KR100444469B1

KR100444469B1 - 엔진 냉각수의 냉각성능 강화를 위한 엔진구조

Info

Publication number: KR100444469B1
Application number: KR10-2002-0029566A
Authority: KR
Inventors: 오창석
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2002-05-28
Publication date: 2004-08-16
Also published as: DE10256178A1; KR20030091491A; JP2003343347A; US20030221641A1; US6827049B2; DE10256178B4

Abstract

본 발명은 엔진 냉각수의 냉각성능 강화를 위한 엔진구조에 관한 것으로, 실린더블록으로부터 배출되는 냉각수를 유입해 순환시키는 실린더헤드내의 냉각수 흐름을 촉진하고 냉각수 흐름 유량을 증가해 실린더헤드에 뿌려지는 엔진오일의 온도저하를 유발하면서 실린더헤드의 온도 저하도 함께 달성할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 엔진오일을 저장한 오일팬(1)이 결합되면서 라이너(7)와 형성하는 각 연소실 부위의 워터자켓의 크기를 증가시킨 실린더블록(2)과, 이 실린더블록(2)에서 배출되는 냉각수를 순환시키면서 흡·배기 밸브 타이밍을 제어하는 캠기구(5)를 통해 배출된 엔진오일이 뿌려지는 미들덱을 형성한 실린더헤드(3)로 이루어지되, 이 실린더헤드(3)의 미들덱에는 내부로 흐르는 냉각수를 통해 엔진오일을 냉각시키는 방열수단(9)과, 엔진오일의 흐름 방향을 유도하는 차단수단(10)이 형성되는 한편, 배기밸브가 장착되는 부위로 형성된 워터자켓(W)의 내부로 연소실의 상부와 벽면이 이어지는 연결부위로 냉각수의 흐름통로를 좁혀주는 유로축소턱을 형성해 냉각수의 흐름 유량을 증가시키도록 된 워터자켓유니트(8)로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

엔진 냉각수의 냉각성능 강화를 위한 엔진구조{Engine structure for intensifying cooling function engine coolant}

본 발명은 엔진 냉각수의 냉각성능 강화를 위한 엔진구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실린더헤드에서의 냉각수의 흐름을 변화시켜 실린더헤드에서의 엔진 냉각수의 냉각성능 강화를 위한 엔진구조에 관한 것이다.

일반적으로 차량에 사용되는 4사이클(Cycle)내연기관인 엔진은 작동시 고온·고압이 발생되므로 이를 적정 온도로 냉각하기 위한 냉각시스템을 갖춤과 더불어 엔진을 이루는 각종 기구들의 마찰을 줄여주도록 엔진오일을 순환시키게 되는데 이때, 엔진오일(A)은 도 1에 도시된 바와 같이 엔진의 작동에 따른 연소열과 각종 기구들의 마찰열에 의해 발생되는 온도상승원(B)의 열을 빼앗은 후, 상대적으로 낮은온도를 갖는 온도하강원(C)인 냉각시스템의 냉각수와 대기를 통해 열을 방출하면서 냉각수와 더불어 엔진내의 온도를 낮추면서 각 기구들의 마찰열을 낮추게 된다.

이와 같이 엔진오일은 엔진에서 매우 중요한 기능을 하게 되므로 통상, 도 2에 도시된 엔진은 엔진오일을 저장한 오일팬(1)이 흡·배기 포트와 록크커버(4)에 의해 가려지면서 흡·배기 밸브타이밍을 제어하는 캠기구(5)와 방열유리와 같은 오일갤러리등을 구비한 실린더헤드(3)와 함께 연소실을 형성하면서 고속으로 왕복 운동하는 피스톤등을 구비한 실린더블록(2)의 하부로 구비되고, 이에 따라 상기 오일팬(1)내의 오일이 왕복운동하는 피스톤과 함께 작동되는 커넥팅로드등을 통해서나 오일펌프등을 통해 엔진의 각 부위로 공급된 후 다시 오일팬(1)으로 복귀되는 순환 사이클을 갖게 된다.

