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Die
Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, egal ob Fremd-
oder Kompressionszündungsmotor,
die einen variablen Verdichtungsraum aufweist.
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Der
variable Verdichtungsraum kann bei allen Verbrennungskraftmaschinen
ab 1 Zylinder verwendet werden und erziehlt mit sehr einfachen Mitteln
einen wesentlich höheren
Wirkungsgrad als herkömmliche
Motoren.
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Mit
diesem veränderbaren
Verdichtungsraum kann die Leistung dem Betriebszustand des Motors
angepasst werden, sowie der Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß wesenlich
veringert werden.
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Aufbau:
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Der
Verbrennungsmotor besteht aus drei Hauptbestandteilen:
- 1. Der Zylinderkopf
- 2. Das Zwischengehäuse
- 3. Der Motorblock
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1. Der Zylinderkopf:
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Der
Zylinderkopf ist ähnlich
wie bei herkömmlichen
Verbrennungsmaschinen ausgeführt und
erfordet keine gravierenden Änderungen
in der Fertigung, lediglich die Kühlwasser- und Öldruckleitungen
müssen
extern vom Zylinderkopf zum Motoblock geleitet werden, da eine direkte
Verbindung über
das Zwischengehäuse
zu schwierig wäre.
Möglich
wäre dies
allerdings schon, jedoch müsste
dafür eine
längenveränderbare
Abdichtung zwischen Zwischengehäuse
und Motorblock geschaffen werden.
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2. Das Zwischengehäuse:
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Das
Zwischengehäuse
ist Hautbestandteil der Erfindung. Es wird zwischen Zylinderkopf
und Motorblock montiert. Das Zwischengehäuse wird, ähnlich wie nasse Lautbüchsen bei
Lkw-Motoren in den Motorblock eingeschoben. Durch die beiden Exzenterwellen,
die sich links und rechts des Motorblocks befinden, wird eine stabile
Verbindung zwischen Motorblock und Zwischengehäuse geschaffen. Durch das Verdehen
der beiden Exzenterwellen werden das Zwischengehäuse und der Zylinderkopf, der
mittels Zylinderkopfschrauben am Zwischengehäuse befestigt ist, auf und
ab bewegt, was einen veränderbaren
Verdichtungsraum bewirkt. Das Zwischengehäuse dient dem Hubkolben des
Motors als Zylinderlaufbahn und übernimmt
damit die Eigenschaften des Motorblocks.
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3. Der Motorblock:
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Der
Motorblock kann in seiner Höhe
und seinem Gewicht wesentlich veringert werden. Seine Hauptaufgaben
beschränken
sich auf die Aufnahme des Kurbeltriebs und die Führung und Befestigung des Zwischengehäuses. Der
Kurbeltrieb und die Aufnahme der Ölwanne etc. können wie
gewohnt erfolgen.
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Auf
der linken und rechten oberen Seite des Motorblocks müssen Lagerungen
vorhanden sein, um die beiden Exzenterwellen aufzunehmen.
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Die
nach wie vor vorhandenen Zylinderwände dienen dem Zwischengehäuse nur
als Führung und
müssen
daher nicht mehr so stark ausgeführt werden.
Bei einer geeigneten Abdichtung zwischen Motorblock und Zwischengehäuse könnte man
den Motorblock so ausführen,
dass das Zwischengehäuse
und somit die Zylinderlaufbahn des Kolbens, direkt mit Kühlwasser
umspühlt
wird und eine wesentlich bessere Wärmeableitung vom Zwischengehäuse erreicht
wird.
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Funktion:
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Bei
dem Verbrennungsmotor weist das Mororgehäuse (8) wenigstens
einen Zylinder (15) auf der im Zwischengehäuse (9)
mit einen Hubkolben (12) gleitend geführt ist, der mittels Pleuelstange
(13) mit dem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle (14)
verbunden ist, die im Motorgehäuse
(8) drehbar gelagert ist.
