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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, und insbesondere
eine derart aufgebaute Brennkraftmaschine, das die Temperatur von in
einer Brennkammer erzeugtem Abgas auf einem hohen Niveau gehalten
werden kann.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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In
einer herkömmlichen
Brennkraftmaschine ist eine Brennkammer in einem Zylinderkopf an
einer Seite einer Trennwand vorgesehen, und ein Kühlwasserkanal
ist in dem Zylinderkopf an der anderen Seite der Trennwand vorgesehen
(siehe zum Beispiel Japanische Patentanmeldung-Offenlegung Nr. 10-212946).
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Um
Abgas als Wärmequelle
in einem Rankine-Zyklussystem zu nutzen und das Aufwärmen zu begünstigen
und eine frühe
Aktivierung eines Abgasreinigungssystems und dergleichen zu erreichen,
ist es erwünscht,
dass die Temperatur des in der Brennkammer erzeugten Abgases auf
einem Niveau gehalten wird, das so hoch wie möglich ist.
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Jedoch
ergibt sich in dem herkömmlichen Beispiel
das folgende Problem: die gesamte Brennkammer wird derart gekühlt, dass
das Ausmaß der Kühlung der
Trennwand an einen Bereich angepasst ist, wo die Wärmebelastung
am größten ist.
Daher wird ein Bereich, wo die Wärmebelastung
kleiner ist, eher zu stark gekühlt,
und die gesamte Brennkammer wird tendenziell überkühlt. Im Ergebnis ist die Temperatur
des Abgases niedriger, und daher ist es unmöglich, die oben beschriebenen
Wirkungsweisen ausreichend zu erfüllen.
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Die
JP 52-56107 U zeigt eine über
einer Brennkammer definierte Kammer, in welcher Kammer Kühlmittel
fließen
könnte.
Die
US 4,730,579 zeigt
nicht ringförmige
Kühlmittelkanäle, die
Einlass- und Auslassöffnungen
benachbart sind. Die
EP
0 262 240 A1 zeigt einen Zylinderkopf mit Kühlwasserkanälen, die
durch die Oberseite einer Deckwand der Brennkammer definiert sind.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine des oben
beschriebenen Typs anzugeben, worin die Temperatur des Abgases auf
einem hohen Niveau gehalten werden kann, in dem die Brennkammer
auf einer hohen Temperatur gehalten wird.
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Zur
Lösung
der obigen Aufgabe wird gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
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Mit
der obigen Anordnung können
die Mehrzahl von Bereichen unterschiedlicher Wärmebelastungen in der Trennwand
auf ein notwendiges und minimales Ausmaß gekühlt werden, das von den Größen der
Wärmebelastungen
abhängig
ist. Zusätzlich
ist es möglich,
die Wärmeübertragung
zum Hauptkörper
des Zylinderkopfs, welche durch die Wärmeisolationsschicht zur Trennwand
führt,
zu verringern, um hierdurch die Brennkammer auf einer hohen Temperatur
zu halten, um die Temperatur von Abgas auf einem hohen Niveau zu
halten.
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Eine
bevorzugte Ausführung
ist in Anspruch 2 definiert.
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Die
Belegungsrate des Bereichs der kleineren Wärmebelastung in der Trennwand
und die Belegungsrate des Bereichs der Wärmebelastung, die größer ist
als die dieses Bereichs in der Trennwand, sind derart, dass die
erstere größer ist
als die letztere; die Querschnittsfläche des Kühlkanals, der sich in dem Bereich
der kleineren Wärmebelastung
befindet, und die Querschnittsfläche
des Kühlkanals,
der sich in dem Bereich der Wärmebelastung
befindet, die größer ist
als die dieses Bereichs, sind derart, dass die erstere kleiner ist
als die letztere; und die Oberflächenausdehnung
des Kühlkanals,
der sich in dem Bereich der kleineren Wärmebelastung befindet, und
die Oberflächenausdehnung
des Kühlkanals,
der sich in dem Bereich der Wärmebelastung befindet,
die größer ist
als jene dieses Bereichs, sind derart, dass die erstere größer ist
als die letztere.
