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EINLEITUNG
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Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Motorblockanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie der Art nach im Wesentlichen aus der
US 4 222 360 A bekannt ist.
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Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die Druckschriften
US 2017 / 0 159 605 A1 und
US 4 644 911 A verwiesen.
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In der Regel werden ein Motorblock und ein Zylinderkopf einer Motorblockanordnung jeweils aus einem massiven Metallstück, wie beispielsweise Gusseisen oder Aluminium, gegossen und/oder hergestellt. Aufgrund der bestehenden Gieß- und Bearbeitungsprozesse enthalten massive Metallblöcke und Zylinderköpfe mehr Material als erforderlich ist, um den im Betrieb auftretenden Kräften standzuhalten. Dieses zusätzliche Material erhöht das Gewicht dieser Komponenten, d. h. des Motorblocks und des Zylinderkopfes. In dem Bemühen, diese Komponenten zu entlasten, wurden der Motorblock und der Zylinderkopf bisher aus Polymerverbundwerkstoffen hergestellt. Bei den bisherigen Bemühungen, den Motorblock und den Zylinderkopf aus Verbundpolymeren herzustellen, wurde der Versuch unternommen, das Design und die Form der vorhandenen massiven Metallkomponenten nachzubilden. Somit veränderten sie nicht die Architektur der Motorblockanordnung und/oder des Herstellungsverfahrens für die Montage der Motorblockanordnung.
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KURZDARSTELLUNG
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Erfindungsgemäß wird eine Motorblockanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
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Die Motorblockanordnung beinhaltet eine Kopfstrukturanordnung und eine Zylinderstrukturanordnung. Eine Vielzahl von Befestigungselementen verbindet die Kopfstrukturanordnung und die Zylinderstrukturanordnung. Eine Außenschale umschließt und stützt sowohl die Kopfstrukturanordnung als auch die Zylinderstrukturanordnung. Die Außenschale ist eine einheitliche Polymerstruktur.
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In einem Aspekt der Motorblockanordnung beinhaltet die Kopfstrukturanordnung einen Kopfrahmen. Der Kopfrahmen beinhaltet eine Einlassöffnung, eine Auslassöffnung und einen oberen Brennkammerabschnitt. In einer Ausführungsform ist der Kopfrahmen aus einem Metall hergestellt.
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In einem weiteren Aspekt der Motorblockanordnung beinhaltet die Kopfstrukturanordnung eine Einlassventilführung und eine Auslassventilführung. Die Einlassventilführung ist zum verschiebbaren Stützen eines Einlassventils zum Öffnen und Schließen der Fluidverbindung durch die Einlassöffnung betreibbar. Die Auslassventilführung ist zum verschiebbaren Stützen eines Auslassventils zum Öffnen und Schließen der Fluidverbindung durch die Auslassöffnung betreibbar.
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In einem Aspekt der Motorblockanordnung definiert die Außenschale mindestens einen Fluidkanal, zum Zirkulieren eines Fluids durch diesen hindurch betreibbar ist. In einer Ausführungsform definiert die Außenschale einen Kopfkühlmittelkanal, der angrenzend an den Kopfrahmen angeordnet ist. Der Kopfkühlmittelkanal ist zum Zirkulieren eines Kühlmittels zum Kühlen des Kopfrahmens betreibbar. In einer weiteren Ausführungsform kann die Außenschale ferner einen Zylinderkühlmittelkanal definieren, der angrenzend an eine Zylinderhülse der Zylinderstrukturanordnung angeordnet ist. Der Zylinderkühlmittelkanal ist zum Zirkulieren eines Kühlmittels zum Kühlen der Zylinderhülse betreibbar. In noch einer weiteren Ausführungsform kann die Außenschale ferner Schmiermitteldurchgang zum Zirkulieren eines Motorschmiermittels durch diese definieren.
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In einem Aspekt der Motorblockanordnung sichert die Außenschale den Kopfrahmen in Bezug auf die Zylinderstrukturanordnung dauerhaft, sodass der Kopfrahmen nicht von der Zylinderstrukturanordnung abnehmbar ist.
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In einem Aspekt der Motorblockanordnung beinhaltet die Kopfstrukturanordnung eine obere Stützplatte, die in die Vielzahl der Befestigungselemente eingreift. In einer Ausführungsform ist die obere Stützplatte integral mit dem Kopfrahmen als eine einzelne Herstellung ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform ist die obere Stützplatte vom Kopfrahmen getrennt und greift in den Kopfrahmen ein, um den Kopfrahmen in Bezug auf die Zylinderstrukturanordnung zu sichern.
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In einem Aspekt der Motorblockanordnung beinhaltet die Zylinderstrukturanordnung eine Hülse, die eine Zylinderbohrung bildet, sowie einen unteren Rahmen, der die Hülse trägt. In einer Ausführungsform sind die Hülse und/oder der untere Rahmen aus einem Metall hergestellt. Die Hülse beinhaltet ein oberes Ende, das angrenzend an die Kopfstrukturanordnung angeordnet ist, und ein unteres Ende, das angrenzend an den unteren Rahmen angeordnet ist.
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In einem Aspekt der Motorblockanordnung beinhaltet die Zylinderstrukturanordnung mindestens eine Kurbelkappe, die zumindest teilweise einen Lagerzapfen bildet oder eine Lageranordnung teilweise trägt. Die Zylinderstrukturanordnung beinhaltet ferner mindestens eine Kurbelkappe, die zumindest teilweise einen Lagerzapfen bildet oder eine Lageranordnung teilweise trägt. Eine Kurbelwelle ist zwischen dem Kurbelblock und der Kurbelkappe zum Drehen um eine Kurbelachse drehbar gelagert.
