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Rotationskolbenmaschine
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine, wie
sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 im Hinblick auf die EP-A-48415 als bekannt
vorausgesetzt wird.
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Bei der bekannten Rotationskolbenmaschine ist die Rotorachse exzentrisch
und die Steuerkurve, durch die die radiale Verschiebung der Kolben -("Leistungsteile")
bezüglich des Rotors gesteuert wird, konzentrisch zur Rotorkammer; die Stirnflächen
der als Schieber wirkenden Kolben liegen abdichtend an der zylindrischen Innenwand
des Gehäuses an.
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Bei der vorliegenden Rotationskolbenmaschine sind die Rotorachse und
der Rotor konzentrisch zur Rotorkammer.
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Die Steuerkurve ist exzentrisch zur Rotorkammer und bewirkt dementsprechend
eine Hubbewegung der Kolben bezüglich der Innenwand der Rotorkammer, wenn sich der
Rotor bezüglich des die Rotorkammer bildenden Gehäuses dreht.
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Die vorliegende Rotationskolbenmaschine läßt sich leicht abdichten
und einfach herstellen, sie zeichnet sich außerdem durch einen sehr hohen Wirkungsgrad
aus.
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Bei manchen Ausführungsformen der Erfindung ist in der kreisförmigen
Steuerkurve eine Steuerscheibe drehbar angeordnet, mit der die Kolben gekoppelt
sind, wie es im Prinzip ebenfalls aus der EP-A-48415 bekannt ist. Bei bestimmten
Ausführungsformen dieses Typs können die Kolben mehrere Hübe pro Rotorumdrehung
ausführen.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine auf der linken Seite
axial geschnittene Seitenansicht einer Rotationskolbenmaschine gemäß einer bevorzugten,
weil besonders einfachen und effektiven Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 einen
Querschnitt längs II-II in Fig. 1 Fig. 3 eine Stirnansicht eines Teiles des Rotors
der Rotationskolbenmaschine gemäß Fig. 1 und 2; Fig. 4 eine Fig. 2 entsprechende
Ansicht einer Rotationskolbenmaschine gemäß der Erfindung, die Steuerscheiben enthält;
Fig. 5 einen Schnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit Steuerscheiben;
Fig. 6 eine Stirnansicht eines Getriebes der Rotationskolbenmaschine gemäß Fig.
5, gesehen in Richtung der Pfeile VI-VI; Fig. 7, 8a und 8b verschiedene Ausführungsbeispiele
von
Steuerscheiben für die Rotationskolbenmaschine gemäß Fig. 5;
Fig. 9 bis 12 Darstellungen von Dichtungsanordnungen, die sich für Rotationskolbenmaschinen
gemäß der Erfindung eignen; Fig. 13 und 14 Darstellungen einer weiteren Dichtungsanordnung.
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Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Rotationskolbenmaschine hat ein Gehäuse
10 mit zwei wesentlichen scheibenförmigen Bodenteilen 10a, 10b und einem hohlzylinderförmigen
Mittelteil 10c, die durch nur angedeutete Schrauben 11 verbunden sind und zusammen
eine zylindrische Rotorkammer 12 bilden. In der Rotorkammer ist ein scheibenförmiger
Rotor 14 konzentrisch angeordnet, der auf einer Welle 16 befestigt ist. Die Welle
16 ist durch Lager 18, 20 im Gehäuse drehbar gelagert. Der Rotor ist mit einer vorzugsweise
ungeraden Anzahl von radialen Bohrungen 22 versehen. Vorzugsweise sind fünf solcher
Bohrungen vorhanden. In der Zeichnung sind der Einfachheit halber jedoch nur drei
radiale Bohrungen 22a, 22b, 22c dargestellt. In jeder Bohrung sitzt ein entsprechender,
im Querschnitt kreisförmiger Kolben 24a, 24b, 24c, der beim äußeren Ende eine ringförmige
Nut 26 zur Aufnahme eines nicht dargestellten abdichtenden Kolbenrings aufweist
und am vorderen Ende keilartig abgeschrägt ist.
