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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Minimierung der Masse, die Erhöhung der Wärmeübertragung und die Erhöhung der Lebensdauer und Langlebigkeit von Motorbaugruppen unter Verwendung eines strategischen Einbaus von Polymerverbundstoffen, beispielsweise durch Einbringen von Polymerverbundstoffen mit darin ausgebildeten Mikrokanälen oder Drähten zum Erwärmen und Kühlen von Motorbaugruppen.
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HINTERGRUND
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Der folgende Abschnitt bietet Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung, wobei es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.
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Herkömmlicherweise bestehen Komponenten für Automobilanwendungen aus Metallen, wie Stahl und Eisen. Metallbauteile sind robust, haben normalerweise eine gute Duktilität, Haltbarkeit, Festigkeit und Schlagzähigkeit. Obwohl Metalle zwar für Motorkomponenten geeignet sind, liegt ihr Nachteil klar im Gewicht und in der Reduzierung des gravimetrischen Wirkungsgrads, der Leistung und des Fahrzeugantriebs, was wiederum die Kraftstoffeinsparung des Fahrzeugs verringert.
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Die Gewichtsreduzierung zur Verbesserung der Kraftstoffeinsparung bei Fahrzeugen hat die Verwendung verschiedener leichtgewichtiger Metallkomponenten gefördert, wie z. B. Aluminium- und Magnesium-Legierungen sowie die Verwendung leichter, verstärkter Verbundmaterialien. Während die Verwendung derartiger leichter Materialien dazu dienen kann, das Gesamtgewicht zu reduzieren und im Allgemeinen die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, können Probleme auftreten, wenn solche Materialien in einer Motorbaugruppe aufgrund hoher Betriebstemperaturen verwendet werden, die mit der Motorgruppe verbunden sind. So können beispielsweise die leichten Metallkomponenten verglichen mit herkömmlichen Stahl- oder Keramikmaterialien auch relativ hohe lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. In Motorbaugruppen kann die Verwendung solcher Leichtmetalle unter bestimmten thermischen Betriebsbedingungen und bezogen auf benachbarte Komponenten mit niedrigeren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie Stahl- oder Keramikmaterialien, eine ungleiche Wärmeausdehnung verursachen, was zu einer Trennung von Komponenten und einer verminderten Leistung führt. Zusätzlich können leichtgewichtige verstärkte Verbundmaterialien Festigkeitsgrenzen aufweisen, wie etwa eine verminderte Zugfestigkeit, und sie können sich nach kontinuierlicher Einwirkung durch hohe Temperaturen verschlechtern. Somit sind leichte Motorbaugruppen mit erhöhter Lebensdauer unter Hochtemperaturbetriebsbedingungen zusammen mit verbesserten Verfahren der Wärmeübertragung (z. B. Erwärmen und Kühlen) für solche Motorbaugruppen erforderlich, um die Effizienz des Betriebs und die Kraftstoffeinsparung weiter zu verbessern.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Dieser Teil stellt eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung bereit und ist keine vollständige Offenbarung des vollen Schutzumfangs oder aller Merkmale.
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In bestimmten Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine Motorbaugruppe bereit. Die Motorbaugruppe kann eine Metallauskleidung umfassen, die einen zylindrischen Bereich zum Aufnehmen eines Kolbens definiert, wobei die Metallauskleidung eine Innenfläche, eine gegenüberliegende Außenfläche, eine erste Anschlussfläche und eine gegenüberliegende zweite Anschlussfläche aufweist. Die Motorbaugruppe kann ferner ein Polymerverbundstoffgehäuse umfassen, das um mindestens einen Teil der Außenfläche der Metallauskleidung herum angeordnet ist, wobei das Polymerverbundstoffgehäuse ein Polymer und eine Vielzahl von Verstärkungsfasern umfasst und mindestens eines von: (I) einer Vielzahl von Mikrokanälen zum Aufnehmen eines Wärmeübertragungsfluids zum Erwärmen und/oder Kühlen der Motorbaugruppe; und (ii) mindestens einen Draht zum Erwärmen der Motorbaugruppe. Die Motorbaugruppe kann des Weiteren einen Metallzylinderkopf mit einer fünften Anschlussfläche und einer gegenüberliegenden sechsten Anschlussfläche umfassen, wobei die sechste Anschlussfläche des Metallzylinderkopfes an die erste Anschlussfläche der Metallauskleidung angrenzt.
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In anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Erwärmen und/oder Kühlen einer Motorbaugruppe bereit. Das Verfahren kann eines oder mehrere von Folgendem umfassen: (i) Zirkulieren eines Wärmeübertragungsfluids zum Erwärmen oder Kühlen der Motorbaugruppe durch eine Vielzahl von Mikrokanälen, die in einem Polymerverbundwerkstoffgehäuse angeordnet sind, das ein Polymer und eine Vielzahl von Verstärkungsfasern umfasst, die um mindestens einen Teil einer Außenfläche einer Metallauskleidung angeordnet sind, wobei die Metallauskleidung einen zylindrischen Bereich zur Aufnahme eines Kolbens definiert; und (ii) Anlegen eines elektrischen Stroms an mindestens einen Draht, der in dem Polymerverbundstoffgehäuse angeordnet ist, zum Erwärmen der Motorbaugruppe.
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Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung ersichtlich Die Beschreibung und speziellen Beispiele in dieser Kurzdarstellung dienen ausschließlich zum Veranschaulichen und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränken.
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ZEICHNUNGEN
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich dem Veranschaulichen ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
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1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Motorbaugruppe gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht einer alternativen Motorbaugruppe gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
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Die 3a–3e zeigen schematische Darstellungen, die die Ausbildung von Mikrokanälen in einem Polymerverbundstoff gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellen.
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4 zeigt einen Polymerverbundstoff mit Verstärkungsfasern und mindestens einem Draht.
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5 zeigt eine Querschnittsansicht einer alternativen Motorbaugruppe gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
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6a und 6b zeigen eine Querschnittsansicht einer alternativen Motorbaugruppe gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
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7 zeigt eine Querschnittsansicht einer alternativen Motorbaugruppe gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
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8 zeigt eine schematische Darstellung der Erwärmung und/oder Kühlung der Motorbaugruppe.
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Ähnliche Bezugszeichen geben in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen ähnliche Bauabschnitte an.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
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Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie beispielsweise Beispiele für spezifische Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren beschrieben, um ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In manchen exemplarische Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.
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Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Die hier verwendeten Singularformen „ein” und „der/die/das”, schließen ggf auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies' nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst”, „beinhaltend”, „einschließlich” und „hat” sind nicht ausschließlich und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Komponenten an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von weiteren Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen hiervon aus. Die hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern diese nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können.
