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Verbundbrennkraftmaschine., insbesondere für Luftfahrzeuge Bekannt
sind Verbundbrennkraftmaschinen, bei denen die Brennstoffladung zunächst in den
Niederdruckzylinder eintritt und von dort unter Verdichtung in den Hochdruckteil
geschoben wird, in dem die weitere Verdichtung allein durch den Kolben des Hochdruckzylinders
und dann anschließend Zündung und Dehnung erfolgt, wobei die Dehnung dann in dem
Niederdruckzylinder fortgesetzt wird. Zum überströmen des Treibmittels aus dem Hochdruckteil
zum Niederdruckteil sind bei den bekannten Maschinen in der gemeinsamen Wandung
je zweier Zylinder Schlitze vorgesehen, die durch den Kolben des Hoch- ' druckteils
gesteuert werden, oder die Zylinder sind 'durch Kanäle verbunden und können -dann
mittels üblicher gesteuerter Ventile gegeneinander abgedichtet werden. In beiden
Fällen entstehen zwischen den Zylindern schädliche Expansionsräume, und außerdem
verursachen die Stege und Kanäle Wärmeübergangsverluste und Geschwindigkeitsänderungen
des Treibmittels.
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Die Erfindung schafft eine Verbundbrennkraftmaschine, bei der ungewöhnlich
hohe thermische Wirkungsgrade bei geringen Baugewichten erreicht werden. Das Neue
besteht darin, daß der Hochdruckzylinder im Niederdruckkolben angeordnet ist, derart,
daß seine Zylinderöffnung die Stirnfläche des Niederdruckkolbens unterbricht oder
an den Niederdruckzylinder angesetzt ist, wobei der als Ring ausgebildete Niederdruckkolben
sich über -den Hochdruckkolben schiebt, und daß ferner der Hochdruckkolben vor dem
Ende seines Hubes den Hochdruckzylinder vollständig verläßt, so daß die noch unter
Druck stehenden Verbrennungsgase durch den zwischen der Stirnfläche des Hochdruckkolbens
und der Öffnung seines Arbeitszylinders entstehenden Ringspalt unmittelbar in den
Niederdruckzylinder übertreten.
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Durch dieses vollständige Herauslaufen des Hochdruckkolbens aus seinem
Zylinder wird die Verbindung zwischen Hochdruck- und Niederdruckzylinder besonders
schnell hergestellt, und sie geschieht mit besonders großem OOuerschnitt, wodurch
Drossel- und Wärmeübergangsverluste fast völlig vermieden werden. Hierdurch ist
dann beispielsweise die Schaffung eines mit geringen Wärmeverlusten und höchstem
Wirkungsgrad arbeitenden Motors für Luftfahrzeuge erreichbar, der besonders in großen
Höhen bei sehr niedrigen Luftdrücken eine hohe Leistung bei geringem Brennstoffverbrauch
ergibt, aber auch in Bodennähe wirtschaftlich arbeitet.
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Die für die neue Maschine erforderlichen langen Kolbenwege werden
nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Verbundkolben nach Art üblicher Freikolbenmaschinen
mit Hubbegrenzung durch verdichtete Gase, also ohne umlaufendes Kurbelgetriebe,
betrieben sind. Eine weitere wertvolle Lösung zurkinematischen Durchführung des
Triebwerkaufbaues der Maschine ergibt sich nach der Erfindung dadurch, daß der Hochdruckkolben
und der Niederdruckkolben j e mittels eines zweiarmigen Schwinghebels auf eine Kurbel
wirken, wobei die nicht an die Kolben angreifenden
Hebelenden über
Schubstangen. auf eine weitere mit Übersetzung von der ersten Kurbel angetriebene
Kurbel wirken.
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Weitere wertvolle Einzelheiten der neuen Verbundbrennkraftmaschine
sind späternäher beschrieben.
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Die Zeichnung veranschaulicht _ das neue Verfahren an Diagramanen
und Ausführungsbeispielen, und zwar sind: Abb. i Druckvolumendiagramm, Abb.2 Temperaturentropiediagramm,
Abb.3 vereinfachter Längsschnitt einer Maschine für das neue Verfahren mit beigezeichnetem
Kurbelwegdiagramm, Abb.4 vereinfachter Längsschnitt einer anderen Maschine mit beigezeichnetem
Kurbelwegdiagramm, Abb. 5 vereinfachter Teillängsschnitt einer Abänderung hierzu,
Abb.6 Schaubilddarstellung einer abgeänderten Niederdruckkolbenführung hierzu, Abb.7
vereinfachter Längsschnitt einer Maschine mit gegenläufigem Kolben nebst beigezeichnetem
Hubwegdiagramm, Abb.8 Seitenansicht einer abgeänderten Getriebeanordnung hierzu.
