KR102003579B1

KR102003579B1 - 내연 기관용 실린더 라이너 및 실린더 헤드

Info

Publication number: KR102003579B1
Application number: KR1020147015818A
Authority: KR
Inventors: 자샤 부어카르트; 폴커 아브라함; 프랑크 비트; 하이코 자틀러
Original assignee: 캐터필라 모토렌 게엠베하 운트 코. 카게
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2019-10-01
Also published as: WO2013087220A1; CN103998756A; US20140352645A1; CN103998756B; KR20140099481A; EP2604835B1; EP2604835A1; RU2014129091A

Abstract

실린더 라이너(20)와 실린더 헤드(10) 사이의 타이트한 실링, 한 쌍의 라이너 및 헤드 센터링 면(80A, 80B)들을 통한 실린더 라이너(20)와 실린더 헤드(10)의 배열, 및 O-링들을 통해 시일된 냉각제 순환 공간을 제공할 수 있는 실린더 헤드/ 실린더 라이너 인터페이스를 구비한 실린더 유닛이 제안된다. 구체적으로, 상기 인터페이스는 실린더 라이너 단부 면에서 계단형 구조뿐만 아니라 상기 실린더 헤드(10)의 대응하는 면에서 계단형 카운터 구조를 포함할 수 있다. 또한, 상기 실린더 헤드(10)의 계단형 카운터 구조는 장착 해제된 상태에서 상기 실린더 헤드(10)에 장착된 노즐(12)에 대한 보호를 제공할 수 있다.

Description

내연 기관용 실린더 라이너 및 실린더 헤드 {CYLINDER LINER AND CYLINDER HEAD FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 개시 내용은 대체로 내연 기관의 실린더 유닛에 대해 언급하며, 보다 구체적으로는 실린더 라이너 및 실린더 헤드에 대해 언급한다.

대형 내연 기관들은 분리된 실린더 유닛들을 포함할 수 있고, 각각의 실린더 유닛은 각각의 실린더 유닛을 위한 개별 부품들로 구성되는 실린더 헤드 및 실린더 라이너를 포함한다. 대형 내연 기관들의 경우, 실린더 라이너 및 실린더 헤드가 엔진 블록에 냉각제 재킷과 조합하여 장착된 실린더 라이너/ 실린더 헤드 구성들은 공지되어 있다. 상기 워터 재킷은 실린더 헤드 및 그에 장착된 분사 시스템뿐만 아니라 실린더 헤드 측에서의 상기 실린더 라이너를 냉각시키기 위한 냉각제 순환 공간을 형성한다. 상기 냉각제 순환 공간은 실린더 헤드, 실린더 라이너, 및 실린더 헤드와 실린더 라이너 사이의 인터페이스에 대하여 O-링들을 통해 시일된다. 구체적으로, O-링은 실린더 헤드와 실린더 라이너 사이뿐만 아니라 실린더 헤드와 냉각제 재킷 사이, 실린더 라이너와 냉각제 재킷 사이에 배치된다. 특히, 실린더 헤드와 냉각제 재킷 사이의 O-링은 실린더 라이너와 실린더 헤드 사이에서 상대적인 위치 설정 또한 제공한다.

다양한 타입들의 엔진들에 대하여, 미국 특허 제 3,942,807호, 미국 특허 제 5,033,426호 및 미국 특허 제 4,399,783호는 실린더 헤드들이 실린더 라이너들에 직접적으로 장착되어 타이트한 시일 (tight seal)을 제공하는 예시적인 실린더 라이너/ 실린더 헤드 구성들을 개시한다. 또한, 미국 특허 제 3,843,141호는 실린더 헤드 센터링 (centering)을 위한 숄더부를 개시하며, 미국 특허 제 4,436,061호는 자동차 엔진에 있어서 워터 재킷 벽과 함께 실린더 헤드를 정렬하기 위한 돌기부들을 개시한다.

본 개시 내용은 종래 시스템들의 하나 이상의 양태들을 적어도 부분적으로 개선하거나 극복하는 것에 관한 것이다.

본 개시 내용의 일 양태에 따르면, 내연 기관의 실린더 헤드에 장착되는 실린더 라이너는, 상기 내연 기관의 피스톤을 안내하기 위한 내측 라이너 면, 외측 라이너 면, 및 장착된 상태에서 상기 실린더 헤드를 향하고 상기 내측 라이너 면과 상기 외측 라이너 면을 연결하는 라이너 단부 면을 포함한다. 상기 내측 라이너 면은 상기 실린더 라이너의 실린더 축을 따라 연장한다. 상기 라이너 단부 면은 조인트 링을 보유하기 위한 실링 그루브 및 상기 실린더 라이너의 라이너 벽에 형성된 계단형 구조를 포함하며, 상기 계단형 구조는 상기 실링 그루브 옆에서 제1 반경 방향 연장 라이너 면, 장착된 상태에서 상기 실린더 헤드에 대하여 상기 실린더 라이너의 센터링을 하기 위한 제1 축 방향 연장 라이너 면, 제2 반경 방향 연장 라이너 면, O-링을 위치 설정하기 위한 제2 축 방향 연장 라이너 면, 제3 반경 방향 연장 라이너 면, 및 제3 반경 방향 연장 라이너 면과 외측 라이너 면을 연결하는 전이 라이너 면을 연속하여 포함하고, 상기 제1 축 방향 연장 라이너 면은 상기 실린더 축으로부터 반경 방향으로 멀어지게 향한다.

