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Motor für Verbrennungsgemisch Die Erfindung bezieht sich auf eine
Ventilsteuerung bei einem Motor.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den sogenannten Brayon-Zyklus,
der sich durch eine kontinuierliche Verbrennung innerhalb einer Kammer konstanten
Drucks auszeichnet, motor auf einen Kolbe@@ anzuwenden. Dabei soll im weiteren ein
Motor mit geringer Verunreinigung und thermischer Symmetrie geschaffen werden, der
mit einer grossen Anzahl von Kraftstoffen verwendet werden kann und bei dem eine
ununterbrochene Verbrennung in einer Verbrennungskammer zu einem Verbrennungsstrom
geringen spezifischen Volumens führt und eine Katalyse ermöglicht. Ausserdem soll
der neu zu schaffende Motor eine verlängerte Brenndauer aufweisen.
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Ferner soll ein symmetrisches und wirksames Motor-Ventilsystem geschaffen
werden, bei dern alle unkonventionellen Teile zylindrisch sind, so dass äussere
axiale und radiale V@ntilbelastungen vermieden sind. Schliesslich soll ein
einziges
Ventilteil oder ein Rotor die gesamte Ventilsteuerung bei symmetrisch voneinander
beabstandeten Kolben vorzunehmen erlauben.
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Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die im Patentansoruch
1 angegebene Erfindung. Gemäss einem ersten Merkmal der Erfindung ist ein Motor
mit zwei Kolben vorgesehen, die in Zylindern hin- und herbwegbar sind. Ferner ist
ein Rotor mit einer äusseren Ventilfläche und einer inneren Verbrennungskammer vorgesehen,
wobei zumindest zwei Kanäle von der Kammer wegführen und in Öffnungen im Bereich
der Ventilfläche enden, und zwar in einer solchen Lage, dass sie mit einer von dem
Zylinder während der Drehung des Rotors wegführenden Steueröffnung in Verbindung
gelangen. Schliesslich ist noch eine Kraftstoff-Einspritzleitung vorgesehen, die
von einer ausserhalb des Rotors liegenden Stelle In die Verbrennungskammer verläuft.
Gemäss einem zweiten Merkmal der Erfindung umfasst ein Rotor drei axial voneinander
beabstandete innere Kammern, zwei Paare von Kanälen, die von der zentralen Kammer
zu der zylIndrischen Rotorfläche hin laufen, und ein Paar von Kanälen, die on den
jeweiligen anderen Eammern zu der Rotorfläche hinlaufen. Jeder Kanal endet in einer
Öffnung im Bereich der Rotorfläche, wobei die Öffnungen jedes Öffnungspaares symmetrisch
auf gegenüberliegenden Seiten der Rotorfläche vorgesehen sind. Gemäss einem bevorzugten
Merkmal der Erfindung sind symmetrisch voneinander beabstandet angeordnete rechteckförmige
Öffnungen vorgesehen, die mit dem Einlass, dem Auslass und dazwischen liegenden
Verbrennungskammern verbunden sind. Ferner sind ein Zündelement, ein Durchflussleiter
und ein durchlässiger bzw. @oröser Brenner innerhalb der Verbrennungskammer vorgeschen.
Die Kolben sind dabei symmetrisch in axial versetzten Reihen angeordnet. A@sserdem
erfolgt eine Einstellung der relativen Lage der Öffnungen zur Erzielung einer Verbindung
zwischen einem Kolben und der Verbrennungskammer auf Änderungen des Verb@@n@ungskammerdruckes
hin.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.
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Fig. 1 zeigt in einer Perspektivansicht zum Teil im Schnitt einen
die Erfindung verkörpernden Kolbenmotor.
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Fig. 2 zeigt in einer Perspektivansicht zum Teil im Schnitt Teile
des Motors gemäss Fig. 1.
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Fig. 3 zeigt in einer Schnittansicht Einzelteile des Motors gemäss
Pig. 1.
