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Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit axial bewegten Kolben und einer linearen Abtriebsbewegung sowie eine durch die Wärmekraftmaschine angetriebene Arbeitsmaschine, insbesondere einen Lineargenerator zur Erzeugung elektrischer Energie in Wohnobjekten oder kleineren Gewerbebetrieben.
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Die Kombination von derartigen, allgemein als Freikolben bezeichneten Kolben mit Arbeitsmaschinen wie Pumpen, Verdichter und Generatoren ist als Freikolbenmaschine bekannt. Charakteristisch ist, dass die axiale Kolbenbewegung direkt und triebwerkslos (ohne Kurbeltrieb) auf die Arbeitsmaschine übertragen wird (
WO 2008/074428 ,
DE 10 2008 004 879 ,
DE 2 519 912 ,
DD 113 593 A ).
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Problematisch ist bei derartigen Freikolbenmaschinen, dass sie bei Fehlzündung stehen bleiben, da keine kinetische Energie wie beim Kurbelwellenmotor in Form einer Schwungmasse zur Verfügung steht. Dazu wird in der
DE 4 315 046 A1 vorgeschlagen, ein Federsystem einzusetzen, dass mit dem Kolben zusammenwirkt, beim Arbeitshub des Kolbens Energie speichert und beim Verdichtungshub die gespeicherte Energie zumindest teilweise an den Kolben abgibt.
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Ein weiteres Problem besteht in der Regelung der Bewegung des Freikolbens, denn die Totpunkte der Kolbenbewegung werden nicht durch eine Kurbelwelle vorgegeben. Der Stelzer-Motor (u. a.
DE 1 451 683 A ,
De 30 29 287 A1 ,
DE 10 2006 059 557 A1 ) nutzt dafür Gaspolster, zwischen denen der Kolben schwingt.
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In der
DE 102 19 549 B4 wird eine Freikolben-Verbrennungsvorrichtung beschrieben, die mit einem elektrischen Linearantrieb gekoppelt ist, über den der Kolbenhub derart variabel einstellbar ist, dass die Totpunkte der Bewegung der Kolben definierbar sind. Dadurch lässt sich eine variable Verdichtung erreichen, so dass der Motor in jedem Lastbereich optimal betreibbar ist. Ferner sollen so unterschiedliche Brennstoffe einsetzbar sein. Die möglichen Vorteile dieser Verbrennungsvorrichtung werden durch die Kosten des notwendigen elektrischen Linearantriebs allerdings für den Verbraucher kaum wirksam.
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Während Freikolben gewöhnlich im Zweitaktbetrieb arbeiten, wird in der
DE 10 2009 052 960 A1 eine Freikolben-Brennkraftmaschine vorgeschlagen, die sowohl im Zwei- als auch im Viertaktbetrieb arbeiten kann.
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Dabei kommen zwei durch eine Kolbenstange miteinander verbundene Kolben zum Einsatz, die beidseitig jeweils einen Brennraum aufweisen. Jeder Brennraum befindet sich bei der Kolbenbewegung in einem anderen Takt. Die brennraumseitigen Stirnflächen der Kolben (Kolbenboden) sind so ausgebildet, dass die Kolben unter der Wirkung expandierende Gase in eine Drehbewegung um die Achse der Kolbenstange versetzt werden und diese dabei drehen. Die für die Arbeitsmaschine bereitgestellte Bewegung ist somit eine Rotation, ein Drehmoment.
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Letztlich soll noch auf Ausführungsformen der Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung eingegangen werden, die das untere Leistungssegment der Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen abdecken, und ein spezielles Anwendungsfeld der nachfolgend beschriebenen Erfindung darstellen. Bei diesen Anlagen finden in der überwiegenden Anzahl Verbrennungsmotore, Stirlingmotore oder Dampfmotore mit Kurbeltrieb Anwendung.
