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Diese
Erfindung betrifft einen Kolben für einen Kolbenverbrennungsmotor
und insbesondere das Verbessern der Schmierung eines solchen Kolbens.
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Aus
GB-A-2,448,544 ist
zum Beispiel bekannt, einen Kolben mit einer Anzahl von Taschen
zu versehen, um in den Bereichen des Kolbens, die Reibungskontakt
mit einer Zylinderwand ausgesetzt sind, Öl zurückzuhalten.
Auch wenn die in
GB-A-2,448,544 gezeigte
Konstruktion eine Verbesserung gegenüber bisher bekannten
Konstruktionen bietet, hat der Erfinder erkannt, dass wie hierin
beschrieben durch Ändern der Position und der Ausrichtung
der Taschen weitere Verbesserungen vorgenommen werden können.
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Eine
Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, einen Kolben mit verbesserten Ölrückhalteeigenschaften
vorzusehen.
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Erfindungsgemäß wird
ein Kolben zur Verwendung in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors
vorgesehen, wobei der Kolben aufweist: einen Kronenabschnitt, der
sich weg von einem oberen Ende des Kolbens erstreckt, ein ovales
fassförmiges Hemd, das von der Krone abhängt,
um ein Bodenende des Kolbens auszubilden, und eine Kontaktzone an
den Druck- und Gegendruckseiten des Hemds, wobei jede Kontaktzone
einen jeweiligen mittleren Abschnitt aufweist, der an jeder Längsseite
durch eine Säule von beabstandeten länglichen
Taschen begrenzt ist, wobei jede der länglichen Taschen
eine bei einem Winkel zu einer Längsachse der jeweiligen Kontaktzone
angeordnete Längsachse aufweist, um bei Einsatz des Kolbens
das Strömen von Öl von dem mittleren Abschnitt
der jeweiligen Kontaktzone in einer Umfangsrichtung zu verringern.
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Dies
hat den Vorteil, dass in dem mittleren Abschnitt jeder mittleren
Zone mehr Öl zurückgehalten wird, wodurch Reibung
und Verschleiß des Kolbens verringert werden.
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Eine
Querachse der Kontaktzone kann jede Säule in ein Paar von
oberen Gruppen und ein Paar von unteren Gruppen aufteilen, und die
in den oberen Gruppen befindlichen Taschen können ausgerichtet sein,
um das Strömen von Öl von der mittleren Zone während
der Aufwärtsbewegung des Kolbens zu verringern.
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Die
Taschen in den oberen Gruppen können in einem Fischgrätmuster
angeordnet sein, das hin zu der Querachse gerichtet ist.
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Jede
der Taschen in den oberen Gruppen kann ein Innenende und ein Außenende
aufweisen, und das Innenende jeder Tasche kann weiter weg vom oberen
Ende des Kolbens sein als das Außenende jeder Tasche.
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Jede
der Taschen in den oberen Gruppen kann ein Innenende und ein Außenende
aufweisen, und jede der Taschen in den oberen Gruppen kann aufweisen,
dass das Innenende näher zur Längsachse der Kontaktzone
befindlich ist als das Außenende.
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Eine
Querachse der Kontaktzone kann jede Säule in ein Paar oberer
Gruppen und ein Paar unterer Gruppen aufteilen, und die sich in
den unteren Gruppen befindlichen Taschen können so ausgerichtet
sein, dass sie das Strömen von Öl von der mittleren
Zone während der Abwärtsbewegung des Kolbens verringern.
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Die
Taschen in den unteren Gruppen können in einem Fischgrätmuster
angeordnet sein, das hin zu der Querachse gerichtet ist.
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Jede
der Taschen in den unteren Gruppen kann ein Innenende und ein Außenende
aufweisen, und das Innenende jeder Tasche kann sich näher zum
oberen Ende des Kolbens befinden als das Außenende.
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Jede
der Taschen in den unteren Gruppen kann ein Innenende und ein Außenende
aufweisen, und jede der Taschen in den unteren Gruppen kann aufweisen,
dass das Innenende näher zur Längsachse der Kontaktzone
befindlich ist als das Außenende.
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Die
Taschen können so ausgerichtet sein, dass sie während
des Einsatzes des Kolbens das Strömen von Öl in
den mittleren Abschnitt der jeweiligen Kontaktzone begünstigen.
Dies hat den Vorteil, dass ein Verbleiben von Öl in dem
mittleren Abschnitt jeder Kontaktzone aktiv begünstigt
wird.
