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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit Exzenter-Kolbenbolzen zur Erzielung eines variablen Verdichtungsverhältnisses in einem Hubkolbenmotor.
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DE 38 18 357 C2 sind Vorrichtungen zum Blockieren der Drehung eines exzentrischen Lagers einer Vorrichtung zum Ändern des Verdichtungsverhältnisses bekannt, bei welchen eine Vielzahl von Blockierstiften in einer Pleuelstange derart angeordnet sind, dass durch den Eingriff der Blockierstifte in entsprechende Blockierlöcher die Drehung des exzentrischen Lagers relativ zur Pleuelstange blockiert wird.
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DE 31 08 486 A1 ist eine Einrichtung zur Steuerung des Verdichtungsverhältnisses einer Otto-Hubkolben-Brennkraftmaschine bekannt, die einen hohlen Kolbenbolzen mit einer starr darauf befestigten Exzenterbuchse umfasst. Das Pleuelauge ist auf der Exzenterbuchse an dem kolbenseitigen Ende der Pleuelstange drehbar gelagert. Es weist einen radial geführten Zapfen auf, der in eine an dem Mantel der Exzenterbuchse angebrachte schräg zur Achsrichtung verlaufende Nut eingreift. Mit Hilfe dieses Zapfens lässt sich die Exzenterbuchse verdrehen und somit das Verdichtungsverhältnis verändern.
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GB 2 251 457 A ist ein Verbrennungsmotor mit Exzenter bekannt, dessen Verdichtungsverhältnis mit Hilfe einer zwischen Kolben und Pleuelstange angeordneten Feder variierbar ist.
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EP 1 424 486 A1 ist ein Verbrennungsmotor bekannt, dessen Verdichtungsverhältnis mit Hilfe einer im Bereich des kleinen Pleuelauges angeordneten Exzenter-Vorrichtung variierbar ist, welche über Planetenräder betätigt wird.
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AT 506 470 A2 ist eine Einrichtung zur Modifikation der Kolbenkinematik einer Brennkraftmaschine mit einem Exzenter im Bereich des Kolbenbolzenlagers und/oder des Pleuellagers bekannt, mittels welcher das Verdichtungsverhältnis abhängig vom Brennraumdruck über eine Drehfeder variierbar ist.
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US 4 864 975 A ist ein Verbrennungsmotor bekannt, dessen Verdichtungsverhältnis über einen exzentrischen Kolbenbolzen variierbar ist. Bei diesem Verbrennungsmotor wird der Exzenter über einen in der Pleuelstange geführten Stift verriegelt, der in eine auf der Außenseite des Kolbenbolzens angeordnete Nut eingreift.
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EP 0 297 904 A2 ist eine weitere Vorrichtung zur Änderung eines Verdichtungsverhältnisses für einen Verbrennungsmotor bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen exzentrischen Kolbenbolzen, der drehbar zwischen einem Kolben und einer Pleuelstange angeordnet ist, einen Verriegelungsstift zum Verriegeln des Kolbenbolzens an der Pleuelstange und eine Vorrichtung zum Bewegen des Verriegelungsstifts. Der Verriegelungsstift kann entlang einer in der Pleuelstange ausgebildeten Gleitnut in eine in dem Kolbenbolzen ausgebildete Führungsnut bewegt werden und dadurch die Position des Kolbenbolzens fixieren.
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DE 10 2008 038 077 A1 ist ein Kolben für einen Hubkolbenmotor mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis bekannt. Das verstellbare Verdichtungsverhältnis ist über einen exzentrisch verstellbaren Kolbenbolzen realisiert, welcher drehbar mit einem Pleuel verbunden ist. Durch ein Verriegelungselement, das formschlüssig mit dem Kolben in Eingriff bringbar ist, ist der Kolbenbolzen in einer Position arretierbar.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen haben sich in der Praxis bislang nicht durchgesetzt, da sie mit hohen Fertigungskosten verbunden und/oder sie technisch zu aufwendig sind und/oder sie sich für den Serieneinsatz nicht bewährt haben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für einen Hubkolbenmotor zur Verfügung zu stellen, die es auf einfache und kostengünstige Art und Weise ermöglicht, das Verdichtungsverhältnis während des Betriebs des Motors zu variieren.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzielung eines variablen Verdichtungsverhältnisses in einem Hubkolbenmotor umfasst einen Kolbenbolzen mit einem ersten zylindrischen Abschnitt, einem zweiten zylindrischen Abschnitt und einem dritten zylindrischen Abschnitt. Der erste zylindrische Abschnitt und der dritte zylindrische Abschnitt sind koaxial zueinander angeordnet.
