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Rotationsbrennkraftmaschine mit Zwischenkammer Die Erfindung betrifft
eine durch Ventile gesteuerte Rotationsbrennkraftmaschine mit Zwischenkammern.
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Es sind zahlreiche Rotationsbrennkraftmaschinen vorgeschlagen, teilweise
erprobt und in geringem Umfange eingeführt worden.
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Bisher konnten Rotationsbrennkraftmaschinen trotz ihrer teils bestechenden
technischen Eleganz nur gelegentlich und in unbedeutendem Umfange anstelle des konventionellen
Hubkolbenmotors eingeführt werden und zwar lediglich als kleine, nicht jedoch große
Motoren allgemein und für Dieselbetrieb im besonderen.
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Der Nachteil der bisherigen Ausfülnrungen liegt teilweise im hohen
Xraftstoffverbrauch und beträchtlichen Schadstoffemissionen, den schwierigen Abdichtungen
im Zusammenhang mit den komplizierten Brennraumoberflächen, die oftmals nur mit
speziellen unkonventionellen Werkzeugmaschinen hergestellt und nicht auf den kostspieligen
Transferstraßen der Hubkolbenmotoren bearbeitet werden können. Ferner kommt hinzu,
daß die bisherigen Rotationsbrennkraftmaschinen nicht nach dem ständig an Bedeutung
zunehmenden Diese prinzip arbeiten können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe für eine universal verwendbare
Rotationskraftmaschine
zu Grunde, die ohne hin- und hergehende Triebwerksteile massenausgeglichen laufen,
für äußere und vorzugsweise innere Verbrennung mit entsprechender Gemischbildung
auszulegen ist, die demzufolge beispielsweise mit Benzin von hoher oder niedriger
Oktanzahl, mit Dieselölen und/oder Methanol oder deren Gemischen untereinander oder
anderen Kraftstoffen zu betreiben ist, die ferner niedrigen Kraftstoffverbrauch
und Schadstoffemissionen ausweist, einwandfrei abzudichten ist, zuverlässig arbeitet
und für kleinste bis zu den größten bisher mit Hubkolbenmotoren erzielten Leistungen
sowie wirtschaftlich auch mit konventionellen Werkzeugmaschinen gebaut werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem feststehenden
Gehäuse mit zylindrischem Innenraum ein kleiner Innenzylinder mit einem Flügelkolben
umläuft, so daß wie bekannt im Querschnitt ein sichelförmiger Arbeits- bzw. Brennraum
entsteht mit der Maßgabe, daß außerhalb dieses Arbeitsraumes mindestens eine Zwischenkammer
zur Aufnahme der komprimierten Luft und/oder Gemische sowie deren Abgabe an den
Verbrennungsraum angeordnet ist, und die Öffnungen für die Verbindung zu dieser
Zwischenkaituner in der Mantel- und/oder den Seitenflächen des Gehäuses sowie die
Öffnungen für Lufteinlaß und Auspuff liegen und zwar in Brehrichtung des Kolbens
vor und nach einer oder beiden Berührungslinien zwischen Gehäuse und Innenzylinder.
Einzelne oder sämtliche dieser Öffnungen werden durch Ventile geöffnet und/oder
geschlossen, so daß sämtliche Arbeitstakte wie Ansaugen, Komprimieren und gegebenenfalls
das zusätzliche Aufladen, Verbrennen und Ausstoßen exakt und nach motorentechnischen
Erkenntnissen optimal gesteuert werden können. Ein Arbeitsspiel setzt sich beim
nichtaufgeladenen Prozeß aus den Arbeitstakten Ansaugen, Verdichten, Expansion und
Auspuffen zusammen und benötigt 2 Umdrehungen der Motorwelle, das heißt, daß in
Drehrichtung des Flügelkolbens jeweils vor und hinter ihm zu gleicher Zeit je ein
Arbeitstakt abläuft. Beim selbstaufgeladenen Motor umfaßt ein Arbeitsspiel die Arbeitstakte
Ansaugen, Verdichten, Ansaugen, Verdichten, Expansion und Auspuffen und demzufolge
