KR101401819B1

KR101401819B1 - Egr 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101401819B1
Application number: KR1020127032598A
Authority: KR
Inventors: 다카히로 하라다; 마사히코 아사노
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2014-05-29
Also published as: JPWO2011145163A1; CN102893012A; WO2011145163A1; CA2799375A1; JP5477466B2; US9689303B2; EP2573378A4; CN102893012B; CA2799375C; KR20130008088A; EP2573378A1; US20130055970A1

Abstract

종래, 냉각 성능이 높고, 또한 용이하게 구성할 수 있는 EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드를 제조하는 것이 곤란하였다. 따라서 EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드를, 배기 포트로부터 배출된 배기 가스의 일부를 흡기 포트측으로 안내하기 위한 가스 통로를, 실린더 헤드 워터 자켓 내에 배치하여, 상기 가스 통로 내를 유통하는 배기 가스의 냉각을 행하는, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드이며, 상기 가스 통로는, 상기 실린더 헤드 워터 자켓 내의 냉각수와 접촉하는 냉각부와, 상기 냉각부의 측부에 위치하고, 상기 냉각부보다도 높은 강도를 갖는 고강도부를 구비한 중공관으로 구성되고, 상기 가스 통로의 고강도부가, 상기 실린더 헤드에 인서트 캐스팅되어 있는 것으로 하였다.

Description

EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드 및 그 제조 방법 {CYLINDER HEAD HAVING EGR GAS COOLING STRUCTURE, AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}

본 발명은, EGR 가스의 냉각 통로가 워터 재킷 내에 배치된, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

종래, 엔진 등의 내연 기관에 있어서, 연소 시에 발생하는 질소산화물(NOx)의 저감화나 연비 향상을 달성하기 위해, 배기 재순환 장치[EGR(Exhaust Gas Recirculation) 장치]가 사용되고 있다.

유해 성분인 질소산화물은, 엔진 연소실의 연소 온도가 높아짐으로써, 공기 중의 질소가 산화되어 발생한다. 배기 재순환 장치는, 불활성의(산소량이 적은) 기체로 된 배기 가스의 일부(EGR 가스)를, 실린더 헤드의 배기측으로부터 흡기측으로 다시 환류하여 흡입 공기와 혼합시켜, 연소실 내의 연소 온도를 저하시킴으로써, 발생하는 질소산화물의 저감을 도모하는 것이다.

이와 같은 배기 재순환 장치에 있어서, EGR 가스를 실린더 헤드의 배기측으로부터 흡기측으로 안내하기 위한 가스 통로를, 실린더 헤드의 워터 재킷 내에 배치함으로써, EGR 가스를 효율적으로 냉각하는 기술이 공지로 되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 특허문헌 1에 있어서는, 상기 가스 통로의 성형을, 스테인리스 관 등의 관체를 인서트 캐스팅(Insert Casting)함으로써 행해도 되는 것이 개시되어 있다.

일본 실용 신안 출원 공개 평6-76644호 공보

EGR 가스의 가스 통로를 실린더 헤드의 워터 재킷 내에 배치하는 경우, 박육의 중공관을 실린더 헤드에 인서트 캐스팅하는 것이, EGR 가스의 냉각 성능이나 가스 통로의 생산성의 관점으로부터 바람직하지만, 예를 들어 전체적으로 박육으로 형성되는 중공관을 실린더 헤드에 인서트 캐스팅하면, 중공관의 외주면에 작용하는 주조압(용탕의 중력 및 용탕의 수축에 수반되는 압력)을 견디지 못하고 가스 통로가 찌그러져 버리게 된다.

따라서 냉각 성능이 높고, 또한 용이하게 구성할 수 있는 EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드를 제조하는 것이 곤란하였다.

따라서 본 발명에 있어서는, 냉각 성능이 높고, 또한 용이하게 구성할 수 있는 EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하는 EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드 및 그 제조 방법은 이하의 특징을 갖는다.

즉, 본 발명의 EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드는, 배기 포트로부터 배출된 배기 가스의 일부를 흡기 포트측으로 안내하기 위한 가스 통로를, 실린더 헤드 워터 자켓 내에 배치하여, 상기 가스 통로 내를 유통하는 배기 가스의 냉각을 행하는, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드이며, 상기 가스 통로는, 상기 실린더 헤드 워터 자켓 내의 냉각수와 접촉하는 냉각부와, 상기 냉각부의 측부에 위치하고, 상기 냉각부보다도 높은 강도를 갖는 고강도부를 구비한 중공관으로 구성되고, 상기 가스 통로의 고강도부가, 상기 실린더 헤드에 인서트 캐스팅되어 있다.

이에 의해, EGR 가스를 냉각하는 부분인 냉각부에는 주조압이 직접 작용하는 일이 없어, 주조압에 의한 변형이 발생하기 어려워지므로, 냉각부를 편평 형상을 갖는 중공관으로 구성하거나, 고강도부보다도 박육의 중공관으로 구성하여, EGR 가스 냉각 구조의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 가스 통로를 워터 재킷 내에 배치하는 구성으로 되므로, 실린더 헤드의 외부에 EGR 가스 쿨러를 별도 설치할 필요가 없어, EGR 가스의 냉각 구조를 용이하게 구성할 수 있다. 또한, 엔진으로부터의 별도 설치한 EGR 가스 쿨러에의 가스 배관이 불필요하게 되므로, 공간을 절약하고, 또한 저비용으로 EGR 가스의 냉각을 행하는 것이 가능해진다.

또한, 상기 가스 통로의 냉각부가, 편평 형상을 갖는 중공관으로 구성된다.

