DE2728810A1

DE2728810A1 - Kolbenmaschine

Info

Publication number: DE2728810A1
Application number: DE19772728810
Authority: DE
Inventors: Richard Dr Akeret
Original assignee: ENGINOR AG
Current assignee: ENGINOR AG
Priority date: 1976-07-27
Filing date: 1977-06-27
Publication date: 1978-02-02
Also published as: SE434416B; FR2359964B1; FR2359964A1; JPS5315605A; US4132078A; GB1565288A; SE7708587L

Description

Patentanwalt· Dr. O. Loesenbeck g Dipl.-Ing. Stracke Dipl.-Ing. Loesenbeck 14. Februar 1977 RS/kh U BWeWd, Herforder Strafe 17 "Zusammenfassung" ENGINOR AG, 8500 Frauenfeld Kolbenmaschine

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine mit auf einer Kreisbahn umlaufenden, kreisbogenförmig gekrümmten Kolben und Zylindern, die fest an je einem um eine gehäusefeste Maschinenachse rotierenden Tragteil angeordnet sind, welche Tragteile während der Rotation hubbedingte, gegenseitige Relativverschwenkungen ausführen, wobei sie wechselweise mit einer Welle in Eingriff bringbar sind.

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Es sind bereits Verbrennungsmotoren mit in einem Ringzylinder umlaufenden Kolben und nachlaufenden, den Abstand zum Kolben ändernden Gegenkolben bekannt. Die Steuerung der Bewegungen erfolgt durch Hebel und ein Zahnradgetriebe, wobei aber die beim Explosionsvorgang entstehenden Kräfte nicht zufriedenstellend beherrschbar sind, so dass die bekannten Motoren nie bis zur Serienherstellung ausreiften. Bei anderen Verbrennungsmotoren wurde schon vorgeschlagen, ständig umlaufende Zylinder und schrittweise umlaufende Kolben auf einer Kreisbahn anzuordnen und mittels eines Gestänges zu steuern. Auch diese Konstruktion führte infolge Steuerungs- und Dichtproblemen, verbunden mit ungeeigneter Kraftübertragung, zu grossen Schwierigkeiten und konnte schon aus Kostengründen nie in Serie realisiert werden. Zudem war der Bewegungsablauf dieser Maschinen mechanisch nicht abgeschlossen, d. h. das Getriebe konnte blockieren oder das Gestänge von seiner Steuerbahn abheben.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Kolbenmaschine der eingangs erwähnten Gattung zu schaffen, bei welcher die Nachteile bekannter Maschinen dieser Art eliminiert sind und die Vorteile der Rotationsbewegung der Kolben und Zylinder gegenüber der bei konventionellen Maschinen üblichen Hin- und Herbewegung des Kolbens in einem ortsfesten Zylinder voll zur Geltung kommen.

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Erfindungsgemäss wird dies so erreicht, dass die Tragteile über ein Getriebe miteinander verbunden sind, wobei das Getriebe zwei in je einem der Tragteile verschwenkbar gelagerte Getriebeteile aufweist, welche wechselweise mit einer Steuerkurve bzw. einer Gegenkurve in Wirkverbindung bringbar sind, das Ganze derart, dass.der Bewegungsablauf der Maschine zwangsläufig mechanisch geschlossen ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Maschine ist so ausgebildet, dass zwei Nockenscheiben vorgesehen sind, dass ein Bahnabschnitt jeder Nockenscheibe als Steuerkurve und ein anderer Bahnabschnitt als Gegenkurve ausgebildet ist, dass die zur Maschinenachse parallelen Achszapfen der Getriebeteile schwenkbar in je einem der Tragteile gelagert sind, und dass das eine Ende der Achszapfen über einen Abtastmechanismus mit der zugeordneten Nockenscheibe verbunden ist. Dadurch sind die beiden Tragscheiben kraftschlüssig miteinander verbunden und bilden ein mechanisch geschlossenes System.

Bei einer Ausführungsform der Maschine als Druckluft- oder Heissgasmotor sind Freiläufe vorhanden, über welche sich die Tragteile beim Arbeitshüb des Kolbens am Gehäuse abstützen können. Diese Ausführungsform ist zweckmässigerweise so ge-

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staltet, dass das Getriebeteil eine erste Verzahnung aufweist, die mit einem Freilaufzahnrad des ihrem Tragteil zugeordneten Freilaufes im Eingriff steht, und dass am Getriebeteil eine zweite Verzahnung vorhanden ist, welche mit einer Innenverzahnung des gegenüberliegeneen Tragteiles in Eingriff ist.

Bei einer Kolbenmaschine, die nur als Verdichter Verwendung findet, kann auf Freiläufe verzichtet werden. Eine solche Maschine zeichnet sich derart aus, dass das Getriebeteil eine einzige Verzahnung aufweist, welche mit einer Innenverzahnung des gegenüberliegenden Tragteils in Eingriff steht. Es kann z. B. eine als Verdichter ausgebildete Maschine einer als Heissgasmotor ausgebildeten Maschine vorgeschaltet und von letzterer angetrieben sein.

Anhand der Zeichnungen werden nachfolgend drei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, und zwar eine Druckluftmaschine, ein Heissluftmotor und ein Verdichter. Es zeigen:

Fig. la einen Querschnitt Ia-Ia gemäss Fig. Ib von der Steuerseite her durch eine druckluftbetriebene Kolbenmaschine mit auf einer Kreisbahn umlaufenden Kolben und Zylindern,

Fig. Ib eine Ansicht der Maschine gemäss dem Pfeil Ib der Fig. la

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Fig. 2a einen Querschnitt Ha-IIa gemäss Fig. 2b durch den Antriebsmechanismus der Maschine,

Fig. 2b einen Längsschnitt durch die Maschine nach der Linie Hb-IIb gemäss Fig. 2a,

Fig. 3a + 3b Schnitte IHa-IIIa bzw. IHb-IIIb gemäss Fig. 2a durch den Kolben-/Zylinder-Mechanismus der Maschine,

Fig. 4a + 4b schematisch die zwei Tragscheiben für die Kolben bzw. die Zylinder beim Kämmen mit einem Abtriebszahnrad bzw. beim Aussereingriff mit demselben,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der beiden Tragscheiben, welche ein mechanisch geschlossenes System bilden,

Fig. 6 schematisch die Kinematik eines mit den Tragscheiben und den Freiläufen verbundenen Getriebeteiles,

Fig. 7 schematisch die Zusammenhänge zwischen der Rotationsbewegung und der überlagerten Relativverschwenkung bei einer als Heissluftmotor funktionierenden KoI-" benmaschine, wobei das Ende des Gleichlaufs bzw. der Beginn der Beschleunigung bei einem Drehwinkel von 0 gezeigt ist,

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Fig. 7a das Schema gemäss Fig. 7 bei einem Drehwinkel von 14 , welcher der Mitte der Beschleunigungsstrecke entspricht,

Fig. 7b das Schema gemäss Fig. 7 bei einem Drehwinkel

von 28 , entsprechend dem Ende der Beschleunigung und dem Beginn des Sperrlaufes,

Fig. 7_C das Schema gemäss Fig. η bei einem Drehwinkel von 108 , welcher dem Ende des Sperrlaufes bzw. dem Anfang der Verzögerung entspricht,

Fig. 7d das Schema gemäss Fig. 7 bei einem Drehwinkel

von 122 , entsprechend der Mitte der Verzögerung,

Fig. 7e das Schema gemäss Fig. 7 bei einem Drehwinkel

von 136 am Ende der Verzögerung bzw. bei Beginn des Gleichlaufes, und

Fig. 7f das Schema gemäss Fig. 7 am Ende des Gleichlaufes bei 169,2°,

Fig. 8 schematisch die Funktionsweise der Maschine als Heissluftmotor,

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Fig. 9 einen Längsschnitt durch einen Lufterhitzer,

Fig. 10 die Anordnung des Lufterhitzers auf der Tragscheibe bei einem weiteren Heissluftmotor,

Fig. 11 einen schematischen Längsschnitt durch eine als Verdichter ausgebildete Kolbenmaschine mit auf einer Kreisbahn umlaufenden Kolben und Zylindern, wobei einzelne Elemente der Maschine nur angedeutet sind,

Fig. 12 einen Querschnitt durch einen Verdichter, wiederum schematisch,

Fig. 13 eine schematische Ansicht der Maschine gemäss Fig. 1 von der Steuerseite her unter Weglassung nicht relevanter Gehäuseteile,

Fig. 14 schematisch die Kinematik eines mit den Tragscheiben verbundenen Getriebeteiles,

Fig. 15 die Bewegungsphasen der Tragscheiben und der Abtastvorrichtungen während eines vollen Umlaufes von 360 und

Fig. 16 schematisch die Verbindung des Maschinenzylinders mit dem Druckkessel.

