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Die Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenkopf, der einen Kolbenboden und eine umlaufende Kolbenringzone aufweist, einem Kolbenschaft, der mindestens eine Bolzenöffnung aufweist, in welcher ein Kolbenbolzen drehbar angeordnet ist, und einem Exzenter, der drehfest mit dem Kolbenbolzen verbunden ist und in einer Lagerstelle gelagert ist.
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Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses mit einem Kolben, der über einen Kolbenbolzen mit einem Pleuel verbunden ist, wobei der Pleuel an einem als Lagerstelle dienenden ersten Pleuelauge mit dem Kolbenbolzen und an einem zweiten Pleuelauge mit einer Kurbelwelle drehbar verbunden ist.
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Derartige Kolben sind aus dem Stand der Technik bekannt und dienen dazu, das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von verschiedenen Lastanforderungen einzustellen. So ist im Teillastbereich ein möglichst hohes Verdichtungsverhältnis erwünscht, um den Wirkungsgrad zu erhöhen, wobei ein derartiges hohes Verdichtungsverhältnis im Volllastbereich zum Klopfen führt. Um einen hohen Wirkungsgrad im Teillastbereich zu ermöglichen, ohne im Volllastbereich das Klopfen zu verursachen, werden Kolben eingesetzt, mit denen das Verändern des Verdichtungsverhältnisses je nach Anforderung möglich ist.
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Ein derartiger Kolben ist beispielsweise aus der
WO 2010/108582 bekannt. Der Kolben umfasst einen Kolbenkopf und einen Kolbenschaft, wobei im Kolbenschaft zwei Bolzenöffnungen ausgebildet sind, in denen ein Kolbenbolzen drehbar gelagert ist. Auf dem Kolbenbolzen ist ein Exzenter drehfest angeordnet, der mit einem Pleuel in Eingriff steht. Die Verstellung des Verdichtungsverhältnisses erfolgt über die Verdrehung des Exzenters, wodurch der Abstand zwischen der Kolbenbolzenachse und der Mittelachse der Lagerstelle zwischen dem Pleuel und dem Exzenter vergrößert bzw. verkleinert wird und dadurch die Pleuellänge verändert wird. Für die Verdrehung des Exzenters sind im Pleuel Druckkammern ausgebildet, in die jeweils mit dem Exzenter drehfest verbundene Flügel eingreifen, wobei durch das Einwirken eines unter Druck stehenden und in die Druckkammern einströmende Fluids auf die Flügel eine Schwenkbewegung des Exzenters bewirkt wird.
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Nachteilig an den beschriebenen Ausführungen ist, dass der Abstand zwischen der Kolbenbolzenachse und der Kolbenbodenoberkante durch die für die hydraulische Verstellung benötigten Druckkammern ansteigt und dadurch der Bauraum des Kolbens vergrößert sowie das Gewicht des Kolbens erhöht wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben derart weiterzuentwickeln, dass die Veränderung des Verdichtungsverhältnisses ermöglicht wird, wobei der Kolben kompakt und bauraumsparend ausgeführt ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kolben mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, dass der Kolbenschaft mindestens eine Druckkammer mit mindestens einer Öffnung für das Einströmen und Ausströmen eines unter Druck stehenden Fluids aufweist, wobei in der mindestens einen Druckkammer mindestens ein mit dem Kolbenbolzen verbundener Verdränger angeordnet ist, der gemeinsam mit dem Kolbenbolzen und dem Exzenter durch den in der mindestens einen Druckkammer herrschenden Druck verstellbar ist, wird ein Kolben geschaffen, welcher die Verstellung des Verdichtungsverhältnisses abhängig von der Lastanforderung ermöglicht und dabei ähnlich oder genauso kompakt gebaut ist wie herkömmliche Kolben. Dies wird dadurch erreicht, dass der Kolbenschaft, der üblicherweise zur Führung des Kolbens im Zylinder dient, die Druckkammer aufweist und dadurch die Druckkammer in den Kolben integriert werden kann, ohne den Bauraum des Kolbens zu vergrößern.
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Vorzugsweise ist die mindestens eine Druckkammer radial und zu einer inneren axialen Seite durch den Kolbenschaft und zur gegenüberliegenden äußeren axialen Seite durch ein Abdeckelement begrenzt. Dadurch kann die Druckkammer auf eine kostengünstige Weise größtenteils bereits im Herstellungsprozess des Kolbens hergestellt werden.
