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Die
Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit drei verbundenen Zylinderräumen,
in denen jeweils ein Kolben hin- und hergehend angeordnet ist, wobei
die Zylinderräume einen verbundenen Hohlraum bilden, der
mit wenigstens einem Ein- und wenigstens einem Auslasskanal für
Verbrennungsluft versehen ist.
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Ein
solcher Verbrennungsmotor ist aus der
DE
478 361 bekannt. Es handelt sich hierbei um eine Brennkraftmaschine
mit luftloser Einspritzung. Die Kolben sind in einer Dreistrahl-Anordnung
rotationssymmetrisch konfiguriert. Sie können aus der Zündungstotpunktstellung,
das heißt dann, wenn alle drei Zylinder nahe zum Mittelpunkt
stehen, nach Zündung rotationssymmetrisch auseinander streben.
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Es
ist nicht bekannt, ob eine solche Brennkraftmaschine gebaut wurde.
Es erscheint jedoch plausibel, dass die zerklüftete Form
des Brennraums einer einwandfreien Flammenentfaltung und Verbrennung
entgegensteht. Dies führt wiederum zu einem relativ schlechten
Wirkungsgrad und begrenzt die Verringerung der Schadstoffabgabe.
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Es
stellt sich gegenüber dieser Brennkraftmaschine die Aufgabe,
einen mit drei Zylindern und Kolben ausgestatteten Motor dahingehend
zu verbessern, dass die Leistungsfähigkeit bei gleichem Zylinderinhalt
steigt, die Steuerungsfähigkeit umfassender ist und die
Schadstoffabgabe verringert ist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor der vorgenannten Art
gelöst, dessen drei Zylinder eine T-Anordnung bilden, wobei
ein Primärzylinder mit einem Primärkolben senkrecht
zu zwei Sekundärzylindern mit darin angeordneten Sekundärkolben
angeordnet ist, die zu zwei Seiten des Primärzylinders
im rechten Winkel von diesem abstehen und in denen Sekundärzylinder
zueinander gegenläufig bewegbar angeordnet sind.
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Durch
eine entsprechende Gestaltung und Steuerung kann das Verdichtungsverhältnis
in den Zylinderräumen über weite Grenzen variiert
werden, so dass der Betrieb der Maschine an verschiedene Kraftstoffarten
angepasst werden kann. Dies ist prinzipiell auch während
des laufenden Betriebes möglich. Auch können einzelne
Zylindergruppen bei Bedarf ab- und zugeschaltet werden, um den Kraftstoffeinsatz
an die jeweils geforderte Leistung anzupassen.
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Weiterhin
ergibt sich die Möglichkeit, durch eine Verschiebung der
Steuerzeiten für die Sekundärkolben gegenüber
dem Primärkolben das Verdichtungsverhältnis der
angesaugten Luft zur Kraftstoffmenge von einem Maximum bis Null
verstellen zu können. Auch eine leichte Verschiebung der
Steuerzeiten der Sekundärkolben zueinander kann als zusätzliche
Steuerung des Verdichtungsverhältnisses genutzt werden.
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In
einer ersten Ausführungsform liegen die Sekundärkolben
spiegelbildlich zueinander in Flucht. Hier ergibt sich der Vorteil
einer einfachen Herstellung und Montage. Eine platzsparende Bauweise wird
erreicht, wenn die Sekundärkolben in Bezug zur Hubachse
gegeneinander versetzt liegen. Weiterhin ist möglich, dass
die Sekundärzylinder und Sekundärkolben im Volumen,
das heißt in Bezug auf Durchmesser und/oder Hublänge,
sich von den Werten des Primärzylinders beziehungsweise
Primärkolbens unterscheiden. Wird eine so genannte Null-Kompression
gewünscht, so wird die Summe der Volumina der Sekundär-Zylinder-Kolbenräume
durch einen Versatz der Steuerzeiten um 180° gleich dem
Volumen des Primär-Zylinder-Kolbenraumes gestellt. Diese Volumina
werden kann ohne Verdichtungseffekt quasi hin und her geschoben.
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Vorzugsweise
sind die Sekundärkolben über Pleuelstangen mit
Sekundär-Kurbelwellen verbunden. Entsprechend ist der Primärkolben über
eine Pleuelstange mit einer Primär-Kurbelwelle verbunden.
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Um
das erzeugte Drehmoment auf eine Kurbelwelle aufzubringen und die
entsprechende Steuerung herzustellen, wird vorzugsweise vorgeschlagen, die
Sekundär- und die Primärkurbelwelle(n) über
ein Getriebe zu verbinden.
