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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kolbenschaft und einem Kolbenkopf, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem solchen Kolben.
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Bei heutigen, aufgeladenen Dieselmotoren kommt es oftmals aufgrund der sehr hohen spezifischen Leistungen von über 60 kW je Liter Hubraum zu einer starken thermischen Belastung der Kolben der Brennkraftmaschine und insbesondere eines Kolbenbodens. Der Kolbenboden ist dabei mit seiner Brennraummulde dem Brennraum zugewandt und muss demzufolge die höchste thermische Belastung ertragen. Um eine derartige Brennkraftmaschine bzw. einen derartigen Dieselmotor langfristig betreiben zu können, ist es erforderlich, eine Kühlung des Kolbens vorzunehmen, die insbesondere die thermische Belastung des Kolbens, insbesondere in seinem Kolbenkopf, reduziert und darüber hinaus ein Verkoken von die Schmierung des Kolbens in einem Zylinder übernehmendem Öl, insbesondere in einer einem Feuersteg benachbarten Ringnut, zu vermeiden.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Schaftform eines Kolbens einer Brennkraftmaschine derart auszubilden, dass diese eine erhöhte Anlagefläche an einer Zylinderwand bzw. einer in einem zugehörigen Zylinder angeordneten Zylinderlaufbuchse aufweist und dadurch ein verbesserter Wärmeübertrag und auch eine verbesserte Kühlung des Kolbens erreicht werden können. Der erfindungsgemäße Kolben besitzt dabei besagten Kolbenschaft sowie einen Kolbenkopf, in welchem ein geschlossener Kühlkanal mit einem darin angeordneten Kühlmedium vorgesehen ist. Im Kolbenkopf ist darüber hinaus eine Brennraummulde angeordnet. Erfindungsgemäß weist nun der Kolbenschaft eine ballige und zugleich runde Querschnittsform auf, die von den bisher aus dem Stand der Technik bekannten balligen und ovalen Querschnittsformen deutlich abweicht und wobei eine Abweichung von der Rundheit bezogen auf einen Kolbendurchmesser kleiner als 0,5 Promille ist. „Ballig“ bedeutet in diesem Fall, dass der Kolben entlang seiner Kolbenachse fassartig ausgeführt ist, das heißt, dass ein Durchmesser des Kolbens im Bereich des Kolbenkopfes und im Bereich an einem unteren Ende des Kolbenschaftes kleiner ist als dazwischen. Die Abweichung der Rundheit ist dabei immer in einer Ebene quer zur Kolbenachse zu betrachten. Über die Höhe unterscheiden sich die Radien deshalb aufgrund der Balligkeit. Die ballige Ausführung ermöglicht dabei ein rundes Abgleiten der Schaftwand am Zylinder bzw. an der Zylinderlaufbuchse beim Anlagewechsel des Kolbens. Durch die ballig runde Ausführungsform der Schaftwand erhöhen sich nun erfindungsgemäß die in Anlage zum Zylinder bzw. zur Zylinderlaufbuchse befindliche Fläche und damit auch die Möglichkeit der Wärmeübertragung vom Kolben zum Zylinder. Versuche haben hierbei bereits gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße ballige und runde Ausführungsform des Kolbenschaftes und der damit verbesserte Wärmeübertrag eine signifikante Temperaturreduzierung im Kolbenkopf erreicht werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist an einer Schaftfläche des Kolbens eine Wärmeleitbeschichtung angeordnet. Über eine derartige Wärmeleitbeschichtung, welche beispielsweise einen erhöhten Graphitanteil und damit eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit aufweist, können ein zusätzlich verbesserter Wärmeübertrag vom Kolben in den Zylinder und damit eine verbesserte Kühlung des Kolbens erreicht werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der Kühlkanal im Bereich eines Kolbenbodens in Richtung eines Feuersteges radial nach außen erweitert. Der Feuersteg erstreckt sich vom Kolbenboden bis zur ersten Ringnut zur Aufnahme eines Kolbenrings. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Erweiterung des Kühlkanals in radialer Richtung nach außen in Richtung des Feuersteges, lässt sich die Temperatur in der ersten Ringnut um bis zu 10K verringern, wodurch insbesondere das Problem der Ölkohlebildung in besagter erster Ringnut vermieden, zumindest aber stark reduziert werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann der Kühlkanal im Bereich eines Kolbenbodens auch in Richtung der Brennraummulde, das heißt radial nach innen, erweitert werden. Auch hierdurch lässt sich eine verbesserte Kühlung des Kolbens erzielen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Kolben zweiteilig ausgebildet mit einem Oberteil und einem damit verbundenen, insbesondere verschweißten, Unterteil, wobei der Kühlkanal zum Teil in das Oberteil und zum Teil in das Unterteil eingeformt ist. Ein derartiger mehrteiliger Kolben bietet dabei die Möglichkeit, den Kühlkanal nach unten in Richtung des Schaftes durch Fräsen und/oder durch Bohrungen zu erweitern und dadurch eine verbesserte Wärmeabfuhr des im geschlossenen Kühlkanal während des Betriebs hin und her schleudernden Kühlmediums in Richtung des Kolbenschaftes zu erreichen. Wird der Kühlkanal beispielsweise in Richtung des Kolbenschafts durch Fräsen erweitert, so weist er an einer, einer Kolbenunterseite zugewandten Innenwand eine Wellenform auf, die zu einer vergrößerten Oberfläche und damit ebenfalls zu einem verbesserten Wärmeübertrag führt. Neben einem derartigen Stiftfräsen, welches auch prozessbedingt die Wellenform des Kühlkanalbodens bewirkt, können zusätzliche Bohrungen vorgesehen werden, die deutlich tiefer in den Kolbenschaft vordringen und dadurch eine nochmals verbesserte Wärmeabfuhr bewirken.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind an einer Kolbenunterseite im Bereich des Kühlkanals aus der Kolbenunterseite herausstehende Rippen angeordnet. Diese Rippen erstrecken sich vorzugsweise lediglich über den Bereich zwischen Schaftinnenwänden und deren Anbindung an einen Kolbenboden und besitzen gleich mehrere Funktionen: Zum einen vergrößert sich durch derartige Rippen die Oberfläche um das zumindest 1,2-fache bis 2-fache, wodurch sich ebenfalls ein Wärmeübertrag an das von unten angespritzte Öl erhöht und dadurch die Wärmeabfuhr und insgesamt die Kühlung des Kolbens verbessert werden können. Zum anderen führen die Rippen das angespritzte Öl über eine Mittelachse hinweg zur gegenüberliegenden Seite hin. Zudem kann bei derartigen Kolben die Anspritzdüse für das Öl schräg gestellt werden, wodurch ein Auftreffpunkt des Ölstrahls in Abhängigkeit der Kolbenstellung zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt wandert und dadurch eine besonders gleichmäßige Kühlung bewirkt. Durch offene Kühlkanäle kann dies so nicht realisiert werden, da der Ölstrahl stets auf eine Zulaufbohrung des offenen Kühlkanals gerichtet sein muss, um stets ausreichend Öl in den Kühlkanal einspritzen zu können.
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Zweckmäßig sind die Rippen mittels Prägen/Schmieden hergestellt. Das Herstellen der Rippen sowie der dazwischen angeordneten Vertiefungen lässt sich somit ohne nennenswerten Mehraufwand beim Herstellen des Kolbens realisieren, wozu einfach ein Präge- bzw. Schmiedestempel entsprechend angepasst werden muss.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung erstrecken sich die Rippen im Wesentlichen in radialer Richtung bezüglich einer Kolbenachse, wobei zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein kann, dass zwischen den Rippen die zuvor beschriebenen Vertiefungen angeordnet sind und wobei ein Volumen der aus der Kolbenunterseite herausstehenden Rippen dem Volumen der in die Kolbenunterseite eingeprägten Vertiefungen entspricht. Ein Volumenausgleich zwischen Vertiefungen und Rippen findet beim Prägen bzw. Schmieden der Rippen nur lokal durch Fließen des Materials statt, wodurch sich nur eine sehr geringe bis gar keine zusätzliche Belastung für das Schmiedewerkzeug ergibt und die Standzeit des Werkzeugs nicht oder nur unwesentlich negativ beeinflusst wird.
