KR20090063476A

KR20090063476A - 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드

Info

Publication number: KR20090063476A
Application number: KR1020070130851A
Authority: KR
Inventors: 이재권
Original assignee: 기아자동차주식회사; 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2027-12-14
Also published as: KR100946484B1

Abstract

본 발명은 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드에 관한 것으로, 인젝터(50)를 통해 연소실 내로 직접 분사되는 연료가 보울(13a)의 형상에 의해 연소실 전체로 분산되지 않고 스파크 플러그(40)의 근처로 모여들게 되므로, 상기 스파크 플러그(40)의 주변은 농후한 혼합기의 성층화가 이루어지게 되고, 이 결과 연소 성능을 보다 향상시킬 수 있게 되며, 아울러 탄화수소(HC)와 같은 배기가스의 배출을 대폭 저감시킬 수 있도록 된 것이다.

가솔린 직접 분사, GDI, 성층화, 보울

Description

가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드{Piston head for gasoline direct injection engine}

본 발명은 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소실 내로 직접 분사된 연료가 연소실 전체로 분산되지 않고 스파크 플러그 근처로 모일 수 있도록 유도하여, 연소 성능을 보다 향상시킴과 더불어 배기가스의 배출을 저감시킬 수 있도록 하는 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드에 관한 기술이다.

일반적으로, 내연 기관에서 피스톤은 엔진의 실린더 내부를 왕복 운동하여 팽창 행정에서 고온 고압의 가스 압력을 받아, 피스톤의 하부에 연결된 커넥팅 로드를 통하여 크랭크샤프트에 동력을 전달하는 엔진의 구성품으로서, 피스톤의 헤드부는 연소실의 일부를 형성한다.

상기 연소실은 실린더 헤드와 피스톤 등으로 구성되어 있으며, 연료와 공기의 혼합기를 효율이 우수하고 공해가 없도록 연소시키는 구조이어야 한다.

상기 연소실의 형상은 밸브 기구, 스파크 플러그의 부착 위치, 냉각방법, 피스톤 헤드의 형상 등에 따라 다르며, 엔진의 성능에 크게 영향을 미친다.

최근 자동차 엔진의 신기술의 하나로 인젝터로 연소실에 직접 연료를 분사하는 가솔린 직접 분사 엔진(Gasoline Direct Injection Engine)이 도입되고 있는 바, 상기 가솔린 직접 분사 엔진은 기존의 연료 분사 시스템인 포트 분사방식, 즉 흡기 매니폴드에 인젝터로 연료를 분사하여 흡기 매니폴드로 흡입되는 공기와 연료를 혼합한 다음 실린더 헤드의 연소실에 혼합기를 공급하는 방식에 비하여 연소 안전성이 높고 초 희박 상태에서의 연소가 가능한 장점이 있다.

상기 가솔린 직접 분사 엔진은 연소실에 직접 분사되는 연료가 스파크 플러그 주변에 모일 수 있도록 하는 것이 핵심 기술이며 매우 중요한 바, 이와 같이 연소실에 직접 분사된 연료가 스파크 플러그 주변에 모이도록 하는 것은 연소실의 구조에 의해 좌우되며, 연소실 구조의 하나를 차지하는 피스톤 헤드의 형상 또한 매우 중요하다.

