KR20160068044A

KR20160068044A - 차량용 엔진

Info

Publication number: KR20160068044A
Application number: KR1020140172816A
Authority: KR
Inventors: 김장헌
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2014-12-04
Publication date: 2016-06-15
Also published as: US20160160793A1

Abstract

실린더 내부에서 상하 방향으로 승강 가능하게 마련된 피스톤과 피스톤 상부에 배치되어 피스톤과 함께 연소실을 구성하는 실린더 헤드가 구비된 차량용 엔진에 있어서, 상기 피스톤의 헤드 상면과 실린더 헤드의 내측벽면에는 저온에서 고열전도도 특성을 가지며, 고온에서 저열전도도 특성을 가지는 재질로 이루어진 특성가변 코팅막이 형성됨으로써 흡입 행정시에는 연소실의 온도가 상대적으로 낮아짐에 따라 연소실과 실린더 헤드 및 피스톤의 열전도도가 높아지고, 폭발 행정시에는 연소실의 온도가 상대적으로 높아짐에 따라 연소실과 실린더 헤드 및 피스톤의 열전도도가 낮아지도록 구성된 차량용 엔진이 소개된다.

Description

차량용 엔진 {ENGINE FOR VIHICLES}

본 발명은 차량용 엔진에 관한 것으로서, 특히 엔진 연소실의 온도 조건에 따라 연소실 내의 열이 방열 또는 단열되도록 하는 차량용 엔진에 관한 것이다.

실린더는 피스톤 행정의 약 2배의 길이를 가지는 원통형으로 형성되어 그속에서 피스톤이 기밀을 유지하면서 왕복운동하여 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸어 필요한 동력을 발생하는 장치의 주체이다.

이렇게, 주어진 열에너지로부터 가능한 큰 동력을 얻기 위하여 실린더와 피스톤 사이에서 압축된 혼합기나 연소한 폭발가스가 새어나가지 않도록 함과 동시에 피스톤이 실린더 내에 접촉에 의한 마찰과 마모가 적어야 한다. 특히, 실린더는 작동중 2000℃이상의 고온인 연소가스에 노출되어 있으므로 기능이 저하되는 것을 방지하기 위하여 실린더 온도가 일정 이상으로 높아지지 않도록 해야한다.

이를 위해, 실린더 둘레에 쿨링핀을 형성하고 신선한 공기를 통과시켜 냉각하는 공랭식이 사용되거나, 실린더에 워터재킷을 형성하고 낮은 온도의 냉각수를 순환시켜 실린더를 냉각하는 수냉식이 적용되고 있다.

한편, 연소실 내부에서 폭발한 연소가스에 의해 열부하를 받는 피스톤은 상부에 위치한 크라운과 그 하부에 위치하는 스커트로 구성되며, 크라운을 냉각하기 위해 윤활유가 사용되고, 윤활유의 흐름이 피스톤의 외부 갤러리에서 내부 갤러리로 흐르도록 구성된다. 외부 갤러리에서 내부 갤러리로 흐르는 윤활유의 통로를 냉각 통로라고 하며, 이 냉각 통로가 위치됨에 따라 피스톤의 냉각이 결정된다.

하지만, 종래의 엔진 연소실에는 흡기 행정시 팽창/배기 행정 후 내부 잔열에 남음에 따라 고열용량에 의해 충진 효율이 악화되는 문제가 발생된다.

또한, 팽창 행정시 고온 고압의 연소가스에 의한 과열이 실린더 헤드와 피스톤에 과도하게 전달되어 실린더 헤드를 냉각하는 냉각수 및 피스톤을 냉각하는 윤활유의 온도가 급격히 상승됨에 따라 냉각수와 윤활유의 온도를 다시 낮추어야 함에 따라 냉각 손실이 발생된다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 흡입 행정 및 압축 행정시에는 연소 가스가 저온/저압 상태이고, 폭발 행정 및 배기 행정시에는 연소 가스가 고온/고압 상태이게 되는데, 연소실의 온도 조건을 고려하지 않음에 따라 충진 효율이 저하되며, 냉각손실도 발생되어 연비 악화, 토크 저하 문제가 발생된다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2007-0040218 A (2007.04.16)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 엔진 연소실의 온도 조건에 따라 연소실 내의 열이 방열 또는 단열되도록 한다. 즉, 엔진 연소실 내의 온도가 낮은 조건에서는 충진 효율이 향상되도록 하며, 온도가 높은 조건에서는 냉각 효율이 향상되도록 하는 차량용 엔진을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량용 엔진은 실린더 내부에서 상하 방향으로 승강 가능하게 마련된 피스톤과 피스톤 상부에 배치되어 피스톤과 함께 연소실을 구성하는 실린더 헤드가 구비된 차량용 엔진에 있어서, 상기 피스톤의 헤드 상면과 실린더 헤드의 내측벽면에는 저온에서 고열전도도 특성을 가지며, 고온에서 저열전도도 특성을 가지는 재질로 이루어진 특성가변 코팅막이 형성됨으로써 흡입 행정시에는 연소실의 온도가 상대적으로 낮아짐에 따라 연소실과 실린더 헤드 및 피스톤의 열전도도가 높아지고, 폭발 행정시에는 연소실의 온도가 상대적으로 높아짐에 따라 연소실과 실린더 헤드 및 피스톤의 열전도도가 낮아지도록 구성된다.

