(57)【要約】      （修正有）【課題】単純な構造の、排気弁の温度低下に資するような冷却空気管装置を備えたシリンダヘッドを提供する。【解決手段】排気弁３０によって閉止可能な少なくとも１つの排気管１２と、前記排気弁に冷却空気を吹き付けるための、少なくとも１つの冷却空気管４１，４２を備えた冷却空気管装置と、を有するシリンダヘッド１０。前記冷却空気管装置の前記冷却空気管は、前記シリンダヘッド内で概ね直線的に構成されており、かつ／又は、概ね一定もしくは連続的に拡大する横断面で構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に自己着火式エンジンのためのシリンダヘッド（１０）であって、排気弁（３０）によって閉止可能な少なくとも１つの排気管（１２）と、前記排気弁（３０）に冷却ガス、特に冷却空気を吹き付けるための、少なくとも１つの冷却空気管（４１，４２）を備えた冷却空気管装置と、を有するシリンダヘッドにおいて、
前記冷却空気管装置の前記冷却空気管（４１，４２）は、前記シリンダヘッド（１０）内で概ね直線的に構成されており、かつ／又は、概ね一定もしくは連続的に拡大する横断面で構成されていることを特徴とするシリンダヘッド。
【請求項２】
前記冷却空気管（４１，４２）は、前記排気管（１２）への排気口の領域において拡大していることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。
【請求項３】
前記冷却空気管装置の前記冷却空気管（４１，４２）は、ターボ過給機の過給空気管又は前記エンジンの吸気管につながっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシリンダヘッド。
【請求項４】
前記シリンダヘッド（３０）内にはインサート（１４）が配置されており、前記インサートは、部分的に前記排気管（１２）を画定していること、及び、前記冷却空気管装置の前記冷却空気管（４１，４２）は、前記シリンダヘッド（３０）自身の中で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のシリンダヘッド。
【請求項５】
前記冷却空気管装置の少なくとも２つの冷却空気管（４１，４２）が、前記排気弁（３０）の引き上げ方向において、様々な位置に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のシリンダヘッド。
【請求項６】
前記冷却空気管装置の少なくとも２つの冷却空気管（４１，４２）が、前記排気弁（１３）の引き上げ方向と、様々な角度を成すことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のシリンダヘッド。
【請求項７】
前記冷却空気管装置の少なくとも２つの冷却空気管（４１，４２）が、様々な体積流量の冷却空気を前記排気管（１３）内に誘導することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のシリンダヘッド。
【請求項８】
前記冷却ガスが、前記エンジンの作業サイクルとは無関係に、前記排気弁（３０）に吹き付けられることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のシリンダヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に自己着火式エンジンのための、請求項１のおいて書き部分に記載のシリンダヘッドに関する。当該シリンダヘッドは、排気弁によって閉止可能な少なくとも１つの排気管と、排気弁に冷却空気又はその他の冷却ガスを吹き付けるための少なくとも１つの冷却空気管を備えた冷却空気管装置と、を有する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン内での燃焼時に発生する排気ガスは、非常に高温となり得る。また、前記エンジンの排気弁の周りを流れる排気は、腐食環境を作り出すので、排気弁における高温腐食の危険も存在する。弁が腐食すると、エンジンの損傷につながる。
【０００３】
