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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für Verbrennungsmotoren.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In Hubkolben-Verbrennungsmotoren erzeugen ein Verbrennungsdruck und eine Trägheitskraft, welche auf den Kolben einwirken, eine Kraft, welche den Kolben zu der Zylinderwand hin drängt (Schublast oder Drucklast), und diese neigt dazu, einen Reibungswiderstand auf der Druckseite und der Gegendruckseite von dem Kolben zu erzeugen. Ein solcher Kolben ist typischerweise auf der Druckseite und der Gegendruckseite jeweils mit Kolbenmänteln unterhalb des (oder auf der Seite der Kurbelwelle des) Kolbenkopfs versehen, um zu verhindern, dass der Kolben übermäßig kippt. Eine Vielzahl von Techniken wurden vorgeschlagen, um die Gleitreibung (Reibungsverlust) zwischen dem Kolben (Kolbenmantel) und dem Zylinder zu reduzieren, wenn sich der Kolben verschiebbar hin- und herbewegt, insbesondere unter Umständen, wo keine Druckumlaufschmierung eingesetzt werden kann.
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Beispielsweise in einem Kolben, welcher in der
JP 2554430 Y vorgeschlagen wird, ist eine Oberfläche von einem Kolbenmantel auf der Druckseite mit einer Anzahl von länglichen Kanälen oder Nuten ausgebildet, welche sich von dem unteren Ende des Kolbenmantels aufwärts erstrecken und nahe einem Zwischenbereich, wo angenommen wird, dass der Öldruck am höchsten ist, in der axialen Richtung von dem Kolben geschlossen sind während eine Oberfläche von einem Kolbenmantel auf der Gegendruckseite mit einer Anzahl von länglichen Kanälen oder Nuten ausgebildet ist, welche sich von dem oberen Ende von dem Kolbenmantel nach unten erstrecken und nahe einem Zwischenabschnitt, wo angenommen wird, dass der Öldruck am höchsten ist, in der axialen Richtung von dem Kolben geschlossen sind, so dass ein Ölfilm auf der Oberfläche von jedem Kolbenmantel gehalten wird. Die
JP 2554430 Y schlägt auch vor, die Anordnung von den Kanälen oder Nuten, welche in der Oberfläche von dem Kolbenmantel ausgebildet sind, zwischen der Druckseite und der Gegendruckseite zu verändern, indem die Differenz bei der Verteilung des Öldrucks zwischen der Druckseite und der Gegendruckseite berücksichtigt wird. Insbesondere ist in der
JP 2554430 Y offenbart, dass der Kolben dazu neigt, auf der Gegendruckseite gegen den Zylinder gedrückt zu werden, wenn sich der Kolben nach oben bewegt (während des Verdichtungstakts und des Auslasstakts) und auf der Druckseite gegen den Zylinder gedrückt zu werden, wenn sich der Kolben nach unten bewegt (insbesondere während des Expansionstakts) und somit sollten die Kanäle oder Nuten, welche in dem Kolbenmantel auf der Gegendruckseite ausgebildet sind, dazu eingerichtet sein, eine Rückhaltung des Schmieröls während der Aufwärtsbewegung von dem Kolben zu verbessern, und die Kanäle oder Nuten, welche in dem Kolbenmantel. auf der Druckseite ausgebildet sind, sollten dazu eingerichtet sein, die Rückhaltung des Schmieröls während der Abwärtsbewegung des Kolbens zu verbessern.
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Ferner ist in einem Kolben, welcher in der
JP 2010-133365 A vorgeschlagen wird, um das Schmieröl gleichmäßig der Oberfläche von dem Kolbenmantel zuzuführen und zu ermöglichen, dass das Schmieröl abgegeben wird, ohne übermäßig zurückgehalten zu werten, die Oberfläche von dem Kolbenmantel mit einer Mehrzahl von wellenförmigen Beschichtungen versehen, welche sich in einer Umfangsrichtung erstrecken und voneinander in der axialen Richtung des Kolbens beabstandet sind, wobei die wellenförmigen Beschichtungen in voneinander getrennte V-förmige Vorsprünge, welche nach oben oder nach unten öffnen, unterteilt sind, so dass Schmieröldurchgänge, um zu ermöglichen, dass das Schmieröl in der axialen Richtung des Kolbens oder in einer spiralförmigen Richtung strömt, zwischen den V-förmigen Vorsprüngen nebeneinanderliegend in der Umfangsrichtung ausgebildet sind.
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In dem Kolben, welcher in der
JP 2554430 Y offenbart ist, kann es möglich sein, einen Ölfilm auf der Oberfläche von dem Kolbenmantel nahe einem Zwischenabschnitt in der axialen Richtung des Kolbens zu halten. Jedoch wird in der
JP 2554430 Y nicht berücksichtigt, dass die Position, welche dem höchsten Flächendruck (lateraler Druck) ausgesetzt ist, verlagert werden kann als einem Ergebnis davon, dass der Kolben kippt, und somit kann eine effektive Reduzierung der Reibung nicht erreicht werden. Ferner, obwohl es in dem Kolben der
JP 2554430 Y offenbart sein kann, eine Rückhaltung von dem Schmieröl zu verbessern auf der Seite von dem Kolbenmantel, welcher gegen den Zylinder gedrückt wird (nämlich der Gegendruckseite während der Verdichtungs- und Auslasstakte, und der Druckseite während des Expansionstakts), wird in der
JP 2554430 Y ein Einfluss nicht berücksichtigt, den ein Kontakt zwischen dem Zylinder und einem unteren Endabschnitt von dem Kolbenmantel, welcher auf der Seite von dem Kolben gegenüber der stattfinden kann, welche gegen den Zylinder gedrückt wird, auf den Reibungsverlust haben kann.
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In dem Kolben, welcher in der
JP 2010-133365 A offenbart ist, wird ein gleiches Vorsprungsmuster in den Kolbenmanteloberflächen sowohl auf der Druckseite als auch der Gegendrucksseite ausgebildet, und somit kann es nicht möglich sein, die Gleitreibung an einem Punkt zu reduzieren, wo der Oberflächendruck hoch wird, was die Reduzierung der Reibung ineffektiv macht. Ferner, obwohl eine Rückhaltung von dem Schmieröl die Reibung zu einem gewissen Ausmaß reduzieren kann, wird ein Einfluss von einem dynamischen Druck, welcher durch einen Keileffekt und/oder einen Quetscheffekt von dem Schmieröl erzeugt wird, in dem Kolben, welcher in der
JP 2010-133365 A offenbart ist, nicht berücksichtigt. In dem Kolben der
JP 2010-133365 A heben sich nämlich der dynamische Druck, welcher durch die nach oben öffnenden V-förmigen Vorsprünge erzeugt wird, und der dynamische Druck, welcher durch die nach unten öffnenden V-förmigen Vorsprünge erzeugt wird, gegenseitig auf, und die dynamischen Drücke, welche durch diese Vorsprünge erzeugt werden, tragen nicht dazu bei, die Reibung zu reduzieren.
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Eine optimale Schmierung von einem Kolben kann erreicht werden, wenn ein Ölfilm auf einer Gleitfläche durch eine kleine Menge an Schmieröl erhalten wird und ein hoher dynamischer Druck in dem Ölfilm erzeugt wird, um eine Grenzschmierung zu vermeiden, um auf diese Weise den Reibungsverlust effektiv zu reduzieren. Jedoch, wie vorangehend beschrieben, wurde in der Vergangenheit keine Technologie vorgeschlagen, welche einen solchen Zustand in beiden Bewegungsrichtungen von dem hin- und hergehenden Kolben oder Hubkolben erzeugen kann.
