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Die
Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einer Rotoreinheit
mit einem Stator und einem Rotor, bei dem im Stator eine Zylinderwelle
um ihre Hauptachse drehbar sowie ein zylinderförmiger Ringexzenter eingebaut
ist, bei dem der Ringexzenter eine Außenkreislinie und eine dazu
exzentrisch angeordnete Innenkreislinie aufweist und der Exzenter
im Stator um die Hauptachse der Zylinderwelle drehbar eingebaut
ist, bei dem der Rotor auf der Außenkreislinie des Ringexzenters
drehbar und koaxial zu dieser Außenkreislinie installiert ist,
bei dem der Rotor ein Prisma darstellt und die Mittelpunkte beider
gegenseitig gleichlaufender flachen Prismenbasen auf der Exzenterachse
liegen, bei dem das Rotorprofil in Bezug auf den Mittelpunkt seiner
Prismenbasis einen symmetrischen Stern darstellt, der die gleiche
Anzahl von Eckpunkten und Flächen
aufweist, bei dem an einer Fläche
des Rotorprismas ein Steuerrad des Rotors mit einer Innenverzahnung
koaxial zum Mittelpunkt des Rotorprismas unbeweglich befestigt ist,
bei dem dieses Steuerrad des Rotors außerhalb und im Eingriff mit
einem Steuerrad des Stators mit Außenverzahnung liegt, die einen
Durchmesser größer als
der des Steuerrads des Rotors mit der Außenverzahnung hat, bei dem
das Steuerrad des Stators starr in der Statorfläche und koaxial mit der Hauptachse
der Motorwelle befestigt ist, bei dem sich der gasförmige Arbeitskörper in
der Arbeitskammer der Baueinheit zwischen den Rotorflächen, den
Flächen
und der Epizykloide des Stators befindet und bei dem die Epizykloide
in Bezug auf die Hauptachse der Zylinderwelle eine symmetrische geschlossene
Linie darstellen und zwar eine Bahn der Planetenverlagerung der
Eckpunkte des Rotorprofils während
der Wellenrotation.
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Es
ist ein Viertakt-Kolben-Verbrennungsmotor [1] bekannt, welcher mindestens
eine Kolbeneinheit des Kurbelgetriebes enthält. Die Kolbeneinheit besteht
aus einem Stator. Die Exzenterwelle ist im Stator drehbar um ihre
eigene Hauptachse eingebaut. Die Exzenterwelle stellt einen Schaftkern
dar. Das Hauptprogramm- und -leistungselement der Welle ist ihr
gerader Hebel. Der Hebel befindet sich im Profil zwischen der Hauptachse
der Welle und ihrer Parallelachse. Die Hauptachse der Welle dient
als Stützpunkt
des Hebels. Die Parallelachse dient als Angriffspunkt von einem
anderen Schaftkern, nämlich
dem Exzenter, der unbeweglich an der Welle befestigt ist. Diese
Welle (Exentrizität
des Wellenexzenters) ist über
eine Pleuelstange kinematisch mit dem Kolben gekoppelt. Der Kolbenboden
stellt die bewegliche Wand der Arbeitskammer einer Baueinheit des
Mechanismus dar.
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Der
gasförmige
Arbeitskörper
führt eine
schwingende Änderung
von seinem Umfang im geschlossenen Raum der Arbeitskammer zwischen
dem Kolbenboden, sowie den Wänden
und dem Zylinderkopf aus. Um die Verbindung der geschlossenen Arbeitskammer
mit der Atmosphäre
bei der Gestaltung des offenen thermodynamischen Kreisprozesses
des Arbeitskörpers
sicherzustellen, sind Gaseinlass- und Auslasskanäle im Zylinderkopf ausgebildet.
In der Arbeitskammer werden diese Gaskanäle durch Klappen von der Atmosphäre abgetrennt.
Die Klappen öffnen
und schließen
diese Kanäle
nach dem Programm einer Steuerungseinrichtung. Dabei stellen diese
Klappen einen Bestandteil dieser Steuerungseinrichtung dar.
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Der
nächste
Stand der Technik gegenüber
der angemeldeten Lösung
ihrem technischen Wesen und dem erreichten Ergebnis nach ist der
Wankel-Viertakt-Umlaufkolbenverbrennungsmotor
[2, 3]. Er enthält
mindestens eine Rotoreinheit, die aus einem Stator besteht. Die
Exzenterwelle ist im Stator drehbar um eine eigene Hauptachse eingebaut.
