KR100527936B1 - 자동차 엔진용 실린더 헤드 구조 - Google Patents

자동차 엔진용 실린더 헤드 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차 엔진용 실린더 헤드 구조에 관한 것으로서, 플러그 장착홀의 형상을 변경하여 배기포트와 플러그 장착홀 사이의 두께를 증대시키고, 두께가 증대된 배기포트와 플러그 장착홀 사이의 공간에 워터 자켓을 보다 깊게 형성하여 구성함으로써, 워터 자켓의 냉각 효과가 상승됨에 따라 엔진 운전 중 실린더 헤드 금속면의 온도, 특히 배기포트 및 플러그 장착홀 주위 금속면의 온도가 크게 낮아질 수 있고, 이에 내구 신뢰성이 더욱 향상되어지는 자동차 엔진용 실린더 헤드 구조에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 실린더 헤드 구조는, 배기포트와 플러그 장착홀 사이의 두께가 증대될 수 있도록, 플러그 장착홀 상단에 마련된 플러그 좌면부의 상하 구간 길이를 짧게 형성하고, 이와 함께 플러그 장착홀의 태핑 가공부를 상측으로 길게 연장 형성하는 한편, 두께가 증대된 배기포트와 플러그 장착홀 사이의 공간에서 워터 자켓의 깊이가 증대될 수 있도록 워터 자켓 하단부가 태핑 가공부 상단 높이 아래까지 깊게 연장 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

자동차 엔진용 실린더 헤드 구조{Cylinder head structure of automobile engine}
본 발명은 자동차 엔진용 실린더 헤드 구조에 관한 것으로서, 플러그 장착홀의 형상을 변경하여 배기포트와 플러그 장착홀 사이의 두께를 증대시키고, 두께가 증대된 배기포트와 플러그 장착홀 사이의 공간에 워터 자켓을 보다 깊게 형성하여 구성함으로써, 워터 자켓의 냉각 효과가 상승됨에 따라 엔진 운전 중 실린더 헤드 금속면의 온도, 특히 배기포트 및 플러그 장착홀 주위 금속면의 온도가 크게 낮아질 수 있고, 이에 내구 신뢰성이 더욱 향상되어지는 자동차 엔진용 실린더 헤드 구조에 관한 것이다.
일반적으로, 내연기관을 대표하는 자동차 엔진은 실린더 내에서 피스톤이 직선 왕복운동하여 커넥팅 로드를 통해 크랭크 샤프트를 회전시키며, 이 크랭크 샤프트의 회전력이 동력전달장치를 통해 바퀴를 구동시키도록 되어 있다.
이러한 자동차 엔진은 실린더 블록에 형성된 실린더에 피스톤이 삽입되고, 실린더 블록 상측에 실린더 헤드가 밀폐되게 설치된 구조로 이루어진다.
실린더 헤드는 가스나 물이 새는 것을 방지하기 위하여 가스켓을 대고 볼트로 조여 실린더 블록과 결합되어지며, 이 실린더 헤드의 위쪽으로는 밸브 및 밸브 개폐기구, 캠축 등이 설치된다.
또한, 실린더 헤드의 외부에는 흡기 및 배기 매니폴드가 부착되며, 실린더 헤드의 하부 안쪽면은 실린더 내면 및 피스톤 상면과 함께 연소실을 형성하게 된다.
한편, 실린더 헤드에는 연소실에 흡기 매니폴드로부터 혼합기를 공급하기 위한 흡기포트가 형성되어 있으며, 또한 연소실에서 연소된 가스를 배기 매니폴드로 배출시키기 위한 배기포트가 형성되어 있다.
그리고, 실린더 헤드에는 스파크 플러그가 설치되는 플러그 장착홀이 형성되어 있으며, 실린더 헤드 내부 및 외부로 냉각수가 순환될 수 있도록 하는 워터 자켓이 설치되어 있다.
