DE3227459A1

DE3227459A1 - Anordnung zum aufladen einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3227459A1
Application number: DE3227459A
Authority: DE
Inventors: Dankwart 8995 Weißensberg Eiermann; Roland 8990 Lindau Nuber
Original assignee: Wankel GmbH
Current assignee: Wankel GmbH
Priority date: 1982-07-22
Filing date: 1982-07-22
Publication date: 1984-01-26

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Aufladen einer Brennkraftmaschine mit einem Lader, der als Antriebsteil eine hinter dem Auspuffkrümmer angeordnete, von den heißten Abgasen der Brennkraftmaschine angetriebene Turbine und auf der gleichen Welle des Abtriebsteil einen Turboverdichter aufweist, dessen Ansaugseite am Ansaugrohr der Brennkraftmaschine und dessen Druckseite an einer zum Ansaugkrümmer der Brennkraftmaschine führenden Ansaugleitung liegt.

Derartige Anordnungen haben den Zweck, die Leistung von Brennkraftmaschinen, ohne deren Abmessungen zu ändern, zu erhöhen.

Abgasturbinenlader arbeiten bei höheren Drehzahlen, d. h. sobald ihrem Antriebsteil in dafür ausreichendem Maße unter höherem Druck stehende heiße Abgase der Brennkraftmaschine geliefert werden können, in zufriedenstellender Weise. In den unteren Drehzahl-

OR[GiNAL INSPECTED

bereichen haben Sie jedoch nur einen geringen Wirkungsgrad, sodaß sie bei Anfahrvorgängen oder Beschleunigungen im Betrieb im unteren Drehzahlbereich nur dann brauchbar sind, wenn sie erheblich überdimensioniert werden, was zudem einen großen regeltechnischen Aufwand notwendig macht-

Andererseits sind geschlossene Arbeitsräume bildende Verdichter, z. B. Rootsgebläse, seit langem zur Aufladung von Brennkraftmaschinen verwendet worden, die von der Motorenwelle mechanisch angetrieben werden und die demnach von der ersten Umdrehung an die gewünschte Aufladeleistung erbringen können. Dieses gute Ansprechverhalten ermöglicht die erwünschte Anfahrbeschleunigung und Leistungssteigerung auch in den unteren Drehzahlbereichen. Es ergeben sich jedoch bei diesen mechanischen Ladern erhebliche Nachteile, insbesondere durch deren notwendige Baugröße und ihr Gewicht, vor allem aber durch das Abfallen ihrer Leistung bei höheren Drehzahlen, für das unvermeidbare strömungstechnische Schwierigkeiten verantwortlich sind.

Aufgabe der-Erfindung war daher die Entwicklung eines Aufladesystems, das die Ansaugluft sowohl bei niedrigen wie bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine je Fördertakt in gleicher Weise verdichtet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst# daß die vom Abtriebsteil des Laders mit dem Ansaugkrümmer der Brennkraftmaschine verbindende Ansaugleitung durch einen geschlossene Arbeitsräume bildenden, von der Welle der Brennkraftmaschine über ein durch eine Magnetkuppelung abschaltbares Getriebe angetriebenen Verdichter geführt ist und vor Eintritt in den Verdichter eine unmittelbar zum Ansaugkrümmer der Brennkraftmaschine eine durch eine KlaoDe verschließbare und bei Abschalten der MaanetkuDDeluna offenbare Bypaßleitung aufweist, und daß die Magnetkuppelung durch einen mit Anlassen der Brennkraftmaschine geschlossenen Stromkreis eingeschaltet ist und von einem Differenzdruckschalter, der von dem Druck in der Ansaugleitung in einer ersten Kammer und von dem Druck im Auslaß des Verdichters in einer, von der ersten Kammer durch einen beweglichen Membran getrennten zweiten Kammer beaufschlagt ist, unterbrochen werden kann, wenn der Druck in der Ansaugleitung gleich oder höher ist als der Druck im Auslaß des Verdichters.

