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Technisches Gebiet
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Diese Patentveröffentlichung bezieht sich allgemein auf Verbrennungsmotoren und insbesondere auf Kolben, die in Motorbohrungen arbeiten.
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Hintergrund
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Verbrennungsmotoren weisen einen oder mehrere Kolben auf, die durch Verbindungsstangen bzw. Pleuelstangen mit einer Kurbelwelle verbunden sind, und typischerweise angeordnet sind, um sich innerhalb von Bohrungen hin- und herzubewegen, die bekanntermaßen in einem Kurbelgehäuse ausgeformt sind. Ein typischer Kolben weist einen Kopfteil auf, der zumindest teilweise eine Brennkammer in jeder Bohrung definiert und ein Kolbenhemd, welches typischerweise eine Bolzenöffnung und andere Tragstrukturen zur Verbindung mit der Pleuelstange des Motors aufweist. Im Allgemeinen ist ein Kolben so geformt, dass er im Allgemeinen eine Napfform hat, wobei der Kolbenkopf die Basis bildet und der Kolbenhemdteil mit der Basis verbunden ist, und eine umschlossene Galerie des Kolbens umgibt. In typischen Anwendungen wird Schmieröl vom Motor innerhalb der Galerie des Kolbens während des Betriebs geliefert, um konvektiv verschiedene Teile des Kolbens zu kühlen und zu schmieren.
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Ein typischer Kolbenkopf weist auch eine zylindrische Außenwand mit einer oder mehreren darin geformten umlaufenden kontinuierlichen Nuten auf. Diese Nuten erstrecken sich typischerweise parallel zueinander und sind ungefähr so bemessen, dass sie Dichtungsringe darin aufnehmen. Diese Dichtungsringe erzeugen Gleitdichtungen zwischen jedem Kolben und der Kurbelgehäusebohrung, in der er arbeitet. Typischerweise nimmt die Nut, die am nächsten zum Hemd des Kolbens gelegen ist, einen Abstreifring auf, der angeordnet ist, um Öl, welches an den Wänden der Kolbenbohrung haftet, während eines Abwärtshubes des Kolbens abzustreifen. Öl, welches zurückbleibt und die Wände der Bohrung folgend auf den Abwärtshub des Kolbens benetzt kann weiter in die Brennkammer eintreten und während des Betriebs des Motors verbrennen.
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Eine bekannte Lösung zur Verbesserung der Entfernung von Öl, welches an den Bohrungswänden zu finden ist, während eines Abwärtshubes des Kolbens, ist im
US-Patent 6,557,514 zu sehen, welches hier in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist (im Folgenden als ”das '514-Patent” bezeichnet). Das '514-Patent offenbart einen Kolben mit einer Außenwand, die teilweise durch einen Ringriemen definiert wird, und eine Ölgalerie aufweist, die intern im Kolben definiert ist. Eine Ölablaufnut ist in die Außenfläche des Ringriemens der zylindrischen Seitenwand des Kolbenkopfes eingearbeitet, und zwar unter zwei Kolbenringdichtungsnuten. Die Ölablaufnut ist teilweise durch eine Bodenwand definiert, die sich umlaufend um den Kolben erstreckt, jedoch unterbrochen ist, so dass Öl, welches in die Ölnut gelangt ist, nach unten zurück ins Kurbelgehäuse des Motors ablaufen kann. Eine obere Wand der Ölablaufnut erstreckt sich um den Umfang des Körpers des Kolbens. Wie im '514-Patent offenbart, nehmen die oberen Ringnuten Kolbenringe auf, während die unterste Nut frei von Kolbenringen ist und angeordnet ist, um das Öl zu sammeln, wenn der Kolben einen Abwärtshub ausführt.
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Die Ölsammelnut, die im
'514-Patent offenbart ist, ist zumindest teilweise dahingehend wirksam, dass sie die Menge an Öl verringert, die auf der Zylinderwand zurückbleibt, nachdem der Kolben einen Abwärtshub ausgeführt hat.
