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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Abschirm- und Halteeinrichtung für einen solchen Kolben.
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Aus der
US 6,487,773 A1 ist ein gattungsgemäßer Kolben einer Brennkraftmaschine bekannt, mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei im Kolbenkopf ein zum Kolbenschaft hin mittels einer Kühlkanalabdeckung geschlossener Kühlkanal und eine Ringpartie angeordnet sind. Zwischen der Ringpartie und dem Kolbenschaft ist dabei eine ringförmige Ausnehmung vorgesehen.
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Generell ist eine Kühlung von Kolben über das Einspritzen von Kühlöl in einen Kühlkanal des Kolbens landläufig bekannt, wobei das Einfangen eines von einer Einspritzdüse ausgestoßenen Kühlölstrahls aufgrund der translatorischen Bewegung des Kolbens im Betrieb Schwierigkeiten bereiten kann. Erstrebenswert ist hierbei, dass ein möglichst hoher Anteil von Kühlöl in den Kühlkanal des Kolbens gelangt und dort zur Kühlung des Kolbens verwendet werden kann. Zum besseren Einfangen des Kühlölstrahls sind auch sogenannte Zulauftrichter bekannt, welche jedoch aufgrund der translatorischen Bewegung des Kolbens nicht immer verhindern können, dass Kühlöl daneben spritzt und beispielsweise in unerwünschter Weise an eine Zylinderwandung gelangt. Ein zu hoher Anteil an Kühlöl an der Zylinderwandung erfordert jedoch ein vermehrtes Abstreifen durch einen Ölabstreifring des Kolbens, wodurch dieser daher mehr arbeiten muss. Dies kann durch eine Verbesserung der Rundheitsqualität und/oder durch eine Erhöhung der Vorspannung des Ölabstreifrings erreicht werden. Eine verbesserte Rundheitsqualität verursacht jedoch höhere Herstellungskosten, während durch eine Erhöhung der Vorspannung des Ölabstreifrings ein erhöhter Verschleiß entsteht, was beides von Nachteil ist.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Kolben der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen verbesserten Schutz einer Zylinderwandung vor anspritzendem (Kühl-)ÖI bei gleichzeitig konstruktiv einfachem Aufbau auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Kolben einer Brennkraftmaschine eine Abschirm- und Halteeinrichtung vorzusehen, die in genau demjenigen Bereich eine Abschirmung einer Zylinderwandung gegenüber anspritzendem Kühlöl bewirkt, in welchem ein Kühlölstrahl in eine Kühlkanalöffnung eingespritzt wird. Hierdurch kann über die vergleichsweise kostengünstig auszubildende und zudem hinsichtlich eines Gewichts leichte Abschirm- und Halteeinrichtung die Menge an auf eine Zylinderwandung auftreffendem Öl reduziert werden, wodurch ein Ölabstreifring des Kolbens weniger Öl abstreifen muss und dadurch weniger Widerstand erfährt und zugleich der Ölverbrauch sinkt. Der erfindungsgemäße Kolben der Brennkraftmaschine besitzt einen Kolbenkopf sowie einen Kolbenschaft, wobei im Kolbenkopf ein zum Kolbenschaft hin mittels einer Kühlkanalabdeckung geschlossener Kühlkanal und außenliegend eine Ringpartie zur Aufnahme von Kolbenringen, beispielsweise einem Ölabstreifring, angeordnet sind. Zwischen der Ringpartie und dem Kolbenschaft ist dabei eine ringförmige und nach außen offene Ausnehmung vorgesehen, über die beim Einspritzen von Kühlöl von unten durch die Kühlkanalabdeckung in den Kühlkanal prinzipiell Kühlöl an die Zylinderwandung kommen kann und von dort mittels des Ölabstreifrings aufwendig abgestreift werden muss. Um dies zu verhindern bzw. zumindest einen Anteil des an die Zylinderwandung anspritzenden Kühlöls zu reduzieren, ist erfindungsgemäß die Abschirm- und Halteeinrichtung vorgesehen, welche ein zumindest bereichsweise ringsegmentförmiges Abschirmelement und ein Halteelement umfasst und über das Halteelement an der Kühlkanalabdeckung gehalten ist. Um dabei einen möglichst hohen Abschirmeffekt erzielen zu können, ist die Abschirm- und Halteeinrichtung üblicherweise im Bereich einer Zulauföffnung des Kühlkanals angeordnet, kann aber alternativ bzw. zusätzlich zur Steigerung des Abschirmeffektes auch an einer Ablauföffnung der Kühlkanalabdeckung bzw. des Kühlkanals vorgesehen werden. Durch die kombinierte Abschirm- und