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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenkopf mit einem umlaufenden Kühlkanal, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Kolben.
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Aus der
WO 2013/004215 A1 ist ein gattungsgemäßer Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft bekannt, wobei der Kolbenkopf eine umlaufende Ringpartie sowie im Bereich dieser Ringpartie einen umlaufenden Kühlkanal mit einem Kühlkanalboden und einer Kühlkanaldecke aufweist. Der Kühlkanal selbst besitzt dabei eine Verengung, die einen sogenannten Shaker-Effekt bewirkt, sodass das im Kühlkanal umlaufende Kühlmittel nicht nur durchmischt, sondern durch die Verengung auch gezielt beschleunigt und in Richtung des Kolbenbodens geführt wird. Hierdurch soll das durchmischte und damit auch abgekühlte Kühlmittel häufiger pro Kolbenhub an besonders hei-ßen Wandabschnitten des Kühlkanals vorbeigeführt und dadurch die Kühlung verbessert werden.
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Aus der
JP 2006-090159 A ist ebenfalls ein gattungsgemäßer Kolben mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft bekannt, wobei im Kolbenkopf ein umlaufender Kühlkanal angeordnet ist. Dieser Kühlkanal ist dabei in Umfangsrichtung mit unterschiedlichem Abstand zu einer Kolbenachse angeordnet.
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Aus der
EP 2 541 004 B1 ist ein weiterer Kolben für eine Brennkraftmaschine bekannt.
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Aus der
DE 20 2006 020 280 U1 ist ein Kolben mit einem umlaufenden Kühlkanal und zumindest einem Kühlmitteleinlass und einem Kühlmittelauslass bekannt. Der Kühlkanal besitzt dabei ein weitestgehend stehend oval ausgerichtetes Querschnittsprofil und umfangsseitig sowohl in einer Höhe als auch in einer Breite variierende Querschnittsprofile. Im Bereich der Ringpartie verläuft eine Außenwandung des Kühlkanals parallel zu einer Kolbenachse. Mit dieser Querschnittsform des Kühlkanals soll eine verbesserte Kühlung des Kolbens erreicht werden können.
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Nachteilig bei den gattungsgemäßen Kolben ist jedoch, dass der eine verbesserte Durchmischung und eine gezielte Anströmung von besonders temperaturbelasteten Bereichen bewirkende Strömungsteil in einem Bereich eines Kühlmitteleinlasses auch zu einem unerwünschten Rückfluss von Kühlmittel führen kann, das dabei unter Umständen auch einem Strahl von eingespritztem Kühlmittel in die Quere kommt und dadurch eine Kühlwirkung beeinträchtigt.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich deshalb mit dem Problem, für einen gattungsgemäßen Kolben eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden können.
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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, einen aus dem Stand der Technik bekannten ersten Strömungsteiler in einem Kühlkanal, der bei einer durch die Trägheitskraft erzeugten Aufwärtsbewegung ein Kühlmittel im Zenit in zwei Ströme mit entgegen gerichtetem Drall teilt und dadurch für eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels entlang einer Oberfläche des heißesten Teils des Kühlkanals bewirkt, im Bereich eines Kühlmitteleinlasses durch einen zweiten, orthogonal dazu ausgerichteten Strömungsteiler zu ersetzten, der einen unerwünschten Rückfluss von Kühlmittel, beispielsweise Öl, über den Kühlmitteleinlass sowie auch ein Behindern eines Einspritzens von Öl bzw. Kühlmittel in den Kühlmitteleinlass verhindert und bewirkt, dass über den Kühlmitteleinlass in den Kühlkanal eingespritztes Kühlmittel in Umfangsrichtung umgelenkt wird. Der erfindungsgemäße Kolben für eine Brennkraftmaschine besitzt dabei einen Kolbenkopf mit einem umlaufenden Kühlkanal, wobei dieser Kühlkanal üblicherweise nahe eines Kolbenbodens und im Bereich einer Ringpartie angeordnet ist. Der Kühlkanal besitzt einen Kühlmitteleinlass sowie einen Kühlmittelauslass, ebenso wie eine einem Kolbenboden zugewandte Kühlkanaldecke, an der der zumindest teilweise in Umfangsrichtung verlaufende erste Strömungsteiler zur Umlenkung von in dem Kühlkanal vorhandenem Kühlmittel in Radialrichtung angeordnet ist. Dieser erste Strömungsteiler bewirkt dabei aufgrund der Trägheit des Kühlmittels bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens ein Teilen des Kühlmittelstroms in zwei Teilströme mit entgegen gerichtetem Drall. Der eine Teilstrom wird somit vom ersten Strömungsteiler nach radial außen