WO2005121538A1 - Piston arrangement - Google Patents

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WO2005121538A1
WO2005121538A1 PCT/AT2005/000195 AT2005000195W WO2005121538A1 WO 2005121538 A1 WO2005121538 A1 WO 2005121538A1 AT 2005000195 W AT2005000195 W AT 2005000195W WO 2005121538 A1 WO2005121538 A1 WO 2005121538A1
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WO
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connecting rod
piston
screw
rod
screw connection
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PCT/AT2005/000195
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French (fr)
Inventor
Johann Wagner
Helmut Melde-Tuczai
Original Assignee
Avl List Gmbh
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Publication date
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0076—Pistons  the inside of the pistons being provided with ribs or fins
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/18—Pistons  having cooling means the means being a liquid or solid coolant, e.g. sodium, in a closed chamber in piston
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases or frames
    • F02F7/0085—Materials for constructing engines or their parts
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping

Definitions

  • the invention relates to a piston arrangement for an internal combustion engine, in particular for an optically accessible research internal combustion engine, with at least one piston which can be cooled with cooling air. Furthermore, the invention relates to a connecting rod for a reciprocating piston machine, with a rod part and a connecting rod bearing cover detachably connected to the rod part by means of at least one screw connection, the screw connection acting on the connecting rod via a positive connection, the positive connection being provided by a shoulder and one on the Shoulder attacking nose is formed and the shoulder has a recessed holding surface into which a projection of the nose engages, and wherein the screw bolt in the region of the connecting rod head of the rod part is at a greater distance from the longitudinal axis of the connecting rod than at least one outer surface of the connecting rod head of the rod part.
  • Piston arrangements for optically accessible research engines have an elongated piston, the piston head facing the combustion chamber is provided with an optically transparent window through which measurements of the combustion chamber can be carried out by means of lasers.
  • the research internal combustion engine can be operated at a maximum speed of approximately 4,000 revolutions per minute by means of water cooling and cooling nozzles that supply cooling air under pressure. At higher speeds, piston friction occurs, however, because the area of the piston rings below the combustion chamber is not oil-lubricated and cooled. In order to achieve higher speeds, more effective cooling of the piston is required.
  • a connecting rod consisting of a composite material is known.
  • the connecting rod bearing cover is attached to the rod part using a clamping part with a U-shaped cross section.
  • Short fastening screws are screwed into the clamping part in the area of the connecting rod bearing cover.
  • the fastening screws act on the connecting rod bearing cover via thrust pieces and press it against the rod part, the screws being supported on the clamping parts, which are positively connected to the rod part. In this way, the weight of the connecting rod can be reduced. Nevertheless, the connecting rod must have a relatively large width. This design is not suitable for use in large engines.
  • the US 1,746,491 shows a connecting rod with a connecting rod cover, which is attached via connecting rod bolts.
  • the connecting rod bolts are screwed to a steel bolt arranged transversely to the connecting rod axis in the connecting rod head.
  • the steel pin is inserted in a cross hole in the connecting rod.
  • the disadvantage is that the connecting rod is weakened by the transverse bore.
  • the object of the invention is to develop a piston for a research internal combustion engine which can be operated safely at speeds of over 4000 revolutions / min. It should be possible to achieve high combustion chamber pressures of around 80 bar.
  • Another object of the invention is to provide a connecting rod with a small overall width, in particular for large engines.
  • the piston in the region of the piston rings has a hollow annular heat sink, which is provided in the region of its inner circumferential surface with cooling fins that can be flowed against by the cooling air, preferably at least one cooling fin in one spanned by the piston axis and a radial line of the piston Level is arranged.
  • the cavity of the heat sink is partly filled with a liquid which is thrown up and down by the inertial forces of the piston.
  • the cooling liquid can be formed by mercury, water or sodium.
  • the heat sink pressed into the piston in the area of the piston rings allows the heat to be conducted from the narrow ring zone to the cooling fins in an inner piston area, in which there is sufficient space for cooling surfaces. The heat is removed from the cooling air by the cooling fins.
  • a connecting rod with a small overall width can be realized if the screw connection acts on the rod part of the connecting rod via a clamping part and the clamping part has a lateral support surface, via which the clamping part is supported on the outer surface of the rod part, the Clamping part and the screw connection are made in two pieces.
  • the screw connection acts on the connecting rod via the separate clamping part, the clamping part acting on the rod part via a positive connection.
  • the positive connection is formed by a shoulder of the rod part and a nose of the clamping part engaging on the shoulder. It can be provided that the shoulder has a recessed holding surface into which a projection of the nose engages.
  • the clamping part has a bore through which the screw connection passes.
  • the axis of the screw connection is advantageously arranged essentially parallel to the longitudinal axis of the connecting rod.
  • the connecting rod can be made very narrow, which enables assembly through the cylinder.
  • the outer surfaces of the rod part are preferably parallel to one another, particularly preferably parallel to the connecting rod axis.
  • the outer surfaces are located between the longitudinal axis of the connecting rod and the axis of the screw connection.
  • the clamping parts are spaced from the separating surface between the rod part and the connecting rod bearing cover.
  • the expansion of the clamping parts therefore hardly extends beyond the area of the shoulder.
  • the clamping part has a lateral support surface, by means of which the clamping part is supported on the outer surface of the rod part. The supporting forces that occur as a result of the tilting moments acting on the clamping part can thus be derived in the rod part.
  • the connecting rod bearing cover has at least one screw socket for receiving the screw connection, the screw socket being provided in the area of the nut or the screw head of the screw connection in a material-saving manner. In this way, weight and material can be saved. Due to this design and the compact clamping parts, the bolts of the screw connection between the screw bosses and the clamping parts are free.
  • the screw head of the screw connection is preferably arranged in the region of the clamping part and secured against twisting by the clamping part.
  • hammer head screws can be used.
  • Particularly high cylinder pressures are made possible if at least two screw connections are provided in the area of at least one outer surface.