Halteeinrichtung mit dem Abschirmelement und dem Halteelement ist zudem auch eine vergleichsweise einfache Montage derselben an der Kühlkanalabdeckung möglich, so dass rein theoretisch auch herkömmliche Kolben nachträglich mit einer derartigen Abschirm- und Halteeinrichtung nachgerüstet werden können. Zugleich kann durch eine vergleichsweise einfache Fixierung der Abschirm- und Halteeinrichtung an der Kühlkanalabdeckung des Kolbens auch ein vergleichsweise einfaches Austauschen derselben, beispielsweise in einem Wartungsfall, erfolgen. Von weiterem großem Vorteil ist darüber hinaus, dass die Abschirm- und Halteeinrichtung als separates Bauteil hergestellt und dadurch vergleichsweise einfach und individuell an unterschiedlichste Kolben angepasst werden kann. Mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Abschirm- und Halteeinrichtung lässt sich auf jeden Fall der an der Zylinderwandung auftreffende Ölanteil zumindest reduzieren, was bislang nur durch eine erhebliche Verbesserung einer Rundheitsqualität möglich war, was jedoch einen Kostennachteil mit sich brachte, und/oder durch eine Erhöhung der Vorspannung des Ölabstreifrings, was wiederum einen erhöhten Verschleiß und einen erhöhten Widerstand mit sich brachte.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist das Abschirmelement ein Mittelteil sowie einen ersten und einen zweiten Schenkel auf, die nach innen vom Mittelteil abgewinkelt sind. Das Mittelteil stellt dabei das eigentliche Abschirmelement dar und ist radial außerhalb des Halteelements angeordnet und vorzugsweise mit einem Radius, der einem Außenradius des Kolbens entspricht, gebogen. Es folgt somit mit seiner Form einer Außenkontur des Kolbens. Das Abschirmelement kann dabei eine gesamte axiale Höhe der Ausnehmung aufweisen, wodurch ein besonders hoher Abschirmeffekt erzielt werden kann. Rein theoretisch ist es aber selbstverständlich auch denkbar, dass das Abschirmelement lediglich einen bestimmten Anteil der axialen Höhe der Ausnehmung abdeckt und dadurch kleiner und leichter ausgebildet ist, was insbesondere bei der translatorischen schnellen Bewegung des Kolbens im Betrieb von großen Vorteil ist. Über die beiden nach innen vom Mittelteil abgewinkelten Schenkel kann der Abschirmeffekt zusätzlich verstärkt werden, da hiermit nicht nur radial austretendes Öl an einem Auftreffen an die Zylinderwandung gehindert wird, sondern auch Öl, welches unter einem anderen Winkel nach außen abspritzt.
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Zweckmäßig ist ein freies Ende zumindest eines Schenkels an eine Kontur eines Bodens der ringförmigen Ausnehmung angepasst. Der Boden der ringförmigen Ausnehmung kann beispielsweise konkav ausgebildet sein, so dass das freie Ende zumindest eines Schenkels in diesem Fall konvex ausgebildet wäre. Hierdurch ist eine besonders hohe Abschirmwirkung zu erzielen. Rein theoretisch können die freien Enden der Schenkel selbstverständlich auch rechteckig ausgebildet sein, was die Herstellung vereinfacht.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist die Kühlkanalabdeckung zumindest zwei Abdeckelemente auf, wobei das Halteelement in einem Stoß zwischen zwei Abdeckelementen gehalten ist und zwei seitliche und gegenüberliegende Nuten aufweist, in die das zugehörige Abdeckelement mit einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Stirnseite eingreift. Hierdurch sind eine äußerst zuverlässige Fixierung der Abschirm-Halteeinrichtung sowie eine einfache Montage und Demontage, insbesondere ohne weitere Werkzeuge, möglich. Eine jeweilige Nut kann dabei über zwei in Axialrichtung zueinander beabstandete Kragen ausgebildet sein. Die Kragen des Halteelements sowie das Abschirmelement sind dabei vorzugsweise einstückig ausgebildet, wodurch sich insbesondere eine Montage der Abschirm-/Halteeinrichtung erübrigt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung erstreckt sich das Abschirmelement über einen Umfangswinkel α von 10° < α < 80°. Hierdurch ist es individuell festlegbar, wie groß der jeweilige Umfangswinkelbereich gewählt werden soll, in dem ein unerwünschtes Anspritzen von Kühlöl an eine Zylinderwandung zuverlässig unterbunden werden soll.