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In einer Ausführungsform der Motorblockanordnung erstreckt sich der Kurbelblock zwischen dem unteren Rahmen und der Kurbelkappe. Die Hülse ist zum Übertragen von Druckkräften aus der Vielzahl von Befestigungselementen zwischen der Kopfstrukturanordnung und dem unteren Rahmen betreibbar, und der Kurbelblock ist zum Übertragen von Druckkräften aus der Vielzahl von Befestigungselementen zwischen dem unteren Rahmen und der Kurbelkappe betreibbar.
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In einer weiteren Ausführungsform des Motorblocks erstreckt sich der Kurbelblock zwischen der Kopfstrukturanordnung und der mindestens einen Kurbelkappe. Der Kurbelblock ist betreibbar, um Druckkräfte aus der Vielzahl von Befestigungselementen zwischen der Kopfstrukturanordnung und der Kurbelkappe zu übertragen.
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In einem weiteren Aspekt der Motorblockanordnung ist ein Zubehör in die Außenschale eingebettet. Das Zubehör kann jede beliebige Vorrichtung beinhalten, wie beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf eine elektronische Vorrichtung. Das Zubehör kann beispielsweise einen Sensor, einen Stecker, einen thermoelektrischen Generator, einen Kabelbaum, einen Kabelverbinder, eine elektronische Steuereinheit/Modul, einen Gewindeeinsatz usw. beinhalten.
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Ein Verfahren zum Herstellen einer Motorblockanordnung ist ebenfalls vorgesehen. Das Verfahren beinhaltet das Bilden eines Kopfrahmens. Der Kopfrahmen ist zum Aufnehmen einer Einlassöffnung, einer Auslassöffnung und einem oberen Brennkammerabschnitt ausgebildet. Der Kopfrahmen ist mit einer minimalen Materialmenge ausgebildet, die erforderlich ist, um den mechanischen Belastungen des Kopfrahmens standzuhalten. Eine Zylinderstrukturbaugruppe wird montiert. Die Zylinderstrukturbaugruppe besteht aus separaten Komponenten, die so konzipiert sind, dass sie die Mindestmenge an Material enthalten, die erforderlich ist, um den mechanischen Belastungen, die auf die Zylinderstrukturanordnung ausgeübt werden, standzuhalten. Die Komponenten der Zylinderstrukturanordnung beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf, eine Hülse, die eine Zylinderbohrung bildet, einen unteren Rahmen, eine Kurbelwelle, einen Kurbelblock und eine Kurbelkappe. Der Kopfrahmen ist mit einer Vielzahl von Befestigungselementen an der Zylinderstrukturanordnung befestigt. Ein Polymer wird auf den Kopfrahmen und die Zylinderstrukturanordnung überspritzt, um eine Außenschale zu bilden. Die Außenschale ist eine einheitliche Struktur, die sowohl die Kopfstrukturanordnung als auch die Zylinderstrukturanordnung umschließt und trägt.
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In einem Aspekt der Herstellung der Motorblockanordnung wird der Kopfrahmen unter Verwendung eines dreidimensionalen Druckverfahrens oder eines additiven Herstellungsverfahrens gebildet.
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In einem Aspekt der Herstellung der Motorblockanordnung beinhaltet das Aufschmelzen des Polymers auf den Kopfrahmen und die Zylinderstrukturanordnung zum Bilden der Außenschale das Bilden mindestens eines Fluiddurchgangs in der Außenschale zum Zirkulieren eines Fluids durch diese hindurch. Der Fluiddurchgang kann einen Kopfkühlmittelkanal in der Außenschale zum Kühlen des Kopfrahmens, mindestens einen Zylinderkühlmittelkanal in der Außenschale zum Kühlen der Hülse und/oder einen Schmiermittelkanal in der Außenschale zum Zirkulieren eines Motorschmiermittels durch diese beinhalten. Das Bilden des Kopfkühlmittelkanals, des Zylinderkühlmittelkanals und/oder des Schmiermittelkanals kann weiter definiert werden als das Bilden des Kopfkühlmittelkanals, des Zylinderkühlmittelkanals und/oder des Schmierungsmittelkanals mit einem Kernlosformverfahren.
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In einem Aspekt des Verfahrens zur Herstellung der Motorblockanordnung beinhaltet das Aufschmelzen des Polymers auf den Kopfrahmen und die Zylinderstrukturanordnung zum Bilden der Außenschale das Einbetten eines Zubehörs in das Polymer, das die Außenschale bildet, während die Außenschale auf den Kopfrahmen und die Zylinderstrukturanordnung überspritzt wird.
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In einem Aspekt des Herstellungsverfahrens der Motorblockanordnung werden eine Einlassventilführung und eine Auslassventilführung am Kopfrahmen befestigt, um eine Kopfstrukturanordnung zu bilden. Die Kopfstrukturanordnung kann vor dem Aufschmelzen des Polymers auf den Kopfrahmen und die Zylinderstrukturanordnung zum Bilden der Außenschale montiert werden.
