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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit einem mittels eines Verstellmechanismus veränderbaren Verdichtungsverhältnis. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit veränderbarem Verdichtungsverhältnis vorgeschlagen.
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Eine Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mittels eines Verstellmechanismus veränderbarem Verdichtungsverhältnis ist aus der
DE 10 2005 055 199 A1 bekannt. Diese Hubkolbenverbrennungskraftmaschine umfasst zumindest einen in einem Pleuel(oder Kolben-)lagerauge oder in einem Hub (oder Kurbelwellen-)lagerauge eines Pleuels angeordneten Exzenter, zur Änderung der effektiven Länge des Pleuels. Es gibt einen Verstellweg des Exzenters, entlang dessen der Exzenter mittels eines durch eine Bewegung des Pleuels hervorgerufenen, wirkenden Drehmoments bewegbar ist, und zumindest einen veränderbaren Widerstand, der auf eine Verstellbewegung des Exzenters einwirkt und eine gedämpfte Verstellbewegung des Exzenters bewirkt. Unter einer effektiven Länge des Pleuels ist hierbei zu verstehen, dass damit die resultierende Länge des Pleuels vom Auge des Kolbenbolzens zum Auge des Hubzapfen unter Grenzziehung durch die Anordnung des jeweiligen Exzenters und der darin angeordneten Bohrung für eine Hubänderung und der damit einhergehenden Änderung des Verdichtungsverhältnisses gemeint ist. Dabei ändert sich die effektive Länge des Pleuels durch die Lageänderung des Exzenters. Diese Lageänderung des Exzenters bewirkt eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Abstandes zwischen einem Kolben und einem Zylinderkopf. Der Verstellweg des Exzenters ist vorzugsweise übereinstimmend mit demjenigen Weg, der sich auf Grund einer Drehung des Exzenters ergibt. Der Exzenter ist dazu vorzugsweise drehbar gelagert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Aufwand zur Herstellung einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine, bei der eine effektive Länge eines Pleuels einstellbar veränderbar ist, zu verringern.
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Diese Aufgabe wird mit einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 wie mit einem Verfahren zur Veränderung eines einstellbaren Verdichtungsverhältnisses in einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen wie auch aus der Beschreibung hervor. Die vorgeschlagenen unabhängigen Ansprüche definieren verschiedene Varianten der Erfindung, ohne diese jedoch darauf zu beschränken. Vielmehr können ein oder mehr Merkmale aus den jeweiligen unabhängigen wie auch abhängigen Ansprüchen durch ein oder mehrere Merkmale aus der Beschreibung wie auch aus den anderen Ansprüchen ergänzt und/oder ersetzt werden wie auch ein oder mehrere Merkmale aus den jeweiligen Ansprüchen gestrichen werden können.
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Es wird eine Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit zumindest einem einstellbar veränderbaren Verdichtungsverhältnis mittels eines Verstellmechanismus, der zumindest einen in einem Pleuellagerauge oder in einem Hublagerauge eines Pleuels angeordneten Exzenter zur Änderung einer effektiven Länge des Pleuels und damit zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses umfasst, einen Verstellweg des (Verdichtungsverhältnisveränderungs-)Exzenters, entlang dessen der Exzenter mittels eines über ein Gestänge wirkendes Drehmoment bewegbar ist, mit einem Verstellzylinder, der mit dem Gestänge gekoppelt ist, wobei das Gestänge eine Verbindung zwischen einem Verstellzylinder und dem Exzenter schafft, wobei der Verstellzylinder der einzige Verstellzylinder für den Exzenter ist und einen doppelseitig wirkenden Kolben aufweist, der von zwei Seiten fluidbeaufschlagt ist. Erfindungsgemäß erfolgt die Verstellung passiv, indem durch selektives Freigeben und/oder Verschließen der Zylinderkammern beidseitig des Kolbens eine richtungsselektive Verstellfreigabe des Exzenters erfolgt, wenn die Hubkolbenverbrennungskraftmaschine in Betrieb ist. Dafür sorgen die gasseitigen und trägheitsmasseseitigen Kräfte, die auf den Kolben bei dessen Hubbewegung einwirken.
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Durch Verwendung von nunmehr nur noch einem einzigen Verstellzylinder ist der notwendige Aufwand zur Herstellung sehr viel geringer. Darüber verringert sich die Anzahl der benötigten Bauteile, um das Pleuel zusammensetzen zu können. Ein weiterer Vorteil der Nutzung eines einzigen Verstellzylinders mit einem doppelt beaufschlagten Kolben ist die Möglichkeit, eine Verstellung des Exzenters und damit die Änderung des Verdichtungsverhältnisses in diskreten Schritten wie auch über den gesamten Verstellweg ermöglichen zu können.
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Bevorzugt weist die Hubkolbenverbrennungskraftmaschine eine Ausgestaltung hinsichtlich des Pleuels auf, bei dem das Gestänge zumindest einen Anlenkpunkt am Exzenter, ein Zwischengelenk und einen Anlenkpunkt am Verstellzylinder aufweist. Durch einen geringen Winkelbereich, über den der Anlenkpunkt am Exzenter sich sodann bewegt, werden die im Bereich des Verstellzylinders auftretenden seitlichen Bewegungen des Gestänges zu der eigentlichen axialen Bewegung des Gestänges nur sehr gering. Es hat sich herausgestellt, dass diese seitliche Bewegung derart gering ist, dass mittels einer elastischen Dichtung um die Gestängestange im Verstellzylinder ein doppelt beaufschlagter Kolben auch dauerhaft realisiert werden kann. Der Kolben sollte dabei ballige bzw. kugelförmige Außenflächen aufweisen, über die er an der Zylinderinnenwand ggf. mittels eines Dichtungselements dichtend anliegt.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der doppelseitig wirkende Kolben an jeder Seite mit einer Flüssigkeit beaufschlagt ist. Vorzugsweise wird an jeder Seite der Kolben mit Öl beaufschlagt, wie es zum Beispiel zur Schmierung dem Pleuel zugeführt wird.
