EP3325791A1 - Piston for an internal combustion engine - Google Patents

Piston for an internal combustion engine

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EP3325791A1
EP3325791A1 EP16741310.3A EP16741310A EP3325791A1 EP 3325791 A1 EP3325791 A1 EP 3325791A1 EP 16741310 A EP16741310 A EP 16741310A EP 3325791 A1 EP3325791 A1 EP 3325791A1
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EP
European Patent Office
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piston
internal combustion
combustion engine
engine according
cooling channel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16741310.3A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Ralf Meske
Roland Böhm
Michael Scherer
Lea PAUL
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
Original Assignee
Federal Mogul Nuernberg GmbH
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    • 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 invention relates to a piston for a
  • the edge of the combustion bowl is one of the thermally and mechanically most heavily loaded
  • Oil jet is filled.
  • such a cooling channel reduces the temperature. This effect is all the more
  • pistons with cooling channels that are comparatively "high" in the direction of the piston crown are known.
  • the invention has for its object to a piston for an internal combustion engine
  • annular cooling channel with an upper and a lower limit.
  • the upper limit is at least one point which corresponds to a plane through the piston pin axis or a plane perpendicular thereto, further away from the piston crown than in the areas between said planes.
  • the plane through the piston pin axis includes said axis and the piston axis about which the substantially cylindrical piston is formed. This plane can be called a bolt plane.
  • the plane perpendicular thereto also contains the piston axis and can be referred to as a running plane. In operation, the piston is effectively bent over the piston pin, so that the piston is loaded in the bolt plane to train and in the running plane to pressure.
  • the inventive lowering of the upper boundary of the cooling channel at least one, preferably several and
  • Casting used salt core is suitably adjusted.
  • Embodiment conceivable in which the lower boundary of the cooling channel in at least one zone between its inlet and outlet is further away from the piston crown than in the region of the inlet and outlet, in other words, is also lowered. In this way, on the one hand, without compromising the strength, additional weight can be saved. On the other hand, an oil reservoir is created in the lowered areas, which is not emptied during the downward stroke of the piston. As a result, in particular in part-load operation with the oil pump switched off, a heat transfer in the cooling channel can be realized.
  • the annular cooling channel is considered in the direction of the piston axis and thus extends as a full circle over 360 degrees.
  • the upper remains
  • Piston axis measured in the "higher" areas is increased.
  • the desired cooling effect of the cooling channel could be achieved in the piston according to the invention in particular when the upper boundary of the cooling channel is at the level closer to the piston head level approximately at the same height along the piston axis, such as an upper groove flank of an uppermost Kolbenringnut.
  • the piston according to the invention is in one piece,
  • Piston bushings which can be inserted later.
  • an initially two-part, for example, in the upper and lower part separate, and subsequently assembled configuration of the piston is not provided.
  • the piston according to the invention is preferably cast.
  • the figure shows a perspective view of a
  • Substantially annular cooling channel which in the case shown at four points 12, which extend 4- 10 degrees around the bolt and the running plane, is made less high than in the zones between them.
  • the upper boundary of the cooling duct at said locations is further away from the piston crown (located in the figure above) than in the zones therebetween. Between the two levels of the upper boundary, this extends obliquely in the zones 14 over about 20 degrees along the circumference, so that between the bevels each areas of about 30 degrees along the circumference with the upper limit of the Cooling channel remain.
  • the lower boundary 16 of the cooling channel remains substantially at the same level.
  • cooling channel is in the example shown in FIG.
  • Cross section substantially oval and slightly inclined in the case shown to the outside.

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Abstract

A piston for an internal combustion engine has at least one largely annular cooling channel with an upper and a lower delimitation. The upper delimitation is further away from the piston head, in at least one location (12) which corresponds to a plane through the piston head axis or a plane perpendicular to the aforementioned plane, than in the regions between these planes.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor  Piston for an internal combustion engine
TECHNISCHES GEBIET TECHNICAL AREA
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen The invention relates to a piston for a
Verbrennungsmotor . Internal combustion engine.
