KR20010014892A - 쐐기형 실린더 헤드와 일체형 흡기 매니폴드와 이를 위한로커 커버를 구비한 일체형 내연기관 - Google Patents

쐐기형 실린더 헤드와 일체형 흡기 매니폴드와 이를 위한로커 커버를 구비한 일체형 내연기관 Download PDF

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프리즈챨스에드원5세
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빌 시이 파나고스
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Abstract

내연기관은 각각의 실린더 뱅크 쌍이 수평에 대해 예각으로 배치된 상부벽을 제공하도록 V 형으로 배치된 한쌍의 실린더 뱅크가 구비된 엔진 블럭을 포함한다. 각각의 실린더 뱅크는 다수의 실린더를 포함한다. 한쌍의 실린더 헤드는 각각의 실린더 뱅크 쌍과 연관되어 있다. 각각의 실린더 헤드는 서로에 대해 예각으로 배치된 상하부 벽을 포함하므로, 각각의 실린더 헤드는 그 단면이 쐐기형을 이루게 된다. 각각의 실린더 헤드는 실린더 헤드의 상부벽이 수평에 대해 평행하도록 엔진 블럭에 장착된다. 한쌍의 배출 매니폴드는 각각의 실린더 헤드 쌍에 장착된다. 단일의 일체형 흡기 매니폴드와 로커 커버는 실린더 헤드 쌍의 수평 상부벽에 장착된다. 일체형 매니폴드와 로커 커버는 실린더 헤드 쌍을 통해 실린더 뱅크의 각각의 쌍의 실린더에 흡입 공기를 제공하고, 배출 매니폴드로부터의 배출 가스를 실린더 뱅크 쌍의 각각의 실린더로 재순환시킨다.

Description

쐐기형 실린더 헤드와 일체형 흡기 매니폴드와 이를 위한 로커 커버를 구비한 일체형 내연기관{INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH WEDGE-SHAPED CYLINDER HEAD AND INTEGRAL INTAKE MANIFOLD AND ROCKER COVER THEREFOR}
본 발명은 내연기관에 관한 것으로서, 특히 V 형 엔진 블럭과 쐐기형 실린더 헤드와 단일의 일체형 매니폴드 및 로커 커버를 구비한 내연기관에 관한 것이다.
공지의 내연기관은 다른 기본적인 부품들중에서도 V 형으로 배치된 한쌍의 실린더 뱅크를 구비한 주철제 엔진 블럭과, 상기 엔진 블럭에 장착된 각각의 실린더 뱅크에 관련된 한쌍의 실린더 헤드와, 상기 각각의 실린더 헤드에 고정된 한쌍의 밸브 커버를 포함할 수도 있다. 각각의 실린더 뱅크는 통상적으로 각각의 실린더 헤드에 장착된 흡기 매니폴드에 의해 작동된다. 엔진 블럭의 각각의 실린더 뱅크에 형성된 실린더내에서는 다수의 피스톤이 왕복운동한다. 이와 마찬가지로, 각각의 실린더 헤드에 지지된 다수의 밸브는 로커 아암이나 캠 또는 다른 기구를 통해 개폐되어 실린더와 흡배기 매니폴드 사이에 유체연결을 제공한다. 연료는 실린더내에서 연소되어, 차량이나 기타 다른 장치들을 구동하기 위해 동력을 전달하는 크랭크축상에서 작동하는 피스톤을 왕복운동시킨다.
압축점화 엔진이나 디젤 엔진의 경우, 연료/공기 혼합물은 연료분사기 조립체를 통해 고압으로 분배된다. 현재, 종래의 분사기는 32,000 psi 의 고압에서 상기 혼합물을 분배한다. 이것은 매우 높은 압력으로서, 구조적 일체성 및 양호한 밀봉성능 그리고 연소실내에서 연료의 효과적인 분무화를 보장하기 위해 다수의 엔진 부품에 상당한 기술적 주의를 요한다.
