JP2010031843A - 弁冷却装置および弁注油装置を有するシリンダーヘッド構造 - Google Patents

Abstract

【課題】弁、特に排気弁の冷却を改善することのできるシリンダーヘッド構造を提供する。
【解決手段】本発明に係るシリンダーヘッド構造は、加圧冷却オイルを供給するための冷却オイル通路構造と、少なくとも１つの吸気弁あるいは排気弁の軸とガイドとの間の、少なくとも１つの第１リング状チャンバと少なくとも１つの第２リング状チャンバとを備えている。第１リング状チャンバは冷却オイル供給通路と接続され、第２リング状チャンバは冷却オイル排出通路と接続されている。２つのリング状チャンバは、弁軸内に設けられた縦孔と接続されており、その結果、冷却オイルは弁軸を通り、弁体内の冷却オイルの流れを誘導するための装置を有する中空室へと運ばれ、当該中空室から冷却オイル排出通路へと運ばれる。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、シリンダーヘッド構造、特に自己点火式内燃機関のためのシリンダーヘッド構造であって、少なくとも１つの吸気弁と少なくとも１つの排気弁とによって閉鎖可能な、少なくとも１つの吸気路と少なくとも１つの排気路とを有し、かつ、冷却オイルもしくは潤滑オイルを供給するための少なくとも１つのオイル通路を備えた冷却オイル供給通路構造を有するシリンダーヘッド構造に関する。

特に内燃機関の排気弁は、当該排気弁に近接して通過する排ガスが高温であるため、高い熱負荷にさらされている。高い熱負荷によって、弁ガイドの注油にも高い要求がされるが、このような要求は、たいてい、内燃機関のオイル循環を介して解決される。

特許文献１は、弁、何よりも排気弁の冷却を圧力式循環注油によって行うよう提案している。弁軸と弁体とから作られる排気弁は、回転対称的な空洞体として形作られている。弁軸の内壁には、潤滑オイルを供給し、排出するための２つの通路が設けられており、供給された潤滑オイルが導管を介して弁体の領域へと送られる。

空洞に形作られた排気弁に高い熱負荷がかかると、損傷の増大が起こる。提案されたような、断続的な潤滑オイル供給は、特に、提案されたオイル搬送と関連して、弁内で不都合な流れを生じさせる。

特許文献２からは、弁体内に、弁下面に対して平行に延在する冷却通路の第１のアレイを放射状に備え、かつ、当該第１アレイの冷却通路と接続し、弁体の外縁部から弁軸に斜めに延在する冷却通路の第２のアレイを備えることが知られており、当該冷却通路は、弁体の外縁部内において当該外縁部に沿って設けられたリング状の通路と接続されている。上記のような冷却通路構造によって、流れの体積の小ささと、縁に形成される流れの停滞領域ゆえに、比較的小さな冷却効果しか得られない。

独国特許出願公開第43 13 591号明細書 独国特許出願公開第25 24 183号明細書

それゆえ本発明の課題は、弁、特に排気弁の冷却を改善することのできるシリンダーヘッド構造を提供することにある。

当該課題は、本発明に従えば、請求項１に記載のシリンダーヘッド構造によって解決される。有利なさらなる形態は、従属請求項の対象である。

本発明に係るシリンダーヘッド構造は、少なくとも１つの吸気弁によって閉鎖可能な少なくとも１つの吸気路と、少なくとも１つの排気弁によって閉鎖可能な少なくとも１つの排気路とを備えている。さらに、加圧冷却オイルを供給するための少なくとも１つの冷却オイル供給通路を有する冷却オイル通路構造と、少なくとも１つの吸気弁あるいは排気弁の軸とガイドとの間にあり、少なくとも１つの冷却オイル供給通路と接続された、少なくとも１つの第１リング状チャンバと、少なくとも１つの吸気弁あるいは排気弁の軸とガイドとの間にあり、少なくとも１つの冷却オイル排出通路と接続された、少なくとも１つの第２リング状チャンバとを備えており、第１リング状チャンバと第２リング状チャンバの高さは、少なくとも弁のストロークの高さに相当する。第１リング状チャンバは、弁軸内に設けられた第１縦孔と接続されており、その結果、加圧冷却オイルが弁軸を通って弁体へ運ばれる。弁体は、冷却オイルの流れを誘導するための装置を有する中空室を備えており、当該中空室は弁体の面の大部分にわたって広がっている。弁軸内に設けられた第２縦孔は、第２リング状チャンバと接続されており、その結果、冷却オイルが中空室から冷却オイル排出通路へ運ばれる。

