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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor und betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, einen Zylinderkopf, der eine Anlageschulter umfasst, die zum Begrenzen einer Schrumpfung des Auslasskrümmers konfiguriert ist.
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Hintergrund
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Auslasskrümmer werden in einer Umgebung mit hohen Temperaturen (z. B. in einer Umgebung mit Temperaturen um 1000 °C oder darüber) betrieben, wodurch die Betriebsgrenzen des Materials, aus dem sie hergestellt sind, erreicht werden können. Solche Materialien umfassen austenitisches und ferritisches Gusseisen sowie austenitischen und ferritischen Edelstahlguss. Insbesondere können Auslasskrümmer aus diesen Materialien gegossen sein. Über die Lebensspanne eines Motors hinweg kann ein Auslasskrümmer viele Male erhitzen und abkühlen, wodurch es zu Verformung kommen kann. Während einer heißen Phase kann sich ein Auslasskrümmer in der Länge beispielsweise bis zu 3 mm ausdehnen. Wenn er jedoch abkühlt, kann der Krümmer schrumpfen (z. B. dauerhaft schrumpfen), so dass er nach mehreren Wärmezyklen in der Länge im Vergleich zu seiner Ausgangslänge beispielsweise 3 mm kürzer ist.
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1 und 2 zeigen einen zuvor vorgeschlagenen Auslasskrümmer 10. Der Auslasskrümmer 10 ist mit Abgasverbindungsrohren 12 und Flanschen 14 zum Verbinden des Auslasskrümmers 10 mit einem Zylinderkopf 20 eines Motors 30 versehen.
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Der Auslasskrümmer 10 wird beim wiederholten Erhitzen und Abkühlen Temperaturwechseln ausgesetzt. Dies führt zum Ausdehnen und Schrumpfen des Auslasskrümmers 10. Während der Schrumpfungsphase können heißere Teile des Kummers 10 eine geringere Festigkeit aufweisen und können dadurch eine dauerhafte plastische Verformung erfahren. Dies führt dazu, dass der Auslasskrümmer 10 auf eine Länge schrumpft, die kürzer als bei der Ausgangskonstruktion ist. Diese Verformung kann zu übermäßigen inneren Spannungen und letztlich einem Bruch des Auslasskrümmers, der ein Abgasleck verursacht, führen.
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Aussagen der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt, wobei der Zylinderkopf mehrere Abgasauslässe umfasst, die entlang einer Längsachse des Zylinderkopfs verteilt sind, wobei die Abgasauslässe zur Ausrichtung auf die entsprechenden Abgasverbindungsrohre eines Auslasskrümmers konfiguriert sind und jeder Abgasauslass eine Passfläche umfasst, die zur Aufnahme von Flanschen an den Abgasverbindungsrohren konfiguriert ist, wobei der Zylinderkopf ferner zwei oder mehr Anlageschultern umfasst, die jeweils einem anderen Abgasauslass zugeordnet sind und sich über die Passflächen hinaus erstrecken, wobei die Anlageschultern mit dem Rest des Zylinderkopfs integral, z. B. einstückig, sind, wobei die Anlageschultern jeweils eine Anlagefläche umfassen, die zum Zusammenwirken mit den Flanschen an den Abgasverbindungsrohren konfiguriert ist, um eine Längenschrumpfung des Auslasskrümmers, z. B. entlang einer Länge des Auslasskrümmers, die in der Richtung der Längsachse des Zylinderkopfs verläuft, zu begrenzen.
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Die Anlageschultern können an einem Rand der Passfläche vorgesehen sein. Die Anlageschultern können auf einer Seite der Passfläche, die von den Enden des Zylinderkopfs weg weist (z. B. am weitesten davon entfernt ist), vorgesehen sein.
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Die Anlageschultern können zwischen benachbarten Abgasauslässen vorgesehen sein. Die Abgasauslässe können aufeinander ausgerichtet sein. Die Anlageschultern können mit den Abgasauslässen in einer Reihe vorgesehen sein.
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Eine erste Anlageschulter kann einem Abgasauslass an einem ersten Ende des Zylinderkopfs zugeordnet (z. B. daneben vorgesehen) sein. Eine zweite Anlageschulter kann einem Abgasauslass an einem zweiten Ende des Zylinderkopfs zugeordnet (z. B. daneben vorgesehen) sein. Beispielsweise kann die erste Anlageschulter neben einem ersten Abgasauslass vorgesehen sein und die zweite Anlageschulter kann neben einem letzten (z. B. vierten) Abgasauslass am Zylinderkopf vorgesehen sein. Die Anlageschultern können auf der Seite des zugeordneten Abgasauslasses vorgesehen sein, die zum Mittelpunkt des Zylinderkopfs weist (z. B. diesem am nächsten ist).
