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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei der Kolbenschaft einander gegenüberliegende Bolzennaben mit Nabenbohrungen sowie einander gegenüberliegende Schaftwände mit Laufflächen aufweist, wobei im unteren Bereich des Kolbens eine Abdeckplatte, welche eine Ausnehmung zum Durchtritt eines Pleuels aufweist, befestigt ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine derartige Abdeckung für einen Kolben.
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Ein gattungsgemäßer Kolben mit Anspritzkühlung ist aus der österreichischen Gebrauchsmusterschrift
AT 001 919 U1 bekannt. Dieser Kolben weist ein in seinem unteren Bereich angeordnetes Rückhalteblech auf, das mittels Verschrauben, Löten, Nieten, Schweißen oder Einpressen am Kolben befestigt ist. Das von unten in den Kolben eingespritzte Öl wird zunächst im Kühlkanal zur Kühlung verwendet und im Anschluss daran zur Kühlung des Brennraumbodens und zur Schmierung des kleinen Pleuelauges eingesetzt. Durch den Shaker-Effekt wird ein Ölnebel gebildet, der für eine entsprechende Kühlwirkung sorgt.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 195 22 756 A1 offenbart einen Kolben mit einem in seinem unteren Bereich angeordneten, auf der Innenseite des Kolbenschafts umlaufenden, rinnenförmigen Blechteil.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben sowie eine gattungsgemäße Abdeckplatte so weiterzuentwickeln, dass die Abdeckplatte möglichst sicher und unverlierbar am Kolben befestigt ist.
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Die Lösung besteht darin, dass die Abdeckplatte zwei einander gegenüberliegende Längsseiten und zwei einander gegenüberliegende freie Enden aufweist, dass im unteren Bereich der der Schaftwände Nuten vorgesehen sind, in denen die freien Enden der Abdeckplatte unter federnder Vorspannung aufgenommen sind.
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Die erfindungsgemäße Abdeckplatte zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen der Ausnehmung und zumindest einem der freien Enden eine federelastisch ausgebildete, im Querschnitt U-förmige oder V-förmige Einformung vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Abdeckplatte unter federnder Vorspannung am Kolben gehalten ist. Damit entfallen aufwändige Befestigungsmaßnahmen wie Verschrauben, Löten, Nieten, Schweißen oder Einpressen.
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Die erfindungsgemäß vorgesehene Abdeckplatte fängt zurückfließendes Kühlöl auf und verzögert bzw. behindert dessen Abfluss in Richtung Kurbelwelle. Das Kühlöl kann mittels einer Ölanspritzdüse direkt in den Innenraum des Kolbens oberhalb der Abdeckplatte eingeleitet werden oder aus einem Kühlkanal, falls vorhanden, in den Innenraum des Kolbens fließen. Durch den im Motorbetrieb auftretenden Shakereffekt wird das von der Abdeckplatte aufgefangene Kühlöl in hoher Frequenz in Richtung der Nabenbohrungen und des Kolbenkopfs hin und her bewegt. Daraus resultiert eine verbesserte Kühlwirkung.
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Bei Messungen wurde festgestellt, dass die Betriebstemperatur des Kolbenkopfes, der Ringnuten und der Nabenbohrungen signifikant reduziert werden konnten. Im Vergleich zu Betriebstemperaturen von 200°C bis 220°C für Kolben gemäß dem Stand der Technik waren die Betriebstemperaturen bei erfindungsgemäßen Kolben um bis zu 30% reduziert.
