KR20010037508A - 디오에치시 디젤 엔진 - Google Patents

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KR20010037508A
KR20010037508A KR1019990045079A KR19990045079A KR20010037508A KR 20010037508 A KR20010037508 A KR 20010037508A KR 1019990045079 A KR1019990045079 A KR 1019990045079A KR 19990045079 A KR19990045079 A KR 19990045079A KR 20010037508 A KR20010037508 A KR 20010037508A
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combustion chamber
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이세영
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이계안
현대자동차 주식회사
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Abstract

개시되는 디오에치시 디젤 엔진(diesel engine)은, 일측에 공기가 유입되도록 형성된 흡기포트와, 상기 흡기포트와 연통되어 상기 공기가 상기 흡기포트로부터 유입되도록 형성된 연소실과, 상기 연소실 내의 연소가스가 배출되도록 형성된 배기포트가 구비된 실린더 헤드와; 상기 흡기포트 및 배기포트가 개폐되도록 상기 흡기 및 배기포트의 일측에 각각 설치된 흡기밸브와, 배기밸브와; 상기 실린더 헤드의 일측에 설치되어 상기 흡기 및 배기밸브가 개폐되도록 복수의 캠이 형성되고, 소정의 회동수단에 의해 동시에 회동되는 복수의 캠샤프트와; 상기 캠과 접촉되어 상기 흡기 및 배기밸브를 열어주도록 상기 실린더 헤드의 상부 쪽에 설치된 복수의 로커 암과; 상기 연소실에 연료가 분사되도록 그 하단이 상기 연소실을 향에 설치된 인젝터와; 상기 실린더 헤드의 상부에 설치되고, 그 상부에서 상기 인젝터의 탈, 장착이 이루어지도록 제1인젝터 설치부가 형성된 캠샤프트 캐리어; 상기 캠샤프트 캐리어의 상부에 설치되고, 상기 인젝터가 그 외부에서 설치될 수 있도록 제2인젝터 설치부가 형성된 헤드 커버;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 고성능화 및 정비성이 향상되는 이점이 있다.

Description

디오에치시 디젤 엔진{DOHC DIESEL ENGINE}
본 발명은 디오에치시(DOHC; Double Overhead Camshaft) 디젤 엔진(diesel engine)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실린더 헤드(cylinder head) 및 이 실린더 헤드에 설치된 밸브 시스템(valve system)의 구조가 개선된 디오에치시 디젤 엔진에 관한 것이다.
디젤 엔진은 경유를 그 연료로 사용하며, 엔진의 작동방법에 따라 4행정 사이클 엔진과 2행정 사이클 엔진으로 대별한다. 그리고 디젤 엔진은 가솔린 엔진과 비교해서 연료 소비율이 낮고, 사용연료의 가격도 저렴하여 경제적이며, 또한 가솔린 엔진에서 나타나는 노킹(knocking) 문제도 없으므로 배기량을 크게 하여 대량의 연료를 공급하면 출력이 큰 엔진을 만들 수 있다. 따라서 트럭이나 버스 등 대형차량의 엔진으로는 가장 적합한 엔진이라 할 수 있다.
이러한 디젤 엔진중 특히 2개의 캠샤프트가 실린더 헤드 내에 배치되어 있는 구조로 이루어진 DOHC 디젤 엔진은, 밸브의 배치 방식이 탠덤(tandem), 패러렐(parallel), 또는 트위스트(twist) 형태로 이루어지고, 이에 전자식 디스트리뷰터 타입(distributor type) 연료 펌프를 사용하여 고압분사를 이용하는 구조가 주종을 이룬다.
상기와 같은 밸브 배치 방식중 탠덤 형식을 도 1에 나타내 보였다. 도시된 바와 같이 밸브의 탠덤 배치 구조는, 일반적으로 실린더 헤드(11)의 냉각 성능이 떨어지고, 흡기 및 배기 저항이 불리한 점이 있으며, 구조상 밸브(12)가 어느 정도 기울어져야 두 개의 캠샤프트(camshaft)(13, 14)를 구동할 공간이 마련되므로 밸브(12)의 기울어짐에 의한 연소실(미도시)의 데드 체적(dead volume)의 증대로 연소 측면에서도 불리하게 작용된다. 그리고 인젝터(injector)(15)를 커먼 레일(common rail) 식을 사용할 경우에는 인젝터(15)의 구조상 이 인젝터(15)를 헤드 커버(head cover)(16)에서 실링(sealing)하는 데에도 밸브 시스템의 레이아웃(layout) 상 상당한 제약을 받게 된다.
