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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring, der mit einer Kolbenringnut
eines Kolbens eines Verbrennungsmotors oder dergleichen in Eingriff ist.
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Kolbenringe werden allgemein in Ölringe und Druckringe klassifiziert. In jedem Fall kann
ein Kolbenring einen Kolbenringhauptkörper und einen Expander aufweisen, der an
einer inneren Randoberflächenseite des Kolbenringhauptkörpers für ein Übertragen einer
Druckkraft in der Durchmessererstreckungsrichtung des Kolbenringhauptkörpers
angeordnet ist.
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In solch einem Kolbenring bildet die Summe aus dem Kolbenringhauptkörper und der
Druckkraft des Expanders die Spannung des Kolbenrings im Ganzen aus. Diese
Spannung des Kolbenrings im Ganzen wird so festgelegt, dass der Kolbenring dessen
Funktionen auch unter den härtesten Bedingungen entfalten kann, um eine Verwendung des
Kolbenrings zu erlauben. Beispielsweise wird in einem Kolbenring, der in einem Kolben
eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist, eine Kolbenringspannung unter der
Annahme eines Hochgeschwindigkeits-Hochbelastungs-Zustandes des Verbrennungsmotors
festgelegt.
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In einem Kolbenring, der einen Kolbenringhauptkörper und einen Expander aufweist,
wird daher eine Druckkraft des Expanders selbstverständlich unter der Annahme der
Hochbelastungsbedingung des Verbrennungsmotors oder dergleichen festgelegt.
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In einem herkömmlichen Kolbenring hat jedoch Motorenöl, das an der inneren
Randoberfläche des Zylinders haftet, eine ansteigend größere Kraft, die bewirkt, dass
der Kolbenring unter der Wirkung des Ölhydraulikdrucks, der zwischen der inneren
Zylinderrandoberfläche und dem Kolbenring mit der Erhöhung der Geschwindigkeit der
Hin- und Herbewegung des Kolbens erzeugt wird, nach oben treibt. Der Ölverbrauch
neigt dazu, größer zu werden, wenn die Geschwindigkeit und die Belastung größer
werden. Daher wird die Spannung des gesamten Kolbenrings unter der Annahme eines
Hochgeschwindigkeits- und Hochbelastungszustandes, d. h. eines
Hochtemperaturzustandes des Verbrennungsmotors, festgelegt. In einem Niedriggeschwindigkeits- und
Niedrigbelastungszustand, d. h. bei einem Niedrigtemperaturzustand des
Verbrennungsmotors, würde eine Spannung, die höher als notwendige Niveau ist, auf die innere
Randoberfläche des Zylinders wirken und daher in einer Reibung resultieren. In diesem
Fall ist es auch denkbar, dass eine Spannung für den gesamten Kolbenring unter der
Annahme eines Niedriggeschwindigkeits- und Niedrigbelastungszustandes festgelegt
wird. In diesem Zustand ist jedoch der Hochgeschwindigkeits- und
Hochbelastungsbetrieb nicht erwünscht, da er eine plötzliche Erhöhung des Ölverbrauchs bewirken würde.
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Neben den obengenannten Problemen ist das folgende Problem aufgetreten.
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Beim Anbringen eines herkömmlichen Kolbenringes, der einen Kolbenringhauptkörper
und einen Expander aufweist, an einem Kolben, war es notwendig, die in Fig. 4 gezeigte
Vorgehensweise auszuführen. In Hinblick auf Fig. 4 ist ein Kolbenring beschrieben, der
einen zweistückigen kombinierten Ölring 50 aufweist, der sich aus einem
Ölringhauptkörper 51 und einem Spulenexpander 52 zusammensetzt.
- 1. Außereingriffbringen eines Verbindungsabschnittes 54 des Spulenexpanders 52
(siehe Fig. 4(a));
- 2. Wickeln des Spulenexpanders 52 um eine Ölringnut 55, und Verbinden des
Verbindungsabschnittes 54 mit einem Verbindungsstift 56 (siehe 4(b)); und
- 3. Anbringen des Ölringhauptkörpers 51 an der Ölringnut 55, so dass eine
Eingriffsöffnung 511 an einer Position 180° relativ zu der Position des Spulenexpanders 52
ist (siehe Fig. 4(c)).
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Gemäß diesem Anbringverfahren ist es notwendig, erst den Verbindungsabschnitt des
Spulenexpanders außer Eingriff zu bringen und dann den Verbindungsabschnitt wieder
zu verbinden. Dies ist mühselig und zusätzlich kann diese Vorgehensweise nicht
automatisiert werden, was in der Notwendigkeit resultiert, alle Schritte des Verfahrens
manuell auszuführen.
