KR20160123999A - 실린더 헤드 어셈블리 - Google Patents

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KR20160123999A
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optical
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막시밀리안 피셔
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독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 복수의 요소들(18)이 배정되는 하우징(12)과, 상기 하우징(12) 내에 형성되며 요소들(18) 중 적어도 하나에 배정되는 광 채널(20)을 구비한, 내연기관을 위한 실린더 헤드 어셈블리(10)에 관한 것으로, 적어도 하나의 요소(18)의 열화상 이미지(52)를 제공하기 위해, 적어도 하나의 요소(18)로부터 광 채널(20)을 관통하는 적외선(28)을 검출하도록 설계되는 열화상 카메라(26)가 광 채널(20)에 배정된다.

Description

실린더 헤드 어셈블리{CYLINDER HEAD ASSEMBLY}
본 발명은, 복수의 요소들이 배정되는 하우징, 및 하우징 내에 형성되며 요소들 중 적어도 하나에 배정되는 광 채널을 구비한, 내연기관을 위한 실린더 헤드 어셈블리에 관한 것이다.
본 발명은 또한 내연기관의 요소의 온도를 검출하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 최종적으로 적어도 하나의 실린더 및 하나의 피스톤을 갖는 엔진 블록을 구비한 자동차를 위한 내연기관에 관한 것이다.
자동차 기술 분야에서, 법적 요건 및 소비자 요건은 지속적으로 증가하는 특정 엔진 출력을 가지면서 더 낮은 연비의 내연기관을 지향해 왔다. 이와 같은 증가된 출력 밀도는 증가된 양의 열에너지가 연소실로부터 냉각 시스템 및 주변 환경으로 폐열로서 전달되는 결과를 가져온다. 내연기관의 복수의 부품들의 열적 부하 역시 이러한 증가된 폐열로 인해 증가하고, 특히 피스톤, 밸브, 실린더 헤드, 배기가스, 및 터보차저와 같은 요소들이 증가된 열적 부하를 겪게 된다.
엔진의 신뢰성을 보장하기 위해, 증가된 열적 부하는 대개는 증가된 냉각, 구조적 측정, 및 상대적으로 고가의 재료의 사용에 의해 상쇄된다. 이러한 맥락에서, 일반적으로, 보다 비용 효율적이며 상대적으로 고가의 재료를 수반하는 구조적 조치는 비용이 더 높아지지만 설계 복잡도는 더 낮아지는 것과 연관이 있다.
그러므로, 내연기관의 개발 중에, 특정 온도 제한을 초과하는 것을 방지하기 위해, 실제 엔진 작동에서 상기 요소들의 가열과, 특히 실제 엔진 작동에서 피스톤의 가열을 고려하는 것이 필요하다. 임의의 구조적 변화가 또한 작동 중에 소정의 부품들의 온도 변화를 초래할 수 있기 때문에, 개발 단계에서 소정의 부품들의 온도의 지속적인 측정이 필요하다.
실제 엔진 작동에서, 예컨대 피스톤과 같은, 소정의 요소들의 온도를 측정하기 위해, 대개는 재료 경도에 관한 변화가 작동 온도에 관한 결론을 도출할 수 있게 하는 소정의 재료를 사용한다. 게다가, 작동 중에 온도의 변화를 측정할 수 있도록, 열전 소자가 또한 내연기관의 특정 요소들에 통합된다.
공지된 방법의 경우, 온도 측정 범위가 작고 측정 정확도가 낮으며 온도 측정에 수반되는 기술적 복잡도가 높다는 단점이 있고, 동시에 온도 측정이 소정의 상황에서 실제 조건에서는 이루어질 수 없으므로, 측정된 작동 온도에 대한 확실성이 부족하다.
따라서, 본 발명의 목적은, 요소의 온도가 실제 조건에서 정확하게 측정될 수 있는 실린더 헤드 어셈블리를 제공하는 데에 있다. 본 발명의 목적은 또한, 내연기관 내의 요소의 온도를 측정하기 위한 대응하는 개선된 방법을 제공하는 데에 있다.
상기 목적은 서두에 언급된 실린더 헤드 어셈블리에 있어서, 적어도 하나의 요소의 열화상 이미지를 제공하기 위해, 적어도 하나의 요소로부터 광 채널을 관통하는 적외선을 검출하도록 설계되는 열화상 카메라가 광 채널에 배정된다는 사실에 의해 달성된다.
