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Brennkraftmaschine mit vier ungleichen Takten bei vier Kurbelwellenumdrehungen
Die Erfindung betrifft eine mit vier Kurbelwellenumdrehungen arbeitende Verbrennungskraftmaschine
und besteht darin, daß ein sich um eine feste Achse drehender Schwinghebel mit seinem
einen Ende an der Pleuelstange des Kolbens und mit seinem anderen Ende an der Pleuelstange
der Kurbelwelle angelenkt ist, so daß die Kurbelwelle während des Ansaug- und Entspannungshubes
um mehr als eine vollständige Umdrehung, während des Kompressions- und Auslaßhubes
dagegen um eine entsprechende geringere Umdrehung gedreht wird, und weiterhin darin,
daß ein elastisches Svstem zur Überwindung des Totpunktes vorgesehen ist, das durch
Organe mit der Kurbelwelle synchronisiert ist, so daß der Totpunkt in der vorbestimmten
Richtung überschritten wird.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung, durch die die Zeiten für den Einlaß
und die Entspannung des Gases verlängert und die Zeiten für die Verdichtung und
den Auslaß entsprechend verkürzt werden, hat zur Wirkung, daß die Motorleistung
erheblich verbessert wird.
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Ein bekannter Vorschlag betrifft eine Gelenkverbindung für Kolbenstangen
von Verbrennungskraftmaschinen, bei welcher der Kolben durch eine Hauptkolbenstange
und zwei Pleuelstangen mit zwei Kurbelwellen verbunden ist, wobei sich die Kurbelwellen
mit verschiedenen Geschwindigkeiten drehen, deren eine doppelt so groß wie die andere
ist. Nach diesem bekannten Vorschlag wird mit ungleichen Kolbenhüben gearbeitet,
um die Zeit der Entspannung des Gases zu verlängern und auf diese Weise einen Arbeitsgewinn
zu erzielen. Der aus vier Stufen bestehende Kreisprozeß verläuft hier bei zwei Umdrehungen
der Kurbelwelle. Im Gegensatz hierzu sind im Falle der Erfindung die Kolbenhübe
gleich, die Kolbengeschwindigkeiten jedoch ungleich. Der vierstufige Kreisprozeß
ist hier nach vier Umdrehungen der Kurbelwelle beendet. Durch diese andere Arbeitsweise
der Maschine wird die Wirkung jeder Stufe verbessert und der Leistungsbereich des
Motors erhöht.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung veranschaulicht und wird nachfolgend
an Hand der Zeichnung im einzelnen näher erläutert.
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Fig.l ist ein lotrechter Schnitt durch eine mit Brennstoffeinspritzung
arbeitende Maschine; Fig. 2 ist ein Schnitt gemäß der geknickten Linie II-11 der
Fig. 1, die durch die Achsen 8, 9, 6, 5, 22, 23 geht; Fig.3, 4, 5, 6 stellen jeweils
die Drehwinkel der Kurbelwelle für jeden Takt dar; Fig. 7 ist eine schematische
Seitenansicht und zeigt die gegenseitige Anordnung der verschiedenen Steuerteile
des Kurbelgetriebes; Fig. 8 ist ein Schnitt gemäß einer Linie, die durch die Achsen
der verschiedenen Steuerteile des Kurbelgetriebes geht; Fig. 9, 10, 11 zeigen, in
welcher Weise gegenseitige Verlängerungen im Kurbelgetriebe vermieden werden; Fig.
12 und 13 dienen zur Erklärung der Vorteile der erfindungsgemäßen Übertragung der
treibenden Kräfte im Vergleich zur üblichen Übertragung; Fig. 14 ist eine schematische
Darstellung einer vorteilhaften Anordnung der treibenden Teile; Fig. 15 zeigt eine
andere Ausführungsart, die auf den Möglichkeiten der grundsätzlichen Getriebeart
beruht, und die Herstellung einer Zweitaktmaschine mit zwei Umläufen und getrennter
synchron gesteuerter Speisung; Fig. 16 zeigt, in welcher Weise ein Vergaser in den
Übergangskanal einer Benzin-Zweitaktmaschine eingeschaltet werden kann, die Betrieblich
in der in Fig. 15 angedeuteten Weise ausgebildet ist; Fig.17 zeigt schematisch eine
Zweitaktmaschine mit zwei Kurbelwellenumläufen, gegenläufigen Kolben und zwei Pleuelstangen,
die Betrieblich miteinander durch Zahnräder verbunden sind.
