(57)【要約】【課題】  シリンダヘッドアセンブリを提供する。【解決手段】  本発明は、複数の要素（１８）が設けられているハウジング（１２）と、ハウジング（１２）に形成され、かつ要素（１８）の少なくとも１つに対応して設けられた光チャネル（２０）とを有する内燃機関用のシリンダヘッド（１０）であって、光チャネル（２０）には、少なくとも１つの要素（１８）のサーモグラフィ画像（５２）を利用可能にするために、少なくとも１つの要素（１８）からの赤外線（２８）を光チャネル（２０）を通して検出するように設計されたサーモグラフィカメラ（２６）が設けられる、シリンダヘッドアセンブリ（１０）に関する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用のシリンダヘッドアセンブリ（１０）であって、
複数の要素（１８）が設けられているハウジング（１２）と、
前記ハウジング（１２）に形成され、かつ前記要素（１８）の少なくとも１つに対応して設けられた光チャネル（２０）と
を有するシリンダヘッドアセンブリ（１０）において、
前記光チャネル（２０）には、前記少なくとも１つの要素（１８）のサーモグラフィ画像（５２）を利用可能にするために、前記少なくとも１つの要素（１８）からの赤外線（２８）を前記光チャネル（２０）を通して検出するように設計されたサーモグラフィカメラ（２６）が設けられていることを特徴とする、シリンダヘッドアセンブリ（１０）。
【請求項２】
前記光チャネル（２０）は、直線状のチャネルとして具現化され、かつ一方の軸方向端部に、前記少なくとも１つの要素（１８）に対応して設けられた開口（２４）を有することを特徴とする、請求項１に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
【請求項３】
前記光チャネル（２０）には、前記光チャネル（２０）を前記少なくとも１つの要素（１８）に対して気密に封止する透明な封止要素（４０）が設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
【請求項４】
前記赤外線（２８）を前記サーモグラフィカメラ（２６）に投射するように設計された光ユニット（３８）が、前記光チャネル（２０）内に配置されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
【請求項５】
前記光ユニット（３８）は、ロッドレンズシステムであることを特徴とする、請求項４に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
【請求項６】
前記光ユニット（３８）は、複数のサファイアレンズを有することを特徴とする、請求項４または５に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
【請求項７】
前記光チャネル（２０）は、直線状チューブ（３２）として具現化され、かつ気密性および液密性の側面を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
【請求項８】
前記光チャネル（２０）は、前記光チャネル（２０）を冷却するための冷却アセンブリを有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
【請求項９】
前記サーモグラフィカメラ（２６）は、前記サーモグラフィ画像（５２）の少なくとも１つの領域（５４、５６）の温度を求めるように設計された電子評価ユニット（３０）に接続されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
【請求項１０】
前記サーモグラフィカメラ（２６）は、１００００画像／秒を超える記録回数を有することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のシリンダヘッドアセンブリ。
【請求項１１】
内燃機関のシリンダヘッドアセンブリ（１０）の要素（１８）の温度を検出する方法であって、少なくとも１つの要素（１８）の赤外線（２８）が、光チャネル（２０）を通して検出され、前記光チャネル（２０）は、前記シリンダヘッドアセンブリ（１０）のハウジング（１２）に形成され、前記少なくとも１つの要素（１８）のサーモグラフィ画像（５２）が、サーモグラフィカメラ（２６）を用いて利用可能になる、方法。
