KR20150016978A - 내연기관용 배기 통로 구조 - Google Patents

내연기관용 배기 통로 구조 Download PDF

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KR20150016978A
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히로노부 사카모토
노부히코 호리에
다츠오 시타라
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

내측 배기 통로들 (내측 배기 포트들 (4B, 4C)) 에는 배기 가스 유동의 하류측들 쪽으로 연장되고 그리고 실린더 중심선 (C) 의 방향들로 일측 및 타측으로 교대로 만곡되는 3 개 이상의 만곡부들 (41 ~ 43) 이 제공된다.

Description

내연기관용 배기 통로 구조 {EXHAUST PASSAGE STRUCTURE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관용 배기 통로 구조에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 다수의 실린더들과 각각 연통하는 통로들의 형상에 관한 것이다.
차량에 장착된 다수의 실린더 내연기관 (이하 엔진이라고 함) 에 있어서, 실린더 열 방향으로 외측들 (outer sides) 에서 실린더들과 각각 연통하는 배기 통로들은 내측들을 향해 크게 만곡하고 그리고 집속부까지의 어떠한 길이를 가지는 반면, 실린더 열 방향으로 내측들에서 실린더들과 연통하는 다른 배기 통로들은 실린더 중심선의 방향에서 볼 때 일반적으로 선형으로 연장되고 그리고 외측 (outer) 배기 통로들에 비하여 단축되기 쉽다.
따라서, 방열성 (heat radiation property) 은 내측 배기 통로들에서 비교적 열화되고, 배기 통로들에 제공된 촉매 또는 다른 성분들의 내구 신뢰성은, 예를 들어 고부하 및 고속 운전시에 배기 가스의 열량이 증가하는 운전 상태에서 가능하게는 열화될 수 있다. 다른 한편, 냉간 시동시에 촉매의 워밍업이 바람직하게 가속되는 상황에서, 예를 들어, 외측 배기 통로들에서 유동하는 배기 가스의 온도가 감소될 수 있다.
추가로, 외측 배기 통로들에서 유동하는 배기 가스의 온도가 내측 배기 통로들에서 유동하는 배기 가스의 온도와 크게 다르면, 배기 통로들이 서로 합류하는 하류측 배기 통로들에서 배기 가스 온도가 크게 변동한다. 따라서, 촉매의 상류측에 제공된 센서의 이상 (abnormality) 은 오판정될 수 있다.
이와 관련하여, 일본특허출원공개 제 63-219987 호 (JP 63-219987 A) 에 개시된 배기 매니폴드 (집속관) 는 직렬 4 실린더 엔진의 4 개의 실린더들과 각각 연통하는 4 개의 관상체들 (pipe bodies) 을 포함하고, 2 개의 외측 실린더와 연통하는 2 개의 관상체들의 하류측들 및 2 개의 내측 실린더와 연통하는 2 개의 관상체들의 하류측들은 2 열로 서로 수직하게 적층되도록 배열된다. 즉, 내측 관상체들은 집속 부재에서 외측 관상체들의 개구들 위로 개방된다.
다시 말해, 내측 관상체들은 외측 관상체들에 걸쳐 연장되도록 수직하게 만곡하는 형상들을 가지고, 하류측 단부들의 개구들은 수직 방향으로 실린더들의 천정부들 (즉, 내측 관상체들의 상류측 단부들) 로부터 멀리 배열된다. 따라서, 내측 관상체들은 그에 따라 신장되고, 외측 관상체들의 길이와의 차이가 감소되며, 내측 관상체들에서 유동하는 배기 가스와 외측 관상체들에서 유동하는 배기 가스 사이의 온도차가 감소될 것으로 상정된다.
하지만, 당업계에서, 내측 관상체들의 길이를 가상적으로 외측 관상체들의 길이에 일치시켜야 한다면, 내측 관상체들은 수직 방향으로 크게 돌출하도록 만곡될 필요가 있고 그리고 전체 배기 매니폴드의 크기는 증가하는 경향이 있다.
일반적으로, 배기 가스 통로들에 대한 고유량 (즉, 저압 손실) 을 가진 배기 가스의 배출 효율을 확보하기 위한 요구가 있다. 이와 관련하여, 일반적으로 단축될 수 있는 내측 관상체들을 의도적으로 외측 관상체들과 동일한 길이로 신장시키는 것은 바람직하지 않다.
최근, 배기 매니폴드는 실린더 헤드와 하나의 유닛으로 형성되고, 각각의 실린더에 대하여 배기 포트들 (배기 통로들) 은 실린더 헤드에 집속된다. 이러한 경우에 있어서, 배기 매니폴드의 대형화는 실린더 헤드의 대형화 및 중량 증가로 직결해버린다.
더욱이, 실린더 헤드에서 배기 포트의 방열성을 향상시켜야 한다면, 워터 자켓들에서의 냉매의 체적 또는 유량을 증가시키려는 경향이 있을 수 있다. 이와 관련하여, 냉매를 공급하기 위한 워터 펌프 (water pump) 의 전체 중량 증가 및 부하가 발생하는 단점들이 발생할 수 있다.
