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Spülvorrichtung für Zweitakt-Brennkraftmaschinen mit Gleichstromspülung
Bei allen Brennkraftmaschinen ist es von größter Wichtigkeit, daß die Verbrennungsgase
so vollkommen als möglich aus dem Zylinder entfernt werden. Um das zu erreichen,
wird bekanntlich durch den Zylinder ein Luftstrom hindurchgeschickt. Bei Zweitaktverpuffungskraftmaschinen
hat man bereits vorgeschlagen, dem Luftstrom, um die Spülung zu verbessern, eine
kreisende Bewegung zu erteilen, und zwar dadurch, daß man die Spülluft nicht radial
in den Zylinder eintreten läßt, sondern durch am Umfang des Zylinders in Sehnenrichtung
angeordnete Schlitze, welche in üblicher Weise im geeigneten Augenblick durch den
Kolben selbst freigelegt werden. Dieses Ziel ist auch schon durch die Verwendung
abgeschirmter Ventile erstrebt worden.
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Die bekannten Einrichtungen dieser Art haben kein vollkommen befriedigendes
Resultat ergeben, da die einströmende Luft nur die innerhalb eines hohlen Zylinders
befindlichen Gase austreibt, während die an den Wandungen und im Kerne des Zylinders
verharrenden Gasmengen nur unter Aufwand einer übermäßig großen Menge von Spülluft
entfernt werden können. Außerdem muß die kreisende Bewegung, wenn sie bei Brennkraftmaschinen
auch für die der Spülung folgenden Vorgänge, besonders das Einspritzen des Brennstoffes,
nutzbar gemacht werden soll, gegen Ende der Spülperiode am kräftigsten sein, während
sie bei den bekannten Einrichtungen nahezu konstant ist oder sogar nach und nach
abnimmt.
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Es sind ferner Vorrichtungen bekannt, bei welchen die verschiedenen
Zylinderteile nacheinander bespült werden, doch finden hierbei ausschließlich axial
gerichtete Luftströme Verwendung. Andererseits gibt es auch Einrichtungen, bei welchen
vor einem ' Einlaßventil ein Schneckengehäuse angeordnet ist, das der Luft vor ihrem
Eintritt in den Zylinder eine Wirbelbewegung erteilen soll. Eine zentral wirkende
Spülung kann aber damit nicht erreicht werden.
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Klan hat endlich, aber nicht für Gleichstrommotoren, vorgeschlagen,
außen an den Luftschlitzen bewegliche Leitschaufeln anzubringen, um durch deren
Bewegung die Eintrittsrichtung der Spülluft nach Bedarf einstellen zu können. Dadurch,
daß man während des Saughubes die Richtung dieser Schaufeln nach und nach ändert,
soll die einströmende Spülluft auf den ganzen Innenraum des Zylinders zur Einwirkung
kommen. Hierbei bleibt aber die Wirbelgeschwindigkeit immer gering. Sie ist sogar
fast gänzlich verschwunden, wenn der Kolben am Ende seines Verdichtungshubes angelangt
ist. Man erreicht also,dadurch keine gute Spülung und vor allem keine gute Mischung
der Luft mit dem Brennstoff, welcher in die langsam herumwirbelnde Luft eingespritzt
wird: Dieser Nachteil beruht im wesentlichen auf der Tatsache, daß die eingeführte
Luft fast immer
aus einer Kammer entnommen wird, in der sie nahezu
unbeweglich ruht. Außerdem wird die Luft durch mehr oder minder lange Kanäle in
den Zylinder eingesaugt, wobei ein erheblicher Verlust durch Reibung und Stoß gegen
die Wände eintritt, so daß die tatsächliche Einströmungsgeschwindigkeit der Luft
nur einen Bruchteil der theoretisch möglichen beträgt. Ferner sind diese Einrichtungen
mit beweglichen Leitschaufeln ziemlich verwikkelt und arbeiten daher keineswegs
zuverlässig.
