KR20230106114A - 내연기관의 실린더헤드 - Google Patents

Abstract

내연기관의 실린더헤드는, 실린더의 상부에 배치되고, 상기 실린더의 연소실을 향하여 개구되게 형성되는 흡기구 및 배기구를 갖고, 내부에 워터재킷이 형성된다. 상기 실린더헤드는 상하 방향을 따르는 z축 방향과, 상기 z축 방향과 직교하고 상기 흡기구와 상기 배기구 사이를 지나는 중심선을 따르는 x축 방향과 상기 z축 방향 및 상기 x축 방향과 직교하는 y축 방향을 갖고, 상기 워터재킷은, 상기 배기구와 유입구가 연결되는 배기매니폴드를 상부 및 하부에서 덮도록 형성되는 상부커버부 및 하부커버부를 포함하고, 상기 하부커버부에는 냉각수의 흐름을 가로막는 격벽이 적어도 1 개소에 형성된다.

Description

내연기관의 실린더헤드

본 개시물은 내연기관의 실린더헤드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실린더헤드의 내부에 형성되는 냉각수 통로인 워터재킷의 적어도 1 개소에 격벽을 설치하여 냉각수의 유동을 제어함으로써 냉각 효과를 향상시킬 수 있는 내연기관의 실린더헤드에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 엔진은 크게 피스톤이 왕복 운동을 할 수 있는 복수 개의 실린더(보어)를 갖는 실린더블럭과, 실린더블럭의 상부에 결합되어 연소실을 형성함과 더불어 각종 흡/배기 밸브 및 스파크플러그가 설치되는 실린더헤드를 포함하여 이루어진다.

이와 같은 엔진에 있어 실린더블럭과 실린더헤드의 내부에는 냉각수의 유동을 위한 워터재킷이 구비된다. 워터재킷은 워터펌프로부터 토출되는 냉각수의 유동을 실린더블럭과 실린더헤드 내부의 전 영역으로 안내하여, 엔진의 작동 온도를 정상적인 범위 내에 유지할 수 있도록 한다.

즉, 워터재킷은 연소실 내에서 혼합기의 연소 과정 중 발생되는 고온의 열로부터 실린더블록과 실린더헤드 및 피스톤 등의 주요 부품에 대한 열해를 방지하기 위해 냉각수의 유동 통로로서의 역할을 하는 것이다.

워터재킷의 냉각수 유동 방식은 워터재킷의 형상에 따라 흘러가는 방식이다. 그러나, 종래의 워터재킷은 냉각수의 유동을 원하는 방향으로 제어하는데 어려움이 있으며, 실린더헤드에 대한 냉각 효과가 제한되는 문제점이 있었다. 또한 전체적인 유동 분포를 위해 속도의 변화를 이용하지만 구조물의 복잡성과 공간 상의 편차로 인해 냉각수의 유동이 고르게 분포하지 못해 결국 엔진 파손으로 이어지는 문제점이 있었다.

본 개시물은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 개시물은 워터재킷의 적어도 1 개소에, 냉각수 유동을 제어하는 수단으로 격벽을 설치하여 냉각수의 유동을 제어함으로써, 냉각 효과를 높게 유지하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 개시물의 일 측면에 따르면, 실린더의 상부에 배치되는 실린더헤드로서, 상기 실린더의 연소실을 향하여 개구되게 형성되는 흡기구 및 배기구를 갖고, 내부에 워터재킷이 형성되고, 상기 실린더헤드는 상하 방향을 따르는 z축 방향과, 상기 z축 방향과 직교하고 상기 흡기구와 상기 배기구 사이를 지나는 중심선을 따르는 x축 방향과 상기 z축 방향 및 상기 x축 방향과 직교하는 y축 방향을 갖고, 상기 워터재킷은, 상기 배기구와 유입구가 연결되는 배기매니폴드를 상부 및 하부에서 덮도록 형성되는 상부커버부 및 하부커버부를 포함하고, 상기 하부커버부에는 냉각수의 흐름을 가로막는 격벽이 적어도 1 개소에 형성되는, 내연기관의 실린더헤드를 제공할 수 있다.

