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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine sowie einen Kolben für eine Brennkraftmaschine.
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Kolben für Brennkraftmaschinen werden üblicherweise im Gießverfahren hergestellt, wobei sich das Kokillengießverfahren bewährt hat. Bei diesem wird eine Schmelze in eine obenliegende Öffnung einer Kokille gegossen. Dabei wird der in der Kokille zur Verfügung stehende Hohlraum mit Hilfe der Schwerkraft ausgefüllt. Bei Verwendung dieses Verfahrens ist man bestimmten gestalterischen Zwängen unterworfen. Diese sind beispielsweise die Vermeidung von Hinterschneidungen, um ein Gusswerkstück von der Kokille zu lösen, und die Vermeidung von engen Radien innerhalb des zu gießenden Bauteils, um evtl. einer Lunkerbildung vorzubeugen.
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Der gegossene Kolben dient der Umwandlung von chemischer Energie eines Brennstoffs in mechanische Energie. Dabei werden die Einzelkomponenten der Maschine, insbesondere der Kolben, hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Diese treten bei einem Kolben insbesondere am Kolbenboden, der der Begrenzung des Brennraums dient, und an der Kolbenwand auf, die den Kolben innerhalb eines Motorblocks führt.
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Bei Herstellung moderner Kolben gilt es unterschiedliche teils gegensätzliche Anforderungen miteinander in Einklang zu bringen. So ist man bestrebt, einen Motor, insbesondere dessen Kolben in Leichtbauweise zu fertigen. Denn eine Reduzierung des Gewichts geht mit der Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs einher. Auch fördert das geringere Gewicht das dynamische Ansprechverhalten des Motors bzw. die Erhöhung der Drehzahl, da weniger Masse bewegt werden muss. Daraus folgt, dass in einem kurzen Zeitraum eine höhere Leistung zu Verfügung steht.
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Dem entgegenlaufend, ist es gewünscht, hohe Festigkeiten und ein günstiges Verformungsverhalten unter den im Betrieb auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen zu erreichen, um eine hohe Ausfallsicherheit zu erreichen. Dies bedeutet in der Regel eine Gewichtserhöhung durch ein Mehr an Material im Kolben, das insbesondere die thermischen Belastungen kompensiert. Beide genannten Bedingungen wirken sich bei einem vertretbaren Herstellungsaufwand in einem Gießverfahren limitierend aus.
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Denn nur unter Herabsetzung der Materialstärke eines Kolbens kann Gewicht gespart werden. Dies jedoch führt zu Verformungen im Betrieb. Insbesondere bei hochbelasteten Motoren, die einen hohen Druck und somit einhergehend auch hohe Temperaturen erzeugen, kann dies zum Versagen des Motors führen.
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In diesem Zusammenhang ist es beispielsweise bekannt, Kühlkanäle im Kolben anzubringen oder den Kolbenboden zu kühlen. Hierbei ist beispielsweise ein pilzförmiger Kühlungsraum unterhalb des Kolbenbodens angebracht. In diesen wird Öl eingespritzt, was zu einer Verringerung der thermischen Belastung führt. Ein derartiger Kolben wird im Kokillengießverfahren erstellt, wobei die geplanten Kühlungskanäle in der Kokille mit Salz realisiert werden, das nach abgeschlossenem Gießvorgang und Abkühlung des Kolbens ausgespült wird. Somit ist es möglich, einfache Hinterschneidungen während des Gussvorganges zu produzieren, wobei das Erstellen der Salzform für die Kanäle sehr aufwendig und kostenintensiv ist.
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Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass mittels des Kokillengießverfahrens Leichtbauanforderungen an die Gießbarkeit eines Kolbens im hohen Maße eingeschränkt sind, da dünne Wandstärken an hochtemperaturbelasteten Bereichen nur mit hohem Aufwand erstellbar sind.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine anzugeben, das eine hohe Variabilität in der Gestaltung des Kolbens, insbesondere unter Berücksichtigung von Kühl- und/oder Belastungsaspekten erlaubt.
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Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen Kolben zu schaffen, der verbesserte und leicht an die tatsächlichen Entstehungsorte der Wärmebelastungen angeordnete Kühlstrukturen gestattet und der Erfordernissen belastungsabhängiger Verbrennungen Rechnung tragen kann.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1, hinsichtlich des Kolbens erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 3 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine anzugeben, wobei die Herstellung vorzugsweise im Schichtbauverfahren unter Ausbildung von zumindest einer Ausnehmung für zumindest ein Kühlmedium und/oder zumindest ein Formbestimmungselement stattfindet. Ferner ist es von Vorteil, wenn im Schichtbauverfahren mindestens ein Metalllegierungspulver unter Einsatz von Energiestrahlen aufgeschmolzen wird. Dazu eignet sich insbesondere ein Laserstrahl.
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Die Verwendung eines Schichtbauverfahrens für den Kolben hat zunächst gegenüber einem gegossenen Kolben den Vorteil, dass dünnere Wandstärken erzielbar sind, wodurch der Kolben in Summe weniger Masse aufweisen kann. Somit ist er also leichter ist und besitzt ein geringeres Massenträgheitsmoment, wodurch der Motor schneller auf die Anforderung einer höheren Leistung reagieren kann. Einhergehend mit der Verringerung der Masse kann der Energieeinsatz bzw. der Treibstoffverbrauch bei Einsatz eines solchen Kolbens in einem Motorblock reduziert werden.
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Ein solches Schichtbauverfahren gehört vorzugsweise zur Gruppe der Strahlschmelzverfahren bzw. wird als selektives Laserschmelzen bezeichnet. Bei diesem Verfahren wird der zu verarbeitende pulverförmige Werkstoff in einer dünnen Schicht auf einer verfahrbaren bzw. höhenverstellbaren Grundplatte aufgebracht. Im Anschluss daran wird der Werkstoff mittels Laserstrahlen lokal geschmolzen und bildet nach Erstarrung eine feste Materialschicht. Daraufhin wird die Grundplatte um eine Schichtdicke abgesenkt, um anschließend erneut Pulver aufzutragen. Hierauf schließt sich erneut das Schmelzen mittels Lasers an.
