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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Druckregelanlage mit einem mehrstufigen Kompressor, insbesondere in einem Nutzfahrzeug, sowie eine Druckregelanlage mit einem mehrstufigen Kompressor.
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Mehrstufige Kompressoren dienen dazu, eine hohe Verdichtung eines Druckmittels, insbesondere eines Gases, beispielsweise Luft, dadurch zu erreichen, dass das in einer ersten Verdichtungsstufe vorverdichtete Druckmittel in einer darauffolgenden zweiten Verdichtungsstufe zusätzlich verdichtet wird. Es können auch weitere Verdichtungsstufen in einer Kaskade vorhanden sein, in denen jeweils das von der vorhergehenden Verdichtungsstufe verdichtete Druckmittel weiter verdichtet wird.
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Sollen Verbraucher beispielsweise einer Luftfederanlage oder einer Niveauregelanlage in einem Fahrzeug mit dem Druckmittel versorgt werden, kann ein derartiger mehrstufiger Kompressor verwendet werden, um das Druckmittel mit einem entsprechenden Druck zum Versorgen von Druckfedern bereitzustellen. Der mehrstufige Kompressor verdichtet dabei das in einen Ansaugraum eingeleitete Druckmittel aus der Atmosphäre über zwei oder mehrere Verdichtungsstufen und überführt das mehrstufig verdichtete Druckmittel an die Druckfedern. Alternativ kann auch ein bereits verdichtetes Druckmittel aus einem Druckmittelvorrat verwendet werden, das durch den Kompressor ein weiteres Mal verdichtet wird.
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Dies ist beispielsweise in
DE 10 2008 034 240 B4 beschrieben, wonach eine Niveauregelanlage vorgesehen ist, bei der ein mehrstufiger Kompressor verwendet wird, um das Druckmittel aus der Atmosphäre oder aus einem Druckmittelvorrat zu fördern, wobei zwei Verdichtungsstufen vorgesehen sind. Wird Druckmittel aus der Atmosphäre verdichtet, wird das Druckmittel durch beide Verdichtungsstufen geleitet, während bei einer Förderung des Druckmittels aus dem Druckmittelvorrat eine Verdichtung des dem Verbraucher zugeführten Druckmittels lediglich mit der zweiten Verdichtungsstufe stattfindet. Um in diesem Fall die Verdichtungsarbeit der ersten Verdichtungsstufe zu reduzieren oder zu sperren, ist ein als 2/2-Wegeventil ausgeführtes Sperrventil vorgesehen, das bei einer Förderung aus dem Druckmittelvorrat eine Förderung von verdichtetem Druckmittel aus der ersten Verdichtungsstufe zur zweiten Verdichtungsstufe verhindert. Das Sperrventil wird hierbei elektrisch über eine Steuereinrichtung angesteuert.
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Die
DE 103 21 771 A1 beschreibt einen mehrstufigen Kompressor, bei dem zur Abschaltung der ersten Verdichtungsstufe eine Bypassleitung mit einem pneumatisch steuerbaren Sperrventil vorgesehen ist, die einen Ansaugraum des Kompressors mit dem ersten Verdichtungsraum verbindet. Das pneumatische Sperrventil wird hierbei in Abhängigkeit des Druckes im Ansaugraum geöffnet, so dass ein Druckausgleich zwischen dem Ansaugraum und dem Verdichtungsraum stattfinden kann. Dies dient dazu, die erste Verdichtungsstufe in Abhängigkeit des Druckes des in den Ansaugraum eingelassenen Druckmittels abzuschalten. Dadurch kann in Abhängigkeit des eingelassenen Druckmittels im einstufigen Betrieb eine hohe Verdichtung bei einem geringen Volumenstrom erreicht werden. Im zweistufigen Betrieb hingegen wird ein hoher Volumenstrom erreicht und das Druckmittel durchströmt zwei Verdichtungsstufen.
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Gemäß
DE 10 2011 083 614 A1 ist vorgesehen, in einem offenen Betriebsmodus Luft durch zwei Verdichtungsstufen zu verdichten und die verdichtete Luft einem Druckmittelvorrat zuzuführen. In einem geschlossenen Betriebsmodus kann die bereits verdichtete Luft aus dem Druckmittelvorrat in ein Zwischenvolumen zwischen der ersten und der zweiten Verdichtungsstufe eingelassen und durch eine der Verdichtungsstufen erneut verdichtet werden, um anschließend in die Verbraucher zu gelangen. Weiterhin ist auch eine Rückführung von Luft aus den Verbrauchern in den Druckmittelvorrat vorgesehen. Zum Steuern sind elektrisch betätigte Umschaltventile vorgesehen, die entsprechend die Strömungswege für die verdichtete oder die zu verdichtende Luft sperren und freigeben.
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DE 10 2012 010 390 A1 beschreibt ein Niveauregelsystem, bei dem in einem geschlossenen Betriebsmodus über einen Kompressor bereits verdichtete Luft aus einem Druckvorratsbehälter in als Federbeine ausgeführte Verbraucher zugeführt wird. Zum Steuern des Druckes im Niveauregelsystem ist eine Druckbegrenzungsfunktion vorgesehen, die entweder in Form eines Ablassventils oder in Form eines Vorsteuerventils ausgestaltet ist, die jeweils bei einem zu hohen Druck im System Luft in die Atmosphäre ablassen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Druckregelanlage mit einem mehrstufigen Kompressors anzugeben, das in einfacher und zuverlässiger Weise eine Verdichtungsleistung sowie einen verdichteten Volumenstrom des mehrstufigen Kompressors auf die Betriebsmodi der Druckregelanlage abstimmt. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Druckregelanlage mit einem mehrstufigen Kompressor bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Druckregelanlage nach Anspruch 5 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen an.
