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Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, mindestens einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf und einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderblock, bei der
- - jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist, wobei sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt und die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen,
- - jeder Zylinderkopf mit mindestens zwei integrierten Kühlmittelmänteln ausgestattet ist, wobei ein erster kopfzugehöriger Kühlmittelmantel einlassseitig eine erste Zuführöffnung zur Versorgung mit Kühlmittel und auslassseitig eine erste Abführöffnung zum Abführen des Kühlmittels aufweist,
- - der Zylinderblock mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, wobei dieser blockzugehörige Kühlmittelmantel einlassseitig eine zweite Zuführöffnung zur Versorgung mit Kühlmittel aufweist und auslassseitig eine zweite Abführöffnung zum Abführen des Kühlmittels vorgesehen ist, und
- - zur Ausbildung eines Kühlmittelkreislaufs die Abführöffnungen mit den Zuführöffnungen zumindest zeitweise verbindbar sind.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Kühlung einer derartigen Brennkraftmaschine.
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Eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird in den amerikanischen Patentschriften
US 8,997,483 B2 und
US 9,188,051 B1 beschrieben und findet beispielsweise Verwendung als Kraftfahrzeugantrieb. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrifft der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d.h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine mindestens eine weitere Drehmoment-Quelle zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges umfassen, beispielsweise eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare bzw. antriebsverbundene Elektromaschine, welche anstelle der Brennkraftmaschine oder zusätzlich zur Brennkraftmaschine Leistung abgibt.
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Brennkraftmaschinen verfügen über mindestens einen Zylinderkopf, der zur Ausbildung der mindestens zwei Zylinder bzw. Brennräume mit einem Zylinderblock verbunden wird. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen und das Füllen des Brennraums mit Frischgemisch bzw. Frischluft über die Einlassöffnungen der mindestens zwei Zylinder. Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile als Steuerorgane verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Ein- und Auslassöffnungen freigeben und verschließen. Der für die Bewegung eines Ventils erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich des Ventils selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
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Der Zylinderkopf dient zur Aufnahme der Steuerorgane und bei obenliegender Nockenwelle zur Aufnahme der Ventiltriebe insgesamt. Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen kann zudem die erforderliche Zündvorrichtung, bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen darüber hinaus die Einspritzeinrichtung im Zylinderkopf angeordnet werden.
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Der Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ist ein thermisch und mechanisch hoch belastetes Bauteil, wobei die Anforderungen an den Zylinderkopf weiter zunehmen. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass ein zunehmender Anteil der Brennkraftmaschinen - mittels Abgasturboauflader und/oder mechanischem Lader - aufgeladen wird. Aufgrund des immer dichteren Packaging im Motorraum und der zunehmenden Integration von Bauteilen und Komponenten in den Zylinderkopf, beispielsweise der Integration des Abgaskrümmers, steigt insbesondere die thermische Belastung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes, so dass erhöhte Anforderungen an die Kühlung zu stellen sind und Maßnahmen zu ergreifen sind, die eine thermische Überlastung der Brennkraftmaschine sicher verhindern.
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Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung einer Brennkraftmaschine in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Aufgrund der höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als dies mit einer Luftkühlung möglich ist. Daher werden Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik immer häufiger mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet.
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Zunehmend häufig wird der mindestens eine Abgaskrümmer auch in den Zylinderkopf integriert, um von einer im Zylinderkopf vorgesehenen Kühlung zu partizipieren und den Krümmer nicht aus thermisch hoch belastbaren Werkstoffen fertigen zu müssen, die kostenintensiv sind. Stromabwärts des Abgaskrümmers werden die Abgase gegebenenfalls der Turbine eines Abgasturboladers und/oder einem oder mehreren Abgasnachbehandlungssystemen zugeführt. Dabei ist man bemüht, die Abgasenthalpie der heißen Abgase optimal zu nutzen bzw. den Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen möglichst kurz zu gestalten. Zielführend ist dabei die Integration des Abgaskrümmers in den Zylinderkopf.