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Mit
der obigen Anordnung kann die Funktion des Bereichs der größeren Wärmebelastung
durch das Kühlen
dieses Bereichs in Abhängigkeit
von der Wärmebelastung
eingehalten werden. Andererseits können die weiten Bereiche durch
eine kleine Menge des Kühlmediums
auf ein notwendiges und minimales Ausmaß effizient und gleichmäßig gekühlt werden,
während
die Wärmeabfuhr
verbessert wird, durch einen synergistischen Effekt, erzeugt durch das
Zulassen des Kühlmediumflusses
mit höherer Geschwindigkeit
in dem Bereich kleinerer Wärmebelastung,
und durch Verbesserung des Wärmeübertragungskoeffizienten,
die einer Erhöhung
der Kanaloberflächenausdehnung
und einer Erhöhung
der Reynoldszahl zuzuordnen ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
eine Brennkraftmaschine anzugeben, worin die Brennkammer auf einer
hohen Temperatur gehalten wird, um die Temperatur des Abgases auf
einem hohen Niveau zu halten, wodurch die Brennkraftmaschine als
Komponente für
eine Wärmequelle
für einen
Rankine-Zyklus geeignet ist, und es möglich ist, das Aufwärmen zu
begünstigen
und eine frühe
Aktivierung eines Abgasreinigungssystems zu erreichen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Darstellung zur Erläuterung
eines Rankine-Zyklussystems; 2 ist eine
vertikal geschnittene Vorderansicht, die ein erstes Beispiel eines
Zylinderkopfs zeigt und einer Schnittansicht entlang Linie 2-2 in 3 entspricht; 3 ist
eine Schnittansicht entlang Linie 3-3 in 2; 4 ist eine
vertikal geschnittene Vorderansicht, die ein zweites Beispiel eines
Zylinderkopfs zeigt und einer Schnittansicht entlang Linie 4-4 in 5 entspricht; 5 ist
eine Schnittansicht entlang Linie 5-5 in 4; 6 ist
eine Schnittansicht entlang Linie 6-6 in 5; 7 ist
eine Schnittansicht entlang Linie 7-7 in 5; 8 ist
eine Schnittansicht entlang Linie 8-8 in 7; 9 ist
eine Perspektivansicht einer Auslasskanal-Auskleidung; 10 ist
eine geschnittene Endansicht entlang Linie 10-10 in 9; und 11 ist
eine vertikal geschnittene Seitenansicht, die ein drittes Beispiel
eines Zylinderkopfs zeigt und 6 entspricht.
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BESTE ART
ZUR AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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In
Bezug auf 1 enthält ein Rankine-Zyklussystem 1 einen
Verdampfer 3 zum Erzeugen von Hochdruckdampf mit erhöhter Temperatur,
nämlich Dampf
mit hoher Temperatur und hohem Druck, aus Hochdruckflüssigkeit,
zum Beispiel Wasser, unter Nutzung von Abgas von einer Brennkraftmaschine 2 als
Wärmequelle,
einen Expander 4 zum Erzeugen einer Ausgangsleistung durch
die Expansion des Dampfs mit hoher Temperatur und hohem Druck, einen
Kondensator 5 zum Verflüssigen
des Dampfs, der von dem Expander 4 abgegeben wird und dessen Temperatur
und Druck nach der Expansion abgefallen sind, nämlich Dampf mit abgefallener
Temperatur und abgefallenem Druck, sowie eine Förderpumpe 6 zum Zuführen des
Wassers von dem Kondensator 5 zu dem Verdampfer 3 unter
Druck.
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In
einer ersten Ausführung
der Brennkraftmaschine 5, die in den 2 und 3 gezeigt
ist, ist ein Zylinderkopf 10 an einer Deckfläche 8 eines Zylinderblocks 7 mit
einem dazwischen angeordneten Dichtungselements 9 angebracht.
In dem Zylinderkopf 10 sind vorgesehen eine Trennwand 11 mit einer
im Wesentlichen konischen Form, deren Scheitel in einer vom Zylinderblock 7 entgegengesetzten Richtung
weist, sowie eine zylindrische Umfangswand 12, die zu einem
kreisförmigen
Umfangsrand der Trennwand 11 führt. Ein Kopf 14 eines
Kolbens 13, der am oberen Totpunkt liegt, steht in Gleitkontakt mit
einer Innenumfangsoberfläche
der Umfangswand 12. In der Ausführung steht ein Ende einer
Zylinderbuchse 15 von der Deckfläche 8 des Zylinderblocks 7 vor
und sitzt an der Innenumfangsfläche
der Umfangswand 12, und der Kopf 14 des Kolbens 13 steht in
Gleitkontakt mit der Innenumfangsfläche des Endes der Zylinderbuchse 15.
Eine im Wesentlichen konische Brennkammer 17 ist an einer
Seite der Trennwand 11 vorgesehen und ist durch Zusammenwirken der
Trennwand 11 und der Deckfläche 16 des Kopfs des
Kolbens 13, der am oberen Totpunkt liegt, definiert, und
eine Wärmeisolierschicht 18 ist
an der anderen Seite der Trennwand 11 vorgesehen.