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Fig. 4 zeigen in Schnittansichten längs der in Fig. 2 und 5 eingetragenen
Linien 4-4 und 5-5 Einzelteile des rotors gemäss Fig. 1.
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Fig. 6 zeigt in einer Perspektivansicht zum Teil schematisch Einzelteile
des Motors gemäss Pig. 1.
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In den Zeichnungen ist ein Aluminium-IvIotorblock 10 gezeigt, in dem
zwei Reihen 12, 14 von Kolbenpaaren vorgesehen sind.
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Die Kolben sind dabei auf gegenüberliegenden Seiten einer Mittelventilanordnung
16 vorgesehen. Jede Kolbenreihe umfasst zwei parallele Zylinderbohrungen 18, 20,
die relativ zu der Achse der Ventilanordnung -16 radial verlaufen, einen in der
jeweiligen Zylinderbohrung hin- und herbewegbaren Kolben 19 bzw. 211eine ausgeglichene
bzw. symmetrische Kurbelwelle 22 und eine Pleuelstange 24, die den jeweiligen Kolben
mit der Kurbelwelle verbindet. In der dargestellten Ausführungsform sind die Kolben
19 sogenannte Verdichter, während die Kolben 21 sogenannte Expander bzw. Entspanner
sind. Der Durchmesser der
jeweiligen Bohrung beträgt etwa 10,2 cm
(entsprechend 4 Zoll) und die Verdrängung des jeweiligen Kolbens beträgt 0,9 1 (entsprechend
55 Kubikzoll). An einem Ende der Kurbelwelle 22 der jeweiligen Reihe 12, 14 sind
Stirnräder 50, 32 befestigt, und an einem drehbaren keramischen Zylinderventil 36
ist ein Stirnrad 34 befestigt. Die Stirnrader bewirken zusammen mit Zwischenrädern
38, dass sich die jeweilige Kurbelwelle zweimal mit jeder Drehung des Ventils 36
dreht.
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Wie in Fig. 2 bis 5 geZ«tt, ist das Ventil 36 (Länge 20,54 cm, Aussendurchmesser
9,53 cm, Innendurchmesser 7,62 cm) zur Drehung in der Zylinderbohrung 39 (siehe
Fig. 2) einer aus rostfreiem Stahl bestehenden Büchse 40 mit rechteckförmigem Querschnitt
(minimale Dicke 0,64 cm) untergebracht, die ihrerseits im Pressitz in eine Ausnehmung
eingesetzt ist, die durch den Block 10 hindurchläuft. Dabei liegt die Achse der
Zylinderbohrung 99 in einer Ebene mit den Achsen der Bohrungen 18 und 20, verläuft
aber senkrecht zu den Achsen'dieser Bohrungen.
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Die Zylinderbohrung 29 ist durch eine Zylinderfläche 43 (siehe Fig.
2) begrenzt. Zwei axial voneinander beabstandete Wände 44, 46 (deren jede 6,35 mm
dick ist, teilen das Ventil 36 in eine mittlere Verbrennungskammer 48 (Länge 152
mm) und in eine Einlasskammer 50 und eine Auslasskammer 52 (siehe Fig. 3).
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Die Einlasskammer 50 und die Auslasskammer 52 befinden sich auf axial
gegenüberliegenden Seiten der Verbrennungskammer 48.
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Jede Wand der Wände 44, 46 ist von der Verbrennungskammer 48 aus betrachtet,
konvex gekrümmt; sie enthält nicht in Langsrichtung sich erstreckende Verstärkungsausbuchtungen
neben der-Zylinderwand 54 des Ventils 36. In der Verbrennungskammer 48 ist ein mit
einer Öffnung versehener luftstromungs-Kegel 56 vorgesehen, der mit seiner Spitze
58 an der Wand 44 befestigt ist und der mit seinem Grundteil 60 an der Wand 54 befestigt
ist, und zwar auf einem Kreis. Dieser Kreis verläuft dabei an einer Stelle, die
von der Wand 44 entsprechend einem Dreiviertel des Abstands der Wand 46 von der
Wand 44 entferntast Durch die
Xegelförmig ausgebildete Wand 57 des
Kegels 56 verläuft eine Jieizahl von bogenförmigen tuftströmungsöffnungen 55, die
nach innen gerichtet sind und axial verlaufen.
