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Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor. Dabei weist der Kolben mindestens eine Kühlkammer und mindestens eine in die Kühlkammer mündende Öffnung auf.
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Eine miteinander verbundene Kolben-Pleuel-Anordnung für Verbrennungsmotoren lässt sich der Offenlegungsschrift
WO 2012/113381 A1 entnehmen. Der Kolben wird dabei durch ein Ober- und ein Unterteil gebildet, die zumindest teilweise aus Stahl bestehen. Solche Stahlkolben erlauben gegenüber den im Stand der Technik in PKW-Motoren verwendeten Aluminium-Kolben höhere Zylinderdrücke, wie sie beispielsweise bei Turbo aufgeladenen Motoren üblich sind.
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Um die Kolben zu kühlen, wird im Stand der Technik teilweise ein Ölstrahl aus einer Bohrung im Zylinderkurbelgehäuse auf die Kolbenunterseite gerichtet. Alternativ ist eine Bohrung im mit dem Kolben verbundenen Pleuel vorgesehen.
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Eine Möglichkeit, um eine bessere Kühlwirkung insbesondere in der Mitte des Kolbens zu erreichen, beschreibt die Offenlegungsschrift
DE 10 2010 033 882 A1 . Dafür bilden das Ober- und das Unterteil des mehrteiligen Kolbens einen Hohlraum als Kühlkammer, der an der Unterseite eine gewölbte Federstahlscheibe aufweist. Der Kolbeninnenraum unterhalb der Kühlkammer ist über eine Öffnung und einen Kühlkanal mit der Kühlkammer verbunden, so dass durch die Bewegung des Kolbens Öl in die Kammer gelangt. Über eine Öffnung in der Federstrahlscheibe fließt das Öl wieder zurück in den Kolbeninnenraum.
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Ein Nachteil an der Kühlung der Kolben gemäß dem Stand der Technik besteht darin, dass im kalten Zustand der Kolben mit Motoröl gekühlt wird, das die Umgebungstemperatur aufweist. Dadurch verlängert sich jedoch die Zeit, die der Motor benötigt, um auf Betriebstemperatur und damit auf tolerable Schadstoffwerte zu kommen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine – insbesondere von der Temperatur abhängige – gesteuerte Kühlung eines Kolbens vorzuschlagen.
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Die Aufgabe löst die Erfindung durch einen besonders ausgebildeten Kolben.
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Der erfindungsgemäße Kolben, bei dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schließelement zum Verschließen und/oder Öffnen der Öffnung vorgesehen ist, wobei das Schließelement temperaturabhängig zumindest teilweise zwischen mindestens zwei geometrischen Zustandsformen wechselt.
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Der erfindungsgemäße Kolben verfügt über wenigstens ein Schließelement, das die Öffnung der Kühlkammer schließt bzw. öffnet. Ist insbesondere nur ein Schließelement vorgesehen, so dient dieses insbesondere dem Schließen und Öffnen der Öffnung.
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Um zumindest diese beiden Funktionen zu erfüllen, ist das Schließelement derartig ausgestaltet, dass es abhängig von der Temperatur, die insbesondere auf das Schließelement einwirkt, zwischen wenigstens zwei geometrischen Zustandsformen wechseln kann. Das Schließelement kann also wenigstens zwei unterschiedliche geometrische Formen einnehmen, die entweder mit dem Öffnen bzw. dem Schließen der Öffnung verbunden sind. Vorzugsweise reagiert das Schließelement dabei selbständig auf die Änderung der Temperatur, so dass kein zusätzliches Regel- oder Steuerelement erforderlich ist. Erforderlich ist gleichwohl die passende Ausgestaltung des Temperaturverhaltens des Schließelements, über die das Regelverhalten in Abhängigkeit von der herrschenden Temperatur vorgegeben wird. Über die Form und Materialauswahl des Schließelements wird somit vorgegeben, wann das Schließelement in Abhängigkeit von der Temperatur die Öffnung verschließt bzw. öffnet.
