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DE19755771A1 - Hydraulic pump operated by combustion fuel - Google Patents

Hydraulic pump operated by combustion fuel

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DE19755771A1
DE19755771A1 DE1997155771 DE19755771A DE19755771A1 DE 19755771 A1 DE19755771 A1 DE 19755771A1 DE 1997155771 DE1997155771 DE 1997155771 DE 19755771 A DE19755771 A DE 19755771A DE 19755771 A1 DE19755771 A1 DE 19755771A1
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DE
Germany
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hydraulic pump
cylinder
combustion fuel
combustion
pistons
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DE1997155771
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Ludwig Wagenseil
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Wagenseil Bernhard Steinhausen Ch
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Abstract

The pump has hydraulic pistons connected directly axially to the combustion fuel pistons. There is mechanical coupling via a crankshaft (17), of all individual components (1) for harmonic movement of the hydraulic pistons (3). The crankshaft is connected to the combustion pistons (2) via connecting rods (20), and it carries a flywheel (18) for storage and balancing of the different piston forces. The combustion pistons may have 2-stroke or 4-stroke motion. The pump uses all conventional fossil fuels, e.g. Diesel oil, petrol.

Description

Die Erfindung betrifft eine mit Verbrennungskraftstoff betriebene Hydropumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a fuel operated with combustion fuel Hydraulic pump according to the preamble of claim 1.

Es ist eine Entwicklung bekannt (IFP BV/E 130) die sich mit dem Problem einer mit Verbrennungskraftstoff betriebenen Hydropumpe befaßt. Dieses "Freikolbenaggregat" besitzt einen Verbrennungskolben und einen Hydraulikkolben die in axialer Richtung direkt miteinander verbunden sind. Weitere für die Funktion notwendigen Elemente sind ein zusätzlicher Kompressionszylinderraum mit Kompressionsspeicher, sowie ein Regelventil welches die Hubfrequenz steuert. Bei Betrieb bewegt sich das Kolben­ element zwischen zwei Totpunktlagen und dabei führt der Hydraulikkolben die gleiche Bewegung aus. Die hydraulische Seite enthält zwei Rückschlag­ ventile, sowie je einen Druckspeicher in der Hochdruck- und Niederdruck­ leitung.A development is known (IFP BV / E 130) which is related to the Problem of a hydraulic pump operated with combustion fuel. This "free piston unit" has a combustion piston and one Hydraulic pistons that are directly connected to each other in the axial direction. Additional elements necessary for the function are an additional one Compression cylinder room with compression memory, as well as a control valve which controls the stroke frequency. The piston moves during operation element between two dead center positions and the hydraulic piston guides the same movement. The hydraulic side contains two setbacks valves, as well as a pressure accumulator in the high pressure and low pressure management.

Nachteilig bei diesem System ist, daß infolge der hochfrequenten, pulsartigen Förderung des Ölstroms zur Glättung der Druckpulsation unabdingbar in einen relativ großen Druckölakku gefördert werden muß. Auch die Füllung des Hydraulikzylinders beim Rückhub erfordert einen Niederdruckakku. Somit ist die Anwendung dieser Hydropumpe auf ein enges Anwendungsspektrum eingegrenzt.The disadvantage of this system is that due to the high-frequency, pulsed delivery of the oil flow to smooth the pressure pulsation must be funded in a relatively large pressure oil battery. Filling the hydraulic cylinder on the return stroke also requires one Low pressure battery. Thus, the application of this hydraulic pump to one narrow range of applications.

Auch kann dieses Freikolbenaggregat nur im Zweitaktprinzip betrieben werden, da jeder Hub ein Arbeitshub sein muß.This free-piston unit can also only be operated on the two-stroke principle because each stroke must be a working stroke.

Ebenfalls von Nachteil ist, daß keinerlei Nebenfunktionen, wie Kühlung, Kraftstoffsteuerung und ähnliches vom Aggregat selbst abgenommen werden können.Another disadvantage is that no secondary functions, such as cooling, Fuel control and the like can be removed from the unit itself can.