본 개시 내용의 또 다른 양태에 따르면, 내연 기관의 실린더 라이너에 연결하기 위한 실린더 헤드는 연소 구역을 경계 짓는 연소 구역 면 및 링 면을 갖는 실린더 헤드 본체를 포함하며, 연소 구역 면을 둘러싸고 (예를 들어, 상기 실린더 헤드의 실린더 축의 방향으로) 장착된 상태에서 상기 실린더 라이너를 향하며, 상기 링 면은 장착된 상태에서 조인트 링 및 계단형 카운터 구조 (step-like counter-structure)와 접촉하기 위한 실린더 헤드 실링 영역을 포함한다. 상기 계단형 카운터 구조는 상기 헤드 실링 영역 바로 옆의 제1 반경 방향 연장 실린더 헤드 면, 장착된 상태에서 상기 실린더 헤드에 대하여 상기 라이너의 센터링을 위한 제1 축 방향 연장 실린더 헤드 면, 장착된 상태에서 O-링과 접촉하기 위한 제2 반경 방향 연장 실린더 헤드 면, 및 상기 링 면의 주연부에 위치하며 장착된 분사 노즐이 상기 연소 구역 면을 넘어 연장하는 것보다 상기 연속 구역 면을 넘어 더 연장하는 테두리 상승부를 연속하여 포함하고, 상기 제1 축 방향 연장 실린더 헤드 면은 반경 방향으로 상기 실린더 축을 향한다.

본 개시 내용의 또 다른 양태에 따르면, 내연 기관은 엔진 블록, (예를 들어, 상술한 바와 같은) 장착된 상태에서 라이너의 센터링을 위한 제1 축 방향 연장 라이너 면을 갖는 실린더 라이너, (예를 들어, 상술한 바와 같은) 제1 축 방향 연장 라이너 면과 상호 작용하고 장착된 상태에서 실린더 헤드에 대하여 라이너를 센터링하는 제1 축 방향 연장 실린더 헤드 면을 갖는 실린더 헤드, 조인트 링, 및 냉각제 재킷을 포함한다. 상기 조인트 링은 상기 실린더 라이너와 상기 실린더 헤드 사이에서 반경 방향의 실링을 제공하며, 상기 냉각제 재킷은 상기 실린더 라이너 및 상기 실린더 헤드를 둘러싸고 상기 냉각제 재킷과 상기 실린더 라이너와 상기 실린더 헤드 사이에서 냉각제 순환 공간을 형성하게 구성된다. 상기 실린더 헤드 및 상기 냉각제 재킷은 볼트들을 위한 관통 구멍들을 포함하고 상기 실린더 헤드는 상기 관통 구멍들에 볼트들을 통해 상기 엔진 블록에 나사로 고정되어, 상기 조인트 링 및 상기 실린더 라이너를 상기 엔진 블록을 향하여 가압하고 상기 실린더 라이너와 상기 실린더 헤드 사이에서 기체 실링을 제공하여, 상기 실린더 헤드에 대한 상기 실린더 라이너의 병진 운동은 상기 제1 축 방향 연장 라이너 면 및 제1 상기 축 방향 연장 실린더 헤드 면을 통하여 제한된다.

본 개시 내용의 다른 형상부들 및 양태들은 이하의 개시 및 첨부 도면들로부터 분명해질 것이다.

도 1은 대형 내연 기관의 실린더 유닛의 개략적인 절취도이다.
도 2는 도 1의 상기 실린더 헤드와 상기 실린더 라이너 사이의 확대된 인터페이스 영역의 개략적인 절취도이다.

다음은 본 개시 내용의 예시적인 실시예들의 상세한 개시이다. 본 명세서에서 개시되고 도면들에서 예시된 상기 예시적인 실시예들은 본 개시 내용의 원리들을 가르치기 위한 것이며, 당해 기술 분야의 통상의 기술자들에게 여러 상이한 환경들 및 여러 상이한 응용들에 본 개시 내용을 구현하고 사용할 수 있게 한다. 따라서, 상기 예시적인 실시예들은 특허 보호의 범위를 제한하는 설명으로 의도되지 않으며, 특허 보호의 범위를 제한하는 설명으로 간주되어서는 안된다. 오히려, 상기 특허 보호의 범위는 첨부된 청구범위들에 의해 한정되어야 한다.

본 개시 내용은 대형 내연 기관들의 작동 동안 상기 O-링들의 탄성은 상기 실린더 헤드, 실린더 라이너 및/또는 상기 냉각제 링 사이의 상대적인 이동을 허용할 수 있고 이러한 허용된 상대적 이동은 장기적으로 O-링 실링 성능에 영향을 줄 수 있다는 인식에 어느 정도 기초할 수 있다. 또한, 상기 실린더 헤드와 상기 실린더 라이너 사이에서 상기 O-링은 증가한 온도들을 겪게 되어, 실링 성능을 더 잃는다. 또한, (예를 들어, 정기적인 정비 동안 상기 피스톤을 체크하기 위해) 상기 실린더 유닛을 정비할 때, 상기 실린더 헤드는 내부에 장착된 상기 분사 노즐과 함께 제거된다. 이러한 양태들의 관점에서, 본 개시 내용은 O-링들의 마모 및 인열(tear)을 감소시킬 수 있고, 또한, 내부에 장착된 분사 노즐과 함께 상기 실린더 헤드를 저장할 때 분사 노즐을 보호할 수 있는 실린더 헤드 / 실린더 라이너 인터페이스에 관한 것이다.

