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Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine umfassend mindestens einen Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei der
- – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschliesst und die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers an einer Sammelstelle zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, die aus einer Außenwandung des Zylinderkopfes austritt,
- – mindestens ein im Zylinderkopf integrierter Kühlmittelmantel zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist, und
- – der im Zylinderkopf integrierte Abgaskrümmer abgasseitig zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung versehen ist.
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Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt und beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2011 114 771 A1 beschrieben. Weitere Brennkraftmaschinen mit Wärmeisolierung werden in den Druckschriften
DE 20 2014 100 387 U1 und
US 5 414 993 A beschrieben. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren, aber auch fremdgezündete Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der fremdgezündeten Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
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Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der mindestens zwei Zylinder an ihren Montage-Stirnseiten miteinander verbunden werden.
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Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben bzw. der Zylinderrohre eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Die Kolben werden axial beweglich in den Zylinderrohren geführt und bilden zusammen mit den Zylinderrohren und dem Zylinderkopf die Brennräume der Brennkraftmaschine aus.
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Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung der Steuerorgane. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen und das Füllen des mit Frischgemisch bzw. Luft, über die Einlassöffnungen. Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile als Steuerorgane verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Einlassöffnungen und Auslassöffnungen freigeben und verschließen. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
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Die Ansaugleitungen, die zu den Einlassöffnungen führen, und die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert. Die Abgasleitungen der Zylinder werden regelmäßig zu einer oder mehreren Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet.
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Bei der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, führen die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammen, d. h. der mindestens eine Zylinderkopf der Brennkraftmaschine verfügt über mindestens einen integrierten Abgaskrümmer.
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Stromabwärts des mindestens einen Krümmers werden die Abgase dann beispielsweise der Turbine eines Abgasturboladers und/oder gegebenenfalls einem oder mehreren Abgasnachbehandlungssystemen zugeführt.
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Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen können die erforderlichen Zündvorrichtungen und bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen darüber hinaus die Einspritzeinrichtungen im Zylinderkopf angeordnet werden.
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Zur Ausbildung einer funktionsgerechten, d. h. die Brennräume abdichtenden Verbindung von Zylinderkopf und Zylinderblock sind ausreichend viele und ausreichend große Bohrungen vorzusehen, was die konstruktive Auslegung des mindestens einen Zylinderkopfes wesentlich mit beeinflusst.
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Verfügt die Brennkraftmaschine über einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf, wie die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, werden im Zylinderkopf regelmäßig mehrere Kühlmittelkanäle bzw. mindestens ein Kühlmittelmantel ausgebildet, um das Kühlmittel durch den Zylinderkopf hindurchzuführen, was eine sehr komplexe Zylinderkopfstruktur bedingt.
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Die vorstehenden Ausführungen machen deutlich, dass der Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ein thermisch und mechanisch hoch belastetes Bauteil ist. Die Anforderungen an den Zylinderkopf nehmen dabei weiter zu. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass ein zunehmender Anteil der Brennkraftmaschinen – mittels Abgasturboauflader oder mechanischem Lader – aufgeladen wird. Aufgrund des immer dichteren Packaging im Motorraum und der zunehmenden Integration von Bauteilen und Komponenten in den Zylinderkopf, beispielsweise der Integration des Abgaskrümmers, steigt insbesondere die thermische Belastung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes, so dass erhöhte Anforderungen an die Kühlung zu stellen sind und Maßnahmen zu ergreifen sind, die eine thermische Überlastung der Brennkraftmaschine sicher verhindern.
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Darüber hinaus kommen bei der Herstellung des Zylinderkopfes zunehmend Werkstoff wie Aluminium oder dergleichen zum Einsatz, die im Hinblick auf die Kosten und das Gewicht Vorteile bieten, aber thermisch weniger belastbar sind.
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Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Motorkühlung in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Bei der Luftkühlung wird die Brennkraftmaschine mit einem Gebläse versehen, wobei der Wärmeabtransport mittels einer über die Oberfläche des Zylinderkopfes geführten Luftströmung erfolgt.
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Aufgrund der höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten gegenüber Luft können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als dies mit einer Luftkühlung möglich ist. Aus diesem Grunde werden Brennkraftmaschinen zunehmend mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet.
