WO2016204593A1 - 엔진의 실린더 헤드 - Google Patents

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WO2016204593A1
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groove
region
valve
cylinder head
valve seat
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PCT/KR2016/006546
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English (en)
French (fr)
Inventor
강동우
정경환
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HD Hyundai Infracore Co Ltd
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Doosan Infracore Co Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads

Definitions

  • the present invention relates to an engine, and more particularly to a cylinder head coupled with a cylinder block to cover a combustion chamber.
  • the cylinder head of an engine is arrange
  • the cylinder head requires rigidity against explosion pressure and high temperature thermal expansion.
  • Patent Document Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-197961 (2000.07.18.)
  • the present invention has been made in an effort to provide a cylinder head having enhanced durability against pressure and high temperature environments generated during engine driving.
  • a cylinder head of an engine is coupled with the cylinder block to cover a combustion chamber formed inside the cylinder block, and exhausted from the inside of the combustion chamber.
  • a valve seat unit including an exhaust valve seat through which gas is discharged, an intake valve seat through which air is introduced into the combustion chamber, and a groove formed in a groove shape surrounding at least a portion of the valve seat unit.
  • the cylinder head further includes a first region, a second region, and a third region, which are formed to be distinguished from each other, wherein the valve seat unit is formed in the first region, and the second region. May be formed in an annular shape surrounding the first region, and a seal portion that seals the combustion chamber when the cylinder head and the cylinder block are coupled may be formed in the second region, and the groove may be formed in the third region. .
  • the third region includes a fourth region formed between the first region and the second region, and the groove includes a first groove formed in a groove shape in the fourth region. can do.
  • the combustion chamber 16 may be formed in plural, the valve seat unit may be formed in plural to correspond to each of the combustion chambers, and the first region, the second region, and the fourth region may be A plurality of valve seat units may be formed to correspond to the plurality of valve seat units, and the first groove may be formed in at least one of the plurality of fourth regions.
  • the first groove may be formed in a closed curve shape surrounding an outline of at least one of the plurality of first regions.
  • each of the valve seat units includes a plurality of exhaust valve seats and a plurality of intake valve seats, wherein the first region is an area between the plurality of exhaust valve seats and the plurality of intake valve seats. And a plurality of valve bridges, wherein the first grooves are formed in an arc shape and disposed to face at least one of the plurality of valve bridges.
  • the combustion chamber may be formed in plural
  • the valve seat unit may be formed in plural to correspond to each of the combustion chambers
  • the first region and the second region may be formed in plural to form the plurality of valves.
  • the third region further includes a fifth region, which is an area formed outside the plurality of second regions
  • the groove further includes a second groove formed in a groove shape in the fifth region. At least two of the plurality of second regions may be disposed to face each other with the second groove therebetween.
  • each of the valve seat units includes a plurality of exhaust valve seats and a plurality of intake valve seats, wherein the first region is an area between the plurality of exhaust valve seats and the plurality of intake valve seats.
  • a plurality of valve bridges wherein the valve bridge includes a first valve bridge facing a valve bridge of another valve seat unit and a second valve bridge not facing a valve bridge of another valve seat unit.
  • the second groove may be formed between the first valve bridges, and the first groove may be formed to face the second valve bridge.
  • each of the valve seat units includes a plurality of exhaust valve seats and a plurality of intake valve seats, wherein the first region is an area between the plurality of exhaust valve seats and the plurality of intake valve seats. And a plurality of valve bridges, wherein the second groove is disposed between the valve bridges disposed along the long axis direction of the cylinder head, and the first groove is connected to the valve bridge disposed along the short axis direction of the cylinder head. It may be arranged to face.
  • the combustion chamber 16 may be formed in plural, the valve seat unit may be formed in plural to correspond to each of the combustion chambers, and the first region and the second region may be formed in plural.
  • the third region further includes a fifth region, which is an area formed outside the plurality of second regions, wherein the groove is formed in a groove shape in the fifth region. At least two of the plurality of second regions may be disposed to face each other with the second groove therebetween.
  • each of the valve seat units includes a plurality of exhaust valve seats and a plurality of intake valve seats, wherein the first region is an area between the plurality of exhaust valve seats and the plurality of intake valve seats. And a plurality of valve bridges, wherein the second groove may be disposed between the valve bridges disposed along the long axis direction of the cylinder head.
  • the side surface of the second groove facing the valve bridge may be formed in a curved surface.
  • the curved side surface of the second groove may be formed in an arc shape having a curvature radius greater than or equal to the curvature radius of the second region.
  • the center of curvature of the arc-shaped side surface of the second groove may be the same as the center of curvature of at least one of the first region and the second region.
  • a groove around the valve seat it is possible to prevent deformation and damage of the cylinder head even in an environment of high temperature and high pressure generated when the engine is driven.
  • the cylinder head can contribute to the miniaturization of the engine size by allowing a thinner design of the valve bridge.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining an example in which a cylinder head is installed in an engine.
  • FIG. 2 is a view showing a cylinder head according to a comparative example.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a cylinder head according to exemplary embodiments.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating an example in which a cylinder head is installed in a cylinder block according to example embodiments.
  • FIG. 5 is a diagram for describing the groove of FIG. 3.
  • FIG. 6 is a diagram for describing an effect of a cylinder head according to example embodiments.
  • FIG. 7 is a graph for explaining the size of the groove in the cylinder head according to exemplary embodiments.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a cylinder head according to exemplary embodiments.
  • FIG. 9 is a plan view illustrating a groove according to example embodiments.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a groove according to example embodiments.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a groove according to example embodiments.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a groove according to example embodiments.
  • FIG. 13 is a view for evaluating the action of thermal expansion in the cylinder head according to the comparative example.
  • FIG. 14 is a diagram for evaluating the action of thermal expansion in a cylinder head according to exemplary embodiments.
  • 15 is a view illustrating grooves of a cylinder head according to example embodiments.
  • 16 is a diagram illustrating a configuration of a cylinder head according to exemplary embodiments.
  • FIG. 1 is a view for explaining an example in which the cylinder head is installed in the engine.
  • the cylinder head 12 may be disposed on an upper portion of the cylinder block 11 and fastened and fixed with a bolt 15.
  • a gasket 14 may be provided between the cylinder head 12 and the cylinder block 11.
  • the cylinder block 11 has a combustion chamber. Fuel gas is combusted in the combustion chamber, and a piston is formed inside the liner 13 in which the piston reciprocates.
  • the combustion chamber may be formed in plurality.
  • the cylinder head 12 is formed with an intake conduit for sucking fuel gas at an upper side of the combustion chamber, and an intake valve seat is formed at the end of the intake conduit.
  • an exhaust conduit for discharging exhaust gas after combustion is formed, and an exhaust valve seat is formed at an end of the exhaust conduit.
  • the intake stroke is a stroke in which fuel gas is introduced into the combustion chamber by opening the intake valve.
  • the compression stroke is a stroke in which the piston rises to compress the fuel gas in the combustion chamber.
  • the explosion stroke is the stroke in which the piston descends as the compressed fuel explodes.
  • the exhaust stroke is a stroke in which the exhaust valve is opened and the combusted exhaust gas is discharged.
  • the cylinder head 12 is directly affected by the explosion pressure during the explosion stroke, and therefore excellent mechanical properties are required.
  • the cylinder head 12 will be described in more detail with reference to FIG. 2.
  • Attached Figure 2 is shown in an upside down state to help understand the configuration of the cylinder head according to the comparative example.
  • the exhaust valve seats 21 and 22 and the intake valve seats 23 and 24 are formed in the cylinder head 12.
  • a plurality of intake valves and exhaust valves may be provided, and correspondingly, a plurality of exhaust valve seats 21 and 22 and intake valve seats 23 and 24 may be formed. That is, a total of four valve seats may be formed in one combustion chamber, and each valve seat is connected to a valve bridge 25, 26, 27, 28.
  • the plurality of intake valve seats 23 and 24, the exhaust valve seats 21 and 22, and the valve bridges 25, 26, 27, and 28 provided in this manner form one valve seat unit.
