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Auspuffkrümmer für Verbrennungsmotoren können hohen Wärmebelastungen ausgesetzt sein. Auspuffkrümmer, die in Zylinderköpfen integriert sind (IEM-Zylinderköpfe), können aufgrund der Wärmeübertragungseigenschaften der integrierten Konstruktion eine besonders hohe Wärmebelastung erfahren. IEM-Zylinderköpfe können beispielsweise Abgas zu einem einzigen Abgasaustrittskanal leiten, der während des Betriebs des Fahrzeugs eine hohe Wärmebelastung erfährt.
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Die Wärmebelastung eines integrierten Auspuffkrümmers und von benachbarten Komponenten kann durch Integrieren von Kühlmittelmänteln in den Zylinderkopf verringert werden. Die Kühlmittelmäntel, in denen ein Kühlmittelkern ausgebildet ist, können die Wärmespannungen am Zylinderkopf, die durch Wärme verursacht werden, die während des Motorbetriebs erzeugt wird, verringern. Ein Zylinderkopf mit einem integrierten Auspuffkrümmer wird beispielsweise in
US 7 367 294 offenbart. Ein oberer und ein unterer Kühlmittelmantel umgeben einen Hauptabschnitt des Zylinderkopfs, um Wärme vom Zylinderkopf über Wärmeaustausch mit einem zirkulierten flüssigen Kühlmittel abzuführen.
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Die Erfinder haben jedoch hier Probleme bei dem vorstehend beschriebenen Lösungsansatz erkannt. In einem Beispiel können Abgase unzureichend gekühlt werden. Unter solchen Bedingungen erhöht sich die Temperatur des Zylinderkopfs in einem Bereich des Zylinderkopfs nahe den Auslaßdurchgängen, insbesondere in einem Bereich nahe dem einzigen Auslaßkanal. Infolgedessen können der Zylinderkopf und/oder andere Zylinderkomponenten zu schnell thermisch beeinträchtigt werden. Des Weiteren können stromabwärtige Motor- und Fahrzeugkomponenten, wie zum Beispiel ein Turbolader und/oder ein Abgasreinigungssystem, thermisch beeinträchtigt werden. In einem anderen Beispiel kann durch Teilen eines einzigen Auslaßdurchgangs die Strom- oder Druckpulsationsleitung zwischen Zylindern erhöht werden. Bei überlappenden Impulsen von Zylindern können ein oder mehrere Zylinder einen Hochdruck-Vorauslaß von einem anderen Zylinder erhalten, und somit kann der Motorwirkungsgrad reduziert werden.
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Somit werden hier verschiedene beispielhafte Systeme und Lösungsansätze zum Angehen der obigen Probleme beschrieben. In einem Beispiel umfaßt ein Motorkühlsystem einen Zylinderkopf, der einen integrierten Auspuffkrümmer, der Abgase zu einem Auslaßkanal leitet, einen Kühlmitteldurchgang, der den Auspuffkrümmer umgibt, und eine Gruppe von Auslaßdurchgängen zum Leiten von Abgasen zu dem Auslaßkanal enthält, wobei die Gruppe von Auslaßdurchgängen mindestens ein Bohrloch enthält, das in einem die Auslaßdurchgänge in der Gruppe von Auslaßdurchgängen verbindenden Material angeordnet ist, wobei das mindestens eine Bohrloch mit dem Kühlmitteldurchgang strömungsverbunden ist. Des Weiteren kann die Gruppe von Auslaßdurchgängen ein erstes Auspuffkrümmerrohr, das mit einem ersten Zylinder gekoppelt ist, ein zweites, damit vereinigtes Auspuffkrümmerrohr, das mit einem zweiten Zylinder und einem dritten Zylinder gekoppelt ist, und ein drittes Auspuffkrümmerrohr, das mit einem vierten Zylinder gekoppelt ist, umfassen. Des Weiteren kann der Zylinderkopf einen Temperatursensor enthalten, der in einer oberen Wand des Zylinderkopfs über dem Auslaßkanal angeordnet ist.
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Auf diese Weise kann das Kühlsystem zumindest teilweise einen Überhitzungsschutz für einen Motor bereitstellen, während Wechselwirkungen zwischen den Zylindern reduziert wird. Zum Beispiel kann ein Kühlmittelstrom zwischen den Auspuffkrümmerrohren bereitgestellt werden. Infolgedessen kann eine größere Kühloberfläche für die Auslaßfläche zum Wärmeaustausch mit flüssigem Kühlmittel bereitgestellt werden. Des Weiteren können Hochdruck-Abgasvorauslaßimpulse getrennt werden, und somit kann die Motorleistung verbessert werden. Somit kann eine Temperatur der Abgase und Zylinderkopfkomponenten reduziert werden. Darüber hinaus kann die Kühlung der Abgase die thermische Beeinträchtigung von stromabwärtigen Komponenten, wie zum Beispiel eines Turboladers und/oder eines Abgasreinigungssystems, reduziert werden. Des Weiteren kann der Temperatursensor ein Temperatursignal an eine Steuerung des Fahrzeugs senden, so dass die Steuerung ein frühes Übertemperaturzustandssignal an einen Bediener des Fahrzeugs senden kann. Bei Empfang des frühen Übertemperaturzustandssignals kann der Bediener das Fahrzeug anhalten, bevor es zu einer thermischen Beeinträchtigung kommt. Somit können Leistung und Lebensdauer des Motors, Turboladers und Abgasreinigungssystems verbessert werden, wenn der oben beschriebene Zylinderkopf verwendet wird.
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Es versteht sich, dass die obige Kurzdarstellung dazu vorgesehen ist, in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Sie soll keine Schlüsseloder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Erfindungsgegenstands aufzeigen, dessen Schutzbereich einzig durch die der ausführlichen Beschreibung folgenden Ansprüche definiert wird. Des Weiteren ist der beanspruchte Erfindungsgegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die irgendwelche oben oder in irgendeinem anderen Teil dieser Offenbarung angeführten Nachteile lösen.
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Die Figuren zeigen:
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Zylinderkopfs und zugehörigen Kühlsystems.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften integrierten Kraftstoffzylinderkopfs, der eine Gruppe von Auslaßdurchgängen in einem Auslaßkanal enthält.
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3 zeigt eine ausführlichere Seitenansicht des Auslaßkanals des Zylinderkopfs von 2.
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4 zeigt die Auslaßdurchgangswege der Auslaßdurchgangsgruppe der 2 und 3.
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5 zeigt eine perspektivische Ansicht des Auslaßkanals von 3.
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6 zeigt eine Querschnittsansicht der Gruppe von Auslaßdurchgängen entlang der Achse 6-6' von 2.
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7 zeigt eine Querschnittsansicht des Temperatursensors entlang der Achse 7-7' von 2.
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8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Kühlmittelkerns und der Gruppe von Auslaßdurchgängen des integrierten Kraftstoffzylinderkopfs von 2.
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9 zeigt eine Vorderansicht des Kühlmittelkerns und der Gruppe von Auslaßdurchgängen, die Kühlmitteldurchgänge zwischen Auslaßdurchgängen in der Gruppe von Auslaßdurchgängen zeigt.
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10 zeigt zwei alternative perspektivische Ansichten der mit einem einflutigen Turbohals am Auslaßkanal gekoppelten Auslaßdurchgangsgruppe.
