KR101417525B1

KR101417525B1 - 배기일체형 실린더 헤드의 냉각장치

Info

Publication number: KR101417525B1
Application number: KR1020120155827A
Authority: KR
Inventors: 황순현
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-07-08

Abstract

본 발명은 실린더 헤드의 워터자켓을 배기측까지 확장하여 배기온 저감에 따른 연비개선 효과를 도모할 수 있는 배기일체형 실린더 헤드의 냉각장치에 관한 것이다.
본 발명은 실린더 헤드에 형성되는 헤드부측과 배기포트 확장부측의 각 냉각수 유동 경로를 분리 운용하면서 배기포트 확장부측의 냉각수 유동 경로를 운전영역에 따라 선택적으로 오픈 또는 클로즈 시키는 새로운 형태의 냉각 시스템을 구현함으로써, 배기일체형 실린더 헤드의 장점은 그대로 유지하면서, 초기 LOT 시간 단축에 따른 연비 개선 효과와 더불어 난방 개선 효과를 도모할 수 있는 배기일체형 실린더 헤드의 냉각장치를 제공한다.

Description

배기일체형 실린더 헤드의 냉각장치{Cooling system of exhaust united type cylinder head}

본 발명은 배기일체형 실린더 헤드의 냉각장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실린더 헤드의 워터자켓을 배기측까지 확장하여 배기온 저감에 따른 연비개선 효과를 도모할 수 있는 배기일체형 실린더 헤드의 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 엔진은 내연기관으로서, 실린더 내에서 연소된 배기가스의 배출을 위한 배기 시스템을 갖추고 있다.

이러한 배기 시스템에서 실린더의 배기가스가 실린더 헤드를 통해 배출되도록 하기 위해 실린더 헤드 내에는 배기 포트가 형성되어 있으며, 이러한 배기 포트로부터 배출되는 배기가스는 배기 매니폴드를 통해 촉매 컨버터로 보내진다.

상기 배기 시스템의 배기 매니폴드는 엔진과는 별도의 부품으로 제작되어 외부에 노출되어 있으며, 워터 자켓 등으로 냉각시키지 못하고, 단지 공기의 흐름을 통해 냉각시키고 있다.

이와 같은 기존 배기 시스템의 경우 실린더의 배기 포트에서 배출되는 배기가스의 냉각효과가 낮아 연비가 떨어지는 문제점이 있다.

이러한 점을 고려하여 최근에는 배기 매니폴드에서 촉매 컨버터에 이르기까지 배기가스의 온도를 적절하게 유지하면서도 연비를 개선할 수 있는 배기 시스템이 개발되고 있다.

예를 들면, 실린더 헤드의 워터 자켓을 배기측까지 확장하여 배기가스의 온도를 저감시키는 방식으로서, 일본공개특허 2010-0209749호, 일본공개특허 2009-0264286호, 일본공개특허 2005-0188352호, 한국등록특허 10-1199170호 등에는 다양한 형태의 배기일체형 실린더 헤드가 개시되어 있다.

이러한 배기일체형 실린더 헤드의 경우 배기가스의 온도 저감에 따른 COP 영역에서의 이론공연비 운전영역 확대로 연비개선 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.

그러나, 배기포트측 워터자켓 확장에 따른 냉각수로의 전열량이 증대하여 초기 냉시동시 촉매활성화 시간(LOT)이 증가하여 EM이 증대되는 단점이 있다.

예를 들면, 도 1에 도시한 바와 같이, 실린더 헤드에는 각 연소실 기통의 주변을 따라 냉각수가 흐르는 통로인 실린더 헤드 워터 자켓(10)이 형성되고, 이때의 실린더 헤드 워터 자켓(10)은 배기포트 확장부 워터 자켓(11)까지 연통되는 구조로 이루어진다.

이에 따라, 실린더 헤드 워터 자켓(10)의 한쪽으로 유입되는 냉각수는 헤드부 워터 자켓(12)측과 배기포트 확장부 워터 자켓(11)측을 따라 흐르면서 냉각을 수행한 후, 즉 화살표 ①, ②와 같은 냉각수 유동 경로를 따라 흐르면서 냉각을 수행한 후, 실린더 헤드(10)의 다른 한쪽으로 배출되는 흐름을 보이게 된다.