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Die Ausstattung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einer Flüssigkeitskühlung erfordert die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen, d. h. mindestens einen Kühlmittelmantel. Das Kühlmittel, in der Regel mit Additiven bzw. Glykol versetztes Wasser, wird dabei mittels einer im Kühlkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so dass es im Kühlmittelmantel zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise aus dem Inneren des Zylinderkopfes abgeführt und dem Kühlmittel in einem Wärmetauscher, der vorzugsweise im Front-End-Bereich eines Fahrzeuges angeordnet ist und sich des Fahrtwindes bedient, wieder entzogen.
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Um dem Wärmetauscher der Flüssigkeitskühlung auch bei stehendem Kraftfahrzeug bzw. bei nur geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten einen ausreichend hohen Luftstrom bereitstellen zu können, werden Kühlsysteme moderner Kraftfahrzeugantriebe häufig mit leistungsstarken Lüftermotoren ausgestattet, die ein Lüfterrad antreiben, d. h. in Drehung versetzen.
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Um die Überhitzung der Brennkraftmaschine sicher zu verhindern, wird die Kühlleistung der Motorkühlung auf Betriebszustände mit sehr hohem bzw. maximalen Kühlbedarf ausgelegt, die sich durch hohe Lasten bei gleichzeitig niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten auszeichnen, also im Hinblick auf Betriebsbedingungen wie sie beispielsweise bei Beschleunigungs- und Bergfahrten auftreten, um auch unter widrigsten Bedingungen die angeforderte Kühlleistung liefern zu können. Unter derartigen Bedingungen hat die Motorkühlung eine sehr große Wärmemenge zu bewältigen, d. h. abzuführen, ohne dass die für die Wärmeabfuhr erforderliche Luftströmung zur Verfügung steht.
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Eine derartige Auslegung der Flüssigkeitskühlung führt zu einem übermäßig großen Kühler, der nur noch schwer im Front-End-Bereich eines Fahrzeuges untergebracht werden kann.
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Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang auch, dass der Kühler nicht beliebig vergrößert werden kann, da in der Regel weitere Wärmetauscher, insbesondere Kühlvorrichtungen, vorgesehen werden müssen, um einen sicheren, störungsfreien Betrieb der Brennkraftmaschine zu gewährleisten bzw. den Betrieb der Brennkraftmaschine zu optimieren, und ein übergroßer Kühler die übrigen Wärmetauscher in Anordnung und Dimensionierung stark limitiert.
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Im Folgenden werden einige Beispiele für weitere Wärmetauscher genannt und beschrieben, um die Problematik zu verdeutlichen.
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Die infolge der Verbrennung des Kraftstoffes freigesetzte Wärme wird nicht nur an die den Brennraum begrenzenden Wandungen, den Abgasstrom und gegebenenfalls an das Motorkühlmittel, sondern teilweise auch an das Motoröl abgegeben. Zur Einhaltung der maximal zulässigen Öltemperatur genügt die Wärmeabfuhr über die Ölwanne infolge Wärmeleitung und natürlicher Konvektion häufig nicht, so dass ein zusätzlicher Ölkühler vorzusehen ist.
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Auf der Ansaugseite einer Brennkraftmaschine wird häufig ein Ladeluftkühler angeordnet, der die Temperatur der angesaugten Frischluft bzw. des angesaugten Frischgemisches senkt und damit die Dichte der Zylinderfrischladung steigert. Auf diese Weise trägt der Ladeluftkühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Luft bzw. mit Frischgemisch bei. Üblicherweise werden aufgeladene Brennkraftmaschinen mit einem Ladeluftkühler ausgestattet.
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Neben dem Ladeluftkühler weisen Brennkraftmaschinen häufig weitere Wärmetauscher, insbesondere Kühlvorrichtungen, auf.
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Moderne Brennkraftmaschinen werden zunehmend häufig mit einer Abgasrückführung (AGR) ausgestattet. Die Abgasrückführung, d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen von der Abgasseite auf die Ansaugseite der Brennkraftmaschine, wird als zielführend angesehen, um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten, insbesondere die Grenzwerte für Stickoxidemissionen. Da die Bildung der Stickoxide hohe Temperaturen erfordert, besteht ein Konzept zur Senkung der Stickoxidemissionen darin, Verbrennungsprozesse, d. h. Verbrennungsverfahren, mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen zu entwickeln, wobei die Abgasrückführung ein Mittel ist zur Reduzierung der Temperaturen.