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Eine Freikolbendampfmaschine wird unter der Marke lion1)
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- eingetragene Marke DE 302 589 12 der OTAG GmbH & Co. KG, 59939 Olsberg DE
vertrieben. Diese basiert auf der EP 1 451 919 B1 und ist insbesondere für Ein- bis Dreifamilienhäuser konzipiert. Die Zylinder mit einem beidseitig arbeitenden Kolben sind dabei von topfförmig ausgebildeten Statorteilen umhüllt mit einer im Luftspalt verschiebbaren, der Kolbenbewegung folgenden Ankerspule. Diese Freikolbenmaschine ist in ihren Leistungsparameteren im Wesentlichen festgelegt, was durchaus als Nachteil zu bewerten ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Freikolbenmaschine vorzuschlagen, die im 4-Takt-Verbrennungsverfahren arbeitet, die sich durch einen einfachen modularen Aufbau auszeichnet, die in der Leistung eine hohe Flexibilität aufweist und deren Abtriebsbewegung eine lineare ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Ein Verfahren zur Herstellung eines Motors benennt Anspruch 18. Einen Zylinderkolben beschreibt Anspruch 21. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einer Wärmekraftmaschine mit axial in Zylindern bewegten Kolben, deren lineare Bewegung eine Antriebsmaschine antreibt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Anzahl von vier Kolben-Zylinder-Einheiten entsprechend der Anzahl der Takte des genutzten Arbeitsverfahrens oder jeweils einem Vielfachen dieser Anzahl einzusetzen, wobei jeweils immer zwei Kolben-Zylinder-Einheiten ein Paar bilden, deren Zylinder spiegelverkehrt zueinander angeordnet sind, die Kolbenstangen aller Kolben-Zylinder-Einheiten starr mit einer parallel zu den Kolbenachsen und außerhalb der Kolben-Zylinder-Einheiten verschiebbaren Antriebsstange verbunden sind, wobei die starre Verbindung so vorgenommen ist, dass die Kolbenstellung in den Zylindern eines jeden Kolben-Zylinder-Paares entgegengesetzt ist und die Kolben-Zylinder-Einheiten über steuerbare Ventile oder verschließbare Öffnungen oder Schlitze für die Zufuhr von brennbaren Gasen, Gasgemischen oder Verbrennungsluft in den und das Ausstoßen von Verbrennungsrückständen aus dem Brennraum der Zylinder verfügen.
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Die Vorteile einer derartigen Wärmekraftmaschine bestehen u. a. in der Langlebigkeit, da die Anzahl der Verschleißteile gering gehalten wird, und der Möglichkeit, verschiedenste Brennstoffe einzusetzen.
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Dabei können die Kolben-Zylinder-Einheiten bei einer ersten Ausführung in Reihe angeordnet sein und eine gemeinsame Kolbenachse aufweisen.
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Bei einer zweiten Ausführung weisen die Kolben-Zylinder-Einheiten parallel zueinander liegende Kolbenachsen auf, wobei die Kolbenstangen mit einer Antriebsstange verbunden sind. Bei dieser Ausführung sind die Kolben-Zylinder-Einheiten längsversetzt und/oder um die Antriebsstange herum angeordnet. Die Wärmekraftmaschine erreicht so eine höhere Kompaktheit.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass mehrere Antriebstangen eingesetzt werden, mit denen Kolbenstangen verbunden sind, wobei die Antriebsstangen starr miteinander gekoppelt sind. Auf diese Weise ist eine symmetrische Kraftübertragung von jeder Kolbenstange auf die Antriebstangen herstellbar. das schafft weiteren Spielraum für eine Leichtbauweise.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Zylinder gegenüber der Antriebsstange verschiebbar angeordnet, um die Hubräume zu verändern.
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Eine derartige Ausgestaltung bringt den Vorteil, dass bei laufendem Betrieb eine Hubraumveränderung möglich wird. So können die Kolben-Zylinder-Einheiten bedarfsgerecht gesteuert stets mit hohem Wirkungsgrad arbeiten. Das ist ein weiterer Schritt zu einem energieeffizienten Langsamläufer.
