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Die Erfindung betrifft ein Pleuel zur Anordnung zwischen einer Kurbelwelle und einem Kolben, wobei eine effektive Wirklänge des Pleuels zur Änderung eines Verdichtungsverhältnisses mittels eines Exzenters und eines Verstellsystems mit einer ersten Stützstange, einem ersten Stützzylinder und einem ersten Stützkolben und mit einer zweiten Stützstange, einem zweiten Stützzylinder und einem zweiten Stützkolben am Pleuel verstellbar ist, indem die erste Stützstange und die zweite Stützstange an zueinander entfernten Anbindungspunkten mit dem Exzenter verbunden sind, und eine Drehposition des Exzenters mittels wechselweiser Druckbeaufschlagung des ersten und zweiten Stützkolbens in dem ersten und zweiten Stützzylinder beeinflussbar ist und wobei der erste Stützzylinder, der zweite Stützzylinder und eine Kurbelwellenlagerschale des Pleuels über Fluidkanäle miteinander verbunden sind.
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Aus der
WO 2015/173391 A1 ist eine VCR-Kolbenmaschine sowie eine Pleuelkolbenanordnung zum Verstellen eines Verdichtungsverhältnisses bekannt. VCR beschreibt ein variable compression ratio. Offenbarungsgemäß ist hierbei ein Kolben über einen Exzenter mit einem Pleuel verbunden, wobei ein Verstellen eines Abstandes des Kolbens zum Pleuel und damit ein Verstellen des Hubs beziehungsweise einer Wirklänge des Pleuels möglich ist. Dabei ist der Exzenter von einem Abstützsystem mit Stützstangen, Stützzylindem und Stützkolben gestützt, wobei die Stützzylinder im Pleuel über Kanäle miteinander hydraulisch verbunden sind. Zudem ist ein Kurbelwellenlager des Pleuels über die Kanäle mit den Stützzylindem verbunden. Unter Einwirkung von Massenkräften und Gaskräften und unter Nutzung eines Mehrwegeventils sowie eines Absperrventils kann mittels Fluidströmen zwischen den Stützzylindem und Pleuellager eine Wirklänge des Pleuels und somit ein Verdichtungsverhältnis eingestellt und beibehalten werden.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Mittel zum zuverlässigen Betrieb einer VCR-Kolbenmaschine bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Pleuel gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen sowie mit einem Kurbeltrieb gemäß dem Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß weist ein sich an einen ersten Stützkolben anschließender erster Leitungsabschnitt der Fluidkanäle wenigstens ein fluidisches Dämpfungsmittel zur Verringerung einer Druckschwingung auf. Durch die fluidischen Dämpfungsmittel werden die Druckschwingungen verringert und somit wird auch das Auftreten von Kavitation vermieden, verringert und andere Wechselwirkungen, die den Pleuel, Bauteile des Pleuels sowie eine Kurbelwellenlagerschale und die Kurbelwelle schädigen, vermieden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Dämpfungsmittel eine Zweigleitung und/oder eine Stichleitung. Hierbei ist vorteilhaft, dass keine weiteren separaten Bauteile benötigt werden und eine Verringerung einer Druckschwingung durch eine Formgebung und Ausgestaltung des ersten Leitungsabschnittes erzielt wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung fluchtet die Stichleitung mit zumindest einem Teil des Leitungsabschnittes, sodass entstandene Druckschwingungen direkt in die Stichleitung laufen und nicht zu anderen Komponenten des Pleuels weitergeleitet werden, wo Schäden entstehen können.
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Zweckmäßigerweise umfasst ein Winkel zwischen der Zweigleitung und dem oben erwähnten Teil des Leitungsabschnittes einen Winkel von 20° bis 50°. Hierdurch wird ein Strömungswiderstand, der für die Einstellung des Verdichtungsverhältnisses mittels Fluidfluss notwendig ist, gering gehalten, während Druckschwingungen nur zu einem geringen Maß in die Zweigleitung einlaufen.