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Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von xAGR ≈ 50% bis 70% liegen können. Zur Realisierung derart hoher Rückführraten ist eine Kühlung des rückzuführenden Abgases, d. h. eine Verdichtung des Abgases durch Kühlung, zwingend erforderlich, um die Dichte des rückgeführten Abgases zu steigern. Die Brennkraftmaschine ist daher mit einer zusätzlichen Kühlvorrichtung zur Kühlung des rückzuführenden Abgases auszustatten.
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Weitere Kühler können vorgesehen werden, beispielsweise zur Kühlung des Getriebeöls bei Automatikgetrieben und/oder zur Kühlung von Hydraulikflüssigkeiten, insbesondere von Hydrauliköl, welches im Rahmen hydraulisch betätigbarer Verstellvorrichtungen bzw. zur Lenkunterstützung eingesetzt wird.
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Ein weiterer Wärmetauscher ist der Klimakondensator einer Klimaanlage, die üblicherweise nach dem Kaltdampfprozess arbeitet. Die Temperatur des dem Fahrgastraum zugeführten Luftstroms wird beim Umströmen eines Verdampfers abgesenkt, wobei dem Luftstrom ein einen Verdampfer innen durchströmendes Kältemittel die Wärme entzieht und dabei selbst verdampft.
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Die vorstehenden Ausführungen machen deutlich, das moderne Brennkraftmaschinen mit einer Vielzahl von Wärmetauschern ausgestattet sind, die ausnahmslos zur Erfüllung ihrer Funktion mit einer ausreichend großen wärmeübertragenden Fläche ausgebildet werden müssen. Bei der Dimensionierung und Anordnung der einzelnen Wärmetauscher im Front-End-Bereich kommt es aufgrund des begrenzten Raumangebots häufig zu Konflikten.
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Nach dem Stand der Technik werden Kühler daher bereits in Reihe, beabstandet zueinander und sich teilweise überdeckend angeordnet. Gegebenenfalls werden Strömungsleitbleche eingesetzt, um den Luftstrom durch den Motorraum zu führen.
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In diesem Zusammenhang kommt dem Kühler der Flüssigkeitskühlung eine besondere Bedeutung zu, da dieser Kühler für einen sicheren Betrieb der Brennkraftmachine unverzichtbar ist und große Wärmemengen zu bewältigen hat.
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Um eine thermische Überlastung einzelner Komponenten der Brennkraftmaschine zu vermeiden, wird nach dem Stand der Technik häufig immer dann eine Anfettung (λ < 1) vorgenommen, wenn mit hohen Abgastemperaturen zu rechnen ist. Dabei wird mehr Kraftstoff eingespritzt als mit der bereitgestellten Luftmenge überhaupt verbrannt werden kann, wobei der überschüssige Kraftstoff ebenfalls erwärmt und verdampft wird, so dass die Temperatur der Verbrennungsgase sinkt. Diese Vorgehensweise ist aber hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine als nachteilig anzusehen und regelmäßig nicht ausreichend.
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Es sind weitere Maßnahmen erforderlich, um die thermische Belastung einer Brennkraftmaschine zu vermindern und die Kühlleistung zu begrenzen bzw. zu verringern, insbesondere bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen, deren Abgastemperaturen besonders hoch bzw. höher sind und die thermisch besonders belastet sind.
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Gemäß der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2011 114 771 A1 wird der im Zylinderkopf integrierte Abgaskrümmer zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung ausgestattet, d.h. die den Krümmer begrenzenden Wandungen werden mit einer Wärmeisolierung versehen, d.h. beschichtet.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine fremdgezündete flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Kühlung verbessert ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine fremdgezündete flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine umfassend mindestens einen Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei der
- – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschliesst und die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers an einer Sammelstelle zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, die aus einer Außenwandung des Zylinderkopfes austritt,
- – mindestens ein im Zylinderkopf integrierter Kühlmittelmantel zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist, und
- – der im Zylinderkopf integrierte Abgaskrümmer abgasseitig zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung versehen ist,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass - – die Wärmeisolierung zumindest bereichsweise schutzschildartig ausgebildet ist, wobei die schutzschildartig ausgebildete Wärmeisolierung mindestens ein zungenförmiges Element aufweist.
