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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Antriebsstrangsysteme für Kraftfahrzeuge. Die Aspekte dieser Offenbarung beziehen sich insbesondere auf Verbrennungsmotoren mit einer Zylinderkopfkonfiguration mit einem integrierten Abgaskrümmer.
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HINTERGRUND
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Herkömmliche Kraftfahrzeuge, wie das moderne Automobil, beinhalten einen Antriebsstrang, der das Fahrzeug antreibt und die Bordfahrzeugelektronik mit Strom versorgt. Der Antriebsstrang, der einen Antrieb einschließt und zum Teil fälschlich als solcher bezeichnet wird, besteht im Allgemeinen aus einem Motor, der durch eine mehrstufige Energieübertragung die Antriebskraft zum Fahrzeug-Endantriebssystem (z. B. Hinterachsen-Differential, Achsen und Räder) liefert. Automobile wurden herkömmlich mit einem Verbrennungsmotor (ICE) nach Hubkolbenbauart angetrieben, aufgrund dessen leichter Verfügbarkeit und relativ preiswerter Kosten, geringem Gewicht und dessen Gesamtwirkungsgrad. Die besagten Motoren beinhalten zwei- oder Viertakt-kompressionsgezündete Dieselmotoren und Viertakt-Ottobenzinmotoren. Hybridfahrzeuge nutzen andererseits alternative Energiequellen wie Elektromotorgeneratoren, um das Fahrzeug anzutreiben, die Abhängigkeit des Motors von der Energie zu minimieren und den gesamten Kraftstoffverbrauch zu erhöhen.
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Ein typischer Überkopfventil-Verbrennungsmotor beinhaltet einen Motorblock mit Zylinderbohrungen, von denen jeder einen Kolben aufweist, der hin- und her bewegbar ist. Gekoppelt an einer Oberseite des Motorblocks ist ein Zylinderkopf, der mit der Kolben- und Zylinderbohrung zusammenwirkt, um eine Brennkammer mit variablem Volumen zu formen. Diese Hubkolben werden verwendet, um Druck, der durch Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Brennkammer erzeugt wird, in Drehkräfte umzuwandeln und eine Kurbelwelle anzutreiben. Der Zylinderkopf definiert Einlassöffnungen, durch die Luft, die durch einen Ansaugkrümmer bereitgestellt wird, selektiv in die Brennkammer eingeführt wird. Ebenfalls in dem Zylinderkopf definiert sind Auspufföffnungen, durch die Abgase und Nebenprodukte der Verbrennung selektiv von der Brennkammer zu einem Abgaskrümmer abgeleitet werden. Der Abgaskrümmer sammelt und kombiniert die Abgase für die Rückführung in den Ansaugkrümmer, die Abgabe an einen turbinenangetriebenen Turbolader oder die Ableitung vom ICE über eine Abgasanlage.
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Ein herkömmlicher Zylinderkopf (bzw. herkömmliche Zylinderköpfe, falls der Motor mehrere Bänke von Zylindern aufweist) ist ein Aluminium- oder Eisengussteil, das vom Motorblock abnehmbar ist und die Zündkerzen des ICE, Einlassventile, Auslassventile und in einige Fällen eine Nockenwelle enthält. Typischerweise ist der Abgaskrümmer an der Seite des Zylinderkopfes, z. B. durch Bolzen und eine Krümmerdichtung, befestigt. Der Abgaskrümmer kommuniziert mit den Auspufföffnungen, um Abgase an ein Abgasnachbehandlungssystem und einen Abgasschalldämpfer für die anschließende Freisetzung in die Atmosphäre abzugeben. Der Abgaskrümmer, der typischerweise aus Edelstahl oder Gusseisen gebildet ist, enthält Kanäle, die mit den Zylinderkopf-Auspufföffnungen gekoppelt sind. Ein Abgaskrümmer-Sammelvolumen befindet sich in nachgeschalteter strömungstechnischer Verbindung mit den Kanälen, um die Abgase vor der Abgabe an die Komponenten des Fahrzeugabgassystems in einer Konzentration anzusammeln. Bisher wurden Zylinderköpfe mit dem Abgaskrümmer, d. h. dem Auspuffkanal und dem Abgassammelvolumen, konstruiert, die intern durch das Zylinderkopfgussteil definiert wurden, um einen integrierten Abgaskrümmer (IEM) integral zu formen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Hierin offenbart werden integrierte Abgaskrümmer(IEM)-Zylinderköpfe für einen Kraftfahrzeugmotor, Verfahren zur Herstellung und Verfahren zur Verwendung von IEM-Zylinderköpfen und Kraftfahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor (ICE) mit einem oder mehreren IEM-Zylinderköpfen. Beispielsweise und nicht als Einschränkung gedacht, wird ein verbesserter Zylinderkopf für einen ICE eines Kraftfahrzeugs offenbart. Der Zylinderkopf, bei dem es sich um eine 6-Zylinder-V-Typ-Konfiguration (am häufigsten als „V6“ bezeichnet) handeln kann, verfügt über einen integrierten Abgaskrümmer mit mehreren getrennten Auspuffkanälen, die dazu bestimmt sind, den „Krümmerwirkung“ innerhalb des Zylinderkopfes zu reduzieren. Beispielsweise wird der Zylinderkopf mit einem integral gebildeten Einzelkanal für jeden der Zylinder gegossen (z. B. ein Kanal pro zwei Zylinder-Auspufföffnungen). Diese Kanäle sind fluidisoliert und physisch voneinander getrennt, um den Abgasen ein Verlassen des Zylinderkopfes ohne jegliche Fluidvermischung der Abgase aus den anderen Zylindern zu ermöglichen. Um diesem Design gerecht zu werden, weist der Zylinderkopf eine separate, fluidisolierte Kanalausgangsöffnung für jeden Kanal am Flanschausgang des Zylinderkopfkrümmers auf. Diese Kanalausgangsöffnungen können wahlweise innerhalb der Geometrie des Turbo-Gehäuses, z. B. für eine erhöhte Wärmeableitung und eine weitere Verringerung der Krümmerwirkung (d. h. eine reduzierte interne Vermischung der Abgase, die aus mehreren Zylindern abgeleitet werden), weiter verlängert werden.