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Dadurch wird vermieden, dass die Druckschwingungen das Absperrventil, das Wegeventil und eine Kurbelwellenlagerschale erreichen.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Pleuels umfasst das Dämpfungsmittel einen Resonator, ein Kegelelement, ein Sieb oder ein Elastomer. Der Resonator hat den Vorteil, dass Druckschwingungsenergie zwischen einem Resonatoreingang und einem Resonatorausgang innerhalb des Resonators verringert wird. Wenn dabei Schäden an dem Resonator entstehen kann der Resonator, als separates Bauteil, einfach ausgetauscht werden. Ein Sieb hat den Vorteil, dass es als Massenware günstig zu beschaffen sowie ebenfalls austauschbar ist. Ein Elastomer hat den Vorteil, dass es einteilig herstellbar und aufgrund seiner Flexibilität einfach an verschiedenen Stellen im ersten Leitungsabschnitt anordbar ist. Eine besonders effektive Verringerung von Druckschwingungen ergibt sich bei einer Kombination verschiedener oben genannter Dämpfungsmittel, die dann in der Stichleitung, dem genannten Teil des Leitungsabschnittes und/oder in der Zweigleitung angeordnet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Pleuels ist das Kegelelement in der Stichleitung angeordnet, wobei ein Spalt zwischen Stichleitungswand und dem Kegelelement ausgebildet ist. Durch das Kegelelement werden auflaufende Druckschwingungen aufgespalten, die dann in einem sich verjüngenden Spalt und daran angeschlossenem Ringspalt verlaufen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Pleuels ist das Dämpfungsmittel als ein Teil des ersten Leistungsabschnittes aus einem Elastomer gebildet. Bei Auflaufen einer Druckschwingung auf das Elastomer gibt dieses unter Widerstand nach und absorbiert dabei die Druckschwingung. Besonders vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung ist, dass das Elastomer sowohl die Funktion einer Leitung zum Halten und führen des Fluids erfüllt sowie die Verringerung von Druckschwingungen bewirkt.
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In einer weitem Ausgestaltung des Pleuels weist zumindest ein Teil des ersten Leitungsabschnittes eine zerklüftete Leitungsinnenwand auf. Diese zerklüftete Leitungsinnenwand kann eine unregelmäßige, unebene Oberfläche oder auch Rillen, Aussparungen oder Schlitze, die in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen angeordnet sind, aufweisen. Die zerklüftete Leitungswand hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Bauteile notwendig sind, um eine Verringerung von Druckschwingungen zu erzielen.
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Die Erfindung umfasst auch einen Kurbeltrieb mit der Kurbelwelle, dem Kolben und dem erfindungsgemäßen Pleuel.
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Der Erfindungsgedanke umfasst eine Ausgestaltung des Pleuels, bei der Öffnungen den Leitungsabschnitt des Pleuels mit einer Pleueloberfläche verbinden. Vorteilhafterweise sind diese Öffnungen schaltbar. Durch diese Öffnungen werden Druckschwingungen aus dem Leitungsabschnitt und aus dem Pleuel abgeführt. Insbesondere sind diese Öffnungen derart ausgestaltet, dass durch die Öffnungen kein bzw. kaum Fluid entweicht und keine Luft aus dem Kurbelgehäuse einströmt.
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BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 in einer Schnittdarstellung einen an einer Kurbelwelle gelagerten Pleuel mit einem Verstellsystem, einem Exzenter und daran angeordnetem Kolben sowie Fluidkanälen zum Verstellen einer Wirklänge des Pleuels,
- 2a in schematischer Darstellung den Pleuel mit dem Verstellsystem sowie die Fluidkanäle und damit verbundener Kurbelwellenlagerschale,
- 2b in schematischer Darstellung den Pleuel mit den Fluidkanälen und mit einem Wegeschalter in einer Schaltstellung zum Verfahren in eine Endstellung, die einem hohen Verdichtungsverhältnis zugeordneten ist,
- 3 in Schnittdarstellung einen Ausschnitt des Pleuels mit einem ersten Leitungsabschnitt der Fluidkanäle umfassend eine Zweigleitung und ein Stichleitung,
- 4 in einer Schnittdarstellung den Pleuel mit dem ersten Leitungsabschnitt, einem Sieb und einem Resonator, und
- 5 in einer Schnittdarstellung den Pleuel mit dem ersten Leitungsabschnitt und mehreren Elastomeren.
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Die Figur zeigt 1 zeigt einen Kurbeltrieb 400 mit einem Verdichtungskolben 300, einer Kurbelwelle 200 und einem Pleuel 100. Der Pleuel 100 ist mit einer Kurbelwellenlagerschale 40 an der Kurbelwelle 200 gelagert. Der Verdichtungskolben 300 ist mittels eines Bolzens 14 an einem Exzenter 10 des dem Pleuels 100 gehalten. Der Exzenter 10 ist um einen Drehpunkt 15 verdrehbar. Eine erste Stützstange 22 ist mit einem ersten Anbindungspunkt 23 des Exzenters 10 anlenkbar verbunden und eine zweite Stützstange 32 ist mit einem zweiten Anbindungspunkt 33 des Exzenters 10 anlenkbar verbunden. Der erste Anbindungspunkt 23 und der zweite Anbindungspunkt 33 liegen an von dem Drehpunkt 15 ausgehend gegenüberliegenden Seiten des Exzenters 10. Die erste Stützstange 22 ist mit einem ersten Stützkolben 26 verbunden, der verfahrbar in einem ersten Stützzylinder 24 angeordnet ist. Die zweite Stützstange 32 ist mit einem zweiten Stützkolben 36 verbunden, der verfahrbar in einem zweiten Stützzylinder 34 angeordnet ist. Die erste Stützstange 22, der erste Stützkolben 26, die zweite Stützstange 32 und der zweite Stützkolben 36 bilden zusammen ein Verstellsystem 20.
