KR20220031324A - 실린더헤드 - Google Patents

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KR20220031324A
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combustion chamber
cooling
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cylinder
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KR1020200113119A
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류현욱
홍사훈
이은호
류민경
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

본 발명은 실린더헤드에 유입되는 냉각수를 연소실 측과 배기매니폴드 측으로 분리시켜 연소실 측으로 유입되는 냉각수 수량 증대를 통해 냉각성능을 향상시키는 실린더헤드에 관한 것으로, 본 발명에서는, 실린더블록에서 연소실 측으로 유입되는 연소실 냉각수입구와, 실린더블록에서 배기매니폴드 측으로 유입되는 배기 냉각수입구가 분리되도록 형성되어, 상기 연소실 냉각수입구를 통해 유입되는 냉각수를 연소실 측에 증대하여 유동시키는 헤드워터재킷;을 포함하여 구성되는 실린더헤드가 소개된다.

Description

실린더헤드{Cylinder head}
본 발명은 실린더헤드에 유입되는 냉각수를 연소실 측과 배기매니폴드 측으로 분리시켜 연소실 측으로 유입되는 냉각수 수량 증대를 통해 냉각성능을 향상시키는 실린더헤드에 관한 것이다.
엔진을 구동하면 혼합기의 연소에 의해 온도가 크게 상승하게 되는바, 이를 냉각시켜 엔진의 작동에 적합한 온도로 유지시키기 위해 실린더블록 및 실린더헤드에 냉각수가 흐를 수 있는 공간인 워터재킷을 형성한다.
즉, 워터재킷의 내부를 순환하면서 엔진의 열을 흡수한 냉각수가 라디에이터에 유입되어 열교환되고, 라디에이터에서 다시 워터재킷으로 유입되어 실린더블록과 실린더헤드를 냉각시킨 후, 라디에이터로 유입되는 경로로 순환하게 된다.
그런데, 실린더헤드 내에 형성된 헤드워터재킷의 경우, 냉각수입구를 통해 유입되는 냉각수가 연소실 측과 배기매니폴드 측으로 분배되어 유동된다.
이에, 연소실 측에 냉각수를 집중적으로 유도하기 어려운 것은 물론, 냉각수의 유속이 상대적으로 낮아지게 되어, 냉각수 온도가 빠르게 상승하게 된다.
따라서, 실린더헤드 연소실의 금속면 온도가 국부적으로 높아지게 되면서 노킹이 발생하게 되어, 연소가 불안정해지는 문제가 생기게 된다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2014-0078437 A
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 실린더헤드에 유입되는 냉각수를 연소실 측과 배기매니폴드 측으로 분리시켜 연소실 측으로 유입되는 냉각수 수량 증대를 통해 냉각성능을 향상시키는 실린더헤드를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 실린더블록에서 연소실 측으로 유입되는 연소실 냉각수입구와, 실린더블록에서 배기매니폴드 측으로 유입되는 배기 냉각수입구가 분리되도록 형성되어, 상기 연소실 냉각수입구를 통해 유입되는 냉각수를 연소실 측에 증대하여 유동시키는 헤드워터재킷;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 헤드워터재킷은, 상기 연소실의 상부를 덮는 형상으로 형성되고, 각 실린더 별로 상기 연소실 냉각수입구가 형성된 하부재킷; 상기 배기매니폴드 측에 형성되고, 단부에 상기 배기 냉각수입구가 형성된 사이드재킷; 상기 하부재킷의 상부에 형성되어 상기 하부재킷과 사이드재킷의 냉각수가 유동되는 상부재킷;을 포함할 수 있다.
상기 연소실 냉각수입구와 배기 냉각수입구 사이의 유로가 분리된 형상으로 형성될 수 있다.
상기 연소실 냉각수입구는 사이드재킷을 향한 하부재킷의 단부에 형성되고; 상기 배기 냉각수입구는 하부재킷을 향한 사이드재킷의 단부에 형성될 수 있다.
상기 하부재킷에는 각 실린더의 스파크플러그홀 사이가 개방된 형상으로 형성될 수 있다.
상기 실린더헤드의 일측면 단부에 냉각수출구가 형성되고; 상기 배기 냉각수입구는 상기 냉각수출구와 상대적으로 멀리 위치한 사이드재킷 부분에 형성될 수 있다.
상기 냉각수출구와 상대적으로 가까이 위치한 사이드재킷과 하부재킷 사이에 사이드연결유로가 형성되고; 상기 사이드연결유로의 유동단면적이 일정면적 이하로 형성될 수 있다.
상기 상부재킷에는 각 실린더 사이를 막는 형상으로 제1리브가 형성될 수 있다.