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Gegenstand vorliegender Erfindung ist nun eine Lenkvorrichtung für
im Gleichstrom bespülte Brennkraftmaschinen mit während des Spülvorganges zuerst
radialer und nachher durchwirbelnder Lufteinführung, bei welcher all diese Nachteile
dadurch vermieden werden, daß zur Erzielung der wechselnden Luftströmung keine beweglichen
Organe, sondern die Trägheit einer Luftmasse benutzt wird. Es wird somit ohne jede
mechanische Bewegung, allein durch eine aerodynamische Wirkung, welche sich selbsttätig
ändert und nach Belieben leicht eingestellt werden kann, eine bei Beginn der Spülung
radiale und während der Einführung der Spülluft in zunehmendem Maße tangential werdende
Strömungsrichtung der Luft erreicht.
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Erfindungsgemäß wird die Ausführung so getroffen, daß um den Zylinder
in der Zone der radial gerichteten Einlaßschlitze eine Ringleitung von verhältnismäßig
großem Inhalt angeordnet ist, in welche die Spülluft während der Spülung durch gegebenenfalls
in ihrer Weite einstellbare Öffnungen in nahezu tangentialer Richtung nachströmt,
so daß bei der Eröffnung der Spülschlitze zuerst unter Verbrauch des Luftinhaltes
der Ringleitung eine radiale Lufteinströmung erfolgt, welche den Zylinderkern erfaßt,
und anschließend infolge der tangentialen Luftnachströmung in die Ringleitung die
Luft auch in den Arbeitszylinder in zunehmendem Maße tangential einströmt, den Zylinderinhalt
in Drehung versetzt und insbesondere die Zylinderwandräume erfaßt. Diese Ringleitung
kann aus einer oder mehreren Abteilungen bestehen, von denen eine jede einem oder
mehreren Einlaßschlitzen entspricht. Die die Luftkammer mit den verschiedenen Abteilungen
der Ringleitung, diese Abteile unter sich selbst und mit dem Zylinder in Verbindung
bringenden Öffnungen oder Schlitze werden zweckmäßig mit Regulierorganen versehen,
welche es ermöglichen, ihre Breite und Richtung nach Belieben zu verändern. Diese
Veränderung könnte auf jede beliebige Weise erreicht werden und entweder von Hand
oder selbsttätig erfolgen. Die Ringleitung selbst wird vorteilhaft so ausgeführt
und angeordnet, daß sie längs des Zylinders verschoben werden kann, so daß sie die
Schlitze freigibt und die Luftkammer unmittelbar mit dem Zylinder in Verbindung
bringt. Die Seitenwände der Abteilungen können beweglich gehalten sein, damit sie
in irgendeine der zwischen zwei Endstellungen befindlichen Lagen gebracht werden
können, welchen eine beliebige, zwischen bestimmten Grenzwerten liegende Lufteinführung
entspricht.
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Von großer Bedeutung sind hierbei die absoluten und relativen Abmessungen
der Durchgangsöffnungen für die Gase. So fördert z. B. ein größerer Querschnitt
der Schlitze gegenüber den Verbindungsöffnungen zwischen Ringleitung und Kammer
die Umlaufgeschwindigkeit der Luft in der Ringleitung und die Durchwirbelung der
Luft im Zylinder. Auch die Stärke der Zylinderwände übt auf die Spülung einen Einfluß
aus. Sie wird in der Zone der Eintrittsschlitze zweckmäßig gering gehalten, damit
die radialen Eintrittsschlitze selbst nicht hindernd auf den durch die tangentiale
Lufteinführung in die Ringleitung bewirkten schrägen Eintritt der Spülluft in den
Zylinder einwirken können.
