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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen oder Wandeln eines Drehmoments nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine derartige Vorrichtung umfasst ein Basisteil, ein an dem Basisteil angeordnetes Kolbenelement und ein relativ zum Kolbenelement um eine Drehachse drehbares Abtriebselement. Das Abtriebselement ist hierbei derart mit dem Kolbenelement zwangsgekoppelt, dass das Abtriebselement im Betrieb der Vorrichtung bei Antreiben des Abtriebselements gleichzeitig eine Drehbewegung um die Drehachse und eine lineare Bewegung in Form einer periodischen Hubbewegung axial entlang der Drehachse ausführt. Das Kolbenelement und das Abtriebselement begrenzen einen Raum, dessen Volumen sich bei der linearen Bewegung des Abtriebselements relativ zum Kolbenelement periodisch verändert.
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Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der
WO 2010/084 153 A2 bekannt, deren Inhalt in den vorliegenden Text vollumfänglich mit einbezogen werden soll.
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Die aus der
WO 2010/084 153 A2 bekannte Vorrichtung kann als Verbrennungsmotor oder auch z. B. als Kompressor oder Pumpe Verwendung finden. Bei Verwendung als Verbrennungsmotor wird ein Brennstoff in den vom Kolbenelement und Abtriebselement begrenzten Raum gegeben und dort gezündet, um auf diese Weise die Hubbewegung des Abtriebselements anzutreiben. Gleichzeitig mit der Hubbewegung führt dabei das Abtriebselement eine der Hubbewegung überlagerte Drehbewegung aus, die abgeleitet und zum Antreiben weiterer Teile, beispielsweise von Rädern eines Fahrzeugs, verwendet werden kann. Bei Verwendung als Kompressor wird ein Fluid in dem Raum komprimiert. Bei Verwendung als Pumpe wird mittels der periodischen Hubbewegung ein Fluid, beispielsweise Wasser oder eine andere Flüssigkeit oder auch ein gasförmiges Fluid, gefördert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannte Vorrichtung weiterzubilden und insbesondere variabler einsetzbar zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Demnach weist die Vorrichtung eine Einstellvorrichtung auf, mittels derer das Kolbenelement axial entlang der Drehachse in seiner axialen Position relativ zu dem Basisteil einstellbar ist.
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Die vorliegende Erfindung geht von dem Gedanken aus, das Kolbenelement nicht starr an dem Basisteil anzuordnen, sondern mittels der Einstellvorrichtung axial entlang der Drehachse variabel einstellbar zu gestalten. Durch Einstellen der axialen Position des Kolbenelements kann das Minimalvolumen und das Maximalvolumen, zwischen denen sich das Volumen des Raums bei der linearen Bewegung des Abtriebselements periodisch im Betrieb der Vorrichtung verändert, eingestellt werden. Durch Einstellen des Kolbenelements in seiner axialen Position kann somit die Grundposition des Kolbenelements an dem Basisteil vorgegeben werden, wobei durch Verstellen des Kolbenelements das Minimalvolumen und das Maximalvolumen des Raums im Betrieb der Vorrichtung vorgegeben werden können.
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Die Einstellvorrichtung kann beispielsweise eine drehbar an dem Basisteil angeordnete Spindel aufweisen, die zum Einstellen der axialen Position des Kolbenelements mit dem Kolbenelement in Wirkverbindung steht derart, dass bei einer Drehbewegung der Spindel die axiale Position des Kolbenelements entlang der Drehachse verstellt wird. Die Spindel trägt vorzugsweise zumindest an einem Abschnitt ein Außengewinde, das mit einen dem Kolbenelement zugeordneten Gewindeabschnitt in Eingriff steht. Der Gewindeabschnitt kann beispielsweise an einer Halterung vorgesehen sein, über die das Kolbenelement an den Basisteil gehalten ist. Durch Verdrehen der Spindel und durch den Gewindeeingriff zwischen dem Außengewinde der Spindel und dem Gewindeabschnitt der Halterung kann dann das Kolbenelement axial entlang der Drehachse verstellt werden, um auf diese Weise die axiale Position des Kolbenelements und damit die Position des Kolbenelements relativ zu dem Abtriebselement vorzugeben.
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Die Spindel weist vorzugsweise einen Verzahnungsabschnitt auf, der mit einem Betätigungsmittel in Eingriff steht und mittels des Betätigungsmittels verdrehbar ist. Das Betätigungsmittel kann beispielsweise als manuell, elektrisch, hydraulisch oder mechanisch zu betätigende Kurbel ausgebildet sein, wobei die Kurbel an einer Betätigungswelle eine Schneckenverzahnung trägt, die mit dem Verzahnungsabschnitt der Spindel in Eingriff steht. Durch Verdrehen der Kurbel kann dann über den Verzahnungseingriff zwischen der Schneckenverzahnung und dem Verzahnungsabschnitt die Spindel um die Drehachsen verdreht werden.
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Bei einer Verkleinerung des Volumens des durch das Abtriebselement und das Kolbenelement gebildeten Raums wird ein in dem Raum befindliches Fluid komprimiert. Dies erfolgt aufgrund der periodischen Hubbewegung des Abtriebselements relativ zum Kolbenelement periodisch (auf eine Verkleinerung des Raums folgt immer eine Vergrößerung des Raums), wobei das Abtriebselement gleichzeitig mit der linearen Hubbewegung eine überlagerte Drehbewegung um seine Drehachse ausführt.
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Bei Verwendung der Vorrichtung als Verbrennungsmotor kann durch Zünden eines in dem Raum komprimierten Fluids das Abtriebselement zur Durchführung der Hubbewegung angetrieben werden, wobei die gleichzeitig ausgeführte Drehbewegung zum Antreiben nachgeschalteter Teile, beispielsweise zum Antreiben von Rädern eines Fahrzeugs, abgeleitet werden kann.
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Bei Verwendung der Vorrichtung als Kompressor oder als Pumpe kann das Abtriebselement beispielsweise in eine Drehbewegung versetzt werden, wobei der Kompressions- oder Pumpvorgang durch die überlagerte periodische Hubbewegung bewirkt wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind an dem Kolbenelement ein Einlassventil zum Einlassen eines Fluids, ein Auslassventil zum Auslassen eines Fluids, eine Zündkerze oder Glühkerze zum Zünden eines Fluids und/oder eine Einspritzdüse zum Einspritzen eines Fluids angeordnet. Ein Einlassventil und/oder ein Auslassventil können sowohl bei Verwendung der Vorrichtung als Verbrennungsmotor als auch als Kompressor oder Pumpe Verwendung finden. Durch das Einlassventil wird hierbei ein Fluid, beispielsweise eine Flüssigkeit (z. B. Wasser) oder ein Gas (z. B. Luft) eingelassen. Durch das Auslassventil wird das Fluid wieder ausgelassen. Beispielsweise kann bei einem Verbrennungsmotor durch das Einlassventil Luft in den durch den Raum gebildeten Brennraum geleitet werden. Durch das Auslassventil hingegen wird nach einem Verbrennungsvorgang das Abgas abgeleitet. Eine Zündkerze oder Glühkerze und eine Einspritzdüse finden regelmäßig nur bei einem Verbrennungsmotor Verwendung. Eine Zündkerze oder eine Glühkerze dienen zum Zünden oder Vorwärmen eines Brennstoffs in dem Raum. Eine Einspritzdüse dient zum Einspritzen des Brennstoffs in den Raum.