본 발명의 목적은, 실린더 열 방향으로 내측의 실린더와 연통하는 배기 통로 (내측 통로) 의 기발한 형상으로 그리고 전체 배기 통로를 부질없이 대형화하지 않으면서 배기 통로의 방열성을 개선시킴으로써, 내연기관의 내측 통로와 외측 통로 사이의 배기 가스의 온도차를 저감시키는 것이다.
본 발명의 일 양태는 내연기관의 3 개 이상의 실린더들과 각각 연통하는 배기 통로들의 구조에 관한 것이다. 배기 통로들은 실린더 열 방향으로 외측들에서 실린더들과 각각 연통하는 2 개의 외측 통로들을 포함한다. 외측 통로들은 배기 가스 유동의 하류측들 쪽으로 연장되고 그리고 실린더 열 방향으로 내측들에 접근하도록 만곡된다. 배기 통로는 실린더 열 방향으로 내측들에서 실린더와 연통하는 내측 통로를 더 포함한다. 내측 통로는 3 개 이상의 만곡부들을 가지고, 이 만곡부들 각각은 제 1 만곡부 또는 제 2 만곡부이며, 상기 제 1 만곡부는 상기 제 1 만곡부에서 유동하는 배기 가스보다 실린더 중심선에 보다 더 근접한 위치에서 곡률 중심을 가지고, 상기 제 2 만곡부는 상기 제 2 만곡부에서 유동하는 배기 가스보다 실린더 중심선으로부터 더 먼 위치에서 곡률 중심을 가지며, 이 제 1 만곡부와 제 2 만곡부는 배기 가스 유동의 하류측들 쪽으로의 방향으로 교대로 위치된다.
전술한 양태에 따라서, 외측 통로들에 비하여 단축되는 경향의 내측 통로들에는 적어도 3 개 이상의 만곡부들이 제공되고, 이 만곡부들 각각은 제 1 만곡부에서 유동하는 배기 가스보다 실린더 중심선에 보다 더 근접한 위치에서 곡률 중심을 가지는 제 1 만곡부, 또는 제 2 만곡부에서 유동하는 배기 가스보다 실린더 중심선으로부터 더 먼 위치에서 곡률 중심을 가지는 제 2 만곡부이며, 이 제 1 만곡부와 제 2 만곡부는 배기 가스 유동의 하류측들 쪽으로의 방향으로 교대로 위치된다. 내측 통로에서 유동하는 배기 가스 유동은 각각의 만곡부들에서 외측들의 벽면들과 충돌하고, 난류 확산 (turbulent diffusion) 에 의해 방열성이 개선된다. 내측 통로는 실린더 축 방향으로 만곡되지만 실린더 축 방향으로 만곡되는 만곡부를 적어도 가질 수 있다.
그에 따라, 3 개 이상의 만곡부들에서 방열성이 개선될 수 있기 때문에, 내측 통로는 외측 통로들이 가지는 길이를 갖지 않고서도 높은 방열성을 확보할 수 있고, 내측 통로와 외측 통로 사이의 배기 가스의 온도차는 전체 배기 통로를 대형화하지 않으면서 저감될 수 있다. 추가로, 만곡부에서 통로의 곡률이 작지 않으면, 유동의 압력 손실은 그렇게 많이 증가하지 않는다.
본원에서 실린더 열 방향으로의 외측 실린더들과 내측 실린더는, 외측들의 각각의 실린더들이 외측 실린더들이고 중간의 하나의 실린더가 직렬 3 실린더 엔진의 경우에 내측 실린더이며 그리고 외측들의 각각의 실린더들이 외측 실린더들이고 중간의 2 개의 실린더들이 직렬 4 실린더 엔진의 경우에 내측 실린더들인 것을 의미한다. V 타입 엔진 또는 수평방향으로 대향된 엔진에 있어서, 내측과 외측은 각각의 뱅크에 대하여 전술한 바와 유사하게 결정된다.
본 발명의 상기 양태에 있어서, 상기 배기 가스 유동의 방향을 따라서 단차부들로 형상화되도록, 상기 내측 통로에서 3 개 이상의 만곡부들 중 적어도 하나의 만곡부의 외측의 벽면에 단차부가 제공될 수 있다. 이 양태에 따라서, 만곡부의 외측의 벽면과 충돌하는 배기 가스 유동의 난류가 더 향상되고, 난류 확산에 의한 방열성의 향상 효과가 더 개선된다.
특히, 상기 단차부는 바람직하게는 3 개 이상의 만곡부들 중 상기 배기 가스 유동의 최하류측의 만곡부에 제공된다. 이는, 배기 가스 유동의 맥동으로 인해 배기 통로들에서 배기 가스가 역류할 수 있고, 그리하여 배기 가스 유동이 정적 상태 (steady state) 로 최하류측 만곡부에 존재하여, 난류 확산에 의해 방열성의 향상 효과가 더 개선되기 때문이다.
배기 통로들, 즉 상기 내측 통로 및 상기 외측 통로들 모두가 상기 내연기관의 실린더 헤드에 형성되면, 상기 내측 통로에서 3 개 이상의 만곡부들 중 적어도 하나에서 만곡부의 외측의 벽면 주변에는 워터 자켓이 제공될 수 있다. 워터 자켓은 만곡부들에서의 배기 가스 유동의 하류측 (즉, 배기 가스 유동이 만곡부들의 외측들의 벽면들과 충돌하는 부분들) 의 주변에 제공될 수 있다.