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Insbesondere
wird vorgeschlagen, dass an der Primärkurbelwelle ein Planetengetriebe,
wie es als Steuergetriebe aus dem Stand der Technik bekannt ist,
angebracht ist, dessen Hauptabtrieb als Zahnrad oder Zahnriemenrad
ausgebildet ist. Das Abtriebsrad des Planetengetriebes wird bedarfsabhängig
eingerichtet und kann entsprechend verstellt werden, wobei dies
vorzugsweise an der Primärkurbelwelle geschieht. Über
einen Treibriemen, eine Kette oder über ein entsprechendes
Zahnrad-Getriebe können die Phasen der Sekundärkurbelwellen
in Bezug auf die Primärkurbelwelle verändert werden. Die
Verstellung des Abtriebrades des Planetengetriebes kann durch einen
entsprechenden Antrieb, beispielsweise einen Elektromotor, mit einem
Zwischengetriebe, das vorzugsweise ein Schneckengetriebe ist, erfolgen.
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Weiterhin
wird vorgeschlagen, dass das Getriebe über einen Treibriemen
verfügte, der mit den jeweiligen Kurbelwellen fest verbundene
Treibräder verbindet. Dabei kann der Treibriemen beispielsweise
eine Kette oder ein Zahnriemen sein, die über kompatible
Treibräder, die mit den entsprechenden Kurbelwellen verbunden
sind, geführt werden.
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Vorzugsweise
können durch Verstellung, insbesondere des Steuergetriebes
oder der Treibriemens, die Hubphasen der Sekundärkurbelwellen
und der Primärkurbelwelle gegeneinander abhängig
oder unabhängig verstellt werden. Die Verstellung kann auch
durch die Veränderung der Treibriemenabstände
entsprechende Elemente von Sekundärkurbelwellen zu Primärkurbelwelle
ausgeführt werden.
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Weiterhin
wird vorgeschlagen, dass im Zentralbereich, in dem bei zusammen
gefahrenen Kolben das Kolbenvolumen ma ximal verdichtbar ist, wenigstens
ein Einlassventil und ein Auslassventil angeordnet sind.
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Der
Kolbenboden der Sekundärkolben kann derart geformt sein,
dass eine Höhlung gebildet ist, in die bei zusammengeführten
Kolben der Primärkolben wenigstens teilweise einfahrbar
ist. Auf diese Weise bildet er einen einheitlichen, aus dem Stande der
Technik für Direkteinspritzsysteme bekannten Brennraum.
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Beschreibung der Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert.
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Die
Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
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1 eine
schematische Anordnung eines Zylinderblocks eines Verbrennungsmotors
gemäß Erfindung:
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2 die
sich innerhalb des Zylinderblocks befindenden drei Kolben in einer
ersten Stellung;
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3 die
sich innerhalb des Zylinderblocks befindenden drei Kolben in einer
zweiten Stellung;
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4 eine
schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit drei Zylindern,
gestaltet als mit Kompressor oder dergl. fremdaufgeladenen Zweitakter
mit Schiebersteuerung sowie mit einem Planetengetriebe, in einer
ersten Stellung der Kolben zueinander;
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5 und 6 weitere
Darstellungen des Verbrennungsmotors gem. 4.
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1 zeigt
schematisch einen Zylinderblock 100 als Teil eines Verbrennungsmotors.
Innerhalb des Zylinderblocks 100 befinden sich drei Zylinder 1, 2 und 3,
in denen jeweils Kolben 11, 12, 13 hin-
und hergehend angeordnet sind. Die Zylinder 1, 2 und 3 sind
zu einem Hohlraum verbunden. Die drei Zylinder 1, 2 und 3 bilden
eine Anordnung in Form eines T und werden zur Unterscheidung Primärzylinder 1,
erster Sekundärzylinder 2 und zweiter Sekundärzylinder 3 genannt.
Der Primärzylinder 1 mit dem Primärkolben 11 steht
senkrecht zu den zwei Sekundärzylindern 2 und 3 mit
den darin angeordneten Sekundärkolben 12 und 13.
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Das
Innere des Zylinderblocks 100 verdeutlichen die 2 und 3,
aus denen auch die charakteristische Kolbenanordnung ersichtlich
ist. Die beiden Sekundärkolben 12, 13 sind
zueinander gegenläufig bewegbar angeordnet. Sie sind über
Pleuelstangen 4 und 5 jeweils mit einer Kurbelwelle 6 und 7 verbunden.
