KR101955725B1 - 효율적인 냉각구조를 가지는 엔진장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 효율적인 냉각구조를 가지는 엔진장치에 관한 것으로, 흡기밸브 포트 및 이에 대향 배치되는 배기밸브 포트; 각 밸브 포트를 포함하는 실린더 헤드; 실린더 헤드의 하부에 배치되고 내부에 높이방향을 따라 피스톤 및 피스톤의 승강 안내를 위한 실린더 라이너가 설치되는 실린더 블록;을 포함하고, 냉각수가 실린더 헤드의 상하부를 따라 분리되어 순환될 수 있도록 실린더 헤드는 헤드 격벽에 의해 상하가 분리되어 상부에는 헤드 상부 냉각수 재킷이, 하부에는 헤드 하부 냉각수 재킷이 각각 형성되는 구조인 것을 특징으로 한다.
여기서 냉각수가 실린더 블록의 상하를 따라 분기 순환 뒤 합류될 수 있도록 실린더 라이너의 외주연으로 실린더 블록의 내부를 상하로 분리하고 일정부위에 합류공이 형성되는 블록 격벽에 의해 상부에는 블록 상부 냉각수 재킷이, 하부에는 하부에는 블록 하부 냉각수 재킷이 각각 형성되는 것이 바람직하며, 실린더 헤드는, 연료 인젝트를 중심으로 대향되는 각 밸브 포트 사이로 서로 교차하는 형상의 냉각수 이동로가 형성되는 구조인 것이 바람직하다.

Description

효율적인 냉각구조를 가지는 엔진장치{AN ENGINE DEVICEWITH AN EFFICIENT COOLING STRUCTURE}
본 발명은 고출력 엔진장치에서 연소에 따라 상대적으로 높은 온도를 가지는 부위에 대한 냉각구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실린더 헤드 하부 및 실린더 블록 상부에 대해 냉각수 펌프의 냉각수 유동과 연동하여 직접적인 냉각수 유입 및 순환이 가능한 효율적인 냉각구조를 가지는 엔진장치에 관한 것이다.
일반적으로 연소를 통해 구동하는 엔진의 경우, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 실린더 헤드(60) 및 실린더 블록(70)으로 구성된 연소부위에 대해 라디에이터(10), 냉각수 펌프(30), 냉각수 파이프(40) 및 써모스탯(20)으로 구성된 물의 냉각 및 순환구조와 연결되는 구조를 이룬다.
이 때 냉각수 펌프(30)에는 다수의 핀으로 구성된 오일 쿨러(50)가 연결되어 있어 연소부위에 냉각수가 유입되기 직전에 오일 쿨러(50)의 냉각이 먼저 이루어지는 구조를 가진다.
또한 오일 쿨러(50)를 지난 냉각수는 실린더 블록(70) 하부의 블록 하부 냉각수 재킷(73)을 지나서 블록 상부 냉각수 재킷(72)을 거쳐 실린더 라이너(71)를 냉각하고 실린더 헤드(60) 쪽으로 올라가는 순환구조를 이룬다.
종래의 이러한 냉각구조 및 방식을 통해 냉각할 경우, 연소에 따라 상대적으로 온도가 급속 상승하여 냉각이 가장 필요한 실린더 헤드(60)의 하부에는 이미 오일 쿨러와 실린더 라이너(71) 냉각을 마치고 온 것이기 때문에 냉각수 온도가 높아져 효율적인 냉각이 어려운 문제점이 있다.
이러한 문제는 피스톤(74)의 승강을 안내하는 실린더 라이너(71)에서도 마찬가지인데, 실린더 라이너(71)는 연소가 일어나는 상부가 하부에 비해 훨씬 더 냉각이 필요한데도 실제 냉각수는 실린더 라이너(71) 하부를 먼저 냉각한 후 어느 정도 가열된 상태로 실린더 라이너(71) 상부를 냉각하기 때문이다.
아울러 냉각이 가장 중요한 실린더 헤드(60) 내부에서 연료 인젝터(62) 주변으로 위치한 흡기밸브 포트(63) 및 배기밸브 포트(64) 사이로 냉각수가 얼마나 빠르고 균일하게 흐르는가가 실린더 헤드(60)에 대한 냉각이 관건인데, 실제 양산품에서는 주조할 때에 발생할 수 있는 문제들로 인해 각 밸브 포트(63, 64) 사이 냉각수 통로가 좁아져 있거나 주물사로 막혀있는 결함이 종종 발생한다는 것이다.