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Eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine, bei der die Abgasleitungen von zwei oder mehr Zylindern innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung mindestens eines Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Die Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung des Zylinderkopfes mit mindestens einem Kühlmittelmantel, d.h. die Anordnung von durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen. Der mindestens eine Kühlmittelmantel wird einlassseitig via Zuführöffnung mit Kühlmittel versorgt, das nach Durchströmen des Zylinderkopfes auslassseitig den Kühlmittelmantel via Abführöffnung verlässt. Die Wärme muss nicht wie bei einer Luftkühlung erst an die Zylinderkopfoberfläche geleitet werden, um abgeführt zu werden, sondern wird bereits im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlmittelkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so dass es zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise via Abführöffnung aus dem Inneren des Zylinderkopfes abgeführt und dem Kühlmittel außerhalb des Zylinderkopfes wieder entzogen, beispielsweise mittels Wärmetauscher und/oder auf andere Weise.
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Wie der Zylinderkopf kann auch der Zylinderblock mit einem oder mehreren Kühlmittelmänteln ausgestattet werden. Der Zylinderkopf ist das thermisch höher belastete Bauteil, da der Kopf im Gegensatz zum Zylinderblock mit abgasführenden Leitungen versehen ist und die im Kopf integrierten Brennraumwände länger mit heißen Abgas beaufschlagt sind als die im Zylinderblock vorgesehenen Zylinderrohre. Zudem verfügt der Zylinderkopf über eine geringere Bauteilmasse als der Block.
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Als Kühlmittel wird in der Regel ein mit Additiven versetztes Wasser-Glykol-Gemisch verwendet. Wasser hat gegenüber anderen Kühlmitteln den Vorteil, dass es nicht toxisch, leicht verfügbar und kostengünstig ist und zudem über eine sehr hohe Wärmekapazität verfügt, weshalb Wasser sich für den Entzug und die Abfuhr sehr großer Wärmmengen eignet, was grundsätzlich als vorteilhaft angesehen wird.
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Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist flüssigkeitsgekühlt und verfügt über mindestens einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf und einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderblock.
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Zur Ausbildung eines Kühlmittelkreislaufs sind die auslassseitigen Abführöffnungen, aus welchen das Kühlmittel abgeführt wird, mit den einlassseitigen Zuführöffnungen, die der Versorgung der Kühlmittelmäntel mit Kühlmittel dienen, zumindest zeitweise verbindbar, wozu eine Leitung oder mehrere Leitungen vorgesehen werden können. Diese Leitungen müssen keine Leitungen im eigentlichen Sinn sein, sondern können abschnittsweise auch in den Zylinderkopf, den Zylinderblock oder ein anderes Bauteil integriert sein. Ein Beispiel für eine derartige Leitung ist eine Rückführleitung, in der ein Wärmetauscher angeordnet ist, um dem Kühlmittel Wärme zu entziehen. In diesem Zusammenhang bedeutet zumindest verbindbar, dass die Abführöffnungen entweder dauerhaft via Leitungssystem mit den Zuführöffnungen verbunden sind oder aber bei Verwendung von Ventilen bzw. Absperrelementen gezielt miteinander verbunden werden können.
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Es ist nicht das Ziel und die Aufgabe einer Flüssigkeitskühlung, der Brennkraftmaschine unter sämtlichen Betriebsbedingungen eine möglichst große Wärmemenge zu entziehen. Vielmehr wird eine bedarfsgerechte Steuerung der Flüssigkeitskühlung angestrebt, die neben der Volllast auch den Betriebsmodi der Brennkraftmaschine Rechnung trägt, in denen es vorteilhafter ist, der Brennkraftmaschine weniger bzw. möglichst wenig Wärme zu entziehen.
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Um die Reibleistung und damit den Kraftstoffverbrauch einer Brennkraftmaschine zu reduzieren, kann eine zügige Erwärmung des Motoröls, insbesondere nach einem Kaltstart, zielführend sein. Eine schnelle Erwärmung des Motoröls während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine sorgt für eine entsprechend schnelle Abnahme der Viskosität des Öls und damit für eine Verringerung der Reibung bzw. Reibleistung, insbesondere in den mit Öl versorgten Lagern, beispielsweise den Lagern der Kurbelwelle.
