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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei der Kolbenkopf einen Kolbenboden, einen umlaufenden Feuersteg, eine umlaufende Ringpartie mit Ringnuten und im Bereich der Ringpartie einen umlaufenden, nach unten offenen, mit einem Verschlusselement verschlossenen Kühlkanal aufweist, wobei der Kühlkanal einen Kühlkanalboden und eine Kühlkanaldecke aufweist.
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In modernen Verbrennungsmotoren sind die Kolben im Bereich des Kolbenbodens und der Verbrennungsmulde immer höheren Temperaturbelastungen ausgesetzt. Eine nicht ausreichende Wärmeableitung aus dem Kolbenkopf führt im Motorbetrieb zu Funktionsbeeinträchtigungen des Kolbens, insbesondere zu einer Verkokung bzw. Ölkohlebildung am Kolben. Dies gilt insbesondere für Kolben aus Stahlwerkstoffen, da Stahl einen niedrigen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten hat und somit ein schlechter Wärmeleiter ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass im Motorbetrieb eine optimierte Wärmeableitung aus dem Kolbenkopf stattfindet.
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Die Lösung besteht darin, dass das Verschlusselement derart im Kolbenkopf angeordnet ist, dass der Kühlkanalboden oberhalb der untersten Ringnut angeordnet ist.
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Im Stand der Technik erstreckt sich der Kühlkanal in axialer Richtung in der Regel bis auf die Höhe der untersten Ringnut und darunter, um mithilfe eines möglichst großen Kühlkanals eine ausreichende Kühlung insbesondere von Stahlkolben im Motorbetrieb zu erzielen. Aufgrund des Shaker-Effekts bewegt sich das Kühlöl zwischen der Kühlkanaldecke, d. h. einem sehr heißen Bereich, und dem Kühlkanalboden, d. h. einem vergleichsweise kühlen Bereich, hin und her. Aufgrund der deutlich niedrigeren Temperaturen im Bereich des Kühlkanalbodens findet dort praktisch keine Wärmeaufnahme aus dem Kolbenkopf in das Kühlöl mehr statt. Ferner findet aufgrund des geringen Wärmegradienten in Richtung Ringpartie und Kolbenschaft nur eine vergleichsweise geringe Wärmeableitung aus dem Kühlöl statt.
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Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich demgegenüber dadurch aus, dass der Kühlkanal gegenüber dem Stand der Technik in axialer Richtung verkürzt ist. Dies hat zur Folge, dass sich das Kühlöl insbesondere im Bereich des Kühlkanalbodens in größerer Nähe zum hoch wärmebelasteten Kühlkanalboden und damit insgesamt in heißeren Bereichen bewegt, als dies beim Stand der Technik der Fall ist. Daher findet in jeder Phase der Kolbenbewegung eine Wärmeaufnahme aus den heißen Bereichen des Kolbenkopfes in das Kühlöl statt. Insbesondere wenn die aus dem Stand der Technik bekannte Kühlölmenge beibehalten und die Kühlölversorgung so eingerichtet wird, dass das Kühlöl im Motorbetrieb rasch ausgetauscht wird, ergibt sich im Vergleich zum Stand der Technik eine deutlich verbesserte Kühlung des Kolbenkopfes.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorzugsweise ist der Kühlkanalboden in Höhe der zweiten Ringnut, besonders bevorzugt zwischen der ersten Ringnut und der zweiten Ringnut angeordnet, um die Kühlleistung weiter zu steigern, indem sich das Kühlöl im Motorbetrieb in noch größerer Nähe zum heißen Kolbenboden bewegt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Verschlusselement derart im Kolbenkopf angeordnet ist, dass ein umlaufender Ringspalt im Kolbenboden ausgebildet ist. Damit entfällt die Notwendigkeit, Ölablauföffnungen vorzusehen.
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Eine weitere bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die Höhe des Feuerstegs maximal 9% des Nenndurchmessers des Kolbenkopfes beträgt. Damit wird eine für die Wärmeableitung besonders vorteilhafte Positionierung des Kühlkanals in Bezug auf den Kolbenboden und die Ringpartie bewirkt.
