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Die
Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere Axialkolben-Verdichter
für Fahrzeugklimaanlagen,
mit wenigstens einem extern ansteuerbaren Regelventil, insbesondere
Magnetventil.
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Regelventile
eines Axialkolbenkompressors haben die Aufgabe, den Triebwerksdruck
so einzustellen, dass sich der benötigte Kolbenhub und damit auch
die benötigte
Verdichterkälteleistung
einstellt. Um den Druck des Triebwerks einstellen zu können, müssen Verbindungen
der Regelventile zum Druckgas, zum Sauggas und zum Triebwerksraum
geschaffen werden. Die bisherige Lösung besteht in der Integration
von einem oder zwei Regelventilen im Zylinderkopf. Es wird diesbezüglich nur
beispielhaft verwiesen auf die WO 02/06671 A1. Diese Druckschrift beschreibt
einen R134a-Kompressor mit einem Regelventil, durch den der Druck
im Triebwerksraum eingestellt wird.
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Ein
grundlegendes Problem für
extern geregelte Ventile ergibt sich aus der hohen Temperatur des
Zylinderkopfes. Die hohe Temperatur ergibt sich durch die relativ
große
Oberfläche
der Druckkammer, in der sich im Verdichterbetrieb Druckgas mit sehr
hoher Temperatur und großer
Turbulenz befindet. Aufgrund der hohen Turbolenz und des sich daraus
ableitenden hohen Wärmeübertragungskoeffizienten findet
ein Wärmeübergang
ohne nennenswerte Temperatursenkung statt.
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Derzeit
bevorzugte Materialien für
den Zylinderkopf sind aufgrund ihrer hohen gewichtsspezifischen
Festigkeit Aluminiumlegierungen. Die hohe Wärmeleitfähigkeit dieser Legierungen
bewirkt einen geringen Wärmedurchgangswiderstand,
so dass sich Ventil und Spule, sofern es sich bei dem externen Regelventil
um eine Magnetventil handelt, stark erwärmen.
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Die
vorstehende Problematik wird bei Verwendung anderer Kältemittel,
wie z.B. CO2, noch verschärft, da
diese Kältemittel
zu höheren
Druckgastemperaturen als R134a führen,
und zwar zu Temperaturen von bis zu 180°C.
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In 8 ist eine Zweiventil-Lösung am
Zylinderkopf schematisch dargestellt. Es handelt sich um eine herkömmliche
Konstruktion. Der Zylinderkopf ist mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet.
An der Oberseite des Zylinderkopfes 10 sind innerhalb von zwei
Ausnehmungen 11, 12 Magnetventile 13, 14 angeordnet.
Die Magnetventile erstrecken sich etwa parallel zur Oberseite des
Zylinderkopfes und werden durch eine Klammer 15 axial gesichert.
Die Spulenkörper
der Magnetventile 13, 14 sind in 8 mit der Bezugsziffer 16, 17 gekennzeichnet.
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9 ist ein Horizontalschnitt
durch den Zylinderkopf 10 gemäß 8 unter Darstellung eines in der Druckgasleitung
integrierten Ölabscheiders. 9 läßt erkennen, dass die Zweiventil-Konstruktion
gemäß 8 in bezug auf den benötigten Bauraum
sehr vorteilhaft ist. Der Zylinderkopf ermöglicht neben der Integration
der Regelventile 13, 14 auch die Integration eines Ölabschneiders 18.
Andererseits ist diese Lösung
hinsichtlich der Erwärmung
der Regelventile 13, 14 sowie deren Spulen problematisch.
Zum einen ist der Zylinderkopf im Betrieb relativ heiß. Zusätzlich werden
die Spulen der Magnetventile im Betrieb bestromt und dadurch entsprechend
erwärmt.
Das vorgenannte Temperaturproblem wird zusätzlich durch den integrierten Ölabscheider 18 verschärft, durch
den mit Öl
befrachtetes Druckgas unter hoher Temperatur geleitet wird. Der
beschriebene hohe Wärmestrom
in Kombination mit der Erwärmung
durch Bestromung der Regelventile kann zu einem frühzeitigen
Ausfall derselben führen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die thermische Belastung
externer Regelventile, insbesondere deren Magnetspulen auf ein Minimum
reduziert ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, wobei bevorzugte konstruktive
Details und Ausführungsformen
in den Unteransprüchen
dargestellt sind.
