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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kolbenschaft mit einem Kolbenkopf, in dem ein Kühlkanal zum Aufnehmen eines ersten Kühlmediums angeordnet ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine mit einem solchen Kolben ausgestattete Brennkraftmaschine.
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Aus der
DE 10 2013 002 895 A1 ist ein gattungsgemäßer Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kolbenkopf bekannt, in dem ein zumindest teilweise umlaufender Kühlkanal zum Aufnehmen eines ersten Kühlmediums angeordnet ist. Der Kolbenkopf weist darüber hinaus eine Brennraummulde mit einem zentralen Dom auf. Ebenfalls vorgesehen ist wenigstens ein sich zumindest im Kolbenkopf erstreckendes Kanalelement, welches fluidisch vom Kühlkanal getrennt und in dem ein zweites, vom ersten Kühlmedium unterschiedliches Kühlmedium zum zumindest bereichsweise Kühlen des Kolbens aufgenommen ist. Hierdurch soll insbesondere eine bereichsweise verbesserte Kühlung erzielt werden.
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Problematisch bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Kolben ist jedoch das Einbringen der Kanalelemente mittels Bohren, da um eine sichere Bohrung gewährleisten zu können, zunächst entsprechende Außenflächen spanend vorbearbeitet werden müssen. Insbesondere kann es bei einem schrägen Aufsetzen des Bohrers auf der Außenfläche zu einem Verlaufen der Bohrung und damit zu einem ungenauen Einbringen des Kanalelements kommen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Kolben der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, an einer Außenfläche eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, auf welcher ein Bohrer zur Herstellung eines Kanalelements angesetzt werden soll, eine Konsole, insbesondere eine schräge Konsole, anzuordnen, deren Oberfläche senkrecht zur Längsachse des zu bohrenden Kanalelements ausgerichtet ist und dadurch ein Abgleiten/Verlaufen des Bohrers verhindert und somit ein zuverlässiges und äußerst exaktes und zugleich auch technisch einfaches Einbringen des Kanalelements mittels Bohren ermöglicht. Der erfindungsgemäße Kolben besitzt dabei einen Kolbenschaft mit einem Kolbenkopf, in dem ein vorzugsweise zumindest teilweise umlaufender Kühlkanal zum Aufnehmen eines ersten Kühlmediums vorgesehen ist. Der Kolbenkopf besitzt darüber hinaus eine Brennraummulde mit einem, insbesondere zentralen, Dom. Ebenfalls vorgesehen ist zumindest ein Kanalelement, welches fluidisch vom Kühlkanal getrennt und in dem ein zweites, vom ersten Kühlmedium unterschiedliches Kühlmedium zum mindest bereichsweise Kühlen des Kolbens aufgenommen ist. Dieses zumindest eine Kanalelement verläuft dabei schräg zur Kolbenachse und erstreckt sich von einem Eingang an einer Unterseite oder einer Außenseite des Kolbens bis in den Dom. Am Eingang des zumindest einen Kanalelements ist nun erfindungsgemäß eine einstückig mit dem Kolben ausgebildete Konsole angeordnet, deren Oberfläche – wie eingangs beschrieben – senkrecht zur Längsachse des zu bohrenden Kanalelements ausgerichtet ist und dadurch ein exaktes Aufsetzen des Bohrers und Einbringen der Bohrung ermöglicht. Diese Konsole wird dabei zusammen mit dem Kolben, beispielsweise durch Schmieden, hergestellt, wodurch kein Mehraufwand beim Herstellen des Kolbens im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Kolben erforderlich ist. Durch das Vorsehen der Konsole kann jedoch die Herstellung der Kanalelemente deutlich vereinfacht und zugleich deutlich prozesssicherer gestaltet werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das zumindest eine Kanalelement als Sacklochbohrung ausgebildet. Eine derartige Sacklochbohrung reicht üblicherweise vom Eingang bis unter den Dom des Kolbens und ist endseitig, das heißt in Bohrrichtung vorne, verschlossen. Durch den Eingang wird nach Herstellen der Sacklochbohrung das zweite Kühlmedium eingefüllt, beispielsweise Natrium und/oder Kalium, woraufhin anschließend die Sacklochbohrung durch ein entsprechendes Verschlusselement verschlossen und dadurch das zweite Kühlmedium an einem Austreten gehindert wird. Bei der Verwendung von Natrium und/oder Kalium als zweitem Kühlmedium kann im Betrieb der Brennkraftmaschine der sogenannte Shakereffekt genutzt werden, da Natrium und Kalium bei den im Betrieb der Brennkraftmaschine auftretenden Temperaturen flüssig werden und dadurch durch die Auf- und Abbewegung des Kolbens hin und her geschüttelt wird. Bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens gelangt somit das zweite Kühlmedium in den Bereich des Brennraummuldenbodens bzw. in den Bereich des Doms und nimmt hier Wärme auf, die es dann anschließend bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens beispielsweise an einen Kolbenschaft abgibt, da es bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens in den Bereich des Eingangs der Sacklochbohrung geschüttelt wird. Das Einbringen einer derartigen Sacklochbohrung ist fertigungstechnisch einfach und zugleich qualitativ auf höchstem Niveau möglich.