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ÜBERSICHT DER ERFINDUNG
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Angesichts der vorangehend erwähnten Probleme im Stand der Technik ist ein primäres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Hubkolben für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, welcher die Gleitreibung effektiv unter Verwendung eines in einem Ölfilm erzeugten dynamischen Drucks reduzieren kann.
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Um ein solches Ziel zu erreichen ist ein Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, umfassend: einen zylindrischen Kolbenkopf (11), welcher verschiebbar in einem Zylinder (1) von dem Verbrennungsmotor aufgenommen ist und eine obere Fläche (11a) hat, welche einen Verbrennungsraum (S) definiert; ein Paar von Bolzentragwänden (12L, 12b), welche von dem Kolbenkopf integral mit diesem abhängen und einen Kolbenbolzen (2) abstützen, und ein Paar von Kolbenmänteln (13F, 13R), welche das Paar von Bolzentragwänden miteinander verbinden und sich in einem verschiebbaren Kontakt mit einer Innenwand von dem Zylinder befinden, wobei wenigstens einer von dem Paar von Kolbenmänteln mit wenigstens einer nach oben öffnenden V-förmigen Nut (21) auf einer Außenfläche (13a) davon ausgebildet ist, und wobei die wenigstens eine V-förmige Nut nur unter einer Achse (2X) von dem Kolbenbolzen vorgesehen ist.
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Aufgrund eines Kippens von dem Kolben während der Hin- und Herbewegung desselben zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt kann ein Teil von dem Kolbenmantel an oder nahe dem unteren Ende desselben einem hohen Flächendruck ausgesetzt sein. Die V-förmige Nut dient dazu, Schmieröl zu halten und erzeugt einen dynamischen Druck in dem Schmieröl, wenn das Schmieröl zu einem unteren Teil (einem geschlossenen Teil) von der V-förmigen Nut strömt. Somit erzeugt in dem Kolben, welcher die vorangehende Struktur hat, die V-förmige Nut einen hohen dynamischen Druck in dem Schmieröl, um einen Ölfilm auszubilden, wodurch ein Zustand nahe einer Fluid-Film-Schmierung erzeugt wird und der durch die Gleitbewegung oder Schiebebewegung von dem Kolben verursachte Reibungsverlust reduziert wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist wenigstens eine V-förmige Nut auf Außenflächen (13aF, 13aB) von beiden Kolbenmantelpaaren ausgebildet.
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Gemäß dieser Struktur bewirkt(-en) die V-förmige Nut(-en), welche in dem Kolbenmantel auf der Druckseite unter der Achse von dem Kolbenbolzen ausgebildet ist (sind), einen Keileffekt in dem Schmieröl, welches zu dem unteren Teil von der V-förmigen Nut hin strömt, während sie sich im Kontakt mit der Zylinderinnenfläche befindet, während sich der Kolben aufwärts bewegt, um auf diese Weise den Reibungsverlust während der Aufwärtsbewegung von dem Kolben zu reduzieren. Obwohl die V-förmige Nut(-en) auf der Druckseite einen umgekehrten Keileffekt während einer Abwärtsbewegung des Kolbens verursachen kann (können), ist eine unerwünschte Erhöhung der dadurch bewirkten Gleitreibung klein, da ein Kontakt zwischen der Zylinderinnenfläche und dem unteren Endabschnitt von dem Kolbenmantel auf der Druckseite nur in einem kleinen Teil von der Abwärtsbewegung des Kolbens aufgrund einer Schiefstellung (Kippen) des Kolbens auftritt. In ähnlicher Weise kann (können) die V-förmige(-n) Nut(-en) in dem Kolbenmantel auf der Gegendruckseite einen umgekehrten Keileffekt und eine Erhöhung der Gleitreibung bewirken, wenn sich der Kolben nach unten bewegt. Als ein Ergebnis von dem Kippen des Kolbens in einem Bereich kurz nach einem Verlassen des oberen Totpunkts in dem Expansionstakt (Arbeitstakt) bewirkt (bewirken) jedoch die V-förmige Nut(-en) auf der Gegendruckseite einen Quetscheffekt in dem Schmieröl, was einen Reibungsreduzierungseffekt bereitstellt, welcher größer als die Erhöhung des Reibungsverlusts ist, welcher durch den umgekehrten Keileffekt bewirkt wird. Somit kann der Reibungsverlust effektiver reduziert werden im Vergleich zu dem Fall, wo nur eines von den Paaren von Kolbenmänteln mit der (den) V-förmigen Nut(-en) versehen ist.
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Ferner hat in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung jeder von den Kolbenmänteln eine fassartige Form, welche einen dazwischenliegenden Körperabschnitt (17) hat, welcher an einer dazwischenliegenden Position in einer Richtung von einer Achse (10X) von dem Kolben ausgebildet ist, um sich über eine vorbestimmte Länge in der Richtung der Achse von dem Kolben zu erstrecken, und obere und untere durchmesserreduzierte Abschnitte (18, 19), welche sich jeweils von oberen und unteren Enden des dazwischenliegenden Körperabschnitts erstrecken, in der Richtung von der Achse von dem Kolben, wobei in dem dazwischenliegenden Körperabschnitt ein Abstand von der Achse von dem Kolben zu der Außenfläche von dem Kolbenmantel über die vorbestimmte Länge in der Richtung von der Achse von dem Kolben konstant ist, und sich in den oberen und unteren durchmesserreduzierten Abschnitten der Abstand von der Achse von dem Kolben zu der Außenfläche von dem Kolbenmantel allmählich in einer Richtung entlang der Achse des Kolbens weg von dem dazwischenliegenden Körperabschnitt reduziert, und wobei die wenigstens eine V-förmige Nut derart ausgebildet ist, dass ein oberes Ende davon in dem dazwischenliegenden Körperabschnitt angeordnet ist, und dass ein unteres Ende davon in dem unteren durchmesserreduzierten Abschnitt angeordnet ist, aber ein unteres Ende von dem Kolbenmantel nicht erreicht.
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Gemäß dieser Struktur kann der Kolbenmantel, welcher eine fassartige Form hat, einen Kontaktbereich mit der Innenwand von dem Zylinder reduzieren, um auf diese Weise den Reibungsverlust zu reduzieren. Insbesondere in einem Fall, wo die wenigstens eine V-förmige Nut in dem Kolbenmantel auf der Gegendruckseite ausgebildet ist, erzeugt die V-förmige Nut einen dynamischen Druck durch einen Quetscheffekt beim Kippen des Kolbens zum Zeitpunkt der Verbrennung, und somit kann der Reibungsverlust sogar noch effektiver reduziert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Außenfläche von dem wenigstens einen Paar von Kolbenmänteln mit einer ungeradzahligen Anzahl der V-förmigen Nuten ausgebildet, welche symmetrisch bezüglich einer Ebene (22) angeordnet sind, welche die Achse von dem Kolben passiert und sich orthogonal zu dem Kolbenbolzen erstreckt, wobei nebeneinanderliegende von den V-förmigen Nuten voneinander um einen vorbestimmten Abstand beabstandet sind.
