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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Arbeitskraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Arbeitskraftmaschinen sind in ihrer Grundkonstruktion bekannt als Hubkolben-Arbeitskraftmaschine oder auch als Kreiskolben-Arbeitskraftmaschine. Die Wirkungsweise dieser bekannten Arbeitskraftmaschinen beruht darauf, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt (Beginn eines Arbeitstaktes) ein Kraftstoff-Luftgemisch gezündet wird. Die Antriebsenergie resultiert bei den bekannten Arbeitskraftmaschinen aus der Energie, die bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemischs freigesetzt wird. Die Hubkolben-Arbeitskraftmaschinen sind als 2-Takt-Arbeitskraftmaschinen oder als 4-Takt-Arbeitskraftmaschinen bekannt. Die Kreiskolben-Arbeitskraftmaschinen werden auch als Wankelmotoren bezeichnet.
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Somit weisen die Arbeitskraftmaschine ein Arbeitsvolumen oder mehrere Arbeitsvolumina auf. Dem Arbeitsvolumen oder den Arbeitsvolumina der Arbeitskraftmaschine sind jeweils ein oder mehrere Einlassventile sowie ein oder mehrere Auslassventile zugeordnet.
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Das oder die Einlassventile sind so angeordnet, dass sie mit einer Zuführleitungsanordnung verbunden sind, in der ein unter Druck stehendes Medium zugeführt wird. Das oder die Einlassventile sind weiterhin so angeordnet, dass bei geöffnetem Einlassventil das unter Druck stehende Medium dem jeweiligen Arbeitsvolumen zugeführt wird, das dem jeweiligen Einlassventil zugeordnet ist.
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Das oder die Auslassventile sind mit einer Abführleitungsanordnung verbunden, über die das Medium weggeführt wird. Das oder die Auslassventile sind weiterhin so angeordnet, dass bei geöffnetem Auslassventil das Medium aus dem dem jeweiligen Auslassventil zugeordneten Arbeitsvolumen über die Abführleitungsanordnung weggeführt wird.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise einer Arbeitskraftmaschine anhand des Beispiels einer 4-Takt-Arbeitskraftmaschine mit Hubkolben beschrieben. Bei den Arbeitskraftmaschinen nach dem Stand der Technik wird nicht bei jeder Arbeitsphase der Vergrößerung des Arbeitsvolumen das zugehörige Einlassventil geöffnet.
- > Beim Stand der Technik erfolgt (bei einer 4-Takt-Arbeitskraftmaschine) ein sogenannter Ansaugtakt. Das Einlassventil des Arbeitsvolumens ist während dieses Ansaugtakts geöffnet. Das Arbeitsvolumen füllt sich mit dem Medium.
- > Anschließend folgt ein Arbeitstakt mit einer Verringerung des Arbeitsvolumens. Dabei sind bei der Arbeitskraftmaschine nach dem Stand der Technik sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil dieses Arbeitsvolumens geschlossen. Das Medium in dem Arbeitsvolumen wird verdichtet. Kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes wird das Gemisch in dem Arbeitsvolumen gezündet.
- > Dadurch wird in dem nachfolgenden Arbeitstakt der Vergrößerung des Arbeitsvolumens der Kolben nach unten gedrückt. In diesem Arbeitstakt sind wohl das Einlassventil als auch das Auslassventil geschlossen.
- > In dem dann folgenden Arbeitstakt wird das (verbrannte) Gemisch über das geöffnete Auslassventil aus dem Arbeitsvolumen herausgedrückt. Daran anschließend folgt wieder ein Ansaugtakt.
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Nach der vorliegenden Erfindung resultiert die Antriebsenergie der Arbeitskraftmaschine aus dem Druck, mit dem das Medium bei geöffnetem Einlassventil oder geöffneten Einlassventilen in das Arbeitsvolumen oder die Arbeitsvolumina einströmt, die dem geöffneten Einlassventil oder den geöffneten Einlassventilen zugeordnet sind.
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In der Arbeitsphase der Vergrößerung des Arbeitsvolumens oder der jeweiligen Arbeitsvolumina sind das oder die dem Arbeitsvolumen oder den jeweiligen Arbeitsvolumina zugeordneten Einlassventile geöffnet. Das oder die dem Arbeitsvolumen oder den jeweiligen Arbeitsvolumina zugeordneten Auslassventile sind dabei geschlossen. Dies erfolgt nach der vorliegenden Erfindung in jedem Arbeitstakt, mit einer Vergrößerung des Arbeitsvolumens.