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Eine Kraftstoff-Speiseeinspritzleitung 62 verläuft koaxial durch die
Einlasskammer 50 und die Wand 44 hindurch und endet in einer Einspritzdüse 64, die
an der erwähnten Spitze 58 vorge--ehen ist und axial in die Kammer 48 gerichtet
ist. Eine von der Düse 64 aus betrachtet konkave Dochtanordnung 66 verläuft über
den Innenraum des Kegels 56. Die betreffende Dochtanordnung 66 ist an der Wand 57
befestigt. Wie dargestellt, enthält die Dochtanordnung 66 einen stark porösen Keramik-Brenner
68, in dem ein Siliciumkarbid-Heizdraht 70 eingebettet ist. Zwei elektrische Zuführleitungen
72 verlaufen von dem Heizdraht 70 durch die Wände 57 und 54 zu Zünd-Statorspulen
74 hin, die in der Einlasskammer 50 koaxial zu der Einspritzleitung 62 angeordnet
sind. Die Zuführleitungen 78 verlaufen von den Statorspulen 74 zu einer elektrischen
Speisequelle und Regeleinrichtung bzw. Steuereinrichtung 80 hin.
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Durch die Wand 54 des Ventils 36 verläuft eine Vielzahl von Ventilkanälen
hindurch. Diese Kanäle legen auf der äusseren Zylinderfläche 81 des Ventils 36 Paare
von.Öffnungen fest, die jeweils axial parallel und symmetrisch angeordnet sind.
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Wie dargestellt, legen die von der Einlasskammer 50 weglaufenden Kanäle
zwei Kompressor-Einlassöffnungen 82 fest, während die von der Verbrennungskammer
48 weglaufenden Kanäle zwei Kompressor-Entladeöffnungen 84 festlegen und zwei Expander-Binlassöffnungen
86. Die Kanäle von der Auslasskammer 52 legen schliesslich zwei Expander-Auslassöffnungen
88 fest.
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Jede Öffnung ist auf der Oberfläche 81 rechteckförmig ausgebildet;
die Länge der jeweiligen Öffnung beträgt (in axialer Richtung des Ventils 36 gemessen)
3,46 cm. Die Breiten derbetreffenden
Öffnungen (auf der Oberfläche
81 in Umfangsrichtung gemessen) betragen: Öffnungen 82 und 88 .... 3,05 cm Öffnungen
84 .... 0,38 cm Öffnungen 81 .... 0,76 cm Jede der Öffnungen 82 und 88 ist durch
einen rechteckförmigen SchhGz begrenzt, der radial durch die Wand 54 hindurchläuft.
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Die Öffnungen 84 und 86 sind durch Graphit-Fensterdichtungen 90 begrenzt,
die in mit 92 bzw. 94 bezeichneten Ausnehmungen in der Aussenfläche der Wand 54
(siehe Fig. 3) untergebracht sind. Dabei liegt die bogenförmige Aussenfläche der
jeweiligen Dichtung 90 ein wenig oberhalb der Oberfläche 81 des Ventils 36.