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Ändert sich die Temperatur, so bewegt sich das Schließelement von einer geometrischen Zustandsform in eine andere und gibt dabei die Öffnung der Kühlkammer frei oder verschließt sie. Die geometrischen Zustandsformen sind dabei abhängig von der generellen Geometrie des Schließelements und auch von der Verteilung bzw. Anordnung der Abschnitte oder Komponenten des Schließelements, die den Übergang zwischen den Formen bewirken.
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So ist in einer Ausgestaltung das Schließelement bzw. wenigstens ein Teil des Schließelements in der Art eines sogenannten Knackfroschs ausgestaltet. Dabei handelt es sich um eine Feder, die aus einem Federstahl besteht und so geprägt ist, dass sie wenigstens einen stabilen und einen metastabilen Zustand aufweist. Die notwendige Energie für den Wechsel zwischen den Zuständen ergibt sich bei der Temperaturänderung in einer Ausgestaltung insbesondere dadurch, dass Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten miteinander in Kontakt stehen.
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Wird der Zugang zur Kühlkammer über die Öffnung insbesondere erst oberhalb einer vorgebbaren Temperatur frei, so kann sich der Motor deutlich schneller erwärmen und dadurch auch effektiver sein. Durch die Ausgestaltung der Geometrie und der Beschaffenheit des Schließelements lässt sich dabei auch – wie bereits erwähnt – eine selbständige Regelung in Abhängigkeit von der Temperatur erzielen.
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In einer Ausgestaltung besteht wenigstens eine geometrische Zustandsform des Schließelements darin, dass das Schließelement zumindest teilweise konvex oder konkav oder flach geformt ist. Das Schließelement ist somit teilweise in wenigstens einer Zustandsform nach innen oder außen gekrümmt oder nimmt eine flache Form ein. In weiteren Ausgestaltungen sind Kombinationen von unterschiedlichen Ausformungen und Geometrien vorgesehen.
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In einer Ausgestaltung sind mehr als zwei geometrische Zustandsformen des Schließelements vorgesehen, wobei für den Wechsel zwischen den Zustandsformen jeweils unterschiedliche Temperaturgrenzen bzw. Temperaturbereiche vorliegen müssen.
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In einer Ausgestaltung wechselt das Schließelement temperaturabhängig zwischen einer zumindest teilweise flachen Zustandsform und einer zumindest teilweise gekrümmten Zustandsform. In Abhängigkeit von der Ausformung der Öffnung bewirkt das Schließelement durch den Wechsel zwischen Flach und Gekrümmt das Öffnen bzw. Schließen der Öffnung.
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In einer Ausgestaltung sind das Schließelement, die Kühlkammer und die Öffnung derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt, dass das Schließelement sich oberhalb einer vorgebbaren Temperatur zumindest teilweise von der Öffnung wegbewegt. Damit geht einher, dass das Schließelement bei einer niedrigeren Temperatur näher an der Öffnung angeordnet ist und diese dabei zumindest teilweise oder vollständig verschließt. Oberhalb einer vorgegebenen Temperatur, die durch den Aufbau, die Struktur bzw. das Material oder die Materialien des Schließelements einstellbar ist, geht das Schließelement von einer ersten geometrischen Zustandsform in eine andere über und bewegt sich dabei von der Öffnung weg. Dadurch wird über die Öffnung der Zugang zur Kühlkammer zunehmend freigegeben.
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Um das Schließen oder ggf. das Öffnen der Öffnung durch das Schließelement zu verbessern und um ggf. auch der mechanischen Bewegung des Kolbens sichernd entgegenzuwirken, sind in einer Ausgestaltung das Schließelement, die Kühlkammer und die Öffnung derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt, dass das Schließelement unterhalb einer vorgebbaren Temperatur zumindest teilweise unter einer mechanischen Vorspannung relativ zur Öffnung angeordnet ist. Verschließt das Schließelement unterhalb der vorgebbaren Temperatur die Öffnung und steht es dabei unter einer gewissen Vorspannung, so wird dadurch der Verschluss verstärkt bzw. gesichert. Alternativ oder ergänzend ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass das Schließelement oberhalb einer vorgebbaren Temperatur unter Vorspannung in dem Kolben steht. In einer weiteren Ausgestaltung ist alternativ oder ergänzend vorgesehen, dass das Schließelement in wenigstens einer Zustandsform in eine Struktur des Kolbens einrastet und dadurch beispielsweise gegenüber Bewegungen des Kolbens oder gegenüber Vibrationen allgemein gesichert ist.