Eine sehr einfache und in der Herstellung billige Lösung wurde darin gefunden, daß der Verdichter bei Leerlauf für die Ansaugluft völlig durchgängig ist und daß die "Ansaugleitung nur durch den Verdichter geführt ist.

ORiQINAL JNSPECTED

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Ein diese Bedingungen aufweisender Verdichter ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse des Verdichters zwei sich überschneidende zylindrische Innenräume aufweist, von denen in einem ein Arbeitsläufer mit einem Absperrzahn im anderen ein Absperrläufer mit einer Ausnehmunq für den Absperrzahn umläuft, die durch ein übersetztes Zahnradgetriebe kraftschlüssig verbunden sind.

Eine vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsläufer als Hohlwelle für den Eintritt der Ansaugluft ausgebildet ist und daß diese Hohlwelle eine konzentrische feststehende Steuerhülse mit axialen Schlitzen für den Durchtritt der Ansaugluft aufweist, in der eine weitere um ihre Längsachse verdrehbare weitere Steuerhülse mit axialen Schlitzen angeordnet ist, deren Schlitze mit den Schlitzen der feststehenden Steuerhülse in Leerlaufstellung in Deckung sind.

In einer in den Ausführungsbeispielen dargestellten Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Verdichtertyps kann auf die Steuerhülse, sei sie feststehend oder verdrehbar, verzichtet werden. Ein solcher, dann höher zu übersetzender und von etwa 5000 Umdrehungen je Minute an leistungsfähiger Verdichter kann sehr klein und in seiner Herstellung sehr billig sein.

Die erfindungsgemäße Anordnung, insbesondere bei Verwendung des in seinem Leerlauf voll durchgängigen Verdichters ermöglicht grundsätzlich, was neben der konstanten Lieferung von verdichteter Ladeluft in allen Drehzahlbereichen ihr besonderer Vorteil ist, die Verwendung einfachster und kleiner Turbolader, sodaß die gesamte Anordnung weniger aufwendig ist, wie die Verwendung von Turboladern, die nach Möglichkeit auch die unteren Drehzahlbereiche abdecken sollen.

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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden näher beschrieben und sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung

in schematischer Darstellung

Fig. 2 eine weitere derartige Anordnung

in schematischer Darstellung

Fig. 3 einen Radialschnitt durch eine

Ausführungsform des in Fig. 1 und 2 vorgesehenen mechanischen Verdichters

Fig. 4 einen Axialschnitt durch den gleichen

Verdichter wie in Fig. 3 dargestellt

Fig. 5 einen Axialschnitt durch eine vereinfachte

Ausführungsform des mechanischen Verdichters gemäß Figuren 3 und 4

Fig. 6 ein Drehzahl - Drehmomentdiagramm

Die in Fig.."1 dargestellte Anordnung zeigt bei 1 einen üblichen Hubkolbenmotor mit vier Zylindern mit einem vierfachen Ansaugkrümmer 2 und einem vierfachen

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Auspuffkrümmer 3. In bekannter Weise ist vor der Sammelleitung des Auspuffkrümmers 3 der Antriebsteil 4 eines Abgasturboladers 5 angeordnet, der von den heißen Abgasen des Motors 1 angetrieben wird. Die vom Abtriebsteil 6 des Abgasturboladers 5 verdichtete Luft wird einem kleinen mechanischen Verdichter 7 über eine Ansaugleitung 8 zugeführt. Dieser mechanische Verdichter ist vor dem Ansaugkrümmer 2 angeordnet und er wird über ein Keilriemengetriebe von der Welle 10 des Motors 1 mechanisch angetrieben. Zwischen dem Keilriemengetriebe 9 und dem mechanischen Verdichter 7 ist eine Magnetkuppelung 11 vorgesehen. Der Auslaß 12 des mechanischen Verdichters 7 ist mit dem Ansaugkrümmer 2 verschraubt.