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11 zeigt zwei alternative perspektivische Ansichten der mit einem gegabelten, einflutigen Turbohals am Auslaßkanal gekoppelten Auslaßdurchgangsgruppe.
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12 zeigt zwei alternative perspektivische Ansichten der mit einem zweiflutigen Turbohals am Auslaßkanal gekoppelten Auslaßdurchgangsgruppe.
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2–12 sind ungefähr maßstäblich gezeichnet. Es wird hier ein Zylinderkopf mit einem integrierten Abgaskrümmer (IEM-Zylinderkopf) beschrieben. Der IEM-Zylinderkopf enthält eine Gruppe von Austrittsdurchgängen des Auslasses und Kühlmitteldurchgängen, die mit einem Kühlmitteleinlaß und einem Kühlmittelauslaß in Verbindung stehen. Die Auslaßdurchgangsgruppe kann ein oder mehrere Bohrlöcher enthalten, die in dem Material ausgebildet sind, das jeden Auslaßdurchgang in der Gruppe von Auslaßdurchgängen verbindet und trennt. Das eine oder die mehreren Bohrlöcher können mit den Kühlmitteldurchgängen in Verbindung stehen. Der Kühlmitteleinlaß und -auslaß können mit einem Zylinderkopfkühlsystem in Verbindung stehen. Das Zylinderkopfkühlsystem kann dazu konfiguriert sein, Kühlmittel durch die Kühlmitteldurchgänge im Zylinderkopf und die Bohrlöcher in der Auslaßdurchgangsgruppe zu leiten, so dass flüssiges Kühlmittel durch die Wände der Auslaßdurchgangsgruppe nahe der Auslaßfläche zirkuliert werden kann. Auf diese Weise kann für die Gruppe von Auslaßdurchgängen eine verbesserte Kühlung bereitgestellt werden. Des Weiteren kann Kühlung der Abgase Übertemperaturzustände stromabwärtiger Komponenten, wie zum Beispiel Turbolader und/oder ein Abgasreinigungssystem, reduzieren. Auf diese Weise können Wärmespannungen und thermische Beeinträchtigung der Gruppe von Auslaßdurchgängen und Komponenten stromabwärts des integrierten Auspuffkrümmers reduziert werden, wodurch die Langlebigkeit von Motorkomponenten vergrößert wird.
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1 enthält schematische Darstellungen eines beispielhaften integrierten Zylinderkopfs. Wie in 2 gezeigt, enthält der integrierte Kraftstoffzylinderkopf einen Auslaßkanal, der eine Gruppe von Auslaßdurchgängen umfaßt. 3 zeigt eine detailliertere Ansicht des Auslaßkanals von 2. 4 zeigt die Auspuffkrümmerrohre, die die mehreren Auslaßdurchgänge definieren, die an einem ersten Ende mit dem Auslaßkanal und an einem gegenüberliegenden, zweiten Ende mit den Auslaßventilen gekoppelt sind. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht des Auslaßkanals, die Stellen der Bohrlochöffnungen und einen Temperatursensor zeigt. 6 und 7 zeigen Querschnitte von Bohrlöchern in dem Auslaßgruppendurchgang bzw. dem Temperatursensor. 8 und 9 zeigen einen oberen Kühlmittelkern und einen unteren Kühlmittelkern, die die Auslaßdurchgänge einklemmen. 10–12 zeigen alternative Ausführungsformen für einen mit dem Auslaßkanal gekoppelten Turbohals. 2–12 zeigen Komponenten des IEM-Zylinderkopfs in einer Ausrichtung, in der sie positioniert sind, wenn der IEM-Zylinderkopf an einem Motor eines Fahrzeugs montiert ist, wenn das Fahrzeug auf einer Fahrfläche, wie zum Beispiel einer Straße, gefahren wird. 2–12 sind ungefähr maßstäblich gezeichnet.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Zylinderkopfkühlsystems 200 für einen Motor. Das Kühlsystem kann dazu konfiguriert sein, Wärme aus dem Motor abzuziehen. Die Steuerung 12 kann dazu konfiguriert sein, die von dem Motor abgezogene Wärmemenge über den Kühlmittelkreislauf 250 zu regulieren. Auf diese Weise kann die Temperatur des Motors reguliert werden, wodurch eine Erhöhung des Verbrennungswirkungsgrads sowie eine Reduzierung von Wärmespannungen am Motor gestattet wird.
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Das Kühlsystem 200 enthält einen Kühlmittelkreislauf 250, der durch einen oder mehrere Zylinderblock-Kühlmitteldurchgänge 251 in einem Zylinderblock 252 verläuft. Wasser oder ein anderes geeignetes Kühlmittel kann als Arbeitsfluid in dem Kühlmittelkreislauf verwendet werden. Der Zylinderblock kann einen Abschnitt von einer oder mehreren Brennkammern umfassen. Es versteht sich, dass der Kühlmittelkreislauf benachbart zu den Abschnitten der Brennkammern verlaufen kann. Auf diese Weise kann übermäßige Wärme, die während des Motorbetriebs erzeugt wird, auf den Kühlmittelkreislauf übertragen werden. Ein Zylinderkopf 253 kann mit dem Zylinderblock gekoppelt sein, um eine Zylinderanordnung zu bilden. Wenn sie zusammengefügt ist, kann die Zylinderanordnung mehrere Brennkammern umfassen.
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Das Zylinderkopfkühlsystem umfaßt ferner einen oberen Kühlmantel 254 und einen unteren Kühlmantel 256. Der Auspuffkrümmer 48 ist zwischen dem oberen Kühlmantel 254 und dem unteren Kühlmantel 256 angeordnet. Es versteht sich, dass der obere und der untere Kühlmantel in den Zylinderkopf integriert sind. Der obere Kühlmantel umfaßt mehrere Kühlmitteldurchgänge 258. Ebenso umfaßt der untere Kühlmantel mehrere Kühlmitteldurchgänge 260. Wie gezeigt, umfaßt der obere Kühlmantel einen Kühlmitteleinlaß 262, und der untere Kühlmantel umfaßt einen Kühlmitteleinlaß 264. Es versteht sich jedoch, dass der obere und/oder der untere Kühlmantel bei anderen Ausführungsformen mehrere Einlässe umfassen kann/können. Der obere Kühlmantel kann beispielsweise einen einzigen Einlaß umfassen und der untere Kühlmittelmantel kann mehrere Einlässe umfassen. Es versteht sich, dass die Einlässe des oberen und des unteren Kühlmantels bei einigen Ausführungsformen mit gemeinsamen Kühlmitteldurchgängen im Zylinderblock gekoppelt sein können. Auf diese Weise empfangen der obere und der untere Kühlmantel Kühlmittel über ihre jeweiligen Einlässe von einer gemeinsamen Quelle, die in einem Motorblock eines Motors enthalten ist. Bei anderen Ausführungsformen können die Einlässe des oberen und des unteren Kühlmantels jedoch mit getrennten Kühlmitteldurchgängen im Zylinderblock gekoppelt sein.
