KR20160045015A - 실린더 헤드 어셈블리 - Google Patents

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막시밀리안 피셔
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독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 내연기관용 실린더 헤드 어셈블리에 관한 것으로서, 실린더 헤드 어셈블리는 내부에 복수의 구성요소(18, 44)가 배치되는 하우징(12)과, 하우징(12) 내에 형성되고 구성요소(18)들 중 하나 이상에 할당되는 광학 덕트(24)를 구비하며, 하나 이상의 구성요소(18)의 온도(T)를 결정하기 위해, 광학 덕트(24)는 광학 덕트(24)를 통하여 하나 이상의 구성요소(18)로부터의 적외선(30)을 검출하도록 설계되는 적외선 검출기(28)에 할당된다.

Description

실린더 헤드 어셈블리{CYLINDER HEAD ASSEMBLY}
본 발명은 복수의 구성요소가 배치되는 하우징과, 이 하우징 내에 형성되며 구성요소들 중 하나 이상에 할당되는 광학 덕트를 구비하는 내연기관용 실린더 헤드 어셈블리에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 내연기관의 실린더 헤드 어셈블리의 구성요소의 온도를 측정하는 방법에 관한 것이다.
궁극적으로, 본 발명은 하나 이상의 실린더와 피스톤을 갖는 엔진 블록을 구비하는 자동차용 내연기관에 관한 것이다.
자동차 공학 분야에서, 법적 규정 및 고객의 요구사항들은 지속적으로 증가하는 특정 엔진 출력을 갖는 더 낮은 소비의 내연 기관으로 유도되었다. 이러한 증가된 출력 밀도는 연소실로부터 냉각 시스템과 주변부 내로 폐열로서 방출되는 열 에너지의 증가를 가져온다. 이러한 증가된 열 방출은 또한 내연기관의 많은 부품들의 열부하 증가를 야기하며, 특히, 피스톤, 밸브, 실린더 헤드, 배기가스 매니폴드 및 터보차저와 같은 구성요소들이 증가된 열부하를 겪게 된다.
증가되는 열부하는 엔진의 신뢰성을 보장하기 위하여, 통상적으로, 증가된 냉각, 구조적 조치 및 더 높은 품질의 재료를 사용함으로써 상쇄된다. 이러한 맥락에서, 일반적으로 구조적 조치가 비용측면에서 더 효과적이며, 더 높은 품질의 재료는 고가이지만 낮은 구조적 복잡성을 수반한다.
따라서, 내연기관의 개발 중에, 엔진의 실제 작동 동안의 특정 구성요소들의 가열, 특히, 엔진의 실제 작동 동안의 밸브의 가열이 특정 온도 한도를 초과하지 않도록 하는 것이 고려되어야 한다. 임의의 구조적 변화는 또한 작동 중에 특정 부품들의 온도 변화를 발생시킬 수 있으므로, 개발 단계에서 지속적으로 특정 구성요소들의 온도를 결정하는 것이 필요하다.
엔진의 실제 작동 동안의 특정 구성요소들, 예를 들어, 밸브의 온도를 결정하기 위해, 통상적으로 작동 온도에 대한 결론을 이끌어 낼 수 있는 재료 경도의 변화를 갖는 특정 재료들이 사용된다. 또한, 열전 소자들은 작동시의 온도 분포를 측정할 수 있도록 하기 위해 내연기관의 특정 구성요소들에 통합된다.
이러한 방법들은 온도 측정 범위가 작고, 측정 정확도가 낮으며, 또한 온도를 측정하는 기술적 비용이 높고, 동시에 온도 측정은 특정 상황에 따라 실제 조건에서 실시할 수 없으며, 이에 따라 측정된 작동 온도에 대한 불확실성이 존재한다는 단점들을 갖는다.