An der im Ansaugrohr 13 angeordneten Drosselklappe 14 ist ein Schaltkontakt 15 vorgesehen, der bei öffnen der Drosselklappe 14 einen Stromkreis zur Einschaltung der Magnetkuppelung 11 schließt.

Bei Anfahren des Motors wird demzufolge der mechanische Verdichter 7 über das Keilriemengetriebe 9 angetrieben und liefert sofort verdichtete Ladeluft.

An der Ansaugleitung 8 ist eine dünne Rohrleitung 17 angeschlossen, die zu der ersten Kammer eines Differenzdruckschalters 19 führt. Die zweite Kammer 20 dieses Differenzdruckschalters 19 wird von einer weiteren dünhen Rohrleitung 21 beaufschlagt, die am

ORIGINAL INSPECTED

Auslaß 12 des 'mechanischen Verdichters angeschlossen ist.

Der Differenzdruckschalter eine elektronische an Druckgebern in der Ansaugleitung 7 und in dem Auslaß 12 liegende Anordnung sein.

Der Differenzdruckschalter 19 unterbricht den Stromkreis 16, sobald der Druck in der Ansaugleitung 8 den Druck im Auslaß 12 des mechanischen Verdichters erreicht hat. Die Magnetkuppelung 11 wird dadurch gelöst, während sich der mechanische Lader im Strom der in der Ansaugleitung 8 vom Turbolader 5 geförderte Luft ohne Behinderung dieser Strömung weiterdreht. Dies ist jedoch nur möglich bei einem. Lader, der im Leerlauf durchgängig ist und der weiter unten beschrieben wird.

Bei Absinken des Druckes in der ersten Kammer 18 wegen des Nachlassens der Leistung des Turboladers wird der Differenzdruckschalter 19 und damit der Stromkreis 16 wieder geschlossen und die Magnetkuppelung 11 eingeschaltet. Der mechanische Lader übernimmt damit wieder die Versorgung des Motors 1 mit verdichteter Ladeluft.

Solange demnach der Turbolader wegen zu niederer Drehzahl nicht genügend Ladeluft fördert, also im Anfahren und im unteren Drehzahlbereich, wird der Motor 1 vom mechanischen Lader 7 aufgeladen.

Erreicht der Turbolader in den höheren Drehzahlen eine ausreichende Leistung, läuft der mechanische

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Lader leer mit,, also in denjenigen Drehzahlbereichen, in denen die Leistung des mechanischen Lraders absinken würde.

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Fig. 2 zeigt die gleiche Anordnung, die hier jedoch eine zusätzliche Bypaßleitung 22 aufweist, die von einer Klappe 23 bei Betrieb des mechanischen Laders verschlossen wird. Diese Klappe 23 wird von dem am Druckdifferenzschalter 19 liegenden Steuerelement 24 aufgesteuert, sobald die Magnetkuppelung 11 gelöst wird.

Diese Anordnung nach Fig. 2 kann, da der mechanische Lader nach seinem Abschalten vom Luftstrom über die" Bypaßleitung 22 umgangen wird, mit jedem mechanischen Lader beliebiger Bauart betrieben werden. Für die einfachere, die Bypaßleitung 22, die Klappe 23 und das Steuerelement 24 nicht benötigende Anordnung gemäß Fig. 1 kann jedoch, wie oben gesagt, nur ein Verdichter verwendet werden, der auch im abgekoppelten Zustand voll für die gesamte Ladeluft durchgängig ist. Ein solcher Verdichter wird im folgenden beschrieben.

In den Fig. 3 und 4 ist die für die erfindungsgemäße Anordnung zweckmäßigste Ausführungsform des mechanischen Laders 7 dargestellt, der in DE-OS 31 21 369 (Patentanmeldunc P 31 21 369.7) im einzelnen beschrieben ist. Er weist ein zwei sich überschneidende zylindrische Innenräume 25 und bildendes Gehäuse 27 auf. In dem Innenraum 26 läuft ein

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einen Absperrzahn 28 aufweisender Arbeitsläufer 29, in dem anderen Innenraum 25 ein Absperrläufer 3 0 mit einer Ausnehmung 31 für den Durchgang des Absperrzahnes 28 um. Beide Läufer 29 und 30 sind durch ein 1:!-übersetztes Zahnradgetriebe 32 kraftschlüssig verbunden.