상기 개시된 실린더 헤드/ 실린더 라이너 인터페이스는 장착된 상태에서 상기 실린더 라이너와 상기 실린더 헤드 사이의 타이트한 실링을 제공할 수 있다. 구체적으로, 실링 표면은 상기 실린더 라이너에 라이너 단부 면 상에서 제공될 수 있고, 장착된 상태에서 상기 실린더 헤드를 향한다. 예를 들어, 상기 실링 표면은 실링 그루브 내에 배치될 수 있다. 상기 실린더 헤드에 대하여, 실링 표면은 실린더 헤드의 링 면에 제공되어, 상기 실린더 헤드의 연소 구역 면을 둘러싸고 장착된 상태에서 상기 라이너 단부 면을 향할 수 있다. 상기 실링 표면들은 조인트 링의 대향하는 단부들로 가압되어, 상기 연소 실의 타이트한 기체 시일을 형성할 수 있다.

또한, 상기 실린더 헤드/ 실린더 라이너 인터페이스는 상기 실링 그루브에서 반경 방향으로 외측으로 전개되는 계단형 구조를 제공할 수 있다. 상기 계단형 구조는 상기 실린더 헤드 및 상기 실린더 라이너에서 한 쌍의 센터링 표면들을 포함할 수 있어서, 상기 센터링 표면들은 상기 실린더 축 방향으로 연장할 수 있다.

상기 계단형 구조는 O-링 보유 구조를 포함할 수 있다 (예를 들어, 실린더 헤드에서 냉각제 실링 O-링 및 테두리 상승부를 보유하기 위한 축 방향으로 연장하는 오목 만곡면). 또한, 상기 계단형 구조는 상기 O-링을 지나갈 수 있는 냉각제에 대한 원형의 개구를 포함할 수 있다. 상기 원형의 개구는 상기 링 면의 주연부에서 상기 실린더 라이너의 전이 면과 상기 실린더 헤드의 상기 테두리 상승부의 사이에 형성될 수 있다.

상기 실린더 헤드의 장착 해제 상태에서 상기 노즐 시스템의 보호를 제공하기 위해, 상기 테두리 상승부는 상기 장착된 분사 노즐이 상기 연소 구역 면을 넘어 연장하는 것보다 상기 연소 구역 면을 넘어 더 연장할 수 있다. 따라서, 상기 실린더 헤드는 (예를 들어, 상기 분사 노즐뿐만 아니라 상기 실링 표면들이 일부 지지 표면에 의해 접촉되거나 손상될 수 있는 위험이 없는 평평한 표면에) 배치될 수 있다.

도 1은 분사 노즐 시스템(12)을 구비한 실린더 헤드(10), 실린더 라이너(20), 및 냉각제 재킷(30)을 포함하는 실린더 라이너/ 실린더 헤드 구성의 예시적인 개략적인 실시예를 도시하며, 실린더 헤드 및 냉각제 재킷(30) 내에서, 예를 들어 (도시되지 않은) 볼트들과 실린더 헤드 유닛들과 관통 구멍(42)들을 사용하여, 상기 구성은 엔진 블록(40)에 나사로 고정될 수 있다.

실린더 라이너(20)의 상부 부분 내의 연소 구역(50)은 조인트 링(60)에 의해 시일되어 연소 구역(50) 밖으로 가스들의 어떠한 누설도 회피할 수 있다.

냉각제 순환 공간(70)은 실링 O-링들에 의해 제한될 수 있다. 구체적으로, 상부 O-링(72A)은 실린더 헤드(10)와 냉각제 재킷(30)의 사이에 배치되며, 하부 O-링(72B)은 실린더 라이너(20)와 냉각제 재킷(30) 사이에 배치될 뿐만 아니라 중심 O-링(72C)은 실린더 헤드(10)와 실린더 라이너(20) 사이에 배치된다.

또한, 실린더 헤드(10) 내의 냉각 채널 시스템(74)은 냉각제 순환 공간(70)과 연결되고 분사 노즐 시스템(12)의 냉각을 제공할 수 있다.

조인트 링(60)은 반경 방향의 실링을 제공할 수 있고, 따라서 이론상으로는 실린더 라이너(20)에 대하여 실린더 헤드(10)의 반경 방향의 (미세) 이동을 가능케 한다. 작동 동안 이러한 반경 방향의 이동을 회피하거나 적어도 줄이기 위해서, 실린더 헤드(10)는 상기 실린더 라이너(20) 및 실린더 헤드(10) 상에서 실린더 축(90)의 방향을 따라 연장하는 한 쌍의 제1 축 방향 연장 라이너 면 및 제1 축 방향 연장 실린더 헤드 면(80A, 80B) 각각에 의해 안내되도록 구성될 수 있다. 특히 상기 엔진의 작동 동안, 상기 개시된 실린더 유닛은 상기 실린더 헤드에 대하여 상기 실린더 라이너의 센터링을 개선할 수 있는 실린더 라이너/ 실린더 헤드 인터페이스 구성을 제공할 수 있다. 또한, 상기 구성은 중심 실링 O-링(72C)을 연소 구역(50)으로부터 더 멀리 이격되도록 배치할 수 있으며, 따라서, 상기 O-링은 낮은 온도에서 존재하고 상기 순환하는 냉각제에 개선된 열적 접촉을 갖는다. 또한, 상기 구성은 실린더 헤드(10)의 장착 해제 상태에서 분사 노즐 시스템(12)을 보호할 수 있다.

실린더 헤드(10)와 냉각제 재킷(30) 사이에서 (예를 들어, 냉각 워터 재킷을 통해) O-링이 실린더 헤드에 대하여 실린더 라이너의 센터링을 제공할 수 있는 구성과 비교하여, 제1 축 방향 연장 라이너 면 및 제1 축 방향 연장 실린더 헤드 면(80A, 80B)은 실린더 라이너(20)에 대하여 실린더 헤드(10)의 반경 방향으로 더 제한된 센터링을 제공할 수 있다.