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In
der Trennwand 11 gibt es mehrere Orte, die unterschiedliche
Wärmebelastungen
haben. Der Ausführung
sind diese Orte ein ringförmiger
Abgasbereich A, der sich um einen Einlass 20 eines Auslassdurchgangs 19 herum
befindet, einen ringförmigen
Einlassbereich B, der sich um einen Auslass 22 eines Einlassdurchgangs 21 herum
befindet, einen fächerförmigen Auslassbereich
C, der sich an einer Seite zwischen dem Einlass 20 und
dem Auslass 22 befindet und sich divergierend von einem
Mittelabschnitt der Trennwand 11 weg erstreckt und dem Auslasskanal 19 näher ist,
sowie einen fächerförmigen Einlassbereich
D, der sich an der anderen Seite zwischen dem Einlass 20 und
dem Auslass 22 befindet, sich divergierend von dem Mittelabschnitt
der Trennwand 11 weg erstreckt und dem Einlasskanal 21 näher ist.
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In
diesem Fall ist die Reihenfolge der Größen der Wärmebelastungen derart, dass
die Größe im ringförmigen Auslassbereich
A > die Größe im ringförmigen Einlassbereich
B ≥ die Größe im fächerförmigen Auslassbereich
C ≅ die
Größe im fächerförmigen Einlassbereich
D.
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In
den Bereichen A bis D sind jeweilige Kühlkanäle vorgesehen. Die Kühlkanäle sind
ein gekrümmter
Auslasskanal a in dem ringförmigen
Auslassbereich A; ein gekrümmter
Einlasskanal b in dem ringförmigen Einlassbereich
B, ein fächerförmiger Auslasskanal
c in dem fächerförmigen Auslassbereich
C; sowie ein fächerförmiger Einlasskanal
d in dem fächerförmigen Einlassbereich
D. In der Ausführung
wird Wasser als Kühlmedium
verwendet, wobei aber ein beliebiges Kühlmedium wie etwa Öl oder dergleichen
ausgewählt
werden könnte.
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Die
Größen der
Strömungsraten
des Kühlwassers
werden in Abhängigkeit
von den Größen der Wärmebelastungen
eingestellt, so dass eine Strömungsrate
in dem gekrümmten
Auslasskanal a > eine
Strömungsrate
in dem gekrümmten
Einlasskanal b ≥ eine
Strömungsrate
in dem fächerförmigen Auslasskanal
C ≅ eine
Strömungsrate
in dem fächerförmigen Einlasskanal
d.
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In
dem Zylinderkopf 10 ist die Trennwand 11 ausgebildet,
in dem eine der Brennkammer 17 benachbarte Innenwand 23 und
eine der Wärmeisolierschicht 18 benachbarte
Außenwand 24 zusammengefügt werden,
und der gekrümmte
Auslasskanal a, der gekrümmte
Einlasskanal b, der fächerförmige Auslasskanal
c und der fächerförmige Einlasskanal
d zwischen den Innen- und Außenwänden 23 und 24 definiert
sind.
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Die
Struktur des fächerförmigen Auslasskanals
c ist wie folgt: ein Trennabschnitt 26 befindet sich in
einem fächerförmigen Bereich
an der gefügten Oberfläche 25 der
Innenwand 23, um den fächerförmigen Abschnitt
umfangsmäßig zweizuteilen,
und eine Mehrzahl bogenförmiger
Nuten 27 sind konzentrisch an entgegengesetzten Seiten
des Trennabschnitts 26 definiert. Andererseits befinden
sich in einem fächerförmigen Bereich
an einer Eingriffsoberfläche 28 der
Außenwand 24 eine
fächerförmige Vertiefung 29,
die den gesamten bogenförmigen
Nuten 27 in der Innenwand 23 abdeckt und deren
Außenumfangsabschnitt
die Umfangswand 12 erreicht, wenn die Außenwand 24 mit
der Innenwand 23 zusammengefügt wird, eine Mehrzahl bogenförmiger Vorsprünge 30,
die von der Vertiefung 29 vorstehen und lose in die entsprechenden
Bogennuten 26 eingesetzt sind, sowie ein Trennabschnitt 31,
der oben auf dem Trennabschnitt 26 in der Innenwand 23 aufsitzt.
Somit erstreckt sich der fächerförmige Auslasskanal
c in einer Zickzacklinie in einer Ebene parallel zur Richtung von
deren Dicke innerhalb der Trennwand 11.
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Der
Außenumfangsabschnitt
der fächerförmigen Vertiefung 29 mit
der Außenwand 24 steht
mit einem zylindrischen Kühlkanal 35 in
Verbindung, der zwischen einer Außenumfangswand 33 und
eine Innenumfangswand 34 in der Umfangswand 12 definiert
ist, wodurch ein bogenförmiger
Einlass 36 des fächerförmigen Auslasskanals
c definiert wird. Daher nimmt, in dem fächerförmigen Auslasskanal c, die Strömungsrate
vom Einlass 36 zum Auslass 37, der sich am Mittelabschnitt
des fächerförmigen Auslasskanals
c befindet, zu. In 3 bezeichnet die Bezugszahl 32 vorstehende
Abstandshalter, die an mehreren Punkten an der Außenumfangsoberfläche der
Innenumfangswand 34 ausgebildet sind, um den zylindrischen
Kühlkanal 35 zu
definieren.