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Der geschilderte Zyklus wird solange wiederholt, bis das gesamte Bauteil auf der Grundplatte entstanden ist. Derartig gefertigte Bauteile weisen große Bauteildichten auf. Somit ist es gewährleistet, dass mechanische Eigenschaften eines auf diese Weise generativ hergestellten Bauteils hohen Anforderungen genügen.
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Im geschilderten Verfahren ist es auch möglich, unterschiedliche Metalllegierungspulver einzusetzen. Somit können beispielsweise die Ausnehmungen und/oder zumindest ein Formbestimmungselement aus einem anderen Material, wie z. B. Kupfer, gebildet sein als der vorzugsweise aus Aluminium gefertigte Kolben.
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Mit Hilfe der zumindest einen Ausnehmung ist es ferner möglich, eine effiziente Kühlung mit einem Medium bzw. einem Fluid für einen Kolben zu realisieren. Aber auch durch die Anordnung von zumindest einem Formbestimmungselement innerhalb einer Ausnehmung kann ein Kühleffekt durch Wärmeableitung innerhalb des Formbestimmungselements erreicht werden.
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Durch die Herstellung einer Kühlstruktur bzw. der zumindest einen Ausnehmung für ein Kühlmedium unter Verwendung des Schichtbauverfahrens können auf einfache Weise komplexe Kühlstrukturen innerhalb des Kolbens angeordnet werden. Aufgrund dessen eröffnen sich neue konstruktive Möglichkeiten wie z. B. die Herabsetzung der Wandstärke eines Kolbens oder andere geometrische Kolbeneigenschaften, die der hohen Temperaturbelastung Rechnung tragen.
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Als Kühlmedium, das durch die zumindest eine Ausnehmung durchströmen kann, eignet sich insbesondere Öl. Je nach den geometrischen Formen der Ausnehmung können unterschiedliche Öle zum Einsatz kommen. So ist es z. B. von Vorteil, wenn ein leichtes hochviskoses Öl durch die zumindest eine Ausnehmung strömt, wenn diese innerhalb des Kolbens beispielsweise enge Radien oder eine Ausnehmung mit geringem Querschnitt durchströmen soll. Auch ist ein höher viskoses Fluid leichter förderbar als ein zähes.
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Bei Anordnungen zumindest eines Formbestimmungselements innerhalb der zumindest einen Ausnehmung ist es günstig, als Material für das Formbestimmungselement eines mit geringem Wärmedehnungskoeffizienten zu wählen. Dadurch können mechanische Spannungen, hervorgerufen durch thermische Belastung, effektiv innerhalb des Kolbens unterbunden werden.
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Um sowohl Ausnehmungen, die als Hohlräume ausgestaltet und im Querschnitt rohr- oder polygonförmig ausgebildet sein können, als auch Formbestimmungselemente, die innerhalb der Ausnehmung angeordnet sein können, aus einem anderen Material wie den Kolben herzustellen, ist es von Vorteil, beispielsweise auch das Formbestimmungselement im Schichtbauverfahren zu erstellen. Es ist aber auch möglich, dass zumindest ein Formbestimmungselement im Anschluss, d. h. nach Erstellen des Kolbens im Schichtbauverfahren in die zumindest eine Ausnehmung einzugießen. Für den Fall, dass es sich um ein weiches Material handelt, kann ein Formbestimmungselement auch dadurch gestaltet werden, dass es in die Ausnehmung mittels Druck eingebracht wird.
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Sowohl das Kühlmedium als auch das Formbestimmungselement kann die Temperatur des Kolbens im Betrieb regulieren. Folglich ist es möglich, den Kolben diversen Leichtbaumaßnahmen zu unterwerfen, wie z. B. die Herabsetzung der Wandstärke. Eine derartige Maßnahme dient aber auch dazu, die Langlebigkeit eines Motors zu erhöhen, da Temperaturspitzen im Lastbetrieb und damit einhergehende Verformungen unterbunden werden können. Folglich ist die Wärmdehnung des Kolbens innerhalb eines Motors regulierbar bzw. in einem engen Bereich einstellbar.
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Unter einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Kolben für eine Brennkraftmaschine in Verbindung mit einer generativen Formgebung des Kolbens zumindest eine Ausnehmung im Kolben aufweist, gebildet in Verbindung mit einer generativen Formgebung des Kolbens, zur Aufnahme eines Kühlmediums und/oder eines Formbestimmungselements.
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Mit Hilfe des Kühlmediums und/oder des Formbestimmungselements kann die Temperatur des Kolbens im Betrieb reguliert werden. Dies ermöglicht es, Leichtbaumaßnahmen durchzuführen, wie z. B. die Wandstärke des Kolbens herabzusetzen. Auch fördert eine derartige Maßnahme die Zuverlässigkeit eines Motors, da aufgrund der Vermeidung von Temperaturspitzen im Lastbetrieb keine unerwünschten Verformungen des Kolbens auftreten können. Folglich ist die Wärmdehnung des Kolbens regulierbar bzw. in einem engen Bereich einstellbar.
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Einhergehend mit dem Kühlen des Kolbens und der damit vermeidbaren bzw. im Rahmen eingrenzbaren Wärmedehnung ist die mechanische Belastung ebenfalls herabsetzbar. Denn die Wärme, die bei der Verbrennung an der Kolbenbodenseite entsteht, bedingt eine höhere mechanische Belastung des Kolbens, der sich eben aufgrund der Wärme ausdehnt. Dadurch kann eine höhere Reibung zwischen Kolben und Kolbenführungswand im Motor hervorgerufen werden. Dies kann dazu führen, dass sich der Kolben innerhalb des Motors verkeilt und somit eine noch höhere Reibung mit der Kolbenführungswand verursacht, wodurch ähnlich dem Reibschweißen bei längerer Belastung eine Verbindung zwischen Motorblock und Kolben entstehen kann, was zum Totalschaden des Motors führt.
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Vorzugsweise ist die zumindest eine Ausnehmung kanalförmig ausgebildet. Unter kanalförmig wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass die zumindest eine Ausnehmung einen kreisrunden und/oder polygonförmigen Querschnitt aufweist, bzw. rohrförmig ähnlich einem Hohlzylinder ausgebildet ist.
