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Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solcher Zylinderkopf für eine beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, ist beispielsweise der
AT 513 262 B1 als bekannt zu entnehmen. Der Zylinderkopf weist wenigstens einen Ventilsitzring für ein Gaswechselventil sowie wenigstens einen Kühlkanal auf, welcher sich zumindest teilweise um den Ventilsitzring erstreckt und von einem Kühlmedium durchströmbar ist. Ferner weist der Zylinderkopf wenigstens einen Eintritt auf, über welchen dem Kühlkanal das Kühlmedium zuführbar ist. Darüber hinaus ist wenigstens ein Austritt vorgesehen, über welchen das Kühlmedium aus dem Kühlkanal abführbar ist. Darüber hinaus weist der Zylinderkopf wenigstens eine Drosselstelle für eine Kurzschlussströmung des Kühlmediums zwischen dem Eintritt und dem Austritt auf. Dies bedeutet, dass sich eine Kurzschlussströmung des Kühlmediums zwischen dem Eintritt und dem Austritt, beispielsweise vom Eintritt zum Austritt, über die Drosselstelle ausbilden kann. Die Drosselstelle ist dabei einerseits durch den Ventilsitzring und andererseits durch eine Wandung des Zylinderkopfes begrenzt. Die Wandung ist dabei durch einen Grundkörper des Zylinderkopfes gebildet, wobei der Ventilsitzring als Einsatzteil zumindest teilweise in dem Grundkörper aufgenommen ist.
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Die
EP 0 356 641 A2 offenbart eine Kühlvorrichtung für im Zylinderkopf einer luftgekühlten Brennkraftmaschine angeordnete Ventilsitzringe, mit jeweils einem von Schmieröl durchströmten, die Ventilsitzringe umgebenden Ringkanal und mit einem weiteren Ölkanal, der Lagerstellen einer Nockenwelle mit Schmieröl versorgt und in einem oberhalb des Zylinderkopfes angeordneten Nockenwellengehäuse parallel zur Nockenwelle verläuft. Ferner ist jeweils eine Zuführleitung, die vom Ölkanal zu dem Ringkanal führt, vorgesehen. Ferner umfasst die Kühlvorrichtung eine Abführleitung, die vom Ringkanal in das Nockenwellengehäuse führt. Dabei ist es vorgesehen, dass je eine Zu- und Abführleitung in eng benachbarten Öffnungen in jeden Ringkanal münden und dass eine Austrittsöffnung der Abführleitung im Nockenwellengehäuse in unmittelbarer Nähe von Nocken angeordnet ist, und dass der Ringkanal zwischen den beiden Öffnungen einen ihn stark einengenden Vorsprung aufweist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zylinderkopf der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine besonders vorteilhafte Kühlung des Zylinderkopfes realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird durch einen Zylinderkopf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um einen Zylinderkopf der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine besonders vorteilhafte Kühlung des Zylinderkopfes realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass durch die Wandung auf einer der Drosselstelle gegenüberliegenden Seite der Wandung wenigstens ein Aufnahmeschacht für ein am Zylinderkopf anzuordnendes Bauelement wie beispielsweise einen Injektor oder eine Zündeinrichtung zumindest teilweise begrenzt ist. Mit anderen Worten begrenzt die Wandung auf einer ersten Seite den Kühlkanal, welcher sich zumindest teilweise um den Ventilsitzring erstreckt. Auf einer der ersten Seite gegenüberliegende, zweiten Seite der Wandung begrenzt die Wandung den Aufnahmeschacht zumindest teilweise, so dass dadurch mittels des den beispielsweise als Ringkanal ausgebildeten Kühlkanal durchströmenden Kühlmediums nicht nur der Ventilsitzring, sondern auch der Aufnahmeschacht beziehungsweise das im fertig hergestellten Zustand der Verbrennungskraftmaschine zumindest teilweise in dem Aufnahmeschacht angeordnete Bauelement gekühlt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Drosselstelle zur Realisierung eines besonders guten lokalen Wärmeübergangs zu nutzen. Bei der Drosselstelle handelt es sich um eine Engstelle, welche beispielsweise im Vergleich zum Kühlkanal einen geringeren, von dem Kühlmittel durchströmbaren Strömungsquerschnitt aufweist. Durch diese Drosselstelle beziehungsweise Engstelle wird – insbesondere im Vergleich zum Kühlkanal – lokal eine besonders hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums bewirkt. Durch diese lokal besonders hohe Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich ein besonders guter Wärmeübergang sowohl vom Ventilsitzring als auch von der Wandung an das Kühlmedium, so dass sowohl der Ventilsitzring als auch die Wandung und somit der Aufnahmeschacht beziehungsweise das darin anzuordnende Bauelement besonders gut gekühlt werden können.
