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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Pleuelkolbenkompressor zum Einlassen,
Verdichten, Bewegen oder Expandieren und Ausstoßen eines gasförmigen oder
flüssigen
Mediums, bestehend aus einem Gehäuse
mit wenigstens einer Kompressionskammer, die in einen gerade verlaufenden
Hubraum übergeht,
der ein entlang der Hubrichtung des Kolbens konstantes Profil aufweist
und einem Pleuelkolben, dessen Kolben in jeder Stellung während seines Hubes
komplementär
zum Profil des Hubraums geformt ist und dessen fest mit dem Kolben
verbundener Pleuel gelenkig mit einer drehbar gelagerten Kurbelwelle
verbunden ist, wobei die Bereiche des Pleuelkolbens, welche über die
gesamte Bewegung hinweg je eine parallel zur Kurbelwelle ausgerichtete Seitenwand
des Hubraums berühren
und komplementär
zum Profil des Hubraums geformt sind, je ein Segment sind, dessen
Abstand dem Abstand der Seitenwände
auf senkrecht zur Längsachse
der Kurbelwelle verlaufenden Linien entspricht und das ein vom Pleuelkolben
getrenntes Bauteil ist und das aus einem verhältnismäßig weichen, als Dichtung geeigneten
Material besteht und in eine entsprechende Aussparungen des Pleuelkolbens
eingesetzt ist.
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Für Verbrennungsmotoren
und Kompressoren sind linear bewegte Kolben, die in einem Hohlraum
oszillieren und ein Gelenk enthalten, an dem ein Pleuel angesetzt
ist, der an seinem anderen Ende ebenfalls gelenkig mit einer Kurbelwelle
verbunden ist, der weithin bekannte Standard der Technik. Dabei ist
als Abdichtung zwischen Kolben und Zylinder zumeist wenigstens eine
um den Kolben herumlaufende Nut mit einem Dichtungsring bestückt. Bei
einem Verbrennungsmotor ist es meistens wenigstens ein Metallring,
der an einer Stelle seines Umfanges schräg geschlitzt ist, sodass sich
die geschlitzten Enden überlappen.
Dieser Metallring gleitet auf einem Schmierfilm aus Öl auf der
Zylinderwand.
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Für Kompressoren
sind Dichtungsringe aus Kunststoffmaterialien und anderen weichen
Werkstoffen bekannt, an deren Rand eine Dichtungslippe ausgebildet
ist.
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Bekannt
ist auch eine spezielle Beschichtung des Zylinders, um die Dichtwirkung
zu erhöhen und
den Reibungswiderstand zu reduzieren.
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Auch
für Motoren
oder Kompressoren, bei denen Kolben und Pleuel einstückig ausgebildet sind,
also das Pleuelgelenk im Kolben entfällt, sind ringförmig umlaufende
Dichtungen der Stand der Technik. So beschreibt z. B. die
WO 90/02867 A1 Salzmann
einen Pleuelkolben – auch
Pendelkolben genannt – dessen
Dichtung wie bei einem konventionellen, über einen getrennten Pleuel
bewegten Kolben ebenfalls ein umlaufender Dichtungsring ist. Diese
Form der Dichtung ist jedoch in einem Hubraum mit einem gerade durchlaufenden
Profil nicht anwendbar, da der Pendelkolben nicht nur eine Hubbewegung
senkrecht zur Kurbelwelle ausübt,
sondern zusätzlich
auch noch seinen Kolbenteil auf einer senkrecht zur Kurbelwelle
ausgerichteten Ebene innerhalb des Hubraumes verschwenkt.
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Daraus
folgt, dass die oben genannte Erfindung entsprechend dem Bewegungsablauf
des Pendelkolbens eine dreidimensionale Formung des Hubraumes erfordert,
um in allen Bewegungszuständen des
Pendelkolbens eine perfekte Dichtung zwischen Kolben und Wandung
des Hubraums zu erzielen. Bei einem kreisförmigen Kolbenquerschnitt hat
der Hubraum nicht die Form eines Zylinders sondern ist zusätzlich noch „gewellt”.
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Der
gravierende Nachteil dieser Form ist ihre Komplexität, die zur
Herstellung nicht nur eine in mehreren Achsen bewegbare Werkzeugmaschine, sondern
auch eine dazu passende, sehr aufwändige Steuerung erfordert.