그에 따라, 배기 가스 유동의 난류 확산에 의해 개선된 방열성을 가진 내측 통로의 부분은 워터 자켓에서 냉매에 의해 효과적으로 냉각되고, 배기 가스에 대한 냉각 효율은 개선될 수 있다. 따라서, 워터 자켓에서의 냉매의 체적 또는 유량은 감소될 수 있다. 이는, 내연기관의 중량 감소에 기여하고 또한 워터 펌프의 부하도 저감될 수 있다.
추가로, 상기 워터 자켓은 상기 3 개 이상의 만곡부들 중 상기 배기 가스 유동의 최하류측의 만곡부의 주변에 제공될 수 있다. 전술한 바와 같이, 이는, 배기 가스 유동이 최하류측의 만곡부에 정적 상태로 존재하고 그리고 난류 확산에 의해 방열성의 향상 효과를 더 개선시키기 때문이다.
더욱이, 2 개의 상기 외측 통로들에서의 상기 배기 가스 유동의 하류측 단부들은 상기 실린더 열 방향으로 상기 실린더 헤드의 측벽에서 인접하게 개방될 수 있고, 상기 내측 통로에서의 상기 배기 가스 유동의 하류측 단부는 측벽에서의 상기 외측 통로들의 하류측 단부 개구들에 대하여 실린더 중심선의 방향들로 상기 실린더들로부터 먼 측에서 개방될 수 있다.
그에 따라, 내측 통로의 하류측 단부는 실린더 중심선의 방향으로 실린더와 연통하는 부분 (즉, 상류측 단부들) 으로부터 멀리 배열되고, 상기 통로들의 길이는 그에 따라 신장된다. 따라서, 외측 배기 통로들과의 길이차가 저감되고, 배기 가스의 온도차가 감소될 수 있다.
본 발명의 일 양태의 배기 통로 구조에 따라서, 실린더 열 방향으로 외측 통로들에 비하여 단축되는 경향의 내측 통로에는 적어도 3 개의 만곡부들이 제공되고, 이 만곡부들 각각은 제 1 만곡부에서 유동하는 배기 가스보다 실린더 중심선에 보다 더 근접한 위치에서 곡률 중심을 가지는 제 1 만곡부, 또는 제 2 만곡부에서 유동하는 배기 가스보다 실린더 중심선으로부터 더 먼 위치에서 곡률 중심을 가지는 제 2 만곡부이며, 이 제 1 만곡부와 제 2 만곡부는 배기 가스 유동의 하류측들 쪽으로의 방향으로 교대로 위치된다. 그에 따라, 방열성이 향상될 수 있다. 따라서, 전체 배기 통로를 부질없이 대형화하지 않고 그리고 고유량의 배기 가스의 배출 효율을 크게 손실하지 않으면서, 내측 통로와 외측 통로간의 배기 가스의 온도차를 저감시킬 수 있다. 이는 배기 시스템의 내구 신뢰성의 확보 및 냉간 시동시 워밍업 특성의 향상에 기여한다. 본원의 예시적인 실시형태들의 특징들, 장점들, 기술적 및 산업적 중요성은 첨부된 도면들을 참조하여 이하 설명되고, 도면들에서 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1 은 위에서 경사지게 본 본 발명의 일 실시형태에 따른 내연기관의 실린더 헤드의 사시도이다.
도 2 는 실린더들과 배기 포트들의 전체 배치를 도시하고 상부에서 본 실린더 헤드를 관통하여 본 선도이다.
도 3 은 전체 배기 포트들의 배치를 도시하고 배기측에서 본 선도이다.
도 4 는 내측 배기 포트의 윤곽 및 워터 자켓들의 배열을 도시하고 실린더 열 방향을 따라서 취한 실린더 헤드의 단면도이다.
도 5 는 내측 배기 포트에서 유동하는 배기 가스의 메인 스트림이 만곡부들에 충돌하는 상태를 개략적으로 도시하는 선도이다.
도 6 은 최하류측 부분에서 만곡부에 단차부가 제공된 다른 실시형태들에 따른 도 4 의 대응하는 선도이다.
도 7 은 본 발명의 다른 실시형태들에 따른 도 5 의 대응하는 선도이다.
이하, 본 발명의 실시형태들을 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 본 실시형태에는, 일 실시예로서, 본 발명에 따른 배기 통로 구조를 자동차에 장착된 가솔린 엔진 (내연기관) 에 적용하는 경우가 개시되어 있다.
도 1 은 위에서 경사지게 본 본 발명의 일 실시형태에 따른 가솔린 엔진의 실린더 헤드 (1) 의 사시도이다. 실린더 헤드 (1) 는 실린더 블록 (비도시) 의 상부에 장착되고 그리고 실린더 (2) 각각에 삽입되는 피스톤 (비도시) 을 가진 연소실을 형성하도록 실린더 블록에 형성된 4 개의 실린더들 (2) (도 2 참조) 의 상단부들을 폐쇄한다.
