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Querverweis auf verwandte Anmeldungen
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Die Anmeldung beansprucht die Priorität der am 1. März 2014 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 61/966,709, deren Inhalt hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme ausdrücklich mit eingeschlossen wird.
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HINTERGRUND
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Hersteller von Verbrennungsmotoren streben fortwährend eine Verbesserung der Langlebigkeit und Zuverlässigkeit ihrer Motoren an. Ein Verfahren zur Verbesserung der Langlebigkeit eines Motors besteht darin, Ölabstreifringe an den Kolben des Verbrennungsmotors vorzusehen. Ölabstreifringe haben die Doppelfunktion des Minimierens des Ölverbrauchs unter gleichzeitiger Gewährleistung von ausreichender Schmierung zwischen dem Kolben und der Zylinderwand. Ölabstreifringe sind gemeinhin dahingehend ausgeführt, einen Kompromiss zwischen diesen beiden Funktionen zu bilden. Zum Minimieren des Ölverbrauchs streifen die Ölabstreifringe während des Abwärtshubs des Kolbens in Richtung der Ölkammer idealerweise so viel Öl wie möglich von der Zylinderwand ab. Um eine ausreichende Schmierung zum Minimieren von Reibung und Verschleiß zu gewährleisten, halten die Ölabstreifringe idealerweise einen minimalen Ölfilm zwischen dem Ölabstreifring und der Zylinderwand aufrecht.
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Die Ausführung des Ölabstreifrings muss den Kompromiss zwischen dem Reduzieren des Ölverbrauchs und ausreichender Schmierung über die Lebensdauer des Motors aufrechterhalten. Die Lebensdauer eines Verbrennungsmotors kann Betriebsjahre umfassen. Ein übermäßiger Verschleiß an der radialen Außenfläche des Ölabstreifrings kann den Spalt zwischen dem Ölabstreifring und der Zylinderwand erweitern. Dieser übermäßige Verschleiß kann sich nachteilig auf den Ölverbrauch des Motors auswirken. Deshalb ist es äußerst wünschenswert, das Ausmaß des Verschleißes, den der Ölabstreifring während seiner Betriebslebensdauer erfährt, auf ein Minimum zu reduzieren.
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Ausführungen von Ölabstreifringen können Spreizfederelemente zum Vorspannen von Ringflächen in Kontakt mit der Zylinderlaufbuchsenfläche verwenden. Das Ausmaß der auf die Zylinderwand ausgeübten Kraft kann bei der Steuerung der Ölfilmdicke auch eine Rolle spielen. Ölabstreifringe mit größeren Kontaktoberflächen wirken in der Regel dahingehend, radialem Verschleiß zu widerstehen, können aber auch ein unerwünscht großes oder starres Spreizfederelement erfordern, um eine angemessene Vorspannkraft zu erzeugen. Ein Spreizfederelement mit einer großen Federrate kann die Installation der Ölabstreifringanordnung während der Montage erschweren.
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Demgemäß besteht Bedarf an einer Ölabstreifringanordnung, die eine bessere Ausgewogenheit zwischen dem Reduzieren des Ölverbrauchs und ausreichender Schmierung bereitstellt. Ferner besteht Bedarf an einem Ölabstreifring, der Verschleiß reduziert und die Verwendung von Spreizfederelementen mit reduzierten Federraten gestattet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nunmehr auf die Zeichnungen Bezug nehmend, werden veranschaulichende Beispiele detailliert gezeigt. Obgleich die Zeichnungen die hier beschriebenen beispielhaften Veranschaulichungen darstellen, sind die Zeichnungen nicht maßstäblich und bestimmte Merkmale können übertrieben sein, um einen neuartigen Aspekt einer beispielhaften Veranschaulichung besser darzustellen und zu erläutern. Des Weiteren sollen die hier beschriebenen beispielhaften Veranschaulichungen nicht erschöpfend sein oder die in den Zeichnungen gezeigte und in der folgenden detaillierten Beschreibung offenbarte genaue Form und Konfiguration einschränken oder darauf beschränkt sein.