Daher ist eine befriedigende Abdichtung von Pendelmotoren nach diesem
Prinzip entweder sehr aufwändig
in der Herstellung und/oder wenig wirkungsvoll im Betrieb.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
42 26 185 A1 , beschreibt einen Pleuelkolben, der in einem
Zylinder mit einem über
seine gesamte Länge
hinweg konstantem Profil in dessen Längsachse angehoben und abgesenkt
wird und zusätzlich
verschwenkt wird. Zur Abdichtung dieses Pleuelkolbens gegenüber dem Zylinder
weist er Aussparungen auf, in die eine Dichtleiste eingesetzt ist,
welche aus weicherem Material als der Kolben und der Zylinder besteht.
Ein ganz wesentlicher Nachteil dieses Prinzips ist jedoch, dass auf
den zur Kurbelwelle parallel verlaufenden Flächen sich die Dichtleiste innerhalb
der Aussparung bei jedem Hub hin und her bewegen muss, um den durch
das Taumeln des Pleuelkolbens bedingten wechselnden Abstand zur
Zylinderwandung auszugleichen. Dadurch sind ein erhöhter Verschleiß und eine
alsbald reduzierte Dichtungswirkung vorausbestimmt. Ein weiterer
Nachteil ist die relativ komplizierte Konstruktion der Feder, die
die Dichtung hin und her bewegen muss. Der Vorteil der vereinfachten
Anbindung des Pleuels an den Kolben wird durch eine hochkomplizierte
Dichtung erkauft.
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In
der
DE 31 14 286 C2 wird
ein Pleuelkolben beschrieben, der als Dichtung ein kreissegmentförmiges Bauteil
in eine entsprechende Aussparung des Kolbens einsetzt. Diese Dichtung
hat also nach außen
hin die Form eines Drehteilsegments, dass die von der Geometrie
eines Pleuelkolbens vorgegebene Kreissegmentform aufweist. Deshalb
muss sich diese Dichtung nicht mehr bei jedem Hub des Kolbens prinzipiell
hin und her bewegen. Vielmehr reduzieren sich ihre Bewegungen gegenüber dem
Kolben auf die durch Temperaturunterschiede hervorgerufenen Schwankungen
in den Abmessungen von Kolben und Zylinder, die insbesondere in
Verbrennungsmotoren bekannt sind. Der Nachteil dieser Anordnung ist,
dass für
das Andrücken
des Drehteilsegmentes an die Zylinderwandung und für die dabei
erforderliche Führung
keine den besonderen Gegebenheiten angepasste Lösung vorgeschlagen wird.
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Auf
diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt,
für die
Abdichtung eines Pleuelkolbens gegenüber der Zylinderwand durch drehteilförmige Segmente
eine einfache Anordnung zum Andrücken
und zum Führen
der Dichtungselemente an die Zylinderwand zu schaffen.
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Als
Lösung
dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, dass die beiden Segmente je
ein Drehteilsegment sind, dessen Segmentwinkel so groß ist, wie der
Verschwenkwinkel des Pleuelkolbens gegenüber den Seitenwänden während eines
Hubes und die durch ein Verbindungsstück miteinander verbunden sind,
das eine Druckfeder ist und das aus dem gleichen Material wie die
Drehteilsegmente besteht und das sie miteinander zu einem einstückigen Bauteil verbindet
und das auf zwei gegenüberliegenden Längsseiten
mit Schlitzen versehen ist, die senkrecht zur Längsachse des Verbindungsstückes ausgerichtet
sind, wobei die Schlitze der einen Längsseite gegenüber den
Schlitzen der anderen Längsseite
jeweils um die Hälfte
des Abstandes zwischen zwei benachbarten Schlitzen versetzt sind,
und das von einem dazu komplementären Hohlraum im Pleuelkolben
aufnehmbar ist.
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Das
wesentliche Merkmal der Erfindung ist also, dass das Verbindungsstück zwischen
den beiden Drehteilsegmenten als eine Druckfeder fungiert, welche
die beiden Hälften
des Drehkolbens an die Wandung des Hubraums presst und dadurch die Dichtwirkung
verstärkt.
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Dazu
ist das Verbindungsstück
auf zwei gegenüberliegenden
Längsseiten
mit Schlitzen versehen, die senkrecht zu seiner Längsachse
ausgerichtet sind, wobei die Schlitze der einen Längsseite
gegenüber
den Schlitzen der anderen Längsseite
jeweils um die Hälfte
des Abstandes zwischen zwei benachbarten Schlitzen versetzt sind.
Dadurch entsteht ein „zick-zack-förmiger” Verlauf
des Verbindungsstückes.
