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Dehkolbenmotor.
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Die Erfindung betrifft einen Drehkolbenmotor, bei welchem innerhalb
eines Motorgehäuses mit zylindrischer Bohrung zwei mit mindestens je zwei kreissegmentförmigen
Flügeln ausgestattete Rotoren mit in der Zylinderachse verlaufenden Drehachsen angebracht
sind, deren Flügel paarweise in Verbindung mit der Zylinderwand Verbrennungsräume
bilden, deren Volumen sich in Abhängigkeit von der Drehstellung der über ein Getriebe
miteinander gekoppelten Rotoren verändert, und bei welchem die Eine laßöffnngen
für den Treibstoff und die Auslaßöffnungen für die Verbrennungsgase an der Zylinderwand
angeordnet sind.
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Bei derartigen Kreiskolbenmotoren b-ewegen sich die beiden Rotoren,
die mit ihren Flügeln ineinandergreifen, mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten,
so daß der eine Rotor, bezogen auf den anderen Rotor periodisch beschleunigt und
abgebremst wird, und der zwischen den Rotoren gebildete Verbrennungsraum seine Größe
in
Abhängigkeit von der jeweiligen Winkelstellung der beiden Rotoren
periodisch ändert. Auf diese Weise wird in Verbindung mit entsprechenden Steueröffnungen
am Umfang des Zylindergehäuses erreicht, daß der Motor in dem gewünschten Takt arbeitet
und zu den jeweils richtigen Zeitpunkten Treibstoff eingegeben bzw. die Verbrennungsgase
abgesaugt oder die Zündungen bewirkt werden.
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Bei den bekannten Drehkolbenmotoren, bei denen die Steuerung der-Rotoren
über ein geeignetes Steuergetriebe von der Ausgangswelle her erfolgt, ist einer
der Rotoren unmittelbar mit der Ausgangswelle gekoppelt. Er dreht sich daher mit
der im stationären Zustand konstanten Drehgeschwindigkeit der Ausgangswelle. Dies
bedeutet einerseits, daß nur-ein Rotor mit veränderlicher Winkelgeschwindigkeit
angetrieben werden muß, es bedeutet aber andererseits, daß dieser eine Rotor periodisch
ganz beträchtlichen Beschleunigungen in positiver und negativer Richtung ausgesetzt
ist, und daß durch die unregelmäßige Beanspruchung der Rotoren der mit verändrlicher
Drehgeschwindigkeit umlaufende Rotor einem erheblich größeren Verschleiß unterliegt
als der mit konstanter Geschwindigkeit drehende Rotor.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Drehkolbenmotor anzugeben,
bei dem die Belastungen der Rotoren etwa einander gleich sind, und bei dem die Belastung
des einzelnen Rotors infolge auftretender Beschleunigungen möglichst gering gehalten
ist. Diese Aufgabe wird bei einem Drehkolbenmotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß jede der Rotorwellen über mindestens einen Steuerarm an einem
eigenen Kurbelarm angreift, welcher um einen außermittig an einem
Zahnrad
angebrachten Drehzapfen verschwenkbar ist, und daß die den Rotoren zugeordneten
Zahnräder sämtlich entlang einer zum Motorgehäuse feststehenden Bahn zwangsgeführt
sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Drehkolbenmotor ist keiner der Rotoren starr
mit der Ausgangswelle, die sich mit konstanter Geschwindigkeit dreht, Xsrr verbunden.
Beide Rotoren drehen sich zwar mit einer mittleren Geschwindigkeit, die jeweils
der Drehgeschwindigkeit der Ausgangswelle proportional ist, ihre Geschwindigkeiten
ändern sich aber periodisch während jeder Umdrehung. Diese periodischen Änderungen
verteilen sich gleichmäßig auf die beiden Roten, die somit zyklisch abgebremst und
beschleunigtwerden. Aus diesem Grunde wird die mechanische Beanspruchung infolge
der Beschleunigungen gleichmäßig auf die Rotoren verteilt, denn deren Maximalbeschleunigungen
sind, wenn sie auch zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgen, in Betrag und Richtung
einander gleich.