  • a plurality of valve seat units may be formed to correspond to each combustion chamber.
  • reference numeral 90 denotes an installation unit in which various components for the bolt and engine configuration of FIG. 1 are installed
  • reference numeral 50 denotes an injector installation unit in which the injector is installed.
  • the injector injects compressed fuel into the combustion chamber.
  • the injected fuel is mixed with the air compressed in the combustion chamber to form fuel gas.
  • a case of a multi-cylinder diesel engine has been described as an example.
  • the configuration of the above-described installation units 50 and 90 may be changed accordingly.
  • valve bridge 25, 26, 27, 28 is limited in size. That is, the thicker the valve bridge is advantageous for rigidity, but the thicker the valve bridge becomes, the narrower the flow path of the valve becomes, which is disadvantageous for flowing a large amount of fluid.
  • the engine is being improved to miniaturize the outer size of the engine while maintaining the performance of the engine.
  • the thickness of the valve bridges 25, 26, 27, 28 is designed to be thin, cracks may occur due to thermal expansion and explosion pressure, and particularly, the valve bridges 25, 26, 27, 28, cracks as shown in FIG. 2 may occur.
  • the cylinder head 100 may be divided into a plurality of regions, as shown in FIGS. 3 and 4.
  • the valve seat unit 30 has a circular first region 1 formed therein, and a second region formed in an annular shape so as to surround the first region 1 and having the seal portion 60 disposed therein ( 3) and the third region 5 which is the remaining region except for the first and second regions 1 and 3.
  • the third region 5 may be divided into a fourth region 6 and a fifth region 7, and the fourth region 6 is an area between the first region 1 and the second region 2, That is, the second region 2 may be formed in the second region 2, and the fifth region 7 may be a region outside the second region 2.
  • the valve seat unit 30 and the seal portion 60 may also be formed in plural. Accordingly, a plurality of first and second regions 1 and 3 may be formed, and a plurality of fourth regions 6 may also be formed.
  • the cylinder head 100 may be provided with a groove 40 having a groove shape for preventing thermal deformation and damage of the cylinder head 100.
  • the groove 40 may be formed in the third region 5 to avoid interference with the seal portion 60 and the valve seat unit 30, and the fourth of the third regions 5 may be formed in FIGS. 3 and 4.
  • the configuration in which the first groove 41 is formed in the region 6 is shown by way of example.
  • the inside of the groove 40 may be formed in an annular shape so that the valve seat unit 30 may be disposed.
  • the valve seat unit 30 may include the exhaust valve seats 31 and 32, the intake valve seats 33 and 34, and valve bridges 35 to 38 formed between the respective valve seats.
  • the first groove 41 is an annular cylinder having a radius larger than the inner circumferential surface radius of the liner 13 so as to be disposed outside the exhaust valve seats 31 and 32 and the intake valve seats 33 and 34 described above.
  • the head 100 is formed into a groove concave inside.
  • the cylinder head 100 can be significantly attenuated by the groove 40 by thermal expansion and breakage due to the explosion pressure or the heat load generated in the combustion chamber 16.
  • the cylinder head 100 can contribute to designing a thin thickness of the valve bridge (35 to 38), it can be expected to reduce the size of the engine size.
  • the first groove 41 as described above may be formed in an annular shape having a radius of 100% to 110% with respect to the radius of the inner circumferential surface of the liner 13. If the radius of the first groove 41 is less than 100% of the radius of the inner circumferential surface of the liner 13, since it is exposed to the combustion chamber, it may be directly affected by the explosion and adversely affect the flow of fuel gas in the combustion chamber. There is a possibility. If the radius of the first groove 41 exceeds 110% of the radius of the inner circumferential surface of the liner 13, the distance from the valve bridges 35 to 38 becomes too far, whereby the absorbing effect of thermal deformation is halved. Can be.
  • the radius of the first groove 41 exceeds 110% of the radius of the inner circumferential surface of the liner 13
  • interference may occur between the head hole and the cylinder, and the first groove 41 may have a second diameter.
  • the shielding efficiency of the combustion chamber 16 can be reduced by invading the region 3, that is, the seal portion 60.
  • the load is relatively concentrated when the cylinder head 100 is mounted, a problem may occur due to this.
  • the radius of the groove 41 is 100% to 110% of the radius of the inner circumferential surface of the liner 13, it is effective in improving the life of the cylinder head and thermally deforming without affecting the fuel gas flow in the combustion chamber. Absorption of can be implemented well.
  • the radius of the first groove 41 is 106% to 108% of the radius of the inner circumferential surface of the liner 13
  • the life of the cylinder head 100 can be significantly improved. More specifically, the life of the cylinder head 100 may be improved by up to 11.4%. This can be seen in the graph of FIG. 7 comparing the predicted life results with or without the first groove 41 using a cylinder head block having the same conditions (bolt binding force, temperature distribution, etc.).
  • the first groove 41 may be formed in one closed curve, that is, an annular shape. Thereby, the processing of the first groove 41 can be facilitated.
  • the overall shape of the cylinder head 100 may be manufactured by casting, and in this case, a schematic shape of the first groove 41 may be formed.
  • post-processing for the first groove 41 may not be necessary.
  • the first groove 41 is not smooth or a notch is formed, it may be trimmed by performing a cutting process.
  • the time required for the post-processing can be shortened by passing the cutting tool at once in a single path.
  • the cylinder head 100 may include an arc-shaped first groove 41.
  • the arc-shaped first grooves 41 may be formed in plural, and thus may be formed in an annular shape having a broken line.
  • the portion where the first groove 41 is not formed may contribute to improving the rigidity of the cylinder head 100. That is, the groove 40 can absorb thermal expansion while maintaining the rigidity of the cylinder head 100 satisfactorily.
  • the first groove 41 is formed in an annular shape in the form of a break line, the respective portions of the first groove 41 face the valve bridges 35, 36, 37, 38, and the intake valve seat and the exhaust valve seat. At least one of the outer sides of the non-facing shape may be formed.
  • the first grooves 41 are formed to face the valve bridges 35, 36, 37, and 38 where the stresses are concentrated. Thus, the machining area of the first grooves 41 is increased. While reducing the size can be expected to enhance the durability of the cylinder head (100).
  • the cylinder head according to the embodiments made as described above forms a groove 40 around each valve seat so that when the explosion pressure and thermal expansion act on the cylinder head 100, it is exploded by the groove 40. It can relieve pressure and thermal expansion.
  • the cylinder head 100 according to the embodiment of the present invention can significantly reduce the formation of cracks in the valve bridges 35 to 38 even if the valve bridges 35 to 38 formed thinly between the valves. Can be. By allowing the design of the valve bridges 35 to 38 to be thin, it is possible to contribute to miniaturization of the size of the engine.
  • the cylinder head 100 may include a plurality of combustion chambers and a plurality of valve seat units 30 corresponding thereto. If the number of combustion chambers is six in the engine, six valve seat units 30 may be formed, and five second grooves 43 to be described later may be formed.
  • a fifth region 7 of the third region 5 may be formed between the plurality of valve seat units 30.
  • the fifth region 7 may be an area formed between the valve seat units 30, that is, an area formed between the plurality of second areas 3.
  • the groove 40 may include at least one second groove 43 formed in the fifth region 7 between one valve seat unit 30 and the other valve seat unit 30.
  • the second groove 43 may be formed in the cylinder head 100 in a concave shape so as to be disposed on the fifth region 7.
  • the second groove 43 may be formed in the cylinder head 100 in contact with the gasket 14 (see FIG. 4).
  • the gasket 14 may be installed between the cylinder block 11 and the cylinder head 100.
  • the second groove 43 may have the same width as the first width w1 at both ends and the second width w2 at the middle portion. According to this, the thermal expansion of the cylinder head 100 according to the explosion pressure or the heat load is attenuated by the second grooves 43 and relatively easy processing can be expected. In addition, even when the valve bridge is thinly formed, the formation of cracks in the valve bridge can be remarkably reduced by absorbing thermal deformation in the second groove 43. Furthermore, the thinner design of the valve bridge can contribute to the smaller size of the engine.
