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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Motor, der zum Antreiben
von Land-, Wasser- und Luftfahrzeugen und der auch zum Antrieb von
Maschinen oder zur Herstellung von Energie verschiedenster Formen
verwendet werden kann. Insbesondere betrifft die Erfindung einen
solchen Motor, der als Druckluftmotor ausgebildet ist. Noch spezieller
betrifft die Erfindung einen solchen Motor, der als Kolben-/Hubkolbenmotor ausgebildet
ist, wobei es unerheblich ist, welche Bauform (Reihen-, Boxer-,
Stern-, ...-Motor) der Kolben-/Hubkolbenmotor hat. Ebenso ist es
unerheblich, über wie viel Zylinder und Ventile (oder deren
Anordnung) der Kolben-/Hubkolbenmotor verfügt, da das Vorhandensein
von mindestens einem Verdichter-Bereich (2) und einem Arbeits-Bereich
(3) des erfindungsgemäßen Motors (1)
zur Funktionsfähigkeit ausreicht (3) und dass, während
der Arbeits-Zyklus einmal durchlaufen wird, der Verdichter-Zyklus
des erfindungsgemäßen Motors zweimal durchlaufen
wird. Des Weiteren benötigt der erfindungsmäßige
Motor nur eine Kurbelwelle, jedoch keine Nockenwelle, Stößel,
Kipphebel, Tassenstößel oder Schlepphebel; dadurch
entfallen auch die hierzu erforderlichen Zahnriemen oder Steuerketten;
ebenso kann auf eine herkömmliche Abgasanlage und ein Kühlsystem
mit Wasser verzichtet werden. Ein vorhandener Zylinderkopf kann
bei Umstellung ausgetauscht werden und die nicht mehr benötigen
Teile werden entfernt. Zerstörte Motoren durch das Zusammentreffen
von Kolben und geöffneten Ventilen sind somit nicht mehr
möglich.
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Hintergrund der Erfindung, Stand der Technik
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Es
ist bekannt, dass Motoren unter anderem zum Bewegen von Land-, Wasser-
und Luftfahrzeugen, zum Antrieb von Maschinen oder zur Herstellung
von Energie verschiedenster Formen verwendet werden. Es ist auch
bekannt, dass die Vielzahl bekannter Motorenarten immer mit einem
schadstoffträchtigen Treibstoff, wie z. B. Benzin, Diesel,
GPL, etc. betrieben werden müssen.
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Allgemeines
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Folgender
Ablauf beschreibt den Viertaktprozess (jedoch nur als Beispiel zur
Verdeutlichung):
- 1. Takt, Ansaugen: Der Kolben
befindet sich im oberen Totpunkt und beginnt, sich abwärts
zu bewegen. Das Einlassventil öffnet und Luft (bei Motoren
mit innerer Gemischbildung, z. B. Dieselmotor oder Benzin-Direkteinspritzer)
oder brennbares Gemisch (bei Motoren mit äußerer
Gemischbildung, z. B. Vergaser-Ottomotor oder indirekter Benzineinspritzer)
wird in den Zylinder gesaugt. Wenn der Kolben den unteren Totpunkt
erreicht, wird das Einlassventil geschlossen.
- 2. Takt, Verdichten: Der Kolben bewegt sich nun nach oben und
verdichtet dabei das sich im Zylinder befindliche Gas. Ist der Kolben
beim Otto-Motor mit Vergaser oder indirekter Benzineinspritzung
nahe am oberen Totpunkt angelangt, wird die Zündkerze gezündet;
beim Direkteinspritzer wird kurz zuvor der Kraftstoff eingespritzt.
Ebenso beim Dieselmotor: kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes
wird der Dieselkraftstoff eingespritzt. Durch die Aufwärtsbewegung
des Kolbens wird das Luft-Kraftstoffgemisch verdichtet. Das Gas erwärmt
sich, der Druck steigt bis zur Entzündung. Bei Dieselmotoren
entzündet sich das Gemisch automatisch durch die Verdichtung,
die die Temperatur erhöht, beim Benzinmotor wird es durch
den Funken der Zündkerze ausgelöst.
- 3. Takt, Arbeiten: Das verbrannte Gas hat einen höheren
Druck als das verdichtete, so dass beim Arbeitstakt mechanische
Arbeit verrichtet wird.
- 4. Takt, Ausstoßen: Wenn der Kolben den unteren Totpunkt
erreicht, wird das Auslassventil geöffnet. Durch die Aufwärtsbewegung
des Kolbens wird das Abgas aus dem Zylinder geschoben. Am Ende des
Ausstoßtaktes kommt es zur so genannten Ventilüberschneidung.
Das Einlassventil wird geöffnet, bevor der Kolben den oberen
Totpunkt erreicht hat. Durch den Sog der ausströmenden
Abgase entsteht ein Unterdruck, durch den das Gemisch oder die Ansaugluft
gegen die Kolbenbewegung einströmen kann. Hierdurch soll der
Füllungsgrad verbessert werden. Das Auslassventil schließt,
kurz nachdem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat.
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Pro
Zylinder gibt es mindestens ein Einlass- und ein Auslass-Ventil,
aber auch 3 oder 4 Ventile pro Zylinder sind üblich, manchmal
5 Ventile. 4-Ventil-Motoren haben wegen des leichteren Gasaustausches
mehr Leistung als Zweiventiler. So genannte 16-V-Motoren sind meist
4-Zylinder-Motoren mit je 4 Ventilen pro Zylinder.
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Die
Ventile werden von (der) Nockenwellen) gesteuert. Diese wird von
der Kurbelwelle, heute zumeist über einen Zahnriemen oder
eine Steuerkette angetrieben und läuft mit halber Kurbelwellendrehzahl.