그리고 도 2에는 밸브의 배치가 패러렐 방식인 것이 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 이 패러렐 배치 방식의 경우, 실린더 헤드(21)의 냉각 성능은 향상되나, 냉시동성 향상을 위해 장착하는 글로 플러그(glow plug)(미도시)의 배치가 거의 불가능하여 이에 따른 냉시동성이 불리하고 흡기 및 배기포트(22, 23)가 복잡하여 흡기 및 배기 저항이 커지며, 디젤 엔진의 연소 특성상 필수적인 스월(swirl)(또는 와류) 방식의 흡기 유동에 불리하게 작용된다.
따라서 도 3에 도시된 바와 같이, 밸브의 배치는 트위스트 방식으로 하여 스월 형성을 높여 주고 글로우 플러그 장착 공간도 확보하여 흡기 및 배기 유동 측면에서도 원활하게 하는 것이 유리하다. 도 3에서 설명되지 않은 참조부호 31, 32, 33 및 34는 순서대로 실린더 헤드, 밸브, 로커 암 및 캠샤프트를 나타낸 것이다.
그러나, 도면에는 도시하지 않았지만, 이 경우 커먼 레일 식의 연료분사 시스템을 적용하여 연료분사 압력 및 소음 감소를 추구하기 위해서는 인젝터를 헤드 커버에서 실링(sealing)할 수 있도록 배치하는 것이 중요한데 헤드 커버 내에 뚜껑을 만들어 인젝터를 조립전 인젝터 클램프를 가조립하고 연료분사 인젝터를 끼운 다음, 인젝터 클램프의 뚜껑을 통해 보면서 조립하는 등의 조립 및 정비에 불리한 측면으로 작용한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 실린더 헤드 및 밸브 시스템의 구조를 개선하여 조립 및 정비가 용이해질 수 있도록 한 디오에치시 디젤 엔진을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1, 2 및 도 3은 일반적인 디오에치시 디젤 엔진중 밸브가 탠덤, 패러렐 및 트위스트 형식으로 배치된 상태를 각각 나타내 보인 개략적인 레이아웃(layout) 도면.
도 4는 본 발명에 따른 디오에치시 디젤 엔진의 일부 구성을 나타내 보인 개략적인 평면도.
도 5는 도 4에서 A-A 선을 따라 절개하여 나타낸 개략적인 단면도.
도 6은 배기측을 중심으로 하여 로커 암의 작동상태를 나타내 보인 도면.
도 7은 도 4에서 B-B 선을 따라 절개하여 나타낸 개략적인 단면도.
도 8은 인젝터를 지지하는 클램프의 평면 상세도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
40. 실린더 헤드 41. 흡기포트 42. 배기포트
43. 가이드 레일 44. 헤드 커버 45. 제1인젝터 설치부
50. 캠샤프트 캐리어 51. 제2인젝터 설치부 61. 흡기밸브
62. 배기밸브 63. 인젝터 64. 클램프
71. 스프라켓 72. 체인 80. 캠샤프트
91. 롱 로커 암 92. 쇼트 로커 암
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 디오에치시 디젤 엔진은, 일측에 공기가 유입되도록 형성된 흡기포트와, 상기 흡기포트와 연통되어 상기 공기가 상기 흡기포트로부터 유입되도록 형성된 연소실과, 상기 연소실 내의 연소가스가 배출되도록 형성된 배기포트가 구비된 실린더 헤드와; 상기 흡기포트 및 배기포트가 개폐되도록 상기 흡기 및 배기포트의 일측에 각각 설치된 흡기밸브와, 배기밸브와; 상기 실린더 헤드의 일측에 설치되어 상기 흡기 및 배기밸브가 개폐되도록 복수의 캠이 형성되고, 소정의 회동수단에 의해 동시에 회동되는 복수의 캠샤프트와; 상기 캠과 접촉되어 상기 흡기 및 배기밸브를 열어주도록 상기 실린더 헤드의 상부 쪽에 설치된 복수의 로커 암과; 상기 연소실에 연료가 분사되도록 그 하단이 상기 연소실을 향에 설치된 인젝터와; 상기 실린더 헤드의 상부에 설치되고, 그 상부에서 상기 인젝터의 탈, 장착이 이루어지도록 제1인젝터 설치부가 형성된 캠샤프트 캐리어; 상기 캠샤프트 캐리어의 상부에 설치되고, 상기 인젝터가 그 외부에서 설치될 수 있도록 제2인젝터 설치부가 형성된 헤드 커버;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 로커 암은, 소정 길이를 갖게 형성되어 흡기측 및 배기측에 복수개가 순차적으로 설치된 롱 로커 암과; 상기 롱 로커 암보다 그 길이가 짧고, 상기 롱 로커 암 사이에 번갈아 순차적으로 설치된 쇼트 로커 암;을 포함하여 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 디오에치시 디젤 엔진은, 고온이 된 공기에 직접 연료를 주입하여 자연 착화시키는 특징을 구비한 엔진으로서, 그 구성을 설명하기로 한다. 여기서는 일반적인 디오에치시 엔진의 구성 설명은 생략하고, 본 발명에 따른 특징부만을 상세히 설명하기로 한다.