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Zur vorteilhaften Anordnung eines Einlassventils, eines Auslassventils, einer Zünd- oder Glühkerze und/oder einer Einspritzdüse an dem Kolbenelement kann das Kolbenelement beispielsweise über eine axial entlang der Drehachse erstreckte, innen hohl ausgebildete Welle mit einer Halterung verbunden und über die Halterung an dem Basisteil gehalten sein. Die Welle weist eine Bohrung auf und ist dadurch innen hohl ausgebildet, wobei durch die Bohrung hindurch eine oder mehrere Zuleitungen für das Einlassventil, das Auslassventil, die Zündkerze, die Glühkerze und/oder die Einspritzdüse, die an dem Kolbenelement zum geeigneten Ein- oder Ausleiten eines Fluids in den bzw. aus dem Raum, zum Zünden eines Fluids in dem Raum oder zum Einspritzen eines Brennstoffs in den Raum angeordnet sind, gelegt werden, so dass eine einfache, platzeffiziente Anbindung des Einlassventils, des Auslassventils, der Zündkerze, der Glühkerze oder der Einspritzdüse bereitgestellt werden kann.
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Zum Herstellen der Zwangskopplung ist das Abtriebselement vorzugsweise an einem mit dem Basisteil verbundenen und feststehend an dem Basisteil angeordneten Führungselement geführt. Das Abtriebselement und/oder das Führungselement weisen hierzu eine Führungskontur auf, die bei linearer Bewegung des Abtriebselements entlang der Drehachse das Abtriebselement in eine Drehbewegung um die Drehachse zwingt.
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Die Führungskontur kann beispielsweise durch eine an dem Abtriebselement oder dem Führungselement umlaufende, beispielsweise sinusförmige Nut ausgestaltet sein, in die ein Bolzen an dem anderen Bauteil eingreift. Weist beispielsweise das Abtriebselement an seiner äußeren zylindrischen Mantelfläche eine um die Drehachse umlaufende, sinusförmige Nut auf, so kann an dem Führungselement ein Bolzen vorgesehen sein, der in die Nut eingreift und bei einer Hubbewegung des Abtriebselements das Abtriebselement in eine überlagerte Drehbewegung um die Drehachse zwingt.
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Die Führungskontur kann aber auch beispielsweise durch einen stirnseitigen Rand eines Führungsabschnitts gebildet sein, der an einer Stirnseite des Abtriebselements anliegt und durch seine Formgebung eine Zwangskopplung zwischen dem Führungselement und dem Abtriebselement derart bewirkt, dass bei einer Hubbewegung das Abtriebselement gleichzeitig eine Drehbewegung um die Drehachse ausführt.
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Das Führungselement kann beispielsweise als zylindrische Hohlwelle ausgestaltet sein, in der das zylindrisch ausgebildete Abtriebselement geführt ist. Das Führungselement umgreift somit das Abtriebselement und führt in einer zentralen Bohrung der das Führungselement verwirklichenden zylindrischen Hohlwelle das zylindrische Abtriebselement, wobei aufgrund der Zwangskopplung eine Hubbewegung des Abtriebselements in der zylindrischen Hohlwelle von einer Drehbewegung um die Drehachse überlagert ist.
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Das Führungselement kann in einer konkreten Ausgestaltung beispielsweise zwei Führungsabschnitte aufweisen, die an der inneren Wandung der zylindrischen Hohlwelle feststehend angeordnet sind und somit in die innere Bohrung der Hohlwelle hineinragen. Axial zwischen den Führungsabschnitten ist das Abtriebselement angeordnet, wobei jeder Führungsabschnitt an einer dem Abtriebselement zugewandten Stirnseite eine Führungskontur trägt, die mit einer zugeordneten Führungskontur an einer Stirnseite des Abtriebselements in Anlage ist. Die Führungskonturen können jeweils zumindest näherungsweise eine Sinus- oder Helixkurve nachbilden, wobei die Führungskonturen an den beiden Führungsabschnitten – betrachtet in Umfangsrichtung um die Drehachse – zueinander phasenversetzt sind, um das Abtriebselement bei Ausführung einer Hubbewegung zu einer überlagerten Drehbewegung zu zwingen.
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An dem Führungselement können auch ein Einlassventil zum Einlass eines Fluids, ein Auslassventil zum Auslassen eines Fluids, eine Zünd- oder Glühkerze und/oder eine Einspritzdüse angeordnet sein. Ein Einlassventil und ein Auslassventil können hierbei beispielsweise durch jeweils eine Durchlassöffnung an dem als zylindrische Hohlwelle ausgestalteten Führungselement verwirklicht sein, wobei die Durchlassöffnung bei einer Drehbewegung des Abtriebselements relativ zu dem Führungselement mit einer zugeordneten Durchlassöffnung an dem Abtriebselement in Wirkverbindung tritt und auf diese Weise einen Durchlass hin in den durch das Abtriebselement und das Kolbenelement begrenzten Raum zum Einlassen oder Auslassen eines Fluids bereitstellen.
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Zur Bereitstellung eines Abtriebs kann das Abtriebselement in vorteilhafter Weise in Wirkverbindung mit einem Abtriebsrad stehen. Das Abtriebsrad ist hierbei vorteilhafterweise um die Drehachse des Abtriebselements drehbar an dem Basisteil gelagert, dabei aber axial feststehend zu dem Basisteil angeordnet. Das Abtriebsrad macht somit die periodische Hubbewegung des Abtriebselements im Betrieb der Vorrichtung nicht mit, sondern verbleibt an seiner axialen Position. Das Abtriebsrad ist dabei aber derart mit dem Abtriebselement gekoppelt, dass das Abtriebsrad axial bewegbar zu dem Abtriebselement ist, zur Übertragung einer Drehbewegung von dem Abtriebselement auf das Abtriebsrad aber drehfest mit dem Abtriebselement in Wirkverbindung steht. Im Betrieb der Vorrichtung ist das Abtriebselement somit axial zu dem axial festen Abtriebsrad bewegbar. Eine Drehbewegung des Abtriebselements wird dabei aber auf das Abtriebsrad übertragen, so dass die Drehbewegung des Abtriebselements über das Abtriebsrad auf ein anzutreibendes Bauteil übertragbar ist.
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Über das Abtriebsrad kann die Vorrichtung beispielsweise auch mit einer weiteren Vorrichtung zum Erzeugen oder Wandeln eines Drehmoments gekoppelt sein, so dass mehrere gleichartige Vorrichtungen gemeinsam miteinander betrieben und zum Erzeugen oder Wandeln eines Drehmoments in miteinander gekoppelter Weise eingesetzt werden können.
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Das Abtriebselement ist vorzugsweise als zylindrische Hohlwelle ausgestaltet, in die das Kolbenelement eingreift. Das Abtriebselement kann hierbei beispielsweise auch mit zwei Kolbenelementen zusammenwirken und zusammen mit den zwei Kolbenelementen zwei Räume begrenzen. Hierbei kann ein Kolbenelement sich von einer axial ersten Seite in das als zylindrische Hohlwelle ausgestaltete Abtriebselement hinein erstrecken, während das andere Kolbenelement von der axial anderen Seite sich in das Abtriebselement hinein erstreckt. Das Abtriebselement begrenzt somit mit dem ersten Kolbenelement einen ersten Raum und mit dem zweiten Kolbenelement einen zweiten Raum, wobei das Abtriebselement eine quer zur Drehachse erstreckte Trennwand zum Trennen der beiden Räume aufweist. Bei der linearen Bewegung des Abtriebselements entlang der Drehachse im Betrieb der Vorrichtung ändern sich dann die Volumen der beiden Räume periodisch, wobei die Volumenänderung entgegengesetzt zueinander erfolgt. Eine Volumenvergrößerung des einen Raums geht somit mit einer Volumenverkleinerung des anderen Raums einher. Nimmt der eine Raum sein Maximalvolumen ein, so weist der andere Raum sein Minimalvolumen auf.
