JP2016079979A - シリンダヘッドアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】 シリンダヘッドアセンブリを提供する。
【解決手段】 本発明は、複数の要素（１８、４４）が内部に配置されたハウジング（１２）と、ハウジング（１２）内に形成され、要素（１８）の少なくとも１つに割り当てられた光ダクト（２４）とを有する、内燃機関用のシリンダヘッドアセンブリに関し、光ダクト（２４）は、少なくとも１つの要素（１８）の温度（Ｔ）を求めるために、光ダクト（２４）を通り抜けた、少なくとも１つの要素（１８）からの赤外線（３０）を検出するように設計された赤外線検出器（２８）に割り当てられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の要素が配置されたハウジングと、ハウジング内に形成され、要素の少なくとも１つに割り当てられた光ダクトとを有する内燃機関用のシリンダヘッドアセンブリに関する。

本発明はまた、内燃機関のシリンダヘッドアセンブリの要素の温度を測定する方法に関する。

最後的に、本発明は、エンジンブロックを有する自動車用の内燃機関に関し、エンジンブロックは、少なくとも、１つのシリンダおよび１つのピストンを有する。

自動車工学の分野では、法的規制および顧客要求は、消費量が少ない内燃機関と、増大し続ける特定のエンジン出力をもたらした。出力密度がそのように増大することで、熱エネルギが増大し、上記熱エネルギは、廃熱として、燃焼室から冷却システムおよび周囲環境に排出される。熱の排出がこのように増大することにより、内燃機関の多数の構成要素の熱負荷も増大し、特に、ピストン、弁、シリンダヘッド、排気ガスマニホルド、およびターボチャージャなどの要素に増大した熱負荷がかかる。

増大した熱負荷は、エンジンの信頼性を保証するために、通常、冷却作用の強化、構造上の対策によって、およびより高品質の材料を使用することで抑制される。これに関連して、構造上の対策は、通常、コスト効率がより高く、高品質の材料はより高価であるが、より低い構造上の複雑性を伴う。

したがって、特定の温度限界を超えないようにするために、内燃機関の開発時に、エンジンの実際の動作中の特定の要素に対する加熱作用、特に、エンジンの実際の動作中の弁に対する加熱作用を考慮に入れなければならない。任意の構造上の変更は、動作時に特定の構成要素の温度変化をもたらすこともあるので、開発段階で、特定の要素の温度を連続的に測定することが必要である。

エンジンの実際の動作中に、例えば、弁などの特定の要素の温度を測定するために、通常、材料硬度が変化することによって、結果として動作温度を得ることが可能になる特定の材料が使用される。さらに、動作中の温度分布を測定できるようにするために、内燃機関の特定の要素に熱素子が組み込まれる。

温度測定範囲が狭く、測定の精度が低く、かつ温度測定にかかる技術的な費用が高いことがこれらの方法の欠点である。それと同時に温度測定を、特定の環境下で、実際の条件のもとで行うことができず、結果として、同様に、測定した動作温度については不確実なものとなる。

したがって、本発明の目的は、実際の条件下での要素の正確な温度測定を可能にするシリンダヘッドアセンブリを使用可能にすることである。さらに、本発明の目的は、シリンダヘッドアセンブリの要素の温度を測定するための対応する、改良された方法を利用可能にすることである。

上記目的は、光ダクトに赤外線検出器を割り当てることで、冒頭に述べたシリンダヘッドアセンブリによって達成される。赤外線検出器は、少なくとも１つの要素の温度を求めるために、光ダクトを通り抜けた、少なくとも１つの要素からの赤外線を検出するように設計される。

上記目的は、シリンダヘッドアセンブリの要素の赤外線が光ダクトを通り抜けて検出されることで、冒頭に述べた方法によって達成される。光ダクトは、シリンダヘッドアセンブリのハウジング内に形成され、少なくとも１つの要素の温度が、赤外線に基づいて求められる。