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Jeder Abgasauslass kann eine oder weniger ihm zugeordnete Anlageschultern aufweisen. Mit anderen Worten können die Abgasauslässe lediglich eine (oder keine) Anlageschulter aufweisen. Die Anlageschultern können lediglich auf einer Seite des jeweiligen Abgasauslasses vorgesehen sein.
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Die Anlageschultern können voneinander beabstandet sein, so dass es zwischen den Anlageflächen und den entsprechenden Abgasverbindungsrohren einen ersten Spalt geben kann, wenn der Auslasskrümmer und der Zylinderkopf zunächst verbaut werden, z. B. bevor es zu einer Ausdehnung oder Schrumpfung aufgrund der während des Gebrauchs auftretenden Temperaturwechsel kommt.
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Die Anlageschultern können eine weitere Fläche gegenüber der Anlagefläche umfassen. Die weitere Fläche kann so angeordnet sein, dass sie zu einem benachbarten Abgasverbindungsrohr weist. Die Anlageschultern können so dimensioniert sein, dass es zwischen der weiteren Fläche der Anlageschulter und dem benachbarten Abgasverbindungsrohr einen zweiten Spalt geben kann, wenn der Auslasskrümmer und der Zylinderkopf zunächst verbaut werden und während der Ausdehnung des Auslasskrümmers, so dass die Anlageschultern eine Ausdehnung des Auslasskrümmers gestatten können. Der zweite Spalt kann größer als der erste Spalt sein, wenn der Auslasskrümmer und der Zylinderkopf zunächst verbaut werden. Die Anlageschultern können somit eine Schrumpfung des Auslasskrümmers begrenzen, jedoch nicht die Ausdehnung des Auslasskrümmers begrenzen.
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Die weitere Fläche der Anlageschulter kann geneigt, z. B. nicht rechtwinklig zur Passfläche, sein. Die weitere Fläche kann geneigt sein, so dass die Anlageschulter (in der Richtung der Längsachse) an einem Ende, das am weitesten von der Passfläche weg liegt, schmaler sein kann. Die Anlagefläche kann senkrecht zur Passfläche sein.
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Mindestens eine der Anlageschultern kann zum Stützen eines Wärmeschutzes konfiguriert sein. Der Wärmeschutz kann ein Wärmeschutz für den Auslasskrümmer sein.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Motoranordnung bereitgestellt, die den Zylinderkopf und den Auslasskrümmer gemäß einer der obigen Aussagen umfasst. Die Motoranordnung kann ferner einen Hitzeschutz umfassen, der zur Verbindung mit mindestens einer der Anlageschultern konfiguriert ist.
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Zur Vermeidung unnötigen Aufwands und unnötiger Wiederholungen von Text in der Beschreibung werden bestimmte Merkmale in Bezug auf lediglich einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass in Bezug auf einen beliebigen Aspekt oder eine beliebige Ausführungsform der Erfindung beschriebene Merkmale auch bei einem beliebigen anderen Aspekt oder einer beliebigen anderen Ausführungsform der Erfindung Verwendung finden können, sofern dies technisch möglich ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und zur Verdeutlichung ihrer Ausführung wird nun beispielhaft auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines zuvor vorgeschlagenen Motors mit einem Zylinderkopf und einem Auslasskrümmer zeigt;
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2 eine perspektivische Ansicht des zuvor vorgeschlagenen Zylinderkopfs und Auslasskrümmers ist;
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3 eine Schnittansicht eines Zylinderkopfs und eines Auslasskrümmers gemäß einer Anordnung der vorliegenden Offenbarung ist; und
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4 eine vergrößerte Schnittansicht des Zylinderkopfs und des Auslasskrümmers gemäß der Anordnung der vorliegenden Offenbarung ist.
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Detaillierte Beschreibung
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Mit Bezug auf 3 bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf einen Zylinderkopf 120 für einen Verbrennungsmotor. Der Zylinderkopf 120 kann vom Rest eines Motorblocks getrennt oder mit anderen Motorblockteilen integral sein. Der Zylinderkopf 120 umfasst mehrere Abgasauslässe 122, die beim zusammengebauten Motor mit jeweiligen Zylindern des Motors (nicht gezeigt) durch ein oder mehrere Auslassventile (nicht gezeigt) in Strömungsverbindung stehen. Die Abgasauslässe 122 können entlang einer Längsachse des Zylinderkopfs ausgerichtet und verteilt sein. Abgase von den Zylindern strömen durch die Abgasauslässe 122 zu einem Auslasskrümmer 10.