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Der
Auslass 37 des fächerförmigen Auslasskanals
c steht mit einem Einlass 38 des gekrümmten Auslasskanals a in Verbindung,
und ein Auslass 39 des gekrümmten Auslasskanals a steht
mit einem Kanal 42 in Verbindung, der in einer Verstärkungsrippe 41 definiert
ist, die die Trennwand 11 und eine Wand 40 verbindet,
um miteinander die Wärmeisolierschicht 18 zu
definieren. Der Kanal 42 steht mit einem Kühlkanal 45 in
einer Ventilschaftführung 44 in einem
Auslassventil 43 in Verbindung, und der Kühlkanal 45 steht
mit einem Auslasskanal 46 in Verbindung.
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Der
fächerförmige Einlasskanal
d und der gekrümmte
Einlasskanal b sind im Wesentlichen genauso ausgebildet wie der
fächerförmige Auslasskanal
c bzw. der gekrümmte
Auslasskanal a. In 3 sind Komponenten für den fächerförmigen Einlasskanal
d und dem gekrümmten
Einlasskanal b mit den gleichen Bezugszahlen wie jene bezeichnet,
die Komponenten für
den fächerförmigen Auslasskanal
c und den gekrümmten
Auslasskanal a bezeichnet, und die Beschreibung der Kanäle d und
b ist weggelassen. Eine Gesamtströmungsrate des Kühlwassers in
dem gekrümmten
Auslasskanal a und dem fächerörmigen Auslasskanal
c und eine gesamte Strömungsrate
des Kühlwassers
in dem gekrümmten Einlasskanal
b und dem fächerförmigen Einlasskanal d
sind so eingestellt, dass die erstere größer ist als die letztere.
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Eine
Belegungsrate des fächerförmigen Auslassbereichs
C der kleineren Wärmebelastung
in der Trennwand 11 und eine Belegungsrate des ringförmigen Auslassbereichs
A der Wärmebelastung,
die größer ist
als jene des Bereichs C in der Trennwand sind so eingestellt, dass
die erstere C größer ist
als die letztere A. Daher sind die Querschnittsflächen des
fächerförmigen Auslasskanals
c, der sich in dem fächerförmigen Auslassbereich
C der kleineren Wärmebelastung
befindet, und der gekrümmte
Auslasskanal a, der sich in dem ringförmigen Auslassbereich A der
größeren Wärmebelastung
befindet, derart eingestellt, dass die erstere C größer ist
als die letztere A, und die Oberflächenausdehnungen davon sind
so eingestellt, dass die erstere C größer ist als die letztere A.
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Eine
Belegungsrate des fächerförmigen Einlassbereichs
D der kleineren Wärmebelastung
in der Trennwand 11 und eine Belegungsrate des ringförmigen Einlassbereichs
B der größeren Wärmebelastung
als jener der des Bereichs D in der Trennwand sind derart eingestellt,
dass die erstere D größer ist als
die letztere B. Daher sind die Querschnittsflächen des fächerförmigen Einlasskanals d, der
sich in dem fächerförmigen Einlassbereich
D der kleineren Wärmebelastung
befindet, und des gekrümmten
Einlasskanals b, der sich in dem ringförmigen Einlassbereich B der
größeren Wärmebelastung
befindet, derart eingestellt, dass die erstere d kleiner ist als
die letztere b, und die Oberflächenausdehnungen
von diesen sind so eingestellt, dass die erstere d größer ist
als die letztere b.
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Der
zylindrische Kühlkanal 35,
der sich in der Umfangswand 12 befindet, kühlt einen
Quetschbereich 47 der Brennkammer 17, der durch
einen Außenumfangsabschnitt
der Kopfdeckfläche 16 an
dem Kolben 13, der am oberen Totpunkt liegt, definiert
ist. Der Quetschbereich 47 unterliegt tendenziell einer Wärmestagnation.
Die Strömungsrate
des Kühlwassers
und dem zylindrischen Kühlkanal 35 ist
derart eingestellt, dass sie von einem Strömungswegquerschnitt, der in
der Nähe
eines Orts in dem Quetschbereich 47 liegt, wo die Wärmebelastung
am größten ist,
zu einem Strömungswegquerschnitt,
der in der Nähe
eines Orts des Quetschbereichs 47 liegt, wo die Wärmebelastung
am kleinsten ist, abnimmt. Wie in 3 gezeigt,
ist in der Ausführung
die Größe der Strömungsrate
des Kühlwassers
in dem zylindrischen Kühlkanal 35 derart,
dass die Strömungsrate in
einem Strömungsquerschnitt
f, der in der Nähe
des Auslassdurchgangeinlasses 20 liegt, > die Strömungsrate
des Strömungswegquerschnitts
g, der in der Nähe
des Einlassdurchgangauslasses 22 liegt ≥ die Strömungsrate in einem Strömungswegquerschnitt
h, der in der Nähe
des fächerförmigen Auslassbereichs
C liegt ≅ die
Strömungsrate
in einem Strömungswegquerschnitt
i, der in der Nähe
des fächerförmigen Einlassbereichs
D liegt, in dem die Durchgangsweite e in Abhängigkeit von der Größe der Wärmebelastung
verändert
wird, wie in 3 gezeigt. Der zylindrische
Kühlkanal 35 steht
mit einem Wassermantel 48 im Zylinderblock 7 in
Verbindung.