  • the connecting rod bearing cover is thus preferably held on the rod part via at least four screw connections.
  • FIG. 1 shows a piston arrangement for a research internal combustion engine according to the prior art in a section along the line I-I in Fig. 2.
  • Figure 2 shows this piston arrangement in a section along the line II-II in Fig. 1.
  • Figure 3 shows a piston of a piston arrangement according to the invention in a longitudinal section;
  • Figure 4 shows the piston in a section along the line IV-IV in Fig. 3.
  • FIG. 5 shows the connecting rod according to the invention in a section along the line V-V in FIG. 6;
  • FIG. 6 shows the connecting rod in a section along the line VI-VI in FIG. 5.
  • Figures 1 and 2 show a known piston assembly 1 which is connected to a crankshaft 3 via a connecting rod 2.
  • the piston arrangement 1 consists of a first piston 4, which is connected via a piston extension 5 to a second piston 6, the piston head 7 of which borders a combustion chamber (not shown).
  • the piston crown 7 has a transparent window 8, via which processes in the combustion chamber can be observed and measured, for example by means of a laser. The measurement results can be compared with calculated values and the boundary conditions for the calculation models can be improved in this way.
  • the piston extension 5 has an oval opening 9 through which a mirror support (not shown) with an inclined mirror can be applied, by means of which the laser light can be directed upwards through the window 8 in the piston head 7.
  • the area of the upper piston rings 10 is usually cooled by cooling air, in particular compressed air. Since the space below the upper piston ring area 10 is not oil-lubricated and poorly cooled, the piston 6 may seize at higher speeds.
  • FIGS. 3 and 4 show a piston 30 of a piston arrangement 11 according to the present invention with a heat sink 12 in the region 13 of the upper one Piston rings 14, 15.
  • Reference number 16 denotes the piston head, reference number 17 the piston wall.
  • a transparent window 18 is arranged in the piston crown 16 for observing the adjacent combustion chamber.
  • the heat sink 12 is essentially ring-shaped and has an annular cavity 19 which is spanned by an inner wall 20 and an outer wall 21 of the hollow body 12.
  • the hollow body 12 On the side 23 facing the piston axis 22, the hollow body 12 has a cooling rib arrangement 24 with radially arranged cooling ribs 25.
  • Each cooling fin 25 is arranged in a plane ⁇ , which is spanned by a radial line 26 and the piston axis 22.
  • the cooling fins 25 are cooled by cooling air blown into the interior of the piston arrangement 11.
  • the cavity 19 is partially filled with a cooling liquid 26 which is thrown up and off by the movement of the piston 30. This creates a shaker effect, similar to a cooling channel piston, which improves the heat dissipation from the area of the upper piston rings 14, 15 of the piston wall 17 into the interior of the piston.
  • the improved cooling makes it possible to operate the research internal combustion engine at significantly higher speeds and higher combustion chamber pressures.
  • the connecting rod 102 has a rod part 104 and a connecting rod bearing cover 106 fastened thereon in the region of the large connecting rod eye 109.
  • the connecting rod bearing cover 106 is fastened to the rod part 104 via screw connections 108 and separate clamping parts 110, each clamping part 110 acting on the connecting rod 102 via a positive connection 112.
  • the positive connection 112 consists of a shoulder 114 formed by the rod part 104 and a nose 116 of the clamping part 110, via which the clamping part 110 is supported on the shoulder 114.
  • the shoulder 114 has a recessed holding surface 118, on which a projection 120 of the nose 116 engages.
  • the screw connection 108 is located outside of the approximately parallel to the longitudinal or. Axis of symmetry 122 of the connecting rod 102 forms outer surfaces 124 of the rod part 104, i.e. the screw connections 108 are further away from the longitudinal axis 122 than the outer surfaces 124.
  • Each clamping part 110 has a support surface 126 in order to support the clamping part 110 on the outer surfaces 124. As a result, tilting moments of the clamping part 110 are absorbed by the rod part 104 due to the fastening forces.
  • the connecting rod bearing cover 106 has screw bosses 128, which are only designed as high as for receiving those introduced by the nut 130 Fixing forces are necessary. With 132 a nut contact surface is designated.
  • the clamping parts 110 are kept as small as possible and are clearly spaced from the parting plane 134 between the rod part 104 and the connecting rod bearing cover 106.
  • the screw bolts 136 of each screw connection 108 are free between the clamping part 110 and the screw socket 128 of the connecting rod bearing cover 106.
  • the large connecting rod eye 109 can be reduced to the material surrounding the connecting rod bearing 107 and does not contain any screw bosses.
  • the connection and support of the connecting rod on the connecting rod is accomplished by the separate clamping parts 110, which in turn are supported on the large connecting rod eye 109 via corresponding mating surfaces. Since the area of the parting plane 134 has a very small cross section compared to conventional constructions, parting by cracking is made considerably easier.
  • An additional bar division including screw connection can be omitted.
  • the production can be considerably simplified.
  • the omission of the screw bosses in the rod part 104 and the minimization of the dimensions of the screw bosses 128 in the connecting rod bearing cover 106 have an advantageous effect on the weight of the connecting rod 102.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

The invention relates to a piston arrangement (11) for an internal combustion engine, especially for an optically accessible research internal combustion engine, comprising at least one piston (30) that can be cooled with cooling air. In order to improve the cooling process, the piston comprises a hollow annular cooling body (12) located in the region (13) of the piston rings (14, 15), said cooling body being provided with a cooling fin arrangement (24), in the region of the inner envelope surface thereof, comprising at least one cooling fin (25) and through which the cooling air flows.