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Mit dem Vorangegangenen als Hintergrund ist es manchmal der Fall, dass eine ausgereifte Motorkonstruktion, insbesondere eine Konstruktion, die schon an Kunden verkauft wird, Verbesserungen bezüglich der Leistung der Kosten oder der Herkunft von Komponenten benötigt, was den Motor auf dem Markt erfolgreicher machen wird. Solche Produktverbesserungen von Motoren sind insbesondere wertvoll für einen Motorhersteller, wenn eine Rückwärtskompatibilität von neuen Komponenten, die an Stelle von Original-Motorkomponenten verwendet werden sollen, beibehalten wird. Trotzdem ist es traditionellerweise der Fall gewesen, dass Motorkolben nicht als Komponenten betrachtet werden, die in der Mitte eines Produktlebenszyklus eines speziellen Motors neu konstruiert werden können.
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Die Tatsache, dass Motorkolben nicht als Komponenten geeignet sind, die neu konstruiert werden können, um zu einem existierenden Motor zu passen und eine existierende grundlegende Kolbenkonstruktion zu ersetzen, beruht zum großen Teil darauf, dass konstruktive Veränderungen, die an einem Kolben vorgenommen werden, oft eine damit einhergehende Reihe von Veränderungen an anderen Motorkomponenten erfordern werden. Beispielsweise kann eine aktualisierte Konstruktion eines Kolbens Veränderungen der Gewichtsbalance, der Leistung und/oder anderer funktioneller Attribute des Kolbens bewirken, was wiederum Veränderungen an den Gegengewichten der Kurbelwelle oder Veränderungen an den Pleuelstangen und an der Motorkalibrierung nötig macht. Darüber hinaus ist es zu überlegen, dass Serviceanbieter, die eine Motorüberholung anbieten, einige Kolben ersetzen können, jedoch andere mit weniger Abnutzung oder Beschädigung im Motor belassen würden, was beträchtliche Leistungsprobleme bewirken würde, wenn der Ersatzkolben ein anderes Gewicht im Vergleich zum Originalkolben hätte. Irgendwelche solche Veränderungen an der Konstruktion der Motorkomponenten macht das Nachrüsten von gewissen Komponenten, wie beispielsweise Kolben effektiv ungeeignet für Motoren, die gegenwärtig in Produktion sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Schnittansicht eines bekannten Monotherm®-Kolbens, der von Mahle hergestellt wird, der im Folgenden als grundlegender Kolben bezeichnet wird.
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2 ist eine Schnittansicht eines bekannten Monosteel®-Kolbens, der von Federal Mogul hergestellt wird, der im Folgenden als Kolben-Rohteil bezeichnet wird.
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3 ist eine Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Kolbens gemäß der Offenbarung.
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4–7 sind verschiedene Ansichten des im 1 gezeigten Kolbens.
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8 ist eine Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Kolbens gemäß der Offenbarung.
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9–12 sind verschiedene Ansichten des in 6 gezeigten Kolbens.
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Detaillierte Beschreibung
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Diese Offenbarung bezieht sich auf Kolben zur Verwendung in Verbrennungsmotoren und insbesondere in direkt-einspritzenden verdichtungsgezündeten Motoren. Insbesondere sieht die Offenbarung ein Verfahren zum Erreichen einer Konstruktion von Kolben vor, die rückwärtskompatibel mit Motoren sind, die grundlegende Kolben haben, die schon im Dienst sind. Wie hier verwendet, bezieht sich der Ausdruck Rückwärtskompatibilität auf die Fähigkeit, in austauschbarer Weise, Originalkolben oder grundlegende Kolben und nachgerüstete Kolben unter Verwendung von bearbeiteten Kolben-Rohteilen zu verwenden, ohne Veränderungen an anderen Motorkomponenten zu erfordern. Somit können solche nachgerüsteten oder neu konstruierten Kolben während der Konstruktion von neuen Motoren verwendet werden, oder auch grundlegende Kolben während der Instandhaltung ersetzen. Zusätzlich können nachgerüstete Kolben als After-Market-Teile bzw. Ersatzteile positioniert werden, um die Leistung von existierenden Motoren zu verbessern.
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Zwei Beispiele von Kolben 10 und 20 des Standes der Technik werden jeweils in den 1 und 2 dargestellt. Der Kolben 18, der in 1 veranschaulicht ist, ist ein Monotherm®-Kolben und kann im Folgenden als der grundlegende Kolben bezeichnet werden. Der in 2 veranschaulichte Kolben 20 ist ein Monosteel®-Kolben und kann im Folgenden als Kolben-Rohteil bezeichnet werden. Zur Vereinfachung werden Merkmale des grundlegenden Kolbens 18 und des Kolben-Rohteils 20, die die gleichen oder ähnliche Merkmale der verbesserten Kolben 100 und 200 sind, die im Folgenden offenbart werden, mit den gleichen Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten der Figuren bezeichnet.
