KR20150034081A

KR20150034081A - 실린더 헤드

Info

Publication number: KR20150034081A
Application number: KR20140096424A
Authority: KR
Inventors: 플로리안 벡커
Original assignee: 게 옌바허 게엠베하 운트 콤파니 오게
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2014-07-29
Publication date: 2015-04-02
Also published as: AT514560B1; DE102014011343A1; JP2015072005A; AT514560A4; US20150083058A1; FI20145816L; CN104454220A

Abstract

본 발명은 점화장치, 특히 스파크 플러그용 나선부(2)와 적어도 하나의 냉각캐비티(4)를 갖는 냉각회로(3)를 가지고, 작동시에 냉각회로(3)를 통하여 냉각매체를 이송하여 냉각될 수 있는 실린더 헤드에 관한 것으로, 냉각회로(3)에 내측벽(6)과 이러한 내측벽(6)에 대하여 실질적으로 대향되게 배치된 유입구(7)를 갖는 추가냉각캐비티(5)가 제공되고, 유입구(7) 측으로 유입되는 냉각매체의 흐름(J1)이 내측벽(6)에 의하여 편향되어 냉각매체의 흐름(J1)이 적어도 부분적으로 나선부(2)의 둘레를 통과한다.

Description

실린더 헤드 {CYLINDER HEAD}

본 발명은 청구범위 제1항의 특징부분을 갖는 실린더 헤드(cylinder head)와 이러한 실린더 헤드를 갖는 내연기관에 관한 것이다.

실린더 헤드의 스파크 플러그 나선부는 점화에 의하여 내연기관에서 몇몇 최고의 온도가 발생하는 영역에 비교적 근접하여 있으므로, 스파크 플러그 나선부는 비교적 극심한 열부하(thermal loadings)에 노출된다. 더욱이 주위의 구조와 비교하여 볼 때 이는 매우 정교한 특성의 부분에 있기 때문에 스파크 플러그 나선부의 냉각을 위한 요구가 있을 수 있다. 이는 특히 점화성이 큰 연료-공기 혼합물이 주연소실에서 매우 희박한 연료-공기 혼합물을 점화시키기 위하여 연소되는 부실시스템(prechamber system)을 갖는 가스엔진에 적용된다.

이러한 문제를 다룬 종래기술의 특허문헌은 많다. 먼저 특허문헌 DE 699 26 065 T2를 언급하여야 할 것이다. 확장의 특정 구성부분과 병행되는 대형 냉각캐비티(cooling cavity)의 확장에 의하여 냉각매체가 스파크 플러그 나선부측으로 근접할 수 있도록 하였다. 이 경우의 결점은 스파크 플러그 나선부에 근접하는 지향성(指向性)의 흐름이 형성될 수 없다는 것이다. 따라서 가열된 냉각매체의 방출은 대류 및 유사한 과정을 통해서만 이루어지므로 이러한 특허문헌에서는 스파크 플러그 나선부에 대한 냉각효과가 제한되었다. 유사한 고려 사항이 특허문헌 EP 1 128 034 A2에 적용된다.

스파크 플러그 나선부를 냉각시키기 위한 다른 접근방법이 특허문헌 WO 2011/041805 A1으로부터 알려져 있다. 이러한 특허문헌은 스파크 플러그와 특히 스파크 플러그 나선부를 냉각시키기 위해서만 제공된 별도의 냉각회로를 배치하는 것을 제안하고 있다. 이로써, 스파크 플러그 나선부를 냉각시킬 특정한 목적에 보다 적합한 냉각매체, 예를 들어 오일을 사용할 수 있다. 그러나, 이는 한편으로는 실린더 헤드의 나머지 냉각회로와는 별개의 펌프를 필요로 하고 둘째로는 부가적인 냉각회로가 스파크 플러그 슬리이브에 거의 완전하게 배치되어야 하기 때문에 매우 복잡하고 비용이 많이 드는 해결방식이다. 따라서 만약 스파크 플러그 나선부의 부근에서 지향성의 흐름이 생성되게 된다면 스파크 플러그 슬리이브에 냉각통로를 배치하기 위하여 상당한 수준의 제조상 복잡성과 경비문제가 수반된다.

본 발명의 목적은 중간정도인 제조상 복잡성과 경비문제의 수준에서 스파크 플러그 나선부의 효과적인 냉각이 이루어질 수 있는 실린더 헤드와 이러한 실린더 헤드를 갖는 내연기관을 제공하는데 있다.

