KR20130037981A - 실린더헤드의 배기포트 구조 - Google Patents

실린더헤드의 배기포트 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실린더헤드의 복수개의 배기포트를 연통하는 연통관을 구비하여 배기매니폴드 기능을 하도록 일체적으로 구성한 실린더헤드의 배기포트 구조에 있어서, 상기 연통관에 EGR라인이 연장되어 일체적으로 형성되고, 상기 배기포트 각각은, 상기 배기구를 기준으로 동일하거나 대칭적인 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 실린더헤드의 배기포트 구조에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면 실린더헤드의 중량이 감소되고, 제조 비용이 절감되며, EGR률 및 T/C효율이 상승되는 효과가 있다.

Description

실린더헤드의 배기포트 구조{EXHAUST PORT STRUCTURE OF CYLINDER HEAD}
본 발명은 실린더헤드의 배기포트 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 중량 저감 및 효율 향상을 위하여 배기매니폴드를 일체형으로 구성한 실린더헤드의 배기포트 구조에 관한 것이다.
디젤엔진의 경우 배기계의 구성은 배기포트가 형성된 실린더헤드와 배기매니폴드 및 터보차저로 구성된다.
고온의 배기가스에 의한 열부하로 인하여 배기매니폴드의 경우 SUS계열의 고가 재질이 적용되어 지고 있으며, 중량 또한 3kg 이상인 경우가 대부분이다. 따라서 중량을 감소시키고 내구성을 향상시키기 위하여 배기매니폴드를 실린더헤드의 배기포트에 일체적으로 구성한 배기매니폴드 일체형 실린더헤드가 제시되고 있다.
도 1의 경우 배기매니폴드가 배기포트에 일체적으로 구성된 종래기술의 실시예를 도시한 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이 종래기술의 경우 1번 기통(C1)과 4번 기통(C4)에 연결된 배기포트(1,4)와 2번 기통(C2)과 3번 기통(C3)에 연결된 배기포트(2,3)의 형상에서 차이가 발생하여 배기포트의 유량계수(Cf)의 편차가 크게 발생하게 되는 문제가 있다. 배기포트의 유량계수(Cf)는 연소 후 연소실에서 유입되는 배기가스의 유량과 최종 배기구에서의 유량비를 의미하는 것으로서, 각 기통간의 유량계수 편차가 작을수록 EGR(배기가스재순환)률 및 T/C 효율 등에 있어서 유리하게 된다. 그런데 도 1에 도시된 종래기술의 경우에는 상술한 바와 같이 배기포트의 형상 및 길이의 차이에 의해 유동경로가 상이하게 되고 이로 인해 유량계수의 편차가 크게 발생되어 EGR률 및 T/C 효율 등이 저하되는 문제가 발생한다.
또한, 도 1에 도시된 종래기술의 경우 1, 2, 3, 4번 기통(C1,C2,C3,C4)에 연결된 배기포트(1,2,3,4)의 출구가 서로 인접하여 격벽 구조(S)를 형성함으로써 배기가스에 의해 열부하 증대시 헤드 크랙 발생 확률이 높아지는 문제가 있다.
또한, 도 1에 도시된 종래기술의 경우 배기구가 2번 기통(C2)과 3번 기통(C3) 가운데 부분에 위치하여 터보차저가 적용되는 디젤엔진의 경우에는 적용되기 어려운 구조가 된다. 즉, 차량의 탑재성 및 엔진 레이아웃상 디젤엔진의 경우 3번 기통(C3)과 4번 기통(C4) 사이에 터보차저가 장착되는 것이 유리한데, 상기와 같은 종래기술의 경우에는 배기구가 2번 기통(C2)과 3번 기통(C3) 사이에 형성되어 있어 터보차저가 적용되는 디젤엔진의 경우에는 적용하기 어려운 문제가 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 실린더헤드의 중량을 감소시킬 수 있고, EGR률 및 T/C효율을 향상시킬 수 있으며, 헤드 크랙 발생 확률을 낮출 수 있는 실린더헤드의 배기포트 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명의 실시예에서는 실린더헤드의 배기포트 구조를 제공한다. 몇몇 실시예에서, 상기 실린더헤드의 배기포트 구조는, 실린더헤드의 복수개의 배기포트를 연통하는 연통관을 구비하여 배기매니폴드 기능을 하도록 일체적으로 구성한 실린더헤드의 배기포트 구조에 있어서, 상기 연통관에는 EGR라인이 연장되어 일체적으로 형성되고, 상기 배기포트 각각은 상기 배기구를 기준으로 동일하거나 대칭적인 형상으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 연통관으로부터 연장된 배기구는 터보차저의 입구에 대응하는 위치에 형성되는 것을 특징으로 특징으로 할 수 있다.
