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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolben-Pleuel-Anordnung mit einer Pleuelstange und mit einem Kolben, weiterhin aufweisend eine Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem an der Pleuelstange ausgebildeten Pleuelkopf, der ein Exzenterlager aufweist, und mit einem Exzenter, der im Exzenterlager drehbar gelagert ist und wobei im Exzenter ein Kolbenbolzenlager ausgebildet ist, über das der Exzenter drehbar auf einem Kolbenbolzen gelagert ist.
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STAND DER TECHNIK
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Eine Kolben-Pleuel-Anordnung mit einer Pleuelstange und mit einem Kolben sowie mit einer Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise aus der
DE 10 2017 107 067 A1 bekannt. Verbrennungskraftmaschinen mit derartigen Pleuel-Kolben-Anordnungen und einer Vorrichtung zum Ändern des Verdichtungsverhältnisses ermöglichen unterschiedliche Betriebsmodi, wenn beispielsweise ein geringeres Verdichtungsverhältnis bei Volllast der Verbrennungskraftmaschine gefordert ist, und es wird ein höheres Verdichtungsverhältnis gefordert, wenn die Verbrennungskraftmaschine lediglich bei Teillast betrieben wird. Bei der Konstruktion derartiger Kolben-Pleuel-Anordnungen mit Vorrichtungen zum Ändern des Verdichtungsverhältnisses wird das Ziel verfolgt, eine möglichst einfache konstruktive Ausführung zu erzielen, wobei das maximale und das minimale Verdichtungsverhältnis eine möglichst große Differenz zueinander aufweisen sollen.
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Eine einfache konstruktive Ausführung einer solchen Kolben-Pleuel-Anordnung wird beispielsweise gemäß der
DE 10 2017 107 067 A1 mit Exzentern erreicht, die sich zwischen einem Kolbenbolzen und einem kleinen Pleuellager befinden, sodass der Exzenter außenseitig in einem Exzenterlager der Kolbenstange drehbar aufgenommen ist, und innerhalb des Exzenters ist der Kolbenbolzen in einem Kolbenbolzenlager drehbar aufgenommen. Um den Exzenter zwischen Pleuelstange und Kolbenbolzen zu verdrehen, kann die Kurbeltrieb-Bewegung zwischen dem Kolben und der Pleuelstange genutzt werden in Verbindung mit der Anordnung von Freilaufelementen.
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Die Verstellung des Verdichtungsverhältnisses erfolgt durch eine Verdrehung des Exzenters, wobei zu beachten ist, dass insbesondere bei Marineanwendungen mit Dual-Fuel-Motoren auf solche Kolben-Pleuel-Anordnungen sehr hohe Gaskräfte wirken, sodass die konstruktive Ausführung der Kolben-Pleuel-Anordnung sehr robust erfolgen muss. Die Änderung des Verdichtungsverhältnisses von Brennkraftmaschinen ist beispielsweise bei Marineanwendungen notwendig, um für Dual-Fuel-Motoren zwischen dem Brennstoff Diesel und dem Brennstoff Gas umschalten zu können und dadurch das Betriebsverhalten zu optimieren. Die Umschaltung erfolgt dabei beispielsweise im Teillastbetrieb oder im Leerlauf der Verbrennungskraftmaschine.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung einer Kolben-Pleuel-Anordnung mit einer Kolbenstange und mit einem Kolben, sowie mit einer Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine, wobei für die Anordnung eine robuste konstruktive Ausführung gefordert ist und wobei eine vorteilhafte Montierbarkeit des Kolbens mit der Pleuelstange möglich sein soll.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von dem Oberbegriff des Anspruches 1 mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der Exzenter geteilt ausgebildet ist und wenigstens einen ersten Exzenterteil und einen zweiten Exzenterteil aufweist.
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Kerngedanke der Erfindung ist die Mehrteiligkeit des Exzenters, um diesen mit durchmesserveränderlichen Außenkonturen auszubilden, auf denen trotzdem weitere Bestandteile der Vorrichtung zum Ändern des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine aufgebracht werden können. Zudem lässt sich der geteilte Exzenter mit dem ersten Exzenterteil und dem zweiten Exzenterteil aus einer Drehachsenrichtung von beiden Seiten leicht aufeinander zuführen und montieren.
