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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf einen Zylinderkopf
zur Anwendung in einem Verbrennungsmotor und insbesondere auf einen
Zylinderkopf mit einer Ausnehmung, die ein Brennkammerflammdeck
von einem Zylinderblockeingriffsteil trennt.
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Hintergrund
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Ein
typischer Verbrennungsmotor weist einen Zylinderblock, einen am
Block angebrachten Zylinderkopf, einen oder mehrere Kolben und eine
oder mehrere Brennkammern auf. Der Zylinderblock hat mindestens
eine Zylinderbohrung, die eine Zylinderauskleidung bzw. Zylinderbuchse
enthält, und jeder Kolben ist verschiebbar in jeder Zylinderbuchse
positioniert. Der Zylinderkopf hat einen Körper, und der Körper,
der Kolben und die Zylinderbuchse definieren die Brennkammer.
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Ein
typischer Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor wird
durch einen Gussprozess geformt und hat eine innere Wand, eine äußere
Wand und Seitenwände. Der Zylinderkopf ist ausgelegt, um
einen Gasfluss von Einlasssammelleitungen im Zylinderkopf zur Brennkammer
zu steuern, und von der Brennkammer zu Auslasssammelleitungen im
Zylinderkopf. Der Zylinderkopf kann drei Bereiche haben, die üblicherweise
als ein oberes Deck, ein mittleres Deck und ein unteres Deck bezeichnet
werden. Das untere Deck ist an dem Zylinderblock benachbart zu einer
oder mehreren der Brennkammern befestigt und definiert diese teilweise.
Im Allgemeinen läuft der Gasfluss durch das untere Deck
des Zylinderkopfes. Falls erforderlich, kann der Zylinderkopf eine
Brennstoffeinspritzvorrichtung und einen Zündmechanismus
für jede Brennkammer des Verbrennungsmotors tragen. Weil
jede davon Öffnungen zur Brennkammer durch das untere Deck
erfordert, gibt es Bereiche am unteren Deck, die erhöhten
Wärme- und Spannungsniveaus unterworfen sind, die sich
während des Verbrennungsprozesses entwickeln.
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Als
ein Folge des Betriebes des Verbrennungsmotors sind die Brennkammer,
der Zylinderkopf und der Kolben genauso wie andere Bereiche des
Zylinderkopfes hohen Wärmeniveaus ausgesetzt. Die Wärme
erzeugt thermische Gradienten über den Motor hinweg, die
aus der Wärme des Verbrennungsprozesses und einem Kühlsystemprozess resultieren.
Die thermischen Gradienten können lokale Spannungsregionen
und heiße Punkte innerhalb des unteren Decks des Zylinderkopfes
erzeugen, die das Potential haben, die Ausrichtung der Ventile,
der Brennstoffeinspritzvorrichtung, des Zündmechanismus
und anderer Komponenten im Motor zu verändern, was bewirken
kann, dass der Motor nicht mehr in idealer Weise arbeitet. Wenn
das untere Deck des Zylinderkopfes diese Spannungen erfährt,
besteht zusätzlich die Möglichkeit, dass das untere
Deck sich verformt oder reißt.
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Im
Allgemeinen sind Strömungsmittelflusspfade in dem Zylinderkopf
vorgesehen gewesen, um die Wärme aus den heißen
Bereichen zu ziehen. Die Anwendung der Flusspfade als Kühlströmungsmitteldurchlasswege
hilft dabei, den Zylinderkopf nahe einer gleichförmigen
Temperatur zu halten und verringert die Wahrscheinlichkeit von Brüchen,
wenn die Zylinderkopftemperatur fluktuiert. Das
US-Patent 4,690,104 („Yasukawa")
beschreibt eine solche Art eines Zylinderkopfes. Yasukawa beschäftigt
sich mit einem Zylinderkopf, der Stöpsel vorsieht, um den Kühlmittelfluss
in Regionen von großen Querschnittsflächen zu
beschleunigen. Zusätzlich sieht Yasukawa mehrere Finnen
vor, die an Ansatzteilen gelegen sind, um den Zylinderkopf an dem
Zylinderblock zu sichern, genauso wie an zylindrischen Wänden,
die die Einlass- und Auslassventile mit der Brennkammer verbinden.
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Ein
Nachteil bei Yasukawa ist, dass weder die Stöpsel noch
die Finnen zusätzliche Steifigkeit für die Innenwände
des Zylinderkopfes bieten. Als eine Folge besteht die Möglichkeit,
dass die Innenwände Probleme bezüglich eines Mangels
an Steifigkeit und eines Versagens erfahren, und zwar wegen der
zyklischen Belastungen, die durch die Verbrennung von Brennstoff
in den Brennkammern erzeugt werden. Zusätzlich sieht Yasukawa
keinen Kühlströmungsmittelfluss in gewissen Bereichen
des Motors vor, die wahrscheinlich die höchsten Temperaturen
haben.
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Die
vorliegenden Offenbarung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere
der Probleme oder Nachteile zu überwinden, die beim Stand
der Technik existieren.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt ist ein Zylinderkopf vorgesehen. Der Zylinderkopf weist ein
oberes Deck, ein unteres Deck und eine Seitenwand auf. Die Seitenwand
erstreckt sich zwischen dem oberen Deck und dem unteren Deck. Das
untere Deck des Zylinderkopfes definiert einen mit dem Block in
Eingriff stehenden Teil bzw. Blockeingriffsteil und ein Brennkammerflammdeck
bzw. eine Brennkammerkuppel. Das Brennkammerflammdeck ist von dem
Blockeingriffsteil des unteren Decks beabstandet.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Motor vorgesehen. Der Motor weist einen
Zylinderblock mit einer Zylinderbohrung und einen Kolben auf, der
verschiebbar in der Zylinderbohrung positioniert ist. Ein Zylinderkopf
ist auch vorgesehen und hat ein unteres Deck, das mit dem Zylinderblock
verbunden ist. Das untere Deck definiert einen mit dem Block in
Eingriff stehenden Teil bzw. Blockeingriffsteil und ein Brennkammerflammdeck.
