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Die Erfindung betrifft eine Energie-Erzeugungs- und Speichereinrichtung.
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Insbesondere bei der Stromerzeugung durch erneuerbare Energien, wie Wind- und Sonnenenergie, besteht die Problematik, dass keine bedarfsspezifische Energieerzeugung möglich ist. Es besteht daher das dringende Bedürfnis der Zwischenspeicherung von Energie. Die Zwischenspeicherung von Energie in Batterien ist wirtschaftlich bisher nicht möglich. Eine weitere Möglichkeit der Energiespeicherung besteht in Pump-Speicherkraftwerken. Hierbei wird bei einem bestehenden Energieüberschuss Wasser in ein höher gelegenes Becken gepumpt. Bei Energiebedarf wird das Wasser aus dem Becken zu einem Wasserkraftwerk zur Stromerzeugung geleitet. Derartige Pump-Speicherkraftwerke weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie nur an entsprechend geografisch geeigneten Orten mit ausreichendem Höhenunterschied gebaut werden können und ferner einen großen Platzbedarf beanspruchen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Energie-Erzeugungs- und Speichereinrichtung zu schaffen, mit der auf einfache Weise eine Speicherung und Erzeugung von Energie bedarfsgerecht realisierbar ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Energie-Erzeugungs- und Speichereinrichtung weist eine Energie-Erzeugungseinrichtung auf. Bei dieser kann es sich um jegliche Art Energie-Erzeugungseinrichtung, wie beispielsweise ein Windrad, ein Wasserkraftwerk, eine Solarzelle oder dergleichen, handeln. Auch kann es sich bei einer Energie-Erzeugungseinrichtung um ein Verbrennungskraftwerk, wie ein Kohlekraftwerk, handeln. Durch die Erfindung soll überschüssige Energie zwischengespeichert werden. Hierbei kann es sich um Energie handeln, die beispielsweise von einer Windkraftanlage erzeugt wird, jedoch aktuell nicht benötigt wird. Auch kann es sich um Energie handeln, die von einem Kraftwerk erzeugt wird und aktuell nicht benötigt wird, wobei ein Abschalten oder drosseln des Kraftwerks zu unerwünschten Kosten führen würde.
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Mit Hilfe der Energie-Erzeugungseinrichtung erfolgt erfindungsgemäß ein Antreiben einer Kolbenmaschine. Hierbei handelt es sich um eine Maschine zur Energieumwandlung, in der durch die Bewegung von Kolben ein Gas oder ein Gasgemisch wie Luft komprimiert wird. Die Bewegung der Kolben kann beispielsweise über eine Antriebswelle mit Nocken über Pleuelstangen und dergleichen erfolgen, wobei der Kolbenmotor erfindungsgemäß vorzugsweise eine Antriebsscheibe aufweist, wobei die Antriebsscheibe vorzugsweise eine Übertragungsbahn aufweist, mit der die Kolben verbunden sind, so dass ein Drehen der Antriebsscheibe in eine Linearbewegung der Kolben umgesetzt wird.
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Die von der Energie-Erzeugungseinrichtung angetriebene Kolbenmaschine dient zum Komprimieren eines Gases. Das von den Kolben der Kolbenmaschine komprimierte Gas wird einem Druckspeicher zugeführt.
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Erfindungsgemäß ist die Kolbenmaschine derart ausgebildet, dass sie reversibel betreibbar ist. Mit Hilfe der Kolbenmaschine kann somit einerseits ein Gas komprimiert werden, das in dem Druckspeicher gespeichert wird. Andererseits kann die Kolbenmaschine auch in umgekehrter Betriebsart betrieben werden, so dass die Kolbenmaschine durch aus dem Druckspeicher abgegebenes Gas betrieben wird. Die Energiezufuhr erfolgt in diesem Betriebsmodus über die Kolben und die Energieabfuhr insbesondere über die mit einer Abtriebswelle der Kolbenmaschine verbundenen Antriebsscheibe.
