DE2916423A1

DE2916423A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2916423A1
Application number: DE19792916423
Authority: DE
Inventors: Kenneth W Porter
Original assignee: Combustion Research and Technology Inc
Current assignee: Combustion Research and Technology Inc
Priority date: 1978-04-21
Filing date: 1979-04-23
Publication date: 1979-11-22
Also published as: FR2423636A1; ES480415A1; GB2019499A; IT1188808B; IT7967854A0; CA1135061A; GB2019499B; US4336686A; JPS54141913A

Description

Beschreibungseinleitung

Die Erfindung bezieht sich ganz allgemein gesprochen auf den Bereich von Gasexpansionsmaschinen und insbesondere auf Verbrennungskraftmaschinen, die mit Drehkolben und konstantem Volumen arbeiten.

Die meisten der in den letzten hundert Jahren für die Kraftfahrzeugindustrie entwickelten kleineren Brennkraftmaschinen sind Viertaktbrennkraftmaschinen mit hin- und hergehenden Kolben, wie sie bereits ursprünglich von Otto, Lanchester und Diesel vorgeschlagen wurden.

Seit 1947 wurden für die Kraftfahrzeugindustrie auch Gasturbinentriebwerke vorgeschlagen, und zwar sowohl für schwere Überlandlastkraftwagen als auch für schnelle Personenkraftwagen. Sie haben jedoch keine auch nur annähernd mit Kolbenmotoren vergleichbare Verbreitung gefunden, die nach dem Ottooder Dieselprinzip arbeiten.

Drehkolbenbrennkraftmaschinen haben insbesondere nach dem Wankelsystem Eingang in die Praxis gefunden. In den letzten 10 Jahren haben von diesem Motorentyp mehr als 500 000 Stück Anwendung gefunden. Trotzdem bleiben bei diesem Motorentyp

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noch Probleme des Kraftstoffverbrauches und der Schadstoffemission zu lösen, obwohl er unter dem Gesichtspunkt des geringen Platzbedarfes und der Erschütterungsfreiheit attraktiv ist.

Insgesamt hat jeder der heute bekannten Motorentypen Vorteile gegenüber seinen jeweiligen Konkurrenten, und es wäre in besonderem Maße ein Motor attraktiv, der die Vorteile aller bekannten Motorentypen in sich vereinigt, ohne deren Nachteile aufzuweisen. Einige der an einen solchen Motor zu stellenden Anforderungen resultieren aus Millionen von Betriebsstunden und Reparaturerfahrungen mit bekannten Motoren unter den verschiedensten Klima- und Einsatzbedingungen. Andere Anforderungen resultieren aus den speziellen und angestiegenen Kundenwünschen. Noch andere Anforderungen resultieren aus dem politischen und allgemeinwirtschaftlichen Bereich.

Schließlich ist das Ende der Verfügbarkeit über flüssige Kohlenwasser Stoffkraftstoffe täglich deutlicher abzusehen, wodurch die öffentliche Aufmerksamkeit zunehmend auf eine rationellere Ausnutzung der in einer Brennkraftmaschine zur Verbrennung gelangenden Kraftstoffe gerichtet ist und die Forschung nach neuen und unter diesem Aspekt besseren Brennkraftmaschine antreibt.

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Insgesamt sollte eine neue Brennkraftmaschine folgende Forderungen erfüllen:

niedrige Herstellkosten,

geringe Unterhaltungskosten,

geringe Vibrations- und Geräuschentwicklung, wirtschaftlicher Kraftstoffverbrauch, geringe Schadstoffemission,

geringer Raumbedarf und niedriges Gewicht, schnelle Ansprechung auf regelnde Eingriffe, leichtes Starten.

Thermodynamische Anforderungen an eine möglichst effiziente Kraftstoffausnutzung schließen ein:

möglichst hohe Verbrennungstemperatür, Kraftstoffverbrennung in möglichst kurzer Zeit, möglichst weitgehende Kraftstoffverbrennung vor der

Expansion,
möglichst geringe konduktive und konvektive Wärmeabgabe

an die Umgebung,

möglichst geringe Abgastemperaturen als Folge von möglichst vollständiger Umsetzung der Gasenergie in mechanische Energie beim Expansionstakt.

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Überlegungen auf mechanischem Gebiet für eine möglichst effiziente Materialausnutzung sollten sich auf folgende Aspekte beziehen:

höchste Festigkeit und Dichte des Materials bei

möglichst geringen Materialkosten, möglichst geringe Anwendung von exotischen und

seltenen Legierungsbestandteilen, möglichst gute innere Dämpfung von Schwingungen, geringe Ermüdungserscheinungen des Materials und lange Lebensdauer der einzelnen Motorteile infolge geringem Verschleiß.

Konventionelle 2- und 4-Taktmotoren mit hin- und hergehender oder rotierender Kolbenbewegung arbeiten mit intermittierenden oder zyklischen Verbrennungsprozessen, um nur auf einem geringen Teil des jeweiligen Zyklus extrem hohe Temperaturen und Drücke und so eine niedrige Durchschnittstemperatur über einen Arbeitszyklus zu ermöglichen, was die Anwendung billiger Materialien wie Aluminium oder Gußeisen zuläßt„ Die Verbrennungstemperatur kann kurzfristig auf 3 000° F ansteigen, die durchschnittliche Kolbentemperatur sollte jedoch infolge zwangsweiser Kühlung und Kühlung durch den Kraftstoff sowie die Verbrennungsluft 500° F nicht übersteigen,,

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Gasturbinen arbeiten mit kontinuierlicher Kraftstoffverbrennung bei konstantem Volumen in einer Brennkammer bei Luftüberschuß, wodurch die Brennkammerwände, die Auslaßdüse und die Beschaufelung gekühlt werden. Extrem hohe Drehzahlen der Kompressoren und der Turbinenlaufräder, bei kleinen Gasturbinen bis zu 70 000 min , stellen ein erhebliches Unfallrisiko dar und machen im Bereich der drehenden Teile besondere Absicherungen erforderlich. Die Hauptvorteile sind demgegenüber das sehr geringe Gewicht, weitestgehende Kraftstoffverbrennung und Schwingungsfreiheit. Zu den Nachteilen gehören langsames Starten, hoher Kraftstoffverbrauch, wenn nicht teuere Wärmetauscher verwendet werden sollen, rasch zunehmende Schaufelerosion und schließlich deren Zerstörung mit Abnahme des Wirkungsgrades bzw. Funktionsunfähigwerden und schließlich die Empfindlichkeit der Regelung der notwendigen Kompressorleistung entsprechend der geforderten Turbinenleistung ohne Rückströmen zum Kompressor.