일 실시예로서 본 실시형태에 따른 엔진에 있어서, 4 개의 실린더들 (2) 은 위에서 본 도 2 에 도시된 바와 같이 직렬로 배열되고 그리고 이하 종방향 (즉, 실린더 열 방향) 으로 실린더 헤드 (1) 의 일단부에서 타단부로 (도 2 에서 우측에서부터 좌측으로) 순서대로 제 1 실린더 2A (#1), 제 2 실린더 2B (#2), 제 3 실린더 2C (#3), 및 제 4 실린더 2D (#4) 라고 한다. 도시되지 않았지만, 실린더 (2) 각각에 대한 연소실의 천정부인 얕은 리세스는 실린더 헤드 (1) 의 하부면에 형성되고, 흡기 포트들 (3A ~ 3D) 및 배기 포트들 (4A ~ 4D) 은 이 리세스에서 개방된다.
즉, 실린더들 (2) 에서 각각의 연소실들에 공기를 흡기하기 위해 4 개의 흡기 포트들 (3A ~ 3D) 은, 도 2 에 도시된 바와 같이, 도 1 에서 후방측인 흡기측에서 실린더 헤드 (1) 의 측벽 (10) 에서 개방되고 그리고 흡기 매니폴드 (비도시) 는 흡기 포트들에 연결된다. 다른 한편, 실린더들 (2) 에서 각각의 연소실들로부터의 연소된 가스를 배출하기 위한 4 개의 배기 포트들 (4A ~ 4D) 이 도 1 에서 전방측인 배기측에서 실린더 헤드 (1) 의 측벽 (11) 에서 개방되고 그리고 배기 매니폴드 (비도시) 는 배기 포트들에 연결된다.
본 실시형태에 따른 실린더 헤드 (1) 는, 배기 매니폴드의 일부가 일 유닛으로서 배기측에서 측벽 (11) 에 형성되는 구조를 가지고, 통상의 배기 포트들에 비하여 신장된 4 개의 배기 포트들 (4A ~ 4D) 은 이하 자세히 설명되는 바와 같이 배기측에서 측벽 (11) 에 형성된다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 대략 직사각형 형상의 체결구 시트부 (11a) 는 배기측에서 측벽 (11) 의 종방향으로 대략 중심에 형성되고, 4 개의 배기 포트들 (4A ~ 4D) 은 체결구 시트부 (11a) 에서 개방되어, 2 개의 배기 포트들이 각각의 열 및 행으로 배열된다.
즉, 2 개의 외측 배기 포트들 (4A, 4D) 은 실린더 열 방향으로 체결구 시트부 (11a) 의 하반부에서 인접하게 개방되고, 2 개의 내측 배기 포트들 (4B, 4C) 은 실린더 열 방향으로 체결구 시트부 (11a) 의 상반부에서 인접하게 개방된다. 4 개의 코너들과 체결구 시트부 (11a) 의 상하 가장자리들의 중간부들에서 볼트 구멍들 (11b) 이 개방되고, 배기 매니폴드 (비도시) 의 플랜지들은 이 볼트 구멍들 (11b) 에 장착 및 체결된다.
도면들에 도시하지 않았지만, DOHC 타입 밸브 트레인은 흡기측과 배기측에 캠샤프트들이 제공된 실린더 헤드 (1) 의 상부에 배치된다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 각각의 실린더 (2) 용 흡기측과 배기측 각각에는 HLA (hydraulic lash adjusters) 용 2 개의 구멍들 (12) 이 제공되고, 흡기측과 배기측에서 HLA 에 오일을 공급하기 위해서 통로들 (13) 이 제공된다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 실린더 헤드 (1) 를 위에서 볼 때, 4 개의 배기 포트들 (4A ~ 4D) 각각은 배기 가스 유동의 상류측 단부에서 2 개의 분기관들로 분할되고 그리고 실린더들 (2A ~ 2D) 과 각각 연통한다. 다른 한편으로는, 배기 포트들 (4A ~ 4D) 의 중류측 및 하류측 부분은 2 개로 분할되지도 않고 배기 포트들 (4A ~ 4D) 중 인접한 배기 포트와 합류하지도 않지만 전술한 바와 같이 체결구 시트부 (11a) 에서 별개로 개방되도록 배기측 측벽 (11) 에서 연장된다.
실린더 열 방향들로 외측들에서 제 1 실린더 (2A) 및 제 4 실린더 (2D) 와 각각 연통하는 4 개의 배기 포트들 (4) 중 배기 포트들 (4A, 4D) (외측 통로들) 은 비교적 큰 곡률 반경으로 만곡되어, 도 2 에 도시된 바와 같이 수직 방향 (실린더의 중심선 (C) 의 방향) 에서 볼 때 배기 가스 유동의 상류측에서 하류측으로 실린더 열 방향으로 중간에서 점점 접근하며, 즉 실린더 열 방향으로 내측에 접근한다.