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Dazugehörige Vorteile für mindestens einige der offenbarten Konzepte beinhalten die Optimierung der Kraftstoffreduzierung für jeden Zylinder durch das Abtasten der einzelnen Auspuffkanäle in einem integrierten Abgaskrümmer anstelle der Berechnung eines Mittelwertes mehrerer Kanäle. Die Betankung für jeden Zylinder wäre auf eine individualisierte Sauerstoffsensor-Bestimmung des Sauerstoffgehalts in den Kraftstoffabgasen für diesen spezifischen Zylinder zurückzuführen. Individuelles Abtasten innerhalb des dedizierten Auspufföffnungskanals ermöglicht eine genauere Kraftstoffabgleichberechnung und Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Einstellung für jeden Zylinder. Dies wiederum trägt dazu bei, einen verbesserten Kraftstoffverbrauch und eine erhöhte Leistung zu ermöglichen, da alle Zylinder, beispielsweise mit im Wesentlichen identischen Luft/Kraftstoff-Verhältnissen, betrieben werden können. Dieses Design bietet zudem eine Option, um die Kanalausgangsöffnungen für den Turbo- oder Abgaskrümmer zu versetzen, um z. B. die Komponentenkonfektionierung innerhalb des Motorraums zu verbessern. Der IEM-Zylinderkopfausgang mit mehreren Öffnungen ermöglicht eine verbesserte Kühlung des metallischen Materials am Auspufföffnungskanalflansch. Im Vergleich zu herkömmlichen Zylinderkopf- und Abgaskrümmer-Anordnungen kann eine IEM-Zylinderkopfkonfiguration, wie sie hierin offenbart ist, zudem reduzierte Emissionen, ein verringertes Motorgewicht und eine verringerte Motorbreite, sowie die Beseitigung von herkömmlichen Krümmer-Montageteilen, wie z. B. den Dichtungs-, Hitzeschild- und Krümmer-, Befestigungselementen, bieten.
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Aspekte der vorliegenden Offenbarung betreffen Abgaskrümmer und Zylinderköpfe für Kraftfahrzeugmotoren. Offenbart wird zum Beispiel ein IEM-Zylinderkopf für ein Kraftfahrzeug mit einem Motor und einem Abgassystem. Der Motor beinhaltet einen Motorblock mit mehreren Zylinderbohrungen und mehreren Kolben. Jeder Kolben ist in einer der Zylinderbohrungen angeordnet. Der IEM-Zylinderkopf enthält einen Zylinderkopfkörper, der so ausgebildet ist, dass er an dem Motorblock befestigt ist. Der Zylinderkopfkörper definiert integral: eine Vielzahl von Kammerflächen, von denen jede so konfiguriert ist, dass sie mit einer jeweiligen Zylinderbohrung und Kolben ausgerichtet ist, um zusammenwirkend eine Brennkammer zu definieren; eine Vielzahl von Auspufföffnungen, von denen jede so konfiguriert ist, dass sie mit einer jeweiligen Zylinderbohrung in Verbindung steht und Abgase daraus ableitet; eine Vielzahl von Kanalausgangsöffnungen, von denen jede so konfiguriert ist, dass sie mit dem Abgassystem in Verbindung steht, um Abgase aus dem Zylinderkopfkörper abzuleiten; sowie eine Vielzahl von Auspuffkanälen, von denen sich jede von einer Auspufföffnung zu einer der Kanalausgangsöffnungen erstreckt. Die Auspuffkanäle sind getrennt und strömungstechnisch voneinander isoliert, sodass jeder Kanal über eine einzige Kanalausgangsöffnung Abgase von einer einzigen Zylinderbohrung in das Abgassystem leitet.
