KR20100018868A - 가솔린 직접 분사 엔진의 인젝터 냉각을 위한 워터자켓구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실린더헤드 내부에 형성되는 워터자켓의 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 GDI엔진의 인젝터 냉각을 효과적으로 하기 위한 워터자켓의 구조에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 가솔린 직접 분사(Gasoline Direct Injection : GDI)엔진에 사용되는 실린더헤드의 인젝터장착부의 상측에 근접하여 형성되고, 실린더헤드의 길이방향을 따라 냉각수가 이동되도록 형성되는 워터자켓에 있어서, 상기 워터자켓의 단면이 인젝터의 경사진 각도에 대응되는 경사를 이루어 형성되는 것을 특징으로 하는 GDI엔진의 인젝터 냉각을 위한 워터자켓 구조를 제공한다.

워터자켓, 인젝터장착부, 인젝터, 냉각핀

Description

가솔린 직접 분사 엔진의 인젝터 냉각을 위한 워터자켓 구조{Water jacket structure of Gasoline Direct Injection engine for cooling injector}

본 발명은 실린더헤드 내부에 형성되는 워터자켓의 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가솔린 직접 분사(Gasoline Direct Injection; GDI) 엔진의 인젝터 냉각을 효과적으로 하기 위한 워터자켓의 구조에 관한 것이다.

일반적으로 가솔린 엔진뿐 아니라 모든 엔진에서 우리가 추구하고 있는 있는 주된 목표는 동일 배기량으로 최대의 큰 출력을 얻으면서도 운전경비를 절감할 수 있음은 물론 유해 배기가스를 저감시켜야 하는 점이다.

연료의 저감을 목적으로 초희박연소를 실현하기 위한 기술로는, 실린더 내에 직접 분사하고 적절한 실린더 내부 유동에 의하여 혼합기의 성층화(부분적으로 농후한 혼합기를 형성하는 것)를 통한 희박연소를 추구하는 방식인 직접분사식 가솔린(GDI) 엔진이 있다.

이러한 GDI방식의 엔진은 환경오염을 방지하기 위한 엔진으로서, 현재 가장 많이 사용되고 있는 MPI(Multi Point Injection)방식의 엔진과 분사 방식에서 큰 차이를 가지고 있다. MPI방식의 엔진은 흡입구 각각의 포트에 달린 분사기에서 연료를 분사하여 공기와 연료의 혼합기체가 실린더로 들어간다. 하지만 GDI엔진은 디젤엔진처럼 가솔린을 실린더헤드를 통하여 실린더의 연소실에 직접 분사하도록 함으로써 이러한 한계를 극복했고 상황에 맞는 연료분사 시기를 정밀하게 조정할 수 있다.

한편, 실린더 헤드에는 흡ㆍ배기 포트가 마련되고 2000℃ 이상의 고온의 연소가스에 노출되는 연소실을 형성하기 때문에 실린더 헤드의 흡ㆍ배기포트를 개폐하는 흡ㆍ배기밸브 등이 열화되고 소착되는 것을 방지하기 위하여 실린더 헤드를 냉각하기 위한 워터재킷이 형성되어 있다.

또한, 열적 부하를 상대적으로 덜 받는 흡기포트 측의 냉각을 위해서는 흡기포트 하부측에 워터재킷을 형성하게 되며, 고온의 배기가스 열을 받는 배기포트 측의 냉각을 위해서는 배기포트의 상ㆍ하로 각기 워터재킷을 형성하고 있다.

더하여, 배기가스 배출량의 규제를 위해서는 2-밸브 헤드 구조로서는 불충분하므로 4-밸브 헤드 방식을 채용함으로써 흡기 충진 효율 및 연소 효율을 높여 고출력을 달성하고 배기가스 배출양을 감소시키는 방식도 사용되고 있다.

그러나 상기와 같은 종래의 GDI엔진에 장착되어 연료를 분사하는 GDI Injector는 연소실에 직접 장착이 되기 때문에, 연소실에서 발생하는 열을 직접 받으므로 열적 부하를 효과적으로 해소하지 못하게 된다.