Die Ansaugluft wird axial durch den hohlen Arbeitsläufer 29 durch eine öffnung 33 im hohlen Absperrzahn in den hohlzylindrischen Arbeitsraum 34 und die Auslaßöffnung 35 in der Wand des Gehäuses 27 gefördert.

In dem als Hohlwelle ausgebildeten Arbeitsläufer 29 ist eine Steuerhülse 36 eingeschoben, die einen Ausschnitt für den Durchtritt der angesaugten Ladeluft aufweist. Durch axiales Verdrehen der Hülse kann Beginn und Ende der Steuerzeit der öffnung 33 des Absperrzahnes 28 und damit der Lieferdruck bestimmt werden. Für die Verstellung auf Leerlauf ist an sich eine Verdrehung der Hülse um 60 bis 90° erforderlich. Es ist daher zweckmäßig, wie dies in Fig. 3 und 4 dargestellt und in der genannten DE-OS beschrieben ist, innerhalb der feststehenden Steuerhülse 3 6 eine verdrehbare weitere Steuerhülse 3 anzuordnen, die beide axial gerichtete Schlitze 38 und aufweisen,"die bei Leerlaufeinstellung des Verdichters mit einer Verdrehung um wenige Winkelgrade in Deckung gebracht werden können. Dieses Verdrehen der inneren

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Steuerhülse 3 7 erfolgt gemeinsam mit dem Lösen der Magnetkuppelunq 11 mit ein und demselben Steuervorgang in Abhängigkeit von der Stellung des Druckdifferenzschalters 19. Bei Deckung der Schlitze 38 und 39 ist der mechanische Verdichter voll durchgängig für die vom Turbolader geförderte Ansaugluft.

Eine vereinfachte Ausführungsform des mechanischen Verdichters zeigt Fig. 5. Das Gehäuse 40 weist die zylindrischen Innenräume 41, 42 für den Absperrläufer 4 3 und den Arbeitsläufer 4 4 auf, die auf den Wellen 45, 46 umlaufen. Die Wellen sind durch das 1:2-übersetzte Getriebe 47 kraftschlüssig verbunden. Im Absperrläufer 4 3 ist eine Ausnehmung 48 für den Durchgang des Absperrzahnes 49 des Arbeitsläufers vorgesehen. Der hohlzylinderförmige Arbeitsraum ist mit 50 bezeichnet. Der fliegend bei 51 gelagerte Arbeitsläufer 44 ist ein Hohlzylinder, in den der Einlaßstutzen 52 mündet. Der hier eintretende mit den Pfeilen 53 bezeichnete Strom der Ansaugluft tritt durch die öffnung 54 im Absperrzahn 4 9 in den Arbeitsraum 50 und durch eine in der Zeichnung nicht sichtbare Auslaßöffnung in der Wandung des Gehäuses 40 wieder aus. Insoweit sind diese Maschine und die in Fiq. 3 und 4 dargestellte grundsätzlich gleich Gegensatz zu <liese.r ist jedoch keine Steuerhülse vorgesehen. Demzufolge kann eine solcher Verdichter

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nur bei höheren Drehzahlen genügend Ladeluft bei ausreichendem Druck fördern. Er erreicht seine optimale Leistung erst etwa bei 5.500 Umdrehungen je Minute und muß daher über ein übersetzungsgetriebe im Verhältnis 1:3 bis 1:5 zur Drehzahl der Motorenwelle angetrieben werden. Ein solches Getriebe kann ein Zahnriemengetriebe oder, bei höheren Übersetzungsverhältnissen, da dann das Antriebsrad zu groß würde, ein Zahnradgetriebe sein. Es kann jedoch am einfachsten eine bekannte Magnetkuppelung mit übersetzungsgetriebe verwendet werden, die wie oben beschrieben, mit Keilriemen im Verhältnis 1:1 angetrieben werden kann.

