DE2421691A1

DE2421691A1 - Verfahren zum betreiben eines verbrennungskraftmotors und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2421691A1
Application number: DE2421691A
Authority: DE
Inventors: Walter Franke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-05-04
Filing date: 1974-05-04
Publication date: 1975-11-13
Also published as: DE2421691B2

Description

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungskraftmotors und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungskraftmotors mit einem insbesondere bleiarmen Kraftstoff, welcher unverzögert, explosionsartig verbrennt. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit in Arbeitszylindern bewegbaren Arbeit s kolben,, Ein- und Aus lass mitte In und einer Zündeinrichtung an den Zylindern, wobei an die Einlassmittel ein Tank für einen Kraftstoff, gegebenenfalls über einen Vergaser,, angeschlossen ist. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf hochverdichtete Motoren. Solche sind mit einem Verdichtungsverhältnis in der Grössenordnung 1 : 8 bis 1 : 10,4 beispielsweise bekannt.

Kraftstoffe, d.h. Benzin, mit welchen Verbrennungskraftmotore, insbesondere für Kraftfahrzeuge, betrieben werden, sind mit einem Verbrennungshemmer ausgestattet, der allgemein mit Blei bezeichnet wird, beispielsweise aus Bleitetraäthylen oder Eisencarbonylen besteht. Diese Mittel sind als sogenannte Klopfhemmer bekannt. Sie haben den Zweck, eine bessere Betriebsweise des Motors herbeizuführen, indem unter Beibehaltung einer genügend langen Wirkungsphase des Arbeitshubes eine optimale Ausnutzung des

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Kraftstoffes gewährleistet ist. Derartige Klopfliemmer haben aber den Nachteil, daß sie zur Umweltverschmutzung führen. Bei Verarbeitung von Kraftstoff mit einem geringeren Anteil an Klopfhemmern besteht eine gewisse Möglichkeit zur Vermeidung der Klopferscheinung des Motors darin, daß der Zündzeitpunkt verstellt wird, und zwar im Sinne einer späteren Zündung bezüglich des Motorbetriebes. Dabei ergeben sich aber die Nachteile eines geringeren Wirkungsgrads einer Aufheizung der Maschine und insbesondere eines großen Kraftstoffverbrauches. Auch diese bekannte Maßnahme der Verstellung des Zündzeitpunktes unterliegt daher dem Mangel, daß praktisch zwischen zwei nachteiligen Grenzen gewählt werden muß, und zwar zwischen einerseits den oben genannten Nachteilen und andererseits der Verwendung eines Klopfhemmer s.

Hierbei ist zu berücksichtigen, daß bei Verwendung eines sogenannten bleiarmen oder bleifreien Kraftstoffes außerordentlich hohe Druckspitzen in der Größenordnung von 80 atu oder höher auftreten können, die bei einer bestimmten Kolbenstellung zu den bekannten Klopf- oder Klingelerscheinungen führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungskraftmotors sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, die es ermöglichen, die Zündung bezüglich der Umkehrpunkte des ArbeitskoIbens an einer optimalen Stellung für die Ausnutzung des angesaugten Kraftstoffes hinsichtlich Umsetzung in Arbeitsleistung auszunutzen, ohne daß dabei die Druckspitzen zu Klopf- oder Klingelerscheinungen führen, die ihrerseits den Wirkungsgrad eines Motors wieder herabsetzen würden,bzw. sollen diese Druckspitzen in einer Weise in ihrer Wirkung vermindert werden, daß eine optimale Arbeitsweise des Motors ermöglicht wird.

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Bezüglich des Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungskraftmotors wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass Druckspitzen in dem Arbeitsraum eines Zylinders aus diesem abgeleitet und gespeichert und nach Verminderung des Druckes in den Arbeitsraum zurückgeführt werden. Hierdurch kann die Zündung praktisch unmittelbar vor, im oder nach dem oberen Umkehrpunkt des Arbeit skolbens erfolgen, wobei die durch den von Klopfhemmern im wesentlichen freien Kraftstoff erzeugte Druckspitze abgeführt wird, jedoch nicht verlorengeht, sondern praktisch aufgefangen und letzten Endes auch noch zur Antriebsleistung ausgenutzt wird. Hierdurch ist es mit einfachen Mitteln möglich, einen Verbrennungskraftmotor mit einem umweltfreundlichen Kraftstoff optimal und wirtschaftlich zu betreiben. Der Ausdruck "Verbrennungskraftmotor" bezieht dabei jegliche Betriebsweise ein, beispielsweise Viertakt-Otto-Motore, Zweitakt-Motore oder auch Dieselmotore.

