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HU13ROTATIONSEOBBES S CHINE Prodromos Bekiaroglou Die Erfindung betrifft
eine Maschine mit veränderlichem Innenarbeitsraum insbesondere für die Verwendung
als Kraftmaschine, zur Beförderung von Gasen und Flüssigkeiten und zur Verdichtung
von Gasen.
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Zweck einer derartigen Maschine ist die Veränderung des Volu;nens
des Arbeitsraums für das Eln- bzw. Ausströmen des Arbeitsmediums oder für die Veränderung
seines.Drucks zu verwenden. Mechanisehe Energie kann entweder zu der Maschine von
außen zugeführt werden (Pumpe, Verdichter), oder in der Maschine aus einer anderen
Energieform entstehen (Motor). Der veränderliche Arbeitsraum bleibt von der Außenwelt
abgedichtet außer während der Zeit des Ein- bzw. Ausströmens des Arbeitsmediums,
In-der Praxis wird dies meinstens dadurch erreicht, daß ein sich in einem zylindrischen
Loch hin und her gehender Kolben den Arbeitsraum verändert.
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Die Hubbewegung des Kolbens wird mittels eines Kurbelgetriebes auf
die für die neisten technischen Anwendungen übliche Drehbewegung übersetzt bffnen
und schließen des Arbeitsraums wird gewöhnlich durch die Bewegung zusätlicher Teile
(Ventile, Schieber), die meisten-n'ittels eines zusätzlichen Mechanismus angetrieben
werden, erreicht Der Vorteil di.eser Konstruktionen liegt darin, daß der zylindrische
Arbeitsraum sich besonders leicht abdichten läßt sowie in der Tatsache, daß solche
Maschinen durch jahrzehntenlangen Einsatz und ständige Verbesserungen einen hohen
Grad der Reife erreicht haben.
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Als Nachteile wären in erster Linie die Kompliziertheit des Steuer-
4 mechanismus und die periodische Beschleunigung größerer Massen zu nennen.
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Versuche diesen Nachteilen aus dem Wege zu gehen, führten zu der Vielzahl
der Rotationskolbenmaschirlen, die in ihren gelungensten Ausführungen (z.B. Schieberpumpe,
Wankelmotor) das gesetzte Ziel weitgehend erreichen, dafür aber mit anderen Schwierigkeiten
(z.B. Dichtung- und Verschleißprobleme) konfrontiert werden Der Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, eine Maschine zu konstruieren, die bei möglichst großer konstruktiver
Einfachheit die Funktion einer Kolbenmaschine erfüllt, ohne die Nachteile der bekannten
Ausführungen aufzuweisen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
ein zylindrischer Kolben nicht nur eine Hubbewegung ausführt, sondern gleichzeitig
um seine eigene Achse rotiert. Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird
diese Bewegung für die Steuerung der Maschine benützt, indem eine oder mehrere sich
in dem Körper des Kolbens befindlichen und
in Verbindung mit dem
Arbeitsraum stehenden Bohrungen in periodischem Kontakt mit an der Innenwand des
Zylinders vorgesehenen Öffnungen treten.
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Die Figur 1 veranschaulicht das Prinzip der Funktion der Maschine.
Die Zeichnungen im oberen Teil der Figur zeigen den Kolben 1 in verschiedenen während
seiner Bewegung erreichten Stellungen. In der Stellung a befindet sich der Kolben
in seiner höchsten Position. Das Volumen des Arbetsraums 2 hat seinen kleinsten
Wert erreicht. Er ist praktisch auf das Innenvolumen der Verbindungsbohrung 3 zusammengeschrumpft.