특히, 실린더 헤드의 각 포트 및 플러그 장착홀 주위 금속면을 냉각하기 위하여, 각 포트간 사이, 그리고 흡기포트와 플러그 장착홀 사이, 배기포트와 플러그 장착홀 사이의 워터 자켓은 실린더 헤드 상면에서 소정 깊이의 홈 형태로 형성된다.
이러한 흡기 및 배기포트, 플러그 장착홀, 워터 자켓 등은 주철 또는 알루미늄 합금을 이용하여 실린더 헤드를 주조 또는 사출 성형할 때 동시 성형된다.
첨부한 도 1은 종래의 실린더 헤드에서 배기포트 주위 구조를 도시한 단면도로서, 이를 설명하면 다음과 같다.
도면부호 11은 실린더 헤드(10)에서 실린더 내면 및 피스톤 상면과 함께 연소실을 형성하게 되는 하부 안쪽면을, 도면부호 13a는 플러그 홀(13) 내면의 태핑 가공부를 나타낸다.
도시한 바와 같이, 실린더 헤드(10) 일측에는 연소실 내에서 연소된 가스가 배기 매니폴드로 배출될 수 있도록 하는 배기포트(12)가 연소실과 연통되게 형성되어 있으며, 이 배기포트(12)의 연소실쪽 끝단에는 밸브 헤드부가 밀착하게 되는 밸브 시트(12a)가 형성되어 있다.
또한, 배기포트(12) 주위 근접 위치에 스파크 플러그가 장착될 수 있도록 내면이 태핑 가공된 플러그 장착홀(13)이 연소실과 연통되게 형성되어 있으며, 이 플러그 장착홀(13)의 상단에는 단차진 단면형상의 플러그 좌면부(13b,13c)가 형성되어 있다.
한편, 배기포트(12)와 플러그 장착홀(13) 사이에는 냉각수가 흐르도록 된 워터 자켓(14)이 실린더 헤드(10) 상면에서 소정 깊이의 홈 형태로 형성되어 있는 바, 이 워터 자켓(14)을 통해 흐르는 냉각수는 연소실과 배기포트, 스파크 플러그를 냉각하게 된다.
이때, 금속재인 실린더 헤드(10)에서 배기포트(12)와 플러그 장착홀(13) 사이에 형성된 워터 자켓(14)은 그 깊이에 따라 엔진 운전 중 실린더 헤드(10)의 온도, 특히 배기포트(12) 및 플러그 장착홀(13) 주위의 온도를 좌우하게 되는데, 워터 자켓(14)이 배기포트(12)와 플러그 장착홀(13) 사이에서 보다 깊게 형성될수록 실린더 헤드(10)를 냉각하는 효과가 우수해진다.
도 1에서 치수 A(=35.3mm)는 워터 자켓(14) 하단부 끝과 실린더 헤드(10) 하면 사이의 길이를 나타내는 것으로, 워터 자켓(14)이 깊게 형성될수록 이 치수 A가 작아지게 된다.
현재, 실린더 헤드(10) 제조시 배기포트(12)와 플러그 장착홀(13) 사이에서 워터 자켓(14)의 깊이를 가능하면 깊게 형성하려 하고 있으나, 실린더 헤드(10)의 배기포트(12)와 플러그 장착홀(13) 사이의 공간이 매우 협소하여 원하는 충분한 깊이의 워터 자켓을 구현하는데 많은 어려움이 있다.
이와 같이 워터 자켓(14)의 깊이가 만족할 만한 수준이 못되는 경우, 충분한 냉각 효과를 얻을 수 없는 바, 엔진 운전 중 실린더 헤드(10)의 금속면 온도가 높아져 내구 신뢰성 측면에서 매우 불리해진다.
특히, 엔진 운전 중 실린더 헤드(10)에서 고온의 연소가스가 흐르는 배기포트(12) 및 스파크 플러그가 장착된 플러그 장착홀(13) 주위 금속면의 온도를 낮추는 것이 내구 신뢰성 확보 측면에서 무엇보다 중요하며, 따라서 배기포트(12) 및 플러그 홀(13) 주위의 냉각을 위한 워터 자켓(14)을 보다 깊게 형성시킬 필요가 있는 것이다.