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Die starre Kolbenstange des (Stütz-)Kolbens bewegt sich bei Verstellung des Exzenters linear. Dabei verändert sich der Abstand zwischen Kolbenstange und Exzenter, wobei dieser Versatz kinematisch ausgeglichen werden sollte. Dies kann durch einen (Zwischen-)Lenker zwischen Kolbenstange und Exzenter, eine Bolzen-Langlochverbindung zwischen Kolbenstange und Exzenter oder aber auch durch eine Exzenter-Verbindung zwischen der Kolbenstange und dem Exzenter erfolgen. Diese kinematischen Lösungen dienen sämtlich dazu, auf die Kolbenstange wirkende Quermomente zu vermeiden bzw. zu minimieren.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der doppelseitig wirkende Kolben zumindest auf einer Seite mit einem gasförmigen Fluid beaufschlagt ist. Dieses erlaubt zum Beispiel, dass das gasförmige Fluid auf einer Seite des Kolbens durchaus zusammengepresst werden kann und dadurch einen Puffer bildet. Wird zum Beispiel diese Seite des doppelt beaufschlagten Kolbens im Verstellzylinder abgesperrt, verhindert das gasförmige Fluid ein Aufschlagen des Kolbens auf einem Endanschlag.
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Weiterhin bevorzugt ist es, wenn der doppelseitig wirkende Kolben zumindest auf beiden Seiten jeweils einer Druckkraft ausgesetzt ist. Durch ein Einstellen einer Druckdifferenz über den Kolben im Verstellzylinder lässt sich damit die Bewegungsrichtung des Exzenters einstellen. Bevorzugt wird über die Druckdifferenz auch der Bewegungsbeginn initiiert, zum Beispiel durch ein Überwinden von Haltekräften des Kolbens im Verstellzylinder, insbesondere nach Lösen einer eventuell ansonsten vorgesehenen Sperre. Wird sodann die Druckdifferenz derart fein eingestellt, dass ein Beharrungsvermögen in einer Position durch zum Beispiel wirkende Reibungskräfte unter anderem auf das Gestänge und den Exzenter höher als die wirkende Druckdifferenz wird, verbleibt der Kolben in einer Position im Verstellzylinder und ein gewünschtes Verdichtungsverhältnis kann auf diese Weise eingestellt sein.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht wiederum vor, dass der doppelseitig wirkende Kolben zumindest auf einer Seite einer Saugkraft ausgesetzt ist. Die Saugkraft kann zum Beispiel dadurch entstehen, dass auf einer Seite im Verstellzylinder ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit abgesaugt wird, zum Beispiel durch einen Pumpeneffekt. So kann beispielsweise im Verstellzylinder zu verschiedenen Zeitpunkten jeweils eine andere Kraft auf den doppelseitig wirkenden Kolben einwirken, auch mit unterschiedlichen Vorzeichen, d.h. als Druck- oder auch als Saugkraft.
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Weiterhin wird bevorzugt ausgenutzt, dass am Pleuel aufgrund der Umdrehung über die Kurbelwelle Masse- bzw. Gaskräfte wirken. Diese wirken ebenfalls auf den Kolben ein und sind in der Lage, eine Bewegung des Exzenters zumindest in eine Richtung zu initiieren. Prinzipiell lassen sich bei einem einzelnen Verstellzylinder die Effekte bezüglich entgegengesetzter Wirkung von Gaskraft und Massekraft ausnutzen, um darüber eine Bewegung in die eine wie auch in die andere Richtung zu initiieren.
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Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest ein veränderbarer Dämpfungswiderstand vorgesehen ist, der auf eine Verstellbewegung des Exzenters einwirkt und zumindest eine gedämpfte Verstellbewegung des Exzenters bewirkt. Der Widerstand kann in einer der Fluidleitungen angeordnet sein, die in Fluidverbindung mit dem doppelseitig wirkendem Kolben ist. Es kann sich um einen Schieber, ein Ventil oder sonstiges handeln, was zum Beispiel eine Änderung eines Leitungsquerschnitts erlaubt. Auch kann die der Widerstand beispielweise durch einen elastischen Puffer gebildet werden, der beispielweise entlang eines Verstellwegs des Exzenters oder des Kolbens im Verstellzylinder angeordnet ist.
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Weiterhin ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass der Verstellmechanismus als Einfachzyklusstellmechanismus nutzbar ist.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Verstellmechanismus als Mehrfachzyklusstellmechanismus nutzbar ist.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Verstellmechanismus zwischen einem Einfachzyklusstellmechanismus und einem Mehrfachzyklusstellmechanismus wechseln kann. Hierfür kann zum Beispiel vorgesehen werden, dass verschiedene Mechanismen ausgewählt und genutzt werden können, um den Kolben zu bewegen. Das kann die Nutzung von Masse- und Gaskraft sein wie auch alternativ bzw. ergänzend zum Beispiel die Nutzung eines Öldrucks.
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Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Verstellmechanismus eine Zwischenstellung zur Einstellung eines zwischen dem minimalen und dem maximalen Verdichtungsverhältnisses liegenden Zwischenverdichtungsverhältnisses ermöglicht.