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Die jeweilige Formwahl hat den Vorteil, dass besondere Strömungsverhältnisse für besondere Aufgaben bzw. Stellen innerhalb des Kolbens bzw. an dessen Randbereichen einstellbar sind. In diesem Zusammenhang ist es auch bevorzugt, wenn die zumindest eine Ausnehmung an die Strömungsverhältnisse angepasste Umlenkradien aufweist, so dass Totstrecken und auch Totstellen, an denen sich das Kühlmedium staut und somit auch die Wärme, vermieden werden können. Selbstverständlich sind aber auch tote Bereiche innerhalb der Ausnehmung einstellbar, falls hierdurch ein gewünschter Effekt erzielbar ist, da beispielsweise es leichter ist, das erwärmte Fluid im Totbereich zu kühlen als eine im gesamten Querschnitt durchströmte Ausnehmung zu gestalten.
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Bei der Ausgestaltung der zumindest einen Ausnehmung im Kolben ist es von Vorteil, wenn sie an ihrem einen Ende einen Zulaufanschluss und an ihrem anderen Ende ein Ablaufanschluss aufweist. Dabei ist es günstig, wenn sowohl der Zu- als auch der Ablaufanschluss so ausgestaltet sind, dass sie leicht mittels beispielsweise eines Schlauches kontaktierbar sind. Selbstverständlich ist es auch möglich, andere Kontaktmöglichkeiten vorzusehen. Hierbei sind beispielsweise Schnellverschlussmöglichkeiten wie z. B. ein Bajonettverschluss möglich. Vorzugsweise sind Zu- und Ablaufanschluss mit einer Pleuelstange verbindbar, die ebenfalls einen Zu- und Ablaufanschluss für ein Kühlmedium vorgesehen hat. Somit kann auf einfache Weise das Kühlmedium hin zum Kolben tranportiert werden, ohne dass störende Schläuche die Bewegung des Pleuelstange und/oder des Kolbens beeinflussen.
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Günstigerweise weist die zumindest eine Ausnehmung wenigstens drei Wegstücke auf, nämlich einen Zu-, einen Ablauf und eine Wärmetauschstrecke. Hierbei dient der Zulauf dem Zuführen des Kühlmediums an den zu kühlenden Bereich innerhalb des Kolbens und der Ablauf dem Wegführen des erwärmten Fluids. Bevorzugterweise ist zwischen Zu- und Ablaufanschluss bzw. zwischen Zu- und Ablauf die Wärmetauschstrecke angeordnet. Die Aufgabe der Wärmetaustrecke ist es, einerseits das Fluid zu führen und andererseits die durch die im Betrieb des Motors erzeugte Wärme innerhalb des Kolbens abzuführen. Selbstverständlich kann diese Aufgabe auch von den beiden weiteren Wegstücken, Zu- und Ablauf erfüllt werden.
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Die Wärmetauschstrecke, die von der zumindest einen Ausnehmung gebildet ist, kann kanal- bzw. kreis- und/oder polygonförmig im Querschnitt ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, in Anhängigkeit der Bauteilgeometrie und der gewünschten Strömungsverhältnisse innerhalb einer Ausnehmung unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten zu realisieren. Somit kann beispielsweise an hochbelasteten Bereichen im Kolben ein enger und flacher Querschnitt angeordnet werden, der einerseits eine hohe Oberfläche und andererseits eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweist.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn die Ausnehmung innerhalb des Kolbens mäanderförmig ausgebildet ist. Dies ist insbesondere an diesen Orten innerhalb des Kolbens von Vorteil, an denen eine hohe Temperaturlast auftritt, so dass ein hohes Maß an Wärme von der Kolbenwand durch das Kühlmedium weg transportiert werden kann. In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls von Vorteil, wenn die zumindest eine Ausnehmung an einem temperaturbelasteten Bereich des Kolbens angeordnet ist. Dabei ist es für die zumindest eine Ausnehmung bevorzugt, insbesondere die Wärmetauschstrecke in der Nähe von thermisch hochbelasteten Bereichen des Kolbens anzuordnen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass zumindest die Wärmetauschstrecke Wärme an sensiblen Bereichen im Kolben, die beispielsweise eine geringe Wandstärke unterhalb des Kolbenbodens als Folge einer Leichtbaumassnahme aufweisen, der Kühlung dient.
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Ferner ist es günstig, wenn die Wärmetauschstrecke eine Ausgestaltung aufweist, bei der der Verlauf innerhalb des Kolbens vom Bereich mit hoher Temperatur mit diversen mäanderförmigen Teilstrecken bzw. Wendungen ausgestaltet ist und hin zum Ablauf die mäanderförmige Struktur abnimmt, d. h. dass die Mäanderform zunehmend geradliniger ausgebildet ist und somit weniger Wendungen aufweist. Somit wird es ermöglicht, an hochtemperaturbelasteten Stellen das Kühlmedium langsam fließen zu lassen und dabei ausreichend Wärme aufzunehmen und nach Aufnahme der Wärme einen schnellen Abtransport zu gewährleisten.
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Neben der mäanderförmigen Ausgestaltung der zumindest einen Ausnehmung bzw. der Wärmetauschstrecke sind auch andere Formen möglich. Insbesondere ist eine u-förmig ausbildete Ausnehmung innerhalb des Kolbens bevorzugt. Unter dieser speziellen Ausführung wird verstanden, dass Zu- und Ablauf parallel im Kolben angeordnet sind, und insbesondere parallel zur Zylinderform des Kolbens ausgestaltet sind. Dabei ist es günstig, dass an dem Zulauf der Zulaufanschluss angeordnet ist und an dem Ablauf der Ablauflaufanschluss. Das Mittelstück des „U”, also die Wärmetauschstrecke, verbindet den Zulauf mit dem Ablauf.
