DE811518C - Freiflugkolbenmaschine mit einem wenigstens zweistufigen Verdichterteil - Google Patents

Freiflugkolbenmaschine mit einem wenigstens zweistufigen Verdichterteil

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DE811518C
DE811518C DES5284A DES0005284A DE811518C DE 811518 C DE811518 C DE 811518C DE S5284 A DES5284 A DE S5284A DE S0005284 A DES0005284 A DE S0005284A DE 811518 C DE811518 C DE 811518C
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DE
Germany
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stage
cylinder
compressor
piston
free
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DES5284A
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English (en)
Inventor
Robert Huber
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PARTICIPATIONS EAU SOC ET
Societe dEtudes et de Participations Eau Gaz Electricite Energie SA
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PARTICIPATIONS EAU SOC ET
Societe dEtudes et de Participations Eau Gaz Electricite Energie SA
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B71/00Free-piston engines; Engines without rotary main shaft
    • F02B71/04Adaptations of such engines for special use; Combinations of such engines with apparatus driven thereby
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
    • F02B75/02Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/025Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle two

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)

Description

  • Freiflugkolbenmaschine mit einem wenigstens zweistufigen Verdichterteil Die Erfindung bezieht sich auf Maschinen mit Freiflugkolben mit einem wenigstens zweistufigen Verdichterteil.
  • Diese Maschinen können entweder Motorverdichter zur Erzeugung von Druckluft sein oder auch Treibgaserzeuger zur Lieferung eines Gemischs von Druckluft und unvollständig entspanntem Verbrennungsgas. Ferner können diese Maschinen mit einfachen Freiflugkolbenanordnungen oder mit Doppelkolbenanordnungen mit entgegengesetzter Bewegung versehen sein.
  • Eines der Kennzeichen der Maschinen mit Freiflugkolben der betrachteten Art besteht in der Möglichkeit, ihre Leistung je Hub durch die Veränderung der Hublänge ihrer Freiflugkolbenanordnungen zu verändern.
  • Wenn diese Maschinen im Leerlauf arbeiten, haben sie ihren geringsten Hub, dessen Länge die ist, bei welcher der Verdichterkolben oder die Verdichterkolben gerade die Verdichtung des Gases, insbesondere der zu verdichtenden Luft, bewirken, ohne eine Herausbeförderung aus dem Verdichterzylinder vorzunehmen. Infolgedessen ist die Leistung für diesen Hub Null. Je mehr die Länge des Hubes diesen Mindestwert überschreitet, um so größer ist die aus dem Verdiehterzylinder herausgedrückte Druckluftmenge, welche ihren Höchstwert für die größte Hublänge erreicht, welche noch mit dem sicheren Arbeiten der Maschine vereinbar ist und von den Abmessungen der Teile derselben abhängt.
  • Die Steuerorgane des Motorzylinders einer solchen Maschine werden im allgemeinen durch die Freiflugkolbenanordnung oder die Freiflugkolbenanordnungen betätigt. Meistens steuern der Motorkolben oder die Motorkolben, welche diesen Kolbenanordnungen angehören, unmittelbar die Auslaß-und Einlaßöffnungen des Motorzylinders, und zwar insbesondere dann, wenn der Motorteil der Maschine mit Freiflugkolben im Zweitakt arbeitet. Es ist klar, daß die hinreichende Öffnung dieser Steuerorgane für alle kleinsten Hublängen gewährleistet werden muß, welche beim Leerlauf der Maschine auftreten.
  • Um bei gegebenen Abmessungen des Motorteils der Maschine eine möglichst große Leistung zu erzielen, und um die Verbrennungsenergie durch eine lange Entspannung der Verbrennungsgase möglichst gut auszunutzen, ist es zweckmäßig, die Einlaß- und Auslaßöffnungen bei dem Arbeitshub (Hub nach außen) der Motorkolben erst nach einer mÖglichst großen Bewegung des Motorkolbens oder der Motorkolben nach außen zu öffnen.
