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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenboden und einer darin eingelassenen Brennraummulde gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 28 28 237 C3 ist ein gattungsgemäßer Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenboden und einer darin eingelassenen Brennraummulde sowie mit zumindest einer Ringnut zur Aufnahme eines Kolbenringes bekannt. Ebenfalls vorgesehen ist ein Kühlkanal zur Kühlung des Kolbens.
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Aus der
DE 10 2004 056 769 A1 ist ein weiterer Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, aufweisend zumindest einen Kühlkanal, der zwei Abschnitte besitzt, die sich im Hinblick auf die Höhe entlang der Kolbenachse und/oder in radialer Richtung auf unterschiedlichen Niveaus befinden. Hierbei können zwei oder mehr Kühlkanäle vorgesehen sein, von denen sich zumindest zwei im Hinblick auf die Höhe entlang der Kolbenachse und/oder in radialer Richtung auf unterschiedlichen Niveaus befinden.
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Aus der
DE 10 2008 002 571 A1 ist ein weiterer Kolben für einen Verbrennungsmotor mit zumindest einem Kühlkanal bekannt, der sich ausschließlich im Bereich zumindest eines Zu- und zumindest eines Abflusses auf einem niedrigen von dem Kolbenboden vergleichsweise entfernten Niveau und im Übrigen auf einem gleichbleibend höheren, näher zum Kolbenboden gelegenen Niveau befindet. Hierdurch soll insbesondere eine verbesserte Kühlung des Kolbens erreicht werden können.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kolben mit einer Brennraummulde, kommt es insbesondere im Bereich eines Muldenrandes zu vergleichsweise hohen thermischen Belastungen, die sich langfristig negativ auswirken können.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit Problem, für einen Kolben der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Lebensdauer auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Kühlkanal in einem Kolben eines Verbrennungsmotors mit einem zu einem Kolbenboden und einer Brennraummulde vergleichsweise großen Radius auszurunden und dadurch in diesem Bereich eine verbesserte Kerbwirkung zu erzielen, welche insbesondere dazu beiträgt, die in diesem Bereich auftretenden hohen thermischen Belastungen besser zu ertragen.
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Der erfindungsgemäße Kolben weist dabei den zuvor beschriebenen Kolbenboden sowie eine darin eingelassene Brennraummulde und zumindest eine Ringnut zur Aufnahme eines Kolbenringes sowie einen Kühlkanal zur Kühlung des Kolbens auf. Um nun die Lebensdauer des Kolbens und auch dessen Belastbarkeit steigern zu können, ist der Kühlkanal derart angeordnet, dass er einen geringeren Abstand zum Kolbenboden aufweist, als die zumindest eine Ringnut. Dies bedeutet, dass der Kühlkanal vollständig oberhalb der Unterflanke der einen Ringnut bzw. der obersten von mehreren, häufig drei, Ringnuten angeordnet ist. Von mehreren Ringnuten wird in der vorliegenden Anmeldung nur die oberste, kolbenbodennächste Ringnut betrachtet. In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich der gesamte Kühlkanal oberhalb der Oberflanke der kolbenbodennächsten Ringnut, wobei sich die Richtungen „oben“ und „unten“ in dieser Beschreibung entlang der Kolbenachse des Kolbens auf die übliche Einbau- und Betriebslage des Motors beziehen und somit die dem Brennraum zugewandte, kolbenbodennahe bzw. die vom Brennraum abgewandte, kolbenbodenferne Seite bezeichnen. Die kolbenbodennahe Lage des Kühlkanals bewirkt zum einen eine bessere Wärmeleitung vom Brennraum durch die Nähe des Kühlkanals zum Ort des Wärmeeintrags am Kolbenboden. Ihr wesentlicher Vorteil besteht jedoch darin, dass der Kühlkanal etwa in der Mitte zwischen Kolbenboden, Brennraummulde und Ringnut bzw. Ringträger in einer Zone mit relativ geringen mechanischen Spannungen angeordnet wird, während eine kolbenbodenfernere Lage radial innerhalb der obersten Ringnut gemäß dem Stand der Technik zu Spannungskonzentrationen zwischen Ringnut und Brennraummulde führt.