Description

Kolbenanordnungpiston assembly
Die Erfindung betrifft eine Kolbenanordnung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine optisch zugängliche Forschungsbrennkraftmaschine, mit zumindest einem mit Kühlluft kühlbaren Kolben. Weiters betrifft die Erfindung eine Pleuelstange für eine Hubkolbenmaschine, mit einem Stangenteil und einem mit dem Stangenteil lösbar mittels zumindest einer einen Schraubenbolzen aufweisenden Schraubverbindung verbundenen Pleuellagerdeckel, wobei die Schraubverbindung über eine Formschlussverbindung auf die Pleuelstange einwirkt, wobei die Formschlussverbindung durch eine Schulter und eine auf der Schulter angreifenden Nase gebildet ist und die Schulter eine vertiefte Haltefläche aufweist, in welche ein Vorsprung der Nase eingreift, und wobei der Schraubenbolzen im Bereich des Pleuelstangenkopfes des Stangeteils einen größeren Abstand von der Längsachse der Pleuelstange aufweist, als zumindest eine Außenfläche des Pleuelstangenkopfes des Stangenteils.The invention relates to a piston arrangement for an internal combustion engine, in particular for an optically accessible research internal combustion engine, with at least one piston which can be cooled with cooling air. Furthermore, the invention relates to a connecting rod for a reciprocating piston machine, with a rod part and a connecting rod bearing cover detachably connected to the rod part by means of at least one screw connection, the screw connection acting on the connecting rod via a positive connection, the positive connection being provided by a shoulder and one on the Shoulder attacking nose is formed and the shoulder has a recessed holding surface into which a projection of the nose engages, and wherein the screw bolt in the region of the connecting rod head of the rod part is at a greater distance from the longitudinal axis of the connecting rod than at least one outer surface of the connecting rod head of the rod part.
Kolbenanordnungen für optisch zugängliche Forschungsmotoren weisen einen verlängerten Kolben auf, dessen dem Brennraum zugewandter Kolbenboden mit einem optische transparenten Fenster versehen ist, durch welchen mittels Laser Messungen des Brennraumes durchgeführt werden können. Durch Wasserkühlung und durch Kühldüsen, die Kühlluft unter Druck zuführen, kann die For- schungs-Brennkraftmaschine mit einer Drehzahl von maximal etwa 4000 Umdrehungen/min betrieben werden. Bei höheren Drehzahlen kommt es allerdings zu Kolbenreibern, da der Bereich der Kobenringe unterhalb des Brennraumes nicht ölgeschmiert und gekühlt ist. Um höhere Drehzahlen zu erreichen, ist eine effektivere Kühlung des Kolbens erforderlich.Piston arrangements for optically accessible research engines have an elongated piston, the piston head facing the combustion chamber is provided with an optically transparent window through which measurements of the combustion chamber can be carried out by means of lasers. The research internal combustion engine can be operated at a maximum speed of approximately 4,000 revolutions per minute by means of water cooling and cooling nozzles that supply cooling air under pressure. At higher speeds, piston friction occurs, however, because the area of the piston rings below the combustion chamber is not oil-lubricated and cooled. In order to achieve higher speeds, more effective cooling of the piston is required.
Insbesondere bei Großmotoren sind aufgrund des hohen Zünddruckniveaus auch entsprechend große Pleuellager-Dimensionen erforderlich. Aus Montagegründen ist es notwendig, die Pleuelstange durch die Zylinderbohrung oder den Aufnahmedurchmesser der Zylinderbuchse hindurch einzubauen. Diese Erfordernisse führten bislang zu einer Schrägteilung des großen Pleuelauges und in weiterer Folge zur nochmaligen Teilung und Verschraubung der Pleuelstange im Schaftbereich ("Marine-Pleuel").In the case of large engines in particular, correspondingly large connecting rod bearing dimensions are required due to the high ignition pressure level. For assembly reasons, it is necessary to install the connecting rod through the cylinder bore or the diameter of the cylinder liner. Up to now, these requirements have resulted in an inclined division of the large connecting rod eye and subsequently in a further division and screwing of the connecting rod in the shaft area ("marine connecting rod").
Aus der JP 59-099107 A ist eine aus einem Verbundmaterial bestehende Pleuelstange bekannt. Der Pleuellagerdeckel wird dabei über einen Klemmteil mit U- förmigem Querschnitt am Stangenteil befestigt. Im Bereich des Pleuellagerdeckels sind kurze Befestigungsschrauben in den Klemmteil eingeschraubt. Die Befestigungsschrauben wirken über Druckstücke auf den Pleuellagerdeckel ein und pressen diesen gegen den Stangenteil, wobei sich die Schrauben an den Klemmteilen abstützen, welche formschlüssig mit dem Stangenteil verbunden sind. Auf diese Weise kann das Gewicht der Pleuelstange reduziert werden. Trotzdem ist eine relativ hohe Breitenausdehnung der Pleuelstange erforderlich. Zum Einsatz in Großmotoren ist diese Bauweise nicht geeignet.From JP 59-099107 A a connecting rod consisting of a composite material is known. The connecting rod bearing cover is attached to the rod part using a clamping part with a U-shaped cross section. Short fastening screws are screwed into the clamping part in the area of the connecting rod bearing cover. The fastening screws act on the connecting rod bearing cover via thrust pieces and press it against the rod part, the screws being supported on the clamping parts, which are positively connected to the rod part. In this way, the weight of the connecting rod can be reduced. Nevertheless, the connecting rod must have a relatively large width. This design is not suitable for use in large engines.
Bei der DE 653 273 C und der DE 692 386 C werden speziell gefertigte Schraubbolzen zur Verbindung des Pleueldeckels mit der Pleuelstange eingesetzt, welche mittels formschlüssiger Endbereiche an der Pleuelstange angreifen.In DE 653 273 C and DE 692 386 C, specially manufactured bolts are used to connect the connecting rod cover to the connecting rod, which engage the connecting rod by means of form-fitting end regions.