상기 목적은, 요소의 적외선이 광 채널을 관통하여 검출되고, 광 채널은 실린더 헤드 어셈블리의 하우징 내에 형성되며, 적어도 하나의 요소의 열화상 이미지가 열화상 카메라에 의해 제공된다는 사실에 의해, 서두에 명시된 방법으로 달성된다.
본 발명의 목적은, 본 발명에 따른 실린더 헤드 어셈블리에 의해, 서두에 언급된 내연기관에서 달성된다.
측정될 요소의 적외선이 실린더 헤드 어셈블리의 광 채널을 관통하여 열화상 카메라에 의해 검출되고, 대응하는 열화상 이미지가 열화상 카메라에 의해 제공된다는 사실로 인해, 측정될 요소의 온도를 비접촉 방식으로 측정할 수 있고, 열화상 카메라 상에 적외선을 투사함으로써, 측방향 잔류선 또는 반사된 적외선으로 인한 영향을 검출하고, 적절한 경우 이를 감소시켜서, 실제 조건에서 내연기관의 연소실의 요소들 및/또는 실린더 헤드 어셈블리의 요소들의 정확한 온도 측정을 허용할 수 있다. 또한, 고온(pyrometric) 측정은 높은 수준의 정확도, 및 동시에 요소의 온도가 측정될 수 있는 넓은 온도 범위를 제공하고, 그 결과 실제 엔진 작동 모드에서 정확한 온도 측정이 가능한 동시에, 실제 엔진 작동 모드에서의 온도 분포가 측정될 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 완전하게 달성된다.
하나의 바람직한 구현예에서, 광 채널은 선형 채널로 구현되며, 적어도 하나의 요소에 배정되는 개구를 축방향 일측 단부에 구비한다.
결과적으로, 실린더 헤드 어셈블리의 다른 부품들의 적외선이 측정에 영향을 미치지 않으면서, 적어도 하나의 요소의 적외선을 정확하게 측정할 수 있다.
기밀 방식으로 적어도 하나의 요소에 대해 광 채널을 밀봉하는 투명한 밀봉 부재가 광 채널에 배정되는 경우가 또한 바람직하다.
결과적으로, 심하게 변동하는 압력을 갖는 영역 내에 배치되는 내연기관의 연소실 및/또는 실린더 헤드 어셈블리의 요소들을 거의 기술적으로 복잡하지 않게 측정할 수 있다.
열화상 카메라 상에 적외선을 투사하도록 설계되는 광학 유닛이 광 채널 내에 배치되는 경우가 또한 바람직하다.
결과적으로, 연소실 또는 실린더 헤드 어셈블리 내의 적어도 하나의 요소의 대응하는 열화상 이미지가 열화상 카메라에 의해 제공될 수 있고, 그 결과 실린더 헤드 어셈블리 또는 내연기관의 영역에서 온도 분포를 측정할 수 있다.
광학 유닛이 로드 렌즈 시스템(rod lens system)을 구비하는 경우가 또한 바람직하다.
결과적으로, 내시경 방식의 광학 유닛이 광 채널 내에 배치될 수 있고, 그 결과 열화상 이미지가 상대적으로 넓은 거리에 걸쳐 열화상 카메라에 의해 검출되어, 적외선이 실린더 헤드 어셈블리를 관통하여 투사되게 할 수 있다. 결과적으로, 실제 엔진 작동 모드에서의 적외선 투사가 가능하다.
광학 유닛이 복수의 사파이어 렌즈들을 구비하는 경우가 또한 바람직하다.
결과적으로, 광학 유닛을 통해 열화상 카메라 상에 적외선을 투사하는 것이 가능하다.
광 채널이 선형관으로 구현되며, 기밀 및 액밀 외부면을 구비하는 경우가 또한 바람직하다.
결과적으로, 광 채널은 오일 챔버들 및/또는 냉각수 챔버들을 관통하여 실린더 헤드 내에 배치되어, 내연기관 및/또는 실린더 헤드 내의 접근이 어려운 위치들에서도 적외선 측정을 허용할 수 있다.
결과적으로, 내연기관의 연소실의 열적 영향으로부터 열화상 카메라뿐만 아니라 광 채널 및 그 안에 수용되는 요소들을 보호하여, 신뢰할 만한 온도 측정을 허용할 수 있다.
냉각 어셈블리가 실린더 헤드의 냉각 유닛에 연결되는 경우가 또한 바람직하다.
결과적으로, 광 채널의 지속적인 냉각이 거의 기술적으로 복잡하지 않게 이루어질 수 있다.
