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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Motoren, Motorkomponenten und insbesondere eine Ansaugkrümmeranordnung.
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HINTERGRUND
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Ein Verbrennungsmotor dient zur Übertragung von Kraftstoff (z. B. Luft und Benzin) zu mechanischer Energie, um einen Motor zu betreiben. Ein vollständiges Verfahren zur Übertragung des Kraftstoffs in mechanische Energie wird als Motorzyklus bezeichnet. Der Betrieb des Motors umfasst üblicherweise eine Vielzahl von Motorzyklen.
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Ein Motorzyklus umfasst in der Regel vier Takte: Einlass, Kompression, Leistungstransformation und Abgas. Einlass dient der Erzeugung von Vakuum durch die Druckdifferenz zur Atmosphäre. Luft wird gefiltert und die gefilterte Luft wird durch das Vakuum eingezogen; Dann wird die gefilterte Luft mit einem Benzin gemischt, das durch eine Düse in einen Zylinderblock eingespritzt wird. Kompression dient zum Komprimieren des gemischten Benzins im Zylinderblock. Die Leistungstransformation dient zum Verbrennen des gemischten Benzins, um das Volumen zu erweitern, wodurch der Kolben zur Erzeugung mechanischer Energie gedrückt wird. Abgas dient zum Ausstoßen des Abfallbenzins aus dem Zylinderblock. Zur Erhöhung der Leistung des Zylinderblocks sollte die Verbrennungseffizienz des Benzins erhöht werden. Daher ist es sehr wichtig, den Luftstrom zu kontrollieren oder zu erhöhen.
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Bei einem herkömmlichen Einspritz-Verbrennungsmotor wird der Öffnungsgrad des Ansaugdrosselventils mit der Druckhöhe des Gaspedals erhöht. Ein Durchtreten des Gaspedals unterstützt einen größeren Öffnungsgrad des Ansaugdrosselventils und somit größeren Mengen an eingezogener Luft. Wenn die Menge an eingezogener Luft größer ist, wird ein Luftströmungssensor verwendet, um den Luftstrom zu erkennen, und die erfassten Ergebnisse werden auf ein Benzineinspritz-Steuersystem übertragen. Dann wird eine höhere Benzinmenge eingespritzt, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu erhöhen, wodurch die Effizienz des Verbrennungsmotors erhöht wird. Jedoch hat der herkömmliche Luftströmungssensor einen Zeitfehler von der Erkennung bis zur Erfassung, sodass die Erfassungsdaten nicht genau sind. Somit ist die Menge des realen Luftstroms kleiner als die Menge, die erforderlich ist, um mit dem Benzin gemischt zu werden. Darüber hinaus tritt auch ein Zeitfehler auf, wenn die Luft einströmt, wodurch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis verringert wird.
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Die vorgenannten Situationen treten gewöhnlich beim Anfahren des Fahrzeugs aus dem Ruhezustand oder bei einem Übergang von einer niedrigeren Fahrzeuggeschwindigkeit zu einer höheren Fahrzeuggeschwindigkeit auf. Wenn das Gaspedal zur Erhöhung der Fahrzeuggeschwindigkeit durchgetreten wird, kann das Fahrzeug zittern oder das Fahrzeug bleibt stecken. Weiterhin ist die Menge des Luftstroms in einer Umgebung mit dünner Luft nicht ausreichend, daher ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis niedrig und somit ist die Leistung des Verbrennungsmotors niedrig, wodurch die Fähigkeit zum Bergauffahren des Fahrzeugs verringert wird.
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Ein Verbrennungsmotor vom Typ eines Turboverstärkers, der einen Turbolader 56 verwendet, kann nun in Fahrzeugen auf dem Markt verwendet werden. Das Betriebsprinzip für Turbo-Boost-Motoren ist, dass der Boost-Typ-Verbrennungsmotor die Abluft zum Antrieb einer Turbinenschaufel verwendet und der Luftkompressor, der in einem Ende der Turbinenachse angeordnet ist, verwendet wird, um die Luft, die in die Druckluft eintritt, zu komprimieren und dem Verbrennungsmotor zum Verbrennen zuzuführen. Wenn jedoch die einströmende Luft zur Verwendung in dem Verbrennungssystem komprimiert wird, wird die Lufttemperatur stark erhöht, was zu weniger Verbrennungseffizienz führt.
