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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Luftzufuhrvorrichtung,
welche einer anderen Vorrichtung zuzuführende Luft aufnimmt, komprimiert und
abgibt.
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JPH07-025337A
offenbart eine Luftzufuhrvorrichtung, welche das Luftströmungsvolumen
derselben in Übereinstimmung
mit einem Atmosphärendruck
steuert, welcher durch einen Atmosphärendrucksensor erfasst wird.
Diese Luftzufuhrvorrichtung erfordert den Atmosphärendrucksensor
und beinhaltet deshalb erhöhte
Komplexität
und Kosten.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Luftzufuhrvorrichtung
bereitzustellen, welche in der Lage ist, Luft in Übereinstimmung
mit einem Atmosphärendruck
bei einfachem Aufbau zuzuführen.
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Um
diese vorstehende Aufgabe zu erzielen, umfasst eine Luftzufuhrvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Pumpe, einen Aktuator, einen Leistungsverbrauchsdetektor,
einen Luftdruckdetektor und ein Steuergerät.
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Die
Pumpe nimmt Atmosphärenluft
auf und gibt sie zu einem Luftverbraucher. Der Aktuator betätigt die
Pumpe. Der Leistungsverbrauchsdetektor erfasst einen Messwert entsprechend
einem Leistungsverbrauch des Aktuators. Der Luftdruckdetektor erfasst
einen Abgabedruck der Atmosphärenluft,
welche durch die Pumpe abgegeben wird. Das Steuergerät berechnet
einen Kriteriumwert des Messwerts, wenn die Pumpe die Atmosphärenluft
bei Atmosphärendruck 1 bzw.
1 Atmosphäre
Druck aufnimmt und gibt die Atmosphärenluft bei dem Abgabedruck
ab. Dieser Kriteriumwert basiert auf der Drehzahl der Pumpe und
dem Messwert. Das Steuergerät
stellt dann die Drehzahl auf der Grundlage des Messwerts und des
Kriteriumwerts ein.
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Andere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung, wie auch Verfahren
des Betriebs und die Funktion der in Bezug genommenen Teile, werden
aus einem Studium der nachfolgenden genauen Beschreibung, der anliegenden
Ansprüche
und der Zeichnungen, welche alle einen Teil dieser Anmeldung bilden,
ersichtlich. In den Zeichnungen ist:
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1 eine
Querschnitts-Seitenansicht einer Luftzufuhrvorrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
vergrößerte Schnitt-Perspektivansicht
eines Paars von Schneckenrotoren der Luftzufuhrvorrichtung von 1;
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3 ein
Flussdiagramm eines Vorgangs zur Steuerung eines Einlassluftdrucks
mit der Luftzufuhrvorrichtung von 1;
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4 eine
Querschnitts-Seitenansicht einer Luftzufuhrvorrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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5 ein
Flussdiagramm eines Vorgangs zum Steuern eines Einlassluftdrucks
mit der Luftzufuhrvorrichtung von 4.
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Eine
Luftzufuhrvorrichtung einer ersten Ausführungsform, welche in den 1 bis 3 gezeigt ist,
dient zur Zufuhr von Luft zu einer katalytischen Verbrennungsvorrichtung.
Die Luftzufuhrvorrichtung ist eine Schneckenpumpe mit männlichen
bzw. weiblichen Schneckenrotoren 1 und 2 (siehe 2),
einem Drehmomentüberträger 3 zum
in-Drehung-versetzen der Schneckenrotoren 1, 2 durch
ein Drehmoment eines Antreibers (nicht gezeigt)), ein Gehäuse 4,
welches die Schneckenrotoren 1, 2 und den Drehmomentüberträger 3 einfasst,
und eine An triebswelle 5, welche das Drehmoment des Antreibers
auf den Drehmomentüberträger 3 überträgt. In 1 ist
der weibliche Schneckenrotor 2 hinter dem männlichen Schneckenrotor 1 angeordnet.
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Wie
in 2 gezeigt, weist jeder der männlichen und weiblichen Schneckenrotoren 1, 2 ein männliches
Schneckengewinde mit einem spiralförmigen Vorsprung auf. Die Schneckengewinde
der männlichen
und weiblichen Schneckenrotoren 1, 2 stehen miteinander
in getriebemäßigem Eingriff.