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Erfindungsgemäß ist die Wärmeisolierung zumindest bereichsweise schutzschildartig ausgebildet. Die schutzschildartig ausgebildete Wärmeisolierung weist mindestens ein zungenförmiges Element bzw. Blatt auf.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung zeichnet sich eine Wärmeisolierung gegenüber dem zur Herstellung des Zylinderkopfes verwendeten Werkstoff vorzugsweise dadurch aus, dass die Wärmeisolierung eine geringere Wärmeleitfähigkeit hat als der Zylinderkopfwerkstoff.
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Vorliegend wird nicht angestrebt, dem Abgas eine möglichst große Wärmemenge via dem Zylinderkopf zu entziehen. Durch Einbringen einer Wärmeisolierung wird der Wärmeeintrag in den Zylinderkopf erschwert, wodurch die Kühlleistung der Motorkühlung bewusst begrenzt und verringert wird. Die Wärmedurchlässigkeit der wärmeübertragenden Fläche, d. h. der Wandung, wird abgasseitig gesenkt, wobei auch erfindungsgemäß Wärme vom Abgas bzw. Zylinderkopf in das Kühlmittel eingebracht wird, aber weniger als nach dem Stand der Technik.
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Durch diese Maßnahme wird die notwendigerweise abzuführende Wärmemenge in vorteilhafter Weise vermindert bzw. begrenzt. Damit entfällt die Problematik, sehr große vom Kühlmittel aufgenommene Wärmemengen abführen zu müssen.
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Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht den Verzicht auf thermisch hochbelastbare, insbesondere nickelhaltige Werkstoffe zur Herstellung des Zylinderkopfes, da der Zylinderkopf einerseits mit einer Kühlung ausgestattet ist und andererseits die Wärmeisolierung den Wärmeintrag in den Zylinderkopf erschwert, so dass thermisch nur wenig belastbare Werkstoffe wie beispielsweise Aluminium eingesetzt werden können.
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Die erfindungsgemäße Vorgehensweise macht den Einsatz kostenintensiver Werkstoffe damit entbehrlich, ohne dass übermäßig große Wärmemengen im Zusammenhang mit der Kühlung des Zylinderkopfes abzuführen sind.
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Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine fremdgezündete flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die hinsichtlich der Kühlung verbessert ist.
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Weist der mindestens eine Zylinderkopf zwei Zylinder auf, bilden die Abgasleitungen dieser zwei Zylinder eine Gesamtabgasleitung. Weist der mindestens eine Zylinderkopf drei oder mehr Zylinder auf und führen nur die Abgasleitungen von zwei Zylindern zu einer Gesamtabgasleitung zusammen, handelt es sich ebenfalls um einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf.
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Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der Zylinderkopf beispielsweise vier in Reihe angeordnete Zylinder aufweist und die Abgasleitungen der außenliegenden Zylinder und die Abgasleitungen der innenliegenden Zylinder jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, sind ebenfalls erfindungsgemäße Zylinderköpfe.
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Bei drei und mehr Zylindern können Ausführungsformen vorteilhaft sein, bei denen
- – mindestens drei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, und
- – die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für den Einsatz einer zweiflutigen Turbine, wobei die beiden Gesamtabgasleitungen mit der zweiflutigen Turbine in der Art verbunden werden, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung in eine Flut mündet.
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Die Gruppierung der Zylinder bzw. Abgasleitungen bietet aber auch Vorteile beim Einsatz mehrerer Turbinen bzw. Abgasturbolader, wobei jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer Turbine verbunden wird.
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Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder des mindestens einen Zylinderkopfes zu einer einzigen, d. h. gemeinsamen Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der fremdgezündeten flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Gesamtabgasleitung des im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmers abgasseitig zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung versehen ist.
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In dem Bereich, in dem die Abgasleitungen in eine gemeinsame Gesamtabgasleitung münden und das heiße Abgas der Zylinder der Brennkraftmaschine gesammelt wird, sowie in dem Bereich der Gesamtabgasleitung selbst ist der Zylinderkopf thermisch besonders stark belastet. Dies hat gleiche mehrere Gründe.
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Zum einen passiert das gesamte Abgas der Brennkraftmaschine die Sammelstelle sowie die Gesamtabgasleitung, wohingegen eine einzelne Abgasleitung, die sich an die Auslassöffnung eines Zylinders anschließt, lediglich mit dem Abgas bzw. einem Teil des Abgases eines Zylinders beaufschlagt wird. D. h. die absolute Menge an Abgas, die Wärme an den Zylinderkopf abgibt bzw. abgeben kann, ist größer.