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Erfindungsgemäß ist demnach vorgesehen, dass eine Verdichtungsleistung einer ersten Verdichtungsstufe eines mehrstufigen Kompressors, insbesondere in einem geschlossenen Betriebsmodus einer Druckregelanlage, insbesondere eine Luftfederanlage in einem Fahrzeug, durch ein Überdruckventil reduziert bzw. beschränkt wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Überdruckventil einen Zwischendruck eines durch die erste Verdichtungsstufe geförderten vorverdichteten Druckmittels selbstregulierend begrenzt, so dass die erste Verdichtungsstufe zu einer Gesamt-Verdichtungsleistung des mehrstufigen Kompressors insbesondere im geschlossenen Betriebsmodus nur noch in einem begrenzten Maße beiträgt und somit der Anteil der ersten Verdichtungsstufe am Energieverbrauch des mehrstufigen Kompressors im geschlossenen Betriebsmodus reduziert bzw. begrenzt werden kann.
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Dadurch kann bereits der Vorteil erreicht werden, dass die Verdichtungsleistung der ersten Verdichtungsstufe bei einem Umschalten in den geschlossenen Betriebsmodus der Druckregelanlage, die mit dem mehrstufigen Kompressor betrieben wird, in einfacher und zuverlässiger Weise selbstregulierend bzw. automatisch angepasst werden kann, wenn das in der ersten Verdichtungsstufe vorverdichtete Druckmittel einen bestimmten Grenzdruck erreicht, da das Überdruckventil dann selbsttätig öffnet. Somit ist keine Ansteuerung von zusätzlichen Ventilen durch eine Pneumatik oder eine Elektronik erforderlich.
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Als erste Verdichtungsstufe ist hierbei nicht zwangsläufig die im mehrstufigen Kompressor in Strömungsrichtung am Anfang liegende Verdichtungsstufe gemeint. Vielmehr wird darunter verstanden, dass die erste Verdichtungsstufe irgendeine Verdichtungsstufe im mehrstufigen Kompressor sein kann, auf die mindestens eine weitere Verdichtungsstufe - eine zweite Verdichtungsstufe - folgt, wobei diese nicht zwangsläufig an die erste Verdichtungsstufe im Sinne der Erfindung angrenzt. Die zweite Verdichtungsstufe liegt somit lediglich in Strömungsrichtung hinter der ersten Verdichtungsstufe, wobei die zweite Verdichtungsstufe dabei nicht zwangsläufig als die letzte Verdichtungsstufe des mehrstufigen Kompressors anzusehen ist.
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Vorzugsweise ist das Überdruckventil als ein Differenzdruckventil, vorzugsweise als ein Rückschlagventil, insbesondere als ein Kugelrückschlagventil mit einer durch eine Federkraft gegen eine Verengung drückenden Kugel ausgeführt, das ab einem von der Federkraft abhängigen Grenzdruck öffnet. Dadurch kann ein einfacher und kostengünstiger Aufbau erreicht werden. Durch eine entsprechende Einstellung bzw. Auslegung des Überdruckventils kann der Grenzdruck also auch variabel eingestellt werden, um die Verdichtungsleistung in einfacher Weise an die jeweiligen Anforderungen anzupassen.
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In einem offenen Betriebsmodus der Druckregelanlage wird von dem mehrstufigen Kompressor Druckmittel, beispielsweise über eine Ansaugleitung bereitgestellte Ansaugluft aus der Atmosphäre, von der ersten Verdichtungsstufe vorverdichtet, beispielsweise auf einen Zwischendruck von 5-6bar bei einem Stabilisierungsdruck der ersten Verdichtungsstufe von beispielsweise 10-15bar, und in ein Zwischenvolumen eingeleitet. Von dort gelangt die vorverdichtete Luft in eine zweite Verdichtungsstufe, in der sie weiter verdichtet wird, beispielsweise auf einen Enddruck von 20bar, und aus der sie über einen Lufttrockner in ein oder mehrere Verbraucher, beispielsweise Luftfedern der Druckregelanlage, und/oder in einen Druckmittelvorrat gelangt. Somit wird die Gesamt-Verdichtungsleistung im offenen Betriebsmodus insbesondere durch diese beiden Verdichtungsstufen bestimmt, wobei wie bereits ausgeführt auch weitere Verdichtungsstufen vorhanden sein können.
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Der geschlossene Betriebsmodus wird insbesondere dann eingestellt, wenn eine Versorgung der Verbraucher der Druckregelanlage mit hochverdichtetem und/oder getrocknetem Druckmittel erfolgen soll. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn eine schnelle Druckbeaufschlagung der Verbraucher gewünscht ist, beispielsweise dann, wenn eine schnelle Regelung durch Bereitstellung eines hohen End-Volumenstromes, d. h. einer hohen Luftmenge pro Zeit aus der zweiten bzw. letzten Verdichtungsstufe, durch die Luftfederregelung erforderlich ist. Außerdem kann der geschlossene Betriebsmodus eingestellt werden, wenn eine Rückförderung von Druckmittel aus den Verbrauchern in den Druckmittelvorrat erfolgen soll, da auch dann eine erneute Verdichtung zu gewährleisten ist.