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Der in 2 gezeigte Ladeluftkühler 42 wird entsprechend implementiert, wenn ein Turbolader in der Motoranordnung verwendet wird. Der Ladeluftkühler 42 ist ein Wärmetauscher, der zum Kühlen von Luft verwendet wird, die entweder durch einen Superlader oder einen Turbolader für den Motor komprimiert worden ist. Der Ladeluftkühler 42 ist im Allgemeinen an beliebiger Stelle in dem Luftweg angeordnet, der von dem Turbo-/Superlader zum Motor fließt, und ist typischerweise eine an den Motor angrenzende separate Einheit, wie in 2 dargestellt. Ein Ladeluftkühler 42 wird benötigt, weil die Verwendung übermäßig heißer Luft in einem Motor 38 unerwünscht ist, da heiße Luft weniger dicht ist und daher weniger Sauerstoffmoleküle pro Volumeneinheit enthält. Dementsprechend gibt es für den Motor weniger Luft in einem vordefinierten Hub und weniger erzeugte Energie. Darüber hinaus bewirkt heiße Luft auch eine höhere Zylindertemperatur, die eine Vorzündung des Verbrennungszyklus fördern kann, was zu ineffizienten Motoroperationen führt. Dementsprechend ist es wünschenswert, für Motoren, die Turbolader verwenden, einen Ladeluftkühler 42 vorzusehen, um die Einlasslufttemperatur zu reduzieren.
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Die Montage einer herkömmlichen Ansaugkrümmeranordnung 36 an einen Motor besteht typischerweise aus mehreren Stahlbügeln, Befestigungselementen oder anderen Verbindungsstrukturen, wie beispielsweise Haken oder Klemmen, wie in 1 gezeigt. Die Verwendung von mehreren Zwischenkomponenten, die auf der einen Seite an der Motorabdeckung und auf der anderen Seite an einer Motorkomponente (z. B. einem Luftansaugkrümmer oder einer Nockenabdeckung) befestigt sind, schafft viele potentielle Stellen für NVH(Noise, Vibration, Harshness = unerwünschte Nebengeräusche)-Probleme, wie Quietschen und Rasseln. Da eine herkömmliche Ansaugkrümmeranordnung 36 im Allgemeinen erfordert, dass Befestigungselemente 40 an Befestigungsstellen 50 sowohl an der oberen als auch der unteren Seite des Zylinderkopfes 52 (wie in 1 gezeigt) implementiert werden, kann es für einen Montagearbeiter aufgrund kleiner Zwischenräume zwischen den Motorteilen besonders schwierig sein, Zugang zu den unteren Befestigungsbereichen für den traditionellen Ansaugkrümmer 36 zu erhalten. Darüber hinaus bedeutet die Verwendung von mechanischen Befestigungselementen 40 üblicherweise, dass mindestens zwei Befestigungselementkomponenten an jedem der oberen und unteren Befestigungsstellen für die Ansaugkrümmeranordnung an dem Motor 38 implementiert sind. Die relativ große Stückzahl führt zu zusätzlichen Teilkosten und einer damit verbundenen Steigerung der Fertigungszeit sowie der Montagekosten.