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Dementsprechend bietet die vorstehend beschriebene Motorblockanordnung eine einzigartige Motorarchitektur mit ausreichender Festigkeit, um Betriebslasten mit minimalem Gewicht zu widerstehen. Das Verfahren zur Herstellung der Motorblockanordnung bietet einen einzigartigen Prozess, bei dem die Kopfstrukturanordnung und die Zylinderstrukturanordnung durch die Außenschale zu einer einzigen Struktur kombiniert werden. Dieser Prozess reduziert die Anzahl der Schritte, die zur Herstellung und Montage der Motorblockanordnung erforderlich sind.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren, lassen sich leicht aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Durchführungsarten der Lehren ableiten, wenn diese in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen betrachtet werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Querschnittsansicht senkrecht zu einer Kurbelachse einer ersten Ausführungsform einer Motorblockanordnung.
- 2 ist eine schematische Querschnittsansicht parallel zur Kurbelachse der ersten Ausführungsform der Motorblockanordnung.
- 3 ist eine schematische Querschnittsansicht senkrecht zur Kurbelachse einer zweiten Ausführungsform der Motorblockanordnung.
- 4 ist eine schematische Querschnittsansicht parallel zur Kurbelachse der zweiten Ausführungsform der Motorblockanordnung.
- 5 ist eine schematische Querschnittsansicht senkrecht zur Kurbelachse, die eine Kopfstrukturanordnung darstellt, die an einer Zylinderstrukturanordnung befestigt ist.
- 6 ist eine schematische Querschnittsansicht senkrecht zur Kurbelachse, die eine Außenschale darstellt, die auf die Kopfstrukturanordnung und der Zylinderstrukturanordnung überspritzt ist.
- 7 ist eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht, die einen Kopfkühlmittelkanal darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass Begriffe, wie „über“, „unter“, „nach oben“, „nach unten“, „oben“, „unten“ usw., beschreibend für die Figuren verwendet werden. Weiterhin können die Lehren hierin in Bezug auf die funktionalen bzw. logischen Blockkomponenten bzw. verschiedene Verarbeitungsschritte beschrieben sein. Es ist zu beachten, dass derartige Blockkomponenten aus einer beliebigen Anzahl an Hardware, Software- und/oder Firmware-Komponenten aufgebaut sein können, die dazu konfiguriert sind, die spezifizierten Funktionen auszuführen.
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In den FIG., in denen die Bauteile in mehreren Ansichten nummeriert dargestellt sind, handelt es sich bei 20 im Allgemeinen um eine Motorblockanordnung. Die Motorblockanordnung 20 ist Teil eines Verbrennungsmotors, der zur Verwendung in jeder beweglichen oder nicht beweglichen Plattform angepasst werden kann. So kann beispielsweise die Motorblockanordnung 20 zur Verwendung in beweglichen Plattformen angepasst werden, wie beispielsweise PKWs, LKWs, Traktoren, ATVs, Motorrädern, Schneemobilen, Wasserflugzeugen, usw., ohne darauf beschränkt zu sein. Die Motorblockanordnung 20 kann alternativ auch in nicht beweglichen Plattformen, wie beispielsweise Generatoren oder anderen ähnlichen stationären Anwendungen, verwendet werden. Die Motorblockanordnung 20 kann zur Verwendung mit jedem für einen Verbrennungsmotor geeigneten Kraftstoff angepasst werden, wie beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, Benzin, Dieselkraftstoff, Propan, komprimiertes Erdgas, Ethanol oder Kombinationen derselben.
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Unter Bezugnahme auf die 1-4 beinhaltet die Motorblockanordnung 20 eine Kopfstrukturanordnung 22 und eine Zylinderstrukturanordnung 24. Die Kopfstrukturanordnung 22 beinhaltet die Komponenten, die im Allgemeinen einem Zylinderkopf und einem oberen Ende eines Verbrennungsmotors zugeordnet sind. Die Zylinderstrukturanordnung 24 beinhaltet die Komponenten, die im Allgemeinen einem Motorblock und einem unteren Ende 52 eines Verbrennungsmotors zugeordnet sind. Die Kopfstrukturanordnung 22 und die Zylinderstrukturanordnung 24 beinhalten jeweils Strukturkomponenten, die so ausgelegt sind, dass sie den mechanischen Belastungen, die während des Betriebs der Motorblockanordnung 20 erzeugt werden, mit einem Minimum an Material und/oder Gewicht widerstehen. Ein Polymer wird dann auf die Strukturkomponenten der Kopfstrukturanordnung 22 und der Zylinderstrukturanordnung 24 überspritzt, um eine Außenschale 26 der Motorblockanordnung 20 zu bilden. Die Außenschale 26 bietet zusätzliche strukturelle Integrität für die Motorblockanordnung 20, ermöglicht das Bilden von Schmier- und Kühlmittelkanälen und ermöglicht die Befestigung und Abstützung verschiedener anderer Komponenten und/oder Zubehörteile.