Das Brennkammerflammdeck ist von dem Blockeingriffsteil durch eine
Ausnehmung beabstandet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Schnittansicht eines Teils eines Motors mit einem Zylinderblock
und einem Zylinderkopf.
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2 ist
eine Schnittansicht des Zylinderkopfes der 1 durch
die Linie 2-2.
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3 ist
eine vergrößerte Ansicht eines Teils des in 1 gezeigten
Motors.
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4 ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Teils des in 3 veranschaulichten
Motors.
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5 ist
eine vergrößerte Ansicht eines Teils eines Motors, ähnlich
jenem, der in 3 gezeigt ist, der ein alternatives
Ausführungsbeispiel einer Zylinderbuchse hat.
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6 ist
eine Schnittansicht eines Zylinderkopfes gemäß einem
alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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Mit
Bezug auf die Zeichnungen ist dort in 1 ein Teil
eines Verbrennungsmotors 10 veranschaulicht. Der Motor 10 weist
einen Zylinderblock 12 und einen Zylinderkopf 14 auf,
der an dem Block 12 angebracht ist. Der Zylinderkopf 14 und
der Zylinderblock 12 können unter Verwendung irgendeines
geeigneten Mechanismus verbunden sein, wie dem Fachmann klar sein
wird. Der Zylinderblock 12 definiert eine Zylinderbohrung 16,
in der eine Zylinderauskleidung bzw. Zylinderbuchse 18 angeordnet
ist. Ein Freiraum existiert zwischen einer Innenwand 78 der
Zylinderbohrung 16 und der Zylinderbuchse 18. Dieser
Freiraum definiert einen Zylinderströmungsmittelmantel 20,
wie unten genauer beschrieben wird. Ein Kolben 22 ist verschiebbar
in der Zylinderbuchse 18 positioniert. Der Kolben 22 läuft
in der Zylinderbuchse 18 zwischen einer oberen Totpunktposition
(TDC = Top Dead Center), d. h. der nächsten Position am
Zylinderkopf 14 und einer unteren Totpunktposition (BDC
= Bottom Dead Center), d. h. der Position, die am weitesten vom
Zylinderkopf 14 entfernt ist. Der Kolben 22, die
Zylinderbuchse 18 und der Zylinderkopf 14 definieren
eine Brennkammer 24. Der Teil des Zylinderkopfes 14,
der den oberen Teil der Brennkammer 24 definiert, ist ein
Brennkammerflammdeck bzw. eine Brennkammerkuppel 26. In dem
in 1 veranschaulichten Motor 10 sind nur eine
vertikal orientierte Zylinderbohrung 16 und ein Kolben 22 in
dem Zylinderblock 12 gezeigt. Jedoch kann der Zylinderblock 12 irgendeine
andere herkömmliche Konstruktion aufweisen, wie beispielsweise
eine „V-Konstruktion" oder eine radiale Konstruktion, und
kann irgendeine Anzahl von Bohrungen 16 und Kolben 22 gleichmäßig
oder ungleichmäßig beabstandet im Zylinderblock 12 haben.
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Der
Zylinderkopf 14 des Motors 10 weist einen Körper 28 auf.
Der Körper 28 wird durch ein oberes Deck 30,
ein unteres Deck 32 und eine Seitenwand 34 definiert,
die sich zwischen dem oberen Deck 30 und dem unteren Deck 32 erstrecken.
Ein Teil des unteren Decks 32 ist in direktem Eingriff
mit dem Zylinderblock 12 und wird hier als der mit dem Zylinderblock
in Eingriff stehende Teil bzw. Zylinderblockeingriffsteil 36 bezeichnet.
Der Zylinderblockeingriffsteil 36 ist eine im Allgemeinen
ebene Oberfläche, wie klarer in 2 zu sehen
ist. Es sei bemerkt, dass obwohl das untere Deck 32 einen
Teil aufweist, der derart beschrieben ist, dass er der Zylinderblockeingriffsteil 36 ist,
der Zylinderkopf mit einem Kühlwasserbund oder einer anderen
Struktur in Eingriff stehen könnte. Obwohl die Unterseite
des Zylinderkopfes 14 nicht direkt mit dem Zylinderblock 12 in Eingriff
steht, wird somit der Zylinderkopf 14 zumindest indirekt
oder teilweise darauf getragen.
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2 ist
eine Schnittansicht des Zylinderkopfes 14 und veranschaulicht
einen Teil des Zylinderblockeingriffsteils 36 und einer
Ausnehmung 72. Wie in den 1 und 2 veranschaulicht
sind das Brennkammerflammdeck 26 und der Zylinderblockeingriffsteil 36 des
unteres Decks 32 voneinander beabstandet. Wie gezeigt,
ist der Zylinderblockeingriffsteil 36 in Umfangsrichtung
vom Brennkammerflammdeck 26 beabstandet. Die Ausnehmung 72 trennt
das Brennkammerflammdeck 26 und den Zylinderblockeingriffsteil 36.
Der Zylinderblockeingriffsteil 36 kann auch eine Vielzahl
von darin ausgeformten Öffnungen 42 aufweisen.
Die Öffnungen 42 in dem Zylinderblockeingriffsteil 36 können
zu einer Anzahl von Zwecken dienen. In erster Linie sind die Öffnungen 42 Befestigungsvorrichtungsöffnungen 42,
die als Durchlasswege dienen können, durch die (nicht gezeigte)
Befestigungsmittel geführt werden können, um den
Zylinderkopf 14 am Zylinderblock 12 anzubringen.
Noch weitere (nicht gezeigte) Öffnungen können
ausgeformt sein, um das Gesamtgewicht des Zylinderkopfes 14 zu
reduzieren.
