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HINTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNG
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Auslasskrümmer für Brennkraftmaschinen können hohen Wärmebelastungen ausgesetzt sein. Eine Auslasskrümmeranordnung „IEM“, bei der, Auslasskrümmer integriert sind in einen Zylinderkopf (IEM-Zylinderköpfe), kann aufgrund der Wärmeübertragungseigenschaften der integrierten Konstruktion eine besonders hohe Wärmebelastung erfahren. IEM-Zylinderköpfe können beispielsweise Abgas zu einem Sammler und einem einzelnen Auslasskanal leiten, der während des Betriebs des Fahrzeugs eine hohe Wärmebelastung erfährt.
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Die Wärmebelastung einer IEM 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 Kraftmaschinenbetriebs erzeugt wird, verringern. Ein Zylinderkopf mit einem integrierten Auslasskrümmer ist 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 umgewälztem flüssigem Kühlmittel zu entfernen.
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Die Erfinder haben jedoch hier Probleme bei der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise erkannt. Unter einigen Bedingungen kann sich beispielsweise Dampf in Abschnitten der Kühlmitteldurchgänge ansammeln, wie z. B. in Abschnitten der Kühlmittelkammer, die vertikal an einer Oberseite der Durchgänge in der IEM und nahe dem Auslasskanal angeordnet ist. Die Ansammlung von Dampf und/oder von anderen Gasen verursacht, dass das flüssige Kühlmittel den Kontakt mit mindestens einer oberen Wand des Kühlmittelmantels verliert. Unter solchen Bedingungen kann die Temperatur des Zylinderkopfs in einem Bereich des Zylinderkopfs nahe dem angesammelten Dampf, insbesondere in einem Bereich nahe dem Abgassammler und dem Auslasskanal, zunehmen. Folglich kann sich der Zylinderkopf und/oder andere Zylinderkomponenten thermisch verschlechtern. Ferner können Abgase unzureichend gekühlt werden und stromabseitige Kraftmaschinen- oder Fahrzeugkomponenten wie z. B. ein Turbolader und/oder ein Abgasreinigungssystem können sich auch thermisch verschlechtern.
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Vor dem eingangs genannten Hintergrund betrifft die Erfindung ein Kraftmaschinenkühlsystem gemäß Anspruch 1.
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In dieser Weise kann das Kühlsystem einen verbesserten Kraftmaschinenüberhitzungsschutz schaffen. Dampf, der an der Oberseite der Kühlmittelkammer angesammelt wird, kann beispielsweise aus der Kühlmittelkammer an die Entgasungsflasche abgeführt werden. Folglich kann das flüssige Kühlmittel den Kontakt mit der Kühlmittelmantelwand aufrechterhalten und den Wärmeaustausch fortsetzen, um die Wärmespannung am Zylinderkopf durch Erzeugen eines Konvektionskühlmittelkreislaufs zu verringern. Folglich kann der Entgasungskanal entlang der Oberseite des Kühlmittelmantels die Wahrscheinlichkeit einer thermischen Verschlechterung des Zylinderkopfs verringern und Abgas kühlen, um die Wahrscheinlichkeit für eine thermische Verschlechterung an stromabseitigen Komponenten wie z. B. des Turboladers, des Abgasreinigungssystems usw. zu verringern. Ferner kann der Temperatursensor eine verbesserte Angabe von Übertemperaturbedingungen im Auslasssystem schaffen. Somit können die Leistung und Lebensdauer der Kraftmaschine, des Turboladers und des Abgasreinigungssystems verbessert werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung eines IEM-Zylinderkopfs und eines zugehörigen Kühlsystems, die in der in 1 gezeigten Brennkraftmaschine enthalten sein können.
- 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften integrierten Kraftstoffzylinderkopfs mit einem Entgasungskanal.
- 4 zeigt eine detailliertere Seitenansicht des Entgasungskanals, eines Auslasskanals und eines Temperatursensors des Zylinderkopfs von 3.
- 5 zeigt eine Seitenansicht des Entgasungskanals, des Auslasskanals und des Temperatursensors, die in 4 dargestellt sind, von oben.
- 6 zeigt einen seitlichen Querschnitt des Entgasungskanals und des Auslasskanals von 4, der einen Kühlmittelkern darstellt, der fluidtechnisch mit dem Entgasungskanal gekoppelt ist.
- 7 zeigt einen Längsschnitt des Zylinderkopfs von 3, der den Entgasungskanal halbiert.
- 8 zeigt eine Vorderansicht eines Kühlmittelkerns des integrierten Kraftstoffzylinderkopfs von 3.
- 9 zeigt eine Seitenansicht des Kühlmittelkerns von 8 von oben.
- 10 zeigt einen Längsschnitt des integrierten Kraftstoffzylinderkopfs von 3, der den Temperatursensor halbiert.
- 11 zeigt eine detaillierte Ansicht des Temperatursensors und der umgebenden Komponenten.
- 3 - 10 sind ungefähr maßstäblich gezeichnet.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ein Kraftmaschinenzylinderkopf mit einem integrierten Auslasskrümmer (IEM-Zylinderkopf) wird hier beschrieben. Der integrierte Auslasskrümmer lenkt Abgas von mehreren Einlasskanälen zu einem gemeinsamen Abgassammler und Abgasauslasskanal. Der IEM-Zylinderkopf umfasst einen Kühlmittelkern, der aus mehreren Kühlmitteldurchgängen in Kommunikation mit einem Kühlmitteleinlass und einem Kühlmittelauslass ausgebildet ist. Die Kühlmitteldurchgänge können einen Kühlmittelmantel umfassen, der (zumindest teilweise) den Auslasskrümmer und insbesondere den Auslasskanal umgibt. Das IEM-Zylinderkopf-Kühlsystem kann dazu konfiguriert sein, Kühlmittel durch Durchgänge im Zylinderkopf über Druck, der durch eine Kühlmittelpumpe erzeugt wird, zu leiten. In dieser Weise kann eine Kühlung über Wärmeaustausch für den IEM-Zylinderkopf über den Kühlmittelmantel geschaffen werden. Der Abgassammler und der Auslasskanal können normalerweise aufgrund der Strömungseigenschaften innerhalb des integrierten Auslasskrümmers höhere Temperaturen erfahren. Überdies kann der Wärmeaustausch zwischen der Kühlmittelmantelwand und den Kraftmaschinenabgasen das Kraftmaschinenabgas kühlen und einen Wärmeschutz für stromabseitige Komponenten wie z. B. einen Turbolader und/oder ein Abgasreinigungssystem usw. schaffen. In einem Fall, in dem die Kühlmittelpumpe beschädigt ist oder das Kühlsystem zumindest einiges des flüssigen Kühlmittels verliert, kann die Temperatur des IEM-Zylinderkopfs zunehmen und Dampf kann sich in einem oberen Abschnitt des Kühlmittelkerns ansammeln. Flüssiges Kühlmittel kann den Kontakt mit der Kühlmittelmantelwand an einer Stelle verlieren, an der der Dampf angesammelt wird, und der Wärmeaustausch kann verringert werden. Folglich können lokal hohe Temperaturen auftreten, was folglich den IEM-Zylinderkopf thermisch verschlechtert. Ferner können Abgastemperaturen ansteigen, was folglich stromabseitige Komponenten des Auslasssystems verschlechtert.
