KR20140128518A - 이중연료엔진용 실린더 헤드 블록의 워터 재킷 구조 - Google Patents

이중연료엔진용 실린더 헤드 블록의 워터 재킷 구조 Download PDF

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KR20140128518A
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Abstract

본 발명은 이중 연료를 사용하는 대형 엔진의 실린더 헤드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연소열에 대해 실린더 헤드 블록 및 그것에 설치되는 인젝터 등의 요소를 냉각하기 위해 형성되는 워터 재킷 구조에 관한 것이다. 본 발명의 이중연료엔진용 실린더 헤드 블록의 워터 재킷 구조는, 엔진 블록(2a)의 상부에 탑재되어 연소실의 상단을 형성하며, 오일연료 인젝터(120), 파일럿 인젝터(130) 및 흡, 배기 밸브(140, 150)가 설치되어 있는 이중연료엔진용 실린더 헤드 블록(110)의 내부에 냉각수를 순환시키기 위해 형성되는 워터 재킷 구조로서, 흡기 포트(112)와 배기 포트(114) 사이에서 냉각수 순환 통로를 형성하며 상기 파일럿 인젝터(130)가 통로 공간을 통과하는 상부 통로(116a)를 구비하고; 상기 상부 통로(116a)의 하부에 격벽(118)으로 구획되어 연소실에 이웃하여 형성되는 하부 통로(116b)를 구비하며; 상기 상부 통로(116a)와 하부 통로(116b)를 구획하는 격벽(118)을 관통하여 형성되어 상부 통로(116a)와 하부 통로(116b)를 흐르는 냉각수의 일부가 격벽(118)을 건너질러 흘러 혼합되도록 하기 위한 제1 관통공(119)을 구비한다.

Description

이중연료엔진용 실린더 헤드 블록의 워터 재킷 구조{WATER JACKET STRUCTURE FOR CYLINDER HEAD OF DUAL FUEL ENGINE}
본 발명은 이중 연료를 사용하는 엔진의 실린더 헤드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연소열에 대해 실린더 헤드 블록 및 그것에 설치되는 인젝터 등의 요소를 냉각하기 위해 형성되는 워터 재킷 구조에 관한 것이다.
액화천연가스(LNG) 등의 가스 운반선에서는, 저장 탱크 내에 저장되어 있는 가스연료를 쉽게 연료로 사용하는 한편 탱크 내에서 기화되는 가스를 재 액화시키지 않고 선박 추진용 엔진의 연료로 활용하기 위해 오일연료와 가스연료를 선택적으로 또는 동시에 사용하는 이중 연료 엔진을 탑재하는 경우가 있다. 또한, LNG나 LPG와 같은 가스를 사용하는 해상 부유물, 해상 구조물, 또는 플랜트의 발전설비에서 사용하는 대형 디젤 엔진의 경우에도 가스 연료를 함께 쓸 수 있는 이중 연료 엔진을 도입하고 있다.
이중 연료를 사용하는 엔진(디젤 엔진)은, 가스연료를 사용하는 가스연료 운전 모드와 오일연료(예; Marine Diesel Oil, Heavy Fuel Oil 등)를 사용하는 오일연료 운전 모드, 그리고 가스연료와 오일연료를 동시에 사용하는 혼합 운전 모드를 가진다.
오일연료는 각각의 실린더 헤드에 구비된 오일연료 인젝터에 의해 연소실로 분사되고, 가스연료는 메인 피드 파이프로부터 각 실린더별 분배 파이프로 분배된 다음 가스 유입 밸브(GAV; Gas Admission Valve) 조립체에서 가스량이 조절되어 가스 인젝터를 통해 실린더 헤드의 흡기 포트에 분사된다.
이중연료 엔진은, 점화플러그에 의해 연료를 불꽃 점화하는 가솔린 엔진과는 달리 흡기를 고온고압으로 압축하여 자발화(self ignition, 자기착화) 시키는 디젤 엔진을 기반으로 하기 때문에, 가스연료의 착화를 유도하는 소형 오일연료 분사기로서 파일럿 인젝터(Micro Pilot Injector)를 더 구비한다.
천연가스와 같은 가스연료는 인화점은 낮지만 자발화(self ignition, 자기착화) 온도가 550℃ 부근으로 높기 때문에, 가스연료 운전 모드에서 주연료인 가스연료를 분사(main injection 과정)하기 직전에 파일럿 인젝터를 통해 파일럿 오일(예; Marine Diesel Oil, Marine Gas Oil 등)을 미량 분사하여 점화를 유도하여(pilot injection 과정), 가스연료의 안정적인 점화를 도모할 수 있다.
