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Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine.
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Eine Hubkolbenmaschine ist eine Fluidenergiemaschine, bei der sich ein Kolben in einem Zylinder periodisch hin und her bewegt (Translationsbewegung), wobei die Bewegung des Kolbens über eine Pleuelstange auf eine Kurbelwelle übertragen wird.
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Die Hubkolbenmaschine kann als Arbeitsmaschine ausgebildet sein, die Energie in Form von mechanischer Arbeit aufnimmt, oder die Hubkolbenmaschine kann als Kraftmaschine ausgebildet sein, die eine Energieform wie thermische oder elektrische Energie in mechanische Energie bzw. Arbeit umwandelt.
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Ein Hubkolbenmotor ist eine Brennkraftmaschine, die die Volumenänderung eines Gases über einen sich linear bewegenden Kolben, eine Pleuelstange und eine Kurbel in eine Drehbewegung umsetzt. Sie zählt zu den Kolbenmaschinen.
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Die Ausdehnung des Gases in dem Zylinder verrichtet Arbeit an einem Kolben, die durch die Pleuelstange auf die Kurbelwelle übertragen wird. So wird die oszillierende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung umgesetzt. Hubkolbenmotoren funktionieren in der Regel nach dem Zweitakt- bzw. Viertaktverfahren.
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Die Zylinderlaufflächen der Hubkolbenmaschine können aus Grauguss oder Aluminimum gefertigt sein. Zunehmend werden die Zylinderlaufflächen auch mit einer Beschichtung versehen. Dabei wird versucht, eine besonders homogene Zylinderlauffläche zu erreichen. Charakterisierende Kennzahlen wie Flächenporenanteil oder Honstrukturen sind über die gesamte Länge der Zylinderlauffläche in Bewegungsrichtung des Kolbens gleich. Dies bedingt jedoch einen hohen Fertigungsaufwand.
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Aus der
DE 10 2009 049 323 B4 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Kurbelgehäuse sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Das Kurbelgehäuse weist mindestens einen zur Aufnahme eines Kolbens vorgesehenen Zylinder auf, dessen Innenseite mit einer eine Lauffläche für den Kolben bildenden Beschichtung versehen ist, wobei die Beschichtung eine Vielzahl von Poren aufweist und die durchschnittliche Größe der Poren und/oder der Porenflächenanteil über die Länge des Zylinders variieren. Beispielsweise kann die durchschnittliche Porengröße und der Porenflächenanteil vom unteren Zylinderende in Richtung zum oberen Zylinderende hin abnehmen, wobei das ”obere Zylinderende” dasjenige Ende ist, an dem der Zylinderkopf montiert wird. Das untere Zylinderende ist das dem Zylinderkopf abgewandte Ende. Alternativ können die Größe der Poren und der Porenflächenanteil so eingestellt sein, dass sie in einem Mittelbereich des Zylinders am größten sind und in Richtung zum oberen und zum unteren Ende hin abnehmen.
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Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolbenmaschine bereitzustellen, die verbesserte tribologische Eigenschaften aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Hubkolbenmaschine gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine weist zumindest einen in einem Zylinder verlagerbaren Kolben auf, wobei der Zylinder eine Mantelinnenfläche aufweist, die in einem Mittelabschnitt eine erste Porosität und in zumindest einem Endabschnitt eine zweite Porosität aufweist, wobei die zweite Porosität größer als die erste Porosität ist. Dabei liegen die Unterschiede zwischen der ersten Porosität und der zweiten Porosität außerhalb von fertigungsbedingten Toleranzen. Somit werden die Unterschiede zwischen der ersten Porosität und der zweiten Porosität gezielt durch z. B. Variation von Fertigungsparametern erreicht.