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Die
Längsachse der Kontaktzone kann aufgrund der ovalen Form
des Kolbens zusammenfallend mit einer Linie, die hohe Punkte auf
der Oberfläche des Hemds verbindet, angeordnet sein.
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Die
Querachse der Kontaktzone kann aufgrund der Fassform des Kolbens
zusammenfallend mit einer Linie, die hohe Punkte auf der Oberfläche des
Hemds verbindet, angeordnet sein.
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Jede
der beiden Kontaktzonen kann eine darauf ausgebildete Beschichtung
aufweisen, und die Taschen können in der Beschichtung ausgebildet sein.
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Nun
wird die Erfindung beispielhaft unter Bezug auf die Begleitzeichnungen
beschrieben, wobei:
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1 eine
Vorderansicht eines Kolbens für einen Motor ist, die eine
Kontaktzone an einer von Druckseite und Gegendruckseite eines Hemds
des Kolbens zeigt;
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2 ein
Querschnitt an der Linie 2-2 in 1 ist;
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3 ein
Querschnitt an der Linie 3-3 in 1 ist;
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4 eine
Ansicht ähnlich zu 1 ist, die aber
einen mittleren Abschnitt der Kontaktzone zeigt;
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5 eine
vergrößerte Ansicht der in 4 gezeigten
Kontaktzone ist, die die Position und Ausrichtung von Ölrückhaltetaschen
gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6a eine
vergrößerte Ansicht eines Teils der in 5 gezeigten
Kontaktzone zeigt, die vier der Ölrückhaltetaschen
näher zeigt; und
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6b ein
Querschnitt an der Linie 6-6 von 6a ist.
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Unter
Bezug auf die Figuren weist ein Kolben 10 einen Kronenabschnitt 11 an
seinem oberen Ende und ein von dem Kronenabschnitt 11 abhängendes Hemd 13 auf,
das einen Boden des Kolbens 10 ausbildet. Der Kronenabschnitt 11 weist,
wie aus dem Stand der Technik gut bekannt ist, eine Anzahl von sich
umlaufend erstreckenden Nuten auf, in denen Kolbenringe 12 positioniert
sind.
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Das
Hemd 13 ist in Querrichtung von ovalem Querschnitt, wie
in 3 gezeigt ist, und ist im Längsquerschnitt
fassförmig, wie in 2 gezeigt
ist.
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Das
Hemd 13 bildet zwei Öffnungen 16 aus, die
zum Lagern eines (nicht gezeigten) Kolbenbolzens zum schwenkbaren
Verbinden des Kolbens 10 mit einer (nicht gezeigten) Pleuelstange
dienen. Der Kolbenbolzen verbindet den Kolben 10 mit der
Pleuelstange, so dass er sich um eine Querachse X-X hin- und herbewegen
oder drehen kann.
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Der
Kolben
10 weist zwei diametral gegenüberliegende
Kontaktzonen an der Druck- und Gegendruckseite des Hemds
13 auf
(wovon nur die Kontaktzone
15 an der Druckseite des Kolbens
10 in
den Figuren gezeigt ist), die zum Beispiel durch Siebdruck mit einer
reibungsarmen, abriebfesten Beschichtung beschichtet sind. Auch
wenn die Begriffe Druck und Gegendruck aus dem Stand der Technik
gut bekannt sind, lässt sich eine Beschreibung dieser Begriffe
in dem
US-Patent Nr. 6,345,569 finden.
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Jede
Kontaktzone 15 umfasst einen mittleren Abschnitt 20,
in dem Kontakt zwischen dem Hemd 13 und einer Zylinderwand
eines Motors, an dem der Kolben 10 befestigt ist, wahrscheinlich
auftritt. Es ist wichtig sicherzustellen, dass die Schmierung dieser
mittleren Abschnitte 20 ohne die Erfordernis der Zufuhr
größer Ölmengen erfolgt, um Reibung zu
verringern, ohne Ölpumpverluste zu vergrößern.
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Die
Fassausführung des Kolbens 10 ist in etwa an der
Querachse X-X zentriert, da es diese Achse ist, um die sich der
Kolben 10 hin- und herbewegt, wenn er sich in einem Zylinder
des Motors auf- und ab bewegt. Die Fassausführung führt
dazu, dass das Hemd 13 und die Zylinderwand nicht länger
parallel zueinander sind und dass sich während Hubbewegung
der Kolben 10 um die Achse X-X hin- und herbewegt, was
kombiniert mit der fassartigen Form des Hemds 13 bewirkt,
dass das eingeschlossene Volumen zwischen der Zylinderwand und dem
Hemd 13 unabhängig von der Richtung, in der sich
der Kolben 10 bewegt, zu dem vollsten Teil der Fassform
zusammenläuft. Die relative Bewegung von Öl in
diesen zusammenlaufenden Volumina erzeugt ein hydrodynamisches Öllager,
das Reibung und Abrieb zwischen dem Kolben 10 und der Zylinderwand
verringert.
