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Stirling-Kraftmaschine und Verfahren zum
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Betreiben einer solchen Maschine Die Erfindung betrifft eine Stirling-Kraftmaschine
und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Maschine.
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Stirling-Maschinen bestehen aus einem am einen Ende beheizten Zylinder,
einem im beheizten Zylinderende angeordneten Verdrängerkolben, einem im entgegengesetzten
Zylinderende angeordneten Arbeitskolben und einem Kaltraum zwischen Verdrängerkolben
und Arbeitskolben. Der Kaltraum weist normalerweise mit Ventilen geschlossen gehaltene
Auslaß-und Einlaßanschlüsse auf. Nachdem in üblicher Weise sich das aufgeheizte
Gas im beheizten Zylinderendteil ausdehnt und dabei den Verdrängerkolben und den
Arbeitskolben bewegt,
um dann in den Kaltraum einzutreten, wird
das aufgeheizte Gas aus dem Kaltraum wieder abgegeben, um dann den Kaltraum mit
frischem Gas auszufüllen, bevor beim nächsten Arbeitstakt von Arbeitskolben und
Verdrängerkolben sich die beiden Kolben aufeinander zu bewegen, um eine Kompression
des Gases zu bewirken und um das Gas vom Kaltraum in den beheizten Endteil des Zylinders
zu fördern.
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Die nachfolgend beschriebene Erfindung betrifft bestimmte Verbesserungen
an Stirling-Arbeitsmaschinen bezüglich des Aufbaues und der Arbeitsweise. Diese
Verbesserungen sind besonders geeignet für kleine Kraftmaschinen von geringer Leistung,
welche mit einer Brennkraft- oder Solar-Wärmeenergiequelle betrieben werden können.
Stirling-Kraftmaschinen sind bereits seit mehr als hundert Jahren bekannt. Generell
enthalten solche Maschinen einen Zylinder mit zwei Kolben, von denen der eine als
Verdrängerkolben und der andere als Arbeitskolben dient, welcher die Leistung abgibt.
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Zwischen den zwei erwähnten Kolben befindet sich ein Zylinderraum.
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Das dem Verdrängerkolben benachbarte Zylinderende ist beheizbar und
mit äußeren oder inneren Kanälen versehen, über die der Gaswechsel , beispielsweise
der Luftwechsel zwischen dem beheizten
Zylinderende und dem Zwischenraum
zwischen den beiden Kolben, den man im allgemeinen als Kaltraum bezeichnet, erfolgt.
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Solche Stirling-Kraftmaschinen arbeiten im allgemeinen in einem Viertaktzyklus:
Beim ersten Takt werden Arbeitskolben und Verdrängerkolben maximal voneinander entfernt,
wobei der Kaltraum zwischen den Kolben ein Gas, beispielsweise Luft enthält. Beim
zweiten Takt bewegen sich die Kolben, um das Gas zu komprimieren und dieses zum
heißen Ende des Zylinders oberhalb des Verdrängerkolbens zu fördern.
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Gleichzeitig bewegt sich der Verdrängerkolben gegen den Arbeitskolben
nach unten, damit der Raum am heißen Zylinderende das Gas aus dem Kaltraum empfängt.
Beim dritten Takt dehnt sich das nun am beheizten Zylinderende aufgeheizte Gas aus
und drückt Verdrängerkolben und Arbeitskolben nach unten, damit der Arbeitskolben
seinen Arbeitshub ausführen kann. Schließlich beim vierten Takt steigt der Verdrängerkolben
wieder nach oben, so daß das Gas zum Kaltraum zurückkehrt. Anschließend wiederholt
sich dieser Arbeitszyklus.
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Zur Festlegung des Zeittaktes und zur Steuerung der Bewegungen von
Verdrängerkolben und Arbeitskolben und zur
Ubertragung der vom
Arbeitskolben geleisteten Energie sind verschiedene Taktsteuergetriebe vorgesehen.
Man hat auch schon solche Stirling-Maschinen mit mehreren Zylindern und Kolben versehen,
um die abgegebene Leistung zu vergrößern.