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Selbstverständlich können Zu- und Ablauf auch schräg oder windschief zueinander liegend angeordnet sein, eine Parallelanordnung ist kein Muss. Auch können Zu-, Ablauf und/oder Wärmetauschstrecke mäanderförmig ausgebildet sein. Der Formgestaltung im Verlauf sowie bei Betrachtung der Querschnittsform der einzelnen Wegstücke in der zumindest einen Ausnehmung sind nur durch den jeweiligen Anwendungsort und durch die zu erreichenden Parameter, wie Strömgeschwindigkeit des Kühlmediums sowie dessen Eigenschaften in Abhängigkeit der Temperatur, Grenzen gesetzt.
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Vorzugsweise ist die zu beiden parallelen Teilstücken senkrecht liegende Strecke in der Nähe der und parallel zur Verbrennungskammer liegenden Kolbenoberfläche (Kolbenboden) angeordnet. Somit ist es möglich, temperaturkritische Bereiche des Kolbens von einer vom Verbrennungsraum abgewandten Seite zu kühlen.
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Wie weiter oben beim Verfahren bereits erwähnt, ist es auch möglich, in der zumindest einen Ausnehmung zumindest ein Formbestimmungselement anzuordnen. In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn das Formbestimmungselement als Kühlkörper ausgebildet ist, der ein wärmeleitfähiges Material aufweist, wodurch Wärme vom Entstehungsort wegtransportiert werden kann. Dabei ist es ferner von Vorteil, wenn das Formbestimmungselement bzw. der Kühlkörper ein Material mit geringem Wärmedehnungskoeffizienten umfasst. Auf diese Weise können aufgrund Temperaturbelastung, mechanische Belastungen innerhalb des Kolbens, die von dem Formbestimmungselement hervorgerufen werden können, vermieden werden. Somit ist es also möglich, Wärme aus kritischen Bereichen zu weniger temperaturbelasteten abzuleiten, wodurch mechanische Spannungen in Teilbereichen des Kolbens in Grenzen gehalten werden können. Dabei ist es bevorzugt, wenn das zumindest eine Formbestimmungselement einen temperaturbelasteten, warmen Bereich mit einem im Verhältnis weniger temperaturbelasteten, kühlen Bereich verbindet. Somit wird die durch die Verbrennung erzeugte Wärme gleichmäßig im Kolben verteilt ist, und eine gleichmäßige Wärmedehnung des gesamten Kolbens erreicht. Dadurch werden folglich mechanische Spannungsspitzen hervorgerufen durch Temperaturunterschiede innerhalb des Kolbens vermieden. Auch kann somit die Verformung in bestimmten Bereichen, insbesondere in weniger temperaturbelasteten Bereichen eine Wärmedehnung in eine bestimmte Richtung begünstigt werden.
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In Zusammenhang mit der zumindest einen Ausnehmung bzw. mit mehreren Ausnehmungen, ist es ferner von Vorteil, wenn diese rotationssymmetrisch um den Kolbenmittelpunkt angeordnet ist bzw. sind. Dies ermöglicht eine bessere Kühlung, da somit innerhalb des Kolbens mehrere Wärmetauschstrecken anordenbar sind.
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Mit anderen Worten ausgedrückt zielt der erfindungsgemäße Gedanke dahin, eine effiziente Kühlung des Kolbens zu erreichen, welche mit einem modernen Schichtbauverfahren fertigungstechnisch realisierbar ist. Dies wird durch die Integration von zumindest einer Ausnehmung bzw. Kühlungskanälen im Inneren des Kolbens umgesetzt. Die Einbringung der Kühlungskanäle wird durch ein Schichtbauverfahren wie z. B. dem selektiven Laserschmelzen verwirklicht. Diese Technologie ermöglicht es, die Kühlungskanäle in einem Fertigungsschritt innerhalb eines Kolbens zu integrieren. Die Kühlungskanäle können durch dieses Verfahren belastungsabhängig und flexibel im Kolben eingebracht werden. Auch sind mit Hilfe eines derartigen Verfahrens Strukturen innerhalb des Kolbens möglich, wie sie durch herkömmliche Herstellungsverfahren wie das Kokillengießverfahren nicht erreichbar sind.
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Die Nutzung der mittels Schichtbauverfahren integrierten Kühlungskanäle zur Verhinderung einer Verformung oder Beschädigung aufgrund thermischer Belastung des Kolbens kann dabei im wesentlichen auf zwei Wegen erfolgen. Zum einen durch das Durchströmen der Kühlungskanäle des Kolbens mittels eines geeigneten Fluids, d. h. eines synthetischen Fluids das gewünschte Wärmetauschmöglichkeiten für den jeweiligen Einsatzbereich erlaubt, und zum anderen durch das Ausfüllen der Kühlungskanäle mittels eines geeigneten Metalls oder anderer Materialien, die die Verformung des Kolbens in bestimmten Richtungen verhindern oder begünstigen und/oder für die Wärmeableitung des thermisch belasteten Kolbens sorgen.
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Somit ist es möglich, die durch die thermische Belastung von Verbrennungsmotoren hervorgerufene Erwärmung des Kolbens zu limitieren und ungewollte Verformungen des Kolbens zu verringern. In der Folge kann der Verschleiß an Kolben bzw. an Kolbenringen und die Gefahr des Versagens des Motors verringert werden. Neben der Verwendung des oben genannten Prinzips in Verbrennungsmotoren nach dem Hubkolbenprinzip, ist es auch möglich, die vorgenannten Ausgestaltungen in einem Kreiskolbenmotor (Wankelmotor) bzw. dessen Kolben zu integrieren.
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Die vorbeschriebenen Merkmale, die alle der Ausbildung und Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine dienen, sind frei miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
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1: ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens;
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2: einen erfindungsgemäßen Kolben für eine Brennkraftmaschine;
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3a–3f: mögliche Verläufe einer Ausnehmung in einem Kolben;
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4a–4c: weitere mögliche Verläufe einer Ausnehmung in einem Kolben; und
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5: eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens.
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens 1 für eine Brennkraftmaschine. Hierbei sind ein Arbeitsbereich 21, ein Vorratsbereich 22, eine Energiequelle 24 und eine Umlenkvorrichtung 26 dargestellt.
