JP2020521914A - バルブシートリング冷却を伴うシリンダヘッド - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つのシリンダを備えた内燃機関のためのシリンダヘッド（１）であって、行程バルブのための少なくとも１つのバルブシートリング（５）を備える。バルブシートリング（５）に環状の冷却通路（６，６’）が対応配置され、冷却通路（６，６’）は少なくとも、流入通路（７，７’）の少なくとも１つの流入開口（７０，７０’）と、流出通路（８，８’）の少なくとも１つの流出開口（８０，８０’）との間で少なくとも部分的にバルブシートを取り囲むように延びる。流入通路（７，７’）および流出通路（８，８’）がシリンダの同一の側に配置される。バルブシートの一層良好な冷却および一層簡単な製造のため、流入通路（７，７’）が流入開口（７０，７０’）を介して接線方向で環状の冷却通路（６，６’）に開口し、流出通路（８，８’）が流出開口（８０，８０’）を介して、接線方向で環状の冷却通路（６，６’）から分岐する。

Description

本発明は、少なくとも１つのシリンダを備えた内燃機関のためのシリンダヘッドであって、行程バルブのための少なくとも１つのバルブシートリングを備えており、このバルブシートリングに環状の冷却通路が対応配置されており、この冷却通路は少なくとも、流入通路の少なくとも１つの流入開口と、流出通路の少なくとも１つの流出開口との間で少なくとも部分的にバルブシートを取り囲むように延びており、流入通路および流出通路がシリンダの同一の側に配置されている、シリンダヘッドに関する。

今日の高出力型の内燃機関は、たとえば排気バルブシート間の排気バルブブリッジの領域に、高い熱負荷にさらされる領域を有している。この領域は、特に熱変形ひいては高められたバルブの摩耗に関する危険をはらんでいる。

この問題に対処するために、バルブシートは環状に延びる冷却通路、すなわちバルブシートリング冷却部により取り囲まれて、流入部と流出部との間に、バルブシートを取り囲む冷却媒体流が形成される。

本出願人のオーストリア国特許発明第５１３２６２号明細書には、流入部および流出部が同一のシリンダ側に形成されていて、バルブシートが少なくとも２８０°の角度範囲内で周流される解決手段が示されている。流入部と流出部との間で生じる短絡流は、絞り箇所により制限される。これにより、一方では、短絡流の領域に、冷却されない熱ブリッジが形成されて、局所的な過熱および熱応力が生じることが阻止され、他方では、冷却媒体の大部分がバルブシートを長い経路で周流する。この解決手段における欠点は、特に互いに平行に延びるように構成されていて、半径方向でバルブシートリング冷却部に衝突する流入通路および流出通路の構成であり、これにより、よどみ箇所および阻害された流入が生じてしまう。また、製造中に絞り箇所を形成することも付加的な手間となる。

したがって、本出願人のオーストリア国特許発明第５１３７４６号明細書には、複数の流入部が設けられていて、シリンダ中心の方向、特にシリンダ中心に配置されたインジェクタの方向に延びる流出部が、複数の流入部と反対の側に位置していることが提案されている。これらの流入部は、バルブシートリングの子午面に関して非対称に配置されている。これにより、バルブシートリング内で非対称の流れが生じ、これにより、高い熱負荷にさらされる領域を特に効果的に冷却することができる。この構成には、特に流入部間の不十分な短絡流と、特に大型エンジンにおいてインジェクタ領域に設けられた流出孔により生じる強度損失とに欠点がある。

したがって、本発明の課題は、先行技術の上述の欠点を回避し、バルブシートリングの一層均一な冷却を可能にし、バルブの摩耗を低減することである。

この課題は、冒頭で述べた形式のシリンダヘッドにおいて、本発明により、流入通路が、流入開口を介して、好適には略接線方向で環状の冷却通路に開口しており、周流路、つまり、バルブシートの環状の冷却通路の、流入開口と流出開口との間における長い方の周流領域が、流入開口を起点として、１９５°〜３４５°の角度範囲にわたって延びており、流出通路が、流出開口を介して、接線方向と半径方向との間の角度範囲内で環状の冷却通路から分岐していることにより解決される。

