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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Kolben für Verbrennungsmotoren und sie bezieht sich insbesondere auf ein verjüngtes Kolbenhemdprofil.
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Hintergrund
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Eine große Vielzahl von unterschiedlichen Kolbenkonstruktionen ist mit den Jahren bei Verbrennungsmotoren verwendet worden. Ingenieure haben Experimente mit unterschiedlichen Geometrien, Materialen und Abmessungen gemacht, um viele unterschiedliche Ziele zu erreichen. Unter diesen Zielen ist die Steuerung von Eigenschaften des Verbrennungsprozesses, wie beispielsweise die Erzeugung von gewissen Emissionen. Zwecke von Experimenten bei der Kolbenkonstruktion haben sich auch auf das Verhältnis von Motorleistung zu Gewicht, auf die Kosten, die Haltbarkeit, Schmierung, Kühlung und eine Reihe anderer Ziele bezogen. Die unterschiedlichen Formen, Größen, Herstellungstechniken und Materialzusammensetzungen von Kolben auf dem heutigen Markt spiegeln die zahlreichen und oft in Widerstreit stehenden Überlegungspunkte wider, welche die Forschung und Entwicklung bei Verbrennungsmotoren für mehr als hundert Jahre angetrieben haben. Jeder Kolben ist typischerweise das Ergebnis von vielen Stunden von Nachforschungen von Ingenieuren, wobei zahlreiche miteinander in Beziehung stehende Variablen ausgewogen werden, so dass der Kolben höchstwahrscheinlich so arbeiten wird, wie erwünscht, oft in einer Betriebsumgebung, die für eine spezielle Bauart eines Motors oder einen speziellen Hersteller einzigartig ist.
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Im Fall von verdichtungsgezündeten Verbrennungsmotoren werden Kolben und ihre assoziierten Komponenten, wie beispielsweise Kolbenringe, Kolbenbolzen und Kolbenstangen bzw. Pleuelstangen typischerweise so ausgelegt, dass sie relativ harten Betriebsbedingungen Widerstand bieten können, was Temperaturen von zumindest mehreren hundert Grad Celsius und hohen Zylinderdrücke mit einschließt, genauso wie andere Quellen von mechanischer Spannung und Dehnung und Materialermüdung. Gehäuse für solche Motoren sind typischerweise so ausgelegt, dass sie ziemlich robust sind. Ersetzbare Zylinderbuchsen werden üblicherweise verwendet, um zu ermöglichen, dass der Motor viele Male in Serviceintervallen von vielen tausenden von Stunden und/oder hunderttausenden Meilen auf der Straße wiederaufgebaut oder überarbeitet werden kann. Die Kombination eines Aluminiumkolbens mit einer Zylinderbuchse aus Gusseisen hat sich als eine vorteilhafte Strategie für gewisse verdichtungsgezündete Motoren erwiesen, die sowohl bei Straßen- als auch bei Geländemaschinen und bei stationären Anwendungen verwendet werden, wie beispielsweise bei der Leistungserzeugung.
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Wenn ein neuer Verbrennungsmotor in Betrieb gesetzt wird oder nach einer Überarbeitung wieder in Betrieb gesetzt wird, kann der Motor in akzeptabler Weise arbeiten, jedoch nicht genauso wie vorgesehen. Eine anfängliche Betriebsperiode, die als „Einfahren“ des Motors bekannt ist, löst typischerweise eine Vielzahl von kleineren Problemen bzw. Ungenauigkeiten durch Abnutzung, Lösen, Verformen, Polieren oder andere Veränderungsformen der Materialien und der Komponenten eines Motors. Trotz bester Bemühungen werden die Motoren nicht immer genauso eingefahren, wie erwünscht, und eine Instandhaltung kann erforderlich sein, um die Motorleistung für einen weiteren Betrieb in optimaler Weise zuzuschneiden. Die Gründe für Unterschiede beim Erfolg des Einfahrens unter anscheinend identischen Motoren genauso wie Unterschiede bei der Gesamtleistung können sehr schwierig erkennbar sein. Beispielsweise haben Ingenieure und Techniker tatsächlich seit Jahrzehnten bemerkt, dass Fressen, Kratzen und Ähnliches manchmal bei einem Aluminiumkolben während des Einfahrens auftreten kann, jedoch konnten sie nicht den eigentlichen Grund bestimmen und noch weniger Lösungen für gangbare Vorkehrungen bieten. Als eine Folge treten zerkratzte Kolben und/oder Kolben mit Fressspuren unvermeidlicher Weise von Zeit zu Zeit auf, und sie werden oft ersetzt oder mit großem Arbeitsaufwand instand gehalten, was erfordert, dass der Motor für einen nicht geplanten Service ausgeschaltet bzw. in den Leerlauf gesetzt wird.
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Die Ingenieure haben seit langem gewusst, dass das enge Einhalten gewisser Herstellungsparameter Unvorhersagbarkeit und Veränderungen bei der Leistung unter Maschinensystemen, wie beispielsweise Motoren, verringern kann. Es ist auch eine übliche Praxis, einwandfreie theoretische und experimentelle Grundlagen für die relative und absolute Bemessung von Komponenten in Maschinensystemen einzusetzen. Eine Strategie zur Bestimmung einer optimalen Kolbengröße für den offensichtlichen Zweck, ein Spiel zwischen einem Kolben und einer Zylinderbohrung so klein wie möglich zu machen, und zwar über Experimente, wird in dem
US 5 537 970 A von Hart gelehrt. Bei Hart setzt eine Vorrichtung zum Bestimmen von optimalen Außenabmessungen eines Kolbens Stangenglieder ein, die in einer speziell vorgesehenen Vorrichtung positionierbar sind, welche einen Abrieb erfahren, wenn der Kolben in einem Motor an den Stangen hin und her bewegt wird. Es scheint, dass radiale Stellen von jeder Stange somit verwendet können, um optimale Umfangsabmessungen für den Kolben bezüglich eines gegebenen Motorzylinders zu definieren. Während die Offenbarung von Hart gut zum Zweck der Minimierung eines Spiels zwischen einem Kolben und einer Zylinderbohrung funktionieren kann, kann ihre Anwendbarkeit abhängig von den speziellen zu erreichenden Zielen eingeschränkt sein, wie bei vielen speziell vorgesehenen theoretischen und experimentellen Techniken zum Dimensionieren von Maschinenkomponenten.
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Ferner offenbart
DE 197 08 252 A1 einen Kolben für Verbrennungsmotoren.
JP 2005- 155 324 A lehrt ein Verfahren zur Bearbeitung des Kolbenprofils einer Verbrennungskraftmaschine. Zudem zeigen
EP 0 420 618 A1 und
JP H06- 185 405 A jeweils einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, letztere insbesondere für Naturgasmotoren. Außerdem wird auf
EP 0 752 525 A1 ,
DE 35 27 032 A1 und
DE 38 43 761 A1 verwiesen, die einen Kolben, einen Tauchkolben sowie einen leichten Tauchkolben für Verbrennungsmotoren zeigen. Abschließend offenbaren
US 3 004 336 A und
US 2 133 403 A jeweils Verfahren zur Aufarbeitung von Kolben.
