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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Kraftstoff-Flügelzellenpumpe, insbesondere eine Kraftstoff-Flügelzellenpumpe zur Vordruckbeaufschlagung von Kraftstoff.
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Stand der Technik
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In einem Hochdruck-Common-Rail-System eines Dieselmotors dient eine Flügelzellenpumpe als Niederdruckpumpe zur Vordruckbeaufschlagung von Kraftstoff, der danach über eine als Hochdruckpumpe dienende Plungerpumpe auf ein höheres Druckniveau gebracht und einer Hochdruck-Common-Rail-Einrichtung zur Speicherung zugeführt wird, um einen nachfolgenden Einspritzvorgang nach Bedarf zu ermöglichen.
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Eine Flügelzellenpumpe umfasst in der Regel ein Gehäuse, in dem ein feststehender Stator und ein drehbarer Rotor eingebaut sind. An dem Rotor sind mehrere entlang der radialen Richtung verschiebbare Flügel angebracht. Der Rotor befindet sich innerhalb eines durch die Innenumfangsfläche des Stators umschlossenen Hohlraums und das Drehzentrum des Rotors überlappt sich nicht mit dem durch den Hohlraum des Stators begrenzten Mittelpunkt. Der Rotor ist mit einer Ausgangsdrehwelle eines Dieselmotors bedienbar verbunden. Mit der Drehung des Rotors erstrecken sich die Flügel nach außen, um die Innenumfangsfläche des Stators zu berühren. Somit werden mehrere Dichtbereiche zwischen einzelnen Flügeln und der Außenumfangsfläche des Rotors sowie der Innenumfangsfläche des Stators begrenzt.
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In dem Gehäuse sind ferner ein Kraftstoffeintritt und ein Kraftstoffaustritt vorgesehen, die jeweils mit einem Raum zwischen der Außenumfangsfläche des Rotors und der Innenumfangsfläche des Stators verbunden sind. Somit werden die Dichtbereiche mit der Drehung des Rotors jeweils an den Kraftstoffeintritt bzw. den Kraftstoffaustritt angeschlossen und bei der Bewegung von dem Kraftstoffeintritt zu dem Kraftstoffaustritt verringert sich entsprechend das Volumen der Dichtbereiche. Daher wird Kraftstoff beim Passieren des Kraftstoffeintritts in die Dichtbereiche angesaugt. Vor dem Passieren des Kraftstoffaustritts wird der Kraftstoff aufgrund der Verringerung des Volumens der Dichtbereiche mit Druck beaufschlagt. Anschließend wird der Kraftstoff beim Passieren des Kraftstoffaustritts über den Austritt unter Druck stehend ausgetragen.
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Betrachtet in der Umfangsrichtung lassen sich die Dichtbereiche ab dem Zeitpunkt, an dem der Flügel den Kraftstoffeintritt verlässt, in der Regel in einen Druckbeaufschlagungs-Dichtbereich, einen Austritt-Dichtbereich und einen Einsaug-Dichtbereich unterteilen.
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Wenn der Stator und der Rotor der Flügelzellenpumpe beispielsweise lediglich in der Horizontalrichtung exzentrisch angeordnet sind, berühren der vordere Endbereich und der hintere Endbereich des Flügels lediglich auf der horizontalen Linie gleichzeitig die Innenumfangsfläche des Stators, da das Ende des Flügels flach ausgebildet und die Innenumfangsfläche des Stators als runde Fläche ausgebildet ist. An einer dem Kraftstoffaustritt zugewandten Stelle (beispielsweise eine Stelle kurz vor dem Eintritt in den Druckbeaufschlagungs-Dichtbereich) nach Passieren der horizontalen Linie nimmt die Berührungskraft zwischen dem vorderen Endbereich des Flügels und der Innenumfangsfläche des Stators allmählich ab. Da der Kraftstoffdruck innerhalb des Druckbeaufschlagungs-Dichtbereichs deutlich höher als der Kraftstoffdruck innerhalb des Einsaug-Dichtbereichs ist, unterliegt der dem Druckbeaufschlagungs-Dichtbereich zugewandte, vordere Endbereich des Flügels einem wesentlich höheren Kraftstoffdruck als der dem Einsaug-Dichtbereich zugewandte, hintere Endbereich des Flügels. Infolgedessen könnte der Kraftstoffdruck des vorderen Endbereichs des Flügels höher als die Berührungskraft sein, was zu einer Abtrennung von der Innenumfangsfläche führt. Zudem könnte ein hoher Kraftstoffdruck innerhalb des Druckbeaufschlagungs-Dichtbereichs sogar zu einem radialen Rückzug des Flügels führen, so dass eine Druckbeaufschlagung des Kraftstoffs infolge einer unzureichenden Dichtigkeit der Dichtbereiche unmöglich gemacht wird.