In der Stellung b hat der Kolben infolge seiner Hubbewegung eine tiefere Poxsition
erreicht, der Arbeitsraum hat sich vergrößert, und gleichzeitig hat die Rotation
des Kolbens von rechts nach links die Mündung 4 der Verbindungsbohrung 3 an der
hinteren Seite des Kolbens als gestricheltes Oval sichtbar werden lassen. In der
Stellung c hat der Kolben seine tiefste Position erreicht. Der Arbeitsraum ist am
gröten. Der Kolben hat, wie es die Stellung der Mündung 4 demonstriert, 1/4 Umdrehung
durch'-geführt. Der weitere Verlauf ist anhand der Zeichnungen ersichtlich; bei
halber Umdrehung des Kolbens (Stellung e) erneutes Minimum des Arbeitsvolumens,
bei 3/4 Umdrehung (Stellung g) erneutes Maximum (die Mündung 4 ist nun als voller
Kreis an der Vorderseite des Kolbens sichtbar), nach einer vollen Umdrehung befindet
sich der Kolben in seiner Ausgangsposition.
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Während dieser Bewegung beschreibt die Mündung 4 eine sinusförmige
Kurve auf der Innenfläche des Zylinders 5. In dem unteren Teil der Figur 1 ist die
Innenfläche des Zylinders 5 ausgerollt gezeichnet. Die Doppellinie 6 zeigt den Verlauf
der Mündung 4 auf der Fläche 5. Die Kurve 6 entspricht den Stellungen des Kolbens
in den Positionen a bis i. Die Bewegung der Mündung 4 auf der Fläche- 5 wird für
die Steuerung des Ein- bzw. Ausströmens des Arbeitsmediums In bzw. aus der Maschine
dadurch verwendet, daß die Mündung 4 in periodischem Kontakt mit an der Fläche 5
vorgesehenen 8ffnungen tritt. Im-Beispiel der Figur 1 handelt es sich um einen Viertaktverbrennungsmotor.
Die stark umrandete Fläche 7 ist eine längl:che,Öffnung, die in Kontakt mit dem
Buft- bzw. Luftbrennstoffgemischeinführungsrohr steht. Während der Bewegung des
Kolbens vor der Stellung a bis zu der Stellung c strömt in dem sich ständig vergrößernden
Arbeitsraum 2 Luft- bzw. Luftbrennstbffgemisch aus der Mffnung 7 durch die Verbindungsbohrung
3t Zwischen den Stellungen c und g steht vor der Mündung 4 die Innenwand des Zylinders.
Das Gas im Arbeitsraum ist abgeschlossen. Zwischen c und e erfolgt Kompression,
zwischen e und g
Expansion des Gases.- Die Fläche.»8 stellt wiederum
eine t)ffdung an der Zylinderwand dar, durch die das Abgas zwischen den Stellungen
g und i den Arbeitsraum verläßt.
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Die Abdichtung des Kolbens zu Zylinder erfolgt durch herkömmliche
Abdichtungsringe. Die Abdichtung der Mündung 4 erfolgt durch einen Dichtungsring,
der um die Mündung gelegt ist. Die auf diesem Ring durch die Rotation des Kolbens
ausgeübte Fliehkraft presst ihn auf- die Innenwand des Zylinders und erhöht dadurch
die Dichtungswirkung.
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Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß bei dieser Maschine der Steuermechanismus entfällt, ohne daß man von der für
die gute Abdichtung so vorteilhaften Form des zylindrischen Kolbens verzichten muß.
Der Nachteil der periodischen Beschleunigung bleibt zwar bestehen, seine Auswirkung
aber wird weitgehend dadurch vermindert, daß das Fehlen der Ventile eine Anordnung
zwei gleicher gegettläufiger Kolben in einem Zylinder erlaubt und somit eine optimale
Kompensation der Bewegung der Massen ermöglicht. Weiterhin kann die Wahl des geeigneten
Getriebes die Zahl der hin und her bewegten Teile auf ein Minimum, das heißt den
Kolben selbst, reduzieren.
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Die aus der Einfachheit der Konstruktion erzielten Vorteile sind offensichtlich.