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In den inneren Stirnwänden der Rotorkammer 12, befinden sich jeweils
eine kreisförmige, durch eine Ringnut gebildete Steuerkurve 28, die exzentrisch
bezüglich der Rotorachse 30 und der Rotorkammer 12 angeordnet ist. Die Steuerkurven
28 dienen zur Steuerung der radialen Verschiebung der Kolben 24 und sind mit diesen
über Steuerbolzen 32a, 32b bzw. 32c gekoppelt. Die Steuerbolzen 32 durchsetzen eine
diametrale Bohrung der zugehörigen
Kolben 24 und haben in diesem
Bereich einen etwas vergrößerten Durchmesser, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist.
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In den Steuerkurven 28 sind die Steuerbolzen 32 jeweils durch einen
Kurvenfolger 34a, 34b bzw. 34c geführt, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
die Form eines kreisringsektorförmigen Gleitschuhes aus einem Material niedrigen
Reibungskoeffizienten, wie Polyamid oder PTFE hat. Die Steuerbolzen 32a gehen durch
radiale Schlitze 36 im Rotor.
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Der Rotor 14 füllt die Rotorkammer weitestgehend aus und ist bei der
dargestellten Ausführungsform an seiner zylindrischen Umfangswand bezüglich der
gegenüberliegenden zylindrischen Wand der Rotorkammer durch eine Dichtungsanordnung
abgedichtet. Die Dichtungsanordnung kann sich in der Wand der Rotorkammer oder,
wie dargestellt, in der zylindrischen Wand des Rotors befinden, im letzteren Falle
wird sie durch die Zentrifugalkraft gegen die zylindrische Innenwand der Rotorkammer
gedrückt, was die Abdichtung verbessert.
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Die in Fig. 3 genauer dargestellte Abdichtanordnung enthält zwei Dichtungsringe
40, 42, die nach Art von Kolbenringen ausgebildet sein können und in Ringnuten 44
in der zylindrischen Umfangswand des Rotors 14 sitzen.
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Ferner sind beidseits jeder Bohrung 22 zwei axiale Dichtleisten 46,
48 vorgesehen, die mit ihren Enden in die Dichtungsringe 40, 42 einschneiden, wie
in der oberen Hälfte der Fig. 3 dargestellt ist. Die Dichtungsringe 40 können am
Ort der Dichtungsleisten 46, 48 geteilt sein, wie bei 50 dargestellt ist. Vorzugsweise
bestehen die Dichtungsringe 40, 42 jedoch aus einem durchgehenden Teil 42a und einem
unterteilten Teil 42b, 42c, 42d auf der Seite der Dichtleisten, wie in der unteren
Hälfte von Fig. 3 dargestellt ist. Die Dichtungsringe 40, 42 bzw.
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42a können jeweils mehrere Dichtungsringelemente enthalten, wie es
bei Kolbenringen von Verbrennungsmotoren bekannt ist.
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Das Gehäuse ist mit einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung versehen.
Nimmt man an, daß sich der Rotor in Fig. 2 in Pfeilrichtung dreht, so kann sich
die Einlaßöffnung 52 über einen erheblichen Teil des Umfangs der Rotorkammer erstrecken,
wenn die Maschine als Pumpe für ein inkompressibles Medium (Flüssigkeiten) dient,
dasselbe gilt für die gegenüberliegende Auslaßöffnung 54.
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Lediglich an zwei diametralen Stellen 56 bzw. 58, die dem oberen bzw.
unteren Totpunkt der Kolben entsprechen und die in Umfangsrichtung mindestens so
breit sind, wie der Abstand zwischen den Dichtungsleisten 46 und 48, muß die Gehäusewand
massiv sein, um Einlaß und Auslaß voneinander zu trennen. Die Einlaß- und die Auslaßöffnung
brauchen die Wand des Gehäuseteiles 1Ob nicht in den ganzen Sektorbereichen, die
in Fig. 2 unschraffiert dargestellt sind, erstrecken, man wird vielmehr im allgemeinen
ein relativ kleines durchgehendes Loch vorsehen, an das sich eine Nut in der Innenwand
des Gehäuseteiles 1 Ob anschließt. Die Öffnung bzw. Nut werden in Achsrichtung auch
nur etwa so breit sein, wie der Kolbendurchmesser, wie es in Fig. 1 bei 52 durch
zwei gestrichelte Linien dargestellt ist. Bei Verwendung der Maschine als Pumpe
für ein kompressibles Medium (Gase) ist die azimutale Abmessung der Auslaßöffnung
im allgemeinen kleiner als der Kolbendurchmesser.