이에 따라, 본 발명의 목적은 실제 조건 하에서 구성요소의 온도를 정확하게 측정할 수 있는 실린더 헤드 어셈블리를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 실린더 헤드 어셈블리의 구성요소의 온도를 측정하기 위한 개선된 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 하나 이상의 구성요소의 온도를 결정하기 위해, 광학 덕트를 통하여 하나 이상의 구성요소로부터의 적외선을 검출하도록 설계되는 적외선 검출기에 할당된 광학 덕트를 구비하는, 서두에서 언급한 본 발명에 따른 실린더 헤드 어셈블리에 의해 달성된다.
본 발명의 목적은, 실린더 헤드 어셈블리의 구성요소의 적외선이 광학 덕트를 통하여 검출되고, 이 광학 덕트는 실린더 헤드 어셈블리의 하우징 내에 형성되며, 하나 이상의 구성요소의 온도는 적외선에 기초하여 결정되는, 서두에서 언급한 본 발명에 따른 방법에 의해 달성된다.
실린더 헤드 어셈블리의 측정되는 구성요소의 적외선이 광학 덕트를 통해 적외선 검출기에 의해 검출된다는 사실에 의해서, 온도는 비접촉 방식으로 결정될 수 있으며, 이에 따라 측정되는 구성요소의 구조 조정이 필요 없으며, 이 온도는 실제 조건 하에서 측정될 수 있다. 또한, 고온 측정법은 구성요소의 온도를 결정할 수 있는 높은 레벨의 정확도 및 넓은 온도 범위를 제공하며, 이에 따라 실린더 헤드 어셈블리의 측정되는 구성요소 온도의 정확한 결정이 가능하다.
따라서, 본 발명의 목적은 완전하게 달성된다.
바람직한 일 실시예에 있어서, 광학 덕트는 선형 덕트로서 형성되며, 하나 이상의 구성요소에 할당되는 개구부를 한쪽 축방향 단부에 구비한다.
그 결과, 하나 이상의 구성요소의 적외선은 측정에 영향을 미치는 실린더 헤드 어셈블리의 다른 부품들로부터의 적외선 없이 정확하게 검출될 수 있다.
바람직하게는, 하나 이상의 구성요소에 대하여 기밀 형태로 적외선 센서를 밀봉하는 투명 밀봉 요소가 광학 덕트 내에 배치된다.
그 결과, 적은 기술 비용으로, 예를 들어 배기 가스 덕트와 같은 압력이 심하게 변동하는 영역에 배치되는 실린더 헤드 어셈블리의 구성요소들을 측정하는 것이 가능하다.
바람직하게는, 적외선을 집속시키도록 설계되는 광학 소자가 적외선 검출기에 할당된다.
그 결과, 적외선이 적외선 검출기로 집속되기 때문에 측정 정확도가 개선될 수 있다.
특히 바람직하게는, 광학 소자는 광학 덕트 내에 배치된다.
그 결과, 적외선의 측정 및 집속은 측정되는 구성요소 가까이에서 이루어질 수 있으며, 이에 따라 측정이 더욱 정확해진다.
또한, 바람직하게는, 실린더 헤드 어셈블리의 가스 덕트 내의 하나 이상의 구성요소의 온도를 검출하기 위해, 광학 덕트는 가스 덕트에 연결된다.
그 결과, 다른 경우라면 간접적으로만 또는 매우 높은 비용으로만 측정될 수 있는 영역, 특히 실린더 헤드 어셈블리의 특정한 온도-임계 영역의 온도를 측정하는 것이 가능하다.
바람직하게는, 하나 이상의 구성요소는 실린더 헤드 어셈블리의 밸브이다.
그 결과, 실린더 헤드 어셈블리의 특정한 온도-임계의 가동 구성요소가 정확하게 측정될 수 있으며, 이에 따라 최적의 개발이 가능하다.
특히 바람직하게는, 적외선 검출기의 측정 스폿은 광학 덕트를 통해 위치되어, 적외선은 예를 들어 밸브 내의 중공 홈에 의해 검출된다. 이에 따라 밸브의 특히 중요한 영역이 측정될 수 있으며, 온도를 감소시키기 위한 구조적 조치의 경우 상응하게 고려될 수 있다.