換言すると、冷却媒体は、バルブシートリングの環状の冷却通路に対して同一のシリンダ側で供給も排出もされる。流入通路と流出通路とは、バルブシートリングを１９５°〜３４５°の角度範囲にわたって周流する。記載した角度範囲は、絶対値であり、バルブシートリングが時計回りで通流されるか、または反時計回りで通流されるかとは無関係である。

略接線方向での冷却媒体の流入により、減じられた圧力損失と、流入通路−環状の冷却通路の交点における可能な限り大きな横断面積が確保される。流出通路の本発明による方向付けにより、環状の冷却通路における流れ状態の調整が可能にされる。

本発明の変形例では、環状の冷却通路が、バルブシートリングを完全に取り囲んで延びており、流れ方向で、周流路が流入開口と流出開口との間に延びていて、短絡路が流出開口と流入開口との間に延びている。これにより、完全な周流と、バルブシートリングの冷却とが可能にされる。

本発明により、バルブシートリングの高い熱負荷にさらされる領域のさらに効率的な冷却が可能となる。なぜならば、流入および流出が小さな圧力損失で行われるからである。この理由から、流入開口と流出開口との間の短い接続部におけるバイパス路内に少ない短絡流しか形成されず、この短絡流を抑制するための付加的な手段が不要となる。この手段は、しばしば、付加的な材料によりますます局所的な過熱を引き起こすという欠点を有している。流出通路の、接線方向と半径方向との間で選択された方向付けにより、バイパス路内の冷却媒体流は、シリンダヘッドのそれぞれの使用に適合され、この領域の十分な冷却を達成することができる。

同時に、製造が著しく簡略化される。なぜならば、先行技術における解決手段とは異なり、標準加工法、たとえば流入通路および流出通路の孔あけ加工が使用されるからである。この場合、ヘッドへのフライス削りのような複雑な加工は必要とならない。

したがって、本発明は、バルブシートの最適な冷却を最小限の製造手間で可能にする。

本発明の変形例では、流入通路の長手方向中心軸線および／または流出通路の長手方向中心軸線が、バルブシートの環状の冷却通路の内側の通路壁に対して接線方向に延びている。したがって、圧力最適化された流入および流出が可能であり、乱流を減少させることができるかもしくは完全に阻止することができる。

本発明に係るシリンダヘッドの特に簡単な製造を可能にするために、流入通路および流出通路が１つの共通の第１の平面内で延びている。したがって、たとえば孔あけ時に手間をかけて孔あけ機器を移動させ、新たに位置調整する必要はない。同時に、シリンダ長手方向軸線に沿った方向において、通路により最小限の材料厚さにしか影響が与えられない。

本発明の変形例では、流入通路が第１の平面内で延びていて、流出通路が第２の平面内で延びている。第１の平面は第２の平面とは異なる。これにより冷却流に付加的な方向を与えることができる。

有利には、第１の平面が第２の平面に対して平行に延びている。これにより、同様に比較的簡単な製造を確保することができる。なぜならば、たとえば孔あけ時に位置調整ステップがほとんど必要とならないからである。

提供されているスペースを、シリンダヘッドでも、製造時にも良好に使用することは、第１の平面および／または第２の平面がシリンダヘッドガスケット平面に対して平行である場合に達成することができる。

本発明の別の変形例では、少なくとも流出通路が、シリンダヘッド冷却ジャケットに接続されている。したがって、流入通路およびシリンダヘッド冷却ジャケットに種々異なる圧力レベルを加えることにより、有利な流れ特性を容易に達成することができる。冷却は、トップダウン式にも、シリンダブロックからシリンダヘッドに向かう方向にも可能である。

シリンダヘッド内に、対応する２つのバルブ開口を備えた少なくとも２つの行程バルブが設けられている場合、流入通路が、バルブシートの、バルブ開口間のバルブブリッジに面した側に配置されていると、高い熱負荷にさらされる領域の特に良好な冷却が確保される。対応する排気バルブ開口を備えた２つの排気バルブと、対応する吸気バルブ開口を備えた２つの吸気バルブとが設けられており、少なくとも、排気バルブ開口のバルブシートリングの環状に延びる冷却通路への流入通路が、バルブシートリングの、排気バルブブリッジに面した側に配置されている場合にも同様のことが達成される。