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Gemäß dieser Struktur wird ermöglicht, dass die V-förmigen Nuten einen hohen dynamischen Druck an einem Teil erzeugen, welches einem hohen Flächendruck ausgesetzt wird, um auf diese Weise den Reibungsverlust effektiv zu reduzieren, welcher durch das Gleiten des Kolbens verursacht wird.
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Somit stellt die vorliegende Erfindung einen Kolben für einen Verbrennungsmotor bereit, welcher die Gleitreibung effektiv reduzieren kann, indem ein dynamischer Druck zu Nutze gemacht wird, welcher in einem Ölfilm erzeugt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nun wird die vorliegende Erfindung nachstehend in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen derselben unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine Seitenansicht ist, welche einen Kolben gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Richtung von einer Achse von einem Kolbenbolzen gesehen zeigt;
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2 eine Seitenansicht von dem in 1 gezeigten Kolben ist, in der durch einen Pfeil II in 1 angedeuteten Richtung gesehen, welche eine Druckseite von dem Kolben zeigt;
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3 eine Seitenansicht von dem in 1 gezeigten Kolben ist, in der durch einen Pfeil III in 1 angedeuteten Richtung gesehen, welche eine Gegendruckseite von dem Kolben zeigt;
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4 eine grafische Darstellung ist, welche eine Form von einem Kolbenmantel des in 1 gezeigten Kolbens zeigt;
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5A und 5B jeweils ein Diagramm sind, welches die Stellung des Kolbens während eines Motorbetriebs und Bereiche zeigt, in welchen sich ein unteres Ende von einem druckseitigen Kolbenmantel im Kontakt mit einer Zylinderwand befindet, in einem Hochlastzustand bzw. in einem Niederlastzustand;
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6A und 6B jeweils ein Diagramm sind, welches die Stellung von dem Kolben während eines Motorbetriebs und Bereiche zeigt, in welchen sich ein unteres Ende von einem gegendruckseitigen Kolbenmantel im Kontakt mit einer Zylinderwand befindet, in einem Hochlastzustand bzw. in einem Niederlastzustand;
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7 ein Diagramm ist, welches ein Reibungsmoment von einem Kolben zeigt, welcher V-förmige Nuten hat, welche nur an dem druckseitigen Kolbenmantel ausgebildet sind;
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8 ein Diagramm ist, welches ein Reibungsmoment von einem Kolben zeigt, welcher V-förmige Nuten hat, welche nur an dem gegendruckseitigen Kolbenmantel ausgebildet sind;
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9A und 9B jeweils eine schematische Abwicklungsansicht sind, welche eine Mehrzahl von V-förmigen Nuten zeigt, welche in einer Reihe an einer Kolbenmantel-Außenfläche angeordnet sind; und
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10 eine schematische Abwicklungsansicht ist, welche eine Mehrzahl von V-förmigen Nuten zeigt, welche in zwei Reihen an einer Kolbenmantel-Außenfläche angeordnet sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nun wird unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen eine Ausführungsform von einem Kolben 10 gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben, in welchem die vorliegende Erfindung bei einem Fahrzeug-Dieselmotor (nachfolgend einfach als ein Motor bezeichnet) angewendet wird. In der folgenden Beschreibung von der Ausführungsform wird angenommen, dass die Aufwärts-, Rechts-, Links-Richtungen in 1 jeweils den Aufwärts-, Vorwärts- und Rückwärts-(nach hinten)Richtungen von dem Motor entsprechenden, und die Richtung von der Rückseite zu der Vorderseite von 1 entspricht der Rechts-Richtung von dem Motor. Ferner werden Elemente oder Abschnitte, welche paarweise vorgesehen sind, durch Bezugszahlen bezeichnet, an die ein Buchstabe angehängt ist, welcher eine Richtung (oder Position) angibt, wie zum Beispiel L (links), R (rechts), F (Vorderseite) und B (Rückseite), und wenn keine Notwendigkeit besteht, zwischen den Richtungen (oder Positionen) zu unterscheiden, werden Sie durch Bezugszahlen ohne einen Zusatz bezeichnet, welcher die Richtung oder Position angibt, wie zum Beispiel „die Kolbenmäntel 13” und „die Außenflächen 13a von den Kolbenmänteln 13”.
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Wie in 1 gezeigt, umfasst der Motor einen Zylinderblock, welcher einen zylindrischen Zylinder 1 definiert, und ein Kolben 10, welcher aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, ist verschiebbar in dem Zylinder 1 aufgenommen. Der Kolben 10 ist mit einer Kurbelwelle vermittels einer Pleuelstange (in den Zeichnungen nicht gezeigt) verbunden, welche mit einem Kolbenbolzen 2 verbunden ist.
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Der Kolben 10, welcher in dem Zylinder 1 verschiebbar aufgenommen ist, umfasst einen zylindrischen Kolbenkopf 11, welcher eine obere Fläche 11a hat, welche einen Brennraum S definiert, ein Paar von Seitenwänden (linke Seitenwand 12L (siehe 2) und rechte Seitenwand 12R), welche unter dem Kolbenkopf 11 integral mit demselben vorgesehen sind und den Kolbenbolzen 2 abstützen, und ein paar Kolbenmäntel (vordere und hintere Kolbenmäntel 13F und 13B), welche die Seitenwände 12L und 12R miteinander verbinden und mit einer Innenwand von dem Zylinder 1 im Gleitkontakt sind.
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Die obere Fläche 11a von dem Kolbenkopf 11, auf welche der Verbrennungsdruck ausgeübt wird, ist mit einer Ausnehmung (in den Zeichnungen nicht gezeigt) ausgebildet, welche einen Brennraum definiert. Ein Außenumfang von dem Kolbenkopf 11 ist mit Ringnuten 14 ausgebildet, in welchen jeweils ein oberer Ring, ein zweiter Ring und ein Öl-Ring (in den Zeichnungen nicht gezeigt) aufgenommen sind.
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Wie in den 2 und 3 gezeigt, sind das Paar von Seitenwänden 12L und 12R jeweils integral mit Bolzen-Ansatzabschnitten 16L und 16R ausgebildet, in welchen ein Bolzeneinsetzloch 15 ausgebildet ist. Das Paar von Bolzen-Ansatzabschnitten 16L und 16R lagert jeweilige Enden von dem Kolbenbolzen 2, welcher durch das Bolzeneinsetzloch 15 parallel zu der Kurbelwelle eingesetzt ist, welche in den Zeichnungen nicht gezeigt ist. Das Paar von Seitenwänden 12L und 12R erstrecken sich im allgemeinen orthogonal zu einer Achse 2X von dem Kolbenbolzen 2 und sind bezüglich einer Ebene, welche durch eine Achse 10X von dem Kolben 10 führt und sich orthogonal zu der Achse 2X von dem Kolbenbolzen 2 erstreckt (nachfolgend als eine Druck-bezogene Ebene 22 bezeichnet), symmetrisch angeordnet.
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Das Paar von Kolbenmänteln 13F und 13B sind jeweils auf einer vorderen Seite (einer Auslassseite in dieser Ausführungsform) und auf einer Rückseite (einer Einlassseite in dieser Ausführungsform) angeordnet und jeder von den Kolbenmänteln 13F und 13B ist derart ausgebildet, dass er eine bogenartige Querschnittsform hat, um sich entlang einer Innenumfangsfläche von dem Zylinder 1 zu erstrecken. In dieser Ausführungsform sind das Paar von Kolbenmänteln 13F und 13B dazu konfiguriert, von dem Kolbenkopf 11 abzuhängen, und bilden zusammen mit dem Paar von Seitenwänden 12L und 12R eine geschlossene Querschnittsstruktur, welche insgesamt einen verlängerten kreisförmigen Querschnitt hat.