Bei Hochleistungsmotoren wurde für den Ventiltrieb früher
oft eine Königswelle oder wie heute noch gebräuchlich, Zahnräder
verwendet. Liegt die Nockenwelle unten (d. h. nicht im Zylinderkopf),
werden die (hängenden) Ventile bei OHV-Motoren über
Stoßstangen und Kipphebel betätigt, bei SV-Motoren
(stehende Ventile) bis in die fünfziger Jahre hinein direkt über
Stößel. Die Stoßstangen können
entfallen, wenn die Nockenwelle oben liegt (aktuell die im PKW-Motorenbau
am häufigsten verwendete Variante), dann werden die Ventile über
Kipphebel, Tassenstößel oder Schlepphebel gesteuert.
Bei zwei obenliegenden Nockenwellen werden die Ventile über
besonders leichte Tassenstößel betätigt,
und es ergibt sich die günstige halbkugelförmige
Brennkammerform im Zylinderkopf.
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Ein
Problem bei der Verwendung der o. g. Treibstoffe ist die hohe Schadstoffdichte
dieser Stoffe, so dass die von den Fahrzeugen und Schiffen ausgestoßene
Luft relativ hoch belastet ist.
- (vgl. z. B. http://science.orf.at/science/news/95557).
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Weiterhin
müssen viele der heute verwendeten Treibstoffe unter Zuhilfenahme
irgendeiner anderen Energiequelle erzeugt werden. Dies ist oft unökonomisch
und ökologisch schwer nachzuvollziehen (Beispiel Wasserstoff).
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Die
vorhandenen Ressourcen sollten sinnvoller verwandt und nicht verbrannt
werden, da sie damit unwiederbringlich verloren sind.
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"Die
FCKW-Reduzierung bremste globale Erwärmung: Die 1987 mit
dem Montreal-Protokoll eingeleiteten Maßnahmen zum Schutz
der Ozonschicht haben die globale Erwärmung stärker
gebremst, als es etwa das Kyoto-Protokoll im Fall seiner Umsetzung
vermag". Anhand dieser Studie ist zu erkennen, dass es nie zu spät
ist, etwas zu ändern... (http://science.orf.at/science/news/14747199)
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Die
Tabellenwerte zeigen, dass die von Klimaforschern verlangte Schwelle
von 3 t CO2 pro Kopf und Jahr schnell erreicht ist: wer 17.650 km
per PKW mit derzeitiger Durchschnittsemission von 170 g/km zurücklegt,
hat bereits 3 t CO2 erzeugt. Ein Single-Haushalt mit 2500 kWh Stromverbrauch
und 10.000 kWh Gas-Heizung hat die Schwelle mit 3,1 Tonnen schon
allein mit nur Strom und Heizung überschritten.
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Die
folgende Tabelle liefert Beispiele für CO2-Emissionen,
wie sie pro Person typischerweise anfallen können.
| CO2-Quelle | CO2/Einheit | inheiten
im Jahr | kg
CO2 im Jahr |
| PKW
geplanter EU-Grenzwert: 4,81/100 km | 120
g/km | 10.000
km | 1.200 |
| PKW-Neuwagen:
Durchschnitt: 6,51/100 km | 163
g/km | 10.000
km | 1.630 |
| Porsche | 297
g/km | 10.000
km | 2.970 |
| Bahnreisen | 59
g/km | 10.000
km | 590 |
| Flug:
Düsseldorf-Mallorca u. zurück* | | 1
mal | 720 |
| Strom:
aktueller Strommix** | 600
g/kWh | 2000
kWh | 1.200 |
| Strom:
Windkraft** | 20
g/kWh | 2000
kWh | 40 |
| Wohnen-Gasheizung** | 160
g/kWh | 10.000
kWh*** | 1600 |
| * atmosfair.de
** Daten aus: Gemis-Datenbank *** Bei einem Brennwertfaktor von
B = 9,7760 kWh/m3 folgt: 10.000 kWh/B =
1023 m3 Gas |
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Mit
rund 18 Mrd. Tonnen CO2 erzeugten alleine die Industrieländer
im Jahr 2004 bereits fast so viele Treibhaus gase, wie die ganze
Menschheit eigentlich nur ausstoßen darf, um die globale
Erwärmung auf 2°C zu begrenzen.
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Auf
Dauer muss sogar noch mehr passieren: Die CO2-Konzentration in der
Atmosphäre darf 450 ppm nicht überschreiten; seit
vorindustrieller Zeit wurde sie schon um 100 ppm auf 380 ppm erhöht.
Deshalb muss bis zum Jahr 2050 der CO2-Ausstoß weltweit
um 50%, also jedes Jahr im Durchschnitt um 1,16% gesenkt werden.
Um dem Nachholbedarf der Entwicklungs- und Schwellenländern
gerecht zu werden, fordern Klimaforscher wie Stefan Rahmstorf, dass
die Industrieländer ihre CO2-Emissionen bis 2050 sogar
um 80% im Vergleich zu 1990 senken sollen.
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Angesichts
dieser Größenordnungen wird klar, dass die Industrienationen
vor großen Herausforderung stehen, die aber durchaus zu
bewältigen sind, vor allem durch viel mehr Energieeffizienz
und Energiesparen sowie dem massiven Ausbau Erneuerbarer Energien.
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Wenn
das nicht reicht, könnte ein weltweiter Emissionshandel
helfen, den CO2-Ausstoß vor allem in den aufstrebenden
Schwellenländern (China, Indien, Brasilien, ...) zu senken
durch Finanzierung innovativer Technologien und breiter Nutzung
Erneuerbarer Energien.
