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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit ringförmig um und koaxial zu einer Welle angeordneten Zylindern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Wärmerückgewinnungssystem in einem Kraftfahrzeug mit einer derartigen Axialkolbenmaschine.
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Aus der
DE 10 2010 036 917 A1 ist eine gattungsgemäße Axialkolbenmaschine mit ringförmig um und koaxial zu einer Welle angeordneten Zylindern bekannt, in welchen Kolben translatorisch verstellbar angeordnet sind. Jedem dieser Zylinder ist dabei eine Einlassöffnung zugeordnet. Ein Befüllen der einzelnen Zylinder mit Arbeitsmedium erfolgt dabei über eine drehfest mit der Welle verbundene Steuerscheibe, die eine exzentrisch angeordnete Durchgangsöffnung aufweist, die bei jeder Umdrehung der Steuerscheibe jede Einlassöffnung einmal überstreicht und dabei Arbeitsmedium in den zugehörigen Zylinder leitet.
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Um einen selbstständigen Start der Axialkolbenmaschinen zu erleichtern, weisen diese eine sogenannte Anlauföffnung in der Steuerscheibe auf, wobei diese Anlauföffnung separat zur Durchgangsöffnung in der Steuerscheibe angeordnet ist.
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Nachteilig hierbei ist jedoch, dass eine derartige Anlauföffnung und sei sie auch noch so klein, zwar ein Anlaufen erleichtert, einen Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine im Betrieb jedoch negativ beeinflusst.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Axialkolbenmaschine der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere den aus dem Stand der Technik bekannten Nachteil überwindet. Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, an einer Steuerscheibe einer Axialkolbenmaschine ein Verschlusselement vorzusehen, welches fliehkraftabhängig und damit in Abhängigkeit der Drehzahl der Steuerscheibe eine zu einem problemlosen Anlaufen erforderliche Anlauföffnung in der Steuerscheibe verschließt und dadurch sowohl ein problemloses Anlaufen der Axialkolbenmaschine ermöglicht, als auch deren Wirkungsgrad im Betrieb durch Schließen der Anlauföffnung steigert. Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine weist ringförmig um und koaxial zu einer Welle angeordnete Zylinder auf, in welchen Kolben translatorisch verstellbar angeordnet sind. Jedem dieser Zylinder ist dabei eine Einlassöffnung zugeordnet. Ebenfalls vorgesehen ist eine drehfest mit der Welle verbundene Steuerscheibe mit einer exzentrisch angeordneten Durchgangsöffnung, die bei jeder Umdrehung der Steuerscheibe jede Einlassöffnung einmal überstreicht und dabei Arbeitsmedium in den zugehörigen Zylinder leitet. Erfindungsgemäß weist nun diese Steuerscheibe eine Anlauföffnung auf, die von dem zuvor erwähnten Fliehkraft abhängigen verstellbaren Verschlusselement ab einer vordefinierten Drehzahl der Steuerscheibe verschließbar bzw. verschlossen ist. Bei einem Starten der Axialkolbenmaschine weist die Steuerscheibe noch keine oder nur eine sehr geringe Drehzahl auf, so dass die in diesem Zustand offene Anlauföffnung zur Unterstützung einer Anlaufdrehbewegung der Axialkolbenmaschine genutzt werden kann. Mit zunehmend steigender Drehzahl der Welle der Axialkolbenmaschine nimmt auch die auf das Verschlusselement einwirkende Fliehkraft bzw. Zentrifugalkraft zu, so dass diese ab einer vordefinierten Drehzahl und damit ab einer vordefinierten Zentrifugalkraft mittels dieser Zentrifugalkraft selbsttätig in seine Schließstellung verstellt wird. In diesem Zustand besitzt somit die Steuerscheibe lediglich noch die offene Durchgangsöffnung, die zum Befüllen der einzelnen Zylinder der Axialkolbenmaschine mit Arbeitsmedium dient. Eventuelle Fehlströmungen können bei durch das Verschlusselement geschlossener Anlauföffnung