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Diese
Erfindung betrifft eine Kolbenbuchse für einen hochverdichtenden Verbrennungsmotor, umfassend:
ein rohrförmiges
Element mit einer oberen Stirnfläche,
einer Achse des rohrförmigen
Elements und einer unteren Stirnfläche; eine an die obere Stirnfläche angrenzende
Radialpositionierungsfläche;
eine axial zur unteren Stirnfläche
weisende und zwischen der oberen Stirnfläche und der unteren Stirnfläche liegende
Axialpositionierungsfläche;
eine radial nach außen
weisende Kühlmittelkontaktfläche zwischen
der Radialpositionierungsfläche
und der Axialpositionierungsfläche;
einen sich von der Axialpositionierungsfläche zur unteren Stirnfläche erstreckenden
Schaft.
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Eine
solche Kolbenbuchse ist aus US-A-4244330 bekannt.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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In
hochverdichtenden Verbrennungsmotoren verwendete Kolbenbuchsen waren
allgemein mit einem Flansch an ihrem oberen oder Kopfende versehen,
der zwischen dem Block und dem Zylinderkopf festgeklemmt wird. Der
Schaft dieser Kolbenbuchsen ist aufgrund von thermischer Expansion
und Kontraktion schwimmend gelagert. Die Längung und Kontraktion von trockenen
Kolbenbuchsen war kein Problem. Allerdings muss die Kühlkapazität bei trockenen
Buchsen ein wenig größer sein
als bei nassen Buchsen, um eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten.
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In
der jüngeren
Vergangenheit konstruierte hochverdichtende Verbrennungsmotoren
waren im Allgemeinen mit nassen Kolbenbuchsen ausgerüstet, um
die Kühlung
zu verbessern, die benötigte Kühlmittelmenge
für ihre
Kühlsysteme
zu verringern und dadurch das Fahrzeuggewicht zu verringern.
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Kolbenbuchsen
mit einem oberen Flansch, wie oben beschrieben, die in direktem
Kontakt mit Motorkühlmittel
stehen, benötigen
Dichtungselemente, um eine Dichtung zwischen dem Buchsenschaft und
dem Block zu schaffen. Derartige Dichtungen halten aber nicht lange.
Der Grund dafür
sind Bewegungen zwischen Buchsenschäften und Motorenblöcken infolge
von thermischen Veränderungen,
Motorvibrationen, Korrosion der Nassseite der Buchsen, Lochfraß, Degradation
des Dichtungsmaterials und anderes. Jedes Auslaufen von Kühlmedium
mit Frostschutzmittel in ein Motorkurbelgehäuse birgt die Gefahr eines
kapitalen Motorschadens. Das Wasser verwandelt sich durch die Wärme im Kurbelgehäuse in Dampf
und wird aus dem Kurbelgehäuse
ausgestoßen.
Das Frostschutzmittel verdampft nicht und verbleibt darum im Motor.
Frostschutzmittel verträgt sich
nicht mit den Schmiersystemen des Motors und verursacht ein Festfressen
von sich bewegenden Teilen. Kolbenbuchsendichtungselemente haben
im Allgemeinen eine moderate Ausfallrate während ihrer ersten ungefähr sechstausend
Betriebsstunden. Die Dichtungselementausfallrate wird im Allgemeinen jenseits
von ungefähr
zehntausend Stunden inakzeptabel.
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Motorenkonstrukteure
konstruieren inzwischen Motoren mit nassen Kolbenbuchsen, die jeweils
auf dem Block durch einen sich radial erstreckenden Flansch verankert
sind, der in der Mitte zwischen dem oberen Ende und dem Kurbelwellen-
oder unteren Ende angeordnet ist. Der sich radial erstreckende Flansch
hat eine Axialpositionierungsfläche, die
in direktem Kontakt mit einer Anschlagfläche am Motorblock steht. Die
Buchse ist axial zwischen dem Zylinderkopf und der Anschlagfläche am Motorblock belastet,
um ein Austreten von Gasen und Kühlmittel zu
verhindern. Infolge dessen wird kein Dichtungselement zwischen der
Anschlagfläche
am Motorblock und dem sich radial erstreckenden Flansch in der Mitte
zwischen den Buchsenenden benötigt.