보다 자세하게는, 외측 배기 포트들 (4A, 4D) 은, 각각 제 1 실린더 (2A) 및 제 2 실린더 (2D) 의 외주부들의 주변들에서 실린더 열 방향으로 내측 쪽으로 만곡되며, 실린더 열 방향으로 중간의 주변으로 연장되며, 그 후 서로 인접하게 체결구 시트부 (11a) 까지 연장되도록 반대 방향들로 만곡된다. 다른 한편으로는, 전체 외측 배기 포트들 (4A, 4D) 은, 도 3 에 도시된 바와 같이 배기측에서 볼 때 또는 파선들로 도 4 에 도시된 바와 같이 실린더 열 방향으로 볼 때, 체결구 시트부 (11a) 에 일반적으로 수평하게 연장된다.
즉, 실린더 열 방향으로 (큰 곡률 반경으로) 넓게 만곡하는 외측 배기 포트들 (4A, 4D) 은 수직 방향으로 만곡하는 대신에 체결구 시트부 (11a) 에 선형으로 연장되도록 형상화되어, 포트 각각의 길이가 너무 길게 신장되지 않는다. 따라서, 외측 배기 포트들 (4A, 4D) 은, 이 배기 포트들내에서 유동하는 배기 가스의 방열성이 과도하게 증가하지 않지만 과냉각 상태가 발생하지 않도록 구성된다.
실린더 열 방향들로 내측에서 제 2 실린더 (2B) 와 제 3 실린더 (2C) 및 각각 연통하는 내측 배기 포트들 (4B, 4C) (내측 통로들) 은, 도 2 에 도시된 바와 같이 위에서 볼 때, 제 2 실린더 (2B) 와 제 3 실린더 (2C) 에서부터 배기측 측벽 (11) 의 체결구 시트부 (11a) 까지 일반적으로 선형으로 연장된다. 따라서, 내측 배기 포트들 (4B, 4C) 은 전술한 바와 같이 실린더 열 방향으로 넓게 만곡하는 외측 배기 포트들 (4A, 4D) 과 비교하여 단축되는 경향이 있다.
다른 한편으로는, 도 3 에 도시된 바와 같이 배기측에서 볼 때 그리고 도 4 에 도시된 바와 같이 실린더 열 방향으로 볼 때, 전체 내측 배기 포트들 (4B, 4C) 은 실린더들 (2B, 2C) 용 연소실들의 천정부들로부터 상방으로 경사지게 각각 연장되는 것이 명백하다. 내측 배기 포트들 (4B, 4C) 각각은 외측 배기 포트들 (4A, 4D) 의 하류측에 걸쳐 연장된 후 외측 배기 포트들 (4A, 4D) 위의 체결구 시트부 (11a) 로 개방된다. 즉, 내측 배기 포트들 (4B, 4C) 은 외측 배기 포트들 (4A, 4D) 과 비교하여 실린더 중심선 (C) 의 방향으로 실린더들 (2) 로부터 체결구 시트부 (11a) 의 먼 측에서 개방된다.
전술한 바와 같이, 상방으로 경사지게 연장되는 내측 배기 포트들 (4B, 4C) 의 하류측들이 외측 배기 포트들 (4A, 4D) 위로 오르고 그리고 그 위로 연장되기 때문에, 내측 배기 포트들 (4B, 4C) 은 그에 따라 신장되도록 형성되며, 반면 내측 배기 포트들 (4B, 4C) 의 길이는 외측 배기 포트들 (4A, 4D) 의 길이보다 더 짧아지고, 배기 가스의 방열성이 어떠한 정도로 향상된다.
따라서, 내측 배기 포트들 (4B, 4C) 의 길이가 가능한 길게 연장되고, 외측 배기 포트들 (4A, 4D) 과의 길이차가 저감되며, 또는 방열성이 어떠한 정도로 향상된 후에, 본 실시형태는 내측 배기 포트들 (4B, 4C) 에 3 개의 만곡부들 (41 ~ 43) 을 제공함으로써 방열성을 향상시킬 수 있다.
즉, 제 2 실린더 (2B) 와 연통하는 내측 배기 포트 (4B) 에 대하여 도 4 에 도시된 바와 같이, 내측 배기 포트 (4B)(4C) 가 실린더 (2B)(2C) 에 대면하고 그리고 연소실의 천정부에서 개방된 상류측 단부에서부터 도 4 의 경사진 우측 상부 쪽으로 연장되면서, 내측 배기 포트 (4B)(4C) 는 하방으로 만곡되기 시작하고, 그 후 배기 밸브 (44) 의 주변에서 통과하도록 수평 방향으로 점점 배향된다.
내측 배기 포트 (4B)(4C) 는, 외측 배기 포트 (4A)(4D) 가 수평방향으로 연장되는 높이와 대략 동일한 높이에서부터 상방으로 만곡되고, 상방으로 경사지게 연장되도록 상방으로 점점 배향되며, 외측 배기 포트 (4A)(4D) 위로 오른 후, 체결구 시트부 (11a) 까지 일반적으로 수평방향으로 연장되도록 다시 하방으로 만곡된다.