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In diesem Fall kann der Abstand zwischen dem Kolbenboden und dem Kühlkanalboden zwischen 11% und 17% des Nenndurchmessers des Kolbenkopfes betragen. Zusätzlich oder stattdessen kann die Höhe des Kühlkanals das 0,8-fache bis 1,7-fache seiner Breite betragen. Ferner kann alternativ oder kumulativ hierzu der Abstand zwischen dem Kolbenboden und der Kühlkanaldecke zwischen 3% und 7% des Nenndurchmessers des Kolbenkopfes betragen. Diese Bemessungsregeln erlauben eine optimierte Auslegung und Positionierung des Kühlkanals für alle Kolbengrößen.
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Die Kompressionshöhe kann bspw. zwischen 38% und 45% des Nenndurchmessers des Kolbenkopfes betragen.
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Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass im Kolbenkopf eine Verbrennungsmulde ausgebildet ist und dass die geringste Wanddicke in radialer Richtung zwischen der Verbrennungsmulde und dem Kühlkanal zwischen 2,5% und 4,5% des Nenndurchmessers des Kolbenkopfes beträgt. Damit wird ein verbesserter Wärmeübergang zwischen der Verbrennungsmulde und dem Kühlkanal erzielt.
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Die Verbrennungsmulde kann bspw. mit einem Hinterschnitt versehen sein, um die Wanddicke zwischen der Verbrennungsmulde und dem Kühlkanal zu bestimmen.
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Das Verschlusselement kann bei entkoppeltem Kolbenschaft als separates Bauteil ausgebildet sein, welches am Kolben befestigt ist.
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Der erfindungsgemäße Kolben kann als einteiliger Kolben ausgebildet sein. Dann wird der Kühlkanal in an sich bekannter Weise durch spanende Bearbeitung in einen gegossenen oder geschmiedeten Rohling eingebracht. Es ist jedoch bevorzugt, dass der Kolben aus mindestens zwei unlösbar miteinander verbundenen Bauteilen zusammengesetzt ist. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Kolben einen Kolbengrundkörper und ein Kolbenringelement aufweisen. In diesem Fall kann das Verschlusselement sowohl als separates, am Kolben befestigtes Bauteil als auch als einstückig mit dem Kolben verbundenes Bauteil ausgebildet sein. In letzterem Fall kann das Verschlusselement entweder mit dem Kolbengrundkörper oder mit dem Kolbenringelement einstückig verbunden sein.
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Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für Kolben aus mindestens einem Stahlwerkstoff geeignet.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
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2 den Kolben gemäß 1 in einer um 90° gedrehten Darstellung;
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
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4 den Kolben gemäß 3 in einer um 90° gedrehten Darstellung;
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5 eine Gesamtdarstellung zweier weiterer Ausführungsbeispiele im Schnitt;
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6 eine vergrößerte Teildarstellung des Kolbens gemäß 5, linke Seite, im Schnitt;
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7 eine vergrößerte Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels im Schnitt;
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8 eine vergrößerte Teildarstellung des Ausführungsbeispiels gemäß 7;
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9a, 9b eine schematische Darstellung der Kühlölbewegung in einem Kolben gemäß der vorliegenden Erfindung;
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10a, 10b eine schematische Darstellung der Kühlölbewegung in einem Kolben gemäß dem Stand der Technik.
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Die 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 kann, wie grundsätzlich bekannt, als einteiliger Rohling geschmiedet oder gegossen werden, wobei der Kühlkanal durch spanabhebende Bearbeitung in den Rohling eingebracht wird. Im Ausführungsbeispiel ist der Kolben 10 aus einem Kolbengrundkörper 31 und einem Kolbenringelement 32 zusammengesetzt, die in an sich bekannter Weise gegossen oder geschmiedet sein können und die über eine Schweißnaht 33 bspw. mittels Elektronenstrahlschweißen oder Laserschweißen miteinander verbunden sind. Die Schweißnaht 33 ist im Ausführungsbeispiel an der tiefsten Stelle der Verbrennungsmulde unter spitzem Winkel zur Kolbenmittelachse A angeordnet. Der Kolben 10 ist im Ausführungsbeispiel aus einem Stahlwerkstoff hergestellt.