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Der
Kern der vorliegenden Erfindung liegt also darin, die extern ansteuerbaren
Regelventile, bei denen es sich in der Regel um Magnetventile handelt,
thermisch vom heißen
Zylinderkopf zu entkoppeln. Damit kann die Lebensdauer der Ventile
erheblich verlängert
werden.
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Die
thermische Entkopplung erfolgt entweder durch ein oder mehrere zusätzliche
Bauelemente oder eine zusätzliche
Isolierschicht, so dass ein direkter Wärmefluß zu den Ventilen oder deren
Magnetspulen verhindert wird. Die zusätzlichen Bauelemente bestehen
vorzugsweise aus Materialien geringer Wärmeleitfähigkeit. Sie stellen sog. „thermische Isolatoren" dar.
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Alternativ
kann die Entkoppelung vom heißen
Zylinderkopf auch durch Anordnung der extern ansteuerbaren Regelventile
in einem Bereich niedrigerer Temperatur, z.B. im Bereich des Verdichtergehäuses oder
vorzugsweise des Zylinderblocks erfolgen. Der Zylinderblock ist
dasjenige Bauteil, in dem mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete
Zylinderbohrungen zur Aufnahme von hin- und herbewegbaren Kolben
ausgebildet sind. Dieses Bauteil ist erheblich kühler als der Zylinderkopf.
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Des
weiteren ist der Zylinderblock in der Regel thermisch vom Zylinderkopf
durch dazwischengeschaltete Flachdichtungen entkoppelt.
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Anhand
der beigefügten
Zeichnung werden bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 die Anordnung einer Magnetspule
des Regelventils im Sauggasstrom des Zylinderkopfes eines Axialkolbenverdichters
im Schnitt und vergrößertem Maßstab;
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2 die Anordnung eines Regelventils
an der Stirnseite eines Zylinderkopfes unter Zwischenschaltung einer
wärmeisolierenden
Dichtung in perspektivischer Schrägansicht;
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3 radiale Anordnung von
zwei Regelventilen am Zylinderblock eines Axialkolbenverdichters
in perspektivischer Explosionsdarstellung;
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4 die axiale Integration
eines Regelventils im Zylinderblock eines Axialkolbenverdichters
in perspektivischer Ansicht;
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5 die Anordnung gemäß 4 im Längsschnitt und vergrößertem Maßstab;
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6 und 7 zwei Ausführungsformen einer axialen
Integration von Regelventilen im Bereich zwischen Zylinderblock
und Zylinderkopf, jeweils im Längsschnitt.
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In 1 ist die Integration eines
extern ansteuerbaren Magnet-Regelventils im Bereich der Sauggaskammer 39 eines
Zylinderkopfes eines Axialkolben-Verdichters für Fahrzeugklimaanlagen im schematischen
Längsschnitt
dargestellt. Die Magnetspule des Magnetventils 13 bzw. 14 ist
mit der Bezugsziffer 19 gekennzeichnet. Die Platzierung
des Regelventils 13 bzw. 14 erfolgt dabei so,
dass insbesondere die beim Bestromen zusätzlich erwärmte Magnetspule 19 vom
kühlen
Sauggas umspült
wird. Im übrigen
erfolgt eine thermische Entkoppelung des Regelventils 13 bzw. 14 durch
ein zusätzliches
Bauteil, nämlich
eine im Zylinderkopf 10 eingepreßte oder eingeklebte topfartige
Buchse 20 aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit.