Allerdings kann gewünschtenfalls
trotzdem ein geeignetes Dichtungselement verwendet werden.
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Die
axiale Last, die benötigt
wird, um eine Dichtung zwischen einer Kolbenbuchse und dem Zylinderkopf
und einer Anschlagfläche
am Motorblock zu schaffen, ist beträchtlich. Die Dichtung zwischen dem
oberen Ende der Buchse und dem Zylinderkopf muss das Durchtreten
von verdichteter Luft vor der Verbrennung und von druckbeaufschlagten
heißen Gasen
nach der Verbrennung verhindern. Bei turbogeladenen Hochleistungs-Dieselmotoren
ist der Druck im Brennraum gewaltig. Die Dichtung zwischen der Axialpositionierungsfläche und
der Anschlagfläche
am Motorblock erfordert im Allgemeinen keine große axiale Last. Jedoch müssen beide
Dichtungen eine Abdichtung sowohl bei kaltem Motor als auch bei
warmem Motor aufrechterhalten.
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Die
axiale Last auf eine Kolbenbuchse mit einem in der Mitte liegenden
Anschlag, die benötigt wird,
um unter allen möglichen
Betriebsbedingungen Undichtigkeiten zwischen dem oberen Ende einer Buchse
und einem Zylinderkopf zu verhindern sowie Undichtigkeiten zwischen
einer Axialpositionierungsfläche
an dem radialen Flansch und einer Anschlagfläche am Motorblock zu verhindern,
ist groß.
Eine axiale Last auf die Kolbenbuchse, die ein Austreten von Gas
und Kühlmittel
unter einer kompletten Bandbreite von Betriebsbedingungen verhindert,
verzieht die Innenwände
der Kolbenbuchse. Dieses Verziehen der Wände erhöht die Verschleißrate der
Buchsenwand, des Kolbens und der Kolbenringe. Das Verziehen erhöht außerdem den Ölverbrauch,
das Kolbenringdurchblasen und den Ausstoß von unerwünschten Materialien und führt letztendlich
zu Leistungsverlust. Um den Kolbenringverschleiß und alle damit verbundenen
Probleme zu minimieren, müssen
die Innenwände
der Kolbenbuchsen unter normalen Betriebsbedingungen zylindrisch
oder fast zylindrisch sein.
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Es
ist eine Lösung
für das
Problem des Verziehens von Kolbenbuchsen vorgeschlagen worden. Dieser
Lösungsvorschlag
besteht darin, die Buchsenwände
von der Oberkante bis zum mittigen Anschlag dicker zu gestalten.
Dickere Buchsenwände erhöhen das
Gewicht jeder Buchse und erhöhen
somit das Gewicht des Motors. Eine Buchse mit einem größeren Außendurchmesser
erfordert eine größere Bohrung
im Motorblock. Eine Vergrößerung des Durchmessers
der Bohrungen in dem Motorblock erfordert im Allgemeinen eine Verlängerung
und eine Verbreiterung des Blocks, um die größeren Bohrungen für die Kolbenbuchsen
aufzunehmen und die Kühlmittelkapazität beizubehalten.
Eine Vergrößerung des
Blocks erhöht
natürlich
das Gewicht des Blocks und erfordert im Allgemeinen eine Vergrößerung und
eine schwerere Konstruktion anderer Motorenkomponenten.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Kolbenbuchse für
einen hochverdichtenden Verbrennungsmotor ist ein rohrförmiges Element.
Das rohrförmige
Element hat eine obere Stirnfläche,
die im rechten Winkel zu einer Achse des rohrförmigen Elements verläuft, und
eine untere Stirnfläche.
