KR20020079355A - 내부 보어 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

수냉식 엔진의 실린더 블록의 내부 보어 가교부를 냉각하기 위한 방법으로서, 내부 보어 가교부는 최소 폭을 갖는 중심 영역과 상부면을 갖고, 실린더 블록은 워터 재킷을 갖고, 냉각 시스템은 중심 영역에 인접한 내부 보어 가교부의 상부로부터 워터 재킷으로 연장되는 적어도 하나의 워터 통로를 포함한다. 냉각 시스템을 형성하기 위한 방법과 이로 인해 형성된 실린더 블록이 또한 개시되어 있다.

Description

내부 보어 냉각 시스템{INTERBORE COOLING SYSTEM}

본 발명은 수냉식 엔진의 냉각 시스템의 개선에 대한 것이고, 양호하게는 이로 제한되지 않으나, 이러한 수냉식 엔진의 내부 보어 가교부의 상부 영역을 냉각시키기 위한 냉각 시스템에 관한 것이다.

실린더 블록의 두 개의 실린더 사이의 협소한 구조는 내부 보어 가교부(interbore bridge)로 공지되어 있다. 이곳은 큰 열 집중이 있다. 이러한 영역은 높은 표면 대 체적률을 갖고, 고열원에 노출되면 손쉽게 과열된다. 열원은 실린더 내의 연소로부터 나타날 수 있고, 또한 피스톤 조립체와 실린더 벽 사이의 마찰로부터 나타날 수도 있다.

실린더 벽의 표면 온도가 내부 보어 가교부에서 180℃에 도달할 때 문제들이 발생될 수 있다. 이러한 온도에서, 윤활유, 특히 광물성 오일은 성능 저하를 경험할 수 있다. 윤활유의 저하는 피스톤과 실린더 벽 사이의 마찰을 상당히 증가시킬 수 있다. 이는 예를 들어, 피스톤의 손상과, 실린더 벽과 피스톤 링의 과도한 마모와 같은 다른 문제들을 야기할 수 있다.

알루미늄으로 만들어진 실린더 블록은 온도가 220℃를 초과할 때 부가적인 문제들을 야기할 수 있다. 이러한 온도 및 그 이상의 온도에서, 알루미늄은 강도가 약해진다. 열에 약해진 구조와 열 팽창에 의한 과도한 보어의 비틀림은 전체 엔진의 기능성에 문제가 있을 수 있다. 높은 열 부하는 또한 금속의 온도가 정상으로 복귀해도 구조가 원래의 특성을 잃게 될 수 있다.

내부 보어의 과열을 극복하기 위해, 많은 형태의 내부 보어 냉각 시스템이 제안되었는데, 이는,

1) 상부면의 전체 절단 절삭(full saw cut)과,

2) 워터 통로의 각 측면에 한 번씩, 상부면의 이중 절단 절삭(double sawcut)과,

3) 내부 보어 가교부의 각 단부로부터 연장하는 단을 갖는 보어 직경의 상부면으로부터 교차 드릴가공된 통로(cross-drilled passages)와,

4) 주조제 워터 통로(cast water passages)와,

5) 유리 코어(glass core)의 사용에 의해 생성된 워터 통로를 포함한다.

각각의 시스템은 그 자체의 장점과 단점이 있다. 임의의 특정한 설계를 선택하기 전에 고려해야 하는 많은 변수가 있고, 하나의 특정한 설계는 특정한 응용예에서 작동될 수 있으며, 다른 예에는 반드시 필요하지는 않다.

하나의 엔진 블록이 많은 다른 응용예에 사용될 수 있는 것이 일반적인 추세이다. 몇몇 응용예에서, 고성능의 제한된 생산 엔진뿐 아니라 비교적 저성능의 대량 생산 엔진에도 엔진 블록이 사용된다.

일반적으로, 전술한 두 가지 모두 엔진 부품의 최대 공통성을 유지한다. 서로 상이한 부품들은 흡기 및 배기 시스템 그리고 캠 샤프트를 들 수 있다.

동일한 실린더 블록이 최소한의 변경으로 고성능 및 저성능 엔진용에 사용될 수 있도록 하기 위해서는, 실린더 라이너를 갖춘 실린더 블록은 하나의 가능한 선택안이다. 그러나, 고성능 엔진은 내부 보어 가교부를 냉각시키기 위한 내부 보어 냉각 시스템을 요구한다. 한편, 저출력 엔진은 내부 보어 냉각을 필요로 하지 않는다.