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Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
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1A, 1B Ansichten einer als Verbrennungsmotor ausgebildeten Vorrichtung zum Erzeugen eines Drehmoments;
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1C Schnittansicht entlang der Linie I-I gemäß 1B;
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2 eine Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer als Verbrennungsmotor ausgebildeten Vorrichtung zum Erzeugen eines Drehmoments;
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3 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer als Verbrennungsmotor ausgebildeten Vorrichtung zum Erzeugen eines Drehmoments;
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4 eine Schnittansicht durch die Vorrichtung gemäß 3;
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5A–C Ansichten eines Kolbenelementes der Vorrichtung gemäß 3;
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6 eine perspektivische Ansicht zweier zusammenwirkender Vorrichtungen zum Erzeugen eines Drehmoments;
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7 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß 6;
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8 eine Vorderansicht der Anordnung gemäß 6;
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9 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer als Verbrennungsmotor ausgebildeten Vorrichtung zum Erzeugen eines Drehmoments;
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10A, B Detailansichten eines Führungselementes der Vorrichtung gemäß 9;
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11 eine Teilschnittansicht eines als Hohlwelle ausgebildeten Abtriebselementes der Vorrichtung gemäß 9;
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12A–E Seiten- und Schnittansichten der Vorrichtung;
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13A–D Seiten- und Schnittansichten zweier zusammenwirkender Vorrichtungen;
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14 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer als Verbrennungsmotor ausgebildeten Vorrichtung zum Erzeugen eines Drehmoments;
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15A–C eine Seitenansicht, eine Draufsicht und eine stirnseitige Ansicht der Vorrichtung gemäß 14;
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16 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß 14, ohne ein Führungselement;
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17A–C eine Seitenansicht, eine Draufsicht und eine stirnseitige Ansicht der Anordnung gemäß 16;
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18A eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß 14;
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18B eine Schnittansicht entlang der Linie A-A gemäß 18A;
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18C eine Schnittansicht entlang der Linie B-B gemäß 18B;
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19 eine perspektivische Ansicht eines Kolbenelements mit daran angeordnetem Abtriebsrad der Vorrichtung gemäß 14;
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20A–C eine Seitenansicht, eine Draufsicht und eine stirnseitige Ansicht der Anordnung gemäß 19;
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20D eine Schnittansicht entlang der Linie C-C gemäß 20C;
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20E eine vergrößerte Ansicht des Ausschnitts A gemäß 20D;
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21A–C unterschiedliche Ansichten eines Abtriebselements der Vorrichtung gemäß 14; und
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22 eine Ansicht einer Spindel einer Einstellvorrichtung zum Einstellen der axialen Position zweier Kolbenelemente der Vorrichtung gemäß 14.
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1A bis 1C zeigen Ansichten einer Vorrichtung 100 zum Erzeugen eines Drehmoments, die als Verbrennungsmotor ausgebildet ist. Ein über eine Welle 120 gehaltenes Kolbenelement 122 greift dabei über vom Kolbenelement 122 vorstehende Bolzen 123, 124 in eine Nut 151 eines Abtriebselementes 150 ein. Das Abtriebselement 150 ist um eine Drehachse D drehbar zum Kolbenelement 122 angeordnet und kann hierzu beispielsweise in einem Gehäuse gelagert sein.
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Das Kolbenelement 122 und das Abtriebselement 150 sind durch den Eingriff der Bolzen 123, 124 in die Nut 151 derart zwangsgekoppelt, dass das Abtriebselement 150 bei einer linearen Bewegung C gleichzeitig auch eine Drehbewegung T um die Drehachse D ausführt.
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Die Nut 151 erstreckt sich sinus- oder helixförmig an der dem Kolbenelement 122 zugewandeten Innenwand des zylindrischen Abtriebselementes 150 und läuft an der Innenwand um. Dadurch, dass das Kolbenelement 122 und das Abtriebselement 150 zwangsgekoppelt sind, bewegt sich das Abtriebselement 150, wenn es in Bewegung versetzt wird, entlang der Nut 151 relativ zum Kolbenelement 122 und führt in zwangsgekoppelter Weise eine Drehbewegung T um die Drehachse D und eine lineare Bewegung C in Form einer periodischen Hubbewegung aus.
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Zur Montage des Abtriebselementes 150 an dem Kolbenelement 122 können die Bolzen 123, 124 beispielsweise in radialer Richtung zur Drehachse D federnd am Kolbenelement 122 ausgebildet sein, so dass das Abtriebselement 150 auf das Kolbenelement 122 aufgesteckt werden kann und die Bolzen 123, 124 in die Nut 151 einrasten, wenn sie sich über der Nut 151 befinden. Alternativ ist auch möglich, das Abtriebselement 150 beispielsweise zweiteilig mit einem oberen und einem unteren zylindrischen Teil auszubilden, wobei die einzelnen Teile auseinandergenommen werden können, um einen Zugang zu der Nut 151 zu schaffen und die Bolzen 123, 124 in die Nut 151 einführen zu können. Nach Einsetzen der Bolzen 123, 124 in die Nut 151 werden die Teile dann z.B. über einen Bajonettverschluss wieder miteinander verbunden und bilden das Abtriebselement 150 aus.
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Das Kolbenelement 122 und das Abtriebselement 150 sind dichtend zueinander ausgebildet und schließen einen Raum W ein, in dem durch die lineare Hubbewegung C ein in dem Raum W befindliches Fluid komprimiert werden kann. 1A zeigt die Vorrichtung 100 in einer Stellung, bei der der zwischen dem Kolbenelement 122 und dem Abtriebselement 150 eingeschlossene Raum W ein maximales Volumen aufweist. In der Stellung gemäß 1B hingegen ist das Kolbenelement 122 dem Boden des Abtriebselementes 150 angenähert, so dass das Volumen des Raums W verringert und ein in dem Raum W befindliches Fluid entsprechend verdichtet ist.
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An dem Kolbenelement 122 sind ein Einlassventil 101, ein Auslassventil 102 und eine Zündkerze 103 angeordnet. Über das Einlassventil 101 kann dem Raum W ein Fluid in Form eines geeigneten Brennstoffs zugeführt werden, das über die Zündkerze 103 in verdichtetem Zustand gezündet wird. Durch die Zündung dehnt sich das Fluid explosionsartig aus und treibt das Abtriebselement 150 an, das in zwangsgekoppelter Weise eine Hubbewegung C und gleichzeitig eine Drehbewegung T ausführt. Über das Auslassventil 102 kann das verbrauchte Fluid anschließend wieder aus dem Raum W entfernt werden.
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Das Einlassventil 101 und das Auslassventil 102 können in geeigneter Weise zur Regelung der Fluidzufuhr in Abhängigkeit von der Stellung des Abtriebselementes 150 gesteuert werden.
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Wie sich aus einer vergleichenden Betrachtung der Ansichten gemäß 1A und 1B ergibt, weist das zylindrisch ausgebildete Kolbenelement 122 eine Höhe auf, die größer als die Höhe der Nut 151 ist (die den maximalen Hub des Abtriebselementes 150 relativ zum Kolbenelement 122 definiert). Dadurch überdeckt das Kolbenelement 122 die Nut 151 (die in die Innenwand des zylindrischen Abtriebselementes 150 eingeformt ist) derart, dass die Abdichtung des Raums W in jeder Stellung des Abtriebselementes 150 zum Kolbenelement 122 gewährleistet ist. Insbesondere überdeckt das Kolbenelement 122 die Nut 151 auch in der Stellung gemäß 1B, in der das Kolbenelement 122 dem Boden des Abtriebselementes 150 angenähert ist und der Raum W das kleinstmögliche Volumen aufweist, so dass das Fluid nicht aus dem Raum W entweichen kann.