  • Wenn dieser Kolben oder diese Kolben die Einlaß- und Auslaßöffnungen unmittelbar steuern, ist es somit vorteilhaft, diese soweit wie möglich von dem inneren Totpunkt des Kolbens oder der Kolben anzuordnen. Um dieses Ergebnis zu erreichen und gleichzeitig die obige Bedingung zu erfüllen, daß nämlich bei Leerlauf (geringster Hub der Maschine) die Einlaß- und Auslaßöffnungen hinreichend geöffnet werden müssen, muß der Unterschied zwischen dem kleinsten und dem größten Hub möglichst klein gemacht werden. Dieser Unterschied ist jedoch in. den- bekannten Maschinen verhältnismäßig groß, wenn der Verdichterteil der Maschine mehrere Stufen aufweist, in welchen die Verdichtungsverhältnisse die gleichen sind.
  • Um eine Verkleinerung dieses Unterschieds bei einer Maschine mit zwei oder mehr Verdichtungsstufen zu erhalten, erzeugt man, gemäß dem Hauptkennzeichen der Erfindung, in der ersten Stufe des Verdichterteils einer Maschine mit Freiflugkolben der betrachteten Art ein Verdichtungsverhältnis, welches größer als das in der zweiten und gegebenenfalls in den folgenden Stufen erzeugte ist, und sieht Mittel vor, um die Gleichzeitigkeit des Förderungsbeginns in allen Stufen zu gewährleisten.
  • Die Erfindung umfaßt außer diesem Hauptkennzeichen gewisse andere Kennzeichen, welche vorzugsweise gleichzeitig benutzt werden, und von denen weiter unten ausführlicher die Rede sein wird.
  • Das Verständnis der Erfindung wird jedenfalls durch die nachstehende ergänzende Beschreibung sowie durch die Zeichnung erleichtert werden, wobei Beschreibung und Zeichnung wohlverstanden hauptsächlich beispielshalber angegeben sind.
  • Fig. i zeigt schematisch im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Motorverdichter mit entgegengesetzt arbeitenden Freiflugkolben; Fig. 2 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Erfindung.
  • Nachstehend ist die Anwendung der Erfindung auf einen zweistufigen Motorverdichter beschrieben. Dieser Verdichter wird mit einem Motorzylinder I versehen, in welchem zwei Motorkolben 2 und 3 im Gegentakt arbeiten. Man versieht den Zylinder i in seiner Mitte mit einer Vorrichtung 4 zur' Einspritzung des Brennstoffs und beiderseits dieser Vorrichtung und in einer gewissen Entfernung von dieser mit Einlaßöffnungen 5 und Auslaßöffnungen 6. Jeder dieser Motorkolben ist mit einem oder mehreren Verdichterkolben verbunden, welche entweder in dem Verdichterteil der Maschine oder in einem Speicher für die Rückführenergie arbeiten.
  • Bei der auf Fig. i dargestellten Ausführungsform ist der Motorkolben 2 mit einem Kolben verbunden, der in dem Zylinder 8 der Vorrichtung zur Aufspeicherung der Rückführenergie arbeitet, wobei die durch die Kolben 2 und 7 und ihre Verbindungsstange 9 gebildete Anordnung eine der beweglichen Anordnungen der Maschine bilden.
  • Der Motorkolben 3 ist mit Hilfe einer Stange io mit zwei Verdichterkolben i i und 12 starr verbunden, von denen der erste der Verdichterkolben der Niederdruckstufe des Verdichterteils der Maschine ist, während der Kolben 12 der Verdichterkolben der Hochdruckstufe ist.
  • Die durch die Kolben 3, 11, 12 und ihre Verbindungsstangen io gebildete Anordnung bildet die zweite bewegliche Freiflugkolbenanordnung.
  • Die so gebildeten' beiden beweglichen Anordnungen sind untereinander durch eine Synchronisiervorrichtung bekannter Bauart verbunden, die auf der Zeichnung nicht dargestellt ist. Diese Synchronisiervorrichtung bewirkt die Bewegung der beweglichen Anordnungen im Gegentakt und gewährleistet in jedem Augenblick symmetrische Stellungen derselben in bezug auf die durch das Zentrum Null des Motorzylinders i gehende Mittelebene.