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Gemäß Abb. .i sind die Volumina folgende: Tl3 Verdichtungsraum, Tl2
Hochdruckzylinder, V, Hoch- und Niederdruckzylinder beim Beginn der Vorverdichtung.
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Für einen nicht vorverdichtenden Motor sei p2 der Anfangsdruck, und
bei Gleichraumverbrennung besteht der Arbeitsvorgang aus Verdichtung a-b, Verbrennung
b-c, Dehnung c-d und Auspuffentspannung d-a mit anschließendem Gaswechsel durch
Spülung oder durch Ausschub- und Ansaughub. Bei diesen Maschinen ist durch Verbundwirkung
die sonst durch unvollkommene Dehnung verlorengehende Dreiecksfläche a-d-e-a zu
gewinnen, der in Abb. 2 die mit gleichen .Zeichen kenntlich gemachte Fläche entspricht.
Dieser Gewinn ist im allgemeinen nicht erheblich.genug, um den erhöhten Bauaufwand
für Verbundwirkung zu rechtfertigen.
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Für einen vorverdichtenden Motor dagegen sei p1 der Anfangsdruck,
und infolge der Fortsetzung der Hochdruckkolbenarbeit durch den Niederdruckkolben
entsteht hier ein Vorverdichtungshub a'-a und ein Nachdehnungshub d-e-e' mit Auspuffentspannung
d -d und anschließendem Gaswechsel durch Spülung oder Doppelhub. Zusätzlich gewonnen
ist hier also die ganze Fläche a'-a-d-e-e'-ä , die einen entscheidenden Arbeitszuwachs
darstellt.
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Dieser Gewinn bleibt bestehen, gleichgültig, ob die Vorverdichtung
für Überlastungsladung oder für Aufladung bei zu geringem Außendruck oder für beide
Zwecke verwendet wird. Der 'Gewinn wird um so größer, je größer V, : Il,
ist. Während nun dem Überladen durch die Höchstdrucke enge Grenzen gezogen sind,
kann V,: Tl, beim Auflademotor für größere Höhen mehrfach höhere Werte erreichen,
weil hier die Grenzen erst durch die Höchsttemperaturen bestimmt werden, die aber
gerade mit zunehmender Höhe sich verringern durch die Erniedrigung der Ansaugtemperatur
und schließlich durch Verringerung des Sauerstoffgehalts der Luft; rechnerisch bleiben
infolgedessen die Temperaturen bis zu Flughöhen von 15 bis 2o km beherrschbar,
und dabei sind dann indizierte thermische Wirkungsgrade über 6o % erreichbar.
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Geeignet für die erfindungsgemäß ausgestalteten Maschinen ist besonders
auch Betrieb mit Verdichtungszündung, weil die Verdichtungsendtemperaturen verhältnismäßig
stark anwachsen.
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Günstig ist besonders der Gewinn im unteren Diagrammteil mit zunehmender
Flughöhe. Aus der Senkung der Auspufftemperaturen ergeben sich dabei auch betriebstechnische
Vorteile.
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Nach Abb. 3 ist ein für Zweitaktbetrieb geeigneter Hochdruckführungszylinder
5 unmittelbar gleichachsig mit einem Niederdruckzylinder 2 verbunden, und in beiden
laufen Kolben 3, 4. Der Niederdruckkolben 4 enthält dabei einen Hochdruckverbrennungszylinder
i, der den Führungszylinder 5 so verlängert, daß der Hochdrucldcolberi 3 in ihn
hineinlaufen und dabei den letzten Teil des Verdichtungshubes und den ersten Teil
des Verbrennungshubes zurücklegen kann. Beide Kolben sind an Waagebalken 6, 7 angeschlossen,
und diese erhalten ihren= Hauptantrieb durch Schubstangen 8, g von einer Gegenlaufkurbel
io. An diese Gegenlaufkurbel .irt durch ein im Verhältnis 2 : i übersetzendes Zahnrädergetriebe
i i, 12 eine weitere Kurbel 13 angeschlossen, die mit Schubstangen 14, 15 die freien
Enden der Waagebalken 6, 7 erfaßt. Bei dem dargestellten Versatz der Kurbeln io,
13 gegeneinander und den durch Pfeile angedeuteten Drehrichtungen ergeben sich dann
die daneben gezeichneten Hubbewegungen der beiden Kolben, nämlich ein Hub III nach
Linie III verlaufend für den Hochdruckkolben 3 und ein Hub IV, nach Linie IV verlaufend
für den Niederdruckkolben 4. Während des Überganges des Hochdruckkolbens 3 vom Führungszylinder
5 in den Verbrennungszylinder i und umgekehrt auch bei dem Eintritt in ihn steht
der Kolbenzylinder 4, i dicht an der Stufe der Zylinder 5, 2, so daß die Hochdruckkolbenringe
glatt übergehen können.
