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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine, insbesondere zur Nutzung der Abwärme von Brennkraftmaschinen. Speziell betrifft die Erfindung eine Kolbenmaschine, die die Abwärme einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs in zusätzliche mechanische Antriebsenergie umwandelt.
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Brennkraftmaschinen wandeln die Energie des Brennstoffs in mechanische Energie zum Antrieb von Fahrzeugen um. Dabei wird jedoch ein erheblicher Teil der Energie als Abwärme freigesetzt, die durch das Kühlsystem oder im Abgas von der Brennkraftmaschine weggeleitet wird. Um diese Wärmeenergie zu nutzen, ist es denkbar, dass ein Dampfkraftprozess mit der Brennkraftmaschine gekoppelt wird. Hierdurch ist es möglich, dass die Wärmeenergie aus dem Verbrennungsmotor zur Erzeugung von Dampf eingesetzt wird, der in einer Expansionsmaschine entspannt wird und somit weitere Energie bereit stellt, die zum Antrieb des Fahrzeugs oder zur Erzeugung einer Hilfsenergie genutzt werden kann. Allerdings besteht hierbei das Problem, dass zur Nutzung der Wärmeenergie mittels des Dampfkraftprozesses zusätzliche Komponenten erforderlich sind, die jeweils einen gewissen Bauraum benötigen. Speziell bei Kraftfahrzeugen ist die Bauraumsituation jedoch bereits sehr beengt, so dass für zusätzliche Komponenten in der Regel nur ein geringer Platzbedarf besteht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine optimierte Ausgestaltung in Bezug auf den benötigten Bauraum und die Leistungsfähigkeit der Kolbenmaschine möglich ist. Insbesondere kann ein guter Wirkungsgrad auch bei einer relativ kleinen Baugröße der Kolbenmaschine realisiert werden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch angegebenen Kolbenmaschine möglich.
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In vorteilhafter Weise kann die Kolbenmaschine bei mobilen Einrichtungen, insbesondere Kraftfahrzeugen, zum Einsatz kommen. Hierbei kann die Kolbenmaschine die Abwärme der Brennkraftmaschine in mechanische Energie umsetzen. Hierbei wird die thermische Energie der Abwärme über einen Dampfprozess in mechanische Energie umgesetzt. In vorteilhafter Weise kann hierbei die Abwärme aus einem Abgas der Brennkraftmaschine oder einer Abgasrückführung über einen Wärmetauscher an ein Arbeitsfluid des Dampfprozesses übertragen werden. Hierdurch kann das Arbeitsfluid verdampft werden. Dieser Dampf kann anschließend in der als Expansionsmaschine dienenden Kolbenmaschine entspannt werden, wobei mechanische Energie gewonnen wird und von den Zylinderkolben auf die Kurbelwelle übertragen wird. Das Arbeitsfluid kann anschließend in einem Kondensator abgekühlt und einer Pumpe zugeführt werden. Das Arbeitsfluid wird in der flüssigen Phase von der Pumpe dann auf das Druckniveau für die Verdampfung komprimiert. Anschließend kann die Wärmeenergie über den Wärmetauscher wieder auf das Arbeitsfluid übertragen werden.
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Besonders effizient ist die Kombination der Kolbenmaschine mit einem Dieselmotor eines Nutzkraftwagens, da hier der Dieselmotor eine große Leistung abgeben muss und somit eine große Wärmemenge zur Dampferzeugung zur Verfügung steht.
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Für den Einsatz bei einem Nutzkraftwagen mit solch einem Dieselmotor oder auch einem Gasmotor ist die Ausgestaltung der Kolbenmaschine mit dem Kurbeltrieb ferner von Vorteil, da dadurch der gleiche Drehzahlbereich wie bei dem Dieselmotor gegeben ist. Dadurch kann die mechanische Energie direkt als mechanische Energie an die Kurbelwelle oder eine andere Abtriebswelle (Abtriebsachse) der Brennkraftmaschine abgegeben werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kurbelwellenachse der Kolbenmaschine genau in der Kurbelwellenachse der Brennkraftmaschine liegt, da damit die Übertragungsverluste vermieden werden.