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Unter Bezugnahme auf 5 beinhaltet die Kopfstrukturanordnung 22 einen Kopfrahmen 28. Der Kopfrahmen 28 ist eine Skelettstruktur, die verschiedene Aspekte der Zylinderkopfanordnung definiert und/oder bildet. Insbesondere definiert und/oder bildet der Kopfrahmen 28 eine Einlassöffnung 30, eine Auslassöffnung 32 und einen oberen Brennkammerabschnitt 34. Obwohl sich die Beschreibung der Motorblockanordnung 20 nur auf einen einzelnen Zylinder bezieht und diesen beschreibt, ist zu beachten, dass die Motorblockanordnung 20 beliebig viele Zylinder beinhalten kann. So kann beispielsweise die Motorblockanordnung 20 einen einzelnen Zylinder, zwei Zylinder, drei Zylinder, vier Zylinder usw. beinhalten. Dementsprechend ist zu beachten, dass der Kopfrahmen 28 eine Einlassöffnung 30, eine Auslassöffnung 32 und einen oberen Brennkammerabschnitt 34 für jeden Zylinder der Kopfstrukturanordnung 22 beinhaltet. Die Einlassöffnung 30 bietet einen Fluiddurchgang zum Zuführen eines Verbrennungsluftstroms zu einer Brennkammer. Die Auslassöffnung 32 bietet einen Fluiddurchgang zum Abführen eines Abgasstroms aus der Brennkammer.
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In einer exemplarischen Ausführungsform ist der Kopfrahmen 28 ein Metall. Es ist jedoch zu beachten, dass andere Materialien oder eine Kombination von Materialien verwendet werden können, um den Kopfrahmen 28 zu bilden. Wie vorstehend erwähnt, ist der Kopfrahmen 28 eine Skelettartstruktur und ist so konzipiert, dass er die erforderliche Festigkeit bereitstelle und die gegebenen Lasten für eine bestimmte Anwendung bewältigt. Der Kopfrahmen 28 ist so ausgebildet, dass er die erforderliche Festigkeit bereitstellt, während das Gewicht und/oder die Masse des Kopfrahmens 28 minimiert wird. Dementsprechend kann der Kopfrahmen 28 unter Verwendung eines dreidimensionalen Druckverfahrens oder einer Form eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt werden, das von den Fachleuten leicht verstanden wird. 3D-Druck und additive Herstellungsverfahren ermöglichen die Herstellung komplexer Formen, die in der Lage sind, die Lasten für die Kopfstrukturanordnung 22 zu tragen, während das Gewicht des Kopfrahmens 28 minimiert wird.
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Unter Bezugnahme auf 5 kann die Kopfstrukturanordnung 22 ferner eine Einlassventilführung 80, eine Auslassventilführung 82 beinhalten. Die Einlassventilführung 80 trägt gleitend ein Einlassventil 36 (dargestellt in 6), wie es von Fachleuten verstanden wird. Das Einlassventil 36 ist zum Öffnen und Schließen der Fluidverbindung durch die Einlassöffnung 30 betreibbar. Die Auslassventilführung 82 trägt gleitend ein Auslassventil 38 (dargestellt in 6), wie es von Fachleuten verstanden wird. Das Auslassventil 38 ist zum Öffnen und Schließen der Fluidverbindung durch die Auslassöffnung 32 betreibbar. Die Kopfstrukturanordnung 22 kann ferner eine Verbrennungsvorrichtung 40 (dargestellt in 6.) für jeden Zylinder der Motorblockanordnung 20 tragen. Die Verbrennungsvorrichtung 40 kann ein Kraftstoffeinspritzventil, eine Zündkerze, eine Glühkerze oder eine andere Vorrichtung zum Unterstützen der Verbrennung beinhalten, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Der spezifische Typ, die Konfiguration und der Betrieb der Verbrennungsvorrichtung 40 ist nicht relevant für die Lehren dieser Offenbarung und wird daher hierin nicht im Detail beschrieben.
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Die Kopfstrukturanordnung 22 beinhaltet eine obere Stützplatte 42. In einer Ausführungsform, wie in den 1-4 dargestellt, ist die obere Stützplatte 42 vom Kopfrahmen 28 getrennt. In anderen Ausführungsformen, wie in den 5 und 6 dargestellt, ist die obere Stützplatte 42 integral mit dem Kopfrahmen 28 als eine einzelne Herstellung ausgebildet. In einer Ausführungsform ist die obere Stützplatte 42 ein Metall. In anderen Ausführungsformen kann die obere Stützplatte 42 jedoch aus einem nichtmetallischen Material hergestellt sein.
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Unter Bezugnahme auf die 1-4 beinhaltet die Zylinderstrukturanordnung 24 eine Hülse 44 und einen unteren Rahmen 48. Die Hülse 44 bildet eine Zylinderbohrung 46. In einer Ausführungsform ist die Hülse 44 ein Metall. In anderen Ausführungsformen kann die Hülse 44 aus einem nichtmetallischen Material oder einer Kombination aus Metall und nichtmetallischen Materialien hergestellt sein. Der untere Rahmen 48, der am besten in den 2 bis 4 dargestellt ist, trägt die Hülse 44. In einer Ausführungsform ist der untere Rahmen 48 ein Metall. In anderen Ausführungsformen kann der untere Rahmen 48 jedoch aus einem nichtmetallischen Material oder einer Kombination aus Metall und nichtmetallischen Materialien hergestellt sein. Der untere Rahmen 48 ist so ausgebildet, dass er die erforderliche Festigkeit zum Tragen der Hülse 44 und anderer Komponenten der Motorblockanordnung 20 bereitstellt, während das Gewicht und/oder die Masse des unteren Rahmens 48 minimiert wird. Der untere Rahmen 28 kann aus einem geeigneten Verfahren hergestellt werden, wie beispielsweise einem dreidimensionalen Druckverfahren oder einer Form eines additiven Herstellungsverfahrens, das von einem Fachmann leicht verstanden wird. 3D-Druck und additive Herstellungsverfahren ermöglichen die Herstellung komplexer Formen, die in der Lage sind, die Lasten für die Zylinderstrukturanordnung 24 zu tragen, während das Gewicht des unteren Rahmens 48 minimiert wird. In einer Ausführungsform beinhaltet die Hülse 44 ein oberes Ende 50 und ein unteres Ende 52. Das obere Ende 50 der Hülse 44 ist angrenzend an die Kopfstrukturanordnung 22 angeordnet. Das untere Ende 52 der Hülse 44 ist angrenzend an den unteren Rahmen 48 angeordnet und wird von diesem getragen. In weiteren Ausführungsformen ist die Hülse 44 integral mit dem unteren Rahmen 48 ausgebildet.
