KR102395302B1 - 배기매니폴드 일체형 실린더헤드 및 이를 포함한 엔진 냉각시스템 - Google Patents

배기매니폴드 일체형 실린더헤드 및 이를 포함한 엔진 냉각시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 배기매니폴드 일체형 실린더헤드는, 제1냉각수 유입포트 및 제2냉각수 유입포트를 가진 실린더헤드 하우징; 상기 실린더헤드 하우징 내에 배치된 배기매니폴드; 연소실에 인접하고, 상기 제1냉각수 유입포트와 소통하는 통로를 가진 제1워터자켓; 상기 배기매니폴드의 하부에 배치되고, 상기 제2냉각수 유입포트와 소통하는 통로를 가진 제2워터자켓; 및 상기 배기매니폴드의 상부에 배치되고, 상기 제2워터자켓의 통로와 소통하는 통로를 가진 제3워터자켓;을 포함할 수 있다.

Description

배기매니폴드 일체형 실린더헤드 및 이를 포함한 엔진 냉각시스템{CYLINDER HEAD WITH INTERGEATED EXHAUST MANIFOLD AND ENGINE COOLING SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명은 배기매니폴드 일체형 실린더헤드 및 이를 포함한 엔진 냉각시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉각수의 흐름을 효과적으로 제어함으로써 에미션의 증가를 방지하고, 원가절감 및 경량화를 효과적으로 구현할 수 있는 배기매니폴드 일체형 실린더헤드 및 이를 포함한 엔진 냉각시스템에 관한 것이다.
내연기관은 하나 이상의 실린더를 가진 실린더블록과, 실린더블록의 상부에 설치된 실린더헤드를 포함한다.
내연기관(internal combustion engine)은 실린더 내에서 연소된 배기가스의 배출을 위한 배기시스템을 가진다. 실린더헤드는 실린더의 배기가스를 배출하는 배기포트를 가지고, 배기포트로부터 배출되는 배기가스는 배기매니폴드(exhaust manifold)를 통해 촉매컨버터(catalytic converter)에 공급된다.
한편, 종래의 배기매니폴드는 엔진과는 별도의 부품으로 제작되어 실린더헤드에 볼트 등으로 결합된다. 배기매니폴드는 외부에 노출되어 있고 엔진에 대해 개별적으로 배치될 수 있고, 이에 배기매니폴드는 워터자켓(water jacket)을 통과하는 냉각수에 의해 냉각되지 않고 단지 공기의 흐름에 의해 냉각됨으로 인해 실린더의 배기포트에서 배출되는 배기가스의 냉각효과가 낮아 연비가 떨어지며, 배기 매니폴드를 엔진에 별도로 장착함으로써 원가가 상승하고 엔진 구조가 복잡해지고, 배기가스에 의해서 배기 매니폴드에서 소음이 발생하는 단점 등이 있었다.
이를 극복하기 위하여, 최근의 일부 차량 메이커들은 배기매니폴드 일체형 실린더헤드(cylinder head with integrated exhaust manifold)를 개발하고 있다. 하지만, 디젤엔진은 냉각수에 의해 배기가스의 온도가 낮아지면 촉매활성화시간(Catalyst Light-off Time)이 증가할 수 있고, 이로 인해 시동 초기에 NOx 등과 같은 에미션(emission)이 증가할 수 있는 문제점이 있다.
이러한 문제점으로 인해 원가절감 및 경량화를 구현할 수 있음에도 불구하고 배기매니폴드 일체형 실린더헤드를 실제로 양산하기 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 안출한 것으로, 냉각수의 흐름을 효과적으로 제어함으로써 에미션의 증가를 방지하고, 원가절감 및 경량화를 효과적으로 구현할 수 있는 배기매니폴드 일체형 실린더헤드 및 이를 포함한 엔진 냉각시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 배기매니폴드 일체형 실린더헤드는,
저면에 형성된 연소실 및 내부에 형성된 수용공간을 가진 실린더헤드 하우징;
상기 실린더헤드 하우징의 수용공간에 장착되고, 상기 실린더헤드 하우징의 배기포트들과 연결되는 배기매니폴드;
상기 실린더헤드 하우징의 수용공간에 장착되고, 상기 연소실에 인접하게 배치된 제1워터자켓;
상기 실린더헤드 하우징의 수용공간에 장착되고, 상기 배기매니폴드의 하부와 접촉하도록 배치된 제2워터자켓; 및
상기 실린더헤드 하우징의 수용공간에 장착되고, 상기 배기매니폴드의 상부와 접촉하도록 배치된 제3워터자켓;을 포함할 수 있다.
상기 실린더헤드 하우징은 상기 제1워터자켓과 소통하는 제1냉각수 유입포트 및 상기 제2워터자켓과 소통하는 제2냉각수 유입포트를 가질 수 있다.
상기 제1냉각수 유입포트는 실린더 블록의 외면에 부착된 외측 냉각수덕트의 냉각수통로와 소통할 수 있다.
