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Kolbenring
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Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring. Speziell
bezieht sich die Erfindung auf einen Kolbenring zur Verwendung in einer Brennkraftmaschine,
beispielsweise einen Druckring oder einen ölring oder einen Seitenführungsring zur
Verwendung mit bringen.
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Moderne Brennkraftmaschinen werden heute so gestaltet, daß sie größere
Leistung bei höheren Geschwindigkeiten abgeben. Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit
der Maschinen steigen ständig weiter. Ein ebenso bedeutsames Erfordernis an die
Brennkraftmaschinen ist die Reduzierung von schädlichen Anteilen im Abgas. Letzere
Forderung führt wiederum zu Problemen hinsichtlich der Leistung und des Krafstoffverbrauches.
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Übliche Produkte wie Kolbenringe zur -Verwendung in Brennkraftmaschinen
werden gewöhnlich aus Gußeisen hergestellt.
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Druckringe aus Gußeisen, die in axialer Richtung dünn sind, lassen
sich jedoch nur schwierig herstellen, und solche, die einen relativ großen Querschnitt
aufweisen, haben ein hohes Trägheitsmoment und neigen dazu, Flatterphänomene hervorzurufen,
das sind außerordentliche Schwingungen der Ringe. Ein weiteres Problem, das aus
Gußeisen hergestellten Druckringen innewohnt besteht darin, daß
ihr
Widerstand gegen Abrieb und Hitze nicht groß genug ist, um sie nahe dem oberen Ende
des Kolbens einbauen zu können, was zum Zwecke der Reduzierung schädlicher Anteile
in den Abgasen vorteilhaft wäre. Konventionelle Druckringe können darüber hinaus
am Kolben nicht in genügend kleinen Abständen angebracht werden, um zu verhindern,
daß der Kolben zu schwer wird, um eine gewünschte hohe Leistung bei höherer Geschwindigkeit
erzeugen zu können.
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Die Verwendung von Druckringen, die die Lufefiichtlgieit der Brennkammer
aufrechterhalten, verbessert die Wartungsabstände einer Brennkraftmaschine in erheblichem
Maße.
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Zur Aufrechterhaltung der Verdichtung muß die Breite eines jeden Druckringes
in axialer Richtung so klein wie möglich sein, um die Berührungsfläche zwischen
dem Ring und der Zylinderwand zu verringern, um Reibungsverluste klein zu halten.
Außerdem muß das Gewicht des Kolbens durch die Verwendung leichterer Druckringe
und durch Montage derselben in kleineren Abständen verringert werden.
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Um diese Erfordernisse zu erfüllen, werden augenblicklich vor allem
Kolbenringe aus Si-Cr-Stahl oder 13Cr-Stahl verwendet. 8i-Cr-Stahl ist billig, er
weist jedoch keine große Hitzebeständigkeit und Abriebfestigkeit auf, was zwei sehr
bedeutsame Eigenschaften für Kolbenringe sind.
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Die gesamte Oberfläche eines Kolbenringes aus diesen Stahlarten oder
wenigstens die Ober- und Unterseiten und die Gleitfläche des Ringes müssen daher
einer geeigneten Oberflächenbehandlung unterzogen werden. 13Cr-Stahl weist eine
hohe Hitzebeständigkeit und eine hohe Abriebfestigkeit auf und ist mechanisch fester
als Si-Cr-Stahl. Ein Kolbenring aus 13Cr-Stahl kann nach Behandlung nur der Gleitfläche
benutzt werden. Andererseits ist dieser Kolbenring teurer.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenring anzugeben,
der frei ist von den Nachteilen, die einem Druckring aus Gußeisen anhaften, dessen
Kosten denen aus Si-Cr- und 13Cr-Stahl liegt und der Eigenschaften ähnlich jener
Kolbenringe hat, die aus 13Cr-Stahl hergestellt sind. Der Kolbenring sollte darüber
hinaus einfach herstellbar sein und in der Maschine, in die er eingesetzt ist, die
Erzeugung einer größeren Leistung bei höherer Geschwindigkeit bei Aufrechterhaltung
einer guten Verdichtung der Brennkammer gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen
dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigt Fig. 1 einen
Teillängsschnitt durch einen Zylinder einer typischen Brennkraftmaschine mit Rolben;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Druckringes; Fig. 3 im Ausschnitt
einen Schnitt durch einen Druckring; und Fig. 4 eine perspektivische Darstellung
eines ölringes.
