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[Technisches Gebiet]
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor und
insbesondere eine Vorrichtung zum Verbessern der Kühlfähigkeit eines
Kolbens in einem mit hoher Geschwindigkeit und hoher Leistung arbeitenden
Dieselmotor mit einem Kolben-Kühlungssystem,
das Motoröl
verwendet.
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[Stand der Technik]
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Ein
Beispiel für
ein herkömmliches
Kolben-Kühlungssystem
in einem mit hoher Leistung arbeitenden Dieselmotor ist das in dem
Patentdokument 1 beschriebene Kolben-Kühlungssystem für einen
Verbrennungsmotor.
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1 ist
eine seitliche Querschnittansicht, die eine Anordnung eines Kolbens
für einen
Verbrennungsmotor und das Kolben-Kühlungssystem des Patentdokuments
1 zeigt, und 2 ist eine Ansicht in der Richtung
des Pfeils X von 1. 1 zeigt außerdem eine
Ansicht entlang der Linie A-A und in der Richtung der Pfeile A von 2.
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In 1 und 2 ist
ein Kolben 1 gemäß einem
ersten Beispiel aus dem Stand der Technik durch Gießen ausgebildet (z.B.
als FCD-Gußeisen mit
Kugelgraphit). Auf einer oberen Fläche 2 des Kolbens 1 ist
eine vertiefte Verbrennungskammer 10 ausgebildet, die nach
oben hin geöffnet
ist, während ein
Ringkühlhohlraum 11 zwischen
der Verbrennungskammer 10 und einem oberen peripheren Teil 3 des
Kolbens 1 vorgesehen ist, wobei der obere periphere Teil 3 Kolbenringvertiefungen 4 aufweist.
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Der
Kühlhohlraum 11 weist
eine Einlassöffnung 12 und
eine mit ungefähr
90 bis 180 Grad zu der Einlassöffnung 12 beabstandete
Auslassöffnung 13 auf,
die beide im wesentlichen orthogonal zu dem Kühlhohlraum 11 in einer
T-Form und in Kommunikation mit einer Rückflächenseite des Kolbens 1 angeordnet
sind. Ebenfalls innerhalb des Kolbens 1 ist ein Führungsrohr 14 vorgesehen,
das die Einlassöffnung 12 und
ein unteres Endglied 6 eines Randes 5 des Kolbens 1 miteinander
verbindet und als Leitung für das
Motorkühlöl dient.
Außerdem
ist an einem oberen Teil des Führungsrohrs 14 eine Öleinspritzöffnung 15 zum
Einspritzen des Kühlöls zu einer
Rückfläche 10a der
Verbrennungskammer 10 ausgebildet.
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In
einem Zylinderblock (nicht gezeigt) unter dem Kolben 1 ist
eine Kühlöl-Zuführleitung 22 für das Motoröl aus einer Ölpumpe 21 gebildet,
wobei die Kühlöl-Zuführleitung 22 mit
einer Kühldüse 23 verbunden
ist, die zu einem unteren Endglied 14a des Führungsrohrs 14 ausgerichtet
ist. Die Ölpumpe 21, die
Kühlöl-Zuführleitung 22 und
die Kühldüse 23 bilden
ein Kühlsystem 20.
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Im
Folgenden wird der Betrieb beschrieben.
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In 1 wird
das Motorkühlöl unter
Druck von der Ölpumpe 21 durch
die Kühlöl-Zuführleitung 22 zu
der Kühldüse 23 geführt. Das
von der Kühldüse 23 zu
dem unteren Endglied 14a des Führungsrohrs 14 eingespritzte Öl steigt
durch das Führungsrohr 14, tritt
in den Kühlhohlraum 11 von
der Einlassöffnung 12 wie
durch die Pfeile angegeben ein und teilt sich nach rechts und links,
um eine Innenwand 11a des Kühlhohlraums 11 zu
kühlen,
und tritt dann aus der Auslassöffnung 13 in
den Zylinderblock (nicht gezeigt) aus. Ein Teil des Motoröls, das
durch das Führungsrohr 14 nach
oben gestiegen ist, wird zu der Rückfläche 10a der Verbrennungskammer 10 von der Öleinspritzöffnung 15 wie
durch die Pfeile angegeben eingespritzt, um die Rückfläche 10a zu
kühlen, und
in den Zylinderblock (nicht gezeigt) emittiert.