또한, 현대의 고속 직접분사식 디젤엔진은 요구 성능과 소음 및 방출 목표에 부응하기 위해 실린더당 4개의 밸브를 갖는 실린더 헤드를 사용하고 있다. 그러나, 4밸브 형태는 전형적으로 보어가 작은 직접분사식 디젤 엔진에서 패키징을 어렵게 한다. 높은 엔진 효율이 요구될수록, 엔진 설계자들은 높은 정점 연소압력을 얻기 위해 엔진을 가속시키고 높은 헤드 볼트 클램프 부하를 필요로 한다. 이러한 요구사항은 실린더 헤드와 흡기 포트 패키지 접근을 복잡하게 한다.
북미에서 차량용으로 채택된 많은 디젤 엔진은 가솔린 엔진에 효율적으로 대처하기 위해 낮은 밸브 트레인 비용을 요구할 것이다. 다른 사항들중에서 이러한 사항은 실린더 헤드를 일반적으로 채택되는 싱글 오버헤드 캠샤프트(single overhead camshaft: SOHC) 또는 듀얼 오버헤드 캠샤프트(dual overhead camshaft: DOHC)가 아니라 오버헤드 밸브(overhead valve: OHV) 형태로 사용하게 했다. 특히, V 블럭 엔진과 함께 사용되었을 때, 오버헤드 밸브 형태는 충분한 밸브 트레인 강성도와 함께 필요로 하는 자동 디젤비 속도를 달성하는 동시에 전체적으로 비용이 적게 소요되었다. 또한, 오버헤드 밸브 형태는 싱글 또는 더블 오버헤드 캠 형태 보다 전체적으로 마찰을 감소시킨다. 그러나, 오버헤드 밸브를 사용한 엔진은 밸브 로커를 작동시키기 위해 푸시 로드를 필요로 한다. 부가적인 공간에 제공되는 푸시 로드는 이미 번잡한 실린더 헤드 엔빌로프를 요구한다.
기본적으로, 현대의 디젤 엔진은 작고 컴팩트한 디젤 엔진에 부여되는 항상 엄격한 방출 규제에 부응하면서 연료 경제성을 제공해야만 한다. 그러나, 연료 경제성과 클리너 연소, 낮은 방출물, 및 양호한 부품 패키징과 함께 NOx 및 소음 제어에 대한 증가되는 요구사항은 계속 되어져왔으며, 점점 높아지고만 있다. 따라서, 이와 같은 다양한 변수에 대해 효과적인 비용으로 양호하게 제어하기 위한 것이 요망되고 있다.
본 발명은 V 형태로 배치된 한쌍의 실린더 뱅크가 구비된 엔진 블럭을 포함하는 내연기관에서 상술한 단점을 극복하였다. 실린더 뱅크 쌍의 각각은 수평면에 대해 예각으로 배치된 상부벽과, 서로 이격된 상태로 배치되고 각각의 실린더 뱅크내에 길이방향으로 정렬되는 다수의 실린더를 제공한다. 한쌍의 실린더 헤드는 실린더 뱅크 쌍의 각각과 연관되어 있다. 각각의 실린더 헤드는 서로에 대해 각도를 형성하면서 배치된 상하부 벽을 포함하므로, 각각의 실린더 헤드는 그 단면이 거의 쐐기형이 된다. 상기 실린더 헤드는 엔진 블럭에 장착되므로, 각각의 실린더 헤드의 하부벽은 관련의 실린더 뱅크의 대향의 상부벽을 밀봉하고 실린더의 개방 단부를 폐쇄하며, 또한 각각의 실린더 헤드의 상부벽은 수평에 대해 거의 팽행하다. 한쌍의 배출 매니폴드는 실린더 헤드 쌍의 각각에 장착된다. 단일의 일체형 흡기 매니폴드와 로커 커버는 실린더 헤드의 수평 상부벽에 장착된다. 상기 일체형 매니폴드와 로커 커버는 각각의 실린더 뱅크에서 실린더로 그 헤드를 통해 흡입 공기를 제공하며, 배출 매니폴드로부터의 배출 가스를 실린더 뱅크의 각각의 실린더로 재순환시킨다.