Eine Radialpositionierungsfläche
grenzt an die obere Stirnfläche
an. Eine Axialpositionierungsfläche
weist axial zur unteren Stirnfläche
und befindet sich zwischen der oberen Stirnfläche und der unteren Stirnfläche. Eine
radial nach außen
weisende Kühlmittelkontaktfläche befindet
sich zwischen der Radialpositionierungsfläche und der Axialpositionierungsfläche. Ein
Schaft erstreckt sich von der Axialpositionierungsfläche zur
unteren Stirnfläche.
Eine profilierte, radial nach innen weisende Fläche erstreckt sich im Wesentlichen
von der oberen Stirnfläche
zur unteren Stirnfläche.
Das Profil wird im Wesentlichen zylindrisch, wenn sich die Kolbenbuchse
in einem Motorblock eines hochverdichtenden Verbrennungsmotors befindet
und die obere Stirnfläche
und die Axialpositionierungsfläche
mit einer vorbestimmten Axialkompressionskraft beaufschlagt wird.
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Die
Kolbenbuchse bildet eine Verbindungsstelle zwischen ihrer oberen
Stirnfläche
und einem Zylinderkopf, die die Verbrennungsprodukte im Brennraum
hält. Der
Kontakt zwischen der Axialpositionierungsfläche der Kolbenbuchse und dem
Motorblock hält
das Motorkühlmittel
zurück
und verhindert ein Eindringen von Kühlmittel in das Kurbelgehäuse ohne
Verwendung eines Dichtungselements. Die zylindrische Zylinderwandfläche, die
während
des normalen Betriebes im Inneren der Buchse gebildet wird, verringert
den Kolbenringverschleiß,
den Kolbenverschleiß und
den Buchsenverschleiß.
Die zylindrische Fläche
verringert außerdem
den Ölverbrauch,
das Kolbenringdurchblasen und den Ausstoß von unerwünschten Materialien aus dem
Motor.
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Kolbenbuchsen
für Dieselmotoren
mit profilierten Zylinderwänden,
wie oben beschrieben, können
in einen Verbrennungsmotor hineingepresst und ab Werk betriebsbereit
geliefert werden. Teure und zeitaufwändige Hon-, Polier- und Schneidoperationen
vor Ort entfallen dadurch.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und der angehängten Zeichnungen
besser verständlich.
In den Zeichnungen ist Folgendes zu sehen:
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1 ist
eine Schnittansicht einer Kolbenbuchse, die in einem Verbrennungsmotor
installiert ist.
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2 ist
eine teilweise geöffnete
Schnittansicht einer Buchse nach dem Stand der Technik mit einem
oberen Flansch, der die Buchse axial in einem Verbrennungsmotor
positioniert.
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3 ist
eine teilweise geöffnete
Schnittansicht einer Buchse nach dem Stand der Technik mit einem
mittigen Anschlag, wobei das Innenwandprofil unter Belastung zu
gezeigt ist.
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4 ist
eine teilweise geöffnete
Schnittansicht, wobei die Kolbenbuchse in einem Motorblock montiert
ist, allerdings ohne axiale Belastung.
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5 ist
eine teilweise geöffnete
Schnittansicht, wobei die Kolbenbuchse in einem Motorblock montiert
ist, mit axialer Belastung.
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6 ist
eine vertikale Schnittansicht der Kolbenbuchse vor der axialen Belastung.
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7 ist
eine Ansicht ähnlich 6,
die die Buchse mit axialer Belastung zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
Kolbenbuchse 10 für
einen Verbrennungsmotor 12 ist ein rohrförmiges Element
mit einer Achse 14. Die Buchse 10 hat eine obere
Stirnfläche 16,
eine untere Stirnfläche 18,
eine radial innere Fläche 20 und
eine Außenfläche 22.
Die obere Stirnfläche 16 befindet
sich in einer Ebene, die rechtwinklig zur Achse 14 liegt.