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Zum anderen sind der Mündungsbereich der Abgasleitungen in die Gesamtabgasleitung sowie die Gesamtabgasleitung selbst kontinuierlich mit heißem Abgas beaufschlagt, wohingegen die Abgasleitungen eines Zylinders – beispielsweise bei einer Vier-Takt-Brennkraftmaschine – nur während des Ladungswechsels des jeweiligen Zylinders, d. h. einmal innerhalb von zwei Kurbelwellenumdrehungen von heißem Abgas durchströmt wird.
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Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass im Zustrombereich der Gesamtabgasleitung, d. h. im Bereich der Sammelstelle, die Abgasströmungen der einzelnen Abgasleitungen mehr oder weniger stark umgelenkt werden müssen, um die Abgasleitungen zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung zusammenführen zu können. Die einzelnen Abgasströmungen haben daher in diesem Bereich – zumindest teilweise – eine Geschwindigkeitskomponente, die senkrecht auf den Wandungen der Abgasleitung bzw. des Krümmers steht, wodurch der Wärmeübergang durch Konvektion und folglich die thermische Belastung des Zylinderkopfes zusätzlich erhöht wird.
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Aus den genannten Gründen ist es daher vorteilhaft, die Gesamtabgasleitung des im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmers abgasseitig zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung zu versehen.
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Aus den gleichen Gründen sind Ausführungsformen der fremdgezündeten flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die Sammelstelle des im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmers abgasseitig zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung versehen ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Gesamtabgasleitung und/oder die Sammelstelle abgasseitig zu mehr als 50% mit einer Wärmeisolierung versehen ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Gesamtabgasleitung und/oder die Sammelstelle abgasseitig zu mehr als 70% mit einer Wärmeisolierung versehen ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Gesamtabgasleitung und/oder die Sammelstelle abgasseitig zu mehr als 80% mit einer Wärmeisolierung versehen ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Gesamtabgasleitung und/oder die Sammelstelle abgasseitig vollständig mit einer Wärmeisolierung versehen ist.
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Je großflächiger die Wärmeisolierung vorgesehen wird desto stärker wird der Wärmeintrag in den Zylinderkopf gehemmt und desto stärker wird die Kühlleistung der Flüssigkeitskühlung verringert bzw. der Kühlbedarf gemindert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen der mindestens zwei Zylinder abgasseitig zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung versehen sind.
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Die thermische Belastung einer zylinderzugehörigen Abgasleitung kann – insbesondere zylinderseitig – hoch sein und eine erfindungsgemäße Wärmeisolierung erforderlich machen.
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Vorteilhaft können daher auch Ausführungsformen der fremdgezündeten flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine sein, bei denen die Abgasleitungen der mindestens zwei Zylinder abgasseitig zu mehr als 70% mit einer Wärmeisolierung versehen sind.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der fremdgezündeten flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Wärmeisolierung sich an die Auslassöffnungen der Abgasleitungen anschließt.
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Bei fremdgezündeten flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der mindestens eine im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel einen unteren Kühlmittelmantel, der zwischen den Abgasleitungen und der Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel gegenüberliegenden Seite der Abgasleitungen angeordnet ist, aufweist.
- – beabstandet zu den Abgasleitungen in einer Außenwandung des Zylinderkopfes, aus der die Gesamtabgasleitung austritt, mindestens eine Verbindung zwischen dem unteren Kühlmittelmantel und dem oberen Kühlmittelmantel vorgesehen ist, die dem Durchtritt von Kühlmittel dient, wobei die mindestens eine Verbindung benachbart zu dem Bereich angeordnet ist, in dem die Abgasleitungen zu der Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Vorzugsweise wird mindestens eine Verbindung in der Außenwandung des Zylinderkopfes vorgesehen, durch die Kühlmittel aus dem unteren Kühlmittelmantel in den oberen Kühlmittelmantel strömen kann und umgekehrt. Damit ist im Zylinderkopf mindestens eine Verbindung auf der den mindestens zwei Zylindern abgewandten Seite des integrierten Abgaskrümmers angeordnet. Die mindestens eine Verbindung liegt somit gewissermaßen außerhalb des integrierten Abgaskrümmers.