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Beispielhafte Veranschaulichungen der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die Zeichnungen detailliert beschrieben; darin zeigen:
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1 eine Ansicht einer beispielhaften Kolbenanordnung;
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2 eine auseinandergezogene Ansicht der beispielhaften Kolbenanordnung von 1;
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3 eine Teilschnittansicht einer beispielhaften Ölabstreifringanordnung;
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4 eine Teilschnittansicht der in 3 gezeigten Ölabstreifringanordnung, wobei die Ölringanordnung während eines Aufwärtshubs des Kolbens dargestellt wird;
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5 eine Teilschnittansicht der in 4 gezeigten beispielhaften Ölabstreifringanordnung, wobei die Ölringanordnung während eines Abwärtshubs des Kolbens dargestellt wird;
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6 eine Teilschnittansicht einer anderen beispielhaften Ölabstreifringanordnung, wobei die Ölringanordnung während eines Aufwärtshubs des Kolbens dargestellt wird;
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7 eine Teilschnittansicht der in 6 gezeigten beispielhaften Ölabstreifringanordnung, wobei die Ölringanordnung während eines Abwärtshubs des Kolbens dargestellt wird;
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8 eine Schnittansicht einer anderen beispielhaften Kolbenanordnung; und
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9 eine Schnittansicht eines (einer) beispielhaften Kolbenrings oder -lamelle, der bzw. die zum Beispiel in Verbindung mit der in 8 gezeigten beispielhaften Kolbenanordnung verwendet wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Eine Bezugnahme in der Beschreibung auf "eine beispielhafte Veranschaulichung", ein "Beispiel" oder eine ähnliche Ausdrucksweise bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, das bzw. die in Verbindung mit dem beispielhaften Ansatz beschrieben wird, in mindestens einer Veranschaulichung enthalten ist. Vorkommnisse des Ausdrucks "bei einer Veranschaulichung" oder eine ähnliche Ausdrucksweise an verschiedenen Stellen in der Beschreibung beziehen sich nicht notwendigerweise alle auf dieselbe Veranschaulichung oder dasselbe Beispiel
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Es werden hierin verschiedene beispielhafte Veranschaulichungen von Kolbenanordnungen und Ölabstreifringanordnungen bereitgestellt, die reduzierte Spreizfederraten bereitstellen, während gleichzeitig eine adäquate Spannung zwischen der Ölabstreifringanordnung und einer zugehörigen Zylinderbohrung bereitgestellt wird. Bei einigen beispielhaften Ansätzen kann eine Kolbenanordnung einen Kolbenkopf mit einer ersten und einer zweiten Kompressionsringnut, Kompressionsringe in den Nuten, eine Ölabstreifringnut und eine Ölabstreifringanordnung enthalten. Die Ölabstreifringanordnung kann ferner eine obere Lamelle mit einer ersten radialen Außenfläche enthalten, die eine erste radiale Außenflächenbreite definiert. Die Ölabstreifringanordnung kann ferner eine untere Lamelle mit einer zweiten radialen Außenfläche enthalten, die eine zweite äußere radiale Breite definiert. Ein Spreizring steht mit der oberen und der unteren Lamelle in Verbindung und übt nach der Installation eine nach außen verlaufende radiale Kraft auf sie aus, um sie zur Zylinderwand zu drücken. Die erste radiale Außenfläche kann aus einem Kontaktabschnitt und einem sich verjüngenden Abschnitt bestehen. Der sich verjüngende Abschnitt kann dazu konfiguriert sein, eine erste radial nach innen verlaufende Kraft zu erzeugen, wenn sich der Kolbenkopf in eine erste Richtung bewegt. Die erste radial nach innen verlaufende Kraft kann größer gleich der nach außen verlaufenden radialen Spreizkraft sein, um zu gestatten, dass während des Aufwärtshubs des Kolbens Öl durch die erste und die zweite Lamelle strömt. Die erste radiale Außenfläche erzeugt eine zweite radial nach innen verlaufende Kraft, die kleiner ist als die nach außen verlaufende radiale Spreizkraft, wenn sich der Kolben in eine zweite Richtung bewegt. Dies gestattet, dass die erste und die zweite Lamelle während des Abwärtshubs des Kolbens Öl von der Zylinderwand abstreifen.
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Bei einigen beispielhaften Ansätzen weisen sowohl die erste als auch die zweite Lamelle einen Kontaktabschnitt und einen sich verjüngenden Abschnitt auf. Bei einem beispielhaften Ansatz sind die sich verjüngenden Abschnitte in die gleiche Richtung ausgerichtet. Jeder sich verjüngende Abschnitt kann eine radial nach innen verlaufende Kraft erzeugen, wenn er in die erste Richtung bewegt wird, welche die nach außen verlaufende radiale Spreizkraft überwinden kann. Bei einem anderen beispielhaften Ansatz können sich die radial nach innen verlaufenden Kräfte jedes sich verjüngenden Abschnitts kombinieren, um bei Bewegung in die erste Richtung die nach außen verlaufende radiale Spreizkraft zu überwinden. Bei noch einem anderen beispielhaften Ansatz können die sich verjüngenden Abschnitte in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sein, um die Installation zu erleichtern. Bei diesem beispielhaften Ansatz können sich die Lamellen zusammen in die erste Richtung bewegen, um zu gestatten, dass Öl die Ölabstreifanordnung passiert. Beim Abwärtshub wirken die Lamellen unabhängig, um das Öl von der Zylinderwand abzustreifen. Somit können sich die Lamellen bezüglich der Grenzfläche zwischen den äußeren Kontaktflächen und der Zylinderbohrung in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung unterschiedlich verhalten.
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Zu beispielhaften radialen Außenflächen der Lamellen können ein erster Radiusabschnitt, ein Kontaktabschnitt, ein sich verjüngender Abschnitt und ein zweiter Radiusabschnitt gehören. Der Kontaktabschnitt kann einen abgeflachten Kontaktabschnitt umfassen, um eine Dichtungsverbindung mit der Zylinderwand zu erleichtern. Rein beispielhaft kann der Kontaktabschnitt bei einem beispielhaften Ansatz weniger als 25% der radialen Außenbreite betragen. Bei einem anderen ist der sich verjüngende Abschnitt dazu konfiguriert, einen Winkel von 8 Grad mit der Zylinderwand zu bilden. Diese beispielhaften Ansätze gestatten die Reduzierung der nach außen verlaufenden radialen Spreizkraft unter Höhen typischer vorheriger Ansätze. Bei einem beispielhaften Ansatz kann die nach außen verlaufende radiale Kraft auf weniger als 27 Newton (N) reduziert werden.