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Bei Verwendung der beschriebenen Rotationskolbenmaschine als Pumpe
wird die Welle 16 in Fig. 2 in Uhrzeigerrichtung angetrieben. In der in Fig. 1 dargestellten
Stellung befindet sich der Kolben 24a an seinem oberen Totpunkt und der Raum zwischen
seiner Stirnfläche und der gegenüberliegenden zylindrischen Innenwand des Gehäuses
hat seine kleinste Abmessung. Beim Drehen des Rotors in Uhrzeigerrichtung wird der
Kolben 24a durch die Steuerkurve zurückgezogen, so daß er das zu fördernde Medium
ansaugt.
In der der Fig. 1 diametralen Stellung hat der Kolben dann seinen unteren Totpunkt
erreicht und der Raum zwischen seiner Stirnfläche und der gegenüberliegenden Gehäusewand
bzw. der Umfangswand des Rotors hat seine größte Abmessung. Der Saughub ist damit
beendet, der Kolben läuft über das geschlossene Gehäuse stück 58 und beginnt sich
nun wieder nach außen zu bewegen, wobei das angesaugte Fluid durch den Auslaß 54
ausgestoßen wird.
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Die anderen Kolben führen entsprechende Hubbewegungen durch.
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Wenn sich die Dichtungsanordnung im Gehäuseteil 1Ob befindet, werden
nur jeweils zwei stationäre Dichtleisten 46a, 46b zur Trennung von Einlaß und Auslaß
benötigt, deren Abstand mindestens gleich dem Kolbendurchmesser sein muß. Die Dichtungsringe
befinden sich dann an den in Fig. 1 mit 40a bezeichneten Stellen. Im übrigen kann
die Dichtungsanordnung so ausgebildet sein, wie es anhand von Fig. 3 erläutert wurde.
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Fig. 4 ist eine ähnliche Darstellung wie Fig. 2, dabei ist jedoch
nur ein Kolben mit der zugehörigen Steuervorrichtung in vier um 90" verschiedenen
Stellungen bezüglich des Rotorgehäuses dargestellt. Bei dieser Ausführungsform der
Erfindung sind die Steuerbolzen 32 nicht direkt in den Ringnut-Steuerkurven 28 geführt,
diese enthalten vielmehr jeweils eine Ringscheibe 60, wie es im Prinzip aus der
eingangs genannten europäischen Patentveröffentlichung bekannt ist. Die Ringscheibe
ist für jeden Kolben mit einer etwa V-förmigen Aussparung 62 versehen, deren Breite
etwa gleich dem Durchmesser des Steuerbolzens oder eines an dessen Ende angebrachten
Lager, Gleitschuh oder dergleichen (nicht dargestellt) ist. Der Mittenabstand zwischen
beiden Enden des "V" ist gleich dem Doppelten des Abstandes a zwischen der Achse
30 der Welle und der Mitte 64 der Steuerkurve 28. Das
innere Ende
der V-förmigen Aussparungen ist rund. Die Steuerkurven sind im allgemeinen wesentlich
breiter ausgebildet als bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis 3, um Platz
für die Steuerscheiben zu schaffen.
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Die ringförmigen Steuerscheiben 60 haben jeweils eine radiale Mitnehmernut
64, in die ein mit dem Rotor verbundener Mitnehmerbolzen 66 eingreift, so daß die
Ringscheibe 60 zwangsweise it dem Rotor 14 gedreht wird, Dadurch, daß die Mitnehmerbolzen
32 der Kolben in V-förmigen Ausnehmungen einer sich mit dem Rotor drehenden ringförmigen
Steuerscheibe 60 gelagert sind, ergeben sich pro Rotorumdrehung zwei Arbeitshübe
der Kolben.
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In der in Fig. 4 rechts dargestellten Stellung befindet sich der Steuerbolzen
32 in dem von innen gesehen rechten äußeren Ende des "V" und der Kolben befindet
sich am oberen Totpunkt.
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In der unteren Stellung befindet sich der Steuerbolzen 32 am inneren
Ende des "V" und der Kolben in einem ersten unteren Totpunkt. In der in Fig. 4 links
dargestellten Stellung befindet sich der Steuerbolzen 32 am linken äußeren Ende
der V-förmigen Ausnehmung 62 und der Kolben befindet sich wieder an seinem oberen
Totpunkt.