本発明に係るシリンダーヘッド構造は、特に、吸気弁と排気弁とが高い熱負荷にさらされている自己点火式内燃機関に適している。本発明に係るシリンダーヘッド構造は、吸気弁および／あるいは排気弁を冷却するために加圧冷却オイルを使用する冷却オイル通路構造を備えている。冷却オイル通路構造は好適には、冷却されるべき各吸気弁および／あるいは各排気弁のために、少なくとも１つの冷却オイル供給通路を備えており、当該冷却オイル供給通路は、冷却されるべき弁の軸に対して同心状に設けられることができる第１リング状チャンバと、冷却オイル通路構造とを接続している。第１リング状チャンバは容積を形成し、当該容積は弁軸と弁ガイドとの間に設けられている。このとき第１リング状チャンバは、弁軸内か弁ガイド内のどちらか、あるいは部分的に弁軸内にも弁ガイド内にも形成されていてもよい。

第１リング状チャンバを介して、少なくとも１つのオイル供給通路が、好ましくは弁の縦軸に対して、ほぼ平行に設けられている第１縦孔と接続されている。第１縦孔は、弁体の領域に形成された中空室に開口しており、その結果、冷却オイルは、第１リング状チャンバと第１縦孔とを介して、冷却オイル通路構造から弁体の中空室へ運ばれる。

弁体の領域の中空室はさらに、好適には弁の軸に対して、ほぼ平行に設けられている第２縦孔と接続されている。当該第２縦孔は第２リング状チャンバに開口しており、当該第２リング状チャンバは第１リング状チャンバと同様に、弁軸と弁ガイドとの間に弁の軸に対して同心状に設けられることができ、かつ、少なくとも１つの冷却オイル排出通路と接続されている。好適には、冷却オイル排出通路は冷却オイルをエンジンオイル循環部に供給している。別の実施形態においては、冷却オイルが冷却オイル排出通路を介して再び冷却オイル循環に供給されるような、好ましくはオイル冷却部を有する冷却オイル循環が備えられていてもよい。第２リング状チャンバは第１リング状チャンバと同様に、シリンダーヘッド構造の弁軸内かガイド内、あるいは部分的に弁軸内にも弁ガイド内にも形成されていてよい。好適には、第２リング状チャンバは、第１リング状チャンバより上方に設けられている。

第１リング状チャンバと第２リング状チャンバの高さは、少なくとも弁のストロークに相当する。このとき、冷却オイル供給通路と冷却オイル排出通路および２つの縦孔に対する接続口は、弁の位置に関係なく当該通路や縦孔がそれぞれリング状チャンバと接続するように設けられている。加圧冷却オイルの体積流量に応じて、有利には、連続した冷却オイル搬送が行われ得る。

リング状チャンバの、提案された形態のさらなる利点は、当該リング状チャンバに関連して行われる、弁軸への直接の注油である。好ましくは、弁軸と弁軸のガイドとの間にパッキンが備えられており、当該パッキンは、好適には、弁軸とチャンバが行う相対運動において弁のストロークの際に通過される領域の上方もしくは下方に設けられている。上記のようなパッキンの結果、注油はガイドの特定領域に限定され、それによって冷却オイルの損失が軽減あるいは防止される。弁軸と弁ガイドとの間に環状に設けられたリング状チャンバを介しての冷却オイル供給という形態は、将来的に弁軸の摩滅を減少させることになる。