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Die in den Fig. 1-3 dargestellt erste Ausführungsform der Kolbenmaschine wird durch Druckluft angetrieben. Diese Druckluftmaschine weist zwei um eine gehäusefeste Maschinenachse umlaufende Kolben 2, 3, und Zylinder 2a, 3a auf, die kreisbogenförmig gekrümmt sind und deren Achsen auf einem Kreis 4 liegen. Die beiden Kolben-Zylinder-Gruppen 2, 2a bzw. 3, 3a sind hubmässig abgestimmt an der Peripherie eines frei drehbar auf der Maschinenachse 1 gelagerten Scheibenpaares 5, 5a befestigt, wobei die eine Tragscheibe 5 die beiden Kolben 2, 3 und die andere Tragscheibe 5a die diesen zugeordnete Zylinder 2a, 3a aufweist. Bei anderen Ausführungsformen der Maschine könnte jede Scheibe den Kolben der einen Kolben-Zylinder-Gruppe und den Zylinder der anderen Gruppe tragen, was aber wegen der Druckluftzuführung weniger günstig wäre, da letztere von beiden Seiten der Maschine aus erfolgen müsste.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die Druckluftzufuhr in noch zu beschreibender Weise nur von der einen Seite der Maschine her, was die Steuerung vereinfacht. Während einer Umdrehung des Scheibenpaares 5, 5a führt jeder Druckluft-beaufschlagbare Kolben 2, 3 einen Arbeits- und einen Ausstosshub

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durch, was zu einer zyklischen Relativverschwenkung der Scheiben 5, Sa führt, wobei die Relativverschwenkung der Rotation überlagert ist.

Die geschilderten, durch den Luftdruck in den Zylindern ausgelösten Bewegungsabläufe werden über ein Getriebe, eine Steuerkurve, eine dieser zugeordneten Gegenkurve und eine Abtastvorrichtung gesteuert.

Die Scheiben 5, 5a sind drehbar auf zugeordneten Freiläufen

6, 6a gelagert, die ihrerseits fest und im Abstand voneinander auf der Maschinenachse 1 verkeilt sind und je ein Freilaufzahnrad 7, 7a aufweisen, welches in der Rotationsrichtung frei drehbar ist und in der Gegenrichtung sperrt. Die Scheiben 5, 5a sind über die Getriebeteile 8, 8a mit den Freilaufzahnrädern

7, 7a verbunden. Die Freiläufe 6, 6a sperren weitgehend schlupffrei.

Das Getriebeteil 8 bzw. 8a weist einen in der Scheibe 5 bzw. 5a gelagerten Achszapfen 9 bzw. 9a auf, der auf der Innenseite zwei Zahnräder 10, 11 bzw. 10a, 11a trägt und an dessen Aussenende ein Nockenhebel 12 bzw. 12a befestigt ist. Letzterer ist mit einem Nockenrad 13 bzw. 13a versehen, welches auf der gehäusefesten Nockenscheibe 14 bzw. 14a abläuft und dadurch bei

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der Rotation der Scheibe 5 bzw. 5a eine zyklische Verschwenkung des Getriebeteiles 8 bzw. 8a um seinen Achszapfen 9 bzw. 9a bewirkt. Beide Nockenscheiben 14 bzw. 14a sind gleich ausgebildet und mit gleicher Orientierung am Gehäuse angeordnet.

Das eine Zahnrad 11 bzw. 11a des Getriebeteiles 8 bzw. 8a greift in das zugeordnete Freilaufzahnrad 7 bzw. 7a ein, und das zweite zu diesem, koaxiale Zahnrad 10 bzw. 10a des Getriebeteiles 8 bzw. 8a greift in einen Zahnring 15a bzw. 15 mit Innenverzahnung der gegenüberliegenden Scheibe 5a bzw. 5 ein.

Die beiden FreilaufZahnräder 7, 7a sind an den äusseren, ebenfalls rotierbaren Gehäuseteilen der Freiläufe 6, 6a befestigt, wobei der eigentliche Freilaufmechanismus im Innern der Freiläufe 6, 6a nicht dargestellt ist. Die inneren Gehäuseteile der Freiläufe 6, 6a sitzen fest auf der Achse 1. Die Freiläufe sind unabhängig voneinander und nur über die Getriebeteile 8, 8a miteinander verbunden.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, sind also die Scheiben 5, 5a gegenseitig über die sich an den Nockenscheiben 14, 14a und an den Freiläufen 6, 6a abstützenden Getriebeteile 8, 8a kraftschlüssig miteinander verbunden, wobei beim Betrieb der Maschine als Verdichter die den Kolbenhüben entsprechenden

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Relativverschwenkungen der Scheiben 5, 5a zueinander während ihrer Rotation durch die Nocken 14, 14a zwangsläufig ausgelöst werden. Dabei führen die Getriebeteile 8, 8a entsprechende Schwenkbewegungen um ihre Achszapfen aus.

Während des Arbeitshubes des ersten Kolbens 3 stützt sich dessen Scheibe 5 über den Freilauf 6 und die Maschinenachse 1 am Gehäuse ab, und die den Zylinder 3a aufweisende Scheibe 5a führt eine zusätzliche Bewegung im Betrag der Hublänge des ersten Kolbens 3 aus, dies alles wechselseitig.

Durch diese Bewegung wird gleichzeitig der ebenfalls auf der vorauseilenden Scheibe 5a sich befindliche zweite Zylinder 2a auf den zweiten Kolben 2 geschoben, der sich zusammen mit dem ersten Kolben 3 auf der Scheibe 5 befindet. Während also der erste Kolben 3 seinen Arbeitstakt ausführt, führt der zweite Kolben 2 seinen Ausstosstakt durch, usw.

Die Arbeitsleistung wird vom rotierenden Scheibenpaar 5, 5a auf eine im Gehäuse gelagerte Abtriebswelle 16 übertragen. Dazu sind beide Scheiben 5, 5a mit einer Aussenverzahnung 17 bzw. 17a versehen, welche sich über einen Teil jedes Scheibenumfanges erstreckt.

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Die Aussenverzahnungen 17, 17a stehen wechselweise während der Gleichlaufphase ihrer Scheiben 5, 5a mit entsprechenden, auf der Abtriebswelle 16 befestigten Abtriebszahnrädern 18, 18a in Eingriff, wobei durch die Nocken 14, 14a und die Getriebeteile 8, 8a Gewähr dafür geboten wird, dass die jeweils in Eingriff kommenden Scheiben 5, 5a synchron mit ihren Abtriebszahnrädern 18, 18a rotieren.

Die Scheibe 5, der Getriebeteil 8a, das Freilaufzahnrad 7a und der äussere Gehäuseteil des Freilaufes 6a rotieren also gemeinsam in einer Drehrichtung D um die Achse 1, wobei aber die relativen Rotationsgeschwindigkeiten dieser Elemente während einer vollen Umdrehung unterschiedlich sind.

Wenn die nicht in Eingriff stehende Scheibe 5a in bezug auf die in Eingriff stehende Scheibe 5 infolge des Kolbenhubes beschleunigt wird, wird die Abstosskraft der Scheibe 5a über den Getriebeteil 8a, die Scheibe 5 und das Freilaufzahnrad 7a aufgenommen. Letzteres geht ruckfrei für kurze Zeit in Sperrstellung, um dann während der Verzögerungsphase der Scheibe 5a (vor dem Eingriff) wieder beschleunigt zu werden.

Die unterschiedliche Relativrotationsgeschwindigkeit zwischen den Scheiben und ihren zugeordneten Freilaufzahnrädern ist in-

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folge der während der Rotation hin und her schwingenden Getriebeteile möglich.

Die Steuerung der Druckluftzufuhr erfolgt über zwei Wälzventile 19, die eng benachbart zu den Zylindern 2a, 3a auf der Scheibe Sa befestigt sind und mit letzterer mitrotieren.

Der Antrieb der Wälzventile 19 erfolgt über ein gehäusefestes Zahnrad 20, ein durch eine Halterung 21 an der Scheibe 5a angebrachtes Zwischenzahnrad 22 und das Wälzventilzahnrad 23, wobei das Uebersetzungsverhältnis so gewählt wird, dass bei einer Umdrehung der Trägerscheibe 5a das Wälzventil 19 eine halbe Umdrehung ausführt. Bei einem durch drei teilbaren Abstand zwischen den Achsen der Wälzventile 19 und der Hauptachse 1 könnte auf die Zwischenzahnräder 22 verzichtet werden und der Antrieb direkt über das gehäusefeste Zahnrad 20 erfolgen,

Die Druckluft zum Antrieb der Maschine wird den Wälzventilen

19 durch die zentrische Bohrung 38 in der Achse 1 und die Leitung 38a durch ein gut dichtendes Q-Ring-System über ein mitrotierendes Rad zugeführt.

