WO2009016089A1 - Gebauter kolben - Google Patents

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WO2009016089A1
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thread
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cooling channel
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Achim Fedyna
Gottfried Schnaitmann
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Mahle International Gmbh
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    • B23P15/10—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass pistons
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/0023—Multi-part pistons the parts being bolted or screwed together
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid

Definitions

  • the present invention relates to a built, in particular two-part piston of an internal combustion engine with a Kolbenober- and a piston lower part according to the preamble of claim 1.
  • such pistons can be designed in two parts, wherein a piston upper part and a piston lower part in a be made separately in a forging process.
  • An advantage of this variant is that a cooling channel can be closed directly by the geometric shape of the Kolbenober- and -Schteils.
  • the disadvantage is that after closing the cooling channel processing of the joint is excluded. If, for example, a welding method is used as joining method in which a high heat input leads to a melting of the joining zone and thus to a connection, this can result in a joining seam being produced by the joining, which is for example pronounced as a bead. This bead can not be removed later and may affect the cooling medium flow and thus the cooling effect negatively.
  • a generic piston is known for example from DE 102 09 168 B4 and DE 41 34 530 C2.
  • the present invention is concerned with the problem of providing an improved embodiment of a generic piston, which in particular overcomes the known from the prior art disadvantages, such as a cooling effect negatively influencing weld bead with.
  • the invention is based on the general idea to connect a Kolbenober- and -unterteil a two-piece piston built together via a thread, that is to screw together.
  • the piston upper part encloses together with the piston lower part a cooling channel or a cooling channel structure, wherein the cooling channel or the cooling channel structure after joining, that is, after screwing the two piston parts together, is sealed.
  • the upper piston part and the lower piston part are made of the same material or at least have materials with the same coefficients of thermal expansion.
  • a thread on the upper piston part and / or on the lower piston part are produced with oversize and screwed together both piston parts by means of a thermal joining process.
  • a screw connection of the two piston parts with one another is only possible if at least one of the two piston parts is heated or cooled and can be screwed onto the thread of the other piston part due to the thermal expansion or thermal contraction.
  • a subsequent cooling or warming up the thread of a piston part is shrunk onto the thread of the other piston part and thereby joined gas-tight. Further, in particular costly sealing methods are therefore not required.
  • the piston according to the invention may comprise a fine thread, which is sealed by a subsequent bonding or soldering the screwing.
  • a thermal heating or cooling process is dispensed with and the sealing of the thread is sealed only by its geometric configuration as a fine thread with subsequent gluing or soldering. This makes it possible to dispense with a heating or cooling device for thermal joining.
  • FIG. 1 shows a piston upper part of a built-up piston according to the invention
  • Fig. 4 is a detail view of a thread between Kolbenober- and -unterteil.
  • 1 shows a piston upper part 1 of a piston 3 (see FIG. 3) constructed from this and a piston lower part 2 (see FIG.
  • the piston 3 can be arranged in an otherwise not shown internal combustion engine, in particular in a motor vehicle. Connected, the two piston parts 1 and 2 via a thread 4, which in particular further joining methods, such as welding, unnecessary.
  • the thread 4 of the upper piston part 1 is formed as an internal thread
  • the thread 4 of the lower piston part 2 according to FIG. 2 is designed as a complementary external thread.
  • the joint 5 that is, the thread 4
  • the joint 5 must be gas-tight, in particular sealed against so-called blow-by gases.
  • the upper piston part 1 and the lower piston part 2 when bolted together, enclose a cooling channel 7 or a cooling channel structure, wherein the cooling channel 7 surrounds an upper part of the piston lower part 2 in a ring shape.
  • the cooling channel 7 is acted upon during operation of the internal combustion engine with a cooling medium, in particular with engine oil, and is flowed through by this.
  • the thread 4 must also be tight. compared to the cooling medium, so for example tight against engine oil, be formed.
  • a collar 8 is arranged on the lower piston part 2, which has an annular sealing edge 9.
  • the upper piston part 1 has a sealing contour 10, in particular a sealing groove, facing the sealing edge 9 of the piston lower part 2, in / on which the sealing edge 9 rests tightly when the piston upper and lower parts 1, 2 are completely screwed together.