상기 제2냉각수 유입포트는 실린더 블록의 내부에 형성된 냉각수통로와 소통할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 엔진 냉각시스템은,
연소실에 인접한 제1워터자켓과, 배기매니폴드를 포위하는 제2워터자켓 및 제3워터자켓을 가지고, 상기 제2워터자켓 및 상기 제3워터자켓이 소통하는 실린더헤드;
상기 제2워터자켓과 소통하는 냉각수통로를 가진 실린더블록;
상기 실린더블록의 외면에 부착되고, 상기 제1워터자켓과 소통하는 냉각수통로를 가진 외측 냉각수덕트;
상기 외측 냉각수덕트의 냉각수통로로 냉각수를 공급하는 워터펌프; 및
상기 외측 냉각수덕트의 냉각수통로와 상기 실린더블록의 냉각수통로 사이에 설치된 제1밸브;를 포함할 수 있다.
상기 외측 냉각수덕트의 일단은 상기 워터펌프에 연결되고, 상기 외측 냉각수덕트의 타단은 상기 제1워터자켓에 연결될 수 있다.
상기 실린더블록의 냉각수통로에는 오일쿨러가 연결될 수 있다.
상기 오일쿨러의 출구 측에 제3밸브가 설치되고, 상기 제3밸브의 개폐에 의해 상기 오일쿨러가 작동 내지 정지할 수 있다.
상기 제1워터자켓의 출구는 라디에이터의 입구와 연결될 수 있다.
상기 라디에이터로부터 배출되는 냉각수는 상기 워터펌프로 재순환될 수 있다.
상기 라디에이터와 상기 워터펌프 사이에는 제4밸브가 설치되고, 상기 제4밸브의 개폐에 의해 상기 라디에이터가 작동 내지 정지할 수 있다.
상기 제3워터자켓의 출구는 히터의 입구와 연결될 수 있다.
상기 제3워터자켓의 출구와 히터 사이에 제2밸브가 배치되고, 상기 제2밸브는 상기 제3워터자켓으로부터 배출된 냉각수의 흐름방향을 조절함으로써 상기 히터 측으로 유입되는 냉각수의 유량을 조절하도록 구성될 수 있다.
상기 히터로부터 배출되는 냉각수는 상기 워터펌프로 재순환될 수 있다.
본 발명에 의하면, 냉각수가 항상 제1워터자켓을 통해 흐름에 따라 실린더헤드의 연소용 홈 및 실린더의 연소실이 냉각수에 의해 적절히 냉각될 수 있고, 이를 통해 연소온도를 낮춰 연비를 대폭 개선할 수 있다.
본 발명에 의하면, 배기매니폴드가 실린더헤드에 일체형으로 결합됨으로써 원가 및 중량을 대폭 절감할 수 있다.
본 발명에 의하면, 엔진의 시동초기에 제2워터자켓 및 제3워터자켓으로 냉각수가 공급되지 않도록 구성함에 따라 배기매니폴드로부터 배출되는 배기가스의 온도가 저하되지 않고, 이를 통해 촉매활성화시간의 증가을 방지할 수 있으며, 이를 통해 엔진의 시동 초기에 NOx 등과 같은 에미션을 대폭 감소할 수 있다.
본 발명에 의하면, 실린더헤드 및 실린더 블록에 대한 냉각수 흐름을 효율적으로 제어함으로써 실린더 내의 마찰을 저감할 뿐만 아니아 냉각수 웜업시간 등을 단축할 수 있고, 이를 통해 연비를 대폭 개선할 수 있다.
본 발명에 의하면, 기존 엔진의 레이아웃을 크게 변경하지 않고 용이하게 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기매니폴드 일체형 실린더헤드를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기매니폴드 일체형 실린더헤드를 도시한 분해사시도로서, 실린더헤드 하우징이 생략된 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기매니폴드 일체형 실린더헤드를 저면에서 바라본 저면 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엔진 냉각시스템을 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배기매니폴드 일체형 실린더헤드가 적용된 엔진을 후면에서 바라본 후면사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배기매니폴드 일체형 실린더헤드가 적용된 엔진을 정면에서 바라본 정면사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배기매니폴드 일체형 실린더헤드가 적용된 엔진을 정면에서 바라본 정면사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 배기매니폴드 일체형 실린더헤드가 적용된 엔진을 후면에서 바라본 후면사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 배기매니폴드 일체형 실린더헤드가 적용된 엔진을 후면에서 바라본 후면사시도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 냉각시스템의 제1작동상태를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 냉각시스템의 제2작동상태를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 엔진 냉각시스템의 제3작동상태를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 냉각시스템의 제4작동상태를 도시한 도면이다.
도 14은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 냉각시스템의 제5작동상태를 도시한 도면이다.
도 15은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 냉각시스템의 제6작동상태를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 냉각시스템의 제7작동상태를 도시한 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 냉각시스템의 제8작동상태를 도시한 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 냉각시스템의 제9작동상태를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배기매니폴드 일체형 실린더헤드(10)는 실린더헤드 하우징(11)과, 실린더헤드 하우징(11) 내에 배치된 배기매니폴드(20)와, 실린더헤드(10)의 연소실(19)에 인접한 제1워터자켓(21)과, 배기매니폴드(20)의 하부에 배치된 제2워터자켓(22)과, 배기매니폴드(20)의 상부에 배치된 제3워터자켓(23)을 포함할 수 있다.