  • the second groove 43 may be formed so as not to overlap the seal portion 60 for sealing the combustion chamber.
  • the seal part 60 is in close contact with the packing unit for closing the combustion chamber, and may be understood as a part in contact with the packing unit installed between the cylinder block and the cylinder head, rather than being formed of a physical structure. have. Accordingly, the second groove 43 may be physically clearly distinguished from the false combustion chamber, thereby preventing the combustion gas of the combustion chamber from leaking.
  • the second groove 43 may be formed so that its depth does not overlap with the water jacket.
  • the water jacket includes a coolant passage formed in the cylinder head 100 to allow the coolant to flow for cooling the cylinder head 100. That is, the deeper the second grooves 43 are formed, the more the absorption effect against thermal deformation can be increased. Thus, when the overlapping with the water jacket is avoided, leakage of the coolant due to the formation of the second grooves 43 can be prevented. Can be.
  • the second groove 43 may have a curved surface in which the side surface 48 is convex in the inward direction of the second groove 43.
  • the space of the second groove 43 may be more widely secured, and thus, plastic deformation due to thermal expansion may be more effectively absorbed.
  • overlapping with the combustion chamber or the seal part 60 can be avoided.
  • the curvature radius R is larger than the curvature radii of the first and second regions 1 and 3, as shown in FIGS. 9 and 12.
  • the center of the radius of curvature R may be formed to match the center of the combustion chamber. Thereby, while making the volume of the 2nd groove 43 largest, it is possible not to overlap with the seal part 60.
  • FIGS. 13 and 14 are views for evaluating the action of thermal expansion in the cylinder head according to the comparative example.
  • Figure 14 is a view for evaluating the action of thermal expansion in the cylinder head according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 13 is a trial evaluation of a cylinder head without the second groove 43.
  • 14 is a test evaluation of the cylinder head provided with the second groove 43.
  • the concentration of stress is relatively small when the second groove 43 is provided.
  • the mechanical deformation was found to be approximately 1.6% to 8% improved from the examples compared to the comparative example.
  • the second groove 43 described in FIG. 10 is an embodiment in which there is no change in width. Compared with the comparative example without the second groove 43, the mechanical deformation was evaluated to be 1.6% improved. In addition, when the mechanical deformation is converted into the life expectancy of the cylinder head 100, the life expectancy is evaluated to be improved by 34%.
  • the second groove 43 shown in FIG. 11 is an embodiment in which the side surface 48 is formed in a curved surface to widen the widths of both ends of the second groove 43.
  • the mechanical deformation was improved by 2.1%.
  • the life expectancy is estimated to be improved by 37.5%.
  • the second groove 43 shown in FIG. 12 is an embodiment in which the side surface 48 is formed in a curved surface, but the center of the curved radius coincides with the center of the combustion chamber to maximize the space of the second groove 43.
  • the mechanical deformation was evaluated to be 8% improved.
  • the life expectancy is estimated to be improved by 50%.
  • the cylinder head 100 according to the embodiment of the present invention made as described above forms a second groove 43 between the valve seat unit 30 and another adjacent valve seat unit 40, thereby causing explosion pressure and heat.
  • the second groove 43 can absorb the deformation due to the explosion pressure and thermal expansion.
  • the cylinder head 100 according to the embodiment of the present invention can significantly reduce the formation of cracks in the valve bridges 35 to 38 even if the valve bridges 35 to 38 formed thinly between the valves. Can be.
  • the cylinder head 100 may contribute to miniaturization of the engine size by allowing the valve bridges 35 to 38 to be thinly designed.
  • the groove 40 of the cylinder head may include both the first groove 41 and the second groove 43 described above. That is, at least one second groove 43 may be formed in the fifth region 7, and at least one first groove 41 may be formed in the fourth region 6.
  • the second groove 43 may have a curved side surface 48 as described in the previous embodiment.
  • the first groove 41 may be formed in an annular shape surrounding the first region 1. According to this embodiment, it is possible to effectively absorb the deformation of the cylinder head.
  • the groove 40 of the cylinder head may also include both the first groove 41 and the second groove 43.
  • the first groove 41 may be formed in an arc shape in the fourth region 6, unlike the above-described embodiments.
  • the combustion chamber is arranged in series as an example, and in this case, the valve seat unit 30 may be sequentially disposed corresponding to the arrangement of the combustion chamber in the long axis X direction of the cylinder head 100.
  • the valve bridges of the cylinder head 100 may be divided into two groups, the first valve bridge 30A and the second valve bridge 30B.
  • the first valve bridge 30A includes valve bridges 35 and 37 disposed along the long axis X direction of the cylinder head 100, and the second valve bridge 30B has a short axis of the cylinder head 100 ( Valve bridges 36 and 38 disposed along the Y) direction.
  • the first valve bridges 30A have a longer heat transfer path than the second valve bridges 30B when the combustion chamber explodes, and more stress is concentrated than the second valve bridges 30B.
  • at least one second groove 43 formed of a relatively large volume groove is formed along the major axis X direction of the cylinder head 100, and the first groove 41 formed of a relatively small volume groove is shortened. At least one may be formed along the (Y) direction.
  • the second groove 43 is disposed between the valve seat units 30. That is, the second grooves 43 may be disposed between the valve bridges 35 and 37 which belong to different valve seat units 30 and face each other.
  • the first groove 41 is disposed at a position facing the valve bridges 36 and 38 not facing the valve bridge of the other valve seat unit 30. In this case, it is possible to prevent the plurality of grooves 41 and 43 from being formed at the same point in parallel, so that an effect can be expected in terms of the structure and layout of the cylinder head.
  • the in-line multi-cylinder engine has been described as an example.
  • the valve seat units 30 are not sequentially disposed. That is, the valve seat unit 30 is arranged independently.
  • the stress of the cylinder head may be smaller than that of the case in which the plurality of valve seat units 30 are disposed.
  • the thermal deformation of the cylinder head may be alleviated.
  • the cylinder head according to the embodiment of the present invention may be used to have rigidity against explosion pressure due to explosion of combustion gas and thermal expansion due to high temperature.
  • valve seat 35, 36, 37, 38 valve bridge

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

본 발명은 실린더 헤드에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 실린더 헤드는, 흡기밸브시트와 배기밸브시트들의 사이의 영역인 밸브 브릿지 외곽에 형성된 그루브를 포함한다. 이러한 그루브에 의하면, 연료 연소로 발생되는 열과 압력에 의해 실린더 헤드에 발생되는 응력을 흡수할 수 있게 된다. 따라서 밸브 브릿지의 변형 및 그로 인한 파손을 최소화 할 수 있다.

Description

엔진의 실린더 헤드
본 발명은 엔진에 관한 것으로, 더 상세하게는 연소실을 덮도록 실린더 블록과 결합되는 실린더 헤드에 관한 것이다.
일반적으로 엔진의 실린더 헤드는 실린더 블록의 상부에 배치되어 볼트 등의체결 장치에 의해 고정된다.
한편, 실린더 블록의 연소실에서 연료가스가 연소될 때 고온 고압의 환경이 조성된다.
따라서 실린더 헤드는 폭발 압력과 고온의 열 팽창에 대한 강성이 요구된다.
