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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kolbenschaft und einem Kolbenkopf, in dem ein Kühlkanal zum Aufnehmen eines ersten Kühlmediums vorgesehen ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem solchen Kolben.
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Aus der
DE 10 2013 002 895 A1 ist ein gattungsgemäßer Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kolbenschaft und einem Kolbenkopf bekannt, wobei in dem Kolbenkopf ein Kühlkanal zum Aufnehmen eines ersten Kühlmediums vorgesehen ist. Der Kolbenkopf besitzt darüber hinaus eine Brennraummulde mit einem zentralen Dom. Desweiteren ist wenigstens ein sich zumindest im Kolbenkopf erstreckendes Kanalelement vorgesehen, das fluidisch vom Kühlkanal getrennt und in dem ein zweites, vom ersten Kühlmedium unterschiedliches Kühlmedium zum zumindest bereichsweise Kühlen des Kolbens aufgenommen ist. Das zumindest eine Kanalelement kann bspw. durch Bohren hergestellt werden.
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Problematisch bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Kolben ist jedoch, dass das Einbringen der Kanalelemente mittels entsprechender Bohrung extrem aufwendig und damit auch teuer ist, da die entsprechenden Außenflächen erst spanend vorbearbeitet werden müssen, um anschließend eine exakte Bohrung gewährleisten, insbesondere ein Verlaufen des Bohrers vermeiden zu können. Ein weiterer Nachteil des aus dem Stand der Technik bekannten Kolbens ist, dass ein Brennraummuldenboden aufgrund der eingebrachten Kanalelemente deutlich dicker ausgeführt werden muss, was nicht nur ein erhöhtes Gewicht des Kolbens, sondern in Verbindung damit auch einen erhöhten Kraftstoffverbrauch bewirkt.
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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 vermeidet.
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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, bei einem an sich bekannten Kolben mit sich zumindest im Kolbenkopf erstreckenden Kanalelementen eine Materialaufdickung lediglich lokal im Dombereich um ein Kanalelement herum auszuführen und damit lokal zu begrenzen, wodurch insbesondere in Umfangsrichtung zwischen den einzelnen Kanalelementen liegende Bereiche dünner ausgeführt werden können. Durch die lediglich lokal begrenzte Materialaufdickung kann das Gewicht des erfindungsgemäßen Kolbens im Vergleich zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Kolben deutlich gesenkt werden, was sich nicht nur positiv auf einen Kraftstoffverbrauch auswirkt, sondern zudem auch eine geringere Kompressionshöhe ermöglicht. Der erfindungsgemäße Kolben, der üblicherweise in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet ist, weist dabei in bekannter Weise einen Kolbenschaft sowie einen Kolbenkopf auf, wobei in dem Kolbenkopf ein Kühlkanal zum Aufnehmen eines ersten Kühlmediums vorgesehen ist. Ebenfalls vorgesehen im Kolbenkopf ist eine Brennraummulde mit einem zentralen Dom. Neben dem eigentlichen Kühlkanal ist im Kolbenkopf zumindest ein Kanalelement vorgesehen, das fluidisch vom Kühlkanal getrennt ist und in dem ein zweites, vom ersten Kühlmedium unterschiedliches Kühlmedium zum zumindest bereichsweise Kühlen des Kolbens aufgenommen ist. Erfindungsgemäß verläuft nun das zumindest eine Kanalelement schräg zu einer Kolbenachse und erstreckt sich von einem Eingang an einer Unterseite oder einer Außenseite des Kolbens bis in den Dom. Eine Aufdickung, das heißt eine Materialaufdickung, ist nun erfindungsgemäß ausschließlich im Bereich des Doms um das zumindest eine Kanalelement herum vorgesehen, so dass in diesem Bereich die erforderliche Festigkeit des Kolbens durch die Materialaufdickung gewährleistet werden kann, in den dazwischen liegenden Bereichen jedoch eine deutlich geringere Wandstärke bzw. eine deutlich geringere Dicke des Brennraummuldenbodens gewählt wird, wodurch das Gewicht des Kolbens und auch dessen Kompressionshöhe und damit der Kraftstoffverbrauch reduziert werden können.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das zumindest eine Kanalelement als Bohrung, insbesondere als Sacklochbohrung, ausgebildet. Hierdurch ist es möglich, das Einbringen des zumindest einen Kanalelements vergleichsweise einfach, nämlich durch eine einfache Bohrung, zu realisieren. Sind mehrere Kanalelemente vorgesehen, so können diese jeweils für sich als Sacklochbohrungen ausgeführt sein oder aber sich im Bereich des Doms kreuzen und dadurch fluidisch miteinander verbunden werden. Durch eine derartige fluidische Verbindung kann insbesondere eine homogene Kühlung, das heißt insbesondere eine homogene Zusatzkühlung erreicht werden.