일부 실시예들에서, 센터링에 기반하여 제안된 상기 표면은 실린더 헤드(10)와 실린더 라이너(20) 모두에서 대향하는 한 쌍의 금속 센터링 면들에 기초할 수 있다. 예를 들어, 제1 축 방향 연장 라이너 면(80A)은 상기 실린더 축을 둘러싸고 실린더 축(90)으로부터 반경 방향으로 멀어지도록 향하게 구성될 수 있고, 반면에 대향하는 제1 축 방향 연장 실린더 헤드 면(80B)은 상기 실린더 축을 둘러싸고 실린더 축(90)에 반경 방향으로 내향으로 향하게 구성될 수 있다. 센터링에 기반하는 상기 금속 표면은 실린더 라이너(20)에 대하여 실린더 헤드(10)의 정밀하고 타이트한 위치 설정을 가능케 할 수 있다.

일부 실시예들에서, 상기 센터링 표면들은, 예를 들어 2°내지 5° 범위의 각에서, 상기 실린더 축 방향과 교차할 수 있다.

상기 두 표면들 사이에서 상기 반경 방향의 유극(play)은 상기 냉각제 재킷 및 실린더 라이너에 대하여 상기 실린더 헤드의 상대적인 이동을 감소시킬 수 있어, 상기 냉각제 시스템에 대해 상기 O-링의 마모 및 인열로 인한 상기 냉각수의 관련된 잠재적인 누설은 시일한다. 상기 엔진을 냉각시키는 상태에서, 제1 축 방향 연장 라이너 면 및 제1 축 방향 연장 실린더 헤드 면(80A, 80B)의 반경 방향으로 약 0.3mm 내지 0.5mm의 여유 공간(ΔR)(clearance)은 작동 동안 충분한 정렬을 제공하여 실린더 헤드(10)와 실린더 라이너(20) 사이의 상대적인 이동 및 상기 O-링들의 마모 및 인열을 감소시키도록 할 수 있다. 상기 여유 공간은 0.2mm ≤ ΔR ≤ 1 mm의 범위 내에 있을 수 있다. 예를 들어, 실린더 헤드(10) 및 실린더 라이너(20)의 제1 축 방향 연장 라이너 면 및 제1 축 방향 연장 실린더 헤드 면(80A, 80B)의 위치의 필요 공차 (required tolerance)는 +/- 0.05mm의 범위 내에서 있을 수 있다.

또한, 상기 여유 공간은 상기 엔진의 작동 동안, (예를 들어, 작동 온도 및 큰 점화 압력 발생 하에서), 유극은 금속-금속 접촉들로 인한 프레팅(fretting)들의 형성이 회피되거나 적어도 감소되는 범위로 유지한다. 일반적으로, 프레팅들은 균열 형성들이 될 수 있으며, 이후 상기 균열들은 시간이 흐름에 따라 실린더 라이너(20)의 주철을 통하여, 주철의 주위에서, 그리고/또는 주철을 따라 연장할 수 있다. 따라서, 상기 균열들은 실린더 라이너(20)에 손상을 줄 수 있고 수명 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 크랙들은 상기 냉각제 회로의 누설도 초래할 수 있다.

일부 실시예들에서, 상기 여유 공간은 프레팅들이 회피되거나 적어도 감소되도록 할 수 있는 연소 프로세스 동안의 일시적인 접촉 및/또는 상기 접촉에 대응하는 힘이 될 수 있으며, 마찬가지로 실린더 라이너(20)의 손상을 회피하고 수명 시간을 연장할 수 있다.

다양한 양태들을 제공하기 위해, 상기 금속 센터링 표면, 상기 O-링 장착 표면, 및 모따기된 에지 (chamfered edge)는 계단형 형상의 실린더 라이너 표면을 형성할 수 있다. 도 2는 장착된 상태에서 실린더 헤드(10)를 향하는 라이너 단부 면을 갖는 실린더 라이너 벽(21)의 섹션에 대한 예시적인 계단형 구조를 예시하고 있다.

구체적으로, 도 2는 도 1에서 도면 부호 "Ⅱ"로 표시된 실린더 헤드(10)와 실린더 라이너(20) 사이의 확대된 계단형 인터페이스를 도시한다.

구체적으로, 실린더 라이너(10)의 상기 단부 면은 반경 방향으로 내측에서 외측으로 반경 방향의 실링을 제공하는 조인트 링(60)을 위한 실링 그루브(110), 반경 방향으로 외측을 향하는 제1 축 방향 연장 라이너 면(80A)을 구비한 정렬 돌기부(120), 반경 방향으로 외측을 향하고 냉각제 실링 O-링(72C)를 보유하게 구성된 제2 축 방향 연장 라이너 면(130), 및 외측을 향하는 모따기된 에지(140)를 포함한다.

일반적으로, 라이너(20)는 상기 내연 기관의 피스톤(23)을 안내하기 위한 내측 라이너 면(22)을 포함할 수 있다. 내측 라이너 면(22)은 실린더 축(90)을 따라 연장할 수 있다. 또한, 라이너(20)는 외측 라이너 면(24) 및 장착된 상태에서 실린더 헤드(10)를 향하는 라이너 단부 면을 포함할 수 있다. 라이너(20)는 반경 방향의 두께를 갖는다 (즉, 실린더 라이너 벽(21)의 반경 방향의 연장부는 상기 실린더 헤드 측에서 약 30mm 내지 70mm이고 크랭크 축 측에서 15mm 내지 60mm이다).

