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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf einen Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor und
sie bezieht sich insbesondere auf einen Zylinderkopf, der Rippenformationen
aufweist.
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Hintergrund
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Ein typischer Zylinderkopf für einen
Verbrennungsmotor wird durch einen Gussprozess gebildet und hat
eine innere Wand, eine äußere Wand
und Seitenwände.
Der Zylinderkopf kann drei Regionen haben, die typischerweise als
oberes Deck, mittleres Deck und unteres Deck bezeichnet werden.
Das untere Deck ist typischerweise an einem Motorblock benachbart
zu einer oder mehreren Brennkammern montiert. Der Zylinderkopf ist
ausgelegt, um den Gasfluss von außen von den Einlasssammelleitungen
zur Brennkammer und von der Brennkammer zu den Auslasssammelleitungen
zu steuern. Im allgemeinen läuft
der gasförmige
Fluss durch das untere Deck. Falls erforderlich, kann der Zylinderkopf
einen Zündungsmechanismus
für jede
Brennkammer des Verbrennungsmotors tragen. Weil jede davon Öffnungen in
die Brennkammer durch das untere Deck erfordert, gibt es lokale
Gebiete, die gesteigerten Niveaus an Wärme und Spannungen unterworfen
sind.
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Als eine Folge des Betriebs des Verbrennungsmotors
sind die Brennkammer(n), der Zylinderkopf (die Zylinderköpfe), der
(die) Kolben und andere Gebiete des Motorblocks hohen Niveaus an
Wärme ausgesetzt.
Diese Wärme
erzeugt starke thermische Gradienten von der Wärme des Verbrennungsprozesses,
des Kühlsystems
und anderen Systemen des Verbrennungsmotors. Diese starken thermischen
Gradienten erzeugen lokalisierte Regionen von Spannungen und mögliche heiße Punkte
(Hot Spots) innerhalb des unteren Decks des Zylinderkopfes, die
die Ausrichtung des Zün dungsmechanismus und
andere Komponenten in dem Verbrennungsmotor verändern können, wodurch sie bewirken,
dass der Verbrennungsmotor ineffizient arbeitet.
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Im allgemeinen können Kühlmittelflusspfade in dem Zylinderkopf
vorgesehen werden, um die Wärme
von den heißen
Punkten abzuziehen. Diese Flusspfade helfen dabei, den Zylinderkopf
nahe einer gleichförmigen
Temperatur zu halten und reduzieren die Wahrscheinlichkeit eines
Bruches bzw. Risses, wenn die Zylinderkopftemperatur fluktuiert.
Das US-Patent 4 690 104 ("Yasukawa") beschreibt eine solche
Art eines Zylinderkopfes. Yasukawa bezieht sich auf einen Zylinderkopf,
der Stecker bzw. Stöpsel vorsieht,
um den Kühlmittelfluss
in Regionen mit großen
Querschnittsbereichen zu beschleunigen. Zusätzlich sieht Yasukawa mehrere
Finnen vor, die an Vorsprungsteilen gelegen sind, um den Zylinderkopf an
dem Motorblock zu sichern, genauso wie an Zylinderwänden, die
die Einlassventile und Auslassventile mit der Brennkammer verbinden.
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Ein Nachteil bei Yasukawa ist, dass
weder die Stöpsel
noch die Finnen eine zusätzliche
Steifigkeit für
die innere Wand des Zylinderkopfes vorsehen. Als eine Folge erfährt die
innere Wand Probleme bezüglich
der Steifigkeit und eines potenziellen Versagens wegen den zyklischen
Belastungen, die durch die Verbrennung des Brennstoffes in den Brennkammern
erzeugt wird.
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Die vorliegende Erfindung löst eines
oder mehrere der oben beschriebenen Probleme, die mit bekannten
Zylinderköpfen
assoziiert sind.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung
ist auf eine Kühlkammer
für einen
Zylinderkopf gerichtet. Die Kühlkammer
kann einen Bodenteil aufweisen, einen Deckenteil und Seitenwandteile,
die sich zwischen dem Bodenteil und dem Deckenteil erstrecken. Die
Kühlkammer
kann auch mindestens ein Auslassanschlussleitung aufweisen, die
sich durch die Kühlkammer
vom Bo denteil zum Deckenteil erstreckt, mindestens eine Einlassanschlussleitung, die
sich durch die Kühlkammer
vom Bodenteil zum Deckenteil erstreckt, und einen Schacht- bzw.