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Der in 1 gezeigte grundlegende Kolben 18 weist verschiedene Merkmale auf, die für seine Konstruktion einzigartig sind. Insbesondere wird der grundlegende Kolben 18 durch einen Schmiedeprozess aus einer einheitlichen Metallmasse hergestellt. Der grundlegende Kolben 18 weist einen sich verjüngenden Teil 12 auf, der einen Kopfteil 104 davon, von einem Körperteil 106 trennt. Eine eingeschlossene Ölkühlgalerie 102 ist innerhalb des Kopfteils 104 ausgeformt und wird von einer ringförmigen Kante 14 umschlossen. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung wird der grundlegende Kolben 18 als eine grundlegende Komponente betrachtet, die für eine spezielle Motoranwendung geeignet ist und die schon in Motoren eingebaut worden ist, die an Kunden verkauft wurden, und im Einsatz arbeiten. Aus verschiedenen Gründen, wie beispielsweise Komponentenkosten, Verfügbarkeit erfordern Nachrüstungs- oder Ersatzteile oder erwünschte Motorleistungsverbesserungen, kann ein Motorhersteller wünschen, den grundlegenden Kolben 18 durch einen verbesserten Kolben zu ersetzen, jedoch ohne die Notwendigkeit, weiter andere Motorkomponenten zu ersetzen, die mit dem Kolben assoziiert sind, wie beispielsweise die Kurbelwelle.
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Bezüglich des Ersatzes beim Service oder der Überholung von Komponenten können gewisse Komponenten, wie beispielsweise Kolben planmäßig in gewissen Serviceintervallen ersetzt werden oder zumindest untersucht werden und ersetzt werden, wenn die Abnutzung übermäßig groß ist. Kolben und Kolbenringe werden üblicherweise bei der Überholung ersetzt, jedoch werden andere Teile, wie beispielsweise die Kurbelwelle und die Nockenwelle üblicherweise nicht ersetzt, falls möglich. Wenn ein Kolben während eines solchen Serviceereignisses ersetzt werden soll, sollten gewisse Aspekte des grundlegenden Kolbens bewahrt werden, und gewisse Aspekte des Ersatzkolbens sollten nicht wesentlich anders sein als beim grundlegenden Kolben, um eine ordnungsgemäße Leistung und Emissionssteuerung sicherzustellen. Der Ersatzkolben sollte ”gewichtsausgeglichen” sein, oder sollte im Allgemeinen das gleiche Gewicht haben, wie der grundlegende Kolben. Der Ersatzkolben sollte eine im Wesentlichen ähnliche Verbrennungs- bzw. Kolbenmulde haben, wie der grundlegende Kolben, und die Ringnutgeometrie und Ringnutanordnung sollten ähnlich sein, um eine ordnungsgemäße Leistung und Emissionssteuerung sicherzustellen.
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Ein Kolben-Rohteil 20 ist in 2 gezeigt. Das Kolben-Rohteil 20 kann ein Kolben sein, der schon von einem Kolbenhersteller verfügbar ist, der viele erwünschte Merkmale hat, die schon in seiner Konstruktion mit eingeschlossen sind, dem jedoch gewisse Aspekte fehlen, wie beispielsweise das Gewicht. Merkmale des Kolben-Rohteils 20, die die gleichen sind, oder ähnliche, wie die Merkmale des grundlegenden Kolbens 18 oder die Merkmale der verbesserten Kolben 100 und 200, wie jene, die in den 3–12 veranschaulicht sind, werden zur Vereinfachung mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In einem Ausführungsbeispiel kann das Kolben-Rohteil 20 in kleinen Ausmaßen schwerer sein, als der grundlegende Kolben 18, beispielsweise um weniger als 1 Gramm oder um größere Mengen, beispielsweise um 105 Gramm oder mehr.