Bei einer Übersetzung von 1:5 kann bei der Startdrehzahl der Motorenwelle volle Leistung des mechanischen Verdichters erzielt und andererseits mit einem sehr kleinen mechanischen.Verdichter ausgekommen werden, der zudem wegen des Wegfalls der Steuerhülse und ihrer Steuerung sehr billig herzustellen ist.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind in dem schematischen Diagramm in Fig. 6 zu ersehen, die das Drehmoment des Turboladers allein in der Kurve 55, die des mechanischen Verdichters allein in Kurve sowie das der erfindungsgemäßen Kombination beider Maschinen in Kurve 57 zeigt. Die Kurve 55 des Turboladers steigt erst bei höheren Drehzahlen zu der erwünschten Höhe an, was die grundsätzliche Ungeeignetheit des Turboladers für die unteren Drehzahlbereiche zeigt.

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Die Kurve 56 des mechanischen Verdichters ist in den niederen Drehzahlen bereits von Anfang an auf dem erwünschten Niveau, fällt aber dann, wenn der Turbolader bei höheren Drehzahlen seine volle Leistung erreicht, merklich ab. Durch die erfindungsgemäß Kombination wird eine nahezu gleichmäßige Leistung über alle Drehbereiche erreicht, wie dies die Kurve 57 zeigt, wobei die schtraffierten Flächen gegenüber dem Ergebnis der für sich allein betriebenen Maschinen hinzugewonnen werden.

Die erfindungsgemäße Kombination ermöglicht es ferner, bei beiden Maschinen, sowohl dem Turbolader wie dem mechanischen Lader mit einfachen und vor allem kleinen Bautypen auszukommen, da beide nur in den Bereichen eingesetzt werden, in denen sie ihren vollen Wirkungsgrad haben. Es kann daher auf jede Uberdimensionierung, mit der die schlechten Leistungsbereiche sonst ausgeglichen werden müssen, verzichtet werden.

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Bezugszeichenverzeichnis

Fiq. 1	Motor
1	Ansaugkrümmer
2	Auspuffkrümmer
3	Antriebsteil zu 5
4	Abgasturbolader
5	Abtriebsteil zu 5
6	mechanischer Verdichter
7	Ansaugleitung
8	Keilriemengetriebe
9	Welle zu 1
10	Magnetkuppelung
11	Auslaß zu 7
12	Ansaugrohr
13	Drosselklappe
14	Schaltkontakt
15	Stromkreis
16	Rohrleitung
17	erste Kammer zu 19
18	Differenzdruckschalter
19	zweite Kammer zu 19
20	weitere Rohrleitung
21
Fig. 2	. .Sypaßleitung
22	Klappe
23	Steuerelement
24

-X-

Fig.	3 und 4	Innenraum Absperrteil	5	Gehäuse
25	Innenraum Arbeitsteil	Innenraum Absperrteil
26	Gehäuse mechanischer Lader	Innenraum Arbeitsteil
27	Abpserrzahn	Absperrläufer
28	Arbeitsläufer	Arbeitsläufer
29	Absperrläufer	Welle zu 43
30	Ausnehmung zu 30	Welle zu 47
31	Zahnradgetriebe	Zahnradgetriebe
32	öffnung in 28	Ausnehmung
33	Arbeitsraum	Absperrzahn
34	Auslaßöffnung	Arbeitsraum
35	Steuerhülse fest	fliegende Lagerung
36	weitere Steuerhülse beweglich	Einlaßstutzen.
37	Schlitze in 36	Pfeile
38	Schlitze in 37	öffnung in 49 ORIGINAL INSPECTED
39
Fig.
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54

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Fig. 6

55 Turbolader

56 mechanischer Lader

57 Kombination aus 55 und 56

Claims

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HUBERT FREIHERR VON WELSE*R* * ** * V>anzi3ER sthasse i;

RECHTSANWALT 8000MÜNCHEN40

TELEFON (089) 3G 70 SS

ZÜSELASSEN AN DKN LANDGERICHTEN MÜNCHEN I UND II.