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Zum Umschalten von dem offenen Betriebsmodus in den geschlossenen Betriebsmodus wird beispielsweise ein Schaltventil, das den Druckmittelvorrat oder die Verbraucher mit der Speicherleitung verbindet, geöffnet so dass bereits verdichtetes Druckmittel, im Folgenden Aufladedruckmittel genannt, in die Speicherleitung einströmen kann. Das Aufladedruckmittel kann zum einen das im Druckmittelvorrat gespeicherte Druckmittel, das bereits auf einen Vorratsdruck verdichtet wurde, sein. Soll im geschlossenen Betriebsmodus hingegen eine Rückförderung von bereits verdichtetem Druckmittel aus den Verbrauchern in den Druckmittelvorrat erfolgen, so ist das Druckmittel aus den Verbrauchern das Aufladedruckmittel, das in die Speicherleitung eingelassen wird. Dazu können für die Verbraucher und den Druckmittelvorrat zwei getrennte Schaltventile vorgesehen sein, die das Einströmen in die Speicherleitung steuern.
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Über die Speicherleitung gelangt das Aufladedruckmittel erfindungsgemäß in das Zwischenvolumen zwischen der ersten und der zweiten Verdichtungsstufe. Im Zwischenvolumen herrscht somit ein Druck, der etwas tiefer ist als der Vorratsdruck im Druckmittelvorrat oder dem Druck in den Verbrauchern, da die Drücke durch das Durchströmen des Schaltventils sowie der Speicherleitung abfallen. Im geschlossenen Betriebsmodus kann somit durch die zweite Verdichtungsstufe das bereits hochverdichtete Aufladedruckmittel zusätzlich verdichtet werden.
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Ein Speicher-Volumenstrom des in die Speicherleitung eingelassenen, bereits verdichteten Aufladedruckmittels, d. h. eine Luftmenge pro Zeit in das Zwischenvolumen, ist hierbei insbesondere abhängig von einer Nennweite des Schaltventils und ggf. weiterer vorgeschalteter Ventile, durch die das Aufladedruckmittel strömt. Der Speicher-Volumenstrom bestimmt wiederum auch den End-Volumenstrom des durch die zweite bzw. letzte Verdichtungsstufe geförderten Druckmittels. Durch die Energieeinsparung in der ersten Verdichtungsstufe können beide Volumenströme höher ausgelegt werden:
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Dadurch, dass die Verdichtungsleistung und somit auch der Energieverbrauch eines Motors des mehrstufigen Kompressors der ersten Verdichtungsstufe im geschlossenen Betriebsmodus reduziert bzw. begrenzt werden, kann dieser Energieübertrag bis zu einer akzeptierbaren maximalen Energiebegrenzung, insbesondere einer Strombegrenzung von beispielsweise 35 A, zum Betreiben der zweiten Verdichtungsstufe zusätzlich verwendet werden. Dazu kann beispielsweise die Nennweite des Schaltventils und somit der Speicher-Volumenstrom höher ausgelegt werden, ohne die akzeptierbare maximale Energiebegrenzung zu übersteigen. Folglich erhöht sich eine Wirkleistung des Druckregelsystems, da bei gleicher akzeptierbarer elektrischer Leistung ein deutlich erhöhter End-Volumenstrom durch die zweite Verdichtungsstufe bei gleichem Energieeinsatz gewährleistet werden kann.
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Sobald im geschlossenen Betriebsmodus das Aufladedruckmittel in das Zwischenvolumen eingelassen wird, versucht die erste Verdichtungsstufe, ein vorverdichtetes Druckmittel bereitzustellen, das bis auf den dann im Zwischenvolumen vorherrschenden Aufladedruck des Aufladedruckmittels verdichtet ist. Dies wird erfindungsgemäß durch das Überdruckventil verhindert, da ein Fördern von vorverdichtetem Druckmittel aus der ersten Verdichtungsstufe in das Zwischenvolumen nur bis zu einem bestimmten Grenzdruck, beispielsweise 5 bar oder 6 bar, ermöglicht wird. Dazu öffnet das Überdruckventil sobald der Zwischendruck des vorverdichteten Druckmittels größer ist als der Grenzdruck, wobei das vorverdichtete Druckmittel in diesem Fall über eine vom Überdruckventil abgehende Entlüftungsleitung in die Atmosphäre oder in die Ansaugleitung abgeleitet wird. Stellt sich durch das Entlüften ein Zwischendruck ein, der kleiner ist als der Grenzdruck, schließt das Überdruckventil wieder. Die erste Verdichtungsstufe fördert somit lediglich bis zu dem Grenzdruck in das Zwischenvolumen.
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Im Zwischenvolumen befindet sich somit im geschlossenen Betriebsmodus eine Mischung aus dem von der ersten Verdichtungsstufe vorverdichteten Druckmittel sowie dem jeweiligen Aufladedruckmittel aus der Speicherleitung. Dadurch wird ein Mixdruckmittel mit einem Mix-Volumenstrom sowie einem Mixdruck, die sich aus den jeweiligen Volumenströmen bzw. Drücken zusammensetzen, aus dem Zwischenvolumen in die zweite Verdichtungsstufe gefördert. Im offenen Betriebsmodus besteht das Mixdruckmittel lediglich aus dem durch die erste Verdichtungsstufe vorverdichteten Druckmittel, da kein Aufladedruckmittel in das Zwischenvolumen eingelassen wird.
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Somit kann eine Leistungsaufnahme der ersten Verdichtungsstufe begrenzt werden, da die erste Verdichtungsstufe nur bis zum Erreichen des Grenzdruckes verdichtet und Verdichtungsarbeit verrichtet. Die Antriebsleistung eines Motors des Kompressors wird somit automatisch verringert bzw. begrenzt, der Energiebedarf sinkt und kann somit im geschlossenen Betriebsmodus hauptsächlich auf den Betrieb der zweiten bzw. weiterer Verdichtungsstufen und somit des End-Volumenstromes abgestimmt werden.
