KR100405762B1 - 실린더 헤드용 금형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실린더 헤드용 금형에 관한 것으로서, 특히 실린더 헤드가 성형되는 공간으로서 하부가 연소실 형상으로 가공되는 캐버티가 형성된 몰드와, 상기 실린더 헤드의 내부에 워터 재킷을 형성하기 위해 상기 캐버티의 소정 위치에 설치되고 그 하부가 상기 캐버티의 하부 형상과 대응되는 형태로 형성된 코어를 포함하여 구성되고, 상기 코어는 실린더 헤드의 각 연소실 사이의 격벽부에 해당되는 부분에 후면단(Backward Facing Step) 형상의 단면을 갖는 오목부가 형성된 실린더 헤드용 금형을 제공함으로써 상기 코어가 용탕의 횡방향 응력에 잘 견딜 수 있게 되므로 냉각에 치명적인 베인의 생성이 방지되어 엔진의 냉각 효율 및 내구성이 향상되고, 워터 재킷의 형상 불량이 방지되어 엔진의 강성이 향상되도록 한 것이다.

Description

실린더 헤드용 금형 {CASTING MOLD FOR CYLINDER HEAD}

본 발명은 실린더 헤드용 금형에 관한 것으로서, 특히 워터 재킷을 형성하기 위한 코어가 용탕의 횡방향 응력에 잘 견딜 수 있는 구조로 형성된 실린더 헤드용 금형에 관한 것이다.

일반적으로 내연기관은 엔진의 내부에서 연소가 이루어지며, 혼합가스 자체가 보유한 화학적 에너지를 순간연소에 의해 열에너지로 바꾸어 그 연소가스가 팽창할 때의 일을 직접 이용한 것이다.

상기와 같이 엔진은 동력을 발생하는 부분으로 실린더, 피스톤, 실린더 블록, 실린더 헤드, 커넥팅 로드, 크랭크 축, 밸브기구 등으로 구성되며, 일반적으로 상기 실린더 블록 내에 실린더가 위치되고, 이 실린더의 위쪽에는 실린더 헤드가 위치되어 그 내부에 동력을 발생시키는 연소실이 형성된다

상기 연소실 내의 연소가스 온도는 2000℃ 이상에 달하고, 이 열의 상당량이 실린더를 통해 실린더 블록, 실린더 헤드, 피스톤 등에 흡수된다. 상기 각 부분의 온도가 과도하게 상승하면, 실린더에 변형을 일으키거나 또는 실린더 벽의 유막이 파괴되어 윤활불량이 되며 심할 때는 엔진을 손상시킨다. 또한 연소상태도 나빠져서 결과적으로 노킹이나 조기점화를 일으켜 엔진의 출력은 급격히 저하된다.

상기와 반대로 너무 냉각되면 연소에 의해 생긴 열 중에서, 냉각으로 상실되는 양이 많아져 엔진의 열효율을 저하시켜 연료소비를 증대시킨다. 또 실린더 중에서 가솔린의 무화가 불충분한 혼합기가 공급되기 때문에 가솔린에 의해 엔진 오일을 묽게 만드는 원인이 되며 실린더의 마모를 촉진시키는 원인이 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 실린더 헤드용 금형의 개략적인 구성도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 실린더 헤드의 구조가 도시된 구성도이고, 도 3은 종래 기술에 따른 실린더 헤드의 워터 재킷 중 각 연소실 사이에 해당하는 부분에서의 냉각수 흐름과 온도 프로파일이 도시된 도면이다.

종래 기술에 따른 실린더 헤드용 금형은 도 1에 도시된 바와 같이, 실린더 헤드가 성형되는 공간인 캐버티(1)가 형성된 몰드(3)와, 상기 캐버티(1)의 소정 위치에 설치되어 워터 재킷을 형성하는 코어(5)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 캐버티(1)의 하부는 연소실 형상으로 가공되어 있으며, 이러한 캐버티(1)의 하부 형상에 대응되는 형태로 상기 코어(5)의 하부가 형성되어 있다.