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Unter Bezugnahme auf die 1-4 beinhaltet die Zylinderstrukturanordnung 24 mindestens eine Kurbelkappe 54 und mindestens einen Kurbelblock 56A, 56B. Die Kurbelblöcke 56A, 56B können Teil des unteren Rahmens 48 sein und mit diesem integral ausgebildet sein. In weiteren Ausführungsformen sind die Kurbelblöcke 56A und 56B separate Komponenten, die am unteren Rahmen 48 befestigt sind. Eine erste Ausführungsform der Kurbelblöcke ist in den 1 und 2 dargestellt und durch die Referenznummer 56A gekennzeichnet. Eine zweite Ausführungsform der Kurbelblöcke ist in den 3 und 4 dargestellt und durch die Referenznummer 56B gekennzeichnet. Die Kurbelkappe 54 und der Kurbelblock 56A, 56B wirken zusammen, um einen Lagerzapfen zu bilden oder alternativ eine Lageranordnung dazwischen zu tragen. Somit bildet die Kurbelkappe 54 eine untere Hälfte des jeweiligen Lagerzapfens oder trägt eine untere Hälfte einer Lageranordnung, und der Kurbelblock 56A, 56B bildet eine obere Hälfte des jeweiligen Lagerzapfens oder trägt eine obere Hälfte der Lageranordnung. Es ist zu beachten, dass die Motorblockanordnung 20 eine weitere Kurbelkappe 54 und einen weiteren Kurbelblock 56A, 56B beinhalten kann, als die Gesamtanzahl der Zylinder der Motorblockanordnung 20. Wenn beispielsweise die Motorblockanordnung 20 konfiguriert ist, um drei Zylinder, wie in den 2 und 4 dargestellt, aufzunehmen, dann kann die Motorblockanordnung 20 vier Kurbelkappen 54 und vier Kurbelblöcke 56A, 56B beinhalten.
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Unter Bezugnahme auf die 1-4 ist eine Kurbelwelle 58 zwischen den Kurbelblöcken 56A, 56B und der Kurbelkappe 54 zum Drehen um eine Kurbelachse 60 drehbar gelagert. Die spezifische Konfiguration der Kurbelwelle 58 ist für die Lehren dieser Offenbarung nicht maßgeblich und wird daher hierin nicht im Einzelnen beschrieben. Weiterhin beinhaltet jeder Zylinder der Motorblockanordnung 20 einen entsprechenden Kolben 62 und eine Pleuelstange 64, die den Kolben 62 an der Kurbelwelle 58 befestigt, wie es von Fachleuten verstanden wird. Wie von Fachleuten verstanden wird, sind die Pleuelstangen 64 exzentrisch an der Kurbelwelle 58, bezogen auf die Kurbelachse 60, befestigt, sodass die Drehung der Kurbelwelle 58 um die Kurbelachse 60 dazu führt, dass sich die Kolben 62 in einer Hin- und Herbewegung in ihrem jeweiligen Zylinder bewegen. Des Weiteren, wie von Fachleuten verstanden wird, wirken der obere Brennkammerabschnitt 34, die Hülse 44 und eine Oberseite des Kolbens 62 zusammen, um eine Brennkammer dazwischen zu definieren.
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Unter Bezugnahme auf die 1-4 beinhaltet die Motorblockanordnung 20 eine Vielzahl von Befestigungselementen 66, welche die Kopfstrukturanordnung 22 und die Zylinderstrukturanordnung 24 miteinander verbinden. Die Befestigungselemente 66 greifen in die obere Stützplatte 42 und die Blockkappen ein, um die Kopfstrukturanordnung 22 und die Zylinderstrukturanordnung 24 miteinander zu sichern. In einer Ausführungsform beinhalten die Befestigungselemente 66 Schrauben, wobei sich die jeweiligen Schrauben durch die obere Stützplatte 42, einen der Kurbelblöcke 56A, 56B, den unteren Rahmen 48 und eine der Kurbelkappen 54 erstrecken. In einer weiteren Ausführungsform beinhalten die Befestigungselemente 66 Bänder, wobei sich die jeweiligen Bänder um einen Außenumfang der oberen Stützplatte 42, einen der Kurbelblöcke 56A, 56B, den unteren Rahmen 48 und eine der Kurbelkappen 54 gewickelt ist. Die Bänder können Metallbänder sein oder ein faserverstärktes Polymerband beinhalten, das an Ort und Stelle ausgehärtet ist.
