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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 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 mit einem Kolbenschaft und einem Kolbenkopf bekannt, wobei in dem Kolbenkopf eine Brennraummulde mit einem zentralen Dom angeordnet ist. Ebenfalls vorgesehen ist wenigstens ein sich zumindest im Kolbenkopf erstreckendes Kanalelement, welches fluidisch vom Kühlkanal getrennt ist und in dem ein zweites, vom ersten Kühlmedium unterschiedliches Kühlmedium zum zumindest vergleichsweisen Kühlen des Kolbens aufgenommen ist. Hierdurch soll insbesondere eine verbesserte Kühlung erreicht werden können.
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Nachteilig bei dem aus dem Stand der Technik bekannten, gattungsgemäßen Kolben ist jedoch, dass das zumindest eine Kanalelement nur vergleichsweise aufwendig, bspw. durch eine von einer Schaftwand des Kolbenschafts ausgehenden Schrägbohrung hergestellt werden kann. Hierzu ist es bspw. erforderlich, die Außenfläche des Kolbenschaftes zuerst spanend zu bearbeiten, um ein Abrutschen des Bohrers vermeiden zu können. In gleicher Weise schwierig ist bei derartig hergestellten Kanalelementen deren Befüllen sowie deren Verschließen.
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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 Nachteile aus dem Stand der Technik 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, zumindest zwei Kanalelemente, welche mit einem Kühlkanal eines Kolbens fluidisch verbunden sind, als von einem Dom im Bereich einer Brennraummulde ausgehend auszubilden und anschließend durch ein Verschlusselement zu verschließen, was den großen Vorteil bietet, dass insbesondere ein bislang erforderliches, aufwendiges, spanendes Bearbeiten des Kolbenschaftes zum Einbringen der das Kanalelement bildenden Bohrung entfallen kann. Dabei ist selbstverständlich klar, dass die Kanalelemente durch Bohren hergestellt werden können, oder aber alternativ durch das Vorsehen eines entsprechenden Gießkerns, was insbesondere auch einen nicht linearen Verlauf der einzelnen Kanalelemente ermöglicht. Besonders das Herstellen der Kanalelemente mittels Bohren stellt jedoch eine besonders bevorzugte, da kostengünstige Variante dar. Zugleich werden üblicherweise ausgehend von dem Dom nicht nur zwei, sondern bspw. drei oder mehr Kanalelemente vorgesehen, die anschließend mit lediglich einem einzigen, gemeinsamen Verschlusselement verschlossen werden können. Hierdurch ist es möglich, auch den Aufwand des Verschließens im Vergleich zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Kolben deutlich zu reduzieren, da bei diesem alle Kanalelemente separat verschlossen werden mussten. Beim Vorsehen von mehreren im Bereich des Doms startenden Kanalelementen können diese zudem auch fluidisch miteinander verbunden sein und dadurch einen Austausch des darin angeordneten Kühlmediums über die Ausnehmung untereinander ermöglichen. Der erfindungsgemäße Kolben, der üblicherweise in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine eingesetzt wird, weist dabei in bekannter Weise einen Kolbenschaft mit einem eine umlaufende Ringpartie aufweisenden Kolbenkopf auf, in dem ein zumindest teilweise umlaufender Kühlkanal zum Aufnehmen eines Kühlmediums vorgesehen ist. Der Kolbenkopf selbst besitzt eine Brennraummulde mit dem insbesondere zentralen Dom. Erfindungsgemäß vorgesehen sind nun die zumindest zwei Kanalelemente, die vom Dom ausgehen, fluidisch mit dem Kühlkanal verbunden und im Bereich des Doms von einem gemeinsamen Verschlusselement verschlossen sind. In den zumindest zwei Kanalelementen und dem Kühlkanal ist dabei dasselbe Kühlmedium aufgenommen. Wie eingangs erwähnt, kann durch die zentrale Anordnung der Eingänge der Kanalelemente im Bereich des Doms ein Bohren derselben von oben durch die Brennraummulde erfolgen, was nicht nur deutlich einfacher ist, sondern auch die Möglichkeit eröffnet, diese durch ein einziges Verschlusselement gemeinsam zu verschließen, wodurch das Vorsehen einer der Anzahl der Kanalelemente entsprechenden Anzahl an Verschlusselementen nicht mehr erforderlich ist. Durch das Zusammenlaufen der zumindest zwei Kanalelemente im Bereich des Doms und das Anordnen deren Einfüllöffnungen im Bereich des Doms, können diese auch gemeinsam und damit deutlich einfacher befüllt werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist der Dom eine Ausnehmung auf, in welche die zumindest zwei Kanalelemente münden. Eine derartige Ausnehmung bietet dabei den großen Vorteil, dass diese zum einen das Einfüllen des Kühlmediums deutlich vereinfacht (sofern es sich um ein geschlossenes Kühlsystem handelt) und zum anderen durch ein entsprechendes Verschlusselement auch einen Fluidaustausch zwischen den einzelnen Kanalelementen im Betriebszustand ermöglicht. Das Verschlusselement kann somit alternativ derart ausgebildet sein, dass es in montiertem Zustand im Bereich des Doms eine fluidische Trennung der einzelnen Kanalelemente voneinander bewirkt, oder aber eine fluidische Verbindung zwischen den einzelnen Kanalelementen im Bereich des Doms zulässt und dadurch eine besonders gleichmäßige und homogene Zusatzkühlung ermöglicht.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung verlaufen die zumindest zwei Kanalelemente schräg zur Längsachse des Kolbens, insbesondere sogar entlang eines Brennraummuldenbodens. Hierdurch kann eine besonders gezielte Kühlung des Brennraummuldenbodens ermöglicht werden. Der Verlauf der einzelnen Kanalelemente ist dabei üblicherweise linear, wobei selbstverständlich auch kurvige Verläufe denkbar sind, insbesondere sofern die einzelnen Kanalelemente nicht durch Bohren, sondern durch einen Gießkern hergestellt sind.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das Verschlusselement mit dem Dom bzw. einer Innenwandung der im Bereich des Doms angeordneten Ausnehmung verschweißt, bspw. mittels Reibschweißen, MIG-Schweißen oder Laserschweißen. Alternativ ist auch denkbar, dass das Verschlusselement mit dem Dom verlötet ist. Das Verschweißen bietet dabei den großen Vorteil, dass dieses gleichzeitig mit dem Verschweißen bspw. eines ersten Kolbenteils mit einem zweiten Kolbenteil erfolgen könnte. Der erfindungsgemäße Kolben kann somit nicht nur einteilig bzw. einstückig, sondern auch mehrteilig ausgebildet sein, bspw. mit einem den Kolbenboden bildenden ersten Kolbenteil und einem zumindest einen Bereich des Kolbenschafts bildenden zweiten Kolbenteil. Der Kolben kann dabei geschmiedet oder aus geschmiedeten Kolbenteilen zusammengesetzt sein. Auch eine andere Herstellung ist selbstverständlich denkbar. Auch die Materialauswahl für den erfindungsgemäßen Kolben ist nicht beschränkt, so dass dieser bspw. aus Stahl oder aus Aluminium ausgebildet sein kann.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung bilden der Kühlkanal und die zumindest zwei Kanalelemente ein geschlossenes Kühlsystem mit Natrium und/oder Kalium als Kühlmedium. Natrium hat bspw. einen Schmelzpunkt von knapp unter 100 °C und wird somit im Betrieb der Brennkraftmaschine flüssig, wodurch das in den Kanalelementen aufgenommene Natrium hin und her schwappen und dadurch mittels des so genannten Shakereffekts die Kühlung des Kolbens bewirken kann. Kalium schmilzt bereits bei ca. 63 °C, so dass durch das Anreichern des Kühlmediums mit Kalium dessen Schmelzpunkt im Vergleich zu reinem Natrium gesenkt werden kann. Selbstverständlich kann anstelle von Natrium/Kalium auch Lithium bzw. Lithiumnitrid als Kühlmedium verwendet werden.
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Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass der Kühlkanal und die zumindest zwei Kanalelemente ein offenes Kühlsystem mit Kühlöl als Kühlmedium bilden. In diesem Fall wird wie bei bekannten Kolben Kühlöl in einen Eingang des Kühlkanals gespritzt, läuft in diesem um und wird zusätzlich in den Kanalelementen mittels des Shakereffekts hin und her geschüttelt. Anschließend verlässt das nun aufgeheizte Kühlöl den Kühlkanal über einen Ausgang.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung verlaufen die zumindest zwei Kanalelemente entlang eines Brennraummuldenbodens und enden in einem unteren Bereich des Kühlkanals. Durch den Verlauf entlang eines Brennraummuldenbodens kann insbesondere eine besonders effektive Kühlung des dem Brennraum ausgesetzten Brennraummuldenbodens erreicht werden, (wobei durch eine Erstreckung der Kanalelemente bis in den Kolbenschaft eine nochmals verbesserte Kühlung erreicht werden kann). In diesem Fall würde der Kühlkanal lokal nach unten (in den Kolbenschaft) erweitert werden, sodass die Wärme in diesem vergleichsweise kälteren Gebiet besonders effektiv abgeführt werden könnte.