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Weitere Aspekte der vorliegenden Offenbarung betreffen Kraftfahrzeuge mit einem oder mehreren integrierten Abgaskrümmern. Ein „Kraftfahrzeug“, wie hierin verwendet, kann sich auf jede relevante Fahrzeugplattform, wie z. B. Personenkraftwagen (Verbrennungsmotoren (ICE), Hybriden usw.), Industriefahrzeuge, Busse, Geländefahrzeuge (ATV), Motorräder, landwirtschaftliche Geräte, Boote, Flugzeuge usw. beziehen. In einem Beispiel wird ein Kraftfahrzeug offenbart, das eine Fahrzeugkarosserie mit einem Motorraum beinhaltet. An der Fahrzeugkarosserie ist ein Abgassystem mit einer Abgasauslassleitung befestigt. Innerhalb des Fahrzeugraums befindet sich ein Verbrennungsmotor (ICE). Die ICE-Anordnung beinhaltet einen Motorblock mit einer Zylinderbank mit einer Reihe von Zylinderbohrungen. Ein Kolben ist innerhalb jeder dieser Zylinderbohrungen hin und her bewegbar. Bei einer V-Motor-Konfiguration würde die ICE-Anordnung mehrere Zylinderbänke beinhalten.
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Die ICE-Anordnung beinhaltet zudem einen integrierten Abgaskrümmer(IEM)-Zylinderkopf mit einem einteiligen, einheitlichen Zylinderkopfkörper, der am Motorblock an der Oberseite der Zylinderbank befestigt ist. In einer V-Motorkonfiguration kann die ICE-Anordnung mehrere IEM-Zylinderköpfe, z. B. eine für jede Zylinderbank, beinhalten. Der Zylinderkopfkörper definiert integral: eine Reihe von Kammerflächen, von denen jede mit einer jeweiligen Zylinderbohrung und einem Kolben ausgerichtet ist, um zusammenwirkend eine Brennkammer zu definieren; eine Reihe von Auspufföffnungen, von denen jede mit einer der Zylinderbohrungen strömungstechnisch gekoppelt ist, um Abgase daraus abzuleiten; einen Flanschbereich, der von einer Außenfläche des Zylinderkopfkörpers vorsteht und eine Reihe von Kanalausgangsöffnungen aufweist, die mit dem Abgasauslassrohr strömungstechnisch verbunden sind, um Abgase aus dem Zylinderkopfkörper abzuleiten; und eine Reihe von Auspuffkanälen, von denen sich jeder von einer Auspufföffnung zu einer der Kanalausgangsöffnungen erstreckt. Die Kanalausgangsöffnungen sind voneinander getrennt und strömungstechnisch voneinander isoliert, sodass jede Ausgangsöffnung die Abgase aus einem einzigen der Auspuffkanäle zum Abgassystem ableitet. Gleichermaßen sind die Auspuffkanäle getrennt und strömungstechnisch voneinander isoliert, sodass jeder Kanal durch einen einzigen der Kanalausgangsöffnungen aus einer einzigen der Zylinderbohrungen ableitet.
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Gemäß anderer Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden Verfahren zur Herstellung und Verfahren zur Verwendung von Motorzylinderköpfen vorgestellt. Beispielsweise wird ein Verfahren zur Herstellung eines IEM-Zylinderkopfes für ein Kraftfahrzeug offenbart. Das Kraftfahrzeug beinhaltet einen Motor und eine Abgasanlage. Der Motor beinhaltet einen Motorblock mit mehreren Zylinderbohrungen und einen Kolben, der in jeder der Zylinderbohrungen angeordnet ist. Das Verfahren beinhaltet: Formen eines Zylinderkopfkörpers, der so konfiguriert ist, dass er an dem Motorblock befestigt ist; wobei auf dem Zylinderkopfkörper eine Vielzahl von Kammeroberflächen ausgebildet ist, von denen jede so konfiguriert ist, dass sie mit einer jeweiligen Zylinderbohrung und Kolben ausgerichtet ist, um zusammenwirkend eine Brennkammer zu definieren; wobei auf dem Zylinderkopfkörper eine Vielzahl von Auspufföffnungen ausgebildet ist, von denen jede so konfiguriert ist, dass sie mit einer jeweiligen Zylinderbohrung in Verbindung steht und Abgase daraus ableitet; Formen einer Vielzahl von Kanalausgangsöffnungen auf dem Zylinderkopfkörper, von denen jede so konfiguriert ist, dass sie mit dem Abgassystem in Verbindung steht, um Abgase aus dem Zylinderkopfkörper abzuleiten; und Formen einer Vielzahl von Auspuffkanälen in dem Zylinderkopfkörper, von denen sich jede von einer jeweiligen der Auspufföffnungen zu einer jeweiligen der Kanalausgangsöffnungen erstreckt. Die Auspuffkanäle sind getrennt und strömungstechnisch voneinander isoliert, um jeweils Abgase von einer einzigen der Zylinderbohrungen über eine einzige der Kanalausgangsöffnungen zu der Abgasanlage zu leiten. In zumindest einigen Ausführungsformen beinhalten die Formgebungsschritte des Verfahrens das Gießen des Zylinderkopfkörpers – einschließlich der Kammeroberflächen, der Auspufföffnungen, der Kanalausgangsöffnungen und der Auspuffkanäle – aus einem metallischen Material (z. B. Gussaluminium, Edelstahl oder Gusseisen) als einteilig, einheitliche Struktur.
