KR20200069920A - 엔진의 피스톤 연소실구조 - Google Patents

Abstract

엔진의 피스톤 연소실구조가 개시된다. 피스톤 헤드의 상부에 축 방향 및 원주 방향으로 파여진 서로 독립된 2개 이상의 독립 연소실을 포함하고; 상기 각 독립 연소실은 외벽과 바닥면을 포함하며; 서로 인접한 상기 독립 연소실들은 격벽에 의해 구획되어, 연소 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

엔진의 피스톤 연소실구조{Piston combustion chamber structure of engine}

본 발명은 엔진의 연소실에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피스톤 헤드에 원주 방향으로 다수 개의 독립된 연소실이 형성된 엔진의 피스톤 연소실 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 차량에 사용되는 가솔린 엔진은 공기와 연료를 균일하게 혼합시킨 혼합기를 점화 플러그로 점화시켜 연소되도록 하는 반면에, 디젤 엔진은 공기만을 흡입하여 고 압축비로 압축한 후 여기에 연료를 고압으로 분사시켜, 자기 착화 방식으로 연소가 이루어지도록 하고 있다.

상기 디젤 엔진에서는 유해한 배출가스의 저감과 연비 향상을 위해 연소의 개선이 무엇보다 중요한 바, 피스톤 헤드에 형성된 연소실은 공기와 연료의 혼합을 향상시키기 위해 흡입 공기의 난류 유동(스월(Swirl)이나 와류(Vortex) 또는 텀블(Tumble) 등)이 이루어지도록 하고, 또한 연료 미립화가 촉진될 수 있는 형상으로 이루어지고 있다.

연료 미립화는 연료를 분사하는 인젝터에서 분사된 연료가 수많은 작은 액적(droplet)으로 이루어진 액적군으로 구성되도록 하여, 액적의 표면적을 증가시켜 주위 분위기 공기와의 혼합 성능을 향상시킨다.

미립화 촉진은 인젝터 노즐이 가지는 물리적 형상이나 분사 과정 중 충돌하는 주위 공기와의 상호 작용 또는 연소실 벽면과의 충돌을 통해 미립화가 촉진될 수 있으며, 디젤 엔진의 연소실 구조는 이러한 현상을 더욱 향상하는 데에 설계의 주안점을 두고 있다.

통상적으로, 인젝터에서 적어도 2열 이상의 연료 줄기가 동시에 연소실로 분사되도록 하는 다중 분사 방식이 디젤 엔진에 적용되고 있는 데, 연소실에서 다중 분사 방식으로 분무된 연료가 연료실 외벽면에 충돌된 후에, 다시 연소실 내부로 반사되는 과정에 서로 인접한 반사 연료 줄기 사이에 연소실 내부의 공기 유동에 의해 중첩 현상이 발생할 수 있고, 이러한 반사 연료 줄기 사이의 중첩은 불완전 연소의 위험성을 증가시키고, 이로 인한 연비 저감과 유해한 배출가스의 배출을 유발하게 된다.

이에 따라, 본 발명에서는, 특히, 연료의 다수 줄기로 다중 분사 방식을 채택하고 있는 디젤 엔진에서, 피스톤 헤드에 형성되는 연소실의 구조를 개량하여, 연료의 반사 중첩으로 인한 불완전 연소를 방지하는 주안점을 두고 있다.

본 발명의 실시 예는 상기와 같은 사정을 감안하여 안출된 것으로, 다수 줄기의 연료를 다중으로 분사하는 방식을 채택하고 있는 디젤 엔진에서 피스톤 헤드에 원주 방향으로 서로 독립된 다수 개의 독립 연소실을 형성하여, 연료가 연소실의 벽면으로 분사된 후 반사되는 과정에서 연소실 내부에서 공기의 유동에 의해 서로 인접한 반사 연료 줄기가 섞이는 중첩 현상 및 이에 따른 불완전 연소를 방지할 수 있고, 각 독립 연소실은 곡면 벽면과 경사 통로를 형성하여 월 웨팅(wall??wetting)을 방지할 수 있고, 각 독립 연소실을 구획지우는 격벽에는 원주 방향으로 스쿼시(squish)가 발생할 수 있도록 경사면이 형성되어, 연소가 발생하는 분무 주변으로 외기가 원활하게 공급될 수 있어 연소 효율을 향상시킬 수 있는 엔진의 피스톤 연소실구조 연소실구조를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 피스톤 연소실구조는, 피스톤 헤드의 상부에 축 방향 및 원주 방향으로 파여진 서로 독립된 2개 이상의 독립 연소실을 포함하고; 상기 각 독립 연소실은 외벽과 바닥면을 포함하며; 서로 인접한 상기 독립 연소실들은 격벽에 의해 구획될 수 있다.

상기 외벽과 상기 바닥면은 곡면으로 형성될 수 있다.

상기 곡면은 원호 형상 혹은 타원 형상의 단면을 가질 수 있다.