- (http://www.learn-line.nrw.de/angebote/agenda21/daten/treibhausgase.htm#weltweit)
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher
erläutert. Darin zeigt:
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1 Übersichtsseite;
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2 schematische
Ansichten von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Motors;
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3 schematische
Ansichten des Verdichter-Bereichs (2) und des Arbeits-Bereichs
(3) einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Motors;
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4 schematisch
die Ansicht des neuen, vereinfachten Zylinderkopfs einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Motors;
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5 schematisch
den Verdichter-Zyklus des erfindungsgemäßen Motors;
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6 schematisch
den Arbeits-Zyklus des erfindungsgemäßen Motors;
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7 schematisch
die Tanks mit Versorgungsleitungen, die el. Versorgung des erfindungsgemäßen Motors;
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8 schematisch
das hydraulische System des erfindungsgemäßen
Motors;
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9 schematisch
die Booster mit Leitungen des erfindungsgemäßen
Motors;
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Detaillierte Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
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Der
erfindungsgemäße Motor (1) ist intern
in mindestens einen Verdichter-Bereich (2) und einen Arbeits-Bereich
(3) aufgeteilt und die Bereiche haben keinerlei direkte
Verbindung untereinander (3), die
im Folgenden erläutert werden sollen. Die Verdichter-Bereiche
(2) und die Arbeits-Bereiche (3) können
hintereinander oder nebeneinander angeordnet sein (2)
und bilden so einen Motorblock.
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Für
den Fachmann ist es klar, dass zur Funktionsfähigkeit des
erfindungsgemäßen Motors (1) bereits das
Vorhandensein von mindestens je einem Verdichter-Bereich (2)
und einem Arbeits-Bereich (3) ausreichend sind und im Folgenden
soll ein Ausführungsbeispiel mit je einem Verdichter-Bereich
(2) und einen Arbeits-Bereich (3) erläutert
werden.
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3 zeigt
schematisch je einen transparenten Verdichter-Bereich (2)
und einen Arbeits-Bereich (3) des erfindungsgemäßen
Motors (1). Ein Motorblock (1) besteht mindestens
aus einem Verdichter-Bereich (2) und einem Arbeits-Bereich
(3).
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Ein
Verdichter-Bereich (2) besteht mindestens aus einer Kurbelwelle
(5), einem Zylinder (62), einem Kolben (63),
einer Pleuelstange (8), einer Schwungscheibe (6),
und einem Lufteinlass (60) mit elektronisch gesteuertem
Einlassventil (64), durch den Atmosphärenluft
ansaugbar ist, (diese kann zuvor gefiltert werden (39) und/oder
durch einen Turbolader und/oder Kompressor (40) vorverdichtet
werden), wobei die angesaugte Atmosphärenluft mittels des
Kolbens (63) komprimierbar ist, sowie einem Luftauslass
(61) mit einem mit elektronisch gesteuerten Auslassventil
(65).
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Ein
Arbeits-Bereich (3) besteht mindestens aus einer Kurbelwelle
(5), einem Zylinder (7), einem Kolben (4),
einer Pleuelstange (8), einer Schwungscheibe (6),
und einem Lufteinlass (38) mit elektronisch gesteuertem
Einlassventil (10), durch den Atmosphärenluft
ansaugbar ist, (diese kann zuvor gefiltert werden (39) und/oder
durch einen Turbolader und/oder Kompressor (40) vorverdichtet
werden), wobei die angesaugte Atmosphärenluft mittels des
Kolbens (4) komprimierbar ist, elektronisch gesteuerten
Einspritzdüsen (42) zum Einspritzen von Druck-
bzw. Pressluft aus den Speichereinrichtungen (13) durch
den Zündkanal (41) sowie einem Luftauslass (43)
mit einem mit elektronisch gesteuerten Auslassventil (11).
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Je
nach Verwendungszweck und benötigtem Hubraum können
die Verdichter-Bereiche (2) und die Arbeits-Bereiche (3)
des erfindungsgemäßen Motors (1) entweder
nur aus einer Anordnung bestehen, oder es können eine Mehrzahl
dieser Kombinationen hintereinander oder nebeneinander angeordnet
sein. Je stärker die erforderliche Leistung sein soll,
desto mehr Verdichter-Bereiche (2) und Arbeits-Bereiche
(3) werden benötigt, wobei immer das gewünschte
Ergebnis die Grundlage für mehr Verdichter-Bereiche (2)
oder Arbeits-Bereiche (3) ist; damit ist gemeint, dass
das Verhältnis von Verdichter-Bereichen (2) zu
Arbeits-Bereichen (3) nicht 1:1 sein muss, sondern auch
3:2 oder 3:4 oder ... sein kann. Die einzelnen Verdichter-Bereiche
(2) und die Arbeits-Bereiche (3) sind miteinander
durch eine Kurbelwelle (5) verbunden, so dass bei jeder
Bewegung eines Kolbens (4, 63) über die
Pleuelstangen (8) auch die anderen vorhandenen Kolben in
Bewegung versetzt werden. Der Hubraum des Verdichter-Bereiches (2)
und des Arbeits-Bereiches (3) lässt sich auch
noch zusätzlich durch die Baugröße der
Verdichter-Bereiche (2) und der Arbeits-Bereiche (3)
verändern. Dadurch kann je nach Erfordernis, der einzelne
Zylinder (7, 62) in Breite und Höhe individuell
verändert und angepasst werden und der Schwerpunkt der
Leistung entweder auf den Verdichter-Bereich (2) oder den
Arbeits-Bereich (3) verlagert werden.
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Generell
ist noch anzumerken, dass sich durch das Aneinanderreihen mehrerer
Motorteile (Verdichter-Bereiche (2) und Arbeits-Bereiche
(3)) mit geringem Bauaufwand bei relativ kleinen Motorabmessungen große
Leistungen verwirklichen lassen. Bei einer späteren Nachrüstung
in bestehende Fahrzeuge oder Anlagen wird nur der Zylinderkopf des
jeweiligen Motors ersetzt, alle nicht mehr benötigten Teile
wie Nockenwelle, ..., Benzinversorgung, Abgasanlage, ... werden
entfernt.
