1) Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Maschine gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1, die anstelle von Brennstoff, wie
Benzin oder Diesel, Druckluft als einen Antrieb verwendet.
2) Hintergrund der Erfindung
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Normalerweise wird die Energie für eine Maschine, die in einem
Fahrzeug oder in einem industriellen Maschinenpark verwendet
wird, durch die Verbrennung von Benzin oder Diesel zur
Verfügung gestellt, was eine Luftverschmutzung, ein
Emissionsproblem hervorruft.
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Deshalb wird jetzt ein Fahrzeug, das mit elektrischer Energie
angetrieben wird, entwickelt, aber bis jetzt ist es schwierig
gewesen, wegen vieler Probleme, besonders geringer Leistung
oder Gewicht, in weitem Umfang Anwendung zu finden.
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In einer Viertaktverbrennungsmaschine ist ein Zyklus, der
einen Einlaßtakt, einen Kompressionstakt, einen Explosionstakt
und einen Auslaßtakt beinhaltet, beendet, während eine
Kurbelwelle zweimal gedreht wird.
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Der Explosionstakt findet während der zweifachen Rotation der
Kurbelwelle gerade einmal statt, was während der anderen Takte
einen deutlichen Leistungsverlust verursacht. Deshalb ist ein
Schwungrad für eine konstante Rotationsgeschwindigkeit der
Kurbelwelle notwendig.
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Von einem anderen Aspekt heraus betrachtet, braucht die
Verbrennungsmaschine Kraftstoff. Um das
Kraftstoffverbrauchsverhältnis zu verbessern, wurde eine Maschine entwickelt, die
einen Mager-Mixer verwendet, nur um etwas Kraftstoff zu
sparen.
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Ferner wurden, um Abgase zu reduzieren, viele Versuche,
einschließlich Abgasrückführungssysteme, durchgeführt, aber diese
Versuche erfordern zusätzliche Einrichtungen und brauchen viel
Zeit, um ein zufriedenstellendes Ergebnis zu erreichen.
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Die Dokumente US-A-3,885,387 und DE-A-2,422,672 beziehen sich
auf einen Apparat zum Umwandeln einer Verbrennungsmaschine für
einen Betrieb mit einem verdichteten nichtbrennbaren Gas.
Dieser Apparat ist an eine Verbrennungsmaschine anpaßbar, wobei
die Bewegungsenergie von der Energie abgeleitet wird, die bei
der Ausdehnung eines verdichteten Gases, wie Luft, frei wird;
er beinhaltet eine Quelle für verdichtete Luft, eine
Ventil- und Mengenbetätigungsvorrichtung und eine Vorrichtung, um die
verdichtete Luft in die Zylinder der Maschine einzulassen. Die
Luft wird durch die Zündkerzenlöcher während des
Leistungstaktes des Maschinenzyklusses eingelassen. Dieser Apparat kann
leicht an eine konventionelle Verbrennungsmaschine angepaßt
werden, die nicht notwendigerweise das Ziel hat, eine durch
Druckluft angetriebene Maschine zur Verfügung zu stellen, die
kompakter ist als die entsprechende konventionelle
Verbrennungsmaschine.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Maschine zur Verfügung zu
stellen, die nicht durch die Verbrennung von Kraftstoff wie
Benzin oder Diesel angetrieben wird.
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Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Maschine zur
Verfügung zu stellen, die kompakter ist als eine konventionelle
Verbrennungsmaschine.
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Um die obengenannten Ziele zu verwirklichen, stellt die
vorliegende Erfindung eine Maschine zur Verfügung, wie sie in
Anspruch 1 gekennzeichnet ist.
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Die beigefügten Zeichnungen, die eingefügt sind und einen Teil
dieser Beschreibung bilden, stellen eine Ausführungsform der
Erfindung dar und dienen dazu, zusammen mit der Beschreibung,
die Prinzipien der Erfindung zu erklären.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Figur 1 ist eine teilweise perspektivische Schnittansicht,
die einen Maschinenkörper gemäß einer bevorzugten
Ausführungsforrn der Erfindung zeigt.