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Die Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, dass es nicht zwingend vorteilhaft ist, Porengröße und Porenflächenanteil in Richtung zum oberen Totpunkt des Kolbens hin abnehmend oder im Mittelbereich des Zylinders am größten vorzusehen. Vielmehr ist sinnvoll, in den Endbereichen bzw. Endabschnitten der Mantelinnenfläche eine besonders hohe Porosität vorzusehen, in denen im Betrieb ein besonders hoher Schmierbedarf besteht, während in anderen Bereichen, nämlich dem Mittelabschnitt der Mantelinnenfläche, eine geringere Ölmenge bei gleicher Wärmeenergie pro Fläche schneller erwärmt wird. Dabei wird unter Porosität die Anzahl und/oder die Größe von Öltaschen pro Flächeneinheit, z. B. cm2, verstanden, die beispielsweise durch den Flächenporenanteil und/oder Honstrukturen gegeben ist. Mit anderen Worten, die Porosität stellt ein Maß für ein Ölrückhaltevolumen dar, in dem Öl zwischengespeichert werden kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Porosität mindestens 1,5-mal so groß wie die erste Porosität. Damit wird bezogen auf eine Flächeneinheit mindestens 1,5-mal soviel Öl als Schmierstoff an einer kritischen Stelle bereitgestellt, so dass auch hier eine ausreichende Schmierstoffversorgung gewährleistet ist.
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Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Porosität maximal 3-mal so groß wie die erste Porosität. Damit wird bezogen auf eine Flächeneinheit maximal 3-mal soviel Öl als Schmierstoff an einer kritischen Stelle bereitgestellt. Somit ist eine Überversorgung mit Schmierstoff verhindert. Ferner wird dadurch ausgeschlossen, dass überzähliges Öl in den Verbrennungsraum der Hubkolbenmaschine gelangen kann und dort verbrannt wird, was zu ungewünschten Schadstoffemissionen führen kann.
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Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der zumindest eine Endabschnitt im Bereich eines oberen Totpunktes und/oder unteren Totpunktes des Kolbens. Somit werden gerade die Umkehrpunkte des Kolbens mit besonders viel Öl versorgt, während der Mittelabschnitt zwischen dem oberen und unteren Totpunkt mit vergleichsweise wenig Öl versorgt wird, da hier lediglich eine geringe Schmierung erforderlich ist.
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Bei einer anderen, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der Bereich erhöhter Porosität in zumindest einer Bewegungsrichtung des Kolbens über eine Länge, die maximal 1/10 des Kolbenhubs beträgt. So wird lediglich an kritischen Stellen eine ausreichende Schmierstoffversorgung gewährleistet, wobei dadurch auch Fertigungstoleranzen bei der Bildung der unterschiedlichen Porositäten ausgeglichen werden können.
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Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der Bereich erhöhter Porosität in zumindest einer Bewegungsrichtung des Kolbens mit einer Länge, die minimal 1/20 des Kolbenhubs beträgt. So wird neben kritischen Stellen auch an hieran angrenzenden Stellen eine ausreichende Schmierstoffversorgung gewährleistet.
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Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet sich der Bereich erhöhter Porosität zusätzlich oberhalb des oberen Totpunkts und unterhalb des unteren Totpunkts des Kolbens. Mit anderen Worten erstreckt sich der Bereich, d. h. der Mittelabschnitt und/oder Endabbschnitt, ausgehend vom oberen bzw. unteren Totpunkt in Aufwärts- bzw. Abwärtsrichtung des Kolbens über den oberen bzw. unteren Totpunkt hinaus. So können Fertigungstoleranzen bei der Bildung der unterschiedlichen Porositäten ausgeglichen werden.
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Bei einer anderen, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die erste Porosität und die zweite Porosität durch ein materialabtragendes Verfahren gebildet. Bei dem materialabtragenden Verfahren kann es sich z. B. um eine Laserbehandlung handeln, bei der mittels Laser Material von der Oberfläche der Mantelinnenfläche abgetragen wird und so Öltaschen gebildet werden. Ein derartiges materialabtragendes Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung der unterschiedlichen Porositäten, wenn der Motorblock aus Grauguss gefertigt ist.