실린더헤드 하우징(11)은 배기매니폴드(20), 제1워터자켓(21), 제2워터자켓(22), 및 제3워터자켓(23)이 수용되는 수용공간을 가질 수 있다. 이에, 실린더헤드 하우징(11)의 수용공간에 배기매니폴드(20), 제1워터자켓(21), 제2워터자켓(22), 및 제3워터자켓(23)이 수용됨에 따라 배기매니폴드(20)가 실린더헤드 하우징(11)에 일체형으로 결합된 구조를 효과적으로 구현할 수 있다.
실린더헤드 하우징(11)은 도 3에 도시된 바와 같이, 그 저면에 형성된 복수의 연소실(19, combustion chamber recess)을 가질 수 있고, 각 연소실(19)에는 복수의 흡기포트(41) 및 복수의 배기포트(42)가 형성될 수 있다. 각 실린더의 연소실(combustion chamber)는 실린더헤드(10)의 연소실(19)과 피스톤의 연소실에 의해 형성될 수 있다.
실린더헤드 하우징(11)은 그 후면에 형성된 복수의 흡기 개구(43)를 가질 수 있고, 복수의 흡기개구(43)는 복수의 흡기덕트(미도시)를 통해 복수의 흡기포트(41)와 개별적으로 소통할 수 있다. 각 흡기개구를 통해 흡기가 유입될 수 있다.
실린더헤드 하우징(11)은 그 저면에 형성된 제1냉각수 유입포트(31) 및 제2냉각수 유입포트(32)를 가질 수 있다.
배기매니폴드(20)는 실린더헤드 하우징(11)의 배기포트(42)들에 개별적으로 연결되는 복수의 런너(20a, runner)를 포함할 수 있다. 복수의 런너(20a)는 합류부(20b, collector)에 합류될 수 있고(merge into), 합류부(20b)는 배기파이프(미도시)를 통해 터보차저의 터빈(미도시)에 연결될 수 있다.
제1워터자켓(21)은 그 내부에 냉각수가 흐르는 통로(미도시)를 가질 수 있고, 제1워터자켓(21)의 통로는 제1냉각수 유입포트(31)와 소통할 수 있으며, 이에 제1냉각수 유입포트(31)를 통해 냉각수가 제1워터자켓(21)의 통로에 유입될 수 있다.
제1냉각수 유입포트(31)는 후술하는 외측 냉각수덕트(17)의 냉각수통로(18)와 소통할 수 있고, 이에 제1워터자켓(21)은 외측 냉각수덕트(17)의 냉각수통로(18)로부터 냉각수를 수용할 수 있다.
제1워터자켓(21)은 실린더헤드(10)의 연소실(19)에 인접하게 배치될 수 있고, 이를 통해 제1워터자켓(21)은 각 실린더의 연소실에 인접할 수 있다. 이에, 제1워터자켓(21)의 통로(미도시)를 통해 흐르는 냉각수에 의해(by coolant that flows through passage of the first water jacket) 실린더헤드(10)의 연소실(19) 및 각 실린더의 연소실이 효과적으로 냉각될 수 있다.
제2워터자켓(22)은 그 내부에 냉각수가 흐르는 통로(미도시)를 가질 수 있고, 제2워터자켓(22)의 통로는 제2냉각수 유입포트(32)와 소통할 수 있으며, 이에 제2냉각수 유입포트(32)를 통해 냉각수가 제2워터자켓(22)의 통로에 유입될 수 있다. 제2워터자켓(22)은 제3워터자켓(23)과 소통하는 하나 이상의 연결통로(22a)를 가질 수 있다.
제2냉각수 유입포트(32)는 실린더 블록(5)의 내부에 형성된 냉각수통로(6)와 소통할 수 있고, 이에 제2워터자켓(22)은 실린더 블록(5)의 냉각수통로(6)로부터 냉각수를 수용할 수 있다. 실린더 블록(5)의 각 실린더 주변에는 냉각수통로(6)가 형성될 수 있고, 냉각수통로(6)를 통과하는 냉각수에 의해 각 실린더를 냉각할 수 있다. 엔진의 시동초기에 제2워터자켓(22) 및 제3워터자켓(23)으로 냉각수가 공급되지 않도록 구성함에 따라 엔진의 시동초기에 배기가스의 온도를 저하시키지 않고, 이를 통해 촉매활성화시간이 증가함을 방지할 수 있으며, 이를 통해 에미션을 대폭 감소할 수 있다.
제2워터자켓(22)은 배기매니폴드(20)의 하부와 접촉하도록 배치될 수 있고, 이에 제2워터자켓(22)의 통로를 흐르는 냉각수에 의해 배기매니폴드(20)가 냉각될 수 있다.
제3워터자켓(23)은 그 내부에 냉각수가 흐르는 통로(미도시)를 가질 수 있고, 제3워터자켓(23)의 통로는 연결통로(22a)를 통해 제2워터자켓(22)의 통로와 소통할 수 있으며, 이에 냉각수가 연결통로(22a)를 통해 제2워터자켓(22)의 통로로부터 제3워터자켓(23)의 통로에 유입될 수 있다.