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Der Erfindungsgegenstand ist in der Zeichnung in beispielsweisen Ausführungsformen
dargestellt, bei welchen der Brennstoff gegen Ende des Kolbenhubes in,den Zylinder
eingespritzt wird und die Auspuffgase durch ein am Zylinderkopf angeordnetes Ventil
ins Freie gelangen. Es zeigen Abb. t einen schematischen Längsschnitt durch eine
Kraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung, Abb. 2 und 3 die Bahnen der Luft
in dem Zylinder, während die Schlitze durch den Kolben .gerade freigegeben werden
bzw. weit offenstehen, Abb.4 und 5 den Abb. 2 bzw. 3 entsprechende Querschnitte
durch den Zylinder in der Zone der Luftschlitze, Abb.6 einen Längsschnitt einer
anderen Ausführungsform, bei der die Seitenwände -der Ringleitung beweglich sind,
Abb. 7 und 8 den Abb.4 und 5 entsprechende Querschnitte durch die Ausführung nach
Abb. 6.
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Bei der in Abb. r dargestellten Ausführungsform ist der Zylinder r
am oberen Ende mit einem Ventil 2 und am unteren mit nichtleitenden, radial gerichteten
Schlitzen 3 ausgestattet, welche der Kolben nach und nach freigibt, wenn er dem
unteren Totpunkt zustrebt. Das Ventil 2 wird -von der Motorwelle 6 über eine Nockenscheibe
7, einen Stab 7' und einen Doppelhebel 8 gesteuert und steht unter der Einwirkung
einer Feder 8', die die schnelle Rückkehr des Ventils -, herbeiführt.
Der
Zylinder ist in der Zone der Eintrittsschlitze 3 von einer Luftkammer 9 umgeben,
innerhalb welcher die Ringleitung angeordnet ist, welche die Schlitze 3 umschließt.
Diese Ringleitung wird von der Luftkammer 9 aus mit tangential eintretender Luft
gespeist, wobei die Luftkammer ihrerseits fortwährend durch eine Pumpe mit Luft
nachgefüllt wird. Der flüssige Brennstoff wird im geeigneten Augenblick durch die
Düse ro in den Zylinder eingespritzt, wie es bei Dieselmotoren allgemein üblich
ist.
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Die Wirkungsweise dieses Motors ist wie folgt: Wenn der Arbeitshub
nahezu vollendet ist, aber die Öffnungen 3 noch durch den Kolben bedeckt sind, wird
das Ventile geöffnet, so daß die im Zylinder befindlichen Druckgase teilweise durch
das Ventil nach außen entweichen können. Wenn nun der Druck innerhalb des Zylinders
genügend gesunken ist, gelangt die Oberkante des Kolbens 5 in die Höhe der Schlitze
3, welche dadurch freigelegt «-erden. Die Luft tritt dann in den Zylinder ein und
durchspült ihn. wobei sie teilweise wieder aus dein noch offenen Ventil 2 entweichen
kann. Unterdessen hat der Kolben den unteren Totpunkt erreicht und überwunden, und
nachdem die Schlitze 3 und der Auspuff 2 geschlossen sind, beginnt die Verdichtung
der eingeschlossenen Luft, wobei gegen Ende des Kolbenhubes durch die Düse 1o Brennstoff
in den Zylinder eingespritzt wird. Nach Überwindung des oberen Totpunktes findet
die Ausdehnungsphase statt, und der Kreislauf fängt von neuem an.
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Um nun die dem Erfindungsgegenstand eigentümliche Arbeitsweise zu
erreichen, ist die Ringleitung d, welche die Schlitze umgibt, mit Einlaßöffnungen
2o versehen, durch welche die in der Luftkammer 9 befindliche Luft in die Ringleitung
:I in tangentialer Richtung eingeführt wird. In der Zeichnung sind zwei derartige
Öffnungen 20 und 2ö angedeutet. Man könnte jedoch auch nur eine oder auch mehrere
Einlaßöffnungen vorsehen. Die Ringleitung 4. (oder eine jede ihrer Abteilungen)
ist schneckenförmig gewunden, so daß ihr Ouerschnitt gleich nach jeder Eingangsöffnung
2o am größten und am entgegengesetzten Ende am kleinsten ist. Der Querschnitt dieser
Eingänge 2o, 2ö sowie der der Verbindungsöffnungen 2r, 21' zwischen den verschiedenen
Abteilungen der Leitung .I kann auf beliebige Weise von außen einstellbar gehalten
werden, z. B. mit Hilfe von Ventilen, Hähnen u. dgl., welche gegebenenfalls auch
selbsttätig von der Motorwelle oder von irgendeinem anderem Teil aus gesteuert werden
können.
