KR100307965B1 - 실린더 헤드의 워터재킷 냉각수 흐름구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실린더 블록에서 실린더 헤드의 워터재킷으로 유입되는 냉각수가 워터재킷 벽에서의 유선(streamline)으로 분기되어 흐르도록 함으로서 종래와 같이 워터재킷 벽에서의 스테그네이션 포인트(stagnation point)로 인한 냉각수의 흐름 방해를 개선하여 냉각수의 유속 및 유량을 증가시켜 실린더 헤드의 냉각성을 향상시키고, 또한 워터펌프의 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 실린더 헤드의 워터재킷 냉각수 흐름구조를 제공하는 것으로, 실린더 헤드에 흡기밸브와 배기밸브가 설치되는 흡기포트와 배기포트가 엔진의 실린더 수에 따라 각각 형성되고, 이들 흡기포트와 배기포트의 주변으로 서로 교통되는 워터재킷이 형성되며, 상기 워터재킷은 실린더 블록의 워터재킷과 연결되어 실린더 블록 측의 냉각수를 실린더 헤드의 워터재킷으로 공급하는 입구홀이 다수 형성되고, 상기 실린더 헤드의 일 측에는 워터재킷을 통해 열교환된 냉각수를 외부로 방출하는 출구홀이 형성된 것에 있어서, 상기 흡기포트를 감싸면서 대략 원형을 이루는 워터재킷 벽에, 냉각수가 흐르는 방향에 대해 유선(streamline)으로 분기되어 흐르도록 로브(lobe)를 일체로 형성한 것을 특징으로 한다.

Description

실린더 헤드의 워터재킷 냉각수 흐름구조

본 발명은 엔진의 실린더 블록과 연결되는 실린더 헤드에 관한 것으로, 특히 실린더 헤드에 형성되어 냉각수를 실린더 블록으로부터 공급받아 순환시키는 워터재킷에서의 스테그네이션 포인트(stagnation point)(停滯點)로 인한 냉각수의 흐름 방해를 개선하여 그 결과 냉각수의 유속 및 유량을 증가시켜 실린더 헤드의 냉각성을 향상시킬 수 있도록 하는 실린더 헤드의 워터재킷 냉각수 흐름구조에 관한 것이다.

엔진의 냉각장치는 혼합기의 연소에 의하여 발생되는 열의 일부를 냉각시켜 엔진의 과열을 방지하여 운전을 원활하게 하는 장치로, 그 목적은 조기점화 방지, 충전효율의 향상, 변형 및 균열방지, 윤활작용의 원활함 등에 있다.

엔진이 과열(over heat)되면 부품의 변형, 윤활유의 유막 파괴, 윤활유 부족, 엔진의 출력 저하 등의 현상이 일어나고, 엔진이 과냉(over cooling)되면 출력의 저하, 연료소비율 증대, 오일희석 및 베어링 부의 마멸 등의 현상이 일어나게 된다.

특히 엔진을 구성하는 실린더 블록과 실린더 헤드에 형성되는 워터재킷은 냉각수의 유동성을 좋게 함으로서 그 결과 유속 및 유량의 증가하게 되어 냉각성을 좋게 할 수 있게 되는 것이다.

도 1은 일반적인 엔진 냉각제어장치의 구성도를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이 엔진을 구성하는 실린더 헤드(70)의 냉각수 출구관(52)에는 냉각수의 온도를 센싱하여 ECU(Electric Control Unit)(54)에 신호를 전달하는 냉각수온도센서(56)가 설치되고, 상기 냉각수 출구관(52)으로부터 라디에이터(62) 연결관과 바이패스관(64)의 분기구역에 냉각수의 온도에 따라 개폐되는 서모스탯(58)이 설치된다.

그리고 상기 냉각수 출구관(52)으로부터 서모스탯(58)을 통해 연결되어 냉각수를 열교환시켜며 냉각수 입구관(60)과 연결되는 라디에이터(62)가 설치되고, 상기 서모스탯(58)과 냉각수 입구관(60) 사이에 연결되어 냉각수를 바이패스시키는 바이패스관(64)이 설치되며, 상기 냉각수 입구관(60)측으로 냉각수를 엔진을 구성하는 실린더 블록(50)으로 압송시키는 워터펌프(66)가 설치되어 구성된다.