Andere Entwicklungen hatten kombinierte Mehrkolbenbrennkraftmaschinen mit Turbinen hoher Drehzahl zum Gegenstand entweder in der Form, daß die Brennkraftmaschine mit einem Turbolader aufgeladen wird, eine seit 40 Jahren allgemein akzeptierte Lösung, oder daß Freikolbenmaschinen mit dem Abgasstrom einer Arbeitsturbine angetrieben werden. Alle diese Lösungen suchen die hocheffiziente aber stoßweise und zyklische Arbeitsweise

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der mit Kolben und Zylinder als den Brennraum einschließenden Bauteilen arbeitenden Brennkraftmaschine zu nutzen.

Die Kenntnis der bekannten Lösungen macht es verständlich, daß zur Nutzung des vollen Leistungsvermögens von Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge, propellergetriebene Flugzeuge und stationäre Anwendungsfälle eine neue Motorengeneration mit geringerer Motorengröße, besserem Leistungsgewicht (Verhältnis des für eine bestimmte Motorenleistung erforderlichen Motorengewichtes) und besserer Kraftstoffausnutzung im Teil- und Voll-Lastbereich entwickelt werden sollte. Solche Motoren sollten entwickelt werden, um Fahrzeuge höherer Leistung zu ergeben und um die logistischen Probleme bei der Kraftstoffversorgung der immer größeren Zahl von Kraftsfahrzeugen zu verringern» Dabei wäre große Aufmerksamkeit sowohl der Verbesserung in thermodynamischer bzw. strömungstechnischer Hinsicht als auch in mechanischer Hinsicht beim Entwurf der Maschine zu widmen, verbunden mit der Beachtung der Herstellungskosten, der Unterhaltungskosten und der Zuverlässigkeit, um die Kosten der Herstellung, des Betriebes und der Wartung zu verringern.

Um eine solche merkliche Verbesserung der Ausführung und Leistungsfähigkeit von Brennkraftmaschinen zu bewirken, ist eine grundlegende Verbesserung in aerodynamischer und thermo-

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dynamischer Hinsicht erforderlich. Die Hauptparameter,, die die Leistung von nach dem Brayton-System arbeitenden Brennkraftmaschine beeinflussen, sind das Druckverhältnis im Kompressor und die Gaseinlaßtemperatur. Eine Anhebung des Verdichtungsverhältnisses im Kompressor ergibt eine spürbare Senkung des spezifischen Kraftstoffverbrauches, während eine Erhöhung der Gaseinlaßtemperatur die spezifische Leistung spürbar erhöht. Die Analyse einer regenerierten einzyklischen Maschine zeigt, daß eine hohe Gaseinlaßtemperatur eine deutliche Erhöhung der spezifischen Leistung ergibt. Eine spürbare Senkung des spezifischen Kraftstoffverbrauches ist ebenfalls mit einer Erhöhung der Gaseinlaßtemperatur zu erzielen. Bei einer Gaseinlaßtemperatur im Bereich zwischen 2 200 und 2 600 P ist der spezifische Kraftstoffverbrauch einer Brennkraftmaschine mit Wärmetauscher bei einem Kompressordruckverhältnis von etwa 10:1 optimiert. Eine Analyse zeigt außerdem, daß der spezifische Kraftstoffverbrauch im Teillastbereich einer Maschine der solcherart neuen Generation um bis zu 50 % gegenüber einfachzyklischen Versionen gesenkt werden kann. Die Anzeichen sprechen dafür, daß höhere Gaseinlaßtemperaturen bei Turbinen, ein höheres Druckverhältnis im Kompressor und geringeres Gewicht sowie eine hocheffektive Wärmetauschertechnologie für künftige Hochleistungsmaschinen notwendig sind.

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Der Bau solcher Maschinen erfordert spürbare Portschritte gegenüber der bisherigen Technologie. Materialien für die Gaseinlässe mit ausreichender Festigkeit bei hohen Temperaturen, wie sie bei fortschrittlichen Gasturbinen auftreten, sind zwar heute verfügbar, aber beim heutigen Automobilbau noch unterrepräsentiert. Darüber hinaus sind hohe Kompressionsdruckverhältnisse, wie sie gegenwärtig bei aerodynamischen Kompressionsmaschinen nur bei Anwendung komplexer und teuerer vielstufiger Kompressoren erreicht werden, in einer Stufe zu erreichen, wenn ein Drehkolbenkompressor Anwendung findet. Die Größe und das Gewicht derzeitiger Gasturbinenwärinetauscher begrenzen ernsthaft deren Anwendung im Kraftfahrzeugbau. Eine Verbesserung des Wärmetauschers kann bei geringen Mehrkosten mit einer erfindungsgemäßen Maschine erreicht werden.