Der zylindrische Exzenter der Welle des Kreiskolbenmotors stellt
einen Ring mit einer Außenkreislinie
und einer dazu exzentrischen Innenkreislinie dar. Der Exzenter der
Innenkreislinie ist starr auf der Zylinderwelle drehbar um deren
Hauptachse befestigt und im Stator eingebaut. Der Dreikantrotor ist
an der Außenkreislinie
des Exzenters drehbar aufgebaut. Der Rotor weist die gleiche Anzahl
Eckpunkte und die gleiche Kantengröße auf. Ein Zahnrad mit Innenverzahnung
ist auf einer der Flächen
des Rotorprismas koaxial starr befestigt. Das kleinere Rad mit Außenverzahnung
ist innen auf der Fläche
der Arbeitskammer des Stators und im Eingriff mit dem Zahnrad mit
Innenverzahnung angeordnet. Das Kleinrad mit Außenverzahnung ist koaxial mit
der Hauptachse der Welle starr befestigt. Das Durchmesserverhältnis der
Zahnräder
vom Stator und vom Rotor beträgt
2 zu 3. Beim Drehen der Welle kommt im Profil der Einheit eine Planetenverlagerung des
Rotors innerhalb der Ebene zustande, die normal zur Hauptachse der
Welle liegt. Die Kolbenecken (die Ecken des Rotors) bei dieser Welle
umschreiben eine symmetrische geschlossene Linie – Epizykloide.
Die Epizykloide weist abwechselnde Einheiten ihres Profils auf.
Diese Profileinheiten sind in Bezug auf die Hauptachse der Welle
konkav und konvex. Die Kolbenecken gleiten entlang der Epizykloide
des Statorprofils. Das Profil der Rotorflächen wird durch die zur Seite
der Hauptachse der Welle konkaven Epizykloideabschnitte des Statorprofils
festgelegt. Die Epizykloideabschnitte berühren die Flächen des beweglichen Rotors.
In der Mitte jeder Fläche
ist eine Vertiefung mit einem bogenförmigen Profil angeordnet. Ihre
Breite beträgt
ca. die halbe Höhe
des Rotorprismas.
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Das
Epizykloideprofil des Stators des Kreiskolbenmotors weist eine große und eine
kleine Symmetrieachse auf. Zwei zur Seite der Wellenhauptachse konkaven
Abschnitte des Epizykloideprofils befinden sich in den Abschnitten
der kleinen Symmetrieachse. Neben einem dieser Abschnitte sind Einlass-
und Auslassöffnungen
des Arbeitskörpers
angeordnet. Neben dem anderen konkaven Abschnitt ist mindestens
eine Zündkerze
aufgebaut. Um einen Verzug der Epizykloide zu vermeiden und um die
Wahrscheinlichkeit der gegenseitigen Überlagerung der Einlass- und
der Auslasskanäle
des Arbeitskörpers
zu reduzieren, sind die Einlass- und Auslassöffnungen in der Statorfläche ausgebildet.
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Der
Exzenter stellt eine räumliche
Positionierung des dynamischen Bauteils in Bezug auf die Hauptachse
der Welle sowohl in der Kolbenmotoreinheit als auch in der Wankel-Umlaufkolbeneinheit
sicher. Das dynamische Bauteil nimmt dabei die Kräfte vom
Gas auf, welches über
der Bauteilfläche
arbeitet. Das dynamische Bauteil nimmt die gewaltigen Kraftimpulse
auf und unterdrückt
sie. Diese Kraftimpulse entstehen in der Anfangsphase der Wärmezufuhr
an die Arbeitskörpermasse
im Brennraum des Motors.
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Es
ist bekannt, dass bei einer Impulsverbrennung der gleichen Wärmemenge
und bei der gleichen Umdrehungszahl der Welle das größte Drehmoment
der Welle und die beste Drehungsgleichmäßigkeit des Verbrennungsmotors
aufgewiesen werden, bei dem in jeder Baueinheit die größte Taktanzahl
des Arbeitsgangs reproduziert wird.
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So
ermöglicht
der Mechanismus in der Baueinheit des Viertaktkolbenmotors, einen
Arbeitsgang pro zwei volle Wellenumdrehungen auszuführen. In
der Baueinheit des leistungsfähigeren
Mechanismus der Viertaktkreiskolbenmotore wird ein Arbeitsgang innerhalb
einer Vollumdrehung der Welle ausgeführt.