실린더 헤드(60) 내부에는 충분한 냉각수 순환용 통로구조가 확보되어 있는지 검사하기가 매우 어려운데, 이와 같이 각 밸브 포트(63, 64) 사이의 냉각수 통로가 좁아져 있거나 막혀 있으면 고출력 엔진에서는 실린더 헤드(60)의 크랙을 유발시키는 원인이 된다.
또한 냉각이 중요한 실린더 헤드(60)하면으로 충분한 냉각수 유속이 확보되지 못하는 문제도 있다. 이것은 실린더 헤드(60)하면을 흐르는 냉각수가 밸브 포트 주변을 완전히 냉각시키기 전에 일부 헤드 상부 냉각수 재킷(61)으로 흐르기 때문이다.
따라서 헤드(60) 하부 냉각수 재킷(62)에서는 국부적으로 유속이 매우 느리거나 와류가 발생하는 곳이 발생하고 이 경우 앞서 언급한 바와 같이 고출력 엔진에서 실린더 헤드(60)의 크랙을 유발시키는 원인이 되기도 한다.
게다가 최근 엔진 배기량 대비 출력이 높아지는 엔진의 고출력 추세가 심화되는 상황에서 실린더 헤드(60) 하면 냉각과 실린더 라이너(71) 상부 냉각이 매우 중요하므로, 해당 부위에 대한 효율적인 냉각구조 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 문제점들을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명 제1목적은, 실린더 헤드의 하부와 실린더 블록의 상부에 대한 냉각효율을 높일 수 있도록 실린더 헤드 및 실린더 블록의 상부 및 하부를 격벽으로 분리하고 실린더 헤드의 하부 및 실린더 블록의 상부에 냉각수 파이프가 직접 연결되는 구조를 가지는 효율적인 냉각구조를 가지는 엔진장치를 제공하는 것이다.
그리고 본 발명의 제2목적은, 각 밸브 포트 사이의 소재결함이나 탈사 문제(주물사 제거가 완전히 되지 않는 문제)를 방지하고 확실한 냉각수 흐름을 담보하기 위해 서로 대향하는 각 밸브 포트 사이에서 교차되는 형상의 냉각수 이동로가 드릴 가공된 구조의 효율적인 냉각구조를 가지는 엔진장치를 제공하는 것이다.
이러한 본 발명의 목적들은,
흡기밸브 포트 및 이에 대향 배치되는 배기밸브 포트; 각 밸브 포트를 포함하는 실린더 헤드; 실린더 헤드에 설치되는 연료 인젝트; 실린더 헤드의 하부에 배치되고 내부에 높이방향을 따라 피스톤 및 피스톤의 승강 안내를 위한 실린더 라이너가 설치되는 실린더 블록;을 포함하고, 냉각수가 실린더 헤드의 상하부를 따라 분리되어 순환될 수 있도록 실린더 헤드는 헤드 격벽에 의해 상하가 분리되어 상부에는 헤드 상부 냉각수 재킷이, 하부에는 헤드 하부 냉각수 재킷이 각각 형성되는 구조인 것을 특징으로 하는 효율적인 냉각구조를 가지는 엔진장치에 의하여 달성된다.
여기서 냉각수가 실린더 블록의 상하를 따라 분기 순환 뒤 합류될 수 있도록 실린더 라이너의 외주연으로 실린더 블록의 내부를 상하로 분리하고 일정부위에 합류공이 형성되는 블록 격벽에 의해 상부에는 블록 상부 냉각수 재킷이, 하부에는 하부에는 블록 하부 냉각수 재킷이 각각 형성되는 것이 바람직하다.
그리고 실린더 헤드는, 연료 인젝트를 중심으로 대향되는 각 밸브 포트 사이로 냉각수 이동로가 형성되는 구조인 것이 바람직하다.
그리고 냉각수 이동로는 대향 위치하는 밸브 포트 사이에서 드릴가공을 통해 서로 교차하는 형상인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 효율적인 냉각구조를 가지는 엔진장치에 따르면, 실린더 헤드 및 실린더 블록에서, 연소에 따라 상대적으로 높은 온도를 나타낸다고 알려진 실린더 헤드의 하부 및 실린더 블록의 상부에 냉각수가 직접 순환하는 구조를 가질 수 있기 때문에, 보다 효율적인 냉각이 이루어질 수 있는 특징이 있다.