어떠한 실시예들에서, 주어진 위치에서의 상기 격벽의 상기 z축 방향을 따라 측정되는 치수는 그 위치에서의 상기 z축 방향을 따라 측정되는 상기 하부커버부의 두께에 대응되는 크기를 갖고, 상기 격벽의 상기 x축 방향을 따라 측정되는 치수는 상기 y축 방향을 따라 측정되는 치수의 적어도 3배의 크기를 가질 수 있다.

어떠한 실시예들에서, 상기 z축 방향의 위쪽에서 볼 때, 상기 배기구와 상기 배기매니폴드의 유출구의 사이에 상기 격벽이 형성될 수 있다.

어떠한 실시예들에서, 상기 실린더는 2 개의 실린더를 포함하고, 상기 실린더헤드는 상기 2 개의 실린더의 연소실의 각각을 향하여 개구되는 2 개의 흡기구 및 2 개의 배기구를 갖고, 상기 격벽은 2 개의 근위 격벽을 포함하고, 상기 z축 방향의 위쪽에서 볼 때, 상기 4 개의 배기구를 지나는 중심선은 상기 x축 방향을 따라 연장되고, 상기 4 개의 배기구 중 내측 2 개의 배기구로부터 상기 y축 방향을 따라 이격되게 상기 2 개의 근위 격벽이 형성될 수 있다.

어떠한 실시예들에서, 상기 격벽은 원위 격벽을 추가적으로 포함하고, 상기 z축 방향의 위쪽에서 볼 때, 상기 원위 격벽은 상기 2 개의 근위 격벽과 상기 배기매니폴드의 유출구의 사이에 형성될 수 있다.

어떠한 실시예들에서, 상기 실린더헤드는 그 하면에 냉각수가 유입되는 복수 개의 유입공을 갖고, 상기 z축 방향의 위쪽에서 볼 때, 상기 복수 개의 유입공은 상기 실린더의 연소실의 둘레에 배치되고, 상기 복수 개의 유입공과 상기 배기매니폴드의 유출구의 사이에 상기 격벽이 형성될 수 있다.

어떠한 실시예들에서, 상기 실린더헤드는 x축 방향의 일측에 상기 냉각수가 유출되는 유출공을 가질 수 있다.

어떠한 실시예들에서, 상기 배기매니폴드는 상기 실린더헤드에 일체로 형성될 수 있다.

상기한 구성을 통하여, 격벽의 설치와 최적의 유동을 유도하는 격벽의 위치선정을 통하여 워터재킷으로 유입되는 냉각수의 유동을 원하는 방향으로 제어하고, 유동 분포를 균일하게 유지하여 냉각 효과를 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 이는 엔진의 실린더 헤드의 내구성 향상에 크게 기여할 수 있다.

도 1은 본 개시물의 일 실시예에 따른 실린더헤드의 외관을 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 실린더헤드의 일 측면을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2의 A-A 선을 따라 절개한 단면을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 개시물의 일 실시예에 따른 실린더헤드를 제작하기 위한 코어 어셈블리를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 개시물의 일 실시예에 따른 워터재킷의 저면도이다.
도 6은 본 개시물의 일 실시예에 따른 워터재킷의 중앙 부위를 xy 평면을 따라 절개한 뒤, 위쪽에서 바라본 도면이다.
도 7은 절개된 도 6의 워터재킷을 아래쪽에서 바라본 도면이다.
도 8은 격벽이 없는 워터재킷과 격벽이 있는 워터재킷의 냉각수의 유동 분포를 보여주는 도면이다.
도 9는 격벽이 있는 워터재킷의 냉각수의 스트림라인을 보여주는 도면이다.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 개시물의 실시예들을 상세히 설명한다.