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Das Abtriebselement 150 ist über einen Schaft 154 mit einer Abtriebswelle 20 in formschlüssiger Weise derart gekoppelt, dass die Drehbewegung T des Abtriebselementes 150 auf die Abtriebswelle 20 übertragen wird, die lineare Bewegung C jedoch nicht.
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Anstelle einer Kopplung über den Schaft 154 kann an der zylindrischen Außenwand des Abtriebselementes 150 auch eine Außenverzahnung angeordnet sein, die mit einer Verzahnung eines anzutreibenden Rades oder einer Welle in Eingriff steht, so dass das Abtriebselement 150 selbst als antreibende Zahnwelle dient.
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Letztere Variante ermöglicht auch die serielle Anordnung einer Mehrzahl von Vorrichtungen 100, wobei die Außenverzahnungen benachbarter Vorrichtungen 100 zur seriellen Erzeugung eines vergrößerten Drehmomentes miteinander in Eingriff stehen. Werden auf diese Weise beispielsweise vier Vorrichtungen 100 in Reihe geschaltet, vergrößert sich das erzeugte Drehmoment um den Faktor vier. Das Drehmoment kann an einer der Vorrichtungen 100 abgegriffen werden, beispielsweise über die Außenverzahnung des Abtriebselementes 150 oder einen koppelnden Schaft 154 (wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1A und 1B).
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Eine Vorrichtung nach Art der Vorrichtung 100 kann auch als Kompressor (beispielsweise einer Klimaanlage) oder als Pumpenvorrichtung verwendet werden. Dabei wird ein zu verdichtendes oder zu förderndes Fluid in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Abtriebselementes 150 und geeigneter Steuerung des Einlassventils 101 und des Auslassventils 102 zur Regelung der Fluidzufuhr in den Raum W eingesaugt, in dem Raum W komprimiert und/oder aus dem Raum W ausgestoßen.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100, die im Vergleich zu der Vorrichtung 100 gemäß 1A bis 1C mit Hinblick auf die Kopplung zwischen Kolbenelement und Abtriebselement kinematisch umgekehrt, ansonsten aber funktionsgleich ist, zeigt 2. Das Kolbenelement 122 ist an einer Welle 120 angeordnet und weist einen inneren Abschnitt 122a und einen äußeren Abschnitt 122b auf. Der innere, an einem verlängerten Abschnitt 120a der Welle 120 angeordnete Abschnitt 122a greift in das zylindrische Abtriebselement 150 ein und begrenzt zusammen mit dem Abtriebselement 150 den Raum W, der bei Ausgestaltung der Vorrichtung 100 als Verbrennungsmotor als Brennraum dient. Der (zumindest abschnittsweise zylindrische) äußere Abschnitt 122b umgreift das Abtriebselement 150, wobei der Abschnitt 122b zumindest abschnittsweise nach Art eines Bügels ausgebildet sein kann und einen Zugriff auf den inneren Abschnitt 122a beispielsweise zum Zuführen von Zuleitungen ermöglicht. Lediglich in seinem unteren Bereich, in dem eine Nut 151 angeordnet ist, ist der Abschnitt 122b nach Art eines zylindrischen, geschlossenen Rings ausgebildet. In jedem Fall ist die Passung zwischen dem Abschnitt 122b und dem Abtriebselement 150 nicht dichtend auszuführen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist in kinematischer Umkehr zur Vorrichtung 100 gemäß 1A bis 1C die Nut 151 an dem zumindest in seinem unteren Bereich zylindrischen Abschnitt 122b des Kolbenelementes 122 angeordnet und umläuft den Abschnitt 122b an seiner dem Abtriebselement 150 zugewandten Innenwand. Die Nut 151 erstreckt sich wiederum sinusförmig und definiert die Zwangskopplung zwischen dem Kolbenelement 122 und dem Abtriebselement 150, wobei an dem Abtriebselement 150 angeordnete Bolzen 123, 124 in die Nut 151 eingreifen und so die Zwangskopplung herstellen.
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Das Abtriebselement 150 weist einen zylindrischen Schaft 154 auf, der über eine in Umfangsrichtung formschlüssige Kopplung mit einer Abtriebswelle 20 derart verbunden ist, dass ein erzeugtes Drehmoment bzw. eine Drehbewegung T auf die Abtriebswelle 20 übertragen wird, eine lineare Bewegung C des Abtriebselementes 150 jedoch nicht.
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Die Vorrichtung 100 gemäß 2 weist gegenüber der Vorrichtung 100 gemäß 1A bis 1C den Vorteil auf, dass die Nut 151 außerhalb des Raums W angeordnet ist. Die Abdichtung des inneren Abschnitts 122a des Kolbenelementes 122 zum Abtriebselement 150 ist dadurch erleichtert. Insbesondere ist nicht erforderlich, dass die Höhe des Abschnitts 122a die Höhe der Nut 151 übersteigt.
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Eine Vorrichtung nach Art der Vorrichtung 100 kann wiederum als Verbrennungsmotor (mit an dem inneren Abschnitt 122a des Kolbenelementes 122 angeordnetem Einlassventil 101, Auslassventil 102 und Zündkerze 103), als Pumpe oder Kompressor oder allgemein zur Komprimierung eines Fluids (beispielsweise bei einem hydraulischen Getriebe) eingesetzt werden.
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Eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Erzeugen oder Wandeln eines Drehmoments ist in 3 bis 8 dargestellt. 3 bis 5 zeigen hier zunächst eine einzelne Vorrichtung 100 bei Ausbildung als Zweizylindermotor, während in 6 bis 8 zwei Vorrichtungen 100 parallel geschaltet sind, um einen Vierzylindermotor zu schaffen.
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Analog wie die vorangehend anhand von 1A–C geschilderte Vorrichtung verwendet auch die Vorrichtung 100 gemäß 3 bis 8 im Prinzip ein – im Betrieb feststehendes – Kolbenelement 122 und ein zu diesem Kolbenelement 122 drehbares und gleichzeitig entlang einer Drehachse D verschiebbares Abtriebselement 150. Die Vorrichtung 100 weist dabei zwei Kolbenelemente 122 auf, die jeweils an einer Welle 120 angeordnet sind.
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Das Abtriebselement 150 ist als zylindrische Hohlwelle ausgebildet und um die Drehachse D drehbar und gleichzeitig entlang der Drehachse D verschiebbar. An der zylindrischen Außenseite des Abtriebselements 150 ist eine umlaufende Nut 151 angeordnet, die mit mindestens einem Bolzen (in 3 bis 5 nicht dargestellt) in Eingriff steht. Der Bolzen ist hierbei in ortsfester Lagebeziehung zu den Kolbenelementen 122 und definiert damit eine Zwangskopplung des Abtriebselements 150 mit den Kolbenelementen 122.
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Der oder die Bolzen können beispielsweise über einen feststehenden Bügel oder dergleichen mit einer der Wellen 120 verbunden sein oder an einem Gehäuse angeordnet sein, an dem auch die Wellen 120 angeordnet sind.
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Denkbar ist in diesem Zusammenhang auch, den oder die Bolzen entlang der Drehachse D verschieblich beispielsweise an einem Gehäuse anzuordnen, um durch Verschieben der Bolzen die Bewegung des Abtriebselements 150 zusätzlich zu steuern.
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Das als zylindrische Hohlwelle ausgebildete Abtriebselement 150 definiert zusammen mit den Kolbenelementen 122 und einer das Abtriebselement 150 mittig teilenden Wand 153 zwei Räume W1, W2, die bei Ausbildung der Vorrichtung 100 als Verbrennungsmotor als Brennräume dienen. Die Kolbenelemente 122 sind nach Art von Kolben gegenüber der inneren Wandung des Abtriebselements 150 abgedichtet, so dass ein in den Räumen W1, W2 befindliches Fluid bei einer linearen Bewegung entlang der Drehachse D des Abtriebselements 150 relativ zu den Kolbenelementen 122 komprimierbar ist.