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In
den 1 und 2 sind auch mehrere Flusspfade
und Kanäle gezeigt, die im Zylinderkopf 14 ausgeformt
sind. Es erstreckt sich eine Kühlströmungsmittelleitung 40 in
den Zylinderkopf 14 von einer Quelle, wie beispielsweise
von einem (nicht gezeigten) Strömungsmittelreservoir. Die
Kühlströmungsmittelleitung 40 wirkt als
eine Versorgungsleitung zwischen dem Reservoir und einem Zylinderkopfströmungsmittelmantel 44.
Wie gezeigt, läuft die Kühlströmungsmittelleitung 40 an
dem Zylinderströmungsmittelmantel 20 vorbei und
liefert kein Strömungsmittel dorthin. Das Reservoir liefert
auch Strömungsmittel zum Zylinderströmungsmittelmantel 20, um
eine Kühlung um den Kolben 22 herum vorzusehen.
Eine erste Strömungsmittelleitung 84 ist derart gezeigt,
dass sie den Zylinderströmungsmittelmantel 20 mit
der Ausnehmung 72 verbindet, um Strömungsmittel
zur Ausnehmung 72 zu liefern. In gestrichelten Linien ist
eine zweite Strömungsmittelleitung 118 gezeigt.
Die zweite Strömungsmittelleitung 118 (die weiter
in 4 gezeigt und beschrieben ist) verbindet den Zylinderströmungsmittelmantel 20 mit dem
Zylinderkopfströmungsmittelmantel 44. Obwohl diese
Strömungsmittelleitungen externe Leitungen zu sein scheinen,
sei bemerkt, dass die Darstellungen hier nur schematisch sind, und
die Strömungsmittelleitungen intern oder extern aufgebaut
sein können, oder als eine Kombination von sowohl internen als
auch externen Strömungsmittelleitungen.
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Auch
ist in den 1 und 3 eine Vielzahl
von Bohrungen 43 gezeigt. Die Bohrungen 43 (deren
Anwendung allgemein in der Technik bekannt ist) sind Durchlasswege,
die durch Bohren im Zylinderkopf 14 geformt werden. Die
Bohrungen 43 im veranschaulichten Ausführungsbeispiel
schneiden die Ausnehmung 72, wodurch Austrittsanschlüsse 88 aus
der Ausnehmung 72 definiert werden, und sie erstrecken
sich in Strömungsmittelverbindung mit einem unteren Teil 90 des
Zylinderkopfströmungsmittelmantels 44. Die Bohrungen
können auch in Strömungsmittelverbindung mit Kanälen 45 sein,
die jede (oder ausgewählte) der ersten und zweiten Zumessöffnungen 52, 54 umgeben.
Um die äußeren Teile der Bohrungen 43 abzudichten,
sodass die Kühlströmungsmittel nicht aus dem Zylinderkopf 14 überlaufen,
werden Stöpsel 47 verwendet, um die äußeren Enden
der Bohrungen 43 zu blockieren. Es sei bemerkt, dass das
Strömungsmittel Wasser, Öl, Luft oder irgendein
anderes Strömungsmittel sein könnte, das geeignet
ist, um eine Kühlung gemäß der Erfindung
vorzusehen. Es sei bemerkt, dass die Bohrungen 43 vorzugsweise
innerhalb des Zylinderkopfes 14 ausgeformt sind und nicht
sichtbar sein würden, wenn man das untere Deck 32 des
Zylinderkopfes 14 ansieht.
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Wie
oben erwähnt, ist der Teil des unteres Decks 32,
der über der Zylinderbohrung 16 gelegen ist und
einen oberen Teil der Brennkammer 24 definiert, das Brennkammerflammdeck 26.
In dem Brennkammerflammdeck 26 ist eine Vielzahl von Zumessöffnungen,
die im Allgemeinen bei 50 gezeigt sind. In 1 (und
deutlicher in 2) veranschaulicht, sind die
erste Zumessöffnung 52 und die zweite Zumessöffnung 54.
Die erste Zumessöffnung 52 und die zweite Zumessöffnung 54 können
auch als Ventilsitze bezeichnet werden. Die erste Zumessöffnung 52 und
die zweite Zumessöffnung 54 sehen Durchlasswege
jeweils zwischen einem Einlassanschluss und einem Auslassanschluss
(nicht gezeigt) in die Brennkammer 24 vor, wenn die Anschlüsse
in der offenen Position sind, d. h., wenn ein jeweiliges Einlassventil 60 oder
Auslassventil 62 vom Sitz abgehoben ist. Die inneren Kreise
beziehen sich allgemein auf Ventilführungsbohrungen 64, 66,
welche die Schäfte der Ventile tragen würden,
die an diesen Positionen gelegen sind. Solche Führungen
sind in der Technik allgemein bekannt.
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Ein
Einlassventil 60 und ein Auslassventil 62 sind
in einer separaten Einlassventilkammer 64 und einer Auslassventilkammer 66 angeordnet,
die im Körper 28 des Zylinderkopfes 14 ausgeformt
sind, wie in 1 gezeigt. Der Betrieb der Ventile 60, 62 in hin
und her laufender Weise bewirkt, dass sich die Zumessöffnungen 52 und 54 abwechselnd öffnen und
schließen, wodurch gestattet wird, dass Luft durch die
Zumessöffnungen 52 und 54 und in die Brennkammer 24 hinein
oder aus dieser heraus fließt. Obwohl nur ein Einlassventil 60 und
ein Auslassventil 62 gezeigt sind, weil 1 eine
Schnittansicht ist, ist in 2 zu sehen,
dass der Motor 10 zwei Einlassventile 60 und zwei
Auslassventile 62 (mit einem entsprechenden Paar von ersten
Zumessöffnungen 52 und zweiten Zumessöffnungen 54 aufweist).
Es sei auch bemerkt, dass der Motor 10 irgendeine Anzahl
von Ventilen 60, 62 und Zumessöffnungen 52, 54 aufweisen
kann.