vermieden und dadurch der Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine gesteigert werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine ist das Verschlusselement als Schieber ausgebildet, wobei auf der Steuerscheibe eine radiale Führung für diesen Schieber vorgesehen ist. Ebenfalls vorgesehen ist eine Feder, die den Schieber in seine Öffnungsstellung vorspannt. Ein derartiges als Schieber ausgebildetes Verschlusselement stellt dabei eine vergleichsweise konstruktiv einfache Ausführungsform des Verschlusselements dar und lässt sich somit vergleichsweise einfach montieren. Die Feder kann dabei entweder als Zugfeder oder als Druckfeder ausgebildet sein, erfüllt jedoch unabhängig von ihrer Ausbildung stets die gleiche Aufgabe, nämlich das als Schieber ausgebildete Verschlusselement entgegen der Zentrifugalkraft, das heißt radial nach innen, in seine Öffnungsstellung vorzuspannen. Eine derartige Führung für einen solchen Schieber kann bspw. über zwei seitliche Schienen vergleichsweise einfach realisiert werden, wobei derartige Schienen bzw. ein Führungsrahmen mit einem radial außen liegenden Anschlag, der eine Endstellung des Schiebers in seiner Schließposition definiert, entweder an die Steuerscheibe angebaut oder aber einstückig mit dieser ausgebildet werden können.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine ist das Verschlusselement als Drehschieber ausgebildet und drehbar auf der Steuerscheibe gelagert, wobei zusätzlich eine Drehfeder vorgesehen ist, die diesen Drehschieber in seine Öffnungsstellung vorspannt. Auch dies stellt eine vergleichsweise konstruktiv und technisch einfache Lösung für das Verschlusselement dar, wobei der Drehschieber derart auf der Steuerscheibe angeordnet ist, dass er in Abhängigkeit der Zentrifugalkraft in seine Schließstellung bzw. Öffnungsstellung verdreht wird. Unabhängig von der jeweiligen Ausführungsform des Verschlusselements ist dabei allen Ausführungsformen gemein, dass das Verschlusselement nicht nur ausschließlich zwischen einer Offenstellung und einer die Anlauföffnung komplett verschließenden Schließstellung verstellbar ist, sondern auch Zwischenstellungen ermöglicht, in welchen die Anlauföffnung teilweise geschlossen ist.
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Zweckmäßig ist das Verschlusselement als gebogenes Blech ausgebildet, das derart ausgebildet und an der Steuerscheibe befestigt ist, dass es sich ab einer vordefinierten Drehzahl und damit ab einer vordefinierten auf das Verschlusselementen einwirkenden Zentrifugalkraft auf die Anlauföffnung legt und diese verschließt. Hierbei dürfte es sich um die einfachste und zugleich auch kostengünstigste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verschlusselements handeln, nämlich um einen einfachen gebogenen Blechstreifen, bspw. zusätzlich mit einem entsprechenden Gewicht an seinem freien Ende, welches eine Zentrifugalkraft abhängig und damit auch drehzahlabhängige Schließbewegung des Verschlusselements unterstützt. Selbstverständlich ist zudem denkbar, dass in diesem Fall das gebogene Blech auch als Bimetall ausgebildet ist, welches sich zusätzlich ab einer gewissen Temperatur in der Axialkolbenmaschine verformt und dabei dicht auf die Anlauföffnung liegt. Eine derartige Ausführungsform würde es sogar ohne eine Zentrifugalkraft abhängige Verstellung des Verschlusselements bewirken, dass die Axialkolbenmaschine problemlos anlaufen kann, da diese im Anlaufzustand noch kalt ist und somit das als Bimetallelement ausgebildete Verschlusselement die Anlauföffnung offen hält. Bei zunehmendem Betrieb und damit auch einer zunehmenden Temperatur in der Axialkolbenmaschine sorgt diese Temperatur für ein temperaturabhängiges Verstellen des Bimetallelements und damit ein Aufliegen des Verschlusselements auf der Anlauföffnung und ein Verschließen derselben.