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Die zwischen dem Aufnahmeschacht und der Drosselstelle angeordnete Wandung stellt einen Steg dar beziehungsweise bildet einen Steg, durch welchen die von dem Kühlmittel durchströmbare Drosselstelle von dem Aufnahmeschacht getrennt ist. Zur Realisierung eines geringen Bauraumbedarfs und eines geringen Gewichts ist dieser Steg beziehungsweise die Wandung sehr schmal. Somit handelt es sich bei dem Steg beziehungsweise der Wandung sowie auch bei dem Ventilsitzring um Bereiche, die in einem gefeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, in welchem Verbrennungsvorgänge in wenigstens einem Brennraum, insbesondere einem Zylinder, der Verbrennungskraftmaschine ablaufen, thermisch sehr stark belastet sind.
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Erfindungsgemäß wird nun die Engstelle zwischen diesen zwei thermisch hoch belasteten Bereichen angeordnet, so dass infolge des geschilderten, besonders vorteilhaften Wärmeübergangs diese Bereiche thermisch entlastet und somit vor übermäßigen thermisch bedingten Schäden geschützt werden können. Dadurch können jeweilige Temperaturen der Bereiche, das heißt der Wandung und des Ventilsitzrings gering gehalten werden, so dass beispielsweise eine besonders hohe Verdichtung der beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine darstellbar ist. Infolge dieser hohen Verdichtung kann ein besonders hoher thermischer Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden, so dass sich auch die Kopfneigung besonders gering halten lässt. In der Folge ist ein besonders kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine darstellbar.
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Die vorteilhafte Kühlung des Zylinderkopfes lässt sich auf besonders einfache Weise darstellen. Insbesondere kann die Anzahl an Bearbeitungsschritten im Vergleich zu konventionellen Zylinderköpfen gering gehalten werden, so dass der erfindungsgemäße Zylinderkopf auf besonders zeit- und kostengünstige Weise herstellbar ist.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei gezeigt, wenn die Drosselstelle in einem von dem Kühlmedium durchströmbaren Hauptströmungspfad des Zylinderkopfes angeordnet ist. Auf diesem Hauptströmungspfad, welcher auch als Hauptstrom bezeichnet wird, quert beispielsweise das Kühlmedium den Zylinderkopf und durchströmt dabei die Drosselstelle, so dass ein Nebenstrom beziehungsweise ein Nebenströmungspfad, in welchen eine separate Kühlung des Ventilsitzrings angeordnet werden könnte, vermieden werden kann.
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Bei dem genannten Kühlmedium handelt es sich vorzugsweise um eine Kühlflüssigkeit, welche auch als Kühlwasser bezeichnet wird. Hierdurch lässt sich eine besonders vorteilhafte Kühlung des Zylinderkopfes realisieren, da ein besonders guter Wärmeübergang von dem Ventilsitzring und von der Wandung an das Kühlwasser realisierbar ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht eines Zylinderkopfes für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, mit einer von einem Kühlmedium durchströmbaren Drosselstelle, die einerseits durch einen Ventilsitzring und andererseits durch eine Wandung des Zylinderkopfes begrenzt ist, wobei durch die Wandung auf einer der Drosselstelle gegenüberliegenden Seite der Wandung wenigstens ein Aufnahmeschacht für ein am Zylinderkopf anzuordnendes Bauelement zumindest teilweise begrenzt ist; und
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2 ausschnittsweise eine weitere schematische Schnittansicht des Zylinderkopfes.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht einen im Ganzen mit 10 bezeichneten Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagen. Die Verbrennungskraftmaschine ist dabei als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet und umfasst wenigstens einen Brennraum in Form eines Zylinders. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Verbrennungskraftmaschine eine Mehrzahl von Brennräumen in Form von Zylindern umfasst. Im jeweiligen Brennraum ist ein Kolben translatorisch bewegbar aufgenommen. Der Brennraum (Zylinder) ist dabei durch ein Zylindergehäuse gebildet, welches als Zylinderkurbelgehäuse ausgebildet sein kann. An dem Zylinderkurbelgehäuse ist eine Abtriebswelle beispielsweise in Form einer Kurbelwelle um eine Drehachse relativ zu dem Zylinderkurbelgehäuse drehbar gelagert. Der jeweilige Kolben ist über ein zugeordnetes Pleuel gelenkig mit der Abtriebswelle (Kurbelwelle) gekoppelt, so dass die translatorischen Bewegungen des Kolbens im Zylinder in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle um ihre Drehachse umgewandelt werden können. In einem gefeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine werden Kraftstoff-Luft-Gemische, die sich im Brennraum befinden, gezündet und verbrannt.
