DE3047325A1

DE3047325A1 - Zylinderblock

Info

Publication number: DE3047325A1
Application number: DE19803047325
Authority: DE
Inventors: Terrence M. Columbus Ind. Shaw
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1979-12-17
Filing date: 1980-12-16
Publication date: 1981-09-17
Also published as: GB2065765B; KR830004531A; IN154836B; JPS5698547A; BR8008212A; GB2065765A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderblock gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem Zylinderblock einer internen Verbrennungskraftmaschine wird das Kühlmittelgehäuse im allgemeinen durch Verbindung von Seiten- und Stirnwandungen des Zylinderblockes mit einer Bodenwandung gebildet. Innerhalb des Zylinderblockes erstrecken sich die Zylinderwandungen wenigstens teilweise in das Kühlmittelgehäuse hinein.

Innerhalb jedes Zylinders befindet sich fernerhin in der Regel eine aus Kolbenstirnflächen, Kolbenseitenflächen sowie Kolbenringen bestehende Kolbenanordnung. Ein Zylinderkopf wird unter Zwischenlegung einer Zylinderkopfdichtung gegen die obere Stirnfläche des Zylinderblockes gedrückt, wodurch um die Zylinderwandungen herum ein abgedichteter Kühlmittelraum gebildet wird. Durch diesen Kühlmittelraum wird eine Flüssigkeit, in der Regel Wasser, möglichst frei, d. h. mit einer minimalen Behinderung hindurchgeleitet, wodurch überschüssige Wärme von den Zylinderwandungen einem äußeren Wärmeaustauscher zugeführt wird. Zur Erzielung eines kontinuierlichen und wirksamen Betriebs der Verbrennungskraftmaschine muß dabei eine möglichst freie Strömung des Kühlmittels um einen relativ großen äußeren Bereich der Zylinderwandung aufrechterhalten werden. Für jeden einzelnen Zylinder wird dabei eine individuelle Verbrennungskammer gebildet, die durch den ober.en Teil der Zylinderwandung bzw. eine darin eingesetzte Buchse den Zylinderkopf mit der darunter angeordneten Zylinderkopfdichtung und die Stirnfläche des hin und her geführten Kolbens begrenzt ist, sobald letzterer im Bereich des oberen Totpunktes innerhalb der Zylinderwandung liegt.

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Die Zylinderwandungen sind normalerweise freistehend angeordnet und unabhängig von der sie umgebenden Zylinderblockstruktur mit Ausnahme der Bodenwandung, über welche die Verbindung erfolgt. Ein derartiger Zylinderblock ist in der Regel einstückig gegossen. Die freistehende Anordnung der Zylinderwandung erlaubt eine optimale Kühlung, während zur gleichen Zeit eine relativ hohe Nachgiebigkeit der Zylinderwandungen erzielbar ist. Beim Zusammenbau der inneren Verbrennungskraftmaschine wird bei einer derartigen Anordnung der Zylinderkopf gewöhnlich mit Hilfe einer Mehrzahl von Zylinderkopfschrauben an der Stirnfläche des Zylinderblockes fixiert, wodurch eine erhebliche axiale Zusammendrückung der Zylinderwandungen eintritt. Die Zylinderkopfschrauben besitzen dabei im allgemeinen eine gleichförmige Länge und sind in entsprechenden Gewindebohrungen eingeschraubt, die innerhalb der Wandungen des Kühlmittelgehäuses bzw.von diesen Wandungen vorspringenden Ansätzen eingebracht sind. Bei konventionellen Zylinderblöcken beginnen die Gewindegänge innerhalb.

der Bohrungen im allgemeinen auf derselben Höhe in Bezug auf die Stirnfläche des Zylinderblockes. Die Wandungen des Kühlmittelgehäuses geben dabei jenen Bereichen der Zylinderwandungen, welche in der Nähe dazu liegen, eine gewisse axiale Unterstützung, während jene Bereiche der Zylinderwandungen, welche entfernt von den Wandungen des Kühlmittelgehäuses liegen, nur geringfügig oder überhaupt nicht in axialer Richtung von denselben unterstützt werden. Diese nicht gleichförmige Unterstützung bewirkt relativ starke axiale und radiale Verformungen entlang der Peripherie der Zylinderwandungen, wodurch beim Zusammenbau der inneren Verbrennungskraftmaschine Verzerrungen hervorgerufen werden. Diese Verzerrungen verringern die Lebensdauer der Zylinderkopfdichtung, reduzieren die Abdichtung