Weitere Vorteile hängen mit der jeweiligen Anwendung der Maschine zusammen. Z.B.
für einen Verbrennungsmotor, der wie durch Figur 1 beschrieben funktioniert, bestehen
weitere Vorteile an folgenden Punkten: 1. Das Fehlen der heißen Stelle des Auslaßventils
erlaubt bei Benzinmotoren eine höhere Verdichtung ohne Selbstzundungsgefahr.
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2. Die "Klopffestigkeit" wird weiter dadurch erhöht, daß die Gase
im Brennraum durch die Drehbewegung des Kolbens sich in einem höchsten Grad der
Turbulenz befinden.
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3. Das Fehlen der Ventile erlaubt die optimale Placierung der Zündkerze
und/oder Einspritzdüse an der Decke des Brennraums.
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4. Einspritzdüse und/oder Zündkerze können auch seitlich auf die Zylinderinnenwand
angebracht sein, sodaß die Brennraumdecke frei für die Aufstellung eines zweiten
gegenläufigen Kolbens bleibt 5. Ist die Zündvoryichtung an der Innenseite des Zylinders
angebracht und zwar auf der von der Mündung der Verbindungsbohrung durchgelaufenen
Spur, so kann das brennbare Gemisch nur während des
Vorbeifahrens
der Mündung vor der Zündvorrichtung entzühdet werden.
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Das hat zur Folge, daß die Zündung nicht unbedingt durch einen zusätzlich
gesteuerten periodischen elektrischer Funken erfolgen muß.
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Die Zündvorrichtung kann einfach eine heiße Stelle sein, eventuell
unterstützt in ihrer Wirkung durch die Anwesenheit eines Katalysators.
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6. Eine doppelte Zündung sowohl aus der Decke des Arbeitsraums wie
aus der Mündung der Verbindungsbohrung bringt durch Verkürzung der Verbrennungszeit
eine weitere Verbesserung.
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7. Ein weiterer Vorteil der seitlichen Zündung besteht darin, daß
das in der Verbindungsbohrung befindliche Gasgemisch unter der Einwirkung der aus
der Rotation des Kolbens resultierenden Fliehkraft einer Schichtung unterliegt,
indem die schwereren Moleküle sich direkt vor der Mündung ansammeln. So verläuft
die Zündung von einem fetteren und daher leicht entzündbaren zu einem immer ärmer
werdenden Bereich. Das hat einen ruhigeren Lauf und eine vollständigere Verbrennung
zur Folge.
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8. Wird die Verbindungsbohrung im Bezug auf den Kolbenradius gekrümmt
ausgelegt so wird bei der Ausströmung der Abgase die Drehbewegung des Kolbens unterstützt
und somit zusätzlich mechanische Energie gewonnen.
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9. Sind mehrere Verbindungsbohrungen in dem Kolben vorhanden, so können
Ein- und Ausströmen der Gase über verschiedene Wege erfolgen, was von Vorteil für
verschiedene Ausführungen (z.B. Zweitaktmotor) ist.
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Weitere durch die Erfindung erzielte Vorteile hängen mit der jeweiligen
Ausführung zusammen und werden anhand einiger Ausführungsbeispiele erläutert. Die
in der Figur 1 gezeigte durch die Linie 6 beschriebene Bewegung der Mündung der
Verbindungsbohrung auf der Innenfläche des Zylinders hängt von der Art des angewandten
Getriebes ab. Eine Vielzahl von Getrieben wäre in der Lage die Hub- Rotationsbewegung
des Kolbens in die reine Drehbewegung der Achse umzusetzen. In folgenden werden
anhand jeweils eines stellvertretenden Ausführungsbeispieles drei Typen von Getrieben
vorgestellt, bei denen im a) die Hubbewegung harmonisch ist, im b) die Hublänge
während des Betriebs veränderlich ist, im c) die Hubbewegung von der harmonischen
Bewegung abweichen kann.
