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Die Erfindung betrifft eine Verdichtereinrichtung für einen Verbrennungsmotor, mit einem Verdichter, der ein bewegliches, auf einer drehbar gelagerten Verdichterwelle angeordnetes Verdichterelement aufweist, und mit einem Elektromotor zum Antreiben der Verdichterwelle.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Antriebsvorrichtung mit einem Verbrennungsmotor und mit der oben genannten Verdichtereinrichtung, sowie ein Kraftfahrzeug mit dieser Antriebsvorrichtung.
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Stand der Technik
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Um die Leistung oder Effizienz von Verbrennungsmotoren zu erhöhen ist es bekannt, durch das Zuführen von (Frisch-)Luft mit einem erhöhten Druck den Füllungsgrad von Zylindern des Verbrennungsmotors zu verbessern, sodass in den Einzelnen Zylindern mehr Luft für die Verbrennung von Kraftstoff zur Verfügung steht als bei Verbrennungsmotoren, welche die Frischluft selbst ansaugen. Um den Füllungsgrad zu erhöhen beziehungsweise Frischluft mit erhöhtem Druck zur Verfügung zu stellen, ist es bekannt, Verdichter in Form von Turboladern oder Kompressoren dem Verbrennungsmotor vorzuschalten.
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Weit verbreitet sind Abgasturbolader, die vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors angetrieben werden. Auch sind Kompressoren bekannt, die vom Verbrennungsmotor durch einen Riemenantrieb mechanisch angetrieben werden. Beide Lösungen haben den Nachteil, dass ihr Betrieb vom Betrieb des Verbrennungsmotors abhängig ist, sodass es aufgrund strömungsdynamischer Verhältnisse im Luftkanal von dem Verdichter bis zum Verbrennungsmotor zu einer Verzögerung beim Druckaufbau kommt. Um dies zu vermeiden wird überlegt, Verdichtereinrichtungen einzusetzen, die elektromotorisch und damit unabhängig vom Betrieb des Verbrennungsmotors antreibbar sind. Durch den elektromotorischen Antrieb ist die Ansprechzeit eines derartigen Verdichters kürzer als die eines durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Turboladers. Bekannte Bauformen von Verdichtereinrichtung weisen einen Radialverdichter auf, der zum Erzeugen eines ausreichend hohen Druckniveaus prinzipbedingt hohe Antriebsdrehzahlen benötigt. Spiralverdichter benötigen im Vergleich zum Bereitstellen der Druckluft geringere Drehzahlen als Radialverdichter, weswegen ein Spiralverdichter trotz höherer Massenträgheit schneller auf die zum Bereitstellen des erforderlichen Drucks benötigte Drehzahl hochgefahren werden kann und folglich dazu auch weniger Energie benötigt.
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Der Verdichter sowie der Elektromotor weisen üblicherweise jeweils einen eigenen optimalen Betriebspunkt auf, was dazu führt, dass bei einer entsprechenden Verdichtereinrichtung entweder der Verdichter oder der Elektromotor, jedoch nicht beide in einem optimalen Betriebspunkt betrieben werden können.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2012 000 512 A1 ist bereits eine Vorrichtung zum Aufladen eines Verbrennungsmotors mit einem Verdichter bekannt, der durch einen Elektromotor unter Zwischenschaltung eines Getriebes antreibbar ist. Aus der Offenlegungsschrift
EP 0 899 423 A1 ist weiterhin ein herkömmlicher Spiralverdichter bekannt. Des Weiteren offenbart die
DE 10 2005 035 298 A1 eine Verdichtereinrichtung mit einem zweistufigen Übersetzungsgetriebe. Aus der Offenlegungsschrift
FR 585 340 A ist eine weitere Verdichtereinrichtung mit einem Spiralverdichter bekannt, bei welcher eine Verdichterwelle mit einer Führungskurbel durch ein Zwischenzahnrad wirkverbunden ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäße Verdichtereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 führt zu dem Vorteil, dass Verdichter und Elektromotor in ihren eigenen optimalen Betriebspunkten betrieben werden können. Dabei wird durch die Erfindung eine Abstimmung von Elektromotor zu Verdichter derart ermöglicht, dass im Betrieb beide ihren optimalen Betriebspunkt erreichen können. Insbesondere können Verdichter und Elektromotor jeweils mit einer für sie optimalen Drehzahl betrieben werden, die zu einem effizienten Betrieb der Verdichtereinrichtung bei optimaler Leistung führt. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass der Elektromotor durch ein Übersetzungsgetriebe mit der Verdichterwelle verbunden ist. Durch das Übersetzungsgetriebe wird eine Drehzahlübersetzung zwischen Elektromotor und Verdichter erreicht, die es erlaubt, das Verdichter und Elektromotor jeweils mit ihrer eigenen optimalen Drehzahl betrieben werden können. Je nach Anwendungsfall und Grundstruktur der Verdichtereinrichtung ist durch die Anpassung des Übersetzungsverhältnisses somit der zuvor genannte Vorteil mit einfachen Mitteln erreichbar. Insbesondere ist dadurch ein Baukastensystem möglich, durch welches unterschiedliche Verdichtereinrichtungen mit der gleichen Grundstruktur verwendet werden können, die sich nur in dem Übersetzungsverhältnis des eingesetzten Übersetzungsgetriebes unterscheiden. Dadurch kann die Verdichtereinrichtung beispielsweise auf einfache Art und Weise an unterschiedliche Randbedingungen, beispielsweise an unterschiedlich dimensionierte Antriebsvorrichtungen angepasst werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Übersetzungsgetriebe ein Übersetzungsverhältnis größer 1 aufweist. Das Übersetzungsverhältnis definiert das Verhältnis von Antriebsdrehzahl zu Abtriebsdrehzahl des Getriebes. Ist das Übersetzungsverhältnis größer 1, kann auch von einer Untersetzung gesprochen werden, weil die Drehzahl des Antriebs größer als die des Abtriebs beziehungsweise des angetriebenen Teils ist. Daraus ergibt sich, dass die Antriebsdrehzahl des Elektromotors größer ist als die Drehzahl des Verdichters beziehungsweise der Verdichterwelle. Bei höheren Drehzahlen weist der Elektromotor ein geringeres Drehmoment auf und ist dadurch kleiner und günstiger herstellbar, sodass sich diese Variation insbesondere für eine Verwendung bei einer Antriebsvorrichtung mit geringem zur Verfügung stehenden Bauraum und begrenztem Kostenrahmen anbietet.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Übersetzungsgetriebe ein Übersetzungsverhältnis kleiner 1 aufweist, sodass die Drehzahl der Verdichterwelle höher ist als die Drehzahl des Elektromotors. Dies bietet sich beispielsweise dann an, wenn der Bauraum des Verdichters das wichtigste Kriterium ist. Ein schneller drehender Verdichter kann bei gleicher Fördermenge insgesamt kleiner gebaut werden.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Übersetzungsgetriebe als Zahnradgetriebe ausgebildet ist. Dadurch ergibt sich eine kostengünstige Realisierung des Übersetzungsgetriebes, die einfach in die Verdichtereinrichtung integrierbar ist. Besonders bevorzugt ist das Zahnradgetriebe als Stirnradgetriebe ausgebildet, wodurch sich eine besonders kostengünstige Realisierung des Übersetzungsgetriebes ergibt. Insbesondere ist bei der Ausbildung als Stirnradgetriebe eine Anpassung beziehungsweise Einstellung eines gewünschten Übersetzungsverhältnisses kostengünstig realisierbar. Alternativ ist das Übersetzungsgetriebe bevorzugt als Riemengetriebe ausgebildet. Hierdurch wird ebenfalls eine bauraumsparende und kostengünstige Lösung zur Drehmomentübertragung bereitgestellt. Insbesondere ist es durch das Riemengetriebe auf schmalem Raum möglich, dass antreibende und angetriebene Welle die gleiche Drehrichtung aufweisen. Bei einer Ausbildung des Übersetzungsgetriebes als Zahnradgetriebe ist dazu ein zusätzliches Zahnrad notwendig, das zwischen antreibendem und angetriebenem Zahnrad liegt, um zu gewährleisten, dass die angetriebene Welle die gleiche Drehrichtung wie die antreibende Welle aufweist.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass der Verdichter als Spiralverdichter und das bewegliche Verdichterelement als Luftführungsspirale beziehungsweise als bewegliche Luftführungsspirale ausgebildet ist. Die bewegliche Luftführungsspirale wird somit durch die Verdichterwelle angetrieben, wobei in der Art des Spiralverdichters die Luftführungsspirale durch die Verdichterwelle nicht in eine Rotationsbewegung, sondern im Wesentlichen in eine Translationsbewegung in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse der Verdichterwelle mittels eines Exzenterabschnitts der Verdichterwelle gesetzt wird. Durch die Ausbildung der Verdichtereinrichtung als Spiralverdichter benötigt die Verdichtereinrichtung bereits eine deutlich geringere Antriebsdrehzahl als beispielsweise Radialverdichter und kann damit langsamer laufen, beispielsweise langsamer als ein Abgasturbolader, um einen gewünschten Ladedruck zu erreichen beziehungsweise zu erzeugen. Durch das Übersetzungsgetriebe ist ein für den Spiralverdichter vorteilhaftes Übersetzungsverhältnis auf einfache Art und Weise darstellbar, um den Spiralverdichter mit einer optimalen Drehzahl zu betreiben.