본 발명은 양 실린더 뱅크를 서비스하기 위한 단일의 흡기 매니폴드와 단일의 로커 커버를 조합하므로써 효과적인 엔진 부품 패키징 목적을 촉진시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 분리된 흡기 매니폴드, 가스켓, 배출 가스 재순환(exhaust gas recirculation: EGR) 쿨러 하우징과, 외부장착된 EGR 밸브와 연관된 온보드 배관에 대한 필요성을 제거한다. 또한, V 블럭 엔진을 위해 쐐기형 실린더 헤드 디자인을 사용하게 되면 단일의 일체형 흡기 매니폴드와 로커 커버를 위한 수평 장착면을 제공할 수 있다. 이러한 디자인에 의해, 흡기 매니폴드는 상부로부터 실린더로 흡입 공기를 공급한다. 또한, 상기 쐐기형 실린더 헤드는 실린더 흡기 포트내로의 수직 접근을 허용하게 한다.
따라서, 본 발명은 배관부, 가스켓, 브래킷, 각각의 실린더 헤드를 위한 분리된 흡기 매니폴드, 분리된 로커 커버와, EGR 냉각 장치와 같은 많은 부품이 필요없게 된다는 장점을 제공한다.
본 발명의 또 다른 장점은 상기 쐐기형 실린더 헤드는 흡기 매니폴드를 위한 수평 장착면을 제공한다는 점이다. 이러한 특징은 적층 변수를 감소시키며, 실린더 헤드와 블럭에 대한 측부 부하를 피할 수 있게 한다.
본 발명의 다른 장점은 상기 쐐기형 실린더 헤드는 저손실 상부 입구 흡입포트를 갖는 흡기 포트의 기하학적 형상을 최적화시키는 융통성을 부여한다는 점이다. 또한, 실린더 헤드내로의 수직의 흡입공기 입구는 연소실내에서 부가적인 텀블링을 달성할 수 있다.
본 발명의 기타 다른 목적과 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 하기의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
도 1 은 본 발명의 V 블럭 내연기관의 평면도.
도 2 는 도 1 의 선 2-2 을 따른 로커 커버와 단일의 일체형 흡기 매니폴드와 쐐기형 실린더 헤드를 포함하는 V 블럭 내연기관의 측단면도.
도 3 은 도 1 의 선 3-3 을 따른 로커 커버와 단일의 일체형 흡기 매니폴드와 쐐기형 실린더 헤드를 포함하는 V 블럭 내연기관의 측단면도.
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]
12 : 엔진 블럭 14, 16 : 실린더 뱅크
24 : 실린더 26 : 피스톤
28 : 커넥팅 로드 30 : 오일팬
34, 36 : 실린ㄷ 헤드 58 : 로커 커버
도 1 및 도 2 에서 내연기관은 도면부호 10 으로 도시되어 있다. 양호한 실시예에서, 엔진(10)은 압축점화, 또는 디젤 엔진이지만, 본 기술분야의 숙련자라면 상기 엔진(10)은 불꽂 점화 엔진인 것을 알 수 있을 것이다. 엔진(10)은 계곡 또는 공간(18)이 형성되도록 V 형태로 배치된 한쌍의 실린더 뱅크(14, 16)를 구비한 주철제 엔진 블럭(12)을 포함한다. 이러한 V 형태로 인하여, 각각의 실린더 뱅크(14, 16)는 도 2 및 도 3 에 단면으로 도시된 바와 같이 수평면에 대해 예각으로 배치된 상부벽 또는 "파이어 데크(fire deck)"(20, 22)를 제공한다. 또한, 각각의 실린더 뱅크(14, 16)는 서로 이격된 상태로 각각의 실린더 뱅크(14, 16)내에서 길이방향으로 정렬되는 다수의 개방단부형 실린더(24)를 포함한다.
