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Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, mit wenigstens einem eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweisenden Kühlmittelkanal. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Kolben.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift
DE 10 2017 205 717 A1 bekannt. Diese beschreibt einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kolbenkopf mit einer Brennraummulde und einer Ringpartie, sowie mit einem zwischen der Ringpartie und der Brennraummulde angeordneten ringförmigen Kühlkanal. Dabei ist vorgesehen, dass in dem Kühlkanal zumindest ein Leitelement angeordnet ist, welches eine in Richtung einer inneren Kühlkanalwand gerichtete Nase aufweist, die derart ausgerichtet ist, dass in dem Kühlkanal vorhandenes Kühlöl in Richtung eines oberen Bereichs der inneren Kühlkanalwand gelenkt wird und so diesen Bereich kühlt, und dass das zumindest eine Leitelement integral mit der Ringpartie ausgebildet ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kolben für eine Brennkraftmaschine vorzuschlagen, welcher gegenüber bekannten Kolben Vorteile aufweist, insbesondere eine Ansammlung von Ablagerungen innerhalb des Kühlmittelkanals verhindert und/oder eine thermische Belastung des Kühlmittels reduziert.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einem Kolben für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass eine den Kühlmittelkanal begrenzende Kanalwand lediglich bereichsweise mit einer Wärmedämmschicht versehen ist.
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Der Kolben ist vorzugsweise Bestandteil der Brennkraftmaschine, welche zum Bereitstellen eines Antriebsdrehmoments dient. Die Brennkraftmaschine kann zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs vorgesehen und ausgebildet sein. In diesem Fall ist das Antriebsdrehmoment zumindest zeitweise auf das Antreiben des Kraftfahrzeugs gerichtet. Die Brennkraftmaschine weist wenigstens einen Zylinder auf, welcher von einem Zylinderkurbelgehäuse sowie einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine gemeinsam begrenzt ist. In dem Zylinder ist der Kolben verlagerbar angeordnet, wobei der Kolben gemeinsam mit dem Zylinderkurbelgehäuse und einem vorzugsweise von dem Zylinderkopf ausgebildeten Zylinderdach einen Brennraum des Zylinders begrenzt, welcher aufgrund der Verlagerbarkeit des Kolbens ein variables Volumen aufweist.
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Der Kolben ist als gekühlter Kolben ausgestaltet und weist hierzu den wenigstens einen Kühlmittelkanal auf, der über die Einlassöffnung und die Auslassöffnung verfügt. Zum Kühlen des Kolbens ist dem Kühlmittelkanal über die Einlassöffnung ein Kühlmittel zuführbar, welches nachfolgend den Kühlmittelkanal in Richtung der Auslassöffnung durchströmt und anschließend durch die Auslassöffnung aus dem Kühlmittelkanal austritt. Es kann vorgesehen sein, dass dem Kühlmittelkanal permanent oder intermittierend Kühlmittel zugeführt wird. Beispielsweise verfügt die Brennkraftmaschine über eine Kühlmittelspritzdüse, über welche zumindest zeitweise, insbesondere nur zeitweise oder permanent, Kühlmittel in Richtung des Kolbens ausgebracht wird und durch die Einlassöffnung in den Kühlmittelkanal gelangt. Bei einer solchen Ausgestaltung liegt das Kühlmittel insoweit innerhalb der Brennkraftmaschine beziehungsweise innerhalb des Zylinderkurbelgehäuses zumindest zeitweise als Freistrahl vor, nämlich ab seinem Austreten aus der Kühlmitteldüse bis hin zu seinem Eintreten in den Kühlmittelkanal durch die Einlassöffnung.
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Aufgrund der hohen Temperatur des Kolbens während eines Betriebs der Brennkraftmaschine kann es an der den Kühlmittelkanal begrenzenden Kanalwand zu einer Überhitzung des Kühlmittels kommen. Durch eine solche Überhitzung wird das Kühlmittel, insbesondere das mit der Wand in Berührung stehende Kühlmittel, zumindest teilweise chemisch zerstört, sodass sich Ablagerungen an der Wand bilden, welche den Kühlmittelkanal zumindest teilweise zusetzen. Zum einen wird somit die Durchströmungsquerschnittsfläche des Kühlmittelkanals verringert, welche zum Durchströmen mit dem Kühlmittel zur Verfügung steht. Zum anderen bewirken die Ablagerungen eine thermische Isolierung, sodass der Wärmeübergang von dem Kolben beziehungsweise der den Kühlmittelkanal begrenzenden Kanalwand auf das Kühlmittel verringert.