제3워터자켓(23)은 배기매니폴드(20)의 상부와 접촉하도록 배치될 수 있고, 이에 제3워터자켓(23)의 통로를 흐르는 냉각수에 의해 배기매니폴드(20)가 냉각될 수 있다.
제3워터자켓(23)의 상부에는 오일자켓(24)이 배치될 수 있고, 오일자켓(24)은 엔진의 오일회로(미도시)와 소통할 수 있다.
제2워터자켓(22) 및 제3워터자켓(23)이 배기매니폴드(20)의 하부 및 상부에 배치됨에 따라 냉각수가 제2워터자켓(22)을 거쳐 제3워터자켓(23)으로 이동함에 따라 배기매니폴드(20)의 하부 및 상부를 순차적으로 냉각할 수 있다. 이를 통해 배기매니폴드(20)로부터 배출되는 배기가스를 적절히 냉각할 수 있다.
제1워터자켓(21), 제2워터자켓(22), 및 제3워터자켓(23)은 배기매니폴드(20)의 외면에 대응하는 굴곡면(contoured surface) 및 관통홀(hole)을 가질 수 있고, 이에 배기매니폴드(20)는 제1워터자켓(21), 제2워터자켓(22), 및 제3워터자켓(23)에 의해 포위됨으로써 실린더헤드(10)에 일체형으로 결합될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 제1워터자켓(21)과, 제2 및 제3 워터자켓(22, 23) 측으로 냉각수를 분리하여 공급할 수 있으므로 엔진의 연소실(미도시)에 대한 냉각 및 배기가스에 대한 냉각을 효과적으로 제어할 수 있고, 이를 통해 연비 개선 및 에미션의 저감 등을 효과적으로 구현할 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 엔진 냉각시스템(1)은 엔진의 실린더블록(5) 및 실린더헤드(10) 측으로 냉각수를 공급하는 워터펌프(2)와, 실린더헤드(10)로부터 배출되는 냉각수를 냉각하는 라디에이터(3)를 포함할 수 있다.
워터펌프(2)는 도 5에 도시된 바와 같이, 실린더블록(5)의 일측면에 부착될 수 있고, 워터펌프(2)와 실린더헤드(10) 사이에는 외측 냉각수덕트(17)가 배치될 수 있다. 외측 냉각수덕트(17)는 실린더블록(5)의 외면에 부착될 수 있고, 외측 냉각수덕트(17)는 그 내부에 냉각수가 흐르는 냉각수통로(18)를 가질 수 있다. 특히, 도 5와 같이 외측 냉각수덕트(17)가 실린더블록(5)의 후면에 부착됨으로써 엔진의 레이아웃을 보다 컴팩트하게 구성할 수 있다.
외측 냉각수덕트(17)의 일단은 워터펌프(2)에 연결될 수 있고, 외측 냉각수덕트(17)의 타단은 제1워터자켓(21)의 제1냉각수 유입포트(31)에 연결될 수 있다. 이에 워터펌프(2)에 의해 공급된 냉각수는 외측 냉각수덕트(17)의 냉각수통로(18) 및 제1냉각수 유입포트(31)를 통해 제1워터자켓(21)의 통로로 유입될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 외측 냉각수덕트(17)의 냉각수통로(18)와 실린더블록(5)의 냉각수통로(6) 사이에는 제1밸브(51)가 설치될 수 있다. 이에, 제1밸브(51)의 개방에 의해 냉각수가 외측 냉각수덕트(17)의 냉각수통로(18)로부터 실린더블록(5)의 냉각수통로(6) 측으로 공급될 수 있고, 제1밸브(51)의 폐쇄에 의해 냉각수가 외측 냉각수덕트(17)의 냉각수통로(18)로부터 실린더블록(5)의 냉각수통로(6)로 공급되지 않는다.
제1워터자켓(21)의 출구는 제1통로(61)를 통해 라디에이터(3)의 입구에 연결될 수 있고, 제1워터자켓(21)로부터 배출된 냉각수가 제1통로(61)를 통해 라디에이터(3)의 입구로 유입될 수 있다. 라디에이터(3)는 공기에 의해 냉각수를 냉각시킴으로써 냉각수의 열을 외부로 방출하도록 구성될 수 있다.
라디에이터(3)의 출구는 제5통로(65)를 통해 워터펌프(2)에 연결될 수 있고, 제5통로(65)에는 제4밸브(54)가 설치될 수 있으며, 제4밸브(54)의 개폐에 의해 라디에이터(3)가 작동 내지 정지할 수 있다. 이에, 라디에이터(3)로부터 배출된 냉각수가 제5통로(65)를 통해 워터펌프(2)로 재순환될 수 있다.
