KR101327800B1 - 내연기관용 실린더헤드 조립체, 및 그 내의 냉각 워터 코어 - Google Patents

내연기관용 실린더헤드 조립체, 및 그 내의 냉각 워터 코어 Download PDF

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Abstract

내연기관용 실린더헤드는 고용량 하부 및 저용량 상부를 갖는 냉각 워터 자켓을 포함한다. 고용량 하부 내의 복수의 냉매 라이저는 실린더블록 내의 냉매 개구로부터 고압 냉매를 수용하도록 구성된다. 고용량 하부와 저용량 상부 사이에서 연장되는 냉매 라이저는 고용량 하부로부터 저용량 상부로 소정의 용적 및 흐름으로 냉매 유동을 조절하는 구속부를 형성한다.

Description

내연기관용 실린더헤드 조립체, 및 그 내의 냉각 워터 코어{CYLINDER HEAD FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명의 예시적인 실시예는 내연기관용 실린더헤드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 지시형 및/또는 주문형의 냉각을 위해 다수 지대의 워터 자켓을 갖는 실린더헤드에 관한 것이다.
차량 경제성, 특히 차량 연료 경제성에 대한 증대된 관심으로 인해, 자동차 제조사들은 성능을 개선하고 효율을 신장시키기 위한 대안적인 진보된 파워트레인에 의존하고 있다. 이와 같은 설계에서는 엔진 배기 매니폴드를 실린더헤드 내에 통합한다("Integral exhaust manifold: IEM"). 이와 같이 통합된 설계는 배기가스 후처리 장치의 성능뿐만 아니라, 터보차져 성능을 개선시킬 수 있는 배기가스로부터의 열손실을 감소시킨다. 엔진의 전체 사이즈에 대한 감소는 보다 소형의 차량에 패키지되게 한다.
IEM은 실린더헤드 내의 배기가스의 억제에 의해 야기되는 보다 높은 온도로 인해 특정의 냉각 요구를 제공할 수 있다. 보다 상세하게, 실린더블록 데크에 보다 근접한 실린더헤드의 하부 내의 온도는 실린더헤드의 상부에서보다 높고, 보다 높은 레벨의 열제거(heat removal)를 필요로 하므로, 보다 큰 용량의 냉매 유동을 필요로 할 수 있다.
연료의 실린더 직접 분사 등의 다른 변형된 파워트레인 설계는 실린더헤드의 상부 내의 연소실의 상부에서 연료 인젝터 및 스파크 플러그를 중심에 배치하는 것을 필요로 할 수 있다. 일반적으로 보다 낮은 레벨의 열제거를 필요로 한 실린더헤드의 일부분에서, 스파크 플러그를 연료 인젝터에 근접 배치하는 것은 냉매의 유동을 위한 영역을 감소시킴으로써 요구된 레벨의 열제거를 증대시키므로, 보다 큰 용량의 냉매 유동을 증대시킬 수 있다.
따라서, IEM 실린더헤드 등의 진보한 실린더헤드에 대한 변화하는 냉각 필요성을 해결하도록 맞춰질 수 있는 냉각 특성을 제공하는 워터 자켓을 갖는 실린더를 제공하는 것이 바람직하다.
일 예시적인 실시예에서, 내연기관용 실린더헤드 조립체는, 하부와 상부를 포함하는 냉각 워터 자켓; 실린더헤드 데크 내의 냉매 개구를 통해 고압 냉매를 수용하도록 구성된, 상기 하부 내에 있는 복수의 냉매 라이저(coolant risers); 및 상기 하부로부터 상기 상부로의 냉매 유동을 소정의 용적 및 흐름으로 조절하도록 상기 하부와 상기 상부 사이에서 가변 사이즈의 구속부를 형성하는 냉매 라이저;를 포함한다.
다른 예시적인 실시예에서, 내연기관용 실린더헤드 내에 냉각 워터 자켓을 형성하는 냉각 워터 코어는, 고용량 하부 및 저용량 상부; 냉매를 수용하도록 고압 냉매 입구를 형성하도록 구성된, 상기 고용량 하부 내에 있는 복수의 냉매 라이저; 및 상기 냉각 워터 자켓의 상기 고용량 하부로부터 상기 저용량 상부로의 냉매 유동을 소정의 용적 및 흐름으로 조절하도록 상기 고용량 하부와 상기 저용량 상부 사이에서 가변 사이즈의 구속부를 형성하도록 구성된 냉매 라이저;를 포함한다.