  • Der Niederdruckkolben i i arbeitet in einem Niederdruckverdichterzylinder 13, der auf einer Seite des Kolbens i i mit einem Ansaugeventil 14 und Druckventil 15 für die zu verdichtende und nach außen zu fördernde Luft versehen ist, während auf der anderen Seite des Kolbens i i weitere Einlaß- und Druckventile 16 bzw. 17 vorgesehen sind, wobei diese letzteren Ventile den Raum des Zylinders 13, an welchem sie angebracht sind, in eine Spül- und Vorverdichtungspumpe für den Motorzylinder i verwandeln. Die durch die Ventile 17 dieser Pumpe hindurchgeförderte Luft wird im Innern des Gehäuses 18 der Maschine aufgespeichert, welches den Motorzylinder i umgibt, und dessen Innenraum von dem I>@nern des Zylinders 13 durch eine Wand i9 getrennt ist, in welcher die Ventile 17 angebracht sind.
  • Der Hochdruckkolben 12 arbeitet in einem Hochdruckverdichterzylinder 2o, der mit Einlaß- und Druckventilen 21 bzw.22 versehen ist, wobei ein Zwischenbehälter 23 zwischen den Druckventilen 15 des Niederdruckzylinders 13 und den Einlaßventilen 21 des Hochdruckzylinders 20 vorgesehen ist.
  • Was die Anordnung der Einlaß- und Auslaßöffnungen 5, 6 anbetrifft, so ist ihr Abstand e von dem Zentrum Null des Motorzylinders wie oben ausgeführt durch den kleinsten Hub der beweglichen Anordnungen der Maschine gegeben, d. h. für diesen kleinsten Hub müssen die Einlaß- und Auslaßöffnungen durch die Kolben 2 und 3 genügend freigelegt werden, um die Spülung und die Speisung des Motorzylinders zu gewährleisten.
  • Wenn man bei einem gegebenen Gesamtverdichtungsverhältnis des Verdichters nicht einen zweistufigen Verdichter, sondern einen Verdichter mit einer einzigen Stufe benutzen würde, wäre der Unterschied zwischen den Hublängen für Leerlauf und Vollast am kleinsten, so daß der Wert, den man dem Abstand e geben könnte, am größten wäre, wie dies aus Fig. 2 hervorgeht.
  • Auf dieser Figur stellt nämlich A-B-C-D das Druck-Hub-Diagramm eines einstufigen Verdichters dar, wenn dieser Verdichter mit Vollast arbeitet. Bei dieser Vollast erfolgt die Förderung während des Intervalls B-C, und der Hub hat den Wert a.
  • Für Leerlauf zieht sich das Diagramm auf die Linie A-ß zusammen, d. h. der Hub in dem Verdichterzylinder ist gerade ausreichend, um am Ende der Verdichtung Gien Förderdruck r2 zu erzielen, ohne claß jedoch eine wirkliche Luftförderung nach außerhalb des Verdichterzylinders erfolgt. Der Hub hei Leerlauf ist somit für den einstufigen Verdichter gleich b, und es ist dieser Wert b, welcher in dem betrachteten Fall die Lage der Öffnungen 5 und 6 bestimmt.
  • Wenn man den einstufigen Verdichter in einen zweistufigen Verdichter umwandelt, wobei man das Gesamtverdichtungsverhältnis ungeändert läßt, und wenn man in jeder Stufe dasselbe Verdichtungsverhältnis herstellt (mit einem Zwischendruck von p3), so erhält man für die Niederdruckstufe das Diagramm A-E-F-G und in der Hochdruckstufe <las Diagramm H-K-C-L. Man sieht, daß in diesem Fall der Unterschied zwischen dem größten Hub, der gleich a geblieben ist, und dem kleinsten Hub, der d geworden ist und dem Leerlauf des zweistufigen Verdichters mit dem gleichen Verdichtungsverhältnis entspricht, sich im Vergleich zu dem Fall des einstufigen Verdichters erheblich vergrößert hat. Damit in diesem letzteren Fall die Öffnungen 5 und 6 während des Leerlaufs des Verdichters genügend freigelegt werden, muß man dem Abstand e einen dem Hub d entsprechenden Wert geben. Die Leistung des Motorteils und der Wirkungsgrad desselben werden so bei gleichen Abmessungen stark verringert.