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Das
zu der Rückfläche 10a der
Verbrennungskammer 10 eingespritzte Motoröl kühlt also
zuverlässig
die Rückfläche 10a der
Verbrennungskammer 10, ohne durch eine Verbindungsstange
oder einen Stiftvorsprung (nicht gezeigt) gehindert zu werden. Die
Distanz zwischen dem Austritt aus der Kühldüse 23 und dem unteren
Endglied 14a des Führungsrohrs 14 ist
ausreichend schmal, sodass die Auffangrate des Motoröls verbessert
und die Menge des Kühlöls reduziert
werden kann. Weil außerdem nur
eine Kühldüse 23 erforderlich
ist, können
der Aufbau vereinfacht und damit die Kosten reduziert werden. Folglich
ist der Kolben vorzüglich
für einen
mit hoher Geschwindigkeit und hoher Leistung arbeitenden Motor geeignet.
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3 ist
eine seitliche Querschnittansicht eines artikulierten Kolbens 30 gemäß einem
zweiten Beispiel aus dem Stand der Technik.
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In 3 umfasst
der artikulierte Kolben 30 einen Kolbenkopf 31 aus
z.B. geschmiedeten Eisen und einen Kolbenrand 40 aus z.B.
Aluminium, wobei diese Komponenten und eine Verbindungsstange 41 schwenkbar
mit einem Kolbenstift 42 verbunden sind. Ein peripherer
Teil 32 des Kolbenkopfs 31 weist eine Vielzahl
von Kolbenringen 33 auf. Auf einer oberen Fläche des
Kolbenkopfs 31 ist eine vertiefte Verbrennungskammer 35 vorgesehen,
die sich nach oben öffnet,
während
eine Kühlvertiefung 36 zwischen
dem peripheren Teil 32 des Kolbenkopfs 31 und
der Verbrennungskammer 35 vorgesehen ist.
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In
dem artikulierten Kolben 30 ist eine Ölgalerie 41A, die
einen großen
Endteil 41D und einen kleinen Endteil 41S der
Verbindungsstange 41 miteinander verbindet, derart vorgesehen,
dass das Öl von
einem Kurbelstift 41C der Verbindungsstange eingeführt und
durch die Ölgalerie 41A zu
dem kleinen Endteil 41S der Verbindungsstange 41 geführt wird,
um von einem Loch 41H in einem Ende des kleinen Endteils 41S zu
einer Rückfläche 35a der
Verbrennungskammer 35 geführt zu werden. Das Öl wird auch
zu einer Innenwand 36a der Kühlvertiefung 36 durch
ein Kühlsystem
eingespritzt, das eine Kühldüse und ein
Führungsrohr
(nicht gezeigt) verwendet. Insbesondere ist die Kühlvertiefung 36 durch
eine Lenkplatte 37 an einem unteren Teil unterteilt, wobei das Öl von dem
Führungsrohr über ein
Einlassrohr 38 an der Lenkplatte 37 in die Kühlungsvertiefung 36 geführt wird.
Auf diese Weise können
dieselben Vorteile wie bei dem ersten Beispiel aus dem Stand der Technik
erhalten werden.
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- [Patentdokument 1] Offengelegte japanische Patentveröffentlichung
Nr. Hei 11-132101 (Seiten 3 und 4, 1 und 2)
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[Beschreibung der Erfindung]
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[Problemstellung der Erfindung]
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Die
oben beschriebenen Anordnungen können
die folgenden Probleme enthalten.
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In 1 wird
wie oben genannt während
des Motorbetriebs das Kühlmotoröl zu dem
Kühlhohlraum 11 und
zu der Rückfläche 10a der
Verbrennungskammer 10 zugeführt, um einen heißen Kopfteil
des Kolbens 1 zu kühlen.
Wenn der Motor gestoppt wird, wird auch die Zufuhr des Motoröls gestoppt.
wenn der Motor gestoppt wird, wird also das Motorkühlöl an dem
Kolben 1 heiß.
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Die
verbleibende Motoröl,
das an besonders heiß werdenden
Bereichen wie den durch eine doppelt gestrichelte Linie angegebenen
Bereichen a der Innenwand 11a des Kühlhohlraums 11 und
dem durch eine doppelt gestrichelte Linie angegebenen Bereich b
der Rückfläche 10a der
Verbrennungskammer 10 haftet, verbrennt, wodurch eine Verkohlung verursacht
wird. Wenn dieser Vorgang wiederholt wird, sammelt sich das verkohlte Öl in Schichten
an, wodurch der Wärmeübertragungskoeffizient
vermindert wird und eine schlechte Kühlleistung erhalten wird. Die
nicht ausreichend gekühlten
Bereiche werden entsprechend heiß, wodurch die Stärke beeinträchtigt wird
und Risse entstehen können.