즉, 이와 같은 엔진에서 엔진오일은 도 3에 도시된 바와 같이 엔진속도(RPM)의 증가와 함께 마찰손실도 함께 증가하므로 결국, 상기 엔진오일에 대한 적절한 냉각시스템이 필요하게 되지만, 이와 같은 엔진오일의 온도 상승은 전술한 바와 같이 연소열과 마찰열에 의해 발생되는 온도상승원(B)에 비해 상대적으로 온도하강원(C)에 의한 방열이 보다 효과적이지 못한 엔진의 구조적인 문제에 기인함은 물론이다.

이와 같이 엔진오일의 온도 상승을 저하시키기 위해 캠샤프트의 외주로 공급된 엔진오일을 대기중에 접하는 금속을 통하여 오일온도를 저하시키는 역할을 수행하는 오일갤러리를 사용함과 더불어 도 4에 도시된 바와 같이, 실린더헤드(3)내를 순환하는 워터자켓유니트를 이용한 워터자켓(W)을 형성해 그 상부부위로 형성된 오일자켓(O)과 함께 실린더헤드(3)를 냉각시키는 한편, 밸브시트사이의 냉각성능을 높이기 위해 도 5에 도시된 바와 같이 상기 워터자켓(W)의 하부부위에서 서로 연통되어 연소실 부위에 보다 근접되는 서브워터자켓(W')을 드릴(Drill)가공하게 된다.

그러나, 이러한 엔진 오일의 냉각 구조는 서브워터자켓(W')을 드릴(Drill)가공하게 되므로 이에 따라, 상기 가동된 홀을 플러그를 이용해 막아주게 되지만 이는 기밀문제를 유발시키는 단점이 항상 존재하게 되는 한편, 또한 이와 같은 드릴 가공을 하게 되면 이 부분의 냉각을 위해 사용되는 냉각수가 실린더블록으로부터 실린더헤드가스켓과 드릴가공경로를 통해 올라오게 되고 이에 따라, 분리 냉각 적용 엔진에서는 실린더헤드를 통한 냉각수 흐름과 실린더블록을 통한 냉각수 흐름이 별도의 흐름을 갖게 되므로 이와 같은 드릴가공경로를 통해 올라오는 냉각수의 흐름을 형성할 수 없다는 치명적인 단점이 있게 된다.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 것으로, 실린더블록으로부터 배출되는 냉각수를 유입해 순환시키는 실린더헤드내의 냉각수 흐름을 촉진하고 냉각수 흐름 유량을 증가해 실린더헤드에 뿌려지는 엔진오일의 온도저하를 유발하면서 실린더헤드의 온도 저하도 함께 달성할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 엔진오일을 저장한 오일팬이 결합되어 피스톤과 함께 작동되는 커넥팅로드등을 수용하는 래더프레임을 구비함과 더불어 라이너와 함께 형성되는 각 연소실의 인접부위를 줄여 상대적으로 실린더블록의 워터자켓의 크기를 증가시킨 실린더블록과, 이 실린더블록에서 배출되는 냉각수를 순환시키면서 흡·배기 밸브 타이밍을 제어하는 캠기구를 통해 배출된 엔진오일이 뿌려지는 미들덱을 형성한 실린더헤드로 이루어지되, 이 실린더헤드의 미들덱에는 내부로 흐르는 냉각수를 통해 엔진오일을 냉각시키는 방열수단과, 상기 연소실을 점화하는 점화플러그를 장착하는 보스사이로 엔진오일의 일 방향 이동을 유도하는 차단수단이 형성되는 한편, 배기밸브가 장착되는 부위로 형성된 워터자켓의 내부로 연소실의 상부와 벽면이 이어지는 연결부위로 냉각수의 흐름통로를 좁혀주는 유로축소턱을 형성해 냉각수의 흐름 유량을 증가시키도록 된 워터자켓유니트로 이루어진 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 엔진의 엔진오일의 작용 상태도

