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Luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine Theoretisch gestaltet
sich der Betrieb einer Brennkraftmaschine um so wirtschaftlicher, je höhere Drücke
darin einerseits durch die Verdichtung, andererseits durch die darauffolgende Verbrennung
des Brennstoffes geschaffen werden. Der bei der Verbrennung einer Brennstoffmenge
entstehende Druck ist hinwieder um so höher, je kürzer die Zeit ist, in welcher
die Verbrennung vor sich. geht. Dem Drucke wird jedoch nach oben dadurch eine Grenze
gesteckt, daß die Abmessungen des ihn aufnehmenden Triebwerkes nicht beliebig große
sein können. Bei Brennkraftmaschinen, in welchen der Brennsto$ in eine mit dem Hubraum
in Verbindung stehende besondere Kammereingebracht wird, können in dieser Kammer
höhere Verbrennungsdrücke zugelassen werden; die'-Produkte der hier vor sich ,gehenden
Verbrennung strömen in den Hubraum von niedrigerem Druck hinäber und erhöhen den
hier herrschenden Druck. Infolge der Druckzunahme im Hubraum nimmt jedoch der die
Hinüb:erströmung bewirkende Druckunterschied und damit auch die Menge der in der
Zeiteinheit übertretenden Verbrennungsprodukte fortwährend ab, während der durch
den Arbeitskolben in der Zeiteinheit freigelegte Hubraumteil nach Überschreitung
des Totpunktes stetig wächst, so daß der Druck im Hubraum rasch sinkt. Die ideale
Maschine wäre die, bei der die Verbrennung sich unter den optimalen Bedingungen,
nämlich plötzlich, mithin unter Erzeugung hoher Drucke und Temperaturen vollzöge,
während auf das Triebwerk nur ein zulässige Abmessungen beanspruchender` Druck einwirken
würde, dieser aber während des ,ganzen Arbeitshubes, d. h. ohne nachzulassen.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, zwischen der Brennkammer und dem Hubraum
ein zwangsläufig gesteuertes Schließorgan vorzusehen,
entweder um
den Druckunterschied -zwischen diesen beiden Räumen zu steigern und zur Einführung
des Brennstoffes entgegen dem hohen Druck nutzbar zu machep oder um eine zu frühe
Zündung zu verhüte'. oder aber gerade zu dem Zwecke, gewisse dr`e Zündung begünstigende
Druck- und Tempe=' raturverhältnisse zu schaffen. Diese Schließorgane dienten lediglich
zur Trennung bzw. Verbindung der Brennkammer und des Hubraumes in den entsprechenden
Zeitpunkten, sie bewirkten daher eine plötzliche und vollständige Öffnung oder Schließung,
das Ausmaß des Übertritts während des Arbeitshubes wurde durch sie nicht gesteuert.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, am Arbeitskolben einen zylindrischen Bolzen
anzubringen, der beim Einwärtsschreiten des Kolbens in den konisch ausgebildeten
Verbindungskanal zwischen Brennkammer und Hubraum hineindringt und beim Auswärtsgang
des Kolbens den Über trittsquerschnitt in durch die Konizität des Verbindungskanals
bedingtem Maße allmählich freigibt. Bei* dieser Anordnung ließ sich bloß
ein nach Maßgabe der Bewegung des Arbeitskolbens vor sich gehendes öffnen bewerkstelligen,
die beschriebenen idealen Verhältnisse aber wurden nicht einmal annähernd erreicht,
so daß bei dieser Vorrichtung der größere Teil der durch die einen hohen Druck ergehende
Verbrennung hervorgebrachten Arbeit nicht ausgenutzt werden konnte und durch das
allmähliche Einlassen der Verbrennungsgase in dein Hubraum nur eine geringe Mehrarbeit
erhalten wurde. Bei der Brennkraftmaschitie gemäß der Erfindung dagegen spielt sich
in der Brennkammer und im Hubraum .ein wesensverschiedener Druckverlauf ab. Das
oder die in der Ü hertrittsöffnung zwischen Brennkammer und Hutraum angeordneten
gesteuerten Schließelemente nämlich, durch welche der Ü bertrittsquerschnitt vor
Ende eines jeden Verdichtungshubes auf ein Mindestmaß, gegebenenfalls uf Null, verringert