  • Zur Vermeidung dieser Übelstände, welche durch den Ersatz des einstufigen Verdichterteils durch einen zweistufigen Verdichterteil mit dem gleichen Verdichtungsverhältnis bedingt werden, bildet man gemäß dem Hauptkennzeichen der vorliegenden Erfindung die beiden Stufen des Verdichterteils so aus, daß das Verdichtungsverhältnis in der ersten Stufe größer als das der zweiten Stufe ist, und daß außerdem der Beginn der Förderung in den beiden Stufen gleichzeitig erfolgt. Zur Erzielung dieser Gleichzeitigkeit kann man den toten Raum des Hockdruckzvlinders vergrößern oder auch eine gewisse Verzögerung für den Beginn der Verdichtung in dem Hochdruckzylinder vorsehen. Diese letztere Lösung ist für die in Fig. i dargestellte Maschine gewählt, bei welcher sich der Hochdruckzylinder 20 im Innern einer Umfriedigung 2-. befindet, in welcher der Einlaßdruck des Hochdruckzylinders herrscht, und die mit dem Innern des Zylinders 20 über Öffnungen 25 in Verbindung steht, welche in der Wand dieses Zylinders an der Stelle angebracht sind, an welcher die Verdichtung in diesem beginnen soll.
  • Anders ausgedrückt, die Verdichtung beginnt in dem Hochdruckzylinder erst in dem Augenblick, in welchem der Kolben 12 bei seiner Bewegung nach außen die Öffnungen 25 geschlossen oder überschritten hat.
  • Die Maschine nach Fig. i ist z. B. so ausgebildet, daß das Verdichtungsverhältnis in dem Niederdruckzylinder des Verdichters gleich .I : i ist, während das Verdichtungsverhältnis in dem Hochdruckzylinder nur gleich 2 : i ist. Das Verdichtungsverhältnis in dem Niederdruckzylinder ist somit doppelt so groß wie das Verdichtungsverhältnis in dem Hochdruckzylinder.
  • Das Verdichtungsdiagramm des Niederdruckzylinders wird durch den Linienzug A-M-N-O des Diagramms der Fig. 2 gebildet. Der Unterschied zwischen dem größten Hub, der stets den Wert a beibehält, und dem dem Leerlauf entsprechenden kleinsten Hub c ist sehr viel kleiner geworden als bei dem zweistufigen Verdichter mit dem gleichen Verdichtungsverhältnis. Der Wert von c nähert sich stark dem günstigsten Wert b, und die Lage der Öffnungen 5 und 6 kann dem Wert c des kleinsten Hubes entsprechen.
  • Das Diagramm des Hochdruckzylinders ist durch den Linienzug P-Q-R-C-T gegeben. Die Lage des Punktes Q, welche der Lage der Öffnungen 25 entspricht, ist so gewählt, daß der Beginn der Förderung aus dem Hochdruckzylinder, welcher durch den Punkt R angegeben ist, gleichzeitig mit dem Beginn der Förderung des Niederdruckzylinders erfolgt, welcher durch den Punkt M angegeben wird.
  • Das Hauptkennzeichen der Erfindung bietet noch den Vorteil, die Druckventile der beiden Stufen annähernd gleichen Temperaturen auszusetzen. Die Temperatur der Luft am Eintritt des Hochdruckverdicliterzylinders ist nämlich merklich höher als die Temperatur beim Eintritt in den Niederdruckzylinder, insbesondere bei einem Verdichter, dessen Kühlmittel die umgebende Luft oder Luft ist, welche in einem geschlossenen Kreislauf umläuft und luftgekühlt ist. Trotz dieses Unterschieds der Temperatur am Eingang der beiden Stufen erhält man dank des Hauptkennzeichens der Erfindung fast die gleichen Temperaturen auf der Förderseite. Wenn man nämlich bei dem erwähnten Beispiel annimmt, daß die Luft in die erste Stufe mit einer Temperatur von etwa 2o° eintritt, so hat diese Luft auf der Förderseite dieser ersten Stufe eine Temperatur von etwa i62° C. Die Einlaßtemperatur der zweiten Stufe ist höher als die Temperatur des Kühlwassers, welches die Luft in dem Zwischenbehälter 23 kühlt, so daß die Temperatur der Luft am Eingang des Hochdruckzylinders auf etwa 8o° geschätzt werden kann. Mit dieser Einlaßtemperatur erhält man eine Fördertemperatur der Hochdruckstufe von etwa i57° C.