Die untere Stirnfläche 18 befindet sich
ebenfalls in einer Ebene, die rechtwinklig zur Achse 14 liegt.
Die obere Stirnfläche 16 ist
von der Fläche 24 auf
dem Zylinderkopf 26 durch ein Dichtungselement 25 getrennt.
Normalerweise verläuft die
Blockoberseite 28 des Motorblocks 30 im rechten Winkel
zur Achse 14 der Kolbenbuchse 10. Es ist zweckmäßig, die
obere Stirnfläche 16 der
Buchse in einer Ebene verlaufen zu lassen, die parallel zu der Oberseite 28 des
Motorblocks 30 liegt. Durch Anordnen der oberen Stirnfläche 16 der
Kolbenbuchse 10 in einer Ebene, die im rechten Winkel zu
der Achse 14 verläuft,
wird eine Kraft, die durch den Zylinderkopf 26 auf die
Buchse wirkt, in einer Richtung ausgeübt, die parallel zu der Achse 14 verläuft. Es
gibt keine ungleichmäßige Kraft
auf die Buchse 10, die quer zu der Achse 14 verläuft und
dazu neigen würde,
die Buchse zu verbiegen. Die untere Stirnfläche 18 befindet sich
mit keinem anderen Objekt und keiner anderen Fläche in direktem Kontakt. Die
untere Stirnfläche 18 der
Buchse 10 kann innerhalb gewisser Grenzen jede beliebige
Form haben.
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Die
Außenfläche 22 der
Kolbenbuchse 10 hat eine Radialpositionierungsfläche 32,
die an die obere Stirnfläche 16 angrenzt.
Diese Positionierungsfläche 32 hat
einen Durchmesser, der größer ist als
der Durchmesser der Bohrung 34 in dem Verbrennungsmotorblock 30.
Eine Presse drückt
die Radialpositionierungsfläche 32 in
die Bohrung 34, wodurch eine Presspassung entsteht, die
ein Austreten von Kühlmittel
aus dem Kühlmittelmantel 36 verhindert.
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Eine
Axialpositionierungsfläche 38 an
der Kolbenbuchse 10 befindet sich zwischen der oberen Stirnfläche 16 und
der unteren Stirnfläche 18 und
neben dem unteren Abschnitt des Kühlmittelmantels 36.
Wie in der Zeichnung gezeigt, befindet sich die Axialpositionierungsfläche 38 in
einer Ebene, die quer zu der Achse 14 verläuft. Eine
Motorblockanschlagfläche 40 wird
durch die Axialpositionierungsfläche 38 berührt und
begrenzt die axiale Bewegung der Kolbenbuchse 10 in Richtung
der Kurbelwelle 42. Die Motorblockanschlagfläche 40 befindet
sich ebenfalls in einer Ebene, die quer zu der Achse 14 verläuft. Die
Bohrung 44 in dem Block 30 gestattet einen Spielraum
für die
Kolbenbuchse 10, wodurch der Bohrung 34 in dem
Block die Aufgabe der radialen Positionierung der Buchse zukommt.
Axialer Druck auf die obere Stirnfläche 16 der Buchse 10 drängt die Axialpositionierungsfläche 38 in
Eingriff mit der Blockanschlagfläche 40 und
bildet eine hermetische Dichtung für das Kühlmittel. Gewünschtenfalls
könnte
ein mechanisches Dichtungselement wie zum Beispiel ein O-Ring verwendet
werden. Allerdings ist ein mechanisches Dichtungselement nicht erforderlich.
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Die
Axialpositionierungsfläche 38 und
die Blockanschlagfläche 40 könnten konische
Passflächen
sein, die die untere Stirnfläche 18 gewünschtenfalls
radial fixieren würden.
Der Durchmesser der Bohrung 44 könnte auch verkleinert werden,
um die untere Stirnfläche 18 gewünschtenfalls
radial zu fixieren.
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Eine
Kühlmittelkontaktfläche 46 erstreckt sich
von der Radialpositionierungsfläche 32 zu
der Axialpositionierungsfläche 38.