상기 제1리브는 각 실린더 사이의 구간 중 배기포트홀에서 스파크플러그홀로 이어지는 부분에 형성될 수 있다.
상기 스파크플러그홀로 이어지는 제1리브의 단부는 냉각수출구를 향한 방향과 반대되는 방향으로 경사지게 형성될 수 있다.
상기 상부재킷의 배기매니폴드 측에서 연소실 측으로 이어지는 부분에는 냉각수출구를 향한 냉각수의 유동을 막는 형상으로 제2리브가 형성될 수 있다.
상기 상부재킷의 배기매니폴드 측과 연소실 측 사이에는 냉각수출구를 향한 유로의 일부가 막혀진 형상으로 형성될 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 헤드워터재킷에 형성된 연소실 냉각수입구와 배기 냉각수입구를 서로 분리하여 형성함으로써, 연소실 냉각수입구를 통해 유입되는 냉각수가 배기 측으로 분산되지 않고 연소실 측에 증대하여 유동된다. 따라서, 연소실 측에 유입되는 냉각수 유량이 증대됨으로써, 연소실의 금속면 온도를 효과적으로 저감하여 냉각성능을 향상시키게 되고, 또한 노킹 발생을 억제하여 연소 안정성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 헤드워터재킷의 형상을 전체적으로 모델링화하여 나타낸 도면.
도 2는 도 1의 헤드워터재킷을 배기매니폴드 측에서 나타낸 도면.
도 3은 도 1의 헤드워터재킷 중 하부재킷과 사이드재킷을 하부에서 바라본 형상을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 헤드워터재킷과 연결되는 실린더블록의 블록워터재킷을 나타낸 도면.
도 5는 도 3의 A - A선 단면도.
도 6은 도 1의 헤드워터재킷 중 상부재킷을 상부에서 바라본 형상을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 적용 전후에 대한 점화시기 변화 결과를 비교하여 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 적용 전후에 대한 토크 및 출력 변화를 비교하여 나타낸 도면.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 헤드워터재킷(10)의 형상을 전체적으로 모델링화하여 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 헤드워터재킷(10)을 배기매니폴드 측(EX)에서 나타낸 도면이며, 도 3은 도 1의 헤드워터재킷(10) 중 하부재킷(10a)과 사이드재킷(10b)을 하부에서 바라본 형상을 나타낸 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 적용 가능한 실린더헤드는 배기매니폴드 일체형 실린더헤드일 수 있는 것으로, 4개의 실린더가 직렬로 연결된 4기통 엔진에 적용 가능할 수 있다.
이러한, 실린더헤드 내부에는 냉각수의 유동통로가 되는 헤드워터재킷(10)이 형성되어, 실린더블록의 블록워터재킷(70)에서 올라오는 냉각수가 유입된다.
이에, 상기 실린더헤드에는 실린더블록으로부터 냉각수가 유입되도록 냉각수입구가 형성되는데, 상기 냉각수입구는 각 실린더 별로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명은 실린더블록에서 연소실 측으로 유입되는 연소실 냉각수입구(12)와, 실린더블록에서 배기매니폴드 측(EX)으로 유입되는 배기 냉각수입구(14)가 분리되도록 형성되어, 상기 연소실 냉각수입구(12)를 통해 유입되는 냉각수를 연소실 측에 증대하여 유동시키는 헤드워터재킷(10);을 포함하여 구성이 된다.
참고로, 도 4를 참조하면, 실린더블록의 블록워터재킷(70)에 블록냉각수출구(72)가 형성되고, 상기 블록냉각수출구(72)가 상기 실린더헤드의 냉각수입구와 일치되어 헤드워터재킷(10) 내에 냉각수가 유입된다. 이때에, 상기 냉각수입구의 유동단면적은 실린더블록과 실린더헤드 사이에 장착되는 개스킷에 의해 조절이 가능할 수 있다.
즉, 헤드워터재킷(10) 내에 냉각수가 유입되도록 형성된 연소실 냉각수입구(12)와 배기 냉각수입구(14)를 서로 분리하여 형성함으로써, 연소실 냉각수입구(12)를 통해 유입되는 냉각수가 배기 측으로 분산되지 않고 연소실 측에 증대하여 유동이 된다.
따라서, 연소실 측에 유입되는 냉각수 유량이 증대됨으로써, 연소실의 금속면 온도를 효과적으로 저감하여 냉각성능을 향상시키게 되고, 또한 노킹 발생을 억제하여 연소 안정성을 향상시키게 된다.