シリンダヘッドアセンブリの測定される要素の赤外線が、光ダクトを通り抜けて、赤外線検出器によって検出されることで、無接触方式で温度を求めることができる。上記結果として、測定される要素を改造する必要がなくなり、実際の条件下で温度を測定することができる。さらに、高温計測定により、高いレベルの精度が得られ、同時に、要素の温度を求めることができる温度範囲が広くなり、上記結果として、シリンダヘッドアセンブリの測定される要素の温度を正確に求めることが可能である。

したがって、本発明の目的は完全に達成される。

１つの好ましい実施形態では、光ダクトは直線状のダクトとして具現化され、一方の軸方向端部に、少なくとも１つの要素に割り当てた開口を有する。

上記の結果、シリンダヘッドアセンブリの他の構成要素からの赤外線が測定に影響を及ぼすことなく、少なくとも１つの要素の赤外線を正確に検出することができる。

少なくとも１つの要素に対して、赤外線センサを気密した形で封止する透明封止要素が、光ダクト内に配置されるならば、それも好ましいことである。

上記の結果、例えば、排気ガスダクトなどの、圧力が激しく変動する領域に配置されたシリンダヘッドアセンブリの要素をわずかな技術的費用で測定することが可能である。

赤外線を集束させるように設計された光要素が、赤外線検出器に割り当てられるならば、それも好ましいことである。

上記の結果、赤外線が赤外線検出器上で集束するので、測定精度を改善することができる。

この場合に、光要素が光ダクト内に配置されるならば、それは特に好ましいことである。

上記の結果、赤外線の測定および集束を、測定される要素の近くで行うことができ、それと同時に、結果として、測定がさらに正確になる。

ガスダクト内の少なくとも１つの要素の温度を検出するために、光ダクトが、シリンダヘッドアセンブリのガスダクトに接続されるならば、それも好ましいことである。

上記の結果、他の方法では、間接的に、または非常に高い費用を伴うしか測定することができない、シリンダヘッドアセンブリの、特に、温度限界的な領域を測定することが可能である。

少なくとも１つの要素が、シリンダヘッドアセンブリの弁であるならば、それも好ましいことである。

上記の結果、シリンダヘッドアセンブリの、特に、温度限界的な可動要素を正確に測定することができる。上記の結果として、最適な開発が可能である。

例えば、弁内の中空溝からの赤外線が検出されるような方法で、赤外線検出器の測定点が、光ダクトを介して配置されるならば、それは、特に好ましいことである。上記の結果、弁の特に限界的な領域を測定することができ、相応して、温度を下げるための構造上の対策において、上記領域を考慮に入れることができる。

赤外線検出器が、光導波路を用いて、光ダクトに光学的に接続されるならば、それも好ましいことである。

上記の結果、赤外線検出器は、シリンダヘッドアセンブリから離れて設置することができる。結果として、測定機構全体が、熱負荷および埃の影響を受けづらくなる。

光導波路が、少なくとも、光ダクト内に配置されるならば、それも好ましいことである。

上記の結果、光導波路が、測定される要素の近くに配置されるので、赤外線測定に対する妨害を防止することができる。

光ダクトが直線状のチューブとして具現化され、気密性および液体密封性の側面を有することも好ましいことである。

上記の結果、光ダクトは、シリンダヘッド内で、オイルおよび／または冷却水用の空間を貫通して配置することができる。上記の結果として、接近するのが困難なシリンダヘッド内の位置でさえ、赤外線測定が可能である。

光ダクト内の光反射を防止するために、光ダクトの内面が、暗色の、および／または無光沢のコーティングを有するならば、それも好ましいことである。

総括すると、赤外線測定用の光ダクトを有する、本発明によるシリンダヘッドアセンブリは、任意の開発期間において、シリンダヘッドアセンブリの特定の要素の正確な温度測定を可能にし、上記の結果として、シリンダヘッドの要素の熱負荷に対する連続検査が可能である。温度測定が赤外線測定で行われるために、対応する被測定要素の構造による費用を増やす必要なく、広い温度範囲と、同時に、高い絶対温度とを検出することもできる。最終的に、赤外線測定は、エンジンの動作中に実測することができ、上記の結果として、実際に近い条件下での熱特性の検査が可能である。