도 4, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 제1통로(61)에는 제2통로(62)가 연결되고, 제2통로(62)에는 EGR 쿨러(7a) 및 EGR 밸브(7b)가 설치될 수 있다. 제1워터자켓(21)으로부터 배출된 일부의 냉각수가 EGR 쿨러(7a) 및 EGR 밸브(7b)를 통해 흐를 수 있다. EGR 쿨러(7a) 및 EGR 밸브(7b)는 배기관에서 흡기관으로 재순환되는 재순환 배기가스를 냉각시키도록 구성될 수 있다. EGR 쿨러(7a) 및 EGR 밸브(7b)는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 실린더블록(5)의 후면에 배치될 수 있다.
실린더블록(5)의 냉각수통로(6)의 일측 출구는 제2워터자켓(22)의 입구에 연결될 수 있고, 이에 냉각수가 실린더블록(5)의 냉각수통로(6)로부터 제2냉각수 유입포트(32)를 통해 제2워터자켓(22)으로 공급될 수 있다. 제2워터자켓(22)과 제3워터자켓(23)은 연결통로(22a)를 통해 소통할 수 있다.
제3워터자켓(23)의 출구에는 히터(4)의 입구가 연결될 수 있고, 제3워터자켓(23)의 출구와 히터(4) 사이에는 제2밸브(52)가 배치될 수 있다. 제2밸브(52)는 하나의 입구포트 및 2개의 출구포트를 가진 3웨이 밸브로 구성될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 입구포트는 제3워터자켓(23)의 출구와 소통하고, 어느 한 출구포트는 제6통로(66)를 통해 히터(4)의 입구와 소통하며, 다른 출구포트는 제8통로(68)를 통해 제2통로(62)와 소통한다. 이에 히터(4)와 소통하는 출구가 개방되면 냉각수가 제6통로(66)를 통해 히터(4) 측으로 유입되고, 제2통로(62)와 소통하는 출구포트가 개방되면 냉각수는 제8통로(68)를 통해 제2통로(62) 측으로 바이패스될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제2밸브(52)는 실린더헤드의 전방 측에 설치되고, 제2밸브(52)의 2개의 출구포트에는 제6통로(66) 및 제8통로(68)가 각각 연결될 수 있다.
히터(4)는 냉각수를 이용하여 차량의 실내공간을 난방하도록 구성될 수 있다. 제3워터자켓(23)으로부터 배출된 냉각수는 제2밸브(52)의 작동에 의해 제6통로(66)를 거쳐 히터(4)측으로 유입되거나 제8통로(68)를 통해 제2통로(62) 측으로 바이패스될 수 있다. 이와 같이, 제2밸브(52)는 제3워터자켓(23)으로부터 배출된 냉각수의 흐름방향을 조절함으로써 히터(4) 측으로 유입되는 냉각수의 유량을 조절하도록 구성될 수 있다.
히터(4)의 출구에는 제7통로(67)가 연결될 수 있으며, 제7통로(67)와 제2통로(62)는 제3통로(63)에 합류(merge into)되고, 제3통로(63)는 워터펌프(2)의 입구에 연결된다. 이를 통해, 히터(4)에서 배출되는 냉각수는 워터펌프(2)로 재순환된다.
도 4에 도시된 바와 같이 실린더블록(5)의 냉각수통로(6)의 타측 출구는 오일쿨러(8)의 입구에 연결될 수 있고, 오일쿨러(8)의 출구는 제4통로(64)를 통해 제3통로(63)에 연결될 수 있다. 제4통로(64)에는 제3밸브(53)가 설치되고, 제3밸브(53)는 오일쿨러(8)를 통과하는 냉각수의 유량을 제어하는 서모스탯밸브(thermostat valve)로 구성될 수 있다. 제3밸브(53)의 개폐에 의해 오일쿨러(8)가 작동 내지 정지할 수 있다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 오일쿨러(8)는 실린더블록(5)의 전방 측에 설치될 수 있고, 오일쿨러(8)는 실린더헤드(10) 및/또는 실린더블록(5)을 순환하는 오일을 냉각시키도록 구성될 수 있다.
아래의 표 1은 제1밸브(51), 제2밸브(52), 제3밸브(53), 및 제4밸브(54)의 작동에 의해 냉각수 흐름상태을 나타낸 표이다.
Figure 112017115392575-pat00001
도 10은 표 1의 제1작동상태로서 엔진의 초기 시동 시의 작동상태를 나타낸다. 제1밸브(51)가 폐쇄됨에 따라 실린더블록(5)의 냉각수통로(6)측으로 냉각수가 유입되지 않고, 이에 제2워터자켓(22) 및 제3워터자켓(23)으로 냉각수가 공급되지 않는다. 제2밸브(52)는 히터(4)와 소통하는 출구포트를 개방하지만 제3워터자켓(23) 측으로 냉각수가 공급되지 않으므로 냉각수가 히터(4)로 공급되지 않는다. 냉각수는 워터펌프(2)의 작동에 의해 제1워터자켓(21)에 공급될 수 있고, 이에 EGR 쿨러(7a) 및 EGR 밸브(7b) 측으로 냉각수가 공급될 수 있다. 제3밸브(53)가 폐쇄됨에 따라 오일쿨러(8)가 정지되며, 제4밸브(54)가 폐쇄됨에 따라 라디에이터(3)가 정지될 수 있다.