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Zur Druckangleichung zwischen dem Hochdruckraum und dem Niederdruckrestraum
vor der Vereinigung beider Räume ist in der
Stufe zwischen den Zylindern
5, 2 ein Luftansaugventil16 angebracht, durch das der Niederdruckkolben während
seines Hubteiles g-la etwas Luft ansaugt, die er im weiteren Hubteil lc-i auf den
Dehnungsenddruck des Hochdruckzylinders verdichtet.
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Zur Speisung der Maschine mit Luft oder gegebenenfalls Brennstoff-Luft-Gemisch
dient ein vom Niederdruckkolben 4 gesteuerter Einlaß oder Spülkanal 17, und ähnlich
ist ein Auslaß 18 vom ,Kolben gesteuert, dies beispielsweise alles wie bei üblichen
Zweitaktmaschinen in Gestalt von vielfachen Zylinderschlitzen.
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Die Wirkungsweise ist folgende. Von der dargestellten Lage aus, die
dem Punkt i entspricht, geht der Hochdruckkolben abwärts und der Niederdruckkolben
aufwärts, so daß beide Zylinderräume die volle Expansion der vorher gezündeten Ladung
ausführen (bzw. beim Anfahren durch das Ventil 16 Luft einsaugen), um dann durch
den Auslaß 18 auszupuffen und durch den Spülkanal 17 gespült oder gegebenenfalls
mit Gemisch versorgt zu werden. Dann beginnt der Niederdruckkolben seinen Abwärtshub
als Vorverdichtungshub, gegen dessen Schluß ihm der Hochdruckkolben entgegenläuft,
um dann von g aus im wesentlichen allein die Nachverdichtung zu vollziehen, an deren
Schluß Brennstoffeinspritzung oder Zündung des Gemisches erfolgt. Dann erfolgt die
Hochdruckdehnung durch Abwärtslaufen des Hochdruckkolbens bis zum Punkt i, und damit
beginnt das Spiel von neuem.
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Nach Abb.4 sind die wesentlichen Teile mit denselben Bezugzeichen
bezeichnet, also Zweitakthochdruckzylinder i mit Hochdruckkolben 3, Niederdruckzylinder
2 mit Niederdruckkolben 4 und darin befindlicher Kolbenlaufbahnv erlängerung i9,
die hier gemäß der gleichsinnigen Aneinanderschaltung von Hochdruckzylinder und
Niederdruckzylinder nicht den Verbrennungsraum, sondern das offene Zylinderende
bildet. Das Triebwerk besteht aus einer Kurbelwelle 2o, an die der Hochdruckkolben
3 mit einer Schubstange 21 angeschlossen ist, während von dieser Welle über Übersetzungsräder
11, 12 weitere Kurbeln 22 angetrieben und hieran Schubstangen 23 des Niederdruckkolbens
4 angeschlossen sind. Spülschlitze 17 und Auslaß 18 sind wie im ersten Beispiel
am Niederdruckzylinder 2 vorgesehen, und an die Spülschlitze 17 ist hier ein Einlaßrohr
24 angeschlossen, das von dem als Kurbelkastenspülpumpe ausgebildeten Kurbelgehäuse
25 herkommt.
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In der Stufe zwischen beiden Zylindern ist wieder das Hilfsansaugventil
16 wie bei der vorigen Ausführungsform vorhanden. Dieses ist hier durch einen Kipphebel
26 und eine Schubstange 27 von- der Kurbelwelle 2o aus gesteuert, und zwar
unter Beeinflussung des Kipphebeldrehgelenkes durch eine Aneroiddose 28 (oder auch
von Hand oder auf sonstigem geeignetem Wege). Diese Zusä,tzsteuerung ermöglicht
Offenhaltung des Ventils 16 während eines Teils des Vorverdichtungshubes und dadurch
Anpassung des für dünne Luft berechneten Motors auch für Betrieb in dichterer Luft;
es braucht also nicht die an sich für diese Anpassung günstige, aber konstruktiv
schwierige Änderung des wirksamen Hubes des Niederdruckkolbens (etwa durch Axialverschiebung
des Niederdruckzylinders) vorgesehen zu werden.