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Durch die erfindungsgemäße Möglichkeit, die Kolbenmaschine reversibel zu betreiben, kann auf einfache und kostengünstige Weise eine Einrichtung geschaffen werden, die sowohl zum Speichern von Energie durch Befüllen eines Druckspeichers mit Hilfe der Kolbenmaschine als auch zum Erzeugen von Energie durch umgekehrtes Betreiben der Kolbenmaschine, d. h. durch Antreiben der Kolben mit Hilfe des Druckgases geeignet ist. Mit der erfindungsgemäßen Energie-Erzeugungs- und Speichereinrichtung ist es somit möglich Energie in Form von Druckgas oder Druckluft zwischen zu speichern und somit bedarfsgerecht Strom zu erzeugen. Dies kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Energie-Erzeugungs- und Speichereinrichtung insbesondere dezentral erfolgen. Es handelt sich um eine Einrichtung, die nicht, wie beispielsweise ein Pump-Speicherkraftwerk, an geografische Bedingungen geknüpft ist. Auch ist der Platzbedarf der erfindungsgemäßen Einrichtung deutlich geringer. Bei einer Kombination der erfindungsgemäßen Energie-Erzeugungs- und Speichereinrichtung mit einem Windrad wäre es beispielsweise in besonders bevorzugter Ausführungsform möglich, den Speicher in der Säule des Windrads anzuordnen. Die Kolbenmaschine, die erfindungsgemäß verhältnismäßig klein und leicht ausgestaltet sein kann, könnte unmittelbar auf der Säule angeordnet und mit dem Windrad verbunden sein. Aufgrund der Reversibilität der Kolbenmaschine muss diese lediglich noch mit einem Generator verbunden werden, um aus dem komprimierten Gas unter Zuhilfenahme der Kolbenmaschine Strom zu erzeugen. Die Umwandlung der Windenergie in zwischen zu speicherndes Druckgas und die sodann erfolgende bedarfsgerechte Umwandlung in Strom kann somit unmittelbar vor Ort, d. h. am Standort des Windrades erfolgen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann als Energie-Erzeugungseinrichtung beispielsweise eine Photovoltaik-Anlage vorgesehen sein. Durch diese wird Strom erzeugt. Durch diesen wird, beispielsweise unter Zuhilfenahme eines Elektromotors, die Kolbenmaschine angetrieben, die sodann wiederum Druckgas erzeugt und in den Druckspeicher pumpt. Zur Stromerzeugung wird mit Hilfe des Druckgases die Kolbenmaschine betrieben. Die Kolbenmaschine kann sodann mit einem gesonderten Generator verbunden oder aber den Elektromotor ebenfalls reversibel als Generator betreiben.
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Vorzugsweise ist die Energie-Erzeugungseinrichtung mit einer Antriebswelle der Kolbenmaschine mittelbar oder unmittelbar verbunden, wobei beispielsweise bei dem Vorsehen eines Windrades als Energie-Erzeugungseinrichtung ein unmittelbares Verbinden möglich ist.
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Die Kolbenmaschine weist vorzugsweise mehrere, jeweils in einem Zylinder angeordnete Kolben auf. Die Kolben weisen jeweils einen Kompressionsraum auf, der unmittelbar oder über Leitungen mit dem Druckspeicher verbunden ist. Ggf. kann auch ein Zwischenspeicher oder ein Druckübertragungsmedium vorgesehen sein. Das Druckübertragungsmedium kann ein hochwertiges Gas oder ein Fluid sein, über das sodann ein kostengünstigeres Gas, wie Luft, in dem Druckspeicher komprimiert wird.
