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Luftkältemaschine. Die Erfindung bezieht sich auf einen geschlossenen
thermodynamischen Kreisprozeß bei Luftkältemaschinen.
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Bei einer geschlossenen Luftkältemaschine wird eine abgeschlossene
Luftmasse wechselnd komprimiert und expandiert; die Kompression findet in einem
Raum -und die Expansion in einem anderen statt. Die beiden Räume sind durch eine
Leitung verbunden, durch die die Arbeitsluft hindurchgeführt wird. Zwischen Kompressions-
und Expansionsraum kann ein Regenerator Anwendung finden. Die Luft im Expansionsraum
befindet sich auf einer Temperatur unterhalb der des zu kühlenden Körpers, und die
Luft im Kompressionsraum befindet sich auf einer Temperatur über der Temperatur
der Atmosphäre oder eines anderen Körpers, in den die bei der Kühlung aufgenommene
Wärme übertragen werden soll.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist die Durchführung des thermodynamischen
Kreisprozesses bei verhältnismäßig hohem Durchschnittsdruck und verhältnismäßig
niedrigem Höchstdruck; die Maschine arbeitet mit einer bestimmten Menge Arbeitsluft
ohne Zusatz oder Abzug und selbsttätiger Einstellung des Druckes während des Kreisganges,
derart, daß der Mindestdruck gleich dem atmosphärischen oder wenig geringer ist.
In
der die Erfindung beispielsweise darstellenden Zeichnung ist Abb. i ein senkrechter
Längsschnitt durch die Achsen der beiden Zylinder, Abb. 2 ein senkrechter Schnitt
nach Linie 2-2 in Abb. i mit einer Ansicht des Antriebsmechanismus, Abb.3 ein Einzelschnitt
durch eine Ausführungsform einer Ausgleichsverbindung zwischen Kurbelwellengehäuse
und Kompressionsraum, Abb. 4 ein Diagramm, das die Volumenveränderung der Arbeitsluft
im Kompressions-und Expansionsraum während eines Kreisganges wiedergibt, Abb. 5
ein Diagramm, das die Veränderungen im Gesamtvolumen der Arbeitsluft während eines
Kreisganges anzeigt, Abb.6 ein Diagramm, das die Druckveränderungen in der Luft
während eines Kreisganges erkennen läßt, Abb.7 ein Indikator- oder Druckvolumendiagramm,
das die Arbeit während eines Kreisganges veranschaulicht, und Abb. 8 ein Diagramm,
das die relativen Bewegungen des Kompressionskolbens und des Verdrängerkolbens während
eines Kreisganges zeigt.
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Die beispielsweise dargestellte Luftkältemaschine besitzt zwei Zylinder,
deren jeder seine eigene Menge Arbeitsluft hat; es ist klar, daß die Zylinderzahl
beliebig sein kann. An einer Grundplatte i ist ein Kurbelwellengehäuse 2 durch Bolzen
3 befestigt. Auf zylindrische Fortsätze 4 des Gehäuses 2 passen konzentrisch dazu
Wärmeaustauscher 5, auf deren oberen Flächen Regeneratoren 6 passen, die gleichfalls
konzentrisch zu den Teilen 4 angeordnet sind. Die über den Regeneratoren 6 angebrachten
Zylinderköpfe 7 tragen Wärmeaustauscher B. Zylinderkopfdekkel 9, die konzentrisch
zu den Zylinderköpfen 7 sind, passen von oben auf diese. Zwischen den verschiedenen
Teilen sind zweckmäßig Flanschdichtungen vorgesehen. Die Teile werden durch die
Klemmwirkung der Stange io, eines U-Profilstückes i i, der Druckteile 12, der Bolzen
13 und der Muttern 14 in ihrer Lage gehalten. Die Druckstücke 12 bestehen aus schlecht
wärmeleitenden Stoffen, um eine Wärmeleitung von den Dekkeln 9 zu verhindern.