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Um die Ablagerungen zu vermeiden, könnte eine Beschichtung auf die Wand des Kühlmittelkanals aufgebracht werden, welche derart ausgestaltet ist, dass ein Anhaften der Ablagerungen erschwert wird und/oder Ablagerungen chemisch abgebaut werden. In letzterem Fall ist die Beschichtung beispielsweise eine katalytische Beschichtung. Derartige Beschichtungen können das Ansammeln der Ablagerungen jedoch nicht vollständig verhindern. Zusätzlich oder alternativ könnte der Kühlmittelkanal derart in dem Kolben angeordnet werden, dass die Temperatur der den Kühlmittelkanal begrenzenden Kanalwand während des Betriebs der Brennkraftmaschine kleiner bleibt als eine Zersetzungstemperatur des Kühlmittels. Das bedeutet schlussendlich, dass der Kühlmittelkanal in einem kälteren Bereich des Kolbens angeordnet wird. Hierdurch wird jedoch die Effektivität der Kühlung mittels des Kühlmittels verringert. Zudem müssen üblicherweise die Abmessungen des Kolbens größer gewählt werden, sodass das Gewicht des Kolbens zunimmt.
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Aus diesem Grund ist es anstelle oder zusätzlich zu wenigstens einer der genannten oder mehreren der genannten Maßnahmen vorgesehen, die Kanalwand bereichsweise mit der Wärmedämmschicht zu versehen. Die Wärmedämmschicht dient der Herstellung einer thermischen Dämmung zwischen dem Kolben beziehungsweise der Kanalwand einerseits und dem Kühlmittel andererseits. Die Wärmedämmschicht weist hierzu einen entsprechend niedrigen Wärmeleitkoeffizient auf, welcher beispielsweise höchstens 10 W/mK beträgt. Die Wärmedämmschicht ist lediglich auf einem Bereich der Kanalwand ausgebildet beziehungsweise lediglich diesem Bereich zugeordnet. Unter der Kanalwand ist hierbei vorzugsweise die gesamte den Kühlmittelkanal begrenzende Wand des Kolbens zu verstehen, welche sich ausgehend von der Einlassöffnung bis hin zu der Auslassöffnung des Kühlmittelkanals erstreckt.
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Beispielsweise ist die Wärmedämmschicht im Querschnitt durch den Kühlmittelkanal lediglich bereichsweise auf der den Kühlmittelkanal im Querschnitt begrenzenden Wand aufgebracht. In diesem Fall kann es vorgesehen sein, dass sich die Wärmedämmschicht entlang des Kühlmittelkanals von der Einlassöffnung bis hin zu der Auslassöffnung erstreckt. Die Wärmedämmschicht umgreift also eine Längsmittelachse des Kolbens, die insbesondere senkrecht auf einem Kolbendach steht und dieses mittig durchgreift, von der Einlassöffnung bis zu der Auslassöffnung. Beispielsweise umgreift die Wärmedämmschicht die Längsmittelachse im Umfangsrichtung vollständig oder mindestens zu 300° oder mindestens zu 330°.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Wärmedämmschicht im Querschnitt gesehen den gesamten Kühlmittelkanal auskleidet. In diesem Fall erstreckt sich die Wärmedämmschicht nur teilweise zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung. Beispielsweise umgreift die Wärmedämmschicht die Längsmittelachse des Kolbens lediglich teilweise, insbesondere zu höchstens 300° oder höchstens 240°. Bevorzugt umgreift die Wärmedämmschicht die Längsmittelachse jedoch zu mindestens 180°.