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Der Vorratsbereich 22 sowie der Arbeitsbereich 21 sind durch starre Trennwände 27, 28 nach außen hin begrenzt. Zwischen beiden Bereichen ist ebenfalls eine Trennwand 29 angeordnet, die den Vorrats-22 vom Arbeitsbereich 21 trennt. Beide Bereiche 22, 21 weisen eine Grundplatte 30, 31 und einen daran angeordneten höhenverstellbaren Kolben 32, 33 auf.
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Sowohl die Energiequelle 24, welche im vorliegenden Beispiel als Laser ausgeführt ist, als auch die Umlenkvorrichtung 26 sind oberhalb der Bereiche 21, 22 angeordnet. Die Umlenkvorrichtung 26 ist im Strahlengang der Energiequelle 24 angeordnet, sodass der Energie- bzw. Laserstrahl 25 direkt auf die Umlenkvorrichtung 26 trifft, wobei der Laserstrahl 25 in Richtung des Arbeitsbereichs 21 umgelenkt wird.
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Im Grundsatz laufen die Verfahrensschritte zur Herstellung eines Kolbens 1 wie folgt ab. Zunächst wird eine Schicht eines Metalllegierungspulvers 20 in den Arbeitsbereich 21 eingebracht, bzw. auf der gesamten Oberfläche der Grundplatte 31 angeordnet. Dies geschieht mittels eines Rollers 23, der das Metalllegierungspulver 20 vom Vorratsbereich 22 über die Trennwand 29 hinweg hin zum Arbeitsbereich 21 hinüberrollt bzw. im gesamten Arbeitsbereich gleichmäßig verteilt. Nach Aufbringen einer Schicht Metalllegierungspulver wird die Energiequelle 24 aktiviert, wodurch der Energiestrahl 25 erzeugt wird. Der Energiestrahl 25 wird dabei von der Umlenkvorrichtung 26 auf die im Arbeitsbereich 21 angeordnete Metalllegierungspulverschicht gelenkt, wobei der Energiestrahl 25 nur auf diese Bereiche der aufgetragenen Pulverschicht trifft, die zu dem zu erstellenden Bauteil bzw. dem Kolben 1 gehören. Nachdem der Abschnitt des Kolbens 1, der der Schichtdicke des aufgetragenen Metalllegierungspulvers entspricht, mittels des Energiestrahls 25 erstellt wurde, wird die Energiequelle 24 abgeschaltet und der Arbeitsbereich 21 bzw. dessen Grundplatte 31 um den Betrag einer Schichthöhe abgesenkt.
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Gleichzeitig wird der Vorratsbehälter 22 bzw. dessen Grundplatte 30 um denselben Betrag erhöht. Mittels des Rollers 23 wird nun die Schicht von dem Vorratsbehälter 22 auf den Arbeitsbereich 21 übertragen, so dass das Metalllegierungspulver 20 im Arbeitsbereich 21 dieselbe Höhe aufweist, wie im Vorratsbehälter 23. Anschließend wird der Laser 24 aktiviert, um mittels der Umlenkvorrichtung 26 eine weitere Schicht des zu erstellenden Bauteils zu generieren. Der Laser dient dabei nicht nur dazu, das aufgetragene Pulver 20 durch Schmelzen zu verdichten, sondern auch die einzelnen Schichten des zu erstellenden Kolbens miteinander zu verbinden.
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Dies zeigt der vergrößerte Ausschnitt in 1, in welchem der Energiestrahl 26 auf ein oberes Ende 5 einer Kolbenwand 6 trifft. Hierbei befindet sich im dargestellten Verfahrensschritt das Metalllegierungspulver 20 am oberen Ende der Kolbenwand 6 in einem angeschmolzenen Zustand. D. h. dem Pulver 20 wurde bereits eine Menge an Energie zugeführt, die die Pulverpartikel hat schmelzen lassen, sodass diese maximal verdichtet sind und mit der zuvor erstellten Schicht der Kolbenwand 5 verschmelzen. Die einzelnen Schichten der dargestellten Kolbenwand 6 sind in der vergrößerten Ansicht durch gestrichelte Linien dargestellt. Des Weiteren ist zu erkennen, dass innerhalb einer Schicht des Kolbens 1 eine Kolbenringnut 7 angeordnet ist. Das Absenken des Arbeitsbereichs 21 und das Erhöhen des Vorratsbereichs 22 jeweils um den Betrag einer Schichtdicke erfolgt stets nach dem Fertigstellen einer Schicht durch die Energiequelle 24 bzw. dessen Energiestrahl 25. Diese Schritte werden so oft wiederholt, bis im Arbeitsbereich 21 der komplette Kolben 1 fertig gestellt ist. Der in 1 im Arbeitsbereich 21 dargestellte Kolben 1 ist kurz vor seiner Fertigstellung. Er weist nämlich bereits Durchgänge 4 für einen nicht dargestellten Kolbenbolzen sowie zwei der drei Kolbenringnuten 7 auf.
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Die Umlenkvorrichtung 25 umfasst im vorliegenden Beispiel einen Spiegel 13, der sowohl um seinen Aufhängungspunkt 14 schwenkbar als auch rotierbar ist. Mit Hilfe einer derartigen Ausgestaltung ist es auf einfache Weise möglich, den Energiestrahl 26 an verschiedenen Stellen auf den Arbeitsbereich 21 treffen zu lassen, ohne die Verwendung von Stellmotoren für den Laser 24, was selbstverständlich auch möglich wäre. Um den Energiestrahl 25 des Lasers 24 zu bündeln, können in dessen Strahlenweg Linsen (nicht dargestellt) angeordnet sein.
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Anstelle den Lasers bzw. die Energiequelle 24 und/oder eine Umlenkvorrichtung 26 zu bewegen, ist es auch möglich, den Arbeitsbereich 21 zusammen mit dem Vorratsbereich 22 zu verfahren.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen Kolben, der nach dem vorbeschriebenen Verfahren gefertigt wurde. Der Kolben 1 ist ähnlich einem Vollzylinder ausgestaltet und weist an der einen Stirnfläche einen Kolbenboden 8 zur Begrenzung einer Brennkammer auf, und an der anderen eine Vertiefung 3 zur Aufnahme einer Pleuelstange. Die Vertiefung 3 ist ebenfalls zylinderförmig ausgestaltet, wobei andere Formen ebenfalls möglich sind.