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Figur 2 ist eine schematische Ansicht der Erfindung.
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Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht der Kurbelwelle
gemäß der Erfindung.
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Figur 4 ist eine Vorderansicht einer Nockenwelle gemäß der
Erfindung.
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Figuren 5A bis 5D sind Darstellungen, die das Verhältnis der
Positionen eines Einlaßnockens und der
Zylinder gemäß der Erfindung zeigen.
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Figuren 6A bis 6D sind Darstellungen, die das Verhältnis der
Positionen eines Auslaßnockens und der
Zylinder gemäß der Erfindung zeigen.
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Figur 7 ist eine Tabelle, die das Verhältnis der Winkel des
Kurbelwellenzapfens und der Takte der Zylinder gemäß
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Figur 8 ist eine Tabelle, die die Ventileinstellung der
Maschine gemäß der Erfindung darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Nun mit größerer Genauigkeit auf die Zeichnungen eingehend,
ist Figur 1 eine perspektivische Schnittdarstellung, die eine
Maschine gemäß der Erfindung zeigt, wobei die Maschine einen
Zylinderblock 2 umfaßt. Der Zylinderblock 2 ist in der Form
einer Blockstruktur in einem Körper mit mehr als 4 Zylindern
ausgebildet. Eine Ölwanne 4 zur Aufnahme von Öl für
Schmierteile der Maschine ist mit einem unteren Bereich des
Zylinderblockes 2 verbunden. Jeder Zylinder 6, der auf der Innenseite
des Zylinderblockes 2 angeordnet ist, hat einen Kolben 8, der
sich auf einer geraden Linie bewegt.
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Jeder Kolben 8 ist mit Pleuelstangen 12 verbunden und die
geradlinige Bewegung der Kolben 8 wird in eine Rotation der
Kurbelwelle 10 umgewandelt. Ein Zylinderkopf 14, der eine
Ventilstößelstange 18 aufweist, die eine Anzahl von Ventilstößeln 16
hat, ist mit einem oberen Bereich des Zylinders 6 verbunden.
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Die Ventilstößel 16 liegen an oberen Bereichen der Schäfte der
Einlaß- und Auslaßventile 20 an, die hierdurch geöffnet und
geschlossen werden. (Einlaßventil ist nicht gezeigt)
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Die Kurbelwelle 10 wird durch einen Synchronriemen 26 und eine
Nockenwelle 24, die Nocken 22 für Einlaß- und Auslaßventile
hat, angetrieben, wobei jede der Wellen 10 und 24 eine Motor-
Steuerung mit einer bestimmten Anzahl von entsprechenden
Zähnen aufweist, die das Rotationsverhältnis sicherstellen, zwei
Umdrehungen der Kurbelwelle 10 während einer Umdrehung der
Nockenwelle 24.
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Die Kurbelwelle 10 treibt eine Riemenscheibe 28 an, die mit
der Motorsteuerung, die einen Generator 30 mit einem Riemen
antreibt, an ihrem einen Ende drehbar ist, das heißt, daß eine
Rotation der Kurbelwelle 10 Elektrizität erzeugen kann.
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Figur 2 ist eine schematische Darstellung, die eine bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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Die Anzahl der Generatoren 30 kann wenigstens eins sein, wie
in Figur 1 gezeigt ist oder wie in Figur 2 gezeigt ist, wo der
Generator 30 eine Batterie B lädt, die ausgewechselt werden
sollte, wenn sie entladen wird.
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Um die Batterie B zu laden, können parallele oder serielle
Hybridsysteme verwendet werden, was eine allgemeine und
bekannte Methode zum Aufladen für ein Elektromobil ist, so daß
auf eine detaillierte Beschreibung der Methode in dieser
Beschreibung verzichtet wird.
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Das bedeutet, daß die Drehleistung der Kurbelwelle 10 eines
Körpers 32 auf den Generator 30 übertragen wird, der
Elektrizität für ein Element 34 zur Erzeugung von Druckluft erzeugt.