【請求項１２】
自動車用の内燃機関であって、少なくとも１つのシリンダ（１６）および少なくとも１つのピストン（１８）を有するエンジンブロック（１４）を有し、かつ請求項１〜１０のいずれか一項に記載のシリンダヘッドアセンブリ（１０）を有する内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の要素が設けられているハウジングを有し、およびハウジングに形成され、かつ要素の少なくとも１つに対応して設けられた光チャネルを有する内燃機関用のシリンダヘッドアセンブリに関する。
【０００２】
本発明はまた、内燃機関の要素の温度を検出する方法に関する。
【０００３】
最後に、本発明は、エンジンブロックが少なくとも１つのシリンダおよび少なくとも１つのピストンを有する、自動車用内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００４】
自動車技術の分野において、法的必要条件および顧客要求から、低消費量内燃機関がもたらされている。この内燃機関は比エンジン出力が増大し続けている。出力密度がそのように増大することで、熱エネルギ量が増大する。この熱エネルギは、廃熱として、燃焼室から冷却システムおよび周囲環境に送出される。廃熱が増大した結果として、内燃機関の多数の構成要素の熱負荷も増大し、特に、ピストン、弁、シリンダヘッド、排気ガス、ターボチャージャには、増大した熱負荷がかかる。
【０００５】
増大した熱負荷は、エンジンの信頼性を保証するために、通常、冷却作用の強化、構造的対策、および比較的高価値の材料の使用によって対処される。これに関連して、一般的に、コスト効率が高く、かつ比較的高価値の材料を伴う構造的対策は、より高価であるが、設計の複雑性が低い。
【０００６】
したがって、内燃機関の開発時に、特定の温度限界を超えないようにするために、実際のエンジン動作の際の前記要素に対する加熱作用、特に、実際のエンジン動作の際のピストンに対する加熱作用に配慮する必要がある。任意の構造的変更により、動作中に特定の構成要素の温度変化がもたらされることもあるため、開発段階で特定の構成要素の温度を絶えず求める必要がある。
【０００７】
実際のエンジン動作の際の特定の要素、例えば、ピストンなどの温度を求めるために、材料硬度の変化により、推定される動作温度を得ることが可能な特定の材料が通常使用される。さらに、動作中の温度変化を測定できるようにするために、熱素子も内燃機関の特定の要素に組み込まれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
公知の方法に関する欠点は、温度測定範囲が狭く、測定精度が低く、かつ温度測定に伴う技術的複雑性が高いことであり、同時に、特定の状況の下では温度測定を実際の条件下で行うことができず、したがって、結果として測定した動作温度に関する確実性に欠けることである。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、要素の温度を実際の条件下で正確に測定できるシリンダヘッドアセンブリを利用可能にすることである。本発明の目的はまた、内燃機関の要素の温度を測定するための、対応する改良された方法を利用可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的は、少なくとも１つの要素のサーモグラフィ画像（熱像法画像）を利用可能にするために、少なくとも１つの要素からの赤外線を光チャネルを通して検出するように設計されたサーモグラフィカメラが光チャネルに設けられることにより、冒頭に記したシリンダヘッドアセンブリによって達成される。
【００１１】
上記の目的は、要素の赤外線が光チャネルを通して検出されることで、冒頭に記した方法によって達成される。光チャネルは、シリンダヘッドアセンブリのハウジングに形成される。少なくとも１つの要素のサーモグラフィ画像は、サーモグラフィカメラを用いて利用可能になる。
【００１２】
本発明の目的は、本発明によるシリンダヘッドアセンブリを用いて、冒頭に記した内燃機関において達成される。
【００１３】