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Eine
Brennstoffeinspritzvorrichtung 68 ist auch im Körper 28 des
Zylinderkopfes 14 positioniert. Eine Brennstoffeinspritzvorrichtungsöffnung 70 in dem
Brennkammerflammdeck 26 gestattet, dass Brennstoff in die
Brennkammer 24 über die Einspritzvorrichtung 68 geleitet
wird. Wie gezeigt, ist die Brennstoffeinspritzvorrichtung 68 mittig
in dem Brennkammerflammdeck 26 positioniert. Der detaillierte
Betrieb der Einlassventile 60, der Auslassventile 62 und
der Brennstoffeinspritzvorrichtung 68 gemäß dem
Betrieb des Motors 10 ist allgemein in der Technik bekannt
und wird nicht weiter im Detail beschrieben. Wie ebenfalls bekannt
ist, bewirkt der Betrieb des Motors 10 eine Verbrennung
in der Brennkammer 24. Dies wiederum bewirkt die Erzeugung von
Wärme und Druck, was Spannungen zur Folge haben kann, die
auf das untere Deck 32 des Zylinderkopfes 14 wirken.
Es sei bemerkt, dass die Erfindung konfiguriert sein könnte,
um mit einem funkengezündeten Motor zu arbeiten, in dem
eine Zündkerzenöffnung und eine Zündkerze
in dem Brennkammerflammdeck bzw. im Zylinderkopf vorgesehen wird.
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Auch
ist in 1 und teilweise in 3 die Verbindung
zwischen dem oberen Deck 30, dem unteren Deck 32 und
der Seitenwand 34 des Zylinderkopfes 14 gezeigt.
Wie oben erwähnt, definiert ein äußerer
Teil des unteren Decks 32 den Zylinderblockeingriffsteil 36.
Ein unteres Ende 38 der Seitenwand 34 definiert
den Zylinderblockeingriffsteil 36. In 1 ist
auch das Brennkammerflammdeck 26 gezeigt. Da die Ausnehmung 72 das
Brennkammerflammdeck 26 von dem Zylinderblockeingriffsteil 36 trennt,
wird der Außenumfang 27 des Brennkammerflammdecks 26 nicht
direkt von der Seitenwand 34 am unteren Ende 38 der
Seitenwand 34 getragen. Eine innere Tragwand 35 erstreckt
sich zwischen dem Außenumfang 27 des Brennkammerflammdecks 26 und
verbindet das Flammdeck 26 mit der Seitenwand 34.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird das Brennkammerflammdeck 26 an
der Seitenwand 34 an einer Position über dem unteren
Ende 38 der Seitenwand 34 und nicht am unteren
Ende 38 der Seitenwand 34 getragen.
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In 3 ist
eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Motors 10 veranschaulicht,
die die Anordnung zwischen dem Zylinderkopf 14, insbesondere der
Ausnehmung 72, und dem Zylinderblock 12 genauer
zeigt. Die Ausnehmung 72 definiert einen Außenumfang 27 des
Brennkammerflammdecks 26. Wie in 2 gezeigt,
umgibt die Ausnehmung 72 das Brennkammerflammdeck 26 und
grenzt daher an die erste Ventilzumessöffnung 52 und
die zweite Ventilzumessöffnung 54 und die Brennstoffeinspritzvorrichtungsöffnung 70.
Die Größe der Ausnehmung 72 (der Außendurchmesser
der Ausnehmung 72 in den veranschaulichten Ausführungsbeispielen)
ist derart, dass die Ausnehmung 72 das Brennkammerflammdeck 26 umgibt
und zumindest teilweise mit der Zylinderbohrung 16 ausgerichtet
ist. Wenn der Zylinderkopf 14 und der Zylinderblock 12 zusammengebaut sind,
könnte in dieser Weise ein Teil der Zylinderbohrung 16 zur
Ausnehmung 72 hin offen sein. Eine solche Konfiguration
ist in 5 veranschaulicht. Wie in den 1 und 3 gezeigt, trennt
jedoch ein Abstandshalter 74 die Zylinderbohrung 16 von
der Ausnehmung 72.
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Es
sei bemerkt, dass die Ausnehmung 72 irgendeine Größe,
Form, irgendein Gewicht und ein Höhe haben kann. Wie gezeigt,
hat die Ausnehmung 72 eine im Allgemeinen dreieckige Querschnittsform. Es
sei jedoch bemerkt, dass die Ausnehmung 72 genauso eine
halbovale, halbkreisförmige oder rechteckige Form haben
könnte. Die Ausnehmung 72 hat ein Tiefe D in dem
unteren Deck 32 des Zylinderkopfes 14, wodurch
eine Trennung zwischen dem restlichen Teil des unteren Decks 32 und
dem Brennkammerflammdeck 26 vorgesehen wird. Das Ausmaß,
in dem sich die Ausnehmung 72 in den Körper 28 des Zylinderkopfes 14 erstreckt,
kann von verschiedenen Konstruktionskriterien abhängen,
was strukturelle Anforderungen des Zylinderkopfes 14 oder
des Motors 10, die Menge an Wärme und Druck, der
der Zylinderkopf 14 ausgesetzt sein wird, die Größe
und die Leistungsanforderungen des Motors 10 und die Lage und
die Größe der Strömungsmittelmäntel
in dem Zylinderkopf 14 mit einschließt. Der Fachmann
wird erkennen, dass viele andere Konstruktionsfaktoren berücksichtigt
werden können, wenn die genaue Größe und
Form der Ausnehmung 72 bestimmt werden.
