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Drehkolben-Brennkraftmaschine, bei welcher der Kolben außermittig,
jedoch parallelachsig im Umschließungskörper angeordnet ist Die Erfindung betrifft
eine Drehkolben-Brennkraftmaschine, bei welcher der Kolben außermittig, jedoch parallelachsig
im Umschließungskörper angeordnet ist und der Kolben und der Umschließungskörper
zusammen mit Seitenwänden im gleichen Drehsinn, jedoch mit unterschiedlicher Drehzahl
umlaufen, wodurch eine Mehrzahl von volumenveränderlichen Arbeitskammern gebildet
wird, in die Gaswechselkanäle einmünden, die durch die Außenkontur des Kolbens übersteuert
werden.
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Nach einem nicht vorveröffentlichten Vorschlag soll bei derartigen
Drehkolbenmaschinen die innere Mantelfläche des Umschließungskörpers die Form einer
zwei- oder dreibogigen Epitrochoide aufweisen. Dadurch werden im Zusammenwirken
mit einem drei- bzw. vierzahnigen Kolben drei bzw. vier Arbeitskammern gebildet,
die jeweils ein Viertaktverfahren bzw. ein solches mit zwei zusätzlichen Arbeitstakten
durchlaufen. Dabei entfällt auf jede volle Umdrehung des Umschließungskörpers eine
Zündung.
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Um ein gleichmäßigeres Drehmoment zu erhalten, ' ist es wünschenswert,
daß pro Umdrehung des Umschließungskörpers mehr als eine Zündung erfolgt. Eine bekannte
Drehkolben-Brennkraftmaschine, bei der für jede Umdrehung des Umschließungskörpers
mehr als eine Zündung erfolgt, weist einen Umschließungskörper mit einer sechsbogigen
inneren Mantelfläche auf, in welchem ein Kolben angeordnet ist, der sich schneller
dreht als der Umschließungskörper. Die dabei verwendete Form des Umschließungskörpers
und des Kolbens macht eine Abdichtung der einzelnen Arbeitskammern voneinander praktisch
unmöglich, da die Berührungslinien zwischen Kolben und Umschließungskörper über
einen weiten Bereich wandern. Außerdem sind bei dieser Maschinenform nur sehr kurze
Steuerzeiten mit entsprechend schlechtem Füllungsgrad möglich, da sich sonst eine
zu große Überschneidung zwischen Einlaß und Auslaß ergibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehkolben-Brennkraftmaschine
zu schaffen, bei der pro Umdrehung des Umschließungskörpers mehr als eine Zündung
erfolgt und die sich im Gegensatz zu der bekannten Drehkolben-Brennkraftmaschine
ohne Schwierigkeiten abdichten läßt und einen einwandfreien Ladungswechsel bei gutem
Füllungsgrad zuläßt. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die innere Mantelfläche
des gegenüber dem Kolben im Verhältnis von 5:4, 6: 5, 7: 6 schneller drehenden Umschließungskörpers
die Form einer 4-, 5- oder 6bogigen Epitrochoide oder einer äußeren Parallelkurve
hierzu erhält und der Kolben in seiner Außenkontur an die von der inneren Mantelfläche
des Umschließungskörpers eingeschriebene innere Hüllkurve angenähert wird, wodurch
eine die Anzahl der Bogen des Umschließungskörpers um 1 übersteigende Anzahl von
Arbeitskammern gebildet wird und daß im Umschließungskörper nach zwei nicht benachbarten
achsennahen Zonen je eine Einlaßöffnung für Frischgase und vor den in Drehrichtung
des Kolbens relativ zum Umschließungskörper übernächsten achsennahen Zonen je eine
Auslaßöffnung für die verbrannten Gase vorgesehen werden.
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Durch diesen erfindungsgemäßen Vorschlag werden fünf bzw. sechs oder
sieben Arbeitskammern gebildet, die bei der Bewegung des Kolbens relativ zum Umschließungskörper
ihr Volumen ändern und in denen während einer Umdrehung des Kolbens relativ zum
Umschließungskörper jeweils zwei oder drei vollständige Viertaktverfahren durchgeführt
werden, so daß sich für jede Umdrehung des Umschließungskörpers zwei bzw. drei Zündungen
ergeben.
