DE202006018097U1 - Free piston engine - Google Patents
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Abstract
Freikolbenmotor, der druckgasmäßig sowohl mit einem Vorverdichter (14, 54, 58, 90, 92, 124, 154, 244, 258, 260, 304, 444, 470, 498, 500) als auch einer Turbine (16, 78, 302, 432, 434) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Freikolbenmotor (18, 52, 84, 108, 126, 130, 133, 160, 222, 236, 253, 318, 478) zumindest einen in einem Zylinderraum (74, 196, 198, 200, 202, 204, 206, 208, 210, 458, 460, 488) hin und her bewegbaren und diesen in zwei Verbrennungskammern (136, 138, 144, 146, 292, 294, 490, 492, 38, 336, 338, 362, 364, 394, 396, 398, 400; 266, 267, 270, 271) unterteilenden Kolben (20, 50, 72, 110, 128, 132, 134, 162, 164, 166, 168, 170, 172, 280, 316, 356, 358, 390, 392, 420, 422, 424, 426, 462, 464, 480) aufweist und dass der Vorverdichter elektrisch und/oder abgasunterstützt betätigbar ist.Free-piston engine, the compressed gas both with a supercharger (14, 54, 58, 90, 92, 124, 154, 244, 258, 260, 304, 444, 470, 498, 500) as well as a turbine (16, 78, 302, 432, 434), characterized in that the free-piston engine (18, 52, 84, 108, 126, 130, 133, 160, 222, 236, 253, 318, 478) at least one in a cylinder space (74, 196, 198, 200, 202, 204, 206, 208, 210, 458, 460, 488) and this in two combustion chambers (136, 138, 144, 146, 292, 294, 490, 492, 38, 336, 338, 362, 364, 394, 396, 398, 400; 266, 267, 270, 271) dividing piston (20, 50, 72, 110, 128, 132, 134, 162, 164, 166, 168, 170, 172, 280, 316, 356, 358, 390, 392, 420, 422, 424, 426, 462, 464, 480) and that the supercharger is actuated electrically and / or exhaust gas assisted.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Freikolbenmotor, der druckgasmäßig sowohl mit einem Vorverdichter als auch einer Turbine verbunden istThe The invention relates to a free-piston engine, the Druckgasmäßig both is connected to a supercharger and a turbine
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen entsprechenden insbesondere als Vielstoffmotor einsetzbaren Freikolbenmotor derart weiterzubilden, dass dieser kompakt und leicht ist, einen geringen spezifischen Kraftstoffverbrauch zeigt, nur aus wenigen Bauteilen besteht, eine hohe Lebensdauer garantiert und im Wesentliche öl- und wartungsfrei ist. Dabei soll ein universeller Einsatz für Land-, Wasser- und Luftfahrzeuge möglich sein. Ebenfalls soll mittels des Motors auch elektrische Energie erzeugt werden können. Andere Aggregate sollen angetrieben werden können, genau wie Fahrzeuge selbst.Of the present invention is based on the object, a corresponding in particular as a multi-fuel engine usable free-piston engine in such a way, that this is compact and lightweight, a low specific Fuel consumption shows only a few components, one long life guaranteed and essentially oil and maintenance free. there should be a universal use for land, Water and air vehicles possible be. Likewise, by means of the engine also electrical energy can be generated. Other units should be able to be driven, just like vehicles themselves.
Zur Lösung der Erfindung ist im Wesentlichen vorgesehen, dass der Freikolbenmotor zumindest einen in einem Zylinderraum hin und her bewegbaren und diesen in zwei Verbrennungskammern unterteilenden Kolben aufweist und dass der Vorverdichter elektrisch und/oder abgasunterstützt betätigbar ist.to solution The invention is essentially provided that the free-piston engine at least one in a cylinder chamber and movable back and forth having this dividing into two combustion chambers piston and that the supercharger is actuated electrically and / or exhaust gas assisted.
Erfindungsgemäß wird ein Freikolbenmotor, insbesondere ein Vielstoffmotor vorgeschlagen, der zumindest 2 oder 2 × n-Brennräume und demzufolge 1 oder n-Kolben umfasst, die wahlweise hinzu- oder weggeschaltet werden können. Für die Verbrennungskammern bzw. -räume selbst wird dem Grunde nach ein einziger Vorverdichter benötigt, gleichwenn eine Mehrstufigkeit in Betracht gezogen werden kann. Unabhängig hiervon wird der Vorverdichter elektrisch, gasdynamisch oder mechanisch direkt von der Turbine angetrieben. Auch die Möglichkeit einer oder mehrerer Turbinenstufen ist gegeben, die zumindest mit einer Abtriebswelle versehen sein können. Dabei werden die Turbinenstufen primär von den aus den Brennräumen strömenden Gasen beaufschlagt.According to the invention is a Free-piston engine, in particular a multi-fuel engine proposed the at least 2 or 2 × n combustion chambers and Accordingly, 1 or n-piston, which optionally added or disconnected can be. For the Combustion chambers or spaces even a single supercharger is basically needed, if one Multistage can be considered. Independent of this the supercharger is electric, gas-dynamic or mechanical driven directly by the turbine. Also the possibility of one or more Turbine stages is given, at least with an output shaft can be provided. The turbine stages are primarily of the flowing gases from the combustion chambers applied.
Der erfindungsgemäße Vielstoffmotor kann z. B. als Dieselflugmotor, Turbofantriebwerk, Turboproptriebwerk oder als Hubschrauberhauptantrieb verwendet werden, wobei neben dem Verdichter und der Turbine ein Generator vorgesehen sein kann, der mittig zwischen zwei Lagerstellen verläuft.Of the Inventive multi-fuel engine can z. B. as a diesel engine, turbofan engine, turboprop engine or used as a helicopter main propulsion, in addition to the compressor and the turbine, a generator may be provided, which runs in the middle between two bearing points.
Durch chemische Verdichtung, Beimischung von Stoffen zum eigentlichen Brennstoff kann die Leistung z. B. für den Flugzeugstart oder Not-/Fluchtleistung ohne Beschädigung sämtlicher Motorbauteile beträchtlich gesteigert werden.By chemical compression, admixture of substances to the actual Fuel may be the power z. B. for the aircraft take-off or emergency / escape performance without damage all Engine components considerably be increased.