이에 의해, 냉각부의 단변 방향의 내경을 작게 하여, 냉각부 내를 흐르는 EGR 가스가 흐르는 곳에 있어서의 난류 영역의 비율을 증가시키는 동시에, 냉각부의 통로 단면적에 대한 표면적을 증대시킬 수 있어, EGR 가스의 열교환율을 높여 냉각 효율을 향상시키는 것이 가능해진다.

또한, 상기 가스 통로의 냉각부는, 상기 고강도부와는 별체의 중공관으로 구성되고, 상기 가스 통로의 고강도부는, 통 형상으로 형성되는 측벽부와, 상기 측벽부에 있어서의 통 형상의 일단부를 폐색하는 바닥부로 구성되고, 상기 바닥부에는, 상기 냉각부를 삽입 가능한 삽입구가 형성되고, 상기 냉각부의 단부를 상기 바닥부의 삽입구에 삽입함으로써, 상기 냉각부와 고강도부가 접속된다.

이에 의해, EGR 가스 냉각관을 용이하게 구성할 수 있어, EGR 가스의 냉각 구조의 생산성을 향상시키는 것이 가능하게 되어 있다.

또한, 상기 고강도부의 측벽부가, 원통 형상으로 형성된다.

따라서 용탕이 응고될 때의 수축에 수반되는 압력이, 상기 고강도부의 외주면에 가해진 경우, 그 압력을 원통 형상으로 형성된 측벽부에서 균등하게 받을 수 있으므로, 고강도부가 변형되는 일이 없다.

이에 의해, 고강도부의 인서트 캐스팅된 부분과 실린더 헤드 사이에 간극이 생기는 것을 방지할 수 있어, 워터 재킷 내에 있어서의 고강도부가 인서트 캐스팅된 부분의 시일성을 확보할 수 있다.

또한, 상기 가스 통로의 냉각부는, 상기 냉각부 내를 유통하는 배기 가스의 흐름 방향과, 상기 실린더 헤드 워터 자켓 내를 유통하는 냉각수의 흐름 방향이 교차하는 동시에, 상기 편평 형상의 단변측의 면이 상기 냉각수의 흐름 방향과 대향하는 자세로 배치된다.

이에 의해, 워터 재킷 내를 유통하는 냉각수의 유통을 방해하는 일 없이, 냉각부의 외주면에 냉각수를 효율적으로 접촉시킬 수 있어, EGR 가스의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 가스 통로에 있어서는, 상기 냉각부가 복수 구비되고, 상기 복수의 냉각부는, 상기 편평 형상의 단변 방향으로 적층 배치된다.

이에 의해, 워터 재킷 내의 냉각수와 접촉하는 냉각부의 표면적을, 공간을 절약하여 증대시킬 수 있어, 냉각 효율의 가일층의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.

또한, 상기 고강도부에 있어서의 측벽부의 외주면에는, 원주 방향을 따른 오목홈 또는 돌기부가 형성된다.

이에 의해, 실린더 헤드의 인서트 캐스팅 부분이 오목홈에 걸려, 실린더 헤드에 인서트 캐스팅된 고강도부가 실린더 헤드로부터 빠지는 것을 방지할 수 있는 동시에, 실린더 헤드와 고강도부 사이의 시일성을 확보할 수 있다.

또한, EGR 가스 흐름 방향의 하류측에 위치하는 고강도부에 있어서의 측벽부의 내주면에는, EGR 가스의 흐름 방향의 상류측으로부터 하류측으로 감에 따라서 직경이 확장되는 슬로프가 형성된다.

이에 의해, 냉각부 내에 발생한 응축수가 측벽부 내에 체류되어, 가스 통로에 부식 등의 열화ㆍ파손이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드의 제조 방법은, 배기 포트로부터 배출된 배기 가스의 일부를 흡기 포트로 안내하기 위한 가스 통로를, 실린더 헤드 워터 자켓 내에 배치하여, 상기 가스 통로 내를 유통하는 배기 가스의 냉각을 행하는, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드의 제조 방법이며, 상기 가스 통로를, 상기 실린더 헤드 워터 자켓 내의 냉각수와 접촉하는 냉각부와, 상기 냉각부의 측부에 위치하고, 상기 냉각부보다도 높은 강도를 갖는 고강도부를 구비한 중공관으로 구성하고, 상기 가스 통로의 고강도부를 상기 실린더 헤드에 인서트 캐스팅함으로써, 상기 냉각부를 실린더 헤드 워터 자켓 내에 배치한다.

또한, 상기 가스 통로의 냉각부를, 편평 형상을 갖는 중공관으로 구성한다.

또한, 상기 가스 통로의 냉각부는, 상기 고강도부와는 별체의 중공관으로 구성되고, 상기 가스 통로의 고강도부는, 통 형상으로 형성되는 측벽부와, 상기 측벽부에 있어서의 통 형상의 일단부를 폐색하는 바닥부로 구성되고, 상기 바닥부에는, 상기 냉각부를 삽입 가능한 삽입구가 형성되어 있고, 상기 냉각부의 단부를 상기 바닥부의 삽입구에 삽입하여, 상기 냉각부와 고강도부를 접속하는 접속 공정과, 상기 냉각부의 주위를 중자(中子) 모래로 포위하여 중자를 형성하는 중자 형성 공정과, 상기 고강도부를 주조형에 의해 파지하는 파지 공정과, 상기 주조형에 용탕을 유입하는 주조 공정을 구비한다.

이에 의해, 냉각부와 고강도부를 일체적으로 성형하여 가스 통로를 구성한 경우에 비해, 상기 가스 통로의 제조가 용이해져, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드의 생산성을 향상시키는 것이 가능해진다.