測定される要素の赤外線が、シリンダヘッドアセンブリの光チャネルを通してサーモグラフィカメラによって検出される。対応するサーモグラフィ画像が、サーモグラフィカメラによって利用可能になることにより、測定される要素の温度を非接触式に求めることができる。赤外線をサーモグラフィカメラに投射することで、横残留照射または反射赤外線による影響を検出し、必要な場合、この影響を弱めることが可能になる。それにより、実際の条件下での、シリンダヘッドアセンブリの要素および／または内燃機関の燃焼室の要素の正確な温度測定が可能になる。さらに、高温計測定により、高いレベルの精度が得られ、同時に、要素の温度を求めることができる温度範囲が広くなる。その結果として、実際のエンジン動作モードでの正確な温度測定が可能であり、同時に、実際のエンジン動作モードでの温度分布を求めることができる。
【００１４】
したがって、本発明の目的は完全に達成される。
【００１５】
１つの好ましい実施形態では、光チャネルは、直線状のチャネルとして具現化され、かつ軸方向端部に、少なくとも１つの要素に対応して設けられた開口を有する。
【００１６】
その結果、シリンダヘッドアセンブリの他の構成要素からの赤外線が測定に影響を及ぼすことなく、少なくとも１つの要素の赤外線を正確に検出することができる。
【００１７】
また、光チャネルには、光チャネルを少なくとも１つの要素に対して気密に封止する透明な封止要素が設けられることも好ましい。
【００１８】
その結果、圧力が激しく変動する領域に配置されたシリンダヘッドアセンブリおよび／または内燃機関の燃焼室の要素を、技術的な複雑さをほとんど伴わずに測定することができる。
【００１９】
赤外線をサーモグラフィカメラに投射するように設計された光ユニットが光チャネル内に配置されることも好ましい。
【００２０】
その結果、シリンダヘッドアセンブリまたは燃焼室の少なくとも１つの要素の対応するサーモグラフィ画像が、サーモグラフィカメラで利用可能になる。その結果、内燃機関またはシリンダヘッドアセンブリの領域の温度分布を測定することができる。
【００２１】
光ユニットがロッドレンズシステムを有することも好ましい。
【００２２】
結果的に、内視鏡状の光ユニットを光チャネル内に配置することができる。その結果、サーモグラフィ画像をサーモグラフィカメラによって比較的長い距離にわたって検出することができ、赤外線がシリンダヘッドアセンブリを通して投射されることが可能になる。その結果、実際のエンジン動作モードでの赤外線投射が可能である。
【００２３】
光ユニットが複数のサファイアレンズを有することも好ましい。
【００２４】
その結果、赤外線を光ユニットに通してサーモグラフィカメラに投射することが可能である。
【００２５】
光チャネルが直線状チューブとして具現化され、かつ気密性および液密性の側面を有することも好ましい。
【００２６】
その結果、光チャネルは、オイルチャンバおよび／または冷却水チャンバを貫通してシリンダヘッドに配置することができる。それにより、シリンダヘッドおよび／または内燃機関のアクセス困難な位置においてでさえ、赤外線測定が可能になる。
【００２７】
その結果、光チャネルおよび光チャネル内に収容された要素、さらにはサーモグラフィカメラを内燃機関の燃焼室で生じた熱的影響から保護することができ、信頼できる温度測定が可能になる。
【００２８】
冷却アセンブリが、シリンダヘッドの冷却ユニットに接続されることも好ましい。
【００２９】
その結果、技術的な複雑さをほとんど伴わずに、光チャネルを連続的に冷却することが可能である。
【００３０】
光チャネルの冷却アセンブリが流体冷却手段であることは特に好ましい。
【００３１】
その結果、技術的な複雑さをほとんど伴わずに、光チャネルを効果的に冷却することが可能である。
【００３２】
サーモグラフィカメラが、サーモグラフィ画像の少なくとも一部の温度を求めるように設計された電子評価ユニットに接続されることも好ましい。
【００３３】
その結果、少なくとも１つの部分の温度を正確に求めるために、測定範囲を正確に選択することができ、かつシリンダヘッドアセンブリ内および／または燃焼室内の少なくとも１つの要素の動的挙動を観測することができる。
【００３４】
１つの好ましい実施形態では、サーモグラフィカメラは、１００００画像／秒を超える記録回数を有する。
【００３５】
その結果、特に、高いエンジン回転数において、シリンダヘッドアセンブリおよび／または内燃機関の燃焼室内の動的プロセスを正確に追跡することができる。
【００３６】
