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Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Bei der Verbrennung von Kraftstoffen im Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine treten im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens Druckspitzen auf, die beispielsweise zu erhöhter Entstehung von Stickoxiden, inhomogener Verbrennung mit Rußentstehung und hohen mechanischen Belastungen der Brennkraftmaschine führen.
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Im Oberbegriff des Anspruchs 1 wird von einem Kolben gemäß
DE 667 002 A ausgegangen. Der in dieser Druckschrift beschriebene Kolben weist einen nach oben offenen Kolbenkörper auf, in den ein Hilfskolben eingesetzt ist, der von einer Feder gegen einen oben am Kolbenkörper angebrachten Anschlag gedrückt wird. Zwischen dem Hilfskolben und dem Kolbenkörper ist ein Hohlraum gebildet. Der Hilfskolben weist ein vom Hohlraum ausgehendes Sackloch auf, in dem ein Zündstempel geführt ist, der sich ähnlich wie die Feder an dem vom Hilfskolben abgewandten, durch den Kolbenkörper gebildeten Boden des Hohlraums abstützt. Von der Oberseite des Hilfskolbens führt ein Kanal zu einer Mündung in das Sackloch. Von der Oberseite des Zündstempels führt durch den Zündstempel hindurch ein Verbindungskanal zu einer Mündung in der Außenseite des Zündstempels. Die Anordnung ist derart, dass, wenn die Oberseite des Hilfskolbens nicht mit Druck beaufschlagt ist, der Hilfskolben am Anschlag anliegt und der Zündstempel soweit aus dem Hilfskolben vorsteht, dass der Hohlraum über den Verbindungskanal dem in der Sacköffnung über dem Zündstempel gebildeten Sackraum und den Kanal mit der Oberseite des Kolbens, d. h. dem Brennraum einer Brennkraftmaschine verbunden ist. Wenn der Kolben während eines Kompressionshubs nach oben bewegt wird, bewegt sich der Hilfskolben gegen die Kraft der Feder unter Einfluss des zunehmenden Drucks in dem Brennraum nach unten, wobei die Mündung des Verbindungskanals in die Außenseite des Zündstempels und die Mündung des Kanals in die Sackbohrung verschlossen werden, so dass in dem Sackraum befindliche Luft verdichtet wird. Kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes fluchtet die Mündung des Verbindungskanals mit der Mündung des Kanals, so dass die in dem Sackraum befindliche verdichtete Luft in die Arbeitskammer bzw. den Brennraum entweichen kann und dort eine wirbelnde Verbrennung unterstützt. Bei weiterem Druckanstieg bewegt sich der Hilfskolben weiter in den Kolbenkörper hinein, so dass die Verbindung des Sackraums mit dem Brennraum unterbrochen wird und das verbleibende Restvolumen des Sackraums einen Puffer gegen eine weitere Bewegung des Hilfskolbens in den Kolbenkörper hinein bildet. Wenn der Druck in der Brennkammer nachlässt, bewegt sich der Hilfskolben aus dem Kolbenkörper heraus bis an den Anschlag, so dass erneut eine Verbindung zwischen der Arbeitskammer, dem Sackraum und dem Hohlraum besteht und ein Druckausgleich erfolgt. Bei jedem Arbeitszyklus erfolgen somit große Bewegungsamplituden des Hilfskolbens. Die Kanäle werden in beiden Richtungen fluiddurchströmt, beim Kompressionshub in Gegenrichtung zum Ansaughub.