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Die Mittelachse des zweiten zylindrischen Abschnitts, welche zwischen dem ersten zylindrischen Abschnitt und dem dritten zylindrischen Abschnitt angeordnet ist, ist um einen Abstand e parallel zur gemeinsamen Mittelachse des ersten zylindrischen Abschnitts und des dritten zylindrischen Abschnitts verschoben und bildet somit einen Exzenter. Der Kolbenbolzen der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist mindestens ein Fixiermittel auf, mittels welchem der Kolbenbolzen drehfest gegenüber dem Kolben des Hubkolbenmotors fixierbar ist. Das mindestens eine Fixiermittel umfasst mindestens ein Verriegelungselement, das derart in dem Kolbenbolzen gelagert ist, dass es zur Fixierung des Kolbenbolzens radial in eine Position verfahrbar ist, in welcher es aus dem ersten zylindrischen Abschnitt, dem zweiten zylindrischen Abschnitt und/oder dem dritten zylindrischen Abschnitt herausragt. In einer zweiten Position befindet sich das Verriegelungselement vorzugsweise innerhalb des ersten zylindrischen Abschnitts, des zweiten zylindrischen Abschnitts und/oder des dritten zylindrischen Abschnitts. Für die Erzielung eines variablen Verdichtungsverhältnisses ist es daher lediglich erforderlich, in dem Kolbenbolzen ein einfaches Verriegelungselement zu integrieren.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen den Vorteil, dass der Kolbenbolzen selbst ein Fixiermittel umfasst. Dadurch sind zur Erzielung eines variablen Verdichtungsverhältnisses bekannte Kolben und Pleuel verwendbar. Die Funktionalität kann ausschließlich mit Hilfe eines modifizierten Kolbenbolzens erreicht werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auf einfache und kostengünstige Art und Weise ein existierender Verbrennungsmotor mit festem Verdichtungsverhältnis in einen Verbrennungsmotor mit variablem Verdichtungsverhältnis umgewandelt werden.
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Sowohl fertigungstechnisch als auch hinsichtlich der Fixierung des Kolbenbolzens ist es vorteilhaft, dass das Verriegelungselement radial verfahrbar in dem Kolbenbolzen angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung so konstruiert, dass diese während des Betriebs schaltbar ist und abhängig vom Schaltzustand im oberen Totpunkt bei der Verdichtung zwei unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse realisierbar sind. Bei aktivierten Fixiermitteln (Kolbenbolzen verriegelt) ist das Verdichtungsverhältnis konstant und vorzugsweise größtmöglich. Bei nicht verriegeltem und somit frei drehbarem Kolbenbolzen nimmt dieser dann bei a) Verdichtung und b) Ladungswechsel ab Erreichen einer ausreichenden Gaskraft im oberen Totpunkt unterschiedliche Positionen ein (gestreckte Lage bei Ladungswechsel; gestauchte Lage unter Gaskraft).
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Als Verriegelungselement geeignet ist insbesondere ein zylindrischer Fixierstift, welcher in einer entsprechenden zylindrischen Bohrung geführt ist. Ebenfalls geeignet sind beispielsweise eine Kugel, die in eine Vertiefung greift oder eine Fixierung mittels Reibschluss.
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Das Verriegelungselement kann elektrisch, hydraulisch, pneumatisch und/oder manuell betätigbar sein.
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Besonders einfach und kostengünstig ist eine hydraulische Betätigung eines Fixiermittels, insbesondere eines Verriegelungselements, wenn in dem Kolbenbolzen mindestens eine Ölbohrung vorgesehen ist. In diesem Fall kann der Motoröldruck zusätzlich dazu als Regel- bzw. Stellgröße genutzt werden, um die Position des Verriegelungselements vorzugeben.