Je höher die
Motorleistung ist, desto größer ist
das Risiko. Und je gröber
die Oberflächen
der Innenwand 11a und der Rückwand 10a sind, desto
einfacher haftet das verkohlte Öl
an diesen Oberflächen
und sammelt sich dort an. Das Problem kann gelöst werden, indem die Menge
des Kühlöls erhöht wird,
wobei in diesem Fall jedoch eine größere Ölpumpe oder ein Ölkühler mit einer
größeren Kapazität zum Kühlen des Öls erforderlich
werden, wodurch sich wiederum die Größe und die Kosten vermehren.
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Dasselbe
Problem tritt bei dem artikulierten Kolben 30 von 3 auf.
Insbesondere wird eine Verkohlung des Öls in den Bereichen a und b
erzeugt, die durch die doppelt gestrichelten Linien von 3 angegeben
werden.
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Die
vorliegende Erfindung bezweckt, die oben beschriebenen Probleme
zu beseitigen, wobei es eine Aufgabe der Erfindung ist, einen Kolben
für einen
Verbrennungsmotor anzugeben, der das Risiko einer Verkohlung und
der Ansammlung von Motoröl
beseitigen kann, wenn der Kolben durch das Motoröl gekühlt wird, und der einfach auf
eine erhöhte Motorleistung
reagieren kann, wobei er einen einfachen und kompakten Aufbau aufweist
und deshalb keine erhöhten
Kosten mit sich bringt.
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[Problemlösung]
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Ein
Kolben für
einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch
1 der vorliegenden Erfindung ist ein durch Öl gekühlter Kolben. Der Kolben umfasst:
eine Verbrennungskammer, die in einer vertieften Form auf einer
oberen Fläche
des Kolbens ausgebildet ist und eine durch das Öl gekühlte Rückfläche aufweist; und einen Ringkühlungshohlraum
oder eine Ringkühlungsvertiefung,
der bzw. die auf einem peripheren Teil der Verbrennungskammer vorgesehen
ist, wobei eine Innenwand des Hohlraums bzw. der Vertiefung durch
das Öl
gekühlt
wird. Die Oberflächenrauheit
der Rückfläche der
Verbrennungskammer, der Innenwand des Kühlhohlraums und/oder der Innenwand
der Kühlvertiefung
ist gleich oder kleiner als 6,3S.
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Ein
Kolben für
einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch
2 der vorliegenden Erfindung ist ein durch Öl gekühlter Kolben. Der Kolben umfasst:
eine Verbrennungskammer, die in einer vertieften Form auf einer
oberen Fläche
des Kolbens ausgebildet ist und eine durch das Öl gekühlte Rückfläche aufweist; und einen Ringkühlungshohlraum
oder eine Ringkühlungsvertiefung,
der bzw. die auf einem peripheren Teil der Verbrennungskammer vorgesehen
ist, wobei eine Innenwand des Hohlraums bzw. der Vertiefung durch
das Öl
gekühlt
wird. Die Rückfläche der Verbrennungskammer,
die Innenwand des Kühlhohlraums
und/oder die Innenwand der Kühlvertiefung
ist mit einer beschichteten Oberfläche versehen, um ein Verkohlen
des Öls
zu verhindern.
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Ein
Kolben für
einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 4 der Erfindung ist ein durch Öl gekühlter Kolben.
Der Kolben umfasst: eine Verbrennungskammer, die in einer vertieften
Form auf einer oberen Fläche
des Kolbens ausgebildet ist und eine durch das Öl gekühlte Rückfläche aufweist; und einen Ringkühlungshohlraum
oder eine Ringkühlungsvertiefung,
der bzw. die auf einem peripheren Teil der Verbrennungskammer vorgesehen
ist, wobei eine Innenwand des Hohlraums bzw. der Vertiefung durch das Öl gekühlt wird.
Die Oberflächenrauheit
der Rückfläche der
Verbrennungskammer, der Innenwand des Kühlhohlraums und/oder der Innenwand der
Kühlvertiefung
ist gleich oder kleiner als 6,3S. Die Rückfläche der Verbrennungskammer,
die Innenwand des Kühlhohlraums
und/oder die Innenwand der Kühlvertiefung
sind mit einer beschichteten Oberfläche versehen, um ein Verkohlen
des Öls
zu verhindern.