In Bezug auf die Hubachse H, die parallel und mittig zu den Kolben-Hubachsen
verläuft, liegen die Sekundärzylinder 2 und 3 versetzt
zueinander.
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Die
beiden Sekundärkolben 12 und 13, die
in den versetzt zueinander angeordneten, zur Mitte des Zylinderblocks
hin offenen Sekundärzylindern 2 und 3 beweglich
angeordnet sind, haben Kolbenböden 12' und 13',
bei denen innerhalb des Kolbenvolumens eine Höhlung 8 derart
ausgeformt ist, dass der Primärkolben 11 über
einen Teil seiner Höhe in diese doppelte Höhlungen
einfahrbar ist, wenn die Sekundärkolben 12 und 13 zusammengefahren
sind. Die Höhlung 8 jedes Sekundärkolbens 12 und 13 beschreibt,
wie aus 2 hervorgeht, einen Kreisteil, der
konkav in die Kolben-Zylinderwand eingearbeitet ist.
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3 zeigt
den Primärkolben 11 in einer oberen Totpunktstellung,
in der er die höchste Verdichtung innerhalb des Primärzylinders 1 hervorruft. Die
Sekundärkolben sind in einer Zwischenstellung gezeigt,
so dass ein gewünschtes und optimales Verdichtungsverhältnis
für das Brennstoff-Luft-Gemisch hergestellt wird. Die in
die Scheitelfläche des oberen Verdichtungsraums eingesetzten
Einlass- und Auslassventile 15, 16, 17, 18 sind
geschlossen. Es erfolgt eine Selbstzündung des Brennstoff-Luft-Gemisches nach
dem Diesel-Prinzip.
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Die
obere Scheitelfläche 11' des Primärkolbens
ist mit zwei Schultern 14 und 14' versehen, die das
obere Verdichtungsvolumen begrenzen und im Zusammenspiel mit den
Sekundärkolben einen für Direkteinspritzer bekannten
Brennraum formen. Nach dem Zündvorgang und bei Verbrennung
des Treibstoffs wird der Primärkolben 11 nach
unten gedrückt. Gleichzeitig werden die beiden Sekundärkolben 12 und 13 nach
außen gefahren.
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Entsprechend
dem Zündsystem eines Viertakt-Dieselmotors wird bei einem
Folgetakt das freie Volumen der Zylinder 1, 2 und 3 durch
Zusammenfahren der Kolben 11, 12, 13 wieder
verkleinert und das verbrannte Luft-Kraftstoff-Gemisch aus den geöffneten
Auslassventilen 16, 18 ausgeblasen. Bei erneutem
Auseinanderfahren der Kolben wird eine große Menge an Brennstoff-Luft-Gemisch
bei geöffneten Einlassventilen 15, 17 eingesogen
und bei erneutem Zusammengehen verdichtet.
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Danach
ist wegen der besonderen Kolbenanordnung und des großen
Ansaugvolumens das Verdichtungsverhältnis sehr hoch und
ermöglicht einen effizienten Motorbetrieb. Anstelle des
anzusaugenden Brennstoff-Luft-Gemisches kann auch nur Luft angesaugt
werden und der Brennstoff dosiert kurz vor Erreichen des Verdichtungsmaximums
in den Brennraum eingespritzt werden.
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Je
nach verwendetem Brennstoff können zusätzlich
auch Zündkerzen eingesetzt werden, mit denen Zündfunken
im Brennraum erzeugt werden können, wie dies bei Motoren,
die nach dem Otto-Prinzip arbeiten, üblich ist.
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Eine
weitere Ausführungsform eines Zweitakt-Verbrennungsmotors
gemäß Erfindung ist in den 4 bis 6 dargestellt.
In einem Zylinderblock 200, der Teil des Verbrennungsmotors
ist, ist eine längliche zylindrische Sekundärbohrung 20 eingearbeitet,
die in zwei Armen endet und demnach zwei Sekundärzylinder 22 und 23 umfasst.
Zwei Sekundärkolben 32 und 33 bewegen
sich innerhalb der Sekundärzylinder 22 und 23 spiegelbildlich
zueinander, wobei dann, wenn sie sich in der zueinander engst benachbarten
Stellung befinden, je zu beiden Seiten einer Öffnung 26 stehen.