도 1은 본 개시물의 일 실시예에 따른 실린더헤드(10)의 외관을 보여주는 도면이고, 도 2는 도 1의 실린더헤드(10)의 일 측면을 보여주는 도면이며, 도 3은 도 2의 A-A 선을 따라 절개한 단면을 보여주는 도면이다.

도 1은 실린더(보어) 내지는 실린더블럭의 상부에 배치되는 실린더헤드(10)의 외관을 보여준다. 실린더헤드(10)는 실린더의 연소실을 향하여 개구되게 형성되는 흡기구(11) 및 배기구(12)를 갖는다. 실린더헤드(10)는 내부에 냉각수가 유동하는 통로인 워터재킷(100)이 형성된다.

어떠한 실시예들에서, 실린더헤드(10)는 상하 방향을 따르는 z축 방향과, z축 방향과 직교하고 흡기구(11)와 배기구(12) 사이를 지나는 중심선을 따르는 x축 방향과 z축 방향 및 x축 방향과 직교하는 y축 방향을 가질 수 있다.

엔진은 복수 개의 실린더를 포함할 수 있는데, 어떠한 실시예들에서, 도시한 바와 같이 엔진은 2 개의 실린더를 포함할 수 있다. 각각의 실린더를 구분하는 구분선은 y축 방향을 따라 연장될 수 있다. 실린더헤드(10)는 2 개의 실린더의 연소실의 각각을 향하여 개구되는 2 개의 흡기구(11) 및 2 개의 배기구(12)를 가질 수 있다. 따라서, 엔진이 2 개의 실린더를 갖는 실시예에서, 실린더헤드(10)는 총 4 개의 배기구(12)를 가질 수 있고, 이들 4 개의 배기구(12)를 지나는 중심선은 x축 방향을 따라 연장될 수 있다.

엔진은 흡기구(11)에 연결되는 흡기관을 가질 수 있고, 배기구(12)에 유입구가 연결되는 배기관(배기매니폴드)을 가질 수 있다. 어떠한 실시예들에서 배기매니폴드는 실린더헤드(10)에 일체로 형성될 수 있다. 어떠한 실시예들에서, 엔진은 스파크플러그를 갖는 가솔린 엔진일 수 있다.

어떠한 실시예들에서 워터재킷은, 배기매니폴드를 상부 및 하부에서 덮도록 형성되는 하부커버부(110) 및 상부커버부(120) (도 7 참조)를 포함할 수 있다.

어떠한 실시예들에서, 하부커버부(110)에는 냉각수의 흐름을 가로막는 격벽이 적어도 1 개소에 형성될 수 있다.

어떠한 실시예들에서, 주어진 위치에서의 격벽(13, 14)의 z축 방향을 따라 측정되는 치수는 그 위치에서의 z축 방향을 따라 측정되는 하부커버부(110)의 두께에 대응되는 크기를 가질 수 있다. 즉, 격벽(13, 14)은 해당 위치의 하부커버부(110)의 전 두께를 막도록 형성될 수 있다. 어떠한 실시예들에서는, 격벽(13, 14)의 x축 방향을 따라 측정되는 치수(dx)는 y축 방향을 따라 측정되는 치수(dy)의 적어도 3배의 크기를 가질 수 있다.

어떠한 실시예들에서, z축 방향의 위쪽에서 볼 때, 배기구(12)와 배기매니폴드의 유출구(32)의 사이에 격벽(13, 14)이 형성될 수 있다.

어떠한 실시예들에서, 격벽(13, 14)은 2 개의 근위 격벽(13)을 포함할 수 있고, z축 방향의 위쪽에서 볼 때, 4 개의 배기구(12) 중 내측 2 개의 배기구(12)로부터 y축 방향을 따라 이격된 위치에 2 개의 근위 격벽(13)이 형성될 수 있다.