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Ein erster Satz von Verbindungskühlmitteldurchgängen 266 kann den oberen Kühlmittelmantel 254 mit dem unteren Kühlmantel 256 strömungsmäßig verbinden. Ebenso kann ein zweiter Satz von Verbindungskühlmitteldurchgängen 268 den oberen Kühlmantel mit dem unteren Kühlmantel strömungsmäßig verbinden. Jeder Verbindungskühlmitteldurchgang, der im ersten Satz von Verbindungskühlmitteldurchgängen enthalten ist, kann eine Verengung 270 umfassen. Ebenso kann jeder Verbindungskühlmitteldurchgang, der im zweiten Satz von Verbindungskühlmitteldurchgängen enthalten ist, eine Verengung 271 umfassen. Verschiedene Eigenschaften (z. B. Größe, Form usw.) der Verengungen können während der Konstruktion des Zylinderkopfs 253 abgestimmt werden. Daher können die Verengungen 270, die im ersten Satz von Verbindungskühlmitteldurchgängen enthalten sind, in der Größe, Form usw. anders sein als die Verengungen 271, die im zweiten Satz von Verbindungskühlmitteldurchgängen enthalten sind. Auf diese Weise kann der Zylinderkopf für eine Vielfalt von Motoren abgestimmt werden, wodurch die Anwendbarkeit des Zylinderkopfs gesteigert wird. Obwohl zwei Verbindungskühlmitteldurchgänge sowohl im ersten als auch im zweiten Satz von Verbindungskühlmitteldurchgängen dargestellt sind, kann die Anzahl von Verbindungskühlmitteldurchgängen, die im ersten Satz und im zweiten Satz von Verbindungskühlmitteldurchgängen enthalten sind, bei anderen Ausführungsformen geändert werden.
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Die Verbindungskühlmitteldurchgänge gestatten, dass Kühlmittel zwischen den Kühlmänteln an verschiedenen Punkten zwischen den Einlässen und den Auslässen sowohl des oberen als auch des unteren Kühlmantels strömt. Auf diese Weise kann das Kühlmittel in einem komplexen Strömungsmuster strömen, wobei sich das Kühlmittel zwischen dem oberen und dem unteren Kühlmantel, in der Mitte des Mantels und an verschiedenen anderen Stellen innerhalb des Mantels bewegt. Das gemischte Strömungsmuster verringert die Temperaturvariabilität innerhalb des Zylinderkopfs während des Motorbetriebs und vergrößert die Menge an Wärmeenergie, die vom Zylinderkopf abgezogen werden kann, wodurch die Motorleistung verbessert wird.
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Der obere Kühlmantel enthält einen Auslaß 276. Der Auslaß 276 kann eine Verengung 277 enthalten. Darüber hinaus enthält der untere Kühlmantel einen Auslaß 278. Es versteht sich, dass bei anderen Ausführungsformen der Auslaß 278 auch eine Verengung enthalten kann. Die Auslässe sowohl des oberen als auch des unteren Kühlmantels können kombiniert sein und in Strömungsverbindung stehen. Der Kühlmittelkreislauf kann dann durch einen oder mehrere Kühlerkühlmitteldurchgänge 280, die in einem Kühler 282 enthalten sind, verlaufen. Der Kühler ermöglicht die Übertragung von Wärme von dem Kühlmittelkreislauf auf die Umgebungsluft. Auf diese Weise kann Wärme vom Kühlmittelkreislauf abgezogen werden.
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Des Weiteren kann eine Kühlmittelpumpe 284 im Kühlmittelkreislauf enthalten sein. Ein Thermostat 286 kann am Auslaß 276 des oberen Kühlmantels angeordnet sein. Des Weiteren kann ein Thermostat 288 am Einlaß des einen oder der mehreren Kühlmitteldurchgänge 251 des Zylinderblocks 252 positioniert sein. Zusätzliche Thermostate können bei anderen Ausführungsformen an anderen Stellen innerhalb des Kühlmittelkreislaufs positioniert sein, wie z. B. am Einlaß oder Auslaß des einen oder der mehreren Kühlmitteldurchgänge im Kühler, am Einlaß oder Auslaß des unteren Kühlmantels, am Einlaß des oberen Kühlmantels usw. Die Thermostate können dazu verwendet werden, die Menge an Fluid, das durch den Kühlmittelkreislauf strömt, auf Grundlage der Temperatur zu regeln. In einigen Beispielen können die Thermostate über die Steuerung 12 gesteuert werden. In anderen Beispielen können die Thermostate jedoch passiv betrieben werden. Des Weiteren enthält der obere Kühlmittelmantel 254 einen Temperatursensor 296, der mit der Steuerung 12 in Verbindung steht.
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Es versteht sich, dass die Steuerung 12 das Ausmaß der Druckhöhe, die durch die Kühlmittelpumpe 284 erzeugt wird, regeln kann, um die Durchflußrate des Kühlmittels durch den Kreislauf und daher die Menge an Wärme, die von dem Motor abgezogen wird, einzustellen. In einigen Beispielen kann die Steuerung 12 ferner dazu konfiguriert sein, die Menge an Kühlmittelströmung durch den oberen Kühlmantel über den Thermostat 286 dynamisch einzustellen. Insbesondere kann die Durchflußrate des Kühlmittels durch den oberen Kühlmantel verringert werden, wenn die Motortemperatur unter einem Schwellenwert liegt. Auf diese Weise kann die Dauer des Warmlaufens des Motors während eines Kaltstarts verkürzt werden, wodurch der Verbrennungswirkungsgrad erhöht wird und Emissionen verringert werden. Es versteht sich, dass die Systeme und Komponenten in 1 schematisch dargestellt sind und nicht die relative Position der Komponenten darstellen sollen.
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Die Kühlung des Auspuffkrümmers und des Motorauslasses über den Kühlmittelkreislauf und die Kühlmäntel kann den Auspuffkrümmer und stromabwärtige Motorkomponenten vor einer thermischen Beeinträchtigung, wie z. B. Verziehen aufgrund von Temperaturgradienten und/oder Beeinträchtigung aufgrund von Übertemperaturbedingungen, schützen. In einem speziellen Beispiel wird flüssiges Kühlmittel über die Kühlmittelpumpe zirkuliert. Auf diese Weise kann das Kühlmittel um den Auspuffkrümmer zirkuliert werden, was ermöglicht, dass Wärme vom Auspuffkrümmer abgezogen wird. Daher können Wärmespannungen am Zylinderkopf-Auspuffkrümmer sowie an benachbarten Komponenten verringert werden, wodurch die Komponentenlanglebigkeit vergrößert wird. Der Kühler ermöglicht, dass Wärme vom Kühlmittelkreislauf auf die Umgebungsluft übertragen wird. Auf diese Weise kann Wärme vom Kühlmittelkreislauf abgezogen werden.
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Es können jedoch Probleme im Kühlsystem entstehen. In einem Beispiel kann, wenn die Motortemperatur hoch ist, das Kühlsystem unzureichende Kühlung für Abgase und Zylinderkopfkomponenten bereitstellen. In diesem Beispiel können Kühlmittelmantelwände keine ausreichend große Oberfläche zur Bereitstellung eines ausreichenden Wärmeaustauschs zwischen dem Abgas und dem Kühlmittel über die Wände der Kühlmittelmäntel aufweisen. Da der erwärmte Motorauslaß bei seinem Austritt aus dem IEM-Zylinderkopf konvergiert, kann das die Abgasdurchgänge umgebende Material unter bestimmten Betriebsbedingungen des Fahrzeugs einer starken Hitze ausgesetzt sein. Wie oben beschrieben, verringert unter normalen Betriebsbedingungen Wärmeaustausch mit dem flüssigen Kühlmittel durch die obere Kühlmittelmantelwand die hohen Temperaturen und verhindert eine Beschädigung der Motorkomponenten. Wenn die Motortemperatur hoch ist, kann es aufgrund von unzureichender Wärmeübertragung zu hohen Abgastemperaturen kommen, und somit kann es zu thermischer Beeinträchtigung kommen.
