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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einer Brennraummulde und mit umlaufenden Ringnuten sowie einem im Bereich der Ringnuten angeordneten Kühlkanal gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinder und einem solchen Kolben.
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Aus der
DE 10 2017 205 716 A1 ist ein gattungsgemäßer Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einer Brennraummulde und mit umlaufenden Ringnuten sowie einem ebenfalls umlaufenden Kühlkanal bekannt. Der Kühlkanal ist dabei von einem Verschlusselement nach unten verschlossen. In dem Kühlkanal selbst ist zumindest ein Leitelement angeordnet, welches in Richtung einer inneren Kühlkanalwand gerichtete und eine zumindest teilweise umlaufende Nase aufweist, die derart ausgebildet ist, dass in dem Kühlkanal vorhandenes Kühlöl in Richtung eines oberen Bereichs der inneren Kühlkanalwand gelenkt wird und diesen der Brennraummulde nahen Bereich somit verstärkt kühlen kann.
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Aus der
DE 1 245 640 A1 ist ein Kolben mit einem umlaufenden Kühlkanal bekannt, der im Querschnitt Y-förmig ausgebildet ist und in den Bereich eines Ringträgers reicht.
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Aus der
DE 24 24 882 A1 ist ein weiterer Kolben bekannt, der im Bereich einer Ringpartie zwei umlaufende Kühlkanäle aufweist, wovon ein radial äußerer Kühlkanal mit Kühlöl beaufschlagbar ist, während ein radial dazu innen angeordneter Kühlkanal geschlossen ausgebildet ist.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kolben ist entweder eine im Bereich einer Brennraummulde verbesserungsfähige Kühlung oder, sofern diese erreicht werden soll, eine vergleichsweise aufwendige Herstellung. Zudem sind einige Kühlkanalgeometrien nur für eine begrenzte radiale Breite des Kolbens im Bereich zwischen einer Brennraummulde, einem Kühlkanal und einer Ringpartie einsetzbar.
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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 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Kolben mit einem inneren, nierenförmigen Kühlkanal im Bereich einer Ringpartie auszustatten und dadurch einen Bereich der Brennraummulde verbessert kühlen zu können und zugleich radial außerhalb dieses Kühlkanals einen weiteren Kühlkanal vorzusehen, der die in diesem Bereich reduzierten Kühlerfordernisse bewältigt. Der erfindungsgemäße Kolben für eine Brennkraftmaschine besitzt dabei eine Brennraummulde sowie umlaufende Ringnuten in einem Ringbereich sowie einen im Bereich der Ringnuten angeordneten Kühlkanal, der einen Querschnitt aufweist, der in einem mittleren Bereich eine Verengung besitzt, die durch einen Vorsprung, insbesondere eine Nase, gebildet ist, der/die sich von einer der Brennraummulde abgewandten Außenseite des Kühlkanals radial nach innen oder der/die sich von einer der Brennraummulde zugewandten Innenseite des Kühlkanals radial nach außen erstreckt und bei einer Abwärtsbewegung eines Kolbens mit obenliegendem Kolbenboden ein Anspritzen einer Innenseite oder Außenseite des Kühlkanals mit Kühlöl bewirkt, wobei die Innenseite der Brennraummulde zugewandt ist, so dass bei dieser Ausführungsform eine verbesserte Kühlung dieses besonders temperaturkritischen Bereichs des Kolben erfolgen kann. Darüber hinaus vorgesehen ist ein weiterer Kühlkanal, der radial außerhalb des Kühlkanals verläuft und über eine Trennwand vom Kühlkanal getrennt ist. Der weitere Kühlkanal ist dabei nicht als geschlossener Kühlkanal ausgebildet, sondern wird beispielsweise über einen Zulauf ebenfalls mit Kühlöl beschickt, wobei der weitere Kühlkanal hinsichtlich seiner radialen Breite dünner ausgebildet ist, da in diesem weniger Kühlöl zur Kühlung der Ringpartie strömen muss. Mit dem erfindungsgemäßen Kolben ist es möglich, einen Kühlkanal, hier einen inneren Kühlkanal, mit einer Nierenform auszustatten und dadurch hohe Strömungsgeschwindigkeiten und eine verbesserte Kühlung erzielen zu können und zugleich eine im Bereich der Ringpartie verringerte Kühlleistung mittels des Weiteren, außenliegenden Kühlkanals zu erzielen. Dabei wird berücksichtigt, dass nierenförmige Kühlkanäle nur in einem engen Formbereich wunschgemäß funktionieren, beispielsweise soll eine obere Seite kuppelförmig ausgebildet und eine Engstelle, das heißt eine Stelle im Bereich der Verengung einseitig und maximal halb so breit wie die Kuppel sein. