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Die Erfindung betrifft ein Aggregat, insbesondere einen Kompressor oder Verbrennungsmotor, mit einem Gehäuse, in dem vier Kolben angeordnet sind, von denen ein erster Kolben eine erste Endfläche, ein zweiter Kolben eine zweite Endfläche, ein dritter Kolben eine der ersten Endfläche zugewandte dritte Endfläche und ein vierter Kolben eine der zweiten Endfläche zugewandte vierte Endfläche aufweist, wobei die Kolben mit begrenztem Hub um eine Schwenkachse hin- und hergehend schwenkbeweglich sind, mit einem im Gehäuse angeordneten Kolbenkäfig, in dem die vier Kolben angeordnet sind, weiterhin mit einem Steuermechanismus in dem Gehäuse, der ein Kurvenglied aufweist, an dem die Kolben zur Erzeugung ihrer Schwenkbewegungen geführt sind, wobei die Kolben zusammen mit dem Kolbenkäfig oder das Kurvenglied um eine zur Schwenkachse senkrechte Drehachse in dem Gehäuse drehbar sind bzw. ist, wobei das Kurvenglied radial außerhalb der Kolben ringförmig um die Drehachse herum angeordnet ist, und mit Arbeitskammern in dem Gehäuse für jeweils ein Arbeitsmedium, die zwischen den einander zugewandten Endflächen der Kolben gebildet sind.
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Ein derartiges Aggregat ist aus
WO 2011/147492 A2 bekannt.
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Das Aggregat gemäß der vorliegenden Erfindung kann in Grundbauweise als Kompressor oder Verbrennungsmotor ausgebildet sein. In weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Aggregats kann dieses durch Ergänzung mit einem elektromotorischen Teil auch als Stromgenerator oder Hybridmotor ausgebildet sein. Im Falle der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aggregats als Kompressor kann durch Ergänzung mit einem elektromotorischen Teil das Aggregat ohne externen Antrieb arbeiten, indem der elektromotorische Teil die Antriebsenergie für den Kompressor liefert. Die vorliegende Erfindung ist auf die vorstehend genannten Beispiele jedoch nicht beschränkt.
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Das aus dem eingangs genannten Dokument
WO 2011/147492 A2 bekannte Aggregat weist einen kolbenmotorischen Teil auf, der vier in einem kugelförmigen Gehäuse angeordnete Kolben aufweist. Die Kolben sind in einem Kolbenkäfig aufgenommen. Aufgrund des kugelförmigen Gehäuses wird das bekannte Aggregat sowie das erfindungsgemäße Aggregat auch als Kugelmotor oder allgemein Kugelaggregat bezeichnet. Bei dem bekannten Aggregat sind jeweils zwei Kolben zu einem Kolbenpaar starr miteinander verbunden, so dass insgesamt zwei Kolbenpaare mit insgesamt vier Kolben vorhanden sind. Das bekannte Aggregat weist insgesamt zwei Arbeitskammern für jeweils ein Arbeitsmedium auf. Dabei ist eine erste Arbeitskammer zwischen der ersten Endfläche des ersten Kolbens und der dieser zugewandten dritten Endfläche des dritten Kolbens gebildet, und die zweite Arbeitskammer ist zwischen der zweiten Endfläche des zweiten Kolbens und der dieser zugewandten vierten Endfläche des Kolbens gebildet.
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Das erste Kolbenpaar und das zweite Kolbenpaar des bekannten Aggregats führen hin- und hergehende Schwenkbewegungen um eine gemeinsame Schwenkachse aus, wobei die Schwenkbewegungen des ersten Kolbenpaares zu den Schwenkbewegungen des zweiten Kolbenpaares gegensinnig verlaufen. Auf diese Weise verkleinert sich die erste Arbeitskammer im Volumen, indem sich die erste Endfläche des ersten Kolbens und die dritte Endfläche des dritten Kolbens aufeinander zu bewegen, während sich gleichzeitig die zweite Arbeitskammer im Volumen vergrößert, indem sich die zweite Endfläche des zweiten Kolbens und die vierte Endfläche des vierten Kolbens voneinander weg bewegen.
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Im Falle der Ausgestaltung des Aggregats als Verbrennungsmotor wird in den beiden Arbeitskammern jeweils ein Brennstoff-Luft-Gemisch als Arbeitsmedium angesaugt, verdichtet, gezündet, expandiert und wieder ausgestoßen.
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Im Falle der Ausgestaltung des bekannten Aggregats als Kompressor wird in den beiden Arbeitskammern jeweils ein Gas, insbesondere Luft, als Arbeitsmedium angesaugt, verdichtet und in verdichtetem Zustand wieder ausgestoßen.
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Weitere Aggregate in Form von Kugelmotoren sind aus
WO 2006/089576 A1 oder aus
WO 2007/014752 A1 bekannt, die an dem bisherigen Konzept festhalten, dass diese Aggregate vier Kolben und zwei Arbeitskammern aufweisen.