  • a further joint 5 'between the upper piston part 1 and the lower piston part 2 is sealed at finished built-piston 3.
  • a passage opening 11, in particular a bore can be provided in the piston lower part 2, which connects the cooling channel 7 with a cooling circuit.
  • a thread 4 on the upper piston part 1 and / or on the lower piston part 2 can be made with oversize and the two piston parts 1 and 2 are bolted together by means of a thermal joining process.
  • the piston upper part 1 is heated and screwed on the piston lower part 2 in a warm state. After cooling the upper piston part 1 shrinks the latter, whereby a dense thermal joint seat can be achieved.
  • the same can be achieved, for example, by cooling the lower piston part 2, as a result of which it contracts and can be easily screwed to the piston upper part 1. at a subsequent warming of the piston lower part 2, this expands and thus also forms a dense thermal joint seat the piston upper part.
  • the thread 4 is formed as a fine thread and is sealed by a screwing subsequent gluing or soldering.
  • the two piston parts 1 and 2 are screwed together in a cold state, wherein the gas-tightness is generated by the above-mentioned subsequent soldering or gluing of the thread 4.
  • Such a thread 4 between the upper piston part 1 and the lower piston part 2 also allows a very precise alignment of the two piston parts 1 and 2 to each other, so that the two piston parts 1 and 2 can be performed finished in many areas before joining with each other. After joining then only the areas of the piston parts 1 and 2 are to be reworked, which are linked via tolerance information, such as squareness or parallelism, directly to each other.
  • the upper piston part 1 and the lower piston part 2 are made of the same material or at least of materials with the same coefficient of thermal expansion. This ensures the tightness of the joints 5 and 5 'in the temperature ranges in question.
  • FIG. 4 a detailed representation of the thread 4 on the upper piston part 1 and on the lower piston part 2 is finally shown, wherein an oversize, that is, an overlap of the flank diameter of the two threads 4 is visible.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen gebauten, insbesondere zweiteiligen, Kolben (3) einer Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenoberteil (1) und einem Kolbenunterteil (2). Erfindungswesentlich ist dabei, dass das Kolbenoberteil (1) über ein Gewinde (4) mit dem Kolbenunterteil (2) verbunden ist.

Description

Gebauter Kolben
Die vorliegende Erfindung betrifft einen gebauten, insbesondere zweiteiligen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kolbenober- und einem Kolbenunterteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In thermisch und mechanisch hoch belasteten Brennkraftmaschinen, wird aufgrund der höheren Warmfestigkeit, oftmals Stahl als Kolbenwerkstoff eingesetzt. Durch die hohen thermischen Belastungen weisen derartige Kolben fast immer eine Kühlkanalstruktur auf, durch die während des Betriebs der Brennkraftmaschine Kühlmedium, insbesondere Motorenöl, zur Kolbenkühlung geleitet wird.
Zur Herstellung derartiger Kolben mit Kühlkanalstrukturen sind unterschiedliche Vorgehensweisen denkbar. Zum einen ist es möglich, einen derartigen Kolben einteilig zu gestalten, wofür in der Regel ein Rohling geschmiedet und anschließend alle Konturen zerspanend hergestellt werden. Der Kühlkanal muss hierbei in ein Kolbenoberteil umlaufend und fertigungsbedingt zum Kolbenunterteil hin geöffnet ausgeführt werden, was es notwendig macht, ein Zusatzelement, wie zum Beispiel ein Abdeckblech, an den Kolben zu montieren, um die offene Kühlkanalstruktur zu verschließen.
Zum anderen lassen sich derartige Kolben zweigeteilt ausführen, wobei ein Kolbenoberteil und ein Kolbenunterteil in ei- nem Schmiedevorgang separat hergestellt werden. Vorteilhaft bei dieser Variante ist, dass ein Kühlkanal direkt durch die geometrische Ausformung des Kolbenober- und -Unterteils geschlossen werden kann. Nachteilig ist jedoch, dass nach dem Verschließen des Kühlkanals eine Bearbeitung der Fügestelle ausgeschlossen ist. Wird als Fügeverfahren beispielsweise ein Schweißverfahren angewendet, bei welchem es durch einen hohen Wärmeeintrag zu einem Aufschmelzen der Fügezone und damit zu einer Verbindung kommt, kann dies zur Folge haben, dass durch das Fügen eine Fügenaht entsteht, die beispielsweise als Wulst ausgeprägt ist. Dieser Wulst kann nachträglich nicht mehr entfernt werden und beeinflusst unter Umständen den Kühlmediumfluss und damit die Kühlwirkung negativ .