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Bei einer entsprechenden Ausführung ist vorgesehen, dass jeder Zylinder mit mindestens einer geteilt ausgebildeten parallel zur Kolbenachse verschiebbaren Hubraumverstellschiene verbunden ist oder mit einer von mehreren Hubraumverstellschienen, über die die Verstellung der Hubräume durch Zylinderverschiebung erfolgt.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung ist die Hubraumverstellschiene einfach geteilt und mit den Teilstücken sind jeweils gleichgerichtete Zylinder verbunden. Ein im Teilungsbereich der Hubraumverstellschiene angeordneter Antrieb kann so auf einfache Weise die Teilstücke der Hubraumverstellschiene zueinander und voneinander weg verschieben.
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Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Kolben-Zylinder-Einheiten besteht darin, dass sie als ganzes oder auch für jeden Zylinder als Gehäusemodule gefertigt werden können, die dann aneinandergereiht werden und eine für alle erforderlichen Leistungsbereiche geeignete Maschine ergeben.
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Dabei können Gehäusemodule für jeden Zylinder jeweils eine durchgehende Zylinderbohrung aufweisen, die dann kopfseitig bei der Modulmontage jeweils durch einen mit in Reihe angeordneten Zylinderkopf verschlossen werden.
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In den Zylinderbohrungen können zum Zwecke der Hubraumverstellung auch verschiebbare kopfseitig verschlossene Zylinderbuchsen eingesetzt werden.
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Ebenso können bei den Gehäusemodulen die Durchgänge für die Antriebsstange oder die Antriebsstangen sowie für die Hubraumverstellschiene vorgesehen sein.
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Die Brennstoffzufuhr und das Ausbringen der Abgase erfolgt bei einem verstellbaren Hubraum über Schlitze oder über nachfolgend noch beschrieben Einlassventile.
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Diese Modulbauweise hat nicht nur Vorteile für die Maschinenleistung, sondern stellt ein hocheffektives Herstellungsverfahren dar, sowohl für die Montage der Maschine als auch für die Herstellung der einzelnen Module. Gehäusemodule lassen sich aus stranggepressten oder stranggegossenen Halbzeugen durch Ablängen und entsprechende Feinbearbeitung herstellen. Das ist ein völlig neuer Ansatz zur Brennkraftmaschinenherstellung.
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In weiterer Ausgestaltung der Wärmekraftmaschine wird eine vorteilhafte Brennstoffzufuhr in den Brennraum der Zylinder vorgeschlagen, die aus dem Zylinderraum unterhalb der Kolben durch die Kolben hindurch erfolgt.
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Dazu sind die Kolben als Doppelkolben ausgebildet, einem äußeren Kolben, der entlang der Zylinderinnenwand bewegt wird und der eine verschließbare Öffnung im Kolbenboden aufweist sowie einem inneren Kolben, der mit der Kolbenstange verbunden ist und gegenüber dem der äußere Kolben begrenzt verschiebbar ist, der Überströmöffnungen vom Zylinderraum unterhalb des inneren Kolbens in den Raum zwischen äußeren und inneren Kolben aufweist und der kolbenbodenseitig einen Ventilteller aufweist, durch den die Öffnung des äußeren Kolbens von der brennraumabgewandten Seite verschließbar ist. Die Fläche der Öffnung ist dabei kleiner auszuführen als die verbliebene Restfläche des Kolbenbodens des äußeren Kolbens.
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Ein derartig ausgebildeter Kolben steuert die Brennstoffzufuhr selbststätig, so dass auf eine ansonsten notwendige Ventilsteuerung für ein Einlassventil verzichtet werden kann.
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Anhand der Zeichnungen soll die vorgeschlagene Wärmekraftmaschine näher erläutert werde. Es zeigen:
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1 die Wärmekraftmaschine für den Viertaktbetrieb,
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2 das Prinzip symmetrischer Antriebsstangen,
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3 einen Modul für einen Zylinder und
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4 die Ausbildung eines Doppelkolbens.
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1 zeigt eine Wärmekraftmaschine 1 für den Viertaktbetrieb mit axial in Zylindern 7 bewegten Kolben 9, deren lineare Bewegung eine Antriebsmaschine 2 antreibt.