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Alternativ ist die mindestens eine Druckkammer radial und zu einer äußeren axialen Seite durch ein Gehäuseelement und zur axialen inneren Seite durch den Kolbenschaft begrenzt. Dadurch kann auf eine einfache Weise eine Druckkammer an einem herkömmlichen Kolben angeordnet werden, ohne dass der herkömmliche Kolben geometrisch verändert bzw. in seinen Eigenschaften, beispielsweise der Festigkeit, beeinflusst wird.
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Vorzugsweise ist der mindestens eine Verdränger ein Flügel, der mit dem Kolbenbolzen drehfest verbunden ist und schwenkbar in der mindestens einen Druckkammer angeordnet ist, wobei der Flügel die mindestens eine Druckkammer in einen ersten Druckraum und einen zweiten Druckraum teilt. Dadurch werden auf eine einfache Weise zwei Druckräume geschaffen, wobei abhängig von der Fluidversorgung der beiden Druckräume der Flügel in zwei zueinander entgegengesetzte Drehrichtungen belastet werden kann und dadurch der Kolbenbolzen in beide Drehrichtungen verdreht werden kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Flügel ein Dichtungselement auf, welches an dem dem Kolbenbolzen abgewandten Ende angeordnet ist und an einer Seitenwand der mindestens einen Druckkammer gleitet. Dadurch können die beiden Druckräume zuverlässig voneinander getrennt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen der erste Druckraum und der zweite Druckraum jeweils mindestens eine Öffnung zum Einströmen und Ausströmen eines unter Druck stehenden Fluids auf. Dadurch kann auf eine einfache Weise die Verdrehung des Flügels in beide Drehrichtungen ermöglicht werden, indem für die Verdrehung des Flügels einer der beiden Drückräume mit Fluid versorgt wird und gleichzeitig aus dem anderen Druckraum das Fluid hinausströmt.
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Alternativ ist der Flügel in Drehrichtung vorgespannt und der erste Druckraum weist mindestens eine Öffnung zum Einströmen und Ausströmen eines unter Druck stehenden Fluids auf. So wird der Flügel durch die Vorspannung in einer ersten Stellung gehalten und durch das Hineinströmen des unter Druck stehenden Fluids in die erste Druckkammer in eine zweite Stellung verdreht. Dadurch kann die Öffnung zum Einströmen und Ausströmen eines unter Druck stehenden Fluids im zweiten Druckraum sowie der mit dieser Öffnung fluidisch verbundene und im Kolben ausgebildete Fluidkanal eingespart werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Kolbenschaft eine erste Druckkammer und eine zweite Druckkammer, wobei in der ersten Druckkammer ein mit dem Kolbenbolzen drehfest verbundener erster Flügel und in der zweiten Druckkammer ein mit dem Kolbenbolzen drehfest verbundener zweiter Flügel angeordnet sind, wobei der erste Flügel die erste Druckkammer in zwei Druckräume und der zweite Flügel die zweite Druckkammer in zwei Druckräume teilen. Dadurch wird die Verstellung des Verdichtungsverhältnisses auch bei hohen aus dem Verbrennungsprozess resultierenden und auf den Kolben wirkenden Belastungen ermöglicht, indem abhängig von der Drehrichtung zwei Druckräume mit unter Druck stehendem Fluid versorgt werden und daraus ein höheres Drehmoment zum Verdrehen des Flügels resultiert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kolbenschaft eine dritte Druckkammer und eine vierte Druckkammer mit jeweils einem mit dem Kolbenbolzen drehfest verbundenen Flügel auf, wobei die erste und die zweite Druckkammer an einem Ende des Kolbenbolzens und die dritte und die vierte Druckkammer am entgegengesetzten Ende des Kolbenbolzens angeordnet sind. Durch die Anordnung der Druckkammern an beiden Enden des Kolbenbolzens werden die durch das Fluid verursachten und auf den Kolben wirkenden Belastungen derart verteilt, dass ein Verkippen des Kolbens unterbunden wird. Außerdem können größere Drehmomente zur Verdrehung des Kolbenbolzens ermöglicht werden.
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Vorzugsweise ist der Verdränger ein Kolben, der durch den in der mindestens einen Druckkammer herrschenden und auf den Kolben wirkenden Druck verschiebbar ist, wobei der Kolben über ein Verbindungselement mit einer mit dem Kolbenbolzen drehfest verbundenen Schwenkeinheit in Eingriff steht. Durch eine derartige Ausgestaltung kann die Druckkammer einfach und kostengünstig hergestellt und der Verdränger einfach montiert werden.