Ein gattungsgemäßer Kolben ist beispielsweise aus der DE 102 09 168 B4 und der DE 41 34 530 C2 bekannt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, eine verbesserte Ausführungsform für einen gattungsgemäßen Kolben anzugeben, welcher insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile, wie beispielsweise eine die Kühlwirkung negativ beeinflussende Schweißnaht mit Wulst, überwindet .
Erfindungsgemäß wird dieses Problem gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Kolbenober- und -unterteil eines zweiteiligen gebauten Kolbens über ein Gewinde miteinander zu verbinden, das heißt miteinander zu verschrauben . Das Kolbenoberteil umschließt dabei zusammen mit dem Kolbenunterteil einen Kühlkanal beziehungsweise eine Kühlkanalstruktur, wobei der Kühlkanal beziehungsweise die Kühlkanalstruktur nach dem Fügen, das heißt nach dem Verschrauben der beiden Kolbenteile miteinander, dicht abgeschlossen ist. Hierdurch kann insbesondere ein nachträglicher Schweißvorgang, welcher zu obengenannten Schweißwülsten mit den daraus bekannten Nachteilen führen würde, vermieden werden, so dass ein Kühlmediumfluss im Kühlkanal beziehungsweise in der Kühlkanalstruktur und damit auch die Kühlwirkung nicht mehr negativ durch einen derartigen Wulst beeinträchtigt ist. Selbstverständlich ist dabei das Gewinde dicht gegenüber dem Kühlmedium ausgebildet. Als Werkstoff für einen derartigen gebauten Kolben kommt beispielsweise Stahl in Betracht, welcher eine hohe Warmfestigkeit aufweist.
Zweckmäßig sind das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil aus demselben Werkstoff hergestellt oder weisen zumindest Werkstoffe mit gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Dies bietet den großen Vorteil, dass sich die Werkstoffe und damit das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil stets gleichmäßig temperaturbedingt ausdehnen, so dass keine Gefahr besteht, dass sich die Fügestelle zwischen Kolbenober- und -unterteil durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Kolbenteile öffnet und dadurch die Kühlkanalstruktur beziehungsweise der Kühlkanal undicht wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind ein Gewinde am Kolbenoberteil und/oder am Kolbenunterteil mit Übermaß hergestellt und beide Kolbenteile mittels eines thermischen Fügeverfahrens miteinander verschraubt. Hierbei ist eine Verschraubung der beiden Kolbenteile miteinander nur dann möglich, wenn zumindest eines der beiden Kolbenteile erwärmt beziehungsweise abgekühlt wird und sich aufgrund der thermischen Ausdehnung beziehungsweise des thermischen Zusammenziehens auf das Gewinde des anderen Kolbenteiles aufschrauben lässt. Durch einen anschließenden Abkühl- beziehungsweise Aufwärmvorgang wird das Gewinde des einen Kolbenteiles auf das Gewinde des anderen Kolbenteiles aufgeschrumpft und dadurch gasdicht gefügt. Weitere, insbesondere kostenaufwendige Abdichtverfahren, sind somit nicht erforderlich.
Alternativ kann der erfindungsgemäße Kolben ein Feingewinde aufweisen, welches durch ein dem Verschrauben nachfolgendes Verkleben oder Verlöten abgedichtet ist. Bei diesem Fügeverfahren wird auf einen thermischen Aufheiz- beziehungsweise Abkühlvorgang verzichtet und die Abdichtung des Gewindes lediglich durch deren geometrische Ausgestaltung als Feingewinde mit anschließendem Verkleben beziehungsweise Verlöten abgedichtet. Hierdurch kann somit auf eine Aufheiz- beziehungsweise Abkühlvorrichtung zum thermischen Fügen verzichtet werden. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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.
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 .