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3 zeigt
die Verdichter-Bereiche (2) und die Arbeits-Bereiche (3).
Alle Ventile und Einspritzdüsen (10, 11, 64, 65, 42)
werden durch eine Stromquelle, bspw. eine Batterie (75)
mit Strom versorgt und durch ein Steuergerät (76)
gesteuert, das dazu dient, die Ventile korrekt zu öffnen
bzw. zu schließen. Die Regelung der Drehzahl erfolgt durch
ein elektronisches Gaspedal, welches über verschiedene
Druckminderer und Ventile Druckluft von unterschiedlichem Druck
freigibt. Gleichzeitig wird natürlich, entsprechend der
Drehzahl, auch die Produktion der Druckluft für die Speichereinrichtungen
gesteigert. Weitere Einsparmöglichkeiten beim Verbrauch
können sich dadurch erzielt werden, dass bei hohen Drehzahlen
nur noch bei jeder zweiten oder dritten Umdrehung eine "Zündung"
stattfindet. Diese Anordnungen sind selbstverständlich
lediglich als beispielhaft anzusehen, für den Fachmann
ist klar, dass auch andere Anordnungen möglich sind.
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Der
Start des Motors (1) erfolgt durch einen herkömmlichen
Anlasser (71). Dieser dreht die Schwungscheibe-2 (12)
und ein Drehgeber (72) signalisiert der Steuerung (76)
die Kurbelwellenstellung und damit auch die Kolbenstellung. Das
im Steuergerät hinterlegte Programm startet nun und löst
die entsprechenden Programmsequenzen aus und verarbeitet sie. Durch
die Betätigung eines elektronischen Gaspedals werden weitere
entsprechende Programmsequenzen ausgelöst und abgearbeitet.
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4 zeigt
den vereinfachten Zylinderkopf (9) des Verdichter-Bereiches
(2) und des Arbeits-Bereiches (3). Alle Ventile
und Einspritzdüsen (10, 11, 64, 65, 42)
sind direkt mit dem Zylinderkopf (9) verbunden und benötigen
daher keine Nockenwelle, Stößel, Kipphebel, Tassenstößel,
Schlepphebel, usw. und daher auch keine Zahnriemen oder Steuerketten.
Ein Austausch bei vorhandenen Motoren ist deshalb denkbar einfach
und kostengünstig. Zerstörte Motoren durch das
Zusammentreffen von Kolben und geöffneten Ventilen sind
somit nicht mehr möglich. 5 und 6 zeigen
wie der Verdichter-Zyklus und der Arbeitszyklus ablaufen:
während
der Arbeits-Zyklus einmal durchlaufen wird, wird der Verdichter-Zyklus
des erfindungsgemäßen Motors zweimal durchlaufen.
Dies hat den Vorteil, dass wesentlich mehr verdichtet Druckluft
in die Zwischen-Speichereinrichtungen/Tanks (80) gefördert
wird.
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Beim
Verdichter-Zyklus wird atmosphärische Luft am Lufteinlass
(60) durch das Einlassventil (64) durch den Luftfilter
(39) durch die Abwärtsbewegung (Einlassventil
(64) geöffnet und Auslassventil (65)
geschlossen) des Kolbens (63) in den Zylinder (62)
angesaugt und bei der Aufwärtsbewegung (am unteren Totpunkt,
sind das Einlassventil (64) und das Auslassventil (65)
geschlossen) des Kolbens (63) im Zylinder (62) verdichtet
(z. B. bis zu 100:1). Durch die Verdichtung erhöht sich
die Temperatur der jetzt verdichteten Luft. Kurz vor/am oberen Totpunkt
(das Einlassventil (64) ist geschlossen) wird jetzt das
Auslassventil (65) geöffnet. Diese verdichtete
Druckluft wird jetzt aus dem Luftauslass (61) durch das
Auslassventil (65) über die Leitungen (84)
durch die Kühl-Filter-Abscheider-Kombinationen (59)
in das Hochdruck-Rail (83) und, geregelt durch die Kombination
(82), zu den Zwischenspeichern (80) geleitet. Überdruck
verhindert die Kombination (82).
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Aus
den Zwischenspeichern (80) wird je nach Bedarf, geregelt
durch die Kombination (82), komprimierte Druckluft über
die Leitungen (44) zum ersten Booster (17) geleitet.
Hier werden ein Teil der Druckluft zum Antrieb (20) und
ein anderer Teil der Druckluft (18) zum Weiterverdichten
verwendet. Die nicht mehr benötigte Druckluft wird über
die Leitungen (48) durch die Kühl-Filter-Abscheider-Kombinationen
(49, 50, 59) gereinigt der Natur zurück
gegeben.
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Die
so hochverdichtet Druckluft aus dem Booster (17) wird vom
Ausgang (19) über die Leitung (45) zum
Eingang (25) des Boosters (22) geleitet. Hier
erfolgt eine weitere Verdichtung der Druckluft auf bis zu 300 bar.
Diese hochverdichtete Druckluft wird jetzt über die Leitungen
(46) durch die Kühl-Filter-Abscheider-Kombinationen
(49), das Hochdruck-Rail (14) und geregelt durch
die Kombination (15) zu der Tanks (13) geleitet. Überdruck
verhindert die Kombination (15).