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Zweckmäßig ist an dem Halteelement ein Zuführelement, insbesondere ein Zuführtrichter für Kühlöl, einen Standrohr oder ein Abführelement angeordnet. Das Halteelement mit einem derartigen Zuführelement, welches insbesondere als Zuführtrichter für Kühlöl ausgebildet ist, kann somit eine weitere Reduzierung des unter Umständen an eine Zylinderwandung spritzenden Kühlöls bewirken und dafür sorgen, dass ein vergleichsweise hoher Anteil an Kühlöl mittels eines Kühlölstrahls in den Kühlkanal eingespritzt wird. Das Zuführelement bzw. der Zuführtrichter, das Standrohr oder das Abführelement sind dabei vorzugsweise ebenfalls einstückig mit dem Halteelement ausgebildet, was nicht nur Kostenvorteile hinsichtlich einer Fertigung mit sich bringt, sondern auch eine Montage der Abschirm-/Halteeinrichtung erübrigt.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Abschirm- und Halteeinrichtung für den in den vorherigen Absätzen beschriebenen Kolben anzugeben, die ein zumindest bereichsweise ringsegmentförmiges Abschirmelement aufweist, sowie ein Halteelement zur Fixierung an einer Kühlkanalabdeckung. Hierdurch ist es möglich, eine derartige Abschirm- und Halteeinrichtung auch separat vom jeweiligen Kolben zu fertigen und einzusetzen und beispielsweise bei einem Verschleiß des Kolbens oder im Schadensfall auszubauen und an einem anderen Kolben wieder einzusetzen. Rein theoretisch können mittels derartiger separater Abschirm- und Halteeinrichtungen auch gängige Kolben nachgerüstet werden. Durch die kombinierte Abschirm- und Halteeinrichtung mit dem Abschirmelement und dem Halteelement ist es zudem möglich, ein unerwünschtes Anspritzen von Kühlöl bzw. generell vom Öl an eine Zylinderwandung in genau demjenigen Bereich zu verhindern, in welchem die Gefahr des unterwünschten Anspritzen von Öl an die Zylinderwandung in höchstem Maße besteht, nämlich im Bereich einer Kühlkanalöffnung bzw. einer Öffnung in der Kühlkanalabdeckung.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist das Abschirmelement ein Mittelteil sowie einen ersten und einen zweiten Schenkel auf, die nach innen vom Mittelteil abgewinkelt sind. Das Mittelteil stellt dabei das eigentliche Abschirmelement dar und ist radial außerhalb des Halteelements angeordnet und vorzugsweise mit einem Radius, der einem Außenradius des Kolbens entspricht, gebogen. Es folgt somit mit seiner Form einer Außenkontur des Kolbens. Das Abschirmelement kann dabei eine gesamte axiale Höhe der Ausnehmung aufweisen, wodurch ein besonders hoher Abschirmeffekt erzielt werden kann. Rein theoretisch ist es aber selbstverständlich auch denkbar, dass das Abschirmelement lediglich einen bestimmten Anteil der axialen Höhe der Ausnehmung abdeckt und dadurch kleiner und leichter ausgebildet ist, was insbesondere bei der translatorischen schnellen Bewegung des Kolbens im Betrieb von großen Vorteil ist. Über die beiden nach innen vom Mittelteil abgewinkelten Schenkel kann der Abschirmeffekt zusätzlich verstärkt werden, da hiermit nicht nur radial austretendes Öl an einem Auftreffen an die Zylinderwandung gehindert wird, sondern auch Öl, welches unter einem anderen Winkel nach außen abspritzt.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Kolben mit einer erfindungsgemäßen Abschirm- und Halteeinrichtung,
- 2 eine Schnittdarstellung durch den erfindungsgemäßen Kolben im Bereich der Abschirm- und Halteeinrichtung,
- 3 eine Schrägansicht von unten auf eine Kühlkanalabdeckung mit zwei Kühlkanalelementen und zwei Abschirm- und Halteeinrichtungen,
- 4 eine Detaildarstellung aus 3,
- 5 eine Ansicht ähnlich wie in 3, jedoch aus einer anderen Perspektive,
- 6 eine Schnittdarstellung durch die Abschirm- und Halteeinrichtung in einem an der Kühlkanalabdeckung montiertem Zustand.