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Die vorstehend beschriebene Zusammenfassung ist nicht dazu gedacht, jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung zu repräsentieren. Vielmehr veranschaulicht die vorstehende Zusammenfassung lediglich einige der neuartigen hierin dargelegten Aspekte und Merkmale. Die vorstehend aufgeführten Merkmale und Vorteile, sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen und der Arten zum Ausführen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen leicht ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine schematische Rückansicht eines repräsentativen 6-Zylinder-V-Typ-Verbrennungsmotors mit Zylinderköpfen mit integrierten Abgaskrümmern gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
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2 zeigt eine schematische Draufsicht auf den repräsentativen Verbrennungsmotor aus 1.
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3 zeigt eine teilweise schematische perspektivische Darstellung einer repräsentativen Motoranordnung mit einem integrierten Abgaskrümmer(IEM)-Zylinderkopf, der an einem Zylinderblock (gestrichelt dargestellt) gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung angebracht ist.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht von drei der getrennten und fluidisolierten Auspuffkanäle des IEM-Zylinderkopfes aus 3.
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5 zeigt eine perspektivische Seitenansicht der drei repräsentativen Auspuffkanäle aus 4.
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6 zeigt eine perspektivische Vorderansicht der drei repräsentativen Auspuffkanäle aus 4.
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Für die vorliegende Offenbarung können verschiedene Modifikationen und alternative Formen zur Anwendung kommen, während einige exemplarische Ausführungsformen anhand der Zeichnungen in Form von Detailbeispielen hierin dargestellt werden. Es versteht sich allerdings, dass die neuartigen Aspekte dieser Offenbarung nicht auf die offenbarten besonderen Formen eingeschränkt sind. Vielmehr umfasst diese Offenbarung alle Modifikationen, Entsprechungen, Kombinationen, Teilkombinationen und Alternativen, die dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Offenbarung entsprechen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER VERANSCHAULICHTEN
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AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Diese Offenbarung eignet sich für eine Vielzahl von Ausführungsformen. Es werden in den Zeichnungen repräsentative Ausführungsformen der Offenbarung dargestellt und hierin im Detail beschrieben, wobei die vorliegende Offenbarung als eine Veranschaulichung der Prinzipien der Offenbarung zu und nicht als Einschränkung der mannigfaltigen Aspekte der Offenbarung bezüglich der dargestellten Ausführungsformen zu betrachten ist. Entsprechend sollten Elemente und Einschränkungen, die beispielsweise in den Abschnitten der Kurzdarstellung, der Zusammenfassung und der ausführlichen Beschreibung offenbart, jedoch nicht explizit in den Patentansprüchen aufgeführt sind, nicht per Schlussfolgerung, Rückschluss oder anderweitig einzeln oder insgesamt in die Patentansprüche integriert werden. Zu Zwecken der vorliegenden ausführlichen Beschreibung, soweit nicht ausdrücklich dementiert: beinhaltet die Singularform die Pluralform und umgekehrt; die Wörter „und“ und „oder“ sind beide verbindend und trennend; das Wort „alle“ bedeutet „alle und jegliche“; das Wort „jegliche“ bedeutet „alle und jegliche“; und die Wörter „einschließlich“ und „umfassend“ bedeuten „einschließlich ohne Einschränkung.“ Darüber hinaus können beispielsweise Wörter wie „etwa“, „fast“, „im Wesentlichen“, „ungefähr“ und dergleichen, hierin im Sinne von „bei, nahe oder nahezu“, oder „innerhalb 3–5 % von“ oder „innerhalb akzeptabler Herstellungstoleranzen“ oder als eine logische Kombination derselben verwendet werden.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten beziehen, wird in 1 eine perspektivische Darstellung eines repräsentativen im Allgemeinen mit 10 bezeichneten Automobils mit einem Antriebsstrangsystem gezeigt, das teilweise durch eine Verbrennungsmotor(ICE)-Anordnung 12 dargestellt ist. An einem vorderen Teil des Automobils 10, z. B. hinter einer vorderen Stoßfängerverkleidung und einem Gitter und vor einem Fahrgastraum ist die ICE-Anordnung 12 in einem Motorraum montiert, der von einer Motorhaube 14 bedeckt ist. Das dargestellte Automobil 10 – auch hier kurz als „Kraftfahrzeug“ oder „Fahrzeug“ bezeichnet – ist lediglich eine exemplarische Anwendung, mit der die neuartigen Aspekte dieser Offenbarung praktiziert werden können. In gleicher Weise sollte die Implementierung der vorliegenden Konzepte in eine 6-Zylinder-V-Typ-Motorkonfiguration ebenfalls als eine exemplarische Anwendung der hierin offenbarten neuartigen Konzepte betrachtet werden. Demgemäß versteht es sich, dass die Aspekte und Merkmale der vorliegenden Offenbarung in andere Motoranordnungen integriert und für jede Art von Kraftfahrzeug verwendet werden können. Letztendlich sind die hierin abgebildeten Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu und dienen lediglich Anleitungszwecken. Somit sind die spezifischen und relativen Abmessungen der Zeichnungen nicht als Einschränkungen auszulegen.