wird, bringen diesenübertrittsquersehnitt nachüberschreitung des inneren Totpunktes
des Arbeitskolbens allmählich derart auf -sein Höchstmaß, daß im Hubraum infolge
des gesteuerten Übertritts ein vorausbestimmter Druckverlauf entsteht, nämlich ein
dem Verdichtungsenddruck entsprechender oder diesen nur unwesentlich übersteigender
Druck nicht überschritten wird. Während das Schließorgan in der Nähe der inneren
Totlage des Arbeitskolbens sich im wesentlichen in der Schließlage befindet, wird
der Brennstoff in kürzerer Zeit als der Zündverzug in die Brennkammer eingebracht,_
so daß hier eine sich in sehr kurzer Zeit abspielende, explosi@onsartize Verbrennung
vor sich geht, sehr hohe Temperaturen und ein die bisher für zulässig befundenen
wesentlich überschreitender hoher Druck entsteht, dessen Ein -,virkenlassen auf
das Triebwerk unzulässig wäre. Durch die :mit einer bestimmten Gesetzmäßigkeit
durch-'eeführte mengenmäßige Steuerung des während des Arbeitshubes vor sich gehenden
Übertritts der Brenngase in den Arbeitszylinder wird jedoch die Beherrschung der
Drücke im Hubraum dadurch möglich, daß der jeweilige Druck im Hubraum unabhängig
von den in der Brennkammer herrschenden Drücken bemessen wird. Die Steuerung des
Schließorgans erfolgt dabei in der. Weise, daß dem übertrittsquerschnitt in jedem
Zeitpunkt des Abblasens eine Größe gegeben wird, die in Verbindung mit der jeweiligen
augenblicklichen Abblasegeschwindigkeit eine Abblasemenge je Zeiteinheit ergibt,
welche dem durch den Arbeitskolben freigelegten Hubraum je Zeiteinheit gleichkommt.
In diesem Falle wird die abgeblasene Menge den durch den Arbeitskolben augenblicklich
freigelegten Hubraum gerade ausfüllen, so daß im letzteren weder eine Drucksteigerung
noch ein Druckabfall eintritt, sondern der Druck praktisch unverändert bleibt. Der
übertrittsquerschnitt kann während der Verdichtung bis vor Ende derselben gedrosselt
und kurz vor Erreichung des inneren Totpunktes vorübergehend geöffnet werden. 1n
diesem Falle bleibt der Druck in der Brennkammer hinter demjenigen im Hubraum zurück.
Wird nun der übertrittsquerschnitt voll geöffnet, so tritt zwischen dem Hubraum
und der Brennkammer ein Druckausgleich ein, welcher in der letzteren eine Wirbelung
hervorruft. Hierauf wird der Übertrittsquerschnitt wieder geschlossen, so daß die
Wirbelung der nach der kurz darauf erfolgenden Brennstoffzufuhr einsetzenden Verbrennung
wirksam zugute kommt.
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Das oder die zur Steuerung des übertrittsquerschnittes vorgesehenen
Schließelemente können entweder als zwischen der Breutnkammer und dem Hubraum verschiebbar
oder vierdrehbar angeordnete Plan- oder Kolbenschieber ausgeführt werden, oder es
kann als Schließelement die Brennkammerwandung selbst dienen, die zu diesem Behufe
in einem Gehäuse auf einem hierin ausgebildeten Schieberspiegel verschiebbar oder
vierdrehbar angeordnet ist. Die nach einer gewünschten Gesetzmäßigkeit erfolgende
Veränderung des übertrittsquerschnittes kann in mannigfaltiger Weise dadurch erzielt
werden, daß entweder bei gleichbleibender Form der Durchgangsöffnungen den Schließelementen
eine veränderliche Bewegung erteilt oder bei gleichbleibender Bewegung der Schließelemente
der
einen oder auch beiden übereinander hinwegstreichendem Durchgangsöffnungen
eine veränderliche Form gegeben wird oder schließlich sowohl die Bewegung der Schließelemente
als auch die Form der Durchgangsöffnungen veränderlich g-estaltdt wird. Die Veränderlichkeit
der Bewegung der Schließelemente kann durch dem -gewünschten Veränderungsgesetz
entsproechend geformte Steuerorgane, Nock enscheiben, Führungsbahnen usw. erzielt
werden.