弁軸内の第１縦孔と第２縦孔とを通って流れる際に、同時に弁軸も冷却される。弁体の領域に設けられた中空室は、冷却効果を高めるために、弁体面の大部分にわたって広がっている。このとき特に有利なのは、中空室が、弁の軸に対して垂直な平面で、弁体面が最大に広がった場合の少なくとも３５％の面積を有している場合である。特に有利なのは、弁の軸に対して垂直な平面で、弁体面の大きさの少なくとも４５％に広がった場合であり、特に好ましいのは、少なくとも５５％に広がった場合である。好適には、弁の内壁の充分な強度を維持しつつ、中空室が、弁体の燃焼室に対向する側もしくは高い熱負荷を受ける弁座領域にできるだけ接近し、熱の迅速な排出と関連して、良好な熱伝導を可能にする。

本発明に従えば、そのために中空室には、冷却オイルの流れを誘導するための装置が備えられている。このような装置は、好ましくは流れに有利な中空室内壁の形態によって、および／あるいは中空室に設けられた誘導装置によって実現される。冷却オイルの流れを誘導するための上記のような装置は、好ましくは中空室の容積全体において流れを作り出し、当該流れは、冷却オイルの流速がほんの僅かであるかゼロである、いわゆるデッド・スポットの発生を減少あるいは防止する。

特に好ましい実施形態においては、中空室の形態は、ほぼ円環状の底面を備えており、中空室は、円環を一方の側でその半径に沿って分ける誘導装置を備えており、当該誘導装置に近接して冷却オイルが、それぞれ流入もしくは流出する。弁の軸の領域に設けられ、当該弁の軸に対して垂直で「Ｅ」の形、好ましくは丸みを帯びた「Ｅ」の形をした誘導装置が、ここでは特に有利であると証明されており、中央の横棒と上の横棒もしくは下の横棒との間の空間に、第１縦孔と第２縦孔への開口部がある。

上記のＥ形誘導装置の中央の横棒はブリッジとして実施されており、当該ブリッジは外壁にまで達して当該外壁と接合され、円環を一方の側でその半径に沿って分けている。このような形態においては、第１縦孔から出発してブリッジに沿って円環状の中空室の外壁に至る流れが形成される。冷却オイルは円環に沿ってブリッジの反対側にまで流れ、再びブリッジに沿って流れて、当該箇所で開口している第２縦孔へと戻っていく。デッド・スポットは、上記のような有利な形態においては、ほとんど形成されず、それゆえ均一な熱伝導が可能となる。

好ましくは、弁頭内の中空室は、嵌め込み式の蓋によって閉鎖されている。接合は好適には、材料接続的および／あるいは摩擦接続的な接合によって行われ、当該接合は、弁頭への熱や動力学的な大きな負荷を受け止める。このとき、嵌め込み式の蓋の材料は、好ましくは弁の原料と同じものであるが、蓋については、たとえば特に高温に耐えるか、あるいは耐食性の別の材質を用いることも可能である。同様に、材料接続的な接合とは別の方法で、嵌め込み式の蓋を弁に固定することが可能である。好適には、蓋も、当該蓋の、中空室に対向する側で流れに有利なように形成されており、蓋は、好ましくは、冷却オイルの流れを誘導するための装置も備えている。

シリンダーヘッド構造の、前記の形態によって、弁頭と弁軸の冷却の改善と、弁軸の注油の改善とが達成され、それによって部材の寿命の延長が達成される。弁体の冷却の改善によってさらに、燃焼温度の上昇が可能となり、それによって内燃機関の排ガス値の改善と性能向上とがもたらされる。