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Um solche Bedingungen zumindest teilweise anzugehen, kann ein Entgasungskanal in einer oberen Wand des IEM-Zylinderkopfs enthalten sein, wie z. B. an einer Kuppel in der vertikal obersten Position der Kühlmitteldurchgänge im IEM-Zylinderkopf. Der Entgasungskanal kann mit dem Kühlmittelkern durch die obere Wand des IEM-Zylinderkopfs und den Kühlmittelmantel fluidtechnisch gekoppelt sein. Der Entgasungskanal kann die Freisetzung von angesammeltem Dampf von der Kühlmittelkammer ermöglichen und einen Konvektionsstrom erzeugen und folglich kann flüssiges Kühlmittel mit der oberen Wand des Kühlmittelmantels in Kontakt bleiben. In dieser Weise können die Wärmespannung am IEM-Zylinderkopf, am Auslasskanal und Übertemperaturbedingungen von stromabseitigen Komponenten verringert werden.
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An einem Vereinigungsort nahe dem Abgassammler und dem Auslasskanal kann der IEM-Zylinderkopf ferner einen Temperatursensor in Kommunikation mit einer Steuereinheit des Fahrzeugs umfassen. Die Steuereinheit kann Bedingungen identifizieren, unter denen die erfasste Temperatur größer ist als ein Schwellenwert, um solche Angaben zum Fahrer zu liefern, und/oder um die Kraftmaschinenbetriebsbedingungen einzustellen, um die Abgastemperatur von Verbrennungsgasen zu verringern. Folglich können die vorstehend beschriebenen Merkmale die Wahrscheinlichkeit einer thermischen Verschlechterung des IEM-Zylinderkopfs, des Abgassammlers, des Auslasskanals, des Zylinderblocks und/oder von stromabseitigen Komponenten verringern, wodurch die Lebensdauer der Kraftmaschinenkomponenten verlängert wird.
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Der hier beschriebene Beispiel-IEM-Zylinderkopf umfasst eine Entlüftungsöffnung wie z. B. einen Entgasungskanal im oberen Kühlmittelmantel und kann ferner einen Temperatursensor im oberen Kühlmittelmantel umfassen. 1 und 2 umfassen schematische Darstellungen einer Beispiel-Brennkraftmaschine bzw. eines Beispiel-IEM-Zylinderkopfs. Wie in 3 gezeigt, umfasst der IEM-Zylinderkopf einen Auslasskanal, der mit mehreren Auslassrohren (nicht dargestellt) über einen Abgassammler (in 6 gezeigt) gekoppelt ist. 4 umfasst eine detailliertere Ansicht des Auslasskanals von 3. Wie in 4 dargestellt, sind der Entgasungskanal und ein Temperatursensor in einem Bereich des oberen Kühlmittelmantels angeordnet, der vertikal über dem Auslasskanal liegt. Die räumliche Orientierung des Entgasungskanals und des Temperatursensors relativ zueinander ist in der Seitenansicht von 5 von oben gezeigt. 6 ist ein Querschnitt des IEM-Zylinderkopfs entlang der 6-6'-Achse von 3, der die Orientierung des Entgasungskanals innerhalb der oberen Wand des IEM-Zylinderkopfs und die Kopplung des Entgasungskanals mit einem oberen Kühlmittelkern zeigt. Der Kühlmittelkern ist in 7 und 8 genauer gezeigt.
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Ferner ist ein „heißer Punkt“ des Kühlmittelkerns über dem Auslasskanal in 7 angegeben. 9 und 10 zeigen den Ort, die Orientierung und die Struktur des Beispiel-Temperatursensors.
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Mit Bezug auf 1 wird eine Brennkraftmaschine 10 mit mehreren Zylindern, von denen ein Zylinder in 1 gezeigt ist, durch eine elektronische Kraftmaschinensteuereinheit 12 gesteuert. Die Kraftmaschine 10 umfasst eine Brennkammer 30 und Zylinderwände 32, wobei ein Kolben 36 darin angeordnet ist und mit einer Kurbelwelle 40 gekoppelt ist. Die Brennkammer 30 ist mit einem Einlasskrümmer 44 und einem Auslasskrümmer 48 über ein jeweiliges Einlassventil 52 und Auslassventil 54 in Verbindung stehend gezeigt. Jedes Einlass- und Auslassventil kann durch einen Einlassnocken 51 und einen Auslassnocken 53 betätigt werden. Alternativ kann eines oder können mehrere der Einlass- und Auslassventile durch eine elektromechanisch gesteuerte Ventilspulen- und - ankeranordnung betätigt werden. Die Position des Einlassnockens 51 kann durch einen Einlassnockensensor 55 bestimmt werden. Die Position des Auslassnockens 53 kann durch einen Auslassnockensensor 57 bestimmt werden.
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Der Einlasskrümmer 44 ist auch zwischen dem Einlassventil 52 und einem Lufteinlassdurchzugsrohr 42 gezeigt. Kraftstoff wird zur Kraftstoffeinspritzdüse 66 durch ein Kraftstoffsystem (nicht dargestellt) mit einem Kraftstofftank, einer Kraftstoffpumpe und einer Kraftstoffverteilerleitung (nicht dargestellt) zugeführt. Die Kraftmaschine 10 von 1 ist derart konfiguriert, dass der Kraftstoff direkt in den Kraftmaschinenzylinder eingespritzt wird, was dem Fachmann auf dem Gebiet als Direkteinspritzung bekannt ist. Die Kraftstoffeinspritzdüse 66 wird mit Betriebsstrom vom Treiber 68 versorgt, der auf die Steuereinheit 12 reagiert. Außerdem ist der Einlasskrümmer 44 mit einer optionalen elektronischen Drosselklappe 62 mit einer Drosselplatte 64 in Verbindung gezeigt. In einem Beispiel kann ein Niederdruck-Direkteinspritzsystem verwendet werden, bei dem der Kraftstoffdruck auf ungefähr 20-30 bar erhöht werden kann. Alternativ kann ein Hochdruck-Doppelstufen-Kraftstoffsystem verwendet werden, um höhere Kraftstoffdrücke zu erzeugen.
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Ein verteilerloses Zündsystem 88 liefert einen Zündfunken zur Brennkammer 30 über eine Zündkerze 92 in Reaktion auf die Steuereinheit 12. Ein universeller Abgassauerstoffsensor (UEGO-Sensor) 126 ist mit dem Auslasskrümmer 48 stromaufwärts eines Katalysators 70 gekoppelt gezeigt. Alternativ kann der UEGO-Sensor 126 gegen einen Abgassauerstoffsensor mit zwei Zuständen ausgetauscht werden.