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Der Luftansaugkrümmer, der eingehende Luft zu den jeweiligen Motorzylindern eines Verbrennungsmotors leitet, wurde historisch aus Metall gefertigt. In jüngerer Zeit wurden verschiedene geformte Materialien, einschließlich Thermoplasten, Harze und Polymere verwendet, um Ansaugkrümmer herzustellen. Bevorzugte Materialien können Nylon oder andere Polyamide umfassen, die ferner Füllstoffmaterialien, wie Glasfasern, enthalten können. Ein Umstieg auf Kunststoffmaterialien hat eine Gewichtsreduzierung erreicht, aber die Abhängigkeit von Klammern und Befestigungselementen mit einer hohen Stückzahl hat sich fortgesetzt, was die Kosten und die Montagezeit erhöht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung stellt eine Krümmeranordnung für einen Verbrennungsmotor für den Fahrzeuggebrauch bereit. Die Krümmeranordnung kann, muss aber nicht notwendigerweise eine Krümmeranordnung sein. Die Krümmeranordnung umfasst eine Gabelkopf-Befestigungsstruktur, einen ersten Krümmerabschnitt, einen zweiten Krümmerabschnitt, ein optionales Zubehörteil, das zwischen dem ersten und dem zweiten Krümmerabschnitt angeordnet ist, und eine Vielzahl von mit Gewinde versehenen Befestigungselementen. Die Gabelkopf-Befestigungsstruktur umfasst eine obere Gabelkopfstruktur und eine untere Gabelkopfstruktur. Die Gabelkopf-Befestigungsstruktur kann operativ konfiguriert sein, um an einem Zylinderkopf montiert zu werden. Der erste Krümmerabschnitt hat distale und proximale Enden. Der erste Krümmerabschnitt ist fest mit der Gabelkopf-Befestigungsstruktur verbunden. Die Vielzahl von mit Gewinde versehenen Befestigungselementen ist operativ ausgebildet, um die Gabelkopf-Befestigungsstruktur an einem Zylinderkopf über eine Vielzahl von entsprechenden Durchgangswegen, die in dem Zylinderkopf definiert sind, zu befestigen.
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Die Offenbarung und ihre besonderen Eigenschaften und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und den besten Arten zum Ausführen der beschriebenen Offenbarungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen und angehängten Patentansprüche ersichtlich, in denen:
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1A ist eine erweiterte, perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Motors mit einem herkömmlichen Ansaugkrümmer.
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1B ist eine erweiterte isometrische Ansicht eines herkömmlichen Motors mit einem herkömmlichen Ladeluftkühler, der nahe dem Motorblock angeordnet ist.
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2 ist eine isometrische Querschnittansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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3 ist eine isometrische Ansicht einer Krümmeranordnung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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4 ist eine Seitenquerschnittansicht einer Krümmeranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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Gleiche Referenznummern bezeichnen gleiche Teile in der Beschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die hier beschriebenen exemplarischen Ausführungsformen stellen zu Veranschaulichungszwecken Einzelheiten zur Verfügung und unterliegen vielen Variationen bezüglich Zusammensetzung, Struktur und Gestaltung. Es versteht sich, dass verschiedene Auslassungen und Substitutionen von Äquivalenten in Betracht gezogen werden, sofern die Umstände dies suggerieren oder zweckmäßig machen, welche die Anwendung oder Umsetzung jedoch gewährleisten sollen, ohne vom Erfindungsgedanken oder Umfang der Ansprüche der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Zudem ist es selbstverständlich, dass die hier verwendete Phraseologie und Terminologie zum Zweck der Beschreibung dienen und nicht als Einschränkung angesehen werden sollten.
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Die Begriffe „zuerst,” zweite,” und dergleichen bezeichnen hier keine beliebige Reihenfolge, Menge oder Bedeutung, sondern dienen zur Unterscheidung eines Elements von anderen, während die Begriffe „eine” und „einen” hier keine Begrenzung der Menge bezeichnen, sondern das Vorhandensein mindestens einer der genannten Gegenstände.