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Unter Bezugnahme auf die 3 und 4 erstrecken sich die Kurbelblöcke 56B zwischen dem unteren Rahmen 48 und den Kurbelkappen 54. In dieser Ausführungsform ist die Hülse 44 betreibbar, um Druckkräfte von der Vielzahl der Befestigungselemente 66 zwischen der oberen Stützplatte 42 der Kopfstrukturanordnung 22 und dem unteren Rahmen 48 zu übertragen. Die Kurbelblöcke 56B sind betreibbar, um die Druckkräfte von der Vielzahl von Befestigungselementen 66 zwischen dem unteren Rahmen 48 und den Kurbelkappen 54 zu übertragen. Dementsprechend werden in dieser Ausführungsform zum Übertragen der Druckkräfte zwischen der Kopfstrukturanordnung 22 und den Kurbelkappen 54 die Hülsen 44 verwendet.
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Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 erstrecken sich die Kurbelblöcke 56A zwischen der oberen Stützplatte 42 der Kopfstrukturanordnung 22 und den Kurbelkappen 54. Die Kurbelblöcke 56A sind betreibbar, um die Druckkräfte von der Vielzahl der Befestigungselemente 66 zwischen der oberen Stützplatte 42 der Kopfstrukturanordnung 22 und den Kurbelkappen 54 zu übertragen. Dementsprechend übertragen die Hülsen 44 in dieser Ausführungsform die Druckkräfte nicht, und ihre Dicke und ihr Gewicht können entsprechend reduziert werden.
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Wie bereits erwähnt, beinhaltet die Motorblockanordnung 20 die Außenschale 26, die sowohl die Kopfstrukturanordnung 22 als auch die Zylinderstrukturanordnung 24 zumindest teilweise einkapselt und trägt. Unter Bezugnahme auf 6 ist die Außenschale 26 eine einheitliche Polymerstruktur, die gleichzeitig sowohl auf die Kopfstrukturanordnung 22 als auch auf die Zylinderstrukturanordnung 24 überspritzt wird. Somit kapselt die Außenschale 26 den Kopfrahmen 28, die Befestigungselemente 66 und die Zylinderstrukturanordnung 24 zumindest teilweise ein, sodass der Kopfrahmen 28 und die Befestigungselemente 66 nicht von der Zylinderstrukturanordnung 24 abnehmbar sind. Die Außenschale 26 kann zusätzliche strukturelle Integrität bereitstellen, um die Torsions- und Biegesteifigkeit der Motorblockanordnung 20 zu erhöhen. Das Polymer, das die Außenschale 26 bildet, kann eine kontinuierliche Faserverstärkung, eine nicht-kontinuierliche Faserverstärkung oder eine Kombination aus beidem beinhalten. Das Polymer, das zum Bilden der Außenschale 26 verwendet wird, kann, ist jedoch nicht beschränkt auf Thermoplaste wie Polyamide, Polypropylen, Polyimide, Polyamidimid, PPS, PPA oder Duroplaste wie Epoxid, Phenol, BMI, Polyimid, Cyanatester oder Polyurethan beinhalten.
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Unter Bezugnahme auf 6 kann die Außenschale 26 einen oder mehrere Fluiddurchgänge zum Zirkulieren von Fluid durch diese definieren. So kann beispielsweise die Außenschale 26 gebildet werden, um einen oder mehrere Kopfkühlmittelkanäle 68, einen oder mehrere Zylinderkühlmittelkanäle 70 und einen oder mehrere Schmiermittelkanäle 72 zu definieren. Die Kopfkühlmittelkanäle 68 können angrenzend an den Kopfrahmen 28 positioniert und zum Zirkulieren eines Kühlmittels zum Kühlen des Kopfrahmens 28 betrieben werden. So kann beispielsweise die Auslassöffnung 32 hohen Temperaturen ausgesetzt sein und muss gekühlt werden, um mit dem Polymer in Kontakt zu sein, das die Außenschale 26 angrenzend an die Auslassöffnung 32 bildet. Gleichermaßen können die Zylinderkühlmittelkanäle 70 angrenzend an die Hülse 44 positioniert und so betrieben werden, dass ein Kühlmittel zum Kühlen der Hülse 44 zirkuliert. Die Brennkammer, die zumindest teilweise durch die Hülse 44 gebildet wird, ist ebenfalls hohen Temperaturen ausgesetzt und muss möglicherweise gekühlt werden, um mit dem Polymer in Kontakt zu sein, das die Außenschale 26 angrenzend an die Hülse 44 bildet. Die Schmiermittelkanäle 72 können positioniert werden, um verschiedene Komponenten der Motorblockanordnung 20, wie beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf Motorlager, mit einem Schmiermittel zu durchlaufen und mitzuführen.
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Die Kopfkühlmittelkanäle 68, die Zylinderkühlmittelkanäle 70 und die Schmiermittelkanäle 72 können in jeder geeigneten Weise zum Zirkulieren des Fluids durch diese geformt und/oder konfiguriert sein. So kann beispielsweise unter Bezugnahme auf 7 der Kopfkühlmittelkanal 68 eine Vielzahl von größeren Kanälen 74 und eine Vielzahl von kleineren Gefäßkanälen 76 beinhalten. 7 stellt die Auslassöffnung 32 des Kopfrahmens 28 und die an diese angrenzende Außenschale 26 dar. Die Kopfkühlmittelkanäle 68 beinhalten die größeren Kanäle 74 und die kleineren Gefäßkanäle 76, die an der Schnittstelle des Kopfrahmens 28 und der Außenschale 26 angeordnet sind.