Die US 1,746,491 zeigt eine Pleuelstange mit einem Pleueldeckel, welcher über Pleuelschrauben befestigt ist. Die Pleuelschrauben sind dabei mit einem quer zur Pleuelstangenachse im Pleuelkopf angeordneten Stahlbolzen verschraubt. Der Stahlbolzen ist in eine Querbohrung der Pleuelstange eingesetzt. Nachteilig ist, dass durch die Querbohrung die Pleuelstange geschwächt wird.The US 1,746,491 shows a connecting rod with a connecting rod cover, which is attached via connecting rod bolts. The connecting rod bolts are screwed to a steel bolt arranged transversely to the connecting rod axis in the connecting rod head. The steel pin is inserted in a cross hole in the connecting rod. The disadvantage is that the connecting rod is weakened by the transverse bore.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kolben für eine Forschungs-Brennkraftma- schine zu entwickeln, welche mit Drehzahlen über 4000 Umdrehungen/min sicher betrieben werden kann. Dabei sollen hohe Brennraumdrücke von etwa 80 bar verwirklicht werden können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, insbesondere für Großmotoren eine Pleuelstange mit geringer Baubreite bereitzustellen.The object of the invention is to develop a piston for a research internal combustion engine which can be operated safely at speeds of over 4000 revolutions / min. It should be possible to achieve high combustion chamber pressures of around 80 bar. Another object of the invention is to provide a connecting rod with a small overall width, in particular for large engines.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Kolben im Bereich der Kolbenringe einen hohlen ringförmigen Kühlkörper aufweist, welcher im Bereich seiner inneren Mantelfläche mit von der Kühlluft anströmbare Kühlrippen versehen ist, wobei vorzugsweise zumindest eine Kühlrippe in einer durch die Kolbenachse und eine Radiallinie des Kolbens aufgespannten Ebene angeordnet ist.According to the invention, this is achieved in that the piston in the region of the piston rings has a hollow annular heat sink, which is provided in the region of its inner circumferential surface with cooling fins that can be flowed against by the cooling air, preferably at least one cooling fin in one spanned by the piston axis and a radial line of the piston Level is arranged.
Der Hohlraum des Kühlkörpers ist zum Teil mit einer Flüssigkeit gefüllt, die durch die Massenkräfte des Kolbens auf- und abgeschleudert wird. Die Kühlflüssigkeit kann durch Quecksilber, Wasser oder Natrium gebildet sein.The cavity of the heat sink is partly filled with a liquid which is thrown up and down by the inertial forces of the piston. The cooling liquid can be formed by mercury, water or sodium.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kühlkörper mit seiner zylindrischen Außenseite axial in den Kolben eingepresst ist. Durch den in den Kolben im Bereich der Kolbenringe eingepressten Kühlkörper kann die Wärme aus der beengten Ringzone zu den Kühlrippen in einen inneren Kolbenbereich geleitet werden, in welchem ausreichend Platz für Kühlflächen zur Verfügung stehen. Von den Kühlrippen wird die Wärme von der Kühlluft abgeführt.It when the heat sink is pressed axially into the piston with its cylindrical outside is particularly advantageous. The heat sink pressed into the piston in the area of the piston rings allows the heat to be conducted from the narrow ring zone to the cooling fins in an inner piston area, in which there is sufficient space for cooling surfaces. The heat is removed from the cooling air by the cooling fins.
Eine Pleuelstange mit geringer Baubreite kann realisiert werden, wenn die Schraubverbindung über einen Klemmteil auf den Stangenteil der Pleuelstange einwirkt und der Klemmteil eine seitliche Stützfläche aufweist, über welche der Klemmteil an der Außenfläche des Stangenteiles abgestützt ist, wobei der Klemmteil und die Schraubverbindung zweistückig ausgeführt sind. Die Schraubverbindung greift über den separaten Klemmteil an der Pleuelstange an, wobei der Klemmteil über eine Formschlussverbindung auf den Stangenteil einwirkt. Die Formschlussverbindung wird durch eine Schulter des Stangenteiles und eine auf der Schulter angreifende Nase des Klemmteiles gebildet. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Schulter eine vertiefte Haltefläche aufweist, in welche ein Vorsprung der Nase eingreift.A connecting rod with a small overall width can be realized if the screw connection acts on the rod part of the connecting rod via a clamping part and the clamping part has a lateral support surface, via which the clamping part is supported on the outer surface of the rod part, the Clamping part and the screw connection are made in two pieces. The screw connection acts on the connecting rod via the separate clamping part, the clamping part acting on the rod part via a positive connection. The positive connection is formed by a shoulder of the rod part and a nose of the clamping part engaging on the shoulder. It can be provided that the shoulder has a recessed holding surface into which a projection of the nose engages.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Klemmteil eine von der Schraubverbindung durchsetzte Bohrung aufweist.It is preferably provided that the clamping part has a bore through which the screw connection passes.
Die Achse der Schraubverbindung ist vorteilhafterweise im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Pleuelstange angeordnet.The axis of the screw connection is advantageously arranged essentially parallel to the longitudinal axis of the connecting rod.
Dadurch, dass der Stangenteil der Pleuelstange schraubenbutzenlos ausgeführt ist, kann die Pleuelstange sehr schmal gebaut werden, was eine Montage durch den Zylinder hindurch ermöglicht.Due to the fact that the rod part of the connecting rod is designed without a screw clip, the connecting rod can be made very narrow, which enables assembly through the cylinder.
Die Außenflächen des Stangenteiles sind vorzugsweise parallel zueinander, besonders vorzugsweise parallel zur Pleuelstangenachse ausgebildet. Die Außenflächen befinden sich zwischen der Längsachse der Pleuelstange und der Achse der Schraubverbindung.The outer surfaces of the rod part are preferably parallel to one another, particularly preferably parallel to the connecting rod axis. The outer surfaces are located between the longitudinal axis of the connecting rod and the axis of the screw connection.