Die Vorrichtung bzw. der Motor ist dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitszylinderkopf einen gegen einen nachgiebigen Widerstand erweiterungsfähigen Raum aufweist. Hierdurch wird erreicht, dass die Druckspitze in Abhängigkeit davon, dass sie im Laufe des Ärbeitskolbens einen Widerstand findet, der zum Klopfen führen kann, abgeführt wird, so dass auf den Arbeitskolben nur der Druck wirkt, welcher maximal für einen glatten Durchlauf des Kolbens erreicht wird. Der nachgiebige Widerstand ist entsprechend ausgelegt und richtet sich nach den jeweiligen Verhältnissen des Verbrennungskraftmotors, insbesondere Hubraumes, Füllung und dergleichen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Arbeitszylinderkopf mit einem erweiterungsfähigen Raum durch einen Kanel verbunden. Dieser Kanal ist zweckmässig so kurz wie baulich möglich ausgeführt.

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In einer Ausgestaltung besteht der Raum aus einem Zylinder, in welchem ein Kolben gegen Federkraft abgedichtet geführt ist. Hierin liegt eine zweckmässige Ausgestaltung. Bevorzugt wird aber, dass der Raum mit einer starren Wandung ausgebildet ist, in dem sich ein zusammendrückbarer Balg befindet. Diese Ausführung mit einem Balg beseitigt Dichtungsprobleme, welche an einem in einem Zylinder geführten Kolben auftreten. Ausserdem ergibt sich eine Anordnung, die zwar mit erheblicher Empfindlichkeit elastisch nachgiebig ist, aber weniger zu Schwingungen neigt als ein starr auf Federn abgestützter Kolben. Das elastische Widerlager wird bei Verwendung eines Balges vorzugsweise durch dessen Füllung mit einem kompressiblen Druckmittel, beispielsweise Stickstoff, unter einem Druck in der Grössenordnung von etwa 50 atü gebildet. Zweckmässig besteht der Balg aus einem elastischen Material, insbesondere Gummi. Es versteht sich, dass der auf einem Druckkissen abgestützte Balg auch lediglich aus flexiblem Material bestehen kann. Die Ausführung aus einem elastischen Material wird deshalb bevorzugt, weil die Rückkehr in die Ausgangslage vergleichmässigt wird, und insbesondere keine unvorhersehbaren Wirbelungsbedingungen durch Faltenbildung des Balges entstehen.

Mit besonderem Vorteil ist der Balg konform zu der Wandung des Raumes ausgeführt. Dadurch ist gewährleistet, dass die von eindringenden Verbrennungsgasen gebildete Druckspitze sich in den Raum ausdehnen kann, wobei die der Mündung gegenüberliegende Fläche insgesamt zurückgedrückt oder eingestülpt wird.

Die starre Wandung des Raumes besteht vorteilhaft aus Metall oder einem Kunststoffgewebe.

Mit besonderem Vorteil ist zur Beherrschung von auch hohen Druckspitzen die Wandung des Raumes kugelförmig ausgestaltet und der Balg entsprechend geformt. Hierdurch kann die Vorrichtung besonders wirtschaftlich ausgebildet und, wie noch erläutert wird, in einfacher Weise für mehrere Zylinder ausgenutzt werden.

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Die erwähnte Verbindung zwischen dem Arbeitszylinder und dem Raum kann zweckmässig unmittelbar in den Arbeitszylinderkopf münden. Eine besondere wirtschaftliche Ausführung sieht jedoch vor, dass ein Verbindungskanal in einem Ansatz3tutzen für die Zündkerze des Arbeitszylinders unterhalb der Zündkerze mündet. Diese Ausführung hat den zusätzlichen Vorteil, dass bekannte Motoren nachträglich mit der erfindungsgemässen Vorrichtung ausgestattet werden können, ohne das3 dazu besondere Änderungen des Motors erforderlich sind.

Zweckmässig hat der Verbindungskanal, der so kurz wie baulich möglich ausgeführt ist, einen eingeschnürten Querschnitt in der GrossenOrdnung von 5-10 mm Durchmesser und bildet eine Drossel bzw. ist in dem Verbindungskanal eine Einschnürung vorgesehen, welche gewährleistet, dass tatsächlich nur Druckspitzen in angemessener Weise bei einer erheblichen Höhe abgeführt werden.