このような影響を回避するために、エンジンはしばしば、エンジンの可能な最大出力よりも小さい出力で駆動される。排気弁が高温にならないように、さらに、通常は液体の、弁内部を循環する冷却媒体による排気弁の冷却が知られている。しかしながら、この場合、費用面での負担が比較的大きくなる。少なくとも排気弁のシート領域を冷却するさらなる可能性としては、弁座の内部冷却が知られている。しかしながら、その場合、弁当り面に関する冷却効果は、比較的小さい。
【０００４】
特許文献１には、弁当り面の燃焼室に背向する側に対してガスを噴射することによる、エンジンにおける弁の冷却が開示されている。冷却ガスを供給するための装置は、弁の近く及び弁と同軸に、環状チャンバを有している。当該環状チャンバは、その周囲に渡って配置された、弁当り面の方向を向いた排気口を有している。このとき、環状チャンバは、シリンダヘッド内部又はシリンダヘッド内に配置された装置の内部に位置しても良い。
【０００５】
特許文献２には、弁座を備えた、空気冷却されるインサートが開示されている。インサートの外周には、やはり、弁と同軸に環状チャンバが配置されている。インサートはさらに、内周に渡って配置された排気口を有しており、当該排気口は、環状チャンバからの冷却空気を弁当り面に吹き付ける。
【０００６】
弁当り面の燃焼室に背向する側を冷却するための前記従来装置は、シリンダヘッドの内部に、つねにプレナムチャンバ又は分岐部を有している。その結果、一方では、空気供給系の表面が大きくなり、冷却空気はシリンダヘッドのハウジングを通じてすでに加熱される。他方では、渦流、特に逆流が生じ、結果としてやはり、弁表面に吹き付けられる以前に、冷却空気が加熱されることが多くなる。これによって、得られる冷却効果が損なわれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】独国特許発明第５２４４５３号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第３４２５３０１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記先行技術に鑑み、本発明の課題は、単純な構造の、先行技術の欠点を排した、排気弁の温度低下に資するような冷却空気管装置を備えたシリンダヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本課題を解決するために、請求項１のおいて書き部分に記載のシリンダヘッドは、その特徴によって、さらに構成される。好適なさらなる構成は、従属請求項に記載されている。
【００１０】
本発明に係るシリンダヘッドは、少なくとも１つの排気管を有しており、当該排気管は、排気弁によって閉止可能である。さらに、前記シリンダヘッドは、排気弁に冷却ガス、特に冷却空気を吹き付けるための冷却空気管を少なくとも１つ備えた冷却空気管装置を有している。
【００１１】
本発明の第１の実施形態によると、冷却空気管装置の冷却空気管は、シリンダヘッド内において、概ね直線的に構成されている。それによって、冷却ガスが方向転換することによって生じる流れの損失と、流れが通過する冷却空気管の長さに比例して増大する摩擦損失と、が減少する。冷却空気を排気弁に直接供給できることも、冷却空気管を直線的に構成することの利点である。そうして、冷却ガスが高温のシリンダヘッド表面を通過するときの、冷却ガスへの入熱が、可能な限り減少する。
【００１２】
流れが通過する管において、横断面に変化、特に突然の変化が生じると、渦流の発生及び／又は流れる媒体のせき止めにつながる。そのような構成の場合、滞留時間が延長され、冷却空気とシリンダ表面との接触が拡大されるので、冷却ガスが加熱され、結果として冷却効果が低減してしまう。
【００１３】
それゆえ、本発明の第２の実施形態によると、シリンダヘッド内の冷却空気管装置の冷却空気管は、概ね一定の横断面で構成されている。それによって、特に横断面の変化によって生じる流れの損失が減少する。
【００１４】
本発明の第３の実施形態によると、シリンダヘッド内の冷却空気管装置の冷却空気管は、連続的に拡大する横断面で構成されている。それによって、突然の横断面の変化によって生じる流れの損失が回避される。同時に、好適には冷却効果をさらに高めるジェット効果も得られる。
【００１５】
好適には、本発明の第１の実施形態を、第２の実施形態又は第３の実施形態と組み合わせて、前記利点を統合することができる。
【００１６】