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Die Verwendung einer mehrbogigen Epitrochoide für die Form der inneren
Mantelfläche des Umschließungskörpers hat gegenüber anderen Formen erhebliche Vorteile,
die in erster Linie in der Möglichkeit
einer zuverlässigen Abdichtung
der Arbeitskammern liegen. Es können nämlich bei diesen Maschinen in den Zahnkanten
der Kolben Dichtleisten angeordnet werden, die ohne wesentliche Radialbewegung ständig
an der inneren Mantelfläche entlang gleiten und so benachbarte Arbeitskammern voneinander
abdichten. Außerdem lassen sich die Steueröffnungen so anordnen, daß ohne die Gefahr
einer großen Überschneidung zwischen benachbarten Einlaß- und Auslaßöffnungen lange
Steuerzeiten erzielt werden.
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Es sei bemerkt, daß sich bei einer bekannten Maschinenart der Umschließungskörper
schneller dreht als der Kolben, und zwar im Verhältnis 5 : 4. Jedoch ist bei dieser
Maschinenart die Form der inneren Mantelfläche des Umschließungskörpers nicht festgelegt,
und es ist auch kein Hinweis auf die Ausbildung dieser Maschine als Brennkraftmaschine
gegeben. Schließlich ist es an sich bekannt, daß bei derartigen Rotationskolbenmaschinen
der schneller drehende Teil eine Kurvenform haben kann, die in der Mathematik als
Epitrochoide bezeichnet wird. Bei vorbekannten Maschinen dieser Art ist jedoch dieser
schneller drehende Teil der Kolben, und zwar in Form einer zweibogigen Epitrochoide,
der in einem Umschließungskörper mit einer an die äußere Hüllkurve dieser Epitrochoide
angenäherten inneren Mantelfläche umläuft, wodurch lediglich drei Arbeitskammern
gebildet werden und damit die schnelle Zündfolge der erfindungsgemäßen Maschine
nicht erreicht werden kann. Außerdem sind auch bei dieser Maschine die erreichbaren
Steuerzeiten sehr ungünstig.
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Bei der erfindungsgemäßen Maschine mit einer inneren Mantelfläche
des Umschließungskörpers in Form einer 5- oder 6bogigen Epitrochoide oder einer
äußeren Parallelkurve hierzu können jeweils in einem in Drehrichtung des Kolbens
relativ zum Umschließungskörper zwischen einer Auslaßöffnung und einer Einlaßöffnung
liegenden Bogen des Umschließungskörpers Steuerfenster für den Einlaß und Ausschub
von Kühlluft vorgesehen werden. Die durchströmende Frischluft dient hierbei zur
Kühlung des Brennraumes und insbesondere der Zündkerze. Da bei jedem Spülvorgang
infolge der erwähnten Relativbewegung eine andere Arbeitskammer erfaßt wird, kann
für sämtliche Brennräume und Kerzen die gleiche thermische Entlastung erzielt werden.
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Für die Maschine mit einem Umschließungskörper in Form einer sechsbogigen
Epitrochoide oder einer äußeren Parallelkurve hierzu kann schließlich auch eine
verlängerte Dehnung vorgesehen werden, indem die Auslaßöffnungen, durch die die
verbrannten Gase normalerweise ins Freie abströmen, als überströmkanäle ausgebildet
werden, welche jeweils die im Dehnungstakt befindliche Arbeitskammer mit der in
Drehrichtung des Kolbens relativ zum Umschließungskörper vorausgehenden Arbeitskammer
in Verbindung bringen, wenn letztere ihr Kleinstvolumen hat, wobei jeweils eine
Ausschuböffnung für die verbrannten Gase kurz vor den achsennahen Zonen, nach welchen
die Einlaßöffnungen vorgesehen sind, angeordnet wird. Da hierbei annähernd eine
Verdoppelung des Expansionsverhältnisses gegenüber dem Kompressionsverhältnis erreichbar
ist, sind sehr günstige Wirkungsgrade erzielbar.