abgelenkt, während der zweite Teilstrom nach radial innen umgelenkt wird. Der erste Teilstrom wird dabei an einer Außenwand des Kühlkanals entlang geführt, die benachbart zur Ringpartie angeordnet und thermisch hoch belastet ist. Der zweite Teilstrom wiederum wird an einer Innenwand des Kühlkanals entlanggeführt, welche benachbart zu beispielsweise einer Brennraummulde verläuft, die ebenfalls thermisch hochbelastet ist. Erfindungsgemäß ist nun an der Kühlkanaldecke im Bereich des Kühlmitteleinlass der zweite Strömungsteiler zur Umlenkung von über den Kühlmitteleinlass in den Kühlkanal einströmendem Kühlmittel in Umfangsrichtung bzw. orthogonal zur Radialrichtung vorgesehen. Der zweite Strömungsteiler bewirkt somit eine Aufteilung des über den Kühlmitteleinlass einströmenden Kühlmittelstroms in zwei Teilströme, die das Kühlmittel in Umfangsrichtung weg vom Kühlmitteleinlass in den Kühlkanal umlenken, woraufhin es bei der nächsten Auf- und Abbewegung über den ersten Strömungsteiler in der vorbeschriebenen Weise umgelenkt wird. Mit dem erfindungsgemäß im Bereich des Kühlmitteleinlasses angeordneten zweiten Strömungsteiler ist es somit möglich, ein unbeabsichtigtes und eine Kühlwirkung beeinträchtigendes Rückströmen von Kühlmittel über den Kühlmitteleinlass nach außen sowie ein Behindern von einem Strahl an eingespritztem Kühlmittel durch queren desselben, wie dies bei einem bislang über den Bereich des Kühlmitteleinlasses verlaufenden ersten Strömungsteiler der Fall wäre, zu verhindern bzw. zumindest ein Risiko hierfür zu reduzieren. Mit dem erfindungsgemäße Kolben kann somit eine im Vergleich zu bisher aus dem Stand der Technik bekannten Kolben größere Menge an Kühlöl im Kühlkanal gehalten und für Kühlzwecke verwendet werden, wodurch insgesamt eine effektivere Kühlung des Kolben und damit eine Leistungssteigerung möglich sind.
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Zweckmäßig ist der Kühlkanal im Bereich der Kühlkanaldecke breiter (in Radialrichtung) als an einem gegenüberliegenden Kühlkanalboden. Hierbei kann der Kühlkanal abseits des Kühlmitteleinlasses beispielsweise einen ausgerundeten Y-förmigen Querschnitt aufweisen. Hierdurch ist eine Spreizung der Breite im Bereich der Kühlkanaldecke möglich, wodurch nicht nur ein Kolbenboden sowie eine gegebenenfalls vorhandene Brennraummulde, sondern auch eine Ringpartie effektiv gekühlt werden können. Durch die sich reduzierende Querschnittsbreite des Kühlkanals im Bereich des Kühlkanalbodens kann dort ein Sammeln von Kühlmittel, beispielsweise Kühlöl, erfolgen, welches anschließend durch die Trägheit und einem sich abwärtsbewegenden Kolben wieder gegen den ersten Strömungsteiler geschleudert und dort in zwei gegenläufige Drallströmungen aufgeteilt wird. Ein derartiger Querschnitt ermöglicht somit eine besonders effektive Kühlung des Kolbens.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung quert der zweite Strömungsteiler den ersten Strömungsteiler und ist in der Art einer von der Kühlkanaldecke in den Kühlkanal ragenden Wulst ausgebildet. Auch der erste Strömungsteiler kann dabei in der Art einer von der Kühlkanaldecke in den Kühlkanal ragenden Wulst mit abgerundetem Querschnitt ausgebildet sein. Durch die abgerundeten Übergänge zwischen dem ersten Strömungsteiler und dem zweiten Strömungsteiler lassen sich scharfkantige Übergänge und die damit verbundenen Kerbwirkungen zumindest reduzieren, ebenso wie die Gefahr einer erhöhten Anhaftung von Kühlmittel, wie sie beispielsweise an scharfen Kanten gegeben sein kann. Durch die wulstartigen runden Ausbildungen des ersten Strömungsteilers und des zweiten Strömungsteilers kann auch ein den Kühlkanal bildender Sand- bzw. Salzkern ohne Kerben ausgebildet werden, wodurch dieser weniger zerbrechlich und dadurch leichter handzuhaben ist. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der erste Strömungsteiler im Bereich des Kühlmitteleinlasses in Umfangsrichtung beabstandet zum zweiten Strömungsteiler angeordnet ist, wodurch eine besonders effektive Umlenkung des Kühlmittels in Umfangsrichtung ermöglicht wird. Alternativ ist auch denkbar, dass der zweite Strömungsteiler den ersten Strömungsteiler im Bereich des Kühlmitteleinlasses quert und berührt, wodurch ein durch den ersten und zweiten Strömungsteiler gebildeter kreuzförmiger Strömungsteiler oberhalb des Kühlmitteleinlasses entsteht, der eine Umlenkung des eintretenden Kühlmittels in vier Teilströme bewirkt, die um 45° verdreht zu den Radialen und in Umfangsrichtung ausgerichteten Teilströmen ausgerichtet sind.