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Der Zeichnung ist zu entnehmen, daß grundsätzlich die Betriebliche
Ausbildung, also die Anordnung der Pleuelstange 7, welche die treibende Kraft auf
die Kurbelwelle 8 überträgt, derart getroffen ist, daß die
Kolbenhübe
einander gleich sind, daß aber die entsprechenden Drehwinkel der Kurbelwelle voneinander
abweichen.
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Die Zeiten sind in ihrer Wirkung unter sich ungleich, und der Kreisprozeß
erstreckt sich auf vier Umdrehungen der Kurbelwelle.
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Gemäß den Fig. 1 und 2 besteht die Kraftmaschine aus den nachfolgend
beschriebenen Hauptteilen: Im Zylinder 36 läuft ein Kolben 20, der
mit einem Schenkel des Schwinghebels 24 durch eine Pleuelstange 21 mit den
Gelenkpunkten 22 und 23 verbunden ist. Der Schwinghebel 24 ist selbst
schwenkbar um eine Achse 5 gelagert. Der andere Schenkel des Schwinghebels
24 ist im Gelenkpunkt 6 mit einer Pleuelstange 7 verbunden,
welche die treibende Kraft auf den Kurbelzapfen 9 der Kurbelwelle
8 überträgt.
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Entsprechend der Anordnung des hin- und hergehenden Getriebes und
gemäß dem Drehsinn (Pfeil 19) sind die Werte der Drehwinkel der Kurbelwelle
8 für jeden Takt des Kreisprozesses die folgenden Einlaß Der Kolben
20 geht nieder, und der Drehwinkel ist größer als eine ganze Umdrehung der
Kurbelwelle (Fig.3).
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Verdichtung: Der Kolben 20 geht hoch, und der Drehwinkel erreicht
das Ende der zweiten Umdrehung der Kurbelwelle (Fig.4).
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Entspannung: Der Kolben geht nieder, und der Drehwinkel ist wieder
größer als eine ganze Umdrehung der Kurbelwelle (Fig. 5).
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Auslaß: Der Kolben geht hoch, und der Drehwinkel erreicht das Ende
der' vierten Umdrehung der Kurbelwelle (Fig.6).
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Die vier Takte des Kreisprozesses erstrecken sich auf vier Umdrehungen
der Kurbelwelle infolge der besonderen Anordnung dieser Kurbelwelle 8 in
bezug auf den Schwinghebel 24.
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In dieser Beschreibung ist natürlich die Stellung der Ventile nicht
berücksichtigt.
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Die vier durch das auf der Kurbelwelle befestigte Schwungrad bestimmten
Takte sind die folgenden: Eimaß: Unter Voraussetzung einer konstanten Umlaufgeschwindigkeit
der Kurbelwelle erfolgt der Einlaß mit einer Kolbengeschwindigkeit, die kleiner
ist als diejenige der Verdichtung und des Auslasses.
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Dieser Einlaß erfordert mehr als eine ganze Umdrehung der Kurbelwelle
(Fig. 3) für einen ganzen Kolbenhub, und es ergeben sich daraus ein langsamer Einlaß,
ein besserer Füllungsgrad und eine bessere Abkühlung des Kolbens.
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Verdichtung: Diese erstreckt sich bis zum Ende der zweiten Umdrehung
der Kurbelwelle (Fig.4) und läuft deshalb mit einer verhältnismäßig größeren Geschwindigkeit
ab. Sie erfordert weniger als eine ganze Umdrehung der Kurbelwelle für einen ganzen
Kolbenhub. Es ergibt sich daraus eine bessere Abdichtung infolge der größeren Geschwindigkeit
des Kolbens und ein besserer Wirkungsgrad durch die schnellere Verkleinerung des
Verdichtungsraumes.
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Entspannung: Da diese allein den treibenden Hub des Kreisprozesses
bildet, müssen die Wirkungen am besten ausgenutzt werden. Sie erstreckt sich auf
mehr als eine ganze Umdrehung der Kurbelwelle (Fig. 5). Sie verändert sich für die
Übertragung der Kräfte und die Dauer dieser Übertragung.