Wie in 1 gezeigt, dreht der Drehmomentüberträger 3, welcher
durch einen elektrischen Motor 100 angetrieben ist, den
männlichen
Schneckenrotor 1 auf einer Welle 1a. Der männliche
Schneckenrotor 1 dreht den mit diesem in Eingriff stehenden
weiblichen Schnekkenrotor 2 auf einer Welle 2a.
Der elektrische Motor 100 wird durch einen elektrischen
Strom angetrieben, welcher über
einen Inverter aus einer Stromquelle (nicht gezeigt) zugeführt wird.
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Das
Gehäuse 4 enthält eine
Schmierbox 6, ein Rotorgehäuse 7 und eine Abdekkung 8,
welche von dem Elektromotor 100 bis zu den Schneckenrotoren 1, 2 angeordnet
ist. Die Schmierbox 6, das Rotorgehäuse 7 und die Abdeckung 8 sind
fest mittels Befestigern, wie Bolzen (nicht gezeigt), aneinander befestigt.
Das Rotorgehäuse 7 enthält die Schneckenrotoren 1, 2 darin
und die Schmierbox 6 enthält den Drehmomentüberträger 3 darin.
Die Schneckenrotoren 1, 2 und der Drehmomentüberträger 3 sind deshalb
voneinander getrennt in dem Gehäuse 4 angeordnet.
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Die
Schmierbox 6 begrenzt eine Schmierkammer 9 um
den Drehmomentüberträger 3 herum und
enthält
Schmieröl,
welches zu dem Drehmomentüberträger 3 zuzuführen ist. Öle mit einer
Viskosität,
welche im Allgemeinen gleich der eines typischen Motoröls ist,
können
als das Schmieröl
dienen. Das Spritzen des Schmieröls
in der Schmierbox 6 schmiert Zahnräder und/oder andere Komponenten, welche
den Drehmomentüberträger 3 bilden.
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Die
Schmierbox 6 trägt
ferner die Antriebswelle 5 drehbar, welche durch den elektrischen
Motor 100 angetrieben wird. Die Schmierbox 6 hält ein erstes
Lager 11 nahe dem elektrischen Motor 100 und ein
zweites Lager 12 in der Nähe der Schmierkammer 9.
Die ersten und zweiten Lager 11, 12 tragen die Antriebswelle 5 drehbar.
Das Gehäuse 4 weist
eine erste Öldichtung 13 auf,
welche in einem inneren Umfang eines Durchgangslochs, welches die
Antriebswelle 5 anordnet, vorgesehen ist. Die erste Öldichtung 13 verhindert,
dass das den ersten und zweiten Lagern 11, 12 zugeführte Schmieröl aus dem Gehäuse 4 austritt.
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Das
Rotorgehäuse 7 weist
eine Rotorkammer 10 darin auf, welche die Schnekkenrotoren 1, 2 aufnimmt.
Das Rotorgehäuse 7 weist
ferner eine Einlassöffnung 7a zur
Zufuhr von Luft in die Rotorkammer 10 und eine Abgabeöffnung 7b zur
Abgabe von Luft aus der Rotorkammer 10 auf. Die Einlassöffnung 7a ist
an der Seite der Abdeckung 8 angeordnet, und die Abgabeöffnung 7b ist
an der Seite der Schmierbox 6 angeordnet. Stromabwärts der
Abgabeöffnung 7b ist
eine katalytische Verbrennungsvorrichtung 200, welche hier
auch als Luftverbraucher bezeichnet wird.
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Ein äußerster
Umfang der Gewinde der Schneckenrotoren 1, 2 sind
infinitesimal kleiner als eine innere Oberfläche der Rotorkammer 10,
um ein Spiel dazwischen zu begrenzen, welches eine dichtende Funktion
aufweist. Luftkompressionskammern 10a sind durch die ringförmigen Räume zwischen den
Gewinden der Schneckenrotoren 1, 2 und der inneren
Oberfläche
der Rotorkammer 10 begrenzt. Die Luftkompressionskammern 10a dienen
zur Kompression der Einlassluft, welche von der Einlassöffnung 7a zugeführt wird.
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Gemäß dem vorstehend
beschriebenen Aufbau überträgt der Drehmomentüberträger 3 das Drehmoment
der Antriebswelle 5 auf die Wellen 1a, 2a und
versetzt die männlichen
und weiblichen Schneckenrotoren 1, 2 synchron
miteinander in Drehung.