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Eine Natrium-Kalium-Mischung hat dabei sogar einen Schmelzpunkt, der deutlich unter den Schmelzpunkten der Einzelstoffe liegt. Selbstverständlich kann auch anstelle von Natrium/Kalium auch Lithium bzw. Lithiumnitrid als Kühlmedium verwendet werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist das zumindest eine Kanalelement einen ersten Abschnitt mit einem ersten Durchmesser und einen sich daran anschließenden zweiten Abschnitt mit einem dazu kleineren Durchmesser auf. Zusätzlich vorgesehen ist ein Verschlusselement, welches im ersten Abschnitt angeordnet ist. Das Verschlusselement kann beispielsweise als Kugel, als Blindniet oder als Stopfen ausgebildet und in dem ersten Abschnitt dicht verklemmt oder verschweißt sein. Durch die beiden Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern kann ein Axialanschlag für das Verschlusselement auf denkbar einfache Weise geschaffen werden, der eine exakt vordefinierte Axialendlage des Verschlusselements im montierten Zustand erzwingt. Dabei wird üblicherweise zunächst der erste und zweite Abschnitt mit einem kleineren Bohrer komplett gebohrt und anschließend der zweite Abschnitt mit einem größeren Bohrer im ersten Abschnitt partiell aufgebohrt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Kolben als Stahlkolben oder als Aluminiumkolben ausgebildet und insbesondere einteilig oder mehrteilig ausgeführt. Auch eine einstückige Ausführung ist rein theoretisch denkbar, ebenso wie eine Herstellung des Kolbens durch Schmieden. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, welch mannigfaltige Herstellungsmöglichkeiten für den Kolben gegeben sind, ohne das erfindungsgemäße Vorsehen der Konsole in irgendeiner Art und Weise zu beeinträchtigen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung läuft das zumindest eine Kanalelement entlang eines Brennraummuldenbodens, das heißt schräg zur Kolbenachse, wobei bei einem Vorsehen von mehreren, beispielsweise vier, Kanalelementen diese pyramidenartig angeordnet sind und sich im Bereich der Kolbenachse treffen können. Durch die Nähe der Kanalelemente zu dem Brennraummuldenboden kann eine besonders effektive Kühlung desselben und damit der Brennraummulde erreicht werden. Durch eine effektive Kühlung der Brennraummulde kann insbesondere auch eine höhere Leistung bzw. eine höhere Lebenserwartung des Kolbens erreicht werden. Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem solchen Kolben auszustatten, wobei eine derartige Brennkraftmaschine selbstverständlich auch vier oder mehr derartige Kolben aufweisen kann. Durch das einfache, zugleich aber prozesssichere Einbringen der Kanalelemente, können die Kolben an sich kostengünstig aber dennoch mit höchster Qualität hergestellt werden.
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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 Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Kolben,
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2 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kolben im Bereich eines Kanalelements.
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Entsprechend den 1 und 2, weist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 einer im Übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschine 2 einen Kolbenschaft 3 und einen eine umlaufende Ringpartie 4 aufweisenden Kolbenkopf 5 auf, in dem ein Kühlkanal 6 auf Aufnehmen eines ersten Kühlmediums vorgesehen ist. Der Kolbenkopf 5 besitzt dabei eine Brennraummulde 7 mit einem zentralen Dom 8 (vergleiche 2). Selbstverständlich kann der Dom 8 auch dezentral angeordnet sein. Ebenfalls vorgesehen ist wenigstens ein sich zumindest im Kolbenkopf 5 erstreckendes Kanalelement 9, welches fluidisch vom Kühlkanal 6 getrennt ist und in dem ein zweites, vom ersten Kühlmedium unterschiedliches Kühlmedium zum zumindest bereichsweise Kühlen des Kolbens 1 aufgenommen ist. Erfindungsgemäß verläuft dabei das zumindest eine Kanalelement 9 schräg zur Kolbenachse 10 und erstreckt sich von einem Eingang 11 an einer Unterseite oder einer Außenseite des Kolbens 1 bis in den Dom 8. Am Eingang 11 des zumindest einen Kanalelements 9 ist dabei erfindungsgemäß eine einstückig mit dem Kolben 1 ausgebildete Konsole 12 angeordnet, deren Oberfläche senkrecht zur Längsachse 13 des Kanalelements 9 ausgerichtet ist und dadurch das Herstellen des Kanalelements 9 mittels Bohren besonders einfach und zugleich qualitativ hochwertig ermöglicht, da der hierfür erforderliche Bohrer nunmehr senkrecht auf der Oberfläche der Konsole 12 aufgesetzt werden kann.
