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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, der eine Brennmulde, eine Ringpartie sowie einen zwischen der Brennmulde und der Ringpartie angeordneten Kühlkanal aufweist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Leitelement für einen solchen Kolben.
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Kolben kommen in Brennkraftmaschinen zum Einsatz und sind im Betrieb der Brennkraftmaschine extremen thermochemischen Bedingungen ausgesetzt. Gattungsgemäße Kolben weisen einen Kolbenkopf auf, der stirnseitig eine Brennmulde aufweist. Eine radial außenseitige und umlaufende Ringpartie des Kolbens dient zudem der Aufnahme beispielsweise zumindest eines Abstreifrings und/oder einer Ringdichtung.
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Um den Bedingungen im Betrieb der zugehörigen Brennkraftmaschine zu genügen, ist es neben der Material- und Werkstoffauswahl zum Herstellen des Kolbens bekannt, den Kolben zu kühlen. Zu diesem Zweck ist im Kolben ein Kühlkanal vorgesehen, der sich in Umfangsrichtung zwischen der Brennmulde und der Ringpartie erstreckt. Im Kühlkanal ist ein Kühlmittel, beispielsweise ein Kühlöl, eingebracht, das sich insbesondere durch die im Betrieb der Brennkraftmaschine ergebenden Aufwärtshübe und Abwärtshübe bewegt und somit zu einer Kühlung des Kolbens führt.
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Zum Verbessern der Kühlwirkung mit dem Kühlkanal ist es wünschenswert, bei den Bewegungen des Kolbens eine Strömung des Kühlmittels beeinflussen zu können. Zu diesem Zweck ist es bekannt, den Kühlkanal mit einem Querschnitt auszubilden, der nierenförmig ist. Diese auch „Kidney Shape“ genannten Kühlkanäle führen zu einer verbesserten Strömung des Kühlmittels innerhalb des Kühlkanals. Derartige Kühlkanäle sind aber aufgrund der benötigten Herstellungsschritte, insbesondere der Zerspanung, kompliziert und kostenintensiv. Ein weiterer Nachteil derartiger Kolben ist es, dass die Kühlung überwiegend im Brennmuldenbereich stattfindet und eine Kühlung der Ringpartie vernachlässigt wird.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, für einen Kolben der eingangs genannten Art eine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine verbesserte Kühlung und/oder kostengünstige und/oder einfache Herstellung auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in einem Kühlkanal eines Kolbens ein Leitelement anzuordnen, das im Betrieb des Kolbens, d. h. während der Aufwärtshübe und Abwärtshübe des Kolbens, eine gezielte Strömung eines im Kühlkanal befindlichen Kühlmittels sowie eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels zur Folge hat. Somit ist es möglich, den Kühlkanal an sich in einer einfachen Form, insbesondere mit einem vereinfachten Querschnitt, herzustellen und das Leitelement in dem Kühlkanal einzusetzen, sodass die Herstellung des Kolbens vereinfacht und/oder kostengünstig ist. Zudem führt das Leitelement durch die gezielte Lenkung des Kühlmittels zu einer verbesserten Kühlung des Kolbens.
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Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist der Kolben einen Kolbenkopf auf, der an einer in einer Axialrichtung oberen Stirnseite eine Brennmulde aufweist. Die Brennmulde erstreckt sich hierbei axial in den Kolbenkopf hinein. Der Kolben weist ferner, insbesondere am Kolbenkopf, eine radial außenseitige Ringpartie auf. Die Ringpartie weist zumindest eine Ringaufnahme auf. Die jeweilige Ringaufnahme dient insbesondere der Aufnahme eines Abstreifrings oder einer Ringdichtung.
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Zwischen der Brennmulde und der Ringpartie ist der Kühlkanal angeordnet, der in Umfangsrichtung verläuft. Der Kühlkanal ist von einer radial inneren Wand, nachfolgend Innenwand genannt, einer radial äußeren Wand, nachfolgend Außenwand genannt, sowie einer axial oberen Wand, nachfolgend Oberwand genannt, und einer axial unteren Wand, nachfolgend Unterwand genannt, des Kolbens begrenzt. Erfindungsgemäß ist im Kanal ein sich in Umfangsrichtung erstreckendes Leitelement angeordnet. Das Leitelement weist ein axial oberes Oberteil, ein axial unteres Unterteil sowie zwischen dem Oberteil und dem Unterteil ein Mittelteil auf. Das Oberteil und das Unterteil sind jeweils am Kolben angebracht. Hierbei geht das Oberteil über einen Übergangsabschnitt des Leitelements, nachfolgend oberer Übergangsabschnitt genannt, in das Mittelteil über. Zudem geht das Unterteil in einem zugehörigen Übergangsabschnitt, nachfolgend unterer Übergangsabschnitt genannt, in das Mittelteil über. Der obere Übergangsabschnitt und der untere Übergangsabschnitt sind zueinander radial und axial versetzt, wobei sich das Mittelteil vom oberen Abschnitt bis zum unteren Abschnitt erstreckt. Somit verläuft das Mittelteil durch den Kühlkanal hindurch und bezüglich der Axialrichtung zumindest bereichsweise geneigt. Das Leitelement weist zudem im Oberteil zumindest eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Aussparung, nachfolgend obere Aussparung genannt, und im Unterteil zumindest eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Aussparung, nachfolgend untere Aussparung genannt, auf.