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Der Kühlkanal weist darüber hinaus an einer ersten Stelle einen minimalen Abstand zum Kolbenboden und an einer zweiten Stelle einen minimalen Abstand zur Brennraummulde auf und ist zudem zwischen der ersten Stelle und der zweiten Stelle ausgerundet ausgebildet, wobei sich zwischen der ersten und der zweiten Stelle eine dritte Stelle mit einem maximalen Abstand zu einem Muldenrand befindet, der den Übergang vom Kolbenboden in die Brennraummulde bildet. Der Abstand von der dritten Stelle zum Muldenrand wird dabei radial, d.h. rechtwinklig zur Kühlkanaloberfläche an der dritten Stelle gemessen. Erfindungsgemäß weist der Kühlkanal in einem dem Muldenrand zugewandten Bereich seiner Oberfläche eine besonders große Ausrundung auf, wobei der Ausrundungsradius zumindest an der dritten Stelle größer als 4%, besonders bevorzugt größer als 5%, des Kolbendurchmessers ist. Vorzugsweise erstreckt sich die große Ausrundung über einen weiteren Bereich der Kühlkanaloberfläche, der von der zweiten bis zur dritten Stelle durchgehend einen Ausrundungsradius von mehr als 4% des Kolbendurchmessers aufweist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beginnt die Ausrundung unterhalb der zweiten Stelle, das heißt beginnend kolbenbodenferner als der minimale Abstand zur Brennraummulde und erstreckt sich über die dritte Stelle hinaus durch zumindest drei aneinander anschließende Radien R1, R2 und R3, die jeweils größer als 4% des Kolbendurchmessers sind und dadurch eine vergleichsweise große Ausrundung des Kühlkanals im Bereich zwischen der Brennraummulde und dem Kolbenboden ermöglichen. Die erfindungsgemäße Ausrundung kann durch einen oder mehrere aneinander anschließende Kreisbögen R1, R2, R3 gegeben sein oder auch konvexe, kontinuierlich gekrümmte Formen aufweisen, sofern überall die genannten Mindestradien eingehalten werden. Die große Ausrundung kann sich bis zur ersten Stelle oder über diese hinaus erstrecken oder vorzugsweise noch im Bereich zwischen der dritten und der ersten Stelle enden. Allgemein lässt sich durch die vergleichsweise große Ausrundung insbesondere in dem dem Muldenrand zugewandten Teil der Kühlkanaloberfläche die Kerbwirkung reduzieren und damit die Belastbarkeit des erfindungsgemäßen Kolbens erhöhen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der erste Radius R1 größer als der zweite Radius R2 und/oder kleiner als der dritte Radius R3. Hierdurch kann die Ausrundung des Kühlkanals über die dritte Stelle mit vergleichsweise großem Radius geführt werden, wodurch die Kerbwirkung in diesem Bereich besonders positiv beeinflusst werden kann. Der zweite Radius kann darüber hinaus oder alternativ kleiner sein als der dritte Radius, wodurch der bereits vergleichsweise große erste und zweite Radius R1, R2 nochmals vergrößert wird und dadurch die Ausrundung des Kühlkanals in diesem Bereich und hin zur dritten Stelle besonders vorteilhaft ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist ein die Ausrundung beschreibender, sich an den dritten Radius R3 anschließender und bis zur ersten Stelle reichender vierter Radius R4 vorgesehen, der jedoch kleiner als die Radien R1 und R2 und insbesondere auch kleiner als der dritte Radius R3 ist. Hierdurch kann der Kühlkanal im Bereich der ersten Stelle in der Art eines Ovals ausgerundet werden und durch den vergleichsweise kleinen vierten Radius, der beispielsweise ca. 1,3 mm betragen kann, in die sich daran anschließenden Geraden, das heißt nicht ausgerundeten Bereich des Kühlkanals überführt werden. Dieser nicht ausgerundete Bereich des Kühlkanals ist insbesondere zur Herstellung des Salz- oder Sandkerns erforderlich.
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Zweckmäßig beträgt der erste Radius R1 ca. 3,7 mm, der zweite Radius R2 ca. 3,6 mm, der dritte Radius R3 ca. 4,4 mm und der vierte Radius R4 ca. 1,3 mm, während der Kolbendurchmesser d ca. 83 mm beträgt. Diese Abmessungen haben in Versuchen zu einer besonders hohen Belastbarkeit des erfindungsgemäßen Kolbens geführt, wobei die Verhältnisse der einzelnen Radien und des Durchmessers selbstverständlich entsprechend auf größere oder kleinere Kolben extrapoliert und damit an unterschiedlich große Kolben angepasst werden können. Die in diesem Bereich liegenden Verhältnisse stellen somit für nahezu jede Kolbengröße eine optimale Kerbwirkung im Bereich des Muldenrandes aufgrund des vergleichsweise großen Radius R3, dar.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung beträgt der minimale Abstand zum Kolbenboden ca. 3,0 mm, wobei zusätzlich oder alternativ der minimale Abstand zur Brennraummulde mindestens 2,6 mm und bevorzugt ca. 3,3 mm beträgt, während der maximale Abstand zum Muldenrand ca. 7,1 mm betragen kann. Hieraus wird ersichtlich, dass insbesondere bei einem Kolbendurchmesser d von 83 mm zwischen dem Kühlkanal und dem Kolbenboden sowie zwischen dem Kühlkanal und der Brennraummulde ein lediglich geringer Abstand besteht, der wiederum eine optimale Kühlung des Kolbens im Bereich der ersten Stelle und der zweiten Stelle ermöglicht.