바람직하게는, 적외선 검출기는 광 도파로에 의해 광학 덕트에 광학적으로 연결된다.
그 결과, 적외선 검출기는 실린더 헤드 어셈블리로부터 개별적으로 설치될 수 있으며, 이에 따라 전체 측정 구조는 열부하 및 오염에 민감하지 않다.
또한, 바람직하게는, 광 도파로는 적어도 광학 덕트 내에 배치된다.
그 결과, 광 도파로가 측정되는 구성요소 가까이에 배치되기 때문에 적외선 측정의 중단을 피할 수 있다.
바람직하게는, 광학 덕트는 선형 관으로서 형성되며, 기밀 및 액밀 외부면을 갖는다.
그 결과, 광학 덕트는 오일 및/또는 냉각수 공간들을 통해 실린더 헤드 내에 배치될 수 있으며, 이에 따라 접근하기 어려운 실린더 헤드 내의 위치에서도 적외선 측정이 가능하다.
바람직하게는, 광학 덕트의 내부면은 광학 덕트 내의 광 반사를 방지하기 위해 어두운 코팅 및/또는 무광택 코팅을 갖는다.
종합적으로, 적외선 측정을 위한 광학 덕트를 구비한 본 발명에 따른 실린더 헤드 어셈블리는 임의의 개발 시점에서 실린더 헤드 어셈블리의 특정 구성요소들의 온도의 정확한 측정을 허용하며, 이에 따라 실린더 헤드의 구성요소의 열부하의 연속적인 검사가 가능하다. 온도 측정이 적외선 측정에 의해 실행된다는 사실에 따라, 상응하게 측정할 대응 구성요소들의 증가된 구조적 지출을 필요로 하지 않으면서 넓은 온도 범위 및 높은 절대 온도가 검출될 수 있다. 마지막으로, 적외선 측정에 의해 엔진의 작동 중에 실제 측정을 수행할 수 있으며, 이에 따라 열적 특성의 검사는 현실에 가까운 조건 하에서 가능하다.
물론, 상기에서 설명되고, 더 설명될 특징들은 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 설명된 조합뿐만 아니라 다른 조합으로도 또는 단독으로 사용될 수 있다.
본 발명의 예시적 실시예들은 도면들에 나타나 있으며, 또한 하기의 상세한 설명에서 더 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 온도를 측정하기 위한 적외선 측정 장치를 구비한 실린더 헤드 어셈블리를 개략도이다.
도 2는 적외선 온도 측정용 광학 덕트를 구비한 내연기관의 실린더 헤드 어셈블리의 단면 사시도이다.
도 3은 밸브 사이클 동안의 실린더 헤드 어셈블리의 밸브의 온도 추이를 도시한다.
도 4는 엔진의 연소 운전으로부터 오버런 차단 상태로의 전환시 실린더 헤드 어셈블리의 밸브의 온도 추이를 도시한다.
도 1은 도면 부호 "10"으로 나타낸 실린더 헤드 어셈블리를 부분적으로 개략적으로 도시한다. 실린더 헤드 어셈블리는 외부로부터 실린더 헤드 어셈블리(10)를 둘러싸는 하우징(12)을 구비하며, 작동시 상응하게 가열되는 실린더 헤드 어셈블리(10)의 다수의 구성요소가 하우징(12) 내에 수용되어 있다.
실린더 헤드 어셈블리(10)는 도 1에 부분적으로 개략적으로만 도시된 엔진 블록(14)에 연결되며, 엔진 블록(14)은 하나 이상의 실린더(16)를 구비한다.
실린더 헤드 어셈블리(10)는 연소 가스를 실린더(16)로 공급하거나 또는 배기 가스를 실린더(16)로부터 방출시키기 위해, 실린더(16)의 연소실을 주기적으로 개폐시키는 다수의 밸브를 구비한다. 도 1에는 실린더(16)의 배출 밸브로서 밸브(18)가 개략적으로 도시되어 있으며, 상기 밸브는 실린더(16)를 배출 덕트(22)에 연결하는 배출구(20)를 폐쇄시킨다.