그러나, 냉각수 주유동이 상대적으로 저항이 작은 배기포트 확장부 워터 자켓으로 유도되어(화살표 ②), 헤드 주요 냉각부(ex-ex 밸브 사이, 스파크 플러그 홀 주변부)의 유속이 느려짐으로써 금속면 온도가 상승하는 문제가 있다.

또한, 전열량 증대에 따른 차량 냉각계(라디에이터 용량) 보강으로 인해 원가/중량 효과가 반감되고, 초기 시동시 배기가스 온도 저감에 따른 LOT 증대로 EM이 불리한 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 실린더 헤드에 형성되는 헤드부측 워터 자켓과 배기포트 확장부측 워터 자켓의 각 냉각수 유동 경로를 분리 운용하면서 배기포트 확장부 워터 자켓측의 냉각수 유동 경로를 운전영역에 따라 선택적으로 오픈 또는 클로즈 시키는 새로운 형태의 냉각 시스템을 구현함으로써, 배기일체형 실린더 헤드의 장점은 그대로 유지하면서, 초기 LOT 시간 단축에 따른 연비 개선 효과와 더불어 난방 개선 효과를 도모할 수 있는 배기일체형 실린더 헤드의 냉각장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 배기일체형 실린더 헤드의 냉각장치는 다음과 같은 특징이 있다.

상기 배기일체형 실린더 헤드의 냉각장치는 냉각수 유입측에서 들어온 냉각수가 헤드부 워터 자켓을 따라 흐른 후에 냉각수 배출측으로 나가는 냉각수 유동 경로를 가지는 배기일체형 실린더 헤드에 적용되는 것으로서, 헤드부측의 워터 자켓과 배기포트 확장부측의 워터 자켓은 분리 영역에 의해 서로 구획되어 분리됨과 더불어, 냉각수 배출측과 인접한 위치에 형성되어 있는 연결부측의 워터 자켓에 의해 서로 연결되는 구조로 이루어진다.

따라서, 상기 배기일체형 실린더 헤드의 냉각장치는 운전영역에 따라 배기포트 확장부측의 워터 자켓으로 냉각수를 공급 또는 차단하면서 배기포트 확장부를 선택적으로 냉각함으로써, 초기 시동시에는 촉매활성화 시간을 단축하여 EM을 개선할 수 있고, 고속영역 운전시에는 배기온 저감에 따른 연비 향상을 도모할 수 있는 특징이 있다.

여기서, 상기 배기일체형 실린더 헤드의 냉각장치의 배기포트 확장부측의 워터 자켓에서 배출되는 냉각수가 흐르는 배출라인에는 밸브를 설치하고, 상기 밸브의 개폐작동을 통해 배기포트 확장부측 워터 자켓으로의 냉각수가 공급 또는 차단될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 밸브의 경우 개폐량 조절을 통해 냉각수 유동 패턴 및 유량을 조절할 수 있도록 하고, 또 밸브의 배출측에서 연장되는 배출라인은 히터측으로 연결하여 배기포트 확장부측의 워터 자켓을 거치는 동안 배기가스와의 열교환이 이루어진 냉각수를 히터측에 제공할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 제공하는 배기일체형 실린더 헤드의 냉각장치는 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 초기 시동시 배기포트 확장부의 워터 자켓측 냉각수 공급을 차단함으로써, 촉매활성화 시간을 단축할 수 있고, 따라서 EM 개선의 효과가 있다.

둘째, 고속, 고부하 영역에서의 운전시 배기포트 확장부의 워터 자켓측으로 냉각수를 공급함으로써, 배기가스 온도 저감에 따른 연비 개선의 효과가 있다.

셋째, 촉매활성화 이후에는 히터측 냉각수 공급라인으로 변경 운용함으로써, 난방 효과를 극대화할 수 있다.

