KR101283032B1 - 워터자켓 스페이서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 톱 링 리버스(TRR)와 로우 링 리버스(LRR) 위치에서의 피스톤 마찰 손실을 최소로 하면서 오일 온도의 과다 상승을 억제하도록 실린더 블록의 워터자켓 내부를 3단 채널로 구획하는 워터자켓 스페이서를 제공한다.

실린더 블록, 워터자켓, 스페이서

Description

워터자켓 스페이서{WATER JACKET SPACER}

본 발명은 워터자켓 스페이서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 톱 링 리버스(TRR)와 로우 링 리버스(LRR) 위치에서의 피스톤 마찰 손실을 최소로 하면서 오일 온도의 과다 상승을 억제하도록 실린더 블록의 워터자켓 내부를 3단 채널로 구획하는 워터자켓 스페이서에 관한 것이다.

일반적으로 엔진의 연소실에서 발생한 열의 일부는 실린더 헤드와 실린더 블록, 흡배기 밸브 및 피스톤 등에 흡수된다.

이들 구성 부품은 그 온도가 과도하게 상승되면, 열변형이 일어나거나 실린더 내벽의 유막이 파괴되어 윤활 불량현상이 일어나게 되고, 이로 인한 열적 장애가 발생하게 된다.

상기한 엔진의 열적 장애는 연소불량, 노킹 혹은 프리 이그니션과 같은 이상연소를 일으켜서 피스톤이 용손되는 등의 중대한 손상을 줄뿐만 아니라 열효율도 저하되고, 출력도 저하하게 되는 문제점이 있다. 반대로, 엔진의 과도한 냉각은 출력, 연비의 악화 및 실린더의 저온 마모 등 문제점이 있어, 냉각수 온도를 적정하게 제어할 필요가 있다.

이러한 측면에서, 도 1에서 도시한 바와 같은. 실린더 블록(101)의 워터자켓(103)에는 그 내부에 이물을 삽입하여 엔진 연비를 향상시키는 기구로 워터자켓 스페이서(105; Water Jacket Spacer)를 적용하고 있다.

종래의 워터자켓 스페이서(105)는 수지재질로 구성되어, 도 2에서와 같이, 실린더 블록(101)의 워터자켓(103) 내부에 삽입되어 하단에 밀착되는 구조로, 이 워터자켓 스페이서(105)의 외측에 냉각수의 흐름을 조절하는 유로 가이드를 설정하여 외부로 흐르는 냉각수의 유량 및 유속을 조절하며, 실린더 라이너(107)로부터 전달되는 엔진열의 열전달 계수를 조절하여 실린더 블록(101)의 온도를 일정하게 유지하게 된다.

한편, 도 3에서는 다른 형태의 워터자켓 스페이서(105)를 도시하고 있는데, 도 3에서 도시한 워터자켓 스페이서(105)는, 도 4에서 도시한 바와 같이, 실린더 블록(101) 내부의 워터자켓(103)을 상부 채널(C1)과 하부 채널(C2)로 분리하여 상부 채널(C1)에는 빠른 냉각수 유동을 유도하여 인터 실린더 보어 및 실린더 보어 톱 링 리버스(TRR; Top Ring Reverse) 부위에 충분한 냉각을 유도하고, 하부 채널은 냉각수 유동을 거의 정체시켜 라이너(107)의 온도를 올려주는 방식을 적용하고 있다.

즉, 도 5는 엔진의 부분 부하 영역에서 실린더 블록의 워터자켓 내부에 상기한 워터자켓 스페이서(105)의 설치 유무에 따라 실린더 블록(101)의 스트로크 금속면 온도를 측정한 결과로, 상기한 워터자켓 스페이서(105)를 장착함에 따라 스트로크 중앙 및 하부의 금속면 온도가 증가하며, 균일한 온도 분포를 나타냄을 확인할 수 있다.

또한, 도 6은 상기한 워터자켓 스페이서의 유무에 따른 실린더 블록(101)의 온도 및 오일 온도의 평가 결과로, 실린더 블록(101)의 워터자켓(103) 내부에 워터자켓 스페이서(105)를 설치함에 따라 실린더 블록(101)의 온도는 증가하며, 오일 온도 역시 증가함을 알 수 있다.

그러나 상기 오일 온도의 경우, 그 상승량이 과도하여 엔진 개발 한계 이상으로 증가하는 문제점이 있으며, 이에 따라 연비 이득을 유지하면서도 오일 온도를 저감시켜줄 수 있는 워터자켓 스페이서의 구조가 필요하다.

즉, 도 7은 오일 온도 조건 변경 시 크랭크 앵글 변화에 따른 피스톤 마찰력 변화를 도시한 그래프로, 피스톤(109)의 마찰 손실은 오일 온도가 증가하면 낮아지는 특성을 보이나, 톱 링 리버스(TRR; Top Ring Reverse)와 로우 링 리버스(LRR; Low Ring Reverse) 위치에서는 오히려 오일 온도가 증가하면 마찰 손실이 늘어나는 특성을 보인다.