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Die bekannten Kugelmotoren weisen zum Erzeugen der hin- und hergehenden Schwenkbewegungen der vier Kolben ein Kurvenglied auf, an dem die vier Kolben geführt sind. Dabei ist es vorgesehen, dass entweder das Kurvenglied um eine zur Schwenkachse senkrechte Drehachse in dem Gehäuse drehbar ist, während die vier Kolben an der Drehbewegung nicht teilnehmen, oder die vier Kolben nebst Kolbenkäfig sind gemeinsam um die Drehachse drehbar, während das Kurvenglied sich nicht um die Drehachse dreht. In beiden vorstehend genannten Fällen weist das Kurvenglied der bekannten Aggregate zwei Steuerkurven auf, die beide etwa sinusförmig ausgebildet sind. Hierdurch entstehen bei einer 360°-Drehung des Kurvenglieds oder einer 360°-Drehung der Kolben im Fall der Ausgestaltung des Aggregats als Verbrennungsmotor in beiden Arbeitskammern wie bei einem Vier-Zylinder-Ottomotor vier vollständige Arbeitstaktwechsel. Trotz der funktionalen Übereinstimmung mit einem Vier-Zylinder-Ottomotor ist es jedoch ein gewisser Nachteil, dass die funktionale Übereinstimmung nur dadurch ermöglicht wird, dass die Steuerkurven des Kurvengliedes etwa sinusförmig ausgebildet sind. Die sinusförmige Ausgestaltung der Steuerkurven ist, zumindest bei höheren Drehzahlen, insoweit nachteilig, als die Führung der Kolben an den Steuerkurven beim Umlaufen der Kolben um die Drehachse oder beim Umlaufen des Kurvengliedes um die Drehachse entsprechend der Sinusform permanenten Richtungsänderungen unterworfen ist, was zumindest bei höheren Drehzahlen zu einem „Sprungschanzeneffekt” führen und somit die Laufruhe des Aggregats beeinträchtigen kann.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für ein Aggregat der eingangs genannten Art, das weiterhin auf dem Prinzip des Kugelaggregats beruht, ein neues Bauartkonzept anzugeben, mit dem die Laufruhe des Aggregats noch weiter verbessert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des eingangs genannten Aggregats dadurch gelöst, dass zwischen der ersten Endfläche des ersten Kolbens und der dritten Endfläche des dritten Kolbens eine erste und eine zweite Arbeitskammer gebildet sind, die durch eine erste Trennwand dicht voneinander getrennt sind, und dass zwischen der zweiten Endfläche des zweiten Kolbens und der vierten Endfläche des vierten Kolbens eine dritte und eine vierte Arbeitskammer gebildet sind, die durch eine zweite Trennwand dicht voneinander getrennt sind.
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Mit dem vorliegenden erfindungsgemäßen Bauartkonzept wird nun ein Aggregat auf der Grundlage eines Kugelaggregats geschaffen, das nicht mehr nur zwei Arbeitskammern aufweist, sondern vier Arbeitskammern, und dies ohne die Anzahl an Kolben zu erhöhen, die weiterhin vier beträgt. Dies wird erfindungsgemäß durch die beiden Trennwände ermöglicht, die die bei den bekannten Aggregaten vorhandenen beiden Arbeitskammern jeweils in zwei Arbeitskammern unterteilt. Das erfindungsgemäße Aggregat ist somit auch in seiner Bauart ein Vier-Zylinder-Aggregat.
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Aufgrund der Unterteilung der bislang vorgesehenen zwei Arbeitskammern in jeweils zwei Arbeitskammern wird der Vorteil erreicht, dass die beiden einander zugewandten Endflächen des ersten und dritten Kolbens sowie des zweiten und vierten Kolbens nicht mehr nach dem Boxerprinzip zueinander gegensinnige Schwenkbewegungen ausführen müssen, weil die Endflächen der Kolben nun gegen die an der Schwenkbewegung nicht teilnehmenden Trennwände arbeiten. Der erste und der dritte Kolben arbeiten dabei gegen die erste Trennwand, und der zweite und vierte Kolben arbeiten gegen die zweite Trennwand. Hierdurch wird wiederum der Vorteil erreicht, dass der erste Kolben und der dritte Kolben nicht gleichzeitig gegen die erste Trennwand arbeiten müssen, sondern können abwechselnd, das heißt mit einem Phasenunterschied, gegen die erste Trennwand arbeiten. Das gleiche gilt für den zweiten und vierten Kolben. Dies führt, wie nachstehend noch beschrieben wird, zu einer vereinfachten Kinematik, die keine sinusförmigen Steuerkurven am Kurvenglied mehr erfordert.
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So ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass der Steuermechanismus so ausgelegt ist, dass alle Kolben gleichsinnig schwenkbeweglich sind, derart, dass die erste Arbeitskammer und die vierte Arbeitskammer ihr maximales Volumen einnehmen, wenn die zweite und die dritte Arbeitskammer ihr minimales Volumen einnehmen, und umgekehrt.
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Gerade die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Aggregats mit insgesamt vier Arbeitskammern ermöglicht diesen besonders einfachen Steuermechanismus, der darüber hinaus den Vorteil hat, dass Steuerkurven des Kurvengliedes eine besonders einfache Formgebung erhalten können.
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Das Kurvenglied weist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung zwei Steuerkurven auf, die kreisförmig um die Drehachse herum verlaufen, wobei Kreisebenen der Steuerkurven bezüglich einer zur Schwenkachse und zur Drehachse senkrechten Achse schräg verlaufen.
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Von den beiden Steuerkurven dient die eine der Führung des ersten und dritten Kolbens an dem Kurvenglied, während die andere Steuerkurve der Führung des zweiten und vierten Kolbens an dem Kurvenglied dient. Die besonders einfach herzustellende Ausgestaltung des Kurvengliedes mit zwei kreisförmig bezüglich der Drehachse ausgebildeten Steuerkurven hat den besonderen Vorteil, dass die Laufruhe des Aggregats, das heißt wenn die Kolben im Betrieb des Aggregats entlang der beiden Steuerkurven geführt sind, besonders hoch ist. Aufgrund der kreisförmigen Ausgestaltung der beiden Steuerkurven erfahren die Kolben bei ihrer Führung an den beiden Steuerkurven nämlich keinen Richtungswechsel wie im Falle von sinusförmigen Steuerkurven, bei denen sich insbesondere bei hohen Drehzahlen die Tendenz bemerkbar macht, dass die Kolben bei den Richtungswechseln der Führung wie auf einer Sprungschanze springen.