勿論、上記の特徴部および引き続き説明される特徴部は、本発明の範囲から分かれることなく、特定の組み合わせに対してだけでなく、他の組み合わせまたは単独でも使用することが可能である。

本発明の例示的な実施形態が図面に示され、以下の説明において、さらに詳細に説明される。

温度を測定するための赤外線測定装置を有するシリンダヘッドアセンブリの概略図を示している。 赤外線温度測定用の光ダクトを有する内燃機関のシリンダヘッドアセンブリの断面斜視図を示している。 弁サイクル中のシリンダヘッドアセンブリの弁の温度グラフを示している。 エンジンの点火動作からオーバラン停止状態へ移行中のシリンダヘッドアセンブリの弁の温度グラフを示している。

図１は、シリンダヘッドアセンブリの部分概略図を示しており、シリンダヘッドアセンブリは全体として１０で示されている。シリンダヘッドアセンブリは、シリンダヘッドアセンブリ１０と外部との境界をなすハウジング１２を有し、動作中に相応して昇温するシリンダヘッドアセンブリ１０の複数の要素が、ハウジング１２内に収容されている。

シリンダヘッドアセンブリ１０は、図１に部分図で単に概略的に示したエンジンブロック１４に連結される。エンジンブロック１４は、少なくとも１つのシリンダ１６を有する。

シリンダヘッドアセンブリ１０は、燃焼ガスをシリンダ１６に供給するか、または排気ガスをシリンダ１６から排出するために、シリンダ１６の燃焼室を周期的に開閉する複数の弁を有する。図１は、シリンダ１６の排出弁としての弁１８の概略図である。前記弁１８は、シリンダ１６を排出ダクト２２に接続する排出開口２０を閉じる。

最新の内燃機関の出力密度は高いので、特に排出弁の熱負荷は非常に高く、上記の結果として、最終製品の動作時の過度に高い熱負荷を回避するために、内燃機関、特に、シリンダヘッドアセンブリの開発段階時に、排出弁の実際の動作温度を定期的に測定する必要がある。

図１では、シリンダヘッドアセンブリ１０は光ダクト２４も有する。上記光ダクト２４は、ハウジング１２内に形成され、弁１８に割り当てられた開口２６を有する。光ダクト２４は、通常、光ダクト２４を通り抜けた赤外線３０を検出するために、赤外線検出器２８に光学的に接続される。前記赤外線３０は、弁１８から放射される。赤外線検出器２８は、赤外線検出器２８を制御し、検出された赤外線３０に基づいて、弁１８の温度を求めるように設計された制御ユニット３２に接続されている。

光ダクト２４は、赤外線３０を赤外線検出器２８に送るために、図１に示す実施形態では、ガラスファイバケーブル３４を用いて、赤外線検出器２８に接続されている。上記場合に、ガラスファイバケーブル３４は、相応して、赤外線３０を受け取って伝えるために、開口２６の反対側に位置する端部３６で光ダクト２４に接続されている。

１つの代替的実施形態では、赤外線検出器２８は、赤外線を光ダクト２４の中で、または光ダクト２４で直接検出するために、光ダクトの端部３６に、または光ダクト２４の中に直接配置される。

赤外線センサ２８および／またはガラスファイバケーブル３４を高い排気ガス温度と、排出ダクト２２内のすす粒子と、対応する排気ガス逆圧とから保護するガラス要素３８は、光ダクト２４内に配置されている。ガラス要素３８は、サファイアガラスとして具現化されるのが好ましい。さらに、赤外線３０を集束させ、このように集束した赤外線３０をガラスファイバケーブル３４および／または赤外線検出器２８に送る集束要素４０が、光ダクト２４内に配置されている。