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Der übertrittsquerschnitt kann auch unterteilt werden. Hierdurch verringert
sich die notwendige Bewegung der Schließelemente.
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Die Zeichnungen veranschaulichen einige Ausführungsbeispiele ;einer
Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß der Erfindung, und zwar zeigt Fig. i
einen Schnitt durch eine Ausführungsform in der Mittelebene des Zylinders sowie
durch die Brennkammer.
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Fig. 2 und 3 zeigen den Schieber -in zwei verschiedenen Stellungen:
-Fig..4 ist ein Diagramm der Schieb.erbewegung.
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Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des Schiebers.
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Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsforni im gleichen Schnitt wie
Fig. i.
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Fig. 7 zeigt _ den dazugehörigen Schiteb:erantrieb im Grundriß.
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Fig. 8 und 9 zeigen zwei verschiedene Stellungen des Schiebers im`
Schnitt nach Linie V I I I-V I I I der Fig. 6.
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Fig. io stellt eine weitere des Schiebers dar.
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Fig. i i veranschaulicht eine dritte Ausführungsform in gleichem Schnitt
wie Fig. i. Fig. 12 ist ein Schaubild der Schiebemut. Fig. 13 zeigt eine vierte
Ausführungsform im gleichen Schnitt wie Fig. i.
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Fig. 14 und 15 zeigen eine Abwandlung der Ausführungsform nach Fig.
13 im Schnitt. Fg._ i 5 ist ein Schnitt nach Linie XV-XV der Fig. i q..
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Fig. 16 zeigt eine fünfte Ausführungsform im gleichen Schnitt wie
Fig. i.
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Fig. 17, 18 und i g -zeigen weitere Ausführungsformen des Schiebers,
schließlich Fi,g.2o und 21 einen Schnitt durch zwei weitere Ausführungsformen der
Maschine. Die Brennkraftmaschine besteht in allen Ausführungen aus dem Arbeitszylinder
i, in welchem der Arbeitskolben 2 beweglich ist, und aus der Brennkammer 3 mit Brennstoffzuführung
q.. Zwischen dem Zylinderraum und der Brennkammer sind gesteuerte Schließelemenroe
5 angeordnet. Bei der Ausführungsfarm nach Fig. i dient als solches der verschiebbare
Planschiebers, der zwischen zwei Schieberspiegeln 6, 7 gleiten kann.. Der Schieber
5 ist durch die Durchgangsöffnung 12 durchbrochen, die mit den DurchgIngsöffnungen
8 und 9 zusammenwirkt. In Fig. i und 2 sind die drei Durchgangsöffnungein 8, 12,
9 in vollständiger, in Fig. 3 in teilweiser Deckung ersichtlich.
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Die Bewegung des Schiebers verläuft ungefähr nach der in Fig. ¢ dargestellten
Gesetzmäßigkeit. Hierbei geben die Abszissen auf Linie a die Zeit oder die Kurbelwinkel
an, wobei Linie x-x den inneren Totpunkt bezeichnet, während die Ordinaten den Hub
des Schiebers darstellen. Während der Verdichtung nimmt der Schieber die in Fig.