Es wird auch ein Aggregat mit zwei Zylinderelementen angesprochen. Jedoch über die Art der mechanischen Koppelung ist keine Festlegung getroffen.An assembly with two cylinder elements is also addressed. However, there is no definition of the type of mechanical coupling met.

Aufgabe der Erfindung ist es eine mit Verbrennungskraftstoff betriebene Hydropumpe der eingangs genannten Art so weiterzubilden, so daß die genannten Nachteile beseitigt sind.The object of the invention is a fuel operated with combustion fuel Hydraulic pump of the type mentioned so that the mentioned disadvantages are eliminated.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer mehrzylindrigen Maschine entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1, mehrere Zylinderelemente vorhanden sind, deren Verbrennungs- und Hydraulikkolben, durch mechanische Koppelung einen sinnvollen, sinusförmigen Bewegungsablauf ausführen. Nach dem Zusammenfassen der Einzelölströme entsteht dadurch ein weitestgehend geglätteter Gesamtölstrom, vergleichbar mit dem Ölstrom üblicher Hydropumpen.This object is achieved in that in a multi-cylinder machine according to the preamble of claim 1, a plurality of cylinder elements are present, their combustion and hydraulic pistons, by mechanical coupling a sensible, sinusoidal motion sequence To run. After combining the individual oil flows, this creates a largely smoothed total oil flow, comparable to the oil flow usual hydraulic pumps.

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung schlägt vor für den sinusförmigen Bewegungsablauf der Einzelelemente, für die Koppelung, eine Kurbelwelle als drehsteife Verbindung anzuwendwenden. The further embodiment of the invention proposes for the sinusoidal Sequence of movements of the individual elements, for coupling, a crankshaft to be used as a torsionally rigid connection.  

Vorteilhafterweise sind die Verbrennungskolben jeweils über ein Pleuel mit der Kurbelwelle in Verbindung.The combustion pistons are advantageously each connected via a connecting rod the crankshaft in connection.

Bei einer zweiten Lösung besteht die Verbindung zwischen Verbrennungskolben und der Kurbelwelle jeweils in der Anwendung einer Kurbelschleife. Diese Ausführung ergibt eine exakte Nachbildung einer Sinusbewegung und somit eine Verbesserung der erreichbaren Gleichförmigkeit im Vergleich zur Pleuelverbindung.In a second solution, there is a connection between Combustion pistons and the crankshaft each in application Crank loop. This version results in an exact replica of a Sinus movement and thus an improvement of the achievable Uniformity compared to the connecting rod connection.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung schlägt vor die Kurbelwelle mit einem Schwungrad zu verbinden. Die hiermit speicherbare Energie gleicht die unterschiedlichen Kolbenkräfte aus. Zudem können Hilfsantriebe, für evtl. Ventilstößelbetätigung, Kühlung, Kraftstoffversorgung, Lichtmaschine und ähnliches an der Kurbelwelle angekuppelt werden. Die speicherbare Energie ermöglicht auch die Anwendung des Viertaktprinzips, da nicht jeder Hub ein Arbeitshub sein muß. Außerdem besteht keinerlei Einschränkung hinsichtlich des zu verwendeten Kraftstoffs, sowohl Dieselöl als auch Benzin sind möglich.Another embodiment of the invention proposes the crankshaft to connect a flywheel. The energy that can be stored with it is the same the different piston forces. Auxiliary drives can also be used for Valve tappet actuation, cooling, fuel supply, alternator and similar things are coupled to the crankshaft. The storable energy also enables the use of the four-stroke principle, since not every stroke is a Must be working stroke. There is also no restriction regarding of the fuel to be used are both diesel oil and petrol possible.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Hydraulikkolben über Rückschlagventile mit der gemeinsamen Hochdruckleitung verbunden sind. Aufgrund der relativ sanften Bewegungsumkehr, durch den Kurbeltrieb, ist ein geräuscharmes Öffnen und Schließen der Ventile zu erwarten.According to a further embodiment of the invention it is provided that the Hydraulic piston via check valves with the common High pressure line are connected. Because of the relatively gentle Reversal of movement, through the crank mechanism, is a quiet opening and expected to close the valves.