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Der
Zylinder (15) wird durch einen Zylinderkopf (5)
verschlossen, in dem die Gaswechselorgane für den Zylinder (15)
angeordnet sind. Zwischen dem Motorblock (8) und dem Hubkolben
(12) befindet sich das Zwischengehäuse (9), das dem Hubkolben
(12) als Zylinderlaufbahn (11) dient und axial
verschiebbar ist. Im Zwischengehäuse
(9) und Motorblock (8) befindet sich links und
rechts jeweils eine Exzenterwelle (2) die mittels eines
Kettenstellers (Zeichnung 4/5), der sich an der Rückseite
des Motorblocks (8) befindet, drehbar gelagert ist. Durch
die Verdrehung der beiden Exzenterwellen (2) wird das Zwischengehäuse (9)
angehoben oder abgesenkt, wodurch eine Verdichtungsraumänderung
(16) im Zylinder (15) eintritt.
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An
den beiden Zeichnungen 1 und 2 kann man die Funktion der Verdichtungsraumänderung (16)
sehr schön
erkennen. In Zeichnung 1 befinden sich die Exzenterwellen (2)
in Ausgangsstellung, ein hohes Verdichtungsvehältnis liegt hier vor. Das Zwischengehäuse (9)
ist eingefahren und liegt fast auf dem Motorblock (8) auf
Der Hubkolben (12) verdichtet die angesaugte Luftmasse
aus dem Ansaugkrümmer
(1) in einem sehr kleinen Verdichtungsraum (16). Dadurch
erreicht man sehr hohe Verbrennungstemperaturen, die z. B. für eine schnelle
Katalysatoraufheizung im Kaltstart sehr nützlich wären.
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Im
Teillastbereich könnte
man durch einen kleinen Verdichtungsraum (16) kraftstoffsparend
fahren, da durch einen kleinen Verdichtungsraum und wenig Luftmasse
zwangweise weniger Kraftstoff zur Verbrennung ausreicht.
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In
Zeichnung 2 sind die beiden Exzenterwellen (2) bis Anschlag
verdreht und haben somit den Zylinderkopf (5) und das Zwischengehäuse (9)
gegenüber
dem Motorblock (8) um einen bestimmten Wert angehoben.
Durch den nun vegrößerten Verdichtungsraum
(16) kann bei gleichbleibendem Hubraum des Hubkolbens (12)
die angesaugte Luftmasse aus dem Ansaugkrümmer (1) vergrößert werden und
durch eine entsprechende größere Einspritzmenge
an Kraftstoff, die Leistung des Motors, wesentlich erhöht werden.
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Aufbau und Zusammenbau: Zeichnung 3
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Der
Motorblock (6) weist links und rechts oben zwei Lagerungen
(10) auf, die für
die Aufnahme der Exzenterwellen vohanden sind. Diese sind so ähnlich ausgeführt wie
Lagerungen von Nockenwellen im Motorblock oder Zylinderkopf. Die
Lagerungen (10) sind entweder fest in den Motorblock eingegossen
oder verschraubt. Von verschraubbaren Lagerdeckeln wäre hierbei
allein wegen der Festigkeit abzuraten.
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Die
Zylinderwände
des Motorblocks (11) dienen dem Zwischengehäuse (5)
als Führung.
Hier besteht die Möglichkeit
das Zwischengehäuse
(5) mit Öl zu
führen
oder mittels geeigneten Abdichtungen (9) das Zwischengehäuse (5)
direkt mit Kühlwasser
(12) zu umspülen.
Um eine Umspühlung
mit Kühlwasser (12)
zu erreichen müssten
nur Ausspahrungen in die Zylinderwände des Motorblocks (11)
eingelassen werden.
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Das
Zwischengehäuse
(5) wird nun in den Motorblock (6) von oben eingeschoben.
Dabei ist zu beachten das die beiden Abdichtungen (9) ohne
Beschädigung
eingeführt
werden. Die obere Abdichtung (9) dient dazu äußerlichen
Schmutz nicht in den Motorblock eindringen zu lassen und eventuell
um Kühlwasser
(12) oder Öl
(13) nach außen
hin abzudichten. Die untere Abdichtung (9) ist optional.