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Zweckmäßig ist der Kolben als gegossener Kolben ausgebildet. Bei einem derartigen gegossenen Kolben kann der Kühlkanal samt erstem und zweitem Strömungsteiler sowie Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass durch einen Sand- oder Salzkern gebildet sein, wobei rein theoretisch selbstverständlich auch denkbar ist, dass der Kolben als geschmiedeter Kolben mit einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil ausgebildet ist, welche anschließend miteinander verschweißt werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kolbens ist die Kühlkanaldecke in Umfangsrichtung vom Kühlmitteleinlass zum Kühlmittelauslass hin geneigt, wodurch ein Weitertransport des Kühlmittels vom Kühlmitteleinlass zum vorzugsweise gegenüberliegenden Kühlmittelauslass gefördert werden kann. In diesem Fall liegt die Kühlkanaldecke über dem Kühlmittelauslass zumindest geringfügig höher als über dem Kühlmitteleinlass. Alternativ dazu ist es auch möglich, den Kühlkanalboden zum Kühlmittelauslass hin abzusenken, wodurch sich beispielsweise die Höhe des Kühlkanals vom Kühlmitteleinlass zum Kühlmittelauslass hin vergrößert, wodurch das Kühlmittel bei einer Auf- und Abwärtsbewegung eine gewisse Beschleunigung in Richtung des Kühlmittelauslasses erfährt. Beide Ausführungsformen können dabei nicht nur alternativ, sondern rein theoretisch auch kumulativ angewandt werden, wobei beide Ausführungsformen dafür sorgen, dass eine verbesserte Durchströmung des Kühlkanals vom Kühlmitteleinlass zum Kühlmittelauslass und damit eine bessere Kühlung des Kolbens erfolgen.
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Zweckmäßig ist der Kühlmitteleinlass zumindest teilweise von einer Erhebung umgeben, die ein Abfließen von Kühlmittel über den Kühlmitteleinlass zumindest erschwert. Um ein unbeabsichtigtes wieder Austreten von Kühlmittel über den Kühlmitteleinlass zumindest zu erschweren, ist benachbart zum Kühlmitteleinlass die zuvor beschriebene Erhebung vorgesehen, die ein längeres Verweilen des Kühlmittels im Kühlkanal und damit insgesamt eine verbesserte Kühlwirkung im Kolben ermöglicht.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit eine in den vorherigen Absätzen beschriebenen Kolben auszustatten, wodurch sich die bezüglich des Kolbens beschriebenen Vorteile hinsichtlich des Kühlens auch auf die Brennkraftmaschine und deren Leistungsfähigkeit übertragen lassen.
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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 Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kolben im Bereich eines Kühlkanals beabstandet zu einem Kühlmitteleinlass,
- 2 eine isolierte Darstellung eines Kühlkanals, beispielsweise als Sandkern oder als Salzkern,
- 3 eine Schnittdarstellung durch den Kühlkanal bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens und damit einer Aufwärtsbewegung des im Kühlkanal angeordneten Kühlmittels,
- 4 eine Darstellung wie in 3, jedoch bei sich aufwärtsbewegendem Kolben,
- 5 eine Seitenansicht auf den erfindungsgemäßen Kühlkanal bzw. Salzkern zur Realisierung des Kühlkanals im Bereich eines Kühlmitteleinlasses.