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Der Kolben 10 weist einen Kolbenkopf 11 mit einem eine Verbrennungsmulde 13 aufweisenden Kolbenboden 12, einem umlaufenden Feuersteg 14 und einer umlaufenden Ringpartie 15 mit Ringnuten 16, 17, 18 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. In Höhe der Ringpartie 15 ist ein umlaufender Kühlkanal 19 vorgesehen.
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Der Kolben 10 weist ferner einen vom Kolbenkopf 11 thermisch entkoppelten Kolbenschaft 21 mit Kolbennaben 22 und Nabenbohrungen 23 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) auf. Die Kolbennaben 22 sind über Nabenanbindungen 24 mit der Unterseite des Kolbenkopfes 11 verbunden. Die Kolbennaben 22 sind über Laufflächen 25 miteinander verbunden.
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Der Kühlkanal 19 ist nach unten offen ausgebildet und mit einem separaten Verschlusselement 35, im Ausführungsbeispiel einem Verschlussblech, verschlossen. Das Verschlusselement 35 ist in an sich bekannter Weise unterhalb der Ringpartie 15 am Kolbenkopf 11 befestigt und erstreckt sich in Richtung der Verbrennungsmulde 13 derart, dass das ringförmige freie Ende des Verschlusselements 35 zusammen mit der Außenwand der Verbrennungsmulde 13 einen umlaufenden Ringspalt 36 bildet.
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Selbstverständlich kann auf den Ringspalt 36 verzichtet werden. Stattdessen kann in an sich bekannter Weise der Kühlkanal 19 vom Verschlusselement 35 vollständig verschlossen sein, wobei im Verschlusselement 35 Zu- und Ablauföffnungen für Kühlöl vorgesehen sind.
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Das Verschlusselement 35 ist derart in Richtung Kolbenboden 12 gebogen, dass ein Kühlkanalboden 26 gebildet ist, der im Ausführungsbeispiel etwa auf der Höhe der zweiten Ringnut 17 liegt. Der Kühlkanalboden 26 kann auch zwischen der ersten Ringnut 16 und der zweiten Ringnut 17 angeordnet sein.
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Der Kühlkanal 19 weist ferner eine Kühlkanaldecke 27 auf.
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Die Kompressionshöhe KH beträgt im Ausführungsbeispiel zwischen 38% und 45% des Nenndurchmessers DN des Kolbenkopfes 11.
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Die 3 und 4 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 110. Der Kolben 110 ist in ähnlicher Weise aufgebaut wie der Kolben 10 gemäß den 1 und 2. Daher sind übereinstimmende Strukturelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und es wird diesbezüglich auf die Beschreibung zu den 1 und 2 verwiesen.
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Der wesentliche Unterschied zwischen dem Kolben gemäß den 3 und 4 und dem Kolben gemäß den 1 und 2 besteht darin, dass die Innenflächen 128 der Laufflächen 25 des Kolbens 110 über eine Verbindungwand 129 mit der Unterseite des Kolbenkopfes 11 verbunden sind.
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5 zeigt in einer Darstellung gemäß 2 eine Gesamtschau zweiter weiterer Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Kolben 210, 310. Die Darstellungen der jeweiligen Ausführungsbeispiele sind durch die Mittellinie M getrennt.
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Die Kolben 210, 310 sind in ähnlicher Weise aufgebaut wie der Kolben 10 gemäß den 1 und 2. Daher sind übereinstimmende Strukturelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und es wird diesbezüglich auf die Beschreibung zu den 1 und 2 verwiesen.
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Die wesentlichen Unterschiede bestehen zum Einen in der Gestaltung des Kolbengrundkörpers 231, 331 und des Kolbenringelements 132, 332 und zum Anderen darin, dass die Kolben 210, 310 ein gegenüber dem Kolben 10 gemäß den 1 und 2 ein unterschiedlich gestaltetes Verschlusselement 235, 335 aufweisen.