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In dem oberen Teil der Stücke 4. sind Futter 15, und im Innern der
Wärmeaustauscher 5 sind Futter 16 angebracht. Ersichtlich bestehen somit die Zylinderwandungen
aus dem Fortsatz 4, den Futtern 15 und 16, den Regeneratoren 6, den Wärmeaustauschern
8 und und den Zylinderköpfen 7. Am oberen Ende des Futters 15 führen Ringkanäle
17 zu den Wärmeaustauschern 5, und am oberen Ende der Wärmeaustauscher 8 verbinden
Ringkanäle 13 die Wärmeaustauscher mit den oberen Enden der Zylinder.
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Jeder Kompressionskolben 25 wird durch ein zu beiden Seiten der Kolbenachse
_angreiie-:des Stangenpaar 26 angetrieben, deren andere Enden an die beiden Balanciers
27 angelenkt sind, welche sich um den Zapfen 28 drehen und mittels der Verbindungsstange
29 vom Kurbelzapfen 3o der Kurbelwelle 31 angetrieben werden. Eine Riemenscheibe
32 dient zum Antrieb der Kurbelwelle 31. Die aus schlecht wärmeleitendem Stoff bestehende
Hülse 41 des Verdrängerkolbens 4o ist an der mit der Kolbenstange 43 verbundenen
Bodenplatte 42 befestigt. Die Kolbenstange 43 ist durch den Kompressionskolben 25
und das Kurbelwellengehäuse 2 bis in eine Führung 46 am Boden des Kurbelwellengehäuses
durchgeführt und trägt einen Federsitz 48, der durch einen an den Gelenkstangen
5o als Angriff dienenden Stift 49 an der Kolbenstange befestigt ist. Die oberen
Enden der Stange 5o sind mit dem Nockenhebel 51 verbunden, der um den Zapfen 28
schwingt. An dem anderen Ende trägt der Hebel 51 eine Rolle 52, die durch die Druckfeder
55 gegen eine Nockenscheibe 54 der Kurbelwelle 31 gedrückt wird. Der Nocken 54 steuert
unter Mitwirkung der Feder 55 den Kolben 40.
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Der Raum oberhalb des Kompressionskolbens 25 ist bei der tiefsten
Kolbenlage durch einen Kanal 6o in der Wandung des Kolbens, einen Kanal 61 in der
Zylinderwand und Rohre 62 und 64, zwischen denen ein Gehäuse 63 eingeschaltet ist,
mit dem Kurbelwellengehäuse verbunden. In dem Gehäuse 63 ist zweckmäßig ein Einsatzbehälter
65 für Calziumchlorid oder einen anderen Stoff vorgesehen, der die durchströmende
Luft trocknet.
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Die Schmierung der bewegten Teile wird durch Verspritzen des Öles
bewirkt; der Ölspiegel im Kurbelwellengehäuse ist durch die Linie 66 angedeutet.
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Bei der in Abb. i (links) veranschaulichten Kolbenstellung stehen
die unmittelbar über dem Kompressionskolben 25 liegende Kompressionskammer und das
Kurbelwellengehäuse unter gleichzeitigem Druckausgleich durch die Kanäle 6o und
61 und die Rohre 62, 63 und 64 miteinander in Verbindung. Der die Expansionskammer
nach unten abschließende Verdrängerkolben befindet sich in seiner höchsten Stellung.
Beim Antrieb der Kurbelwelle in der eingezeichneten Pfeilrichtung bewegt sich der
Kolben a5 aufwärts und schließt den Kanal 61, während der Kolben 1.o ruht. Infolgedessen
wird die Arbeitsluft in dem Kompressionsraum, den Wärmeaustauschern 5 und 8, dem
Regenerator 6 und dem oberhalb
des Verdrängerkolbens befindlichen
Teil dJr Expansionskammer znsa:,zmengedrü._-'@-t. Die fortgesetzte Drehbewegung
der Kurbelwelle veranlaßt ein weiteres Steigen des Kolbens z5 und ein Abwärtsgehen
des Kolbens 40. Die komprimierte Luft fließt dann durch den W,ärrreaustauscher 5,
dessen Lamellen 19 die durch die Kompression erzeugte Wärme aufnehmen und auf gekühlte
Lamellen 2o überleiten, den Regenerator 6 und den W.ärmeaustauscher 8 und gelangt
durch die Kanäle 18 in den Expansionsraum. Im ZVärmeaustauscher 8 wird durch Lamellen
21 der zu kühlenden, durch Rohrleitungen 2z zu- und 23
abfließenden Flüssigkeit
Wärme entzogen und durch Vermittlung der Lamellen 24 an die Arbeitsluft abgegeben.