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Mit dem Leitelement, insbesondere mit dem Mittelteil, erfolgt also eine Unterteilung des Kühlkanals in einen radial innerer Kanalabschnitt, nachfolgend auch Innenabschnitt genannt, und einen radial äußeren Kanalabschnitt, nachfolgend auch Außenabschnitt genannt. Der Innenabschnitt und der Außenabschnitt sind dabei axial oben durch die zumindest eine obere Aussparung und axial unten durch die zumindest eine untere Aussparung miteinander fluidisch verbunden.
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Die vorliegenden Richtungsangaben beziehen sich auf die Axialrichtung, wobei die Axialrichtung insbesondere der Hubrichtung des Kolbens in einer zugehörigen Brennkraftmaschine entspricht. Das heißt, dass radial bzw. die Radialrichtung quer zur Axialrichtung verläuft. Das heißt ferner, dass die Umfangsrichtung um die Axialrichtung verläuft. Axial oben bezieht sich ferner auf die Orientierung der Axialrichtung hin zur oberen Stirnseite. Analog hierzu bezieht sich axial unten auf die Orientierung der Axialrichtung weg von der oberen Stirnseite.
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Das Mittelteil hat zusammen mit der zumindest einen oberen Aussparung und der zumindest einen unteren Aussparung zur Folge, dass bei einem Abwärtshub des Kolbens im Betrieb der zugehörigen Brennkraftmaschine, also die Bewegung des Kolbens axial nach unten, das sich im Kühlkanal befindende Kühlmittel, insbesondere Kühlöl, durch das Mittelteil in einer gezielten Richtung gelenkt und/oder überwiegend in einem der Abschnitte des Kühlkanals, das heißt in Innenabschnitt oder im Außenabschnitt, gehalten wird. Dies führt zu einer gezielten Strömung des Kühlmittels und einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels, sodass insgesamt die Kühlung des Kolbens verbessert wird. Beim Wechsel vom Abwärtshub zum Aufwärtshub, also der Bewegung des Kolbens axial nach oben, kann das Kühlmittel durch die zumindest eine obere Aussparung das Leitelement radial durchströmen und in den anderen Abschnitt des Kühlkanals strömen, und beim Aufwärtshub axial nach unten strömen, sodass wiederum eine gezielte Strömung und eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels erreicht sind, die ebenfalls zu einer verbesserten Kühlung des Kolbens beitragen. Beim Abwärtshub kann das Kühlmittel dann durch die zumindest eine untere Aussparung radial durch das Leitelement in den zuerst genannten Abschnitt den Kühlkanals strömen und anschließend, wie vorstehend beschrieben, durch den Abwärtshub mit dem Mittelteil gezielt umgelenkt werden. Somit werden im Betrieb des Kolbens sowohl beim Abwärtshub als auch beim Aufwärtshub eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit und eine gezielte Strömung des Kühlmittels erreicht, die insgesamt zu einer verbesserten Kühlung des Kolbens führen.
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Zweckmäßig ist das Leitelement, insbesondere das Mittelteil, abgesehen von den Aussparungen geschlossen ausgebildet, sodass das Kühlmittel entlang des Leitelements strömt, ohne dieses zu durchströmen.
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Die Wände des Kühlkanals begrenzen vorzugsweise den Kühlkanal innenseitig. D. h., dass die Wände des Kühlkanals vorteilhaft einen Strömungspfad des Kühlkanals innerhalb des Kühlkanals begrenzen.
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Prinzipiell kann das Leitelement sich lediglich in Umfangsrichtung über einen Teilabschnitt des Kühlkanals erstrecken. Bevorzugt ist es, wenn das Leitelement sich im Kühlkanal in Umfangsrichtung geschlossen erstreckt. Auf diese Weise ist eine verbesserte, über die Umfangsrichtung homogene Umlenkung des Kühlmittels mit dem Leitelement möglich, sodass der Kolben entlang des gesamten Kühlkanals verbessert gekühlt wird.