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Vorzugsweise wird als Kühlmedium beispielsweise Natrium und/oder Kalium verwendet, wobei insbesondere auch Mischungen daraus in Frage kommen, die beispielsweise bei –12 °C flüssig werden und beim Betrieb der Brennkraftmaschine durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens hin und her geschüttelt werden und dadurch Wärme vom Kolbenboden aufnehmen und in den Kolbenschaft abtragen. Alternativ dazu kann auch Wasser als Kühlmedium verwendet werden. Wasser bietet den Vorteil, dass es sehr kostengünstig ist und hierfür eine weitaus unkompliziertere Befüllungsanlage verwendet werden kann. Darüber hinaus ist es überall verfügbar und stellt keine Gefahr für Mensch und Umwelt dar. Das Funktionsprinzip basiert dabei analog zu einem Wärmerohr, mit welchem man große Wärmemengen übertragen kann. Eine derartige „Heatpipe“ nutzt die Verdampfungs- und Kondensationsenthalpie des Kühlmediums (Arbeitsmediums) aus. Das Wasser verdampft im oberen Bereich des Kühlkanals, welcher dem Kolbenboden und der Muldenwand zugewandt ist, und kondensiert im unteren Teil des Kühlkanals, wo die Wärme z.B. an den Kolbenschaft abgegeben wird. Durch die mit steigender Temperatur des Kühlmediums immer höher werdenden Drücke, sollte ein entsprechend ausgestaltetes Verschlusselement verwendet werden, beispielsweise ein König Expander, welcher Drücken von bis zu 350 bar Stand hält. Des Weiteren muss auf die Füllmenge geachtet werden, da Wasser im Vergleich zu Natrium-Kalium ein schlechterer Wärmeleiter ist und es lediglich auf die Verdampfungs- und Kondensationsenthalpie ankommt. Um den Wärmetransport durch das Wasser hindurch möglichst nicht zu behindern, ist es daher von Vorteil, wenn in etwa nur so viel Wasser im Kühlkanal vorhanden ist, dass die bei einem Arbeitstakt in den Kolben eintretende maximale Energie möglichst den größten Teil des vorliegenden Wassers verdampft. Eine Befüllmenge von typischerweise 0,01 % bis 10% des Volumens des Kühlkanals dürfte demnach bereits ausreichen, um die Wärme von den heißen Stellen des Kolbens in kältere Bereiche zu transportieren. Die Funktion dieser Methode ist dabei an die physikalischen Eigenschaften von Wasser gebunden, wonach beim Übergang von der flüssigen Phase in die Gasphase Wärme aufgenommen und umgekehrt beim Kondensieren des Wasserdampfes Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Die Funktion ist demnach nach oben auf eine maximale Temperatur von 374 °C (kritische Temperatur) begrenzt, da oberhalb der kritischen Temperatur kein Phasensprung auftritt. Nach unten wirkt der Schmelzpunkt des Wassers 0 °C begrenzend. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere für Stahlkolben im Betrieb des Motors dieser Temperaturbereich nicht verlassen wird. Typischerweise werden Temperaturen zwischen 100 bis 300 °C beobachtet. Der Betrag der Ausdehnung des Kühlkanals unter Druck muss natürlich bei der Auslegung berücksichtigt werden, was evtl. zu höheren Wandstärken im Bereich des Kühlkanals führen kann. Der Druck variiert dabei typischerweise zwischen maximal 50 bis 100 bar, abhängig vom jeweiligen Motorkonzept. Bei hohen spezifischen Leistungen hat sich gezeigt, dass durch Zugabe von Salz bzw. gut wärmeleitenden Pulvern (z.B. auf Basis von Kupfer, Aluminium Siliziumkarbid oder niedrig schmelzende Metalle wie Zinn, ein SnBi-Eutektikum, Wismut oder Gallium), die Siedeleistung des Wassers deutlich erhöht wird und das ansonsten ab einer Wärmestromdichte von etwa 1000kW/m2 auftretende Filmsieden zu höheren Wärmestromdichten hin verschoben werden kann.
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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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Dabei zeigen, jeweils schematisch
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1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kolben mit einer in der linken Bildhälfte und der rechten Bildhälfte unterschiedlichen Schnittebene,
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2 eine Darstellung der gattungsgemäß ballig runden Querschnittsform mit unterschiedlichen Ansichten,
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3 eine Darstellung wie in 1, jedoch in unterschiedlichen Schnittebenen,
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4 eine Ansicht von unten auf einen erfindungsgemäßen Kolben mit eingeprägten Rippen.