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Das Motorgehäuse ist vorzugsweise mit einer Innenverzahnung zur Führung
der an einer mit der Antriebswelle verbundenen Schwungmasse außermittig gelagerten
Zahnräder ausgestattet.
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Die Zahnräder laufen infolge ihrer Lagerung an der Schwungmasse bei
stationärem Betrieb des Motors mit konstanter Geschwindigkeit an der Innenverzahnung
um. Da die Zahnräder außermittig über Kurbelzapfen mit Kurbelarmen verbunden sind,
beschreiben die Kurbelzapfen Zykloiden, die an der Innenverzahnung umlaufen. Die
Steuerarme und somit die Rotoren werden dementsprechend zyklisch abgebremst und
beschleunigt.
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Eine besonders günstige Ausbildung des Drehkolbenmotors ergibt sich,
wenn zwei Rotoren vorgesehen sind, deren Flügel jeweils auf einer Kreisscheibe montiert
sind, so daß die zwischen den Rotoren gebildeten Verbrennungsräume nur an den zylindrischen
Seiten von der Wandung des Motorgehäuses begrenzt sind. Bei Kreiskolbenmotoren ist
wie bei allen übrigen Motorarten zu beachten, daß der Motor sowohl in kaltem als
auch in warmem Zustand betriebsfähig sein muß. Wegen der thermischen Ausdehnung
der Rotoren gegenüber dem zumeist gekühlten Motorgehäuse könnten bei herkömmlicher
Ausbildung des Drehkolbenmotores im kalten Zustand Undichtigkeiten zwischen den
Rotorflügeln und dem Gehäuse auftreten, die erst dadurch behoben würden, daß der
Rotor sich während des Betriebes erwärmt und sich infolge seiner Ausdehnung an die
Abmessungen des Motorgehäuses anpaßt. Durch die erfindungsgemäße Anbringung der
Kreisscheiben werden die Verbrennungsräume seitlich nicht vom Motorgehäuse sondern
von den sich gegenüberliegenden Kreisscheiben beider Rotoren begrenzt. Da bei thermischer
Ausdehnung zu erwarten ist, daß beide Rotoren sich gleichmäßig ausdehnen, nimmt
der gegenseitige Abstand der Kreisscheiben bei Erwärmung zwar zu, die Abdichtung
zwischen den Rotorflügeln und den Kreisscheiben bleibt aber voll aufrechterhalten.
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Auf diese Weise wird erreicht, daß eine gute Abdichtung sowohl in
kaltem als auch in warmem Zustand des Motors erzielt wird.
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Vorzugsweise sind diejenigen Flächenteile der Rotoren, die parallel
zu entsprechenden Flächenteilen des jeweils anderen Rotors bewegt werden, zur Erleichterung
der Abdichtung mit einer ein Schmiermittel aufnehmenden Riffelung versehen. Es hat
sich gezeigt, daß auf diese
Weise ein gutes LauZverhalten zwischen
den beiden Rotoren bei guter Abdichtung der Verbrennungsräume erzielt wird.
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Die Kreisscheiben können im Durchmesser größer sein als der von den
rotierenden Flügelpaaren erfaßte Raum und mit ihren überstehenden ringförmigen Bereichen
in entsprechende Ausnehmungen des Motorgehäuses eingreifen.
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Auch diese Maßnahme dient der Verbesserung der Abdichtung.
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Die ringförmigen Bereiche der Flügelpaare bilden in den ebenfalls
ringförmigen Ausnehmungen des Motorgehäuses Labyrinthdichtungen, deren Wirkung noch
dadurch erhöht wird, daß die ringförmigen Bereiche der Scheiben gegenüber den Scheibenkörpern
verstärkt ausgebildet sind.