Wird das Zwischengehäuse
(5) mit Kühlwasser
(12) umspühlt, würde man
sie als Abdichtung für
das Kurbelgehäuse benötigen, um
dort kein Kühlwasser
(12) eindringen zu lassen. Falls das Zwischengehäuse nicht
mit Kühlwasser
(12) umspühlt
wird sollte die untere Abdichtung (9) entfallen um eine
aussreichende Schmierung mit Öl
(13) zwischen Motorblock (6) und Zwischengehäuse (5)
zu gewährleisten.
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Ist
das Zwischengehäuse
(5) bis Anschlag in den Motorblock (6) eingeschoben
kann man die beiden Exzenterwellen (7) nun durch die Lagerungen des
Motorblock (10) und den Lagerungen des Zwischengehäuses (4)
einschieben. Anschließend
werden die Lagerdeckel (14) des Zwischengehäuses (5) angebracht
und verschraubt. Die feste Verbindung zwischen Zwischegehäuse (5),
Exzenterwelle (7) und Motorblock (6) ist hergestellt.
Die Lagerung (4) der Exzenterwellen (7) im Zwischengehäuse (5) muss
ein Verdrehspiel (8) ähnlich
einer Ellipse haben, um eine Verdrehung der Exzenterwellen (7)
zu ermöglichen
und Spannungen zu vermeiden.
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Anschließend wird
die Zylinderkopfdichtung (3) auf das Zwischengehäuse (5)
aufgelegt. Danach wird der Zylinderkopf (2) auf die Zylinderkopfdichtung (3)
gelegt und mittels Zylinderkopfschrauben (1) mit dem Zwischengehäuse (5)
verschraubt.
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Seitenansicht des Motors: Zeichnung 4
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Zeichnung
4 soll nur ergänzend
den Aufbau des Motors in der Seitenansicht darstellen.
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Das
oberste Bild zeigt eine Exzenterwelle (2) mit Ritzel (1)
das für
die Verdrehung der Exzenterwelle verantwortlich ist.
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Das
mittlere Bild zeigt den Motor bei einem hohen Verdichtungsverhältnis.
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Zylinderkopf
(3) und Zwischengehäuse
(5) liegen fast auf dem Motorblock (6) auf. Die
Exzenterwelle (2) ist in Ausgangsstellung, sprich das Ritzel
(1) der Exzenterwelle (2) ist nicht verdreht.
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Rechts,
am vorderen Teil des Motors, befindet sich der Zahnriemen oder Kettentieb
(4), der wie gewohnt für
die Steuerzeiten der Ventile, Einspritzpumpen oder sonstiger Anbauteile
zuständig
ist. Links, am hinteren Teil des Motors, befindet sich das Kitzel
(1) der Exzenterwelle (2), das für die Phasenverstellung
der Exzenterwelle zuständig
ist.
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Im
untersten Bild sieht man sehr schön die Lagerungen des Zwischengehäuses (8)
und die Lagerungen des Motors (9) für die Exzenterwellen. Für jeden
Zylinder des Motors sollte jeweils mindestens eine Lagerung im Zwischengehäuse (5)
und Motorblock (6) vorhanden sein, um eine ausreichende
Stabilität
zu gewährleisten.
Die Exzenterwelle (2) ist nun bis Anschlag verdreht, die
enstandene Hubbewegung (7) des Zwischengehäuses (5)
und des Zylinderkopfes (3) ist deutlich zu sehen. Der Motor
besitzt nun ein niedriges Verdichtungsverhältnis.
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Verstellung der Exzenterwellen
mittels eines Phasenverstellers
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Zeichnung 5 und 6
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Die
Ritzel der beiden Exzenterwellen (3) werden mittels einer
Kette (1) miteinander verbunden. In der Mitte wird mit
Hilfe eines Kettenstellers (2) die Kette gespannt und sogleich
auch verdreht.