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Des Weiteren wird gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung, der in Verknüpfung mit dem Gedanken bezüglich der Hubkolbenverbrennungskraftmaschine aber auch unabhängig davon sein, ein Verfahren zur Veränderung eines einstellbaren Verdichtungsverhältnisses in einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, mit einem Pleuel eines Hubkolbens, welches an einem Ende ein Pleuellagerauge und an einem anderem Ende ein Hubzapfenlagerauge umfasst, und wobei zumindest ein im Hubzapfenlagerauge oder im Pleuellagerauge gelagerter Exzenter sich dreht und dabei die effektive Länge des Pleuels ändert, wobei eine Drehung des Exzenters über eine Verstellung eines doppelt wirkenden Kolbens eines einzigen Verstellzylinders am Pleuels erfolgt, wobei auf den Kolben eine veränderbare Druckdifferenz einwirkt, deren Änderung eine Richtungsänderung einer Bewegung des Exzenters bewirkt.
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So kann gemäß einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass über eine mit dem Exzenter gekoppelte Wirkverbindung mittels einer Einleitung einer ersten Schubkraft in ein erstes Dämpfungsvolumen oder mittels einer Einleitung einer zweiten Schubkraft in ein zweites Dämpfungsvolumen eine gedämpfte Bewegung des Exzenters in eine erste oder in eine zweite Endstellung unter Änderung des Verdichtungsverhältnisses erzeugt wird.
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Das erste und das zweite Dämpfungsvolumen können zum Beispiel in dem Verstellzylinder angeordnet sein, beispielweise in einem jeweiligen Endbereich des Verstellzylinders einander gegenüberliegend. Eine weitere Ausgestaltung kann beispielsweise den Aufbau des Kolbens betreffen. Der Kolben kann zum Beispiel einen ersten Teilkolben und einen zweiten Teilkolben aufweisen, die miteinander verbunden sind. So kann beispielsweise an jedem der Teilkolben ein entsprechendes Dämpfungsvolumen angeordnet sein.
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Des Weiteren ist beispielsweise vorgesehen, dass eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses in einem Bereich zwischen 43 Grad Kurbelwinkel vor UT und 48 Grad Kurbelwinkel nach UT zumindest initiiert wird. Dieser beispielhaft genannte Bereich ist vorzugsweise für einen Reihenmotor vorgesehen. Sofern die Hubkolbenverbrennungskraftmaschine einen anderen Aufbau aufweist, zum Beispiel ein V-Motor ist, sind andere Bereiche bevorzugt.
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Bevorzugt wird, wenn eine Aktivierung einer Änderung des Verdichtungsverhältnisses von einer Steuerung auf das Pleuel mechanisch übertragen wird. Dieses erlaubt, beispielsweise auf elektrische oder elektronische Aktuatoren verzichten zu können. Durch die mechanische Übertragung ist es insbesondere auch möglich, derartiges in einem Öl führenden Bereich anordnen zu können, zum Beispiel im Inneren des Motorgehäuses.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Regelung zur Einstellung einer Position des Exzenters ausgeführt wird. Hierbei kann zum Beispiel über eine Detektierung einer Position des Kolbens oder auch eines Teils des Gestänges zumindest eine Steuerung, insbesondere auch ein Regelkreis aufgesetzt werden.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass zwischen einer Betätigung des Exzenters in einem Einfachzyklus auf eine Betätigung in einem Mehrfachzyklus oder umgekehrt umgeschaltet wird. In einem Einfachzyklus erfolgt die Verstellung des Kolbens in einem Zug. In einem Mehrfachzyklus erfolgt die Verstellung des Kolbens über mehrere Schritte über mehrere Zyklen. Ein Zyklus ist hierbei als ein Durchlauf eines Kolbens durch die verschiedenen Abschnitte wie Verdichtung, Expansion etc. aufzufassen. Bei einem 4-Takt-Zyklus wie dem Otto- oder dem Diesel-Prozess umfasst der Zyklus somit 4 Abschnitte, die durchlaufen werden. Während die Verstellung im Einfachzyklus sehrt zügig erfolgt, dafür aber höhere Beschleunigungswerte mit sich bringen mag, ist die Verstellung über mehrere Zyklen dann bevorzugt, wenn der Exzenter über einen größeren Winkelbereich zu verstellen ist. Für kleinere Verstellungen wird bevorzugt der Einfachzyklus gewählt. Die Art der Verstellung wird über ein Steuergerät ermittelt. Das Steuergerät hat vorzugsweise eine Information über die aktuelle Position des Kolbens. Es kann im Steuergerät aber auch eine andere Information vorliegen, über die auf das Verdichtungsverhältnis geschlossen werden kann. Ist über die anzustrebende Sollverdichtung die Sollposition von zum Beispiel ohne dem Brennraumkolben im Zylinder in OT bekannt, kann dann das Steuergerät entscheiden, in welcher Weise die Sollposition eingenommen wird. Das kann beispielsweise vom Ist-Lastpunkt wie auch vom Soll-Lastpunkt abhängen.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass eine kontinuierliche Betätigung des Exzenters erfolgt. Wiederum besteht die Möglichkeit, dass eine diskontinuierliche Betätigung des Exzenters erfolgt. Bei einer kontinuierlichen Betätigung des Exzenters wird dieser bei jeder Betriebspunktänderung der Hubkolbenverbrennungskraftmaschine entsprechend eingestellt, zum Beispiel nachgeführt oder vorab eingestellt, um das Verdichtungsverhältnis an einen neuen Betriebspunkt anzupassen. Eine diskontinuierliche Betätigung bedeutet, dass geprüft wird, ob denn überhaupt ein Schwellwert in Bezug auf eine Abweichung zwischen Ist- und Soll-Verdichtungsverhältnis überschritten ist und erst dann eine Anpassung in Form zum Beispiel einer Nachführung erfolgt.