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Die
US 6 019 080 A beschreibt einen Kolben mit einer in die Oberseite des Kolbens eingebrachten zylindrischen Ausnehmung, in die von oben her ein Einsatzkolben eingesetzt ist. Der Einsatzkolben weist in seinem Inneren einen Ringraum auf, in dem ein Ringbauteil axial verschiebbar ist. Von dem oberen Ende des Ringraums führt ein erster Kanal zur Unterseite des Einsatzkolbens und weiter durch den Kolben hindurch zur Unterseite des Kolbens. Vom unteren Bereich des Ringraums führt ein Kanal zur Oberseite des Einsatzkolbens. In dem Kanal ist ein Absperrventil angeordnet. Während eines Ansaughubs bewegt sich das Ringbauteil in Folge seiner Trägheit an das obere Ende des Ringraums und verschließt den Kanal. Dabei wird oberhalb des Ringbauteils befindliches Fluid durch den Kanal in den Hohlraum an der Unterseite des Einsatzkolbens gedrückt. Das Absperrventil wird in Folge der Trägheit seines Absperrgliedes geöffnet, so dass Kraftstoffluftgemisch durch den Kanal in den Bereich des Ringraums unterhalb des Ringbauteils eingesaugt wird. Beim anschließenden Verdichtungshub bewegt sich das Ringbauteil in Folge seiner Trägheit zum unteren Ende des Ringraums und drückt das vorher eingeströmte Kraftstoffluftgemisch durch den Kanal und das offene Absperrventil in den Brennraum des Zylinders, wodurch eine Wirbelströmung verursacht wird. Kurz bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht, wird bei am unteren Ende des Ringraums befindlichen Ringbauteil und auch aufgrund seiner Trägheit geschlossenem Absperrventil gezündet. Wenn der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht und die Verbrennung stattfindet, bleibt das Rückschlagventil aufgrund des Verbrennungsdrucks geschlossen. Das Ringbauteil bewegt sich aufgrund seiner Trägheit nach oben im Ringraum, wobei zwischen dem Ringbauteil und dem Absperrventil ein Unterdruck entsteht. Beim anschließenden Auslasshub bewegt sich das Ringbauteil wiederum nach unten. Das Absperrventil bleibt in Folge der Massenträgheit seines Ventilgliedes geschlossen.
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Die
DE 36 37 196 A1 beschreibt einen dreiteiligen Kolben mit einem ölgekühlten Kolbenringträger, einem den Boden einer Brennraummulde bildenden Verstellkörper und einem Kolbenunterteil. Der in einer Bohrung des Kolbenringträgers angeordnete axial verstellbare Verstellkörper weist an seiner vom Brennraum abgewandten Seite einen Bund auf, der mit einer entsprechenden Ausnehmung im Kolbenringkörper zusammenwirkend eine ringförmige erste Kammer bildet. Zwischen der vom Brennraum abgewandten Stirnfläche des Verstellkörpers und dem Kolbenunterteil ist eine weitere Kammer ausgebildet. Beide Kammern werden aus dem Kolbenkühlölsystem mit Öl versorgt und ergeben in Verbindung mit Rückschlagventilen ein selbsttätiges hydraulisches Verstellsystem für den Verstellkörper. Eine Verbindung vom Brennraum zu der zwischen den Verstellkörper und dem Kolbenunterteil ausgebildeten Kammer ist nicht vorgesehen.
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Die
GB 2 223 292 A beschreibt einen mehrteiligen Kolben mit einem Unterteil und einem innerhalb des Unterteils angeordneten Oberteil, der zwischen einer angehobenen Stellung, in der ein maximales Kompressionsverhältnis erreicht wird, und einer abgesenkten Stellung verschiebbar ist, in der das Kompressionsverhältnis minimal ist. Zwischen dem Oberteil und dem Unterteil ist eine Ölkammer ausgebildet, die über ein Rückschlagventil mit einem Ölzuführsystem verbunden ist und aus der über ein Druckentlastungsventil Druck entweichen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Brennraum eines Zylinders einer Kolbenbrennkraftmaschine bei im Bereich seines oberen Totpunktes befindliche Kolben auftretende Druckspitzen zu vermeiden.
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Eine Lösung dieser Aufgabe wird mit einem Kolben gemäß dem Anspruch 1 erzielt.
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Der erfindungsgemäße Kolben wird mit den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 8 in vorteilhafter Weise weitergebildet.
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Ein Aspekt der Erfindung liegt darin, den Kolben einer Brennkraftmaschine derart auszubilden, dass sich zumindest ein Teil der dem Brennraum zugewandten Oberfläche des Kolbens beim Auftreten von hohem Druck derart relativ zur Anlenkung des Kolbens an einem Pleuel bewegt, dass das Volumen des Brennraums zunimmt und dadurch der Druck im Brennraum nicht bis zu einem Wert ansteigt, den er bei konventioneller Ausbildung des Kolbens annehmen würde.
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Die Erfindung kann für jegliche Art von Brennkraftmaschinen angewendet werden, Benzinmotoren, Dieselmotoren, Gasmotoren u. s. w.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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In den Figuren stellen dar:
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1 einen Mittelschnitt durch einen Teil eines Zylinders mit darin befindlichen Kolben, geschnitten senkrecht zu einem Kolbenbolzen und
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2 einen Mittelschnitt durch den Kolben gemäß 1, geschnitten parallel zu dem Kolbenbolzen.