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Die vorliegende Offenbarung sieht eine Krümmeranordnung 10 vor. Die Krümmeranordnung kann, muss aber nicht notwendigerweise eine Ansaugkrümmeranordnung sein. Bei bestimmten Motorkonfigurationen kann die Krümmeranordnung 10 eine Abgaskrümmeranordnung sein. In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung eine Befestigungsanordnung 22 bereit, die mehrere mit Gewinde versehene Befestigungselemente beseitigt, geradlinige herunterlaufende Abstandsanforderungen für die Montage, bei der der Bereich senkrecht zur Montagefläche in der Regel frei von jeglichen Hindernissen bleibt, um die vielen Befestigungselemente für den Krümmer zu installieren. Die Gabelkopf-Befestigungsstruktur 22 für den Krümmer benötigt Befestigungselemente mit minimalen Gewinden entlang ihrer Länge. Der distale Bereich des Zylinderkopfes 20 ist operativ so konfiguriert, dass er mit einer Gabelkopfstruktur von dem Krümmer in Eingriff kommt und ferner einen Durchgang 28 definiert, der operativ konfiguriert ist, um die mit Gewinde versehenen Gabelkopf-Befestigungselemente 14 aufzunehmen.
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Die obere Gabelkopfstruktur 24 ist der Abschnitt der Gabelkopfstruktur, der im Wesentlichen die Oberseite des Zylinderkopfes 20 überspannt. Die untere Gabelkopfstruktur 26 ist der Abschnitt der Gabelkopfstruktur, der im Wesentlichen die Unterseite des Zylinderkopfes 20 überspannt. Wie gezeigt, definiert die Gabelkopfstruktur 30 nahe der Oberseite und der Unterseite des Krümmers, die mit einem in dem Zylinderkopf 20 definerten entsprechenden Durchgang 28 ausgerichtet sind, sodass das Befestigungselement mit Gewinde 14 in den entsprechenden Öffnungen 30 und dem ausgerichteten Durchgang 28 für diesen speziellen Gewindebefestiger oder Gewindeeinsatz aufgenommen werden kann.
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Es versteht sich ferner, dass jede Öffnung 30 in der unteren Gabelkopfstruktur 26 die Gewinde 34 definiert, die mit dem Bodenabschnitt 32 jedes entsprechenden Gewindebefestigungselements 14 in Eingriff stehen. Der Krümmer wird aus Polymermaterial gebildet. Die Gewinde 34, die in der unteren Gabelkopfstruktur 26 und der unteren Gabelkopfstruktur 26 selbst ausgebildet sind, sind ausreichend fest und starr, um mit jedem Gewindebefestigungselement 14 in Eingriff zu kommen, wenn jedes Gewindebefestigungselement 14 in jedem Gewinde 34 gedreht und befestigt wird. Die untere Gabelkopfstruktur 26 kann leicht montiert und an dem distalen Abschnitt des Zylinderkopfes 20 befestigt werden, indem die untere Gabelkopfstruktur 26 rund um und an dem distalen Bereich 18 des Zylinderkopfes 20 montiert wird.
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Die Anordnung der Befestigungsstruktur 22 ermöglicht einem Montagearbeiter die Montage von Krümmer 16 und das Eindrehen der Befestigungselemente 14 der unteren Gabelkopfstruktur 26 von dem Bereich der oberen Gabelkopfstruktur 24, da die untere Gabelkopfstruktur 26 ausreichend starr ist, um sich während des Eindrehens der mit Gewinde versehenen Gabelkopf-Gewindebefestigungselemente 14 in die Gewinde 34 nicht zu verschieben. Daher verhindert diese Krümmeranordnung 10, dass ein Montagearbeiter physisch auf die Unterseite des Krümmers zugreifen muss, wo die Abstände ansonsten typischerweise begrenzt sind, was die Montagezeit erhöht und weitere Befestigungselemente erfordern kann.
