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Brennkraftmaschine, insbesondere Drehkolben-Brennkraftmaschine Brennkraftmaschinen,
insbesondere Drehkolben-Brennkraftmaschinen, bei denen einige Kolben oder alle Kolben
in der einen Hubrichtung frei beweglich sind und beim Gegenhub mit Kupplungen oder
Gesperren zusammenarbeiten, sind bekannt geworden.
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Nach der Erfindung sollen nun bei derartigen Maschinen die beim Gegenhub
wirkenden Kupplungen oder Gesperre noch während des Gegenhubes zwangsläufig durch
einen Auslöser ausgerückt werden. Dadurch wird erreicht, daß das von der Maschine
erzeugte Drehmoment auf einfache Weise in weiten Grenzen veränderlich ist, wie im
folgenden näher geschildert wird.
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Die Abbildungen zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Abb. r zeigt eine Drehkolben-Brennkraftmaschine in einem Schnitt durch
die Zylindermitte senkrecht zur Motorwelle, Abb. a einen Schnitt durch die Welle
der Maschine nach der Linie N-N der Abb. r. Die Abb. 3 und 5 zeigen Einzelheiten,
Abb. d. ein Diagramm.
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Abb. 6 zeigt eine andere Ausführungsform, Abb. 7 eine weitere Ausführungsform
bei einer Drehkolben-Brennkraftmaschine.
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Das Ausführungsbeispiel nach Abb.6 ist einfach und besonders leicht
und für sich verständlich.
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Zunächst sei aber das Ausführungsbeispiel nach den Abb. z bis 5 beschrieben.
Der Zylinder a ist ringförmig gestaltet. In diesem sitzen zwei Kolbenpaare b1, b2
und c1, c2. Die Kolben bi und b2 sind mit einer Scheibe d fest verbunden, welche
dicht in einem Schlitz des Zylinders umläuft. Der Einfachheit halber sind die Kolben
cl-, c2 mit dem Zylinder fest verbunden dargestellt, stellen also Trennwände dar,
so daß der ringförmige Zylinder mit diesen Trennwänden c1 und c2 kreist. Statt dessen
könnten die Kolben c1 und c2 auch in einem feststehenden Zylinder a beweglich angeordnet
sein. Der Ringkörper a überträgt seine Drehung auf die Arbeitsmaschinenwelle e (s.
Abb. 2).
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Für die Ventilsteuerung sind die folgenden Teile vorgesehen. Die Scheibe
d, welche die Kolben b1 und b2 trägt, ist durch eine Schubstange f mit einer Kurbel
g verbunden, welche mit den Wellenzapfen h in dem Zylindergußkörper a gelagert
ist. Mit den Wellenzapfen h
sind zwei Zahnräder i verbunden, welche mit zwei
Zahnrädern k kämmen. Diese laufen frei um ihre Welle l bzw. m und sind verbunden
mit je einer Nockenscheibe n. Diese Nackenscheiben steuern in bekannter Weise die
Ventile o, welche in jedem Zylinderraum nahe den Wänden c1 und c2 vorgesehen sind.
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Beim Inbetriebsetzen finden nun in jedem der Zylinderräume f1, p2,
ps und p4 abwechselnd Zündungen eines Gasgemisches statt. Die Kolben bi und b2 erhalten
mit der Scheibe d eine pendelnde Bewegung, indem sie jeweils fast einen Halbkreis
zurücklegen. Auch auf den Zylindergußkörper a werden abwechselnd rechts- und linksdrehende
Kräfte ausgeübt; er kommt j edoch nicht in Bewegung,
weil einmal
seine Masse sehr groß ist im Vergleich zur Masse von bi, d, bz und weil anderseits
eine Bewegung von a gegen den Widerstand. der mit ihm verbundenen Arbeitsmaschine
stattfinden müßte. Einige der Kolben können also in Bewegung sein, obwohl der Rotor
a stillsteht. Dieser Zustand ist der Leerlauf des Motors. Man kann den Motor insoweit
als eine gewöhnliche Verbrennungskraftmaschine mit zwei doppelt wirkenden Zylindern
auffassen, welche zu einem Kreisring zusammengebogen sind. Zum Anlassen dient das
Schwungrad K, welches verzahnt ist. Mit diesem Schwungrad wird in bekannter Weise
ein von einem Elektromotor angetriebenes Ritzel zeitweilig in Eingiiff gebracht-zum
Zwecke des Anlassens. Da die Kolben b1 und b2 keine Leistung nach außen abgeben,
werden sie sich zu immer höherer Periodenzahl aufschaukeln, falls die in Form von
Brennstoff zugeführte Energie größer ist als die für den Leerlauf erforderliche
Energie zum Antreiben der Ventile usw. Der Rotor a ist im. Leerlauf bereits mit
der Arbeitsmaschine verbunden. Er kann aus dem Leerlauf ohne Benutzung einer Kupplung
direkt anfahren.
