitz (12) seitlich im Spülpumpenraum (V_/g) und der Auslaßschlitz (16) im Verbrennungsraum (V/g) angeordnet sind und daß der Gaswechsel von der Spülpumpenseite zur Brennraumseite durch vom Kolbenläufer (1) gesteuerte Spülschlitze (15) und Überleitkanäle (19) erfolgt.

12. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenläufer (1) einen Überleitkanal (19) aufweist, der im Bereich- der OT-Stellung des Kolbenläufers (1) im Spülpumpenarbeitsraum (V/g) einen Spaipumpenverdlchtungsraum (V ,J) alt den in der Gehäuseseltenwand des Verbrennungsraumes (V,ο) mündenden Spülschlitzen (15) verbindet.

13. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenläufer (1) einen als Überleitkanal (19) dienenden und in zwei Kolbenfenstern (20, 21) endenden Kolbenhohlraum aufweist.

14. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Überleitverbindung (Vy₀; 20, 19, 21, 15) zwischen Spülpumpe (V,_g) und Verbrennungsraum (V_/ß) kurz vor Erreichen der OT-Stellung des Kolbenläufers (1) im Spülpumpenarbeitsraum (V_/e) hergestellt und etwa ebenso kurz

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nach der OT-Stellung wieder unterbrochen wird.

15. Eotat ionskolbenmaschine nach Anspruch 12 oder 14, dadurch ge kennzeichnet, daß beim Drehvorgang des Kolbenifiufers (1) die Verbindung zwischen Überleitkanal (19) und Spülschlitz (15) im Verbrennungsraum (V *«) nach der Verbindung zwischen Überleitkanal (19) und Spülpumpen verdichtungsraum (Vs») hergestellt wird.

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16. Rotationskolbenmaschine nach eines der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dnA die Differenzsteuerung zwischen Aoslasmcfalita (16) einerseits und Spülschlitz (15) andererseits Ib der Größenordnung etwa 15° Exzenterwellendrehung eatsyricht.

17. Botatiooskolbenaaschine nach Anspruch 1 und 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Spfilpuztpeneinlaflechlitze (12) scharnier ausgebildet sind als die Spül- bzw. AuslaSechlitze (15 bzw. 16) lsi Verbrennungsraum.

18. Eotatlonskolbenattschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daft der Überleitkanal (19) vom Spttlpuapenarbeitsraua (Vy-) zu den in den Verbrennungsraum (V/n) mündenden Sptiilmch litze* (15) durch die Gehäuseseitenwand (5) verläuft.

19. Botationskolbemmaschine nach einest der Ansprüche 1 und 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daft zwei aus Brennraum (V/q) umd Tl|itl1 HIiBfIIiIiι niii (Vm) bestehende Systeme spiegelbildlich aaf gemelnaamer Achse angeordnet sind.

22.10.1969

Bau/g»

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