또한 실린더 헤드의 각 밸브 포트 사이에 교차하는 형상의 냉각수 이동로가 형성되므로, 밸브 포토 주변의 고온을 보다 신속하게 냉각할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 그 밖의 과제, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
도 1은 종래 냉각수 순환구조를 가지는 엔진장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 엔진장치 실린더 헤드의 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 효율적인 냉각구조를 가지는 엔진장치의 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시된 엔진장치 실린더 헤드의 단면 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하 본 발명에 따른 효율적인 냉각구조를 가지는 엔진장치에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 효율적인 냉각구조를 가지는 엔진장치의 구성도이고, 도 4는 도 3에 도시된 엔진장치 실린더 헤드(600)의 단면 구성도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 효율적인 냉각구조를 가지는 엔진장치는 실린더 헤드(600)의 하부 및 실린더 블록(700)의 상부에 대한 집중적인 냉각이 가능하도록 실린더 헤드(600) 및 실린더 블록(700)의 상부 및 하부가 분리되고 해당 부위에 대해 냉각수가 분리 순환되는 구조를 가지고 있다.
이를 위해 본 발명에 따른 엔진장치는 흡기밸브 포트(650) 및 이에 대향 배치되는 배기밸브 포트(660)와, 각 밸브 포트(650, 660)를 포함하는 실린더 헤드(600)와, 실린더 헤드(600)의 하부에 배치되고 내부에 높이방향을 따라 피스톤(750) 및 피스톤(750)의 승강 안내를 위한 실린더 라이너(710)가 설치되는 실린더 블록(700)을 포함한다.
여기서 실린더 헤드(600)에 냉각수가 실린더 헤드(600)의 상부 및 하부를 따라 분리되어 순환될 수 있도록 실린더 헤드(600)는 헤드 격벽(630)에 의해 해당 상부 및 하부가 분리되고 해당 상부 및 하부에는 각각 헤드 상부 냉각수 재킷(610)과 헤드 하부 냉각수 재킷(620)이 형성되는 구조를 가진다.
이에 따라 냉각수가 헤드 하부 냉각수 재킷(620)에 유입될 경우, 해당 냉각수가 실린더 헤드(600)의 하부를 집중적으로 냉각할 수 있는 구조가 마련될 수 있다.
그리고 헤드 하부 냉각수 재킷(620)에 냉각수가 직접 유입될 수 있도록 라디에이터(100)에서 분기되는 냉각수 파이프(400)가 냉각수 펌프(300)를 지나 헤드 하부 냉각수 재킷(620)에 연결된다.
아울러 냉각수 펌프(300)로부터 냉각수 파이프(400)가 분기되고 오일쿨러(500)를 지나 실린더 블록(700)의 상부에 연결되는데 이곳이 블록 상부 냉각수 재킷(720)이다.
이를 위해 실린더 블록(700)은, 실린더 블록(700)의 상부 및 하부를 분리할 수 있도록 실린더 라이너(710)의 둘레로 형성되는 블록 격벽(740)이 형성되어 있다.
이러한 블록 격벽(740)의 형성으로 실린더 블록(700)의 상부 및 하부에 형성되는 것이 블록 상부 냉각수 재킷(720)과 블록 하부 냉각수 재킷(730)으로, 이에 따라 냉각수가 유입될 경우 실린더 블록(700)도 상부 및 하부가 별도로 냉각되는 구조를 가질 수 있다.
또한 블록 상부 냉각수 재킷(720)과 블록 하부 냉각수 재킷(730)을 냉각수가 분기하여 순환한 뒤 합류될 수 있도록 블록 격벽(740)의 일정부위에는 합류공(741)이 형성되어 있다.
이러한 합류공(741)의 형성으로 블록 상부 냉각수 재킷(720)에 있던 냉각수는 블록 하부 냉각수 재킷(730)으로 합쳐지고 이후 배출될 수 있다.
이러한 배출부위에 연결되는 일련의 냉각수 파이프(400)가 헤드 하부 냉각수 재킷(620) 및 헤드 상부 냉각수 재킷(610)으로 이어지는 구조를 가지고 있기 때문에, 블록 하부 냉각수 재킷(730)의 냉각수가 헤드 하부 냉각수 재킷(620)의 냉각수와 합쳐져 최종적으로 헤드 상부 냉각수 재킷(610)으로 이어지는 구조가 마련될 수 있다.
따라서 냉각수의 온도 상으로 실린더 헤드(600) 하부에 상대적으로 가장 낮은 냉각수가 집중 유입되고, 그 다음으로 실린더 블록(700) 상부 및 하부와 실린더 헤드(600) 상부에 유입되는 등 상대적으로 고온부위에 가장 저온의 냉각수가 대응하여 유입되는 냉각구조가 구성된다.
이와 같이 헤드 상부 냉각수 재킷(610)으로 합류된 냉각수는 써모스탯(200)을 통해 라디에이터(100)로 복귀될 수 있다.