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Solche Stirling-Maschinen haben den Vorteil, daß sie mit einer Vielzahl
von unterschiedlichen Brennstoffen arbeiten können, welche die Wärmeenergie liefern,
weil die Wärme am einen Zylinderende an der Außenseite aufgebracht werden kann.
So kann man eine Beheizungsvorrichtung mit offener Flamme verwenden, die natürliche
oder synthetische Gase, Erdölerzeugnisse oder praktisch alle Stoffe verwenden kann,
die sich verbrennen lassen und Wärme erzeugen. Im übrigen ist es mit einer Stirling-Brennkraftmaschine
möglich, sie mit Sonnenenergie zu betreiben, indem man beispielsweise die Sonnenwärme
über entsprechende Spiegel oder dergl.
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auf das heiße Ende des Zylinders konzentriert, damit dort die notwendige
Wärme entsteht. So kann man solche Stirling-Maschinen an alle Arten von verwendbaren
Brennstoffen anpassen, wobei, da die Wärme von außen aufgebracht wird, im wesentlichen
eine vollständige Verbrennung erreichbar ist, so daß sich die Schadstoffabgabe in
die Außenluft auf einem Minimum halten läßt. Sofern die Stirling-Maschine mit Solarenergie
betrieben
wird, kann sie praktisch 100%ig umweltfreundlich betrieben werden.
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Solche Stirling-Maschinen eignen sich besonders für Kleinantriebe,
insbesondere, wenn - anders als bei Fahrzeugantrieben, bei denen die Energie intermzttierend
und bei schnellen Beschleunigungen abgegeben werden muß -eine stetige Leistungsabgabe
gefordert ist. Obwohl man auch bei Stirling-Maschinen beschleunigen kann, ist es
relativ kompliziert, eine solche Arbeitsweise zu realisieren.
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Obwohl Stirling-Kraftmaschinen bereits seit dem Anfang des 19. Jahrhunderts
zur Verfügung stehen, sind diese Maschinen in Ungunst gefallen und wurden durch
Viertakt-, Zweitakt- oder Diesel-Brennkraftmaschinen ersetzt. Erst seit kurzem,
seitdem die Umweltverschmutzung öffentliches Interesse gefunden hat und die Brennstoffkosten
gestiegen sind, interessierte man sich wieder für solche Kraftmaschinen. Die Bemühungen,
solche Stirling-Maschinen einzusetzen, führten jedoch zu relativ komplexen und teuren
Konstruktionen.
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Der Kernpunkt der Erfindung liegt daher darin, eine Stirlingkraftmaschine
bezüglich des Aufbaues und der Arbeitsweise so abzuwandeln, daß sie bei relativ
geringen Kosten eine stetige Leistung abgeben kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Arbeitstakt von Stirling-Maschinen
beibehalten, doch wird diese Arbeitsweise modifiziert bezüglich des Austreibens
des aufgeheizten Gases , welches vom aufgeheizten Ende des Zylinders zum Kaltraum
zurückkehrt und dann vor dem Kompressionshub des Arbeitskolbens durch Kaltgas ersetzt
wird. Vorzugsweise geschieht dies durch einen Viertaktbetrieb des Arbeitskolbens
in Verbindung mit einem Zweitaktbetrieb des Verdrängerkolbens.
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Somit schlägt die vorliegende Erfindung vor, den Stirling-Zyklus bezüglich
der Bewegung des Arbeitskolbens in den Kaltraum zur Kompression und zur Übertragung
des Gases um den Verdrängerkolben herum und in das heiße Ende des Zylinders zu verwenden.
Danach expandiert das aufgeheizte Gas sehr schnell, um den Verdrängerkolben und
den Arbeitskolben vom aufgeheizten Ende des Zylinders fort zu bewegen.
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Anschließend kehrt der Verdrängerkolben zum aufgeheizten Ende
des
Zylinders zurück, um den Kaltraum zu öffnen, der das nun aufgeheizte Gas empfängt.
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Zu diesem Zeitpunkt des Arbeitszyklusses hat sich der Verdrängerkolben
nach oben bewegt, d. h. er hat sich zum aufgeheizten des Zylinders zurückbewegt
und es hat sich der Arbeitskolben vom Verdrängerkolben entfernt während der Kaltraum
nun das aufgeheizte Gas enthält.