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Dementsprechend kann die Anzahl der Befestigungselemente effektiv um bis zu 50 % verringert werden, indem ein Gabelkopf-Gewindebefestigungselement 14 verwendet werden kann, um den Krümmer sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite des Zylinderkopfes 20 zu befestigen. Wie gezeigt, werden Gewindeeinsätze 34 in die untere Gabelkopfstruktur 26 eingepresst. Angesichts der Tatsache, dass bei dieser neuen Befestigungsanordnung 22 die Notwendigkeit entfällt, dass ein Benutzer auf die untere Gabelkopfstruktur 26 zugreifen muss, kann der Krümmer nun zusätzliche Komponenten, wie einen Ladeluftkühler oder dergleichen, mit dem Krümmer 10 aufnehmen. Diese zusätzlichen integrierten Komponenten erhöhen die Größe des Krümmer und verhindern daher den Zugang zur Unterseite des Ansaugkrümmers. Somit entfällt mit der vorliegenden Offenbarung die Notwendigkeit, für die Installation des Krümmers auf die Unterseite zugreifen zu müssen, wodurch die Zunahme der Krümmergröße (die die herkömmlichen Zugangspunkte an der Unterseite des Ansaugkrümmers blockieren kann) ermöglicht wird.
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Wie in 2 dargestellt, verwendet die vorliegende Offenbarung Gabelkopf-Gewindebefestigungselemente 14, die sich parallel zu der Montagefläche und zwischen den Einlassöffnungen befinden. Dementsprechend ist die Ausrichtung der Gabelkopf-Gewindebefestigungselemente 14 parallel zur Montagefläche, anstatt einer typischen senkrechten Ausrichtung. Dementsprechend umfasst eine beispielhafte, nicht einschränkende Ausführungsform einer integrierten Ladeluftkühler-Ansaugkrümmeranordnung 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Gabelkopf-Befestigungsstruktur, einen ersten Ansaugkrümmerabschnitt 44, einen zweiten Ansaugkrümmerabschnitt 46, ein Zubehörteil 52, das zwischen dem ersten und dem zweiten Ansaugkrümmerabschnitt angeordnet ist sowie einer Vielzahl von Gabelkopf-Gewindebefestigungselementen 14. Wie gezeigt, kann das Zubehörteil an dem distalen Ende 60 des ersten Ansaugkrümmerabschnitts 44 angebracht sein. Die Gabelkopf-Befestigungsstruktur umfasst eine obere Gabelkopfstruktur 24 und eine untere Gabelkopfstruktur 26. Die Gabelkopf-Befestigungsstruktur kann operativ so konfiguriert sein, dass sie an einem Zylinderkopf 20 montiert ist. Der erste Ansaugkrümmerabschnitt weist ein distales Ende 60 und ein proximales Ende 62 auf. Der erste Ansaugkrümmerabschnitt ist fest mit der Gabelkopf-Befestigungsstruktur verbunden. Die Vielzahl von Gabelkopf-Gewindebefestigungselementen ist operativ ausgebildet, um die Gabelkopf-Befestigungsstruktur an einem Zylinderkopf 20 über eine Vielzahl von in dem Zylinderkopf 20 definierten entsprechenden Durchgangswegen (wie Durchgangslöcher) 28 zu befestigen.
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Unter Bezugnahme auf 3 und 4 können radiale Dichtungen 48 verwendet werden, die als Teil der Ansaugkrümmeranordnung, wie dargestellt, vorgesehen sind. Wenn die Befestigungslast in einer Ebene angelegt wird, die parallel zu dem Befestigungsflansch, der Oberfläche oder der Fläche des Zylinderkopfes ist, können radiale Dichtungen 48 verwendet werden, um die Ansaugkrümmerläufer 82 an den Zylinderkopföffnungen 84 abzudichten. Wie in 4 gezeigt, ist radiale Dichtung 48 zwischen dem Zylinderkopf 20 und dem Ansaugkrümmerläufer 82 angeordnet.