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Zusammenfassung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch einen Kolben für einen verdichtungsgezündeten Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, sowie durch einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens nach Anspruch 7 und ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens nach Anspruch 9 gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungen der Erfindung. Gemäß einem Aspekt weist ein Kolben für einen verdichtungsgezündeten Verbrennungsmotor einen einteiligen Kolbenkörper aus Aluminium auf, der einen Kolbenboden mit einer Verbrennungsfläche hat, die eine Verbrennungsmulde definiert, weiter mit einer äußeren Kolbenbodenfläche mit einer Vielzahl von umlaufenden Nuten bzw. Umfangsnuten, die konfiguriert sind, um Kolbenringe aufzunehmen, und der eine Längsachse definiert. Der Kolbenkörper weist weiter ein Kolbenhemd bzw. einen Kolbenmantel auf, der an den Kolbenboden angrenzt und erste und zweite gegenüberliegenden Bohrungen hat, die darin ausgeformt sind, wobei die ersten und zweiten Bohrungen eine Querachse definieren und konfiguriert sind, um einen Gelenkbolzen bzw. Kolbenbolzen aufzunehmen, um den Kolbenkörper mit einer Kolbenstange bzw. Pleuelstange zu koppeln. Das Kolbenhemd weist weiter eine Nicht-Standardverjüngung auf, die sich zum Kolbenboden hin verjüngt und die sich von der Querachse zu einer der Umfangsnuten erstreckt, und das Kolbenhemd definiert einen Hauptdurchmesser in einer ersten Richtung senkrecht zur Längsachse und einen Nebendurchmesser in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung. Der Hauptdurchmesser hat innerhalb der Nicht-Standardverjüngung die Abmessungen, die für den Kolben 1 in Tabelle 1 aufgeführt sind, und zwar plus oder minus einer Toleranz von 0,014 Millimetern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt weist ein Verbrennungsmotor ein Motorgehäuse auf, welches eine Vielzahl von Zylinderbohrungen definiert und eine Vielzahl von Zylinderbuchsen aufweist, die innerhalb der Vielzahl von Zylinderbohrungen positioniert sind. Der Verbrennungsmotor weist weiter eine Vielzahl von Kolben auf, die innerhalb der Vielzahl von Zylinderbohrungen hin und her bewegbar sind, wobei jeder der Vielzahl von Kolben einen Kolbenboden und ein Kolbenhemd aufweist und eine Längsachse definiert. Jedes der Kolbenhemden hat erste und zweite gegenüberliegenden Bohrungen, die darin ausgeformt sind und eine Querachse definieren, wobei die Bohrungen so konfiguriert sind, dass sie einen Kolbenbolzen zur Koppelung mit einer Kolbenstange bzw. Pleuelstange aufnehmen können. Das Kolbenhemd eines ersten Kolbens weist eine Standardverjüngung auf, die sich zu dem entsprechenden Kolbenboden hin verjüngt und ein Standardkolbenhemdprofil definiert, und das Kolbenhemd eines zweiten Kolbens weist eine Nicht-Standardverjüngung auf, welches sich zum entsprechenden Kolbenboden verjüngt und ein Kolbenhemdprofil definiert, welches eine Aufsummierung von Toleranzen vermeidet.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zum Vorbereiten eines Kolbens für die Rückkehr in den Einsatz in einem Verbrennungsmotor auf, einen Kolben in Empfang zu nehmen, der aus dem Einsatz in einem Verbrennungsmotor entfernt wurde, wobei der Kolben einen Kolbenkörper mit einem Kolbenboden und einem Kolbenhemd aufweist. Das Verfahren weist weiter auf, Material von einer Nicht-Standardverjüngung zu entfernen, die an dem Kolbenhemd gelegen ist und sich in Richtung des Kopfes verjüngt. Das Verfahren weist weiter das Formen der Nicht-Standardverjüngung während des Schrittes des Entfernens von Material derart auf, dass die Nicht-Standardverjüngung ein Profil definiert, welches eine Aufsummierung von Toleranzen vermeidet, welches konfiguriert ist, um Kratzen oder Fressen des Kolbenkörpers an einer Zylinderbuchse zu vermeiden, wenn der Kolben wieder zum Einsatz zurückgebracht wird.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zum Vorbereiten eines Kolbens für einen Einsatz in einem Verbrennungsmotor auf, einen Kolben in Empfang zu nehmen, der einen Kolbenkörper mit einem Kolbenboden und einem Kolbenhemd aufweist, und Material von dem Kolbenkörper so zu entfernen, dass eine Nicht-Standardverjüngung, die am Kolbenhemd gelegen ist, sich in Richtung des Kolbenbodens verjüngt. Das Verfahren weist weiter auf, die Nicht-Standardverjüngung während des Schrittes des Entfernens von Material derart zu formen, dass ein Hauptdurchmesser des Kolbens innerhalb der Nicht-Standardverjüngung die Abmessungen hat, die für einen Kolben 1 in der Tabelle 1 festgelegt sind, und zwar plus oder minus einer Toleranz von 0,014 Millimetern.
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Figurenliste
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- 1 ist eine geschnittene schematische Seitenansicht eines Teils eines Verbrennungsmotors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 ist eine geschnittene schematische Seitenansicht eines Kolbens gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 ist eine weitere geschnittene schematische Seitenansicht des Kolbens der 2;
- 4 ist eine Kurvendarstellung, welche einen Hauptdurchmesser eines Kolbens gemäß der vorliegenden Offenbarung mit einem bekannten Kolben vergleicht und eine Lagereferenzlegende aufweist; und
- 5 ist eine schematische Seitenansicht eines bekannten Kolbens, der aus dem Einsatz in einem Verbrennungsmotor entfernt wurde.