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Beide Ausführungsbeispiele weisen je ein Verschlusselement 235, 335 in Form eines einstückig mit dem Kolbengrundkörper 231, 331 verbundenen umlaufenden Flansches auf. Jedes Verschlusselement 235, 335 erstreckt sich in Richtung der Ringpartie 15 derart, dass das freie Ende jedes Verschlusselements 235, 335 zusammen mit der Innenwand der Ringpartie 15 einen umlaufenden Ringspalt 236, 336 bildet.
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Der Kolben 210 (Darstellung rechts der Mittellinie M) besteht aus einem Kolbengrundkörper 231 und einem Kolbenringelement 232. Das Kolbenringelement 232 umfasst im Ausführungsbeispiel einen Teil der Muldenwand sowie den Muldenrand der der Verbrennungsmulde 13 sowie den Kolbenboden 12, den Feuersteg 14 und die Ringpartie 15. Das Kolbenringelement 232 kann insbesondere durch ein Schweißverfahren, bspw. Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißen oder Reibschweißen, mit dem Kolbengrundkörper 131 verbunden sein, wobei die Schweißnaht 233 in der in der Muldenwand der Verbrennungsmulde 13 angeordnet ist.
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Der Kolben 310 (Darstellung links der Mittellinie M) (vgl. auch die vergrößerte Teildarstellung in 6) besteht aus einem Kolbengrundkörper 331 und einem Kolbenringelement 332. Das Kolbenringelement 332 umfasst im Ausführungsbeispiel einen Teil des Kolbenbodens 12, den Feuersteg 14 und die Ringpartie 15. Das Kolbenringelement 332 kann insbesondere durch ein Schweißverfahren, bspw. Elektronenstrahlschweißen oder Laserschweißen, mit dem Kolbengrundkörper 331 verbunden sein, wobei die Schweißnaht 333 im Kolbenboden angeordnet ist.
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7 zeigt eine vergrößerte Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Kolbens 410. Der Kolben 410 ist in ähnlicher Weise aufgebaut wie der Kolben 210 gemäß 5, rechte Seite. Daher sind übereinstimmende Strukturelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und es wird diesbezüglich auf die Beschreibung zu 5 verwiesen.
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Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass das Verschlusselement 435 in Form eines einstückig mit dem Kolbenringelement 432 verbundenen umlaufenden Flansches ausgebildet ist. Das Verschlusselement 435 erstreckt sich in Richtung der Verbrennungsmulde 13 derart, dass das freie Ende des Verschlusselements 435 zusammen mit der Außenwand der Verbrennungsmulde 13 einen umlaufenden Ringspalt 436 bildet.
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Der Kolben 410 besteht ebenfalls aus einem Kolbengrundkörper 431 und einem Kolbenringelement 432. Das Kolbenringelement 432 umfasst im Ausführungsbeispiel einen Teil der Muldenwand sowie den Muldenrand der der Verbrennungsmulde 13 sowie den Kolbenboden 12, den Feuersteg 14 und die Ringpartie 15. Das Kolbenringelement 432 ist im Ausführungsbeispiel mittels Reibschweißen mit dem Kolbengrundkörper 431 verbunden sein, wobei die Schweißnaht 433 in der in der Muldenwand der Verbrennungsmulde 13 angeordnet ist.
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8 zeigt beispielhaft in einer vergrößerten Teildarstellung den Kühlkanal 19 mit Kühlkanalboden 26 und Kühlkanaldecke 27 sowie den Kolbenboden 12, einen Teil der Verbrennungsmulde 13 den Feuersteg 14, die Ringpartie 15 mit den Ringnuten 16, 17, 18 sowie das Verschlusselement 435 des erfindungsgemäßen Kolbens 410 gemäß 7.
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Die Verbrennungsmulde 13 ist mit einem Hinterschnitt 29 versehen, um die Wanddicke zwischen der Verbrennungsmulde 13 und dem Kühlkanal 19 zu bestimmen (siehe dazu unten).
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Es ist bevorzugt, dass die Höhe h des Feuerstegs 14 maximal 9% des Nenndurchmessers DN des Kolbenkopfes 11 (siehe 1 und 2) beträgt. Damit wird eine für die Wärmeableitung besonders vorteilhafte Positionierung des Kühlkanals 19 in Bezug auf den Kolbenboden 12 und die Ringpartie 15 bewirkt.