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Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist das Verschlusselement als Kugel ausgebildet, wobei auf der Steuerscheibe eine radiale Führung für die Kugel vorgesehen ist, ebenso wie eine Feder, die die Kugel in ihrer Öffnungsstellung vorspannt. In diesem Fall ist die Anlauföffnung vorzugsweise als Bohrung ausgestaltet und bietet dadurch einen komplementär zu einer Kugeloberfläche ausgebildeten Ventilsitz. Im Großen und Ganzen funktioniert diese Ausführungsform jedoch analog zu derjenigen, bei welcher das Verschlusselement als reiner Schieber ausgebildet ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist auf der Steuerscheibe an einer dem Verschlusselement gegenüberliegenden Seite ein Ausgleichselement angeordnet. Ein derartiges Ausgleichselement dient dabei dem Gewichtsausgleich des Verschlusselements bzw. der hierfür erforderlichen Führung sowie der Feder und ermöglicht ein unwuchtfreies Drehen der Steuerscheibe. Selbstverständlich hebt sich vorzugsweise das Gewicht des im Bereich der Anlauföffnung fehlenden Materials mit dem Gewicht des Materials des Verschlusselements, der Feder und der Führung auf, so dass auf ein solches Ausgleichselement verzichtet werden kann.
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Zweckmäßig ist die Steuerscheibe aus Kohlenstoff ausgebildet oder weist eine Beschichtung auf, insbesondere eine Polymerbeschichtung, eine DLC-Beschichtung, eine Kohlenstoffbeschichtung oder eine Polytetrafluorethylenbeschichtung (PTFE). Um ein möglichst gutes Abdichten der Steuerscheibe auf der Einlassöffnung erreichen zu können, kann diese beispielsweise aus Kohlenstoff ausgebildet sein und sich bei einem Kontakt mit der Einlassöffnung des Zylinders einschleifen. In diesem Fall ist der verwendete Kohlenstoff fein verschleißfähig. Selbstverständlich sind auch andere Werkstoffe für die Steuerscheibe vorstellbar, wobei diese dann zumindest in ihrem die Einlassöffnung des Zylinders überstreichenden Bereich eine reibungsreduzierende, dichtende und/oder verschleißbeständige Beschichtung besitzt. Hierfür in Frage kommen beispielsweise Polymerbeschichtungen bzw. DLC-Beschichtungen, ebenso wie selbstverständlich auch eine Kohlenstoffbeschichtung.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die 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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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine,
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2–5 unterschiedliche Ausführungsformen eines fliehkraftabhängig verstellbaren Verschlusselements,
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6 eine Schnittdarstellung durch die gemäß der 5 dargestellte Steuerscheibe,
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7 eine weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verschlusselements.
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Entsprechend der 1 weist eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine 1, die beispielsweise Bestandteil eines nicht näher gezeigten Wärmerückgewinnungssystems 2 eines Kraftfahrzeuges sein kann, eine Welle 3 auf, die drehfest mit einer Schrägscheibe 4 verbunden ist. Ringförmig um und koaxial zur Welle 3 sind dabei Zylinder 5 angeordnet, in welchen Kolben 6, insbesondere hohle und gebaute Kolben, translatorisch verstellbar angeordnet sind. Jeder dieser Kolben 6 ist dabei über ein Kalottenlager 7 und einen Gleitstein 8 mit der Schrägscheibe 4 verbunden. Jedem Zylinder 5 zugeordnet ist eine Einlassöffnung 9, über welche Arbeitsmedium aus einem Sammelraum 12 über eine Durchgangsöffnung 11 einer Steuerscheibe 10 in den Zylinder 5 gelangen kann. Die Steuerscheibe 10 weist somit eine exzentrisch angeordnete Durchgangsöffnung 11 auf, die bei jeder Umdrehung der Steuerscheibe 10 jede Einlassöffnung 9 eines Zylinders 5 einmal überstreicht und dabei Arbeitsmedium in diesen leitet.