그러므로, 내부 보어를 냉각시키기 위해 몇 가지 선택안을 고려해야만 한다. 주조제 워터 통로와 교차 드릴가공된 통로는 종종 예를 들어 8㎜의 내부 보어 가교부가 2-4-2㎜의 라이너-알루미늄-라이너 구성을 가져서 종종 거부된다. 두 라이너 사이의 금속의 두께는 주조제 워터 통로를 갖기에 충분하지 않고, 교차-드릴가공 통로가 통과하기에 불충분하다.

그러나, 전체 절단 절삭, 이중 절단 절삭 및 유리 코어 등과 같은 내부 보어 냉각은 사용 가능하다. 전체 절단 절삭은 라이너를 갖는 실린더 블록에 광범위하게 사용된다. 정확해야하는 주조 공정 또는 기계 가공 중에 톱에 부적절한 부하 또는 손상을 피하기 위해 100% 초음파 검사가 요구되는 것을 제외하고는, 기계 가공 공정은 매우 간단하다. 전체 절단 절삭이 갖는 또 다른 문제는 이것이 고가의 가스켓을 요구하는 바와 같이 밀봉에 관한 것이다. 상부 데크에서의 개구가 양호한 밀봉을 요구하기 때문에 누설이 또한 야기할 수 있다. 게다가, 개구는 내부 보어 가교부의 강도를 약하게 하고, 엔진 작동 중에 열 및 기계적인 부하로 보어 비틀림이 일어나기 쉽다.

이중 절단 절삭에서, 내부 보어 가교부의 양 측면은 내부 보어 가교부의 중심에서 최고온 지점에 근접하여 물의 유동을 끌어들이기 위해 절단 절삭된다. 실린더 헤드는 또한 실린더 블록에서 절단 절삭으로부터 물의 유동을 연결시키기 위해 기계 가공된다. 이러한 설계는 특히 실린더 헤드에 긴 기계 가공 시간을 요구한다.

실린더 라이너 사이에 워터 통로를 생성할 수 있는 유리 코어를 사용하는 선택안이 제안되었다. 이러한 공정은 아직 생산에 도입되지 못했다. 이러한 공정은 또한 고가이고, 정확하게 제어되어야 한다. 유리 코어는 이를 제거하기 위해 고속의 워터 제트가 요구된다.

컴퓨터 보조 엔지니어링(Computer Aided Engineering)의 결과로부터, 내부 보어 가교부의 상부 영역의 중심이 최고온 지점이고, 피스톤 링 이동 경로의 대략 40%를 커버한다는 것이 결정되었다. 피스톤 행정의 대략 40% 이후에 가열 플럭스가 비약적으로 감소되도록 개시된다. 그러므로, 교차-드릴가공 통로는 내부 보어 가교부의 최고온 부분에 있지 않으므로 냉각이 요구되는 곳에 냉각을 제공하는 데 매우 효율적이지 못하다. 게다가, 이들은 복잡하고 비교적 고가의 드릴링 작동을 요구한다.

그러므로, 본 발명의 주된 목적은 비교적 낮은 제조 비용과 시간으로 비교적 높은 수준의 냉각을 제공하기 위한 수냉식 엔진용 내부 보어 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

도1은 본 발명의 제1 형상의 실린더 블록의 부분 평면도.

도2는 도1의 선 2-2를 따라 취한 수직 단면도.

도3은 도1에 상응하는 본 발명의 제2 형상을 도시한 도면.

도4는 도2에 상응하는 본 발명의 제2 형상을 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 실린더 블록

12: 통로

14: 라이너

16: 워터 재킷

20: 내부 보어 가교부

22: 중심축

전술한 목적들과 다른 목적들에 따라, 본 발명은 수냉식 엔진의 실린더 블록의 내부 보어 가교부 냉각용 냉각 시스템을 제공하고, 내부 보어 가교부는 최소 폭을 갖는 중심 영역 및 상부면을 포함하고, 실린더 블록은 워터 재킷을 갖추고 있으며, 냉각 시스템은 중심 영역 또는 그의 내부 또는 그에 인접하여 내부 보어 가교부의 상부로부터 워터 재킷으로 연장하는 적어도 하나의 워터 통로를 포함한다.