본 발명의 상기한 특징 및 이점, 그리고 다른 특징 및 이점은 첨부한 도면과 함께 제공된 본 발명의 상세한 설명으로부터 명백해진다.
실시예에 대한 하기의 상세한 설명 및 도면에서의 예로서 다른 목적, 특징, 이점 및 세부사항이 명확해진다.
도 1은 본 발명의 특징을 이용하는 실린더헤드의 평면도,
도 2는 도 1의 실린더의 저면도,
도 3은 보 발명의 특징을 이용하는 냉각 워터 자켓의 사시도,
도 4는 도 1의 실린더헤드의 4-4선을 따라 취한 단면도,
도 5는 도 1의 실린더헤드의 5-5선을 따라 취한 단면도,
도 6은 도 1의 실린더헤드의 6-6선을 따라 취한 단면도,
도 7은 본 발명의 특징을 이용하는 냉각 워터 자켓 코어의 평면도,
도 8은 본 발명의 특징을 이용하는 냉각 워터 자켓 코어의 부분 사시도,
도 9는 도 2의 실린더헤드의 9-9선을 따라 취한 단면도.
하기의 설명은 단지 예로서, 본 개시내용, 적용 또는 용도를 제한할 의도의 것이 아니다. 도면에 통해, 대응하는 참조부호는 유사 또는 대응하는 부품 및 특징부를 지칭한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예는 내연기관(도시하지 않음)에 적용되는 실린더헤드 조립체(10)에 관한 것이다. 실린더헤드는 축(16)을 따라 평행하게 연장되는 복수 열의 캠샤프트 지지부(14)를 구비하는 상부(12)를 포함한다. 캠샤프트(도시하지 않음)는 실린더헤드 조립체(10)의 상부(12) 내의 래쉬 조절기 개구(18)로 연장되는 밸브 리프터(도시하지 않음)의 말단부 상에서 작동한다. 축방향으로 연장되는 밸리(20)는 캠샤프트 지지부 사이에 그리고 그들에 평행하게 축방향으로 연장되며, 그 내에 복수의 연료 인젝터 포트(22) 및 스파크 플러그 포트(24)를 구비한다.
실린더헤드 조립체(10)의 하부(26)(도 2)는, 실린더블록(도시하지 않음)의 상측 데크와 밀봉식으로 맞물리도록 구성된 실린더헤드 데크(28)를 포함한다. 실린더헤드 데크(28)를 통해 복수의 연소실(30)이 구비된다. 각각의 연소실(30)은 연소공기 및 연소가스의 출입을 위해 구성된 하나 이상의 흡입 개구(32) 및 배기 개구(34)를 갖는다. 도 2에 도시한 실시예에서, 연료 인젝터 포트(22) 및 스파크 플러그 포트(24)는 각각의 연소실(30) 내로 개방한다. 다른 실시예에서, 연료 인젝터는 연소실(30)의 상류에 위치되어, 연소실 내의 연료 인젝터 포트(22)에 대한 필요성을 없앨 수 있다. 실린더헤드 데크(28) 둘레에 배치된 냉매 개구(36)는 과잉의 열을 제거하기 위해 실린더블록으로부터 실린더헤드 조립체(10)로 엔진 냉매의 흐름을 제공한다.
실린더헤드 조립체(10)는 실린더헤드 하부(26) 내에 주조되는 일체형 배기 매니폴드(integral exhaust manifold)("IEM")(38)를 구비한다. IEM을 통해 흐르는 배기가스로부터의 열의 결과로서, IEM을 둘러싸는 위치로부터 과잉의 열을 제거하도록 상당한 냉각이 요구된다. 실린더헤드 조립체(10)의 예시적인 실시예에서, 도 3, 도 7 및 도 8은 IEM(38) 및 그 다른 특징부에 의해 생성되는 열부하를 관리하는데 효과적인 냉각 워터 자켓(40)의 코어(39)(도 4, 도 5, 도 6 및 도 9)를 도시한다. 명확성을 위해, 실린더헤드 조립체(10)의 주조 시에 냉각 워터 자켓을 형성하도록 이용되는 냉각 워터 자켓(40) 및 코어(39)의 특징부는 실린더헤드 조립체(10)의 냉각 시스템의 작동이 명확하게 이해되도록 유사하게 기술될 것이다.