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Wenn ein Element oder eine Ebene als „an/auf”, „in Verbindung mit”, „verbunden mit”, „befestigt an” oder „verbunden mit” einem anderen Element oder einer anderen Ebene beschrieben werden, können sie entweder direkt mit anderen Elementen oder Ebenen in Verbindung stehen oder gekoppelt sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Ebenen vorhanden sein. Wird ein Element im Gegenzug als „direkt an/auf”, „direkt in Verbindung mit”, „befestigt an” oder „direkt gekoppelt mit” anderen Elementen oder Ebenen beschrieben, sind ggf keine dazwischenliegenden Elemente oder Ebenen vorhanden. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. „zwischen” und „direkt zwischen”, „angrenzend” und „direkt angrenzend” usw.). Der Begriff „und/oder” schließt alle Kombinationen der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
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Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hierin verwendet werden können um verschiedene Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe beschränkt werden. Diese Begriffe können nur verwendet werden, um ein Element, eine Komponente, Region, Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Bereich, Schicht oder Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe, wie „erste”, „zweite” und andere Zahlenbegriffe, wenn hier verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, dies wird eindeutig durch den Kontext angegeben. Somit könnte ein weiter unten erörtertes erstes Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt als ein zweites Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
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Raumbezogene Begriffe, wie „innere”, „äußere”, „unterhalb”, „unter”, „untere”, „über”, „obere” und dergleichen können hier zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Ausrüstung zu anderen Elementen oder Eigenschaften, wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Räumlich relative Begriffe können bezwecken, unterschiedliche Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb neben der in den Figuren dargestellten Orientierung zu umspannen. Wird beispielsweise die Vorrichtung in den Figuren umgedreht, würden Elemente, die als „unterhalb” von oder „unter” anderen Elementen oder Eigenschaften beschrieben werden, dann „oberhalb” anderer Elemente oder Eigenschaften ausgerichtet sein. Daher kann der exemplarische Begriff „unterhalb” sowohl eine Orientierung von oberhalb als auch von unterhalb beinhalten. Die Vorrichtung kann anderweitig ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in andere Richtungen) und die hierin verwendeten räumlich bezogenen Schlagworte können dementsprechend interpretiert werden.
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Es sollte für jede Rezitation eines Verfahrens, einer Zusammensetzung, Vorrichtung oder eines Systems, welches bzw. welche bestimmte Schritte, Bestandteile oder Eigenschaften „umfasst”, in Betracht gezogen werden, dass es in bestimmten alternativen Variationen auch denkbar ist, dass diese Verfahren, eine besagte Zusammensetzung Vorrichtung oder eine besagte Anlage auch „im Wesentlichen” aus den aufgezählten Schritten, Bestandteilen oder Eigenschaften „bestehen kann”, sodass jegliche andere Schritte, Bestandteile oder Eigenschaften, die materialmäßig die grundlegenden und neuen Eigenschaften der Erfindung verändern, hiervon ausgeschlossen sind.
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In dieser Offenbarung repräsentieren die numerischen Werte grundsätzlich ungefähre Messwerte oder Grenzen von Bereichen, etwa kleinere Abweichungen von den bestimmten Werten und Ausführungsformen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche mit genau dem genannten Wert zu umfassen. Im Gegensatz zu in der am Ende der ausführlichen Beschreibung bereitgestellten Anwendungsbeispielen, sollen alle numerischen Werte der Parameter (z. B. Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation, einschließlich der beigefügten Ansprüche, in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr” verstanden werden, egal ob oder ob nicht „ungefähr” tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint. „Ungefähr” weist darauf hin, dass der offenbarte numerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit im Wert; ungefähr oder realistisch nahe am Wert; annähernd). Falls die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr” bereitgestellt ist, in Fachkreisen nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verständlich ist, dann gibt „ungefähr”, wie hierin verwendet, zumindest Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung derartiger Parameter ergeben.
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Darüber hinaus beinhaltet die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich den für die Bereiche angegebenen Endpunkten und Unterbereichen.
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Bei einem Fahrzeug, beispielsweise einem Automobil, ist ein Motor die Kraftquelle zur Erzeugung von Drehmoment für den Vortrieb. Der Motor ist eine Baugruppe, die sich aus verschiedenen Komponenten zusammensetzt, wie Zylinderlaufbuchsen, Kolben, Kurbelwellen, Brennräumen und dergleichen. In einem Viertakt-Verbrennungsmotor weist jeder Kolben einen Einlasstakt, einen Verdichtungstakt, einen Arbeitstakt und einen Auslasstakt auf. Während des Einlasstakts bewegt sich ein Kolben nach unten und ein Einlassventil wird geöffnet, um zu ermöglichen, dass ein gasförmiges Luftgemisch eine Brennkammer füllt. Während des Verdichtungstakts werden Einlass- und Auslassventile geschlossen, und der Kolben bewegt sich nach oben zum Komprimieren der gasförmigen Luftmischung. Beim Arbeitstakt wird die gasförmige Luftmischung in der Brennkammer durch eine Zündkerze gezündet, und durch die sich schnell ausdehnenden Verbrennungsgase bewegt sich der Kolben nach unten. Während des Auslasstakts öffnet sich das Auslassventil und der Kolben bewegt sich nach oben, um die Verbrennungsgase (Abgase) auszustoßen. Während der internen Verbrennung können die Motorkomponenten durch die exothermen Verbrennungsreaktionen im Motorblock insgesamt unterschiedlichen Belastungen sowie unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt werden.
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Wie oben erläutert, führt eine Zunahme des Gewichts der Motorkomponenten innerhalb einer gegebenen Motorarchitektur zu einer Zunahme von Leistung, Kraftstoffeinsparung und möglicherweise zu einer Abnahme des Wirkungsgrads. Somit ist es wünschenswert, verschiedene leichte Komponenten, wie Leichtmetalle und leichte Verbundmaterialien, in Motoren einzusetzen, anstatt der herkömmlich Stahl- und/oder Eisenkomponenten, um das Gewicht des Motors zu verringern, aber auch, um die strukturelle Integrität des Motors aufrechtzuerhalten. Zusätzlich zum Einschluss von leichten Materialien ist eine geeignete Kühlung und/oder Erwärmung der Motorbaugruppe auch wünschenswert, um die Langlebigkeit der Motorbaugruppe aufrechtzuerhalten und die Kraftstoffeinsparung zu erhöhen.
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Somit werden hierin Motorbaugruppen zur Verwendung in Fahrzeuganordnungen bereitgestellt, die eine Kombination von Komponenten umfassen, die aus leichten Materialien (z. B. Polymerverbundstoffen) und herkömmlichen Materialien ausgebildet sind und geeignete Wärmeübertragungsmerkmale zum Erwärmen und Kühlen der Motorbaugruppe aufweisen. Vorteilhafterweise können solche Motorbaugruppen auch zu einer Verbesserung von Geräuschen, Vibrationen und Rauheit führen. Obwohl die hierin beschriebenen Motorbaugruppen für die Verwendung in Komponenten eines Automobils besonders geeignet sind, können sie auch in einer Vielzahl anderer Fahrzeuge verwendet werden. Nicht einschränkende Beispiele von Fahrzeugen, die mit der aktuellen Technologie hergestellt werden können, beinhalten Automobile, Traktoren, Busse, Motorräder, Boote, Wohnmobile, Flugzeuge (bemannt und unbemannt), Camper sowie Panzer.