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Die Scheibe d ist durch die Hohlwelle m im Lagerblock q1 gelagert
(Abb. 2). Die Lager q1 und q2 sind Teile des Maschinengestelles 0. Mit q1 ist ein
Sperrad r (Abb. 3) aus einem Stück hergestellt; das Sperrad steht also fest. Die
Hohlwelle m trägt an dem Daumen s eine Sperrklinke t. Der Zylinderkörper a nimmt,
wie später näher beschrieben, die Welle l mit, an welcher ein Anschlag u sitzt.
Das freie Spiel der Kolben b1 und b2, von welchem die Rede war, kann nur stattfinden
unter der Voraussetzung, -daß die Sperrklinke t angehoben ist, was beim Anlassen
durch irgendein Mittel erreicht wird. Wird nun die Sperrklinke t freigegeben,
während d sich im Uhrzeigersinne dreht, so gleitet die Sperrklinke über das
Sperrad hinweg, solange die Bewegung der Scheibe d weiter im Uhrzeigersinne erfolgt.
Die Kolben b1 und b2 werden nun durch eine Zündung z. B. im Raum p2 abgestoppt.
Sobald sie ihre Geschwindigkeit im Raume umkehren wollen, fällt die Klinke t in
das Sperrad r ein und verhindert eine Linksdrehung von d. Dieses Einfallen der Sperrklinke
geschieht nahezu stoßfrei, weil es etwa in dem Augenblick erfolgt, in welchem die
Masse d keine Geschwindigkeit hat. Der Druck der Gase auf cl und c2 setzt nunmehr
den Zylinderkörper, der unter -Umständen vorher schon geringe Pendelbewegungen ausgeführt
hat, in Bewegung in der Richtung des Pfeiles der Abb: 3. Über das Sperrad y wird
das Reaktionsdrehmoment auf das feste Maschinengestell übertragen. Da t also feststeht,
u sich jedoch mit dem Zylinder a in Pfeilrichtung dreht, wird u nach Zurücklegung
eines Winkels an die Nase v der Klinke t stoßen und dadurch die Klinke anheben.