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Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird eine VCR-Kolbenmaschine mit einem Pleuel vorgeschlagen, wobei das Pleuel einen Verdichtungskolben aufweist. Das Pleuel weist einen Verstellmechanismus zur Verstellung des Verdichtungskolbens auf. Der Verstellmechanismus weist den einzigen Stützkolben in dem einzigen Stützzylinder des Pleuels auf, wobei der Stützzylinder mit einer ersten Steuerleitung verbunden ist, über die ein Medium in den Stützzylinder ein- und ausfließt zum Verstellen des Stützkolbens, wobei in dem Stützzylinder zumindest eine weitere, zweite Steuerleitung zum zumindest Abfließen des Mediums zum Verstellen des Stützkolbens mündet.
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Bevorzugt ist die erste Steuerleitung in einem Boden des Stützzylinders mündend, so dass ein Medium in wie auch aus dem Stützzylinder über diesen Zubzw. Abfluss strömen kann. Hierzu kann die VCR-Kolbenmaschine beispielsweise ausgestaltet sein, wie es jeweils beispielweise aus der
DE 10 2005 055 199 A1 , der
DE 10 2011 056 298 A1 , der
DE 10 2012 014 917 A1 , der
DE 10 2011 108 790 A1 , der
DE 10 2010 061 360 A1 , der
DE 10 2010 061 359 A1 , der
DE 10 2010 061 361 A1 und/oder der
DE 10 2008 005 467 A1 hervorgeht, auf die im Rahmen der Offenbarung hinsichtlich des möglichen Aufbaus des Pleuels mit exzentrischer Verstellung des Verdichtungskolbens, des Verstellmechanismus und des Stützzylinders bzw. Stützkolbens und dessen Betätigung hingewiesen wird. Zu beachten ist hierbei, dass die dort gezeigten zwei Stützzylinder und deren jeweilige Funktion nunmehr erfindungsgemäß in einer einzigen (Stütz-)Kolben-/(Stütz-)Zylindereinheit mit einem (einzigen) Stützzylinder und einem einzigen Stützkolben, der beidseitig wirkt, zusammen gefasst sind.
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Die Nutzung eines einzigen Stützzylinders ermöglicht nicht nur eine zweistufige Verstellung sondern ausgehend von einem zweistufig längenvariablen Pleuel eine Erweiterung um zumindest eine weitere Stufe oder aber der Einrichtung einer stufenlosen Verstellung. Die weitere Stufe kann beispielswiese über mindestens eine zusätzliche zweite Steuerleitung realisiert werden, welche anders als die erste Steuerleitung für ein zweistufiges System, die bevorzugt an einem Boden eines Stützkolbens mündet, bevorzugt seitlich in den Stützzylinder mündet, bevorzugt in einem Hubbereich des Stützzylinders angeordnet werden kann. Eine Weiterbildung sieht vor, dass bei der VCR-Kolbenmaschine die zweite Steuerleitung entlang eines Verfahrwegs des zugeordneten Stützkolbens in den Stützzylinder mündet. Die Unterkante des Stützkolbens im Stützzylinder kann dabei als Steuerkante verwendet werden. Durch diese geometrieabhängige Steuerung der Sperrung des Stützzylinders kann gemäß einer Ausgestaltung eine aufwendige Regelung des Systems durch Aktuatoren entfallen. Durch die Anordnung von mindestens einer zusätzlichen Steuerleitung, beispielsweise einer zweiten Steuerleitung in einem zum Boden mit der ersten Steuerleitung entgegengesetzten Endbereich des Stützzylinders, vorzugsweise einer dritten Steuerleitung beispielsweise in einem Hubbereich des Stützzylinders, ber den eine Massenkraft abgestützt wird, wird beispielweise eine sich selbst regelnde Funktion des Systems erreicht. Eine Umschaltung der Längenstufen, d.h. der jeweiligen Position des Verdichtungskolbens erfolgt bevorzugt über einen Schalter, welcher beispielweise wahlweise immer nur eine Steuerleitung entsperrt und alle anderen Steuerleitungen sperrt.
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Die Steuerleitungen können jeweils in Form von Bohrungen in das Pleuel eingebracht werden. Auch kann das Pleuel bei der Herstellung, zum Beispiel Gießen, die Bohrungen als Kanäle vorgegeben aufweisen. Auch ein nachträgliches Fertigen der Steuerleitungen ist möglich. Durch weitere Herstellungsverfahren wie zum Beispiel Sintern, 3-D-Drucken und anderen Verfahren können die Steuerungsleitungen ebenfalls innerhalb des Pleuels angeordnet sein. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass ein Teil der Steuerleitung am Pleuel angeordnet ist, beispielsweise als eine Leitung, die am Pleuel außen angeordnet ist. Hierbei kann es sich um eine nachträglich anzubringende Leitung wie auch um eine integriert gefertigte Leitung handeln.