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Im fertig hergestellten Zustand der Verbrennungskraftmaschine ist der Zylinderkopf 10 mit dem Zylindergehäuse verbunden. Der Zylinderkopf 10 weist wenigstens einen Einlasskanal auf, über welchen dem Zylinder Luft für das Kraftstoff-Luft-Gemisch zuführbar ist. Vorliegend sind dem Zylinder zwei Einlasskanäle 11 zugeordnet, über welche Luft in den Zylinder einströmen kann. Kraftstoff für das Kraftstoff-Luft-Gemisch kann ebenfalls über den jeweiligen Einlasskanal 11 in den Zylinder einströmen, wobei der Kraftstoff beispielsweise mittels der in den Zylinder einströmenden Luft in den Zylinder transportiert wird. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Verbrennungskraftmaschine als direkt einspritzende Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist, wobei der Kraftstoff mittels eines Einspritzelements direkt in den Zylinder eingespritzt wird. Das Einspritzelement wird üblicherweise auch als Injektor bezeichnet. Bei dem Kraftstoff handelt es sich um einen flüssigen Kraftstoff wie beispielsweise um Dieselkraftstoff oder Benzin. Die vorigen und folgenden Ausführungen können jedoch auch ohne weiteres auf gasförmigen Kraftstoff übertragen werden.
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Aus der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches resultiert Abgas, welches aus dem Zylinder abzuführen ist. Hierzu weist der Zylinderkopf 10 zwei Auslasskanäle 12 auf, über welche das Abgas aus dem den Auslasskanälen 12 zugeordneten Zylinder abführbar ist.
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Um das Einströmen von Luft in den Zylinder sowie das Ausströmen des Abgases aus dem Zylinder zu steuern, sind in 1 und 2 nicht dargestellte Gaswechselventile vorgesehen. Ein solches, dem jeweiligen Einlasskanal 11 zugeordnetes Gaswechselventil ist ein sogenanntes Einlassventil, welches zwischen einer den Einlasskanal 11 fluidisch versperrenden Schließstellung und wenigstens einer den Einlasskanal 11 freigebenden Offenstellung bewegbar ist. In der Offenstellung des Einlassventils kann die Luft aus dem Einlasskanal 11 ausströmen und in den Zylinder einströmen.
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Den Auslasskanälen 12 ist jeweils ein Gaswechselventil in Form eines Auslassventils zugeordnet, wobei die Auslassventile in 1 und 2 nicht dargestellt sind. Das jeweilige Auslassventil ist ebenfalls zwischen einer dem zugehörigen Auslasskanal 12 versperrenden Schließstellung und wenigstens einer den zugehörigen Auslasskanal 12 freigebenden Offenstellung relativ zum Zylinderkopf 10 insbesondere translatorisch bewegbar. In der Offenstellung kann somit das Abgas aus dem Zylinder ausströmen und in den jeweiligen Auslasskanal 12 einströmen.
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Aus 1 und 2 ist besonders gut erkennbar, dass dem jeweiligen, in 1 und 2 nicht gezeigten Auslassventil ein Ventilsitzring 14 zugeordnet ist. Der jeweilige Ventilsitzring 14 ist dabei ein Einsatzteil, welches zumindest teilweise in einem im Ganzen mit 16 bezeichneten Grundkörper des Zylinderkopfes 10 angeordnet, das heißt eingesetzt ist. Der Grundkörper 16 ist beispielsweise als Gussbauteil ausgebildet, das heißt durch Gießen beziehungsweise ein Gießverfahren hergestellt, wobei der jeweilige Ventilsitzring 14 beispielsweise unabhängig von dem Grundkörper 16 hergestellt ist. Der jeweilige Ventilsitzring 14 bildet für das jeweils zugehörige Auslassventil einen Ventilsitz 18, auf welchem das jeweilige Auslassventil in dessen Schließstellung sitzt. Somit ist das jeweilige Auslassventil nicht direkt am Grundkörper 16 sondern am Ventilsitz 18 und somit am Ventilsitzring 14 in der Schließstellung abgestützt.