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Das Element 34 zur Erzeugung von Druckluft umfaßt einen
Elektromotor 36, der durch die Batterie B angetrieben wird; und
einen Kompressor 38, der die Antriebskraft des Elektromotors
36 mittels eines Riemens erhält und die Druckluft durch
Rotation einer Antriebsscheibe (nicht gezeigt) erzeugt. Die Anzahl
der Kompressoren 38 kann, falls notwendig, zwei in einer
seriellen Anordnung sein.
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Der Kompressor 38 ist mittels eines Durchganges 42 mit einem
Ansaugkrümmer 40 verbunden, wodurch die Druckluft in die
Zylinder 6 eingelassen werden kann. Der Durchgang 42 hat eine
Drosselklappe 44 zum Regeln der Menge der Druckluft, und die
Klappe 44 ist mit einer Beschleunigungsvorrichtung des
Fahrzeuges (nicht gezeigt) verbunden.
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Figur 3 ist eine perspektivische Darstellung einer Kurbelwelle
der Maschine, die in Figur 1 gezeigt ist, welche die
Möglichkeit einer Anpassung an eine 4-Zylinder Maschine zeigt. Jeder
der Kurbelwellenzapfen 50, 52, 54 und 56 ist im 90 Grad Winkel
in bezug auf die anderen Kurbelwellenzapfen 52, 54, 56 und 50
angeordnet.
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Die Kurbelwelle kann so ausgebildet sein, daß ein
Ausgleichsgewicht 58 und ein Achszapfen identisch oder ähnlich mit dem
der konventionellen Ausgestaltung sein kann.
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Figur 4 ist eine Vorderansicht der Nockenwelle gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der
Nocken für Einlaßventile ("Einlaß-Nocken") 62, 64, 66 und 68
und Nocken für Auslaßventile ("Auslaß-Nocken") 70, 72, 74 und
76, die entsprechend miteinander paarweise angebracht sind,
auf der Nockenwelle angeordnet sind.
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Jeder Einlaß-Nocken 62, 64, 66 und 68 beinhaltet zwei Buckel,
die symmetrisch zueinander ausgebildet sind, wie in den
Figuren 5A bis 5D gezeigt ist.
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Dementsprechend sind die Einlaß-Nocken so angeordnet, daß ihre
Buckel um einen Winkel von 45 Grad in bezug aufeinander
verschoben sind.
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Das heißt, wie in den Figuren 5A bis 5D gezeigt ist, falls der
Einlaß-Nocken 62, der einem ersten Zylinder zugeordnet ist, so
angeordnet ist, daß ihre Buckel in der Zeichnung vertikal
positioniert sind, der Einlaß-Nocken 66, welcher einem dritten
Zylinder zugeordnet ist, so angeordnet ist, daß seine Buckel
um einen Winkel von 45 Grad in bezug auf die Buckel des
Einlaß-Nockens 62 verschoben sind. Und der Einlaß-Nocken 68, der
einem vierten Zylinder zugeordnet ist, ist so angeordnet, daß
seine Buckel um einen Winkel von 45 Grad in bezug auf die
Bukkel des Einlaß-Nockens 66 angeordnet sind, und der Einlaß-
Nocken 64, der einem zweiten Zylinder zugeordnet ist, ist so
angeordnet, daß seine Buckel um einen Winkel von 45 Grad in
bezug auf die Buckel des Einlaßnockens 68 angeordnet sind.
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Ferner, wie in den Figuren 6A bis 6D gezeigt, beinhaltet jeder
der Auslaß-Nocken 70, 72, 74 und 76 Bereiche 78 zum Öffnen des
Auslaßventils und Bereiche 80 zum Schließen des Auslaßventils.
Die Auslaßventil-Öffnungsbereiche 78 sind in der Form
bogenförmiger Oberflächen ausgebildet, die einen identischen
Abstand von der Mitte des Auslaß-Nockens beibehalten. Die
Auslaßventil-Schließbereiche 80 sind in der Form von flachen
Oberflächen ausgebildet, die entsprechend die beiden
Seitenenden der bogenförmigen Oberflächen der
Auslaßventil-Öffnungsbereiche 78 miteinander verbinden.