도 2는 종래에 따른 엔진의 구성도

도 3은 일반적인 엔진속도대 마찰손실 선도

도 4는 종래에 따른 실린더헤드부위의 엔진 냉각구조 단면도

도 5는 종래에 따른 실린더헤드부위의 다른 형식의 엔진 냉각구조 단면도

도 6은 본 발명에 따른 엔진의 실린더블록 구성도

도 7은 본 발명에 따른 엔진의 실린더헤드 구성도

도 8는 도 7에 따른 미들덱의 평면도

도 9는 본 발명에 따른 엔진의 워터자켓유니트의 구성도

도 10은 도 9의 A-A선 부분 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 오일팬 2 : 실린더블록

2',2",2'",2"" : 제1·2·3·4실린더 3 : 실린더헤드

3',3",3'",3"" : 제1·2·3·4점화플러그보스

3a : 흡기밸브보스 3b : 배기밸브보스

4 : 록크커버 5 : 캠기구

6 : 래더프레임 7 : 라이너

7',7",7'",7"" : 제1·2·3·4인터보어 8 : 워터자켓유니트

8a : 바디 8b,8c : 리브

8b' : 유로축소턱 8d : 방열핀

L : 실린더보어슬랏

L' : 인터보어슬랏 K : 워터자켓길이

O : 오일자켓 W : 워터자켓

W' : 서브워터자켓

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 엔진의 실린더블록 구성도를 도시한 것인바, 본 발명의 엔진은 엔진오일을 저장한 오일팬(1)과, 연소실내를 고속으로 왕복 운동하는 피스톤과 함께 작동되는 커넥팅로드등을 수용하는 래더프레임(6)의 하부부위로 오일팬(1)이 결합된 실린더블록(2) 및 흡·배기 포트와 록크커버(4)에 의해 가려지면서 흡·배기 밸브타이밍을 제어하는 중공의 캠샤프트로 이루어진 캠기구(5)등을 구비한 실린더헤드(3)로 이루어진다.

여기서, 상기 실린더블록(2)은 냉각수유입구(I)를 통해 유입된 냉각수를 실린더헤드(3)로 배출하는 냉각수출구(O)를 형성하면서 연소실을 이루는제1·2·3·4인터보어(7',7",7'",7"")로 이루어진 라이너(7)가 제1·2·3·4실린더(2',2",2'",2"")사이로 삽입되되, 상기 실린더블록(2)과 라이너(7)는 냉각수에 의한 냉각성능을 높이도록 상기 실린더블록(2)에 형성된 제1·2·3·4실린더(2',2",2'",2"")의 서로 접촉되도록 인접된 실린더보어슬랏(L)과 라이너(7)에 형성된 제1·2·3·4인터보어(7',7",7'",7"")의 서로 접촉되도록 인접된 인터보어슬랏(L')의 길이를 약 49mm에서 35mm로 줄여 상대적으로 실린더블록(2)의 워터자켓(W)의 크기를 증가시키면서 상기 라이너(7)의 제1·2·3·4인터보어(7',7",7'",7"")의 높이도 약 45mm에서 70mm로 증가시켜 라이너(7)의 워터자켓길이(K)를 증가시키게 된다.

또한, 상기 라이너(7)의 제1·2·3·4인터보어(7',7",7'",7"")의 인터보어슬랏(L')의 두께와 깊이를 각각 1.0mm와 13mm로 유지시키게 됨은 물론이다.

그리고, 상기 실린더블록(2)의 상부로 결합되면서 배출되는 냉각수가 유입되는 실린더헤드(3)는 도 7에 도시된 바와 같이 연소실을 점화시키는 점화플러그가 그 중앙으로 장착되는 제1·2·3·4점화플러그보스(3',3",3'",3"")가 형성되면서 그 양 측으로 각각 흡·배기밸브가 장착되는 흡·배기밸브보스(3a,3b)가 형성되는 한편, 그 표면을 이루는 미들덱에는 제1·2·3·4점화플러그보스(3',3",3'",3"")와 흡기밸브보스(3a)사이로 각각 뿌려진 엔진오일을 실린더헤드내부로 흐르는 냉각수를 통해 냉각시키는 방열수단(9)이 형성됨과 더불어 상기 제1·2·3·4점화플러그보스(3',3",3'",3"")사이에는 뿌려진 엔진오일이 배기밸브보스(3b)쪽으로 이동되지 못하도록 그 흐름을 차단하는 차단수단(10)이 형성되어진다.