Das Wälzventil 19 weist zwei nebeneinander angeordnete Bohrungen 19a, 19b auf, welche winkelversetzt zueinander angebracht sind. Beim Arbeitstakt wird die Leitung 38a über die Bohrung Jäa »it der Leitung 39 verbunden, welch letztere zum Ein- und Auslass-

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stutzen 54 des Zylinders führt. Beim AusstosstaJct wird die Luft von der Leitung 39 über die Bohrung 19b ins Freie geleitet.

Die Kolben 2, 3 und die Zylinder 2a, 3a der Maschine bestehen aus kreisbogenförmig gekrümmten Rohrstücken, die an ihren einen Enden geschlossen sind und je in zweiteiligen Halterungen 24 bzw. 24a eingespannt sind. Die Zylinderhalterungen 24a sind am Aussenumfang der Scheibe 5a, die Kolbenhalterungen 24 am Aussenumfang der Scheibe 5 montiert.

Zur Abdichtung des geschliffenen und gehonten Kolbens im Zylinder ist letzterer im Bereich seiner Oeffnung mit einem Ringraum 25 versehen, in welchem ein O-Ring 26 und ein auf den Kolbenmantel gedrückter Kunststoff-Gleitring 27 untergebracht sind.

Da die Kinematik der Maschine durch die Tragscheiben, das Getriebe und die Nockenbahnen bestimmt ist, und da die beiden Scheiben ein mechanisch geschlossenes System, ist es nicht wesentlich, an welcher Stelle des Scheibenumfanges die beiden Kolben und Zylindergruppen angeordnet sind. Um eine Unwucht bei der Rotation zu vermeiden, ist es zweckmässig, die beiden Gruppen etwa 180 voneinander an den Scheiben anzubringen. Falls aber konstruktive Gründe dafürsprechen, könnten die Gruppen auch nahe beieinander an den Tragscheiben befestigt sein.

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Zur Begrenzung des Hubes dient ein an der einen Tragscheibe 5a angeordneter Stift 28, welcher in eine in der anderen Tragscheibe 5 ausgesparte, kreisbogenförmige Nut 29 eingreift, wobei die Bogenlänge der Nut 29 dem Kolbenhub entspricht. Grundsätzlich ist der Bewegungsablauf der Maschine und damit auch der Kolbenhub durch das. Getriebe, die Nocken und die Abtastvorichtungen definiert. Die zusätzliche Hubbegrenzung durch den Stift und die Nut dient nur als Sicherheitsmassnahme, falls eines der ersteren Elemente defekt sein sollte.

Zur Lagerung der Getriebeteile 8, 8a sind Lagerträger 30 in entsprechende Bohrungen 31 in den Scheiben 5, 5a eingepresst, welche Lagerträger 30 mit Nadellagern 32 zur Aufnahme der Achszapfen 9, 9a versehen sind.

Die Lagerung der Scheiben 5, 5a auf den äusseren Teilen der Freiläufe 6, 6a erfolgt über die Radialnadellager 33 und die Axialnadellager 34. Die beiden Lager 33, 34 sind durch die Distanzhülse 35 im Abstand voneinander gehalten und mittels eines vorderen, auf den Freilauf 6 bzw. 6a aufgeschraubten Gewinderinges 36 gegen einen hinteren, ebenfalls auf dem Freilauf befestigten Gewindering 37 gespannt.

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Zur Veranschaulichung der Kinematik der neuen Kolbenmaschine »ei auf die Figuren 4a, 4b, S, 6 und 7 bis ?d verwiesen.

Wie aus der scheroatischen Figur 5 hervorgeht, bilden die Trag" scheiben 5, Sa ein mechanisch geschlossenes System· Zur besseren Veranschaulichung wurden in der Fig. 5 die Tragscheiben 5, 5a auseinandergezogen und nicht relevante Getriebeteile wurden weggelassen. In der gezeigten Betriebsphase, beim Drehen in der Drehrichtung D, wird der Nockenhebel 12a durch die Nocken-» scheibe 14a nach aussen gestossen. Gleichzeitig bewegt sich der Nockenhebel 12 nach innen und folgt seiner Nockenscheibe 14. Beide Nockenhebel 12a, 12 bewegen sich also gleichzeitig genau gesteuert gegenläufig nach aussen bzw. nach innen entsprechend ihren Nockenbahnen.

In Fig. 4a ist die auf dem Freilauf 6 gelagerte Scheibe 5 schematise!) dargestellt beim Kämmen ihrer Aussenverzahnung 17 mit dem Abtriebszahnrad 18. Die Länge der Aussenverzahnung 17 ist kleiner als 180°, erstreckt sich aber mindestens Ober den Kliemwinkel o» Während des Kämmens der Scheibe 5 mit ihrem Abtriebssahnred 18 steht die zweite Scheibe Sa ausser Eingriff mit ihrem zugeordneten^ Ahtriebsiwrhnrad 18a und kenn eine zusätzliche Drehung um den Winkel & ausführen, welcher Winkel β dem Kolbenhub entspricht (Fig. 4b). Die Aussenverzahmmgen 17, 17a

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müssen sich also mindestens über einen Winkel von α = 180 - ß/2 erstrecken. Um eine Ueberlappung zu gewährleisten, wird dieses Mass um einen kurzen Abschnitt ergänzt.

Abwechselnd kämmt also eine Scheibe auf der Grundgeschwindigkeit mit ihrem synchronen Abtriebszahnrad, während die andere Scheibe nicht in Eingriff steht und vorauseilen kann. Bei einer Umdrehung von 360 machen so die beiden Scheiben je folgende Bewegung:

Scheibe 5 bzw. 5a: (α) + (α + β) = 360°

Scheibe 5a bzw. 5: (ο + β) + (α) » 360°

Der Kämmwinkel α der mit konstanter Drehzahl kämmenden Scheibe und der Drehwinkel ο + β der vorauseilenden Scheibe können kinematisch in folgende Streckenabschnitte (Fig. 7) unterteilt werden:

kämmende Scheibe nichtkämraende Scheibe

Beschleunigungsstrecke	B	Β·	- 360° sind.
Sperrstrecke	S	S¹
Verzögerungsstrecke	V	V»
Gleichlaufstrecke	G	G
TOTAt	α	α ♦ 0
wobei 2	α ♦ β

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Auf der Gleichlaufstrecke G rotieren beide Scheiben 5, 5a mit konstanter Drehzahl. In dieser Phase kann 4ie eine Scheibe 5 ruckfrei mit ihrem dazugehörigen Abtriebszahnrad 18 in Eingriff gebracht werden, währenddem die andere Scheibe 5a ausser Eingriff kommt· Auf der nun folgenden Beschleunigungsstrecke B' wird die nichtkämmende-Scheibe 5a gegenüber der kämmenden und gleichförmig weiterdrehenden Scheibe 5 beschleunigt. Die entsprechende Phase B der kämmenden Scheibe 5 wird dazu benützt, ihren Freilauf 6 sanft in Sperrstellung zu bringen. Sodann stützt sich die kämmende Scheibe 5 während der Sperrstrecke S über ihren Freilauf 6 am Gehäuse ab. Bei der Verwendung der Kolbenmaschine als Kraftmaschine wird dabei Leistung an das Abtriebszahnrad bzw. an die Welle 16 abgegeben. Während dieser Zeit eilt die nichtkämmende Scheibe 5a auf der entsprechenden Strecke S¹ mit einer etwas höheren Drehzahl weiter voraus. Es folgt nun die Verzögerungsstrecke V bzw. V, wobei einerseits die nichtkämmende Scheibe 5a wieder auf die Grunddrehzahl verzögert wird (auf der Strecke V), und andererseits der Freilauf 6 ruckfrei ausgekoppelt wird (auf der Strecke V). Sodann laufen beide Scheiben 5, 5a über die Strecke G wieder im Gleichlauf auf der Grunddrehzahl weiter, wobei die bis anhin kämmende Scheibe 5 ausser Eingriff kommt und die andere Scheibe 5a zur kämmenden wird.