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Somit sieht die vorliegende Offenbarung eine Motorbaugruppe vor, die Kombinationen von herkömmlichen Metallkomponenten, leichten Metallkomponenten und/oder Polymerverbundstoffkomponenten sowie Wärmeübertragungsmerkmalen zum Erwärmen und/oder Kühlen der Motorbaugruppe beinhaltet. So wird beispielsweise, wie am besten in 1 gezeigt, ein Teil einer Motorbaugruppe 1 (z. B. zur Verwendung in einem Fahrzeug) bereitgestellt. Die Motorbaugruppe 1 beinhaltet eine Auskleidung 2, die einen offenen leeren, zylindrischen Bereich 7 ausbildet. Die Auskleidung 2 kann aus jedem geeigneten Material sein, wie beispielsweise aus Metall (z. B. Stahl, Eisen, Magnesiumlegierung, Aluminiumlegierung, Metall-Verbundstoff) oder Keramik (z. B. Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Keramikverbundstoffe) ohne darauf beschränkt zu sein. In gewissen Variationen ist die Auskleidung 2 ein Metallmaterial. Die Auskleidung 2 kann im Allgemeinen zylindrisch geformt sein und einen hohlen Innenraum aufweisen. Die Auskleidung 2 weist eine Innenfläche 3, eine gegenüberliegende Außenfläche 4, eine erste Anschlussfläche 5 und eine gegenüberliegende zweite Anschlussfläche 6 auf. Die Motorbaugruppe 1 umfasst auch ein Gehäuse 8, das um mindestens einen Teil der Außenfläche 4 der Auskleidung 2 angeordnet ist. Das Gehäuse 8 kann auch an die zweite Anschlussfläche 6 der Auskleidung 2 angrenzen. Das Gehäuse 8 weist eine Innenfläche 9, eine gegenüberliegende Außenfläche 10, eine dritte Anschlussfläche 11 und eine gegenüberliegende vierte Anschlussfläche 12 auf. Das Gehäuse 8 kann ein Leichtmetall (z. B. Aluminiumlegierung, Magnesiumlegierung, Metallverbundstoff), ein keramisches Material (z. B. Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Keramikverbundstoff) oder ein Polymerverbundstoffmaterial sein. Eine Schicht aus Polymerverbundstoff (z. B. mit diskontinuierlichen Fasern) (nicht gezeigt) kann auch zwischen der Außenfläche 4 der Auskleidung 2 und der Innenfläche 9 des Gehäuses 8 vorhanden sein.
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Die Motorbaugruppe 1 kann weiterhin einen Zylinderkopf 13 beinhalten, mit einer fünften Anschlussfläche 14 und einer gegenüberliegenden sechsten Anschlussfläche 15. Zumindest ein Teil der sechsten Anschlussfläche 15 kann an die erste Anschlussfläche 5 der Auskleidung 2 angrenzen. Der Zylinderkopf 13 kann aus jedem geeigneten Material sein, wie beispielsweise aus Metall (z. B. Stahl, Eisen, Magnesiumlegierung, Aluminiumlegierung, Metall-Verbundstoff) oder Keramik (z. B. Aluminiumoxid, Siliciumcarbid-Magnesiumlegierung, Aluminiumlegierung Metallverbundstoff). In gewissen Variationen ist der Zylinderkopf 13 ein Metallmaterial. Die Auskleidung 2 kann durch ihren Kontakt mit dem Zylinderkopf 13 und dem Gehäuse 8 festgehalten werden. Ein Kühlmittelkanal 16 kann zwischen mindestens einem Teil der Außenfläche 4 der Auskleidung 2, einer Innenfläche 9 des Gehäuses 8 und der sechsten Anschlussfläche 15 des Zylinderkopfes 13 definiert sein. Wenn mehr als eine Auskleidung vorhanden ist, kann ein durchgehender Kühlmittelkanal 16 angrenzend an jede Auskleidung liegen oder es kann entsprechende Kühlmittelkanäle für jede Auskleidung geben. Der Kühlmittelkanal 16 kann ein geeignetes Wärmeübertragungsfluid zum Kühlen der Motorbaugruppe 1 aufnehmen. Beispiele für geeignete Wärmeübertragungsfluids umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Luft, Wasser, Öl, Ethylenglykol, Propylenglykol, Glycerin, Methanol und Kombinationen davon. Die Luft kann von einer Klimaanlage zugeführt oder von der Bewegung des Fahrzeugs erzeugt werden. Insbesondere ist das Wärmeübertragungsfluid ein Gemisch aus Wasser und Ethylenglykol. Wie in 8 gezeigt, kann das Wärmeübertragungsfluid von mindestens einer Pumpe 72 von mindestens einem Vorratsbehälter 71 oder einem Zufuhrkanal zu mindestens einem Einlass (nicht gezeigt) in dem Kühlmittelkanal 16 in der Motorbaugruppe 1 zugeführt werden. Das Wärmeübertragungsfluid kann durch den Kühlkanal 16 bei einer Temperatur von etwa 70°C bis etwa 140°C, etwa 80°C bis etwa 130°C oder etwa 90°C bis etwa 120°C zirkuliert werden. Die Pumpe und der Vorratsbehälter können angrenzend an die Motorbaugruppe vorhanden sein. Optional kann das Wärmeübertragungsfluid durch einen Kühler (nicht gezeigt) strömen, um die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids weiter zu reduzieren. Ein Durchschnittsfachmann erkennt, dass das Wärmeübertragungsfluid nach Bedarf einem oder mehreren Kühlmittelkanälen zugeführt werden kann.
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Der Zylinderkopf 13, das Gehäuse 8 und/oder die Auskleidung 2 können durch beliebige geeignete Befestigungselemente miteinander verbunden werden. So kann beispielsweise eine Vielzahl von Befestigungselementen 17 (z. B. Bolzen) den Zylinderkopf 13 und das Gehäuse 8 miteinander verbinden. Die Vielzahl von Befestigungselementen 17 kann jedes geeignete Material umfassen, wie z. B., aber nicht beschränkt auf Metall, Polymerverbundstoffe und Kombinationen davon. Zusätzlich oder alternativ kann ein geeignetes Dichtmittel vorhanden sein (nicht dargestellt) und/oder eine Dichtung (nicht dargestellt) kann zwischen mindestens einem Abschnitt der sechsten Anschlussfläche 15 des Zylinderkopfes 13, mindestens einem Teil der ersten Anschlussfläche 5 der Auskleidung 2 und/oder mindestens einem Teil der dritten Anschlussfläche 11 des Gehäuses 8 vorhanden sein.
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Der durch die Auskleidung 2 definierte zylindrische Bereich 7 kann einen Kolben 18 aufnehmen. Der Kolben 18 ist über eine Pleuelstange 19 mit einer Kurbelwelle 20 verbunden. Der Kolben 18, die Pleuelstange 19 und die Kurbelwelle 20 können jedes geeignete Material sein, z. B. Metall, Keramik, Polymerverbundstoff und Kombinationen davon. Fachleute werden erkennen, dass die Motorbaugruppe 1 aus 1 einen einzigen Kolben 18 und einen einzigen zylindrischen Bereich 7 und zugeordnete Baugruppen darstellt, aber in der Tat eine Vielzahl von Kolben, zylindrischen Bereichen 7 und zugehörigen Komponenten beinhalten kann, wie oben beschrieben.