i und 2 ,gezeichnete Stellung ein, wobei alle drei Durchgangsöffnungen 8, 12, 9
sich miteinander decken. Kurz vor dem inneren Totpunkt x-x, und zwar auf einer im
wesentlichen dem Zündverzug entsprechenden Kurb@elwinkelstrecke W, bei Linie y-y
des Diagramms wird der Schieber 5 rasch nach unten bewegt, so daß .er im inneren
Totpunkt x-x bereits seine untere Stellung. ,erreicht hat, bei wel-. eher der übertrittsquerschnitt
sein Mindestmaß g,"1", das gegebenenfalls gleich Null sein kann, aufweist. Nach
Überschreitung des inneren Totpunktes x-x wird der Schieber 5 allmählich nach oben
bewegt, und zwar so, daß nach einem Winkel W2 bei Linie z-z der maximale Hub und
der größte übertrittsquerschnitt g",", erreicht ist. Die Veränderlichkeit des übertrittsquerschnittes
ist durch die über der Linie b stehenden Ordinaten der Fig. q. veranschaulicht.
Die dieser Gesetzmäßigkeit folgende Bewegung wird dem Schieber 5 durch die sich
gleichmäßig drehende unrunde Scheibe 13 mitgeteilt, auf die sich mit der Rolle 13"
das eine Ende des bei 14 schwingbar gelagerten zweiarmigen Hebels 15 stützt, während
das andere Ende mittels des Gleitgelenkes 16 am Schaft 17 des Schiebers 5 angreift.
Der letztere wird in einer Führung 18 geführt und durch die Kraft der Feder 19
ständig nach unten gezogen, so daß die Rolle 13" stets auf der Scheibe 13 aufliegt.
Die Radien 0X, 0Y, OZ entsprechen den Linien x-x, y-y, z-z und die Winkel w, und
w. den Kurbelwinkean W1 und W, nach Fig. q.. Die Scheibe 13 weist zwischen den Radien
0Y und OZ :einen Einschnitt auf, welcher dem durch Fig. q. ausgedrückten Gesetz
entsprechend geformt ist.
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Wie aus Fig. 5 ersichtlich, kann, was ,aber nicht Gegenstand der Erfindung
ist, der Schaft 17 des Schiebers 5 mit ,einer Einlage 21 aus gut wärmeleitendem
Metall, wie beispielsweise Silber oder Kupfer, versehen werden. Dadurch wird .eine
wirksame Ableitung der auf den Schieber 5 übertragenen Wärme erzielt und auf diese
Weise .eine übermäßige Erhöhung der Temperatur der Gleitflächen
des
Schiebers hintangehalten, und zwar um so mehr, auf einen je größeren Teil des Schaftquerschnittes
sich die Einlage 21 erstreckt.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 bis io wird dem zylindrischen
Schieber 5 eine schwingende Drehbewegung erteilt. Die Fig.8 und 9 zeigen den Drehschieber
in den beiden Endstellungen. Der Antrieb des Schiebers 5 wird hier ebenfalls durch
eine in Fig. ; dargestellte umrunde Scheibe i3 bewirkt. Nur wirkt hier die sich
um eine senkrechte Achse drehende Scheibe 13 auf den Schwingarm 22 ein, welcher
am Ende des Schaftes 17 des Schiebers 5 sitzt und den Schieber 5 in eine schwingende
Bewegung um seine Lsingsachse versetzt. Auf einen Fortsatz 23 des Schwingarmes 22
wirkt die Kraft der Feder 2.1 ein, damit die Rolle 13" ständig auf der Scheibe 13
aufliege. Der Schaft 17 des Schiebers kann, was gleichfalls nicht Gegenstand der
Erfindung ist, mit einer aus Fig. to ersichtlichen Einlage 21 aus gut leitendem
Metall versehen sein, welche mit gegen die Gleitflächen des Schiebers ragenden Fortsätzen
25 versehen werden kann, um die Abführung der Wärme von den Gleitfiä chen noch wirksamer
zu gestalten.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. i i ist der Schieber 5 ein zylindrischer
Körper, welcher sich gleichmäßig um seine Längsachse in dem zylindrischen Schieberspiegel
26" dreht. Im Schieberkörper ist eine um dessen Umfang laufende Nut 26 von gleichmäßiger
Tiefe, aber veränderlicher Breite ausgebildet. Fig. 12 zeigt den- Zylindermantel
des Schiebers 5 in der Ebene der Zeichnung entrollt. Die obere Kante d der Nut 26
ergibt sich hierbei als eine Gerade, während die untere Kante e zwischen den Linien
v-v und z-z als eine Kurve verläuft. Es ist auch die Durchgangsöffnung 8 an mehreren
Stellen 8", 8j" 81. eingezeichnet, wie sie mit der Nut 26 in verschiedenen, durch
die Drehung des Schiebers 5 bedingten gegenseitigen Stellungen zur Deckung gelangt.