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Wie man der 2 entnehmen kann, ist das zumindest eine Kanalelement 9 dabei als Sacklochbohrung ausgebildet, wobei selbstverständlich üblicherweise nicht nur ein Kanalelement 9, sondern mehrere, beispielsweise vier um jeweils 90° zueinander versetzt angeordnete Kanalelemente 9 vorgesehen sind.
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Betrachtet man die 2 näher, so kann man erkennen, dass das zumindest eine Kanalelement 9 einen ersten Abschnitt 14 mit einem ersten Durchmesser und einen sich daran anschließenden zweiten Abschnitt 15 mit einem dazu kleineren Durchmesser aufweist. Dabei wird zunächst üblicherweise das Kanalelement 9 durch Bohren mit einem Bohrer mit dem kleineren Durchmesser im ersten Abschnitt 14 und im zweiten Abschnitt 15 hergestellt, wobei daran anschließend der erste Abschnitt 14 mit einem Bohrer mit größerem Durchmesser aufgebohrt und dadurch eigentlich erst der erste Abschnitt 14 hergestellt wird. Nach dem Bohren des Kanalelements 9 wird in dieses das zweite Kühlmedium eingebracht, beispielsweise Natrium und/oder Kalium, welches im Betrieb der Brennkraftmaschine 2 flüssig wird und dadurch bei einer Auf- und Abbewegung des Kolbens 1 hin und her geschüttelt wird und dabei Wärme von einem Brennraummuldenboden 16 hin zu beispielsweise dem Kolbenschaft 3 abführt.
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Verschlossen wird das Kanalelement 9 durch ein Verschlusselement 17, das im gezeichneten Fall als Kugel oder als Stopfen ausgebildet ist, jedoch rein theoretisch auch als Blindniet ausgebildet sein kann und in dem ersten Abschnitt 14 verklemmt wird. Dies kann beispielsweise durch ein Einschlagen des Verschlusselementes 17 in den ersten Abschnitt 14 des Kanalelements 9 erfolgen. Durch die zwischen den beiden Durchmessern des ersten und zweiten Abschnitts 14, 15 angeordnete Radialstufe 18 kann dabei ein Axialanschlag für das Verschlusselement 17 geschaffen werden.
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Der Kolben 1 kann dabei als Stahl- oder als Aluminiumkolben ausgebildet sein und beispielsweise durch Schmieden hergestellt werden, wobei in diesem Fall die Konsole 12 beim Schmieden gemeinsam mit dem Kolben 1 hergestellt wird. Rein theoretisch ist selbstverständlich auch denkbar, dass der Kolben 1 mehrteilig ausgebildet ist, wobei die einzelnen, hier nicht näher bezeichneten Kolbenteile, anschließend miteinander verschweißt oder verlötet werden. Der Kolben 1 bzw. die einzelnen Kolbenteile können dabei auch geschmiedet sein.
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Betrachtet man die 2, so kann man erkennen, dass das zumindest eine Kanalelement 9 entlang des Brennraummuldenbodens 16 verläuft, wodurch eine besonders effektive Kühlung des Brennraummuldenbodens 16 möglich ist. Generell kann durch das Vorsehen der erfindungsgemäßen, einstückig mit dem Kolben 1 ausgebildeten Konsole 12, das Einbringen des zumindest einen Kanalelements 9 durch Bohren deutlich vereinfacht und zugleich prozesssicherer gestaltet werden, da der Bohrer nicht mehr auf einer schrägen Fläche aufgesetzt werden muss und dadurch das Risiko vermieden werden kann, dass der Bohrer abgleitet. Das Vorsehen der Konsole 12 kann dabei fertigungstechnisch äußerst einfach gestaltet werden. Rein theoretisch ist sogar denkbar, dass im Bereich der Konsole 12 eine kleine Vertiefung vorgesehen ist, insbesondere gleich beim Schmieden mit hergestellt wird, wobei eine derartige Vertiefung eine Körnung für den später anzusetzenden Bohrer bildet und dadurch das Herstellen des Kanalelements 9 durch Bohren nochmals vereinfacht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013002895 A1 [0002]
