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Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit mehreren Kolben-Zylinder-Einheiten, die um eine Welle herum angeordnet sind, und mit Einrichtungen zur Umsetzung der Translationsbewegungen der Kolben in eine Drehbewegung der Welle.
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Als Verbrennungsmotoren arbeitende Wärmekraftmaschinen solcher Art mit sternartiger Anordnung der Kolben-Zylinder-Einheiten sind seit langem bekannt. Die Translationsbewegungen der Kolben werden in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle umgesetzt, deren Achse senkrecht zur Bewegungsrichtung der Kolben verläuft.
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Die gattungsbildende
US 4 211 148 A offenbart eine Wärmekraftmaschine mit mehreren Kolben-Zylinder-Einheiten, die um eine Welle angeordnet sind, und mit Einrichtungen zur Umsetzung der Translationsbewegung der Kolben der Kolben-Zylinder-Einheiten in eine Drehbewegung der Welle. Die Achsen der Kolben bzw. Zylinder verlaufen parallel zur Drehachse der Welle. Die Kolben-Zylinder-Einheiten sind in einem koaxialen Kreis um die Welle angeordnet. Zwei Kolben-Zylinder-Einheiten sind dabei um 180° beabstandet zueinander angeordnet.
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Die
DE 35 20 339 A1 offenbart einen Verbrennungsmotor mit hydrostatischer Kraftübertragung, der mehrere in einem Zylindergehäuse bewegbaren Verbrennungskolben aufweist, die mit Förderkolben einer Hydraulikpumpe verbunden sind. Die Hydraulikpumpe ist mit einer Einrichtung zur Regelung des Förderstromes des Hydraulikfluids versehen ist. Zur Lagesteuerung der einzelnen Verbrennungskolben und der mit ihnen verbundenen Förderkolben ist eine Taumelscheibe auf einer Steuerwelle angeordnet. An die Taumelscheibe sind Steuerstifte angepresst, wobei die Steuerstifte auf die Förderkolben oder die Verbrennungskolben wirkt. Eine Abrollfläche der zu den Kolben gehörenden Steuerstiften ist kugelförmig ausgebildet.
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Aus der
DE 199 09 689 A1 ist ein Kolbenmotor mit einem Verdichter bekannt. Die Einlässe und Auslässe des Verdichters können durch passive Ventile angesteuert werden, wobei auf eine Nockenanordnung verzichtet wird. Die Öffnungsbetätigung des Einlassventils erfolgt durch den erzeugten Unterdruck, wenn der Kolben sich nahe dem oberen Totpunkt bewegt. Eine Feder drückt das Einlassventil in den Ventilsitz. Das Einlassventil weist eine tellerförmige Fläche auf. Das Auslassventil weist eine kugelförmige Fläche auf. Das Auslassventil weist keine Feder auf.
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Durch die vorliegende Erfindung wird eine neue Wärmekraftmaschine der eingangs erwähnten Art geschaffen, wobei die Achsen der Kolben- bzw. Zylinder parallel oder geneigt zur Drehachse der Welle verlaufen.
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Es bewegen sich also die Kolben der Wärmekraftmaschine parallel oder geneigt zur angetriebenen Welle. Hierdurch eröffnen sich vielfältige Möglichkeiten für neuartige Konstruktionen von Wärmekraftmaschinen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Kolben-Zylinder-Einheiten auf einem zu der Welle koaxialen Kreis angeordnet und vorzugsweise gleichmäßig über den Kreisumfang verteilt.
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Während eine Umsetzung der Translationsbewegungen der Kolben in eine Drehbewegung der Welle über Kurbelantriebe und an der Welle angreifende Kegelräder möglich wäre, weisen die genannten Einrichtungen zur Umsetzung der Translationsbewegung in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine mit der Welle verbundene, durch die Kolben unter Drehung bewegbare Taumelscheibe auf.
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Die Kolben brauchen mit der Einrichtung zur Umsetzung der Translationsbewegung nicht verbunden zu sein und können über eine Abrollfläche an einen die Umsetzungseinrichtung bildenden Gegenhalter, insbesondere die Taumelscheibe, nur lose anlegbar sein. Die Kolben lassen sich z.B. über Rollen an den Gegenhalter bzw. die Taumelscheibe anlegen.