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Der Katalysator 70 kann in einem Beispiel mehrere Katalysatorbausteine umfassen. In einem anderen Beispiel können mehrere Abgasreinigungsvorrichtungen jeweils mit mehreren Bausteinen verwendet werden. Der Katalysator 70 kann in einem Beispiel ein Dreiwegekatalysator sein.
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Die Steuereinheit 12 ist in 1 als herkömmlicher Mikrocomputer gezeigt, der umfasst: eine Mikroprozessoreinheit 102, Eingabe/Ausgabe-Ports 104, einen Festwertspeicher 106, einen Direktzugriffsspeicher 108, einen Haltespeicher 110 und einen herkömmlichen Datenbus. Die Steuereinheit 12 ist verschiedene Signale von mit der Kraftmaschine 10 gekoppelten Sensoren zusätzlich zu den vorher erörterten Signalen empfangend gezeigt, einschließlich: der Kraftmaschinen-Kühlmitteltemperatur (ECT) vom Temperatursensor 112, der mit der Kühlhülse 114 gekoppelt ist; eines Positionssensors 134, der mit einem Fahrpedal 130 zum Erfassen der durch einen Fuß 132 aufgebrachten Kraft gekoppelt ist; einer Messung des Kraftmaschinenkrümmerdrucks (MAP) vom Drucksensor 122, der mit dem Einlasskrümmer 44 gekoppelt ist; eines Kraftmaschinenpositionssensors von einem Hall-Effekt-Sensor 118, der die Position der Kurbelwelle 40 erfasst; einer Messung der in die Kraftmaschine eintretenden Luftmasse vom Sensor 120; und einer Messung der Drosselklappenposition vom Sensor 58. Der Atmosphärendruck kann zur Verarbeitung durch die Steuereinheit 12 auch erfasst werden (Sensor nicht gezeigt). In einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Beschreibung erzeugt der Kraftmaschinenpositionssensor 118 eine vorbestimmte Anzahl von gleich beabstandeten Impulsen bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle, aus der die Kraftmaschinendrehzahl (RPM) bestimmt werden kann.
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In einigen Ausführungsformen kann die Kraftmaschine mit einem Elektromotor/Batterie-System in einem Hybridfahrzeug gekoppelt sein. Das Hybridfahrzeug kann eine parallele Konfiguration, eine Reihenkonfiguration oder eine Variation oder Kombinationen davon aufweisen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Zylinderkopf-Kühlsystems 200 für eine Kraftmaschine. Es ist zu erkennen, dass das Kühlsystem in der Kraftmaschine 10, die in 1 gezeigt ist, enthalten sein kann. Das Kühlsystem kann dazu konfiguriert sein, Wärme von der Kraftmaschine zu entfernen. Wie hier genauer erörtert, kann die Steuereinheit 12 dazu konfiguriert sein, die Menge an Wärme, die von der Kraftmaschine über den Kühlmittelkreislauf 250 entfernt wird, zu regeln. In dieser Weise kann die Temperatur der Kraftmaschine geregelt werden, was ermöglicht, dass der Verbrennungswirkungsgrad erhöht wird, sowie die Wärmespannung an der Kraftmaschine verringert wird.
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Das Kühlsystem 200 umfasst einen Kühlmittelkreislauf 250, der durch einen Zylinderblock-Kühlmitteldurchgang oder mehrere Zylinderblock-Kühlmitteldurchgänge 251 in einem Zylinderblock 252 verläuft. Wasser oder ein anderes geeignetes Kühlmittel kann als Arbeitsflüssigkeit im Kühlmittelkreislauf verwendet werden. Der Zylinderblock kann einen Abschnitt von einer oder mehreren Brennkammern umfassen. Es ist zu erkennen, dass der Kühlmittelkreislauf benachbart zu den Abschnitten der Brennkammern verlaufen kann. In dieser Weise kann übermäßige Wärme, die während des Kraftmaschinenbetriebs erzeugt wird, auf den Kühlmittelkreislauf übertragen werden. Ein IEM-Zylinderkopf 253 kann mit dem Zylinderblock gekoppelt sein, um eine Zylinderanordnung zu bilden. Wenn sie zusammengefügt ist, kann die Zylinderanordnung mehrere Brennkammern umfassen. Die in 1 gezeigte Brennkammer 30 kann in den mehreren Brennkammern enthalten sein.
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Das Zylinderkopf-Kühlsystem umfasst ferner einen oberen Kühlmittelmantel 254 und einen unteren Kühlmittelmantel 256. Es ist zu erkennen, dass der obere und der untere Kühlmittelmantel in den Zylinderkopf integriert sind. Der obere Kühlmittelmantel umschließt mehrere Kühlmitteldurchgänge 258 eines oberen Kühlmittelkerns. Ebenso umschließt der untere Kühlmittelmantel mehrere Kühlmitteldurchgänge 260 eines unteren Kühlmittelkerns. Wie gezeigt, umfasst der obere Kühlmittelmantel einen Kühlmitteleinlass 262 und der untere Kühlmittelmantel umfasst einen Kühlmitteleinlass 264. Es ist jedoch zu erkennen, dass der obere und/oder der untere Kühlmittelmantel in anderen Ausführungsformen mehrere Einlässe umfassen können. Der obere Kühlmittelmantel kann beispielsweise einen einzelnen Einlass umfassen und der untere Kühlmittelmantel kann mehrere Einlässe umfassen. Es ist zu erkennen, dass die Einlässe des oberen und des unteren Kühlmittelmantels in einigen Ausführungsformen mit gemeinsamen Kühlmitteldurchgängen im Zylinderblock gekoppelt sein können. In dieser Weise empfangen der obere und der untere Kühlmittelmantel Kühlmittel über ihre jeweiligen Einlässe von einer gemeinsamen Quelle, die in einem Kraftmaschinenblock einer Kraftmaschine enthalten ist. In anderen Ausführungsformen können jedoch die Einlässe des oberen und des unteren Kühlmittelmantels mit separaten Kühlmitteldurchgängen im Zylinderblock gekoppelt sein.
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Ein erster Satz von Übergangskühlmitteldurchgängen 266 kann den oberen Kühlmittelmantel 254 mit dem unteren Kühlmittelmantel 256 fluidtechnisch koppeln. Ebenso kann ein zweiter Satz von Übergangskühlmitteldurchgängen 268 den oberen Kühlmittelmantel mit dem unteren Kühlmittelmantel fluidtechnisch koppeln.
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Jeder Übergangskühlmitteldurchgang, der im ersten Satz von Übergangskühlmitteldurchgängen enthalten ist, kann eine Einengung 270 umfassen. Ebenso kann jeder Übergangskühlmitteldurchgang, der im zweiten Satz von Übergangskühlmitteldurchgängen enthalten ist, eine Einengung 271 umfassen. Verschiedene Eigenschaften (z. B. Größe, Form usw.) der Einengungen können während der Konstruktion des Zylinderkopfs 253 abgestimmt werden. Daher können die Einengungen 270, die im ersten Satz von Übergangskühlmitteldurchgängen enthalten sind, in der Größe, Form usw. anders sein als die Einengungen 271, die im zweiten Satz von Übergangskühlmitteldurchgängen enthalten sind. In dieser Weise kann der Zylinderkopf für eine Vielfalt von Kraftmaschinen abgestimmt werden, wodurch die Anwendbarkeit des Zylinderkopfs gesteigert wird. Obwohl zwei Übergangskühlmitteldurchgänge sowohl im ersten als auch im zweiten Satz von Übergangskühlmitteldurchgängen dargestellt sind, kann die Anzahl von Übergangskühlmitteldurchgängen, die im ersten Satz und im zweiten Satz von Übergangskühlmitteldurchgängen enthalten sind, in anderen Ausführungsformen verändert werden.