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 ein Kolbenoberteil eines erfindungsgemäßen, gebauten Kolbens,
Fig. 2 ein Kolbenunterteil des gebauten Kolbens,
Fig. 3 ein fertig montierter Kolben,
Fig. 4 eine Detailansicht eines Gewindes zwischen Kolbenober- und -unterteil. Entsprechend Fig. 1 ist ein Kolbenoberteil 1 eines, aus diesem und einem Kolbenunterteil 2 (vgl. Fig. 2) gebauten Kolbens 3 (vgl. Fig. 3) dargestellt. Der Kolben 3 kann dabei in einem im übrigen nicht gezeigten Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, angeordnet sein. Verbunden werden die beiden Kolbenteile 1 und 2 über ein Gewinde 4, wodurch sich insbesondere weitere Fügeverfahren, wie beispielsweise ein Schweißen, erübrigen.
Gemäß der Fig. 1 ist dabei das Gewinde 4 des Kolbenoberteils 1 als Innengewinde ausgebildet, während das Gewinde 4 des Kolbenunterteils 2 gemäß der Fig. 2 als komplementär dazu ausgebildetes Außengewinde ausgebildet ist. Im Bereich des Gewindes 4 entsteht somit eine Fügestelle 5 zwischen Kolbenoberteil 1 und Kolbenunterteil 2, welche in direktem Kontakt mit einem Brennraum 6 der Brennkraftmaschine steht. Aus diesem Grund muss die Fügestelle 5, das heißt das Gewinde 4, gasdicht, insbesondere dicht gegenüber sogenannten blow-by- Gasen, ausgebildet sein.
Wie der Fig. 3 zu entnehmen ist, schließen das Kolbenoberteil 1 und das Kolbenunterteil 2 in miteinander verschraub- tem Zustand einen Kühlkanal 7 beziehungsweise eine Kühlkanalstruktur ein, wobei sich der Kühlkanal 7 ringförmig um einen oberen Teil des Kolbenunterteils 2 legt. Zur Kühlung des Kolbens 3, wird der Kühlkanal 7 während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit einem Kühlmedium, insbesondere mit Motorenöl, beaufschlagt und ist von diesem durchströmt. Selbstverständlich muss dabei das Gewinde 4 auch dicht ge- genüber dem Kühlmedium, also beispielsweise dicht gegenüber Motorenöl, ausgebildet sein.
Wie den Fig. 2 und 3 zu entnehmen ist, ist am Kolbenunterteil 2 ein Kragen 8 angeordnet, welcher eine ringartige Dichtkante 9 aufweist. Demgegenüber weist das Kolbenoberteil 1 eine der Dichtkante 9 des Kolbenunterteils 2 zugewandte Dichtkontur 10, insbesondere eine Dichtnut, auf, in/an welcher die Dichtkante 9 bei vollständig miteinander ver- schraubtem Kolbenober- und -unterteil 1, 2 dicht anliegt. Somit ist auch eine weitere Fügestelle 5' zwischen dem Kolbenoberteil 1 und dem Kolbenunterteil 2 bei fertig gebautem Kolben 3 abgedichtet. Zur Beaufschlagung des Kühlkanals 7 mit Kühlmedium kann im Kolbenunterteil 2 eine Durchgangsöffnung 11, insbesondere eine Bohrung, vorgesehen sein, welche den Kühlkanal 7 mit einem Kühlkreislauf verbindet.
Um insbesondere die Fügestelle 5 dicht abschließen zu können, kann ein Gewinde 4 am Kolbenoberteil 1 und/oder am Kolbenunterteil 2 mit Übermaß hergestellt sein und die beiden Kolbenteile 1 und 2 mittels eines thermischen Fügeverfahrens miteinander verschraubt werden. Hierzu wird beispielsweise das Kolbenoberteil 1 erwärmt und in warmem Zustand auf das Kolbenunterteil 2 aufgeschraubt. Nach einem Abkühlen des Kolbenoberteils 1 schrumpft letzteres, wodurch ein dichter thermischer Fügesitz erreicht werden kann. Gleiches kann beispielsweise durch ein Abkühlen des Kolbenunterteils 2 erreicht werden, wodurch dieses sich zusammenzieht und problemlos mit dem Kolbenoberteil 1 verschraubt werden kann. Bei einem anschließenden Aufwärmen des Kolbenunterteils 2 dehnt sich dieses aus und bildet somit ebenfalls einen dichten thermischen Fügesitz dem Kolbenoberteil 1.