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Der
Kolben für
einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 4 der Erfindung ist ein Kolben
nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Oberflächenbeschichtung eine dünne Schicht
aus einem selbstreinigenden Katalysator ist.
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Der
Kolben für
einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 5 der Erfindung ist der Kolben
nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Oberflächenbeschichtung eine dünne Schicht
aus einer Porzellan-Email-Beschichtung ist.
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Der
Kolben für
einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 6 ist der Kolben nach Anspruch
2 oder 3, wobei die Oberflächenbeschichtung
eine dünne
Schicht aus einer Polysilazan-Silica-Beschichtung ist.
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[Vorteile der Erfindung]
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Wie
oben beschrieben ist gemäß einem
Aspekt der Erfindung nach Anspruch 1 die Oberflächenrauheit des Kühlungshohlraums,
der Kühlungsvertiefung
und/oder der Rückfläche der
Verbrennungskammer des Kolbens gleich oder kleiner als 6,3S. Deshalb
neigt das Öl
weniger dazu, in diesen Bereichen zu verbleiben, wodurch ein Verkohlen
des Öls
und eine Verminderung des Wärmeübertragungskoeffizienten
und dadurch eine Temperaturerhöhung
vermieden werden können.
Auf diese Weise kann eine Verschlechterung der Stärke des
Kolbens aufgrund eines Verkohlens vermieden werden. Es ist deshalb nicht
erforderlich, die Menge des Kühlöls und die
Kapazität
eines Ölkühlers am
Motorausgang zu erhöhen,
wobei ein Kolben für
einen Verbrennungsmotor mit einem einfachen und kompakten Aufbau
erhalten werden kann, der keine Kostenerhöhung verursacht und einfach
auf eine Erhöhung
der Motorleistung reagiert.
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Es
ist zu beachten, dass die Oberflächenrauheit
eine Rauheit einer Metallfläche
des Kolbens ist.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung nach Anspruch 2 ist der Kühlhohlraum, die Kühlvertiefung und/oder
die Rückfläche der
Verbrennungskammer des Kolbens mit einer Oberflächenbeschichtung versehen,
um ein Verkohlen des Öls
zu verhindern. Deshalb neigt das Öl weniger dazu, in den Bereichen
zu verbleiben, wodurch ein Verkohlen des Öls und damit einer Verminderung
des Wärmeübertragungskoeffizienten
und eine Temperaturerhöhung
vermieden werden. Es kann also eine Verschlechterung der Stärke des
Kolbens aufgrund des Verkohlens vermieden werden. Auf diese Weise
kann ein Kolben für
einen Verbrennungsmotor, der einfach auf eine Erhöhung der
Motorleistung reagiert, kostengünstig
erhalten werden.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung nach Anspruch 3 ist die Oberflächenrauheit
des Kühlhohlraums,
der Kühlvertiefung
und/oder der Rückfläche der
Verbrennungskammer des Kolbens gleich oder kleiner als 6,3S. Außerdem ist
die Oberfläche
beschichtet, um ein Verkohlen des Öls zu verhindern. Dadurch kann
das verbleibende Öl
weiter reduziert werden und entsprechend ein Verkohlen vermindert werden.
Es kann also eine Verschlechterung der Stärke des Kolbens aufgrund eines
Verkohlens verhindert werden. Auf diese Weise kann ein Kolben für einen
Verbrennungsmotor, der einfach auf eine erhöhte Motorleistung reagiert,
kostengünstig
erhalten werden.
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Es
ist zu beachten, dass die Oberflächenrauheit
eine Rauheit einer Metallfläche
des Kolbens vor der Oberflächenbeschichtung
ist.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung nach Anspruch 4 ist die Oberflächenbeschichtung
eine dünne
Schicht aus einem selbstreinigenden Katalysator. Das verkohlende Öl kann dabei
oxidiert und als CO2 abgegeben werden, sodass
es nicht auf der Oberfläche
verbleibt. Außerdem
ist die Oberflächenbeschichtung
als eine dünne
Schicht ausgebildet, sodass eine Verminderung des Wärmeübertragungskoeffizienten
reduziert werden kann.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung nach Anspruch 5, ist die Oberflächenbeschichtung
eine dünne
Schicht aus einer Porzellan-Email-Beschichtung. Die Oberfläche ist
entsprechend glatter, sodass das verkohlende Öl nicht so gut haften kann.
