KR20170028712A - 차량용 엔진 및 그 냉각시스템 - Google Patents

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KR20170028712A
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양일석
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Abstract

본 발명은 피스톤이 왕복하는 연소실과, 상기 연소실을 냉각시키도록 냉각수가 유동하는 워터재킷이 형성되고, 엔진의 골격을 이루는 실린더 블록을 포함하는 차량용 엔진에 있어서, 상기 실린더 블록은, 실린더 블록 본체와, 상기 실린더 블록 본체의 외부에 EGR쿨러가 삽입되게 EGR쿨러삽입부가 형성되어, 상기 EGR쿨러삽입부로 냉각수가 공급되어, 상기 EGR쿨러와 열교환되는 차량용 엔진의 냉각 시스템에 관한 것이다.

Description

차량용 엔진 및 그 냉각시스템{Engine And Cooling System For Vehicle}
본 발명은 차량용 엔진 및 그 냉각시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔진에서 연소되어 배출되는 재순환 배기가스를 냉각시키는 실린더 블록이 구비된 차량용 엔진 및 그 냉각시스템에 관한 것이다.
자동차의 배출가스는 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC) 등의 유해물질이 포함된다. 이러한, 연소 과정에서 발생하는 상기 3원소 중 일산화탄소와 탄화수소에 대하여 질소산화물은 항상 반대의 인과관계를 가지고 있다.
즉, 실용적인 출력범위에서 일산화탄소와 탄화수소가 가장 감소하는 시점에 질소산화물은 가장 많이 발생한다. 이러한 질소산화물은 연료가 완전 연소할수록 즉, 엔진이 고온일수록 질소산화물의 발생량은 증가하게 된다.
따라서, 상기 질소산화물 등의 배출가스 허용량은 관계 법률로서 규제됨에 따라 배출가스를 줄이는 다양한 기술이 개발되고 있다. 그 중 하나가 배기가스 재순환장치(Exhaust Gas Recirculation, 이하 'EGR'이라 함)이다.
상기 EGR은 다른 유해물질의 급증 없이 질소산화물의 발생량을 줄이기 위해서 혼합비를 이론 공연비로 유지하면서 연소실로 흡입되는 혼합기 중에 기연소가스(EGR 가스)의 일부를 공급한다. 이러한 연소가스의 열용량을 증가시켜 화염의 온도를 낮추는 방법으로 사용되는 장치이다.
보다 상세하게는, 상기 EGR은 상기 배출가스 중 배기가스를 흡기계로 재순환시켜 실린더내의 연소 온도를 낮추어 질소산화물의 발생을 억제하는 장치이다. 이러한, 배기가스 중의 질소산화물(NOx)을 저감하는 수단으로 배기가스의 일부를 흡기계통에 되돌려, 혼합기가 연소할 때 최고 온도를 낮게 하여 질소산화물(NOx)의 생성량을 적게 하는 장치를 말한다.
이와 같은, 상기 EGR의 구성 중에서 EGR쿨러는 고온의 배기가스를 엔진의 냉각수를 냉매로 하여 냉각시키는 일종의 열교환기이다. 상기 EGR쿨러를 냉각시키기 위해 실린더 블록의 외부에 상기 EGR쿨러를 장착하거나 엔진의 외부에 장착하여 냉각시켰다.
본 발명의 차량용 엔진의 냉각방법에 있어서 해결하고자 하는 과제는 다음과 같다.
첫째로, 차량의 진동 또는 엔진에서 발생되는 진동을 줄이는데 있다.
둘째로, EGR쿨러의 장착을 위한 공간(Layout)을 줄이면서, 구성부품간 접합(Brazing)에 따른 조립공수를 줄이는데 있다.
셋째로, 실린더 헤드(Cylinder Head)와 EGR쿨러의 냉각효율을 향상시키는데 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 차량용 엔진 및 그 냉각시스템에 있어서, 피스톤이 왕복하는 연소실과, 상기 연소실을 냉각시키도록 냉각수가 유동하는 워터재킷이 형성되고, 엔진의 골격을 이루는 실린더 블록을 포함하는 차량용 엔진에 있어서,
상기 실린더 블록은, 실린더 블록 본체와, 상기 실린더 블록 본체의 외부에 EGR쿨러가 삽입되게 EGR쿨러삽입부가 형성되어, 상기 EGR쿨러삽입부로 냉각수가 공급되어, 상기 EGR쿨러와 열교환될 수 있다.