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Im Hochdruckkolben 3 ist noch ein als Klappe gezeichnetes Überführungsventil
29 so angebracht, daß es auf dem Rückhub Luft zum Kurbelgehäuse oder einem sonstigen
Aufnehmer überströmen läßt, bis kurz vor dem Verschwinden des Hochdruckkolbens im
Niederdruckkolben die Hochdruckkolbendichtung diesen Weg versperrt.
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Die Wirkung ist hier ähnlich wie im vorigen Beispiele: Von :der dargestellten
Lage aus, Punkt k, durchläuft der Hochdruckkolben die Kurve III und der Niederdruckkolben
die Kurve IV. Vom Punkt k aus bis zum Begegnen beider Kolben, also während des Hochdruckverbrennungshubes,
holt der Niederdruckkolben zunächst von k-1 Spülluft in das Kurbelgehäuse 25 und
bewirkt dann die genannte Druckangleichung auf dem Wege von 1-in, nachdem das Ventil
29 durch die Gleitbahn i9 des Niederdruckkolbens abgedeckt worden ist. Beim weiteren
Hub erfolgt dann die Nachdehnung und Spülluftverdichtung, bis beide Kolben ihre
tiefste Lage einnehmen, in der wieder der Gaswechsel bewirkt wird. Dann nehmen beide
Kolben gemeinsam die Vorverdichtung vor, bis der Hochdruckkolben die Nachverdichtung
durchführt, während der Niederdruckkolben durch das Ventil 16 wieder Luft ansaugt.
Mit der Zündung oder Brennstoffeinspritzung im Punkt k oder kurz vor diesem beginnt
dann das Spiel von neuem.
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Nach Abb. 5 ist für die gute überführung des Hochdruckkolbens vom
feststehenden Hochdruckzylinderteil in den beweglichen Zylinderteil der Abb. 3 oder
4 noch eine vorteilhafte Einzelausbildung dargestellt, nämlich mit verzahnungsartigem
Ende 30 des einen Teiles, dem das Ende des anderen Teiles entspricht. Hierdurch
ist verbesserte Führung der Hochdruckkolbenringe beim überlaufen von einem Teil
in den anderen erreicht.
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Nach Abb.6 ist eine weitere Einzelheit zur Erreichung dieses Zieles
dadurch gegeben, daß der Niederdruckkolben 4, der hier
entsprechend
der Abb. 4 gezeichnet ist, eine auch gegen Wärmedehnungen unempfindliche genau zentrische
Führung aufweist. Hierzu sind in axialen Rinnen. des Kolbens 4 kreuzweise angeordnete
Führungsleisten 2r eingelegt, die die Kolbenringe 32 mit Ausnehmungen übergreifen,
so daß sie durch diese bei der Axialbewegung mitgenommen werden, und die im übrigen
in Rinnen des Zylinders laufen. Hierdurch ist unabhängig- von der radialen Wärmedehnung
des Kolbens immer eine völlig zentrische Führung des Kolbens erreicht, indem die
Führungsleisten 31 die von ihm erfaßten Kolbenteile unabhängig vom radialen Spiel
in tangentialer Richtung festlegen und dadurch den Kolben immer genau führen. Eine
merkliche Undichtheit entsteht hierdurch nicht, weil .die Führungsleisten
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durch den hinter sie tretenden Gasdruck genügend dicht an die Zylinderwandung
gedrückt werden und im übrigen seitlich in den Rinnen des Kolbens und Zylinders
sauber eingeschliffen dichten, und außerdem kommt ja diese ganze Vorrichtung nur
unter Niederdruck, wo es sich also nur um geringes Druckgefälle bei verhältnismäßig
großen Gasmengen handelt.
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Nach Abb. 7 ist -die Erfindung an einer Freikolbenverbundmaschine
dargestellt, bei der die Unbequemlichkeiten großer Hochdruckkurbelhübe (Abb. 4)
oder einer Beweglichkeit des Verbrennungszylinders (Abb. 3) leicht vermeidbar sind,
und zwar insbesondere auch mittels der Gegenlaufkolbenbauart, die die .äußeren Massenkräfte
ausgleicht und günstigere Spülung dadurch- bewirkt, daß Spülschlitze von dem einen
und die Auspuffschlitze von dem anderen Niederdruckkolben gesteuert werden. Die
Wirkungsweise - entspricht in thermodynamischer Hinsicht hier völlig zier zu Abb.