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Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 für eine Brennkraftmaschine 2 einen Kolbenkopf 3 mit einem umlaufenden Kühlkanal 4 auf. Der Kühlkanal 4 besitzt dabei einen Kühlmitteleinlass 5 (vgl. die 2 und 5) sowie einen Kühlmittelauslass 6 (vgl. 2), über welche Kühlmittel 7, beispielsweise Kühlöl, in den Kühlkanal 4 eintreten bzw. nach erfolgter Wärmeaufnahme auch wieder aus diesem austreten kann. Der Kühlkanal 4 besitzt eine einem Kolbenboden 8 zugewandte Kühlkanaldecke 9, an der ein zumindest teilweise in Umfangsrichtung 10 umlaufender erster Strömungsteiler 11 zur Umlenkung von in dem Kühlkanal 4 vorhandenem Kühlmittel 7 in Radialrichtung 12 vorgesehen ist. Bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens 1, wie diese gemäß der 3 dargestellt ist, wird durch den ersten Strömungsteiler 11 das nach oben strömende Kühlmittel 7 an dem ersten Strömungsteiler 11 in zwei Teilströme 13a und 13b mit entgegen gerichtetem Drall aufgeteilt, wie dies der 1 zu entnehmen ist.
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Der nach außen gerichtete Teilstrom 13b strömt dabei an einer Außenwand des Kühlkanals 4 entlang und ermöglicht dort eine Kühlung einer Ringpartie 14, während der entgegengesetzt gerichtete Teilstrom 13a an einer Innenwandung des Kühlkanals 4 nach unten strömt und dort eine Kühlung einer Brennraummulde 15 verbessert. Hierdurch können insbesondere thermisch hoch belastete Bereiche des Kolbens 1 besser gekühlt und dadurch die Leistungsfähigkeit des Kolbens 1 gesteigert werden.
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Erfindungsgemäß ist nun an der Kühlkanaldecke 9 im Bereich des Kühlmitteleinlasses 5 ein zweiter Strömungsteiler 16 (vgl. die 2 und 5) zur Umlenkung von über den Kühlmitteleinlass 5 in den Kühlkanal 4 einströmendem Kühlmittel 7 in Umfangsrichtung 10 bzw. orthogonal zur Radialrichtung 12 vorgesehen. Der zweite Strömungsteiler 16 quert dabei gemäß der 2 den ersten Strömungsteiler 11 und bewirkt, dass im Bereich des Kühlmitteleinlasses 5 das Kühlmittel 7 in dem Kühlkanal 4 in Umfangsrichtung 10 umgelenkt wird, wodurch das Risiko eines Zurückströmens von Kühlmittel 7 zum Kühlmitteleinlass 5 und aus diesem heraus nach außen zumindest reduziert wird. Wäre der zweite Strömungsteiler 16 im Bereich des Kühlmitteleinlasses 5 nicht vorhanden, so würde auch dort der Kühlmittelstrom 7 analog zur 1 in Radialrichtung 12 in die beiden Teilströme 13a und 13b aufgeteilt, die anschließend wieder nach unten zum Kühlmitteleinlass 5 zurückströmen könnten.
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Betrachtet man jedoch die 5, so kann man dort erkennen, dass der über den Kühlmitteleinlass 5 eintretende Kühlmittelstrom 7 in zwei in Umfangsrichtung 10, das heißt orthogonal zu den Teilströmen 13a und 13b ausgerichteten Teilströmen 13c und 13d aufgeteilt wird, wodurch das unerwünschte Zurückfließen zum Kühlmitteleinlass 5 zumindest reduziert, vorzugsweise sogar vermieden werden kann.
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Betrachtet man die 1 bis 4, so kann man erkennen, dass der Kühlkanal 4 im Bereich der Kühlkanaldecke 9 breiter ist als an einem gegenüberliegenden Kühlkanalboden 17, wodurch der Kühlkanal 4 im Bereich der Kühlkanaldecke 9 näher an den Kolbenboden 8, näher an die Brennraummulde 15 und näher an die Ringpartie 14 geführt werden kann, wodurch die Kühlung insgesamt verbessert werden kann. Der Kühlkanal 4 besitzt dabei abseits des Kühlmitteleinlasses 5 und abseits des Kühlmittelauslasses 6 einen ausgerundeten Y-förmigen Querschnitt.