따라서 본 발명은 상기한 톱 링 리버스(TRR)와 로우 링 리버스(LRR) 위치에서의 오일 온도에 따른 피스톤의 마찰 손실이 늘어나는 특성을 고려하여 발명된 것으로, 본 발명의 목적은 톱 링 리버스(TRR)와 로우 링 리버스(LRR) 위치에서의 피스톤 마찰 손실을 최소로 하면서 오일 온도의 과다 상승을 억제하도록 실린더 블록의 워터자켓 내부를 3단 채널로 구획하여 상기 톱 링 리버스(TRR)와 로우 링 리버스(LRR) 위치에 대응하는 상부 채널과 하부 채널만 빠른 냉각수 유동을 유도하는 워터자켓 스페이서를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 워터자켓 스페이서는 실린더 블록의 워터자켓 내부에 설치되어 냉각수의 순환을 구획하는 워터자켓 스페이서에 있어서,

상기 실린더 블록의 각 기통별로 상기 워터자켓의 평단면 형상을 따라 원호형상으로 형성되며, 각 기통별로 마디부를 통하여 일체로 연결되는 상부 격막; 상기 실린더 블록의 각 기통별로 상기 워터자켓의 평단면 형상을 따라 원호형상으로 형성되고, 각 기통별로 마디부를 통하여 일체로 연결되며, 양단은 상기 상부 격막의 양단에 각각 연결막을 통하여 일체로 연결되는 하부 격막; 상기 상부 격막과 하부 격막의 각 마디부를 상하로 연결함과 동시에 상기 워터자켓의 내부에서 상기 상부 격막과 하부 격막을 지지하는 지지판으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 워터자켓의 내부는 상기 상부 격막과 하부 격막에 의해 상부 채널과 중앙 채널 및 하부 채널로 구획되는 것을 특징으로 한다.

상기 상부 격막과 하부 격막 및 연결막에는 그 단면상에 일정간격으로 다수개의 공기빼기홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 지지판은 상기 상부 격막과 하부 격막을 연결한 상태로, 상부와 하부로 각각 연장 형성되는 연장 지지단을 일체로 형성하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 워터자켓 스페이서에 의하면, 그 상부 격막과 하부 격막에 의해 실린더 블록의 워터자켓 내부를 3단 채널로 구획하여 인터 실린더 보어 및 실린더 블록의 톱 링 리버스(TRR) 위치의 온도 저감을 위해 상부 채널과, 오일 온도와 저감을 위한 하부 채널의 냉각수 유속을 빠르게 유도하고, 중앙 채널에는 피스톤 마찰 손실 저감을 위해 라이너의 온도를 높이도록 냉각수 유속을 정체시킬 수 있도록 함으로써, 열부하가 큰 실린더 블록 상단의 효과적인 냉각 과 피스톤 마찰에 지배적인 영향을 주는 실린더 블록 중단의 온도를 높게 유지하여 연비 이득을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 실린더 블록 하단의 냉각을 통하여 과도한 오일 온도 상승을 방지하고, 오일 온도 증가시에 피스톤 거동이 취약해지는 실린더 블록의 톱 링 리버스(TRR; Top Ring Reverse)와 로우 링 리버스(LRR; Low Ring Reverse) 부를 효과적으로 냉각하여 피스톤의 거동을 유리하게 유지하는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 워터자켓 스페이서의 사시도이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 워터자켓 스페이서가 적용되는 실린더 블록의 워터자켓부 단면도이며, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 워터자켓 스페이서에 의한 냉각수 흐름도이다.

본 실시예에 따른 워터자켓 스페이서(1)는 실린더 블록(3)의 워터자켓(5) 내부에 설치되어 냉각수의 순환을 구획하게 된다.

상기 워터자켓 스페이서(1)의 구성은, 도 8 및 도 9에서 도시한 바와 같이, 실린더 블록(3)의 각 기통별로 워터자켓(5)의 평단면 형상을 따라 원호형상으로 상부 격막(11)이 형성된다.

상기 상부 격막(11)은 각 기통별로 마디부(M)를 통하여 일체로 연결된다.

그리고 상기 실린더 블록(3)의 각 기통별로 상기 워터자켓(5)의 평단면 형상 을 따라 원호형상으로 하부 격막(13)이 형성된다.

상기 하부 격막(13)은 상부 격막(11)과 동일하게 형성되며, 각 기통별로 마디부(M)를 통하여 일체로 연결된다.

상기 상부 격막(11)과 하부 격막(13)은 각각의 양단이 연결막(15)을 통하여 일체로 연결되어 하나로 형성된다.

그리고 상기 상부 격막(11)과 하부 격막(13)은 그 각각의 마디부(M)가 지지판(17)을 통하여 상하로 연결된다.

상기 지지판(17)은 상기 워터자켓(5)의 내부에서 상기 상부 격막(11)과 하부 격막(13)을 지지하도록 상부 격막(11)과 하부 격막(13)을 그 마디부(M)에서 연결한 상태로, 상부와 하부로 각각 연장 형성되는 연장 지지단(19)을 일체로 형성한다.

