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Schwingkolbenmaschine mit mittelbar hydraulischem Kraftschluß Das
Bestreben, die in einer Kolbenkraftmaschine auf den Kolben wirkenden Kräfte unter
Umgehung des Kurbeltriebs nutzbar zu machen, ist bisher schon in mannigfachen Ausführungsformen
versucht worden. Es sei in diesem Zusammenhang auf die Deutschen Patentschriften
Nr. 431 648, 450 822, 479 335, 496 658, 514 926, 685 679 und weitere hingewiesen.
Eine gewisse Verbreitung und praktische Anwendung hat lediglich der von Prof. Junkers
vorgeschlagene und nach ihm benannte Freikolbenverdichter gefunden.
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Alle übrigen Vorschläge, darunter auch einer des Verfassers, DRP 685
679, bei welchem die hin-und hergehende Bewegung des Kolbens zur unmittelbaren Erzeugung
von Wechselstrom verwendet werden sollte, scheiterten an der relativ niederen Frequenz
der Schwingkolbenmaschine infolge großer bewegter Massen und an dem Problem der
Leistungsregelung, die z.B.
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bei der unmittelbar elektrischen Kraftübertragung innerhalb einer
Halbschwingung über den gesamten Leistungsbereich der Maschine hinweg erfolgen muß.
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Die zunehmende Verwendung von ölmotoren, insbesondere als stufenlose
Getriebe, die Anwendung immer höherer Drücke zur hydraulischen Kraftübertragung,
die damit verbundenen kleinen Abmessungen für hohe Leistungen und schliesslich infolge
Verbesserung der Oberflächenbearbeitung erreichte höhere Wirkungsgrade bei blhydraulik-Motoren
lassen es nahe erscheinen, eine Schwingkolbenmaschine zu entwerfen, bei der zur
Kraftübertragung eine Eydraulikkolbenpumpe z.B. in der gleichen Weise wie die Pressluftkolben
bei dem Freikolbenverdichter nach Junkers anzuwenden.
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Eine Nachrechnung des Arbeitsprozesses zeigt jedoch, daß bei der unmittelbaren
Kopplung des schwingenden Kolbens mit dem Pumpenkolben des Hydraulikzylinders durch
eine Kolbenstange keine praktisch brauchbare Kraftmaschine entsteht. Es rührt dies
daher, daß einmal durch die unmittelbare Kopplung die Masse des schwingenden Systems
erhöht, und damit die Frequenz erniedrigt wird, und zum zweiten die auf der Gasseite
wirtschaftlich erforderlichen und technisch realisierbaren hohen Kolbengeschwindigkeiten
auf der Hydraulikseite infolge der physikalischen Eigenschaften der Hydraulikflüssigkeit
- wie spez. Gewicht und Zähigkeit -Schwierigkeiten hervorrufen, die praktisch nicht
mehr beherrschbar sind.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Schwingkolbenmaschine, bei der die
Energieübertragung auf eine Hydraulikflüssigkeit ohne mechanische Kopplung zwischen
dem schwingenden Kolben der Kraftmaschine und dem schwingenden Kolben der Hydraulikpumpe
erfolgt.
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Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, daß ein schubstangenloser
Schwingkolben in einem Zylinder zwischen zwei den Zylinder auf beiden Seiten nach
außen abschliessenden Arbeitskolben, die durch Stangen miteinander verbunden sind,
durch die Ausdehnung des jeweils nahe einer der beiden äußeren Totlagen des Schwingkolbens
von außen zugefUhrt« Arbeitsmittels (Dampf, Gas) oder durch die Explosion eines
vom Schwingkolben verdichteten und nahe der Totlage gezündeten Gas-Luft- oder Vergaser
Kraftstoff --Luft-Gemisches oder durch die Verbrennung von nahe der Totlage eingespritztem
Kraftstoff in die von den Schwingkolben hochverdichtete Luft, freie Schwingungen
mit großer, volumenmäßig den wesentlichen Teil der Gasdehnung aufnehmender Amplitude
ausführt, und die Arbeitskolben, die ihre Arbeit über Pumpenkolben in Pumpen zylindern
hydraulisch abgeben, sich mit gleicher Frequenz jedoch nur mit einem Bruchteil der
Amplitude des Schwlngt kolbens hin- und herbewegt.