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die durch die Engstelle hindurch tretende Kühlfluidströmung tangential in die sich anschließende Kuppelform eintritt und dort in Oberflächennähe eine hohe Strömungsgeschwingkeit beibehält. Dabei zeigt sich, dass für ein einwandfreies Funktionieren eines derartigen nierenförmigen Kühlkanals und einer in diesem strömenden Kühlölströmung ein Verhältnis einer axialen Höhe zu einer radialen Breite des Kühlkanals ca. 2 bis 3 betragen soll. Wird nämlich der Kühlkanal sehr breit, wird eine Walzenströmung des Kühlfluids bzw. des Kühlöls in dem Kuppelbereich, das heißt in einem oberen Wandbereich, gestört. Da sich die Kanalhöhe im Kolben selbst nicht beliebig vergrößern lässt und übermäßige Wandstärken vermieden werden sollen, ist insbesondere bei Kolben mit vergleichsweise großer radialer Breite zwischen der Brennraummulde und einem Außendurchmesser die erfindungsgemäß vorgesehene Zweiteilung in einen inneren, nierenförmigen Kühlkanal mit einem günstigen Höhe/Breite-Verhältnis und einen äußeren, das heißt im vorliegenden Fall weiteren, Kühlkanal besonders vorteilhaft.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung liegt die Verengung, das heißt der Vorsprung, auf ca. der Hälfe einer axialen Höhe des Kühlkanals. Der Vorsprung funktioniert dabei in der Art eines Strömungsleitelements, welches bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens mit obenliegendem Kolbenboden bzw. obenliegender Brennraummulde ein Umlenken einer Kühlölströmung an einen oberen Bereich einer Innenseite oder Außenseite des Kühlkanals bewirkt, von wo aus das Kühlöl über die Kühlkanalkuppel, das heißt eine Oberseite des Kühlkanals an eine Außenseite oder Innenseite und über den Vorsprung wieder an eine untere Innenseite oder Außenseite des Kühlkanals gelangt. Hierdurch lassen sich insbesondere die temperaturkritischen Bereiche im Bereich eines Kolbenbodens und der Brennraummulde verstärkt und damit verbessert kühlen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der Vorsprung einstückig mit einem einen Feuersteg bildenden Ringteil ausgebildet. Das Ringteil ist dabei mit einem Kolbengrundkörper, der beispielsweise einen Teil der Ringpartie und die Brennraummulde umfasst, fest verbunden, insbesondere verschweißt. Durch die Zweiteilung des Kolbens in Kolbengrundkörper und Ringteil kann insbesondere die Fertigung des Kolbens vereinfacht und dadurch kostengünstiger gestaltet werden.
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Zweckmäßig berührt die Trennwand mit einem freien Ende den Kolben bzw. den Kolbengrundkörper oder ist von diesem beabstandet. Hierdurch ist nicht nur im Bereich eines Zulaufs, in welchem die Trennwand beispielsweise als Strahlteiler zwischen dem Kühlkanal und dem außenliegenden weiteren Kühlkanal wirkt, ein Übertritt von Kühlöl vom weiteren Kühlkanal in den innenliegenden Kühlkanal möglich, insbesondere sofern der innere Kühlkanal, das heißt hier der Kühlkanal, einen Kühlkanalboden aufweist, der tiefer liegt als ein Kühlkanalboden des weiteren Kühlkanals.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist der weitere Kühlkanal an einer der Brennraummulde abgewandten Außenseite bzw. Außenwand eine Stufe/Schräge auf, die beispielsweise in einem mittleren Bereich des weiteren Kühlkanals angeordnet ist und welche eine Umlenkung von Kühlöl bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens an eine Kanalkuppel des weiteren Kühlkanals bewirkt. Von dort bewegt sich das Kühlöl über eine Innenseite, das heißt die Trennwand und eine Außenseite benachbart zu den Ringnuten wieder nach unten und ermöglicht dadurch sowohl eine Kühlung der Ringpartie als auch eine Kühlung der Trennwand. Hierdurch kann eine, wenn auch reduzierte, Kühlung sowohl der Trennwand als auch der Ringpartie gewährleistet werden.