예시적인 실시예에서, 냉각 워터 자켓(40)의 코어(39)는 상부(42) 및 하부(44)를 포함한다. 냉각 워터 자켓(40)의 하부(44)는 실린더블록(도시하지 않음) 내의 냉매 개구로부터 고압 냉매를 수용하도록 구성된 일련의 냉매 라이저(coolant risers)(46)(이하, "복수의 제1 냉매 라이저"로도 부름)를 구비한다. 냉각 워터 자켓(40)의 하부(44)와 엔진 실린더블록 사이에서 연장되는 냉매 라이저(46)의 개수 및 직경은, 실린더헤드 조립체(10)에 의해 받는 최고 온도를 구비할 수 있는 연소실(30) 주위의 열 요구조건뿐만 아니라, IEM(38)의 냉각 요구조건을 해결하는 냉매의 고용량 및 유동을 야기한다. 이러한 영역으로부터의 과잉 열을 제거한 후에, 냉매 출구(48)를 통해 실린더헤드 조립체(10)로부터 냉매가 제거되며, 이 냉매는 라디에이터 또는 열교환기(도시하지 않음) 등의 적절한 냉각기를 통해 순환된다.
냉각 워터 자켓(40)의 상부(42)는 냉각 워터 자켓(40)의 하부(44)로부터 가압된 냉매를 수용하도록 구성된 일련의 구속형 냉매 라이저(52)(이하, "복수의 제2 냉매 라이저"로도 부름)를 구비한다. 구속형 냉매 라이저(52)는 구속부(53)(도 4)를 형성한다. 냉각 워터 자켓(40)의 하부(44)와 상부(42) 사이에서 연장되는 구속형 냉매 라이저(52)의 개수 및 직경은, 상부(42)의 냉각 요구조건을 해결하기 위해 냉매의 소정 용량 및 흐름을 야기하도록 구성된다. 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 구속형 냉매 라이저(52)를 형성하는 상부에서 하부로의 터치 포인트 또는 커넥터, 즉 냉각 워터 자켓 계면부의 상부(42) 및 하부(44)는, 그 길이를 따라 변화하며, 하부로부터 상부로 냉매의 유동을 별개로 변화시키는 구속부로서 작동한다. 이러한 영역으로부터의 과잉 열을 제거한 후에, 냉매 출구(48)를 통해 실린더헤드 조립체(10)로부터 냉매가 제거되며, 이 냉매는 라디에이터 또는 열교환기(도시하지 않음) 등의 적절한 냉각기를 통해 순환된다.
드릴형 냉각젯(56)(도 3, 도 7, 도 8 및 도 9)은 실린더블록 데크 사이에서 연료 인젝터 포트(22) 및 스파크 플러그 포트(24)에 인접한 냉각 통로(54)(이러한 특징부 주의의 구속된 영역으로 인해 적절한 열제거를 위한 보다 높은 냉매 유동 속도 및 용량을 필요로 할 수 있음)로 연장된다. 실린더블록 데크와 냉각 통로(54) 사이의 보다 높은 차압을 이용하면, 냉매 통로(54)를 통해 상당히 높은 냉매 유동 속도가 확보되므로, 연료 인젝터 포트(22) 및 스파크 플러그 포트(24) 주위로부터 목표의 열제거가 야기된다. 냉각젯은 실린더블록 데크로부터 냉각 워터 자켓(40)의 하부(44)에 배치된 냉각 통로(54)로 연장될 수 있거나(도 8), 또는 변형 실시예에서, 실린더블록 데크로부터 냉각 워터 자켓(40)의 상부(42)에 배치된 냉각 통로(54)로 연장될 수 있다(도 9). 냉각 워터 자켓의 상부(42) 내에 냉각 통로(54)를 배치하면, 냉각 워터 자켓(40)의 상부(42) 내의 냉매와 실린더블록 데크 내의 냉매 사이에서 상당히 높은 차압을 이용할 것이다. 냉각 통로(54)를 통한 보다 빠른 냉매 유동 속도는 연료 인젝터 포트(22) 및 스파크 플러그 포트(24) 주위로부터 열제거를 상당히 증대시킨다.