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In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Kolbenmantel 13F, welcher auf der Vorderseite angeordnet ist, ein Kolbenmantel auf einer Gegendruckseite, während der Kolbenmantel 13B, welcher auf der Rückseite angeordnet ist, ein Kolbenmantel auf einer Druckseite ist. Es ist anzumerken, dass die Druckseite die Seite ist, auf welcher der Kolben 10 durch eine Drucklast (Seitenkraft), welche in einer Richtung orthogonal zu der Achse 2X von dem Kolbenbolzen 2 erzeugt wird, gegen den Zylinder 1 gedrückt wird, wenn der Kolben 10 durch einen Verbrennungsdruck während eines Expansionstakts (oder Arbeitstakts) nach unten gedrückt wird, wobei die Drucklast aufgrund dessen erzeugt wird, dass die Pleuelstange in einem Winkel relativ zu der Kolbenachse 10X verläuft, und die Gegendruckseite ist die Seite, auf welcher der Kolben 10 durch eine Drucklast gegen den Zylinder 1 gedrückt wird, welche in der Richtung entgegengesetzt zu der Richtung erzeugt wird, in welcher die Drucklast während des Expansionstakts erzeugt wird.
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Wie am besten in 4 gezeigt, hat der Kolbenmantel 13 eine fassartige Form, welche einen dazwischenliegenden Körperabschnitt 17 umfasst, welcher an einer dazwischenliegenden Position in der axialen Richtung (Richtung der Achse 10X) von dem Kolben 10 (oder in der Richtung der Höhe von dem Kolbenmantel 13) ausgebildet ist, um sich über eine vorbestimmte Länge in der axialen Richtung von dem Kolben 10 zu erstrecken, und obere und untere durchmesserreduzierte Abschnitte 18 und 19 umfasst, welche sich von oberen und unteren Enden von dem dazwischenliegenden Körperabschnitt 17 jeweils in der axialen Richtung von dem Kolben 10 erstrecken. In dem dazwischenliegenden Körperabschnitt 17 ist der Abstand (Radius) von der Achse 10X von dem Kolben 10 zu der Außenfläche 13a über die vorbestimmte Länge in der axialen Richtung von dem Kolben 10 konstant. In den oberen und unteren durchmesserreduzierten Abschnitten 18 und 19 reduziert sich der Abstand (Radius) von der Achse 10X von dem Kolben 10 zu der Außenfläche 13a allmählich in einer Richtung längs der axialen Richtung des Kolben 10 von dem dazwischenliegenden Körperabschnitt 17 weg.
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Der größte Teil der Außenfläche 13a von jedem Kolbenmantel 13 ist mit einem Feststoff-Schmierfilm 20 bedeckt. Der Feststoff-Schmierfilm 20 ist aus einem Material wie zum Beispiel Graphit, Molybdändisulfid, Wolframdisulfid usw. durch Drucken ausgebildet. Der Feststoff-Schmierfilm 20 ist derart ausgebildet, dass er eine Dicke von 5 μm bis 20 μm hat.
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Wie in 2 gezeigt, ist die Außenfläche 13aB von dem Kolbenmantel 13B auf der Druckseite mit drei V-förmigen Nuten (oder Kerben, Rillen, Einschnitten) 21 versehen, die jeweils nach oben (nämlich zu dem oberen Totpunkt) öffnen. Jede von den V-förmigen Nuten 21 ist ausgebildet, indem das Material von dem Feststoff-Schmierfilm 20 nicht angebracht wird, ist nämlich als ein Schnitt oder eine Öffnung in dem beschichteten Film ausgebildet und ist nur unter der Achse 2X von dem Kolbenbolzen 2 in der axialen Richtung von dem Kolben 10 angeordnet. Die drei V-förmigen Nuten 21 sind in der selben Form und Größe mit einem Öffnungswinkel von 48 Grad ausgebildet und sind in der Umfangsrichtung an derselben Position in der axialen Richtung von dem Kolben 10 angeordnet. Diese drei V-förmigen. Nuten 21 sind bezüglich der Druck-bezogenen Ebene 22 symmetrisch angeordnet; sie sind nämlich Linien-symmetrisch angeordnet bezüglich einer Schnittlinie zwischen der Außenfläche 13a von dem Kolbenmantel 13 und der Druck-bezogenen Ebene 22 (nachfolgend als eine Kolbenmantel-Mittellinie 13X bezeichnet) in einem abgewickelten Zustand von der Außenfläche 13a von dem Kolbenmantel 13. Ferner sind die V-förmigen Nuten 21 derart angeordnet, dass nebeneinanderliegende von den V-förmigen Nuten 21 voneinander um einen vorbestimmten Abstand beabstandet sind.
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Wie in 3 gezeigt, ist auch die Außenfläche 13aF von dem Kolbenmantel 13F auf der Gegendruckseite in einer zu der Druckseite ähnlichen Weise mit V-förmigen Nuten 21 versehen.
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In dieser Ausführungsform ist die Höhe von dem Kolbenmantel 13 durch H angegeben, und die V-förmigen Nuten 21 sind in einem Bereich von 0,04H bis 0,25H relativ zu dem unteren Ende von dem Kolbenmantel 13 angeordnet, wie in 4 gezeigt. Mit anderen Worten ist jede von den V-förmigen Nuten 21 derart ausgebildet, dass sie eine Abmessung (Höhe) hat, welche 0,21 Mal der Höhe H von dem Kolbenmantel 13 entspricht, und ist derart angeordnet, dass das obere Ende davon in dem dazwischenliegenden Körperabschnitt 17 angeordnet ist, und dass das untere Ende davon in dem unteren durchmesserreduzierten Abschnitt 19 angeordnet ist, aber nicht das untere Ende von dem Kolbenmantel 13 oder das untere Ende von dem Feststoff-Schmierfilm 20 erreicht. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Achse 2X von dem Kolbenbolzen 2 in einer Höhe von 0,56H bezüglich des unteren Endes von dem Kolbenmantel 13 angeordnet, und die V-förmigen Nuten 21 sind in einem Bereich angeordnet, welcher niedriger als 0,28H ist, was eine Hälfte von der Höhe (0,56H) von der Achse 2X von dem Kolbenbolzen 2 bezüglich des unteren Endes von dem Kolbenmantel 13 ist.
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Nachfolgend werden die Umstände erläutert, unter welchen die vorliegende Erfindung erfolgte und die Inhalte und Ergebnisse von Experimenten, welche durchgeführt wurden, um die vorliegende Erfindung zu erreichen.