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Auslaß: Dieser erstreckt sich auf weniger als eine ganze Umdrehung
der Kurbelwelle (Fig. 6) und erfolgt deshalb mit einer größeren Kolbengeschwindigkeit.
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Das vorbeschriebene, grundsätzliche Getriebe besitzt einen Totpunkt,
wenn die Pleuelstange 7 sich, wie schematisch in Fig. 9 angedeutet, in der
durch die Achsen des Schwinghebels 24 und der Kurbelwelle 8
gehenden Ebene
befindet.
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Dieser Totpunkt wird während des Betriebes der Maschine durch die
Wirkung der wechselnden Massenkräfte überschritten. Beim Anlaufen der Maschine oder
beim Anwerfen von Hand sind aber die Massenkräfte der hin- und hergehenden Teile
gleich Null, und der Pleuelstangenfuß 6 kann ebenso gut den Kreisbogen A-C
wie den Kreisbogen A-B durchlaufen. Dieser Nachteil muß somit durch eine gegenseitige
Versetzung der verschiedenen Getriebeteile beseitigt werden.
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Die Fig. 7 und 8 zeigen eine einfache Anordnung, durch welche der
Totpunkt in der gewünschten Richtung abgelenkt wird.
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Der Schenkel 24 des Schwinghebels schwingt in einem stets gleichbleibenden
Winkel, während der diesen Schwenkwinkel entsprechende Drehwinkel der Kurbelwelle
8 einen abweichenden Wert hat, der sich aus der Beschreibung des Kreisprozesses
ergibt.
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Das durch die Kurbelwelle 8 betätigte Getriebe muß diese Winkelabweichungen
ausgleichen können und dabei den Schwinghebel beim Durchlaufen des Totpunktes A
in der gewünschten Richtung beeinflussen.
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Dieses Getriebe ist wie folgt ausgebildet: Ein Hebel 29 von
besonderer Gestaltung, der um die gleiche Achse 5 wie der Schwinghebel
24 gelagert ist, ist federnd mit diesem verbunden und kann deshalb die vorgenannten
Winkelabweichungen unter Beeinflussung des Schwinghebels 24 ausgleichen. Zwei Federn
30 und 31, die in der in Fig. 7 angedeuteten Weise angeordnet sind, stützen sich
jeweils mit einem Ende auf den Schwinghebel 24 und mit dem anderen Ende auf den
Hebel 29. Ein Lenker 25 verbindet den Hebel 29 mit einer drehbar gelagerten
Scheibe 26, an welcher er durch ein Gelenk angreift.
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Die Scheibe 26 wirkt als Kurbelscheibe und läuft mit der halben
Geschwindigkeit der Kurbelwelle 8 um. Da bereits eine getriebliche Verbindung
zwischen der Kurbelwelle 8 und der Nockenwelle 28 vorgesehen ist, die in diesem
Beispiel viermal langsamer umläuft als die Kurbelwelle, kann die Scheibe
26 ohne weiteres von der Nockenwelle 28 aus durch Zahnräder 27 mit der gewünschten
Geschwindigkeit angetrieben werden.
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Beim Anwerfen von Hand oder beim Anlaufen treibt die Kurbelwelle 8
die Scheibe 26 an, mit welcher sie synchron gekuppelt ist, und nimmt ebenfalls das
Kurbelgetriebe 7, 24, 21, 20 mit. Beim Durchlaufen des Totpunktes A muß dann unter
der Einwirkung der beschriebenen Anordnung der Pleuelstangenfuß 6 den durch
die Versetzung der verschiedenen Teile vorbestimmten Kreisbogen durchlaufen.
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Sobald das Kurbelgetriebe 7, 24, 21, 20 eine noch so geringe
Massenkraft erzeugt, wird der Totpunkt ohne weiteres in der gewünschten Richtung
überschritten.
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Ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen, kann man natürlich an der
beschriebenen Anordnung zahlreiche
Änderungen treffen. Der Lenker
25 kann beispielsweise unmittelbar an einem der Schenkel des Schwinghebels 24 angreifen,
vorausgesetzt, daß er selbst die vorgenannten Winkelabweichungen mittels einer Federung
ausgleichen kann. Die Federung kann auch in die Scheibe 26 eingebaut werden. Ferner
können die Winkelabweichungen durch eine die Federn ersetzende Reibungskupplung
ausgeglichen werden.