본 발명은, 피스톤 헤드의 형상을 개선하여 연소실 내로 직접 분사된 연료가 스파크 플러그 근처로 모일 수 있도록 연료의 이동을 유도하는 성능을 한층 더 강화시킴으로써, 연소 성능을 보다 향상시킬 수 있도록 하고 이를 통해 배기가스의 배출을 저감시킬 수 있도록 하는 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 피스톤 헤드의 윗면에 인젝터 의 분사방향을 따라 보울이 형성된 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드에 있어서, 상기 보울은, 상기 피스톤 헤드를 위에서 보았을 때 상기 인젝터의 분사방향을 따라 상기 피스톤 헤드의 중심을 지나는 중심선을 기준으로 양쪽이 서로 대칭적인 원호모양으로 형성됨과 더불어, 상기 중심선을 따라 수직하게 절단한 상기 피스톤 헤드의 단면을 보았을 때 상기 인젝터의 분사방향을 따라 상기 피스톤 헤드의 바깥 테두리에서 상기 피스톤 헤드의 중심을 향하여 점차적으로 깊어지는 각도를 갖도록 형성된 바닥면과; 상기 바닥면과 상기 피스톤 헤드의 윗면을 연결하는 안쪽의 테두리면;을 구비하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드에 의하면, 인젝터를 통해 연소실 내로 직접 분사되는 연료가 보울의 형상에 의해 연소실 전체로 분산되지 않고 스파크 플러그의 근처로 모여들게 됨으로써, 상기 스파크 플러그의 주변은 농후한 혼합기의 성층화가 이루어지게 되고, 이 결과 연소 성능을 보다 향상시킬 수 있게 되며, 아울러 탄화수소(HC)와 같은 배기가스의 배출을 대폭 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이 피스톤에서 피스톤 헤드(10)의 바깥 둘레면에는 다수개의 피스톤 링(20)이 결합되며, 상기 피스톤 헤드(10)의 윗면(11)에는 본 발명 에 따른 보울(13; bowl)이 형성된다.

상기 피스톤과 함께 연소실을 구성하는 실린더 헤드(30)에는 스파크 플러그(40)와, 연소를 분사하는 인젝터(50) 및 흡,배기포트(60,70)가 구비된다.

상기 연소실로 돌출된 상기 스파크 플러그(40)의 중앙은 상기 피스톤 헤드(10)의 윗면(11)의 중심(C1)을 향하도록 장착된다.

따라서, 상기 피스톤 헤드(10)의 윗면(11)에 형성된 본 발명에 따른 보울(13)에 의해, 상기 인젝터(50)로부터 연소실 내로 직접 분사된 연료는 도시된 화살표 M1의 흐름과 같이 상기 스파크 플러그(40)의 근처로 모일 수 있게 그 이동이 유도된다.

이를 달성하기 위한 본 발명에 따른 상기 보울(13)의 형상에 대해서는 도 2와 도 3을 참조하게 자세히 설명한다.

상기 보울(13)은 크게 바닥면(13a) 및 안쪽의 테두리면(13b)을 구비하도록 형성된 구성이다.

먼저, 상기 바닥면(13a)은 도 2와 같이 상기 피스톤 헤드(10)를 위에서 보았을 때, 상기 인젝터(50)의 분사방향(A1)을 따라 상기 피스톤 헤드(10)의 중심(C1)을 지나는 중심선(L1)을 기준으로 양쪽(도 2의 상태에서는 중심선(L1)을 기준으로 상하측에 위치한 부위임)이 서로 대칭적인 원호모양으로 형성된다.

또한, 상기 바닥면(13a)은 상기 중심선(L1)을 따라 수직하게 절단한 상기 피스톤 헤드(10)의 단면을 도 3과 같이 보았을 때, 상기 인젝터(50)의 분사방향(A1)을 따라 상기 피스톤 헤드(10)의 바깥 테두리에서 상기 피스톤 헤드(10)의 중 심(C1)을 향하여 점차적으로 깊어지는 각도(θ1)를 갖도록 형성된다.

여기서, 상기 피스톤 헤드(10)의 윗면(11)과 상기 바닥면(13a)이 이루는 각도(θ1)는 2도(°) 내지 3도(°)로 형성된다.

상기 바닥면(13a)은, 상기 인젝터(50)의 분사방향(A1)을 따라서 상기 피스톤 헤드(10)의 중심(C1)을 지나 일정거리로 벗어난 위치가 상기 피스톤 헤드(10)의 윗면(11)으로부터 가장 깊게 형성된 위치(P1)로 형성된다.