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Vorteilhaft ist es, dass die Kurbelwelle eine Drehachse aufweist und dass die Betätigungsachse des ersten Zylinderkolbens und/oder des zweiten Zylinderkolbens die Drehachse der Kurbelwelle zumindest näherungsweise senkrecht schneidet. Hierdurch ist zum einen eine vorteilhafte Anordnung der beiden Zylinderkolben bezüglich der Kurbelwelle möglich, so dass sich ein kompakter Aufbau ergibt. Zum anderen ist eine vorteilhafte Kraftübertragung auf die Kurbelwelle möglich. Hierbei kann ein großes Expansionsvolumen der Kolbenmaschine bei einer kompakten Ausgestaltung gewährleistet werden, um einen guten Wirkungsgrad des Dampfprozesses zu erzielen. Somit kann speziell für Brennkraftmaschinen, an denen eine sehr beengte Bauraumsituation besteht, eine kleine Baugröße der Kolbenmaschine realisiert werden. Beispielsweise kann bei einer als Reihen-Verbrennungsmotor ausgestalteten Brennkraftmaschine eine Kolbenmaschine zum Einsatz kommen, die eine geringe Baubreite beziehungsweise Bauhöhe von der Kurbelachse bis zum Zylinderkopf der Brennkraftmaschine aufweist. Hierdurch ist es auch möglich, dass die Kolbenmaschine in Bezug auf den von der Brennkraftmaschine benötigten Bauraum angepasst ausgestaltet ist.
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Vorteilhaft ist es auch, dass die Kurbelwelle zumindest einen Kurbelwellenzapfen aufweist, dass der erste Zylinderkolben mit dem Kurbelwellenzapfen in Wirkverbindung steht und dass der zweite Zylinderkolben mit dem Kurbelwellenzapfen in Wirkverbindung steht. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass an dem Kurbelwellenzapfen ein Kulissenstein angeordnet ist, dass eine Kurbelschleife vorgesehen ist, die einerseits zumindest mittelbar mit dem ersten Zylinderkolben und andererseits zumindest mittelbar mit dem zweiten Zylinderkolben verbunden ist, und dass der Kulissenstein in eine Langloch-förmige Führungsausnehmung der Kurbelschleife eingesetzt ist. Hierdurch ist eine kompakte Ausgestaltung des Kurbeltriebs möglich, wobei sich zudem eine vorteilhafte Kraftübertragung ergibt. Hierbei wirken die Zylinderkolben nämlich in vorteilhafter Weise auf den Kurbelwellenzapfen der Kurbelwelle ein. Außerdem wirken die Zylinderkolben hierbei gegeneinander auf die Kurbelschleife ein, so dass eine wechselweise Rückstellung der beiden Zylinderkolben möglich ist.
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Vorteilhaft ist es hierbei auch, dass der erste Zylinderkolben mittels einer Stange zumindest im Wesentlichen starr mit der Kurbelschleife verbunden ist und dass der zweite Zylinderkolben mittels einer weiteren Stange zumindest im Wesentlichen starr mit der Kurbelschleife verbunden ist. Hierdurch ist eine vorteilhafte Wirkverbindung der beiden Zylinderkolben mit der Kurbelschleife möglich. Hierdurch stehen auch die beiden Zylinderkolben in vorteilhafter Weise in einer starren Verbindung, so dass eine wechselweise Verstellung der Zylinderkolben gewährleistet ist. Hierdurch können in vorteilhafter Weise abwechselnd Expansions- und Ausstoßhübe von den Zylinderkolben ausgeführt werden.