3 Umdrehungen der Motorwelle.
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Die mit einer solchen Rotationsbrennkraftmaschine erzielten Vorteile
liegen erfindungsgemäß darin, daß sämtliche Arbeitstakte optimal nach motorentechnisch
besten Erkenntnissen exakt gesteuert werden können. Infolge der doppelt solangen
Taktzeit wie beim Hubkolbenmotor ist auch die Brennzeit entsprechend doppelt so
lang. Die Überström- und Spülverluste werden bei minimalem Totraum weitestgehend
reduziert. Da diese Motoren insbesondere beim selbstaufladenden Betrieb mit hohem
Luftüberschuß und/oder höherem sich exponential auswirkendem Verdichtungsverhältnis
gefahren werden können, liegt der Wirkungsgrad entsprechend günstiger.
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Bei Verbrennung mit zunehmenden Luftüberschuß wird der Höchstdruck
und die Höchsttemperatur gesenkt, reduziert sich der Anteil von CO und CH4 in den
Abgasen, ein Effekt, der für die Verringerung der Schadstoffemissionen von entscheidender
Bedeutung ist. Außerdem zeichnet sich diese Maschine durch eine überraschend kompakte
und leichte Bauweise aus. Infolge des dadurch erzielbaren günstigen Verhältnisses
von Brennraumoberfläche zu zu Brennraumvolumen treten entsprechend geringere Wärmeverluste
als bei vergleichbaren Hubkolbenmotoren auf. Die Reibungsverluste liegen niedriger
und damit der mechanische Wirkungsgrad höher, weil hin- und hergehende Triebwerksteile
fehlen. Alle diese bisher aufgeführten Faktoren verbessern den Nutzwirkungsgrad
und reduzieren den Kraftstoffverbrauch.
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Erfahrungsgemäß wird die Nutzleistung am wirksamsten durch die Aufladung
gesteigert, was mit dieser Maschine erfindungsgemäß-am einfachsten ohne Mehraufwand
zu erzielen ist. Außerdem kann die Drehzahl der Motoren sehr hoch gesteigert werden,
da keine äußerlich wirksamen Massenkräfte im Triebwerk auftreten und der Arbeitstakt
doppelt solang wie beim Hubkolbenmotor ist. Ferner ist im Ottobetrieb die Klopfneigung
weitaus geringer, weil der Flügelkolben sich bereits im mittleren Drehzahlbereich
mit größerer Geschwindigkeit von der Zündkerze fortbewegt als die Flammenfront selbst.
Dadurch wird weitgehend vermieden, daß das unverbrannte
Gemisch
noch weiter verdichtet wird, wodurch eine Erhitzung über Selbstentzündungstemperatur
und damit das Klopfen vermieden wird.
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Deshalb können diese Motoren selbst bei hoher Verdichtung und Leistung
mit Benzinen niedriger Oktanzahl betrieben werden. Der gesamte Verbrennungsprozeß
verläuft für den Motor schonender.
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Beim Dieselbetrieb wirken sich die hohe Aufladung und günstige Luftwirbelung
beim Austritt aus dem Uberströmventil auf die Klopfneigung günstig aus. Zusätzlich
kann in einfacher Weise die Zwischenkammer mit den Auspuffgasen geheizt werden.
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Die Abgasentgiftung gewinnt bekanntlich in zunehmendem Maße an Bedeutung.
Erfindungsgemäß liegt ein entscheidender Vorteil neben den bereits erwähnten darin,
daß das nämliche Problem mit diesem Motor am einfachsten und wirtschaftlichsten
zu lösen ist.
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Die katalytischen Konverter, die verschiedentlich verwendet werden,
sind nicht nur kostspielig in der Anschaffung, sie sondern vielmehr mit den Abgasen
schweflige Säuren ab, die insbesondere in Ballungsgebieten in wenigen Jahren zu
noch größeren Nachteilen als die Abgase selbst führen können.