또한, 상기 EGR쿨러로부터 열교환된 후 냉각수는, 상기 EGR쿨러삽입부 에 형성된 토출구로 배출될 수 있다.
또한, 상기 실린더 블록 본체에는 냉각수를 상기 EGR쿨러삽입부 에 공급하는 공급구가 형성될 수 있다.
또한, 상기 실린더 블록 본체는 복수의 실린더를 형성하고, 상기 워터재킷은 상기 복수의 실린더 모두와 열교환하는 순환유로와 상기 복수의 실린더 중 어느 하나와만 열교환하는 직접유로를 형성하고, 상기 공급구는, 상기 순환유로와 상기 직접유로가 만나는 지점에 형성될 수 있다.
또한, 상기 EGR쿨러는, 상기 EGR쿨러삽입부를 덮는 쿨러커버와, 상기 쿨러커버에 냉각수와 열교환되게 설치되는 가스튜브를 포함한다.
또한, 상기 쿨러커버는, 복수의 관통홀이 형성되어, 배기가스가 유입되는 제 1관통홀과 제 1관통홀로부터 유입된 가스를 배출하는 제 2관통홀이 형성되고, 상기 제 1관통홀과 상기 제 2관통홀을 상기 가스튜브로 연결할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 차량용 엔진 및 그 냉각시스템에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째로, 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 엔진 및 그 냉각시스템에 따르면, 차량의 진동 또는 엔진 등의 주변부품에서 발생되는 진동을 줄일 수 있는 효과가 있다.
둘째로, 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 엔진 및 그 냉각시스템에 따르면, EGR쿨러의 장착을 위한 공간(Layout)을 줄일 수 있고, 구성부품간 접합(Brazing)에 따른 조립공수가 줄어드는 효과가 있다.
셋째로, 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 엔진 및 그 냉각시스템에 따르면, 실린더 헤드(Cylinder Head)와 EGR쿨러를 각각 냉각시키므로 냉각효율이 향상되는 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 엔진의 배기가스 및 냉각수의 순환을 나타내는 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 엔진을 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2를 나타내는 정면도이다.
도 4는 도 2의 상측에서 나타내는 투영도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 엔진 냉각 시스템을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 차량용 엔진 및 그 냉각시스템을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 엔진의 배기가스 및 냉각수의 순환을 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 엔진을 나타내는 사시도이며, 도 3은 도 2를 나타내는 정면도이고, 도 4는 도 2의 상측에서 나타내는 투영도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 엔진 냉각 시스템을 나타내는 순서도이다.
바람직한 차량용 엔진은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 변경될 수 있으며, 본 실시예에서는 차량용 엔진 및 그 냉각시스템인 경우이다.
본 발명의 일실시예에 따른 차량용 엔진에 대하여 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명하면, 피스톤이 왕복하는 연소실과, 상기 연소실을 냉각시키도록 냉각수가 유동하는 워터재킷(16a,16b)이 형성되고, 엔진의 골격을 이루는 실린더 블록(1)을 포함한다. 실린더 블록(1)은, 실린더 블록 본체(10)와 실린더 블록 본체(10)의 외부에 EGR쿨러(30)가 삽입되게 EGR쿨러삽입부(20)가 형성되어, EGR쿨러삽입부(20)로 냉각수가 공급되어 EGR쿨러(30)와 열교환될 수 있다.
실린더 블록(1)은 피스톤 장착을 위한 복수의 실린더실(18)과, EGR쿨러(30)가 삽입되는 EGR쿨러삽입부(20)가 형성된 실린더 블록 본체(10)가 구비된다.
실린더 블록 본체(10)은 실린더 블록 본체(10) 길이 방향을 따라 직렬로 복수의 실린더실(18)이 형성된다. 실린더 블록(1)에는 차량의 배기가스가 워터재킷(16a,16b)과 열교환되도록 EGR쿨러(30)가 설치된다. EGR쿨러(30)는 EGR쿨러삽입부(20)에 삽입된다. EGR쿨러삽입부(20)는 실린더 블록 본체(10)의 길이 방향으로 일체로 형성된다.