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Bei einigen beispielhaften Verfahren können sich Lamellen einer Ölabstreifringanordnung in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung bezüglich der Grenzfläche zwischen den äußeren Kontaktflächen und der Zylinderbohrung unterschiedlich verhalten. Ein beispielhaftes Verfahren kann Verwenden einer Ölabstreifringanordnung umfassen, die mindestens eine Lamelle umfasst, welche in einer Ölabstreifringnut eines Kolbens positioniert ist, wobei die Lamelle eine erste radiale Außenfläche mit einer ersten radialen Außenbreite umfasst, wobei die erste radiale Außenfläche einen ersten Kontaktabschnitt und einen ersten sich verjüngenden Abschnitt enthält und die Lamelle mit einer durch einen mit der Lamelle in Verbindung stehenden Spreizring erzeugten radialen Spreizkraft radial nach außen vorspannt. Das beispielhafte Verfahren kann ferner Erzeugen einer ersten radial nach innen verlaufenden Kraft als Reaktion auf das Berühren von Öl, wenn die Lamelle in eine erste Richtung bewegt wird, wodurch gestattet wird, dass Öl die erste Kontaktfläche passiert, und Abstreifen von Öl vom Zylinder, wenn die Lamelle in eine zweite Richtung bewegt wird, umfassen.
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Bei anderen beispielhaften Ansätzen kann eine Reduzierung der Kontaktfläche zwischen einer radial äußeren Fläche einer Ölabstreifringanordnung eingesetzt werden, um eine Federspannungskonstante einer Spreizvorrichtung zu reduzieren, während eine adäquate Spannung zur Steuerung des Ölverbrauchs aufrechterhalten wird. Zum Beispiel kann eine beispielhafte Kolbenanordnung einen Kolbenkopf mit einer ersten und einer zweiten Kompressionsringnut, Kompressionsringe mit den Nuten, eine Ölabstreifringnut und eine Ölabstreifringanordnung enthalten. Die Ölabstreifringanordnung kann ferner eine obere Lamelle mit einer ersten radialen Außenfläche, die eine erste radiale Außenflächenbreite aufweist, und eine untere Lamelle mit einer zweiten radialen Außenfläche, die eine zweite radiale Außenflächenbreite aufweist, enthalten. Die obere und die untere Lamelle können eine erste axiale Höhe bzw. eine zweite axiale Höhe definieren. Die Ölabstreifringanordnung kann ferner einen Spreizring enthalten, der mit der oberen Lamelle und der unteren Lamelle in Verbindung steht und eine nach außen verlaufende radiale Spreizkraft an der oberen Lamelle und der unteren Lamelle erzeugt. Die erste axiale Höhe und/oder die zweite axiale Höhe kann/können größer sein als die erste radiale Außenflächenbreite bzw. die zweite radiale Außenflächenbreite.
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Einige beispielhafte Verfahren können eine Reduzierung der Kontaktfläche zwischen einer radial äußeren Fläche einer Ölabstreifringanordnung und einer Zylinderbohrung verwenden, wodurch eine Reduzierung einer Federspannungskontante einer Spreizvorrichtung ermöglicht wird, während eine adäquate Spannung zur Steuerung des Ölverbrauchs aufrechterhalten wird. Ein beispielhaftes Verfahren zur Steuerung von Öl im Zylinder eines Verbrennungsmotors kann Verwenden einer Ölabstreifringanordnung umfassen, die eine obere und eine untere Lamelle umfasst, welche in einer Ölabstreifringnut eines Kolbens positioniert sind. Die Lamellen können jeweils eine radiale Außenfläche umfassen, wobei jede radiale Außenfläche eine jeweilige radiale Außenbreite aufweist. Das Verfahren kann ferner Vorspannen der Lamelle radial nach außen mit einer durch einen mit der Lamelle in Verbindung stehenden Spreizring erzeugten radialen Spreizkraft und Abstreifen von Öl vom Zylinder, wenn die Lamelle bezüglich einer Zylinderbohrung des Verbrennungsmotors axial bewegt wird, umfassen. Das Verfahren kann ferner Herstellen der oberen und/oder der unteren Lamelle mit einer axialen Höhe, die größer ist als die jeweilige radiale Außenflächenbreite der oberen und/oder der unteren Lamelle umfassen.
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Nunmehr auf die 1 und 2 Bezug nehmend, wird eine beispielhafte Kolbenanordnung 100 dargestellt. Die Kolbenanordnung 100 kann einen Kolbenkopf 102 enthalten, der einen oberen Kompressionsring 104, der in einer oberen Kompressionsringnut 106 positioniert ist, und einen unteren Kompressionsring 108, der in einer unteren Kompressionsringnut 110 positioniert ist, enthält. Der Kolbenkopf 102 enthält ferner eine Ölabstreifringanordnung 112, die in einer Ölabstreifringnut 114 positioniert ist. Die Kompressionsringe 104, 108 und die Ölabstreifringanordnung 110 dichten während der Hin- und Herbewegung der Kolbenanordnung 100 in der Zylinderbohrung gegen Zylinderbohrungsflächen ab. Der Kolbenkopf 102 bewegt sich während der Aufwärtshubphase der Kolbenanordnung 100 in eine erste Richtung 116 und während der Abwärtshubphase der Kolbenanordnung 100 in eine zweite Richtung 118.