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Die
Wärmeisolierschicht 18 ist
durch eine Auslassdurchgangsauskleidung 49 definiert, die
aus Keramik in dem Zylinderkopf 10 in einem Bereich um den
Auslassdurchgang 19 herum eingegossen ist, und ist gleichermaßen auch
in einem Bereich um den Einlassdurchgang 21 genauso wie
im Bereich um den Auslassdurchgang herum definiert (in der Darstellung
weggelassen). Ein Abschnitt außerhalb
der Wärmeisolierschicht 18 ist
durch in einem Hohlraum 50 befindliche Luft gebildet, wobei
aber auch ein wärmeisolierendes
Material, zum Beispiel pulvriges Wärmeisolationsmaterial, das
Partikel mit Nanometergröße aufweist,
in den Hohlraum 50 gefüllt
werden kann.
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In
der oben beschriebenen Anordnung fließt das Kühlwasser aus dem Wassermantel 48 durch den
zylindrischen Kühlkanal 35,
um den Quetschbereich 47 der Brennkammer 17 auf
ein notwendiges und minimales Ausmaß in Abhängigkeit von der Größe der Wärmebelastung
vom Umfang des Quetschbereichs 47 her zu kühlen. Dann
fließt
das Kühlwasser
durch den fächerförmigen Auslasskanal
c und den fächerförmigen Einlasskanal
d. Weil in diesem Fall die Querschnittsflächen der Kanäle c und
d jeweils auf einen kleineren Wert eingestellt sind, und die Oberflächenausdehnungen
der Kanäle
c und d jeweils auf den größeren Wert
eingestellt sind, können die
fächerförmigen weiteren
Auslass- und Einlassbereiche C und D effizient und gleichmäßig auf
ein notwendiges und minimales Ausmaß mit einer kleinen Menge an
Kühlwasser
gekühlt
werden, während
die Wärmeabfuhr
verbessert wird, durch einen synergistischen Effekt, in dem der
Fluss des Kühlwassers
mit höherer
Geschwindigkeit erlaubt wird und in dem der Wärmeübertragungskoeffizient verbessert
wird, der einer Zunahme der Kanaloberflächenausdehnung und einer Zunahme
der Reynoldszahl zuzuordnen ist.
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Danach
tritt das Kühlwasser
aus dem fächerförmigen Auslasskanal
c in den gekrümmten
Auslasskanal a ein und fließt
durch den gekrümmten Auslasskanal
a. Weil in diesem Fall der fächerförmige Auslasskanal
c von dem Einlass 36 zum Auslass 37 hin konvergiert,
nimmt die Strömungsrate
des Kühlwassers
in dem Auslass 37 zu, und das Kühlwasser mit der erhöhten Strömungsrate
fließt
durch den gekrümmten
Auslasskanal a. Daher wird der ringförmige Auslassbereich A dort,
wo die Wärmebelastung
am größten ist,
auf ein erforderliches und minimales Ausmaß effizient und gleichmäßig gekühlt. Somit
lässt sich
verhindern, dass ein Auslassventilsitz 51 und ein Montageabschnitt
für den
Ventilsitz 51 thermisch beschädigt werden, wodurch ihre Funktionen
erhalten bleiben. Ein solcher Kühleffekt
ergibt sich auch an der Einlassseite.
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Wenn
die mehreren Bereiche A bis D und f bis i unterschiedlicher Wärmebelastungen
in der Trennwand 11 und der Quetschbereich 47 der
Brennkammer 17 in Abhängigkeit
von den Größen der
Wärmebelastungen
auf das notwendige und minimale Ausmaß gekühlt werden, wie oben beschrieben,
und wenn die Wärmeausbreitung
auf den Hauptkörper des
Zylinderkopfs durch die Trennwand 11 durch die Wärmeisolierschicht 18 unterdrückt wird,
kann die Brennkammer 17 auf einer hohen Temperatur gehalten
werden, um die Temperatur des Abgases auf einem hohen Wert zu halten.
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In
einer zweiten Ausführung
der Brennkraftmaschine 2, wie in den 4 bis 10 gezeigt, sind
in einem Zylinderkopf 10 vorgesehen eine Trennwand 11 mit
angenähert
kegelförmiger
Form wie in der oben beschriebenen Ausführung, deren Scheitel zu einer
vom Zylinderblock (nicht gezeigt) entgegengesetzten Seite weist,
sowie eine Umfangswand 12, die zu einem kreisförmigen Umfangsrand der
Trennwand 11 führt.