피스톤(26)은 각각의 실린더(24)에서 왕복가능하게 지지된다. 각각의 피스톤(26)은 커넥팅 로드(28)에 의해 실린더 블럭(12)의 하부에 종래와 동일한 형태로 저어널된 크랭크축(도시않음)에 연결된다. 연료는 피스톤(26)이 왕복운동하는 실린더(24)내에서 연소되며, 상기 피스톤은 차량이나 기타 다른 장치들을 구동시키기 위해 동력이 전달되는 크랭크축상에서 작동한다. 오일 팬(30)은 엔진 블럭(12)의 하부에 고정되어, 엔진의 여러 부품들을 윤활하는데 사용되는 오일저장조를 제공한다. 오일 필터(32)는 엔진 블럭(12)에 장착되어, 윤활중 오일에 의해 축적되는 오물을 여과한다.
도 2 및 도 3 에 상세히 도시된 바와 같이, 한쌍의 실린더 헤드(34, 36)는 실린더 뱅크(14, 16)의 쌍과 연관되어 있다. 각각의 실린더 헤드(34, 36)는 상부벽 및 하부벽(38, 40)을 포함한다. 상기 상부벽 및 하부벽(38, 40)은 각각의 실린더 헤드(34, 36)가 그 단면이 쐐기형태가 되도록 서로에 대해 각도를 형성하면서 배치된다. 또한, 각각의 실린더 헤드(34, 36)는 내측 및 외측 측벽(42, 44)과, 상기 내측 및 외측 측벽(42, 44) 사이에서 연장되는 전방 및 후방벽(도면부호로 도시하지 않음)을 포함한다. 상기 내측 및 외측 벽(42, 44)은 전방 및 후방벽과 마찬가지로 모두 상부벽 및 하부벽(38, 40) 사이에서 연장된다.
실린더 헤드(34, 36)는 각각의 실린더 헤드(34, 36)의 하부벽(40)이 관련의 실린더 뱅크(14, 16)의 대향의 상부벽(20, 22)을 밀봉하여 실린더(24)의 개방 단부를 폐쇄하도록 엔진 블럭(12)에 장착된다. 또한, 실린더 헤드(34, 36)는 실린더 헤드(34, 36)의 상부벽(38)이 도 2 및 도 3 의 단면도와 비교시 수평면에 대해 평행하도록 엔진 블럭(12)에 장착된다.
벽(38 내지 44)과 전방 및 후방벽은 각각의 실린더 헤드(34, 36)의 여러 부품을 냉각시키는 액체 냉각제를 수용하는 냉각제 재킷을 둘러싼다. 각각의 실린더 위치에 대해, 실린더 헤드(34, 36)는 예를 들어 분사기와, 흡배기 포트(50, 52)(도 1)와 연관된 흡배기 밸브와 상기 흡배기 밸브를 이동시켜 흡기 포트(50)와 배기 포트(52)를 개방하는데 사용되는 로커 아암 등을 포함한 여러 부품을 이송한다. 상기 로커 아암은 스프링편의된 종동자와 연결된 푸시 로드에 의해 작동되며, 상기 종동자는 크랭크축에 의해 다른 관련의 부품을 통해 구동되는 캠축상에서 캠과 결합된다. 또한, 엔진(10)은 본 발명에 서술되지는 않았지만 본 기술분야에 널리 공지된 바와 같은 여러 부품들을 포함한다.