광 채널의 냉각 어셈블리가 유체 냉각 어셈블리인 경우가 특히 바람직하다.
결과적으로, 광 채널의 효과적인 냉각이 거의 기술적으로 복잡하지 않게 이루어질 수 있다.
열화상 카메라가 열화상 이미지의 적어도 일부의 온도를 측정하도록 설계되는 전자 평가 유닛에 연결되는 경우가 또한 바람직하다.
결과적으로, 적어도 하나의 부분의 온도를 정확하게 측정하기 위해, 측정 범위를 정확하게 선택할 수 있고, 연소실 및/또는 실린더 헤드 어셈블리 내의 일 요소의 동력학적 거동을 관찰할 수 있다.
하나의 바람직한 구현예에서, 열화상 카메라는 초당 10,000 이미지를 초과하는 기록 주파수를 가진다.
결과적으로, 내연기관의 연소실 및/또는 실린더 헤드 어셈블리 내의 동력학적 과정들이 특히 높은 엔진 회전 속도에서 정확하게 이어질 수 있다.
전반적으로, 본 발명의 실린더 헤드 어셈블리, 본 발명에 따른 방법, 및 본 발명에 따른 내연기관은 내연기관의 연소실 및/또는 실린더 헤드 어셈블리 내의 열적 특성의 정확하고 자세한 측정을 가능하게 하고, 그 결과 실제 엔진 작동 모드에서 포괄적인 열분석이 가능하다.
본 발명의 범주를 벗어남 없이, 상기에 언급된 특징들 및 이하에 후술하는 특징들이 각각의 명시된 조합뿐만 아니라 다른 조합이나 단독으로 사용될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 예시적인 구현예들이 도면에 도시되며 하기 설명에서 보다 상세히 기술된다.
도 1은 온도 측정을 위한 열화상 카메라 및 광 채널을 구비한 실린더 헤드 어셈블리의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 2는 열화상 카메라에 의한 온도 측정을 설명하는 개략적인 흐름도를 도시한다.
도 3은 내연기관의 연소실 내의 두 상이한 영역에서의 온도 프로파일과 함께 연소실의 열화상 이미지를 도시한다.
도 1은 전반적으로 '10'으로 나타낸, 실린더 헤드 어셈블리의 개략적인 부분도를 도시한다. 실린더 헤드 어셈블리(10)는 일반적으로 외부를 향해 실린더 헤드 어셈블리(10)를 한정하는 하우징(12)을 구비한다. 실린더 헤드 어셈블리(10)는 도 1의 부분도에 개략적으로만 도시된 엔진 블록(14)에 연결되고, 엔진 블록(14)은 적어도 하나의 피스톤(18)이 수용되는 적어도 하나의 실린더(16)를 구비한다. 특히 피스톤(18)의 열적 부하는 현대 내연기관의 높은 출력 밀도로 인해 매우 높고, 그 결과 최종 제품의 작동 중에 과도하게 높은 열적 부하를 방지하기 위해, 피스톤 및 그 표면의 실제 작동 온도를 개발 단계 중에 정기적으로 측정해야 한다.
도 1에서, 실린더 헤드 어셈블리는 또한 광 채널(20)을 구비하는데, 이는 하우징(12) 내에 형성되며, 엔진 블록(14)의 연소실(22)에 배정되는 개구(24)를 구비한다. 일반적으로 피스톤(18)에 의해 광 채널(20)을 관통하여 방출되는 적외선(28)을 검출하며 이를 대응하여 투사하기 위해, 광 채널(20)은 일반적으로 열화상 카메라(26)에 광학 연결된다. 열화상 카메라(26)는 일반적으로 제어 유닛(30)에 연결되는데, 이는 열화상 카메라(26)를 제어하며, 제공된 열화상 이미지를 평가하고, 열화상 이미지에 기초하여 피스톤(18) 또는 연소실(22)의 적어도 하나의 온도를 측정하도록 설계된다.
광 채널(20)은 일반적으로 광 채널(20)의 외부면을 형성하는 피복관(32)을 구비하는데, 그 안에는 내부관(34)이 수용된다. 내부관(34)은 내부관(34) 및 그 안에 수용되는 광학 유닛(38)을 냉각하도록 설계되는 수냉 수단(36)을 구비한다. 개구(24)의 영역에서, 내부관(34)은 밀봉 요소(40)로 연소실(22)로부터 기밀 방식으로 차단되고, 밀봉 요소(40)는 적외선을 투과시키거나 통과시키며, 바람직하게는 사파이어 글래스로 형성된다.