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Vorzugsweise ist die mindestens eine Öffnung zum Einströmen und Ausströmen eines unter Druck stehenden Fluids mit mindestens einem im Kolben ausgebildeten Fluidkanal fluidisch verbunden. Der im Kolben ausgebildete Fluidkanal kann bereits bei der Herstellung des Kolbens gebildet werden, wobei keine zusätzlichen Fertigungsschritte dafür benötigt werden.
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Alternativ ist die mindestens eine Öffnung zum Einströmen und Ausströmen eines unter Druck stehenden Fluids mit mindestens einem im Kolbenbolzen ausgebildeten Fluidkanal fluidisch verbunden, wodurch eine einfache Zuleitung zur Versorgung der Druckkammer mit Fluid hergestellt wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist im Kolbenbolzen ein Steuerventil angeordnet, welches den Fluidmassenstrom in die mindestens eine Druckkammer und aus der mindestens einen Druckkammer regelt. Dadurch wird die Verstellung des Verdichtungsverhältnisses ermöglicht, indem durch das Steuerventil der Zu- und Ablauf des unter Druck stehenden Fluids in die Druckkammer bzw. aus der Druckkammer gesteuert wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses sieht einen derartigen Kolben vor, bei dem der Abstand zwischen dem Kolbenboden und der Achse des zweiten Pleuelauges veränderbar ist.
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Vorzugsweise ist im Pleuel mindestens ein Fluidkanal ausgebildet, der eine im ersten Pleuelauge ausgebildete Fluidöffnung mit einer im zweiten Pleuelauge ausgebildeten zweiten Fluidöffnung fluidisch verbindet. Dadurch wird auf eine einfache Weise das zur Verdrehung des Verdrängers benötigte Fluid zum Kolben befördert.
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Es werden somit ein Kolben und eine Vorrichtung geschaffen, welche die Verstellung des Verdichtungsverhältnisses ermöglicht, wobei der Kolben mit der integrierten Verstellvorrichtung kompakt ausgeführt ist.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung eines Kolbens in Explosionsdarstellung.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung eines Kolbens in geschnittener Darstellung.
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3 zeigt den Schnitt A-A einer erfindungsgemäßen Ausführung eines Kolbens.
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4 zeigt eine Vorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Kolben zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses in geschnittener Darstellung.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kolben 2. Der Kolben 2 weist einen Kolbenkopf 4 und einen Kolbenschaft 6 auf, wobei der Kolbenkopf 4 einen Kolbenboden 8 mit einer Verbrennungsmulde 10 sowie einen Feuersteg 12 und eine Kolbenringzone 14 zur Aufnahme von nicht in der Figur dargestellten Kolbenringen umfasst. Der Kolbenschaft 6 weist eine erste Bolzenöffnung 16 und eine zweite Bolzenöffnung 18 auf, in denen ein Kolbenbolzen 20 drehbar gelagert ist. Auf dem Außenumfang des Kolbenbolzens 20 ist ein Exzenter 22 drehfest angeordnet, über den der Kolbenbolzen 20 beispielweise mit einem in der 1 nicht dargestellten Pleuel oder einer Kurvenscheibe in Eingriff steht.
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Der Kolbenschaft 6 weist an seinem Außenumfang zwei zueinander planparallele, radial bezüglich der Kolbenbolzenachse, gegenüberliegende Flächen 24, 26 auf, wobei durch die Fläche 24 die erste Bolzenöffnung 16 und durch die Fläche 26 die zweite Bolzenöffnung 18 verlaufen. Auf der planparallelen Fläche 24 ist ein erstes Gehäuseelement 28 fest angeordnet, welches zusammen mit der Fläche 24 und einem ersten Verdränger 40 eine erste Druckkammer 32 und eine zweite Druckkammer 34 einschließt. Auf der Fläche 26 ist ein zweites Gehäuseelement 30 fest angeordnet, welches zusammen mit der Fläche 26 sowie einem zweiten Verdränger 42 eine dritte Druckkammer 36 und eine vierte Druckkammer 38 einschließt.