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Mittels einer Rotationsbewegung 80 um den Drehpunkt 15 des Exzenters 10 ist eine Oberfläche 301 des Verdichtungskolbens 300 zu dem Drehpunkt 15 hin oder von diesem weg beweglich. Dadurch ist eine effektive Wirklänge I des Pleuels 100 einstellbar. Die Wirklänge I beschreibt die Länge zwischen einem Pleuelaugenmittelpunkt 210 und der Oberfläche 301 des Kolbens 300. Mittels dieser Wirklänge I ist ein Verdichtungsverhältnis in einem Verbrennungszylinder eines Verbrennungsmotors veränderbar und einstellbar Dabei entspricht die eine Wirklänge I1 einem niedrigen Verdichtungsverhältnis und eine Wirklänge I2 entspricht einem hohen Verdichtungsverhältnis. Der Verdichtungskolben 300, der Exzenter 10 und das Verstellsystem 20 sind mechanisch miteinander verbunden, sodass mit der Drehbewegung 80 des Exzenters 10 eine Hubbewegung 82 der Stützkolben 26,36 in den Stützzylindem 24,34 einhergeht. Somit ist die Wirklänge I mit einer Drehposition des Excenters 10 assoziiert.
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Der erste Stützzylinder 24 und der zweite Stützzylinder 34 sowie die Kurbelwellenlagerschale 40 sind hydraulisch über Fluidkanäle 50 miteinander verbunden. Damit kann ein Öl zwischen der Kurbelwelle 200 der Kurbelwellenlagerschale 40 eingebracht werden. Zudem sind der erste Stützkolben 26 und der zweite Stützkolben 36 über die Fluidkanäle 50 hydraulisch wirkverbunden. An den ersten Stützkolben 24 schließt sich ein erster Leitungsabschnitt 52 der Fluidkanäle 50 an. Der erste Leitungsabschnitt 52 weist ein Dämpfungsmittel 60 zur Verringerung von Druckschwingungen auf.
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2a zeigt in schematischer Darstellung den Pleuel 100 mit dem Exzenter 10, dem Verstellsystem 20, den Fluidkanälen 50 sowie der Kurbelwellenlagerschale 40 und der Kurbelwelle 200. In einer hier dargestellten Endstellung weist der Pleuel 100 eine niedrige Wirklänge und damit einhergehend ein niedriges Kompressionsverhältnis auf. Dabei ist der erste Stützzylinder 24 nur geringfügig mit Öl gefüllt, während der zweite Stützzylinder 34 mit verhältnismäßig viel Öl gefüllt ist. Zwischen den Fluidkanälen 50, die den ersten Stützzylinder 24 mit dem zweiten Stützzylinder 34 und der Kurbelwellenlagerschale 40 verbinden, sind ein dem ersten Stützzylinder 24 zugeordnetes erstes Absperrventil 27 und ein dem zweiten Stützzylinder 34 zugeordnetes zweites Absperrventil 37 angeordnet. Eine erste Drossel 28 und eine zweite Drossel 38 sind zwischen den Fluidkanälen 50 angeordnet und dem ersten beziehungsweise dem zweiten Stützzylinder 24, 34 zugeordnet. Ein zwischen in den Fluidkanälen 50 angeordnetes Wegeventil 51 regelt abhängig von einer Schaltstellung einen Ölstrom zwischen dem ersten und zweiten Stützzylinder 24, 34. Eine an die Fluidleitungen 50 angeschlossene Pumpe 70 versorgt die Fluidleitungen 50 mit dem Öl und gewährleistet ein Versorgungsdruckniveau in den Fluidleitungen 50, dem ersten und dem zweiten Stützzylinder 24,34 sowie zwischen der Kurbelwelle 200 und der Kurbelwellenlagerschale 40.