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Weitere Gegenstände der Erfindung betreffen das Zusammenwirken der
vorbeschriebenen Schwingkolbenmaschine mit mittelbar hydraulischem Kraftschluß mit
einem oder mehreren Hydraulikmotoren zur Umwandlung der hydraulisch zur Verfügung
gestellten Energie in rotierende Energie, d.h. in ein bestimmtes Drehmoment bei
bestimmter Drehzahl.
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So ist es Gegenstand der Erfindung, daß die Zylinderfüllung oder die
Brennstoff-Einspritzmenge in Abhängigkeit des Volumenstromes der Hydraulikflüssigkeit
geregelt, d.h. der Volumenstrom annähernd konstant gehalten ist.
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Weiterhin ist es Gegenstand der Erfindung, daß die Zylinderfüllung
oder die Brennstoff-Einspritzzenge in Abhängigkeit des Druckes der hydraulischen
Flüssigkeit geregelt ist, d.h., daß der Druck der Hydraulikflüssigkeit annähernd
konstant gehalten ist.
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Schliesslich ist es Gegenstand der Erfindung, daß die Zylinderfüllung
oder die Brennstoff-Einspritzmenge durch willkürlichen äußeren Eingriff erfolgt
und damit die Größe des Produkts aus Druck und Volumenstrom bestimmt ist, während
sich die absoluten Größen von Druckhöhe und Volumenstrom innerhalb der durch die
Maschinenabmessungen gegebenen Grenzen frei nach dem geforderten Drehmoment des
Hydraulikmotors selbsttätig einstellen.
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Auch die zum Aufbau und Betrieb der Schwingkolbenmaschine mit mittelbar
hydraulischem Kraftschluß erforderlichen Hilfseinrichtungen sind in ihrer Kombination
mit dieser neuartig und daher Gegenstand der Erfindung; dazu gehören: daß die Steuerung
des Einlaßventils z.B. bei Betrieb mit Heißdampf oder die Brennstoff-Einspritzpumpe,
oder die Auslösung der Zündung bei Verbrennungs-Kraftmaschinen von der Hydraulikseite
der Maschine aus, durch den plötzlichen Druckanstieg im Hydraulik-Zylinder (beim
Überschleifen der Einlaßkanten für die Hydraulikflüssigkeit durch den Kolben der
Hydraulikpumpe) erXo4¢£.
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daß bei Betrieb als Verbrennungs-Kraftmaschine der Kolben der Einspritzpumpe
unmittelbar durch einen mit der Hydraulikflüssigkeit beaufschlagten Kolben bewegt
ist und dieser Kolben mit dem plötzlichen Druckanstieg die Brennstoffeinspritzung
bewirkt; daß die Energie zur Erzeugung der bei Zweitakt-Verbrennungs-Kraftmaschinen
erforderlichen Spülluft, die in bekannter Weise durch ein Spülluftgebläe oder durch
eine Spülluft-Kolbenpumpe bereitgestellt werden muß, von der Hydraulik.
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seite aus, unmittelbar aus dem Zylinder der Hydraulikpumpe oder durch
eine Entnahmestelle in diesem Zylinder entnommen ist; daß zur Glättung des auf der
Hydraulikseite der Schwingkolbenmaschine mit mittelbar hydraulischem Kraftschluß
stoßweise geförderten Volumenstromes und auch zur leichten Regelung elastische Speicher
(Druckakkumulatoren) in die Druck- und ggf. auch in die Saugleitung eingebaut sind;
daß durch ein Überdruck-Sicherheitsventil der Höchstdruck und durch ein Absperr-Drosselventil
zum Hydraulikmotor hin der niedrigste Druck, d.h. die mögliche Arbeitsdruckdifferenz
der Hydraulikflüssigkeit, die sich bei Leistungsänderung der Schwingkolbenmaschine
verändern kann, begrenzt ist.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau einer Schwingkolbenmaschine
mit mittelbar hydraulischem Kraftschluß in der Betriebsweise als Verbrennungs-Kraftmaschine0
In einem Zylinder (1) mit Auslaßschlitzen (2) und Einlaßschlitzen (3) befindet sich
der frei bewegliche Schwingkolben (4). Der Zylinder ist an seinen beiden offenen
Seiten durch die Arbeitskolben (5) und (6), die über Joche (7) und (8) mittels der
Stangen (9) und (10) miteinander verbunden sind.