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Zur besseren Wärmeableitung können an den den Motorgehäusewänden zugewandten
Seiten der Scheiben Kühlrippen angebracht sein. Diese Kühlrippen verlaufen vorzugsweise
rotationssymmetrisch und greifen in entsprechend angebrachte Kühlrippen des Motorgehäuses
ein, so daß sich im Querschnitt eine Verzahnung ergibt, die bewirkt, daß sowohl
die entsprechende Scheibenoberfläche als auch die gegenüberliegende Oberfläche der
Motorgehäusewand vergrößert ist und die Wärmeabfuhr erleichtert werden kann.
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Der erfindungsgemäße Drehkolbenmotor kann mit einer wählbaren Anzahl
von Rotorflügeln ausgestattet sein Dieser Flügel zahl ist zweckmäßigerweise die
Anzahl der am Umfang verteilt angebrachten Steueröffnungen, wie Einlaßöffnungen
für Treibstoff, Zündstellen und Auspufföffnungen angepaßt. Hierdurch wird der Drehwinkel
vorgegeben, den der Verbrennungsraum während eines Verbrennungs-
zyklus
übeztreieht.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren an
zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt
durch den Drehkolbenmotor einschließlich des Steuergetriebes, Fig. 2 zeigt eine
Teildarstellung bei einem Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1, Fig. 3 zeigt
einen der beiden Rotoren in perspektivischer Darstellung, Fig. 4a,4b,4c zeigen schematisch
aufeinanderfolgende Arbeitsphasen des Motors, und Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Drehkolbenmotors, bei der jeder Rotor mit vier Flügeln ausgestattet
ist.
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Der Aufbau des Drehkolbenmotors ist aus den Figuren 1 bis 3 erkennbar.
Innerhalb eines Motorgehäuses 10 mit zylindrischer Innenbohrung 11 sind zwei ineinandergreifende
Rotoren 12,13 untergebracht, deren Drehachsen auf der Achse der Zylinderbohrung
11 liegen. Die beiden Rotoren 12,13 sind einander im wesentlichen gleich ausgebildet.
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Sie besitzen jeweils eine zylinderförmige Nabe 14, die mit einer Bohrung
15 zum Befestigen einer Welle 16 oder einer Hohlwelle 17 versehen ist. An die zylindrischen
Naben 14 schließen sich in radialer Richtung die Flügel 18,19 an. Diese Flügel sind
etwa kreissegmentförmig ausgebildet. Mit ihren Seitenflächen 20 bilden sie in
Verbindung
mit den Zylinderflächen der Naben 14 und der Bohrungsfläche 11 Verbrennungsräume,
deren Größen sich zyklisch ändern, wie im folgenden noch erläutert werden wird.
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Sowohl die Nabe 14 als auch die Flügel 18,19 sind auf einer verhältnismäßig
dünnen Kreisscheibe 21 montiert.
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Die Nabe 15 besitzt -- bezogen auf die Kreisscheibe 21 -etwa die halbe
Höhe der Flügel 18,19.
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Wie als Fig. 3 erkennbar ist, ist die Kreisscheibe 21 mit an ihrer
die Nabe 14 und die Flügel 18,19 tragenden Seite mit einer radial verlaufenden Riffelung
21 versehen.
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Eine ähnliche Riffelung besitzen auch diejenigen stirnseitigen Flächen
22,23 der Flügel 18,19, die im montierten Zustand der Kreis scheibe des anderen
Rotors unmittelbar gegenüberliegen. Dieser andere Rotor wird nämlich so mit dem
in Fig. 3 abgebildeten Rotor zusammengesetzt, daß die Naben 14 der beiden Rotoren
in einer Flucht hintereinanderliegen und ihre Flügel sich etwa kreuzen.
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Schließlich sind auch die Zylinderflächen 24 der Flügel 18, 19 mit
einer parallel zur Zylinderachse verlaufenden Riffelung versehen. Diese Zylinderflächen
liegen im montierten Zustand der Zylinderbohrung 11 des Motorgehäuses 10 gegenüber.