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Die Übergangskühlmitteldurchgänge ermöglichen, dass Kühlmittel zwischen den Kühlmittelmänteln an verschiedenen Punkten zwischen den Einlässen und den Auslässen sowohl des oberen als auch des unteren Kühlmittelmantels strömt. In dieser Weise kann das Kühlmittel in einem komplexen Strömungsmuster strömen, wobei sich das Kühlmittel zwischen dem oberen und dem unteren Kühlmittelmantel, 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 Kraftmaschinenbetriebs ebenso wie es die Menge an Wärmeenergie, die vom Zylinderkopf entfernt werden kann, erhöht, wodurch die Kraftmaschinenleistung verbessert wird. Der Auslasskrümmer 48 ist zwischen dem oberen und dem unteren Kühlmittelmantel 254 bzw. 256 angeordnet. An sich können die Wände des Auslasskrümmers gekühlt werden, während das erhitzte Kraftmaschinenabgas transportiert wird, wobei anschließend zumindest teilweise das Kraftmaschinenabgas abgekühlt wird.
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Eine Kühlmittelpumpe 284 kann auch im Kühlmittelkreislauf enthalten sein. Ein Thermostat 286 kann am Auslass 276 des oberen Kühlmittelmantels angeordnet sein. Ein Thermostat 288 kann auch am Einlass des einen Kühlmitteldurchgangs oder der mehreren Kühlmitteldurchgänge 251 des Zylinderblocks 252 angeordnet sein. Zusätzliche Thermostate können an anderen Stellen innerhalb des Kühlmittelkreislaufs in anderen Ausführungsformen angeordnet sein, wie z. B. am Einlass oder Auslass des einen Kühlmitteldurchgangs oder der mehreren Kühlmitteldurchgänge im Kühler, am Einlass des oberen Kühlmittelmantels usw. Die Thermostate können verwendet werden, um die Menge an Fluid, das durch den Kühlmittelkreislauf strömt, auf der Basis der Temperatur zu regeln. In einigen Beispielen können die Thermostate über die Steuereinheit 12 gesteuert werden. In anderen Beispielen können jedoch die Thermostate passiv betrieben werden.
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Es ist zu erkennen, dass die Steuereinheit 12 die Menge an Kopfdruck, der durch die Kühlmittelpumpe 284 geschaffen wird, regeln kann, um die Durchflussrate des Kühlmittels durch den Kreislauf und daher die Menge an Wärme, die von der Kraftmaschine entfernt wird, einzustellen. In einigen Beispielen kann die Steuereinheit 12 ferner dazu konfiguriert sein, die Menge an Kühlmittelströmung durch den oberen Kühlmittelmantel über den Thermostat 286 dynamisch einzustellen. Insbesondere kann die Durchflussrate des Kühlmittels durch den oberen Kühlmittelmantel verringert werden, wenn die Kraftmaschinentemperatur unter einem Schwellenwert liegt. In dieser Weise kann die Dauer einer Kraftmaschinenaufwärmung während eines Kaltstarts verkürzt werden, wodurch der Verbrennungswirkungsgrad erhöht wird und Emissionen verringert werden.
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Die Kühlung des Auslasskrümmers und des Kraftmaschinenabgases über den Kühlmittelkreislauf und die Kühlmittelmäntel kann den Auslasskrümmer und stromabseitige Kraftmaschinenkomponenten vor einer thermischen Verschlechterung wie z. B. Verziehen aufgrund von Temperaturgradienten und/oder Verschlechterung aufgrund von Übertemperaturbedingungen schützen. In einem speziellen Beispiel wird flüssiges Kühlmittel über die Kühlmittelpumpe umgewälzt. In dieser Weise kann das Kühlmittel um den Auslasskrümmer umgewälzt werden, was ermöglicht, dass Wärme vom Auslasskrümmer entfernt wird. Daher können Wärmespannungen am Zylinderkopf-Auslasskrümmer sowie an benachbarten Komponenten verringert werden, wodurch die Komponentenlanglebigkeit gesteigert wird. Der Kühler ermöglicht, dass Wärme vom Kühlmittelkreislauf auf die Umgebungsluft übertragen wird. In dieser Weise kann Wärme vom Kühlmittelkreislauf entfernt werden.
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Probleme können jedoch im Kühlsystem entstehen. In einem Beispiel kann, wenn die Kühlmittelpumpe sich verschlechtert und/oder wenn ein Verlust an flüssigem Kühlmittel auftritt, Dampf sich an einem obersten Abschnitt des Kühlmittelkerns ansammeln, der einen Gaseinschluss an einer oberen Wand des Kühlmittelmantels bildet. In diesem Beispiel kann das flüssige Kühlmittel den Kontakt mit dem oberen Kühlmittelmantel an dem Ort des Gaseinschlusses verlieren und folglich kann der Wärmeaustausch und die Kühlung des Kühlmittelmantels an diesem Ort verringert werden. In einem spezifischen Beispiel kann sich der Gaseinschluss im Kühlmittelkern an einer obersten Stelle (z. B. vertikal höchste Stelle des Kerns), die nahe einem Abgasauslass oder einem Auslasskanal liegt, bilden. Da erhitztes Kraftmaschinenabgas an dieser Stelle zusammenströmt, kann der Auslasskanal während ausgewählter Betriebsbedingungen des Fahrzeugs einer hohen Wärme ausgesetzt werden. Wie vorstehend beschrieben, baut der Wärmeaustausch mit dem flüssigen Kühlmittel durch die Wand des oberen Kühlmittelmantels unter normalen Betriebsbedingungen die hohen Temperaturen ab und verhindert eine Beschädigung an Kraftmaschinenkomponenten. Wenn der Gaseinschluss an dieser Stelle vorhanden ist, können hohe Temperaturen aufgrund der verringerten Wärmeübertragung auftreten und folglich kann eine thermische Verschlechterung auftreten.