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Der Kühlkanalboden 17 verläuft im Wesentlichen in Umfangsrichtung 10 auf gleicher axialer Höhe des Kolbens 1 und damit im Wesentlichen orthogonal zu einer Kolbenachse 18 (vgl. 2).
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Betrachtet man nochmals den ersten Strömungsteiler 11, so kann man erkennen, dass dieser in der Art einer von der Kühlkanaldecke 9 in den Kühlkanal 4 ragenden Wulst ausgebildet ist, analog zum zweiten Strömungsteiler 16, wobei der erste Strömungsteiler 11 den zweiten Strömungsteiler 16 quert.
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Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der erste Strömungsteiler 11 im Bereich des Kühlmitteleinlasses 5 in Umfangsrichtung 10 beabstandet zum zweiten Strömungsteiler 16 angeordnet ist, wodurch eine besonders effektive Umlenkung des Kühlmittels 7 in Umfangsrichtung 10 ermöglicht wird. Alternativ ist auch denkbar, dass der zweite Strömungsteiler 16 den ersten Strömungsteiler 11 im Bereich des Kühlmitteleinlasses 5 quert und berührt, wodurch ein durch den ersten und zweiten Strömungsteiler 11, 16 gebildeter kreuzförmiger Strömungsteiler 22 oberhalb des Kühlmitteleinlasses 5 entsteht, der eine Umlenkung des eintretenden Kühlmittels 5 in vier Teilströme bewirkt, die um 45° verdreht zu den radialen Teilströmen 13a, 13b und den in Umfangsrichtung 10 ausgerichteten Teilströmen 13c, 13d ausgerichtet sind.
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Der Kolben 1 kann beispielsweise als gegossener Kolben ausgebildet sein, wobei in diesem Fall der Kühlkanal 4 mittels eines dessen Negativform abbildenden Salzkerns 19 oder Sandkern dargestellt werden kann. Durch die runden Übergänge zwischen dem ersten Strömungsteiler 11 und der Kühlkanaldecke 9 sowie zwischen dem zweiten Strömungsteiler 16 und der Kühlkanaldecke 9 können scharfkantige Übergänge vermieden und dadurch eine Kerbwirkung reduziert werden, was das Handling mit dem Salzkern 19 deutlich vereinfacht.
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Außerhalb des Kühlkanals 4 ist gemäß der 1 die Ringpartie 14 angeordnet, mit Nuten zur Aufnahme von nicht gezeigten Kolbenringen.
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Die Kühlkanaldecke 9 kann in Umfangsrichtung 10 vom Kühlmitteleinlass 5 zum Kühlmittelauslass 6 hin geneigt sein, das heißt beispielsweise vom Kühlmitteleinlass 5 in Richtung des Kühlmittelauslasses 6 leicht ansteigen, während der Kühlkanalboden 17 in Umfangsrichtung 10 vorzugsweise senkrecht zur Kolbenachse 18 verläuft. In diesem Fall wäre eine Höhe in Axialrichtung 21 des Kühlkanals 4 am Kühlmittelauslass 6 größer als am Kühlmitteleinlass 5. Zusätzlich oder alternativ könnte auch der Kühlkanalboden 17 vom Kühlmitteleinlass 5 zum Kühlmittelauslass 6 hin leicht fallend geneigt sein, wodurch ebenfalls ein Weitertransport des Kühlmittels 7 vom Kühlmitteleinlass 5 zum Kühlmittelauslass 6 unterstützt wird.
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Um eine direkte Rückströmung von Kühlmittel 7 über den Kühlmitteleinlass 5 verhindern zu können bzw. zumindest das Risiko eines unerwünschten Rückströmens reduzieren zu können, kann der Kühlmitteleinlass 5 zumindest teilweise von einer Erhebung 20 umgeben sein, die das Abfließen von Kühlmittel 7 über den Kühlmitteleinlass 5 zumindest erschwert (vgl. 5).
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Mit dem erfindungsgemäßen Kolben 1 lässt sich eine deutlich verbesserte Strömung des Kühlmittels 7 im Kühlkanal 4 erreichen und insbesondere auch ein unerwünschtes Rückströmen von Kühlmittel 7 über den Kühlmitteleinlass 5 verhindern, wodurch eine verbesserte Kühlung des Kolbens 1 erreicht werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2013004215 A1 [0002]
- JP 2006090159 A [0003]
- EP 2541004 B1 [0004]
- DE 202006020280 U1 [0005]