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Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um diese Probleme zu lösen, und es ist ihre
Hauptaufgabe, einen Kolbenring zur Verfügung zu stellen, welcher eine Spannung
erzeugt, die für den Niedriggeschwindigkeits- und Niedrigbelastungszustand bzw. den
Hochgeschwindigkeits- und Hochbelastungszustand geeignet ist, und die mühselige
Arbeit eines Anbringens eines Kolbenringes, der einen Kolbenringhauptkörper und einen
Expander in einer Kolbenringnut eines Kolbens eines Verbrennungsmotors oder
dergleichen aufweist, verringert oder beseitigt.
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Um das obengenannte Problem zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung einen
Kolbenring zur Verfügung, der einen Kolbenringhauptkörper und einen Spulenexpander
aufweist, der an einem inneren Rand des Kolbenringhauptkörpers angeordnet ist; wobei
der Spulenexpander zwei Spulenexpanderelemente aufweist, und wobei eines der
Spulenexpanderelemente in einem Freiraum in einer Spirale des anderen
Spulenexpanderelementes beherbergt ist.
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Die vorliegende Erfindung stellt weiter einen Kolbenring zur Verfügung, der einen
Kolbenringhauptkörper und einen Expander aufweist, der an einem inneren Rand des
Kolbenringhauptkörpers angeordnet ist; wobei der Expander ein Hauptexpanderelement
und ein Nebenexpanderelement aufweist, das durch ein Eingreifen in ein
Hauptexpanderelement angeordnet ist; wobei der Kolbenring so ausgebildet ist, dass die Druckkraft
in einer Durchmessererstreckungsrichtung des Kolbenrings des Expanders im Ganzen
durch das Hauptexpanderelement übertragen wird und das Nebenexpanderelement in
einem Hochtemperaturzustand größer als in einem Niedrigtemperaturzustand ist.
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Die vorliegende Erfindung stellt weiter den oben beschriebenen Kolbenring zur
Verfügung, wobei wenigstens eines von dem Hauptexpanderelement und dem
Nebenexpanderelement durch eine Legierung mit Formerinnerungsvermögen bzw. einer Memory-
Legierung oder durch ein Bimetall ausgebildet wird, dessen Spannung sich mit der
Temperatur verändert.
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Die vorliegende Erfindung stellt weiter den oben beschriebenen Kolbenring zur
Verfügung, wobei sowohl das Hauptexpanderelement als auch das Nebenexpanderelement
Spulenexpanderelemente sind, und wobei deren Anordnung so ist, dass eines von den
Spulenexpanderelementen in einem Freiraum einer Spirale des anderen
Spulenexpanderelementes beherbergt ist.
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Die vorliegende Erfindung stellt weiter den oben beschriebenen Kolbenring zur
Verfügung, wobei sowohl das Hauptexpanderelement als auch das Nebenexpanderelement
Plattenexpanderelemente sind, die an einer Achse angeordnet sind.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand einer
detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen erläutert.
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Fig. 1 zeigt Längsquerschnittsansichten, die eine erste Ausführungsform des
Kolbenrings der vorliegenden Erfindung darstellen: (a) ist eine
Längsquerschnittsansicht des Kolbenrings der Erfindung in einem Niedrigtemperaturzustand; und (b)
ist eine Längsquerschnittsansicht des Kolbenrings der Erfindung in einem
Hochtemperaturzustand;
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Fig. 2 ist eine Draufsicht auf einen Spulenexpander des Kolbenrings der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 3 zeigt Längsquerschnittsansichten, die eine zweite Ausführungsform des
Kolbenrings der vorliegenden Erfindung darstellen: (a) ist eine
Längsquerschnittsansicht des Kolbenrings der Erfindung in einem Niedrigtemperaturzustand; und (b)
ist eine Längsquerschnittsansicht des Kolbenrings der Erfindung in einem
Hochtemperaturzustand; und
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Fig. 4 zeigt beschreibende Ansichten, die das Anbringverfahren eines herkömmlichen
zweistückigen kombinierten Ölringes an einem Kolben darstellen: (a) ist eine
perspektivische Teilansicht, die einen außer Eingriff gebrachten Zustand des
Spulenexpanders zeigt; (b) ist eine perspektivische Teilansicht des Zustandes,
in welchem der Spulenexpander um die Spulenringnut gewunden ist und ein
Verbindungsstift verbunden ist; und (c) ist eine perspektivische Teilansicht, die
eine um 180 Grad gedrehte Position von (b) in einem Zustand darstellt, in
welchem der Ölringhauptkörper angebracht ist.
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Die Bezugszeichen in den Zeichnungen repräsentieren die folgenden
Komponententeile:
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1: Zylinder; 2: Kolben; 3: Ölringnut; 10, 13: Ölring bzw. Schmierring; 11, 31:
Ölringhauptkörper; 20, 40: Spulenexpander; 21, 41: Hauptexpanderelement; 22, 42:
Nebenexpanderelement; 23: Freiraum in einer Spirale; 24: Eingriffsöffnungsöffnung des
Expanderelementes; 25: Eingriffsöffnung des Nebenexpanderelementes; FM: Druckkraft
des Hauptexpanderelements; FM': Druckkraft des Hauptexpanderelementes auf die
Durchmesserdeformation; FS: Druckkraft des Nebenexpanderelementes.