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Der Kolbenboden 8 kann wie im vorliegenden Beispiel eben ausgeführt sein, oder eine Topographie aufweisen, die für den jeweiligen Motor bzw. die dort stattfindende Verbrennung günstig ist. Somit kann ein günstiges mechanisches Verhalten des Kolbens in der Brennkammer eines Motors erreicht werden.
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Des Weiteren sind in der Nähe des Kolbenbodens 8 drei Kolbenringnuten 7 angeordnet. Diese bzw. die dort anzubringenden Kolbenringe dienen zum einen der Kolbenführung innerhalb des Motors aber auch der Abdichtung der Brennkammer. Am gegenüberliegenden Ende des Kolbens 1 ist ein Durchgang 4 für einen Kolbenbolzen in Ausgestaltung als Loch vorgesehen, mit dessen Hilfe eine Pleuelstange über einen Bolzen am Kolben 1 befestigbar ist.
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In der dargestellten Ausführung eines Kolbens 1 aus 2 ist ein Bereich aus dem Kolben ausgeschnitten, der das Kolbeninnere offenlegt. Hierbei ist zu erkennen, dass innerhalb des Kolbens 1 eine Ausnehmung 2 in Ausbildung als rohrförmiger Kühlkanal angeordnet ist. Selbstverständlich sind auch weitere Formen realisierbar, insbesondere mit dem vorgestellten Verfahren.
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Die Ausnehmung 2 weist im Wesentlichen drei Teilabschnitte auf, nämlich einen Zulauf 2a, einen Ablauf 2c und eine Wärmetauschstrecke 2b. Hierbei sind der Zu- und Ablauf 2a, 2c parallel zur Zylinderachse ausgerichtet und die Wärmetauschstrecke 2b parallel zum Kolbenboden 8, wobei auch andere Orientierungen innerhalb des Kolbens 1 möglich sind. Des Weiteren verbindet die Wärmetauschstrecke 2b der Ausnehmung 2 jeweils ein Ende der beiden Abschnitte 2a und 2c über gerundete Umlenkungen 11, 12 miteinander, sodass in Summe eine u-förmige Anordnung entsteht. Die Umlenkungen weisen einen Radius auf, der an die Strömungsverhältnisse innerhalb der gesamten Ausnehmung 2 angepasst ist, sodass keine Totstellen bzw. -strecken entstehen. Generell ist die Ausnehmung 2 strömungsgünstig ausgelegt, um durch ein Kühlmedium, das die Ausnehmung 2 durchströmen kann, den Abtransport von Wärme, insbesondere in der Nähe des Kolbenbodens 8, zu gewährleisten. Als Kühlmedium eigenen sich insbesondere hochviskose Synthetiköle.
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An den unverbundenen Enden von Zu- und Ablauf 2a, 2c im Kolbeninneren, die in die Vertiefung 3 münden, weist der Zulauf 2a einen Zulaufanschluss 9 und der Ablauf 2c einen Ablaufanschluss 10 auf. Im vorliegenden Beispiel sind beide Anschlüsse 9, 10 mit einem Gewinde ausgeführt (nicht dargestellt), das das Einschrauben von Versorgungsleitungen ermöglicht. Auch sind Anschlussmöglichkeiten für beispielsweise Schnellverschlüsse möglich, die während und mithilfe des Herstellungsverfahrens aus 1 bereits vorgesehen werden können.
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Der in 2 dargestellt Kolben 1 kann auch weitere Hohlräume und weitere Ausnehmungen 2, alle in unterschiedlichen Formen ausgestaltet, aufweisen. Somit ist eine ausreichende Kühlung, aber auch eine leichte Bauweise möglich, wodurch eine deutlich dünnwandigere Kolbengestaltung ermöglicht wird, die aufgrund des geringeren Gewichts höhere Motor-Drehzahlen erlaubt.
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3a bis 3e zeigen diverse Möglichkeiten der Ausgestaltung der Wärmetauschstrecke 2b innerhalb des Kolbens 1, wobei der Kolben senkrecht zu seiner Zylinderachse Z auf Höhe der Wärmetauschstrecke 2b geschnitten dargestellt ist. In allen Figuren ist die Zylinderachse Z durch ein Plus bzw. Kreuz gekennzeichnet.
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In 3a sind zwei Wärmetauschstrecken 2b dargestellt. Beide Wärmetauschstrecken 2b sind zwischen jeweils einem Zu- und einem Ablauf 2a, 2c geradlinig ausgeführt. Hierbei sind die Wärmetauschstrecken um 90 Grad zueinander um die Zylinderachse Z verdreht, wobei die eine Wärmetauschstrecke kürzer ausgebildet ist als die andere. Um die Figur nicht unübersichtlich zu gestalten, sind nur die zwei genannten Wärmetauschstrecken dargestellt, selbstverständlich sind weitere möglich, auch in unterschiedlichen Ebenen bzw. Höhen entlang der Zylinderachse. Auch ist ein Versatz um einen beliebigen Winkel möglich. Hinsichtlich der Gestaltungsmöglichkeiten sind mit der vorliegenden Erfindung kaum Grenzen gesetzt.
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Um dies zu verdeutlichen, sind in 2b ebenfalls beispielhaft zwei unterschiedlich lange Wärmetauschstrecken 2b dargestellt. Dabei sind beide zueinander im rechten Winkel und innerhalb derselben Höhe im Zylinder angeordnet, wobei die eine Strecke länger als die andere ist. Die längere Wärmetauschstrecke ist nahe der Zylinderachse Z angeordnet, wohingegen die kurze Strecke 2b radial angeordnet ist. Die Zu- und Abläufe 2a, 2c sind bei allen Figuren angegeben, wobei eine derartige Angabe nur als Vorschlag zu verstehen ist. Denn es ist auch möglich, die Zu- und Abläufe der einzelnen Ausnehmungen zu vertauschen, sodass an der Stelle, an der in den Figuren die Abläufe eingezeichnet sind, auch die Zuläufe angeordnet werden können. Dies gilt auch umgekehrt. Generell sind die Zu- und Abläufe frei wählbar, da es lediglich wichtig ist, eine Strömung innerhalb der Ausnehmungen zu erzielen, die für einen Wärmetransport sorgt.