또한, 상기 바닥면(13a)은 그 깊이가 가장 깊게 형성된 상기 위치(P1)에서 상기 중심선(L1)의 양쪽에 위치한 원호모양의 곡률을 따라 갈수록 깊이가 점점 줄어들게 되고 결국은 상기 피스톤 헤드(10)의 윗면(11)과 만나서 동일해지도록 형성된다.

한편, 상기 바닥면(13a)이 가장 깊게 형성된 위치(P1)는, 상기 인젝터(50)의 분사방향(A1)을 따라서 상기 피스톤 헤드(10)의 반경(r1)에 대해 0.15배 내지 0.2배의 값으로 상기 피스톤 헤드(10)의 중심(C1)을 지난 위치이다.

다음에는, 상기 안쪽의 테두리면(13b)에 대해 설명한다.

상기 안쪽의 테두리면(13b)은 상기 바닥면(13a)과 상기 피스톤 헤드(10)의 윗면(11)을 연결하는 부위이다.

여기서, 상기 안쪽의 테두리면(13b)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 인젝터(50)의 분사방향(A1)을 따라서 상기 바닥면(13a)이 가장 깊게 형성된 위치(P1)와 경사지게 만나는 지점이 상기 피스톤 헤드(10)의 윗면(11)으로부터 가장 높게 돌출된 위치(P2)로 형성된다.

또한, 상기 안쪽의 테두리면(13b)은 그 높이가 가장 높게 돌출된 상기 위치(P2)에서 상기 중심선(C1)의 양쪽에 위치한 상기 바닥면(13a)과 만날수록 돌출된 높이가 점점 줄어들게 되고 결국은 상기 바닥면(13)과 만나서 동일한 높이가 되도록 형성된다.

한편, 상기 바닥면(13a)이 가장 깊게 형성된 위치(P1)에서 상기 안쪽의 테두리면(13b)이 연결되는 부위(모서리부)는, 상기 피스톤 헤드(10)의 반경(r1)에 대해 0.15배 내지 0.17배의 반경(r2)에 해당하는 값으로 곡률지게 형성된다.

여기서, 상기 반경 r2의 값은 상기 중심선(C1)으로부터 멀어지는 방향을 따라 상기 바닥면(13a)과 만날수록 점점 줄어들게 되고 결국은 상기 바닥면(13)과 동일한 평면이 된다.

그리고, 상기 피스톤 헤드(10)의 윗면(11)으로부터 가장 높게 돌출된 상기 안쪽의 테두리면(13b)의 위치(P2)에서 상기 인젝터(50)의 분사방향(A1)을 따라 만나는 바깥쪽의 테두리면(15)은, 상기 안쪽의 테두리면(13b)과 90도(°)의 경사각(θ2)을 이루면서 상기 피스톤 헤드(10)의 윗면(11)과 만나도록 형성된다.

따라서, 인젝터(50)를 통해 연소실 내로 직접 분사되는 연료는 본 발명 실시예에 따른 보울(13a)의 형상에 의해 연소실 전체로 분산되지 않고 스파크 플러그(40)의 근처로 모여들게 되어 상기 스파크 플러그(40)의 주변은 농후한 혼합기의 성층화가 이루어지게 된다.

이에 따라, 본 발명 실시예는 연소 성능을 보다 향상시킬 수 있게 되며, 아울러 탄화수소(HC)와 같은 배기가스의 배출을 대폭 저감시킬 수 있게 된다.

도 1은 피스톤 헤드의 윗면에 본 발명에 따른 보울을 구비한 피스톤이 연소실에 설치된 상태의 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 보울을 구비한 피스톤 헤드의 평면도,

도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 - 피스톤 헤드 11 - 윗면

13 - 보울 13a - 바닥면

13b - 안쪽의 테두리면 15 - 바깥쪽의 테두리면

50 - 인젝터 A1 - 인젝터의 분사방향

C1 - 피스톤 헤드의 중심

L1 - 피스톤 헤드의 중심을 지나는 중심선

Claims

피스톤 헤드(10)의 윗면(11)에 인젝터(50)의 분사방향(A1)을 따라 보울(13)이 형성된 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드에 있어서,