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Als erstes wird das Kippen des Kolbens 10 erläutert. Die 5A, 5B, 6A und 6B sind jeweils ein schematisches Diagramm, welches das Verhalten von einer oberen Fläche von einem Kolben zeigt, welcher nicht mit den V-förmigen Nuten 21 darauf ausgebildet ist, aber ansonsten dieselbe Struktur wie der vorangehende Kolben 10 hat, während eines Verdichtungstakts oder Verdichtungshubs, Expansionstakts oder Expansionshubs, Auslasstakts oder Auslasshubs und Einlasstakts oder Einlasshubs. Die 5A und 6A zeigen das Verhalten von dem Kolben in einem Hochlastzustand (Motordrehzahl: 4000 U/min), während die 5B und 6B das Verhalten des Kolbens in einem Niederlastzustand (Motordrehzahl: 1500 U/min) zeigen. In den 5A und 5B sind Bereiche, in welchen das untere Ende von dem Kolbenmantel auf der Druckseite mit der Zylinderinnenfläche im Kontakt ist, durch schwarze Pfeile angezeigt, während in den 6A und 6B Bereiche, in welchen das untere Ende von dem Kolbenmantel auf der Gegendruckseite im Kontakt mit der Zylinderinnenfläche ist, durch schwarze Pfeile angezeigt sind. Ein Betrag eines Neigungswinkels von der oberen Fläche von dem Kolben, welcher in den 5A, 5B, 6A und 6B gezeigt ist, gibt den Grad eines Kippens von dem Kolben an.
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Unter Bezugnahme auf die 5A, 5B, 6A und 6B wird verstanden werden, dass es ungeachtet der Betriebslast eine gemeinsame Gesetzmäßigkeit im Verhalten des Kolbens gibt. Für einen Kolben von einem Dieselmotor kann diese Gesetzmäßigkeit der Tatsache zugeschrieben werden, dass der Kolbenkopf 11 schwer ist und eine Änderung im Ansaugunterdruck zwischen verschiedenen Betriebslasten klein ist. Jedoch kann ein Kolben für einen Benzinmotor ein ähnliches Verhalten zeigen. Ein konkretes Verhalten von dem Kolben wird nachfolgend beschrieben. Während eines wesentlichen Teils von dem Verdichtungstakt neigt sich der Kolben in eine solche Richtung, dass das untere Ende von dem Kolbenmantel auf der Druckseite sich der Zylinderinnenfläche annähert (diese Neigungsrichtung wird nachstehend als eine Druck-bezogene Neigungsrichtung bezeichnet) und in einem frühen Stadium von dem Expansionstakt (kurz nach der Verbrennung) verändert sich die Neigungsrichtung in die entgegengesetzte Richtung (diese Neigungsrichtung wird nachstehend als eine Gegendruck-bezogene Neigungsrichtung bezeichnet). Dann wird bewirkt, dass sich die Neigungsrichtung von der Mitte zu einem Endteil von dem Expansionstakt zu der Druck-bezogenen Neigungsrichtung hin verändert. Der Kolben neigt sich in der Druck-bezogenen Richtung während eines frühen Teils von dem Expansionstakt und die Neigungsrichtung verändert sich während eines späteren Teils von dem Expansionstakt in der Gegendruck-bezogenen Richtung. Die Neigungsrichtung, welche in einem anfänglichen Teil von dem Einlasstakt Gegendruck-artig ist, verändert sich derart, dass sich der Kolben am Ende von dem Einlasstakt in der Druck-bezogenen Richtung neigt.
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Der Bereich, in welchem sich das untere Ende von dem Kolbenmantel auf der Druckseite im Kontakt mit der Zylinderinnenfläche (5) befindet, ist im Verdichtungstakt und Auslasstakt größer, während denen sich der Kolben von dem unteren Totpunkt zu dem oberen Totpunkt nach oben bewegt (nachfolgend werden diese Takte oder Hübe summarisch als Aufwärts-Takte bezeichnet), als in dem Expansionstakt und dem Ansaug- oder Einlasstakt, während denen sich der Kolben von dem oberen Totpunkt zu dem unteren Totpunkt nach unten bewegt (nachfolgend werden diese Takte oder Hübe summarisch als Abwärts-Takte bezeichnet). Insbesondere im Hinblick auf die Abwärts-Takte findet auf der Druckseite während des Expansionstakts kein Kontakt zwischen dem unteren Ende von dem Kolbenmantel und der Zylinderinnenfläche statt, und findet nur während des Einlasstakts statt. Daher kann es überlegt werden, dass die Nuten (oder Ausnehmungen), welche auf der Druckseite in dem Kolbenmantel ausgebildet sind, um einen dynamischen Druck in dem Schmieröl zu erzeugen, vorzugsweise dazu konfiguriert sein sollten, während der Aufwärts-Takte funktionstüchtig zu sein.
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Andererseits ist der Bereich, in welchem sich das untere Ende von dem Kolbenmantel auf der Gegendruckseite im Kontakt mit der Zylinderinnenfläche befindet (6), in den Abwärts-Takten größer als in den Aufwärts-Takten. Daher kann angenommen werden, dass die Nuten (Ausnehmungen), welche auf der Gegendrucksseite in dem Kolbenmantel ausgebildet sind, um einen dynamischen Druck in dem Schmieröl zu erzeugen, vorzugsweise dazu konfiguriert sein sollten, während der Abwärts-Takte funktionstüchtig zu sein.
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Basierend auf der vorangehenden Überlegung wurde als erstes ein Reibungsmoment für einen Kolben gemessen, welcher die oben beschriebenen V-förmigen Nuten 21 hat, welche nur auf der Druckseite in dem Kolbenmantel ausgebildet sind. Das Ergebnis ist in 7 gezeigt. Wie in 7 gezeigt, wurde das Reibungsmoment von dem Kolben, welcher die auf der Druckseite ausgebildeten V-förmigen Nuten 21 hat, welches durch eine durchgezogene Linie in 7 angezeigt ist, signifikant über einen ganzen Motordrehzahlbereich reduziert im Vergleich zu dem Reibungsmoment von einem Kolben, welcher keine darauf ausgebildete V-förmigen Nuten 21 hat, was in 7 durch eine gestrichelte Linie angezeigt ist. Ferner wurde auch ein Reibungsmoment von einem Kolben gemessen, welcher nur auf der Druckseite ausgebildete V-förmigen Nuten 21 hat, so dass die V-förmigen Nuten 21 auf den Kopf gestellt sind (nach unten öffnen) und das Ergebnis zeigte, dass der Kolben mit den auf den Kopf gestellten V-förmigen Nuten keine Reibungsmoment-Reduzierung zeigte im Vergleich zu dem Kolben, welcher keine darauf ausgebildeten V-förmigen Nuten 21 hat. Diese Ergebnisse scheinen nahezulegen, dass dann, wenn die nach oben öffnenden V-förmigen Nuten 21 in einem unteren Endabschnitt von dem Kolbenmantel 13B auf der Druckseite ausgebildet sind, ein Keileffekt (Reibungsverlust-Reduzierung), welcher durch die V-förmigen Nuten 21 während der Aufwärts-Takte bewirkt wird, größer ist als ein umgekehrter-Keileffekt (Reibungsverlust-Erhöhung) welcher durch die V-förmigen Nuten 21 während der Abwärts-Takte verursacht wird, da sich das untere Ende von dem Kolbenmantel 13B auf der Druckseite während der Aufwärts-Takte länger im Kontakt mit der Zylinder-Wandfläche befindet als während der Abwärts-Takte.