즉, 지금까지의 실린더 헤드의 냉각에 대한 관심은 배기포트부와 연소실 주변부의 냉각이 주였고, 이는 실린더 헤드 내의 열원 발생점이 주로 연소실과 배기포트였기 때문이다. 그러나 GDI엔진에 장착되는 인젝터에 있어서의 냉각구조는 아직까지 갖고 있지 못하다. 이로 인하여 국지적 온도 상승으로 엔진이 과열(over heat)되면 부품의 변형, 윤활유의 유막 파괴, 윤활유 부족, 엔진의 출력 저하 등의 현상이 일어나고, 엔진이 과냉(over cooling)되면 출력의 저하, 연료소비율 증대, 오일희석 및 베어링 부의 마멸 등의 현상이 일어나게 된다. 공기의 밀도가 저하되는 결과를 갖게 되어 연소성능이 떨어지고 이는 엔진 출력과 관계되어 출력성능을 저하시키는 결과를 낳게 된다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 실린더의 연소실 내부에서 연소열에 의한 GDI엔진의 인젝터에 편중되는 열을 냉각할 수 있는 GDI엔진의 인젝터 냉각을 위한 워터자켓 구조를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 GDI엔진의 인젝터 냉각을 위한 워터자켓 구조는 가솔린 직접 분사(Gasoline Direct Injection : GDI)엔진에 사용되는 실린더헤드의 인젝터장착부의 상측에 근접하여 형성되고, 실린더헤드의 길이방향을 따라 냉각수가 이동되도록 형성되는 워터자켓에 있어서, 상기 워 터자켓의 단면이 인젝터의 경사진 각도에 대응되는 경사를 이루어 형성될 수 있다.

상기 워터자켓은 인젝터에 근접할 수록 단면이 좁아지는 협소부가 더 포함될 수 있다.

상기 워터자켓은 단면의 경사가 0도 내지 45도로 이루어질 수 있다.

상기 인젝터를 중심으로 하여 인젝터장착부의 양측에는 적어도 하나 이상의 냉각수 핀이 더 포함될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 GDI엔진의 인젝터 냉각을 위한 워터자켓 구조에 의하면, GDI엔진의 인젝터에 근접하여 형성된 워터재킷을 통하여 냉각수가 유동됨으로써 혼합기의 연소에 의하여 발생되는 열에 의한 인젝터의 과열을 방지할 수 있다.

또한, 인젝터의 과열 방지로 인하여 인젝터의 운전이 원활하게 되므로 조기점화 방지, 충전효율의 향상, 변형 및 균열방지, 윤활작용의 원활함 등의 효과가 있다.

더 나아가, 인젝터의 팁 온도를 저하시키는 결과를 가져와 인젝터의 효율을 증가시키는 효과를 갖게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명 하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 워터자켓의 평면도를 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 단면도를 도시한 것이고, 도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선에 따른 단면도를 도시한 것이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 워터자켓이 형성된 실린더헤드 내부를 도시한 단면도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 의한 워터자켓의 형상을 나타낸 정면도이며, 도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ 선에 따른 측단면도이다.

도 1 내지 도 4를 각각 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 의한 GDI엔진의 인젝터 냉각을 위한 워터자켓(200)은 실린더헤드(100) 일측에 형성된 인젝터장착부(110)의 상측에 근접하여 실린더헤드(100)의 길이방향으로 유동되도록 형성된다.

상기 워터자켓(200)은 인젝터장착부(110)에 인젝터(120)가 장착되었을 시 인젝터(120)에 근접할수록 그 단면이 점진적으로 작아지도록 형성할 수 있다.

또한, 상기 인젝터(120)의 냉각 효과를 높이기 위하여, 상기 워터 자켓(200)의 단면은 인젝터(120)의 길이 방향으로 형성될 수 있다. 즉, 워터자켓(200)의 단면이 인젝터(120)의 경사진 각도에 대응되는 경사를 이루며 형성될 수 있다. 이 경우, 워터 자켓(200)과 인젝터(120) 사이의 접촉 면적이 넓어지므로 인젝터(120)의 냉각이 효과적으로 이루어진다.