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Beim Prototyp der Maschine wurde der Hübwinkel β auf 21,6° festgelegt, so dass der Winkel α 169,2 beträgt. Dabei wurden folgende Radien der Verzahlungen gewählt:

Zahnsegment 10 bzw. 10a: Zahnsegment 11 bzw. 11a: Freilaufzahnrad 7 bzw. 7a: Innenverzahnung 15 bzw. 15a:

Die Teilstrecken sind wie folgt bemessen:

kämmende Scheibe nichtkämmende Scheibe

^Rl	30	mm
^R2	50	mm
^R3	40	mm
^R4	= 120	mm

Beschleunigungsstrecke B = 28,0° B' = 28,0° + 2,8° = 30,8°

Sperrstrecke S = 80,0° S¹ = 80,0° +16,0° = 96,0°

Verzögerungsstrecke V = 28,0° V = 28,0° + 2,8° = 30,8°

GIe ichlauf s trecke G = 33,2° G = 33,2° + 0° = 33,2°

TOTAL α = 169,2° et ⁺ 3 = 169,2° + 21,6° = 190,8°

wobei 169,2° + 190,8° = 360° sind.

In bezug auf die Gestaltung und die Funktion der Nocken 14, 14a ist zu unterscheiden zwischen einer Maschine, welche angetrieben wird, beispielsweise ein Verdichter, und einer Maschine, welche Arbeit leistet, beispielsweise ein Verbrennungsmotor, ein Druckluftmotor oder ein Heissluftmotor.

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Beim Verbrennungsmotor wird die Schwenkbewegung der Scheiben durch den Gasdruck im Zylinder ausgelöst und mittels des Getriebes über den sperrenden Freilauf ein unmittelbarer Abstoss vom Gehäuse erreicht. In diesem Falle haben die Nocken reine

Steuerungsfunktion und sind mechanisch nur schwach beansprucht. Sie können daher sehr leicht ausgebildet sein.

In der Fig. 6 ist der Zusammenhang zwischen dem Getriebeteil 8a und den beiden Scheiben 5 und 5a schematisch dargestellt. Der um seinen Achszapfen 9a verschwenkbare Getriebeteil Ra, welcher in der Scheibe 5a gelagert ist, greift mit seinem Zahnsegment 10a in den Zahnring 15 der Scheibe 5 ein. Bewirkt durch die Hubkraft im Arbeitszylinder (beim Druckluft- oder Verbrennungsmotor) erfolgt durch Abstützung der einen Scheibe 5a über den sperrenden Freilauf 6a während der Rotation in Drehrichtung D ein unmittelbarer Abstoss der beiden Scheiben 5» 5a vom Gehäuse, wobei gleichzeitig infolge der durch den Nockenhebel bewirkten Verschwenkung des Getriebeteiles 8a sich die beiden Scheiben 5, 5a während der Rotation ebenfalls gegenseitig bewegen, was durch die unterschiedliche Länge der beiden Bewegungspfeile angedeutet ist. Gegenüber dem Gehäuse wirkt sich diese Relativbewegung der beiden Scheiben, obschon geometrisch eine Kin- und Herverschwenkung, als eine fortschreitende Bewegung ausr so dass keine Massenkräfte auftreten.

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Während des Umlaufs der Scheiben führen die Getriebeteile 8, 8a ebenfalls Verschwenkungen um ihre Achszapfen 9, 9a aus. Der den Teilabschnitten B, B¹; S, S^!; V, V; G entsprechende Winkelbetrag der Achszapfenverdrehung beträgt beim Prototyp:

B - 28,0°: Achszapfen = 1-1,2° (0 bis 14° = 2,8°; 14 bis 28° = 8,4°)

5 = 80,0°: Achszapfen = 64,0°

V - 28,0°: Achszapfen = 11,2° (0 bis 14° = 8,4°; 14 bis 28° - 2,8°)

6 « 33,2°: Achszapfen * 0,0°

169,2° 86,4°

Durch entsprechende Ausbildung der Nocken wird erreicht, dass die Nockenrolle während der Beschleunigungsphase B graduell auf die Nockenkurve aufläuft bzw. während der Verzögerungsphase V wieder graduell entlastet wird. Während dieser Phasen kommt der Sperrlauf ruckfrei in Sperrstellung bzw. ausser Sperrstellung.

Während der anschliessenden Sperrphase S, welche sich über 80° erstreckt, leistet die beispielsweise als Verbrennungsmotor ausgebildete Maschine Arbeit, d. h. die kämmende Scheibe treibt das ihr zugeordnete Abtriebszahnrad an. Der Gasdruck in den Zylindern wird dabei mit vollem, unverändertem Drehmoment vom Gehäuse abgestossen.

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- γε -

Der zugeordnete Abschnitt S der Steuerkurve kann so bearbeitet (abgetragen) werden, dass keine Belastung dieses Abschnittes durch die Nockenrolle erfolgt, so dass sich die kämmende Scheibe vollständig über den Freilauf am Gehäuse abstützen kann. Um jedoch ein Abheben der Nockenrolle zu verhindern (z. B. wenn der Gasdruck wegfällt), ist der entsprechende Abschnitt auf der anderen Nockenkurve als "Gegennocken" ausgebildet, d. h. die andere, auf der "Gegenkurve" laufende Nockenrolle der vorauseilenden Scheibe verhindert ein Abheben der ersten Nockenrolle (siehe Fig. 5).

Dadurch wird ein geschlossener mechanischer Kreislauf über 360 gewährleistet. Die mit zwei Zylindern bestückte Arbeitsmaschine leistet während zweimal 80 Arbeit, auf den übrigen Winkelstrekken wird beschleunigt, verzögert und werden die Abtriebszahnräder in Eingriff gebracht.

Der Ablauf erfolgt symmetrisch, wechselseitig und weitgehend vibrationsfrei, wobei systembedingt der Motor nie einen toten Punkt aufweist.

Zur Erläuterung dieser Beziehungen sei auf die Fig. 7 - 7f verwiesen. In Fig. 7 ist der nichttragende Bahnteil S der Nockenscheibe gestrichelt angedeutet. Der entsprechende Abschnitt der Nockenscheibe ist aus Gewichtsgründen ausgespart.

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Der Bewegungsablauf wird durch die auf den Nockenscheiben 14, 14a laufenden Nockenrollen 13, 13a und Nockenhebel 12, 12a gesteuert, wobei letztere über das Getriebe mechanisch miteinander verbunden sind. Die Steuerkurve bzw. die Gegenkurve der Nockenscheiben 14, 14a sind so gestaltet, dass die Schwenkbewegungen der Tragscheiben 5, 5a einerseits und deren Abstützen auf den Freilauf bzw. das Abheben von demselben in beschleunigendem und wiederum verzögerndem Sinne erfolgen.

Dabei wird durch den erhöhten und den vertieften Teil der Nocken die Hubbegrenzung definiert. Ausserdem wirken die beiden Nocken so miteinander zusammen, dass der auf der jeweiligen Steuerkurve der einen Nockenscheibe laufende Nockenhebel den auf der Gegenkurve der anderen Nockenscheibe laufenden Nockenhebel am Abheben hindert und umgekehrt.

Jeder Nocken weist demnach einen Abschnitt mit einer Steuerkurve und einen Abschnitt mit einer Gegenkurve auf, welche Abschnitte in wechselseitiger Beziehung miteinander stehen. In Fig. 7 sind zum besseren Verständnis die den Teilstrecken G, B, S, V, G, B¹, S', V entsprechenden Abschnitte auf den Nocken 14, 14a eingetragen. Theoretisch wäre es auch möglich, nur einen einzigen Nocken vorzusehen, welcher gleichzeitig von beiden Nockenhebeln abgetastet würde. Konstruktiv ist jedoch die Ausbildung mit zwei Nocken einfacher.

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In den Figuren 7 - 7f sind die Zusammenhänge zwischen der Rotationsbewegung und der überlagerten Relativverschwenkung schematisch dargestellt, und zwar über einen Drehwinkel von 16?,2 . Dieser Drehwinkel wird von der kämmenden Scheibe 5 mit gleichförmiger Rotationsgeschwindigkeit durchlaufen und entspricht den Teilstrecken B + S + V + G. Anhand der Figuren ist nun die zusätzliche Verschwenkung der nichtkämmenden Scheibe Sa für verschiedene Drehwinkel ersichtlich.

In Fig. 7 ist das Ende des Gleichlaufes G bzw. der Beginn der Beschleunigung B bei einem Drehwinkel von 0 gezeigt. Sodann zeigt Fig. 7a bei einem Drehwinkel von 14° die Mitte der Beschleunigungsstrecke B. Fig. 7b entspricht bei einem Drehwinkel von 28 dem Ende der Beschleunigung B bzw. dem Beginn des Sperrlaufes S. Anschliessend zeigt Fig. 7c bei einem Drehwinkel von 108° das Ende des Sperrlaufes S bzw. den Anfang der Verzögerung V. Fig. 7d entspricht bei einem Drehwinkel von 122° der Mitte der Verzögerung V. Das Ende der Verzögerung V bzw. der Beginn des Gleichlaufes G bei 136 ist in Schema gemäss Fig. 7e gezeigt. Schliesslich stellt Fig. 7f das Ende des Gleichlaufes G bei 169^2° dar.

