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Die Erfindung betrifft Brennkraftmaschinen mit einer verstellbaren Verdichtung. Ein Verdichtungsverhältnis drückt die Höhe einer von einem Hubkolben im Verdichtungstakt vorgenommenen Gasverdichtung in ein im oberen Totpunkt verbleibendes Brennraumvolumen aus. Eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine bewirkt Wirkungsgradvorteile. Bei Ottomotoren von Kraftfahrzeugen mit häufig wechselnden Betriebsbedingungen zwischen Teillast- und Volllastbetrieb ist das maximal nutzbare Verdichtungsverhältnis jedoch abhängig von der betriebsabhängig variablen Frischgasmenge. Denn bei einem für eine bestimmte Frischgasmenge zu hohem Verdichtungsverhältnis führen zu hohe Verdichtungstemperaturen zu einer Selbstentzündung des Frischgases. Hiernach setzt eine zu früh beginnende unkontrollierte Verbrennung mit schädlich hohen Verbrennungsdrücken ein. Während ein bei hoher Motorleistung niedrig eingestelltes Verdichtungsverhältnis eine Frischgas-Selbstentzündung verhindert, bewirkt ein bei Teillastbetrieb mit geringer Frischgasmenge hoch eingestelltes Verdichtungsverhältnis Vorteile hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission. Bei Dieselmotoren können durch ein den wechselnden Betriebsbedingungen angepasstes Verdichtungsverhältnis auch NOx-Abgasvorteile erzielt werden.
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Für die Verdichtungsverstellung einer Brennkraftmaschine sind mehrere Lösungen bekannt. Hierbei sind insbesondere Lösungen mit in ihrer effektiven Länge verstellbaren Pleueln vorteilhaft hinsichtlich Bauraumbedarf und Herstellkosten. Die in der Regel durch periodisch wechselnde Pleuelkräfte erfolgende Verstellung kann entweder relativ schnell während eines einzigen Kolbenhubs oder länger andauernd über mehrere Kolbenhübe bei dann erforderlicher Nutzung einer Rückstellsperre erfolgen.
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Die
DE102016117875A1 zeigt eine Lösung für eine zweistufige Verdichtungsverstellung durch ein effektiv in seiner Länge verstellbares Pleuel. Ein hierzu im Pleuelkopf schwenkbar angeordneter Exzenter stützt sich über zwei Hebelarme und zwei Hydraulikkolben an der Pleuelstange ab. Während die Verstellung des Exzenters durch periodisch wechselnde Pleuelkräfte erfolgt, kontrollieren die Hydraulikkolben die mehrstufig über mehrere Motorzyklen ablaufende Verdichtungsverstellung und nutzen Rückschlagventilen als Rückstellsperren.
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Die
DE102020002316A1 zeigt als weitere Lösung für eine Verdichtungsumschaltung ein verstellbares Pleuel mit einem verdrehbaren Gewindeelement. Hierbei ist ein Pleuelunterteil über eine mit zwei gegenläufig ausgerichteten Steilgewinden ausgebildete Gewindebuchse mit einem Pleueloberteil verbunden. Nach Entriegelung der drehbaren Gewindebuchse erfolgt deren Verdrehung durch periodisch wechselnde Pleuelkräfte, die über die Steilgewinde ein entsprechendes Drehmoment an der Gewindebuchse erzeugen. Bei Erreichen der jeweiligen Endposition bei hoher oder niedriger Verdichtung wird das Gewindeelement durch hydraulisch schaltbare Bolzen verriegelt.
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Die
DE102020003107A1 zeigt als Weiterentwicklung der Lösungen der
DE102020002316A1 mehrere Verbesserungen. Insbesondere sind zusätzliche Einrichtungen zur Abbremsung der Verdichtungsverstellung beschrieben, um eine schadlose Verriegelung der Gewindebuchse durch Bolzen in den jeweiligen Endpositionen zu gewährleisten.
