KR102066202B1 - 디플렉터를 구비한 워터자켓 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부에 형성된 유로를 따라 냉각수가 유동하면서 엔진의 실린더 블록을 냉각시키는 워터자켓에 관한 것으로서, 특히 실린더 블록의 열적 분포에 대응하여 냉각수의 유량을 달리함으로써, 실린더 블록의 온도편차를 줄일 수 있게 구성한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 워터자켓은 엔진의 실린더 블록을 감싸도록 복수의 실린더 홀이 형성되며 일측에는 냉각수 유입구가 형성되고 타측에는 냉각수 유출구가 형성된 워터자켓 블록부와, 워터자켓 블록부 내부에 형성된 유로에 위치하여 유입구에서 유출구로 유동하는 냉각수의 양이 유로의 하부 쪽보다 상부 쪽으로 상대적으로 더 많이 유동하도록 냉각수의 유동방향을 안내하는 디플렉터를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

디플렉터를 구비한 워터자켓{Water Jacket With Deflector}

본 발명은 내부에 형성된 유로를 따라 냉각수가 유동하면서 엔진의 실린더 블록을 냉각시키는 워터자켓에 관한 것으로서, 특히 실린더 블록의 열적 분포에 대응하여 냉각수의 유량을 달리함으로써, 실린더 블록의 온도편차를 줄일 수 있게 구성한 것이다.

워터자켓은 실린더 블록을 냉각하는 블록부와, 실린더 헤드를 냉각하는 헤드부로 구분되며, 라디에이터에서 냉각된 냉각수가 워터펌프를 통해 워터자켓으로 유입되고, 블록부와 헤드부에 형성된 유로를 따라 냉각수가 유동하면서 실린더 블록과 실린더 헤드를 냉각한 후 배출된다. 배출된 냉각수는 다시 라디에이터로 유입된 후 냉각되고 냉각된 냉각수가 워터자켓으로 유입되는 순환관계를 갖는다.

한편, 도면에서 도 1a 및 도 1b은 워터자켓의 열전달계수의 분포를 나타낸 이미지이다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 워터자켓 블록부(1)의 유입구(3)는 실린더 블록의 프런트(front) 쪽에 형성되며 워터펌프에 의해 냉각수가 유입구(3)로 유입된다. 그리고 워터자켓 블록부(1)의 유출구(5)는 실린더 헤드의 리어(rear) 쪽에 형성되며 실린더 블록에서 흡열한 냉각수가 유출구(5)를 통해 라디에이터 쪽으로 배출된다.

이와 같이 유입구(3)로 유입된 저온의 냉각수는 워터자켓 블록부의 내부에 형성된 유로를 따라 유동하는 중에 실린더 헤드의 열을 흡열한 후 유출구(5)를 통해 배출되면서 실린더 블록을 냉각한다.

하지만, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 저온의 냉각수가 유입구를 통해 워터자켓 블록부의 일측 하단으로 유입된 후 블록부에 형성된 유로를 따라 유동하면서 흡열하게 되고 흡열된 고온의 냉각수는 타측 상단에 형성된 유출구를 통해 배출됨에 있어서 최단거리로 이동하려는 성질 때문에 실린더 별로 냉각효율의 차이가 발생하게 되는 문제점이 있다.

특히 냉각수가 유입구로 유입된 후 유출구로 배출되는 워터자켓의 블록부와 헤드부에는 냉각 사각구역이 발생한다.

냉각 사각구역은 유입구에서 유출구를 잇는 가상선을 기준으로 가상선의 하부 쪽 모서리와 상부 쪽 모서리 부분에 형성되는데, 도 1a에 나타난 바와 같이 배기측 블록부에 광범위하게 나타나며, 유입구 위쪽의 헤드부에도 다른 헤드부 대비 상대적으로 낮은 냉각 사각구역이 형성된다.

냉각수가 워터펌프를 통해 유입구로 공급됨에 있어서, 유입구에 형성되는 압력은 크며, 상대적으로 냉각수가 배출되는 유출구의 압력은 작게 형성된다. 이와 같은 유입구와 유출구의 압력 차이에 의해 유입구에서 유출구는 잇는 가상선을 따라 냉각수의 유속이 발생하게 된다. 따라서 블록부에서는 유출구 측 하부의 냉각 효율이 떨어지고, 헤드부에서는 유입구 측 상부 쪽의 냉각효율이 떨어지는 단점이 있다.

이와 같이 냉각수가 유입구에서 유출구 쪽으로 유동하면서 실린더 블록의 열을 흡수함에 따라 부위별 유량의 차이에 따라 냉각효과의 불균형이 발생하게 되며, 실린더 블록과 헤드의 열적 분포가 불균일하여 온도편차가 발생하여 열변형에 취약하게 된다.