Jede Entwicklung neuer Maschinenarbeitsprozesse oder Maschinenauslegungen muß der Notwendigkeit eines hohen Druckverhältnisses und hoher Gastemperaturen Rechnung tragen. Ferner ist ein kompakter Wärmetauscher mit geringem Gewicht notwendig. Eine Verringerung der Zahl der Maschinenteile einschließlich der Verringerung der Zahl der Verdichterstufen würde darüber hinaus mit Sicherheit die Kosten reduzieren. Die Möglichkeit, ein hohes Druckverhältnis in einer einzigen Verdichterstufe zu erhalten sowie die Verfügbarkeit von Materialien, Konstruktionsund Fertigungstechniken, die einen Betrieb der

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Maschine bei hohen Gastemperaturen ermögli chen, sind günstige Voraussetzungen für die Entwicklung künftiger Maschinengenerationen ohne Rücksicht auf die thermodynamischen Arbeitszyklen, die zur Anwendung kommen sollen. Die erfindungsgemäße Maschine erlaubt ohne weiteres ein einstufiges Verdichtungsverhältnis von 16:1 in einer einfachen Maschinenauslegung und von 10:1 bei Anwendung eines Wärmetauschers.

Keine "bisher bekannte Maschine ist bezüglich der geschilderten Probleme mit der Erfindung vergleichbar.

Gemäß der Erfindung hat eine zyklisch nach dem Brayton-System arbeitende Brennkraftmaschine zwei Reihen von radial betätigten Kolben in einem Drehteil, um mit der aufeinanderfolgenden Bewegung der Kolben der einen Reihe diese als Kompressoren auf das Betriebsfluid der Maschine einwirken zu lassen. Eine Kompressions- und Expansionsgasführung führt aufeinanderfolgend eine verdichtete Ladung von Betriebsfluid zu einer innerhalb des Gasführungsbereiches auf etwa der gleichen Längsachse angeordnete Brennkammer. Der Brennkammer wird atomisierter flüssiger oder gasförmiger Kraftstoff mit einer Einspritzvorrichtung unter einem Druck zugeführt, der unter allen Arbeitsbedingungen höher als der in der Brennkammer herschende Druck ist. Die Bewegung des Betriebsfluids in der Form von Luft oder einem anderen Gas innerhalb der Brennkammer wird

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so bewirkt, daß eine innige, homogene Vermischung mit dem Kraftstoff erfolgt und eine Fremdzündung die Verbrennung gegebenenfalls einleitet, die weitere Verbrennung aber bei entsprechendem Mischungsverhältnis selbsttätig abläuft. Die zweite Kolbenreihe ist vorgesehen, um ihr über die Gasführungsanordnung die Verbrennungsprodukte zuzuführen. Infolge des Expansionsdruckes, wie er aus der Kraftstoffverbrennung resultiert, werden die Kolben radial nach außen gegen eine gehäuseinnere, stationäre Nockenbahn angelegt. Diese Expansionskolben sind mit als Rollen ausgebildeten Nocken versehen, mit denen sich diese Kolben an der Nockenbahn abstützen, um den Zylinderblock zum Drehen zu bringen und die Kompressionskolben über die Nockenanordnung nach innen oder außen zu verstellen. Die am rotierenden Zylinderblock abgenommene Kraft wird über ein Getriebe einer Abtreibswelle zugeleitet.

Damit ergibt die Erfindung neben weiteren Vorteilen eine Rotationsmaschine für den Primärantrieb von Kraftfahrzeugen, Schiffen und propellergetriebenen Flugzeugen sowie für stationäre und industrielle Antriebe. Die erfindungsgemäße Drehmaschine arbeitet mit konstantem Volumen und kontinuierlicher Verbrennung. Die Kolben sowohl im Kompressions- und auch im Expansionsbreich sind radial und normal zur Längsachse der zylindrischen Gasführungsanordnung und der Brennkammer angeordnet. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann mit sehr

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unterschiedlichen Kraftstoffen des Kerosentypes betrieben werden. Die kontinuierliche Verbrennung erlaubt eine sehr gut gestützte Verbrennung und eine sehr wirtschaftliche Kraftstoffausnutzung in einem weiten Drehzahlbereich. Die eindeutig gegeneinander abgegrenzten Kompressions- und Expansionszyklen vermeiden jede Möglichkeit des Rückströmens. Die Maschine läuft völlig ausgeglichen und frei von Schwingungen sogar im unteren Drehzahlbereich. Dank des kompakten Nockentriebes ist ein Antriebssystem mit relativ geringem Gewicht und kleinem Volumen im Verhältnis zu entsprechenden Maschinen mit hin- und hergehenden Kolben möglich, die mit einer Kurbelwelle ausgerüstet werden müssen. Eine einzige Umdrehung der erfindungsgemäßen Maschine entspricht den sechs Arbeitsspielen konventioneller Viertaktmaschinen mit hin- und hergehenden Kolben. Die Maschine gemäß der Erfindung vereinigt zusammengenommen Elemente der Dieselmotoren und der Motoren, die nach dem Brayton-System arbeiten, um eine pulsierende Strömungscharakteristik zu ergeben.

Der Nockentrieb erlaubt einen neuen Freiheitsgrad bei der Auslegung von Brennkraftmaschinen im Hinblick auf optimale Verhältnisse. Es werden andere als sinusförmige Kolbenbewegungen verfügbar gemacht. Der Nockentrieb kann so ausgelegt werden, daß er konstante oder kontinuierlich veränderliche Beschleunigungs-/ Verzögerungscharakteristiken einschließlich etwa notwendiger oder wünschenswerter Stillstandszeiten zuläßt. Als Ergebnis

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hiervon können die thermodynamisehen und Hassenfluß-Charakteristiken optimiert werden. Die Trennung von Kompressions- und Expansionsbereichen ermöglichen die Auswahl optimaler Materialien und Dichtungs- sowie Schmiersysteme für beide Bereiche. Der Kompressionskolben kann aus Nichteisen bestehen und eine geringe Schmierung kann selbst bei hohen Kompressionsverhältnissen ausreichen. Die Brennkammer und die interne Gasführungsanordnung sind nur geringen Druckunterschieden unterworfen, und es können Konstruktionen mit geringem Eigengewicht sowie Keramik als Werkstoff verwendet werden. Die Kompressorausgangsluft kann mittels Radiation und Konvektion vorgeheizt werden, und zwar mittels der internen Abgasführungen, was für die einzelnen Arbeitszyklen einen Wärmetauschereffekt und damit eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauches ergibt. Für die Isolation und für die Dichtung der Expansionskolben bei Trockenschmierung stehen spezielle Materialien zur Verfügung, und die Zylinderwände können mit einer Luftkühlung versehen werden.