이와 같이, 엔진의 시동초기에 제2워터자켓(22) 및 제3워터자켓(23)으로 냉각수가 공급되지 않도록 구성함에 따라 엔진의 시동초기에 배기가스의 온도를 저하시키지 않고, 이를 통해 촉매활성화시간이 증가함을 방지할 수 있으며, 이를 통해 에미션을 대폭 감소할 수 있다.
도 11은 표 1의 제2작동상태로서 엔진의 냉간 작동 시에 오일쿨러의 기능이 정지되는 상태를 나타낸다. 제1밸브(51)가 개방됨에 따라 실린더블록(5)의 냉각수통로(6)측으로 냉각수가 유입되고, 이에 제2워터자켓(22) 및 제3워터자켓(23)으로 냉각수가 공급될 수 있다. 제2밸브(52)가 히터(4)와 소통하는 출구포트를 개방하고, 이에 냉각수가 제3워터자켓(23)으로부터 히터(4)로 공급됨에 따라 히터(4)는 작동할 수 있다. 냉각수는 워터펌프(2)의 작동에 의해 제1워터자켓(21)에 공급될 수 있고, 이에 EGR 쿨러(7a) 및 EGR 밸브(7b) 측으로 냉각수가 공급될 수 있다. 제3밸브(53)가 폐쇄됨에 따라 오일쿨러(8)가 정지되며, 제4밸브(54)가 폐쇄됨에 따라 라디에이터(3)가 정지될 수 있다.
도 12는 표 1의 제3작동상태로서 엔진의 냉간 작동 시에 히터(4) 및 오일쿨러(8)가 정지된 상태를 나타낸다. 제1밸브(51)가 개방됨에 따라 실린더블록(5)의 냉각수통로(6)측으로 냉각수가 유입되고, 이에 제2워터자켓(22) 및 제3워터자켓(23)으로 냉각수가 공급될 수 있다. 제2밸브(52)는 제2통로(62)와 소통하는 출구포트를 개방하고, 이에 냉각수가 제3워터자켓(23)으로부터 제2통로(62)로 바이패스함에 따라 히터(4)가 정지될 수 있다. 냉각수는 워터펌프(2)의 작동에 의해 제1워터자켓(21)에 공급될 수 있고, 이에 EGR 쿨러(7a) 및 EGR 밸브(7b) 측으로 냉각수가 공급될 수 있다. 제3밸브(53)가 폐쇄됨에 따라 오일쿨러(8)가 정지되며, 제4밸브(54)가 폐쇄됨에 따라 라디에이터(3)가 정지될 수 있다.
도 13은 표 1의 제4작동상태로서 라디에이터(3)에 냉각수가 유입되기 전에 히터(4) 및 오일쿨러(8)가 작동하는 상태를 나타낸다. 제1밸브(51)가 개방됨에 따라 실린더블록(5)의 냉각수통로(6)측으로 냉각수가 유입되고, 이에 제2워터자켓(22) 및 제3워터자켓(23)으로 냉각수가 공급될 수 있다. 제2밸브(52)는 히터(4)와 소통하는 출구포트를 개방하고, 이에 제3워터자켓(23)으로부터 히터(4)로 냉각수가 공급됨에 따라 히터(4)가 작동할 수 있다. 냉각수는 워터펌프(2)의 작동에 의해 제1워터자켓(21)에 공급될 수 있고, 이에 EGR 쿨러(7a) 및 EGR 밸브(7b) 측으로 냉각수가 공급될 수 있다. 제3밸브(53)가 개방됨에 따라 오일쿨러(8)가 작동하며, 제4밸브(54)가 폐쇄됨에 따라 라디에이터(3)가 정지될 수 있다.
도 14는 표 1의 제5작동상태로서 라디에이터(3)에 냉각수가 유입되기 전에 히터(4)가 정지되고 오일쿨러(8)가 작동하는 상태를 나타낸다. 제1밸브(51)가 개방됨에 따라 실린더블록(5)의 냉각수통로(6)측으로 냉각수가 유입되고, 이에 제2워터자켓(22) 및 제3워터자켓(23)으로 냉각수가 공급될 수 있다. 제2밸브(52)는 제2통로(62)와 소통하는 출구포트를 개방하고, 이에 냉각수는 제3워터자켓(23)으로부터 제2통로(62)로 바이패스됨에 따라 히터(4)가 정지할 수 있다. 냉각수는 워터펌프(2)의 작동에 의해 제1워터자켓(21)에 공급될 수 있고, 이에 EGR 쿨러(7a) 및 EGR 밸브(7b) 측으로 냉각수가 공급될 수 있다. 제3밸브(53)가 개방됨에 따라 오일쿨러(8)가 작동하며, 제4밸브(54)가 폐쇄됨에 따라 라디에이터(3)가 정지될 수 있다.