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Bei einer Verdichtungsverstellung durch ein drehbares Gewindeelement ist die Verstellgeschwindigkeit von mehreren Randbedingungen abhängig, wie beispielsweise von der Höhe der Pleuelkräfte. Für eine vollständige Verstellung mit abschließender Verriegelung wird eine gewisse Verstellzeit benötigt. Die verstellwirksam periodisch wechselnden Kolbenkräfte können deshalb abhängig von weiteren Randbedingungen unter Umständen den Verstellvorgang nicht während einer einzigen Kolbenhubphase abschließen. Bei dann nicht verriegelbarer Gewindebuchse würden periodisch umkehrende Pleuelkräfte eine unbeabsichtigte Rückverstellung verursachen, wobei dann ohne Erreichen der verriegelbaren Endpositionen sich das Verdichtungsverhältnis unkontrolliert permanent hin und her verstellen würde. Erst durch die zusätzliche Anordnung einer Rückstellsperre für die Verstellung kann die entsprechende Endposition einer Verdichtungsverstellung über mehrere Kolbenhubzyklen erreicht und dann auch verriegelt werden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung für eine zweistufige Verstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine mit in der Länge über Gewinde verstellbaren Pleueln eine Lösung zu schaffen, die durch Verwendung einer als mechanischen Freilauf mit Sperrrichtungsumschaltung ausgebildeten Rückstellsperre eine in mehreren Einzelschritten ablaufende Verdichtungsverstellung ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem Hauptanspruch, weitere Unteransprüche beschreiben die Ausgestaltung der Erfindung.
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Die Erfindung ist eine Weiterentwicklung der bekannten Anmeldungen
DE102020002316A1 und
DE102020003107A1 und setzt teilweise die Kenntnis deren beschriebenen Funktionen und Wirkungsweisen voraus.
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In einer bevorzugten Anwendung der Erfindung ist die Brennkraftmaschine als Ottomotor mit zumindest einem Zylinder ausgebildet. Die Verdichtungsverstellung verwendet ein in seiner Länge verstellbares Pleuel, das die von einem Hubkolben über einen Kolbenbolzen einwirkenden Kräfte auf einen Hubzapfen einer Kurbelwelle überträgt und ein entsprechendes Drehmoment erzeugt. Das mehrteilig ausgebildete Pleuel weist im Wesentlichen ein den Kolbenbolzen umschließendes Pleueloberteil und ein auf dem Hubzapfen gelagertes Pleuelunterteil auf, die über ein verdrehbares Gewindeelement verbunden sind. Das Gewindeelement ist vorzugsweise als Gewindebuchse mit zwei innenseitig gegenläufigen Steilgewinden ausgebildet, die jeweils in Eingriff mit außenseitigen Steilgewinden des Pleueloberteils und des Pleuelunterteils stehen. Durch eine Verdrehung der Gewindebuchse verstellt sich die Länge des Pleuels und damit das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine.
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Am Ende einer Verdichtungsverstellung ist die Gewindebuchse jeweils durch Bolzen mechanisch zu verriegeln, um einen sicheren Betrieb des Ottomotors zu gewährleisten. Da die Verstellung der Verdichtung zeitbehaftet ist und von mehreren veränderlichen Randbedingungen mit wechselnden Kräften abhängt, ist es vorteilhaft einen erfindungsgemäßen Freilauf zu verwenden. Hierdurch kann der von periodisch wechselnden Pleuelkräften bewirkte Verstellvorgang über mehrere Hubzyklen ablaufen, ohne dass während der ablaufenden Verstellung periodisch entgegenwirkende Kräfte eine Rückverstellung bewirken. Für eine beabsichtigte Rückverstellung der Verdichtung muss der Freilauf dann auf eine entgegengesetzte Sperrwirkung umschaltbar ausgebildet sein.