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In der oberen Stellung des Kolbens 24 befindet sich der Steuerbolzen
32 am inneren Ende des "V", der Kolben befindet sich an einem zweiten unteren Totpunkt,
wobei sich ein Kompressions- oder Arbeitsraum 68 ergibt, der wegen der Versetzung
der Achsen 30 und 64 sich weiter außen im Rotor befindet als in der oberen Stellung,
so daß sich ein Kompressions- oder Arbeitsraum 70 ergibt, der kleiner als der Kompressions-
oder Arbeitsraum 68 ist.
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t>ie anhand von Fig. 4 beschriebene Rotationskolbenmaschine kann
als zweistufiger Verdichter verwendet werden.
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Nimmt man an, daß der Rotor in Fig. 4 in Uhrzeigerrichtung umläuft,
so wird das Arbeitsfluid angesaugt, während die betreffenden Kolben den rechten
unteren Quadranten in Fig. 4 durchlaufen, es wird vorverdichtet im linken unteren
Quadranten, im linken oberen Quadranten findet der Ansaugtakt der zweiten Stufe
statt und im rechten oberen Quadranten der Verdichtungstakt der zweiten Stufe.
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In Fig. 4 wird die Bewegung der Kolben praktisch durch zwei Exzentrizitäten
bestimmt: Erstens ist die Ringscheibe 60 exzentrisch zur Achse 30 der Rotorwelle
und zweitens können die V-förmigen Ausschnitte 62 als Steuerkurvenabschnitte angesehen
werden, die nicht konzentrisch zur Achse 30 der Rotorwelle verlaufen. Mehrere Kolbenhübe
pro Rotorumlauf mit gleichen oder unterschiedlichen Hubvolumina kann man auch durch
eine zickzackförmige, geschlossene Steuerkurve erzeugen, wie im folgenden anhand
der Fig. 5 bis 8 erläutert wird.
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Fig. 5 ist eine Seitenansicht, die ungefähr einen Schnitt längs einer
Linie V-V der Fig. 6 entspricht. Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht in einer Ebene
VI-VI der Fig. 5.
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Fig. 7 zeigt eine in einer exzentrischen Steuerscheibe angeordnete
und daher im Ganzen ebenfalls exzentrische Steuerkurve für die Maschine gemäß Fig.
5. Die Figuren 8a und 8b zeigen alternative Steuerscheiben, die bei speziellen Anwendungen
anstelle der Steuerscheibe gemäß Fig. 7 verwendet werden können.
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Die in den Figuren 5, 6 und 7 dargestellte Rotationskolbenmaschine
enthält eine ringförmige Steuerscheibe 160, die exzentrisch zur Rotorwelle 16 drehbar
gelagert ist.
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Die in Fig. 7 in Draufsicht dargestellte Steuerscheibe 160 weist eine
zickzackförmige, in sich geschlossene Nut 162 auf, die eine Steuerkurve für die
Steuerbolzen 32 der
Kolben 24 bildet. Man kann sich die Steuerkurve
162 also aus einer Anzahl von V-förmigen Ausnehmungen der in Fig.
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4 dargestellten Art zusammengesetzt denken.
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Die Steuerscheibe 160 weist V-förmige Abschnitte auf, deren Anzahl
N gleich der Anzahl der Kolben ist und ist über ein Untersetzungsgetriebe mit der
Rotorwelle 16 so gekoppelt, daß die Drehzahl der Steuerscheibe 160 gleich ein N-tel
der Rotordrehzahl ist. Das Getriebe besteht aus einem mit der Steuerscheibe 160
verbundenen Ritzel 170, das mit einem Stirnrad 172 kämmt, welches mit einem größeren
Stirnrad 174 verbunden und mit diesem durch ein Lager 176 im Gehäuseteil 10b gelagert
ist. Das Stirnrad 174 kämmt seinerseits mit einem auf der Rotorwelle 16 befestigten
Ritzel 178. Auf der der Rotorwelle diametral gegenüberliegenden Seite ist eine weitere
Zahnradanordnung 172-174 vorgesehen.
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Die Steuerbolzen 32 der Kolben greifen mit ihren Enden, die mit Kugellagern
oder dergl. versehen sein können, in die Steuerkurve 162 ein. Einige Positionen
des Steuerbolzens 32a, die bei einer Umdrehung des Rotors durchlaufen werden, sind
in Fig. 7 dargestellt.