Beide Sekundärkolben 32 und 33 sind mit
Pleuelstangen 4 bzw. 5 gegenläufig bewegbar
verbunden und mit Kurbelwellen 6 und 7 verbunden.
Die Kurbelwellen 6 und 7 treiben zwei Trommelräder 36 und 37.
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Wie
aus den 4 bis 6 ersichtlich, steht
senkrecht vom Zylinderblock 200 ab nach unten und in Verbindung
zur Sekundärbohrung 20 ein Primärzylinder 21,
der zur Öffnung 26 hin offen ist, wobei die Öffnung 26 soweit
aufgebohrt ist, dass ihre lichte Weite dem Innenquerschnitt des
Primärzylinders 21 entspricht.
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Innerhalb
des Primärzylinders 21 ist ein Primärkolben 31 auf-
und abgehend angeordnet. Er bewegt sich von einem unteren Totpunkt,
wie in der 4 dargestellt, bis zu einem
oberen Totpunkt gem. 6, bei dem er durch die Öffnung 26 hindurchgleitet
und mit seinem Kolbenscheitel 31' zwischen die zusammengeführten
Sekundärkolben 32 und 33 gelangt. In
diesem Zustand wird die höchste Verdichtung des eingesaugten
Kraftstoff-Luft-Gemisches erreicht, wobei die Selbstzündung
und eine Verbrennung erfolgen.
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Der
Primärkolben 31 ist über eine Pleuelstange 9 mit
der Primärkurbelwelle 39 verbunden, die wiederum
ein Zahnrad 38 antreibt.
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Die
Funktion des Verbrennungsmotors gemäß den 4 bis 6 wird
wie folgt beschrieben:
Die durch eine hier nicht dargestellte
Fremdaufladung vorverdichtete Luft wird über Einlassbohrung 41 und
eine ringförmige Schlitzverteilerhöhlung in den
Raum der Sekundärbohrung 20 eingelassen. Die weitere
Bewegung der Sekundärkolben 32 und 33 sowie
des Primärkolbens 31, wie in 5 dargestellt, schließt
die Einlassbohrung 41 ab. Es verdichtet sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch.
Die weitere Verdichtung entsprechend der Kolbenstellung gemäß 6 führt zu
einer Temperaturerhöhung, wobei das Einspritzen des Kraftstoff-Luft
gemäßes und Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches
im Bereich des oberen Totpunktes erfolgt.
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Die
verbrannten Gase dehnen sich aus und treiben die Kolben 31 bis 33 nach
außen, bis die Auslassbohrung 42 freigelegt wird.
Die verbrannten Gase werden nach außen ausgestoßen.
Die Kolben 31 bis 32 bewegen sich weiter zum unteren
Totpunkt, worauf erneut Luft über die Einlassbohrungen 41 und die
Einlassschlitze eingelassen wird. Beim erneuten Zusammenfahren der
Kolben wiederholt sich der Zyklus.
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Weiterhin
ist die Kurbelwelle 39 mit einem Planetengetriebe 40 verbunden.
Das zentrale Zahnrad 38, auch Sonnenrad genannt, ist von
einem innenverzahnten Planetenradkranz 43 umgeben und wird
von drei Planetenrädern 44.1, 44.2, 44.3 gekämmt.
Der Planetenradkranz 43 ist mit dem Trommelrad 28 verbunden.
Es besteht ein Übersetzungsverhältnis zwischen
dem Zahnrad 38 und dem Planetenradkranz 43, deren
Relativpositionen zueinander mittels Verstellung angehaltener Getriebeteile
mit Hilfe eines hier nicht dargestellten, zusätzlichem
Schneckengetriebes, eines Ketten- beziehungsweise Zahnriementriebes
mit veränderlichen Trumlängen, mit Bremsen oder
Kupplungen stufenlos verändert werden kann. Diese Verstellung
ist unter Last anwendbar. Damit ergibt sich die Möglichkeit,
die Kolbenbewegungsphasen im Betrieb des Verbrennungsmotors gegeneinander
zu verstellen.
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Insbesondere
ergibt sich die Möglichkeit, durch eine Verschiebung der
Steuerzeiten für die Sekundärkolben gegenüber
dem Primärkolben das Verdichtungsverhältnis der
ein gesaugten Luft zur Kraftstoffmenge von einem Maximum bis null
verstellen zu können. Auch eine Verschiebung der Steuerzeiten der
Sekundärkolben zueinander kann als Steuerung des Verdichtungsverhältnisses
genutzt werden.