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Vorzugsweise ist eine Abtriebswelle der Kolbenmaschine mit dem Generator verbunden. Je nach Ausführungsform kann die Abtriebswelle der Antriebswelle entsprechen. Ebenso ist es möglich, eine gemeinsame An- und Abtriebswelle an der Kolbenmaschine vorzusehen und mit Hilfe einer Schalteinrichtung die Welle mit der Energie-Erzeugungseinrichtung als Antrieb zu verbinden und somit als Antriebswelle zu nutzen, oder die Welle mit dem Generator zu verbinden und somit als Abtriebswelle zu nutzen. Insbesondere bei der Verwendung eines Elektromotors, der in reversiblem Betrieb als Generator genutzt wird, kann eine Welle sowohl als Antriebs- als auch als Abtriebswelle dienen.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kolbenmaschine derart aufgebaut, dass die Kolben mit einer Antriebsscheibe verbunden sind. Die Antriebsscheibe, die mittelbar oder unmittelbar mit der An- und/oder Abtriebswelle verbunden ist, ist beispielsweise über Kolbenstangen mit den Kolben verbunden. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Kolbenstangen mit den Kolben verbunden sind und in oder an der Antriebsscheibe gleitend gehalten sind. Hierzu weist die Antriebsscheibe vorzugsweise eine Übertragungsbahn auf, in bzw. an der die Kolbenstangen gleiten. Die Übertragungsbahn ist hierbei vorzugsweise sinusförmig ausgebildet. Hierbei entspricht die Amplitude der sinusförmig bzw. wellenförmig ausgebildeten Übertragungsbahn dem Kolbenhub. Durch die wellen- bzw. sinusförmige Übertragungsbahn erfolgt somit ein Umwandeln der Drehbewegung der Antriebsscheibe in eine Linearbewegung der Kolben oder umgekehrt, je nachdem ob die Kolbenmaschine zur Druckerzeugung oder zur Stromerzeugung genutzt wird. Vorzugsweise ist die Antriebsscheibe derart ausgebildet, dass sie die Kolbenmaschine umgibt. Beispielsweise sind drei oder fünf Kolben somit sternförmig innerhalb der Antriebsscheibe angeordnet. Je nach Ausgestaltung der Antriebsscheibe und Anordnung der Kolben bzw. Kolbenstangen können die Kolben somit auch auf einfache Weise versetzt, d. h. bei unterschiedlicher Kolbenstellung angesteuert werden.
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Bei dieser Ausführungsform ist es besonders bevorzugt, dass die Übertragungsbahn asymmetrisch ausgebildet ist. Hierbei weist die Übertragungsbahn je Sinuswelle eine flachere und eine steilere Flanke auf. Mit Hilfe der flacheren Flanke erfolgt ein derartiges Bewegen des Kolbens, dass ein in dem Kolbenraum befindliches Gas komprimiert und zu der Speichereinrichtung oder einem Zwischenspeicher gefördert wird. Ferner kann durch die Kolbenbewegung auch ein Gasgemisch, insbesondere Luft oder auch ein Fluid gefördert werden. Hierdurch ist es möglich, auch bei geringen Drehzahlen eine effektive Befüllung des Druckspeichers zu realisieren. Die steile Flanke dient zum reversiblen Betrieb der Kolbenmaschine. In diesem Betrieb wird Gas aus dem Druckspeicher dem Kolbenraum zugeführt und bewirkt ein Bewegen des Kolbens und über die steile Flanke ein Drehen der Antriebsscheibe. Hierdurch ist eine zeitlich schnelle Energieerzeugung möglich.
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Da es erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist, große Gasmengen in komprimierter Form zu speichern, ist der Druckbehälter vorzugsweise besonders ausgestaltet. Bei dem Druckbehälter kann es sich insbesondere um einen langgestreckten, zylindrischen Druckbehälter handeln, in dem Gas in einem Druck von bis zu 200, insbesondere bis zu 400 bar gespeichert werden kann. In bevorzugter Ausführungsform ist der Druckbehälter doppelwandig, wobei eine Innenwand aus gasdichtem Material besteht, aufgebaut. Ferner ist zwischen dieser Innenwand und der Außenwand eine Aussteifung vorgesehen, die eine Bindemittelschicht, insbesondere eine Betonschicht aufweist.
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In besonders bevorzugter Ausführungsform ist die Druck-Speichereinrichtung entsprechend der von derselben Anmelderin mit dem Titel ”Druck-Speichereinrichtung” am 16. Juni 2011 eingereichten deutschen Patentanmeldung ausgebildet und insbesondere wie in der am 18. Juli 2011 beim Deutschen Patentamt unter dem Titel Druck-Speichereinrichtung eingereichten Anmeldung weitergebildet.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Windrades in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Energie-Erzeugungs- und Speichereinrichtung,
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2 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energie-Erzeugungs- und Speichereinrichtung,
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3 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer Kolbenmaschine,
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4 eine schematische Schnittansicht eines Druckspeichers,
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5 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Kolbenmaschine, und
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6 eine perspektivische Ansicht einer Kolbenmaschine mit mehreren axial hintereinander angeordneten Antriebsscheiben und Kolbenanordnungen.