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In
Zeichnung 5 liegt ein hohes Verdichtungsverhältnis vor.
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Der
Kettensteller (2) ist nach unten komplett ausgefahren und
hat somit die beiden Ritzel der Exzenterwellen (3) mit
Hilfe der Steuerkette (1) soweit nach unten in Drehrichtung
verdeht, dass ein hohes Verdichtungsverhältnis vorliegt.
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In
Zeichnung 6 wird der Kettensteller (2) kontinuierlich nach
oben verstellt. Dadurch wird die Kette (1) auch nach oben
gedrückt
und verdreht somit die beiden Ritzel der Exzenterwellen (3)
in Drehrichtung. Wenn der obere Anschlag des Kettenstellers (2)
erreicht ist, sind die beiden Ritzel (3) soweit verdreht das
eine niedriges Verdichtungsverhältnis
vorliegt.
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Der
Vorteil dieses Systems ist, dass man durch den Kettensteller (2)
den Verdichtungsraum des Verbrennungsmotor vollkommen variabel von
einem hohen zu einem niedrigen Verdichtungsverhältnis verändern kann. Dies kann bei Bedarf
sehr schnell oder auch sehr langsam erfolgen und sichert somit immer
einen optimalen Betriebszustand des Verbrennungsmotors.
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Veränderbarer Vedichtungsraum mit
nur einer Exzenterwelle
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Zeichnung 7
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In
Zeichnung 7 möchte
ich kurz darauf eingehen, dass man auch mit nur einer Exzenterwelle
einen variablen Verdichtungsraum erlangt.
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Der
Verbrennungsmotor ist fast genauso aufgebaut wie bei dem System
mit 2 Exzenterwellen. Hierbei wird jedoch das Zwischengehäuse (7)
gekippt und erzeugt hiermit über
den Kippwinkel (10) einen veränderbaren Verdichtungsraum.
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Funktion:
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Der
Motorblock (4) muss auf der Seite auf der die Exzenterwelle
(2) eingebaut ist einen zuvor berechneten Kippwinkel (10)
zwischen Zwischengehäuse
(7) und Motorblock (4) aufweisen.
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In
Zeichnung 7 befindet sich links nur eine Welle (6) die
eine Verdrehung zwischen Motorblock (4) und Zwischengehäuse (7)
ermöglicht.
Rechts ist die Exzenterwelle (2) eingebaut, die hier den
variablen Verdichtungsraum erzeugt.
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Bild oben
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In
der Ausgangsstellung liegt ein hohes Verdichtungsverhältnis vor.
Das Zwischengehäuse
(7) liegt waagrecht auf dem Motorblock (4) auf,
weshalb nun der Kippwinkel (10) rechts zwischen Motorblock (4)
und Zwischengehäuse
(7) zu sehen ist. Der Verdichtungsraum (5) besitzt
nun seine kleinste Größe.
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Bild unten
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Um
ein geringeres Verdichtungsverhältnis
zu erreichen, verdreht man nun die Exzenterwelle (2) nach
oben. Das Zwischengehäuse
(7) wird nun rechts angehoben und kippt mit dem Zylinderkopf
(1) nach links um den vorher bestimmten Kippwinkel (10).
Nachdem der Zylinderkopf (1) und das Zwischengehäuse (7)
nun rechts von der Exzenterwelle (2) angehoben wurden,
vergrößert sich
dadurch auch der Verdichtungsraum (5), der mm ein geringes
Verdichtungsverhältnis
aufweist.
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Abschließend erläutere ich noch weitere Vorteile
dieses Baukonzeptes:
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Haupbestandteil
der Erfindung ist das Zwischengehäuse mit seinen Exzenterwellen,
die den veränderbaren
Verdichtungsraum ermöglichen.
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Der
Vorteil dieses Konzeptes ist, dass der grundsätzliche Aufbau des Motors bestehen
bleibt und nun durch die Funktion des variablen Verdichtungsraum
erweitert wird.