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Der Auslasskrümmer 10 umfasst einen Körper, der mindestens zwei Abgasverbindungsrohre 12 definiert, die mit einem gemeinsamen Rohr 11, das einen gemeinsamen Abgasauslass 16 umfasst, verbunden sind oder in diesen übergehen. Das gemeinsame Rohr 11 kann sich im Wesentlichen in der Längsrichtung erstrecken. Bei der bestimmten dargestellten Anordnung umfasst der Auslasskrümmer 104 Abgasverbindungsrohre 12a, 12b, 12c, 12d, die auf die vier entsprechenden Abgasauslässe 122a, 122b, 122c bzw. 122d ausgerichtet sind und damit in Strömungsverbindung stehen. Es versteht sich jedoch, dass andere Anzahlen von Abgasauslässen und Abgasverbindungsrohren in Betracht gezogen werden und dass die Anzahl an Abgasverbindungsrohren, z. B. aufgrund von zusammengegossenen Abgasauslässen, nicht der Anzahl an Abgasauslässen entsprechen muss.
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Der Auslasskrümmer 10 kann ein weiteres Verbindungsrohr 13 umfassen, das keinem Zylinder des Motors zugeordnet ist. Das weitere Verbindungsrohr 13 kann mit einem Abgasrückführungskanal 123 oder einem beliebigen anderen Kanal, der durch den Zylinderkopf 120 verlaufen kann, in Strömungsverbindung stehen.
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Der Auslasskrümmer 10 kann einem zuvor vorgeschlagenen Auslasskrümmer entsprechen, wie z. B. dem in 1 und 2 dargestellten. Entsprechend kann der Auslasskrümmer 10 Flansche 14 umfassen, wobei jedes der Abgasverbindungsrohre 12a bis d einen jeweiligen Flansch 14a bis d zum Sichern des Auslasskrümmers am Motor während des Betriebs aufweist. Wie dargestellt wird, können die Flansche 14a bis d für jedes Abgasverbindungsrohr 12a bis d voneinander getrennt sein. Jedoch kann ein gemeinsamer Flansch für zwei oder mehr Abgasverbindungsrohre, wie z. B. ein mittleres Paar Abgasverbindungsrohre 12b, 12c, vorgesehen sein. Des Weiteren kann bei der gezeigten Anordnung auch ein gemeinsamer Flansch 14d über ein viertes Abgasverbindungsrohre 12d und das weitere Verbindungsrohr 13 hinweg vorgesehen sein.
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Wie aus 2 ersichtlich wird, können sich die Flansche 14 weiter in einer Richtung, die senkrecht zur Längsachse des Zylinderkopfs verläuft, als in einer Richtung, die zur Längsachse parallel ist, erstrecken (z. B. vorstehen). Befestigungselemente (nicht gezeigt) können durch Öffnungen 15 in den Flanschen 14 zur Verbindung des Auslasskrümmers 10 mit dem Zylinderkopf 120 hindurch verlaufen.
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Mit erneutem Bezug auf 3 umfasst jeder Abgasauslass 122a bis d eine Passfläche 124a bis d, die zur Aufnahme der Abgasverbindungsrohrflansche 14a bis d konfiguriert ist. Entsprechend können die Passflächen die Abgasauslässe 122a bis d umgeben. Zur Erleichterung des Eingriffs können die Passflächen 124a bis d und die entsprechenden Passflächen der Flansche 14a bis d im Wesentlichen flach sein. Wie dargestellt wird, können die Passflächen 124a bis d voneinander getrennt sein; jedoch können eine oder mehrere der Passflächen miteinander verbunden sein.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 3 umfasst der Zylinderkopf 120 ferner zwei oder mehr Anlageschultern 126. Jede Anlageschulter 126 kann einem anderen Abgasauslass 122a bis d zugeordnet sein, obgleich einem bestimmten Abgasauslass möglicherweise keine Anlageschulter zugeordnet ist. Mit anderen Worten, kann ein bestimmter Abgasauslass 122a bis d lediglich eine (oder keine) Anlageschulter aufweisen. Bei der bestimmten gezeigten Anordnung kann eine erste Anlageschulter 126a einem ersten Abgasauslass 122a an einem ersten Ende 120a des Zylinderkopfs zugeordnet sein. Eine zweite Anlageschulter 126d kann einem vierten Abgasauslass 122d an einem zweiten Ende ein 20b des Zylinderkopfs zugeordnet sein. Im Gegensatz dazu ist dem zweiten und dem dritten Abgasauslass 122b, 122c möglicherweise keine Anlageschulter zugeordnet.