상기 라이너 단부 면은 내측 라이너 면(22) 및 외측 라이너 면(24)과 연결할 수 있고 조인트 링(60)을 보유하기 위한 실링 영역(110A) 및 계단형 구조를 구비한 실링 그루브(110)를 포함할 수 있다. 상기 계단형 구조는 실링 그루브(110) 바로 옆의 정렬 돌기부(120) 상에 제1 반경 방향 연장 면(122A), 장착된 상태에서 실린더 헤드(10)에 대하여 라이너(20)의 센터링을 위한 제1 축 방향 연장 라이너 면(80A) (제1 축 방향 연장 라이너 면(80A)은 본질적으로 실린더 축(90)으로부터 반경 방향으로 멀어지게 방향으로 향한다), 제2 반경 방향 연장 면(126A), O-링(72C)을 보유하기 위한 축 방향으로 연장하는 제2 축 방향 연장 라이너 면(130), 제3 반경 방향 연장 라이너 면(132), 및 제3 반경 방향 연장 면(132)과 외측 라이너 면(24)을 연결하는 모따기된 에지(140)를 연속하여 포함할 수 있다.

또한, 도 2에 도시되는 바와 같이, 실린더 헤드(10)는 연소 구역(50)을 경계 짓는 연소 구역 면(16) 및 링 형상 면을 갖는 실린더 헤드 본체(14)를 포함할 수 있으며, 장착된 상태에서 연소 구역 면(16)을 둘러싸고 상기 라이너 단부 면을 향할 수 있다.

링 형상 면은 조인트 링(60)과 접촉하기 위한 실링 영역(110B) 및 실린더 라이너(20)의 상기 계단형 구조에 대향하는 계단형 카운터 구조를 포함할 수 있다.

상기 계단형 카운터 구조는 실링 영역(110B) 바로 옆의 제1 반경 방향 연장 실린더 헤드 면(122B), 장착된 상태에서 실린더 헤드(10)에 대하여 라이너(20)의 센터링을 위한 제1 축 방향 연장 실린더 헤드 면(80B)을 연속하여 포함할 수 있어서, 제1 축 방향 연장 실린더 헤드 면(80B)은 본질적으로 반경 방향으로 실린더 축(90)을 향할 수 있다.

또한, 상기 계단형 카운터 구조는 O-링(72C)과 접촉하기 위한 제2 반경 방향 연장 면(126B), 상기 링 면의 주연부에서 제2 축 방향 연장 라이너 면(130) 및 모따기된 에지(140)의 잠재적인 일부 섹션에 대향하는 테두리 상승부(150)를 포함할 수 있다.

테두리 상승부(150)는 장착된 상태에서 장착된 분사 노즐(12)이 연소 구역 면(16)을 넘어 연장하는 것보다 연소 구역 면(16)을 더 넘어 연장할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 표시된 바와 같이, 약 5mm 또는 그 이상의 범위 (예를 들어 10mm 또는 적어도 15mm) 내의 차이(D)는 장착된 분사 노즐(12)의 팁(12A)과 테두리 상승부(150)의 안착 영역(152)(resting area) 사이에서 축 방향으로 제공될 수 있다. 엔진 블록(40)으로부터 실린더 헤드(10)가 장착 해제될 때, 실린더 헤드(10)는 상기 안착 영역(152)으로 받쳐진다.

도 2에 개시된 상기 구성에서, 제1 축 방향 연장 라이너 면 및 제1 축 방향 연장 실린더 헤드 면(80A, 80B)이 타이트한 정렬을 제공할 수 있는 것처럼 조인트 링(60)을 이용한 상기 반경 방향 실링은 프레팅들에 덜 민감할 수 있다. 따라서, 시일된 장착은 엔진 작동 동안 실린더 헤드(10)에 대하여 실린더 라이너(20)의 감소된 상대적 이동으로써 달성되어, O-링(72A, 72B, 72C)들의 마모 및 인열을 감소시키고 냉각제 순환 공간을 위한 상기 실링의 라이프 라인 (life line)을 개선할 수 있다.

- 산업상 이용가능성 -

실린더 유닛을 조립할 때, 실린더 라이너(20)는 엔진 블록(40)에 삽입될 수 있다. 조인트 링(60)은 실링 그루브(110)에 배치될 수 있고 O-링(72C)은 제2 축 방향 연장 라이너 면(130)에 배치될 수 있다. 또한, 볼트들은 엔진 블록(40)에 준비될 수 있다.

이후, 냉각제 재킷(30)은 실린더 라이너의 위에 놓여 상기 볼트들은 냉각제 재킷(30) 내에서 관통 구멍들을 통해 도달하도록 할 수 있다. 동시에, O-링(72B)은 냉각제 재킷(30)의 하단부에 배치될 수 있다.

이후, 실린더 헤드(10)는 실린더 라이너(20)의 상단에 놓여지도록 준비될 수 있다. 예를 들어, 노즐(12)은 실린더 헤드(10)에 미리 장착되어 그 팁(12A)이 연소 구역 면(16)을 넘어 수 센티미터에 이르도록 할 수 있다. 이후, 실린더 헤드(10)는 실린더 라이너(20)에 놓여 상기 실린더 헤드(10)의 하단부는 냉각제 재킷(30) 내에 위치할 수 있고, 냉각제 재킷(30)으로 연장하는 볼트들은 실린더 헤드(10) 내에서 관통 구멍(42)들을 통하여 도달한다. 동시에, O-링(72A)은 냉각제 재킷(30)의 상단부에 배치되어, 냉각제 순환 공간(70)을 실링할 수 있다.

실린더 헤드(10) 및 실린더 라이너(20)의 상기 상대적인 이동은 제1 축 방향 연장 라이너 면 및 제1 축 방향 연장 실린더 헤드 면(80A, 80B)에 의해 제공되어, 냉각제 재킷(30)뿐만 아니라 실린더 헤드(10)와 실린더 라이너(20) 사이의 어떠한 상대적 이동도 회피하거나 적어도 감소시킬 수 있다.