또한, 상기 각 공정이, 접속 공정→포위 공정→파지 공정→주조 공정의 순서대로 행해지는 경우에는, 고강도부를 주조형에 끼워 맞춘 후에 냉각부와 고강도부를 접속한 경우 등에 비해, 냉각부와 고강도부의 접속을 용이하게 행할 수 있어, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드의 생산성을 보다 향상시키는 것이 가능해진다.

또한, 상기 고강도부의 측벽부를 원통 형상으로 형성하고, 상기 측벽부를 주조형에 의해 파지한 상태에서, 상기 고강도부를 인서트 캐스팅한다.

또한, 상기 가스 통로의 냉각부를, 상기 냉각부 내를 유통하는 배기 가스의 흐름 방향과, 상기 실린더 헤드 워터 자켓 내를 유통하는 냉각수의 흐름 방향이 교차하는 동시에, 상기 편평 형상의 단변측의 면이 상기 냉각수의 흐름 방향과 대향하는 자세로 배치한다.

또한, 상기 가스 통로의 냉각부는, 편평 형상을 갖는 중공관을 복수 구비하고, 상기 복수의 중공관을, 상기 편평 형상의 단변 방향으로 적층 배치한다.

본 발명은, 이하의 효과를 발휘한다.

즉, 가스 통로의 냉각부를, 편평 형상을 갖는 중공관으로 구성하거나, 고강도부보다도 박육의 중공관으로 구성하여, EGR 가스 냉각 구조의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, EGR 가스의 냉각 구조를 용이하게 구성할 수 있어, 공간을 절약하고, 또한 저비용으로 EGR 가스의 냉각을 행하는 것이 가능해진다.

도 1은 실린더 헤드를 도시하는 평면 단면도이다.
도 2는 실린더 헤드를 도시하는 측면도이다.
도 3은 실린더 헤드에 있어서의 EGR 가스 냉각 구조를 도시하는 평면 단면도이다.
도 4는 실린더 헤드에 있어서의 EGR 가스 냉각 구조를 도시하는 측면도이다.
도 5는 실린더 헤드에 있어서의 EGR 가스 냉각 구조를 도시하는 사시도이다.
도 6은 EGR 가스 냉각관의 고강도부를 도시하는 측면도이다.
도 7은 EGR 가스 냉각관의 고강도부를 도시하는 정면 단면도이다.
도 8은 EGR 가스 냉각관의 고강도부 및 고강도부에 접속되는 냉각부를 도시하는 사시도이다.
도 9는 EGR 가스 냉각관을 실린더 헤드에 인서트 캐스팅할 때의 플로우를 나타내는 도면이다.
도 10은 실린더 헤드의 주조형에 있어서의 EGR 가스 냉각관의 고강도부를 인서트 캐스팅하는 부분을 도시하는 평면 단면도이다.
도 11은 냉각부의 단변의 치수와 EGR 가스의 출구 온도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는 EGR 가스 냉각관의 고강도부를 구성하는 측벽부의 외주면에 오목홈을 형성한 예를 도시하는 평면 단면도이다.
도 13은 EGR 가스 냉각관의 EGR 가스 출구측에 배치되는 고강도부에 있어서의 측벽부의 내주면에 슬로프를 형성한 예를 도시하는 평면 단면도이다.

다음에, 본 발명을 실시하기 위한 형태를, 첨부의 도면을 사용하여 설명한다.

도 1 내지 도 5에는, 본 발명에 관한 EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드인 실린더 헤드(11)를 도시하고 있다. 실린더 헤드(11)는, 예를 들어 복수의 기통(본 실시 형태에서는 4기통)을 갖는 엔진에 구비되는 것이고, 기통마다 흡기 포트(12ㆍ12) 및 배기 포트(13ㆍ13)를 갖고 있다.

또한, 실린더 헤드(11)의 내부에는, 배기 포트(13) 등을 냉각하기 위해, 중공 형상의 워터 재킷(15)이 형성되어 있다.

워터 재킷(15)은, 실린더 헤드(11)의 프론트측(기통 배열 방향의 일측;도 1에 있어서의 좌측)의 단부로부터 리어측(기통 배열 방향의 타측;도 1에 있어서의 우측)의 단부에 걸쳐서 형성되어 있다.

워터 재킷(15)의 내부에는 냉각수가 채워져 있고, 실린더 헤드(11)의 외부에 있어서 도시하지 않은 냉각 펌프나 라디에이터와 접속되어 있다. 그리고 냉각 펌프를 구동시킴으로써 워터 재킷(15)의 내부를 냉각수가 유통하여, 실린더 헤드(11)의 내부를 냉각하도록 구성되어 있다.

본 실시 형태에 있어서는, 냉각수는 실린더 헤드(11)의 프론트측 단부로부터 워터 재킷(15)의 내부로 유입하고, 워터 재킷(15) 내를 프론트측으로부터 리어측을 향하여 흐른 후, 실린더 헤드(11)의 리어측 단부의 냉각수 출구(15a)로부터 배출되도록 구성되어 있다.

실린더 헤드(11)를 구비하는 엔진은, 배기 포트(13)로부터 배출된 배기 가스의 일부(EGR 가스)를, 실린더 헤드(11)의 배기측으로부터 흡기측으로 다시 환류하여 흡입 공기와 혼합시키는 배기 재순환 장치를 갖고 있다.

