JP6307102B2 - シリンダヘッド - Google Patents

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Description

本発明は、請求項１の特徴部分に記されている特徴を有するシリンダヘッドに関する。
所定のボア（内径）（約１５０ｍｍ）を超えると、（ガス）内燃機関に点火増強用の予燃焼室が取り付けられる。予燃焼室内へ突き出す点火源は、そこに存在しかつフラッシュ式予燃焼室の場合には比較的高濃度である混合気に点火し、これにより、点火フレアが予燃焼室から主燃焼室へ移ってそこに存在する混合気に点火する。
予燃焼室へ燃料を供給する設計概念は、様々なものが存在する。非フラッシュ式の予燃焼室の場合、混合気は、圧縮行程において主燃焼室から予燃焼室内へと推進される。
フラッシュ式予燃焼室の場合には、予燃焼室に燃料が追加的に供給される可能性もある。この別々の燃料供給は、予燃焼室のガスバルブによって実行される。このバルブは、シリンダヘッド内へ直に、またはスパークプラグ・スリーブ内に配置されることが可能である。
記載する一般的な種類のシリンダヘッドは、最新技術から既知である。したがって、特許文献１（キャタピラモトーレン社）は、ガスが通路（３）を通って流れ込む予燃焼室を有するガス機関を開示している。例示されているガス機関のシリンダヘッド（１）は、フラッシュ式予燃焼室（２）と、燃焼室（４）に点火エネルギー用のガスを供給するための別個のガス供給路（３）とを有し、通常の点火プロセスは、スパークプラグ（８）によって実行される。ガス供給路（３）内には、受容領域（６）にソレノイドバルブ（５）が配置され、出口は、燃焼室（４）へと直に開放されている。
特許文献２（ヤンマーディーゼルエンジン株式会社）は、燃料ガスが通路（１８）を通って供給される予燃焼室ガスバルブを開示している。ガスは、互いに対向するボアを通って中空空間（１３８）へ入り、バルブが開放されると、中空空間（１３８）から予燃焼室内へ入っていく。ここに示されている配置の欠点は、必要とされる空間が増量されること、ならびに、コンポーネントのアラインメント（ガスの貫通流を保証するための角度方向の位置補正）関連の複雑さおよび費用にある。
特許文献３は、本体と、バルブばねと、バルブニードルと、ガスが供給される下部空洞とを有するバルブを示している。また、内部にバルブばねが配置される上部空洞も存在する。ガスは、側面からバルブへ供給される。半径方向に方向づけられるボア（内面、穴）は、かなり狭い環状通路へと繋がる。半径方向に方向づけられるボアは、ここから、バルブニードルに至る。
特許文献４には、二部構成のバルブ本体と、バルブばねと、バルブニードルとを備える予燃焼室のガスバルブが開示されている。ガスは、下部空洞へ供給され、かつバルブばねは、上部空洞内に位置決めされる。この場合もやはり、ガスは、半径方向のボアを介してバルブハウジングに至り、狭い環状通路を通っていく。
独国特許出願公開第１０２００４０１６２６０号明細書 欧州特許第０４８０５４５号明細書 日本国特開平０４１７１２５６号公報 米国登録特許第２，６６７，１５５号明細書
本発明の目的は、最新技術を凌ぐ改良されたシリンダヘッドを提供することにある。
この目的は、請求項１に記載されているシリンダヘッドによって達成される。効果的な構成は、従属請求項に列挙されている。
本発明によるシリンダヘッドは、予燃焼室のガスバルブを受け入れるための空洞を備え、実質的にまたは完全に予燃焼室ガスバルブを囲んで延びるリセス（凹部）は、空洞の壁と共に、予燃焼室ガスバルブを包囲する環状通路を形成し、環状通路は、予燃焼室ガスバルブへ燃焼ガスを供給するための少なくとも１つのガス供給路へ連接され、環状通路は、予燃焼室ガスバルブの下部空洞と、少なくとも１つの傾斜したガス通路によって連接される。
本発明の優位点は、具体的には、下記の通りである。
−燃焼ガスが環状通路を通って予燃焼室ガスバルブへ流れ込む方式は、流れ特性の観点から好ましい、
−追加的なガス通路が存在しないコンパクトな配置による、バルブ本体の中実構造、
−（２つ以上の通路による）ガス供給路を通る横方向の吸気流であっても可能なバルブ下部空洞における対称性、および、