Vertiefungsteil. Mindestens eine Einlassanschlussleitung und mindestens
einen Auslassanschlussleitung können
um den Vertiefungsteil herum angeordnet sein. Schließlich kann
die Kühlkammer
eine Vielzahl von Rippenformationen aufweisen, die sich von den
Seitenwandteilen nach innen erstrecken, und eine Vielzahl von Einlässen, die
um einen Umfang der Kühlkammer
herum angeordnet sind. Diese Informationen sind konfiguriert, um
den Kühlmittelfluss
um mindestens eine Einlassanschlussleitung und die mindestens eine
Auslassanschlussleitung zum Vertiefungsteil abzulenken.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden
Erfindung ist auf ein Verfahren zur Kühlung eines Zylinderkopfes
für einen
Verbrennungsmotor gerichtet. Der Zylinderkopf definiert dabei eine
Kühlkammer
mit einem Bodenteil, mit einem Deckenteil und Seitenwandteilen,
die sich zwischen dem Bodenteil und dem Deckenteil erstrecken. Das
Verfahren weist die Einleitung eines Kühlmittels um den Umfang der Kühlkammer
herum durch eine Vielzahl von Einlässen auf, die am Umfang der
Kühlkammer
angeordnet sind, und die den Kühlmittelfluss
von den Einlässen in
die Kühlkammer
zu einem Vertiefungsteil leiten. Es wird durch die Leitung regelmäßig ein
Kühlmittelfluss an
einer vorbestimmten Stelle benachbart zu den Seitenwandteilen eingeschränkt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die beigefügten Zeichnungen, die in dieser Beschreibung
mit eingeschlossen sind und einen Teil davon bilden, veranschaulichen
ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel
der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die
Prinzipien der Erfindung zu erklären.
In den Zeichnungen stellen die Figuren Folgendes dar:
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1 eine
Perspektivansicht eines Zylinderkopfes für einen Verbrennungsmotor;
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2 eine
teilweise geschnittene Ansicht, die entlang der Schnittebene II-II
der 1 aufgenommen wurde;
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3 eine
Schnittansicht, aufgenommen entlang der Schnittlinie III-III der 1;
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4 eine
Schnittansicht, aufgenommen entlang der Schnittlinie IV-IV der 1; und
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5 eine
Schnittansicht, aufgenommen entlang der Schnittlinie V-V der 1.
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Detaillierte
Beschreibung
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Es wird nun im Detail auf ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel
der Erfindung Bezug genommen, welches in den beigefügten Zeichnungen
veranschaulicht ist. Wo immer es möglich ist, werden die gleichen
Bezugszeichen in den gesamten Zeichnungen verwendet, um sich auf
die selben oder die gleichen Teile zu beziehen.
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1 zeigt
einen Verbrennungsmotor 12 mit einem Zylinderkopf 10,
der mit einem Motorblock 16 gekoppelt ist. Der Motorblock 16 definiert
eine Vielzahl von Zylindern, die Brennkammern definieren und (nicht
gezeigte) Kolben des Verbrennungsmotors 12 enthalten. Der
Verbrennungsmotor 12 kann beispielsweise eine "Reihenzylinderanordnung" verwenden, wie gezeigt,
oder eine "V-Zylinderanordnung". Bei dieser Anwendung
laufen (nicht gezeigte) Bolzen bzw. Schrauben 14 durch
eine Vielzahl von Schraubenlöchern 14 in
dem Zylinderkopf 10 und verbinden diesen mit dem Motorblock 16.
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Der Zylinderkopf 10 kann
aus Gusseisen, Aluminium oder aus irgendeinem anderen geeigneten
Material geformt werden. Der Zylinderkopf 10 kann beispielsweise
durch einen Grussprozess geformt werden, wie beispielsweise durch
Sandguss. Während
der Zylinderkopf 10 als ein "Verbundzylinderkopf" für
einen Sechs-Zylinder-Motor gezeigt ist, sei bemerkt, dass der Zylinderkopf
für andere
Zylinderanordnungen modifiziert werden kann, einschließlich eines
individuellen Zylinderkopfes, der als "einzelner" Zylinderkopf bekannt ist.