상기 배기 재순환 장치는, 상기 EGR 가스를 흡기 포트(12)측으로 안내하기 위한 가스 통로를 갖고 있고, 상기 가스 통로는, 실린더 헤드(11) 내에 배치되고, 워터 재킷(15) 내의 냉각수에 의해 EGR 가스를 냉각하는 EGR 가스 냉각관(31)과, EGR 가스 냉각관(31)의 일단부(도 3에 있어서의 상단부)와 배기 가스가 유통하는 배기관 사이에 개재 장착되고, EGR 가스를 EGR 가스 냉각관(31)으로 유도하는 배기측 연결관(22)(도 3 참조)과, EGR 가스 냉각관(31)의 타단부(도 3에 있어서의 하단부)와 흡기 포트(12)에 연통되는 흡기 매니폴드 사이에 개재 장착되고, EGR 가스 냉각관(31)에서 냉각된 EGR 가스를 흡기 포트(12)측으로 유도하는 흡기측 연결관(23)을 구비하고 있다.

또한, 예를 들어 흡기측 연결관(23)의 도중부에는, 배기관측으로부터 흡기 포트(12)측으로 환류하는 EGR 가스의 유량을 조절하는 EGR 밸브가 설치되어 있다.

이와 같이 구성되는 배기 재순환 장치에 있어서는, 엔진의 구동 중에 상기 EGR 밸브가 개방되면, 배기 가스의 일부(EGR 가스)가 배기관으로부터 배기측 연결관(22)으로 유입하고, 또한 EGR 가스 냉각관(31)으로 유도된다. EGR 가스 냉각관(31)으로 유도된 EGR 가스는, EGR 가스 냉각관(31) 내를 유통할 때에, 워터 재킷(15) 내를 흐르는 냉각수에 의해 냉각된다. 냉각된 EGR 가스는, 그 후 흡기측 연결관(23)을 통하여 흡기 매니폴드로 환류되게 된다.

상기 엔진에 있어서는, 상기한 바와 같이 배기 재순환 장치를 구동시킴으로써, 불활성의(산소량이 적은) 기체로 된 EGR 가스를 배기관으로부터 흡기 매니폴드로 다시 환류하여 흡입 공기와 혼합시키고 있다. 이에 의해, 실린더 헤드(11)에 있어서의 연소실 내부의 연소 온도를 저하시켜, 질소산화물의 저감화를 도모하고 있다.

다음에, 워터 재킷(15) 내에 배치되는 EGR 가스 냉각관(31)에 대해 상세하게 설명한다.

EGR 가스 냉각관(31)은, 워터 재킷(15) 내에 있어서의, 냉각수의 흐름 방향에 있어서의 하류측 부분, 상세하게는 가장 하류측에 위치하는 기통의 흡기 포트(12ㆍ12) 및 배기 포트(13ㆍ13)와 냉각수 출구(15a) 사이에 배치되어 있다.

도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, EGR 가스 냉각관(31)은, 워터 재킷(15) 내를 흐르는 냉각수와 접촉하고, 내부를 유통하는 EGR 가스를 냉각하는 부분으로 되는 냉각부(32)와, 냉각부(32)의 양단부에 배치되고, 실린더 헤드(11)에 인서트 캐스팅되어 있는 고강도부(33ㆍ33)를 구비하고 있다. 즉, 고강도부(33ㆍ33)는 냉각부(32)의 양측부에 위치하고 있다.

냉각부(32)는 편평 형상을 갖는 박육의 중공관으로 구성되어 있다. EGR 가스 냉각관(31)에 있어서는, 냉각부(32)는 복수 구비되어 있고, 복수의 냉각부(32)는 상기 편평 형상의 단변 방향으로 적층 배치되어 있다.

즉, 냉각부(32)는, 그 단면 형상이, 적층 방향을 단변으로 하는 동시에 적층 방향과 직교하는 방향을 장변으로 하는 직사각 형상 또는 타원형 형상으로 형성되어 있고, 복수의 냉각부(32)는, 장변측의 면(32a)이 서로 대향하도록 적층되어 있다.

이와 같이, 냉각부(32)를 편평 형상의 중공관으로 구성하고 있으므로, 냉각부(32)의 단변 방향의 내경을 작게 하여, 냉각부(32) 내를 흐르는 EGR 가스가 흐르는 곳에 있어서의 난류 영역의 비율을 증가시키는 동시에, 냉각부(32)의 통로 단면적에 대한 표면적을 증대시킬 수 있어, EGR 가스의 열교환율을 높여 냉각 효율을 향상시키는 것이 가능하게 되어 있다. 또한, 냉각부(32)는 박육의 중공관으로 구성되어 있으므로, EGR 가스의 냉각 효율을 더욱 향상시키는 것이 가능하다.

또한, EGR 가스 냉각관(31)에 있어서는, 편평 형상의 중공관으로 구성되는 복수의 냉각부(32)를 상기 편평 형상의 단변 방향으로 적층 배치하고 있으므로, 워터 재킷(15) 내의 냉각수와 접촉하는 냉각부(32)의 표면적을, 공간을 절약하여 증대시킬 수 있어, 냉각 효율의 가일층의 향상을 도모하는 것이 가능하게 되어 있다.

또한, EGR 가스 냉각관(31)은, 냉각부(32) 내를 유통하는 EGR 가스의 흐름 방향과, 워터 재킷(15) 내를 유통하는 냉각수의 흐름 방향이 교차하는 자세로 배치되어 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 냉각부(32) 내를 유통하는 EGR 가스의 흐름 방향과, 워터 재킷(15) 내를 유통하는 냉각수의 흐름 방향이 직교하고 있다.

또한, EGR 가스 냉각관(31)은, 각 냉각부(32)의 단변측의 면(32b)이 워터 재킷(15) 내를 유통하는 냉각수의 흐름 방향과 대향하는 자세로 배치되어 있다. 즉, 각 냉각부(32)는, 장변측의 면(32a)이 워터 재킷(15) 내를 유통하는 냉각수의 흐름 방향과 평행하게 되는 자세로 배치되어 있다.