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In 1 wird eine repräsentative V-Typ 6-Zylinder(V6)-Hubkolben-ICE-Anordnung 12 dargestellt. Die ICE-Anordnung 12 dient dazu, das Fahrzeug 10 beispielsweise als kompressionsgezündeter (CI) Dieselmotor oder Ottobenzinmotor (SI), darunter auch flexible Kraftstofffahrzeug-(FFV) und Hybridfahrzeugvariationen derselben, anzutreiben. Die ICE-Anordnung 12 weist einen Motorblock 16 (häufig synonym mit „Zylindergehäuse“) mit ersten und zweiten Bänken 17A bzw. 17B von Zylinderbohrungen 19 auf. Wie dargestellt, sind die Bänke von Zylinderbohrungen (oder kurz „Zylinderbänken“) 17A, 17B in einem eingeschlossenen Winkel von weniger als 180 Grad relativ zueinander angeordnet. Jede Zylinderbank 17A, 17B definiert darin eine oder mehrere Zylinderbohrungen, die im Phantom bei 19 in den 1 und 2 gestrichelt dargestellt sind. Ein Kolben 15 ist innerhalb jeder der Zylinderbohrungen 19 hin und her bewegbar. Es werden lediglich ausgewählte Komponenten der ICE-Anordnung 14 in den Zeichnungen exemplarisch dargestellt und hier im Detail beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die ICE-Anordnung 14 andere bekannte und nachfolgend entwickelte Motormerkmale innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung beinhalten kann.
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Der erste und der zweite integrierte Abgaskrümmer(IEM)-Zylinderkopf 18A und 18B sind jeweils an den ersten und zweiten Zylinderbänken 17A, 17B, z. B. über Gewindebefestigungen (nicht dargestellt), befestigt. Kammerflächen 23, die integral entlang des Bodens jedes IEM-Zylinderkopfes 18A, 18B ausgebildet sind, sind so positioniert, dass sie sich jeweils nach einer der Zylinderbohrungen 19, sowie dem darin angeordneten Kolben 15 ausrichten, um zusammenwirkend eine Brennkammer mit variablem Volumen zu definieren. Dieses Paar von IEM-Zylinderköpfen 18A, 18B definiert eine entsprechende Anzahl von Auspufföffnungen 21 (z. B. ein oder zwei Öffnungen pro Brennkammer), durch welche Abgase und Nebenprodukte der Verbrennung selektiv aus den Zylinderbohrungen 19 abgeleitet werden. Jede Auspufföffnung 21 leitet Abgase – beispielsweise durch einen speziell dafür vorgesehenen Auspuffkanal 20 – zu einer jeweiligen Kanalausgangsöffnung 22, die alle innerhalb des Zylinderkopfes 18A, 18B definiert sind. Die Kanäle 20 und die Ausgangsöffnung 22 des IEM sind integral mit den jeweiligen Zylinderköpfen 18A, 18B ausgebildet, wodurch die Notwendigkeit für Befestigungsmittel und Dichtungen, die typischerweise für die Abgaskrümmeraufsatz erforderlich sind, vermieden werden. In diesem Fall handelt es sich bei den Auspuffkanälen 20 um Verlängerungen der Auspufföffnungen 21 zum Verbinden jeder Auspufföffnung 21 mit einer Auspufföffnung 22 in dem Zylinderkopf 18A, 18B, um Abgase aus dem Motor 12 abzuleiten. Eine jeweilige Abführleitung 26 steht in strömungstechnischer Verbindung mit jedem integralen Abgaskrümmer, nämlich der Kanalausgangsöffnung 22. Potenziell undichte Abgaswege während des Betriebs der ICE-Anordnung 12 werden durch inhärentes Formen der IEM-Eigenschaften mit den Zylinderköpfen 18A, 18B reduziert.
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In dem in den 1 und 2 ist ein turbinengetriebener Zwangsinduktions-Turbolader 28 mit der, z. B. in einer zwischen den Zylinderbänken 17A, 17B definierten Senke 24 angeordneten, ICE-Anordnung 12 strömungstechnisch verbunden. Der Turbolader 28 beinhaltet ein Turbinengehäuse 30, in das die Abführleitungen 26 Abgase aus den IEM-Zylinderköpfen 18A, 18B leiten. Optionale Motorkonfigurationen können die Abführleitungen 26 durch Integrieren von Abgasauslassleitungen in das Turbinengehäuse 30 beseitigen. Wärme und kinetische Energie der Abgase bewirken, dass sich eine Turbinenschaufel, die im Phantom bei 32 in 1 gestrichelt dargestellt ist, um sich innerhalb des Turbinengehäuses 30 dreht bzw. rotiert. Wenn ein Teil der oder die gesamte nützliche Energie durch den Turbolader 28 entfernt wird, werden die Abgase an eine Turbinenabführleitung 34 zur Freisetzung in die Atmosphäre abgeleitet. Die Innenkonstruktion der IEM-Zylinderköpfe 18A, 18B ermöglicht es, dass die Länge der Abführleitungen 26 minimiert wird. Durch die Minimierung der Länge der Abführleitungen 26 kann mehr Wärmeenergie der Abgase, die ansonsten durch Wärmeübertragung an die Atmosphäre verloren gehen würde, beibehalten werden, um die Turbinenschaufel 32 zu drehen. Während die ICE-Anordnung 12, die in den 1 und 2 den Turbolader 28 beinhaltet, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass der Turbolader 28 eliminiert oder modifiziert werden kann, ohne vom Schutzumfangs dieser Offenbarung abzuweichen.