상기와 같이 구성된 종래의 엔진 냉각제어장치에 의하면, 엔진의 냉기운전시에는 냉각수의 온도를 짧은 시간 내에 높이기 위해 서모스탯(58)이 밸브를 닫아 냉각수는 냉각수 출구관(52), 바이패스관(66), 냉각수 입구관(60), 워터펌프(66)를 거쳐 실린더 블록(50)과 실린더 헤드(70)로의 순환이 이루어지게 되고, 냉각수의 온도가 높아졌을 때(즉, 냉각수의 난기시)는 서모스탯(58)이 개방되어 냉각수는 라디에이터(62)를 거치면서 냉각되어 냉각수 입구관(60), 워터펌프(66)를 거쳐 실린더 블록(50)과 실린더 헤드(70)로의 순환이 이루어지게 된다.

도 2는 종래 실린더 헤드에 형성된 워터재킷의 단면을 나타내는 평단면도이고, 도 3은 도 2의 Y부의 상세도를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이 실린더 헤드(70)에 흡기밸브와 배기밸브가 설치되는 흡기포트(72)와 배기포트(74)가 4기통 엔진의 경우 4개씩 각각 형성되고, 이들 흡기포트(72)와 배기포트(74)의 주변으로 서로 교통되는 워터재킷(76)이 형성된다.

그리고 상기 워터재킷(76)은 실린더 블록의 워터재킷과 연결되어 실린더 블록 측의 냉각수를 실린더 헤드(70)의 워터재킷(76)으로 공급하는 입구홀(78)이 다수 형성되고, 상기 실린더 헤드(70)의 일 측에는 워터재킷(76)을 통해 열교환된 냉각수를 외부로 방출하는 출구홀(80)이 형성된다.

상기와 같이 워터재킷(76)이 흡기포트(72)와 배기포트(74)의 주변을 감싸면서 형성되는 이유는, 실린더 헤드(70) 내의 열원 발생점이 주로 연소실 및 이와 연통되는 배기포트(74)이기 때문이다.

또한 흡기포트(72)의 경우 냉각효과 증대로 흡입공기의 밀도를 높여 동일한 체적에서도 산소함유량이 높아져 연소시에 실제 필요한 공기 량이 많아져서 엔진의 연소 성능이 좋아지게 되고, 이는 곧 엔진의 출력성능을 증대시키고 유해 배출가스를 저감시킬 수 있게 되는 것이며, 부가적으로 흡기 측의 온도저감은 흡기포트측에 인접하여 설치된 인젝터의 팁 온도를 낮추게 하여 인젝터의 효율을 향상시키는 효과를 갖는 것으로, 실린더 헤드(70)의 냉각은 중요한 것이다.

상기와 같이 구성된 종래의 실린더 헤드(70)에 의하면 실린더 블록에서 입구홀(78)을 통해 워터재킷(76)으로 유입되는 냉각수에 의해 흡기포트(72)와 배기포트(74)에 설치된 흡기밸브와 배기밸브 등의 기계요소 작동에 따른 열발생이 상기 냉각수에 의해 열교환이 이루어지게 되어 실린더 헤드(70)는 냉각되게 된다.

그런데 상기와 같이 구성되고 작용되는 종래의 실린더 헤드(70)에 있어 냉각수를 공급받아 열교환시키는 워터재킷(76)의 경우 흡기포트(72)를 감싸고 있는 워터재킷 벽(72a)이 대략 원형을 이루고 있기 때문에 입구홀(78)을 통해 유입되는 냉각수가 이 워터재킷 벽(72a) 부위에서의 스테그네이션 포인트(stagnation point)(停滯點)의 존재로 인한 배압(back pressure)이 작용하게 되어 냉각수의 흐름(즉, 출구홀(80)쪽으로)을 방해하게 된다.