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Um eine solche Verschlechterung zumindest teilweise zu verringern, umfasst das Kühlsystem 200 einen Entgasungskanal 290 im oberen Kühlmittelmantel 254. Der Entgasungskanal 290 ist in einer oberen Oberfläche des oberen Kühlmittelmantels 254 in einem Bereich angeordnet, der zu einem vertikal obersten Abschnitt des oberen Mantels benachbart ist und der mit der Kühlmittelkammer in Fluidverbindung steht. Ein Auslass des Entgasungskanals ist mit einer Entgasungsleitung 294 gekoppelt, die ferner mit einer Entgasungsflasche 292 gekoppelt ist. Die Entgasungsflasche kann ein Druckentlastungsventil umfassen, das sich öffnet, um den Druck abzubauen, wenn ein Druck in der Entgasungsflasche 292 größer ist als ein Schwellenwert. In einem Beispiel kann sich das Druckentlastungsventil passiv öffnen, wenn der Druck der Entgasungsflasche größer ist als 16 psi. In einer alternativen Ausführungsform kann die Entgasungsflasche einen Drucksensor in Kommunikation mit der Steuereinheit umfassen und das Entgasungsventil kann durch die Steuereinheit betätigt werden. Die Entgasungsflasche 292 ist ferner mit dem Kühlmitteldurchgang 280 des Kühlers 282 gekoppelt, so dass flüssiges Reduktionsmittel zum Kühlmittelkreislauf 250 zurückgeführt werden kann. In alternativen Ausführungsformen kann die Entgasungsflasche flüssiges Reduktionsmittel an einer anderen Stelle des Kühlmittelkreislaufs 250 wie z. B. an der Wasserpumpe oder am Zylinderblock zurückführen. Ferner kann der obere Kühlmittelmantel 254 auch einen Temperatursensor 296 umfassen.
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Unter einer Bedingung, unter der der Kühlmittelkreislauf überhitzt wird und sich Dampf an einem oberen Abschnitt des oberen Kühlmittelmantels ansammelt, kann der Entgasungskanal folglich den Dampf zur Entgasungsflasche lenken, während flüssiges Kühlmittel in der Kühlmittelkammer bleibt und ein Konvektionsstrom erzeugt wird. An sich können der Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und der Kühlmittelmantelwand und der Wärmeaustausch zwischen der Kühlmittelmantelwand und dem Abgas fortfahren, selbst wenn sich das Kühlmittelsystem aufgrund von Kühlmittelverlust oder verringerter Kühlmittelströmung verschlechtert. In einer spezifischen Ausführungsform ist der Entgasungskanal in einer oberen Wand des Zylinderkopfs und einer oberen Wand des oberen Kühlmittelmantels an einem Ort, der nahe einem gemeinsamen Abgassammler und Auslasskanal liegt, angeordnet. Der Kühlmitteldurchgang-Entgasungskanal wird im Hinblick auf 3 - 8 hier genauer erörtert. Es ist zu erkennen, dass die Systeme und Komponenten in 2 schematisch dargestellt sind und nicht den relativen Ort der Komponenten darstellen sollen.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Beispielzylinderkopfs 253. Der Zylinderkopf 253 ist in einer Orientierung gezeigt, in der der Zylinderkopf an einer Kraftmaschine in einem Fahrzeug angebracht ist, wenn das Fahrzeug sich auf einer Fahroberfläche wie z. B. einer Straße befindet. Der Zylinderkopf kann zur Befestigung an einem Zylinderblock (nicht dargestellt) konfiguriert sein, der eine oder mehrere Brennkammern mit einem Kolben, der sich darin hin und her bewegt, wie vorstehend im Hinblick beispielsweise auf 1 beschrieben, definiert. Der Zylinderkopf kann aus einem geeigneten Material wie z. B. Aluminium gegossen werden. Andere Komponenten eines zusammengesetzten Zylinderkopfs wurden weggelassen. Die weggelassenen Komponenten umfassen Nockenwellen, Nockenwellenabdeckungen, 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 Bodenwand 312 kann dazu konfiguriert sein, mit dem Zylinderkopf (nicht dargestellt) zu koppeln, wodurch die Kraftmaschinenbrennkammern gebildet werden, wie vorher erörtert. Eine obere Wand 316 des Zylinderkopfs umfasst ferner den Entgasungskanal 290 mit einem Ventil, das dazu konfiguriert ist, Gas vom oberen Kühlmittelmantel zu entfernen. Detailliertere Ansichten des Entgasungskanals sind in 4 und 5 gezeigt.
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Der Zylinderkopf 253 umfasst einen Auslasskanal 320, mit dem mehrere Auslassrohre (nicht dargestellt) gekoppelt sind. Die Auslassrohre können mit den Auslassventilen jeder Brennkammer (nicht dargestellt) gekoppelt sein. In dieser Weise können der Auslasskrümmer und die Auslassrohre in das Zylinderkopfgussstück integriert sein. Die integrierten Auslassrohre weisen eine Anzahl von Vorteilen auf, wie z. B. die Verringerung der Anzahl von Teilen innerhalb der Kraftmaschine, wodurch die Kosten über den ganzen Entwicklungszyklus der Kraftmaschine verringert werden. Ferner können die Inventar- und Montagekosten auch verringert werden, wenn ein integrierter Auslasskrümmer verwendet wird.
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Der Zylinderkopf umfasst ferner einen Auslasskrümmerflansch 273, der den Auslasskanal 320 umgibt. Der Flansch umfasst Schraubennaben 310 oder andere geeignete Befestigungsvorrichtungen, die dazu konfiguriert sind, an einer stromabseitigen Auslasskomponente wie z. B. einer Abgasleitung oder einem Einlass einer in einem Turbolader enthaltenen Turbine zu befestigen. In dieser Weise kann der Turbolader (nicht dargestellt) direkt am Zylinderkopf montiert werden, was Verluste innerhalb der Kraftmaschine verringert. Der Turbolader kann eine durch Abgas angetriebene Turbine umfassen, die mit einem Kompressor über eine Antriebswelle gekoppelt ist. Der Kompressor kann dazu konfiguriert sein, den Druck im Einlasskrümmer zu erhöhen.
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4 zeigt eine detailliertere Ansicht des Auslasskanals 320 und des Entgasungskanals 290. Der Entgasungskanal ist in einem Bereich angeordnet, der an eine obere Oberfläche des oberen Kühlmittelmantels angrenzt. In einigen Beispielen kann der Entgasungskanal an einem Scheitelpunkt (z. B. im Wesentlichen höchster vertikaler Punkt) im oberen Kühlmittelmantel angeordnet sein. Da diese Stelle des oberen Kühlmittelmantels nahe dem Auslasskrümmer liegt, kann es ein Bereich sein, der während des Betriebs des Fahrzeugs höhere Temperaturen erfährt, und ist eine Stelle, an der Dampf sich ansammeln kann. In anderen Ausführungsformen kann jedoch der Entgasungskanal an einer anderen geeigneten Stelle angeordnet sein, wie z. B. im unteren Wassermantel einer geteilten Wassermantelkonstruktion.
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Der Entgasungskanal kann die Menge an Gas (z. B. Luft und/oder Wasserdampf) sowohl im oberen als auch im unteren Kühlmittelmantel verringern, wodurch ermöglicht wird, dass flüssiges Kühlmittel zu den Kühlmittelmantelwänden gesaugt wird und ein Strom von flüssigem Kühlmittel, der durch den Kühlmittelkreislauf strömt, erzeugt wird. Die Abführung von Gas kann ermöglichen, dass das flüssige Kühlmittel den Kontakt mit den Kühlmittelmantelwänden aufrechterhält und eine Kühlung für die Kühlmittelmantelwände über Wärmeaustausch schafft. Überdies können die Kühlmittelwände das heiße Abgas kühlen, das durch den Auslasskanal 320 strömt, und zumindest teilweise die Verschlechterung an stromabseitigen Komponenten wie z. B. einem Turbolader verringern. Folglich kann der Betriebswirkungsgrad des oberen und des unteren Kühlmittelmantels unter einer Bedingung erhöht werden, unter der sich ansonsten Dampf im Kühlmittelkern ansammeln kann.