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In 3 definiert
der Abstandshalter 74, der sich von der Außenfläche 76 der
Zylinderbuchse 18 zur Innenwand 17 der Zylinderbohrung 16 erstreckt, den
oberen Teil des Strömungsmittelmantels 20 um die
Zylinderbuchse 18 herum. In diesem Ausführungsbeispiel
wird gestattet, dass Strömungsmittel in den unteren Teil 82 des
Strömungsmittelmantels 20 fließt. Der
Abstandshalter 74 würde den oberen Teil vom Rest
des Strömungsmittelmantels 20 abdichten. Eine
Dichtung 41 könnten an der äußeren
Kante des Abstandshalters 74 angeordnet sein, um einen
Strömungsmittelfluss über den Abstandshalter 74 hinaus zu
verhindern. Strömungsmittel wird zum unteren Teil 82 des
Strömungsmittelmantels 20 von einer (nicht gezeigten)
Quelle geliefert und läuft dann vom Strömungsmittelmantel 20 über
eine erste Strömungsmittelleitung 84 durch den
Zylinderblock 12, durch den Zylinderkopf 14 und
in die Ausnehmung 72 über einen Strömungsmitteleinlassanschluss 86.
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Wiederum
mit Bezug auf 2 würde das Strömungsmittel
dann um die Ausnehmung 72 herum und aus der Ausnehmung 72 durch
die Bohrungen 43 fließen. Da die Bohrungen 43 den
Zylinderkopfströmungsmittelmantel 44 schneiden,
würde der Strömungsmittelmantel 44 das
Strömungsmittel aufnehmen, nachdem es durch die Ausnehmung 72 läuft.
Daher wirkt die Ausnehmung 72 als ein Kühlmantel
um das Brennkammerflammdeck 26 herum. Es läuft
auch Strömungsmittel um die Ausnehmung 72 und
fließt dann durch die Bohrungen 43, um als ein
unterer Strömungsmittelmantel für den Zylinderkopf
zu wirken. Wie oben beschrieben wurde, könnten Kanäle 45 auch
um die Zumessöffnungen 52 und 54 herum
aus geformt sein, wodurch ein Flusspfad für das Strömungsmittel
um die Zumessöffnungen 52 und 54 herum
vorgesehen wird, um diese Oberflächen ebenfalls zu kühlen.
Es sei bemerkt, dass irgendeine Anzahl von Einlassanschlüssen 86 ausgeformt
sein kann, um Strömungsmittel zur Ausnehmung 72 zu
liefern. Zusätzlich kann irgendeine Anzahl von Bohrungen 43 verwendet
werden, um die Ausnehmung 72 mit dem Strömungsmittelmantel 44 zu
verbinden, und das Brennkammerflammdeck 26 zu kühlen.
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Alternativ
oder zusätzlich könnte Strömungsmittel
aus der Ausnehmung über einen (schematisch in 2 gezeigten)
Strömungsmittelauslassanschluss 88 fließen.
Wie gezeigt, ist ein Paar von Auslassanschlüssen 88 in
der Ausnehmung 72 ausgeformt, wobei jeder Anschluss 88 ungefähr
um 180° beabstandet ist. Es sei bemerkt, dass irgendeine
Anzahl von Einlassanschlüssen 86 und Auslassanschlüssen 88 in
der Ausnehmung 72 ausgeformt werden kann, und dass die
Einlass- und Auslassanschlüsse 86, 88 irgendeine
Beabstandung um die Ausnehmung 72 herum haben können.
Jedoch wären zusätzliche Kammern, Ausnehmungen
und Dichtungen nötig, um einen Strömungsmittelfluss
in die Brennkammer 24 zu verhindern. Die Auslassanschlüsse 88 wären
in irgendeiner geeigneten Weise in Strömungsmittelverbindung
mit dem Zylinderkopfströmungsmittelmantel 44.
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Wenn
das Strömungsmittel aus der Ausnehmung 72 austritt,
fließt das Strömungsmittel in den Zylinderkopfströmungsmittelmantel 44,
der im Körper 28 des Zylinders 14 ausgeformt
ist. Der Körper 28 des Zylinderkopfes 14 kann
einen oder mehrere Strömungsmittelmäntel definieren.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel definiert
der Zylinderkopfströmungsmittelmantel 44 einen
unteren Teil 90 und einen oberen Teil 92. Der
untere Teil 90 umgibt die Ventilkammern 64, 66 und
gestattet, dass ein Kühlströmungsmittel durch
den unteren Teil 90 läuft, um Wärme von
einem oberen Teil 25 des Brennkammerflammdecks 26,
den ersten und zweiten Zumessöffnungen 52, 54 und
den Außenflächen der Brennstoffeinspritzvorrichtung 68 abzuführen.
Das Strömungsmittel fließt dann in den oberen
Teil 92 des Strömungsmittelmantels 44,
wobei es weiter die Auslassanschlüsse und Einlassanschlüsse
des Zylinderkopfes 14 kühlt, und fließt
dann schließlich aus dem Zylinderkopf 14, bevor
es weiter zu einem (nicht gezeigten) Wärmetauscher läuft.
Es sei bemerkt, dass das Strömungsmittel so geleitet werden
kann, dass es in irgendeinen Teil des Strömungsmittelmantels 44 in
irgendeiner Reihenfolge fließt. Die Verwendung der Kühlströmungsmittelleitung 40 und
der ersten Strömungsmittelleitung 84 kann eine
genaue Steuerung der Strömungsmittelmengen gestatten, die
zu jedem Bereich des Zylinderkopfes 14 geliefert werden,
um die Kühlung zu erleichtern. Beispielsweise könnten
fünfundsechzig Prozent (65%) des Strömungsmittelflusses
durch die Kühlströmungsmittelleitung 40 fließen,
sodass der Hauptteil des Strömungsmittels den Zylinderkopfströmungsmittelmantel 44 erreicht.
Das restliche Strömungsmittel, fünfunddreißig
Prozent (35%) könnte in den Zylinderströmungsmittelmantel
und dann in die Ausnehmung 72 geleitet werden, und schließlich
in den unteren Teil 90 des Zylinderkopfströmungsmittelmantels 44.
Es sei bemerkt, dass diese Mengen nur beispielhaft sind, und dass
irgendeine Menge des Strömungsmittelflusses durch die verschiedenen
Strömungsmitteldurchlasswege geleitet werden kann.