Erfindungsgemäß wird letztlich vorgeschlagen, daß die Hydraulikkolben über zweite Rückschlagventile mit der gemeinsamen Niederdruckleitung verbunden sind. Ebenfalls ist aufgrund der sanften Bewegungsumkehr über die Rückschlagventile ein selbstsaugender Betrieb möglich.According to the invention, it is ultimately proposed that the hydraulic pistons have second check valves with the common low pressure line are connected. Also due to the gentle reversal of movement the check valves enable self-priming operation.

Nachstehend ist die Erfindung anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigenThe invention is more preferred below on the basis of two Exemplary embodiments with reference to the drawings described. Show it

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Hydropumpe, mit Kurbelwelle, Pleuel und Schwungrad. Fig. 1 shows a schematic longitudinal section of the hydraulic pump according to the invention, with crankshaft, connecting rod and flywheel.

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Hydropumpe, mit Kurbelwelle, Kurbelschleife und Schwungrad. Fig. 2 is a schematic longitudinal section of the hydraulic pump according to the invention, with crankshaft, crank loop and flywheel.

Fig. 3 einen quantitativen Vergleich der Förderstromschwankung einer dreizylindrigen Maschine mit Kurbeltrieb (Pleuel) bzw. Kurbelschleifentrieb. Fig. 3 shows a quantitative comparison of the flow fluctuation of a three-cylinder machine with crank mechanism (connecting rod) or crank loop drive.

Die in der Fig. 1 und 2 dargestellte Hydropumpe besitzt drei Einzelelemente 1. Der Verbrennungskolben 2 ist jeweils axial direkt mit einem kleineren Hydraulikkolben 3 verbunden. Dichtungen 4 sind für die Abdichtung nach außen und für die Dichtigkeit zwischen dem Verbrennungsraum 5 und dem Öldruckraum 6 vorgesehen. Jeweilige Rückschlagventile 7 öffnen die Verbindung zur gemeinsamen Druckleitung 8. Jeweilige Rückschlagventile 9 öffnen beim Ansaughub die gemeinsame Niederdruckleitung 10. Pfeile 11 verdeutlichen die Förderrichtung des Ölstroms. Pfeile 12 zeigen die momentane Bewegungsrichtung der einzelnen Kolbenelemente 2 und 3, bei einer gedachten Drehrichtung rechts, entsprechend Pfeil 13.The hydraulic pump shown in FIGS . 1 and 2 has three individual elements 1 . The combustion piston 2 is axially connected directly to a smaller hydraulic piston 3 . Seals 4 are provided for sealing to the outside and for the tightness between the combustion chamber 5 and the oil pressure chamber 6 . Respective check valves 7 open the connection to the common pressure line 8 . Respective check valves 9 open the common low-pressure line 10 during the intake stroke. Arrows 11 illustrate the direction of flow of the oil flow. Arrows 12 show the current direction of movement of the individual piston elements 2 and 3 , with an imaginary direction of rotation to the right, corresponding to arrow 13 .

Die vorteilhafte Anzahl von Einzelelementen 1 sollte eine ungerade Zahl darstellen, z. B. 3, 5, 7. Wie bei Axialkolbenpumpen an sich bekannt entstehen so günstige Werte für die Ungleichförmigkeit des geförderten Ölstroms.The advantageous number of individual elements 1 should represent an odd number, e.g. B. 3, 5, 7. As is known in the case of axial piston pumps, this produces favorable values for the non-uniformity of the oil flow which is conveyed.

Die Hydraulikkolben 3 können auch mehrstufig ausgestaltet sein. Mit dieser Maßnahme lassen sich auf einfache Weise Mehrkreissysteme realisieren.The hydraulic pistons 3 can also be designed in several stages. With this measure, multi-circuit systems can be implemented in a simple manner.