장착된 상태에서, 실링 영역(110B)은 조인트 링(60)과 상단 측면에서 접촉할 수 있고, 반면에 실링 영역(110A)은 조인트 링(60)과 하단 측면에서 접촉할 수 있다. 실린더 헤드 너트들에 볼트들로 조일 때, 조인트 링(60)은 변형되어 실린더 헤드(10)와 실린더 라이너(20) 사이에서 타이트한 기체 실링을 형성할 수 있다.

상기 실린더 유닛의 장착 해제는 상기 단계들을 반대로 하여 수행하였다. 노즐(12)이 내부에 장착된 상태로 실린더 헤드(10)가 저장되는 경우에, 실린더 헤드(10)는 안착면(152)(resting face)을 사용하여 (어느 정도 연장하는 부드러운) 어떠한 표면에도 배치될 수 있다. 따라서, 높이에 있어서 차이(D)로 인해, 노즐(12)은 상기 표면과 접촉하지 않을 수 있고, 따라서, (예를 들어, 노즐(12)을 보호하는 것에 대하여 특정한 예방 조치들의 필요 없이) 간단한 방식으로 저장되는 동안 어떠한 손상들로부터도 보호된다.

상기 개시된 실린더 헤드/ 실린더 라이너 인터페이스의 구성은 직렬형 구성 및 V-구성 내연 기관들에 적용될 수 있다. 본 명세서에서 개시된 실린더 유닛의 구성에 대한 내연 기관들의 예들은 500rpm 내지 1000rpm의 범위에서 작동되는 독일 킬의 Caterpillar Motoren GmbH & Co. KG에 의해 제조된 M20, M25, M32, M43 시리즈의 직렬형 및 V-형 엔진들과 같은 중속 내연 디젤 엔진 (medium speed internal combustion diesel engine)들을 포함한다.

본 명세서에서, "내연기관"이라는 용어는 순항선들, 화물선들, 컨테이너선들, 유조선들, 및 다른 운송 수단과 같은 배들/선박들 뿐만 아니라 열 및/또는 전기의 생산을 위한 발전 장치들과 같은 고정식의 동력 공급 시스템들의 주 엔진들 또는 보조 엔진들로 사용될 수 있는 내연 기관들을 말할 수 있다. 내연 기관들용 연료들은 디젤 유, 선박용 디젤 유, 중유, 대체 연료들 또는 이의 혼합물, 및 천연 가스를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 상기 실린더 라이너와 상기 실린더 헤드 사이에 어떠한 냉각제도 유입되는 것을 실링하기 위한 O-링을 장착하는 O-링 장착 표면은 상기 센터링 표면들의 반경 방향으로 외측에 배치될 수 있다. 따라서, 상기 O-링은 감소된 온도를 겪게 될 수 있다. 또한, 상기 실린더 라이너 외측 표면의 모따기된 에지는 상기 냉각제들에 의해 더욱 효율적으로 상기 O-링을 냉각하는 것을 가능케 할 수 있다. 예를 들어, 상기 모따기된 에지는 2mm 내지 30mm 범위 (예를 들어, 5mm 내지 20mm) 내의 폭을 갖는 원형의 개구를 제공할 수 있다.

일부 실시예들에서, 주연에서, 상기 실린더 헤드는 (예를 들어, 상기 실린더의 주 본체 주위에서 원형으로 연장하는) 보호 링을 포함하기 위한 형상이 될 수 있다. 예를 들어, 상기 보호 링은 상기 노즐이 장착된 상기 실린더 헤드의 상기 연소실 근접 영역 아래에 약 5mm 내지 20mm로 연장할 수 있다. 예를 들어, 상기 보호 링은 폐쇄 링 또는, 예를 들어, 약 10°, 20°, 또는 30°의 방위각 범위의 일련의 링 세그먼트들이 될 수 있다. 그로 인해, 상기 실린더 헤드가 상기 엔진 블록/실린더 라이너로부터 장착 해제되었을 때, 상기 보호 링은 상기 실린더 헤드의 노즐을 보호할 수 있다.

일부 실시예들에서, 상기 실린더 라이너(20)의 내측 개구 직경은 200mm 내지 500mm의 범위 내이고 실린더 라이너(20)의 실린더 헤드 측에서 상기 라이너 벽(21)의 두께는 30mm 내지 100mm의 범위 내에 있을 수 있다.

일부 실시예들에서, 실링 그루브(110)는 실린더 축(90) 주위에서 원형으로 실린더 라이너 벽(21)의 두께의 내측 50% 내에 연장하게 구성될 수 있고, 라이너 실링 영역(110A)을 포함하여 반경 방향으로 10mm 내지 40mm의 범위의 폭을 가질 수 있다.

일부 실시예들에서, 제1 축 방향 연장 라이너 면(80A)은 반경 위치에 위치되어 상기 라이너 벽(21)의 두께의 적어도 50%, 60%, 또는 70%는 제1 축 방향 연장 라이너 면(80A)을 내측 라이너 면(22)으로부터 반경 방향으로 분리시킬 수 있다.

일부 실시예들에서, 제1 축 방향 연장 라이너 면(80A)은 축 방향으로 적어도 3mm로 (예를 들어, 5mm, 10mm, 15mm, 20mm, 또는 그 이상으로) 연장할 수 있다.

일부 실시예들에서, 제2 축 방향 연장 라이너 면(130)은 반경 위치에 위치되어 상기 라이너 벽의 두께의 적어도 60%, 70%, 또는 80%는 제2 축 방향 연장 라이너 면(130)을 내측 라이너 면(22)으로부터 반경 방향으로 분리시킬 수 있다.