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Im Hinblick auf die Gegendruckseite ist der Bereich, in welchem das untere Ende von dem Kolbenmantel 13F sich im Kontakt mit der Zylinderinnenfläche befindet (6), während der Abwärts-Takte größer als während der Aufwärts-Takte. Somit wurde ein Reibungsmoment für einen Kolben gemessen, bei dem die V-förmigen Nuten 21 nur auf der Gegendruckseite derart ausgebildet sind, dass die V-förmigen Nuten umgedreht sind (nach unten öffnen) mit einer Erwartung, dass solche umgedrehten V-förmigen Nuten dabei effektiv wären, dass Reibungsmoment auf der Gegendruckseite zu reduzieren. Entgegen den Erwartungen zeigte das Ergebnis jedoch, dass das Reibungsmoment im Vergleich zu dem Reibungsmoment, welches für den Kolben gemessen wurde, welcher keine daran ausgebildeten V-förmigen Nuten 21 hat, nicht reduziert wurde. Andererseits, wenn ein Reibungsmoment für einen Kolben gemessen wurde, welcher die nach oben öffnenden V-förmigen Nuten 21 hat, welche nur auf der Gegendruckseite ausgebildet sind, zeigte das Ergebnis eine signifikante Reduzierung des Reibungsmoments. 8 zeigt das Ergebnis. Wie in 8 gezeigt, wurde das Reibungsmoment von dem Kolben, welcher die auf der Gegendruckseite ausgebildeten V-förmigen Nuten 21 hat, was durch eine durchgezogene Linie in 8 angezeigt ist, über einen gesamten Motordrehzahlbereich signifikant reduziert im Vergleich zu dem Reibungsmoment von dem Kolben, welcher keine darauf ausgebildeten V-förmigen Nuten 21 hat, was durch eine gestrichelte Linie in 8 angezeigt ist.
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Diese Reduzierung des Reibungsmoments kann wie folgt erläutert werden. Auf der Gegendruckseite kann eine Erhöhung des Reibungsverlusts aufgrund eines umgekehrten Keileffekts, welcher durch die nach oben öffnenden V-förmigen Nuten 21 während der Abwärtstakte bewirkt wird, größer sein als die Reduzierung des Reibungsverlusts aufgrund eines Keileffekts, welcher durch die V-förmigen Nuten 21 während der Aufwärtstakte bewirkt wird. Andererseits wird der Kolben in einem frühen Stadium von dem Expansionstakt (oder kurz nach der Verbrennung) einer abrupten Kippbewegung unterzogen, wo die Bewegungsgeschwindigkeit von dem Kolben nach unten niedrig ist, was das untere Ende von dem Kolbenmantel auf der Gegendruckseite in Kontakt mit der Zylinderinnenfläche bringt, und dies bewirkt, dass die V-förmigen Nuten 21 einen hohen dynamischen Druck in dem Schmieröl durch einen Quetscheffekt erzeugen, um auf diese Weise den Reibungsverlust zu reduzieren. Die Messergebnisse deuten darauf hin, dass ein Betrag einer Reduzierung des Reibungsverlusts aufgrund des Quetscheffekt signifikant größer ist als ein Betrag einer Erhöhung des Reibungsverlusts aufgrund des umgekehrten Keileffekts.
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Ähnliche Experimente wurden durchgeführt, während die Anzahl der V-förmigen Nuten 21 auf der Druckseite und der Gegendruckseite und die Anordnung der V-förmigen Nuten 21 in der Umfangsrichtung verändert wurden, während die Position derselben in der axialen Richtung von dem Kolben 10 beibehalten wurde, welche in der vorangehenden Ausführungsform gezeigt ist. Die Ergebnisse zeigten eine ähnliche Tendenz bezüglich der Richtung von den V-förmigen Nuten 21. Wenn jedoch eine Mehrzahl von V-förmigen Nuten 21 nicht voneinander beabstandet wurden und nebeneinanderliegende V-förmigen Nuten 21 miteinander verbunden wurden, um eine W-Form auszubilden, wurde das Reibungsmoment nicht reduziert und in manchen Fällen sogar erhöht. Vielleicht liegt es daran, dass ein Verbindungsteil zwischen nebeneinanderliegenden nach oben öffnenden V-förmigen Nuten 21 eine nach unten öffnende (umgedrehte) V-förmige Nut bildet, was einen umgekehrten Keileffekt verursachen kann, welcher den Keileffekt aufhebt, welcher durch die nach oben öffnenden V-förmigen Nuten 21 bewirkt wird, um auf diese Weise eine negative Auswirkung auf die Gleitreibung zu haben. Somit ist es in einem Fall, wo eine Mehrzahl von nach oben öffnenden V-förmigen Nuten 21 ausgebildet sind, erwünscht, nebeneinanderliegende V-förmigen Nuten 21 voneinander weg zu beabstanden. Andererseits, wenn der Abstand zwischen nebeneinanderliegenden V-förmigen Nuten 21 zu groß wäre, würden die V-förmigen Nuten 21 von der Kolbenmantel-Mittellinie 13X zu weit entfernt angeordnet sein und könnten den gewünschten Reibungsreduzierungseffekt nicht bereitstellen. Somit sollte der Abstand (Zwischenraum) zwischen nebeneinanderliegenden V-förmigen Nuten 21 vorzugsweise so klein als möglich aber nicht kleiner als etwa 1 mm sein.
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In der Außenfläche 13a von dem Kolbenmantel 13 hat der Oberflächendruck (laterale Druck) seinen Spitzenwert auf der Kolbenmantel-Mittellinie 13X und daher ist es ungeachtet der Anzahl der ausgebildeten V-förmigen Nuten 21 bevorzugt, dass die V-förmigen Nuten 21 so nahe als möglich an der Kolbenmantel-Mittellinie 13X angeordnet sind. Vorzugsweise ist wenigstens eine V-förmigen Nut 21 derart angeordnet, dass das untere Ende davon auf der Kolbenmantel-Mittellinie 13X angeordnet ist. Es ist ferner bevorzugt, dass eine ungerade Anzahl an V-förmigen Nuten 21 symmetrisch bezüglich der Kolbenmantel-Mittellinie 13X angeordnet sind. Ein gewisser Effekt kann auch erhalten werden, wenn eine gerade Anzahl an V-förmigen Nuten 21 ausgebildet ist, und auch in einem solchen Fall ist es bevorzugt, dass die gerade Anzahl an V-förmigen Nuten 21 bezüglich der Kolbenmantel-Mittellinie 13X symmetrisch angeordnet ist. In jedem von den Fällen, wo eine ungerade Anzahl von den V-förmigen Nuten 21 ausgebildet sind und wo eine gerade Anzahl von den V-förmigen Nuten 21 ausgebildet sind, sollten die V-förmigen Nuten 21 innerhalb eines Winkelbereichs von etwa 10 Grad in der Links- und Rechtsrichtung bezüglich der Druck-bezogenen Ebene 22 um die Achse 10X von dem Kolben 10, in der axialen Richtung des Kolbens 10 gesehen, angeordnet sein, da der Reibungsreduzierungseffekt, welcher durch die V-förmigen Nuten 21 bereitgestellt wird, welche von der Kolbenmantel-Mittellinie 13X entfernt angeordnet sind, dazu neigt, klein zu sein.