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Zweckmäßig weist die Trennwand der Stufe/Schräge gegenüberliegend eine Ausnehmung auf. Durch eine derartige Ausnehmung ist es möglich, die Trennwand im Bereich ihres radial nach innen ragenden Vorsprungs dünnwandiger und damit nicht nur diese, sondern den gesamten Kolben leichter auszubilden.
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Zweckmäßig ist ein Zulauf in den Kühlkanal vorgesehen, über welchen Kühlfluid, insbesondere Kühlöl, in den Kühlkanal und den weiteren Kühlkanal eingebracht werden kann. Die Trennwand kann dabei als Strahlteiler dienen und je nach Anordnung bzw. Ausrichtung eine individuelle Aufteilung von Kühlöl auf den Kühlkanal und den weiteren Kühlkanal bewirken. Bei dem erfindungsgemäßen Kolben ist somit sowohl der weitere Kühlkanal als auch der innenliegende Kühlkanal mit Kühlöl beaufschlagt, so dass keine geschlossene Kühlkanalgeometrie vorliegt, wodurch die Herstellung vereinfacht werden kann.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinder und zumindest einem solchen Kolben auszustatten, wodurch eine verbesserte Kühlung und damit eine Erhöhung der Lebensdauer der Brennkraftmaschine bzw. eine Steigerung der Leistung derselben erreicht werden können.
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Zweckmäßig ist ein minimaler radialer Abstand dmin zwischen einem Nutgrund einer Ringnut und der Brennraummulde größer als 14% eines Zylinderdurchmessers DZ der Brennkraftmaschine, das heißt dmin > 0,14 x DZ. Besonders bei vergleichsweise breiten Kolben im Bereich zwischen einer Brennraummulde und der Ringpartie ermöglicht die erfindungsgemäße Aufteilung in den Kühlkanal und den weiteren Kühlkanal eine optimale Nierenform des Kühlkanals, wodurch dessen Kühlwirkung im Vergleich zu einem deutlich breiteren Kühlkanal deutlich verbessert werden kann.
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Zweckmäßig ist eine radiale Breite des Kühlkanals größer als 6% und kleiner als 11% des Zylinderdurchmessers DZ, das heißt 0,06 × DZ < B < 0,11 × DZ. Speziell bei einer derartig gewählten radialen Breite des Kühlkanals hat sich in Versuchen herausgestellt, dass eine besonders zuverlässige Kühlung des Kolbens ermöglicht wird, wobei ein Kühlölbedarf nicht unnötig groß ist, was wiederum Kosten und Gewicht spart.
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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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Figurenliste
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- 1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kolben mit einem Kühlkanal und einem weiteren Kühlkanal entsprechend einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einer weiteren Ausführungsform,
- 3 eine Detaildarstellung des Kolbens aus 1,
- 4 eine Darstellung wie in 3, jedoch bei einer Explosionsdarstellung,
- 5 eine Detaildarstellung des Kolbens aus 2,
- 6 eine Explosionsdarstellung des Kolbens entsprechend der 5,
- 7 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit entsprechender Vermaßung.