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Die beiden Exzenterteile sind vorzugsweise fest miteinander verbunden, beispielsweise mittels Schrauben, sodass der mehrteilige Exzenter als ein einzelnes Bauteil handhabbar ist. Zur Anordnung des Kolbenbolzens weist der Kolben seitliche Öffnungen zur Bolzenaufnahme auf, die sich ebenfalls im Wesentlichen kreisrund um die Drehachse herum erstrecken, und der Exzenter kann vor, mit oder nach der Anordnung des Kolbenbolzens im oder an dem Kolben bzw. der Pleuelstange montiert werden. Insbesondere kann der Exzenter zunächst in das Exzenterlager in der Pleuelstange eingesetzt werden, und die Pleuelstange wird gemeinsam mit dem Exzenter in den Kolben eingeführt, und erst anschließend kann der Kolbenbolzen eingebracht werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Kolben-Pleuel-Anordnung erstrecken sich der Exzenter und der Kolbenbolzen um eine gemeinsame Drehachse herum, wobei der erste Exzenterteil und der zweite Exzenterteil eine gemeinsame Teilungsebene aufweisen, zu der die Drehachse eine Flächennormale bildet. Die Exzenterteile liegen dabei in der Teilungsebene aneinander an und diese sind insbesondere mit Schrauben axial, das heißt parallel zur Drehachse miteinander verschraubt. Durch die Ausbildung der Teilungsebene, die damit auch parallel zur Bewegungsebene der Pleuelstange gelegen ist, können die Exzenterteile in Drehachsenrichtung aufeinander zubewegt und miteinander verbunden werden. Die Montage der Exzenterteile im kleinen Pleuelauge der Pleuelstange kann dabei noch vor der Anordnung des Kolbens an der Pleuelstange erfolgen, und insbesondere der Kolbenbolzen kann beispielsweise erst dann durch den Exzenter hindurchgeführt werden, wenn die Pleuelstange gemeinsam mit dem Exzenter an dem Pleuel angeordnet wurde.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen der erste Exzenterteil und der zweite Exzenterteil jeweils einen ersten Abschnitt mit einem kleineren Außendurchmesser und einen zweiten Abschnitt mit einem größeren Außendurchmesser auf, wobei die Exzenterteile mit dem jeweils ersten Abschnitt aneinander angrenzen. Damit ergibt sich eine Außenkontur des Exzenters mit außenseitig größeren Außendurchmessern und einem insbesondere axial durchgehend innenseitig kleineren Außendurchmesser, wobei auch noch weitere radial umlaufende, geschlossene Ringelemente auf den kleineren Außendurchmesser aufgebracht werden können, da die Teilungsebene im Bereich des kleineren Durchmessers ausgebildet ist.
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Insbesondere können ein, zwei oder auch mehrere insbesondere ringförmige Freilaufelemente vorgesehen sein, der oder die mit der Ringinnenseite auf dem Exzenter aufsitzen und der oder die außenseitig im Exzenterlager einsitzen. Sind zwei oder sogar mehrere Freilaufelemente vorgesehen, können diese ringinnenseitig auf dem jeweils ersten Abschnitt des ersten Exzenterteils und des zweiten Exzenterteils aufgebracht sein. Durch die geteilte Ausgestaltung des Exzenters mit dem ersten Exzenterteil und mit dem zweiten Exzenterteil ergibt sich eine vorteilhafte Montierbarkeit der Freilaufelemente auf dem Exzenter, obwohl dieser außenseitig größere Außendurchmesser aufweist. Die Außenseiten des Exzenters beschreiben dabei die Seiten, mit denen der Exzenter axial in Drehachsenrichtung abschließt.
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Ein weiterer Vorteil wird erreicht, wenn die Vorrichtung zum Ändern des Verdichtungsverhältnisses eine Dämpfungseinrichtung zur Dämpfung der Drehung des Exzenters um die Drehachse aufweist. Hierfür ist vorgesehen, dass der erste Exzenterteil und/oder der zweite Exzenterteil eine radiusveränderliche Laufbahn aufweist, die zur Wechselwirkung mit einem Abgriffselement einen Teil einer Außenkontur des ersten Exzenterteils und des zweiten Exzenterteils bilden. Mit Vorteil ist die radiusveränderliche Laufbahn jeweils an einem zweiten Abschnitt mit dem größeren Außendurchmesser der Exzenterteile angeordnet. Insbesondere sind zwei radiusveränderliche Laufbahnen am Exzenter ausgebildet, die sich außenseitig, d. h. mit dem jeweils axial abschließenden Ende in Bezug auf die Drehachse, an dem Exzenter befinden.