양호하게도, 중심 영역의 각 측면에 하나씩 두 개의 워터 통로가 있고, 워터 재킷은 각각의 워터 통로가 통과하는 두 개의 편평한 표면을 포함하고, 편평한 표면은 실질적으로 물 표면과 직각이다.

더 양호하게는, 워터 통로는 중심 영역의 수직 축과 협각을 갖고, 협각은 90°미만이고, 양호하게는 3°내지 30°이고, 더욱 양호하게는 5°내지 25°이고, 또는 5°또는 25°이다.

유리하게도, 각각의 워터 통로는 그의 길이를 따라 일정한 직경을 갖고, 일정한 직경은 양호하게는 1㎜ 내지 3㎜의 범위 내에 있고, 더 양호하게는 2㎜이다.

더욱 유리하게는, 워터 통로는 단이 없고, 단을 갖는 드릴링 공정을 포함하지 않는 드릴링 공정에 의해 형성된다.

본 발명은 또한 전술한 냉각 시스템을 갖는 실린더 블록에 대한 것이다.

다른 태양에서, 본 발명은 내부 보어 가교부를 냉각하기 위한 실린더 블록 내의 적어도 하나의 냉각 통로를 형성하는 방법을 제공하고, 내부 보어 가교부는 상부면을 갖고 실린더 블록은 워터 재킷을 갖고, 이러한 방법은 적어도 하나의 워터 통로를 최소 폭을 갖는 중심 영역 그의 내부 또는 그에 인접한 상부면으로부터 워터 재킷까지 연장하는 드릴링하는 단계를 포함한다.

양호하게도, 중심 영역의 각각의 측면에 하나씩 두 개의 워터 통로가 있고, 워터 재킷은 각각의 워터 통로가 통과하는 두 개의 편평한 표면을 포함하고, 이러한 표면은 실질적으로 워터 표면과 직각이다.

유리하게도, 워터 통로는 중심 영역의 수직 축과 협각을 갖고, 협각은 90°미만이고, 양호하게는 3°내지 30°이고, 더욱 양호하게는 5°내지 25°이고, 또는 5°또는 25°이다.

양호하게도, 각각의 워터 통로는 그의 길이를 따라 일정한 직경을 갖고, 더 양호하게는 1㎜ 내지 3㎜의 범위 내에 있고, 또는 2㎜일 것이다.

더 양호하게는, 워터 통로는 단을 갖지 않고 단을 갖는 드릴링 공정을 사용하지 않고 드릴가공된다.

본 발명이 손쉽게 이해되고 실제적인 효과를 얻기 위해, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명은 본 발명의 양호한 실시예로만 사용되고 이에 제한되지 않는 예에 의해 설명될 것이다.

도1 및 도2는 실린더 블록(10)의 경사진 드릴가공 통로(12)를 도시하고 있으며, 통로(12)는 서로 교차하지 않는다. 블록(10)은 각각 2㎜의 라이너(14)를 갖는 다수 개의 보어(24)를 갖는다. 드릴가공 통로(12)가 제조된 후에, 2.5㎜의 금속과 2㎜의 라이너가 남아있다. 4㎜의 최소 가스켓 폭과 함께, 전술한 간격이 충분한 밀봉을 제공한 것이다. 헤드 볼트 구멍(26)과 워터 재킷 개구(28)는 통상적으로 제공된다.

워터 재킷(16)과 각각의 라이너(14) 사이의 적어도 4㎜의 금속을 제공하기 위해, 가장 근접한 워터 재킷(16)은 내부 보어 가교부(20) 중심(18)의 중심축(22)이 대략 12㎜가 되도록 얻을 수 있다. 도시된 바와 같이, 통로의 상부(38)는 열 집중이 가장 큰 영역인 중심(18)에 인접해있다. 그러나, 이는 중심 영역(18) 또는 그 내부에 있을 수 있다.

도2에서, 워터 재킷(16)은 워터 통로(12)에 직각인 표면(30)을 제공하도록 연장된다. 표면(30)은 비교적 평평하고 드릴 비트가 초기 방향으로 유지되도록 보장하고, 손상의 가능성과 짧은 공구 수명을 감소시키는 것이 요구된다. 표면(30)은 워터 재킷(16)을 수직 축(22) 쪽으로 연장시킨다.