여기서, 상기 방열수단(9)은 다수의 돌출된 방열핀(9a,9b,9c,9d)으로 이루어지되, 이 방열핀(9a,9b,9c,9d)은 원형단면을 이루면서 점화플러그보스(3',3",3'",3"")에서 흡기밸브보스(3a)쪽으로 좁아지는 역삼각형상으로 이루어지게 된다.

또한, 상기 차단수단(10)은 제1·2·3·4점화플러그보스(3',3",3'",3"")사이를 이어주도록 돌출된 격벽(10a,10b,10c,10d)으로 이루어지되, 상기 실린더헤드(3)의 중앙라인(C)의 양쪽으로 형성된 제2·3점화플러그보스(3",3'")의 사이에는 엔진오일이 유입되도록 격벽을 형성하지 않게 됨은 물론이다.

또한, 상기 실린더헤드(3)에는 도 8에 도시된 바와 같이 미들덱으로 뿌려진 엔진오일이 오일팬(1)으로 다시 복귀되도록 중앙라인(C)의 양쪽으로 배기밸브보스(3b)부위에 드레인홀(11)이 구비되는 한편, 상기 제1·2점화플러그보스(3',3")에 각각 형성된 흡기밸브보스(3a)와 제3·4점화플러그보스(3'",3"")에 각각 형성된 흡기밸브보스(3a)사이에 각각 드레인홀(11',11")이 형성되어진다.

한편, 상기 실린더헤드(3)내에는 도 10에 도시된 바와 같이 실린더블록(2)에 결합된 라이너(7)로부터 배출되는 냉각수를 순환시켜 실린더헤드를 냉각시킴과 더불어 미들덱 표면으로 뿌려져 흐르는 엔진오일을 냉각시키는 워터자켓유니트(8)가 내장되는데, 이 워터자켓유니트(8)는 양단에 각각 냉각수의 유입과 배출을 위한 입구와 출구가 형성되면서 그 중앙부위로 개구된 제1·2·3·4점화플러그보스(3',3",3'",3"")를 형성한 바디(8a)와, 이 바디(8a)의 양측면에서 각각 흡·배기밸브를 장착하면서 냉각수의 흐름통로인 워터자켓(W)을형성한 리브(8c,8b)로 이루어진다.

여기서, 상기 워터자켓유니트(8)의 내부로 형성된 워터자켓(W)은 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 배기밸브부위를 이루는 리브(8b)에 형성된 워터자켓(W)은 바디(8a)나 흡기밸브부위를 이루는 리브(8c)에 형성된 워터자켓(W)과 달리 점화플러그보스(3',3",3'",3"")와 연소실의 상단부위로 냉각수가 흐르도록 인접되게 형성되되, 이 워터자켓(W)의 내부부위에는 연소실의 상부와 벽면이 이어지는 연결부위로 냉각수의 흐름통로를 좁혀주는 유로축소턱(8b')을 형성하게 된다.

이때, 상기 유로축소턱(8b')은 배기밸브시트사이의 냉각수 유로에 형성되어지게 된다.

또한, 상기 워터자켓유니트(8)의 바디(8a)에는 점화플러그보스(3',3",3'",3"")와 흡기밸브가 장착되는 리브(8c)사이로 냉각수의 냉각성능을 높이도록 다수의 방열핀(8d)이 각각 형성되되, 이 방열핀(8d)은 바디(8a)에서 함몰되거나 또는 돌출시켜 바디(8a)의 표면적을 증가시켜주게 된다.

이하 본 발명의 작동을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

본 발명의 엔진에서 엔진 오일은 오일펌프를 통해 오일팬(1)으로부터 공급되어 캠기구(5)를 냉각시킨 후 즉, 오일펌프로부터 펌핑된 엔진오일은 중공의 캠샤프트로 이루어진 캠기구(5)의 마찰을 줄이고 자체를 냉각시킨 다음 실린더헤드의 미들덱으로 뿌려지게 된다.