総括すると、本発明のシリンダヘッドアセンブリ、本発明による方法、および本発明による内燃機関は、シリンダヘッドおよび／または内燃機関の燃焼室内の熱的状態の正確かつ詳細な特定を可能にする。その結果として、実際のエンジン動作モードにおける広範囲の熱的解析が可能である。
【００３７】
当然ながら、上記の特徴部および引き続き下記に説明される特徴部は、本発明の範囲から逸脱することなく、それぞれの特定の組み合わせだけでなく、他の組み合わせで、または単独で使用することができる。
【００３８】
本発明の例示的な実施形態が図面に示され、以下の説明において、さらに詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】光チャネルと温度測定用のサーモグラフィカメラとを有するシリンダヘッドアセンブリの概略断面図を示す。
【図２】サーモグラフィカメラを用いた温度測定を説明する概略的なフローチャートを示す。
【図３】燃焼室のサーモグラフィ画像を内燃機関の燃焼室の２つの異なる領域における温度曲線と共に示している。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図１は、全体として１０で示すシリンダヘッドアセンブリの概略部分図を示している。シリンダヘッドアセンブリ１０は、通常、外側に対してシリンダヘッドアセンブリ１０の範囲を定めるハウジング１２を有する。シリンダヘッドアセンブリ１０は、図１に部分図で概略的にのみ示すエンジンブロック１４に連結される。エンジンブロック１４は、少なくとも１つのピストン１８が収容された少なくとも１つのシリンダ１６を有する。最新の内燃機関の出力密度が高いことから、特に、ピストン１８の熱負荷は非常に大きい。その結果として、最終製品の動作時の過度に高い熱負荷を回避するために、開発段階時に、ピストンおよびその表面の実際の動作温度を定期的に測定しなければならない。
【００４１】
図１では、シリンダヘッドアセンブリはまた、ハウジング１２に形成され、かつエンジンブロック１４の燃焼室２２に設けられた開口２４を有する光チャネル２０を有する。光チャネル２０は、通常、ピストン１８から放射された赤外線２８を光チャネル２０を通して検出し、赤外線を相応して投射するために、通常サーモグラフィカメラ２６に光学的に接続される。サーモグラフィカメラ２６は通常、制御ユニット３０に接続される。制御ユニット３０は、サーモグラフィカメラ２６を制御して、利用可能になったサーモグラフィ画像を評価し、サーモグラフィ画像に基づいて、燃焼室２２内またはピストン１８の少なくとも１つの温度を求めるように設計されている。
【００４２】
光チャネル２０は通常、この光チャネル２０の外側側面を形成する被覆チューブ３２を有し、この被覆チューブ３２には内側チューブ３４が収容される。前記内側チューブ３４は、内側チューブ３４と、内側チューブに収容された光ユニット３８とを冷却するように設計された水冷却手段３６を有する。開口２４の領域において、内側チューブ３４は、封止要素４０を用いて燃焼室２２から気密に遮断される。封止要素４０は、赤外線ビームに対して透過性があり、または透明であり、サファイアガラスから形成されるのが好ましい。
【００４３】
内側チューブ３４は、封止リング４２を用いて、被覆チューブ３２内に封止される。光ユニット３８は、ダンパ４４を用いて、内側チューブ３４内に弾性的に取り付けられる。被覆チューブ３２は、被覆ナット４６を用いて、開口２４と反対の側で閉鎖される。内側チューブ３４は、被覆ナット４８を用いて、開口と反対の端部で閉鎖される。熱素子４９は、光ユニット３８の温度を測定するために、内側チューブ３４内に配置されている。
【００４４】
光ユニット３８は、細長い光チャネル２０を介してサーモグラフィカメラ２６まで赤外線２８を投射するために、内視鏡的特性を有するロッドレンズシステムとして具現化されている。これに対応して、ロッドレンズシステムは、赤外線２８に対して透過性であり、かつサファイアから形成されるのが好ましいレンズを有する。これらのレンズはそれぞれ、赤外線ビーム２８の赤外スペクトルでの屈折に合わせた切り口または表面曲率を有する。ロッドレンズシステムにより、小開口２４を通して赤外線２８をサーモグラフィカメラ２６に投射し、燃焼室２２の対応する赤外線画像を利用できるようにすることが可能になる。
【００４５】