<선행기술문헌>
(특허문헌) 일본 공개 특허공보 제2000-197961호(2000.07.18.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 엔진 구동시 발생되는 압력과 고온의 환경에 대해 내구성이 강화된 실린더 헤드를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 본 발명의 일 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 엔진의 실린더 헤드는, 실린더 블록의 내측에 형성된 연소실을 덮도록 상기 실린더 블록과 결합되며, 상기 연소실 내부로부터 배기가스가 배출되는 배기밸브시트와, 상기 연소실 내부로 공기가 유입되는 흡기밸브시트를 포함하는 밸브시트 유닛 및 상기 밸브시트 유닛의 적어도 일부를 둘러싸는 홈 형상으로 형성되는 그루브를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 실린더 헤드는 상호 구분되게 형성된 영역인 제 1 영역, 제 2 영역, 제 3 영역을 더 포함하며, 상기 밸브시트 유닛은 상기 제 1 영역에 형성되고, 상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역을 둘러싸는 환형으로 형성되며, 상기 실린더 헤드와 상기 실린더 블록의 결합시 상기 연소실을 밀폐시키는 시일부가 상기 제 2 영역에 형성되고, 상기 그루브는 상기 제 3 영역에 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제 3 영역은 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역 사이에 형성된 제 4 영역을 포함하며, 상기 그루브는 상기 제 4 영역에 홈 형상으로 형성되는 제 1 그루브를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 연소실(16)은 복수로 형성되고, 상기 밸브시트 유닛은 복수로 형성되어 상기 연소실 각각에 대응되며, 상기 제 1 영역, 상기 제 2 영역 및 상기 제 4 영역은 복수로 형성되어 상기 복수의 밸브시트 유닛 각각에 대응되며, 상기 제 1 그루브는 상기 복수의 제 4 영역 중 적어도 하나에 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제 1 그루브는 상기 복수의 제 1 영역 중 적어도 하나의 외곽을 둘러싸는 폐곡선 형상으로 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 밸브시트 유닛 각각은 복수의 배기밸브시트 및 복수의 흡기밸브시트를 포함하며, 상기 제 1 영역은 상기 복수의 배기밸브시트와 상기 복수의 흡기밸브시트 사이의 영역인 복수의 밸브 브릿지를 포함하며, 상기 제 1 그루브는 원호형상으로 형성되어 상기 복수의 밸브 브릿지 중 적어도 하나와 마주하게 배치될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 연소실은 복수로 형성되고, 상기 밸브시트 유닛은 복수로 형성되어 상기 연소실 각각에 대응되며, 상기 제 1 영역, 상기 제 2 영역은 복수로 형성되어 상기 복수의 밸브시트 유닛 각각에 대응되며, 상기 제 3 영역은 상기 복수의 제 2 영역 외곽에 형성된 영역인 제 5 영역을 더 포함하며, 상기 그루브는 상기 제 5 영역에 홈 형상으로 형성되는 제 2 그루브를 더 포함하며, 상기 복수의 제 2 영역들 중 적어도 두 개는 상기 제 2 그루브를 사이에 두고 상호 마주하도록 배치될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 밸브시트 유닛 각각은 복수의 배기밸브시트 및 복수의 흡기밸브시트를 포함하며, 상기 제 1 영역은 상기 복수의 배기밸브시트와 상기 복수의 흡기밸브시트 사이의 영역인 복수의 밸브 브릿지를 포함하며, 상기 밸브 브릿지는 다른 밸브시트 유닛의 밸브 브릿지와 마주하는 제 1 밸브 브릿지와, 다른 밸브시트 유닛의 밸브 브릿지와 마주하지 않는 제 2 밸브 브릿지를 포함하며, 상기 제 2 그루브는 상기 제 1 밸브 브릿지들 사이에 형성되고, 상기 제 1 그루브는 상기 제 2 밸브 브릿지와 마주하도록 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 밸브시트 유닛 각각은 복수의 배기밸브시트 및 복수의 흡기밸브시트를 포함하며, 상기 제 1 영역은 상기 복수의 배기밸브시트와 상기 복수의 흡기밸브시트 사이의 영역인 복수의 밸브 브릿지를 포함하며, 상기 제 2 그루브는 상기 실린더 헤드의 장축 방향을 따라 배치된 밸브 브릿지들 사이에 배치되고, 상기 제 1 그루브는 상기 실린더 헤드의 단축 방향을 따라 배치된 밸브 브릿지와 마주하도록 배치될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 연소실(16)은 복수로 형성되고, 상기 밸브시트 유닛은 복수로 형성되어 상기 연소실 각각에 대응되며, 상기 제 1 영역, 상기 제 2 영역은 복수로 형성되어 상기 복수의 밸브시트 유닛 각각에 대응되며, 상기 제 3 영역은 상기 복수의 제 2 영역 외곽에 형성된 영역인 제 5 영역을 더 포함하며, 상기 그루브는 상기 제 5 영역에 홈 형상으로 형성되는 제 2 그루브를 포함하며, 상기 복수의 제 2 영역들 중 적어도 두 개는 상기 제 2 그루브를 사이에 두고 상호 마주하도록 배치될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 밸브시트 유닛 각각은 복수의 배기밸브시트 및 복수의 흡기밸브시트를 포함하며, 상기 제 1 영역은 상기 복수의 배기밸브시트와 상기 복수의 흡기밸브시트 사이의 영역인 복수의 밸브 브릿지를 포함하며, 상기 제 2 그루브는 상기 실린더 헤드의 장축 방향을 따라 배치된 밸브 브릿지들 사이에 배치될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 밸브 브릿지와 마주하는 상기 제 2 그루브의 측면은 곡면으로 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제 2 그루브의 곡면 형상 측면은 상기 제 2 영역의 곡률반경 이상의 곡률반경을 가지는 원호 형상으로 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제 2 그루브의 원호 형상 측면의 곡률중심은 상기 제 1 영역 및 상기 제 2 영역 중 적어도 하나의 곡률중심과 동일하게 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 밸브 시트의 둘레에 그루브를 형성함으로써, 엔진 구동시 발생되는 고온 고압의 환경에서도 실린더 헤드의 변형 및 그로 인한 파손을 방지할 수 있다.
특히, 실린더 헤드는 밸브와 밸브의 사이에 형성된 밸브 브릿지를 얇게 제공하더라도 밸브 브릿지에 균열이 형성되는 것을 현저하게 저감시킬 수 있다.
나아가 실린더 헤드는 밸브 브릿지를 얇게 설계할 수 있도록 함으로써 엔진의 외형 크기를 소형화하는 데에 기여할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 실린더 헤드가 엔진에 설치되는 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 비교예에 따른 실린더 헤드를 나타내는 도면이다.
도 3는 예시적인 실시예들에 따른 실린더 헤드를 나타내는 도면이다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 실린더 헤드가 실린더 블록에 설치된 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 도 3의 그루브를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 실린더 헤드의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 실린더 헤드에서 그루브의 사이즈에 대해 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 예시적인 실시예들에 따른 실린더 헤드를 나타내는 도면이다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 그루브를 나타낸 평면도이다.
도 10은 예시적인 실시예들에 따른 그루브의 구성을 나타낸 도면이다.
도 11은 예시적인 실시예들에 따른 그루브를 나타낸 도면이다.
도 12는 예시적인 실시예들에 따른 그루브를 나타낸 도면이다.
도 13은 비교예에 따른 실린더 헤드에서 열 팽창에 의한 작용을 평가하기 위한 도면이다.
도 14는 예시적인 실시예들에 따른 실린더 헤드에서 열 팽창에 의한 작용을 평가하기 위한 도면이다.
도 15는 예시적인 실시예들에 따른 실린더 헤드의 그루브를 나타낸 도면이다.
도 16은 예시적인 실시예들에 따른 실린더 헤드의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 크기가 과장되게 도시될 수 있다.
한편, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
먼저, 도 1을 참조하여 엔진의 구성을 설명한다. 첨부도면 도 1은 실린더 헤드가 엔진에 설치되는 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 실린더 헤드(12)는 실린더 블록(11)의 상부에 배치되어 볼트(15)로 체결 고정될 수 있다. 그리고 실린더 헤드(12)와 실린더 블록(11)의 사이에는 개스킷(14)이 구비될 수 있다.
실린더 블록(11)은 연소실을 구비한다. 연소실 내부에서 연료가스가 연소되며, 내부에 피스톤이 왕복 운동하는 라이너(13)의 내부에 구획 형성된다. 이러한 연소실은 복수개로 형성될 수 있다.