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Detaillierte Beschreibung
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Mit Bezug auf 1 ist dort ein Motor 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt, der ein Gehäuse 12 mit einer Vielzahl von Zylinderbohrungen 16 aufweist, die darin ausgeformt sind. Ein Motorkopf 14 ist mit dem Gehäuse 12 gekoppelt und weist eine Vielzahl von Brennstoffeinspritzvorrichtungen 20 auf, die jeweils mit einer der Zylinderbohrungen 16 assoziiert sind. Die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 20 können jeweils so positioniert sein, dass sie sich zumindest teilweise in eine entsprechende Zylinderbohrung 16 erstrecken, um direkt einen Brennstoff dort hinein zu spritzen, wie beispielsweise einen destillierten Dieselbrennstoff, und zwar zur Verdichtungszündung in herkömmlicher Weise. Eine Vielzahl von Verbrennungsdichtungen 18 kann vorgesehen sein, um strömungsmittelmäßig zwischen dem Kopf 14 und einer Vielzahl von Zylinderbuchsen 22 abzudichten, die jeweils in jeder Zylinderbohrung 16 positioniert sind. Während zwei Zylinderbohrungen gezeigt sind, kann der Motor 10 eine größere Anzahl von Zylinderbohrungen aufweisen, die jeweils mit einer Zylinderbuchse und einer Brennstoffeinspritzvorrichtung ausgerüstet sind, wie in 1 gezeigt. Ein erster Kolben 30 und ein zweiten Kolben 130 sind gezeigt, wobei sie jeweils innerhalb von einer der Zylinderbohrungen 16 hin und her bewegbar sind. Der Kolben 30 und der Kolben 130 können in vieler Hinsicht im Wesentlichen identisch sein, und in einigen Ausführungsbeispielen sind sie dies in jeder Hinsicht außer gewissen geometrischen Charakteristiken, die sich darauf beziehen, dass Kratzer oder Fressvorgänge an den entsprechenden Zylinderbuchsen 22 verhindert werden, wie im Folgenden weiter beschrieben wird.
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Zu diesem Ziel sollte die vorliegende Beschreibung des Kolbens 30 so angesehen werden, dass sie sich allgemein auf den Kolben 130 bezieht, außer wenn dies in anderer Weise bemerkt wird. Der Kolben 30 kann einen Kolbenkörper 32 aufweisen, der einen Kolbenboden 34 mit einer Verbrennungsfläche 36 aufweist, die eine Verbrennungsmulde 38 definiert. Der Kolbenboden 34 kann weiter eine äußere Kolbenbodenfläche 40 mit einer Vielzahl von Umfangsnuten aufweisen, wie beispielsweise mit einer oberen Nut 42, einer mittleren Nut 44 und einer Ölnut 46. Jede der Nuten 42, 44, 46 ist so konfiguriert, dass sie einen Kolbenring in herkömmlicher Weise aufnimmt, obwohl die Kolbenringe in 1 zur Verdeutlichung der Darstellung nicht gezeigt sind. Der Kolbenkörper 32 kann weiter eine Längsachse A definieren, die sich zwischen einem ersten oder proximalen Kolbenende 50 und einem zweiten oder distalen Kolbenende 52 erstreckt. Bei einer Strategie zur praktischen Ausführung kann der Kolbenkörper 32 ein einteiliger Aluminiumkolbenkörper sein, und die Zylinderbuchsen 22 können aus Gusseisen geformt sein. Wie oben erwähnt, ist beobachtet worden, dass die Kombination eines Aluminiumkolbens und einer Zylinderbuchse aus Gusseisen in gewissen Motoren mit Kratzern, Fressvorgängen usw. assoziiert sein kann, insbesondere während des Einfahrens des Motors. Die vorliegende Offenbarung spiegelt diese Entdeckung der ursprünglichen Gründe für ein solches Phänomen und die Entwicklung von praktischen Vorkehrungslösungen wider, wie sie im Folgenden beschrieben werden.
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Der Kolbenkörper 32 kann weiter einen Kolbenmantel bzw. ein Kolbenhemd 60 aufweisen, welches an den Kolbenboden 34 angrenzt und sich nach unten oder in distaler Richtung vom Kolbenboden 34 erstreckt. Insbesondere kann das Kolbenhemd 60 als Teil des Kolbenkörpers 32 angesehen werden, welcher sich von der Ölnut 46 zum zweiten Ende 52 erstreckt und dieses mit einschließt. Eine Oberfläche 74 am distalen Ende des Kolbenhemdes 60 kann am zweiten Ende 52 gelegen sein und definiert eine Oberflächenkontur, die bezüglich der Längsachse A nicht gleichförmig ist. In anderen Ausführungsbeispielen könnte die Oberflächenkontur anders sein als die gezeigte Kontur. Während die Vielzahl von Umfangsnuten 42, 44, 46 beim veranschaulichten Ausführungsbeispiel eine Gesamtzahl von drei Umfangsnuten aufweist, könnte in analoger Weise in anderen Versionen eine unterschiedliche Anzahl von Umfangsnuten verwendet werden. Die Verbrennungsmulde 38 ist so gezeigt, dass sie eine konvexe mittlere Spitze 48 hat und ein Muldenvolumen zwischen ungefähr 75 cm3 und ungefähr 125 cm3 definieren kann, jedoch könnten diese und andere Merkmale der Verbrennungsmulde 38 und der Verbrennungsfläche 36 auch variiert werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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Das Kolbenhemd 60 kann weiter erste und zweite gegenüberliegende Bohrungen 62 aufweisen, die darin ausgeformt sind, wobei eine davon in 1 gezeigt ist. Die Bohrungen 62 können eine Querachse Z definieren und sie sind konfiguriert, um einen Gelenkbolzen bzw. Kolbenbolzen zur Koppelung des Kolbenkörpers 32 mit einer Kolbenstange bzw. Pleuelstange in herkömmlicher Weise aufzunehmen. Das Kolbenhemd 60 kann auch eine innere Hemdoberfläche 66 und eine äußere Hemdoberfläche 68 aufweisen. Das Dimensionieren und die Bestimmung von Toleranzen von Teilen des Kolbenhemdes 60 können dabei helfen, die oben erwähnten Phänomene des Kratzens und Fressens während des Einfahren des Motors 20 zu verhindern, wie im Folgenden erklärt.
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Zu diesem Zweck kann das Kolbenhemd 60 weiter eine Verjüngung 70 aufweisen, die in der am weitesten links liegenden detaillierten Vergrößerung in 1 gezeigt ist. Die Verjüngung 70 verjüngt sich zum Kolbenboden 34 hin in einer proximalen Richtung und erstreckt sich von der Querachse Z zur Umfangsnut 46. Der Kolben 130 kann auch einen einteiligen Kolbenkörper 132 aus Aluminium mit einem Kolbenboden 134 und einem Kolbenhemd 160 aufweisen. Der Kolben 130 kann auch eine Verjüngung 170 aufweisen, die an dem Kolbenhemd 160 gelegen ist, welche sich zum Kolbenboden 134 hin verjüngt und sich auch von einer Querachse erstreckt, die analog zum Kolben 30 zu einer Umfangsnut 146 definiert ist, wie in der am weitesten rechts liegenden detaillierten Vergrößerung der 1 gezeigt ist. Es ist entdeckt worden, dass die speziellen Abmessungen und die Form einer Verjüngung eines Kolbenhemdes die Wahrscheinlichkeit beeinflussen können, dass Kratzer oder Fressvorgänge während des Einfahrens in einem assoziierten Verbrennungsmotor auftreten. Entsprechend kann die Verjüngung 70 von der Verjüngung 170 abweichen.