또한, 오일연료 운전 모드에서도, 주연료를 분사하기 직전에 파일럿 인젝터를 통해 파일럿 오일을 미량 분사하여 연소실의 연소환경을 개선함으로써 NOx 개선 및 연소 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1a는 본 발명의 발명자들이 개발한 이중 연료 엔진의 실린더 헤드와 가스공급 관로를 나타내는 도면이고, 도 1b는 도 1a의 실린더 헤드 블록과 가스공급 관로를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 이중 연료 엔진에 있어서 가스연료 공급 관로는, 가스연료 공급원으로부터 배관 된 가스 공급관로가 연결되는 연결 파이프(10)와, 연결 파이프(10)에 연결되고 실린더 헤드(2)에 인접하여 설치되는 메인 피드 파이프(20)와, 메인 피드 파이프(20)로부터 기통 별 실린더 헤드(2)로 연결되는 분배 파이프(30)를 포함한다.
실린더 헤드(2)는, 엔진 블록(2a)의 상부에 탑재되는 실린더 헤드 블록(40)과, 실린더 헤드 블록(40)의 상부에 탑재되는 실린더 헤드 커버(50, 60)를 포함한다. 실린더 헤드 블록(40)은 하부에 연소실을 형성하며, 흡, 배기 밸브 장치와 파일럿 인젝터 등이 설치된다.
실린더 헤드 커버(50, 60)는 상기 실린더 헤드 블록(40) 상부를 덮으며 내부에 캠 장치 등이 설치된다. 도면에서는 2층 구조의 실린더 헤드 커버(50, 60)가 구비된 형식의 엔진을 도시하였지만, 단층 구조의 실린더 헤드 커버가 설치되는 형식의 엔진도 있다. 또한, 단층 구조의 경우에는 실린더 헤드 커버의 일부의 기능 및 요소를 실린더 헤드 블록(40)에 부여하게 된다. 따라서, 본 명세서에서 실린더 헤드 커버(50, 60)는 2개의 참조부호를 별도로 부여하고 있으나, 이는 2개의 요소뿐만 아니라 하나의 요소일 수도 있다.
분배 파이프(30)의 단부에는 가스 유입 밸브 조립체(32)가 설치되고, 가스 유입 밸브 조립체(32)는 실린더 헤드 블록(40)의 상면에 탑재되어, 흡기 포트에 분사되는 연료량을 조절한다.
또한, 메인 냉각수관(70)으로부터 실린더 헤드 블록(40) 상면의 워터 재킷 입구까지 냉각수 분배관(72)이 연결되고, 실린더 헤드 블록(40)의 일측에는 배기관(80)이 연결된다.
실린더 헤드 블록(40)은 엔진 블록과 함께 연소실을 이루기 때문에 연소열에 직접 노출되는 한편, 그것에 설치되는 오일연료 인젝터, 파일럿 인젝터 등의 요소들과 흡기도 연소열에 의해 가열되기 쉽다. 각종의 인젝터와 흡기가 정상온도보다 가열되면 정상적인 연소를 방해하고 연비제어나 출력제어 등의 제어가 어려워진다.
이러한 연소열에 의한 과열을 방지하기 위해, 실린더 헤드 블록(40)의 내부에는 워터 재킷(water jacket)이라는 공간부를 형성하고, 워터 재킷에 냉각수를 순환시키거나 저류시켜 냉각을 수행하고 있다.
예컨대, 냉각시동 후 엔진이 정상적인 작동온도에 이르기 전에는 냉각수를 순환시키지 않고 정상작동온도에 도달하면 냉각수를 순환시킴으로써 엔진이 정상 작동 온도에서 작동하도록 하는 것이다.
이처럼 실린더 헤드 블록의 워터 재킷은 연소열을 냉각하기 위해 필수적으로 갖추어야 하는데, 소망하는 냉각 효과를 얻기 위해서는 워터 재킷의 형태를 냉각수가 원활하게 순환할 수 있는 구조로 설계할 필요가 한다.