Bei weiterer Drehung der Kurbelwelle 31 bewegen sich beide Kolben abwärts, so daß
die fast vollständig in den Expansionsraum übergetretene Luft sich ausdehnt und
abkühlt. Im weiteren Verlauf des Arbeitsganges wird der Kolben z5 nochweiter nach
unten geführt, während der Verdrängerkolben 4o aufwärts geht. Die expandierte Luft
wird dadurch wieder zurück über die Wärmeaustauschvorrichtungen und den Regenerator
zum Kompressionsraum geschafft. Damit ist ein Kreisgang vollendet. Die genaue gegenseitige
Bewegung der beiden Kolben soll weiter unten in Verbindung mit der Besprechung des
thermodynamischen Kreisprozesses betrachtet werden.
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Ersichtlich wird ein Temperaturunterschied zurischen Kompressions-
und Expansionsraum hergestellt. Der durchschnittliche Unterschied der Temperatur
wird durch den Regenerator aufrechterhalten, der die Fähigkeit hat, Wärme aufzunehmen
und wieder abzugeben, je nachdem es die Temperaturverhältnisse während des Kreisvorganges
erfordern.
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Es ist für nach diesem Vorgange arbeitende Maschinen sehr wichtig,
daß- alle Feuchtigkeit aus der Arbeitsluft entfernt wird, da sich die Feuchtigkeit
am kalten Ende der Maschine als Eis niederschlägt, das schließlich die Luftdurchlässe
verstopft und die Maschine außer Betrieb setzt. Um den Eintritt von Feuchtigkeit
in die Maschine zu verhüten, werden das Kurbelwellengehäuse und andere Teile so
ausgebildet, daß alle Verbindungsstellen vollkommen dicht sind; die einzige öffnung
von der Atmosphäre zum inneren Teil der Maschine ist der Spielraum der Kurbelwelle,
die indessen durch eine unter ölwirkung stehende Stopfbuchse 75, 79 (Abb.
z) ebenfalls luftdicht abgeschlossen wird.
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Ersichtlich ist bei der beschriebenen Bauart immer eben dasselbe,
gleich große Luftgewicht in der Maschine eingeschlossen. Ist die Ma-' schine nicht
in Tätigkeit, so sind die Drücke in Kompressions-, Expansions- und Kurbel-<<-ellenraum
gleich groß, da Undichtheiten an derr; 1#öolbcn zu einem Druckausgleich führen.
Vorzugsweise soll der Druck bei ruhender Maschine im wesentlichen gleich dem Atmosphärendruck
sein, wenn auch ein höherer oder ein geringerer Druck benutzt werden kann, da ja
keine Verbindung mit der Atmosphäre besteht. Wird die Maschine angelassen, so wird
der Druck der Arbeitsluft wechselnd mit dein Fortgang des Arbeitskreislaufes zu-
und abnehmen. Die Arbeitsluft wird durch die WVärmeaustauscher und den Regenerator
zwischer Kompressions- und Expansionskammer hin und her geführt. Da diese beiden
Räume immer in Verbindung sind, so ist der Druck der Arbeitsluft stets überall gleich.
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Nimmt man an, daß keine Ausgleichsverbindung zwischen dem die Arbeitsluft
enthaltenden Raum und dem Kurbelwellengehäuse vorhanden ist (wie sie tatsächlich
durch den Kanal 6o im Kolben z5, Kanal 61, Raum 63 und Rohr 6.1 besteht), so wird
ersichtlich nach wenigen Umgängen der Maschine der Durchschnittsdruck der Arbeitsluft
infolge der Undichtheit des Kolbens 25 ebenso groß sein wie im Kurbelwellengehäuse.
Dieser Durchschnittsdruck, wird im wesentlichen gleich dem Drück vor Anlassen der
Maschine sein.