Durch die Ausbildung einer dünnen
Schicht kann weiterhin eine Verminderung des Wärmeübertragungskoeffizienten reduziert
werden.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung nach Anspruch 6 ist die Oberflächenbeschichtung
eine dünne
Schicht aus einer Polysilazan-Silica-Beschichtung. Die Oberflächenbeschichtung
kann also eine extrem dünne
Filmbeschichtung sein. Dadurch kann eine Verminderung des Wärmeübertragungskoeffizienten zuverlässiger reduziert
werden und kann die Oberfläche
glatter vorgesehen werden, sodass weniger verkohlendes Öl zurückbleibt.
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[Kurzbeschreibung der
Zeichnungen]
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1 ist
eine seitliche Querschnittansicht einer Anordnung eines Kolbens
für einen
Verbrennungsmotor und eines Kolben-Kühlungssystems gemäß einem
ersten Beispiel aus dem Stand der Technik.
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2 ist
eine Ansicht in der Richtung des Pfeils X von 1.
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3 ist
eine seitliche Querschnittansicht einer Anordnung eines Kolbens
gemäß einem
zweiten Beispiel aus dem Stand der Technik.
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4 ist
eine seitliche Querschnittansicht eines einstückig gegossenen Kolbenkopfs
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5 ist
eine seitliche Querschnittansicht eines artikulierten Kolbenkopfs
gemäß der ersten
Ausführungsform.
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6 ist
eine Querschnittansicht einer zweiten Ausführungsform.
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7 ist
eine Querschnittansicht einer dritten Ausführungsform.
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8 zeigt
eine Formel für
den Aufbau einer vierten Ausführungsform.
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[Erläuterungen der Bezugszeichen]
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- 1, 30: Kolben; 10, 35:
Verbrennungskammer; 10a, 35a: Rückfläche; 11:
Kühlhohlraum; 11a, 36a:
Innenwand; 36: Kühlvertiefung; 50:
dünne Schicht
aus einem selbstreinigenden Katalysator; 60: dünne Schicht
aus einer Porzellan-Email-Beschichtung
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[Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung]
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Im
Folgenden werden Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Es
ist zu beachten, dass weil sich die Kolben der einzelnen Ausführungsformen
nur in einem Teil von den herkömmlichen
Kolben von 1 und 3 unterscheiden
und die sonstige Form bzw. der sonstige Aufbau der Kolben gleich
sind, die in 1 und 3 verwendeten
Bezugszeichen auch für
die Beschreibung der Ausführungsformen
verwendet werden.
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[Erste Ausführungsform]
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4 ist
eine seitliche Querschnittansicht eines einstückig gegossenen Kolbenkopfs
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und 5 ist eine
seitliche Querschnittansicht eines artikulierten Kolbenkopfs.
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Gemäß der Ausführungsform
ist in 4 die Oberflächenrauheit
einer Rückfläche 10a einer
Verbrennungskammer 10 und einer Innenwand 11a eines
Kühlhohlraums 11 eines
Kolbens 1 gleich 6,3S. In 5 dagegen
sind die Oberflächenrauheiten
einer Rückfläche 35a einer
Verbrennungskammer 35 und einer Innenwand 36a einer Kühlvertiefung 36 eines
artikulierten Kolbens 30 gleich oder kleiner als 6,3S.
Insbesondere sind wenigstens die Oberflächenrauheiten der durch doppelt
gestrichelte Linien in 4 und 5 angegebenen
Bereiche a' und
b' gleich oder kleiner
als 6,3S. Die durch die doppelt gestrichelten Linien angegebenen
Bereiche a' und
b' entsprechen jeweils
den Bereichen a und b, die durch die doppelt gestrichelten Linien
in 1 und 3 angegeben werden.
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Je
nach dem Grad der Temperaturerhöhung der
Kolben 1 und 30 können nur die Oberflächenrauheit
der Rückflächen 10a und 35a der
Verbrennungskammern 10 und 35 gleich oder kleiner
als 6,3S sein oder können
nur die Oberflächenrauheit
der Innenwand 11a des Kühlhohlraums 11 und
der Innenwand 36a der Kühlvertiefung 36 gleich
oder kleiner als 6,3S sein.