Der zum Einsatz gelangende Vorverdichter kann je nach Ausführung die Aufgabe eines Anlassers übernehmen. Sofern dem Freikolbenmotor ein Generator zugeordnet ist, kann dieser zum Antrieb von Land- wie Schienenfahrzeugen oder Wasserfahrzeugen so dimensioniert sein, dass mittels des Generators ein Elektroantrieb entsteht, der auch als Hybridantrieb für z. B. Pkws oder Lkws verwendet werden kann. Daneben besteht auch die Möglichkeit, dass mittels eines Getriebes, hydrostatischen oder hydrodynamischen oder mechanischen Wandlergetriebes, der Vielstoffmotor den Direktantrieb übernehmen kann.Of the Depending on the version used, the pre-compressor can be used Take on the task of a starter. If the free piston engine is assigned a generator, this can for driving land and rail vehicles or watercraft be dimensioned so that by means of the generator, an electric drive arises, which is also used as a hybrid drive for z. As cars or trucks are used can. In addition, there is also the possibility that by means of a transmission, hydrostatic or hydrodynamic or mechanical converter, the multi-fuel motor take over the direct drive can.
Zum Einsatz können beliebige Verdichter kommen. Beispielhaft sind Roots-Gebläse, Flügelzellen- oder Schraubenverdichter zu nennen. Ein die folgende Verdichterfunktion ausführender Verdichter sowie die Turbine bzw. dessen Rad können von einer Welle eines Generators ausgehen. Alternativ oder ergänzend kann ein gesonderter Verdichter vorgesehen sein, der seinerseits insbesondere über einen Elektromotor angetrieben wird.To the Can use any compressors come. Exemplary are Roots blowers, vane or to call screw compressors. One the following compressor function executive Compressor and the turbine or its wheel can by a shaft of a generator out. Alternative or supplementary may be provided a separate compressor, in turn especially about an electric motor is driven.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kolben von dessen freien Stirnflächen ausgehende Kolbenstangen aufweist, die Öffnungen der Verbrennungskammern, die druckgasmäßig mit dem Verdichter oder der Turbine verbunden sind, freizugeben oder zu verschließen. Somit sind gesonderte Ventile nicht erforderlich.To an embodiment The invention provides that the piston emanating from the free end faces Piston rods, the openings the combustion chambers, the compressed gas with the compressor or the turbine are connected, release or close. Consequently Separate valves are not required.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, als Kolben einen innerhalb des Zylinderraums hin und her bewegbaren Zylinder – insbesondere Hohlzylinderkörper – zu verwenden, wobei die Auslassöffnungen z. B. über Magnetventile geöffnet bzw. geschlossen werden.It However, there is also the possibility as a piston within the cylinder chamber back and forth movable Cylinder - in particular Hollow Cylinder Body - to use the outlet openings z. B. over Solenoid valves open or closed.
Der durch den Kolben in die Verbrennungsräume unterteilte Zylinderraum weist zumindest eine Gaseinlassöffnung auf, die über ein Rückschlagventil absperrbar bzw. freigebbar ist, so dass zum einen beim Verdichten Gas nicht entweichen kann, wenn der Ladedruck größer als der Druck im Zylinderraum ist. Unabhängig hiervon strömt stets vorverdichtetes Gas in den Zylinderraum, wenn der Druck in diesem kleiner als der Ladedruck ist. Somit erhält man einen besseren Füllungsgrad.Of the through the piston into the combustion chambers divided cylinder space has at least one gas inlet opening on that over a check valve shut off or is releasable, so that on the one hand when compressing gas can escape when the boost pressure is greater than the pressure in the cylinder chamber. Independently flows from it always pre-compressed gas into the cylinder chamber when the pressure in this is smaller than the boost pressure. This gives you a better degree of filling.
Ferner besteht die Möglichkeit, dass dem Freikolbenmotor, d. h. dessen Verbrennungskammern- bzw. -räumen, über einen mehrstufigen Vorverdichter Gas zuführbar ist.Further it is possible, that the free piston engine, d. H. whose combustion chamber or -spaces, over one Multi-stage supercharger gas is supplied.
Eine ventillose Ausbildung der Verbrennungsräume ergibt sich nicht nur dadurch, dass von dem Kolben Kolbenstangen ausgehen, die die Auslassöffnungen verschließen bzw. öffnen. Vielmehr ist nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Kolben selbst die Auslassöffnungen in Abhängigkeit von dessen Stellung freigibt bzw. verschließt. Somit sind keine beweglichen Elemente erforderlich, die bei einfachem Aufbau des Motors hohe Schwingfrequenzen ermöglichen.Valve-free design of the combustion chambers does not only result from the piston starting from piston rods which close or open the outlet openings. Rather, it is provided according to a development of the invention that the piston itself releases the outlet openings in dependence on its position or ver closes. Thus, no moving elements are required, which allow high vibration frequencies with a simple structure of the engine.
Um eine unerwünschte Erwärmung des Freikolbenmotors, d.h. dessen Kolben und damit dessen Gehäuse zu vermeiden, ist vorgesehen, dass der Kolben von einer vorzugsweise koaxial zu dessen Längsachse verlaufenden Durchgangsöffnung durchsetzt ist, die in Hohlwellen- bzw. Rohrabschnitte übergehen, die ihrerseits Öffnungen in dem Freikolbenmotorgehäuse durchsetzen und gegenüber diesem abgedichtet ist. Somit besteht die Möglichkeit, dass ein Kühlfluid durch den Kolben strömt und somit die gewünschte Kühlung bewirkt.Around an undesirable warming of the free-piston engine, i. its piston and thus its housing to avoid is provided that the piston of a preferably coaxial its longitudinal axis passing through passage opening is that pass into Hohlwellen- or pipe sections, which in turn openings in the free-piston engine housing prevail and opposite this is sealed. Thus, there is a possibility that a cooling fluid flows through the piston and thus the desired cooling causes.