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Eine weitere Ausgestaltung der VCR-Kolbenmaschine sieht vor, dass der Stützzylinder jeweils zumindest zwei Steuerleitungen zum Ein- und Abfließen des jeweiligen Mediums in einem jeweiligen Stützzylinderteil einmünden lässt. Der Stützzylinder ist hierzu zum Beispiel durch den bewegbaren Kolben in zwei Teilstützzylinder unterteilt. Die Unterteilung des Stützzylinders zum Beispiel durch den zugelassenen Verstellweg des Kolbens erlaubt die Betrachtung auch von zwei Teilstützzylindern, nämlich jede Seite des doppelseitig wirkenden Kolbens bildet einen Teilstützzylinder. Bevorzugt ist in jedem Teilstützzylinder zumindest eine erste und davon getrennt eine zweite Steuerleitung einmündend. Erste und zweite Steuerleitung sind sodann bevorzugt außerhalb eines Verfahrwegs des Stützkolbens angeordnet. Weiterhin bevorzugt ist zumindest eine weitere Steuerleitung entlang eines Verfahrwegs des Steuerkolbens angeordnet. Beispielweise ist die erste Steuerleitung in dem einen Teilstützzylinder in einem Bodenbereich des Steuerkolbens angeordnet, während die zumindest eine zweite Steuerleitung gegenüberliegend angeordnet getrennt vom Stützkolben mündet. Entlang des Verfahrwegs des Stützkolbens können ein oder mehrere dritte Steuerleitungen angeordnet sein. Bevorzugt ist die dritte Steuerleitung seitlich in dem Stützzylinder auf einer Höhe einmündend, die in einem Bereich zwischen einem Drittel und zwei Drittel des Verfahrwegs des Stützkolbens liegt. Sind zwei dritte Steuerleitungen seitlich in den Stützzylinder einmündend, ist eine der beiden Steuerleitungen zum Beispiel in einem Bereich umfassend eine erste Hälfte de Verfahrwegs und die andere in einem Bereich umfassend eine zweite Hälfte des Verfahrwegs in den Stützzylinder einmündend. Sind mehr als zwei dritte Steuerleitungen seitlich in den Stützzylinder einmündend, sind diese gemäß einer Ausgestaltung äquidistant entlang des Verfahrwegs angeordnet. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass diese mit jeweils verschiedenem Abstand zueinander entlang des Verfahrwegs in den Stützzylinder seitlich einmünden. Auf diese Weise kann zum Beispiel eine vieroder mehrstufige Verstellung des Verdichtungskolbens erzielt werden. Bevorzugt ist es, wenn im Bereich desjenigen Teilstützzylinders, der die Massekraft abstützt, zumindest eine Steuerleitung mehr einmündet ist als im anderen Teilstützzylinder.
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Bevorzugt ist es, wenn die VCR-Kolbenmaschine derart aufgebaut ist, dass der Stützkolben in dem Stützzylinder die dritte Steuerleitung öffnet oder versperrt. Dadurch kann der Stützkolben mit einer Kante nicht nur als Steuerkolben dienen. Vielmehr ermöglicht dieses neben einem vollständigen Öffnen wie auch einem vollständigen Schließen der seitlichen Einmündung auch das nur teilweise Öffnen bzw. Schließen einer seitlich einmündenden Steuerleitung.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die VCR-Kolbenmaschine einen Schalter aufweist, der in Verbindung mit der zweiten oder der dritten Steuerleitung steht, wobei mittels des Schalters die Steuerleitung offen oder geschlossen wird. Dieser Schalter ist bevorzugt Bestandteil des Verstellmechanismus und insbesondere bevorzugt am bzw. im Pleuel angeordnet. Gemäß einer Ausgestaltung ist der Schalter in der Lage, einen Zufluss bzw. einen Abfluss des Mediums, insbesondere von Öl der Kolbenmaschine, in bzw. aus dem jeweiligen Stützzylinder zu ermöglichen bzw. zu unterbinden. Bevorzugt wird als Schalter ein Mehr-Wege-Ventil eingesetzt, worüber zum Beispiel gleichzeitig mehrere Steuerleitungen geschaltet werden können. Das Ventilsystem kann beispielweise ein 3/2-, ein 3/3-, ein 4/2 oder auch ein 4/3-Wegeventil umfassen, insbesondere ein Ventilsystem, wie es aus der
DE 10 2012 020 999 hervorgeht, auf die im Rahmen der Offenbarung diesbezüglich Bezug genommen wird. So kann zum Beispiel ein einziger Schalter vorgesehen sein, der je nach Position dafür Sorge trägt, dass in den Stützzylinder bzw. den Teilstützzylindern das jeweilige Medium ein- oder abfließt. Insbesondere ist der Schalter in der Lage, eine Zwischenstellung des exzentrisch verstellbaren Verdichtungskolbens durch Aktivierung oder Deaktivierung einer Steuerleitung zu erzielen, die seitlich in einen der Stützzylinder mündet.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die VCR-Kolbenmaschine den Schalter in einer Aktuierungseinheit eingebettet aufweist, die eine unabhängige Aktuierung des Schalters für die zweite bzw. dritte Steuerleitung gegenüber einem Sperren oder Freigeben der ersten Steuerleitung vorsieht.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die VCR-Kolbenmaschine den Schalter in eine Aktuierungseinheit eingebettet aufweist, die eine voneinander abhängige Aktuierung zum Öffnen und Sperren von jeweils erster und zweiter bzw. dritter Steuerleitung vorsieht, insbesondere auch für jeden Teilstützzylinder.
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Bevorzugt ist es, wenn die VCR-Kolbenmaschine eine Steuereinheit vorgesehen hat, die jeweils ein Öffnen und ein Schließen von jeweils erster und zumindest zweiter bzw. dritter Steuerleitung koordiniert, um verschiedene Verdichtungsverhältnisse einzustellen.