EGR 가스 냉각관(31)을 이와 같이 배치함으로써, 워터 재킷(15) 내를 유통하는 냉각수의 유통을 방해하는 일 없이, 냉각부(32)의 외주면에 냉각수를 효율적으로 접촉시킬 수 있어, EGR 가스의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

도 6, 도 7에 도시한 바와 같이, 고강도부(33)는, 원통 형상으로 형성되는 측벽부(33a)와, 측벽부(33a)의 통 형상의 일단부[즉, 측벽부(33a)의 축심 방향의 일단부]를 폐색하는 바닥부(33b)로 구성되어 있다. 바닥부(33b)에는, 냉각부(32)의 단부 형상에 따른 형상으로 형성되어, 냉각부(32)의 단부가 삽입 가능한 삽입구(33cㆍ33cㆍㆍㆍ)가 형성되어 있다.

그리고 도 8에 도시한 바와 같이, 바닥부(33b)의 삽입구(33cㆍ33cㆍㆍㆍ)에, 각각 냉각부(32)의 단부를 삽입함으로써, 각 냉각부(32)와 고강도부(33)가 접속되어 있다.

바닥부(33b)의 삽입구(33cㆍ33cㆍㆍㆍ) 형성 부분과, 삽입구(33cㆍ33cㆍㆍㆍ)에 삽입된 냉각부(32)는, 예를 들어 브레이징함으로써, 그 접속 상태가 고정된다.

또한, 고강도부(33)는, 측벽부(33a)와 바닥부(33b)를 일체적으로 성형하여 구성하는 것 외에, 별체로 성형한 측벽부(33a)와 바닥부(33b)를 브레이징 등에 의해 접합하여 구성할 수도 있다.

고강도부(33)는, 냉각부(32)보다도 고강도로 구성되어 있다. 특히, 고강도부(33)는, 외주면에 가해지는 압축력에 대한 내강도가 냉각부(32)보다도 높게 구성되어 있다. 이 고강도부(33)의 고강도는, 예를 들어 냉각부(32)가 편평 형상으로 형성되어 있는 것에 대해, 고강도부(33)의 측벽부(33a)를 원통 형상으로 형성함으로써 실현되어 있다.

또한, 고강도부(33)를 냉각부(32)보다도 후육의 부재로 형성함으로써, 고강도를 실현하는 것도 가능하다. 또한, 고강도부(33)의 내주부에 리브 등의 보강부를 형성함으로써, 고강도부(33)의 고강도를 실현하는 것도 가능하다.

또한, 냉각부(32) 및 고강도부(33)의 구성 재료로서는, 예를 들어 알루미늄이나 스테인리스 등이 사용된다.

전술한 바와 같이, 고강도부(33)는 고강도의 원통 형상 부재로 형성되고, 냉각부(32)는, 고강도부(33)보다도 강도가 낮은 편평 형상의 박육 중공관으로 형성된다고 하는 바와 같이, 고강도부(33)와 냉각부(32)는 다른 특성을 갖는 부재로서 구성되어 있지만, 냉각부(32)와 고강도부(33)는 별체로 형성되고, 냉각부(32)를 고강도부(33)의 삽입구(33cㆍ33cㆍㆍㆍ)에 삽입함으로써 EGR 가스 냉각관(31)을 구성하도록 하고 있으므로, EGR 가스 냉각관(31)을 용이하게 구성할 수 있어, EGR 가스의 냉각 구조의 생산성을 향상시키는 것이 가능하게 되어 있다.

워터 재킷(15) 내의 냉각수의 흐름 방향과 직교하는 방향에 대향하는 실린더 헤드(11)의 양 측벽에는, EGR 가스 냉각관(31)의 고강도부(33ㆍ33)를 지지하는 냉각관 지지부(11aㆍ11a)가 각각 형성되어 있다.

즉, EGR 가스 냉각관(31)은, 그 양단부에 배치되는 고강도부(33ㆍ33)가, 냉각관 지지부(11aㆍ11a)에 지지됨으로써, 실린더 헤드(11)에 설치되어 있다. 이 경우, EGR 가스 냉각관(31)의 고강도부(33ㆍ33)는, 주조되는 실린더 헤드(11)에 인서트 캐스팅됨으로써, 냉각관 지지부(11aㆍ11a)에 의해 지지되어 있다.

이와 같이, 고강도부(33ㆍ33)를 실린더 헤드(11)에서 인서트 캐스팅함으로써, EGR 가스 냉각관(31)을 실린더 헤드(11)에 고정하고 있으므로, EGR 가스 냉각관(31)을 고정하기 위한 볼트 등의 고정구가 불필요하여, EGR 가스의 냉각 구조를 구성하는 부품 개수를 감소하는 동시에, 상기 고정구의 조립 작업이 불필요하게 되어, 저비용으로 EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드를 제조하는 것이 가능해진다.

또한, EGR 가스 냉각관(31)의 고강도부(33ㆍ33)를 실린더 헤드(11)에 인서트 캐스팅하는 경우, 고강도부(33ㆍ33)에는, 외주측으로부터 주조압(용탕의 중력 및 용탕의 수축에 수반되는 압력)이 가해지지만, 고강도부(33)는 측벽부(33a)를 원통 형상으로 형성하는 등으로 인해, 외주측으로부터 가해지는 압력에 대해 고강도로 구성되어 있으므로, 상기 주조압에 의해서도 변형되는 일이 없다.

구체적으로는, 용탕이 응고될 때의 수축에 수반되는 압력이, 고강도부(33)의 외주면에 가해진 경우, 그 압력을 원통 형상으로 형성된 측벽부(33a)에서 균등하게 받을 수 있으므로, 고강도부(33)가 변형되는 일이 없다.