실린더 블록 본체(10)에는 냉각수가 유입되는 유입구(14)가 형성될 수 있다. 실린더 블록 본체(10)는 유입구(14)를 통해 유입된 냉각수를 EGR쿨러삽입부(20)로 공급하는 공급구(12)가 형성될 수 있다.
실린더 블록 본체(10)는 복수의 실린더실(18) 내부에서 상, 하로 왕복하는 복수의 실린더에 의해 열이 발생한다. 실린더 블록 본체(10)는 복수의 실린더실(18)을 냉각시키도록 워터재킷(16a,16b)이 형성된다. 워터재킷(16a,16b)은 복수의 실린더실(18) 모두와 열교환하는 순환유로(16b)와 복수의 실린더실(10a) 중 어느 하나와만 열교환하는 직접유로(16a)를 형성한다.
공급구(12)는 후술할 순환유로(16b)와 직접유로(16a)가 만나는 지점에 형성될 수 있다. 공급구(12)는 EGR쿨러(30)가 삽입되는 방향을 향해 냉각수를 토출하게 관통된다.
워터재킷(16a,16b)은 유입구(14)를 통해 냉각수가 유입되어 순환된다. 워터재킷(16a,16b)에 유입된 냉각수의 일부는 유급구(14)를 통해 순환유로(16b)로 토출된다. 워터재킷(16a,16b)은 열교환하는 복수의 실린더실(18)의 외주연을 감싸는 호(arc) 형상으로 형성된다.
여기서, 직접유로(16a)의 중심각은 90도 이상 180도 이하로 형성될 수 있다. 순환유로(16b)는 복수의 실린더실(18) 모두와 열교환하도록 복수의 실린더실(18)의 외부에 흐른다.
EGR쿨러삽입부(20)는 좌우 방향으로 길게 'U' 형상으로 형성될 수 있다. EGR쿨러삽입부(20)는 실린더 블록 본체(10)의 길이방향을 따라 좌우 방향로 길게 형성될 수 있다. EGR쿨러삽입부(20)는 EGR쿨러(30)의 형상에 따라 형성될 수 있다.
EGR쿨러삽입부(20)은 실린더 블록 본체(10)에 공급구(12)의 방향을 따라 일체로 연장되어 EGR쿨러삽입부본체(22)가 형성된다. 따라서, EGR쿨러삽입부본체(22)는 EGR쿨러(30)를 감싸 고정 지지되게 삽입된다.
EGR쿨러삽입부(20)에는 EGR쿨러(30)와 열교환된 냉각수가 배출되는 토출구(24)가 형성될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 토출구(24)는 EGR쿨러삽입부 본체(22)의 측면에 형성될 수 있다. 이때, 토출구(24)는 공급구(12)에서 배출된 냉각수의 유동방향과 직교하는 방향으로 배출되게 형성될 수 있다. 토출구(24)를 통해 배출되는 냉각수는 후술할 순환유로를 통해 배출된 냉각수와 함께 워터펌프를 통과하여 실린더 블록 본체(10)로 유입된다.
EGR쿨러(30)는 EGR쿨러삽입부(20)를 덮는 쿨러커버(30a)와 쿨러커버(30a)에 냉각수와 열교환되게 설치되는 가스튜브를 포함한다.
쿨러커버(30)는 복수의 관통홀(32,34)이 형성된다. 복수의 관통홀(32,34)은 배기가스가 유입되는 제 1관통홀(32)과 제 1관통홀(32)로부터 유입된 가스를 배출하는 제 2관통홀(34)이 형성된다. 일반적으로 제 1관통홀(32)에는 배기 매니폴드(32a)와 연결되고, 제 2관통홀(34)은 흡기 매니폴드(34a)가 연결된다. 제 1관통홀(32)과 제 2관통홀(34)은 가스튜브가 설치된다. 이러한 가스튜브는 실린더 블록 본체(10)를 향해 설치될 수 있다. 배기 매니폴드(32a)는 촉매장치(50)와 연결되어 촉매장치를 통과한 배기가스가 EGR쿨러(30)로 유입된다. 촉매장치(50)는 차량 엔진에서 발생하는 배기가스 중 인체에 유해한 가스를 무해한 성분으로 변환한다.
EGR쿨러(30)는 제 1관통홀(32)에서 유입된 배기가스가 제 2관통홀(34)를 통해 배출되는 순환 과정에서 냉각된다. EGR쿨러(30)는 EGR쿨러삽입부(20)에 'U'자형 관으로 삽입되어 일측에는 배기가스가 유입되는 제 1관통홀(32)의 타측에는 냉각수와 열교환된 가스를 배기시키는 제 2관통홀(34)이 배치될 수 있다.