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als solche, bewirken eine ungleiche Dichtungsbelastung, bewirken eine ungleichmäßige Abnützung des Zylinders sowie der Kolbenringe und führen in manchen Fällen sogar zu Motorschäden, die eine größere Motorreparatur erforderlich machen.

Es konnte festgestellt werden, daß die Unterstützung einer beliebigen Stelle entlang der oberen Stirnfläche einer Zylinderwandung und die sich ergebende Nachgiebigkeit der Zylinderwandung proportional ist (a) zu der Menge des die Zylinderwandung bildenden Materials und der vorhandenen Unterstützung und (b) zum Abstand zwischen der Bodenwandung des innerhalb des Zylinderblokkes vorgesehenen Kühlmittelgehäuses und der Stelle, an welcher der Schaft jeder Zylinderkopfschraube mit seinem Gewinde in Eingriff gelangt mit dem Innengewinde der dazugehörigen Gewindebohrung innerhalb dee Zylinderblockes. Während durchaus die Möglichkeit besteht, die Menge des Materials zur Erzielung einer zusätzlichen Unterstützung erheblich zu erhöhen, so hat dies jedoch den Nachteil, daß dadurch das Gewicht des Motors erheblich erhöht wird. Gleichzeitig kann dadurch der kritische Strömungspfad des Kühlmittels nachteilig beeinflußt werden.. Schließlich besteht die Möglichkeit, daß durch diese Maßnahme die thermodynamischen Eigenschaften des Motors während des Betriebes in ungünstiger Weise beeinflußt werden.

Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einenverbesserten Zylinderblock zu schaffen, bei welchem unter Vermeidung der oben genannten Nachteile durch das Festschrauben des Zylinderkopfes auf dem Zylinderblock bedingte Verformungen der Zylinderwandungen klein gehalten werden, während auf der anderen Seite die Lebensdauer der

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Zylinderkopfdichtung erheblich erhöht wird.

Der im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehene Zylinderblock einer inneren Verbrennungskraftmaschine besitzt dabei ein Kühlmittelgehäuse/dessen Wandungen eine Mehrzahl von Zylindern umgibt. Die Zylinderwandungen erstrecken sich dabei von der Bodenwandung des Kühlmittelgehäuses nach aufwärts, wobei die oberen Enden der Zylinderwandungen im allgemeinen coplanar mit den oberen Kanten der Wandungen des Kühlmittelgehäuses liegen, so daß eine obere Stirnfläche des Zylinderblockes gebildet ist. Innerhalb des Zylinderblockes ist eine Mehrzahl von Gewindebohrungen eingebracht, um eine entsprechende Anzahl von Zylinderkopfschrauben aufzunehmen, die der Befestigung des Zylinderkopfes und der Zylinderkopfdichtung auf der oberen Stirnfläche des Zylinderblockes dienen. Ein erster Satz von Bohrungen befindet sich dabei in der Nähe der Wandung des Kühlmittelgehäuses, während ein zweiter Satz von Bohrungen in Vorsprünge eingebracht ist, die sich von der Wandung des Kühlmittelgehäuses nach einwärts erstrecken und in der Nähe der Außenflächen der Zylinderwandungen liegen. Jede dieser Bohrungen ist dabei mit einem Innengewinde versehen, um den Schaft einer entsprechenden Zylinderkopfschraube aufzunehmen. Gemäß der Erfindung beginnen die Gewindegänge innerhalb des ersten Satzes von Bohrungen* d. h. die am nächsten zu den Wandungen des Kühlmittelgehäuses liegenden Bohrungen^in einer Höhe, die höher an der oberen Stirnfläche des Zylinderblockes liegt als dies bei den Innengewinden des zweiten Satzes von Bohrungen der Fall ist. Je weiter eine Bohrung somit von der Wandung des Kühlmittelgehäuses weg liegt, desto größer muß dabei der Abstand zwischen der oberen Fläche des Zylinderblockes und dem Beginn der ersten Gewindegänge innerhalb der Bohrungen sein.