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Inhalt der Erfindung
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Angesichts des vorstehenden Problems liegt der vorliegenden Anmeldung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Flügelzellenpumpe bereitzustellen, womit eine Unmöglichkeit zur Druckbeaufschlagung von Kraftstoff infolge eines Rückzugs der Flügel ausgeschlossen wird.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung wird eine Kraftstoff-Flügelzellenpumpe bereitgestellt, die Folgendes umfasst:
- ein Gehäuse,
- einen innerhalb des Gehäuses fest angeordneten Stator, und
- einen Rotor, der innerhalb eines durch die Innenumfangsfläche des Stators begrenzten Hohlraums drehbar und exzentrisch eingebaut ist, wobei in dem Gehäuse ein Kraftstoffeintrittsbereich und ein Kraftstoffaustrittsbereich vorgesehen sind, die mit dem durch die Innenumfangsfläche des Stators begrenzten Hohlraum verbunden sind, wobei in dem Rotor in radiale Richtung verschiebbare Flügel vorgesehen sind,
- dadurch gekennzeichnet, dass der Stator so eingerichtet ist, dass ein radial äußeres Ende des Flügels hauptsächlich mit seinem vorderen Endbereich die Innenumfangsfläche des Stators berührt, nachdem mit der Drehung des Rotors der Flügel einen nachgelagerten Endpunkt des Kraftstoffeintrittsbereichs verlassen hat.
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Mit den vorstehenden technischen Maßnahmen der vorliegenden Anmeldung wird die Dichtigkeit eines Dichtbereichs zwischen den benachbarten Flügeln der Flügelzellenpumpe nach Passieren des Kraftstoffeintrittsbereichs wesentlich erhöht, womit eine reibungslose Druckbeaufschlagung von Kraftstoff sichergestellt wird und gleichzeitig bei einem gleichen Betriebszustand die Auslassmenge und der Auslassdruck von Kraftstoff erhöht werden.
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Figurenliste
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Zum Ermöglichen eines umfassenderen Verständnisses des vorstehenden Aspekts und weiterer Aspekte der vorliegenden Anmeldung erfolgt nachfolgend eine ausführliche Erläuterung unter Bezugnahme auf beiliegende Zeichnungen. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Maßstäbe einzelner beiliegender Zeichnungen zur Verdeutlichung voneinander abweichen könnten, ohne jedoch das Verständnis der vorliegenden Anmeldung zu beeinträchtigen. Es zeigen
- 1 schematisch eine Flügelzellenpumpe nach dem Stand der Technik in einer Schnittdarstellung,
- 2 schematisch eine Flügelzellenpumpe nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung in einer Schnittdarstellung,
- 3 schematisch eine der Flügelzellenpumpe aus 1 entsprechende vereinfachte Darstellung, und
- 4 schematisch eine der Flügelzellenpumpe aus 2 entsprechende vereinfachte Darstellung.
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Ausführliche Ausführungsformen
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In den Figuren der vorliegenden Anmeldung werden die Merkmale mit gleicher Struktur oder ähnlicher Funktion mit gleichen Bezugszeichen dargestellt.
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1 zeigt schematisch eine Flügelzellenpumpe 100 nach dem Stand der Technik. Die Flügelzellenpumpe 100 umfasst ein Gehäuse 101, einen in dem Gehäuse 101 fest eingebauten Stator 102 und einen innerhalb eines durch die Innenumfangsfläche des Stators 102 begrenzten Raums drehbar eingebauten Rotor 103. Betrachtet im Querschnitt ist der Stator 102 beispielsweise ringförmig und der Rotor 103 kreisförmig ausgebildet. In dem Rotor 103 sind sechs Flügel 104 eingebaut, die in radiale Richtung frei gleiten können. Der Rotor 103 kann beispielsweise mit einem Kraftstoffmotor bedienbar verbunden sein, sodass der Rotor 103 zur Drehung um seine Mittelachse angetrieben wird.
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Zwischen der Außenumfangsfläche des Rotors 103 und der Innenumfangsfläche des Stators 102 ist ein Zwischenraum begrenzt, wobei der Rotor 103 und der Stator 102 horizontal exzentrisch angeordnet sind. Die Flügel, die die Innenumfangsfläche des Stators 102 radial berühren, teilen den Zwischenraum in sechs Dichtbereiche auf.