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Die Anlageschultern 126 sind neben dem zugeordneten Abgasauslass 122 (z. B. daneben) vorgesehen. Insbesondere können die Anlageschultern 126 an einem Rand der Passfläche 124 vorgesehen sein. Die Anlageschultern 126 erstrecken sich über die Passflächen 124 hinaus in einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht (z. B. senkrecht) zu den Passflächen ist, (z. B. ragen darüber hinaus). Die Anlageschultern 126 können sich auch in einer Richtung, die parallel zu den Passflächen 124 ist, erstrecken.
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Die Abgasauslässe 122 können aufeinander ausgerichtet sein, z. B. entlang einer Längsachse des Zylinderkopfs 120 oder des Motors 30. Die Anlageschultern 126 können mit den Abgasauslässen 122 in einer Reihe vorgesehen sein, z. B. entlang einer Achse, die durch die Mittelpunkte der Abgasauslässe verläuft.
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Die Anlageschultern 126 können auf einer Seite des jeweiligen Abgasauslasses 122 vorgesehen sein. Die Anlageschultern 126 können auf der Seite des zugeordneten Abgasauslasses 122, der einem Mittelpunkt des Zylinderkopfs am nächsten ist (oder sich am weitesten von dem ersten und dem zweiten Ende 120a, ein 20b des Zylinderkopfs weg befindet), vorgesehen sein. Entsprechend können die Anlageschultern 126 zwischen benachbarten Abgasauslässen 122 vorgesehen sein.
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Insbesondere können sich die Anlageschultern 126 von einem Bereich zwischen benachbarten Passflächen 124 aus erstrecken. Der Bereich zwischen benachbarten Passflächen 124 kann in Bezug auf die Passflächen vertieft sein.
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Die Anlageschultern 126 können mit dem Rest des Zylinderkopfs 120 integral, z. B. einstückig, sein. Beispielsweise können die Anlageschultern 126 Teil desselben Gussteils wie der Zylinderkopf sein.
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Die Anlageschultern 126a, 126d umfassen jeweils eine Anlagefläche 127a, 127d, die im zusammengebauten Zustand zu dem zugehörigen Abgasauslass 122 und somit dem Abgasverbindungsrohr 12 weist. Die Anlageflächen 127 sind zum Zusammenwirken mit den Abgasverbindungsrohren 12 konfiguriert. Insbesondere können die Anlageflächen 127 mit den Flanschen 14 an dem Ende der Abgasverbindungsrohre zusammenwirken, ungeachtet dessen, dass sich die Flansche 14 in variierendem Maße um ihre Peripherie erstrecken können. Beispielsweise kann die Flanscherstreckung, wie in den Schnittansichten von 3 und 4 zu sehen ist, entlang einer Achse, die durch die Mittelpunkte der Abgasauslässe verläuft, (von einer Innenfläche des Abgasverbindungsrohrs) im Wesentlichen der Dicke einer Wand, die die Abgasverbindungsrohre 12 bildet, entsprechen oder sogar darunterliegen.
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Die Anlageflächen 127 können der Form des zugeordneten Abgasverbindungsrohrs 12 folgen. Wenn der Flansch 14 beispielsweise in einer zur Passfläche parallelen Ebene gekrümmt ist, können die Passflächen 127 auch mit demselben Profil gekrümmt sein. Auf diese Weise kann der Kontakt zwischen der Anlagefläche 127 und dem Abgasverbindungsrohr 12 über einen Bereich hinweg verteilt werden, und die resultierenden Spannungen können reduziert werden.
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Die Anlageflächen 127a, 127d weisen zu den Enden des Zylinderkopfs 120a bzw. 120b (und somit zu den Enden des Auslasskrümmers). Diese Anordnung der Anlageflächen 127 begrenzt eine Längenschrumpfung des Auslasskrümmers 10 in der durch die Pfeile A angegebenen Richtung durch ein Zusammenwirken zwischen den Anlageflächen 127 und den Abgasverbindungsrohren 12.