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Um eine solche Beeinträchtigung zumindest teilweise zu verringern, kann das Kühlsystem 200 mit mindestens einem in einer Auslaßdurchgangsgruppe 273 enthaltenen Bohrloch 272 gekoppelt sein. Die Auslaßdurchgangsgruppe kann mehrere miteinander verbundene, aber getrennte Auslaßdurchgänge umfassen, wobei jeder der Auslaßdurchgänge an einem ersten Ende mit mindestens einem Zylinderauslaßventil und an einem gegenüberliegenden, zweiten Ende mit einem Auslaßausgangskanal gekoppelt ist. Das mindestens eine Bohrloch 272 enthält einen Kühlmitteleinlaß 274 und einen Kühlmittelauslaß 275. Die Auslaßdurchgangsgruppe und das mindestens eine Bohrloch werden unter Bezugnahme auf 4 weiter besprochen. Der Kühlmitteleinlaß kann mit einem Durchgang für Kühlmittel höheren Drucks im Zylinderkopfkühlsystem gekoppelt sein, und der Kühlmittelauslaß kann mit einem Durchgang für Kühlmittel geringeren Drucks im Zylinderkopfkühlmittelsystem gekoppelt sein. Es versteht sich, dass der Durchgang für Kühlmittel höheren Drucks in dem oberen oder unteren Kühlmantel enthalten sein kann. Ebenso kann der Durchgang für Kühlmittel geringeren Drucks in dem oberen oder unteren Kühlmantel enthalten sein. In einem bestimmten Beispiel ist der Durchgang für Kühlmittel höheren Drucks in dem unteren Kühlmantel enthalten, und der Durchgang für Kühlmittel geringeren Drucks ist im oberen Kühlmantel enthalten.
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Auf diese Weise kann Kühlmittel durch das mindestens eine Bohrloch zirkuliert werden, wodurch ermöglicht wird, dass Wärme unter Verwendung eines bestehenden Kühlsystems im Fahrzeug von der Auslaßdurchgangsgruppe abgezogen wird. Deshalb versteht sich, dass die Herstellungskosten im Vergleich zu anderen Systemen, die ein unabhängiges Kühlsystem verwenden, um Kühlung für ein Auslaßsystem bereitzustellen, reduziert werden können. Des Weiteren können Wärmespannungen an der Auslaßdurchgangsgruppe des Zylinderkopfs sowie an benachbarten Komponenten reduziert werden, wodurch die Langlebigkeit von Motorkomponenten vergrößert wird. Die Auslaßdurchgangsgruppe und der Kühlmitteldurchgang des Auspuffkrümmers werden hier unter Bezugnahme auf die 2–6, 8 und 9 ausführlicher besprochen. Es versteht sich, dass die Systeme und Komponenten in 1 schematisch gezeigt werden und nicht die relative Position der Komponenten darstellen sollen.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften IEM-Zylinderkopfs 253. Wie oben angeführt, wird der IEM-Zylinderkopf 253 in einer Ausrichtung gezeigt, in der der Zylinderkopf an einem Motor in einem Fahrzeug angebracht ist, wenn sich das Fahrzeug auf einer Fahrfläche, wie z. B. einer Straße, befindet. Der IEM-Zylinderkopf kann zur Befestigung an einem Zylinderblock (nicht gezeigt) konfiguriert sein, der eine oder mehrere Brennkammern mit einem Kolben, der sich darin hin und her bewegt, definiert. Der IEM-Zylinderkopf kann aus einem geeigneten Material, wie z. B. Aluminium, gegossen werden. Andere Komponenten eines zusammengebauten Zylinderkopfs wurden weggelassen. Die weggelassenen Komponenten umfassen Nockenwellen, Nockenwellendeckel, Einlaß- und Auslaßventile, Zündkerzen usw.
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Wie gezeigt, umfaßt der IEM-Zylinderkopf 253 vier Umfangswände. Die Wände umfassen eine erste und eine zweite Seitenwand 302 bzw. 304. Die vier Umfangswände können ferner eine vordere Endwand 306 und eine hintere Endwand 308 umfassen. Eine untere Wand 312 kann zur Kopplung mit dem Zylinderkopf (nicht gezeigt) konfiguriert sein, wodurch die Motorbrennkammern gebildet werden, wie vorher erörtert. Eine obere Wand 316 befindet sich auf einer gegenüberliegenden Seite bezüglich der unteren Wand 312.
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Der IEM-Zylinderkopf 253 umfaßt einen Auslaßkanal 320, mit dem mehrere Auspuffkrümmerrohre (in 4 gezeigt) gekoppelt sind. Die Auspuffkrümmerrohre können mit den Auslaßventilen jeder Brennkammer (schematisch gezeigt in 4) gekoppelt sein. Auf diese Weise können der Auspuffkrümmer und die Auspuffkrümmerrohre in das Zylinderkopfgußstück integriert sein. Die integrierten Auspuffkrümmerrohre weisen eine Anzahl von Vorteilen auf, wie z. B. die Verringerung der Anzahl von Teilen im Motor, wodurch Kosten während des gesamten Entwicklungszyklus des Motors reduziert werden. Ferner können auch die Lager- und Montagekosten verringert werden, wenn ein integrierter Auspuffkrümmer verwendet wird.
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Der Zylinderkopf enthält ferner einen Auspuffkrümmerflansch 273, der den Auslaßkanal 320 umgibt. Ein Temperatursensor 296 ist über dem Auslaßkanal 320 in der oberen Wand 316 positioniert. Wie in den 2 und 3 dargestellt, umfaßt der Flansch 273 drei Öffnungen zur Aufnahme eines ersten Auslaßdurchgangs 322, eines zweiten Auslaßdurchgangs 324 und eines dritten Auslaßdurchgangs 326 des Auslaßkanals 320. Weiterhin enthält der Flansch Bolzensockel 310 oder andere geeignete Befestigungsvorrichtungen, die zur Befestigung an einer stromabwärtigen Auslaßkomponente, wie zum Beispiel einer Auslaßleitung oder einem Einlaß einer in einem Turbolader enthaltenen Turbine, konfiguriert sind. Auf diese Weise kann der Turbolader (nicht gezeigt) direkt an dem Zylinderkopf angebracht werden, wodurch Verluste innerhalb des Motors reduziert werden. Der Turbolader kann eine abgasgetriebene Turbine enthalten, die über eine Antriebswelle mit einem Kompressor gekoppelt ist. Der Kompressor kann zur Erhöhung des Drucks in dem Einlaßkrümmer konfiguriert sein.
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Wie in 2 und 3 ferner gezeigt, ist ein Temperatursensor 296 nahe dem Entgasungskanal 290 angeordnet. Der Temperatursensor erstreckt sich durch ein Loch 410 im oberen Kühlmantel über dem Auslaßkanal 320. Folglich kann der Temperatursensor eine Temperatur in einer "heißen Zone" des integrierten Zylinderkopfs messen. Wie in 1 dargestellt, sendet der Temperatursensor 296 ein Temperatursignal zur Steuerung 12. Die Steuerung kann diese Temperaturdaten verwenden, um Betriebsbedingungen und/oder die Leistung des Kühlsystems abzuleiten, wie z. B. Verlust an Kühlmittel, nicht funktionsfähige Pumpe und/oder eine Systemblockade. Die Steuerung kann dann ein Signal zum Fahrer senden, das das Vorliegen einer Kühlsystembeeinträchtigung früh anzeigt, wenn die Temperatur höher ist als ein Schwellenwert. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Steuerung den Motorbetrieb einstellen, wie z. B. die Kraftstoffeinspritzmenge oder den Zündzeitpunkt, um die Abgastemperatur zu verringern.