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Der Kolbenring nach der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
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Einen Teillängsschnitt durch eine typische Brennkraftma-
schine
mit Kolben ist in Fig. 1 dargestellt. Man erkennt darin einen Zylinder 1, einen
Kolben 2, Kolbenringe 3 und 4 und einen ölring 5, der aus Seitenführungen 6 und
7 und einem Abstandshalter 8 besteht. Der Abstand zwischen zwei einander gegenüberstehenden
Enden des Ringes ist mit 9 bezeichnet, während 10 eine oberflächenbehandelte Schicht
darstellt. Der gewünschte Kolbenring muß eine hohe Luftdichtigkeit, hohe Abriebfestigkeit,
hohe Verschleißfestigkeit und hohe Bruchfestigkeit aufweisen.
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Wenn man eine Brennkraftmaschine höherer Leistung bei größeren Geschwindigkeiten
herstellen will, müssen die vorgenannten Faktoren beachtet bzw. verbessert werden.
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Die Forschungen, die zur folgenden Erfindung geführt haben, hatten
folgende spezielle Ziele: (1) Um die Drehzahl der Brennkraftmaschine zu steigern,
ohne daß dabei ein Flatterphänomen auftritt, und um das Gewicht des Kolbens durch
Anordnung der Rolbenringe dichter am Kolbenkopf zu verringern (was auch die Schadstoffemissionen
verringert und eine größere Leistung hervorruft), muß man einen Kolbenring schaffen,
der mechanisch fester als der übliche Gußeisenring ist und der eine geringere Breite
in axialer Richtung als jener aufweist.
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(2) Ein solcher Ring muß auch eine ausreichende Abriebfestigkeit aufweisen,
damit er als Druckring verwendet werden kann.
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(3) Der Ring muß billiger sein als ein üblicher 13Cr-Stahlring.
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(4) Das Material des Ringes muß gut bearbeitbar sein.
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Ein Kolbenring nach der vorliegenden Erfindung besteht aus einem Material,
daß sich klar unterscheidet vom üblichen Gußeisen oder (schmied- oder streckbaren)
Spezialgußeisen sowie auch von den Si-Cr- und 13Cr-Stählen. Der Kolbenring nach
der Erfindung besteht speziell aus einem Martensit-Edelstahl, der folgende Legierungsbestandteile
in Gewichtsprozent enthält: 0,4 bis 0,7t C, 0,3 bis 1,0% Si, 0,5 bis 1,0% Mn und
2,0 bis 9,0% Cr. Dieser spezielle Edelstahl ist wärmebehandelt, um eine Vergütungshärte
(HRC) von 40 bis 50 zu erzeugen und um ein Chromcarbit aus zufällen.
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Die Kritikalität des Anteils eines jeden Legierungselements im Edelstahl,
aus dem der Kolbenring nach vorliegender Erfindung hergestellt wird, ist wie folgt:
Kohlenstoff ist notwendig, um die notwendige Festigkeit, Härte und Abriebfestigkeit
zu erzeugen. Wenn ein dünnes Element wie ein Kolbenring eine Behandlung, wie eine
Nitrierung, erfährt, dann erlaubt es die geringe Dicke des Elementes, daß die Wirkung
der Behandlung tief in den Rörper des Elements eindringt, was daher den Kolbenring
spröd machen kann und seine Bruchfestigkeit herabsetzt.
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Um einen Kolbenring der notwendigen Festigkeit, Härte und Abriebfestigkeit
herzustellen, und um seine Brucheigenschaften zu verbessern, muß der Kohlenstoffgehalt
wenigstens 0,4 Gew.-% betragen. Wenn der Kohlenstoffgehalt 0,7 Gew.-% überschreitet,
dann wird die Bearbeitung des Drahtes, aus dem der Kolbenring hergestellt wird,
schwierig. Deshalb liegt gemäß der vorliegenden Erfindung der Kohlenstoffgehalt
im Bereich zwischen 0,4 und 0,7 Gew.-%.