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Der
Antrieb des Boosters (22) erfolgt hydraulisch. Der erforderliche
Druck von ca. 200 bar wird mit der Hochdruckpumpe (27)
erzeugt, die mit der Kurbelwelle verbunden ist. Diese saugt durch
den Einlass (28) über die Leitung (51)
durch den Auslass (35) aus dem Hydraulik-Öl-Tank
(34) die erforderliche Menge an Hydraulik-Öl an
und verdichtet sie. Durch das Hochdruck-Rail (30) wird
nun über (32) und die Leitung (53) der
Antrieb (23) des Boosters (22) versorgt. Der Rücklauf
zum Hydraulik-Öl-Tank (34) erfolgt über
(24) und die Leitung (54) und wird dabei zur Kühlung
durch die Kühl-Filter-Abscheider-Kombinationen (50)
geleitet. Für den Fachmann ist es klar, dass die Anordnung,
Art und Auswahl der Booster frei gewählt werden kann.
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Beim
Arbeits-Zyklus wird atmosphärische Luft am Lufteinlass
(38) durch das Einlassventil (10) durch den Luftfilter
(39) durch die Abwärtsbewegung (Einlassventil
(10) geöffnet und Auslassventil (11)
geschlossen) des Kolbens (4) in den Zylinder (7)
angesaugt und bei der Aufwärtsbewegung (Einlassventil (10)
und Auslassventil (11) geschlossen) des Kolbens (4)
im Zylinder (7) verdichtet und dies führt automatisch
zu einem Temperaturanstieg der verdichteten Luft. Wenn der Kolben
(4) den oberen Totpunkt überschritten hat (Einlassventil (10)
und Auslassventil (11) sind immer noch geschlossen), wird
durch elektronisch gesteuerte Einspritzdüsen (42)
eine zuvor genau berechnete Menge an hochverdichteter Druckluft
(150–300 bar mit normaler Raumtemperatur) aus den Speichereinrichtungen
(13) durch den Zündkanal (41) in den
Zylinder (7) zugeführt und "zündet" die
zuvor komprimierte und erhitzte Druckluft und versetzt den Kolben
(4) im Zylinder (7) in eine Abwärtsbewegung
und bei der darauf folgenden Aufwärtsbewegung (Einlassventil
(10) geschlossen und Auslassventil (11) geöffnet)
wird die nahezu entspannte Druckluft aus dem Luftauslass (43)
ausgestoßen.
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Die
"Zündung" findet folgendermaßen statt: die zuvor
angesaugte/verdichtet Luft mit erhöhter Temperatur wird
mit der hochverdichteten und kühleren Luft aus den Tanks
(13) zusammen gebracht. Dieses Gemisch entspannt sich explosionsartig
wenn es auf einander trifft, vergrößert dadurch
sein Volumen und durch die Abwärtsbewegung des Kolbens
(4) in dem Zylinder (7) dreht den Motor vorwärts.
Bei nicht korrekt berechneter Menge, Druck und Einstellung werden
alle Dichtungen und der Motor zerstört.
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Zur
Leistungsverbesserung kann die am Lufteinlass (38) eingeströmte/angesaugte
Luft schon mit einem Turbolader und/oder Kompressor (40)
vorverdichtet werden.
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Die
jetzt aus dem Luftauslass (43) durch das Auslassventil
(11) ausgestoßene Druckluft hat nur noch eine
Temperatur von 0 bis –15 Grad Celsius und immer noch einen
Druck von wenigen Bar. Diese Abluft wird jetzt über die
Leitung (57) zu (21) geleitet und gelangt dann
in das verbundene Abluft-Leitungsnetz.
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Die
Verbindungsteile zwischen dem erfindungsgemäßen
Motor (1) und den bereits vorhandenen Getrieben und Antriebswellen
sind einfach herstellbar und lieferbar, so dass eine Umrüstung
bestehender Fahrzeuge jederzeit auf einfache Art und Weise nachträglich
möglich ist. Es kann aber auch ein vorhandener Zylinderkopf
bei Umstellung ausgetauscht werden und die nicht mehr benötigen
Teile können entfernt werden. Bei der Planung von neuen
Motoren und Neufahrzeugen kann auf einen Wasser-Kühl-Kreislauf,
eine herkömmliche Treibstoffversorgung mit allen dazu benötigten
Teilen und auf ein Abgassystem verzichtet werden. Dies wird künftig
die Kosten erheblich senken können. Bei der Weiterentwicklung
von Motoren muss ein Umdenken erfolgen, indem einfach im Kopf noch
einmal bei Null begonnen wird; die aktuellen Einsparungen beim Verbrauch
und/oder Schadstoffausstoß bewegen sich in minimalsten
Werten und werden eigentlich nur mit einem kaum zu vertretenden
Kapitaleinsatz erreicht.
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Das
Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen
Motors (1) läuft wie folgt ab:
[die in (5 + 6)
beschriebenen Arbeitszyklen finden immer gleichzeitig statt und
die Kurbelwelle ist die gemeinsame Verbindung und während
der Arbeits-Zyklus einmal durchlaufen wird, wird der Verdichter-Zyklus des
erfindungsgemäßen Motors zweimal durchlaufen]
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Erforderlich
sind vorgefüllte Zwischenspeicher (80) mit einem
Druck von ca. 150–200 bar und vorgefüllte Drucklufttanks
(13) mit einem Druck von ca. 200–300 bar. Als
Energiequelle werden eine oder mehrere Batterien benötigt.
Die Stromversorgung ist für die Motorsteuerung und für
die elektronisch steuerbaren Sensoren, Düsen und Ventile
zwingend erforderlich.
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Der
Start des Motors (1) erfolgt durch einen herkömmlichen
Anlasser (71). Dieser dreht die Schwungscheibe-2 (12)
und ein Drehgeber (72) signalisiert der Steuerung (76)
die Kurbelwellenstellung (5) und damit auch die Kolbenstellung
(4, 63) in den Zylindern (7, 62).
Das im Steuergerät hinterlegte Programm startet nun und
löst die entsprechenden Programmsequenzen aus und arbeitet
sie ab. Durch die Betätigung eines elektronischen Gaspedals
werden weitere entsprechende Programmsequenzen ausgelöst
und abgearbeitet.
