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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei der Kolbenkopf eine umlaufende Ringpartie sowie im Bereich der Ringpartie einen umlaufenden Kühlkanal aufweist und der Kolbenschaft jeweils eine seiner Druckseite und eine seiner Gegendruckseite zugeordnete Lauffläche aufweist.
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Gattungsgemäße Kolben sind in modernen Verbrennungsmotoren hohen mechanischen und insbesondere thermischen Belastungen ausgesetzt. Daher besteht ein grundsätzlicher Bedarf, die Kühlung der Kolben mittels Zufuhr von Kühlmittel in den Kühlkanal, insbesondere im Bereich des Kolbenbodens, stets zu optimieren.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass die Kühlung im Bereich des Kolbenbodens weiter verbessert wird.
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Die Lösung besteht darin, dass der Kühlkanal eine Verengung aufweist.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Kontinuitätsgleichung der Fluiddynamik, wonach bei strömenden Fluiden eine Verengung des Strömungsquerschnitts zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit führt. Im erfindungsgemäßen Kolben bewirkt die erfindungsgemäß vorgesehene Verengung in Zusammenwirkung mit dem Shaker-Effekt, dass das im Kühlkanal umlaufende Kühlmittel nicht nur durchmischt, sonders durch die Verengung gezielt beschleunigt und in Richtung Kolbenboden geführt wird. Dies bewirkt, dass das durchmischte und damit abgekühlte Kühlmittel wesentlich effizienter und häufiger pro Kolbenhub als in den bisher bekannten Kolben an den besonders heißen Wandabschnitten des Kühlkanals im Bereich des Kolbenbodens vorbeigeführt wird. Somit wird der Wärmeübergangskoeffizient zwischen Kühlkanalwand und Kühlmittel erhöht und damit die Kühlung des erfindungsgemäßen Kolbens wesentlich verbessert.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Zweckmäßigerweise weist die erfindungsgemäß vorgesehene Verengung einen Abstand vom Kühlkanalboden aufweist, der mindestens einem Drittel der axialen Höhe und/oder höchsten zwei Dritteln der axialen Höhe des Kühlkanals entspricht. Damit kann eine besonders wirksame Beschleunigung des Kühlmittelstromes in Richtung der Kühlkanaldecke erzielt werden. Zur Optimierung der Beschleunigung weist die Verengung vorzugsweise im Wesentlichen den gleichen Abstand vom Kühlkanalboden und von der Kühlkanaldecke auf.
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Die Verengung ist zweckmäßigerweise als umlaufende Verengung ausgebildet, um den Beschleunigungseffekt entlang des gesamten Kühlkanals zu bewirken.
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Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die Verengung durch genau eine Materialerhöhung an einer Kühlkanalwand gebildet ist, und dass die Kühlkanaldecke im Wesentlichen kuppelförmig ausgebildet ist. Damit wird erreicht, dass das Kühlmittel im Bereich der Kühlkanaldecke in eine kreisförmig umlaufende Strömung gezwungen wird, so dass mehrmals pro Kolbenhub mit der Wand des Kühlkanals wechselwirkt. Dabei wird stets Kühlmittel niedrigerer Temperatur durch die Verengung beschleunigt und nachgeliefert. Dieser Effekt ist dann besonders wirkungsvoll, wenn das radiale Maß der im Wesentlichen kuppelförmigen Kühlkanaldecke an ihrer breitesten Stelle mindestens gleich dem zweifachen radialen Maß der Verengung ist. In diesem Fall kann weniger heißes Kühlmittel nach unten strömen, so dass der Fluss von Kühlmittel niedrigerer Temperatur durch die Verengung hindurch in Richtung der Kühlkanaldecke nicht wesentlich behindert wird.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Verengung durch genau zwei einander gegenüberliegende Materialerhöhungen an zwei Kühlkanalwänden gebildet ist. Diese Ausgestaltung bietet sich insbesondere bei mehrteiligen reibgeschweißten Kolben an, wenn die Schweißnaht durch den Kühlkanal verläuft, so dass die Schweißwulste die einander gegenüberliegenden Materialerhöhungen bilden, welche die Verengung bewirken.