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Unter Bezugnahme auf 2 wird eine schematische Draufsicht auf die ICE-Anordnung 12 und die Turbolader-Anordnung 28 dargestellt, die in 1 abgebildet ist. Wie dargestellt, ist die Turbinenschaufel 32, z. B. durch eine Turbinenwelle 36, mit einer Kompressorschaufel 38 zur gemeinsamen Drehung mit derselben fest verbunden. Die rotierende Kompressorschaufel 38 wirkt mit einem Kompressorgehäuse 40 zusammen, um Luft im allgemeinen atmosphärischen Druck zu induzieren und anschließend die Luft zu komprimieren. Die Druckluft wird einem Kompressorauslasskanal 42 zugeführt, der jeweils mit dem ersten und dem zweiten Ansaugkrümmer 44A bzw. 44B strömungstechnisch gekoppelt ist. Beide Ansaugkrümmer 44A, 44B dienen dazu, die Luft auf eine Anordnung von Einlasskanälen 46 zu verteilen, die jeweils in strömungstechnischer Verbindung mit einem jeweiligen der verschiedenen Ansaugöffnungen 48 stehen. Ähnlich wie die Auspufföffnungen 21 sind diese Ansaugöffnungen 48 integral durch jeden der ersten und zweiten Zylinderköpfe 18A, 18B ausgebildet. Die Ansaugöffnungen 48 leiten, z. B. durch Betätigen eines oder mehrerer Tellerventile selektiv Luft in eine jeweilige der Zylinderbohrungen 16 ein, wo die Luft anschließend zusammen mit einer Kraftstoffladung verbrannt wird. Ansaugöffnungen 48 können entweder auf der Innenseite oder der Außenseite der Zylinderköpfe 18A, 18B vorgesehen sein. Eine optionale Abgasnachbehandlungsvorrichtung 50, wie z. B. ein Abgaskatalysator oder eine Partikelfalle, kann in nachgeschalteter strömungstechnischer Beziehung zum Turbolader 28 angeordnet sein.
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3 zeigt eine detailliertere Ansicht eines Teils einer repräsentativen Verbrennungsmotoranordnung, die allgemein mit 100 bezeichnet ist und einen IEM-Zylinderkopf 112 aufweist, der an einer Bank eines Motorzylinderblocks angebracht ist, der bei 114 gestrichelt dargestellt ist. Die dargestellte Bank des Zylinderblocks 114 weist drei Zylinder – einen ersten Zylinder 116A, einen zweiten Zylinder 116B und einen dritten Zylinder 116C – auf, die in Reihe entlang einer Achse A angeordnet sind. Der IEM-Zylinderkopf 112 ist mit verschiedenen Bolzen an dem Zylinderblock 114 und Befestigungsösen 118 bzw. 120 befestigt. Ein- und Auslassventile (in der vorgesehenen Ansicht nicht sichtbar) sind an einer unteren Zylinderkopfseite des IEM-Zylinderkopfes 112 angebracht. Diese Ventile werden durch eine Motorsteuereinheit (nicht dargestellt) elektronisch gesteuert, um den Luftstrom durch die Einlassventile in die Zylinder 116A–116C, und die Abgasströmung aus den Zylindern 116A–116C durch die Auslassventile zu regulieren, um eine vorbestimmte Ventilzeitsteuerung und einen vorbestimmten Motorzündungszeitplan einzuhalten. Der Motorregler kann zudem die Kraftstoffverkleidung und die Zündung in den Zylindern steuern.