Vorzugsweise sind der Verdichter und die Turbine zu beiden Seiten eines Generators auf der Welle angeordnet. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass Verdichter und Turbine auf einer Seite eines Generators auf der Welle vorgesehen sind. Auf der gegenüberliegenden Seite kann ein Drucklufterzeuger wie Turbokompressor angeordnet sein, um sodann erzeugte Druckluft einem Verbraucher zuzuführen. Gleichermaßen können eine Pumpe oder andere Aggregate angetrieben werden.Preferably are the compressor and the turbine on both sides of a generator arranged on the shaft. However, there is also the possibility that compressor and turbine on one side of a generator on the shaft are provided. On the opposite side can one Compressed air generator such as turbocharger be arranged to then supplied compressed air to a consumer. Similarly, a Pump or other units are driven.
Zusätzliche elektrische Energie kann dadurch gewonnen werden, dass der Kolben abschnittsweise als Magnet ausgebildet ist oder einen solchen aufweist und dass der Kolben im Bewegungsbereich des Magneten von einer Spule oder mehreren Spulen umgeben ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das den Kolben umgebende Gehäuse umfangsseitig entsprechende Spulen aufweist. Durch eine diesbezügliche Anordnung besteht auch die Möglichkeit, den Freikolben zu starten, indem mehrere nebeneinander angeordnete Spulen in notwendiger Taktung mit Strom beaufschlagt werden, so dass dem Kolben eine Hin- und Herbewegung aufgezwängt wird.additional Electrical energy can be gained by having the piston partially formed as a magnet or has such and that the piston is in the range of motion of the magnet from a coil or more coils is surrounded. It is preferably provided that the housing surrounding the piston circumference having corresponding coils. By a related arrangement there is also the possibility to start the free piston by placing several side by side Coils are energized in necessary clocking, so that the piston a back and forth Heruction forced becomes.
Um mechanische Energie zu gewinnen, besteht die Möglichkeit, dass die Generatorwelle über ein Getriebe mit einer weiteren Welle verbunden ist. Somit wirkt die Generatorwelle als Abtriebswelle.Around To gain mechanical energy, there is the possibility that the generator shaft over a Transmission is connected to another shaft. Thus, the effect Generator shaft as output shaft.
Die Gasauslässe des Freikolbenmotors, und zwar unabhängig von der Anzahl der Kolben, münden in einer gemeinsamen Leitung, die zu der Turbine führt. Dabei kann von der Leitung eine Abzweigung ausgehen, die in einer weiteren Turbine mündet, die von einer Welle ausgeht, auf der z. B. ein Turboverdichter angeordnet ist, der über den Elektromotor betrieben wird.The gas outlets of the free-piston engine, regardless of the number of pistons, flow in a common line leading to the turbine. there From the line a branch can go out, which in another Turbine discharges, which emanates from a wave on the z. B. arranged a turbo compressor is that over the electric motor is operated.
Nach einem weiteren hervorzuhebenden Vorschlag ist vorgesehen, dass der Freikolbenmotor zwei gegensinnig bewegende Kolben aufweist, die vorzugsweise gasdynamisch miteinander verbunden sind. Letzteres wird dadurch bewirkt, dass zwischen den jeweils innenliegenden und jeweils außenliegenden Verbrennungsräumen ein Druckausgleich ermöglichende Verbindungen verlaufen. Dies ist jedoch kein zwingendes Merkmal.To Another suggestion to be emphasized is that the Free piston engine has two oppositely moving piston, preferably Are connected to each other gas-dynamically. The latter is characterized causes, that between the in each case inside and in each case outside combustion chambers a pressure equalization enabling Connections run. However, this is not a mandatory feature.
Die Erfindung schließt auch die Möglichkeit ein, dass von dem Verdichter eine Verbindung zu einem Wärmetauscher sowie einer Luftentspannungseinrichtung führt, die von der Generatorwelle ausgeht. Somit wird Kühlluft zur Verfügung gestellt.The Invention includes also the possibility of that of the compressor a connection to a heat exchanger as well as an air release device that leads from the generator shaft emanates. Thus, cooling air to disposal posed.
Um bei kompaktem Aufbau hohe Leistungen zu erzielen, schlägt die Erfindung vor, dass der Freikolbenmotor zwei Gruppen von Kolben aufweist, wobei die Kolben einer Gruppe gleichsinnig und die Gruppen gegensinnig zueinander hin und her schwingbar sind. Dabei kann die Bewegung der Gruppen zueinander bzw. der Kolben in der Gruppe z. B. elektronisch regelbar sein. Losgelöst hiervon können die Kolben mechanisch voneinander getrennt, jedoch gasdynamisch miteinander verbunden sein, indem bewegungsabhängig gleichsinnig wirkende Verbrennungsräume über Druckausgleichskanäle verbunden sind.Around to achieve high performance in a compact design, the invention proposes in that the free-piston engine has two groups of pistons, wherein the pistons of a group in the same direction and the groups in opposite directions swinging back and forth to each other. This can be the movement the groups to each other or the piston in the group z. B. electronically be controllable. freed thereof the pistons mechanically separated, but gas-dynamic be connected to each other by motion-dependent acting in the same direction Combustion chambers connected via pressure equalization channels are.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Kolben einer Gruppe untereinander durch eine Kolbenstange verbunden sind, die gegebenenfalls als Hohlwelle ausgebildet sein kann, um eine Kühlung zu ermöglichen. Gleichzeitig erfolgt eine Massenreduzierung.Especially It is envisaged that the pistons of a group pass through one another a piston rod are connected, optionally as a hollow shaft can be designed to provide cooling to enable. At the same time there is a mass reduction.