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Der Zylinderkopf 10 weist ferner je Ventilsitzring 14 einen sich zumindest teilweise um den Ventilsitzring 14 erstreckenden und von einem Kühlmedium insbesondere in Form von Kühlflüssigkeit durchströmbaren Kühlkanal 20 auf, welcher vorliegend zumindest im Wesentlichen als Ringkanal ausgebildet ist und sich – wie aus 2 erkennbar ist – vollständig um den jeweiligen Ventilsitzring 14 herum erstreckt. Der Zylinderkopf 10 weist dabei – wie aus 2 erkennbar ist – wenigstens einen Eintritt 22 auf, über welchen dem Kühlkanal 20 die Kühlflüssigkeit zuführbar ist. Ferner umfasst der Zylinderkopf 10 wenigstens einen Austritt 24, über welchen die Kühlflüssigkeit aus dem Kühlkanal 20 abführbar ist. Darüber hinaus ist eine Drosselstelle 26 für eine durch einen Richtungspfeil 28 veranschaulichte Kurzschlussströmung der Kühlflüssigkeit zwischen dem Eintritt 22 und dem Austritt 24 vorgesehen. Weitere Richtungspfeile 30 veranschaulichen die Strömung der Kühlflüssigkeit durch den Kühlkanal 20 vom Eintritt 22 zum Austritt 24.
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Der Kühlkanal 20 ist – beispielsweise nach dem Gießen des Zylinderkopfes 10 beziehungsweise des Grundkörpers 16 – mechanisch bearbeitet und somit als mechanisch bearbeitete Ringnut ausgebildet. Dabei mündet der Kühlkanal 20 in einen gusstechnisch dargestellten Wasserraum des Grundkörpers 16, so dass dem Kühlkanal 20 über den Wasserraum die Kühlflüssigkeit zugeführt wird. Ferner wird die Kühlflüssigkeit aus dem Kühlkanal 20 in den gusstechnisch dargestellten Wasserraum abgeführt. Dadurch sind keine bearbeiteten Zu- und Abführöffnungen wie beispielsweise Zu- und Abführbohrungen erforderlich, so dass der Zylinderkopf 10 auf besonders einfache, zeit- und kostengünstige Weise hergestellt werden kann.
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Besonders gut aus 2 erkennbar ist, dass die Drosselstelle 26 einerseits durch den Ventilsitzring 14 und andererseits durch eine Wandung 32 des Zylinderkopfes 10, insbesondere des Grundkörpers 16, begrenzt ist. Dies bedeutet, dass durch den Grundkörper 16 die Wandung 32 gebildet ist. Die Wandung 32 begrenzt dabei auf einer ersten Seite 34 der Wandung 32 die Drosselstelle 26.