이와 같이, 상기 실린더헤드(3)의 미들덱으로 뿌려진 엔진오일은 도 8에 도시된 바와 같이 실린더헤드(3)의 양 측면에서 중앙라인(C)쪽으로 모이도록 흐르게 되고 이에 따라, 상기 엔진오일은 크게 두 흐름으로 양분되는데 즉, 제1·2·3·4점화플러그보스(3',3",3'",3"")를 따라 흡기밸브(3b)부위를 적시면서 흘러 중앙라인(C)부위에 형성된 드레인홀(11)로 배출되는 엔진오일흐름과 상기 제1·2·3·4점화플러그보스(3',3",3'",3"")를 따라 중앙라인(C)쪽으로 모여 다시 배기밸브(3a)부위를 적시면서 양쪽으로 퍼져 드레인홀(11',11")로 각각 배출되는 엔진오일흐름으로 구분되고 이에 따라, 상기 실린더헤드(3)의 미들덱 표면을 고르게 적시면서 흐르는 엔진오일은 그 내부의 워터자켓유니트(8)를 순환하는 냉각수를 통해 그 온도가 저하되어진다.

이때, 상기 실린더헤드(3)의 미들덱에 형성된 방열수단(9)과 차단수단(10)은 미들덱에서의 엔진 오일의 흐름시 각각 방열성능을 더욱 높여주게 되는데 즉, 상기 차단수단(10)의 돌출(약 8.5mm 높이)된 격벽(19a,10b,10c,10d)은 캠기구(5)로부터 실린더헤드(3)의 미들덱에 뿌려진 엔진오일의 흐름을 제1·2·3·4점화플러그보스(3',3",3'",3"")를 따라 양 측면으로 각각 위치되는 흡·배기밸브보스(3a,3b)부위로 양분해 결국, 엔진오일이 배기밸브보스(3b)부위를 적시면서 드레인홀(11)을 통해 배출되지 않은 대부분의 오일을 흡기밸브보스(3a)부위로 유입시켜 미들덱을 냉각시킨 후 드레인홀(11',11")로 배출시키게 되므로 이로 인해, 상기 흡·배기밸브보스(3a,3b)부위에 대한 냉각성능을 보다 효과적으로 이루어지게 함은 물론이다.

또한, 상기 방열수단(9)은 흡기밸브보스(3a)부위로 유입된 엔진오일의 드레인홀(11',11")을 통한 배출 시간을 어느 정도 지연시키도록 엔진 오일의 흐름을 정체시키게 되는데 즉, 상기 방열수단(9)을 이루는 서로 간격을 두고 돌출(약 3mm 높이)된 다수의 방열핀(9a,9b,9c,9d)이 흐르는 엔진오일의 흐름 경로를 차단해 일정시간동안 고여 열전달 시간을 증가시키게 됨은 물론이다.

한편, 본 발명의 세타(θ)엔진의 작동과 함께 순환되는 냉각수는 실린더블록(2)의 냉각수유입구(I)를 통해 유입되어 연소실을 이루는 라이너(7)를 거쳐 실린더헤드(3)로 유입되는데 이때, 상기 냉각수는 실린더블록(2)의 제1·2·3·4실린더(2',2",2'",2"")와 라이너(7)의 제1·2·3·4인터보어(7',7",7'",7"")사이에서 상대적으로 크기가 증가된 워터자켓(W)과 상기 라이너(7)의 인터보어슬랏(L')의 두께와 깊이에 의해 실린더블록(2)의 냉각성능을 더욱 향상시키게 됨은 물론이다.

이어, 상기 실린더블록(2)을 냉각시킨 후 라이너(7)의 냉각수출구(O)를 통해 배출되어 실린더헤드(3)로 유입된 냉각수는 워터자켓유니트(8)를 통해 흐르면서 실린더헤드(3)를 냉각시키면서 동시에 미들덱을 흐르는 엔진오일을 냉각시켜 상대적으로 온도가 저하된 엔진 오일을 오일팬(1)으로 복귀시키게 된다.

