DE3319150A1 - Heat pump unit - Google Patents
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Abstract
Description
Klausenweg * Klausenweg *
8890 Aichach/Unterwittelsbach8890 Aichach / Unterwittelsbach
Beschreibungdescription
WärmepumpenaggregatHeat pump unit
Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe, welche mit Primärenergie über eine Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird und mit der Verbrennungskraftmaschine in einem Block zusammengebaut ist. Wie bekannt wird dabei ein herkömmlicher modifizierter Diesel- oder Ottomotor verwendet.The invention relates to a heat pump which is driven with primary energy via an internal combustion engine and with the internal combustion engine in one block is assembled. As is known, a conventional modified diesel or gasoline engine is used.
Zum Antrieb einer Wärmepumpe werden an den Motor Anforderungen gestellt, welche herkömmliche Motoren nicht befriedigend erfüllen. So konnten bisher Wärmepumpen mit dem wirtschaftlichen Betrieb mit Primärenergie für Wohnhausheizungsanlagen nicht eingesetzt werden. Es verursachen aber bekanntlich Wohnhausheizungsanlagen beim Verbrennen von Öl erhebliche Luftimmissionen.To drive a heat pump, demands are placed on the motor that conventional motors do not meet satisfactorily. So up to now, heat pumps could be operated economically with primary energy for House heating systems are not used. But it is known to cause residential heating systems at Burning oil has significant air pollution.
eier vorliegenden Erfindung ist ein Wärmepumpenäggregat, das mit Primärenergie angetrieben für Wohnhausheizungsanlagen geeignet ist. Ein derartiges Aggregat Itmß für eine erhebliche Betriebsstundenzeit ausgelegt s«in, muß wartungsfrei sein und soll in der Baugröße Klein sein, weil bei hohem Energiedurchsatz teure Wärmespeicher erforderlich sind. Ebenso erfordern große Aggregate erhebliche Schallschutzmaßnahmen und. einen hohen Bauaufwand.eier present invention is a heat pump unit, that powered by primary energy for residential heating systems suitable is. Such a unit is designed for a considerable operating hour s «in, must be maintenance-free and should be in size Be small because high energy throughput requires expensive heat storage systems. Likewise, require large Aggregates significant noise protection measures and. a high construction cost.
Die Erfindungsaufgabe wird mit einem Wärmepumpenaggregat gelöst, dessen Aufbau sich aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches ergibt.The task of the invention is with a heat pump unit solved, the structure of which results from the characterizing part of the main claim.
Durch Anwendung der an sich bekannten Motorenbauart als Doppelkolben mit einer Taumel- oder Kurvenscheibe zum erfindungsgemäßen Wärmepumpenaggregat können die gestellten Anforderungen erfüllt werden.By using the engine design known per se as a double piston with a swash plate or cam plate for the invention Heat pump unit can meet the requirements.
Die zwei Gegenkolben ergeben zwei Kolbenrückseiten mit Pumpmöglichkeit. Erfindungsgemäß wird eine davon als Wärmepumpe und die andere als Spülpumpe für den Betrieb des Motors als Zweitaktmotor verwendet.The two opposed pistons result in two piston backs with a pumping option. According to the invention, one of them is used as a Heat pump and the other used as a scavenging pump for running the engine as a two-stroke engine.
Mit der Hublänge der Motorstirnfläche der Kolben ergibt «ich zwangsläufig der Pumpenhub. Zur Anpassung der Pumpleistung sind die Kolben als Stufenkolben mit größerer Pumpkolbenstirnfläche ausgebildet.With the stroke length of the engine face of the piston results «I inevitably the pump stroke. To adjust the pump output, the pistons are stepped pistons with a larger size Pump piston face formed.
Bei der Gegenkolbenanordnung mit Taumel- oder Kurvenscheibe nach der Erfindung ist diese besonders vorteilhaft,'weil »ie eine wartungsfreie Verbrennungskraftmasche ohne Ventilsteuerung und ohne Zylinderkopf bei niedriger Kolbengeschwindigkeit ergibt.In the case of the opposed piston arrangement with a swash plate or cam plate according to the invention, this is particularly advantageous because »Ie a maintenance-free internal combustion engine without valve control and without a cylinder head at low piston speed.