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Die
Oberflächenrauheit
weist eine durch den japanischen Industriestandard JIS definierte
maximale Höhe
Rz (JIS B 0601-2001)
auf, wobei unter „gleich
oder weniger als 6,3S" in
der vorliegenden Ausführungsform
zu verstehen ist, dass die maximale Höhe Rz gleich oder kleiner als
6,2 μm ist.
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Um
die Oberflächenrauheit
gleich oder kleiner als 6,3S vorzusehen, kann eine Gussfläche nach dem
Gießen
(im Falle des Kolbens 1) oder einer Fläche nach dem Schmieden (im
Fall des Kolbens 30) durch ein Verfahren wie etwa ein Kugelstrahlen, Sandstrahlen,
Flüssigschleifen,
Schleifen oder Verarbeiten durch eine Maschine wie etwa eine Dreh-
oder Fräsmaschine
verarbeitet werden. Bei einem Gießen kann der Gussvorgang unter
Verwendung eines Präzisions-Gussvorgangs
durchgeführt
werden. Die Oberflächenrauheit
kann mit gleich oder weniger als 6,3S vorgesehen werden, indem ein
Prozess wie etwa Polieren, Papierwickeln, Tuchwickeln, chemisches
Polieren, elektrolytisches Polieren oder ähnliches durchgeführt wird.
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[Zweite Ausführungsform]
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind wie bei der ersten Ausführungsform
an dem Kolben 1 die Oberflächenrauheit der Rückfläche 10a der
Verbrennungskammer 10 und/oder die Oberflächenrauheit
der Innenwand 11a des Kühlhohlraums 11 gleich
oder kleiner als 6,3S, während
an dem Kolben 30 die Oberflächenrauheit der Rückfläche 35a der
Verbrennungskammer 35 und/oder die Oberflächenrauheit
der Innenwand 36a der Kühlvertiefung 36 gleich
oder kleiner als 6,3S sind. Diese Bereiche, deren Oberflächenrauheit
mit gleich oder weniger als 6,3S vorgesehen wird, werden beschichtet,
um ein Verkohlen des Öls zu
verhindern.
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Die
Oberflächenbeschichtung
in der vorliegenden Ausführungsform
ist eine dünne
Schicht 50 aus einem selbstreinigenden Katalysator wie
in 6 gezeigt.
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Die
dünne Schicht 50 des
selbstreinigenden Katalysators umfasst einen Katalysator, ein wärmebeständiges Verbindungsmaterial
(Fritte) und ein poröses
Material (Lech) und weist eine Funktion zum flammenlosen Oxidieren
und Verbrennen des restlichen Öls
durch eine katalytische Aktion zu Dampf und Kohlendioxid auf. Und
wenn der Motor betrieben wird und die Kolben 1 und 30 normal
und kontinuierlich durch Öl
gekühlt
werden, ist die absolute Menge des zugeführten Öls groß, sodass das Öl hauptsächlich für die Kühlung verwendet
und nicht durch die katalytische Reaktion oxidiert und verbrannt
wird. Wenn der Motor dagegen gestoppt ist und auch die Kolben 1 und 30 gestoppt
sind, ist die absolute Menge des auf den Oberflächen verbleibenden Öls im Vergleich zu
der Kühlung
sehr klein, sodass das verbleibende Öl nicht für die Kühlung verwendet wird, sondern durch
die katalytische Reaktion oxidiert und verbrannt wird, um von der
dünnen
Schicht 50 entfernt zu werden und entsprechend ein Verkohlen
zu verhindern.
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Wie
in 6 gezeigt, umfasst die dünne Schicht 50 des
selbstreinigenden Katalysators: eine Basisschicht 51 aus
einer Porzellan-Email-Zusammensetzung, die auf einer Metallfläche des
Kolben 1 und 30 bildet ist, und eine katalytische
Schicht 52, die eine poröse in Porzellan gehüllte Zusammensetzung auf
der Basisschicht 51 ist, wobei die katalytische Schicht 52 einen
Katalysator 53 hält.
Die Dicke der dünnen
Schicht 50 wird annähernd
mit Rücksicht
auf die Auswirkung bestimmt, die eine Verminderung des Wärmeübertragungskoeffizienten
auf die Kühlwirkung
vorsieht. Es ist zu beachten, dass optional eine korrosionsbeständige Schicht
durch einen Aluminierungsprozess zwischen der Metallfläche und
der Basisschicht 51 vorgesehen werden kann.