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Entsprechend den 1 und 3, weist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 einer lediglich stark schematisiert in 3 dargestellten Brennkraftmaschine 2 einen Kolbenschaft 3 sowie einen Kolbenkopf 4 auf, wobei in dem Kolbenkopf 4 ein geschlossener Kühlkanal 5 mit einem darin angeordneten Kühlmedium 6 vorgesehen ist. Im Kolbenkopf 4 selbst ist darüber hinaus eine Brennraummulde 7 angeordnet. Erfindungsgemäß weist nun der Kolbenschaft 3 eine ballig runde Querschnittsform (vergleiche auch 2) auf, wobei mit dem Bezugszeichen 8 eine Kolbenachse bezeichnet ist und wobei eine Abweichung von der Rundheit bezogen auf einen Kolbendurchmesser D kleiner als 0,5 Promille ist. „Ballig“ bedeutet in diesem Fall, dass der Kolben 1 entlang seiner Kolbenachse 8 fassartig ausgeführt ist, das heißt, dass ein Durchmesser D des Kolbens 1 im Bereich des Kolbenkopfes 4 und im Bereich an einem unteren Ende des Kolbenschaftes 3 kleiner ist als dazwischen. Die Abweichung der Rundheit ist dabei immer in einer Ebene quer zur Kolbenachse 8 zu betrachten. Über die Höhe H unterscheiden sich die Radien R deshalb aufgrund der Balligkeit, während sie auf einer Ebene gleich sind.
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Betrachtet man die linke Darstellung in 2, so kann man erkennen, dass die ballige Form bezüglich der Kolbenachse 8 im oberen Ende und an einem unteren Ende 9 des Kolbenschaftes 3 einen geringeren Durchmesser D aufweist als beispielsweise in einem mittleren Bereich 10 des Kolbenschaftes 3. In der rechten Darstellung der 2 ist beispielsweise auch noch die ballig runde Querschnittsform im Vergleich zu einer aus dem Stand der Technik bekannten ballig ovalen Querschnittsform dargestellt. Die ballig runde Querschnittsform ist dabei mit durchgezogener Linie gezeichnet, während die ballig ovale Querschnittsform, wie es von Kolbenschäften von Kolben aus dem Stand der Technik bekannt ist, mit unterbrochen gezeichneter Linie dargestellt ist. Die erfindungsgemäße ballig runde Querschnittsform des Kolbenschafts 3 zeichnet sich somit durch eine kreisrunde Querschnittsform mit auf einem jeweiligen Höhenniveau H konstantem Radius R aus.
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Durch die erfindungsgemäße ballige runde Querschnittsform des Kolbenschaftes 3 kann nicht nur ein verbessertes Abgleiten des Kolbenschaftes 3 an einer Zylinderwand 10 (vergleiche 3) oder an einer Zylinderlaufbuchse 11, sofern eine derartige im Zylinder angeordnet ist, erreicht werden, sondern vor allen Dingen erhöht sich eine Anlagefläche, das heißt eine Kontaktfläche zwischen dem Kolbenschaft 3 und der Zylinderwand 10 bzw. der gegebenenfalls im Zylinder angeordneten Zylinderlaufbuchse 11, wodurch ein verbesserter Wärmeübertrag erreicht werden kann. Bei bislang aus dem Stand der Technik bekannten Kolben, welche eine ballig ovale Querschnittsform aufwiesen, standen diese nur mit einem kleinen Teil ihrer Schaftfläche in Kontakt mit einer Zylinderwand bzw. einer Zylinderlaufbuchse, wodurch nur wenig Wärme aus dem Kolben an den Zylinder abgeführt werden konnte und damit auch eine deutlich verringerte Kühlung des Kolbens möglich war.
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Betrachtet man die 1 und 3 weiter, so kann man erkennen, dass der Kühlkanal 5 im Bereich des Kolbenbodens 13 in radialer Richtung nach außen, das heißt in Richtung eines Feuersteges 14, erweitert ist bzw. eine derartige Erweiterung 15 aufweist. Hierdurch lässt sich die Temperatur in einer ersten Ringnut 16 um bis zu 10 K verringern, wodurch das Problem der Ölkohlebildung und insbesondere auch der Verkokung des zur Schmierung des Kolbens 1 im Zylinder erforderlichen Öls vermieden, zumindest aber stark reduziert werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann eine derartige Erweiterung 15’ auch radial nach innen in Richtung der Brennraummulde 7 vorgesehen sein.