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Die Schichtladung bietet nach dem heutigen Stand der Technik die günstigste
Lösung für minimale Schadstoffe in den Abgasen.
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Dieses Prinzip kann bei diesen Motoren zusätzlich mit Vorteil dort
angewendet werden, wo aus betrieblichen Gründen die Schadstoffemissfon die gewünschten
Werte überschreitet. In einem solchen Falle kann erfindungsgemäß beim Ottobetrieb
des zu Beginn des Ansaughubes nur ein Teil des Kraftstoffes entweder über Vergaser
und/oder Einspritzung zugegeben werden und am Ende des Uberströmvorganges die restliche
insgesamt erforderliche Menge, die unmittelbar danach gezündet wird und deren Flammenfront
anschließend die magere allein nicht zündfähige -Füllung verbrennt.
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Es besteht auch die Möglichkeit, die Restkraftstoffmenge unmittelbar
in die Zwischenkammer, vorzugsweise an deren Einströmseite einzuspritsen. Da bei
gleicher Motorleistung die Brennkammerzahl durchschnittlich nur 25 bis 50 der Zylinderzahl
des Hubkolbenmotors
ausmacht, liegt der gegebenenfalls zusätzliche
Aufwand weitaus niedriger als bei üblichen Schichtlademotoren und/oder gar bei Lbgaskonvertern.
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Beim Aufladeverfahren mit 3 Umdrehungen je Arbeitsspiel ist erfindungsgemaß
das gleiche Prinzip in einfacher Weise dadurch zu lösen, daß beim ersten Ansaughub
keine oder eine nur minimale Brennstoffmenge und beim zweiten Ansaughub die volle
Restmenge über den gesamten Hub verteilt und/oder auf das letzte Drittel beschränkt
zugegeben wird, Dadurch erhält man zwar nicht die gleiche gute Schichtverbrennung
wie vorher beschrieben, sie ist jedoch ausreichend und mit einem minimalen Mehraufwand
vorzunehmen.
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Ein Ausfuhrngsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt
und wird im folgenden naher beschrieben. Um die ttbersichtlichkeit zu bewahren,
sind nur die hauptsächlichen Teile eingezeichnet, nicht jedoch zahlreiche Dichtungen,
Eühlkanäle, Verschraubungen und die Ölversorgung, soweit sie nicht Gegenstand eines
Patentanspruches sind oder in getrennten Zeichnungen behandelt werden.
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In Figur 1 ist der Querschnitt und in Figur 2 der Seitenriß einer
einzylindrigen Rotationsbrennkraftmaschine gezeichnet. Das feststehende Gehause
bestehend aus Gehäusemantel 1 und den beiden Seitenteilen 2, von denen eins mit
dem Mantel aus einem Stück gegossen sein kann, bildet mit der Innenlauffläche 3
und der Außenlauffläche 4 des Innenringes 5 den sichelförmigen Arbeitsraum bzw.
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die Brennkammer 6, die der Flügelkolben 7 durchläuft. Flügelkolben
7 ist auf der Kolbenwelle 8 befestigt oder besteht mit ihr und dem Gegengewicht
9 aus einem Stück. Zylinderachse der Arbeitskammer und Kolbenachse sind koaxial
. Drehachse 10 des Innenringes liegt parallel zur Kolbenwelle mit einem Abstand
11 von ihr entfernt, so daß der Innenring den Gehäusemantel berührt bzw. in den
Linien 12 und 13 schneidet. Die Abdichtung zwischen Anfang und Ende des Arbeitsraumes
erfolgt zwischen den Linien 12 und 13 mittels der Dichtung 14. Der Innenzylinder
taucht vorzugsweise mit einer Tiefe von 0,2 bis 5.mm, vorzugsweise 0,5 bis 1 mm,
in die
Gehäusemantelfläche. Der Abstand 11 resultiert unter Berücksichtigung
der Eintauchtiefe aus der Differenz des Durchmessers 3 des Gehäusemantels und der
Außenlaufflache 4 des Innenringes. Damit die Dichtungen 15 des Flügelkolbens beim
überlaufen die Dichtung 14 nicht streift, und die Dichtungen sich gegenseitig nicht
verschleißen oder gar zerstören, beträgt der Abstand der Dichtungen beim überlaufen
o,2 bis 3 mm, vorzugsweise o,5 bis 1 mm. Die Ein-.