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In dem Gehäuse 101 sind ein Kraftstoffeintritt 101a und ein Kraftstoffaustritt 101b ausgebildet, die jeweils mit dem Zwischenraum zwischen der Außenumfangsfläche des Rotors 103 und der Innenumfangsfläche des Stators 102 verbunden sind. Somit werden die sechs Dichtbereiche mit der Drehung des Rotors 103 nacheinander mit dem Kraftstoffeintrittsbereich 101a bzw. dem Kraftstoffaustrittsbereich 101b verbunden. Aufgrund der horizontal exzentrischen Anordnung zwischen dem Rotor 103 und dem Stator 102 ändert sich das Volumen der sich drehenden Dichtbereiche. In 1 wird der Kraftstoff in die Dichtbereiche angesaugt, wenn die Dichtbereiche in den Kraftstoffeintrittsbereich 101a eintreten. Mit der Drehung des Rotors 103 im Uhrzeigersinn drehen sich danach die Dichtbereiche mit angesaugtem Kraftstoff im Uhrzeigersinn bei gleichzeitiger Reduzierung des Volumens. Somit wird Kraftstoff mit Druck beaufschlagt. Wenn die Dichtbereiche in den Kraftstoffaustrittsbereich 101b eintreten, wird der mit Druck beaufschlagte Kraftstoff ausgetragen.
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Am Beispiel von 1 werden ein Punkt kurz vor dem Verlassen des Flügels 104 von dem Kraftstoffeintrittsbereich 101a als A und Punkte, an denen der Flügel 104 in einer horizontalen Stellung liegt, jeweils als B bzw. C festgelegt. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung kann der Punkt A ebenfalls als nachgelagerter Endpunkt des Kraftstoffaustrittsbereichs 101a entlang der Drehrichtung des Rotors 103 verstanden werden. Das radial äußere Ende des in dem Flügel 103 gleitbar eingebauten Flügels 104 ist flach ausgebildet. Entlang der Drehrichtung des Rotors 103 ist das radial äußere Ende des Flügels 104 in einen vorderen Endbereich 104a und einen hinteren Endbereich 104b unterteilt. Da die Innenumfangsfläche des Stators 102 eine runde Form aufweist, berühren der vordere Endbereich 104a und der hintere Endbereich 104b des Flügels 104 lediglich an dem Punkt B oder C gleichzeitig die Innenumfangsfläche des Stators 102.
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Bei einer Bewegung von dem Punkt B bis zu dem Kraftstoffaustrittsbereich 101b in 1 berührt aufgrund der geometrischen Form das radial äußere Ende des Flügels 104 mit dem vorderen Endbereich 104a hauptsächlich die Innenumfangsfläche des Stators 102, während der hintere Endbereich 104b des Flügels 104 dazu neigt, die Innenumfangsfläche des Stators 102 geringfügig zu verlassen. Während dieses Vorgangs berührt der vordere Endbereich 104a des Flügels 104 stets die Innenumfangsfläche des Stators 102 trotz eines wesentlich höheren Kraftstoffdrucks, dem der vordere Endbereich 104a des Flügels 104 unterliegt, als der Kraftstoffdruck, dem der hintere Endbereich 104b unterliegt, so dass eine derartige Kraftstoffdruckdifferenz die Dichtigkeit der Dichtbereiche keineswegs beeinträchtigt.
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Bei einer Bewegung von dem Punkt A bis zu dem Punkt B berührt ebenfalls aufgrund der geometrischen Form das radial äußere Ende des Flügels 104 mit dem hinteren Endbereich 104b hauptsächlich die Innenumfangsfläche des Stators 102, während der vordere Endbereich 104a des Flügels 104 dazu neigt, die Innenumfangsfläche des Stators 102 geringfügig zu verlassen. Während dieses Vorgangs unterliegt der vordere Endbereich 104a des Flügels 104 einem wesentlich höheren Kraftstoffdruck als der hintere Endbereich 104b. Wenn die Drehzahl des Rotors 103 beispielsweise ein bestimmtes Niveau erreicht, kann eine derartige Kraftstoffdruckdifferenz zu einem weiter vergrößerten Abstand zwischen dem vorderen Endbereich 104a des Flügels 104 und der Innenumfangsfläche des Stators 102 und sogar zum Einfahren des Flügels 104 in den Rotor 103 führen, so dass die Probleme von unzureichender Dichtigkeit der Dichtbereiche und von der Unmöglichkeit nachfolgender Druckbeaufschlagung von Kraftstoff verursacht werden.