일부 실시예들에서, 전이 라이너 면(140)은 외측 라이너 면(24)에서 제3 반경 방향 연장 라이너 면(132)으로 상기 라이너 벽(21)의 두께의 약 20%, 15%, 10%, 또는 더 작은 범위에 걸쳐서 연장할 수 있다.

일부 실시예들에서, 실린더 헤드 실링 영역(110B)은 실린더 축(90) 주위에서 원형으로 연장하고 반경 방향으로 10mm 내지 40mm의 범위 내의 폭을 갖게 구성될 수 있다.

일부 실시예들에서, 제1 축 방향 연장 실린더 헤드 면(80B)은 축 방향으로 적어도 3mm로 (예를 들어, 5mm, 10mm, 15mm, 20mm, 또는 그 이상으로) 연장할 수 있다.

일부 실시예들에서, 테두리 상승부(150)는 축 방향으로 적어도 4mm (예를 들어, 5mm, 10mm, 20mm, 30mm, 50mm, 또는 그 이상으로) 연장할 수 있고, 안착면(152)은 반경 방향으로 5mm 내지 20mm의 범위 내의 폭을 가질 수 있다.

일부 실시예들에서, 안착면(152)은 연소 구역 면(150)을 넘어 적어도 약 5mm로 (예를 들어, 10mm 또는 적어도 15mm 또는 그 이상으로) 연장할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예들이 본 명세서에 개시되었지만, 개선들 및 수정들은 이하의 청구 범위들의 범위로부터 벗어나지 않고 포함될 수 있다.