Di· Expansionsarbeit der Verbrennungsgase wird weitgehend ohne vorherige Umwandlung in eine Drehbewegung linear auf die Pumpkolben übertragen.The expansion work of the combustion gases is largely transmitted linearly to the pump piston without prior conversion into a rotary movement.
Dadurch hat die Trieb-werkVelle mit der Kolbenanbindung geringere Kräfte aufzunehmen.This means that the engine shaft is connected to the piston to absorb lower forces.
Ohne größeren zusätzlichen . Bauaufwand für Gehäuse, Lagerung und Schmierung ist die Wärmepumpe im Motorblock integriert.Without any major additional. Construction costs for housing, bearings and lubrication, the heat pump is integrated in the engine block.
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Die Massenkräfte der Kolben sind gegeneinander gerichtet und heben sich auf.The mass forces of the pistons are directed against each other and cancel each other out.
Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal ist in der Zentrumsachse der Kolben ein Kreuzdrehgelenk angeordnet, welches einerseits über eine Achse mit der Taumelscheibenlagerung in Wirkverbindung steht und andererseits über eine Schwinge am Kolbenboden angehängt ist.According to a further feature of the invention, a universal joint is arranged in the center axis of the piston, which on the one hand is in operative connection with the swash plate bearing via an axis and on the other hand via a rocker is attached to the piston crown.
Die sich zwangsläufig „ergebende Abstandsverschiebung der Taumelscheibe gegenüber dem Kolben wird dadurch ausgeglichen. Es können dadurch störungsanfällige Kugelkopflagerungen oder Lagerstellen mit gleichzeitiger Linearverschiebung verhindert werden.The inevitably "resulting shift in distance of the This compensates for the swash plate opposite the piston. This can lead to ball head bearings that are prone to failure or bearings with simultaneous linear displacement can be prevented.
Zur Umsetzung der Längsbewegung in eine Drehbewegung oder umgekehrt muß der Außenring des Taumelscheibenlagers am Drehen gehindert sein. Erfindungsgemäß ist zu diesem Zweck am Außenring ein Achstaumel angebracht, welcher in Ver-" -längerung der Kolbenanbindungsachse in Achsrichtung den gemeinsamen Mittelpunkt der Taumelscheibenlagerung und der Trieb-werlTwelle schneidet.To convert the longitudinal movement into a rotary movement or vice versa, the outer ring of the swash plate bearing must be on Be prevented from turning. According to the invention is for this purpose on the outer ring an axle stub is attached, which extends the piston connection axis in the axial direction common center point of the swash plate bearing and the drive shaft intersects.
An diesem Achstaumel ist ein Gleitstück gelagert, welches sich, an seitlichen Führungslfächen am Gehäuse abstützt und somit den Außenring an einer Drehbewegung hindert. Das sich oszillierend bewegende Gleitstück kann im Material und in der Größe so ausgelegt sein, daß hohe Kräfte im Dauerbetrieb aufgenommen werden können. Zudem sind die seitlichen Führungsflächen im Bereich der Ölwanne, können mit Tauchschmierung versorgt werden und können von außen ohne Maschinendemontage nachgestellt werden.A slider is mounted on this stub axle, which is supported on the side guide surfaces on the housing and thus prevents the outer ring from rotating. The oscillating sliding piece can be in the material and designed in size so that high forces can be absorbed in continuous operation. In addition, they are lateral guide surfaces in the area of the oil pan can be supplied with splash lubrication and can be readjusted from the outside without dismantling the machine.