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tauchtiefe ist so klein wie möglich auszulegen, um die Freilauffläche
des Flügelkolbens zwischen den Linien 12 und 13 minimal zu halten.
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Die außerhalb des Arbeitsraumes liegende Zwischenkammer 16 wird zweckmäßigerweise
oberhalb der Linien 12 und 13 angebracht, um eine möglichst gedrungene Bauweise
und kleine Strömungswege zu gewinnen. Das Zwischenkammervolumen beträgt 1 bis 3o,',
vorzugsweise 5 bis 15 , des Brennraumvolumens. Das Verdichtungsverhältnis wird durch
die Größe der Zwischenkammer eingestellt, ebenso der Luftüberschuß.
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In Drehrichtung vor und nach den Schnittlinien 12 und 13 sind die
Öffnungen 17 für Lufteinlaß und 18 für Ausströmen aus der Zwischenkammer mit dem
Ventil 19 sowie die Auspufföffnung 20 und Uberströmöffnung 21 zur Zwischenkammer
mit Ventil 22 angeordnet.
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Anstelle der Drehventile können Tellerventile verwendet werden, deren
Nockenwellenin bekannterweise über Gliederketten anzutreiben sind.
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Die Drehventile werden vorteilhaft über innen- oder außengetriebene
regelmäßige oder unregeiiiäßige Malteserkreuze mit Zylindersperre gesteuert. Anstelle
der getrennten Offnungen für jeden Arbeitstakt werden auch Lösungen vorgeschlagen,
bei denen je ein breiter nahezu über die gesamte Mantelfläche reichender Schlitz
für Lufteinlaß und Ausströmen aus der Zwischenkammer sowie für Auspuff und Einströmen
in die Zwischenkammer vorgesehen ist. Dabei kann die Zwischenkammer wesentlich breiter
und über den ganzen Mantelquerschnitt verteilt liegen. Da in diesem Falle drei Schlitze
gleichmäßig auf den Umfang des Ventilquerschnittes mit
einem Drehwinkel
von Je 120° verteilt liegen, ergibt sich eine einfachere Steuerung mit beispielsweise
einem Schwenkwinkel von je 120° Vor- und Rücklauf des Ventils, indessen eine etwas
breitere Bauweise als bei den in den Figuren 1 und 2 dargestellten in der Mantelfläche
nebeneinanderliegenden Schlitzen.
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Der Ausbildung des Dichtungssystems, insbesondere der Flügelkolbendichtungen,
kommt entscheidende Bedeutung für das einwandfreie Funktionieren des Motors zu.
Der Anpreßdruck der Dichtungen 15 gegen die Brennraumlaufflächen beträgt wie bei
Hubkolbenringen o,2 bis 1 kp/cm2 bei niedrigen Drehzahlen bzw. Leerlauf und 2 bis
2,5 kp/cm2 bei maximaler Drehzahl. Da die maximalen Zentrifugalkräfte diese Anpreßkräfte
um ein-Vielfaches erhöhen würden, sind sie durch besondere Maßnahmen ganz oder teilweise
aufzufangen. Mehrere Lösungen werden hierfür vorgeschlagen.
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In Figur 3 sind die Dichtleisten 23 mit einer zu errechnenden Schräge
24 von 1o bis 600, vorzugsweise 20 bis 400, in der Weise eingesetzt, daß sie gegen
die Drehrichtung gestellt sind, und die Reibkräfte den Zentrifugalkräften entgegenwirken.