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Als
Katalysator können
zum Beispiel γ-MnO2 und Zn-Mn-Ferrit für die Oxidation und α-AL2O3 und Zeolit (Aluminosilicat)
für den
Aufschluss jeweils in einer feinen Pulverform verwendet werden.
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Als
wärmebeständiges Verbindungsmaterial für das Porzellan-Email
kann ein Niedertemperatur-Porzellan-Email verwendet werden, das
als synthetische Zusammensetzung aus zum Beispiel SiO2, B2O3, NaO, K2O, Li2O, CaO und
Al2O3 gebildet wird und
mit Rücksicht
auf die Erweichungstemperatur des Materials der Kolben 1 und 30 mit
einer niedrigen Temperatur von 580°C oder weniger gebrannt wird.
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Die
dünne Schicht 50 wird
durch das Durchführen
von zwei Beschichtungen und einem Brennen ausgebildet.
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Insbesondere
werden zuerst die Kolben 1 und 30 entfettet und
gewaschen und wird das gemahlene wärmebeständige Verbindungsmaterial für die Basisbeschichtung
auf einen zu beschichtenden Teil aufgetragen und durch einen Weitinfrarotstrahl mit
einer Wellenlänge
zwischen 3 und 30 μm
getrocknet. Dann werden der Katalysator und das wärmebeständige Verbindungsmaterial,
die gemischt und gemahlen wurden, auf das basisbeschichtete und
wärmebeständige Verbindungsmaterial
aufgetragen und auf gleiche Weise durch den Weitinfrarotstrahl getrocknet.
Nachdem die Hauptzusammensetzung aufgetragen wurde, wird das Ganze
gebrannt, um die dünne
Schicht 50 zu erhalten, die die Basisschicht 51 und
die katalytische Schicht 52 umfasst.
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[Dritte Ausführungsform]
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Gemäß einer
dritten Ausführungsform
wird wie in 7 gezeigt als Oberflächenbeschichtung
alternativ eine dünne
Schicht 60 aus Porzellan-Email ohne Katalysator für die dünne Schicht 50 des
selbstreinigenden Katalysators der zweiten Ausführungsform verwendet. Die dünne Schicht 60 wird
durch eine einzelne Schicht aus Porzellan-Email ohne einen Katalysator
ausgebildet. Die Zusammensetzung des Porzellan-Emails kann die gleiche wie diejenige des
wärmebeständigen Verbindungsmaterials
der zweiten Ausführungsform
sein, wobei es sich jedoch auch um eine andere Zusammensetzung handeln kann,
die allgemein für
eine Porzellan-Email-Endbearbeitung des Niedertemperatur-Porzellan-Email-Typs
verwendet wird. Die Dicke der dünnen
Schicht 60 wird mit Rücksicht
auf die Auswirkungen auf die Kühlwirkung
bestimmt und liegt ungefähr zwischen
2 und 1000 μm.
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[Vierte Ausführungsform]
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Gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine dünne Schicht aus Polysilazan-Silica
als Oberflächenbeschichtung
verwendet. Der Bereich, in dem die dünne Schicht ausgebildet wird,
ist derselbe wie in der zweiten und dritten Ausführungsform.
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Die
dünne Schicht
wird extrem dünn
als einzelne Schicht mit einer Dicke von 0,1 bis 1,0 μm ausgebildet.
Wie in 8 gezeigt, ist die dünne Schicht eine dünne und
hochreine Silica-Schicht (amorphes SiO2),
die unter Verwendung eines organisches Lösungsmittels aus Polysilazan,
deren Basiseinheit SiH2NH ist, und durch
das Brennen mit 450°C
in atmosphärischer
Luft oder in einer dampfhaltigen Atmosphäre, die eine Reaktion mit Feuchtigkeit
und Sauerstoff gestattet, erhalten wird.
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Das
Beschichtungsmaterial aus Polysilazan ist von Clariant (Japan) K.K.
erhältlich.
Das Polysilazan kann unter Verwendung eines beliebigen Verfahrens
etwa durch Sprühen,
manuelles Reiben mit einem Tuch, Deckbeschichten, Rollbeschichten
oder ähnliches
aufgetragen werden. Durch die Verwendung der Polysilazan-Beschichtung
kann eine Silica-Schicht vorgesehen werden, die keramisch, extrem
hart, dünn
und glatt ist, sodass ein Verbleiben von Öl effektiv verhindert und dementsprechend
ein Verkohlen des Öls
vermieden werden kann.