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Der
Drehmomentüberträger 3 weist
erste und zweite Zahnräder 14, 15 zur Übertragung
des Drehmoments der Drehwelle 5 auf die Welle 1a des männlichen
Schneckenrotors 1, und dritte und vierte Zahnräder 16, 17 zur Übertragung
der Drehung der Welle 1a auf die Welle 2a des
weiblichen Schneckenrotors 2 auf. Die dritten und vierten
Zahnräder 16, 17 sind
Zeitsteuerungszahnräder
zum synchronen in-Drehung-versetzen der männlichen und weiblichen Schneckenrotoren 1, 2.
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Das
Rotorgehäuse 7 hält dritte
und vierte Lager 18, 19, welche ein Ende von jeder
der Wellen 1a, 2a drehbar tragen. Die Abdeckung 8 hält fünfte und sechste
Lager 20, 21, welche Enden der Wellen 1a, 2a drehbar
tragen, welche denen gegenüberliegen, welche
durch die dritten und vierten Lager 18, 19 getragen
werden. Das Rotorgehäuse 7 hält zweite
und dritte Öldichtungen 22, 23,
welche in Innenumfängen von
Durchgangslöchern
angeordnet sind, und positionieren die Enden der Wellen 1a, 2a,
welche durch die dritten und vierten Lager 18, 19 getragen
werden. Die zweiten und dritten Öldichtungen 22, 23 verhindern,
dass das den dritten und vierten Lagern 18, 19 zugeführte Öl in die
Rotorkammer 10 heraustritt. Der Rotor 8 hält vierte
und fünfte Öldichtungen 24, 25, welche
in Innenumfängen
von Durchgangslöchern angeordnet
sind, und positioniert die Enden der Wellen 1a, 2a,
welche durch die fünften
und sechsten Lager 20, 21 getragen werden. Die
vierten und fünften Öldichtungen 24, 25 verhindern,
dass in die fünften und
sechsten Lager 20, 21 eingefülltes Fett in die Rotorkammer 10 austritt.
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Das
Rotorgehäuse 7 weist
ferner zur Erfassung des Drucks der Abgabeluft einen Drucksensor 26 auf,
welcher bei der Abgabeöffnung 7b angeordnet
ist,. Der Drucksensor 26 dient als ein Abgabeluftdruckdetektor
der vorliegenden Erfindung.
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Die
Luftzufuhrvorrichtung weist ferner eine ECU (elektronische Steuereinheit) 40 auf,
welche aus einem Mikrocomputer mit einer CPU, einem ROM, einem RAM,
externen Schaltkreisen und anderen Komponenten aufgebaut ist, welche
nötig sind, um
die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu erfüllen. Die ECU 40 empfängt ein
elektrisches Signal, welches durch den Drucksensor 26 ausgegeben wird,
und steuert die Drehung des elektrischen Motors 100. Eine
PWM (Pulsbrei tenmodulation)-Steuerung, welche durch einen Inverter
durchgeführt
wird, reguliert die Drehzahl des elektrischen Motors 100. Die
ECU 40 empfängt
einen Wert des Stroms, welcher zu der Motorspule des elektrischen
Motors 100 strömt,
welcher für
die PWM-Steuerung erfasst wird. Die ECU 40 arbeitet auf
der Grundlage eines Steuerprogramms, welches in den Speichereinrichtungen, wie
dem ROM, gespeichert ist, und gibt Steuersignale an den Elektromotor 100 aus.
Die ECU 40 dient als ein Stromverbrauchsdetektor und ein
Steuergerät der
vorliegenden Erfindung.
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Es
folgt eine Beschreibung, wie die Luftzufuhrvorrichtung arbeitet.
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Der
Drehmomentüberträger 3 versetzt
die Schneckenrotoren 1, 2 synchron in Drehung,
um so ein gegebenes Volumen von Luft in die Luftkompressionskammer 10a durch
die Einlassöffnung 7a aufzunehmen.
Die Drehung der Schneckenrotoren 1, 2 verschiebt
die Luftkompressionskammern 10a axial von der Seite der
Abdeckung 8 zu der Seite der Schmierkammer 9.
Dies senkt gleichzeitig das Volumen der Luftkompressionskammer 10a,
wodurch die Luft in der Luftkompressionskammer 10a komprimiert
wird.
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Wenn
die Anzahl von Umdrehungen der Schneckenrotoren 1, 2 einen
vorbestimmten Wert erreicht, kommt die Luftkompressionskammer 10a an der
Abgabeöffnung 7b an,
welche an der Seite der Schmierkammer 9 des Rotorgehäuses 7 angeordnet ist.