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Wie in 4 gezeigt, ist ein Temperatursensor 296 nahe dem Entgasungskanal 290 angeordnet. Der Temperatursensor erstreckt sich durch ein Loch 410 im oberen Kühlmittelmantel über dem Auslasskanal 320. Folglich kann der Temperatursensor eine Temperatur in einer „heißen Zone“ des integrierten Zylinderkopfs messen. Wie in 2 dargestellt, sendet der Temperatursensor 296 ein Temperatursignal zur Steuereinheit 12. Die Steuereinheit kann diese Temperaturdaten verwenden, um Betriebsbedingungen und/oder die Leistung des Kühlsystems abzuleiten, wie z. B. Verlust an Kühlmittel, betriebsunfähige Pumpe und/oder eine Systemblockade. Die Steuereinheit kann dann ein Signal zum Fahrer senden, das eine frühe Angabe der Anwesenheit einer Kühlsystemverschlechterung gibt, wenn die Temperatur größer ist als ein Schwellenwert. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit den Kraftmaschinenbetrieb einstellen, wie z. B. Kraftstoffeinspritzmenge oder Zündfunkenzeitpunkt, um die Abgastemperatur zu verringern.
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5 zeigt eine Seitenansicht der in 4 gezeigten detaillierten Ansicht von oben. 5 zeigt, dass der Entgasungskanal 290 in einem Abstand A von der äußeren Oberfläche des Flanschs 273 angeordnet ist und der Temperatursensor 296 in einem Abstand B von der äußeren Oberfläche des Flanschs angeordnet ist. Der Abstand A ist größer als der Abstand B, so dass der Temperatursensor näher am Flansch liegt als der Entgasungskanal. Der Ort für die Entgasungskanalanordnung kann physikalischen Konstruktions- und Herstellungseinschränkungen und der Optimierung der Kühlmittelströmung unterliegen, so dass das Kühlmittel mit dem höchsten Volumen an mitgerissenem Luftdampf am nächsten zum Entgasungskanal gelenkt wird. An sich kann der Entgasungskanal im höchsten Wassermantelbereich im hintersten Punkt angeordnet sein, um die Kühlmittelströmung zu verwenden, um die mitgerissene Luft zur Kanalöffnung zu spülen. Die Temperatursensoranordnung kann so nahe wie möglich am höchsten Auslasskanalort liegen, der im vorliegenden Beispiel dort liegt, wo ebenso das heißeste Metall angeordnet ist. Dieser hohe Punkt kann dort liegen, wo das Metall im Fall eines Kühlmittelverlusts zuerst freigelegt wird. Der Entgasungsort kann vom Temperatursensor getrennt sein, um eine Wechselwirkung zwischen der Entgasung und dem Temperatursensorbetrieb zu vermeiden. Ferner kann die Entgasung stromabwärts des Metallsensors angeordnet sein, um falsche Messwerte zu vermeiden. Dies wäre auch nützlich, wenn das ausfallsichere Überwachungssystem eine elektrische Kühlmittelpumpe für nach dem Abschalten beinhaltet, die üblicherweise „Nachlaufpumpe“ genannt wird.
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6 stellt einen Querschnitt des IEM-Zylinderkopfs 253 entlang der Querachse von 3 dar, der den Ort des Auslasskanals 320, des Entgasungskanals 290, eines Abgassammlers und eines Kühlmittelkerns 600 mit Kühlmitteldurchgängen zeigt. Insbesondere sind ein oberer Kern 610 des Kühlmittelkerns 600 und die obere Wand 316 des Zylinderkopfs 253 gezeigt. Der Entgasungskanal 290 ist über dem Abgassammler innerhalb der oberen Wand 316 angeordnet und der obere Kern 610 ist zwischen dem Entgasungskanal 290 und dem Abgassammler angeordnet. Insbesondere ist der Entgasungskanal 290 innerhalb der oberen Wand 316 des integrierten Zylinderkopfs 253 angeordnet und verläuft durch diese, die auch eine obere Wand des Kühlmittelmantels ist. Folglich steht der Entgasungskanal 290 mit dem oberen Kern 610 an einem unteren Ende 612 des Entgasungskanals in Fluidverbindung. Das untere Ende 612 ist im obersten Bereich einer Kuppel des oberen Kerns 610 angeordnet. Aufgrund der leichteren Dichte von Luft/Gas relativ zum flüssigen Kühlmittel ist der oberste Bereich des oberen Kerns dort, wo sich ein Gaseinschluss wahrscheinlich unter Überhitzungsbedingungen bildet. Ein entgegengesetztes, oberes Ende 614 des Entgasungskanals 290 ist mit der Entgasungsleitung gekoppelt, die ferner mit der Entgasungsflasche (schematisch in 2 dargestellt) gekoppelt ist.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist der Entgasungskanal 290 im Allgemeinen vertikal in der oberen Wand 316 angeordnet. Insbesondere ist der Entgasungskanal 290 von einem Zentrum des Zylinderkopfs in einem Winkel X relativ zur Querachse des integrierten Zylinderkopfs 253 nach außen abgewinkelt. In einem spezifischen Beispiel ist der Winkel X 60 Grad. In alternativen Ausführungsformen kann der Entgasungskanal einwärts abgewinkelt sein oder kann zu einer vertikalen Achse des Zylinderkopfs parallel sein.
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7 zeigt einen Querschnitt des IEM-Zylinderkopfs 253 entlang der 7-7-Achse, die in 3 dargestellt ist. Die Querschnittsansicht zeigt einen zweiten Auslassrohrdurchgang 704, einen dritten Auslassrohrdurchgang 706 und einen vierten Auslassrohrdurchgang 708. Jeder der Auslassrohrdurchgänge ist mit einem Zylinderauslassventil (schematisch in 1 dargestellt) an einem Ende und mit dem Abgassammler an einem entgegengesetzten Ende gekoppelt. Wie in 7 gezeigt, ist der Entgasungskanal 290 direkt über dem zweiten Auslassrohrdurchgang 704 angeordnet.
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8 zeigt den Kühlmittelkern 600 mit dem oberen Kern 610 und einem unteren Kern 810. Der Kühlmittelkern 600 kann durch Gießen von Kernen, die wie gezeigt angeordnet sind und während eines Gießprozesses 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.