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Zwei Ausführungsbeispiele von verbesserten Kolben, die zur Nachrüstung geeignet sind, werden hier offenbart. Jeder der verbesserten Kolben veranschaulicht einen Gewichtsausgleich- bzw. Gewichtsbalancevorgang, der an einem Kolben-Rohteil ausgeführt wird, so dass dieser zum Gewicht eines grundlegenden Kolbens passt. Beispielsweise ist vom Kolben 200 (wie in 8–12 gezeigt) mehr Gewicht entfernt worden als vom Kolben 100 (wie in 3–7 gezeigt). Die Gewichtsverringerung der verbesserten Kolben 100 und 200 ist in Gewichtsverringerungsregionen konzentriert, welche die sekundären Ölsammelkanäle aufweisen, wie weiter unten besprochen wird. Weiterhin wird auch ein Verfahren zur Optimierung der Konstruktion eines Kolbens für eine speziell Motoranwendung offenbart. Beide offenbarten Ausführungsbeispiele stellen das Ergebnis einer Modifikation einer grundlegenden Kolbenkonstruktion oder eines Kolben-Rohteils dar. In der folgenden Beschreibung werden strukturelle Merkmale des grundlegenden Kolbens 18 (1), des Kolben-Rohteils 20 (2), des ersten Ausführungsbeispiels eines verbesserten Kolbens 100 (3–7) und des zweiten Ausführungsbeispiels für einen verbesserten Kolben 200 (8–12) die gleich oder ähnlich sind, zur Vereinfachung unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen in den Figuren bezeichnet und in den Zeichnungen beschrieben. Trotzdem sei erwähnt, dass Kolben mit Merkmalen oder Strukturen, die anders sind als jene, die hier gezeigt und beschrieben werden, verwendet werden können.
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In den 1 und 2 veranschaulichen jeweils den grundlegenden Kolben 18 und das Kolben-Rohteil 20. 3–7 veranschaulichen ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kolbens 100. 6–10 veranschaulichen ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kolbens 200. Die Kolben 100 und 200, so wie sie gezeigt sind, sind Monosteel®-Kolben mit einer umschlossenen Kühlgalerie 102, die zwischen einem Kopf- oder Kolbenbodenteil 104 und einem Bolzen- oder Körperteil 106 definiert ist. Die Kolben 100 und 200 so wie sie veranschaulicht sind, wurden aus dem Kolben-Rohteil 20 so hergestellt, dass jeder zu dem Gewicht eines entsprechenden grundlegenden Kolbens passt, wie beispielsweise des grundlegenden Kolbens 18 (1) und jeder hat im Wesentlichen ähnliche Ringnuten und eine ähnliche Kolbenmuldengeometrie im Vergleich zu den entsprechenden grundlegenden Teilen.
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In jedem Kolben formt der Körperteil 106 zwei Bolzenbohrungen 107. Die Kopf- bzw. Kolbenboden- und Körperteile 104 und 106 der Kolben 100 und 200 können aneinander entlang von Säumen 108 durch Reibschweißen verbunden sein. Jeder Kolben 100 oder 200 definiert eine äußere zylindrische Wand 110, die sich über die Kopf- und Körperteile 104 und 106 erstreckt, wie am besten im Detailabschnitt der 7 oder 12 gezeigt ist. Der Kopfteil 104 definiert eine Verbrennungs- bzw. Kolbenmulde 114, die eine Einsenkung ist, die im Kopf- bzw. Kolbenbodenteil 104 ausgeformt ist, welche sich über einen im Allgemeinen mittigen Teil davon erstreckt. Die Kolbenmulde 114 wird von einer oberen Stirnseite 116 umgeben, die sich im veranschaulichten Ausführungsbeispiel senkrecht mit der äußeren zylindrischen Wand 110 schneidet. Die Kolbenmulde 114 schneidet die obere Stirnseite 116 entlang eines Randes 117. Wie bekannt, kann die Form der Kolbenmulde 114 optimiert werden, um erwünschte Verbrennungscharakteristiken während des Betriebs eines Motors zu bieten.