光ダクト２４は、通常、直線状のダクトとして具現化され、光ダクト２４を周囲環境から密封するために、側面が気密性および液体密封性である細長い円筒形チューブとして実装される。上記の結果、光ダクト２４はまた、オイルまたは冷却水が光ダクト２４に入ることなく、シリンダヘッドアセンブリ１０の既存のオイルシステムまたは冷却水システムを貫通して導入することができる。光ダクト２４は、排出ダクト２２に溶接されるのが好ましい。

光ダクト２４は、相応して、弁１８の中空溝の測定を可能にするために、弁１８の指向性移動に対して斜めに配置されている。これに関連して、光ダクト２４および開口２６は、相応して、赤外線３０が弁１８の測定点によって光ダクト２４の中に向けられ、相応して、測定点が、弁１８の測定される部分に形成されるように向きを合わされている。

光ダクト２４の内面４２と、測定対象および測定対象の周辺部分とには、内面４２と、測定対象および測定対象の周辺部分の表面とでの反射を防止するために、黒色または暗色のコーティングおよび／あるいは無光沢コーティングを設けることができるのが好ましい。

総括すると、シリンダヘッドアセンブリ１０および光ダクト２４、さらには赤外線検出器２８により、弁１８の温度は、エンジンの動作中に、確実かつ正確に検出することができ、上記の結果として、温度を連続的に、かつ確実に求めることが可能である。

もちろん、光ダクト２４および赤外線検出器２８を用いた測定装置は、シリンダヘッドアセンブリ１０の他の要素の温度測定も可能である。

図２は、エンジンブロック１４を含めたシリンダヘッドアセンブリ１０の概略的な断面斜視図を示している。同じ要素は同じ参照符合で示され、ここでは、特定の特徴部のみが説明される。

ここに示す断面図では、弁１８は、排出弁として示される。弁４４は、シリンダ１６用の吸気弁として示されている。光ダクト２４は、シリンダヘッドアセンブリ１０のハウジング１２を貫通して導入される。上記の結果として、開口２６は排出ダクト２２で終端する。それにより、弁１８からの赤外線３０は、開口２６および光ダクト２４を通って、ここでは図示していない赤外線検出器２８に送られ得る。光ダクト２４は、円筒形チューブとして具現化され、例えば、シリンダヘッドアセンブリ１０の水ジャケットを貫通して導入されている。光ダクト２４を形成する円筒形チューブは、排出ダクト２２に溶接される。上記の結果、排出ダクトの内部は、例えば、水ジャケットに対して封止される。ガラス要素３８は、開口２６から軸方向に距離を置いて、光ダクト２４内に配置される。上記の結果、ガラス要素３８の熱負荷は低減され、同時に、ガラス要素は、すす粒子から保護される。したがって、ガラス要素３８を通じた、連続する正確な測定が可能である。

ガラスファイバケーブル３４は、相応して、赤外線３０を赤外線検出器２８に送るために、集束要素４０を介して、光ダクト２４を形成する円筒形チューブに接続されている。上記実施形態では、赤外線検出器２８をハウジング１２から離して具現化および配置することで、赤外線検出器は、熱負荷および埃などから保護されている。

光ダクト２４を介した弁１８の温度測定により、任意の所望するシリンダヘッドアセンブリで測定を行うことができる。同時に、無接触測定により、高い温度勾配の正確な測定も可能になる。

１つの特定の実施形態では、相応して弁行程を検出する。上記弁行程を、検出した温度に関連付けるために、制御ユニット３２も、弁１８、４４のコントローラに接続される。

弁サイクルまたはカムシャフトの回転の間、赤外線検出器２８によって検出された弁１８の温度Ｔが、弁行程Ｈと共に図３に示されている。赤外線検出器２８を用いた測定装置により、特に、弁１８の開放プロセスの開始時に、強い温度勾配を測定することができる。さらに、弁１８の高い絶対温度を測定することができ、こうして、弁１８、４４の熱負荷の連続検出が可能になる。