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Die Ölabstreifringanordnung 112 kann eine obere Lamelle 120 und eine untere Lamelle 122 enthalten. Die obere und die untere Lamelle 120, 122 können so in der Ölabstreifringnut 114 positioniert sein, dass sie parallel zueinander und orthogonal zur axialen Achse des Kolbens verlaufen. Ein Spreizring 124 ist zwischen und in Verbindung mit den Lamellen 120, 122 positioniert, um sie nach der Installation nach außen zur Zylinderwand (nicht gezeigt) vorzuspannen. Der Spreizring 124 kann ein massives Glied sein, das mehrere um den Umfang beabstandete U-förmige Segmente 126 enthält. Jedes dieser Segmente kann eine sich horizontal erstreckende Nase 128 enthalten. Bei einem beispielhaften Ansatz ist der Spreizring 124 dazu konfiguriert, die obere und die untere Lamelle 120, 122 nur zu berühren, wenn die Ölabstreifringanordnung 112 am Kolbenkopf 102 installiert worden ist.
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Die obere und die untere Lamelle 120, 122 und der Spreizring 124 können aus den verschiedensten Materialien gebildet sein, die zum Beispiel härter sein können als das Material des Kolbenkopfs 102. Diese Materialien können Stahl, Gusseisen oder gesinterte Metalllegierungen umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Die obere und die untere Lamelle 120, 122 können auch teilweise mit einer Schicht aus keramischem oder metallischem Material überzogen sein, um die Oberflächenhärte zu erhöhen und das Ausmaß des Verschleißes, den die Flächen der Lamellen 120, 122 erfahren, zu verringern. Die Überzüge können Kobalt, Chrom, Wolfram, Kupfer, Molybdän und Eisen umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Darüber hinaus kommen auch keramische Überzüge, wie zum Beispiel Oxide, Karbide, Nitride und Silikate, in Betracht. Die Metalle können in irgendeiner stöchiometrischen Kombination mit diesen Materialien enthalten sein. Es können verschleißfeste Überzüge mit irgendeiner von verschiedensten Methoden, einschließlich chemischer Gasphasenabscheidung, physikalischer Gasphasenabscheidung, HVOF-Beschichtung (HVOF – high velocity oxygen fuel), Plasmaabscheidung, stromloses Plattieren, aber nicht darauf beschränkt, aufgebracht werden.
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Nunmehr auf die 3 bis 7 Bezug nehmend, werden beispielhafte Querschnittsansichten eines Teils der in einer Zylinderwand 130 installierten Kolbenanordnung 100 bereitgestellt. Es sollte auf der Hand liegen, dass die Merkmale der 3 bis 7 übertrieben sein können, um Beziehungen zu veranschaulichen, und nicht maßstäblich gezeichnet sind. Der Spreizring 124 spannt die obere Lamelle 120 und die untere Lamelle 122 in Kontakt mit der Zylinderwand 130 vor. Die obere Lamelle 120 enthält eine erste radiale Außenfläche 132 mit einer ersten radialen Außenflächenbreite 134. Die untere Lamelle 122 enthält eine zweite radiale Außenfläche 136 mit einer zweiten radialen Außenflächenbreite 138. Der Spreizring 124 erzeugt eine nach außen verlaufende radiale Spreizkraft 140 an der oberen und der unteren Lamelle 120, 122, so dass die erste radiale Außenfläche 132 und die zweite radiale Außenfläche 136 in Kontakt mit der Zylinderwand 130 gepresst werden. Bei dem dargelegten beispielhaften Ansatz sind die erste und die zweite radiale Außenfläche 132, 136 so konfiguriert, dass der Spreizring 124 eine reduzierte nach außen verlaufende radiale Spreizkraft 140 erzeugen kann. In einem nicht einschränkenden Beispiel beträgt die nach außen verlaufende radiale Spreizkraft 140 weniger als 27 Newton. Die reduzierte Federrate des Spreizrings 124 kann die Reaktion der Lamellen 120, 122 verbessern, wie weiter unten beschrieben wird.
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Bei einer beispielhaften Veranschaulichung enthält die erste radiale Außenfläche 132 einen ersten Kontaktabschnitt 142 und einen ersten sich verjüngenden Abschnitt 144. Die zweite radiale Außenfläche 136 enthält einen zweiten Kontaktabschnitt 146 und einen zweiten sich verjüngenden Abschnitt 148. Bei einer beispielhaften Veranschaulichung können der erste und der zweite Kontaktabschnitt 142, 146 abgeflachte Kontaktflächen sein. Es können abgeflachte Kontaktflächen verwendet werden, um Kontakt mit der Zylinderwand 130 um den gesamten Umfang der Lamellen 120, 122 zu gewährleisten. Die abgeflachten Kontaktflächen tragen Abweichungen bei den Herstellungstoleranzen während der Produktion der Lamellen 120, 122 Rechnung. Der erste und der zweite Kontaktabschnitt 142, 146 können weniger als 25% ihrer jeweiligen radialen Außenflächenbreite 134, 138 betragen. Bei einem anderen beispielhaften Ansatz können der erste und der zweite Kontaktabschnitt 142, 146 zwischen 10% und 15% ihrer jeweiligen radialen Außenflächenbreite 134, 138 betragen. Bei noch einem anderen Ansatz können der erste und der zweite Kontaktabschnitt 142, 146 auf einem Punkt minimiert sein, an dem Herstellungstoleranzen gestatten.