이에, 양산시의 성형성이 고려된, 그리고 워터 자켓을 가능하면 보다 깊게 구현할 수 있는 실린더 헤드의 구조적 개선이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 플러그 장착홀의 형상을 변경하여 배기포트와 플러그 장착홀 사이의 두께를 증대시키고, 두께가 증대된 배기포트와 플러그 장착홀 사이의 공간에 워터 자켓을 보다 깊게 형성하여 구성함으로써, 워터 자켓의 냉각 효과가 상승됨에 따라 엔진 운전 중 실린더 헤드 금속면의 온도, 특히 배기포트 및 플러그 장착홀 주위 금속면의 온도가 크게 낮아질 수 있고, 이에 내구 신뢰성이 더욱 향상되어지는 자동차 엔진용 실린더 헤드 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은, 각 포트 및 플러그 장착홀 주위 금속면을 냉각하기 위하여 상면에 소정 깊이의 워터 자켓이 형성된 자동차 엔진용 실린더 헤드에 있어서,
배기포트와 플러그 장착홀 사이의 두께가 증대될 수 있도록, 플러그 장착홀 상단에 마련된 플러그 좌면부의 상하 구간 길이를 짧게 형성하고, 이와 함께 플러그 장착홀의 태핑 가공부를 상측으로 길게 연장 형성하는 한편, 두께가 증대된 배기포트와 플러그 장착홀 사이의 공간에서 워터 자켓의 깊이가 증대될 수 있도록 워터 자켓 하단부가 태핑 가공부 상단 높이 아래까지 깊게 연장 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
특히, 실린더 헤드 하면으로부터 태핑 가공부 상단까지의 높이가 36 ~ 38mm이고, 실린더 헤드 하면과 워터 자켓 하단부 끝 사이의 길이가 27 ~ 31mm인 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 자동차 엔진용 실린더 헤드 구조에 관한 것으로서, 플러그 장착홀의 형상을 변경하여 배기포트와 플러그 장착홀 사이의 두께를 증대시키고, 두께가 증대된 배기포트와 플러그 장착홀 사이의 공간에 워터 자켓을 종래에 비해 보다 깊게 형성하여 구성함에 그 주된 특징이 있다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 실린더 헤드에서 배기포트 주위 구조를 도시한 단면도이다.
이에 도시한 바와 같이, 실린더 헤드(10) 일측에 연소실 내에서 연소된 가스가 배기 매니폴드로 배출될 수 있도록 하는 배기포트(12)가 연소실과 연통되게 형성되어 있으며, 이 배기포트(12)의 연소실쪽 끝단에는 밸브 헤드부(미도시됨)가 밀착하게 되는 밸브 시트(12a)가 형성되어 있다.
또한, 배기포트(12) 주위 근접 위치에 스파크 플러그가 장착될 수 있도록 내면이 태핑 가공된 플러그 장착홀(13)이 연소실과 연통되게 형성되어 있으며, 이 플러그 장착홀(13)의 상단에는 단차진 단면형상의 플러그 좌면부(13b,13c)가 형성되어 있다.
또한, 배기포트(12)와 플러그 장착홀(13) 사이에는 냉각수가 흐르도록 된 워터 자켓(14)이 실린더 헤드(10) 상면에서 소정 깊이의 홈 형태로 형성되어 있다.
한편, 본 발명의 실린더 헤드 구조에서는 플러그 장착홀(13) 상단에 마련된 플러그 좌면부(13b,13c)의 상하 구간 길이가 종래 구조에 비해 보다 짧게 형성되고, 이와 함께 플러그 장착홀(13)의 태핑 가공부(13a)는 상측으로 보다 길게 연장 형성되어 상하 길이가 종래 구조에 비해 보다 길게 되어 있다.