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Der Hauptteil der Gesamt-Verdichtungsleistung wird im geschlossenen Betriebsmodus durch eine Verdichtung des aus der Speicherleitung in das Zwischenvolumen eingelassenen und nicht durch die erste Verdichtungsstufe geförderten Aufladedruckmittels erreicht. Das vorverdichtete Druckmittel trägt also mit maximal dem Grenzdruck nur zu einem geringen Teil dazu bei. Ein Einströmen des Aufladedruckmittels aus dem Zwischenvolumen zurück in die erste Verdichtungsstufe wird durch ein erstes Auslassventil in der ersten Verdichtungsstufe, beispielsweise ein zum Zwischenvolumen öffnendes Rückschlagventil, verhindert. Somit findet kein Druckausgleich zwischen dem Zwischenvolumen und dem ersten Verdichtungsraum der ersten Verdichtungsstufe statt.
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Weiterhin kann den Verbrauchern ein Druckmittel zugeführt werden, das eine hohe Trocknungsstufe erreicht hat, da der Anteil an nicht-getrocknetem Druckmittel, das im Wesentlichen aus der ersten Verdichtungsstufe und damit aus der Umgebung gefördert wird, begrenzt ist.
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Da das vorverdichtete Druckmittel auch im offenen Betriebsmodus zum Überdruckventil gelangt, wird auch im offenen Betriebsmodus eine Beschränkung des in das Zwischenvolumen geförderten vorverdichteten Druckmittels auf den Grenzdruck bewirkt. Vorteilhafterweise wird der Grenzdruck daher derartig eingestellt bzw. der mehrstufige Kompressor derartig ausgelegt, dass im offenen Betriebsmodus kein Performanceverlust auftritt, indem der Grenzdruck auf den im offenen Betriebsmodus im Zwischenvolumen benötigten Druck abgestimmt wird. Dies ist beispielsweise bei einem Grenzdruck von 5 bar der Fall, der für einen Enddruck von 20 bar im offenen Betriebsmodus nötig ist, um insbesondere Energievorgaben, beispielsweise eine Strombegrenzung von 35A, sowie einen festgelegten End-Volumenstrom des verdichteten Druckmittels einzuhalten.
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Dadurch, dass das Umschalten des Überdruckventils automatisch dann erfolgt, wenn das Aufladedruckmittel mit einem hohen Aufladedruck, d. h. höher als der Zwischendruck des vorverdichteten Druckmittels, aus dem Druckmittelvorrat oder den Verbrauchern in das Zwischenvolumen einströmt, ergibt sich eine Umschaltung ohne zusätzlichen Aufwand und Zeitverluste. Da das Aufladedruckmittel zudem nicht durch die erste Verdichtungsstufe in den mehrstufigen Kompressor eingeleitet wird, kann ein einfacher Aufbau sowie ein zuverlässiger Betrieb der Druckregelanlage erreicht werden, da das unverdichtete Druckmittel im offenen Betriebsmodus und das Aufladedruckmittel im geschlossenen Betriebsmodus an unterschiedlichen Stellen in den mehrstufigen Kompressor eingeleitet werden und somit kein Umschalten der Druckmittelquelle in der ersten Verdichtungsstufe nötig ist.
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Vorteilhafterweise ist mit einem derartigen Überdruckventil ein einfacher und kostengünstiger Aufbau der Druckregelanlage realisierbar, mit dem sich der Wirkungsgrad des Kompressors optimal abstimmen lässt, d. h. ein hoher Speicher-Volumenstrom durch Vergrößerung der Nennweite insbesondere des Schaltventils bei einem gleichzeitig festlegbaren maximalen Energieverbrauch und einem zumindest teilweise getrockneten Druckmittel. Der optimale Betrieb der Druckregelanlage wird somit für den geschlossenen Betriebsmodus durch eine optimal ausgelegte zweite Verdichtungsstufe erreicht, die durch den maximalen Speicher-Volumenstrom, der insbesondere durch die Nennweite des Schaltventils definiert wird, sowie der reduzierten ersten Verdichtungsstufe an die Leistungsgrenze des mehrstufigen Kompressors oder der oberen Energiegrenze befüllt wird.
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Ergänzend kann zur Sicherheit auch ein zusätzliches Druckbegrenzungsventil in der Speicherleitung vorgesehen sein, das einen maximalen Aufladedruck in der Speicherleitung festlegt, wobei der maximale Aufladedruck in Abhängigkeit der maximalen Energiebegrenzung gewählt werden kann, so dass die zweite Verdichtungsstufe nicht über ihrer Leistungsgrenze betrieben wird. Ergänzend kann auch der Aufbau der zweiten Verdichtungsstufe des mehrstufigen Kompressors angepasst werden, indem beispielsweise ein Kolben, der für die Verdichtung in der zweiten Verdichtungsstufe sorgt, größer ausgelegt wird.
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Die Abstimmung des durch das Überdruckventil vorgegebenen Grenzdruckes kann insbesondere in Abhängigkeit eines vorgegebenen Energieverbrauches der Druckregelanlage erfolgen. Dazu kann beispielsweise eine vorab festgelegte obere Energiebegrenzung vorgesehen sein, beispielsweise eine obere Strombegrenzung, an die die Gesamt-Verdichtungsleistung des mehrstufigen Kompressors angepasst wird. Das Überdruckventil bzw. der Grenzdruck wird dabei derartig festgelegt, dass die erste Verdichtungsstufe für eine Verdichtung hinzugezogen wird, bis die festgelegte obere Energiebegrenzung für den Kompressor erreicht ist. Um diese nicht zu überschreiten, öffnet das Überdruckventil, so dass die Leistungsaufnahme der ersten Verdichtungsstufe nicht weiter ansteigt und der Stromverbrauch innerhalb der Grenzwerte gehalten wird. Dadurch kann der End-Volumenstrom und die Gesamt-Verdichtungsleistung bei gleichzeitiger Einhaltung der Energievorgaben im geschlossenen Betriebsmodus optimal aufeinander abgestimmt werden.