−設置に際して、長手軸に対する予燃焼室ガスバルブの角度位置を画定する必要がないこと。
好ましくは、バルブ本体の対称性に関するガス通路の角度は、２０゜から７０゜までの間と規定することができる。このガス通路のこうした位置合わせにより、中実構造に起因して、予燃焼室ガスバルブの特に高い安定性を達成することができる。さらに、鋭角が存在しないという事実により、供給されるガスの流体状態を最適化することができる。このようなガス通路を製造するために、環状通路の片側は（バルブ本体へ向かって）傾斜される、と規定することができる。例えば、環状通路の傾斜側は、ガス通路の軸に対して垂直であることが可能である。これにより、製造時のボアの穴あけが容易となる。特に好ましい実施形態では、バルブ本体の対称軸に対するガス通路の角度は、２０゜から３０゜までの間と規定することができる。
好ましくは、環状通路は、予燃焼室ガスバルブの下部空洞へ、２つから６つまでのガス通路によって連接される、と規定することができる。これにより、流体品質ならびに時間的品質の双方に関連して、予燃焼室ガスバルブの下部空洞の最適な充填を実現することができる。さらには、これにより、バルブ本体内部で略対称の流れが達成される。
好ましくは、スパークプラグ・スリーブは、予燃焼室ガスバルブと共に環状通路を形成する空洞の壁がスパークプラグ・スリーブの壁によって形成されるように、シリンダヘッドに嵌合される、と規定することができる。これは、予燃焼室ガスバルブがシリンダヘッドへ直に嵌合されず、スパークプラグ・スリーブ内に配置される状況を説明している。
また、予燃焼室ガスバルブと共に環状通路を形成する空洞の壁は、シリンダヘッド自体の壁によって形成される、と規定することもできる。この場合、予燃焼室ガスバルブは、シリンダヘッドへ直に、換言すれば、スパークプラグ・スリーブによることなく嵌合される。
予燃焼室ガスバルブ内には、環状通路を予燃焼室ガスバルブの下部空洞と連通させる少なくとも１つのガス通路が存在する、と規定することができる。したがって、予燃焼室ガスバルブのバルブ本体には、少なくとも１つのガス通路が設けられる。予燃焼室ガスバルブの作動中、燃焼ガスは、ガス通路を通って、環状通路から予燃焼室ガスバルブのバルブシート（弁座）の方向へ進む。したがって、予燃焼室ガスバルブのバルブ本体は、燃焼ガスを環状通路からバルブシートにおける吐出し位置へと案内するタスクを、ガス通路の形式で実行する。この構成は、特に効果的であることが証明されている。
予燃焼室ガスバルブのバルブヘッドのシート（弁座）と予燃焼室ガスバルブの、予燃焼室への開口との間、または予燃焼室ガスバルブのバルブヘッドのシート（座部）と予燃焼室ガスバルブの、通路への開口との間には、空間が存在する、と規定することができる。これは、予燃焼室ガスバルブのバルブヘッドが予燃焼室または予燃焼室に通じる通路に直に隣接せず、両者の間に中空空間が形成される状況を説明している。この空間を備えることで、予燃焼室ガスバルブから予燃焼室への（予燃焼室ガスバルブが予燃焼室と同一平面に配置される場合）、または通路への（予燃焼室ガスバルブが間隔をおいて配置される場合）特に好ましいガスの流れを提供する。
好ましくは、この空間は、予燃焼室へ向かって狭まる略洋梨形の構造である、と規定することができる。この方法では、効果的には、予燃焼室ガスバルブから予燃焼室への、または通路へのガスの流れに影響が出る可能性もあるが、それでも、その程度を少なく保つことができる。
予燃焼室ガスバルブは、その外部輪郭に少なくとも１つの突起を有し、環状通路へ向かうこの突起のフランク（側面）もまた環状通路を画定し、かつそのもう一方のフランク（側面）には、予燃焼室ガスバルブをボア（穴、内面）から密封するためのシーリング手段が当接する、と規定することができる。これにより、コンポーネントは、特に簡易な方式で統合される。半径方向通路の半径方向深さは、突起の高さに一致するものであっても、それより深い、または浅いものであってもよい。突起の高さが考慮されれば、主要なバルブ本体に関するジオメトリの乱れを低減することができる。例えば、シーリング手段としてＯ−リングを用いることができ、これは、予燃焼室ガスバルブをボアから半径方向に密封する。当然ながら、さらなるシーラントを受け入れることができるさらなる突起を設けることも可能である。