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In 3c sind drei Wärmetauschstrecken innerhalb einer Ebene angeordnet, wobei alle drei halbkreisförmig ausgestaltet sind. Die außenliegende, längste Wärmetauschstrecke 2b ist mit der gegenüberliegenden kleiner ausgebildeten konzentrisch zur Zylinderachse Z angeordnet. Hingegen weist die innerste, kleinste Wärmetauschstrecke 2b eine zur Zylinderachse Z verschobene Anordnung auf, sodass diese nicht konzentrisch angeordnet ist. Im vorliegenden Beispiel sind die Zu- und Abläufe 2a, 2c bei Betrachtung von der Zylinderachse Z nach außen, also bei radialer Betrachtung abwechselnd angeordnet. So folgt auf einen Ablauf 2c der innersten Wärmetauschstrecke 2b ein Zulauf 2b der mittleren und anschließend ein Ablauf 2c der äußersten Wärmetauschstrecke 2b. In entgegengesetzter Richtung sind zwei Zuläufe und ein Ablauf angeordnet.
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3d zeigt zwei weitere Möglichkeiten der Gestaltung einer Wärmetauschstrecke 2b innerhalb einer Ebene des Kolbens 1. Dabei ist die Wärmetauschstrecke 2b der Einfachheit halber als Linie dargestellt. So ist in der oberen Hälfte des Kolbenschnitts beispielhaft eine halbkreisförmige Ausgestaltung der Wärmetauschstrecke 2b dargestellt, wobei jedoch der Zu- und Ablauf 2a, 2c radial zueinander angeordnet sind, sodass der Umkehrpunkt der Krümmung in mathematisch positiver Drehrichtung angeordnet ist, von Zu- und Ablauf 2a, 2c aus betrachtet. Selbstverständlich kann der Halbkreis auch in die andere Richtung, also in mathematisch negativer Drehrichtung, gewölbt sein.
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In der unteren Hälfte sind Zu- und Ablauf 2a, 2c ebenfalls radial zueinander angeordnet, jedoch ist die Wärmetauschstrecke 2b mäanderförmig ausgestaltet. Dabei folgen die einzelnen Mäanderäste der kreisrunden Form des Zylinders, sodass in Summe vier in Umfangsrichtung orientierte Teilstrecken entstehen. Dies ermöglicht eine Wärmeaufnahme im hohen Maße und eine gleichmäßige Wärmeverteilung, sodass Temperaturdifferenzen und damit einhergehende mechanische Spannungen vermieden werden können.
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In 3e sind zwei weitere Möglichkeiten der Formgestaltung für eine Wärmetauschstrecke 2b dargestellt. In der unteren Hälfte ist eine Abwandlung der Ausführung aus 3d dargestellt, die ebenfalls mäanderförmig ausgeführt ist, jedoch sind deren Mäanderäste in Richtung der Zylinderachse Z kürzer ausgeführt. Dies ermöglicht es in den langen Teilstücken die Wärme gut aufzunehmen und anschließend mithilfe der kurzen Teilstücke, die aufgenommene Wärme schnell dem Ablauf 2c zuzuführen.
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In der oberen Hälfte ist ebenfalls eine Abwandlung aus 3d dargestellt mit dem Unterschied, dass ein Zu- und ein Ablauf 2a, 2c zwei Wärmetauschstrecken versorgt. Hierbei weisen die beiden Wärmetauschstrecken 2b im Wesentlichen zwei gerade Teilstücke auf, die jeweils über eine bogenförmige Umlenkung 15 miteinander verbunden sind. Des Weiteren sind die die Umlenkungen 15 in Umfangsrichtung orientiert, in Anlehnung an die halbkreisförmige Ausgestaltung aus 2b.
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3f zeigt den möglichen Verlauf bzw. die möglichen Orientierungen von Zu- und Abläufen entlang der Zylinderachse Z innerhalb eines Kolbens in Draufsicht von oben auf den Kolbenboden. Dabei sind mögliche Verläufe A–E beispielhaft dargestellt, wobei die einzelnen frei miteinander kombinierbar sind.
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Variante A zeigt einen radial gerichteten Verlauf eines Zu- oder Ablaufs innerhalb eines Kolbens. Hingegen ist in Variante B der Verlauf tangential orientiert. In Variante C verläuft der Ab- oder Zulauf parallel zur Zylinderachse. Variante D offenbart einen Verlauf in radialer und tangentialer Richtung. Dieser Verlauf wird in Variante E erweitert, nämlich um einen Verlauf zwischen tangentialer und radialer Richtung mit einem Verlauf entlang der Zylinderachse.
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In 4a–c wird der mögliche Verlauf aus 3f konkretisiert. In 4a ist ein Kolben 1 dargestellt, mit zwei unterschiedlichen Verläufen eines Zu- oder Ablaufs 2a, 2c, wobei der Verlauf anhand einer Linie schematisch dargestellt ist. Hierbei wird in Variante I gezeigt, dass ebenfalls für den Zu- und/oder Ablauf 2a, 2c ein mäanderförmiger Verlauf möglich ist. Variante 11 in 4a zeigt ebenfalls einen mäanderförmigen Verlauf, jedoch ist hier im Gegensatz zu Variante I die Wärmetauschstrecke 2b im Höhenverlauf bzw. entlang der Zylinderachse Z des Kolbens 1 mäanderförmig ausgestaltet.