Die Brennkraftmaschine nach der Erfindung vereinigt in sich die besten Eigenschaften der Gasturbine mit ihrem kontinuierlichen Verbrennungsprozeß mit bestimmten Vorteilen der Kolbenmaschinen mit zyklisch hin- und hergehenden Kolben, indem sie u.a. folgende Vorteile hat: die einzige Brennkammer im Zentrum der Maschine, geringe Wärmeabstrahlung, sofern die Wärmeabstrahlung verhindert werden soll, erhöhte Wirtschaftlichkeit

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und geringe Geräuschentwicklung. Die Kraftstoffzuführung ist sehr einfach, sie besteht im wesentlichen aus einer Einspritzdüse und einer proportionalen Kraftstoffregelung. Zündvorrichtungen werden im wesentlichen nur für den Start benötigt oder um bei besonders ungünstigen Betriebsverhältnissen ein Erlöschen der Flamme in der Brennkammer zu vermeiden. Eine mit konstantem Druck arbeitende Energiequelle ergibt einen gleichen Druck auf alle Zylinder, so daß ein rauher Motorlauf vermieden wird, wie er aus ungleichen Zylinderleistungen resultiert. Einstell- und Instandhaltungsarbeiten sind bei einer einzigen Brennkammer, wie sie bei der Erfindung vorgesehen ist, einfacher als bei mehreren Brennkammern je Maschine. Die Symmetrie der Auslegung und die Einfachheit der Bauweise verringern die Herstellungskosten, die Kosten für den Zusammenbau und die Kosten für die Unterhaltung. Großdimensionierte Kraftstoff-Führungen bei einer einzigen Brennkammer machen eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine unempfindlicher gegen das Zusetzen der Kraftstoff-Führungen durch Kraftstoffverunreinigungen. Der Gebrauch von mit hoher Geschwindigkeit umlaufenden Komponenten, wie sie bei einer Gasturbine angewendet werden, machen die Arbeit der Brennkraftmaschine für den öffentlichen Einsatz sicherer. Schließlich setzt der hohe Luftüberschuß bei einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung bei verringerten durchschnittlichen Betriebstemperaturen den Anteil an gesundheitlichen Abgasbestandteilen im Vergleich zu

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Diesel- und Ottomotoren herab, ohne daß hierzu ein besonderer zusätzlicher Aufwand betrieben werden müßte, oder die Motorabgase eine besondere überwachung erfahren müßten.

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Figurenbeschreibung

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Funktionsblockschaltbild der Maschinensteuerung,

Fig. 2 die Aufeinanderfolge von Arbeitszyklen und Zeitdiagramme mit der schematischen Darstellung der Kompressions- und Expansionsabschnitte sowie die Stellung der verschiedenen Zylinder während verschiedener Zeitpunkte im Arbeitszyklus,

Fig. 3, 4 und 5 die Möglichkeit der Entwicklung von Maschinen mit einer, zwei oder drei Nockenbahnen,

Fig. 6 einen Mittellängsschnitt durch eine erfindungsgemäße Maschine, um deren verschiedenen erfindungsgemäßen Merkmale zu zeigen und um weiter ihr wesentliches Arbeitsprinzip zu zeigen, wobei die gewählte Lösung eine einzige Kompressions- und Expansionsreihe von Kolben hat,

Fig. 7 einen vereinfachten Querschnitt durch die Maschine im Bereich ihres Kompressors,

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Fig. 8 einen vereinfachten Querschnitt durch die Maschine im Bereich der Reihe der Expansionszylinder,

Fig. 9 eine alternative Lösung mit einer einzigen Reihe von Kolben, die sowohl der Kompression als auch als Expansion dienen und

Fig. 10 eine alternative Lösung mit einer Doppelreihe der Kolben im Kompressions- und Expansionsbereich.

Gemäß Fig. 6 schließt die in ihrer Gesamtheit mit 10 gekennzeichnete Brennkraftmaschine ein stationäres Gehäuse 12, einen rotierenden Zylinderblock oder Rotor 14 und eine Brennkammer 16 ein. Auf der Innenseite des Gehäuses 12 sind zwei Nockenbahnen 20 angeordnet, mit denen als Rollen ausgebildete Nocken 22 zusammenwirken, indem die Rollen die nach außen gerichteten Kräfte von Kolben an den Nockenbahnen abstützen und so eine Drehbewegung des Zylinderblockes 14 im Gehäuse bewirken. Ein zweites Paar von sekundären Nockenbahnen 24 ist vorgesehen und mit diesen Nockenbahnen wirken als Rollen ausgebildete Führungsnocken 26 zusammen. Sowohl die Antriebsnocken 22 als auch die Führungsnocken 26 sind auf einer gemeinsamen Nockenwelle 28 angeordnet.