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Die Abdichtung der Arbeitskammern kann in bekannter Weise dadurch
vorgenommen werden, daß an den Ecken des Kolbens parallel zur Achse Dichtleisten
angeordnet werden, die durch Fliehkraft und Gasdruck gegen die innere Mantelfläche
des Umschließungskörpers gedrückt werden. Die stirnseitige Dichtung kann durch Dichtrandplatten
erfolgen, deren Abdichtung zum Kolben durch Stahlbänder vorgenommen wird, die beiderseits
in Nuten eingebettet sind. Da die radialen Dichtleisten bei einem Gleiten auf einer
mathematisch korrekten Trochoide stets nur mit ihrer Scheitelkante anliegen und
hierbei unter Umständen zu hohe Abnutzung erfahren, kann ein geringfügiges Wandern
der Anlagekante über die Breite der Dichtleiste erwünscht sein. Dies wird durch
Ausbildung der inneren Mantelfläche des Umschließungskörpers in Form einer äußeren
Parallelkurve zu der Epitrochoide erreicht, wobei der Abstand der Parallelkurve
von der Epitrochoide höchstens gleich der halben Breite der radialen Dichtleisten
gewählt wird.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand
von Zeichnungen erläutert. Es zeigt Fig.1 eine schematische Ansicht einer Drehkolbenmaschine,
bei welcher die innere Mantelfläche des Umschließungskörpers die Form einer vierbogigen
Epitrochoide aufweist, Fig. 2 einen teilweisen Längsschnitt gemäß Linie 2-2 in Fig.
1, jedoch mit ungeschnittenem Kolben, Fig. 3 bis 26 Stellungsbilder einer Maschine,
bei welcher die innere Mantelfläche des Umschließungskörpers die Form einer fünfbogigen
Epitrochoide hat, Fig. 27 eine schematische Ansicht einer Maschine, bei welcher
die innere Mantelfläche des Umschließungskörpers die Form einer sechsbogigen Epitrochoide
hat und gleichzeitig drei Viertaktarbeitsverfahren ablaufen, Fig. 28 eine schematische
Ansicht einer Maschine im wesentlichen entsprechend Fig. 27, bei welcher gleichzeitig
nur zwei Viertaktverfahren durchgeführt werden, jedoch im Anschluß an jedes Viertaktverfahren
eine verlängerte Dehnung erfolgt, und Fig. 29 eine schematische Ansicht einer Maschine
im wesentlichen entsprechend Fig.27, bei welcher gleichzeitig ebenfalls nur zwei
Viertaktarbeitsverfahren durchgeführt werden, jedoch im Anschluß an jedes Viertaktverfahren
Kühlluft angesaugt und ausgeschoben wird.
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Es sei zunächst auf Fig.1 und 2 Bezug genommen. Der Umschließungskörper
1 der Maschine weist eine innere Mantelfläche 2 auf, deren Form einer vierbogigen
Epitrochoide oder einer äußeren Parallelkurve hierzu entspricht, wodurch sich vier
achsennahe Zonen 2a, 2b, 2 c und 2 d ergeben. Mit
A ist seine Drehachse bezeichnet. In dem Umschließungskörper 1 ist ein Kolben
3 angeordnet, dessen Drehachse B außermittig, jedoch parallelachsig zur Drehachse
A des Umschließungskörpers 1 verläuft. Das Drehzahlverhältnis zwischen Kolben 3
und Umschließungskörperl beträgt bei dieser Maschine 4 : 5. Kolben und Umschließungskörper
laufen im Uhrzeigersinn um. Die Exzentrizität, d. h. der Abstand zwischen den Drehachsen
A und B, ist mit e bezeichnet. Die Außenkontur des Kolbens 3 ist an
die von der Mantelfläche 2 des Umschließungskörpers 1 eingeschriebene innere Hüllkurve
angenähert und weist fünf zahnartige Vorsprünge 4 auf, in denen achsparallele Dichtleisten
5 angeordnet sind, die beim Umlauf des Kolbens 3 relativ zum Umschließungskörper
1
ständig an der inneren Mantelfläche 2 entlang gleiten. Dadurch werden fünf Arbeitskammern
6 a, 6 b, 6 c, 6 d, 6 e gebildet, die während der Bewegung des Kolbens relativ
zum Umschließungskörper ihr Volumen verändern.