Eine besonders günstige Ausführungsform liegt dabei auch darin, dass ein Wandteil des Zylinderkopfes des ArbeiteZylinders unmittelbar aus nachgiebigem Material besteht und federnd abgestützt ist. Hierdurch wird ein Totraum durch eine Verbindung so klein wie möglich gehalten.

Wenn von einer federnden Abstützung geschrieben ist, dann kann auch ein Balg oder ein Kolben auf einer Stickstoffüllung abgestützt sein, oder es ist eine Feder angeordnet.

Wenn auch bevorzugt wird, dass ein erweiterungsfähiger Raum für jeden Zylinder getrennt vorgesehen ist, wird in einer besonderen Ausgestaltung einbezogen, dass an einen Raum mehrere Zylinder angeschlossen sind und in den Anschlüssen gesteuerte Ventile enthalten sind.

Bei gemeinsamen Anschluss mehrerer Zylinder ergibt sich bei der kugelförmigen Ausbildung der Wandung des Raumes und einem ent-

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sprechend geformten Balg der Vorteil, dass ohne Einschluss von Ventilen die Verbindungskanäle winkelmässig voneinander versetzt, beispielsweise in einer Durchmesserebene um 90° zueinander versetzt, angeschlossen sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 : einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung an einem Arbeitszylinder;

Fig. 2 : eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung, jedoch im Augenblick einer anderen Kolbenstellung mit einem gegenüber Fig. 1 zusätzlichen Mittel;

Fig. 3 : eine Teildarstellung einer Abwandlung gegenüber Fig. 1 im Querschnitt;

Fig. 4 : eine Teildarstellung des Zylinderkopfes im Schnitt mit einer abgewandelten Ausführungsform;

Fig. 5 : eine Draufsicht auf Fig. 4;

Fig. 6 : eine Draufsicht auf eine Vorrichtung mit einem erweiterungsfähigen Raum im Schnitt und formal mit Anschlüssen an vier Zylinderköpfe .

Bezüglich der Fig. 1 und 2 wird bemerkt, dass ein Motor praktisch mehrere solcher Arbeitszylinder aufweist, die mit zueinander versetzten Arbeitstakten arbeiten.

In den Fig. 1 und 2 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

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In dem Arbeitszylinder 1 ist ein Arbeitskolben 2 in üblicher Weise geführt. Dieser Arbeitskolben 2 steht über eine Kolbenstange 3 mit einer Antriebskurbel 4 in Verbindung. In dem Zylinderkopf 5 sind ein Einlassventil 6 und ein Auslassventil 7 angeordnet. Der Zylinder gehört beispielsweise zu einem Viert akt-Motor. Die Ventilstößel 8, 9 sind in an sich bekannter Weise im Arbeitstakt· von einer Nockenwelle 10 gesteuert, die über eine Transmission 11 mit der Kurbelwelle 4 in Antriebsverbindung steht. Das Einlassventil ist über einen Ansaugkanal 12, in welchem ein Vergaser 13 angeordnet sein kann, mit einem Vorrat, insbesondere einem Tank 14, für den flüssigen Kraftstoff verbunden. An das Auslassventil 7 schliesst sich ein Auslasskanal 15 an. In üblicher Weise ist am Zylinderkopf 5 eine Zündkerze vorgesehen. Diese ist in der erfindungsgemässen Ausführung an einem Ansatzstutzen 17 angeordnet, der zwischen dem Zylinderkopf 5 und der Zündkerze 16 vorgesehen ist. Letztere ist in üblicher Weise mit einem Zündverteiler verbunden.

Der Ansatzstutzen weist eine verhältnismässig grosse Verbindung 18 zum Arbeitsraum 19 des ArbeitsZylinders 1 auf. Zwischen dem Arbeitsraum und der Zündkerze 16 ist jedoch ein Verbindungskanal 20 abgezweigt, der einen gegenüber der Verbindung 18 eingeschnürten Querschnitt hat und in einen Raum 21 innerhalb einer starren, kugelförmigen Wandung 22 mündet. 23 sind Anschlussarmaturen. Der Verbindungskanal 20 kann durch Wandungen aus beliebigem Material begrenzt sein, das genügend fest ist, um eine Verformung unter der Wirkung durchtretender Druckgaswellen zu verhindern.