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Die
Besonderheit an dieser Lösung liegt weiterhin darin, dass
während des Verdichtungstaktes die Luft insbesondere im
Primärzylinder durch den Effekt der beiden Sekundärkolben
in eine besonders starke Verwirbelung versetzt wird, welche eine
vollständige und saubere Verbrennung des Kraftstoffes begünstigt.
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Um
das gesamte, von den Kolben-Zylinder-Anordnungen gemäß 4 bis 6 erzeugte Drehmoment
auf eine gemeinsame Kurbelwelle zu übertragen, hier beispielsweise
auf die Kurbelwelle 39 des Primärkolbens 31,
ist eine Getriebeverbindung der Kurbelwellen untereinander erforderlich. Dies
kann beispielsweise durch ein synchron eingestelltes Zahnrad-Getriebe
geschehen.
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Insbesondere
wird eine Ausführungsform einer Getriebe-Verbindung gewählt,
bei der gemäß den 4 bis 6 über
die drei Trommelräder 36, 37, 28,
die zu den Kolben 32, 33, 31 gehören,
ein endlos geführter Treibriemen 34 gelegt ist.
Dabei soll unter den Begriff „Treibriemen" auch eine Kette
oder ein Zahnriemen verstanden werden. Derartige Treibriemen werden
schlupffrei mit der kompatibel ausgeführten Peripherie
der Trommelräder verbunden.
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Die
Umlaufrichtung ist durch einen Pfeil P in 5 gekennzeichnet.
Die Hubphasen der Sekundär- und des Primärkolben
sind dabei exakt miteinander verknüpft.
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Ferner
ist eine Reihen-Schaltung von mindestens zwei T-Anordnungen möglich.
Die Primärkurbelwelle 39 ist durchgängig
durch alle Anordnungen. Die Sekundärkurbelwellen sind als
Teilkurbelwellen für jeweils eine T-Anordnung gestaltet.
Einzelne Nebenkolben sind zu oder abschaltbar. Als Koppelelemente
werden Differential-Nabengetriebe oder Planetengetriebe vorgeschlagen,
deren Nebenabtriebsrad bedarfsabhängig widerstandsfrei
mitläuft, das heißt es erfolgt keine Kraftübertragung
auf die zweite Nebenkurbelwelle. Das Abtriebsrad kann auch gehalten
oder verstellt werden. Das Anhalten erfolgt mittels einer Bremse
nach dem Stande der Technik, wie sie zum Beispiel bei Automatikgetrieben verwendet
wird, jedoch dadurch gekennzeichnet, dass das gebremste Nebenabtriebsrad
vorzugsweise durch ein Stellglied mit Synchronringen gemäß dem
Stande der Technik oder durch einen entsprechenden Antrieb in die
gewünschte Position für ein synchrones Arbeiten
mit dem gegenüberliegenden Sekundärkolben durch
einen jeweils eigenen Treibriemen gebracht werden kann.
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- 100,
200
- Zylinderblock
- 1
- Primärzylinder
- 2
- Sekundärzylinder
- 3
- Sekundärzylinder
- 4
- Pleuelstange
- 5
- Pleuelstange
- 6
- Kurbelwelle
- 7
- Kurbelwelle
- 8
- Höhlung
- 9
- Pleuelstange
- 11
- Primärkolben
- 11'
- Scheitelfläche
- 12
- Sekundärkolben
- 13
- Sekundärkolben
- 14,
14'
- Schulter
- 15
- Einlassventil
- 16
- Auslassventil
- 17
- Einlassventil
- 18
- Auslassventil
- 19
-
- 20
- Sekundärbohrung
- 21
- Primärzylinder
- 22
- Sekundärzylinder
- 23
- Sekundärzylinder
- 24
-
- 25
-
- 26
- Öffnung
- 27
-
- 28
- Trommelrad
- 29
-
- 30
-
- 31
- Primärkolben
- 31'
- Kolbenscheitel
- 32
- Sekundärkolben
- 33
- Sekundärkolben
- 34
-
- 35
- Kurbelwelle
- 36
- Trommelrad
- 37
- Trommelrad
- 38
- Zahnrad
- 39
- Primärkurbelwelle
- 40
- Planetengetriebe
- 41
- Einlassbohrung
- 42
- Auslassbohrung
- 43
- Planetenradkranz
- 44.1
- Planetenräder
- 44.2
- Planetenräder
- 44.3
- Planetenräder
- H
- Hubachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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