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Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energie-Erzeugungs- und Speichereinrichtung ist diese mit einer Windkraftanlage verbunden. In der in 1 dargestellten schematischen Darstelllung sind Rotorblätter 10 eines Windrades dargestellt. Diese sind in einem Gehäuse 12 über eine Welle 14 gelagert. Das Gehäuse 12 ist von einer Säule 16 getragen. Um eine erfindungsgemäß kompakte Einrichtung und eine dezentrale Speicherung von Energie zu ermöglichen, ist innerhalb der Säule 16 ein Druckspeicher 18 angeordnet. Zur Befüllung des Druckspeichers 18 ist eine Kolbenmaschine 20 vorgesehen, die insbesondere anhand der 3, 5 und 6 näher erläutert wird.
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Ferner zeigt 1 eine zwischen der die Rotorblätter tragende Welle 14 und einer Antriebswelle 22 der Kolbenmaschine angeordnete Getriebebox 24.
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Mit Hilfe der Kolbenmaschine 20 erfolgt über die Druckräume der Kolben ein Fördern eines Gases, durch eine Leitung 26 in den Druckbehälter 18.
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Zur bedarfsgerechten Energieerzeugung, wenn durch das Windrad kein oder zu wenig Strom erzeugt wird, kann aus dem Druckspeicher 18 Gas durch die Leitung 26 der Kolbenmaschine zugeführt werden. Das Gas bewirkt ein lineares Bewegen der in der Kolbenmaschine angeordneten Kolben. Diese Linearbewegung wird über mindestens eine Antriebsscheibe im dargestellten Ausführungsbeispiel auf eine Abtriebswelle 28 übertragen. Die Abtriebswelle 28 ist mit einem Generator 30 zur Stromerzeugung verbunden.
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Bei der in 2 dargestellten Prinzipskizze ist ein weiteres Grundprinzip der erfindungsgemäßen Energie-Erzeugungs- und Speichereinrichtung dargestellt. Hierbei handelt es sich bei der Energie-Erzeugungseinrichtung um einen Elektromotor 32. Dieser kann durch überschüssigen Strom angetrieben werden. Der Elektromotor 32 treibt über die Welle 14 wiederum die Kolbenmaschine 20 an. Mit Hilfe der Kolbenmaschine 20 erfolgt ein Befüllen des Druckspeichers 18. Bei Energiebedarf erfolgt, wie vorstehend bereits anhand 1 beschrieben, ein Entspannen des Gases, das hierzu aus dem Druckspeicher 18 über die Leitung 26 der Kolbenmaschine 20 zugeführt wird. Durch die Kolbenmaschine 20 erfolgt ein Drehen der Welle 14, die den in dieser Bewegungsart als Generator dienenden Motor 32 bewegt und hierdurch Strom erzeugt.
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Das erfindungswesentliche Bauteil der Energie-Erzeugungs- und Speichereinrichtung ist die Kolbenmaschine 20. In einer bevorzugten Ausführungsform (3) der Kolbenmaschine 20 weist diese mehrere jeweils in Zylindern 34 angeordnete Kolben 36 auf. Die Kolben 36 sind mit Kolbenstangen 38 fest verbunden. In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kolben 36 und Zylinder 34 sternförmig angeordnet, wobei die Kolben 36 derart angeordnet sind, dass sie sich stets in dergleichen Hubstellung befinden. Ein Bewegen der Kolben 36 nach innen erfolgt somit gleichzeitig, so dass sämtliche Kolben 36 gleichzeitig Gas durch einen zentralen Förderkanal 40 pumpen, der mit der Leitung 26 verbunden ist, durch die das Gas zu dem Druckspeicher 18 gepumpt wird. Bei der Dekompressionsbewegung wird in die Kompressionsräume 42 Gas über nicht dargestellte Einlassventile aus einem Gasreservoir zugeführt und im nächsten Kompressionshub wiederum durch die den Förderkanal 40 gepumpt.