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Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die erste Porosität und die zweite Porosität durch ein materialaufbringendes Verfahren gebildet. Bei dem materialaufbringenden Verfahren hingegen wird ein Material z. B. in Pulver- oder Partikelform auf die Mantelinnenfläche aufgebracht. Ein Beschichtungspulver kann beispielsweise legierten Stahl und Molybdän enthalten, die mit einem Plasmaverfahren aufgebracht werden, oder Keramikpartikel. Mit einem elektrochemischen Verfahren hingegen kann Nikasil aufgebracht werden. Nikasil (eingetragene Marke der Firma Mahle, Stuttgart) ist ein Akronym und setzt sich zusammen aus den Anfangsbuchstaben von Nickel, Karbon und Silizium. Es handelt sich um eine Nickel-Legierung. Durch Variation von Parametern während des Beschichtungsvorgangs kann die Anzahl und Ausdehnung der Öltaschen variiert werden.
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Ferner gehören zur Erfindung ein Motorblock, auch Kurbelgehäuse genannt, für eine derartige Hubkolbenmaschine, und ein Kraftfahrzeug, wie z. B. ein PKW oder ein Motorrad, mit einer derartigen Hubkolbenmaschine.
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In der nun folgenden Beschreibung wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:
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1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine in einer schematischen Schnittdarstellung.
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1 zeigt eine Hubkolbenmaschine 2, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Hubkolbenmotor, d. h. als Kraftmaschine bzw. Motor, ausgebildet ist und ein Kraftfahrzeug, z. B. einen PKW, antreibt. Alternativ kann die Hubkolbenmaschine 2 auch als Arbeitsmaschine, z. B. Pumpe oder Verdichter, ausgebildet sein.
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Die Hubkolbenmaschine 2 ist eine Brennkraftmaschine, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel nach dem Viertaktprinzip arbeitet. Alternativ kann die Hubkolbenmaschine 2 auch nach dem Zweitaktprinzip arbeiten.
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Übliche Komponenten der Hubkolbenmaschine 2, wie z. B. Einlass- und Auslassventile, Kraftstoffeinspritzvorrichtungen oder Ventilsteuerungen, sind aus Gründen der Einfachheit nicht dargestellt.
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Die Hubkolbenmaschine 2 weist einen Motorblock 14 (auch Kurbelgehäuse genannt) mit einem Zylinder 4 auf, in dem ein Kolben 6 an einer Pleuelstange 16 zwischen einem oberen Totpunkt OT und einem unteren Totpunkt UT verlagerbar ist. Die Pleuelstange 16 ist mit einer Kurbelwelle 18 der Hubkolbenmaschine 2 kräfteübertragend verbunden, so dass eine Auf- und Abbewegung des Kolbens 6 auf die Kurbelwelle 18 übertragen werden kann. Abweichend von dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Hubkolbenmaschine 2 eine Mehrzahl von Zylinder-/Kolbenpaaren aufweisen.
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Der Motorblock 14 im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann aus Grauguss oder einer Aluminiumlegierung, wie z. B. einer Aluminium/Silizium-Legierung, gefertigt sein.
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Der Zylinder 4 weist eine Mantelinnenfläche 8 auf. In Erstreckungsrichtung des Zylinders 4, d. h. in Richtung der Auf- und Abbewegung des Zylinders 4, weist die Mantelinnenfläche 8 Abschnitte 10, 12a, 12b mit unterschiedlichen Porositäten P1, P2 auf.
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So weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Mantelinnenfläche 8 einen Mittelabschnitt 10 mit einer ersten Porosität P1 auf. Ein oberer Endbschnitt 12a im Bereich des oberen Totpunkts OT des Kolbens 6 und ein unterer Endabschnitt 12b im Bereich des unteren Totpunkts UT des Kolbens 6 weisen jeweils eine zweite Porosität P2 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die zweite Porosität P2 im Bereich des oberen Totpunkts OT und im Bereich des unteren Totpunkts UT des Kolbens 6 im Wesentlichen gleich. Dabei wird unter dem Begriff „im Wesentlichen gleich” innerhalb von Fertigungstoleranzen liegend verstanden.