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Die Erfindung soll nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben werden» wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist; es zeigen:

Pig. 1 eine Draufsicht auf einen mit einem Kühlmittelgehäuse sowie Zylinderwandungen versehenen Zylinderblock gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 von Fig. 1 unter gleichzeitiger Darstellung der Zylinderkopfdichtung sowie eines schematisch angedeuteten Zylinderkopfes, der mit Hilfe von Zylinderkopfschrauben an der oberen Stirnfläche des Zylinderblocks befestigt ist,

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 von Fig. 1, und

Fig. 4 eine graphische Darstellung der durch die

Gewindebohrungen verursachten relativ axialen Verformung von Bereichen der Stirnfläche einer Zylinderwandung in Abhängigkeit der durch die Achse der Zylinderwandung festgelegten relativen Position dieser Gewindeboh

rungen bei einem konventionellen Zylinderblock sowie bei einem Zylinderblock gemäß der Erfindung.

Fig. 1 bis 3 zeigen einen Zylinderblock 10 gemäß der Erfindung, welcher bei einer inneren Verbrennungskraftmaschine E mit vier Zylindern und hoher Kompression Verwendung findet. Der Zylinderblock 10 ist im allgemeinen ein ein-

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stückiges Metallgußstück und besitzt ein Kühlmittelgehäuse 11, welches durch Seitenwandungen 12, 13,Stirnwan-_; düngen 14, 15 sowie eine Bodenwandung 16 gebildet ist. Innerhalb des Kühlmittelgehäuses 11 sind mehrere Zylinderwandungen 17 angeordnet, die sich von unten nach oben erstrecken und an der Stelle 18 mit der Bodenwandung 16 verbunden sind. Die oberen Enden der Zylinderwandungen 17 liegen in derselben Ebene zueinander und mit den oberen Kanten des Kühlmittelgehäuses 11; wodurch die Stirnfläche des Zylinderblockes IO festgelegt ist. Es sei jedoch verstanden, daß das Kühlmittelgehäuse 11 eine beliebige Form besitzen kann, wobei in manchen Fällen die oberen Enden der Zylinderwandungen 17 nicht coplanar zueinander oder mit den oberen Kanten der Wandungen des Kühlmittelgehäuses 11 liegen müssen.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht der inneren Verbrennungskraftmaschine E mit einer auf der Stirnfläche des Zylinderblockes IO angeordneten konventionellen Zylinderkopfdichtung G, einem auf der Zylinderkopfdichtung G aufliegenden Zylinderkopf H sowie einer Mehrzahl von konventionelle) Zylinderkopfschrauben B, welche den Zylinderkopf H sowie die Zylinderkopfdichtung G auf der Stirnfläche des Zylinderkopfes 10 fixieren. Die Dichtfläche der Zylinderkopfdichtung H wirkt mit den Wandungen des Kühlmittelgehäuses 11 und den Zylinderwandungen 17 zusammen und bildet mit denselben einen Kühlmittelraum 20, der die Außenflächen der Zylinderwandungen 17 umgibt.

Zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung soll der in dem folgenden zu beschreibende Zylinderblock 10 vier in Reihe angeordnete Zylinderwandungen 17a bis d aufweisen, welche in vorgegebenen Abständen iⁿ Reihe ange-