Alternativ zum thermischen Fügen kann auch vorgesehen sein, dass das Gewinde 4 als Feingewinde ausgebildet ist und durch ein dem Verschrauben nachfolgendes Verkleben oder Verlöten abgedichtet wird. Bei diesem Verfahren werden die beiden Kolbenteile 1 und 2 in kaltem Zustand miteinander verschraubt, wobei die Gasdichtheit durch obengenanntes anschließendes Verlöten oder Verkleben des Gewindes 4 erzeugt wird. Beide Verfahren bieten dabei im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Fügeverfahren, beispielsweise dem Schweißen, den großen Vorteil, dass keine in den Kühlkanal 7 hineinragende und einen Kühlmediumfluss störende Schweißnahtwulst entsteht.
Ein derartiges Gewinde 4 zwischen dem Kolbenoberteil 1 und dem Kolbenunterteil 2 ermöglicht zudem eine sehr präzise Ausrichtung der beiden Kolbenteile 1 und 2 zueinander, so dass die beiden Kolbenteile 1 und 2 in vielen Bereichen bereits vor dem Fügen miteinander fertig bearbeitet ausgeführt werden können. Nach dem Fügen sind dann ausschließlich die Bereiche der Kolbenteile 1 und 2 nachzubearbeiten, die über Toleranzangaben, beispielsweise Rechtwinkligkeit oder auch Parallelität, direkt miteinander verknüpft sind.
Da in einem Verbrennungsmotor sehr hohe Temperaturen auftreten können, ist es wichtig, dass eine gegebenenfalls erfol- gende Wärmedehnung nicht zu einem Öffnen der Fügestelle 5 oder 5' führt. Deshalb sind vorzugsweise das Kolbenoberteil 1 und das Kolbenunterteil 2 aus demselben Werkstoff hergestellt oder zumindest aus Werkstoffen mit gleichem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Dies gewährleistet die Dichtheit der Fügestellen 5 und 5' in den in Frage kommenden Temperaturbereichen .
Gemäß der Fig. 4 ist schließlich noch eine Detaildarstellung des Gewindes 4 am Kolbenoberteil 1 und am Kolbenunterteil 2 gezeigt, wobei ein Übermaß, das heißt eine Überdeckung der Flankendurchmesser der beiden Gewinde 4 sichtbar wird.
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Claims

Ansprüche
1. Gebauter, insbesondere zweiteiliger, Kolben (3) einer Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenoberteil (1) und einem Kolbenunterteil (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (1) über ein Gewinde (4) mit dem
Kolbenunterteil (2) verbunden ist.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass eine Fügestelle (5) des Kolbenoberteils (1) mit dem Kobenunterteil (2) in direktem Kontakt mit einem Brennraum
(6) der Brennkraftmaschine steht,
- dass das Gewinde (4) gasdicht, insbesondere dicht gegenüber blow-by-Gasen, ausgebildet ist.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (1) und das Kobenunterteil (2) in miteinander verschraubtem Zustand einen Kühlkanal (7) einschließen .
4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, - dass das Kolbenoberteil (1) und das Kobenunterteil (2) aus demselben Werkstoff hergestellt sind, oder
- dass das Kolbenoberteil (1) und das Kobenunterteil (2) aus Werkstoffen mit gleichem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt sind.
5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
- dass ein Gewinde (4) am Kolbenoberteil (1) und/oder am Kolbenunterteil ((2) mit Übermaß hergestellt ist,
- dass das Kolbenoberteil (1) und das Kolbenunterteil (2) mittels eines thermischen Fügeverfahrens miteinander verschraubt sind.
6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
- dass das Gewinde (4) als Feingewinde ausgebildet ist,
- dass das Gewinde (4) durch ein dem Verschrauben nachfolgendes Verkleben oder Verlöten abgedichtet ist.
7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Kolbenunterteil (2) ein Kragen (8) angeordnet ist, welcher eine ringartige Dichtkante (9) aufweist.
8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (1) eine der Dichtkante (9) des Kolbenunterteils (2) zugewandte Dichtkontur (10) aufweist, in/an welcher die Dichtkante (9) bei vollständig miteinander verschraubtem Kolbenober- und -unterteil (1, 2) dicht anliegt .
9. Brennkraftmaschine mit einem Kolben (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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