상기와 같이 구성된 실린더 헤드용 금형을 이용하면 도 2에 도시된 바와 같이 내부에 냉각수가 흐르는 워터 재킷(11)이 형성되고 그 하부에는 복수개의 연소실(13)이 형성된 실린더 헤드(10)가 만들어진다.

이때, 상기 워터 재킷(11) 중 각 연소실(13) 사이의 살에 해당하는 부분의 냉각수의 흐름 및 온도 프로파일은 도 3에 도시된 바와 같다.

상기한 바와 같은 실린더 헤드용 금형에서는 용탕이 흡기측에서 배기측으로 흐르면서 상기 실린더 헤드(10)가 제조되는데, 이때 상기한 용탕의 온도차에 의해 워터 재킷(11)을 형성하기 위한 코어(5)의 수축/팽창률에 차이가 생겨 응력이 발생되고, 이러한 응력에 의해 상기 코어(5) 중 스파크 플러그와 배기 포트 사이에 해당하는 부분이 깨져 덧살 형태의 베인(Vein)이 생기게 된다.

이와 같은 덧살 형태의 베인은 엔진의 운전시 워터 재킷(11)을 통한 냉각수의 흐름을 방해하여 엔진 냉각에 심각한 문제를 발생시킨다.

즉, 상기 실린더 헤드(10)에서 스파크 플러그와 배기 포트 사이의 부분은 열적으로 가장 취약한 부분으로서 이 부분의 냉각은 엔진의 내구성과 직결되는데, 상기 베인은 실린더 헤드(10)의 스파크 플러그와 배기 포트 사이의 부분의 냉각에 심각한 악영향을 미치게 되어 엔진의 내구성이 나빠지게 된다.

또한, 상기 실린더 헤드(10)의 각 연소실 사이에 해당하는 코어(5)의 살은 고출력을 위한 밸브의 협각화로 인해 4㎜ 정도로 얇게 형성되고 이 부분의 용탕의 횡방향 응력에 의한 허용 변형률은 10㎛ 이내로 관리되는데, 실제 양산 공차를 적용하면 상기 코어(5)에 의해 형성된 워터재킷(11)의 불량률이 10%를 초과하여 전수 검사를 실시하고 있다.

그러나, 상기한 전수 검사는 워터 재킷(11)의 인렛 피팅(Inlet Fitting) 쪽을 통해 육안으로 검사하는 방식이므로 불량 유무를 정확히 검사하는 것은 불가능한 실정이다.

따라서, 상기와 같은 종래의 실린더 헤드용 금형을 이용하여 실린더 헤드(10)를 제조하면 실린더 헤드(10) 중 스파크 플러그와 배기 포트 사이에 생긴 덧살 형태의 베인으로 인해 엔진의 냉각이 원활하게 이루어지지 않게 되어 엔진의 내구성이 저하됨은 물론, 상기 워터 재킷(11)의 형상 불량으로 인해 실린더 헤드(10)의 강성이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 워터 재킷을 형성하기 위한 코어를 용탕의 횡방향 응력에 잘 견딜 수 있는 구조로 형성함으로써 냉각에 치명적인 베인의 생성이 방지되어 엔진의 냉각 효율 및 내구성이 향상되고, 워터 재킷의 형상 불량이 방지되어 엔진의 강성이 향상되도록 하는 실린더 헤드용 금형을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 실린더 헤드용 금형의 개략적인 구성도,

도 2는 종래 기술에 따른 실린더 헤드의 구조가 도시된 구성도,

도 3은 종래 기술에 따른 실린더 헤드의 워터 재킷 중 각 연소실 사이에 해당하는 부분에서의 냉각수 흐름과 온도 프로파일이 도시된 도면,

도 4는 본 발명에 따른 실린더 헤드의 금형의 개략적인 구성도,

도 5는 본 발명에 따른 실린더 헤드의 구조가 도시된 구성도,

도 6은 본 발명에 따른 실린더 헤드의 워터 재킷 중 각 연소실 사이에 해당하는 부분에서의 냉각수 흐름과 온도 프로파일이 도시된 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