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Aus Fig. 1 ersieht man, daß der Rotor 12 drehfest mit der Hohlwelle
17 verbunden ist, während der Rotor 13 drehfest auf der durch die Hohlwelle 17 hindurchführenden
Welle 16 montiert ist. Die Rotationsbewegungen der beiden Rotoren werden also dem
Steuergetriebe 25 getrennt zugeführt.
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Die Kreisscheiben 21, die an jeweils einem der Rotoren 12,13 angebracht
sind, liegen im montierten Zustand des Motors einander gegenüber. Sie sind in radialer
Richtung über die Flügel 1S,19 hinaus verlängert und besitzen hier ringförmige Verdickungen
26, die in entsprechenden Ringnuten 27 des Motorgehäuses 10 umlaufen. Das Motorgehäuse
10 besitzt innerhalb des Zylindermantels 28 und innerhalb der stirnseitigen Begrenzungswände
29,30 Kühlräume 31 32, 33, die von- einem Kühlmittel durchströmt sind. Die zwischen
den Rotoren und dem Motorgehäuse gebildeten Verbrennungsräume werden seitlich durch
die Kreisscheiben 21, nach innen durch die Naben 14 und nach außen durch die Zylinderwand
11 begrenzt. Durch die Verbrennung werden insbesondere die Rotoren-thermisch beansprucht.
Zur besseren Wärmeableitung können die Kreisscheiben 21 an ihrer Außenseite mit
rotationssymmetrischen Rippen versehen sein, die in entsprechende Rippen der stirnseitigen
Begrenzungswände 29,30 eingreifen. Auf diese Weise werden die wärmeaustauschenden
Flächen beider Teile vergrößert. Durch die Anbringung der Flügel 18,19 und der Naben
14 an den Kreisscheiben 21 wird erreicht, daß die gewünschte Abdichtung der beiden
Rotoren 12,13 gegeneinander auch bei thermischer Ausdehloung erhalten bleibt. Dehnen
sich die Rotoren in seitlicher Richtung aus, so verändert sich der gegenseitige
Abstand der Kreisscheiben 21 geringfügig. Es entsteht somit keine Pressung, und
die Rotoren können sich bei der veränderten Temperatur mit dem gleichen gegenseitigen
Spiel drehen wie vorher.
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Das Ausgleichsgetriebe 25 dient einerseits der Ableitung der erzeugten
Rotationsenergie über die Welle 35 nach außen, andererseits aber auch der Steuerung&r
Rotoren 12,13,
die während Jeder Umdrehung mehrfach abgebremst
und beschleunigt werden müssen. Es ist zu diesem Zweck mit einer Schwungmasse 36
verstehen, die unmittelbar auf die Ausgangswelle 35 aufgekeilt ist, und an der an
Drehzapfen 37 Zahnräder 38,39 befestigt sind. Die Zahnräder 38,39 laufen auf einem
koaxial zur Ausgangswelle 35 ausgerichteten, am Gehäuse 10 fest angebrachten Zahnkranz
40 mit einer Innenverzahnung ab. Sie sind außermittig über Drehzapfen 41 mit Kurbelarmen
42 verbunden, die wiederum über Drehzapfen 43 unctteuerarme 44,45 mit der Welle
16 bzw. der Hohlwelle 17 in Verbindung stehen.
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Prinzipiell ist es möglich, die Welle 16 und die Hohlwelle 17 jeweils
über ein einziges Zahnrad 38 oder 39 zu steuern. Aus Gründen der Symmetrie und des
besseren Kräfteausgleichs empfiehlt es sich aber Jede der Wellen 16 und 17 mit zwei
Steuerarmen 44,45 auszustatten, von denen jeder mit einem entsprechenden Zahnrad
38,39 zusammenwirkt, wobei die Zahnräder 38 oder die Zahnräder 39 an dem Zahnkranz
40 sich Jeweils einander gegenüberliegen bzw. um 1800 versetzt sind. Diese Verhältnisse
sind in Fig. 2 im einzelnen dargestellt. Man erkennt auch, daß die einander gegenüberliegenden
Zahnräder 38 mit der Hohlwelle 17 gekoppelt sind, während die ebenfalls einander
gegenüberliegenden Zahnräder 39 mit der Welle 16 in Verbindung stehen. Im stalonären
Betrieb dreht sich die Welle 35 und somit die Schwungmasse 36 mit konstanter Geschwindigkeit.