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Luftführungsspirale mit einer exzentrischen Führungskurbel verbunden ist, die durch den Elektromotor angetrieben wird oder antreibbar ist. Die Führungskurbel begrenzt insbesondere die Bewegungsfreiheit der beweglichen Luftführungsspirale derart, dass diese nicht in eine Rotationsbewegung versetzt werden kann, sondern durch den Exzenter im Wesentlichen nur translatorisch bewegt wird. Durch die Ausbildung als Führungskurbel wird der beweglichen Luftführungsspirale ein insbesondere nur kleiner Bewegungsweg in Rotationsrichtung ermöglicht, durch welchen die Luftförderung vorteilhaft unterstützt wird. Dadurch, dass die Führungskurbel ebenfalls durch den Elektromotor antreibbar ist, reicht der eine Elektromotor zum Antrieb beider, also Verdichterwelle und Führungskurbel aus. Durch das Übersetzungsgetriebe können dabei unterschiedliche Drehzahlen für Führungskurbel und Verdichterwelle realisiert werden. Unter einer Drehzahl der Luftführungsspirale ist im Zusammenhang dieser Erfindung dabei selbstverständlich nicht eine Rotationsdrehzahl der Luftführungsspirale, sondern eine Drehzahl der die Luftführungsspirale antreibenden Verdichterwelle gemeint.
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Erfindungsgemäß ist außerdem vorgesehen, dass der Elektromotor mit der Führungskurbel durch ein weiteres Übersetzungsgetriebe verbunden ist, dessen Übersetzungsverhältnis dem des ersten Übersetzungsgetriebes entspricht. Dadurch wird eine synchrone Bewegung von Verdichterwelle und Führungkurbel eingestellt, die einen vorteilhaften Betrieb des Spiralverdichters beziehungsweise eine vorteilhafte Bewegung der Luftführungsspirale gewährleistet.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das zweite Übersetzungsgetriebe als Zahnradgetriebe ausgebildet ist, wobei das erste Übersetzungsgetriebe und das zweite Übersetzungsgetriebe ein gemeinsames auf einer Abtriebswelle des Elektromotors angeordnetes Abtriebszahnrad aufweisen. Die beiden Übersetzungsgetriebe teilen sich somit das durch den Elektromotor angetriebene Abtriebszahnrad. Das Abtriebszahnrad wirkt dabei insbesondere mit Antriebszahnrädern der Führungskurbel und der Verdichterwelle zusammen, wozu die beiden Antriebszahnräder mit dem Antriebszahnrad in Eingriff stehen und drehfest mit der Verdichterwelle beziehungsweise mit der Führungskurbel verbunden sind. Die Durchmesser der Antriebszahnräder und des Abtriebszahnrads bestimmen dabei das Übersetzungsverhältnis des jeweiligen Übersetzungsgetriebes. Durch Anpassen oder Verändern der Durchmesser kann somit ein gewünschtes Übersetzungsverhältnis beider Übersetzungsgetriebe eingestellt werden. Wie bereits gesagt, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Übersetzungsgetriebe das gleiche Übersetzungsverhältnis aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Verdichtereinrichtung aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Weitere bevorzugte Merkmale und Vorteile ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 5 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung aus. Auch hier ergeben sie die zuvor bereits genannten Vorteile.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen:
- 1 eine Verdichtereinrichtung eines Kraftfahrzeugs in einer vereinfachten Darstellung und
- 2A und 2B Übersetzungsgetriebe für die Ventileinrichtung mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Verdichtereinrichtung 1 einer hier nicht näher dargestellten Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs. Die Verdichtereinrichtung 1 weist einen Verdichter 2 sowie einen Elektromotor 3 zum Antreiben des Verdichters 2 auf.