51 : 캐버티 53 : 몰드

55 : 코어 57 : 오목부

60 : 실린더 헤드 61 : 워터 재킷

63 : 연소실 65 : 덧살

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 실린더 헤드용 금형은, 실린더 헤드가 성형되는 공간으로서 하부가 연소실 형상으로 가공되는 캐버티가 형성된 몰드와, 상기 실린더 헤드의 내부에 워터 재킷을 형성하기 위해 상기 캐버티의 소정 위치에 설치되고 그 하부가 상기 캐버티의 하부 형상과 대응되는 형태로 형성된 코어를 포함한 실린더 헤드용 금형에 있어서, 상기 코어는 상기 실린더 헤드의 각 연소실 사이를 구획하는 격벽부에 강성 보강을 위한 덧살이 형성되도록 격벽 성형부에 상기 덧살과 동일한 형상의 오목부가 형성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 실린더 헤드의 금형의 개략적인 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 실린더 헤드의 구조가 도시된 구성도이고, 도 6은 본 발명에 따른 실린더 헤드의 워터 재킷 중 각 연소실 사이에 해당하는 부분에서의 냉각수 흐름과 온도 프로파일이 도시된 도면이다.

본 발명에 따른 실린더 헤드용 금형은 도 4와 도 5를 참조하면, 실린더 헤드(60)가 성형되는 공간으로서 하부가 연소실(63) 형상으로 가공되는 캐버티(51)가 형성된 몰드(53)와, 상기 실린더 헤드(60)의 내부에 워터 재킷(61)을 형성하기 위해 상기 캐버티(51)의 소정 위치에 설치되고 그 하부가 상기 캐버티(51)의 하부 형상과 대응되는 형태로 형성된 코어(55)를 포함하여 구성되며, 상기 코어(55)는 상기 실린더 헤드(60)의 각 연소실(63) 사이를 구획하는 격벽부에 강성 보강을 위한 덧살(65)이 형성되도록 격벽 성형부(55a)에 상기 덧살(65)과 동일한 형상의 오목부(57)가 형성된다.

여기서, 상기 오목부(57)는 후면단 형상의 단면이 곡선 방향으로 적층되어 1/4의 구 형상을 이루도록 형성되거나, 후면단 형상의 단면이 직선 방향으로 적층되어 1/4의 원통 형상을 이루도록 형성된다. 특히 장방형으로 형성된 실린더 헤드(60)의 형상을 고려할 때 상기 오목부(57)는 1/4의 원통 형상을 이루도록 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 실린더 헤드(60)에 형성되는 덧살(65)은 1/4의 구 또는 1/4의 원통 형상으로 형성된다.

또한, 상기 오목부(57)는 오목부(57)의 후단과 이에 이웃한 연소실 사이의 거리(L)가 상기 오목부(57)의 최대 단면 길이의 1.5배가 되도록 위치된다.

또한, 상기 오목부(57)는 최대 단면 높이가 연소실 높이의 1/2가 되도록 형성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실린더 헤드용 금형을 이용하면 도 5에 도시된 바와 같이 내부에 냉각수가 흐르는 워터 재킷(61)이 형성되고 그 하부에는 복수개의 연소실(63)이 형성되며 상기 워터 재킷(61) 중 각 연소실(63) 사이의 격벽부에는 후면단 형상의 단면을 갖는 덧살(65)이 형성된 실린더 헤드(60)가 만들어진다.

이때, 상기 덧살(65)의 높이가 너무 높으면 냉각수의 유동을 방해하게 되고 그 높이가 너무 낮으면 제기능을 수행할 수 없게 되므로 덧살(65)의 위치 및 높이, 즉 상기 오목부(57)의 위치 및 높이는 매우 중요하다. 따라서, 상기 오목부(57)의 위치 및 높이는 수차례의 시험을 통해 최적의 수치를 찾아내는 것이 중요하다.

상기 덧살(65)에 의해 형성되는 상기 워터 재킷(61) 중 각 연소실(63) 사이의 격벽부에 해당하는 부분의 냉각수 흐름 및 온도 프로파일은 도 6에 도시된 바와 같다.