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In einer weiteren Ausführungsform liegen die Kolben mit der Abrollfläche an einem gegen die übrige Taumelscheibe drehbaren Ring der Taumelscheibe an, wodurch Verschleiß hervorrufende Bewegungen des Anlagepunktes relativ zur Taumelscheibe weitgehend vermieden werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Abrollfläche durch eine Kugelfläche gebildet und insbesondere sind die Kolben unter Abrollen ihrer Kugelflächen auf dem Ring um die Kolben- bzw. Zylinderachsen drehbar.
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Letztere Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft im Zusammenhang mit einer durch den Kolben bewirkten Einlassventilsteuerung, wie sie weiter unten erläutert wird.
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Die Kolben-Zylinder-Einheit weist je ein Einlassventil zur Zuführung eines Arbeitsmediums unter Druck, nämlich dem im Arbeitsraum der Kolben-Zylinder-Einheit wirksamen Ausgangsdruck, auf. Während die Wärmekraftmaschine auch als Verbrennungskraftmaschine arbeiten könnte, wird ihr ein Arbeitsmedium unter Druck zugeführt, das dann im Arbeitsraum des Zylinders eingeschlossen wird, wo es sich unter Umsetzung im Arbeitsmedium enthaltener Wärmeenergie in mechanische Arbeit ausdehnt.
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Die Kolben-Zylinder-Einheiten können ferner jeweils ein Auslassventil zur Öffnung des Arbeitsraums bei jedem Kolbenhub aufweisen. Jeder zweite Takt kann dann ein Arbeitstakt sein.
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Vorzugsweise ist das Einlassventil zur Öffnungsbetätigung durch die dem Arbeitsraum zugewandte Fläche des Kolbens bei dessen Aufenthalt nahe dem oberen Totpunkt vorgesehen. Die genannte Kolbenfläche betätigt also ein Element des Ventils, wobei durch die obengenannte axiale Drehung des Kolbens der Betätigungspunkt unter Meidung von Verschleiß ständig seine Position ändert.
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Zweckmäßig liegen in axialer Richtung gesehen, die Einlassventile und die Auslassventile jeweils auf einem zu der Welle koaxialen Kreis, vorzugsweise die Einlassventile auf einem äußeren und die Auslassventile auf einem inneren Kreis.
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Die Auslassventile können zur Steuerung durch eine mit der Welle verbundene, mit der Welle mitdrehbare Taumelscheibe vorgesehen sein. Eine solche Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine, bei der insbesondere zu der erstgenannten Taumelscheibe noch die Taumelscheibe zur Steuerung der Auslassventile hinzukommt, ist, ähnlich einer Turbine, weitgehend rotationssymmetrisch aufgebaut.
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Auch die zur Steuerung der Auslassventile verwendete Taumelscheibe kann einen gegen die übrigen Taumelscheibe drehbaren Ring aufweisen, welcher gegen Betätigungselemente der Auslassventile anlegbar ist. Durch die Drehentkopplung des Rings von der übrigen Taumelscheibe werden Relativbewegungen der Anlagepunkte der Betätigungselemente auf der Taumelscheibe minimiert.
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Das Einlassventil weist erfindungsgemäß einen Ventilkörper mit einer Kugelfläche auf, die durch eine einen Ventilsitz bildende Einlassöffnung hindurch in den Arbeitsraum des Zylinders hinein vorsteht und zum Anschlag gegen die dem Arbeitsraum zugewandte Fläche des Kolbens in einer Öffnungsphase vorgesehen ist.
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Während außerhalb der Öffnungsphase der Ventilkörper durch den Druck eines Arbeitsmediums ständig in den Sitz gedrückt wird, könnte hierzu zusätzlich eine Feder vorgesehen sein.
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Zweckmäßig weist der Ventilsitz eine an die Kugelfläche angepasste Ringfläche auf, so dass beim Eindrücken des Ventilkörpers in den Sitz eine Selbstzentrierung stattfindet.
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Das Auslassventil kann ebenfalls einen Ventilkörper mit einer Kugelfläche aufweisen, der durch den Innendruck im Arbeitsraum des Zylinders in einen durch eine Auslassöffnung gebildeten Ventilsitz pressbar und durch ein Betätigungselement entgegen der Pressrichtung bewegbar ist.
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Zweckmäßig weist auch der Ventilsitz des Auslassventils eine an die Kugelfläche des Ventilkörpers angepasste Ringfläche auf, die für eine Selbstzentrierung des Ventilkörpers sorgt.