Demzufolge wälzen sich auch die Zahnräder 38 und 39 mit gleichbleibender Geschwindigkeit
an der Innenverzahnung 4() ab. Die Kurbelarms 42 sorgen für eine zyklische Veränderung
der Drehgeschwindigkeiten der Steuerarme 44 und 45, die somit auch die Wellen 16
und 17 mit veränderlichen Geschwindigkeiten antreiben.
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Die gegenseitige Zuordnung der Drehzapfen 41 an den Zahnrädern 38
und 39, ist so, daß sich die in den Figuren 4a bis 4c dargestellten Bewegungsabläufe
ergeben. Die Flügel des Rotors 12 sind mit 18 und 19 bezeichnet. Diese Flügel liegen
einander gegenüber, d.h. sie sind um 180° gegeneinander versetzt. Die ebenfalls
einander gegenüberliegenden Flügel des Rotors 13 sind mit 18' und 19'-bezeichnet.
In der Zylinderwand des Gehäuses 10 erkennt man die Durchflußleitung 31 für das
Kühlmedium und die zyklisch über den Umfang verteilten Zündstellen 50. Beim vorliegenden
Ausführungsbeispiel ist das gesamte Zylindergehäuse 10 in drei gleichartige Abschnitte
unterteilt, von denen jeder mit einer Zündstelle 50, einer Auslaßöffnung 51 für
die Auspuffgase und einer Ansaugöffnung 52 für das Treibstoff-Luftgemisch versehen
ist.
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In der in Fig. 4a dargestellten Situation bilden die Rotorflügel 18'
und 19 zwischen sich den Verbrennungsraum 53, der durch die Öffnung 52 das Treibstoff-Luftgemisch
angesaugt hat. Im folgenden wird sich der Rotor 13 im Gegenuhrzeigersinn schneller
weiterbewegen als der Rotor 12, so daß der Flügel 18' die Ansaugöffnung 52 verschließt
und das im Verb@ennungsraum 53 befindliche Gemisch komprimiert wird. Dieser Zustand
ist in Fig. 4d dargestellt. Verbrennungsraum 53 enthält dac; komprimierte Gemisch
und befindet sich unmittelbar an der Zündstelle 50, wo durch Zünden einer Zündkerze
die Explosion erfolgt. Durch den entstehenden Druck wird der Flügel 19 des Rotors
13 im Gegenuhrzeigersinn weitergetrieben, während der Flügel 18' des Rotors 12 nur
eine geringfügige Drehung vornimmt. Es ergibt sich dann die in Pig. 4c dargestellte
Situation, in der die VerbrenntlnEJsgase durch die Auspufföffnlng 51 nlch außen
etltweichen.
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Der zwischen den Flügeln 19 und 19' gebildete Verbrennungsraum f)4
hat in der Stellung nach Fig. 4a gerade die Auspufföffnung 51 passiert, wo die Verbrennungsgase
ausgeströmt sind. Er kommt nunmehr zur Ansaugöffnung 52, wo er sich infolge derSteuerung
durch das Steuergetriebe c5 so vergößert, daß gemäß Fig. 4b das Treibstoff-Luftgemisch
durch die Öffnung 52 hindurch angesaugt wird. Danach dreht sich der Rotor 13 wieder
schneller als der Rotor 12, so daß im Verbrennungsraum 54 eine Kompression entsteht,
und die Zündung an der Zündstelle 50 erfolgt (Fig. 4e).