다시 말해서, 각 입구홀(78)로부터 유입되는 냉각수가 도 3에 도시된 바와 같이 워터재킷(76)을 통해 유입되어 화살표 방향의 출구홀(80) 쪽으로 흐를 때 흡기포트(72)를 감싸고 있는 워터재킷 벽(72a) 부위에서 부딪치면서 일단 그 흐름을 멈추게 하는 배압이 작용하게 된다.

이에 따라 워터재킷(76)으로 유입된 냉각수의 정체시간이 길어지면서 유속 및 유량이 동시에 감소하게 되어 그 결과 실린더 헤드(70)는 온도가 상승하게 되어 냉각성이 나빠지게 되는 것이다.

따라서 엔진의 과열에 따른 문제가 발생되고, 워터펌프의 효율이 저하되는 문제가 발생된다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 실린더 헤드에 형성되어 냉각수를 실린더 블록으로부터 공급받아 순환시키는 워터재킷에 있어 실린더 블록에서 실린더 헤드의 워터재킷으로 유입되는 냉각수가 워터재킷 벽에서의 유선(streamline)으로 분기되어 흐르도록 함으로서 종래와 같이 워터재킷 벽에서의 스테그네이션 포인트로 인한 냉각수의 흐름 방해를 개선하여 냉각수의 유속 및 유량을 증가시켜 실린더 헤드의 냉각성을 향상시키고, 또한 워터펌프의 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 실린더 헤드의 워터재킷 냉각수 흐름구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 실린더 헤드에 흡기밸브와 배기밸브가 설치되는 흡기포트와 배기포트가 엔진의 실린더 수에 따라 각각 형성되고, 이들 흡기포트와 배기포트의 주변으로 서로 교통되는 워터재킷이 형성되며, 상기 워터재킷은 실린더 블록의 워터재킷과 연결되어 실린더 블록 측의 냉각수를 실린더 헤드의 워터재킷으로 공급하는 입구홀이 다수 형성되고, 상기 실린더 헤드의 일 측에는 워터재킷을 통해 열교환된 냉각수를 외부로 방출하는 출구홀이 형성된 것에 있어서, 상기 흡기포트를 감싸면서 대략 원형을 이루는 워터재킷 벽에, 냉각수가 흐르는 방향에 대해 유선(streamline)으로 분기되어 흐르도록 로브(lobe)를 일체로 형성한 것을 특징으로 한다.

상기에서 로브는 냉각수가 흐르는 방향으로 워터재킷 벽에서 대략 삼각형상을 이루는 것을 특징으로 한다.

상기 로브는 각각의 배기포트를 감싸는 워터재킷의 벽에 각각 설치하여 냉각수의 흐름을 유선(streamline)으로 유도하는 것이 바람직하다.

이에 따라 상기 로브에 의해 냉각수가 워터재킷 벽에서 정체되지 않고 흐름이 원활하게 되어 냉각수의 유속 및 유량이 증가하여 실린더 헤드의 냉각성을 증대시키게 된다.

도 1은 일반적인 엔진 냉각제어장치의 구성도.

도 2는 종래 실린더 헤드에 형성된 워터재킷의 단면을 나타내는 평단면도.

도 3은 도 2의 Y부의 상세도.

도 4는 본 발명의 실린더 헤드에 형성된 워터재킷의 단면을 나타내는 평단면 도.

도 5는 도 4의 Z부의 상세도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 로브(lobe) 70 : 실린더 헤드

72 : 흡기포트 74 : 배기포트

76 : 워터재킷 76a : 워터재킷 벽

78 : 입구홀 80 : 출구홀

이하에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 설명에서 종래와 동일 또는 동등한 부분은 같은 도면부호로 표기하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 실린더 헤드에 형성된 워터재킷의 단면을 나타내는 평단면도이고, 도 5는 도 4의 Z부의 상세도를 도시한 것이다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 흡기밸브와 배기밸브가 설치되는 흡기포트(72)와 배기포트(74)가 엔진의 실린더 수에 따라 각각 형성되고, 이들 흡기포트(72)와 배기포트(74)를 감싸면서 주변으로 서로 교통되는 워터재킷(76)이 형성되는 실린더 헤드(70)에 있어서, 상기 흡기포트(72)를 감싸면서 대략 원형을 이루는 워터재킷 벽(76a)에, 냉각수가 흐르는 방향에 대해 유선(streamline)으로 분기되어 흐르도록 로브(10)를 일체로 형성하여 구성한 것이다.