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Bei dieser Ausgestaltung ist es von besonderem Vorteil, wenn die Kühlkanaldecke in ihrem Zenith einen Strömungsteiler aufweist, der mittig zur Verengung angeordnet ist. In diesem Fall wird das beschleunigt durch die Verengung strömende Kühlmittel im Bereich der Kühlkanaldecke in zwei entgegengesetzt drehende Strömungen gezwungen, die mehrmals pro Kolbenhub mit der Wand des Kühlkanals wechselwirken können. Dabei wird stets Kühlmittel niedrigerer Temperatur durch die Verengung beschleunigt und nachgeliefert. Dieser Effekt ist dann besonders wirkungsvoll, wenn das radiale Maß der Kühlkanaldecke an ihrer breitesten Stelle mindestens gleich dem zweifachen radialen Maß der Verengung ist. In diesem Fall kann weniger heißes Kühlmittel nach unten strömen, so dass der Fluss von Kühlmittel niedrigerer Temperatur durch die Verengung hindurch nicht wesentlich behindert wird.
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Zur Optimierung dieses Effekts können zusätzlich die Bereiche der Kühlkanaldecke, die an den Strömungsteiler anschließen, im Querschnitt bogenförmig oder kreisförmig ausgebildet sein. Ferner ist es besonders zweckmäßig, den Strömungsteiler im Querschnitt V-förmig oder kegelförmig auszubilden.
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Zur weiteren Optimierung der Strömungsverhältnisse im Kühlkanal kann die der Ringpartie benachbarte Kühlkanalwand senkrecht oder schräg nach innen geneigt ausgebildet sein.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Verengung durch genau zwei axial versetzt zueinander angeordnete Materialerhöhungen an zwei Kühlkanalwänden gebildet ist. Diese Ausgestaltung führt dazu, dass im Bereich der Kühlkanaldecke eine zur Ringpartie und/oder zum Feuersteg benachbarte äußere Ausweitung und im Bereich des Kühlkanalbodens eine zur Kolbenbodenmitte orientierte, insbesondere zu einer ggf. vorhandenen Verbrennungsmulde benachbarte, innere Ausweitung ausgebildet wird. Damit werden diese thermisch besonders hoch belasteten Bereiche des Kolbenkopfs sehr wirksam gekühlt.
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Die Kühlwirkung kann bei dieser Ausgestaltung bspw. dadurch beeinflusst werden, dass die beiden Materialerhöhungen eine unterschiedliche Dicke aufweisen, so dass die beiden Ausweitungen mit unterschiedlich großen Radien ausgebildet werden. Die Ausweitung mit dem größeren Radius kann dann im Bereich der größten thermischen Belastung des Kolbenkopfes angeordnet sein.
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Die vorliegende Erfindung ist für alle Kolbentypen und alle Kolbenbauarten geeignet und mit jedem Kolbenwerkstoff realisierbar.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens in einer Teildarstellung im Schnitt;
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens in einer perspektivischen Teildarstellung im Schnitt;
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens in einer Teildarstellung im Schnitt.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 kann ein einteiliger oder mehrteiliger Kolben sein. Der Kolben 10 kann aus einem Stahlwerkstoff und/oder einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt sein. 1 zeigt beispielhaft einen einteiligen Kolbenkopf 11 eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolbenkopf 11 weist einen mit einer Verbrennungsmulde 13 aufweisenden Kolbenboden 12, einem umlaufenden Feuersteg 14 und eine Ringpartie 15 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. In Höhe der Ringpartie 15 ist ein umlaufender Kühlkanal 16 mit einem Kühlkanalboden 17 und einer Kühlkanaldecke 18 vorgesehen. Der Kolben 10 weist ferner in an sich bekannter Weise einen Kolbenschaft auf, der mit dem Kolbenkopf 11 einstückig oder als separates Bauteil ausgebildet sein, dass mit dem Kolbenkopf 11 in an sich bekannter Weise fest oder bspw. nach Art eines Pendelschaftkolbens verbunden ist (nicht dargestellt).