Grundsätzlich ist festzustellen, dass für die gegebenen Abmes sungen (bei einer Verzahnung der Tragscheiben von 94 Zähnen i

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1,8° = 169,2°) eine Relativverschwenkung der Tragscheiben 5, 5a um 1 eine Verschwenkung der Zahnräder 10, 11 sowie des Nockenhebels 12 um 4° bewirkt, da das Uebersetzungsverhältnis 1:4 beträgt. Ausserdem wird eine Drehung des FreilaufZahnrades 7 um 5 hervorgerufen, da das entsprechende Uebersetzungsverhältnis 1:5 beträgt.

Zwangsläufig ergeben sich somit folgende Bewegungsverhältnisse:

Fig. 7

Fig. 7a

Fig. 7b

Fig. 7c

Fig. 7d

Fig. 7e

Fig. 7f

Drehwinkel der	zusätzliche Relatiwerschwenkung	der Zahnräder	Drehung des
kämmenden Scheibe 5	der nichtkämmen-	10, 11 und des Nockenhebels 12 in bezug auf den Achszapfen 9	Freilauf- Zahnrades 7 in bezug auf die Achse 1
0°	den Scheibe 5a in bezug auf die Achse 1	0°	0°
14°	0°	2,8°	3,5°
28°	0,7°	11,2°	14°
108°	2,8°	75,2°	94°
122°	18,8°	83,6°	104,5°
136°	20,9°	86,4°	108°
169,2°	21,6°	86,4°	108°
21,6°

Während der Gleichlaufphase, entsprechend einem Drehwinkel von 136 bis 169,2°, bewegen sich alle Elemente gleichförmig. Am Ende der Gleichlaufphase gemäss Fig. 24 wird die bisher kämmende Scheibe 5 zur nichtkämmenden 5a, so dass sämtliche Funktionen der beiden Scheiben vertauscht sind und der Prozess von neuem beginnt. »0988670627

- /tr -

Bei der vorstehend beschriebenen Kolbenmaschine handelt es sich um einen Prototyp, welcher naturgemäss noch nicht optimal ausgebildet ist. So könnten zur Gewichtseinsparung beispielsweise statt der Tragscheiben 5, 5a einzelne Tragarme vorgesehen sein, an deren Enden die Kolben und Zylinder angeordnet wären. Auch die Getriebeteile 8, 8a könnten leichter ausgebildet sein. Da diese Teile während der Rotation lediglich Schwenkbewegungen relativ zu den Tragscheiben bzw. gegebenenfalls den Tragarmen ausführen, stehen jeweils nur kleinere Zahnabschnitte ihrer Zahnräder im Eingriff. Es wäre also ohne weiteres möglich, die Zahnräder 10, 10a, 11, 11a und auch die FreilaufZahnräder 7, 7a durch kurze Zahnsegmente zu ersetzen.

Um den mechanischen Wirkungsgrad der Kolbenmaschine zu verbessern, wäre es zweckmässig, statt zwei beispielsweise vier oder mehr Gruppen von Kolben und Zylindern über den Umfang zu verteilen. Auch könnten mehrere Scheibenpaare nebeneinander auf der festen Maschinenachse angeordnet sein oder symmetrisch zur Abtriebswelle einander gegenüberliegen.

Schliesslich sei «rwähnt, dass die Maschine bei entsprechender konstruktiver Ausbildung sowohl angetrieben, z. B. als Verdichter, funktionieren kann oder als Arbeitsmaschine, beispielsweise Dampfmaschine, Verbrennungsmotor, Heissluf tmaschine, etc._, verwendet werden kann-

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Gegenüber bekannten Kolbenmaschinen mit um eine gemeinsame Achse rotierenden, gekrümmten Zylindern und Kolben weist die vorliegende Maschine wesentliche Verbesserungen auf, die ein Funktionieren überhaupt gewährleisten.

Die Bearbeitung und Dichtung der gebogenen Zylinder und Kolben als Voraussetzung richtigen und wirtschaftlichen F^:unktionierens ist gelöst worden, ebenso die genaue Steuerung des Umlaufs zur notwendigen Gewährleistung eines geschlossenen mechanischen Ablaufs und die Uebersetzung des Kolbenhubs und Steuerung der Achszapfen zur Erreichung eines kontinuierlichen Abstosses vom Gehäuse und eines vollen Drehmomentes über 360 Winkelgrade bei phasengerechtem Zusammenwirken mehrerer Kolben- und Zylindergruppen.

Die Unmöglichkeit, die Innenfläche eines gebogenen Zylinders zu honen, veranlasste den Verzicht auf diese Bearbeitung und statt dessen die technisch ohne weiteres mögliche entsprechende Bearbeitung der Aussenflache des Kolbens. Daraus ergab sich die Notwendigkeit, die Dichtung nicht am Kolben, sondern im Zylinder anzubringen, und zwar neu in der Weise, dass ein einziger, geschlossener Ring aus Teflon mit O-Ring unmittelbar nach der Zylinderöffnung eingelassen wird, welche Konstruktion die folgfinden Vorzüge aufweist: Der nichtmetallische Dichtungs-

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ring wird durch den Einfluss des Gasdrucks an die gehonte Oberfläche des Kolbens angedrückt. Das bei den bekannten Kolbenmotoren nachteilige Flattern der Ringe in den Kolbennuten entsteht bei dieser Ausführung nicht. Es ist möglich, mit einem einzigen Dichtungsring auszukommen.

Die Steuerung des Umlaufs durch die Nockenrollen auf den Nockenbahnen im Sinne eines geschlossenen mechanischen Ablaufs wird dadurch gewährleistet, dass das

/
Problem der Abhebung der Rolle von

der Nockenbahn durch eine gegenläufige zweite Nockenrolle gelöst wird.

Der Gaswechsel in den Zylindern wird durch Wälzventile gesteuert, die an dem mit den Zylindern umlaufenden Scheiben befestigt sind und gegenüber den herkömmlichen Ventilen als Vorteile aufweisen: keine mechanischen Verluste, keine Nockenwelle, keine Federn.

Die Uebersetzung des Hubs ist wie folgt gestaltet: Infolge einer Uebersetzung des inneren Zahnsegments der Trägerräder gegenüber dem Freilaufzahnrad im Verhältnis von zum Beispiel 1 : 5 wird der Totalhub der Schwenkbewegung von 21,6 Wirikel-

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graden gegenüber dem Gehäuse auf 108 Winkelgrade erhöht, zuzüglich der beiden Zuschläge für Beschleunigung und Verzögerungsstrecke von insgesamt 28 Winkelgraden, total somit 136 Winkelgrade (B + S + V). So ergibt sich während der ganzen Schwenkbewegung ein Ablauf von 136 Winkelgraden der sich im Einsatz befindlichen, mit dem Ausgangszahnrad kämmenden Trägerscheibe.

Bei einem phasengerechten Zusammenwirken mehrerer Systeme bzw. Sperrstrecken kann über 360 Winkelgrade immer ein volles Drehmoment erreicht werden, so dass der Motor nie einen toten Punkt aufweist wie ein Elektromotor.

Nachfolgend wird nun eine weitere Ausführungsform der Maschine beschrieben, welche als Heissluftmotor funktioniert.

Qie Heissluft wird durch kontinuierliche Verbrennung in einem Lufterhitzer erzeugt. Diese Ausführungsform der Kolbenmaschine geht aus den schematischen Fig. 8 und 9 hervor, wobei die Kinematik dieser Maschine gleich ist wie diejenige der ersten Ausführungsform als Druckluftmotor. Statt dass aber beide Kolben-/ Zylinderanordnungen Arbeit leisten, wird die eine Kolben-/ Zylinderanordnung 2, 2a als Verdichter zur Vorverdichtung der Luft vor der Erhitzung ausgebildet und die zweite Kolben-/ Zylinderanordnung 3, 3a als Arbeitseinheit, die mit der Heiss-

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luft betrieben wird. Der mechanische Ablauf der Maschine ändert sich dabei nicht. Bei der einen Kolben-/Zylindereinheit tritt jetzt anstelle des einen Arbeitshubes der Ansaughub und anstelle des Ausstosshubes die Verdichtung.

Während des Ansaugtaktes wird durch den hohlen Kolben 2 Aussenluft über das Ansaugventil 40 in den Zylinderraum 41 gesaugt. Der Zylinderraum ist mittels der Leitung 42 an den auf der einen Tragscheibe angeordneten und daher mitrotierenden Luftbehälter angeschlossen, so dass beim Verdichten die Luft in letzteren gestossen wird. Das in der Leitung 42 angeordnete Einwegventil 44 verhindert ein Zurückfliessen der Luft in den Zylinder 2a.