本発明の更なる詳細、特徴、利点は、図面に概略的に図示された、限定するものではない実施例の以下の説明から明らかになる。

図７のＩ―Ｉ線に沿ったシリンダヘッドの水平方向の断面を上から見た平面図である。 図１に示したシリンダヘッドの部分側面図である。 図２に示したＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ったシリンダヘッドの水平方向の断面を燃焼室側の上から見た部分平面図である。 図１に示したＩＶ−ＩＶ線に沿ったシリンダヘッドの垂直方向の部分断面図である。 図１に示したＶ−Ｖ線に沿ったシリンダヘッドの垂直方向の部分断面図である。 図１に示したＶＩ−ＶＩ線に沿ったシリンダヘッドの垂直方向の部分断面図である。 図１に示したＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿ったシリンダヘッドの垂直方向の部分断面図である。 図３に示したシリンダヘッドの水平方向の断面を燃焼室側の上から見た部分平面の概略図である。

以下の図面において、見易くするために同一のエレメントは同一の参照符号で示してある。

図面は、図示された実施例において、内燃機関の少なくとも１つのシリンダに対するシリンダヘッド１を部分的に示している。図１の図面によれば、シリンダヘッドは、行程バルブとして形成された２つの吸気バルブおよび２つの排気バルブを備えている。図面には、それぞれのバルブのための排気バルブ開口２ａ，２ｂおよび吸気バルブ開口３ａ，３ｂが、一部、対応するバルブ軸線と共に図示されている。当然のことながら本発明はより少ないバルブを備えたシリンダにも使用可能である。シリンダの中心には、たとえばインジェクタ装置のための中心開口４としての別の開口が１つ設けられている。

図４〜図７から判るように、少なくとも排気バルブ毎に、１つのバルブシートリング５がシリンダヘッド１内に配置されていて、たとえば圧入されているか、接着されている。シリンダヘッド１内に圧入または接着されたバルブシートリング５は、冷却媒体のための環状の冷却通路６，６’により取り囲まれている。この冷却通路６，６’は、少なくとも流入通路７，７’の（バルブ側の）流入開口７０，７０’と、流出通路８，８’の（バルブ側の）流出開口８０，８０’との間で、少なくとも部分的にバルブシートを取り囲んで延びている。冷却通路６，６’は、完全にバルブシートリング５内で延びているか、または図示された実施例のように、一部はシリンダヘッド１内に加工されていて、一部はバルブシートリング５内に形成されていてよい。冷却通路６，６’は、完全にシリンダヘッド１内に加工されていてもよい。

冷却媒体は、シリンダ／シリンダヘッド１の外側から、流入通路７’を介して供給され（図４）、流入開口７０’（図５）を介して環状の冷却通路６’に流入し、流出開口８０’（図６）において冷却通路６’から流出通路８’（図７）へと流出し、この流出通路８’からさらに流れる。図示された実施例では、環状の冷却通路６，６’が、バルブシートリング５を完全に取り囲んで延びている。この場合、冷却媒体が環状の冷却通路６，６’を長い経路で周流する周流路９０，９０’と、短絡路９１，９１’、つまり流入開口７０，７０’と流出開口８０，８０’との間の最短の接続部とが存在している。図２から判るように、流入通路７，７’および流出通路８，８’は、たとえばシリンダヘッド１の側面を起点とする孔により形成されている。有利には、流入通路７，７’および流出通路８，８’は、シリンダの同一の側、本実施例では排気側に配置されている。