본 발명이 예시적인 실시예를 참조하여 기술되었지만, 당업자라면 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고서 각종 변경이 이루어질 수 있고 동등물이 그러한 요소를 대체할 수 있음을 이해할 것이다. 더욱이, 본 발명의 실질적인 범위로부터 벗어나지 않고서 본 발명에 특정의 배치 또는 재료를 채택하도록 다수의 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본원의 최선책으로서 개시된 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 명세서의 범위 내에 있는 모든 실시예를 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (8)

  1. 하부와 상부를 포함하는 냉각 워터 자켓;
    실린더헤드 데크 내의 냉매 개구를 통해 고압 냉매를 수용하도록 구성된, 상기 하부 내에 있는 복수의 제1 냉매 라이저(first coolant risers); 및
    상기 하부 및 상기 상부와 유체 연통하도록 배치된 복수의 제2 냉매 라이저(second coolant risers)
    를 포함하며,
    각각의 제2 냉매 라이저가 상기 하부로부터 상기 상부로 냉매 유동을 각각의 제2 냉매 라이저와 관련된 소정의 흐름으로 별개로 변화시키도록 상기 복수의 제2 냉매 라이저가 가변 사이즈의 구속부를 형성하는,
    내연기관용 실린더헤드 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 냉매 라이저가 상기 냉각 워터 자켓의 길이를 따라 분포되어, 각각의 제2 냉매 라이저는 상기 상부의 길이를 따라 별개의 영역으로부터 열 제거를 촉진시키고,
    각각의 구속부는 상기 하부로부터 상기 상부의 길이를 따라 각각의 영역으로의 냉매 유동을 조절하도록 크기설정된 것을 특징으로 하는,
    내연기관용 실린더헤드 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 워터 자켓의 하부 내의 연료 인젝터 포트, 스파크 플러그 포트 또는 그 양자에 인접한 냉각 통로와 상기 실린더헤드 데크 사이에서 연장되어 목표의 냉매 유동을 지향시키는 드릴형 냉각젯을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    내연기관용 실린더헤드 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실린더헤드의 연료 인젝터 포트, 스파크 플러그 포트 또는 그 양자에 인접한 냉각 통로와 상기 실린더헤드 데크 사이의 차압을 이용하도록 구성된 상기 냉각 워터 자켓의 상부 내에 연료 인젝터 포트, 스파크 플러그 포트 또는 그 양자에 인접한 냉각 통로와 상기 실린더헤드 데크 사이에서 연장되어 목표의 냉매 유동을 지향시키는 드릴형 냉각젯을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    내연기관용 실린더헤드 조립체.
  5. 내연기관용 실린더헤드 내에 냉각 워터 자켓을 형성하는 냉각 워터 코어에 있어서,
    고용량 하부 및 저용량 상부;
    냉매를 수용하도록 고압 냉매 입구를 형성하도록 구성된, 상기 고용량 하부 내에 있는 복수의 제1 냉매 라이저; 및
    상기 고용량 하부 및 상기 저용량 상부와 유체 연통하도록 배치된 복수의 제2 냉매 라이저
    를 포함하며,
    각각의 제2 냉매 라이저가 상기 하부로부터 상기 상부로 냉매 유동을 각각의 제2 냉매 라이저와 관련된 소정의 흐름으로 별개로 변화시키도록 상기 복수의 제2 냉매 라이저가 가변 사이즈의 구속부를 형성하는,
    냉각 워터 코어.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 냉매 라이저가 상기 냉각 워터 자켓의 길이를 따라 분포되어, 각각의 제2 냉매 라이저는 상기 저용량 상부의 길이를 따라 별개의 영역으로부터 열 제거를 촉진시키고,
    각각의 구속부는 상기 고용량 하부로부터 상기 저용량 상부의 길이를 따라 각각의 영역으로의 냉매 유동을 조절하도록 크기설정된 것을 특징으로 하는,
    냉각 워터 코어.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 냉각 워터 자켓의 하부 내의 연료 인젝터 포트, 스파크 플러그 포트 또는 그 양자에 인접한 냉각 통로에 연결하여 목표의 냉매 유동을 지향시키는 드릴형 냉각젯을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    냉각 워터 코어.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 실린더헤드의 연료 인젝터 포트, 스파크 플러그 포트 또는 그 양자에 인접한 냉각 통로와 상기 실린더헤드 데크 사이의 차압을 이용하도록 구성된 상기 냉각 워터 자켓의 저용량 상부 내에 연료 인젝터 포트, 스파크 플러그 포트 또는 그 양자에 인접한 냉각 통로와 상기 고용량 하부 사이에서 연장되어 목표의 냉매 유동을 지향시키는 드릴형 냉각젯을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    냉각 워터 코어.
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