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Während außer in den Öffnungsphasen der Innendruck im Zylinder den Ventilkörper im Ventilsitz hält, könnte zusätzlich eine den Ventilkörper in den Ventilsitz drückende Feder vorgesehen sein.
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Zweckmäßig sind sowohl der Ventilkörper des Einlass- als auch der Ventilkörper des Auslassventils insgesamt als Kugel ausgebildet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Wärmekraftmaschine einen Motorblock aus einem wärmeisolierenden Material auf, wobei die Kolben-Zylinder-Einheiten in das wärmeisolierende Material eingelassene Buchsen, insbesondere Metallbuchsen, umfassen.
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Zwischen den Einlassventilen und den Auslassventilen können Einrichtungen zur Wärmedämmung angeordnet sein, welche verhindern, dass das abgekühlte, aus den Zylindern austretende entspannte Arbeitsmedium die Temperatur des durch die Einlassventile zuströmenden Arbeitsmediums herabsetzt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Teilansicht einer Wärmekraftmaschine nach der Erfindung,
- 2 eine Draufsicht auf die Wärmekraftmaschine von 1,
- 3 und 4 Ventile zeigende Detailansichten der Wärmekraftmaschine von 1,
- 5 einen in der Wärmekraftmaschine von 1 verwendeten Kolben,
- 6 eine Darstellung zur Erläuterung der Kolbenbewegungen in der Wärmekraftmaschine von 1, und
- 7 eine detailreichere Teilansicht der Wärmekraftmaschine von 1.
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Wie sich den schematischen Darstellungen von 1 und 2 entnehmen lässt, weist eine Wärmekraftmaschine Kolben-Zylinder-Einheiten 1 mit je einem Zylinder 2 und einem Kolben 3 auf. Die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel sechs Kolben-Zylinder-Einheiten 1 sind um eine Welle 4 herum angeordnet und gemäß 2 gleichmäßig über den Umfang eines zur Welle 4 koaxialen Kreises verteilt. Die Achsen 5 der Kolben- bzw. Zylinder der Kolben-Zylinder-Einheiten 1 erstrecken sich parallel zu der Welle 4.
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Die Kolben-Zylinder-Einheiten 1 befinden sich in einem im Querschnitt kreisförmigen Motorblock 6, der im Wesentlichen aus einem wärmeisolierenden Kunststoffmaterial besteht.
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Wie 1 erkennen lässt, ist die Welle 4 bei 8 starr mit einer zu der Welle 4 geneigten Taumelscheibe 7 verbunden, die einen äußeren, gegen den inneren Teil der Taumelscheibe 7 drehbaren Ring 9 umfasst.
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Die in den Zylindern 2 unabhängig von der Taumelscheibe 7 bewegbaren Kolben 3 sind über kugelförmige Abrollflächen 10 gegen den äußeren Ring 9 der Taumelscheibe 7 anlegbar.
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Ventile zum Öffnen und Schließen eines Arbeitsraums 11 der jeweiligen Kolben-Zylinder-Einheit 1 zeigt 3. Ein mit einem Einlasskanal 12 verbundenes Einlassventil 13 umfasst eine Kugel 14 als Ventilkörper. Ein Sitz 15 für die Kugel 14, welcher eine Einlassöffnung 16 umgibt, weist eine an die Kugelfläche der Kugel 14 angepasste Ringfläche auf. Wie 3 erkennen lässt, steht die Kugel 14 im verschlossenen Zustand des Einlassventils 13 in den Arbeitsraum 11 des Zylinders 2 hinein in Richtung zu einer dem Arbeitsraum 11 zugewandten Fläche 17 des Kolbens 3 vor.
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Ein mit einem Auslasskanal 18 verbundenes Auslassventil 19 weist als Ventilkörper eine Kugel 20 auf. Ein Ventilsitz 21 ist durch eine, wie der Ventilsitz 15, an eine Kugelform angepasste Ringfläche gebildet. Auf ihrer dem Sitz 21 abgewandten Seite grenzt die Kugel 20 an einen Ventilraum 22 an, der über mehrere Auslassöffnungen 23 in Strömungsverbindung mit dem Arbeitsraum 11 des Zylinders 2 steht. Auf ihrer dem Ventilraum 22 abgewandten Seite liegt gegen die Kugel 20 ein Betätigungselement in Form eines Stößels 24 an.