AM OBERLANDESOERiCHT MÜNCHEN UND AM

BAYERISCHEN OBERSTEN LANDESGERICHT

Anordnung zum Aufladen einer Brennkraftmaschine

Anmelder: Wankel GmbH

Haynauer Straße 38
1000 Berlin 46

Patentansprüche :

/i.) Anordnung zum Aufladen einer Brennkraftmaschine mit einem Lader, der als Antriebsteil eine hinter dem Auspuffkrümmer angeordnete, von den heißen Abgasen der Brennkraftmaschine angetriebene Turbine und auf der gleichen Welle als Abtriebsteil einen Turboverdichter aufweist, dessen Ansaugseite am Ansaugrohr der Brennkraftmaschine und dessen Druckseite an einer zum Ansaugkrümmer der Brennkraftmaschine führenden Ansaugleitung liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Abtriebsteil (4) des Laders (5) mit dem Ansaugkrümmer (3) der Brennkraftmaschine (1) verbindende Ansaugleitung (8) durch einen geschlossene Arbeitsräume bildenden, von der Welle der Brennkraftmaschine (1) über ein durch eine Magnetkuppelung (11) abschaltbares Getriebe (9)

2s

angetriebenen Verdichter (7) geführt ist und vor Eintritt in den Verdichter (7) eine unmittelbar zum Ansaugkrümmer (2) der Brennkraftmaschine (1) eine durch eine Klappe (23) verschließbare und bei Abschalten der Magnetkuppelunq (11) offenbare Bypaßleitung (22) aufweist,und daß die Magnetkuppelung (11) durch einen mit Anlassen der Brennkraftmaschine (1) geschlossenen Stromkreis (16) eingeschaltet ist und von einem Differenzdruckschalter (19)/ der von dem Druck in der Ansaug-^ leitung (8) in einer ersten Kammer (18) und von dem Druck im Auslaß (12) des Verdichters (7> in einer, von der ersten Kammer (18) durch einen beweglichen Membran getrennten zweiten Kammer (20) beaufschlagt ist, unterbrochen werden kann, wenn der Druck in der Ansaugleitung (8) gleich oder höher ist als der Druck im Auslaß (12) des Verdichters (7).
2. Anordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (7) bei Leerlauf für die Ansaugluft völlig durchgängig ist und daß die Ansaugleitung nur durch den Verdichter (7) geführt ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (40) des Verdichters (7) zwei sich_ überschneidende zylindrische Innenräume (25, 26, 41, 42) aufweist, von denen in einem (26, 42)

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ein Arbeitsläufer (29, 44) mit einem Absperrzahn (28, 40), im anderen (25, 41) ein Absperrläufer (30, 44) mit einer Ausnehmung (31, 48) für den Absperrzahn (28, 49) umläuft, die durch ein 1:2-übersetztes Zahnradgetriebe (32, 47) kraftschlüssig verbunden sind.
4. Anordnung nach Anspruch 2, 3,

dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsläufer (29) als Hohlwelle für den Eintritt der Ansaugluft ausgebildet ist und daß diese Hohlwelle eine konzentrische feststehende Steuerhülse (36) mit axialen Schlitzen

(38) für den Durchtritt der Ansaugluft aufweist, in der eine weitere um ihre Längsachse verdrehbare weitere Steuerhülse (37) mit axialen Schlitzen (39) angeordnet ist, deren Schlitze (39) mit den Schlitzen

(38) der feststehenden Steuerhülse (36) in Leerlaufstellung in Deckung sind.
5. Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4,

dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzdruckschalter (19) eine elektronische, an Druckgebern in der Ansaugleitung (7) und im Auslaß (12) liegende Anordnung ist.