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Vorteilhaft ist es ferner, dass der erste Zylinderkolben in der ersten Zylinderbohrung einen ersten Arbeitsraum begrenzt, dass der zweite Zylinderkolben in der zweiten Zylinderbohrung einen zweiten Arbeitsraum begrenzt und dass über den ersten Arbeitsraum und den zweiten Arbeitsraum dampfförmiges Arbeitsfluid eines Dampfprozesses geführt ist. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass der Dampfprozess ein ORC-Prozess ist. Das Arbeitsfluid des ORC-Prozesses kann hierbei in vorteilhafter Weise zumindest im Wesentlichen aus Wasser bestehen. Allerdings können auch andere Arbeitsfluide zum Einsatz kommen. Das Arbeitsfluid des ORC-Prozesses wird in der flüssigen Phase von einer Pumpe auf das Druckniveau für die Verdampfung komprimiert. Anschließend wird die Wärmeenergie des Abgases sowie die der Abgasrückführung über einen Wärmetauscher an das Arbeitsfluid des ORC-Prozesses übertragen. Dabei wird das Arbeitsfluid isobar verdampft und anschließend überhitzt. Danach wird der Dampf in der Kolbenmaschine adiabat entspannt. Dabei wird mechanische Energie gewonnen und von den beiden Zylinderkolben auf die Kurbelwelle übertragen. Das Arbeitsfluid wird nun in einem Kondensator abgekühlt und wieder der Pumpe zugeführt. Hierdurch ist der Kreislauf geschlossen.
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Außerdem ist es vorteilhaft, dass ein Einlassventil und ein Auslassventil für den ersten Arbeitsraum vorgesehen sind, dass ein Einlassventil und ein Auslassventil für den zweiten Arbeitsraum vorgesehen sind, dass über die Einlassventile dem ersten Arbeitsraum und dem zweiten Arbeitsraum das gasförmige Arbeitsfluid gesteuert zuführbar ist und dass über die Auslassventile das Arbeitsfluid aus dem ersten Arbeitsraum und dem zweiten Arbeitsraum gesteuert auslassbar ist. Hierbei werden die Auslassventile in vorteilhafter Weise in Bezug auf eine Ausstoßbewegung geöffnet. Speziell kann das dampfförmige Arbeitsfluid hierdurch abwechselnd entweder dem ersten Arbeitsraum oder dem zweiten Arbeitsraum zugeführt werden. Somit ist eine vorteilhafte Umwandlung der thermischen Energie in mechanische Energie möglich.
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Vorteilhaft ist es auch, dass die Kurbelwelle direkt mit einer Abtriebsachse der Brennkraftmaschine koppelbar ist oder dass die Kurbelwelle einstückig mit einer Abtriebsachse der Brennkraftmaschine ausgestaltet ist. Ferner ist es vorteilhaft, dass ein Gehäuse vorgesehen ist, das zwischen einem Motorblock der Brennkraftmaschine und einem für die Brennkraftmaschine vorgesehenen Wasserkühler anbaubar ist. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kurbelwellenachse der Kolbenmaschine genau auf der Kurbelwellenachse der Brennkraftmaschine liegt. Die Kolbenmaschine kann dabei vor der Brennkraftmaschine zwischen dem Motorblock und dem Wasserkühler angeordnet sein. Möglich ist es auch, dass die Kolbenmaschine hinter der Brennkraftmaschine zwischen dem Motorblock und einem Getriebe für die Brennkraftmaschine angeordnet ist. Hierbei kann eine sehr geringe Bautiefe in Achsrichtung realisiert werden.