Die in der Luftkompressionskammer 10a eingeschlossene Luft
wird somit durch die Abgabeöffnung 7b freigegeben,
um der katalytischen Verbrennungsvorrichtung 200 zugeführt zu werden,
welche stromabwärts
des Luftstromdurchtritts angeordnet ist, um darin eine chemische
Katalyse durchzuführen.
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3 zeigt
die Strömung
der Luftzufuhr-Kompressionssteuerung, welche durch die Luftzufuhrvorrichtung
der ersten Ausführungsform
ausgeführt
wird, und durch die CPU der ECU 40 auf der Grundlage eines
Steuerprogramms ausgeführt
wird.
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In
Schritt S10 stellt ein Bediener eine Drehzahl des Elektromotors 100 entsprechend
einem Zielluftdruck und eines der katalytischen Verbrennungsvorrichtung 200 zuzuführenden
Luftstromvolumens ein. In Schritt S11 beginnt der Elektromotor 100 auf
der Grundlage der in Schritt S10 eingestellten Drehzahl sich zu
drehen. In Schritt S12 erfasst die ECU 40 einen Luftdruckwert
an der Abgabeöffnung 7b.
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In
Schritt S13 bestimmt die ECU 40 einen Kriterium-Stromwert,
welcher zur Einstellung des in Schritt S12 erfassten Drucks von
Luft erforderlich ist, welche durch die Abgabeöffnung 7b abgegeben
wird. Der Kriteriumwert ist eine Größe von Strom, welcher erforderlich
ist, um den Zielabgabedruck zu erzeugen und basiert auf einem Standard-Atmosphärendruck (Atmosphärendruck 1).
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In
Schritt S14 erfasst die ECU 40 einen Stromwert, welcher
durch die Motorspule des Elektromotors 100 strömt. In Schritt
S15 bestimmt die ECU 40, ob der in Schritt S14 erfasste
Stromwert größer als
der Kriterium-Stromwert ist. Wenn in Schritt S15 Nein gilt, kehrt
der Prozess zu dem Start zurück. Wenn
in Schritt S15 Ja gilt, ist die durch den Elektromotor verrichtete
Arbeit groß,
so dass der äußere Luftdruck
dahingehend eingeschätzt
wird, kleiner als Atmosphärendruck 1 zu
sein und der Prozess geht zu Schritt S16.
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In
Schritt S16 erhöht
die ECU 40 die Drehzahl des Elektromotors 100 um
eine vorbestimmte Erhöhung.
Die Erhöhung
der Drehzahl kann auf einen Wert in Übereinstimmung mit dem Vorrichtungszustand,
beispielsweise 100 U/min, sein. Die Vorrichtung verhindert somit,
dass der Druck der Luft, welche der katalytischen Verbrennungsvorrichtung 200 zugeführt wird,
sinkt, wenn der Atmosphärendruck niedriger
als Atmosphärendruck 1 ist.
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Wie
vorstehend beschrieben, arbeitet die Luftzufuhrvorrichtung der ersten
Ausführungsform dahingehend,
den Druck der Abgabeluft auf der Grundlage des Atmosphärendrucks
einzustellen, ohne den Atmosphärendruck
direkt zu erfassen. Die Einstellung wird durch Vergleich eines tatsächlichen Stroms
mit dem Kriterium strom bei Atmosphärendruck 1 durchgeführt, und
wird auf der Grundlage der Drehzahl des Motors und des Abgabeluftdrucks
berechnet. Demgemäß kann die
vorstehend beschriebene Luftzufuhrvorrichtung die Luft, welche dem Elektromotor 100 zugeführt wird,
entsprechend dem Atmosphärendruck
unter Verwendung eines einfachen Aufbaus einstellen, welcher keinen
Sensor zum Erfassen des Atmosphärendrucks
benötigt.
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Bei
der ersten Ausführungsform
kann das Programm dahingehend arbeiten, die Drehzahl des Motors
zu senken, wenn der in Schritt S14 erfasste Strömungsstrom kleiner als der
in Schritt S13 berechnete Kriteriumstrom ist.
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4 zeigt
eine Querschnitts-Seitenansicht einer Luftzufuhrvorrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform.
Diese Luftzufuhrvorrichtung der zweiten Ausführungsform ist größtenteils
identisch zu der der ersten Ausführungsform,
mit Ausnahme dessen, dass sie des Weiteren eine Luftabgabeführung 27 und
ein Luftdrucksteuerventil 28 in der Luftabgabeführung 27 aufweist.