이에 의해, 고강도부(33)의 인서트 캐스팅된 부분과 실린더 헤드(11) 사이에 간극이 생기는 것을 방지할 수 있어, 워터 재킷(15) 내에 있어서의 고강도부(33)가 인서트 캐스팅된 부분의 시일성을 확보할 수 있다.

한편, EGR 가스 냉각관(31)의 냉각부(32)는, 워터 재킷(15)이 형성되는 부분에 배치되어 있어, 실린더 헤드(11)에 인서트 캐스팅되는 일은 없고, 실린더 헤드(11)의 주조 시에 주조압이 가해지는 일도 없으므로, 고강도부(33)보다도 낮은 강도로 구성할 수 있다.

즉, EGR 가스 냉각관(31)은, 고강도부(33ㆍ33)가 실린더 헤드(11)에 인서트 캐스팅됨으로써 실린더 헤드(11)에 지지되어 있고, EGR 가스를 냉각하는 부분인 냉각부(32)에는 주조압이 직접 작용하는 일이 없어, 주조압에 의한 변형이 발생하기 어려우므로, 냉각부(32)를 편평 형상을 갖는 중공관으로 구성하거나, 고강도부(33)보다도 박육의 중공관으로 구성하여, 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.

다음에, EGR 가스 냉각관(31)을 실린더 헤드(11)에 인서트 캐스팅할 때의 플로우에 대해 설명한다.

도 9에 나타낸 바와 같이, EGR 가스 냉각관(31)을 인서트 캐스팅할 때는, 우선 냉각부(32)의 단부를, 고강도부(33)의 바닥부(33b)에 형성되는 삽입구(33c)에 삽입하여, 냉각부(32)와 고강도부(33)를 접속하는 접속 공정을 실시한다(S01). 이 경우, 고강도부(33)는 냉각부(32)의 양단부에 접속되고, EGR 가스 냉각관(31)이 구성된다.

접속 공정에서 EGR 가스 냉각관(31)이 구성되면, EGR 가스 냉각관(31)에 있어서의 냉각부(32)의 주위를 중자 모래로 포위하여 중자를 형성하는 중자 형성 공정이 실시된다(S02).

이 경우, 고강도부(33)의 냉각부(32)에 가까운 내측 부분이, 냉각부(32)와 함께 중자로 덮이도록 구성하는 것도 가능하다. 단, 고강도부(33)의 외측 부분은, 실린더 헤드(11)에 인서트 캐스팅되는 부분 및 후술하는 파지 공정에 있어서 주조형(1)에 파지되는 부분으로 되므로, 중자는 당해 부분이 노출되도록 형성된다.

다음에, EGR 가스 냉각관(31)의 고강도부(33)를 실린더 헤드(11)의 주조형에 의해 파지하는 파지 공정이 실시된다(S03). 고강도부(33)를 주조형에 의해 파지함으로써, 중자 형성 공정에서 형성된 중자가 주조형에 설치된다.

도 10에 도시한 바와 같이, 예를 들어 실린더 헤드(11)의 주조형(1)의 내주면에는, 내측 방향으로 돌출되는 원환 형상의 파지부(1a)가 형성되어 있고, 파지부(1a)의 내주면에 고강도부(33)의 외주면을 끼워 맞춤으로써, 주조형(1)에 의한 고강도부(33)의 파지가 행해진다.

또한, 중자를 주조형에 설치한 후에, 상기 주조형(1)에 용탕을 유입하여 주조 공정이 실시되고, 실린더 헤드(11)가 주조된다(S04). 이에 의해, EGR 가스 냉각관(31)의 고강도부(33)가 실린더 헤드(11)에 인서트 캐스팅된다.

주조형(1)의 파지부(1a)에 의해 고강도부(33)를 파지할 때는, 고강도부(3)의 외측 단부와, 주조형(1)에 있어서의 파지부(1a)에 둘러싸인 부분의 내면(1b) 사이에는 소정 치수 d의 간극을 형성한 상태에서 파지하도록 하고 있다. 또한, 주조형(1)의 파지부(1a)에 의해 고강도부(33)를 파지할 때는, 파지부(1a)와 고강도부(33) 사이는 시일되어 있어, 주조형(1)에 유입한 용탕이 상기 소정 치수 d의 간극 부분에 인입하지 않도록 되어 있다.

이와 같이 구성함으로써, 고강도부(33)의 외측 단부가 실린더 헤드(11)의 외면으로부터 치수 d만큼 내측으로 당겨진 상태에서 실린더 헤드(11)에 인서트 캐스팅되게 된다(도 3 참조).

이에 의해, EGR 가스 냉각관(31)의 양단부에 배치되는 고강도부(33ㆍ33)가, 실린더 헤드(11)에 접속되는 배기측 연결관(22) 및 흡기측 연결관(23)과 간섭하는 일이 없어, 고강도부(33ㆍ33)에 부하가 가해지는 것을 방지할 수 있으므로, 실린더 헤드(11)와 고강도부(33ㆍ33)의 시일 상태의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

이와 같이, 상기 각 공정을, 접속 공정(S01)→중자 형성 공정(S02)→파지 공정(S03)→주조 공정(S04)의 순서대로 실시함으로써, EGR 가스 냉각관(31)의 고강도부(33)가 실린더 헤드(11)에 인서트 캐스팅된다.

그리고 고강도부(33)를 실린더 헤드(11)에 인서트 캐스팅하고, EGR 가스 냉각관(31)을 워터 재킷(15) 내에 배치함으로써, EGR 가스 냉각 구조를 워터 재킷(15) 내에 갖는 실린더 헤드(11)가 제조되게 된다.