Gemäß Fig. 7 sind die Nockenbahnen 20 so geformt, daß auf einem Weg über 120° die Antriebsnocken 22 einmal aus einer

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Stellung maximaler Entfernung von der Maschinenlängsachse durch eine Stellung geringster Entfernung zurück in eine Stellung maximaler Entfernung bewegt worden sind. Diese Auslegung des Maschinenantriebes ermöglicht es den Kolben, alle 120 sich in einem äußeren Tot- oder Umkehrpunkt und in einem inneren Tot- oder ümkehrpunkt zu befinden. Der Kurvenverlauf der Nockenbahnen 20 zwischen innerem und äußerem Totpunkt hängt von Belastungsfaktoren ab, wie sie aus Trägheit, Kompression, Zentrifugalkräften und kombinierten Belastungen resultieren mögen. Die Anzahl der Nocken kann gemäß Fig. 2 bis 5 entsprechend der Geschwindigkeit, der Belastung und den gewünschten Arbeitszyklen gewählt werden. Es soll dabei darauf hingewiesen werden, daß im Bereich der inneren und äußeren Totpunkte in den Nockenbahnen Übergangsstücke eines bestimmten konstanten Radius vorgesehen sind, so daß das öffnen und Schließen der Zylinderräume nicht mit überhöhten Luft- und Gasströmungen durch die Ein- und Auslaßöffnungen für Luft und Gas einhergeht. Im Hinblick darauf ist zu verweisen auf eine U.S.-Anmeldung, deren Lehre insoweit Bestandteil der vorliegenden Erfindung sein soll.

Auf dem Tragzapfen 28 der Nocken ist zwischen den Hauptantriebsnocken 22 eine Lagerhülse 30 angeordnet, die Teil des Kolbenkörpers 32 ist, der mit Dichtungsringen in entsprechenden Nuten versehen ist sowie eine Kolbenbodenfläche 34 aufweist.

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Der rotierende Zylinderblock 14 ist mit einer vorbestimmten Anzahl von Zylindern 40 versehen, in denen Kolben 32 in dem Maße radial nach innen und außen bewegt werden, wie sich der Zylinderblock in dem stationären Nockengehäuse dreht. Zwischen dem stationären Außengehäuse 12 und dem rotierenden Zylinderblock 14 sind Lager 42 und 44 angeordnet (Fig. 6). Gemäß Fig. 6,7 hat der rotierende Zylinderblock 14 eine Innenwand 46 mit einem Lufteinlaßkanal und Auslaßöffnungen 48, deren Funktionsrate zu beschreiben sein wird.

Am Auspuffende der Maschine ist der rotierende Zylinderblock 14 mit einer radial nach innen verlaufenden Wand 50 versehen, um einen Anschluß 52 für ein Antriebsgetriebe zu schaffen. Die Kraftausleitung erfolgt über dieses Abtriebsgetriebe 54, dessen Getriebewelle 56 in Lagern 53 des stationären Gehäuses 12 drehbar gelagert ist.

Zentrisch in der zylindrischen Innenwand 46 des rotierenden Zylinderblockes 14 ist eine stationäre Luftführungs- und Verbrennungseinheit 16 vorgesehen. Diese Einheit 16 ist mit Zapfen 60 und 62 am Außengehäuse gehalten. Sie ist im wesentlichen zylindrisch, hat eine Außenwand 64 und konzentrisch innerhalb dieser Außenwand 64 unter Einhaltung eines radialen Abstandes zu dieser eine Innenwand 66. Der Verdichtungsteil der Verbrennungseinheit endet im wesentlichen zwischen dem Verdichtungs-

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und dem Expansionsabschnitt in einem ringförmigen Dichtungsoder Wandabschnitt 68. Die Kompressionsgasführung weist drei im Abstand voneinander und gegeneinander separierte Lufteinlaßkanäle 70 zwischen der Außenwand 64 und der Innenwand 66 auf (insbesondere Fig. 7), die äußere öffnungen 72 zur Führung der in den Kolbenraum 73 zu führenden Luft aufweisen. Die Öffnungen 72 sind in ihrer Größe so ausgelegt, daß während einer Drehung des Zylinders um eine vorgegebene Anzahl von Winkelgraden Lufteinlaßöffnung und Auflaßöffnung 48 im Zylinderkopf einander überdecken. Die inneren Führungswände 66 sind so ausgebildet, daß sie mehrere im Abstand voneinander angeordnete Führungen 74 für verdichtete Luft bilden und öffnungen von vorgegebener Weite in Drehrichtung für die 5inlaß-/Auslaßöffnungen 48 in die Kolbenräume darstellen. Auf diese Weise gelangt gemäß Fig. 7 Luft über die Kanäle 70 und Öffnungen 72 in die Zylinder, um verdichtet und durch Kanäle 74 ±n den Verbrennungsbereich gebracht zu werden.

Die Gasführungs- und Verbrennungseinheit schließt eine Brennraumabdeckung 76 ein und weist einen Kraftstoffeinlaß 78 auf. Innerhalb der Verzweigung ist ein zylindrischer, am einen Ende geschlossener, den eigentlichen Brennraum umschließender Liner 80 angeordnet, der sich vom Kraftstoffeinlaß 78 gegen das Auspuffende des Motors erstreckt. Dieser Liner weist eine Anzahl nach außen gerichteter öffnungen auf, so daß die ver-

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dichtete, aus den Kompressionszylindern kommende Luft durch die Kanäle 74 und durch die öffnungen im Liner in das Innere des Verbrennungsgehäuses gelangt, wo eine innige Vermischung von Luft und Kraftstoff erfolgt, die somit für die Verbrennung gut aufbereitet ist. Zum Start der Maschine ist ein Fremdzünder 82 vorgesehen, der benutzt wird, bis die .Maschine ohne diese Starthilfe die Verbrennung selbst stabilisiert. In einer flachen Abdeckung 84 ist ein Luftansaugfilter 86 angeordnet, in dem die Ansaugluft der Maschine, die dieser durch den von der Abdeckung begrenzten Kanal zugeführt wird, gereinigt wird. Diese Anordnung stelt den Frischlufteinlaß der Brennkraftmaschine dar.