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In diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Kühlkanal 16 eine umlaufende Verengung 20 auf. Die Verengung 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch genau eine Materialerhöhung 21 in der der Verbrennungsmulde 13 benachbarten Kühlkanalwand gebildet. Die der Ringpartie 15 benachbarte Kühlkanalwand 22 ist in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen senkrecht ausgebildet. Sie kann auch leicht schräg nach innen, d. h. in Richtung der Verbrennungsmulde 13, geneigt ausgebildet sein.
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Die Kühlkanaldecke 18 des Kühlkanals 16 ist im Wesentlichen kuppelförmig ausgebildet. Die Verengung 20 weist in diesem Ausführungsbeispiel an ihrer engsten Stelle im Wesentlichen den gleichen Abstand A vom Kühlkanalboden 17 und von der Kühlkanaldecke 18 auf. Im Ergebnis wird das Kühlmittel im Bereich der Kühlkanaldecke 18 in eine kreisförmig umlaufende Strömung gezwungen, wie sie durch die kreisförmigen Pfeile angedeutet wird, so dass das Kühlmittel mehrmals pro Kolbenhub mit der Wand des Kühlkanals im Bereich des Kolbenbodens 12 und der Verbrennungsmulde 13 wechselwirken kann. Dabei wird stets Kühlmittel niedrigerer Temperatur durch die Verengung 20 beschleunigt und nachgeliefert. Zur Optimierung dieses Effekts ist bei diesem Ausführungsbeispiel das radiale Maß B der im Wesentlichen kuppelförmigen Kühlkanaldecke 18 an ihrer breitesten Stelle mindestens gleich dem zweifachen radialen Maß b der Verengung 20, also B ≥ 2 × b. In diesem Fall kann weniger heißes Kühlmittel nach unten strömen, so dass der Fluss von Kühlmittel niedrigerer Temperatur durch die Verengung 20 hindurch in Richtung der Kühlkanaldecke 18 nicht wesentlich behindert wird.
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Der erfindungsgemäße Kolben 10 bzw. das Kolbenoberteil 11 kann in an sich bekannter Weise durch Gießen, Schmieden, Sintern etc hergestellt sein. in einem einstöckigen Kolbenoberteil 11, wie es in 1 dargestellt ist, kann der erfindungsgemäß ausgestaltete Kühlkanal in an sich bekannter Weise durch Gießen mit einem Salzkern hergestellt werden.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 110. Der Kolben 110 kann ein einteiliger oder mehrteiliger Kolben sein. Der Kolben 110 kann aus einem Stahlwerkstoff und/oder einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt sein. 2 zeigt beispielhaft einen einteiligen Kolbenkopf 111 eines erfindungsgemäßen Kolbens 110. Der Kolbenkopf 111 weist einen mit einer Verbrennungsmulde 113 aufweisenden Kolbenboden 112, einem umlaufenden Feuersteg 114 und eine Ringpartie 115 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. In Höhe der Ringpartie 115 ist ein umlaufender Kühlkanal 116 mit einem Kühlkanalboden 117 und einer Kühlkanaldecke 118 vorgesehen. Der Kolben 110 weist ferner in an sich bekannter Weise einen Kolbenschaft auf, der mit dem Kolbenkopf 111 einstückig oder als separates Bauteil ausgebildet sein, dass mit dem Kolbenkopf 111 in an sich bekannter Weise fest oder bspw. nach Art eines Pendelschaftkolbens verbunden ist (nicht dargestellt).
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In diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Kühlkanal 116 eine umlaufende Verengung 120 auf. Die Verengung 120 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch genau zwei einander gegenüberliegende Materialerhöhungen 121 in den beiden zur Verbrennungsmulde 113 bzw. zur Ringpartie 115 benachbarten Kühlkanalwänden gebildet.