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Im Betrieb der Vorrichtung 100 führt das Abtriebselement 150 eine Drehbewegung um die Drehachse D aus und rotiert damit um die Kolbenelemente 122. Durch die Zwangskopplung über die Nut 151 wird gleichzeitig das Abtriebselement 150 in eine lineare Bewegung entlang der Drehachse D relativ zu den Kolbenelementen 122 versetzt, so dass sich die Volumina der Räume W1, W2 ändern. Während beispielsweise das Volumen des einen Raums W1 bzw. W2 sich verkleinert, vergrößert sich gleichzeitig das Volumen des anderen Raums W2 bzw. W1. Wird dabei über an den Kolbenelementen 122 angeordnete Einlass- und Auslassventile ein Brennstoff in geeigneter Weise zugeführt und gezündet, so kann hierdurch das Abtriebselement 150 zur weiteren Drehbewegung angetrieben werden.
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An der zylindrischen Außenseite des Abtriebselements 150 sind an den beiden Endabschnitten Verzahnungen 152 angeordnet, über die die Drehbewegung des Abtriebselements 150 auf anzutreibende Bauteile, beispielsweise eine anzutreibende Welle, übertragen werden kann.
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Vorteil der Vorrichtung 100 ist die symmetrische Ausbildung im Sinne einer Zweizylinderanordnung, bei der eine Verdichtung in einem Raum W1, W2 gleichzeitig zu einer Volumenvergrößerung im anderen Raum W2, W1 führt.
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Mit der Vorrichtung 100 kann in einfacher Weise ein Vier- oder auch Mehrzylindermotor geschaffen werden. Dies ist in 6 bis 8 veranschaulicht. Um einen Vierzylindermotor zu schaffen, werden zwei Vorrichtungen 100 parallel zueinander angeordnet, so dass zwei Abtriebselemente 150 jeweils zu zwei Kolbenelementen 122 drehbar und gleichzeitig linear verschieblich sind. Das eine Abtriebselement 150 ist dabei zu einer Drehachse D und das zweite Abtriebselement 150 zu einer zweiten, parallelen Drehachse D drehbar angeordnet, wobei beide Abtriebselemente 150 auch entlang der jeweiligen Drehachse D, D verschieblich gelagert sind.
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Die Abtriebselemente 150 stehen über ihre Verzahnungen 152 miteinander in Eingriff, so dass die Drehbewegung eines der Abtriebselemente 150 auf das andere der Abtriebselemente 150 übertragen wird.
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Dreht sich beispielsweise, wie dies in 7, veranschaulicht ist, das eine Abtriebselement 150 mit einer Drehbewegung T um die Drehachse D, so wird das andere Abtriebselement 150 gleichzeitig in eine entgegen gesetzte Drehbewegung T um die Drehachse D versetzt.
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Die Abtriebselemente 150 können auch gegeneinander entlang der Drehachsen D, D verschieblich sein, um eine gegenphasige Bewegung der beiden Abtriebselemente 150 zu ermöglich und so Unwuchten zu vermeiden.
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Bei der Anordnung gemäß 6 bis 8 steht jedes Abtriebselement 150 über jeweils eine Nut 151 mit einem festen Bolzen in Eingriff, so dass, wie vorangehend beschrieben, die Abtriebselemente 150 jeweils zwangsgekoppelt zu den Kolbenelementen 122 sind.
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Über die Verzahnungen 152 der Abtriebselementen 150 können die anzutreibenden Bauteile angetrieben werden. Beispielsweise kann eine anzutreibende Welle über eine daran angeordnete Verzahnung mit einer der Verzahnungen 152 in Eingriff stehen und so in eine Drehbewegung versetzt werden.
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Mit der Zusammenschaltung zweier Vorrichtungen 100 wird eine Vierzylinderanordnung geschaffen, bei der bei Ausbildung der Vorrichtung 100 als Verbrennungsmotor über vier Kolbenelemente 122 im Betrieb vier Räume als Brennräume genutzt werden, in denen abwechselnd ein Fluid verdichtet und gezündet werden kann.
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Die Anordnung ist in beliebiger Weise skalierbar, so dass in leichter Weise Sechs-, Acht- oder auch noch mehrzylindrige Motoren geschaffen werden können.
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Eine modifizierte Vorrichtung 100 zur Erzeugung eines Drehmomentes, die beispielsweise als Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann, ist in 9 bis 13 dargestellt. Die Wirkweise der Vorrichtung 100 ist dabei im Prinzip gleich der vorangehend anhand von 3 bis 8 beschriebenen Vorrichtung. Entsprechend sind für Bauteile gleicher Funktion, soweit zweckdienlich, die gleichen Bezugszeichen verwendet worden.
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9 zeigt eine perspektivische Ansicht zweier Vorrichtungen 100, die parallel zueinander angeordnet sind und nach Art einer Vierzylinderanordnung zusammenwirken. Im Unterschied zu der Anordnung gemäß 3 bis 8 ist bei den Vorrichtungen 100 gemäß 9 bis 13 ein als Hohlwelle ausgebildetes Abtriebselement 150 jeweils in einem Führungselement 160 angeordnet und geführt. Das Führungselement 160 ist hierbei als Rohrabschnitt ausgebildet und nimmt das Abtriebselement 150 in seinem Inneren auf.
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Eine Seitenansicht und eine Vorderansicht des Führungselements 160 ist in 10A bzw. 10B dargestellt. Das Führungselement 160 ist über einen Fuß 161 feststehend montiert.
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11 zeigt eine Teilschnittansicht des als Hohlwelle ausgebildeten Abtriebselementes 150.
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12A bis 12E zeigen in unterschiedlichen, teilweise geschnittenen Ansichten eine einzelne Vorrichtung 100 mit ihren zusammenwirkenden Bauteilen.
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Das Abtriebselement 150 ist als Hohlwelle ausgebildet. Der Innenraum der Hohlwelle ist dabei über eine Wand 153 geteilt und bildet zusammen mit zwei in den Innenraum eingreifenden Kolbenelementen 122 (siehe 12D) zwei Kammern W1, W2 aus, die als Brennräume des Verbrennungsmotors dienen. Die Kolbenelemente 122 sind über feststehende Abriebswellen 120 (auch als Pleuel bezeichnet) und Füße 121 montiert und befinden sich damit in vorgegebener Lagebeziehung zu dem Führungselement 160.
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Außenseitig an dem Abtriebselement 150 sind zwei Nuten 151a, 151b ausgebildet (siehe 11), in die am Führungselement 160 fest angeordnete Bolzen 123a, 123b, 124a, 124b eingreifen. Über die Nuten 151a, 151b, die außenseitig um das zylindrische Abtriebselement 150 umlaufen und jeweils eine Sinuskurve nachbilden, und den Eingriff der Bolzen 123a, 123b, 124a, 124b ist das Abtriebselement 150 derart mit dem Führungselement 160 zwangsgekoppelt, dass bei einer Drehbewegung T um die der Längsachse des Abtriebselementes 150 entsprechende Drehachse D das Abtriebselement 150 gleichzeitig eine lineare Bewegung entlang der Drehachse D ausführt.
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Auf diese Weise verwirklicht die Vorrichtung 100 eine Zweizylinderanordnung, bei der sich bei Drehbewegung T des Abtriebselements 150 ein Raum W1 bzw. W2 verkleinert und gleichzeitig der andere Raum W2 bzw. W1 vergrößert, so dass über geeignete Fluidzufuhr eine Fluidverdichtung und Zündung erfolgen kann, um einen Verbrennungsmotor zu verwirklichen.