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Das Leitelement kann prinzipiell auf beliebige Weise hergestellt sein. Vorstellbar ist es insbesondere, dass es sich bei dem Leitelement um ein Blechbauteil handelt. D. h., dass das Leitelement aus einem Blech, insbesondere durch Umformen und Freischneiden, beispielsweise Stanzen, hergestellt sein kann. Ebenso ist es vorstellbar, dass das Leitelement ein Spritzgussbauteil ist, also durch ein Spritzgussverfahren hergestellt ist.
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Das Leitelement kann prinzipiell aus einem beliebigen Material hergestellt sein. Zu denken ist insbesondere an die Herstellung des Leitelements aus einem Metall, beispielsweise aus Aluminium, oder aus einem Kunststoff. Selbstverständlich kann das Leitelement auch als ein Hybridbauteil hergestellt sein, das mehrere Materialien und/oder Werkstoffe aufweist.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen das Oberteil an der Oberwand angebracht ist. D. h. insbesondere, dass das Oberteil außerhalb der Aussparungen bezüglich der Oberwand fixiert ist. Dies führt dazu, dass das Leitelement insgesamt im Kühlkanal eine vorgegebene Position und/oder Orientierung aufweist, sodass die Strömung des Kühlmittels im Betrieb gezielter gelenkt und beeinflusst werden und die Kühlung des Kolbens somit verbessert werden kann. Als vorteilhaft gilt es hierbei, wenn das Oberteil an der Oberwand anliegt.
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Der obere Übergangsabschnitt und der unter Übergangsabschnitt können prinzipiell beliebig im Kühlkanal angeordnet sein, sofern sie zueinander radial und axial versetzt sind.
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Bevorzugt ist es, wenn die Innenwand des Kühlkanals den Kühlkanal radial innenseitig und zudem die Brennmulde radial außenseitig begrenzt. Somit wird eine Kühlung der Brennmulde, insbesondere radial außenseitig, verbessert.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Außenwand des Kühlkanals den Kühlkanal radial außenseitig und zudem die Ringpartie radial innenseitig begrenzt. Insbesondere weist die Außenwand zumindest eine der wenigstens einen Ringaufnahmen der Ringpartie auf. Auf diese Weise wird die Kühlung der Ringpartie verbessert.
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Bevorzugt ist es, wenn der obere Übergangsabschnitt radial innenseitig des Oberteils angeordnet ist. Vorteilhaft ist es ferner, wenn der untere Übergangsabschnitt radial außenseitig des Unterteils angeordnet ist. Dies hat zur Folge, dass sich das Mittelteil zwischen der radialen Außenseite an der radialen Innenseite erstreckt. Folglich wird das Kühlmittel durch das Mittelteil beim Abwärtshub radial nach innen gelenkt, sodass es zumindest mehrheitlich nach oben und radial nach innen strömt und insbesondere die Innenwand des Kühlkanals und somit die Brennmulde radial außenseitig kühlt. Beim Aufwärtshub wird das Kühlmittel, zumindest mehrheitlich, radial nach außen gelenkt, sodass es die Außenwand und somit die Ringpartie radial innenseitig kühlt. Auf diese Weise wird also neben der gezielten Strömung auch eine gezielte Kühlung der Brennmulde und der Ringpartie während den entsprechenden Betriebszyklen des Kolbens, d. h. während der aufeinanderfolgenden Abwärts- und Aufwärtshübe erreicht.
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Als vorteilhaft gelten Ausführungsformen, bei denen das Unterteil an der Außenwand und/oder an der Unterwand angebracht ist. Insbesondere ist das Unterteil an einem Übergang zwischen der Unterwand und der Außenwand angebracht. Dies hat zur Folge, dass mit dem Mittelteil eine verbesserte Unterteilung des Kühlkanals in den Innenabschnitt und den Außenabschnitt erfolgt.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen der Kühlkanal im Querschnitt eine viereckige Grundform aufweist, bei der die Wände des Kühlkanals jeweils eine Seite der Grundform bilden. Somit kann der Kühlkanal, insbesondere im Vergleich zu einer nierenförmigen Grundform kostengünstiger und einfacher hergestellt werden.
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Vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Seiten des Kühlkanals und somit die Wände des Kühlkanals über abgerundete Ecken ineinander übergehen. Auch somit wird die Herstellung des Kolbens vereinfacht. Zudem wird somit die Strömung des Kühlmittels im Kühlkanal verbessert.
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Das Unterteil kann prinzipiell innerhalb des Kühlkanals beliebig am Kolben angebracht sein.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen das Unterteil an der Ecke zwischen der Unterwand und der Außenwand angebracht ist. Somit wird die Strömung des Kühlmittels entlang der Unterwand vereinfacht, insbesondere eine Strömung des Kühlmittels durch die zumindest eine untere Aussparung vereinfacht. Dies führt insbesondere dazu, dass bei einem Wechsel vom Aufwärtshub in den Abwärtshub des Kolbens das Kühlmittel überwiegend durch die zumindest eine untere Aussparung und somit in den Innenabschnitt des Kühlkanals strömt, sodass die Strömung des Kühlmittels gezielt dahingehend beeinflusst und die Strömungsgeschwindigkeit weiter erhöht wird. Dies führt zu einer verbesserten und gezielteren Kühlung des Kolbens.