Losgelöst hiervon besteht die Möglichkeit, dass der Freikolbenmotor mehrere entlang einer gemeinsamen Zylinderumfangsfläche hin und her bewegbare Kolben umfasst, denen gemeinsam über einen oder mehrere Verdichter Druckluft zugeführt wird. Es handelt sich folglich um eine Ringanordnung, wobei die Gasauslässe der Verbrennungsräume untereinander verbunden sind. Ferner können die Verbrennungsräume benachbarter Kolben miteinander in Verbindung stehen, wobei ein Absperren gegeneinander über Ventile möglich ist. Die Verbindung ermöglicht eine gasdynamische Regelung der Kolbenbewegung. Ungeachtet dessen können jedoch zur Optimierung der Arbeitssymmetrie bzw. der ge wünschten Leistung Kolben außer Betrieb genommen werden, wobei sodann die Verbindungen zu den benachbarten Verbrennungsräumen abgesperrt werden. Die gemeinsame Auslassöffnung für die Verbrennungsgase kann als Flammenrohr bezeichnet werden.Detached from this there is a possibility that the free-piston engine several along a common cylinder peripheral surface and movable pistons comprises, which together via a or more compressors compressed air is supplied. It is therefore around a ring assembly, wherein the gas outlets of the combustion chambers with each other are connected. Furthermore, can the combustion chambers adjacent piston communicate with each other, wherein a Shut off each other over Valves possible is. The connection allows a gas-dynamic control of the piston movement. Regardless of can However, to optimize the working symmetry or ge wished Power piston except Operation, then the connections to the adjacent combustion chambers be shut off. The common exhaust port for the combustion gases can be referred to as a flame tube.
Bei Gruppen von Kolben aufweisendem Freikolbenmotor besteht insbesondere die Möglichkeit, den Verbrennungsräumen zuzuführendes Gas durch die Gruppenbewegung vorzuverdichten. Auch kann ein entsprechender Freikolbenmotor als Pumpe verwendet werden. Hierzu ist vorgesehen, dass zwischen den in Gruppen gegeneinander bewegbaren Kolben ein mit Ein- und Auslass versehener von seitlichen Begrenzungswänden begrenzter Raum verläuft, der umfangsseitig vom Motorgehäuse bzw. dessen Zylinder umgeben ist. Jeweils eine Begrenzungswand geht von jeweils einer der Gruppen aus. Der Einlass des Raums kann dabei mit einem Verdichter und der Auslass mit den Verbrennungskammern verbunden sein. Der Raum kann jedoch auch als Pumpenraum benutzt werden, so dass der Einlass mit einer Vorlage eines zu fördernden Mediums in Verbindung steht und der Auslass mit einem Ort, zu dem das Medium gepumpt werden soll.In the case of groups of pistons having a free-piston engine, it is possible, in particular, to pre-compact the gas to be supplied to the combustion chambers by means of the group movement. Also, a corresponding free-piston engine can be used as a pump. For this purpose, it is provided that zwi rule the groups in a mutually movable piston with an inlet and outlet provided by lateral boundary walls limited space which is peripherally surrounded by the motor housing or its cylinder. One boundary wall each starts from one of the groups. The inlet of the room can be connected to a compressor and the outlet to the combustion chambers. However, the space may also be used as a pump room so that the inlet communicates with a reservoir of a medium to be conveyed and the outlet communicates with a location to which the medium is to be pumped.
Um eine hinreichende Kühlung der Kolben zu erzielen, besteht die Möglichkeit, dass der Kolben aus zwei zueinander beabstandeten Zylinderscheiben besteht, deren Zwischenraum mit der als Hohlwelle ausgebildeten Kolbenstange verbunden ist.Around a sufficient cooling to achieve the piston, there is a possibility that the piston out two spaced-apart cylinder discs, whose space is connected to the form of a hollow shaft piston rod.
Des Weiteren kann von der Kolbenstange, ungeachtet deren Aufbaus, ein Magnet ausgehen, dem eine oder mehrere von dem Freikolbengehäuse ausgehende Spule zugeordnet ist. Hierdurch kann elektrische Energie erzeugt werden. Umgekehrt kann durch getakte Strombeaufschlagung von in Längsrichtung des Zylinders verlaufenden Spulen ein Anlassen bzw. Starten des Motors erfolgen.Of Further, from the piston rod, regardless of their construction, a Magnet go out, the one or more of the free piston housing outgoing Coil is assigned. This can generate electrical energy become. Conversely, by pulsed current application of in longitudinal direction the cylinder running coils starting or starting the Motors done.
Eine bevorzugte Ausbildung des Freikolbenmotors sieht vor, dass der Verbrennungsraum eine einzige wirksame Gasauslassöffnung aufweist, dass der Kolben zwei zueinander beabstandete zumindest bereichsweise umlaufende Nuten aufweist, das von jeder Nut zumindest innerhalb des Kolbens und in Längsrichtung dieses verlaufender, in nutnaheliegender Stirnseite des Kolbens mündender Kanal ausgeht, wobei die Nuten derart positio niert sind, dass jeweils in einer Totpunktlage des Kolbens eine der Nuten mit der Gasauslassöffnung in Verbindung steht.A preferred embodiment of the free-piston engine provides that the combustion chamber a single effective gas outlet has, that the piston two spaced apart at least partially having circumferential grooves of each groove at least within of the piston and in the longitudinal direction this extending, nutnaheliegender end face of the piston opening out Channel out, the grooves are so positio ned that each in a dead center position of the piston one of the grooves with the gas outlet opening in Connection stands.
Losgelöst von Obigem besteht die Möglichkeit, dass in dem Verbrennungsraum bzw. der Verbrennungskammer neben der zu dem Verdichter führenden Verbindung ein Druckluftanschluss mündet. Auch besteht die Möglichkeit, dass eine getaktete Einspritzung in die Verbrennungskammern des Freikolbenmotors durchgeführt wird. Dabei ist auch eine Zweistufenverbrennung möglich, d. h., dass während des Entspannens des Gases ein Teil des Verbrennungsmediums eingespritzt wird.Detached from the above it is possible, that in the combustion chamber or the combustion chamber in addition to the leading to the compressor Connection a compressed air connection opens. There is also the possibility that a pulsed injection into the combustion chambers of the Free-piston engine performed becomes. In this case, a two-stage combustion is possible, d. h. that during the Relaxing the gas injected a portion of the combustion medium becomes.