본 발명의 목적은 청구범위 제1항의 특징부를 갖는 실린더 헤드와 이러한 실린더 헤드를 갖는 내연기관에 의하여 달성된다.

이러한 목적은 냉각회로에 내측벽과 이러한 내측벽에 대하여 실질적으로 대향되게 배치된 유입구를 갖는 추가냉각캐비티가 제공되어 달성되고, 여기에서 유입구측으로 유입되는 냉각매체의 흐름이 내측벽에 의하여 편향되어 냉각매체의 흐름이 적어도 부분적으로 나선부의 둘레를 통과하게 된다.

특히 본 발명의 일부분은 추가냉각캐비티가 실린더 헤드를 냉각시키기 위하여 어느 경우에 있어서나 존재하는 냉각회로의 일부가 되게 하는 바, 즉, 이러한 냉각은 실린더 헤드의 냉각회로에 의하여 통상적인 작동모드에서 실질적으로 제공된다.

본 발명의 다른 관점은 나선부를 둘러싸고 있으며 적극적인 지향성 흐름(directed positive flow)이 유도되는 추가냉각캐비티를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 유리한 실시형태들은 종속청구항에서 설명된다.

가능한 한 대칭이고 규칙적인 나선부의 냉각이 이루어질 수 있도록 하기 위하여 냉각매체의 흐름은 내측벽에 의하여 나선부 둘레에 적어도 부분적으로 상호 반대방향으로 통과하는 두 흐름부분으로 나누어질 수 있게 되어 있다. 대칭냉각(symmetrical cooling)의 효과는 추가냉각캐비티의 외측벽에 의하여 편향되어 나선부 둘레를 완전히 통과하는 냉각매체 흐름에 의하여 향상된다.

지나친 온도차이의 결과로 나타나는 열스트레스가 균열과 파열을 유도할 수 있다는 점을 감안할 때 가능한 한 대칭인 나선부의 냉각이 유리할 수 있다.

만약 흐름부분이 외측벽에 의하여 편향되어 이들이 유출냉각매체흐름(issuing cooling medium flow)을 이루도록 조합되거나 또는 추가냉각캐비티로부터 냉각매체의 흐름의 유출을 위한 유출구가 제공되는 경우 냉각매체의 간단한 배출이 이루어질 수 있다.

간단한 제작을 위하여 내측벽 및/또는 외측벽의 구조는 실질적으로 실린더의 주면과 동일한 경우에 유리하다.

이미 설명한 나선부의 대칭냉각의 효과는 실질적으로 환상의 구조인 추가냉각캐비티에 의하여 최적화될 수 있다.

나선부의 형상에 추가냉각캐비티의 추가적용은 단면이 실질적으로 다각형, 좋기로는 실질적으로 사각형인 추가냉각캐비티에 의하여 이루어질 수 있다.

특별히 간단한 제작을 위하여 추가냉각캐비티는 만곡형 통로, 특히 환상 통로의 비교적 간단한 제작을 허용하므로 스파크 플러그 슬리이브와 함께 인써트(insert)에 형성된 요구에 의하여 형성될 수 있다.

유입구 및/또는 유출구에 연결되는 적어도 하나의 통공을 추가냉각캐비티를 냉각회로에 결합시키기 위하여 스파크 플러그 슬리이브에 제공하는 것은 스파크 플러그 슬리이브가 복잡하거나 경비가 많이 소요되는 구조를 갖지 않을 수 있음을 의미한다.

특히 효과적인 나선부의 냉각을 위하여 나선부에 대한 추가냉각캐비티의 간격은 40 mm 이하, 좋기로는 20 mm 이하, 특히 좋기로는 10 mm 이하이다.

본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1a는 실린더 축선을 포함하는 평면에서 본 발명에 따른 실린더 헤드를 통한 단면을 보인 단면도.
도 1b는 실린더 축선에 수직인 개략 단면도.
도 2a는 냉각회로에서 추가냉각캐비티의 구성을 보인 설명도.
도 2b는 냉각회로에서 추가냉각캐비티의 다른 실시형태의 구성을 보인 설명도.

도 1a는 추가냉각캐비티(5)를 보인 것이다. 이는 스파크 플러그 슬리이브(12)와 함께 인써트(10)에 의해 형성된다. 이 실시형태에서 인써트(10)는 스파크 플러그 슬리이브(12)와 부실(21)을 포함하는 구성요소 사이에서 가압된다.