상기에서 로브(10)는 도 5에 도시된 바와 같이 냉각수가 흐르는 방향(화살표 방향)으로 워터재킷 벽(76a)에서 대략 삼각형상을 이루는 것이 냉각수가 흐를 때 저항을 덜 받으며 흘러 유선으로 분기되는 것이다.

또한 상기 로브(10)는 각각의 배기포트(74)를 감싸는 워터재킷(76)의 벽(76a)에 각각 형성하여 냉각수의 흐름을 유선으로 유도하는 것이 냉각수의 유속 및 유량을 증대시키게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실린더 헤드(70)에 의하면 실린더 블록에서 입구홀(78)을 통해 워터재킷(76)으로 유입되는 냉각수에 의해 흡기포트(72)와 배기포트(74)에 설치된 흡기밸브와 배기밸브 등의 기계요소 작동에 따른 열발생이 상기 냉각수에 의해 열교환이 이루어지게 되어 실린더 헤드(70)는 냉각되게 된다.

이때 각 입구홀(78)을 통해 워터재킷(76)으로 유입되어 출구홀(80) 쪽으로 흐르게 되는 냉각수는 워터재킷(76)의 벽(76a)에 각각 형성된 로브(10)에 의해 도 5의 화살표 방향과 같이 유선형으로 하여 양 워터재킷 벽(76a)으로 분기되어 흐르게 되어 종래와 같이 워터재킷 벽(76a)에서의 스테그네이션 포인트의 존재로 인한 배압이 없어지게 되어 냉각수의 흐름이 원활히 이루어지게 된다.

따라서 냉각수가 실린더 블록으로부터 입구홀(78)을 통해 워터재킷(76)으로 유입되어 출구홀(80)로 배출되는 과정에서 냉각수의 유속 증가에 따른 유량이 증가되어 그 결과 실린더 헤드(70)의 냉각성을 크게 향상시키는 효과를 가져오며, 나아가서 워터펌프의 효율을 향상시키게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 실린더 헤드의 흡기포트를 감싸면서 대략 원형을 이루는 워터재킷 벽에, 냉각수가 흐르는 방향에 대해 유선으로 분기되어 흐르도록 로브를 일체로 형성함으로서 냉각수의 흐름이 정체되지 않고 원활한 흐름을 유도하여 냉각수의 유속 및 유량의 증가로 실린더 헤드의 냉각성능을 향상시키고 워터펌프의 효율을 향상시키는 효과를 갖게 되는 것이다.

Claims (3)

1. 흡기밸브와 배기밸브가 설치되는 흡기포트(72)와 배기포트(74)가 엔진의 실린더 수에 따라 각각 형성되고, 이들 흡기포트(72)와 배기포트(74)를 감싸면서 주변으로 서로 교통되는 워터재킷(76)이 형성되는 실린더 헤드(70)에 있어서,

   상기 흡기포트(72)를 감싸면서 대략 원형을 이루는 워터재킷 벽(76a)에, 냉각수가 흐르는 방향에 대해 유선(streamline)으로 분기되어 흐르도록 로브(10)를 일체로 형성하여 구성한 것을 특징으로 하는 실린더 헤드의 워터재킷 냉각수 흐름구조.
2. 제 1항에 있어서, 상기 로브(10)는, 냉각수가 흐르는 방향으로 워터재킷 벽(76a)에서 대략 삼각형상을 이루는 것을 특징으로 하는 실린더 헤드의 워터재킷 냉각수 흐름구조.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 로브(10)는 각각의 배기포트(74)를 감싸는 각 워터재킷(76)의 벽(76a)에 각각 형성한 것을 특징으로 하는 실린더 헤드의 워터재킷 냉각수 흐름구조.