Ein Kopf 14 eines Kolbens 13, der am oberen Totpunkt
liegt, ist an einem Innenumfang der Umfangswand 12 angeordnet.
Eine im Wesentlichen konische Brennkammer 17 ist an einer Seite
der Trennwand 11 vorgesehen und ist durch Zusammenwirken
der Trennwand 11 und einer Deckfläche 16 des Kopfs des
Kolbens 13, der am oberen Totpunkt liegt definiert, und
eine Wärmeisolierschicht 18 ist
an der anderen Seite der Trennwand 11 vorgesehen.
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Wie
in der ersten Ausführung
gibt es in der Trennwand 11 die folgenden Bereiche: ein
ringförmiger
Auslassbereich A, der sich um einen Einlass 20 eines Auslassdurchgangs 19 herum
befindet; ein ringförmiger
Einlassbereich B, der sich um einen Auslass 22 eines Einlassdurchgangs 21 herum
befindet; ein fächerförmiger Auslassbereich
C, der sich zwischen dem Einlass 20 und dem Auslass 22 befindet,
sich vom einem Mittelabschnitt der Trennwand 11 divergierend
wegerstreckt und dem Auslassdurchgang 19 näher ist,
sowie ein fächerförmiger Einlassbereich
D, der sich zwischen dem Einlass 20 und dem Auslass 22 befindet,
sich von dem Mittelabschnitt der Trennwand 11 divergierend
wegerstreckt und dem Einlassdurchgang 21 näher ist.
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In
diesem Fall ist die Reihenfolge der Größen der Wärmebelastungen derart, dass
die Größe in dem
ringförmigen
Auslassbereich A > die
Größe in dem
fächerförmigen Auslassbereich
C ≅ die
Größe in dem
fächerförmigen Einlassbereich
D ≥ die Größe in dem
ringförmigen
Einlassbereich B, anders als in der ersten Ausführung.
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In
dem Bereichen A bis D sind jeweilige Kühlkanäle vorgesehen. Die Kühlkanäle sind
ein gekrümmter
Auslasskanal a in dem ringförmigen
Auslassbereich A; ein gekrümmter
Einlasskanal b in dem ringförmigen
Einlassbereich B; ein fächerförmiger Auslasskanal
c, der sich in einer Zickzacklinie in einer Ebene erstreckt, die
die Dickenrichtung der Trennwand 11 in dem fächerförmigen Auslasskanal
C schneidet; sowie ein fächerförmiger Einlasskanal
d, der sich ebenfalls in einer Zickzacklinie in dem fächerförmigen Einlassbereich
D erstreckt. In der Ausführung
wird als Kühlmedium
Wasser verwendet.
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Die
Größen der
Strömungsraten
des Kühlwassers
sind in Abhängigkeit
von den Größen der Wärmebelastungen
eingestellt, so dass eine Strömungsrate
in dem gekrümmten
Auslasskanal a > einer
Strömungsrate
in dem fächerförmigen Auslasskanal
c ≅ eine
Strömungsrate
in dem fächerförmigen Einlasskanal
d ≥ eine
Strömungsrate
in dem gekrümmten
Einlasskanal b. Die Einstellung der Strömungsrate des Kühlwassers
erfolgt durch Verändern von
Durchmessern von Drosseln 52 bis 55, welche die
Einlässe
der Kanäle
a bis d definieren. Auslässe der
Kanäle
a bis d sammeln sich in ein einziges Sammelrohr 56, das
in einer Verstärkungsrippe 41 definiert
ist. Der Sammelkanal 56 steht mit einem Kühlkanal 45 in
der Ventilschaftführung 44 für das Auslassventil
in Verbindung, der mit einem Auslass (nicht gezeigt) in Verbindung
steht.
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Die
Belegungsraten der fächerförmigen Auslass-
und Einlassbereiche C und D mit kleineren Wärmebelastungen in der Trennwand 11 und
eine Belegungsrate der ringförmigen
Auslassbereiches A der Wärmebelastung,
die größer ist
jene der Bereiche C und D in der Trennwand 11, sind derart,
dass die ersteren C, D größer sind
als die letztere A. Daher sind Querschnittsflächen der fächerförmigen Auslass- und Einlasskanäle c und
d, die sich in den fächerförmigen Auslass-
und Einlassbereichen C und D der kleineren Wärmebelastungen befinden, und
eine Querschnittsfläche
des gekrümmten
Auslasskanals a, der sich in dem ringförmigen Auslassbereich A der größeren Wärmebelastung
befindet, derart eingestellt, dass die erstere c, die kleiner ist
als die letztere a, und die Oberflächenausdehnungen der fächerförmigen Auslass-
und Einlasskanäle
c und d, die sich in den fächerförmigen Auslass-
und Einlassbereichen C und D der kleineren Wärmebelastungen befinden, und
eine Oberflächenausdehnung
des gekrümmten
Auslasskanals a, der sich in dem ringförmigen Auslassbereich A der
größeren Wärmebelastung
befindet, sind derart, dass die erstere c, d größer ist als die letztere a.