상기 보울(13)은,

상기 피스톤 헤드(10)를 위에서 보았을 때 상기 인젝터(50)의 분사방향(A1)을 따라 상기 피스톤 헤드(10)의 중심(C1)을 지나는 중심선(L1)을 기준으로 양쪽이 서로 대칭적인 원호모양으로 형성됨과 더불어, 상기 중심선(L1)을 따라 수직하게 절단한 상기 피스톤 헤드(10)의 단면을 보았을 때 상기 인젝터(50)의 분사방향(A1)을 따라 상기 피스톤 헤드(10)의 바깥 테두리에서 상기 피스톤 헤드(10)의 중심(C1)을 향하여 점차적으로 깊어지는 각도(θ1)를 갖도록 형성된 바닥면(13a)과;

상기 바닥면(13a)과 상기 피스톤 헤드(10)의 윗면(11)을 연결하는 안쪽의 테두리면(13b);

을 구비하도록 구성된 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드.
청구항 1에 있어서, 상기 피스톤 헤드(10)의 윗면(11)과 상기 바닥면(13a) 이루는 각도(θ1)는 2도(°) 내지 3도(°)인 것;

을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드.
청구항 2에 있어서, 상기 바닥면(13a)은,

상기 인젝터(50)의 분사방향(A1)을 따라서 상기 피스톤 헤드(10)의 중심(C1)을 지나 일정거리로 벗어난 위치가 상기 피스톤 헤드(10)의 윗면(11)으로부터 가장 깊게 형성된 위치(P1)로 형성되고;

상기 가장 깊게 형성된 위치(P1)에서 상기 중심선(C1)의 양쪽에 위치한 원호모양의 곡률을 따라 갈수록 깊이가 점점 줄어들면서 상기 피스톤 헤드(10)의 윗면(11)과 만나서 동일해지도록 형성된 것;

을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드.
청구항 3에 있어서, 상기 바닥면(13a)이 가장 깊게 형성된 위치(P1)는,

상기 인젝터(50)의 분사방향(A1)을 따라서 상기 피스톤 헤드(10)의 반경(r1)에 대해 0.15배 내지 0.2배의 값으로 상기 피스톤 헤드(10)의 중심(C1)을 지난 위치인 것;

을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드.
청구항 4에 있어서, 상기 안쪽의 테두리면(13b)은,

상기 인젝터(50)의 분사방향(A1)을 따라서 상기 바닥면(13a)이 가장 깊게 형성된 위치(P1)와 경사지게 만나는 지점이 상기 피스톤 헤드(10)의 윗면(11)으로부터 가장 높게 돌출된 위치(P2)로 형성되고;

상기 가장 높게 돌출된 위치(P2)에서 상기 중심선(L1)의 양쪽에 위치한 상기 바닥면(13a)과 만날수록 돌출된 높이가 점점 줄어들면서 상기 바닥면(13a)과 동일한 높이가 되도록 형성된 것;

을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드.
청구항 5에 있어서, 상기 바닥면(13a)이 가장 깊게 형성된 위치(P1)에서 상기 안쪽의 테두리면(13b)이 연결되는 모서리부는,

상기 피스톤 헤드(10)의 반경(r1)에 대해 0.15배 내지 0.17배의 반경(r2)에 해당하는 값으로 곡률지게 형성된 것;

을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드.
청구항 5에 있어서, 상기 피스톤 헤드(10)의 윗면(11)으로부터 가장 높게 돌출된 상기 안쪽의 테두리면(13b)의 위치(P2)에서 상기 인젝터(50)의 분사방향(A1)을 따라 만나는 바깥쪽의 테두리면(15)은,

상기 안쪽의 테두리면(13b)과 90도(°)의 경사각을 이루면서 상기 피스톤 헤드(10)의 윗면(11)과 만나도록 형성된 것;

을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드.