Der Kolben, das Gehäuse, das Turbinenrad und/oder dessen Schaufeln können aus Keramik bzw. hochwärmefesten leichten Werkstoffen bestehen, so dass eine temperaturstabile, jedoch leichte Einheit zur Verfügung steht.Of the Piston, the housing, the turbine wheel and / or its blades can be made of ceramic or high heat resistant lightweight materials, so that a temperature-stable, however light unit available stands.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Verbrennungskammern des Freikolbenmotors mit einem Vorverdichter druckgasmäßig verbunden sind, der von einer Welle eines Generators bzw. Elektromotors ausgeht, und dass auf der Welle ein Turbinenrad einer weiteren Turbine angeordnet ist, die druckgasmäßig mit den Gasauslassöffnungen der Verbrennungskammern verbunden ist. Dabei mündet insbesondere bei abgasunterstützter Vorverdichtung eine Kraftstoffzuführung in einer Leitung, die die Auslassöffnungen der Verbrennungskammern mit der weiteren Turbine verbindet.A Another embodiment of the invention provides that the combustion chambers the free-piston engine with a supercharger pressure gas moderately connected are, which emanates from a shaft of a generator or electric motor, and that on the shaft is arranged a turbine wheel of another turbine is, the pressurized with the gas outlet openings the combustion chambers is connected. This results in particular in exhaust-assisted pre-compression a fuel supply in a pipe connecting the exhaust ports of the combustion chambers connects with the other turbine.
Eine weitere eigenerfinderische Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass von jeder Stirnseite des Kolbens des Freikolbenmotors eine Kolbenstange ausgeht, dass von jeder Kolbenstange eine jeweils einen Abschnitt des Zylinders des Freikolbenmotors in einen ersten und einen zweiten Vorverdichtungsraum unterteilende Kolbenscheibe ausgeht, dass in Bezug auf den Kolben des Freikolbenmotors die außenliegenden Vorverdichtungsräume untereinander und die innenliegenden Vorverdichtungsräume ebenfalls untereinander verbunden sind und dass die Vorverdichtungsräume mit den Verbrennungskammern ihrerseits verbunden sind. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Verbindung zwischen den Vorverdichtungsräumen und den Verbrennungskammern über einen Druckspeicher erfolgt.A further self-inventive development of the invention provides that from each end of the piston of the free-piston engine a Piston rod assumes that from each piston rod one each Section of the cylinder of the free-piston engine in a first and a second precompression space dividing piston disc assumes that with respect to the piston of the free-piston engine, the outboard Vorverdichtungsräume with each other and the internal pre-compaction rooms also are interconnected and that the precompression rooms with the combustion chambers themselves are connected. It is in particular provided that the connection between the precompression spaces and the combustion chambers over an accumulator takes place.
Auf diese Weise können die Verbrennungskammern mit im gewünschten Umfang vorverdichtetem Gas bzw. gewünschter Menge an Gas beaufschlagt werden.On this way you can the combustion chambers with pre-compressed to the desired extent Gas or desired Amount of gas to be applied.
Die Erfindung zeichnet sich insbesondere auch dadurch aus, dass der Freikolbenmotor in einem Strahlantrieb mit Strahlaustrittsöffnung angeordnet ist, dass der Freikolbenmotor einen in Längsrichtung des Strahlantriebs hin und her schwingbaren eine erste und eine zweite Verbrennungskammer begrenzenden Kolben umfasst, der eine in axialer Richtung verlaufende Durchgangsöffnung aufweist, dass von strahlaustrittsöffnungsseitig verlaufender Stirnfläche des Kolbens ein in die Durchgangsöffnung übergehender Hohlzylinder ausgeht, der in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens strahlaustrittsöffnungsseitig verlaufenden ersten Verbrennungsraum gegenüber der Strahlaustrittsöffnung freigibt oder absperrt, und dass in der zweiten Verbrennungskammer ein axial verlaufender Zylinderkörper angeordnet ist, der in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens dessen Durchgangsöffnung freigibt oder absperrt.The Invention is also characterized in particular by the fact that the Free-piston engine arranged in a jet drive with jet outlet opening is that the free piston engine has a longitudinal direction of the jet propulsion oscillate back and forth a first and a second combustion chamber includes limiting piston, which extends in the axial direction Through opening has that of Strahlaustrittsöffnungsseitig extending face of the piston emanating from the passage opening hollow cylinder, in dependence from the position of the piston beam outlet opening side extending first combustion chamber opposite the jet outlet opening releases or shuts off, and that in the second combustion chamber arranged an axially extending cylinder body is that dependent from the position of the piston whose passage opening releases or shuts off.
Dabei besteht die Möglichkeit, dass der Zylinderkörper ein der zweiten Verbrennungskammer vorverdichtete Luft (Staudruck) zuführender Hohlzylinder ist oder die die Verbrennungskammern umgebende Wandung des Freikolbenmotors zumindest abschnittsweise von einem Ringraum umgeben ist, über den vorverdichtete Luft (Staudruck) der ersten und/oder zweiten Verbrennungskammer zuführbar ist.There is the possibility that the cylinder body is a precompressed second air chamber air (back pressure) supplying hollow cylinder or surrounding the combustion chambers wall of the free-piston engine is at least partially surrounded by an annulus, via the precompressed air (back pressure) of the first and / or second combustion chamber can be fed.
Des Weiteren sieht die Erfindung vor, dass zwei Freikolbenmotoren mit gegensinnig schwingenden Kolben in einem Strahlantrieb angeordnet sind und dass Gasaustrittsöffnungen der Verbrennungskammern der Freikolbenmotoren in einem Ringraum des Strahlantriebs münden, der in die Strahlaustrittsöffnung übergeht. Dabei ist in dem Ringraum eine Kraftstoffzuführung vorgesehen ist.Of Furthermore, the invention provides that two free-piston engines with arranged in opposite directions oscillating piston in a jet drive are and that gas outlets the combustion chambers of the free - piston engines in an annular space of Jet propulsion open, which merges into the jet outlet opening. In this case, a fuel supply is provided in the annular space.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung auch dadurch aus, dass zum Antrieb eines Luftfahrzeuges mehrere Freikolbenmotoren auf der Umfangsfläche eines Zylinders angeordnet sind, dass die Umfangsfläche koaxial zu einem Generator oder Verdichter verläuft und dass von der Welle des Generators bzw. des Verdichters ein Turbinenrad ausgeht.Especially the invention is also characterized by the fact that for driving a Aircraft several free piston engines on the peripheral surface of a Cylinders are arranged so that the peripheral surface coaxial with a generator or compressor is running and that of the shaft of the generator or the compressor, a turbine wheel emanates.
Insbesondere kann zu beiden Seiten des Generators bzw. Verdichters von dessen Welle ein Rad einer Turbine ausgeht.Especially can on both sides of the generator or compressor of the Wave a wheel of a turbine goes out.