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Wie in 4 gezeigt, wird jeder der Auslaßdurchgänge 322, 324 und 326 durch ein Auspuffkrümmerrohr 522, 524 bzw. 526 definiert. Die Auspuffkrümmerrohre 522, 524 und 526 bilden eine Gruppe von Auslaßdurchgängen 500. Jeder der Durchgänge in der Auslaßdurchgangsgruppe 273 ist weiterhin mit mindestens einem Zylinderauslaßventil gekoppelt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Auspuffkrümmerrohr 522 mit einem ersten Zylinder gekoppelt, das Auspuffkrümmerrohr 524 ist mit einem zweiten Zylinder und einem dritten Zylinder gekoppelt, und das Auspuffkrümmerrohr 526 ist mit einem vierten Zylinder gekoppelt. Somit können die Zylinder vor Hochdruck-Abgasvorauslaßimpulsen von anderen Zylindern geschützt werden, wodurch die Motorleistung verbessert wird. Bei einer alternativen Ausführungsform kann jeder der vier Zylinder ein getrenntes Auspuffkrümmerrohr aufweisen, wodurch die Auslaßdurchgangsgruppe vier Auslaßdurchgänge enthalten kann.
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Bei der Ausführungsform von 4 enthält das Auspuffkrümmerrohr 522 einen sich horizontal erstreckenden Abschnitt 552 mit einer Breite A, und das Auspuffkrümmerrohr 524 enthält einen sich horizontal erstreckenden Abschnitt 556 mit einer Breite A, der sich in einer entgegengesetzten Richtung zu dem sich horizontal erstreckenden Abschnitt 552 erstreckt. Jeder der sich horizontal erstreckenden Abschnitte 552 und 556 ist zu einer Mitte des Zylinderkopfs nach innen gekrümmt. Das Auspuffkrümmerrohr 524 enthält einen sich vertikal erstreckenden Abschnitt 554 mit einer Breite C. Der sich vertikal erstreckende Abschnitt ist von einem oberen Ende des Auslaßkanals 320 nach unten gekrümmt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Breite A kleiner als die Breite C. In einem bestimmten Beispiel beträgt die Breite A 37,2 mm und die Breite C 53,4 mm. Bei einer alternativen Ausführungsform können die sich horizontal erstreckenden Abschnitte 552 und 556 verschiedene Breiten aufweisen. Bei einer anderen alternativen Ausführungsform kann die Breite C gleich der Breite B sein.
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Das Auspuffkrümmerrohr 522 ist mit einem Paar Auslaßventilen 512 eines ersten Zylinders 502 gekoppelt. Das Auspuffkrümmerrohr 526 ist mit einem Paar Auslaßventilen 516 eines vierten Zylinders 506 gekoppelt. Jedes der Auspuffkrümmerrohre 522 und 526 enthält einen geteilten Abschnitt 532 bzw. 536, wo die sich erstreckenden Abschnitte der Auspuffkrümmerrohre in zwei kleinere Kanäle geteilt sind. Jeder der Kanäle der geteilten Abschnitte 532 und 536 haben eine Breite B und sind mit einem der Auslaßaustritte der Paare von Auslaßaustritten 532 bzw. 536 gekoppelt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Breite B kleiner als die Breite A. In einem bestimmten Beispiel beträgt die Breite B 25,8 mm.
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Wie in 4 gezeigt, ist das Auspuffkrümmerrohr 524 weiterhin mit einem Paar Auslaßventilen 518 eines zweiten Zylinders 508 und einem Paar Auslaßventilen 514 eines dritten Zylinders 504 gekoppelt. Zur Bereitstellung von Kopplung mit Paaren von Auslaßventilen zweier verschiedener Zylinder enthält das Auspuffkrümmerrohr 524 einen primären geteilten Abschnitt 540 und sekundäre geteilte Abschnitte 538 und 534. Beim primären geteilten Abschnitt 540 ist der sich vertikal erstreckende Abschnitt 554 in zwei mittelgroße Kanäle mit einer Breite D geteilt. Jeder der mittelgroßen Kanäle ist weiterhin in zwei kleinere Kanäle mit der Breite B in den sekundären geteilten Abschnitten 538 und 534 geteilt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Breite D kleiner als die Breite C, und die Breite B ist kleiner als die Breite D. Des Weiteren ist bei der vorliegenden Ausführungsform die Breite D größer als die Breite A. In einem bestimmten Beispiel beträgt die Breite D 46,0 mm. Bei alternativen Ausführungsformen können die Breiten C und D gleich sein, oder die Breite D kann größer sein als die Breite C.
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Die oben beschriebene Konfiguration für einen IEM-Zylinderkopf vereinigt die Auslaßkanäle von dem zweiten und dritten Zylinder, bevor sie aus dem Zylinderkopf austreten, während getrennte Auslässe für den ersten und vierten Zylinder beibehalten werden. Diese Konfiguration kann verstärkte Kühlung von Abgasen gestatten und kann eine Trennung der Hochdruck-Abgasvorauslaßimpulse bereitstellen, um das Leiten von Abgasen von Zylinder zu Zylinder zu reduzieren. Vierzylindermotoren, wie zum Beispiel Reihen-Vierzylindermotoren, die jeweils mit dem IEM strömungsverbundene Auspuffkrümmerrohre (das heißt, die zu einem einzigen Durchgang vereinigt werden) aufweisen, können architektonische Layouts und Zündfolgen haben, die gestatten, dass Abgas von einem Zylinder Übersprechen zwischen Abgasvorauslaßimpulsen induziert. Zum Beispiel können benachbarte Zylinder, wie zum Beispiel der erste und der zweite Zylinder, nacheinander gezündet werden. Somit bläst der Abgasimpuls von einem Zylinder in einen anderen Zylinder, der sich in dem Ventilüberlappungsabschnitt des Zyklus befindet, wodurch gestattet wird, dass unerwünschtes, unkontrolliert heißes Abgas in den Zylinder eintritt und dort eingeschlossen wird. Des Weiteren mindern bei Reihen-Vierzylindermotoren die für Motorauswuchtung erforderlichen Zündfolgen Bemühungen, die Abgasvorauslaßimpulsübersprechen zu verringern. Verringern des Übersprechens kann in aufgeladenen Motoren aufgrund der erhöhten Auslaßsystemdrücke und höheren Motorleistungsanforderungen erforderlich sein. Wenn eine Zündfolge von 1342 in einem 4-Zylinder-Motor verwendet wird, dann kann folglich ein Paaren der 1-4 Zylinderauslaßkanäle und/oder 2-3 Zylinderauslaßkanäle verwendet werden. Mit anderen Worten, das Abgas aus dem ersten und vierten Zylinder kann zusammen in den Auspuffkrümmer geleitet werden, und das Abgas aus dem zweiten und dritten Zylinder kann zusammen in den Auspuffkrümmer geleitet werden. Bei dieser Konfiguration zünden die Zylinder mit den verbundenen Auslaßkanälen in einem Abstand von 360-Kurbelwinkelgrad. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Motor, in dem der IEM positioniert ist, eine Nockenwellen (z. B. eine Einlaßnockenwelle, eine Auslaßnockenwelle) mit Nockennasen enthalten, die dazu konfiguriert sind, verschiedenen Zylindern entsprechende Ventile zu betätigen. Einem Ventilsatz (z. B. Einlaß- oder Auslaßventilen) entsprechende aufeinanderfolgende Nasen können um 90 Grad beabstandet sein. Bei Verwendung der Zündfolge 1342 können deshalb die dem ersten Zylinder und dem dritten Zylinder zugeordneten Nasen um 90 Grad beabstandet sein, die dem dritten Zylinder und dem vierten Zylinder zugeordneten Nasen können um 90 Grad beabstandet sein, usw. Bei anderen Ausführungsformen können jedoch andere Nasenabstände verwendet werden. Es versteht sich, dass die Zylinder in fortlaufender Reihenfolge nummeriert sind. Somit ist Zylinder 502 der erste Zylinder, Zylinder 508 der zweite Zylinder, Zylinder 504 der dritte Zylinder und Zylinder 506 der vierte Zylinder, Zylinder 502, 508, 504 und 506 werden in 5 gezeigt. Dies gestattet Zeit, damit die Abgasimpulse das Auslaßsystem verlassen können, bevor der nächste Zylinder in die Ventilüberlappungsperiode eintritt. Bei einer anderen alternativen Ausführungsform kann des Weiteren eine Zündfolge von 1243 die gleiche Paarung von Zylindern erfordern.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform, bei der die Zündfolge auch 1-3-4-2 ist, ist das vereinigte Auspuffkrümmerrohr, das mit dem zweiten Zylinder und dem dritten Zylinder gekoppelt ist, dazu konfiguriert, symmetrisch über den anderen Auspuffkrümmerrohren entlang einer vertikalen Mittellinie des Auslaßkanals positioniert zu werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann sich das vereinigte Auspuffkrümmerrohr unter den anderen Auspuffkrümmerrohren befinden und/oder die Auspuffkrümmerrohre können asymmetrisch angeordnet sein. Des Weiteren können bei einer anderen alternativen Ausführungsform in einem Motor mit einer anderen Anzahl von Zylindern die Verbindungsfähigkeit und die Anordnung der Auspuffkrümmerrohre von der Anzahl der Zylinder und der Zündfolge des Motors abhängig sein. Bei solch einer Ausführungsform können die Auspuffkrümmerrohre gepaart sein, um eine verstärkte Trennung von Abgasimpulsen auf Grundlage des Kurbelwinkels bereitzustellen. Bei einigen Ausführungsformen können in dem IEM zur Strömungsverbindung gepaarte Auspuffkrümmerrohre so konfiguriert sein, dass der Abgasvorauslaßimpuls eines gepaarten Zylinders nicht während der Überlappungsperiode des anderen gepaarten Zylinders auftritt.
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5 enthält eine perspektivische Ansicht des Auslaßkanals 320. Eine obere Wand 620 des Auslaßkanals 320 enthält den Temperatursensor 296 an einem obersten Abschnitt 626. Der Temperatursensor 296 befindet sich in einem Abstand E einwärts zu einer Mitte des IEM-Zylinderkopfs vom Flansch 273. Des Weiteren weist ein Durchmesser des Temperatursensors 296 einen Abstand F auf. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Abstand F größer als der Abstand E. In einem bestimmten Beispiel beträgt der Abstand E 10,3 mm, und der Abstand F beträgt 16,6 mm.
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Darüber hinaus enthält die obere Wand 620 abgewinkelte Abschnitte 622 und 624 auf einander gegenüberliegenden Seiten des Auslaßkanals 320. Der abgewinkelte Abschnitt 622 und 624 sind in einer Längsrichtung des Zylinderkopfs 253 aufeinander ausgerichtet. Die abgewinkelten Abschnitte 622 und 624 enthalten Bohrlochöffnungen 602 bzw. 604. Es versteht sich, dass der Zylinderkopf bei alternativen Ausführungsformen mehr oder weniger Bohrlöcher enthalten kann. Die Bohrlochöffnungen 602 und 604 befinden sich in einem Abstand G einwärts zu einer Mitte des IEM vom Flansch 273. Des Weiteren weisen die Bohrlochöffnungen 602 und 604 jeweils einen Durchmesser mit einem Abstand H auf. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Abstand G kleiner als die Abstände E und H. In einem bestimmten Beispiel beträgt der Abstand G 4,8 mm, und der Abstand H beträgt 6,0 mm. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Abstand E größer sein als der Abstand G, so dass die Bohrlöcher näher am Flansch positioniert sind als der Temperatursensor.
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6 zeigt einen Querschnitt der Auslaßdurchgangsgruppe 273 entlang der Achse 6-6' von 2. Die Querschnittsansicht zeigt einen Kühlmittelkern 700, der die Auslaßdurchgangsgruppe 273 umgibt. Der Kühlmittelkern 700 umfaßt einen oberen Kühlmittelkern 720 mit mehreren Kühlmitteldurchgängen und einen unteren Kühlmittelkern 710 mit mehreren Kühlmitteldurchgängen. Der obere Kühlmittelkern 720 wird von dem oberen Kühlmittelmantel 254 eingeschlossen, und der untere Kühlmittelkern 710 wird von dem unteren Kühlmittelmantel 256 eingeschlossen. Die Bohrlochöffnungen 602 und 604 sind Öffnungen für die Bohrlöcher 702 bzw. 704. Die Bohrlöcher 702 bzw. 704 sind einwärts und nach unten zu einer Mitte des Auslaßkanals 320 abgewinkelt. Die Bohrlöcher sind in einem Winkel X bezüglich eines oberen Endes der Seitenwände 622 und 624 abgewinkelt. In einem bestimmten Beispiel beträgt der Winkel X 90 Grad.
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Die Bohrlöcher 702 und 704 weisen jeweils eine Länge J auf und sind durch die Durchgänge des oberen Kühlmittelkerns 710 und das die Auslaßdurchgangsgruppe 500 verbindende Material 730 zueinander projiziert. Da die Bohrlöcher den oberen Kühlmittelkern durchlaufen, stehen sie mit dem oberen Kühlmittelkern in Strömungsverbindung. Des Weiteren schneiden sich die Bohrlöcher 702 und 704 in einem Schnittbereich 706. Die Bohrlöcher schneiden sich in einem Winkel Y bezüglich einander. In einem bestimmten Beispiel beträgt der Winkel Y 120 Grad. Der Schnittbereich 706 ist in einem Durchgang des unteren Kühlmittelkerns 710 angeordnet und steht somit mit dem unteren Kühlmittelkern in Strömungsverbindung.
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Die Bohrlöcher 702 und 704 enthalten fortlaufend kleinere Abschnitte mit der Breite H an den Öffnungen 602 und 604, der Breite K an den mittleren Abschnitten 742 und 744 und der Breite L an den Endabschnitten 752 bzw. 754. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Breite H größer als die Breite K, und die Breite K ist größer als die Breite L. In einem bestimmten Beispiel beträgt die Breite K 7,5 mm, und die Breite L beträgt 5,0 mm. Die oberen Öffnungen 762 und 764 der mittleren Abschnitte 742 bzw. 744 münden in Durchgängen des oberen Kühlmittelkerns 720.