Um Gewicht und Material zu sparen, sind die Klemmteile von der Trennfläche zwischen Stangenteil und Pleuellagerdeckel beabstandet, Die Ausdehnung der Klemmteile geht somit über den Bereich der Schulter kaum hinaus. Um diese kompakte Bauweise zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn der Klemmteil eine seitliche Stützfläche aufweist, über welche der Klemmteil an der Außenfläche des Stangenteiles abgestützt ist. Die zu Folge der auf den Klemmteil wirkenden Kippmomente auftretenden Stützkräfte können somit in den Stangenteil abgeleitet werden.In order to save weight and material, the clamping parts are spaced from the separating surface between the rod part and the connecting rod bearing cover. The expansion of the clamping parts therefore hardly extends beyond the area of the shoulder. In order to enable this compact design, it is advantageous if the clamping part has a lateral support surface, by means of which the clamping part is supported on the outer surface of the rod part. The supporting forces that occur as a result of the tilting moments acting on the clamping part can thus be derived in the rod part.
Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass der Pleuellagerdeckel zumindest einen Schraubenbutzen zur Aufnahme der Schraubverbindung aufweist, wobei der Schraubenbutzen materialsparend nur im Bereich der Mutter bzw. des Schraubenkopfes der Schraubverbindung vorgesehen ist. Auf diese Weise kann Gewicht und Material eingespart werden. Durch diese Bauweise und die kompakt ausgeführten Klemmteile sind die Schraubenbolzen der Schraubverbindung zwischen den Schraubenbutzen und den Klemmteilen freigestellt.In the context of the invention it is provided that the connecting rod bearing cover has at least one screw socket for receiving the screw connection, the screw socket being provided in the area of the nut or the screw head of the screw connection in a material-saving manner. In this way, weight and material can be saved. Due to this design and the compact clamping parts, the bolts of the screw connection between the screw bosses and the clamping parts are free.
Der Schraubenkopf der Schraubverbindung ist vorzugsweise im Bereich des Klemmteiles angeordnet und durch den Klemmteil gegen Verdrehen gesichert. Dabei können beispielsweise Hammerkopfschrauben eingesetzt werden. Besonders hohe Zylinderdrücke werden ermöglicht, wenn im Bereich zumindest einer Außenfläche mindestens zwei Schraubverbindungen vorgesehen sind. Der Pleuellagerdeckel wird somit vorzugsweise über mindestens vier Schraubverbindungen am Stangenteil gehalten.The screw head of the screw connection is preferably arranged in the region of the clamping part and secured against twisting by the clamping part. For example, hammer head screws can be used. Particularly high cylinder pressures are made possible if at least two screw connections are provided in the area of at least one outer surface. The connecting rod bearing cover is thus preferably held on the rod part via at least four screw connections.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigenThe invention is explained in more detail below with reference to the figures. Show it
Fig. 1 eine Kolbenanordnung für eine Forschungs-Brennkraftmaschine gemäß dem Stand der Technik in einem Schnitt gemäß der Linie I-I in Fig. 2;1 shows a piston arrangement for a research internal combustion engine according to the prior art in a section along the line I-I in Fig. 2.
Fig. 2 diese Kolbenanordnung in einem Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1; Fig. 3 einen Kolben einer erfindungsgemäßen Kolbenanordnung in einem Längsschnitt;Figure 2 shows this piston arrangement in a section along the line II-II in Fig. 1. 3 shows a piston of a piston arrangement according to the invention in a longitudinal section;
Fig. 4 den Kolben in einem Schnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig. 3;Figure 4 shows the piston in a section along the line IV-IV in Fig. 3.
Fig. 5 die erfindungsgemäße Pleuelstange in einem Schnitt gemäß der Linie V-V in Fig. 6; und5 shows the connecting rod according to the invention in a section along the line V-V in FIG. 6; and
Fig. 6 die Pleuelstange in einem Schnitt gemäß der Linie VI-VI in Fig. 5.6 shows the connecting rod in a section along the line VI-VI in FIG. 5.
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine bekannte Kolbenanordnung 1, welche über eine Pleuelstange 2 mit einer Kurbelwelle 3 verbunden ist. Die Kolbenanordnung 1 besteht aus einem ersten Kolben 4, welcher über eine Kolbenverlängerung 5 mit einem zweiten Kolben 6 verbunden ist, dessen Kolbenboden 7 an einen nicht weiter dargestellten Brennraum grenzt. Der Kolbenboden 7 weist ein transparentes Fenster 8 auf, über welches Vorgänge im Brennraum beobachtet und beispielsweise mittels Laser gemessen werden können. Die Messergebnisse können mit berechneten Werten verglichen und auf diese Weise Randbedingungen für die Rechenmodelle verbessert werden. Die Kolbenverlängerung 5 weist eine ovale Öffnung 9 auf, durch welche ein nicht weiter dargestellter Spiegelträger mit einem geneigten Spiegel appliziert werden kann, mittels welchem das Laserlicht durch das Fenster 8 im Kolbenboden 7 nach oben gelenkt werden kann.Figures 1 and 2 show a known piston assembly 1 which is connected to a crankshaft 3 via a connecting rod 2. The piston arrangement 1 consists of a first piston 4, which is connected via a piston extension 5 to a second piston 6, the piston head 7 of which borders a combustion chamber (not shown). The piston crown 7 has a transparent window 8, via which processes in the combustion chamber can be observed and measured, for example by means of a laser. The measurement results can be compared with calculated values and the boundary conditions for the calculation models can be improved in this way. The piston extension 5 has an oval opening 9 through which a mirror support (not shown) with an inclined mirror can be applied, by means of which the laser light can be directed upwards through the window 8 in the piston head 7.
Der Bereich der oberen Kolbenringe 10 wird üblicher Weise durch Kühlluft, insbesondere Druckluft, gekühlt. Da der Raum unterhalb des oberen Kolbenringbereiches 10 nicht ölgeschmiert und schlecht gekühlt wird, kann es bei höheren Drehzahlen zu einem Festfressen des Kolbens 6 kommen.The area of the upper piston rings 10 is usually cooled by cooling air, in particular compressed air. Since the space below the upper piston ring area 10 is not oil-lubricated and poorly cooled, the piston 6 may seize at higher speeds.