Der Kolben b1 bewegt sich jetzt entgegen dem Uhrzeigersinne. Das Anheben der Klinke
t findet beim Punkt A des Indikatordiagramms (Abb. q.) statt. Die
Punkte G und H werden erst später erläutert werden; sie beziehen sich auf andere
Belastungen der Maschine. Im Augenblick der Zündung stand der Kolben bei S, es stand
also eine Arbeit entsprechend der Fläche von S bis F zur Verfügung. Die von
A bis F zur Verfügung stehende Arbeitsfläche des Diagramms, welche schraffiert
ist, sei mindestens groß genug, um die Widerstandsarbeit, wie Weiterverdichten im
Zylinder p3, Weiterausschieben des verbrannten Gemisches im Zylinder p1 und Weiteransaugen
im Zylinder p4, zu leisten. Sobald hierbei der entgegen dem Uhrzeiger laufende Kolben
b1 sich der Wand c= genähert hat, findet eine Verbrennung in p3 statt. Diese erteilt
dem Kolben b1 wieder eine rechtsdrehende Bewegung. Sie wirkt andererseits an der
Wand c2 verzögernd auf den sich drehenden Zylinder a, jedoch nimmt sie ihm nur einen
geringen _ Bruchteil seiner rechtsdrehenden Bewegungsenergie, welche dem Körper
a und den mit ihm verbundenen großen Massen erteilt worden ist, während das Reaktionsdrehmoment
auf r wirkte. Dieser von ca abgegebene Teil seiner Bewegungsenergie geht
natürlich nicht verloren; sondern wird durch Vermittlung der gespannten Gase weiter
übertragen. Außerdem wird die ganze Arbeit der gespannten Gase gemäß der gesamten
Diagrammfläche der Abb.4 von F bis S in lebendige Kraft der Kolben b1 und b2 und
der mit ihnen verbundenen Masse d verwandelt. Die nächste Verbrennung möge im Raum
p1 stattfinden, sobald sich der Kolben b2 der Wand c2 so weit genähert hat, , daß
das gewünschte Kompressionsverhältnis vorhanden ist. Die gespannten Verbrennungsgase
drehen nunmehr den Körper a weiter rechtsherum und verzögern den Kolben b2 und die
mit ihm verbundenen Massen. Diese Massen werden aber erst dann zum Stillstand im
Raume kommen, wenn sie ihre gesamte Bewegungsenergie über die in p4 eingeschlossenen
gespannten Gase, welche hier wie ein Puffer wirken, an den Körper a abgegeben haben.
Eine rückläufige Bewegung von b2 verhindert, wie oben gesagt, das Gesperre t" r
so lange, bis die Sperrklinke t von dem Anschlag u angehoben wird.
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In allen vier Zylindern p1 bis p4 finden Arbeitshübe statt. Die Arbeit
aller vier Diagrammflächen in den vier Zylindern wird
rechtsdrehend
dem Zylinder a zugeführt, wobei in ständigem Wechsel Teile dieser mechanischen Arbeiten
in lebendige Kraft der mit b1 und b2 hin und her schwingenden Massen verwandelt
und diese lebendige Kraft in mechanische Arbeit zurück verwandelt wird.
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DieLeistung dieses Motors ist in der Hauptsache bestimmt durch das
Hubvolumen und - an Stelle der Umdrehungszahl gewöhnlicher Motoren - durch die Periodenzahl
der schwingenden Kolben b1 und b2. Diese wieder ist in erster Annäherung durch ihre
Masse bestimmt. Die Leistung des Motors ist proportional der Summe aller Diagrammflächen
von A bis S (Abb. q.) für alle während einer Umdrehung stattfindenden Arbeitshübe.
Diese Diagrammflächen, für eine Umdrehung aufgetragen, überdecken sich mehr oder
weniger. Die Leistung des vorliegenden Motors ist also weitgehend unabhängig von
der Drehzahl von a. Das ist leicht zu verstehen, wenn man sich vergegenwärtigt,
daß z. B. bei kleiner Drehzahl der Körper a nur einen kleinen Winkel zurücklegt,
während die Kolben b1 und b2 ein Spiel vollenden. Es finden also mehr Arbeit leistende
Hübe auf eine Umdrehung statt als bei großer Drehzahl von a. Die Zahl der Arbeitshübe
ist jedoch begrenzt, durch den Winkel zwischen dem Anschlag u und der Nase
v (Abb. 3). Diesen Winkel muß der Zylinder a zurücklegen, bevor das freie
Spiel von b1 und b2 beginnt. Man kann daher die Zahl der Arbeitshübe pro Umdrehung.
beliebig steigern, wenn man den Winkel zwischen u und v verkleinert.
Das kann willkürlich von außen geschehen.