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Das Mittelteil kann prinzipiell im Querschnitt zwischen dem oberen Übergangsabschnitt und dem unteren Übergangsabschnitt eben verlaufen. Somit kann das Leitelement einen im Wesentlichen z-förmigen Querschnitt außerhalb der Aussparungen aufweisen.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen das Mittelteil im Querschnitt zwischen dem oberen Übergangsabschnitt und dem unteren Übergangsabschnitt eine geschwungene Form aufweist, insbesondere derart, dass das Leitelement einen S-förmigen Querschnitt aufweist. Auf diese Weise wird das Strömen des Kühlmittels entlang des Mittelteils verbessert und die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels somit erhöht. Dies führt zu einer verbesserten Kühlung des Kolbens.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen das Leitelement zumindest zwei obere Aussparungen aufweist, welche in Umfangsrichtung zueinander beabstandet sind. Zwischen zwei in Umfangsrichtung beabstandeten oberen Aussparungen ist also ein Abschnitt des Oberteils, nachfolgend auch oberer Auflageabschnitt genannt, angeordnet, der diese oberen Aussparungen voneinander trennt. Somit wird eine radiale Durchströmung des Leitelements entsprechend der oberen Aussparungen über einen größeren Bereich in Umfangsrichtung ermöglicht. Zudem kann somit der Oberteil über den jeweiligen oberen Auflageabschnitt am Kolben angebracht sein, insbesondere auf zumindest einer der den Kühlkanal begrenzenden Wände aufliegen.
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Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt, wenn das Leitelement zumindest zwei in Umfangsrichtung zueinander beabstandete untere Aussparungen aufweist. Auf diese Weise wird die radiale Durchströmung des Leitelements entsprechend der unteren Aussparungen in Umfangsrichtung verteilt erlaubt. Die unteren Aussparungen sind hierbei durch Abschnitte des Unterteils, nachfolgend auch untere Auflageabschnitte genannt, angeordnet, der diese oberen Aussparungen voneinander trennt. Somit wird eine radiale Durchströmung des Leitelements entsprechend der oberen Aussparungen über einen größeren Bereich in Umfangsrichtung ermöglicht. Ferner kann somit das Unterteil über den jeweiligen unteren Auflageabschnitt am Kolben angebracht sein, insbesondere auf zumindest einer der den Kühlkanal begrenzenden Wände aufliegen.
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Die jeweilige Aussparung kann sich prinzipiell in Umfangsrichtung über einen beliebigen Winkelbereich erstrecken.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen sich die oberen Aussparungen jeweils über den gleichen Winkelbereich erstrecken und in Umfangsrichtung gleichmäßig, insbesondere äquidistant, angeordnet sind. Dies führt zu einer entsprechend homogeneren Durchströmung des Leitelements.
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Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt, wenn die unteren Aussparungen sich jeweils über den gleichen Winkelbereich erstrecken und in Umfangsrichtung gleichmäßig, insbesondere äquidistant, angeordnet sind. Somit wird eine homogenere Durchströmung des Leitelements in Umfangsrichtung erlaubt.
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Vorteilhaft ist es, wenn sich die oberen Aussparungen über einen größeren Winkelbereich erstrecken als die unteren Aussparungen. Insbesondere sind somit die oberen Auflageabschnitte in Umfangsrichtung kleiner als die unteren Auflageabschnitte.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen ist das Leitelement über das Oberteil und das Unterteil im Kühlkanal verspannt. Dies führt insbesondere dazu, dass eine verbesserte Umlenkung des Kühlmittels mit dem Leitelement erfolgt, da das Leitelement mechanisch stabilisiert ist. Zudem führt dies dazu, dass das Leitelement thermische Spannungen verbessert ausgleicht und somit zu einer erhöhten Lebensdauer des Kolbens beiträgt.
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Das Leitelement kann prinzipiell beliebig innerhalb des Kühlkanals am Kolben angebracht sein.
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Vorstellbar ist es insbesondere, die Auflageabschnitte des Oberteils und/oder des Unterteils im Kühlkanal zu fügen, insbesondere stoffschlüssig zu fügen, beispielsweise zu löten, zu schweißen usw. Hierbei kommen insbesondere Laserpunktschweißverfahren zum Einsatz.