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In
den jeweiligen Verdichter- und Arbeitszyklen (5, 6)
und in den Leitungen bleiben die Zustände erhalten, die
beim Ausschalten des Motors bestanden.
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Beim
Verdichter-Zyklus wird am Lufteinlass (60) durch das Einlassventil
(64) Atmosphärenluft durch die Abwärtsbewegung
des Kolbens (63) (Einlassventil (64) geöffnet
und Auslassventil (65) geschlossen) in den Zylinder (62)
angesaugt. Diese kann zuvor gefiltert werden (39) und/oder
durch einen Turbolader und/oder Kompressor (40) vorverdichtet
werden. Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens (63)
(am unteren Totpunkt, sind das Einlassventil (64) und das
Auslassventil (65) geschlossen) im Zylinder (62)
verdichtet (z. B. bis zu 100:1). Kurz vor/am oberen Totpunkt (das
Einlassventil (64) ist geschlossen) wird jetzt das Auslassventil
(65) geöffnet. Diese verdichtete Druckluft wird
jetzt aus dem Luftauslass (61) durch das Auslassventil
(65) über die Leitungen (84) durch die
Kühl-Filter-Abscheider-Kombinationen (59) in das
Hochdruck-Rail (83) und, geregelt durch die Kombination
(82), zu den Zwischenspeichern (80) geleitet. Überdruck
verhindert die Kombination (82).
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Aus
den Zwischenspeichern (80) wird je nach Bedarf, geregelt
durch die Kombination (82), komprimierte Druckluft über
die Leitungen (44) zum ersten Booster (17) geleitet.
Hier werden ein Teil der Druckluft zum Antrieb (20) und
ein anderer Teil der Druckluft (18) zum Weiterverdichten
verwendet. Die nicht mehr benötigte Druckluft wird über
die Leitungen (48) durch die Kühl-Filter-Abscheider-Kombinationen
(49, 50, 59) gereinigt der Natur zurück
gegeben.
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Die
so hochverdichtet Druckluft aus dem Booster (17) wird vom
Ausgang (19) über die Leitung (45) zum
Eingang (25) des Boosters (22) geleitet. Hier
erfolgt eine weitere Verdichtung der Druckluft auf bis zu 300 bar.
Diese hochverdichtete Druckluft wird jetzt über die Leitungen
(46) durch die Kühl-Filter-Abscheider-Kombinationen
(49), das Hochdruck-Rail (14) und geregelt durch
die Kombination (15) zu der Tanks (13) geleitet. Überdruck
verhindert die Kombination (15).
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Der
Antrieb des Boosters (22) erfolgt hydraulisch. Der erforderliche
Druck von ca. 200 bar wird mit der Hochdruckpumpe (27)
erzeugt, die mit der Kurbelwelle verbunden ist. Diese saugt durch
den Einlass (28) über die Leitung (51)
durch den Auslass (35) aus dem Hydraulik-Öl-Tank
(34) die erforderliche Menge an Hydraulik-Öl an
und verdichtet sie. Durch das Hochdruck-Rail (30) wird
nun über (32) und die Leitung (53) der
Antrieb (23) des Boosters (22) versorgt. Der Rücklauf
zum Hydraulik-Öl-Tank (34) erfolgt über
(24) und die Leitung (54) und wird dabei zur Kühlung
durch die Kühl-Filter-Abscheider-Kombinationen (50)
geleitet.
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Dem
Fachmann ist klar, dass dies nur ein Beispiel von vielen verschiedenen
Anordnungsmöglichkeiten und Kombinationen der Booster ist.
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Beim
Arbeits-Zyklus wird am Lufteinlass (38) durch das Einlassventil
(10) Atmosphärenluft durch die Abwärtsbewegung
des Kolbens (4) (Einlassventil (10) geöffnet
und Auslassventil (11) geschlossen) in den Zylinder (7)
angesaugt (diese kann zuvor gefiltert werden (39) und/oder
durch einen Turbolader und/oder Kompressor (40) vorverdichtet
werden) und bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens (4)
(Einlassventil (10) und Auslassventil (11) geschlossen)
im Zylinder (7) verdichtet. Die Komprimierung der eingesaugten
Atmosphärenluft bewirkt wiederum einen Temperaturanstieg
der eingesaugten Atmosphärenluft („heiße
Luft"). Wenn der Kolben (4) den oberen Totpunkt überschritten
hat (Einlassventil (10) und Auslassventil (11)
sind immer noch geschlossen), wird durch elektronisch gesteuerte
Einspritzdüsen (42) eine zuvor genau berechnete
Menge an hochverdichteter Druckluft (150–300 bar mit normaler
Raumtemperatur) aus den Speichereinrichtungen (13) durch
den Zündkanal (41) in den Zylinder (7)
zugeführt und "zündet” die zuvor komprimierte
und erhitzte Druckluft und versetzt den Kolben (4) im Zylinder
(7) in eine Abwärtsbewegung und bei der darauf
folgenden Aufwärtsbewegung (Einlassventil (10)
geschlossen und Auslassventil (11) geöffnet) wird
die nahezu entspannte Druckluft aus dem Luftauslass (43)
ausgestoßen.
-
Treffen
nun die zuvor angesaugte/verdichtet Luft mit erhöhter Temperatur
und die hochverdichtete ungefähr Raumtemperatur aufweisende
Druckluft aus den Tanks (13) aufeinander, entspannt sich
dieses Gemisch explosionsartig, vergrößert dadurch
sein Volumen und durch die Abwärtsbewegung des Kolbens
(4) in dem Zylinder (7) dreht es den Motor vorwärts – die
"Zündung" ist erfolgt. Dieser Vorgang wiederholt sich jetzt bis
zum abschalten.