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Die erste radiale Außenfläche 132 kann ferner einen ersten Radiusabschnitt 150, der neben dem ersten Kontaktabschnitt 142 positioniert ist, und einen zweiten Radiusabschnitt 152, der neben dem ersten sich verjüngenden Abschnitt 144 positioniert ist, enthalten. Analog dazu kann die zweite radiale Außenfläche 136 einen dritten Radiusabschnitt 154, der neben dem zweiten Kontaktabschnitt 146 positioniert ist, und einen vierten Radiusabschnitt 156, der neben dem zweiten sich verjüngenden Abschnitt 148 positioniert ist, enthalten. In einem beispielhaften nicht einschränkenden Beispiel weist der erste Radiusabschnitt 150 einen kleineren Radius als der zweite Radiusabschnitt 152 auf und weist der dritte Radiusabschnitt 154 einen kleineren Radius als der vierte Radiusabschnitt 156 auf. Bei einem anderen beispielhaften nicht einschränkenden Ansatz weisen der erste und der dritte Radiusabschnitt 150, 154 einen Radius von ca. 80 Mikron auf und weisen der zweite und der vierte Radiusabschnitt 152, 156 einen Radius von ca. 160 Mikron auf.
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Nunmehr auf die 4 und 5 Bezug nehmend, ist eine beispielhafte Ölabstreifringanordnung 112 dazu konfiguriert worden, den Fluss von Öl 158 an der ersten und zweiten Lamelle 120, 122 vorbei, wenn sich die Kolbenanordnung 100 in die erste Richtung 116 bewegt (Aufwärtshub – 4), zu optimieren und das Abstreifen von Öl 158, wenn sich die Kolbenanordnung in die zweite Richtung 118 (Abwärtshub – 5) bewegt, zu optimieren. Bei einem beispielhaften Ansatz wird Ölstrom in die erste Richtung 116 dadurch optimiert, dass der erste sich verjüngende Abschnitt 144 so konfiguriert ist, dass er bei Berührung von Öl 158, während sich die Kolbenanordnung in die erste Richtung 116 bewegt, eine erste radial nach innen verlaufende Kraft 160 erzeugt. Die erste radial nach innen verlaufende Kraft 160 kann größer gleich der nach außen verlaufenden radialen Spreizkraft 140 sein, so dass sich die erste Lamelle 120 nach innen bewegt, um Strom von Öl 158 an ihrer radialen Außenfläche 132 vorbei zu gestatten. Der erste sich verjüngende Abschnitt 144 befindet sich in einem Winkel 162 bezüglich der Zylinderwand 130. Bei einer beispielhaften Veranschaulichung beträgt der Winkel 162 weniger als 10 Grad. In einem anderen Beispiel beträgt der Winkel 162 ungefähr 8 Grad. Der Winkel 162 des ersten sich verjüngenden Abschnitts 144 kann zusammen mit der reduzierten Fläche des ersten Kontaktabschnitts 142 die Erzeugung einer ausreichenden radial nach innen verlaufenden Kraft 160 zum Überwinden der nach außen verlaufenden radialen Spreizkraft 140 gestatten. Das Öl 158 sammelt sich in dem Bereich zwischen dem ersten sich verjüngenden Abschnitt 144 und der Zylinderwand 130. Während sich die Kolbenanordnung in die erste Richtung 116 bewegt, sammelt sich das Öl 158 an und erzeugt eine Kraft an der oberen Lamelle 120. Das Profil des ersten sich verjüngenden Abschnitts 144 wandelt diese Kraft in die erste radial nach innen verlaufende Kraft 160 um, die die obere Lamelle 120 nach innen drückt.
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Der zweite sich verjüngende Abschnitt 148 der zweiten Lamelle 122 kann auch so konfiguriert sein, dass er bei Berührung von Öl 158, wenn sich die Kolbenanordnung in die erste Richtung 116 bewegt, eine dritte radial nach innen verlaufende Kraft 164 erzeugt. Die dritte radial nach innen verlaufende Kraft 164 kann größer gleich der nach außen verlaufenden radialen Spreizkraft 140 sein, so dass sich die zweite Lamelle 122 nach innen bewegt, damit Öl 158 an ihrer radialen Außenfläche 136 vorbeiströmen kann. Der zweite sich verjüngende Abschnitt 148 befindet sich in einem Winkel 162 bezüglich der Zylinderwand 130. Bei einem beispielhaften Ansatz beträgt der Winkel 162 weniger als 10 Grad. Bei einem anderen beispielhaften Ansatz beträgt der Winkel 162 ungefähr 8 Grad. Der Winkel 162 des zweiten sich verjüngenden Abschnitts 148 kann zusammen mit der reduzierten Fläche des zweiten Kontaktabschnitts 146 die Erzeugung einer ausreichenden radial nach innen verlaufenden Kraft 164 zur Überwindung der nach außen verlaufenden radialen Spreizkraft 140 gestatten. Bei einem beispielhaften Ansatz sind die erste radial nach innen verlaufende Kraft 160 sowie die dritte radial nach innen verlaufende Kraft 164 jeweils unabhängig in der Lage, die nach außen verlaufende radiale Spreizkraft 140 zu überwinden. In einem anderen nicht einschränkenden Beispiel werden die erste radial nach innen verlaufende Kraft 160 und die dritte radial nach innen verlaufende Kraft 164 kombiniert, um die nach außen verlaufende radiale Spreizkraft 140 zu überwinden.