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Die erfindungsgemäß vorgesehene Abdeckplatte erlaubt ferner eine verbesserte Kühlung der Schaftwände, da das aufgefangene Kühlöl im Bereich der Schaftwände, d. h. zwischen jeweils einem freien Ende und der mittigen Ausnehmung, akkumuliert wird und die vom Shaker-Effekt erzeugte verbesserte Kühlwirkung verstärkt im Bereich der Schaftwände auftritt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass zwischen der Ausnehmung und zumindest einem der freien Enden der Abdeckplatte eine federelastisch ausgebildete, im Querschnitt U-förmige oder V-förmige Einformung vorgesehen ist. Diese Einformung wirkt als federelastisches Element, welches dazu dient, die erfindungsgemäß vorgesehene Abdeckplatte unter federnder Vorspannung besonders sicher am Kolben zu halten. Ferner kann mittels der axialen Tiefe der Einformung die Vorspannkraft der Abdeckplatte reguliert werden. Auf diese Weise kann die Vorspannkraft der Abdeckplatte an verschiedene Kolbentypen und Kolbengrößen angepasst und ihre Anwendungsmöglichkeiten verbreitert werden. Die Einformung bewirkt ferner, dass zwischen ihr und dem ihr zugeordneten freien Ende bzw. der Schaftwand ein Rückhalteraum für Kühlöl gebildet wird. Damit wird insbesondere die Kühlung der Schaftwände weiter verbessert.
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Zweckmäßigerweise verläuft die Einformung parallel zu dem ihr zugeordneten freien Ende. Damit kann die größtmögliche federelastische Wirkung der Einformung erzielt werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, die Abdeckplatte an jeder ihrer den Bolzennaben zugeordneten Längsseiten mit mindestens einem Rastelement zu versehen, welches eine am Kolben vorgesehene Nase unter federnder Vorspannung hintergreift. Dadurch entsteht eine Nut-Feder-Verbindung nach Art eines Clips, welche eine zusätzliche Lagesicherung der erfindungsgemäßen Abdeckplatte am Kolben darstellt.
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Vorzugsweise ist die gesamte Abdeckplatte aus einem federelastischen Werkstoff hergestellt, um das Einsetzen der Abdeckplatte in die Nuten zu vereinfachen.
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Falls der erfindungsgemäße Kolben in einem Motor mit Anspritzkühlung eingesetzt wird, weist die Abdeckplatte im Bereich einer Schaftwand des Kolbens eine Aussparung auf, um den Durchtritt von Kühlöl zu ermöglichen.
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Falls der erfindungsgemäße Kolben zusätzlich mit einem umlaufenden Kühlkanal mit mindestens einer Zuführöffnung für Kühlöl versehen ist, ist es von Vorteil, wenn die Aussparung mit der mindestens einen Zuführöffnung fluchtend ausgebildet ist. In diesem Fall kann mit der Ölanspritzdüse auch der Kühlkanal mit Kühlöl versorgt werden.
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Vorzugsweise ist die Abdeckplatte zumindest bereichsweise entlang ihrer Längsseiten gewölbt ausgebildet. Dies erleichtert das Einsetzen der Abdeckplatten in die Nuten der Schaftwände und erlaubt ferner eine weitere Kontrolle der federelastischen Vorspannkraft. Schließlich bewirkt die gewölbte Ausbildung, dass zwischen der Ausnehmung und dem freien Ende bzw. der Schaftwand ein Rückhalteraum für Kühlöl gebildet wird. Damit wird insbesondere die Kühlung der Schaftwände weiter verbessert.
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Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für Kolben mit geringer Kompressionshöhe geeignet. Dabei kann es sich um Stahl- oder Leichtmetallkolben mit oder ohne Kühlkanal handeln. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Kolben aus einem aluminiumbasierten Werkstoff ohne Kühlkanal, wie sie bspw. in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 41 10 306 A1 beschrieben sind.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
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1a ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlkanalkolbens mit schematisch angedeuteter Abdeckplatte;
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1b die Kolben gemäß 1a bzw. 1c in einer Ansicht in Richtung des Pfeils A in 1a;
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1c ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens ohne Kühlkanal mit schematisch angedeuteter Abdeckplatte;
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2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abdeckplatte;
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3 die Abdeckplatte gemäß 2, teilweise in einen Kolben gemäß 1 eingebaut.