추가냉각캐비티는 인써트(10)의 요구(11)에 형성된 내측벽(6)과 스파크 플러그 슬리이브(12)에 의하여 형성된 외측벽(8)을 갖는다. 이 경우에 있어서, 적어도 하나의 냉각캐비티(4)가 제1 냉각캐비티(15) 및 제2 냉각캐비티(16)에 의하여 제공되며, 제2 냉각캐비티(16)는 도 2a 및 도 2b에 개략적으로 도시되어 있다. 적어도 하나의 냉각캐비티(4)는 스파크 플러그 슬리이브(12)에 형성된 4개의 통공(13)을 통하여 추가냉각캐비티(5)에 연결된다. 이들은 잘 배치되어 있으므로 이들은 스파크 플러그 슬리이브(12)의 분해된 상태에서 용이하게 제작된다.

첫째로 실린더 축선(X)에 평행하게 연장되고 각각 제1 냉각캐비티(15)와 제2 냉각캐비티(16) 사이에 연통을 이루는 두 개의 종방향 통공(13a)이 있다. 두 개의 경사통공(13b)이 유입구(7)와 유출구(9)를 제공하고 이들을 상기 언급된 종방향 통공(13a)에 연결한다. 경사통공(13b)의 각도위치[실린더 축선(X)에 대한 각도위치]는 분해된 인써트(10)로 스파크 플러그 슬리이브(12)의 하측 개방부가 천공기에 접근할 수 있도록 하는 절차에 의해 이의 제조를 가능하게 한다. 끝으로 종방향 통공(13a)과 제1 냉각캐비티(15) 또는 제2 냉각캐비티(16)사이의 연통이 각각 플러그(14)에 의하여 차단된다.

작동시에 제1 냉각캐비티(15)와 제2 냉각캐비티(16) 사이에 압력차이가 있으므로 추가냉각캐비티(9) 측으로 통과하는 냉각매체흐름(J1)과 유출냉각매체흐름(J4)이 형성된다.

이 실시형태에서, 물이 냉각매체로서 사용된다. 그러나 이것이 본 발명에서 중요한 것은 아니다.

흐름상태는 도 1b에서 부호에 의해 더 잘 설명된다. 이는 인써트(10)와 스파크 플러그 슬리이브(12)에 의하여 형성된 추가냉각캐비티(5)를 개략적으로 보인 것이다. 나선부(2)도 역시 개략적으로 도시하였다.

유입냉각매체흐름(J1)은 내측벽(6)에 의하여 추가냉각캐비티(5)를 통하여 상호 반대방향으로 통과하는 두 개의 흐름부분(J2 및 J3)으로 나누어진다. 외측벽(8)은 흐름부분(J2 및 J3)이 실질적으로 원형진로를 유지할 수 있도록 하고 이들을 조합하여 유출냉각매체흐름(J4)을 형성토록 한다.

도 2a는 도 1a 및 도 1b의 실시형태를 위한 전체 냉각회로(3)를 개략적으로 보이고 있다. 냉각매체(이 경우, 물)는 펌프(18)에 의하여 냉각라디에이터(19)를 통해 이송된다. 이는 먼저 메인 냉각캐비티(17)를 지나 제1 냉각캐비티(15) 측으로 통과한다. 이로부터 냉각매체는 제2 냉각캐비티(16)에 평행하게 연결된 두 경로를 따라 유동하고, 이 점에 관하여, 한편으로는 직접연통이 이루어지고 다른 한편으로는 추가냉각캐비티(5)를 통과하는 연통이 이루어진다. 제2 냉각캐비티(16)로부터 냉각매체는 펌프(18) 측으로 역류한다.

도 2b에서 보인 실시형태는 냉각매체가 메인 냉각캐비티(17) 이후에 나누어지는 것에서 도 2a와 상이하다. 제1 흐름부분은 직접 제1 냉각캐비티(15)를 향하는 반면에 제2 흐름부분은 추가냉각캐비티(5)를 통하여 지난다.

본 발명은 본문에 예시된 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 본 발명의 개념은 부실이 없는 실린더 헤드에도 이용될 수 있는 것이다.

2: 나선부, 3: 냉각회로, 4: 냉각캐비티, 5: 추가냉각캐비티, 6: 내측벽, 7: 유입구, 8: 외측벽, 9: 유출구, 10: 인써트, 11: 요구, 12: 스파크 플러그 슬리이브, 13: 통공, 13a: 종방향 통공, 13b: 경사통공, 14: 플러그, 15: 제1 냉각캐비티, 16: 제2 냉각캐비티, 17: 메인 냉각캐비티, 18: 펌프, 19: 냉각 라디에이터, 21: 부실, J1: 유입냉각매체흐름, J2,J3: 두 개의 흐름부분, J4: 유출냉각매체흐름, X: 실린더 축선.