Die Figuren 3 und 4 zeigen einen Kolben 30 einer Kolbenanordndung 11 gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Kühlkörper 12 im Bereich 13 der oberen Kolbenringe 14, 15. Mit Bezugszeichen 16 ist der Kolbenboden, mit Bezugszeichen 17 die Kolbenwand bezeichnet. Im Kolbenboden 16 ist ein transparentes Fenster 18 zur Beobachtung des angrenzenden Brennraumes angeordnet.FIGS. 3 and 4 show a piston 30 of a piston arrangement 11 according to the present invention with a heat sink 12 in the region 13 of the upper one Piston rings 14, 15. Reference number 16 denotes the piston head, reference number 17 the piston wall. A transparent window 18 is arranged in the piston crown 16 for observing the adjacent combustion chamber.
Der Kühlkörper 12 ist im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und weist einen ringförmigen Hohlraum 19 auf, welcher durch eine innere Wand 20 und eine äußere Wand 21 des Hohlkörpers 12 aufgespannt wird.The heat sink 12 is essentially ring-shaped and has an annular cavity 19 which is spanned by an inner wall 20 and an outer wall 21 of the hollow body 12.
An der der Kolbenachse 22 zugewandten Seite 23 weist der Hohlkörper 12 eine Kühlrippenanordnung 24 mit radial angeordneten Kühlrippen 25 auf. Jede Kühlrippe 25 ist in einer Ebene ε angeordnet, welche durch eine Radiallinie 26 und die Kolbenachse 22 aufgespannt wird. Die Kühlrippen 25 werden durch in das Innere der Kolbenanordnung 11 eingeblasene Kühlluft gekühlt. Der Hohlraum 19 ist zum Teil mit einer Kühlflüssigkeit 26 gefüllt, welcher durch die Bewegung des Kolbens 30 auf- und abgeschleudert wird. Dadurch entsteht ein Shaker-Effekt, ähnlich wie bei einem Kühlkanalkolben, was die Wärmeabfuhr aus dem Bereich der oberen Kolbenringe 14, 15 der Kolbenwand 17 in das Kolbeninnere verbessert.On the side 23 facing the piston axis 22, the hollow body 12 has a cooling rib arrangement 24 with radially arranged cooling ribs 25. Each cooling fin 25 is arranged in a plane ε, which is spanned by a radial line 26 and the piston axis 22. The cooling fins 25 are cooled by cooling air blown into the interior of the piston arrangement 11. The cavity 19 is partially filled with a cooling liquid 26 which is thrown up and off by the movement of the piston 30. This creates a shaker effect, similar to a cooling channel piston, which improves the heat dissipation from the area of the upper piston rings 14, 15 of the piston wall 17 into the interior of the piston.
Durch die verbesserte Kühlung ist es möglich, die Forschungsbrennkraftmaschine mit deutlich höheren Drehzahlen und höheren Brennraumdrücken zu betreiben.The improved cooling makes it possible to operate the research internal combustion engine at significantly higher speeds and higher combustion chamber pressures.
Die Pleuelstange 102 weist einen Stangenteil 104 und einen an diesem befestigten Pleuellagerdeckel 106 im Bereich des großen Pleuelauges 109 auf. Der Pleuellagerdeckel 106 ist über Schraubverbindungen 108 und separate Klemmteile 110 am Stangenteil 104 befestigt, wobei jeder Klemmteil 110 über eine Formschlussverbindung 112 auf die Pleuelstange 102 einwirkt. Die Formschlussverbindung 112 besteht aus einer durch den Stangenteil 104 gebildeten Schulter 114 und einer Nase 116 des Klemmteiles 110, über welche sich der Klemmteil 110 auf der Schulter 114 abstützt. Die Schulter 114 weist dabei im Ausführungsbeispiel eine vertiefte Haltefläche 118 auf, an welcher ein Vorsprung 120 der Nase 116 angreift.The connecting rod 102 has a rod part 104 and a connecting rod bearing cover 106 fastened thereon in the region of the large connecting rod eye 109. The connecting rod bearing cover 106 is fastened to the rod part 104 via screw connections 108 and separate clamping parts 110, each clamping part 110 acting on the connecting rod 102 via a positive connection 112. The positive connection 112 consists of a shoulder 114 formed by the rod part 104 and a nose 116 of the clamping part 110, via which the clamping part 110 is supported on the shoulder 114. In the exemplary embodiment, the shoulder 114 has a recessed holding surface 118, on which a projection 120 of the nose 116 engages.
Die Schraubverbindung 108 befindet sich außerhalb der etwa parallel zur Längsbzw. Symmetrieachse 122 der Pleuelstange 102 ausgebildeten Außenflächen 124 des Stangenteiles 104, d.h., die Schraubverbindungen 108 sind von der Längsachse 122 weiter entfernt, als die Außenflächen 124. Jeder Klemmteil 110 weist eine Stützfläche 126 auf, um den Klemmteil 110 an der Außenflächen 124 abzustützen. Dadurch werden Kippmomente des Klemmteiles 110 zu Folge der Befestigungskräfte durch den Stangenteil 104 aufgenommen.The screw connection 108 is located outside of the approximately parallel to the longitudinal or. Axis of symmetry 122 of the connecting rod 102 forms outer surfaces 124 of the rod part 104, i.e. the screw connections 108 are further away from the longitudinal axis 122 than the outer surfaces 124. Each clamping part 110 has a support surface 126 in order to support the clamping part 110 on the outer surfaces 124. As a result, tilting moments of the clamping part 110 are absorbed by the rod part 104 due to the fastening forces.