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Die beiden Verdränger 40, 42 sind drehfest mit dem Kolbenbolzen 20 verbunden, wobei der erste Verdränger 40 an einem Ende des Kolbenbolzens 20 und der zweite Verdränger 42 am entgegengesetzten Ende des Kolbenbolzens 20 angeordnet sind. Für die drehfeste Verbindung mit dem Kolbenbolzen 20 weist der Verdränger 40 einen Vorsprung 44 auf, der in eine im Kolbenbolzen 20 ausgebildete Durchgangsbohrung 48 eingreift und dadurch der erste Verdränger 40 form- oder kraftschlüssig mit dem Kolbenbolzen 20 verbunden wird. Am dem Kolbenbolzen 20 abgewandten Ende weist der Verdränger 40 einen Vorsprung 52 auf, der in eine Bohrung 56 eingreift, wodurch der Verdränger 40 im ersten Gehäuseelement 30 gelagert wird. Der zweite Verdränger 42 umfasst einen Vorsprung 46, der in die im Kolbenbolzen 20 ausgebildete Durchgangsbohrung 48 eingreift und dadurch mit dem Kolbenbolzen 20 drehfest verbunden ist. Außerdem weist der Verdränger 42 einen Vorsprung 54 auf, durch den der zweite Verdränger 42 in einer im zweiten Gehäuseelement 30 ausgebildeten Bohrung 58 gelagert ist.
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2 zeigt exemplarisch einen Schnitt durch die erste Druckkammer 32 und die zweite Druckkammer 34, wobei die dritte und die vierte Druckkammer 36, 38 identisch aufgebaut sind. Der erste Verdränger 40 setzt sich aus einem in die erste Druckkammer 32 eingreifenden Flügel 60, der die erste Druckkammer 32 in zwei Druckräume 66, 68 teilt, und einen in die zweite Druckkammer 34 eingreifenden zweiten Flügel 62, der die zweite Druckkammer 34 in zwei Druckräume 70, 72 teilt, zusammen.
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Für das Einströmen und Ausströmen des unter Druck stehenden Fluids in die Druckräume 66, 68, 70, 72 bzw. aus den Druckräumen 66, 68, 70, 72 weist der Verdränger 40 jeweils eine zu dem jeweiligen Druckraum 66, 68, 70, 72 ausgerichtete Öffnung 67, 69, 71, 73 auf.
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3 zeigt den Schnitt A-A des in den 1 und 2 dargestellten Kolbens 2. Für die Steuerung der Fluidströme zu den Druckkammern 32, 34, 36, 38 bzw. aus den Druckkammern 32, 34, 36, 38 weist der Kolben 2 ein Steuerventil 90 auf. Das Steuerventil 90 setzt sich aus zwei identisch ausgeführten und über einen Steg 95 miteinander verbundenen Steuergliedern 92, 94 zusammen, wobei das erste Steuerglied 92 im ersten Verdränger 40 und das zweite Steuerglied 94 im zweiten Verdränger 42 angeordnet sind.
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Die Ventilglieder 92, 94 weisen jeweils einen ersten Fluidkanal 96, 98 auf, die mit den Öffnungen 67, 69, 71, 73 bzw. mit den entsprechenden Öffnungen der dritten und vierten Druckkammern 36, 38 verbindbar sind und durch die das aus den Druckkammern 32, 34, 36, 38 ausströmende Fluid aus dem Kolben 2 austreten kann. Außerdem weisen die Ventilglieder 92, 94 jeweils einen zweiten Fluidkanal 100, 102 auf, die ebenfalls mit den Öffnungen 67, 69, 71, 73 bzw. mit den entsprechenden Öffnungen der dritten und vierten Druckkammern 36, 38 verbindbar sind, wobei die Fluidkanäle 100, 102 mit dem Innenraum des Kolbenbolzens 20 verbunden sind. Der Innenraum des Kolbenbolzens 20 ist über eine Bohrung 104, die durch den Exzenter 22 und durch den Kolbenbolzen 20 verläuft, mit der Lagerstelle 76 fluidisch verbunden, so dass der Innenraum des Kolbenbolzens 20 stetig mit unter Druck stehendem Fluid versorgt wird.
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Die Verstellung des Steuerventils 90 erfolgt über einen Aktor, der beispielsweise in einem Motorgehäuse angeordnet ist und magnetisch, mechanisch oder durch einen Fluidstrahl auf das Steuerventil 90 einwirkt, wobei das Steuerventil 90 zwischen zwei Stellungen verschiebbar ist und über Rastverbindungen 106, 108 in einer ersten oder einer zweiten Stellung gehalten wird, wenn der Aktor inaktiv ist.