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Silizium ist eine unvermeidliche Übernahme aus dem Roh-
material
des Stahls. Um die gewünschten Antioxidationseigenschaften und Hitzefestigkeit zu
erzielen, sind wenigstens 0,3 Gew.-E Silizium notwendig. Wenn der Siliziumgehalt
1,0 Gew.-% überschreitet, dann wird der Stahl spröde. Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist der Siliziumgehalt daher auf den Bereich zwischen 0,3 und 1,0 Gew.-t beschränkt.
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Mangan wird dem geschmolzenen Stahl als Frischungsmittel hinzugefügt.
Dieses Element steigert sogleich auch die Festigkeit und die Härte. Die gewünschte
Wirkung von Mangan wird jedoch nicht erzielt, wenn sein Anteil geringer ist als
0,5 Gew.-%. Andererseits ist es nicht notwendig, mehr als 1 Gew.-% Mangan hinzuzufügen.
Deshalb ist gemäß der vorliegenden Erfindung der Mangananteil auf den Bereich von
0,5 bis 1,0 Gew.-% beschränkt.
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Chrom verbindet sich mit Kohlenstoff, um ein Carbid zu bilden, das
zur Verbesserung der Abriebfestigkeit und der Verschließfestigkeit beiträgt. Diese
Wirkung erzielt man jedoch nicht bei weniger als 2,0 Gew.-% Chromanteil.
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Andererseits verringert sich die Fähigkeit des Stahles, wenn er mehr
als 9.0 Gew.-% Chrom enthält. Daher ist der Chromanteil auf den Bereich zwischen
2,0 und 9,0 Gew.-% beschränkt.
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Ein anderes Erfordernis für den Edelstahl, aus dem der erfindungsgemäße
Kolbenring hergestellt wird, besteht darin, daß er eine Vergütungshärte (HRC) im
Bereich zwischen 40 und 50 hat. Wenn der Wert von HRC geringer ist als 40, dann
erhält man die gewünschte Abriebfestigkeit nicht. Ein HRC-Wert von mehr als 50 sollte
vermieden werden, um einen zu großen Abrieb an den zusammenwirkenden
Elementen
(Zylinderwand) zu vermeiden.
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Um seine Verwendung als Kolbenring zu erlauben, ist das Bauteil nach
der vorliegenden Erfindung mit einer gehärteten Oberflächenschicht 7 auf wenigstens
jenen Teil des Ringes versehen, der auf der Zylinderwand gleitet.
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Chemische Analysen von vier Mustern eines Kolbenringes nach der vorliegenden
Erfindung sind in Tabelle 1 mit den aus drei üblichen Kolbenringen verglichen.
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TABELLE 1
| Muster C Si Mn Cr Fe |
| A 0,62 0,30 0,75 8,03 bal |
| B 0,45 0,83 0,73 4,95 bal |
| C 0,70 0,80 0,72 4,85 bal |
| D 0,61 0,80 0,70 2,69 bal |
| E 0,65 0,30 0,70 13,00 bal |
| F 3,21 2,00 0,40 - bal |
| G 0,54 1,50 0,50 0,70 i bal |
Bemerkungen: Die Muster A bis D = vorliegende Erfindung; Muster E = üblicher 13Cr-Stahl;
Muster F = üblicher Gußeisen; Muster G = üblicher SiCr-Stahl.
Die
Eigenschaften von zwei Ringmustern gemäß der vorliegenden Erfindung sind in Tabelle
2 mit denen von zwei konventionellen Mustern verglichen.
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TABELLE 2
| Muster Elas tiz itäts- Streck- Spannungs- GleichiMlge |
| modul festigkeit reduzierung Längung (%) |
| A 1,8 x 104 110 - 120 0,6 6 - 7 |
| 4 |
| B 1,6 x 10 110 - 115 0,6 7 - 8 |
| E 2,0 x 104 125 - 130 0,5 4,5 - 5,5 |
| F 1,05 x 104 12 - 24 0 |
Härte nach Wärmebehandlung: HRC 41 Die Spannungsreduzierung wurde nach folgendem
Verfahren bestimmt: Ein Stab (5 x 150 L) wurde unter Last bei Raumtemperatur auf
einen Krümmungsradius von 25R gebogen. Das so gebogene Muster wurde dann auf 300°C
eine Stunde lang erwärmt und anschließend auf den ursprünglichen Zustand gestreckt
und dann unter Last auf den zuvor genannten Krümmungsradius wieder gebogen. Der
Unterschied in der Last, die notwendig war, um denselben Krümmungsradius von 25R
des wärmebehandelten Musters zu erzielen, zur Last, die notwendig war, um denselben
Radius am unbehandelten Muster zu erzielen, wurde berechnet. Je kleiner der Unterschied,
umso geringer die Span-
nungsreduzierung. In Tabelle 2 sind die
Spannungsreduzierungen der entsprechenden Muster als relative Werte angegeben, wobei
die Spannungsreduzierung des Musters F (GuBeisenring) als Bezugswert 1 v'erwendet
wurde.