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In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Gehäuse 8 ein Zylindergehäuseteil 8a und ein Kurbelgehäuseteil 8b. Das Zylindergehäuseteil 8a und das Kurbelgehäuseteil 8b können einteilig ausgebildet sein, wie in 1 gezeigt. Alternativ können, wie in 2 dargestellt, das Zylindergehäuseteil 8a und das Kurbelgehäuseteil 8b bestimmte Komponenten sein, die über einen Klebstoff (nicht dargestellt) oder mit einer Vielzahl von Befestigungselementen 17 in Motorbaugruppe 100 zusammengefügt werden. Wenn als bestimmte Komponenten vorhanden, können das Zylindergehäuseteil 8a und das Kurbelgehäuseteil 8b aus dem gleichen oder aus unterschiedlichem Material sein. Mit Bezug auf 2 weist das Zylindergehäuseteil 8a eine siebte Anschlussfläche 21 und eine gegenüberliegende achte Anschlussfläche 22 auf. Das Kurbelgehäuseteil 8b weist eine neunte Anschlussfläche 23 und eine gegenüberliegende zehnte Anschlussfläche 24 auf. Die neunte Anschlussfläche 23 des Kurbelgehäuseteils liegt angrenzend an die zweite Anschlussfläche 6 der Auskleidung 2 und die achte Anschlussfläche 22 des Zylindergehäuseteils 8a. Die siebte Anschlussfläche 21 des Zylindergehäuseteils 8a kann angrenzend an die sechste Anschlussfläche 15 des Zylinderkopfes 13 liegen. Zylinderkopf 13, Zylindergehäuseteil 8a, Kurbelgehäuseteil 8b und/oder Auskleidung 2 können durch beliebige passende Befestigungselemente, wie hierin beschrieben, miteinander verbunden werden. So kann beispielsweise eine Vielzahl von Befestigungselementen 17 (z. B. Bolzen) den Zylinderkopf 13, das Zylindergehäuseteil 8a und das Kurbelgehäuseteil 8b miteinander verbinden. Die Vielzahl von Befestigungselementen 17 kann jedes geeignete Material umfassen, wie z. B., aber nicht beschränkt auf Metall, Polymerverbundstoffe und Kombinationen davon. Zusätzlich oder alternativ kann ein geeignetes Dichtmittel vorhanden sein (nicht dargestellt) und/oder eine Dichtung (nicht dargestellt) kann zwischen mindestens einem Teil der sechsten Anschlussfläche 15 des Zylinderkopfes 13, mindestens einem Teil der ersten Anschlussfläche 5 der Auskleidung 2 und/oder mindestens einem Teil der siebten Anschlussfläche 21 des Zylindergehäuseteils 8a vorhanden sein.
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In bestimmten Aspekten ist das Gehäuse 8 aus einem Polymerverbundstoffmaterial. In solchen Fällen kann das Gehäuse 8 ein geeignetes Polymer und eine Vielzahl von geeigneten Verstärkungsfasern umfassen. Beispiele für geeignete Polymere beinhalten Duroplast-Harz, ein thermoplastisches Harz, Elastomer und Kombinationen davon, ohne darauf beschränkt zu sein. Bevorzugte Polymere beinhalten Epoxide, Phenolikverbindungen, Vinylester, Bismaleimide, Polyetheretherketon (PEEK), Polyamide, Polyamide und Polyamidimide, sind aber nicht beschränkt darauf. Beispiele für geeignete Verstärkungsfasern beinhalten Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polyethylenfasern, organische Fasern, metallische Fasern und Kombinationen davon, sind aber nicht beschränkt darauf. Insbesondere sind die Verstärkungsfasern Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern. Die Verstärkungsfasern können kontinuierliche Fasern sein. Vorteilhafterweise kann das Gehäuse 8, das ein Polymerverbundstoffmaterial umfasst, wie hierin beschrieben, eine Druckfestigkeit von etwa 100 MPa bis etwa 2000 MPa, etwa 500 MPa bis etwa 1000 MPa oder etwa 1000 MPa bis etwa 1500 MPa aufweisen.
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Um die Motorbaugruppe 1 zu erwärmen und/oder zu kühlen, kann das Gehäuse 8 (z. B. ein Polymerverbundstoff) des Weiteren eine Vielzahl von Mikrokanälen 25 umfassen, wie in 1 gezeigt, um ein Wärmeübertragungsfluid aufzunehmen, wie hierin beschrieben. Wie in einer Ausführungsform in 8 gezeigt, kann das Wärmeübertragungsfluid von mindestens einer Pumpe 82 von mindestens einem Vorratsbehälter 81 oder einem Zufuhrkanal zu mindestens einem Einlass (nicht gezeigt) in den Mikrokanälen 25 in der Motorbaugruppe 1 zugeführt werden. Die Pumpe und der Vorratsbehälter können angrenzend an die Motorbaugruppe vorhanden sein. Das Wärmeübertragungsfluid kann bei einer geeigneten Temperatur zugeführt werden, um die Motorbaugruppe zu kühlen und/oder zu erwärmen, z. B. etwa 10°C bis etwa 120°C, etwa 20°C bis etwa 100°C oder etwa 20°C bis etwa 90°C. Optional kann das Wärmeübertragungsfluid durch einen Kühler (nicht gezeigt) strömen, um die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids weiter zu reduzieren, oder das Wärmeübertragungsfluid kann durch eine Heizeinrichtung (nicht gezeigt) strömen, um die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids zu erhöhen. Wie in 8 gezeigt ist, werden der Kühlmittelkanal 16 und die Mikrokanäle 25 separat durch den Vorratsbehälter 71 und den Vorratsbehälter 81 zugeführt. Es wird hierin in Betracht gezogen, dass der Kühlmittelkanal 16 und die Mikrokanäle 25 von demselben Vorratsbehälter (nicht gezeigt) versorgt werden können. Weiterhin wird hierin in Betracht gezogen, dass die Motorbaugruppe die Mikrokanäle 25 und zugehörige Komponenten (z. B. Pumpe 82, Vorratsbehälter 81 und dergleichen), den Kühlmittelkanal 16 und zugehörige Komponenten (z. B. Pumpe 72, Vorratsbehälter 71 usw.) oder eine Kombination davon umfassen kann.
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Die Mikrokanäle 25 können einen im Wesentlichen runden Querschnitt aufweisen. Wie hier verstanden, kann „etwa rund” kreisrunde und ovale Querschnitte beinhalten, und die Abmessungen des Querschnitts können in manchen Aspekten abweichen. Die Mikrokanäle 25 können einen Durchmesser von weniger als etwa 8.000 μm aufweisen. Zusätzlich oder alternativ weisen die Mikrokanäle 25 einen Durchmesser von etwa 0,1 μm bis etwa 8.000 μm, 0,1 μm bis etwa 5.000 μm, 0,1 μm bis etwa 1.000 μm, etwa 1 μm bis etwa 500 μm oder etwa 1 μm bis etwa 200 μm auf. Zusätzlich oder alternativ können die Mikrokanäle 25 einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Wie hier verstanden, kann „im Wesentlichen rechteckig” quadratische Querschnitte beinhalten, und die Abmessungen des Querschnitts können in manchen Aspekten abweichen. Vorzugsweise ist mindestens ein Teil der Mikrokanäle 25 miteinander verbunden, wodurch Blockaden vermieden werden können. Die Mikrokanäle 25 können in jeder geeigneten Richtung verlaufen, beispielsweise axial, radial, spiralförmig, verzweigt, gekreuzt, kreuz und quer und Kombinationen davon.
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Polymerverbundstoffe lassen sich aus Streifen des Verbundstoffgrundmaterials aufbauen, wie beispielsweise ein Material auf Faserbasis (z. B. Gewebe oder Grafitband). Der Verbundstoff kann aus einer oder mehreren Schicht(en) bestehen, dabei kann jede Schicht aus von im Stoß- und/oder Überlappungsverfahren angeordneten Streifen des Fasermaterials bestehen. Das Trägermaterial auf Faserbasis kann auch ein Harz umfassen. Das Harz kann nach der Aufbringung des Fasermaterials auf die Arbeitsfläche (z. B. die gegenüberliegende Außenfläche 4 von Auskleidung 2) ausgehärtet (z. B. ausgehärtet oder reagiert) werden und somit zur Bindung von einer oder mehreren Schichten dienen, die zusammen den Polymerverbundstoff ergeben.