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Die Ausgleichsverbindung 6o, 61 dient zur Erhöhung des Durchschnittsdruckes
der Arbeitsluft. Wenn sich der Kolben 25 in seiner tiefsten Stellung befindet, so
ist die Luft bis oder bis nahe zum tiefsten Druck expandiert. Durch öffnung der
Ausgleichsverbindung werden bei dieser Kolbenstellung Kompressionsraum und Kurbelgehäuse
miteinander verbunden. so daß sich der Druck ausgleicht, und die Luft, die während
des Arbeitsganges infolge der Kolbenundichtheit aus dem Kompressionsraum in das
Kurbelwellengehäuse überströmte, in - den Zylinder zurückgeführt wird. Es ist festgestellt
worden, daß durch die Anwendung der Ausgleichsverbindung der Durchschnittsdruck
der Arbeitsluft vom atmosphärischen Druck auf etwa 0,35 kg/cm"Lberdurck heraufgesetzt
werden kann, während doch noch ein Unterschied von 0,7 kg zwischen Höchst-
und Mindestdruck gewahrt wird. Hierdurch wird die Kälteleistung der Maschine wesentlich
erhöht, weil bei höherem Durchschnittsdruck ein größeres Luftgewicht am Kühlvorgang
teilnimmt.
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Durch den Druckausgleich und das Überströmen eines Teiles der Luft
des Kurbelwellengehäuses in den Zylinder wird der Druck im ersteren etwas sinken.
Infolge der Größe des Kurbelwellengehäuses ist diese Druckschwankung zwar gering,
aber doch ausreichend, um bei Undichtheiten an der Kurbehrelle das öl aus dem Schmiergefäß
81 und dem Schmierring 78 der Kurbelwellenstopfbuchse
in das Kurbelwellengehäuse
einzusaugen.
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Bei einer Zweizylindermaschine mit um i 8o° versetztem Kolben (Abb.
i) ist praktisch das Luftgewicht im Kurbelwellengehäuse konstant, da die beiden
Zylinder in wechselnder Folge Luft abgeben und aufnehmen.
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In Abb. 3 ist eine andere Art von Ausgleichsverbindungen veranschaulicht.
Ein Schlitz ioo in der Innenwandung des Zylinders 4 verbindet den Kompressionsraum
mit einem Rohr i o i, auf dessen äußerem Ende ein Rückschlagventil io2 aufgesetzt
ist, von dem aus ein Rohr io3 zum Kurbelwellengehäuse 2 führt. Das Ventil io2 öffnet
sich nur, wenn der Druck im Kompressionsraum geringer ist als im Kurbelwellengehäuse.
Auf diese Weise wird die aus dem Zylinder entwichene Luft am Ende jedes Arbeitsganges
durch die Ausgleichsverbindungvom Kurbelwellengehäuse in den Zylinder zurückgeführt
und ein Mindestdruck der Arbeitsluft gleich dem Druck im Kurbelwellengehäuse aufrechterhalten.
Das Absperrventil ioz besteht aus einem Körper 104 mit einer Bohrung io5 zur Aufnahme
des Rohres ioi, dessen Kopfende als Sitz für das mittels eines Stopfens io8 an einer
Membran 107 befestigte Ventil io6 ausgebildet ist. Der Stopfen io8 ist mit einer
durchgehenden Bohrung iog versehen. Die Membran 107 wird zwischen dem Körper 104
und dem Deckel i i o durch Schrauben i i i festgehalten. Im Körper 104 und im Deckel
i io sind Aussparungen vorhanden, die eine Bewegung der Membran zulassen. Ein Kanal
112 verbindet die Bohrung i o 5 mit der Verbindungsleitung io3, welche zum Kurbelwellengehäuse
führt. In der dargestellten Lage ist das Ventil geschlossen. Wenn der Druck im Kurbelwellengehäuse
z den Druck im Zylinder überschreitet, so ist der Druck auf der Innenseite der Membran
107 größer als der auf der Deckelseite, und das Ventil io6 öffnet sich, so
daß Luft vom Kurbelwellengehäuse 2 zum Kompressionsraum überströmt.