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Eine Vielzahl von Ringnuten, die sich parallel zueinander über einen Umfangsteil der äußeren zylindrischen Wand 110 erstrecken, weist eine obere Kolbenringnut 118 auf, die am nächsten zur oberen Stirnseite 116 angeordnet ist, eine untere Kolbenringnut 120, die, wie gezeigt, unter der oberen Kolbenringnut 118 angeordnet ist, und eine erste Ölsammelnut 122 auf, die unter der unteren Kolbenringnut 120 angeordnet ist. Die oberen und unteren Kolbenringnuten 118 und 120 genauso wie die erste Ölsammelnut 122 segmentieren die äußere zylindrische Wand 110 in einer Vielzahl von ”Stegen” oder, anders gesagt Bänder der zylindrischen Wandfläche, die die Nuten 118, 120 und 122 trennen und voneinander beanstanden. Insbesondere ist ein erster oder oberer Steg 124 zwischen der oberen Kolbenringnut 118 und dem Übergang zur oberen Stirnseite 116 definiert, ein zweiter Steg 126 ist zwischen den oberen und unteren Kolbenringnuten 118 und 120 definiert und ein dritter Steg 128 ist zwischen dem unteren Kolbenring und den ersten Ölsammelnuten 120 und 122 definiert, obwohl andere Konfigurationen oder Anzahlen von Kolbenring- und Ölsammelnuten verwendet werden können.
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Wie aus den Figuren zu sehen ist, sind die ersten, zweiten und dritten Stege 124, 126 und 128 im Allgemeinen mit der äußeren zylindrischen Wand 110 ausgerichtet. Anders gesagt, Punkte auf den ersten, zweiten und dritten Stegen 124, 126 und 128 sind alle um ungefähr die gleiche radiale Distanz von einer Mittellinie 130 des Kolbens 100 oder 200 entfernt, und zwar ungeachtet irgendwelcher Zeichnungswinkel oder anderer Variationen der zylindrischen Form der äußeren zylindrischen Wand 110, die bei dem Kolben vorhanden sein können.
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Wenn ein Kolben in einem Motor eingebaut ist, ist jeder Kolben 100 oder 200 innerhalb einer (nicht gezeigten) Zylinderbohrung angeordnet und weist eine (nicht gezeigte) Verbrennungsringdichtung auf, die innerhalb der ersten oder oberen Kolbenringnut 118 in dichtendem Kontakt zwischen dem Kolben 100 oder 200 und der Zylinderbohrung angeordnet ist. Die Verbrennungsringdichtung arbeitet dahingehend, dass sie strömungsmittelmäßig Verbrennungsnebenprodukte und verbrennbare Mischungen, die innerhalb des Zylinders über dem Kolben vorhanden sind, trennt. Ein (nicht gezeigter) Abstreifring kann innerhalb der untersten oder zweiten Kolbenringnut 120 angeordnet sein. Der Abstreifring kann dahingehend arbeiten, dass er Öl, welches an den Wänden des Zylinders anhaftet, während eines Abwärtshubes des Kolbens abstreift, wie zuvor besprochen. Öl, welches von dem Abstreifring gesammelt wird, kann zumindest zeitweise in der ersten Ölsammelnut 122 gesammelt werden, bevor es zurück nach unten am Kolben in das Kurbelgehäuse des Motors abläuft (nicht gezeigt). In den veranschaulichten Ausführungsbeispielen verbinden ein oder mehrere Ablauföffnungen 132 strömungsmittelmäßig die erste Ölsammelnut 122 mit der umschlossenen Kühlgalerie 102, was gestattet, das Öl, welches in der Nut 122 gesammelt ist, durch den Kolben in das Kurbelgehäuse des Motors abläuft.