엔진(10)은 실린더 헤드(34, 36) 쌍의 각각의 외측벽(44)에 장착된 한쌍의 배출 매니폴드(54, 56)를 포함한다. 단일의 일체형 흡기 매니폴드와 로커 커버(58)는 실린더 헤드(34, 36) 쌍의 수평 상부벽(38)에 장착되어, V 형 실린더 뱅크(14, 16) 쌍에 의해 형성된 공간(18)에 걸쳐진다. 상기 일체형 매니폴드와 로커 커버(58)는 실린더 헤드(34, 36)의 쌍을 통해 각각의 실린더 뱅크(14, 16)의 실린더(24)로 흡입 공기를 제공한다. 또한, 일체형 매니폴드와 로커 커버(58)는 배출 매니폴드(54, 56)로부터의 배출 가스를 실린더 뱅크(14, 16)의 각각의 실린더(24)로 재순환시킨다. 이를 위해, 일체형 매니폴드와 로커 커버(58)는 실린더(24)로 분배되기 전에 배출 가스를 냉각시키기 위해, 그 중앙에 제거가능하게 장착되어 도 1 의 상단부에 위치된 분배 통로(59)를 통해 배출 매니폴드(54, 56)와 유체연결되는 배출가스 재순환(EGR) 쿨러 코어(60)를 포함한다. 상기 EGR 쿨러 코어(60)는 도 2 에 개략적으로 도시된 EGR 밸브(61)를 포함할 수도 있으며, 기타 도시되지 않은 관련 부품들을 포함할 수도 있다. 도 1 에 상세히 도시된 바와 같이, 실린더 헤드(34, 36)는 실린더 헤드의 냉각제 재킷(도시않음)과 EGR 쿨러 코어(60)를 상호연결시키는 냉각제 연결부(62)를 포함한다. 이와 마찬가지로, 일체형 매니폴드와 로커 커버(58)는 냉각제 연결부(62)와 EGR 쿨러 코어 사이에서 연결되는 냉각제 통로(64)를 포함한다. 상기 냉각제 연결부(62)와 냉각제 통로(64)는 도 1 에 도시된 바와 같이 분배 통로(59)와 대향하여 위치될 수도 있다.
일체형 매니폴드와 로커 커버(58)는 EGR 쿨러 코어(60)의 양측부상에서 서로 이격된 다수의 EGR 유도 통로(66)를 포함한다. 상기 유도 통로(66)는 EGR 쿨러 코어(60)의 양측부에서 일체형 매니폴드 로커 커버(58)에 형성된 한쌍의 레일 매니폴드(67)와 EGR 쿨러 코어(60) 사이에 유체연결을 제공한다. 상기 레일 매니폴드(67)는 흡입 통로(70)를 통해 주위 흡기 공기, EGR 쿨러 코어(60)와 실린더 헤드(34, 36)에 형성된 흡기 포트(50) 사이에 유체 연결을 제공한다. 배출 통로(72)(도 1)는 배출 포트(52)와 배출 매니폴드(54, 56) 사이에 유체연결을 제공한다.
도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이, 일체형 흡기 매니폴드와 로커 커버(58)는 매니폴드(도 2)에 형성된 채널(76)을 통해 흐르는 배출 가스의 냉각을 돕기 위하여 그 외측면에 형성된 냉각 핀(fin)(74)을 포함할 수도 있다. 또한, 냉각제 연결부(62)와, 냉각제 통로(64)는 EGR 유도 통로(66)와 마찬가지로 엔진으로부터 주위로의 소음 전달을 최소화하는 작용을 한다.
본 발명은 실린더 뱅크(14, 16)에 사용되는 단일의 흡기 매니폴드(58)와 단일의 로커 커버를 조합하므로써 효과적인 엔진 부품 패키징을 달성할 수 있다. 따라서, 본 발명은 분리된 흡기 매니폴드, 가스켓, EGR 쿨러 하우징과, 외부장착된 EGR 밸브와 연관된 온보드 배관에 대한 필요성을 제거한다. 또한, V 블럭 엔진을 위해 쐐기형 실린더 헤드 디자인을 사용하게 되면 단일의 일체형 흡기 매니폴드와 로커 커버를 위한 수평 장착면을 제공할 수 있다. 이러한 구조는 상부로부터 흡기 매니폴드(58)로 흡입 공기의 공급을 촉진시킨다. 또한, 쐐기형 실린더 헤드(34, 36)는 각 실린더(24)의 흡기 포트(50)로의 수직 접근을 제공한다. 마지막으로, 일체형 흡기 매니폴드와 로커 커버는 알루미늄과, 주철, 및 균일한 열가소물을 포함하는 다수의 재료로 제조될 수도 있다.
