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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor.
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Auf dem Gebiet der Kolben für Verbrennungsmotoren ist es bekannt und üblich, die Kolben im Wesentlichen zwischen dem Kolbenboden, der den Brennraum begrenzt, und dem Kolbenbolzen, der die Verbindung zu einem Pleuel herstellt, mit einem oder mehreren Kühlkanälen oder -räumen zu versehen. Hierdurch wird der Kolben, der fortlaufend den im Brennraum herrschenden hohen Temperaturen ausgesetzt ist, insoweit gekühlt, dass seine Dauerfestigkeit gewährleistet ist. Zur Abfuhr der Wärme wird insbesondere ein Kühlmittel, typischerweise Kühlöl, in den Kühlkanal vom Kurbelgehäuse her eingespritzt und durch eine Ablauföffnung abgeführt.
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Stand der Technik
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Beispielsweise beschreibt die
DE 10 2006 024 098 A1 einen Kolben mit einem Kühlkanal, von dem ein sogenannter Stichkanal in Richtung eines Ringträgers ausgebildet ist.
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Die
DE 101 13 639 A1 betrifft einen Kolben mit einem Kühlkanal, der zumindest abschnittsweise in Richtung der Kolbenlängsachse und zumindest abschnittsweise quer zur Kolbenlängsachse wellenförmig verläuft. Hierbei sind als Querschnittsformen des Kühlkanals ein Dreieck und ein Trapez mit abgerundeten Ecken erwähnt.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der im Hinblick auf die im Betrieb auftretenden Spannungen, insbesondere im Bereich des Kühlkanals selbst, verbessert ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Anspruch 1 beschriebenen Kolben.
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Demzufolge weist dieser zumindest einen zumindest abschnittsweise im Wesentlichen ringförmigen Kühlkanal auf, der zumindest abschnittsweise in Richtung der Kolbenlängsachse wellenförmig verlaufen kann und einen Querschnitt aufweisen kann, dessen Abmessung im Wesentlichen in Richtung der Kolbenlängsachse größer ist als quer hierzu. Ferner kann, im Querschnitt betrachtet, der Kühlkanal nach außen geneigt sein.
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Im Rahmen der der Erfindung zugrundeliegenden Überlegungen hat sich herausgestellt, dass eine besonders günstige Spannungsverteilung dadurch zu erreichen ist, dass der Kühlkanal, im Querschnitt betrachtet, weitgehend als Parallelogramm oder Raute mit abgerundeten Ecken ausgeführt ist, wobei am kolbenbolzenseitigen Ende der stumpfe Winkel des Parallelogramms oder der Raute radial außen ausgebildet ist. Dies bedeutet bevorzugt für das kolbenbodenseitige Ende des Querschnitts des Kühlkanals, dass sich hier der stumpfe Winkel radial innen, d. h. zu der Brennraummulde hin gerichtet befindet. Der beschriebene stumpfe Winkel geht üblicherweise mit einem vergleichsweise großen Radius einher. Für einige der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen kann jedoch nicht unbedingt ein stumpfer Winkel identifiziert werden. Die Erfindung kann jedoch auch durch das Vorsehen eines verglichen mit anderen Bereichen des Kühlkanals größeren Radius am kolbenbolzenseitigen Ende radial außen und/oder am kolbenbodenseitigen Ende radial innen realisiert werden. Insbesondere kann für den Querschnitt des erfindungsgemäßen Kühlkanals von einem Quadrat oder Rechteck ausgegangen werden, dessen längere Seite weitgehend parallel zur Kolbenachse verläuft. Wenn hier die Ecken des Quadrats oder Rechtecks derart abgerundet werden, dass größere Radien am kolbenbolzenseitigen Ende radial außen und/oder am kolbenbodenseitigen Ende radial innen vorgesehen werden, lassen sich die nachfolgend beschriebenen Wirkungen in gleicher Weise erreichen.