실린더 헤드(12)는 연소실의 상측에 연료가스를 흡입하기 위한 흡기 관로가 형성되고, 흡기 관로의 끝부분에는 흡기밸브시트가 형성된다. 또한 연소가 완료된 배기가스를 배출하도록 하는 배기 관로가 형성되고, 배기 관로의 끝부분에는 배기밸브시트가 형성된다.
엔진은 엔진이 구동되면 흡입행정, 압축행정, 폭발행정, 배기행정을 진행하면서 동력을 출력한다. 흡입 행정은 흡기 밸브가 개방되어 연소실 내에 연료가스가 유입되는 행정이다. 압축 행정은 피스톤이 상승하여 연소실 내에서 연료가스를 압축하는 행정이다. 폭발 행정은 압축된 연료가 폭발하면서 피스톤이 하강하는 행정이다. 배기 행정은 배기 밸브가 개방되어 연소된 배기가스가 배출되는 행정이다.
실린더 헤드(12)는 폭발 행정 때에 폭발 압력에 직접적인 영향을 받으므로 우수한 기계적 성질이 요구된다.
또한, 폭발 행정 때에 연료가스가 연소되는데, 이때 고온 고압의 환경이 조성된다. 이에 의해 실린더 헤드(12)는 열 팽창이 발생될 수 있다. 즉, 실린더 헤드(12)는 열 팽창에 대한 강성이 요구되는 것이다.
<비교예>
실린더 헤드(12)는 도 2를 참조하여 좀 더 상세하게 설명한다. 첨부된 도 2는 비교예에 따른 실린더 헤드의 구성에 대한 이해를 돕기 위하여 상하가 뒤집어진 상태로 도시된 것이다.
실린더 헤드(12)에는 배기밸브시트(21, 22)와 흡기밸브시트(23, 24)가 형성된다. 그리고 흡기밸브와 배기밸브가 각각 복수로 구비될 수 있고 이에 대응하여 배기밸브시트(21, 22)와 흡기밸브시트(23, 24)가 각각 복수로 형성될 수 있다. 즉, 하나의 연소실에 총 4개의 밸브시트가 형성될 수 있고, 각각의 밸브시트들은 밸브 브릿지(25, 26, 27, 28 참조)로 연결된다. 이렇게 복수로 마련된 흡기밸브시트(23,24)와 배기밸브시트(21,22) 및 밸브 브릿지(25, 26, 27, 28)은 하나의 밸브시트 유닛을 형성하게 된다. 상술된 바와 같이 연소실이 복수로 형성된 엔진의 경우 밸브시트 유닛도 각 연소실에 대응되게 복수로 형성될 수 있다. 참고로, 부호 90은 도 1의 볼트 및 엔진 구성을 위한 각종 구성품들이 설치되는 설치부들이고, 부호 50은 인젝터가 관통 설치되는 인젝터 설치부를 나타낸다. 인젝터는 연소실에 압축된 연료를 분사한다. 이렇게 분사된 연료는 연소실 내 압축되는 공기와 혼합되어 연료가스를 형성시킨다. 본 실시예는 다기통 디젤 엔진인 경우를 예를 들어 설명하였으며, 엔진의 타입이 변경될 경우 이에 맞추어 상술한 설치부(50, 90)들의 구성도 변경될 수 있다.
한편, 상술한 밸브 브릿지(25, 26, 27, 28)는 크기에 제약을 받는다. 즉 강성을 위해서는 밸브 브릿지를 두껍게 형성할수록 유리하지만, 밸브 브릿지의 두께가 두꺼울수록 밸브의 유로가 좁아져 많은 양의 유체를 유동시키기에는 불리해진다.
한편, 엔진은 엔진의 성능을 유지하면서도 엔진의 외형 크기를 소형화 하도록 개선되고 있다. 그런데 앞서 설명한 바와 같이, 밸브 브릿지(25, 26, 27, 28)의 두께를 얇게 설계하는 경우에는 열 팽창과 폭발 압력에 의해 균열이 발생될 수 있으며, 특히 강성이 약한 밸브 브릿지(25, 26, 27, 28)에 도 2에 도시된 바와 같은 균열이 발생될 수 있다.
<실시예 1>
이하, 도 3, 도 4, 도 6 및 도 7을 참조하여 예시적인 실시예에 따른 실린더 헤드에 대해서 설명한다.
본 실시예에 따른 실린더 헤드(100)는 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 복수의 영역으로 나뉘어 질 수 있다. 밸브시트 유닛(30)이 내부에 형성되는 원형의 제 1 영역(1)과, 제 1 영역(1) 외곽을 둘러싸도록 환형으로 형성되며 그 내부에 시일부(60)가 배치되는 제 2 영역(3)과, 제 1 및 제 2 영역(1,3)을 제외한 나머지 영역인 제 3 영역(5)을 포함할 수 있다. 제 3 영역(5)는 제 4 영역(6)과 제 5 영역(7)로 구분될 수 있으며, 제 4 영역(6)은 제 1 영역(1)과 제 2 영역(2)의 사이 영역, 즉 제 2 영역(2) 내부에 형성될 수 있으며, 제 5 영역(7)은 제 2 영역(2)의 외부의 영역일 수 있다. 만약, 연소실이 복수로 형성된다면 이에 대응하여 밸브시트 유닛(30) 및 시일부(60)도 복수로 형성될 수 있다. 이에 따라 제 1 및 제 2 영역(1,3)도 복수로 형성되게 되며, 제 4 영역(6)도 복수로 형성될 수 있게 된다.
이러한 실린더 헤드(100)에는 실린더 헤드(100)의 열변형 및 파손을 방지하기 위한 홈 형상의 그루브(40)가 형성될 수 있다. 이러한 그루브(40)는 시일부(60) 및 밸브시트 유닛(30)과의 간섭을 피해 제 3 영역(5)에 형성될 수 있으며, 도 3 및 도 4에는 제 3 영역(5) 중 제 4 영역(6)에 제 1 그루브(41)가 형성된 구성이 예시적으로 나타나 있다.
그루브(40)의 내측에는 밸브시트 유닛(30)이 배치될 수 있도록 환형으로 형성될 수 있다. 밸브시트 유닛(30)은 배기밸브시트(31, 32), 흡기밸브시트(33, 34) 및 각각의 밸브시트들의 사이에 형성된 밸브 브릿지(35 ~ 38)를 포함할 수 있다.
흡기 밸브가 개방되었을 때에 흡기밸브시트(33, 34)를 통해 연료가스가 연소실(16)의 내부로 유입되며, 배기 밸브가 개방되었을 때에 배기밸브시트(31, 32)를 통해 연소실(16)의 배기가스가 외부로 배기된다.
한편, 제 1 그루브(41)는 상술한 배기밸브시트(31, 32)와 상술한 흡기밸브시트(33, 34)의 외측으로 배치되도록 라이너(13)의 내주면 반경보다 큰 반경을 가지는 환형으로 실린더 헤드(100) 내측으로 오목한 홈으로 형성된다.
이로써, 실린더 헤드(100)는 도 6에 나타낸 바와 같이 그루브(40)에 의해 연소실(16)에서 발생하는 폭발 압력 또는 열 부하에 따른 열 팽창 및 파손이 현저하게 감쇠될 수 있게 된다.
나아가, 도 7에 나타낸 바와 같이, 열 변형이 상술한 그루브(40)에 의해 흡수됨으로써, 밸브 브릿지(35 ~ 38)은 변형이 억제되어 결국 내구수명이 향상되는 효과를 기대할 수 있게 된다.