한편, 실린더 헤드(600)에는 연료 인젝터(640)가 높이방향을 따라 중앙에 설치되고 이러한 연료 인젝터(640)의 주변으로 흡기밸브 포트(650)와 배기밸브 포트가 한 쌍씩 대향하여 배치되어 있다.
여기서 각 밸브 포트(650, 660) 사이(통상적으로 밸브 브릿지라 함)는 엔진장치에서 그 구동의 원활함이 담보되기 위해 냉각이 가장 중요한 부분으로 주조결함과 품질문제 리스크 없이 확실한 냉각수 통로가 확보되어야 한다.
이를 위해 각 밸브 포트(650, 660) 사이로 교차되어 'X'자 형상으로 형성되는 것이 냉각수 이동로(670)이며, 이러한 냉각수 이동로(670)는 드릴가공으로 형성된다.
이 때 외곽에는 대각되는 방향으로 냉각수의 유입 및 배출이 가능하도록 냉각수 파이프(400)가 암나사 구조로 배관 피팅된 부위에 체결되어 있고, 이에 상반되는 대각방향으로는 누수방지를 위한 마감부재(680)가 결합되어 있다.
따라서 냉각수가 냉각수 파이프(400)를 따라 실린더 헤드(600)에 유입될 경우 이러한 냉각수 이동로(670)를 따라 냉각수가 이동하면서 각 밸브 포트(650, 660)의 열을 신속하게 냉각시킬 수 있다.
또한 이러한 냉각수는 다시 반대측의 냉각수 파이프(400)를 통해 배출되는 등 냉각수가 각 밸브 포트(650, 660)의 주위를 순환하는 구조가 발현될 수 있다.
결과적으로 본 발명에 따른 엔진장치는, 실린더 헤드(600)와 실린더 블록(700)의 상부 및 하부를 분리하는 구조를 이루어 상대적으로 고온인 부위에 상대적으로 저온의 냉각수가 분리유입, 순환, 합류될 수 있는 냉각수 순환구조를 마련할 수 있다.
이에 더하여 각 밸브 포트(650, 660)의 사이로 냉각수 이동로(670)가 형성되어, 냉각수 분리 순환과 더불어 각 밸브 포트(650, 660)의 냉각 구조가 더해짐으로써, 실린더 헤드(600)로 집중되는 고온의 열을 신속하게 냉각시킬 수 있는 복합적인 냉각순환구조가 마련될 수 있다.
이상과 같은 본 발명에서, 각 밸브 포트(650, 660)의 사이로 'X'자로 교차하는 형상의 냉각수 이동로(670)가 언급되지만 이는 본 발명의 하나의 실시예에 불과할 뿐 그외에 직선 형상, 내부에 다수의 핀이 형성되는 형상 등도 본 발명의 범주에 포함될 수 있다.
10: 라디에이터 20: 써모스탯
30: 냉각수 펌프 40: 냉각수 파이프
50: 오일쿨러 60: 실린더 헤드
61: 헤드 상부 냉각수 재킷 62: 헤드 하부 냉각수 재킷
62: 연료 인젝터 63: 흡기밸브 포트
64: 배기밸브 포트 70: 실린더 블록
71: 실린더 라이너 72: 블록 상부 냉각수 재킷
73: 블록 하부 냉각수 재킷 74: 피스톤
100: 라디에이터 200: 써모스탯
300: 냉각수 펌프 400: 냉각수 파이프
500: 오일 쿨러 600: 실린더 헤드
610: 헤드 상부 냉각수 재킷 620: 헤드 하부 냉각수 재킷
630: 헤드 격벽 640: 연료 인젝터
650: 흡기밸브 포트 660: 배기밸브 포트
670: 냉각수 이동로 680: 마감부재
700: 실린더 블록 710: 실린더 라이너
720: 블록 상부 냉각수 재킷 730: 블록 하부 냉각수 재킷
740: 블록 격벽 741: 합류공
750: 피스톤.