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Für diese Ausbildungen konnte nämlich bei ersten Berechnungen festgestellt werden, dass die Spannungen insbesondere im Bereich der erwähnten stumpfen Winkel signifikant reduziert werden können. Erste Berechnungen deuten darauf hin, dass sich in diesen Bereichen theoretisch eine Erhöhung der Lebensdauer um einen Faktor bis zu 20 einstellt. Dies ist unter Umständen dadurch erklärbar, dass sich infolge des stumpfen Winkels und der abgerundeten Ecken hier ein vergleichsweise großer Radius einstellt, der zu einer vorteilhaften Verringerung der auftretenden Spannungen beiträgt.
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Es sei ergänzend erwähnt, dass sich die Spannungen gemäß ersten Berechnungen in sämtlichen anderen relevanten Bereichen nicht erhöhen, und dass sich auch sämtliche zu erwartenden Temperaturen in den einzelnen Bereichen innerhalb zulässiger Grenzwerte befinden. Im Hinblick auf die Querschnittsgeometrie des Kühlkanals wurde vorangehend insbesondere auf Parallelogramm und Raute Bezug genommen. Es sei jedoch erwähnt, dass es sich bei einem Rechteck um eine Sonderform eines Parallelogramms und bei einem Quadrat um eine Sonderform sowohl eines Parallelogramms als auch einer Raute handelt, so dass dementsprechend auch von einem Quadrat oder Rechteck zur Beschreibung der Querschnittsgeometrie des erfindungsgemäßen Kühlkanals ausgegangen werden kann. In jedem Fall wird bevorzugt, dass die Querschnittsgeometrie des Kühlkanals (beispielsweise ausgehend von einem Parallelogramm, einer Raute oder einem Quadrat) weitgehend punktsymmetrisch oder (ausgehend von einer Raute oder einem Quadrat) weitgehend achsensymmetrisch ist.
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Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Wie erwähnt, wurden besonders gute Eigenschaften für eine Ausgestaltung festgestellt, bei der das beschriebene, im Querschnitt erkennbare Parallelogramm ”hochkant” angeordnet ist. Mit anderen Worten verlaufen die längeren Seiten des Parallelogramms weitgehend in Richtung der Kolbenachse oder allenfalls unter einem äußerst spitzen Winkel, vorzugsweise nach außen geneigt, hierzu. Die beschriebene Wirkung einer besonders sanften Rundung an den gefährdeten Zonen des Kühlkanals, die zu einer Brennraummulde bzw. der Bolzensicherungsnut gerichtet sind, wird durch die beschriebene Orientierung weiter unterstützt.
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Es hat sich ferner als günstig herausgestellt, wenn die kürzeren Seiten des Parallelogramms unter einem bevorzugt spitzen Winkel zu einer Ebene senkrecht zur Kolbenachse verlaufen und bevorzugt in einer Richtung radial nach außen ansteigen. Hierdurch wird ebenfalls die Ausbildung eines großen Radius in den besonders gefährdeten Zonen unterstützt. Wenngleich eine Raute im mathematisch engen Sinn vier gleich lange Seiten erfordert, entsteht durch die beschriebene Gestaltung mit radial nach außen geneigten langen Seiten und radial nach außen ansteigenden kurzen Seiten des Parallelogramms eine Gestaltung des Kühlkanals, im Querschnitt gesehen, die als rautenförmig bezeichnet werden kann.