상기 특성가변 코팅막은 MgO(산화마그네슘)이 포함되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 피스톤은 냉각 유체가 통과 가능한 냉각통로가 형성되어 냉각 가능하도록 구성되고, 상기 실린더 헤드에는 냉각수 통로가 구비되어 냉각이 이루어지도록 구성되며, 흡입/압축 행정시에는 연소실의 온도가 상대적으로 낮아짐에 따라 특성가변 코팅막의 열전도도가 높아져 연소실 내의 열이 피스톤 및 실린더 헤드의 냉각열에 의해 방열되고, 팽창/배기 행정시에는 연소실의 온도가 상대적으로 높아짐에 따라 특성가변 코팅막의 열전도도가 낮아져 연소실 내의 열이 단열되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량용 엔진에 따르면, 엔진 연소실의 온도 조건에 따라 연소실 내의 열이 방열 또는 단열되도록 한다.

즉, 엔진 연소실 내의 온도가 낮은 조건에서는 충진 효율이 향상되도록 하며, 온도가 높은 조건에서는 냉각 효율이 향상되도록 한다.

도 1은 엔진 작동시 온도 변화를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 엔진을 나타낸 도면.
도 3은 도 2에 도시된 차량용 엔진을 설명하기 위한 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차량용 엔진에 대하여 살펴본다.

본 발명은 실린더(10) 내부에서 상하 방향으로 승강 가능하게 마련된 피스톤(100)과 피스톤(100) 상부에 배치되어 피스톤(100)과 함께 연소실(20)을 구성하는 실린더 헤드(200)가 구비된 차량용 엔진에 있어서, 연소실(20) 내에서 생성된 고온 고압의 연소가스에 의한 과열을 방지하고, 이와 더불어 충진 효율이 향상되도록 한다.

피스톤(100)이 구비되는 실린더(10) 및 실린더 헤드(200)에 대한 구조는 선행문헌들을 통해 다양하게 공지되어있는바, 일례로 "대한민국특허공개공보 10-2003-0077948"에 개시된 바와 같은 차량용 엔진 구조가 적용될 수 있다.

본 발명에서는 피스톤(100)과 실린더 헤드(200)가 구성하는 연소실(20) 내에서 고온 고압의 연소가스에 의해 변화되는 연소실(20) 내의 온도를 고려하고, 흡입, 압축, 폭발, 배기 행정에 따른 온도 변화를 고려하여, 엔진 효율을 향상되도록 한다.

상세하게, 상기 피스톤(100)의 헤드 상면과 실린더 헤드(200)의 내측벽면에는 저온에서 고열전도도 특성을 가지며, 고온에서 저열전도도 특성을 가지는 재질로 이루어진 특성가변 코팅막(300)이 형성된다. 즉, 피스톤(100) 헤드 상면과 실린더 헤드(200)의 내측벽면은 연소실(20)에 노출되는 부분이며, 연소실(20)에서는 흡입, 압축, 폭발, 배기 행정에 의해 온도변화가 이루어진다.

이에 따라, 피스톤(100)과 실린더 헤드(200)에는 연소실(20)의 온도 변화의 영향을 받는데, 특히 흡기 행정시 연소실(20) 내부에 잔열이 남아있음에 따라 고열 용량에 의한 충진 손실이 발생된다. 또한, 폭발 행정시 연소실(20) 내부에 고온 고압의 연소가스가 생성되는데, 연소가스의 고온의 열원이 피스톤(100)과 실린더 헤드(200)에 전달될 경우 냉각 손실이 발생된다.

이러한 문제를 해소하기 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 피스톤(100)의 헤드 상면과 실린더 헤드(200)의 내측벽면에 저온에서는 고열전도도 특성을 가지고, 고온에서는 저열전도도 특성을 가지는 재질로 이루어진 특성가변 코팅막(300)을 형성한다.