流入開口７０と流出開口８０との間のバルブシートリング５の中心点角度α（図１）が１８０°よりも小さく、有利には１００°よりも小さいと、周流路９０，９０’と短絡路９１，９１’とのバランスの取れた比、ひいては良好な周流および冷却を達成することができる。中心点角度αは、バルブシートリング中心点５０と、流入通路７、特に流入通路の長手方向中心軸線（流入長手方向中心軸線７７）が環状の冷却通路６もしくは冷却通路６の外面６１にぶつかる点とを結ぶ半径方向の線と、バルブシートリング中心点５０と、流出通路８、特に流出通路の長手方向中心軸線（流出長手方向中心軸線８８）が環状の冷却通路６もしくは冷却通路６の外面６１にぶつかる点とを結ぶ半径方向の線との間の角度である。環状の冷却通路の、流入開口７０，７０’と流出開口８０，８０’との間における長い方の冷却媒体周流領域、すなわち周流路９０の領域は、バルブシートリング５の周囲で３６０°−αの角度範囲にわたって延びている。本発明にあっては、この角度範囲は１９５°〜３４５°である。周流路９０，９０’のこの角度範囲により、シリンダヘッド１の熱に関して問題となる領域からの可能限り良好な放熱を行うことができることが判った。

つまり、図示された実施例では、一方では、両方の開口７０，７０’，８０，８０’の間で短絡路９１，９１’において短絡流が生じ、他方では、バルブシートを長い経路で取り囲む周流路９０，９０’において冷却流が生じる。

特に図３から判るように、流入通路７，７’は、図示された実施例では、流入開口７０を介して環状の冷却通路６，６’に接線方向で開口している。接線方向とは、本開示の枠内では、流入通路７，７’／流出通路８，８’の要素と環状の冷却通路６，６’とが製造公差範囲内において１つの点で接触することを意味している。このことは、たとえば、流入通路７，７’／流出通路８，８’の、それぞれのバルブシートのバルブ軸線もしくはバルブシートリング中心点５０，５０’から遠い方の面が、環状の冷却通路６，６’の、同様にバルブ軸線もしくはバルブシートリング中心点５０，５０’から遠い方の面（外面６１，６１’）に１つの点で接触するか、または流入通路７，７’／流出通路８，８’の、バルブ軸線もしくはバルブシートリング中心点５０，５０’に近い方の面が、環状の冷却通路６，６’の、同様にバルブ軸線もしくはバルブシートリング中心点５０，５０’に近い方の面（内面６２，６２’）に１つの点で接触することを意味している。

図示された変形例では、流入長手方向中心軸線７７，７７’が、バルブシートの環状の冷却通路６，６’の内側の通路壁（内面６２，６２’）に対して接線方向に延びていて、これにより、この内側の通路壁に１つの点で接触する。流出通路８，８’は、流出開口８０を介して環状の冷却通路６から分岐している。流出長手方向中心軸線８８は、図示された実施例では、同様に環状の冷却通路６の内側の通路壁６２に対して接線方向に延びている。したがって、流入開口７０，７０’および流出開口８０，８０’の形状は、それぞれ略楕円形である。

接線方向の流入および流出は、乱流を少なくして冷却を良好にする周流を周流路９０，９０’において可能にすると同時に、少ない圧力損失が達成され、これにより短絡路９１，９１’において短絡流が少なく維持される。したがって、流入開口７０，７０’と流出開口８０，８０’との間の短絡流範囲の冷却が確保されているにもかかわらず、流入開口７０，７０’と流出開口８０，８０’との間の周流路９０，９０’に、バルブシートリング５において高い熱負荷にさらされる領域の冷却のための十分な冷却媒体が残される。

本発明によれば、流出通路８，８’を接線方向と半径方向との間の角度範囲内で環状の冷却通路６から分岐させることができる。接線方向とは、ここでは流出通路８，８’内の流れ方向が冷却通路６内の流れ方向に一致している、つまり角度が０°であることを意味している。半径方向とは、ここでは冷却通路６内の流れ方向と流出通路８，８’内の流れ方向との間の角度が９０°であることを意味している。

流出通路と、流出開口８０，８０’の領域における冷却通路６内の流れ方向との間の角度の変更により、圧力状況、特に周流路９０，９０’と短絡路９１，９１’との間の冷却媒体量を調整し、それぞれの用途に対して冷却作用を最適化することができる。