Geht auf einer Seite des Generators bzw. des Verdichters von dessen Welle ein Gebläserad und von der anderen Seite ein Turbinenrad aus, so ergibt sich ein Turbofanantrieb.going on one side of the generator or the compressor of the shaft an impeller and from the other side of a turbine wheel, so there is a turbofan drive.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Welle des Generators bzw. des Verdichters eine Abtriebswelle ist, die über die Stufengetriebe, einen hydrostatischen oder hydrodynamischen Wandler oder einen sonstigen mechanischen Wandler mit einer Antriebswelle in Wirkverbindung stehtIt there is also the possibility that the shaft of the generator or the compressor has an output shaft is that over the stepped gear, a hydrostatic or hydrodynamic Converter or other mechanical converter with a drive shaft is in active connection
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass auf der einen Seite des Generators bzw. des Verdichters von dessen Welle ausgehend ein Turbinenrad und auf der anderen Seite ein Verdichter angeordnet sind, der mit einem eine Ringanordnung bildenden Freikolbenmotoren umgebenden Ringraum verbunden ist, der zum einen mit den Verbrennungskammern der Freikolbenmotoren und zum anderen mit einem Zapfluftauslass verbunden ist.A Another embodiment provides that on one side of the generator or the compressor of the shaft starting a turbine wheel and on the other side a compressor are arranged, which with a a ring assembly forming free piston engines surrounding annular space connected to the one with the combustion chambers of the free-piston engines and on the other hand connected to a bleed air outlet.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.Further Details, advantages and features not only result from the claims, the characteristics to be taken from these - alone and / or in combination - but also to be taken from the following description of the drawing preferred embodiments.
Es zeigen:It demonstrate:
In den Figuren, in denen grundsätzlich gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, werden verschiedene Ausführungsformen von Freikolbenmotoren im Zusammenhang mit Energiewandlersystemen beschrieben, mit denen ihrerseits z. B. elektrische Energie erzeugt werden kann. Hierdurch erfolgt jedoch keine Beschränkung der erfindungsgemäßen Lehre, da nicht nur andere Anwendungsfälle zum Einsatz erfindungsgemäßer Freikolbenmotoren möglich sind, sondern auch andere Arten von Energien genauso erzeugt werden können wie Druck- oder Kühlluft.In the figures, in which in principle identical elements are provided with the same reference numerals are different embodiments of free-piston engines in connection with energy converter systems described with which in turn z. B. generates electrical energy can be. However, this does not limit the inventive teaching, not just other use cases for use according to the invention free-piston engines possible but other types of energies are generated as well can like Pressure or cooling air.
Bei der Beschreibung selbst wird auf Details von beschriebenen Aggregaten wie Verdichter, Turbine oder Generator nicht näher eingegangen, da es sich hierbei um Bauelemente handelt, die der Durchschnittsfachmann im hinreichenden Umfang kennt. Insoweit wird auf übliche Konstruktionen und Bauarten zurückgegriffen, ohne die Erfindung zu verlassen.at The description itself is based on details of aggregates described like compressor, turbine or generator not discussed in detail since it is This is about components that the average expert in sufficient extent. In that regard, is based on conventional designs and types resorted without leaving the invention.
In
Der
Freikolbenmotor
Ein
mittig verlaufender Gaseinlass
Das
Ausführungsbeispiel
der
Die
Mittig
in dem die Verbrennungskammern
Das über die
Gasauslassöffnung
Durch
die Verbindung des Gasauslasses mit der Turbine
Die
Lagerung der Wellen
Anhand
des Ausführungsbeispiels
der
Ein
Energiewandlersystem gemäß der
Somit
besteht die Möglichkeit,
durch die Hohlwellen
Die
Steuerung der Gasauslässe
Eine
der
Das
Ausführungsbeispiel
der
Eine
weitere Möglichkeit
einer Energiewandlung ergibt sich aus der
Die
Ausführungsbeispiele
der
Abweichend
von den zuvor erläuterten
Ausführungsformen
gelangen Freikolbenmotoren
Dabei
ist in
Die Öffnung
Die
Verbrennungsräume
Anhand
der
Eine
alternative Ausführungsform
ergibt sich aus der
Wurde
an Hand der
Ein
in der
Die
Auslässe
der entsprechenden Verbrennungsräume
sind über
eine gemeinsame Leitung
Sind
die Kolben
Die
einzelnen Zylinderräume
Ist
nach dem Ausführungsbeispiel
der
Die
Kolbenstangen
Ergänzend oder
alternativ kann der Freikolbenmotor
Bei
dem Ausführungsbeispiel
der
Die
Bei
dem Ausführungsbeispiel
der
Der
Im
Ausführungsbeispiel
der
Durch
eine diesbezügliche
Anordnung erfolgt eine mehrstufige Vorverdichtung, und zwar die erste
Vorverdichtung über
die Verdichter
Alternativ
oder ergänzend
kann eine abgasunterstützte
Vorverdichtung erfolgen. Hierzu ist eine Vorverdichtungseinheit
Die
in den Vorverdichterräumen
Ferner
ergibt sich aus der
Der
Der
Kolben
Ein
der
Den