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Ist der Kühlkanal mit einem Versorgungskanal mit dem Kühlmittel versorgt, ist das Leitelement zweckmäßig derart angeordnet, dass keiner der Auflageabschnitt auf dem Versorgungskanal angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist es vorstellbar, das Leitelement im Bereich des Versorgungskanals mit einer zusätzlichen Aussparung zu versehen, die sich insbesondere lokal auch in das Mittelteil hineinerstrecken kann.
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Der Kolben kann prinzipiell ein beliebiger Art Kolben sein, insbesondere auf beliebige Art hergestellt sein.
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Bei dem Kolben kann es sich insbesondere um einen zweiteiligen Kolben mit einem Oberteil und einem Unterteil, auch Topweld-Kolben oder Monolite-Kolben genannt, handeln. Bei derartigen Kolben wird der Kühlkanal vom Oberteil und vom Unterteil des Kolbens gebildet. Dabei wird das Leitelement beim Herstellen des Kolbens in dem Kolbenunterteil einzusetzen und anschließend das Kolbenoberteil anzubringen und mit dem Kolbenunterteil zu verbinden. Hierbei kann das Leitelement am Kolbenunterteil zuvor fixiert, beispielsweise verschweißt, insbesondere laserpunktgeschweißt, sein. Alternativ ist es vorstellbar, das Leitelement im Kolbenoberteil einzusetzen, das Kolbenunterteil am Kolbenoberteil anzubringen und das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil miteinander zu verbinden. Auch hier ist es vorstellbar, das Leitelement vor dem Anbringen des Kolbenunterteils am Kolbenoberteil zu fixieren, insbesondere zu verschweißen, beispielsweise laserpunktschweißen.
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Ebenso kann es sich bei dem Kolben um einen Monotherm-Kolben handeln. In diesem Fall ist der Kühlkanal durch zumindest eine Öffnung offen, wobei die Öffnung durch zumindest ein Verschlusselement verschlossen ist. Hierbei ist es bevorzugt, wenn das Leitelement mit dem Unterteil zwischen einer axialen Unterseite der Ringpartie und dem zumindest einen Verschlusselement angeordnet, insbesondere verklemmt, ist.
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Es versteht sich, dass neben dem Kolben auch ein solches Leitelement als solches zum Umfang dieser Erfindung gehört.
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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 geschnittene, isometrische Ansicht eines Kolbens mit einem Leitelement,
- 2 eine isometrische Ansicht des Leitelements,
- 3 einen ersten Schnitt durch den Kolben im Bereich des Leitelements,
- 4 einen zweiten Schnitt durch den Kolben im Bereich des Leitelements,
- 5 einen Schnitt durch den Kolben bei einem anderen Ausführungsbeispiel,
- 6 einen Schnitt durch den Kolben bei einem weiteren Ausführungsbeispiel,
- 7 einen Schnitt durch den Kolben bei einem anderen Ausführungsbeispiel.
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Ein Kolben 1, wie er in den 1 sowie 3 bis 7 gezeigt ist, weist ein Leitelement 2 auf, wie es beispielsweise in den 1 bis 7 gezeigt ist. Bei dem jeweiligen Kolben 1 handelt es sich dabei um einen Hubkolben. Der Kolben 1 weist einen Kolbenkopf 3 auf, der an einer in einer Axialrichtung 4 oberen Stirnseite 5 eine Brennmulde 6 aufweist, welche sich axial in den Kolbenkopf 3 hineinerstreckt. Der Kolben 1 weist ferner am Kolbenkopf 3 eine in einer quer zur Axialrichtung 4 verlaufenden Radialrichtung außenseitige, nachfolgend auch kurz radial außenseitige, sich in einer Umfangsrichtung 7 erstreckende Ringpartie 8 auf, die in Umfangsrichtung 7 geschlossen verläuft. Die Ringpartie 8 dient der Aufnahme zumindest eines nicht gezeigten Ringes und weist zu diesem Zweck wenigstens eine radial nach außen offene Ringaufnahme 9 auf, wobei die Ringpartie 8 in den gezeigten Ausführungsbeispielen beispielhaft drei solche Ringaufnahmen 9 aufweist. Auf der axial von der Stirnseite 5 abgewandten Seite der Ringpartie 8 weist der Kolben 1 einen Kolbenschaft 10, auch Kolbenhemd 10 genannt, auf, in der eine Bolzennabe 11 zum Durchführen eines nicht gezeigten Bolzens einer nicht gezeigten Pleuelstange ausgebildet ist. Der Kolben 1 weist ferner zwischen der Brennmulde 6 und der Ringpartie 8 einen Kühlkanal 12 auf, der sich in Umfangsrichtung 7, in den gezeigten Ausführungsbeispielen geschlossen, erstreckt. Der Kühlkanal 12 der gezeigten Ausführungsbeispiele ist radial zwischen der Brennmulde 6 und der Ringpartie 8 angeordnet. Der Kühlkanal 12 weist in den gezeigten Ausführungsbeispielen im Querschnitt, d. h. in einer durch die Axialrichtung 4 und Radialrichtung aufgespannten Schnittebene, eine viereckige Grundform auf. Dabei wird der Kühlkanal 12 durch eine axial obere Wand 13, nachfolgend auch Oberwand 13 genannt, eine axial untere Wand 14, nachfolgend auch Unterwand 14 genannt, eine radial äußere Wand 15, nachfolgend auch Außenwand 15 genannt, und eine radial innere Wand 16, nachfolgend auch Innenwand 16 genannt, des Kolbens 1 begrenzt. Die Innenwand 16 begrenzt somit den Kühlkanal 12 radial innenseitig und die Brennmulde 6 radial außenseitig. Die Außenwand 15 begrenzt den Kühlkanal 12 radial außenseitig und die Ringpartie 8 radial innenseitig. Insbesondere sind die Ringaufnahmen 9 der Ringpartie 8 in der Außenwand 15 angeordnet, insbesondere ausgebildet. In den gezeigten Ausführungsbeispielen gehen die Wände 13, 14, 15, 16 im Bereich Kühlkanals 12 über gekrümmte Ecken 28 ineinander über.