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Dementsprechend ermöglicht die Ansaugkrümmeranordnung 10 das Verpacken von Komponenten dichter zu der Einlass-/Zylinderkopf-Gegenfläche, was herkömmlicherweise aufgrund der Verwendung eines herkömmlichen Befestigungssystems nicht möglich war, bei dem die Gewindebefestigungselemente 14 sowohl des oberen Abschnitts 21 des Zylinderkopfes 20 als auch des unteren Abschnitts 23 des Zylinderkopfes 20 senkrecht zur Montageplatte montiert waren. Die Ansaugkrümmeranordnung 10 der vorliegenden Offenbarung kann ein größeres Luftplenum, verschiedene Luftläuferformen, – größen, – mengen, indirekte Ladeluftkühler, einschließen, ist aber nicht darauf beschränkt.
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Dementsprechend kann ein Motor 80 (in 2 gezeigt) vorgesehen sein, bei dem der Motor 80 einen Ansaugkrümmer 10 mit einer Gabelkopf-Befestigungsstruktur 12 aufweist, der an einem Zylinderkopf 20 angebracht sein kann, der an einem Motorblock (gezeigt als 64 in 1) befestigt ist. Der Motorblock 64 kann angepasst sein, um eine Vielzahl von beweglichen Zylindern (schematisch als 66 in 1 dargestellt) aufzunehmen. Ein Abgaskrümmer (gezeigt als 70 in 1) kann ebenfalls an dem Motor 80 befestigt sein. Der an dem Motor 80 montierte Ansaugkrümmer 10 enthält einen ersten Ansaugkrümmerabschnitt 44, der fest mit der Gabelkopf-Befestigungsstruktur 12 verbunden ist. Der erste Ansaugkrümmerabschnitt 44 umfasst ein proximales Ende 62 und ein distales Ende 60. Ein Zubehörteil 52 kann an dem distalen Ende 60 des ersten Ansaugkrümmerabschnitts 44 angebracht sein. Ein zweiter Ansaugkrümmerabschnitt 46 kann an dem Zubehörteil 52 gegenüber dem ersten Ansaugkrümmerabschnitt 44 befestigt sein. Das Zubehörteil 52 kann, muss aber nicht notwendigerweise wie dargestellt an dem ersten und dem zweiten Ansaugkrümmerabschnitt über eine gequetschte Verbindung befestigt sein. Eine Vielzahl von Gewindebefestigungselementen 14 ist operativ ausgebildet, um die Gabelkopf-Befestigungsstruktur an einem Zylinderkopf über eine Vielzahl von entsprechenden Durchgangswegen 28, die in dem Zylinderkopf 20 definiert sind, zu befestigen.
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Da zusätzliche Merkmale zu der Ansaugkrümmeranordnung 10 auf direkterem Weg hinzugefügt werden können, wird der Luftstromweg zum Motor verkürzt und daher effizienter, wodurch eine verbesserte Drosselklappenreaktion erzielt wird. Darüber hinaus führt die Integration von Komponenten zu einer verminderten Gesamtsystemmasse und -kosten. Kosteneinsparungen können auf vielfältige Weise erreicht werden, wie zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf die Beseitigung von Befestigungselementkomponenten, die Beseitigung von typischen Zylinderkopf-Mehrfach-Einschraubstutzen sowie die Beseitigung von Bohr- und Klopfmerkmalen. Darüber hinaus wird angesichts der Umsetzung von weniger Befestigungselementen die Montagebelastung durch kürzere Montagezeiten und geringere Kosten reduziert.
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Während mindestens eine exemplarische Ausführungsform in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung dargestellt wurde, versteht es sich, dass es eine große Anzahl an Varianten gibt. Es versteht sich weiterhin, dass die exemplarische Ausführungsform oder die exemplarischen Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration dieser Offenbarung in keiner Weise einschränken sollen. Die vorstehende ausführliche Beschreibung stellt Fachleuten auf dem Gebiet vielmehr einen zweckmäßigen Plan zur Implementierung der exemplarischen Ausführungsform bzw. der exemplarischen Ausführungsformen zur Verfügung. Es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen an der Funktion und der Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlichen Entsprechungen aufgeführt ist, abzuweichen.