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In der Arbeitsphase der Verringerung des Arbeitsvolumens oder der jeweiligen Arbeitsvolumina sind das oder die dem Arbeitsvolumen oder den jeweiligen Arbeitsvolumina zugeordneten Auslassventile geöffnet. Das oder die dem Arbeitsvolumen oder den jeweiligen Arbeitsvolumina zugeordneten Einlassventile sind dann geschlossen. Dies erfolgt nach der vorliegenden Erfindung in jedem Arbeitstakt, mit einer Verringerung des Arbeitsvolumens.
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Vorteilhaft lässt sich damit bei einem strömenden Medium (beispielsweise bei einem Gewässer) die in der Strömung „enthaltene“ Energie nutzen, ohne dass eine Verbrennung erfolgen muss.
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Damit stehen zum einen die Betriebsmittel günstig oder sogar kostenfrei zur Verfügung.
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Weiterhin wird von der Arbeitskraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung die Leistung erbracht, ohne dass Abgase durch eine Verbrennung entstehen.
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Anspruch 2 betrifft eine Arbeitskraftmaschine als Kreiskolben-Arbeitsmaschine. Die Einströmrichtung des Mediums bei geöffnetem Einlassventil oder geöffneten Einlassventilen ist auf die in Drehrichtung vordere Hälfte der Fläche des Kreiskolbens gerichtet.
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Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass sich der Antrieb des Kolbens nicht nur aus dem Anstieg des Drucks in dem Arbeitsvolumen ergibt. Der Antrieb des Kolbens wird weiterhin unterstützt, indem der „Strahl“ des einströmenden Mediums so auf den Kolben trifft, dass ein zusätzliches Drehmoment in der Drehrichtung des Kolbens beim Auftreffen des „Strahls“ auf die Kolbenfläche erzeugt wird.
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Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 3 weist die Arbeitskraftmaschine für das Medium eine Zweikreisanordnung auf. Die Zweikreisanordnung besteht darin, dass wenigstens ein Zylinder mit einem Doppelkolben vorhanden ist. Das Sekundärvolumen des Zylinders mit dem Doppelkolben ist mit dem Arbeitsvolumen oder einem der Arbeitsvolumina der Arbeitskraftmaschine verbunden. Das Primärvolumen des Zylinders mit dem Doppelkolben weist das Einlassventil oder die Einlassventile auf sowie das Auslassventil oder die Auslassventile.
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Vorteilhaft weist jedes der Arbeitsvolumina einen solchen Zylinder auf.
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Durch die Zweikreisanordnung wird vorteilhaft erreicht, dass in den Arbeitsvolumina der Arbeitskraftmaschine kein Austausch des strömenden Mediums erfolgt. Der Austausch des Mediums in den Arbeitsvolumina der Arbeitskraftmaschine erfolgt mit dem Sekundärvolumen des Zylinders. Vorteilhaft werden dadurch Verschmutzungen der Arbeitskraftmaschine vermieden, weil das dort strömende Medium inert ist. Der Austausch mit dem strömenden „fremden“ Medium erfolgt in dem Primärvolumen des jeweiligen Zylinders. Es erweist sich als deutlich weniger aufwendig, bei einer Verschmutzung oder Beschädigung lediglich den Zylinder zu tauschen, anstatt Reparaturen oder Reinigungsarbeiten an der Arbeitskraftmaschine vorzunehmen.
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Das Öffnen und Schließen der Ein- und Auslassventile kann mittels einer Nockenwelle erfolgen oder auch durch eine elektronische Ansteuerung der Ein- und Auslassventile. Das Öffnen und Schließen der Ein- und Auslassventile erfolgt synchronisiert zu den Arbeitsphasen der Arbeitsvolumina (entweder Vergrößerung des Arbeitsvolumens oder Verringerung des Arbeitsvolumens).