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Die Wärmekraftmaschine 1 weist vier Kolben-Zylinder-Einheiten 3–6 auf, entsprechend der Anzahl der Takte des eingesetzten Arbeitsverfahrens.
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Die Kolben-Zylinder-Einheiten
3–
6 sind hier in Reihe angeordnet und weisen eine gemeinsame Kolbenachse
10 auf. Jeweils immer zwei Kolben-Zylinder-Einheiten
3,
6 und
4,
5 bilden ein Paar, deren Zylinder
7 spiegelverkehrt zueinander angeordnet sind. Bei einer gleichgerichteten Bewegung der Kolben
9 lassen sich so die vier Takte:
Ausstoßen, Expansion, Verdichten und Aussaugen, die bezogen auf die jeweiligen Zylindern
7 unterschiedliche Bewegungsrichtungen erfordern, auf die Zylinderpaare verteilen. In der Darstellung stehen die Zylinder
7 jeweils am Beginn folgender Takte:
| Paar 1: | Kolben-Zylinder-Einheit 3 | : Expansion |
| | Kolben-Zylinder-Einheit 6 | : Ausstoßen |
| Paar 2: | Kolben-Zylinder-Einheit 4 | : Aussaugen |
| | Kolben-Zylinder-Einheit 5 | : Verdichten |
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Für die gleichgerichtete Bewegung der Kolben 9 sorgt eine Antriebsstange 11. Die Kolbenstangen 8 aller Kolben-Zylinder-Einheiten 3–6 sind starr mit dieser parallel zu der gemeinsamen Kolbenachse 10 und außerhalb der Kolben-Zylinder-Einheiten 3–6 verschiebbaren Antriebsstange 11 verbunden. Über die Antriebstange 11 wird auch die oszillierende axiale Bewegung der Kolben 9 zur Antriebsmaschine 2, einem Lineargenerator, zur Erzeugung von Elektroenergie übertragen.
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Ein taktgemäßes Arbeiten der Kolben wird dadurch erreicht, dass die starre Verbindung zwischen den Kolbenstangen 8 und der Antriebsschiene 11 so vorgenommen ist, dass die Kolbenstellung in den Zylindern 7 eines jeden Kolben-Zylinder-Paares 3, 6 und 4, 5 entgegengesetzt ist. In der Darstellung befindet sich der Kolben 9 der Kolben-Zylinder-Einheit 3 im oberen Totpunkt während sich der Kolben 9 der zum Paar gehörenden Kolben-Zylinder-Einheit 6 im unteren Totpunkt befindet. Analog ist die Anordnung beim anderen Paar.
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Natürlich verfügen die Kolben-Zylinder-Einheiten 3–6 über steuerbare Ventile 15 oder verschließbare Öffnungen 9.2 oder Schlitze für die Zufuhr von brennbaren Gasen oder Gasgemischen in den und das Ausstoßen von Verbrennungsrückständen aus dem Brennraum der Zylinder 7.
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Weiter wird gezeigt, dass die Zylinder 7 gegenüber der Antriebsstange 11 verschiebbar angeordnet sind, um die Hubräume zu verändern. Dazu ist jeder Zylinder 7 mit der geteilt ausgebildeten parallel zur Kolbenachse 10 verschiebbaren Hubraumverstellschiene 13 verbunden, derart, dass gleichgerichtete Zylinder 7 jeweils mit einem Teilstück 13.1 bzw. 13.2 der Hubraumverstellschiene 13 verbunden sind, hier die Zylinder 7 der gleichgerichteten Kolben-Zylinder-Einheiten 3, 4 mit dem Teilstück 13.1 und die Zylinder 7 der gleichgerichteten Kolben-Zylinder-Einheiten 5, 6 mit dem Teilstück 13.2.