어떠한 실시예들에서, 격벽(13, 14)은 원위 격벽(14)을 추가적으로 포함할 수 있고, z축 방향의 위쪽에서 볼 때, 원위 격벽(14)은 2 개의 근위 격벽(13)과 배기매니폴드의 유출구(32)의 사이에 형성될 수 있다.

어떠한 실시예들에서, 실린더헤드(10)는 그 하면에 (실린더블럭 내의 워터재킷으로부터 유출되는) 냉각수가 유입되는 복수 개의 유입공(15)을 가질 수 있다. 도 3의 실시예에서는 총 14 개의 유입공(15)이 도시되어 있다.

어떠한 실시예들에서, z축 방향의 위쪽에서 볼 때, 복수 개의 유입공(15)은 실린더의 연소실의 둘레를 따라 배치되고, 복수 개의 유입공(15)과 배기매니폴드의 유출구(32)의 사이에 격벽(13, 14)이 형성될 수 있다.

격벽(13, 14)은, 유입공(15)을 통하여 유입된 냉각수가 높은 유량으로 하부커버부(110)에 편중되는 것을 방지하여 냉각수의 유동이 워터재킷(100)에 고르게 분포할 수 있도록 유도함으로써, 냉각 효과를 높일 수 있게 된다. 이러한 냉각 효과의 향상은 도 8 및 도 9에서 확인할 수 있다.

어떠한 실시예들에서, 실린더헤드(10)는 x축 방향의 일측에 냉각수가 유출되는 유출공(16)을 가질 수 있다. (도 9 참조)

도 4는 본 개시물의 일 실시예에 따른 실린더헤드(10)를 제작하기 위한 코어 어셈블리를 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 5는 본 개시물의 일 실시예에 따른 워터재킷의 저면도이고, 도 6은 본 개시물의 일 실시예에 따른 워터재킷의 중앙 부위를 xy 평면을 따라 절개한 뒤, 위쪽에서 바라본 도면이며, 도 7은 절개된 도 6의 워터재킷을 아래쪽에서 바라본 도면이다.

도 4에서 100은 워터재킷 코어를, 200은 흡기덕트 코어를, 300은 배기덕트 코어를, 400은 연소실 코어를, 500은 오일자켓 코어를 나타낸다. 제작된 실린더헤드(10) 내에는 이들 코어에 대응되는 캐버티(cavity)가 형성될 것이다.

도 8은 격벽이 없는 워터재킷과 격벽(13, 14)이 있는 워터재킷의 냉각수의 유동 분포를 보여주는 도면이고, 도 9는 격벽(13, 14)이 있는 워터재킷의 냉각수의 스트림라인을 보여주는 도면이다.

냉각수의 유동 흐름을 확인할 수 있도록 실시한 시뮬레이션 결과를 도 8에 나타내었다. 도 8에서 채색된 색은 냉각수의 분포 정도를 나타낸다. 즉, 채색된 부위는 채색되지 않은 부위보다 냉각수의 유량이 더 크다. 색이 채색된 부분은 냉각수가 격벽이 없는 워터재킷(a)과 비교하여, 격벽(13, 14)이 있는 워터재킷(b)에서 냉각수의 분포가 더욱 넓은 지역에 있음을 확인됨으로써, 이 격벽 구조를 통해 냉각수 유동 제어는 냉각효과를 극대화 시킴을 확인하였다. 이로 인해 엔진의 내구성을 향상시킬 수 있다.

도 9에 도시한 바와 같이, 어떠한 실시예들에서, 냉각수가 실린더블럭 내의 워터자켓으로 유입되는 유입공(26)은 x축 방향을 따라 실린더헤드에 형성되는 유출공(16)의 타측에 형성될 수 있다. 따라서, 이러한 실시예들에서, 도 3을 참조할 때, x축 방향을 따라 유출공(16)에 인접한 6 개의 유입공(15)보다 유입공(26)에 인접한 6 개의 유입공(15)을 통하여 유입되는 냉각수의 유량이 더 클 수 있다.