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a) Figur 2 stellt ein Getriebe für die Realisierung einer harmonischen
Bewegung nach Figur 1 dar. Der Kolben 1 befindet sich in seiner tiefsten Position.
Vor der Mündung 4 der Verbindungsbohrung 3
steht die Zylinderwand
5. Der Arbeitsraum 2 ist abgeschlossen.
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Der Kolben 1 ist über die zwei Pleuel 9 mit zwei Kurbeln 10 verbunden.
Die Kurbeln 10 sind auf zwei Zahnrädern 11 befestigt, die auf das unbewegte rings
um die Zylinderbohrung gelegte Zahnrad 12 laufen. Die Achsen der Zahnräder 11 lagern
sich auf der Gabel 13, die mit der Hauptachse der Maschine 14 star verbunden ist.
Das Lager 15 übernimmt die auf der Achse wirkenden Axialkräfte. Die Zahnräder 11
haben die Hälfte der Zähne des unbeweglichen Rades 12, und somit drehen sie sich
zweimal um ihre Achse während eines Umlaufes auf dem Rad 12. Das bedeutet zwei Hubbewegunger
des Kolbens während einer Umdrehung, Da die zwei Zahnräder 11 sich symetrisch zu
der Zylinderachse bewegen, führen die zwei Pleuel 9 eine Scherenbewegung aus. Das
bedeutet, daß auf dem Kolben nur achsiale Kräfte alirken, und somit bleibt die seitliche
Belastung des Zylinders aus, .was einen besonderen Vorteil dieser Ausführung darstellt
b) Bei der Ausführung nach Figur 3a findet die Ubersetzung der Xub-Rotationsbewegung
des Kolbens 1 zu reiner Drehbewegung der Achse 16 über zwei Kardangelenke (17 und
18) und eine Kurbel 19 statt¢.
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Dieses Getriebe erlaubt eine Hubbewegung des Kolbens bei jeder Umdrehung,
deswegen ist besonders für Maschinen' geeignet, bei denen ein Zweitaktrythmus zugrunde
liegt, also Pumpen und Verdichter, Dampf- und Druckluftmaschinen, Zweitaktmotoren.
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Das besondere an das Getriebe der Figur 3a besteht darin; daß die
Länge des Hubes aus der relativen Lage der Achse der Kurbel zu der Achse des Zylinders
bestimmt wird. Liegen die beiden Achsen auf eine Gerade, so ist der Hubkomponent
der Kolbenbewegung gleich Null.
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Eine Verschiebung der Achsen bringt einen je nach-Abweichung von
der Geradlinigkeit kleinen oder großen Hub zustande. In der Figur 3a ist die Kurbelachse
so weit gewinkelt, daß der Maximalhub zustande kommt. Denkt man, das Lager 20 so
ausgelegt, daß es um eine senkrecht zu der Zeichnungsebene stehende Achse 21 geschwenkt
werden kann, so kann man sich überzeuger, daß die Hublänge immer kleiner wird, wenn
man die Kurbelachse immer näher zu der Zylinderachse führt. Ist die Achse 16 bis
zu der Achse des Zylinders' hin geschwenkt worden, so führt der Kolben keine Hubbewegung
mehr aus und steht rotierend etwa in der Mitte der zur Verfügung stehenden Weglänge.
Die Spur der Mündung 4 der Verbindungsbohrung 3 auf der Innenfläche des Zylinders
ändert sich wåhrend dieser Veränderung der Hublänge, und deswegen sind auf der Zylinderwand
größere
Öffnungen für das Ein- bzw. Ausströmen des Arbeitsmediums
vorgesehen Schwenkt man das Lager 20 über die-Mittel.stellung hinüber, so erscheint
erneut die Hubkomponente bei der Bewegung des Kolbens, allerdings um 1800 zu der
vorherigen Hubbewegung verschoben. Dies wird je nach Ausführung entweder unter Beibehaltung
der Drehrichtung für die Veränderung der Flußrichtung des Arbeitsmediums oder unter
Beibehaltung der Flußrichtung für die Umkehrung der Drehrichtung der Maschine verwendet.