Links in der Zeichnung ist die momentane Einspritzung bzw. der Zündvorgang dargestellt, wobei mit Pfeil 14 die Brennstoffzufuhr gezeigt wird. In der Zeichnungsmitte befindet sich das Kolbenelement 2, 3 im Abwärtshub, zugleich Arbeitshub, kurz vor dem unteren Totpunkt. Beim Zweitaktprinzip erfolgt in der Nähe des unteren Totpunkts das Ausströmen des verbrannten Gases (Pfeil 15) und zugleich, auf der Gegenseite, das Einströmen von Frischluft (Pfeil 16). Im rechten Teil der Zeichnung ist das Kolbenelement 2, 3 im Aufwärtshub, wobei die Luft im Verbrennungsraum 5 verdichtet wird.The current injection or ignition process is shown on the left in the drawing, arrow 14 showing the fuel supply. In the center of the drawing, the piston element 2 , 3 is in the downward stroke, at the same time working stroke, shortly before the bottom dead center. With the two-stroke principle, the burned gas flows out near the bottom dead center (arrow 15 ) and at the same time, on the opposite side, fresh air flows in (arrow 16 ). In the right part of the drawing, the piston element 2 , 3 is in the upward stroke, the air in the combustion chamber 5 being compressed.

Für die Erfindung ist unwesentlich ob das Verbrennungssystem im Zweitakt- oder Viertaktprinzip arbeitet. Auch ist die Anwendung aller Arten von Verbrennungskraftstoffen denkbar.For the invention it is immaterial whether the combustion system in the Two-stroke or four-stroke principle works. Also the application of all types of combustion fuels conceivable.

Die Kolbenelemente 2, 3 sind mechanisch mit einer gemeinsamen Kurbelwelle 17 gekoppelt. Ein Ende der Kurbelwelle 17 ist mit einem Schwungrad 18 verbunden. Zum besseren Verständnis der Darstellung ist der Kurbelkreis 19, sowie das Schwungrad 18 zeichnerisch in die Zeichnungsebene gedreht.The piston elements 2 , 3 are mechanically coupled to a common crankshaft 17 . One end of the crankshaft 17 is connected to a flywheel 18 . For a better understanding of the illustration, the crank circle 19 and the flywheel 18 are rotated in the drawing plane.

In der Fig. 1 besteht die mechanische Koppelung aus einem Pleuel 20. Der sinusförmige Verlauf der Kolbenbewegung ist hierbei etwas verzerrt, so daß kein Optimum, bezogen auf die erreichbare Ungleichförmigkeit, gegeben ist.In FIG. 1, the mechanical coupling of a connecting rod 20th The sinusoidal course of the piston movement is somewhat distorted, so that there is no optimum, based on the attainable non-uniformity.

In der Fig. 2 besteht die mechanische Koppelung aus einer Kurbelschleife 21, wobei ein Gleitstein 22 auf den Bahnen 23 gleitet. Der Kurbelschlitten 24 wird in den Gehäusebahnen 25 geführt. Bei der Koppelung, mittels einer Kurbelschleife 21, ergibt sich ein unverfälschter Sinusverlauf für die Kolbenbewegung und somit die geringstmöglichen Förderstromschwankungen bei gleichmäßigem Umlauf des Systems.In FIG. 2, the mechanical coupling consists of a crank loop 21 , a sliding block 22 sliding on the tracks 23 . The crank carriage 24 is guided in the housing tracks 25 . When coupling, by means of a crank loop 21 , there is an unadulterated sine curve for the piston movement and thus the lowest possible flow rate fluctuations with a uniform circulation of the system.

Die Fig. 3 zeigt den Verlauf des Förderstroms in Abhängigkeit zum Drehwinkel. Zugleich ist das unterschiedliche Verhalten des Kurbeltriebs und der Kurbelschleife gegenübergestellt. FIG. 3 shows the profile of the flow in response to the rotation angle. At the same time, the different behavior of the crank mechanism and the crank loop is compared.

Die Beschreibung beschränkt sich auf eine Maschine in Reihenanordnung. Die gleichen Funktionen sind ebenso bei Maschinen in Sternform oder auch in V-Form denkbar.The description is limited to a machine arranged in a row. The same functions are also with machines in star shape or also conceivable in a V-shape.