공개특허공보 공개번호 제10-2012-0126756호(2012.11.21. 공개) 공개특허공보 공개번호 제10-2008-0078504호(2008.08.27. 공개) 등록특허공보 등록번호 제10-0748734호(2007.08.06. 등록)
따라서, 본 발명은 냉각수가 원활히 순환할 수 있도록 하는 이중연료엔진용 실린더 헤드 블록의 워터 재킷 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이중연료엔진용 실린더 헤드 블록의 워터 재킷 구조는, 엔진 블록의 상부에 탑재되어 연소실의 상단을 형성하며, 오일연료 인젝터, 파일럿 인젝터 및 흡, 배기 밸브가 설치되어 있는 이중연료엔진용 실린더 헤드 블록의 내부에 냉각수를 순환시키기 위해 형성되는 워터 재킷 구조로서, 흡기 포트와 배기 포트 사이에서 냉각수 순환 통로를 형성하며 상기 파일럿 인젝터가 통로 공간을 통과하는 상부 통로를 구비하고; 상기 상부 통로의 하부에 격벽으로 구획되어 연소실에 이웃하여 형성되는 하부 통로를 구비하며; 상기 상부 통로와 하부 통로를 구획하는 격벽을 관통하여 형성되어 상부 통로와 하부 통로를 흐르는 냉각수의 일부가 격벽을 건너질러 흘러 서로 혼합되도록 하기 위한 제1 관통공을 구비하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 상부 통로는 상기 파일럿 인젝터에 더하여 오일 연료 인젝터의 둘레까지 감싸는 형태로 연장된 구조를 가지도록 하는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 상부 통로와 하부 통로의 하부 부분을 가로질러 연결하여 냉각수가 통하도록 함과 동시에, 상기 오일 연료 인젝터와 파일럿 인젝터의 하부 부분을 통과하는 제2 관통공을 더 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 이중연료엔진용 실린더 헤드 블록의 워터 재킷 구조에 있어서, 상기 격벽의 상면에는 제1 관통공을 천공하기 위한 드릴 공구가 직각으로 접촉하도록 하기 위해 제1 관통공의 중심축에 대해 직각의 평면으로 이루어지는 자리면을 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 관통공까지 드릴 공구를 진입시키기 위해, 실린더 헤드 블록의 상부 통로의 외벽에는 진입 통로를 형성하고, 제1 관통공을 형성한 후 상기 진입 통로를 플러그로 막는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 이중연료엔진용 실린더 헤드 블록의 워터 재킷 구조에 의하면, 실린더 헤드 블록의 워터 재킷의 상부 통로와 하부 통로를 구획하는 격벽을 가로질러 관통공을 형성하여 상부 통로를 흐르는 냉각수의 일부가 직접 하부 통로로 들어와 혼합되도록 함으로써 냉각수의 흐름을 원활하게 하고 냉각수 흐름의 지체에 의해 냉각효과가 떨어지는 것을 방지하여 전체적인 냉각 성능이 개선된다.
도 1a는 이중연료 엔진의 구조를 보여주는 도면이다.
도 1b는 이중연료 엔진의 실린더 헤드 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 실린더 헤드 블록 조립체를 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2의 정면 단면도이다.
도 4는 도 3의 A-A선에 따른 단면도이다.
이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명에 따른 이중연료엔진용 실린더 헤드의 연소압력센서 장착구조의 일 실시예를 구체적으로 설명한다.
도 2 및 도 3은 실린더 헤드 블록 조립체를 나타내는 것으로서, 도 2는 사시도이고, 도 3은 단면도이며, 도 4는 도 3의 A-A선에 따른 단면도이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 이중연료엔진의 실린더 헤드 블록 조립체(100)는, 엔진 블록의 상부에 탑재되는 실린더 헤드 블록(110)을 포함한다. 실린더 헤드 블록(110)의 하단부는 연소실의 상단부를 형성하며, 흡기 포트(112), 배기 포트(114) 및 워터 재킷(116)이 형성되어 있다.
실린더 헤드 블록(110)에는, 연소실에 오일연료를 분사하기 위한 오일연료 인젝터(120)와, 파일럿 오일연료를 분사하기 위한 파일럿 인젝터(130)와, 흡기 밸브(140) 및 배기 밸브(150)가 설치되어 있다.
또한, 실린더 헤드 블록(110)에는 최초 시동 시 고압의 공기를 분사하여 피스톤을 강제로 밀어주기 위한 에어 스타트 밸브(160)가 설치된다.
또한, 실린더 헤드 블록(110)의 상면에는 가스연료 분배 파이프(30)(도 2 참조)의 말단에 연결되는 가스 유입 밸브 조립체(32)(도 2 참조)의 내부에 구비되는 가스 유입 밸브(170)가 설치된다. 가스 유입 밸브(170)는 제어부의 제어 신호에 의해 동작하는 컨트롤 기구와 가스 인젝터를 구비하며, 가스 인젝터의 노즐을 통해 흡기 포트(112)의 내부로 가스를 토출 한다.