즉, 내측 배기 포트 (4B)(4C) 에는, 도 5 에 개략 도시된 바와 같이, 하부의 가상 중심 (O1) 을 중심으로 하방으로 만곡하는 제 1 만곡부 (41), 상부의 가상 중심 (O2) 을 중심으로 상방으로 만곡하는 제 2 만곡부 (42), 및 하부의 가상 중심 (O3) 을 중심으로 하방으로 만곡하는 제 3 만곡부 (43) 가 제공되고, 이러한 만곡부들은 배기 가스 유동의 상류측에서부터 하류측 쪽으로 교대로 형성된다. 즉, 내측 배기 포트 (4B)(4C) 는 적어도 3 개의 만곡부들을 가지고, 이 만곡부들 각각은 제 1 만곡부에서 유동하는 배기 가스보다 실린더 중심선에 보다 더 근접한 위치에서 곡률 중심 (O2) 을 가지는 제 1 만곡부 (42), 또는 제 2 만곡부에서 유동하는 배기 가스보다 실린더 중심선으로부터 더 먼 위치에서 곡률 중심 (O1 또는 O3) 을 가진 제 2 만곡부 (41, 43) 이며, 이 제 1 만곡부와 제 2 만곡부는 배기 가스 유동의 하류측들 쪽으로의 방향으로 교대로 위치된다. 전술한 바와 같이 내측 배기 포트 (4B)(4C) 에서의 배기 가스 유동은 중공 화살표들 (Ex) 을 가진 도 5 에 도시된 바와 같이 만곡부들에서 3 개의 만곡부들 (41 ~ 43) 의 외측들의 벽면들과 충돌한다.
보다 자세하게는, 배기 밸브 (44) (도 4 참조) 와의 여유 (clearance) 로부터 내측 배기 포트 (4B)(4C) 로 유동된 배기 가스 메인 스트림 (Ex) 은 하방으로 배향되도록 제 1 만곡부 (41) 에서 상부면 (만곡부의 외측의 벽면) 의 하류측과 충돌한 후, 다시 상방으로 배향되도록 제 2 만곡부 (42) 에서 하부면 (만곡부의 외측의 벽면) 의 하류측과 충돌한다. 그 후, 배기 가스 메인 스트림 (Ex) 은 제 3 만곡부 (43) 에서의 상부면 (만곡부의 외측의 벽면) 의 하류측과 충돌하고 그리고 내측 배기 포트 (4B)(4C) 로부터 배출되도록 대략 수평방향으로 유동한다.
전술한 바와 같이 배기 가스 메인 스트림 (Ex) 의 충돌에 의해, 만곡부들 (41 ~ 43) 의 외측들의 벽면들의 주변부들 (41a ~ 43a) (도 5 에서 파선들로 도시) 에서 경계층내의 난류가 증가하고, "난류 확산" 으로 인해 열전달이 크게 가속화된다. 즉, 배기 가스의 열배출 (Q) 은 식 Q = 열전달 계수 h x 표면적 A x 배기 가스와 벽면의 온도들 사이의 온도차 △T 로 나타내어지고, 그리하여 전술한 바와 같이 제 1 ~ 제 3 만곡부들 (41 ~ 43) 에서 열전달 계수 h 의 증가에 따라 방열성이 개선된다.
상기 식에서 명백한 바와 같이, 만곡부들 (41 ~ 43) 의 벽면들과 충돌하는 배기 가스 유동 (Ex) 의 속도가 더 빨라지면, 충돌 면적은 더 커지고, 온도차도 더 커지며, 방열성도 더 높게 개선된다. 따라서, 본 실시형태에 있어서, 실린더 헤드 (1) 에 형성된 워터 자켓들 (w) 은 제 1 ~ 제 3 만곡부들 (41 ~ 43) 에서 배기 가스 유동 (Ex) 이 충돌하는 부분들에 대응하여 배열된다.
즉, 도 4 및 도 5 에 도시된 바와 같이,배기측 실린더 헤드 (1) 의 측벽 (11) 에서 내측 배기 포트 (4B)(4C) 주변의 다수의 위치들에 워터 자켓들 (w) 이 제공된다. 특히, 도 5 에 도시된 바와 같이, 제 1 ~ 제 3 만곡부들 (41 ~ 43) 각각에서 배기 가스 유동의 하류측 (즉, 배기 가스 유동 (Ex) 이 충돌하는 부분) 에 대응하도록 만곡부의 외측들의 벽면에 근접하게 워터 자켓들 (w) 이 제공된다.
즉, 전술한 바와 같이 난류 확산으로 인해 열전달 계수 (h) 가 증가하는 만곡부들 (41 ~ 43) 각각의 외측들의 벽면의 주변에 워터 자켓들 (w) 이 제공되고, 벽면의 온도와 배기 가스 유동의 온도 사이의 온도차 (△T) 가 증가하면, 방열성이 시너지 효과에 의해 개선된다. 특히, 역류 (R) 는 배기 가스 유동의 맥동 (pulsation) 으로 인해 최하류측에서 제 3 만곡부 (43) 에서 발생할 수 있고, 그에 따라 배기 가스 유동은 정적 상태로 존재한다. 따라서, 방열성의 향상 효과는 더 개선된다.
그리하여, 본 실시형태의 내연기관용 배기 통로 구조에 따라서, 3 개의 만곡부들 (41 ~ 43) 은 내측 배기 포트들 (4B, 4C) 의 하류측 쪽으로 상방으로 그리고 하방으로 교대로 만곡되도록 제공되고, 내측 배기 포트들은 실린더 헤드 (1) 의 종방향으로 일렬로 배열되는 4 개의 배기 포트들 (4A ~ 4D) 중 실린더 열 방향으로 외측 배기 포트들 (4A, 4D) 에 비하여 단축되는 경향이 있으며, 워터 자켓들 (w) 은 만곡부들 (41 ~ 43) 에 대응하도록 배열된다. 따라서, 배기 가스 유동의 방열성은 충분히 개선될 수 있다.