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Zweckmäßig ist ein Verschlusselement vorgesehen, welches das zumindest eine Kanalelement verschließt. Ein derartiges Verschlusselement kann bspw. als Kugel, als Blindniet oder als Stopfen ausgebildet und im Kanalelement verstemmt sein. Hierdurch ist es vergleichsweise einfach möglich, nach einem Einfüllen des zweiten Kühlmediums, bspw. Natrium und/oder Kalium, das jeweilige Kanalelement zu verschließen, indem einfach bspw. das Verschlusselement eingepresst wird. In gleicher Weise kann selbstverständlich ein Verschließen auch mittels eines Blindniets erfolgen.
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Zweckmäßig ist der Kolben als Stahl- oder Aluminiumkolben ausgebildet und insbesondere einteilig oder mehrteilig. So ist es bspw. denkbar, dass mehrere Kolbenteile zunächst separat gefertigt und erst anschließend miteinander verbunden werden. Auch eine Herstellung des Kolbens mittels Schmieden ist denkbar. Durch diese nicht abschließende Aufzählung lässt sich schon erahnen, welche mannigfaltige Auswahl bezüglich des Aufbaus und/oder des verwendeten Materials für die Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens gegeben ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist das zweite Kühlmedium Natrium und/oder Kalium auf. Sowohl Natrium als auch Kalium besitzen eine vergleichsweise geringe Schmelztemperatur von unter 100 °C. Im Betrieb der Brennkraftmaschine verflüssigt sich das Natrium und/oder das Kalium und ermöglicht dadurch eine Kühlung mittels des so genannten Shaker-Effekts, bei welchem es entsprechend den Auf- und Abbewegungen des Kolbens nach unten oder oben beschleunigt wird. Dadurch erfolgt eine besonders effektive Kühlung des Brennraummuldenbodens, da das zweite Kühlmedium beim Abwärtsbewegen des Kolbens in den Dom befördert wird und dort Wärmeenergie aufnimmt und bei jeder Aufwärtsbewegung nach unten, bspw. in dem Bereich des Kolbenschafts, befördert wird und dabei Wärme abgibt. Eine Natrium-Kalium-Mischung hat dabei sogar einen Schmelzpunkt, der deutlich unter den Schmelzpunkten der Einzelstoffe liegt. Selbstverständlich kann anstelle von Natrium/Kalium auch Lithium bzw. Lithiumnitrid als Kühlmedium verwendet werden.
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Zweckmäßig verläuft das zumindest eine Kanalelement entlang des Brennraummuldenbodens. Durch das nahe Anordnen des zumindest einen Kanalelements im Bereich des Brennraummuldenbodens bzw. eine Ausrichtung dessen Verlaufs am Verlauf des Brennraummuldenbodens kann eine besonders effektive Kühlung des Kolbens erreicht werden, da durch den an den Brennraummuldenboden angenäherten Verlauf des Kanalelements eine besonders effektive Wärmeaufnahme möglich ist.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Kolben auszustatten, wobei eine derartige Brennkraftmaschine im Betrieb den großen Vorteil aufweist, dass die nunmehr eingesetzten erfindungsgemäßen Kolben leichter sind, wodurch eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs erreicht werden kann. Durch die verbesserte Kühlung mittels der zusätzlichen Kanalelemente kann die Temperaturbelastung des jeweiligen Kolbens gesenkt und damit die Langlebigkeit desselben gesteigert werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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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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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die einzige 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kolben.
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Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 einer im Übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschine 2 einen Kolbenschaft 3 sowie einen, eine Ringpartie 4 aufweisenden Kolbenkopf 5 auf. In dem Kolbenkopf 5 verläuft ein Kühlkanal 6 zum Aufnehmen eines ersten Kühlmediums, bspw. Öl. Darüber hinaus besitzt der Kolbenkopf 5 eine Brennraummulde 7 mit einem zentralen Dom 8. Selbstverständlich kann der Dom 8 auch dezentral angeordnet sein. Des Weiteren vorgesehen ist wenigsten ein sich zumindest im Kolbenkopf 5, vorzugsweise aber auch bis in den Kolbenschaft 3, erstreckendes Kanalelement 9, das fluidisch vom Kühlkanal 6 getrennt und in dem ein zweites, vom ersten Kühlmedium unterschiedliches Kühlmedium zum zumindest bereichsweise Kühlen des Kolbens 1, insbesondere im Bereich eines Brennraummuldenbodens 10, aufgenommen ist. Gemäß der 1 besitzt dabei der erfindungsgemäße Kolben 1 insgesamt vier derartige Kanalelemente 9.