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Vorzugsweise ist die Kanalwand lediglich dort mit der Wärmedämmschicht versehen, wo während des Betriebs der Brennkraftmaschine die höchsten Temperaturen auftreten. Insbesondere wird die Kanalwand überall dort mit der Wärmedämmschicht versehen, wo die Temperatur der Kanalwand während des Betriebs der Brennkraftmaschine die Zersetzungstemperatur des Kühlmittels übersteigt. Wenigstens ein anderer Bereich der Kanalwand ist hingegen nicht mit der Wärmedämmschicht versehen und insoweit wärmedämmschichtfrei. In diesem Bereich der Kanalwand weist sie während des Betriebs der Brennkraftmaschine lediglich Temperaturen auf, die geringer sind als die vorstehend genannten Temperaturen, insbesondere also kleiner als die Zersetzungstemperatur des Kühlmittels. Durch eine solche Ausgestaltung des Kolbens wird einerseits das thermische Zersetzen des Kühlmittels aufgrund einer zu hohen Temperatur der Kanalwand verhindert und zum anderen dennoch eine effektive Kühlung des Kolbens mittels des Kühlmittels sichergestellt, weil die Wärmedämmschicht lediglich bereichsweise vorliegt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Wärmedämmschicht aus einem Polymer besteht. Besonders bevorzugt wird als Polymer ein Hochpolymer verwendet, also ein Polymer, das einen Polymerisationsgrad von mindestens 50 aufweist. Das Polymer ist besonders einfach auftragbar und stellt gleichzeitig eine gute Wärmedämmung der Wärmedämmschicht sicher.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Wärmedämmschicht aus einem hitzebeständigen Lack ist und/oder Keramik zumindest aufweist. Der Lack ist vorzugsweise hitzebeständig bis mindestens 300 °C, mindestens 400 °C oder mindestens 500 °C. Der Lack weist zum Beispiel ein Polymer auf oder besteht aus diesem. Zusätzlich kann der Lack Keramik enthalten, insbesondere in Form von Keramikpartikeln. Der Lack ist einfach aufbringbar, weist eine gute Beständigkeit und Haltbarkeit auf und stellt eine gute Wärmedämmung sicher. Alternativ zu dem Lack kann die Wärmedämmschicht eine Keramikschicht aus Keramik sein.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Wärmedämmschicht einen Wärmeleitkoeffizient von höchstens 10 W/mK, höchstens 5 W/mK, höchstens 2,5 W/mK oder höchstens 1 W/mK aufweist. Um eine gute Wärmedämmung zu erzielen, wird der Wärmeleitkoeffizient gering gewählt, insbesondere deutlich geringer als ein Wärmeleitkoeffizient eines Grundkörpers des Kolbens, in welchem der Kühlmittelkanal ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist der Wärmeleitkoeffizient sogar kleiner als 1 W/mK. Hierdurch wird das thermische Zersetzen des Kühlmittels besonders effektiv verhindert.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kanalwand zumindest bereichsweise mit einer Wärmeleitschicht versehen ist, die einen größeren Wärmeleitkoeffizient aufweist als die Wärmedämmschicht. Die Wärmeleitschicht liegt zusätzlich zu der Wärmedämmschicht vor. Beispielsweise kann die Wärmeleitschicht dort vorliegen, wo die Kanalwand nicht mit der Wärmedämmschicht versehen ist. Besonders bevorzugt ist die Wärmeleitschicht großflächiger Ausgebildet als die Wärmedämmschicht, überdeckt also eine größere Fläche der Kanalwand als die Wärmedämmschicht. Besonders bevorzugt ist die Wärmeleitschicht unter der Wärmedämmschicht angeordnet, sodass in anderen Worten die Wärmedämmschicht auf der der Kanalwand abgewandten Seite der Wärmeleitschicht vorliegt.