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Der Freilauf ist vorzugsweise zwischen der Gewindebuchse und dem Pleuelunterteil angeordnet. Aufgrund der während der Verstellung sich entlang einer Pleuellängsachse verlagernden Gewindebuchse muss der Freilauf entsprechend schräg ausgerichtet sein. Sein Sperrkörper ist vorzugsweise als Kugel ausgebildet, die in einer konzentrisch zur Pleuellängsachse angeordneten äußeren Halbrundnut der Gewindebuchse abrollen kann. Am Pleuelunterteil ist für die Kugel ebenfalls eine innere Halbrundnut ausgebildet, die jedoch zwecks Erzielung einer Sperrwirkung keine konzentrisch zur Pleuellängsachse ausgebildete Abrollkontur aufweist. Bei definiertem Spiel in Mittelstellung der Kugel zur inneren Halbrundnute tritt keine Sperrwirkung auf. Erfindungsgemäß kann die Kugel jedoch über umschaltbaren Öldruck aus ihrer spielbehafteten Mittelstellung bis zur spielfreien Anlage an den beiden Halbrundnuten verschoben werden. Hierdurch erzeugt die Kugel bei einer entsprechend ihrer Öldruckbeaufschlagung wirkenden Drehrichtung der Gewindebuchse eine Sperrwirkung, während sie bei einer der Öldruckbeaufschlagung entgegenwirkender Drehrichtung der Gewindebuchse keine Sperrwirkung entfaltet. Durch einen Wechsel der Öldruckbeaufschlagung der Kugel wird somit der Freilauf hinsichtlich seiner Sperrrichtung umgeschaltet. Da für eine Verdichtungsumschaltung die Verriegelungseinheit ebenfalls durch eine wechselnde Öldruckbeaufschlagung in bekannter Weise durch ein Umschaltventil umgeschaltet wird, ist es vorteilhaft den Freilauf hydraulisch direkt an die Verriegelungseinheit anzuschließen.
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Anhand der nachfolgend beschriebenen 1 bis 7 wird die Erfindung näher erläutert.
- Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem durch eine Gewindebuchse in der Länge verstellbaren Pleuel.
- Die 2 zeigt das Pleuel bei niedrig eingestelltem Verdichtungsverhältnis.
- Die 3 zeigt das Pleuel bei hoch eingestelltem Verdichtungsverhältnis.
- Die 4 zeigt eine Schnittansicht der Gewindebuchse.
- Die 5 zeigt eine Schnittansicht des Freilaufs während einer Verdichtungsverstellung.
- Die 6 zeigt eine Schnittansicht des Freilaufs bei niedrig eingestelltem Verdichtungsverhältnis.
- Die 7 zeigt eine Schnittansicht des Freilaufs bei hoch eingestelltem Verdichtungsverhältnis.
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In der 1 ist ein bevorzugtes Ausbildungsbeispiel der Erfindung für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder dargestellt. Im Zylinder 1 ist ein entlang einer Zylinderachse 2 beweglicher Hubkolben 3 angeordnet. Der Zylinder 1 ist von einem Zylinderkopf 4 verschlossen, wodurch zwischen dem Hubkolben 3 und dem Zylinderkopf 4 ein Brennraum 5 gebildet ist. Der vom veränderlichen Gasdruck im Brennraum 5 beaufschlagte Hubkolben 3 überträgt die resultierenden Gaskräfte wie auch Kolbenmassenkräfte über einen Kolbenbolzen 6 auf ein Pleuel 7, das sich an einem Hubzapfen 8 einer Kurbelwelle 9 drehgelagert abstützt und in bekannter Weise ein entsprechendes Drehmoment der Brennkraftmaschine erzeugt.
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Das mehrteilig ausgebildete Pleuel 7 weist ein den Kolbenbolzen 6 umschließendes Pleueloberteil 10 und ein Pleuelunterteil 11 auf, das am Hubzapfen 8 mit einem Pleueldeckel 12 verschraubt ist. Konzentrisch zu einer Pleuellängsachse 13 ist eine Gewindebuchse 14 angeordnet, die über zwei entgegengesetzt ausgerichtete Steilgewinde das Pleueloberteil 10 mit dem Pleuelunterteil 11 formschlüssig verbindet. Durch Verdrehen der Gewindebuchse 14 ist dadurch die Länge des Pleuels 7 verstellbar. Eine vorgespannte Torsionsfeder 15 übt auf die Gewindebuchse 14 ein Drehmoment im Sinne einer Verstellung zu einer großen Pleuellänge bei dann hohem Verdichtungsverhältnis aus. Bei entsprechender Gaskraft im Brennraum 5 bewirkt die resultierende Pleueldruckkraft über die gegenläufig ausgebildeten Steilgewinde eine Verdrehung der Gewindebuchse 14 im Sinne einer Verkürzung des Pleuels 7 für ein niedriges Verdichtungsverhältnis. In den jeweiligen Endlagen ist die Gewindebuchse 14 durch hydraulisch mit Öldruck beaufschlagbare Bolzen verriegelt. Für die Ver- und Entriegelung der Bolzen ist im Pleueldeckel 12 ein Umschaltventil 16 angeordnet, das den im Betrieb der Brennkraftmaschine am Hubzapfen 8 herrschenden Öldruck in bekannter Weise nutzt.