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Infolge dieser eben beschriebenen Einrichtung geht der Spülvorgang
wie folgt vor sich: Zuerst, wenn die Schlitze 3 grade freigegeben «-erden, fängt
die in der Leitung d. befindliche Luft an, sich langsam zu bewegen. Dabei tritt,
da der Inhalt der Leitung .I groß genug ist, um den Druck in ihr nur unbedeutend
sinken zu lassen, praktisch keine Luft von der Kammer 9 durch die Eintrittsöffnungen
20 hinein, so daß aus diesem Grund kein Herumkreisen der Luft entsteht und diese
annähernd radial in den Zylinder eindringt, sich in der 1vIitte desselben anhäuft
und nach oben hinstrebt. Die Bahnen der Luftteilchen sind für diesen Fall in den
Abb. -2 und q. durch Pfeile angedeutet. Man erkennt leicht, daß in dieser Phase
die neben den Zylinderwänden verharrende Gasmasse sich an Ort und Stelle staut,
ohne daß der durch die Mitte gehende Luftstrom sie mitzureißen vermag. Wenn nun
der Kolben seinen Arbeitshub vollendet hat, öffnet er die Schlitze 3 vollständig,
so daß diese einer größeren Luftmenge den Durchfluß gestatten. In der Leitung q.
muß daraufhin der Luftdruck stark sinken, und die durch die Eingänge :2o, 2ö einströmende
Luft wird in der Leitung 4 rasch herumlaufen und daher auch in den Zylinder mehr
und mehr schief eintreten, und zwar um so schiefer, je stärker diese Umlaufbewegung
wird. Um dieses schiefe Eintreten der Luft in den Zylinder nicht zu beeinträchtigen,
müssen die radialen Eintrittsschlitze 3 eine derartige Form haben, daß sie die Luft
nicht wesentlich leiten, weder wenn sie radial einströmt noch wenn sie eine in zunehmendem
Maße tangentiale Eintrittsrichtung annimmt. Zu diesem Zwecke werden Sie Eintrittsschlitze
3 möglichst weit ausgeführt, und .die Zylinderwand wird in der entsprechenden Zone
dünner gehalten, so daß die Schlitze so gut wie keine leitende Wirkung auf die Spülluft
ausüben. Die Luftbahnen sind für diesen Fall in den Abb. 3 und 5 durch Pfeile angedeutet.
Die schief eintretende Luft bildet bekanntlich eine im Innern des Zylinders sich
drehende und gleichzeitig aufsteigende Säule, welche zwar die schon bespülte Mitte
des Zylinders nicht durchquert, doch die jetzt bloß längs der (fände des Zylinders
sich stauenden Gase wirksam entfernt. Auf diese Weise wird die Spülung mit verhältnismäßig
wenig Luftaufwand wirksam bewerkstelligt und die Bewegung der Luft gerade gegen
Ende des Spülvorganges am heftigsten, wobei sie sich bis in die Verbrennungsperiode
hinein fortpflanzt und eine vollkommenere Verbrennung während des Einspritzens des
Brennstoffes herbeiführt.
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Bei der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform kann man
durch zweckmäßige Wahl der Größe der Öffnungen 21, 21' das Ziel erreichen, daßdie
in der Leitung 4
befindliche Luft noch heftig weiterkreist, während
schon der Kolben die Schlitze 3 zu schließen beginnt. Wenn die Verbindungsöffnungen
21 nicht vorhanden wären, würde sich die größte Luftgeschwindigkeit gleich, nachdem
der Kolben seinen unteren Totpunkt etwas überschritten hat, einstellen. In diesem
Augenblick ist nämlich der Luftzudrang am stärksten, da sich die kreisende Wirkung
wegen der Trägheit der Luftmasse mit etwas Verspätung einstellt. Nach diesem Zeitpunkte
würde die Luftgeschwindigkeit nach und nach abnehmen und daher auch die kreisende
Wirkung in dem Zylinder nicht mehr wachsen.