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Um nun eine besonders vorteilhafte Kühlung des Zylinderkopfes 10 zu realisieren, ist durch die Wandung 32 auf einer der Drosselstelle 26 gegenüberliegenden, zweiten Seite 36 der Wandung 32 wenigstens ein Aufnahmeschacht 38 für ein am Zylinderkopf 10 anzuordnendes Bauelement zumindest teilweise begrenzt. Mit anderen Worten begrenzt die Wandung 32 auf ihrer der ersten Seite 34 gegenüberliegenden zweiten Seite 36 den Aufnahmeschacht 38 zumindest teilweise. Aus 2 ist erkennbar, dass die Wandung 32 einen zwischen der Drosselstelle 26 und dem Aufnahmeschacht 38 angeordneten, schmalen Steg bildet, wobei – wie aus 1 erkennbar ist – der Aufnahmeschacht 38 seitlich neben dem jeweiligen Ventilsitzring 14 und somit zwischen den jeweiligen Ventilsitzringen 14 angeordnet ist, so dass das Bauelement im fertig hergestellten Zustand der Verbrennungskraftmaschine ebenfalls seitlich neben den jeweiligen Ventilsitzringen 14 beziehungsweise zwischen den beiden Ventilsitzringen 14 angeordnet ist. Bei dem jeweiligen Ventilsitzring 14 und bei der schmalen Wandung 32 handelt es sich um thermisch hoch belastete Bereiche des Zylinderkopfes 10, wobei aufgrund der beschriebenen Anordnung der Drosselstelle 26 diese thermisch hoch belasteten Bereiche besonders vorteilhaft gekühlt werden können. Dadurch, dass die Drosselstelle 26 im Vergleich zum genannten Wasserraum und im Vergleich zum Kühlkanal 20 einen geringeren, von der Kühlflüssigkeit durchströmbaren Strömungsquerschnitt aufweist, wird durch die Drosselstelle 26 eine besonders hohe Strömungsgeschwindigkeit der durch die Drosselstelle 26 durchströmenden Kühlflüssigkeit bewirkt. Infolge dieser hohen Strömungsgeschwindigkeit kommt es zu einem besonders guten Wärmeübergang von dem Ventilsitzring 14 und von der Wandung 32 an das die Drosselstelle 26 durchströmende Kühlmedium (Kühlflüssigkeit), so dass im Bereich der Drosselstelle 26 besonders hohe Wärmemengen effizient und effektiv vom Ventilsitzring 14 und von der Wandung 32 abtransportiert werden können. Üblicherweise reißt die Wandung 32 (Steg) zwischen dem Aufnahmeschacht 38 und dem der Drosselstelle 26 aufgrund der hohen thermischen Belastungen leicht ein. Da die Drosselstelle 26 jedoch nun zwischen dem Ventilsitzring 14 und der Wandung 32 angeordnet ist, lässt sich eine gezielte Kühlung des Ventilsitzrings 14 und insbesondere der Wandung 32 im Bereich der Drosselstelle 26 realisieren, so dass eine Dauerhaltbarkeit gewährleistet werden kann.
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Besonders gut aus 1 ist erkennbar, dass der jeweilige Ventilsitzring 14 außenumfangsseitig, das heißt auf einer den Kühlkanal 20 begrenzenden Seite eine Mehrzahl von Vorsprüngen 40 aufweist, welche im jeweiligen Kühlkanal 20 angeordnet sind. Vorliegend sind die Vorsprünge 40 durch Rippen gebildet, welche um den jeweiligen Ventilsitzring 14 vollständig umlaufen.
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Bei dem genannten, in dem Aufnahmeschacht 38 anzuordnenden Bauelement handelt es sich beispielsweise um eine Zündeinrichtung zum Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Zylinder, wobei die Zündeinrichtung üblicherweise auch als Zündkerze bezeichnet wird. Alternativ kann es sich bei dem Bauelement um den zuvor genannten Injektor handeln, mittels welchem der Kraftstoff direkt in den Zylinder eingespritzt werden kann. Aufgrund der gezielten und vorteilhaften Kühlung der Wandung 32 kann auch das in dem Aufnahmeschacht 38 angeordnete Bauelement effizient und effektiv gekühlt werden. Ferner ist es denkbar, auf die geschilderte Weise sowohl eine Zündkerze als auch einen Injektor beziehungsweise jeweilige Aufnahmeschächte im Bereich der Drosselstelle 26 zu kühlen.
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Vorzugsweise ist die Drosselstelle 26 in einem von der Kühlflüssigkeit durchströmbaren Hauptströmungspfad des Zylinderkopfes 10 angeordnet, so dass zeit- und kostenaufwendig herzustellende und von dem Hauptströmungspfad abzweigende Nebenpfade, in welchen die Drosselstelle 26 angeordnet werden könnte, vermieden werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zylinderkopf
- 11
- Einlasskanal
- 12
- Auslasskanal
- 14
- Ventilsitzring
- 16
- Grundkörper
- 18
- Ventilsitz
- 20
- Kühlkanal
- 22
- Eintritt
- 24
- Austritt
- 26
- Drosselstelle
- 28
- Richtungspfeil
- 30
- Richtungspfeil
- 32
- Wandung
- 34
- erste Seite
- 36
- zweite Seite
- 38
- Aufnahmeschacht
- 40
- Vorsprünge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- AT 513262 B1 [0002]
- EP 0356641 A2 [0003]