Bei Dieselmotorkolben gehört der Rand der Brennraummulde zu den thermisch und mechanisch am stärksten belasteten In diesel engine pistons, the edge of the combustion bowl is one of the thermally and mechanically most heavily loaded
Bereichen. Da die Festigkeit der üblicherweise verwendeten Kolbenlegierungen mit steigender Temperatur stark abfällt wird üblicherweise in dem Kolben ein ringförmiger Kühlkanal ausgebildet, der von der Kolbenunterseite her mit einem Areas. Since the strength of the commonly used piston alloys decreases sharply with increasing temperature is usually formed in the piston, an annular cooling channel, which from the piston underside ago with a
Ölstrahl befüllt wird. Ein derartiger Kühlkanal reduziert einerseits die Temperatur. Diese Wirkung ist umso Oil jet is filled. On the one hand, such a cooling channel reduces the temperature. This effect is all the more
ausgeprägter, je höher der Kühlkanal ausgebildet ist. Durch den hierfür notwendigen Hohlraum wird jedoch gleichzeitig das Flächenträgheitsmoment gegen Biegung verringert, so dass sich die mechanischen Spannungen erhöhen. Es liegt somit ein gewisser Zielkonflikt vor, da einerseits die Temperatur abzusenken, andererseits ein möglichst hohes more pronounced, the higher the cooling channel is formed. By virtue of the cavity required for this, however, the area moment of inertia against bending is simultaneously reduced, so that the mechanical stresses increase. There is thus a certain conflict of objectives, on the one hand to lower the temperature, on the other hand the highest possible
Flächenträgheitsmoment beizubehalten ist. Area moment of inertia is to be maintained.
STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART
Als Vorbenutzungsgegenstände sind Kolben mit vergleichsweise „hoch" in Richtung des Kolbenbodens ausgebildeten Kühlkanälen bekannt. Ferner wurden Kühlkanäle teilweise wellenförmig ausgebildet . As prior use items, pistons with cooling channels that are comparatively "high" in the direction of the piston crown are known.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG PRESENTATION OF THE INVENTION
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor zu Against this background, the invention has for its object to a piston for an internal combustion engine
schaffen, der eine verbesserte Balance zwischen der temperatursenkenden Wirkung und der festigkeitsmindernden Einflüsse eines ringförmigen Kühlkanals aufweist. create an improved balance between the having temperature-lowering effect and the strength-reducing influences of an annular cooling channel.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Anspruch 1 beschriebenen Kolben. The solution to this problem is achieved by the piston described in claim 1.
Demzufolge weist dieser zumindest einen weitgehend As a result, this at least has a large extent
ringförmigen Kühlkanal mit einer oberen und einer unteren Begrenzung auf. Hierbei ist die obere Begrenzung an zumindest einer Stelle, die einer Ebene durch die Kolbenbolzenachse oder einer Ebene senkrecht hierzu entspricht, weiter vom Kolbenboden entfernt als in den Bereichen zwischen den genannten Ebenen. Die Ebene durch die Kolbenbolzenachse enthält die genannte Achse und die Kolbenachse, um die herum der weitgehend zylindrische Kolben ausgebildet ist. Diese Ebene kann als Bolzenebene bezeichnet werden. Die Ebene senkrecht hierzu enthält ebenfalls die Kolbenachse und kann als Laufebene bezeichnet werden. Im Betrieb wird der Kolben gewissermaßen über den Kolbenbolzen gebogen, so dass der Kolben in der Bolzenebene auf Zug und in der Laufebene auf Druck belastet wird. annular cooling channel with an upper and a lower limit. Here, the upper limit is at least one point which corresponds to a plane through the piston pin axis or a plane perpendicular thereto, further away from the piston crown than in the areas between said planes. The plane through the piston pin axis includes said axis and the piston axis about which the substantially cylindrical piston is formed. This plane can be called a bolt plane. The plane perpendicular thereto also contains the piston axis and can be referred to as a running plane. In operation, the piston is effectively bent over the piston pin, so that the piston is loaded in the bolt plane to train and in the running plane to pressure.
Die erfindungsgemäße Absenkung der oberen Begrenzung des Kühlkanals an zumindest einer, bevorzugt mehreren und The inventive lowering of the upper boundary of the cooling channel at least one, preferably several and
insbesondere allen vier der genannten Stellen erhöht in diesen, mechanisch besonders belasteten Bereichen das In particular, all four of the named areas increased in these, mechanically particularly stressed areas the
Flächenträgheitsmoment. Gleichzeitig kann in den dazwischen liegenden Zonen durch die näher zum Kolbenboden gelegene obere Begrenzung des Kühlkanals eine besonders umfangreiche Absenkung der Temperatur erreicht werden. In diesen weniger belasteten Bereichen ist der vergleichsweise große Hohlraum, der das Flächenträgheitsmoment verringert, unkritisch. Moment of inertia. At the same time, a particularly extensive lowering of the temperature can be achieved in the intermediate zones by the upper boundary of the cooling channel, which is closer to the piston crown. In these less stressed areas, the comparatively large cavity, which reduces the moment of inertia, is not critical.