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Solche Auslaß-Nocken 70, 72, 74 und 76 sind ebenfalls mit
einem Versatz von 45 Grad in bezug aufeinander in der gleichen
Weise wie der Einlaßnocken 62, 64, 66 und 68, gemäß einer
Beziehung des ersten, dritten, vierten und zweiten Zylinders
entsprechend angeordnet.
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Die Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, wie
oben beschrieben, eine Batterie B als eine Elektrizitätsquelle
zum Antrieb des elektrischen Motors 36. Der Kompressor 38 wird
durch die Antriebsenergie des elektrischen Motors 36
betrieben, wobei er die Druckluft erzeugt.
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An diesem Punkt, wenn die von dem Kompressor 38 erzeugte
Druckluft ausreichend verdichtet ist, wird die Druckluft in
den Zylinder durch den Ansaugkrümmer 40 durch Öffnung der
Drosselklappe 44 eingelassen.
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Im Falle einer 4-Zylinder Maschine ist, wenn einer der Kolben
in einem oberen Totpunkt positioniert ist, ein anderer der
Kolben in einem unteren Totpunkt positioniert und die anderen
Kolben sind zwischen denoberen und unteren Totpunkten
positioniert, wobei die Druckluft in den Zylinder eingelassen
werden kann, in dem der Kolben
in dem oberen Totpunkt
positioniert ist.
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Der Einfachheit der Beschreibung halber annehmend, daß der
Kolben des ersten Zylinders in dem oberen Totpunkt
positioniert ist, findet, im Falle einer 4-Zylinder Maschine, eine
Explosion in der Reihenfolge des ersten, dritten, vierten und
zweiten Zylinders statt. Entsprechend wird die Druckluft in
den ersten Zylinder eingelassen.
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An diesem Punkt ist der Kurbelwellenzapfen 50 in einer Zwölf-
uhr-Position ausgerichtet, wie in Figur 3 gezeigt ist, der
Einlaßnocken 62 der Nockenwelle 24 drückt den Ventilstößel, um
das Einlaßventil zu öffnen. Jeder der Kurbelwellenzapfen 52,
54 und 56 ist mit einem Winkel von + 90 Grad in bezug auf den
Kurbelwellenzapfen 50 angeordnet.
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Figur 7 ist eine Tabelle, die einen Betriebszustand darstellt,
wenn jeder Kurbelwellenzapfen 50, 52, 54 und 56 der
Kurbelwelle 10 in der oben beschriebenen Position angeordnet ist. Wenn
der Einlaßprozeß simultan mit dem nach-unten-Laufen des mit
dem Kurbelwellenzapfen 50, der dem ersten Zylinder zugeordnet
ist, verbundenen Kolben eingeleitet wird, muß der Kolben, der
mit dem Kurbelwellenzapfen 54, der dem dritten Zylinder
zugeordnet ist, am Ende des Auslaßtaktes sein, der Kolben, der mit
dem Rurbelwellenzapfen 56, der dem dritten Zylinder zugeordnet
ist, verbunden ist, muß in der Mitte des Auslaßtaktes sein,
und der Kolben, der mit dem Kurbelwellenzapfen 52, der dem
zweiten Zylinder zugeordnet ist, verbunden ist, muß am Anfang
des Auslaßtaktes sein.
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An diesem Punkt, wenn sich die Kurbelwelle 10 um einen Winkel
von 180 Grad dreht, bewegt sich der Kolben, der dem ersten
Zylinder zugeordnet ist, vollständig nach unten zu dem unteren
Totpunkt, dabei den Einlaßtakt beendend, und darauf, wenn sich
die Kurbelwelle 10 wieder um einen Winkel von 180 Grad dreht,
bewegt sich der Kolben wieder nach oben, um den Auslaßtakt
durchzuführen.