앞에서 도 1b를 통해 설명한 냉각수 분배관(72)은 도 2에 도시된 워터 재킷 입구(116)를 통해 실린더 헤드 블록(110) 내부에 형성되는 워터 재킷으로 흐르게 된다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 실린더 헤드 블록(110)의 내부에 형성되는 워터 재킷은, 흡기 포트(112)와 배기 포트(114) 사이에서 냉각수 순환 통로를 형성하며 상기 파일럿 인젝터(130)가 통로 공간을 통과하는 상부 통로(116a)를 구비하고, 상기 상부 통로(116a)의 하부에 격벽(118)으로 구획되어 연소실에 이웃하여 형성되는 하부 통로(116b)를 구비한다.
상부 통로(116a)와 하부 통로(116b)는, 주물 제작 시 상부 통로(116a)와 하부 통로(116b)가 연속하여 이어지도록 형성하여 냉각수가 흐르도록 한 형태이거나, 주물을 제작한 이후에 천공가공을 통해 구멍을 관통형성하여 상부 통로(116a)와 하부 통로(116b)가 냉각수 흐름방향으로 이어지도록 한 형태로 서로 연결된다. 따라서, 워터 재킷 입구(116)를 통해 들어온 냉각수는 상부 통로(116a)와 하부 통로(116b)를 순차적으로 흐르고, 이어서 엔진 블록(또는 실린더 블록) 측의 워터 재킷으로 들어가 순환하거나 또는 라디에이터로 들어간다.
이것에 더하여, 본 발명에서는 상기 상부 통로(116a)와 하부 통로(116b)를 구획하는 격벽(118)에는 지름이 매우 작은 제1 관통공(119)이 가로질러 형성된다. 따라서, 주된 통로인 상부 통로(116a) 및 하부 통로(116b)를 흐르는 냉각수의 일부는 제1 관통공(119)을 통해 격벽(118)을 건너질러 흘러 서로 혼합된다.
상기 제1 관통공(119)은 필요에 따라 개수를 증감시킬 수 있으며 위치도 제한하지 않는다.
냉각수의 모두가 상부 통로(116a)를 경유한 후 하부 통로(116b)를 순차적으로 흐르도록 하는 경우에는 냉각수의 흐름이 빠르지 못해 하부 통로(116b)에 이르기 전에 높은 온도로 가열될 수 있다.
이 경우 상기 제1 관통공(119)은 상부 통로(116a)와 하부 통로(116b)를 구획하는 격벽(118)을 가로질러 관통하고 있기 때문에, 상부 통로(116a)를 흐르는 냉각수의 일부가 직접 하부 통로(116b)로 들어와 혼합되므로 위와 같은 문제에 대비할 수 있는 것이다.
그리고 상기 제1 관통공(119)을 드릴 공구로 형성하기 위해서는 외부로부터 드릴 공구를 진입시켜야 함과 아울러, 드릴 공구의 날끝부가 격벽(118)의 표면에 직각으로 접촉되어야만 드릴 공구가 미끄러지지 않고 정확한 자를 파고들어가게 된다.
이를 위해, 격벽(118)의 상면에는 제1 관통공(119)을 천공하기 위한 드릴 공구가 직각으로 접촉하도록 하기 위해 제1 관통공(119)의 중심축에 대해 직각의 평면으로 이루어지는 자리면(118a)을 형성한다. 자리면(118a)은 실린더 헤드 블록(110)을 주조할 때 형성되도록 할 수 있다.
또한, 제1 관통공(119)까지 드릴 공구를 진입시키기 위해, 상부 통로(116a)의 외벽(118b)을 관통하는 진입 통로(119a)가 형성된다. 상기 진입 통로(119a)는, 제1 관통공(119)을 형성한 다음에 플러그(119b)로 막는다.
일 실시예에 있어서, 상부 통로(116a)는 파일럿 인젝터(130)뿐만 아니라 오일 연료 인젝터(120)의 둘레까지 감싸도록 연장된 형태로 구성하여 파일럿 인젝터(130)와 오일 연료 인젝터(120)를 한꺼번에 냉각할 수 있도록 하는 것이 구조의 단순화와 무게 경감을 위해 바람직하다.