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Gemäß 1 arbeitet in einem Zylinder 2 einer ein- oder mehrzylindrigen Kolbenbrennkraftmaschine ein insgesamt mit 4 bezeichneter Kolben. Der Kolben ist über ein Pleuel 6 in an sich bekannter Weise mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden. In die nach oben durch einen Zylinderkopf 8 und nach unten durch den Kolben 4 abgeschlossene Arbeitskammer 10 mündet in an sich bekannter Weise ein Einlasskanal 12 und ein Auslasskanal 14. Die Verbindung zwischen Einlasskanal 12 und Arbeitskammer 10 ist mittels eines Einlassventils 16 öffen- und schließbar. Die Verbindung zwischen dem Auslasskanal 14 und der Arbeitskammer 10 ist mittels eines Auslassventils 18 öffen- und schließbar.
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Der Kolben 4 ist mehrteilig aufgebaut und weist einen Ringteil 20 auf, dessen Außenumfangsfläche in an sich bekannter Weise längs der Innenumfangsfläche des Zylinders 2 unter Abdichtung mittels nicht dargestellter Kolbenringe bewegbar ist.
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Der Ringteil 20 enthält eine vorzugsweise zu seiner Außenumfangsfläche koaxiale Durchgangsöffnung, deren Durchmesser sich in einer Stufe 24 vermindert.
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In dem mit größeren Durchmesser ausgebildeten unteren Bereich der Durchgangsöffnung 22 ist ein Tragteil 26 des Kolbens 4 aufgenommen, das mittels eines Kolbenbolzens 28, der den Tragteil und den Ringteil 20 durchdringt, starr am Ringteil 20 befestigt ist.
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In der dargestellten Ausführungsform weist der Tragteil 26 eine zylindrische Außenwand auf, deren Außendurchmesser dem Innendurchmesser des unteren Bereiches der Durchgangsöffnung 22 entspricht, wobei zwischen der Außenwand 30 und dem Ringteil 20 ein Dichtring 32 angeordnet ist.
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Die Außenwand 30 geht über eine Bodenwand 34 in einen gemäß der Figur nach oben vorstehenden topfartigen Vorsprung 36 über, in dem der den Vorsprung 36 durchragende Kolbenbolzen 28 angeordnet ist, an dem das Pleuel 6 gelagert ist.
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In dem gemäß der Figur oberen, Endbereich der Durchgangsöffnung 22 ist ein Oberteil 38 aufgenommen, der im dargestellten Beispiel mit einer zur Arbeitskammer 10 offenen Brennraummulde 40 ausgebildet ist. Der Oberteil 38 weist eine zur Stufe 24 komplementäre Stufe 42 auf, so dass der relativ zum Ringteil 20 axial verschiebbare Oberteil 38 in seiner gemäß der Figur obersten Stellung mit der Stufe 42 an der Stufe 24 der Durchgangsöffnung 22 anliegt.
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Die Außenkontur des Oberteils 38 entspricht der Innenkontur der Durchgangsbohrung 22, wobei zur Abdichtung im Außenumfang des Oberteils 38 ein oder mehrere Kolbenringe angeordnet sind, die ähnlich wie an sich Dichtringe 39 ausgebildet sind.
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Die Höhe des Oberteils 38 ist vorzugsweise derart, dass bei in Anlage an der Stufe 24 befindlichem Oberteil 38 dessen Oberseite mit der der Oberseite des Ringteils 20 fluchtet.
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Zwischen dem Oberteil 38 und dem Tragteil 26 ist eine Druckfeder 44 angeordnet, die den Oberteil 38 weg vom Tragteil 26 drängt.
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In der dargestellten Stellung, in der der Oberteil 38 an der Stufe 24 anliegt, ist das Volumen eines Hohlraums bzw. Zwischenraums 45 zwischen dem Oberteil 38 und dem Tragteil 26 maximal.
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Von der Arbeitskammer 10 führt durch den Ringteil 20 ein Zufuhrkanal 46 in den Zwischenraum 45. In dem Zufuhrkanal 46 ist ein Rückschlagventil 48 angeordnet, das eine Strömung von der Arbeitskammer 10 in den Zwischenraum 45 zulässt und in Gegenrichtung sperrt. Von dem Zwischenraum 45 führt ein Ableitkanal 50 durch den Ringteil 20 hindurch in einen Kurbelraum 51. In dem Ableitkanal 50 ist ein Sicherheitsventil 52 angeordnet, das bei unzulässig hohem Druck in dem Zwischenraum 45 öffnet.