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Die radiusveränderlichen Laufbahnen wirken dabei so mit dem Abgriffselement zusammen, dass dieses axial verlagert wird, wenn sich der Exzenter um die Drehachse verdreht. Diese axiale Bewegung in dem Abgriffselement kann in einem Dämpfungselement gedämpft werden, welches beispielsweise am Schaft der Pleuelstange angeordnet ist. Das Dämpfungselement kann beispielsweise einen Tauchkolben aufweisen, der endseitig am Abgriffselement angeordnet ist, und wird das Abgriffselement durch die Drehung des Exzenters und damit durch das Entlanglaufen seines axialen Endes an der radiusveränderlichen Laufbahn in Längsrichtung verlagert, so taucht die der Laufbahn gegenüberliegende Endseite des Abgriffselementes mit dem Tauchkolben in das Dämpfungselement ein, das beispielsweise mit Öl gefüllt ist. Dabei kann die axiale Lagerung des Abgriffselementes am Schaft der Pleuelstange ausgebildet sein.
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Mit weiterem Vorteil ist an der radiusveränderlichen Laufbahn ein Anschlag ausgebildet, der mit einer Klinke in Anlage bringbar ist, um eine Drehung des Exzenters um die Drehachse zu stoppen. Die Klinke ist vorzugsweise an der Pleuelstange angeordnet und mit einem Mechanismus aktivierbar, um die Drehung des Exzenters wieder freizugeben, wenn das Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine wieder geändert werden soll.
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Schließlich wird ein noch weiterer Vorteil erreicht, wenn der Kolbenbolzen geteilt ausgebildet ist, und wenn dieser wenigstens einen ersten Kolbenbolzenteil und einen zweiten Kolbenbolzenteil aufweist. Damit kann der Exzenter beispielsweise in einem mittleren Umfangsabschnitt des Kolbenbolzens aufgenommen sein, welcher einen kleineren Durchmesser aufweist als die außenseitigen Endabschnitte des Kolbenbolzens, da die Montierbarkeit insbesondere durch das axiale Zuführen der Kolbenbolzenteile aus der Drehachsenrichtung ermöglicht wird.
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Figurenliste
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer Kolben-Pleuel-Anordnung,
- 2 eine fliegende Ansicht der Kolben-Pleuel-Anordnung gemäß 1 mit Bauteilen der Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine und
- 3 eine Querschnittsansicht der Kolben-Pleuel-Anordnung mit den Merkmalen der Erfindung.
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1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Kolben-Pleuel-Anordnung 1 mit einer Kolbenstange 2 und mit einem Kolben 3 in einer montierten Ausführung. Die Pleuelstange 2 weist unterseitig Pleuelunterteile 26 auf, die derart miteinander verbunden sind, sodass ein großes Pleuelauge entsteht, in das eine insbesondere mehrteilige Lagerschale 27 eingebracht ist. In der Lagerschale 27 kann ein Hubzapfen einer Kurbelwelle aufgenommen werden. Oberseitig der Pleuelunterteile 26 erstreckt sich ein Schaft der Pleuelstange 2 hervor und geht in den im Kolben 3 eingesetzten Pleuelkopf über.
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Zur Verbindung der Pleuelstange 2 mit dem Kolben 3 dient ein Kolbenbolzen 13, welcher Hohlbohrungen aufweist, um eine Ölschmierung der Lagerung zwischen der Pleuelstange 2 und dem Kolben 3 zu ermöglichen. Die Hohlräume innerhalb des Kolbenbolzens 13 sind mit Verschlusselementen 24 verschlossen, wobei durch die perspektivische Ansicht nur ein vorderseitiges Verschlusselement 24 dargestellt ist.
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2 zeigt die Kolben-Pleuel-Anordnung 1 gemäß 1 mit ihren Bestandteilen in einer fliegenden Ansicht. Als Grundelemente der Anordnung 1 sind die Pleuelstange 2 und der Kolben 3 dargestellt, wobei die Pleuelunterteile 26 und die Lagerschalen 27 getrennt von der restlichen Pleuelstange 2 dargestellt sind.