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Üblicherweise kommen zwei Verfahren zum Einsatz, um Harz bei Systemen von Verbundstoffmaterial mit Trägern auf Faserbasis einzusetzen: Laminierung (Layup), Vorimprägnierung (als „Prepreg” bezeichnet), und Harzinjektionsverfahren. Bei der Laminierung wird das trockene faserverstärkte Material mit dem Harz durchfeuchtet, üblicherweise durch ein Tauchbad. Bei der Vorimprägnierung (Prepreg) wird das Fasermaterial vorab mit dem Harz getränkt und härtet üblicherweise teilweise zu einer viskosen oder klebrigen Konsistenz aus (auch bekannt als B-Stage Teilhärtung), um dann für eine spätere Verwendung aufgewickelt zu werden. Verbundmaterial-Systeme mit Prepreg verwenden für gewöhnlich Duroplast-Harzsysteme, die (je nach Aushärt- oder Reaktionstemperaturen) durch erhöhte Temperaturen mit Aushärt- oder Reaktionszeiten von etwa 1 Minute bis etwa 2 Stunden ausgehärtet oder reagiert werden können. Einige Prepreg-Materialien können jedoch Harze verwenden, die durch aktinische Strahlung aushärten oder reagieren (z. B. ultraviolette Strahlung (UV)). Für das Harzinjektionsverfahren kann trockenes Faserverstärkungs-Material in eine Form gebracht werden, und Harz kann unter Druck (z. B. um 10 psi bis etwa 2000 psi) in die Form infundiert werden. Auf dem Gebiet bekannte Spritzgießverfahren können ebenfalls verwendet werden, um Harz in das Verstärkungsmaterial einzuführen, insbesondere dort, wo das Verstärkungsmaterial diskontinuierliche Fasern umfasst. So kann beispielsweise ein Vorläufermaterial, das ein Harz und das Verstärkungsmaterial enthält, in einen definierten Raum oder eine bestimmte Form eingespritzt oder diffundiert werden, gefolgt durch das Erstarren des Vorläufermaterials, um den Polymerverbundstoff zu formen. Der Begriff „Spritzgießen” beinhaltet auch Reaction Injection Molding mit Duroplast-Harz. Für bestimmte andere Aspekte sehen die vorliegenden Lehren auch einen Schritt vor, bei dem das Verstärkungsmaterial durch Fadenwicklung Flechten oder Weben nahe, innerhalb und/oder über die Arbeitsfläche (z. B. gegenüberliegende Außenfläche 4 der Auskleidung) aufgebracht wird). Das Verfahren kann optional das Auf- bzw. Einbringen einer ungehärteten oder unreagierten Harzzusammensetzung in oder auf das Verstärkungsmaterial auf Faserbasis einschließen. Mit Aufbringen ist die Befeuchtung des Fasermaterials mit der ungehärteten oder unreagierten Harzzusammensetzung gemeint, was eine oberflächliche Beschichtung oder eine Durchtränkung des Fasermaterials bedeutet (beispielsweise in die Poren oder Zwischenräume des Fasermaterials). Nach Einbringung des Harzes auf das Fasermaterial folgt die Aushärtung (z. B. Aushärten oder Reagieren), um so den Polymerverbundstoff auszubilden. PrePreg-faserbasiertes Material kann auch über Fadenwicklung Flechten oder Weben aufgebracht werden.
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Bei bestimmten anderen Aspekten sieht die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Verwendung von Opferfasern vor, um die Mikrokanäle 25 im Polymerverbundstoff (z. B. Gehäuse 8) zu formen. Wie in 3a gezeigt, umfasst eine gewebte Verbundstoff-Vorform 200 erste Verstärkungsfasern 201 (z. B. Kohlenstofffasern, Glasfasern) und zweite Verstärkungsfasern 202 (z. B. Kohlenstofffasern, Glasfasern) zur Ausbildung einer dreidimensionalen Webstruktur. Die ersten Verstärkungsfasern 201 und die zweiten Verstärkungsfasern 202 können gleiche oder unterschiedliche Fasern sein. Die Opferfasern 203 können zusammen mit den ersten Verstärkungsfasern 201, wie in 3b gezeigt, in die zusammengesetzte geformte Vorform 200 eingewebt werden. Die ersten Verstärkungsfasern 201 und die Opferfasern 203 können sinusförmig durch die zweiten Verstärkungsfasern 202 hindurchgeleitet werden. Es sollte erwähnt werden, dass andere Webmuster auch berücksichtigt werden können und nicht auf die dargestellten Muster in den 3a–3e beschränkt sind, die lediglich exemplarische Ausführungsformen darstellen. Die Opferfasern 203 umfassen ein Material, das dem Weben mit den ersten Verstärkungsfasern 201 und/oder den zweiten Verstärkungsfasern 202 standhalten kann, sowie die Verfestigung des Polymerverbundstoffs (z. B. Harzinfusion und Härtung), ist aber in der Lage, Ätzen oder Auflösen unter Bedingungen, die andere Komponenten des Polymerverbundstoffs (z. B. Verstärkungsfasern) nicht wesentlich verdampfen, schmelzen, ätzen oder auflösen. Beispiele für geeignete Opfermaterialien beinhalten Metalle und Polymere, ohne darauf beschränkt zu sein. Nichtbeschränkende Metalle beinhalten Lötmetalle, die Blei, Zinn, Zink, Aluminium, geeignete Legierungen und dergleichen umfassen. Nichtbeschränkende Polymere können Polyvinylacetat, Polymilchsäure, Polyethylen, Polystyrol sein. Zusätzlich oder alternativ können die Opferfasern weiter mit einem Katalysator behandelt werden oder chemisch modifiziert werden, um das Schmelz- oder Abbauverhalten zu verändern.
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Nach dem Einarbeiten der Opferfasern 203 wird ein Harz 204 in den Vorformling 200 infundiert und der Vorformling 200 wird unter geeigneten Bedingungen, wie in 3c und 3d gezeigt, verfestigt (z. B. reagiert oder gehärtet), um den Polymerverbundstoff 210 auszubilden. Nach Verfestigung (z. B. Reagieren oder Aushärten), kann der Polymerverbundstoff 210 weiter behandelt (z. B. erwärmt) werden, um die Opferfasern 203 zu verflüchtigen, zu schmelzen oder zu degradieren, oder die Opferfasern 203 können aufgelöst werden, um Abbauprodukte zu erzeugen. Die Opferfasern können beispielsweise auf eine Temperatur (z. B. etwa 150°C bis etwa 200°C) erwärmt werden, sodass sie im Wesentlichen verdampfen oder schmelzen, die Verstärkungsfasern und/oder das ausgehärtete Harz aber im Wesentlichen nicht abgebaut werden. Jedes geeignete Lösungsmittel, wie beispielsweise Aceton, ohne darauf beschränkt zu sein, kann auf die Opferfasern angewendet werden, um diese aufzulösen, solange das Lösungsmittel die Verstärkungsfasern und/oder das ausgehärtete Harz nicht im Wesentlichen abbaut oder auflöst. Alternativ können die Opferfasern auch mit einer geeigneten Säure verätzt werden (beispielsweise Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure und dergleichen). Die Abbauprodukte können entfernt werden, um Mikrokanäle 205 in dem Polymerverbundstoff 210 auszubilden, z. B. durch Aufbringen eines Vakuums auf den Polymerverbundstoff oder das Einführen eines Gases in den Polymerverbundstoff, um die Abbauprodukte aus dem Polymerverbundstoff zu entfernen. Es wird auch in Betracht gezogen, dass die Mikrokanäle in einem Nicht-Polymerverbundstoffgehäuse, beispielsweise in einem Metallgehäuse oder einem Keramikgehäuse, vorhanden sein können.