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Wie in 5 gezeigt, können die erste radiale Außenfläche 132 und der erste sich verjüngende Abschnitt 144 so optimiert werden, dass, wenn sich der Kolben in die zweite Richtung 188 bewegt, die erste Lamelle 120 zum Abstreifen von Öl 158 von der Zylinderwand 130 wirkt. Der Ölstrom in die zweite Richtung 116 wird dadurch auf ein Minimum reduziert, dass der erste sich verjüngende Abschnitt 144 so konfiguriert wird, dass er bei Berührung von Öl 158, wenn sich die Kolbenanordnung in die zweite Richtung 118 bewegt, eine zweite radial nach innen verlaufende Kraft 166 erzeugt. Die zweite radial nach innen verlaufende Kraft 166 kann minimal sein und kleiner als die nach außen verlaufende radiale Spreizkraft 140 sein. Die radial nach außen verlaufende Spreizkraft 140 wird Kontakt zwischen der ersten Kontaktfläche 142 und der Zylinderwand 130 halten, so dass Öl 158 nach unten zum Ölbehälter (nicht gezeigt) abgestreift wird. Die zweite radiale Außenfläche 136 und der zweite sich verjüngende Abschnitt 148 können auch so optimiert sein, dass, wenn sich der Kolben in die zweite Richtung 188 bewegt, die zweite Lamelle 122 zum Abstreifen von Öl 158 von der Zylinderwand 130 wirkt. Der Ölstrom in die zweite Richtung 116 wird dadurch auf ein Minimum reduziert, dass der zweite sich verjüngende Abschnitt 148 so konfiguriert wird, dass er bei Berührung von Öl 158, wenn sich die Kolbenanordnung in die zweite Richtung 118 bewegt, eine vierte radial nach innen verlaufende Kraft 168 erzeugt. Die vierte radial nach innen verlaufende Kraft 168 wird auf ähnliche Weise auf ein Minimum reduziert, so dass die zweite Kontaktfläche 146 mit der Zylinderwand 130 in Kontakt bleibt, so dass das Öl 158 nach unten zum Ölbehälter (nicht gezeigt) abgestreift wird.
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Nunmehr auf die 6 und 7 Bezug nehmend, wird ein anderes nicht einschränkendes Beispiel für eine Ölringanordnung 112 dargelegt. Bei dem vorherigen beispielhaften Ansatz sind der erste sich verjüngende Abschnitt 144 und der zweite sich verjüngende Abschnitt 148 in die gleiche Richtung ausgerichtet, so dass ihre Funktionsweisen sich ähneln. Dies erfordert jedoch eine ordnungsgemäße Ausrichtung während der Installation. Der in den 6 und 7 dargestellte beispielhafte Ansatz zieht den ersten sich verjüngenden Abschnitt 144 und den zweiten sich verjüngenden Abschnitt 148 in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet in Betracht, so dass die Ausrichtung während der Installation nicht überprüft werden muss. In diesem Beispiel sind die erste Lamelle 120 und zweite Lamelle 122 dazu konfiguriert, sich zusammen zu bewegen, wenn sich der Kolben in die erste Richtung 116 bewegt (6). Dies gestattet es der durch den ersten sich verjüngenden Abschnitt 144 erzeugten ersten nach innen verlaufenden radialen Kraft, die radial nach außen verlaufende Spreizkraft 140 zu überwinden und die erste und die zweite Lamelle 120, 122 zu bewegen, um sich nach innen zu bewegen, und gestattet dem Öl 158, sie zu passieren. Die erste Lamelle 120 und die zweite Lamelle 122 sind dazu konfiguriert, sich unabhängig zu bewegen, wenn sich der Kolben in die zweite Richtung 118 bewegt (7). Die durch den ersten sich verjüngenden Abschnitt 144 erzeugte zweite radial nach innen verlaufende Kraft 166 bleibt kleiner als die radial nach außen verlaufende Spreizkraft 140, und deshalb bleibt die erste Kontaktfläche 142 in Kontakt mit der Zylinderwand 130, um Öl 158 von ihrer Fläche abzustreifen. Selbst wenn die zweite sich verjüngende Fläche 148 die zweite Kontaktfläche 146 von der Zylinderwand 130 weg bewegt, bleibt die erste Kontaktfläche 142 in Kontakt, um beim Abwärtshub 118 Öl abzustreifen.