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Wie
in den 5 bis 8 klar gezeigt, sind der gekrümmte Auslasskanal
a, der gekrümmte
Einlasskanal b und die fächerförmigen Auslass-
und Einlasskanäle
c und d, die sich jeweils in der Zickzacklinie erstrecken, sowie
auch der zylindrische Kühlkanal 35,
der sich in der Umfangswand 12 erstreckt, die zu der Trennwand 11 zum
Kühlen
des Quetschbereichs 47 der Brennkammer 17 führt, unter
Verwendung eines einzelnen Kerns oder einer Mehrzahl von Kernen
gebildet.
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Wie
in den 7 und 8 gezeigt, sind mehrere Vorsprünge 60 und 61 an
einer Deckwand 58 und einer Bodenwand 59 des gekrümmten Auslasskanals
a zu jeweils mit vorbestimmten Abständen ausgebildet, so dass die
Vorsprünge
an der Deckwand 58 und die Vorsprünge an der Bodenwand 59 voneinander
versetzt sind. Die Vorsprünge 60 und 61 haben
jeweils eine Breite k, die kleiner ist als eine Breite j der jeweiligen
Deck- und Bodenwände 58 und 59.
Somit fließt
das Kühlwasser,
das durch den gekrümmten
Auslasskanal a fließt,
in einer Zickzacklinie in einer Ebene parallel zur Dickenrichtung
der Trennwand 11 und wird zu einer turbulenten Strömung, um den
ringförmigen
Auslasskanal a effizient zu kühlen. Und
wie in den 5 und 6 gezeigt,
werden bei der Formung des Zylinderkopfs 10 durch einen
Gussprozess eine Mehrzahl von Zapfen 62 stückweise, zum Beispiel
in einer Mehrzahl bogenförmiger
Abschnitte, die konzentrisch auf einem zickzackförmigen Abschnitt eines Kerns
rangiert sind, angeordnet, um eine Beschädigung, Fehlausrichtung und
dergleichen der bogenförmigen
Abschnitte zu verhindern. Ein Abschnitt jedes der Zapfen 62 an
der Seite des zylindrischen Abschnitts (entspricht dem zylindrischen
Kühlkanal 35)
des Kerns ist derart angeordnet, dass es in dem zylindrischen Abschnitt
eingreift, wodurch die Positionierung des zickzackförmigen Abschnitts
und des zylindrischen Abschnitts erreicht wird.
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Wenn
der Zylinderkopf 10 aus Aluminiumlegierung gebildet wird
und jeder der Zapfen 62 aus rostfreiem Stahl und dergleichen
gebildet wird, dann bleiben, selbst wenn der Kern nach dem Guss
entfernt wird, die Zapfen 62 in der Trennwand 11 und
der Umfangswand 12 zurück,
und ein Abschnitt jedes Zapfens 62 liegt zu den Innenseiten
der fächerförmigen Auslass-
und Einlasskanäle
c und d frei. Dieser freiliegende Abschnitt m fungiert als Widerstand
gegen den Kühlwasserfluss,
um die Bildung einer turbulenten Strömung zu fördern. Dies erbringt einen
Effekt dahingehend, die Wärmeabfuhr
in den fächerförmigen Auslass-
und Einlassbereichen C und D zu verbessern.
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Die
Wärmeisolierschicht 18 wird
durch Luft gebildet, die sich in einem im Zylinderkopf 10 definierten
Hohlraum 63 befindet, aber es kann auch ein Wärmeisoliermaterial,
zum Beispiel ein pulvriges Wärmeisoliermaterial,
das aus Partikeln mit Nanometergröße gebildet ist, in den Hohlraum 63 gefüllt werden.
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Wie
in den 4, 9 und 10 gezeigt, ist
der Auslassdurchgang 19 durch eine zylindrische Auslassdurchgangauskleidung 64,
die aus rostfreiem Stahl hergestellt ist, definiert. Die Auslassdurchgangsauskleidung 64 ist
in dem Hohlraum 63 in dem Zylinderkopf 10 angeordnet
und wird teilweise an mehreren Punkten am Zylinderkopf 10 abgestützt. Somit
ist die Wärmeisolierschicht 18 um
die Auslassdurchgangsauskleidung 64 herum vorgesehen und durch
die in dem Hohlraum 63 vorhandene Luft gebildet.