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Die 2 zeigt eine Schnittansicht zu 1 von links auf das mehrteilige Pleuel 7, wobei sich der Hubzapfen 8 der Kurbelwelle 9 in seiner tiefsten Position und damit der Hubkolben 3 in UT-Stellung befindet. Hierbei steht der Kolbenbolzen 6 mit seiner zugehörigen Kolbenbolzenachse 17 in einer Verstellposition V1 des Pleueloberteils 10 bei einer minimalen Länge L1 des Pleuels 7 und dann niedrigem Verdichtungsverhältnis. Das Pleuelunterteil 11 weist ein rechtsgängiges Steilgewinde 20 auf und ragt mit einem Führungsdorn 21 in eine gestuft ausgebildete Führungsbohrung 22 des Pleueloberteils 10 hinein. Ein im Pleueloberteil 10 fixierter Bolzen 23 ragt in ein Langloch 24 des Führungsdorns 21, wodurch das Pleueloberteil 10 gegenüber dem Pleuelunterteil 11 drehgesichert ist. Die Gewindebuchse 14 steht mit dem Pleueloberteil 10 über ein linksgängiges Steilgewinde 25 und mit dem Pleuelunterteil 11 mit dem rechtsgängigen Steilgewinde 20 in Formschluss, wobei die Gewinde vorzugsweise als Trapezgewinde ausgebildet sind. Die Torsionsfeder 15 stützt sich einerseits am Pleueloberteil 10 und andererseits an der Gewindebuchse 14 ab. In der Verstellposition V1 ist die zugehörige Drehposition der Gewindebuchse 14 für einen sicheren Betrieb der Brennkraftmaschine in bekannter Weise durch Formschluss durch eine Verriegelungseinheit 30 gesichert, die im Pleuelunterteil 11 angeordnet ist und über zugehörige Konusbohrungen 42 bzw. 43 der Gewindebuchse 14 diese verriegeln kann.
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Die bei Verdichtungsverstellung in bekannter Weise wechselseitig mit Öldruck beaufschlagte Verriegelungseinheit 30 leitet den Öldruck über eine Bohrung 31 des Pleuelunterteils 11 permanent zur inneren Schmierung des Pleuels 7 in eine zwischen dem Pleueloberteil 10 und dem Pleuelunterteil 11 befindliche Kammer 32. Der an der Verriegelungseinheit 30 wechselseitig anliegende Öldruck wird weiterhin für eine wechselweise Sperrumschaltung eines erfindungsgemäßen Freilaufs 33 der Gewindebuchse 14 genutzt, der vorzugsweise als Sperrelement eine Kugel 34 aufweist.
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In 3 ist nach einer Verdichtungsumschaltung auf ein hohes Verdichtungsverhältnis eine maximale Pleuellänge L2 in der Verstellposition V2 der Kolbenbolzenachse 17 dargestellt. Für die vorausgegangene Verdichtungsverstellung wurde das Umschaltventil 16 durch eine Öldruckabsenkung aktiviert, wodurch die Verriegelungseinheit 30 die ursprüngliche Verriegelung der Gewindebuchse 14 in der Verstellposition V1 entsprechend 2 aufgehoben hat und der Freilauf 33 erfindungsgemäß für eine Pleuelverlängerung umgeschaltet wurde. Bei am Hubkolben 3 nach oben gerichteten Kräften, wie in OT-Nähe auftretenden Kolbenmassenkräften und durch zeitweise im Brennraum 5 wirkenden Ansaugunterdruck mit dann am Hubkolben 3 wirkenden Unterdruckkräften, treten an der Gewindebuchse 14 Zugkräfte auf. Hierdurch verdrehen die resultierenden Kräfte der Steilgewinde 20 und 25 die Gewindebuchse 14 im Sinne einer Pleuelverlängerung, wobei die sich dabei entspannende Torsionsfeder 15 die Verdichtungsverstellung unterstützt. Nach mehreren durch den Freilauf 33 ermöglichten Verstellschritten wurde die Gewindebuchse 14 dann in der gezeigten Verstellposition V2 durch die Verriegelungseinheit 30 in bekannter Weise verriegelt.