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Ein im Teilungsbereich der Hubraumverstellschiene 13 angeordneter Antrieb 14 sorgt dafür, dass die Teilstücke 13.1, 13.2 der Hubraumverstellschiene 13 zueinander und voneinander weg verschiebbar sind. Dadurch vergrößert sich in allen Zylinder 7 der Hubraum (Aufeinanderzubewegung) oder er wird in allen Zylinder 7 verkleinert (Voneinanderwegbewegung). Dies kann problemlos bei laufendem Betrieb erfolgen.
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Zweckmäßigerweise sind mindestens die Kolben-Zylinder-Einheiten 3–6 und die Antriebsstange 11 in einem gemeinsamen Gehäuse 12 angeordnet, vorzugsweise auch noch die Hubraumverstellschiene 13.
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2 zeigt ein Prinzip symmetrisch angeordneter Antriebstangen 11.1 und 11.2, die starr miteinander verbunden sind. Beide Antriebstangen 11.1, 11.2 sind mit den Kolbenstangen 8 verbunden, so dass eine symmetrische Kraftübertragung von jeder Kolbenstange 8 auf die Antriebstangen 11.1, 11.2 erfolgt. Jede außermittige Kolbenbelastung ist so vermeidbar, insbesondere auch dann, wenn drei Antriebsstangen 11.1, 11.2, 11.3 symmetrisch verteilt um die Kolbenachse 10 angeordnet sind.
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3 zeigt einen Gehäusemodul 12.1 für einen Zylinder 7. Der Gehäusemodul 12.1 weist eine durchgehende Zylinderbohrung 18 auf, in der der Zylinder 7 längsverschiebbar angeordnet ist. Kopfseitig ist die Zylinderbohrung 18 durch einen Zylinderkopf 17 verschlossen. Ferner sind Durchgänge 19 für die Antriebsstangen vorgesehen, die natürlich je nach Ausbildung des Zylinderkopfes 17 diesen durchbringen. Anstelle des Zylinderkopfes kann auch eine kopfseitig verschlossene Zylinderbuchse in der Zylinderbohrung längsverschiebbar zur Verstellung des Hubraumes vorgesehen sein. Der Kolben 9 bewegt sich dann in der Zylinderbuchse. In analoger Weise wie für die Antriebsstange 11 sind dann Durchgänge mit Verschiebeschlitzen für die Hubraumverstellschiene 13 vorgesehen, die die Zylinderbuchsen verschieben. Die Brennstoffzufuhr erfolgt je nach Ausführung über die mit in Reihe bei der Modulmontage anzuordnenden Zylinderköpfen 17 und/oder durch Schlitze in der Gehäusemodulwand und/oder über die Kolben 9, wie nachfolgend in einer Ausführung beschrieben.
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4 zeigt einen Kolben 9, der als Doppelkolben ausgebildet ist mit einem äußeren Kolben 9.1 und einen inneren Kolben 9.3. Der äußere Kolben 9.1, der entlang der Zylinderinnenwand bewegt wird und der gegenüber dem inneren Kolben 9.3 begrenzt verschiebbar ist, weist eine verschließbare Öffnung 9.2 im Kolbenboden auf. Die Fläche der Öffnung 9.2 ist kleiner als die verbliebene Restfläche des Kolbenbodens des äußeren Kolbens 9.1. Das hat zur Folge, dass bei einer Expansion, beim Ausstoßen und auch beim Verdichten der äußeren Kolben 9.1 auf den inneren Kolben 9.3 gedrückt wird, und diese damit eine Einheit bilden.
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Der innere Kolben 9.3, der mit der Kolbenstange 8 verbunden ist, besitzt Überstromöffnungen 9.4 vom Zylinderraum unterhalb des inneren Kolbens 9.3 in den Raum zwischen dem äußeren und dem inneren Kolben. Weiter weist der innere Kolben 9.3 kolbenbodenseitig einen Ventilteller 9.5 auf, durch den die Öffnung 9.2 des äußeren Kolbens 9.1 von der brennraumabgewandten Seite verschließbar ist.