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In der hier dargestellten Schaltstellung zur Beibehaltung der eingestellten Wirklänge des Pleuels ist ein Ölstrom aus dem zweiten Stützzylinder 34 in den ersten Stützzylinder 24 durch die Schaltstellung des Wegeventils 51 und durch das zweite Absperrventil 37 verhindert.
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Im motorischen Betrieb wirken Gaskräfte Fg und Massenkräfte Fm auf den Verdichtungskolben. Diese entstehen durch Verbrennungsvorgänge eines Gasgemischs im Verbrennungszylinder beziehungsweise bei einer Geschwindigkeitsänderung des Kolbens 300. Diese Kräfte werden über den Exzenter 10 in das Verstellsystem 20 eingeleitet.
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Insbesondere in der hier dargestellten Endstellung wirkt bei der Einleitung von einer Massenkraft Fm in den Exzenter 10 eine Zugkraft auf den ersten Stützkolben 26. Dadurch vollzieht der erste Stützkolben 26 eine Hubbewegung 82 in Richtung des Exzenters 10. Dabei entsteht ein Unterdruck in dem ersten Stützzylinder 24. Bei einer Einleitung einer Gaskraft Fg in den Exzenter 10 vollzieht der erste Stützkolben 26 eine Hubbewegung 82 in Richtung der Fluidkanäle 50 und es entsteht ein Überdruck dem ersten Stützzylinder 24.
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Durch hochfrequente Fluktuationen im Bereich von bis zu ca. 100 Hz zwischen Niedrigdruckphasen und Hochdruckphasen entstehen Druckschwingungen in dem ersten Stützzylinder 24 und in einem daran angeschlossenen ersten Leitungsabschnitt 52 der Fluidkanäle 50. Diese Druckschwingungen und damit einhergehende Kavitation führen zu Schäden an dem ersten Stützkolben 26, dem Wegeventil 51, dem ersten Stützzylinder 24, den Fluidleitungen 50, der Kurbelwellenlagerschale 40, der Kurbelwelle 200 und weiteren Komponenten des Pleuels 100.
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In Niederdruckphasen kommt es auch zu einer Unterversorgung von Öl zwischen der Kurbelwelle 200 und der Kurbelwellenlagerschale 40 und damit einhergehenden Schäden.
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2b zeigt in einer schematischen Darstellung den Pleuel 100 mit den Fluidkanälen 50, die den ersten Stützzylinder 24 mit dem zweiten Stützzylinder 34 hydraulisch verbinden. Das Verstellsystem 20 befindet sich hier in einer Endstellung, die dem niedrigen Verdichtungsverhältnis zugeordnet ist. Dabei befindet sich der erste Stützkolben 26 an einem Boden 23 des ersten Stützzylinders 24. Das Wegeventil 51 ist in einer Schaltstellung zum Verfahren des Verstellsystems 20 in eine Endstellung, die einem hohen Verdichtungsverhältnis zugeordnet ist. Dabei wird der zweite Stützkolben 36 mittels eingeleiteter Massekräfte Fm in Richtung eines Bodens 33 des zweiten Stützzylinders 34 verfahren und das Öl aus dem zweiten Stützzylinder 34 verdrängt. Mittels der mechanischen Kopplung des ersten Stützkolbens 26 mit dem zweiten Stützkolben 36 über den Exzenter 10 wird auch eine Zugkraft über die erste Stützstange 22 in den ersten Stützkolben 26 eingeleitet. Dadurch wird eine Bewegung des ersten Stützkolbens 26 weg von dem Boden 23 des ersten Stützzylinders 24 in Richtung des Exzenters 10 bewirkt. Damit einhergehend wird das Öl in den ersten Stützzylinder 24 gesaugt. Dabei entsteht ein Fluidfluss 84 von dem zweiten Stützzylinder 34 in den ersten Stützzylinder 24. Der Fluidfluss 84 erfolgt von dem zweiten Stützzylinder 34 durch die Fluidkanäle 50, eine zweite Drossel 38, das Wegeventil 51, ein erstes Absperrventil 27 in den ersten Stützkolben 24. Ein verfahren der Stützkolben 24,34 in entgegengesetzter Richtung bei Beaufschlagung mit der Gaskraft Fg wird durch die Schaltstellung des Wegeventils 51 und durch das erste Absperrventil 27 verhindert.