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Erfindungsgemäß ist der mehrstufige Kompressor als ein Kolbenkompressor ausgeführt, wobei durch einen ersten Kolben eine erste Verdichtungsstufe ausgebildet wird und durch einen zweiten Kolben die zweite Verdichtungsstufe, die durch das Zwischenvolumen miteinander verbunden sind, wobei auch weitere Verdichtungsstufen mit weiteren Kolben vorhanden sein können. Beide Kolben werden von einem Motor über einen Kolbenantrieb bewegt, um nacheinander das Druckmittel in dem entsprechenden Verdichtungsraum zu verdichten. Die Kolben weisen unterschiedliche Kolbendurchmesser auf, um durch die erste Verdichtungsstufe eine Vorverdichtung und durch die zweite Verdichtungsstufe eine zusätzliche Verdichtung und durch ggf. weitere Verdichtungsstufe eine weitere Verdichtung erreichen zu können. Der Kolbenkompressor ist Teil einer Druckregelanlage, die über eine Verdichtung von Luft als Druckmittel mehrere Federn mit Druckluft versorgt, um beispielsweise eine Federung oder ein Heben und Senken eines Teils des Fahrzeuges zu erreichen, wobei dies in einem geschlossenen oder einem geöffneten Betriebsmodus stattfinden kann.
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Vorteilhafterweise können das Überdruckventil und die dazugehörigen Übertragungsleitungen zur Abstimmung des Kompressors im geschlossenen Betriebsmodus platzsparend in einem Kompressorgehäuse, beispielsweise in einem Kompressordeckel, eingebaut werden. Dadurch können Platz und Gewicht gespart werden und zudem ein einfacher Aufbau mit geringen pneumatischen Übertragungswegen und somit wenigen Druckverlusten erreicht werden. Zudem ist vorteilhafterweise eine einfache Nachrüstbarkeit der zusätzlichen pneumatischen Komponenten in einem vorhandenen mehrstufigen Kompressor möglich.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Luftfederanlage mit einem zweistufigen Kompressor;
- 2 einen zweistufigen Kompressor mit einem integrierten Überdruckventil; und
- 3 ein Flussdiagramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Gemäß 1 ist eine Druckregelanlage, beispielsweise eine Luftfederanlage 1 vorgesehen, die vier Druckmittelkammern 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 aufweist, die jeweils einem Verbraucher, beispielsweise Luftfedern eines Fahrzeuges 200, zugeordnet sind. Die Druckmittelkammern 3.i werden mit einem verdichteten Druckmittel L3, beispielsweise Luft, versorgt, wobei das verdichtete Druckmittel L3 in einem zweistufigen Kompressor 4, beispielsweise einem in 2 dargestellten Kolbenkompressor verdichtet wird.
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Der zweistufige Kompressor 4 weist dazu eine erste Verdichtungsstufe 5 sowie eine zweite Verdichtungsstufe 6 auf, die jeweils einen Ansaugraum 5.1, 6.1 und einen Verdichtungsraum 5.2, 6.2 aufweisen, wobei das in den jeweiligen Ansaugraum 5.1, 6.1 einströmende Druckmittel L1, L2 in dem Verdichtungsraum 5.2, 6.2 verdichtet wird. Angetrieben werden die Verdichtungsstufen 5, 6 durch einen Motor 7, der bewirkt, dass sich ein in der jeweiligen Verdichtungsstufe 5, 6 befindlicher Kolben 8, 9 auf- und ab-bewegt und dadurch das im Ansaugraum 5.1, 6.1 bereitgestellte Druckmittel L1 entsprechend verdichtet wird.
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Die Druckregelanlage 1 kann gemäß dieser Ausführung in zwei Betriebsmodi betrieben werden, einem offenen Betriebsmodus BMo (open mode) und einem geschlossenen Betriebsmodus BMc (closed mode), in denen jeweils Luft als Druckmittel L1, L2, L3, L4, L5 gefördert und verdichtet wird. Im offenen Betriebsmodus BMo wird Ansaugluft L1 aus der Atmosphäre 100, d. h. mit einem Luftdruck bzw. Ansaugdruck p1 von ca. 1 bar, über eine Ansaugleitung 10 sowie ein erstes Einlassventil 11 in den ersten Ansaugraum 5.1 der ersten Verdichtungsstufe 5 eingeleitet. Anschließend wird die Ansaugluft L1 über den ersten Kolben 8 zunächst vorverdichtet und dabei in den ersten Verdichtungsraum 5.2 geleitet. Aus dem ersten Verdichtungsraum 5.2 strömt die vorverdichtete Luft L2 mit einem Zwischendruck p2 über ein erstes Auslassventil 12, beispielsweise ein Rückschlagventil, in ein Zwischenvolumen 13.
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Aus dem Zwischenvolumen 13 gelangt die vorverdichtete Luft L2 über ein zweites Einlassventil 14 in den zweiten Ansaugraum 6.1 der zweiten Verdichtungsstufe 6, aus der die vorverdichtete Luft L2 über einen zweiten Kolben 9 (s. 2) weiter verdichtet wird und in den zweiten Verdichtungsraum 6.2 eingeleitet wird. Aus der zweiten Verdichtungsstufe 6 gelangt die verdichtete Luft L3 mit einem Enddruck p3 über ein zweites Auslassventil 15 in eine Auslassleitung 16 zu einem Lufttrockner 17 und einer Düse 18. Anschließend leitet die Auslassleitung 16 die verdichtete Luft L3 zu den Druckmittelkammern 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 der angeschlossenen Verbraucher, beispielsweise der Luftfedern, sowie über eine Vorratsleitung 19 zu einem Druckmittelvorrat 20, in dem die verdichtete Luft L3 als gespeicherte Luft L4 mit einem Vorratsdruck p4, der aufgrund von Verlusten etwas geringer ist als der Enddruck p3 entspricht, gespeichert wird.