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Konzepte bekannt, mit denen die Reibleistung durch schnelle Erwärmung des Motoröls gemindert werden kann. Das Öl kann beispielsweise mittels externer Heizvorrichtung aktiv erwärmt werden. Die Heizvorrichtung verbraucht aber zusätzlich Kraftstoff, was einer Minderung des Kraftstoffverbrauchs entgegen steht. Andere Konzepte sehen vor, das im Betrieb erwärmte Motoröl in einem isolierten Behältnis zu speichern und bei einem Neustart zu nutzen. Das im Betrieb erwärmte Öl lässt sich zeitlich aber nicht unbegrenzt auf hoher Temperatur bevorraten. Gemäß einem weiteren Konzept wird ein kühlmittelbetriebener Ölkühler in der Warmlaufphase zweckentfremdet und zum Erwärmen des Öls genutzt, was aber wiederum eine schnelle Erwärmung des Kühlmittels voraussetzt.
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Grundsätzlich kann einer schnellen Erwärmung des Motoröls zur Reduzierung der Reibleistung auch Vorschub geleistet werden durch eine schnelle Aufheizung der Brennkraftmaschine selbst, die wiederum dadurch unterstützt, d.h. forciert, wird, dass der Brennkraftmaschine während der Warmlaufphase möglichst wenig Wärme entzogen wird.
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Insofern ist die Warmlaufphase der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart ein Beispiel für einen Betriebsmodus, in dem der Brennkraftmaschine möglichst wenig, vorzugsweise keine Wärme entzogen werden sollte.
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Eine Steuerung der Flüssigkeitskühlung, bei der zum Zweck der schnellen Aufheizung der Brennkraftmaschine der Wärmeentzug nach einem Kaltstart vermindert wird, kann durch Einsatz eines selbsttätig temperaturabhängig steuernden Ventils realisiert werden, welches im Stand der Technik häufig auch als Thermostatventil bezeichnet wird. Ein derartiges Thermostatventil weist ein mit Kühlmittel beaufschlagtes temperatur-reaktives Element auf, wobei eine durch das Ventil führende Leitung in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur am Element versperrt wird oder - mehr oder weniger - freigegeben wird. Auf diese Weise lässt sich Kühlmittel beispielsweise via Bypassleitung, welche einen in einer Rückführleitung angeordneten Wärmetauscher umgeht, von der Auslassseite auf die Einlassseite des Kühlkreislaufs zurückführen.
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Aus dem Stand der Technik sind auch sogenannte No-Flow-Strategien bekannt, bei denen der Kühlmitteldurchsatz durch den Zylinderkopf bzw. den Zylinderblock vollständig unterbunden wird, um der Brennkraftmaschine möglichst wenig Wärme zu entziehen.
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Bei einer Brennkraftmaschine, die sowohl einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf als auch einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderblock aufweist, so wie die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist es folglich vorteilhaft, den Kühlmitteldurchsatz durch den Zylinderkopf und den Zylinderblock unabhängig voneinander steuern zu können, insbesondere da die beiden Bauteile thermisch unterschiedlich stark belastet sind und ein unterschiedliches Warmlaufverhalten aufweisen.
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Dann könnte im Rahmen einer Warmlaufphase der Kühlmitteldurchsatz sowohl durch den Zylinderkopf als auch durch den Zylinderblock anfangs vollständig unterbunden werden, wobei mit fortschreitender Aufheizung der Brennkraftmaschine zunächst der Kühlmittelstrom durch den Zylinderkopf aktiviert, d.h. freigegeben wird und erst später und zeitversetzt der Kühlmittelstrom durch den Zylinderblock.
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Bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine mit integriertem Abgaskrümmer, wie sie Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, heizt sich der Bereich um den integrierten Abgaskrümmer nach einem Kaltstart vergleichsweise schnell auf, wohingegen andere Bereiche des Zylinderkopfes noch keiner Kühlung bedürfen. Nichtsdestotrotz muss und wird nach dem Stand der Technik der Kühlmittelstrom durch den Zylinderkopf aktiviert, d.h. freigegeben, um einer thermischen Überbeanspruchung des Zylinderkopfes im Bereich bzw. in der Nähe des mindestens einen integrierten Abgaskrümmers entgegen zu wirken und eine Überhitzung zu verhindern.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, deren Kühlung hinsichtlich des mindestens einen integrierten Abgaskrümmers optimiert ist.