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Die Darstellung zeigt eine Aussaugposition des äußeren und inneren Kolbens 9.1, 9.3. Der Kolbenboden des inneren Kolbens 9.3 hat sich infolge der Bewegung der miteinander starr verbundenen Antriebsstangen 11.1 und 11.2 (symmetrische Kolbenbelastung) vom Kolbenboden des äußeren Kolbens 9.1 entfernt.
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Dies ist eine Folge der Druckverhältnisse und einer Haftreibung des äußeren Kolbens 9.1 an der Zylinderinnenwand.
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Diese Relativbewegung zwischen den beiden Kolben 9.1, 9.3 wird begrenzt durch die Mitnehmer 9.6, d. h. ab einem vorgebbaren Abstand zwischen den Kolbenböden mit der inneren Kolben 9.3 den äußeren Kolben 9.1 mit.
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Im Zylinderraum unterhalb des inneren Kolbens 9.3 vorhandene zu verbrennende Gemische oder Gase können wie gezeigt in die Brennkammer des Zylinders 7 über die Überströmöffnung 9.4 im inneren Kolben 9.3 und die infolge der Relativbewegung zwischen den Kolben 9.1, 9.3 jetzt geöffnete Öffnung 9.2 strömen. Kehrt sich die Bewegung der Antriebsstangen 11.1/11.2 um, bewegt sich der Kolbenboden des inneren Kolbens 9.3 auf den Kolbenboden des äußeren Kolben 9.1 zu und der Ventilteller 9.5 verschließt die Öffnung 9.2. Der Verdichtungsvorgang beginnt.
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Zur Veranschaulichung wurde hier ein gesonderter Ventilteller eingezeichnet. Ventilteller kann aber auch die gesamte Kolbenbodenfläche des inneren Kolbens 9.3 oder eine Teilfläche davon sein.
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Verdichtung und Expansion und Ausstoßen erfolgen bei geschlossener Öffnung 9.2.
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Sollen andere Flächenverhältnisse zwischen Öffnung 9.2 und Restfläche des Kolbenbodens des äußeren Kolbens 9.1 vorgesehen sein, besteht auch die Möglichkeit, zwischen dem inneren und dem äußeren Kolbenboden eine Feder anzuordnen, um eine Relativbewegung zwischen den Kolben zu erreichen.
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Ferner können die Mitnehmer verstellbar sein, was auf die Überströmgeschwindigkeit und die Menge an überströmenden Brennstoffen Einfluss hat.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmekraftmaschine
- 2
- Antriebsmaschine (Generator, Pumpe, Verdichter)
- 3
- Kolben-Zylinder-Einheit
- 4
- Kolben-Zylinder-Einheit
- 5
- Kolben-Zylinder-Einheit
- 6
- Kolben-Zylinder-Einheit
- 7
- Zylinder
- 8
- Kolbenstange
- 9
- Kolben
- 9.1
- äußerer Kolben
- 9.2
- Öffnung im Kolbenboden
- 9.3
- innerer Kolben
- 9.4
- Überströmöffnungen
- 9.5
- Ventilteller
- 9.6
- Mitnehmer
- 10
- gemeinsame Kolbenachse
- 10.n
- Kolbenachse des Kolbens n
- 11
- Antriebsstange
- 12
- Gehäuse
- 12.1
- Gehäusemodul
- 13
- Hubraumverstellschiene
- 13.1
- Teilstück der Hubraumverstellschiene
- 13.2
- Teilstück der Hubraumverstellschiene
- 14
- Antrieb
- 15
- Ventil im Zylinderkopf
- 16
- nicht vergeben
- 17
- Zylinderkopf
- 18
- Zylinderbohrung
- 19
- Durchgang für Antriebsstange
- 20
- Zylinderkopf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/074428 [0002]
- DE 102008004879 [0002]
- DE 2519912 [0002]
- DD 113593 A [0002]
- DE 4315046 A1 [0003]
- DE 1451683 A [0004]
- DE 3029287 A1 [0004]
- DE 102006059557 A1 [0004]
- DE 10219549 B4 [0005]
- DE 102009052960 A1 [0006]
- DE 30258912 [0009]
- EP 1451919 B1 [0009]