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Nunmehr bleibt der Verdrängerkolben relativ stationär, während der
Arbeitskolben einen weiteren Auf- und Abhub ausführt, d. h. der Arbeitskolben bewegt
sich in Richtung auf den Kaltraum, während gleichzeitig ein Auslaßventil geöffnet
wird, um das Gas aus dem Kaltraum auszulassen, welches auf grund der Kolbenbewegung
ausgetrieben wird.
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Nun bewegt sich der Kolben vom Kaltraum fort , um wiederum gleichzeitig
einen Einlaßanschluß zu öffnen, so daß eine frische Gascharge in den Kaltraum angesaugt
wird. Nachdem der Kaltraum wieder geladen ist, setzt sich der normale Stirling-Zyklus
fort.
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Zweck dieser abgewandelten Arbeitsweise ist es, innerhalb des Maschinenzylinders
Kontaminationen und den Aufbau solcher Kontaminate zu verhindern und zusätzlich
auch die Kraftmaschine mit niedrigerer Temperatur arbeiten zu lassen.
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In der Praxis wird der Zylinder während eines jeden Zyklusses ausgespült
oder gereinigt, wobei das frisch nachgeladene Gas oder die in den Kaltraum eintretende
Luft die Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten Räumen erniedrigt, was
dann zu einer höheren Leistungsabgabe führt.
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Das heiße ausgetriebene Gas kann man verwenden, um die Verbrennungswärme
am heißen Zylinderende zu liefern, oder aber es kann das heiße abgegebene Gas zur
Außenluft abgegeben oder auch über einen geschlossenen Kreis geleitet werden, wo
das Gas gekühlt wird.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufbau der Kraftmaschine
zu vereinfachen und konventionelle Maschinenteile, insbesondere Maschinenteile für
kleine Kraftmaschinen mit geringer Leistung zu verwenden. Beispielsweise lassen
sich bekannte Einzylinder-Brennkraftmaschinen oder Rasenmäher-Antriebsmaschinen
leicht für einen Stirling-Betrieb modifizieren. Diese Modifikation betrifft im wesentlichen
den Fortfall der Zündeinrichtung und des üblichen Zylinderkopfes, der dann ersetzt
wird durch einen Zylinderansatz für den Verdrängerkolben in Verbindung mit einem
Heizbrenner für den Zylinderkopf oder einer entsprechenden Solarheizvorrichtung,
welche
die Solarwärme konzentriert. Zusätzlich kann ein Getriebe
hinzugefügt werden, um die zeitliche Steuerung des Verdrängerkolbens zu bewirken.
Im übrigen kann die konventionelle bisherige Maschinenkonstruktion mit Maschinengehäuse,
Zylinder, Kolben, Kurbelwelle, Steuerwelle und Einlaß- und Auslaß-Ventil beibehalten
bleiben. So läßt sich der Gesamtaufbau mit ganz erheblich geringeren Kosten realisieren,
da eine erfindungsgemäße Maschine sich durchaus für die Massenfertigung eignet,
für die billige Maschinenbauteile verwendbar sind.
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Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer sehr
prei'swerten, einfach aufgebauten und einfach arbeitenden Kraftmaschine, die über
lange Zeiten eine relativ kleine Leistung abgeben kann, ohne dabei die Umwelt zu
verschmutzen und ohne starke Arbeitsgeräusche zu erzeugen.
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Die Kraftmaschine eignet sich vor allem für die Abdeckung eines billigen
Energiebedarfes für kontinuierlich arbeitende Pumpen, Batterieladegeräte und dergl.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen
bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise veranschaulicht sind.
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In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine schematische, teilweise geschnittene
Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Stirling-Maschine, Fig. 2 eine schematische,
teilweise geschnittene Vorderansicht der Maschine der Fig. 1, Fig. 3 die auf einander
folgenden Takte im Arbeitszyklus bis 8 der erfindungsgemäßen Kraftmaschine, Fig.