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Erfindungsgemäß weist nun die Steuerscheibe 10 neben der Durchgangsöffnung 11 zusätzlich eine Anlauföffnung 12 (vgl. insbesondere 2–7) auf, die von einem fliehkraftabhängig verstellbaren Verschlusselement 13 ab einer vordefinierten Drehzahl der Steuerscheibe 10 verschlossen wird. Die Anlauföffnung 12 in der Steuerscheibe 10 dient dabei einem problemlosen Starten der Axialkolbenmaschine 1, was mit ausschließlich der Durchgangsöffnung 11 unter Umständen Schwierigkeiten bereitet. Über die Anlauföffnung 12 kann beim Anlaufen bzw. Starten der Axialkolbenmaschine 1 zusätzlich Arbeitsmedium in einen benachbarten Zylinder 5 eingeleitet werden. Eine derartige Anlauföffnung 12 erleichtert somit das Starten, wirkt sich jedoch im Betrieb der Axialkolbenmaschine 1 negativ auf deren Wirkungsgrad aus, da immer auch eine unerwünschte Strömung an Arbeitsmedium durch die Anlauföffnung 12 strömt. Um dem entgegen zu wirken, ist erfindungsgemäß das fliehkraftabhängig verstellbare und damit das zentrifugalkraftabhängig verstellbare Verschlusselement 13 vorgesehen, welches bei geringen Drehzahlen der Steuerscheibe 10 bzw. beim Starten der Axialkolbenmaschine 1 von einer Feder 14 in seiner Öffnungsstellung gehalten wird, und erst mit zunehmender Drehzahl der Steuerscheibe 10 und damit zunehmender Drehzahl der Axialkolbenmaschine 1 sich fliehkraftbedingt langsam über die Anlauföffnung 12 schiebt und diese verschließt. Selbstverständlich sind dabei nicht nur eine Offenstellung und eine Schließstellung des Verschlusselements 13 denkbar, sondern auch fliehkraftabhängige Zwischenstellungen, bei welchen das Verschlusselement 13 die Anlauföffnung 12 nur teilweise, mehr oder weniger, überdeckt.
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Im Folgenden sollen nun einzelne alternative aber gleichwertige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verschlusselements 13 anhand der 2 bis 7 näher erläutert werden.
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Betrachtet man die 2, so kann man erkennen, dass in diesem Fall das Verschlusselement 13 als Schieber 15 ausgebildet und in einer radialen Führung 16 geführt ist. Ebenfalls vorgesehen ist eine Feder 14, hier sind es sogar zwei Federn 14, welche den Schieber 15 in seine Öffnungsstellung vorspannen. In geschlossenem Zustand liegt das Verschlusselement 13, das heißt im konkreten Fall der Schieber 15, an einem Anschlag 17 an, der die Schließstellung dadurch definiert. Die radiale Führung 16 kann bspw. in Form von auf die Steuerscheibe 10 aufgebrachte Schienen ausgebildet sein oder aber durch einen Rahmen, der zugleich den Anschlag 17 beinhaltet. Insbesondere ist auch denkbar, dass sowohl die radiale Führung 16 als auch der Anschlag 17 einteilig oder sogar einstückig mit der Steuerscheibe 10 ausgebildet sind.
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Eine ähnliche Ausführungsform wie in 2 ist in der 3 gezeigt, wobei in diesem Fall die Feder 14 wie gemäß der 2 als Druckfeder ausgebildet ist, sondern als Zugfeder. In diesem Fall wird jedoch ebenfalls das als Schieber 15 ausgebildete Verschlusselement 13 fliehkraftabhängig und damit zentrifugalkraftabhängig verstellt, wobei es ab einer vordefinierten Drehzahl der Steuerscheibe 10 die Anlauföffnung 12 überdeckt und damit verschließt.
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Betrachtet man das Verschlusselement 13 gemäß der 4, so kann man erkennen, dass es in diesem Fall als Drehschieber 18 ausgebildet und drehbar um eine Achse 19 auf der Steuerscheibe 10 gelagert ist. Die Achse 19 verläuft dabei gemäß der 4 senkrecht zur Bildebene. Eine Verdrehbewegung ist dabei mit einem gekrümmten Pfeil dargestellt. Ebenfalls vorgesehen ist ein Anschlag 17, der die Schließstellung des Drehschiebers 18 definiert. In dieser Schließstellung wird die Anlauföffnung 12 vom Drehschieber 18 verschlossen. Ebenfalls vorgesehen ist eine Drehfeder 20, welche den Drehschieber 18 und damit das Verschlusselement 13 in seine Öffnungsstellung vorspannt.