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Betrachtet man die 1 und 3 weiter, so kann man erkennen, dass der Kolben 1 mehrteilig, hier zweiteilig, ausgebildet ist, mit einem Oberteil 17 und einem damit verbundenen, insbesondere damit verschweißten, Unterteil 18, wobei der Kühlkanal 5 zum Teil in das Oberteil 17 und zum Teil in das Unterteil 18 eingeformt ist. Das Oberteil 17 und das Unterteil 18 sind dabei entlang einer Fügeebene 19 miteinander verbunden, beispielsweise reib- oder laserverschweißt. Um den Kühlkanal 5 in Richtung nach unten erweitern zu können, können zusätzlich Bohrungen 20 vorgesehen sein, die bis nahe an das untere Ende 9 des Kolbenschafts 3 reichen (vergleiche 1) und dadurch eine verbesserte Wärmeabfuhr in den Bereich des Kolbenschafts 3 bewirken. Der Kühlkanal 5 kann zusätzlich oder alternativ auch durch Fräsen, beispielsweise durch Stiftfräsen, erweitert werden, wodurch sich an einem Kühlkanalboden 21 die dort typische Wellenform prozessbedingt ergibt. Durch eine derartige Wellenform am Kühlkanalboden 21 kann die Oberfläche erhöht und dadurch ebenfalls ein Wärmeübertrag verbessert werden.
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Zusätzlich oder alternativ können an einer Kolbenunterseite 22 (vergleiche die 1, 3 und 4) Rippen 25 angeordnet sein, die sich vorzugsweise lediglich über einen Bereich zwischen Schaftinnenwänden und deren Anbindung an den Kolbenboden 13 erstrecken. Diese Rippen 25 haben dabei zum einen die Funktion, die Oberfläche zu erhöhen, zumindest um das 1,2-fache bis 2-fache, wodurch sich ebenfalls die Wärmeübertragung an das von unten angespritzte Öl erhöht. Zum anderen führen die Rippen 25 das angespritzte Öl über die Mittelachse (Kolbenachse 8) hinweg zur gegenüberliegenden Seite hin. Durch ein Schrägstellen einer Anspritzdüse kann darüber hinaus ein Wandern eines Auftreffpunktes des Ölstrahls je nach Stellung des Kolbens 1 entsprechend demgemäß der 4 dargestellten Pfeil 24 erreicht werden, wodurch eine besonders gleichmäßige Kühlung durch kontinuierliches Hin- und Herwandern des Ölstrahls 4 über die Rippen 25 erreicht werden kann. Das Wandern des Ölstrahls wird dabei durch die Auf- und Abbewegung des Kolbens 1 zwischen seinem oberen Totpunkt OT und seinem unteren Totpunkt UT bewirkt. Die Rippen 25 können dabei vorzugsweise mittels Prägen mit einem entsprechenden Schmiede- bzw. Prägestempel während des Warmumformprozesses eingeprägt bzw. eingeschmiedet werden. Dabei hat sich gezeigt, dass dies besonders gut und einfach gelingt, sofern die Rippen 25 verrundet ausgeführt sind bzw. einer Sinusform folgen.
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Vorzugsweise wird in dem Kühlkanal 5 als Kühlmedium 6 beispielsweise Natrium und/oder Kalium verwendet, wobei insbesondere auch Mischungen daraus in Frage kommen, die beispielsweise bei –12 °C flüssig werden und beim Betrieb der Brennkraftmaschine 2 durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens 1 hin und her geschüttelt werden und dadurch Wärme vom Kolbenboden 13 aufnehmen und in den Kolbenschaft 3 abtragen. Alternativ dazu kann auch Wasser als Kühlmedium 6 verwendet werden. Wasser bietet den Vorteil, dass es sehr kostengünstig ist und hierfür eine weitaus unkompliziertere Befüllungsanlage verwendet werden kann. Darüber hinaus ist es überall verfügbar und stellt keine Gefahr für Mensch und Umwelt dar. Das Funktionsprinzip basiert hierbei auf der Nutzung von Verdampfungs- und Kondensationsenthalpie des Kühlmediums 6. Das Wasser verdampft im oberen Bereich des Kühlkanals 5, welcher dem Kolbenboden 13 und der Brennraummulde 7 zugewandt ist, und kondensiert im unteren Teil des Kühlkanals 5, wo die Wärme z.B. an den Kolbenschaft 3 abgegeben wird. Das Funktionsprinzip funktioniert dabei analog zu einem Wärmerohr, mit welchem man große Wärmemengen übertragen kann. Eine derartige „Heatpipe“ nutzt die Verdampfungs- und Kondensationsenthalpie des