도 1은 종래의 배기일체형 실린더 헤드와 냉각수 흐름을 나타내는 평면도 및 단면도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기일체형 실린더 헤드의 냉각장치를 나타내는 평면도 및 단면도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기일체형 실린더 헤드의 냉각장치를 적용한 냉각계를 나타내는 개략도

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기일체형 실린더 헤드의 냉각장치를 나타내는 평면도 및 단면도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 상기 배기일체형 실린더 헤드의 냉각장치는 실린더 헤드의 헤드부측 냉각수 유동 경로와 배기포트 확장부측 냉각수 유동 경로를 분리 운용하면서 운전영역에 따라 배기포트 확장부측 냉각수 흐름을 선택적으로 제어하는 방식으로 이루어진다.

이를 위하여, 실린더 블럭(도 3의 도면부호 20)측에서 제공되는 냉각수가 들어오는 부분인 냉각수 유입측(13)과 라디에이터(도 3의 도면부호 23)측으로 냉각수가 나가는 부분인 냉각수 배출측(14)를 가지는 실린더 헤드 워터 자켓(10)에 마련된다.

이에 따라, 상기 냉각수 유입측(13)에서 들어온 냉각수는 실린더 헤드상의 워터 자켓을 따라 흐르면서 냉각작용을 수행한 후, 냉각수 배출측(14)을 통해 빠져나가는 냉각수 유동 경로가 확보될 수 있게 된다.

그리고, 상기 실린더 헤드 워터 자켓(10)은 헤드부 워터 자켓(12)측의 워터 자켓과 배기포트 확장부 워터 자켓(11)측으로 구분될 수 있게 된다.

특히, 상기 헤드부측의 워터 자켓(12)과 배기포트 확장부측의 워터 자켓(11)은 실린더 헤드 워터 자켓(10)을 헤드부측과 배기포트 확장부측으로 구획하는 분리 영역(15)에 의해 서로 분리될 수 있게 된다.

즉, 상기 분리 영역(15)은 헤드부 워터 자켓(12)측과 배기포트 확장부 워터 자켓(12)측 간의 경계부위에서 실린더 헤드 길이방향을 따라 나란하게 형성되는 절개된 부분으로서, 이렇게 형성되는 분리 영역(15)에 의해 헤드부 워터 자켓(12)측과 배기포트 확장부 워터 자켓(12)측이 구획될 수 있게 된다.

이때, 상기 헤드부 워터 자켓(12)과 배기포트 확장부 워터 자켓(11)은 냉각수 배출측(14)과 인접한 위치에 형성되어 있는 연결부(16)에 의해 서로 연결되며, 이에 따라 헤드부측 워터 자켓과 배기포트 확장부측 워터 자켓은 냉각수가 배출되는 영역과 인접한 위치에서 연결부(16)에 의해 서로 연통되는 구조를 이룰 수 있게 된다.

따라서, 상기 헤드부 워터 자켓(12)의 냉각수 유입측(13)을 통해 들어온 냉각수는 분리 영역(15)으로 인해 배기포트 확장부 워터 자켓(12)측으로 흐르지 않고 헤드부 워터 자켓(12)측으로 전량 흐를 수 있게 되고, 결국 냉각수 주유동이 헤드부측으로 유도됨으로써(화살표 ①), 헤드 주요 냉각부의 유속이 빨라지면서 금속면 온도 상승을 억제할 수 있게 된다.

그리고, 상기 배기포트 확장부측의 워터 자켓(11)으로는 냉각수가 적절히 공급 또는 차단되면서 운전영역에 따라 배기포트 확장부측의 냉각이 선택적으로 이루어질 수 있게 된다(화살표 ②).

즉, 운전영역에 따라 개폐작동이 제어되는 후술하는 밸브(18)의 오픈 또는 클로즈 조건에 따라 배기포트 확장부 워터 자켓(11)측으로의 냉각수가 선택적으로 공급되거나 차단될 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기일체형 실린더 헤드의 냉각장치를 적용한 냉각계를 나타내는 개략도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 여기서는 배기일체형 실린더 헤드에 적용되는 냉각계를 보여준다.

기본적으로 냉각수는 워터펌프(21)→실린더 블럭(20)→실린더 헤드 워터 자켓(10)→라디에이터(23)→써모스탯(22)→워터펌프(21)로 이어지는 순환경로를 따라 흐르게 된다.