Eine Rückverstellung auf ein niedriges Verdichtungsverhältnis erfolgt im Wesentlichen durch Gasdruckkräfte im Brennraum 5, die entsprechende Druckkräfte in der Gewindebuchse 14 hervorrufen. Nach ihrer Entriegelung durch eine Öldruckerhöhung am Umschaltventil 16 und damit erfolgender Umschaltung der Sperrrichtung des Freilaufs 33 versetzen die Gewindekräfte die Gewindebuchse 14 in Drehung und verkürzen dadurch bei zunehmender Vorspannung der Torsionsfeder 15 die Pleuellänge. Während der Verkürzung der Pleuellänge verkleinert sich das Volumen der Kammer 32, wobei das im Wesentlichen über das Gewindespiel des Steilgewindes 20 aus der Kammer 32 in die Umgebung verdrängte Öl insbesondere bei schneller Verstellung durch hohen Brennraumdruck eine dämpfende Wirkung auf die Verstellung ausübt. Bei Erreichen der Verstellposition V1 entsprechend 2 legt sich die Gewindebuchse 14 an die Tellerfeder 28 an. Hierdurch verschließt sich der Ölabfluss aus der Kammer 32, so dass in bekannter Weise die Gewindebuchse 14 mechanisch durch die Tellerfeder 28 und hydraulisch durch kurzzeitigen Überdruck in der Kammer 32 abgebremst wird.
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Die 4 zeigt die entlang der Pleuellängsachse 13 geschnittene Gewindebuchse 14 sowie das als Kugel 34 ausgebildete Sperrelement. In der Gewindebuchse 14 ist konzentrisch zur Pleuellängsachse 13 eine entsprechend dem Innengewinde 27 schräg ausgerichtete äußere Halbrundnut 35 angeordnet, die die Sperrkugel 34 bei Verdrehung der Gewindebuchse 14 durchläuft.
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Die 5 zeigt einen waagerechten Schnitt durch die Sperrkugel 34 und das Pleuelunterteil 11 sowie mehrere hierzu versetzte Schnitte in einer Momentaufnahme während einer Verstellung zu einem niedrigen Verdichtungsverhältnis. Das Pleuelunterteil 11 ist zur Führung der Sperrkugel 34 im einfachsten Fall mit einer gerade ausgeführten inneren Halbrundnut 36 ausgebildet. In Mittelstellung der Kugel 34 zur inneren Halbrundnut 36 weist sie ein definiertes Spiel zu den sie umgebenden Halbrundnuten 35 und 36 auf, während die Kugel 34 bei gezeigtem seitlichem Versatz bis zur spielfreien Anlage an den Halbrundnuten 35 und 36 eine einseitige Sperrwirkung für die drehbare Gewindebuchse 14 entfaltet. Die im Pleuelunterteil 11 angeordnete Verriegelungseinheit 30 weist einen ersten Konusbolzen 40 und einen zweiten Konusbolzen 41 auf. Bei der ablaufenden Verstellung zu einem niedrigen Verdichtungsverhältnis wirkt der in bekannter Weise vom Umschaltventil 16 auf die Stirnseite des Konusbolzens 40 geschaltete Öldruck über eine Bohrung 37 auch rechtsseitig der Sperrkugel 34 in den Halbrundnuten 35 und 36. Gleichzeitig wirkt eine in bekannter Weise durch das Umschaltventil 16 stirnseitig am Konusbolzen 41 anliegende Druckentlastung über eine Bohrung 38 auch linksseitig der Sperrkugel 34. Hierdurch wird die Sperrkugel 34 nach links bis zu ihrer spielfreien Anlage an die Halbrundnuten 35 und 36 gedrückt, wodurch die dann von der Kugel 34 erzeugte Sperrwirkung nun einseitig entgegen der mit einem Pfeil angezeigten Verstellrichtung wirkt. Hierdurch kann die Verstellung ungehindert ablaufen, entweder relativ schnell während einer Hubphase oder bei geringerer Verstellgeschwindigkeit mehrstufig bei jeweils periodisch auftretenden Pleueldruckkräften unter Nutzung der einseitigen Sperrwirkung Kugel 34. Die Gewindebuchse 14 ist abweichend zum Schnitt durch die Sperrkugel 34 im Bereich der schräg angeordnete äußeren Halbrundnut 35 entsprechend schräg geschnitten dargestellt. Im rechten Endbereich der äußeren Halbrundnut 35 befindet sich für die Kugel 34 eine Montagebohrung 44, die von einem Stopfen 45 verschlossen ist.