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In vielen Fällen ist es jedoch erwünscht, daß die Verstellung von
u selbsttätig erfolgt, wenn das Drehmoment sich ändert; eine Einrichtung dafür ist
in folgendem beschrieben: Der Körper a ist nicht fest mit Welle
e verbunden, sondern über tangentiale Federn w und die Scheibe x, welche
auf e aufgekeilt ist. Die Länge der Federn w, also der Winkel zwischen Welle e und
Körper a, ändert sich mit dem Drehmoment. Die Einrichtung wirkt wie ein bekanntes
Torsionsdynamometer. Mit der Welle e ist ein Daumen y (Abb. 5) verbunden. Der an
y festsitzende Stift Z sowie der Stift B, welcher im Körper a festsitzt, bestimmen
die Lage eines mit der Kurve T versehenen Hebels G, welcher bei D gelenkig mit dem
Hebel E verbunden ist. E sitzt fest auf Welle L. Wird y entgegen dem
Uhrzeigersinne gegenüber dem Körper a, also gegenüber dem Zapfen B (Abb. 5) verdreht,
so werden der Hebel E und mit ihm die Welle l und der mit L verbundene Auslöser
u im Uhrzeigersinne verdreht. Eine Vergrößerung des Drehmoments verkleinert den
Winkel zwischen u und v. Nimmt also z. B. bei Fahrzeugen der Fahrwiderstand zu oder
wird die Zylinderfüllung vergrößert, indem man die Drosselklappe öffnet, so werden
die Kolben bi und b= nur während eines kleineren Winkels am Rückwärtslauf gehindert,
die Zahl der Arbeitshübe pro Umdrehung wird vergrößert.
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Um noch deutlich zu machen, daß. das Drehmoment stark wachsen kann,
sei folgendes bemerkt: Das auf a ausgeübte Drehmoment ist außer von baulichen Daten
nur abhängig von dem mittleren Druck der Gase, der auf cl und c2 ausgeübt wird,
und zwar von dem mittleren Druck während einer vollen Umdrehung von a. Wird
nun die Klinke t
sehr früh, z. B. bei G im Diagramm nach Abb. q., angehoben,
so wird ein großer Teil der Arbeitsfläche des Diagramms, und zwar von G bis F, bei
Zündung in p2 in linksdrehende lebendige Kraft von bi und b2 verwandelt.
Diese Energie wird bei Annäherung von b1 und b2 an die Wände c2 und cl zunächst
in Kompressionsarbeit im Raum p3 verwandelt und dann außer den Verlustarbeiten wiederum
b1 und b2, aber rechtsdrehend, zusammen mit der Verbrennungsenergie aus der Zündung
im Raum p3 erteilt. b1 und b2 enthalten daher eine erhebliche kinetische Energie,
wenn sie sich cl und c2 nähern. Im gegebenen Augenblick erfolgt nun die Zünduhg
in p¢, welche a beschleunigt, b2 verzögert. Trotz der hohen Drücke im Augenblick
der Zündung wird b2 nicht momentan angehalten, sondern wird entgegen dem Gasdruck
noch weiter rechtsherum laufen und sogar sich c2 noch weiter nähern. und dabei die
bereits entzündeten Gase weiter komprimieren bis H (Abb. q.). Auf dein Wege, den
b2 mit c2 in gleicher Richtung zurücklegt, gibt b2 seine kinetische Energie außer
den Verlusten an den Rotor a ab. Der mittlere Druck auf c für einen Hub ergibt sich
aus der Fläche zwischen G und H (Abb. q.) sowie aus dem Weg, welchen c2 und b2 'in
gleicher Richtung zurücklegen. Die Arbeitshübe sind jetzt während einer Umdrehung
zahlreicher als bei schnellaufendem Motor und niedrigem Drehmoment. Der mittlere
Druck während einer Umdrehung wird also aus mehreren Gründen größer mit wachsendem
Drehmoment. Theoretisch kann das Drehmoment unendlich groß werden, wenn man den
Rotor a festhält, denn da die Masse bi, d, b2 dann keine Arbeit nach außen
abgibt, fügt jeder Arbeitshub dieser Masse ein neues Ouantum kinetischer Energie
hinzu. Die Massen schaukeln sich zu immer höheren Geschwindigkeiten auf, zu deren
Abstoppen die eingeschlossenen Gase auf immer höhere Drücke komprimiert werden.
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Der Ungleichförmigkeitsgrad kann verkleinert werden, indem man zahlreiche
Zylinder
p anordnet,. also den Ringraum häufiger unterteilt oder
mehrere Ringräume axial nebeneinander anordnet.