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Bei der vorstehend genannten Ausgestaltung der beiden Steuerkurven als kreisförmige Steuerkurven werden die Schwenkbewegungen somit lediglich durch die Schrägstellung der Steuerkurvenkreisebenen erzeugt. Für den vollen Hub zwischen unterem Totpunkt und oberem Totpunkt wird hierbei eine Drehung der Kolben oder eine Drehung des Kurvengliedes um 180° benötigt. Auch dies trägt zur größeren Laufruhe bei.
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Die beiden Steuerkurven verlaufen im Sinne einer gleichsinnigen Schwenkbewegung aller Kolben vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander.
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Das Kurvenglied des erfindungsgemäßen Aggregats lässt sich im Unterschied zu den Kurvengliedern mit sinusförmigen Steuerkurven der bekannten Aggregate besonders einfach und damit kostengünstig herstellen.
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Die im Wesentlichen vorhandene Parallelität der beiden Steuerkurven lässt sich ebenso sehr einfach realisieren und führt zu einer exakten Synchronisation der Schwenkbewegungen der vier Kolben.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind der erste und der zweite Kolben starr miteinander zu einem ersten Kolbenpaar verbunden, und der dritte und der vierte Kolben sind starr miteinander zu einem zweiten Kolbenpaar verbunden.
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Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass für die Lagerung der vier Kolben an der Schwenkachse nur zwei Lager erforderlich sind, nämlich für jedes Kolbenpaar nur ein Lager. Hierdurch wird die Zahl an Teilen vorteilhaft reduziert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind zumindest ein sich an die erste Endfläche anschließender erster Endabschnitt des ersten Kolbens und zumindest ein sich an die dritte Endfläche anschließender dritter Endabschnitt des dritten Kolbens in einer ersten Kolbenführungshülse gasdicht gleitend geführt, und zumindest ein sich an die zweite Endfläche anschließender zweiter Endabschnitt des zweiten Kolbens und zumindest ein sich an die vierte Endfläche anschließender vierter Endabschnitt des vierten Kolbens sind in einer zweiten Kolbenführungshülse gasdicht gleitend geführt.
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In dieser Ausgestaltung sind der erste und dritte Kolben sowie der zweite und vierte Kolben nicht mehr unmittelbar in einer in den Kolbenkäfig in dessen Innenwand eingearbeiteten Kolbenführung aufgenommen, sondern in einer im Kolbenkäfig angeordneten ersten und zweiten Kolbenführungshülse, die mit dem Kolbenkäfig lagefest verbunden sind, von diesem jedoch vorzugsweise trennbar sind. Die Innenwand der jeweiligen Kolbenführungshülse bildet die Umfangswand der jeweiligen Arbeitskammer. Die separate Ausgestaltung der Kolbenführung in Form von Kolbenführungshülsen hat den Vorteil, dass die Kolbenführungshülsen aus einem anderen Material gefertigt werden können, als der Kolbenkäfig. So können die Kolbenführungshülsen aus einem besonders abriebfesten Material gefertigt sein, wobei die Kolbenführungshülsen innenseitig ggf. mit einer Beschichtung versehen sein können. Der Kolbenkäfig kann beispielsweise aus einem hochwertigen Stahl-, Titan- oder Aluminiumguss gefertigt sein, während die Kolbenführungshülsen aus einer Aluminiumlegierung mit einer Nikasil-Beschichtung, aus Titan-Sintermetall, Magnesium oder Keramiksinter gefertigt werden können. Die Kolbenführungshülsen können dabei besonders dünnwandig ausgebildet werden, was die Wärmeabfuhr von den Kolben im Bereich der Arbeitskammern deutlich verbessert. Darüber hinaus kann der Kolbenkäfig, da er in dieser Ausgestaltung nicht mehr die Gasdichtigkeit im Bereich der Arbeitskammern gewährleisten muss, zumindest im Bereich der Kolbenführungshülsen mit großflächigen Durchbrechungen versehen sein, wodurch die Kolbenführungshülsen außenseitig sehr gut für ein Schmiermittel/Kühlmittel zugänglich sind. Im Falle, dass die Kolbenführungshülsen trennbar mit dem Kolbenkäfig verbunden sind, können die Kolbenführungshülsen vorteilhafterweise bei Verschleiß ausgetauscht werden, ohne dass dafür der gesamte Kolbenkäfig ausgetauscht werden muss.
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Vorzugsweise liegen der erste Endabschnitt des ersten Kolbens und der dritte Endabschnitt des dritten Kolbens sowie der zweite Endabschnitt des zweiten Kolbens und der vierte Endabschnitt des vierten Kolbens an der jeweiligen Innenwand der jeweiligen Kolbenführungshülse nur mittels jeweils zumindest einer an den Kolben angeordneten Dichtung dichtend an. Die Außenwände der vorstehend genannten Endabschnitte der Kolben stehen dagegen vorzugsweise nicht in direkter Berührung mit den Innenwänden der Kolbenführungshülsen, um Reibungsverluste deutlich zu vermindern.
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Im Zusammenhang mit der vorstehend genannten Ausgestaltung ist es weiterhin bevorzugt, wenn die erste Trennwand in der ersten Kolbenführungshülse und die zweite Trennwand in der zweiten Kolbenführungshülse angeordnet ist.
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Während es sich versteht, dass im Fall, dass die Kolben nicht in Kolbenführungshülsen aufgenommen sind, die beiden Trennwände entsprechend unmittelbar im Kolbenkäfig anzuordnen sind, hat die vorstehend genannte Maßnahme den Vorteil, dass der Kolbenkäfig besonders einfach und insbesondere luftig ausgebildet werden kann, wie bereits vorstehend im Zusammenhang mit dem Vorsehen von Kolbenführungshülsen beschrieben wurde.