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In den Seitenwänden des Umschließungskörpers 1 sind nach zwei nicht
benachbarten Zonen 2 a und 2 c je eine Einlaßöffnung 7 für die Frischgase und vor
den in Drehrichtung des Kolbens relativ zum Umschließungskörper übernächsten achsennahen
Zonen 2 c und 2 a je eine Auslaßöffnung 8 für die verbrannten Gase vorgesehen. Die
genannte relative Drehrichtung ist durch den Pfeil Z veranschaulicht. In Fig. 1
befindet sich die Kammer 6 a im Ansaugtakt, die Kammer 6 b im Dehnungstakt, die
Kammer 6 c im überschneidungstotpunkt (in welchem für diese Kammer Auslaß und Einlaß
geöffnet sind), die Kammer 6 d im Verdichtungstakt und die Kammer 6 e im Ausschubtakt.
Die Zündung des verdichteten Gemisches erfolgt durch Zündkerzen 9, die jeweils in
einer Aussparung 10 jeder Flanke des Kolbens angeordnet sind. Die Aussparungen
10 dienen gleichzeitig dazu, das gewünschte Verdichtungsverhältnis zu erzielen und
die Gaswechselquerschnitte zu vergrößern und eine ungedrosselte Verbindung zwischen
den Teilvolumina jeder im Zustand ihres Kleinstvolumens befindlichen Kammer herzustellen.
In Fig. 1 hat die Arbeitskammer 6 c ihr Kleinstvolumen, und es ist ersichtlich,
daß ohne die Aussparung 10
dieses Volumen auf Grund der Annäherung der Außenkontur
des Kolbens 3 an die achsennahe Zone 2 c des Umschließungskörpers in zwei voneinander
weitgehend getrennte Teilvolumina aufgeteilt würde.
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Ein Längsschnitt durch den Umschließungskörper 1 und das in Fig. 1
nicht dargestellte Gehäuse ist in Fig. 2 gezeigt. Dieses allgemein mit 11 bezeichnete
Gehäuse weist Lagerstellen 12 für die Lagerung des Umschließungskörpers 1 und Lagerstellen
13 für die Lagerung der Welle 14, auf welcher der Kolben 3 befestigt ist, auf. Zur
Erzwingung des Drehzahlverhältnisses von 5:4 zwischen Umschließungskörper 1 und
Kolben 3 ist ein Getriebe vorgesehen, das aus einem Kolben 3 bzw. an dessen Welle
14 befestigten innenverzahnten Rad 15 und einem am Umschließungskörper 1 befestigten
außenverzahnten Rad 16 besteht. Die in der einen Seitenwand 17 des Umschließungskörpers
1 angeordneten Einlaßsteueröffnungen 7 sind mit einem Ringkana118 im Gehäuse 11
in Verbindung, der von einer Sammelleitung 19 mit Frischgas versorgt wird. Die in
der gegenüberliegenden Seitenwand20 des Umschließungskörpersl angeordneten Auslaßsteuerfenster
8 sind versetzt dargestellt. Sie münden in eine Auslaßsammelleitung 21 im Gehäuse
11, welche bei 22 ins Freie führt.
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Bei dieser Maschine ergibt sich für jede Umdrehung des Umschließungskörpers
zweimal ein vollständiges Viertaktverfahren.