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Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung der Flüssigkeitskühlung einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
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Gelöst wird die erste Aufgabe durch eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, mindestens einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf und einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderblock, bei der
- - jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist, wobei sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt und die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen,
- - jeder Zylinderkopf mit mindestens zwei integrierten Kühlmittelmänteln ausgestattet ist, wobei ein erster kopfzugehöriger Kühlmittelmantel einlassseitig eine erste Zuführöffnung zur Versorgung mit Kühlmittel und auslassseitig eine erste Abführöffnung zum Abführen des Kühlmittels aufweist,
- - der Zylinderblock mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, wobei dieser blockzugehörige Kühlmittelmantel einlassseitig eine zweite Zuführöffnung zur Versorgung mit Kühlmittel aufweist und auslassseitig eine zweite Abführöffnung zum Abführen des Kühlmittels vorgesehen ist, und
- - zur Ausbildung eines Kühlmittelkreislaufs die Abführöffnungen mit den Zuführöffnungen zumindest zeitweise verbindbar sind,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- - der erste im Zylinderkopf integrierte kopfzugehörige Kühlmittelmantel der Kühlung des integrierten Abgaskrümmers dient, wobei dieser erste kopfzugehörige Kühlmittelmantel und der blockzugehörige Kühlmittelmantel voneinander getrennt sind, und
- - ein zweiter im Zylinderkopf integrierter kopfzugehöriger Kühlmittelmantel vorgesehen ist, wobei dieser zweite Kühlmittelmantel zur Versorgung mit Kühlmittel mit dem blockzugehörigen Kühlmittelmantel verbunden ist und dieser zweite Kühlmittelmantel und der erste kopfzugehörige Kühlmittelmantel voneinander getrennt sind.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt über zwei voneinander getrennte und damit unabhängige Kühlkreisläufe. Dabei wird ein sogenannter Hauptkühlmittelkreislauf ausgebildet, der größere Kühlmittelmengen durch den mindestens einen im Zylinderblock integrierten blockzugehörigen Kühlmittelmantel sowie einen zweiten im Zylinderkopf integrierten kopfzugehörigen Kühlmittelmantel, der zur Versorgung mit Kühlmittel mit dem blockzugehörigen Kühlmittelmantel verbunden ist, leitet bzw. leiten kann. Ein sogenannter Nebenkühlmittelkreislauf führt kleinere Kühlmittelmengen durch den ersten im Zylinderkopf integrierten kopfzugehörigen Kühlmittelmantel, der vom zweiten kopfzugehörigen Kühlmittelmantel und dem blockzugehörigen Kühlmittelmantel getrennt ist.
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Der Nebenkühlmittelkreislauf dient der Versorgung des ersten kopfzugehörigen Kühlmittelmantels mit Kühlmittel und damit der Kühlung des mindestens einen im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmers. Der Kühlmitteldurchsatz durch diesen ersten kopfzugehörigen Kühlmittelmantel kann während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine unabhängig vom Hauptkühlmittelkreislauf gesteuert werden, insbesondere unterbunden und freigegeben werden.
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Dies schafft die Möglichkeit, den sich nach einem Kaltstart schnell aufheizenden Bereich in der Nähe des mindestens einen integrierten Abgaskrümmers bei Bedarf zu kühlen und andere sich weniger schnell aufheizende Bereiche des Zylinderkopfes noch nicht bzw. später zu kühlen.
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Wie im Stand der Technik wird ein Kühlmittelstrom durch den Zylinderkopf aktiviert, d.h. freigegeben, um einer thermischen Überbeanspruchung des Zylinderkopfes im Bereich bzw. in der Nähe des mindestens einen integrierten Abgaskrümmers während der Warmlaufphase entgegen zu wirken und eine Überhitzung zu verhindern.
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Ein weiterer im Zylinderkopf integrierter Kühlmittelmantel, nämlich der zweite kopfzugehörige Kühlmittelmantel, sowie der mindestens eine im Zylinderblock integrierte blockzugehörige Kühlmittelmantel werden aber erst bei fortschreitender Aufheizung der Brennkraftmaschine, d.h. zeitversetzt mit Kühlmittel versorgt, wozu der Hauptkühlmittelkreislauf freigegeben, d.h. aktiviert wird.
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Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine bereitgestellt, deren Kühlung hinsichtlich des mindestens einen integrierten Abgaskrümmers optimiert ist.