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Die Kühlkanaldecke 118 des Kühlkanals 116 weist in diesem Ausführungsbeispiel in ihrem Zenith einen Strömungsteiler 123 auf, der mittig zur Verengung 120 angeordnet ist. Der Abstand der Verengung 120 zum Kühlkanalboden 117 ist in diesem Ausführungsbeispiel etwa genau so groß wie der Abstand der Verengung 120 zur Kühlkanaldecke 118. Im Ergebnis wird das beschleunigt durch die Verengung 120 strömende Kühlmittel im Bereich der Kühlkanaldecke 118 in zwei entgegengesetzt drehende Strömungen gezwungen, wie sie durch die gegenläufig kreisförmigen Pfeile angedeutet werden, so dass das Kühlmittel mehrmals pro Kolbenhub mit der Wand des Kühlkanals 116 im Bereich des Kolbenbodens 112 und der Verbrennungsmulde 113 wechselwirken kann. Dabei wird stets Kühlmittel niedrigerer Temperatur durch die Verengung 120 beschleunigt und nachgeliefert. Zur Optimierung dieses Effekts ist bei diesem Ausführungsbeispiel das radiale Maß B der Kühlkanaldecke 118 an ihrer breitesten Stelle mindestens gleich dem zweifachen radialen Maß b der Verengung 120, also B ≥ 2 × b. In diesem Fall kann weniger heißes Kühlmittel nach unten strömen, so dass der Fluss von Kühlmittel niedrigerer Temperatur durch die Verengung 120 hindurch in Richtung der Kühlkanaldecke 118 nicht wesentlich behindert wird.
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Zur Optimierung dieses Effekts sind bei diesem Ausführungsbeispiel die Bereiche 118a, 118b der Kühlkanaldecke 118, die an den Strömungsteiler 123 anschließen, im Querschnitt bogenförmig oder kreisförmig und der Strömungsteiler 123 im Querschnitt V-förmig ausgebildet.
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Der erfindungsgemäße Kolben 110 bzw. das Kolbenoberteil 111 kann in an sich bekannter Weise durch Gießen, Schmieden, Sintern etc hergestellt sein. In einem einstückigen Kolbenoberteil 111, wie es in 2 dargestellt ist, kann der erfindungsgemäß ausgestaltete Kühlkanal 116 in an sich bekannter Weise durch Gießen mit einem Salzkern hergestellt werden. Wenn das Kolbenoberteil 111 zweiteilig ausgebildet und die beiden Teile durch Reibschweißen miteinander verbunden sind, kann die Reibschweißnaht durch den Kühlkanal 116 gelegt werden, so dass einander gegenüberliegenden Materialerhöhungen 121, welche die Verengung 120 bewirken, durch Reibschweißwulste gebildet werden können, wie sich in an sich bekannter Weise während des Reibschweißvorgangs entstehen.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 210. Der Kolben 210 kann ein einteiliger oder mehrteiliger Kolben sein. Der Kolben 210 kann aus einem Stahlwerkstoff und/oder einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt sein. 3 zeigt beispielhaft einen einteiligen Kolbenkopf 211 eines erfindungsgemäßen Kolbens 210. Der Kolbenkopf 211 weist einen mit einer Verbrennungsmulde 213 aufweisenden Kolbenboden 212, einem umlaufenden Feuersteg 214 und eine Ringpartie 215 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. In Höhe der Ringpartie 215 ist ein umlaufender Kühlkanal 216 mit einem Kühlkanalboden 217 und einer Kühlkanaldecke 218 vorgesehen. Der Kolben 210 weist ferner in an sich bekannter Weise einen Kolbenschaft auf, der mit dem Kolbenkopf 211 einstückig oder als separates Bauteil ausgebildet sein, dass mit dem Kolbenkopf 211 in an sich bekannter Weise fest oder bspw. nach Art eines Pendelschaftkolbens verbunden ist (nicht dargestellt).