Claims

점화장치, 특히 스파크 플러그용 나선부(2)와 적어도 하나의 냉각캐비티(4)를 갖는 냉각회로(3)를 가지고, 작동시에 냉각회로(3)를 통하여 냉각매체를 이송하여 냉각될 수 있는 실린더 헤드에 있어서, 냉각회로(3)에 내측벽(6)과 이러한 내측벽(6)에 대하여 실질적으로 대향되게 배치된 유입구(7)를 갖는 추가냉각캐비티(5)가 제공되고, 유입구(7) 측으로 유입되는 냉각매체의 흐름(J1)이 내측벽(6)에 의하여 편향되어 냉각매체의 흐름(J1)이 적어도 부분적으로 나선부(2)의 둘레를 통과함을 특징으로 하는 실린더 헤드.
제1항에 있어서, 냉각매체의 흐름(J1)이 내측벽(6)에 의하여 나선부(2)의 적어도 일부 둘레에서 상호 반대방향으로 통과하는 두 흐름부분(J2, J3)으로 나누어질 수 있음을 특징으로 하는 실린더 헤드.
제1항 또는 제2항에 있어서, 냉각매체의 흐름(J1)이 추가냉각캐비티(5)의 외측벽(8)에 의하여 편향되어 나선부(2)의 둘레를 완전히 통과함을 특징으로 하는 실린더 헤드.
제2항 및 제3항에 있어서, 흐름부분(J2, J3)이 외측벽(8)에 의하여 편향되어 이들이 유출 냉각매체 흐름(J4)을 형성하도록 조합됨을 특징으로 하는 실린더 헤드.
제1항 내지 제4항의 어느 한 항에 있어서, 추가냉각캐비티(5)로부터 냉각매체의 흐름(J1, J2, J3, J4)의 유출을 위한 유출구(9)가 제공됨을 특징으로 하는 실린더 헤드.
제1항 내지 제5항의 어느 한 항에 있어서, 내측벽(6) 및/또는 외측벽(8)의 구조가 실질적으로 실린더의 주면과 일치함을 특징으로 하는 실린더 헤드.
제1항 내지 제6항의 어느 한 항에 있어서, 추가냉각캐비티(5)가 실질적으로 환상의 구조임을 특징으로 하는 실린더 헤드.
제1항 내지 제7항의 어느 한 항에 있어서, 추가냉각캐비티(5)가 단면이 실질적으로 다각형, 좋기로는 실질적으로 사각형임을 특징으로 하는 실린더 헤드.
제1항 내지 제8항의 어느 한 항에 있어서, 추가냉각캐비티(5)가 스파크 플러그 슬리이브(12)와 함께 인써트(10)의 요구(11)에 의하여 형성됨을 특징으로 하는 실린더 헤드.
제1항 내지 제9항의 어느 한 항에 있어서, 스파크 플러그 슬리이브(12)에 추가냉각캐비티(5)를 냉각회로(3)에 결합시키기 위하여 유입구(7) 및/또는 유출구(9)에 연결된 적어도 하나의 통공(13)이 제공됨을 특징으로 하는 실린더 헤드.
제1항 내지 제10항의 어느 한 항에 있어서, 나선부에 대한 추가냉각캐비티(5)의 간격이 40 mm 이하, 좋기로는 20 mm 이하, 특히 좋기로는 10 mm 이하임을 특징으로 하는 실린더 헤드.
제1항 내지 제11항의 어느 한 항에 있어서, 실린더 헤드가 제1 냉각캐비티(15)와 제2 냉각캐비티(16)를 가지며, 유입구(7)가 제1 냉각캐비티(15)에 연결되고 유출구(9)가 제2 냉각캐비티(16)에 연결됨을 특징으로 하는 실린더 헤드.
제1항 내지 제12항의 어느 한 항에서 설명된 실린더 헤드를 갖는 내연기관.
제13항에 있어서, 내연기관이 엔진블록을 냉각시키기 위한 메인 냉각캐비티(17)를 가지고, 유입구(7)가 메인 냉각캐비티(17)에 연결되고 유출구(9)가 적어도 하나의 냉각캐비티(4)에 연결됨을 특징으로 하는 내연기관.