Dasgleiche gilt sinngemäß für-die Seitenwanddichtungen des Flügelkolbens.
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In Figur 1 und 2 ist eine einteilige kombinierte Mantel- und Seitenwanddichtung
dargestellt. Die U-förmige Dichtleiste 15 ist in den Dichtleistennuten über den
Kolben in Richtung Kolbenwelle gestreift und rastet an den unteren Enden 25 in die
schräge Ausfräsung 26 des Kolbens ein. Die Neigung dieser Ausfräsung wird wiederum
rechnerisch bestimmt und beträgt lo bis 60°, vorzugsweise 20 bis 40°, um die Zentrifugalkräfte
entsprechend auszugleichen, wobei die in Richtung der Seitenwände wirkende Spreizkraft
der Di-chtleiste 15 zu berücksichtigen ist. Der Verschleiß der Dichtleisten wird
weitgehend durch Nachrücken in den Schrägen 26 ausgeglichen.
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In Figur 4 ist eine zweiteilige kombinierte Mantel- und Seitendichtleiste
dargestellt. Sie besteht aus den Hälften 27 und 28, die in die Keilstücke 29 sowie
30 und 31 einrasten und durch
Federn 32 auf erforderlichen Anpreßdruck
bei Stillstand bzw. Anlassen gedrückt werden. Die Neigung 33 an den Anlageflächen
der Keilstücke beträgt wiederum lo bis 600, vorzugsweise 20 bis 4 o Der Verschleiß
der Dichtleisten wird durch Nachrücken in den Neigungsflächen 33 ausgeglichen. Beim
Freilauf des Kolbens erfolgt ebenso wie bei den Dichtleisten der Figur 1 kein Ausbrechen.
Für jeden Kolben können je nach Bedarf mehrere Dichtleisten verschiedener Ausfuhrung
eingesetzt werden.
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Für große Maschinen werden Kolbendichtleisten mit hydraulischem und/oder
mechanischem Ausgleich der Zentrifugalkräfte vorgeschlagen. Figur 5 zeigt den Querschnitt
eines Kolbens 34 mit 2 U-förmigen Dichtleisten 35. Die Dichtungsnut weist eine Rippe
36 auf, durch die zwischen unterem U-Schenkel 37 der Dichtleiste und der Rippe 36
ein Ölkissen 38 gebildet wird, das über den Ölkanal 39 und die Bohrung 40 mit Öl
aus dem Zentralsystem gefüllt ist. Der Öldruck im Ölkissen baut sich in gleicher
Weise auf wie die Zentrifugalkraft der Dichtleisten selbst, die damit in beliebiger
Höhe reduziert und durch die Bohrung 41 auf ihren maximalen Wert eingestellt werden
kann. Die Federn 42 stellen den Anpreßdruck für Stillstand bzw. Anlassen ein. Diese
Dichtleisten für Mantelfläche sind auch mit denen der Seitenflächen zu kombinieren.
Derartige hydraulisch gesteuerte Dichtleisten können am exaktesten auf jeden gewünschten
Dichtungsdruck abgestimmt werden, regulieren den Verschleiß automatisch, bieten
eine hinreichende Öldämpfung beim Freilauf des Kolbens und versorgen die Dichtleisten
mit Schmieröl.
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Der gleiche Effekt ist auch auf mechanischem Wege zu erreichen, indem
man beispielsweise anstelle des Ölkissens unterhalb der Rippen rechnerisch bestimmte
Gegengewichte hebelartig lagert und in die Dichtleisten einhakt, so daß die Zentrifugalkräfte
der Gegengewichte denen der Dichtleisten entgegenwirken und auf das gewunschte Maß
reduziert werden.