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Während erfindungsgemäß die der Brennraummulde, dem Muldenrand und dem Kolbenboden zugewandten Bereiche der Kühlkanaloberfläche betrachtet werden, hat sich herausgestellt, dass der radial äußere, dem Feuersteg zugewandte Bereich sowie der kolbenbodenfernste Teil der Kühlkanaloberfläche mit ihrer Formgestaltung nur wenig Einfluss auf die Festigkeitsverhältnisse haben, so dass hier beliebige Oberflächenverläufe möglich sind, die auch kleinere Radien, Kanten oder konkave Kühlkanalquerschnitte mit Vorsprüngen aufweisen können, ohne die Festigkeit zu beeinträchtigen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist ein Verhältnis einer Höhe h des Kühlkanals zum Radius R3 an der dritten Stelle wie folgt definiert: h/R3 ≥ 0,6.
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Besonders bevorzugt gilt h/R3 ≥ 0,65. Hierdurch lässt sich eine im Vergleich zu einer Kreisform deutlich verbesserte Eiform des Kühlkanals erreichen, wodurch ebenfalls ein hinsichtlich Lebensdauer und thermischer Belastbarkeit verbesserter Kolben hergestellt werden kann.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Detaildarstellung einer Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kolben,
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2 eine Detaildarstellung der einzelnen Radien des Kühlkanals des Kolbens gemäß der 1.
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Entsprechend den 1 und 2, weist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 eines im Übrigen nicht gezeigten Verbrennungsmotors einen Kolbenboden 2 sowie eine darin eingelassene Brennraummulde 3 auf, die in einem Übergangsbereich zum Kolbenboden 2 einen Muldenrand 16 bildet. An einer Außenseite des Kolbens 1 ist zumindest eine Ringnut 4, hier eine kolbenbodennächste Ringnut 4, zur Aufnahme eines nicht gezeigten Kolbenringes vorgesehen. Die Ringnut 4 weist eine kolbenbodennahe Flanke 21 und eine kolbenbodenferne Flanke 22 auf, die ringförmig und im Wesentlichen rechtwinklig zur Kolbenachse 11 ausgerichtet sind. Ein im Wesentlichen zylindrischer Nutgrund 23 befindet sich zwischen den Flanken 21 und 22. Ebenfalls vorgesehen ist ein Kühlkanal 5 zur Kühlung des Kolbens 1.
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Um nun eine thermische Belastungsfähigkeit des Kolbens 1 und damit auch indirekt auch dessen Lebensdauer steigern zu können, weist der Kühlkanal 5 einen geringeren Abstand zum Kolbenboden 2 auf, als die zumindest eine Ringnut 4. Dies bedeutet, dass der Kühlkanal 5 insgesamt näher zum Kolbenboden 2 angeordnet ist, als zumindest die kolbenbodenferne Flanke 22 der einen bzw. der kolbenbodennächsten Ringnut 4. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der gesamte Kühlkanalquerschnitt dem Kolbenboden 2 näher als die kolbenbodennahe Flanke 21 der obersten Ringnut 4. Der Kolben 1 weist in der Regel noch weitere, nicht dargestellte, kolbenbodenfernere Ringnuten auf. Darüber hinaus besitzt der Kühlkanal 5 an einer ersten Stelle 8 einen minimalen Abstand 6 (vgl. 2) zum Kolbenboden 2 und an einer zweiten Stelle 9 einen minimalen Abstand 7 zur Brennraummulde 3. Ferner weist der Kühlkanal 5 zwischen der ersten 8 und der zweiten Stelle 9 an einer dem Muldenrand 16 zugewandten dritten Stelle 18 ein Maximum des Abstandes 17 zwischen der brennraumseitigen Kolbenoberfläche im Bereich des Muldenrandes 16 und der Kühlkanaloberfläche auf, wobei der Abstand 17 rechtwinklig zur Kühlkanaloberfläche gemessen wird. Der Kühlkanal 5 ist dabei zwischen der dritten Stelle 8 und der zweiten Stelle 9 ausgerundet ausgebildet, wobei die Ausrundung an der dritten Stelle 18 einen Radius R3 von mehr als 5% des Kolbendurchmessers aufweist. Im Bereich von der zweiten 9 bis zur dritten Stelle 18 ist mit R3 und einem Radius R2, der größer als 4% des Kolbendurchmessers d ist und knickfrei an R3 anschließt, durchgehend ein Ausrundungsradius von mehr als 4% des Kolbendurchmessers vorhanden.