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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 Ausführungsbeispiele 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 nur angedeuteten Brennkraftmaschine 2 einen Kolbenschaft 3 und einen, eine umlaufende Ringpartie 4 aufweisenden Kolbenkopf 5 auf, in dem ein, insbesondere zumindest teilweise umlaufender, Kühlkanal 6 zum Aufnehmen eines Kühlmediums vorgesehen ist. Der Kolbenkopf 5 besitzt eine Brennraummulde 7 mit einem zentralen Dom 8. Selbstverständlich kann der Dom 8 rein theoretisch auch dezentral angeordnet sein. Erfindungsgemäß sind nun zumindest zwei Kanalelemente 9 vorgesehen, die fluidisch mit dem Kühlkanal 7 verbunden sind und in denen dasselbe Kühlmedium zum Kühlen des Kolbens 1 aufgenommen ist. Die zumindest zwei Kanalelemente 9 gehen dabei erfindungsgemäß von dem Dom 8 aus und sind im Bereich des Doms 8 von einem Verschlusselement 10 verschlossen.
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Betrachtet man dabei den Dom 8 genauer, so kann man gemäß der 1 erkennen, dass dort eine Ausnehmung 11 vorgesehen ist, in welche die zumindest zwei Kanalelemente 9 münden bzw. von der die zumindest zwei Kanalelemente 9 ausgehen. Betrachtet man dabei das Verschlusselement 10 gemäß der 1, so kann man erkennen, dass dieses auch im montierten Zustand eine fluidische Verbindung zwischen den einzelnen Kanalelementen 9 im Bereich der Ausnehmung 11 ermöglicht, so dass rein theoretisch auch ein Austausch des Kühlmediums zwischen den einzelnen Kanalelementen 9 im Betrieb der Brennkraftmaschine 2 möglich ist. Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, dass das Verschlusselement 10 derart ausgebildet ist, dass es die Ausnehmung 11 komplett ausfüllt und dadurch in montiertem Zustand die einzelnen Kanalelemente 9 im Bereich des Doms 8 fluidisch voneinander trennt und verschließt.
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Betrachtet man die zumindest zwei Kanalelemente 9 gemäß der 1, so kann man erkennen, dass diese schräg zur Längsachse 12 des Kolbens 1 verlaufen, wobei sich die einzelnen Längsachsen 13 der Kanalelemente 9 im Bereich der Längsachse 12 des Kolbens 1 treffen. Insgesamt sind dabei vorzugsweise vier Kanalelemente 9 vorgesehen.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung bilden der Kühlkanal 6 und die zumindest zwei Kanalelemente 9 ein geschlossenes Kühlsystem mit Natrium und/oder Kalium als Kühlmedium. Natrium hat bspw. einen Schmelzpunkt von knapp unter 100 °C und wird somit im Betrieb der Brennkraftmaschine 2 flüssig, wodurch das in den Kanalelementen 9 aufgenommene Natrium hin und her schwappen und dadurch mittels des so genannten Shakereffekts die Kühlung des Kolbens 1 bewirken kann. Kalium schmilzt bereits bei ca. 63 °C, so dass durch das Anreichern des Kühlmediums mit Kalium dessen Schmelzpunkt im Vergleich zu reinem Natrium gesenkt werden kann. Das Verschlusselement 10 kann nach dem Befüllen der einzelnen Kanalelemente 9 mit dem Kühlmedium, bspw. mit Natrium und/oder Kalium, in der Ausnehmung 11 des Doms 8 fixiert werden, bspw. mit dem Dom 8 verlötet oder verschweißt werden. Ein Verschweißen kann dabei insbesondere durch ein Laserschweißen, ein MIG-Schweißen oder ein Reibschweißen erfolgen. Der Kolben 1 selbst kann dabei aus Stahl oder aus Aluminium ausgebildet sein und einteilig bzw. mehrteilig ausgeführt werden. Bei einer mehrteiligen Ausführungsform, wie diese bspw. gemäß der 1 dargestellt ist, ist sogar denkbar, dass die einzelnen Verbindungsstellen 14 zwischen einem ersten Kolbenteil 15 und einem zweiten Kolbenteil 16 in einem Arbeitsschritt mit den Verbindungstellen 14' zwischen dem Verschlusselement 10 und dem Dom 8, das heißt im vorliegenden Fall dem zweiten Kolbenteil 16 verbunden, bspw. verschweißt werden. Der Kolben 1 kann dabei geschmiedet oder aus geschmiedeten Kolbenteilen 15, 16 zusammengesetzt sein. Auch eine andere Herstellung ist selbstverständlich denkbar.