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Dabei ist vorzugsweise die erste Kolbenführungshülse einschließlich der ersten Trennwand monolithisch ausgebildet, und/oder die zweite Kolbenführungshülse ist einschließlich der zweiten Trennwand monolithisch ausgebildet.
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Ein Vorteil hierbei ist, dass aufgrund der monolithischen Ausgestaltung der Kolbenführungshülsen nebst Integration der beiden Trennwände in die beiden Kolbenführungshülsen jegliche Undichtigkeiten der ersten und zweiten Arbeitskammer bzw. der dritten und vierten Arbeitskammer, insbesondere im Bereich der Trennwände, vermieden werden.
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Im Zusammenhang mit der oben angegebenen Ausgestaltung, bei der jeweils zwei Kolben starr miteinander zu einem Kolbenpaar verbunden sind, ist es weiterhin bevorzugt, wenn das erste Kolbenpaar einen ersten Kolbenpaarkörper aufweist, wobei der erste Endabschnitt und der zweite Endabschnitt lösbar mit dem ersten Kolbenpaarkörper verbunden sind, und/oder wenn das zweite Kolbenpaar einen zweiten Kolbenpaarkörper aufweist, wobei der dritte Endabschnitt und der vierte Endabschnitt lösbar mit dem zweiten Kolbenpaarkörper verbunden sind.
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Diese Ausgestaltung ist insbesondere in Verbindung mit einer monolithischen Ausgestaltung der beiden Kolbenführungshülsen von Vorteil, da durch die lösbare Verbindung der jeweiligen Endabschnitte des jeweiligen Kolbenpaares der Einbau der Kolben in die jeweilige Kolbenführungshülse trotz deren Unteilbarkeit wesentlich vereinfacht ist. Bei der Montage können in dieser Ausgestaltung die Endabschnitte beidseitig der jeweiligen Trennwand in die jeweilige Kolbenführungshülse eingesetzt werden, und anschließend wird der jeweilige Kolbenpaarkörper an die bereits in die Kolbenführungshülsen eingesetzten Endabschnitte angesetzt und dann beispielsweise mittels Schrauben, die von der dem jeweiligen Endabschnitt abgewandten Seite her in den jeweiligen Kolbenpaarkörper eingesetzt werden, mit dem jeweiligen Endabschnitt verschraubt werden. Die Endabschnitte besitzen dabei die eigentliche Kolbenfunktion und stellen somit die eigentlichen Kolben dar, während der Kolbenkörper, der die Endabschnitte verbindet, die Funktion einer Pleuelstange besitzt.
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Ein weiterer Vorteil der separaten Ausführung (ohne Verbindungsmittel, wie Schrauben) der Kolbenendabschnitte ist, dass die Kolbenpaarkörper, aus einem leichten, zähen Kohlefaser-Verbundwerkstoff, Titan, Alu-Legierung oder aus einem anderen leichten und zähen Material gefertigt sein können, während die Kolbenendabschnitte aus typischem Kolben-Aluminium oder einem anderen leichten Metall, wie beispielsweise Magnesium, gefertigt werden können. Die Endabschnitte können jedoch ebenfalls aus einem Kohlefaser-Verbundwerkstoff oder Keramik hergestellt sein.
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Ein noch weiterer Vorteil der separaten Ausführung der Kolbenendabschnitte besteht darin, dass die Kolbenendabschnitte, die die eigentlichen Kolben mit Dichtungsaufgaben darstellen, auswechselbar sind, bzw. an jeden speziellen Einsatzfall des Aggregats angepasst und ausgeführt werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die erste Kolbenführungshülse und die zweite Kolbenführungshülse in dem Kolbenkäfig durch Formschluss festgelegt.
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Hierbei ist von Vorteil, dass für die Lagefixierung der Kolbenführungshülse im Kolbenkäfig keine zusätzlichen Fixiermittel, wie Verschraubungen oder dergleichen, erforderlich sind, um die Kolbenführungshülse lagefest zu halten. Außerdem wird hierdurch der Montageaufwand beim Einbau der Kolbenführungshülsen in den Kolbenkäfig verringert, und die Kolbenführungshülsen lassen sich besonders einfach und schnell zum Austausch gegen eine andere Kolbenführungshülse entfernen. Der Formschluss wird vorzugsweise durch eine formschlüssige spielfreie Einfassung der Kolbenführungshülsen durch den Kolbenkäfig realisiert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die erste Trennwand und/oder die zweite Trennwand mit zumindest einem Hohlraum gekammert ausgebildet.
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Hierbei ist von Vorteil, dass die mit zumindest einem Hohlraum versehenen Trennwände intern gekühlt werden können, was einer Zylinderkopf-Kühlung gleichkommt. Dabei können in die Trennwände Kühlschlangen integriert werden.
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Ein weiterer Vorteil der gekammerten Ausbildung der Trennwände besteht darin, dass sie gleichsam als einstückiges Hohlprofil mit Stegwänden quer zur Trennwandfläche ausgebildet sein können, wodurch die Trennwände hoch druckstabil sind und den in den Arbeitskammern entstehenden Drücken gut standhalten können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Kurvenglied um die Drehachse drehbar, und das Kurvenglied ist mit einem Rotor eines elektromotorischen Teils, der in dem Gehäuse angeordnet ist, drehfest verbunden.
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Alternativ zu dieser Ausgestaltung kann der Kolbenkäfig gemeinsam mit den vier Kolben um die Drehachse drehbar sein, und der Kolbenkäfig ist mit einem Rotor eines elektromotorischen Teils, der in dem Gehäuse angeordnet ist, drehfest verbunden.