따라서, 본 발명은 배관부, 가스켓, 각각의 실린더 헤드를 위한 분리된 흡기 매니폴드와 연관된 파스너와 브래킷, 분리된 로커 커버와, EGR 냉각 장치와 같은 많은 부품이 필요없게 된다는 장점을 제공한다. 또한, 쐐기형 실린더 헤드(34, 36)는 저손실 상부 입구 흡입포트를 갖는 흡기 포트의 기하학적 형상을 최적화시키는 융통성을 부여한다. 또한, 실린더 헤드내로의 수직의 흡입공기 입구는 연소실내에서 부가적인 텀블링을 달성하는데 사용될 수도 있다.
본 발명은 양호한 실시예를 참조로 서술되었기에 이에 한정되지 않으며, 본 기술분야의 숙련자라면 첨부된 청구범위로부터의 일탈없이 본 발명에 다양한 변형과 수정이 가해질 수 있음을 인식해야 한다.

Claims (6)

  1. 각각의 실린더 뱅크 쌍이 수평에 대해 예각으로 배치된 상부벽을 제공하도록 V 형태로 배치된 한쌍의 실린더 뱅크와, 각각의 실린더 뱅크내에서 길이방향으로 정렬되고 서로 이격된 상태로 배치되는 다수의 실린더를 포함하는 엔진 블럭과,
    상기 실린더 뱅크 쌍과 연관된 한쌍의 실린더 헤드와,
    상기 실린더 헤드의 쌍에 장착된 한쌍의 배출 매니폴드와,
    상기 실린더 헤드 쌍의 수평 상부벽에 장착된 단일의 일체형 흡기 매니폴드와 로커 커버를 포함하며,
    상기 각각의 실린더 헤드는 각각의 실린더 헤드가 쐐기형 단면을 형성하도록 서로에 대해 각도를 형성하면서 배치되는 상하부 벽을 포함하며, 상기 실린더 헤드는 각각의 실린더 헤드의 하부벽이 관련의 실린더 뱅크의 대향의 상부벽을 밀봉하여 실린더의 개방 단부를 폐쇄하도록 엔진 블럭에 장착되며, 상기 실린더 헤드는 실린더 헤드의 상부벽이 수평면에 대해 평행하도록 엔진 블럭에 장착되며, 상기 일체형 매니폴드와 로커 커버는 실린더 헤드 쌍을 통해 각각의 실린더 뱅크 쌍의 실린더에 흡입 공기를 제공하여 배출 매니폴드로부터의 배출 가스를 실린더 뱅크 쌍의 각각의 실린더로 재순환시키는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 일체형 매니폴드 및 로커 커버는 배출 가스가 상기 실린더에 분배되기 전에 배출 가스를 냉각하기 위해 그 내부에 제거가능하게 장착되고 상기 배출 매니폴드내에서 유체연결되는 배출가스 재순환 쿨러 코어를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 일체형 매니폴드와 로커 커버는 배출가스 재순환 쿨러 코어와 흡입 공기원과 실린더 사이에 유체연결을 제공하는 흡입 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 일체형 매니폴드와 로커 커버는 배출가스 재순환 쿨러와 상기 흡입 통로 사이에 유체 연결을 제공하는 배출가스 유도 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 실린더 헤드는 내외측 측벽과 전후방 벽을 포함하며, 이러한 벽 전부는 상기 상부벽과 하부벽 사이에서 연장되며, 상기 배출 매니폴드는 각각의 실린더 헤드 쌍에서 상기 외측벽에 장착되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  6. 제 1 항에 있어서, V 형의 실린더 뱅크 쌍은 그 사이에 공간을 형성하며, 상기 일체형 흡기 매니폴드와 로커 커버는 실린더 헤드의 수평 상부벽에 장착되어, V 형 실린더 뱅크 쌍에 의해 형성된 공간에 걸쳐지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
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