9 eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, bei der das Abgas für die Verbrennungswärme
benutzt wird und Fig. 10 eine zweite abgewandelte Ausführungsform gemäß der das
Abgas zum Kühlen und teilweisen Ersetzen durch einen geschlossenen Kreis geleitet
wird.
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Gemäß Fig. 1 und 2, welche die erfindungsgemäße Kraftmaschine in Querschnitten
zeigt, besteht die Maschine aus einem Maschinengehäuse 10 mit einem Zylinder 11
und einem Kurbelgehäuse
12. In dem Zylinder 11 ist hin und her
beweglich ein konventioneller Kolben 13 gelagert, welcher Kolbenringe 14 trägt.
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Mit dem Kolben 13 ist über einen Lagerzapfen 16 eine Kolbenstange
15 angelenkt, deren anderes Ende über einen Kurbelzapfen 17 mit dem abgekröpften
Teil der Kurbelwelle 18 verbunden ist.
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Die Kurbelwelle 18 ist an gegenüberliegenden Enden in den Lagern 20
und 21 gelagert, die nur schematisch dargestellt sind. Wie schematisch dargestellt,
ragt das freie Ende 22 der Kurbelwelle 18 aus dem Kurbelgehäuse 12 nach außen, um
dort als Abtriebswelle zu dienen.
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Am oberen Ende des Gehäuses 10 befindet sich ein Gehäusedeckel 25,
an dem ein Zylinderansatz 26 befestigt ist, der den Maschinenzylinder verlängert.
Innerhalb des Zylinderansatzes befindet sich ein Verdrängerkolben 28. Dieser Kolben
28 greift mit Spiel in den Zylinderansatz 26 ein.
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Das Spiel beträgt beispielsweise 1,6 mm ringsum, wenn der Verdrängerkolben
28 beispielsweise einen Durchmesser von 38 mm hat. Das Spiel zwischen Verdrängerkolben
28 und Zylinderansatz 26 kann man entsprechend der nachfolgend zu beschreibenden
Funktion variieren.
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Der Zylinderansatz 26 umschließt einen heißen Endteil 29, der an seinem
Ende von einer Stirnwand 30 begrenzt wird, die für die Beheizung beispielsweise
konisch ausgebildet sein kann.
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Oberhalb der Stirnwand 30 befindet sich ein Brenner 31 mit einer Düse
32, welche über die Brennstoffleitung 33 versorgt wird und das gezündete Brennstoff-Luftgemisch
abgibt. Die Flamme und die heißen Verbrennungsgase 34 umgeben den heißen Endteil
29 des Zylinderansatzes 26 aufgrund einer Ummantelung 35, deren unteres Ende offen
ist und einen ringförmigen Austrittsspalt 36 bildet, um die Verbrennungsprodukte
zur Außenluft abzugeben.
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Der Verdrängerkolben 28 ist mit einem seitlichen Schlitz 37 versehen,
durch den sich eine Verdrängerkolbenstange 38 erstreckt, die mit dem Verdrängerkolben
28 über ein Schub-Drehgelenk verbunden ist, um zusätzlich eine Relativbewegung zwischen
Kolbenstange 38 und Gelenk 39 zu ermöglichen. Das gegenüberliegende Ende der Kolbenstange
38 ist bei 40 mit; einer drehbaren Stange 41 verbunden, die eine Nabe 42 trägt,
welche mit einem Lenker 43 verbunden ist, dessen gabelförmiges Ende 44 über einen
Gelenkbolzen 45 mit einem weiteren Lenker 46 verbunden ist.
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Der, wie Fig. 1 zeigt, im wesentlichen vertikal ausgerichtete Lenker
46 ist an seinem unteren Ende über einen Gelenkbolzen 47 mit dem gabelförmigen Ende
48 eines Stößels 49 verbunden.
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Der Stößel 49 ragt durch eine Kammer 50 des Gehäuses 10 hindurch und
endet an einer Platte 41 , die eine Nocke 52 einer Steuerwelle 53 beaufschlagt.
Die Steuerwelle 53 trägt ein Zahnrad 54 , welches in ein von der Kurbelwelle 18
getragenes Zahnrad 55 eingreift.