EGR밸브(40)는 제 2관통홀(34)에 설치되어 공전 및 워밍업 이외의 회전에서만 EGR밸브(40)의 제어에 의해 배기가스가 유동할 수 있도록 개폐가능하게 배치된다.
EGR쿨러(30)는 EGR쿨러삽입부(20)에 삽입되고, 실린더 블록 본체(10)의 외벽과 소정간격 이격되게 배치되어 냉각수가 흐르도록 냉각수유로(20a)가 형성된다. EGR쿨러(30)는 냉각수유로(20a)를 흐르는 냉각수에 의해 배기가스가 냉각된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 차량용 엔진 및 그 냉각시스템의 작용을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 엔진의 배기가스 및 냉각수의 순환을 나타내는 블럭도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 엔진을 나타내는 사시도이며, 도 3은 도 2의 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 엔진의 실린더 블록을 상측에서 나타내는 투영도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 엔진 냉각 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 차량용 엔진의 작용에 대하여 도 1 내지 도 3 및 도 5를 참조하여 설명하면 실린더 블록 본체(10)은 엔진 시동 중 고온의 연소가스열을 직접 받게되어 고온이 되므로 열전도율이 높고, 냉각효과가 높은 것을 요구한다. 따라서, 연소열에 의해 소착되는 것을 방지하기 위해 실린더 블록 본체(10)내에서 냉각수를 순환시킨다. 냉각수는 라디에이터의 HTR CORE를 거쳐 냉각된 뒤, 워터펌프로 실린더 블록 본체(10)의 워터재킷(16a,16b)으로 이동시킨다(S10).
이때, 냉각수는 라디에이터와 실린더 블록 본체(10)내의 워터재킷(16a,16b)으로 통하는 유입구(14)를 통해 유입된다. 냉각수는 분기된 워터재킷(16a,16b)의 순환유로(16b)로 흐른다(S20).
이에 따라, 냉각수는 실린더헤드(미도시)의 일부와 열교환된 후 공급구(12)로 배출된다. 순환유로(16b)를 통해 실린더 헤드와 열교환된 냉각수는 실린더 블록 본체(10) 외부로 배출되어 라디에이터의 히터코어(HTR Core)로 흐른다(S40). 히터코어에서 배출되는 냉각수는 EGR쿨러(30)와 열교환된 냉각수와 함께 워터펌프에 의해 워터재킷(16a,16b)로 다시 공급되어 순환된다(S50).
여기서, 다른 실시예에 의하면, 히터코어로부터 배출된 냉각수는 HTR 파이프를 통하여 워터펌프로 유입될 수 있다(S45).
한편, 워터재킷(16a,16b)로 유입된 냉각수는 직접유로(16a)로 흐르게 된다(S30). 냉각수는 직접유로(16a)를 통해 순환유로(16b)보다 빠르게 공급구(12)로 유입된다. 공급구(12)를 통해 유입된 냉각수는 EGR쿨러(30)와 열교환된다(S33). EGR쿨러(30)와 열교환 된 냉각수는 토출구(22)를 통하여 배출된다(S36). 열교환된 냉각수는 다시 워터펌프(미도시)를 통하여 순환유로(16b)를 통과한 냉각수와 함께 워터재킷(16a,16b)으로 유입된다(S36).
여기서, 직접유로(16a)를 통과한 냉각수는 EGR쿨러(30)의 제 1관통홀(32)를 통해서 엔진에서 연소되어 높아진 배기가스를 냉각시킨다. 따라서, 냉각수는 EGR쿨러(30)의 배기가스의 온도를 낮추고, 낮아진 배기가스는 EGR밸브(40)를 통해 다시 제 2관통홀(34)로 보내진다.