상기 EGR라인은, 상기 연통관에서 상기 배기부가 형성되어 있는 측면에서 연장되어 형성되는 것을 특징으로 특징으로 할 수 있다.
상기 배기포트 각각의 출구부는, 상기 연통관에서 소정 간격으로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 특징으로 할 수 있다.
상기 연통관은, 소정의 폭과 높이를 가지는 직육면체형의 관인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 실린더헤드의 배기포트 구조는 디젤엔진에 적용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면 배기매니폴드를 실린더헤드의 배기포트에 일체적으로 형성한 것에 더하여 EGR라인 까지도 일체적으로 형성함으로써 EGR라인을 위한 별도의 파이프 삭제가 가능해지므로 실린더헤드의 중량이 감소되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 경우 배기포트 각각이 배기구를 기준으로 동일하거나 대칭적인 형상으로 형성되므로 EGR률 및 T/C 효율이 향상되고, 상기 배기포트 각각이 소정 간격만큼 이격되어 배치됨으로써 배기포트 사이에 격벽 구조가 형성되지 않게 하여 헤드 크랙 발생을 방지하는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 실린더헤드의 배기포트 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 실린더헤드의 배기포트 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 실린더헤드의 배기포트 구조의 제어인자를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 실린더헤드의 배기포트 구조의 제어인자를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 실린더헤드의 배기포트 구조의 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예에 따른 실린더헤드의 배기포트 구조는 도 2에 도시된 바와 같이 실린더헤드의 복수개의 배기포트(11,12,13,14)를 연통하는 연통관(20)을 구비하여 배기매니폴드 기능을 하도록 일체적으로 구성하고, 상기 연통관(20)에 EGR(Exhaust Gas Recirculation)라인(30)이 연장되어 일체적으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명의 경우 배기매니폴드를 배기포트(11,12,13,14)에 일체적으로 형성한 것에 더하여 EGR라인(30)까지도 일체적으로 형성함으로써 EGR라인(30)을 위한 별도의 파이프 삭제가 가능해지므로 실린더헤드의 중량 감소에 기여하게 된다.
실제로 승용차 디젤엔진을 기준으로 실험하고 해석한 결과 1.74kg 정도의 중량이 감소되는 것으로 나타났고, 비용적인 측면에서도 배기매니폴드 삭제 및 실린더헤드의 가공 공정 감소 등으로 인하여 엔진당 47,000원 이상의 원가절감이 가능한 것으로 나타났다.
여기서, 상기 각각의 배기포트(11,12,13,14)는 두 갈래로 분기된 포트(11a와 11b, 12a와 12b, 13a와 13b, 14a와 14b)가 상기 연통관(20)과 연결되는 부분에서 하나의 출구부(11c,12c,13c,14c)로 합쳐지도록 구성되며, 상기 배기포트(11,12,13,14)는 배기구(40) 방향을 향해 만곡 형성된다. 이를 위해서 도 2에 도시된 바와 같이 분기된 각 포트 중 하나(11b,12b,13b,14a)는 직선형으로 형성하며 다른 하나(11a,12a,13a,14b)는 배기구(40) 방향으로 곡선으로 휘어지도록 형성할 수 있다.