Diese motortechnischen Merkmale sind nicht auf das Ausführungsbeispiel des beschriebenen Wärmepumpenaggregats beschränkt, so können bei Verwendung einer anderen Spüllufteinrichtung oder im Viertaktbetrieb auch beide Kolbenrückseiten als Wärmepumpenverdichter eingesetzt werden. Ebenso ist die Kolbenverbindung mit der Taumelscheibe und die Taumelscheibenführung bei anderen Ausführungsformen anwendbar.These technical engine features are not limited to the exemplary embodiment of the heat pump unit described is limited, so when using a different purge air device or both piston backs are used as heat pump compressors in four-stroke operation will. The same applies to the piston connection with the swash plate and the swash plate guide in other embodiments applicable.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird bei Anwendung der Dieselinotorarbeitsweise das Warmepumpenaggregat mit nur einer Zylinderbohrung, welche im Durchmesser stufenweise abgesetzt ist, ausgeführt,. weil für einen Pieselmotorbetrieb mit geringer Luftimmission das Hubraumvolumen nicht zu klein sein darf. Dieses Hubvolumen ergibt aber als Warmepumpenaggregat schon einen relativ hohen Energiedurchsatz.In a preferred embodiment, when using the diesel engine operation, the heat pump unit executed with only one cylinder bore, which is stepwise stepped in diameter. because for one Piesel engine operation with low air pollution the cubic capacity must not be too small. However, as a heat pump unit, this stroke volume already gives a relative high energy throughput.
In Ausgestaltung der Erfindung ist deswegen mit der Triebi-werl&velle ein Stromgenerator gekoppelt.In an embodiment of the invention, a power generator is therefore coupled to the drive shaft.
Mit der beim Wärmepumpenbetrieb überschüssigen Energie wird Strom erzeugt, mit welchem Brauchwasser höher, wie beim normalen Heizungsbetrieb aufgeheizt wird.With the excess energy in heat pump operation electricity is generated, with which domestic water is heated higher than in normal heating operation.
Mit dem gekoppelten Stromgenerator kann auch der Spitzenbedarf der Heizung abgedeckt werden.With the coupled power generator, the peak demand the heating must be covered.
Ein teurer Netzanschluß oder ein zusätzlicher Brenner für nur wenige kalte Tage erübrigt sich dadurch. Gleichzeitig kann ein derartiges Warmepumpenaggregat die Aufgabe eines Notstromaggregats übernehmen.An expensive mains connection or an additional burner for only a few cold days is not necessary. Simultaneously Such a heat pump unit can take on the task of an emergency power unit.
Zweckmäßig ist der Läufer des Stromgenerators als Schwungscheibe für den Verbrennungsmotor ausgelegt.The rotor of the power generator is expediently designed as a flywheel for the internal combustion engine.
Bei der Ausführung mit einer Zylindereinheit befindet sich diese achsparalell in einem Motorblock senkrecht über der waagrecht verlaufenden Triebwerkswelle und darunter eine Schmierölwanne mit Schmier ölpumpe.In the version with a cylinder unit is located this axially parallel in an engine block vertically above the horizontally extending engine shaft and including a lube oil pan with a lube oil pump.
Für größere Anlagen können auch mehrere Zyliiidereinheiten radial um die Trielrwerkswelle herum angeordnet sein.For larger systems, several cylinder units can also be used be arranged radially around the Trielrwerkswelle.
Bevorzugt ist dabei die Anordnung von drei Einheiten im Abstandswinkel von 12o Grad, wobei eine Einheit senkrecht über der Triebwerkswelle angeordnet ist. Bei dieser Anordnung ist der Ölablauf aus allen Einheiten zur senkrecht unter der Triebwerkswelle befindlichen Ölwanne möglich.The arrangement of three units at a distance of 120 degrees is preferred, with one unit is arranged vertically above the engine shaft. With this arrangement, the oil drain is from all units to the oil pan located vertically under the engine shaft possible.
Ein besonders zweckmäßiger Aufbau ergibt sich daraus, daß die Hauptlager für die Triebwerkswelle und dieA particularly useful structure results from the fact that the main bearings for the engine shaft and the
Zylinderbohrungen für die Pumpkolben je in einem stirnseitigen Gehäusedeckel des Motorblockes untergebracht sind.Cylinder bores for the pump pistons are each housed in a housing cover on the front of the engine block are.
Vor dem Aufsetzen oder nach Abnahme der seitlichen Gehäusedeckel sind alle Triebwerks- und Pumpteile zum Zusammenbau oder Austausch sehr gut zugänglich.Before putting on or after removing the side casing cover, all engine and pump parts are to Easily accessible for assembly or replacement.
Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel des Wärmepumpenaggregats mit erfindungsbedeutsamen Einzelheiten anhand der Zeichnungen näher erläutert.The following is an exemplary embodiment of the heat pump unit with details relevant to the invention explained in more detail with reference to the drawings.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 · ein Wärmepumpenaggregat nach der Erfindung in einem AxialschnittFig. 1 · a heat pump unit according to the invention in an axial section
Fig. 2 einen Querschnitt des Aggregats bei der Linie A - B in der Fig. 1FIG. 2 shows a cross section of the unit on the line A - B in FIG. 1
Fig. 3 einen Querschnitt eines Aggregats mit drei Arbeitseinheiten3 shows a cross section of a unit with three working units
Fig. 4 einen Ausschnitt im Kolben mit Schnittdarstellung der Taumelscheiben-Kolbenverbindung4 shows a detail in the piston with a sectional illustration the swashplate-piston connection
Fig. 5 in Schnittdarstellung eine Gleithahnführung zur Verhinderung der Drehung des Taumelscheibenaußenringes Fig. 5 in sectional view of a slide valve guide for Prevention of rotation of the swash plate outer ring
In einem Maschinengehäuse 1 ist in einem Mittellagcr und zwei Seitenlagern 3, ^ eine Triebwerkswelle 5 aufgenommen. An der Triebwerkswelle 5 sind im Winkelbereich von 15 - 2o Grad zur Triebwerksachse zwei Lagerstellen 6 und 7 für zwei Taumelscheiben 8 und 9 angebracht. Achsparalell befindet sich über der Triebwerkswelle ein Arbeitszylinder Io mit. zwei Kolben 11 und 12 in einer bekannten Doppelkolbenanordnung. Die beiden einander gegenüberliegenden inneren Kolbenstirnflächen 13 und lk verändern den Arbeitsraum eines Zweitakt-In a machine housing 1, an engine shaft 5 is received in a central bearing and two side bearings 3, ^. Two bearings 6 and 7 for two swash plates 8 and 9 are attached to the engine shaft 5 in an angle range of 15-2o degrees to the engine axis. A working cylinder Io is located parallel to the axis above the engine shaft. two pistons 11 and 12 in a known double piston arrangement. The two opposing inner piston faces 13 and lk change the working space of a two-stroke
dieselmotores, welchem mit einer Einspritzdüse 15 wjw ' ^ ' Notorbetrieb Dieselöl zugeführt wird. Der besseren Übersicht wegen ist die Motorsteuerung, welche zweitaktüblich über Ein- und Auslaßschlitze erfolgt, nicht dargestellt.diesel engine, which with an injection nozzle 15 wjw '^' Notor operation diesel oil is supplied. For the sake of a better overview, the engine control, which is common with two strokes takes place via inlet and outlet slots, not shown.
Die äußere Kolbenstirnfläche l6 des Kolbens 11 wirkt mit seinem Arbeitsraum 17 als Spülpumpe für den Zweitaktmotorbetrieb. V/eil die Hublänge nur eines Kolbens dafür zur Verfugung steht, ist der Durchmesser des Arbeitsraumes 17 entsprechend groß und der Kolben als Stufenkolben ausgeführt.The outer piston face l6 of the piston 11 is involved its working space 17 as a flushing pump for two-stroke engine operation. V / eil the stroke length of only one piston is available for this, the diameter of the working space 17 is correspondingly large and the piston designed as a stepped piston.
Beim Ventil l8 wird Frischluft angesaugt und über eine Öffnung 19 zu den Einlaßschlitzen geschoben. Mit der äußeren Kolbenstirnfläche 2o des Kolbens 12 xvird im Arbeitsraum 21 über ein Ansaugventil 22 Kältemittel angesaugt, verdichtet und über das Ventil 23 in den Wärmetauscherkreislauf gefördert.Fresh air is sucked in at valve 18 and pushed through an opening 19 to the inlet slots. With the outer piston face 2o of the piston 12 xv is sucked in in the working space 21 via a suction valve 22, refrigerant is compressed and conveyed via the valve 23 into the heat exchanger circuit.
Zum Erreichen eines entsprechenden Pumpvolumens kann der Kolben 12 ebenfalls als Stufenkolben ausgeführt sein.To achieve a corresponding pump volume can the piston 12 can also be designed as a stepped piston.