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Dass der erste im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel von anderen Kühlmittelmänteln getrennt ist, ist ein erforderliches Merkmal, welches verwirklicht werden muss, damit der Nebenkühlmittelkreislauf unabhängig vom Hauptkühlmittelkreislauf gesteuert werden kann.
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Der mindestens eine Zylinderkopf und der Zylinderblock werden im Rahmen der Montage an ihren Montage-Stirnseiten miteinander verbunden, wodurch die Zylinder, d.h. die Brennräume der Brennkraftmaschine ausgebildet werden.
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Erfindungsgemäß wird ein zweiter im Zylinderkopf integrierter Kühlmittelmantel via Zylinderblock mit Kühlmittel versorgt, wozu der zweite kopfzugehörige Kühlmittelmantel mit dem blockzugehörigen Kühlmittelmantel verbunden ist. Der zweite kopfzugehörige Kühlmittelmantel wird dabei vorteilhafterweise benachbart zur Montage-Stirnseite im Zylinderkopf angeordnet, um die Versorgung mit Kühlmittel via Block zu vereinfachen.
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Damit wird der Zylinderkopf teilweise von bereits im Zylinderblock vorerwärmten Kühlmittel durchströmt.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gemäß den Unteransprüchen werden im Folgenden näher beschrieben. Dabei wird insbesondere deutlich werden, wie die Kühlmittelströme eingestellt und geleitet werden bzw. welche Leitungen der Kreisläufe freigegeben bzw. versperrt werden und welche Effekte und Wirkungen sich daraus in vorteilhafter Weise ergeben.
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Das durch den Zylinderblock bzw. Zylinderkopf geleitete Kühlmittel kann nach Austritt aus der jeweiligen Abführöffnung wahlweise via Rückführleitung oder via Bypassleitung auf die Einlassseite zurückgeführt werden, wobei dem Kühlmittel in einem in der Rückführleitung angeordneten Wärmetauscher Wärme entzogen werden kann, falls dies gewollt ist. Die Steuerung dieses Kühlmittelstroms kann ein stromabwärts der Abführöffnung vorgesehenes Thermostatventil übernehmen.
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Vorteilhaft sind aus diesem Grunde Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die erste Abführöffnung und/oder die zweite Abführöffnung via Rückführleitung, in der ein Wärmetauscher angeordnet ist, mit der zugehörigen Zuführöffnung zumindest zeitweise verbindbar ist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die erste Abführöffnung und/oder die zweite Abführöffnung via einer - den in der Rückführleitung angeordneten Wärmetauscher umgehenden - Bypassleitung mit der zugehörigen Zuführöffnung zumindest zeitweise verbindbar ist
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die einlassseitig vorgesehene erste Zuführöffnung und/oder die auslassseitig vorgesehene erste Abführöffnung im Zylinderkopf angeordnet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die auslassseitig vorgesehene zweite Abführöffnung zum Abführen des Kühlmittels im Zylinderblock angeordnet ist.
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Das durch den flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf, d.h. den zweiten kopfzugehörigen Kühlmittelmantel geleitete Kühlmittel verlässt den Zylinderkopf, indem es in den Zylinderblock zurückströmt und aus dem Zylinderblock via zweiter Abführöffnung austritt.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die auslassseitig vorgesehene zweite Abführöffnung zum Abführen des Kühlmittels im Zylinderkopf angeordnet ist.
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Das aus dem Zylinderblock stammende und in den zweiten kopfzugehörigen Kühlmittelmantel eingeleitete Kühlmittel strömt vorliegend nicht in den Zylinderblock zurück, sondern verlässt den Zylinderkopf via zweiter Abführöffnung.
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Die auslassseitig vorgesehene zweite Abführöffnung dient grundsätzlich dem Abführen des Kühlmittels aus dem blockzugehörigen Kühlmittelmantel und dem Abführen des Kühlmittels aus dem zweiten Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts der Zuführöffnungen eine gemeinsame Pumpe zur Förderung von Kühlmittel zu den beiden Zuführöffnungen vorgesehen ist.