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In beiden vorstehend genannten Fällen ist das erfindungsgemäße Aggregat somit mit einem kolbenmotorischen und mit einem elektromotorischen Teil ausgestattet. Das erfindungsgemäße Aggregat kann somit beispielsweise als Kompressor arbeiten, wobei der Antriebs-Elektromotor in das Aggregat integriert ist, oder das Aggregat kann als Stromgenerator arbeiten, indem der kolbenmotorische Teil den elektromotorischen Teil antreibt, so dass dieser elektrische Energie erzeugt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist jeder der vier Arbeitskammern jeweils ein Einlass und ein Auslass für ein jeweiliges Arbeitsmedium zugeordnet.
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Wie bereits erwähnt, sind die vier Arbeitskammern des erfindungsgemäßen Aggregats jeweils für sich in der Lage, den gleichen Arbeitsprozess wie die anderen drei Arbeitskammern ablaufen zu lassen, wobei entsprechend jede Arbeitskammer über einen Gaseinlass und einen Gasauslass verfügen muss.
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Im Fall, dass das erfindungsgemäße Aggregat als Verbrennungsmotor ausgestaltet ist, sind des Weiteren jeder Arbeitskammer ein Einlass für ein Verbrennungsmedium sowie ggf. ein Zündmittel, beispielsweise eine Zündkerze, zugeordnet.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden mit Bezug auf diese hiernach näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Aggregat gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt senkrecht zu einer Schwenkachse und parallel zu einer Drehachse;
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2 einen inneren Teil des Aggregats in 1, wobei gegenüber 1 das Gehäuse weggelassen ist, und wobei die Kolben in 2 in einer gegenüber 1 veränderten Betriebsstellung gezeigt sind;
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3 den inneren Teil des Aggregats gemäß 2 in perspektivischer Darstellung;
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4 den inneren Teil des Aggregats in einer Darstellung wie in 2, wobei die Kolben in einer gegenüber 2 veränderten Betriebsstellung gezeigt sind;
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5 den inneren Teil des Aggregats in einer Darstellung wie in 2, wobei die Kolben in einer noch weiteren Betriebsstellung gezeigt sind;
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6a) und b) ein durch zwei Kolben des Aggregats in 1 bis 6 gebildetes Kolbenpaar, wobei 7a) das Kolbenpaar im zusammengesetzten Zustand und 7b) das Kolbenpaar in zerlegtem Zustand zeigt;
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7 eine Hälfte eines Kurvengliedes des Aggregats in 1 in einer ebenen Ansicht;
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8 die Hälfte des Kurvengliedes in 8 in perspektivischer Darstellung;
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9 einen Kolbenkäfig des Aggregats in 1 mit darin eingesetzten Kolbenführungshülsen, wobei eine der Kolbenführungshülsen aufgebrochen dargestellt ist, und wobei zwei Hälften des Kolbenkäfigs auseinandergezogen gezeigt sind; und
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10 ein Aggregat gemäß einem weiteren, gegenüber dem Aggregat in 1 abgewandelten Ausführungsbeispiel in einer Darstellung wie in 1.
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In 1 ist ein mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehenes Aggregat dargestellt. Das Aggregat 10 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Kompressor mit integriertem elektromotorischen Teil ausgestaltet. Mit geringfügigien Modifikationen kann das Aggregat 10 jedoch auch als Verbrennungsmotor mit integriertem elektromotorischem Teil verwendet werden. Die Verwendung als Kompressor ist jedoch eine bevorzugte Verwendung.
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Weitere Einzelheiten des Aggregats 10 sind in 2 bis 9 dargestellt. 10 zeigt ein geringfügig abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Aggregats 10.
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Mit Bezug auf 1 weist das Aggregat 10 ein Gehäuse 12 auf, das im Wesentlichen durch zwei Gehäusehälften 14 und 16 gebildet wird. Die beiden Gehäusehälften 14 und 16 sind über eine Mehrzahl nicht dargestellter Schrauben aneinander befestigt.
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In dem Gehäuse 12 sind ein kolbenmotorischer Teil 18 sowie ein elektromotorischer Teil 20 angeordnet. Zunächst wird der kolbenmotorische Teil 18, auch mit Bezug auf 2 bis 9, näher beschrieben.
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Der kolbenmotorische Teil 18 weist einen ersten Kolben 22, einen zweiten Kolben 24, einen dritten Kolben 26 und einen vierten Kolben 28 auf. Der erste Kolben 22 und der zweite Kolben 24 sind zu einem ersten Kolbenpaar 29 starr miteinander verbunden. Der dritte Kolben 26 und der vierte Kolben 28 sind zu einem zweiten Kolbenpaar 30 starr miteinander verbunden.
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6a) und b) zeigen das erste Kolbenpaar 29 in Alleinstellung. Das erste Kolbenpaar 29 ist insgesamt dreiteilig aufgebaut (das Gleiche gilt für das zweite Kolbenpaar 30). Das Kolbenpaar 28 weist einen Kolbenpaarkörper 32 auf, mit dem beidseits ein erster Endabschnitt 34 des ersten Kolbens 22 und ein zweiter Endabschnitt 36 des zweiten Kolbens 24 lösbar verbunden ist. Die lösbare Verbindung der Endabschnitte 34 und 36 mit dem Kolbenpaarkörper 32 ist mittels Schrauben 38, 40 sowie 42, 44 realisiert. Die Endabschnitte 34 und 36 bilden die eigentlichen Kolben 22 und 24. Der Kolbenpaarkörper 32, der die Funktion einer Pleuelstange besitzt, weist weiterhin ein Lagerauge 46 auf. Das zweite Kolbenpaar 30 weist entsprechend Endabschnitte 35 und 37 sowie einen Kolbenpaarkörper 33 auf (siehe 2).