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Die Beschreibung hat bis jetzt Merkmale der Kolben 100 und 200 besprochen, die üblicherweise an dem grundlegenden Kolben 18 (1) und an dem Kolben-Rohteil 20 (2) zu finden sind, die in den veranschaulichten Ausführungsbeispielen verwendet werden, und die grundlegende Leistungscharakteristiken des Motors definieren, wie im Folgenden besprochen. Jeder Kolben 100 oder 200 weist jedoch Merkmale auf, die zum Kolbenrohteil 20 hinzugefügt worden sind, um das Gewicht des Kolbenrohteils zu optimieren und die Fähigkeit des Kolbens zu verbessern, effizient Öl zu entfernen, welches sich während des Abwärtshubes des Kolbens bei speziellen Motoranwendungen gesammelt hat. In einem Ausführungsbeispiel kann ein Kolben-Rohteil so durch Bearbeitung des Kolben-Rohteils modifiziert sein, dass Gewicht davon entfernt wird, so dass das Gewicht einer grundlegenden Kolbenkonstruktion durch die verbesserten hier offenbarten Kolben erreicht wird. In solchen Fällen kann Material, welches vom Kolben-Rohteil entfernt wird, einer ausreichenden Gewichtsreduktion erreichen, die zum Gewicht des grundlegenden Kolbens passt, während gleichzeitig auch die Bildung der sekundären Ölsammelnuten und anderer verbesserter Merkmale gestattet wird, die hier beschrieben werden. Im Allgemeinen sei bemerkt, dass eine Verringerung des Gewichtes eines sich hin- und herbewegenden Kolbens im Motor das Trägheitsmoment des Motors verbessert und somit die nutzbare Leistungsausgabe des Motors steigert. Darüber hinaus kann die Fähigkeit eines Kolbens, leichter angesammeltes Öl von einer Zylinderwand während des Abwärtshubes des Kolbens zu entfernen, zu verringertem Motorölverbrauch und zu verringerten Emissionen führen. Die einzigartigen Merkmale von jedem der zwei hier dargestellten Ausführungsbeispiele werden nun genauer besprochen. Der Kolben 100 weist eine zusätzliche oder zweite Ölsammelnut 300 auf, die am besten in 7 gezeigt ist. Anders als die erste Ölsammelnut 122 ist die zweite Ölsammelnut 300 wesentlich breiter und definiert einen ersten Kanal 302 und einen zweiten Kanal 304 und einen Stegteil 306, mit verringertem Durchmesser, der zwischen den ersten und zweiten Kanälen 302 und 304 angeordnet ist. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der erste Kanal 302 umlaufend um den Kolben 100 gerade über einem ringförmigen Vorsprung 308, der den Stegteil 306 mit verringertem Durchmesser definiert. Der zweite Kanal 304 ist teilweise um den gesamten Umfang des Kolbens 100 herum geformt, ist jedoch über Teilen des Körperteils 106 mit verringertem Durchmesser unterbrochen, die die Bolzenbohrungen 107 aufnehmen, wie am besten in 5 gezeigt. Eine Fase 310 ist entlang der Schnittstelle zwischen dem Unterteil des zweiten Kanals 304 und dem Körperteil 106 des Kolbens 100 geformt.
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In dem speziellen Ausführungsbeispiel des Kolbens 100, der in den 3–7 veranschaulicht ist, hat die zweite Ölsammelnut 300 eine Gesamtbreite von ungefähr 9,5 mm. Jeder der ersten und zweiten Kanäle 302 und 304 kann mit einer Breite von ungefähr 2,5 mm, welche entlang der Länge des Kolbens 100 definiert ist, und einer Tiefe von ungefähr 5,34 mm geformt sein. Der Steg 306 mit verringertem Durchmesser (7) ist zwischen den ersten und zweiten Kanälen 302 und 304 angeordnet, hat eine Breite von ungefähr 4,5 mm und ist radial ungefähr 1,34 mm von der Oberfläche der äußeren zylindrischen Wand 110 angeordnet; anders gesagt, der Steg 306 mit verringertem Durchmesser hat eine Höhe in radialer Richtung, relativ zum Kolben 100 von ungefähr 4 mm. Die Fase 310 (7) erstreckt sich ungefähr um 1,5 mm unter die untere Kante des zweiten Kanals 304 in einem Winkel von ungefähr 20 Grad.
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Weiterhin ist die obere Kante oder die Kante am nächsten zur Verbrennungsmulde bzw. Kolbenmulde 114 des Kolbens 100 um ungefähr 33 mm unter der oberen Stirnseite 116 gelegen.
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Ähnlich wie der Kolben 100, weist der in den 8–12 gezeigte Kolben 200 eine zusätzliche oder zweite Ölsammelnut 400 auf, die am besten in 12 gezeigt ist. Anders als die erste Ölsammelnut 122 ist die zweite Ölsammelnut 400 wesentlich breiter als irgendeine der anderen Nuten, die im Kolben 200 geformt ist. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die zweite Ölsammelnut 400 umlaufend um den Kolben 200, wird jedoch über Teilen mit verringertem Durchmesser des Kolbenteils 106 unterbrochen, welche die Bolzenbohrungen 107 aufnehmen, wie am besten in 10 gezeigt. Eine Fase 310 ist entlang der Schnittstelle zwischen dem Unterteil der zweiten Ölsammelnut 400 und dem Körperteil 106 des Kolbens 200 ausgeformt.