4 angegebenen. Das beigezeichnete Hubwegdiagramm stellt die Bewegung jedes Niederdruckkolbens
in Abhängigkeit vom Hochdruckkolben 3 dar. Die Niederdruckkolben -haben wieder
die doppelte Hubzahl wie die Hochdruckkolben, und zwar sind ihre an ihnen mittels
üblicher Waagebalken angreifenden Schubstangenpaare 23 und deren Kurbeln 22 nebst
den Zahnrädern 12 hier von Zahnstangenverzahnungen 33 der Hochdruckkolben 3 angetrieben';
die Umfänge der Zahnräder 12 entsprechen hierzu etwas mehr als der Länge der Zahnstangen
33, so daß sie bei einem Hub des Hochdruckkolbens beispielsweise 300° Drehung durchlaufen.
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Zur Erzwingung vollen .Gleichlaufes beider Hochdruckkolben ist an
ein Paar der Zahnräder 12 über Kegelradgetriebe 34 eine Verbindungswelle 35 angeschlossen,
die auch die Hilfsgetriebe, wie Brennstoffpumpe, Kühlwasserpumpe und ähnliches,
beherrschen kann. Im Beispiele sind von dieser Welle 35 ferner über Schraubenräder
36, 37 Schwingnocken 38 angetrieben, die die Höhenregelungsventile 16 steuern. Früheres
oder späteres Spielen dieser Ventile kann durch Axialverschieben der treibenden
Schraubenräder 37 erreicht werden, und zwar von Hand oder selbsttätig in Abhängigkeit
vom Luftdruck ähnlich wie bei 28 in Abb. 4.
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Bei dieser Maschine wird die Arbeit in der bei bekannten Freikolbenverdichtern
üblichen Art in Verdichterzylindern 39 zum Erzeugen von Druckluft oder Druckflüssigkeit
umgesetzt, und zwar zum großen Teil durch unmittelbare Arbeitsaufnahme von den Hochdruckkolben
3. ohne Hindurchleitung durch Gelenke oder sonstige gleitend bewegliche Teile. Die
Verdichterkolben 39a übernehmen dabei auch den Antrieb der Arbeitskolben zum Rückhub.
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Nach Abb. 8,ist ein für die genannte @Maschine brauchbares anderes
Gleichlaufgetriebe vorgesehen, das einfacher ist und zugleich eine Unterteilung
der Kräfte auf vier Zahnräder bringt, und zwar ist eine vor der Maschine liegende
Getriebehälfte dargestellt, der die zweite, hinter der Maschine liegende völlig
entspricht. An Querhäupter der Hochdruckkolben 3 sind hier Zahnstangen 4o angesetzt,
und an kreuzkopfartig geführte Querhäupter der Niederdruckkolben 4 sind Schubstangen
41 angelenkt, die durch Kurbeln 42 untereinander und über Zahnräder 43, 44 an die
Zahnstangen 4o angeschlossen sind. Damit ergibt sich dasselbe Bewegungsspiel wie
bei Abb. 7. Ein Kraftausgleich zwischen den parallel geschalteten Zahnrädern 44
kann durch deren Lagerung an Ausgleichshebeln erreicht werden.
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Bei den Maschinen der Abb. 7 und 8 können zweckmäßig Tandemanordnungen
verwendet werden, bei denen beispielsweise äußere Hochdruckkolben an Stelle der
V erdichterkolben 39a (Abb. 7) vorgesehen sind. Da so nach jedem Hochdruckhub ein
Verbrennungsvorgang erfolgt, kann die mit Wärmeverlusten verbundene Luftpufferung
in Fortfall kommen. Da auch je zwei Niederdruckkolben paarweise gekoppelt werden
können,- bedürfen die Tandemmaschinen für die Kolbenbewegung ebenfalls nur des einfachen
Triebwerkes nach Abb. 7 und 8, in der kinematischen Mindestzahl bestehend aus zwei
Zahnstangen, einem Ritzel mit Doppelkurbel und zwei Pleuelstangen.
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Bei diesen Freikolbenverbundmaschinen sind besonders hohe thermodynamische
Vorteile infolge der Veränderlichkeit des Verdichtungsverhältnisses erreichbar.
Mit der Höhe wächst nämlich das Vorverdichtungsverhältnis
und die
Vorverdichtungsendtemperatur, und dadurch wird die Zündtemperatur bereits bei einem
geringeren Hochdruckverdichtungsverhältnis erreicht, aus dem sich dann geringere
Verbrennungsenddrücke ergeben. In gleichem Maße kann aber dann die Füllung und damit
die Leistungsausbeute der Maschine mit zunehmender Höhe gesteigert werden.
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Statt der Kolbenringe können bei den Niederdruckzylindern auch Labyrinthdichtungen
vorgesehen sein. Diese können im Kolben oder im Zylinder in Form von Rillen angebracht
sein, und gegebenenfalls können sie schwalbenschwanzartig hinterdreht sein.