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In anderen Variationen kann ein Verbundstoff-Vorläufermaterial spritzgegossen oder anderweitig auf die gegenüberliegende Außenfläche 4 der Auskleidung 2 aufgebracht werden, woraufhin eine Verfestigung (z. B. Aushärten oder Reagieren) zur Ausbildung des Gehäuses 8 folgen kann.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Polymerverbundstoff (z. B. Gehäuse 8) zwecks Verbesserung der Wärmeübertragung eine Vielzahl von Mikrokugeln beinhalten (nicht dargestellt). Die Mikrokugeln können Keramik oder Glas sein und können gegebenenfalls mit Metall-, Keramik- und/oder Nanopartikeln beschichtet sein. Vorzugsweise weist die Beschichtung eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, z. B. Aluminium, Kupfer, Zinn und dergleichen. Die Mikrokugeln können einen Durchmesser von weniger als etwa 1.000 μm aufweisen. Zusätzlich oder alternativ weisen die Mikrokugeln einen Durchmesser von etwa 0,1 μm bis etwa 1.000 μm, etwa 1 μm bis etwa 500 μm oder etwa 1 μm bis etwa 200 μm auf.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Polymerverbundstoff (z. B. das Gehäuse 8) mindestens einen Draht zum Erwärmen der Motorbaugruppe beinhalten. Wie in 4 dargestellt, können beispielsweise einer oder mehrere Drähte 302 integriert oder in die Verstärkungsfasern 301 (z. B. Kohlenstofffasern) im Polymerverbundstoff 300 (z. B. Gehäuse 8) gewebt werden. Die Drähte 302 können ein beliebiges geeignetes Material zum Leiten von Elektrizität (z. B. Kupfer, Nickelchrom und dergleichen) umfassen. Die Drähte 302 können von den Verstärkungsfasern 301 isoliert sein. Die Drähte 302 können beispielsweise eine geeignete Isolierschicht beinhalten, wie eine Polymerbeschichtung und/oder eine geflochtene Glasfaserhülse. Um die Drähte 302 zu erwärmen, wird Elektrizität durch eine Batterie oder eine andere geeignete externe Quelle (nicht gezeigt) bereitgestellt und durch eine Steuereinheit (nicht gezeigt) gesteuert. Unter Bezugnahme auf 1, obwohl nicht gezeigt, erkennt beispielsweise ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, dass die Drähte 302 zusätzlich zu oder anstelle der Vielzahl von Mikrokanälen 25 in dem Gehäuse 8 beinhaltet sein können.
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In einer besonderen Ausführungsform umfasst das Polymerverbundstoffgehäuse eines oder mehrere von: (i) einer Vielzahl von Mikrokanälen, wie hierin beschrieben; (ii) mindestens einen Draht, wie hierin beschrieben; und (iii) eine Vielzahl von Mikrokugeln, wie hierin beschrieben. Zusätzlich oder alternativ umfasst das Polymerverbundstoffgehäuse zwei oder mehr von (i), (ii) und (iii) (z. B. (i) und (ii), (i) und (iii), (ii) und (iii). Zusätzlich oder alternativ umfasst das Polymerverbundstoffgehäuse (i), (ii) und (iii).
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Wieder mit Bezug auf 1 kann die Motorbaugruppe 1 weiterhin eine Polymerverbundstoffschicht 26 beinhalten, die um mindestens einen Teil der Außenfläche 10 des Gehäuses 8 herum angeordnet ist. Die Polymerverbundschicht 26 dient als mechanische, chemische und/oder thermische Abschirmung für die Motorbaugruppe. Die Polymerverbundstoffschicht 26 kann aus einem geeigneten Polymer, wie hierin beschrieben, bestehen (z. B. Duroplast-Harz, thermoplastisches Harz, Elastomer) und aus einer Vielzahl von geeigneten Verstärkungsfasern (z. B. Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polyethylenfasern, keramische Fasern, organische Fasern, metallische Fasern und Kombinationen davon). Insbesondere sind die Verstärkungsfasern Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern. Die Verstärkungsfasern können diskontinuierliche Fasern sein. Die Polymerverbundstoffschicht 26 kann durch Spritzgießen geformt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Polymerverbundstoffschicht 26 um mindestens einen Teil des Zylinderkopfs 13 verlaufen, wie in 5 dargestellt. Wie in 5 in einer alternativen Motorbaugruppe 50 gezeigt, kann die Polymerverbundstoffschicht 26 im Wesentlichen entlang aller Außenflächen 10 des Gehäuses 8 verlaufen. Zusätzlich oder alternativ kann die Polymerverbundstoffschicht 26 um jede andere geeignete Fläche der Fahrzeugbaugruppe verlaufen, beispielsweise um eine Ölwanne oder um einen Nockendeckel. Zusätzlich oder alternativ kann die Polymerverbundstoffschicht 26 um beliebiges periphere System der Fahrzeugbaugruppe herum verlaufen, beispielsweise Wasserpumpe, Klimaanlage, Turbolader. Alternativ ist hierin vorgesehen, dass anstelle der Polymerverbundstoffschicht 26 eine Metall- oder Keramikschicht verwendet werden kann. Eine solche Polymerverbundstoffschicht 26, Metall- oder Keramikschicht kann die Außenseite der Motorbaugruppe abdichten und ein Austreten von Fluid zwischen den verschiedenen Komponenten der Motorbaugruppe verhindern und die Notwendigkeit der Verwendung von Dichtungen zum Abdichten der Motorbaugruppe vermeiden.
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In anderen Varianten können die hier für das Gehäuse 8 und/oder die Polymerverbundstoffschicht 26 verwendeten Polymerverbundstoffe durch jedes andere geeignete, in der Technik bekannte Verfahren hergestellt werden, z. B. Pultrusion, Reaction Injection Molding, Spritzgießen, Formpressen, Prepreg-Formen (in Autoklaven oder als Formpressen), Resin-Transfer-Moulding-Verfahren und vakuumunterstützte Resin-Transfer-Moulding-Verfahren. Faservorläufermaterialien können des Weiteren mit jedem anderen, auf dem Gebiet bekannten, geeigneten Verfahren hergestellt werden, beispielsweise Flechten, Weben, Vernähen, Stricken, Prepregging, Hand-Layup und Robotersteuerung oder manuelle Kabelplatzierung.