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In dem speziellen Ausführungsbeispiel des Kolbens 200 welches in den 8–12 veranschaulicht ist, kann die zweite Ölsammelnut 400 mit einer Breite von ungefähr 9 mm, welche entlang der Länge des Kolbens 200 definiert ist, und einer Tiefe von ungefähr 5,34 mm geformt sein. Die Fase 310 (12) erstreckt sich um ungefähr 1,5 mm unter der unteren Kante der zweiten Ölsammelnut 400 mit einem Winkel von ungefähr 20 Grad. Zusätzlich ist die obere Kante oder die Kante am nächsten an der Verbrennungsmulde bzw. Kolbenmulde 114 des Kolbens 100 um ungefähr 32,5 mm unter der oberen Stirnseite 116 gelegen.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die Leistung der offenbarten Ausführungsbeispiele für die Kolben 100 und 200 im Motor wurde bewertet und mit der Leistung des grundlegenden Kolbens 18 verglichen, der zuvor in den gleichen Motoren verwendet wurde. Die Ergebnisse dieses Vergleichs zeigten eine unerwartete Verbesserung des Betriebs der Motoren im Vergleich zu gewissen Motorbetriebsparametern, die die Effizienz des Betriebs der Motoren beeinflussen können, genauso wie gewisse Parameter, welche die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Motoren beeinflussen. In der Summe wird angenommen, dass die zusätzlichen Ölsammelnuten, beispielsweise die zweite Ölsammelnut 300 des Kolbens 100 (siehe beispielsweise 7) und die die zweite Ölsammelnut 400 (siehe beispielsweise 12) einen positiven und unerwarteten Effekt bei der Verringerung der Spitzenbetriebstemperatur von gewissen Bereichen des Kolbens hatten, genauso wie sie in bedeutungsvoller Weise und signifikant den Ölverbrauch der Motoren verringern, in denen sie arbeiten. Darüber hinaus wurde eine beträchtliche Verringerung von Ölablagerungen in dem ersten Steg und innerhalb der ersten Kolbenringnut der Kolben 100 und 200 im Vergleich zu den Ölablagerungen beobachtet, die bei den grundlegenden Kolben beobachtet wurden, die unter den gleichen Testzyklen arbeiten. Eine kurze Darstellung dieser Leistungsverbesserungen folgt.
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Der erste Bereich von unerwarteten Verbesserungen im Betrieb der Kolben 100 und 200 bezieht sich auf Spitzentemperaturen, die entlang des Randes 117 der Verbrennungsmulde bzw. Kolbenmulde 114 (siehe beispielsweise 5 und 10) beobachtet wurden, was auch die Spitzentemperatur des Kolbens während des Betriebs darstellt. Bei der grundlegenden Konstruktion war die Temperatur im stetigen Zustand am Rand der Kolbenmulde für einen Motor, der bei 1800 Umdrehungen pro Minute (u/min) und einer Nennleistung arbeitet, die für den getesteten Motor bei ungefähr 900 PS war, ungefähr 504 Grad Celsius (°C). In der gleichen Motoranwendung, wobei der Motor mit der gleichen Motordrehzahl und unter den gleichen Leistungsbedingungen arbeitete, ergab der Kolben 100 eine Temperatur im stetigen Zustand am Rand 117 der Kolbenmulde 114 von ungefähr 427°C. Diese Verringerung der Temperatur des Kolbens in dieser Region stellt eine Verbesserung von ungefähr 15,3% dar, was vor dem Test nicht erwartet wurde. Andere Bereiche der verbesserten Kolben 100 und 200 zeigten ähnliche Verbesserungen bei der Betriebstemperatur über entsprechende Bereiche der grundlegenden Kolben, die in den gleichen Motoren unter den gleichen Bedingungen arbeiteten.