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Das
Verbindungsstück
bekommt die Charakteristik einer Feder, indem die Schlitze vor dem
Einbau des Verbindungsstückes
relativ breit sind, und die Drehteilsegmente etwas über die
Silhouette des Pleuelkolbens hinaus ragen und erst beim Einbau gegen
die Kraft des federnden Verbindungsstückes zusammengepresst und in
diesem zusammengepressten Zustand in den Hubraum eingebracht werden.
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Die
Erfindung lässt
sich sehr einfach am Beispiel eines Hubraumes mit einem rechteckigen
Querschnitt erläutern.
Die beiden Flächen
des Hubraums, die quer zur Achse der Kurbelwelle orientiert sind, werden
flächig
vom Pleuelkolben berührt.
Die anderen beiden Flächen
des Hubraumes, die parallel zur Kurbelwelle ausgerichtet sind, berühren den
Pleuelkolben stets auf einer Linie: Der berührte Abschnitt des Pleuelkolbens
ist also ein Zylindersegment, das auch als ein „Drehteilsegment” bezeichnet
werden kann, wenn man an den Prozess seiner Herstellung denkt.
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Dieses
Drehteilsegment berührt
mit einer stets wechselnden Linie – entsprechend zur Schwenkbewegung
des Kolbens – die
Wand des Hubraums. Diese Wand lässt
sich mit überschaubarem
Aufwand in einer hohen Genauigkeit fertigen, sodass eine entsprechend
gute Abdichtung erzielbar ist. Auch das dazu komplementäre Drehteilsegment kann
verhältnismäßig einfach,
nämlich
durch Drehen produziert werden.
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Wenn
dieses Drehteilsegment aus einem Material besteht, das im Verhältnis zum
Material der Hubraumwandung relativ weich ist, wie z. B. Kupfer oder
eine andere, ähnliche
Legierung, dann berührt das
Drehteilsegment durch seine Elastizität die Hubraumwandung nicht
nur auf einer Linie, sondern auf einer schmalen Fläche. Dadurch
ist trotz einfacher Fertigung eine gute Dichtwirkung und damit ein
leistungsfähiger
Motor oder Kompressor möglich.
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Es
ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, dass dieser dichtende
Bereich, das Drehteilsegment, aus einem anderen Material gefertigt
wird, als der Pleuelkolben und in eine entsprechende Aussparung
des Pleuelkolbens eingesetzt ist. Damit wird erreicht, dass der
Pleuelkolben mit einer relativ geringen Toleranz gefertigt werden
kann und nur im Bereich der Aussparung eine höhere Genauigkeit aufweisen
muss. Eine solche, höhere
Genauigkeit wird auch an den beiden Seitenflächen benötigt, die quer zur Längsachse
des Kurbelwelle verlaufen; da diese Flächen jedoch planeben sind,
ist diese Genauigkeit fertigungstechnisch verhältnismäßig einfach zu erreichen.
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Das
erfindungsgemäße Prinzip
wurde bis hier her am Beispiel eines Hubraums mit rechteckigem Querschnitt
erläutert,
der den Vorteil einer relativ einfachen Fertigung bietet. Bei Mehrzylindermotoren oder
Mehrzylinderkompressoren kann eine große Anzahl von Zylindern auf
verhältnismäßig kleinem Bauraum
untergebracht werden.
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Das
erfindungsgemäße Prinzip
ist jedoch keinesfalls auf einen rechteckigen Querschnitt des Hubraums
beschränkt.
Es sind – wie
bisher bekannt – kreisförmige Querschnitte
machbar, aber auch ovale oder elliptische.
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Vom
Prinzip her kann die Querschnittsform des Hubraums sogar beliebig
sein. Je nach Querschnittsform des Hubraums ändert sich auch das dazu komplementäre Profil
des Drehteilsegments. Bei einem ovalen Hubraumquerschnitt ist es
z. B. ballig geformt.
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Unabhängig von
der Form des Querschnittes ist die Befestigung des Drehteilsegments
am Pleuelkolben. Die beiden gegenüberliegenden Drehteilsegmente
werden durch ein einziges Verbindungsstück miteinander verbunden, wobei
das Verbindungsstück von
einem dazu komplementären
Hohlraum im Pleuelkolben aufnehmbar ist. Idealerweise hat dieser Hohlraum
ein in der Länge
nach gleichmäßiges Profil,
wodurch thermisch bedingte Längenänderungen des
Verbindungsstückes
sich nicht auf den Pleuelkolben auswirken. In einer sinnvollen Ausführungsvariante
ist das Verbindungsstück
aus dem gleichen Material wie die Drehteilsegmente gefertigt und
verbindet sie miteinander zu einem einstückigen Bauteil.