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In
den bekannten Kolben- und Kreiskolbenvorrichtungen zerlegt sich
die resultierende Kraft P der Beanspruchung der Rotorfläche durch
die Warmgase während
des Arbeitsgangs in zwei Bestandteile, nämlich N und T. Die resultierende
Kraft P ist eine variable Größe. Die
Beanspruchung der Rotorfläche
erfolgt dabei im Angriffspunkt, welcher auf der Rotorachse liegt.
Der Normalbestandteil N ist gemäß der Exentrizitätslinie
gerichtet. Dieser Bestandteil N bremst die Wellendrehung im Rotorlager
auf dem Exzenter unmittelbar ab. Der Tangentialbestandteil T verläuft normal
zum Bestandteil N. T erzeugt das Drehmoment der Leistungswelle, welches
zur mechanischen Beanspruchung des Motors erforderlich ist. Der
Hebelarm für
dieses Drehmoment ist eine invariable Größe – die Exentrizität des Wellenexzenters.
Dieser Hebel nimmt die Kraft des warmen Arbeitskörpers über die Rotorfläche auf
und leitet darüber
hinaus diese Kraft über
die Welle auf die mechanische Belastung des Motors weiter.
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Dabei überschreitet
der Drehungsbestandteil T den Bremsbestandteil N in der Kolbenbaueinheit
erst nachdem der Exzenter den oberen Totpunkt um 34 Grad gedreht
hat. Bei der Umlaufkolbeneinheit mit dem Dreikantrotor erfolgt dies
nach 67,5 Grad. Bei der Umlaufkolbeneinheit mit einem Fünfkantrotor
kommt das zustande, wenn der Exzenter nach dem oberen Totpunkt um
56,25 Grad gedreht hat. Deswegen überwiegt die Welle der Baueinheit
in diesen Einrichtungen ihren größten Drehungswiderstand,
welcher durch den Bremsbestandteil N des über der Rotorfläche arbeitenden
eigenen Arbeitskörper
erzeugt wird. Diese Überwindung erfolgt
sofort nach der Wärmezufuhr
zum Arbeitskörper.
Das bedingt den Zeitpunkt, wenn der Exzenter den oberen Totpunkt
erreicht, und innerhalb dieser Drehwinkel ihres Exzenters. Diese Überwindung
kommt dank der aufgespeicherten Rotationsträgheit des eigenen Schwungrads
und teilweise durch die Wirkung des Drehungsbestandteils T zustande.
Zu diesem Zeitpunkt besitzt der Arbeitskörper den größten Inhalt der zugeführten Wärmekraft.
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Die
vorgeschlagene technische Lösung
bietet eine wirksamere Nutzung der Energie des warmen Arbeitskörpers. Das
erfolgt in der Arbeitskammer der Baueinheit des Kreiskolbenmotors
mit Dreikantrotor. Hier wird die Reproduktion der drei Arbeitsgänge pro
einer Wellenumdrehung erreicht. In der Baueinheit mit dem Fünfkantrotor
werden fünf
Arbeitsgänge
pro einer Gesamtumdrehung der Welle ausgeführt.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, den Nutzeffekt des Betriebs des Verbrennungsmotors
mit Volumenverdrängung
zu steigern.
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Die
gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Der
Verbrennungsmotor enthält
mindestens eine Rotoreinheit. Die Rotoreinheit besteht aus einem Stator.
Im Stator ist eine Zylinderwelle drehbar um ihre eigene Hauptachse
sowie ein zylinderförmiger
Ringexzenter eingebaut. Der Ringexzenter hat eine Außenkreislinie
und eine dazu exzentrisch angeordnete Innenkreislinie, deren Exzenter
im Stator drehbar um die Hauptachse der Welle eingebaut ist. Auf
der Außenkreislinie
des Ringexzenters ist der Rotor drehbar und koaxial mit diesem Außenkreis
installiert. Der Rotor stellt ein Prisma dar. Die Mittelpunkte beider
gegenseitig gleichlaufender Prismenbasen liegen auf der Exzenterachse. Das
Rotorprofil stellt in Bezug auf den Mittelpunkt seiner Prismenbasis
einen symmetrischen Stern dar, welcher die gleiche Anzahl von Eckpunkten
und Flächen
aufweist. Dabei ist an einer Fläche
des Rotorprismas ein Steuerrad (programmgesteuertes Zahnrad = ”Programmzahnrad”) mit Innenverzahnung
koaxial mit dem Mittelpunkt des Rotorprismas unbeweglich befestigt.