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Das Leitelement 2 ist im Kühlkanal 12 angeordnet und erstreckt sich in Umfangsrichtung 7, in den gezeigten Beispielen geschlossen, und somit entlang des gesamten Kühlkanals 12.
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Das Leitelement 2 weist ein axial oberes Teil 17, nachfolgend auch Oberteil 17 genannt, ein axial unteres Teil 18, nachfolgend auch Unterteil 18 genannt, sowie ein Teil 19 zwischen dem Oberteil 17 und dem Unterteil 18 auf, das nachfolgend auch als Mittelteil 19 bezeichnet wird, auf. Das Oberteil 7 geht in einem oberen Übergangsabschnitt 20 in das Mittelteil 19 über. Das Unterteil 18 geht über einen unteren Übergangsabschnitt 21 in das Mittelteil über. Der obere Übergangsabschnitt 20 und der untere Übergangsabschnitt 21 des Leitelements 2 sind hierbei axial und radial zueinander versetzt angeordnet. Das Mittelteil 19 erstreckt sich vom oberen Übergangsabschnitt 20 bis zum unteren Übergangsabschnitt 21 und verläuft somit durch den Kühlkanal 12 hindurch zur Axialrichtung 4 zumindest bereichsweise geneigt. Somit unterteilt das Leitelement 2 den Kühlkanal 12 in einen radial inneren Kanalabschnitt 22, nachfolgend auch Innenabschnitt 22 genannt, und einen radial äußeren Kanalabschnitt 23, nachfolgend auch Außenabschnitt 23 genannt. In den gezeigten Ausführungsbeispielen verläuft das Mittelteil 19 des Leitelements 2 im Querschnitt gekrüm mt.
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Das Oberteil 17 des Leitelements 2 weist ferner zumindest eine Aussparung 24 auf, die nachfolgend auch als obere Aussparung 24 bezeichnet wird und sich in Umfangsrichtung 7 erstreckt. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist die jeweilige obere Aussparung 24 axial nach oben offen und erstreckt sich bis zum oberen Übergangsabschnitt 20. In den gezeigten Ausführungsbeispielen weist das Leitelement 2 mehrere solche obere Aussparungen 24 auf, welche in Umfangsrichtung 7 zueinander beabstandet und voneinander getrennt sind. Die oberen Aussparungen 24 sind somit von Abschnitten 25 des Oberteils 17 in Umfangsrichtung 7 voneinander getrennt, wobei diese Abschnitte 25 nachfolgend auch als obere Auflageabschnitte 25 bezeichnet werden. Die oberen Aussparungen 24 der gezeigten Ausführungsbeispiele erstrecken sich jeweils in Umfangsrichtung 7 über den gleichen Winkelbereich. Die oberen Aussparungen 24 verbinden jeweils den Innenabschnitt 22 des Kühlkanals 12 mit dem Außenabschnitt 23 des Kühlkanals 12 fluidisch. Das heißt, dass ein nicht gezeigtes, sich im Kühlkanal 12 befindendes Kühlmittel durch die oberen Aussparungen 24 zwischen dem Innenabschnitt 22 und dem Außenabschnitt 23 des Kühlkanals 12 strömen kann.