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Der Verdichter 2 ist als Spiralverdichter ausgebildet, der eine im Gehäuse drehbar gelagerte Verdichterwelle 4 aufweist, wobei die Verdichterwelle 4 einen Exzenterabschnitt 5 aufweist, auf welchem eine bewegliche Luftführungsspirale 6 als Verdichterelement drehbar gelagert angeordnet ist, und wobei die Luftführungsspirale 6 mit einer gehäusefesten Luftführungsspirale 7 zusammenwirkt, um Luft zu verdichten und zu fördern. Derartige Spiralverdichter 2 sind grundsätzlich bekannt, sodass auf deren Funktionsweise an dieser Stelle nicht näher eingegangen werden soll. Die bewegliche Luftführungsspirale 6 ist daran gehindert, eine vollständige Rotationsbewegung mit der Verdichterwelle 4 durchzuführen. Dazu ist vorliegend eine Führungskurbel 8 vorgesehen, welche mit der Luftführungsspirale 6 an ihrem Außenumfang also exzentrisch zusammenwirkt. Dazu ist die parallel zur Verdichterwelle drehbar gelagerte Führungskurbel 8 in eine Kurbellagerung 9 der Luftführungsspirale 6 eingesteckt. Die Führungskurbel 8 weist im Bereich der Kurbellagerung 9 ebenfalls einen Exzenterabschnitt 10 auf, sodass eine Rotation der Führungskurbel 8 zu einer Schwenkbewegung der Luftführungsspirale 6 um die Mittelachse des Exzenterabschnitts 5 herum führt.
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Die Führungskurbel 8 weist an ihrem der Luftführungsspirale 6 abgewandten Ende ein Antriebszahnrad 11 auf, das drehfest mit der Führungskurbel 8 verbunden ist.
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Die Verdichterwelle 4 weist ebenfalls an einem Ende ein Antriebszahnrad 12 auf, das drehfest mit der Verdichterwelle 4 verbunden ist. Beide Antriebszahnräder 11 und 12 stehen in Eingriff mit einem Abtriebszahnrad 13, das drehfest mit einer Abtriebswelle 14 des Elektromotors 3 verbunden ist. Vorliegend entspricht die Abtriebswelle 14 der Rotorwelle des Elektromotors 3. Insofern ist auf der Abtriebswelle 14 der Rotor 15 des Elektromotors 3 angeordnet, der mit einem gehäusefesten Stator 16, der insbesondere eine oder mehrere bestrombare Spulen aufweist, zusammenwirkt.
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Werden eine oder mehrere Spulen des Stators 16 durch eine vorliegend stirnseitig angeordnete Leistungselektronik 19 bestromt, so wird der Rotor 15 angetrieben, wodurch die Abtriebswelle 14 in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Das drehfest mit der Abtriebswelle 14 verbundene Abtriebsrad 13 treibt infolge die Antriebsräder 11 und 12 an, wodurch einerseits die Luftführungsspirale 6 durch den Exzenterabschnitt 5 in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse der Verdichterwelle 4 verschoben und andererseits durch die Führungskurbel 8 verschwenkt wird, wodurch die gewünschte Pumpenwirkung des Spiralverdichters 2 erfolgt.
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Das Abtriebszahnrad 13 bildet zusammen mit dem Antriebszahnrad 12 ein erstes Übersetzungsgetriebe 17. Das Abtriebszahnrad 13 bildet weiterhin zusammen mit dem Antriebszahnrad 11 ein zweites Übersetzungsgetriebe 18. Die beiden Übersetzungsgetriebe 17, 18 weisen das gleiche Übersetzungsverhältnis auf, sodass eine vorteilhafte Verdichtung durch den Spiralverdichter 2 gewährleistet ist. Für den Fall, dass die Antriebswelle 14 und die Führungskurbel 8 die gleiche Drehrichtung im Betrieb aufweisen sollen, weist das jeweilige Übersetzungsgetriebe 17, 18 ein zusätzliches Zwischenzahnrad auf, das jeweils zwischen dem Abtriebszahnrad 13 und dem Antriebszahnrad 11 beziehungsweise 12 wirkt.