-
Die
jetzt aus dem Luftauslass (43) durch das Auslassventil
(11) ausgestoßene Druckluft hat nur noch eine
Temperatur von 0 bis –15 Grad Celsius und immer noch einen
Druck von wenigen Bar. Diese Abluft wird jetzt über die
Leitung (57) zu (21) geleitet und gelangt dann
in das verbundene Abluft-Leitungsnetz.
-
Die
Zwischen-Speichereinrichtungen (80) bestehen dabei aus
mehreren Druckgasflaschen, wobei eine dieser Druckgasflaschen zu
Beginn nur zu dreiviertel gefüllt ist und bei Betrieb des
Motors (1) weiter aufgefüllt wird. Die anderen
Druckgasflaschen der Zwischen-Speichereinrichtungen (80)
weisen einen Druck von ca. 150–200 bar auf, die nur zu
dreiviertel gefüllte steht unter einem Druck von ca. 180
bar.
-
Die
Speichereinrichtungen (13) bestehen dabei aus mehreren
Druckgasflaschen, wobei eine dieser Druckgasflaschen zu Beginn nur
zu dreiviertel gefüllt ist und bei Betrieb des Motors (1)
weiter aufgefüllt wird. Die anderen Druckgasflaschen der
Speichereinrichtungen (13) weisen einen Druck von ca. 200–300
bar auf, die nur zu dreiviertel gefüllte steht unter einem
Druck von ca. 220 bar.
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Die
vorgefüllten Druckgasflaschen der Speichereinrichtungen
Tanks (80, 13) werden der Reihe nach solange angezapft,
bis diese unter einen voreingestellten Betriebsdruck gefallen sind.
Danach wird automatisch jeweils auf die nächste Flasche
umgeschaltet. Die Füllung erfolgt in derselben Art und
Weise (automatisch), wobei Überdruckventile ein Bersten
verhindern.
-
Der
erfindungsgemäße Motor ist in der Lage, den zu
seinem Betrieb benötigten „Treibstoff" in Form von
hoch komprimierter Luft, also Druck- oder Pressluft, zum Teil selbst
zu erzeugen; der Elektrohilfsmotor mit Kompressor (73)
kann bei Bedarf den erforderlichen Rest erzeugen.
-
Das
Starten erfolgt mit dem Anlasser (71), der daraufhin über
den Drehgeber (72) das im Steuergerät hinterlegte
Programm startet und abarbeitet. Das Abschalten erfolgt dabei durch
Ausschalten der Stromversorgung und der darauf folgenden Schließung
aller Ventile und Düsen an allen Leitungen. Der Motor ist
damit nahezu autark, was bedeutet, dass der Motor nicht z. B. an
eine Steckdose angeschlossen werden oder mit „Treibstoff"
im herkömmlichen Sinne, nämlich Benzin, Diesel,
GPL, etc. wie beim Verbrennungsmotor versorgt werden muss. Dadurch
ist er nahezu überall einsetzbar. Die bei Verbrennungsmotoren
notwendigen kleinen Explosionen finden hier nicht statt – daher
läuft dieser Motor absolut ruhig und nahezu geräuschlos.
Das Grundprinzip liegt darin, dass das Komprimieren von Gas (Luft)
dessen Temperaturanstieg („heiße Luft”)
und die Ausdehnung von Gas (Luft) eine Temperaturverminderung („kalte
Luft”) zur Folge hat (wird z. B. bei einer Taucherflasche
das Ventil geöffnet, vereist die Armatur).
-
Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass keinerlei Emission stattfindet, keine unnötige Wärme
abgegeben wird und die ausgestoßene Luft sauberer ist als
die, die zuvor durch einen Filter eingesaugt worden ist.
-
Der
CO2-Ausstoß durch Fahrzeuge könnte somit radikal
reduziert werden, eine Überhitzung von Großstädten
und die Erderwärmung kann dadurch u. U. erheblich schneller
abgebremst werden.
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In
Städten und Gemeinden lassen sich auf diese Weise die Kosten
für öffentliche Verkehrsmittel, für die
Stadtreinigung, die Abfallbeseitigung, etc. erheblich senken.
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In
Betrieb genommen, kann ein solcher Motor auch zur Stromerzeugung
für Häuser, Firmen, Werkstätten, landwirtschaftliche
Anwesen, etc. eingesetzt werden. Der so erzeugte Strom kann dann
bspw. auch für Heizungen und Warmwasseranlagen verwendet
werden.
-
Alle
Betriebe (und auch Fahrzeuge), die auch noch Pressluft für
Arbeitsgeräte oder Maschinen benötigen, können
zusätzlich zur Stromversorgung auch die Pressluft auf diese
Weise erzeugen.
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Dadurch
wäre eine Reduzierung der Kosten möglich, ohne
die Löhne reduzieren zu müssen. In unzugänglichen
Gebieten oder Landesteilen können mit dem erfindungsgemäßen
Motor auch Wasserpumpen und dergleichen betrieben und gegebenenfalls
auch Strom erzeugt werden.
-
Ein
weiterer Vorteil liegt darin, dass je nach Verwendungszweck und
benötigtem Hubraum die Verdichter-Bereiche (2)
und die Arbeits-Bereiche (3) des erfindungsgemäßen
Motors (1) entweder nur aus einer Anordnung bestehen können,
oder es können eine Mehrzahl dieser Kombinationen hintereinander
oder nebeneinander angeordnet sein. Je stärker die erforderliche
Leistung sein soll, desto mehr Verdichter-Bereiche (2) und
Arbeits-Bereiche (3) werden benötigt, wobei immer
das gewünschte Ergebnis die Grundlage für mehr
Verdichter-Bereiche (2) oder Arbeits-Bereiche (3)
ist; damit ist gemeint, dass das Verhältnis von Verdichter-Bereichen
(2) zu Arbeits-Bereichen (3) nicht 1:1 sein muss,
sondern auch 3:2 oder 3:4 oder ... sein kann. Der Hubraum des Verdichter-Bereiches
(2) und des Arbeits-Bereiches (3) lässt
sich auch noch zusätzlich durch die Baugröße
der Verdichter-Bereiche (2) und der Arbeits-Bereiche (3)
verändern. Dadurch kann je nach Erfordernis, der einzelne
Zylinder (7, 62) in Breite und Höhe individuell
verändert und angepasst werden und der Schwerpunkt der
Leistung entweder auf den Verdichter-Bereich (2) oder den
Arbeits-Bereich (3) verlagert werden.