그리고, 상기 실린더 헤드(10)와 라디에이터(23) 사이에서 분기되는 냉각수 라인은 히터(19)의 유입측으로 연결되는 동시에 히터(19)의 배출측은 써모스탯(22)과 워터펌프(21) 사이의 냉각수 라인으로 연결되고, 냉각수가 라디에이터(23)측으로 유입되기 전의 위치에서 분기되는 바이패스라인(24)은 써모스탯(22)으로 연결된다.

특히, 상기 실린더 헤드(10)와 라디에이터(23) 사이에서 분기되어 히터(19)의 유입측으로 연결되는 냉각수 라인에는 밸브(18)과 연결 설치되고, 이때의 밸브(18)에는 배기포트 확장부 워터 자켓(11)에서 연장되는 배출라인(17a)이 연결된다.

그리고, 상기 밸브(18)의 배출측에서 연장되는 배출라인(17b)은 히터(19)의 유입측으로 연결된다.

여기서, 상기 밸브(18)는 제어부(미도시)에 의해 제어되는 3방향 전자식 밸브를 적용하는 것이 바람직하다.

이에 따라, 상기 밸브(18)의 개폐작동에 따라 배기포트 확장부측의 워터자켓으로 냉각수가 선택적으로 흐를 수 있게 되고, 이때의 배기포트 확장부측의 워터 자켓을 빠져나와 배출라인(17a)으로 흐르는 냉각수는 히터(19)측으로 보내질 수 있게 된다.

예를 들면, 상기 밸브(18)의 오픈시 실린더 헤드 워터 자켓(10)으로 유입된 냉각수는 헤드부측의 워터 자켓(12)을 경유하여 냉각을 수행한 후, 냉각수 배출측(14)으로 빠져나가게 되고, 일부는 연결부(16)를 통해 배기포트 확장부측의 워터 자켓(11)을 경유하여 냉각을 수행한 후, 배출라인(17a) 및 밸브(18)를 거쳐 히터(19)측으로 공급될 수 있게 된다.

이때, 상기 배기포트 확장부측의 워터 자켓을 거치는 동안 배기가스와의 열교환이 이루어진 고온의 냉각수가 히터(19)측에 제공되므로서, 실린더 헤드(10)를 빠져나와 히터(19)로 공급되는 고온의 냉각수와 함께 추가로 열공급이 이루어지면서 히터 성능을 높일 수 있게 된다.

반대로, 밸브(18)의 클로즈시에는 배기포트 확장부측의 워터 자켓에서 냉각수 흐름이 일어나지 않게 되고, 결국 배기포트 확장부 영역에 대한 냉각이 이루어지지 않게 된다.

물론, 실린더 헤드 워터 자켓(10)을 거친 냉각수(고온의 냉각수)도 밸브(18)를 거쳐 히터(19)측으로 공급될 수 있게 된다.

여기서, 상기 밸브(18)의 경우 제어부에 의한 개폐량 조절이 가능하게 되고, 이러한 개폐량 조절을 통해 냉각수 유동 패턴 및 유량이 조절될 수 있게 되므로, 냉각계를 최적의 상태로 운용할 수 있게 된다.

이와 같이, 헤드부 워터 자켓(12)과 배기포트 확장부 워터 자켓(11)을 분리 운용하면서 밸브(18)의 개폐 제어를 통해 배기포트 확장부측의 워터 자켓으로 선택적으로 냉각수를 공급 및 차단할 수 있게 되고, 또 밸브 조절을 통해 유동 방향 및 유량을 제어할 수 있게 되므로서, 냉각계를 최적화시키는 것이 가능하게 된다.

예를 들면, 밸브 클로즈시 일반 워터 자켓 유동과 같이 전열량 및 헤드 주요 금속면 온도를 동일하게 유지할 수 있고, 이에 따라 LOT 유지 및 열해를 감소시킬 수 있게 된다.