  • Schließlich ist noch zu bemerken, daß man eine gute Stabilität der Maschine erhält, wenn man, wie dies für den in Fig. i dargestellten Verdichter angegeben ist, die Rückseite des Hochdruckverdichterkolbens dem Eingangsdruck der Hochdruckstufe aussetzt. Rechnung und Erfahrung haben gezeigt, daß bei einer Maschine der oben beschriebenen Art die Rückführenergie mit der Hublänge etwas zunimmt. Diese Zunahme ist nützlich, da man so bei Leerlauf eine geringste Zahl von Hüben in der Zeiteinheit und bei Vollast eine Höchstzahl von Hüben erhält.
  • Es ist ferner zu bemerken, daß die Erfindung sowohl für den Umbau von vorhandenen Maschinen wie für die Herstellung neuer Maschinen anwendbar ist.
  • Man erhält so unabhängig von der gewählten Ausführungsform der Erfindung stets eine Maschine mit Freiflugkolben, deren Arbeitsweise und Vorteile aus obigem hinreichend klar hervorgehen, so daß hierauf nicht weiter eingegangen zu werden braucht.
  • Wie es selbstverständlich ist, und wie es übrigens bereits aus obigem hervorgeht, ist die Erfindung keineswegs auf die im besonderen angegebenen Anwendungsformen oder Ausführungsformen ihrer verschiedenen Teile beschränkt, sondern umfaßt, im Gegenteil, auch alle Abwandlungen, insbesondere die, bei welcher die Erfindung für eine Maschine mit einem halbfreien Flugkolben verwendet wird, d. h. für_ eine Maschine, bei welcher ein einziger der inneren' und äußeren Totpunkte veränderlich ist, während der andere fest ist.

Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Motorverdichter mit Freiflugkolben mit einem wenigstens zweistufigen Verdichterteil, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichtungsverhältnis in der ersten Stufe des Verdichterteils größer als das in der zweiten Stufe erzielte ist, und daß die zweite Stufe so ausgebildet ist, daß der Beginn der Förderung in den beiden Stufen gleichzeitig erfolgt.
  2. 2. Motorverdichter nach Anspruch i, gekennzeichnet durch Mittel zur Verzögerung des Beginns der Verdichtung in der zweiten Stufe.
  3. 3. Motorverdichter nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Zylinder (2o) der zweiten Stufe im Innern einer Umfriedigung (24) befindet, in welcher der Einlaßdruck des Hochdruckzylinders herrscht, und welche mit dem Innern des Zylinders (20) über Öffnungen (25) in Verbindung steht, welche in der Wand dieses Zylinders an der Stelle angebracht sind, an welcher die Verdichtung in diesem beginnen soll, wobei diese Öffnungen durch den Verdichterkolben der zweiten Stufe bei seinem Verdichtungshub geschlossen werden.
  4. 4. Motorverdichter nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die unwirksame Fläche des Verdichterkolbens der zweiten Stufe beständig dem Einlaßdruck dieser Stufe ausgesetzt ist.
  5. 5. Motorverdichter nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Zylinder der zweiten Stufe des Verdichterteils das Verhältnis zwischen dem toten Raum und dem Zylinderinhalt größer ist als bei dem Zylinder der ersten Stufe.
DES5284A 1949-06-14 1950-06-01 Freiflugkolbenmaschine mit einem wenigstens zweistufigen Verdichterteil Expired DE811518C (de)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1203043B (de) * 1959-02-06 1965-10-14 Jacques Gaspard Honore Ollier Freiflugkolben-Verdichter
EP0007874A1 (de) * 1978-07-26 1980-02-06 Henry Benaroya Anlage zur Energieerzeugung mit einem Freikolbengenerator
EP0156969A1 (de) * 1984-01-12 1985-10-09 Affärsverket FFV Antriebsvorrichtung für ein Unterwasserfahrzeug

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