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Entsprechend den 1 und 2, weist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 für eine Brennkraftmaschine 2 einen Kolbenkopf 3 sowie einen Kolbenschaft 4 auf, wobei im Kolbenkopf 3 ein zum Kolbenschaft 4 hin mittels einer Kühlkanalabdeckung 5 geschlossener Kühlkanal 6 (vgl. 2) und einen Ringpartie 7 angeordnet sind. Zwischen der Ringpartie 7 und dem Kolbenschaft 4 ist zudem eine ringförmige Ausnehmung 8 vorgesehen, die nach außen offen ist. Erfindungsgemäß ist nun eine Abschirm- und Halteeinrichtung 9 vorgesehen, die ein zumindest bereichsweise ringsegmentförmiges Abschirmelement 10 aufweist und über ein Halteelement 11 an der Kühlkanalabdeckung 5 (vgl. auch die 3 bis 6) gehalten ist. Mit dem Abschirmelement 10 kann ein unerwünschtes Abspritzen von Kühlöl nach außen an eine Zylinderwandung zumindest reduziert, vorzugsweise sogar gänzlich vermieden werden. Durch den bislang auf die Zylinderwandung auftreffenden und nun zumindest reduzierten Ölanteil kann auch ein Ölverbrauch der Brennkraftmaschine 2 reduziert werden, was bislang nur durch eine verbesserte Rundheitsqualität, verbunden mit einem damit einhergehenden Kostennachteil, und/oder durch eine Erhöhung der Vorspannung eines Ölabstreifringes, verbunden mit einer damit einhergehenden erhöhten Reibung, möglich war.
In der folgenden Figurenbeschreibung sei darauf hingewiesen, dass Schutz nicht nur allein für den Kolben 1 mit der erfindungsgemäßen Abschirm- und Halteeinrichtung 9, sondern auch für letztere selbst begehrt werden soll.
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Das Abschirmelement 10 der erfindungsgemäßen Abschirm- und Halteeinrichtung 9 besitzt ein Mittelteil 12 sowie einen ersten und zweiten Schenkel 13, 14, die nach innen von dem Mittelteil 12 abgewinkelt ausgeführt sind. Das Mittelteil 12 selbst ist vorzugsweise mit einem Radius gebogen, der einem Außenradius des Kolbens 1 entspricht. Rein theoretisch kann das Mittelteil 12 selbstverständlich auch eben ausgebildet werden, wodurch sich eine kostengünstigere Fertigung ergibt. Rein theoretisch können selbstverständlich auch die Schenkel 13, 14 gebogen sein.
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Betrachtet man ein freies Ende eines jeweiligen Schenkels 13, 14, so ist dieses gemäß den 3 bis 6 rechtwinklig ausgebildet, was eine einfache Fertigung ermöglicht. Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass ein derartiges freies Ende des jeweiligen Schenkels 13, 14 an eine konkave Kontur 15 (vgl. 1) der Ausnehmung 8 angepasst ist, wodurch eine sehr hohe Abschirmwirkung erzielt werden kann.