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In diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Kühlkanal 216 eine umlaufende Verengung 220 auf. Die Verengung 220 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch genau zwei axial versetzt zueinander angeordnete Materialerhöhungen 221a, 221b in den beiden zur Verbrennungsmulde 213 bzw. zur Ringpartie 215 benachbarten Kühlkanalwänden gebildet. Dadurch wird im Bereich des Kühlkanalbodens 217 eine sich zur Verbrennungsmulde 213 erstreckende innere Ausweitung 224 ausgebildet. Ferner wird im Bereich der Kühlkanaldecke 218 eine sich zur obersten Ringnut der Ringpartie 215 und zum Feuersteg 214 erstreckende äußere Ausweitung 225 ausgebildet. Dies führt dazu, dass im Motorbetrieb diese thermisch besonders hoch belasteten Bereiche des Kolbenkopfs 211, nämlich der Kolbenboden 212 im Bereich der Verbrennungsmulde 213 und des Feuerstegs 214 sehr wirksam gekühlt werden. Diese Kühlwirkung wird bei diesem Ausführungsbeispiel auch dadurch beeinflusst, dass die Materialerhöhung 221a eine Dicke D1 aufweist, die größer ist als die Dicke D2 der Materialerhöhung 221b. Folglich weist die innere Ausweitung 224 einen größeren Radius auf die äußere Ausweitung 225. Demnach wird bei diesem Ausführungsbeispiel im Motorbetrieb der Bereich der Verbrennungsmulde besonders wirksam gekühlt. Selbstverständlich kann auch die Materialerhöhung 221b eine größere Dicke aufweisen als die Materialerhöhung 221a, so dass in diesem Fall die äußere Ausweitung 225 einen größeren Radius als die innere Ausweitung 224 aufweist und folglich der Bereich des Kolbenbodens 213 und des Feuerstegs 214 besonders wirksam gekühlt wird (nicht dargestellt).
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Die Ausweitungen 224, 225 können im Rahmen des konstruktiv Möglichen sich in radialer Richtung nach innen bzw. nach außen beliebig weit erstrecken, wie es in 3 strichpunktiert angedeutet ist.
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Der Kühlkanalboden 217 und die Kühlkanaldecke 218 des Kühlkanals 216 sind im Wesentlichen kuppelförmig ausgebildet. Die Verengung 220 weist in diesem Ausführungsbeispiel an ihrer engsten Stelle im Wesentlichen den gleichen Abstand A vom Kühlkanalboden 217 und von der Kühlkanaldecke 218 auf. Im Ergebnis wird das Kühlmittel im Bereich des Kühlkanalbodens 217 und im Bereich der Kühlkanaldecke 218 in eine im Gegenuhrzeigersinn kreisförmig umlaufende Strömung gezwungen, wie sie durch die kreisförmigen Pfeile angedeutet wird. Somit kann das Kühlmittel mehrmals pro Kolbenhub mit der Wand des Kühlkanals im Bereich des Kolbenbodens 212 und der Verbrennungsmulde 213 Wechselwirken. Dabei wird stets Kühlmittel niedrigerer Temperatur durch die Verengung 220 beschleunigt und nachgeliefert. Zur Optimierung dieses Effekts ist bei diesem Ausführungsbeispiel das radiale Maß B der inneren Aufweitung 224 bzw. der äußeren Aufweitung 225 an ihrer jeweils breitesten Stelle mindestens gleich dem zweifachen radialen Maß b der Verengung 20, also B ≥ 2 × b, wie es in 1 am Beispiel der äußeren Aufweitung 225 dargestellt ist. In diesem Fall kann weniger heißes Kühlmittel nach unten strömen, so dass der Fluss von Kühlmittel niedrigerer Temperatur durch die Verengung 220 hindurch in Richtung der Kühlkanaldecke 218 nicht wesentlich behindert und der Bereich des Kolbenbodens 212 wirksam gekühlt wird. Da zugleich ein Teil des frischen Kühlmittels niedrigerer Temperatur im Bereich des Kühlkanalbodens in einer kreisförmigen Strömung umläuft, anstatt durch die Verengung 220 nach oben zu fließen, wobei dieses Kühlmittel nicht durch zurückströmendes heißes Kühlmittel aus dem Bereich der Kühlkanaldecke 218 übermäßig erwärmt wird, wird auch der Bereich der Verbrennungsmulde wirksam gekühlt.
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Der erfindungsgemäße Kolben 210 bzw. das Kolbenoberteil 211 kann in an sich bekannter Weise durch Gießen, Schmieden, Sintern etc hergestellt sein. In einem einstückigen Kolbenoberteil 211, wie es in 3 dargestellt ist, kann der erfindungsgemäß ausgestaltete Kühlkanal 216 in an sich bekannter Weise durch Gießen mit einem Salzkern hergestellt werden.