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Die vorliegende Erfindung stellt einen Kolbenring zur Verfügung, der einen
Kolbenringhauptkörper und einen Spulenexpander aufweist, der an einem inneren Rand des
Kolbenringhauptkörpers angeordnet ist; wobei der Spulenexpander zwei
Spulenexpanderelemente aufweist, und wobei eines der Spulenexpanderelemente in einem Freiraum
einer Spirale des anderen Spulenexpanderelementes beherbergt ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Spulenexpander zwei
Spulenexpanderelemente auf, wobei eines der Spulenexpanderelemente in einem Freiraum einer
Spirale des anderen Expanderelementes beherbergt ist. Das Spulenexpanderelement,
das in dem Freiraum in der Spirale beherbergt ist, übernimmt die Funktion eines
Verbindungsstiftes in einem herkömmlichen Spulenexpander. Es ist daher nicht notwendig,
einen Verbindungsstift zu verwenden, wodurch der Missstand eines Anbringens des
Expanders an einem Kolben eines Verbrennungsmotors oder dergleichen beseitigt
werden kann und es ermöglicht, eine automatische Montage zu erreichen.
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Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Kolbenring, der einen
Kolbenringhauptkörper und einen Expander aufweist, der an einem inneren Rand des
Kolbenringhauptkörpers angeordnet ist, wobei der Expander ein Hauptexpanderelement
und ein Nebenexpanderelement aufweist, das durch ein Eingreifen in das
Hauptexpanderelement angeordnet ist, wobei der Kolbenring so ausgebildet ist, dass die Druckkraft
in einer Durchmessererstreckungsrichtung des Kolbenrings des Expanders im Ganzen
durch das Hauptexpanderelement übertragen wird und das Nebenexpanderelement in
einem Hochtemperaturzustand größer als in einem Niedrigtemperaturzustand ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Expander zwei Elemente auf, die ein
Hauptexpanderelement und ein Nebenexpanderelement aufweisen. Das
Nebenexpanderelement weist eine Legierung mit Formerinnerungsvermögen bzw. eine Memory-
Legierung oder ein Bimetall auf, in welchem eine Phasentransformation eine
Spannungserzeugung auf der Hochtemperaturseite und eine Verringerung an Spannung auf
der Niedrigtemperaturseite bei einer festgelegten Temperatur als Grenze bewirkt. Der
Expander hat im Ganzen einen Aufbau, in welchem die Druckkraft in der
Durchmessererstreckungsrichtung, die durch das Hauptexpanderelement und das
Nebenexpanderelement an den Kolbenringkörper übertragen wird, in dem Hochtemperaturzustand
höher als in dem Niedrigtemperaturzustand ist. In dem Niedrigtemperaturzustand des
Verbrennungsmotors (d. h. in einem Niedriggeschwindigkeits- und
Niedrigbelastungszustand des Verbrennungsmotors) erzeugt das Nebenexpanderelement keine Spannung.
Daher ist die Spannung für den Expander, welche im Ganzen durch das
Hauptexpanderelement und das Nebenexpanderelement übertragen wird, die Spannung in dem
Herstellungszustand des Kolbenrings der vorliegenden Erfindung (im Folgenden als die
"Anfangsspannung" bezeichnet). Wenn das Innere des Verbrennungsmotors in einem
Hochtemperaturzustand ist (d. h., wenn der Verbrennungsmotor in einem
Hochgeschwindigkeits- und Hochbelastungszustand ist), erfolgt in dem Nebenexpanderelement
eine Formänderung zu einem Formerinnerungszustand, die durch eine
Phasentransformation hervorgerufen wird, oder eine Formänderung, die durch die Eigenschaften des
Bimetalls hervorgerufen wird. Im Ergebnis wird die Spannung des Expanders, die im
Ganzen durch das Hauptexpanderelement und das Nebenexpanderelement übertragen
wird, größer als die oben erwähnte Anfangsspannung.
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Speziell weist der Expander der vorliegenden Erfindung zwei verschiedene Arten von
Expanderelementen auf. Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
ein Expander, der aus einem bekannten herkömmlichen Material hergestellt wird,
gewöhnlich im Gebrauch für eines der Elemente verwendet wird (Hauptexpanderelement),
und ein Element, in welchem die Spannungsänderung durch eine Phasentransformation
durch eine Temperaturänderung hervorgerufen wird, für das andere Element
(Nebenexpanderelement) verwendet wird, um eine Druckkraftänderung des Expanderelementes
hervorzurufen. Durch die Wirkung dieses Merkmals ist es möglich, die geeigneteste
Kolbenringspannung in Reaktion auf die Belastungsbedingungen des
Verbrennungsmotors für den Kolbenring im Ganzen zu übertragen.