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Wieder mit Bezug auf 1 bis 9 sind die Kolben 22, 24, 26, 28 an einer Achse 48 schwenkbeweglich gelagert, wobei die Achse 48 eine Schwenkachse 50 definiert. Die Lagerung der Kolben 22, 24, 26, 28 an der Achse 48 erfolgt hierbei über die Lageraugen der Kolbenpaarkörper, wie vorstehend für das Lagerauge 46 des Kolbenpaarkörpers 32 des Kolbenpaares 29 beschrieben wurde. Durch die Zusammenfassung der Kolben 22 und 24 zu dem ersten Kolbenpaar 29 und der Kolben 26 und 28 zu dem zweiten Kolbenpaar 30 ist die Lagerung der Kolben 22, 24, 26, 28 an der Achse 48 einfach zu bewerkstelligen, da für die vier Kolben 22, 24, 26, 28 nur zwei Lageraugen erforderlich sind.
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Die Kolben 22, 24, 26, 28 führen um die Schwenkachse 50 hin- und hergehende Schwenkbewegungen aus, die im Hub zwischen einer OT-Stellung (oberer Totpunkt) und einer UT-Stellung (unterer Totpunkt) begrenzt sind.
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Der erste Kolben 22 weist eine erste Endfläche 52, der zweite Kolben 24 eine zweite Endfläche 54, der dritte Kolben 26 eine dritte Endfläche 56 und der vierte Kolben 28 eine vierte Endfläche 58 auf.
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Die Endflächen 52, 54, 56, 58 sind, wie beispielsweise in 3 ersichtlich, als Kreisflächen ausgebildet.
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Jedem der Kolben 22, 24, 26, 28 ist eine eigene Arbeitskammer zugeordnet. Gemäß 2 ist dem ersten Kolben 22 eine erste Arbeitskammer 60, dem zweiten Kolben 24 eine zweite Arbeitskammer 62, dem dritten Kolben 26 eine dritte Arbeitskammer 64 und dem vierten Kolben 28 eine vierte Arbeitskammer 66 zugeordnet.
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Die Arbeitskammern 60, 62, 64, 66 dienen im Fall der Ausgestaltung des Aggregats 10 als Kompressor zum Ansaugen eines Arbeitsmediums, insbesondere Luft, und Verdichten und Ausstoßen desselben unter Druck.
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Die erste Arbeitskammer 60 ist von der dritten Arbeitskammer 64 durch eine erste Trennwand 68 getrennt, und die zweite Arbeitskammer 62 ist von der vierten Arbeitskammer 66 durch eine zweite Trennwand 70 getrennt. Die Trennung der Arbeitskammern 60, 64 bzw. 62, 66 voneinander durch die Trennwände 68, 70 ist dabei gasdicht, so dass ein Übertritt von Arbeitsmedium zwischen den Arbeitskammern 60, 64, 62, 66 vermieden wird.
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Die Trennwände 68, 70 sind mit zumindest einem Hohlraum, hier jeweils drei Hohlräumen 68a, 68b, 68c bzw. 70a, 70b, 70c gekammert ausgebildet (siehe 2).
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Die erste Arbeitskammer 60 wird somit in Schwenkrichtung des Kolbens 22 gesehen durch die erste Endfläche 52 und eine erste Wandfläche 72 der Trennwand 68, die zweite Arbeitskammer 62 durch die zweite Endfläche 54 und eine zweite Wandfläche 74 der Trennwand 70, die dritte Arbeitskammer 64 durch die dritte Endfläche 56 und eine dritte Wandfläche 76 der Trennwand 68 und die vierte Arbeitskammer 66 durch die vierte Endfläche 58 und eine vierte Wandfläche 78 der Trennwand 70 begrenzt.
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Zur Erzeugung der hin- und hergehenden Schwenkbewegungen der Kolben 22, 24, 26, 28 bzw. der Kolbenpaare 28, 30 um die Schwenkachse 50 weist das Aggregat 10 weiterhin einen Steuermechanismus 80 auf. Der Steuermechanismus 80 weist ein Kurvenglied 82 auf, das in 7 und 8 jeweils hälftig in Alleinstellung gezeigt ist.
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Das Kurvenglied 82 weist zwei Steuerkurven 84 und 86 auf, die bezüglich einer Drehachse 88 (siehe auch 1), die wie die Schwenkachse 50 als geometrische Achse zu verstehen ist, kreisförmig um 360° verlaufen. Die Drehachse 88 verläuft senkrecht zur Schwenkachse 50. Die Steuerkurven 84 und 86 definieren Kreisebenen, die bezüglich einer zur Schwenkachse 50 und zur Drehachse 88 senkrechten Symmetrieachse 89 (siehe 7) schräg verlaufen. Wie aus 7 ersichtlich, verlaufen die beiden Steuerkurven 84 und 86 im Wesentlichen parallel zueinander.
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Gemäß 2 weist der erste Kolben 22 ein erstes Lauforgan 91, der zweite Kolben 24 ein Lauforgan 93, der dritte Kolben 26 ein Lauforgan 95 und der vierte Kolben 28 ein Lauforgan 97 auf. Die Lauforgane 91, 93, 95, 97 sind in Form von Kugeln ausgebildet, die in Kugelaufnahmen bzw. Kugelpfannen auf einer jeweiligen Rückseite der Kolben 22, 24, 26, 28 im jeweiligen Kolbenpaarkörper 32, 33 ausgebildet sind. Obwohl die vier Kolben 22, 24, 26, 28 zu den Kolbenpaaren 29, 30 zusammengefasst sind, so dass es prinzipiell möglich wäre, nur jeweils einem der Kolben 22, 24 bzw. 26, 28 ein Lauforgan zuzuordnen, hat die hier gewählte Ausführung den Vorteil einer gleichmäßigeren Masseverteilung.