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In der Figur 3b wird ein Ausführungsbeispiel für die veränderliche
Lagerung der Kurbel gezeigt. Die Zeichnungsebene liegt senkrecht zu der Ebene der
Figur 3a. Ein Zahnradpaar 22 überträgt die Bewegung aus derKurbelachse 16 zu der
Hauptachse 21. Das Lager 20 ist um die Achse 21 schwenkbar. Da das Lager 20 größere
(senkrecht zu der Achse 16 wirkende, auch außerhalb der Zeichnungsebene liegende)
Kräfte aufnehmen muß, ist gegen ein unbeabsichtigtes Schwenken durch die Verzahnung
23 und die Schnecke 24 abgesichert. Drehen der Schnecke 24 führt das Lager 20 in
eine neue Position und verändert somit die Leistung und die Arbeitsrichtung der
Maschine.
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Da diese Veränderung auch während des Betriebs vollbracht werden
kann, können Maschinen dieser Ausführung während des Betriebs durch Veränderung
der Hub länge ihre Leistung variieren und durch Veränderung der Hubphase ihre Arbeitsrichtung
umkehren, was für viele Anwendungsgebiete ton großem Vorteil ist, wie z.B. für Pumpen
veränderlicher Leistung (Kraftstoffeinspritzpumpen) oder Land und Wasser Fahrzeuge,
bei denen das Schaltgetriebe entfehlt.
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c) Die beiden Teile der Figur 4 sind (bei der gleichen Position des
Kolbens) zwei um 900 versetzte Schnitte längst der Zylinderachse einer Maschine,
deren Getriebe auf eine Kurvenführung basiert.
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Der Stift 25, der auf den Kolben 1 befestigt ist, bewegt sich in
einer an der Zylinderwand eingelassenen Nut 26. Die Form der Nut zwingt den Kolben
zu der Hubrotationsbewegung. Der Stift 25 bewegt sich gleichzeitig in einem in der
Achse 27 vorgesehenen Schlitz 28, sodaß die Rotationskomponente der Kolbenbewegung
zu der Achse übertragen wird.
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Die Verwendung des Kurvengetriebes mit seinem minimalen Raumbedarf
führt zu einem besonders günstigen Verhältnis zwischen Arbeits-und Gesamtbauraum.
In der Ausführung der Figur 4 ist eine weitere Raumersparnis durch die Ausbildung
eines zweiten Arbeitsraums
zustande gekommen. Der zwischen dem Kolben
und der Achse freier Raum - in dem eine reine Hubbewegung des Kolbens gegen die
Achse stattfindet (die Teile drehen sich ja gleichzeitig) - wird als ein zweiter
Arbeitsraum verwendet, indem das Ende der Achse zu einem zweiten Kolben 29 ausgebildet
ist. Der so gebildete Nebenarbeitsraum wird durch die Verbindungsbohrung 30 und
die Bewegung ihrer Mündung 31 auf der Zylinderinnenfläche gesteuert. Die Hubphase
in den beiden Arbeitsräumen ist um 900 verschoben. In der Ausführungnach Figur 4
ist die Verbindungsbohrung 30 so ausgelegt, daß sie auch um 900 zu der Bohrung 3
verschober steht. Die Spuren der Mündungen 31 und 4 kreuzen sich auf der Zylinderinnenwand.
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Durch diese Auslegung ist es möglich, daß - über die gleichen oeffnungen
an der Zylinderwand (die Öffnungen sind so breit, daß sie beide Spuren aufnehmen)
gesteuert - die gleiche Funktion um 90° verschoben in beiden Zylinder stattfindet.