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Wie aus 4 hervorgeht, lassen sich die Stößel 24 der einzelnen Kolben-Zylinder-Einheiten 1 durch eine bei 25 mit der Welle 4 starr verbundene Taumelscheibe 26 betätigen, wobei die Stößel 24 mit dem der Kugel 20 abgewandten Ende gegen einen äußeren, auf dem inneren Teil der Taumelscheibe 26 drehbar gelagerten Ring 27 anliegen.
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Ein in 5 gesondert dargestellter Kolben 3 weist einen zentralen Gewindestab 28 auf, der an einem Ende mit einer Prallplatte 29 und am anderen Ende mit einem die kugelförmige Abrollfläche 10 aufweisenden Endstück 30 verschraubt ist. Zwischen der Prallplatte 29 und dem Endstück 30 sind Bauteile 31 bis 33 eingeschlossen, welche zwei Nuten 34 für Kolbenringe und eine Nut 35 für einen Führungsring bilden. Die Bauteile 31 bis 33 bestehen aus Leichtmetall, die Prallplatte 29 und das Endstück 30 aus Stahl.
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7 zeigt eine detailreichere Darstellung der vorangehend beschriebenen Wärmekraftmaschine. Wie sich erkennen lässt, ist der äußere Ring 9 der Taumelscheibe 7 von deren innerem, mit der Welle 4 starr verbundenen Teil durch ein Kugellager 36 entkoppelt.
Zur Bildung der Zylinder 2 sind in den Motorblock 6 Metallbuchsen 37 eingelassen.
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Eine Ringnut 38 an der Welle 4 dient zur Aufnahme der (im Übrigen nicht gezeigten) Taumelscheibe 26.
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Im Betrieb der vorangehend beschriebenen Wärmekraftmaschine liegt am Einlasskanal 12 ständig ein unter Druck stehendes Arbeitsmedium an, z.B. Wasser- oder ein Alkoholdampf. Der anliegende Dampfdruck hält die Kugel 14 im Ventilsitz 15 und damit die Einlassöffnung 16 des Arbeitsraums 11 der Kolben-Zylinder-Einheit 1 geschlossen.
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Wenn sich der Kolben 3 dem oberen Totpunkt nähert, erreicht die dem Arbeitsraum 11 zugewandte Kolbenfläche 17 die Kugel 14, wobei die Kugel 14 gegen die aus Stahl hergestellte Prallfläche 29 stößt. Der Kolben 3 drückt die Kugel 14 aus dem Sitz 15, so dass das Arbeitsmedium gemäß Pfeil 39 durch die Öffnung 16 hindurch in den Arbeitsraum 11 einströmen kann. Nachdem sich das Einlassventil 13 unterhalb des oberen Totpunkts des Kolbens 3 durch den anliegenden Druck des Arbeitsmediums wieder geschlossen hat, dehnt sich das eingeströmte und nun eingeschlossene Arbeitsmedium im Arbeitsraum 11 aus und drückt den Kolben in Richtung zum unteren Totpunkt. Im Arbeitsmedium enthaltene Wärmeenergie wird in mechanische Arbeit umgesetzt.
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Während der vorangehend beschriebenen Vorgänge hält der Innendruck im Arbeitsraum 11 die Kugel 20 des Auslassventils 19 in dem Ventilsitz 21 des Auslassventils 19, so dass das Auslassventil 19 geschlossen ist. Bei der Hubbewegung der Kolbens 3 nach Durchlaufen seines unteren Totpunkts wird über den Stößel 24 die Kugel 20 aus ihrem Sitz 21 herausgedrückt, so dass das entspannte Arbeitsmedium durch die Auslassöffnungen 23, das Ventil 19 und den Auslasskanal 18 hindurch aus dem Arbeitsraum 11 ausströmen kann. Kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts des Kolbens 3 ist der Stößel 24 wieder soweit zurückgezogen, dass sich das Auslassventil 19 unter dem Druck des nun über das Einlassventil 13 wieder eingeströmten Arbeitsmediums schließt.