Im Expansionsbereich der Maschine sind die Kolben 132 in Zylindern 140 angeordnet (insbesondere Fig. 6,8). Die Kolben 132 sind mit je einem Lagerauge 130 versehen, das auf Tragzapfen 128 gelagert ist, die im Wechsel auch als Rollen ausgebildete Nocken 126 tragen, die mit Nockenbahnen 124 zusammenwirken, sowie als Rollen ausgebildete Antriebsnocken 122, die mit Antriebsnockenbahnen 120 zusammenwirken. Die Verbrennungsgase werden vom Verbrennungsbereich über die Expansionsgasführung 152 zum Brennkammergehäuse 80 geführt. Die Expansionsgasführungen 152 kommen bei sich drehendem Zylinderblock für eine vorbestimmte Zeit mit öffnungen 148 zur Deckung. Die expandierenden Verbrennungsgase werden in vorbestimmte

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Zylinder geleitet, um deren Kolben für den Arbeitstakt radial nach außen zu bewegen. Dreht sich der Zylinderblock weiter, so werden die Öffnungen geschlossen, und die Kolben werden nach außen in ihren äußeren Totpunkt gebracht. Nach der Drehung um eine vorbestimmte Anzahl von Winkelgraden kommen die Öffnungen 148 im Zylinderblock zur Deckung mit den Auslaßöffnungen 154 in der Auslaßgasführung, so daß die entspannten Gase nach dem Rückhub der Kolben durch den Auslaßkrümmer 160 abströmen können. Ein zylindrisches Expansionseinlaßventil 162 ist vorgesehen, das um eine vorgegebene Anzahl von Winkelgraden drehbar und durch an der Auslaßseite der Maschine angeordnete Mittel steuerbar ist. Dieses Ventil 162 verschließt während des Auslaßtaktes die Öffnungen 148, um im Kompressionsbereich einen Druckaufbau zu ermöglichen, wenn die Maschine startet und um bei laufender Maschine eine veränderliche Expansions-Charakteristik zu ermöglichen. Haben die Drücke in der Maschine ihre Arbeitshöhe erreicht, so wird das Ventil verdreht, um die Öffnungen 148 freizugeben und die Maschine geht in ihren normalen Lauf über.

In Fig. 2 sind in schematischer Darstellung die Arbeitsstellungen und Arbeitszyklen der Maschine sowohl für den Expansionsbereich als auch für den Kompressionsbereich dargestellt. Beispielsweise haben die Zylinder A,C und E nach einer Drehung um 60° eine Stellung erreicht, in der sie die

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volle Luftladung erhalten haben. Die Kolben der Zylinder A, C und E haben ihre äußere Totpunktstellung erreicht. Nach einer weiteren Umdrehung um 60° sind die Kolben der Zylinder A, C und E in ihre innere Totpunktstellung zurückgekehrt und haben dabei die in den Zylindern befindliche Luft verdichtet . Haben die Kolben ihre innere Totpunktstellung erreicht/ so decken sich die zu den Kolben der Zylinder A, C und E gehörenden öffnungen des drehenden Zylinderblockes mit öffnungen 74 in Kompressionsgasführung, und die verdichtete Luft gelangt in den Brennkammerbereich. Der Zylinderblock dreht sich weiter, und die Kolben der Zylinder A, C und E haben erneut ihre äußere Totpunktstellung erreicht, und die Zylinder wurden erneut mit Luft geladen. In sinngemäßer Weise verdichten die Kolben der Zylinder B, D und F die Luft dieser Zylinder, während die Zylinder A, C und E mit Luft geladen werden.

Es ist zu sehen, daß sich im Expansionsbereich die Kolben von G, I und K nach dem Expansionstakt radial nach außen in ihre äußere Totpunktstellung bewegt haben. Nach einer Umdrehung um 60° und dem Bewegen nach der inneren Totpunktstellung wurden die Verbrennungsgase ausgeschoben, und die Zylinder G, I und K sind für den erneuten Expansionstakt der Kolben nach außen und die erneute Gasladung bereit. Schließlich haben die Kolben von G, I und K nach 180° ihren

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nach außen gerichteten Expansionstakt beendet und sind bereit, zum anderen Totpunkt zurückzukehren und die vorher in die Zylinder gelangten Gase auszuschieben. Kompressionsund Expansionsabschnitte sind um etwa 5° gegeneinander versetzt, so daß die Expansionsventile früher als die Kompressionsventile öffnen, damit der Verbrennungsdruck nicht größer als der Kompressionsdruck wird, wenn das Kompressionsventil öffnet.

Fig. 1 soll zeigen, daß die Maschine im wesentlichen nach drei Parametern gesteuert wird, und zwar nach der Maschinengeschwindigkeit (Drehzahl), Temperatur im Brennraum und den Wünschen der Bedienungsperson. Das elektronische Steuersystem ermittelt die tatsächliche Maschinengeschwindigkeit mittels eines elektromagnetischen Sensors, der in unmittelbarer Nähe eines Getriebes der Maschinenabtriebswelle montiert ist und so den Vorbeigang der Getriebezähne zählt. Die Verbrennungstemperatur im Brennraum kann direkt festgestellt werden. Aus praktischen Gründen und aus Gründen der Betriebssicherheit des Fühlers ist es jedoch zweckmäßiger, mittels eines Thermoelementes die Abgastemperatur nahe dem Abgasauslaß im Expansionsbereich zu messen und hieraus die Verbrennungstemperatur zu extrapolieren. Die Wünsche der Bedienungsperson werden mit tibertragungsmitteln zur Geltung gebracht, und zwar ausgehend von der üblichen Betätigung des Gaspedals der Maschine durch den Fahrer bei einem Kraftfahrzeug.