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Wenn von der Masse von bi usw. die Rede ist, so ist selbstverständlich
die gesamte mit bi und b2 hin und her schwingende Masse bzw. deren Trägheitsmoment
gemeint.
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Der Motor verändert, wie gezeigt, sein Drehmoment und seine Drehzahl
stetig innerhalb weiter Grenzen. Ein Wechselgetriebe zwischen ihm und der Arbeitsmaschine
ist daher entbehrlich.
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Die Beziehung zwischen dem Drehmoment und dem Winkel zwischen
u und v läßt sich nach einem beliebigen Gesetz gestalten mit Hilfe
der Charakteristik des Torsionsdynamometers und der Kurve T (Abb. 5).
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Da, wie gezeigt, die Kolben bi und b2 keinen von vornherein bestimmten
Umkehrpunkt gegenüber cl und c2 haben, kann man auch bei Vergasermaschinen auf künstliche
Zündung (Zündkerze) verzichten. Die Kompression wird bis zur Selbstentzündung getrieben.
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Wegen des nicht festgelegten Umkehrpunktes ist der Kurbelzapfen T
in der Pleuelstange f federnd gelagert. Mit dem Zahnrad h ist das bereits
erwähnte Schwungrad K federnd verbunden, welches durch seine Masse das sichere überschreiten
des Totpunktes des Steuerkurbeltriebes bewerkstelligt. Dieses Überschreiten des
Totpunktes des Steuerkurbeltriebes kann man auch durch andere bekannte Mittel sicherstellen.
Natürlich können die Ventile auch auf andere Weise als durch den beschriebenen Kurbeltrieb
betätigt werden.
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An Stelle des grobzahnigen Klinkengesperres (Abb. 3), welches hier
schematisch gezeichnet ist, wird man besser ein Reibungsgesperre anwenden, das praktisch
stoßfrei arbeitet. Da die Drehrichtung des Motors durch die Richtung des Gesperres
bestimmt wird, kann der Motor umsteuerbar gebaut werden. Man braucht nur zwei Gesperre
vorzusehen, ein rechts- und ein linkswirkendes, von denen jeweils nur eins eingerückt
wird.
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Für das Wesen der Erfindung ist es gleichgültig, ob der Motor im Zweitakt
oder Viertakt und ob er mit eingespritztem Brennstoff oder mit Gaszufuhr arbeitet.
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Die Abb.6 zeigt eine. Ausführung mitgeradachsigen Zylindern ä1, welche
im Zweitakt arbeiten. Der Auspuff erfolgt durch Schlitze o1, die Spülung und Ladung
durch Schlitze o2 mit Hilfe eines Gebläses. Die Kolben bi sind durch eine Stange
F1 miteinander verbunden und treiben bei Zündung im Raum p1 durch eine Schubstange
Gi eine Schwinge s1, in welcher die Sperrklinke t1 gelagert ist. Diese greift in
das Sperrad r1 ein, welches mit der Arbeitswelle e'- verbunden ist. Die Sperrklinke
t1 trägt eine Rolle vl, welche an einer bestimmten Stelle des Kolbenhubes die Kurve
ui berührt. Dadurch wird der Freilauf oder das Gesperre t1, r1, geöffnet, und die
Kolben bi eilen numehr ungehemmt weiter, um durch die Zündung im Verbrennungsraume
p2 ihre Bewegung umzukehren. Die Stellung von ui ist verstellbar durch den Handgriff
u2.