Das Volumen des Luftbehälters 43 ist ein Mehrfaches des Hubvolumens, so dass am Ausgang des Behälters 43 die Lufttemperatur weitgehend der Aussenlufttemperatur angepasst ist. Infolge der Rotation wird der Behälter gekühlt, was den Temperaturausgleich begünstigt. Die abgekühlte, verdichtete Luft gelangt über die Leitung 45 zum Wälzventil 19 und von dessen einer Bohrung 19c in den kalten Raum 48 des Lufterhitzers 46.

Zur besseren Veranschaulichung ist in der schematischen Zeichnung der Fig. 8 das gleiche Wälzventil 19 mit den beiden Steuerbohrungen 19c und 19d zweimal gezeigt.

Ein nach dem Wälzventil angeordnetes Rückschlagventil 47 verhindert ein Zurückfliessen der Luft. Das Rückschlagventil schliesst den Lufterhitzer sofort ab, bevor sich die Luft er-

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wärmen kann, und auch bevor das Wälzventil 19 vollständig geschlossen ist. Bei diesem Heissgasmotor wird nur ein einziges Wälzventil 19 mit zwei Steuerbohrungen benötigt.

Ein im Lufterhitzer 46 hin- und herbeweglich angeordneter Verdrängerkolben 49 · treibt die Luft vom kalten Raum in den heissen Raum 51 des Lufterhitzers 46. Dabei wird die Luft durch den engen Ringspalt 50 zwischen dem Verdränger und der Innenwand des Lufterhitzers 46 gepresst und gelangt mit grosser Turbulenz in den heissen Raum 51 im Bereich des Erhitzerelementes 52, in welchem das durch die Leitung 53 zugeführte, brennbare Gemisch kontinuierlich verbrennt.

Der ebenfalls mitrotierende Lufterhitzer 46 ist in unmittelbarer Nähe des Arbeitszylinders 3a auf der Tragscheibe 5a befestigt, so dass die erhitzte Luft praktisch ohne Temperatur- und Druckminderung über die kurze Leitung 67 direkt in den Arbeitszylinder 3a gelangt.

Die durch das Erhitzerelement 52 erwärmte Erhitzerscheibe kann eine Temperatur von über 1000° C aufweisen. Bei zweckmässiger Ausführung kann die Luft in der Erhitzerscheibe 64 um das Drei- bis Vierfache ihrer absoluten Ausgangstemperatur

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erwärmt werden, was einen hohen thermischen Wirkungsgrad ergibt, zum Beispiel in Analogie zum Carnotprozess:

- 0,75 = 75 % 1400° K

Sobald der Hub im Arbeitszylinder 3a beendet und der Verdränger 49 wieder in seiner Ausgangsstellung ist, wird das Wälzventil 19 mechanisch geöffnet, so dass die Luft durch den Kolben 3 über die Steuerbohrung 19d in den mitrotierenden Windkessel 55 getrieben wird. Die in den Windkessel gelangende Luft ist immer noch heiss und wird daher zweckmässig mit dem Brenngas gemischt, um ein heisses Luft-/Brenngasgemisch für die Verbrennung im Erhitzerelement 52 zu erzeugen. Dazu ist die Verbindungsleitung 53a vorgesehen. Nach der Verbrennung strömen die Abgase über den Abgasstutzen 69 ins Freie.

Dadurch und durch die kontinuierliche Verbrennung ist es möglich, eine hohe Flammentemperatur und eine stöchiometrisch saubere Verbrennung zu erhalten, so dass die Abgase nur geringe Anteile toxischer Stoffe enthalten.

Zu erwähnen ist noch, dass die Verdichtung des Arbeitsmediums praktisch ohne mechanische Verluste erfolgt, und dass der Arbeitsenddruck im Zylinder 3a ungefähr dem Verdichtungsenddruck entspricht. Die Expansion und die Verdichtung erfolgen praktisch isotherm.

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In der Fig. 9 ist der Lufterhitzer 46 im Längsschnitt dargestellt und nochmals gezeigt, wie die verdichtete Luft von der Eintrittsleitung 45 über das Rückschlagventil 47 in den kalten Raum 48 des Lufterhitzers gelangt.

Der Verdrängerkolben 49, welcher in der inneren Buchse 56 geführt ist, weist eine Kolbenstange 57 auf, die im Abschlussdeckel 58 und in einem Stützlager 59 hin- und herbeweglich gelagert ist. Zur Abdichtung der Stange 57 im Deckel 58 dient eine O-Ring-Dichtung 60.

Zur Hin- und Herbewegung des Verdrängers 49 könnte dessen Kolbenstange 57 eine Verzahnung aufweisen, in welche ein im richtigen Zyklus angetriebenes Zahnrad von der Nockenscheibe aus gesteuert wurde. Es hat sich aber gezeigt, dass der mechanische Antrieb des Verdrängers 49 durch geeignete Wahl der Steuerzeiten des Wälzventils 19 vermieden werden kann. Während die Steuerbohrung 19d den Auslass noch freigibt (etwa bei Mitte des Gleichlaufs G), wird der Einlass durch die Steuerbohrung 19c bereits geöffnet. Die verdichtete kalte Luft strömt über das Rückschlagventil 47 in den kalten Raum 48 und drückt den Verdränger 49 augenblicklich gegen das Erhitzerelement 64. Damit sich kein Gegendruck infolge der verschiedenen Verdrängerkolbenflächen aufbauen kann, bleibt der Auslass bis zu dem Moment noch offen, wo der Verdränger bei der Erhitzerscheibe angelangt ist.

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Nun schliesst die Steuerbohrung 19d den Auslass. Der sich infolge der Erhitzung der Erhitzerscheibe im Hohraum 51 augenblicklich aufbauende Druck (Gegendruck) bewirkt, dass der Verdränger 49 wuchtig zurückgeschoben wird. Die kalte Luft strömt infolgedessen mit grosser Geschwindigkeit durch den Luftspalt 50 entlang der Innenbuchse 56 gegen die Erhitzerscheibe 64. Die auftretende Turbulenz bewirkt blitzartige Aufwärmung der kalt verdichteten Luft.

Bei geschickter Ausführung des Gaserhitzers mit möglichst grosser Heizfläche und kurzer Verdrängerbewegung lässt sich so ein hoher thermischer Wirkungsgrad erzielen.

Das Erhitzerelement 52 weist einen halbkugelförmigen Brennraum 65 auf, in den die Verbrennungsdüse 66 hineinragt. Die Verbrennungsgase werden direkt auf die Erhitzerscheibe 64 gerichtet, die dadurch sehr hohe Temperaturen erreicht. Die Heissluft verlässt den Lufterhitzer durch die Austrittsleitung 67 und gelangt auf direktem Weg in den Arbeitszylinder 3a.

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Die Abdichtung des Abschlussdeckels 58 und der Erhitzerscheibe 64 im Gehäuse 68 des Lufterhitzers erfolgt beispielsweise durch "Kaowool"-Dichtungen. Auch der Windkessel 55 ist zweckmässigerweise isoliert.

Der Lufterhitzer 46, der Luftbehälter 43 und der Windkessel 55 sind auf der gleichen Tragscheibe 5a befestigt, welche auch die Zylinder 2a und 3a aufweist. Durch diese konstruktive Ausbildung können die Verbindungsleitungen kurz gehalten werden, so dass die Druckverluste minimal sind.

Die Luft im Windkessel weist eine Temperatur von beispielsweise etwa 200 C auf. Da diese Energie zum Vorwärmen des brennbaren Gemisches benützt wird und nicht verloren geht, kommt der thermische Wirkungsgrad nahe an den Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses heran.

Bei einer anderen Ausführungsform eines Heissluftmotors wird die Luft nicht in der einen Kolben-/Zylindergruppe, sondern in einem separaten Kompressor vorverdichtet und in einen stationären Luftbehälter 43 geführt. Von da gelangt die Luft über die Leitung 45a und die Bohrung 38 im Schaft 1 der Maschine in die Einlassleitung 45, wie in der Fig. 10 gezeigt ist. In dieser Figur ist die Anordnung des Wälzventils 19 und des einen

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Lufterhitzers 46 auf der Tragscheibe 5 dargestellt. Die zweite Kolben-/Zylindergruppe mit dazugehörigem Lufterhitzer ist weggelassen. Im übrigen entsprechen die konstruktiven Elemente denjenigen der Fig. 8 und 9.

Nachfolgend wird nun eine Kolbenmaschine beschrieben, die als Verdichter ausgebildet ist.