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Unter Bezugnahme auf die 1 und 3 kann die Motorblockanordnung 20 ferner ein Zubehör 78 beinhalten, das zumindest teilweise in die Außenschale 26 eingebettet ist. Das Zubehör 78 kann eine elektronische Vorrichtung beinhalten, ist aber nicht darauf beschränkt. So kann beispielsweise das Zubehör 78 einen Sensor, einen elektrischen Verbinder, einen thermoelektrischen Generator, einen Kabelbaum, eine elektronische Steuereinheit/Modul usw. beinhalten, ist aber nicht darauf beschränkt. Alternativ kann das Zubehör 78 auch eine andere Vorrichtung beinhalten, wie beispielsweise eine Haltevorrichtung zum Befestigen einer Zusatzkomponente, einen Gewindeeinsatz zur Aufnahme einer Schraube, einen Gewindebolzen zur Aufnahme einer Mutter, ein Stellglied, einen Elektromotor usw.
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Ein Verfahren zum Herstellen der Motorblockanordnung 20 ist ebenfalls vorgesehen. Unter Bezugnahme auf 5 beinhaltet das Verfahren das Bilden des Kopfrahmens 28. Wie vorstehend erwähnt, ist der Kopfrahmen 28 so ausgebildet, dass er die Einlassöffnung 30, die Auslassöffnung 32 und den oberen Brennkammerabschnitt 34 für jeden Zylinder der Motorblockanordnung 20 definiert. Der Kopfrahmen 28 kann unter Verwendung eines dreidimensionalen Druckverfahrens, eines additiven Herstellungsverfahrens oder eines anderen Formgebungsverfahrens, das hierin nicht ausdrücklich erwähnt oder beschrieben ist, aus einem Metall gebildet werden. Wie vorstehend erwähnt, ist der Kopfrahmen 28 so ausgebildet, dass er die erforderliche Festigkeit bereitstellt, während das Gewicht des Kopfrahmens 28 minimiert wird.
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Nach dem Bilden des Kopfrahmens 28 können weitere Komponenten am Kopfrahmen 28 befestigt werden, um die Kopfstrukturanordnung 22 zu bilden. So können beispielsweise die Einlassventilführungen 80 und die Auslassventilführungen 82 am Kopfrahmen 28 befestigt werden. In der hierin beschriebenen exemplarischen Ausführungsform werden die Komponenten der Kopfstrukturanordnung 22, einschließlich des Kopfrahmens 28, der Einlassventilführungen 80 und der Auslassventilführungen 82, vor dem Aufschmelzen der Außenschale 26 auf die Kopfstrukturanordnung 22 miteinander verbunden. Andere Komponenten der Kopfstrukturanordnung können hinzugefügt werden, nachdem die Außenschale 26 auf die Kopfstruktur aufgespritzt wurde, wie beispielsweise die Einlassventile 36, die Auslassventile 38 und die Kraftstoffeinspritzdüsen 40, sind jedoch nicht beschränkt auf diese.
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Unter Bezugnahme auf 5 wird auch die Zylinderstrukturanordnung 24 gebildet. Wie vorstehend erwähnt, kann die Zylinderstrukturanordnung 24 die Hülsen 44 beinhalten, um die Zylinderbohrungen 46, den unteren Rahmen 48 und die Kurbelblöcke 56A, 56B zu bilden, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Zylinderstrukturanordnung 24 kann ferner so gebildet werden, dass sie die Kurbelwelle 58, die Kurbelkappen 54, die Kolben 62 und die Pleuelstangen 64, Lager usw. beinhaltet. Es sollte beachtet werden, dass das Bilden der Zylinderstrukturanordnung 24 das Bilden oder Formen der verschiedenen Komponenten der Zylinderstrukturanordnung 24 sowie das Befestigen der verschiedenen Komponenten der Zylinderstrukturanordnung 24 miteinander beinhalten kann, ist jedoch nicht darauf beschränkt. So kann beispielsweise das Bilden der Zylinderstrukturanordnung das Bilden des unteren Rahmens 48 integral mit den Kurbelblöcken 56A, 56B oder das Bilden des unteren Rahmens 48 und das Befestigen der Kurbelblöcke 56A, 56B an diesem beinhalten. Gleichermaßen kann das Bilden der Zylinderstrukturanordnung 24 das Bilden des unteren Rahmens 48 integral mit der Hülse 44 oder das Bilden des unteren Rahmens 48 und dann das Befestigen der Hülse 44 an dieser beinhalten. Darüber hinaus kann das Bilden der Zylinderstrukturanordnung in einigen Ausführungsformen das Anbringen anderer Komponenten beinhalten, wie beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf die Pleuelstangen 64 und die Kolben 62 und die Kurbelwelle 58, das Positionieren der Kolben 62 innerhalb der Zylinderbohrungen 46, das Positionieren der Kurbelwelle 58 zwischen den Kurbelblöcken 56A, 56B und den Kurbelkappen 54 und das Positionieren der Kurbelblöcke 56A, 56B in Bezug auf die Hülsen 44, usw.