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Das Unterteil 18 des Leitelements 2 weist zumindest eine sich in Umfangsrichtung 7 erstreckende Aussparung 26 auf, die nachfolgend auch als untere Aussparung 26 bezeichnet wird. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist die jeweilige untere Aussparung 26 axial nach unten offen und erstreckt sich bis zum unteren Übergangsabschnitt 21. In den gezeigten Beispielen weist das Unterteil 18 mehrere untere Aussparungen 26 auf, welche sich jeweils in Umfangsrichtung 7 erstrecken und in Umfangsrichtung 7 durch Abschnitte 27 des Unterteils 18 voneinander getrennt sind, wobei diese Abschnitte 27 nachfolgend auch als untere Auflageabschnitte 27 bezeichnet werden. Die unteren Aussparungen 26 verbinden jeweils den Innenabschnitt 22 und den Außenabschnitt 23 des Kühlkanals 12 fluidisch miteinander.
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Wie insbesondere 2 entnommen werden kann, können sich die jeweiligen oberen Aussparungen 24 über einen gleichen Winkelbereich in Umfangsrichtung 7 erstrecken. Somit weisen die oberen Auflageabschnitte 25 jeweils eine gleiche Erstreckung in Umfangsrichtung 7 auf. Ebenso können sich die unteren Aussparungen 26 in Umfangsrichtung 7 über den gleichen Winkelbereich erstrecken. Somit erstrecken sich auch die unteren Auflageabschnitte 27 in Umfangsrichtung 7 über den gleichen Winkelbereich. Wie 2 ferner entnommen werden kann, können sich die oberen Aussparungen 24 und die unteren Aussparungen 26 über einen verschiedenen Winkelbereich erstrecken. Bei dem gezeigten Beispiel erstrecken sich die oberen Aussparungen 24 jeweils über einen größeren Winkelbereich als die unteren Aussparungen 26. Somit sind die oberen Auflageflächen 25 in Umfangsrichtung 7 kleiner als die unteren Auflagenabschnitte 27. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist der obere Übergangsabschnitt 20 im Vergleich zum unteren Übergangsabschnitt 21 radial nach innen versetzt, d. h. hin zur Brennmulde 6 versetzt angeordnet. Im Betrieb des Kolbens 1, bei dem der Kolben 1 entlang der Axialrichtung 4 in Auf- und Abwärtshüben bewegt wird, wird somit bei einem Abwärtshub das sich im Kühlkanal 12 befindende Kühlmittel im Innenabschnitt 22 des Kühlkanals 12 nach oben gedrückt und durch das Leitelement 2, insbesondere durch das Mittelteil 19, radial in Richtung der Innenwand 16 und somit der Brennmulde 6 gelenkt. Somit erfolgt bei den Abwärtshüben des Kolbens 1 eine gezielte Kühlung der Brennmulde 6. Beim Wechseln vom Abwärtshub zum Aufwärtshub kann das Kühlmittel über die oberen Aussparungen 24 in den Außenabschnitt 23 des Kühlkanals 12 strömen und wird bei dem anschließenden Aufwärtshub durch das Leitelement 2, insbesondere durch das Mittelteil 19, axial nach unten und radial nach außen und somit in Richtung der Außenwand 5 und somit der Ringpartie 8 gelenkt, sodass die Ringpartie 8 bei den Aufwärtshüben des Kolbens 1 gezielt gekühlt wird. Beim Wechsel zwischen dem Aufwärtshub und dem Abwärtshub kann das Kühlmittel über die unteren Aussparungen 26 vom Außenabschnitt 23 in den Innenabschnitt 22 des Kanals 12 strömen, um bei dem anschließenden Abwärtshub, wie vorstehend beschrieben, umgelenkt zu werden und zu strömen. Mit dem Umlenken des Kühlmittels mithilfe des Leitelements 2 erfolgt neben der gezielten Kühlung der Brennmulde 6 und der Ringpartie 8 auch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels, welche zu einer effizienteren Kühlung des Kolbens 1 führt.
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In den Ausführungsbeispielen der 1 sowie 3 bis 5 verlaufen die Wände 13, 14, 15, 16 auf ihrer dem Kühlkanal 12 zugewandten Seite jeweils im Querschnitt flach. Beim Ausführungsbeispiel der 6 verlaufen die Oberwand 13, die Unterwand 14 sowie die Außenwand 15 auf ihren dem Kühlkanal 12 zugewandten Seite im Querschnitt jeweils eben. Demgegenüber verläuft die Innenwand 16 auf ihrer dem Kühlkanal 12 zugewandten Seite im Querschnitt gekrümmt. Beim Ausführungsbeispiel der 7 verläuft die Unterwand 14 auf ihrer dem Kühlkanal 12 zugewandten Seite im Querschnitt flach, wohingegen die Oberwand 13, die Innenwand 16 sowie die Außenwand 15 jeweils auf ihren dem Kühlkanal 12 zugewandten Seite gekrümmt verlaufen.