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Zum einen findet hierdurch eine Kühlung im Bereich der Außenwandung des Zylinderkopfes statt. Zum anderen wird die Längsströmung des Kühlmittels d. h. der Kühlmittelstrom in Richtung der Längsachse des Zylinderkopfes ergänzt durch eine Kühlmittelquerströmung, die quer zur Längsströmung verläuft. Durch eine entsprechende Dimensionierung des Querschnitts der mindestens einen Verbindung kann Einfluss genommen werden auf die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in der Verbindung und damit auf die Wärmeabfuhr im Bereich dieser mindestens einen Verbindung.
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Die Kühlung des Zylinderkopfes kann zusätzlich und vorteilhafterweise dadurch verbessert werden, dass zwischen dem oberen und unteren Kühlmittelmantel ein Druckgefälle generiert wird, wodurch wiederum die Geschwindigkeit in der mindestens einen Verbindung erhöht wird, was zu einem erhöhten Wärmeübergang infolge Konvektion führt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Aufladevorrichtung vorgesehen ist.
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Das erfindungsgemäße Konzept eignet sich besonders für aufgeladene Brennkraftmaschinen, die aufgrund der höheren Abgastemperaturen thermisch besonders stark belastet sind. Eine Ausstattung des Zylinderkopfes mit einer abgasseitigen Wärmeisolierung ist folglich vorteilhaft.
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Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und die Schadstoffemissionen zu reduzieren.
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Eine Maßnahme, den Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine zu verbessern bzw. den Kraftstoffverbrauch zu mindern, besteht in der Aufladung der Brennkraftmaschine, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
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Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.
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Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
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Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht. In der Regel ist eine mechanische bzw. kinematische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich.
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Der Vorteil eines mechanischen Laders, d. h. eines Kompressors, gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der mechanische Lader stets den angeforderten Ladedruck generiert und zur Verfügung stellt und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere unabhängig von der momentan vorliegenden Drehzahl der Kurbelwelle. Das gilt insbesondere für einen mechanischen Lader, der mittels Elektromaschine antreibbar ist.
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Nach dem Stand der Technik bereitet es nämlich Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.
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Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch unterschiedliche Maßnahmen verbessert werden.
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Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen unzureichend ist.
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Die Drehmomentcharakteristik kann auch durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen mit kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.
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Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen. Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was im unteren Drehzahlbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert.
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Vorteilhaft sind aus den vorstehend genannten Gründen Ausführungsformen der fremdgezündeten flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen als Aufladevorrichtung mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen in einem Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei die Turbine und der Verdichter auf derselben drehbaren Welle angeordnet sind und die Gesamtabgasleitung des Abgaskrümmers in die Turbine mündet.
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Bei Brennkraftmaschinen, bei denen eine Abgasturboaufladung vorgesehen ist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Gesamtabgasleitung und die Turbine via einer Flanschverbindung und unter Verwendung einer in einer Dichtfläche angeordneten Dichtung kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
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Die Turbine sollte möglichst nah am Auslass der Zylinder angeordnet werden, um die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine bzw. des Turboladers zu gewährleisten. Des Weiteren verkürzt sich dadurch auch der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen.
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Die Ausbildung einer gasdichten, thermisch hochbelastbaren Verbindung zwischen dem Zylinderkopf und der Turbine ist erforderlich, damit nicht die Gefahr besteht, dass Abgas infolge einer Leckage in die Umgebung austritt.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der fremdgezündeten flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Wärmeisolierung integral mit der Dichtung ausgebildet ist. Dann dient die Dichtung gewissermaßen auch zur Befestigung bzw. Fixierung der Wärmeisolierung. Die Wärmeisolierung kann dabei auch manschettenartig bzw. blütenartig ausgebildet sein mit mehreren Blättern bzw. Zungen und einem verbindenden ringförmigen Element.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Wärmeisolierung Emaille umfasst.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der fremdgezündeten flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Wärmeisolierung Keramik umfasst.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der fremdgezündeten flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Wärmeisolierung Metall umfasst.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Wärmeisolierung zumindest auch mittels Oberflächenbehandlung ausgebildet ist. Zur Ausbildung der Wärmeisolierung kann auch zunächst Material, beispielweise Emaille oder Keramik oder dergleichen, eingebracht und anschließend oberflächenbehandelt werden. Gegebenenfalls wird die Wärmeisolierung ausschließlich mittels Oberflächenbehandlung ausgebildet.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder zwei oder drei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist.