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Da
die Drehteilsegmente und in der einstückigen Variante auch das Verbindungsstück aus einem
Material bestehen, das im Verhältnis
zum Material des Pleuelkolbens relativ weich und elastisch ist, hat
es auch einen anderen, thermischen Längenausdehnungskoeffizienten.
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Auch
zum Ausgleich dieser thermisch bedingten Längenänderungen ist das Verbindungsstück auf zwei
gegenüberliegenden
Längsseiten
mit Schlitzen versehen, die senkrecht zu seiner Längsachse
ausgerichtet sind, wobei die Schlitze der einen Längsseite
gegenüber
den Schlitzen der anderen Längsseite
jeweils um die Hälfte
des Abstandes zwischen zwei benachbarten Schlitzen versetzt sind. Dadurch
entsteht ein „zick-zack-förmiger” Verlauf
des Verbindungsstückes.
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Das
Profil des Hubraums ist im allgemeinsten Fall beliebig. Aber – wie zuvor
erläutert – ist ein Rechteck
als Profil des Hubraums fertigungstechnisch sowie für eine möglichst
optimale Ausnutzung des verfügbaren
Bauraumes besonders vorteilhaft.
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Das
Profil des Hubraums kann auch – wie von
bisherigen Hubkolbenmotoren gewohnt – ein Kreis sein. Dann sind
die dazu komplementären Drehteilsegmente
jeweils ein Kugelsegment, die sich in einem Punkt berühren. Dann
ist es sinnvoll, dass die Drehteilsegmente nicht einen zum Kolbeninneren weisenden
Fortsatz aufweisen, sondern einen Hohlraum, in den ein entsprechender
Fortsatz des Pleuelkolbens hineinragt.
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In
einer anderen Ausführungsvariante
ist der Hubraum von ovalem Querschnitt, dann ist die Kante des Drehteilsegmentes
halbkreisförmig.
Ebenso ist es möglich,
dass Profil des Hubraums als Ellipse zu gestalten. Dann berühren sich
die beiden Drehteilsegmente und sollten dann in diesem Bereich ebenso
gestaltet werden, wie es für
Kugelsegmentförmige Drehteilsegmente
beschrieben worden ist.
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Eine
andere Ausführungsform
ist eine elliptische Silhouette des Hubraums nur im Randbereich, also
mit einem Profil, das einem Oval ähnelt und nur an seinen Enden
anstatt mit einem Halbkreis mit einer halben Ellipse abgeschlossen
ist. In dieser Ausführungsvariante
hat auch die äußere Kante
des Drehteilsegmentes einen halbelliptischen Umriss.
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Da
beide Drehteilsegmente miteinander zu einem einstückigen Bauteil
verbunden sind, ist es sinnvoll, auch eine entsprechende Montagemöglichkeit
dadurch zu schaffen, dass der Pleuelkolben zweiteilig ausgeführt ist
und die Trennungsfläche
zwischen diesen beiden Teilen durch die Aussparungen für die Drehteilsegmente
verläuft.
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In
einer Variante verläuft
die Trennungsfläche
und jede gedankliche Verlängerung
außerhalb der
Kurbelwelle. In einer anderen Variante schneidet die Trennungsfläche die
Kurbelwelle. Wenn die Trennungsfläche in allen Richtungen senkrecht
zur Kurbelwelle verläuft,
sind auch die beiden Hälften
des Pleuelkolbens identisch, was fertigungstechnisch von Vorteil
ist.
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Zur
Unterstützung
der Dichtwirkung und zur Verminderung der Reibung schlägt die Erfindung
vor, dass in die Fläche
des Drehteilsegmentes, die die Seitenwände berührt, Rinnen eingeformt sind,
die etwa parallel zur Kurbelwelle ausgerichtet sind. in diesen Rinnen
wird Schmierstoff mitgenommen und auf den Berührungsflächen verteilt, sodass der Schmierstofffilm
die Reibung reduziert und die Dichtwirkung erhöht. Dabei ist es insbesondere
sinnvoll, die Dichtrinnen zick-zack-förmig verlaufen zu lassen, dann
wird in den Taschen bei jeder Bewegungsrichtung ein Schmierstoffvorrat
mitgeführt
und im Laufe der Bewegung gleichmäßig verteilt.