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Die Montage des beschriebenen mehrteiligen Kolbens ist wie folgt: In die Kanäle 46 und 50 werden in an sich bekannter Weise die Ventile 48 bzw. 52, die in ihrem Aufbau ebenfalls an sich bekannt sein können, eingebaut.
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Der Oberteil 38 wird von unten her in die Durchgangsöffnung 22 eingeschoben. Anschließend wird die Druckfeder 44 eingebracht und der Tragteil 30 eingeschoben. Der Tragteil 30 wird durch Einschieben des Kolbenbolzens 28 durch den Ringteil 20 und den Tragteil 26 hindurch starr am Ringteil 20 befestigt, wobei dabei auch das Pleuel 6 am Kolbenbolzen 28 gelagert wird.
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Die Funktion des beschriebenen mehrteiligen Kolbens ist wie folgt:
Das Volumen des Zwischenraums 45 ist in Folge der Druckfeder 44 zunächst maximal, wobei sich der Zwischenraum 45 bei offenem Rückschlagventil 48 mit Fluid füllen kann. Die Druckfeder 44 ist vorzugsweise derart bemessen, dass sich der Oberteil 38 in Folge von bei der Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens auftretenden Massenträgheitskräften nicht in Richtung auf den Tragteil 26 bewegt.
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Wenn sich der Kolben 4 bei einem Ansaughub und offenem Einlassventil 16 abwärts bewegt, bleibt das Volumen des Zwischenraums 45 maximal. Bei einem anschließenden Verdichtungshub nimmt der Druck in der Arbeitskammer zu, so dass sich der Oberteil 38 gegen die Kraft der Druckfeder 44 unter Volumenverkleinerung des Zwischenraums 45 in Richtung auf den Tragteil 26 bewegt, da der Durchschnittquerschnitt des Zulaufkanals 46 auch bei offenem Rückschlagventil 48 relativ klein ist und eine Drossel bildet, so dass ein Ausgleich der Drucke in der Arbeitskammer 10 und dem Zwischenraum 45 infolge einer Fluidströmung von der Arbeitskammer in den Zwischenraum verzögert erfolgen kann. Bei weiterer, insbesondere rascher Druckzunahme im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens oder danach in Folge der Verbrennung der Frischladung führt diese Druckzunahme zu einer weiteren Verminderung des Volumens des Zwischenraums 45, wodurch in der Arbeitskammer auftretende Druckspitzen abgebaut werden.
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Bei Kräftegleichgewicht am nicht an der Stufe 24 anliegenden Oberteil 38 gilt folgendes: pA × F = pZ × F + K(d), wobei:
- pA
- = Druck in der Arbeitskammer,
- F
- = an den Zwischenraum 45 angrenzende Fläche des Oberteils 38,
- pZ
- = Druck im Zwischenraum 45,
- K
- = Kraft der Druckfeder 44 abhängig vom Abstand d zwischen dem Oberteil 38 und dem Tragteil 26.
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Somit gilt:
pA – pZ = K(d)/F. Der Druck pA in der Arbeitskammer ist solange sich der Oberteil 38 bewegen kann und nicht an der Stufe 24 anliegt, also grundsätzlich größer als der Druck pZ im Zwischenraum, wobei die Differenz durch die Kraft der Druckfeder 44 bestimmt wird.
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Wegen der drosselnden Wirkung des Zufuhrkanals 46 erfolgt somit während einer Druckzunahme in der Arbeitskammer 10 allenfalls eine gedrosselte Einströmung des Fluids aus der Arbeitskammer 10 in den Zwischenraum 45. Sobald der Druck in der Arbeitskammer 10 abnimmt, bewegt sich der Oberteil 38 unter entsprechender Druckabnahme im Zwischenraum 45 in Richtung auf eine Anlage an der Stufe 24 zurück, wobei eine gedrosselte Einströmung von Fluid aus der Arbeitskammer in den Zwischenraum erfolgt. Sobald der Oberteil 38 an der Stufe 24 anliegt, kann das Volumen des Zwischenraums 45 in Anpassung an den gegebenenfalls weiter abnehmenden Druck in der Arbeitskammer 10 nicht weiter zunehmen, so dass der Druck in dem Zwischenraum 45 den Druck in der Arbeitskammer 10 zunehmend übersteigt und das Rückschlagventil 48 schließt, so dass der Druck in den Zwischenraum 45 erhalten bleibt.