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Es
sei bemerkt, dass die Dichtungen 114 und andere Mechanismen
verwendet werden können, um zu verhindern, dass die Strömungsmittel
in die Brennkammer 24 und in die verschiedenen Öffnungen 42, 52, 54,
und 70 des Zylinderblockeingriffsteils 36 und
des Brennkammerflammdecks 26 laufen. Die genauen Materialien,
die genaue Struktur, Form und Lage von solchen Dichtungsmechanismen
wird nicht im Detail beschrieben, da diese in der Technik allgemein
bekannt sind, oder da ihre Verwendung für den Fachmann
offensichtlich wäre.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Im
Betrieb eines Motors 10 werden hohe Wärmeniveaus
in der Brennkammer 24 erzeugt. Die Wärme wird
auf den gesamten Motor 10 und seine Komponenten übertragen.
Wie in der Technik bekannt ist, werden Strömungsmittel
als Kühlmittel verwendet, um Wärme von diesen
Oberflächen zu übertragen. Verschiedene Kammern
und Strömungsmittelmäntel sind in Motoren vorgesehen,
um die Strömungsmittel zu enthalten und sie in dem Motor 10 und
um diesen herum zu leiten. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wirkt ein Strömungsmittelfluss zur Ausnehmung 72 und
in dieser auch dahingehend, dass er Teile eines Motors 10 kühlt,
die nicht typischerweise gekühlt sind.
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Wie
ebenfalls bekannt ist, wird aufgrund der großen Wärme
und der hohen Drücke ein großes Ausmaß an
Spannung auf das Brennkammerflammdeck 26 aufgebracht. Um
eine gesteigerte strukturelle Unterstützung vorzusehen,
trennt die Ausnehmung 72 das Brennkammerflammdeck 26 vom
Rest der Unterseite des Zylinderkopfes 14. Dies gestattet, dass
die innere Tragwand 35 direkt den Außenumfang 27 des
Brennkammerflammdecks 26 mit der Seitenwand 34 verbindet.
Durch Vorsehen einer direkten Unterstützung bei einer Region
des Zylinderkopfes 14, die hohen Spannungen (Biegespannung genauso
wie anderen mechanischen Spannungen) unterworfen ist, wird die strukturelle
Integrität des Zylinderkopfes 14 verstärkt.
Da die Ausnehmung als eine Unterbrechung zwischen dem Brennkammerflammdeck 26 und
dem unteren Ende 38 der Seitenwand 34 wirkt, ist
die innere Tragwand 35 relativ zur Ebene des unteren Decks 30 des
Zylinderkopfes 14 abgewinkelt. Daher wird die innere Tragwand 35 auf der
Seitenwand 34 an einem Punkt über dem unteren Ende 38 der
Seitenwand 34 getragen. Eine solche Struktur ist ein Ergebnis
dessen, dass das untere Deck 32 des Zylinderkopfes 14 durch
die Ausnehmung 72 in unterschiedliche Teile aufgeteilt
ist. Obwohl die Tragwand 35 als ein Verbinder zwischen dem
Brennkammerflammdeck 26 und dem Zylinderkopfkörper 28 beschrieben
ist, sei bemerkt, dass der Zylinderkopf 14 typischerweise
als eine einheitliche Struktur gegossen ist, und dass keine separate
Verbindung zwischen der inneren Tragwand 35 und der Seitenwand 34 erforder lich
ist. Es sei jedoch auch bemerkt, dass irgendein geeignetes Verfahren
verwendet werden kann, um die innere Tragwand 35 zu erzeugen
und sie zwischen dem Außenumfang 27 des Brennkammerflammdecks 26 und
der Seitenwand 34 anzuschließen. Diese Struktur
ist bei allen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen
gleich. Es sei auch bemerkt, dass die innere Tragwand 35 abgewinkelt,
bogenförmig oder gerade sein kann (im Allgemeinen im in
den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel vertikal orientiert)
und direkt mit dem oberen Deck 30 des Zylinderkopfes 14 verbunden sein
kann, falls erwünscht. Solche Konfigurationen wirken alle
dahingehend, dass sie direkt den Außenumfang 27 des
Flammdecks 26 mit dem Rest des Zylinderkopfes 14 tragen.
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Es
sei bemerkt, dass die Ausführung der Ausnehmung 72 die
Wärmeleitung entlang des gesamten unteren Decks 32 des
Zylinderkopfes 14 „kurzschließen" kann.
Zusätzlich dazu, dass die Ausnehmung 72 das Brennkammerflammdeck 26 und den
Zylinderblockeingriffsteil 36 trennt, und daher als eine
mechanische Unterbrechung im Leitungspfad für die vom Motor 10 erzeugte
Wärme wirkt, wenn Strömungsmittel in der Ausnehmung 72 fließt,
wird dann die Wärme weg von den aufgeheizten Oberflächen
transportiert, wodurch die Wärmeleitung vom Brennkammerflammdeck 26 zum
Zylinderblockeingriffsteil 36 des Zylinderkopfes 14 verringert
wird. Eine solche Unterbrechung des Wärmeleitungspfades
begrenzt auch die Wärmemenge, die die Dichtungen 14 beeinflusst,
die das Brennkammerflammdeck 26 umgeben, und insbesondere
die äußeren Dichtungen 114 zwischen dem
Zylinderblock 12 und dem Zylinderkopf 14. Daher
kann die Integrität der Dichtungen 114 durch die
zusätzliche Wärmeableitung verbessert werden.
Da Wärme vom Brennkammerflammdeck 26 abgeführt
wird, können die ersten und zweiten Zumessöffnungen 52, 54 ebenfalls
etwas von der Wärme isoliert werden. Dies bietet die Möglichkeit,
Verzerrungen der Zumessöffnungen 52, 54 zu
verhindern, die durch Wärme und Spannung in der Brennkammer 24 verursacht
werden können.