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Die Stangen (9) und (10) tragen in ihrer Mitte die Kolben (11) und
(12), die ihrerseits in den Hydraulikzylindern (13) und (14) angeordnet sind. Die
Hydraulikzylinder (13) und (14) besitzen ringförmige Kanäle (15) und (16), über
welche die Hydraulikflüssigkeit aus den Zuflußrohren (17) und (18) über Schlitze
in den Laufbüchsen der Hydraulikzylinder (13) und (14) angesaugt wird.
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An den Deckelseiten der Hydraulikzylinder (13) und (14) befinden sich
Überdruck Auslaßventile (19), (20), (21), und 2) w¢tche die beim Betrieb der Maschine
durch die Kolben (11) und (12) zusainmengepresste Hydraulikflüssigkeit in die Druckleitungen
(23) und (24) gefördert wird.
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Anstelle oder neben den Kolben (11) und (12) und den Zylindern (13)
und (14) können auch noch die Kolben (25) und (26) in den Hydraulikzylindern (27)
und (28) mit den ringförmigen Kanälen (29) und (30), den Überdruck-Auslaßventilen
(31) und (32), den zugehörigen Ansaugleitungen (33) und (34) sowie den Druckleitungen
(35) und -(36) vorgesehen werden.
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Die Einspritzung des Kraftsotffs erfolgt über die Einspritzdüsen (37)
und (38) mittels der Einspritzpumpen (39) und (40), bei welchen durch Verdrehen
der Kolben (41) und (42) die Einspritzmenge verändert werden kann.
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Die Bewegung der Kolben (41) und (42) der Kraftstoff-Einspritzpumpe
erfolgt über die Zylinder (43) und (44), deren Kolben (45) und (46) über die Leitungen
(47) und (48) mit den Zylindern (13) und (14) verbunden sind.
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Über die Leitung (49) fließt der Kraftstoff den Einspritzpumpen aus
dem Tank (50) zu. Das Anfahren der Maschine erfolgt über die Steuerventile (51)
und (52), die abwechselnd im Rhytmus der Maschinenfreqnuenz öffnen und schliessen
und über die Leitung (53) aus der Flasche (54) mit Pressluft versorgt werden.
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Beim Anfahren der Maschine strömt über die gesteuerten Ventile (51)
und (52) im rhythmus der bekannten Eigenfrequenz des Schwlngkolbens (4) Pressluft
zwischen die Kolben (4) und (5) bzw. (4) und (6),
wodurch der Kolben
(4) im Zylinder (i) zwischen den Kolben (5) und (6) zu Schwingungen mit immer größerer
Amplitude veranlasst wird. Sobald der Kompressionsdruck zwischen dem hin- und herschwingenden
Kolben (4) und den Kolben (5) und (6) eine solche Größe erreicht hat, daß die Kolben
(5) und (6) zusammen mit den Hydraulikkolben (11) und (12) ggf. (25) und (26) den
Gegendruck der Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikzylindern (13), (14) ggf. (27)
und (28) überwinden, führen die Kolben (41) und (42) in den Zylindern (39) und (40)
der Kraftstoffpumpen ihre ersten Bewegungen aus, und es wird über die Einspritzdüsen
(37) und (38) Kraftstoff zwischen die Zylinder (5) und (4) bzw. (6) und (4) eingespritzt.