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Die Bohrlochöffnungen 602 und 604 sind durch Rohrstopfen 712 bzw. 714, wie zum Beispiel Kugelstopfen, Nietstopfen und/oder Schraubstopfen, blockiert. Die Rohrstopfen können aus einem komprimierbaren Material, wie zum Beispiel Aluminium, rostfreiem Stahl oder Stahl, bestehen. Eine Breite jedes der Rohrstopfen kann etwas größer sein als die Breite H, wie zum Beispiel 6,1 mm. Die unteren Ränder der Rohrstopfen 712 und 714 liegen an Schultern 722 bzw. 724 an. Die Schultern 722 und 724 sind dort ausgebildet, wo die Bohrlochöffnungen 602 und 604 auf die mittleren Abschnitte treffen, so dass die Rohrstopfen komprimiert werden, um eine luftdichte Dichtung an den Bohrlochöffnungen zu bilden.
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Bei der beispielhaften Konfiguration von 6 können Bohrlöcher durch Nachbearbeitung des Zylinderkopfs gebohrt werden. Dann können Rohrstopfen hinzugefügt werden, um die Öffnungen der Bohrlöcher abzudichten. Im Betrieb eines Fahrzeugs kann flüssiges Kühlmittel durch die Bohrlöcher von den unteren Kühlmittelkerndurchgängen zu den oberen Kühlmittelkerndurchgängen zirkuliert werden. Somit kann eine Temperatur des die Auslaßdurchgangsgruppe verbindenden Materials über Wärmeaustausch mit dem flüssigen Kühlmittel reduziert werden. Des Weiteren kann eine Temperatur der durch die Auslaßdurchgänge strömenden Abgase über Wärmeaustausch mit dem die Auslaßdurchgangsgruppe verbindenden Material reduziert werden. Da die Bohrlöcher durch die Rohrstopfen luftdicht abgedichtet sind, kann kein flüssiges Kühlmittel durch die Bohrlochöffnungen entweichen. Somit kann das oben beschriebene Kühlsystem Zirkulation des flüssigen Kühlmittels durch den unteren Kühlmittelkern, die Bohrlöcher und den oberen Kühlmittelkern bereitstellen, wodurch die durch die Gruppe von Auslaßdurchgängen strömenden Abgase gekühlt werden, und kann die Wahrscheinlichkeit einer thermischen Beeinträchtigung des Zylinderkopfs und stromabwärtiger Komponenten verringern.
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7 zeigt einen Querschnitt des IEM-Zylinderkopfs 253 entlang der Achse 7-7' von 2. 2 enthält eine detailliertere Ansicht des Temperatursensors 296 und seiner umgebenden Komponenten. Bei der vorliegenden Ausführungsform enthält der Temperatursensor fortlaufend schmalere Abschnitte 810, 812, 814 und 816. Der Abschnitt 810 ist ein oberer, größter Abschnitt des Temperatursensors und läuft mit einer Fläche der oberen Wand 620 zusammen. Das maschinell herausgearbeitete Loch des Temperatursensors ist an der Spitze des Sensors schmaler, um die Auswirkung von Kühlmittelkontakt und Strömungsreduzierung, die durch die Größe des Metallsockels zur Montage des Sensors verursacht wird, zu reduzieren.
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Der Temperatursensor 296 ist in einer vertikalen Wand 830 des Zylinderkopfs 253 angeordnet. Die vertikale Wand 830 erstreckt sich zwischen Durchgängen des oberen Kerns 720, und somit ist der Temperatursensor 296 von dem oberen Kern 720 umgeben. Der Temperatursensor ist zum Beispiel von dem oberen Kern umgeben, da Seiten der vertikalen Wand, in der der Temperatursensor angeordnet ist, mit flüssigem Kühlmittel in den Durchgängen des oberen Kerns in Kontakt stehen. In einem anderen Beispiel kann der Temperatursensor dadurch von dem Kühlmittelkern umgeben sein, dass er in dem Kühlmittelkern angeordnet ist und mit dem flüssigen Kühlmittel in direktem Kontakt steht. Der Temperatursensor weist den oben beschriebenen Durchmesser F und eine Länge M auf. In einem bestimmten Beispiel beträgt die Länge M 31,1 mm.
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Ein konisches Spitzenende 818 des Temperatursensors befindet sich nahe einer oberen Wand des Auspuffkrümmerrohrs 524. Das konische Spitzenende 818 befindet sich in einem Abstand N von der oberen Wand des Auspuffkrümmerrohrs 524. In einem Beispiel beträgt der Abstand N 4,5 mm. Der Temperatursensor kann eine Temperaturmessung des Zylinderkopfs an einer Stelle nahe der Auslaßfläche bereitstellen. Wie in 1 dargestellt, sendet der Temperatursensor 296 der Steuerung 12 ein Temperatursignal. Wie oben angeführt, kann die Steuerung diese Temperaturdaten dazu verwenden, Betriebsbedingungen und/oder die Leistung des Kühlsystems, wie zum Beispiel Verlust an Kühlmittel, nicht funktionsfähige Pumpe und/oder Systemblockade, abzuleiten. Dann kann die Steuerung dem Fahrer ein Signal senden und ihm das Vorliegen einer Kühlsystembeeinträchtigung, wenn die Temperatur größer als ein Schwellwert ist, früh anzeigen. Als Alternative oder zusätzlich dazu kann die Steuerung den Motorbetrieb, wie zum Beispiel die Kraftstoffeinspritzmenge oder den Zündzeitpunkt, einstellen, um die Abgastemperatur zu reduzieren.
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8 zeigt eine perspektivische Ansicht des Kühlmittelkerns 700, der den oberen Kern 720 und den unteren Kern 710 enthält. Der Kühlmittelkern 700 kann durch Gießen von Kernen, die wie gezeigt positioniert sind und während eines Gießvorgangs in einer äußeren Form miteinander angeordnet werden, ausgebildet werden. In die Form gegossenes Metall kann dann die Gestalt der Formen annehmen, wobei es härtet und den Zylinderkopf 253 bildet. Die Bohrlöcher 702 und 704 können in der Nachbearbeitung des Zylinderkopfs gebohrt werden.
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Wie gezeigt, können vertikal ausgerichtete Vorsprünge 920, die sowohl im oberen als auch im unteren Kern enthalten sind, den ersten Satz von Verbindungskühlmitteldurchgängen 266 definieren. Es versteht sich, dass die Verbindungskühlmitteldurchgänge bezüglich der Kolbenbewegung vertikal ausgerichtet sein können. Die seitlich ausgerichteten Verlängerungen 922 sowohl im oberen als auch im unteren Kern können den zweiten Satz von Verbindungskühlmitteldurchgängen 268 definieren. Es versteht sich, dass die horizontal ausgerichtete Verlängerung 924 den Auslaß 276 des oberen Kühlmantels mit der Verengung 277 definieren kann. 9 enthält eine detailliertere Ansicht der Auslaßdurchgangsgruppe 273, die Strömungsverbindung der Bohrlöcher 702 und 704 mit dem unteren Kühlmittelkern 710 und im Schnittbereich 706 zeigt. Des Weiteren zeigt 9 eine Strömungsverbindung der Öffnungen 762 und 764 mit dem oberen Kühlmittelkern 720.