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Bei der Ausführung gemäß Fig. 3 bis 26 handelt es sich um eine Maschine,
bei welcher die innere Mantelfläche 2' des Umschließungskörpers 1' die Form einer
fünfbogigen Epitrochoide oder einer äußeren Parallelkurve hierzu aufweist, wodurch
sich fünf achsennahe Zonen 2d, 2b', 2c', 2d' und 2e' ergeben. Die
Drehachse des Umschheßungskörpers ist wiederum mit A, die des Kolbens mit
B bezeichnet. Der Kolben 3' weist sechs zahnartige Vorsprünge 4' auf, mit
denen er ständig an der Mantelfläche 2 des Umschließungskörpers 1' entlang gleitet,
wodurch sechs volumenveränderliche Arbeitskammern gebildet werden. Das Drehzahlverhältnis
zwischen Umschließungskörper 1' und Kolben 3' beträgt in diesem Falle 6:5. Nach
der achsennahen Zone 2 a' (in Drehrichtung Z des Kolbens 3' relativ zum Umschließungskörper
1' gesehen) ist eine Einlaßöffnung 7', vor der übernächsten achsennahen Zone 2c'
in der genannten relativen Drehrichtung eine Auslaßöffnung 8', nach dieser achsennahen
Zone 2 c' eine zweite Einlaßöffnung 7' und vor der übernächsten achsennahen Zone
2 e' wiederum eine Auslaßöffnung 8' vorgesehen. Der zwischen den achsennahen Zonen
2 d und 2 e' liegende Bogen ist mit einer Einlaßöffnung 35 und einer Auslaßöfnung
36 für Kühl- bzw. Spülluft versehen.
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Zwischen den einzelnen Fig. 3 bis 26 ist der Umschließungskörper 1'
jeweils um 90° und der Kolben 3' jeweils um 75° weitergedreht. Beide Drehbewegungen
erfolgen im Uhrzeigersinn, die Relativbewegung des Kolbens zum Umschließungskörper
jedoch entgegen dem Uhrzeigersinn, da der Kolben langsamer umläuft als der Umschließungskörper.
Die Stellung des Umschließungskörpers und des Kolbens wird jeweils durch die radialen
Pfeile veranschaulicht, die in Fig. 3 übereinanderstehen.
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Zur Erklärung eines vollständigen Arbeitsablaufes in einer Kammer
soll im folgenden die in Fig. 3 unten liegende Arbeitskammer K betrachtet werden,
die hier ihr Kleinstvolumen aufweist und sich im überschneidungstotpunkt befindet.
Diese Kammer vergrößert in den folgenden Stellungen ihr Volumen und saugt Frischgas
durch die Einlaßöffnung 7' ein, bis sie in Fig. 6 ihr Größtvolumen erreicht hat
und die Einlaßöffnung7' durch den Kolben3' abgesteuert wird. Das in der Kammer K
befindliche Frischgas wird nun in den Stellungen gemäß Fig. 7 und 8 verdichtet,
bis kurz vor der Stellung gemäß Fig. 9 die Zündung erfolgt. Nun findet die Expansion
statt, bis kurz vor der Stellung gemäß Fig. 10 die Auslaßöffnung 8' vom Kolben 3'
freigegeben wird und das Ausschieben der verbrannten Gase stattfindet (Fig.10, 11,
12). Bei der Stellung gemäß Fig.13 hat die Kammer K ihr Kleinstvolumen bereits wieder
überschritten und steht mit der Einlaßöffnung 35 für Kühlluft in Verbindung. In
Fig.15 hat sie ihr größtes Volumen erreicht und steht gleichzeitig sowohl mit der
Einlaßöffnung 35 als auch mit der Auslaßöffnung 36 für die Kühlluft in Verbindung.
Das Ausschieben der Kühlluft erfolgt während der in Fig.16 und 17 dargestellten
Phasen, während in Fig. 18 die sich bereits wieder vergrößernde Kammer mit der Einlaßöffnung
7' für Frischgas in Verbindung steht. Dieser Einlaßvorgang ist bei der Stellung
gemäß Fig. 20 im wesentlichen abgeschlossen, so daß im folgenden bis zur Stellung
gemäß Fig. 22 die Verdichtung und anschließend die Zündung erfolgen. In Fig. 23
und 24 ist der Dehnungstakt dargestellt, der durch den aus Fig. 25 und 26 ersichtlichen
Ausschubtakt abgelöst wird.