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Beginnend bei der zweiten Stelle 9 über die dritte Stelle 18 hinaus bis kurz vor der ersten Stelle 8 ist der Kühlkanalquerschnitt durch zumindest drei aneinander anschließende Radien R1, R2 und R3 beschrieben ist, die jeweils größer als 4% des Kolbendurchmessers d sind.
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Dabei ist der erste Radius R1 mit beispielsweise 3,7 mm größer als der zweite Radius R2 mit beispielsweise 3,6 mm. Zusätzlich oder alternativ kann der erste Radius R1 kleiner sein als der dritte Radius R3, welcher beispielsweise 4,4 mm betragen kann.
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Betrachtet man die 2, so kann man erkennen, dass eine Ausrundung des Kühlkanals 5 beschreibender und sich an den dritten Radius R3 anschließender und bis zur ersten Stelle 8 reichender vierter Radius R4 vorgesehen ist, der kleiner als die Radien R1 und R2 und auch kleiner als der Radius R3 ist. Der vierte Radius R4 kann beispielsweise 1,3 mm betragen. Der Kolbendurchmesser d kann beispielsweise einen für PKW-Kolben üblichen Wert von 83 mm betragen. Die zuvor genannten Größenangaben sollen dabei insbesondere auch im Verhältnis zueinander geschützt sein, so dass durch eine positive oder negative Extrapolation auch Kolben 1 mit entsprechend vergrößerten oder verkleinerten Radien R1, R2, R3, R4 und Kolbendurchmessern d unter die Erfindung fallen sollen.
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Betrachtet man nochmals die 2, so ist an dieser zu erkennen, dass der minimale Abstand 6 zwischen der ersten Stelle 8 und dem Kolbenboden 2 beispielsweise 3 mm und der minimale Abstand 7 zwischen der zweiten Stelle 9 und der Brennraummulde 3 beispielsweise 3,3 mm, insbesondere 3,374 mm betragen kann, während der maximale Abstand 17 zwischen der dritten Stelle 18 und dem Muldenrand 16 beispielsweise 7,1 mm betragen kann. Auch diese Abstände 6, 7 können selbstverständlich bei einer Änderung des Kolbendurchmessers d entsprechend extrapoliert bzw. adaptiert und umgerechnet werden.
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Betrachtet man die 1, so kann erkennen, dass der Kühlkanal 5 eine Höhe h aufweist, wobei ein Verhältnis der Höhe h des Kühlkanals 5 zu dem an der dritten Stelle vorliegenden Radius R3 h/R3 ≥ 0,6 und besonders bevorzugt h/R3 ≥ 0,65 betragen kann bzw. betragen soll, um eine möglichst geringe Kerbwirkung und damit eine hohe thermische Belastbarkeit und eine lange Lebensdauer erreichen zu können. Die Höhe h des Kühlkanals 5 kann dabei beispielsweise 6,6 mm betragen.
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Aus den 1 und 2 kann man erkennen, dass der Kühlkanal 5 einen geraden Abschnitt 10 aufweist, wobei dieser gerade Abschnitt 10 um einen Winkel α von ca. 8° (vgl. 1 und 2) zur Kolbenachse 11 geneigt ist. Durch einen derartigen Abschnitt 10 kann die Herstellung des Kolbens 1 verbessern.
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Mit der erfindungsgemäßen Anordnung des Kühlkanals 5 in Bezug auf den Kolbenboden 2 und die Brennraummulde 3 und insbesondere auch in Bezug auf die Anordnung der Ringnut 4 sowie generell die Auswahl der Radien R1 bis R4 kann somit eine besonders vorteilhafte Ausführungsform in Bezug auf thermische Belastungsfähigkeit und Langlebigkeit des Kolbens 1 erzielt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2828237 C3 [0002]
- DE 102004056769 A1 [0003]
- DE 102008002571 A1 [0004]
