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Otto hörte von der raschen Verbreitung des Lenoir-Motors.
Er führte eigene Versuche an diesem Motor durch und entwickelte so einen Freikolbenmotor, der als atmosphärische Gasmaschine arbeitete.
Seine Funktionsweise bestand darin, daß er auf einem Zehntel des Kolbenhubes das Gasgemisch ansaugte. Anschließend wurde das Gemisch gezündet. Der Kolben schnellte in die Höhe. Durch einen Freilauf erfolgte jetzt noch keine Kraftübertragung. Erst beim Abwärtshub wurde die Zahnstange mit der Abtriebswelle verbunden und durch die Gewichtskraft des Kolbens sowie dem nach der Verbrennung entstandenen Unterdruck nach unten gezogen.
Hierdurch erreichte Otto eine relativ sanfte und stossfreie Kraftübertragung.
Unterstützt wurde Otto durch den Ingenieur Eugen Langen (1833-1895). Zusammen gründeten sie 1864 die Firma Otto&Cie, später Gasmotorenfabrik Deutz, heute Deutz AG.
1876 entwickelte Otto einen Motor, der vor der Verbrennung das Gemisch verdichtete. Dieses sollte die harten Stösse während der Verbrennung mildern.
Zum ersten Mal gelang es einen Motor zu entwickeln, der nach dem heute bekannten 4-takt-Verfahren arbeitete.
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