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Entsprechend den 1 bis 7, weist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 für eine lediglich in 7 teilweise dargestellte Brennkraftmaschine 2 eine Brennraummulde 3 sowie umlaufende Ringnuten 4 und einen im Bereich der Ringnuten 4 angeordneten Kühlkanal 5 auf. Der Kühlkanal 5 wird dabei im Folgenden unter anderem auch als innerer Kühlkanal 5 bezeichnet. Erfindungsgemäß weist nun dieser Kühlkanal 5 einen nierenförmigen Querschnitt auf, der in einem mittleren Bereich, bezogen auf eine axiale Höhe h, eine Verengung 7 besitzt, die durch einen Vorsprung 8 gebildet ist, der sich entweder von einer der Brennraummulde 3 abgewandten Außenseite 6 des Kühlkanals 5 radial nach innen erstreckt (vgl. die 1, 3, 4 und 7) oder der sich von einer der Brennraummulde 3 zugewandten Innenseite 9 des Kühlkanals 5 radial nach außen erstreckt, wie dies gemäß den 2 sowie 5 und 6 gezeigt ist. Dies ermöglicht eine tangentiale Einströmung des durch die Verengung 7 hindurchtretenden Kühlfluidstroms in eine sich anschließende Kühlkanalkuppel 12. Zusätzlich vorgesehen ist ein weiterer Kühlkanal 10, der radial außerhalb des Kühlkanals 5 verläuft und über eine Trennwand 11 von dem Kühlkanal 5 getrennt ist. Durch den nierenförmigen Kühlkanal 5 und den weiteren Kühlkanal 10 kann dabei auch bei einem Kolben 1 mit einer vergleichsweise großen radialen Breite zwischen der Brennraummulde 3 und den Ringnuten 4 eine optimierte Kühlung erreicht werden.
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Durch die nierenförmige Ausgestaltung des Kühlkanals 5 mit der Verengung 7 und dem Vorsprung 8 kann eine beschleunigte Strömung des in den Kühlkanal 5 eingeleiteten Kühlfluids, beispielsweise Kühlöl, erreicht werden, ebenso wie eine gerichtete Kühlung besonders temperaturkritischer Stellen, wie beispielsweise der der Brennraummulde 3 zugewandten Innenseite 9 und/oder einer Kühlkanalkuppel 12. Insbesondere bei einer Abwärtsbewegung des erfindungsgemäßen Kolbens 1 wird Kühlöl 13 dabei in Folge seiner Massenträgheit durch den Vorsprung 8 bei einer Ausführungsform des Kolbens 1 gemäß den 1, 3, 4 und 7 an die Innenseite 9 und von dort über die Kühlkanalkuppel 12 geführt. Die Beschleunigung des Kühlöls 13 in Richtung eines Kolbenboden erfolgt auch während der Verzögerungsphase in der Aufwärtsbewegung und umgekehrt.
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Anschließend gelangt das Kühlöl 13 bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens 1 über den Vorsprung 8 an einen unteren Bereich der Innenseite 9, wodurch eine hohe Strömungsgeschwindigkeit in Oberflächennähe und damit ein besonders effektives Kühlen des Kolbens 1 ermöglicht wird.
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In analoger Weise, jedoch bezüglich der Innenseite und der Außenseite 9, 6 gerade umgekehrt, erfolgt die Kühlölbewegung bei dem Vorsprung 8 gemäß den 2, 5 und 6. Allen Ausführungsformen ist dabei gemein, dass in dem Kühlkanal 5 durch die nierenförmige Querschnittsform desselben eine Strömung des Kühlöls 13 erzwungen wird, wie diese gemäß der 3 und 5 dargestellt ist.
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Die Verengung 7 befindet sich dabei im Wesentlichen auf der Hälfte der axialen Höhe h1 des Kühlkanals 5, wie dies beispielsweise gemäß der 5 dargestellt ist. Hierdurch kann eine den Kolben 1 besonders effektiv kühlende Strömung des Kühlöls 13 erreicht werden.
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Die Trennwand 11 kann dabei mit einem freien Ende einen Kolbengrundkörper 14 bzw. den Kolben 1 berühren oder von diesem beabstandet sein.