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nliche yklen durchlaufen di Verbrennungsräume 55 und 56. Die periodische
Größenveränderung der Verbrennungsräume wird dadurch bewirkt, daß die Drehgeschwindigkeit
der Rotoren 12,13 sich in Abhängigkeit von der Drehwinkelstellung der Schwungmasse
36 und damit der Ausgangswelle @ unterschiedlich verhindert. Wenn der eine Rotor
sich mit Höchstgeschwindigkeit bewegt, befindet sich der andere gerade in einer
Stellung, in der er mit Niedrigstgeschwinoigkeit weitergetrieben wird. Dieser Zustand
wechselt zwischen beiden Rotoren ständig ab. Die Einstellung muß nur so vorgenommen
werden, daß die entsprechenden Bewegungsablufe an der richtigen Stelle (Zündung,
Ansaugen oder Auspuff) stattfinden.
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Fig. ffi zeigt, daß es möglich ist, jeden der Rotoren mit einer gröteren
Anzahl von Flügeln auszustatten. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. ' besitzt
jeder der Rotoren 12' und 13' zwei Flügelpaare, ci.h. vier einzelne Flügel, die
sich paarweise gegenüberliegen. Der Jmfang des Motorzylinders 10' ist in sechs gleichartige
Bereiche von jeweils 0° eingeteilt, wobei in jedem Bereich eine Ansaug-
öffnung
52, eine Auspufföffnung 51 und eine Zündstelle 50 vorgesehen ist. Man erkennt im
Verbrennungsraum 60 den Ansaugvorgang, im Verbrennungsraum 61 den Zündvorgang, im
Verbrennungsraum 62 das Ansaugen, im Verbrennungsraum 63 die Beendigung des Auspufftaktes
und in den Verbrennungsräumen 60' und 63' die gleichen Phasen oder Takte wie in
den Verbrennungsräumen 60 und 63. Bei einem derartigen Motor kann durch gezieltes
Auslassen einiger gezielter Motorbereiche die Leistung gesteuert werden.
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Der in insgesamt sechs Bereiche aufgeteilte Motor, an dessen Umfang
sechs Ansaugöffnungen, sechs Auspufföffnungen und sechs Zündstellen gleichmäßig
verteilt sind und jeweils eine Ansaugöffnung, Auspufföffnung und Zündstelle einen
Bereich bilden, kann so gesteuert werden,-daß bestimmte Bereiche nicht betrieben
werden, so daß die abgegebene Motorleistung sich entsprechend verringert.
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Entwickelt der Motor bei voller Leistung, d.h. bei Einschaltung aller
sechs Bereiche, also bei insgesamt achtundvlerzig Arbeitstakten während einer Umdrehung
(sechs Bereiche x acht Verbrennungsräume) eine Leistung von 240 PS, so würde er
bei Abschaltung jedes zweiten Bereiches in vierundzwanzig Arbeitstakten nur noch
eine Leitung von 120 PS entwickeln. Durch gezielte Auswahl der abzuschaltenen Bereiche
kann der Motor mit Arbeitsleistungen von 40, 80, 120, 160, 200 und 240 PS betrieben
werden. Es ist also eine gute Abstaffelung möglich, wobei sich der Treibstoffverbrauch
bei geringen Motorleistungen entsprechend der verringerten Anzahl der Arbeitszyklen
verkleinert.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Verwendung des Viertakt-Ottomotor-Prinzipes,
anhand dessen sie bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen erklärt wurde, beschränkt.
In der gleichen Weise kann auch beispielsweise
nach dem Dieselprinzip
gearbeitet werden. In diesem Falle werde Zündstellen nicht benötigt, und an den
Ansaugstellen muß gegebenenfalls eine Einspritzung erfolgen. Es kann ferner auch
nach dem Zweitaktprinzip gearbeitet werden. Die Erfindung ist ferner bei Dampfmotoren
und Gasmotoren anwendbar. Schließlich kann nach dem gleichen Prinzip auch bei Kompressoren
gearbeitet werden.
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Weitere Anwendungen ergeben sich bei Kraftmaschinen mit äußerer Verbrennung,
wie z.B. solchen, die nach dem Stirling-Heißgasprinzip arbeiten.