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Im ganzen sind sechs volle Umdrehungen des Umschließungskörpers 1'
dargestellt. Während dieser Zeit finden in jeder Arbeitskammer zwei Viertakt-Arbeitsspiele
und ein Kühl- bzw. Spülvorgang statt. Selbstverständlich arbeiten sämtliche sechs
Kammern gleichzeitig mit entsprechender Phasenverschiebung, so daß auf sechs Umdrehungen
des Umschließungskörpers zweimal sechs vollständige Arbeitsvorgänge entfallen.
In
den Fig.27 bis 29 ist schematisch eine Maschine dargestellt, bei welcher die innere
Mantelfläche 2" des Umschließungskörpers 1" die Form einer sechsbogigen Epitrochoide
oder äußeren Parallelkurve hierzu hat, wodurch sich sechs achsennahe Zonen 2a",
2b", 2c", 2d, 2e" und 2f" ergeben. Der Kolben 3" weist sieben zahnartige
Vorsprünge 4" auf, die ständig an der Mantelfläche 2" entlang gleiten, wodurch sieben
volumenveränderliche Arbeitskammern gebildet werden. Das Drehzahlverhältnis zwischen
Umschließungskörper 1" und Kolben 3" beträgt 7 : 6.
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Bei der Ausführung gemäß Fig.27 sind symmetrisch drei Einlaßöffnungen
7" für Frischgas und drei Auslaßöffnungen 8" für die verbrannten Gase vorgesehen.
Dadurch ergibt sich für jede Umdrehung des Umschließungskörpers 1" dreimal ein vollständiges
Viertaktverfahren.
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Bei der Ausführung gemäß Fig.28 wird eine Nachexpansion dadurch erreicht,
daß die Auslaßöffnungen 38 als überströmkanäle ausgebildet sind, welche jeweils
die im Dehnungstakt befindliche Arbeitskammer mit der in Drehrichtung Z des Kolbens
3" relativ zum Umschließungskörper 1" vorausgehenden Arbeitskammer in Verbindung
bringen, wenn die letztere ihr Kleinstvolumen aufweist. Erst wenn diese beiden Arbeitskammern
ihr gemeinsames Maximalvolumen besitzen, findet der Auslaßvorgang statt, zu welchem
Zweck jeweils eine Ausschuböffnung 37 kurz vor den achsennahen Zonen, nach welchen
die Einlaßöffnungen 7" angeordnet sind, vorgesehen ist. Die Kammer K' beispielsweise
befindet sich im Dehnungstakt. Nachdem sie etwa das halbe Maximalvolumen erreicht
hat, gibt der Kolben 3" den überströmkanal 38 frei, wodurch Gas aus der Kammer K'
in die Kammer K", die im Moment der Freigabe des lrberströmkanals 38 im wesentlichen
ihr Kleinsivolumen hat, überströmen kann. Beide Kammern K' und K" vergrößern ihr
Volumen, bis bei Erreichen des gemeinsamen Größtvolumens die Ausschuböffnung 37
freigegeben wird.
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Bei der Ausführung gemäß Fig. 29 folgt auf jeden vollständigen Viertaktvorgang
ein Kühl- und Spülvorgang. Zu diesem Zweck sind außer den beiden Einlaßöffnungen
7" und AuslaßöfInungen 8" für das Viertaktverfahren jeweils in dem Bogen, der sich
zwischen einer Einlaß- und einer Auslaßöffnung befindet, je ein Einlaßkanal35" und
ein Auslaßkanal 36" für Frischluft vorgesehen. Auf diese Weise wird nach jedem Ablauf
eines Viertaktverfahrens eine Kühlung des Kolbens und eine Spülung der Arbeitskammern
erzielt.