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Die jeweilige Abdichtung bzw. Dichtung 90 ist etwa 5,08 cm lang (in
axialer Richtung gemessen), und in der Breite erstreckt sich die jeweilige Dichtung
bzw. Abdichtung über einen Bereich von etwa 600 in Umfangsrichtung der Oberfläche
81. Von der Verbrennungskammer 48 verlaufen zu der Mitte einer der Ausnehmungen
92, 94 (siehe Pig. 3) hin durch die Wand 54 Zylinderlöcher 96, deren jedes eine
Fläche aufweist, die etwas grösser ist als die der entsprechenden Fläche der Öffnungen
84, 86. Eine MeiäLlblattfeder 98 ist in der jeweiligen Ausnehmung 92 angebracht,
und zwar zwischen dem Ausnehmungsboden und der Innenfläche der Dichtung 90. Wie
besonders deutlich in Fig. 4 gezeigt ist, sind die Öffnungen, und zwar insbesondere
die Öffnungen 84, die durch die Dichtungen 90 jeweils begrenzt sind, relativ zu
den löchern 96 versetzt.
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Wie aus P'ig. 2 hervorgeht, verlaufen acht rechteckförmige Öffnungsschlitze
durch die Wand der Biichv 40 hindurch, und zwar in einer radial nach aussen in Bezug
auf das Ventil 36 Verlaufenden Richtung. Auf diese Welse ist eine Öffnung
zwischen
dem Ventil 36 und den Zylinderkolben der Reihen 12 und 14 hergestellt. Wie dargestellt,
sind die Schlitze in vier Paaren angeordnet, wobei jedes derartige Paar zwei axial
oder in Längsrichtung beabstandete Schlitze aufweist, die 3,46 cm lang sind und
die mit ihren Längsmittellinien parallel verlaufen. Die betreffenden Schlitze verlaufen
dabei diametrl zu jeweils einer der Bohrungen 18, 20, so dass beide Schlitze jedes
Schlitzpaares über einer entsprechenden Bohrung liegen.
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Von jedem Schlitzpaar der über einer Bohrung der Bohrungen 18 liegenden
Schlitze ist der Schlitz 100, der eine Öffnungwischen der Einlasskammer 50 und der
Bohrung 18 über die Öffnung 82 herzustellen im Stande ist, 3,05 cm breit, während
der Schlitz 102, der eine Öffnung zwischen der Bohrung 18 und der Verbrennungskammer
48 (durch die Öffnung 84) herzustellen erlaubt, 0,38 cm breit ist. Die beiden Schlitze
104, 106, die jeweils über einer Bohrung der Bohrungen 20 liegen und die Öffnungen
zwischen der Bohrung 20 und der Verbrennungskammer 48 (durch die Öffnung 86) und
der Austrittskammer 52 (durch die Öffnung 88) herzustellen gestatten, sind 0,76
cm bzw. 3,05 cm breit.
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In Ausnehmungen der Innenzylinderfläche 43 der die Schlitze 100 und
106 umgebenden Hülse bzw. Buchse 40 sind Graphitfensterdichtungen 110 vorgesehen.
Die bogenförmige Innenfläche der jeweiligen Dichtung erstreckt sich ein wenig nach
innen von der Zylinderfläche 43 der Büchse 40 aus. Ein in der jeweiligen Dichtung
110 vorgesehener rechteckförmiger Schlitz gleicher Grösse, der einen Einsatz für
einen Schlitz der Schlitze 100, 106 bildet, begrenzt eine mit 101 (siehe Fig. 2)
bzw. 107 (siehe Fig. 5) bezeichnete rechteckförmige Öffnung in der Oberfläche 43.
Die Schlitze 102 und 104 begrenzen ihrerseits rechteckförmige Öffnungen in der Oberfläche
43.