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In 4b sind ebenfalls zwei mögliche Ausgestaltungen eines Zu- und/oder Ablaufs 2a, 2c in einem Kolben 1 dargestellt. So ist in Variante I ein Zulauf 2a dargestellt, der sich kurz vor dem Erreichen des Kolbenbodens 8 um das ca. doppelte Volumen erweitert, wodurch die Fliessgeschwindigkeit eines Kühlmediums bzw. eines Öls innerhalb der Ausnehmung sinkt, der Druck jedoch steigt. Somit kann an einer solchen Stelle das Kühlmedium länger verharren und mehr Wärme aufnehmen, um dann anschließend aufgrund der Verengung der Ausnehmung unterhalb des Kolbenbodens 8 bzw. in der Wärmetauschstrecke 2b wieder beschleunigt zu werden. Dies ermöglicht einen schnellen Abtransport der Wärme von der Stelle mit erhöhtem Volumen. Im vorliegenden Beispiel ist die Erweiterung der Ausnehmung 2 auf ein erhöhtes Volumen auf Höhe der Kolbenringnuten 7 angeordnet. Somit kann insbesondere die durch Reibung an dieser Stelle erzeugte Wärme wegtransportiert werden.
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In Variante II der 4b ist die Stelle mit erhöhtem Volumen ebenfalls auf der Höhe der Kolbenringnuten 7 angeordnet, jedoch diesmal im Ablauf 2c der Ausnehmung 2. Folglich staut sich hier das Kühlmedium erneut, um Wärme aufzunehmen und dann anschließend schnell weitertransportiert zu werden.
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4c zeigt einen alternativen Verlauf einer Ausnehmung 2 entlang der Zylinderachse Z. Hierbei weist sowohl der Zulauf 2a als auch die Wärmetauschstrecke 2b einen höheren Durchmesser als der Ablauf 2c auf. Auf diese Weise fließt in den Bereichen, in denen Wärme aufgenommen werden soll, das Kühlmedium langsamer als in der mit einem im Vergleich engeren Durchmesser versehene Ablauf.
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In den erläuterten erfindungsgemäßen Ausführungen nach den 1 bis 4c ist es möglich, anstelle eines in der Ausnehmung angeordneten Kühlmediums ein Formbestimmungselement anzuordnen. Diese kann in eine Ausnehmung 2 eingepresst oder eingegossen worden sein. Jedenfalls dient ein solches Formbestimmungselement dazu, das vorzugsweise einen geringen Wärmedehnungskoeffizienten aufweist, den Kolben 1 bzw. die Ausnehmungen 2 nicht von innen zu sprengen und mechanische Spannungen, hervorgerufen durch thermische Belastung, effektiv innerhalb des Kolbens zu unterbinden oder zu verteilen.
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Ein solches Formbestimmungselement zeigt 5, die im Wesentlichen identisch ist zu 2, sodass im nachfolgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird.
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Äußerlich ist der dargestellte Kolben 1 mit dem aus 2 identisch, jedoch offenbart der ausgeschnittene Bereich die Unterschiede zwischen einer Ausnehmung für ein Fluid und für ein Formbestimmungselement 16. Der wesentliche Unterscheid zwischen beiden ist das Formbestimmungselement 16, das aus Vollmaterial ausgestaltet ist und innerhalb der Ausnehmung eingebracht wurde. Dies geschieht beispielsweise über Einpressen und/oder Eingießen in die Ausnehmung 2 über den Zu- und/oder Ablaufanschluss 9, 10. Als Material eignet sich insbesondere ein wärmeleitfähiges mit geringem Wärmedehnungskoeffizient. Dadurch können zusätzliche mechanische Spannungen, hervorgerufen durch thermische Belastung, effektiv innerhalb des Kolbens unterbunden werden.
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Im Gegensatz zu 2 weist die Ausnehmung 2 einen anderen Verlauf auf, wobei dieser zunächst u-förmig – ähnlich 2 – ausgebildet ist, jedoch dann hin zum Kolbeninneren knickt, um parallel zur Zylinder- bzw. Kolbenachse in die Vertiefung 3 zu münden.
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Die Umlenkungen 11, 12, 17 weisen einen Radius auf, der an die Methode des Einbringens des Formbestimmungselements 16 angepasst ist. Somit können Beschädigungen innerhalb des Kolbens 1 bzw. der Ausnehmung 2 vermieden werden.
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Auch weist in diesem Beispiel die Ausnehmung 2 im Wesentlichen drei Teilabschnitte auf, nämlich einen Zulauf 2a, einen Ablauf 2c und eine Wärmetauschstrecke 2b, wobei das Formbestimmungselement 16 sowohl in der Wärmetauschstrecke 2b als auch im Zulauf 2a angeordnet ist. Der Knick bzw. die Umlenkung 11 hin zum Kolbeninneren erfolgt am Erde der Wärmetauschstrecke 2b, sodass ein Teil der Wärmetauschstrecke 2b mit dem Zulauf 2a verbunden ist.
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Somit kann mit Hilfe des Formbestimmungselements die Temperatur des Kolbens im Betrieb reguliert werden. Dies ermöglicht es, Leichtbaumaßnahmen durchzuführen, wie z. B. die Wandstärke des Kolbens herabzusetzen. Folglich ist die Wärmdehnung des Kolbens innerhalb eines Motors regulierbar bzw. in einem engen Bereich einstellbar, wobei Wärme aus kritischen Bereichen zu weniger temperaturbelasteten ableitbar ist, was wiederum mechanische Spannungen innerhalb des Kolbens in Grenzen hält.
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Im vorliegenden Beispiel kann also die Wärme vom Kolbenäußeren zum Kolbeninneren geleitet werden, wodurch eine gleichmäßige Erwärmung des gesamten Kolbens erreicht wird.
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Das Formbestimmungselement 16 ist im vorliegenden Fall zylindrisch ausgebildet, kann jedoch auch polygonförmig ausgebildet sein. Selbstverständlich sind auch weitere Formen realisierbar.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine sowie einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, wobei eine ein Herstellung im Schichtbauverfahren unter Ausbildung von zumindest einer Ausnehmung für zumindest ein Kühlmedium und/oder zumindest ein Formbestimmungselement, und wobei zumindest eine Ausnehmung im Kolben, gebildet in Verbindung mit einer generativen Formgebung des Kolbens, zur Aufnahme eines Kühlmediums und/oder eines Formbestimmungselements.
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Für energiesparende Motoren ist auf diese Weise eine Leichtbau-Kolben erreichbar, der sich durch eine hohe Gewichtseinsparung gepaart mit einer effektiven Kühlung gegenüber gekühlten Kolben auszeichnet.