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt dabei:
- 1: eine Schnittdarstellung eines Hubkolbens einer Arbeitskraftmaschine in der Arbeitsphase der Vergrößerung des Arbeitsvolumens,
- 2: eine Schnittdarstellung eines Hubkolbens einer Arbeitskraftmaschine in der Arbeitsphase der Verringerung des Arbeitsvolumens,
- 3: eine Schnittdarstellung eines Hubkolbens einer Arbeitskraftmaschine in einer Zweikreisanordnung des Mediums der Arbeitskraftmaschine,
- 4: eine Schnittdarstellung einer Kreiskolben-Arbeitskraftmaschine,
- 5: eine Prinzipdarstellung zweier zusammenwirkender Zylinder mit Hubkolben, die auf eine Pleuelstange einwirken,
- 6: eine Prinzipdarstellung zehn zusammenwirkender Zylinder, die in zwei Gruppen zu jeweils fünf Zylindern mit jeweils einem Doppelkolben je Gruppe zusammenwirken,
- 7: die Anordnung nach 6 in einer Draufsicht von oben,
- 8: eine Prinzipdarstellung einer Anordnung von zehn zusammenwirkenden Zylindern, die in zwei Gruppen zu jeweils fünf Zylindern mit jeweils einem Doppelkolben je Gruppe zusammenwirken, mit einer anderen Konstruktion des Doppelkolbens,
- 9: die Anordnung nach 8 in einer Draufsicht von oben.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Zylinders 1 einer Arbeitskraftmaschine in der Arbeitsphase der Vergrößerung des Arbeitsvolumens. Es ist der Kolben 2 (Hubkolben) dargestellt sowie die Bewegungsrichtung (Pfeil 3) des Kolbens 2.
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Es ist zu sehen, dass das Einlassventil 4 geöffnet ist. Das Auslassventil 5 ist geschlossen.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung des Zylinders 1 entsprechend der Darstellung der 1, allerdings in der Arbeitsphase der Verringerung des Arbeitsvolumens. Dies ist durch den Pfeil 201 dargestellt.
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Es ist zu sehen, dass in dieser Arbeitsphase das Auslassventil 5 geöffnet ist. Das Einlassventil 4 ist geschlossen.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung eines Zylinders 1 einer Arbeitskraftmaschine in einer Zweikreisanordnung des Mediums der Arbeitskraftmaschine.
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Es ist ein Doppelkolbenzylinder 301 zu sehen. Der Doppelkolben 302 begrenzt in dem Doppelkolbenzylinder 301 ein Sekundärvolumen 303 und ein Primärvolumen 304. Das Sekundärvolumen 303 ist verbunden mit dem Arbeitsvolumen der Zylinders 1.
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Durch den Pfeil 308 ist dargestellt, dass sich der Hubkolben 2 nach oben bewegt. Das Arbeitsvolumen des Zylinders 1 wird also verringert. Dadurch wird das Sekundärvolumen 303 des Doppelkolbenzylinders 301 vergrößert. Dem Primärvolumen 304 des Doppelkolbenzylinders 301 ist ein Einlassventil 306 sowie ein Auslassventil 307 zugeordnet. In der hier dargestellten Arbeitsphase ist das Auslassventil 307 geöffnet und das Einlassventil 306 geschlossen. Dadurch wird das Medium aus dem Primärvolumen 304 des Doppelkolbenzylinders herausgedrückt.
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In einer Arbeitsphase der Vergrößerung des Arbeitsvolumens des Zylinders 1 ist das Einlassventil 306 geöffnet und das Auslassventil 307 geschlossen. Über das in das Primärvolumen 304 einströmende Medium wird das Sekundärvolumen 303 verringert. Dadurch strömt das in dem Sekundärvolumen 303 befindliche Medium in das Arbeitsvolumens des Zylinders 1 und treibt diesen an.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung einer Kreiskolben-Arbeitskraftmaschine 401. Es sind Einlassventile 402 und 403 zu sehen sowie Auslassventile 404 und 405.
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Die Einlassventile 402 und 403 sowie die Auslassventile 404 und 405 werden entsprechend der aktuellen Position des Kreiskolbens derart geöffnet und geschlossen, dass in einer Phase der Vergrößerung des jeweiligen Arbeitsvolumens das zugehörige Einlassventil geöffnet ist und das zugehörige Auslassventil geschlossen. In einer Phase der Verringerung des jeweiligen Arbeitsvolumens ist zugehörige Auslassventil geöffnet und das zugehörige Einlassventil geschlossen.