또한, 복수의 배기포트 각각은 동일하거나 대칭적인 형상을 가지도록 형성하는 것이 바람직하다. 도 2에 실시예로 도시된 바와 같이 1, 2, 3번 기통(C1,C2,C3)과 연결되는 배기포트(11,12,13)의 경우에는 동일한 형상을 가지도록 형성되고, 4번 기통(C4)과 연결되는 배기포트(14)는 1, 2, 3번 기통과 연결되는 배기포트(11,12,13)와 대칭적인 형상을 가지도록 형성된다. 그 이유는 배기구(40)가 3번 기통(C3)과 4번 기통(C4) 사이에 위치하기 때문에 4번 기통(C4)과 연결되는 배기포트(14)의 경우에는 휘어지는 방향이 1, 2, 3번 기통(C1,C2,C3)과 연결되는 배기포트(11,12,13)와 반대방향이 되기 때문이다.
그러나 상기와 같이 대칭적인 형상을 갖는다고 하여도 실질적으로는 동일한 형상과 같은 효과가 있다. 즉, 본 발명에서 각각의 배기포트(11,12,13,14)의 형상을 동일하게 하는 이유는 배기포트 유량계수(Cf)의 편차를 작게하여 EGR(배기가스재순환)률과 T/C 효율을 향상시키기 위함인데, 상기와 같이 배기구(40) 반대방향에 위치한 배기포트(14)의 형상을 대칭적으로 형성함으로써 배기구(40)를 기준으로 보면 실질적으로는 유체의 유동경로가 동일하게 되는 것이므로 유량계수(Cf)의 편차를 작게 하는 효과가 있기 때문이다.
여기서, 배기포트 유량계수(Cf)는 연소 후 연소실에서 유입되는 배기가스의 유량과 최종 배기구(40)에서의 유량비를 의미하는 것으로서, 유량계수의 편차는 작을수록 EGR률 및 T/C효율 등에 있어 유리하며, 유량계수의 크기는 클수록 배압측면에서 유리한 효과가 있다.
또한, 상기 배기포트의 출구부(11c,12c,13c,14c) 각각은, 상기 연통관(20)에서 소정 간격만큼 이격되어 배치되는 것이 바람직하다. 도 2에 실시예로 도시된 바와 같이 각각의 배기포트의 출구부가 출구부의 크기 정도의 간격만큼 이격되어 연통관(20)에 배치됨으로써 기통간 격벽이 생기지 않도록 한다. 도 1에 도시된 종래기술의 경우와 비교하여 보면 종래기술의 경우에는 각각의 기통(1,2,3,4)이 인접하게 형성되어 기통 사이에 격벽(S)이 형성되므로 배기가스에 의해 열부하가 증대되면 이 부분에서 헤드 크랙이 발생할 확률이 높다. 그러나 상기 도 2에 실시예로 도시된 본 발명의 경우에는 각 기통 사이가 소정 간격만큼 이격되어 있으므로 각 기통(C1,C2,C3,C4) 사이에서 격벽이 형성되지 않고 배기가스에 의해 열부하가 집중되지 않는 구조가 되어 헤드 크랙 발생 확률이 현저하게 감소된다.
한편, 도 2에 실시예로 도시된 바와 같이 상기 연통관(20)은 소정의 폭(D)과 높이(C)를 가지는 직육면체형의 관으로 형성할 수 있다. 연통관(20)의 폭(D)과 높이(C)는 배기포트의 크기, 구조 등에 따라서 다양하게 변경하여 적용할 수 있으나 승용차의 디젤엔진에 사용되는 범위에서는 실험적으로 연통관(20)의 높이(C)는 23~25mm 범위에서 형성하고, 연통관(20)의 폭(D)은 38~42mm 범위에서 형성하는 것이 유량계수의 크기 및 T/C 효율 등에 있어 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 실린더헤드의 배기포트 구조는 상기 배기구(40)가 엔진의 터보차저의 입구에 대응하는 위치로 편향되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
차량의 탑재성 및 엔진 레이아웃상 디젤엔진의 경우 도 2에 도시된 3번 기통(C3)과 4번 기통(C4) 사이에 터보차저가 장착되는 것이 유리한데, 이러한 구조를 반영하여 연통관(20)에서 연결되는 배기구(40)를 터보차저 입구측에 대응되는 위치로 편향시킴으로써 디젤엔진에도 적용될 수 있도록 한 것이다.