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Gute Ergebnisse werden ferner erwartet, wenn der Radius am brennraumseitigen Ende des Kühlkanals radial innen und der Radius am kolbenbolzenseitigen Ende des Kühlkanals radial außen im Wesentlichen gleich groß sind und/oder der Radius am kolbenbolzenseitigen Ende des Kühlkanals radial innen und der Radius am brennraumseitigen Ende des Kühlkanals radial außen im Wesentlichen gleich groß sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Teil des erfindungsgemäßen Kolbens im Querschnitt, und
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2 bis 6 weitere Querschnittsformen des Kühlkanals des erfindungsgemäßen Kolbens.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt im Wesentlichen eine Hälfte eines erfindungsgemäßen Kolbens 10 in dem Bereich zwischen der Brennraummulde 12 und dem (nicht erkennbaren) Kolbenbolzen. Radial außen sind bei dem Kolben mehrere Nuten für Kolbenringe vorhanden, wobei diese insbesondere im Fall des obersten Kolbenringes in einen Ringträger eingesetzt sein können, der seinerseits in die in 1 erkennbare Nut eingesetzt ist. Der im Wesentlichen ringförmige Kühlkanal 14 ist radial innerhalb des durch die Kolbenringnuten gebildeten Ringfeldes angeordnet und weist lange Seiten 16 auf, die sich in dem gezeigten Fall unter einem spitzen Winkel zur Kolbenlängsachse 18 und ein wenig nach außen geneigt erstrecken. Die kurzen Seiten 20 des im Querschnitt im Wesentlichen parallelogrammförmigen Kühlkanals 14 verlaufen radial nach außen, d. h. zu den Ringnuten hin, etwas ansteigend. Nachdem die Ecken des Parallelogramms abgerundet sind, ergeben sich vergleichsweise große Radien in der Zone 22, die zu einer (nicht erkennbaren) Kolbensicherungsnut gerichtet ist, sowie in der diametral gegenüberliegenden Zone 24, die zu der Brennraummulde 12 gerichtet ist. Insbesondere in diesen Bereichen konnte durch Berechnungen festgestellt werden, dass sich die Spannungen deutlich verringern und somit eine signifikante Erhöhung der Lebensdauer des Kolbens insgesamt zu erwarten ist.
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Die weiteren Figuren zeigen alternative Ausgestaltungen des Kühlkanals 14 im Querschnitt, wobei sich bei sämtlichen Darstellungen der Brennraum oberhalb des gezeigten Kühlkanals befindet, und entsprechend 1 der Kühlkanal der rechten Hälfte des Kolbens dargestellt ist. Dementsprechend ergibt sich die Querschnittsform der Ausführungsform von 2 aus dem gestrichelt dargestellten Quadrat, wobei der Rundungsradius am oberen, kolbenbodenseitigen Ende radial innen und am unteren, kolbenbolzenseitigen Ende radial außen größer ist als in den anderen beiden Ecken.
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Dies gilt in gleicher Weise für die Ausführungsform von 3, wobei hier die Querschnittsform von einer Raute ausgehend entwickelt wurde.
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Wie in 4 erkennbar, kann für die Gestaltung der Querschnittsform des Kühlkanals auch von einem Rechteck ausgegangen werden, dessen längere Seite sich weitgehend parallel zur Kolbenachse erstreckt. Die ”Ecken” sind entsprechend der Ausführungsform von 2 abgerundet.
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Die Ausführungsform von 5 ist vergleichsweise ähnlich zu derjenigen von 1, wobei aus der Darstellung in 5 zu erkennen ist, dass die sich radial erstreckenden, kurzen Seiten des Parallelogramms nicht notwendigerweise nach außenhin ansteigend ausgeführt sein müssen.
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In 6 ist schließlich dargestellt, dass für die Querschnittsgeometrie des erfindungsgemäßen Kühlkanals nicht notwendigerweise von einer der oben genannten geometrischen Figuren ausgegangen werden muss. Vielmehr können die Vorteile der Erfindung auch durch eine Ausführungsform realisiert werden, bei der am kolbenbodenseitigen Ende radial innen und/oder am kolbenbolzenseitigen Ende radial außen Radien R1 und R3 ausgebildet sind, die größer sind als die beiden anderen Radien r2 und r4. Hierbei sind bevorzugt, jedoch nicht notwendigerweise, die beiden Radien R1, R3 und die beiden r2, r4 in etwa gleich groß.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006024098 A1 [0003]
- DE 10113639 A1 [0004]