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Der Druckmittelvorrat 20 sowie die Druckmittelkammern 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 sind jeweils durch ein steuerbares Ventil 21.1, 21.2, 21.3, 21.4, 21.5, 21.6, beispielsweise einem 2/2-Magnetventil, mit der Auslassleitung 16 bzw. der Vorratsleitung 19 verbindbar, so dass je nach Stellung der steuerbaren Ventile 21.i die verdichtete Luft L3 in die Druckmittelkammern 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 zum Steuern der Verbraucher oder in den Druckmittelvorrat 20 strömen kann.
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Demnach wird die verdichtete Luft L3 bei geöffnetem sechsten Ventil 21.6 sowie geöffnetem ersten Ventil 21.1 in die erste Druckmittelkammer 3.1, bei geöffnetem zweiten Ventil 21.2 in die zweite Druckmittelkammer 3.2, bei geöffnetem dritten Ventil 21.3 in die dritte Druckmittelkammer 3.3 und bei geöffnetem vierten Ventil 21.4 in die vierte Druckmittelkammer 3.4 geleitet, wobei dann das fünfte Ventil 21.5 geschlossen ist und somit keine verdichtete Luft L3 in den Druckmittelvorrat 20 strömen kann.
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Befinden sich andererseits die Ventile 21.1, 21.2, 21.3, 21.4, 21.6 in der geschlossenen Stellung und das fünfte Ventil 21.5 ist geöffnet, kann durch den Lufttrockner 17 getrocknete und verdichtete Luft L3 in den Druckmittelvorrat 20 eingeleitet und darin gespeichert werden. Eine Drucküberwachung kann über ein Druckmessgerät 30 erfolgen. Über ein zusätzliches Ablassventil 31 kann die verdichtete Luft L3 in die Atmosphäre 100 abgelassen werden.
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Die im Druckmittelvorrat 20 gespeicherte Luft L4 kann im geschlossenen Betriebsmodus BMc als Aufladedruckmittel A in das Zwischenvolumen 13 eingelassen werden, so dass die bereits verdichtete Luft L4 ein weiteres Mal verdichtet wird. Dazu wird gemäß dieser Ausführungsform das fünfte Ventil 21.5 geschlossen und ein erstes Schaltventil 22a geöffnet, das in einer zwischen dem fünften Ventil 21.5 und dem Druckmittelvorrat 20 abzweigenden Speicherleitung 23 angeordnet ist. Die Speicherleitung 23 ist mit dem Zwischenvolumen 13 verbunden, so dass in der geöffneten Stellung des ersten Schaltventils 22a die gespeicherte Luft L4 als Aufladedruckmittel A in das Zwischenvolumen 13 sowie in den zweiten Ansaugraum 6.1 einströmen kann, um von der zweiten Verdichtungsstufe 6 erneut verdichtet zu werden. Ein Einströmen der gespeicherten Luft L4 in die erste Verdichtungsstufe 5 wird durch das erste Auslassventil 12 verhindert, das in dieser Richtung schließt.
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Ist im geschlossenen Betriebsmodus BMc eine Rückführung von Kammerluft L5 aus den Druckmittelkammern 3.i in den Druckmittelvorrat 20 gewünscht, so wird das der jeweiligen Druckmittelkammer 3.i zugeordnete Ventil 21.i (mit i=1 ...4) sowie ein zweites Schaltventil 22b geöffnet und das sechste Ventil 21.6 geschlossen, so dass die Kammerluft L5 als Aufladedruckmittel A in die Speicherleitung 23 eingelassen wird. Das erste Schaltventil 22a ist in diesem Fall ebenfalls geschlossen und das fünfte Ventil 21.5 geöffnet, um ein Rückführen in den Druckmittelvorrat 20 zu ermöglichen. Ist lediglich eine Verdichtung von gespeicherter Luft L4 in der Druckregelanlage 1 vorgesehen, kann der Pfad über das zweite Schaltventil 22b auch entfallen.
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Eine Nennweite NW der Schaltventile 22a, 22b wird hierbei beispielsweise zwischen 1mm und 4mm gewählt, so dass ein hoher Speicher-Volumenstrom QS in das Zwischenvolumen 13 eingestellt werden kann.
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Da im geschlossenen Betriebsmodus BMc die erste Verdichtungsstufe 5 nicht zwingend benötigt wird zum Vorverdichten, da bereits das (vor)verdichtete Aufladedruckmittel A über die Speicherleitung 23 in das Zwischenvolumen 13 eingeleitet wird, wird erfindungsgemäß die Verdichtungsleistung der ersten Verdichtungsstufe 5 beschränkt, wobei darunter zu verstehen ist, dass von der ersten Verdichtungsstufe 5 vorverdichtete Luft L2 nicht in vollem Umfang aus dem ersten Verdichtungsraum 5.2 durch das erste Auslassventil 12 in das Zwischenvolumen 13 gefördert wird. Dadurch wird eine Druckbegrenzung des in das Zwischenvolumen 13 geförderten vorverdichteten Druckmittels L2 auf einen durch ein mit der ersten Verdichtungsstufe 5 zusammenwirkendes Überdruckventil 26 festgelegten Grenzdruck pG erreicht.