Dieses Programmsteuerrad des Rotors liegt außerhalb und im Eingriff mit
dem Steuerrad des Stators mit Außenverzahnung. Sein Durchmesser
ist größer als
der des Steuerrades des Stators mit Außenverzahnung. Das Steuerrad
des Stators ist starr in der Statorfläche und koaxial mit der Hauptachse
der Motorwelle befestigt. Dabei befindet sich der gasförmige Arbeitskörper in
der Arbeitskammer der Baueinheit zwischen den Rotorflächen, den
Flächen
und der Epizykloide des Stators. Die Epizykloide stellt im Profil
in Bezug auf die Hauptachse der Welle eine symmetrische geschlossene
Linie. Dies ist die Bahn der Planetenverlagerung der Eckpunkte des
Rotorprofils während
der Wellenrotation. Dieser Verbrennungsmotor zeichnet sich dadurch
aus, dass jede Baueinheit dieses Motors gemäß der Erfindung zusätzlich mit
einem Paar von Leistungszahnrädern
versehen ist. Das Leistungszahnrad mit kleinerem Durchmesser und
mit einer Außenverzahnung
ist koaxial und unbeweglich an der Zylinderwelle befestigt. Es ist
innen angeordnet und ist im Eingriff mit einem Leistungszahnrad
mit größerem Durchmesser
und einer Innenverzahnung. Dieses größere Leistungszahnrad ist koaxial
und starr innerhalb des Rotors befestigt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des Verbrennungsmotors sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Die
Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen nach 1 bis 3 dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 und 2 den
Getriebeplan der vorgeschlagenen Rotoreinheit mit einem fünfflächigen Rotor und
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3 die
Profilansicht der vorgeschlagenen Motorbaueinheit mit dem fünfflächigen Rotor.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird in der Rotoreinheit der Vorrichtung gelöst.
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Der
Exzenter 1 dieser Rotoreinheit wird aus der Baugruppe zur
mechanischen Arbeitsgaskraftübertragung
auf die Motorwelle und zurück
von der Welle zum Gas hin vorgenommen. Die feste mechanische Kopplung
zwischen dem Exzenter 1 und der Welle 2 wird entkoppelt.
In diesem Fall verliert der Exzenter 1 eine seiner drei
Funktionen in diesem Baueinheitsmechanismus. Er ist kein Leistungskomponent
mehr, behält
allerdings seine Funktionen als Steuer-(”Programm-”) und Dämpfungselement der Einrichtung.
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Werden
die oben beschriebenen Gleichachsigkeitsbedingungen in jeder Baueinheit
eingehalten, dann kann das Durchmesserverhältnis der zusätzlichen
Leistungszahnräder
der Zylinderwelle und des Rotors als ein Verhältnis von beliebigen Zahlen
dargestellt werden. Um die Zusammenwirkung mit den Programmschaltwerken
der Zündung
und der Kraftstoffzuführung
im Verbrennungsmotor einzurichten, müssen die Längen ihrer Durchmesser durch
die Exentrizitätslänge e teilbar
sein. Die Verhältniszahlen
müssen
dabei auch ganze Zahlen sein, zum Beispiel 2:3, 3:5 usw.
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In
der vorgeschlagenen technischen Lösung fällt die Drehmomentgröße M der
Welle 2 mit der Drehmomentgröße des Rotors 3 zusammen,
allerdings ohne Rücksicht
auf Reibungsverluste (3).
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Das
Drehmoment des Rotors M ist das Produkt der resultierenden Kraft
P bei der Einwirkung der Warmgase auf die Rotorfläche und
des Hebelarmes m des Rotors, welcher ein Lot darstellt. Das Lot
wird aus dem Stützpunkt
des Hebels zur Geraden des Vektors der resultierenden Kraftwirkung
P gefällt.
Dieser Vektor entspringt dem Kraftangriffspunkt. Das heißt, er fängt an der
Achse des Rotors 2 an. Das Steuerzahnrad 5 des Rotors 3 ist
dabei in diesem Stützpunkt
zum konkreten laufenden Zeitpunkt der Rotordrehung auf der konkreten
Halbgeraden des unbeweglichen Steuerzahnrades 4 des Stators
fixiert.
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Das
Drehmoment der Welle M ist das Produkt der (tangentialen) Drehkraft
T der Zylinderwelle 2 und des Hebelarmes n des zusätzlichen
Leistungszahnrades 6 der Welle. Diese Welle verbindet den
Stützpunkt dieses
Hebels auf der Hauptachse der Welle 2 mit dem aktuellen
mechanischen Kontaktpunkt der zusätzlichen Leistungszahnräder 6 und 7.