スパークプラグは、シリンダヘッド内に配置され、スパークプラグおよび予燃焼室ガスバルブは、シリンダヘッドの共通空洞内に配置される、と規定することができる。これは、コンパクトな構造に関連して特に効果的である。好ましくは、この場合、スパークプラグおよび予燃焼室ガスバルブは、互いに通り抜け合うボア内に配置される。この方法において、スパークプラグおよび予燃焼室ガスバルブは、さらに省スペース的な据付けに関与することができる。
本発明を、図面によってさらに詳細に例示する。
スパークプラグ・スリーブを有するシリンダヘッドを示す。 スパークプラグ・スリーブを有するシリンダヘッドを示す。 スパークプラグ・スリーブを有するシリンダヘッドを示す。 シリンダヘッドのスパークプラグ・スリーブを示す。 シリンダヘッドのスパークプラグ・スリーブを示す。 シリンダヘッドのスパークプラグ・スリーブを示す シリンダヘッドのさらなるスパークプラグ・スリーブを示す。 シリンダヘッドのさらなるスパークプラグ・スリーブを示す。 シリンダヘッドのさらなるスパークプラグ・スリーブを示す。 ガス供給概念に関する詳細を示す。 ガス供給概念に関する詳細を示す。 ガス供給概念に関する詳細を示す。 ガス供給概念に関する詳細を示す。 ガス供給概念に関する詳細を示す。 予燃焼室ガスバルブを示す。 予燃焼室ガスバルブの変形例を示す。
図１ａは、スパークプラグ・スリーブ４がシリンダヘッド２へ嵌合されているシリンダヘッド２を示す。本実施形態において、空洞７は、スパークプラグ・スリーブ４によって形成される。
図１ｂおよび図１ｃは、スパークプラグ・スリーブ４の２図を示している。
図１ａは、スパークプラグ６（不図示）および予燃焼室ガスバルブ（副室ガスバルブ）５を収容する空洞７を介する縦断面を示している。
空洞７は、一方で、スパークプラグ６を受け入れるために、対称軸Ｓ１を中心に同軸である、シリンダ部分より成るシャフトを含む。
空洞７は、さらに、予燃焼室ガスバルブ５を受け入れるための、対称軸Ｓ２を有するボア１０を有する。
通路８は、予燃焼室ガスバルブ５から予燃焼室３へ繋がる。予燃焼室３（副室）は、一方に、実際の空洞、換言すれば、内部で混合気の点火が行われる中空空間、を備える。当然ながら、予燃焼室３は、物理的なコンポーネント（部材）でもある。本実施形態において、予燃焼室３は、スパークプラグ・スリーブ４とは分離されたコンポーネントの形式であって、スパークプラグ・スリーブ４へ例えば加圧によって連接される。
明瞭さのために図示されていないスパークプラグ６は、予燃焼室３と面一になって終わりかつその電極が予燃焼室３内へ突き出すようにして、対称軸Ｓ１と同軸のシャフトによりスパークプラグ・スリーブ４内へ導入される。予燃焼室３には、予燃焼室ガスバルブ５により、通路８を通じて燃焼ガスが混入される。予燃焼室３における点火後、点火された混合気は、フロー移動ボア９を通って主燃焼室（不図示）へと移動する。
図１ｂは、図１ａの平面図である。並列する円筒シャフトは、スパークプラグ６および予燃焼室ガスバルブ５を受け入れるために空洞７内に配置されていることが分かる。スパークプラグ６は、図１ａを参照して説明したように、図示されていない。予燃焼室ガスバルブ５内に、予燃焼室ガスバルブ５をスパークプラグ・スリーブ４内へねじ込む八角形（八角形リング）を見ることができる。本実施形態では、最大ボア径Ｄ１の空洞７が存在しているが、平面図において、これは、スパークプラグ６および予燃焼室ガスバルブ５を受け入れるためのボアに外接している。言い替えれば、この実施形態では、スパークプラグ６および予燃焼室ガスバルブ５に共通のシャフトが存在する。
直径Ｄ１であるこの最大ボアの中心線は、対称軸Ｓ１と対称軸Ｓ２との間に存在する。共通のシャフトは、スパークプラグ６および予燃焼室ガスバルブ５の取り付けに関して優位点を有するが、残りの壁厚が僅かでしかないことに起因して、スパークプラグ・スリーブ４を弱める。
図１ｃは、本実施形態のスパークプラグ・スリーブ４を示す斜視図である。