Eine unterschiedliche Auslegung der Verbindungsbohrung und der Öffnungen führt zu
einer unterschiedlichen Funktion im Nebenarbeitsraum, die entweder zusammenhängend
(z.B. Vorkompression) oder ganz unabhängig (zxB.
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Schmiermittelförderung) von der Arbeit im Hauptraum sein kann.
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Außer der Einfachheit der Konstruktion- und der großen Ersparnis
an Raum, bewegten Teilen und Maßen besteht ein weiterer Vorteil der Ausführung nach
Figur 4 in der Tatsache, daß je nach Auslegung der Kurvenführung die Hubbewegung
in weiten Grenzen von der harmonischen Bewegung abweichen und dadurch der jeweiligen
Aufgabe der Maschine besser angepaßt werden kann. Dies gilt vor allem für den Verbrennungsmotor,
dessen Sunktion.im Grunde die eines chemischen Reaktors ist und im Bezug auf vollkommenere
Verbrennung und höheren Wirkungsgrad in erster Linie aus reaktionskinetischen und
thermodynamischen Gesichtspunkten optimiert werden kann. Ein Kurvengetriebe erlaubt
ein unterschiedliches Kompression-zu Expansion-Verhältnis, unterschiedliche Zeiten
für jede Phase.der-Funktion der Maschine und kann schließlich unter konstant bleibendem
Volumen die für die Verbrennung nötige Zeit zur Verfügung stellen.
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Eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten der beschriebenen Eigenschaften
der Maschine sind für die jeweilige Aufgabe möglich. Die Ausführung nach Figur 5
zeigt nur ein Beispiel. Rund um eine gemeinsame Welle 32 sind sechs Bohrungen angeordnet.
Der abgebildete Schnitt zeigt zwei davon. In jeder Bohrung bewegen sich zwei Kolben
1, die unter minimalem Aufwand an Gesamtbauraum und bewegte Teile sowie maximalem
Ausgleich
der bewegten Massen drei Arbeitsräume A, B, C ausbilden. ueber Kurvengetriebe (ähnlich
wie in der Ausführung der Figur 4) und die Zahnrädergruppen 33 stehen alle zwölf
Kolben der Maschine in Kontakt mit der Welle 32. Die Funktion jeder der achtzehn
Arbeitsräume kann unabhängig oder zusammenhängend mit der Funktion der Nachbararbeitsräume
sein, sodaß die Maschine z.B. als eine Tandem-Dampfmaschine oder als ein Mehrstufenkompressor
arbeiten kann. Das Fehlen der Ventile, die enge räumliche Nachbarshaft der Arbeitsräume
sowie das günstige Verhältnis ihrer Volumen erlaubt in einer solchen Ausführung
sogar die noch nicht realisierte Form einer ZweiEtufenverbrennungsmaschine. Im Arbeitsraum
A findet unter Brennstoffüberschuß eine erste Verbrennung statt. Die Abgase einer
solchen Verbrennung bestehen hauptsächlich (außer N2) aus CO und H2 . Somit wirkt
der erste Arbeitsraum gleichzeitig als ein Gasgenerator. Der Arbeitsraum C funktioniert
als Luftkompressor. Die Gase aus dem Arbeitsraum A werden in den (wegen der Bewegung
der beiden Kolben über zweimal so: großen) Arbeitsraum B geführt und unter Zusatz
der aus dem Arbeitsraum C kommenden komprimierten Luft weiterverbrannt.
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Die Vorteile einer solchen Ausführung liegen in erster Linie bei der
vollkommeneren Verbrennung (und sonit höherem Wirkungsgrad) sowie kleineren Schadstoffemission.
Im Arbeitsraum B herrscht zwar ein hoher Sauerstoffüberschuß, der die vollständige
Uberführung der Brennstoffbestandteile zu CO2 und I?20 garantiert, keine aber allzu
hohe Temperaturen, sodaß die Bildung von Stickoxyden ausbleibt.