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Ein weiterer Bereich von unerwarteter Verbesserung im Betrieb eines Motors in dem die Kolben 100 oder 200 eingebaut waren und arbeiteten bezieht sich auf das vom Motor ”verbrauchte” Öl. Wie bekannt ist, kann der Ölverbrauch während des Betriebs des Motors verschiedenen Faktoren zugeordnet werden, was mit einschließt, dass Öl innerhalb des Motorkurbelgehäuses verdampft, welches über ein Kurbelgehäuseventilationssystem entfernt wird, das Öl durch die Dichtungen des Kolbens läuft und in die Verbrennungszylinder eintritt und andere Faktoren. Es ist bestimmt worden, dass die verbesserten Kolben 100 oder 200 eine Verringerung des Motorölverbrauchs um 50% oder mehr im Vergleich zu einem grundlegenden Kolben ergaben. Beispielsweise kann ein Motor, bei einem Nennzustand für ungefähr 250 Stunden, arbeitet Öl mit einer Rate von ungefähr 0,0005 Pfund Öl (ungefähr 0,002 Kilo Öl) pro PS-Stunde im Betrieb mit den grundlegenden Kolben verbrauchen. Ein Test unter Verwendung des gleichen Motors der unter den gleichen Bedingungen für die gleiche Zeitperiode arbeitete, jedoch entweder den verbesserten Kolben 100 oder den verbesserten Kolben 200 eingebaut hatte, erreichte eine Ölverbrauchsrate, die ungefähr 0,00024 Pfund (ungefähr 0,0009 kg) Öl pro PS-Stunde war, was eine Verringerung von ungefähr 52% der Motorölverbrauchsrate gegenüber der grundlegenden Kolbenkonstruktion darstellt.
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Ein zusätzliches Beispiel eines verbesserten Motorbetriebs unter der Verwendung der Kolben 100 oder 200 wurde beobachtet. Folgen auf eine Demontage von Testmotoren, welche die grundlegenden Kolben enthielten, genauso wie von Motoren, die die verbesserten Kolben 100 oder 200 enthielten, wurde eine beträchtliche Verringerung der Menge an Ölablagerungen beobachtet, die sich in der ersten oder oberen Kolbenringnut 118 und auf dem zweiten Steg 126 (siehe 7 und 12) der Kolben 100 und 200 im Vergleich zu den grundlegenden Kolben angesammelt hatten. Dieses Ergebnis war auch unerwartet.
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Basierend auf den vorangegangenen kann gesagt werden, dass die Breite der zweiten Ölsammelnut 300 oder 400 wie jeweils in den 7 und 12 gezeigt, wesentlich größer ist als die Breite der anderen Nuten des Kolbens.
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Beispielsweise hat die erste Ölsammelnut 122 (7 und 12) eine Breite von ungefähr 4 mm, was typisch für Motorkolben ist. Darüber hinaus sind die Kolbenringdichtungsnuten 118 und 120 von ähnlicher Breite. Dies bedeutet, dass die zweite Ölsammelnut 300 oder 400 an jedem Kolben 100 oder 200 mehr als zweimal so breit ist wie eine typische Nut, die dann im Motorkolben zu finden ist, wie beispielsweise an Kolben mit einer Nennbohrung oder einem äußeren Bohrungsdurchmesser von ungefähr 136 mm. Als praktische Folge vermeidet diese Differenz der Breite zwischen den zweiten Ölsammelnuten und den anderen Nuten, die in einem Kolben vorgesehen sind, wie hier offenbart ist, gewisse Montagefehler, wie beispielsweise einen Einbau eines Kolbenrings innerhalb einer Ölsammelnut und andere, insbesondere in dem Fall, wenn automatisierte Montageverfahren verwendet werden. Eine Robotoreinrichtung zum Einbau eines Kolbenrings, kann beispielsweise konstruiert und angeordnet sein, um eine Unterscheidung gegenüber der zweiten breiteren Ölsammelnut zu treffen, wenn bestimmt wird, in welche Nuten gewisse Ringdichtungen eingebaut werden sollten.
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Es wird klar sein, dass die vorangegangene Beschreibung Beispiele des offenbarten Systems unter der Technik bietet. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass andere Ausführungen der Offenbarung im Detail von den vorangegangenen Beispielen abweichen können. Alle Bezugnahmen auf die Offenbarung oder Beispiele davon sind als Bezugnahme auf das Spezielle an diesem Punkt gerade besprochene Beispiel vorgesehen und sollen nicht irgendeine Einschränkung bezüglich des Umfangs der Offenbarung im Allgemeinen mit sich bringen. Jegliche Erwähnung einer Unterscheidung und einer weniger bevorzugten Ausführung bezüglich gewisser Merkmale ist vorgesehen, um anzuzeigen, dass diese Merkmale weniger bevorzugt werden, dies soll jedoch nicht solche Merkmale vollständig vom Umfang der Offenbarung ausschließen, außer wenn dies in anderer Weise angezeigt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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