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Die 1a, 1b und 1c zeigen zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Kolbens 10, 10'. Der Kolben 10, 10' kann aus einem Stahlwerkstoff oder einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere einer aluminiumbasierten Legierung, hergestellt sein. Der Kolben 10, 10' weist bevorzugt eine niedrige Kompressionshöhe KH (bspw. 0,27 bis 0,40) auf. Der einzige Unterschied zwischen den beiden Ausführungsbeispielen besteht darin, dass der Kolben 10 gemäß 1a einen Kühlkanal aufweist, der Kolben 10' gemäß 1c jedoch nicht.
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Im Ausführungsbeispiel sind die Kolben 10, 10' jeweils als einteiliger Kastenkolben ausgebildet. Die Kolben 10, 10' weisen in an sich bekannter Weise einen Kolbenkopf 11 und einen Kolbenschaft 17 auf. Der Kolbenkopf 11 weist einen Kolbenboden 12, eine Verbrennungsmulde 13, einen umlaufenden Feuersteg 14 und eine umlaufende Ringpartie 15 mit Ringnuten für Kolbenringe (nicht dargestellt) auf. In Höhe der Ringpartie 15 ist ein umlaufender Kühlkanal 16 vorgesehen, der mindestens eine Zuführöffnung 16a für Kühlöl aufweist. Der Kolbenschaft 17 weist einander gegenüberliegende Kolbennaben 18 mit Nabenbohrungen 19 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) auf. Die Kolbennaben 18 sind in an sich bekannter Weise über Laufflächen 22 aufweisende einander gegenüberliegende Schaftwände 21 miteinander verbunden.
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Wie in den 1a bis 1c angedeutet ist, ist im unteren Bereich der Schaftwände 21 eine Abdeckplatte 24 vorgesehen. Insbesondere aus 1b ist zu entnehmen, dass im unteren Bereich der Schaftwände 21 Nuten 23 vorgesehen sind, die in 1b gestrichelt dargestellt sind. In diesen Nuten 23 sind die freien Enden 25 der Abdeckplatte 24 unter federnder Vorspannung aufgenommen. Die Abdeckplatte 24 weist eine Ausnehmung 26 auf, die im Motorbetrieb dem Durchtritt eines Pleuels dient. Ferner weist die Abdeckplatte 24 zwei den Kolbennaben 18 zugeordnete Längsseiten 27 auf. Um eine optimal verbesserte Kühlwirkung zu erzielen, sollte die Abdeckplatte 24 den größtmöglichen Bereich der Unterseite des Kolbens 10 bzw. 10' abdecken.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abdeckplatte 24. Die Abdeckplatte 24 ist im Ausführungsbeispiel aus einem federelastischen Werkstoff hergestellt, insgesamt leicht gewölbt ausgebildet und weist zwei einander gegenüberliegende Längsseiten 27 und zwei einander gegenüberliegende freie Enden 25 auf. Ferner ist eine in etwa mittige Ausnehmung 26 zum Durchtritt eines Pleuels im Motorbetrieb vorgesehen.
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Im Ausführungsbeispiel ist zwischen der Ausnehmung 26 und jedem der freien Enden 25 der Abdeckplatte 24 eine federelastisch ausgebildete, im Querschnitt U-förmige oder V-förmige Einformung 28 vorgesehen. Jede dieser Einformung 28 verläuft im Ausführungsbeispiel im Wesentlichen parallel zu dem ihr zugeordneten freien Ende 25 und wirkt als federelastisches Element, welches dazu dient, die Abdeckplatte 24 unter federnder Vorspannung besonders sicher am Kolben 10 zu halten. Jede Einformung 28 weist eine definierte axiale Tiefe T auf. Mittels dieser axialen Tiefe T der Einformung 28 kann die Beweglichkeit der freien Enden 25 in Längsrichtung, also parallel zu den Längsseiten 27, reguliert werden. Je größer die axiale Tiefe T ist, desto beweglicher sind die freien Enden 25 der Abdeckplatte 24.
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Im Ausführungsbeispiel ist die Abdeckplatte 24 an jeder ihrer Längsseiten 27 mit genau zwei Rastelementen 29 versehen, die im Querschnitt im Wesentlichen S-förmig ausgebildet sind. Die Rastelemente 29 sind ferner federelastisch ausgebildet.