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Unter Bezugnahme auf 5 werden nach dem Zusammensetzen der Kopfstrukturanordnung 22 und der Zylinderstrukturanordnung 24 die Kopfstrukturanordnung 22 und die Zylinderstrukturanordnung 24 unter Verwendung der Vielzahl von Befestigungselementen 66 miteinander verbunden. Wenn der Kopfrahmen 28 die obere Stützplatte 42 als integralen Teil davon beinhaltet, dann verbinden die Befestigungselemente 66 den Kopfrahmen 28 und die Kurbelkappen 54 und klemmen die Kurbelwelle 58, die Kurbelblöcke 56A, 56B, den unteren Rahmen 48 und die dazwischen liegenden Hülsen 44. Wenn die obere Stützplatte 42 vom Kopfrahmen 28 getrennt ist, dann verbinden die Befestigungselemente 66 die obere Stützplatte 42 und die Kurbelkappen 54 und klemmen die Kurbelwelle 58, die Kurbelblöcke 56A, 56B, den unteren Rahmen 48, die Hülsen 44 und den Kopfrahmen 28 dazwischen. Wie vorstehend erwähnt, können die Befestigungselemente 66 Schrauben und entsprechende Muttern, Kohlefaserbänder, Metallbänder oder eine andere Vorrichtung beinhalten, die in der Lage ist, die Kopfstrukturanordnung 22 und die Zylinderstrukturanordnung 24 gemeinsam zu sichern.
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Unter Bezugnahme auf 6 wird, nachdem die Kopfstrukturanordnung 22 und die Zylinderstrukturanordnung 24 mit den Befestigungselementen 66 aneinander befestigt wurden, ein Polymer auf die Kopfstrukturanordnung 22 und die Zylinderstrukturanordnung 24 zum Bilden der Außenschale 26 überspritzt. Wie vorstehend erwähnt, ist die Außenschale 26 eine einheitliche Struktur, welche die Kopfstrukturanordnung 22 und die Zylinderstrukturanordnung 24 teilweise verkapselt und trägt. Da die Außenschale 26 eine einheitliche Struktur ist, die sowohl auf die Kopfstrukturanordnung 22 als auch auf die Zylinderstrukturanordnung 24, einschließlich der Befestigungselemente 66, die sie verbinden, überspritzt ist, sind die Kopfstrukturanordnung 22 und die Zylinderstrukturanordnung 24 fest miteinander verbunden. Somit ist der Abschnitt der Außenschale 26, der um den Kopfrahmen 28 herum angeordnet ist, fest mit dem Abschnitt der Außenschale 26 verbunden und nicht von diesem getrennt, der um die Zylinderstrukturanordnung 24 herum angeordnet ist. Dementsprechend sind der Blockabschnitt und der Kopfabschnitt der Motorblockanordnung 20 integral zu einer einzelnen Einheit zusammengebaut und nicht trennbar.
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Wie vorstehend beschrieben, kann während des Umformungsprozesses mindestens ein Kopfkühlmittelkanal 68, mindestens ein Zylinderkühlmittelkanal 70 und/oder mindestens ein Schmiermittelkanal 72 in der Außenschale 26 ausgebildet sein. So kann beispielsweise ein Kernlosformverfahren verwendet werden, um die Kopfkühlmittelkanäle 68, die Zylinderkühlmittelkanäle 70 und/oder die Schmiermittelkanäle 72 zu bilden. Wie von den Fachleuten verstanden, beinhaltet das Kernlosformverfahren das Platzieren einer Form an der gewünschten Stelle eines Durchgangs und das anschließende Aufschmelzen der Außenschale 26 auf die Form. Die Form wird dann entfernt, beispielsweise durch Erwärmen und Schmelzen der Form aus der Außenschale 26, wodurch ein Hohlraum entsteht, der den Durchgang bildet, die Form ausbrennt oder die Form auflöst. Andere Bearbeitungs- und/oder Formgebungsverfahren können verwendet werden, um die verschiedenen Durchgänge in der Außenschale 26 zu bilden.
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Es sollte beachtet werden, dass beim Formen der Außenschale 26 über die Kopfstrukturanordnung 22 und die Zylinderstrukturanordnung 24 die Form und Anordnung der Kurbelwelle 58 und der Kurbelkappen 54 berücksichtigt werden muss. Dementsprechend kann es erforderlich sein, eine Form für die Kurbelwelle 58 und die Kurbelkappen 54 in der Zylinderstrukturanordnung 24 vor dem Überformen der Außenschale darauf anzubringen. Alternativ kann die Außenschale und/oder der untere Rahmen 48 bearbeitet oder anderweitig gebildet werden, um verschiedene Komponenten des Motors aufzunehmen, wie beispielsweise die Kurbelwelle 58, die Kurbelkappen 54, die Kolben 62 usw.
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Darüber hinaus kann das zum Bilden der Außenschale 26 verwendete Formgebungsverfahren das zumindest teilweise Einbetten eines Zubehörs 78 in das die Außenschale 26 bildende Polymer beinhalten. Wie vorstehend erwähnt, kann das Zubehör 78 eine elektronische Vorrichtung beinhalten, ist jedoch nicht darauf beschränkt. So kann beispielsweise das Zubehör 78 einen Sensor, einen elektrischen Verbinder, einen thermoelektrischen Generator, einen Kabelbaum, eine elektronische Steuereinheit/Modul usw. beinhalten, ist aber nicht darauf beschränkt. Alternativ kann das Zubehör 78 auch eine andere Vorrichtung beinhalten, wie beispielsweise eine Haltevorrichtung zum Befestigen einer Zusatzkomponente, einen Gewindeeinsatz zur Aufnahme einer Schraube, einen Gewindebolzen zur Aufnahme einer Mutter, ein Stellglied, einen Elektromotor usw.