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In Abb. 4 bis 7 sind im Schema die Druckveränderungen und Volumenveränderungen
der Arbeitsluft bei einem Kreisgang dargestellt, wie er vorzugsweise ausgeführt
wird. Ein Kreisgang entspricht einem Umgang der Kurbelwelle; die Arbeit ist in vier
Zeitabschnitte A, B, C, D eingeteilt, deren jeder einer Viertelumdrehung
entspricht. In Abb. 4. ergibt der senkrechte Abstand von der Linie X-X
zu einem beliebigen Punkt der ausgezogenen Linien, welche die schraffierte
Fläche begrenzen, die Entfernung des Druckkolbens von seiner oberen Stellung, und
der Abstand nach den punktierten Linien gibt die Entfernung des Verdrängerkolbens
von seiner oberen Stellung, so daß der senkrechte Abstand von- Linie X-X
zu den festen und punktierten Linien das jeweilige Volumen des Druckraumes
und des Expansionsraumes veranschaulicht. Während des Abschnittes A wird die Arbeitsluft
im Kompressionsraum zum Expansionsraum übergeführt. Während des Abschnittes B expandiert
die vermittelnde Luft im Expansionsraum; während des Abschnittes C wird die Luft
wieder zurück zum Kompressionsraum geführt, und während des Zeitraumes D wird sie
komprimiert.
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In Abb. 5 ist das Gesamtvolumen der Arbeitsluft veranschaulicht, und
der senkrechte Abstand unterhalb der Linie X'-X' veranschaulicht das Gesamtvolumen
an einer beliebigen Stelle während des Kreisganges.
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In Abb, 6 ist die Art, in welcher sich der Druck ändert, zur Darstellung
gebracht, und der senkrechte Abstand von X"-X" veranschaulicht den Druck an einer
beliebigen Stelle. Betrachtet man Abb. 5 und 6 zusammen, so erkennt man, daß während
des Abschnittes A die Luft vom Kompressionsraum zum Expansionsraum bei einem gleichbleibenden
Druck P überfließt. Infolge der Verminderung ihrer Temperatur durch den kühlenden
Wärmeaustauscher und den Regenerator nimmt der Rauminhalt der Luft dabei von Vi
auf V2 ab. Während des Abschnittes B expandiert die Luft im Expansionsraum vom Druck
P auf den Druck p, und ihr Volumen wächst von V2 auf V3, während die Temperatur
gleichzeitig abnimmt. Während des Abschnittes C wird die Luft wieder zum Kompressionsraum,
und zwar bei dem niedrigen Druck p, zurückgebracht. In dem Wärmeaustauscher, der
auf das Kältemittel einwirkt, und dem Regenerator wächst das Luftvolumen von V3
auf V4 infolge der Temperaturerhöhung. Während des Abschnittes D wird die Luft von
V4 auf V' komprimiert unter Erhöhung ihrer Temperatur und ihres Druckes von p auf
P.
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Der Kreisprozeß schließt demnach Expansion, Kompression sowie Wärmeveränderung
in dem Mittel unter isobaren Verhältnissen ein. Infolge der Tatsache, daß der Druckraum
von Kühlmitteln umschlössen wird, wird eine beträchtliche Wärmemenge während der
Kompression abgeleitet, die demnach sich isothermischen Verhältnissen anzunähern
sucht. Die Expansion ist in gleicher Weise durch die Tatsache beeinflußt, daß der
Expansionsraum von dem zu kühlenden Mittel umgeben wird. Sie sucht demnach gleichfalls
sich der isothermischen Expansion zu nähern. Es ist bei der Ausführung der Maschinen
festgestellt worden, daß es wesentliche Vorteile mit sich bringt, nach dem oben
beschriebenen Kreisprozeß zu arbeiten, der dadurch erzielt wird, daß die Bewegungen
des Kompressions- und Verdrängerkolbens in geeignete Beziehung gebracht
werden,
wie dies an Hand der Abb. 8 beschrieben werden soll. Ein Hauff t--orteil gegenüber
den Maschinen, welche nach einem Kreisprozeß arbeiten, bei dem die Übertragung der
Arbeitsluft unter konstantem Volumen ausgeführt wird, liegt in der Herabsetzung
des Druckunterschiedes, der zwischen den beiden Drücken P und p für eine gegebene
Kälteleistung notwendig wird. Das bedeutet aber ein gleichmäßigeres Drehmoment und
infolgedessen ein geringeres Andrelimoment und geringeres Gewicht für das Schwungrad.