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Wie man aus Tabelle 2 sieht, haben die Muster nach der vorliegenden
Erfindung höhere Elastizitätsmodule und Streckfestigkeiten und haben Spannungsreduzierungen,
die um 40% geringer sind als jene der Gußeisenringe.
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Als ein Bauteil einer Brennkraftmaschine wird der Kolbenring auf einen
Kolben montiert und der Kolben wird in einen Zylinder eingepaßt. Der Kolbenring
muß einen genau definierten Schlitz zwischen seinen beiden einander gegenüberstehenden
Enden aufweisen, damit er expandierenkann und sich in innigen Kontakt an die Zylinderwand
anlegt. Die Spannung oder Selbstexpansionseigenschaften des Kolbenrings nehmen mit
der Temperatur ab, die wiederum aufgrund der Verbrennung des Kraftstoffes im normalen
Betrieb der Temperatur ansteigt. Wenn diese Abnahme der Spannung des Kolbenringes
zu groß ist, dann kann während des Verdichtungstaktes ein Gasverlust am Kolbenring
auftreten. Dieser Verlust äußert sich in einem Abfall der Verdichtung und daher
:in einem geringeren thermischen Wirkungsgrad. Außerdem bewirkt das Entlangstreichen
der Brenngase an der Kolbenwand einen Bruch des blfilmes auf der Zylinderwand, was
einen erhöhten Abrieb zur Folge hat. Durch eine Verringerung des Betrages der Spannungsreduzierung,
wie es bei den erfindungsgemäßen Kolbenringen der Fall ist, läßt sich somit ein
verbessertes Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine sicherstellen.
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Während die verschiedensten Materialien zur Herstellung
von
Kolbenringen nach vorliegender Erfindung einsetzbar sind, wird doch ein Martensitstahl
mit der oben genannten Legierungszusammensetzung bevorzuat, der so behandelt worden
ist, daß er Chromcarbid ausfällt und eine Härte HRC von 40 bis 50 hat. Unter Verwendung
einer solchen Legierung kann die Breite des Kolbenrings in axialer Richtung auf
etwa die Hälfte gegenüber den üblichen Abmessungen herabgesetzt werden. Der Kolbenring
nach der vorliegenden Erfindung hat darüber hinaus Eigenschaften, die die guten
Eigenschaften der bekannten Kolbenringe in sich vereinigen.
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Die Eigenschaften der Kolbenringe nach der vorliegenden Erfindung
gegenüber denen konventioneller Kolbenringe sind in Tabelle 3 dargestellt.
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TABELLE 3
| Beständigkeit Hitzebe- Abrieb- Bearbeit- Korrisions- |
| Muster I gegen ständigkeit festigkeit barkeit festigkeit |
| Festfressen |
| A 0 ° n Q t t 0 |
| B Oo A |
| . . ~ , ~ |
| C 0 0 Oo O |
| D A |
| E o o o |
Gütereihenfolge:
Stahlkolbenringe werden in der Weise hergestellt, daß zunächst
ein Draht zu Ringen gewickelt wird, die dann in geeigneter Weise bearbeitet und
in Endprodukte geschnitten werden, die die in Fig. 2 dargestellte Form haben. Zu
diesem Zweck ist es wichtig, daß das Material des Kolbenringes nach der vorliegenden
Erfindung eine gute Bearbeitbarkeit aufweist. Um speziell Ausfälle beim Biegen oder
ungleichmäßiges Biegen zu vermeiden und um eine ausreichende und gleichförmige Längung
zu erzielen, isteine gute Bearbeitbarkeit absolut notwendig. Man ersieht aus den
Tabellen 2 und 3, daß der Martensitstahl nach der vorliegenden Erfindung eine bessere
Bearbeitbarkeit aufweist als 13Cr-Stahl, und ein sehr angenehmer Vorteil äußert
sich in der hohen Gleichförmigkeit der Längung der Martensitstruktur.