도 15는 표 1의 제6작동상태로서 엔진의 열간작동 시에 라디에이터(3)가 작동하고, 히터(4)가 작동하며, 오일쿨러(8)가 정지된 상태를 나타낸다. 제1밸브(51)가 개방됨에 따라 실린더블록(5)의 냉각수통로(6)측으로 냉각수가 유입되고, 이에 제2워터자켓(22) 및 제3워터자켓(23)으로 냉각수가 공급될 수 있다. 제2밸브(52)는 히터(4)와 소통하는 출구포트를 개방하고, 이에 냉각수는 제3워터자켓(23)으로부터 히터(4)로 공급됨에 따라 히터(4)가 작동할 수 있다. 냉각수는 워터펌프(2)의 작동에 의해 제1워터자켓(21)에 공급될 수 있고, 이에 EGR 쿨러(7a) 및 EGR 밸브(7b) 측으로 냉각수가 공급될 수 있다. 제3밸브(53)가 폐쇄됨에 따라 오일쿨러(8)가 정지한다. 제4밸브(54)가 개방됨에 따라 냉각수는 제1워터자켓(21)으로부터 라디에이터(3)로 공급될 수 있고, 이를 통해 라디에이터(3)가 작동할 수 있다.
도 16는 표 1의 제7작동상태로서 엔진의 열간작동 시에 라디에이터(3)가 작동하고, 히터(4) 및 오일쿨러(8)가 정지된 상태를 나타낸다. 제1밸브(51)가 개방됨에 따라 실린더블록(5)의 냉각수통로(6)측으로 냉각수가 유입되고, 이에 제2워터자켓(22) 및 제3워터자켓(23)으로 냉각수가 공급될 수 있다. 제2밸브(52)는 제2통로(62)와 소통하는 출구포트를 개방하고, 이에 냉각수는 제3워터자켓(23)으로부터 제2통로(62)로 바이패스됨에 따라 히터(4)가 정지할 수 있다. 냉각수는 워터펌프(2)의 작동에 의해 제1워터자켓(21)에 공급될 수 있고, 이에 EGR 쿨러(7a) 및 EGR 밸브(7b) 측으로 냉각수가 공급될 수 있다. 제3밸브(53)가 폐쇄됨에 따라 오일쿨러(8)가 정지하며, 제4밸브(54)가 개방됨에 따라 냉각수는 제1워터자켓(21)으로부터 라디에이터(3)로 공급될 수 있고, 이를 통해 라디에이터(3)가 작동할 수 있다.
도 17은 표 1의 제8작동상태로서 엔진의 고온작동 시에 라디에이터(3)가 작동하고, 히터(4) 및 오일쿨러(8)가 작동하는 상태를 나타낸다. 제1밸브(51)가 개방됨에 따라 실린더블록(5)의 냉각수통로(6)측으로 냉각수가 유입되고, 이에 제2워터자켓(22) 및 제3워터자켓(23)으로 냉각수가 공급될 수 있다. 제2밸브(52)는 히터(4)와 소통하는 출구포트를 개방하고, 이에 냉각수는 제3워터자켓(23)으로부터 히터(4)로 공급됨에 따라 히터(4)가 작동할 수 있다. 냉각수는 워터펌프(2)의 작동에 의해 제1워터자켓(21)에 공급될 수 있고, 이에 EGR 쿨러(7a) 및 EGR 밸브(7b) 측으로 냉각수가 공급될 수 있다. 제3밸브(53)가 개방됨에 따라 오일쿨러(8)가 작동할 수 있다. 제4밸브(54)가 개방됨에 따라 냉각수는 제1워터자켓(21)으로부터 라디에이터(3)로 공급될 수 있고, 이를 통해 라디에이터(3)가 작동할 수 있다.
도 18은 표 1의 제9작동상태로서 엔진의 고온작동 시에 라디에이터(3)가 작동하고, 히터(4)가 정지하며, 오일쿨러(8)가 작동하는 상태를 나타낸다. 제1밸브(51)가 개방됨에 따라 실린더블록(5)의 냉각수통로(6)측으로 냉각수가 유입되고, 이에 제2워터자켓(22) 및 제3워터자켓(23)으로 냉각수가 공급될 수 있다. 제2밸브(52)는 제2통로(62)와 소통하는 출구포트를 개방하고, 이에 냉각수는 제3워터자켓(23)으로부터 제2통로(62)로 바이패스됨에 따라 히터(4)가 정지할 수 있다. 냉각수는 워터펌프(2)의 작동에 의해 제1워터자켓(21)에 공급될 수 있고, 이에 EGR 쿨러(7a) 및 EGR 밸브(7b) 측으로 냉각수가 공급될 수 있다. 제3밸브(53)가 개방됨에 따라 오일쿨러(8)가 작동할 수 있다. 제4밸브(54)가 개방됨에 따라 냉각수는 제1워터자켓(21)으로부터 라디에이터(3)로 공급될 수 있고, 이를 통해 라디에이터(3)가 작동할 수 있다.
본 발명에 의하면, 냉각수가 항상 제1워터자켓(21)을 통해 흐름에 따라 연소용 홈(19) 및 연소실이 냉각수에 의해 적절히 냉각될 수 다.
본 발명에 의하면, 배기매니폴드(20)가 실린더헤드(10)에 일체형으로 결합됨으로써 원가(대략 4.4만원) 및 중량(대략 1.7kg)을 대폭 절감할 수 있다.