또한 실린더 블록 상부와 헤드부에 온도편차가 발생하게 되면, 연소실별 노킹 편차로 인해 연소효율이 떨어지는 단점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1703615호(공고일; 2017.02.07) 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0104249호(공개일 :2017.09.15) 일본 특허공보 특허제6036668호(발행일; 2016.11.30)

본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 내부에 형성된 유로를 따라 유동하는 냉각수의 유량 및 유속을 조절하여 실린더 블록 전체적으로 균일한 냉각이 이루어질 수 있게 구성한 디플렉터를 구비한 워터자켓을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 워터자켓은 엔진의 실린더 블록을 감싸도록 복수의 실린더 홀이 형성되며 일측에는 냉각수 유입구가 형성되고 타측에는 냉각수 유출구가 형성된 워터자켓 블록부와, 워터자켓 블록부 내부에 형성된 유로에 위치하여 유입구에서 유출구로 유동하는 냉각수의 양이 유로의 하부 쪽보다 상부 쪽으로 상대적으로 더 많이 유동하도록 냉각수의 유동방향을 안내하는 디플렉터를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 디플렉터는 유로를 폐쇄하는 기둥 구조이며, 기둥의 상단부에 장공이 기둥의 길이방향으로 형성된다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 워터자켓 블록부는 복수의 실린더 홀이 형성되며, 유입구에서 유출구 쪽으로 배열된 실린더 홀 중에서 첫번째 실린더 홀과 두번째 실린더 홀 사이의 유로에 디플렉터가 장착된다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 워터자켓 블록부의 유로는 복수의 실린더 홀의 양측으로 형성되며 2개의 디플렉터가 양측 유로의 첫번째 실린더 홀과 두번째 실린더 홀 사이에 장착된다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 유입구와 유출구를 연장한 가상선의 상부 쪽에 장공이 위치한다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 디플렉터를 구비한 워터자켓은 냉각 사각구역 쪽으로 유동하는 냉각수의 유량을 증대시켜, 실린더 블록 전체적으로 균일한 냉각을 유도하여 실린더 블록의 열적 응력을 최소화할 수 있다. 또한 상대적으로 열원의 온도가 낮은 실린더 하단부의 냉각효율을 종래에 비해 낮게 유지함으로써, 피스톤의 마찰력 저감을 유도하여 연비 효율을 증대시킬 수 있다.

더 나아가, 워터자켓 유입구 상측에 위치한 헤드부로 향하는 유량을 증대시킴으로써, 헤드부에 형성되는 냉각사각 지역을 해소하여 워터자켓의 헤드부의 냉각효율을 증대시킬 수 있다. 이를 통해 노킹을 방지하여 연소효율을 증대시킬 수 있다.

도 1a 및 도 1b은 워터자켓의 열전달계수 분포를 나타낸 이미지이다.
도 2는 본 발명에 따른 디플렉터를 구비한 워터자켓을 나타낸 이미지이고,
도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 디플렉터를 나타낸 정면도 및 측면도이며,
도 4는 종래(a)와 본 발명(b)에 따른 워터자켓 블록부의 냉각수 유동 상태를 나타낸 시뮬레이션 이미지이다.

아래에서는 본 발명에 따른 디플렉터를 구비한 워터자켓의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도면에서, 도 2는 본 발명에 따른 디플렉터를 구비한 워터자켓을 나타낸 이미지이고, 도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 디플렉터를 나타낸 정면도 및 측면도이며, 도 4는 종래(a)와 본 발명(b)에 따른 워터자켓 블록부의 냉각수 유동 상태를 나타낸 시뮬레이션 이미지이다.

도 2에 도시된 바와 같이 실린더 블록을 감싸는 워터자켓 블록부(100)는 냉각수의 유입구(130)가 실린더 블록의 프런트(front) 쪽에 형성되고 유출구(150)는 실린더 헤드의 리어(rear) 쪽에 형성되며 유입구(130)로 유입된 냉각수는 유출구(150)를 통해 배출된다.

워터자켓 블록부(100)는 실린더 블록을 감싸는 형태로서 실린더 블록에 형성된 실린더의 개수에 따라 복수의 실린더 홀(103a 내지 103d)이 형성된다. 아래에서는 편의상 복수의 실린더 홀(103a 내지 103d)들 중에서 유입구(130) 쪽에 위치한 실린더 홀부터 제1실린더 홀(103a), 제2실린더 홀(103b), 제3실린더 홀(103c), 제4실린더 홀(103d)이라 정하였을 때에 디플렉터(160)는 제1실린더 홀(103a)과 제2실린더 홀(103b)의 사이의 냉각수 유로에 위치한다.

디플렉터(160)는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 워터자켓 블록부(100)에 있어서 흡입측 냉각수 유로와 배기측 냉각수 유로에 각각 위치하되, 두 디플렉터(150) 사이에 유입구(130)가 위치한다.

디플렉터(160)는 워터자켓 블록부(100)의 냉각수 유로를 폐쇄할 수 있도록 냉각수 유로의 높이에 해당하는 높이와 냉각수 유로의 폭에 해당하는 직경을 갖는 원기둥 구조이며, 원기둥 구조의 디플렉터(160)의 상단부에는 디플렉터(160)의 길이방향으로 장공(161)이 형성된다.