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Mit Bezug auf die 1 und 2 sind
Druckstangen- bzw. Pleuelstangenanschlüsse 18 in dem Zylinderkopf
ausgebildet, um die Bewegung der (nicht gezeigten) Pleuelstangen
des Verbrennungsmotors 12 zu gestatten. Ebenfalls ist in
einer Oberfläche
des Zylinderkopfes 10 eine Vielzahl von Brückendübellöchern 20 gezeigt
(die in 1 gezeigt sind),
die konfiguriert sind, um Brücken
zu tragen, die wiederum die (nicht gezeigten) Ventile unterstützen, die
verwendet werden, um die Einlassanschlüsse 22, 23 und
die Auslassanschlüse 24, 25 zu öffnen und
zu schließen,
die mit jedem Zylinder des Verbrennungsmotors 12 assoziiert
sind. Es sollte dem normal ausgebildeten Fachmann klar sein, dass
die Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel eingeschränkt ist,
und dass die Erfindung mit Verbrennungsmotoren verwendet werden
kann, die über Kopf
liegende Nocken(-wellen) besitzen, oder einen Kopf mit zwei Ventilen
anstatt einen Kopf mit vier Ventilen.
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Eine Kühlkammer 26, die mit
jedem Zylinder des Verbrennungsmotors 12 assoziiert ist,
wie am besten in 2 zu
sehen ist, wird durch einen Bodenteil 28 und Seitenwandteile 30, 32, 34, 36 definiert.
Die Kühlkammer 26 wird
auch durch einen Deckenteil 38 definiert (der in den 3 und 4 gezeigt ist). Die Seitenwandteile 30, 32, 34, 36 erstrecken
sich vom Bodenteil 28 zum Deckenteil 38.
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Ein Paar von Einlassanschlussleitungen 40, 42 erstreckt
sich vom Bodenteil 28 durch die Kühlkammer 26 zum Deckenteil 38.
Ein Paar von Auslassanschlussleitungen 44, 46 erstreckt
sich auch vom Bodenteil 28 durch die Kühlkammer 26 zum Deckenteil 38.
Die Einlassanschlussleitungen 40, 42 und die Auslassanschlussleitungen 44, 46 gestatten,
dass Luft durch die Einlassanschlüsse 22, 23 vor
der Verbrennung fließt,
bzw. gestatten, das Abgase aus den Auslassanschlüssen 24 bzw. 25 nach
der Verbrennung fließen.
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Ein Vertiefungsteil 48 (der
in den 3-5 gezeigt ist) erstreckt sich durch den
Zylinderkopf 10 in die Kühlkammer 26. Eine
Aufnahme 50 wird in den Vertiefungsteil 48 eingeführt und
ist konfiguriert, um einen (nicht gezeigten) Zündungsmechanismus zu tragen,
wie beispielsweise eine Brennstoffeinspritzvorrichtung oder eine
Zündkerze.
Die Aufnahme 50 ist im wesentlichen in der Mitte der Kühlkammer 26 gelegen,
und das Paar von Einlassanschlussleitungen 40, 42 und
Auslassanschlussleitungen 44, 46 ist im wesentlichen
symmetrisch dort herum angeordnet. Als eine Alternative könnte die
Aufnahme 50 in irgendeiner unsymmetrischen Anordnung von
Leitungen 40, 42, 44, 46 angeordnet
sein. Die Aufnahme 50 kann sich von dem Bodenteil 28 durch
die Kühlkammer 26 zum
Deckenteil 38 erstrecken.
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Neben jedem Druckstangenanschluss 18 ist ein
Lufteinlassanschluss 19, der gestattet, dass Luft durch
die Einlassanschlüsse 22, 23 in
den Zylinder des Verbrennungsmotors fließt. In diesem Ausführungsbeispiel
ist nur ein Lufteinlassanschluss 19 mit jedem Zylinder
assoziiert, es wird jedoch verständlich sein,
dass zusätzliche
Lufteinlassanschlüsse
verwendet werden können,
und dass die Lage des Einlassanschlusses (der Einlassanschlüsse) modifiziert werden
kann, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
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Eine Vielzahl von Einlässen 52, 54, 56, 58 ist in
dem Bodenteil 28 der Kühlkammer 26 ausgebildet. Diese
Einlässe 52, 54, 56, 58 sind
mit (nicht gezeigten) Durchlässen
in dem Motorblock 16 ausgerichtet und gestatten, das Kühlmittel
vom Motorblock 16 zur Kühlkammer 26 des
Zylinderkopfes 10 fließt.