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Da beide Zuführöffnungen, d.h. sowohl die kopfzugehörigen Kühlmittelmäntel als auch der blockzugehörige Kühlmittelmantel, mittels einer gemeinsamen stromaufwärts der beiden Zuführöffnungen angeordneten Pumpe mit Kühlmittel versorgt werden, entfällt das Erfordernis, eine zusätzliche, beispielsweise elektrisch betriebene Pumpe vorsehen zu müssen, wie dies üblicherweise von Konzepten mit einem Nebenkühlmittelkreislauf her bekannt ist. Die mit einer solchen zusätzlichen Pumpe verbundenen Nachteile, nämlich die erhöhten Kosten und der erhöhte Raumbedarf, entfallen mit der Pumpe.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen einlassseitig stromaufwärts der ersten Zuführöffnung ein Absperrelement vorgesehen ist.
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Das Absperrelement kann der vollständigen Deaktivierung der ersten Zuführöffnung und der Einstellung des Kühlmittelstroms bzw. Kühlmitteldurchsatzes durch den ersten kopfzugehörigen Kühlmittelmantel dienen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen das Absperrelement ein Ventil ist. Während Thermostatventile eine charakteristische Öffnungstemperatur aufweisen, wird vorliegend ein - beispielsweise mittels Motorsteuerung - aktiv verstellbares Absperrelement, vorzugsweise ein stufenlos verstellbares Ventil, eingesetzt, so dass grundsätzlich eine kennfeldgesteuerte Betätigung dieses Absperrelementes möglich ist und damit auch eine an den momentanen Lastzustand der Brennkraftmaschine angepasste Kühlmitteltemperatur, beispielsweise bei niedrigeren Lasten eine höhere Kühlmitteltemperatur als bei hohen Lasten.
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Unterschiedliche Kühlmitteltemperaturen für unterschiedliche Lastzustände können vorteilhaft sein, weil der Wärmeübergang in einem Bauteil nicht ausschließlich von der durchgesetzten Kühlmittelmenge, sondern maßgeblich auch von der Temperaturdifferenz zwischen Bauteil und Kühlmittel bestimmt wird. So ist eine höhere Kühlmitteltemperatur im Teillastbetrieb gleichbedeutend mit einer geringen Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und dem Zylinderkopf bzw. Abgaskrümmer. Die Folge ist ein geringerer Wärmeübergang bei niedrigen und mittleren Lasten. Dies erhöht den Wirkungsgrad im Teillastbetrieb.
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Durch ein mittels Motorsteuerung gesteuertes Absperrelement kann der Kühlmittelstrom durch den ersten zylinderkopfzugehörigen Kühlmittelmantel und damit die entzogene Wärmemenge bedarfsgerecht eingestellt, d.h. gesteuert werden. Moderne Brennkraftmaschinen verfügen in der Regel über eine Motorsteuerung, weshalb es vorteilhaft ist, diese Steuerung zu nutzen, um das Absperrelement zu verstellen bzw. zu steuern.
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Falls eine gemeinsame Pumpe zur Förderung von Kühlmittel vorgesehen ist, können in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die gemeinsame Pumpe das Absperrelement aufnimmt.
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Dadurch verringern sich die Kosten, das Gewicht und der Raumbedarf. Die Anzahl der Bauteile reduziert sich, wodurch sich grundsätzlich die Bereitstellungskosten und die Montagekosten der Kühlung vermindern.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine sein, bei denen auslassseitig stromabwärts der ersten Abführöffnung ein Absperrelement vorgesehen ist.
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Falls eine gemeinsame Pumpe zur Förderung von Kühlmittel vorgesehen ist, können Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die gemeinsame Pumpe über zwei voneinander getrennte Kühlmittelpfade verfügt, wobei ein erster Kühlmittelpfad die Pumpe mit der ersten Zuführöffnung verbindet und ein zweiter Kühlmittelpfad die Pumpe mit der zweiten Zuführöffnung verbindet.
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Diese konstruktive Ausgestaltung der Pumpe ermöglicht, dass der Nebenkühlmittelkreislauf und der Hauptkühlmittelkreislauf unabhängig voneinander gesteuert werden können.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen der zweite Kühlmittelpfad unabhängig vom ersten Kühlmittelpfad deaktivierbar ist.
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Falls eine gemeinsame Pumpe zur Förderung von Kühlmittel vorgesehen ist, sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die gemeinsame Pumpe eine variabel steuerbare Pumpe ist.