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Falls die Abdeckplatte 24 für einen Kolben zum Einsatz in einem Motor mit Anspritzkühlung vorgesehen ist, weist die Abdeckplatte 24 im Bereich eines ihrer freien Enden eine Aussparung 31 auf, um im Motorbetrieb den Durchtritt von Kühlöl zu ermöglichen.
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3 zeigt beispielhaft den unteren Bereich eines Kolbens 10 gemäß 1a bzw. 10' gemäß 1c mit einer unvollständig in den Kolben 10 bzw. 10' eingesetzten Abdeckplatte 24 gemäß 2. Im unteren Bereich der Schaftwände 21 sind im Ausführungsbeispiel durchgehende Nuten 23 vorgesehen. In diesen Nuten 23 sind die freien Ende 25 der Abdeckplatte 24 unter federnder Vorspannung aufgenommen. Hierfür muss zumindest ein Teil der Abdeckplatte 24 federelastisch ausgebildet sein, bspw. mittels Herstellung aus einem federelastischen Werkstoff, wobei eine entlang der Längsseiten 27 gewölbte Ausbildung der Abdeckplatte 24 unterstützend wirken kann.
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Im Ausführungsbeispiel erfolgt die federelastische Ausbildung der Abdeckplatte 24 überwiegend durch die federelastisch ausgebildeten Einformungen 28. Zur Montage der Abdeckplatte 24 in den Nuten 23 der Schaftwände 21 werden die freien Enden 25 in Längsrichtung und in Richtung der Ausnehmung 26 bewegt, wobei die Einformungen 28 nachgeben. Wenn die Abdeckplatte 24 sich in der gewünschten Position in Bezug auf die Nuten 23 befindet, werden die freien Enden 25 freigegeben und schnappen in die Nuten 23 ein. Damit ist die Abdeckplatte 24 im Kolben 10 bzw. 10' fixiert. Hierbei beeinflusst die axiale Tiefe T der Einformungen 28 die federelastische Vorspannkraft, unter welcher die Abdeckung 24 im Kolben 10 bzw. 10' gehalten ist. Je geringer die axiale Tiefe T bemessen ist, desto größer ist die resultierende Vorspannkraft.
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Die Einformungen 28 mit den ihnen zugeordneten Schaftwänden 21 bilden einen Rückhalteraum 32 für Kühlöl. Damit wird insbesondere die Kühlung der Schaftwände 21 weiter verbessert.
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Um eine zusätzliche Lagesicherung der Abdeckplatte 24 im Kolben zu erreichen, sind im Bereich der Kolbennaben 18 Nasen 33 vorgesehen, die mit den an den Längsseiten 27 der Abdeckplatte 24 befindlichen Rastelementen 29 korrespondieren. Wenn die Abdeckplatte 24 vollständig in den Kolben 10 bzw. 10' eingesetzt ist, hintergreifen die Rastelemente 29 die mit ihnen korrespondieren Nasen 33, so dass eine clipartige Nut-Feder-Schnappverbindung gebildet wird (in 3 nicht dargestellt).
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Im Ausführungsbeispiel ist die Aussparung 31 im Wesentlichen fluchtend mit der Zuführöffnung 16a im Kühlkanal 16 angeordnet, so dass auch dieser mit Kühlöl versorgt werden kann.
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Die erfindungsgemäß vorgesehene Abdeckplatte 24 fängt zurückfließendes Kühlöl auf und verzögert dessen Abfluss in Richtung Kurbelwelle. Durch den im Motorbetrieb auftretenden Shakereffekt wird das von der Abdeckplatte 24 aufgefangene Kühlöl in hoher Frequenz in Richtung der Nabenbohrungen 19 und des Kolbenkopfs 11 hin und her bewegt. Daraus resultiert eine verbesserte Kühlwirkung, insbesondere im Bereich der Schaftwände 21, da das aufgefangene Kühlöl in diesem Bereich akkumuliert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- AT 001919 U1 [0002]
- DE 19522756 A1 [0003]
- DE 4110306 A1 [0019]