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In verschiedenen Aspekten, wie in 6a und 6b dargestellt, wird eine Motorbaugruppe 400 bereitgestellt, die eine Kappe 27 beinhaltet. Die Kappe 27 kann an eine dritte Anschlussfläche 11 des Gehäuses 8 und die sechste Anschlussfläche 15 des Zylinderkopfes 13 angrenzen. Die Kappe 27 kann jedes geeignete Material sein, wie ein Metall-, Keramik- oder Polymerverbundstoffmaterial. Insbesondere die Kappe 27 ist aus Metall (z. B. Stahl, Eisen, Magnesiumlegierung Aluminiumlegierung), insbesondere wenn das Gehäuse 8 ein Polymerverbundstoff ist, da Kappe 27 besser maschinell bearbeitet werden kann als der Polymerverbundstoff. Die Kappe 27 kann als Passfläche zwischen dem Zylinderkopf 13 und dem Gehäuse 8 dienen. Vorzugsweise sind die Kappe 27 und die Auskleidung 2 aus dem gleichen Material (z. B. Metall), so dass sie beide maschinell bearbeitet werden oder zusammen geformt werden können, in Vorbereitung auf eine Zylinderkopfdichtung und/oder den Zylinderkopf 13. Die Kappe 27 kann mit dem Gehäuse 8 mit einem geeigneten Klebstoff verbunden oder direkt mit dem Gehäuse 8 geformt werden. Zusätzlich oder alternativ kann das Befestigungselement 17 den Zylinderkopf 13, die Kappe 27 und/oder das Gehäuse 8 verbinden. Zusätzlich oder alternativ kann eine zweite Kappe (nicht gezeigt) ähnlich der Kappe 27 an die achte Anschlussfläche 22 des Zylindergehäuseteils 8a und die neunte Anschlussfläche 23 des Kurbelgehäuseteils 8b angrenzen.
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In anderen Variationen wird des Weiteren in Betracht gezogen, dass eine oder mehrere der hierin beschriebenen Motorbaugruppenkomponenten eines oder mehrere mechanische Verriegelungsmerkmale zum Verbinden der verschiedenen Motorkomponenten umfassen. So können beispielsweise komplementär abstehende Flansche, Nuten, Kanäle, Sicherungsflügel unterschiedlicher Formen für die mechanische Verzahnung verwendet werden. Zusätzlich oder alternativ und, wie in 7 bei einer alternativen Motorbaugruppe 60 dargestellt, kann mindestens ein Teil der Außenfläche 4 der Auskleidung 2 eine oder mehrere mechanische Verriegelungsmerkmale 28 zum Verbinden mit dem Gehäuse 8 (z. B. Innenfläche 9) umfassen, insbesondere wo das Gehäuse 8 aus einem Polymerverbundstoff ist. Zusätzlich oder alternativ können die Kappe 27 und/oder die dritte Anschlussfläche 11 des Gehäuses 8 ein oder mehrere mechanische Verriegelungsmerkmale (nicht gezeigt) aufweisen, um die Kappe 27 mit dem Gehäuse 8 zu verbinden. Zusätzlich oder alternativ kann keramisches Material zwischen verschiedenen Metall- und Polymerverbundstoffkomponenten in der Motorbaugruppe für Isolationszwecke vorhanden sein. Es versteht sich, dass die hierin beschriebenen verschiedenen Metallkomponenten ohne Weiteres bearbeitetet oder gegossen werden können.
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In einer besonderen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung eine Motorbaugruppe (z. B. einen Motorblock) bereit, die umfasst: eine Metallauskleidung die einen zylindrischen Bereich zum Aufnehmen eines Kolbens definiert, wobei die Metallauskleidung eine Innenfläche, eine gegenüberliegende Außenfläche, eine erste Anschlussfläche aufweist, und eine gegenüberliegende zweite Anschlussfläche; ein Polymerverbundstoffgehäuse, das um mindestens einen Teil der Außenfläche der Metallauskleidung herum angeordnet ist, wobei das Polymerverbundstoffgehäuse ein hierin beschriebenes Polymer (z. B. thermoplastisches oder Duroplast-Harz) und eine Vielzahl von Verstärkungsfasern, wie hierin beschrieben, umfasst (z. B. Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polyethylenfasern, keramische Fasern, organische Fasern, metallische Fasern), und Kombinationen davon) und mindestens eines von: (i) einer Vielzahl von Mikrokanälen, wie hierin beschrieben, zum Aufnehmen eines Wärmeübertragungsfluids, wie hierin beschrieben, zum Erwärmen und/oder Kühlen der Motorbaugruppe; und (ii) mindestens einen Draht, wie er hierin zum Erwärmen der Motorbaugruppe beschrieben ist; und einen Metallzylinderkopf mit einer dritten Anschlussfläche und einer gegenüberliegenden vierten Anschlussfläche, worin die vierte Anschlussfläche des Metallzylinderkopfes an die erste Anschlussfläche der Metallauskleidung angrenzt. Das Polymerverbundstoffgehäuse kann ein Zylindergehäuseteil, wie hierin beschrieben, und ein Kurbelgehäuseteil, wie hierin beschrieben, umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann die Motorbaugruppe des Weiteren einen Kühlmittelkanal umfassen, wie er hierin beschrieben ist, der zwischen mindestens einem Teil der Außenfläche der Metallauskleidung einer Innenfläche des Polymerverbundstoffgehäuses und der vierten Anschlussfläche des Metallzylinderkopfes definiert ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Motorbaugruppe des Weiteren eine Polymerverbundstoffschicht umfassen, wie sie hierin beschrieben ist (z. B. diskontinuierliche Kohlenstofffasern), die um mindestens einen Teil einer Außenfläche des Polymerverbundwerkstoffgehäuses angeordnet sind und/oder sich um mindestens einen Teil des Metallzylinderkopfes erstrecken. Zusätzlich oder alternativ kann die Motorbaugruppe des Weiteren eine Metallkappe umfassen, die mit einer neunten Anschlussfläche des Polymerverbundstoffgehäuses und der vierten Anschlussfläche des Metallzylinderkopfes in Verbindung steht. Zusätzlich oder alternativ kann die Außenfläche der Metallauskleidung eines oder mehrere mechanische Verriegelungsmerkmale umfassen, wie hierin beschrieben, um mit dem Polymerverbundstoffgehäuse zu verbinden.
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Wie oben diskutiert, werden die Motorbaugruppen während der Verbrennung unterschiedlichen Spannungen sowie Temperaturextrema ausgesetzt. Somit offenbart die vorliegende Offenbarung in anderen verschiedenen Ausführungsformen Verfahren zum Erwärmen/Kühlen einer Motorbaugruppe, wie hierin beschrieben (z. B. Motorbaugruppe 1). Das Verfahren kann das Zirkulieren eines geeigneten Wärmeübertragungsfluids, wie hierin beschrieben, umfassen (z. B. Luftwasser, Öl, Ethylenglykol, Propylenglykol, Glycerin, Methanol und dergleichen) zum Erwärmen oder Kühlen der Motorbaugruppe durch eine Vielzahl von Mikrokanälen (z. B. Mikrokanäle 25), wie hierin beschrieben, die in einem Gehäuse, wie hierin beschrieben (z. B. Gehäuse 8), angeordnet sind. Das Wärmeübertragungsfluid kann von einer Pumpe von mindestens einem Reservoir oder Versorgungskanal zu mindestens einem Einlass in den Mikrokanälen zugeführt werden. Dieses System und Verfahren können als eine erste Heiz- und Kühlschleife in der Motorbaugruppe bezeichnet werden. In verschiedenen Aspekten kann das Wärmeübertragungsfluid in die Mikrokanäle bei Temperaturen eingeführt werden, die zum Erwärmen oder Kühlen der Motorbaugruppe geeignet sind. Wenn zum Beispiel das Wärmeübertragungsfluid eine Flüssigkeit ist, kann es durch die Mikrokanäle bei einer Temperatur zwischen seinem Gefrierpunkt und dem Siedepunkt eingeführt und zirkuliert werden. Alternativ kann das Wärmeübertragungsfluid, wenn es ein Gas ist, durch die Mikrokanäle bei einer Temperatur oberhalb der Kondensationstemperatur des Gases eingeführt und zirkuliert werden. Nicht beschränkende Beispiele von Temperaturen, bei denen das Wärmeübertragungsfluid durch die Mikrokanäle eingeführt und/oder zirkuliert werden kann, sind etwa 10°C bis etwa 120°C, etwa 20°C bis etwa 100°C oder etwa 20°C bis etwa 90°C.