Claims (6)

  1. 흡기밸브 포트와 이에 대향 배치되는 배기밸브 포트를 포함하는 실린더 헤드;
    상기 실린더 헤드의 하부에 배치되고 내부에서 높이 방향을 따라 피스톤이 승강되는 실린더 블록;
    상기 실린더 헤드 내부와 상기 실린더 블록의 내부에 각각 형성된 냉각수 재킷;
    냉각수 펌프로부터 토출된 냉각수를 분기시켜 상기 실린더 헤드 내부에 형성된 상기 냉각수 재킷과 상기 실린더 블록 내부에 형성된 상기 냉각수 재킷으로 각각 분산시켜 안내하는 냉각수 파이프
    를 포함하고,
    상기 실린더 블록은,
    상기 실린더 블록의 상부 및 하부를 분리할 수 있도록 실린더 라이너의 둘레로 형성되는 블록 격벽과;
    상기 블록 격벽에 의해 상기 실린더 블록의 상부 및 하부에 형성되어 냉각수가 분기 순환하는 블록 상부 냉각수 재킷 및 블록 하부 냉각수 재킷; 그리고
    분기 순환 뒤 합류될 수 있도록, 상기 블록 격벽의 일정부위에 형성되는 합류공
    을 포함하며,
    상기 실린더 블록 내부에 형성된 냉각수 재킷과 연결되는 상기 냉각수 파이프는 상기 블록 상부 냉각수 재킷과 연결되어 상기 실린더 블록의 상부로 냉각수를 공급하고, 상기 블록 상부 냉각수 재킷에 공급된 냉각수는 상기 합류공을 통해 상기 블록 하부 냉각수 재킷으로 이동한 후 합류하여 상기 블록 하부 냉각수 재킷으로부터 배출되는 것을 특징으로 하는 효율적인 냉각 구조를 가지는 엔진장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실린더 헤드 내부에 형성된 상기 냉각수 재킷은 상기 실린더 헤드 내부에 형성된 헤드 격벽에 의해 상하가 분리되어 각각 형성되는 헤드 상부 냉각수 재킷 및 헤드 하부 냉각수 재킷을 포함하며,
    상기 냉각수 펌프로부터 공급되는 냉각수는 상기 헤드 하부 냉각수 재킷을 경유하여 상기 헤드 상부 냉각수 재킷으로 공급되고,
    상기 헤드 하부 냉각수 재킷에서 배출된 냉각수는 상기 실린더 블록 내부에 형성된 상기 냉각수 재킷으로부터 배출된 냉각수와 합류된 후 상기 헤드 상부 냉각수 재킷으로 공급되는 것을 특징으로 하는 효율적인 냉각구조를 가지는 엔진장치.
  3. 흡기밸브 포트와 이에 대향 배치되는 배기밸브 포트를 포함하는 실린더 헤드;
    상기 실린더 헤드의 하부에 배치되고 내부에서 높이 방향을 따라 피스톤이 승강되는 실린더 블록;
    상기 실린더 헤드 내부와 상기 실린더 블록의 내부에 각각 형성된 냉각수 재킷;
    냉각수 펌프로부터 토출된 냉각수를 분기시켜 상기 실린더 헤드 내부에 형성된 상기 냉각수 재킷과 상기 실린더 블록 내부에 형성된 상기 냉각수 재킷으로 각각 분산시켜 안내하는 냉각수 파이프
    를 포함하고,
    상기 실린더 헤드 내부에 형성된 상기 냉각수 재킷은 상기 실린더 헤드 내부에 형성된 헤드 격벽에 의해 상하가 분리되어 각각 형성되는 헤드 상부 냉각수 재킷 및 헤드 하부 냉각수 재킷을 포함하며,
    상기 냉각수 펌프로부터 공급되는 냉각수는 상기 헤드 하부 냉각수 재킷을 경유하여 상기 헤드 상부 냉각수 재킷으로 공급되고,
    상기 헤드 하부 냉각수 재킷에서 배출된 냉각수는 상기 실린더 블록 내부에 형성된 상기 냉각수 재킷으로부터 배출된 냉각수와 합류된 후 상기 헤드 상부 냉각수 재킷으로 공급되는 것을 특징으로 하는 효율적인 냉각구조를 가지는 엔진장치.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 실린더 헤드는 높이 방향을 따라 설치되는 연료 인젝터를 포함하고,
    상기 흡기밸브 포트와 상기 배기밸브 포트는 상기 연료 인젝터를 중심으로 대향하여 배치되고,
    상기 흡기밸브 포트와 상기 배기밸브 포트 사이로 냉각수 이동로가 형성되며,
    상기 냉각수 이동로는 대향 위치하는 상기 각 밸브 포트 사이에서 서로 교차하는 형상인 것을 특징으로 하는 효율적인 냉각구조를 가지는 엔진장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각수 펌프로부터 토출된 냉각수를 분산시켜 안내하는 상기 냉각수 파이프 중에서 상기 실린더 블록 내부에 형성된 상기 냉각수 재킷에 연결된 상기 냉각수 파이프에는 오일 쿨러가 설치되며,
    상기 실린더 블록 내부에 형성된 상기 냉각수 재킷으로 공급되는 냉각수는 상기 오일 쿨러를 경유하는 것을 특징으로 하는 효율적인 냉각구조를 가지는 엔진 장치.
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