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Mit anderen Worten, der Kolbenring der vorliegenden Erfindung ist in dem
Niedrigtemperaturzustand in einem Zustand, in welchem nur die Druckkraft des
Hauptexpanderelementes auf den Kolbenringhauptkörper wirkt. Daher erlaubt das Festlegen der
Druckkraft des Hauptexpanderelementes auf einen Wert, der einer Spannung entspricht,
die für den Kolbenring im Ganzen in dem Niedriggeschwindigkeits- und
Niedrigbelastungszustand erforderlich ist, ein Verhindern des Risikos eines Anwendens einer
Spannung, die das erforderliche Niveau in dem Niedriggeschwindigkeits- und
Niedrigbelastungszustand übersteigt, was zu einer beträchtlichen Reibung wie in einem
herkömmlichen Kolbenring führt. In dem Hochgeschwindigkeits- und
Hochbelastungszustand neigt das Nebenexpanderelement dazu, in der Durchmesserrichtung größer zu
werden.
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Zusätzlich zu der Druckkraft des Hauptexpanderelementes übt daher das
Nebenexpanderelement eine Druckkraft auf den Kolbenringkörper in der
Durchmessererstreckungsrichtung aus. Das heißt, die Spannung des Expanders im Ganzen kann ausgedrückt
werden als (die Druckkraft des Hauptexpanderelementes) + (die Druckkraft des
Nebenexpanderelementes). Die Kolbenringfunktionen, die in dem Hochgeschwindigkeits-
und Hochbelastungszustand am geeignetesten sind, können durch ein Einstellen einer
Summe dieser Druckkräfte in Reaktion auf die Spannung abgesichert werden, die der
gesamte Kolbenring in dem Hochgeschwindigkeits- und Hochbelastungszustand haben
muss.
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Es ist schwierig, den Hochgeschwindigkeits- und Hochbelastungszustand
(Hochtemperaturzustand) und den Niedriggeschwindigkeits- und Niedrigbelastungszustand
(Niedrigtemperaturzustand) mit konkreten Zahlenwerten zu definieren, da es hier
verschiedene Zustände, in Abhängigkeit von den Designspezifikationen und Betriebsumständen
des Verbrennungsmotors, gibt. Beispielsweise könnten allgemeine Standards im Falle
eines Benzinmotors für gewöhnliche Personenkraftwagen von 2000 cc folgende sein:
Hochtemperaturzustand: z. B. von ungefähr 130°C bis etwa 180°C;
Niedrigtemperaturzustand: z. B. von etwa -30°C bis etwa 80°C; und mittlerer Temperaturzustand: z. B. von
etwa 80°C bis etwa 130°C.
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In dem oben erwähnten Fall ist es auch schwierig, die Spannung mit konkreten
Zahlenwerten zu definieren. Allgemeine Standards in dem Falle eines Benzinmotors für
herkömmliche Personenkraftwagen von 2000 cc könnten folgende sein: Anfangsspannung:
von etwa 0 bis etwa 15 N; und Spannung in einem gedehnten Zustand: von etwa 15 N
bis etwa 25 N.
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Mit anderen Worten, wenn man die Spannung, die für den Expander im Ganzen in dem
Niedriggeschwindigkeits- und Niedrigbelastungszustand notwendig ist, als FLT
ausdrückt; die Spannung, die für den Expander im Ganzen in dem Hochgeschwindigkeits-
und Hochbelastungszustand notwendig ist, als FMT ausdrückt; die Druckkraft, die an
den Kolbenringhauptkörper durch das Hauptexpanderelement übertragen wird, als FM
ausdrückt; und die Druckkraft, die an den Kolbenringhauptkörper durch das
Nebenexpanderelement übertragen wird, als FS ausdrückt, werden in der vorliegenden Erfindung
die folgenden Gleichungen angewendet:
FLT = FM
FHT = FM + FS
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Durch ein Festsetzen der Druckkräfte des Expanderelementes, so dass die obigen
Gleichungen jeweils gelten, kann eine Veränderung in der Expanderspannung durch ein
Einwirken auf die Temperatur bewirkt werden.
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In einer Ausführungsform des Kolbenrings der vorliegenden Erfindung können sowohl
das Hauptexpanderelement als auch das Nebenexpanderelement
Spulenexpanderelemente sein, wobei eines der Spulenexpanderelemente in einem Freiraum in einer
Spirale des anderen Spulenexpanderelementes beherbergt ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die obengenannten Vorteile der
Erfindung zu erzielen und weiter die folgenden Vorzüge zu erhalten.