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Betrachtet man die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens 1 gemäß den 1 sowie 3, 4 und 7, so kann man erkennen, dass der Vorsprung 8 einstückig mit einem einen Feuersteg bildenden Ringteil 15 ausgebildet ist, während der Vorsprung 8 bei der gemäß den 2 sowie 5 und 6 gezeigten Ausführungen des erfindungsgemäßen Kolbens 1 einstückig mit dem Kolbengrundkörper 14 ausgebildet ist. In sämtlichen gezeigten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kolbens 1 ist dabei die Trennwand 11 mit dem den Feuersteg bildenden Ringteil 15 einstückig ausgebildet. Das Ringteil 15 kann dabei über entsprechende Schweißnähte 20 mit dem Kolbengrundkörper 14 verbunden, insbesondere verschweißt sein, wobei selbstverständlich derartige Schweißnähte 20 auch an anderer Stelle angeordnet sein können.
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Die Trennwand 11 gemäß den 2, 5 und 6 ist dabei in Axialrichtung h linear ausgebildet, das heißt insbesondere auch ohne Vorsprung 8, während die Trennwand 11 gemäß den Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kolbens 1 entsprechend den 1, 3, 4 sowie 7 nicht nur den radial nach innen gerichteten Vorsprung 8, sondern auf einer gegenüberliegenden Seite auch noch eine Ausnehmung 16 besitzt. Die Ausnehmung 16 an der Trennwand 11 in Richtung des weiteren Kühlkanals 10 kann dabei einer Stufe 17 oder Schräge gegenüberliegen, welche an einer der Brennraummulde 3 abgewandten Außenseite 6' des weiteren Kühlkanals 10 angeordnet ist, während die gegenüberliegende Ausnehmung 16 an einer der Brennraummulde 3 abgewandten Innenseite 9' des weiteren Kühlkanals 10 angeordnet ist. Durch die Ausnehmung 16 kann eine Gewichtsreduzierung erreicht werden.
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Eine axiale Höhe h2 des weiteren Kühlkanals 10 ist dabei geringer als die axiale Höhe h1 des Kühlkanals 5, wodurch beispielsweise ein Rückströmen von in dem weiteren Kühlkanal 10 vorhandenem Kühlöl 13 über einen Spalt 18 (vgl. 7) in den Kühlkanal 5 erfolgen kann, selbstverständlich nur, sofern die Trennwand 11 beabstandet zum Kolbengrundkörper 14 angeordnet ist.
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Über einen Zulauf 19 wird Kühlöl 13 sowohl in den Kühlkanal 5 als auch in den weiteren Kühlkanal 10 eingebracht, wobei in diesem Fall die Trennwand 11 als Strahlteiler zur Aufteilung eines Kühlanteils zwischen dem Kühlkanal und dem weiteren Kühlkanal 10 fungieren kann.
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Eingesetzt wird der erfindungsgemäße Kolben 1 in einem Zylinder 21 einer Brennkraftmaschine 2, bei welcher vorzugsweise gilt, dass ein minimaler radialer Abstand dmin zwischen einem Nutgrund 22 der Ringnut 4 (vgl. 7) und der Brennraummulde 3 größer als 14% eines Zylinderdurchmesser DZ ist, was mit folgender Formel beschrieben wird: dmin > 0,14 × DZ. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass eine radiale Breite B des Kühlkanals 5 größer als 6% und kleiner als 11% des Zylinderdurchmessers DZ ist, was wie folgt mathematisch formuliert wird: 0,06 × DZ < B < 0,11 × DZ. In der 7 sind zusätzlich eingezeichnet ein Durchmesser DBR der Brennraummulde 3 sowie ein Nutgrunddurchmesser N, wobei hier diejenige Ringnut 4 herangezogen wird, deren Nutengrund 22 am nächsten zu einer Achse 23 des Kolbens 1 liegt.
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Alles in allem lässt sich mit den zuvor beschriebenen Verhältnissen dmin und B in Bezug auf den Durchmesser des Zylinders DZ ein Verhältnis des Kühlkanals 5 und des weiteren Kühlkanals 10 zum Kolben 1 schaffen, welches eine optimale Kühlung desselben ermöglicht.
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Gemäß der 7 ist dabei selbstverständlich lediglich eine Hälfte des erfindungsgemäßen Kolbens 1 gezeigt, so dass der jeweilige genannte Durchmesser hier in der Art eines Radius abgebildet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017205716 A1 [0002]
- DE 1245640 A1 [0003]
- DE 2424882 A1 [0004]