Das Luftdrucksteuerventil dient zum Einstellen der Luftströmung von der
Abgabeöffnung 7b auf
einen der der katalytischen Verbrennungsvorrichtung 200 zuzuführenden Zieldruck.
Ein großer Öffnungsgrad
des Luftdrucksteuerventils 28 bewirkt, dass der der katalytischen Verbrennungsvorrichtung 200 zugeführte Luftdruck groß ist, während ein
kleiner Öffnungsgrad
bewirkt, dass der Luftdruck klein ist. Die ECU 40 arbeitet
entsprechend einem in seinem Speicher, wie dem ROM, gespeicherten
Programm, und gibt ein Steuersignal an das Luftdrucksteuerventil 28 aus.
In dieser Ausführungsform
erfasst der Drucksensor 26 einen Druck in der Luftabgabeführung 27 an
einem Punkt zwischen der Abgabeöffnung 7b und
dem Luftdrucksteuerventil 28.
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5 zeigt
den Fluss der Luftzufuhrkompressionssteuerung, welche durch die
Luftzufuhrvorrichtung der zweiten Ausführungsform durchgeführt wird,
und welche durch die CPU der ECU 40 auf der Grundlage eines
Steuerprogramms ausgeführt
wird.
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Jeder
der Schritte S20 bis S26 ist den Schritten S10 bis S16 der ersten
Ausführungsform äquivalent.
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In
Schritt S26 erhöht
die ECU die Drehzahl des Elektromotors 100 um eine vorbestimmte
Erhöhung.
In Schritt S27 senkt die ECU 40 den Öffnungsgrad des Luftdrucksteuerventils 28.
Die Vorrichtung verhindert somit, dass der Druck der Luft, welche
der katalytischen Verbrennungsvorrichtung 200 zugeführt wird,
sinkt, wenn der Atmosphärendruck
niedriger als Atmosphärendruck 1 ist.
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Demgemäß kann die
Luftzufuhrvorrichtung, welche vorstehend beschrieben ist, die durch
den elektrischen Motor 100 zugeführte Luft gemäß dem Atmosphärendruck
unter Verwendung eines einfachen Aufbaus einstellen, und erfordert
keinen Sensor zur Erfassung des Atmosphärendrucks.
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In
der zweiten Ausführungsform
ist Schritt 26, welcher die Drehzahl des Elektromotors 100 erhöht, nicht
immer nötig.
Das Programm kann dahingehend arbeiten, die Drehzahl des Motors
zu senken, und den Öffnungsgrad
des Luftdrucksteuerventils 28 zu erhöhen, wenn der in Schritt S24
erfasste Strömungsstrom
kleiner als der Kriteriumstrom ist, welcher in Schritt S23 berechnet
wurde.
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Die
ersten und zweiten Ausführungsformen verwenden
den Kriteriumstrom und den Strömungsstrom
des Elektromotors 100. Diese beziehen sich direkt auf den
durch den elektrischen Motor 100 verbrauchten elektrischen
Strom. In einer alternativen Ausführungsform kann anstelle der
Verwendung des Kriteriumstroms und des Strömungsstroms das Programm den
durch den Elektromotor 100 verbrauchten elektrischen Strom
als den Kriterium- und tatsächlichen
Wert verwenden.
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In
einer anderen alternativen Ausführungsform
kann anstelle der katalytischen Verbrennungsvorrichtung 200 die
Luftzufuhrvorrichtung Luft zu anderen Vorrichtungen liefern, welche
Luft benötigen, wie
einer Kraftstoffzelle oder andere Luftverbrauch-Anschlussteile,
oder selbst für
eine Fahrzeugkabine. In dem Fall eines Kraftstoffzellen-getriebenen
Fahrzeugs kann die Luftzufuhrvorrichtung der vorliegenden Erfindung
verwendet werden, um ein Absinken der Leistungsabgabe zu verhindern,
wenn das Fahrzeug in Höhenlagen
fährt,
wo der Luftdruck relativ niedrig ist.
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Die
vorliegende Erfindung kann nicht nur auf Luftzufuhrvorrichtungen
mit einem Schneckenrotorkompressor sondern auch für solche
verwendet werden, welche andere Volumenkompressoren aufweisen, wie
Root-Kompressoren und/oder Rollen- bzw. Spiralkompressoren