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Durch die hohe Verdichtung zwischen den letztgenannten Zylindern entzündet
sich der Brennstoff und die Schwingkolbenmaschine beginnt zu arbeiten. Von diesem
Zeitpunkt ab, d.h. von den ersten Bewegungen der Schubstangen (9) und (10) bei Erreichen
einer kleinen aber festgelegten Amplitude werden die Anlaßventile (51) und (52).abgeschaltet.
Sobald in einem in Fig. 1 nicht dargestellten Druckhaltegefäß ein festgelegter Druck
der Hydraulikflüssigkeit erreicht ist, wird über einen Druckregler die Einspritzmenge
der Brennstoffpumpen auf die zur Aufrechterhaltung der Bewegung des Schwingkolbens
erforderlichen geringen Menge durch einen Druckregler eingestellt, (Leerlauf-Einspritzmenge).
Die Maschine ist jetzt zur Leistung abgabe betriebsbereit. Sobald der Druck auf
der Hydraulikseite der Maschine einen festgelegten Maximalwert unterschreitet, vergrößert
sich die Einspritzmenge bis zur Grenzleistung der Maschine. Dabei werden die Kolben
(5) und (6) Schwingungen mit zunehmend größerer Amplitude ausführen, und es wird
gleichzeitig das Fördervolumen der Hydraulikpumpen zunehmen.
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Der vorbeschriebene Anfahrprozess gilt für einen Betrieb der Schwingkolbenmaschine
mit annähernd konstantexi Druck 1er Hydraulikflüssigkeit bei leistungsängiger änderung
der
geförderten Menge der Hydraulikflüssigkeit. Auch bei dem Betrieb der Maschine mit
verändertem Druck der Hydraulikflüssigkeit und gleichbleibendem Fördervolumen oder
bei einem Betrieb, bei welchem sich innerhalb festgelegter Grenzen sowohl der Druck
wie das Fördervolumen ändern können, läuft der Anfahrprozess gleichartig ab, bis
auf den Unterschied, daß die Regelung der Brennstoff-Einspritzmenge den veränderten
Betriebsbedingungen angepaßt ist. Zum sicheren Betrieb der Maschine besitzt diese
oder das Druckhalte-Sammelgefäß ein Uberdruck-Sicherheitsventil, welches den Maximaldruck
auf der Hydraulikseite nach oben begrenzt und ein Druckhalte-Absperrventil, welches
den minimalen Druck der Hydraulikflüssigkeit nach unten begrenzt.
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Zum Betrieb der Schwingkolbenmaschine mit mittelbar hydraulischem
Kraftschluß gehört, wenn diese wie vorbeschrieben als Verbrennungs-Kraftmaschine
betrieben wird, noch ein Spülluftgebläße, welches in der schematischen Darstellung
nach Fig. 1 aus Gründen der besseren Übersicht weggelassen worden ist. Bei dem normalen
Betrieb der Maschine wird die für das Spülluftgebläse erforderliche Energie von
einem Teil der unter Druck stehenden, von der Maschine selbst erzeugten Hydraulikflüssigkeit
entnommen.
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Die Spülluft kann dabei sowohl in einem rotierenden Gebläse - angetrieben
durch einen kleinen ölmotor -erfolgen, es ist aber auch möglich, die Spülluft durch
eine Kolbenpumpe, welche in der Frequenz der Schwingkolbenmaschine arbeitet, und
über zwei Kolben in zwei Zylindern bewegt wird, die von der Hydraulikflüssigkeit
aus den Zylindern der Hydraulikpumpe der Maschine pulsierend mit Drucköl versorgt
werden. Im letztgenannten Fall erfolgt die Zufuhrung der Hydraulikflüssigkeit zur
Spülluft pumpe über eine Entnahmestelle.
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Bei der später folgenden Erläuterung der Fig. 5 wird auf diesen Sachverhalt
näher eingegangen.
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In den Figuren 2,3 und 4 sind Schaltpläne wiedergegeben, die das Zusammenwirken
einer Schwingkolbenmaschine mit mittelbar hydraulischem Kraftschluß mit einem Hydraulikmotor
darstellen.