Die Buchse 20 wirkt also wärmeisolierend und schützt das
Regelventil 13 bzw. 14 vor den hohen Temperaturen
nahe der Druckgaskammer 21. Vorzugsweise besteht die Buchse 20 aus
Stahl. Durch die Buchse 20 wird also der Wärmedurchgangswiderstand
zum Regelventil 13 bzw. 14 erhöht und die Wärmelast
von Ventil und Spule herabgesetzt. Die Magnetspule 19,
die dem Regelventil 13 bzw. 14 zugeordnet ist,
ist innerhalb einer axialen Bohrung 22 im Zylinderkopf 10 eingepreßt oder
ebenfalls eingeklebt. 1 zeigt,
dass nur relativ kleine Kontaktflächen zwischen Magnetspule und
Zylinderkopf 10 vorhanden sind, die einen direkten Wärmestrom
in die Magnetspule 19 erlauben. Diese Kontaktflächen sind
jedoch so klein, dass sie nicht zu einer merklichen zusätzlichen
Erwärmung der
Magnetspule 19 führen,
zumal die Wärmelast
sofort wieder an kühles
Sauggas abgegeben wird. Die Magnetspule 19 wird, wie auch 1 erkennen lässt, so
in den Zylinderkopf 10 eingepreßt oder eingeklebt, dass eine
möglichst
große
Oberfläche
zum Sauggas geringerer Temperatur entsteht. Darüber hinaus soll die Sauggasführung so
beschaffen sein, dass sich an der Kontaktfläche zur Magnetspule 19 eine
turbulente Strömung
ausbildet.
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In
der dargestellten Konstruktion bilden das Regelventil 13 bzw. 14,
die Magnetspule 19, die Buchse 20 sowie ein Filter 23 und
ggf. Ringdichtungen 24, 25 eine Unterbaugruppe,
welche vormontiert werden kann, um dann als Ganzes in den Zylinderkopf 10 eingesetzt
zu werden. Beim Regelventil 13 bzw. 14 handelt
es sich um ein Strömungs-Regelventil, d.h.
ein Ventil, welches die Strömung
aus der Druckgaskammer 21 heraus regelt (Strömungspfeile 26, 27).
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Das
Gas der Druckkammer 21 gelangt in einen Ringraum 40,
der durch die Ringdichtungen 24 und 25 abgedichtet
wird. Im weiteren tritt das Gas durch einen Filter in radiale Bohrungen
des Ventils ein. Axial im Ventil befindet sich eine Bohrung, die
in Verbindung mit einem Ventilsatz steht.
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Diese
axiale Öffnung
kann nun infolge der Bestromung der Spule geregelt werden (geschlossen und
geöffnet).
Bei geöffneter
axialer Bohrung kann Gas zum Triebwerk strömen.
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Konkret
erfolgt die Regelung der axialen Bohrung durch einen Steuerkolben 28,
der mit einem axial verschieblichen Schaft 30 verbunden
ist; dieser Schaft 30 erstreckt sich axial durch die Spule 19 hindurch
und wird durch entsprechende Bestromung derselben axial bewegt.
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In 2 ist eine andere Möglichkeit
dargestellt, um extern ansteuerbare Regelventile 13, 14 vor einer
zu großen
Aufheizung während
des Betriebs des Axialkolben-Verdichters
zu schützen.
Die Regelventile 13, 14 sind an der Stirnseite
des Zylinderkopfes 10 außerhalb desselben angeordnet,
und zwar auf einem Ventilblock 31 platziert. Bereits der
Ventilblock 31 reduziert einen Wärmedurchgang vom Zylinderblock 10 zu
den Regelventilen 13, 14. Zusätzlich kann eine thermische
Isolation durch eine Flachdichtung zwischen Ventilblock 31 und
Zylinderblock 10 erreicht werden. Die Flachdichtung besteht
vorzugsweise aus einem Material mit möglichst hohem Wärmedurchgangswiderstand.
Die Flachdichtung ist in 2 mit
der Bezugsziffer 32 angedeutet. 2 zeigt auch noch einen unterhalb des
Zylinderkopfes 10 angeordneten Zylinderblock 33,
innerhalb dem gleichmäßig über den
Umfang verteilt mehrere Zylinderbohrungen für hin- und hergehende Kolben
ausgebildet sind.
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Auch
der Ventilblock 31 besteht aus einem Material geringer
Wärmeleitfähigkeit,
z.B. Stahl oder temperaturbeständigem
Kunststoff. Der Ventilblock wird mit dem Zylinderkopf vorzugsweise
verschraubt, wobei die Verschraubung vorteilhafter Weise so angeordnet
und ausgebildet ist, dass sie gleichzeitig zur Verschraubung von
Zylinderkopf, Zylinderblock und einem nicht dargestellten Verdichtergehäuse dient. Auf
diese Art und Weise wird eine besonders einfache Konstruktion mit
wenig Schrauben und Bearbeitungsaufwand erhalten.