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Der
vollste Teil der Fassausführung führt zu einer
ersten Reihe von hohen Punkten, die auf eine Linie fallen, die sich
in einer Umfangsrichtung um einen Teil des Hemds 13 erstreckt,
und eine Querachse HP1 jeder Kontaktzone 15 ist zusammenfallend mit
der Linie angeordnet, die die hohen Punkte auf der Oberfläche
des Hemds 13 verbindet, um jede Kontaktzone 15 in
obere und untere Teile aufzuteilen.
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Die
ovale Form des Hemds 13 erzeugt auch auf der Druckseite
des Hemds 13 eine Anzahl von hohen Punkten, die auf eine
Linie fallen, die sich längs entlang der Seite des Hemds 13 durch
die jeweilige Kontaktzone erstreckt, um die jeweilige Kontaktzone 15 in
einen linken Teil und einen rechten Teil zu unterteilen, und eine
Längsachse HP2 des mittleren Abschnitts 20 ist
zusammenfallend mit der Linie angeordnet, die die hohen Punkte auf
der Oberfläche des Hemds 13 verbindet. Analog
erzeugt die ovale Form des Hemds 13 auch auf der Gegendruckseite des
Hemds 13 eine Anzahl von hohen Punkten, die auf eine Linie
fallen, die sich längs entlang dieser Seite des Hemds 13 durch
die jeweilige Kontaktzone erstreckt, um die Kontaktzone in einen
linken Teil und einen rechten Teil zu unterteilen, und eine Längsachse
HP2 des mittleren Abschnitts ist zusammenfallend mit der Linie angeordnet,
die die hohen Punkte auf der Oberfläche des Hemds 13 verbindet.
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Bei
Einsatz pflegt im linken Teil jeder Kontaktzone 15 befindliches Öl
nach links weg von dem in Längsrichtung hohen Punkt HP2
zu strömen, und analog pflegt in dem rechten Teil jeder
Kontaktzone 15 befindliches Öl nach rechts weg
von dem in Längsrichtung hohen Punkt HP2 zu strömen.
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Unter
besonderem Bezug auf 5 bis 6b ist
ersichtlich, dass die Kontaktzone 15 eine Anzahl von darin
ausgebildeten länglichen Taschen 25 aufweist.
Die Taschen 25 können als Teil des Siebdruckprozesses
gebildet werden, der zum Aufbringen der Reibbeschichtung auf die
Kontaktzone verwendet wird, oder können durch Laserätzen
oder durch jedes andere praktische Verfahren erzeugt werden. Die
Größe der Taschen 25 hängt von
der spezifischen Anwendung und der Größe des Kolbens 10 ab,
doch bei einem Kolben mit 90 mm Durchmesser kann jede Tasche 25 typischerweise
3 mm lang, etwa 0,1 mm breit und 0,02 mm tief sein, und die umgebende
Beschichtung kann eine Oberflächenausführung (Rz)
in dem Bereich von 5 bis 10 Mikrometer aufweisen. Es ist erwünscht,
den mittleren Abschnitt 20 der Kontaktzone frei von allen
Taschen 25 zu halten, da diese die hydrodynamische Schmierung
beeinträchtigen und möglicherweise Reibungsverluste steigern
würden.
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Der
mittlere Abschnitt 20 jeder Kontaktzone 15 ist
an jeder Längsseite durch eine Säule C1, C2 begrenzt,
die aus beabstandeten länglichen Taschen 25 gebildet
ist, wobei jede der Taschen eine Längsachse ,L' aufweist,
die bei einem Winkel (θ, ω) bezüglich
der Längsachse HP2 des mittleren Abschnitts 15 angeordnet
ist, um während des Einsatzes des Kolbens 10 das
Strömen von Öl von dem mittleren Abschnitt 20 der
Kontaktzone 15 in einer Umfangsrichtung zu verringern.
Jede Tasche 25, wovon in 6b eine
im Querschnitt gezeigt ist, weist eine umlaufende Wand 26 und
einen geschlossenen Boden 27 auf und kann wie gezeigt von
gleichmäßiger Tiefe sein oder könnte
entweder entlang ihrer Länge oder über ihre Breite
oder beides in der Tiefe unterschiedlich sein.