Der Pleuellagerdeckel 106 weist Schraubenbutzen 128 auf, welche nur so hoch ausgebildet sind, als für die Aufnahme der durch die Mutter 130 eingeleiteten Befestigungskräfte notwendig ist. Mit 132 ist eine Mutternauflagefläche bezeichnet.The connecting rod bearing cover 106 has screw bosses 128, which are only designed as high as for receiving those introduced by the nut 130 Fixing forces are necessary. With 132 a nut contact surface is designated.
Die Klemmteile 110 sind möglichst kleinvolumig gehalten und deutlich von der Trennebene 134 zwischen Stangenteil 104 und Pleuellagerdeckel 106 beabstandet. Die Schraubenbolzen 136 jeder Schraubverbindung 108 sind zwischen dem Klemmteil 110 und dem Schraubenbutzen 128 des Pleuellagerdeckels 106 freigestellt.The clamping parts 110 are kept as small as possible and are clearly spaced from the parting plane 134 between the rod part 104 and the connecting rod bearing cover 106. The screw bolts 136 of each screw connection 108 are free between the clamping part 110 and the screw socket 128 of the connecting rod bearing cover 106.
Das große Pleuelauge 109 kann bis auf das notwendiger Weise das Pleuellager 107 umgebende Material reduziert werden und beinhaltet keine Schraubenbutzen. Die pleuelstangenseitige Schraubenauflage und -abstützung wird durch die separaten Klemmteile 110 bewerkstelligt, welche sich wiederum über entsprechende Gegenflächen am großen Pleuelauge 109 abstützen. Da der Bereich der Trennebene 134 einen verglichen mit herkömmlichen Konstruktionen sehr kleinen Querschnitt aufweist, wird ein Trennen durch Cracken wesentlichen erleichtert.The large connecting rod eye 109 can be reduced to the material surrounding the connecting rod bearing 107 and does not contain any screw bosses. The connection and support of the connecting rod on the connecting rod is accomplished by the separate clamping parts 110, which in turn are supported on the large connecting rod eye 109 via corresponding mating surfaces. Since the area of the parting plane 134 has a very small cross section compared to conventional constructions, parting by cracking is made considerably easier.
Eine zusätzliche Stangenteilung samt Verschraubung kann entfallen. Durch Verwendung des von der Herstellung von klein dimensionierten Pleuelstangen bekannten Crack-Verfahrens zu Trennung des Pleuellagerdeckels 106 vom Stangenteil 104 auch für die groß dimensionierten Pleuelstangen 102 von Großmotoren kann die Herstellung wesentlich vereinfacht werden. Weiters wirkt sich das Wegfallen der Schraubenbutzen im Stangenteil 104 und das Minimieren der Abmessungen Schraubenbutzen 128 im Pleuellagerdeckel 106 vorteilhaft auf das Gewicht der Pleuelstange 102 aus. An additional bar division including screw connection can be omitted. By using the cracking method known from the production of small-sized connecting rods for separating the connecting rod bearing cover 106 from the rod part 104, also for the large-sized connecting rods 102 of large engines, the production can be considerably simplified. Furthermore, the omission of the screw bosses in the rod part 104 and the minimization of the dimensions of the screw bosses 128 in the connecting rod bearing cover 106 have an advantageous effect on the weight of the connecting rod 102.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Kolbenanordnung (11) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine optisch zugängliche Forschungsbrennkraftmaschine, mit zumindest einem mit Kühlluft kühlbaren Kolben (30), dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben im Bereich (13) der Kolbenringe (14, 15) einen hohlen ringförmigen Kühlkörper (12) aufweist, welcher im Bereich seiner inneren Mantelfläche einen von der mit von der Kühlluft anströmbare Kühlrippenanordnung (24) mit zumindest einer Kühlrippe (25) versehen ist.1. Piston arrangement (11) for an internal combustion engine, in particular for an optically accessible research internal combustion engine, with at least one piston (30) which can be cooled with cooling air, characterized in that the piston in the region (13) of the piston rings (14, 15) has a hollow annular heat sink (12), which in the area of its inner circumferential surface is provided with at least one cooling fin (25) from the cooling fin arrangement (24) which the cooling air can flow against.
2. Kolbenanordnung (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kühlrippe (25) in einer durch die Kolbenachse (22) und eine Radiallinie (26) des Kolbens (30) aufgespannten Ebene (ε) angeordnet ist.2. Piston arrangement (11) according to claim 1, characterized in that at least one cooling fin (25) is arranged in a plane (ε) spanned by the piston axis (22) and a radial line (26) of the piston (30).
3. Kolbenanordnung (11) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (19) des Kühlkörpers (12) zum Teil mit einer Kühlflüssigkeit (26) gefüllt ist.3. Piston arrangement (11) according to claim 1 or 2, characterized in that the cavity (19) of the heat sink (12) is partially filled with a cooling liquid (26).
4. Kolbenanordnung (11) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit (26) aus Wasser, Quecksilber oder Natrium besteht.4. Piston arrangement (11) according to claim 3, characterized in that the cooling liquid (26) consists of water, mercury or sodium.
5. Kolbenanordnung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (12) mit seiner zylindrischen Außenseite axial in den Kolben (30) eingepresst ist.5. Piston arrangement (11) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cooling body (12) with its cylindrical outside is pressed axially into the piston (30).