Dabei
unterscheiden sich die Kolben
Unabhängig hiervon
weist jeder Kolben
Damit
in den Verbrennungsräumen
Um
die Verdichtung in dem Verbrennungsraum
In
gewohnter Weise gehen – wie
bei den übrigen
Ausführungsbeispielen
gleichfalls – vorzugsweise
von den Stirnbegrenzungswandungen der Verbrennungskammern
Bei
den Ausführungsbeispielen
der
Ein
Jetantrieb
Dabei
besteht die Möglichkeit,
in den Ringraum
Die
den Verbrennungsräumen
In
die von dem Ringraum
Aus
den zeichnerischen Darstellungen der
Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Die
Darstellungen der
Die
Ringanordnung der Kolben
Bei
dem Ausführungsbeispiel
der
Eine
der
Die
Verdichterwelle
Ein
als Vielstoffmotor ausgebildeter Energiewandler gemäß
Von
der Welle
Ferner
kann der Generator
Der
Rotordurchmesser der Turbine in der Anordnung gemäß
Den
Der
Zylinderraum
Die
den
Die
Innenkühlung
des Kolbens wird dadurch erreicht, dass in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens
Den
insbesondere den
- 1010
- Generatorgenerator
- 1212
- Wellewave
- 1414
- Verdichtercompressor
- 1616
- Turbineturbine
- 1818
- FreikolbenmotorFree piston engine
- 2020
- Kolbenpiston
- 2222
- Gehäuse (Zylinder)Housing (cylinder)
- 2424
- Stirnseitenfront sides
- 2626
- Stirnseitenfront sides
- 2828
- Kolbenstangenpiston rods
- 3030
- Kolbenstangenpiston rods
- 3232
- Auslassöffnungenoutlet
- 3434
- Auslassöffnungenoutlet
- 3636
- Verbrennungsraumcombustion chamber
- 3838
- Verbrennungsraumcombustion chamber
- 4040
- Leitungmanagement
- 4242
- GaseinlassöffnungGas inlet port
- 4444
- Rückschlagventilcheck valve
- 4646
- Magnetventilmagnetic valve
- 4848
- Magnetventilmagnetic valve
- 5050
- Kolbenpiston
- 5252
- FreikolbenmotorFree piston engine
- 5454
- Verdichtercompressor
- 5656
- Elektromotorelectric motor
- 5858
- Verdichtercompressor
- 6060
- Wellewave
- 6262
- Anschlussconnection
- 6464
- Gaseinlassgas inlet
- 6666
- Gaseinlassgas inlet
- 6868
- Leitungmanagement
- 7272
- Kolbenpiston
- 7474
- Zylinderraumcylinder space
- 7676
- Gasauslassöffnunggas outlet
- 7878
- Turbineturbine
- 8080
- Getriebetransmission
- 8282
- Wellewave
- 8484
- FreikolbenmotorFree piston engine
- 8686
- Wellewave
- 8888
- Elektromotorelectric motor
- 9090
- Verdichtercompressor
- 9292
- Verdichtercompressor
- 9494
- Leitungmanagement
- 9696
- Einlassöffnunginlet port
- 9898
- Einlassöffnunginlet port
- 100100
- Leitungmanagement
- 102102
- Auslassöffnungoutlet
- 104104
- Auslassöffnungoutlet
- 106106
- Einlassöffnunginlet port
- 108108
- FreikolbenmotorFree piston engine
- 110110
- Kolbenpiston
- 112112
- Stirnflächeface
- 114114
- Stirnflächeface
- 116116
- Hohlwellehollow shaft
- 118118
- Hohlwellehollow shaft
- 120120
- DurchgangsöffnungThrough opening
- 122122
- Längsachselongitudinal axis
- 124124
- Verdichtercompressor
- 125125
- RootsverdichterRoots compressor
- 126126
- FreikolbenmotorFree piston engine
- 127127
- FlügelzellenverdichterVane compressor
- 128128
- Kolbenpiston
- 129129
- SpuleKitchen sink
- 130130
- FreikolbenmotorFree piston engine
- 131131
- SpuleKitchen sink
- 132132
- Kolbenpiston
- 133133
- FreikolbenmotorFree piston engine
- 134134
- Kolbenpiston
- 136136
- Verbrennungskammercombustion chamber
- 138138
- Verbrennungskammercombustion chamber
- 140140
- Trennwandpartition wall
- 141141
- Öffnungopening
- 142142
- Trennwandpartition wall
- 143143
- Leitungmanagement
- 144144
- Verbrennungskammercombustion chamber
- 146146
- Verbrennungskammercombustion chamber
- 148148
- Entspannerrelaxer
- 150150
- Wärmetauscherheat exchangers
- 152152
- Leitungmanagement
- 154154
- Verdichtercompressor
- 156156
- Wärmetauscherheat exchangers
- 158158
- Entspannerrelaxer
- 160160
- FreikolbenmotorFree piston engine
- 161161
- Gruppegroup
- 162162
- Kolbenpiston
- 163163
- Gruppegroup
- 164164
- Kolbenpiston
- 166166
- Kolbenpiston
- 168168
- Kolbenpiston
- 170170
- Kolbenpiston
- 172172
- Kolbenpiston
- 174174
- Leitungmanagement
- 176176
- Einlassinlet
- 178178
- Einlassinlet
- 180180
- Einlassinlet
- 182182
- Einlassinlet
- 184184
- Einlassinlet
- 186186
- Einlassinlet
- 188188
- Gasauslassgas outlet
- 190190
- Gasauslassgas outlet
- 191191
- DruckausgleichsleitungPressure equalizing line
- 192192
- Leitungmanagement
- 193193
- DruckausgleichsleitungPressure equalizing line
- 194194
- Gehäusecasing
- 196196
- Zylinderraumcylinder space
- 198198
- Zylinderraumcylinder space
- 200200
- Zylinderraumcylinder space
- 202202
- Zylinderraumcylinder space
- 204204
- Zylinderraumcylinder space
- 206206
- Zylinderraumcylinder space
- 208208
- Zylinderraumcylinder space
- 210210
- Zylinderraumcylinder space
- 212212
- Gaseinlassgas inlet
- 214214
- Gasauslassgas outlet
- 216216
- Kanalchannel
- 218218
- Kolbenstangepiston rod
- 220220
- Kolbenstangepiston rod
- 222222
- FreikolbenmotorFree piston engine
- 224224
- Innenwandunginner wall
- 226226
- Kolbenscheibepiston disc
- 228228
- Kolbenscheibepiston disc
- 230230
- Raumroom
- 232232
- Einlassinlet
- 234234
- Auslassoutlet
- 236236
- FreikolbenmotorFree piston engine
- 238238
- Kammerchamber
- 240240
- Kammerchamber
- 241241