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Fig. 8a zeigt eine alternative Steuerscheibe 260, die anstelle der
Steuerscheibe gemäß Fig. 7 verwendet werden kann. Die Steuerscheibe 260 enthält
eine Steuerkurve 262 mit zehn gleichen V-förmigen Abschnitten. Sie wird durch beschriebene
Getriebe ebenfalls mit einem Fünftel der Rotordrehzahl angetrieben, so daß die Kolben
hier also pro Rotorumdrehung zwei Hübe ausführen.
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Fig. 8b zeigt eine Fig. 8a entsprechende Steuerscheibe 360, bei der
jedoch die Schenkel der V-förmigen Abschnitte der Steuerkurve 262 alternierend unterschiedliche
Winkel
miteinander bilden, und unterschiedliche radiale Abmessungen haben, so daß sich
andere Hubverhältnisse ergeben.
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In den Figuren 10 bis 12 sind Dichtungsanordnungen ähnlich der gemäß
Fig. 3 dargestellt, die etwas aufwendiger sind als die Dichtungsanordnung gemäß
Fig. 3, dafür jedoch eine bessere Abdichtung gewährleisten. Der Einfachheit halber
ist die Krümmung der Innenwand des Gehäuses bzw. der Außenseite des Rotors nicht
dargestellt.
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Bei der Dichtungsanordnung gemäß Fig. 9 und 10 sind die Dichtungselemente
im Gehäuseteil 1 Oc angeordnet und liegen abdichtend an der Umfangswand des Rotors
14 an.
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Die in Umfangsrichtung verlaufenden Dichtleisten 40a, 40b und die
in Achsrichtung verlaufenden Dichtleisten 46 stoßen nicht direkt aneinander, wie
bei Fig. 3, sondern enden mit einem gewissen Spiel in entsprechenden Ausschnitten
von im wesentlichen zylindrischen Eckbolzen 40c. Die Dichtungselemente werden durch
Wellenfedern 41 gegen den Rotor 14 gedrückt.
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Die Figuren 11 und 12 zeigen eine entsprechende Anordnung, bei der
die Dichtungselemente nicht im Gehäuseteil 10c, sondern im Rotor 14 angeordnet sind.
Im übrigen entspricht die Anordnung der gemäß Fig. 9 und 10.
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In den Figuren 13 und 14 ist eine weitere, relativ einfache Dichtungsanordnung
dargestellt. Hier ist im einfachsten Falle jede Rotorbohrung 22 an der zylindrischen
Außenfläche des Rotors mit einer ringförmigen Dichtung aus einem Kolbenring 80 umgeben,
der aus einem Kohle- oder Kolbenringwerkstoff bestehen kann und eine stufenförmige
Trennung 82 aufweist, so daß er sich in Umfangsrichtung etwas dehnen bzw. zusammenziehen
kann. Da
(lie Außenfläche des Rotors, in der sich der Kolbenring
80 befindet, zylindrisch gekrümmt ist, muß zumindest die abdichtende Außenfläche
des Kolbenringes entsprechend gekrümmt sein und der Kolbenring muß gegen ein Verdrehen
gesichert werden, z.B. durch einen Stift 84. Für kompressible Medien ist eine solche
einfache Kolbenringdichtung in vielen Fällen ausreichend. Bei Verwendung der Maschine
für inkompressible Medien ist es im allgemeinen zweckmäßig, auch noch Dichtleisten
86 vorzusehen, die in Umfangs richtung verlaufen und ähnlich wie die Dichtleisten
40 in Fig. 10 in entsprechende Ausschnitte des Dichtungsringes 80 eingreifen, wie
in Fig. 14 gestrichelt dargestellt ist In diesem Falle kann dann auf eine besondere
Verdrehsicherung, wie den Stift 84, verzichtet werden.
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Die beschriebenen Rotationskolbenmaschinen können sowohl als Pumpen
als auch als Motoren verwendet werden. Bei Verwendung als Otto-Motor wird vorzugsweise
eine Zündkerze in der Stirnfläche jedes Kolbens montiert, wobei die Steuerbolzen
32 als Zündverteilerelemente dienen können, die mit entsprechenden, nicht dargestellten
Gegenkontakten im Gehäuse zusammenwirken.
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