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Die
Auslegung der Ausnehmung 72 gestattet auch die thermische
Expansion des Brennkammerflammdecks 26. Aufgrund der großen
Wärmemenge, die während des Betriebs des Motors 10 erzeugt wird,
könnten die Metallkomponenten des Motors 10 sich
(in sehr kleinem Ausmaß) ausdehnen. Daher gibt die Ausnehmung 72 dem
Brennkammerflammdeck 26 Raum sich auszudehnen, ohne den
restlichen Teil 32 des Zylinderkopfes 14 zu beeinflussen. Dies
verringert auch die inneren Spannungen im Zylinderkopf 14,
da diese Bereiche Raum haben sich auszudehnen, anstatt die Spannung
durch den gesamten Körper 28 des Zylinderkopfes 14 auszubreiten.
Wenn irgendwelche Gase von innerhalb der Brennkammer 24 über
die Dichtungen 114 entweichen sollten, sieht zusätzlich
die Ausnehmung 72 einen Bereich vor, in dem die Gase expandieren
und sich abkühlen können. Die Tatsache, dass man
gestattet, dass die Gase expandieren und sich in dieser Weise abkühlen,
hilft auch, das Herausblasen bzw. Heraussprengen einer Dichtung 114 zwischen
dem unteren Ende 38 der Seitenwand 34 und der
Oberseite des Zylinderblockes 12 zu verhindern.
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Es
wurde oben erwähnt, dass die Ausnehmung 72 basierend
auf vielen Faktoren ausgelegt werden könnte. Ein Betrachtungspunkt
bei der Konstruktion der Ausnehmung 72 ist das erwünschte Ausmaß der
Abkühlung um das Brennkammerflammdeck 26 herum.
Dies kommt daher, dass die Ausnehmung 72 verwendet werden
kann, um bei der Wärmeabgabefunktion des Motors 10 in
Kombination mit den verschiedenen Strömungsmittelmänteln 20, 44 und
den Flusspfaden zu helfen, die hier beschrieben wurden und in den
Figuren veranschaulicht wurden. Die Ausnehmung 72 kann
konfiguriert sein, um ein Strömungsmittel vom Strömungsmittelmantel 20 des
Zylinderblockes 12 aufzunehmen. Eine solche Strömungsmittelverbindung
kann entweder direkt oder indirekt sein, wie unten erklärt
wird.
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In
dem in den 1–3 veranschaulichten
Ausführungsbeispiel wird ein Strömungsmittel außen
um die Zylinderbuchse 18 zirkuliert und fließt über
die erste Strömungsmittelleitung 84 oder einen anderen
Flusspfad durch den Einlassanschluss 86. Vom Einlassanschluss 86 fließt
das Strömungsmittel in die Ausnehmung 72, durch
die Bohrungen 43 und dann in den unteren Strömungsmittelmantel 90 im Körper 28 des
Zylinderkopfes 14, um die Außenflächen
der Ventilkammern 64, 66 zu kühlen, und
um auch den oberen Teil 25 des Brennkammerflammdecks 26 zu
kühlen. Das Strömungsmittel fließt dann zum
oberen Teil 92 des Zylinderkopfströmungsmittelmantels 44 und
wird dann zu einem (nicht gezeigten) Wärmetauscher geleitet,
wo die Wärme von den Strömungsmitteln abgeführt
wird, bevor die Strömungsmittel einen weiteren Durchgang
durch den oben beschriebenen Kreislauf ausführen. Die Ausnehmung 72 wird
verwendet, um eine zusätzliche Kühlung der aufgeheizten
Oberflächen des Motors 10 vorzusehen. Insbesondere
gestattet die Ausnehmung 72, dass Strömungsmittel
direkt um das Brennkammerflammdeck 26 zwischen dem Flammdeck 26 und
dem Zylinderblockeingriffsteil 36 fließt. Wie
oben beschrieben, richtet im ersten Ausführungsbeispiel die
Strömungsmittelleitung 84 eine Strömungsmittelverbindung
zwischen dem Strömungsmittelmantel 20 und der
Ausnehmung 72 ein. Der Strömungsmittelmantel 20 ist
daher eine indirekte Verbindung mit der Ausnehmung 72.
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Es
sei bemerkt, dass die Anwendung der Bohrungen 43, der Kühlströmungsmittelleitung 40 und
der Ausnehmung 72, um ein Strömungsmittel zu leiten,
um bei der Abkühlung der inneren Teile des Zylinderkopfes 14 zu
helfen, auch verwendet werden kann, um die Strömungsmittelmenge
zu steuern, die zu speziellen Stellen geleitet wird. Wenn beispielsweise
eine zusätzliche Kühlung um das Brennkammerflammdeck 26 herum
erforderlich ist, könnte der Fluss durch die erste Strömungsmittelleitung 84 vergrößert
werden, während der Fluss durch die Kühlströmungsmittelleitung 40 verringert
wird. In ähnlicher Weise könnten Bohrungen 43 hinzugefügt
werden oder weggelassen werden, und zwar abhängig davon,
ob eine Kühlung um spezielle Zumessöffnungen herum
(nur die Einlassventilsitze oder die Auslassventilsitze) erwünscht
ist.
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In 4 ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
In 4 ist ein Zylinderkopf 116 mit im Wesentlichen
der gleichen Struktur gezeigt, wie der in 1 gezeigte
Zylinderkopf 14. Jedoch erstreckt sich in diesem Ausführungsbeispiel
die zweite Strömungsmittelleitung 118 vom Zylinderströmungsmittelmantel 20 und
in den Zylinderkopfströmungsmittelmantel 44. Daher
gibt es in diesem Ausführungsbeispiel keinen Strömungsmittelfluss
in die Ausnehmung 72. Jedoch gibt das Vorsehen der Ausnehmung 72 in
diesem Ausführungsbeispiel dem Brennkammerflammdeck 120 Raum
zur Ausdehnung und Kontraktion aufgrund Veränderungen der
thermischen Spannung die auf das Brennkammerflammdeck 120 wirkt.