상기 각 독립 연소실의 바닥면의 중앙의 핍 부위는 상기 피스톤 헤드의 높이 방향으로 융기할 수 있다.

상기 핍 부위로부터 반경 방향 외측으로 갈수록 상기 바닥면의 높이가 점차적으로 낮아지는 형상으로 이루어질 수 있다.

상기 격벽의 높이는 상기 피스톤 헤드의 상면보다 낮을 수 있다.

상기 피스톤 헤드의 상면으로부터 상기 바닥면의 최대 깊이는 상기 피스톤 헤드의 상면으로부터 상기 격벽의 최대 깊이보다는 크고, 상기 격벽의 최대 깊이의 3배 보다는 작게 형성될 수 있다.

상기 독립 연소실의 최대 폭은 상기 격벽 사이의 간격의 1/2 미만으로 형성될 수 있다.

상기 바닥면의 폭은 상기 격벽 사이의 간격 의 1/3 이하로 형성될 수 있다.

상기 독립 연소실의 외경은 상기 격벽의 외경보다 크고, 상기 격벽의 외경의 1.5배 보다는 작을 수 있다.

상기 격벽의 선단부로부터 반경 방향 외측으로 확장된 상기 독립 연소실의 확장폭은 상기 격벽 사이의 간격의 1/3 이하일 수 있다.

상기 격벽은 나선 형상으로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 피스톤 연소실구조에 의하면, 다수 줄기의 연료를 다중으로 분사하는 방식을 채택하고 있는 디젤 엔진에서 피스톤 헤드에 반경 방향으로 연장되고 원주 방향으로는 서로 독립된 다수 개의 독립 연소실이 형성되어, 연료가 연소실의 벽면으로 분사된 후 반사되는 과정에서 연소실 내부에서 공기의 유동에 의해 서로 인접한 반사 연료 줄기가 섞이는 중첩 현상 및 이에 따른 불완전 연소를 방지할 수 있고, 각 독립 연소실은 곡면 벽면과 경사 통로를 형성하여 월 웨팅(wall??wetting)을 효과적으로 방지할 수 있으며, 각 독립 연소실을 구획지우는 격벽에는 원주 방향으로 스쿼시(squish)가 발생할 수 있도록 경사면이 형성되어, 연소가 발생하는 분무 주변으로 외기가 원활하게 공급될 수 있어서 연소 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 피스톤 연소실구조의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 피스톤 연소실구조의 평면도이다.
도 3은 도 2의 A-A선 단면도이다.
도 4는 도 2의 B-B선 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 피스톤 연소실구조에 연료가 분사되는 과정을 보여주는 사시도이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 엔진의 피스톤 연소실구조는, 상하로 왕복 운동을 하는 피스톤 헤드(1)의 상부에 축 방향 및 원주 방향으로 파여진 다수 개의 독립 연소실(10)을 포함한다.

각 독립 연소실(10)은, 연소실의 외벽을 형성하는 곡면 외벽(12)과, 연소실(10)의 바닥을 형성하는 대체로 깔때기 형상의 바닥면(13)을 각각 포함하고, 각 독립 연소실(10)의 상부는 개방된 구조를 가진다.

상기 곡면 외벽(12)은 원호 형상 혹은 타원 형상의 단면을 가질 수 있다. 바닥면(13)은 원호 형상 혹은 타원 형상의 곡면으로 형성될 수 있다.

피스톤 헤드(1)의 위에는 도시되지 않은 실린더 헤드가 실린더 블록에 체결되어, 실린더 헤드에 의해 각 독립 연소실(10)의 상부가 밀폐될 수 있다.

또한, 실린더 헤드에는 상기 독립 연소실(10)로 외기를 유입시키는 흡기 포트와, 연소실에서 연소된 배기 가스를 배출시키는 배기 포트가 구비될 수 있다.

각 독립 연소실(10)의 바닥면(13)의 중앙 (연료 분무의 중심), 즉 핍(Pip; 14) 부위는 피스톤 헤드(1)의 높이 방향으로 융기하여 소정 높이를 가지는 형상으로 형성된다. 상기 핍(14) 부위로부터 반경 방향 외측으로 갈수록 독립 연소실(10)의 바닥면(13)의 높이가 점차적으로 낮아지는 형상으로 이루어진다.

즉, 각 독립 연소실(10)의 바닥면(13)의 높이는, 핍(14) 부위가 가장 높고 외벽(12)쪽으로 갈수록 점차적으로 낮아져서 외벽(12)과 인접한 부위가 가장 낮게 된다.

각 독립 연소실(10)을 구분지우기 위해 격벽(15)이 피스톤 헤드(1)의 상면(1a) 방향으로 융기되게 형성될 수 있다. 격벽(15)의 높이는 피스톤 헤드(1)의 상면보다 낮은 높이로 형성될 수 있다.