따라서 유입구(130)로 유입된 냉각수는 제1실린더 홀(103a)과 제2실린더 홀(103b)의 사이의 유로에 위치한 디플렉터(160)의 장공(161)을 통해 제1실린더 홀(103a)에서 제2실린더 홀(103b)과 제3실린더 홀(103c) 및 제4실린더 홀(103d)의 둘레로 유동하고 유출구(150)를 통해 배출되는 순환을 계속하게 된다.

도 4의 (a)는 디플렉터가 장착되지 않은 종래 기술에 따른 워터자켓 블록부의 유속 관계를 나타낸 시뮬레이션 이미지이고, 도 4의 (b)는 디플렉터가 장착된 본 발명에 따른 워터자켓 블록부의 유속 관계를 나타낸 시뮬레이션 이미지이다.

도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 유입구(130)로 유입된 냉각수는 디플렉터(160)의 장공(161)을 통해 제2실린더 홀(103b)에 대응하는 유로로 유동하게 되는데, 장공(161)이 위치한 유로 상부 쪽 유속은 폐쇄된 유로 하부 쪽 유속에 비해 상대적으로 빠르게 된다. 또한 두 디플렉터(160) 사이의 높아진 압력으로 인해 유입구(130) 쪽 헤드부로 상승하는 유량이 증가하여 헤드부에 나타나는 냉각 사각구역이 해소된다.

이와 같이 유입구(130)에서 유출구(150)를 잇는 가상선을 기준으로 가상선의 상부에 장공(161)이 위치함에 따라 유입구(130)로 유입된 냉각수는 유로의 하부 쪽에 비해 상부 쪽으로 빠르게 유동하여 유출구(150)로 배출됨으로써 냉각효율이 좋으나 상대적으로 유로의 하부 쪽에서는 냉각수가 정체되어 냉각효율이 낮게 된다.

이와 같이 종래에는 가상선을 기준으로 상하부 모서리부의 냉각효율이 낮았으나 본 발명에서는 디플렉터(160)의 장공(161)을 통해 유로의 상부 쪽의 유속이 빠르게 구성함으로써, 냉각효율을 높일 수 있다. 실린더 상단부와 헤드부의 균일한 냉각으로 연소실 내에서 발생하는 노킹에 대한 저항성을 크게 할 수 있다.

한편, 종래의 가상선을 기준으로 하부에 위치한 흡입측 블록부에서는 과냉각에 따른 피스톤의 마찰저항이 크게 발생하였으나 본 발명에서는 실린더 하단부의 유속을 전체적으로 낮춰 냉각효율을 감소시킴으로써 열원의 온도가 낮은 실린더 하단부의 과냉각의 문제점을 보완하여 연비 개선에 도움을 줄 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 워터자켓 블록부의 유로에는 유입구(130)에서 유출구(150) 방향으로 냉각수가 유동함에 있어 실린더 상부의 냉각수 유속은 빠르게 유동하고, 실린더 하부 쪽의 냉각수 유속은 느리게 하여 워터자켓 블록부(100)의 냉각효율을 전체적으로 균일하게 유지할 수 있다. 이를 통해 엔진의 실린더별 온도편차로 인한 열변형 문제를 최소화 할 수 있다.

앞서 설명한 디플렉터는 원기둥으로 설명하고 있으나, 유로에 따라 다각 기둥의 형태로 구성될 수 있다.

100 : 워터자켓 블록부
130 : 유입구
150 : 유출구
103a 내지 103d : 실린더 홀
160 : 디플렉터
161 : 장공

Claims (5)

1. 엔진의 실린더 블록을 감싸도록 복수의 실린더 홀이 형성되며 실린더 블록의 프런트 하부 쪽에 냉각수 유입구가 형성되고 실린더 헤드의 리어에 냉각수 유출구가 형성되고, 유입구로 유입된 냉각수가 복수의 실린더 홀의 흡입측에 형성된 냉각수 유로와 복수의 실린더 홀의 배기측에 형성된 냉각수 유로로 나뉘어 유동한 후 유출구를 통해 배수되는 워터자켓 블록부와,
   흡입측에 형성된 냉각수 유로와 배기측에 형성된 냉각수 유로에 각각 위치하여 유입구에서 유출구로 유동하는 냉각수의 양이 각 유로마다 하부 쪽보다 상부 쪽으로 상대적으로 더 많이 유동하도록 냉각수의 유동방향을 안내하는 디플렉터를 포함하며,
   디플렉터는 유로를 폐쇄하는 기둥 구조이며, 기둥의 상단부에 장공이 기둥의 길이방향으로 형성되고,
   워터자켓 블록부는 복수의 실린더 홀이 형성되며, 흡입측과 배기측으로 형성된 각각의 냉각수 유로에는 유입구에서 유출구 쪽으로 배열된 실린더 홀 중에서 첫 번째 실린더 홀과 두 번째 실린더 홀 사이에 각각 디플렉터가 장착된 것을 특징으로 하는 워터자켓.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   실린더 블록의 프런트 하부 쪽에 형성된 유입구와 실린더 헤드의 리어 쪽에 형성된 유출구를 연장한 가상선의 상부 쪽에 장공이 위치하는 것을 특징으로 하는 워터자켓.

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