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In der Darstellung der 4 ist zu sehen, dass an der Position der Kreiskolben-Arbeitskraftmaschine, an der üblicherweise die Zündkerzen angebracht sind, eine weitere Anordnung von Ein- und Auslassventilen vorhanden ist. Damit werden die Arbeitsvolumina befüllt bzw. entleert, so dass durch den Strömungsdruck des Mediums der Kreiskolben angetrieben wird.
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5 zeigt eine Prinzipdarstellung zweier zusammenwirkender Zylinder 501 und 502 mit Hubkolben, die auf eine Pleuelstange einwirken. Die beiden Zylinder wirken als Zweikreissystem mit jeweils einem Doppelzylinder 503 und 504 zusammen. Von den Doppelzylindern 503 und 504 sind jeweils die Stammleitungen zu sehen (bezeichnet mit den Bezugsziffern 503 und 504), die zu den einzelnen Zylindern führen.
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Der Doppelzylinder 503 weist einen Doppelkolben 505 auf, der sich in der dargestellten Position an dem Anschlag befindet, an dem das Primärvolumen minimal ist. Das Medium in dem Primärvolumen dieses Doppelzylinder 503 ist vollständig herausgedrückt über das Ventil 509. Dieses Ventil 509 befindet sich in der Stellung, in der das Primärvolumen dieses Doppelzylinders 503 mit der Abführungsleitung verbunden ist. Das Sekundärvolumen 506 des Doppelzylinders 503 ist mit der Stammleitung verbunden, über die das Medium mit dem Zylinder 501 verbunden ist, sowie mit weiteren Zylindern, die mit dem Zylinder 501 hinsichtlich des Arbeitstaktes gleichlaufend synchronisiert sind.
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Der Doppelzylinder 504 weist einen Doppelkolben 507 auf, der sich in der dargestellten Position an dem Anschlag befindet, an dem das Primärvolumen maximal ist. Das Primärvolumen dieses Doppelzylinder 504 ist über das Ventil 510 vollständig mit dem unter Druck stehenden Medium gefüllt. Dieses Ventil 510 befindet sich in der Stellung, in der das Primärvolumen dieses Doppelzylinders 504 mit der Zuführungsleitung verbunden ist. Das Sekundärvolumen 508 des Doppelzylinders 504 ist mit der Stammleitung verbunden, über die das Medium mit dem Zylinder 502 verbunden ist, sowie mit weiteren Zylindern, die mit dem Zylinder 502 hinsichtlich des Arbeitstaktes gleichlaufend synchronisiert sind.
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Die Zylinder 501 und 502 sind nach dem Prinzip eines Boxermotors zueinander angeordnet, so dass die Arbeitstakte dieser Zylinder 501 und 502 zueinander gegenläufig synchronisiert sind.
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In der Darstellung der 5 ist zu sehen, dass anstelle separater 2/2-Ventile für die Einlassventile und die Auslassventile jeweils auch 3/2-Ventile vorgesehen sein können (509 und 510), die wechselnd entweder die Zuführleitungsanordnung oder die Abführleitungsanordnung mit dem Primärvolumen des jeweiligen Doppelzylinders 503, 504 verbunden.
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6 zeigt eine Prinzipdarstellung zehn zusammenwirkender Zylinder 601, 602, 603, 604, 605 sowie 606, 607, 608, 609, 610, die in zwei Gruppen (601, 602, 603, 604, 605 == Gruppe 1, sowie 606, 607, 608, 609, 610 == Gruppe 2) zu jeweils fünf Zylindern mit jeweils einem Doppelkolben je Gruppe zusammenwirken. Der Doppelzylinder 611 ist der Grupp 1 zugeordnet und der Doppelzylinder 612 der Gruppe 2.
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Die Zylinder 601, 602, 603, 604, 605 der Gruppe 1 sind zueinander gleichlaufend synchronisiert. Die Zylinder 606, 607, 608, 609, 610 der Gruppe 2 sind ebenfalls zueinander gleichlaufend synchronisiert. Die Zylinder der Gruppen 1 und 2 sind dabei zueinander gegenläufig synchronisiert.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel der 6 ist das Primärvolumen des Doppelzylinders 612 gerade mit der Zuführleitung verbunden. Der Kolben dieses Doppelzylinders 612 befindet sich gerade in dem Punkt, in dem sich die Bewegungsrichtung des Doppelkolbens umkehrt von der Bewegungsrichtung der Verringerung des Primärvolumens hin zu der Bewegungsrichtung der Vergrößerung des Primärvolumens.