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In einer Ausgestaltung ist das Schließelement in wenigstens einer Zustandsform eine im Wesentlichen flache Scheibe. Die Berandung kann dabei eine runde, ovale oder längliche Form ergeben. In einer alternativen Ausgestaltung ist das Schließelement ein rechteckiger Streifen. Dabei sind auch weitere mehreckige Formen realisierbar, wobei die jeweilige Anpassung an die Form der Öffnung erforderlich ist.
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Um das Schließelement zu realisieren, ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass das Schließelement zumindest teilweise aus einem Bimetall besteht. Ein Bimetall – eine alternative Bezeichnung ist Thermobimetall – verfügt über zwei Schichten unterschiedlicher Metalle, die miteinander stoff- oder formschlüssig verbunden sind. Die Metalle unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten, so dass eine Temperaturänderung zu einer Formänderung des Bimetalls führt.
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Bekannte Metallkombinationen sind beispielsweise Zink und Stahl oder Stahl und Messing.
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In einer Ausgestaltung befindet sich in einem Kolben mindestens eine Befestigungsvorrichtung, wobei es sich insbesondere um eine Art Haken handelt. Dabei ist das Schließelement mit der Befestigungsvorrichtung verbunden und die Befestigungsvorrichtung fixiert das Schließelement teilweise relativ zur Öffnung. Die Befestigungsvorrichtung hält somit das Schließelement an wenigstens einer Stelle fest und befindet sich dafür in einer Ausgestaltung auch zumindest teilweise in der Kühlkammer.
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In einer Ausgestaltung ist die Öffnung im Wesentlichen symmetrisch um eine Längsachse des Kolbens ausgeführt. In einer Variante handelt es sich bei der Öffnung um ein im Wesentlichen kreisförmiges Loch in der Wand, die die Kühlkammer begrenzt und die konzentrisch um die Längsachse des Kolbens liegt.
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Der Kolben ist in einer Ausgestaltung mehrteilig ausgeführt und besteht dabei insbesondere zumindest aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil. Beide Teile sind dabei so ausgestaltet, dass sich zwischen ihnen ein Hohlraum als Kühlkammer ergibt. In einer Ausgestaltung ist insbesondere im Kolbenunterteil die Öffnung für die Kühlkammer vorgesehen.
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In einer Ausgestaltung besteht der Kolben zumindest teilweise aus Stahl.
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Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Kolben auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Kolben einer ersten Ausgestaltung mit einer geschlossenen Öffnung in einer angeschnittenen räumlichen Darstellung,
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2 den Kolben der 1 mit geöffneter Öffnung,
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3 einen Kolben einer zweiten Ausgestaltung mit geschlossener Öffnung und
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4 den Kolben der 3 mit geöffneter Öffnung.
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In den 1 und 2 ist eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen Kolbens und in 3 und 4 eine zweite Ausführung dargestellt. Die Abbildungen unterscheiden sich jeweils darin, ob die Öffnung geschlossen (1 und 3) oder geöffnet (2 und 4) ist.
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Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kolben 1, in dem sich eine Kühlkammer 2 für die Aufnahme beispielsweise des Motoröls befindet. Der Kühlraum 2 liegt im Wesentlichen mittig im Kolben 1 unterhalb der Brennraummulde, die im verbauten Zustand im Motor der Brennkammer zugewandt ist.
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Befindet sich Öl in der Kühlkammer 2, so wird dadurch der Kolben 1 gekühlt. Damit das Öl eintreten kann, ist im Boden der Kühlkammer 1 eine Öffnung 3 vorgesehen, die hier als im Wesentlichen rechteckige Aussparung ausgeführt ist. Die Öffnung 3 wird durch das Schließelement 4 geschlossen bzw. geöffnet. Da der Übergang vom geschlossenen zum geöffneten Zugang in Abhängigkeit von der Temperatur erfolgt, dringt somit auch das Öl temperaturabhängig in die Kühlkammer 2 ein und kühlt somit nur zum passenden Zeitpunkt den Kolben 1 und erschwert im noch kalten Zustand insbesondere nicht die Erwärmung.