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Wenn die Pleuelstange 7 gemäß Fig. 9 den Totpunkt A erreicht, befinden
sich alle Achsen 9, 8, 5, 6 in einer gleichen Ebene.
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Das Gelenk 6 kann durch einen Exzenter 35 mit sehr geringer Versetzung
(Fig. 11) ersetzt werden. Die geradlinige Verlängerung der Teile wird dadurch in
der in Fig. 10 angedeuteten Weise vernichtet.
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Der Exzenter 35 wirkt wie ein sehr kurzer Lenker und gestattet, die
Dehnungen auszugleichen und die sehr großen Bearbeitungsgenauigkeiten zu vermeiden.
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Infolge des notwendigen, aber sehr geringen Mittenabstandes kann der
Exzenter lose eingebaut sein. Im Bedarfsfall kann er aber auch in einer bestimmten
Lage festgehalten werden, und zwar derart, daß er mit dem gewünschten Winkel ausschwingen
kann.
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Zu diesem Zweck wird dann eine Feder 34 vorgesehen, die mit einem
Ende 32 am Schwinghebel 24 befestigt ist, während das andere Ende 33 in den Exzenter
35 eingreift. Die Feder 34 erhält dabei eine solche Gestalt, daß sie sich etwas
durchbiegen kann, jedoch das Drehen des Exzenters 35 verhindert.
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Der Exzenter 35 kann in der in Fig. 10 angedeuteten Weise, jedoch
auch auf der anderen Seite des Schwinghebels 24 angeordnet sein.
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Es ergibt sich aus der vorstehenden Beschreibung der Kraftmaschine,
daß nicht nur die einzelnen Takte verbessert werden, sondern daß auch mehrere andere
sehr wesentliche Vorteile erzielt werden.
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1. Für eine gleiche mittlere Geschwindigkeit des Kolbens einer üblichen
Maschine erhält man eine etwa zweimal größere Umlaufgeschwindigkeit der Kurbelwelle.
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2. Für eine gleiche Umlaufgeschwindigkeit der Kurbelwelle einer üblichen
Kraftmaschine kann man spezifisch große Zylinderinhalte anwenden, also bei einer
bestimmten Umlaufgeschwindigkeit die gleiche Gesamtleistung mit weniger Zylindern
und Hilfsteilen erzielen.
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Jede Entspannung begleitet den Kurbelzapfen der Kurbelwelle während
eines viel größeren Umlaufwinkels als bei einer üblichen Kraftmaschine, wodurch
es möglich wird, die Zahl der Zylinder zu vermindern und trotzdem eine gute Gleichförmigkeit
des Kraftmoments zu erzielen. Mit großen einheitlichen Zylinderinhalten werden bekanntlich
weitere Vorteile erzielt, indem die Zylinderinhalte je Minute trotz der geringeren
Umlaufgeschwindigkeit vergrößert werden.
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Die Kraftmaschine bietet somit die Vorteile der großen einheitlichen
Zylinder ohne die der geringeren Umlaufgeschwindigkeit anhaftenden Nachteile.
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Es ist insbesondere ersichtlich, daß bei gleicher Umlaufgeschwindigkeit
im Vergleich zu der üblichen Kraftmaschine die Kolben der neuen Kraftmaschine mit
einer sehr geringen mittleren Geschwindigkeit laufen, wodurch die der Verbrennung
zur Verfügung stehende Zeit verlängert und der spezifische Brennstoffverbrauch vermindert
wird.
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3. Die Ausnutzung des Entspannungsdiagramms einer Kraftmaschine ist
äußerst wesentlich. Im Vergleich zu einer üblichen Kraftmaschine ist die neue in
dieser Hinsicht viel vorteilhafter. Die Fig. 12 und 13 zeigen schematisch den Unterschied
in der Übertragung der Kräfte zwischen einer üblichen Kraftmaschine (Fig. 12) und
der erfindungsgemäßen Kraftmaschine (Fig. 13 ).