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Die Verbindungsöffnungen 21 ermöglichen nun ein Weiterkreisen der
Luft innerhalb der Leitungen q., unabhängig von der vom Zylinder hervorgebrachten
Saugwirkung. Sie müssen jedoch so bemessen werden, daß die kreisende Bewegung kurz
vor Anfang der nächsten Spülperiode genügend vermindert ist. Dieses Umkreisen der
Luft hat nebenbei noch die Wirkung, das durch den tangentialen Eintritt hervorgebrachte
Umkreisen der Luft innerhalb des Zylinders noch mehr zu steigern und zu verstärken.
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Die Einrichtung nach der Erfindung kann den Nachteil haben, die Ingangsetzung
des Motors zu erschweren, da die im Zylinder kreisende Luft von den kalten Zylinderwänden
übermäßig gekühlt werden kann. Es ist indessen leicht, diesem Übelstande vorzubeugen,
indem man die Ringleitung q. längs des Zylinders verschiebbar gestaltet, so daß
die Schlitze 3 während der lngangsetzung direkt mit der Luftkammer 9 in Verbindung
gesetzt werden können, während sie beim normalen Betrieb erst mittelbar durch die
Ringleitung q. gespeist werden. Dadurch wäre im ersteren Falle eine ausschließlich
radiale, im zweiten eine zuerst radiale und während .der Spülung in zunehmendem
Maße tangential werdende Lufteinströmung bewerkstelligt.
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Dabei'-kann die Ringleitung q. auch in eine Zwischenstellung eingestellt
werden, so daß die Schlitze 3 teilweise direkt von der Kammer 9 mit im großen und
ganzen radial strötnender Luft und teilweise durch die Ringleitung q. mit umkreisender
Luft gespeist werden. Dadurch wird auch eine zweckmäßige Höheneinstellung der Ringleitung
q. und somit eine für ein beliebiges Geschwindigkeits- und Brennstoffverhältnis
passende Spülung erreicht. Diese Einstellung würde zweckmäßig mechanisch ausgeführt
werden.
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Bei der in den Abb. 6 bis 8 dargestellten Ausführungsform ist der
Motor in gleicher Weise ausgebildet wie bei der Ausführung nach Abb. i, nur besteht
hier die Leitung q. aus spiralförmigen Wänden 31, welche oben und unten durch zwei
Scheiben 35 begrenzt werden, so daß eine nahezu gasdichte Leitung oder Abteilung
gebildet wird, welche zwei Eintrittsöffnungen 2o, 2o' und zwei Verbindungsöffnungen
2i, 21' aufweist. Die eine dieser Wände 31, welche zweckmäßig wenigstens je ein
Drittel des Zylinderumfanges umschließen, ist um einen Zapfen 32 schwenkbar, so
daß man die Breite der Eintrittsöffnungen 2o, 2o' durch die Bewegung der Wand 31
nach Belieben verändern kann.
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Sollen diese Bewegungen mechanisch ausgeführt werden, so kann man
hierzu die Stange 13 verwenden, welche durch den in bekannter Weise betätigten Winkelhebel
15 hin und her getrieben wird. Die Anordnung muß so getroffen werden, daß die Eintrittsöffnungen
2o, 2o' am Anfang der Spülperiode offenstehen, um sich während dieser Periode nach
und nach zu verengen.