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Die Kraftübertragung zwischen dem in der Ölbohrung verwendeten Fluid und dem Verriegelungselement erfolgt vorzugsweise über eine senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Verriegelungselements angeordnete Druckfläche. In diesem Fall ist gewährleistet, dass der Öldruck und die aus diesem Öldruck resultierende Kraft ausschließlich in Verfahrrichtung des Verriegelungselements wirkt.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform umfassen die Fixiermittel eine Öffnung in einem sich an den Bolzen anschließenden Element, insbesondere in einem Pleuel, einem Kolben oder einem zwischen Pleuel bzw. Kolben und Kolbenbolzen angeordneten Element, um ein Verriegelungselement oder ein sonstiges Fixiermittel im verriegelten Zustand der Vorrichtung aufzunehmen. In diesem Fall kann die Fixierung des Kolbenbolzens durch eine besonders sichere und hohe Übertragungskräfte zulassende formschlüssige Verbindung erfolgen.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform umfassen die Fixiermittel ein mit dem Verriegelungselement in Verbindung stehendes elastisches Element, insbesondere eine Feder, welches eine permanente Kraft in eine Verschieberichtung auf das Verriegelungselement ausübt. Mithilfe eines derartigen elastischen Elements kann eine Vorzugsstellung eines Fixiermittels, insbesondere eines Verriegelungselements, festgelegt werden. Beispielsweise kann als elastisches Element eine Schraubenfeder derart in einer Führung eines Verriegelungselements angeordnet sein, dass das Verriegelungselement ohne Einwirkung weiterer Kräfte radial aus dem ersten zylindrischen Abschnitt, dem zweiten zylindrischen Abschnitt und/oder dem dritten zylindrischen Abschnitt hinausgedrückt wird. Erst wenn eine Betätigungskraft der Federkraft entgegenwirkt und diese übersteigt, lässt sich das Verriegelungselement aus der Vorzugsposition in eine zweite Position verfahren und ermöglicht dann eine Verdrehung des Kolbenbolzens in einem Pleuel eines Hubkolbenmotors.
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Die Erfindung betrifft auch einen Hubkolbenmotor mit einer vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Hubkolbenmotors mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittdarstellung,
- 2 die in 1 gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer vergrößerten Darstellung in einer Draufsicht,
- 3 die in den 2 und 3 gezeigte Ausführungsform in einer Ansicht gemäß dem Pfeil III in 2,
- 4 die in 2 und 3 dargestellte Ausführungsform in einer Schnittdarstellung gemäß den Pfeilen IV in 2 sowie
- 5 eine perspektivische Ansicht der in den 2 - 4 gezeigten Ausführungsform.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines Hubkolbenmotors 100 mit einer Kurbelwelle 102, einem auf der Kurbelwelle 102 drehbar gelagerten Pleuel 104, sowie einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 106, welche das Pleuel 104 mit einem Kolben 108 verbindet. Wie insbesondere in den 2 - 5 gezeigt, umfasst die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung insbesondere einen Kolbenbolzen 110 mit einem ersten zylindrischen Abschnitt 112, einem zweiten zylindrischen Abschnitt 114 und einem dritten zylindrischen Abschnitt 116. Der erste zylindrische Abschnitt 112 und der dritte zylindrische Abschnitt 116 sind koaxial zueinander angeordnet und weisen daher eine gemeinsame Mittelachse 118 auf. Die Mittelachse 120 des zweiten zylindrischen Abschnitts 114 ist um einen Abstand e (Exzentrizität) parallel zur gemeinsamen Mittelachse 118 des ersten zylindrischen Abschnitts 112 und des dritten zylindrischen Abschnitts 116 verschoben, so dass der zweite zylindrische Abschnitt einen Exzenter bildet (vgl. 2).
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In der in den 1 - 5 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 106 ist als Fixiermittel 122 ein Verriegelungselement 124 vorgesehen, das als zylindrischer Fixierstift 126 ausgebildet ist. Das Verriegelungselement 126 ist in einem Sackloch 128 linear verfahrbar gelagert. Es kann die in den 4a und 4b gezeigten Positionen einnehmen.
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Zwischen dem Boden 130 des Sacklochs 128 und dem zylindrischen Fixierstift 126 ist eine Feder 132 angeordnet, welche den Fixierstift 126 in die Richtung des Pfeils 134 drückt. Die in 4a gezeigte ausgefahrene Stellung des Fixierstiftes ist daher die Stellung, welche der Fixierstift einnimmt, wenn keine sonstigen Kräfte auf den Fixierstift wirken. Diese Position kann der Fixierstift 126 allerdings in der gezeigten Ausführungsform nur einnehmen, wenn der Kolbenbolzen 106 relativ zu dem Kolben 108 derart angeordnet ist, dass der aus dem dritten zylindrischen Abschnitt 116 herausragende Teil des Fixierstifts 126 in eine nicht dargestellte Öffnung einer zwischen dem dritten zylindrischen Abschnitt 116 des Kolbenbolzens 110 und dem Kolben 108 angeordneten ringförmigen Buchse 136, die drehfest mit dem Kolben verbunden ist, eingreifen kann. Dies ist in der gezeigten Ausführungsform nur bei einer bestimmten relativen Anordnung von Kolbenbolzen 106 und Kolben 108 zueinander möglich, was nachfolgend im Zusammenhang mit der Funktionsbeschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung noch näher erläutert wird.