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Nach einem Anbringen des Kolbenrings unter Verwendung der
Spulenexpanderelemente ist es notwendig, zuerst die Spulenexpanderelemente anzubringen und dann den
Kolbenringhauptkörper anzubringen. Ein Verbindungsstift war unentbehrlich, um den
Spulenexpander in der Kolbenringnut des Kolbens während der Periode von dem
Anbringen der Spulenexpanderelemente bis zum Anbringen des Kolbenringhauptkörpers
zu platzieren. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Spulenexpanderelemente in
einer solchen Weise angeordnet, dass ein Spulenexpanderelement von dem
Hauptexpanderelement und dem Nebenexpanderelement in dem Freiraum der Spirale des
anderen Spulenexpanderelementes beherbergt ist. Das Spulenexpanderelement, das in dem
Freiraum der Spirale beherbergt ist, spielt die Rolle des Verbindungsstiftes in dem
herkömmlichen Spulenexpander. Es ist daher nicht notwendig, einen Verbindungsstift zu
verwenden, und es ist im Ergebnis möglich, eine mühselige Vorgehensweise beim
Anbringen des Expanders an den Kolben eines Verbrennungsmotors oder dergleichen zu
vermeiden.
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In dem Kolbenring der vorliegenden Erfindung können sowohl das obengenannte
Hauptexpanderelement als auch das Nebenexpanderelement Plattenexpanderelemente sein
und an oder auf einer Achse angeordnet sein.
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In diesem Fall kann auch, wie in dem Fall des Spulenexpanderelementes, das
Nebenexpanderelement aus einer Legierung mit Formerinnerungsvermögen bzw. einer
Memory-Legierung oder stattdessen aus einem Bimetall ausgebildet sein, dessen
Spannung sich mit der Temperatur ändert.
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Da die Spannung eines Bimetalls mit der Temperatur veränderlich ist, kann ein Bimetall
geeignet als ein Nebenexpanderelement der vorliegenden Erfindung verwendet werden,
wobei die Vorteile der Erfindung ermöglicht werden.
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In dem Kolbenring der vorliegenden Erfindung kann das Hauptexpanderelement aus
einer Legierung mit Formerinnerungsvermögen oder einem Bimetall hergestellt werden,
dessen Spannung sich mit der Temperatur ändert.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann sowohl das Nebenexpanderelement als auch
das Hauptexpanderelement aus einer Legierung mit Formerinnerungsvermögen oder
einem Bimetall hergestellt werden, dessen Spannung sich mit der Temperatur ändert.
Es ist daher möglich, eine sanfte Änderung der Druckkraft für die gesamte Expansion in
Reaktion auf eine Temperaturänderung des Verbrennungsmotors zu bewirken.
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Als ein Beispiel wird nun ein Fall beschreiben, in dem sowohl das
Hauptexpanderelement als auch das Nebenexpanderelement aus einer Legierung mit
Formerinnerungsvermögen hergestellt sind, und Temperaturen, die Formänderungen bewirken, durch ein
Auswählen von Materialien für die einzelnen Expanderelemente verglichen werden, so
dass die Temperatur für das Hauptexpanderelement niedriger ist als die für das
Nebenexpanderelement.
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Wenn das Innere des Verbrennungsmotors in dem Niedrigtemperaturzustand ist (d. h.,
wenn der Verbrennungsmotor in dem Niedriggeschwindigkeits- und
Niedrigbelastungszustand ist), hängt die Druckkraft des Expanders nur von der Anfangsspannung des
Hauptexpanderelementes ab und hat daher einen geringen Wert. Wenn der
Verbrennungsmotor in einem mittleren Temperaturzustand ist (bei einer Temperatur zwischen
dem Niedrigtemperaturzustand und dem Hochtemperaturzustand, an welchem eine
Formänderung in dem Hauptexpanderelement bewirkt wird), wird an eine Formänderung
in den Formerinnerungszustand durch eine Phasentransformation in dem
Hauptexpanderelement bewirkt, welches eine längere Randlänge haben wird. Während die
Druckkraft des gesamten Expanders nur noch von dem Hauptexpanderelement abhängig ist,
wird die Druckkraft, die durch die Tendenz der Randlänge des
Hauptexpanderelementes, länger zu werden, erzeugt wird, zu der Anfangsspannung des
Hauptexpanderelementes addiert. Im Ergebnis wird der Wert im Vergleich zu der Druckkraft in dem
Niedrigtemperaturzustand größer. Wenn das Innere des Verbrennungsmotors zu dem
Hochtemperaturzustand übergeht (zu einer Temperatur, an welcher eine Formänderung
in dem Nebenexpanderelement bewirkt wird), tritt, wie oben beschrieben, eine
Formänderung in dem Nebenexpanderelement auf, welche bewirkt, dass die Randlänge des
Nebenexpanderelementes länger wird, und diese drückt das Hauptexpanderelement
von innen. Zu diesem Zeitpunkt wirkt die Druckkraft des Expanders im Ganzen gleich
der Summe der Druckkraft des Hauptexpanderelementes und der Druckkraft des
Nebenexpanderelementes nach der Formänderung. Der Wert dieser Gesamtdruckkraft ist
größer als die Druckkraft in dem mittleren Temperaturzustand.