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Insgesamt bewirkt die beschriebene mehrteilige Ausbildung des Kolbens, dass sich im Zwischenraum 45 in Folge der Druckfeder 44 und des bereits bei geringem Differenzdruck öffnenden Rückschlagventils 48 ein Druck aufbaut, der bei in Anlage an der Stufe 24 befindlichem Oberteil 38 in Folge unvermeidlicher Leckageverluste unter dem während der Verbrennung auftretenden Spitzendruck bleibt, so dass bei der Verbrennung auftretende Druckspitzen abgebaut werden und die dabei durch die Druckzunahme im Zwischenraum 45 und der Druckfeder 44 gespeicherte Energie bei dem anschließenden Druckabfall in der Arbeitskammer rückgewonnen wird. Das geometrische Kompressionsverhältnis wird nicht geändert, da der Oberteil 38 bereits nach wenigen Arbeitstakten im OT des Kolbens 4 bzw. vor Beginn der Verbrennung in Anlage an der Stufe 24 bleibt.
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Durch Abstimmung der Druckfeder 44, der für die Öffnung des Rückschlagventils 48 erforderlichen Druckdifferenz am Rückschlagventil 48, der Fläche der Stufe 24 (infolge derer die vom Druck in der Arbeitskammer 10 verursachte, den Oberteil 38 nach unten drängende Kraft bei Anlage des Oberteils 38 an der Stufe 24 plötzlich abnimmt) und der gegebenenfalls vorhandenen Leckagen aus dem Zwischenraum 45 heraus lässt sich erreichen, dass sich im Zwischenraum 45 bei Anlage des Oberteils an der Stufe 24 beispielsweise ein Druck einstellt, der etwa dem am Ende des Kompressionshubs bzw. vor Beginn der Verbrennung in der Arbeitskammer 10 herrschende Druck entspricht.
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Das Sicherheitsventil 52 ist derart dimensioniert, dass bei unzulässig hohem Druck im Zwischenraum 45, beispielsweise bei einem Druck, der sich in Folge sehr hoher Dichtigkeit des Zwischenraums 45 gegenüber der Arbeitskammer 10 oder dem Kurbelraum dem Verbrennungsspitzendruck nähert, öffnet, so dass der Druck in dem Zwischenraum 45 auf einen vorbestimmten höchstzulässigen Druck begrenzt ist.
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Der beispielhaft geschilderte Kolben kann in vielfältiger Weise abgeändert werden.
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Beispielsweise kann der Oberteil 38 starr mit dem Ringteil 20 verbunden sein und der Tragteil 26 relativ zum Ringteil 20 verschiebbar sein. Der Oberteil bildet dann zusammen mit dem Ringteil einen Kolbenkörper. Alternativ können beide, der Tragteil und der Oberteil relativ zum Ringteil verschiebbar sein.
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Der Oberteil 38 muss nicht zwingend mit einer Brennraummulde 40 ausgebildet sein, die zusammen mit der Arbeitskammer den Brennraum bildet. Eine Brennraummulde 40 ist insbesondere für Dieselmotore vorteilhaft.
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Der Ableitkanal 50 mit dem Sicherheitsventil 52 kann fehlen und das Sicherheitsventil 52 kann auch als ein Beipass zum Rückschlagventil 48 ausgebildet sein. Die Kanäle können durch den Oberteil führen. Der Ableitkanal kann in die Arbeitskammer 10 münden. Der Tragteil kann unabhängig vom Kolbenbolzen am Ringteil befestigt sein oder einteilig mit dem Ringteil ausgebildet sein, wobei der Oberteil von oben in den Ringteil eingesetzt wird und beispielsweise mittels einer in den Ringteil eingeschraubten Buchse als Anschlag im Ringteil gehalten wird.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Zylinder
- 4
- Kolben
- 6
- Pleuel
- 8
- Zylinderkopf
- 10
- Arbeitskammer
- 12
- Einlasskanal
- 14
- Auslasskanal
- 16
- Einlassventil
- 18
- Auslassventil
- 20
- Ringteil
- 22
- Durchgangsöffnung
- 24
- Stufe
- 26
- Tragteil
- 28
- Kolbenbolzen
- 30
- Außenwand
- 32
- Dichtring
- 34
- Bodenwand
- 36
- Vorsprung
- 38
- Oberteil
- 39
- Dichtring
- 40
- Brennraummulde
- 42
- Stufe
- 44
- Druckfeder
- 45
- Zwischenraum
- 46
- Zufuhrkanal
- 48
- Rückschlagventil
- 50
- Ableitkanal
- 51
- Kurbelraum
- 52
- Sicherheitsventil