또한, 어떠한 실시예들에서, 실린더블럭에 형성되는 유입공(26)은 y축 방향을 따라 흡기구보다는 배기구에 인접하는 위치에 형성될 수 있다. 따라서, 이러한 실시예들에서, 도 3을 참조할 때, y축 방향을 따라 흡기구(11)에 인접한 7개의 유입공(15)보다 배기구(12)에 인접한 7개의 유입공(15)을 통하여 유입되는 냉각수의 유량이 더 클 수 있다.

Claims (8)

1. 실린더의 상부에 배치되는 실린더헤드로서, 상기 실린더의 연소실을 향하여 개구되게 형성되는 흡기구 및 배기구를 갖고, 내부에 워터재킷이 형성되고,
   상기 실린더헤드는 상하 방향을 따르는 z축 방향과, 상기 z축 방향과 직교하고 상기 흡기구와 상기 배기구 사이를 지나는 중심선을 따르는 x축 방향과 상기 z축 방향 및 상기 x축 방향과 직교하는 y축 방향을 갖고,
   상기 워터재킷은,
   상기 배기구와 유입구가 연결되는 배기매니폴드를 상부 및 하부에서 덮도록 형성되는 상부커버부 및 하부커버부를 포함하고,
   상기 하부커버부에는 냉각수의 흐름을 가로막는 격벽이 적어도 1 개소에 형성되는,
   내연기관의 실린더헤드.
2. 제1 항에 있어서,
   주어진 위치에서의 상기 격벽의 상기 z축 방향을 따라 측정되는 치수는 그 위치에서의 상기 z축 방향을 따라 측정되는 상기 하부커버부의 두께에 대응되는 크기를 갖고,
   상기 격벽의 상기 x축 방향을 따라 측정되는 치수는 상기 y축 방향을 따라 측정되는 치수의 적어도 3배의 크기를 갖는,
   내연기관의 실린더헤드.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 z축 방향의 위쪽에서 볼 때, 상기 배기구와 상기 배기매니폴드의 유출구의 사이에 상기 격벽이 형성되는,
   내연기관의 실린더헤드.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 실린더는 2 개의 실린더를 포함하고,
   상기 실린더헤드는 상기 2 개의 실린더의 연소실의 각각을 향하여 개구되는 2 개의 흡기구 및 2 개의 배기구를 갖고,
   상기 격벽은 2 개의 근위 격벽을 포함하고,
   상기 z축 방향의 위쪽에서 볼 때,
   상기 4 개의 배기구를 지나는 중심선은 상기 x축 방향을 따라 연장되고,
   상기 4 개의 배기구 중 내측 2 개의 배기구로부터 상기 y축 방향을 따라 이격되게 상기 2 개의 근위 격벽이 형성되는,
   내연기관의 실린더헤드.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 격벽은 원위 격벽을 추가적으로 포함하고,
   상기 z축 방향의 위쪽에서 볼 때,
   상기 원위 격벽은 상기 2 개의 근위 격벽과 상기 배기매니폴드의 유출구의 사이에 형성되는,
   내연기관의 실린더헤드.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 실린더헤드는 그 하면에 냉각수가 유입되는 복수 개의 유입공을 갖고,
   상기 z축 방향의 위쪽에서 볼 때,
   상기 복수 개의 유입공은 상기 실린더의 연소실의 둘레에 배치되고,
   상기 복수 개의 유입공과 상기 배기매니폴드의 유출구의 사이에 상기 격벽이 형성되는,
   내연기관의 실린더헤드.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 실린더헤드는 x축 방향의 일측에 상기 냉각수가 유출되는 유출공을 갖는,
   내연기관의 실린더헤드.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 배기매니폴드는 상기 실린더헤드에 일체로 형성되는,
   내연기관의 실린더헤드.

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