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Das Schließelement 4 ist für diese Regelung des Zugangs des Öls zur Kühlkammer 2 derartig ausgestaltet, dass es in Abhängigkeit von der Temperatur von einer geometrischen Form zu einer anderen wechselt. Hierfür ist das Schließelement 4 beispielsweise zumindest teilweise aus einem Bimetall gefertigt.
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Das Schließelement 4 ist in der in der 1 dargestellten Variante als Streifen ausgeführt, der mit seiner Mitte an einer Befestigungsvorrichtung 5 fixiert und hier insbesondere aufgehängt ist. Durch die Fixierung ist das Schließelement 4 wenigstens an einem Bereich stets in der gleichen Positionierung relativ zur Öffnung 3. Ansonsten ist das Schließelement 4 beweglich und frei. Zu beiden Seiten der Längsachse 6 des Kolbens 1 ist das Schließelement 4 im Wesentlichen symmetrisch ausgeführt.
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In dem in der 1 dargestellten geschlossenen Zustand drückt das Schließelement 4 so gegen die Berandung der Öffnung 3, dass eine gewisse Vorspannung in Richtung des Verschließens gegeben ist.
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In der ersten Ausgestaltung des Kolbens der 1 und der 2 ist der Kolben 1 mehrteilig ausgeführt und besteht aus einem Oberteil 7 und einem teilweise darin angeordneten Unterteil 8.
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Befindet sich das Schließelement 4 in der 1 in einem gewölbten Zustand, wodurch die Öffnung 3 verschlossen wird, so liegt das Schließelement 4 in der 2 in einer flachen Form vor.
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Die Krümmung des Schließelements 4 ist in der 2 verschwunden und der flache Streifen des Schließelements 4 hebt sich von der Öffnung 3 ab. Der Übergang vom einen zum anderen Zustand ist dabei der Temperatur geschuldet, wobei hier eine höhere Temperatur ein Öffnen und eine niedrigere Temperatur ein Schließen der Öffnung 3 bewirkt.
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Durch den Abstand zwischen der Befestigungsvorrichtung 5 und der Öffnung 3 lässt sich dabei auch der Durchflussbereich für das Öl einstellen.
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Die 3 zeigt einen einteiligen Kolben 1, in dem die Öffnung 3 kreisförmig ausgeführt ist. Das Schließelement 4 ist daher auch eine kreisförmige Scheibe, die in der flachen geometrischen Zustandsform die Öffnung 3 verschließt. Das Schließelement 4 ist symmetrisch zur Längsachse 6 des Kolbens 1 ausgestaltet.
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Zusätzlich ist in der Abbildung noch eine Bohrung 9 zu erkennen, über die das – hier nicht dargestellte – Öl wieder aus der Kühlkammer 2 entweichen kann. Dargestellt ist der Kolben 1 in der 3 im kalten Zustand. Daher wäre das ebenfalls kalte Öl hinderlich für die Erwärmung.
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In der 4 ist der Kolben 1 der 3 dargestellt, nachdem eine Temperatur überschritten worden ist, durch die das Schließelement 4 vollständig von einem Zustand (flach) zu einem anderen geometrischen Zustand (gekrümmt) übergeht. Im eingebauten Zustand hat somit der Motor beispielweise die notwendige und für die Abgaswerte optimale Betriebstemperatur erreicht. Erst ab dieser Temperatur wird jedoch die Kühlung durch das Öl erforderlich, weshalb die Öffnung 3 auch geöffnet ist.
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Zu erkennen ist in der 4, dass das Schließelement 4 wenigstens zwei Zonen aufweist: einen inneren Bereich, an den sich der äußere Rand anschließt. Zu sehen ist, dass durch die Temperaturänderung im Wesentlichen nur der äußere Rand vom flachen in den gekrümmten Zustand übergeht und dadurch die Passage für das Öl freigibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012/113381 A1 [0002]
- DE 102010033882 A1 [0004]