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Die Steuerwelle 53 ist, wie Fig. 2 zeigt, an ihren gegenüberliegenden
Enden bei 56 und 57 im Kurbelgehäuse gelagert.
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Innerhalb der Kammer 50 ist auf dem Stößel 49 eine Ringscheibe 48
befestigt, auf der sich eine Schraubenfeder 59 abstützt, deren gegenüberliegendes
Ende an der oberen Wand der Kammer 50 anliegt. Diese Feder 59 drückt normalerweise
den Stößel 49 nach unten gegen die Nocke 52, welche den Stößel 59 entgegen der Federkraft
nach oben bewegen kann.
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Der Deckel 25 begrenzt einen Hohlraum und bildet einen Kanal 61, welcher
einen Auslaßkanal 62 und minen Einlaßkanal 63 im Gehäuse 10 überdeckt. Der Auslaßkanal
62 kann mit einem Auslaßventil 64 und der Einlaßkanal 63 mit einem Einlaßventil
65 geschlossen gehalten werden.
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Die Verschlußstücke der beiden Ventile 64 und 65 befinden sich an
den Enden von Ventilstangen 66, die am unteren Ende eine Widerlagerplatte 67 tragen.
Druckfedern 68 zwischen den Widerlagerplatten 67 und einer oberen Gehäusewand drücken
die Ventile 64 und 65 in die Schließlage. Unterhalb der Widerlagerplatten 67 befinden
sich Stößel 69 in Führungsbohrungen 70, welche an ihren unteren Enden eine Auslaßsteuernocke
72 bzw. eine Einlaßsteuernocke beaufschlagen. Die Nocken 72 und 73 befinden sich
auf der Steuerwelle 53.
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Zwischen der Unterseite des Verdrängerkolbens 28 und der Oberseite
des Arbeitskolbens 13 befindet sich ein Zylinderraum 75, den man im allgemeinen
als "Kaltraum" bezeichnet, da die Temperatur in ihm erheblich kälter ist als am
heißen Ende 29 des Zylinderansatzes 28. Der Kaltraum 75 steht mit den Einlaß- und
Auslaßkanälen 62 und 63 über eine Öffnung 76 im Inneren des Deckel 25 in Verbindung
(Fig. 2). Der Kaltraum 75 selbst wird mit am Gehäuse 1 angegossenen Rippen 77 gekühlt,
um eine Kühlung durch die Außenluft zu ermöglichen.
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Arbeitsweise Die Fig. 3 bis 8 erläutern schematisch die einzelnen
Takte des Arbeitszyklusses. Bei der Betriebsstellung gemäß Fig. 3 hat der Kaltraum
75 etwa seine maximale Größe, während der
Arbeitskolben 13 sich
nach oben bewegt, um das Gas, beispielsweise Atmosphärenluft innerhalb des Kaltraumes
75 zu komprimieren. Das Gas wird nach oben durch den Ringspalt zwischen Verdrängerkolben
und Zylinderansatz 29 nach oben geschoben, so daß dieses Gas den heißen Endteil
des Zylinderansatzes 26 erreicht. Während dessen beginnt, wie Fig. 4 zeigt, der
Verdrängerkolben 28 eine Abwärtsbewegung, so daß am Ende des Zylinderansatzes ein
heißer Endraum 78 sich mit dem vom Kaltraum übertragenen Gas füllt . Dieses Gas
erwärmt sich sehr schnell und expandiert nahezu explosionsartig, sofern der Zylinderstirnwand
30 genügend Wärme zugeführt wird. Es kommt daher zu einer sehr schnellen Abwärtsbewegung
des Verdrängerkolbens 28 und auch des Arbeitskolbens, wie es Fig. 5 erkennen läßt.
Hierdurch entsteht der Arbeitshub des Kolbens, d. h. es entsteht die Energie, mit
der die Kurbelwelle 18 gedreht wird und damit auch der außenliegende Teil 22 der
Kurbelwelle 18.