따라서 실린더 헤드(100)는 밸브 브릿지(35 ~ 38)의 두께를 얇게 설계하는 데에 기여할 수 있어, 엔진 외형크기를 소형화 시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
이상과 같은 제 1 그루브(41)는 상기 라이너(13)의 내주면 반경에 대해 100%~110% 크기의 반경을 가지는 환형으로 형성될 수 있다. 제 1 그루브(41)의 반경이 라이너(13)의 내주면 반경에 대하여 100% 미만인 경우에는, 연소실에 노출되기 때문에 폭발에 직접적인 영향을 받을 수 있고, 연소실의 연료가스의 유동이 좋지 않은 영향을 끼칠 가능성이 있다. 제 1 그루브(41)의 반경이 상기 라이너(13)의 내주면 반경에 대하여 110% 를 초과하는 경우에는, 밸브 브릿지(35 ~ 38)와 거리가 너무 멀어지고, 이로써 열 변형의 흡수 효과가 반감될 수 있다. 또한, 제 1 그루브(41)의 반경이 상기 라이너(13)의 내주면 반경에 대하여 110% 를 초과하는 경우에는, 헤드 홀 및 실린더 간에 간섭이 발생할 수 도 있고, 제 1 그루브(41)가 제 2 영역(3), 즉 시일부(60)를 침범하게 되어 연소실(16)의 차폐 효율을 저감시킬 수 있다. 또한 실린더 헤드(100)의 장착시 상대적으로 하중이 집중되기 때문에 이로 인한 파손이 발생되는 문제가 발생될 수 있다.
그러나 그루브(41)의 반경이 상기 라이너(13)의 내주면 반경에 대하여 100% 내지 110%이면, 실린데 헤드의 수명 향상에 효과가 있고, 연소실의 연료가스 유동에 영향을 끼치지 않으면서도 열 변형의 흡수를 양호하게 구현할 수 있다. 특히, 제 1 그루브(41)의 반경이 상기 라이너(13)의 내주면 반경에 대하여 106% 내지 108%일 경우, 실린더 헤드(100)의 수명이 현저하게 향상될 수 있다. 좀 더 구체적으로는 실린더 헤드(100)의 수명이 최대 11.4% 개선될 수 있다. 이는 동일한 조건(볼트 결속력, 온도 분포 등)을 가진 실린더 헤드 블록을 이용하여 제 1 그루브(41)의 유무에 따른 예측 수명 결과를 비교한 도 7의 그래프에서 확인할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 제 1 그루브(41)은 하나의 폐곡선, 즉 환형으로 형성될 수 있다. 이로써, 제 1 그루브(41)의 가공이 용이해질 수 있다. 예를 들면, 실린더 헤드(100)의 전체적인 형상은 주물로 제작할 수 있고, 이때 제 1 그루브(41)의 개략적인 형상이 형성될 수 있다. 일반적인 상황이라면 제 1 그루브(41)를 위한 후가공은 필요하지 않을 수 있다. 그러나 제 1 그루브(41)가 매끄럽지 못하거나 노치가 형성되어 있을 때에는 절삭가공을 수행하여 다듬을 수도 있다. 이와 같이 제 1 그루브(41)에 대한 후가공이 요구될 때에 절삭공구를 단일 경로로 한번에 지나가게 함으로써 후가공에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다.
<실시예 2>
도 5를 참조하여 예시적인 실시예에 따른 실린더 헤드(100)는 원호형 제 1 그루브(41)을 포함할 수 있다. 이러한 원호형 제 1 그루브(41)이 복수로 형성됨으로써 파단선 형태의 환형으로 형성될 수 있다. 이 경우, 제 1 그루브(41)가 형성되지 않은 부분은 실린더 헤드(100)의 강성을 향상시키는 데에 기여할 수 있다. 즉, 그루브(40)에 의해 열 팽창을 흡수하면서도 실린더 헤드(100)의 강성을 양호하게 유지할 수 있는 것이다. 이렇게 제 1 그루브(41)이 파단선 형태의 환형으로 형성될 경우, 제 1 그루브(41)의 각 부분은 밸브 브릿지(35,36,37,38)과 마주하고, 흡기밸브시트 및 배기밸브시트의 외곽은 마주하지 않는 형상으로 적어도 하나 이상 형성될 수 있다. 실린더 헤드(100)에 열 충격이 가해질 때 이로 인한 응력이 집중되는 밸브 브릿지(35,36,37,38)와 마주하도록 제 1 그루브(41)가 형성됨으로써, 제 1 그루브(41)의 가공면적을 축소시키면서도 실린더 헤드(100)의 내구성 강화 효과를 기대할 수 있게 된다.
상기한 바와 같이 이루어진 실시예들에 따른 실린더 헤드는 각각의 밸브 시트의 둘레에 그루브(40)를 형성함으로써, 폭발 압력과 열 팽창이 실린더 헤드(100)에 작용하였을 때에 그루브(40)에 의해 폭발 압력과 열 팽창을 완화시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 실린더 헤드(100)는 밸브와 밸브의 사이에 형성된 밸브 브릿지(35 ~ 38)를 얇게 제공하더라도 밸브 브릿지(35 ~ 38)에 균열이 형성되는 것을 현저하게 저감시킬 수 있다. 밸브 브릿지(35 ~ 38)를 얇게 설계할 수 있도록 함으로써 엔진의 외형 크기를 소형화하는 데에 기여할 수 있다.
<실시예 3>
이하, 도 8 내지 도 10을 참조하여 예시적인 실시예에 따른 실린더 헤드에 대해서 설명한다.
본 실시예에 따른 실린더 헤드(100)는 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 복수의 연소실과 이에 대응되는 복수의 밸브시트 유닛(30)을 포함할 수 있다. 엔진에 연소실의 개수가 6개이라면, 밸브시트 유닛(30)은 6개가 형성되고, 후술될 제 2 그루브(43)는 5개가 형성될 수 있다. 복수의 밸브시트 유닛(30)의 사이에는 제 3 영역(5) 중 제 5 영역(7)이 형성될 수 있다. 제 5 영역(7)은 밸브시트 유닛(30)들 사이의 영역, 즉 복수의 제 2 영역(3)의 사이에 형성된 영역일 수 있다. 그루브(40)는 어느 하나의 밸브시트 유닛(30)과 다른 하나의 밸브시트 유닛(30)의 사이인 제 5 영역(7)에 형성된 적어도 하나의 제 2 그루브(43)를 포함할 수 있다. 제 2 그루브(43)는 제 5 영역(7) 상에 배치되도록 오목한 형상으로 실린더 헤드(100)에 형성될 수 있다. 또한 제 2 그루브(43)는 개스킷(14, 도 4 참조)과 접하는 쪽의 실린더 헤드(100)에 형성될 수 있다. 개스킷(14)은 실린더 블록(11)과 실린더 헤드(100)의 사이에 설치될 수 있다.
한편 제 2 그루브(43)는 도 10과 같이, 양단의 제1폭(w1)과 중간부분의 제2폭(w2)이 동일하게 형성될 수 있다. 이에 따르면, 폭발 압력 또는 열 부하에 따른 실린더 헤드(100)의 열 팽창이 제 2 그루브(43)에 의해 감쇠됨과 아울러 상대적으로 가공이 용이한 이점을 기대할 수 있다. 또한, 밸브 브릿지를 얇게 성형하더라도 제 2 그루브(43)에서 열 변형을 흡수함으로써 밸브 브릿지에 균열이 형성되는 것을 현저하게 저감시킬 수 있다. 나아가 밸브 브릿지를 얇게 설계할 수 있도록 함으로써 엔진의 외형 크기를 소형화하는 데에 기여할 수 있다.
이러한 제 2 그루브(43)는 연소실의 밀폐를 위한 시일부(60)와 중첩되지 않게 성형될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 시일부(60)는 연소실을 밀폐시기기 위한 패킹 유닛과 밀착되는 부분으로, 물리적인 구조물로 형성되기 보다는 실린더 블록과 실린더 헤드 사이에 설치되는 패킹 유닛과 접촉되는 부분으로 이해될 수 있다. 이에 따라, 제 2 그루브(43)는 가 연소실과 물리적으로 명확하게 구분될 수 있고, 이로써 연소실의 연소가스가 누출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 제 2 그루브(43)는 그 깊이가 워터 재킷과 중첩되지 않게 형성될 수 있다. 워터 재킷은 실린더 헤드(100)의 냉각을 위해 냉각수가 흐를 수 있도록 실린더 헤드(100)에 형성되는 냉각수 통로 등을 포함한다. 즉, 제 2 그루브(43)가 깊게 형성될수록 열 변형에 대한 흡수효과는 증대될 수 있는데, 이렇게 워터 재킷과의 중첩을 회피할 경우 제 2 그루브(43)의 형성으로 인한 냉각수의 누출을 방지할 수 있다.