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Der mit der Erfindung erstrebte Vorteil sei an Hand dieses einfachen
Ausführungsbeispieles nochmals näher erläutert. Beim Betriebe werden bei Zündung
im Raum p1 die Kolben bi mit der Klinke t1 beschleunigt. Sobald die Geschwindigkeit
der Klinke t1 die Umfangsgeschwindigkeit des Rades r1 erreicht, greift die Klinke
t1 in das Rad ein und treibt die Welle ei an. Sobald aber die Kurve ui über die
Rolle & die Klinke t1 angehoben hat, bewegen sich die Kolben bi unter
dem Einflüß der Bewegungsenergie und des Druckes der Gase frei weiter und werden
nur durch die Verdichtung in p2 gehemmt und dann durch die Zündung in p2 zurückgetrieben,
'es findet also ein freies Kolbenspiel statt. Wenn nun infolge zunehmender Belastung
die Umlaufzahl der -Welle ei sinkt, so dreht sich die Welle während des -freien
Kolbenspiels nur wenig weiter. Die 'Zahl der Hübe der Kolben j e Umlauf der Welle
e1 wird also steigen. Allerdings ist bei' langsamer laufender Welle auch die Bewegungsenergie
der Kolben im Augenblick des Lösens der Kupplung geringer, der Einfluß der vorher
geschilderten Vorgänge wird aber überwiegen. Nimmt die Umlaufzahl der Welle zu,
so tritt das Umgekehrte ein, und zwar erfolgen alle diese Änderungen der Kolbenhubzahl
je Wellenumlauf schon -bei -feststehender Kurve ui. Durch Verstellen der Kurve u1
mittels des Handgriffes u2 kann die Zahl der Kolbenhübe je Umlauf der Welle ei noch
weiter geändert werden. Wird z. B. der Handgriff 92 mach rechts in Abb. 6 verstellt,
so wird die Zeit der Kupplung zwischen Kolben und Welle kürzer. Das Gas im Raume
p' steht dann im Augenblick der Entkupplung noch unter einem höheren Druck, die
Kolben werden stärker beschleunigt, und somit wird auch die für das freie Kolbenspiel
erforderliche Zeit kürzer. Die Zahl der Kolbenhübe je Umlauf der Welle steigt infolgedessen.
Die dabei in den Kolben angesammelte größere Bewegungsenergie kann bei späteren
Hüben wieder an die Welle abgegeben- werden.
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In Abb.7 ist das Schema einer Kolbenanordnung gegeben, wobei gleichfalls
vier Zylinderräume p1 bis p4 vorhanden sind. Die
Dichtung der Kolben
gegen die Zylinderwand macht bei dieser Anordnung keine Schwierigkeiten. Der Motor
dieser Anordnung gleicht im übrigen genau dem Motor nach Abb. i und z. Man wird
diese Anordnung für die praktische Ausführung vorziehen, obwohl man an Hubvolumen
verliert.
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Folgende Umkehrung fällt gleichfalls unter den Erfindungsgedanken:
Das Gehäuse a steht fest und nimmt das Reaktionsdrehmoment auf. Die Kolben bl und
b= sind über die Scheibe d und über ein Gesperre (Abb. 3) mit der Arbeitsmaschinenwelle
verbunden, wobei das Sperrad r fest auf der Arbeitsmaschinenwelle sitzt. Wenn die
Scheibe d ihre Bewegungsrichtung umgekehrt hat und beginnt, entgegen der Pfeilrichtung
(Abb.3) zu laufen, so kommt die Sperrklinke t zum Eingriff in das Sperrad
r, sobald d die gleiche Winkelgeschwindigkeit hat wie die ständig
umlaufende Arbeitsmaschinenwelle. Das Auslösen der Sperrklinke t wird wieder durch
einen Anschlag u bewirkt. Auch bei dieser Anordnung wird die gesamte Nutzarbeit
aller Verbrennungshübe an die Arbeitsmaschinenwelle abgegeben, wobei Teile dieser
Arbeit zeitweilig in lebendige Kraft der Kolben bi
und b2 umgewandelt sind.
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Die Form in Abb. i und z des Motors hat den Vorzug, daß das Kräftespiel
sich zum größten Teil innerhalb des Zylinders abspielt. Das Drehmoment wird sehr
gleichförmig.
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An Stelle des Torsionsdynamometers kann der Auslöser u auch durch
ein Maschinenelement verstellt werden, welches die Drehzahl der Maschine mißt, z.
B. einen Zentrifugalregler, welcher den Anschlag u der Nase v nähert, wenn die Umdrehungszahl
der Maschine sinkt.
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Die Zylinderräume p1 und p3 (Abb. i) können beispielsweise bei einem
Zweitaktmotor als Kompressionsräume für Spülluft dienen.