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Nun als nächstes bewegt sich, wie Fig. 6 zeigt, der Verdrängerkolben
28 wieder nach oben in den heißen Endteil des Zylinderansatzes 29 hinein, um hierdurch
den Kaltraum wieder zu vergrößern,und der Arbeitskolben beginnt, sich ebenfalls
nach oben zu bewegen. An dieser Stelle des Arbeitszyklusses bleibt der Verdrängerkolben
in seiner höchsten Stellung, während der Arbeitskolben sich in Richtung auf seine
höchste Stellung gemäß Fig. 7 bewegt. Während der Aufwärtsbewegung
des
Arbeitskolbens wird das Auslaßventil 64 von der Steuernocke 73 geöffnet, so daß
das im Kaltraum enthaltende heiße Gas ausgetrieben wird. Die Aufwärtsbewegung des
Arbeitskolbens unterstützt diesen Auslaßvorgang.
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Als nächstes bewegt sich der Arbeitskolben, wie Fig. 8 zeigt, nach
unten, während der Verdrängerkolben in der obersten Stellung verbleibt. Während
dieser Zeit ist das Auslaßventil 64 geschlossen, aber das Einlaßventil 65 geöffnet.
So kann auf diese Weise in den Kaltraum frisches Gas angesaugt werden.
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Beispielsweise kann frische Atmosphärenluft angesaugt werden.
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Anschließend wiederholt sich der Maschinenarbeitszyklus in gleicher
Weise.
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Durch das Austreiben und Wiederauffüllen des Gases im Kaltraum ergibt
sich ein Spültakt, der nicht nur den Zylinder von Verschmutzungen, unerwünschten
Ölablagerungen oder Schmutzresten im Kurbelgehäuse und dergleichen reinigt, sondern
auch die Temperatur im Kaltraum vermindert, während ein Wechsel von heißen Gas zu
kaltem Gas erfolgt.
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Bei der abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 9 wird das am Auslaßkanal
62 abgegebene Gas über eine Leitung 80 zu einer Mischkammer oder einem Vergaser
81 übertragen. Dieser Vergaser 81 ist nur schematisch angedeutet und weist neben
einer Brennstoffeinlaßleitung 82 auch eine Frischluftzufuhrleitung 83 auf, so daß
das heiße Gas aus dem Kaltraum,
insbesondere wenn es sich um Luft
handelt, dazu dienen kann, das Brennstoffluftgemisch in der Mischkammer des Vergasers
81 aufzuheizen, damit das Gasgemisch anschließend über die Mischrohrleitung 33a
zur Düse 32 übertragen werden kann. Auf diese gleise geht die Wärme des aufgeheizten
Gases nicht verloren.
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Bei der weiteren abgewandelten Ausführungsform der Erfindung gemäß
Fig. 10 ist ein Kühlsystem vorgesehen. Dieses Kühlsystem besteht aus einer Leitung
85 zwischen den Einlaß- und Auslaßkanälen 62 und 63 und dient dazu, das heiße Gas
über einen Wärmeaustauscher zu übertragen, der schematisch durch die Rippen 86 angedeutet
ist. Die Umwälzung des Gases erfolgt mit einer Pumpe 87, die von der Kurbelwelle
angetrieben wird, wie es schematisch durch die strichpunktierte Linie 88 angedeutet
ist.
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In der Leitung 85 befindet sich ein Ablaßventil 89, mit dem eine kleine
Luft- oder Gasmenge aus der Leitung 85 regelbar abgelassen wird. Dieser Gasverlust
wird wieder ausgeglichen durch ein ähnliches, aber entgegengesetzt arbeitendes Zuführventil
90, das sich an der Pumpe oder an einer anderen Stelle des Leitungssystems befindet.
Dieses Ventil 90 arbeitet so, daß eine konstante kleine Gasmenge wieder zugeführt
wird, um sicherzustellen, daß innerhalb einer bestimmten Zeit das Gas durch frisches
Gas ersetzt wird, sofern man Atmosphärenluft verwendet. Wenn es sich bei dem Gas
um ein nicht unter
Atmosphärendruck stehendes Gas, beispielsweise
um ein hochgradig thermisch leitendes Gas handelt, kann man die Ablaß-und Zufuhrventile
fortlassen und das ganze System im geschlossenen Kreis arbeiten lassen.
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