図２ａ〜図２ｃは、さらなる実施形態による、シリンダヘッド２（不図示）へ挿入するためのスパークプラグ・スリーブ４を示す様々な図である。この場合もやはり、空洞７は、スパークプラグ・スリーブ４によって形成される。図１ａ〜図１ｃの実施形態では、空洞７が、その最大直径によって、スパークプラグを受け入れるためのボア、さらに予燃焼室ガスバルブ５を受け入れるためのボアの双方に外接する円筒部分を有するが、本実施形態において、空洞７の最大直径は、もはやスパークプラグ・スリーブ４のボア全体を包囲しない。そうではなく、予燃焼室ガスバルブ５のボア１０は、その上側部分が、最大直径であるスパークプラグのボア１１を通り抜ける。これは、特に、図２ｂおよび図２ｃにおける図から明白となるであろう。したがって、平面図（図２ｂ）では、予燃焼室ガスバルブ５を受け入れるためのボア１０と、スパークプラグ６を受け入れるためのボアとが重なり合っている。
図３ａ〜図３ｃは、シリンダヘッド２（不図示）へ挿入するためのスパークプラグ・スリーブ４のさらなる実施形態を示す。この場合もやはり、空洞７は、スパークプラグ・スリーブ４によって形成される。
この場合も、予燃焼室ガスバルブ５を受け入れるためのボア（穴）は、空洞７の最大直径部によって外接されていない。言い替えれば、この場合もやはり、スパークプラグ６を受け入れるためのボアおよび予燃焼室ガスバルブ５を受け入れるためのボアは、互いに通り抜け合う。図２ａ〜図２ｃに示されている実施形態に比較すると、この場合の空洞７は、輪郭が変更されている。この場合、空洞７の輪郭は、スパークプラグ６および予燃焼室ガスバルブ５を受け入れるための円筒ボアが互いに滑らかに混和し合うような形状である。言い替えれば、図２ａ〜図２ｃの実施形態における鋭い移行部が、ここでは、２つのボアの移行部における滑らかな丸みに代わっている。
図４ａは、スパークプラグ・スリーブ４に沿った断面を示していて、断面は、予燃焼室ガスバルブ５へのガス供給をはっきりと例示するように位置合わせされている。図４ｂには、断面線が略示されている。
ガス供給路１２は、予燃焼室ガスバルブ５を囲む壁１０と予燃焼室ガスバルブ５の外部輪郭との間に形成される環状通路１３内へ開放されている。言い替えれば、ボア１０は、予燃焼室ガスバルブ５と共に、ガス供給路１２がその内部へと開放される環状通路１３を形成する。
流入するガスは、壁１０および予燃焼室ガスバルブ５により形成される環状通路１３から予燃焼室ガスバルブ５内へと一様に案内される。ここに例示されている実施形態において、壁１０は、やはりスパークプラグ・スリーブ４の壁によって形成される。
図４ｃは、スパークプラグ・スリーブ４に沿った縦断面を示している。断面線は、図４ｄに見ることができる。図４ｃから分かるように、この場合のセクショニングは、ガス供給路１２の、対称軸Ｓ１に対して平行に延びる部分も見ることができるように選択されている。
図４ｅは、予燃焼室ガスバルブ５およびそのガス供給の配置を示す等角斜視図である。ガス供給は、ガス供給路１２の水平部分および垂直部分によって提供される。
図５ａは、予燃焼室ガスバルブ５を示す断面図である。予燃焼室ガスバルブ５は、シリンダヘッド２（不図示）により形成される空洞７へ、またはスパークプラグ・スリーブ４（不図示）により形成される空洞７へ嵌合されることが可能である。したがって、空洞７は、シリンダヘッド２内へ直に設けられるか、スパークプラグ・スリーブ４内に設けられる、かつ予燃焼室ガスバルブ５を収容することができる開口である。
環状通路１３が、空洞７の壁１０と予燃焼室ガスバルブ５の外部輪郭との間に形成されることをはっきりと見ることができる。壁１０は、シリンダヘッド２自体、または、シリンダヘッド２内へ嵌合されるスパークプラグ・スリーブ４の何れかによって形成されることが可能である。この可能性は、図１〜図４に示されている実施形態によって説明される。
バルブニードル１４は、ばね１５によってその座にブレース（支持、固定）される。キャップ１６は、ばね１５を包含し、かつバルブニードル１４へ例えばビーム溶接によって連接される。
プラグ１７は、閉鎖して予燃焼室ガスバルブ５を上側へ密封する。空洞７に対する環状通路１３のシーリングは、Ｏ−リング１８によって半径方向に実行される。これらのＯ−リングは、突起１９によって形成される環状の受容手段内に配置される。したがって、ここに示されている予燃焼室ガスバルブ５のシーリング概念は、予燃焼室ガスバルブ５のシーリングが半径方向に実行される、換言すれば、予燃焼室ガスバルブ５の外面によって実行されることを規定する。