Kühlmittel
in dem Kühlmittelmantel 36 eines
Verbrennungsmotors 12 transportiert Wärme von der Kühlmittelkontaktfläche 46 fort.
Eine (nicht gezeigte) Wasserpumpe pumpt Kühlmittel durch den Kühlmittelmantel 36 und
durch einen Wärmetauscher,
wie zum Beispiel einen Kühler.
Die Kühlmittelkontaktfläche 46 hat
vorzugsweise einen Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser
der Radialpositionierungsfläche 32,
so dass Korrosion an der Kühlmittelkontaktfläche nicht
den Ausbau einer verschlissenen oder beschädigten Kolbenbuchse 10 verhindert.
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Ein
Schaft 48 erstreckt sich axial von der Axialpositionierungsfläche 38 zur
unteren Stirnfläche 18. Die
radial äußere Fläche des
Schaftes 48 kann in Kontakt mit Gasen und Schmiermittel
in dem Kurbelgehäuse
des Verbrennungsmotors 12 stehen. Der Außendurchmesser
des Schaftes 48 ist kleiner als andere Außenflächen der
Kolbenbuchse 10.
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Der
kleinere Durchmesser des Schaftes 48 verringert das Gewicht
der Kolbenbuchse 10 und exponiert die Axialpositionierungsfläche 38.
Die Belastung auf den Schaft 48 ist wesentlich geringer
als die Belastung auf die Buchse 10 oberhalb der Axialpositionierungsfläche 38.
Diese geringere Festigkeitsanforderung gestattet einen verringerten
Außendurchmesser
des Schaftes 48.
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Das
Festspannen des Zylinderkopfes 26 am Motorblock 30 übt eine
erhebliche axiale Belastung auf die Kolbenbuchse 10 aus.
Die Last auf die obere Stirnfläche 16 der
Buchse 10 ist überwiegend
eine Kompressionslast. Nahe der oberen Stirnfläche 16 und der Axialpositionierungsfläche 38 kommt
es zu einem geringfügigen
Verziehen der Innenseite oder der radial inneren Fläche 20 der
Kolbenbuchse 10. Dieses Verziehen bewirkt, dass sich die
Innenfläche 20 nahe
der oberen Stirnfläche 16 radial
einwärts
bewegt. Die Belastung, die durch die Motorblockanschlagfläche 40 auf
die Axialpositionierungsfläche 38 ausgeübt wird,
lässt Biegebelastungen
auf die Kolbenbuchse 10 einwirken, die die Innenseite 20 verwirft.
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Die
in 3 gezeigte Kolbenbuchse 50 nach dem Stand
der Technik hat eine im Wesentlichen zylindrische Fläche 52,
bevor ein Zylinderkopf 26 auf dem Motorblock 54 festgespannt
wird. Eine Wellenlinie 56 deutet in übertriebener Weise das Verwerfen an,
wenn die Kolbenbuchse 50 nach dem Stand der Technik in
einem Block 54 festgespannt wird.
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Die
Kolbenringe 60 an einem Kolben 62 sind radial
zusammengedrückte
Federn, die sich ausdehnen wollen und der Kontur der Innenfläche 20 einer Buchse 10 folgen.
Wenn die Innenfläche
verworfen ist, wie durch die Wellenlinie 56 in 3 gezeigt,
so vollführt
ein Kolbenring 60 ein ständiges Ausdehnen und Zusammenziehen.
Diese Bewegung verkürzt
die Grenznutzungsdauer jedes Rings 60 und verschleißt die Ringnut 64 in
dem Kolben 62. Wenn die belastete Kolbenbuchse 10 eine
im Wesentlichen zylindrische Innenfläche 20 hat, so verändert sich
der Durchmesser der Kolbenringe 60 nur wenig, und der Verschleiß wird minimiert.