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Die fliegende Ansicht zeigt als Teil der Vorrichtung zum Ändern eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine ein Exzenterlager 10 im Pleuelkopf der Pleuelstange 2, in das ein Exzenter 11 eingesetzt werden kann. Innerhalb des Exzenters 11 kann wiederum ein Kolbenbolzen 13 eingesetzt werden, wobei der Kolbenbolzen 13 aus zwei Kolbenbolzenteilen 13a und 13b geteilt ausgeführt ist.
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Insbesondere der Exzenter 11 ist geteilt ausgeführt und umfasst einen ersten Exzenterteil 11a und einen zweiten Exzenterteil 11b. Da die Exzenterteile 11a, 11b miteinander gefügt werden, können auf dem Exzenter 11 Freilaufelemente 8 aufgenommen werden und der Exzenter 11 kann mit einem axialen Formschluss in das Exzenterlager 10 eingesetzt werden, wobei die Verbindung der beiden Exzenterteile 11a, 11b z.B. mittels Schrauben 28 erzielt wird.
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Die Exzenterteile 11a, 11b weisen außenseitig radiusveränderliche Laufbahnen 19 auf, mit denen Abgriffselemente 20 in Verbindung stehen. Verdreht sich der Exzenter 11 mit den Exzenterteilen 11a, 11b, so laufen die Endseiten der stangenartigen Abgriffselemente 20 an den radiusveränderlichen Laufbahnen 19 entlang, und durch die Änderung des Radius der Laufbahnen 19 ergibt sich eine Hubbewegung in den Abgriffselementen 20. Die gegenüberliegende Endseite der Abgriffselemente 20 kann in beispielsweise mit Öl befüllte Dämpfungselemente 22 eintauchen, wodurch eine Dämpfung der Drehung des Exzenters 11 erzielbar ist.
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Die radiusveränderlichen Laufbahnen 19 sind so ausgestaltet, dass diese einen Radiussprung umfassen, durch den Anschläge 25 ausgebildet sind, welche mit einer Klinke 21 an der Pleuelstange 2 zusammenwirken. Durch die Pendelbewegung der Pleuelstange 2 am Kolben 3 im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine wird eine Drehung des Exzenters 11 mithilfe der Freilaufelemente 18 in nur einer Richtung erzielt. Gelangt einer oder beide Anschläge 25 an den Exzenterteilen 11a, 11b in Anlage an die Klinke 21, so wird die Drehung des Exzenters 11 gestoppt. Der Exzenter 11 kann durch die sich diametral gegenüberliegenden Anschläge 25 in 180°-Rotationsschritten verdreht werden, sodass ein maximaler Exzenterhub erzielbar ist, um das maximale und minimale Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine mit möglichst unterschiedlichen Werten zu ermöglichen.
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3 stellt eine Querschnittsansicht durch die Kolben-Pleuel-Anordnung 1 mit einer Pleuelstange 2 und mit einem Kolben 3 dar, und die Vorrichtung zum Ändern des Verdichtungsverhältnisses der Verbrennungskraftmaschine umfasst ein Exzenterlager 10 innerhalb des oberseitigen Pleuelkopfes, und es ist ein Exzenter 11 gezeigt, der im Exzenterlager 10 drehbar gelagert ist und wobei innenseitig im Exzenter 11 ein Kolbenbolzenlager 12 ausgebildet ist, über das der Exzenter 11 drehbar auf dem Kolbenbolzen 13 gelagert ist.
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Der Exzenter 11 weist einen ersten Exzenterteil 11a und einen zweiten Exzenterteil 11b auf, und die beiden Exzenterteile 11a, 11b liegen in einer Teilungsebene 15 axial aneinander. Der Exzenter 11 und der Kolbenbolzen 13 erstrecken sich um eine Drehachse 14, und die Teilungsebene 15 ist so ausgerichtet, dass die Drehachse 14 eine Flächennormale auf die Teilungsebene 15 bildet. Die beiden Exzenterteile 11a und 11b sind dabei nicht gleich groß ausgeführt und die Teilungsebene 15 fällt nicht mit der Mittelebene des Exzenters 11 zusammen.