본 발명에 의하면, 엔진의 시동초기에 제2워터자켓(22) 및 제3워터자켓(23)으로 냉각수가 공급되지 않도록 구성함에 따라 배기매니폴드(20)로부터 배출되는 배기가스의 온도가 저하되지 않고, 이를 통해 촉매활성화시간의 증가을 방지할 수 있으며, 이를 통해 엔진의 시동 초기에 NOx 등과 같은 에미션을 대폭 감소할 수 있다.
본 발명에 의하면, 실린더헤드(10) 및 실린더 블록(5)에 대한 냉각수 흐름을 효율적으로 제어함으로써 실린더 내의 마찰을 저감할 뿐만 아니아 냉각수 웜업시간 등을 단축할 수 있고, 이를 통해 연비(대략 1%)를 대폭 개선할 수 있다.
본 발명에 의하면, 기존 엔진의 레이아웃을 크게 변경하지 않고 용이하게 적용할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 엔진 냉각시스템 2: 워터펌프
3: 라디에이터 4: 히터
5 : 실린더블록 8: 오일쿨러
10: 실린더헤드 11: 실린더헤드 하우징
19: 연소용 홈 20: 배기매니폴드
21: 제1워터자켓 22: 제2워터자켓
23: 제3워터자켓 31: 제1냉각수 유입포트
32: 제2냉각수 유입포트 51: 제1밸브
52: 제2밸브 53: 제3밸브
54: 제4밸브

Claims (14)

  1. 저면에 형성된 연소실 및 내부에 형성된 수용공간을 가진 실린더헤드 하우징;
    상기 실린더헤드 하우징의 수용공간에 장착되고, 상기 실린더헤드 하우징의 배기포트들과 연결되는 배기매니폴드;
    상기 실린더헤드 하우징의 수용공간에 장착되고, 상기 연소실에 인접하게 배치된 제1워터자켓;
    상기 실린더헤드 하우징의 수용공간에 장착되고, 상기 배기매니폴드의 하부와 접촉하도록 배치된 제2워터자켓; 및
    상기 실린더헤드 하우징의 수용공간에 장착되고, 상기 배기매니폴드의 상부와 접촉하도록 배치된 제3워터자켓;을 포함하고,
    상기 실린더헤드 하우징은 상기 제1워터자켓과 소통하는 제1냉각수 유입포트 및 상기 제2워터자켓과 소통하는 제2냉각수 유입포트를 가지며,
    상기 제2냉각수 유입포트는 실린더 블록의 내부에 형성된 냉각수통로와 소통하는 배기매니폴드 일체형 실린더헤드.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1냉각수 유입포트는 실린더 블록의 외면에 부착된 외측 냉각수덕트의 냉각수통로와 소통하는 배기매니폴드 일체형 실린더헤드.
  4. 삭제
  5. 연소실에 인접한 제1워터자켓과, 배기매니폴드를 포위하는 제2워터자켓 및 제3워터자켓을 가지고, 상기 제2워터자켓 및 상기 제3워터자켓이 소통하는 실린더헤드;
    상기 제2워터자켓과 소통하는 냉각수통로를 가진 실린더블록;
    상기 실린더블록의 외면에 부착되고, 상기 제1워터자켓과 소통하는 냉각수통로를 가진 외측 냉각수덕트;
    상기 외측 냉각수덕트의 냉각수통로로 냉각수를 공급하는 워터펌프; 및
    상기 외측 냉각수덕트의 냉각수통로와 상기 실린더블록의 냉각수통로 사이에 설치된 제1밸브;를 포함하는 엔진 냉각시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 외측 냉각수덕트의 일단은 상기 워터펌프에 연결되고, 상기 외측 냉각수덕트의 타단은 상기 제1워터자켓에 연결되는 엔진 냉각시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 실린더블록의 냉각수통로에는 오일쿨러가 연결되는 엔진 냉각시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 오일쿨러의 출구 측에 제3밸브가 설치되고, 상기 제3밸브의 개폐에 의해 상기 오일쿨러가 작동 내지 정지하는 엔진 냉각시스템.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1워터자켓의 출구는 라디에이터의 입구와 연결되는 엔진 냉각시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 라디에이터로부터 배출되는 냉각수는 상기 워터펌프로 재순환되는 엔진 냉각시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 라디에이터와 상기 워터펌프 사이에는 제4밸브가 설치되고, 상기 제4밸브의 개폐에 의해 상기 라디에이터가 작동 내지 정지하는 엔진 냉각시스템.
  12. 청구항 5에 있어서,
    상기 제3워터자켓의 출구는 히터의 입구와 연결되는 엔진 냉각시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제3워터자켓의 출구와 히터 사이에 제2밸브가 배치되고, 상기 제2밸브는 상기 제3워터자켓으로부터 배출된 냉각수의 흐름방향을 조절함으로써 상기 히터 측으로 유입되는 냉각수의 유량을 조절하도록 구성되는 엔진 냉각시스템.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 히터로부터 배출되는 냉각수는 상기 워터펌프로 재순환되는 엔진 냉각시스템.
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