아울러, 상기와 같이 편향된 배기구(40)의 위치를 고려하여, 상기 EGR라인(30)의 경우에도 실시예로서 도 2 또는 도 5에 도시된 바와 같이 상기 연통관(20)에서 상기 배기부가 형성되어 있는 측면을 따라 연장되도록 형성하는 것이 바람직하다. 배기가스 재순환을 위해서 배기구(40)에 인접한 위치에 형성하는 것이 유리하기 때문이다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 실시예에 따른 실린더헤드의 배기포트 구조는 DFSS(Design For Six Sigma)기법을 이용하여 최적구조를 선정할 수 있으며, 도 3내지 도4에 도시된 바와 같이 상기 배기포트(11,12,13,14)가 아래쪽으로 휘어지는 벤딩부(A)의 곡률반경, 배기포트(11,12,13,14)에서 분기된 부분의 길이, 연통관(20)의 높이(C) 및 폭(D)을 제어인자로 선정하고, 각 기통간의 편차를 노이즈 인자로 선정하여, 유동해석을 통해 최적 사양을 선정할 수 있다.
실험을 통해 선정된 사양은 배기포트(11,12,13,14)의 벤딩부(A)의 곡률반경(R)은 40~45mm의 범위에서 곡률반경이 35mm인 경우가 최적 사양으로 선정되었으며, 배기포트(11,12,13,14)의 분기된 부분(B)의 길이는 45~51mm 범위에서 48mm가 최적 사양으로 선정되었고, 연통관(20)의 높이(C)는 23~25mm 범위에서 25mm가 최적사양으로 선정되었으며, 연통관(20)의 폭(D)은 38~42mm 범위에서 42mm가 최적사양으로 선정되었다.
상기 최적사양에 대한 해석 및 시험 수행 결과 본 발명의 실시예에 따른 실린더헤드의 배기포트 구조의 경우 배기포트 유량계수(Cf)는 종래기술에 비하여 5.1% 이상 향상되었으며, 기통간의 편차는 종래기술에 비해 약 38% 정도 개선된 결과를 얻었다.
11,12,13,14: 배기포트
11c,12c,13c,14c: 배기포트의 출구부
20: 연통관
30: EGR라인
40: 배기구

Claims (6)

  1. 실린더헤드의 복수개의 배기포트를 연통하는 연통관을 구비하여 배기매니폴드 기능을 하도록 일체적으로 구성한 실린더헤드의 배기포트 구조에 있어서,
    상기 연통관에는 EGR라인이 연장되어 일체적으로 형성되고,
    상기 배기포트 각각은 상기 배기구를 기준으로 동일하거나 대칭적인 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 실린더헤드의 배기포트 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연통관으로부터 연장된 배기구는 터보차저의 입구에 대응하는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 실린더헤드의 배기포트 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 EGR라인은,
    상기 연통관에서 상기 배기부가 형성되어 있는 측면에서 연장되어 형성되는 것을 특징으로 하는 실린더헤드의 배기포트 구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배기포트 각각의 출구부는, 상기 연통관에서 소정 간격으로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 실린더헤드의 배기포트 구조.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연통관은 소정의 폭과 높이를 가지는 직육면체형의 관인 것을 특징으로 하는 실린더헤드의 배기포트 구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 실린더헤드의 배기포트 구조는 디젤엔진에 적용되는 것을 특징으로 하는 실린더헤드의 배기포트 구조.
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