In den genannten Ebenen kann dieses jedoch vergleichsweise hoch gehalten werden, und die durch den erfindungsgemäßen Kühlkanal erreichte Kühlwirkung hat sich bei ersten In the above levels, however, this can be kept relatively high, and the cooling effect achieved by the cooling channel according to the invention has at first
Berechnungen dennoch als ausreichend erwiesen. An den mechanisch besonders belasteten Bereichen, wie beispielsweise dem Muldenrand, können somit die auftretenden Spannungen reduziert werden, gleichzeitig kann auch das Potential des Kühlkanals zur Gewichtseinsparung in den mechanisch weniger belasteten Zonen umfangreich genutzt werden. Die genannten Vorteile können darüber hinaus aller Voraussicht nach Calculations nevertheless proved sufficient. To the mechanically particularly stressed areas, such as the trough edge, thus the voltages occurring can be reduced, at the same time, the potential of the cooling channel for weight reduction in the less mechanically loaded zones can be extensively used. In addition, the benefits mentioned in all likelihood
kostenneutral erreicht werden, indem lediglich der beim be achieved cost-neutral, by only the
Gießen verwendete Salzkern in geeigneter Weise angepasst wird . Casting used salt core is suitably adjusted.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben. Preferred developments of the piston according to the invention are described in the further claims.
Wenngleich eine mögliche Ausführungsform darin besteht, die untere Begrenzung des Kühlkanals um dessen gesamten Umfang auf demselben Niveau zu halten, ist alternativ eine Although one possible embodiment is to keep the lower boundary of the cooling duct at the same level around its entire circumference, one alternative is one
Ausführungsform denkbar, bei der die untere Begrenzung des Kühlkanals in zumindest einer Zone zwischen dessen Ein- und Auslass weiter vom Kolbenboden entfernt ist als im Bereich des Ein- und Auslasses, mit anderen Worten, ebenfalls abgesenkt ist. Hierdurch kann zum einen, ohne die Festigkeit zu beeinträchtigen, ergänzend Gewicht eingespart werden. Zum anderen wird in den abgesenkten Bereichen ein Ölreservoir geschaffen, das beim Abwärtshub des Kolbens nicht entleert wird. Hierdurch kann insbesondere im Teillastbetrieb bei abgeschalteter Ölpumpe ein Wärmetransport im Kühlkanal realisiert werden. Embodiment conceivable in which the lower boundary of the cooling channel in at least one zone between its inlet and outlet is further away from the piston crown than in the region of the inlet and outlet, in other words, is also lowered. In this way, on the one hand, without compromising the strength, additional weight can be saved. On the other hand, an oil reservoir is created in the lowered areas, which is not emptied during the downward stroke of the piston. As a result, in particular in part-load operation with the oil pump switched off, a heat transfer in the cooling channel can be realized.
Für den Umfang derjenigen Stellen, an denen die obere For the extent of those places where the upper
Begrenzung des Kühlkanals weiter vom Kolbenboden entfernt ist als dazwischen, hat sich eine Erstreckung von zumindest 4- 10 Grad und/oder maximal +_ 25 Grad um die genannte Ebene als günstig erwiesen. Hierbei wird der ringförmige Kühlkanal in Richtung der Kolbenachse betrachtet und erstreckt sich somit als Vollkreis über 360 Grad. Bevorzugt bleibt die obere Limiting the cooling channel is further away from the piston crown than between, an extension of at least 4- 10 degrees and / or at most + _ 25 degrees around said plane has been found to be favorable. Here, the annular cooling channel is considered in the direction of the piston axis and thus extends as a full circle over 360 degrees. Preferably, the upper remains
Begrenzung über die genannte Erstreckung des Umfangs auf demselben Niveau. Bevorzugt verläuft die obere und gegebenenfalls untere Limitation on the aforementioned extension of scope at the same level. Preferably, the upper and optionally lower runs
Begrenzung des Kühlkanals zwischen den Stellen, an denen die jeweilige Begrenzung weiter von dem Kolbenboden entfernt ist, und den dazwischen liegenden Zonen schräg. Limiting the cooling channel between the points where the respective boundary is further away from the piston crown, and the intermediate zones obliquely.
Besonders bevorzugt wird derzeit ein schräger Verlauf über zumindest etwa 10 Grad und/oder maximal etwa 25 Grad, Particularly preferred is currently an oblique course over at least about 10 degrees and / or at most about 25 degrees,
bevorzugt etwa 20 Grad entlang des Umfangs. preferably about 20 degrees along the circumference.