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Unter Porosität werden die Anzahl und/oder die Größe von Öltaschen pro Flächeneinheit, z. B. cm2, verstanden. Mit anderen Worten, die Porosität gibt ein Maß für ein Ölrückhaltevolumen an, in dem Öl zwischengespeichert werden kann.
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Die Porosität kann bestimmt werden, indem z. B. ein Mikroschliff/Querschliff an Mantelinnenfläche gebildet und im Bereich des Schliffs die Porosität und Lamelligkeit ausgewertet wird. Alternativ kann die Porosität durch Abtasten mit einem 3D-Scanner bestimmt werden
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Die zweite Porosität P2 ist größer als die erste Porosität P1. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die zweite Porosität P2 mindestens 1,5-mal und maximal 3-mal mal so groß wie die erste Porosität P1. Entsprechend ist das Ölrückhaltevolumen der Mantelinnenfläche 8 im Bereich der zweiten Porosität P2 1,5- bis 3-mal so groß wie das Ölrückhaltevolumen der Mantelinnenfläche 8 im Bereich der ersten Porosität P1, bezogen auf die gleiche Fläche.
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Durch die kleinere Anzahl von Öltaschen und/oder die kleinere flächenmäßige Ausdehnung der Öltaschen aufgrund der geringeren Porosität P1 befindet sich hier im Betrieb der Hubkolbenmaschine 2 weniger Öl unter einem Kolbenring (nicht dargestellt) des Kolbens 6. Diese geringere Ölmenge wird bei gleicher Wärmeenergie pro Fläche schneller erwärmt.
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Somit wird in dem Mittelabschnitt 10 wenig, aber heißes Öl zur Schmierung des Kolbens 4 bereitgestellt, da hier im Gegensatz zu dem oberen Endabschnitt 12a im Bereich des oberen Totpunkts OT und dem unteren Endabschnitt 12b im Bereich des unteren Totpunkts UT des Kolbens 6 im Vergleich weniger Öl zur Schmierung erforderlich ist.
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Die oberen und unteren bzw. Endabschnitte 12a, 12b erstrecken sich in Bewegungsrichtung des Kolbens 6 über eine Länge, die minimal 1/20 und maximal 1/10 des Kolbenhubs L1 zwischen dem oberen Totpunkt OT und dem unteren Totpunkt UT betragen kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Kolbenhub L1 = 120 mm. Dabei erstreckt sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel der obere Endabschnitt 12a mit einer Länge L2 = 10 mm in Bewegungsrichtung des Kolbens 6, während sich der untere Endabschnitt 12b mit einer Länge L3 = 8 mm in Bewegungsrichtung des Kolbens 6 erstreckt. Somit beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Länge L2 1/12 des Kolbenhubs L1, während die Länge L3 1/15 des Kolbenhubs L1 beträgt.
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Des Weiteren erstrecken sich die oberen und unteren Endbschnitte 12a, 12b erhöhter Porosität zusätzlich oberhalb des oberen Totpunkts OT und unterhalb des unteren Totpunkts UT des Kolbens 6. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Zylinder 4 eine Länge L0 = 140 mm in Bewegungsrichtung des Kolbens 6 auf und ist damit 20 mm länger als der Kolbenhub L1 = 120 mm. Im Bereich des oberen Totpunkts OT erstreckt sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Aufwärtsrichtung des Kolbens 6 der obere Endabschnitt 12a mit einer Länge L4 = 3 mm über den oberen Totpunkt OT hinaus, d. h. 3 mm außerhalb eines Bereich zwischen dem oberen Totpunkt OT und dem unteren Totpunkt UT des Kolbens 6 in dem Zylinder 4. Ferner erstreckt sich im Bereich des oberen Totpunkts OT im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Abwärtsrichtung des Kolbens 6 der obere Endabschnitt 12a mit einer Länge L5 = 5 mm unterhalb des oberen Totpunkts OT. Somit beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Länge L3 1/40 des Kolbenhubs L1. Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Länge L3 im Bereich zwischen 1/30 und 1/50 des Kolbenhubs L1 liegen. Die Länge L5 beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel 1/24 des Kolbenhubs L1. Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Länge L5 im Bereich zwischen 1/20 und 1/30 des Kolbenhubs L1 liegen.