상기와 같이 EGR쿨러(30)를 실린더 블록 본체(10)와 일체로 형성되므로 EGR쿨러의 장착을 위한 공간(Layout)을 줄일 수 있다. 또, EGR쿨러삽입부(20)에 EGR쿨러(30)가 삽입됨으로 차량의 진동 또는 엔진 등의 주변부품에서 발생되는 진동을 줄이고, 구성부품간 접합(Brazing)에 따른 조립공수가 줄어든다. 또, 실린더 헤드(Cylinder Head)와 EGR쿨러(30)를 각각 냉각시키므로 냉각효율이 향상된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
<주요 도면부호의 상세한 설명>
1: 실린더 블록 10: 실린더 블록 본체
12: 공급구 14: 유입구
16a,16b: 워터재킷 18: 복수의 실린더실
20: EGR쿨러삽입부 22: EGR쿨러삽입부본체
24: 토출구 30: EGR쿨러
32: 제 1관통홀 34: 제 2관통홀
32a: 배기 매니폴드 34a: 흡기 매니폴드
40: EGR밸브 50: 촉매장치

Claims (11)

  1. 피스톤이 왕복하는 연소실과, 상기 연소실을 냉각시키도록 냉각수가 유동하는 워터재킷이 형성되고, 엔진의 골격을 이루는 실린더 블록을 포함하는 차량용 엔진에 있어서,
    상기 실린더 블록은,
    실린더 블록 본체와,
    상기 실린더 블록 본체의 외부에 EGR쿨러가 삽입되게 EGR쿨러삽입부가 형성되어,
    상기 EGR쿨러삽입부로 냉각수가 공급되어, 상기 EGR쿨러와 열교환되는 차량용 엔진의 냉각 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 EGR쿨러로부터 열교환된 후 냉각수는,
    상기 EGR쿨러삽입부에 형성된 토출구로 배출되는 차량용 엔진의 냉각 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 실린더 블록 본체에는 냉각수를 상기 EGR쿨러삽입부에 공급하는 공급구가 형성된 차량용 엔진의 냉각 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 실린더 블록 본체는 복수의 실린더실을 형성하고,
    상기 워터재킷은 상기 복수의 실린더실 모두와 열교환하는 순환유로와 상기 복수의 실린더실 중 어느 하나와만 열교환하는 직접유로를 형성하고,
    상기 공급구는,
    상기 순환유로와 상기 직접유로가 만나는 지점에 형성된 차량용 엔진의 냉각 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 EGR쿨러는,
    상기 EGR쿨러삽입부를 덮는 쿨러커버와,
    상기 쿨러커버에 냉각수와 열교환되게 설치되는 가스튜브를 포함하는 차량용 엔진의 냉각 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 쿨러커버는,
    복수의 관통홀이 형성되어,
    배기가스가 유입되는 제 1관통홀과
    제 1관통홀로부터 유입된 가스를 배출하는 제 2관통홀이 형성되고,
    상기 제 1관통홀과 상기 제 2관통홀을 상기 가스튜브로 연결하는 차량용 엔진의 냉각 시스템.
  7. 라디에이터에서 냉각된 냉각수가 실린더 블록 본체로 유입되는 단계;
    상기 실린더 블록 본체로 유입된 냉각수가 상기 실린더 블록 본체에 분기된 워터재킷으로 유입되는 단계; 및
    상기 워터재킷으로 유입되는 냉각수가 상기 실린더 블록 본체에 피스톤이 왕복하는 연소실과 상기 실린더 블록 본체의 외부에 형성된 EGR쿨러삽입부로 공급되는 단계를 포함하는 차량용 엔진의 냉각방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 EGR쿨러삽입부로 냉각수가 공급되는 단계에서,
    상기 워터재킷으로 유입된 냉각수는,
    상기 EGR쿨러삽입부를 향하는 직접유로와,
    상기 실린더 블록 본체에 상, 하 왕복하는 복수의 실린더실을 냉각시키는 순환유로를 향하도록 분기된 차량용 엔진의 냉각방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 워터재킷으로 유입된 냉각수는,
    상기 직접유로를 통해 열교환 전의 냉각수가 상기 공급구로 배출되는 차량용 엔진의 냉각방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 EGR쿨러삽입부로 냉각수가 공급되는 단계 후,
    상기 EGR쿨러삽입부에 삽입된 EGR쿨러로부터 열교환된 냉각수가 상기 EGR쿨러삽입부의 토출구를 통해 배출되는 단계;를 더 포함하는 차량용 엔진의 냉각방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 순환유로를 흐른 냉각수 및 상기 열교환된 냉각수를 상기 워터재킷으로 순환시키는 단계;를 더 포함하는 차량용 엔진의 냉각방법.
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