In der beschriebenen bevorzugten Ausfuhrungsform ist die kugelförmige Wandung 22 mit einem im wesentlichen kugelförmigen Balg 24 ausgekleidet, welcher sich mit seiner Oberfläche an die Innenseite der Wandung 22 anlegt. Im wesentlichen gegenüber der Mündung 25 des Verbindungskanals 20 sind die Wandung 22 des Raumes sowie der Balg 24 von einem Füllkanal 28 durchsetzt,

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in welchem ein als federbelastetes Rückschlagventil ausgeführtes Füllventil 29 angeordnet ist. Eine Quelle für Füllmaterial kann auf einen in der Wandung 22 angeordneten Stutzen 30 aufgebracht werden. Diese Ausführung wird bevorzugt, wenn ein kompressibles Gas, insbesondere Stickstoff, unter Druck in den Balg 24 gefüllt wird. Dabei hat der Balg eine Elastizität, dass auch unter .diesem Druck der Wandabschnitt 26 mit Abstand von der Mündung 25 verbleibt, aber bei Eintritt von Druckgas in den Raum 21 unter Komprimierung des Stickstoffes zurückweichen kann. Dabei werden Druckspitzen im Arbeitsraum 19 des ArbeiteZylinders aufgenommen infolge der Rückfederungskraft des Balges 24 und seiner Füllung, aber bei Nachlassen der Druckspitze im Arbeitsraum 19 in diesen zurückgeführt, um eine optimale Ausnutzung des Verbrennungskraftstoffes zu erreichen.

In Fig. 1 beginnt der Kolben 2 seinen Saughub, so dass sich der Balg 24 mit seiner gesamten Fläche an die Wandung 22 anlegt. In Fig. 2 ist demgegenüber der Zeitpunkt der Zündung gezeigt, wobei eine Druckspitze durch den Verbindungskanal 20 in den erweiterungsfähigen Raum gelangt und sich der Balg 24 vor der Mündung 25 von der Wandung 22 abhebt. Dadurch kann der Andruck an den verbleibenden anliegenden Wandflächen erhöht werden.

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform. In Fig. 2 ist eine weitere Andeutung gezeigt, indem an dem Verbindungskanal 20, vorzugsweise in unmittelbarer Nähe am Zylinderkopf, ein Drehschieber 56 angeordnet ist, der über ein Gestänge 32 von der Nockenwelle 10 her gesteuert wird. Im Betriebszustand nach Fig. 2 öffnet der Drehschieber und er bleibt solange offen, bis die Druckspitze wieder in den Zylinderraum zurückgegeben ist, d.h. bis sich der Balg 24 wieder angelegt hat. Ein solcher Drehschieber soll ermöglichen, dass an eine Vorrichtung entsprechend 22, 24 auch mehrere Zylinder angeschlossen werden können.

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Anstelle der kugeligen Ausführungsform der Wandung 22 und des Balges 24 kann gemäss Fig. 3 auch ein federbelasteter Kolben nach Art einer Kolbenpumpe an den Verbindungskanal 20 angeschlossen werden. Dieser Kolben ist in einem Zylinder 33 geführt, der in einen Zylinderboden 34 eingeschraubt ist, an welchen der Verbindungskanal 20 mündet. Der Kolben 35 ist in einer Aus führungs form an einer einstellbaren Feder 36 abgestützt.

Nach den Fig. 4 und 5 ist unmittelbar an einem Zylinderkopf 5, dessen Teile im übrigen mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 und 2 bezeichnet sind, eine nachgiebige Wand 37 in Form einer durch eine Feder 38 abgestützten Membrane angeordnet. Diese Membrane liegt unmittelbar über der öffnung 39 in der Wand des Zylinderkopfes 5. Es besteht die Möglichkeit, in diesem Zusammenhang auch eine Anordnung vorzusehen, die im wesentlichen mit der Innenseite dieser Wand fluchtet. Die gezeigte Ausführungsform gestattet jedoch eine besonders leichte Montage dadurch, dass ein Führungstopf 40 mit einem Nippel '41 in eine Bohrung der Zylinderkopfwand eingeschraubt ist.

Die Abstützung der Feder kann in dieser Ausführungsform auch an einem Stickstoffpolster erfolgen. Nach Fig. 4 und 5 ist eine Stellschraube 42 an der Abdeckung 43 des Führungstopfes vorgesehen.

Fig. 6 zeigt eine Ausbildung entsprechend Fig. 1, d.h. mit einer kugelförmigen Wandung 22, in welcher ein entsprechend kugelig geformter Balg 24 angeordnet ist. In einer Durchmesserebene sind um 90° versetzt durch entsprechende Anschluss ar maturen 44-47 Verbindungskanäle 48-51 an vier Zylinderköpfe, deren Zündkerzen 52-55 erkennbar sind, angeschlossen. Die Verbindungskanäle sind in der praktischen Ausführung zweckmässig gleich lang bzw. haben bei verschiedener Länge gleiches Volumen, was durch Querschnittsabweichungen erreichbar ist.