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In Fig. 2 ist die sinnbildlich dargestellte Schwingkolbenmaschine
mit hydraulischem Kraftschluß (55) mit ihrer Hydraulik-Druckleitung (56) unmittelbar
mit dem Hydromotor (57) verbunden. Aus dem mit konstantem Verdrängervolumen arbeitenden
Hydromotor (57) strömt die Arbeitsflüssigkeit über das Sammelgefäß (58) über die
Saugleitung (59) der Schwingkolbenmaschine (55) wieder zu. Der mit gleichbleibender
Drehzahl umlaufende Hydromotor gibt seine Leistung an den Generator (60) ab und
treibt gieichzeitig mit konstanter Drehzahl das Spülluftgebläse (61) an. Zum Ausgleich
der von der Schwingkolbenmaschine (55) stoßweise gelieferten Hydraulikflüssigkeit
dient die Druckspeicherflasche (62), ( 6 2 ) , in welcher durch das Zusammendrücken
eines Luftpolsters oder durch die Kompressibilität der Flüssigkeit selbst die pulsierende
Strömung in eine kontinuierliche umgewandelt wird.
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Das Druckhalteventil (63) sorgt dafür, daß der zum Betrieb der Schwingkolbenmaschine
erforderliche Mindestdruck auf der Hydraulikseite nicht unterschritten wird. Über
den Fliehkraftregler (64) wird der aus dem Gefäß (65) den Brennstoffpumpen züfliessende
Brennstoff so geregelt, daß der Druck im Sammelgefäß (62) dem jeweils geforderten
Drehmoment des Hydromotors entspricht. Das in der Fig. 2 dargestellte Schaltschema
gilt also für den Betrieb der Schwingkolbenmaschine mit konstantem Flüssigkeitsstrom.
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In Fig. 3 ist das Schaltbild für den Betrieb der Schwingkolbenmaschine
(55) mit konstantem Druck auf der Hydraulikseite wiedergegeben. In diesem Fall arbeitet
die Druckleitung (56) auf einen Hydromotor (66) mit verstellbaren VerdrAngungsvolumen
und mit veränderlicher Drehzahl, wie dies z.B. für den Antrieb von Kraftfahrzeugen
erwünscht ist.
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Spülluftgebläse (61) und Lichtmaschine (67) werden durch
einen
weiteren kleinen Hydromotor (68) angetrieben.
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Die Regelung der Brennstoff-Einspritzmenge erfolgt durch einen über
die Leitung (69) gesteuerten Regler, der die Brennstoffmenge' der Einspritzpumpen
so dosiert, daß der Druck in dem Druckhaltegefäß (62) annähernd konstant bleibt.
Das Druckhalteventil (63) schließt, wenn der Druck im Halegefäß (62) einen festgelegten
Minimalwert unterschreitet.
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In Fig. 4 ist ein Schaltschema gezeigt, bei dem die Schwingkolbenmaschine
mit mittelbar hydraulischem Kraftschluß (55) innerhalb festgelegter Grenzen mit
veränderlichem Druck im Druckhaltegefäß (62) und veränderlichem Volumenstrom auf
einen Hydromotor (69), dessen Verdrängungsvolumen stufenweise unveränderlich oder
kontinuierlich veränderlich sein kann. Ein Druckhalteventil (63) sorgt dafür, daß
der zum Betrieb der Schwingkolbenmaschine erforderliche Mindestdruck nicht unterschritten
werden kann.
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Der Antrieb der Spülpumpe (61) durch den kleinen ölmotor (68) erfolgt
durch eine zweite Druckleitung (70).
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Dieser Förderstrom wird den Pumpenzylindern der Schwingkolbenmaschine
an einer Entnahmestelle, welche in Fig. 5 erläutert ist, entnommen. Eine Druckflasche
(71) sorgt für die Glättung des letztgenannten Förderstroms.