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3 zeigt in einer Schnittdarstellung einen Ausschnitt des Pleuels 100 mit einem Leitungsabschnitt 52 der Fluidkanäle 50. Dieser Leitungsabschnitt 52 schließt sich an den ersten Stützzylinder an. Der erste Leitungsabschnitt 52 umfasst eine Stichleitung 56 sowie eine Zweigleitung 54 und einen Teil 59. Der Teil 59, die Zweigleitung 54 und die Stichleitung 56 sind zylindrisch ausgestaltet und mit Öl gefüllt. Eine Zweigachse 94 verläuft äquidistant in der Zweigleitung 54, eine Stichachse 96 verläuft äquidistant in der Stichleitung 56 und eine Teilachse 99 verläuft äquidistant in dem Teil 59 des Leitungsabschnittes 52.
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Die Zweigachse 94 zweigt in einem Winkel von 40° von dem Teil 59 des Leitungsabschnittes 52 ab, sodass zwischen der Zweigachse 94 und der Teilachse ein Winkel von 40° anliegt. Die Stichleitung 56 fluchtet mit dem Teil 59 des ersten Leitungsabschnittes 52. Somit bildet die Stichleitung eine direkte Fortsetzung des Teils 59 des ersten Leitungsabschnittes 52 und die Teilachse 99 verläuft einheitlich mit der Stichachse 96.
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In der Stichleitung 56 ist ein Dämpfungsmittel 60 in Ausgestaltung eines Kegelelementes 64 angeordnet. Das Kegelelement 60 umfasst eine Spitze 69, die in Richtung des Teils 59 des Leitungsabschnittes 52 gerichtet ist. Dabei ist ein Spalt 58 zwischen einer Stichleitungswand 57 der Stichleitung 56 und dem Kegelelement 64 gebildet. Dieser Spalt 58 ist als sich konisch verjüngender Spalt 58a ausgebildet. An den sich konisch verjüngenden Spalt 58a schließt sich ein Ringspalt 58b an. Der Ringspalt 58b verläuft zwischen einem Zylinderabschnitt 64b des Kegelelementes 64 und der Stichleitungswand 57.
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Von dem ersten Stützzylinder ausgehend laufen die Druckschwingungen 86 in dem Öl des Leitungsabschnitts 52 und durch den Teil 59 des Leitungsabschnitts 52. Aufgrund der Abzweigung mit einem Winkel von 40° laufen ein Großteil der Druckschwingungen 86 in die Stichleitung 56 und nur ein kleiner Anteil der Druckschwingungen 86 laufen in die Zweigleitung 54 und weiter in Richtung des hier nicht dargestellten Wegeventils, des ersten Absperrventils und der Kurbelwellenlagerschale. Dieser Großteil der Druckschwingungen 86 läuft dabei auf eine in Richtung des Teils 59 ausgerichtete Spitze 69 des Kegelelementes 64 auf. Dabei werden die Druckschwingungen 86 gespalten und verlaufen sich in dem Spalt 58. Dadurch werden die Druckschwingungen 86 verringert und zuvor genannte und durch die Druckschwingungen 86 bedingte Schäden vermieden.
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4 zeigt in einer Schnittdarstellung einen Ausschnitt des Pleuels 100 mit in der Stichleitung 56 angeordnetem Resonator 62. In dem Teil 59 des ersten Leitungsabschnittes 52 ist ein Sieb 66 angeordnet. Eine Leitungsinnenwand 53 des ersten Leitungsabschnittes 52 weist eine unregelmäßige und unebene zerklüftete Oberfläche auf. Die Druckschwingungen 86 laufen entlang dem Leitungsabschnitt 52 von dem ersten Stützzylinder in Richtung der Kurbelwellenlagerschale (beides hier nicht dargestellt). Dabei werden die Druckschwingungen 86 durch die zerklüftete Oberfläche und beim durchlaufen des Siebes 66 gedämpft.
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Die Druckschwingungen 86 laufen durch einen Resonatoreingang 63 in den Resonator 62 ein, werden an einem Ende der Stichleitung 56 reflektiert und laufen darauf durch einen Resonatorausgang 65 aus dem Resonator 62 aus. Die Druckschwingungen 86 werden dabei zwischen dem Resonatoreingang 63 und dem Resonatorausgang 65 gedämpft.
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5 zeigt in Schnittdarstellung einen Ausschnitt des Pleuels 100 mit dem ersten Leitungsabschnitt 52, wobei als Elastomere 68 ausgebildete Dämpfungsmittel 60 in der Stichleitung 56 angeordnet sind und einen Teil des ersten Leitungsabschnittes 52 bilden. Bei Auflaufen der Druckschwingungen 86 auf das Elastomer 68 verformt sich dieses, und nimmt Energie der Druckschwingungen 86 auf. Dadurch wird die Druckschwingung 86 gedämpft und eine Kavitation sowie Schäden an dem Pleuel 100 und Komponenten des Pleuels 100 vermieden.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten oder räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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