Im Hinblick auf die vergrößerte Entfernung vom Kolbenboden wird derzeit bevorzugt, dass diese um zumindest etwa 20 In view of the increased distance from the piston crown, it is presently preferred that these be at least about 20
Prozent der Gesamthöhe des Kühlkanals, entlang der Percent of the total height of the cooling channel, along the
Kolbenachse in den "höheren" Bereichen gemessen, vergrößert ist . Piston axis measured in the "higher" areas, is increased.
Die erwünschte Kühlwirkung des Kühlkanals konnte bei dem erfindungsgemäßen Kolben insbesondere dann erreicht werden, wenn die obere Begrenzung des Kühlkanals auf dem näher zu dem Kolbenboden gelegenen Niveau in etwa auf derselben Höhe entlang der Kolbenachse ist, wie eine obere Nutflanke einer obersten Kolbenringnut. The desired cooling effect of the cooling channel could be achieved in the piston according to the invention in particular when the upper boundary of the cooling channel is at the level closer to the piston head level approximately at the same height along the piston axis, such as an upper groove flank of an uppermost Kolbenringnut.
Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Kolben einteilig, Preferably, the piston according to the invention is in one piece,
abgesehen von optional vorhandenen Kolbenringträgern, die eingegossen sein können, und/oder optional vorhandenen apart from optional existing piston ring carriers, which may be cast in, and / or optional existing
Kolbenbuchsen, die nachträglich eingefügt sein können. Eine zunächst zweiteilige, beispielsweise in Ober- und Unterteil getrennte, und nachträglich zusammengefügte Ausgestaltung des Kolbens ist jedoch nicht vorgesehen. Piston bushings, which can be inserted later. However, an initially two-part, for example, in the upper and lower part separate, and subsequently assembled configuration of the piston is not provided.
Vor diesem Hintergrund ist der erfindungsgemäße Kolben bevorzugt gegossen. Against this background, the piston according to the invention is preferably cast.
Für das Material des erfindungsgemäßen Kolbens werden For the material of the piston according to the invention are
Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder Stahl, insbesondere im Rahmen eines Gießvorgangs verwendet, bevorzugt. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG Aluminum, an aluminum alloy or steel, in particular used in the context of a casting operation, preferably. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING
Nachfolgend wird eine beispielhaft in der Figur dargestellte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Hereinafter, an embodiment of the invention shown by way of example in the figure will be explained in more detail.
Die Figur zeigt eine perspektivische Ansicht eines zur The figure shows a perspective view of a
Ausbildung des Kühlkanals in einem erfindungsgemäßen Kolben verwendeten Salzkerns. Formation of the cooling channel used in a piston according to the invention salt core.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVOZRUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG DETAILED DESCRIPTION OF A PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
Wie anhand des in der Figur dargestellten Salzkerns 10 zu erkennen ist, sorgt dieser für die Ausbildung eines im As can be seen from the salt core 10 shown in the figure, this provides for the formation of an im
Wesentlichen ringförmigen Kühlkanals, der im gezeigten Fall an vier Stellen 12, die sich 4- 10 Grad um die Bolzen- und die Laufebene erstrecken, weniger hoch ausgeführt ist als in den Zonen dazwischen. Mit anderen Worten ist die obere Begrenzung des Kühlkanals an den genannten Stellen weiter vom (in der Figur oben befindlichen) Kolbenboden entfernt als in den Zonen dazwischen. Zwischen den beiden Niveaus der oberen Begrenzung verläuft diese in den Zonen 14 über etwa 20 Grad entlang des Umfangs schräg, so dass zwischen den Schrägen jeweils Bereiche von etwa 30 Grad entlang des Umfangs mit der in dem gezeigten Fall auf gleichbleibendem Niveau höher gelegenen oberen Begrenzung des Kühlkanals verbleiben. Substantially annular cooling channel, which in the case shown at four points 12, which extend 4- 10 degrees around the bolt and the running plane, is made less high than in the zones between them. In other words, the upper boundary of the cooling duct at said locations is further away from the piston crown (located in the figure above) than in the zones therebetween. Between the two levels of the upper boundary, this extends obliquely in the zones 14 over about 20 degrees along the circumference, so that between the bevels each areas of about 30 degrees along the circumference with the upper limit of the Cooling channel remain.
Bei dem gezeigten Beispiel bleibt die untere Begrenzung 16 des Kühlkanals im Wesentlichen auf dem gleichen Niveau. In the example shown, the lower boundary 16 of the cooling channel remains substantially at the same level.