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Über die Lauforgane 91, 93, 95, 97 in Form von Kugeln, die in den jeweiligen Kugelaufnahmen in allen Raumachsen frei drehbar sind, sind die Kolben 22, 24, 26, 28 an dem Kurvenglied 82 geführt. Die Lauforgane 91, 95 sind dabei entlang der Steuerkurve 84 und die Lauforgane 93, 97 entlang der Steuerkurve 86 geführt.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist das Kurvenglied 82 um die Drehachse 88 drehbar. Die Kolben 22, 24, 26, 28 hingegen stehen bezüglich der Drehachse 88 fest. Bei einer Rotation des Kurvengliedes 82 um die Drehachse 88 führen die Kolben 22, 24, 26, 28 hin- und hergehende Schwenkbewegungen aus. Dabei sind die Schwenkbewegungen aller Kolben 22, 24, 26, 28 gleichsinnig, das heißt die Kolben 22, 24, 26, 28 verschwenken abwechselnd gemeinsam im Uhrzeigersinn und gemeinsam im Entgegenuhrzeigersinn um die Schwenkachse 50. Dies bedeutet, dass sich die erste Arbeitskammer 60 und die vierte Arbeitskammer 66 gleichsinnig vergrößern und verkleinern, und ebenso vergrößern und verkleinern sich die zweite Arbeitskammer 62 und die dritte Arbeitskammer 64 gleichsinnig. Hingegen ist die Verringerung bzw. Vergrößerung des Volumens der Arbeitskammern 60 und 66 gegensinnig zur Vergrößerung und Verkleinerung des Volumens der Arbeitskammern 62 und 64.
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1 zeigt eine Betriebsstellung der Kolben 22, 24, 26, 28, in der die Arbeitskammern 62 und 64 ihr maximales Volumen einnehmen, während die Arbeitskammern 60 und 66 ihr minimales Volumen einnehmen. 2 zeigt ausgehend von 1 eine Betriebsstellung der Kolben 22, 24, 26, 28, in der alle Arbeitskammern 60, 62, 64 und 66 das gleiche Volumen einnehmen, das heißt ausgehend von 1 hat sich das Volumen der Arbeitskammern 60 und 66 vergrößert, das Volumen der Arbeitskammern 62, 64 hingegen verringert. 3 zeigt die Betriebsstellung der Kolben 22, 24, 26, 28 in 2 perspektivisch. 4 zeigt eine Betriebsstellung der Kolben 22, 24, 26, 28, in der die Arbeitskammern 60 und 66 ihr maximales Volumen einnehmen, während die Arbeitskammern 62 und 64 nunmehr ihr minimales Volumen einnehmen. Für den Übergang der Betriebsstellung der Kolben 22, 24, 26, 28 in 1 in die Betriebsstellung in 4 hat sich das Kurvenglied 82 um 180° um die Drehachse 88 gedreht. Bei einer weiteren Drehung des Kurvengliedes 82 um die Drehachse 88 um 180° nehmen die Kolben 22, 24, 26, 28 wieder ihre Betriebsstellung wie in 1 ein, die auch in 5 gezeigt ist.
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Der kolbenmotorische Teil 18 des Aggregats 10 weist weiterhin einen Kolbenkäfig 90 auf, in dem die Kolben 22, 24, 26, 28 angeordnet sind. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei dem die Kolben 22, 24, 26, 28 bezüglich der Drehachse 88 lagefest sind, ist auch der Kolbenkäfig 90 bezüglich der Drehachse 88 lagefest.
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Der Kolbenkäfig 90 ist ohne die Kolben 22, 24, 26, 28 in 9 in Alleinstellung gezeigt.
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Gemäß 9 ist der Kolbenkäfig 90 in zwei Hälften 92 und 94 unterteilt. Der Kolbenkäfig 90 weist jeweils endseitig einen Stirnflansch 96 und 98 auf, über die der Kolbenkäfig 90 in dem Gehäuse 12 gehäusefest gehalten ist (siehe auch 1). In dem Kolbenkäfig sind eine erste Kolbenführungshülse 100 und eine zweite Kolbenführungshülse 102 angeordnet. Zusätzlich mit Bezug auf 2 dient die erste Kolbenführungshülse 100 zur gasdichten gleitenden Führung des ersten Endabschnitts 34 des ersten Kolbens 22 sowie des dritten Endabschnitts 35 des dritten Kolbens 26. Die zweite Kolbenführungshülse 102 dient entsprechend der gasdichten gleitenden Führung des zweiten Endabschnitts 36 des zweiten Kolbens 24 und des vierten Endabschnitts 37 des vierten Kolbens 28. Die Kolbenführungshülsen 100 und 102 weisen für die Aufnahme der Endabschnitte 34, 35, 36, 37 entsprechende Aufnahmen auf, wie in 9 für eine Aufnahme 104 der zweiten Kolbenführungshülse 102 für den vierten Endabschnitt 37 gezeigt ist. Die Kolbenführungshülsen 100 und 102 sind wie die Kolben 22, 24, 26, 28 gekrümmt zylindrisch ausgebildet, wobei die Krümmung der Kolbenführungshülsen 100 und 102 konzentrisch zur Schwenkachse 50 ist.
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Die Aufnahmen für die Endabschnitte 34, 35, 36, 37 in den Kolbenführungshülsen 100 und 102, wie für die Aufnahme 104 des Endabschnitts 37 in 9 gezeigt ist, bilden somit die jeweilige Umfangsbegrenzung der Arbeitskammern 60, 62, 64, 66.