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In 9 und 13A bis 13D sind zwei zusammenwirkende Vorrichtungen 100 dargestellt, die über je eine Verzahnung 152 an dem Abtriebselement 150 miteinander in Eingriff stehen und eine Vierzylinderanordnung ausbilden. 9 zeigt hier eine perspektivische Ansicht dieser Vierzylinderanordnung und 13A bis 13D unterschiedliche, teilweise geschnittene Ansichten. Die Vorrichtungen 100 wirken derart zusammen, dass die eine (in 9 vordere) Vorrichtung 100 eine Drehbewegung T um die Drehachse D und die andere Vorrichtung 100 eine entgegen gesetzte Drehbewegung T’ um eine parallele Drehachse D’ ausführt.
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Über eine der Verzahnungen 152 kann eine Welle oder ein anderes anzutreibendes Bauteil angetrieben und ein Drehmoment abgegeben werden.
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Bei der Vorrichtung 100 gemäß 9 bis 13 sind Einlassventile und Auslassventile in das Führungselement 160, das das Abtriebselement 150 aufnimmt, integriert. Die Einlassventile und Auslassventile sind hier durch schlitzartig ausgebildete Durchlassöffnungen 162a, 163a, 162b, 163b verwirklicht, die am äußeren Umfang des Führungselements 160 ausgebildet sind. Die Durchlassöffnungen 162a, 163a, 162b, 163b des Führungselementes 160 wirken mit Durchlassöffnungen 154a, 154b des Abtriebselementes 150 zur Verwirklichung von Einlassventilen und Auslassventilen zusammen derart, dass keine separate Steuerung und keine separaten Verschlussmechanismen für die Ventile erforderlich sind. Dadurch, dass die Durchlassöffnungen 154a, 154b (siehe 11) des Abtriebselementes 150 bei einer Drehbewegung T, T’ des Abtriebselementes 150 in den Bereich der Durchlassöffnungen 162a, 163a, 162b, 163b gelangen, wird bei der Drehbewegung T, T’ ein Durchlass geschaffen, durch den ein Fluid in die Räume W1, W2 des Abtriebselements 150 geleitet und – bei Ausbildung als Verbrennungsmotor – nach Zündung wieder entfernt werden kann.
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Die Durchlassöffnungen 162a, 163a, 162b, 163b sind so am Führungselement 160 angeordnet, dass sie die Bewegungsbahn der Durchlassöffnungen 154a, 154b des Abtriebselementes 150 abschnittsweise überdecken und die Bewegungsbahn abschnittsweise nachzeichnen. Die Durchlassöffnungen 162a, 163a sind hierbei dem Raum W2 und der Durchlassöffnung 154a des Abtriebselements 150 zugeordnet, während die Durchlassöffnungen 162b, 163b des Führungselementes 160 dem Raum W1 und der Durchlassöffnung 154b des Abtriebselements 150 zugeordnet sind.
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12A zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie I-I gemäß 12D in einer Stellung des Abtriebselements 150, bei der der Raum W1 maximal verkleinert und der Raum W2 maximal vergrößert ist. Die dem Raum W1 zugeordnete Durchlassöffnung 154b des Abtriebselementes 150 befindet sich hierbei in einer oberen Position (siehe 12A), in der sie gerade zwischen den dem Raum W1 zugeordneten Durchlassöffnungen 162b, 163b des Führungselementes 160 angeordnet ist. Führt das Abtriebselement 150 nun eine Drehbewegung T um die Drehachse D aus, so gelangt die Durchlassöffnung 154b des Abtriebselementes 150 in den Bereich der Durchlassöffnung 163b am Führungselement 160, so dass der Durchlass zwischen Führungselement 160 und Abtriebselement 150 geöffnet ist und – zur Verwirklichung eines Einlassventils – ein Fluid in den Raum W1 geleitet werden kann.
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Nach weiterer Drehbewegung T gelangt die Durchlassöffnung 154b schließlich aus dem Bereich der Durchlassöffnung 163b am Führungselement 160. Das Einlassventil ist damit geschlossen; ein Durchgang durch Führungselement 160 und Abtriebselement 150 hindurch besteht nicht mehr.
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Während des Einlassvorgangs hat sich der Raum W1 vergrößert und entsprechend der Raum W2 verkleinert. Nach Beendigung des Einlassvorgangs und weiterer Drehbewegung T um die Drehachse D verkleinert sich der Raum W1 nunmehr wieder, das darin befindliche Fluid wird verdichtet und kann gezündet werden, wenn sich die Durchlassöffnung 154b in einer unteren Position befindet (also entgegen gesetzt der in 12A gezeigten Position). Hierzu kann am Führungselement 160 eine Zündkerze oder andere Zündvorrichtung vorgesehen sein. Auch eine Selbstzündung ist möglich.
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Durch die Zündung des Fluids wird das Abtriebselement 150 zur weiteren Drehbewegung T angetrieben; der Raum W1 vergrößert sich.
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Nach Vergrößerung gelangt die Durchlassöffnung 154b in den Bereich der Durchlassöffnung 162b am Führungselement 160, das als Auslassventil dient. Bei weiterer Drehbewegung T bewegt sich die Durchlassöffnung 154b entlang der Durchlassöffnung 162b und schafft somit einen Durchgang, durch den das verbrauchte Fluid aus dem Raum W1 ausgelassen werden kann, analog wie dies von herkömmlichen Viertaktanordnungen bekannt ist.
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Entsprechend läuft der Vorgang auch in dem zweiten Zylinder (Raum W2) der Vorrichtung 100 ab, wobei die entsprechenden Durchlassöffnungen 162a, 163a am äußeren Umfang des Führungselements 160 versetzt sind und dadurch der Vorgang phasenversetzt abläuft.
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Entsprechend läuft weiterhin auch der Vorgang in einer weiteren Vorrichtung 100 ab, wenn mehrere Vorrichtungen 100 parallel zueinander angeordnet sind, wie dies 9 und 13 zeigen. Die Durchlassöffnungen am Führungselement 160 und am Abtriebselement 150 sind hierbei gerade so angeordnet, dass die einzelnen Einlass-, Verdichtungs-, Brenn- und Auslassvorgänge zueinander phasenversetzt sind, so dass im Betrieb während der Drehbewegung T, T’ in den vier Kammern W1, W2 der Anordnung phasenversetzte Brennvorgänge stattfinden.
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Wie aus 9 und 13 ersichtlich, sind die Abtriebselemente 150 der Vierzylinderanordnung so angeordnet, dass sie sich synchron entlang der Drehachse D bewegen, also im Betrieb der Anordnung sich nicht relativ zueinander verschieben.
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Bei anderer Anordnung und Ausgestaltung wäre auch möglich, dass die einzelnen Vorrichtungen 100 einer Vierzylinderanordnung im Betrieb relativ zueinander verschieblich sind und sich linear gegeneinander bewegen.
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Bei der Ausführungsform gemäß 9 bis 13 kann das als Hohlwelle ausgebildete Abtriebselement 150 mit einer am Führungselement 160 anliegenden Außenwand und einer mit den Kolbenelementen 122 zusammenwirkenden Innenwand ausgebildet sein, die beispielsweise über Stege miteinander verbunden sind und zwischen denen sich ein Hohlraum befindet. Im Betrieb der Vorrichtung 100 kann durch diesen Hohlraum, also zwischen den Wandungen der Hohlwelle hindurch, Luft oder ein anderes geeignetes Kühlmittel wie Wasser oder eine Kühlflüssigkeit zur Kühlung geleitet werden.