도 4에는 본 발명에 따른 디오에치시 디젤 엔진의 구성의 일부를 개략적으로 나타내 보인 평면도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 4에서 A-A 선을 따라 절개하여 나타낸 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 그리고 도 6에는 배기측의 실린더 헤드 및 로커 암의 구성을 나타내 보인 단면도가 도시되어 있다.
도면을 각각 참조하면, 본 발명에 따른 디오에치시 디젤 엔진은, 실린더 헤드(40)와, 상기 실린더 헤드(40)의 상부에 설치되어 캠샤프트 캐리어(50)와, 상기 실린더 헤드(40) 일측에 공기가 유입될 수 있도록 형성된 흡기포트(41)와, 상기 흡기포트(41)와 연통되어 공기가 흡기포트(41)로부터 유입된 공간을 형성하는 연소실(미도시)과, 상기 연소실 내의 연소가스가 배출되도록 연소실과 연통 형성된 배기포트(42)와, 상기 흡기포트(41) 및 배기포트(42)가 개폐되도록 흡기포트(41) 및 배기포트(42)의 일측에 각각 설치된 흡기밸브(61) 및 배기밸브(62)와, 상기 실린더 헤드(40) 및 캠샤프트 캐리어(50)의 일측에 설치되어 흡기밸브(61) 및 배기밸브(62)가 개폐될 수 있도록 복수의 캠이 형성되고, 그 일단에 설치된 소정의 회동수단에 의해 동시에 회동되는 복수의 캠샤프트(80)와, 상기 캠샤프트(80)의 캠과 접촉되어 흡기밸브(61) 및 배기밸브(62)를 열어주도록 상기 실린더 헤드(40)의 상부 쪽에 설치된 복수의 로커 암과, 상기 연소실에 연료가 분사되도록 그 하단이 상기 연소실을 향에 설치된 인젝터(63)와, 상기 캠샤프트 캐리어(50)의 상부에 설치되고, 상기 인젝터(63)가 그 외부에서 설치될 수 있도록 제1인젝터 설치부(45)가 형성된 헤드 커버(44)를 포함하여 구성된다.
한편 여기서 연소실이라 함은, 주지의 사실이지만, 실린더 헤드(40), 실린더 라이너 및 피스톤으로 둘러싸인 주연소실 외에 그 측면에 한랭시의 시동을 용이하게 하는 글로 플러그(glow plug)가 장착되어 있는 예연소실을 포함한 것을 말한다. 그리고 상기 인젝터(63)는 예컨대 파이롯트(pilot) 분사 방식인 커먼 레일 인젝터(63)이다.
상기 캠샤프트(80) 각각에는 흡기밸브(61) 및 배기밸브(62)를 구동할 수 캠이 동시에 형성된다. 그리고 상기 캠샤프트 캐리어(50)는, 실린더 헤드(40)의 상부에 형성된 가이드 레일(43)에 설치되어 상기 캠샤프트(80)가 설치될 수 있도록 즉 종래의 실린더 헤드(40)의 상부의 역할을 하는 동시에 그 상부에서 인젝터(63)의 탈, 장착이 이루어지도록 제2인젝터 설치부(51)가 형성된다. 상기 제1인젝터 설치부(45)는 헤드 커버(44)의 일부를 절개하여 인젝터(63)가 설치될 수 있도록 한 개구로 이루어져 있고, 상기 제2인젝터 설치부(51)는 상기 인젝터(63)가 설치될 수 있도록 캠샤프트 캐리어(50)에 관통 형성된 삽입구로 이루어져 있다.