本発明のさらなる利点と特徴と応用の可能性とは、従属請求項と、図と関連した実施例の以下の記載とからもたらされる。部分的に概略化して示されるのは以下である。

本発明に係るシリンダーヘッド構造の、典型的な実施形態での排気弁領域における断面図である。 図１ａの排気弁を、線Ｂ‐Ｂの領域で切断した断面図である。 本発明に係るシリンダーヘッド構造における、排気弁のガイドの断面図である。

図１ａは、典型的なシリンダーヘッド構造１の一部、特にシリンダーヘッド内のガイド２に軸受けされている排気弁５の断面図を示している。弁５の縦軸と平行に、第１縦孔１１と第２縦孔１２とが設けられており、当該２つの縦孔はともに、弁体６の領域に設けられている中空室１３に対して開口している。弁５の弁体６に形成された中空室１３は、弁体６に圧入されている蓋１９と接合されている。

弁内の冷却オイルの流れは矢印で示されている。加圧された冷却媒体は、第１縦孔１１を通って中空室の流入領域１５に流れ込み、当該中空室で、誘導装置によって設定された流れの方向に沿って流出領域１６へと流れ、加熱された状態で、当該流出領域１６から第２縦孔１２を介して、中空室から流れ出る。

図１ｂは、図１ａで表された線Ｂ‐Ｂの領域で弁体６を切断した断面図を示している。ここでは、弁５の中心縦軸に対して垂直な平面における、中空室の円環状の形態が表されている。中空室１３は円環状に形成されており、円環はブリッジ２１によって一方の側で分けられている。ブリッジ２１は誘導装置２０の一部であり、当該誘導装置２０は、丸く面取りされた大文字のＥの形状(この図では、背中部分を下にして表されている)で形成されている。ブリッジ２１は誘導装置２０を、中空室１３の外側の壁と接続しており、当該外側の壁と一体的に形成されている。流入領域１５は、誘導装置２０の右側に表された２本の棒の間に設けられ、ブリッジ２１に対して開けており、その結果、冷却オイルは中空室１３に流れ込んだ後、ブリッジ２１に沿って弁体６の外壁へと流れ、ブリッジ２１の反対側の壁に至るまで時計回りに円環状に外壁に沿って誘導され、それからオイルは、壁に当接しながら沿って流出領域１６に流れ込んで、当該流出領域１６から第２縦孔１２を介して第２リング状チャンバに流出する。

図２は、弁への冷却オイルの供給と排出とが行われる、シリンダーヘッド構造１の領域の断面図を示している。加圧冷却オイルは、冷却オイル通路構造１４から冷却オイル供給通路１７を介して、第１縦孔１１と接続されている第１リング状チャンバ３１へと達する。このとき、第１リング状チャンバ３１は、当該第１リング状チャンバ３１が弁の全行程の間、冷却オイル供給通路１７と直接接続されているよう設けられている。弁に設けられた第１リング状チャンバは上の位置で示されているが、当該第１リング状チャンバの移動領域の外では、ガイドと弁との間の領域がＯリング３５によって密閉されており、冷却オイルが漏れ出すのを防ぐようになっている。

冷却オイル排出通路１８は、シリンダーヘッドハウジング内部にある冷却オイル供給部よりも上部に設けられている。ここでも、第２リング状チャンバ３２の移動領域がＯリング３５によって密閉され、冷却オイルが漏れ出すのを回避するようになっている。

２つのリング状チャンバ(３１と３２)の高さと構造は、弁６がストローク運動を行う間、当該２つのリング状チャンバが冷却オイル供給通路１７もしくは冷却オイル排出通路１８と連続的に接続されているよう選択されている。

典型的な実施形態においては、冷却オイル通路構造１４には、常に、圧力下にある冷却オイルが供給され、その結果、第１縦孔１１から弁体６内の中空室１３を介して第２縦孔１２への連続的な冷却オイルの流れが形成され、排気弁６の連続的な冷却がなされる。