Ferner ist der Kühlkanal bei dem gezeigten Beispiel im Furthermore, the cooling channel is in the example shown in FIG
Querschnitt im Wesentlichen oval und in dem gezeigten Fall leicht nach außen geneigt. Cross section substantially oval and slightly inclined in the case shown to the outside.

Claims

Patentansprüche  claims
1. Kolben für einen Verbrennungsmotor mit zumindest einem weitgehend ringförmigen Kühlkanal, der eine obere und eine untere Begrenzung (16) aufweist, wobei die obere Begrenzung an zumindest einer Stelle (12), die einer Ebene durch die Kolbenbolzenachse oder einer Ebene senkrecht hierzu entspricht, weiter vom Kolbenboden entfernt ist als in den Bereichen zwischen den genannten Ebenen . A piston for an internal combustion engine having at least one substantially annular cooling channel having an upper and a lower boundary (16), wherein the upper boundary at at least one point (12) corresponding to a plane through the piston pin axis or a plane perpendicular thereto, farther away from the piston crown than in the areas between said planes.
2. Kolben für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, 2. Piston for an internal combustion engine according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass ferner die untere  characterized in that further comprises the lower
Begrenzung des Kühlkanals in zumindest einem Bereich zwischen dessen Ein- und Auslass weiter vom Kolbenboden entfernt ist als im Bereich des Ein- und Auslasses.  Limiting the cooling channel in at least one area between its inlet and outlet is further away from the piston crown than in the region of the inlet and outlet.
3. Kolben für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Stelle (12) mit der weiter von dem Kolbenboden entfernten oberen 3. Piston for an internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the point (12) with the further away from the piston crown upper
Begrenzung über zumindest + 10 Grad und/oder maximal Limit over at least + 10 degrees and / or maximum
+ 25 Grad in Umfangsrichtung um die genannte Ebene erstreckt . + 25 degrees circumferentially around said plane.
4. Kolben für einen Verbrennungsmotor nach einem der 4. Piston for an internal combustion engine according to one of
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Begrenzung des Kühlkanals zwischen den Stellen preceding claims, characterized in that the upper boundary of the cooling channel between the bodies
(12) mit der weiter von dem Kolbenboden entfernten oberen Begrenzung und den Bereichen dazwischen schräg(12) with the upper boundary further away from the piston crown and the regions therebetween sloping
(14) verläuft. (14) runs.
5. Kolben für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, 5. Piston for an internal combustion engine according to claim 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der schräge Verlauf über zumindest etwa 10°Grad und/oder maximal etwa 25 Grad, bevorzugt etwa 20 Grad entlang des Umfangs ausgebildet ist . Kolben für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Begrenzung an denjenigen Stellen, an denen sie weiter von dem Kolbenboden entfernt ist, um zumindest etwa 20 % der Höhe des Kühlkanals, entlang der characterized in that the oblique course is formed over at least about 10 degrees and / or at most about 25 degrees, preferably about 20 degrees along the circumference. Piston for an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the upper boundary at those points, where it is farther from the piston head, at least about 20% of the height of the cooling channel, along the
Kolbenachse in einem Bereich gemessen, der sich zwischen den genannten Stellen befindet, weiter vom Kolbenboden entfernt ist als in den dazwischen liegenden Bereichen.  Piston axis measured in a range which is located between said points, is further away from the piston crown than in the intermediate areas.
Kolben für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die obere Begrenzung des Kühlkanals auf dem näher zu dem Kolbenboden gelegenen Niveau in etwa auf Piston for an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the upper boundary of the cooling channel at the level closer to the piston head level approximately
derselben Höhe befindet wie eine obere Flanke einer obersten Kolbenringnut.  the same height as an upper flank of an uppermost piston ring groove.
Kolben für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das der Kolben einteilig, optional mit zumindest einem eingegossenen Kolbenringträger und/oder optional mit zumindest einer eingefügten Kolbenbuchse ist. Piston for an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the piston is in one piece, optionally with at least one cast-in piston ring carrier and / or optionally with at least one inserted piston sleeve.
Kolben für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben gegossen ist. Piston for an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the piston is cast.
10. Kolben für einen Verbrennungsmotor nach einem der 10. piston for an internal combustion engine according to one of
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder Stahl besteht.  preceding claims, characterized in that the piston is made of aluminum, an aluminum alloy or steel.
EP16741310.3A 2015-07-21 2016-07-20 Piston for an internal combustion engine Withdrawn EP3325791A1 (en)

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