한편, 상기 캠샤프트 캐리어(50)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 로커 암이 작동될 때 간섭되지 않도록 간섭되는 부위가 제거되었다.
그리고 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 흡기포트(41) 및 배기포트(42)는 트위스트 방식으로 형성되어 있고, 상기 흡기밸브(61) 및 배기밸브(62)가 20。∼50。가 트위스트된 형태로 설치되거나, 직립된 상태로 설치된다. 또한 상기 로커 암은 흡기측 및 배기측에 복수개가 순차적으로 설치되어 있고 소정 길이를 갖는 롱(long) 로커 암(91)과, 상기 롱 로커 암(91)보다 그 길이가 짧고 롱 로커 암(91) 사이에 번갈아 순차적으로 설치된 쇼트(short) 로커 암(92)을 포함하여 구성된다. 이때, 상기 쇼트 로커 암(92)은 설치 공간상 종래와 같이 정밀주조법에 의해 형성되는 반면, 상기 롱 로커 암(91)은 소정 소재를 이용하여 수회에 걸친 프레싱 가공 즉, 스템핑 공법에 의해 가공 성형된다. 이러한 로커 암은 엔드 피봇 로커 암(end pivot rocker arm) 형식이다.
그리고 상기 회동수단은, 도 4 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 캠샤프트(80)의 일단부에 각각 고정 설치된 스프라켓(sprocket)(71)과, 상기 복수의 스프라켓(71)이 동시에 회전될 수 있도록 상기 스프라켓(71)에 지지 설치된 체인(chain)(72)을 포함하여 구성된다. 또한 도 5 및 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 인젝터(63)는 캠샤프트 캐리어(50)에 고정 설치되기 위해 상기 헤드 커버(44) 외부에 노출되게 클램프(clamp)(64)가 설치된다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 디오에치시 디젤 엔진의 작용을 설명하면 다음과 같다. 여기에서는 일반적인 디오에치시 디젤 엔진의 작용 설명은 생략하고, 본 발명의 특징에 따른 작용만을 설명하기로 한다.
도면을 다시 참조하면, 본 발명에 따른 디오에치시 디젤 엔진은, 실린더 헤드(40) 상부의 가이드 레일(43)에 후부 캠 베어링 역할을 하는 캠샤프트 캐리어(50)를 설치하여 실린더당 보통 6개정도 설치되는 헤드 볼트(head bolt) 등에 의한 공간 협소를 해소하므로 캠샤프트(80)의 설치는 물론 인젝터(63) 및 글로 플러그 설치공간을 확보할 수 있도록 한 것이다. 그리고 헤드 커버(44) 및 이 캠샤프트 캐리어(50)에 제1, 2인젝터 설치부(45, 51)가 설치되고, 클램프(64)가 헤드 커버(44) 외부에서 설치될 수 있어서 헤드 커버(44)나 실린더 헤드(40)를 분해하지 않아도 또는 헤드 커버(44)가 장착된 상태에서도 인젝터(63)를 탈거 및 장착할 수 있다.
또한 실린더 헤드(40)와 캠샤프트 캐리어(50)와 별도의 실링이 필요하지 않고, 캠샤프트 캐리어(50)는 로커 암과 간섭되는 부위가 제거되어 로커 암이 작동되는 데에는 지장을 주지 않는다.
그리고 상기 로커 암은 그 길이가 긴 롱 로커 암(91)과, 이 롱 로커 암(91)에 비해 그 길이가 짧은 쇼트 로커 암(92)이 흡기측 및 배기측에 번갈아 순차적으로 설치되어 인젝터(63)의 설치 공간이 도 4에 도시된 바와 같이 확보되고, 흡기밸브(61) 및 배기밸브(62)를 작동하는데 있어서, 두 개의 롱 및 쇼트 로커 암(91, 92)으로 동시에 사용할 수 있어서 로커 암의 공용화가 이루어지게 된다.
또한 하나의 캠샤프트(80)에는 흡기캠 및 배기캠이 형성되어 있어 하나의 캠샤프트(80)로 흡기밸브(61) 및 배기밸브(62)를 구동하도록 하여 로커 암의 길이를 최대한 축소하여 로커 암의 강성을 높일 수 있다. 그리고 상기 쇼트 로커 암(92)은 정밀주조법에 의해 제조되나, 상기 롱 로커 암(91)은 스템핑 공법에 의해 제조되므로 제조비용이 절감될 수 있다.