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Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass der Kühlkanal 6 und die zumindest zwei Kanalelemente 9 ein offenes Kühlsystem mit Kühlöl als Kühlmedium bilden. In diesem Fall wird wie bei bekannten Kolben Kühlöl in einen in 1 nicht gezeigten Eingang des Kühlkanals 6 gespritzt, läuft in diesem um und wird zusätzlich in den Kanalelementen 9 mittels des Shakereffekts hin und her geschüttelt. Anschließend verlässt das nun aufgeheizte Kühlöl den Kühlkanal 6 über einen ebenfalls nicht gezeichneten Ausgang. Unabhängig von der gewählten Ausführungsform ist der Kühlkanal 6 im Umfangsbereich zwischen den Naben 18 tiefer, wobei in diesen Bereichen die Kanalelemente 9 in den Kühlkanal 6 münden. Im Bereich der Naben 18 ist der Kühlkanal 6 nicht so tief. Dies bedeutet, dass sich der Kühlkanal 6 im Bereich der Nabenanbindung an den Kolbenschaft 3, das heißt abseits der Naben 18, weiter in axialer Richtung erstreckt als im übrigen Bereich, das heißt als im in Umfangsrichtung dazwischen liegenden Bereich.
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Um eine besonders effektive Kühlung der Brennraummulde 7 erreichen zu können, verlaufen die zumindest zwei Kanalelemente 9 entlang eines Brennraummuldenbodens 17, wobei der Kühlkanal 6 tiefer ausgebildet ist und dadurch bis in den Bereich des Kolbenschaftes 3 ragt, wodurch eine besonders effektive Wärmeabfuhr aus dem Bereich des Brennraummuldenbodens 17 erreicht werden kann.
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Hergestellt wird der erfindungsgemäße Kolben 1 bspw. wie folgt: Zunächst wird der Kolben 1 hergestellt, entweder als einstückiges Bauteil oder durch zwei separate Kolbenteile 15, 16. Die Kanalelemente 9 können dabei entweder anschließend von der Ausnehmung 11 ausgehend gebohrt werden oder aber bereits zusammen mit dem Kolben 1, das heißt insbesondere zusammen mit dem zweiten Kolbenteil 16 hergestellt werden, insbesondere sofern hierfür ein die Kanalelemente 9 freihaltender Gießkern vorgesehen wird. Nach dem Herstellen der Kanalelemente 9 bzw. dem Entfernen des diese bildenden Gießkerns werden die Kanalelemente 9 bei einem geschlossenen Kühlsystem mit dem Kühlmedium, bspw. Natrium und/oder Kalium, befüllt und anschließend das Verschlusselement 10 aufgesetzt und insbesondere randseitig dicht mit der Ausnehmung 11 verbunden, bspw. verlötet oder verschweißt. Das Verlöten bzw. Verschweißen kann dabei gleichzeitig mit bspw. dem Verschweißen der anderen Verbindungsstellen 14 zwischen dem ersten und zweiten Kolbenteil 15, 16 erfolgen. Abschließend wird nun endgültig die Kontur des Brennraummuldenbodens 17 durch Drehen hergestellt, so dass das Verschlusselement 10 ausgehend von der gemäß der 1 mit unterbrochen gezeichneter Linie dargestellten Gestalt die gemäß der 1 mit durchgehender Linie gezeichnete Gestalt einnimmt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Kolben 1 ist es erstmals möglich, eine Kühlung zusätzlich unterstützende Kanalelemente 9 zentral vom Dom 8 ausgehend vorzusehen und durch ein einziges, gemeinsames Verschlusselement 10 zu verschließen, wodurch das Verschließen der Kanalelemente 9 im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Kanalelementen deutlich vereinfacht werden kann. Insbesondere muss auch kein separates spanendes Bearbeiten einer Kolbenschaftfläche erfolgen, um die Kanalelemente bislang bildenden Bohrungen zuverlässig einbringen zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013002895 A1 [0002]