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Die 10–11 zeigen alternative Ausführungsformen für einen Turbohals, der mit dem Auslaßkanal 320 gekoppelt ist. Wie in 10 gezeigt, können die Auspuffkrümmerrohre 522, 524 und 526 mit einem einflutigen Turbohals gekoppelt sein. Der einflutige Turbohals kann für Anwendungen verwendet werden, bei denen eine teilweise Abgasimpulstrennung erwünscht ist. Es versteht sich, dass der einflutige Turbohals im Vergleich zu strukturell komplexeren Turbohälsen kostengünstig in der Herstellung sein kann. Wie in 11 gezeigt, können des Weiteren die Auspuffkrümmerrohre 522, 524 und 526 mit einem gegabelten, einflutigen Turbohals 1200 gekoppelt sein. Der gegabelte einflutige Turbohals kann für Abgasimpulstrennung in einem Motor mit einer zweiflutigen Turbine verwendet werden. Des Weiteren können, wie in 12 gezeigt, die Auspuffkrümmerrohre 522, 524 und 526 mit einem zweiflutigen Turbohals 1300 gekoppelt sein. Bei der Ausführungsform von 12 ist das Auspuffkrümmerrohr 524 mit einem oberflutigen Turbohals 1302 gekoppelt, während die Auspuffkrümmerrohre 522 und 526 mit einem unterflutigen Turbohals 1304 gekoppelt sind. Somit gewährleisten die zwei Abgasstränge eine verstärkte Abgasimpulstrennung, wobei mehr Designkontrolle sowohl für hochdrehende als auch niedrigdrehende Motorbetriebsbedingungen ermöglicht wird. Deshalb kann der oberflutige Turbohals 1302 dazu konfiguriert sein, Abgas zu einem ersten Abgasstrang in einer Turbine zu leiten, und der unterflutige Turbohals 1304 kann dazu konfiguriert sein, Abgas zu einem zweiten Abgasstrang in der Turbine zu leiten. Es versteht sich, dass die Turbohälse mit dem ersten und zweiten Abgasstrang strömungstechnisch getrennt sind. Darüber hinaus versteht sich, dass eine andere Konfiguration für einen Turbohals an der Stelle des Auslaßkanals mit den Auspuffkrümmerrohren 522, 524 und 526 gekoppelt sein kann.
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Der oben beschriebene Zylinderkopf enthält einen integrierten Auspuffkrümmer. Im Betrieb eines Fahrzeugs, das den beispielhaften Zylinderkopf enthält, kann der Zylinderkopf aufgrund des Strömungsverhaltens in dem integrierten Auspuffkrümmer höhere Temperaturen erfahren. Das Zylinderkopfkühlsystem ist dazu konfiguriert, Kühlmittel durch Durchgänge eines oberen Kühlmantels und eines unteren Kühlmantels, die den Zylinderkopf einklemmen, zu leiten, um Kühlung für die Zylinderkopfwände und durch den Zylinderkopf strömende Abgase bereitzustellen. Der IEM-Zylinderkopf enthält eine Gruppe von Auslaßdurchgängen an einem Auslaßkanal. Jeder der Auslaßdurchgänge wird durch ein Auspuffkrümmerrohr definiert, das mit einem Auslaßventil eines Zylinders an einem bezüglich des Auslaßkanals gegenüberliegenden Ende gekoppelt ist. In einem beispielhaften Motor, der vier Zylinder enthält, ist ein erstes Auspuffkrümmerrohr mit einem ersten Zylinder gekoppelt, ein zweites Auspuffkrümmerrohr ist mit einem zweiten und dritten Zylinder gekoppelt, und ein drittes Auspuffkrümmerrohr ist mit einem vierten Zylinder gekoppelt. Somit kann jeder der Zylinder vor Hochdruck-Abgasvorauslaßimpulsen von anderen Zylindern geschützt werden, und die Motorleistung kann verbessert werden.
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Des Weiteren enthält der IEM-Zylinderkopf Bohrlöcher, die zwischen dem die Gruppe von Auslaßdurchgängen verbindenden Material angeordnet sind. Im vorliegenden Beispiel verläuft ein erstes Bohrloch zwischen dem mit dem zweiten und dritten Zylinder gekoppelten Auspuffkrümmerrohr und dem mit dem ersten Zylinder gekoppelten Auspuffkrümmerrohr, und ein zweites Bohrloch verläuft zwischen dem mit dem zweiten und dritten Zylinder gekoppelten Auspuffkrümmerrohr und dem mit dem vierten Zylinder gekoppelten Auspuffkrümmerrohr. Die Bohrlöcher schneiden sich in einem Bereich, der in einem unteren Kühlmittelkern des unteren Kühlmittelmantels liegt, und stehen somit mit dem unteren Kühlmittelkern in Strömungsverbindung. Ein gegenüberliegendes Ende jedes mittleren Abschnitts der Bohrlöcher steht mit einem oberen Kühlmittelkern in Strömungsverbindung. Öffnungen der Bohrlöcher sind mit Rohrstopfen abgedichtet, so dass flüssiges Kühlmittel durch den unteren Kühlmittelkern, die Bohrlöcher und den oberen Kühlmittelkern zirkulieren kann, ohne flüssiges Kühlmittel durch die Bohrlöcher zu verlieren. Zirkulation des flüssigen Kühlmittels durch die Bohrlöcher gewährleistet zusätzliche Kühlung der Wände der Auspuffkrümmerrohre und der durch die Auspuffkrümmerrohre strömenden Abgase über Wärmeaustausch. Des Weiteren kann der Zylinderkopf einen Temperatursensor in einer Wand des Kühlmittelmantels enthalten, die nahe dem Auslaßkanal liegt. In einem Zustand, in dem die Temperatur in dem Bereich nahe dem Auslaßkanal größer ist als ein Schwellwert, kann einem Bediener ein Warnsignal gesendet werden, um den Betrieb des Fahrzeugs anzuhalten. Somit können die oben beschriebenen Merkmale die Wahrscheinlichkeit einer thermischen Beeinträchtigung des Abgassammlers, des Auslaßkanals und des Zylinderblocks verringern, wodurch die Langlebigkeit von Motorkomponenten vergrößert wird. Darüber hinaus können stromabwärtige Komponenten, wie zum Beispiel ein Turbolader und/oder ein Abgasnachbehandlungssystem, über Kühlung von Abgasen vor thermischer Beeinträchtigung geschützt werden, wodurch die Langlebigkeit von stromabwärtigen Komponenten vergrößert wird.
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Es versteht sich, dass die hier offenbarten Konfigurationen und Routinen rein beispielhaft sind und dass diese bestimmten Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinne betrachtet werden sollen, weil zahlreiche Variationen möglich sind. Die obige Technologie kann zum Beispiel auf V-6-, I-4-, I-6-, V-12-, Boxer-4- und andere Motortypen angewandt werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung schließt somit alle neuen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hierin offenbart sind, ein.
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Die folgenden Ansprüche weisen speziell auf bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen hin, die als neu und nicht offensichtlich betrachtet werden. Diese Ansprüche können sich auf "ein" Element oder "ein erstes" Element oder das Äquivalent davon beziehen. Solche Ansprüche sollten als den Einschluß von einem oder mehreren solchen Elementen umfassend verstanden werden, wobei sie zwei oder mehr solche Elemente weder erfordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage von neuen Ansprüchen in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche werden, ob ihr Schutzbereich weiter, enger, gleich oder anders in Bezug auf die ursprünglichen Ansprüche ist, auch als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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