-
Generell
ist noch anzumerken, dass sich durch das Aneinanderreihen mehrerer
Motorteile (Verdichter-Bereiche (2) und Arbeits-Bereiche
(3)) mit geringem Bauaufwand bei relativ kleinen Motorabmessungen große
Leistungen verwirklichen lassen.
-
Erforderlich
sind allerdings immer vorgefüllte Drucklufttanks mit einem
Druck von ca. 200–300 bar und als Energiequelle werden
eine oder mehrere Batterien benötigt. Die Stromversorgung
ist für die Motorsteuerung und für die elektronisch
steuerbaren Sensoren und Ventile zwingend erforderlich. Bezugszeichenliste
| Nr. | Bezeichnung |
| 1 | Motorblock |
| 2 | Verdichter-Bereich |
| 3 | Arbeits-Bereich |
| 4 | Kolben |
| 5 | Kurbelwelle |
| 6 | Schwungscheibe |
| 7 | Zylinder |
| 8 | Pleuelstange |
| 9 | Zylinderkopf |
| 10 | Einlassventil |
| 11 | Auslassventil |
| 12 | Schwungscheibe-2 |
| 13 | Speichereinrichtungen/Tanks |
| 14 | Hochdruck-Rail
Druckluft in von 26 |
| 15 | el.
Drucksensoren, Druckregler, Ventile, Überdruckregler |
| 16 | Hochdruck-Rail
Druckluft out nach 41 |
| 17 | Booster
Antrieb pneumatisch |
| 22 | Booster
Antrieb hydraulisch |
| | Booster
sind Druckluftverdichter, Druckluftnachverdichter, Hochdruckkompressoren,
ein- und mehrstufig, doppelt und einfach wirkend oder eine Kombination aus
allem, pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch angetrieben |
| 18 | In
von 80 |
| 19 | Out
nach 25 |
| 20 | Antrieb
pneumatisch (in) von 80 |
| 21 | Antrieb
pneumatisch (out) in Atmosphäre |
| 23 | Antrieb
hydraulisch (in) von 32 |
| 24 | Antrieb
hydraulisch Rücklauf nach 36 |
| 25 | In
von 19 |
| 26 | Out
nach 14 |
| 27 | Hochdruckpumpe
Hydraulik-Öl |
| 28 | In
von 35 |
| 29 | Out
nach 31 |
| 30 | Hochdruck-Rail
Hydraulik-Öl |
| 31 | in
von 29 |
| 32 | Out
nach 23 |
| 33 | Rücklauf
zu 37 |
| 34 | Hydrauliköltank |
| 35 | Out
nach 28 |
| 36 | Rücklauf 24 |
| 37 | Rücklauf
von 33 |
| 38 | Lufteinlass |
| 39 | Luft-Filter |
| 40 | und/oder
Turbolader und/oder Kompressor |
| 41 | Zündkanal |
| 42 | el.
Ventile/Einspritzdüsen/Druckregler |
| 43 | Luftauslass |
| 44 | Leitungen
Druckluft |
| 45 | Leitungen
Druckluft |
| 46 | Leitungen
Druckluft |
| 47 | Leitungen
Druckluft |
| 48 | Leitungen
Druckluft |
| 49 | Kühlung
Druckluft incl. Luft-Filter + Abscheider |
| 50 | Kühlung
Hydraulik-Öl incl. Luft-Filter + Abscheider |
| 51 | Leitungen
Hydraulik |
| 52 | Leitungen
Hydraulik |
| 53 | Leitungen
Hydraulik |
| 54 | Leitungen
Hydraulik |
| 55 | Leitungen
Hydraulik |
| 56 | Abluft
in Atmosphäre |
| 57 | Abluft
aus 43 |
| 58 | Abluft
Teilrückführung nach 40 |
| 59 | Kühlung
Druckluft incl. Luft-Filter + Abscheider |
| 60 | Lufteinlass |
| 61 | Luftauslass |
| 62 | Zylinder |
| 63 | Kolben |
| 64 | Einlassventil |
| 65 | Auslassventil |
| 71 | Anlasser |
| 72 | Drehgeber |
| 73 | Elektrohilfsmotor
mit Kompressor |
| 74 | Lichtmaschine
lädt die Batterie auf |
| 75 | Batterie
(ist mit der Lichtmaschine und allen Stromabnehmern verbunden) |
| 76 | Steuergerät
(ist mit allen Teilen verbunden, die el. versorgt oder gesteuert
werden müssen) |
| 80 | Zwischen-Speichereinrichtungen/Tanks |
| 81 | Hochdruck-Rail
Druckluft out nach 18 + 20 |
| 82 | el.
Drucksensoren, Druckregler, Ventile, Überdruckregler |
| 83 | Hochdruck-Rail
Druckluft in von 65 |
| 84 | Leitungen
Druckluft |
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - http://science.orf.at/science/news/95557 [0006]
- - http://science.orf.at/science/news/14747199 [0009]
- - http://www.learn-line.nrw.de/angebote/agenda21/daten/treibhausgase.htm#weltweit [0015]