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Dazu zweigt zwischen dem ersten Auslassventil 12 und dem ersten Verdichtungsraum 5.2 eine Entlüftungsleitung 25 ab, die entweder in die Ansaugleitung 10 oder in die Atmosphäre 100 mündet. In der Entlüftungsleitung 25 ist das Überdruckventil 26, beispielsweise ein Rückschlagventil, das ab einem Grenzdruck pG öffnet, angeordnet. Das Überdruckventil 26 wird in Abhängigkeit des Zwischendruckes p2 des in der ersten Verdichtungsstufe 5 vorverdichteten Druckmittels L2 gesteuert.
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Sobald also das jeweilige Schaltventil 22a, 22b geöffnet wird, um den geschlossenen Betriebsmodus BMc zu aktivieren und die Luftfederanlage 1 mit der gespeicherten Luft L4 zu betreiben oder die Verbraucherluft L5 rückzufördern, wird automatisch über das Überdruckventil 26 die Verdichtungsleistung der ersten Verdichtungsstufe 5 beschränkt, indem ein Fördern von vorverdichtetem Druckmittel L2 auf den Grenzdruck pG begrenzt wird. Dazu wird die im ersten Verdichtungsraum 5.2 vorhandene vorverdichtete Luft L2 ab dem Grenzdruck pG zumindest anteilig in die Ansaugleitung 10 oder optional in die Atmosphäre 100 zurückgeführt, so dass weniger vorverdichtete Luft L2 durch das erste Auslassventil 12 in das Zwischenvolumen 13 gefördert wird. Eine Verdichtung findet somit hauptsächlich über die zweite Verdichtungsstufe 6 statt, um die Druckmittelkammern 3.i mit Luft zu versorgen oder eine Rückförderung in den Druckmittelvorrat 20 zu erreichen.
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Das Überdruckventil 26 ist vorzugsweise als ein Differenzdruckventil, insbesondere ein Kugelrückschlagventil mit einer Feder ausgebildet, wobei die Feder eine Kugel gegen eine Ventilöffnung drückt. Sobald der Druck in der Entlüftungsleitung 25 höher als der Grenzdruck pG ist, gibt die Kugel die Ventilöffnung frei, so dass vorverdichtete Luft L2 das Überdruckventil 26 durchströmen kann und dadurch eine Druckbegrenzung der ersten Verdichtungsstufe 5 erreicht werden kann.
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Dadurch kann im geschlossenen Betriebsmodus BMc eine Leistungsbegrenzung erreicht werden, mit der der Energiebedarf des Kompressors 4 angepasst oder minimiert werden kann, da eine Vorverdichtung der Ansaugluft L1 auf den im Zwischenvolumen 13 vorherrschenden Aufladedruck pA nicht nötig ist. Die benötigte Leistungsaufnahme des Motors 7 des Kompressors 4 wird somit begrenzt, da der erste Kolben 8 weniger Verdichtungsarbeit zu verrichten hat. Die benötigte Leistungsaufnahme des Motors 7 des Kompressors 4 wird somit begrenzt, da der erste Kolben 8 weniger Verdichtungsarbeit zu verrichten hat. Dies kann zur Optimierung der zweiten Verdichtungsstufe 6 genutzt werden, so dass eine optimale Abstimmung insbesondere eines End-Volumenstroms QE der zweiten Verdichtungsstufe 6 sowie eines Kolbendurchmesser D2 der zweiten Verdichtungsstufe 6 erfolgen kann. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass für die Schaltventile 22a, 22b eine Nennweite NW von beispielsweise 1mm verwendet wird, so dass der Speicher-Volumenstrom QS in das Zwischenvolumen 13 erhöht wird und somit auch der End-Volumenstrom QE steigt.
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Im geschlossenen Betriebsmodus BMc befindet sich im Zwischenvolumen 13 ein Mixdruckmittel L6, in dem anteilig das Aufladedruckmittel A sowie das vorverdichtete Druckmittel L2 mit maximal dem Grenzdruck pG vorhanden sind. Das Mixdruckmittel L6 wird mit einem Mixdruck p6 sowie einem Mix-Volumenstrom QM, die durch die jeweiligen Drücke bzw. Volumenströme des Aufladedruckmittels A bzw. des vorverdichteten Druckmittels L2 gegeben sind, in die zweite Verdichtungsstufe 6 gefördert.
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Im offenen Betriebsmodus BMo hingegen wird lediglich die vorverdichtete Luft L2 mit dem Zwischendruck p2 durch das Zwischenvolumen 13 in die zweite Verdichtungsstufe 6 gefördert, ohne dass es zu einer Mischung mit dem Aufladedruckmittel A kommt. Das Mixdruckmittel L6 besteht somit ausschließlich aus der vorverdichteten Luft L2 mit dem Zwischendruck p2, der maximal dem Grenzdruck pG entspricht.
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Gemäß 2 ist der mehrstufige Kolbenkompressor 4 mit der ersten und der zweiten Verdichtungsstufe 5, 6 in einer schematischen Ansicht dargestellt. Die beiden Verdichtungsstufen 5, 6 sind über das Zwischenvolumen 13 miteinander verbunden, so dass die in der ersten Verdichtungsstufe 5 durch den ersten Kolben 8 vorverdichtete Luft L2 insbesondere im offenen Betriebsmodus BMo in die zweite Verdichtungsstufe 6 gefördert werden kann, um dort vom zweiten Kolben 9 weiter verdichtet zu werden.