즉, 상기 상부 격막(11)과 하부 격막(13)은 상기 워터자켓(5)의 내부에 설치되어 내부 공간을 상부 채널(C1)과 중앙 채널(C3) 및 하부 채널(C2)로 구획한다.

그리고 상기 상부 격막(11)과 하부 격막(13) 및 연결막(15)에는 그 단면상에 일정간격으로 다수개의 공기빼기홀(H)이 형성된다.

따라서 상기한 바와 같은 구성을 갖는 워터자켓 스페이서(1)는, 도 9에서 도시한 바와 같이, 실린더 블록(3)의 워터자켓(5) 내부에서 그 상부 격막(11)과 하부 격막(13)에 의해 실린더 블록(3)의 워터자켓(5) 내부를 3단 채널로 구획한다.

즉, 상기 3단 채널은 상기한 바와 같이, 상부 채널(C1)과 중앙 채널(C3) 및 하부 채널(C3)로 구획된 상태로, 인터 실린더 보어 및 실린더 블록의 톱 링 리버스(TRR) 위치의 온도 저감을 위해 상부 채널(C1)에는 도 10에서 도시한 바와 같이, 냉각수 유속을 빠르게 유도한다.

그리고 오일 온도와 저감을 위한 하부 채널(C2)에도 냉각수 유속을 빠르게 유도한다.

중앙 채널(C3)에는 피스톤(7)의 마찰 손실 저감을 위해 라이너(9)의 온도를 충분히 높이도록 냉각수를 정체 혹은 아주 느리게 흐르도록 유속을 유도한다.

이에 따라, 열부하가 큰 실린더 블록(3) 상단의 효과적인 냉각과 함께, 피스톤(7) 마찰에 지배적인 영향을 주는 실린더 블록(3) 중단의 온도를 높게 유지하며, 실린더 블록(3) 하단의 냉각을 통하여 과도한 오일 온도 상승을 방지한다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 워터자켓 스페이서(1)가 적용되는 실린더 블록(3)의 스트로크 온도 비교 그래프로써, 본 실시예에 따른 워터자켓 스페이서(1)의 설치에 따라 피스톤(7) 마찰에 지배적인 영향을 주는 실린더 블록(3) 중단의 온도는 높게 유지하면서, 열부하가 큰 실린더 블록(3) 상단과, 과도한 오일 온도의 상승에 영향을 미치는 실린더 블록(3) 하단에 대하여 효과적인 냉각을 이루는 것을 확인할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 워터자켓 스페이서와 그 장착부를 설명하기 위한 실린더 블록의 사시도이다.

도 2는 종래 기술에 따른 워터자켓 스페이서가 설치되는 실린더 블록의 워터자켓부 단면도이다.

도 3은 종래 기술의 다른 실시예에 따른 워터자켓 스페이서의 사시도이다.

도 4는 종래 기술의 다른 실시예에 따른 워터자켓 스페이서가 설치되는 실린더 블록의 워터자켓부 단면도이다.

도 5는 종래 기술의 워터자켓 스페이서의 설치 유무에 따른 보어 스트로크 온도 비교 그래프이다.

도 6은 종래 기술의 워터자켓 스페이서의 설치 유무에 따른 실린더 블록의 냉각수 온도 및 오일 온도 평가 그래프이다.

도 7은 온도에 따른 피스톤 마찰 손실 특성 분석 그래프이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 워터자켓 스페이서의 사시도이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 워터자켓 스페이서가 적용되는 실린더 블록의 워터자켓부 단면도이다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 워터자켓 스페이서에 의한 냉각수 흐름도이다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 워터자켓 스페이서가 적용되는 실린더 블록의 스트로크 온도 비교 그래프이다.

Claims (4)

1. 실린더 블록의 워터자켓 내부에 설치되어 냉각수의 순환을 구획하는 워터자켓 스페이서에 있어서,

   상기 실린더 블록의 각 기통별로 상기 워터자켓의 평단면 형상을 따라 원호형상으로 형성되며, 각 기통별로 마디부를 통하여 일체로 연결되는 상부 격막;

   상기 실린더 블록의 각 기통별로 상기 워터자켓의 평단면 형상을 따라 원호형상으로 형성되고, 각 기통별로 마디부를 통하여 일체로 연결되며, 양단은 상기 상부 격막의 양단에 각각 연결막을 통하여 일체로 연결되는 하부 격막;

   상기 상부 격막과 하부 격막의 각 마디부를 상하로 연결함과 동시에 상기 워터자켓의 내부에서 상기 상부 격막과 하부 격막을 지지하는 지지판을 포함하며,

   상기 상부 격막과 하부 격막 및 연결막에는 그 단면상에 일정간격으로 다수개의 공기빼기홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 워터자켓 스페이서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 워터자켓의 내부는

   상기 상부 격막과 하부 격막에 의해 상부 채널과 중앙 채널 및 하부 채널로 구획되는 것을 특징으로 하는 워터자켓 스페이서.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 지지판은

   상기 상부 격막과 하부 격막을 연결한 상태로, 상부와 하부로 각각 연장 형성되는 연장 지지단을 일체로 형성하는 것을 특징으로 하는 워터자켓 스페이서.

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