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Der Zylinderkopf 112 weist einen integrierten Abgaskrümmer 130 (4–6) auf, der drei eindeutige Abgasströmungswege durch drei getrennte und unterschiedliche Auspuffkanäle 132A, 132B und 132C bereitstellt. Die IEM 130-Konfiguration trennt Abgasimpulse von jedem Zylinder 116A–116C, um beispielsweise die „Krümmerwirkung“ zu reduzieren oder anderweitig zu eliminieren und die Ableitung thermischer Energie an und durch den Zylinderkopfkörper 122 zu verbessern. Als nicht einschränkendes Beispiel weist der erste Abgasströmungsweg über den ersten Kanal 132A einen bzw. mehrere erste Eintrittspunkt(e) 134A (4) an dem/den Auslassventil(en)/Öffnung(en) des ersten Zylinders 116A auf und erstreckt sich zu einem einzigen ersten Austrittspunkt 135A an einer ersten Kanalausgangsöffnung 136A, die an einer geflanschten Seitenfläche 138 des Zylinderkopfkörpers 122 geöffnet ist. Ebenso weist der zweite Abgasströmungsweg über den zweiten Kanal 132B einen bzw. mehrere zweite Eintrittspunkt(e) 134B an dem/den Auslassventil(en)/Öffnung(en) des zweiten Zylinders 116B auf und erstreckt sich zu einem einzigen zweiten Austrittspunkt 135B an einer zweiten Kanalausgangsöffnung 136B, die an der geflanschten Seitenfläche 138 des Zylinderkopfes geöffnet ist. Letztendlich weist der dritte Abgasströmungsweg über den dritten Kanal 132C einen bzw. mehrere dritte Eintrittspunkt(e) 134C an dem/den Auslassventil(en)/Öffnung(en) des dritten Zylinders 116C auf und erstreckt sich zu einem einzigen dritten Austrittspunkt 135C an einer dritten Kanalausgangsöffnung 136B auf der geflanschten Seitenfläche 138.
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In dem dargestellten Beispiel sind die Kanalausgangsöffnungen 136A–136C die einzigen Abgasleitungen des integrierten Abgaskrümmers 130. Somit weist jeder der Zylinder 116A–116C jeweils einen separaten, dedizierten Auspuffkanal 132A–132C und somit einen physikalisch getrennten, strömungstechnisch isolierten, eindeutigen Strömungsweg durch den integrierten Abgaskrümmer 130 auf. Zu keinem Zeitpunkt gehen die Kanäle, beispielsweise bei einem internen Abgaskrümmer-Sammelvolumen, ineinander über, um einen gemeinsamen Strömungskanal zu bilden, bevor sie den IEM-Zylinderkopf 112 verlassen. Diese Konstruktion ermöglicht eine individuelle Zylinderverkleidung und bietet gleichzeitig die Möglichkeit, die Kanalausgangsöffnungen zu versetzen, was dazu beiträgt, den Kraftstoffverbrauch, die Motorleistung und die Motorkonfektionierung zu verbessern. Es sollte erkannt werden, dass die Anzahl der Eintrittspunkte 134A–134C pro Kanal 132A–132C typischerweise von der Anzahl der Auspufföffnungen in jedem Zylinder 116A–116C abhängt. Ebenso kann die Anzahl der Kanäle und die entsprechende Anzahl von Ausgängen modifiziert werden, um beispielsweise Motoren mit einer unterschiedlichen Zylinderanzahl aufzunehmen.
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Ähnlich den IEM-Zylinderköpfen 18A, 18B, die in den 1 und 2 veranschaulicht werden, umfasst der IEM-Zylinderkopf 112 aus 3 einen einteiligen, einheitlichen Zylinderkopfkörper 122, z. B. aus Aluminium, Eisen oder Stahl gegossen, zum Aufnehmen der 110 Zündkerzen der ICE-Anordnung, Einlassventile, Auslassventile usw. Dieser einheitliche Zylinderkopfkörper 122 definiert integral auf einer unteren Fläche desselben eine Reihe von Kammeroberflächen (z. B. Kammerflächen 23 aus 1), von denen jede mit einer Zylinderbohrung, einschließlich des darin angeordneten Kolbens, fluchtet, um zusammenwirkend eine Brennkammer mit variablem Volumen zu definieren. Innerhalb des Körpers 122 integriert ist eine Reihe von Auspufföffnungen (z. B. Auspufföffnungen 21 aus 1), von denen jede mit einer der Zylinderbohrungen 116A–116C in Verbindung steht, um Abgase daraus abzuleiten. Die Anordnung der Kanalausgangsöffnungen 136A–136C ist ebenfalls integral in dem einheitlichen Zylinderkopfkörper 122 ausgebildet, der mit dem Abgassystem des Fahrzeugs (z. B. der Abführleitung 34 und der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 50 von 2) strömungstechnisch gekoppelt ist, um Abgase aus dem IEM-Zylinderkopf 112 abzuleiten. Ebenso erstreckt sich jeder integral ausgebildete Auspuffkanal 132A–132C von einem einzigen Zylinder 116A–116C (z. B. von einer jeweiligen oder einer der Auspufföffnungen für eine Zylinderbohrung) zu einer einzigen Kanalausgangsöffnung 136A–136C. Die Auspuffkanäle 132A–132C sind als physikalisch getrennte und strömungstechnisch isolierte Strukturen ausgebildet, sodass jeder Kanal Abgase aus einer einzigen Zylinderbohrung ableitet.