- Luftkonditionierungair conditioning
- 242242
- Leitungmanagement
- 244244
- Verdichtercompressor
- 246246
- Wärmetauscherheat exchangers
- 248248
- Entspannerrelaxer
- 250250
- Wellewave
- 251251
- SpuleKitchen sink
- 252252
- Generatorgenerator
- 253253
- FreikolbenmotorFree piston engine
- 254254
- Vorverdichterstufesupercharging
- 256256
- Elektromotorelectric motor
- 258258
- Verdichtercompressor
- 260260
- Verdichtercompressor
- 262262
- Wellewave
- 263263
- Anschlussconnection
- 264264
- Leitungmanagement
- 265265
- Anschlussconnection
- 266266
- Verdichtungsraumcompression chamber
- 267267
- Verdichtungsraumcompression chamber
- 268268
- Leitungmanagement
- 269269
- Leitungmanagement
- 270270
- Verdichtungsraumcompression chamber
- 271271
- Verdichtungsraumcompression chamber
- 272272
- Kolbenscheibepiston disc
- 274274
- Kolbenscheibepiston disc
- 276276
- Kolbenstangepiston rod
- 277277
- Kolbenstangepiston rod
- 280280
- Kolbenpiston
- 282282
- Zylindercylinder
- 284284
- Anschlussconnection
- 286286
- Anschlussconnection
- 288288
- Druckspeicheraccumulator
- 290290
- Verbindungconnection
- 292292
- Verbrennungskammercombustion chamber
- 294294
- Verbrennungskammercombustion chamber
- 296296
- VorverdichtungseinheitVorverdichtungseinheit
- 298298
- Elektromotorelectric motor
- 300300
- Wellewave
- 302302
- Turbineturbine
- 304304
- Verdichtercompressor
- 306306
- Leitungmanagement
- 308308
- Auslassoutlet
- 310310
- Auslassoutlet
- 312312
- Einlassinlet
- 314314
- Wärmetauscherheat exchangers
- 316316
- Kolbenpiston
- 318318
- FreikolbenmotorFree piston engine
- 320320
- Nutgroove
- 322322
- Nutgroove
- 324324
- Stirnflächeface
- 326326
- Stirnflächeface
- 328328
- Kanalchannel
- 330330
- Kanalchannel
- 332332
- Kanalchannel
- 334334
- Kanalchannel
- 336336
- Verbrennungsraumcombustion chamber
- 338338
- Verbrennungsraumcombustion chamber
- 340340
- GaseinlassöffnungGas inlet port
- 342342
- Auslasskanalexhaust port
- 344344
- Auslasskanalexhaust port
- 346346
- Propellerpropeller
- 348348
- LuftstrahltriebwerkeJet engines
- 350350
- LuftstrahltriebwerkeJet engines
- 352352
- LuftstrahltriebwerkeJet engines
- 354354
- Gehäusecasing
- 355355
- Ringraumannulus
- 356356
- Kolbenpiston
- 357357
- Stirnwandungend wall
- 358358
- Kolbenpiston
- 359359
- Stirnwandungend wall
- 360360
- Zylindercylinder
- 361361
- Hohlzylinderhollow cylinder
- 362362
- Verbrennungsraumcombustion chamber
- 364364
- Verbrennungsraumcombustion chamber
- 366366
- DurchgangsöffnungThrough opening
- 368368
- GasaustrittsöffnungGas outlet
- 370370
- Austrittsdüseexhaust nozzle
- 372372
- Stirnwandbulkhead
- 373373
- Zylinderelementcylindrical member
- 375375
- Zylinderelementcylindrical member
- 376376
- Stirnflächeface
- 378378
- Hohlzylinderhollow cylinder
- 380380
- Auslassöffnungoutlet
- 382382
- Anschlussconnection
- 384384
- Anschlussconnection
- 386386
- Rohrpipe
- 388388
- JetantriebJet propulsion
- 390390
- Kolbenpiston
- 392392
- Kolbenpiston
- 394394
- Verbrennungsraumcombustion chamber
- 396396
- Verbrennungsraumcombustion chamber
- 398398
- Verbrennungsraumcombustion chamber
- 400400
- Verbrennungsraumcombustion chamber
- 402402
- Zylindercylinder
- 404404
- AbgasaustrittsöffnungExhaust gas outlet opening
- 406406
- AbgasaustrittsöffnungExhaust gas outlet opening
- 408408
- Ringraumannulus
- 410410
- Ringraumannulus
- 412412
- Leitungmanagement
- 414414
- Düsejet
- 416416
- Antriebdrive
- 418418
- Antriebdrive
- 420420
- Kolbenpiston
- 422422
- Kolbenpiston
- 424424
- Kolbenpiston
- 426426
- Kolbenpiston
- 428428
- Elektromotorelectric motor
- 430430
- Wellewave
- 432432
- Turbineturbine
- 434434
- Turbineturbine
- 435435
- Radwheel
- 437437
- Radwheel
- 439439
- Radwheel
- 438438
- Stufengetriebestep transmission
- 440440
- Wellewave
- 441441
- Radwheel
- 444444
- Verdichtercompressor
- 446446
- Wellewave
- 448448
- Turbinenradturbine
- 450450
- Radwheel
- 452452
- Ringraumannulus
- 456456
- Generatorgenerator
- 458458
- Zylinderraumcylinder space
- 460460
- Zylinderraumcylinder space
- 462462
- Kolbenpiston
- 464464
- Kolbenpiston
- 466466
- Wellewave
- 468468
- Turbinenradturbine
- 470470
- Verdichtercompressor
- 472472
- Ringraumannulus
- 474474
- Zapfluftbleed air
- 476476
- Frequenzumrichterfrequency converter
- 478478
- FreikolbenmotorFree piston engine
- 480480
- Kolbenpiston
- 482482
- Kolbenscheibepiston disc
- 484484
- Kolbenscheibepiston disc
- 486486
- Zylindercylinder
- 488488
- Zylinderraumcylinder space
- 490490
- Verbrennungskammercombustion chamber
- 492492
- Verbrennungskammercombustion chamber
- 494494
- Eintrittsöffnunginlet opening
- 496496
- Eintrittsöffnunginlet opening
- 498498
- Verdichtercompressor
- 500500
- Verdichtercompressor
- 502502
- Wellewave
- 504504
- Elektromotorelectric motor
- 505505
- Austrittsöffnungoutlet opening
- 506506
- Turbinenanordnungturbine assembly
- 508508
- Radwheel
- 510510
- Radwheel
- 512512
- Radwheel
- 514514
- Radwheel
- 516516
- Wellewave
- 518518
- Läuferrunner
- 520520
- Zwischenraumgap
Claims (44)
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