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Es ist die Aufgabe des Ventiltriebs die Einlassöffnungen und Auslassöffnungen der Brennkammer rechtzeitig freizugeben bzw. zu schließen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Brennraumes mit Frischgemisch bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten. Daher ist es vorteilhaft, die mindestens zwei Zylinder mit zwei oder mehr Auslassöffnungen auszustatten.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1 in einer leicht angestellten Draufsicht den Sandkern der in einer ersten Ausführungsform des Zylinderkopfes integrierten Abgasleitungen.
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1 zeigt in einer leicht angestellten Draufsicht den Sandkern 9 der in einer ersten Ausführungsform des Zylinderkopfes integrierten Abgasleitungen 4a, 4b, 5, 6, so dass 1 prinzipiell auch das System der im Zylinderkopf integrierten Abgasleitungen 4a, 4b, 5, 6 veranschaulicht, weshalb auch die Bezugszeichen für die Abgasleitungen 4a, 4b, 5, 6 eingetragen sind.
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Bei dem in 1 dargestellten Sandkern 9 bzw. Abgaskrümmer 1 handelt es sich um die Abgasleitungen 4a, 4b, 5, 6 eines Zylinderkopfes einer fremdgezündeten Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine. Jeder der vier Zylinder ist mit zwei Auslassöffnungen 3a, 3b ausgestattet, wobei sich an jede Auslassöffnung 3a, 3b eine Abgasleitung 4a, 4b anschliesst.
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Die Abgasleitungen 4a, 4b jedes Zylinders führen zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung 5 zusammen, wobei die Teilabgasleitungen 5 anschließend, d. h. stromabwärts wiederum zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung 6 zusammenführen.
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In einer Außenwandung des Zylinderkopfes, aus der die Gesamtabgasleitung 6 austritt, sind zwei Verbindungen 7 zwischen dem unteren Kühlmittelmantel und dem oberen Kühlmittelmantel vorgesehen, die wiederum dem Durchtritt von Kühlmittel dienen (als strichpunktierte Ellipsen dargestellt).
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Die Verbindungen 7 sind benachbart zur Gesamtabgasleitung 6, d. h. zu dem Mündungsbereich 8 angeordnet, in dem die Abgasleitungen 4a, 4b, 5 zu der Gesamtabgasleitung 6 zusammenführen.
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Das gesamte aus den Zylindern stammende Abgas passiert die Sammelstelle 8, an der die Teilabgasleitungen 5 zusammenführen und in die Gesamtabgasleitung 6 münden, d. h. den Mündungsbereich 8, wo das Abgas sämtlicher Zylinder gesammelt wird.
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Die Gesamtabgasleitung 6 sowie die Sammelstelle 8 sind thermisch hochbelastet, weshalb gemäß 1 abgasseitig eine manschettenartige Wärmeisolierung 2 vorgesehen ist, die mehrere in den Krümmer 1 hineinragende Blätter bzw. Zungen 2a aufweist. Vorliegend ist die Wärmeisolierung integral mit einer Dichtung ausgebildet, die an einem in der Außenwandung des Zylinderkopfes ausgebildeten Flansch vorgesehen ist. Die Dichtung dient dabei zur Befestigung und Fixierung der manschettenförmigen Wärmeisolierung 2, die wie ein Hitzeschutzschild wirkt (als schraffierte Fläche dargestellt).
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Durch Vorsehen der Wärmeisolierung 2 wird der Wärmeeintrag vom Abgas in den Zylinderkopf bzw. in das Kühlmittel erschwert, wodurch sowohl dem Abgas weniger Wärme entzogen und als auch weniger Wärme in das Kühlmittel eingebracht wird. Die Kühlleistung wird durch die Isolierung 2 gezielt gemindert, indem die Wärmedurchlässigkeit der wärmeübertragenden Wandung gesenkt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- integrierter Abgaskrümmer
- 2
- Wärmeisolierung
- 2a
- Zunge, zungenförmiges Element
- 3a
- erste Auslaßöffnung
- 3b
- zweite Auslaßöffnung
- 4a
- erste Abgasleitung
- 4b
- zweite Abgasleitung
- 5
- Teilabgasleitung
- 6
- Gesamtabgasleitung
- 7
- Verbindung
- 8
- Mündungsbereich, Sammelstelle
- 9
- Sandkern