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Ein Keileffekt, welcher durch eine nach oben öffnende V-förmige Nut 21 bereitgestellt wird, resultiert aus dem Schmieröl, welches in die V-förmige Nut 21 von der weit offenen oberen Seite davon strömt und aus der V-förmigen Nut 21 durch die enge untere Seite davon strömt, und somit, je näher die untere Seite von der V-förmigen Nut 21, aus welcher das Schmieröl herausströmt, zu der Kolbenmantel-Mittellinie 13X ist, wo der Oberflächendruck hoch ist, umso effektiver wird der Keileffekt. Daher wird es in einem Fall, wo eine Mehrzahl von V-förmigen Nuten 21 angeordnet sind, bevorzugt sein, wenn V-förmige Nuten 21, welche von der Kolbenmantel-Mittellinie 13X entfernt angeordnet sind, derart angepasst sind, dass der untere Teil (Scheitel, Ecke oder Spitze) von jeder von diesen V-förmigen Nuten 21 zu der Kolbenmantel-Mittellinie 13X hin verlagert ist. Insbesondere, wie in 9A gezeigt, in einem Fall, wo eine ungerade Anzahl von den V-förmigen Nuten 21 ausgebildet sind, ist es bevorzugt, dass die V-förmige Nut 21, welche in der Mitte angeordnet ist, derart konfiguriert ist, dass Neigungswinkel α, α von dem rechten geraden Abschnitt 21R und dem linken geraden Abschnitt 211 davon relativ zu der Kolbenmantel-Mittellinie 13X identisch zueinander sind, während jede von den V-förmigen Nuten 21, welche eine andere als die V-förmige Nut 21 ist, welche in der Mitte angeordnet ist, derart konfiguriert ist, dass ein Winkel β, welcher zwischen einem geraden Abschnitt 21p davon nahe der Kolbenmantel-Mittellinie 13X und einer Linie 21X auf der Außenfläche 13a von dem Kolbenmantel 13 parallel zu der Achse 10X von dem Kolben 10 definiert ist, kleiner als ein Winkel γ ist, welcher zwischen einem geraden Abschnitt 21p davon entfernt von der Kolbenmantel-Mittellinie 13X und der Linie 21X definiert ist. Andererseits, wie in 9B gezeigt, in einem Fall, wo eine gerade Anzahl von den V-förmigen Nuten 21 ausgebildet sind, können die V-förmigen Nuten 21 vorzugsweise symmetrisch bezüglich der Kolbenmantel-Mittellinie 13X angeordnet sein und jede V-förmige Nut 21 kann derart konfiguriert sein, dass ein Winkel β, welcher zwischen einem geraden Abschnitt 21p davon nahe der Kolbenmantel-Mittellinie 13X und einer Linie 21X auf der Außenfläche 13a von dem Kolbenmantel 13 parallel zu der Achse 10X von dem Kolben 10 definiert ist, kleiner ist als ein Winkel γ, welcher zwischen einem geraden Abschnitt 21d davon entfernt von der Kolbenmantel-Mittellinie 13X und der Linie 21X definiert ist.
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In einem Fall, wo eine Mehrzahl von V-förmigen Nuten 21 ausgebildet sind, ist es möglich, die V-förmigen Nuten 21 anzuordnen, um eine Mehrzahl von Reihen von in Umfangsrichtung angeordneten V-förmigen Nuten 21 auszubilden, wobei die Mehrzahl an Reihen in der Richtung von der Achse 10X von dem Kolben 10 angeordnet sind. In diesem Fall kann jede Reihe keine Mehrzahl von V-förmigen Nuten 21 umfassen, sondern kann nur eine einzelne V-förmige Nut 21 umfassen. Wie in 10 gezeigt, ist es bevorzugt, dass die V-förmigen Nuten 21 in einer Reihe und die V-förmigen Nuten 21 in einer anderen Reihe benachbart der einen Reihe in der Richtung der Achse 10X von dem Kolben 10 voneinander in der Umfangsrichtung derart versetzt sind, dass die V-förmigen Nuten 21 in diesen nebeneinanderliegenden Reihen in einer versetzten Art und Weise angeordnet sind. Mehr bevorzugt sind die V-förmigen Nuten 21 in den nebeneinanderliegenden Reihen derart angeordnet, dass ein Teil von einer V-förmigen Nut 21 in einer Reihe einen Teil von einer V-förmigen Nut 21 in der benachbarten Reihe in der Umfangsrichtung überlappt, so dass es keinen Raum zwischen den V-förmigen Nuten 21 in einer axialen Richtung des Kolbens 10 gesehen gibt. In einer solchen Anordnung kann das Schmieröl, welches zwischen der Außenfläche 13a von dem Kolbenmantel 13 und der Zylinderinnenfläche vorhanden ist, effizient eingesammelt werden, um die Erzeugung eines hohen dynamischen Drucks an oder nahe der Spitze von jeder V-förmigen Nut 21 zu unterstützen, und somit kann ein hoher Reibungsreduzierungseffekt erhalten werden im Vergleich zu einer Netz-artigen Anordnung, bei welcher die V-förmigen Nuten 21 in einander benachbarten Reihen in der Richtung der Achse 10X von dem Kolben 10 zueinander in der Umfangsrichtung ausgerichtet sind.
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Ferner ist es in einem Fall, wo eine Mehrzahl von Reihen von V-förmigen Nuten 21 in der Richtung von der Achse 10X von dem Kolben 10 angeordnet sind, bevorzugt, wenn die unterste Reihe eine ungerade Anzahl an V-förmigen Nuten 21 umfasst und die zweite Reihe von unten eine gerade Anzahl von V-förmigen Nuten 21 umfasst. Wenn drei oder mehr Reihen von V-förmigen Nuten 21 ausgebildet sind, können die Reihen, welche eine ungerade Anzahl an V-förmigen Nuten 21 umfassen, und die Reihen, welche eine gerade Anzahl an V-förmigen Nuten 21 umfassen, abwechselnd vom Boden her angeordnet sein. In einer solchen Anordnung ist es möglich, das Schmieröl effizient zu sammeln, um einen hohen dynamischen Druck zu erzeugen, um auf diese Weise den Reibungsverlust effektiv zu reduzieren. In dem Fall, wo eine Mehrzahl von Reihen von V-förmigen Nuten 21 auch in der Richtung der Achse 10X von dem Kolben 10 angeordnet sind, wird es bevorzugt sein, wenn die V-förmige Nuten 21, welche von der Kolbenmantel-Mittellinie 13X entfernt angeordnet sind, derart angepasst sind, dass der untere Teil von jeder von diesen V-förmigen Nuten 21 zu der Kolbenmantel-Mittellinie 13X hin verlagert ist.
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Ferner wurden ähnliche Experimente durchgeführt, indem die Positionen von den V-förmigen Nuten 21 in der Richtung der Achse 10X von dem Kolben 10 verändert wurden, während die Positionen derselben in der Umfangsrichtung an den selben Positionen gehalten wurden, wie jenen von den V-förmigen Nuten 21, welche in der vorangehenden Ausführungsform veranschaulicht sind. Das Ergebnis zeigte, dass die Positionen von den V-förmigen Nuten 21 in der axialen Richtung von dem Kolben 10 signifikant den Reibungsreduzierungseffekt beeinflussten oder beeinträchtigten. Insbesondere, in einem Fall, wo die V-förmigen Nuten 21 in einem Bereich von dem unteren Ende des Kolbenmantels zu einer Hälfte von der Höhe von der Achse 2X von dem Kolbenbolzen 2 angeordnet sind, wurde ein relativ großer Reibungsreduzierungseffekt sowohl auf der Druckseite als auch auf der Gegendrucksseite erhalten, wie vorangehend beschrieben, und in einem Fall, wo die V-förmigen Nuten 21 oberhalb der Achse 2X von dem Kolbenbolzen 2 angeordnet waren, wurde kein Reibungsreduzierungseffekt erhalten und das Reibungsmoment erhöhte sich sogar in manchen Fällen. Vielleicht liegt es daran, dass ein Kippen des Kolbens 10 den Oberflächendruck auf der Außenfläche 13a von dem Kolbenmantel 13 unterschiedlich beeinflussen kann, abhängig von der Position in der axialen Richtung von dem Kolben 10, und dass der Effekt von den nach oben öffnenden V-förmigen Nuten 21 von dem Oberflächendruck auf der Außenfläche 13a von dem Kolbenmantel 13 abhängig ist.