내측 배기 포트 (4B 또는 4C) 의 하류측은 외측 배기 포트 (4A 또는 4D) 위로 올라 그 위로 연장되도록 형성되고 또한 수직방향으로 넓게 걸치도록 만곡되지 않고 내측 배기 포트 (4B 또는 4C) 의 길이를 어떠한 정도로 고정한다. 그에 따라, 방열성이 향상될 수 있다.
따라서, 실린더 헤드 (1) 의 크기 또는 중량을 또한 증가시키는 배기 시스템을 대형화하지 않으면서, 내측 배기 포트들 (4B, 4C) 및 외측 배기 포트들 (4A, 4D) 에서 배기 가스의 온도들간의 차가 저감될 수 있다. 이는 배기 시스템의 내구 신뢰성의 확보 및 냉간 시동시 워밍업 특성의 향상에 기여하고 그리고 OBD (on-board diagnosis system) 검출성에 대해서도 바람직하다.
더욱이, 내측 배기 포트들 (4B, 4C) 은 3 개의 만곡부들 (41 ~ 43) 에서 상방으로 그리고 하방으로 교대로 만곡되고, 배기 가스 유동의 방향은 크게 변경되지 않고, 모든 만곡부들 (41 ~ 43) 은 예리하게 만곡되지 않는다. 따라서, 압력 손실은 그렇게 많이 증가하지 않고, 고유량의 배기 가스의 배출 효율이 확보될 수 있다.
추가로, 배기 가스는 전술한 바와 같이 내측 배기 포트 (4B 또는 4C) 에서 3 개의 만곡부들 (41 ~ 43) 의 주변들에 제공된 워터 자켓들 (w) 에 의해 효율적으로 냉각되고, 그리하여 다른 부분들에 제공된 워터 자켓들 (w) 의 체적 및 냉매의 유량은 저감될 수 있다. 그에 따라, 실린더 헤드 (1) 의 중량 증가는 억제될 수 있고, 워터 펌프의 부하도 저감될 수 있다.
- 다른 실시형태들 -
본 발명의 구조는 전술한 실시형태들에만 제한되지 않고 다른 다양한 형태들을 포함할 수 있다. 즉, 전술한 실시형태에 있어서, 예를 들어 내측 배기 포트 (4B 또는 4C) 에서 3 개의 만곡부들 (41 ~ 43) 에 대응하도록 워터 자켓들 (w) 이 제공되고; 하지만 본 발명은 전술한 구조에 제한되지 않고, 워터 자켓들 (w) 은 만곡부들 (41, 43) 중 어떠한 만곡부에 대응하도록 제공될 수 있다.
이러한 경우에 있어서, 워터 자켓들 (w) 은 바람직하게는 최하류측에서 적어도 제 3 만곡부 (43) 에 제공된다. 이는, 배기 가스 유동이 전술한 바와 같이 제 3 만곡부 (43) 에서 정적 상태로 존재하기 때문이고, 그로 인해 방열성의 향상 효과가 더 개선된다.
내측 배기 포트 (4B 또는 4C) 에 제공된 만곡부들의 개수는 3 개에 제한되지 않고, 4 개, 5 개 또는 그 이상일 수 있다. 만곡 방향은 수직 방향 (실린더의 중심선 (C) 방향) 으로 제한되지 않고, 적어도 수직 방향 성분을 포함하는 한 다른 방향들일 수도 있다.
추가로, 배기 가스 유동의 방향을 따라서 단차부들로 형상화되도록, 배기 가스 유동이 내측 배기 포트 (4B 또는 4C) 에서 3 개의 만곡부들 (41 ~ 43) 중 어떠한 만곡부와 충돌하는 만곡부의 외측의 측벽에는 단차부가 형성될 수 있다. 그에 따라, 배기 포트의 벽면과 충돌하는 배기 가스 유동의 난류 확산이 더 향상되고, 방열성의 향상 효과가 더 개선된다. 압력 손실의 증가를 고려하면, 큰 단차부의 존재는 바람직하지 않으므로, 단차부의 높이는 유동의 분리를 유발하지 않는 것이 바람직하다.
도 6 에서는 만곡부의 외측의 벽면으로부터 돌출하도록, 내측 배기 포트 (4B 또는 4C) 에서 제 3 만곡부 (43) 에 단차부 (43b) 가 제공되는 일 실시예를 도시한다. 도 7 에 개략적으로 도시된 바와 같이, 상방으로 배향되도록 제 2 만곡부 (42) 의 하부면과 충돌하는 배기 가스 메인 스트림 (Ex) 은 제 3 만곡부 (43) 의 상부면에서 단차부 (43b) 의 상류측 단차부와 충돌하고, 그리하여 경계층내에서의 난류가 증가한다.