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Unter Zugrundelegung dieser Bemessenregel für den Feuersteg 14 ist es bevorzugt, dass der Abstand a zwischen dem Kolbenboden 12 und dem Kühlkanalboden 26 zwischen 11% und 17% des Nenndurchmessers DN des Kolbenkopfes 11 (siehe 1 und 2) beträgt. Damit wird der Kühlkanal 19 in optimaler Nähe zum heißen Kolbenboden 12 sowie in optimaler Lage relativ zu den kühleren Ringnuten 16, 17, 18 positioniert.
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Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Höhe c des Kühlkanals 19 das 0,8-fache bis 1,7-fache seiner Breite d beträgt. Diese Bemessungsregel bewirkt ein optimales Volumen des Kühlkanals 19 sowie eine optimale Ausrichtung relative zur heißen Verbrennungsmulde 13, insbesondere zum Muldenrand, sowie zum heißen Kolbenboden 12 und zu den kühleren Ringnuten 16, 17, 18.
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Schließlich ist es bevorzugt, dass der Abstand b zwischen dem Kolbenboden 12 und der Kühlkanaldecke 27 zwischen 3% und 7% des Nenndurchmessers DN des Kolbenkopfes 11 (vgl. 1 und 2) beträgt. Auch diese Bemessungsregel bewirkt eine optimale Positionierung des Kühlkanals 19 in Bezug auf den heißen Kolbenboden 12.
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Schlussendlich ist es bevorzugt, dass die geringste Wanddicke w in radialer Richtung zwischen der Verbrennungsmulde 13 und dem Kühlkanal 19 zwischen 2,5 % und 4,5% des Nenndurchmessers DN des Kolbenkopfes 11 beträgt. Damit wird ein verbesserter Wärmeübergang zwischen der Verbrennungsmulde 13 und dem Kühlkanal 19 erzielt.
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Die 9a und 9b sowie 10a und 10b zeigen schematisch die Kühlölbewegung im Motorbetrieb sowie die Temperaturzonen im Bereich der Verbrennungsmulde, des Kolbenbodens, des Kühlkanals und der Ringnuten sowohl für einen erfindungsgemäßen Kolben (9a und 9b) als auch für einen Kolben gemäß dem Stand der Technik (10a und 10b).
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In den 9a, 9b, 10a, 10b sind schematisch drei Wärmezonen, nämlich „heiß”, „warm” und „kühl” bezeichnet. Damit sollen die relativen Temperaturunterschiede in den einzelnen Kolbenbereichen illustriert werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung (9a und 9b) ist der Kühlkanal gegenüber dem Stand der Technik in axialer Richtung verkürzt ist. Dies hat zur Folge, dass sich das Kühlöl fast ausschließlich entlang der „heißen” Bereiche des Kolbenbodens und der Verbrennungsmulde bewegt. Daher findet in jeder Phase der Kolbenbewegung eine Wärmeaufnahme aus den „heißen” Bereichen des Kolbenkopfes in das Kühlöl statt. Die aus dem Stand der Technik bekannte Kühlölmenge sollte beibehalten und das Motormanagement so eingerichtet werden, dass das Kühlöl im Motorbetrieb rasch ausgetauscht wird.
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Im Stand der Technik (10a und 10b) erstreckt sich der Kühlkanal in axialer Richtung in der Regel bis auf die Höhe der untersten Ringnut und darunter, um mithilfe eines möglichst großen Kühlkanals eine ausreichende Kühlung im Motorbetrieb zu erzielen. Aufgrund des Shaker-Effekts bewegt sich das Kühlöl zwischen einem „heißen” Bereich, nämlich dem Kolbenboden und dem Muldenrand der Verbrennungsmulde und einem „kühlen” Bereich, nämlich dem Kühlkanalboden. Aufgrund der deutlich niedrigeren Temperaturen im Bereich des Kühlkanalbodens findet dort praktisch keine Wärmeaufnahme aus dem Kolbenkopf in das Kühlöl mehr statt.
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Im Ergebnis ergibt sich beim erfindungsgemäßen Kolben im Vergleich zum Stand der Technik eine deutlich verbesserte Kühlung des Kolbenkopfes.