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Wie gezeigt, können vertikal ausgerichtete Vorsprünge 820, die sowohl im oberen als auch im unteren Kern enthalten sind, den ersten Satz von Übergangskühlmitteldurchgängen 266 definieren. Es ist zu erkennen, dass die Übergangskühlmitteldurchgänge relativ zur Kolbenbewegung vertikal orientiert sein können. Die seitlich ausgerichteten Verlängerungen 822 sowohl im oberen als auch im unteren Kern können den zweiten Satz von Übergangskühlmitteldurchgängen 268 definieren. Es ist zu erkennen, dass die horizontal ausgerichtete Verlängerung 824 den Auslass 276 des oberen Kühlmittelmantels mit der Einengung 277 definieren kann.
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Der obere und der untere Kühlmittelmantel definieren mehrere Kühlmitteldurchgänge, wie vorher erörtert. Ferner definiert der Auslasskanal 320 eine Öffnung zum Auslasskrümmer mit mehreren Auslassrohren (nicht dargestellt), die mit dem Auslasskanal fluidtechnisch gekoppelt sind. Folglich strömt Kraftmaschinenabgas von den Rohren durch den Auslasskanal während des Betriebs der Kraftmaschine. An sich kann eine Temperatur des Kühlmittelkerns und des Kühlmittelmantels in einem Bereich 850 ansteigen, der nahe dem Auslasskanal und über dem Auslasskanal liegt. Folglich kann der Bereich 850 eine „heiße Zone“ des Zylinderkopfs sein. Da der Bereich 850 an einer Oberseite des Kühlmittelkerns 600 liegt, können sich ferner Gase wie z. B. Luft und/oder Dampf in diesem Bereich des Kühlmittelkerns ansammeln, insbesondere wenn die Kühlmittelpumpe beschädigt ist und/oder ein Kühlmittelverlust auftritt. Wie in 9 dargestellt, ist in der vorliegenden Ausführungsform der Entgasungskanal 290 vorwärts (in Richtung eines Vorderendes des Fahrzeugs) und einwärts (in Richtung eines Zentrums des Zylinderkopfs) vom Auslasskanal angeordnet. In alternativen Ausführungsformen kann der Entgasungskanal an einer Rückseite des Auslasskanals oder direkt über dem Auslasskanal angeordnet sein. In alternativen Ausführungsformen kann der Zylinderkopf ferner mehr als einen Entgasungskanal umfassen.
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Zusätzlich zum Entgasungskanal 290 kann der Zylinderkopf den Temperatursensor 296 im Bereich 850 umfassen. Der Temperatursensor ist in 2 - 5, 10 und 11 dargestellt. 10 zeigt einen Querschnitt des Zylinderkopfs 235 entlang einer Längsachse des Zylinderkopfs (Achse 10-10 von 3), der den Temperatursensor 296 halbiert. In der vorliegenden Ausführungsform weist der Temperatursensor eine Länge mit einem Abstand F auf. In einem spezifischen Beispiel ist der Abstand F 29,1 mm. Wie vorstehend beschrieben, ist der Temperatursensor 296 in der vorliegenden Ausführungsform einwärts (in Richtung eines Zentrums des Zylinderkopfs) vom Flansch 273 (in 5 gezeigt) angeordnet und liegt direkt über dem Auslassdurchgang 706. Insbesondere liegt der Temperatursensor 296 hinter einem Längszentrum des Auslasskanals 320 und des Abgassammlers. In alternativen Ausführungsformen kann sich der Temperatursensor an einer anderen Stelle nahe dem Auslasskanal befinden und/oder der Zylinderkopf kann mehr als einen Temperatursensor umfassen.
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11 umfasst eine detailliertere Ansicht des Temperatursensors 296 und seiner Umgebungskomponenten. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst der Temperatursensor fortlaufend schmälere Abschnitte 1110, 1112, 1114 und 1116. Der Abschnitt 1110 ist ein oberer, größter Abschnitt des Temperatursensors und vereinigt sich mit einer oberen Oberfläche der Wand 620. Das bearbeitete Loch des Temperatursensors kann an der Spitze des Sensors schmäler sein, um die Auswirkung des Kühlmittelkontakts und der Strömungsverringerung, die durch die Größe der Metallnabe verursacht wird, die zum Montieren des Sensors verwendet wird, zu minimieren.
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Der Temperatursensor 296 ist innerhalb einer vertikalen Wand 1130 des Zylinderkopfs 253 angeordnet. Die vertikale Wand 1130 erstreckt sich zwischen Durchgängen des oberen Kerns 610 und folglich ist der Temperatursensor 296 vom oberen Kern 610 umgeben. Der Temperatursensor ist beispielsweise vom oberen Kern umgeben, da die Seiten der vertikalen Wand, in der der Temperatursensor angeordnet ist, mit dem flüssigen Kühlmittel innerhalb der Durchgänge des oberen Kerns in Kontakt stehen. In einem alternativen nicht erfindungsgemäßen Beispiel kann der Temperatursensor vom Kühlmittelkern umgeben sein, indem er innerhalb des Kühlmittelkerns angeordnet ist und mit dem flüssigen Kühlmittel in direktem Kontakt steht. Ein konisches Spitzenende 1118 liegt nahe einer oberen Wand des Abgassammlers und des Bereichs 850 des Kühlmittelkerns 600. Das konische Spitzenende 1118 liegt in einem Abstand G von der oberen Wand des dritten Auslassrohrdurchgangs 706. In einem Beispiel ist der Abstand G 4,5 mm. Der Temperatursensor kann eine Temperaturmessung des Zylinderkopfs innerhalb des Bereichs 850 an einem Ort nahe der Auslassfläche schaffen. Wie in 2 dargestellt, sendet der Temperatursensor 296 ein Temperatursignal zur Steuereinheit 12.
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Der vorstehend beschriebene Beispielzylinderkopf umfasst einen integrierten Auslasskrümmer. Während des Betriebs eines Fahrzeugs mit dem Zylinderkopf kann der Zylinderkopf aufgrund der Strömungseigenschaften innerhalb des integrierten Auslasskrümmers höhere Temperaturen erfahren. Das Zylinderkopfkühlsystem ist dazu konfiguriert, Kühlmittel durch Durchgänge im Zylinderkopf zu leiten, um einen IEM-Zylinderkopf zu kühlen. Ein Entgasungskanal ist vertikal in einer oberen Wand des Zylinderkopfs angeordnet und ist von einem Zentrum des Zylinderkopfs nach außen abgewinkelt. Der Entgasungskanal steht mit einem oberen Kühlmittelkern in einem obersten Bereich des oberen Kühlmittelkerns in Fluidverbindung. Der Entgasungskanal kann die Freisetzung von angesammeltem Dampf vom Kühlmittelkern ermöglichen, was folglich ermöglicht, dass flüssiges Kühlmittel mit einer oberen Kühlmittelmantelwand in Kontakt bleibt. In dieser Weise können Wärmespannungen an den Zylinderkopfwänden, am Auslasskanal und an Komponenten stromabwärts des integrierten Auslasskrümmers verringert werden. Ferner kann der Zylinderkopf einen Temperatursensor innerhalb einer Wand des Kühlmittelmantels umfassen, der nahe dem Auslasskanal liegt und von den Durchgängen des oberen Kühlmittelkerns umgeben ist. Unter einer Bedingung, unter der die Temperatur im Bereich nahe dem Auslasskanal größer ist als ein Schwellenwert, kann ein Warnsignal zu einem Fahrer gesendet werden, um den Betrieb des Fahrzeugs zu stoppen. Folglich können die vorstehend beschriebenen Merkmale die Wahrscheinlichkeit für eine thermische Verschlechterung des Abgassammlers, des Auslasskanals, des Zylinderblocks oder von benachbarten Komponenten wie z. B. eines Turboladers verringern, wodurch die Komponentenlanglebigkeit erhöht wird.