Sollten irgendwelche Gase, die während des Verbrennungsprozesses
gebildet werden, aus der Brennkammer 122 durch die Dichtungen 114 entweichen,
sieht zusätzlich der Freiraum, der durch die Ausnehmung 72 erzeugt
wird, einen Bereich vor, in dem die Gase sich abkühlen
können. Eine solche Abkühlung verhindert einen
zusätzlichen Grund für einen gesteigerten Druck,
der auf den Zylinderkopf 116 wirkt.
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In
einem alternativen Ausführungsbeispiel, wie es beispielsweise
in 5 gezeigt ist, wird ein alternatives Ausführungsbeispiel
einer Zylinderbuchse 112 bei dem Motor 10 der 1 verwendet.
Die Zylinderbuchse 112 weist keinen Abstandshalter 74 auf, wie
jenen, der an der Zylinderbuchse 18 ausgeformt ist. Daher
gibt es einen direkten Strömungsmittelflusspfad 110 vom
Zylinderkopfströmungsmittelmantel 44 um die Zylinderbuchse 112 herum
in die Ausnehmung 72. Daher kann Strömungsmittel
entlang des Hauptteils der Länge L der Zylinderbuchse 112 fließen.
Da der Zylinderströmungsmittelmantel 20 in direkter
Strömungsmittelverbindung mit der Ausnehmung 72 ist,
sind zusätzlich keine Strömungsmittelleitungen
oder Strömungsmitteleinlassanschlüsse erforderlich,
wodurch die Herstellung des Motors 10 vereinfacht wird
und Zeit und Kosten verringert werden, die mit der Herstellung des
Motors 10 assoziiert sind. Da es eine direkte Strömungsmittelverbindung zwischen
dem Zylinderströmungsmittelmantel 20 und der Ausnehmung 72 gibt,
ist auch ein oberer Teil der Zylinderbuchse 112 dem Strömungsmittel
ausgesetzt. Dies ist eine Stelle, die nicht typischerweise gekühlt
wird; daher kann eine zusätzliche Kühlung des Motors 10 erreicht
werden. Strömungsmittel würde aus der Ausnehmung 72 über
einen Verbindungskanal 111 austreten. Somit könnte
das Strömungsmittel in den Zylinderkopfströmungsmittelmantel 44 fließen. Von
dort würde das Strömungsmittel im Wesentlichen
so fließen, wie oben beschrieben. Es sei bemerkt, dass
diese Konfiguration angepasst werden kann, um auch mit den Ausführungsbeispielen
zu arbeiten, die in irgendeiner der anderen Figuren gezeigt sind,
und dass sie als ein sekundärer Strömungsmittelflusspfad
wirken kann, wenn eine solche Konfiguration erwünscht ist.
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In
einem alternativen Ausführungsbeispiel des Zylinderkopfes 106,
der in 6 gezeigt ist, ist eine Ausnehmung ähnlich
der Ausnehmung 72, die in den 1–3 gezeigt
ist, im unteren Deck 96 des Zylinderkopfes 106 als
ein Paar von Ausnehmungen 94 ausgebildet. Jede Ausnehmung 94 ist
ein Halbkreis und umgibt teil weise den Außenumfang 27 des Brennkammerflammdecks 108.
Ein Einlassanschluss 98 ist an einem ersten Ende 100 von
jeder Ausnehmung 94 ausgeformt, und ein Auslassanschluss 102 ist
an einem zweiten Ende 104 jeder Ausnehmung 94 ausgeformt.
Jeder Einlassanschluss 98 und Auslassanschluss 102 ist
derart gezeigt, dass er an gegenüberliegenden Enden von
jeder Ausnehmung 94 liegt. Dies ermöglicht, dass
das Strömungsmittel von jedem Einlassanschluss 98 um die
Ausnehmung 94 herum und aus dem Auslassanschluss 102 fließt,
wodurch es um den Außenumfang 27 des Brennkammerflammdecks 26 herum
fließt und dieses kühlt. Es sei bemerkt, dass
die Ausnehmung 94 weiter aufgeteilt sein kann, falls erwünscht, um
mehrere Ausnehmungen zu bilden, wobei jede einen Einlassanschluss 98 (mit
einer Strömungsmittelleitung oder in direkter Strömungsmittelverbindung mit
dem Zylindermantel 20 verbunden, wie in 5 gezeigt)
und einen Auslassanschluss 102 hat (der mit einem Strömungsmittelmantel
oder einer Rückleitung verbunden ist). Es sei bemerkt,
dass die Bohrungen 43 auch bei diesem Ausführungsbeispiel
verwendet werden könnten, um die Ausnehmung 72 mit
einem Strömungsmittelmantel zu verbinden, der im Zylinderkopf 14 ausgeformt
ist.
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Es
sei bemerkt, dass die obige Beschreibung nur zu Veranschaulichungszwecken
vorgesehen ist und nicht den Umfang der vorliegenden Offenbarung in
irgendeiner Weise einschränken soll. Somit wird der Fachmann
erkennen, dass andere Aspekte, Ziele und Vorteile der Offenbarung
aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche
erhalten werden können.
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Zusammenfassung MOTORZYLINDERKOPF
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Ein
Zylinderkopf eines Motors wird offenbart, wobei der Zylinderkopf
ein oberes Deck, ein unteres Deck und eine Seitenwand aufweist,
die sich zwischen dem oberen Deck und dem unteren Deck erstreckt.
Das untere Deck definiert einen Zylinderblockeingriffsteil und ein
Brennkammerflammdeck. Das Brennkammerflammdeck ist von dem Zylinderblockeingriffsteil
beabstandet. Es wird auch ein Motor offenbart, der einen Zylinderblock
mit einer Zylinderbohrung und einen Kolben aufweist, der verschiebbar
in der Zylinderbohrung positioniert ist. Der Motor weist auch einen
Zylinderkopf mit einem unteren Deck auf, das mit dem Zylinderblock
verbunden ist, wobei das untere Deck einen Zylinderblockeingriffsteil
und ein Brennkammerflammdeck definiert. Das Brennkammerflammdeck
ist von dem Zylinderblockeingriffsteil durch eine Ausnehmung beabstandet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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