상기한 바와 같은 실린더 헤드용 금형에서는 용탕이 흡기측에서 배기측으로 흐르면서 코어(55) 주변에서 응고될 때 상기 코어(55)의 오목부(57)에 의해 코어(55)가 좌우의 냉각속도에 따른 열응력을 견딜 수 있게 된다.

따라서, 상기한 용탕의 온도차로 인해 코어(55)의 수축/팽창률에 차이가 생겨 발생된 응력에 의해 상기 코어(55)가 깨지는 것이 방지되고, 이에 따라 베인의 생성도 방지되게 된다.

뿐만 아니라, 상기 오목부(57)는 용탕의 기포에 의한 미세홀의 생성도 방지하는 기능을 한다.

또한, 상기 코어(55) 중 각 연소실(63) 사이의 격벽부를 성형하는 격벽 성형부(55a)의 강성이 상기 오목부(57)에 의해 보강되어 그 부분(55a)이 용탕의 횡방향 응력에 잘 견딜 수 있게 됨으로써 상기한 용탕의 횡방향 응력에 의한 코어(55)의 변형이 방지되어 워터 재킷(61)의 형상 불량도 줄어들게 된다.

상기와 같은 작용을 거치면서 만들어진 실린더 헤드(60)는 베인 및 미세홀의 생성이 방지되고 워터 재킷(61)의 형상 불량도 줄어들어 그 냉각 효율이 향상되는동시에 내구성 및 강성이 증가되지만, 이와 더불어 열전달 효과도 향상되게 된다.

즉, 상기 워터 재킷(61) 중 각 연소실(63) 사이의 살에 해당하는 부분에 후면단 형상의 단면을 갖는 덧살(65)이 형성됨으로써 도 3과 같이 각 연소실(63) 사이 부분에서의 열전달은 감소되는 반면 상기 덧살(65)의 후류인 각 연소실(63) 부분에서의 열전달은 증가하게 되는데, 이때 각 연소실(63) 사이의 격벽부는 원래 온도가 낮은 지역으로 어느 정도 온도가 상승되더라도 전혀 문제되지 않으며 오히려 실린더 헤드(60)의 전체 온도 편차를 고려하면 상기 각 연소실(63) 사이의 부분의 온도가 조금 상승하는 편이 유리하므로 결과적으로는 실린더 헤드(60)의 전체의 열전달 효과가 향상되게 된다.

상기와 같이 구성되고 동작되는 본 발명에 따른 실린더 헤드용 금형은, 워터 재킷을 형성하기 위한 코어가 용탕의 횡방향 응력에 잘 견딜 수 있는 구조로 형성되므로 냉각에 치명적인 베인의 생성이 방지되어 엔진의 냉각 효율 및 내구성이 향상되고, 워터 재킷의 형상 불량이 방지되어 엔진의 강성이 향상되는 이점이 있다.

Claims (6)

1. 실린더 헤드(60)가 성형되는 공간으로서 하부가 연소실(63) 형상으로 가공되는 캐버티(51)가 형성된 몰드(53)와, 상기 실린더 헤드(60)의 내부에 워터 재킷(61)이 형성되도록 상기 캐버티(51)의 소정 위치에 설치되고 그 하부가 상기 캐버티(51)의 하부 형상과 대응되는 형태로 형성된 코어(55)를 포함한 실린더 헤드용 금형에 있어서,

   상기 코어(55)는 상기 실린더 헤드(60)의 각 연소실(63) 사이를 구획하는 격벽부에 강성 보강을 위한 덧살(65)이 형성되도록 격벽 성형부(55a)에 상기 덧살(65)과 동일한 형상의 오목부(57)가 형성된 것을 특징으로 하는 실린더 헤드용 금형.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 오목부(57)는 후면단(Backward Facing Step) 형상의 단면을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 실린더 헤드용 금형.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 오목부(57)는 후면단 형상의 단면이 곡선 방향으로 적층되어 1/4의 구 형상을 이루도록 형성된 것을 특징으로 하는 실린더 헤드용 금형.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 오목부(57)는 후면단 형상의 단면이 직선 방향으로 적층되어 1/4의 원통 형상을 이루도록 형성된 것을 특징으로 하는 실린더 헤드용 금형.
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