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Das elektronische Steuersystem verwendet diese Eingangssignale zur Beeinflussung eines Steuerventiles, das die Kraftstoff zuführung zur Maschine steuert. Der Kraftstoff-Fluß wird mit einem Strömungsfühler überxtfacht, der stromabwärts vom Zumeß- bzw. Steuerventil angeordnet ist und dessen Ausgangssignal dazu benutzt wird, den tatsächlichen Kraftstoff-Fluß an das Steuersystem zurückzumelden. Die elektronische Steuerung führt Aktivierungs- und Antriebssignale zu einer konventionellen Kapazitätsentladungszündung, die mit einer Zündspule den Zünder in der Brennkammer der Maschine betätigt. Das Zündsystem ist wirksam, wenn der Kraftstoffdruck über einem unteren Grenzwert liegt, beispielsweise, wenn die Maschinendrehzahl über 375 min" liegt und die Temperatur der Auspuffgase unter 500° F liegt. Die innere Verstellmöglichkeit des elektronischen Steuersystems ermöglicht die Einstellung der Leerlaufdrehzahl, des minimalen Kraftstoff-Flusses, des maximalen Kraftstoff-Flusses , der Beschleunigungsrate und der Verzögerungsrate. Die elektronische Steuerung bewirkt ein automatisches Abschalten, wenn die Maschinendrehzahl einen Sicherheitswert überschreitet, nominal 200 min über zugelassener Höchstdrehzahl, oder wenn die Abgastemperatur einen Sicherheitsgrenzwert überschreitet, nominal 200° F über der zulässigen Abgastemperatur. Ist die Maschine in den Bereich des sicheren Betriebes zurückgeführt, so kann sie automatisch erneut gestartet werden. Die elektronische Steuerung überwacht

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die Kraftstoffzuführung, um die Maschine sowohl bezüglich Temperatur als auch bezüglich Drehzahl in einem sicheren Bereich arbeiten zu lassen.

Eine einreihige Maschine 200 gemäß Fig. 9 weist ein Gehäuse 202 mit einem Nockentrieb wie oben beschrieben auf. Der rotierende Zylinderblock 204 ist mit einer einzigen Reihe von radialen Kolben 206 versehen, die Kolbenräume 208 definieren. Eine zylindrische Innenwand 210 ist auf dem rotierenden Block vorgesehen. Der Kompressions- und Verbrennungskrümmer 212 schließt Lufteinlaßöffmangen 214 und Auslässe 216 für komprimierte Luft ein. Ein zentrales und im wesentlichen konzentrisch angeordnetes Brennkammergehäuse 218 weist eine bestimmte Anzahl von öffnungen auf und ist im Krümmer angeordnet, um von den Kolben verdichtete Luft in die Brennkammer zu richten. In entsprechender Weise sind Führungen 220 für die Verbrennungsgase und Abgasführungen 222 in der Kompressions- und Verbrennungsanordnung vorgesehen, so daß diese Krümmeranordnung der weiter oben beschriebenen Gasführungsanordnung entspricht. Da jedoch die in einer Reihe angeordneten Kolben 206 sowohl der Kompression als auch der Expansion dienen, sind jedoch der Lufteinlaß und die öffnungen 230 für die verdichtete Luft in der Wand 210 angeordnet, um mit den Führungskanälen nach vorbestimmten Umdrehungswegen zur Deckung zu kommen. In entsprechender Weise sind Expansionsgaseinlaß und Abgasauslaß

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234 in der inneren Wand 210 angeordnet, um sich den Maschinenzyklen entsprechend dem Drehen des Zylinderblockes anzupassen und um in der Krümmeranordnung zu den entsprechenden Kompressions- oder Expansionskanälen geöffnet zu werden. Darüber hinaus sind die verschiedenen öffnungen nicht nur in Umfangsrichtung versetzt gegeneinander angeordnet, sondern die öffnungen 230 für den Kompressionsteil des Arbeitszyklus sind axial gegenüber den Expansionsöffnungen 234 der Maschine versetzt. Entsprechend wirkt ein Kolben wechselweise als Kompressions- und als Expansionskolben, und zwar im Wechsel von etwa 60° C der Umdrehung des Zylinderblockes bei einer Dreinockenversion.

Schließlich hat eine Maschinenanordnung 300 gemäß Fig. 10 zwei Reihen 302 und 304 von Kompressionskolben sowie zwei Reihen von Expansionskolben 306 und 308. Die Lösung kann jedoch auch so getroffen werden, daß gegebenenfalls eine Reihe Kompressionskolben mit zwei Reihen von Expansionskolben oder zwei Reihen Kompressionskolben mit einer Reihe Expansionskolben kombiniert werden können. Ferner können Zylinder-Auslaßöffnungen der jeweiligen Kompressionskolben in der ersten Reihe mit den Einlaßöffnungen der nächstfolgenden Reihe der Kompressionszylinder verbunden sein und dabei entsprechende Führungen verwendet werden, um so eine aufeinanderfolgende Kompression in mehreren Stufen zu bewirken und so Vorteile

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in thermodynamischer Hinsicht und bezüglich des Leistungsgewichtes zu ergeben, wobei die zweite oder nächstfolgende Zylinderreihe Zylinder mit geringeren Durchmessern verwendet. In entsprechender Weise können Auslaßöffnungen der Expansionszylinder mit den Einlaßöffnungen der nächstfolgenden Reihe von Expansionszylindern verbunden sein, um eine aufeinanderfolgende Expansion in Stufen und erneut thermodynamische Vorteile zu bringen. Dabei kann dann in der ersten Expansionsstufe der Durchmesser der Expansionszylinder reduziert werden in der Relation zu dem Durchmesser der Kompressorzylinder in der ersten Stufe.