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Ein Vorteil der Anordnungen gemäß 9 bis 13 ist, dass keine separaten Einlass- und Auslassventile mit zusätzlicher Steuerung und zusätzlichen Verschlussmechanismen vorgesehen werden müssen. Die Einlassventile und Auslassventile werden durch Durchlassöffnungen 162a, 163a, 162b, 163b und 154a, 154b gebildet und öffnen und verschließen sich selbsttätig bei Drehung des Abtriebselements 150.
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Die vorangehend beschriebenen Vorrichtungen 100 sind als Verbrennungsmotoren beispielsweise in der Fahrzeugtechnik vorteilhaft einsetzbar, aber auch überall dort, wo Verbrennungsmotoren zum Antreiben von Bauteilen verwendet werden können. Die Vorrichtungen 100 können aber auch als Pumpen oder Kompressoren zur Förderung oder Verdichtung eines Fluid eingesetzt werden.
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Erfindungsgemäß sind das Kolbenelement 122 bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 2 sowie die Kolbenelemente 122 bei den Ausführungsbeispielen gemäß 3 bis 13 über eine (in den Figuren nicht im Einzelnen dargestellt) Einstellvorrichtung in der axialen Position einstellbar. Die Einstellvorrichtung kann hierbei grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein, solange sie die Einstellbarkeit der Kolbenelemente 122 axial entlang der Drehachse D, D’ relativ zu einem feststehenden Basisteil (bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 beispielsweise die Füße 121) ermöglicht.
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Durch die axiale Einstellbarkeit des Kolbenelements 122 wird die Möglichkeit geschaffen, die Position des Kolbenelements 122 im Betrieb der Vorrichtung 100 relativ zu dem Abtriebselement 150 zu variieren. Die Einstellung der axialen Position des Kolbenelements 122 erfolgt hierbei auf quasistatische Weise im Vergleich zur Bewegung des Abtriebselements 150, das im Betrieb der Vorrichtung 100 mehrere hundert oder tausend Umdrehungen pro Minute ausführen kann. Durch die Einstellbarkeit des Kolbenelements 122 kann das Minimalvolumen und das Maximalvolumen des durch das Abtriebselement 150 und das Kolbenelement 122 begrenzten Raum W, W1, W2 eingestellt werden und somit die Betriebsweise, insbesondere der Komprimierungsgrad eines Fluids in dem Raum W, W1, W2, angepasst werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100 ist in 14 bis 22 dargestellt.
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Die Vorrichtung 100 weist ein Abtriebselement 150 (siehe 16 und 21A bis 21C) auf, das in einem als zylindrische Hohlwelle ausgestalteten Führungselement 116 geführt ist. Das Abtriebselement 150 weist eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt auf und ist durch ein Hohlwellenelement 155 sowie beidseitig axial daran anschließende Endstücke 156a, 156b gebildet. Wie aus 21A–21C ersichtlich, ist das Hohlwellenelement 155 hierbei über Formschlusselemente 159 in fester Weise mit den Endstücken 156a, 156b verbunden, so dass sich ein einheitliches Abtriebselement 150 ergibt.
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Das Hohlwellenelement 155 des Abtriebselements 150 dient zur Ausbildung zweier Räume W1, W2, die z. B. bei Ausgestaltung der Vorrichtung 100 als Verbrennungsmotor als Brennräume dienen. In die Räume W1, W2 (siehe 21B) ragt jeweils ein Kolbenelement 122 hinein, das über eine Welle 120 mit einer Halterung 121 verbunden und darüber an einem Basisteil 125 gehalten ist. Die Kolbenelemente 122 ragen hierbei von unterschiedlichen Seiten in das Hohlwellenelement 155 hinein, so dass sich im Inneren des Hohlwellenelements 155 zwei durch eine quer zur Drehachse D erstreckte Wand 153 des Abtriebselements 150 getrennte Räume W1, W2 ergeben.
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Das Abtriebselement 150 ist in dem Führungselement 160 geführt. Die Führung des Abtriebselements 150 in dem Führungselement 160 ist dabei – wie vorangehend bereits anhand der Ausführungsbeispiele gemäß 1 bis 13 beschrieben – derart, dass eine lineare Hubbewegung des Abtriebselements 150 relativ zu den Kolbenelementen 122 von einer Drehbewegung des Abtriebselements 150 um die Drehachse D überlagert wird. Hierzu ist das Abtriebselement 150 mit dem Führungselement 160 aufgrund Wechselwirkung der Endstücke 156a, 156b mit zwei Führungsabschnitten 164a, 164b des Führungselements 160 zwangsgekoppelt.
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Zur Herstellung der Zwangskopplung wirken die Endstücke 156a, 156b des Abtriebselements 150 über jeweils eine stirnseitig an den Endstücken 156a, 156b gebildete Führungskontur 157 mit jeweils einer stirnseitigen Führungskontur 164 der Führungsabschnitte 164a, 164b zusammen. Die Führungsabschnitte 164a, 164b sind fest mit dem Führungselement 160 verbunden und an einer inneren Wandung des als zylindrische Hohlwelle ausgestalteten Führungselements 160 angeordnet. Axial zwischen den Führungsabschnitten 164a, 164b ist das Abtriebselement 150 angeordnet derart, dass es über die Führungskonturen 157 der Endstücke 156a, 156b mit den Führungskonturen 164 der Führungsabschnitte 164a, 164b in Wechselwirkung ist.
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Im Betrieb führt das Abtriebselement 150 eine periodische Hubbewegung entlang der Drehachse D relativ zu dem feststehend an dem Basisteil 125 angeordneten Führungselement 160 aus. Bei dieser periodischen Hubbewegung entlang der Drehachse D gleiten die Führungskonturen 157 der Endstücke 156a, 156b an den Führungskonturen 164 der Führungsabschnitte 164a, 164b entlang, so dass das Abtriebselement 150 in eine gleichzeitige, überlagerte Drehbewegung um die Drehachse D versetzt wird. In zwangsgekoppelter Weise führt das Abtriebselement 150 somit eine periodische Hubbewegung und eine überlagerte Drehbewegung um die Drehachse D aus.
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Die Endstücke 156a, 156b tragen eine Innenverzahnung 158, deren Zähne axial entlang der Drehachse D gerichtet sind. Über die Innenverzahnung 158 steht das Endstück 156b mit einem Abtriebsrad 170 in Wirkverbindung derart, dass das Abtriebselement 150 axial zu dem Abtriebsrad 170 bewegbar ist, eine Drehbewegung des Abtriebselements 150 aber in synchroner Weise auf das Abtriebsrat 170 übertragen wird. Das Abtriebsrad 170 ist hierzu an der Welle 120 des Kolbenelements 122 drehbar gelagert und steht über eine Außenverzahnung 172 einer fest mit dem Abtriebsrad 170 verbundenen Kopplungshülse 171 mit der Innenverzahnung 158 des Endstücks 156b in Eingriff (siehe 19 sowie 20A bis 20D).
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Über das Abtriebsrad 170 kann – bei Verwendung der Vorrichtung 100 als Verbrennungsmotor – die Drehbewegung des Abtriebselements 150 abgeleitet werden, um ein anzutreibendes Bauteil, beispielsweise Räder eines Fahrzeugs, anzutreiben. Ebenso ist denkbar, das Abtriebselement 150 – bei Verwendung der Vorrichtung 100 als Kompressor oder als Pumpe – über das Abtriebsrad 170 (das in diesem Fall als Antriebsrad fungiert) anzutreiben, um eine periodische Hubbewegung zur Komprimierung eines Fluids oder zum Bewirken eines Pumpvorganges zu erzeugen.