- Die Te;le können auch leichter ausgeführt werden, da s_e nicht so großen Drücken
Widerstand zu leisten brauchen. Weiter ist der Verlust durch Enmeichen längs des
Druckkolbens und um d:e Kolbenstange des Verdrängerkolbeits herum geringer, und
auch die mechanischen Verluste sind kleiner.
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In Abb. 7 ist das übliche Indikatordiagramin gegeben. Es zeigt die
bei der Kompression geleistete und die bei der Expansion wiedergewonnene Arbeit.
Die Fläche P, V°, V3, p ist die Expansionsarbeit, und P, V', V4, p ist die
Kompressionsarbeit. Die Nutzleistung für den Kieisgang wird durch die Fläche V2,
V', Vi, V3 angegeben; diese muß durch den treibenden Motor oder ein sonstiges Getriebe
zugeführt werden.
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Damit die Maschine nach dem vorgeschriebenen Kreisprozeß arbeiten
kann, ist- es notwendig, daß Kompressions- und Verdr.ängerkolben die geeigneten
gegensätzlichen Bewegungen ausführen. Ersichtlich wird der Kompressionskolben vom
Kurbelzapfen 3o unter Ve:-inittlung der Verbindungsstange 29 und des Balarciers
27 durch die Stange 26 (Abb. i ) angetrieben. Zeichnet man die Bewegung des Kompression4:olbens
in re^_ht«inkligen Koordinaten. nach dem Zeitablauf auf, und zwar wiedergegeben
durch die Drehwinkel der Kurbelwelle, so erhält man die Kurve D (Abb.8), in der
die Ordinaten die Kolbenwege und die Abszessen die Drehwinkcl der Kurbelw,ll° s_nd.
Die Linie A--4 ist die untere und die Linie R_ die obere Totpunktgrenze des Kompressionskolbenhubes.
Die Linie C-C gebt die obere Crenze des Verdrängerkoibenweges, und die Kurve E gibt
den Verdrängerkolbenweg, aufgezeichnet in Beziehung zu der Drchung der Kurbelwelle.
Demnach ist der senkrechte Abstand an irgendeiner Stelle von L 'nie C-C bis zur
Kurve D das Gesamtvolunien der Arbeitsluft an jeder Stelle ;,unter V@--rnachlässigung
des schädlichen Raumes, und der senkrechte Abstand zwischen den Kurven E und D veranschaulicht
das Volumen im hon.oressionsraum, während der senkrechte Abstand von C-C bis E das
Volumen im Expansionsraum anzeigt.
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Die Bewegung des Verdrängerkolbens wird durch den Nocken 54. geregelt,
welcher über d:.e Rolle 52, den Hebel 51, die Gelenkstange 5o und die Stange 4.3
auf ihn einwirkt. Es ist leicht erkennbar, daß die Bewegung .des Verdrängerkolbens
entsprechend Kurve E durch geeignete Profilierung des Nockens 5¢ erreicht wird,
so daß, während der Kompressionskolben s2;ne Bewegung entsprechend der Sinuskurve
D ausführt, der Verdrängerkolben in seiner oberen Totpunktlage während d°r Periode
von o bis i 2o' stehenbleibt, sich dann z@s-eclcs Zusammentreffens mit dem Kompressionskolben
während des Zeitabschnittes von i2o° bis i8o° abwärts bewegt, danach der Abwärtsbewegung
des Kompressionskolbens während der Periode von iSo bis 27o° folgt und zur Schließung
des Arbeitskreises zu seiner oberen Stellung während des Abschnittes von 27o° bis
36o° zurückgeht.
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Das besondere Ausführungsbeispiel veranschaulicht zwar die Erfindung,
jedoch liegen auch andere Konstruktionsformen im Rahmen der Erfindung.