Der Arbeitsdruck der Verbrennungsgase zwischen den Kolbenstirnflächen 15 und 14 wird dabei zu einem großen Teil linear ohne Triebwerksbelastung in Verdichtungsarbeit umgesetzt.The working pressure of the combustion gases between the Piston end faces 15 and 14 are to a large extent linear without engine loading in compression work implemented.
Die Verbindung zwischen Kolben und Taumelscheibe besteht, wie auch aus der Fig. *± ersichtlich, aus einer Schwinge 24, welche mit einem Ende mit dem Kolbenbolzen 25 verbunden ist und im anderen Ende ein Kreuzdrehgelcnk 26 eingebaut ist.The connection between the piston and the swash plate consists, as can also be seen from the Fig. * ± a rocker arm 24, which is connected at one end to the piston pin 25 and at the other end a cross-pivot joint 26 is installed.
Das im Innenraum des Kolbens sich befindliche Kreuzdrehgelenk 26 besteht aus einem parallel zum Kolbenbolzen gelagerten Drehbolzen, in dem in einem quer zur Bolzenachse verlaufenden Lager eine Kolbenanbindungsachse 27, welche vom äußeren Taumelscheibenring 2o absteht, aufgenommen ist.The universal joint 26 located in the interior of the piston consists of a parallel to the piston pin mounted pivot pin, in which a piston connection axis in a bearing running transversely to the pin axis 27, which protrudes from the outer swashplate ring 2o, is recorded.
- S* A - S * A
Die sieb, aus dem Taumelscheibentrieb ergebende Bewegung des Kreuzdrehgelenks wird durch die Schwinge 24 bei bedeutungslosem Seitendruck auf den Kolben als Linearverschiebung übertragen.The sieve, resulting from the swash plate drive Movement of the universal joint is caused by the rocker arm 24 in the event of insignificant side pressure on the piston as a linear displacement transfer.
Ein zweifach wirkender Kolben 11 kann auch aus zwei Teilen bestehen, welche beide mit einer Schwinge 24 an einem Kreuzdrehgelenk 26 angehängt sind.A double-acting piston 11 can also consist of two parts, both of which have a rocker arm 24 on one Universal swivel joint 26 are attached.
Beim Umsetzen der Längsbewegung'der vom äußeren Taumelscheibenring 2<> abstehenden Kolbenanbindungsachse 27 in eine Drehbewegung der Triebwerkswelle 5 oder umgekehrt würde sich der Außenring mitdrehen.. Um dieses zu verhindern, ist vorteilhaft in senkrechter Verlängerung an einem zur Kolbenanbindungsachse 27 angebrachten, vom Außenring 2ο abstehenden Achsstummel 29 ein Gleitstück 3 ο gelagert, welches sich über seitliche Führungsflächen 31 am Gehäuse 1 abstützt. Zur Vermeidung von Seitenverschiebungen muß die Achsrichtung der Kolbenanbindungsachse 27 und des Achsstummels 29 den gemeinsamen Mittelpunkt 32 der Taumelscheibenlagerung und Triebwerkswelle schneiden.When converting the longitudinal movement of the outer swashplate ring 2 <> protruding piston connection axis 27 in a rotary movement of the engine shaft 5 or vice versa the outer ring would also rotate .. To prevent this, it is advantageous to extend it vertically on an axle stub 29 which is attached to the piston connection axis 27 and protrudes from the outer ring 2ο, a sliding piece 3 ο stored, which extends over lateral guide surfaces 31 on the housing 1 is supported. To avoid lateral shifts the axial direction of the piston connection axis 27 and the stub axle 29 must be the common center point 32 of the swash plate bearing and engine shaft cut.
Um einen ruhigen Triebwerkslauf zu erreichen, darf das Gleitstück 5o zwischen den Führungsflächen 31 bei seiner oszillierenden Bewegung seitlich nur einen sehr geringen Spielraum haben. Es sind deswegen die Führungsflächen 31 ■ über eine Keilanlage31a im Abstand einstell- und bei Abnutzung über eine Längsverschiebung nachstellbar. Die Längsverschiebung erfolgt über von außen zugängliche Stellschrauben 33.In order to achieve a smooth engine run, this is allowed Slider 5o between the guide surfaces 31 at his oscillating movement laterally only have a very small margin. It is therefore the guide surfaces 31 ■ A wedge system 31a can be used to adjust the distance and when worn adjustable via a longitudinal shift. The longitudinal shift takes place via externally accessible Adjusting screws 33.