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Die zwei in 1 gezeigten, detaillierten Vergrößerungen veranschaulichen Unterschiede zwischen den Kolben 30 und 130 bezüglich der Merkmale der jeweiligen Verjüngungen 70 und 170. Während dies hier zu Veranschaulichungszwecken in gewisser Weise übertrieben dargestellt wird, sei bemerkt, dass die Verjüngung 70 ein Kolbenhemdprofil des Kolbens 30 definiert, welches schlanker ist als ein entsprechendes Kolbenhemdprofil des Kolbens 130. Zusätzlich dazu, dass sie ein schlankeres Kolbenhemdprofil definiert, biegt sich die Verjüngung 70 in gewisser Weise schärfer als die Verjüngung 170. Anders gesagt, die Verjüngung 70 kann schärfer bzw. stärker sein als die Verjüngung 170. Durch Konstruieren und/oder Modifizieren von Kolben gemäß den hier genauer besprochenen Informationen über die Abmessung und Toleranzfestlegung, kann ein Kolbenhemdprofil entweder bei neuen oder aufgearbeiteten Kolben hergestellt werden, welches konfiguriert ist, um Kratzer, Fressvorgänge oder damit in Beziehung stehende Phänomene zu verhindern. Ein weiteres in 1 gezeigtes Merkmal des Kolbens 30, welches vom Kolben 130 abweicht, ist eine Kolbenhemdbeschichtung aus Graphit, die an der Außenfläche 68 des Kolbenhemdes gelegen ist und sich von der distalen Endfläche 74 zur Umfangsnut 46 erstreckt. Die Kolbenhemdbeschichtung 76 aus Graphit kann geformt werden, indem ein geeignetes Graphit enthaltendes Beschichtungsmaterial, wie beispielsweise Grafale mit einer Dicke von 0,020 mm plus oder minus einer Toleranz von 0,007 mm aufgebracht wird. In anderen Fällen könnte das Aufbringen einer Kolbenhemdbeschichtung 76 aus Graphit weggelassen werden. Die hier besprochenen Abmessungen beziehen sich auf Abmessungen des Kolbens 30 und anderer Kolben gemäß der vorliegenden Offenbarung, bevor eine Kolbenhemdbeschichtung aus Graphit aufgebracht wird, wenn dies getan wird.
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Der Fachmann wird mit den Ausdrücken „Hauptdurchmesser“ und „Nebendurchmesser“ vertraut sein, wie sie in Verbindung mit Kolben verwendet werden. Im Fall des Kolbens 30 definiert das Kolbenhemd 60 einen Hauptdurchmesser 100, der eine Abmessung ist, welche sich in einer ersten Richtung senkrecht zur Längsachse A erstreckt und auch senkrecht zur Querachse Z. Das Kolbenhemd 60 definiert weiter einen Nebendurchmesser, der sich senkrecht zur ersten Richtung erstreckt und somit in einer Ebene ist, die mit der Achse Z in 1 gemeinsam verläuft. In diesem Zusammenhang bedeutet der Ausdruck „senkrecht“ bzw. „normal“ nicht nur notwendigerweise perfekt senkrecht, sondern gestattet eine gewisse Toleranz. Bei einer Strategie zur praktischen Ausführung kann der Hauptdurchmesser 100 um 90° plus minus einer Toleranz von 3° gegenüber der Querachse Z orientiert sein. Da der Hauptdurchmesser größer ist als der Nebendurchmesser, kann man sagen, dass gewisse Teile des Kolbens 30 eine ovale Form definieren, wenn man sie vom Ende ansieht, zumindest bezüglich des Pfades durch den Raum, der durch die Außenfläche 68 des Kolbenhemdes innerhalb des Kolbenhemdes 60 einschließlich der Verjüngung 70 definiert wird. Der Fachmann wird auch leicht erkennen, dass die ovale Form typischerweise nicht für das menschliche Auge wahrnehmbar sein würde. Genauso würden die Unterschiede zwischen der Verjüngung 70 und der Verjüngung 170 wahrscheinlich nicht für das menschliche Auge wahrnehmbar sein. Solche Merkmale wie der Hauptdurchmesser innerhalb der Verjüngung 70 und die Stärke oder der steile Verlauf des Profils, welches von der Verjüngung 70 definiert wird, werden trotzdem unter Verwendung eines Mikrometers oder anderer Präzisionswerkzeuge zu beobachten sein und zwar dahingehend, dass sie anders sind als die entsprechenden Merkmale der Verjüngung 170. Mit der Zeit kann die Differenz bei der Leistung von Kolben, die gemäß der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden, gegenüber herkömmlich bemessenen und mit herkömmlichen Toleranzen versehenen Kolben tatsächlich für das menschliche Auge wahrnehmbar werden, wie aus der folgenden Beschreibung weiter deutlich wird.
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Wie oben erwähnt, kann der Hauptdurchmesser 100 als ein Konstruktionsmaß bzw. Abmessungsmaß für die Herstellung, Reparatur oder Aufarbeitung eines Kolbens gemäß der vorliegenden Offenbarung dienen. Ebenfalls mit Bezug auf die 2 und 3 sind dort auch zwei unterschiedliche Ansichten des Kolbens 30 gezeigt, welche in Verbindung mit der folgenden Beschreibung dazu dienen werden, weiter die Merkmale des Kolbens 30 zu erklären, die zu einer verbesserten Leistung gegenüber herkömmlichen Konstruktionen beitragen. In 2 ist eine Kolbenhöhe 112 derart gezeigt, dass sie sich vom ersten Ende 50 zum zweiten Ende 52 erstreckt. Die Kolbenhöhe 112 kann in einer Strategie zur praktischen Ausführung ungefähr gleich 140 mm sein. Eine Nutenhöhe 114 der Umfangsnut 46 ist ebenfalls gezeigt und kann ungefähr gleich 3 mm sein. In einer speziellen Ausführungsform kann die Nutenhöhe 114 gleich 3,19 mm plus oder minus einer Toleranz von 0,01mm sein. Wie er hier verwendet wird, kann der Ausdruck „ungefähr“ im Zusammenhang einer Anzahl von signifikanten Ziffern verstanden werden. Entsprechend bedeutet ungefähr 140 mm zwischen 135 mm und 144 mm. Wo der Ausdruck ungefähr in Verbindung mit einer Abmessungsgröße nicht verwendet wird, wird die vorgesehene bzw. erwähnte Toleranz als eine Anleitung dahingehend dienen, wieviel Abweichung von der Abmessungsgröße zulässig ist. In 2 ist ein Hauptdurchmesser 100 in der Zeichnungsebene gelegen, während der Nebendurchmesser sich in die Zeichnungsebene hinein und aus ihr heraus erstreckt und eine Linie senkrecht zur Zeichnungsebene definiert, wie in 1. In 3 ist der Nebendurchmesser mit einem Bezugszeichen 110 gezeigt.