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Das Kolbenelement 122, das an seiner äußeren, zylindrischen Mantelfläche umlaufende Dichtungsringe 128 zur Abdichtung des zugeordneten Raums W1, W2 trägt, ist wie gesagt über die Welle 120 mit einer Halterung 121 verbunden und über die Halterung 121 an dem Basisteil 125 gehalten. Die Halterung 121 ist hierbei, wie aus 19 ersichtlich, über Führungsstege 127 axial entlang der Drehachse D verstellbar an dem Basisteil 125 geführt und steht über einen Gewindeabschnitt 126 mit einem Außengewinde 182 einer Spindel 181 einer Einstellvorrichtung 180 in Wirkverbindung (siehe 18B).
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Die Einstellvorrichtung 180 dient zum Einstellen der axialen Position der Kolbenelemente 122. Die Einstellvorrichtung 180 weist eine Spindel 181 (siehe 18B und 22) auf, die drehbar an dem Basisteil 125 gelagert ist. Die Spindel 181 weist hierzu Lagerabschnitte in Form von ringförmigen Stegen 183 auf, über die die Spindel 181 drehbar und dabei axial festgelegt an dem Basisteil 125 angeordnet ist.
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Die Spindel 181 trägt an ihren beiden Enden ringförmige Stege 183, an denen Außengewinde 182 angeordnet sein können. An jeweils den äußeren beiden dieser ringförmigen Stege 183 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel Außengewinde 182 angeordnet, die jeweils einer Halterung 121 und darüber einem Kolbenelement 122 zugeordnet sind. Die Außengewinde 182 an den beiden Enden der Spindel 181 sind hierbei gegenläufig, so dass bei einer Drehbewegung der Spindel 181 in eine Drehrichtung S1 (siehe 22) sich ein gegenläufiges Verstellen der Halterungen 121 und darüber der Kolbenelemente 122 beispielsweise nach innen in eine Verstellrichtung S2 ergibt.
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Die Spindel 181 trägt weiterhin einen Verzahnungsabschnitt 184, der mit einer Schneckenverzahnung 185 eines Betätigungsmittels in Form einer Kurbel 186 in Eingriff steht. Wird das Betätigungsmittel in eine Drehrichtung S0 verdreht, so wird die Spindel 181 verdreht, und darüber werden die Kolbenelemente 122 in ihrer axialen Position verstellt.
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Durch axiales Verstellen der Kolbenelemente 122 können das Minimalvolumen und das Maximalvolumen der Räume W1, W2 im Betrieb der Vorrichtung 100 vorgegeben werden. Auf diese Weise kann der Komprimierungsgrad (entsprechend dem Verhältnis zwischen dem Maximalvolumen und dem Minimalvolumen) vorgegeben werden, um eine gewünschte Betriebsweise der Vorrichtung 100 einzustellen.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind an den Kolbenelementen 122 jeweils eine Einspritzdüse 104 und eine Zündkerze 103 (siehe 20E) angeordnet, die zum Einspritzen eines Brennstoffs in den zugeordneten Raum W1, W2 sowie zum Zünden des Brennstoffs in dem Raum W1, W2 dienen. Die Vorrichtung 100 verwirklicht somit einen Verbrennungsmotor zur Erzeugung eines Drehmoments und zum Antreiben beispielsweise eines Fahrzeugs oder eines anderen zu verstellenden Bauteils oder Geräts, z.B. einer Maschine.
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Zuleitungen zu der Zündkerze 103 und der Einspritzdüse 104 können jeweils in der dem jeweiligen Kolbenelement 122 zugeordneten Welle 120 verlegt werden und erstrecken sich dann in einer inneren, zentralen Bohrung 129 der zugeordneten Welle 120. Dies ermöglicht eine platzsparende, bauraumeffiziente Anordnung der Zündkerze und der Einspritzdüse sowie damit verbundener Zuleitungen.
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Grundsätzlich ist denkbar, an dem Kolbenelement 122 auch ein Einlassventil und ein Auslassventil zum Einlassen eines Fluids, beispielsweise Luft, und zum Auslassen eines Fluids, beispielsweise der Abgase nach erfolgter Verbrennung eines Brennstoffs, vorzusehen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind Einlassventile und Auslassventile für die Räume W1, W2 jedoch durch Durchlassöffnungen 162a, 162b, 163a, 163b an dem Führungselement 160 verwirklicht, die bei der Bewegung des Abtriebselements 150 im Betrieb der Vorrichtung 100 phasenweise in Wirkverbindung mit Durchlassöffnungen 154a, 154b des Abtriebselements 150 (siehe 21A–21C) treten. Die Durchlassöffnung 154a ist hierbei dem ersten Raum W1 zugeordnet und öffnet sich in diesen Raum W1 hinein. Die zweite Durchlassöffnung 154b hingegen ist dem zweiten Raum W2 zugeordnet und öffnet sich in diesen hinein. Bei der Bewegung des Abtriebselements 150 im Betrieb der Vorrichtung 100 fluchten die Durchlassöffnungen 154a, 154b phasenweise mit den Durchlassöffnungen 162a, 162b, 163a, 163b, die schlitzartig an dem Führungselement 160 ausgebildet sind. Die Durchlassöffnungen 162a, 162b sind hierbei beispielsweise der Durchlassöffnung 154b des zweiten Raums W2 zugeordnet und dienen zum Einlassen von Luft sowie zum Auslassen der Abgase nach dem Verbrennen des Brennstoffs in dem Raum W2. Entsprechend sind die Durchlassöffnungen 163a, 163b der Durchlassöffnung 154a des ersten Raumes W1 zugeordnet. Aufgrund der um 90° um die Drehachse D versetzten Anordnung der Durchlassöffnungen 154a, 154b an dem Abtriebselement 150 erfolgt das Einlassen und Auslassen des Fluids aus den Räumen W1, W2 in phasenversetzter Weise derart, dass beim Einlassen von Fluid in den einen Raum gleichzeitig Fluid aus dem anderen Raum ausgelassen wird.
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Die Funktionsweise zum Einlassen von Luft und zum Auslassen von Abgasen sowie zum Zünden eines eingespritzten Brennstoffs ist grundsätzlich wie oben für das Ausführungsbeispiel gemäß 9 bis 13 beschrieben.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Vorrichtung
- 101
- Einlassventil
- 102
- Auslassventil
- 103
- Zündkerze
- 104
- Einspritzdüse
- 120
- Welle
- 120a
- Abschnitt
- 121
- Halterung
- 122
- Kolbenelement
- 122a, 122b
- Abschnitt
- 123, 124
- Bolzen
- 123a, 123b, 124a, 124b
- Bolzen
- 125
- Basisteil
- 126
- Gewindeabschnitt
- 127
- Führungsstege
- 128
- Dichtungsringe
- 129
- Bohrung
- 150
- Abtriebselement
- 151, 151a, 151b
- Nut
- 152
- Verzahnung
- 153
- Wand
- 154a, 154b
- Durchlassöffnung
- 155
- Hohlwellenelement
- 156a, 156b
- Endstück
- 157
- Führungskontur
- 158
- Innenverzahnung
- 159
- Formschlusselemente
- 160
- Führungselement
- 161
- Fuß
- 162a, 162b, 163a, 163b
- Durchlassöffnung
- 164a, 164b
- Führungsabschnitt
- 164
- Führungskontur
- 170
- Abtriebsrad
- 171
- Kopplungshülse
- 172
- Außenverzahnung
- 180
- Einstellvorrichtung
- 181
- Spindel
- 182
- Außengewinde
- 183
- Ringförmige Stege
- 184
- Verzahnungsabschnitt
- 185
- Schneckenverzahnung
- 186
- Betätigungsmittel
- A
- Ausschnitt
- C
- Bewegung
- D, D’
- Drehachse
- S0, S1, S2
- Verstellrichtung
- T, T’
- Drehbewegung
- W, W1, W2
- Raum
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/084153 A2 [0003, 0004]