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Als
die teilweise abgestützten
Punkte der Auslassdurchgangsauskleidung 64 ausgewählt sind ein
Ort E, der sich auf einer Außenumfangsoberfläche und
der Auslassdurchgangsauskleidung 64 an der Seite eines
Abgaseinlasses befindet, an der ein Auslassventil 43 angeordnet
ist, sowie ein Ort F, der sich auf der Außenumfangsoberfläche der
Auslassdurchgangsauskleidung 64 an der Seite eines Abgasauslasses
befindet, sowie ein zylindrischer Ventilschafteinsetzabschnitt 65,
wie in den 4 und 9 gezeigt.
Insbesondere sind zwei aus rostfreiem Stahl hergestellte Stege 66 in
gegenüberliegender
Relation an dem Ort E angeordnet, der sich an der Außenumfangsoberfläche an der
Seite des Abgaseinlasses befindet, so dass sie den Ventilschafteinsetzabschnitt 65 zwischen
sich aufnehmen und so dass sie zur Ventilschaftachse n im Wesentlichen
parallel sind. Jeder der Stege 66 ist am einen Ende an die
Seite E geschweißt.
Die Stege 66 können
mit der Auslassdurchgangsauskleidung 64 integral sein.
Drei aus rostfreiem Stahl hergestellte Stege 67 sind mit 120° Abstand
in Umfangsrichtung an der Seite F angeordnet, die sich an der Außenumfangsoberfläche an der
Seite des Abgasauslasses befindet, und sie sind jeweils an einem
Ende die Seite F geschweißt. Die
anderen Enden der Stege 66 und 67 sind in Einformungen
in dem Zylinderkopf 10 lokalisiert, die im Verlauf des
Gussprozesses des Zylinderkopfs 10 gebildet werden. Der
zylindrische Ventilschafteinsetzabschnitt 65 ist auf dem
Zylinderkopf 10 durch ein wärmeisolierendes Dichtungselement 68,
das Dämpfeigenschaften
hat, und eine Ventilschaftführung 44 abgestützt. Wie
in den 4 und 9 gezeigt, ist ein Einlass definierender
Abschnitt 69 der Auslassdurchgangsauskleidung 64 lose
in einer Bohrung 71 benachbart an einem Ventilsitz 51 eingesetzt,
und ein Ringraum zwischen dem Ventilsitz 51 und einem Flansch 72 der
Auslassdurchgangsauskleidung 64, der sich in der Nähe des Einlass
definierenden Abschnitts 69 sich befindet, ist mit einem
wärmeisolierenden
ringförmigen
Dichtungselement 73, das Dämpfungseigenschaften hat, gefüllt. Jedes
der Dichtungselemente 68 und 73 ist ein Formprodukt, das
Aluminiumoxidfaser, Silicafaser und Bindemittel aufweist und eine
nutzbarer Temperatur von 1100° oder
mehr sowie eine Wärmeübertragungskoeffizienten
von 0,2 W/(m·K)
hat. Ein Auslass definierender Abschnitt 74 einer Auslassdurchgangsauskleidung 64 ist
in einer Bohrung 77 in einer ringförmigen Wärmeisolierplatte 76 eingesetzt,
die eine Öffnung 75 des
Hohlraums 18 verschließt.
Andererseits ist der Einlassdurchgang 21 direkt in dem
Zylinderkopf definiert.
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Der
in 11 gezeigte Zylinderkopf 10 ist derart
unterteilt, dass Passoberflächen 78 und 79 an der
die den Sammelkanal 56 aufweisenden Verstärkungsrippe 41 und
an einer Mehrzahl von Bolzenbohrungsdefinierabschnitten 77 vorhanden
sind, die sich parallel zur Verstärkungsrippe 41 vom
Außenumfang der
Trennwand 12 erstrecken, und eine wärmeisolierende Dichtung 80 ist
zwischen den Passflächen 78 und 79 eingeklemmt,
so dass die Wärmeübertragung von
der Brennkammer 17 durch diesen Trennabschnitt blockiert
wird. Natürlich
kann in der zweiten Ausführung
die Strömungsrate
in dem ringförmigen Kühlkanal 35 zum
Kühlen
des Quetschbereichs 47 der Brennkammer 17 ebenfalls
in Abhängigkeit
von der Wärmebelastung
verändert
werden.
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In
den weiteren fächerförmigen Einlass-
und Auslassbereichen D und C der kleineren Wärmebelastungen in der Trennwand 11 kann
die Wärmeabfuhr
durch einen synergistischen Effekt verbessert werden, der durch
Verringerung der Querschnittsfläche
des Kühlkanals
erzeugt wird, um zu gestatten, dass das Kühlmedium mit einer höheren Geschwindigkeit
fließt,
und durch eine Verbesserung des Wärmeübertragungskoeffizienten, der
einer Zunahme der Kanaloberflächenausdehnung
und einer Zunahme der Reynoldszahl zuzuordnen ist. Somit ist es möglich, die
Wärmeausbreitung
zum Hauptkörper des
Zylinderkopfs ausreichend zu drücken.