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Zur Änderung der Grösse der durch die Schlitze 102 begrenzten Öffnungen
sind in in der Oberfläche 43 vorgesehenen Ausnehmungen neben einer Seite der jeweiligen
Öffnung 102 (siehe Fig. 2, 4 und 6) dünne Metallplatten 112 vorgesehen. Jede Metallplatte
112 herläuft zwichen zwei Einstellringen 113, 114, die in Umfangsausnehmungen in
der Büchse 40 an gegenüberliegenden Enden der Öffnungen 102 vorgesehen sind (siehe
Fig. 6). Die radial nach aussen gerichtete Fläche des Ringes 14 erhält eine Zahnung,
die mit einer Elnstellsteuereinrichtung 115 in Eingriff steht, welche auf einer
Seite des Blockes 10 angeordnet ist (siehe Fig. 1 und 6). Durch leichtes Drehen
des Ringes 114 können die Metallplatten bzw. Platten 112 relativ zu der Büchse 40
bewegt werden, um die Breite der Öffnungen 102 zu ändern.
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In den Umfangsausnehmungen 122 bzw. 124 der Bohrungsfläche 43 sind
zwei Ringdichtungen 120 vorgesehen, deren jede einen halbringförmigen Querschnitt
aufweist (siehe Fig. 2). Die Ausnehmung 122 befindet sich dabei zwischen den Schlitzen
100 und 102. Die ausnehmung 124 befindet sich zwischen den Schlitzen 104 und 106.
Jede Dichtung 120 ist in ihrer entsprechenden Ausnehmung untergebracht, wobei die
offene Seite der Dichtung zur Innenseite der Ausnehmung hin gerichtet ist.
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Eine Kante der Ringdichtung 120 liegt an der Oberfläche 81 des Ventils
36 an.
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Wie zuvor erwähnt, drehen sich die Kurbelwellen 22 mit der doppelten
Geschwindigkeit, mit der sich das Ventil 36 dreht.
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Die Kompressorkolben 19 führen eine Hin- und Herbewegung in Phase
miteinander aus, wobei beide Kolben den oberen Totpunkt in ihrem jeweiligen Zylinder
18 gleichzeitig erreicht Die Expander-Kolben 21 arbeiten ebenfalls in Phase mit£inanderg
aber gegenüber den Kompressor-Kolben 19 phasenverschoben.
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in der Oberseite des jeweiligen Kolbens 19, 21 sind Ansätze
vorgesehen,
die zur Aufnahme in den Schlitzen 100, 102, 104, 106 dsr Büchse 40 dienen, wenn
die betreffenden Kolben in ihrem oberen Totpunkt sind. Auf diese Weise wird der
Verdichtungsraum bzw. Totraum des jeweiligen Kolbens im Grunde genommen zu Null.
Jeder Ansatz weist eine etwas geringere Länge und Breite auf als der jeweilige Schlitz,
der zur Aufnahme des betreffenden Ansatzes dient. Die Ansätze 130 auf dem Kolben
19 und die Ansätze 134 und 136 auf den Kolben 21 weisen eine Höhe auf, die nur etwas
geringer ist als die Dicke der Büchse 40 (bei einem Schlitz). Die Ansätze 132 sind
kürzer, wodurch ein geringer Zwischenraum zwischen den Ansätzen und den erwähnten
Platten 112 erreicht ist.
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Die Öffnungen 82 sind derart angeordnet, dass sie sich öffnen (die
Vorderkante der jeweiligen Öffnung 82 erreicht eine Kante einer Offnung 101 der
Büchse 42), wenn die Kompressor-Kolben 19 den oberen Totpunkt erreichen. Die betreffenden
Öffnungen 82 schliessen (die Hinterkante dar jeweiligen Öffnung 82 erreicht die
andere Kante der Öffnung 101), wenn die Kompressor-Kolben den unteren Totpunkt erreichen.