즉, 흡입 행정시에는 고온 고압의 연소가스가 배출됨에 따라 연소실(20)의 온도가 팽창 행정시 온도에 비해 상대적으로 낮고, 팽창 행정시에는 고온 고압의 연소가스가 생성됨에 따라 연소실(20)의 온도가 흡입 행정시 온도에 비해 상대적으로 높게 형성된다.

이를 이용하여, 피스톤(100)의 헤드 상면과 실린더 헤드(200)의 내측변면에는 특성가변 코팅막(300)을 형성해줌으로써 연소실(20)의 온도가 상대적으로 낮은 흡입 행정시에는 특성가변 코팅막(300)의 특성에 의해 연전도도가 높아져 연소실(20)과 실린더 헤드(200) 및 피스톤(100)의 열교환이 유리하도록 한다. 또한, 연소실(20)의 온도가 상대적으로 높은 팽창 행정시에는 가변 코팅막의 특성에 의해 연전도도가 낮아져 연소실(20)과 실린더 헤드(200) 및 피스톤(100)간의 열교환을 차단하여 단열되도록 한다.

이렇게, 특성가변 코팅막(300)에 의해 흡입 행정시에는 연소실(20) 내의 열원이 피스톤(100)과 실린더 헤드(200)를 통해 방열되어 연소실(20) 내의 온도가 신속히 감소됨으로써 연소실(20) 내부 잔열에 의한 충진 효율이 악하되는 것을 방지하고, 팽창 행정시에는 연소실(20) 내의 열원이 피스톤(100)과 실린더 헤드(200)에 전달되지 않도록 단열함으로써 연소가스의 고온의 열원에 의해 피스톤(100)과 실린더 헤드(200)의 온도가 급격히 상승되지 않도록 한다.

상술한 특성가변 코팅막(300)은 MgO(산화마그네슘)이 포함되어 이루어질 수 있다.

MgO(산화마그네슘)의 열전도도는 표 1에 나타난 바와 같다.

(표 1)

이처럼, MgO(산화마그네슘)은 저온에서는 높은 열전도도를 가지지만, 고온으로 온도가 높아질수록 낮은 열전도도를 변화되는 특성이 있다. 이를 이용하여, MgO계 특성가변 코팅막(300)을 형성하고, 피스톤(100)과 실린더 헤드(200)에 이를 도포해줌으로써 연소실(20) 내의 실린더 헤드(200)와 피스톤(100)에 저온에서 고열전도도 특성을 가지며, 고온에서 저열전도도 특성을 가지도록 할 수 있다.

MgO(산화마그네슘)의 경우 그 함유량을 30~60%로 하고, 바인더를 실리케이트 또는 PAI(폴리아미드이미드)로 구성할 수 있으며, MgO(산화마그네슘)과 바인더의 조합에 따라 코팅 두께를 100~200㎛로 설정 가능하다. 이러한 MgO계 특성가변 코팅막(300)은 흡입 행정 및 팽창 행정시 온도값과 피스톤(100)과 실린더 헤드(200)에 전달되는 열원을 고려한 실험값을 통해 설정될 수 있다.

한편, 상기 피스톤(100)은 냉각 유체가 통과 가능한 냉각통로가 형성되어 냉각 가능하도록 구성되고, 상기 실린더 헤드(200)에는 냉각수 통로가 구비되어 냉각이 이루어지도록 구성되며, 흡입/압축 행정시에는 연소실(20)의 온도가 상대적으로 낮아짐에 따라 특성가변 코팅막(300)의 열전도도가 높아져 연소실(20) 내의 열이 피스톤(100) 및 실린더 헤드(200)의 냉각열에 의해 방열되고, 팽창/배기 행정시에는 연소실(20)의 온도가 상대적으로 높아짐에 따라 특성가변 코팅막(300)의 열전도도가 낮아져 연소실(20) 내의 열이 단열되도록 할 수 있다.

이처럼, 피스톤(100)은 냉각 유체를 통해 냉각 가능하도록 구성되고, 실린더 헤드(200)도 냉각수에 의해 냉각 가능하도록 구성되어 온도 조절이 이루어진다. 피스톤(100)의 냉각 구조는 "대한민국 등록특허공보 10-0827492"에 개시되어 있으며, 실린더 헤드(200)의 냉각 구조는 "대한민국 공개특허공보 2003-0077948"에 개시된 바와 같다. 이렇게, 피스톤(100)과 실린더 헤드(200)의 냉각 구조는 선행문헌들을 통해 공지되어 있는바, 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

상술한 바와 같이, 피스톤(100)과 실린더 헤드(200)는 냉각 가능하도록 구성됨에 따라 연소실(20)에서 생성된 연소가스의 고온의 열원에 의해 피스톤(100) 헤드와 실린더 헤드(200)가 과열에 의해 파손되지 않도록 온도가 조절된다.