<실시예 4>
예시적인 실시예에 따른 제 2 그루브(43)는 도 11에 나타낸 바와 같이, 측면(48)이 제 2 그루브(43)의 내측방향으로 볼록하게 곡면으로 형성될 수 있다. 이로써 제 2 그루브(43)의 공간을 좀 더 넓게 확보할 수 있고, 이로써 열 팽창에 대한 소성변형을 좀 더 효과적으로 흡수할 수 있다. 아울러 연소실 또는 시일부(60)와 중첩되는 것을 회피할 수 있다. 이렇게 곡면으로 형성되는 제 2 그루브(43)의 측면(48)은 도 9 및 도 12에 나타낸 바와 같이, 곡률반경(R)이 제 1 및 제 2 영역(1,3)의 곡률반경보다 크고, 그 곡률반경(R)의 중심이 연소실의 중심과 일치하도록 형성될 수 있다. 이에 의해 제 2 그루브(43)의 체적을 최대로 크게 형성시킬 수 있으면서 시일부(60)와 중첩되지 않도록 할 수 있다.
이하, 도 13 및 도 14를 참조하여 바람직한 실시예에 따른 실린더 헤드의 작용효과를 설명한다. 첨부도면 도 13은 비교예에 따른 실린더 헤드에서 열 팽창에 의한 작용을 평가하기 위한 도면이다. 첨부도면 도 14는 예시적인 실시예에 따른 실린더 헤드에서 열 팽창에 의한 작용을 평가하기 위한 도면이다.
좀 더 상세하게는, 도 13은 제 2 그루브(43)를 구비하지 않은 실린더 헤드를 시험 평가한 것이다. 그리고 도 14는 제 2 그루브(43)가 구비된 실린더 헤드를 시험평가 한 것이다.
도 8의 A부분과 도 9의 B부분을 살펴보면, 제 2 그루브(43)가 구비된 경우에 응력의 집중도가 상대적으로 적은 것을 알 수 있다. 특히 기계적 변형은 비교예보다 실시예가 대략 1.6% 내지 최대 8%가 개선된 것으로 나타났다.
좀 더 구체적으로, 도 10에 기재된 제 2 그루브(43)는 폭의 변화가 없는 실시예이다. 이는 제 2 그루브(43)를 구비하지 않은 비교예에 비교하여, 기계적 변형은 1.6%개선된 것으로 평가되었다. 또한, 기계적 변형을 실린더 헤드(100)의 기대수명으로 환산하면 기대수명이 34% 개선된 것으로 평가된다.
또한, 도 11에 기재된 제 2 그루브(43)는 측면(48)을 곡면으로 형성하여 제 2 그루브(43)의 양쪽 끝부분의 폭을 넓게 형성한 실시예이다. 이는 제 2 그루브(43)를 구비하지 않은 비교예에 비교하여, 기계적 변형은 2.1%개선된 것으로 평가되었다. 또한, 기계적 변형을 실린더 헤드(100)의 기대수명으로 환산하면 기대수명이 37.5% 개선된 것으로 평가된다.
또한, 도 12에 기재된 제 2 그루브(43)는 측면(48)을 곡면으로 형성하되 곡면반경의 중심을 연소실의 중심과 일치되도록 함으로써 제 2 그루브(43)의 공간을 최대한 확보한 실시예이다. 이는 제 2 그루브(43)를 구비하지 않은 비교예에 비교하여, 기계적 변형은 8%개선된 것으로 평가되었다. 또한, 기계적 변형을 실린더 헤드(100)의 기대수명으로 환산하면 기대수명이 50% 개선된 것으로 평가된다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따른 실린더 헤드(100)은 밸브시트 유닛(30)과 인접한 다른 밸브시트 유닛(40)의 사이에 제 2 그루브(43)를 형성시킴으로써, 폭발 압력과 열 팽창이 실린더 헤드(100)에 작용하였을 때에 제 2 그루브(43)에 의해 폭발 압력과 열 팽창에 의한 변형을 흡수할 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 실린더 헤드(100)은 밸브와 밸브의 사이에 형성된 밸브 브릿지(35 ~ 38)를 얇게 제공하더라도 밸브 브릿지(35 ~ 38)에 균열이 형성되는 것을 현저하게 저감시킬 수 있다.
나아가 본 발명의 실시예에 따른 실린더 헤드(100)은 밸브 브릿지(35 ~ 38)를 얇게 설계할 수 있도록 함으로써 엔진의 외형 크기를 소형화하는 데에 기여할 수 있다.
<실시예 5>
도 15를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 실린더 헤드의 그루브(40)는 앞서 설명된 제 1 그루브(41)과 제 2 그루브(43)을 모두 포함할 수 있다. 즉 제 5 영역(7)에는 적어도 하나의 제 2 그루브(43)가 형성되고, 제 4 영역(6)에는 적어도 하나의 제 1 그루브(41)가 형성될 수 있다. 본 실시예에서 제 2 그루브(43)는 앞선 실시예에서 설명된 바와 같은 측면(48)이 곡면으로 형성될 수 있다. 아울러 제 1 그루브(41)는 제 1 영역(1)을 둘러싸는 환형으로 형성될 수 있다. 이러한 본 실시예에 따르면 실린더 헤드의 변형을 효과적으로 흡수할 수 있게 된다.
<실시예 6>
도 16을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 실린더 헤드의 그루브(40)도 제 1 그루브(41)과 제 2 그루브(43) 모두를 포함할 수 있다. 여기서 제 1 그루브(41)는 앞서 설명된 실시예들과 다르게 제 4 영역(6)에 원호형상으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 연소실이 직렬로 배치된 엔진을 예로 들어 설명하는데, 이 경우 밸브시트 유닛(30)은 실린더 헤드(100)의 장축(X) 방향으로 연소실의 배치에 대응하여 순차적으로 배치될 수 있다. 이 경우 실린더 헤드(100)의 밸브 브릿지들을 제 1 밸브 브릿지(30A)와 제 2 밸브 브릿지(30B)의 두 그룹으로 구분할 수 있다. 제 1 밸브 브릿지(30A)는 실린더 헤드(100)의 장축(X) 방향을 따라 배치된 밸브 브릿지(35,37)들을 포함하고, 제 2 밸브 브릿지(30B)는 실린더 헤드(100)의 단축(Y) 방향을 따라 배치되는 밸브 브릿지(36,38)들을 포함할 수 있다. 여기서 제 1 밸브 브릿지(30A)들은 연소실의 폭발시 그 열전달 경로가 제 2 밸브 브릿지(30B)들에 비해 길게 형성되고, 제 2 밸브 브릿지(30B)에 비해 더 큰 응력이 집중되게 된다. 이에 따라 비교적 큰 체적의 홈으로 형성된 제 2 그루브(43)가 실린더 헤드(100)의 장축(X) 방향을 따라 적어도 하나가 형성되고, 비교적 작은 체적의 홈으로 형성된 제 1 그루브(41)가 단축(Y) 방향을 따라 적어도 하나가 형성될 수 있다. 이 경우 제 2 그루브(43)는 밸브시트 유닛(30)들 사이에 배치되게 된다. 즉, 서로 다른 밸브시트 유닛(30)에 속하면서 상호 마주하는 밸브 브릿지(35, 37)들 사이에 제 2 그루브(43)이 배치될 수 있게 된다. 한편, 제 1 그루브(41)는 다른 밸브시트 유닛(30)의 밸브 브릿지와 마주하지 않는 밸브 브릿지(36,38)들과 마주하는 위치에 배치된다. 이 경우 복수의 그루브(41,43)가 유사한 지점에 중접 형성되는 것을 방지할 수 있어 실린더 헤드의 구조적 및 레이아웃 측면에서 효과를 기대할 수 있게 된다.