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Der Hauptdurchmesser 100 ist in 2 derart gezeigt, dass er die Querachse Z und die Längsachse A an einem gemeinsamen Punkt schneidet. Die Lage der Querachse Z, wie in 2 gezeigt, kann als eine erste Lage verstanden werden, die in einer ersten Ebene liegt, welche von der Querachse Z definiert wird und senkrecht zur Längsachse A orientiert ist. Auf Grund der Verjüngung 70 ergibt das Bewegen eines Messungspunktes des Hauptdurchmessers 100 in einer proximalen Richtung zum ersten Ende 50 hin unterschiedliche Messungen. Die Verjüngung 70 kann derart verstanden werden, dass sie sich von der ersten Stelle zu einer zweiten Stelle erstreckt, die in einer zweiten Eben liegt, welche durch einen Übergang 72 des Kolbenhemdes 60 und des Kolbenbodens 34 definiert wird. Diese zweite Stelle kann so verstanden werden, dass sie an einem Punkt liegt, wo das Kolbenhemd 60 und der Kolbenboden 34 sich schneiden, und eine spezielle Verdeutlichung dieser zweiten Stelle zum Zwecke des Verständnisses der Dimensionierung und der Informationen über die Toleranzen wird im Folgenden unten besprochen. In einem Ausführungsbeispiel ist eine lineare Distanz von der ersten Stelle zur zweiten Stelle parallel zur Längsachse A gleich 39,5 mm plus minus einer Toleranz von 0,5 mm. Dies kann so verstanden werden, dass es bedeutet, dass die Verjüngung 70 sich vertikal nach oben oder unten relativ zur Achse A um eine Distanz von 0,5 mm verschiebt, zumindest in gewissen Ausführungsbeispielen.
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Die folgende Tabelle 1 stellt die Abmessungen des Hauptdurchmessers für einen Kolben gemäß der vorliegenden Offenbarung dar, wie sie erhalten werden würden, wenn der Kolben bei ungefähr 20 °C (68° Fahrenheit) ist. Die Abmessungen des Hauptdurchmessers für den Kolben gemäß der vorliegenden Offenbarung sind in der dritten Spalte von links in der Tabelle 1 für „Kolben 1“ gezeigt. Bezüglich der Merkmale der Verjüngung 70 kann angenommen werden, dass der Kolben 1 und der Kolben 30 der Gleiche sind. Die Abmessungen des Hauptdurchmessers sind für eine Vielzahl von Messpunkten oder „Höhenlagen“ aufgelistet, und zwar voranschreitend in einer proximalen Richtung von der Querachse Z und für eine Vielzahl von Höhenlagen voranschreitend in einer distalen Richtung von der Querachse Z. In Tabelle 1 ist die Höhenlage null die Lage der Querachse Z. Daher sind siebzehn Abmessungen des Hauptdurchmessers an siebzehn Stellen voranschreitend von der Querachse Z zu ungefähr der Verbrennungsfläche mit positiven Zahlen gezeigt und neun Stellen voranschreitend in der distalen Richtung von der Querachse Z ungefähr zur Endfläche des Kolbenhemdes sind mit negativen Zahlen gezeigt. In der vierten Spalte von links in der Tabelle 1 sind Abmessungen von jeweils der gleichen Höhenlage eines Nebendurchmessers für den Kolben 1 gezeigt. In der ersten Spalte der Tabelle 1 sind sechs unterschiedliche Lagereferenzen 300, 400, 500, 600, 700 und 800 aufgelistet. Aus der vorangegangenen Beschreibung wird klar sein, dass die Verjüngung sich von der Höhenlage null zur Höhenlage bei 39,50 mm erstreckt, obwohl Teile des Kolbens 1 tatsächlich distal zur Höhenlage null oder proximal zur Höhenlage 39,50 mm „verjüngt“ sein könnten, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Der Übergang 72 des Kolbenhemdes 60 und des Kolbenbodens 34 im Kolben 30 kann somit so angesehen werden, dass sie bei einer Höhenlage 39,50 mm liegt.
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Wie in der Tabelle 1 auch gezeigt, werden in den Spalten 5 und 6 die Hauptdurchmesser-Abmessungen und Nebendurchmesser-Abmessungen jeweils auf der gleichen Höhenlage eines bekannten Kolbens gemessen, Kolben 2. Der Kolben 2 kann der gleiche sein, wie der Kolben 130 der 1, und die Zellen in Spalte 5 und 6, die in Tabelle 1 frei sind, können Abmessungen haben, welche die gleichen Abmessungen sind, wie in den Spalten 3 und 4 für den Kolben 1 gezeigt. Es sei bemerkt, dass die Abmessungen des Hauptdurchmessers innerhalb der Verjüngung im Kolben 1 alle geringer sind als die Abmessungen an den entsprechenden Höhenlagen am Kolben 2. In einer Strategie zur praktischen Ausführung kann ein Kolben gemäß der vorliegenden Offenbarung innerhalb der Verjüngung einen Hauptdurchmesser mit den Abmessungen haben, die für den Kolben 1 in der Tabelle 1 aufgeführt sind, und zwar plus oder minus einer Toleranz von 0,014 mm. Bei einem Kolben gemäß der vorliegenden Offenbarung kann der Nebendurchmesser innerhalb der Verjüngung auch die Abmessungen aufweisen, welche für den Kolben 1 in der Tabelle 1 aufgeführt sind, und zwar plus oder minus einer Toleranz von 0,025 mm. Kolben gemäß der vorliegenden Offenbarung können auch alle Abmessungen aufweisen, die für den Kolben 1 in der Tabelle 1 festgelegt sind, nicht nur jene innerhalb der Verjüngung.
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Während es so erscheinen mag, dass der Hauptdurchmesser des Kolbens 1 innerhalb der Verjüngung ziemlich nahe am Hauptdurchmesser des Kolbens 2 innerhalb dieser Verjüngung ist, ist entdeckt worden, dass diese anscheinend kleinen Unterschiede beträchtlich verbesserte Ergebnisse mit sich bringen, und zwar aus den hier genauer besprochenen Gründen. Es könnte auch spekuliert werden, dass das Herstellen eines Kolbens mit den bekannten Abmessungen eines Kolbens 2 gelegentlich oder zufällig einen Kolben innerhalb der Toleranz der Abmessungen zur Folgen gehabt haben könnte, die für den Kolben 1 aufgeführt sind. Dies ist jedoch nicht der Fall. Bei der Höhenlage 39,50 mm ist beispielsweise der Hauptdurchmesser des Kolbens 1 als 136,600 mm festgelegt. Bei einer gegebenen Toleranz von plus oder minus 0,014 mm bedeutet dies, dass der Hauptdurchmesser zwischen 136,586 mm und 136,614 mm bei der festgelegten Messstelle liegen könnte. Wenn eine ähnliche Toleranz auf den Hauptdurchmesser des Kolbens 2 bei der gleichen Messstelle angewendet wird, wäre der Hauptdurchmesser des Kolbens 2 nicht kleiner als 136,706 mm, welches außerhalb der für den Kolben 1 festgelegten Toleranz ist. Es sei daran erinnert, dass die Verjüngung bei Kolben gemäß der vorliegenden Offenbarung, wie beispielsweise die Verjüngung 70, sich innerhalb einer Toleranz von plus oder minus 0,5 mm nach oben oder unten relativ zur Querachse Z verschieben kann. Während es möglich sein könnte, die Verjüngung 70 innerhalb dieser Toleranz nach oben oder unten zu verschieben und genauso eine Verjüngung des Kolbens 2 innerhalb einer ähnlichen Toleranz nach oben oder unten zu verschieben, wird erwartungsgemäß die Abmessung des Hauptdurchmessers an mindestens einer Höhenlage innerhalb der Verjüngung des Kolbens 1 immer aus der Toleranz für den Kolben 2 fallen. Ein weiterer Weg, um dieses Prinzip zu verstehen, ist, dass der Kolben 1 niemals alle seine Abmessungen innerhalb der Toleranz der Abmessungen haben wird, die für den Kolben 2 festgelegt sind, und dass die Unterschiede bei den Abmessungen innerhalb der Verjüngung am meisten offensichtlich und möglicher Weise allein offensichtlich sein werden.