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Wenn, wie gezeigt, eine Druckspitze über den'Verbindungskanal 50 aufgenommen wird, presst sich der Balg 24 im Bereich vor den anderen Armaturen 44, 45, 47 besonders stark an, so dass dadurch ein Abschluss entsteht und Ventilmittel, wie in Fig. gezeigt ist, entbehrlich werden.

Bevorzugt wird jedoch, dass eine Vorrichtung an jedem Arbeitszylinder angeordnet wird. Bei Anordnung einer Vorrichtung an mehreren Arbeitszylindern, die gegeneinander versetzte Arbeitstakte haben, wird auch einbezogen, ein Verteilerrohr mit gesteuerten Anschlussventilen zwischenzuschalten.

Ferner wird zu Fig. 1 bemerkt, dass der Verbindungskanal 20 entsprechend der strichpunktierten Linie 31 auch unmittelbar mit einer Anschlussarmatur im Zylinderkopf verbunden sein kann.

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Claims

ING. O. R. KRETZSCHMAR 2 Hamburg ι

BEIM STROHHAUSE 3* PATENTANWALT Jj RUF 040/2*67*3

Walter PRANKE . K/hp. - 4637

SEEVETAL 3 den 3. Mai 1974

Anwalts-akte : 4637

Patentansprüche

Ζ 1. !verfahren zum Betreiben eines Verbrennungskraftmotors ^—/ mit einem insbesondere bleiarmen Kraftstoff, welcher unverzögert explosionsartig verbrennt, dadurch gekennzeichnet, dass Druckspitzen in dem Arbeitsraum eines Zylinders aus diesem abgeleitet und gespeichert und nach Verminderung des Druckes in den Arbeitsraum zurückgeführt werden.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit in Arbeitszylindern bewegbaren Arbeitskolben, Ein- und Auslassmitteln und einer Zündeinrichtung an den Arbeitszylindern, wobei an die Einlassmittel ein Tank für einen Kraftstoff,' gegebenenfalls über einen Vergaser, angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitszylinderkopf (5) einen gegen einen nachgiebigen Widerstand erweiterungsfähigen Raum (21; 34, 35; 37, 40) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitszylinderkopf mit einem erweiterungsfähigen Raum durch einen Kanal (20) verbunden ist.

KONTENi DRESDNER BANK, KONTO-NR. 9229371 · POSTSCHECK HAMBURG NR. 193766-208

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Raum aus einem Zylinder (34) besteht, in welchem ein Kolben (35) gegen Federkraft (36) abgedichtet geführt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (21) mit einer starren Wandung (22) ausgebildet ist, in dem sich ein zusammendrückbarer Balg (24) befindet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass der zusammendrückbare Balg (24) mit einem kompressiblen Druckmittel, beispielsweise Stickstoff, unter einem Druck in der Grössenordnung von etwa 50 atü gefüllt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Balg (24) aus einem elastischen Material, insbesondere Gummi, besteht.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7> dadurch gekennzeichnet, dass der Balg (24) konform zu der Wandung (22) des Raumes ausgeführt ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (22) des Raumes aus Kunststoffgewebe oder Metall besteht.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (22) des Raumes kugelförmig ausgestaltet und der Balg (24) entsprechend geformt ist.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungskanal (3D unmittelbar in den Arbextszylinderkopf mündet.

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12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungskanal (20) in einem Ansatzstutzen (17) für die Zündkerze des Arbeitszylinders (1) unterhalb der Zündkerze mündet.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (20) einen eingeschnürten Querschnitt hat und eine Drossel bildet, oder dass in diesem Verbindungskanal eine Einschnürung vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wandteil des Zylinderkopfes (5) des Arbe its Zylinders unmittelbar aus nachgiebigem Material (37) besteht und federnd abgestützt ist.
15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 oder.14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung des Balges (24) oder des Kolbens (35) oder des nachgiebigen Materials (37) durch eine Stickstoffüllung erfolgt.
16. Vorrichtung rtach einem der Ansprüche 3 bis 9» H und 12, dadurch gekennzeichnet, dass an einen Raum mehrere Zylinder angeschlossen sind und in den Anschlüssen gesteuerte Ventile (56) enthalten sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Arbeitszylinder (bei 52-55) winkelmässig versetzt an die Wandung (22) des Raumes angeschlossen sind.

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