또, 밸브 오픈시 배기포트 확장부로 냉각수 유동이 발생하여 배기온 저감에 따른 고속 연비를 개선할 수 있게 되고, 이와 더불어 히터 난방 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

즉, 밸브 제어를 통해 필요시(고속 운전영역 및 히터 온시)에만 배기포트 확장부측으로의 유동을 발생시킴으로써, 고속 연비 및 히터 난방성능 향상을 도모할 수 있고, 또 냉각수로의 전열량을 조절을 통해 차량 냉각계 사양 유지가 가능하게 된다.

그리고, 초기 시동시에는 밸브를 클로즈하여 전열량을 감소시킴으로써, 배기온 하강 방지에 따른 LOT 단축으로 EM을 개선할 수 있게 된다.

이와 같은 밸브 제어를 통한 냉각수 유동을 제어하는 방법을 정리하면 다음과 같다.

초기 시동시의 경우(①), 밸브(18)를 클로즈하여 배기포트 확장부측의 워터 자켓 냉각수 공급을 차단함으로써, 배기가스 전열량 감소로 LOT를 단축할 수 있게 된다.

고속영역 운전시의 경우(②), 배기포트 확장부의 워터 자켓측 냉각수 공급으로 배기가스 온도를 저감시킴으로써, 고속 연비를 개선할 수 있게 된다.

난방시의 경우(②), 촉매활성화 이후 배기포트 확장부의 워터 자켓측 냉각수를 히터(19)에 공급함으로써, 난방 효과를 극대화시킬 수 있게 된다(엔진 아웃 유동이 다시 배기포트 확장부 워터자켓을 통과하면서 배기가스로부터 추가로 열을 공급받음으로 히터 성능 추가 향상을 기대할 수 있다).

이와 같이, 본 발명에서는 배기측 확장부 분리형 워터 자켓 구조 및 차량 난방 효과 개선을 위한 냉각계 구조를 구현함으로써, 고속, 고부하시 배기온 저감에 따른 연비 개선 유지 및 초기 냉시동시 LOT 단축으로 EM 개선의 효과가 있다.

10 : 실린더 헤드 워터 자켓 11 : 배기포트 확장부 워터 자켓
12 : 헤드부 워터 자켓 13 : 냉각수 유입측
14 : 냉각수 배출측 15 : 분리 영역
16 : 연결부 17a,17b : 배출라인
18 : 밸브 19 : 히터
20 : 실린더 블럭 21 : 워터펌프
22 : 써모스탯 23 : 라디에이터
24 : 바이패스라인

Claims

냉각수 유입측(13)에서 들어온 냉각수가 워터 자켓을 따라 흐른 후에 냉각수 배출측(14)으로 나가는 냉각수 유동 경로를 가지는 배기일체형 실린더 헤드에서,
헤드부측의 워터 자켓(12)과 배기포트 확장부측의 워터 자켓(11)은 분리 영역(15)에 의해 서로 구획되어 분리됨과 더불어, 냉각수 배출측(14)과 인접한 위치에 형성되어 있는 연결부(16)측의 워터 자켓에 의해 서로 연결되는 구조로 이루어져, 운전영역에 따라 배기포트 확장부측의 워터 자켓으로 냉각수를 공급 또는 차단하면서 배기포트 확장부를 선택적으로 냉각할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 배기일체형 실린더 헤드의 냉각장치.
청구항 1에 있어서,
상기 배기포트 확장부측의 워터 자켓(11)에서 배출되는 냉각수가 흐르는 배출라인(17a)에는 밸브(18)가 설치되고, 상기 밸브(18)의 개폐작동에 따라 배기포트 확장부(11)측의 워터 자켓으로 냉각수가 공급 또는 차단될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 배기일체형 실린더 헤드의 냉각장치.
청구항 2에 있어서,
상기 밸브(18)의 개폐량 조절을 통해 냉각수 유동 패턴 및 유량이 조절될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 배기일체형 실린더 헤드의 냉각장치.
청구항 2에 있어서,
상기 밸브(18)의 배출측에서 연장되는 배출라인(17b)은 히터(19)측으로 연결되어, 배기포트 확장부측의 워터 자켓을 거치는 동안 배기가스와의 열교환이 이루어진 냉각수가 히터(19)측에 제공될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 배기일체형 실린더 헤드의 냉각장치.