도 1과 도 2를 비교해 보면 알 수 있는 바와 같이, 종래 실린더 헤드 구조에서는 플러그 장착홀(13) 상단의 단차부, 즉 단차지게 형성된 플러그 좌면부(13b,13c)의 상하 길이가 본 발명의 실린더 헤드 구조에 비해 상대적으로 길게 형성되어 있는 바, 전체적으로 플러그 좌면부(13b,13c)가 실린더 헤드(10)의 상부에서 하측으로 깊게 내려와 있는 형태로 되어 있고, 이와 함께 실린더 헤드(10)에서 스파크 플러그의 몸체 외주가 체결되어지는 태핑 가공부(13a)의 길이가 짧게 형성되어 있다.
이에 실린더 헤드 양산시의 성형성을 고려하여 워터 자켓(14)이 배기포트(12)와 플러그 좌면부(13b,13c) 사이에서 보다 깊게 형성되지 못하고 그 하단부 끝이 플러그 좌면부(13b,13c)의 중간 정도 깊이까지만 형성되어 있다.
따라서, 본 발명의 실린더 헤드 구조는, 태핑 가공부(13a)의 상하 길이를 보다 증대시키는 동시에 플러그 좌면부(13b,13c)의 상하 길이를 보다 짧게 하여, 태핑 가공부(13a)의 상단 높이가 실린더 헤드(10) 상부에서 종래 구조에 비해 보다 위쪽에 위치되도록 하고, 이에 배기포트(12)와 플러그 장착홀(13) 사이의 공간이 증대된 구조로 되어 있다.
즉, 배기포트(12)와 플러그 장착홀(13) 사이의 실린더 헤드 두께가 종래 구조에 비해 보다 두껍게 형성되어 있는 것이다.
이와 같이 두께가 증대된 상태에서 워터 자켓(14)의 하단부는 태핑 가공부(13a) 상단 높이 아래까지 보다 깊게 형성되어 있으며, 또한 배기포트(12) 형상, 플러그 장착홀(13)과의 두께, 배기포트(12)와의 두께 유지를 고려하여 플러그 장착홀(13)쪽으로 만곡된 구조로 되어 있다.
도 2에서 치수 A는 워터 자켓(14) 하단부 끝과 실린더 헤드(10) 하면 사이의 길이를 나타내며, 본 발명의 실린더 헤드 구조에서는 워터 자켓(14)이 종래 구조에 비해 깊게 형성되어 있는 바, 이 치수 A가 종래 구조에 비해 작게 되어 있다.
물론, 워터 자켓(14) 코어의 최소 두께는 냉각수가 흐를 수 있도록 충분히 확보되어야 한다.
이를 위하여, 실린더 헤드 하면으로부터 태핑 가공부 상단까지의 높이가 36 ~ 38mm가 되도록 하고, 실린더 헤드 하면과 워터 자켓 하단부 끝 사이의 길이가 27 ~ 31mm가 되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 이러한 본 발명의 실린더 헤드 구조에서는 종래 사용되던 스파크 플러그에 비해 실린더 헤드 태핑 가공부(13a)와의 체결부위가 보다 길게 형성된 스파크 플러그, 즉 롱 리치 스파크 플러그(long reach spark plug)가 사용된다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실린더 헤드 구조에는 배기포트(12) 및 플러그 장착홀(13) 주위에 종래 구현이 어려웠던 충분한 깊이의 워터 자켓(14)이 형성되어 있는 바, 엔진 운전 중 보다 상승된 냉각 효과에 의해 배기포트(12) 및 플러그 장착홀(13) 주위 금속면의 온도를 크게 낮출 수 있는 장점이 있게 된다.
한편, 본 발명의 작용효과를 알아보기 위하여, 본 발명의 실린더 헤드가 적용된 차량 엔진과 종래의 실린더 헤드가 적용된 차량 엔진에 대하여 운전 중 각 실린더 별 실린더 헤드의 금속면 온도를 측정하여 나타낸 것이다.