冷却空気管装置の冷却空気管を通って、冷却ガス、特に冷却空気は、排気管に流入し、そこで排気弁の燃焼室に背向する端部に吹き付けられる。このとき、排気弁の冷却及び、特に熱的負荷が高い弁当り面の冷却は、直接に弁の表面で、それゆえ特に高温腐食に関して非常に有利な箇所で行われる。
【００１７】
好適には、冷却媒体として過給空気が用いられる。本発明においては、冷却媒体は総じて空気を指すものとする。しかし、本発明の効果を得るために、その他のガス又はガス混合物を使用しても良い。
【００１８】
冷却空気もしくは冷却ガスは、エンジンのターボ過給機の過給空気管と好適には直接連結された供給系を介して、外からシリンダヘッド内に供給され、及び／又は、冷却空気管装置と吸気管との接続部を介して流入する。このような構成の場合、空気は、好適にはさらに加圧することなく、吸気管から排気弁へと誘導される。
【００１９】
本発明に係る冷却空気管装置は、少なくとも１つの、好適には複数の冷却空気管を有している。当該冷却空気管は好適には、排気管のジオメトリ及び排気弁の冷却需要に応じて、当該冷却空気管を流れる冷却空気が排気弁に吹き付けられるように構成及び配置されている。
【００２０】
通常、排気弁は、熱的負荷の様々なゾーンを有する。シリンダヘッド内に誘導され、弁機構によって制御されるバルブベースは、弁機構の熱的負荷が低いゾーンから、弁が高い熱的負荷を受ける弁当り面の斜面部分に至る。バルブベースと弁当り面の間で接合されている２つ又はいくつもの部分から成る弁の場合、当該接合箇所で熱的負荷が高くならないようにすることが重要である。弁当り面は比較的高い質量を有するので、当該領域では強力に蓄熱が行われる。また、弁当り面の表面は比較的小さいので、熱の放出は減少する。弁のシート領域では、特に燃焼ガスの排出時に極めて高温となる。閉止した状態において、シート領域は、当該高温を、概ね冷却された弁座を介してシリンダヘッドに誘導する。
【００２１】
冷却空気管装置は、シリンダヘッドの構成に適応していることが好ましい。適応のために考えられうる指標は、特に、水冷ジャケットのジオメトリ又は必要な弁の冷却である。したがって、適切に構成かつ配置された冷却空気管から流出する冷却ガスが、特に排気弁の熱的負荷が比較的高い領域、及び／又は、例えば密封するために比較的高い寸法精度を有しており、それゆえに温度の変動がより少なくなる領域、に吹き付けられることが好ましい。前記領域は、上述したように、特に弁座、弁当り面、及び／又は弁における接合箇所を有しても良い。
【００２２】
冷却空気管は、例えば穿孔などの機械削り作業によって形成するか、又は、すでにシリンダヘッドの原型において、例えば鋳造などで形成することができる。
【００２３】
冷却空気管から排気管へ冷却空気が排出される領域では、冷却空気の流れに影響を与えるために、管の横断面を連続的に拡大することが好ましい。そうして形成されたディフューザは、流出する冷却空気の流れにおける横断面を拡大する。前記構成によって、例えば、比較的大きな面を均一に冷却することが可能になる。
【００２４】
本発明のさらなる構成では、冷却空気管装置の冷却空気管は、様々な体積流量の冷却空気を排気管に誘導する。それによって、例えば、冷却空気の流れが排気弁に当る速度と、それによる冷却効果とに影響を与えることができる。さらに、適応させた体積流量によって、流れの届く範囲を変化させることができる。
【００２５】
さらに、得られる冷却効果に明らかな影響を与えるのは、冷却空気管排気口の、排気管内の排気弁に対する幾何学的な位置に関する配置である。冷却空気管装置の冷却空気管は、排気弁の周囲に渡って可能な限り均一な冷却効果を得るために、排気弁の軸方向において、様々な高さに配置されることが好ましい。さらに、冷却空気管の配置は、弁当り面又はバルブベースで必要とされる冷却効果に基づいて決定されることが好ましい。複数の冷却空気管は、排気弁の軸に対して径方向に分散して配置され、及び／又は、所望の冷却効果を得るために、異なる流入角度を有することが好ましい。
【００２６】
前記特徴を組み合わせると有利である。例えば、シリンダヘッドの設計において、構成上の自由度を高めるため、又は、作製を容易にするために、冷却空気管装置の冷却空気管を、排気弁の軸方向において、様々な高さに配置しても良い。それでもやはり、均一な冷却効果を得るために、弁の冷却される領域からより離れた冷却空気管が、特に比較的大きな流速で、比較的多い冷却ガス体積流量を誘導しても良い。
【００２７】