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Vorteilhaft ist hierbei auch der Einsatz des Kurbelschleifentriebs (Scotch-Yoke-Antrieb) an der Kolbenmaschine, da hierdurch ein besonders kompakter Bauraum erreicht wird. Hiermit kann die Bauhöhe der Zylinder der Kolbenmaschine verringert werden. Bei gegebener Baugröße an einem Verbrennungsmotor kann ein größerer Kolbenhub und damit ein größeres Hubvolumen realisiert werden, wodurch der Wirkungsgrad verbessert wird. Dadurch kann eine ausreichend große Kolbenmaschine mit ihrem Gehäuse innerhalb der Breite der Brennkraftmaschine ausgestaltet werden. Speziell bei einer Ausgestaltung der Kolbenmaschine als Zweizylinder-Dampfmotor kann ein größerer Zylinderdurchmesser der Zylinderbohrungen realisiert werden, da die Zylinder auf der Kurbelwelle nicht gegeneinander versetzt werden müssen und somit die volle Bautiefe für die beiden Zylinder zur Verfügung steht. Somit kann im gleichen Bauraum ein Dampfmotor mit größerem Hubvolumen realisiert werden, wodurch der Wirkungsgrad verbessert ist. Durch die Kombination der Brennkraftmaschine mit der Kolbenmaschine, die einen Scotch-Yoke-Antrieb aufweist, kann somit im Hinblick auf den Brennstoffverbrauch ein besonders sparsamer Kombinationsmotor realisiert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer Kolbenmaschine zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie in einer schematischen Darstellung und.
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2 eine Anordnung der in 1 dargestellten Kolbenmaschine des Ausführungsbeispiels an einer Brennkraftmaschine in einer schematischen Darstellung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kolbenmaschine 1 in einer schematischen Darstellung. Die Kolbenmaschine 1 des Ausführungsbeispiels ist als Hubkolben-Dampfmotor mit zwei Zylindern 2, 3 ausgestaltet. Die Kolbenmaschine 1 dient insbesondere zur Nutzung der Abwärme einer Brennkraftmaschine 4 (2), wobei die Abwärme in mechanische Energie umgewandelt wird. Die mechanische Energie kann hierbei als zusätzliche Antriebsenergie dienen. Möglich ist es auch, dass die so gewonnene mechanische Energie zum Antreiben anderer Aggregate, insbesondere eines elektrischen Generators zum Erzeugen von elektrischer Energie, dient. Speziell kann die Kolbenmaschine 1 bei Kraftfahrzeugen, insbesondere Nutzkraftwagen oder Personenkraftwagen, zum Einsatz kommen. Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
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Die Kolbenmaschine 1 weist eine erste Zylinderbohrung 5, die in dem Zylinder 2 ausgestaltet ist, und eine zweite Zylinderbohrung 6 auf, die in dem Zylinder 3 ausgestaltet ist. Hierdurch ist die Kolbenmaschine 1 als Zweizylinder-Kolbenmaschine 1 ausgestaltet. Es sind allerdings auch andere Ausgestaltungen mit mehr als zwei Zylindern 2, 3 und entsprechend mehr als zwei Zylinderbohrungen 5, 6 möglich.
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An dem Zylinder 2 weist die Kolbenmaschine 1 einen ersten Zylinderkolben 7 auf, der in der ersten Zylinderbohrung 5 geführt ist. Außerdem ist ein zweiter Zylinderkolben 8 vorgesehen, der in der zweiten Zylinderbohrung 6 geführt ist. Der erste Zylinderkolben 7 begrenzt in der ersten Zylinderbohrung 5 einen ersten Arbeitsraum 9. Der zweite Zylinderkolben 8 begrenzt in der zweiten Zylinderbohrung 6 einen zweiten Arbeitsraum 10 der Kolbenmaschine 1. Die Kolbenmaschine 1 weist eine Betätigungsachse 11 auf. Die beiden Zylinderkolben 7, 8 sind entlang der Betätigungsachse 11 verschiebbar in den Zylinderbohrungen 5, 6 geführt. Der erste Zylinderkolben 7 und der zweite Zylinderkolben 8 sind hierbei gleichläufig miteinander entlang der Betätigungsachse 11 betätigbar. Die Betätigung erfolgt durch eine Expansion eines gasförmigen Arbeitsfluids, das entweder in den ersten Arbeitsraum 9 oder in den zweiten Arbeitsraum 10 geführt worden ist.
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Dem ersten Arbeitsraum 9 sind ein Einlassventil 12 und ein Auslassventil 13 zugeordnet. Ferner sind dem zweiten Arbeitsraum 10 ein Einlassventil 14 und ein Auslassventil 15 zugeordnet. Die Ventile 12 bis 15 sind auf geeignete Weise ansteuerbar, beispielsweise durch ein Steuergerät.