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Die
Querachse HP1 der Kontaktzone 15 teilt jede Säule
C1, C2 in eine obere und eine untere Gruppe auf.
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Die
in den oberen Gruppen befindlichen Taschen 25 erhalten
nachstehend die Bezugszeichen 21, 23 und sind
zur Längsachse HP2 bei einem spitzen Winkel θ angeordnet,
um während einer Aufwärtsbewegung (siehe Pfeil
U in 6a) des Kolbens 10 das Strömen
von Öl von dem mittleren Abschnitt 20 zu verringern.
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Die
in den unteren Gruppen befindlichen Taschen 25 erhalten
nachstehend die Bezugszeichen 22, 24 und sind
zur Längsachse HP2 bei einem schiefen Winkel ω angeordnet,
um während einer Abwärtsbewegung (siehe Pfeil
D in 6a) des Kolbens 10 das Strömen
von Öl von dem mittleren Abschnitt 20 zu verringern.
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Die
Taschen 21, 23 in den oberen Gruppen bilden ein
Fischgrätmuster, das hin zur Querachse HP1 ausgerichtet
ist, und die Taschen 22, 24 in den unteren Gruppen
bilden ein Fischgrätmuster, das hin zur Querachse HP1 ausgerichtet
ist.
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Jede
der Taschen 21, 23 in den oberen Gruppen weist
ein Innenende IE und ein Außenende OE auf, und das Innenende
IE jeder Tasche 21, 23 ist näher zur
Querachse HP1 als das Außenende OE jeder Tasche 21, 23 befindlich,
d. h. das Innenende IE ist weiter weg vom oberen Ende des Kolbens 10 als
das Außenende OE, und das Innenende IE jeder Öffnung 21, 23 befindet
sich näher zur Längsachse HP2 des mittleren Abschnitts 20 als
das Außenende OE. Wenn sich der Kolben 10 in einer Aufwärtsbewegung ,U'
bewegt, wird daher aufgrund der Ausrichtung der Taschen 21, 23 und
der Druckschwankungen, die in jeder Tasche 21, 23 natürlich
auftreten, ein Strömen von Öl in jeder der Taschen 21, 23 von
deren Außenenden OE zu deren Innenenden IE begünstigt.
Die Taschen 21, 23 in den beiden oberen Gruppen
werden daher das Strömen von Öl in den mittleren
Abschnitt 20 der Kontaktzone 15 während
des Einsatzes des Kolbens 10 begünstigen und pflegen Öl
hin zur Längsachse HP2 und auch hin zur Querachse HP1 zu
pumpen, wodurch der Ölverlust aus dem mittleren Abschnitt 20 verringert
wird. Es versteht sich aber, dass etwas Öl immer noch aus
dem mittleren Bereich 20 hin zu der Kolbenkrone 11 und
umfangseitig um das Hemd 13 weg von der Längsachse HP2
entweichen kann, doch sind diese Verluste durch das Vorhandensein
der Taschen 21, 23 und deren Pumpwirkung verringert.
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Jede
der Taschen 22, 24 weist in den unteren Gruppen
ein Innenende IE und ein Außenende OE auf, und das Innenende
IE jeder Tasche 22, 24 befindet sich näher
zur Querachse HP1 und zum oberen Teil des Kolbens 10 als
das Außenende OE jeder Tasche 22, 24,
und das Innenende IE jeder Tasche 22, 24 befindet
sich näher zur Längsachse HP2 des mittleren Abschnitts 20 als
das Außenende OE. Wenn sich daher der Kolben 10 in
eine Abwärtsrichtung ,D' bewegt, wird aufgrund der Ausrichtung
der Taschen 22, 24 und der Druckschwankungen,
die natürlich in jeder Tasche 22, 24 auftreten,
das Strömen von Öl in jeder der Taschen 22, 24 von
ihren Außenenden OE zu ihren Innenenden IE begünstigt.
Die Taschen 22, 24 in den beiden unteren Gruppen
begünstigen daher das Strömen von Öl
in den mittleren Abschnitt 20 der Kontaktzone 15 während
des Einsatzes des Kolbens 10 und pflegen Öl sowohl
hin zur Längsachse HP2 als auch hin zur Querachse HP1 zu
pumpen, wodurch der Ölverlustvon dem mittleren Abschnitt 20 verringert
wird. Es versteht sich aber, dass etwas Öl immer noch aus
dem mittleren Bereich 20 hin zu dem Boden des Hemds 13 und
umfangseitig um das Hemd 13 weg von der Längsachse
HP2 entweichen kann, doch sind diese Verluste durch die Pumpwirkung
der Taschen 22, 24 verringert.