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Die 6 zeigt nach Abschluss der Verdichtungsverstellung entsprechend 5 die Gewindebuchse 14 bei Verriegelung in der Verstellposition V1 bei dann niedrigem Verdichtungsverhältnis. Hierzu hat der weiterhin stirnseitig am Konusbolzen 40 wirkenden Öldruck den gegenüberliegenden Konusbolzen 41 in die Konusbohrung 42 verschoben.
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In 7 ist die Gewindebuchse 14 an ihrer Konusbohrung 43 durch den Konusbolzen 40 bei hoch eingestelltem Verdichtungsverhältnis in der Verstellposition V2 verrastet. Ausgehend von 6 wurde die vorab erfolgte Verdichtungsverstellung durch einen Wechsel der Öldruckbeaufschlagung an der Verriegelungseinheit 30 eingeleitet. Hierdurch wurde die Gewindebuchse 14 entriegelt und die Kugel 34 linksseitig mit Öldruck beaufschlagt und rechtsseitig druckentlastet. Die periodisch auftretenden Pleuelzugkräfte haben die Gewindebuchse 14 nun linksdrehend verstellt, wobei die öldruckbedingt nach rechts gedrückte Kugel 34 bei einem mehrstufigen Verstellvorgang entsprechend deren Rückdrehen verhindert.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung und Wirkungsweise eines umschaltbaren Freilaufs an einem längenverstellbaren Pleuel einer Brennkraftmaschine wird eine vorteilhaft in mehreren kleinen Verstellschritten ablaufende Verdichtungsverstellung ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinder
- 2
- Zylinderachse
- 3
- Hubkolben
- 4
- Zylinderkopf
- 5
- Brennraum
- 6
- Kolbenbolzen
- 7
- Pleuel
- 8
- Hubzapfen
- 9
- Kurbelwelle
- 10
- Pleueloberteil
- 11
- Pleuelunterteil
- 12
- Pleueldeckel
- 13
- Pleuellängsachse
- 14
- Gewindebuchse
- 15
- Torsionsfeder
- 16
- Umschaltventil
- 17
- Kolbenbolzenachse
- 18
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- 19
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- 20
- rechtsgängiges Steilgewinde
- 21
- Führungsdorn
- 22
- Führungsbohrung
- 23
- Bolzen
- 24
- Langloch
- 25
- linksgängiges Steilgewinde
- 26
- Tellerfeder
- 27
- Innengewinde
- 28
-
- 29
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- 30
- Verriegelungseinheit
- 31
- Bohrung
- 32
- Kammer
- 33
- Freilauf
- 34
- Kugel
- 35
- äußere Halbrundnut
- 36
- innere Halbrundnut
- 37
- Bohrung
- 38
- Bohrung
- 39
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- 40
- erster Konusbolzen
- 41
- zweiter Konusbolzen
- 42
- erste Konusbohrung
- 43
- zweite Konusbohrung
- 44
- Montagebohrung
- 45
- Verschlussstopfen
- L1
- minimale Pleuellänge
- L2
- maximale Pleuellänge
- V1
- Verstellposition 1
- V2
- Verstellposition 2
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016117875 A1 [0003]
- DE 102020002316 A1 [0004, 0005, 0009]
- DE 102020003107 A1 [0005, 0009]