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Betrachtet man die Kühlkanalabdeckung 5 näher, so kann man erkennen, dass diese aus zwei Abdeckelementen 16, 17 zusammengesetzt ist, wobei das Halteelement 11 der Abschirm- und Halteeinrichtung 9 in einem Stoß 18 zwischen zwei Abdeckelementen 16, 17 gehalten ist. Das Halteelement 11 weist dabei zwei seitliche und gegenüberliegende Nuten 19 auf, in die jeweils zugehörige Abdeckelement 16, 17 mit einem in Umfangsrichtung gesehenen freien Ende eingreift (vgl. insbesondere die 2 bis 6). Hierdurch ist nicht nur eine zuverlässige Halterung des Halteelements 11 und darüber der Abschirm- und Halteeinrichtung 9 an der Kühlkanalabdeckung 5 und damit am Kolben 1 möglich, sondern auch eine vergleichsweise einfache Montage und Demontage, die insbesondere ohne zusätzliche Werkzeuge möglich ist, wodurch sich weitere Kostenvorteile ergeben.
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Das Abschirmelement 10 erstreckt sich dabei über einen Umfangswinkel α von 10° < α < 80° und ermöglicht dadurch vergleichsweise große Abschirmwirkung hinsichtlich nach außen abspritzendem Öl. Durch die nach innen abgewinkelten Schenkel 13, 14 kann insbesondere ein besonders bezüglich abspritzendem Öl gefährdeter Bereich, nämlich ein Zulaufbereich für den Kühlkanal 6, zuverlässig abgeschirmt werden.
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An dem Halteelement 11 kann zusätzlich ein Zuführelement 20, beispielsweise ein Zuführtrichter für Kühlöl, ein Standrohr oder ein Abführelement angeordnet sein. Über einen derartigen Zuführtrichter kann ein besonders zuverlässiges Einfangen eines Kühlölstrahls erreicht und damit eine hohe Menge an Kühlöl in den Kühlkanal 6 eingeleitet werden. Hierdurch ist nicht nur ein verringertes Anspritzen von Kühlöl an die Zylinderwandung erreichbar, sondern auch eine gewisse Mehrmenge an Kühlöl im Kühlkanal 6, wodurch die Kühlwirkung für den Kolben 1 verbessert werden kann.
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Das Halteelement 11 und das Abschirmelement 10 sind dabei vorzugsweise einstückig ausgebildet, was selbstverständlich zusätzlich auch für das Zuführelement 20 bzw. die durch in Axialrichtung 21 zueinander beabstandete Kragen 22 zur Bildung der Nuten 19 gelten kann.
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Die beiden Abdeckelemente 16, 17 der Kühlkanalabdeckung 5 können beispielsweise als Federbleche ausgebildet und beispielsweise mit dem Kolbenkopf 3 verspannt sein.
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Betrachtet man die Abschirm- und Halteeinrichtung 9 näher, so kann man erkennen, dass diese zwischen dem eigentlichen Haltelement 11 und dem Abschirmelement 12 einen Radialsteg 23 aufweist, der das Mittelteil 12 des Abschirmelements 10 und das Halteelement 11, hier das Zuführelement 20 miteinander verbindet. Die Abschirm- und Halteeinrichtung 9 kann dabei aus Metall ausgebildet sein, wobei rein theoretisch auch eine Ausbildung aus einem entsprechenden Kunststoff denkbar ist.
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Ebenfalls denkbar ist, dass das Abschirmelement 10 zumindest in seinem Mittelteil 12 den Kolbenschaft 4 überlappt, wie dies mit unterbrochen gezeichneter Linie in der 2 dargestellt ist. In diesem Fall weist zumindest das Mittelteil 12 des Abschirmelements 10 eine größere axiale Höhe auf, als die Ausnehmung 8. Der überlappende Teil ist dabei mit dem Bezugszeichen 24 bezeichnet. Mit einem derartigen, den Kolbenschaft 4 außen überlappenden Teil 24 kann zugleich ein zuverlässiges Abführen des vom Abschirmelement 10 abgefangenen Kühlöls erreicht werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Abschirm- und Halteeinrichtung 9 lässt sich somit ein unerwünscht an eine Zylinderwandung abspritzender Anteil an Kühlöl reduzieren, was zum einen den Kühlölverbrauch reduziert und zum anderen den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 2 verbessert, da überschüssiges Öl zumindest nicht mehr in der Menge durch einen Ölabstreifring von der Zylinderwandung abgestreift werden muss. Durch die separate Abschirm- und Halteeinrichtung 9 können rein theoretisch auch gängige Kolben nachgerüstet werden, wodurch auch hier ein Ölverbrauch reduziert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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