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Wie oben beschrieben, kann die Spannung des gesamten Expanderelementes in drei
Zuständen geändert werden, indem sowohl das Hauptexpanderelement als auch das
Nebenexpanderelement aus einer Legierung mit Formerinnerungsvermögen oder einem
Bimetall hergestellt werden.
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Die Form, die Größe (Dicke, Durchmesser usw.) und das Material des Spulenexpanders
und des Plattenexpanders der vorliegenden Erfindung sind naturgemäß die Form und
die Größe nach dem Anordnen an der inneren Randoberfläche des Kolbenrings und
sollten die erwünschten Spannungsforderungen erfüllen. Mit anderen Worten, es reicht
aus, ein Material aus bekannten Legierungen mit Formerinnerungsvermögen und
Bimetallen, was eine gewünschte Spannung in den Hochtemperatur- und
Niedrigtemperaturzuständen ermöglichen kann, und ein geeignetes Design und eine Herstellung
durch ein gewöhnlich verwendetes Verfahren auszuwählen, wobei Expander mit an die
innere Randoberfläche des Kolbenrings anpassbaren Formen und Größen in
Kombination verwendet werden und keine spezielle Einschränkung in dieser Hinsicht besteht.
Der Kolbenring der vorliegenden Erfindung wird nun im Detail im Hinblick auf die
Zeichnungen beschrieben.
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Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform des Kolbenrings der vorliegenden Erfindung
oder ist im Speziellen eine schematische Querschnittsansicht eines Ölringes 10 unter
Verwendung eines Spulenexpanders 20, der an einer Ölringnut 3 angebracht, die in
einem Zylinder 1 vorgesehen ist. Fig. 1(a) zeigt den Ölring 10 in einem
Niedriggeschwindigkeits-Niedrigbelastungszustand, d. h., in einem Niedrigtemperaturzustand; und Fig.
1(b) zeigt den Spulenring 10 in einem Hochgeschwindigkeits- und
Hochbelastungszustand, d. h., in einem Hochtemperaturzustand.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, weist der Ölring 10 der vorliegenden Erfindung einen
Ölringhauptkörper 11 und Spulenexpanderelemente 20 auf, und die Spulenexpanderelemente 20
weisen ein Hauptexpanderelement 21 und ein Nebenexpanderelement 22 auf, das aus
einer Legierung mit Formerinnerungsvermögen hergestellt ist.
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In dem Niedrigtemperaturzustand überträgt, wie in Fig. 1(a) gezeigt, von dem
Hauptexpanderelement 21 und dem Nebenexpanderelement 22, die die
Spulenexpanderelemente 20 ausbilden, nur das Hauptexpanderelement 21 eine Druckkraft FM an den
Ölringhauptkörper 11. Daher tritt ein Problem einer Erzeugung einer überschüssigen
Reibung niemals durch ein Festsetzen einer Druckkraft FM des Hauptexpanderelementes
21 in Reaktion auf die Spannung (FLT) auf, wodurch der gesamte Kolbenring in dem
Niedrigtemperaturzustand (d. h., FLT = FM) bleiben muss.
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In dem Hochtemperaturzustand wird, wie in Fig. 1(b) gezeigt, das
Nebenexpanderelement 22, das aus einer Legierung mit Formerinnerungsvermögen hergestellt ist,
deformiert, und im Ergebnis drückt das Nebenexpanderelement 22 das
Hauptexpanderelement 21 von der Innenoberflächenseite in der Durchmessererstreckungsrichtung unter
der Wirkung der Spannung, die aus der Anstiegstendenz der Randlänge resultiert.
Daher ist die Druckkraft, die zu dem Kolbenringhauptkörper 11 durch die
Expanderelemente 20 übertragen wird, die zusammengefügte Kraft (FM + FS) aus der Druckkraft FM
des Hauptzylinderelementes und der Druckkraft FS des Nebenexpanderelementes.
Durch ein Festsetzen dieser zusammengefügten Kraft bei einer Druckkraft in Reaktion
auf die Spannung (FMT), die der gesamte Kolbenring in dem Hochgeschwindigkeits-
und Hochbelastungszustand haben muss (d. h., FMT = FM + FS), treibt der Kolbenring
unter dem Druck eines Ölfilms, der zwischen der inneren Zylinderrandoberfläche und
der Gleitoberfläche des Kolbenringaußenrandes in dem Hochgeschwindigkeits- und
Hochbelastungszustand vorliegt, nach oben, was es möglich macht, einen plötzlichen
Anstieg des Ölverbrauchs zu verhindern.