내부관(34)은 밀봉 링(42)에 의해 피복관(32) 내에 밀봉되고, 광학 유닛(38)은 댐퍼들(44)에 의해 내부관(34) 내에 탄성 방식으로 장착된다. 피복관(32)은 피복 너트(46)에 의해 개구(24)의 반대편 측에서 폐쇄되고, 내부관(34)은 피복 너트(48)에 의해 개구(24)의 반대편 단부에서 폐쇄된다. 광학 유닛(38)의 온도를 검출하기 위해, 열전 소자(49)가 내부관(34) 내에 배치된다.
세장형 광 채널(20)을 거쳐 열화상 카메라(26)까지 적외선(28)을 투사하기 위해, 광학 유닛(38)은 내시경 특성을 갖는 로드 렌즈 시스템으로 구현된다. 로드 렌즈 시스템은 렌즈들을 구비하는데, 이들은 적외선(28)을 대응하여 투과시키며, 바람직하게는 사파이어로 형성된다. 렌즈들은 각각 적외선(28)의 적외선 스펙트럼의 굴절에 순응되도록 절삭된 에지 또는 표면 곡률을 가진다. 로드 렌즈 시스템은 작은 개구(24)를 관통하여 열화상 카메라(26) 상에 적외선(28)을 투사하며, 연소실(22)의 대응하는 적외선 이미지를 제공하는 것을 가능하게 한다.
연소실(22)로부터, 특히 연소실(22) 내의 온도 조건 및 압력 조건으로부터 광학 유닛(38)의 로드 렌즈 시스템을 보호하기 위해, 바람직하게는 사파이어로 형성되는 밀봉 요소(40)가 개구(24) 내에 배치된다. 게다가, 피복관(32) 및/또는 내부관(34)은 유체 냉각 수단(36)에 대한 것이다. 결과적으로, 모든 요소들을 구비한 전체 광 채널(20)을 열적 과부하로부터 보호할 수 있다.
열화상 카메라(26)는 전체 적외선 스펙트럼 범위를 검출할 수 있는 검출기를 구비하며, 응용에 따라 적외선 스펙트럼의 특정 파장 범위를 투과시키는 필터를 또한 구비한다. 결과적으로, 열화상 카메라(26)의 감도는 측정될 재료에 순응될 수 있다. 이러한 맥락에서, 강철에 대해 1.4 ㎛ 내지 1.8 ㎛의 파장이 바람직하며, 플라스틱에 대해 1.8 ㎛ 내지 2.2 ㎛의 파장이 바람직하다. 또한, 상이한 필터들에 의해 다양한 파장 범위들을 검출하며 비교할 수 있다. 아울러, 스펙트럼 범위를 순응시킴으로써, 온도 측정 범위를 순응시키며 측정을 보다 정확하게 만드는 것이 가능하다.
열화상 카메라(26)는 바람직하게는 특히 1280×1024 이상의 최고 가능한 해상도를 가지며, 최고 가능한 잔류 해상도에서 초당 10,000 이미지(FPS)를 초과하는 높은 기록 주파수를 가진다. 결과적으로, 연소실(22) 내의 동력학적 과정들이 높은 엔진 회전 속도 및 대응하여 검출되는 온도에서도 매핑될 수 있다.
제어 유닛(30)은 열화상 카메라(26)에 의해 제공된 열화상 이미지를 평가하도록 설계된다. 이러한 맥락에서, 하나 이상의 측정 범위가 수동 또는 자동으로 열화상 이미지 내에 한정될 수 있고, 검출된 적외선(28)에 의해 선택 영역들에서 온도 프로파일이 대응하여 측정될 수 있다. 결과적으로, 연소실(22) 내의 정확한 온도 측정이 가능하고, 음영 효과 및 산란선이 검출될 수 있고, 적절한 경우 측정 범위의 대응하는 선택에 의해 방지될 수 있다.
도 2는 연소실(22) 내의 온도(T)를 측정하기 위한 본 발명에 따른 실린더 헤드 어셈블리(10)의 측정 체인의 개략도를 도시한다. 연소실(22)의 적외선(28)은 열화상 카메라(26) 상에 광학 유닛(38)을 관통하여 내시경 방식으로 투사되고, 열화상 카메라(26)는 열화상 이미지(52)를 제공하며, 이를 제어 유닛(30)에 전송한다. 제어 유닛(30)은 열화상 이미지(52)를 평가하되, 제어 유닛(30)은 열화상 이미지(52) 내의 상이한 측정 범위들을 한정하고, 한정된 측정 범위들에서 온도(T) 또는 온도 프로파일을 검출하며, 이를 측정값으로서 제공한다.