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Claims

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Anmelder; COMBUSTION RESEARCH & TECHNOLOGY INC.,

742 Industry Drive, Seattle, Washington 98188 USA

Titel: Brennkraftmaschine

Patentansprüche

Umlaufende Brennkraftmaschine mit externer, kontinuierlicher Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches bei konstantem Volumen, gekennzeichnet durch

1.1 ein externes Gehäuse (12) mit einer feststehenden, inneren, fortlaufenden Nockenbahn (20), mit der Nocken (22) zusammenwirken, die beim Ablaufen auf der Nockenbahn Kolben zwischen einer inneren und einer äußeren Totpunktstellung verstellen;

1.2 einen in dem Gehäuse (12) umlaufenden Zylinderblock (14), in dem Zylinder (40) zur Aufnähme der Kolben (32) radial angeordnet sind und auf einen Kompressionsteil und einen Expansionsteil aufgeteilt sind, wobei jeder dieser Teile mindestens eine Zylinderreihe mit mindestens zwei Zylindern aufweist, wobei die in den Zylindern angeordneten Kolben über Nocken

(22) mit Nockenbahnen (20) zusammenwirken und wobei der Zylinderblock eine zylindrische Innenwand (46) aufweist, die die Zylinder an den den Kolbenböden gegenüberliegenden Enden verschließt, jedoch für jeden Zylinder zumindest eine Öffnung bestimmter Form und Größe aufweist;

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1.3 eine stationäre Verbrennungs- und Gasf üm^dngy-^ *"-anordnung (16) im Zylinderblock (14) zur Aufnahme von Gasstromverzweigungen und einer Brennkammer (80), die einen Kompressionsteil mit einem Lufteinlaßkanal und öffnungen zur Zuführung von Luft zu zumindest einem Zylinder bei einer bestimmten Umfangsstellung des Zylinderblockes sowie LuftführungskanäIe für komprimierte Luft und öffnungen zur Wegführung komprimierter Luft von dem Zylinder in einer bestimmten Umfangsstellung des Zylinderblockes aufweist, wobei diese komprimierte Luft der Brennkammer zugeführt wird, um dort zusammen mit über eine Kraftstoffeinspritzdüse (78) in die Brennkammer gelangendem Kraftstoff ein kontinuierlich verbrennendes Kraftstoff-Luft-Gemisch zu bilden, wozu gegebenenfalls eine Fremdzündung (82) mit herangezogen wird und wobei die Verbrennungs- und Gasführungsanordnung einen Expansionsteil aufweist, der mit Heißgaskanälen und Öffnungen die heißen Verbrennungsgase bei einer vorbestimmten umfangsstellung des Zylinderblockes zumindest einem zweiten Zylinder (140) zuführt und der schließlich weiter Abgasöffnungen und -führungen zur Abführung der im zweiten Zylinder entspannten Gase aus diesem und der Brennkraftmaschine aufweist.

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2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Expansionsbereich zur Steuerung des öffnens und Schließens der in diesem Bereich sich befindenden öffnungen der zylindrischen Innenwand ein hülsenförmiges Einlaßventil (162) angeordnet ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenbahnen (20) zwei oder drei im Abstand voneinander angeordnete Kurvenabschnitte zur Erzeugung der Kolbenbewegungsumkehr in den Totpunktstellungen aufweisen.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest einen Reihe radial angeordneter Zylinder (40) zumindest eine Reihe zweiter, radial angeordneter Zylinder (140) zugeordnet ist, wobei beide Reihen einen vorbestimmten Abstand in Richtung der Drehachse des Zylinderblockes (14) haben und wobei die Zylinder der zweiten Reihe einen Expansionsbereich bilden.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (80) ein im wesentlichen zylindrisches Brennkammergehäuse aufweist, das innerhalb des der Gasführungs- und Verbrennungs-

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anordnung (16) angeordnet ist und eine Anzahl von öffnungen an seinem Umfang aufweist, über die die Verbrennungsluft in das Brennkammergehäuse gelangt, wobei sich die Brennkammer im Zentrum der Brennkraftmaschine befindet.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenbahnen (20,120) im Expansions- und im Kompressionsbereich doppelt ausgeführt sind zum Zusammenwirken mit als Nocken wirkenden Doppelrollen (22,122) zu beiden Seiten von Lageraugen (30,130) der Kolben (32,132) .

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß außer den die Expansion und Kompression bewir-? kenden Abschnitten der Nockenbahnen (20,120) noch Führungsnockenbahnen (24,124) angeordnet sind, mit denen gleichachsig zu den Doppelrollen (22,122) der Expansions- und Kompressionsnockenbahnen (20,120) angeordnete weitere Doppelrollen (26,126) zusammenwirken.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Doppelrollenpaare (22,122; 26,126) auf einem gemeinsamen Zapfen (28,128) gelagert sind.

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9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenbahnen (20,120; 24,124) zumindest einen die Kolbenbewegung umkehrenden Kurvenabschnitt aufweisen.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Zylinderblock (14) mit der Abtriebswelle (56) der Brennkraftmaschine gekoppelt ist.

11. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nockenantrieb zwei in Richtung der Drehachse des Zylinderblockes (14) angeordnete Antriebsnockenbahnen (20) aufweist, von denen eine als Kompressions-, die andere als Expansionsnockenbahn wirkt, wobei beide Nockenbahnen während des Umlaufes des Zylinderblockes zumindest alle 180° der Umdrehung die Bewegungsrichtung der Kolben (32) im inneren bzw. äußeren Totpunkt umkehren, wobei weiter die vorzugsweise als Rollen ausgebildeten Nocken (22) jedes Kolbens zum Zusammenwirken mit dem Antriebsnockenbahnabschnitt ihres jeweiligen Kompressions- bzw. Expansionsnockenbahnabschnittes bestimmt sind und zumindest eine Öffnung eine Einlaß/Auslaßöffnung ist und wobei schließlich ein erster oder mehrere erste Zylinder dem Kompressionsbereich, ein zweiter oder mehrere zweite Zylinder dem Expansionsbereich zugeordnet sind.

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