光ユニット３８のロッドレンズシステムを燃焼室２２から、特に、燃焼室２２の温度状態および圧力状態から保護するために、サファイアから形成されるのが好ましい封止要素４０が開口２４に配置されている。さらに、被覆チューブ３２および／または内側チューブ３４は、流体冷却手段３６に接続されている。その結果、すべての要素を含む光チャネル２０全体を熱的過負荷から保護することができる。
【００４６】
サーモグラフィカメラ２６は、赤外スペクトル域全体を検出できる検出器を有し、さらに、用途に応じて、赤外スペクトルの特定の波長域を透過させるフィルタを有する。その結果、サーモグラフィカメラ２６の感度を、測定される材料に合わせることができる。この点において、鋼に対しては１．４μｍ〜１．８μｍの波長が好ましく、プラスチックに対しては１．８μｍ〜２．２μｍの波長が好ましい。さらに、様々なフィルタを用いて、様々な波長域を検出および比較することができる。さらに、スペクトル域を適合させることによって、温度測定範囲を適合させ、測定をより正確にすることが可能である。
【００４７】
サーモグラフィカメラ２６は、可能な限り高い解像度、特に、１２８０×１０２４またはそれよりも高い解像度と、可能な限り高い残像の解像度（Restaufloesung）における１００００画像／秒（ＦＰＳ）を超える高い記録周波数とを有するのが好ましい。その結果、高いエンジン回転数においてでさえ、燃焼室２２内の動的プロセスに対応した画像を形成し、したがって温度も検出することができる。
【００４８】
制御ユニット３０は、サーモグラフィカメラ２６によって利用可能になったサーモグラフィ画像を評価するように設計されている。これに関連して、サーモグラフィ画像内で、１つまたは複数の測定範囲を手動でまたは自動的に画定することができる。温度曲線は、検出した赤外線２８を用いることにより、選択した領域で対応して求めることができる。その結果、燃焼室２２内の正確な温度測定が可能である。陰影効果および散乱放射線を検出することができ、必要な場合、測定範囲の対応する選択により、陰影効果および散乱放射線を回避することができる。
【００４９】
図２は、燃焼室２２内の温度Ｔを測定するための、本発明によるシリンダヘッドアセンブリ１０の測定連鎖の概略図を示している。燃焼室２２からの赤外線２８は、内視鏡状の方法で光ユニット３８を通してサーモグラフィカメラ２６に投射される。サーモグラフィカメラ２６により、サーモグラフィ画像５２が利用可能になり、その画像が制御ユニット３０に送られる。制御ユニット３０では、サーモグラフィ画像５２を評価する。制御ユニット３０により、サーモグラフィ画像５２内の様々な測定範囲が画定され、画定された測定範囲で温度Ｔまたは温度曲線が検出されて、それが測定値として利用可能になる。
【００５０】
その結果、燃焼室２２内の様々な領域の正確な温度測定が可能である。
【００５１】
図３は、サーモグラフィカメラ２６によって、制御ユニット３０に利用可能になったサーモグラフィ画像５２を示している。制御ユニット３０により、図３に示すように、サーモグラフィ画像５２の様々な測定範囲、具体的には、第１の範囲５４および第２の範囲５６が画定される。これらの範囲５４、５６の対応する赤外線２８を用いて、制御ユニット３０により、これらの範囲５４、５６の温度曲線Ｔ（ｔ）が検出される。
【００５２】
その結果、温度Ｔを、燃焼室の任意の所望の地点または任意の所望の領域で正確に検出することができ、その結果これを評価することができる。
【００５３】
総括すると、シリンダヘッドアセンブリ１０と、光チャネル２０およびサーモグラフィカメラ２６とにより、自動車の燃焼室２２またはシリンダヘッドアセンブリ１０の要素１８の正確な温度測定が利用可能になる。
【符号の説明】
【００５４】
１０  シリンダヘッドアセンブリ
１２  ハウジング
１４  エンジンブロック
１６  シリンダ
１８  ピストン
２０  光チャネル
２４  開口
２６  サーモグラフィカメラ
２８  赤外線
３０  電子評価ユニット
３２  直線状チューブ
３８  光ユニット
４０  封止要素
５２  サーモグラフィ画像
５４  第１の範囲
５６  第２の範囲
【図１】
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【図２】
2016206183.tif 000004
【図３】
2016206183.tif 000005