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Alle
Taschen 21, 22, 23, 24 sind
daher so ausgerichtet, dass sie während des Einsatzes des Kolbens 10 das
Strömen von Öl in den mittleren Abschnitt 20 der
Kontaktzone 15 begünstigen.
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Wenn
sich der Kolben 10 bei Einsatz in der Abwärtsrichtung
,D' bewegt, baut sich unter der Querachse HP1 hydrodynamischer Druck
auf und erreicht bei oder nahe der Querachse HP1 seinen Spitzenwert.
Der Druck fällt zur oberen Seite der Querachse HP1 sehr
schnell ab, und daher haben die Taschen 21, 23 in
den beiden oberen Gruppen während der Abwärtsbewegung
des Kolbens 10 wenig oder keine Wirkung. Aufgrund des hohen
Drucks unter der Querachse HP1 sind die Taschen 22, 24 aber
beim Verringern des Druckverlusts aus dem mittleren Abschnitt 20 in
einer Umfangsrichtung wirksam. Wenn sich, wie in 6a gezeigt,
der Kolben 10 in der Abwärtsrichtung ,D' bewegt,
strömt das Öl im Verhältnis zu dem Hemd 13 in
der Richtung Fd in die Taschen 22, 24 und
dann entlang der Taschen 22, 24 zu dem Innenende
IE jeder Tasche 22, 24, wo es als Strom Fd2, der hin zur Quer- und Längsachse
HP1 und HP2 gerichtet ist, auftaucht, wodurch etwas Öl
rückgeführt wird, das ansonsten in einer pumpartigen
Wirkung an den mittleren Abschnitt 20 verloren gegangen
wäre.
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Wenn
sich der Kolben 10 analog in der Aufwärtsrichtung
,U' bewegt, baut sich hydrodynamischer Druck über der Querachse
HP1 auf und erreicht bei oder nahe der Querachse HP1 seinen Spitzenwert.
Der Druck fällt zur unteren Seite der Querachse HP1 sehr
schnell ab, und daher haben die Taschen 22, 24 in
den beiden unteren Gruppen während der Aufwärtsbewegung
des Kolbens 10 wenig oder keine Wirkung. Aufgrund des hohen
Drucks über der Querachse HP1 sind die Taschen 21, 23 aber
beim Verringern des Druckverlusts aus dem mittleren Abschnitt 20 in
einer Umfangsrichtung wirksam. Wenn sich, wie in 6a gezeigt,
der Kolben 10 in der Aufwärtsrichtung ,U' bewegt,
strömt das Öl im Verhältnis zu dem Hemd 13 in
der Richtung FU in die Taschen 21, 23 und
dann entlang der Taschen 21, 23 zu dem Innenende
IE jeder Tasche 21, 23, wo es als Strom FU2, der hin zur Quer- und Längsachse
HP1 und HP2 gerichtet ist, auftaucht, wodurch etwas Öl rückgeführt
wird, das ansonsten in einer pumpartigen Wirkung an den mittleren
Abschnitt 20 verloren gegangen wäre.
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Daher
sieht die Erfindung zusammengefasst durch Hinzufügen von
Taschen an strategischen Stellen auf dem Hemd, die das Zurückhalten
eines Ölfilms begünstigen, ein kostengünstiges
Mittel zum Verringern von Reibung und somit von Kraftstoffverbrauch
vor. Die Taschen bilden eine teilweise Barriere zwischen einem Bereich
hohen Öldrucks und einem umgebenden Bereich niedrigeren Öldrucks
und dienen so während des Einsatzes des Kolbens zum Verringern
des Ölverlusts aus dem Hochdruckbereich.
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Es
versteht sich für den Fachmann, dass die Erfindung zwar
beispielhaft unter Bezug auf eine oder mehrere Ausführungsformen
beschrieben wurde, sie aber nicht auf die offenbarten Ausführungsformen
beschränkt ist, und dass eine oder mehrere Abwandlungen
der offenbarten Ausführungsformen oder alternative Ausführungsformen
entwickelt werden könnten, ohne vom Schutzumfang der Erfindung,
wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt
ist, abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - GB 2448544
A [0002, 0002]
- - US 6345569 [0029]