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Das Gehäuse kann aus einem Leichtmetall (z. B. Aluminiumlegierung, Magnesiumlegierung), einem keramischen Material (z. B. Aluminiumoxid, Siliciumcarbid) oder einem Polymerverbundstoffmaterial, wie hierin beschrieben, ausgebildet sein. Insbesondere ist das Gehäuse ein Polymerverbundstoffmaterial, das, wie hierin beschrieben, ein Polymer (z. B. Duroplast-, thermoplastisches Harz) und eine Vielzahl von Verstärkungsfasern (z. B. Kohlenstofffasern, Glasfasern, Metallfasern und dergleichen) umfasst. Das Gehäuse kann um mindestens einen Teil einer Außenfläche einer Auskleidung herum angeordnet sein, wie hierin beschrieben (z. B. Auskleidung 2), worin die Auskleidung einen zylindrischen Bereich zum Aufnehmen eines Kolbens, wie hierin beschrieben (z. B. Kolben 18), definiert. Die Auskleidung kann jedes geeignete Material sein, z. B. Metall oder Keramik. Insbesondere ist die Auskleidung Metall.
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Zusätzlich oder alternativ können die Verfahren das Anlegen eines elektrischen Stroms an mindestens einen Draht, wie hierin beschrieben (z. B. Drähte 302), der in dem Gehäuse angeordnet ist, wie hierin beschrieben (z. B. Gehäuse 8) zum Erwärmen der Motorbaugruppe angewendet werden. Elektrizität kann durch eine Batterie oder eine andere geeignete externe Quelle bereitgestellt und von einer Steuereinheit gesteuert werden. So kann beispielsweise die Motorbaugruppe auf Temperaturen von etwa 200°C bis etwa 350°C, etwa 200°C bis etwa 250°C oder etwa 250°C bis etwa 350°C erwärmt werden. Dieses System und Verfahren können als eine zweite Heizschleife in der Motorbaugruppe bezeichnet werden. Zusätzlich oder alternativ können die Verfahren des Weiteren das Einbringen einer Vielzahl von Mikrokugeln, wie hierin beschrieben, im Gehäuse (z. B. Gehäuse 8) zum Verbessern der Wärmeübertragung in der Motorbaugruppe umfassen.
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In verschiedenen Aspekten kann das Verfahren des Weiteren das Zirkulieren eines zweiten Wärmeübertragungsfluids (z. B. Luft, Wasser, Öl, Ethylenglykol, Propylenglykol, Glycerin, Methanol und dergleichen), wie hierin beschrieben, zu einem Kühlmittelkanal (z. B. Kühlmittelkanal 16), wie hierin beschrieben, zum Kühlen der Motorbaugruppe umfassen. Das zweite Wärmeübertragungsfluid kann gleich oder anders sein als das Wärmeübertragungsfluid, das den Mikrokanälen in dem Gehäuse zugeführt wird. Der Kühlmittelkanal kann zwischen mindestens einem Teil einer Außenfläche (z. B. Außenfläche 4) der Auskleidung (z. B. Auskleidung 2), einer Innenfläche (z. B. Innenfläche 9) des Gehäuses (z. B. Gehäuse 8) und einer Anschlussfläche (z. B. sechste Anschlussfläche 15) eines Zylinderkopfes (z. B. Zylinderkopf 13) definiert sein. Das Wärmeübertragungsfluid kann von einer Pumpe von mindestens einem Reservoir oder Versorgungskanal zu mindestens einem Einlass in dem Kühlmittelkanal 16 in der Motorbaugruppe zugeführt werden. Dieses System und Verfahren können als dritte Kühlschleife in der Motorbaugruppe bezeichnet werden. Das Wärmeübertragungsfluid kann durch die vierte Kühlschleife bei jeder geeigneten Temperatur zirkulieren, beispielsweise von der Umgebungstemperatur bis zu etwa 120°C. Wie hierin verwendet, bezieht sich „Umgebungstemperatur” auf die Umgebungstemperatur des Fahrzeugs. Die Umgebungstemperatur vor dem Betrieb kann in bestimmten Beispielen im Bereich von etwa –40°C bis etwa 50°C liegen. Es versteht sich hierbei. dass das Verfahren eine oder mehrere der ersten Heiz- und Kühlschleife, die zweite Heizschleife und die dritte Kühlschleife umfassen kann.
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In einer besonderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Erwärmen und/oder Kühlen einer Motorbaugruppe, worin das Verfahren eines oder mehreres von Folgendem umfasst: (i) Zirkulieren eines Wärmeübertragungsfluids zum Erwärmen oder Kühlen der Motorbaugruppe durch eine Vielzahl von Mikrokanälen, die in einem Polymerverbundstoffgehäuse angeordnet sind, das ein Polymer (z. B. ein thermoplastisches oder Duroplast-Harz) und eine Vielzahl von Verstärkungsfasern, wie hierin beschrieben (z. B. Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polyethylenfasern, keramische Fasern, organische Fasern, metallische Fasern und Kombinationen davon), umfasst, die um mindestens einen Teil einer Außenfläche einer Metallauskleidung angeordnet sind, worin die Metallauskleidung einen zylindrischen Bereich zur Aufnahme eines Kolbens definiert; und (ii) Anlegen eines elektrischen Stroms an mindestens einen Draht, der in dem Polymerverbundstoffgehäuse angeordnet ist, zum Erwärmen der Motorbaugruppe. Zusätzlich oder alternativ kann das Wärmeübertragungsfluid zu den Mikrokanälen bei einer Temperatur von der Umgebungstemperatur, wie hierin beschrieben, bis zu etwa 120°C eingeführt werden. So kann beispielsweise das Wärmeübertragungsfluid in die Mikrokanäle bei einer Temperatur von etwa –40°C bis etwa 120°C, etwa –30°C bis etwa 120°C, etwa 0,0°C bis etwa 120°C, etwa –20°C bis etwa 90°C, etwa 10°C bis etwa 120°C, etwa 20°C bis etwa 100°C oder etwa 20°C bis etwa 90°C eingeführt werden. Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren des Weiteren das Zirkulieren eines anderen Wärmeübertragungsfluids, wie hierin beschrieben, zu einem Kühlmittelkanal umfassen, der zwischen mindestens einem Teil der Außenfläche des Metalleinsatzes, einer Innenfläche des Polymerverbundstoffgehäuses und einer vierten Anschlussfläche von einem Metallzylinderkopf definiert ist.
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Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht erschöpfend und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Diese Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.