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Die Wärmeleitschicht verfügt über einen größeren Wärmeleitkoeffizient als die Wärmedämmschicht. Beispielsweise ist der Wärmeleitkoeffizient der Wärmeleitschicht um einen Faktor von mindestens 5, mindestens 10, mindestens 20 oder mindestens 50 größer als der Wärmeleitkoeffizient der Wärmedämmschicht. Mithilfe der Wärmeleitschicht wird eine gute Verteilung der Wärme innerhalb des Kolbens erzielt, sodass Wärme von thermisch höher belasteten Bereichen des Kolbens rasch in Richtung von thermisch weniger belasteten Bereichen abgeführt wird. Mithilfe der Wärmeleitschicht kann die Temperatur von thermisch stark belasteten Bereichen des Kolbens insoweit bereits verringert werden. Vorzugsweise ist die Wärmeleitschicht derart ausgebildet, dass während eines Betriebs der Brennkraftmaschine das Kühlmittel zumindest zeitweise in Kontakt mit ihr gerät. Die beschriebene Ausgestaltung des Kolbens ermöglicht eine besonders effiziente Kühlung bei gleichzeitig verringerter thermischer Zersetzung des Kühlmittels.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Wärmeleitschicht aus Metall besteht oder Metall zumindest aufweist. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Wärmeleitkoeffizient der Wärmeleitschicht hinreichend groß ist. Hierbei ist der Wärmeleitkoeffizient der Wärmeleitschicht größer als der Wärmeleitkoeffizient des Grundkörpers des Kolbens. Besteht der Grundkörper aus Stahl, so kann als Metall für die Wärmeleitschicht beispielsweise Aluminium oder Kupfer verwendet werden. Besteht hingegen der Grundkörper bereits aus Aluminium, so wird vorzugsweise Kupfer als Metall für die Wärmeleitschicht verwendet. Hierdurch wird ein effektives Kühlen des Kolbens realisiert.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kolbens gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung, wobei der Kolben über wenigstens einen eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweisenden Kühlmittelkanal verfügt. Dabei ist vorgesehen, dass eine den Kühlmittelkanal begrenzende Kanalwand lediglich bereichsweise mit einer Wärmedämmschicht versehen wird.
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Auf die Vorteile einer derartigen Vorgehensweise beziehungsweise einer derartigen Ausgestaltung des Kolbens wurde bereits hingewiesen. Sowohl der Kolben als auch das Verfahren zu seinem Herstellen können gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
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Das Aufbringen der Wärmedämmschicht erfolgt beispielsweise durch Aufsprühen oder Lackieren. Besonders bevorzugt wird die Wärmedämmschicht mittels eines Lacks durch Lackieren hergestellt. Dies ermöglicht ein besonders effizientes und einfaches Versehen der Kanalwand mit der Wärmedämmschicht.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kanalwand vor einer Montage des Kolbens in der Brennkraftmaschine mit der Wärmedämmschicht versehen wird. Das bedeutet, dass die Wärmedämmschicht sich nicht erst während eines Betriebs der Brennkraftmaschine ausbildet, beispielsweise durch thermisches Zersetzen. Vielmehr soll die Wärmedämmschicht bereits vor einer Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine beziehungsweise vor der Montage des Kolbens in der Brennkraftmaschine vorliegen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Kolben, insbesondere einem Kolben gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung, wobei der Kolben über wenigstens einen eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweisenden Kühlmittelkanal verfügt. Dabei ist vorgesehen, dass eine den Kühlmittelkanal begrenzende Kanalwand lediglich bereichsweise mit einer Wärmedämmschicht versehen ist.
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Hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen der Brennkraftmaschine und des Kolbens wird erneut auf die weiteren Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung verwiesen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt die einzige
- Figur eine schematische Schnittdarstellung durch einen Kolben für eine Brennkraftmaschine.
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Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Kolbens 1, wie er beispielsweise für eine Brennkraftmaschine Verwendung findet. Der Kolben 1 weist einen Kolbenboden 2 auf, der den Kolben 1 in Richtung eines Brennraums der Brennkraftmaschine begrenzt. Weiterhin weist der Kolben 1 ein Kolbenhemd 3 auf, das den Kolben 1 in radialer Richtung bezüglich einer Längsmittelachse 4 des Kolbens 1 begrenzt. Das Kolbenhemd 3 ist nach einer Montage des Kolbens 1 in der Brennkraftmaschine mit geringem Spiel zu einer Zylinderwand des Zylinders angeordnet und sorgt für eine Führung des Kolbens 1 in dem Zylinder in radialer Richtung. Zur Anbindung des Kolbens 1 an eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verfügt der Kolben 1 über eine Kolbenbolzenaufnahme 5, in welcher ein Kolbenbolzen anordenbar ist. Über den Kolbenbolzen ist eine Pleuelstange an dem Kolben 1 angelenkt und auf ihrer dem Kolben 1 abgewandten Seite mit der Kurbelwelle gekoppelt.