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Die
DE 10 2012 014 918 wie auch die
DE 10 2012 020 999 beschreiben jeweils VCR-Systeme bzw. Aktuierungseinheiten, mittels denen die mechanische Aktuierung für einen VCR Motor ermöglicht ist. Auf diese beiden Anmeldungen wird bezüglich des Pleuels, seiner Funktion mit dem verstellbaren Verdichtungskolben, bezüglich des Verstellsystems wie auch der Aktuierungseinheit im Rahmen der Offenbarung der hier vorgeschlagenen Erfindung vollständig Bezug genommen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den nachfolgenden Figuren hervor. Die aus den Figuren hervorgehenden Merkmale sind jedoch nicht auf die einzelne Ausgestaltung beschränkt. Vielmehr können ein oder mehrere Merkmale aus ein oder mehreren Ausgestaltungen untereinander wie aber auch mit Merkmalen aus der obigen allgemeinen Beschreibung zu weiteren Ausgestaltungen der Erfindung verknüpft werden. Daher dienen die folgenden Ausgestaltungen zur Veranschaulichung von verschiedenen Möglichkeiten und Aspekten der Erfindung, ohne aber diese auf diese Ausgestaltungen beschränken zu wollen. Es zeigen:
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1 und 2 schematische Darstellungen eines Pleuels mit einer einzigen Stützkolben-/Zylindereinheit in zwei Verstellpositionen des das Pleuel mit dem Verdichtungskolben koppelnden Exzenters,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verstellmechanismus mit lediglich einer einzigen Stützkolben-/Zylindereinheit,
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4 eine erste Ausgestaltung einer möglichen Stützkolben-/Zylindereinheit,
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5 eine zweite Ausgestaltung einer möglichen Stützkolben-/Zylindereinheit und
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6 eine weitere Ausgestaltung einer möglichen Stützkolben-/Zylindereinheit.
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1 zeigt in schematischer Ansicht ein Pleuel 1 mit einem exzentrisch verstellbaren Verdichtungskolben 2. Ein Exzenter 3 ist mit einer einzigen Stützkolben-/Zylindereinheit 4 gekoppelt, die einen Stützzylinder 5 in dem Pleuel 1 mit einem doppelseitig wirkenden Stützkolben 6 aufweist. Durch die Verbindung des Stützkolbens 6 über ein Gestänge 7 aus Kolbenstange 8 und Lenker 9 mit dem Exzenter 3 wird der Verdichtungskolben 2 relativ zum Pleuel 1 verstellt und damit das Verdichtungsverhältnis des zugehörigen Zylinders geändert. Der Stützkolben 6 ist in der Lage, Kräfte abzufedern, die über das Gestänge 7 vom Verdichtungskolben 2 stammend über den Exzenter 3 auf ihn einwirken. Dazu weist bei der dargestellten Ausgestaltung das Gestänge 7 zumindest einen ersten Anlenkpunkt 10 am Exzenter 3, den (Zwischen-)Lenker 9 und einen zweiten Anlenkpunkt 11 am Stützkolben 6 auf. Durch einen geringen Winkelbereich, über den der erste Anlenkpunkt 10 am Exzenter 3 sich sodann bewegt, sind die im Bereich des Stützzylinders 5 auftretenden seitlichen Bewegungen des Gestänges 7 zu der eigentlichen axialen Bewegung der Kolbenstange 8 nur sehr gering. Es hat sich herausgestellt, dass diese seitliche Bewegung derart gering ist, dass mittels einer Dichtung 12, vorzugsweise einer elastischen Dichtung um die Stützkolbenstange 8 im Stützzylinder 5 als Verstellzylinder für das Verdichtungsverhältnis der doppelt beaufschlagte einzige Stützkolben 6 auch dauerhaft funktionstüchtig realisiert werden kann. 2 zeigt das Pleuel nach 1 mit einer anderen Exzenterverdrehposition.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist der zweite Anlenkpunkt 11 am Stützkolben 6 starr; das bedeutet, dass der Stützkolben 6 und der Lenker 9 fest sind, d. h. nicht gelenkig miteinander verbunden sind (siehe die Kopplung von Kolbenstange und Exzenter nach 3, in der die Kolbenstange 8 über eine Bolzen-Langloch-Verbindung 13 mit dem Exzenter 3 gekoppelt ist, bzw. 3a, in der die Kopplung von Kolbenstange 8 und Exzenter 3 durch eine Exzenter-Verbindung erfolgt, indem ein Verbindungsbolzen zwischen Kolbenstange 8 und Exzenter 3 exzentrisch am Exzenter 3 gelagert ist). In all diesen Fällen wird für die kinematische Kompensation des Versatzes von Kolbenstange 8 und Exzenter 3 bei der Verstellung des Exzenters 3 und damit bei Veränderung der effektiven Länge des Pleuels gesorgt.
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Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass zwischen dem Stützkolben 6 und der Kolbenstange 8 eine Bewegung, insbesondere eine Drehbewegung möglich ist. Dadurch kann der Winkeleinfluss durch die Drehung des Exzenters 3 insbesondere bezüglich der Reibung der Kolbenstange 8 entlang der Dichtung 12 minimiert werden.
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Des Weiteren besteht über die schematisch dargestellten Ventile
14,
15 die Möglichkeit, über Öffnungen
16,
17 einen Zu- wie auch einen Abfluss von Fluid (Gas und/oder Flüssigkeit) in den Stützzylinder
5 bzw. in die Zylinder-Teilkammern
18,
19 beidseitig des Stützkolbens
6 zu beeinflussen. Hinsichtlich eines in den Boden des Stützzylinders
5 mündenden Ventils geht beispielsweise eine mögliche Ausgestaltung aus der
DE 10 2005 055 199 A1 hervor, auf die im Rahmen der Offenbarung verwiesen wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann eine aufwendige Regelung des Systems mittels eines oder mehrerer Aktuatoren zwar vorgesehen sein, aber vorzugsweise vermieden werden. Vorzugsweise kann die vorgeschlagene Lösung dazu verwendet werden, um wirkende Kräfte und Momente am System ausnutzen zu können, wie nachfolgend verdeutlicht wird.