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Nunmehr auf die 8 und 9 Bezug nehmend, werden eine andere beispielhafte Kolbenanordnung und Ölabstreiflamellenringanordnung beschrieben. Die Kolbenanordnung 800 kann allgemein einen Kolbenkörper 802 und zwei obere Kolbenringe 804, 806 enthalten, die in jeweiligen Ringnuten davon angeordnet sind. Der Kolbenkörper 802 kann eine weitere Ringnut enthalten, die eine Ölabstreiflamellenringanordnung 808 aufnimmt. Die Ölabstreiflamellenringanordnung 808 kann eine Spreizvorrichtung 810 enthalten, die mit einer oberen Lamelle oder einem oberen Lamellenring 812a und einer unteren Lamelle/einem unteren Lamellenring 812b in Verbindung steht. Wie in 9 zu sehen, enthält die Lamelle 812 eine obere Fläche 816 und eine untere Fläche 818. Eine radial innere Fläche 814 erstreckt sich dazwischen an einem radial inneren Teil der Lamellen 812 und ist dazu konfiguriert, die Spreizvorrichtung 810 zu berühren (siehe 8), wenn die Spreizvorrichtung 810 die Lamellen 812 radial nach außen und in Kontakt mit der Zylinderbohrungsfläche 900 drückt. Ein radial äußerer Teil der Lamellen 812 enthält eine radial äußere Fläche 820, die sich axial zwischen der oberen oder unteren Fläche 816, 818 erstreckt. Darüber hinaus können die Lamellen 812 abgewinkelte Flächen 822, 824 definieren, die sich von der oberen bzw. unteren Fläche 816, 818 zu der radial äußeren Fläche 820 erstrecken. Die abgewinkelten Flächen 822, 844 können sich von der oberen bzw. unteren Fläche 816, 818 linear zu der radial äußeren Fläche 820 erstrecken. Die radial äußere Fläche 820 kann eine allgemein planare Grenzfläche mit der Zylinderbohrung 900 definieren, die sich zwischen den abgewinkelten Flächen 822, 824 erstreckt. Somit kann eine im wesentlichen planare radial äußere Fläche 820 mit den abgewinkelten Flächen 822, 824 dahingehend zusammenwirken, ein konisches oder "Projektilspitzen"-Profil entlang dem radial äußeren Ende der Lamelle(n) 812 zu bilden.
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Wie am besten in 9 zu sehen, kann/können bei dieser beispielhaften Veranschaulichung eine oder beide der oberen und unteren Lamellen 812 ein verschmälertes Profil oder eine Projektilform neben einer radial äußeren Fläche, wo die Lamellen 812 eine Zylinderbohrungsfläche 900 berühren (siehe 8), haben. Die Lamellen 812 können zugespitzter oder konischer Form sein, so dass ein mittlerer Teil die Zylinderbohrungsfläche berührt. Insbesondere weist eine durch die Lamelle 812 definierte radial äußere Fläche 820 eine wesentlich kleinere Oberfläche auf, die die Zylinderwand berührt.
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Demgemäß kann eine reduzierte Spannung der Spreizvorrichtung 810 eingesetzt werden, da Kontaktdruck eine Funktion der Oberfläche der Lamelle 812, die die Zylinderbohrung 900 berührt, ist. Des Weiteren bedeutet die reduzierte Kontaktfläche der Lamelle 812 an der Zylinderwand, dass Flächendruck bei einer gegebenen Änderung der Spreizfederspannungskonstanten stärker geändert werden kann. Darüber hinaus stellt die bei diesem beispielhaften Ansatz beschriebene reduzierte Oberfläche der Lamelle 812 im Vergleich zu herkömmlichen Ölabstreifringanordnungen eine stärkere Kraft pro Flächeneinheit bereit, während weniger Federspannung verwendet wird. Die schmale äußere Fläche 820 der Lamelle 812 reduziert somit allgemein das Ausmaß der radialen äußeren Kraft/Spannung, das von der Spreizvorrichtung 810 erforderlich ist, um Nennkontaktdruck und auch eine gleichförmige Ölfilmdicke an der Zylinderbohrungsfläche 900 zu halten.
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Die axiale Größe der radial äußeren Fläche 820 bezüglich der Lamelle 812 kann irgendeine zweckmäßige sein. Lediglich als ein Beispiel beträgt bei einem beispielhaften Ansatz eine axiale Höhe HA der Lamelle 812 ca. 0,4 Millimeter (mm), während die axiale Höhe der radial äußeren Fläche 820 ca. 0,09 mm beträgt. Beispielhafte Ansätze können deshalb radial äußere Flächen mit ca. 25% der axialen Höhe des Hauptteils oder Körpers der Lamelle 812 verwenden. Beispielhafte radial äußere Flächen 820 können allgemein planar sein (das heißt sich bezüglich des Kolbens/der Zylinderbohrung axial erstrecken) so dass die radial äußere Fläche 820 parallel zu der Zylinderbohrung 900 verläuft.
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Wie oben erwähnt, führt die Reduzierung der die Zylinderbohrungsfläche 900 berührenden Oberfläche zu einer entsprechenden Reduzierung der von der Spreizvorrichtung 810 erforderlichen Kraft. Bei einem beispielhaften Ansatz wurde die Spreizkraft von 25,8 Newton (N) auf 15 N reduziert. In einem anderen Beispiel wurde die Spreizkraft über 50% von 25 N auf 12 N reduziert. Darüber hinaus zeigten Simulationen beispielhafter Veranschaulichungen Potenzial für eine weitere Reduzierung der Spreizkraft auf 8 N.