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Die Pumpe stellt sicher, dass das Kühlmittel in den Kühlmittelkreisläufen zirkuliert und Wärme mittels Konvektion abgeführt werden kann. Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Pumpe, bei denen die Pumpe variabel steuerbar ist, so dass der Kühlmitteldurchsatz mittels Förderdruck beeinflusst werden kann.
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Bei einer gemeinsamen Pumpe mit zwei voneinander getrennten Kühlmittelpfaden sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der Kühlmitteldurchsatz durch den zweiten Kühlmittelpfad mittels Förderdruck beeinflusst werden kann, d.h. variabel steuerbar ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen der erste im Zylinderkopf integrierte kopfzugehörige Kühlmittelmantel den integrierten Abgaskrümmer zumindest bereichsweise ummantelt bzw. umschließt.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen der erste im Zylinderkopf integrierte kopfzugehörige Kühlmittelmantel einen unteren Kühlmittelmantel, der zwischen den Abgasleitungen und der Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel gegenüberliegenden Seite der Abgasleitungen angeordnet ist, aufweist. Der obere Kühlmittelmantel und der untere Kühlmittelmantel sind vorliegend miteinander verbunden.
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Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zur Steuerung der Flüssigkeitskühlung einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine weder die erste Zuführöffnung noch die zweite Zuführöffnung unter Verwendung einer Pumpe mit Kühlmittel versorgt wird.
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Das Kühlmittel fließt nicht, sondern steht in den Kühlmittelmänteln des Zylinderkopfes und des Zylinderblocks. Dadurch werden die Erwärmung des Kühlmittels und die Aufheizung der Brennkraftmaschine beschleunigt. Eine derartige Vorgehensweise forciert die Erwärmung des Motoröls, wodurch die Reibleistung der Brennkraftmaschine gesenkt und der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine spürbar reduziert wird.
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Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen in einer sich dem Kaltstart anschließenden Warmlaufphase zuerst die erste Zuführöffnung unter Verwendung der Pumpe mit Kühlmittel versorgt wird und erst dann und zeitversetzt die zweite Zuführöffnung unter Verwendung der Pumpe mit Kühlmittel versorgt wird.
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Zur Steuerung der Flüssigkeitskühlung einer Brennkraftmaschine, bei der einlassseitig stromaufwärts der ersten Zuführöffnung ein Absperrelement vorgesehen ist, können Verfahrensvarianten vorteilhaft sein, bei denen eine dem ersten kopfzugehörigen Kühlmittelmantel zugeführte Kühlmittelmenge unter Verwendung des Absperrelements eingestellt wird.
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Zur Steuerung der Flüssigkeitskühlung einer Brennkraftmaschine, bei der auslassseitig stromabwärts der ersten Abführöffnung ein Absperrelement vorgesehen ist, können Verfahrensvarianten vorteilhaft sein, bei denen eine dem ersten kopfzugehörigen Kühlmittelmantel zugeführte Kühlmittelmenge unter Verwendung des Absperrelements eingestellt wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ausgehend von einem geschlossenen Absperrelement bei Überschreiten einer vorgebbaren Zylinderkopftemperatur - in der Nähe des Abgaskrümmers - dieses Absperrelement geöffnet wird.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ausgehend von einem geschlossenen Absperrelement bei Überschreiten einer vorgebbaren Kühlmitteltemperatur bzw. Abgastemperatur dieses Absperrelement geöffnet wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
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1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine 1. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf 2 und einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderblock 3.
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Der flüssigkeitsgekühlte Zylinderkopf 2 verfügt über zwei integrierte, voneinander getrennte Kühlmittelmäntel 2a, 2b, wobei der erste integrierte Kühlmittelmantel 2a zur Versorgung mit Kühlmittel einlassseitig eine erste Zufuhröffnung 4a und zum Abführen des Kühlmittels auslassseitig eine erste Abführöffnung 5a aufweist. Der zweite integrierte Kühlmittelmantel 2b wird via Zylinderblock 3 mit Kühlmittel versorgt. Hierzu ist der zweite Kühlmittelmantel 2b des Zylinderkopfes 2 auf der dem Zylinderblock 3 zugewandten Seite angeordnet und mit einem im Block 3 integrierten Kühlmittelmantel 3a verbunden, der einlassseitig eine zweite Zuführöffnung 4b zur Versorgung mit Kühlmittel aufweist. Zum Abführen des Kühlmittels ist auslassseitig eine zweite Abführöffnung 5b vorgesehen, die vorliegend im Zylinderkopf 2 angeordnet ist. Aus dieser zweiten Abführöffnung 5b wird das Kühlmittel des blockzugehörigen Kühlmittelmantels 3a und das Kühlmittel des zweiten im Zylinderkopf 2 integrierten Kühlmittelmantels 2b abgeführt.