6. Pleuelstange (102) für eine Hubkolbenmaschine, mit einem Stangenteil (104) und einem mit dem Stangenteil (104) lösbar mittels zumindest einer einen Schraubenbolzen (136) aufweisenden Schraubverbindung (108) verbundenen Pleuellagerdeckel (106), wobei die Schraubverbindung (108) über eine Formschlussverbindung (112) auf die Pleuelstange (102) einwirkt, wobei die Formschlussverbindung (112) durch eine Schulter (114) und eine auf der Schulter (114) angreifenden Nase (116) gebildet ist und die Schulter (114) eine vertiefte Haltefläche (118) aufweist, in welche ein Vorsprung (120) der Nase (116) eingreift, und wobei der Schraubenbolzen (136) im Bereich des Pleuelstangenkopfes (1041) des Stangeteils (104) einen größeren Abstand von der Längsachse (122) der Pleuelstange (102) aufweist, als zumindest eine Außenfläche (124) des Pleuelstangenkopfes (1041) des Stangenteils (104), dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubverbindung (108) über einen Klemmteil (110) auf den Stangenteil (104) der Pleuelstange (102) einwirkt und der Klemmteil (110) eine seitliche Stützfläche (126) aufweist, über welche der Klemmteil (110) an der Außenfläche (124) des Stangenteiles (104) abgestützt ist, wobei der Klemmteil (110) und die Schraubverbindung (108) zweistückig ausgeführt sind.6. connecting rod (102) for a reciprocating piston machine, having a rod part (104) and a connecting rod bearing cover (106) detachably connected to the rod part (104) by means of at least one screw connection (108) having a screw connection (136), the screw connection (108) acts on the connecting rod (102) via a positive connection (112), the positive connection (112) being formed by a shoulder (114) and a nose (116) engaging on the shoulder (114) and the shoulder (114) a recessed holding surface (118), in which a projection (120) of the nose (116) engages, and the screw bolt (136) in the region of the connecting rod head (104 1 ) of the rod part (104) is at a greater distance from the longitudinal axis (122) of the connecting rod (102), as at least one outer surface (124) of the connecting rod head (104 1 ) of the rod part (104), characterized in that the screw connection (108) via a clamping part (110) on the rod part l (104) of the connecting rod (102) acts and the clamping part (110) has a lateral support surface (126), via which the clamping part (110) on the outer surface (124) of the rod part (104) is supported, the clamping part (110) and the screw connection (108) being made in two pieces.
7. Pleuelstange (102) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (114) durch die Pleuelstange (102) und die Nase (116) durch den Klemmteil (110) gebildet ist.7. connecting rod (102) according to claim 6, characterized in that the shoulder (114) by the connecting rod (102) and the nose (116) is formed by the clamping part (110).
8. Pleuelstange (102) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (114) durch den Stangenteil (104) gebildet ist.8. connecting rod (102) according to claim 6 or 7, characterized in that the shoulder (114) is formed by the rod part (104).
9. Pleuelstange (102) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmteil (110) eine von der Schraubverbindung (108) durchsetzte Bohrung aufweist.9. connecting rod (102) according to any one of claims 6 to 8, characterized in that the clamping part (110) has a bore through which the screw connection (108) passes.
10. Pleuelstange (102) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (111) der Schraubverbindung (108) im Wesentlichen parallel zur Längsachse (122) der Pleuelstange (102) ausgebildet ist.10. connecting rod (102) according to any one of claims 6 to 9, characterized in that the axis (111) of the screw connection (108) is formed substantially parallel to the longitudinal axis (122) of the connecting rod (102).
11. Pleuelstange (102) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stangenteil (104) der Pleuelstange (102) schraubenbut- zenlos ausgebildet ist.11. Connecting rod (102) according to one of claims 6 to 10, characterized in that the rod part (104) of the connecting rod (102) is screwless.
12. Pleuelstange (102) nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche (124) des Stangenteiles (104) im Wesentlichen parallel zur Längsachse (122) der Pleuelstange (102).12. connecting rod (102) according to any one of claims 6 to 11, characterized in that the outer surface (124) of the rod part (104) substantially parallel to the longitudinal axis (122) of the connecting rod (102).
13. Pleuelstange (102) nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche (124) zwischen dem Pleuellager (107) und der Achse (111) der Schraubverbindung (108) angeordnet ist.13. Connecting rod (102) according to one of claims 6 to 12, characterized in that the outer surface (124) between the connecting rod bearing (107) and the axis (111) of the screw connection (108) is arranged.
14. Pleuelstange (102) nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Pleuellagerdeckel (106) zumindest einen Schraubenbutzen (128) zur Aufnahme der Schraubverbindung (108) aufweist, wobei vorzugsweise der Schraubenbutzen (128) von der Trennebene (34) zwischen Pleuelstange (104) und Pleuellagerdeckel (106) beabstandet ist.14. Connecting rod (102) according to one of claims 6 to 13, characterized in that the connecting rod bearing cover (106) has at least one screw socket (128) for receiving the screw connection (108), preferably the screw socket (128) from the parting plane (34 ) between the connecting rod (104) and the connecting rod bearing cover (106).
15. Pleuelstange (102) nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmteil (110) von der Trennebene (134) zwischen Pleuelstange (102) und Pleuellagerdeckel (106) beabstandet ist.15. connecting rod (102) according to any one of claims 6 to 14, characterized in that the clamping part (110) from the parting plane (134) between the connecting rod (102) and the connecting rod bearing cover (106) is spaced.
16. Pleuelstange (102) nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubenbolzen (136) der Schraubverbindung (108) zumindest teilweise freigestellt ist. 16. Connecting rod (102) according to one of claims 6 to 15, characterized in that the screw bolt (136) of the screw connection (108) is at least partially free.
17. Pleuelstange (102) nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubenkopf (113) der Schraubverbindung (108) im Bereich des Klemmteiles (110) angeordnet ist.17. Connecting rod (102) according to one of claims 6 to 16, characterized in that the screw head (113) of the screw connection (108) is arranged in the region of the clamping part (110).
18. Pleuelstange (102) nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich zumindest einer Außenfläche (124) zwei Schraubverbindungen (108) vorgesehen sind, wobei vorzugsweise der Pleueldeckel (106) mit vier Schraubverbindungen (108) an der Pleuelstange (102) befestigt ist. 18. Connecting rod (102) according to one of claims 6 to 17, characterized in that two screw connections (108) are provided in the area of at least one outer surface (124), preferably the connecting rod cover (106) with four screw connections (108) on the connecting rod (102) is attached.
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