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Die Enden der Kolbenstangen 38 sind über Gleitelemente oder dergleichen in einer Übertragungsbahn 44 einer Antriebsscheibe 46 angeordnet. Die Antriebsscheibe 46 umgibt die sternförmig angeordneten Kolben 36 und ist wellen- bzw. sinusförmig ausgebildet. Durch Drehen der Antriebsscheibe 46 in 3 im Uhrzeigersinn in Richtung des Pfeils 48 erfolgt ein Befüllen des Druckspeichers 18. Bei einem Kompressionsschritt, bei dem das Gas in dem Kompressionsraum 42 komprimiert wird, erfolgt über eine vergleichsweise flache Flanke 50 der Übertragungsbahn ein Bewegen der Kolben 36 nach innen. Die Dekompression bzw. das Einsaugen von neuem zu fördernden Gas in die Kompressionsräume 42 erfolgt beim durch die steilere Flanke 52 hervorgerufenen Herausziehen der Kolben 36 aus den Zylindern 34. Das Vorsehen einer relativ flachen Flanke bei der Antriebsscheibe hat den Vorteil, dass auch bei relativ geringen Umdrehungen der Antriebsscheibe 46 eine Gaskompression realisiert werden kann.
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Beim reversiblen Betrieb der Kolbenmaschine zur Stromerzeugung wird den Räumen 42 durch den zentralen Förderkanal 40 Gas aus dem Druckspeicher 18 zugeführt. Hierdurch erfolgt ein Bewegen der Kolben 36 nach außen. Diese Linearbewegung wird über die steilen Flanken 52 in eine Drehbewegung umgesetzt. Da hierzu die steilere Flanke 52 genutzt wird, ist eine zeitlich schnelle Stromerzeugung möglich.
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Bei dem Druckbehälter 18 handelt es sich in bevorzugter Ausführungsform um einen doppelwandigen Behälter (4). Dieser weist eine gasdichte Innenwand 54 sowie eine Außenwand 56 auf, die nicht unbedingt gasdicht sein muss. Bei der Innenwand 54 und der Außenwand 56 handelt es sich vorzugsweise um Wände aus Metall, insbesondere Stahl. Diese können über Versteifungsstreben miteinander verbunden sein. Der Zwischenraum 58 zwischen den beiden Wänden 54, 56 ist mit einer Bindemittelschicht, wie Beton, verfüllt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Kolbenmaschine (5 u. 6) sind die Kolben 36 jeweils von einem ringförmigen Kolben 60 umgeben. Hierdurch kann insbesondere ein kompakterer Aufbau realisiert werden. Die inneren Kolben 36 sind entsprechend der anhand 3 beschriebenen Ausführungsform ausgebildet, wobei in dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel nur drei ebenfalls sternförmig angeordnete Kolben vorgesehen sind. Diese sind jeweils von den ringförmigen Kolben 60 umgeben. Die ringförmigen Kolben 60 sind ebenfalls über Kolbenstangen 62 mit einer weiteren im dargestellten Ausführungsbeispiel symmetrisch ausgebildeten Antriebsscheibe 64 verbunden. Wie aus den unterschiedlichen Strukturen der beiden Antriebswellen 46, 64 ersichtlich ist, unterscheidet sich die Anzahl der Kolbenhübe je Umdrehung zwischen den inneren Kolben 36 und den äußeren Kolben 60. Über eine zwischen den Zylindern 34, 66 angeordneten Zwischenraum 68 kann eine Kühlung zur Abfuhr der bei der Kompression auftretenden Wärme erfolgen.
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Um eine möglichst gleichmäßige Druck- bzw. Energieerzeugung über die Kolbenmaschine 20 zu gewährleisten, ist es bevorzugt, mehrere der beispielsweise in 5 dargestellten Kolbenmaschinen hintereinander anzuordnen und diese in einer unterschiedlichen Winkellage vorzusehen. Dies hat zur Folge, dass die Kompression durch die einzelnen Kolbenmaschinen 20 (6) zu unterschiedlichen Zeitpunkten bzw. zeitversetzt erfolgt.
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Zur Vergleichmäßigung der Druck- und Stromerzeugung ist es zusätzlich oder anstelle dieser Maßnahme auch möglich, die Antriebsscheibe derart auszugestalten, dass sich die einzelnen Kolben in unterschiedlichen Hubstellungen befinden. Beispielsweise könnte bei einer sechskolbigen Kolbenmaschine (3) eine Antriebsscheibe mit sieben Sinusprofilen vorgesehen sein. Ggf. müssten sodann von den Kolben einzelne Leitungen anstelle einer gemeinsamen Leitung 40 zu dem Druckspeicher 18 führen.