Die Öffnungen 84 sind in der Weise angeordnet, dass sie öffnen (die Kante der Öffnung
erreichen, die durch einen Schlitz 102 und eine Platte 112 begrenzt ist), wenn der
Druck in der Kompressor-Kolbenbohrung Is gleich dem in der Verbrennungakammer 48
wird. Die betreffenden Öffnungen 84 schliessen, wenn der Kompressorkolben 19 den
oberen Totpunkt erreicht. Die Öffnungen 86 öffnen (Erreichen einer Kante einer Öffnung
104), wenn die Expander-Krjlbn 20 im oberen Totpunkt sind; die betreffenden Öffnungen
do schliessen, wenn die Expander-Kolben 20 14% ihres Abwärtshubes bei Betrachtung
der unteren Zylinderreihe (das entspricht einer Drehung von etwa 260 der Kurbelwellen
22) erreicht hiL,n. Die Öffnungen 88 öffnen, Nenn die Expander-Kolben den unteren
Totpunkt erreicht haben; sie schliessen, wenn die Ext,ctrleler-Kolben den oberen
Totpunkt erreichen.
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Während des Betriebs wird Kraftstoff durch die Leitung 62 und die
Düse 64 ständig auf den Brenner 68 in der Verbrennungskammer 48 eingespritzt. Bei
der Inbetriebsetzung des Motors wird ein elektrischer Strom durch das Heizelement
70 hindurchgeleitet, so dass der Kraftstoff bei Berührung mit dem Heizelement zündet.
Nachdem der Motor seine Betriebstemperatur erreicht hat, ist die gesamte Dochtanordnung
heiss genug, um eine ständige Verbrennung hervorzurufen, ohne dass noch eine gesonderte
Heizung des Elements 70 erforderlich ist. Der Widerstand des Elements 70 ist temperaturabhängig,
und die Steuereinrichtung 80 überwacht fortwährend den Widerstand. Auf diese Weise
wird festgestellt, wenn die Dochtanordnung zu heiss wird. 55fenn eine derartige
Überhitzung erkannt wird, wird die Kraftstoffzufuhrmenge bzw. -geschwindigkeit vermindert.
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In die Kompressor-Kolben 19 wird (durch die Einlasskammer 50) während
des Abwärtshubes der Kompressoren Luft eingesaugt (bei Betrachtung der unteren Reihe
von Zylindern). Diese Luft wird während des Aufwärtshubes so weit komprimiert, bis
der Luftdruck gleich dem Druck in der Verbrennungskammer 48 ist.
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Sodann wird die Luft im komprimierten Zustand in die Kammer 48 abgegeben.
Der Druck in der Verbrennungskammer änder-t sich entsprechend der Kraftstoffzuführgeschwindigkeit
bzw. -zuführmenge. Die Steuereinrichtung 113 spricht auf die Kraftstoffabgabe an
und verschiebt die Platten 112 auf Änderungen in der Kraftstoffgeschwindigkeit bzw.
Kraftstoffmenge hin, und zwar in dem erforderlichen Maß um sicherzustellen, dass
der Druck des Kompressor-Kolbens 19 und der Verbrennungskammer 48 nahezu gleich
sind, wenn die Kompressor-Auslassöffnungen 84 geöffnet sind.
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Das aus der ständigen Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs sich
ergebende heisse Hochdruckgas wird in die Expander-oder
Treiber-ILolDen
21 abgeführt. Dieses Gas bewirkt auf seine Expandierung bzw. Entspannung hin eine
Abwärtsbewegung der Kolben bei Betrachtung der unteren Kolbenreihe. Das entspannte
Gas wird aus dem Motor durch die Auslasskammer 52 herausgeführt, und zwar auf den
Aufwärtshub des Expander-Kolbens hin.
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Bei der beschriebenen Ausführungsform, bei der jeder Kolben der Kolben
19, 21 eine Verdrängung von 0,9 1 (entsprechend 55 Kubikzoll) besitzt, beträgt die
maximale Abtriebsleistung des Motors etwa 127 PS (entsprechend 125 hp). Die Abtriebsleistung
des Motors kann noch in erheblichem Maße gesteigert werden, indem die Luft durch
einen Turbo-Lader an die Einlasskammer 50 abgegeben wird oder indem das Gas aus
der Auslasskammer 52 durch eine Abgas-Abblasturbine geleitet wird.