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Entsprechend ist das Primärvolumen des Doppelzylinders 611 gerade mit der Abführleitung verbunden.
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7 zeigt die Anordnung nach 6 in einer Draufsicht von oben.
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In der Darstellung der 7 soll der Doppelkolben erläutert werden, der in den Doppelzylindern der 5 bis 9 verwendet wird. Dieser Kolben ist so aufgebaut, dass die Kolbenstange und der Kolben selbst innen hohl sind. Die Kolbenstange ist an dem Ende offen, an dem nicht der Kolben angebracht ist. Es ist zu sehen, dass der Kolben gegenüber der Zylinderwand des Doppelzylinders abgedichtet ist. Ebenso ist die Kolbenstange im Bereich von dem dem Kolben abgewandten Ende gegenüber der Wand abgedichtet.
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Das unter Druck stehende Medium strömt dadurch in das Innere des Doppelkolbens, wenn die Einlassventile geöffnet sind. Wenn die Auslassventile geöffnet sind, wird dieses Medium aus dem Inneren des Kolbens und der Kolbenstange herausgedrückt. Das Innere des Kolbens und der Kolbenstange sind damit bei dieser Ausgestaltung Teil des Primärvolumens des Doppelzylinders.
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Es ist zu sehen, dass in dem Volumen des Doppelkolbens, dass bei geöffneten Einlassventilen durch die Bewegung des Doppelkolbens „hinter“ dem Doppelkolben besteht, wenigstens eine Entlüftungsöffnung bzw. Belüftungsöffnung vorhanden ist. Wenn der Doppelkolben bei geöffneten Einlassventilen bewegt wird, wird über diese Belüftungsöffnungen Luft angesogen, so dass kein Unterdruck entsteht, gegen den der Doppelkolben bewegt werden muss. Bei geöffneten Auslassventilen wird durch die Bewegung des Doppelkolbens die vorher angesogene Luft wieder aus dem Doppelzylinder verdrängt, ohne dass der Doppelkolben bei seiner Bewegung diese Luft komprimieren müsste.
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Über die Größe der Volumina des Inneren des Kolbens und der Kolbenstange im Verhältnis zu dem Sekundärvolumen des Doppelzylinders, das dem Arbeitsweg des Doppelkolbens entspricht, lässt sich ein Übersetzungsverhältnis beim Betrieb der Arbeitskraftmaschine einstellen.
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Bei einer Ausgestaltung des Doppelzylinders und des Doppelkolbens gemäß der 3 ist der Doppelkolben massiv. Das Primärvolumen dieses Doppelzylinders besteht darin, dass der Doppelkolben „in das Sekundärvolumen hinein“ verdrängt wird. Dieser Doppelzylinder hat ein Übersetzungsverhältnis von 1:1.
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Grundsätzlich ist bei allen Ausgestaltungen sowohl die Verwendung eines Doppelzylinders entsprechend der Darstellung der 3 möglich als auch entsprechend den Erläuterungen im Zusammenhang mit der 7.
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8 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Anordnung von zehn zusammenwirkenden Zylindern 801, 802, 803, 804, 805 sowie 806, 807, 808, 809, 810, die in zwei Gruppen (801, 802, 803, 804, 805 == Gruppe 1; 806, 807, 808, 809, 810 == Gruppe 2) zu jeweils fünf Zylindern mit jeweils einem Doppelkolben je Gruppe zusammenwirken, mit einer anderen Konstruktion des Doppelkolbens gegenüber der Darstellung der 6.
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Die Doppelkolben 812 und 813 sind der Stammleitung 811 zugeordnet, die mit den Zylindern 801, 802, 803, 804 und 805 verbunden ist.
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Die Doppelkolben 814 und 815 sind mit einer Stammleitung 901 verbunden, die mit den Zylindern 806, 807, 808, 809 und 810 verbunden ist. Die Stammleitung 901 ist in der Darstellung der 8 durch die Stammleitung 811 verdeckt.
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9 zeigt die Anordnung nach 8 in einer Draufsicht von oben. In dieser Darstellung ist auch die Stammleitung 901 zu sehen.