현대의 내연기관들의 높은 출력 밀도에 의해, 열부하, 특히 배출 밸브의 열부하가 매우 높으며, 이에 따라 내연기관들, 특히 실린더 헤드 어셈블리들의 개발 단계 동안, 최종 제품의 작동 중의 과도하게 높은 열부하를 피하기 위해, 배출 밸브들의 실제 작동 온도는 정기적으로 측정되어야 한다.
도 1에 있어서, 실린더 헤드 어셈블리(10)는 하우징(12) 내에 형성되며 밸브(18)에 할당되는 개구부(26)를 갖는 광학 덕트(24)를 또한 구비한다. 광학 덕트(24)는 일반적으로 광학 덕트(24)를 통하여 적외선(30)을 검출하기 위해 적외선 검출기(28)에 광학적으로 연결되며, 상기 적외선(30)은 밸브(18)에 의해 방사된다. 적외선 검출기(28)는 제어 유닛(32)에 연결되며, 제어 유닛은 적외선 검출기(28)를 제어하고, 검출된 적외선(30)에 기초하여 밸브(18)의 온도를 결정하도록 설계된다.
도 1에 도시된 실시예에 있어서, 광학 덕트(24)는 적외선(30)을 적외선 검출기(28)로 공급하기 위해 유리 섬유 케이블(34)에 의해 적외선 검출기(28)에 연결된다. 유리 섬유 케이블(34)은, 적외선(30)을 상응하게 수신하고 전달하기 위해 개구부(26) 반대측에 위치하는 단부(36)에서 광학 덕트(24)에 연결된다.
대안적인 일 실시예에 있어서, 적외선 검출기(28)는 광학 덕트(24) 내에서 또는 광학 덕트 상에서 직접적으로 적외선을 검출하기 위해, 광학 덕트의 단부(36)에 또는 광학 덕트(24) 내에 직접적으로 배치된다.
배출 덕트(22) 내의 높은 배기 가스 온도와 매연 입자들 및 대응 배기 가스 역압에 대하여 적외선 센서(28) 및/또는 유리 섬유 케이블(34)을 보호하는 유리 소자(38)가 상기 광학 덕트(24) 내에 배치된다. 바람직하게는, 유리 소자(38)는 사파이어 유리로 형성된다. 또한, 적외선(30)을 집속시키고, 유리 섬유 케이블(34) 및/또는 적외선 검출기(28)에 이와 같이 집속된 적외선(30)을 공급하는 집속 소자(40)도 광학 덕트(24) 내에 배치된다.
광학 덕트(24)는 일반적으로 선형 덕트로 형성되며, 주위로부터 광학 덕트(24)를 밀봉시키기 위해 그의 외부면이 기밀 또는 액밀인 긴 원통형 관으로서 구현된다. 이에 따라, 광학 덕트(24)는 기름 또는 냉각수를 광학 덕트(24) 내로 통과시키지 않고, 실린더 헤드 어셈블리(10)의 기존의 오일 시스템 또는 냉각수 시스템들을 관통하여 안내될 수 있다. 바람직하게는, 광학 덕트(24)는 배출 덕트(22)에 용접된다.
광학 덕트(24)는 밸브(18)의 중공 홈의 측정을 상응하게 허용하기 위해 밸브(18)의 이동 방향에 대하여 비스듬히 배치된다. 이러한 맥락에서, 광학 덕트(24)와 개구부(26)는 적외선(30)이 밸브(18)의 측정 스폿에 의해 광학 덕트(24) 내로 상응하게 지향되도록 배향되며, 이 측정 스폿은 밸브(18)의 측정되는 섹션 상에 상응하게 형성된다.