Kühlmediums (Arbeitsmediums) aus. Bei der Verwendung von Wasser als Kühlmedium 6 muss genau auf die Füllmenge geachtet werden, da Wasser im Vergleich zu Natrium-Kalium ein schlechterer Wärmeleiter ist und es lediglich auf die Verdampfungs- und Kondensationsenthalpie ankommt. Um den Wärmetransport durch das Wasser hindurch möglichst nicht zu behindern, ist es daher von Vorteil, wenn in etwa nur so viel Wasser im Kühlkanal 5 vorhanden ist, dass die bei einem Arbeitstakt in den Kolben 1 eintretende maximale Energie möglichst den größten Teil des vorliegenden Wassers verdampft. Eine Befüllmenge von typischerweise 0,01 % bis 10% des Volumens des Kühlkanals 5 dürfte demnach bereits ausreichen, um die Wärme von den heißen Stellen des Kolbens 1 in kältere Bereiche zu transportieren. Die Funktion dieser Methode ist dabei an die physikalischen Eigenschaften von Wasser gebunden, wonach beim Übergang von der flüssigen Phase in die Gasphase Wärme aufgenommen und umgekehrt beim Kondensieren des Wasserdampfes Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Die Funktion ist demnach nach oben auf eine maximale Temperatur von 374°C (kritische Temperatur) begrenzt, da oberhalb der kritischen Temperatur kein Phasensprung auftritt. Nach unten wirkt der Schmelzpunkt des Wassers bei 0°C begrenzend. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere für Stahlkolben im Betrieb des Motors dieser Temperaturbereich nicht verlassen wird. Typischerweise werden Temperaturen zwischen 100 bis 300 °C beobachtet. Der Betrag der Ausdehnung des Kühlkanals 5 unter Druck muss natürlich bei der Auslegung berücksichtigt werden, was evtl. zu höheren Wandstärken im Bereich des Kühlkanals 5 führen kann. Der Druck variiert dabei typischerweise zwischen maximal 50 bis 100 bar, abhängig vom jeweiligen Motorkonzept.
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Bei hohen spezifischen Leistungen hat sich zudem gezeigt, dass durch Zugabe von Salz bzw. gut wärmeleitenden Pulvern (z.B. auf Basis von Kupfer, Aluminium oder Siliziumkarbid oder niedrig schmelzende Metalle wie Zinn, ein SnBi-Eutektikum, Wismut oder Gallium), die Siedeleistung des Wassers deutlich erhöht wird und das ansonsten, ab einer Wärmestromdichte von etwa 1000kW/m2, auftretende Filmsieden, zu höheren Wärmestromdichten hin verschoben werden kann.
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Betrachtet man die 4, so kann man erkennen, dass sich die Rippen 25 im Wesentlichen in radialer Richtung zur Kolbenachse 8 erstrecken und dass zwischen den einzelnen Rippen 25 Vertiefungen 23 angeordnet sind, wobei ein Volumen der aus der Kolbenunterseite 22 herausstehenden Rippen 25 dem Volumen der in die Kolbenunterseite 22 eingeprägten Vertiefungen 23 entspricht. Hierdurch findet beim Prägen bzw. Schmieden der Rippen nur lokal ein Fließen des Materials statt, wodurch sich nur eine sehr geringe bis gar keine zusätzliche Belastung für das Schmiedewerkzeug ergibt, die Standzeit des Werkzeugs wird nicht oder nur unwesentlich negativ beeinflusst. Die Rippen 25 bzw. die Vertiefungen 23 können somit weitestgehend kostenneutral eingebracht werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Kolben 1 und seiner ballig runden Querschnittsform im Bereich des Kolbenschaftes lässt sich eine Anlagefläche an eine Zylinderlaufbuchse 11 bzw. eine Zylinderwand 10 der Brennkraftmaschine erhöhen, wodurch ein verbesserter Wärmeübertrag und damit auch eine verbesserte Kühlung des Kolbens 1 erreicht werden kann, was insbesondere für hochaufgeladene Dieselmotoren mit einer spezifischen Leistung von größer als 60 kW je Liter Hubraum von großem Vorteil ist.
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Zusätzlich zu der ballig runden Querschnittsform des Kolbenschaftes 3 können weitere die Kühlung des Kolbens 1 begünstigende Maßnahmen, wie beispielsweise die Rippen 25, die Bohrungen 20, die Erweiterungen 15 kumulativ oder alternativ angewandt werden.