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Der Kolbenbolzen 13 ist ebenfalls geteilt ausgeführt, und weist einen größeren ersten Kolbenbolzenteil 13a und einen kleineren, ringartigen zweiten Kolbenbolzenteil 13b auf. Durch die geteilte Ausführung des Exzenters 11 wird ermöglicht, dass die Pleuelstange mit dem Exzenterlager auf einem ersten Abschnitt 16 des Exzenters 11 mit einem kleineren Durchmesser aufgenommen ist, und seitlich werden mit einem zweiten Abschnitt 17 des Exzenters 11 mit einem größeren Außendurchmesser seitliche Schultern gebildet, sodass eine axiale Fixierung des Exzenters 11 an der Pleuelstange 2 ermöglicht ist. Die axiale Fixierung wird dabei in Drehachsenrichtung der Drehachse 14 gebildet.
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Zwischen dem Exzenter 11 und der Pleuelstange 2 sind Freilaufelemente 18 aufgenommen, und die Freilaufelemente 18 sitzen auf den dafür vorgesehenen Abschnitten 16 mit einem kleineren Außendurchmesser des ersten Exzenterteils 11a und des zweiten Exzenterteils 11b auf. Die Freilaufelemente 18 sitzen damit auf einem insbesondere dafür vorgesehen Wellenabsatz auf. Es gibt somit einen Wellenabsatz zur Lagerung des Exzenters 11 innerhalb des Pleuels und einen Wellenabsatz zur Montage der Freilaufelemente, wodurch eine Funktionstrennung für jeden der Wellenabsätze entsteht.
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Der erste Exzenterteil 11a und der zweite Exzenterteil 11b weisen jeweils radiusveränderliche Laufbahnen 19 auf, die zur Wechselwirkung mit einem jeweiligen Abgriffselement 20 einen Teil einer Außenkontur des ersten Exzenterteils 11a und des zweiten Exzenterteils 11b bilden. Die radiusveränderliche Laufbahn 19 ist dabei jeweils am zweiten Abschnitt 17 mit dem größeren Außendurchmesser der Exzenterteile 11a, 11b angeordnet. Mit Bezug auf Ihre Funktion bewirken die radiusveränderlichen Laufbahnen 19 bei einer Verdrehung des Exzenters 11 um die Drehachse 14 eine axiale Verlagerung der stangenartigen Abgriffselemente 20, die am Schaft der Pleuelstange 2 gelagert sind. Die gegenüberliegenden Enden der Abgriffselemente 20 tauchen in Dämpfungselemente 22 ein, die beispielsweise mit Öl gefüllt sind. Dadurch wird eine Dämpfung der Drehung des Exzenters 11 um die Drehachse 14 bewirkt, insbesondere dann, wenn die Klinken 21 außer Eingriff mit dem Exzenter 11 gelangen, und dieser Verdrehen kann.
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Schließlich weist die Pleuelstange 2 einen Ölführungskanal 23 auf, der sich in den Kolbenbolzen 13 fortsetzt, und innenseitig im Kolbenbolzen 13 ist eine Ölverteilkammer 29 ausgebildet, um beispielsweise das Exzenterlager 10 und das Kolbenbolzenlager 12 mit Öl zu versorgen. Aus konstruktiven und/oder fertigungstechnischen Gründen ist ein Teil der Ölverteilkammer 29 als zentrale Axialbohrung entlang der Drehachse 14 in dem Kolbenbolzen 13 ausgebildet, und endseitig ist die Ölverteilkammer 29 mit Verschlusselementen 24 verschlossen.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebenen bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten oder räumliche Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben-Pleuel-Anordnung
- 2
- Pleuelstange
- 3
- Kolben
- 10
- Exzenterlager
- 11
- Exzenter
- 11a
- erster Exzenterteil
- 11b
- zweiter Exzenterteil
- 12
- Kolbenbolzenlager
- 13
- Kolbenbolzen
- 13a
- erster Kolbenbolzenteil
- 13b
- zweiter Kolbenbolzenteil
- 14
- Drehachse
- 15
- Teilungsebene
- 16
- erster Abschnitt
- 17
- zweiter Abschnitt
- 18
- Freilaufelement
- 19
- radiusveränderliche Laufbahn
- 20
- Abgriffselement
- 21
- Klinke
- 22
- Dämpfungselement
- 23
- Ölführungskanal
- 24
- Verschlusselement
- 25
- Anschlag
- 26
- Pleuelunterteile
- 27
- Lagerschalen
- 28
- Schrauben
- 29
- Ölverteilkammer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017107067 A1 [0002, 0003]