아울러, 상기 헤드워터재킷(10)은, 크게 하부재킷(10a)과, 사이드재킷(10b) 및 상부재킷(10c)으로 구분될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면, 상기 연소실의 상부를 덮는 형상으로 형성되고, 각 실린더 별로 상기 연소실 냉각수입구(12)가 형성된 하부재킷(10a); 상기 배기매니폴드 측(EX)에 형성되고, 단부에 상기 배기 냉각수입구(14)가 형성된 사이드재킷(10b); 상기 하부재킷(10a)의 상부에 형성되어 상기 하부재킷(10a)과 사이드재킷(10b)의 냉각수가 유동되는 상부재킷(10c);을 포함하여 구성이 된다.
예컨대, 제1,2,3,4실린더에 대응하는 위치에 있는 하부재킷(10a)에 연소실 냉각수입구(12)가 각각 형성되고, 상기 하부재킷(10a)과 분리된 위치에 있는 사이드재킷(10b)에 배기 냉각수입구(14)가 형성된다.
따라서, 각 실린더 별로 연소실 측에 냉각수의 유동량을 증대시키게 됨으로써, 실린더 간 냉각수 유량 편차를 저감하여 실린더헤드의 냉각성능을 향상시키게 된다.
아울러, 도 3을 참조하면, 상기 연소실 냉각수입구(12)와 배기 냉각수입구(14) 사이의 유로가 분리된 형상으로 형성된다.
예컨대, 상기 연소실 냉각수입구(12)는 각 실린더의 배기포트홀(30)에서 사이드재킷(10b)을 향한 하부재킷(10a)의 단부에 형성된다.
그리고, 상기 배기 냉각수입구(14)는 하부재킷(10a)을 향한 사이드재킷(10b)의 단부에 형성되되, 상기 배기 냉각수입구(14)와 연소실 냉각수입구(12)는 서로 인접한 위치에 형성된다.
다만, 상기 배기 냉각수입구(14)가 형성된 사이드재킷(10b) 부분과 상기 연소실 냉각수입구(12)가 형성된 하부재킷(10a) 부분의 사이가 분리된 형상으로 형성됨으로써, 연소실 냉각수입구(12)와 배기 냉각수입구(14) 사이의 유로가 분리되어 형성되는 구조가 된다.
한편, 도 3을 참조하면, 상기 하부재킷(10a)에는 각 실린더의 스파크플러그홀(20) 사이가 개방된 형상으로 형성될 수 있다.
즉, 각 실린더 별로 형성된 연소실 냉각수입구(12)에서 연소실 측으로 유입되는 냉각수가 스파크플러그홀(20)을 비롯한 연소실 주요부분으로 유동되고, 각 연소실 측으로 유입된 냉각수가 스파크플러그홀(20) 사이의 개방된 부분을 통해 냉각수출구(16)를 향해 유동된다.
따라서, 스파크플러그홀(20) 주변과 함께 연소실 전체 온도를 감소시키는 것은 물론, 연소실 최고 온도를 낮추어 엔진 냉각성능을 향상시키게 된다.
더불어, 상기 실린더헤드의 일측면 단부에 냉각수출구(16)가 형성된다.
그리고, 상기 배기 냉각수입구(14)는 상기 냉각수출구(16)와 상대적으로 멀리 위치한 사이드재킷(10b) 부분에 형성된다.
예컨대, 상기 배기 냉각수입구(14)는 상기 제1실린더에 형성된 연소실 냉각수입구(12)와 제2실린더에 형성된 연소실 냉각수입구(12) 사이에 위치한 것으로, 상기 배기 냉각수입구(14)는 도면 상에 표현된 프론트 측 단부에 형성되고, 상기 냉각수출구(16)는 리어 측 단부에 형성된다.
이에, 상기 배기 냉각수입구(14)에 유입되는 냉각수가 사이드재킷(10b)을 따라 프론트 측에서 리어 측으로 유동되어 배기매니폴드 측(EX)을 냉각시킬 수 있게 된다.
참고로, 상기 사이드재킷(10b) 중간에는 상부재킷(10c)과 연결되는 유로가 복수 개소에 형성되어 사이드재킷(10b)에서 유동되는 냉각수 일부가 상부재킷(10c)에 유동될 수 있게 된다.
한편, 도 5는 도 3의 A - A선 단면도로서, 상기 냉각수출구(16)와 상대적으로 가까이 위치한 사이드재킷(10b)과 하부재킷(10a) 사이에 사이드연결유로(18)가 형성되고, 상기 사이드연결유로(18)의 유동단면적이 일정면적 이하로 형성된 구조가 된다.