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Es ist zu erkennen, dass die hier offenbarten Konfigurationen und Routinen dem Wesen nach beispielhaft sind und dass diese spezifischen Ausführungsformen nicht in einer begrenzenden Hinsicht betrachtet werden sollen, da zahlreiche Variationen möglich sind. Beispielsweise kann die obige Technologie auf V-6-, I-4-, I-6-, V-12-, 4-Boxer- und andere Kraftmaschinentypen angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst alle neuen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und andere hier offenbarte Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftmaschinensystem umfasst Folgendes: einen Zylinderkopf mit einem integrierten Auslasskrümmer, der mehrere Abgaseinlasskanäle zu einem Abgassammler und einem einzelnen Abgasauslasskanal lenkt; einen oberen Kühlmittelmantel und einen unteren Kühlmittelmantel, die den Auslasskrümmer umgeben; und einen Temperatursensor, der über dem Sammler angeordnet ist und von Durchgängen des oberen Kühlmittelmantels umgeben ist.
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Dabei weist bevorzugt der obere Kühlmittelmantel eine Kuppel über dem Sammler auf, wobei das System ferner einen Entgasungskanal umfasst, der an einer Oberseite der Kuppel angeordnet ist.
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Dabei ist bevorzugt der Entgasungskanal zwischen einer Entgasungsflasche und einem oberen Kühlmittelkern fluidtechnisch gekoppelt, wobei der obere Kühlmittelkern vom oberen Kühlmittelmantel umgeben ist.
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Bevorzugt führt dabei der Entgasungskanal von einem höchsten Abschnitt des oberen Kühlmittelkerns in Bezug auf eine vertikale Achse, wenn das System in einem Personenkraftwagen angebracht ist.
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Weiter bevorzugt ist der Temperatursensor rückwärts entlang einer Längsachse des Zylinderkopfs relativ zum Entgasungskanal und zu einer zentralen Querachse des Abgassammlers angebracht, wenn das System in einem Personenkraftwagen angebracht ist.
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Ferner bevorzugt ist der Entgasungskanal vorwärts entlang der Längsachse des Zylinderkopfs relativ zur zentralen Querachse des Abgassammlers angeordnet, wobei insbesondere bevorzugt der Entgasungskanal in einem vertikalen Winkel innerhalb einer oberen Wand des oberen Kühlmittelmantels angeordnet ist.
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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 die Integration 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 sie im Schutzbereich gegenüber den ursprünglichen Ansprüchen breiter, schmäler, gleich oder anders sind, auch als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 10
- Brennkraftmaschine
- 12
- Kraftmaschinensteuereinheit
- 30
- Brennkammer
- 32
- Zylinderwände
- 36
- Kolben
- 40
- Kurbelwelle
- 42
- Lufteinlassdurchzugsrohr
- 44
- Einlasskrümmer
- 48
- Auslasskrümmer
- 51
- Einlassnocken
- 52
- Einlassventil
- 53
- Auslassnocken
- 54
- Auslassventil
- 55
- Einlassnockensensor
- 57
- Auslassnockensensor
- 58
- Sensor
- 62
- optionale elektronische Drosselklappe
- 64
- Drosselplatte
- 66
- Kraftstoffeinspritzdüse
- 68
- Treiber
- 70
- Katalysator
- 88
- Zündsystem
- 92
- Zündkerze
- 102
- Mikroprozessoreinheit
- 104
- Eingabe/Ausgabe-Ports
- 106
- Festwertspeicher
- 108
- Direktzugriffsspeicher
- 110
- Haltespeicher
- 112
- Temperatursensor
- 114
- Kühlhülse
- 118
- Kraftmaschinenpositionssensors
- 122
- Drucksensor
- 120
- Sensor
- 126
- Abgassauerstoffsensor (UEGO-Sensor)
- 130
- Fahrpedal
- 132
- Fuß
- 134
- Positionssensors
- 200
- Zylinderkopf-Kühlsystem
- 250
- Kühlmittelkreislauf
- 251
- Zylinderblock-Kühlmitteldurchgänge
- 252
- Zylinderblock
- 253
- IEM-Zylinderkopf
- 254
- oberer Kühlmittelmantel
- 256
- unterer Kühlmittelmantel
- 258
- Kühlmitteldurchgänge
- 260
- Kühlmitteldurchgänge
- 262
- Kühlmitteleinlass des oberen Kühlmittelmantels
- 264
- Kühlmitteleinlass des unteren Kühlmittelmantels
- 266
- Übergangskühlmitteldurchgänge
- 268
- Übergangskühlmitteldurchgängen
- 270
- Einengung
- 271
- Einengung
- 273
- Auslasskrümmerflansch
- 276
- Auslass des oberen Kühlmittelmantels
- 277
- Einengung
- 278
- Auslass des unteren Kühlmittelmantels
- 280
- Kühlmitteldurchgang
- 282
- Kühler
- 284
- Kühlmittelpumpe
- 286
- Thermostat
- 288
- Thermostat
- 290
- Entgasungskanal
- 292
- Entgasungsflasche
- 294
- Entgasungsleitung
- 296
- Temperatursensor
- 302
- erste Seitenwand
- 304
- zweite Seitenwand
- 306
- vordere Endwand
- 308
- hintere Endwand
- 310
- Schraubennaben
- 312
- Bodenwand
- 316
- obere Wand des Zylinderkopfs
- 320
- Auslasskanal
- 410
- Loch
- 600
- Kühlmittelkern
- 610
- oberer Kern des Kühlmittelkerns
- 612
- unteres Ende des Entgasungskanals
- 614
- oberes Ende des Entgasungskanals
- 620
- Wand des Zylinderkopfes
- 702
- erster Auslassrohrdurchgang
- 704
- zweiter Auslassrohrdurchgang
- 706
- dritter Auslassrohrdurchgang
- 708
- vierter Auslassrohrdurchgang
- 810
- unterer Kern des Kühlmittelkerns
- 820
- vertikal ausgerichtete Vorsprünge
- 822
- seitlich ausgerichteten Verlängerungen
- 1110, 1112, 1114, 1116
- fortlaufend schmälere Abschnitte des Temperatursensors
- 1118
- konisches Spitzenende
- 1130
- vertikale Wand des Zylinderkopfes
- A
- Abstand zwischen Entgasungskanal und äußere Oberfläche des Flanschs
- B
- Abstand zwischen Temperatursensor und äußere Oberfläche des Flanschs
- G
- Abstand zwischen das konische Spitzende und die obere Wand
- F
- Länge des Temperatursensors