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Bei der Schaltung nach Fig. 4 wird die Menge des eingespritzten Brennstoffes
und damit die Leistung des Aggregates, bestehend aus Schwingkolbenmaschine und Hydromotor,
manuell oder durch Peda -, wobei sich innerhalb festgelegter Grenzen Druck und Volumenstrom
selbsttätig auf das im Hydromotor wirkende Drehmoment einstellen.
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Bei allen Schaltungen nach Fig. 2, 3 und 4 besitzen die Flaschen (62)
ein Überdruck-Sicherheitsventil, durch welches die Maschinenanlage vor einer Zerstörung
bewahrt wird, und mit welchen von den Hydromotoren nicht aufgenommene Energie durch
Überströmen in das Sammelgefäß vernichtet wird.
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Diese an sich bekannte Sicherheitseinrichtung ist in den Figuren 2
- 4 nicht besonders dargestellt worden.
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In Fig. 5 ist in teilweise schematischer Darstellung eine Ausführungsform
des Pumpenzylinders der Schwingkolbenmaschine für den Fall wiedergegeben, bei der
diese mit veränderlichem Druck im Hydraulikkreislauf arbeitet. In diesem Fall erfolgt
die Versorgung des kleinen ölmotors (68) zum Antrieb der Spülpumpe (61) in dem Schaltbild
nach Fig. 4 über die Entnahmen (72), wobei der Druck der Hydraulikflüssigkeit in
diesem zweiten Stromkreis so niedrig, gewählt wird, daß er immer unter dem veränderlichen
Druck des Stromkreises für den Hydromotor < 56) liegt.
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Ein besonderes Charakteristikum der Schwingkolbenmaschine mit mittelbar
hydraulischem Kraftschluß gemäß der Erfindung besteht darin, daß sie ebenso wie
rotierende Kraftmaschinen bezüglich ihrer Baugröße keinen Beschränkungen unterworfen
ist. Sie unterliegt jedoch als schwingendes System physikalisch bedingten Gesetzmäßigkeiten,
die zur Vervollständigung der Beschreibung nachstehend angegeben werden.
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Bei gleichmäßiger Veränderung der für die Schwingkolbenmaschine charakteristischen
geometrischen Abmessungen, also des Kolbendurchmessers und des Kolbenhubes um den
Faktor n, wobei n beliebige Werte, die größer oder kleiner als 1 sein können, annehmen
kann, verändern sich die Frequenz der Maschine mit n 1 , die Maschinenleistung mit
n2 und das Gewicht des freischwingenden Kolbens mit n3.
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Hierbei bleiben die mittlere Kolbengeschwindigkeit sowie die Strömungsgeschwindigkeit
auf der Gas- und Hydraulikseite der Maschine unverändert.
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Abschliessend sei noch darauf hingewiesen, daß bei großen Maschineneinheiten
die Zugstangenverbindung zwischen den beiden Arbeitskolben (5> und (6)- nach
Fig. 1 statt durch zwei außen liegende zugstangen (9) und (lo) auch durch eine
einzige
in der Zylinderachse angeordnete Zugstange, die außen z.B. in den Pumpenzylindern
(27) und (28) durch die Pumpenkolben (25) und (26) geführt wird, ersetzbar ist.
Der Schwingkolben kann in diesem Fall auf der Zugstange gleiten und es ist möglich,
diesen Kolben - wie auch die beiden Arbeitskolben - an der Zylinderwand schmierungsfrei
schwingen zu lassen, wobei die Abdichtung der Kolben im Zylinder anstatt mit Kolbenringen,
auch durch die Labyrinthwirk-ig konzentrischer Eindrehungen im Kolben oder in der
Zylinderwand erreicht werden kann. In diesem Fall - wie auch in dem Fall der konventionellen
Abdichtung der Kolben mit Kolbenringen - besitzt die Schwingkolbenmaschine dann
die niedrigsten Reibungsverluste und den geringsten Verschleiß und damit die höchste
Lebensdauer, wenn die Maschine in einer Lage betrieben wird, bei welcher die Zylinderachse
senkrecht steht.