이는, 상기 사이드연결유로(18)의 높이(h)를 일정높이 이하로 형성하여 구현할 수 있다. 참고로, 상기 사이드연결유로(18)의 높이(h)는 약 3mm로 형성할 수 있고, 이는 실린더헤드를 성형하는 금형에서 형상을 구현할 수 있게 된다.
즉, 하부재킷(10a)과 사이드재킷(10b)의 경우, 냉각수입구가 서로 분리된 형태로 각각 형성되기는 하지만, 제4실린더에 형성된 연소실 냉각수입구(12) 부분에서 사이드재킷(10b)과 하부재킷(10a) 사이에 사이드연결유로(18)가 미세하게 연결된다.
따라서, 사이드재킷(10b) 내의 냉각수가 프론트 측에서 리어 측으로 유동되면서 사이드연결유로(18)를 통해 하부재킷(10a) 내에 유입되고, 이에 연소실 측의 냉각수 유동량을 감소시키지 않으면서 배기 측의 냉각성능 역시 향상시키게 된다.
한편, 도 6은 도 1의 헤드워터재킷(10) 중 상부재킷(10c)을 상부에서 바라본 형상을 나타낸 도면이다.
도면을 참조하면, 상기 상부재킷(10c)에는 각 실린더 사이를 막는 형상으로 제1리브(50)가 형성된다.
즉, 상부재킷(10c)의 각 실린더 사이에 제1리브(50)가 형성됨으로써, 상부재킷(10c) 내의 냉각수 유동저항이 커지게 된다. 따라서, 하부재킷(10a)에서 상부재킷(10c)으로 유입되는 냉각수 유량이 줄어들게 됨으로써, 하부재킷(10a) 내에 냉각수 유량을 더욱 증대시키게 되고, 이에 연소실 냉각을 향상시킬 수 있게 된다.
더불어, 상기 제1리브(50)는 각 실린더 사이의 구간 중 배기포트홀(30)에서 스파크플러그홀(20)로 이어지는 부분에 형성될 수 있다. 미설명부호 40은 흡기포트홀을 나타낸다.
즉, 제1리브(50)의 길이를 스파크플러그홀(20) 중심을 넘어서까지 형성함으로써, 상부재킷(10c) 내의 냉각수 유동을 연소실에 집중시킬 수 있게 된다.
아울러, 상기 스파크플러그홀(20)로 이어지는 제1리브(50)의 단부는 냉각수출구(16)를 향한 방향과 반대되는 방향으로 경사지게 형성될 수 있다.
즉, 상기 제1리브(50)가 각 실린더 사이에서 사선 형상으로 형성됨으로써, 상부재킷(10c) 내의 냉각수 유동 방향을 각 실린더의 연소실 방향으로 유도하게 되고, 이에 배기매니폴드 측(EX)에서 흡기매니폴드 측(IN)으로 냉각수가 유동되는 크로스 플로우(Cross Flow)를 구현하게 되는바, 연소실 측의 냉각수 유동을 개선하게 된다.
더불어, 상기 상부재킷(10c)의 배기매니폴드 측(EX)에서 연소실 측으로 이어지는 부분에는 냉각수출구(16)를 향한 냉각수의 유동을 막는 형상으로 제2리브(60)가 복수 개소에 형성될 수 있다.
예컨대, 상기 제2리브(60)는 상부재킷(10c)의 배기매니폴드에서 연소실로 이어지는 길이방향을 따라 형성될 수 있다.
즉, 기존에는 상부재킷(10c)으로 올라온 냉각수 중에서 각 실린더의 연소실 측으로 유입되는 냉각수 유량보다 냉각수출구(16)를 향해 바로 빠져 나가는 냉각수 유량이 더 많아 연소실 부분의 냉각이 제대로 이루어지지 못하는 문제가 있었다.
하지만, 본 발명의 경우 상부재킷(10c) 내에 유입되는 냉각수가 제2리브(60)에 의해 연소실 측으로 대부분 안내됨으로써, 냉각수가 냉각수출구(16)로 바로 빠져 나가는 현상을 방지하게 되고, 이에 각 실린더 별로 냉각수를 골고루 분배시켜 냉각수 유동량을 증대시키게 된다.
더불어, 상기 상부재킷(10c)의 배기매니폴드 측(EX)과 연소실 측 사이에는 냉각수출구(16)를 향한 유로의 일부가 막혀진 형상으로 형성될 수 있다.
예컨대, 상부재킷(10c)의 배기매니폴드 측(EX)에서 냉각수출구(16)로 이어지는 유로의 일부가 막혀진 형상으로 형성됨으로써, 배기매니폴드 측(EX)에서 상부재킷(10c)으로 유입되는 냉각수가 냉각수출구(16)로 바로 빠져 나가는 현상을 방지하게 된다.