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4 zeigt eine Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses mit einem erfindungsgemäßen Kolben 2, wobei der Kolben 2 der in den 1 und 2 beschriebenen Ausführung entspricht. Der Kolben 2 ist über den Kolbenbolzen 20 und den Exzenter 22 mit einem Pleuel 74 verbunden, wobei der Exzenter 22 in einem als Lagerstelle 76 dienenden ersten Pleuelauge 77 des Pleuels 74 drehbar gelagert ist. Am dem Kolben 2 abgewandten Ende weist der Pleuel 74 ein zweites Pleuelauge 78 auf, über das der Pleuel 74 auf einer Kurbelwelle 80 drehbar gelagert ist.
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Für die Fluidversorgung der Druckkammern 66, 68, 70, 72 weist der Pleuel 74 eine Fluidleitung 82 auf, die eine zum zweiten Pleuelauge 78 gerichtete Fluidöffnung 84 mit einer zum ersten Pleuelauge 77 gerichtete Fluidöffnung 86 fluidisch verbindet. Ausgehend von der zweiten Fluidöffnung 86 strömt das unter Druck stehende Fluid über die Bohrung 104 in den Innenraum des Kolbenbolzens 20 und von hier aus abhängig von der Stellung des Steuerventils 90 in die jeweiligen Druckräume der Druckkammern 32, 34, 36, 38.
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Im Betrieb kann eine derartige Vorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Kolben 2 zwei unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse einstellen. Dabei werden beispielweise bei einem hohen Verdichtungsverhältnis durch die erste Stellung des Steuerventils 90 die Druckräume 66, 70 sowie die Druckräume der dritten und vierten Druckkammern, die eine Drehung des Kolbenbolzen 20 in die gleiche Richtung bewirken, mit unter Druck stehendem Fluid versorgt, wobei das unter Druck stehende Fluid ausgehend von der Fluidöffnung 86 durch die Bohrung 104 in den Innenraum des Kolbenbolzens 20 und von hier aus über die jeweiligen Fluidkanäle 100, 102 zu den Öffnungen 67, 71 der Druckräume 66, 70 sowie zu den Öffnungen der jeweiligen Druckräume der dritten und vierten Druckkammern 36, 38 strömt. Gleichzeitig strömt des Fluid ausgehend von den Öffnungen 69, 73 der Druckräume 68, 72 sowie von den entsprechenden Öffnungen der Druckräume der dritten und vierten Druckkammern 36, 38 über die jeweiligen Fluidöffnungen 96, 98 hinaus. Ist dies der Fall, verdrehen sich die beiden Verdränger 40, 42, bis diese an den jeweiligen Anschlägen anliegen. Mit den beiden Verdrängern 40, 42 verdreht sich der Kolbenbolzen 20 und der mit dem Kolbenbolzen 20 fest verbundene Exzenter 22, so dass sich der Abstand zwischen der Achse des Kolbenbolzens 20 und der Mittelachse der Lagerstelle 76 zwischen dem Exzenter 22 und dem zweiten Pleuelauge 77 vergrößert. Dadurch wird im oberen Totpunkt das durch die Zylinderwände sowie durch den Kolbenboden 8 eingeschlossene Volumen verringert und die Verdichtung erhöht. In gleicher Weise erfolgt die Einstellung eines zweiten Verdichtungsverhältnisses, wobei über die zweite Stellung des Steuerventils 90 die Druckräume 68, 72 und die entsprechenden Druckräume der dritten und vierten Druckkammern 36, 38 mit unter Druck stehenden Fluid versorgt werden und dadurch eine Drehung des Kolbenbolzens 20 in die entgegengesetzte Richtung bewirkt wird. In dieser Stellung wird der Abstand zwischen dem Kolbenboden 8 und der Mittelachse der Lagerstelle verringert, so dass das durch die Zylinderwände und den Kolbenboden 8 eingeschlossene Volumen vergrößert und die Verdichtung reduziert wird.
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So zeichnen sich der erfindungsgemäße Kolben und die Vorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Kolben durch eine zuverlässige Verstellung des Verdichtungsverhältnisses aus, wobei der Kolben im Vergleich zu herkömmlichen Kolben nicht vergrößert wird.
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Es sollte deutlich sein, dass auch andere konstruktive Ausführungsformen des Kolbens im Vergleich zur beschriebenen Ausführungsform möglich sind, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen. So können beispielsweise der Kolben, die Druckkammern das Steuerventil oder die Verdränger anders ausgeführt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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