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Im geschlossenen Betriebsmodus BMc wird über die Speicherleitung 23 das Aufladedruckmittel A in das Zwischenvolumen 13 geleitet. Das Überdruckventil 26, die Speicherleitung 23 sowie die Entlüftungsleitung 25 können platzsparend beispielsweise im Kompressordeckel 28 des Kompressorgehäuses 29 angeordnet werden.
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Gemäß 3 kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Luftfederanlage im geschlossenen Betriebsmodus BMc wie folgt durchgeführt werden:
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In einem anfänglichen Schritt St0 wird überprüft, welcher Betriebsmodus BMo, BMc der Druckregelanlage 1 eingestellt ist.
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Ist der geschlossenen Betriebsmodus BMc der Druckregelanlage 1 eingestellt, wird das Aufladedruckmittel A in einem ersten Schritt St1.1 über das jeweilige Schaltventil 22a, 22b freigegeben und über die Speicherleitung 23 in das Zwischenvolumen 13 eingelassen, von dem es über die zweite Verdichtungsstufe 6 erneut verdichtet wird. Über das Auslassventil 12 wird ein Einströmen in die erste Verdichtungsstufe 5 verhindert.
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In einem zweiten Schritt St1.2 verdichtet der Kompressor 4 Ansaugluft L1 über die erste Verdichtungsstufe 5, die dann über das Zwischenvolumen 13 zusammen mit dem Aufladedruckmittel A (s. Schritt St1.1) durch die zweite Verdichtungsstufe 6 weiter verdichtet wird, so dass ein Gemisch (Mixdruckmittel L6) aus vorverdichteter Luft L2 und Aufladedruckmittel A gefördert wird. Sobald die vorverdichtete Luft L2 einen Grenzdruck pG erreicht, öffnet das Überdruckventil 26 in einem dritten Schritt St1.3, so dass das von der ersten Verdichtungsstufe 5 vorverdichtete Druckmittel L2 anteilig in die Ansaugleitung 10 oder die Atmosphäre 100 abgeleitet wird. Der andere Teil der vorverdichteten Luft L2 gelangt weiterhin in das Zwischenvolumen 13. Dadurch wird eine Druckbegrenzung der von der ersten Verdichtungsstufe 5 in das Zwischenvolumen 13 geförderten Luft L2 sowie eine Begrenzung der Verdichtungsleistung erreicht. Dieser Energiegewinn kann zur optimalen Abstimmung der zweiten Verdichtungsstufe 6 verwendet werden.
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Im offenen Betriebsmodus BMo gelangt die Ansaugluft L1 aus der Atmosphäre 100 in einem Schritt St2.1 in die erste Verdichtungsstufe 5. In der ersten Verdichtungsstufe 5 wird die Ansaugluft L1 in einem zweiten Schritt St2.2 auf den Zwischendruck p2 vorverdichtet und in einem dritten Schritt St2.3 in das Zwischenvolumen 13 eingelassen. Aus dem Zwischenvolumen 13 gelangt das vorverdichtete Druckmittel L2 in die zweite Verdichtungsstufe 6, in der in einem vierten Schritt St2.4 eine erneute Verdichtung auf den Enddruck p3 stattfindet. In einem abschließenden Schritt St2.5 gelangt das verdichtete Druckmittel L3 in die Druckmittelkammern 3.i oder den Druckmittelvorrat 20.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftfederanlage
- 3.i
- Druckmittelkammern
- 4
- zweistufiger Kompressor
- 5
- erste Verdichtungsstufe
- 5.1
- erster Ansaugraum
- 5.2
- erster Verdichtungsraum
- 6
- zweite Verdichtungsstufe
- 6.1
- zweiter Ansaugraum
- 6.2
- zweiter Verdichtungsraum
- 7
- Motor
- 8
- erster Kolben der ersten Verdichtungsstufe
- 9
- zweiter Kolben der zweiten Verdichtungsstufe
- 10
- Ansaugleitung
- 11
- erstes Einlassventil
- 12
- erstes Auslassventil
- 13
- Zwischenvolumen
- 14
- zweites Einlassventil
- 15
- zweites Auslassventil
- 16
- Auslassleitung
- 17
- Lufttrockner
- 18
- Düse
- 19
- Vorratsleitung
- 20
- Druckmittelvorrat
- 21.i
- steuerbare Ventile
- 22a
- erstes Schaltventil
- 22b
- zweites Schaltventil
- 23
- Speicherleitung
- 25
- Entlüftungsleitung
- 26
- Überdruckventil
- 28
- Kompressordeckel
- 29
- Kompressorgehäuse
- 30
- Druckmessgerät
- 31
- Ablassventil
- 100
- Atmosphäre
- 200
- Fahrzeug
- A
- Aufladedruckmittel
- BMo
- offener Betriebsmodus
- BMc
- geschlossener Betriebsmodus
- L1
- Ansaugluft
- L2
- vorverdichtete Luft
- L3
- verdichtete Luft
- L4
- gespeicherte Luft
- L5
- Kammerluft
- L6
- Mixdruckmittel
- NW
- Nennweite
- pA
- Aufladedruck
- p1
- Luftdruck/Ansaugdruck
- p2
- Zwischendruck
- p3
- Enddruck
- p4
- Vorratsdruck
- p6
- Mixdruck
- pG
- Grenzdruck
- QE
- End-Volumenstrom
- QM
- Mix-Volumenstrom
- QS
- Speicher-Volumenstrom
- St1.1, St1.2, St1.3
- Schritte des Verfahrens im BMc
- St2.1, St2.2, St2.3, St2.4, St2.5
- Schritte des Verfahrens im BMo
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008034240 B4 [0004]
- DE 10321771 A1 [0005]
- DE 102011083614 A1 [0006]
- DE 102012010390 A1 [0007]