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Bei
Anordnung einer wärmeisolierenden Dichtung
zwischen Ventilblock und Zylinderkopf ist es natürlich auch möglich, den
Ventilblock ebenso wie den Zylinderkopf zum Beispiel aus Aluminium oder
einer Aluminiumlegierung herzustellen, auch wenn dann die Wärmeleitung
des Ventilblocks 31 per se relativ hoch ist. Die thermische
Entkoppelung der Regelventile 13, 14 vom Zylinderkopf
erfolgt dann eben primär
durch die Isolierung 32 zwischen Ventilblock 31 und
Zylinderkopf 10. Diese Ausführungsform hat den Vorteil,
dass der Ventilblock sich ebenfalls einfach und kostengünstig herstellen
und bearbeiten lässt.
Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen sind relativ weich. Dieses Material
eignet sich auch gut zum Verstemmen der Regelventile 13, 14 im
Ventilblock 31, so dass in diesem Bereich auf zusätzliche Dichtelemente
verzichtet werden kann.
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Hohe
Kräfte,
die beim Verstemmen notwendig werden, werden einen kompakten Ventilblock 31 weniger
verformen, als z.B. einen Zylinderkopf, der bereichsweise relativ
dünnwandig
ausgebildet ist aufgrund der dort vorgesehenen Sauggaskammer 39 ,
Druckgaskammer und Gasleitungen.
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Die
Regelventile 13, 14 werden bei der Ausführungsform
nach 2 noch durch eine äußere Schutzkappe 34 abgedeckt.
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In 3 ist das eingangs erwähnte Wärmebelastungsproblem
für die
Regelventile 13, 14 dadurch gelöst, dass
diese an einem thermisch weniger stark belasteten Bauteil, nämlich an
der Außenseite des
bereits erwähnten
Zylinderblocks angeordnet werden, und zwar sich jeweils radial nach
außen
erstrecken derart, dass die Magnetspulen 19 sich außerhalb
des Zylinderblocks 33 befinden. Im end-montierten Zustand
werden die Magnetspulen natürlich
ebenfalls durch eine Schutzkappe 34 vor äußeren Einflüssen geschützt. Es
ist allgemein bekannt, dass im Betrieb des Verdichters die Temperaturen
am Zylinderblock 33 wesentlich geringer sind als am Zylinderkopf 10.
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4 zeigt zu der zuletzt genannten
Alternative eine noch etwas elegantere Konstruktion, bei der die
Regelventile 13, 14 an der Außenseite des Zylinderblocks 33 sich
jeweils axial erstreckend angeordnet sind, und zwar innerhalb sich
axial erstreckender Ausbuchtungen am äußeren Umfang des Zylinderblocks 33.
Diese Ausführungsform
ist besonders platzsparend. Vorzugsweise werden die Regelventile 13, 14 jeweils
zwischen sich axial erstreckenden Verbindungsschrauben für Zylinderkopf 10,
Zylinderblock 33 und nicht dargestelltem Verdichtergehäuse positioniert.
In 4 sind diese Verbindungsschrauben
mit den Bezugsziffern 35 gekennzeichnet.
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Die
Magnetspulen 19 der Regelventile 13, 14 sind
auch bei der Ausführungsform
gemäß 4 durch eine Schutzkappe 34 abgedeckt,
die im Ausführungsbeispiel
bogenförmig
ausgebildet ist.
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Da
der Einbauraum bei der Ausführungsform gemäß 4 relativ begrenzt ist,
eignet sich diese Ausführungsform
vornehmlich für
die Anordnung von wenigstens zwei oder mehreren kleinen Regelventilen
anstelle eines größeren 3-Wege-Ventils.
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Die
axiale Baulänge
des Verdichters wird durch die Ausführungsform gemäß 4 nicht erhöht. Lediglich
der Außendurchmesser
des Zylinderblocks 33 wird an zwei Stellen geringfügig vergrößert. Die
Anordnung der Regelventile 13, 14 im Bereich des
Zylinderblocks 33 hat den Vorteil, dass die Wärmebelastung
der Ventile relativ gering ist, da sich der Zylinderblock 33 im
Betrieb bei weitem nicht so stark erwärmt wie der Zylinderkopf 10.