上記場合に、赤外線３０に基づく無質量測定方法を使用することで、ここに図示した高い温度勾配を測定することができる。

図４は、６回の弁サイクルにわたる弁１８の検出温度Ｔを示す。弁１８が開かれた領域は、水平バー４６で示されている。図４では、最初の３回の弁サイクル中の最初の点火エンジン動作から、次の３回の弁サイクルのオーバラン停止状態への移行が示されている。図４に示すように、赤外線測定を用いて正確な温度検出を行うことができ、エンジンの点火動作時の高い温度勾配でさえ、測定することができる。

総括すると、上記温度測定により、赤外線検出器２８を用いたシリンダヘッドアセンブリ１０の要素の正確な温度測定を利用することが可能になる。

１０ シリンダヘッドアセンブリ
１２ ハウジング
１４ エンジンブロック
１６ シリンダ
１８ 要素
２２ ガスダクト
２４ 光ダクト
２６ 開口
２８ 赤外線検出器
３０ 赤外線
３４ 光導波路
３８ 透明封止要素
４０ 光要素
４４ 要素
Ｔ 温度

Claims (12)

1. 内燃機関用のシリンダヘッドアセンブリ（１０）であって、
   複数の要素（１８、４４）が内部に配置されたハウジング（１２）と、
   前記ハウジング（１２）内に形成され、前記要素（１８）の少なくとも１つに割り当てられた光ダクト（２４）と、
   を有し、前記光ダクト（２４）は、前記少なくとも１つの要素（１８）の温度（Ｔ）を求めるために、前記光ダクト（２４）を通り抜けた、前記少なくとも１つの要素（１８）からの赤外線（３０）を検出するように設計された少なくとも１つの赤外線検出器（２８）に割り当てられたことを特徴とするシリンダヘッドアセンブリ。
2. 前記光ダクト（２４）は、直線状のダクトとして具現化され、一方の軸方向端部に、前記少なくとも１つの要素（１８）に割り当てられた開口（２６）を有することを特徴とする、請求項１に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
3. 前記少なくとも１つの要素（１８）に対して前記赤外線センサ（２８）を気密した形で封止する透明封止要素（３８）が、前記光ダクト（２４）内に配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
4. 前記赤外線（３０）を集束させるように設計された光要素（４０）が、前記赤外線検出器（２８）に割り当てられることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
5. 前記光要素（４０）は、前記光ダクト（２４）内に配置されることを特徴とする、請求項４に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
6. 前記光ダクト（２４）は、ガスダクト（２２）内の前記少なくとも１つの要素（１８）の温度を検出するために、前記シリンダヘッドアセンブリ（１０）の前記ガスダクト（２２）に接続されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
7. 前記少なくとも１つの要素（１８）は前記シリンダヘッドアセンブリ（１０）の弁（１８）であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
8. 前記赤外線検出器（２８）は、光導波路（３４）を用いて、前記光ダクト（２４）に光学的に接続されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
9. 前記光導波路（３４）は、前記光ダクト（２４）内に少なくとも部分的に配置されることを特徴とする、請求項８に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
10. 前記光ダクト（２４）は、直線状のチューブとして具現化され、気密性および液体密封性の側面を有することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
11. 内燃機関のシリンダヘッドアセンブリ（１０）の要素（１８）の温度を測定する方法であって、前記シリンダヘッドアセンブリ（１０）の要素（１８）の赤外線（３０）は、光ダクト（２４）を通り抜けて検出され、前記光ダクト（２４）は、前記シリンダヘッドアセンブリ（１０）のハウジング（１２）内に形成され、前記少なくとも１つの要素（１８）の温度（Ｔ）は、前記赤外線（３０）に基づいて求められる、方法。
12. 少なくとも、１つのシリンダ（１６）および１つのピストンを有するエンジンブロック（１４）を有する自動車用の内燃機関であって、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のシリンダヘッドアセンブリ（１０）を有する自動車用の内燃機関。

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