도3 및 도4에서 알 수 있는 바와 같이, 라이너(14) 없이 워터 재킷(16)은 중심(18) 쪽으로 보다 연장될 수 있다. 실린더 벽 표면에 최소 4㎜의 금속을 고려하면, 워터 재킷(16)은 수직 축(22)에 대략 11㎜ 만큼 근접할 수 있다.

경사진 드릴가공 통로(12)는 가장 큰 열 집중이 위치된 중심(18)에 가능한 한 근접하게 냉각수 유동을 도입함으로써 내부 보어 가교부의 중심을 냉각시킨다. 중심(18)에 가능한 근접하게 냉각수를 도입하기 위해, 통로(12)의 최소 직경은 내부 보어 가교부(20)의 중심(18)에 근접을 의미한다. 기계 가공 가능성을 고려하여, 1㎜ 내지 3㎜, 양호하게는 2㎜의 드릴이 사용된다. 그러므로, 실린더 헤드에서의 종래의 장형 부재 제거 공정은 그 길이를 따라 비교적 일정한 직경의 통로를 제공하기 위한 단이 없는 드릴링 공정을 사용한 두 개의 단순한 드릴가공 통로(12)로 대체될 수 있다. 이러한 통로(12)는 실린더 블록(10)의 두 개의 경사진 통로(34)와 연결될 수 있다. 이러한 방식으로, 냉각수는 실린더 블록(10)과 실린더 헤드 내로 통로(34)를 통해 통과할 것이고, 다음에 실린더 헤드 워터 재킷으로 분배될 것이다. 통로(34)는 워터 재킷 코어와 일체식이다. 이러한 방식으로, 블록(10)을 주조하는 동안 통로(34)가 생성될 것이다. 그러므로, 통로(12) 만이 드릴가공될 것이다.

실린더 블록 워터 재킷(16)은 드릴가공된 워터 통로(12)에 직각인 편평한 표면(30)을 제공하기 위해 변경된다. 이에 따라, 드래프트 분할선(draft spiltline)은 드릴이 관통하는 곳에 인접한 평면으로부터 시작된다. 이로 인해, 워터 재킷(16)은 드릴 깊이에 의해 커버되지 않는 영역을 냉각시키기 위해 중심에 근접하게 도입된다.

본 발명은 라인이 없는 보어(24)를 갖는 실린더 블록용과 또한 라이너(14)를 갖는 실린더 블록(10)용으로 적합하다. 그러나, 라이너(14)를 갖는 실린더 블록(10)에는 경사진 드릴가공 통로(12)를 사용하는 것이 효과적이다. 이는 냉각 능력이 라이너(14)의 위치에 의해 제한되지 않기 때문이다. 대신에, 냉각 성능은 최소 가스켓 폭에 의해 결정된다.

한편, 라이너(14)의 사용은 보어(24)의 표면(32), 워터 재킷(16)과 통로(12) 사이의 열 전달을 낮춘다. 그러므로, 통로(12)는 라이너(14)를 갖는 실린더 블록(10)에 주어진 대략 20 내지 30℃의 온도 감소의 냉각 능력에 상당한 개선을 나타낸다.

라인이 없는 보어(24)의 경우에, 열 전달은 알루미늄이 주철 라이너(14)에 비해 더 높은 열 전달계수를 갖기 때문에 더 우수하다. 모금속(parent metal) 보어(24)의 사용은 라이너(14)를 갖는 실린더 블록(10) 이상의 20 내지 30℃ 높은 감소를 나타낸다. 그러므로, 통로(12)의 추가는 부가로 20 내지 30℃의 온도를 더 낮출 것이다.