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Im Bereich des unteren Totpunkts UT hingegen erstreckt sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Abwärtsrichtung des Kolbens 6 der unteren Endabschnitt 12b mit einer Länge L6 = 5 mm unterhalb des unteren Totpunkts UT, d. h. 5 mm außerhalb eines Bereichs zwischen dem oberen Totpunkt OT und dem unteren Totpunkt UT des Kolbens 6 in dem Zylinder 4. Ferner erstreckt sich im Bereich oberhalb des unteren Totpunkts UT im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Aufwärtsrichtung des Kolbens 6 der untere Endabschnitt 12b mit einer Länge L7 = 5 mm. Somit betragen im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Längen L6 und L7 1/24 des Kolbenhubs L1. Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel können die Längen L6 und/oder L7 im Bereich zwischen 1/20 und 1/30 des Kolbenhubs L1 liegen.
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Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann z. B. auch in dem Mittelabschnitt 10 eine Mehrzahl von Abschnitten mit verschiedenen Porositäten vorgesehen sein, z. B. bei einer Zylinderlänge von 150 mm 10 Bereiche 15 mm. Dabei können sich Abschnitte mit höherer und niedrigerer Porosität abwechseln und eine Art Zebramuster bilden, da die Abschnitte mit niedriger Porosität einem Betrachter optisch heller erscheinen als die Abschnitte mit höherer Porosität.
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Der Mittelabschnitt 10 und die oberen und unteren Endbschnitte 12a, 12b können durch ein materialabtragendes oder durch ein materialaufbringendes Verfahren gebildet sein.
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Bei dem materialabtragenden Verfahren kann es sich z. B. um eine Laserbehandlung handeln, bei der mittels Laser Material von der Oberfläche der Mantelinnenfläche abgetragen wird und so Öltaschen gebildet werden. Ein derartiges materialabtragendes Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung der unterschiedlichen Porositäten P1, P2, wenn der Motorblock 14 aus Grauguss gefertigt ist.
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Bei dem materialaufbringenden Verfahren hingegen wird ein Material, z. B. in Pulver- oder Partikelform auf die Mantelinnenfläche aufgebracht. Ein Beschichtungspulver kann z. B. legierten Stahl und Molybdän enthalten, die mit einem Plasmaverfahren aufgebracht werden, oder Keramikpartikel. Mit einem elektrochemischen Verfahren hingegen kann Nikasil aufgebracht werden. Nikasil (eingetragene Marke der Firma Mahle, Stuttgart) ist ein Akronym und setzt sich zusammen aus den Anfangsbuchstaben von Nickel, Karbon und Silizium. Es handelt sich um eine Nickel-Legierung. Durch Variation der Parameter während des Beschichtungsvorgangs kann die Anzahl und die Ausdehnung der Öltaschen variiert werden.
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So können die tribologischen Eigenschaften einer Hubkolbenmaschine mit einfachen Mitteln verbessert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Hubkolbenmaschine
- 4
- Zylinder
- 6
- Kolben
- 8
- Mantelinnenfläche
- 10
- Mittelabschnitt
- 12a
- oberer Endabschnitt
- 12b
- unterer Endabschnitt
- 14
- Motorblock
- 16
- Pleuelstange
- 18
- Kurbelwelle
- LO
- Zylinderlänge
- L1
- Kolbenhub
- L2
- Länge
- L3
- Länge
- L4
- Länge
- L5
- Länge
- L6
- Länge
- L7
- Länge
- P1
- erste Porosität
- P2
- erste Porosität
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009049323 B4 [0007]