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Die
in 6 gezeigte unbelastete Kolbenbuchse 10 wurde
maschinell so bearbeitet, dass die Innenfläche 20 im Wesentlichen
zylindrisch ist, wenn sie axial belastet wird und mit der erwarteten
Betriebstemperatur arbeitet. Das unbelastete Profil erhält man durch
Bestimmen der Mengen an Material, das abgetragen oder hinzugefügt werden
muss, um das verworfene Profil 56 zu einer geraden Linie
zu ändern.
Abtragen und Hinzufügen
von Material verändert
die Festigkeit der Kolbenbuchse 10 an den Stellen, wo Material
abgetragen oder hinzugefügt
wird. Die Festigkeitsveränderungen
erfordern eine Modifizierung des endgültigen unbelasteten Profils
der Innenfläche 20 der
Kolbenbuchse 10.
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Die
Betriebstemperatur einer Kolbenbuchse verändert sich entlang der Buchse
von der oberen Stirnfläche 16 zur
unteren Stirnfläche 18.
Die Betriebstemperatur verändert
sich auch in Abhängigkeit
von der Umgebungstemperatur, der Motorbelastung und den Kraftstoffeigenschaften.
Das Profil einer Innenfläche 20 der
Kolbenbuchse 10 wird auch so modifiziert, wie es der erwarteten
Betriebstemperatur der Buchse in einem Verbrennungsmotor 12 entspricht. Die
Innenfläche 20 einer
Kolbenbuchse 10 in einem Verbrennungsmotor 12,
der mit der erwarteten Temperatur und Motorbelastung arbeitet, ist
im Wesentlichen zylindrisch, wie in 2 gezeigt.
Wenn die Motorbelastung, die Umgebungstemperatur oder sonstige Betriebsbedingungen
von den erwarteten Betriebsbedingungen abweichen, so ändert sich
die Axiallast auf die Kolbenbuchse 10, und die Innenfläche 20 wird
ein wenig verworfen. Allerdings arbeiten große Hochdruckmotoren 12 im
Allgemeinen in einem relativ schmalen Temperaturbereich. Die erwarteten
Veränderungen
beim Profil der Innenfläche 20 sind
im Allgemeinen gering.
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Eine
Kolbenbuchse 10, die wie oben beschrieben hergestellt wird,
kann in einem Motor 12 montiert werden, und der Motor kann
zusammengebaut werden, ohne dass zusätzliches maschinelles Bearbeiten,
Honen oder Polieren der Kolbenbuchse erforderlich ist.
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Die
in 2 gezeigte Kolbenbuchse 66 nach dem Stand
der Technik hat einen zylindrischen Rand 68. Dieser zylindrische
Rand 68 fixiert die Buchse 66 axial im Block 70.
Wie oben erläutert,
gibt es bei diesem Aufbau im Wesentlichen keine axialen Belastungen
auf die Buchse 66. Jedoch expandiert und kontrahiert die
Buchse 66 axial bei Temperaturschwankungen. Um ein Auslaufen
aus dem Wassermantel zu verhindern und eine axiale Bewegung der
Buchse 66 relativ zum Block 70 aufzufangen, ist
eine Dichtung 72 vorhanden. Die Dichtung 72 kann
die Bewegung zwischen der Buchse 66 und dem Block 70 ausgleichen.
Allerdings haben Dichtungen 72 eine begrenzte Nutzungsdauer.
Ein Dieselmotor mit einer langen Lebensdauer benötigt ein verbessertes Dichtungssystem,
wie oben beschrieben, um ein Austreten von Kühlmittel zu verhindern, zu
dem es mit Dichtungen 72 nach einem gewissen Zeitraum kommen kann.
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Natürlich sind
vor dem Hintergrund der obigen Lehren viele Modifikationen und Variationen
der vorliegenden Erfindung möglich.
Es versteht sich daher, dass die Erfindung innerhalb des Geltungsbereichs
der angehängten
Ansprüche
auch auf andere Weise praktiziert werden kann, als ausdrücklich beschrieben
wurde. Die Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.