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Die 1 bis 4 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel des Kolbens 1, wobei 1 eine isometrische Ansicht des Kolbens im Schnitt, 2 eine isometrische Ansicht des Leitelements 2, 3 einen Schnitt durch den Kolben 1 im Bereich des Kühlkanals 12 und einer oberen Aussparung 24 sowie einer unteren Aussparung 26 und 4 einen Schnitt durch den Kolben 1 im Bereich des Kühlkanals 12 und im Bereich eines oberen Auflageabschnitts 25 und eines unteren Auflageabschnitts 27 zeigt. Bei dem in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispielen liegt das Oberteil 17 mit den oberen Auflageflächen 25 flächig an der Oberwand 13 an. Das Unterteil 18 liegt mit den unteren Auflageflächen 27 in der Ecke 28 zwischen der Außenwand 15 und der Unterwand 14 an. Hierbei ist das Leitelement 2 über die oberen Auflageabschnitte 25 und die unteren Auflageabschnitte 27 im Kühlkanal 2 verspannt. Die oberen Auflageabschnitte 25 sind radial nach außen gerichtet, erstrecken sich also radial nach außen, sodass sie radial nach außen enden. Demgegenüber erstrecken sich die unteren Auflageabschnitte 27 radial nach innen, enden also radial innenseitig. Somit ergibt sich eine, wie insbesondere den 1 sowie 3 und 4 entnommen werden kann, S-Form des Leitelements 2 im Querschnitt.
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Die 5 und 6 zeigen jeweils ein anderen Ausführungsbeispiel des Kolbens 1. Diese Ausführungsbeispiele unterscheiden sich von dem in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiel durch die Form des Leitelements 2. Während die unteren Auflageabschnitte 27 des Leitelements 2 im Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 in der Ecke 28 zwischen der Unterwand 12 und der Außenwand 15 im Kanal 12 anliegen, liegen die unteren Auflageabschnitte 27 des Leitelements 2 im Ausführungsbeispiel der 5 und im Ausführungsbeispiel der 6 an der Unterwand 14 an.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kolbens 1 ist in 7 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den in den 1 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispielen insbesondere durch das Leitelement 2. Das Leitelement 2 des Ausführungsbeispiels der 7 unterscheidet sich von den Leitelementen 2 der Ausführungsbeispiele der 1 bis 6 insbesondere dadurch, dass die unteren Auflageabschnitte 27 ebenfalls radial nach außen orientiert sind, d. h. radial nach außen enden. Somit weist das Leitelement 2 des Ausführungsbeispiels der 7 keinen Querschnitt mit S-Form, sondern einen im Wesentlichen C-förmigen Querschnitt auf.
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Die Kolben 1 der Ausführungsbeispiele 1 bis 6 können solche sein, bei denen die Kühlkanäle 12 durch einen zweiteiligen Aufbau des Kolbens 1 hergestellt sind, das heißt, wenn diese zwei Teile aneinander befestigt, insbesondere miteinander verschweißt, sind. Insbesondere kann es sich bei diesen Kolben um sogenannte Topweld-Kolben 29 oder Monolite-Kolben 30 handeln. Dabei kann das jeweilige Leitelement 2 in einen der den Kühlkanal 2 bildenden Teile eingesetzt und darin, beispielsweise durch Laserpunktschweißen, fixiert und anschließend das andere Teil angebracht werden, um den Kühlkanal 12 auszubilden und das Leitelement 2 im Kühlkanal 12 zu verspannen.
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Beim Ausführungsbeispiel der 7 ist der Kolben 1 im Bereich des Kühlkanals 12 radial nach unten offen und wird mit zumindest einem Verschlusselement 31 verschlossen, das im gezeigten Beispiel die Unterwand 14 bildet. In diesem Ausführungsbeispiel sind dabei rein beispielhaft zwei solche Verschlusselemente 31 vorgesehen. Beim Ausführungsbeispiel der 7 handelt es sich bei dem Kolben 1 insbesondere um einen sogenannten Monotherm-Kolben 32. Das jeweilige Verschlusselement 31 verläuft vorteilhaft entlang des gesamten Kühlkanals 12 in Umfangsrichtung 7. Das Leitelement 2 kann im Kolbenkopf 3 angeordnet und fixiert werden, bevor das jeweilige Verschlusselement 31 am Kolbenkopf 3, beispielsweise durch Schweißen, fixiert wird. Alternativ ist es vorstellbar, das Leitelement 2 gemeinsam mit den Verschlusselementen 31 am Kolbenkopf 3 anzubringen. Wie 7 entnommen werden kann, ist bei diesem Ausführungsbeispiel der jeweilige untere Auflageabschnitt 27 axial zwischen einem der Verschlusselemente 31 und dem Kolbenkopf 3, insbesondere zwischen dem Verschlusselement 31 und der Außenwand 15, angeordnet und eingeklemmt.