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Der Abrieb am äußeren Umfang eines Kolbenringes hat bedeutsame Auswirkungen
auf die Luftdichtheit der Brennkammer. Um eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die
eine hohe Ausgangsleistung bei höherer Geschwindigkeit erzeugt, darf der Kolbenring
nicht mehr als nur minimalen Abrieb erfahren. Um diese Eigenschaften zu erzielen,
ist der Kolbenring nach der vorliegenden Erfindung nicht nur aus einem einzigen
Material hergestellt. Jener Teil des Kolbens, der auf der Zylinderwand gleitet und
der eine höhere Abriebfestigkeit und gute Verschleißfestigkeit haben muß, um die
gute Luftdichtheit zwischen der Zylinderwand und dem Kolbenring während des Betriebs
der Maschine aufrechtzuerhalten, ist daher mit einer oberflächenbehandelten Schicht
versehen, die hart ist und gute Verschleißeigenschaften aufweist. Verschiedene Oberflächenbehandlungsmethoden
sind angewendet worden, um diese Schicht zu erzeugen, einschließlich Hartchromplattierung,
poröse
Chromplattierung, Compoundplattierung, Chromsprühen und Molybdän-Sprühen. Speziell
gute Ergebnisse erzielt man, wenn die Außenschicht, die auf der Zylinderwand gleitet,
durch Hartchromplattierung erzeugt ist. In diesem Falle weist jener Teil des Kolbens,
der auf der Zylinderwand gleitet, eine Härte (KV) von 850 oder mehr auf und hat
einen niedrigeren Reibungskoeffizienten, wodurch sich eine gute Abriebfestigkeit,
ein geringer Verschleiß und eine hohe Korrosionsfestigkeit ergeben. Die hohe Luftdichtigkeit
wird dadurch an der Gleitfläche des Kolbenringes sichergestellt. Dieser Effekt wird
aufgrund der Selbstdehnungseigenschaften des Kolbenringes weiter verbessert, die
dem hohen Elastizitätsmodul, der großen mechanischen Festigkeit und der geringen
Reduzierung der Spannung zugeschrieben werden kann, d.h. drei dem Kolbenringmaterial
innewohnenden Eigenschaften Ein Kolbenring nach der vorliegenden Erfindung aus einem
Martensit-Edelstahl nach der obigen Zusammensetzung hat eine zur Verwendung in Brennkraftmaschinen
ausreichende Korrosionsfestigkeit.
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Während die Primärbestandteile des Kolbenringes nach der vorliegenden
Erfindung C, Si, Mn, Cr und Fe sind, können andere Elemente, wie Mo, Ni und V in
geeigneten Mengenverhältnissen ebenfalls hinzutreten, um die Korrosionsfestigkeit
und die mechanischen Eigenschaften noch mehr zu verbessern.
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Es ist notwendig, daß wenigstens jener Teil des Umfanges des Kolbenringes,
der auf der Zylinderwand gleitet, eine oberflächengehandelte Schicht aufweist. Es
ist unnötig zu sagen, daß diese oberflächenbehandelte Schicht auch
auf
der Ober- und der Unterseite des Kolbens vorhanden sein muß.
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Zusammengefaßt läßt sich sagen, daß der Kolbenring nach der vorliegenden
Erfindung hervorragende Eigenschaften, wie hohe Luftdichtigkeit, gute Verschleißfestigkeit,
hohe Bruchfestigkeit bei Verwendung als Kompressionsring oder als ölring, speziell
als Seitenführung aufweist.
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Der Kolbenring kann dünn genug gemacht werden, um nicht nur sein eigenes
Gewicht zu reduzieren, sondern um auch das Gewicht der gesamten Kolbenanordnung
herabzusetzen, wodurch die Energieverluste aufgrund von Trägheitskräften minimisiert
werden. Der Kolbenring nach der vorliegenden Erfindung weist darüber hinaus eine
so geringe Berührungsfläche mit der Zylinderwand auf, daß in den verringerten Reibungsverlusten
ein weiterer Vorteil zu sehen ist. Ein Kolbenring nach der Erfindung erlaubt die
Realisierung einer Brennkraftmaschine mit höherer Leistung bei geringerem Anfall
schädlicher Bestandteile in den Abgasen.