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Bei
der Ausführungsform
nach 4 lassen sich die
Regelventile 13, 14 auch gut verstemmen, da es
sich beim Zylinderblock 33 um ein relativ steifes Bauteil
handelt. Die Gefahr, dass sich beim Verstemmen der Regelventile
die Zylinderbohrungen im Zylinderblock 33 verdrücken, besteht
nicht.
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Vorteilhaft
ist auch, dass die Magnetspulen 19 bei der Ausführungsform
nach 4 durch den Zylinderkopf
zumindest teilweise abgedeckt sind. Vorzugsweise erstreckt sich
zwischen Zylinderkopf 10 und den zugeordneten Stirnseiten
der Magnetspulen 19 noch die Schutzkappe 34 hinein,
die aus einem thermisch schlecht leitenden Material besteht. Dadurch
wird zusätzlich
Wärmefluß aus dem
Zylinderkopf 10 in die Spulen 19 verhindert. Gleichzeitig erfolgt
eine axiale Sicherung der Magnetspulen 19. Wie diese Konstruktion
im einzelnen aussieht, kann dem schematischen Längsschnitt gemäß 5 im Bereich eines Regelventils
samt Magnetspule entnommen werden.
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Die
Schutzkappe 34 verhindert auch, dass eines der Regelventile 13, 14 bei
starker Beschleunigung oder Abbremsung des Fahrzeuges aus der Verankerung
geschleudert wird, sollte sich – aus
welchen Gründen
auch immer – die
Verstemmung zwischen Regelventil bzw. Ventilgehäuse und Zylinderblock 33 lösen.
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In
den 6 und 7 sind noch vorteilhafte Strömungsführungen
zum bzw. vom Regelventil 13 bzw. 14 für die Ausführungsform
nach den 4 und 5 dargestellt. Bei der Ausführungsform
nach 6 führt ein
Strömungskanal
zunächst
axial vom Ventil 13 bzw. 14 weg in Richtung Verdichtergehäuse 35, und
dann innerhalb des Zylinderblocks 33 wieder zurück zur Saugkammer.
Dabei handelt es sich jeweils um Axialbohrungen. Die Verbindung
zwischen diesen beiden Bohrungen erfolgt durch eine Nut 36 an der
stirnseitigen Anschlussfläche
des Zylinderblocks 33 zum Verdichtergehäuse 35.
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Die
Ausführungsform
nach 7 ist prinzipiell
gleichermaßen
gestaltet. Sie zeichnet sich jedoch durch einen geringeren Bearbeitungsaufwand
aus. Die Verbindung zwischen den beiden vorgenannten Axialbohrungen
erfolgt durch eine Aussparung 37 in einer Flachdichtung 38 zwischen
Zylinderblock 33 und Verdichtergehäuse 35. Die Flachdichtung 38 ist ein
Bauteil, welches ohnehin als Dichtelement zwischen Zylinderblock
und Gehäuse
benötigt
wird.
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Bei
dieser zuletzt genannten Ausführungsform
kann auf die Bearbeitung der Nut 36 entsprechend 6 verzichtet werden.
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Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem
Stand der Technik neu sind.
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- 10
- Zylinderkopf
- 11
- Ausnehmung
- 12
- Ausnehmung
- 13
- (Magnet-)Regelventil
- 14
- (Magnet-)Regelventil
- 15
- Klammer
- 16
- Spuhlenkörper
- 17
- Spuhlenkörper
- 18
- Ölabscheider
- 19
- Magnetspule
- 20
- Buchse
- 21
- Druckgaskammer
- 22
- axiale
Bohrung
- 23
- Filter
- 24
- Ringdichtung
- 25
- Ringdichtung
- 26
- Pfeil
- 27
- Pfeil
- 28
- Steuerkolben
- 29
- Ringnut
- 30
- Schaft
- 31
- Ventilblock
- 32
- Flachdichtung
- 33
- Zylinderblock
- 34
- Schutzkappe
- 35
- Verdichtergehäuse
- 36
- Nut
- 37
- Aussparung
- 38
- Flachdichtung
- 39
- Sauggaskammer
- 40
- Ringraum