Eine nur als Kompressor zu verwendende Kolbenmaschine kann wesentlich vereinfacht werden und benötigt weder Freiläufe noch Wälzventile. Anhand der Figuren H bis 16 wird nachfolgend eine reine Verdichterausführung einer Kolbenmaschine mit auf einer Kreisbahn umlaufenden Kolben und Zylindern beschrieben. Sofern die Teile gleich sind wie die Teile der bisher be-

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- yr

schriebenen Ausführungsformen, werden gleiche Ueberweisungsziffern verwendet.

Die in den Zeichnungen dargestellte Kolbenmaschine wird durch die Ausgangswelle 16 eines Antriebsaggregates angetrieben. Dieses Antriebsaggregat könnte z. B. ein Heissgasmotor sein, dem die als Verdichter wirkende Kolbenmaschine vorgeschaltet ist. Die Maschine weist wieder zwei um eine gehäusefeste Maschinenachse 1 umlaufende Kolben 2, 3 und Zylinder 2a, 3a auf, die kreisbogenförmig gekrümmt sind und deren Achsen auf einem Kreis 4 liegen. Die beiden Kolben-/Zylindergruppen 2, 2a bzw. 3, 3a sind an der Peripherie eines frei drehbar auf der Maschinenachse 1 gelagerten Scheibenpaares 5, 5a befestigt, wobei die eine Tragscheibe 5 die beiden Kolben 2, 3 und die andere Tragscheibe 5a die diesen zugeordnete Zylinder 2a, 3a aufweist. Während einer Umdrehung des Scheibenpaares 5, 5a führen die Kolben 2, 3 einen Ansaug- und einen Verdichtungshub durch, was zu einer zyklischen Relativverschwenkung der Scheiben 5, 5a führt, wobei die Relativverschwenkung der Rotation überlagert ist.

Die geschilderten Bewegungsabläufe werden über ein aus zwei Getriebeteilen 8, 8a bestehendes Getriebe gesteuert, eine Steuerkurve, eine dieser zugeordneten Gegenkurve und eine Abtastvorrichtung.

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Das Getriebeteil 8 bzw. 8a weist einen in der Scheibe 5 bzw. 5a gelagerten Achszapfen 9 bzw. 9a auf, der auf der Innenseite ein Zahnsegment 10 bzw. 10a trägt und an dessen Aussenende ein Nokkenhebel 12 bzw. 12a befestigt ist. Letzterer ist mit einem Nockenrad 13 bzw. 13a versehen, welches auf der gehäusefesten Nockenscheibe 14 bzw. I4a abläuft und dadurch bei der Rotation der Scheibe 5 bzw. 5a eine zyklische Verschwenkung des Getriebeteiles 8 bzw. 8a um seinen Achszapfen 9 bzw. 9a bewirkt.

Das Zahnsegment 10 bzw. 10a des Getriebeteiles 8 bzw. 8a greift in einen Zahnring 15a bzw. 15 mit Innenverzahnung der gegenüberliegenden Scheibe 5a bzw. 5 ein.

Die Scheiben 5, 5a sind also gegenseitig über die Nocken 14, 14a kraftschlüssig miteinander verbunden, wobei die den Kolbenhüben entsprechenden Relativverschwenkungen der Scheiben 5, 5a zueinander während ihrer Rotation durch die Nocken 14, 14a zwangsläufig ausgelöst werden. Dabei führen die Getriebeteile 8, 8a entsprechende Schwenkbewegungen um ihre Achszapfen aus.

Die Antriebsleistung wird von der Antriebswelle 16 auf das rotierende Scheibenpaar 5, 5a übertragen. Dazu sind beide Scheiben 5, 5a mit einer Aussenverzahnung 17 bzw. 17a ver-

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sehen, welche sich über einen Teil jedes Scheibenumfanges
erstreckt.

Die Aussenverzahnungen 17, 17a stehen wechselweise während
der Gleichlaufphase ihrer Scheiben 5, 5a mit entsprechenden,
auf der Antriebswelle 16 befestigten Antriebszahnrädern 18,
18a des Antriebsaggregates in Eingriff, wobei durch die Nocken 14, 14a und die Getriebeteile 8, 8a Gewähr dafür geboten wird, dass die jeweils in Eingriff kommenden Scheiben 5, 5a synchron mit ihren Antriebszahnrädern 18, 18a rotieren.

Gegenüber dem Gehäuse wirkt sich die Relativbewegung der beiden Scheiben, obschon geometrisch eine Hin- und Herverschiebung, als eine fortschreitende Bewegung aus, so dass keine Massenkräfte auftreten.

Um ein Abheben der Nockenrolle zu verhindern, ist ein Abschnitt auf der einen Nockenkurve als "Gegennocken" ausgebildet, d. h. die auf der "Gegenkurve" laufende Nockenrolle der vorauseilenden Scheibe verhindert über das Getriebe ein Abheben der anderen Nockenrolle. Der Ablauf erfolgt symmetrisch, wechselseitig und weitgehend vibrationsfrei.

Zur Erläuterung dieser Beziehungen sei auf die Fig. 15 verwiesen.

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Der Bewegungsablauf wird durch die auf den Nockenscheiben 14, 14a laufenden Nockenrollen 13, 13a und Nockenhebel 12, 12a gesteuert, wobei letztere über das Getriebe mechanisch miteinander verbunden sind. Mit der Steuerkurve bzw. der Gegenkurve der Nockenscheiben 14, 14a wird durch den erhöhten und den vertieften-Teil der Nocken die Hubbegrenzung definiert. Ausserdem wirken die beiden Nocken so miteinander zusammen, dass der auf der jeweiligen Steuerkurve der einen Nockenscheibe laufende Nockenhebel den auf der Gegenkurve der anderen Nockenscheibe laufenden Nockenhebel am Abheben hindert und umgekehrt. Zum besseren Verständnis dieses Zusammenhanges sind der erhöhte und der vertiefte Teil der Nocken bei gleicher Drehwinkelposition dargestellt (ausgezogene bzw. gestrichelte Linien in Fig. 15). Jeder Nocken weist demnach einen Abschnitt mit einer Steuerkurve und einen Abschnitt mit einer Gegenkurve auf, welche Abschnitte in wechselseitiger Beziehung miteinander stehen (siehe auch Fig. 5).

Die Bearbeitung und Dichtung der gebogenen Zylinder und Kolben als Voraussetzung richtigen und wirtschaftlichen Funktionierens ist gelöst worden, ebenso die genaue Steuerung des Umlaufs zur notwendigen Gewährleistung eines geschlossenen mechanischen Ablaufs.

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ft

Der Gaswechsel in den Zylindern ist in der Fig. 16 dargestellt. Die gefilterte atmosphärische Luft wird über den rotierenden Verdichterkolben 2 und über dessen Ventil 40 angesaugt und im Zylinder 2a verdichtet.

Beim Zurückgehen des Verdichterkolbens 2 entsteht im Verdichterzylinder 2a ein Unterdruck, weshalb sich das Saugventil 40 zufolge der Druckdifferenz zum Aussendruck öffnet und die atmosphärische Luft durch den hohlen Kolben 2 in den sich vergrössernden Hubraum 41 nachströmen lässt. Die Ventilfeder schliesst, wenn der ungefähre Druckausgleich erreicht ist, am Ende des Verdichterhubes.

Beim Verdichtungstakt ist das Saugventil (Einwegventil) des Kolbens 2 geschlossen, so dass die Luft durch den Kolben 2 verdichtet und über ein weiteres Einwegventil 44 in die als Luft-Receiver ausgebildete Kühlspirale 75 gelangt, sobald der Druck im Verdichterzylinder 2 mindestens so hoch ist wie in der Kühlspirale 75. Zu erwähnen ist noch, dass die verdichtete Luft ohne schädlichen Raum in die Kühlspirale 75 gestossen wird.

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♦S

Die Kühlspirale 75 ist über einen Simmerring 76 an die Bohrung 38 der Hohlwelle 1 des Gehäuses angeschlossen. Von der Hohlwelle 1 aus wird die Luft über die Leitung 74 in den stationären Druckkessel 78 geleitet, von wo sie über das Einwegventil 79 in den Verbrauch gelangt.