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Der Durchtritt des Flügelkolbens durch den Innenring wird mittels
in Figur 1 dargestellten Gelenksegmenten 43 abgedichtet, die in
entsprechenden
Gegenflächen 44 des Innenringes gelagert sind und an den Seitenflächen 45 des Flügelkolbens
anliegen. Der Anpreßdruck zwischen Gelenksegmenten und seinen Anlageflächen soll
o,l 2 bis 4 kp/ cm2, vorzugsweise 1 bis 2 kp/cm , betragen. Dieser Anpreßdruck wird
erzielt durch gegen die Anlageflächen gerichtete Eigenspannungen des Gelenksegmentes
und/oder Vorspannungen des Innenringes. Die in Figur 6 dargestellten Gelenksegmente
dichten zusätzlich gegen die Gehäuseseitenflächen ab. Diese Dichtung setzt sich
aus zwei Gelenksegmenten 46 zusammen, die beispielsweise durch eine Hülsenfeder
47 auseinandergedrückt werden. Dadurch werden die Dichtflächen 48 mit der gewünschten
Flächenpressung von o,Sbis 2,5 kp/cm2 gegen die Seitenflächen 49 gedrückt.
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Der überstand 50 verhindert den Gasdurchtritt durch die Gelenksegmente.
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Die Seitenabdichtung zwischen Innenzylinder und Gehäuseseitenteilen
erfolgt mit einem oder mehreren Dichtungsringen 51, die zweckmäßigerweise exzentrisch
zur Drehachse des Innenzylinders angeordnet sind, so daß sie eine möglichst breite
Seitenfläche bestreichen. Diese Dichtungsringe haben rechnerisch bestimmte schräge
Außenkanten 52, damit sie unter den Einfluß der Zentrifugalkräfte mit einem Anpreßdruck
von 0,5 bis 2,5 kp/cm2, vorzugsweise o,8 2 bis 1,2 kp/cm2, gegen die Seitenflächen
gedrückt werden, wobei die in radialer Richtung nach außen wirkende Vorspannung
des geteilten Dichtungsringes den Anpreßdruck im Stillstand oder beim Anlassen aufbringt.
Die Anlageflächen sind so auszubilden , daß sie die Punktion der üblichen Kolbenringe
wie Dichten, Ölabstreifen übernehmen.
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Die Lagerung der Kolbenachse und des Innenzylinders im Gehäuse erfolgt
entweder mit Gleitlagern 53 und 54 und/oder Wälzlagern.
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Die Rotationsbrennkraftmaschinen können sowohl mit einem oder mehreren
Zylindern ausgeführt werden, wobei es zweckmäßig ist, für den nichtaufgeladenen
Betrieb eine gerade und für den aufgeladenen Betrieb eine ungerade Zahl zu wählen.
Dabei sollten jeweils mindestens 2 nebeneinander liegende Gehäuse als ein Stück
zusammengegossen
sein. In einem solchen Falle können auch die
beiden nebeneinander liegenden Zwischenkammern zu einer größeren vereint werden.
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Soweit eine Premdzündung erforderlich ist, wird die Zündkerze 55 vorzugsweise
unmittelbar in die Nähe der fiberströmöffnung gelegt.
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Dasgleiche gilt für eine gegebenenfalls erforderliche Kraftstoffeinspritzdüse.
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Bei innerer Verbrennung kann die Kraftstoffzufuhr zur Gemischbildung
sowohl beispielsweise mittels konventioneller Vergaser und/ oder Einspritzung erfolgen.
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Für kleine Maschinen, insbesondere mit einem Zylinder sind vorteilhaft
Xolben mit Gegengewicht nebst Kolbenwelle aus einem Stück anzufertigen. In einem
solchen Falle ist das Gegengewicht so auszulegen, daß es mitsamt Kolben und Welle
seitlich und axial in den Innenzylinder eingeschoben werden kann. Der Lagerungsschild
56 in Figur 1 wird abschließend eingesetzt.
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Bei Wälzlagern entfällt ein solcher Lagerungsschild. Ebenso dort,
wo Kolben und Gegengewicht aus einem Stück bestehen, das seitlich vor Einsetzen
der Gelenksegmente durch diesen noch freien Raum in den Innenzylinder geschoben
wird.