이상의 실시예들에서는 직렬 다기통 엔진을 일례로 들어 설명하였다. V형 엔진의 경우 밸브시트 유닛(30)이 직렬 다기통 엔진과 다르게 밸브시트 유닛(30)들이 순차적으로 배치되지 않는다. 즉 밸브시트 유닛(30) 별로 독립 배치되게 된다. 이 경우 여러 개의 밸브시트 유닛(30)들이 배치된 경우보다 실린더 헤드의 응력이 작게 형성될 수 있다. 이 경우에는 앞서 설명된 실시예 1, 2의 예와 같이 그루브(40)을 형성시킴으로써 실린더 헤드의 열변형을 완화시킬 수 있을 것이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 실시예에 따른 실린더 헤드는 연소가스의 폭발에 의한 폭발 압력과 고온에 의한 열 팽창에 대하여 강성을 가지도록 하는 데에 이용될 수 있다.
<부호의 설명>
100: 실린더 헤드 30: 밸브시트 유닛
31,32,33,34 : 밸브시트 35,36,37,38 : 밸브 브릿지
40 : 그루브 41: 제 1 그루브
43 : 제 2 그루브 48 : 측면
50 : 인젝터 설치부

Claims (14)

  1. 엔진의 실린더 블록 내측에 형성된 연소실(16)을 덮도록 상기 실린더 블록과 결합되는 실린더 헤드에 있어서,
    상기 연소실(16) 내부로부터 배기가스가 배출되는 배기밸브시트(31,32)와, 상기 연소실(16) 내부로 공기가 유입되는 흡기밸브시트(33,34)를 포함하는 밸브시트 유닛; 및
    상기 밸브시트 유닛의 적어도 일부를 둘러싸는 홈 형상으로 형성되는 그루브(40);를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진의 실린더 헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상호 구분되게 형성된 영역인 제 1 영역(1), 제 2 영역(3), 제 3 영역(5)을 더 포함하며,
    상기 밸브시트 유닛은 상기 제 1 영역(1)에 형성되고,
    상기 제 2 영역(3)은 상기 제 1 영역(1)을 둘러싸는 환형으로 형성되며,
    상기 실린더 헤드와 상기 실린더 블록의 결합시 상기 연소실을 밀폐시키는 시일부(60)가 상기 제 2 영역(3)에 형성되고,
    상기 그루브(40)는 상기 제 3 영역(5)에 형성되는 것을 특징으로 하는 엔진의 실린더 헤드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 3 영역(5)은 상기 제 1 영역(1)과 상기 제 2 영역(3) 사이에 형성된 제 4 영역(6)을 포함하며,
    상기 그루브(40)는 상기 제 4 영역(6)에 홈 형상으로 형성되는 제 1 그루브(41)를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 엔진의 실린더 헤드.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 연소실(16)은 복수로 형성되고,
    상기 밸브시트 유닛은 복수로 형성되어 상기 연소실 각각에 대응되며,
    상기 제 1 영역(1), 상기 제 2 영역(3) 및 상기 제 4 영역(6)은 복수로 형성되어 상기 복수의 밸브시트 유닛 각각에 대응되며,
    상기 제 1 그루브(41)는 상기 복수의 제 4 영역(6) 중 적어도 하나에 형성되는 것을 특징으로 하는 엔진의 실린더 헤드.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 그루브(41)는 상기 복수의 제 1 영역(1) 중 적어도 하나의 외곽을 둘러싸는 폐곡선 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 엔진의 실린더 헤드.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 밸브시트 유닛 각각은 복수의 배기밸브시트 및 복수의 흡기밸브시트를 포함하며,
    상기 제 1 영역(1)은 상기 복수의 배기밸브시트와 상기 복수의 흡기밸브시트 사이의 영역인 복수의 밸브 브릿지를 포함하며,
    상기 제 1 그루브(41)는 원호형상으로 형성되어 상기 복수의 밸브 브릿지 중 적어도 하나와 마주하는 것을 특징으로 하는 엔진의 실린더 헤드.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 연소실(16)은 복수로 형성되고,
    상기 밸브시트 유닛은 복수로 형성되어 상기 연소실 각각에 대응되며,
    상기 제 1 영역(1), 상기 제 2 영역(3)은 복수로 형성되어 상기 복수의 밸브시트 유닛 각각에 대응되며,
    상기 제 3 영역(5)은 상기 복수의 제 2 영역(3) 외곽에 형성된 영역인 제 5 영역(7)을 더 포함하며,
    상기 그루브(40)는 상기 제 5 영역(7)에 홈 형상으로 형성되는 제 2 그루브(43)를 더 포함하며,
    상기 복수의 제 2 영역들 중 적어도 두 개는 상기 제 2 그루브(43)를 사이에 두고 상호 마주하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진의 실린더 헤드.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 밸브시트 유닛 각각은 복수의 배기밸브시트 및 복수의 흡기밸브시트를 포함하며,
    상기 제 1 영역은 상기 복수의 배기밸브시트와 상기 복수의 흡기밸브시트 사이의 영역인 복수의 밸브 브릿지를 포함하며,
    상기 밸브 브릿지는 다른 밸브시트 유닛의 밸브 브릿지와 마주하는 제 1 밸브 브릿지(35,37)와, 다른 밸브시트 유닛의 밸브 브릿지와 마주하지 않는 제 2 밸브 브릿지(36,38)를 포함하며,
    상기 제 2 그루브(43)는 상기 제 1 밸브 브릿지들(35,37) 사이 중 적어도 하나에 형성되고,
    상기 제 1 그루브(41)는 상기 제 2 밸브 브릿지(36,38) 중 적어도 하나와 마주하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 엔진의 실린더 헤드.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 밸브시트 유닛 각각은 복수의 배기밸브시트 및 복수의 흡기밸브시트를 포함하며,
    상기 제 1 영역(1)은 상기 복수의 배기밸브시트와 상기 복수의 흡기밸브시트 사이의 영역인 복수의 밸브 브릿지를 포함하며,
    상기 제 2 그루브(43)는 상기 실린더 헤드의 장축 방향을 따라 배치된 밸브 브릿지들(35,37) 사이 중 적어도 하나에 배치되고,
    상기 제 1 그루브(41)는 상기 실린더 헤드의 단축 방향을 따라 배치된 밸브 브릿지(36,38) 중 적어도 하나와 마주하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진의 실린더 헤드.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 연소실(16)은 복수로 형성되고,
    상기 밸브시트 유닛은 복수로 형성되어 상기 연소실 각각에 대응되며,
    상기 제 1 영역(1), 상기 제 2 영역(3)은 복수로 형성되어 상기 복수의 밸브시트 유닛 각각에 대응되며,
    상기 제 3 영역(5)은 상기 복수의 제 2 영역(3) 외곽에 형성된 영역인 제 5 영역(7)을 더 포함하며,
    상기 그루브(40)는 상기 제 5 영역(7)에 홈 형상으로 형성되는 제 2 그루브(43)를 포함하며,
    상기 복수의 제 2 영역들 중 적어도 두 개는 상기 제 2 그루브(43)를 사이에 두고 상호 마주하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진의 실린더 헤드.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 밸브시트 유닛 각각은 복수의 배기밸브시트 및 복수의 흡기밸브시트를 포함하며,
    상기 제 1 영역(1)은 상기 복수의 배기밸브시트와 상기 복수의 흡기밸브시트 사이의 영역인 복수의 밸브 브릿지를 포함하며,
    상기 제 2 그루브(43)는 상기 실린더 헤드의 장축 방향을 따라 배치된 밸브 브릿지들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진의 실린더 헤드.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 밸브 브릿지와 마주하는 상기 제 2 그루브(43)의 측면은 곡면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 엔진의 실린더 헤드.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 그루브(43)의 곡면 형상 측면은 상기 제 2 영역(3)의 곡률반경 이상의 곡률반경을 가지는 원호 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 엔진의 실린더 헤드.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 그루브(43)의 원호 형상 측면의 곡률중심은 상기 제 2 영역(3)의 곡률중심과 동일한 것을 특징으로 하는 엔진의 실린더 헤드.
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