シリンダヘッド及び排気弁のシート領域の間において弁座にかかる高い熱的負荷のゆえに、排気管内にはしばしば、弁座リング又はインサートといった、単独の、強度の高い要素が配置されており、当該要素は部分的に排気管を画定する。冷却空気管は、前記インサートを通過しないことが好ましい。なぜなら、この熱的負荷の非常に高い領域を通過する際に、冷却空気は著しく加熱され、結果として冷却効果が損なわれてしまうからである。その代わりに冷却空気管は、本発明に係るシリンダヘッドであって、その中に前記インサートが配置されているようなシリンダヘッドの内に、好適には本来のシリンダヘッド自身の内に、特に好適には、シリンダヘッドのハウジング内に形成されている。それによって、作製も容易になる。
【００２８】
冷却空気管装置の冷却空気管は、エンジンのターボ過給機の過給空気管と連結されていることが好ましい。さらに、排気弁を燃焼室内の作業サイクルに関係なく、持続的に冷却するために、冷却空気が持続的に冷却空気管装置に供給されることが好ましい。
【００２９】
本発明に係るシリンダヘッド内の冷却空気管装置は、設計的にも作業技術的にも容易な解決法である。それによって改善された排気弁の冷却効果に基づいて、エンジンの動作温度を高めることが可能となり、燃焼の改善に伴って、より大きなエンジン出力が得られる。さらに、本発明に係るシリンダヘッドにおいては、弁当り面の耐用年数を延長することもできる。なぜなら、排気弁の背面の表面温度がより低くなるので、高温腐食の危険が軽減されるからである。
【００３０】
本発明のさらなる利点、特徴、及び応用の可能性を以下に図を用いて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係るシリンダヘッドの実施例における、排気弁を備えた排気管の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１は、本発明に係るシリンダヘッド１０の実施形態を例示したもので、排気管１２の領域が断面図で示されている。図１では、排気弁３０は弁座のシート領域３１に位置している。それゆえ、排気管は閉止されている。前記弁は、シート領域３１の他に、弁当り面３２と、シリンダヘッド内において排気管の外側に配置されたバルブベース３３と、を有している。
【００３３】
シリンダヘッド１０自身は、一部のみが図示されている水冷ジャケット１３の中を循環する冷却水によって冷却される。弁座は、シリンダヘッド１０内に配置された単独の弁座リング１４によって形成され、やはり水冷されている。
【００３４】
図示された実施例では、冷却空気管装置は２つの冷却空気管４１，４２を有している。当該冷却空気管は、穿孔を通じてシリンダヘッド１０内に取り付けられているので、シリンダヘッド内を直線的に通っている。冷却空気管４１及び４２は、弁３３に冷却空気を吹き付ける。
【００３５】
このとき、両方の冷却空気管は、排出された冷却空気が、熱的負荷の高い弁当り面３２に直接当るように配置されている。図１では、空気流の経路は、矢印５１及び５２で示されている。
【００３６】
構成上の理由から、特に水冷ジャケット１３の配置と構成とを最適化するため、かつ、作製を容易にするために、冷却空気管装置の両冷却空気管４１，４２は、排気弁３０の引き上げ方向において、様々な位置に設置されている。このとき、弁当り面に均一に吹き付けるために、弁当り面とより離れた冷却空気管４１は、排気弁の引き上げ方向と鋭角を成しているので、冷却空気は、より高いインパルスで法線方向において、弁当り面に当る。図示されていないさらなる構成では、冷却空気管４１は、排気弁３１への方向において、軽く円錐状に開けている。それによって発生するジェット効果のゆえに、やはり、引き上げ方向において様々な位置に配置された冷却空気管の排出口を通じて好適に冷却空気を噴射することが可能になる。
【００３７】
さらに、排気管１２において、流入する冷却剤によって引き起こされる渦流が、弁当り面から、排気管を通ってシリンダヘッドを離れる冷却空気への熱伝導を高めると有利である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  シリンダヘッド
１２  排気管
１３  水冷ジャケット
１４  弁座リング
３０  排気弁
３１  シート領域
３２  弁当り面
３３  バルブベース
４１，４２  冷却空気管
５１，５２  空気流
【図１】
2010138900.tif 000003