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Mit Bezug auf 4 ist dort ein Vergleich der Profile des Kolbens 1 und des Kolbens 2 gezeigt. Der Kolben 2 ist über die Kurve gezeigt, welche quadratische Markierungen verbindet, und der Kolben 1 ist über die Kurve gezeigt, welche rautenförmige Markierungen verbindet. In 4 ist auch eine Legende 900 gezeigt, welche eine bildliche Ansicht des Kolbens 30 zeigt, wo jede der Lagereferenzen 300, 400, 500, 600, 700 und 800 an den entsprechenden Stellen entlang des Kolbenkörpers 32 gezeigt sind. Für die Zwecke der 4 kann angenommen werden, dass der Kolben 1 und der Kolben 30 gleich sind, und es kann angenommen werden, dass der Kolben 2 und der Kolben 130 gleich sind. Einige der Lagereferenzen sind auch in der Kurvendarstellung der 4 derart gezeigt, dass der Unterschied beim Profil des Kolbens 2 gegenüber dem Kolben 1, wie in Tabelle 1 aufgeführt, ziemlich offensichtlich ist. Wie oben besprochen, kann die Verjüngung eines Kolbens gemäß der vorliegenden Offenbarung derart sein, dass ein Kolbenhemdprofil vergleichsweise schlanker und steiler ist als ein Kolbenhemdprofil eines bekannten Kolbens. Die Verjüngung der Kolben gemäß der vorliegenden Offenbarung kann auch innerhalb einer Toleranz von 0,003 mm kurvenförmig sein.
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Wie ebenfalls oben besprochen, kann die Verjüngung 70 beim Kolben 30 sich von einer ersten Stelle innerhalb einer Ebene, die durch die Querachse Z definiert wird, zu einer zweiten Stelle erstrecken, die in einer Ebene liegt, welche von dem Übergang des Kolbenhemdes 60 und dem Kolbenboden 34 definiert wird. In der Kurvendarstellung der
4 wäre diese erste Stelle gerade rechts von der Lagerefernz 700 an der Kolbenhöhe 0 mm. Die zweite Stelle liegt ungefähr zwei Markierungen rechts von der Lagereferenz gerade bevor die zwei Kurven beginnen zu überlappen und zusammen nach unten zur Lagereferenz 500 abfallen. Es wird leicht verständlich sein, dass jedes der Quadrate und jede der Rauten, die in
4 gezeigt sind, den Höhenlagen und aufgeführten Abmessungen in Tabelle 1 entspricht. Tabelle 1
| Lagereferenz | Höhe | Hauptdurchmesser Kolben 1 | Nebendurchmesser Kolben 1 | Hauptdurchmesser Kolben 2 | Nebendurchmesser Kolben 2 |
| 300 | 86,420 | 134,644 | 134,644 | | |
| | 75,072 | 134,645 | 134,645 | | |
| | 66,624 | 134,645 | 134,645 | | |
| | 63,398 | 136,22 | 136,220 | | |
| 400 | 62,220 | 136,22 | 136,220 | | |
| | 52,273 | 135,661 | 135,661 | | |
| 500 | 45,920 | 135,66 | 135,660 | | |
| | 42,685 | 135,661 | 135,661 | | |
| | 39,50 | 136,600 | 136,044 | 136,720 | 136,164 |
| | 37,42 | 136,668 | 136,116 | 136,778 | 136,225 |
| 600 | 35,43 | 136,700 | 136,150 | 136,802 | 136,252 |
| | 33,92 | 136,724 | 136,176 | 136,820 | 136,272 |
| | 30,22 | 136,760 | 136,218 | 136,842 | 136,299 |
| | 26,52 | 136,788 | 136,250 | 136,858 | 136,320 |
| | 22,82 | 136,812 | 136,280 | 136,870 | 136,337 |
| | 14,72 | 136,850 | 136,328 | 136,891 | 136,368 |
| | 6,72 | 136,874 | 136,364 | 136,908 | 136,397 |
| | 2,72 | 136,886 | 136,380 | | |
| | 0 | | | | |
| 700 | -1,15 | 136,894 | 136,394 | | |
| | -4,88 | 136,900 | 136,406 | | |
| 800 | -24,51 | 136,900 | 136,432 | | |
| | -27,08 | 136,900 | 136,436 | | |
| | -32,28 | 136,896 | 136,438 | | |
| | -38,68 | 136,890 | 136,442 | | |
| | -43,78 | 136,880 | 136,438 | | |
| | -46,78 | 136,870 | 136,432 | | |
| | -49,28 | 136,860 | 136,426 | | |
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Industrielle Anwendbarkeit
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Der Fachmann wird mit dem Phänomen von sich aufaddierenden Toleranzen vertraut sein. Jegliche hergestellte Maschinenkomponente wird typischer Weise so hergestellt sein, dass sie einen festgelegten Satz von Abmessungen plus oder minus Toleranz für jede der festgelegten Abmessungen haben wird. In einigen Fällen können einige oder alle der Toleranzen für eine oder mehrere Komponenten sich einander aufheben, so dass die tatsächlichen Abmessungen oder Spiele von Interesse relativ nahe an theoretisch perfekten Werten liegen. In anderen Fällen können einige oder alle Toleranzen sich so aufaddieren oder so aufsubtrahieren, dass die tatsächlichen Abmessungen und Spiele relativ weit weg von dem theoretisch perfekten Wert sind. Im Fall von festgelegten Abmessungen und Toleranzen für einen Kolben, eine Zylinderbuchse und Spiele dazwischen könnte ein Aufaddieren von Toleranzen einen Kolben zur Folge haben, der ein vergleichsweise geringeres Spiel gegenüber der Kolbenbuchse hat, während ein Subtrahieren von mehreren Toleranzen ein vergleichsweise größeres Spiel zur Folge haben könnte. Wo eine große Anzahl von Kolben und Zylinderbuchsen hergestellt wird, kann erwartet werden, dass alle Arten von unterschiedlichen Kombinationen von Kolbenabmessungen und Zylinderbuchsen-Abmessungen innerhalb festgelegter Toleranzen auftreten. Dies kann zu einer Verteilung von Spielen führen, welche zumindest gelegentlich montierte Kombinationen eines Kolbens und einer Zylinderbuchse mit einschließt, die eng genug sind oder nahezu eng genug sind, um die hier erwähnten Probleme mit Kratzern und/oder Fressvorgängen zu bewirken. Die vorliegende Offenbarung stellt die Erkenntnis dar, dass aufaddierte Toleranzen in Zusammenarbeit mit Veränderungen der Abmessungen ansprechend auf Temperaturveränderungen während des Betriebs des Motors schließlich zur Folgen haben können, dass ein Kolben und eine Zylinderbuchse in einer Weise in Gegenwirkung treten, die nicht erwartet oder nicht beabsichtigt ist, und dass dies möglicherweise verhindern kann, dass ein Motor so präzise arbeitet, wie festgelegt, insbesondere wenn er das erste Mal nach der Herstellung, einer Überarbeitung oder Aufrüstung in Einsatz gebracht wird.