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Jedes dieser Kanalelemente 9 verläuft dabei schräg zu einer Kolbenachse 11 und erstreckt sich von einem Eingang 14 an einer Unterseite oder einer Außenseite des Kolbens 1 bis in den Dom 8. Um nun das Gewicht des erfindungsgemäßen Kolbens 1 reduzieren zu können, ist erfindungsgemäß ausschließlich im Bereich des Doms 8 eine lokal begrenzte Aufdickung 12, das heißt eine Materialaufdickung, um das zumindest eine Kanalelement 9 herum vorgesehen. In Bereichen 13 in Umfangsrichtung zwischen den einzelnen Aufdickungen 12, das heißt Materialaufdickungen 12, ist eine Dicke des Brennraummuldenbodens 10 deutlich geringer, insbesondere bspw. um die Dicke des Durchmessers des Kanalelements 9 geringer.
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Das zumindest eine Kanalelement 9 bzw. hier die insgesamt vier Kanalelemente 9 können dabei als Bohrung, insbesondere als Sacklochbohrung, ausgebildet und dadurch vergleichsweise technisch einfach hergestellt werden. Rein theoretisch ist es dabei denkbar, dass sämtliche Kanalelemente 9 jeweils für sich als Sacklochbohrung ausgebildet sind, oder aber, dass diese sich im Bereich des Doms kreuzen und dadurch fluidisch miteinander verbunden sind, was gemäß der 1 lediglich mit unterbrochen gezeichneter Linie angedeutet ist.
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Betrachtet man nun die 1 näher, so kann man erkennen, dass die einzelnen Kanalelemente 9 einen ersten Abschnitt 15 sowie einen sich daran anschließenden zweiten Abschnitt 16 mit dazu im Vergleich geringerem Durchmesser aufweisen. Ebenfalls vorgesehen ist je Kanalelement 9 zumindest ein Verschlusselement 17, welches in eingesetztem Zustand das jeweils zugehörige Kanalelement 9 verschließt und bspw. als Kugel, als Blindniet oder als Stopfen ausgebildet und im Kanalelement 9, das heißt insbesondere in dessen erstem Abschnitt 14, verklemmt ist. Die zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt 15, 16 angeordnete Stufe 18 bildet dabei einen Axialanschlag für das in den ersten Abschnitt 14 eingeschobene Verschlusselement 17.
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Generell ist dabei denkbar, dass der erfindungsgemäße Kolben 1 als Stahlkolben oder aus Aluminium oder generell als metallischer Kolben aus einer metallischen Legierung ausgebildet ist, wobei der Kolben 1 zudem einteilig, einstückig oder aber auch mehrteilig, das heißt aus mehreren miteinander verbundenen, insbesondere verschweißten, Kolbenteilen ausgebildet sein kann. Der Kolben 1 bzw. die einzelnen Kolbenteile können dabei auch geschmiedet sein.
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Betrachtet man die Kanalelemente 9 gemäß der 1 näher, so kann man erkennen, dass diese entlang des Brennraummuldenbodens 10 verlaufen und dadurch eine besonders effektive Kühlung desselben ermöglichen.
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Durch die lediglich partielle und damit lokal begrenzte Aufdickung 12 um die jeweiligen Kanalelemente 9 herum im Bereich des Doms 8, kann das Gewicht des erfindungsgemäßen Kolbens 1 im Vergleich zu einem herkömmlichen, komplett im Dombereich aufgedickten Kolben deutlich reduziert werden, ebenso wie ein Kraftstoffverbrauch der mit einem solchen Kolben 1 ausgestatteten Brennkraftmaschine 2. Darüber hinaus kann auch eine Kompressionshöhe des erfindungsgemäßen Kolbens 1 reduziert werden, wobei als Kompressionshöhe der Abstand zwischen einer Kolbenbolzenmitte und einer Feuerstegoberkante bezeichnet wird. Durch die Reduzierung der Kompressionshöhe kann auch die Bauhöhe der Brennkraftmaschine 2 reduziert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013002895 A1 [0002]