특히, 본 발명에서는 연소실(20)에 노출되는 피스톤(100) 헤드의 상면과 실린더 헤드(200)의 내측벽면에 특성가변 코팅막(300)을 형성해줌으로써 연소실(20)의 고온의 열원과 피스톤(100) 및 실린더 헤드(200)의 열교환이 조절되도록 한다.

상세하게, 도 3에 도시된 바와 같이, 흡입/압축 행정시에는 연소실(20)의 온도가 팽창/배기 행정시보다 상대적으로 낮아지고, 이에 따라 특성가변 코팅막(300)의 열전도도가 높아져 연소실(20) 내의 열이 피스톤(100) 및 실린더 헤드(200)의 냉각 구조에 따른 냉각열과 열교환된다. 이렇게, 흡입/압축 행정시에는 연소실(20) 내부의 고온의 열원이 피스톤(100) 및 실린더 헤드(200)의 냉각 구조와 열교환되어 방열됨으로써 내부의 잔열을 저감함에 따라 충진 효율이 향상되도록 한다.

아울러, 팽창/배기 행정시에는 연소실(20)의 온도가 흡입/압축 행정시보다 상대적으로 높아짐에 따라 특성가변 코팅막(300)의 열전도도가 낮아져 연소실(20) 내의 연소실(20) 내의 열이 피스톤(100) 및 실린더 헤드(200) 측으로 전달되지 않도록 한다. 이렇게, 팽창/배기 행정시에는 연소실(20) 내부의 고온의 열원이 피스톤(100) 및 실린더 헤드(200)에 도포된 특성가변 코팅막(300)에 의해 단열됨으로써 연소가스의 고열이 피스톤(100)의 냉각 유체 및 실린더 헤드(200)의 냉각수에 전달되어 냉각 효율이 저하되지 않도록 한다. 이로 인해, 피스톤(100)과 실린더 헤드(200)의 온도 조절이 원활히 수행될 수 있으며, 냉각 효율이 향상된다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량용 엔진에 따르면, 엔진 연소실(20)의 온도 조건에 따라 연소실(20) 내의 열이 방열 또는 단열되도록 한다. 특히, 흡입, 압축, 팽창, 배기 행정시에 온도 조건에 따라 연소실(20) 내의 열이 방열 또는 단열되도록 함으로써 온도가 낮은 조건인 흡입 행정시에는 충진 효율이 향상되도록 하고, 온도가 높은 조건인 팽창 행정시에는 냉각 효율이 향상되도록 한다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100:피스톤 200:실린더 헤드
300:특성가변 코팅막
10:실린더 20:연소실

Claims

실린더 내부에서 상하 방향으로 승강 가능하게 마련된 피스톤과 피스톤 상부에 배치되어 피스톤과 함께 연소실을 구성하는 실린더 헤드가 구비된 차량용 엔진에 있어서,
상기 피스톤의 헤드 상면과 실린더 헤드의 내측벽면에는 저온에서 고열전도도 특성을 가지며, 고온에서 저열전도도 특성을 가지는 재질로 이루어진 특성가변 코팅막이 형성됨으로써 흡입 행정시에는 연소실의 온도가 상대적으로 낮아짐에 따라 연소실과 실린더 헤드 및 피스톤의 열전도도가 높아지고, 폭발 행정시에는 연소실의 온도가 상대적으로 높아짐에 따라 연소실과 실린더 헤드 및 피스톤의 열전도도가 낮아지도록 구성된 차량용 엔진.
청구항 1에 있어서,
상기 특성가변 코팅막은 MgO(산화마그네슘)이 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 엔진.
청구항 1에 있어서,
상기 피스톤은 냉각 유체가 통과 가능한 냉각통로가 형성되어 냉각 가능하도록 구성되고, 상기 실린더 헤드에는 냉각수 통로가 구비되어 냉각이 이루어지도록 구성되며,
흡입/압축 행정시에는 연소실의 온도가 상대적으로 낮아짐에 따라 특성가변 코팅막의 열전도도가 높아져 연소실 내의 열이 피스톤 및 실린더 헤드의 냉각열에 의해 방열되고, 팽창/배기 행정시에는 연소실의 온도가 상대적으로 높아짐에 따라 특성가변 코팅막의 열전도도가 낮아져 연소실 내의 열이 단열되는 것을 특징으로 하는 차량용 엔진.