EGR 가스 냉각관(31)을 워터 재킷(15) 내에 배치하는 구성에서는, 실린더 헤드(11)의 외부에 EGR 가스 쿨러를 별도 설치할 필요가 없어, EGR 가스의 냉각 구조를 용이하게 구성할 수 있다. 또한, 엔진으로부터의 별도 설치한 EGR 가스 쿨러에의 가스 배관이 불필요하게 되므로, 공간을 절약하고, 또한 저비용으로 EGR 가스의 냉각을 행하는 것이 가능해진다.

또한, 실린더 헤드(11)의 워터 재킷(15) 내에 배치되는 EGR 가스 냉각관(31)은, 서로 별체로 형성되는 냉각부(32)와 고강도부(33)를 접속함으로써 구성되는 것이므로, 냉각부(32)와 고강도부(33)를 일체적으로 성형하여 EGR 가스 냉각관(31)을 구성한 경우에 비해, EGR 가스 냉각관(31)의 제조가 용이해져, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드(11)의 생산성을 향상시키는 것이 가능하게 되어 있다.

또한, 고강도부(33)를 실린더 헤드(11)에 인서트 캐스팅할 때에는, 고강도부(33)를 주조형(1)의 파지부(1a)에 끼워 맞추어, EGR 가스 냉각관(31)을 주조형(1)에 의해 파지하기 전에, 냉각부(32)와 고강도부(33)를 접속하도록 하고 있으므로, 고강도부(33)를 주조형(1)의 파지부(1a)에 끼워 맞춘 후에 냉각부(32)와 고강도부(33)를 접속한 경우 등에 비해, 냉각부(32)와 고강도부(33)의 접속을 용이하게 행할 수 있어, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드(11)의 생산성을 보다 향상시키는 것이 가능하게 되어 있다.

전술한 바와 같이, 냉각부(32)를 편평 형상의 중공관으로 구성함으로써, 냉각부(32)를 유통하는 EGR 가스의 냉각 효율을 높이고 있지만, 상기 편평 형상의 편평 정도가 높을수록 냉각 성능의 향상을 도모할 수 있다.

즉, 도 11에는 편평 형상으로 형성되는 냉각부(32)의 단면에 있어서의 단변의 치수 h와, EGR 가스의 냉각부(32)의 출구 온도, 즉 냉각수에 의한 냉각 후의 EGR 가스의 온도의 관계를 나타내고 있다.

도 11에 따르면, 냉각부(32)의 단변의 치수 h가 작아짐에 따라 EGR 가스의 출구 온도가 낮아지고 있고, 냉각부(32)의 편평 정도가 높아질수록 냉각성이 향상되어 있는 것을 알 수 있다. 이것은, 상기 치수 h가 작아질수록[편평 형상의 냉각부(32)가 얇아질수록) 냉각부(32)를 유통하는 EGR 가스의 유속 및 열전달률이 향상되기 때문이다.

또한, 도 12에 도시한 바와 같이, EGR 가스 냉각관(31)의 고강도부(33)를 구성하는 측벽부(33a)에 있어서의 실린더 헤드(11)에 인서트 캐스팅되어 있는 부분[실린더 헤드(11)의 냉각관 지지부(11a)에 지지되어 있는 부분]의 외주면에는, 원주 방향을 따라 오목홈(33d)을 형성할 수 있다.

이와 같이, 측벽부(33a)의 외주면에 오목홈(33d)을 형성함으로써, 실린더 헤드(11)의 인서트 캐스팅 부분이 오목홈에 걸려, 실린더 헤드(11)에 인서트 캐스팅된 고강도부(33)가 실린더 헤드(11)로부터 빠지는 것을 방지할 수 있는 동시에, 실린더 헤드(11)와 고강도부(33) 사이의 시일성을 확보할 수 있다.

또한, 측벽부(33a)의 외주면에, 원주 방향을 따른 돌기부를 형성함으로써도, 동일한 효과를 발휘할 수 있다.

또한, 도 13에 도시한 바와 같이, EGR 가스 냉각관(31)의 EGR 가스 출구측(EGR 가스 흐름 방향의 하류측)에 배치되는 고강도부(33)에 있어서의 측벽부(33a)의 내주면에는, EGR 가스의 흐름 방향의 상류측으로부터 하류측으로 감에 따라서 직경이 확장되는 슬로프(구배)(33e)를 형성할 수 있다.

EGR 가스가 냉각부(32)에서 냉각되면 냉각부(32) 내에 응축수가 발생하고, 발생한 응축수가 EGR 가스의 흐름에 의해 출구측의 측벽부(33a) 내에 유출하지만, 전술한 바와 같이 측벽부(33a)의 내주면에 슬로프(33e)를 형성함으로써, 측벽부(33a) 내의 응축수가 외부로 배출되기 쉬워진다.

이에 의해, 상기 응축수가 측벽부(33a) 내에 체류되어, EGR 가스 냉각관(31)에 부식 등의 열화ㆍ파손이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명은, 배기 재순환 장치를 구비한 엔진의 실린더 헤드에 있어서, EGR 가스 냉각 구조를 구성하기 위해 사용할 수 있다.