Wie in 2 gezeigt, ist
die Kühlkammer 26 im
wesentlichen rechteckig, und jeder der Einlässe 52, 54, 56, 58 ist
in einer jeweiligen Ecke der Kühlkammer
gelegen. Es ist klar, dass die Kühlkammer
nicht auf rechteckige Formen eingeschränkt ist, und dass andere Formen
genauso gut arbeiten können.
Zusätzlich sollte
bemerkt werden, dass sechs Einlässe
oder irgendeine andere geeignete Anzahl von Einlässen vorgesehen werden kann,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
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Eine Vielzahl von Ansätzen bzw.
Gussaugen 60, 62, 64, 66, 68, 70 ist
in den Seitenwandteilen 30, 32, 34, 36 der
Kühlkammer 26 ausgebildet.
Diese Ansätze 60, 62, 64, 66, 68, 70 sind
an Schraubenlochstellen 14 vorgesehen, um die jeweiligen
Seitenwandteile zu stärken,
jedoch könnten
alternativ die Ansätze
an anderen Stellen gelegen sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel bilden die Ansätze ein
im wesentlichen symmetrisches Muster über jedem Zylinder, um eine
im wesentlichen gleiche Kraftverteilung vorzusehen. Der Ansatz 60 ist
in dem Seitenwandteil 30 ausgebildet, die Ansätze 62, 64 sind
in dem Seitenwandteil 32 ausgebildet, der Ansatz 66 ist
in dem Seitenwandteil 34 gegenüberliegend zum Seitenwandteil 30 ausgebildet
und die Ansätze 68, 70 sind in
dem Seitenwandteil 36 gegenüberliegend zum Seitenwandteil 32 ausgebildet.
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Eine Vielzahl von Streben oder Rippenformationen 72, 74, 76, 78 erstreckt
sich von den Seitenwandteilen 30, 32, 34, 36 in
die Kühlkammer 26 zum
Vertiefungsteil 48. Die Rippenformationen 74 und 78 sind
an den Seitenwandteilen 32, 36 jeweils zwischen
den Ansätzen 62, 64 und 68, 70 gelegen. Diese
Rippenformationen 74, 78 vergrößern die Festigkeit der Seitenwandteile 32, 36 zwischen
den Ansätzen 62, 64 bzw. 68, 70.
Die anderen Rippenformationen 72, 76 sind an den
Ansätzen 60 bzw. 66 ausgebildet.
Zusätzlich
zur Stärkung
der Seitenwände können die
Rippenformationen 72, 74, 76, 78 auch dazu
dienen, einen Kühlmittelfluss
durch die Kühlkammer 26 zu
leiten, wie unten beschrieben.
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Ein Ölrückleitungsloch 79,
welches mit jedem einzelnen Zylinder für den Verbrennungsmotor 12 assoziiert
ist, ist in dem Zylinderkopf 10 vorgesehen und erstreckt
sich durch einen der Seitenwandteile und ist mit einem (nicht gezeigten)
Durchlass in dem Motorblock 16 verbunden.
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Der Zylinderkopf 10 weist
mehrere unterschiedliche Regionen oder Decks auf, wie in 4 abgebildet. Das untere
Deck 84 ist im allgemeinen das Deck am nächsten zum
Motorblock, und trägt
daher den Hauptteil der Belastungen, die auf dem Zylinderkopf 10 während dem
Betrieb aufgeprägt
werden. Das mittlere Deck 86 weist im allgemeinen eine
obere Kühlkammer 80 für die weitere
Kühlung
der Abgase auf. Das obere Deck 88 trägt im allgemeinen die Unterstützung für die Einlass-
und Auslassventile. Die obere Kühlkammer 80 kann
das mittlere Deck 86 und das obere Deck 88 des
Zylinderkopfes 10 kühlen.
Ein (in 5 gezeigter)
Auslass 82 für
die Kühlkammer 26 wird
durch den Vertiefungsteil 48 und die Aufnahme 50 definiert.
Der Auslass 82 öffnet
sich in die obere Kühlkammer 80 und
gestattet, dass Kühlmittel
von der Kühlkammer 26 in
die obere Kühlkammer 80 fließt.
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3 und 4 zeigen, dass jeder der
Rippenteile 72, 74, 76, 78 sich
von dem Bodenteil 28 zum Deckenteil 38 der Kühlkammer 26 erstreckt.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist jede Rippenformationen 20 mm hoch, und die kombinierte Höhe des unteren Decks 84,
des mittleren Decks 86 und des oberen Decks 88 des
Zylinderkopfes 10 ist 120 mm, obwohl andere Höhen verwendet
werden könnten.