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ordnet sind. Die Anzahl, Größe und Anordnung der Zylinderwandungen 17 kann jedoch von der gezeigten Anordnung abweichen und hängt von den Betriebsanforderungen der inneren Verbrennungskraftmaschine ab. Der Zylinderblock 10 ist, wie erwähnt, ein Gußstück aus Metall, beispielsweise Eisen, wobei das Kühlmittelgehäuse 11 sowie die Zylinderwandungen 17 a-d eine einstückige Einheit bilden. Innerhalb des Zylinderblockes 10 sind fernerhin gemäß Fig. 1 dünne radiale Verbindungsstreben 21 vorgesehen, welche die oberen Enden der Zylinderwandungen 17 mit den danebenliegenden Bereichen des Kühlmittelgehäuses 11 sowie benachbarte Zylinderwandungen 17 untereinander verbinden. Die Verbindungsstreben 21 geben dabei den einzelnen Zylinderwandungen 17 nur eine sehr geringe axiale Unterstützung. Die hauptsächliche axiale Unterstützung der Zylinderwandungen 17 wird demzufolge durch die Bodenwandung 16 des Kühlmittelgehäuses 11 gewährleistet. So wie dies bereits erwähnt worden ist, ist bei manchen Zylinderblöcken eine zusätzliche Unterstützung der Zylinderwandungen 17 vorgesehen, beispielsweise in Form von radialen Streben großen Durchmessers oder verdickten Bodenwandungen des Kühlmittelgehäuses. Derartige Strukturen bewirken jedoch ein zusätzliches Gewicht, verändern fernerhin die thermodynamischen Eigenschaften des Zylinderblockes und bewirken eine ungleichmäßige Nachgiebigkeit der Zylinderwandungen.

Die Anzahl und Anordnung der Verbindungsstreben erfolgt wahlweise, wobei in manchen Fällen diese Verbindungsstreben auch weggelassen werden können, ohne daß dabei die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung beeinflußt wird.

Der zwischen den Wandungen des Kühlmittelgehäuses 11 und den Zylinderwandungen 17 gebildete Kühlmittelraum 20 erstreckt sich vorzugsweise von einem Ende des Zylinderblockes 10 bis zum anderen in kontinuierlicher Weise.

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Die betreffende Anordnung kann jedoch, falls gewünscht, abgeändert werden. Im Normalfall zirkuliert ein flüssiges Kühlmittel durch den Kühlmittelraum 20j wodurch überschüssige Wärme einem nicht gezeigten äußeren Wärmetauscher zugeführt wird. Der Kreislauf des Kühlmittels wird durch eine nicht gezeigte Kühlmittelpumpe erzeugt.

Entlang der oberen Stirnfläche des Zylinderblockes 10 sind in bekannter Weise im Bereich der Wandungen 12 bis des Kühlmittelgehäuses 11 in vorgegebenen Abständen eine Mehrzahl von mit Innengewinde versehenen Bohrungen 22 für die Zylinderkopfschrauben vorgesehen. Gemäß Fig. 1 bis 3 sind im Bezug auf die beiden gegenüberliegenden Enden des Zylinderblockes 10 der vorgesehenen Zylinderwandungen 17a und d vier Bohrungen 22 vorgesehen, welche die betreffenden Zylinderwandungen 17 a und d im Halbkreis umgeben. Zwei weitere periphere Bohrungen 22 befinden sich fernerhin jeweils diametral gegenüberliegend im Bezug auf die zwischen den Endzylinderwandungen 17 a und d befindlichen Zylinderwandungen 17 b und c. Die peripheren Bohrungen 22 sind dabei beim Guß des Zylinderblockes 10 mit eingeformt. Falls gewünscht, können jedoch diese Bohrungen ebenfalls in den Zylinderblock eingebohrt sein und/oder durch den Zylinderblock 10 hindurchführen.

An innerhalb des Zylinderblockes 10 vorgesehenen VorSprüngen 19 sind weitere mit einem Innengewinde versehene Bohrungen 23 vorgesehen. Diese Bohrungen 23 liegen dabei weiter einwärts als die peripheren Bohrungen 22. Die Bohrungen 23 befinden sich im Bezug auf die Zylinderwandungen 17 b und c entlang einer Umfangslinie und in vorgegebenen Abständen, wobei ein erheblicher Abstand von den Seitenwandungen 12, 13 des Kühlmittelgehäuses 11 zustandekommt. Entsprechend Fig. 2 und 3 ist die Tiefe der Bohrungen 22 wesentlich geringer als die der Bohrungen 23. Falls die Bohrungen 23

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sich durch den Zylinderblock 10 hindurcherstrecken, dann kann das mit dem Gewinde versehene Ende der Zylinderkopfschrauben B in eine nicht gezeigte Mutter eingeschraubt werden, welche innerhalb von an dem Zylinderblock 10 vorgesehenen Taschen Pl oder P2 zu liegen gelangt.