그리고 상기 흡기포트(41) 및 배기포트(42)가 트위스트 형식으로 형성되어 있어서, 스월 효과를 극대화시킬 수 있고, 특히 상기 흡기밸브(61) 및 배기밸브(62)가 상술한 바와 같은 구조 적용으로 20。∼50。까지 트위스트 설치가 가능하여 흡기 유동의 스월 효과를 극대화할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 디오에치시 디젤 엔진은 다음과 같은 효과를 갖는다.
트위스트 포트에 의한 엔진의 성능향상은 물론 글로 플러그가 설치될 수 있어서 냉시동성이 향상되며, 캠샤프트 캐리어가 실린더 헤드 내에 설치됨으로써 캠샤프트 캐리어와 실린더 헤드와 별도의 실링이 필요 없고 누설될 염려고 없다.
그리고 커먼 레일 인젝터의 적용으로 파이롯트 연료분사로 소음이 감소되고, 이 인젝터가 헤드 커버 외부에서 조립 및 분해될 수 있어서 수리가 용이해 진다.
또한 로커 암의 공용화가 가능하여 부품수가 줄어들고, 스템핑 공법에 의해 이 로커 암이 제조됨으로 코스트 다운이 이루어질 수 있다.
그리고 밸브 배치가 트위스트로 배치됨으로 스월 강도 향상에 의한 연소성능 향상으로 배기가스가 줄어 들 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 일측에 공기가 유입되도록 형성된 흡기포트와, 상기 흡기포트와 연통되어 상기 공기가 상기 흡기포트로부터 유입되도록 형성된 연소실과, 상기 연소실 내의 연소가스가 배출되도록 형성된 배기포트가 구비된 실린더 헤드와;
    상기 흡기포트 및 배기포트가 개폐되도록 상기 흡기 및 배기포트의 일측에 각각 설치된 흡기밸브와, 배기밸브와;
    상기 실린더 헤드의 일측에 설치되어 상기 흡기 및 배기밸브가 개폐되도록 복수의 캠이 형성되고, 소정의 회동수단에 의해 동시에 회동되는 복수의 캠샤프트와;
    상기 캠과 접촉되어 상기 흡기 및 배기밸브를 열어주도록 상기 실린더 헤드의 상부 쪽에 설치된 복수의 로커 암과;
    상기 연소실에 연료가 분사되도록 그 하단이 상기 연소실을 향에 설치된 인젝터와;
    상기 실린더 헤드의 상부에 설치되고, 그 상부에서 상기 인젝터의 탈, 장착이 이루어지도록 제1인젝터 설치부가 형성된 캠샤프트 캐리어;
    상기 캠샤프트 캐리어의 상부에 설치되고, 상기 인젝터가 그 외부에서 설치될 수 있도록 제2인젝터 설치부가 형성된 헤드 커버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 디오에치시 디젤 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흡기포트 및 상기 배기포트가 트위스트 방식으로 구비되고, 상기 흡기밸브 및 상기 배기밸브가 20。∼50。가 트위스트된 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 디오에치시 디젤 엔진.
  3. 제1항에 있어서, 상기 로커 암은,
    소정 길이를 갖게 형성되어 흡기측 및 배기측에 복수개가 순차적으로 설치된 롱 로커 암과;
    상기 롱 로커 암보다 그 길이가 짧고, 상기 롱 로커 암 사이에 번갈아 순차적으로 설치된 쇼트 로커 암;을 포함하여 된 것을 특징으로 하는 디오에치시 디젤 엔진.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 롱 로커 암은 스템핑 공법에 의해 가공된 것을 특징으로 하는 디오에치시 디젤 엔진.
  5. 제1항에 있어서, 상기 회동수단은,
    상기 복수의 캠샤프트의 일단부에 각각 고정 설치된 스프라켓과;
    상기 복수의 스프라켓이 동시에 회전될 수 있도록 상기 스프라켓에 설치된 체인;을 포함하여 된 것을 특징으로 하는 디오에치시 디젤 엔진.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 인젝터는 상기 캠샤프트 캐리어에 고정 설치되기 위해 상기 헤드 커버 외부에 노출되게 설치된 클램프를 더 포함하여 된 것을 특징으로 하는 디오에치시 디젤 엔진.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 캠샤프트 각각에는 상기 흡기밸브 및 상기 배기밸브를 구동할 수 있는 흡기캠 및 배기캠이 동시에 형성된 것을 특징으로 하는 디오에치시 디젤 엔진.
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