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Weil der Zylinderkopf 10 typischerweise
als gesamtes Stück
gegossen wird, wird eine Vielzahl von Steckern bzw. Stöpseln 90 (die
in 3 gezeigt sind), 92 (die
in 2 gezeigt sind) verwendet,
um die obere Kühlkammer 80 bzw.
die Kühlkammer 26 abzudichten.
Es ist verständlich,
dass die Anzahl oder Lage der Stöpsel
modifiziert werden könnte, ohne
vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Während
des Betriebs des Verbrennungsmotors 12 erfährt das
untere Deck 84 des Zylinderkopfes 10 hohe Spannungsbelastungen
und lokalisierte heiße
Punkte (Hot Spots) über
jeder Brennkammer und nahe dieser. Dies wird durch die Verbrennung
des Brennstoffes in den Zylinder und den daraus resultierenden hohen
Druck verursacht, der den Kolben im Zylinder antreibt. Weiterhin
sind die Auslassanschlussleitungen 44, 46 typischerweise
einer starken Wärme
auf Grund des Austrittes der Abgase nach der Verbrennung unterworfen.
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In dem man eine Vielzahl von Rippenformationen 72, 74, 76, 78 vorsieht,
die symmetrisch über jedem
Zylinder auf den Seitenwandteilen 30, 32, 34, 36 angeordnet
sind, ist es möglich,
die Steifigkeit des Zylinderkopfes 10 zu steigern. Die
daraus resultierende Steifigkeit des Zylinderkopfes 10 verbessert die
Betriebslebensdauer des Zylinderkopfes 10 und hilft auch
dabei, eine Fehlausrichtung des Zündungsmechanismus aufgrund
von Druckveränderungen
in dem Zylinder zu verhindern.
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Wenn das Kühlmittel aus dem Motorblock 16 in
die Kühlkammer 26 durch
die Einlässe 52, 54, 56, 58 fließt, leiten
die Rippenformationen 72, 74, 76, 78 zusätzlich den
Kühlmittelfluss
und steigern die lokalisierte Flussrate des Kühlmittels, wodurch resultiert, das
heiße
Punkte schneller gekühlt
werden. Die Rippenformationen 72, 74, 76, 78 steigern
auch die Turbulenz des Kühlmittelflusses,
wodurch zusätzliche Wärme von
den heißen
Punkten abgezogen wird. Wie am deutlichsten in 2 gezeigt, wird der Kühlmittelfluss, wie er von den
Pfeilen gezeigt wird, von den Einlässen durch die Rippenformationen 72, 74, 76, 78 um
das Paar von Einlassanschlussleitungen 40, 42 und
Auslassleitungen 44, 46 zu dem Vertiefungsteil 48 und
der Aufnahme 50 abgelenkt, indem man die Einlässe 52, 54, 56, 58 um
den Umfang der Kühlkammer
herum angeordnet hat. Dies gestattet, dass das Kühlmittel wirkungsvoller die
Wärme vom Bodenteil 28 der
Kühlkammer 26 und
den Auslassanschlussleitungen 44, 46 entfernt.
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Sobald das Kühlmittel die Aufnahme 50 erreicht
hat, fließt
es aus der Kühlkammer 26 durch
den Auslass 82. Das Kühlmittel
fließt
dann in die obere Kühlkammer 80 und
tritt schließlich
aus dem Zylinderkopf 10 aus. Dies gestattet eine weitere
Kühlung der
Auslassanschlussleitungen 44, 46 und eine gesamte
Kühlung
des Zylinderkopfes 10.
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Wie in 2 zu
sehen, können
mehr als eine Kühlkammer 26 in
dem Zylinderkopfes 10 vorgesehen sein. In dieser Anordnung
verwendet jede Kühlkammer 26 mindestens
einen Seitenwandteil gemeinsamen, und der Kühlmittelfluss wird getrennt
zu jeder Kühlkammer 26 geliefert.
Jedoch muss nicht jede Kühlkammer 26 notwendigerweise
einen Seitenwandteil gemeinsamen verwenden.
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Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden
dem Fachmann aus der Betrachtung der Beschreibung und der praktischen
Ausführung
der hier offenbarten Erfindung offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt,
dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen
werden, wobei ein wahrer Umfang und Kern der Erfindung durch die
folgenden Ansprüche
gezeigt wird.