바람직하게는, 광학 덕트(24)의 내부면(42)과 측정 대상물 및 그 주변부에는 내부면(42) 및 측정 대상물과 그 주변부의 표면들에서의 반사를 피하기 위해, 흑색 또는 어두운 코팅 및/또는 무광택 코팅이 제공될 수 있다.
종합적으로, 실린더 헤드 어셈블리(10)와 광학 덕트(24)뿐만 아니라 적외선 검출기(28)에 의해서, 밸브(18)의 온도는 엔진의 작동 중에 확실하고 정확하게 검출될 수 있으며, 이에 따라 이러한 온도의 지속적이고 안정적인 결정이 가능하다.
물론, 광학 덕트(24)와 적외선 검출기(28)를 구비한 측정 장치는 실린더 헤드 어셈블리(10)의 다른 구성요소들의 온도를 측정하는 것도 가능하다.
도 2에는 실린더 헤드 어셈블리(10)와 엔진 블록(14)의 개략적인 단면 사시도가 도시된다. 유사한 구성 구성요소들은 유사한 도면 부호로 표시되며, 도 2에서는 특정한 특징들만을 설명한다.
도 2에 도시된 단면도에 있어서, 밸브(18)는 배출 밸브로 도시되고, 밸브(44)는 실린더(16)에 대한 흡입 밸브로 도시된다. 광학 덕트(24)는 실린더 헤드 어셈블리(10)의 하우징(12)을 통해 안내되며, 이에 따라 개구부(26)는 배출 덕트(22) 내에서 종결되며, 밸브(18)로부터의 적외선(30)은 개구부(26)와 광학 덕트(24)를 통하여 여기에는 도시되지 않은 적외선 검출기(28)로 지향될 수 있다. 광학 덕트(24)는 원통형 관으로서 형성되고, 예를 들어 실린더 헤드 어셈블리(10)의 워터 재킷(26)을 통하여 안내된다. 광학 덕트(24)를 형성하는 원통형 관은 배출 덕트(22)에 용접되며, 이에 따라 배출 덕트의 내부는 예를 들어 워터 재킷(46)에 대하여 밀봉된다. 유리 소자(38)는 개구부(26)로부터 축방향으로 소정 거리에서 광학 덕트(24) 내에 배치되며, 이에 따라 유리 소자(38)의 열부하가 감소되고 또한 유리 소자들이 매연 입자들로부터 보호되며, 따라서 연속적인 정확한 측정이 유리 소자(38)를 통해 가능하다.
유리 섬유 케이블(34)은 적외선(30)을 적외선 검출기(28)로 상응하게 지향시키기 위해 집속 소자(40)를 통해 광학 덕트(24)를 형성하는 원통형 관에 연결된다. 이 실시예에서, 적외선 검출기(28)가 하우징(12)과 별개로 형성되고 배치될 수 있다는 사실에 의해서, 적외선 검출기는 열부하 및 오염물 등으로부터 보호된다.
광학 덕트(24)를 통한 밸브(18) 온도의 측정에 의해서, 이러한 측정은 임의의 원하는 실린더 헤드 어셈블리들에서 실행될 수 있으며, 동시에, 비접촉 측정은 또한 높은 온도 구배의 정확한 측정을 가능하게 한다.
또한 특정한 일 실시예에 있어서, 밸브 행정을 상응하게 검출하여 이를 검출된 온도에 연관시키기 위해, 제어 유닛(32)은 밸브(18, 44)의 제어기에 연결된다.
밸브 행정(H)과 함께, 밸브 사이클 또는 캠샤프트의 회전에 대한 밸브(18)의 적외선 검출기(28)에 의해 검출된 온도(T)는 도 3에 도시되어 있다. 도 3으로부터, 적외선 검출기(28)에 의한 측정 장치에 의해서, 특히, 밸브(18)의 개방 과정의 개시시에 강한 온도 구배가 측정될 수 있으며, 또한 밸브(18)의 높은 절대 온도가 측정될 수 있으며, 따라서 밸브(18, 44)의 열부하의 연속적인 검출이 가능하다.