결과적으로, 연소실(22) 내의 상이한 영역들의 정확한 온도 측정이 가능하다.
도 3은 열화상 카메라(26)에 의해 제어 유닛(30)에 제공된 열화상 이미지(52)를 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제어 유닛(30)은 열화상 이미지(52) 내의 상이한 측정 범위들, 구체적으로 제1 범위(54) 및 제2 범위(56)를 한정하며, 이러한 범위들(54, 56) 내의 대응하는 적외선(28)에 의해 이러한 범위들(54, 56) 내의 온도 프로파일 T(t)을 검출한다.
결과적으로, 연소실의 임의의 원하는 영역들 또는 임의의 원하는 지점들에서 온도(T)를 정확하게 검출할 수 있고, 대응하여 평가할 수 있다.
전체적으로, 광 채널(20) 및 열화상 카메라(26)를 구비한 실린더 헤드 어셈블리(10)는 자동차의 실린더 헤드 어셈블리(10)의 요소(18) 또는 연소실(22)의 정확한 온도 측정을 제공한다.

Claims (12)

  1. - 복수의 요소들(18)이 배정되는 하우징(12)과,
    - 상기 하우징(12) 내에 형성되며 상기 요소들(18) 중 적어도 하나에 배정되는 광 채널(20)을 구비한,
    내연기관을 위한 실린더 헤드 어셈블리(10)에 있어서,
    적어도 하나의 요소(18)의 열화상 이미지(52)를 제공하기 위해, 적어도 하나의 요소(18)로부터 광 채널(20)을 관통하는 적외선(28)을 검출하도록 설계되는 열화상 카메라(26)가 광 채널(20)에 배정되는 것을 특징으로 하는 실린더 헤드 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 광 채널(20)은 선형 채널로 구현되고 축방향 일측 단부에는 적어도 하나의 요소(18)에 배정된 개구(24)를 구비하는 것을 특징으로 하는 실린더 헤드 어셈블리.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광 채널(20)에는 적어도 하나의 요소(18)에 대해 기밀 방식으로 광 채널(20)을 밀봉하는 투명한 밀봉 부재(40)가 배정되는 것을 특징으로 하는 실린더 헤드 어셈블리.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 열화상 카메라(26) 상에 적외선(28)을 투사하도록 설계되는 광학 유닛(38)이 광 채널(20) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 실린더 헤드 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서, 광학 유닛(38)은 로드 렌즈 시스템인 것을 특징으로 하는 실린더 헤드 어셈블리.
  6. 제4항에 있어서, 광학 유닛(38)은 복수의 사파이어 렌즈들을 구비하는 것을 특징으로 하는 실린더 헤드 어셈블리.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광 채널(20)은 선형관(32)으로 구현되며, 기밀 및 액밀 외부면을 구비하는 것을 특징으로 하는 실린더 헤드 어셈블리.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광 채널(20)은 광 채널(20)의 냉각을 위해 냉각 어셈블리를 구비하는 것을 특징으로 하는 실린더 헤드 어셈블리.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 열화상 카메라(26)는 열화상 이미지(52)의 적어도 하나의 영역(54, 56)의 온도를 측정하도록 설계된 전자 평가 유닛(30)에 연결되는 것을 특징으로 하는 실린더 헤드 어셈블리.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 열화상 카메라(26)는 초당 10,000 이미지를 초과하는 기록 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 실린더 헤드 어셈블리.
  11. 내연기관의 실린더 헤드 어셈블리(10)의 요소(18)의 온도를 검출하는 방법으로서,
    적어도 하나의 요소(18)의 적외선(28)이 광 채널(20)을 관통하여 검출되고, 광 채널(20)은 실린더 헤드 어셈블리(10)의 하우징(12) 내에 형성되며, 적어도 하나의 요소(18)의 열화상 이미지(52)가 열화상 카메라(26)에 의해 제공되는, 온도 검출 방법.
  12. 적어도 하나의 실린더(16)와 하나의 피스톤(18)을 갖는 엔진 블록(14)을 구비하고, 제1항 또는 제2항에 따른 실린더 헤드 어셈블리(10)를 구비하는, 자동차용 내연기관.
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