이에 더하여, 상부 통로(116a)와 하부 통로(116b)를 연결하는 주된 냉각수 통로는, 도 3에 도시된 바와 같은 제2 관통공(116c)의 형태로 구성하는 것이 바람직하다.
본 실시예에 따른 제2 관통공(116c)은, 상부 통로(116a)와 하부 통로(116b)의 아래쪽 부분을 가로질러 관통함으로써 상부 통로(116a)와 하부 통로(116b)를 연결하는 냉각수의 주된 통로의 역할을 한다.
이러한 제2 관통공(116c)은, 실린더 헤드 블록(110)의 하면, 즉 연소실 상면과 나란하게 형성하는 것이 천공 깊이를 줄이고 공정을 단순화할 수 있으므로 바람직하다.
이와 함께, 제2 관통공(116c)은 오일 연료 인젝터(120)의 하부와 파일럿 인젝터(130)의 하부를 동시에 모두 통과하도록 형성하는 것이 바람직하다.
이러한 구성에 의하면, 상부 통로(116a)를 흐르는 냉각수는 제2 관통공(116c)을 통해서 하부 통로(116b)로 흐르게 되고, 그 과정에서 오일 연료 인젝터(120)와 파일럿 인젝터(130)의 하부를 동시에 냉각하는 유용한 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 제2 관통공(116c)이 연소실에 인접하는 실린더 헤드 블록(110)의 하부 부분을 효과적으로 냉각하는 효과도 누릴 수 있다.
이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.
100 : 실린더 헤드 블록 조립체
110 : 실린더 헤드 블록
112 : 흡기 포트
114 : 배기 포트
116 : 워터 재킷
116a : 상부 통로
116b : 하부 통로
116c : 제2 관통공
118 : 격벽
118a : 자리면
118b : 외벽
119 : 제1 관통공
119a : 진입 통로
119b : 플러그
120 : 오일연료 인젝터
130 : 파일럿 인젝터
140 : 흡기 밸브
150 : 배기 밸브
160 : 에어 스타트 밸브
170 : 가스 유입 밸브

Claims (5)

  1. 엔진 블록(2a)의 상부에 탑재되어 연소실의 상단을 형성하며, 오일연료 인젝터(120), 파일럿 인젝터(130) 및 흡, 배기 밸브(140, 150)가 설치되어 있는 이중연료엔진용 실린더 헤드 블록(110)의 내부에 냉각수를 순환시키기 위해 형성되는 워터 재킷 구조로서,
    흡기 포트(112)와 배기 포트(114) 사이에서 냉각수 순환 통로를 형성하며 상기 파일럿 인젝터(130)가 통로 공간을 통과하는 상부 통로(116a)를 구비하고;
    상기 상부 통로(116a)의 하부에 격벽(118)으로 구획되어 연소실에 이웃하여 형성되는 하부 통로(116b)를 구비하며;
    상기 상부 통로(116a)와 하부 통로(116b)를 구획하는 격벽(118)을 관통하여 형성되어, 상부 통로(116a)와 하부 통로(116b)를 흐르는 냉각수의 일부가 격벽(118)을 건너질러 흘러 서로 혼합되도록 하기 위한 제1 관통공(119)을 구비하는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진용 실린더 헤드 블록의 워터 재킷 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 통로(116a)는 상기 파일럿 인젝터(130)에 더하여 오일 연료 인젝터(120)의 둘레까지 감싸는 형태로 연장된 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진용 실린더 헤드 블록의 워터 재킷 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상부 통로(116a)와 하부 통로(116b)의 하부 부분을 가로질러 연결하여 냉각수가 통하도록 함과 동시에, 상기 오일 연료 인젝터(120)와 파일럿 인젝터(130)의 하부 부분을 통과하는 제2 관통공(116c)이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진용 실린더 헤드 블록의 워터 재킷 구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 격벽(118)의 상면에는 제1 관통공(119)을 천공하기 위한 드릴 공구가 직각으로 접촉하도록 하기 위해 제1 관통공(119)의 중심축에 대해 직각의 평면으로 이루어지는 자리면(118a)이 형성되는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진용 실린더 헤드 블록의 워터 재킷 구조.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 관통공(119)까지 드릴 공구를 진입시키기 위해, 실린더 헤드 블록(110)의 상기 상부 통로(116a)의 외벽(118b)에는 진입 통로(119a)가 형성되고, 제1 관통공(119)을 형성한 후 상기 진입 통로(119a)는 플러그(119b)에 의해 막는 것을 특징으로 하는 이중연료엔진용 실린더 헤드 블록의 워터 재킷 구조.
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