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Kolbenringe, zum Beispiel Lamellen 812, sind in der Regel während des Betriebs in der Kolbenringnut möglicherweise nicht stationär. Beispielhafte Kolbenringe können in der Regel zwischen sich und den Kolbenringnutwänden einen gemessenen Zwischenraum aufweisen. Der Ring bewegt sich während des normalen Motorbetriebs innerhalb der Nut in mehrere Richtungen. Dieses kontinuierliche Moment gegen den Kolbenkörper verursacht eine Beeinträchtigung des Rings und der Nut gemäß einem ziemlich vorhersehbaren Verschleißmuster. Hierin beschriebene beispielhafte Ansätze können das Ausmaß des durch die modifizierte Form des Rings erzeugten Verschleißes allgemein reduzieren. Zum Beispiel können Teile der Lamellen/Ringe, die die Kolbennut und/oder die Zylinderbohrung berühren, auf eine Weise geformt sein, die Ringverschleiß während der Betriebslebensdauer des Motors reduziert.
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Es wurde zuvor angenommen, dass die reduzierte Kontaktfläche zwischen der radial äußeren Fläche 820 zu unangemessenem Verschleiß führt. Beispielhafte Ölabstreiflamellenringanordnungen haben jedoch überraschenderweise mit adäquaten Verschleißeigenschaften funktioniert, obgleich etwas erhöht bezüglich Ringen mit größeren Kontaktflächen. Lediglich als eine beispielhafte Veranschaulichung erhöhte sich Verschleiß der Außenseite, das heißt der radial äußeren Fläche 820, von 0,00075 mm auf 0,00395 mm während eines Baselineverschleiß-Tests, der Radialverschleiß des Rings/der Lamelle 812 untersuchte. Trotz der ungefähr fünffachen Erhöhung des Radialverschleißes war der Spannungsverlust aufgrund dieses Radialverschleißes mäßig und akzeptabel. Bei einigen beispielhaften Ansätzen führt die zugespitzte oder konische Form des radial äußeren Teils der Lamelle(n) 812 zu einem sich allgemein erhöhenden Widerstand gegenüber Verschleiß bei Auftreten des Radialverschleißes. Bei Auftreten des Radialverschleißes aufgrund der radial äußeren Fläche 820 erhöht sich insbesondere dessen axiale Höhe, da ein größerer Teil des "Kegels" oder der "Spitze" verschlissen wird.
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In einigen Beispielen verbesserte ein Läppen der radial äußeren Fläche 820 die Leistung durch Vermeidung einer Beschädigung an dem Außenseitenprofil. Insbesondere kann Läppen den Grad, zu dem die radial äußere Fläche 820 beim Einlaufenlassen der Ölabstreifanordnung 808 planar ist, allgemein erhöhen.
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Bei einigen beispielhaften Ansätzen kann das Profil der Lamelle(n) 812 axialsymmetrisch sein. Wie am besten in 9 zu sehen, sind zum Beispiel die obere und die untere abgewinkelte Fläche 822, 824 ungefähr gleicher Länge, und die radial äußere Fläche 820 ist bezüglich der Lamelle 812 ungefähr in der Mitte positioniert.
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Wie weiterhin am besten in 9 zu sehen, kann die radial innere Fläche 814 im Vergleich zu vorherigen Ansätzen einen allgemein vergrößerten Durchmesser R aufweisen. Der vergrößerte Radius R kann die Kontaktfläche zwischen der Spreizvorrichtung 810 und der radial inneren Fläche 814 allgemein vergrößern, wodurch Kontaktdruck und somit Sekundärverschleiß des radial inneren Teils der Lamelle 812 reduziert werden. Lediglich als ein Beispiel wurde der Eckradius von ca. 0,2 mm auf 0,4 mm vergrößert.
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Hierin beschriebene Kolbenringe oder -lamellen können entlang radial äußeren Flächen, zum Beispiel der radial äußeren Fläche 820, und den abgewinkelten Flächen 822, 824 beschichtet werden. Die Lamellen/Ringe können aus einem Basisstahlmaterial, zum Beispiel rostfreiem Stahl, und dann Nitrid gebildet werden. Nitrierte radial äußere Ringflächen können bedeutend weniger Verschleiß aufweisen als nicht mit einem Nitridüberzug behandelte Ringe.
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Dementsprechend versteht sich, dass die obige Beschreibung nicht einschränkend, sondern veranschaulichend sein soll. Für den Fachmann würden sich bei Lektüre der obigen Beschreibung viele andere Ausführungsformen und Anwendungen als die gegebenen Beispiele ergeben. Der Schutzumfang der Erfindung soll nicht unter
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Bezugnahme auf die obige Beschreibung bestimmt werden, sondern stattdessen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Ansprüche zusammen mit dem vollen Umfang von Äquivalenten, zu denen diese Ansprüche berechtigt sind. Es wird erwartet und beabsichtigt, dass zukünftige Entwicklungen in der hier besprochenen Technik auftreten werden und dass die offenbarten Systeme und Verfahren in solche zukünftigen Ausführungsformen integriert werden. Zusammenfassend versteht sich, dass die Erfindung modifiziert und variiert werden kann und nur durch die folgenden Ansprüche eingeschränkt wird.
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Allen in den Ansprüchen verwendeten Begriffen soll ihre offensichtliche und gewöhnliche Bedeutung gegeben werden, wie sie von Fachleuten verstanden wird, insofern hier kein expliziter Hinweis auf das Gegenteil gemacht wird. Insbesondere sollte die Verwendung der Singularartikel wie "ein/e/r", "der/die/das" usw. so verstanden werden, dass eines oder mehrere der angegebenen Elemente aufgeführt werden, insofern ein Anspruch keine explizite Beschränkung auf das Gegenteil anführt.