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Aus diesen Gründen ist es bevorzugt, dass die V-förmigen Nuten 21 nur in einem Bereich unter der Achse 2X von dem Kolbenbolzen 2 in der axialen Richtung von dem Kolben 10 angeordnet sind, und in einem Fall, wo die V-förmigen Nuten 21 in einem relativ kleinen Bereich in der axialen Richtung von dem Kolben 10 vorgesehen sind, ist es bevorzugt, wenn die V-förmigen Nuten 21 in einem Bereich von dem unteren Ende von dem Kolbenmantel zu einer Hälfte von der Höhe von der Achse 2X von dem Kolbenbolzen 2 angeordnet sind.
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Wie vorangehend beschrieben, in einer Struktur wo wenigstens eine von den Außenflächen 13aF und 13aB von dem Paar von Kolbenmänteln 13F und 13R mit wenigstens einer nach oben öffnenden V-förmigen Nut 21 ausgebildet ist, und die wenigstens eine V-förmige Nut 21 nur unter der Achse 2X von dem Kolbenbolzen 2 in der Richtung von der Achse 10X von dem Kolben 10 vorgesehen ist, erzeugt die wenigstens eine V-förmigen Nut 21 einen hohen dynamischen Druck in dem Schmieröl, um einen Ölfilm auszubilden, wodurch ein Zustand nahe einer Fluidfilmschmierung erzeugt wird und der durch die Gleitbewegung des Kolbens 10 verursachte Reibungsverlust reduziert wird.
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In der veranschaulichten Ausführungsform sind die V-förmigen Nuten 21 auf beiden Außenflächen 13aF und 13aB von dem Paar von Kolbenmänteln 13F und 13R ausgebildet. Aufgrund einer solchen Struktur bewirken die V-förmigen Nuten 21 in dem Kolbenmantel 13B auf der Druckseite einen Keileffekt in dem Schmieröl, welches zu dem unteren Teil von jeder V-förmigen Nut 21 hin strömt, während sich der Kolben 10 aufwärts bewegt, um auf diese Weise den Reibungsverlust während der Aufwärtsbewegung des Kolbens zu reduzieren. Obwohl die V-förmigen Nuten 21 in dem Kolbenmantel 13F auf der Gegendruckseite einen umgekehrten Keileffekt bewirken können und die Gleitreibung erhöhen, wenn sich der Kolben 10 nach unten bewegt, bewirken die V-förmigen Nuten 21 auf der Gegendruckseite einen Quetscheffekt in dem Schmieröl, was einen Reibungsreduzierungseffekt bereitstellt, welcher größer ist als die Erhöhung des Reibungsverlusts, welcher durch den umgekehrten Keileffekt verursacht wird. Somit kann der Reibungsverlust effektiver reduziert werden verglichen mit dem Fall, wo nur einer von den Paaren von Kolbenmänteln 13F und 13B mit den V-förmigen Nuten 21 versehen ist.
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In der veranschaulichten Ausführungsform hat der Kolbenmantel 13 eine fassartige Form, was einen Kontakt mit der Innenwand von dem Zylinder 1 unterdrückt, um dadurch den Reibungsverlust zu reduzieren. Ferner, da die V-förmigen Nuten 21 derart ausgebildet sind, dass das obere Ende davon in dem dazwischenliegenden Körperabschnitt 17 angeordnet ist, und das untere Ende davon in dem unteren durchmesserreduzierten Abschnitt 19 angeordnet ist, erzeugen die V-förmigen Nuten 21 einen dynamischen Druck, welcher effektiv ist, um den Reibungsverlust zu reduzieren.
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In der veranschaulichten Ausführungsform ist wenigstens eine von den Außenflächen 13aF, 13aB von dem Paar von Kolbenmänteln 13F und 13R mit einer ungeraden Anzahl von V-förmigen Nuten 21s symmetrisch in Bezug auf die Kolbenmantel-Mittellinie 13X (Druck-bezogene Ebene 22) versehen, so dass nebeneinanderliegende von den V-förmigen Nuten 21 voneinander um einen vorbestimmten Abstand beabstandet sind. Dies ermöglicht es, dass die V-förmigen Nuten 21 einen hohen dynamischen Druck an einem Teil erzeugen, welches einem hohen Flächendruck ausgesetzt ist, um auf diese Weise den Reibungsverlust, welcher durch das Gleiten des Kolbens 10 verursacht wird, effektiv zu reduzieren.
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Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen davon beschrieben wurde, ist es für einen Fachmann offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt ist und dass verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung möglich sind. Beispielsweise, obwohl in der vorangehenden Ausführungsform ein Feststoff-Schmierfilm 20 auf die Außenfläche 13a von dem Kolbenmantel 13 aufgebracht ist und die V-förmigen Nuten 21 als Schnitte in dem beschichteten Film ausgebildet sind, können die V-förmigen Nuten 21 als Vertiefungen in der Außenfläche 13a von dem Kolbenmantel 13 ausgebildet sein durch irgendeinen geeigneten Prozess, wie zum Beispiel Pressen, maschinelle Bearbeitung, usw. Ferner kann die konkrete Struktur, Position, Material usw. von jedem Element oder Teil passend geändert oder modifiziert werden innerhalb einer Abweichung vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung.
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In der vorangehenden Ausführungsform besteht die V-förmige Nut aus zwei geraden Abschnitten, welche miteinander an einem Punkt (Spitze) verbunden sind. Jedoch kann die V-förmige Nut aus einer stumpfen V-Form bestehen, welche von zwei geraden Abschnitten gebildet ist, welche miteinander durch einen anderen geraden Abschnitt oder einen gekrümmten Abschnitt verbunden sind, obwohl in einem solchen Fall der Keileffekt, welcher durch die V-förmige Nut bewirkt wird, etwas beeinträchtigt sein kann.
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Vorgesehen ist ein Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, umfassend: einen zylindrischen Kolbenkopf (11), welcher verschiebbar in einem Zylinder (1) von dem Verbrennungsmotor aufgenommen ist und eine obere Fläche (11a) hat, welche einen Brennraum (S) definiert; ein Paar von Bolzen-Tragwänden (12L, 12R), welche von dem Kolbenkopf integral mit diesem abhängen und einen Kolbenbolzen (2) lagern; und ein Paar von Kolbenmänteln (13F, 13R), welche das Paar von Bolzen-Tragwänden miteinander verbinden und mit einer Innenwand von dem Zylinder im Gleitkontakt sind, wobei wenigstens einer von dem Paar von Kolbenmänteln auf einer äußeren Fläche (13a) davon mit wenigstens einer nach oben öffnenden V-förmigen Nut (21) ausgebildet ist, und wobei die wenigstens eine V-förmige Nut nur unter einer Achse (2X) von dem Kolbenbolzen vorgesehen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2554430 Y [0003, 0003, 0003, 0005, 0005, 0005, 0005]
- JP 2010-133365 A [0004, 0006, 0006, 0006]