Zu erwähnen ist noch, dass die Verdichtung des Arbeitsmediums mit sehr geringen mechanischen Verlusten erfolgt.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine als Verdichter ausgebildete Kolbenmaschine einer als Heissgasmotor ausgebildeten Kolbenmaschine vorgeschaltet. Bei dieser nicht näher dargestellten Kombination gelangt die vorverdichtete Luft vom Druckkessel über die Hohlwelle des Heissgasmotors zu seinen zwei mitrotierenden Lufterhitzern und von da in die beiden Antriebs-Molben-Zylinder-Einheiten. Die Steuerung der Luft im Heisggasmotor erfolgt mittels Wälzventilen. Der Verdichter ist direkt am Heissgasmotor angekoppelt _f so dass ein Teil der Leistung der letzteren zum Antrieb des Verdichters verwendet wird. Der Luftbehälter entspricht dann dem Luftbehälter 43 in der Fig. 10.

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Claims

EB/br 22.4.77

ν?

Patentansprüche

Il./Kolbenmaschine mit auf einer Kreisbahn umlaufenden, kreisbogenförmig gekrümmten Kolben und Zylindern, die fest an je einem um eine gehäusefeste Maschinenachse (1) rotierenden Tragteil (5, 5a) angeordnet sind, welche Tragteile (5, 5a) während der Rotation hubbedingte, gegenseitige Relativverschwenkungen ausführen, wobei sie wechselweise mit einer Welle (16) in Eingriff bringbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragteile (5, 5a) über ein Getriebe (Θ, 8a) miteinander verbunden sind, wobei das Getriebe zwei in je einem der Tragteile (5, 5a) verschwenkbar gelagerte Getriebeteile (8, 8a) aufweist, welche wechselweise mit einer Steuerkurve bzw. einer Gegenkurve in Wirkv/erbindung bringbar sind, das Ganze derart, dass der Bewegungsablauf der Maschine zwangsläufig mechanisch geschlossen ist.
2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Nockenscheiben (14, 14a) vorgesehen sind, dass ein Bahnabschnitt jeder Nockenscheibe (14, 14a) als Steuerkurve und ein anderer Bahnabschnitt als Gegenkurve ausgebildet ist, dass die zur Maschinenachse (1) parallelen Achszapfen (9, 9a) der Getriebeteile (8, 8a) schwenkbar in je einem der Tragteile (5, 5a) gelagert sind, und

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—— .

INSPECTED

dass das eine Ende der Achszapfen (9, 9a) über einen Abtastmechanismus (12, 12a; 13, 13a) mit der zugeordneten Nockenscheibe (14, 14a) verbunden ist.
3. Kolbenmaschine nach Anspruch 2, wobei die Tragteile

(5, 5a) über je einen ihnen zugeordneten Freilauf (6, 6a) auf dem Gehäuse abstützbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebeteil (8, 8a) eine erste Verzahnung (11, lla) aufweist, die mit einem Freilaufzahnrad (7, 7a) des ihrem Tragteil (5, 5a) zugeordneten Freilaufes (6, 6a) in Eingriff steht, und dass am Gebriebeteil eine zweite Verzahnung (11, lla) vorhanden ist, welche mit einer Innenverzahnung (15a, 15) des gegenüberliegenden Tragteiles (5a, 5) in Eingriff ist.
4. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Gehäuse gelagerte Abtriebswelle (16) Abtriebszahnräder (18, 18a) trägt, und dass an den Tragteilen (5, 5a) Aussenverzahnungen (17, 17a) angeordnet sind, welche zyklisch mit den Abtriebszahnrädern (18, 18a) derart in Eingriff bringbar sind, dass während der Rotation immer wenigstens ein Tragteil (5, 5a) mit seinem zugeordneten Abtriebszahnrad (18, 18a) kraftschlüssig verbunden ist.

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5. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragteile zwei Scheiben sind, an deren Peripherie die Kolben und Zylinder angeordnet sind,, wobei die Kolben auf der einen Scheibe und die Zylinder auf der anderen Scheibe befestigt sind.
6. Kolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kolben-/Zylindergruppen hubmässig abgestimmt zueinander auf den Scheiben angebracht sind.
7. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben und Zylinder aus kreisbogenförmig gekrümmten Rohrstücken hergestellt sind.
B. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Zylinderöffnungen Ringräume (25) in den Zylindern (2a, 3a) vorgesehen sind, und dass in den Ringräumen Oichtelemente (26, 27) untergebracht sind.
9. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkurve und die Gegenkurve auf einer Nockenscheibe (14, 14a) angeordnet sind und in einen Beschleunigungsabschnitt (B, B¹), einen Sperrabschnitt (S, S¹), einen Verzögerungsabschnitt (V, V) und einen Gleichlaufabschnitt (G) aufgeteilt sind, welche Abschnitte dem Bewegungszyklus der Tragteile (5, 5a) entsprechen.

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- rf -
10. Kolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtastmechanismus zwei Nockenhebel (12, 12a) umfasst, die über die Steuerkurve bzw. die Gegenkurve und das Getriebe (Θ, 8a) kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
11. Kolbenmaschine nach Anspruch Θ, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtelemente ein O-Ring (26) und ein durch diesen auf den Kolbenmantel gepresster Kunststoff-Gleitring (27) sind.
12. Kolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben geschliffen und/oder gehont ist.
13. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung des Gaswechsels Wälzventile (19) mit Steuerbohrungen (19a, 19b) vorgesehen sind, welche an der die Zylinder (2a, 3a) aufweisenden Tragscheibe (5a) befestigt sind, und welche mittels eines gehäusefesten Zahnrades (20) und eines frei drehbaren Zwischenzahnrades (22) antreibbar sind.
14. Kolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere phasengerecht aufeinander abgestimmte Kolben- und Zylinderanordnungen (2, 2a; 3, 3a) aufweist,

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wobei das Getriebe (θ, 8a) und die sich daraus ergebende Hubübersetzung derart gewählt sind, dass die Maschine über 360 immer ein volles Drehmoment abgibt.
15. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine als Heissgasmotor ausgebildet ist, wobei mindestens eine Kolben- und Zylinderanordnung (2, 2a) als Verdichter und mindestens eine weitere Kolben- und Zylinderanordnung (3, 3a) als Arbeitseinheit dient.
16. Kolbenmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem die Zylinder (2a, 3a) aufweisenden Tragteil (5a) ein Lufterhitzer (46) angeordnet ist, dessen Heissluftaustrittsöffnung (67) dem Arbeitszylinder (3a) eng benachbart ist.
17. Kolbenmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Lufterhitzer (46) einen hin- und herbewegbaren Verdränger (49), eine luftdurchströmte Erhitzerscheibe (64) und ein letzterer benachbartes Erhitzerelement (52) aufweist.
18. Kolbenmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verdichterzylinder (2a) und dem Lufterhitzer (46) ein Luftbehälter (43) angeordnet ist, und dass nach dem Arbeitszylinder (3a) ein Windkessel (55)

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vorhanden ist, wobei der Behälter und der Kessel ebenfalls auf der Tragscheibe (5a) montiert sind.
19. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmaschine als Verdichter ausgebildet ist, und dass das Getriebeteil (B, Sa) eine einzige Verzahnung (10, 10a) aufweist, welche mit einer Innenverzahnung (15a,15) des gegenüberliegenden Tragteiles (5a, 5) in Eingriff steht.
20. Kolbenmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (16) Antriebszahnräder (18, 18a) trägt, und dass an den Tragteilen (5, 5a) Aussenverzahnungen (17, 17a) angeordnet sind, welche zyklisch mit den Antriebszahnrädern (18, 18a) derart in Eingriff bringbar sind, dass während der Rotation immer wenigstens ein Tragteil (5, 5a) mit seinem zugeordneten Antriebszahnrad (18, 18a) kraftschlüssig verbunden ist.
21. Kolbenmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Zylindern (2a) und der hohlen Gehäusewelle (1) mitrotierende Kühlschlangen (75) für die verdichtete Luft angeordnet sind, und dass an der Gehäusewelle (1) ein Druckkessel (78) angeschlossen ist.

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22. Kolbenmaschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschlangen (75) mittels eines Simmerringes (76) an der Welle (1) angeschlossen sind, und dass am Ausgang des Zylinders (2a) ein Einwegventil (44) vorgesehen ist.
23. Kolbenmaschine nach den Ansprüchen 15 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei der als Verdichter ausgebildeten Kolben-/Zylindereinheit (2, 2a) der Kolben (2) hohl ausgebildet ist und ein Ansaugventil (40) aufweist, über welches Luft in den Hubraum (41) ansaugbar ist.
24. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine als Heissgasmotor ausgebildet ist, dass zur Speisung von vorverdichteter Luft ein stationärer Luftbehälter (43) vorgesehen ist, und dass jeder Kolben-/ Zylindergruppe ein eng benachbarter, mitrotierender Lufterhitzer (46) zugeordnet ist.
25. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine als Verdichter ausgebildete Maschine einer als Heissgasmotor ausgebildeten Maschine vorgeschaltet ist und von letzterer angetrieben wird.

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