図５ｂは、空間２３が、予燃焼室３へ向かって狭まるまさに略洋梨形の構造である、図５ａの変形例を示している。この構造は、流体の観点から特に効果的である。
１：内燃機関
２：シリンダヘッド
３：予燃焼室
４：スパークプラグ・スリーブ
５：予燃焼室のガスバルブ
６：スパークプラグ
７：空洞
８：通路
９：フロー移動ボア
１０：空洞７の壁
１１：スパークプラグのボア
１２：ガス供給路
１３：環状通路
１４：バルブニードル
１５：バルブばね
１６：キャップ
１７：プラグ
１８：Ｏ−リング
１９：突起
２０：ガス通路
２１：予燃焼室ガスバルブの下部空洞
２２：予燃焼室ガスバルブの上部空洞
２３：空間
２５：バルブ本体
Ｓ１：対称軸
Ｓ２：対称軸

Claims (7)

  1. 予燃焼室のガスバルブ（５）を受け入れるための空洞（７）を備えるシリンダヘッド（２）であって、
    実質的にまたは完全に前記予燃焼室ガスバルブ（５）を囲んで延びるリセスは、前記空洞（７）の壁（１０）と共に、前記予燃焼室ガスバルブ（５）を包囲する環状通路（１３）を形成し、
    前記環状通路（１３）は、前記予燃焼室ガスバルブ（５）へ燃焼ガスを供給するための少なくとも１つのガス供給路（１２）へ連接され、
    前記環状通路（１３）は、少なくとも１つの傾斜したガス通路（２０）によって前記予燃焼室ガスバルブ（５）の下部空洞（２１）と連接され、
    前記予燃焼室ガスバルブ（５）のバルブヘッドのシートと前記予燃焼室ガスバルブ（５）の、予燃焼室（３）への開口との間、または前記予燃焼室ガスバルブ（５）の前記バルブヘッドの前記シートと前記予燃焼室ガスバルブ（５）の、予燃焼室（３）へ繋がる通路（８）への開口との間に、空間（２３）が設けられ、
    前記空間（２３）は、前記予燃焼室（３）へ向かって狭まる略洋梨形の構造である
    ことを特徴とする、シリンダヘッド（２）。
  2. 前記バルブ本体（２４）の対称軸に対する前記ガス通路（２）の角度は、２０゜から７０゜までの間であることを特徴とする、請求項１に記載のシリンダヘッド（２）。
  3. スパークプラグ・スリーブ（４）は、前記予燃焼室ガスバルブ（５）と共に環状通路（１３）を形成する前記空洞（７）の前記壁（１０）が前記スパークプラグ・スリーブ（４）の壁によって形成されるように、前記シリンダヘッド（２）に嵌合されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のシリンダヘッド（２）。
  4. 前記予燃焼室ガスバルブ（５）と共に環状通路（１３）を形成する前記空洞（７）の前記壁（１０）は、前記シリンダヘッド（２）自体の壁によって形成されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のシリンダヘッド（２）。
  5. 前記予燃焼室ガスバルブ（５）は、その外部輪郭において、前記環状通路（１３）へ向かうフランクが前記環状通路（１３）を画定し、かつその他方のフランクに、ボア（１０）から前記予燃焼室ガスバルブ（５）を密封するためのシーリング手段が当接する、少なくとも１つの突起（１９）を有することを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載のシリンダヘッド（２）。
  6. スパークプラグ（６）は、前記シリンダヘッド（２）内に配置され、前記スパークプラグ（６）および前記予燃焼室ガスバルブ（５）は、前記シリンダヘッド（２）の共通の空洞（７）内に配置されることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載のシリンダヘッド（２）。
  7. 前記スパークプラグ（６）および前記予燃焼室ガスバルブ（５）は、互いに通り抜け合うボア内に配置されることを特徴とする、請求項６に記載のシリンダヘッド（２）。

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