한편, 도 7은 본 발명의 적용 전후에 대한 점화시기 변화 결과를 비교하여 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 적용 전후에 대한 토크 및 출력 변화를 비교하여 나타낸 도면이다.
이에, 도면을 참조하면 본 발명에 따라 냉각수입구를 분리시키는 구성을 적용하는 경우, 적용전에 비해 연소실 냉각성능을 강화시켜 노킹 특성이 개선되고, 이에 점화시기를 1.5도 이상 진각 가능함을 확인할 수 있고, 또한 특정 엔진회전수 영역(2500~5000rpm)에서 엔진토크가 7Nm 이상 상승하는 것을 확인할 수 있는바, 엔진 구동성능을 증대시킬 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 헤드워터재킷(10)에 형성된 연소실 냉각수입구(12)와 배기 냉각수입구(14)를 서로 분리하여 형성함으로써, 연소실 냉각수입구(12)를 통해 유입되는 냉각수가 배기 측으로 분산되지 않고 연소실 측에 증대하여 유동된다.
따라서, 연소실 측에 유입되는 냉각수 유량이 증대됨으로써, 연소실의 금속면 온도를 효과적으로 저감하여 냉각성능을 향상시키게 되고, 또한 노킹 발생을 억제하여 연소 안정성을 향상시키게 된다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
10 : 헤드워터재킷
10a : 하부재킷
10b : 사이드재킷
10c : 상부재킷
12 : 연소실 냉각수입구
14 : 배기 냉각수입구
16 : 냉각수출구
18 : 사이드연결유로
20 : 스파크플러그홀
30 : 배기포트홀
40 : 흡기포트홀
50 : 제1리브
60 : 제2리브
70 : 블록워터재킷
72 : 블록냉각수출구
IN : 흡기매니폴드 측
EX : 배기매니폴드 측

Claims (10)

  1. 실린더블록에서 연소실 측으로 유입되는 연소실 냉각수입구와, 실린더블록에서 배기매니폴드 측으로 유입되는 배기 냉각수입구가 분리되도록 형성되어, 상기 연소실 냉각수입구를 통해 유입되는 냉각수를 연소실 측에 증대하여 유동시키는 헤드워터재킷;을 포함하고,
    상기 헤드워터재킷은,
    상기 연소실의 상부를 덮는 형상으로 형성되고, 각 실린더 별로 상기 연소실 냉각수입구가 형성된 하부재킷;
    상기 배기매니폴드 측에 형성되고, 단부에 상기 배기 냉각수입구가 형성된 사이드재킷;
    상기 하부재킷의 상부에 형성되어 상기 하부재킷과 사이드재킷의 냉각수가 유동되는 상부재킷;을 포함하며,
    상기 연소실 냉각수입구와 배기 냉각수입구 사이의 유로가 분리된 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 실린더헤드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연소실 냉각수입구는 사이드재킷을 향한 하부재킷의 단부에 형성되고;
    상기 배기 냉각수입구는 하부재킷을 향한 사이드재킷의 단부에 형성된 것을 특징으로 하는 실린더헤드.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부재킷에는 각 실린더의 스파크플러그홀 사이가 개방된 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 실린더헤드.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 실린더헤드의 일측면 단부에 냉각수출구가 형성되고;
    상기 배기 냉각수입구는 상기 냉각수출구와 상대적으로 멀리 위치한 사이드재킷 부분에 형성된 것을 특징으로 하는 실린더헤드.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 냉각수출구와 상대적으로 가까이 위치한 사이드재킷과 하부재킷 사이에 사이드연결유로가 형성되고;
    상기 사이드연결유로의 유동단면적이 일정면적 이하로 형성된 것을 특징으로 하는 실린더헤드.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부재킷에는 각 실린더 사이를 막는 형상으로 제1리브가 형성된 것을 특징으로 하는 실린더헤드.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1리브는 각 실린더 사이의 구간 중 배기포트홀에서 스파크플러그홀로 이어지는 부분에 형성된 것을 특징으로 하는 실린더헤드.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 스파크플러그홀로 이어지는 제1리브의 단부는 냉각수출구를 향한 방향과 반대되는 방향으로 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 실린더헤드.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부재킷의 배기매니폴드 측에서 연소실 측으로 이어지는 부분에는 냉각수출구를 향한 냉각수의 유동을 막는 형상으로 제2리브가 형성된 것을 특징으로 하는 실린더헤드.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부재킷의 배기매니폴드 측과 연소실 측 사이에는 냉각수출구를 향한 유로의 일부가 막혀진 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 실린더헤드.
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