여기에 도시된 높은 온도 구배는 적외선(30)에 기초한 무질량 측정 방법(massless measuring method)이 사용된다는 사실에 의해서 측정될 수 있다.
도 4는 6회의 밸브 사이클에 대한 밸브(18)의 검출 온도(T)를 도시하며, 밸브(18)가 개방되는 영역은 수평 바(46)로 표시된다. 도 4에 있어서, 처음 3회의 밸브 사이클 동안의 엔진 연소 작동으로부터 다음 3회의 밸브 사이클의 오버런 차단 상태로의 전환이 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 정확한 온도 검출은 적외선 측정에 의해 실행될 수 있으며, 높은 온도 구배라도 엔진의 연소 운전 중에 측정될 수 있다.
종합적으로, 적외선 검출기(28)에 의한 온도 측정에 의해 실린더 헤드 어셈블리(10)의 구성요소들의 온도의 정확한 측정이 제공될 수 있다.

Claims (12)

  1. - 내부에 복수의 구성요소(18, 44)들이 배치되는 하우징(12), 및
    - 하우징(12) 내에 형성되고 구성요소(18)들 중 하나 이상에 할당되는 광학 덕트(24)를 포함하는, 내연기관용 실린더 헤드 어셈블리(10)에 있어서,
    광학 덕트(24)는 하나 이상의 구성요소(18)의 온도(T)를 결정하기 위해 광학 덕트(24)를 통하여 하나 이상의 구성요소(18)로부터의 적외선(30)을 검출하도록 설계되는 하나 이상의 적외선 검출기(28)에 할당되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 실린더 헤드 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 광학 덕트(24)는 선형 덕트로서 형성되며, 하나 이상의 구성요소(18)에 할당되는 개구부(26)를 한쪽 축방향 단부에 구비하는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 실린더 헤드 어셈블리.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 구성요소(18)에 대하여 기밀 형태로 적외선 센서(28)를 밀봉하는 투명 밀봉 요소(38)가 광학 덕트(24) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 실린더 헤드 어셈블리.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적외선(30)을 집속시키도록 설계되는 광학 소자(40)가 적외선 검출기(28)에 할당되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 실린더 헤드 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서, 광학 소자(40)는 광학 덕트 (24) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 실린더 헤드 어셈블리.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광학 덕트(24)는 가스 덕트(22) 내의 하나 이상의 구성요소(18)의 온도를 검출하기 위해, 실린더 헤드 어셈블리(10)의 가스 덕트(22)에 연결되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 실린더 헤드 어셈블리.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 구성요소(18)는 실린더 헤드 어셈블리(10)의 밸브(18)인 것을 특징으로 하는, 내연기관용 실린더 헤드 어셈블리.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적외선 검출기(28)는 광 도파로(34)에 의해 광학 덕트(24)에 광학적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 실린더 헤드 어셈블리.
  9. 제8항에 있어서, 광 도파로(34)는 광학 덕트(24) 내에 적어도 부분적으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 실린더 헤드 어셈블리.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광학 덕트(24)는 선형 관으로 형성되며, 기밀 및 액밀 외부면을 구비하는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 실린더 헤드 어셈블리.
  11. 내연기관의 실린더 헤드 어셈블리(10)의 구성요소(18)의 온도 측정 방법에 있어서,
    실린더 헤드 어셈블리(10)의 구성요소(18)의 적외선(30)이 광학 덕트(24)를 통하여 검출되며,
    광학 덕트(24)는 실린더 헤드 어셈블리(10)의 하우징(12) 내에 형성되고,
    하나 이상의 구성요소(18)의 온도(T)는 적외선(30)에 기초하여 결정되는, 온도 측정 방법.
  12. 하나 이상의 실린더(16)와 피스톤을 구비하는 엔진 블록(14) 및 제1항 또는 제2항에 따른 실린더 헤드 어셈블리(10)를 구비하는, 자동차용 내연기관.
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