有利な冷却作用は、図示された実施例では特に、流入通路７，７’が、バルブシートリング５の、排気バルブ間の１つのバルブブリッジ１００に面した側に配置されているかもしくは開口していることによっても得られる。特に排気側のバルブブリッジ１００の領域に高い熱負荷が生じるので、この領域で新たに供給される比較的低い温度を有する冷却媒体が特に良好な作用を発揮することができる。より少ないバルブを備えた変形例でも、流入通路７，７’がバルブブリッジ１００の側で延びていると有利である。

図８は、流入通路７’が環状の冷却通路６に開口していて、流出通路８’が再び延出しているところの図を示している。この場合、流入通路７’の流入部において０°を示す角度スケールが図示されており、流出通路８’からの流出は２２５°〜２７０°で行われ、したがって１９５°〜３４５°の本発明の範囲で周流が生じる。流出通路８’の方向は、接線方向と半径方向との間にある。つまり流出角度βは、０°（接線方向の延び）と９０°（半径方向の延び）との間にある。実線で図示された流出通路８’は、極めて緩やかな傾きの延びを有している一方で、破線で図示された流出通路８’は、９０°に近い角度βで延びている。排気バルブ開口２ａ，２ｂのバルブシートリング中心点５０の間に、バルブ接続線２００が図示されている。

たとえば図３に図示されている実施例において、流入通路７，７’および流出通路８，８’は、１つの共通の第１の平面内で延びていて、第１の平面は、紙面にある。したがって、たとえば孔あけ機器の迅速な位置決めによる孔あけ時または孔あけ用コアの簡単な挿入による鋳造時に簡単な製造が確保される。本発明の変形例では、流入通路７，７’がバルブシート毎に第１の平面内で延びていて、流出通路８，８’が第２の平面内で延びている。図４は、破線で示された流出通路８’を備えたこの変形例を示している。この流出通路８’は、シリンダヘッドガスケット平面１１０の方向に僅かにずらされている。第１の平面は、紙面に対して垂直に延びていて、流入長手方向中心軸線７７’と一致する。第２の平面は同様に紙面に対して垂直に延びていて、流出長手方向中心軸線８８’と一致する。ここで、第１の平面は第２の平面に対して平行であり、両平面はシリンダヘッドガスケット平面１１０もしくはバルブシートリング平面５００（たとえば図６を参照）に対して平行である。バルブシートリング平面５００は、バルブシートリング５により定義され、図示された実施例ではシリンダヘッドガスケット平面１１０に対して平行に延びている。確認できる通り、第１の平面および第２の平面は、図示された実施例では同様にバルブ軸線５５に対して垂直に延びている（図５〜図７を参照）。図７に図示されている別の変形例では、第１の平面が第２の平面に対して斜めに延びている。この構成は、破線で図示された流入通路７’により確認できる。両平面は、紙面に対して垂直であり、第１の平面は流入長手方向中心軸線７７’と一致し、この流入長手方向中心軸線７７’により図示されており、第２の平面は、流出長手方向中心軸線８８’と一致し、この流出長手方向中心軸線８８’により図示されている。

図１〜図３、特に図７において確認できるように、流出通路８，８’は、シリンダヘッドガスケット平面１１０の方向に引き下ろされたシリンダヘッド冷却ジャケット１２０に接続されている。このシリンダヘッド冷却ジャケット１２０は、２つのシリンダヘッド冷却ジャケットが存在している場合、たとえば上側（つまりシリンダヘッドガスケット平面１１０から離された）シリンダヘッド冷却ジャケットであってよい。流出通路８，８’の、バルブシートリング５から離れる方向に案内された領域は、シリンダヘッド冷却ジャケット１２０との接続後に、シリンダヘッド１の外面において栓体１３０，１３０’により閉鎖されている。

当然ながら、流出通路８，８’が上側のシリンダヘッド冷却ジャケット１２０との接続なしに、シリンダヘッド１の外面へと案内される変形例も可能である。たとえば、バルブシート冷却は、別個の冷却回路によって行うこともできる。