Vom Prinzip her handelt es sich um eine Hydropumpe mit konstantem Hubvolumen pro Umdrehung. Eine Förderstromregelung ist im Bereich einer möglichen Drehzahlveränderung des gewählten Verbrennungssystems, z. B. Diesel- oder Benzinantrieb, möglich.In principle, it is a hydraulic pump with constant Stroke volume per revolution. A flow control is in the range possible speed change of the selected combustion system, e.g. B. Diesel or petrol drive possible.

Für die Regelung, der mit Verbrennungskraftstoff betriebenen Hydropumpe, können alle bekannten und üblichen Regelungen, wie bei Verbrennungsmotoren üblich, zur Anwendung gelangen.For the control of the hydraulic pump operated with combustion fuel, can all known and usual regulations, as with Combustion engines are usually used.

Für Zusatzfunktionen, wie Ventilstößelantrieb, Kühllüfter, Lichtmaschine, Einspritzpumpe, Lenkhilfspumpe oder ähnliches, kann deren Antrieb von der Kurbelwelle aus erfolgen.For additional functions such as valve tappet drive, cooling fan, alternator, Injection pump, power steering pump or the like, their drive from the Crankshaft from.

Eine Einsparung von Gewicht und dadurch auch von Herstellkosten im Vergleich zu einer konventionellen Lösung, Verbrennungsmotor mit gängiger Hydrokonstantpumpe, ergibt sich dadurch, daß die mechanische Koppelung nur für kleinere Kräfte auszulegen ist. Zu berücksichtigen sind neben den unterschiedlichen Kolbenkräften lediglich noch die Nebenleistungen für Hilfsfunktionen und die Verdichtungsleistung bei Zweitakt- oder Viertaktbetrieb.Saving weight and thereby also manufacturing costs in the Comparison to a conventional solution, internal combustion engine with more common Hydroconstant pump results from the fact that the mechanical coupling should only be designed for smaller forces. In addition to the different piston forces only the fringe benefits for Auxiliary functions and the compression performance with two-stroke or Four-stroke operation.

Für den hydraulischen Teil der Maschine können einfache Bauteile zur Anwendung gelangen. Auch sind keine hoch belasteten Reibungsflächen vorhanden, so daß ohne Einschränkung hohe Arbeitsdrücke, z. B. 500 bar, für Systemauslegungen Anwendung finden können. Aufgrund der erreichbaren hohen Dichtheit, als auch der geringen Reibkräfte ist mit günstigem Wirkungsgrad der hydraulischen Maschine zu rechnen.Simple components can be used for the hydraulic part of the machine Application. Nor are there any highly stressed friction surfaces available, so that high working pressures, e.g. B. 500 bar for System designs can find application. Because of the achievable high tightness, as well as the low friction forces is with favorable Efficiency of the hydraulic machine.

Claims (11)