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Erreicht einer der sechs Kolben 3 seinen oberen Totpunkt, so befindet sich der zu diesen Kolben diametral angeordnete Kolben gerade am unteren Totpunkt. Der Berührungspunkt zwischen der kugelförmigen Abrollfläche 10 des Kolbens am oberen Totpunkt liegt am höchsten, der entsprechende Berührungspunkt des Kolbens am unteren Totpunkt am niedrigsten. Die übrigen vier Kolben nehmen jeweils eine Zwischenstellung ein. Indem die Kolben 3 bei ihrem Arbeitstakt die Taumelscheibe 7 in deren Randbereich fortlaufend niederdrücken, weicht die Taumelscheibe 7 durch Drehung diesen Translationsbewegungen aus und treibt dadurch die Welle 4 zur Drehung an.
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Die Taumelscheibe 26 ist gegenüber der Taumelscheibe 7 unterschiedlich derart geneigt, dass die Stößel 24 vom jeweiligen unteren Totpunkt der betreffenden Kolbens an betätigt und die Auslassventile 19 jeweils bis knapp unterhalb des oberen Totpunkts des Kolbens bis zur Öffnung des betreffenden Einlassventils 13 offengehalten werden.
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Der anliegende Druck des Arbeitsmediums hält die Kugel 14 des Einlassventils 13 außer in dessen Öffnungsphase ständig geschlossen. Durch die Anpassung der Ringflächen der Sitze 15 und 21 an die Form der Kugel 14 bzw. 20 ergibt sich vorteilhaft eine Selbstzentrierung der Kugeln.
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Sowohl die Kugel 14 als auch die Kugel 20 könnten zusätzlich durch eine Schraubenfeder in den betreffenden Sitz gedrückt werden.
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Wie 6 verdeutlicht, rollen die kugelförmigen Abrollflächen 10 der Kolben 3 auf dem äußeren Ring 9 der Taumelscheibe 7 während einer Abwärts- oder Hubbewegung der Kolben 3 über die Höhe H um die Strecke S ab. Bei diesem Abrollvorgang kommt es zu einer Drehung der Kolben 3 um deren Achse 5. Vorteilhaft wandert dadurch der Stoßpunkt der Kugel 14 auf der Kolbenfläche 17 auf einer Kreisbahn um. Der Stoß erfolgt stets an einer anderen Stelle, was sich verschleißmindernd auswirkt.
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Auch die Drehentkopplung des äußeren Rings 9 vom Innenteil der Taumelscheibe 7 führt zu einer erheblichen Verschleißminderung. Die Berührungsstellen zwischen den Abrollflächen 10 und dem äußeren Ring 9 erfordern keinerlei Schmierung. In gleicher Weise verschließmindernd wirkt sich die Drehentkopplung des äußeren Rings 27 vom Innenteil der Taumelscheibe 26 aus. Auch die Berührungsstellen zwischen den Stößeln 24 und dem äußeren Ring 27 brauchen nicht geschmiert zu werden.
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Die freie, von der Taumelscheibe 7 unabhängige Beweglichkeit der Kolben 3 führt vorteilhaft zu einem äußerst reibungsarmen Leerlauf der Wärmekraftmaschine, da anders als bei einer festen Verbindung zwischen den Kolben und einer Kurbelwelle, eine Zwangsbewegung der Kolben unterbleibt. Wenn kein oder kein genügender Arbeitsdruck zum Betrieb der Wärmekraftmaschine anliegt, verbleiben die Kolben 3 in Ruhe und sowohl die Taumelscheibe 7 als auch die Taumelscheibe 26 können sich ungehindert drehen. Zur Trennung der Wärmekraftmaschine vom Antriebsstrang bedarf es keiner gesonderten Kupplung.
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Für einen insgesamt schmierungsfreien Betrieb lassen sich Kolbenringe und ggf. ein Führungsring aus einem selbstschmierenden Kunststoffmaterial, vorzugsweise aus Polytetrafluoräthylen (PTFE) oder PEEK, verwenden.
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Der aus wärmeisolierendem Material bestehende Motorblock 6 sorgt dafür, dass keine Wärmeverluste entstehen und die Wärmeenergie des in den Arbeitsräumen 11 eingeschlossenen Arbeitsmediums weitgehend in mechanische Arbeit umgesetzt wird.
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Im Bereich zwischen den Einlass- und Auslassventilen kann durch geeignete Wärmedämmungen dafür gesorgt werden, dass es nicht zur Abkühlung des zugeführten Arbeitsmediums durch das nach der Entspannung abgekühlte Arbeitsmedium kommt.