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Wie oben besprochen, unterlaufen Verbrennungsmotoren typischerweise einer Einfahrphase, wobei der Motor für eine gewisse Periode betrieben wird, nachdem er in Einsatz gebracht wurde. Es ist üblich, dass die Art des Schmiermittels, Ölwechsel, Zeitpläne und möglicherweise andere Parameter während einer Einfahrphase anders sind als während des Standardmotorbetriebs. Die meiste Zeit gestattet ein Betrieb eines Verbrennungsmotors in seiner Einfahrphase, dass verschiedene Komponenten miteinander in Gegenwirkung treten, wobei Material verformt und bewegt oder geglättet wird und sogar Metallteile von einer oder mehreren Komponenten abgekratzt werden, bis der Motor das erreicht, was im Wesentlichen ein stetiger Zustand von mechanischer Gegenwirkung unter den Komponenten ist. Wenn das Einfahren vollendet ist, können die Abnutzung, Abmessungsveränderungen, Verformung und damit in Beziehung stehenden Phänomene aufhören oder auf Niveaus abfallen, die nicht für die Fähigkeit eines Motors relevant sind, über seine Dienstlebensdauer oder ein Serviceintervall zu arbeiten. Bevor ein Motor in Einsatz gebracht wird, ist es ziemlich schwierig, wenn nicht unmöglich, vorherzusagen, ob und wie Komponenten, wie beispielsweise Kolben und Zylinderbuchsen miteinander während der Einlaufphase zusammenwirken. Experimente und Validierungen sind oft nötig, wobei irgendeine Veränderung an eingerichteten Standards, wie beispielsweise Abmessungen und Toleranzen vorgenommen werden. Dies dient typischerweise dazu, um zu bestätigen, dass ein Ziel erreicht worden ist, jedoch auch um zu bestätigen, dass keine neuen Probleme erzeugt worden sind. Wie oben erwähnt, sind Abmessungen und Toleranzen bei vielen Motorsystemen tendenziell relativ eng festgelegt, dennoch können Ausreißer oder extreme Abmessungen aus aufaddierten Toleranzen folgen und eine Wechselwirkung bewirken. Das Ausdehnen und Zusammenziehen von Materialien ansprechend auf Veränderungen der Temperatur können weiter jeglichen Versuch stören, vorherzusagen, ob irgendeine spezielle Kombination von Kolben und Zylinderbuchse wie beabsichtigt einlaufen wird. Auch wenn eine Aufsummierung von Toleranzen vermutet wird, kann es außerordentlich schwierig sein, zurückzuverfolgen, wo die aufaddierten Toleranzen auftreten. Wenn Stahl- oder Eisenkolben mit Zylinderbuchsen aus Stahl oder Eisen gepaart werden, könnte eine kleine Wechselwirkung ein Fressen des Kolbens während des Einlaufens zur Folge haben. Wenn Aluminiumkolben mit Zylinderbuchsen aus Gusseisen gepaart werden, ist ein Kolbenfresser weniger wahrscheinlich, jedoch können einzigartige Probleme bezüglich Kratzerbildung und/oder Fressvorgängen zumindest gelegentlich beim Kolben auftreten. Wie oben erwähnt, stellt die vorliegende Offenbarung einen einzigartigen und überraschenden Satz von Entdeckungen und Lösungen dar, welche sich allgemein auf diese Probleme beziehen.
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Im Fall eines Aluminiumkolbens, der mit einer Zylinderbuchse aus Gusseisen gepaart wird, kann eine aufaddierte Toleranz bei einer oder beiden Komponenten zur Folge haben, dass ein zu kleines Spiel zwischen dem Kolben und der Zylinderbuchse vorhanden ist, zumindest an gewissen Stellen, wie beispielsweise an einem oberen Teil des Kolbenhemdes. Während der Einlaufphase des assoziierten Motors können eine Kratzerbildung und ein Fressvorgang des Kolbens so auftreten, dass Material, nämlich Aluminium des Kolbens, tatsächlich auf die Zylinderbuchse übertragen wird. Mit Bezug auf 5 ist dort ein bekannter Kolben 930 gezeigt, der ein Kolbenhemd 960 hat, welches an einen Kolbenboden 934 in einem Kolbenkörper 932 aus Aluminium angrenzt. Fressmarken 961 sind zu sehen, welche die Form von langgezogenen Kratzern auf der Außenfläche des Kolbenhemdes 960 haben. Während eine gewisse Veränderlichkeit der Lage der Markierungen auf irgendeinem individuellen Kolben sicher erwartet werden kann, ist beobachtet worden, dass die Kratzer oder die Fressmarken tendenziell an Stellen des Kolbenhemdes auftreten, die plus oder minus ungefähr 25° von der Querachse des Kolbens liegen, wie gezeigt. Wenn dies auftritt, kann der beabsichtigte Fortschritt der Einlaufphase zu einem mehr oder weniger stetigen Zustand niemals auftreten, und der Kolben und die Zylinderbuchse, bei denen dieses Phänomen auftritt, können nicht optimal einlaufen. Geräusche, welche zumindest teilweise aus einem Kontakt zwischen den Komponenten resultieren und/oder ein Blow-by bzw. Vorbeiblasen von Verbrennungsgasen kann zur Folge haben, dass ein oder mehrere Zylinder des Motors, die nicht eingelaufen sind, anders arbeiten als andere Zylinder des Motors, die ordnungsgemäß eingelaufen sind.