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Dieser Vorgang wiederholt sich bei allen Zylindern in der
Weise, daß, wenn sich die Kurbelwelle 10 um einen Winkel von 720
Grad dreht, jedes Einlaß- und Auslaßventil zweimal geöffnet
und geschlossen worden ist, während sich die Nockenwelle 24 um
einen Winkel von 360 Grad dreht.
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Als ein Ergebnis kann pro Umlauf der Kurbelwelle eine
Expansion erreicht werden. Dies wird durch die Nockenwelle
verwirklicht, was weiter unten beschrieben wird. Der Einlaß-Nocken
62, der dem Einlaßventil des ersten Zylinders zugeordnet ist,
ist, wie in Figur 5A gezeigt, in dem Einlaßtakt angeordnet.
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Ferner sind die Einlaß-Nocken 66, 68, 64, die entsprechend dem
dritten, vierten, zweiten Zylinder zugeordnet sind, wie in den
Figuren 5B, 5C und 5D gezeigt, entsprechend angeordnet.
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Figur 8 ist eine Tabelle, die den Betrieb der Einlaß-Nocken
62, 64, 66, 68 und der Auslaß-Nocken 70, 72, 74 und 76
darstellt, in denen, weil der Einlaß-Nocken 62 wie in Figur 5A
angeordnet ist, das Einlaßventil in einem geöffneten Zustand
sein muß, so daß der Einlaßtakt in einen Zustand, in dem ein
äußeres Ende des Buckels in einem anliegenden Zustand mit dem
Ventilstößel ist, wenn sich die Nockenwelle 24 um einen Winkel
von 22,5 Grad gedreht hat, beendet ist und zur selben Zeit die
Druckluft vollständig eingelassen ist.
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An diesem Punkt wird die Kurbelwelle 10 durch ein sich nach
unten Bewegen des Kolbens durch die Druckluft gedreht, so daß
ein zweifacher auf- und absteigender Betrieb des Kolbens pro
Umlauf der Nockenwelle erreicht wird.
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Das heißt, weil das Einlaßventil in einem Winkelbereich von 45
Grad von dem Einlaß-Nocken der Nockenwelle 24 geöffnet wird
und bei einem Winkel von 135 Grad geschlossen wird, daß bei
einer Umdrehung der Nockenwelle 24 ein zweifacher
Öffnungs- und Schließvorgang realisiert ist.
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Deshalb tritt der Schließvorgang der Auslaß-Nocken 70, 72, 74
und 76 auf, während sich die Nockenwelle um einen Winkel von
etwa 12,5 Grad dreht, nachdem die Einlaß-Nocken 62, 64, 66 und
68 in der Reihenfolge geöffnet werden.
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Dementsprechend läuft der Kolben in dem Zylinder 6 nach unten,
während die Druckluft eingelassen wird. Die Druckluft wird an
die Atmosphäre ausgelassen, während der Kolben sich nach oben
bewegt und, an diesem Punkt, werden die Einlaß- und
Auslaßvorgänge in anderen Zylindern in der gleichen Art und Weise
erreicht, wobei die Antriebsleistung eine Expansion während
einer Rotation der Kurbelwelle 10 erreicht wird.
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Dementsprechend kann die Maschine gemäß der vorliegenden
Erfindung die Antriebsleistung einer Expansion für jede Rotation
der Kurbelwelle erreichen, während die konventionelle Maschine
die Antriebsleistung einer Expansion während zwei Rotationen
der Antriebswelle erreicht. Als ein Ergebnis arbeitet die
Maschine der vorliegenden Erfindung, die eine 4-Zylinder
Maschine aufweist, wie eine konventionelle 8-Zylinder Maschine.
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Weil dementsprechend die Maschine der vorliegenden Erfindung
nicht übermäßig geheizt wird, ist eine System zum Kühlen der
Maschine nicht notwendig. Die Filtervorrichtung zum Filtern
der Luftverschmutzung ist ebenfalls nicht notwendig. Als ein
Ergebnis wird die Gesamtstruktur des Fahrzeuges, wenn das
Fahrzeug mit der Maschine der vorliegenden Erfindung
ausgestattet wird, kompakter sein.