즉, 상기 실린더헤드의 워터자켓유니트(8)로 유입된 냉각수는 도 10에 도시된 바와 같이 배기밸브가 장착되는 리브(8b)부위로 형성된 워터자켓(W) 내부의 흐름에서 즉, 이 워터자켓(W)이 형성된 연소실의 상부와 벽면이 이어지는 연결부위에서 냉각수의 흐름통로를 좁혀주는 유로축소턱(8b')에 의해 냉각수의 흐름 속도가 증가되면서 흐름을 섞어주게 되고 이로 인해, 상기 워터자켓(W)으로 유입된 유입냉각수(a)는 초기속도(V)에서 점점 좁아지는 형상에 따라 그 속도가 증가되면서 배출되는 배출냉각수(a')가 상기 유로축소턱(8b')을 지나면서 그 속도가 더욱 증가된 배출속도(V')를 갖고 지나게 되고 이때, 냉각수의 흐름 속도 증가에 비례해서 냉각수 유량도 함께 증가되므로 결국, 본 발명의 세타(θ)엔진에서 발생되었던 배기밸브 장착부위인 밸브시트에 대한 냉각 성능을 증가시킬 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 엔진오일을 저장한 오일팬으로부터 흡·배기 밸브 타이밍을 제어하는 캠기구로 공급된 엔진 오일이 뿌려져 오일팬으로의 복귀경로를 형성하면서 실린더블록으로부터 배출되는 냉각수를 그 내부로 순환시키는 실린더헤드의 미들덱에 형성되는 방열수단과 차단수단을 통해 그 내부로 순환하는 냉각수와의 열전달 시간의 증가를 통해 실린더헤드와 엔진오일을 동시에 냉각시킬 수 있는 효과가 있게 된다.

또한, 본 발명은 특히, 실린더헤드에 구비되어 냉각수가 순환되는 워터자켓유니트에 배기밸브의 장착부위로 형성된 워터자켓의 내부에 연소실의 상부와 벽면이 이어지는 연결부위로 냉각수의 흐름통로를 좁혀주는 유로축소턱을 형성시켜 실린더블록으로부터 배출되는 냉각수를 유입해 순환시키는 실린더헤드내의 냉각수 흐름을 촉진하고 냉각수 흐름 유량을 증가해 실린더헤드에 뿌려지는 엔진오일의 온도저하를 유발하면서 실린더헤드의 온도 저하도 함께 달성할 수 있는 효과를 가져오게 됨은 물론이다.

Claims

엔진오일을 저장한 오일팬(1)이 결합되면서 라이너(7)와 형성하는 각 연소실 부위의 워터자켓의 크기를 증가시킨 실린더블록(2)과, 이 실린더블록(2)에서 배출되는 냉각수를 순환시키면서 흡·배기 밸브 타이밍을 제어하는 캠기구(5)를 통해 배출된 엔진오일이 뿌려지는 미들덱에 엔진오일의 흐름 방향을 유도하면서 열전달율을 높이도록 정체시간을 유도하는 방열수단(9)과 차단수단(10)을 형성한 실린더헤드(3)로 이루어진 엔진구조에 있어서,

상기 실린더헤드(3)의 내부로 결합되어 실린더블록으로부터 공급되는 냉각수를 순환시키는 워터자켓유니트(8)가 배기밸브가 장착되는 부위로 형성된 워터자켓(W)의 내부로 연소실의 상부와 벽면이 이어지는 연결부위로 냉각수의 흐름통로를 좁혀주는 유로축소턱(8b')을 형성해 냉각수의 흐름 유량을 증가시키도록 된 것을 특징으로 하는 엔진 냉각수의 냉각성능 강화를 위한 엔진구조.
제 1항에 있어서, 상기 유로축소턱(8b')은 배기밸브시트사이의 냉각수 유로에 형성되어진 것을 특징으로 하는 엔진 냉각수의 냉각성능 강화를 위한 엔진구조.