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Wie in 4 dargestellt, stellen die Auspuffkanäle 132A–132C jedem Zylinder einen eindeutigen Abgaseinlass, Abgasauslass und Abgasströmungsweg bereit. Genauer gesagt, kann der erste Strömungsweg des ersten Auspuffkanals 132A durch einen ersten Draufsichtquerschnitt 140A abgegrenzt werden, der durch Zeichnen des Planformumfangs des Kanals 132A in der Position einer horizontalen Ebene definiert werden kann, die in 4 quer von links nach rechts durch die Mitte des Kanals 132A verläuft. In gleicher Weise können zweite und dritte Strömungswege des zweiten und dritten Auspuffkanals 132A, 132B durch jeweilige zweite und dritte Draufsichtquerschnitte 140B, 140C, die in ähnlicher Weise definiert sind, abgegrenzt werden. Wie dargestellt, sind die drei Draufsichtquerschnitte 140A 140C und damit die drei Strömungswege voneinander verschieden. Ebenfalls in 4 dargestellt, sind die eindeutigen Eintritts- und Austrittspunkte 134A bzw. 135A des ersten Auspuffkanals 132A, die sich von den Eintritts- und Austrittspunkten 134B bzw. 135B unterscheiden, sowie des zweiten Auspuffkanals 132B, die sich beide von den Ein- und Austrittspunkten 134C bzw. 135C des dritten Auspuffkanals 132C unterscheiden.
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6 zeigt eine ergänzende Ansicht, um zu veranschaulichen, dass die Auspuffkanäle 132A–132C mit eindeutigen Geometrien und Oberflächenbereichen versehen sind. Beispielsweise weist der erste Auspuffkanal 132A einen ersten Seitenansichtsquerschnitt 142A auf, der z. B. durch Zeichnen des Umfangs des Kanals 132A in der Position einer vertikalen Ebene definiert werden kann, die in 6 quer von links nach rechts durch die Mitte des Kanals 132A verläuft. Ebenso weisen der zweite und der dritte Auspuffkanal 132B, 132B jeweils einen zweiten und einen dritten Seitenansichtsquerschnitt auf (der zweite bei 142B bezeichnet, wobei die Seitenansicht des dritten Auspuffkanals 132C in 6 nicht sichtbar ist), der jeweils in der vorstehenden Weise definiert werden kann. Die Seitenansichtsquerschnitte der drei Kanäle 132A–132B unterscheiden sich voneinander. Darüber hinaus weisen die ersten, zweiten und dritten Kanäle 132A–132B, wie in 4 ersichtlich, unterschiedliche erste, zweite und dritte Längen L1, L2 bzw. L3 auf. Bei den verschiedenen Geometrien (z. B. Draufsicht- und Seitenansichtsquerschnitte) und Längen der Auspuffkanäle weisen die ersten, zweiten und dritten Auspuffkanäle 132A–132B unterschiedliche erste, zweite und dritte Innenflächen auf, die in 5 mit 144A, 144B und 144C bezeichnet sind.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 3 sind die ersten, zweiten und dritten Kanalausgangsöffnungen 136A, 136B bzw. 136C mit jeweils ersten, zweiten und dritten verschiedenen Positionen und Ausrichtungen entlang der geflanschten Seitenfläche 138 dargestellt, die von dem Zylinderkopfkörper 122 vorsteht. Wie dargestellt, sind die Kanalausgangsöffnungen 136A–136C so positioniert, dass erste und dritte Ausgangsöffnungen 136A, 136C vertikal versetzt/beabstandet von der zweiten Ausgangsöffnung 136B sind, während alle drei Ausgangsöffnungen 136A–136C seitlich voneinander versetzt/beabstandet sind. In dieser Hinsicht ist die erste Kanalausgangsöffnung 136A mit einer ersten Ausrichtung dargestellt, die sich von einer zweiten Ausrichtung der zweiten Kanalausgangsöffnung 136B unterscheidet, die sich beide von einer dritten Ausrichtung der dritten Kanalausgangsöffnung 136C unterscheiden. Eine Kanalausgangsöffnungsdichtung 146 kann dazu dienen, die Ausgangsöffnungen 136A–136C voneinander zu trennen und strömungstechnisch zu isolieren, um sicherzustellen, dass jede Öffnung die Abgase des Abgassystems aus einer einzigen der Zylinderbohrungen ableitet. Zuerst werden der zweite und der dritte Auspuffsensor 148A, 148B bzw. 148C jeweils an dem Zylinderkopfkörper 122 befestigt und mit einem einzigen der Auspuffkanäle 132A–132C strömungstechnisch gekoppelt. Die Sensoren 148A bis 148C tasten die Abgasströmung von einem einzelnen Kanal 132A–132C ab, sodass eine eindeutige Kraftstoffreduzierungsanalyse für jeden einzelnen Zylinder 116A–116C vorgesehen werden kann.
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Während einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung im Detail unter Bezugnahme auf die dargestellten Ausführungsformen beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass viele Änderungen an denselben vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die hierin offenbarte genaue Konstruktion und Zusammensetzung beschränkt; alle Modifikationen, Änderungen und Variationen, die aus den vorangehenden Beschreibungen ersichtlich sind, liegen, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert, innerhalb des Erfindungsgedankens und Schutzumfangs der Offenbarung. Darüber hinaus beinhalten die vorliegenden Konzepte ausdrücklich alle Kombinationen und Teilkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale.