여기서, 도 2에 도시한 바와 같이 인젝터(120) 상측의 워터자켓(200) 면적을 점진적으로 축소하여 종국에는 인젝터(120) 연직상방에 도달할 시 최소의 단면적을 갖는 협소부(210)가 형성되도록 하며, 이러한 협소부(210)를 중심으로 하여 양측으로 갈수록 단면적이 증가하도록 형성하면 인젝터(120) 주변의 냉각수 유속강화 및 열전달 촉진을 유도함으로써 인젝터(120)의 열부하를 효과적으로 감소시킬 수 있게 된다. 단, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 인젝터 경사각(IR)에 따라 워터자켓 경사각(R)을 설계하되, 이와 같은 워터자켓 경사각(R)은 운전조건을 고려하여 0도 내지 45도로 형성되는 것이 바람직하다.

즉, GDI엔진의 설계시 인젝터(120)에 의한 연료의 분사도달거리 및 분사각 등을 고려하여 상기 인젝터 경사각(IR)과 실린더블록 내부에 배치되는 피스톤(미도시)의 상부를 이루는 피스톤헤드(미도시) 형상의 조합으로 스월유동(swirl flow)을 적절하게 발생시켜야만 연료가 점화플러그 주위로 모일 수 있으므로, 이에 따라 산정된 인젝터(120)의 경사각에 따른 최적의 워터자켓 경사각(R)을 정하여야 하는 것을 의미한다.

도 4에 도시한 바와 같이 워터자켓(200)을 구비한 실린더블록(미도시)의 상측에 실린더헤드(100)를 장착하고 헤드볼트(미도시)를 체결하여 조립하면 상기 워터자켓(200)이 인젝터(120)가 연소실(C)에 장착된 부위에 근접하여 형성되므로, 인젝터(120)가 연소실(C)에 직접 장착되어 연소실(C)에서 발생하는 연소열을 직접 받음으로써 발생되는 국부적인 열부하의 집중을 최소화할 수 있게 된다. 따라서, 동력손실의 저감은 물론, 엔진오일의 불필요한 연소 등을 방지하게 되어 엔진오일의 소모가 줄어들게 된다.

한편, 도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시 예를 도시한 것으로서, 인젝터장착부(110)의 둘레에는 상기 인젝터장착부(110)를 향하는 다수개의 냉각핀(300)을 더 형성하게 되면 냉매가 워터자켓(200)의 내부로 순환하며 열교환이 이루어짐과 동시에 냉각핀(300)들에 의해 열교환면적이 넓게 확대되어 열교환이 급속하게 되므로 냉각효과를 더욱 증대시킬 수 있게 된다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 워터자켓의 평면도.

도 2는 도 1의 II-II선에 따른 단면도.

도 3은 도 1의 III-III선에 따른 단면도.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 워터자켓이 구현된 실린더헤드 내부를 도시한 단면도.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 의한 워터자켓의 형상을 나타낸 정면도.

도 6은 도 5의 VI-VI선에 따른 단면도.

* 도면에 사용된 주요부분의 부호설명 *

R : 워터자켓 경사각 IR : 인젝터 경사각

C : 연소실 100 : 실린더헤드

110 : 인젝터장착부 120 : 인젝터

200 : 워터자켓 210 : 협소부

300 : 냉각핀

Claims (4)

1. 가솔린 직접 분사(Gasoline Direct Injection : GDI)엔진에 사용되는 실린더헤드의 인젝터장착부의 상측에 근접하여 형성되고, 실린더헤드의 길이방향을 따라 냉각수가 이동되도록 형성되는 워터자켓에 있어서,

   상기 워터자켓의 단면이 인젝터의 경사진 각도에 대응되는 경사를 이루어 형성되는 것을 특징으로 하는 GDI엔진의 인젝터 냉각을 위한 워터자켓 구조.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 워터자켓은 인젝터에 근접할 수록 단면이 좁아지는 협소부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 GDI엔진의 인젝터 냉각을 위한 워터자켓 구조.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 워터자켓은 단면의 경사가 0도 내지 45도로 이루어지는 것을 특징으로 하는 GDI엔진의 인젝터 냉각을 위한 워터자켓 구조.
4. 제 1항에 있어서,

   인젝터장착부의 둘레에 장착되어 있는 적어도 하나 이상의 냉각수 핀이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 GDI엔진의 인젝터 냉각을 위한 워터자켓 구조.

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