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Betrachtet man die 5 und 6, so kann man in diesen ein Verschlusselement 13 erkennen, welches als Kugel 21 ausgebildet und in einer radialen Führung 16‘ geführt ist. Die radiale Führung 16‘ kann dabei bspw. als Bohrung von außen in die Steuerscheibe 10 eingebracht sein. Ebenfalls vorgesehen ist eine senkrecht zur radialen Führung 16‘ angeordnete Anlauföffnung 12, die durch das als Kugel 21 ausgebildete Verschlusselemente 13 bei Erreichen einer vordefinierten Drehzahl der Steuerscheibe 10 verschlossen wird (vgl. auch 6). Über die Feder 14 wird auch in diesem Fall die Kugel 21, das heißt das Verschlusselement 13, in seine Öffnungsstellung vorgespannt (vgl. 5). Bei dieser Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, dass das gesamte Verschlusselement 13 mit radialer Führung 16‘ und Feder 14 innerhalb der Steuerscheibe 10 angeordnet und dadurch geschützt, insbesondere auch vor Ablagerungen und Verschmutzungen geschützt angeordnet werden kann.
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Betrachtet man nun noch die 7, so kann man in dieser erkennen, dass das Verschlusselement 13 als gebogenes Blech 22 ausgebildet ist, welches nicht nur derart ausgebildet, sondern auch derart an der Steuerscheibe 10 befestigt ist, dass es sich ab der vordefinierten Drehzahl der Steuerscheibe 10 auf die Anlauföffnung 12 legt und diese verschließt. Darüber hinaus kann ein derartig ausgebildetes Verschlusselement 13 zusätzlich noch als Bimetallelement ausgebildet sein, so dass es auch eine temperaturabhängige Verstellung ermöglicht.
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Generell kann auf der dem Verschlusselement 13 gegenüberliegenden Seite der Steuerscheibe 10 ein Ausgleichselement 23 angeordnet sein, welches einen durch das Verschlusselement 13, die Feder 14 oder die radiale Führung 16 bedingte Gewichtsänderung ausgleicht und dadurch ein unwuchtfreies Rotieren der Steuerscheibe 10 ermöglicht. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass die Durchgangsöffnung 2 und das in dieser fehlende Material komplett durch das Gewicht des Verschlusselements 13, der Feder 14 und der radialen Führung 16 kompensiert wird, so dass in diesem Fall kein derartiges Ausgleichselement 23 erforderlich ist.
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Die Steuerscheibe 10 ist vorzugsweise aus Kohlenstoff ausgebildet oder weist eine Beschichtung, insbesondere eine Polymerbeschichtung, eine DLC-Beschichtung, eine Kohlenstoffbeschichtung oder eine Polytetraflurethylenbeschichtung (PTFE) auf. Bei einer Ausbildung der Steuerscheibe 10 aus Kohlenstoff ist es möglich, dass sich diese im Betrieb der Axialkolbenmaschine 1 einschleift und dadurch die einen hohen Wirkungsgrad verantwortliche Dichtigkeit erzeugt. In ähnlicher Weise können auch die zuvor erwähnten Beschichtungen die Dichtigkeit und damit den Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine 1 erhöhen.
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Selbstverständlich ist klar, dass nicht nur die Axialkolbenmaschine 1 mit einer solchen Steuerscheibe 10 und dem Verschlusselement 13 unter Schutz gestellt werden sollen, sondern auch die Steuerscheibe 10 mit Durchgangsöffnung 11 und Verschlusselement 13, Radialführung 16, 16‘ und Feder 14, dass diese auch als Ersatzteil bzw. Austauschteil eine Nachrüstung bislang auf dem Markt befindlicher Axialkolbenmaschinen ermöglicht. Mit der erfindungsgemäßen Steuerscheibe 10 lässt sich das Anlaufverhalten der Axialkolbenmaschine 1 deutlich verbessern und zugleich der mit einer solchen Anlauföffnung 12 einhergehende Wirkungsgradverlust durch das erfindungsgemäße Verschlusselement 13 verhindern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010036917 A1 [0002]