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Alternativ ist das jeweilige Übersetzungsgetriebe 17, 18 jeweils als Riemengetriebe ausgebildet, sodass bei gleicher Drehrichtung auch auf ein Zwischenzahnrad verzichtet werden kann. Auch ist es denkbar, einen einzigen Riementrieb auszubilden, also ein durch die Antriebswelle 14 angetriebenen Riemen beziehungsweise ein Endlosmittel, das mit dem Abtriebszahnrad 13 und beiden Antriebszahnrädern 12, 11 zusammenwirkt. Die Zahnräder 11, 12, 13 können dabei auch als einfache Laufräder ohne Zahnstruktur an ihrer Mantelaußenseite ausgebildet sein. Vorteilhafterweise ist der jeweilige oder der Riementrieb als Keilriementrieb ausgebildet.
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2A und 2B zeigen in diesem Zusammenhang unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Übersetzungsgetriebe 17 und 18 anhand einer Draufsicht auf die Antriebsräder 11, 12 und das Abtriebszahnrad 13. 2A zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem beide Übersetzungsgetriebe 17 ein Übersetzungsverhältnis größer 1 aufweisen, während im Ausführungsbeispiel von 2B die Übersetzungsgetriebe 17, 18 ein Übersetzungsverhältnis kleiner 1 aufweisen. Entsprechend sind in 2A die Durchmesser der Antriebszahnräder 11, 12 größer gewählt als die des Abtriebszahnrads 13, und im Ausführungsbeispiel von 2B kleiner.
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Durch die Übersetzungsgetriebe 17, 18 wird die Verdichtereinrichtung 1 einfach an unterschiedliche Randbedingungen angepasst, insbesondere derart, dass Elektromotor 3 und Verdichter 2 jeweils in einem optimalen Betriebspunkt gleichzeitig betrieben werden können. Insbesondere können der Verdichter 2 und der Elektromotor 3 in Bezug auf Bauraum, Kosten und Wirkungsgrad jeweils für sich genommen optimiert werden.
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Sollen beispielsweise der Bauraum und die Herstellungskosten des Elektromotors 3 verbessert werden, so bieten sich höhere Drehzahlen für den Elektromotor an. Bei gleicher Leistung hat der höherdrehende Elektromotor 3 jedoch ein geringeres Drehmoment und ist demnach kleiner und folglich auch günstiger darstellbar. Beim Wirkungsgrad, der Windungszahl der Spule im Stator 16 und der Leerlaufdrehzahl gibt es weitere zu optimierende Auslegungskriterien. Je nach den jeweiligen Anforderungen kann so individuell optimiert werden. Bezüglich des Verdichters 2 kann beispielsweise eine im Vergleich zum Elektromotor 3 höhere Drehzahl gewählt werden, wenn der Bauraum für den Verdichter 2 das wichtigste Kriterium ist. Ein höherdrehender Verdichter kann bei gleicher Fördermenge entsprechend kleiner gebaut werden. Die Lagerung der Verdichterwelle 4 und gegebenenfalls der Führungskurbel 8 sowie der beweglichen Führungsspirale 6 auf den Exzenterabschnitt 5 der Verdichterwelle 4 können ebenfalls in Bezug auf die gewünschten Drehzahlverhältnisse optimiert werden.
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Durch die vorteilhafte Ausbildung der Verdichtereinrichtung 1 ist es sogar möglich, ein Baukastensystem zu verwirklichen, das auf Basis eines Grunddesigns mit unterschiedlichen Übersetzungsgetrieben 17, 18 mehrere verschiedene Verbrennungsmotorvarianten und/oder Leistungen und damit unterschiedlich erforderte Luftmengen bedient. Es kann somit eine Standardisierung im Bereich der Verdichtereinrichtung 1 durchgeführt werden.