1. Mehrzylindrige, mit Verbrennungskraftstoff betriebene Hydropumpe, deren Hydraulikkolben direkt axial mit den Verbrennungskraftstoff­ kolben verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanische Koppelung der Einzelelemente (1) für den sinnvollen, sinusförmigen Bewegungsablauf der Hydraulik­ kolben (3) vorgesehen ist.1. Multi-cylinder, operated with combustion fuel hydraulic pump, the hydraulic pistons are directly axially connected to the combustion fuel piston, characterized in that a mechanical coupling of the individual elements ( 1 ) is provided for the sensible, sinusoidal sequence of motion of the hydraulic piston ( 3 ). 2. Mehrzylindrige, mit Verbrennungskraftstoff betriebene Hydropumpe, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem sinnvollen, sinusförmigen Bewegungsablauf der Hydraulikkolben (3) eine Kurbelwelle (17) die drehsteife Verbindung zwischen den Einzelelementen (1) herstellt.2. Multi-cylinder, powered by combustion fuel hydraulic pump, according to claim 1, characterized in that to the sensible, sinusoidal sequence of movements of the hydraulic pistons ( 3 ) a crankshaft ( 17 ) produces the torsionally rigid connection between the individual elements ( 1 ). 3. Mehrzylindrige, mit Verbrennungskraftstoff betriebene Hydropumpe, nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (17) jeweils über ein Pleuel (20) mit dem Verbrennungskolben (2) verbunden ist.3. Multi-cylinder, powered by combustion fuel hydraulic pump, according to claim 1 and 2, characterized in that the crankshaft ( 17 ) is connected via a connecting rod ( 20 ) to the combustion piston ( 2 ). 4. Mehrzylindrige, mit Verbrennungskraftstoff betriebene Hydropumpe, nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (17) in Form einer Kurbelschleife (21), ohne Pleuel (20), mit dem Verbrennungskolben (2) verbunden ist.4. Multi-cylinder, powered by combustion fuel hydraulic pump, according to claim 1 and 2, characterized in that the crankshaft ( 17 ) in the form of a crank loop ( 21 ), without connecting rod ( 20 ), is connected to the combustion piston ( 2 ). 5. Mehrzylindrige, mit Verbrennungskraftstoff betriebene Hydropumpe, nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Speichern und Ausgleichen der unterschiedlichen Kolbenkräfte an der Kurbelwelle (17) ein Schwungrad (18) vorgesehen ist.5. Multi-cylinder, powered by combustion fuel hydraulic pump, according to claim 1 and 2, characterized in that a flywheel ( 18 ) is provided for storing and balancing the different piston forces on the crankshaft ( 17 ). 6. Mehrzylindrige, mit Verbrennungskraftstoff betriebene Hydropumpe, nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (17) mit dem Schwungrad (18) zusätzlich für den Antrieb von Hilfsaggregaten benützt wird.6. Multi-cylinder, powered by combustion fuel hydraulic pump, according to claim 1 and 2, characterized in that the crankshaft ( 17 ) with the flywheel ( 18 ) is additionally used for driving auxiliary units. 7. Mehrzylindrige, mit Verbrennungskraftstoff betriebene Hydropumpe, nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffkolben (2), in bekannter Weise, nach dem Zweitaktprinzip arbeiten. 7. Multi-cylinder, powered by combustion fuel hydraulic pump, according to claim 1 and 2, characterized in that the fuel pistons ( 2 ), in a known manner, work according to the two-stroke principle. 8. Mehrzylindrige, mit Verbrennungskraftstoff betriebene Hydropumpe, nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffkolben (2), in bekannter Weise, nach dem Viertaktprinzip arbeiten.8. Multi-cylinder, powered by combustion fuel hydraulic pump, according to claim 1 and 2, characterized in that the fuel pistons ( 2 ), in a known manner, work according to the four-stroke principle. 9. Mehrzylindrige, mit Verbrennungskraftstoff betriebene Hydropumpe, nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle bekannten fossilen Brennstoffe zum Beispiel, Dieselöl und Benzin zur Anwendung gelangen können.9. Multi-cylinder hydraulic pump operated with combustion fuel, according to claims 1 and 2, characterized, that all known fossil fuels for example, diesel oil and Gasoline can be used. 10. Mehrzylindrige, mit Verbrennungskraftstoff betriebene Hydropumpe, nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikkolben (3) über Rückschlagventile (7) mit der gemeinsamen Hochdruckleitung (8) verbunden sind.10. Multi-cylinder, powered by combustion fuel hydraulic pump, according to claim 1 and 2, characterized in that the hydraulic pistons ( 3 ) via check valves ( 7 ) are connected to the common high-pressure line ( 8 ). 11. Mehrzylindrige, mit Verbrennungskraftstoff betriebene Hydropumpe, nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikkolben (3) über jeweils zweite Rückschlag­ ventile (9) mit der gemeinsamen Niederdruckleitung (10) verbunden sind.11. Multi-cylinder, operated with combustion fuel hydraulic pump, according to claim 1 and 2, characterized in that the hydraulic pistons ( 3 ) via two non-return valves ( 9 ) are connected to the common low-pressure line ( 10 ).
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