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Zum Lösen solcher Probleme zeigt 2 schematisch eine Flügelzellenpumpe 200 nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung in einer Schnittdarstellung. Die Flügelzellenpumpe 200 umfasst ein Gehäuse 101, einen in dem Gehäuse 101 fest eingebauten Stator 102 und einen innerhalb eines durch die Innenumfangsfläche des Stators 102 begrenzten Raums drehbar eingebauten Rotor 103. Die einzelnen Bestandteile der Flügelzellenpumpe entsprechen hinsichtlich ihrer Struktur jener der Flügelzellenpumpe 100 und hier wird auf eine Wiederholung verzichtet. Der Unterschied zwischen der Flügelzellenpumpe 200 und der Flügelzellenpumpe 100 liegt in der Anordnung des Stators 102. Zur Verdeutlichung erfolgt nachfolgend eine Erläuterung unter Bezugnahme auf 3 und 4.
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3 zeigt schematisch eine der Flügelzellenpumpe aus 1 entsprechende vereinfachte Darstellung, 4 zeigt schematisch eine der Flügelzellenpumpe aus 2 entsprechende vereinfachte Darstellung. In 3 und 4 steht der Kreis 102a jeweils für die Innenumfangsfläche des Stators 102 nach 1 und 2; der Kreis 103a steht für die Außenumfangsfläche des Rotors 103 nach 1 und 2; O1 steht für den Mittelpunkt des Kreises 103a, also die Längsmittelachse des Rotors 103, 02 steht für den Mittelpunkt des Kreises 102a, also die Längsmittelachse des von der Innenumfangsfläche des Stators 102 umschlossenen Hohlraums; L1 steht für eine Gerade, durch die der Kreis 103a geometrisch symmetrisch aufgeteilt wird, also eine Längsschnittfläche, durch die der Rotor 103 geometrisch symmetrisch aufgeteilt wird, und L2 steht für eine Gerade, durch die der Kreis 102a geometrisch symmetrisch aufgeteilt wird, also eine Längsschnittfläche, durch die der von der Innenumfangsfläche des Stators 102 umschlossene Hohlraum geometrisch symmetrisch aufgeteilt wird. Zur Verdeutlichung sind entsprechende Elemente in 3 und 4 mit einem von 1 und 2 abweichenden Maßstab dargestellt.
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Im Sinne der vorliegenden Anmeldung bezieht sich die Längsrichtung auf eine senkrecht zu dem Querschnitt des Stators 102 und des Rotors 103 verlaufende Richtung, also eine senkrecht zu der Zeichnungsebene der 1 bis 4 verlaufende Richtung.
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In 3 überlappt sich die Gerade L1 mit der Geraden L2, da der Rotor 103 und der Stator 102 horizontal exzentrisch angeordnet sind. Die horizontal verlaufenden Geraden L1 und L2 schneiden den Kreis 102a jeweils an den Schnittpunkten B und C (der 1 entsprechend), und der Punkt A in 1 ist ebenfalls in 3 dargestellt.
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In einem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung ist der Stator 102 so angeordnet, dass er um den Mittelpunkt O1 des Rotors 103 gegen die Uhrzeigerrichtung um einen Winkel o ungleich Null, also in eine dem in 1 und 2 dargestellten Kraftstoffeintrittsbereich 101a zugewandte Richtung um den Winkel o gedreht wird, so dass die Gerade L2 den nachgelagerten Endpunkt A des Kraftstoffeintrittsbereichs 101a passiert. Somit ist bei der erneut angeordneten Flügelzellenpumpe nach 4 vorgesehen, dass aufgrund der kreisförmigen geometrischen Form der vordere Endbereich 104a des radial äußeren Endes des Flügels 104 nach Passieren des Flügels 104 des Punkts B unbedingt die Innenumfangsfläche 102a des Stators 102 berührt, während der hintere Endbereich 104b des radial äußeren Endes des Flügels 104 dazu neigt, die Innenumfangsfläche 102a des Stators 102 zu verlassen. Gleichzeitig wird die Berührung des vorderen Endbereichs 104a des radial äußeren Endes des Flügels 104 mit der Innenumfangsfläche 102a des Stators 102 bis zum Eintreten in den Kraftstoffaustrittsbereich 102b beibehalten. Während dieses Vorgangs berührt der vordere Endbereich 104a des Flügels 104 stets die Innenumfangsfläche 102a des Stators 102 trotz eines wesentlich höheren Kraftstoffdrucks, dem der vordere Endbereich 104a des Flügels 104 unterliegt, als der Kraftstoffdruck, dem der hintere Endbereich 104b unterliegt, so dass eine derartige Kraftstoffdruckdifferenz nicht zu einem radialen Rückzug des Flügels führt. Somit wird die Dichtigkeit des Dichtbereichs zwischen zwei Flügeln beibehalten und ein normaler Betrieb der Flügelzellenpumpe sichergestellt. Mit der vorliegenden Anmeldung kann die Wahrscheinlichkeit unmöglicher Druckbeaufschlagung von Kraftstoff infolge eines Rückzugs des Flügels allein durch eine einfache Änderung der Montageschritte verringert werden, ohne die Flügelzellenpumpe erneut gestalten zu müssen.