이때, 본 발명이 적용된 엔진에서는 롱 리치 스파크 플러그가 적용되었으며, 그 측정 결과를 다음의 표 1에 나타내었는 바, 측정된 각 온도는 실린더 헤드(10)에서 배기포트(12)와 플러그 장착홀(13) 사이의 금속면 온도이다.
상기 표 1의 결과를 통해 알 수 있는 바와 같이, 동일 조건하에 본 발명의 실린더 헤드 구조가 적용된 엔진의 경우 배기포트(12)와 플러그 장착홀(13) 사이의 금속면 온도가 크게 낮아졌음을 알 수 있었다.
다음으로, 첨부한 도 3a와 도 3b는 본 발명의 실린더 헤드(롱 리치 스파크 플러그 적용)와 종래의 실린더 헤드가 적용된 각 엔진에 대하여 엔진 회전수에 따른 실린더 헤드의 금속면 온도를 비교하여 나타낸 그래프로, 도 3a는 배기포트(12)와 플러그 장착홀(13) 사이의 금속면 온도 변화를, 도 3b는 이웃한 두 배기포트 사이의 금속면 온도 변화를 각각 나타낸 것이다.
이에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실린더 헤드가 적용된 엔진에서 종래 실린더 헤드가 적용된 엔진에 비해 배기포트와 플러그 장착홀 사이의 금속면에서는 평균적으로 대략 25℃ 정도, 두 배기포트 사이의 금속면에서는 대략 21℃ 정도 크게 낮아지는 것으로 확인되었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차 엔진용 실린더 헤드 구조에 의하면, 플러그 장착홀의 형상을 변경하여 배기포트와 플러그 장착홀 사이의 두께를 증대시키고, 두께가 증대된 배기포트와 플러그 장착홀 사이의 공간에 워터 자켓을 보다 깊게 형성하여 구성함으로써, 워터 자켓의 냉각 효과가 상승됨에 따라 엔진 운전 중 실린더 헤드 금속면의 온도, 특히 배기포트 및 플러그 장착홀 주위 금속면의 온도를 크게 낮출 수 있고, 이에 내구 신뢰성이 더욱 향상되어지는 효과가 있게 된다.
도 1은 종래의 실린더 헤드에서 배기포트 주위 구조를 도시한 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 실린더 헤드에서 배기포트 주위 구조를 도시한 단면도,
도 3a와 도 3b는 본 발명의 실린더 헤드와 종래의 실린더 헤드가 적용된 각 엔진에 대하여 엔진 회전속도에 따른 실린더 헤드의 금속면 온도를 비교하여 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 실린더 헤드 12 : 배기포트
13 : 플러그 장착홀 13a : 태핑 가공부
13b, 13c : 플러그 좌면부 14 : 워터 자켓

Claims (2)

  1. 각 포트 및 플러그 장착홀 주위 금속면을 냉각하기 위하여 상면에 소정 깊이의 워터 자켓이 형성된 자동차 엔진용 실린더 헤드에 있어서,
    배기포트와 플러그 장착홀 사이의 두께가 증대될 수 있도록, 플러그 장착홀 상단에 마련된 플러그 좌면부의 상하 구간 길이를 짧게 형성하고, 이와 함께 플러그 장착홀의 태핑 가공부를 상측으로 길게 연장 형성하는 한편, 두께가 증대된 배기포트와 플러그 장착홀 사이의 공간에서 워터 자켓의 깊이가 증대될 수 있도록 워터 자켓 하단부가 태핑 가공부 상단 높이 아래까지 깊게 연장 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진용 실린더 헤드 구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    실린더 헤드 하면으로부터 태핑 가공부 상단까지의 높이가 36 ~ 38mm이고, 실린더 헤드 하면과 워터 자켓 하단부 끝 사이의 길이가 27 ~ 31mm인 것을 특징으로 하는 자동차 엔진용 실린더 헤드 구조.
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