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Im
Folgenden sollen weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung
anhand eines Beispiels näher
erläutert
werden. Dieses soll die Erfindung jedoch nicht einschränken, sondern
nur erläutern.
Es zeigt in schematischer Darstellung:
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1 Perspektivische
Darstellung eines Pleuelkolbens in eifern Hubraum mit rechteckigem Profil
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In 1 ist
ein Gehäuse 1 an
einer senkrecht zur Kurbelwelle 3 verlaufenden Wand des
Hubraums 12 zeichnerisch aufgeschnitten. Der Hubraum 12 bildet
zusammen mit dem Bewegungsraum des Kurbelzapfens der Kurbelwelle 3 eine
etwa schlüssellochförmige Öffnung im
Gehäuse 1.
Am oberen Ende des Hubraums ist die Kompressionskammer 11 zu
erkennen, die in diesem Fall ein schmales etwa sichelförmiges Volumen
einnimmt. In 1 ist gut zu erkennen, dass
die beiden Seitenwände 13 des
Hubraums 12 durchgehend ebene Flächen sind, die mit überschaubarem
Aufwand auch bei erhöhten
Anforderungen an die Genauigkeit bearbeitet werden können.
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Gut
deutlich wird in der Zeichnung, dass der Pleuelkolben 2 aus
dem Kolben 21 besteht, der direkt in den Pleuel 22 übergeht
und mit ihm zusammen ein gemeinsames Bauteil bildet. Der Pleuelkolben 2 besteht
in der hier gezeichneten Ausführungsform
aus zwei Teilen, die längs
einer Trennungsfläche 24 aufgeteilt
sind, die in allen Richtungen senkrecht zur Kurbelwelle 3 ausgerichtet
ist. Durch diese Zweiteiligkeit sind die Aussparungen 23 im
Pleuelkolben 2 zur Aufnahme der Drehteilsegmente 4 leicht
zugänglich,
indem die beiden Hälften
des Pleuelkolbens 2 voneinander getrennt werden, dann das
einteilige Dichtungsbauteil, bestehend aus den beiden Drehteilsegmenten 4 und
dem Verbindungsstück 41 eingelegt
wird und dann die beiden Hälften
des Pleuelkolbens 2 wieder miteinander verbunden werden.
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In 1 ist
sehr gut zu erkennen, dass die nach außen zur Seitenwand 13 des
Hubraums 12 weisenden Flächen des Drehteilsegmentes 4 die Form
eines Zylindersegmentes haben. Nach innen zu sind die Drehteilsegmente 4 rechteckig
gestaltet, sodass die entsprechenden Aussparungen 23 im Pleuelkolben 2 einfach
zu fertigen sind. Erfindungsgemäß sind beide
Drehteilsegmente durch ein Verbindungsstück 41 miteinander
verbunden, das in der gezeichneten Variante ebenfalls ein rechteckiges Profil
aufweist.
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Das
Verbindungsstück 41 ist
an beiden Längskanten
mit Schlitzen versehen, die jeweils um einen halben Rasterabstand
gegeneinander verschoben sind, sodass es einen mäandrierenden Verlauf einnimmt.
Dadurch wirkt das Verbindungsstück 41 wie
eine Druckfeder, die die beiden Drehteilsegmente 4 mit
einem gewissen Druck gegen die Seitenwände 13 des Hubraums 12 drückt.
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Dadurch
können
auch thermisch bedingte Längenänderungen
des Verbindungsstückes 41 abgefangen
werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 11
- Kompressionskammer
im Gehäuse 1
- 12
- Hubraum,
an Kompressionskammer 11 anschließend
- 13
- Seitenwand
des Hubraums 12
- 2
- Pleuelkolben,
in Kompressionskammer 11 und Hubraum 12 bewegbar
- 21
- Kolben
des Pleuelkolbens 2
- 22
- Pleuel
des Pleuelkolbens 2, mit Kurbelwelle 3 gelenkig
verbunden
- 23
- Aussparungen
im Pleuelkolben 2, zur Aufnahme der Drehteilsegmente 4
- 24
- Trennungsfläche zwischen
den beiden Teilen eines zweigeteilten Pleuelkolbens 2
- 3
- Kurbelwelle,
mit Pleuel 22 gelenkig verbunden
- 4
- Drehteilsegmente
des Pleuelkolbens 4, berühren Seitenwände 13
- 41
- Verbindungsstück zwischen
Drehteilsegmenten 45