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Stromaufwärts der Zuführöffnungen 4a, 4b ist eine gemeinsame Pumpe 12 zur Förderung von Kühlmittel via Zuführleitungen 9a, 9b zu den beiden Zuführöffnungen 4a, 4b vorgesehen.
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An die auslassseitigen Abführöffnungen 5a, 5b schließen sich Abführleitungen 10a, 10b an, wobei die erste Abführleitung 10a in die zweite Abführleitung 10b mündet. Zur Ausbildung eines Kühlmittelkreislaufs sind die auslassseitigen Abführöffnungen 5a, 5b mit den einlassseitigen Zuführöffnungen 4a, 4b auf die nachfolgend beschriebene Weise fluidisch zumindest verbindbar.
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Die Abführöffnungen 5a, 5b sind via Rückführleitung 7, in der ein Wärmetauscher 7a angeordnet ist, und/oder via Bypassleitung 6 bei Umgehung des Wärmetauschers 7a mit der Pumpe 12 und den Zuführöffnungen 4a, 4b verbindbar. An der Stelle des Kreislaufs, an der die Bypassleitung 6 von der Rückführleitung 7 abzweigt, ist ein Thermostatventil 11 angeordnet, welches selbsttätig die Aufteilung des Kühlmittelstroms auf die beiden Leitungen 6, 7 vornimmt.
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Zwischen der Pumpe 12 und der ersten Zuführöffnung 4a ist ein Absperrelement 8, vorliegend ein Ventil 8a, vorgesehen, das nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 geschlossen wird, um die Aufheizung der Brennkraftmaschine 1 mittels No-Flow-Strategie zu forcieren. Der Kühlmitteldurchsatz durch den ersten kopfzugehörigen Kühlmittelmantel 2a wird dabei vollständig unterbunden.
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Der erste im Zylinderkopf 2 integrierte kopfzugehörige Kühlmittelmantel 2a dient primär der Kühlung eines im Zylinderkopf 2 integrierten Abgaskrümmers 13 und ist von den übrigen Kühlmittelmänteln 2b, 3a dauerhaft getrennt.
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Dieser erste kopfzugehörige Kühlmittelmantel 2a verfügt über einen unteren Kühlmittelmantel, der zwischen den Abgasleitungen und der Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes 2 mit dem Zylinderblock 3 angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel gegenüberliegenden Seite der Abgasleitungen angeordnet ist. Der obere Kühlmittelmantel und der untere Kühlmittelmantel sind an mehreren Stellen miteinander verbunden. Damit umschließt der erste kopfzugehörige Kühlmittelmantel 2a den integrierten Abgaskrümmer 13 zumindest bereichsweise.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine
- 2
- Zylinderkopf
- 2a
- erster Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes, erster kopfzugehöriger Kühlmittelmantel
- 2b
- zweiter Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes, zweiter kopfzugehöriger Kühlmittelmantel
- 3
- Zylinderblock
- 3a
- blockzugehöriger Kühlmittelmantel
- 4a
- erste Zuführöffnung
- 4b
- zweite Zuführöffnung
- 5a
- erste Abführöffnung
- 5b
- zweite Abführöffnung
- 6
- Bypassleitung
- 7
- Rückführleitung
- 7a
- Wärmetauscher
- 8
- Absperrelement
- 8a
- Ventil
- 9a
- erste Zuführleitung
- 9b
- zweite Zuführleitung
- 10a
- erste Abführleitung
- 10b
- zweite Abführleitung
- 11
- Thermostatventil
- 12
- Pumpe
- 13
- Abgaskrümmer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8997483 B2 [0003]
- US 9188051 B1 [0003]