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Durch Öffnen des Einlassventils 12 wird das gasförmige Arbeitsfluid in den ersten Arbeitsraum 9 geführt. Im ersten Arbeitsraum 9 kann sich das gasförmige Arbeitsfluid bei geschlossenem Auslassventil 13 dann entspannen. Hierbei wird die erzeugte Druckkraft über den ersten Zylinderkolben 7 und eine Stange 16 auf eine Kurbelschleife 17 übertragen. Der zweite Zylinderkolben 8 ist ebenfalls über eine Stange 18 mit der Kurbelschleife 17 verbunden. Hierdurch ist eine zumindest im Wesentlichen starre Verbindung zwischen den beiden Zylinderkolben 7, 8 gebildet. Durch die Verstellung des ersten Zylinderkolbens 7 kommt es somit zu einer entsprechenden Verstellung des zweiten Zylinderkolbens 8. Der erste Zylinderkolben 7 und der zweite Zylinderkolben 8 werden somit gleichläufig miteinander entlang der Betätigungsachse 11 betätigt und verstellt. Somit kann bei der Expansion des gasförmigen Arbeitsfluids im ersten Arbeitsraum 9 gleichzeitig ein Ausstoß des gasförmigen Arbeitsfluids aus dem zweiten Arbeitsraum 10 bei geöffnetem Auslassventil 15 erreicht werden. Anschließend kann durch Öffnen des Einlassventils 14 für den zweiten Arbeitsraum 10 bei geschlossenem Auslassventil 15 gasförmiges Arbeitsfluid in den zweiten Arbeitsraum 10 geführt werden. Dadurch wird ein gegenläufiger Arbeitshub erzielt. Das Auslassventil 13 für den ersten Arbeitsraum 9 wird bei diesem gegenläufigen Arbeitshub geöffnet, um das entspannte gasförmige Arbeitsfluid aus dem ersten Arbeitsraum 9 auszustoßen.
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Die Kolbenmaschine 1 weist eine Kurbelwelle 19 auf, die in einem Gehäuseteil 20 der Kolbenmaschine 1 gelagert ist. Die Zylinder 2, 3 sind mit dem Gehäuseteil 20 verbunden. Die Kurbelwelle 19 ist um ihre Drehachse 21 drehbar. Die Betätigungsachse 11 des ersten Zylinderkolbens 7 und des zweiten Zylinderkolbens 8 verläuft zumindest näherungsweise mittig durch die Kurbelwelle 19. Hierbei schneidet die Betätigungsachse 11 die Drehachse 21 zumindest näherungsweise senkrecht. Die Betätigungsachse 11 und die Drehachse 21 schließen somit einen Winkel von 90° ein.
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Die Kurbelwelle 19 weist einen Kurbelwellenzapfen 22 auf, an dem ein Kulissenstein 23 angeordnet ist. Außerdem weist die Kurbelschleife 17 eine Langloch-förmige Führungsausnehmung 24 auf, in der der Kulissenstein 23 geführt ist. Hierfür ist der an dem Kurbelwellenzapfen angeordnete Kulissenstein 23 in die Führungsausnehmung 24 eingesetzt. Der Kulissenstein 23 kann hierfür aus mehreren miteinander verbundenen Teilen zusammengesetzt sein.
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Somit steht einerseits der erste Zylinderkolben 7 mit dem Kurbelwellenzapfen 22 in Wirkverbindung. Andererseits steht auch der zweite Zylinderkolben 8 mit dem Kurbelwellenzapfen 22 in Wirkverbindung. Entsprechend der Betätigung der beiden Zylinderkolben 7, 8 erfolgt somit eine Betätigung der Kurbelwelle 19 über den Kurbelwellenzapfen 22. Auf diese Weise ist ein Kurbelschleifenantrieb (Scotch-Yoke-Antrieb) realisiert.