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In dem Kolbenring 10 der vorliegenden Erfindung, der in Fig. 1 gezeigt ist, ist das
Nebenexpanderelement 22 in dem Freiraum 23 in der Spirale des
Hauptexpanderelementes 21 beherbergt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf den Aufbau
beschränkt, sondern das Hauptexpanderelement 21 kann in dem Freiraum 23 in der
Spirale des Nebenexpanderelementes 22 beherbergt sein.
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Nicht nur das Nebenexpanderelement 22, sondern auch das Hauptexpanderelement 21
kann aus einer Legierung mit Formerinnerungsvermögen hergestellt sein. In diesem Fall
sind sowohl das Hauptexpanderelement 21 als auch das Nebenexpanderelement 22
aus der Legierung mit Formerinnerungsvermögen hergestellt. Jedes der Elemente wird
daher in der Durchmessererstreckungsrichtung deformiert, abhängig von der
Temperatur. Es ist wünschenswert, eine Temperatur festzusetzen, die eine Deformation eines
der Elemente (z. B. des Hauptexpanderelementes 21) bei einer geringeren Temperatur
als der für das andere Element (z. B. des Nebenexpanderelementes 22) bewirkt.
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Im Ergebnis ist in dem Niedrigtemperaturzustand das Verfahren das gleiche wie in dem
obengenannten Fall von Fig. 1(b) (die Druckkraft ist FM). Wenn die Temperatur das
Niveau eines mittleren Temperaturzustandes erreicht (eine Temperatur zwischen dem
Niedrigtemperaturzustand und dem Hochtemperaturzustand, bei welcher das
Hauptexpanderelement deformiert wird), wird das Hauptexpanderelement 21 in einer Richtung
deformiert, die die Randlänge erhöht, und eine Druckkraft FM' wird erzeugt, die größer
als die Anfangsspannung ist. In dem Hochtemperaturzustand ist die Deformation in
einer Richtung, die bewirkt, dass die Randlänge des Nebenexpanderelementes 22 länger
wird, und die Druckkraft für den gesamten Expander wird FM' + FS.
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Wenn nur das Nebenexpanderelement aus einer Legierung mit
Formerinnerungsvermögen hergestellt ist, ist die Druckkraft des Expanders im Ergebnis im Ganzen irgendeine
der zwei Arten, welche FM und MF + FS umfassen. Indem das Hauptexpanderelement
auch aus einer Legierung mit Formerinnerungsvermögen hergestellt wird, ist im
Gegensatz dazu die Druckkraft des gesamten Expanders irgendeine der drei Arten, welche
FM, FM' und FM + FS umfassen, was einen sanften Betrieb bei einer
Temperaturänderung erlaubt.
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In dem Expanderelement 20 des Kolbenrings 10 der vorliegenden Erfindung, das in Fig.
1 gezeigt ist, ist es, wie in Fig. 2 gezeigt, durch ein Verändern der Position des
Widerlagers 24 des Hauptexpanderelementes 21 um 180° zu dem Widerlager 25 des
Nebenexpanderelementes 22 möglich, die Anordnung so zu behandeln, als wäre sie ein
einzelner dehnbarer Ring. Dies eliminiert die Notwendigkeit eines Verbindungsstiftes, der
gewöhnlich verwendet wird, löst das Problem einer mühseligen Vorgehensweise nach dem
Anbringen und macht es möglich, den Kolbenring automatisch zu montieren.
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Für das Expanderelement 20, das in Fig. 2 gezeigt ist, ist es, wenn nur die Probleme
nach dem Anbringen gelöst werden, nicht immer notwendig, sowohl das
Hauptexpanderelement 21 als auch das Nebenexpanderelement 22 aus einer Legierung mit
Formerinnerungsvermögen herzustellen, sondern diese können aus herkömmlichen
Materialien hergestellt werden.
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Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des Kolbenrings der vorliegenden Erfindung,
und ist eine schematische Querschnittsansicht eines Ölrings, der
Plattenexpanderelemente als Expanderelemente verwendet: Fig. 3(a) zeigt einen Ölring 30 in dem
Niedrigbelastungszustand, d. h. dem Niedrigtemperaturzustand; und Fig. 3(b) zeigt den Ölring
30 in dem Hochbelastungszustand, d. h. in dem Hochtemperaturzustand.
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Wie in Fig. 3 gezeigt, weist der Ölring 30 der vorliegenden Erfindung einen
Ölringhauptkörper 31 und Plattenexpanderelemente 40 auf. Die Plattenexpanderelemente 40
weisen ein Hauptexpanderelement 41 und ein Nebenexpanderelement 42 auf, das aus
einer Legierung mit Formerinnerungsvermögen hergestellt ist. In dem Kolbenring der
vorliegenden Erfindung sind, wie oben beschrieben, die Expanderelemente nicht auf
Spulenexpanderelemente beschränkt, sondern es sind, wie in Fig. 3 gezeigt, die gleichen
Vorteile wie in dem Kolbenring, der in Fig. 1 gezeigt ist, unter Verwendung von zwei
Plattenexpanderelementen in Überlagerung und unter Verwendung eines der
Plattenexpanderelemente als Hauptexpanderelement 51 und des anderen als
Nebenexpanderelementes 52, das aus einer Legierung mit Formerinnerungsvermögen hergestellt ist,
erreichbar.