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Wie oben erwähnt, können Fressvorgänge, Kratzer und nicht optimales Einlaufen des Kolbens und der assoziierten Zylinderbuchse verhindert werden, indem ein Kolben gemäß den Abmessungen hergestellt wird, die für den Kolben 1 in Tabelle 1 dargestellt wurden, und auch innerhalb der festgelegten Toleranzen. Das Verhindern von solchen nicht ordnungsgemäßen Einlaufvorgängen resultiert zumindest teilweise aus einer Form, die auf eine Verjüngung des Kolbens aufgebracht wird, wie beispielsweise auf die Verjüngung 70, und zwar entweder während der ursprünglichen Herstellung, während einer Reparatur oder einer Nachrüstung, was eine Wechselwirkung verhindert, die durch aufaddierte Toleranzen bewirkt wird. Entsprechend kann die Verjüngung eines Kolbenhemdes, wie es hier beschrieben wird, so verstanden werden, dass das Kolbenhemd ein Profil definiert, welches eine aufaddierte Toleranz unterdrückt, wobei das Profil konfiguriert ist, um zu vermeiden, dass der Kolbenkörper, insbesondere das Kolbenhemd, an der Zylinderbuchse kratzt oder frisst, wenn er in Einsatz gebracht wird oder wieder in Einsatz gebracht wird.
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Im Zusammenhang mit einer Reparatur, Aufarbeitung oder Umrüstung können ein Motor und/oder einzelne Kolben für die Rückkehr in den Einsatz so vorbereitet werden, dass ein Kolben, der nicht eingelaufen ist oder nicht ordnungsgemäß eingelaufen ist, so modifiziert wird, wie hier beschrieben, so dass der Kolben nicht an der Zylinderbuchse fressen oder kratzen wird. Alternativ kann ein Kolben, der gemäß der Lehre hier hergestellt wurde, mit einem herkömmlichen Kolben getauscht werden, der nicht ordnungsgemäß eingelaufen ist. Ein Motor, der in dieser Weise repariert worden ist usw., kann eine Vielzahl von Kolben aufweisen, die nicht ordnungsgemäß eingelaufen sind, wenn sie in Einsatz gebracht wurden, und kann auch einen oder mehrere Ersatzkolben aufweisen, wobei der Kolben modifiziert oder ausgetauscht worden ist, wie hier beschrieben, um einen ordnungsgemäßen Einlaufvorgang zu ermöglichen. Bei einem solchen Motor, der den in 1 gezeigten Motor 10 aufweisen könnte, könnte jeder der Originalkolben, die im Motor verbleiben, ein Kolbenhemd mit einer Standardverjüngung aufweisen, welches sich zu dem entsprechenden Kolbenboden verjüngt und ein Standardkolbenhemdprofil definiert. Ein zweiter Kolben, der der Kolben 30 sein könnte, könnte so verstanden werden, dass er eine Nicht-Standardverjüngung aufweist, welche sich zum entsprechenden Kolbenboden verjüngt und ein Nicht-Standardkolbenhemdprofil definiert, welches ein Aufaddieren von Toleranzen unterdrückt, wobei das Profil konfiguriert ist, um Fressvorgänge oder Kratzvorgänge des zweiten Kolbens während der hin und her Bewegung innerhalb der entsprechenden Zylinderbuchse während einer Einlaufphase des Verbrennungsmotors zu verhindern.
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Im Fall einer Reparatur, Aufarbeitung oder Umrüstung können ein oder mehrere Kolben eines Motors zur Rückkehr in den Einsatz in den gleichen oder einen anderen Verbrennungsmotor vorbereitet werden, indem die Kolben in Empfang genommen werden, nachdem sie aus dem Einsatz genommen wurden, und indem Material von einer existierenden Verjüngung entfernt wird, die am Kolbenhemd des Kolbens vorhanden ist, und die sich in der Richtung des Kolbenbodens verjüngt. Während des Entfernens von Material kann die Verjüngung geformt werden und so modifiziert werden, dass die Verjüngung das Profil definiert, welches das Aufaddieren von Toleranzen verhindert, welches so konfiguriert ist, dass es einen Fressvorgang und Kratzvorgänge des Kolbens an einer Zylinderbuchse vermeidet, wenn dieser in den Einsatz zurück gebracht wird, wie hier besprochen. Vor dem Zurückbringen des Kolbens in den Einsatz, kann eine Kolbenhemdbeschichtung aus Graphit aufgebracht werden, wie ebenfalls hier besprochen. Eine ähnliche Technik kann verwendet werden, um einen neuen Kolben für den Einsatz vorzubereiten bzw. herzustellen, obwohl es wahrscheinlich ist, dass der neue Kolben aus einem Gussteil maschinell bearbeitet wird, welches keine Verjüngung aufweist. Anders gesagt, anstatt eine existierende Verjüngung zu modifizieren, kann bei einem neuen Kolben die Verjüngung durch maschinelle Bearbeitung eines mehr oder weniger zylindrischen Rohteils geformt werden.
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Der Fachmann wird erkennen, dass das Entwickeln einer Lösung für unerwartete Abnutzung, Beschädigung, Spannung oder Dehnung in einem Maschinensystem auf im Wesentlichen unzählbare Wege voranschreiten könnte. Im vorliegenden Kontext war es nahezu seit Jahrzehnten unbekannt, was die Ursache für Fressvorgänge oder Kratzer an gelegentlichen Kolben war. Versuche, das Problem zu eliminieren, könnten sich auf die Geometrie der Zylinderbuchse, auf Probleme bei der Herstellungsqualität oder auch auf Leistungs- und Betriebsparameter des Motors genauso wie auf eine Vielzahl von anderen Faktoren fokussiert haben. Während das Problem der Wechselwirkung von Komponenten nicht neu ist, wird die Einsicht dahingehend, wie ein neu entdecktes Problem mit aufaddierten Toleranzen zu lösen ist, ohne neue Probleme zu erzeugen, im vorliegenden Zusammenhang als einzigartig angesehen. Es sei bemerkt, dass die Kolbenhemden des herkömmlichen Kolbens genauso wie eines neuen Kolbens, wie er hier in Betracht gezogen wird, eine dünnere Materialdicke zu dem distalen Ende hin haben könnten. Es wird angenommen, dass dieser dünnere Bereich weniger anfällig für aufaddierte Toleranzen ist, da der dünnere Bereich geringfügig flexibler sein könnte, als die dickeren Bereiche in der Nachbarschaft der Verjüngung. Entsprechend ermöglichen die hier dargestellten Erkenntnisse die Abmessungen nahe der Verjüngung zu verändern, dass der Kolben und der Motor so arbeitet, wie bei früheren Konstruktionen, ohne jedoch neue Probleme zu riskieren, wobei die Probleme mit Fressen und/oder Kratzern gelöst werden, welche die Ingenieure so lange beschäftigt haben.
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Die vorliegende Beschreibung ist nur zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen und sollte nicht so angesehen werden, dass sie den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einschränkt. Somit wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen an den hier offenbarten Ausführungsbeispielen vorgenommen werden können, ohne vom vollen und gerechtfertigten Umfang und Kern der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden bei einer Untersuchung der beigefügten Zeichnungen und der angehängten Ansprüche offensichtlich werden.