１ シリンダーヘッド構造
２ ガイド
５ 弁
６ 弁体
１１ 第１縦孔
１２ 第２縦孔
１３ 中空室
１４ 冷却オイル通路構造
１５ 供給室
１６ 排出室
１７ 冷却オイル供給通路
１８ 冷却オイル排出通路
１９ 蓋
２０ 誘導装置
２１ ブリッジ
３１ 第１リング状チャンバ
３２ 第２リング状チャンバ
３５ Ｏリング

Claims (11)

1. シリンダーヘッド構造(１)、特に自己点火式内燃機関のためのシリンダーヘッド構造(１)であって、少なくとも１つの吸気弁と少なくとも１つの排気弁(６)とによって閉鎖可能な、少なくとも１つの吸気路と少なくとも１つの排気路とを有し、かつ
   加圧冷却オイルを供給するための、少なくとも１つの冷却オイル供給通路(１７)を有する冷却オイル通路構造(１４)と、
   少なくとも１つの吸気弁あるいは排気弁(６)の軸とガイド(２)との間にあり、少なくとも１つの冷却オイル供給通路(１７)と接続された、少なくとも１つの第１リング状チャンバ(３１)と、
   少なくとも１つの吸気弁あるいは排気弁(６)の軸とガイド(２)との間にあり、少なくとも１つの冷却オイル排出通路(１８)と接続された、少なくとも１つの第２リング状チャンバ(３２)と、を有するシリンダーヘッド構造において、
   前記第１リング状チャンバと前記第２リング状チャンバ(３１,３２)の高さが、少なくとも弁のストロークの高さに相当し、
   前記第１リング状チャンバ(３１)が、冷却オイルを前記弁軸を通って弁体(６)に運ぶための、前記弁軸内に設けられた第１縦孔(１１)と接続されており、
   前記弁体(６)が中空室(１３)を備え、該中空室(１３)は弁体面の大部分にわたって広がっており、かつ、冷却オイルの流れを誘導するための装置(２０)を備えており、
   前記弁軸内に設けられた第２縦孔(１２)が、冷却オイルを前記中空室(１３)から前記冷却オイル排出通路(１８)に運ぶための前記第２リング状チャンバ(３２)と接続されていることを特徴とするシリンダーヘッド構造。
2. 前記中空室(１３)が、弁の軸に対して垂直な平面で、弁体面の大きさの少なくとも３５％、好ましくは少なくとも４５％、特に好ましくは少なくとも５５％の面積を有していることを特徴とする請求項１に記載のシリンダーヘッド構造。
3. 前記中空室(１３)が、弁の軸に対して垂直な平面で、ほぼ円環状に形成されていることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載のシリンダーヘッド構造。
4. 前記冷却オイル通路構造を、冷却オイルが連続して貫流していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のシリンダーヘッド構造。
5. 弁(５)内の前記中空室(１３)が、嵌め込み式の蓋(１９)によって閉鎖されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のシリンダーヘッド構造。
6. 前記嵌め込み式の蓋(１９)が、該蓋(１９)が前記中空室に対向する側に誘導装置(２０)を備えていることを特徴とする請求項５に記載のシリンダーヘッド構造。
7. 前記第１リング状チャンバ(３１)が、前記シリンダーヘッド構造(１)の前記弁軸および／あるいは前記ガイド内に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のシリンダーヘッド構造。
8. 前記第２リング状チャンバ(３２)が、前記シリンダーヘッド構造(１)の前記弁軸および／あるいは前記ガイド内に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のシリンダーヘッド構造。
9. 前記第１リング状チャンバおよび／あるいは前記第２リング状チャンバ(３１,３２)が、上方および／あるいは下方への弁の移動方向において密閉されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のシリンダーヘッド構造。
10. 前記第２リング状チャンバ(３２)が、弁の閉鎖方向において、前記第１リング状チャンバ(３１)よりも上部に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のシリンダーヘッド構造。
11. 冷却オイルが、前記冷却オイル排出通路(１８)からエンジンオイル循環に供給されることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のシリンダーヘッド構造。

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