Claims

내연 기관의 실린더 헤드(10)에 장착되기 위한 실린더 라이너(20)이며,
상기 실린더 라이너(20)는 내측 라이너 면(22), 외측 라이너 면(24), 및 라이너 단부 면을 포함하고,
상기 내측 라이너 면(22)은 상기 내연 기관의 피스톤(23)을 안내하며, 상기 실린더 라이너(20)의 실린더 축(90)을 따라 연장하고,
상기 라이너 단부 면은 장착된 상태에서 상기 실린더 헤드(10)를 향하며 상기 내측 라이너 면(22)과 상기 외측 라이너 면(24)을 연결하고, 조인트 링(60)을 보유하기 위한 실링 그루브(110)와 상기 실린더 라이너(20)의 라이너 벽(21)에서 형성된 계단형 구조를 포함하며,
상기 계단형 구조는 상기 실링 그루브(110) 옆의 제1 반경 방향 연장 라이너 면(122A), 제1 축 방향 연장 라이너 면(80A), 제2 반경 방향 연장 라이너 면(126A), 제2 축 방향 연장 라이너 면(130), 제3 반경 방향 연장 라이너 면(132), 및 전이 라이너 면(140)을 연속하여 포함하고,
상기 제1 축 방향 연장 라이너 면(80A)은 장착된 상태에서 상기 실린더 헤드(10)에 대하여 상기 실린더 라이너(20)를 센터링하고, 상기 실린더 축으로부터 반경 방향으로 멀어지게 향하며,
상기 제2 축 방향 연장 라이너 면(130)은 O-링(72C)을 위치 설정하며,
상기 전이 라이너 면(140)은 반경 방향으로 연장하는 상기 제3 반경 방향 연장 라이너 면(132)과 상기 외측 라이너 면(24)를 연결하는,
내연 기관의 실린더 헤드(10)에 장착되기 위한 실린더 라이너(20).
제1항에 있어서,
상기 실린더 라이너(20)의 내측 개구 직경은 200mm 내지 500mm의 범위 내이며 상기 실린더 라이너(20)의 실린더 헤드 측에서 상기 라이너 벽(21)의 두께는 30mm 내지 100mm의 범위 내인,
내연 기관의 실린더 헤드(10)에 장착되기 위한 실린더 라이너(20).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 실링 그루브(110)는 상기 실린더 축(90) 주위에서 원형으로 상기 라이너 벽(21)의 두께의 내측 50% 내에서 연장하게 구성되며 반경 방향으로 10mm 내지 40mm의 범위의 폭을 갖는 라이너 실링 영역(110A)을 포함하는,
내연 기관의 실린더 헤드(10)에 장착되기 위한 실린더 라이너(20).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 축 방향 연장 라이너 면(80A)은 반경 위치에 위치되어 상기 라이너 벽(21)의 두께의 적어도 50%, 60%, 또는 70%는 상기 제1 축 방향 연장 라이너 면(80A)을 상기 내측 라이너 면(22)으로부터 반경 방향으로 분리시키는,
내연 기관의 실린더 헤드(10)에 장착되기 위한 실린더 라이너(20).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 축 방향 연장 라이너 면(80A)은 축 방향으로 적어도 3mm, 5mm, 10mm, 15mm, 20mm, 또는 그 이상으로 연장하는,
내연 기관의 실린더 헤드(10)에 장착되기 위한 실린더 라이너(20).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 축 방향 연장 라이너 면(130)은 반경 위치에 위치되어 상기 라이너 벽의 두께의 적어도 60%, 70%, 또는 80%는 상기 제2 축 방향 연장 라이너 면(130)을 상기 내측 라이너 면(22)으로부터 반경 방향으로 분리시키는,
내연 기관의 실린더 헤드(10)에 장착되기 위한 실린더 라이너(20).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 전이 라이너 면(140)은 상기 외측 라이너 면(24)에서 상기 제3 반경 방향 연장 라이너 면(132)으로 상기 라이너 벽(21)의 두께의 20%, 15%, 10%, 또는 더 작은 범위에 걸쳐서 연장하는,
내연 기관의 실린더 헤드(10)에 장착되기 위한 실린더 라이너(20).
내연 기관의 실린더 라이너(20)에 연결하기 위한 실린더 헤드(10)이며,
상기 실린더 헤드(10)는 연소 구역(50)을 경계 짓는 연소 구역 면(16) 및 링 면을 갖는 실린더 헤드 본체(14)를 포함하며, 상기 연소 구역 면(16)을 둘러싸고 장착된 상태에서 상기 실린더 라이너(20)를 향하며,
상기 링 면은 장착된 상태에서 조인트 링(60)과 접촉하기 위한 실린더 헤드 실링 영역(110B) 및 계단형 카운터 구조를 포함하며,
상기 계단형 카운터 구조는 제1 반경 방향 연장 실린더 헤드 면(122B), 제1 축 방향 연장 실린더 헤드 면(80B), 제2 반경 방향 연장 실린더 헤드 면(126B), 및 테두리 상승부(150)를 연속하여 포함하고,
상기 제1 반경 방향 연장 실린더 헤드 면(122B)은 상기 헤드 실링 영역(110B) 바로 옆에 위치하며,
상기 제1 축 방향 연장 실린더 헤드 면(80B)은 장착된 상태에서 상기 실린더 헤드(10)에 대하여 상기 라이너(20)를 센터링하고, 반경 방향으로 실린더 축(90)을 향하며,
상기 제2 반경 방향 연장 실린더 헤드 면(126B)은 장착된 상태에서 O-링(72C)과 접촉하고,
상기 테두리 상승부(150)는 상기 링 면의 주연부에 위치하며, 장착된 분사 노즐(12)이 상기 연소 구역 면(16)을 넘어 연장하는 것보다 상기 연소 구역 면(16)을 넘어 더 연장하는,
내연 기관의 실린더 라이너(20)에 연결하기 위한 실린더 헤드(10).
제8항에 있어서,
상기 실린더 헤드 실링 영역(110B)은 상기 실린더 축(90) 주위에서 원형으로 연장하며 반경 방향으로 10mm 내지 40mm의 범위 내의 폭을 갖게 구성되는,
내연 기관의 실린더 라이너(20)에 연결하기 위한 실린더 헤드(10).
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 제1 축 방향 연장 실린더 헤드 면(80B)은 축 방향으로 적어도 3mm, 5mm, 10mm, 15mm, 20mm, 또는 그 이상으로 연장하는,
내연 기관의 실린더 라이너(20)에 연결하기 위한 실린더 헤드(10).
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 테두리 상승부(150)는 축 방향으로 적어도 4mm, 5mm, 10mm, 20mm, 30mm, 50mm, 또는 그 이상으로 연장하며 반경 방향으로 5mm 내지 20mm의 범위 내의 폭을 갖는 안착면(152)을 포함하는,
내연 기관의 실린더 라이너(20)에 연결하기 위한 실린더 헤드(10).
제11항에 있어서,
상기 안착면(152)은 상기 연소 구역 면(150)을 넘어 적어도 5mm, 10mm 또는 적어도 15mm 또는 그 이상으로 연장하는,
내연 기관의 실린더 라이너(20)에 연결하기 위한 실린더 헤드(10).
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 테두리 상승부(150)는 링 형상으로 연장하거나 일련의 링 세그먼트들을 포함하는,
내연 기관의 실린더 라이너(20)에 연결하기 위한 실린더 헤드(10).
엔진 블록(40), 실린더 라이너(20), 실린더 헤드(10), 조인트 링(80), 및 냉각제 재킷(30)을 포함하는 내연 기관이며,
상기 실린더 라이너(20)는 제1항에 따르며, 장착된 상태에서 상기 라이너의 센터링을 위한 제1 축 방향 연장 라이너 면(80A)을 갖고,
상기 실린더 헤드(10)는 제8항에 따르며, 상기 제1 축 방향 연장 라이너 면(80A)과 상호 작용하고 장착된 상태에서 상기 실린더 헤드(10)에 대하여 상기 라이너(20)를 센터링하기 위한 제1 축 방향 연장 실린더 헤드 면(80B)을 가지며,
상기 조인트 링(80)은 상기 실린더 라이너(20)와 상기 실린더 헤드(10) 사이에서 반경 방향의 실링을 제공하며,
상기 냉각제 재킷(30)은 상기 실린더 라이너(20) 및 상기 실린더 헤드(10)를 둘러싸고 상기 냉각제 재킷(30)과 상기 실린더 라이너(20)와 상기 실린더 헤드(10) 사이에서 냉각제 순환 공간(70)을 형성하게 구성되며,
상기 실린더 헤드(10) 및 냉각제 재킷(30)은 볼트들을 위한 관통 구멍(42)들을 포함하고 상기 실린더 헤드(10)는 상기 관통 구멍(42)들에 볼트들을 통해 엔진 블록(40)에 나사로 고정되어, 상기 조인트 링(60) 및 상기 실린더 라이너(20)를 상기 엔진 블록(40)을 향하여 가압하고 상기 실린더 라이너(20)와 상기 실린더 헤드(10) 사이에서 기체 실링을 제공하여, 상기 실린더 헤드(10)에 대하여 상기 실린더 라이너(20)의 병진 운동은 상기 제1 축 방향 연장 라이너 면(80A) 및 상기 제1 축 방향 연장 실린더 헤드 면(80B)을 통하여 제한되는,
내연 기관.
제14항에 있어서,
상기 제1 축 방향 연장 라이너 면(80A) 및 상기 제1 축 방향 연장 실린더 헤드 면(80B)은 실린더 라이너 축(90)에 대하여 배치되어 0.2mm 내지 1mm의 범위 내의 여유 공간을 제공하는,
내연 기관.