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Es muß hervorgehoben werden, daß die absolute und relative Weite der
verschiedenen Öffnungen und Schlitze bei der Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung
von größter Wichtigkeit ist. Es hängt nämlich von deren wechselseitigen Verhältnissen
ab, ob die Luft gegen Ende der Spülperiode mehr oder minder schief in den Zylinder
eintritt. Je größer die Eintrittsöffnungen 2o gegenüber den Schlitzen 3 sind, desto
mehr wird sich die Eintrittsrichtung der Luft der radialen Richtung nähern. Je kleiner
dagegen diese Eintrittsöffnungen gegenüber den Schlitzen sind, desto schiefer wird
die Luft in den Zylinder einströmen, desto kräftiger wird ihre kreisende Wirkung
und desto besser wird sie sich den Zylinderwänden anpassen. Das bessere Verhalten
des Motors, das man dadurch zu erzielen vermag, übertrifft meistens den Nachteil,
den Querschnitt der Leitungen herabsetzen und dadurch einen größeren Überdruck in
der Ringkammer in Kauf nehmen zu müssen, um die gegebene Luftmenge in der Zeiteinheit
erhalten zu können.
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Die Richtung, welche die Luft beim Einströmen in den Zylinder einnimmt,
hängt von der Geschwindigkeit ab, mit welcher sie in der Ringleitung kreist. Diese
Geschwindigkeit ist ihrerseits von zwei Faktoren abhängig, nämlich der Stärke des
Luftstromes und der Größe der Öffnungen, durch welche sie hindurchgeht. Die Änderung
der Geschwindigkeit und daher der Eintrittsrichtung der Luft geschieht normalerweise
durch die bloße Veränderung der Stärke des Luftstromes, welche ihrerseits von der
mehr oder minder großen öffnung der Schlitze abhängt. Man kann aber auch, um die
Geschwindigkeit der kreisenden Luft besser regeln zu können, zu mechanischenVorrichtungen
Zuflucht nehmen, welche die Breite der Eintrittsöffnungen 2o, 2o' während des Spülvorganges
zu verändern
gestatten. Die beim angeführten Beispiel verwendete
Verstellung der Leitungswand 31 ermöglicht es eben, der in die Leitung 4 eintretenden
Luft während des Spülvorganges eine viel rascher zunehmende Geschwindigkeit zu erteilen.
Es folgt daraus, daß sich eine am Anfang der- Spülperiode sehr geringe, am Ende
dagegen ganz bedeutende tangentiale Geschwindigkeit ergeben wird.
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Die Verstellung der Lenkwände 31 kann auch selbsttätig vor sich gehen.
Wenn man sich nämlich diese Wände frei um ihre Achse drehbar oder höchstens durch
eine Feder in ihre Ruhelage zurückgebracht denkt, so werden sie, wenn sie zweckmäßig
derart bemessen sind, daß sie ein Drittel des Zylinderumfanges umschließen, durch
die aerodynamischen Wirkungen der durchströmenden Luft selbst betätigt. Es sei z.
B., wie auf der Zeichnung angedeutet, das Ende 33 der Lenkwand 31 größer als das
andere Ende 34. Wenn sich im Zylinder bei der Freilegung der Schlitze 3 eine Saugwirkung
einstellt, welche sich bis in die Ringleitung 4 fortpflanzt, so erhält die Wand
31 am Ende 33 einen stärkeren Antrieb, sich nach innen zu verschieben, als am Ende
34, und diesem Differentialtriebe folgend dreht sie sich so, daß die Eintrittsöffnungen
20, 20' weiter und die Verbindungsöffnungen 21, 21' enger werden. Wenn jedoch später
ein kräftiger kreisender Luftstrom in der Leitung 4 entstanden ist, welcher immer
neue Luft in die Leitung saugt, während sich die Schlitze nach und nach schließen,
so entsteht in den Abteilungen ,4 ein Überdruck, welcher eine ähnliche, aber entgegengesetzte
Differentialwirkung auf die Wand 31 ausübt, wobei sich,die Wand wieder zurückdreht
und die Eintrittsöffnungen 20, 2o' wieder verengen. Im allgemeinen kann man eine
Hand- oder selbsttätige Betätigung und auch eine Regelung der Bewegungsverhältnisse
der Wände 31 vorsehen, damit man die besten Spülverhältnisse bei einer beliebigen
und nach Belieben einstellbaren Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors sowie für den
Betrieb mit verschiedenen Brennstoffen erhalten kann.