So wie dies bereits erwähnt worden ist, besitzen jene Bereiche der Zylinderwandungen 17,die nahe an den Wandungen des Kühlmittelgehäuses 11 liegen, eine zusätzliche axiale Unterstützung, sobald der Zylinderkopf G aufgeschraubt ist, was dazu führt, daß diese Bereiche der Zylinderwandungen 17 eine relativ geringe Nachgiebigkeit besitzen. Bei den Zylinderblöcken bekannter Bauweise, bei welchen die Zylinderkopfschrauben bis in eine gleichförmige Tiefeeingeschraubt werden, besitzen jedoch jene Teile der Zylinderwandungen, welche von den Wandungen des Kühlmittelgehäuses entfernt liegen, beispielsweise zwischen den Zylinderwandungen, keine oder nur geringe axiale Unterstützung, was dazu führt, daß diese Bereiche der Zylinderwandungen eine realtiv hohe elastische Nachgiebigkeit aufweisen. Die Unterschiede der vorhandenen elastischen Nachgiebigkeit ist graphisch in Fig. 4 wiedergegeben.

Fig. 4 zeigt einen graphischen Vergleich der relativen axialen Verformung der Stirnfläche der Zylinderwandung in Abhängigkeit der Winkelposition entlang der Zylinderwandung. Der Winkel θ wird dabei von der Null-Position aus gemessen, die jener Stelle entspricht, an welcher die größte Annäherung an die Wandung des Kühlmittelgehäuses stattfindet. Der Winkel θ nimmt dabei entlang der Stirn-• fläche der Zylinderwandung bis auf einen maximalen Wert 90° zu, welcher jener Stelle entspricht, an der die größte Annäherung an die benachbarte Zylinderwandung

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stattfindet, während dies der am weitesten entfernte Punkt gegenüber der Wandung des Kühlmittelgehäuses ist. Dieser Winkel θ ist entlang der Abszisse in Fig. 4 eingetragen. Die relative axiale Verformung ist gemäß der in Fig. 4 dargestellten Ordinate entlang bzw. in der Nähe der Stirnfläche der Zylinderwandung gemessen. Die durch einen Kreis dargestellten Meßpunkte entsprechen den Bedingungen bei einem Zylinderblock bekannter Bauweise, bei welchem das Innengewinde der Bohrungen gleichförmig bei einer Tiefe von 5 mm beginnt, wobei anhand der Fig. der weite Bereich ungewünschter axialer Verformungen entlang der Stirnfläche der Zylinderwandung erkennbar ist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden diese Fluktuationen der axialen Verformung klein gehalten, indem die Tiefe des Beginns des Innengewindes innerhalb der Bohrungen verändert wird. Durch Absenken des Beginns des Innengewindes innerhalb der Bohrung im Bezug auf die obere Fläche des Zylinderblockes 10 und demzufolge den Gewindeeingriff zwischen dem Bolzenschaft und der Bohrung, wird der Abstand des Zylinderblockmaterials zwischen der Bodenwandung 16 des Kühlmittelgehäuses 11 und dem innerhalb der Bohrung stattfindenden Gewindeeingriff reduziert, was zu einer Verringerung der Nachgiebigkeit in diesem Bereich führt.