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Bei gleicher Hublänge und gleichem Bohrungsdurchmesser ergibt eine
Kolbenverschiebung K, vom oberen Totpunkt ausgehend, bei einer üblichen Kraftmaschine
einen Umdrehungswinkel L der Kurbelwelle (Fig. 12). Die gleiche Kolbenverschiebung
K ergibt bei der neuen Kraftmaschine eine Drehbewegung der Kurbelwelle, die dem
Winkel J1 (hig. 13) entspricht, der mehr als zweimal größer ist.
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Der Schwinghebel 24 gestattet es, die Kräfte mit einem großen Moment
in bezug auf die Achse 5 zu übertragen, wenn der Kolben sich im oberen Totpunkt
befindet. Die Bauart ergibt nämlich einen Winkel N (Fig. 13) zwischen dem Schenkel
des Schwinghebels 24 und der Geraden, die, parallel zur Zylinderachse verlaufend,
durch die Achse 5 geht. Die schädlichen Wirkungen, die im oberen Totpunkt entstehen,
werden dadurch beseitigt.
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Dadurch wird aber das größte Übertragungsmoment auf die Kurbelwelle
sowie der Druckgradient wesentlich verbessert.
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5. Abgesehen von den Vorteilen im oberen Totpunkt, wo die Ausnutzung
des Entspannungsdiagramms die beste ist, ist es ebenfalls leichter, die Entspannung
der Gase länger einwirken zu lassen, indem man einen längeren Kolbenhub als bei
üblichen Kraftmaschinen vorsieht, und zwar ergibt sich dies aus dem kleinen Durchmesser
der Kurbelwelle im Vergleich zur Hublänge.
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Fig. 14 zeigt schematisch und nur als Beispiel die Betriebliche Verbindung
zweier Zylinder mit einem gleichen Kurbelgetriebe.
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Durch eine solche Anordnung werden Gewicht sowie Raumbedarf in großem
Maße vermindert. Weitere Anordnungen sind ebenfalls möglich, und man kann die Zahl
der Getriebeteile ändern, ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen. Fig. 15 zeigt
eine Ausführungsart für die Herstellung einer Zweitaktmaschine mit zwei Kurbelwellenumläufen
und getrennter Speisung.
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Das grundsätzliche Getriebe und die gegenseitige Versetzung der Getriebeteile
sind die gleichen wie bei einer Viertaktmaschine, gestatten aber darüber hinaus,
die Entspannungskammern unmittelbar synchron' mit einer bestimmten Luftmenge zu
beschicken.
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Ein einziger Luftkolben 10 drückt die Luft in zwei Entspannungskammern
während des Kreisprozesses (die zweite Kammer ist nicht dargestellt). Der Kolben
10 verschiebt sich im Zylinder 11 hin und her wie bei einer üblichen Kraftmaschine.
Eine Pleuelstange 12 verbindet ihn Betrieblich mit einem Kurbelzapfen 13 der Kurbelwelle.
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Beim dargestellten Beispiel erfolgt die Beschickung der Entspannungskammer
durch Ventile und der Auslaß durch Schlitze 18. Die Kraftmaschine kann für den Betrieb
mit Benzin oder als Dieselmotor oder ferner für sonstige Kraftstoffe ausgelegt werden.
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Fig. 16 zeigt, in welcher Weise für den Betrieb mit Benzin ein Vergaser
38 in die Übergangsleitung 37 eingebaut werden kann. Zeitlich gesteuerte Ventile
und eine Rückschlagklappe 39 stellen die Verbindung zwischen den einzelnen Teilen
im Laufe eines Kreisprozesses her.
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Fig. 17 zeigt schematisch eine andere Ausführungsart mit der grundsätzlichen
Steuervorrichtung; Sie gestattet die Herstellung einer Kraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung
42 und zwei ungleichen
Takten für zwei Umdrehungen der Kurbelwelle
sowie mit gegenläufigen Kolben 37, 38.
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Jeder Kolben 37, 38 betätigt eine Kurbelwelle 40, 41, und die beiden
Kurbelwellen sind getrieblich miteinander durch Zahnräder 43, 44 verbunden, damit
jeder Kolben die Vorteile des Kreisprozesses bietet, der einen ganz bestimmten Sinn
hat. Die Pleuelstangen 45, 46 der beiden Kolben sind wieder durch Schwinghebel 49,
50 und Pleuelstangen 51, 52 mit den Kurbelwellen getrieblich verbunden.