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Zur Kühlung des Kolbens 1 verfügt dieser über wenigstens einen Kühlmittelkanal 6, der in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Längsmittelachse 4 zumindest bereichsweise in Umfangsrichtung umgreift, vorzugsweise zu mindestens 50 %, mindestens 60 %, mindestens 70 %, mindestens 80 %, mindestens 90 % oder vollständig. Dem Kühlmittelkanal 6 ist über eine hier nicht dargestellte Einlassöffnung ein Kühlmittel zuführbar. Über eine ebenfalls nicht dargestellte Auslassöffnung kann das Kühlmittel nach dem Durchlaufen des Kühlmittelkanals 6 aus diesem austreten.
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Weil es aufgrund der während des Betriebs der Brennkraftmaschine in dem Kolben 1 auftretenden hohen Temperaturen zu dem Auftreten von Kühlmittelablagerungen an einer den Kühlmittelkanal 6 begrenzenden Kanalwand 7 kommen kann, ist die Kanalwand 7 bereichsweise mit einer Wärmedämmschicht 8 versehen. Diese ist lediglich auf einen Bereich der Kanalwand 7 ausgebildet, insbesondere in dem hier dargestellten Längsschnitt des Kolbens 1 gesehen. Das bedeutet, dass die Wärmedämmschicht 8 im Längsschnitt gesehen nicht umlaufend beziehungsweise geschlossen ist, sondern einen Mittelpunkt des Kühlmittelkanals 6, beispielsweise einen geometrischen Schwerpunkt, lediglich teilweise umgreift.
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Beispielsweise erstreckt sich die Wärmedämmschicht 8 im Querschnitt gesehen, wie hier gezeigt, über lediglich einen kleinen Teil der Kanalwand 7, beispielsweise über höchstens 25 %, höchstens 20 %, höchstens 15 % oder höchstens 10 %. Die Wärmedämmschicht 8 verhindert eine lokale Überhitzung des Kühlmittels während des Betriebs der Brennkraftmaschine, sodass ein thermisches Zersetzen desselben und mithin das Entstehen der Ablagerungen verhindert wird.
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Vorzugsweise ist die Wärmedämmschicht 8 auf eine Wärmeleitschicht 9 aufgebracht, sodass also die Wärmeleitschicht 9 zwischen der Wärmedämmschicht 8 und der Kanalwand 7 vorliegt. Die Wärmeleitschicht 9 weist einen höheren Wärmeleitkoeffizient auf als die Wärmedämmschicht 8. Zusätzlich weist die Wärmeleitschicht 9 bevorzugt einen höheren Wärmeleitkoeffizient auf als ein Grundkörper 10 des Kolbens 1, in welchem der Kühlmittelkanal 6 ausgebildet ist und der entsprechend die Kanalwand 7 ausbildet. Die Wärmeleitschicht 9 erstreckt sich vorzugsweise im Querschnitt gesehen über einen größeren Bereich als die Wärmedämmschicht 8. Die Wärmeleitschicht 9 dient einer raschen Verteilung der in dem Kolben 1 vorliegenden Wärme über den Querschnitt des Kühlmittelkanals 6, sodass sie effizient mittels des Kühlmittels abgeführt werden kann.
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Die beschriebene Ausgestaltung des Kolbens 1 zeichnet sich durch eine hervorragende Kühlbarkeit aus. Gleichzeitig werden die vorstehend bereits beschriebenen Ablagerungen, welche aus einer thermischen Zersetzung des Kühlmittels resultieren, wirkungsvoll verringert oder sogar gänzlich vermieden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben
- 2
- Kolbenboden
- 3
- Kolbenhemd
- 4
- Längsmittelachse
- 5
- Kolbenbolzenaufnahme
- 6
- Kühlmittelkanal
- 7
- Kanalwand
- 8
- Wärmedämmschicht
- 9
- Wärmeleitschicht
- 10
- Grundkörper
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017205717 A1 [0002]