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Die untenliegende Zylinder-/Teilkammer 19 übernimmt die Abstützung der aus den Gaskräften resultierenden Momenten, während die darüber liegende, obere Zylinder-/Teilkammer 18 aus den Trägheitsmassenkräften resultierende Momente aufnimmt. Nachfolgend werden die beiden Zylinder-/Teilkammern 18, 19 des Stützzylinders 5 daher "GKS", (GasKraftSeite) und "MKS"(MassenKraftSeite) genannt. Beide Zylinder-/Teilkammern 18, 19 können bei Bedarf vom Kurbelwellen- oder Hublager mit Öl gefüllt werden, wobei ein jeder Zylinder-/Teilkammer 18, 19 zugeordnetes Ventil, vorzugsweise Rückschlagventil ein Abfließen des Öls verhindert. Über zum Beispiel ein 3/2-Wege Schaltventil lassen sich wahlweise die GKS- bzw. die MKS-Kammer 19, 18 öffnen. Diese Kombination aus Ventilen, insbesondere Rückschlagventilen und Schaltventilen bildet einen hydraulischen Freilauf, dessen Laufrichtung wählbar ist. Im Falle der gewählten Stellung eines hohen Verdichtungsverhältnisses, auch "ε_high" genannt, stützen sich die auf den Exzenter mathematisch positiv wirkenden Momente auf der Ölsäule der GKS-Kammer 19 ab. Die aus den Massenkräften herrührenden mathematisch negativ wirkenden Momente werden in dieser Stellung über einen direkten, mechanischen Anschlagkontakt des Stützkolbens 6 auf das Pleuel 1 übertragen. In der Stellung eines niedriges Verdichtungsverhältnisses, abgekürzt "ε_low", sind die Verhältnisse vertauscht. Ein positiver Nebeneffekt der Stellung "ε_low" ist, dass die in dieser Stellung üblicherweise höheren Gaskräfte sich nun nicht mehr auf der Ölsäule abstützen und so der Öldruck in der Zylinder-/Teilkammer auf einem niedrigeren Niveau bleibt.
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Für ein 3-Punkt-Pleuel bzw. Mehrpunkt-Pleuel (d. h. ein Pleuel mit Einnahme einer von drei bzw. noch mehr Verdrehstellungen durch den Exzenter) sind entsprechend der zusätzlich einstellbaren Verdichtungsstufen in einer Weiterbildung auch zusätzliche Zwischenstellungen möglich. Die Summe aus Zwischenstellungen und Endstellungen können der Anzahl der Verdichtungsstufen und damit der Anzahl der Steuerleitungen und Steuerkanäle entsprechen, wobei ein Schalter, vorzugsweis ein mechanischer Schalter, in jeder der Stellungen vorzugsweise genau einen Steuerkanal bzw. eine Steuerleitung entweder selber freigeben oder über ein Ventil öffnet und die anderen Steuerkanäle bzw. Steuerleitungen verschließt.
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Das Sperren der jeweiligen Steuerkanäle bzw. Steuerleitungen kann beispielsweise durch einen mechanischen Schalter erfolgen. Der mechanische Schalter kann dabei den in der
DE 10 2005 055 199 A1 gezeigten und in der
DE 10 2012 014 918.2 beschriebenen Funktionsweisen weitestgehend entsprechend. Alternativ zur mechanischen Betätigung des mechanischen Schalters sind auch hydraulische Schalter, die beispielsweise über Druckpulse gesteuert werden, sowie jede andere Art von Schalter denkbar, solange sie die oben beschriebene notwendige Anzahl an Schaltstellungen zur Verfügung stellen können.
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4 zeigt den Stützzylinder 5 aus den 1 bis 3 in einer vergrößerten Darstellung. Wie durch die Pfeile angedeutet, fließt aus der oberen Zylinder-/Teilkammer 18 ein Fluid aus, während in der unteren Zylinder-/Teilkammer 19 ein Fluid eintritt. Der Stützkolben 6 bewegt sich in Richtung des Exzenters 3 und die Verdichtung wird bei der Drehung desselben im zugehörigen Brennraumzylinder erhöht. Dargestellt ist die Änderung der Verdichtung als Δε. Über das Gestänge 7 und den Exzenter 3 umgesetzt, führt sie dann zu einer Verdichtungsänderung am Verdichtungskolben 2 in entsprechender Übersetzung.
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5 zeigt den Stützzylinder 5 aus 4 mit umgekehrter Zu- und Abflusssituation in den Zylinder-/Teilkammern 18, 19. Während nunmehr aus der unteren Zylinder-/Teilkammer 19 das Fluid entweicht, gelangt Fluid in die obere Zylinder-/Teilkammer 18 hinein. Dadurch kann über das Gestänge 7 der Exzenter 3 seine Drehbewegung ausführen und den Verdichtungskolben 2 zum Beispiel in eine Position geringerer Verdichtung im oberen Verdichtungskolbentotpunkt (OT) bewegen.