11 : 실린더 헤드
11a : 냉각관 지지부
12 : 흡기 포트
13 : 배기 포트
15 : 워터 재킷
31 : EGR 가스 냉각관
32 : 냉각부
32a : 냉각부의 장변측의 면
32b : 냉각부의 단변측의 면
33 : 고강도부
33a : 측벽부
33b : 바닥부
33c : 삽입구
33d : 오목홈
33e : 슬로프

Claims

배기 포트로부터 배출된 배기 가스의 일부를 흡기 포트측으로 안내하기 위한 가스 통로를, 실린더 헤드 워터 자켓 내에 배치하여, 상기 가스 통로 내를 유통하는 배기 가스의 냉각을 행하는, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드이며,
상기 가스 통로는, 상기 실린더 헤드 워터 자켓 내의 냉각수와 접촉하는 냉각부와, 상기 냉각부의 측부에 위치하고, 상기 냉각부보다도 높은 강도를 갖는 고강도부를 구비한 중공관으로 구성되고,
상기 가스 통로의 고강도부가, 상기 실린더 헤드에 인서트 캐스팅되어 있는 것을 특징으로 하는, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드.
제1항에 있어서,
상기 가스 통로의 냉각부가, 편평 형상을 갖는 중공관으로 구성되는 것을 특징으로 하는, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 가스 통로의 냉각부는, 상기 고강도부와는 별체의 중공관으로 구성되고,
상기 가스 통로의 고강도부는, 통 형상으로 형성되는 측벽부와, 상기 측벽부에 있어서의 통 형상의 일단부를 폐색하는 바닥부로 구성되고,
상기 바닥부에는, 상기 냉각부를 삽입 가능한 삽입구가 형성되고,
상기 냉각부의 단부를 상기 바닥부의 삽입구에 삽입함으로써, 상기 냉각부와 고강도부가 접속되는 것을 특징으로 하는, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드.
제3항에 있어서,
상기 고강도부의 측벽부가, 원통 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드.
제2항에 있어서,
상기 가스 통로의 냉각부는,
상기 냉각부 내를 유통하는 배기 가스의 흐름 방향과, 상기 실린더 헤드 워터 자켓 내를 유통하는 냉각수의 흐름 방향이 교차하는 동시에, 상기 편평 형상의 단변측의 면이 상기 냉각수의 흐름 방향과 대향하는 자세로 배치되는 것을 특징으로 하는, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드.
제2항에 있어서,
상기 가스 통로에 있어서는, 상기 냉각부가 복수 구비되고,
상기 복수의 냉각부는, 상기 편평 형상의 단변 방향으로 적층 배치되는 것을 특징으로 하는, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드.
제3항에 있어서,
상기 고강도부에 있어서의 측벽부의 외주면에는, 원주 방향을 따른 오목홈 또는 돌기부가 형성되는 것을 특징으로 하는, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드.
제3항에 있어서,
EGR 가스 흐름 방향의 하류측에 위치하는 고강도부에 있어서의 측벽부의 내주면에는, EGR 가스의 흐름 방향의 상류측으로부터 하류측으로 감에 따라서 직경이 확장되는 슬로프가 형성되는 것을 특징으로 하는, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드.
배기 포트로부터 배출된 배기 가스의 일부를 흡기 포트로 안내하기 위한 가스 통로를, 실린더 헤드 워터 자켓 내에 배치하여, 상기 가스 통로 내를 유통하는 배기 가스의 냉각을 행하는, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드의 제조 방법이며,
상기 가스 통로를, 상기 실린더 헤드 워터 자켓 내의 냉각수와 접촉하는 냉각부와, 상기 냉각부의 측부에 위치하고, 상기 냉각부보다도 높은 강도를 갖는 고강도부를 구비한 중공관으로 구성하고,
상기 가스 통로의 고강도부를 상기 실린더 헤드에 인서트 캐스팅함으로써, 상기 냉각부를 실린더 헤드 워터 자켓 내에 배치하는 것을 특징으로 하는, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드의 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 가스 통로의 냉각부를, 편평 형상을 갖는 중공관으로 구성하는 것을 특징으로 하는, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드의 제조 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 가스 통로의 냉각부는, 상기 고강도부와는 별체의 중공관으로 구성되고,
상기 가스 통로의 고강도부는, 통 형상으로 형성되는 측벽부와, 상기 측벽부에 있어서의 통 형상의 일단부를 폐색하는 바닥부로 구성되고,
상기 바닥부에는, 상기 냉각부를 삽입 가능한 삽입구가 형성되어 있고,
상기 냉각부의 단부를 상기 바닥부의 삽입구에 삽입하여, 상기 냉각부와 고강도부를 접속하는 접속 공정과,
상기 냉각부의 주위를 중자 모래로 포위하여 중자를 형성하는 중자 형성 공정과,
상기 고강도부를 주조형에 의해 파지하는 파지 공정과,
상기 주조형에 용탕을 유입하는 주조 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드의 제조 방법.
제11항에 있어서,
상기 각 공정은, 접속 공정→포위 공정→파지 공정→주조 공정의 순서대로 행해지는 것을 특징으로 하는, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드의 제조 방법.
제11항에 있어서,
상기 고강도부의 측벽부를 원통 형상으로 형성하고,
상기 측벽부를 주조형에 의해 파지한 상태에서, 상기 고강도부를 인서트 캐스팅하는 것을 특징으로 하는, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드의 제조 방법.
제10항에 있어서,
상기 가스 통로의 냉각부를,
상기 냉각부 내를 유통하는 배기 가스의 흐름 방향과, 상기 실린더 헤드 워터 자켓 내를 유통하는 냉각수의 흐름 방향이 교차하는 동시에, 상기 편평 형상의 단변측의 면이 상기 냉각수의 흐름 방향과 대향하는 자세로 배치하는 것을 특징으로 하는, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드의 제조 방법.
제10항에 있어서,
상기 가스 통로의 냉각부는, 편평 형상을 갖는 중공관을 복수 구비하고,
상기 복수의 중공관을, 상기 편평 형상의 단변 방향으로 적층 배치하는 것을 특징으로 하는, EGR 가스 냉각 구조를 갖는 실린더 헤드의 제조 방법.