전술한 바와 같이, 배기 가스 유동의 맥동으로 인해 제 3 만곡부 (43) 에서 역류 (R) 가 발생할 수 있고, 배기 가스 유동은 정적 상태로 존재한다. 그리하여, 단차부 (43b) 의 제공을 통하여 방열성의 향상 효과는 더 개선된다.
추가로, 전술한 실시형태에서는, 자동차에 장착된 직렬 4 실린더 가솔린 엔진에 본 발명을 적용한 경우에 대해 설명한다. 하지만, 엔진은 직렬 3 실린더 엔진 또는 5 개 또는 그 이상의 실린더들을 가진 직렬 엔진일 수도 있다. 이 엔진은, 3 개 또는 그 이상의 실린더들이 하나의 뱅크에 일렬로 배열된 V 타입 엔진 또는 수평방향으로 대향하는 엔진일 수도 있다. 더욱이, 엔진은 가솔린 엔진에 제한되지 않고, 디젤 엔진 또는 가스 엔진일 수 있다.
본 발명에 따른 전술한 실시형태들은, 내연기관의 배기 시스템을 부질없이 대형화하지 않으면서, 다수의 실린더들로부터 배기 가스의 온도차를 저감시킬 수 있고, 촉매 또는 다른 성분들의 내구 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 냉간 시동시 워밍업 특성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 실시형태들은 특히 자동차에 장착된 내연기관에 적용될 때 매우 효과적이다.

Claims (10)

  1. 내연기관용 배기 통로 구조로서,
    내연기관의 3 개 이상의 실린더들과 각각 연통하는 배기 통로들로서, 상기 배기 통로들은 실린더 열 방향으로 외측들에서 상기 실린더들과 각각 연통하는 2 개의 외측 통로들을 구비하며, 상기 외측 통로들은 배기 가스 유동의 하류측들 쪽으로 연장하고 그리고 상기 실린더 열 방향으로 내측들에 접근하도록 만곡되는, 상기 배기 통로들과,
    상기 실린더 열 방향으로 내측에서 상기 실린더와 연통하는 내측 통로로서,상기 내측 통로는 적어도 3 개의 만곡부들을 가지며, 상기 만곡부들 각각은 제 1 만곡부 또는 제 2 만곡부이며, 상기 제 1 만곡부는 상기 제 1 만곡부에서 유동하는 배기 가스보다 실린더 중심선에 더 근접한 위치에 곡률 중심을 가지고, 상기 제 2 만곡부는 상기 제 2 만곡부에서 유동하는 배기 가스보다 실린더 중심선으로부터 더 먼 위치에 곡률 중심을 가지며, 상기 제 1 만곡부와 상기 제 2 만곡부는 상기 배기 가스 유동의 하류측들 쪽으로의 방향으로 교대로 위치되는, 상기 내측 통로를 포함하는, 내연기관용 배기 통로 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    실린더 열 방향으로 외측들의 실린더들로서, 상기 외측 통로들은 상기 실린더 열 방향으로 외측들의 상기 실린더들의 주변들에서 상기 실린더 열 방향으로 중간부 쪽으로 만곡되고, 상기 실린더 열 방향으로 상기 중간부의 주변들로 연장되며, 그 후 반대 방향들로 만곡되는, 내연기관용 배기 통로 구조.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 외측 통로들은 수평 방향들로 연장되는, 내연기관용 배기 통로 구조.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항에 있어서,
    상기 내측 통로는 연소실들의 천정부들로부터 상방으로 경사지게 연장되고, 상기 내측 통로의 하류측 부분은 외측 통로에 걸쳐 연장되는, 내연기관용 배기 통로 구조.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항에 있어서,
    상기 배기 가스 유동의 방향을 따라서 단차부들로 형상화되도록, 상기 내측 통로에서 3 개 이상의 만곡부들 중 적어도 하나에서 만곡부의 외부측의 벽면에 단차부가 제공되는, 내연기관용 배기 통로 구조.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 단차부는 상기 3 개 이상의 만곡부들 중 상기 배기 가스 유동의 최하류측의 만곡부에 제공되는, 내연기관용 배기 통로 구조.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내측 통로 및 상기 외측 통로들 모두는 상기 내연기관의 실린더 헤드에 형성되고, 상기 내측 통로에서 3 개 이상의 만곡부들 중 적어도 하나에서 외측의 벽면 주변에는 워터 자켓이 제공되는, 내연기관용 배기 통로 구조.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 워터 자켓은 상기 만곡부들 중 적어도 하나의 배기 가스 유동의 하류측 주변에 제공되는, 내연기관용 배기 통로 구조.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 워터 자켓은 상기 3 개 이상의 만곡부들 중 상기 배기 가스 유동의 최하류측의 만곡부의 주변에 제공되는, 내연기관용 배기 통로 구조.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    2 개의 상기 외측 통로들에서의 상기 배기 가스 유동의 하류측 단부들은 상기 실린더 열 방향으로 상기 실린더 헤드의 측벽에서 인접하게 개방되고, 상기 내측 통로에서의 상기 배기 가스 유동의 하류측 단부는 상기 실린더 헤드의 측벽에서의 상기 외측 통로들의 하류측 단부 개구들에 대하여 실린더 중심선의 방향으로 상기 실린더들로부터 먼 측에서 개방되는, 내연기관용 배기 통로 구조.
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