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6 zeigt eine Stützzylinder-Ausführungsform mit drei einzelnen Steuerleitungen, die seitlich einmünden und in einer Leitung am Boden einmünden. Gemäß der dargestellten Ausgestaltung können verschiedene Schalt-Reihenfolgen ermöglicht werden. Bei dieser Ausgestaltung ist eine Verstellung wie folgt möglich:
- a) Verstellung von ε_low nach ε_mid und von ε_mid nach ε_high
- b) Verstellung von ε_low nach ε_high ohne ε_mid
- c) Verstellung von ε_high nach ε_low
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Eine Vestellung ε_high nach ε_mid ist bei der vorgestellten Ausführungsform ebenfalls möglich. Dieses liegt an den vorgenannten Schaltzuständen, die vorgesehen sind, nämlich
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ε_high:
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vollständig hydraulisch gesperrter Massenkraftzylinder MKS, beide Leitungen, nämlich erste und zweite Steuerleitung 20, 21 sind gesperrt
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ε_mid:
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teilweise hydraulisch gesperrter Massenkraftzylinder, der im Boden einmündende Kanal als Steuerleitung 22 von Massenkraft- und Gaskraftzylinder ist gesperrt
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ε_high:
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vollständig hydraulisch gesperrter Gaskraftzylinder, beide Steuerleitungen des Gaskraftzylinders sind gesperrt, nämlich dritte und vierte Steuerleitung 22, 23.
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Diese Verschaltung ermöglicht zum Beispiel, dass auch der Kolben über eine der seitlichen Einmündungen verfährt. Das ermöglicht zum Beispiel, durch Aktivierung der zweiten und der vierten Steuerleitung 21, 23 eine Verschiebung des Kolbens bewirken zu können, wobei die dritte Leitung 22 hingegen passiv verbleibt. Die Ventile 14, 15, 24, 25 dienen dem selektiven Öffnen und Verschließen der einzelnen Steuerleitungen.
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Der Vorteil dieser Art der Verschaltung ist, dass eine sehr einfache Schaltung genutzt werden kann. So kann mittels eines mechanischen Schalters ein derartiges Schaltbild umgesetzt werden. Der Schalter wird zum Beispiel nur longitudinal bewegt. Auch mittels eines rotatorisch bewegten Schalters ist eine derartige Verschaltung umsetzbar. Weitere beispielhafte Ausgestaltungen können auch folgende Möglichkeiten vorsehen:
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Eine Aktuierung für eine dritte Schaltstellung sieht beispielweise vor, einen Anschlag des Schalters zu verschieben. Das Verschieben kann zum Beispiel durch den Schaltvorgang zuvor bewirkt werden oder aber durch eine Aktuierungseinheit.
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Es besteht die Möglichkeit, das zwei Schalterstellungen so gestaltet sind, dass statt drei Schalterstellungen nur zwei Stellungen übrig bleiben, welche aber abhängig von der Schaltrichtung drei Schaltzustände ermöglichen.
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Eine sequentielle Gestaltung des Schalters erlaubt zum Beispiel die Nutzung eines Drehschalters. Auch erlaubt eine sequentielle Gestaltung des Schalters eine Mittelstellung über eine mechanische Einrastung darzustellen, welche zum Beispiel ein weiteres Abfließen von Öl durch einen Steuerkanal verhindert.
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Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass ein Ansaugen von Luft verhindert wird, vorzugsweise schaltungstechnisch verhindert wird. Möglicherweise kann zum Beispiel eine Luftzufuhr über eine Steuerleitung erfolgen, nämlich dann, wenn diese unbeabsichtigt Luft aufnimmt. Eine derart unkontrollierte Luft kann eine Störung im System bewirken. Um dem entgegenzuwirken, kann einerseits ein Luftablass vorgesehen sein. Vorzugsweise wird hierzu im System eine Sammelstelle konstruktiv vorgesehen, an der sich Luft, insbesondere auch mitgeschleppte Luftbläschen ansammeln. Über die Sammelstelle kann sodann durch zum Beispiel eine Ventilschaltung die gesammelte Luft abgelassen werden. Auch kann vorgesehen sein, dass eine sonstige Entlüftung vorhanden ist, über die Luft aus dem System entweichen kann. Alternativ aber auch ergänzend kann vorgesehen sein, ein Eindringen von Luft in das System zu vermeiden, bevorzugt konstruktiv zu verhindern, beispielswiese durch ein Ventil zu verhindern Zum Beispiel kann hierfür in der Steuerleitung ein verbautes Rückschlagventil vorgesehen sein. Vorzugsweise ist das Rückschlagventil in eine obige Schaltung integriert. Dann besteht mit einem derartigen Schalter die Möglichkeit, neben der Verschaltung der Steuerleitung zu bewirken auch ein Ansaugen von Luft vermeiden.
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Die aufgezeigten Ausführungen zeigen nur beispielhaft verschiedene Möglichkeiten auf, ohne aber andere Ausgestaltungen dadurch auszuschließen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pleuel
- 2
- Verdichtungskolben
- 3
- Exzenter
- 4
- Stützkolben-/Zylindereinheit
- 5
- Stützzylinder
- 6
- Stützkolben
- 7
- Gestänge
- 8
- Stützkolbenstange
- 9
- Lenker
- 10
- Anlenkpunkt
- 11
- Anlenkpunkt
- 12
- Dichtung
- 13
- Bolzen-Langloch-Verbindung
- 14
- Ventil
- 15
- Ventil
- 16
- Öffnungen
- 17
- Öffnungen
- 18
- Zylinder-Teilkammer (MKS-Kammer)
- 19
- Zylinder-Teilkammer (GKS-Kammer)
- 20
- Steuerleitung
- 21
- Steuerleitung
- 22
- Steuerleitung
- 23
- Steuerleitung
- 24
- Ventil
- 25
- Ventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005055199 A1 [0002, 0028, 0047, 0051]
- DE 102011056298 A1 [0028]
- DE 102012014917 A1 [0028]
- DE 102011108790 A1 [0028]
- DE 102010061360 A1 [0028]
- DE 102010061359 A1 [0028]
- DE 102010061361 A1 [0028]
- DE 102008005467 A1 [0028]
- DE 102012020999 [0033, 0037]
- DE 102012014918 [0037, 0051]