Die Zylinder-Kolbeneinheit Io, 11, 12 befindet sich senkrecht über der Triebwerkswelle 5 und darunter eine Ölwanne 34, in derem Olstandsbereich die seitlichen Führungsflächen 31 mit dem Gleitstück 3o angeordnet sind.The cylinder-piston unit Io, 11, 12 is vertical An oil pan 34 above the engine shaft 5 and below it, in the oil level area of which the lateral guide surfaces 31 are arranged with the slider 3o.
Bei größeren Aggregaten sind, wie aus der Fig. 3 ersichtlich, vorteilhaft zwei weitere Zylinder-Kolbeneinheiten 35 und 36 im Winkel von 12o Grad von der über der Triebwerkswel^e befindlichen Einheit Io angeordnet.For larger units, as can be seen from Fig. 3, advantageously two further cylinder-piston units 35 and 36 at an angle of 120 degrees from that above the engine shaft ^ e located unit Io arranged.
Pas Maschinengehäuse 1 ist stirnseitig je mit einem angeschraubten 37 Gehäusedeckel 38, 39 verschlossen. Im Gehäuaetfeckel ist die Zylinderbohrung 17 bzw. 21 und das Seitenlader -2 bzw. ^ für die Triebwerkswelle untergebracht.Pas machine housing 1 is screwed on each end with a 37 housing cover 38, 39 closed. In the shell the cylinder bore 17 or 21 and the side loader -2 or ^ for the engine shaft is housed.
Am Ende 4o der Triebwerkswelle 5 ist eine relativ große Schwungscheibe 4l angebracht, welche gleichzeitig als Stromgenerator ausgebildet ist.At the end of 4o the engine shaft 5 is a relatively large one Flywheel 4l attached, which is also designed as a power generator.
Im Innenraum der Schwungscheibe 4l sind die entsprechenden. Wicklungen angeordnet, wobei zur Erreichung einer wirkungsvollen Schwungmasse die Lauferwicklung 42 außenliegend die Statorwicklung kj> umkreisend angeordnet sein kann.In the interior of the flywheel 4l are the corresponding. Arranged windings, wherein the rotor winding 42 can be arranged on the outside so as to encircle the stator winding kj> in order to achieve an effective flywheel.
Die Abdeckung 44 des Stromgenerators ist mit dem Gehäusedeckel 3% im Aufbau zusammengefaßt. The cover 44 of the power generator is combined with the housing cover 3% in the structure.
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Claims (18)
Kolbens (12) als Verdichter einer Wärmepumpe (2l) Und die Rückseite (l6) des anderen Kolbens (ll) als Spülpumpe (17) eines Zweitaktmotors arbeitet·2) heat pump unit according to claim 1, characterized in that the rear end face (2o) of the
Piston (12) as a compressor of a heat pump (2l) and the back (l6) of the other piston (ll) works as a flushing pump (17) of a two-stroke engine
ausgeführt sind. k) heat pump unit according to claim 1, characterized in that the pistons (11, 12) as stepped pistons
are executed.
Schwinge (2'i) angeordnet ist, welche mit dem Kolbenbolzen (25) und einem Kreuzdrehgelenk (26) verbunden ist.5) heat pump unit according to claim 1, characterized in that in the interior of the piston (ll) a
Rocker (2'i) is arranged, which is connected to the piston pin (25) and a universal joint (26).
aufgenommen ist, welche mit dem äußeren Taumelscheibenring (28) verbunden ist.7) Heat pump unit according to claim 5, characterized in that the universal joint (26) consists of a pivot pin in which a piston connection axis (27) in a bearing running transversely to the pin axis
is added, which is connected to the outer swash plate ring (28).
(35-und 36) im Winkel von 12o Grad von der über der
Triebwerkswelle (5) befindlichen Einheit (lo) angeordnet sind.Heat pump unit according to Claim 1, characterized in that two further cylinder-piston units
(35- and 36) at an angle of 12o degrees from the above the
Engine shaft (5) located unit (lo) are arranged.
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Family Applications (1)
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