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Mit Bezug auf 4 können die Anlageschultern 126 voneinander beabstandet sein, so dass es einen ersten Spalt 127‘ zwischen den Anlageflächen 127 und den entsprechenden Abgasverbindungsrohren 127 geben kann, wenn der Auslasskrümmer 10 und der Zylinderkopf 120 zunächst verbaut werden, z. B. bevor es zu einer Ausdehnung oder Schrumpfung des Auslasskrümmers aufgrund der während des Gebrauchs des Motors auftretenden Temperaturwechsel kommt. Der erste Spalt 127‘ kann klein sein, z. B. 1 mm oder weniger. Der erste Spalt 127‘ kann das Anbauen des Auslasskrümmers 10 an den Zylinderkopf 120 erleichtern. Das Weiteren kann der erste Spalt 127‘ ein gewisses Maß an Schrumpfung des Auslasskrümmers, bevor die Anlageflächen 127 mit den Abgasverbindungsrohren 12 in Eingriff gelangen, gestatten.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 4 können die Anlageschultern 126 eine weitere Fläche 128 umfassen, die auf einer der Anlagefläche 127 gegenüberliegenden Seite der Anlageschulter 126 vorgesehen ist. Die weitere Fläche 128 kann dahingehend angeordnet sein, im zusammengebauten Zustand von dem zugeordneten Abgasauslass 122 und somit dem zugeordneten Abgasverbindungsrohr 12 weg zu weisen. Entsprechend kann die weitere Fläche 128 zu einem Mittelpunkt des Zylinderkopfs weisen (oder von den Enden des Zylinderkopfs weg weisen) und kann zu einem benachbarten Abgasverbindungsrohr 12 weisen.
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Die weitere Fläche 128 der Anlageschulter 126 kann zur zugeordneten Passfläche 124 abgewinkelt, z. B. nicht senkrecht dazu, sein. Die weitere Fläche 128 kann geneigt sein, so dass die Anlageschulter 126 (in der Richtung der Längsachse des Zylinderkopfs) an einem Ende, das am weitesten von der Passfläche 124 weg liegt, schmaler sein kann. Im Gegensatz dazu kann die Anlagefläche 127 im Wesentlichen senkrecht (z. B. senkrecht) zur Passfläche 124 sein.
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Die Anlageschultern 126 können so dimensioniert sein, dass es zwischen der weiteren Fläche 128 der Anlageschulter und dem benachbarten Abgasverbindungsrohr 12 einen zweiten Spalt 128‘ geben kann, wenn der Auslasskrümmer und der Zylinderkopf zunächst verbaut werden. Der zweite Spalt 128‘ kann auch nach einer Ausdehnung des Auslasskrümmers 10, zu der es während des Gebrauchs des Motors kommen kann, bestehen. Die Anlageschultern 126 können eine Ausdehnung des Auslasskrümmers während des Gebrauchs des Motors somit nicht begrenzen.
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Der zweite Spalt 128‘ kann größer als der erste Spalt 127‘ sein, wenn der Auslasskrümmer 10 und der Zylinderkopf zunächst verbaut werden. Die Anlageschultern 126 können somit eine Schrumpfung des Auslasskrümmers 10 begrenzen, jedoch mögliche Ausdehnungen des Auslasskrümmers gestatten.
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Es hat sich herausgestellt, dass die Verhinderung einer übermäßigen Schrumpfung des Auslasskrümmers 10 die Lebensdauer des Auslasskrümmers erhöht. Des Weiteren trägt das Gestatten einer Ausdehnung des Auslasskrümmers 10 zur Verhinderung eines schnellen Versagensmodus des Auslasskrümmers bei.
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Obgleich dies nicht dargestellt wird, wird in Betracht gezogen, dass mindestens eine der Anlageschultern 126 zum Stützen eines Hitzeschutzes für den Auslasskrümmer 10 konfiguriert sein kann. Mit anderen Worten können eine oder mehrere der Anlageschultern 126 einen Hitzeschutzansatz bilden, an dem der Hitzeschutz befestigt werden könnte. Solch eine Anlageschulter kann sich darüber hinaus zum Zusammenwirken mit einem Hitzeschutz in einer Richtung, die parallel zur Passfläche verläuft, erstrecken.
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Für den Fachmann ist offensichtlich, dass die Erfindung, obgleich sie beispielhaft mit Bezug auf ein oder mehrere Beispiele beschrieben wurde, nicht auf die offenbarten Beispiele beschränkt ist, und dass alternative Beispiele erstellt werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung, der durch die anhängigen Ansprüche definiert wird, abzuweichen.