Dieser mechanische Kontaktpunkt ist der Angriffspunkt der Kraft
T, welche das Zahnrad 6 der Welle antreibt und vom Zahnrad 7 des
Rotors 3 ausgeht.
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Die
warme Masse des Arbeitskörpers
befindet sich in der Arbeitskammer über der oberen Fläche des Rotors 3 (3).
Während
des Arbeitsgangs führt
diese Warmmasse mechanische Arbeit aus, indem der Rotor 3 verlagert
wird. Das Drehmoment M beträgt
dabei: M = P·m = T·n
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Bei
der Planetenbewegung des Rotors 3 im Uhrzeigersinn (3)
lässt das
Leistungszahnrad 6 des Rotors 3 das Leistungszahnrad 6 und
die Welle 2 gegen den Uhrzeigersinn in Bezug auf die Hauptachse
der Welle 2 rotieren. Bei einem Durchmesserverhältnis der
Leistungszahnräder 6 der
Welle und 7 des Rotors 3 von 2:3 entspricht dies
einer Gesamtumdrehung des Rotors 3 im Uhrzeigersinn einer
Gesamtumdrehung der Zylinderwelle 2 gegen den Uhrzeigersinn.
Somit werden in der vorgeschlagenen Baueinheit des Fünfkantrotors
pro eine Umdrehung ihrer Zylinderwelle fünf Arbeitsgangabläufe in der
Arbeitskammer ausgeführt.
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Um
eine möglichst
größere Drehkraft
T auf der Welle zu erreichen, muss der Hebelarm n des Leistungszahnrades 6 so
gering wie möglich
sein, jedoch soweit, wie es die gewählte Durchmessergröße der Leistungszylinderwelle 2 zulässt.
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Die
noch höhere
Wirksamkeit des vorgeschlagenen Motors wird dadurch erreicht, dass
sein Mechanismus als Kraftgetriebe mit einer Übersetzung ins Schnelle fungiert.
Es setzt die Drehkraft des Rotors 3 beim größeren Hebelarm
m in die noch größere Drehkraft
der Welle 2 beim geringeren Hebelarm n (3)
um. Diese Drehkraft wird an die mechanische Belastung des Motors
weitergeleitet.
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Dabei
weist die vorgeschlagene technische Lösung im Vergleich zu dem traditionellen
Schema des Kreiskolbenmotors mit einer Exzenterwelle folgende technische
Vorteile auf:
Während
des Arbeitsgangs nimmt der Rotor die Dreheinwirkung der gesamten
resultierenden Kraft P auf, sofort nachdem er den oberen Totpunkt
passiert hat. Dies sobald wenigstens ein minimaler Hebelarm im Profil zwischen
dem Kontaktpunkt der Steuerzahnräder 4 und 5 und
dem Kraftvektor P entsteht und bis die Auslassöffnung des Erweiterungsraums
geöffnet
wird. Das heißt,
die Aufnahme der Drehwirkung erfolgt praktisch innerhalb des gesamten
eventuellen Arbeitsabschnitts der Drehung des Hebels m des Rotors.
Dies ist der Fall im Bereich der Exzenterdrehung bei der Ausdehnung
des Arbeitskörpers
vom minimalen bis zum maximalen eventuellen Umfang des Ausdehnungsraums.
Der Hebel m ist eine variable Größe, die
bis zu m = 5e beträgt.
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Die
Schwungmasse des Rotors 3 wird aus der Baugruppe der Leistungswelle 2 ausgeschlossen.
Das vereinfacht den Aufbau der Welle. Denn die zylindrische Welle
braucht keine zusätzliche
Auswuchtung.
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Der
Motor braucht die zusätzliche
mechanische Energie nicht mehr zu erzeugen, um die leistungsstarken
Kräfte
zur Abbremsung der Welle zu überwinden.
Diese Kräfte
wirken seitens des warmen Arbeitskörpers und eines eigenen Mechanismus.
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Die
Masse des Schwungrads wird reduziert.
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Die
Welle von nur einer Baueinheit des Motors mit dem fünfflächigen Rotor
ist in Bezug auf die Belastung nur innerhalb von 225 Grad pro einer
Umdrehung der Welle aktiv.
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Gemäß dem Prinzip
der Kraftübertragung
zwischen dem Arbeitskörper
und der Leistungsbaugruppe des Mechanismus handelt es sich dabei
nicht um einen Umlaufkolben, sondern um einen Rotationsmotor. Liste
der benutzten Literaturquellen