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Die Zylinderkolben 7, 8 sind somit bezüglich der Drehachse 21 der Kurbelwelle 19 beziehungsweise bezüglich der Kurbelwelle 19 gegenüberliegend zueinander angeordnet und leiten ihre Kraft über den Kurbelschleifentrieb auf die Kurbelwelle 19 ein. Die Einlassventile 12, 14 und die Auslassventile 13, 15 sind hierbei entsprechend der Drehbewegung der Kurbelwelle 19 angesteuert. Dadurch überträgt der Kurbelschleifenantrieb mit der Kurbelschleife 17 und dem Kulissenstein 23, der auf dem Kurbelwellenzapfen 22 sitzt, die Hubkolbenbewegung der beiden Zylinderkolben 7, 8 auf die Kurbelwelle 19. Dadurch wird ein sehr geringes Baumaß 25 von der Drehachse 21 zu einer Stirnseite 26 des zweiten Zylinders 3 erreicht. Entsprechendes gilt für eine Stirnseite 27 des ersten Zylinders 2. Somit ergibt sich ein geringes Baumaß von der Kurbelwellenmitte an der Drehachse 21 einerseits zu der Stirnseite 27 des ersten Zylinders 2 und andererseits zu der Stirnseite 26 des zweiten Zylinders 3. Zudem kann ein relativ großer Zylinderdurchmesser 28 der ersten Zylinderbohrung 5 beziehungsweise Zylinderdurchmesser 29 der zweiten Zylinderbohrung 6 bei einer gegebenen Bautiefe 30 (2) der Kolbenmaschine 1 realisiert werden, da beide Zylinderkolben 7, 8 mittig zum gleichen Kurbelwellenzapfen 22 angeordnet sind, wie es auch anhand der 2 beschrieben ist.
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2 zeigt die Kolbenmaschine 1 des Ausführungsbeispiels mit einer Brennkraftmaschine 4 in einer schematischen Darstellung, wobei die Kolbenmaschine 1 aus der 1 in gleicher Blickrichtung dargestellt ist. Die Brennkraftmaschine 4 weist ein Gehäuseteil 31 auf. Das Gehäuseteil 31 kann beispielsweise durch einen Motorblock gebildet sein. Hierbei ist schematisch die Anordnung eines Zylinders 32 der Brennkraftmaschine 4 dargestellt. Eine Achse 33 des Zylinders 32 zeigt hierbei auf die Kurbelwelle 19. Ferner sind die Zylinder 2, 3 an der Betätigungsachse 11 der Kolbenmaschine 1 ausgerichtet, die ebenfalls durch die Kurbelwelle 19 läuft. Dadurch kann die Kolbenmaschine 1 direkt an eine Abtriebsachse beziehungsweise Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 4 angekoppelt werden. Möglich ist es auch, dass die Kurbelwelle 19 als gemeinsame Kurbelwelle für die Brennkraftmaschine 4 und die Kolbenmaschine 1 dient.
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Somit kann die Kolbenmaschine 1 direkt auf der Achse der Brennkraftmaschine 4 mit quer liegenden Zylindern 2, 3 angeordnet sein. Hierbei kann die Kolbenmaschine 1 beispielsweise zwischen dem Motorblock 31 und einer weiteren Komponente 34, insbesondere einem Wasserkühler oder einem Getriebe, angeordnet sein. Speziell eine Anordnung zwischen dem Motorblock 31 und einem Wasserkühler 34 hat den Vorteil, dass hier in der Regel auch bei beengten Platzverhältnissen noch ein ausreichender Bauraum zur Verfügung steht.
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Vorteilhaft ist es somit, dass die Kolbenmaschine 1 an eine Brennkraftmaschine 4 anbaubar ist. Hierbei ist es vorteilhaft, dass das Gehäuse 20 vorgesehen ist, das zwischen einem Motorblock 31 der Brennkraftmaschine 4 und einem für die Brennkraftmaschine 4 vorgesehenen Wasserkühler 34 anbaubar ist. Vorteilhaft ist es ferner, dass die Kolbenmaschine 1 direkt vor dem Motorblock 31 angeordnet ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