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In 4 kann der Winkel o beispielsweise dreißig Grad sein. Es versteht sich jedoch für Fachleute auf diesem Gebiet, dass die Größe des Winkels o von der Umfangsposition des Kraftstoffeintrittsbereichs 101a, insbesondere seines nachgelagerten Endpunkts A relativ zu der Innenumfangsfläche des Stators 102 abhängt.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass sich im Sinne der vorliegenden Anmeldung der vordere Endbereich 104a des Flügels 104 auf den vorderen Bereich des radial äußeren Endes des Flügels 104 entlang der Drehrichtung des Rotors 103 und der hintere Endbereich 104b des Flügels 104 auf den hinteren Bereich des radial äußeren Endes des Flügels 104 entlang der Drehrichtung des Rotors 103 beziehen.
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Es versteht sich für Fachleute auf diesem Gebiet, dass bei der modifizierten Flügelzellenpumpe nach der vorliegenden Anmeldung die Anzahl der Flügel nicht auf sechs beschränkt wird und dass eine ähnliche Modifikation ebenfalls für eine Flügelzellenpumpe mit mehreren Flügeln in einer anderen Anzahl denkbar ist, um somit eine verbesserte Dichtleistung und Druckbeaufschlagungsleistung zu erzielen.
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Obwohl in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Flügelpumpe, in der die ersten geraden Linien L1 und L2 ursprünglich horizontal miteinander überlappen, modifiziert wird, ist die Flügelpumpe, die unter Verwendung der Technik der vorliegenden Anmeldung modifiziert werden kann, nicht auf den Fall beschränkt, bei dem die ersten geraden Linien L1 und L2 ursprünglich horizontal miteinander überlappen. Wenn beispielsweise bei der in 3 dargestellten Flügelzellenpumpe die Geraden L1 und L2 miteinander überlappen und jedoch einen Winkel mit der horizontalen Richtung einschließen, ist ebenfalls eine Modifikation mit derselben Technik möglich, wobei lediglich eine Drehung des Stators 102 um den Mittelpunkt O1 in Richtung des Kraftstoffeintrittsbereich der Flügelzellenpumpe notwendig ist, so dass die Längsschnittfläche, die den durch die Innenumfangsfläche des Stators begrenzten Hohlraum geometrisch symmetrisch aufteilt, nahe an der Grenze des Kraftstoffeintrittsbereichs der Flügelzellenpumpe oder benachbart dazu angeordnet ist.
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Obwohl in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Stator 102 eine runde Innenumfangsfläche aufweist, kann die Innenumfangsfläche des Stators 102 jedoch auch eine andere geeignete Form, beispielsweise eine ovale Form aufweisen, wobei es sich bei 02 um den geometrischen Mittelpunkt der ovalen Form handelt.
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Obwohl in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Stator 102 so erneut angeordnet ist, dass eine Ebene, die gleichzeitig über die Längsmittelachse des durch die Innenumfangsfläche 102a des Stators 102 begrenzten Hohlraums und die Längsmittelachse des Rotors 103 verläuft, auch über den nachgelagerten Endpunkt des Kraftstoffeintrittsbereichs 101a entlang der Drehrichtung des Rotors 103 oder dessen Nähe verläuft, versteht sich für Fachleute auf diesem Gebiet, dass zusätzlich und/oder alternativ dazu es auch durch eine erneute Gestaltung der Position des Kraftstoffeintrittsbereichs 101a in dem Gehäuse 101 ermöglicht werden kann, dass dieselbe Ebene über den nachgelagerten Endpunkt des Kraftstoffeintrittsbereichs 101a entlang der Drehrichtung des Rotors 103 oder dessen Nähe verläuft.
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Trotz der bisherigen ausführlichen Beschreibung spezieller Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung dienen sie lediglich zur Erläuterung, ohne den Umfang der vorliegenden Anmeldung einzuschränken. Ohne Verlassen der Grundideen und des Umfangs der vorliegenden Anmeldung sind auch verschiedene Substitutionen, Abänderungen und Modifikationen denkbar.