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Es
ist zu beachten, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht
auf die oben beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt
ist, sondern verschiedene Verbesserungen und Variationen umfasst, durch
die die Aufgabenstellung der Erfindung gelöst werden kann.
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Insbesondere
kann zum Beispiel bei dem einstückig
gegossenen Kolben 1 von 1, 2 und 4 die
Rückfläche 10a der
Verbrennungskammer 10 durch das in der Verbindungstange
fließende Öl wie bei
dem artikulierten Kolben 30 von 3 gekühlt werden.
Alternativ hierzu kann die Rückfläche 35a der
Verbrennungskammer 35 in dem Kolben 30 durch das
von dem Führungsrohr über die Kühlungsdüse eingespritzte Öl gekühlt werden.
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Es
können
zwei Paare der Kühlungsdüse und des
Führungsrohrs
für einen
Kolben vorgesehen werden. In diesem Fall kann ein Paar zum Einspritzen
des Öls
zu dem Kühlhohlraum
und den Kühlvertiefungen
der Verbrennungskammer auf der Seite des peripheren Teils verwendet
werden, während das
andere Paar zum Einspritzen des Öls
zu der Rückfläche der
Verbrennungskammer verwendet werden kann.
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In
der zweiten, dritten und vierten Ausführungsform ist die Oberflächenrauheit
des beschichteten Teils gleich oder kleiner als 6,3S. Die Oberflächenrauheit
kann jedoch gemäß der Erfindung
nach Anspruch 4, 5 und 6 ohne Rückbezug
auf Anspruch 3 (d.h. nur mit Rückbezug
auf Anspruch 2) auch größer als
6,3S sein. Auch wenn die Oberflächenrauheit größer als
6,3S ist, neigt das Öl
aufgrund der Oberflächenbeschichtung
weniger zu einem Verbleien und kann entsprechend ein Verkohlen vermieden werden.
Die Oberflächenrauheit
von 6,3S oder weniger kann jedoch zuverlässiger und effektiver ein Verbleiben
des Öls
verhindern.
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Es
wurden bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf
diese beschränkt
ist. Mit anderen Worten wurde die vorliegende Erfindung nur in Bezug auf
bestimmte Ausführungsformen
gezeigt und erläutert,
wobei dem Fachmann deutlich sein sollte, dass verschiedene Änderungen
an den oben beschriebenen Ausführungsformen
hinsichtlich der Form, der Menge oder anderer Einzelheiten vorgenommen werden
können,
ohne dass deshalb der Umfang und das technische Konzept der Erfindung
verlassen werden.
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Die
vorstehende Beschreibung der Formen und Materialien dient der beispielhaften
Erläuterung und
nicht der Eingrenzung der Erfindung, wobei die beschriebenen Komponenten
nicht auf die beschriebene Form und das beschriebene Material beschränkt sind.
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[Industrielle Anwendbarkeit]
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Die
vorliegende Erfindung kann für
einen beliebigen Kolben angewendet werden, der für einen Verbrennungsmotor wie
etwa einen Dieselmotor oder einen Benzinmotor verwendet wird.
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Zusammenfassung
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Die
Oberflächenrauheit
einer Rückfläche 10a einer
Verbrennungskammer 10 und einer Innenwand 11a eines
Kühlhohlraums 11 eines
Kolbens 1 (die durch die doppelt gestrichelten Linien angegebenen
Bereiche a' und
b') sind gleich
oder kleiner als 6,3S. Die Bereiche mit einer Oberflächenrauheit
von gleich oder weniger als 6,3S sind mit einer Schicht aus einem
selbstreinigenden Katalysator beschichtet. Entsprechend neigt das Öl weniger
dazu, auf den beschichteten Bereichen zu verbleiben, sodass ein Verkohlen
des Öls
und eine Verminderung des Wärmeübertragungskoeffizienten
vermieden und dadurch eine Temperaturerhöhung und eine Verschlechterung
der Stärke
des Kolbens aufgrund eines Verkohlens verhindert werden können. Deshalb kann
ein Kolben 1, 30 für einen Verbrennungsmotor mit
einem einfachen und kompakten Aufbau kostengünstig erhalten werden, der
einfach auf eine erhöhte Motorleistung
reagiert, ohne dass dazu die Menge des Kühlöls oder die Kapazität eines Ölkühlers erhöht werden
müssen.