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Durch
diese Funktion kann der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors deutlich
erhöht
und an den jeweiligen Betriebszustand angepasst werden.
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Dadurch
kann der Kraftstoffverbrauch, die Abgasemission und das Geräuschverhalten
gesenkt werden. Gleichzeitig kann durch die einfache Bauweise der
Wirkungsgrad und die Leistung bei voller Beanspruchung wesentlich
erhöht
werden.
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Durch
die einfache Bauweise und die Aufteilung des Motors in die drei
Hauptbestandteile Zylinderkopf, Zwischengehäuse und Motorblock können alle
Bauteile sehr kostengünstig
und leicht repariert werden.
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Sollte
z. B. Die Zylinderkopfdichtung defekt sein, kann diese wie gewohnt
gewechselt werden. Auch ein defektes Zwischengehäuse kann ohne größeren Aufwand
erneuert werden, teuere Austauschmotoren kennen dadurch entfallen.
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Das
Mehrgewicht das durch das Zwischengehäuse entstehen würde, kann
zu einem Großteil durch
den nun kleineren Motorblock und der damit leichteren Bauweise aufgefangen
werden.
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Zuletzt
möchte
ich noch darauf hinweisen das man grundsätzlich auch den Zylinderkopf
mit dem Zwischengehäuse
in einem Bauteil zusammenfassen könnte.
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Durch
diese Zusammenfassung könnte
man noch geringfügig
mehr an Gewicht einsparen, Zylinderkopfdichtung und Zylinderkopfschrauben
könnten dadurch
entfallen.
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Dies
wäre allerdings
nicht sinnvoll, da dies enorme Mehrkosten in der Produktion verursachen würde und
den absoluten Vorteil der leichten und kostengünstigen Reperatur vollkommen
vernichten würde.
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Stand
der Technik ist, dass aktuelle Verbrennungsmotoren einen nicht veränderbaren
Verbrennungsraum besitzen. Da der Motorblock fest ist mit dem Zylinderkopf
verschraubt ist und der Hubkolben des Motors immer den gleichen
Weg vom oberen zum unteren Totpunkt zurücklegt, ist bis dato der Verbrennungsraum
eines Motors immer eine feste Größe, die
nicht verändert
werden kann.
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Deshalb
ergibt sich das Problem das bei einem Verbrennungsmotor der Verbrennungsraum
so ausgelegt werden muss, dass der Motor in allen Bertriebszuständen eine
gute Laufruhe und Leistung abgibt. Daraus ergibt sich immer ein
Kompromiss zwischen Schadstoffaustoß, Kraftstoffverbrauch und Leistung.
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Dieses
Problem kann mit einem Verbrennungsmotor mit veränderbaren Verbrennungsraum effektiv
beseitigt werden.
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Durch
den Einbau eines Zwischengehäuses in
den Motorblock mit zwei Exzenterwellen kann nun der Zylinderkopf
variabel in seiner Höhe
verändert werden
und dies ermöglicht
wiederum einen variablen Verbrennungsraum. Dadurch kann der Motor
auf den jeweiligen Betriebszustand genau eingestellt werden, egal
ob er sich nun im Kaltstart befindet, mit Leerlaufdrehzahl dahin
läuft oder
die volle Leistung abverlangt wird Durch diese Anpassung an den
jeweiligen Betriebszustand kann ich den Schadstoffaustoß und den
Kraftstoffverbrauch verringern und gleichzeitig den Wirkungsgrad
des Motors, sprich die Leistung, deutlich erhöhen. Diese Erfindung wäre ein absolutes
plus für
die Umwelt, allein durch die effiezentere Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Kraftstoffes
und der geringeren Abgasemission.
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Die
gleichen Vorteile können
auch mit dem Patentanspruch 2 verwirklicht werden. Dieser entspricht
nur einer geringfügig
anderen Bauart mit nur einer Exzenterwelle.