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Gerade in diesem Fall ist es, wie in der oben erwähnten ersten Ausführungsform,
möglich, auch das Hauptexpanderelement 51 aus einer Legierung mit
Formerinnerungsvermögen herzustellen, wodurch die gleichen Effekte wie in der ersten Ausführungsform
erreicht werden.
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Nun werden die einzelnen Komponententeile, aus denen der Kolbenring der
vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, beschrieben.
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Der Kolbenring der vorliegenden Erfindung ist nicht auf Ölringe beschränkt, die in der
oben erwähnten ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform beschrieben
sind, sondern jeder Kolbenring, der Expander verwendet, kann angewendet werden,
und anstelle des Ölrings ist auch ein Druckring anwendbar.
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Der Expander in dem Kolbenring der vorliegenden Erfindung weist ein
Hauptexpanderelement und ein Nebenexpanderelement auf, das damit in Eingriff ist.
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Das Hauptexpanderelement, das zu dem Expander der vorliegenden Erfindung gehört,
ist nicht speziell beschränkt, sondern es kann ein herkömmlich bekanntes
Expanderelement verwendet werden. Es ist ein Spulenexpanderelement oder ein
Plattenexpanderelement anwendbar. Es ist jedoch für dessen Druckkraft notwendig, das folgende
Verhältnis zu dem Nebenexpanderelement, wie oben beschrieben, zu erfüllen. Es kann
aus jedem der Materialien (einer Legierung mit Formerinnerungsvermögen oder einem
Bimetall) des Nebenexpanderelementes hergestellt sein.
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Bei dem Nebenexpanderelement, das in Eingriff mit dem obengenannten
Hauptexpanderelement angeordnet ist, ist es andererseits notwendig, ein Element zu verwenden,
das eine größere Änderung in der Durchmesserrichtung, die durch eine
Temperaturänderung bewirkt wird, als das Hauptexpanderelement zeigt, d. h., ein Material, das eine
größere Randlänge in dem Hochtemperaturzustand als in dem
Niedrigtemperaturzustand hat.
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Als solch ein Material ist eine Legierung mit Formerinnerungsvermögen bzw. eine
Memory-Legierung zu bevorzugen. Speziell ist eine Ni-Ti-Legierung oder eine Ni-Ti-Cu-
Legierung anwendbar. Wenn es in diesem Fall erwünscht ist, eine große Änderung in
der Durchmesserrichtung zwischen dem Niedrigtemperaturzustand und dem
Hochtemperaturzustand festzusetzen, ist es zu empfehlen, eine Ni-Ti-Cu-Legierung zu
verwenden und eine Transformationstemperatur in einem Bereich von 70 bis 100°C
festzusetzen, abhängig von der Beschaffenheit oder dem Zustand des Verbrennungsmotors.
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Ein Nebenexpanderelement, das in einer Spulenform oder einer Wellenform ausgebildet
ist, kann so verwendet werden, dass die Verbindungsoberfläche des Bimetalls, das
durch Überlagerung von zwei Materialien mit verschiedenen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten hergestellt wird, mit der radialen Richtung des Kolbenringes übereinstimmt.
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Gemäß dem Kolbenring der vorliegenden Erfindung ist es, wie oben beschrieben, durch
ein Aufbauen des Expanders aus zwei verschiedenen Arten von Expanderelementen
möglich, zu bewirken, dass eines der Expanderelemente (das Hauptexpanderelement)
dazu dient, die gleiche Wirkung wie ein herkömmlicher Expander auszuüben, und zu
bewirken, dass das andere Element (das Nebenexpanderelement) die Funktion eines
Änderns der Druckkraft des Hauptexpanderelementes hat, das die gleiche Rolle wie ein
herkömmlicher Expander spielt, unter Verwendung des anderen Elementes als eines
Elementes, das eine Änderung in einer Durchmesserrichtung mit der Temperatur
bewirkt. Im Ergebnis ist es möglich, die geeignetste Ölringspannung in Reaktion auf die
Belastungsbedingung des Verbrennungsmotors für den Ölring im Ganzen zu
übertragen.
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Indem der Expander aus zwei Arten von Spulenexpanderelementen hergestellt ist, kann
eines der Spulenexpanderelemente die Rolle eines herkömmlichen Verbindungsstiftes
übernehmen. Im Ergebnis wird der Verbindungsstift, der gewöhnlich verwendet wird,
entbehrlich und es ist möglich, dis mühselige Vorgehensweise nach dem Anbringen zu
eliminieren und diesen automatisch an der Kolbenringnut zu montieren.