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Die Trennwand 68 ist in der Kolbenführungshülse 100 angeordnet, und die Trennwand 70 in der Kolbenführungshülse 102. Die Kolbenführungshülse 100 und die Kolbenführungshülse 102 sind jeweils monolithisch ausgebildet, und zwar einschließlich der Trennwand 68 bzw. der Trennwand 70. Die monolithische, das heißt die ungeteilte Ausgestaltung der Kolbenführungshülsen 100 und 102 wird durch die mehrteilige Ausgestaltung der Kolbenpaare 29 und 30 ermöglicht, wie oben bereits beschrieben wurde. Für den Zusammenbau der Kolbenpaare 29, 30 mit den Kolbenführungshülsen 100, 102 können nämlich die Endabschnitte 34, 35, 36, 37 zunächst ohne die Kolbenpaarkörper 32, 33 in die jeweilige Aufnahme der Kolbenführungshülsen 100, 102 eingesetzt werden, und anschließend werden die Kolbenpaarkörper 32, 33 mit den Endabschnitten 34, 35, 36, 37 verschraubt. Wie aus 1 bis 5 und 9 ersichtlich ist, erstrecken sich die Kolbenführungshülsen 100 und 102 nur über einen Teilumfang um die Schwenkachse 50 herum.
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Wieder mit Bezug auf 1 weist das Aggregat 10 für jede der Arbeitskammern 60, 62, 64, 66 einen Einlass sowie einen Auslass für ein Arbeitsmedium auf. Der Arbeitskammer 60 ist ein Einlass 106 und ein Auslass 108 zugeordnet, der Arbeitskammer 62 ein Einlass 110 und ein Auslass 112, der Arbeitskammer 64 ein Einlass 114 und ein Auslass 116, und der Arbeitskammer 66 ein Einlass 118 und ein Auslass 120.
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In dem Kolbenkäfig 90 sind, wie in 4 gezeigt ist, entsprechend Gaswechselöffnungen 122 (Arbeitskammer 60), 124 (Arbeitskammer 62), 126 (Arbeitskammer 64) und 128 (Arbeitskammer 66) vorhanden. Die Gaswechselöffnungen 122, 124, 126, 128 gehen dabei durch die Kolbenführungshülsen 100 und 102 hindurch.
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Gemäß 1 sind in den Gaswechselöffnungen 122, 124, 126, 128 Ventile, insbesondere Flatterventile, angeordnet, wie für ein Flatterventil 130 gezeigt ist, das in der Gaswechselöffnung 122 sitzt.
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Im Fall, dass das Aggregat 10 als Verbrennungsmotor ausgebildet ist, sind noch entsprechende Einspritzdüsen für einen Kraftstoff und ggf. Zündkerzen vorzusehen, damit in jeder der Arbeitskammern 60, 62, 64, 66 ein Verbrennungsprozess stattfinden kann.
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Der elektromotorische Teil 20 des Aggregats 10 weist einen Rotor 132 auf, der in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 durch das rotierende Kurvenglied 82 selbst gebildet wird. Das Kurvenglied 82, das die Kolben 22, 24, 26, 28 in Bezug auf die Drehachse 88 außen umgibt, trägt dazu auf seiner Außenseite Magnete 134 (siehe auch 8). Das Kurvenglied 82, das somit den Rotor 132 des elektromotorischen Teils 20 bildet, ist in dem Gehäuse 12 über Ringlager 136 und 138 um die Drehachse 88 drehbar gelagert.
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Ein Stator 140 des elektromotorischen Teils 20 ist im Gehäuse 12 angeordnet und weist hier einen Kern 142, bspw. einen Eisenkern, auf, der von Wicklungen 144 umgeben ist.
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Der elektromotorische Teil 20 dient im Fall der Ausgestaltung des Aggregats 10 als Kompressor als Elektroantrieb, um das Kurvenglied 82 in Rotation um die Drehachse 88 zu versetzen und dabei den kolbenmotorischen Teil 18 des Aggregats 10 anzutreiben, das heißt die hin- und hergehenden Schwenkbewegungen der Kolben 22, 24, 26, 28 zu erzeugen.
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In 10 ist ein gegenüber dem Aggregat 10 geringfügig abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines Aggregats 10' gezeigt, wobei für das Aggregat 10' die gleichen Bezugszeichen verwendet wurden, wie für das Aggregat 10, ergänzt durch einen '. Die gesamte vorhergehende Beschreibung des Aggregats 10 trifft mit folgenden Ausnahmen auch auf das Aggregat 10' zu, so dass im Übrigen auf die Beschreibung des Aggregats 10 verwiesen wird.
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Der Unterschied des Aggregats 10' zu dem Aggregat 10 besteht darin, dass das Kurvenglied 82' gehäusefest in dem Gehäuse 12' angeordnet ist. Dies bedeutete, dass das Kurvenglied 82' nicht um die Drehachse 88' rotieren kann. Demgegenüber ist bei dem Aggregat 10' der Kolbenkäfig 90' zusammen mit den Kolbenführungshülsen 100, 102 und den Kolben 22', 24', 26', 28' um die Drehachse 88' drehbar in dem Gehäuse 12' gelagert, wozu der Kolbenkäfig 90' über Ringlager 146', 148' drehbar um die Drehachse 88' gelagert ist.
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Entsprechend bildet nun der Kolbenkäfig 90' selbst den Rotor 132' des elektromotorischen Teils 20' des Aggregats 10' und trägt auf einem Ringflansch 150' die Magnete 134'.
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Des Weiteren benötigt das Aggregat 10' in den Gaswechselöffnungen 122', 124', 126' und 128' keine Ventile, da aufgrund der Rotation des Kolbenkäfigs 90' und der nicht auf der Drehachse 88' liegenden umfänglich begrenzten Gaswechselöffnungen 122', 124', 126', 128' der Kolbenkäfig 90' die Einlässe 106', 110', 114', 118' und die Auslässe 108', 112', 116' und 120' in der Art eines Drehschiebers öffnet und verschließt.