Der t@berti-ittsquersclinitt ist in Fig.12 überall schraffiert hervorgehoben. Die
Stellung 8", in der Mitte mit Linie x-x, entspricht der gegenseitigen Lage des Schiebers
5 und der Durchgangsöffnung im inneren Totpunkt des Arbeitskolbens. Nach einer Verdrehung
des Schiebers 5 entsprechend der Linie u und der Stellung 8,. nimmt die Hutbreite
und der L'bertrittsquerschnitt zu. Bei Linie z-z erreicht die mitbreite ihr Höchstmaß
B"t".,., welches sie bis zur Linie il-j, beibehält. Die -entsprechende gleichmäßige
Drehbewegung erhält der Schieber 5 durch ein auf seinem Schaft 17 sitzendes Schraubenrad
27, welches vom Schraubenrad 28 angetrieben wird.
| Bei der Ausführwigsforin nach Fig. 13 ist |
| die Breinikammer 3 selbst, d. h. die Wandung |
| derselben, als ein konischer, in dem Schieber- |
| spiegel 29 vierdrehbarer Schieber 5 ausge- |
| bildet. Die in der Schieberwandung befind- |
| liche Durchgangsöffnung 8 kommt hier mit |
| der Durchgangsöffnung g zur Deckung. Die |
| Bewegung des Schiebers 5 ist eine schwin- |
| gende und wird dem Schieber durch eine |
| sich gleichmäßig drehende unrunde Scheibe |
| 13, wie sie in Fig.7 dargestellt ist, erteilt. |
| Bei der ;\usfiilirtingsforin nach Fig.1q |
| und 15 sind am Umfange des Schiebers 5 |
| vier Durchgangsöffnungen 8" 8- 8;1, 8.1 und |
| ehenso am Schieberspiegel 29 vier Durch- |
| gangsülfnungen 9" 92, 9,;, 91 ausgebildet, die |
| bei der Verdrehung des Schiebers paarweise |
| zur vollen oder teil\veisen Deckung gelangen. |
| Sämtliche Durchgailgsöffntmgcil 9, bis 9,1 |
| münden in den gemeinsamen Ringkanal 30, |
| welcher über Kanal io und Eintrittsöffnung |
| t i in den Zyliiiderrauin führt. Infolge der |
| Unterteilung des Cbertrittsquerschnittes haben |
| die einzelnen Durchgangsöffnungen kleinere |
| Abmessungen. |
| Bei der Ausführungsform mich Fig. 16 wird |
| die Veränderlichkeit des übertrittsquer- |
| schnittes durch die ver:inderliche Gestaltung |
| der Durchgangsöffnmig 8 in der Brenn- |
| kammerwand erzielt. Die Brennkammer 3, |
| die gleichzeitig den Schieher 5 bildet, ist nach |
| oben offen und wird durch den Zylinder- |
| deckel 31 geschlossen. Der obere Rand 32 |
| der Brennkammer ist von ungleicher Höhe, |
| so daß zwischen dem Zylinderdeckel 31 und |
| diesem Ränd 32 die Durchgangsöffnung 8 von |
| veränderlicher Breite entsteht. Diese Durch- |
| gangsöffnung 8 kommt mit der unveränder- |
| lichen, zum Zylinderrahm führenden Durch- |
| gangsöffnung 9 während der Drehbewegung |
| des Schiebers in gleicher Weise zur Deckung, |
| wie dies bei der Ausführungsform nach |
| Fig. i i an Hand der Fig. 12 beschrieben |
| wurde. |
| Gem:il3 Fig.17 wird die Durchgangs- |
| öffnttng 8 durch den Kaum zwischen den in |
| veränderlichem Abstltild voneinander ver- |
| laufenden Rindern 32 und 33 gebildet, welche |
| in diesem Falle durch Stege 3.1 miteinander |