したがって、本発明は、簡単に製造可能であると共に複雑な加工ステップを必要とすることなく、バルブシートの最適かつ乱流の少ない冷却を可能にする。本発明における周流路９０，９０’の角度範囲と、流出通路の角度とにより、バルブシート５，５’の最適な冷却と、短絡路をも通る完全な周流とを達成することができる。

Claims (9)

1. 少なくとも１つのシリンダを備えた内燃機関のためのシリンダヘッド（１）であって、行程バルブのための少なくとも１つのバルブシートリング（５）を備えており、該バルブシートリング（５）に環状の冷却通路（６，６’）が対応配置されており、該冷却通路（６，６’）は少なくとも、流入通路（７，７’）の少なくとも１つの流入開口（７０，７０’）と、流出通路（８，８’）の少なくとも１つの流出開口（８０，８０’）との間で少なくとも部分的にバルブシートを取り囲むように延びており、前記流入通路（７，７’）および流出通路（８，８’）が前記シリンダの同一の側に配置されている、シリンダヘッド（１）において、
   前記流入通路（７，７’）が、前記流入開口（７０，７０’）を介して、好適には略接線方向で前記環状の冷却通路（６，６’）に開口しており、
   周流路（９０，９０’）、つまり、前記バルブシートの前記環状の冷却通路（６，６’）の、前記流入開口（７０，７０’）と前記流出開口（８０，８０’）との間における長い方の周流領域が、前記流入開口（７０，７０’）を起点として、１９５°〜３４５°の角度範囲にわたって延びており、前記流出通路（８，８’）が、前記流出開口（８０，８０’）を介して、接線方向と半径方向との間の角度範囲内で前記環状の冷却通路（６，６’）から分岐していることを特徴とする、シリンダヘッド（１）。
2. 前記環状の冷却通路（６，６’）が、前記バルブシートリング（５）を完全に取り囲んで延びており、流れ方向で、前記周流路（９０，９０’）が前記流入開口（７０，７０’）と前記流出開口（８０，８０’）との間に延びていて、短絡路（９１，９１’）が前記流出開口（８０，８０’）と前記流入開口（７０，７０’）との間に延びている、請求項１に記載のシリンダヘッド（１）。
3. 前記流入通路（７，７’）の長手方向中心軸線（７７，７７’）および／または前記流出通路（８，８’）の長手方向中心軸線（８８，８８’）が、前記バルブシートの前記環状の冷却通路（６，６’）の内側の通路壁（６２，６２’）に対して接線方向に延びている、請求項１または２に記載のシリンダヘッド（１）。
4. 前記流入通路（７，７’）および前記流出通路（８，８’）が１つの共通の第１の平面内で延びている、請求項１から３までのいずれか１項に記載のシリンダヘッド（１）。
5. 前記流入通路（７，７’）が第１の平面内で延びていて、前記流出通路（８，８’）が第２の平面内で延びていて、好適には前記第１の平面が前記第２の平面に対して平行である、請求項１から３までのいずれか１項に記載のシリンダヘッド（１）。
6. 前記第１の平面および／または前記第２の平面が、バルブシートリング平面（５００）に対して平行である、請求項４または５に記載のシリンダヘッド（１）。
7. 少なくとも前記流出通路（８，８’）が、シリンダヘッド冷却ジャケット（１２０）に接続されている、請求項１から６までのいずれか１項に記載のシリンダヘッド（１）。
8. 少なくとも２つのバルブ開口（２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ）が設けられており、前記流入通路（７，７’）が、前記バルブシートの、前記バルブ開口（２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ）間のバルブブリッジ（１００）に面した側に配置されている、請求項１から７までのいずれか１項に記載のシリンダヘッド（１）。
9. ２つの排気バルブ開口（２ａ，２ｂ）および／または２つの吸気バルブ開口（３ａ，３ｂ）が設けられており、少なくとも、前記排気バルブ開口（３ａ,３ｂ）の前記バルブシートリング（５）の環状の冷却通路（６，６’）への前記流入通路（７，７’）が、前記バルブシートリング（５）の、排気バルブブリッジ（１１０）に面した側に配置されている、請求項１から８までのいずれか１項に記載のシリンダヘッド（１）。

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