다른 형상의 내부 보어 냉각과 비교하여, 통로(12)는 단순한 제조 방법을 나타낸다. 워터 통로(12)에 대한 단이 없는 드릴링 공정을 사용함으로써, 드릴 깊이는 최소화되고, 제조 비용은 감소된다. 5축 드릴이 통로(12)를 드릴가공하는데 사용될 수 있기 때문에 기계 가공 시간은 비교적 짧아진다. 이는 드릴을 관통시키기 위해 존재해야하는 통로(14)와 직각인 평면이 요구되는 주조 중에 생성되어야 하는 특정한 형상은 필요로 하지 않는다. 게다가, 교차 드릴가공된 통로에 사용되는 바와 같이 복수의 상이한 크기의 드릴 비트가 아니라, 단일 드릴 비트가 각각의 통로용으로 사용된다. 게다가, 광범위한 밀링 또한 피할 수 있고, 또한 제조 비용의 감소를 조력할 수 있다.

본 발명의 양호한 실시예의 전술한 설명에서 설명되는 동안, 설계 또는 구조의 상세한 변경의 다양한 변형은 본 발명에서 벗어남 없이 실시될 수 있음이 당업자에 의해 이해될 것이다.

본 발명에 따른 수냉식 엔진용 내부 보어 냉각 시스템으로 인해 비교적 높은 수준의 냉각을 비교적 저렴한 제조 비용과 시간으로 제공할 수 있다.

Claims (24)

1. 수냉식 엔진의 실린더 블록의 내부 보어 가교부를 냉각시키기 위한 냉각 시스템으로서, 상기 내부 보어 가교부는 최소 폭의 중심 영역 및 상부면을 갖고, 상기 실린더 블록은 워터 재킷을 갖추고 있는 냉각 시스템에 있어서,

   상기 중심 영역 또는 그 내부 또는 그에 인접하여 내부 보어 가교부의 상부로부터 워터 재킷으로 연장되는 적어도 하나의 워터 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
2. 제1항에 있어서, 중심 영역의 각 측면에 하나씩의 두 개의 워터 통로를 갖는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
3. 제2항에 있어서, 워터 재킷은 각각의 워터 통로가 통과하는 두 개의 편평한 표면을 포함하고, 상기 편평한 표면은 워터 통로에 실질적으로 직각인 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 워터 통로는 중심 영역의 수직 축과 협각을 갖고, 상기 협각은 90°미만인 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
5. 제4항에 있어서, 상기 협각은 3°내지 30°의 범위 내에 있는 것을 특징으로하는 냉각 시스템.
6. 제4항에 있어서, 상기 협각은 5°내지 25°의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 협각은 5°내지 25°를 포함하는 목록으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 워터 통로는 그의 길이를 따라 일정한 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
9. 제8항에 있어서, 일정한 직경은 1㎜ 내지 3㎜의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 일정한 직경은 2㎜인 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
11. 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 워터 통로는 단이 없는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 실린더 블록, 레더프레임(ladderframe) 또는 베드플레이트(bedplate)에 포함된 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
13. 내부 보어 가교부를 냉각하기 위해 실린더 블록 내의 적어도 하나의 냉각 통로를 형성하기 위한 방법으로서, 내부 보어 가교부는 상부면을 갖고 실린더 블록은 워터 재킷을 갖는 냉각 통로 형성 방법에 있어서,

    최소 폭을 갖는 중심 영역 또는 그 내부 또는 그에 인접하여 상부면으로부터 워터 재킷까지 연장되도록 적어도 하나의 워터 통로를 드릴링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제13항에 있어서, 중심 영역의 각각의 측면에 하나씩의 두 개의 워터 통로를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제14항에 있어서, 각각의 워터 통로가 통과하는 워터 재킷 상에, 상기 워터 통로에 수직인, 두 개의 편평한 표면을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 워터 통로는 중심 영역의 수직 축과 협각을 갖고, 상기 협각은 90°미만인 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 협각은 3°내지 30°의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제16항에 있어서, 상기 협각은 5°내지 25°의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제18항에 있어서, 상기 협각은 5°내지 25°를 포함하는 목록으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 워터 통로는 그의 길이를 따라 일정한 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제20항에 있어서, 상기 일정한 직경은 1㎜ 내지 3㎜의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 제20항 또는 제21항에 있어서, 상기 일정한 직경은 2㎜인 것을 특징으로 하는 방법.
23. 제14항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 워터 통로는 단이 있는드릴링 공정을 사용하지 않고 드릴가공되는 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제12항 내지 제23항 중 어느 한 항의 방법에 의해 형성되고 실린더 블록, 레더프레임 또는 베드프레임에 포함된 냉각 시스템.