| verbunden sind. |
| Bei den Ausführungen nach Fig. 18 und i9 |
| ist in den hohlen Körper 35 der Brennkammer . |
| eine Einlage 36 eingesetzt, so daß zwischen |
| beiden ein- Raum 37 verbleibt, welcher mit |
| Luft oder mit einem geeigneten, insbesondere |
| hitzebeständigen Isolierstoff, z. B. Karborun- |
| dttm o. dgl., ausgefüllt werden kann. An den |
| Rändern der Brennkammer und der Durch- |
| gangsöffnung 8 sind zwischen dem Körper 35 1 |
| und der Einlage 36 Zwischenleisten 38 ange- |
| ordnet. In Fig. 18 ist eine oben offene, in |
Fig, i9 eine geschlossene Brennkammer dargestellt. Bei der letzteren
kann der sie von oben abschließende Deckel 39 durch Aufschweißung oder Aufschraubung
am Körper 35 befestigt werden. Die Schäfte 17 können auch -bei diesen Ausführungen
mit Einlagen 21 aus gut wärmeleitendem Metall (Silber, Kupfer usw.) versehen -werden.
Die Einlage 21 kann, wie dies Fig. 19 zeigt, mit Fortsätzen ,1o versehen werden,
de entlang der Innenseite des zu kühlenden äußeren Körpers
35 emporragen.
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Bei der Ausführung nach Fig.2o ist die Brennkammer 3 im Arbeitskolben
2 angeordnet. Die Steuerung des Querschnittes der Verbindungsöffnung zwischen dem
Zylinderraum oberhalb des Arbeitskolbens und der Brennkammer 3erfolgt durch den
mittels der Stange4l und des um den Bolzen i¢ schwingenden Hebels 15 bewegten Kolben
5. Der Kolben 5 verjüngt sich nämlich an seinem unteren Ende gemäß einem solchen
Profil, daß als Ergebnis seiner eigenen und der Be-@,v-egttng des Arbeitskolbens
2 -während des Abblasevorganges ein gerade so großer ringförmiger übertrittsquerschnitt
freigehalten wird, daß im Zylinderraum der gewünschte Druck entsteht. Die Brennstoffeinspritzdüse
1.4 kann auch schräg .angeordnet werden, derart, daß der Brennstoff, unter Verzicht
auf die besondere Öffnung im Arbeitskolben 2, an der Eintrittsstelle des Kolbens
5 in den Zylinderraum zur Einführung gelangt. Die Wandung der Brennkammer 3 kann
auch hier von einer -wärmeisolierenden Schicht, z. B. einer zwischen Doppelwänden
angeordneten Luftschicht, umgeben sein.
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Bei der Ausführung nach Fig.21 ragt in den Zylinderraum bzw. am Ende
des Verdichtungshebes in den Kolbenbren;nraum ein mit Öffnungen 8, 8 versehener
orfsfester Zylinder hinein, in welchem der mit Öffnungen 12 ausgestattete Rohrschieber
5 sich hin und her schwingend dreht. Die jeweilige Größe dex Verbindungsöffnung
zwischen Zylinderraum und Brennkammer 3 ergibt sich hier einerseits aus der Art
der Bewegung des Rohrschiebers 5 und andererseits aus der Bewegung des Arb.eitskolhens
2. Am Schaft 17 des Rohrschiebers 5 ist der an seinem Ende die Rolle 13a tragende
Hebel 22 befestigt, der z. B. durch die in Fig. 7 dargestellte Steuerungseinrichtung
in der gewünschten schwingenden Bewegung gehalten wird.