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Wie in 1 zu erkennen ist, ist zwischen dem ersten zylindrischen Abschnitt 112 des Kolbenbolzens 106 und dem Kolben 108 ebenfalls eine ringförmige Buchse 138 angeordnet. Diese dient der kolbenseitigen Lagerung des Kolbenbolzens. Es versteht sich, dass statt der Buchsen 136 auch andere Lagerungsmöglichkeiten realisierbar sind. Insbesondere können an dem Kolben 108 selbst Gleitlager ausgebildet sein. Die Verwendung von Buchsen 136, 138 hat jedoch den Vorteil, dass existierende Kolben auch nachträglich durch spanende Bearbeitung zur Aufnahme von Buchsen 136, 138 ausgebildet werden können. Existierende Motoren mit festem Verdichtungsverhältnis können so auf einfache Art und Weise mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattet werden, was eine Variation des Vedichtungsverhältnisses ermöglicht. Die Buchsen 136, 138 dienen in diesem Fall als Adaptionselemente.
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Wie in den 4a und 4b gezeigt, sind in dem Kolbenbolzen Sacklochbohrungen 140, 142 vorgesehen, die eine fluidale Verbindung von Pleuel 104 zu einem mittleren, sich in dem Sackloch 128 befindlichen Raum 144 ermöglichen. Durch ein im Sackloch 142 angeordnetes Dichtungselement 146 werden hohe Volumenströme und somit eine permanente Durchströmung des Raums 144 und damit verbundene potentielle Druckschwankungen vermieden. Der in dem Raum 144 anliegende Druck entspricht daher im Wesentlichen dem anliegenden Fluiddruck. Das Verriegelungselement 124 weist mindestens eine senkrecht zur Verschiebungsrichtung angeordnete Druckfläche 148 auf, die in der gezeigten Ausführungsform kreisringförmig ausgebildet ist.
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Die in den 1 bis 5 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung funktioniert wie folgt:
- Im ausgeschalteten Zustand des Motors befindet sich das Verriegelungselement in der in 4a gezeigten, verriegelten Position. Es greift dann in eine nicht dargestellte Öffnung der Buchse 136 ein, die eine im Wesentlichen spielfreie Fixierung des Kolbenbolzens 106 gegenüber dem Kolben 108 bewirkt. Nach dem Anlassen des Motors wird Öl mit einem ersten Druck p1 vom Pleuel 104 durch die Bohrungen 140, 142 in den Raum 144 gefördert, wobei der erste Druck p1 so gewählt ist, dass die resultierende Kraft FD auf die Druckfläche 148 kleiner ist als die in die entgegengesetzte Richtung gemäß Pfeil 134 wirkende Kraft FF der Feder 132. In diesem Zustand ist das Verdichtungsverhältnis ε des Verbrennungsmotors 100 konstant (als ε1 bezeichnet), da sich die wirksame Pleuellänge nicht verändert. In der dargestellten Ausführungsform erfolgt die Verriegelung des Kolbenbolzens 106 in der gestreckten Lage, d.h. die wirksame Pleuellänge ist groß.
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Mit Hilfe eines Regel- oder Steuerelements kann bei Eintreten eines bestimmten Ereignisses, beispielsweise ab einer Motorlast von mindestens 80%, ein zweiter Druck p2 vom Pleuel 104 über die Bohrungen 140, 142 im Raum 144 eingestellt werden. Hierzu kann insbesondere ein Druckregler eingesetzt werden. Es versteht sich, dass anstelle der angegebenen Motorlast auch andere Motorlasten oder andere Parameter als Stellgrößen für die Umschaltung zwischen p1 und p2 wählbar sind. Beispielsweise kann die Umschaltung in Abhängigkeit der Stellung oder der Beschleunigung des Gaspedals oder in Abhängigkeit der Stellung eines manuell zu betätigenden Schalters erfolgen.