Dies ergibt sich anhand eines Vergleichs des in Fig. 2 angegebenen Abstandes D mit dem in Fig. 3 gezeigten Abstand D,. Je nach dem Abstand der betreffenden Bohrung gegenüber der Wandung des Kühlmittelgehäuses 11 existiert eine optimale Tiefe, bei welcher die Nachgiebigkeit der Zylinderwendung 17 im Bereich der betreffenden Bohrung ungefähr gleichförmig ist, was dazu führt, daß die Stirnfläche der Zylinderwandung 17 einer gleichförmigen Verformung ausgesetzt ist. Dies führt fernerhin zu einer gleichförmigeren

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Belastungsverteilung der Zylinderkopfdichtung. Der Gewindeeingriff der Zylinderkopfschrauben kann dabei an einen Punkt oberhalb der Bodenwandung 16, jedoch unterhalb der Stirnwandung des Zylinderblockes 10 verlegt werden, indem die Bodenwandung 16 mit Ansätzen versehen wird.

Die quadratisch dargestellten Meßpunkte in Fig. 4 entsprechen dem erfindungsgemäßen Zylinderblock, bei welchem das Innengewinde der Bohrungen 22 bei einer Tiefe von 15 mm beginnt, während das Gewinde der Bohrungen 23 in einer Tiefe von 75 mm beginnt. Die sehr geringen JSnderungen der axialen Verformung entlang des oberen Randes der Zylinderwandungen zeigen sehr deutlich die im Rahmen der vorliegenden Erfindung erzielbare Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik. Es konnte festgestellt werden, daß optimale Resultate erzielbar sind, wenn der Beginn des Innengewindes der Bohrungen 22 im Bereich zwischen 10 und 20 mm liegt, während der Beginn des Innengewindes bei den Bohrungen 23 bei einer Gesamtlänge der Bohrung von etwa 100 mm im Bereich von 60 und 75 mm liegt.

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, vfs.,

L e e r s e 11 e

Claims

,PATENTANWÄLTE

DR. KADOR &DR. KLUNKER

K 13 134

Cumminijs Engine Comp., Inc. 1000 Fifth Street,
Columbus, Indiana 47201, OSA

Zylinderblock

Patentansprüche

1/ Zylinderblock für Verbrennungskraftmaschinen, bestehend aus einem mit Seitenwandungen sowie einer Bodenwandung versehenen Kühlmittelgehäuse, mehreren wenigstens teilweise von der Bodenwandung sich in das Kühlmittelgehäuse hinein erstreckenden Zylindern, deren obere Stirnflächen sich im wesentlichen coplanar zu den oberen Rändern des Kühlmittelgehäuses erstrecken und auf diese Weise die obere Fläche des Zylinderblockes bilden, sowie einer Mehrzahl von mit Innengewinden versehenen ersten und zweiten Bohrungen, welche entlang des Umfangs der Zylinder angeordnet sind, und welche in Gewindeeingriff mit einer entsprechenden Anzahl von Zylinderkopfschrauben stehen, wobei die ersten Bohrungen näher zu den Wandungen des Kühlmittelgehäuses angeordnet sind als die zweiten Bohrungen, dadurch gekennzeich-

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net, daß die Innengewinde der zweiten Bohrungen (23) in einem größeren Abstand von der oberen Stirnfläche des Zylinderblockes (1O) beginnen als der Anfang der Innengewinde der ersten Bohrungen (22). 5
2. Zylinderblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderwandungen (27) nur durch die Bodenwandung (16) des KühlmittelgehMuses (11) in axialer Richtung getragen sind.
3. Zylinderblock nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderwandungen (17) im wesentlichen von dem Kühlmittelghäuse (11) isoliert sind.
4. Zylinderblock nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Bohrungen

(22) eine geringere Tiefe als die zweiten Bohrungen

(23) besitzen.
5. Zylinderblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Bohrungen (23) innerhalb einer Mehrzahl von nach oben sich erstreckenden VorSprüngen (19) angeordnet sind, die innerhalb des Kühlmittelgehäuses (11) im wesentlichen zwischen jeweils einem Paar von Zylinderwandungen (17) liegen.
6. Zylinderblock nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innengewinde der ersten Bohrungen (22) ungefähr 10 bis 20 mm unterhalb der Stirnfläche des Zylinderblockes (10) beginnen.

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7. Zylinderblock nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innengewinde der zweiten Bohrungen (23) ungefähr 60 bis 75 mm unterhalb der Stirnfläche des Zylinderblockes (10) beginnen.

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