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Der Druck p2 ist so gewählt, dass die resultierende Kraft FD auf die Druckfläche 148 größer ist als die entgegenwirkende Kraft FF der Feder 132 gemäß Pfeil 134. In dieser Stellung kann sich der Kolbenbolzen 106 relativ zum Kolben 108 und zu den Buchsen 136, 138 verdrehen. Dies wiederum führt dazu, dass sich in Abhängigkeit des aktuellen Takts eines Arbeitsspiels unterschiedliche wirksame Pleuellängen und somit unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse ε1 bzw. ε2 einstellen. Bei frei drehbarem Kolbenbolzen 106 können sich daher innerhalb eines Arbeitsspiels beide Verdichtungsverhältnisse einstellen, wenn die Gaskraft in der Expansionsphase ausreichend groß ist, um den Kolbenbolzen 106 in die gestauchte Lage zu versetzen. In diesem Fall ist die wirksame Pleuellänge beim Ladungswechsel groß (gestreckte Lage des Kolbenbolzens 106) und unter Gaskraft in der Expansionsphase klein (gestauchte Lage des Kolbenbolzens 106). Der Kolbenbolzen wird daher bei entriegeltem Kolbenbolzen 106 ab einer bestimmten Motorlast aufgrund der Gaskraft immer in die gestauchte Lage gedreht, woraus ein geringeres Verdichtungsverhältnis resultiert.
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Wie in den 4a und 4b zu sehen ist, kann in das Sackloch 128 ein Ring 150 fest eingesetzt sein, der in der in 4a gezeigten Position des Verriegelungselements 124 als Anschlag für einen an dem Verriegelungselement 124 ausgebildeten ringförmigen Absatz 152 dient und somit die Vorzugsstellung festlegt.
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Auch wenn in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die Fixierung nur kolbenseitig beschrieben ist, sei an dieser Stelle noch einmal betont, dass die Fixierung des Kolbenbolzens auch pleuelseitig erfolgen kann. Dazu kann beispielsweise ein Verriegelungselement in dem zweiten Abschnitt 114 des Kolbenbolzens 106 angeordnet und eine Öffnung zur Aufnahme des Verriegelungselements in dem Pleuel vorgesehen sein.
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Darüber hinaus kann die Verriegelung auch kraftschlüssig erfolgen. Beispielsweise könnte ein Bremselement mit hohem Reibwert radial derart nach außen verfahren werden, dass eine Verdrehung des Kolbenbolzens wirksam verhindert wird. Eine kraftschlüssige Fixierung des Kolbenbolzens hat den Vorteil, dass weder das Pleuel noch der Kolben bearbeitet werden müssten, um einen Motor mit festem Verdichtungsverhältnis in einen Motor mit erfindungsgemäßer Vorrichtung umzuwandeln.
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Zur Verriegelung können auch mehrere Verriegelungselemente 124 in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, beispielsweise in dem ersten Abschnitt 112 und dem dritten Abschnitt 116 oder in allen Abschnitten 112, 114, 116.
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Es ist auch nicht zwingend erforderlich, die Verriegelung des Kolbenbolzens 106 in der gestreckten Lage vorzusehen. Die Verriegelung kann auch in einer beliebigen anderen Position des Kolbenbolzens 106 erfolgen. Bei Verriegelung in der gestreckten Lage ist die erzielbare Differenz zwischen dem kleinsten und größten Verdichtungsverhältnis besonders groß, da die wirksame Pleuellänge in diesem Fall um das Doppelte der Exzentrizität e variierbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Hubkolbenmotor
- 102
- Kurbelwelle
- 104
- Pleuel
- 106
- erfindungsgemäße Vorrichtung
- 108
- Kolben
- 110
- Kolbenbolzen
- 112
- erster zylindrischer Abschnitt
- 114
- zweiter zylindrischer Abschnitt
- 116
- dritter zylindrischer Abschnitt
- 118
- Mittelachse
- 120
- Mittelachse
- 122
- Fixiermittel
- 124
- Verriegelungselement
- 126
- Fixierstift
- 128
- Sackloch
- 130
- Boden
- 132
- Feder
- 134
- Pfeil
- 136
- Buchse
- 138
- Buchse
- 140
- Sacklochbohrung
- 142
- Sacklochbohrung
- 144
- Raum
- 146
- Dichtungselement
- 148
- Druckfläche
- 150
- Ring
- 152
- ringförmiger Absatz