각 독립 연소실(10)은 원주 방향을 따라 격벽(15)을 사이에 두고 분리될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서 각 독립 연소실(10)은 6개로 도시하였지만, 이는 인젝터의 연료 분사 홀의 개수에 대응하기 위한 하나의 실시 예를 나타낸 것뿐이고, 2개 이상의 개수로 형성될 수 있다.

상기 피스톤 헤드(1)의 상면으로부터 바닥면(13)의 최대 깊이(h)는 피스톤 헤드(1)의 상면으로부터 격벽(15)의 최대 깊이(H)보다는 크고, 격벽(15)의 최대 깊이(H)의 3배 보다는 작게 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 피스톤의 내구성을 고려하여 H < h < 3H 가 되게 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 독립 연소실(10)의 최대 폭(W)은 인젝터 노즐의 분무각을 고려하여 격벽(15) 사이의 간격 (L)의 1/2 미만으로 형성되는 것이 바람직하다 (W < 0.5L). 또한, 상기 바닥면(13)의 폭은 격벽(15) 사이의 간격 (L)의 1/3 이하로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 독립 연소실(10)의 외경(D1)은 연소 가스의 열손실을 최소화 할 수 있도록 격벽(15)의 외경(D)보다 크고, 그의 1.5배보다 작게 형성되는 것이 바람직하다. (D < D1 <1.5D)

이와 더불어 격벽(15)의 선단부로부터 반경 방향 외측으로 확장된 독립 연소실(10)의 확장폭(W1)은 격벽(15) 사이의 간격(L)의 1/3 이하가 바람직하고, 또한 인젝터의 연료 분사 각도와 열전달 최소화를 동시에 고려하여, 상기 확장폭(W1)이 결정될 수 있다.

상기와 같이 구성 된 본 발명의 실시 예에 따른 연소실 구조에 의하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 각 독립 연소실(10)에 형성되는 연소실 공간에 인젝터로부터 연료(30)가 분사되며, 분사된 연료는 각 독립 연소실(10) 내에서만 공기와 혼합되어 연소되고, 각 독립 연소실(10)에 분사된 연료(30)는 격벽(15)에 의해 차단되어 서로 혼합될 염려가 없으므로, 연소 효율이 향상될 수 있으며, 불완전 연소를 예방할 수 있다. 이에 따라 종래의 연료의 분사 후 반사되는 연료의 중첩에 의한 불완전 연소를 해소함과 더불어 연비 향상 및 유해한 배출가스의 저감을 도모할 수 있게 된다.

한편, 도 6을 참조하면, 실린더 헤드의 흡기 포트를 통해 각 독립 연소실로 유입되는 공기가 강한 스월(swirl) 유동을 하는 경우에는, 각 격벽(25)을 나선 형상으로 형성하는 것이 바람직하다.

이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시 예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

1: 피스톤 헤드
10: 독립 연소실
12: 외벽
13: 바닥면
14: 핍
15: 격벽
30: 연료

Claims (12)

1. 피스톤 헤드의 상부에 축 방향 및 원주 방향으로 파여진 서로 독립된 2개 이상의 독립 연소실을 포함하고;
   상기 각 독립 연소실은 외벽과 바닥면을 포함하며;
   서로 인접한 상기 독립 연소실들은 격벽에 의해 구획된 엔진의 피스톤 연소실구조.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 외벽과 상기 바닥면은 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 엔진의 피스톤 연소실구조.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 곡면은 원호 형상 혹은 타원 형상의 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 엔진의 피스톤 연소실구조.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 각 독립 연소실의 바닥면의 중앙의 핍 부위는 상기 피스톤 헤드의 높이 방향으로 융기한 것을 특징으로 하는 엔진의 피스톤 연소실구조.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 핍 부위로부터 반경 방향 외측으로 갈수록 상기 바닥면의 높이가 점차적으로 낮아지는 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 엔진의 피스톤 연소실구조.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 격벽의 높이는 상기 피스톤 헤드의 상면보다 낮은 것을 특징으로 하는 엔진의 피스톤 연소실구조.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 피스톤 헤드의 상면으로부터 상기 바닥면의 최대 깊이는 상기 피스톤 헤드의 상면으로부터 상기 격벽의 최대 깊이보다는 크고, 상기 격벽의 최대 깊이의 3배 보다는 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 엔진의 피스톤 연소실구조.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 독립 연소실의 최대 폭은 상기 격벽 사이의 간격의 1/2 미만으로 형성되는 것을 특징으로 하는 엔진의 피스톤 연소실구조.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 바닥면의 폭은 상기 격벽 사이의 간격 의 1/3 이하로 형성되는 것을 특징으로 하는 엔진의 피스톤 연소실구조.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 독립 연소실의 외경은 상기 격벽의 외경보다 크고, 상기 격벽의 외경의 1.5배 보다는 작은 것을 특징으로 하는 엔진의 피스톤 연소실구조.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 격벽의 선단부로부터 반경 방향 외측으로 확장된 상기 독립 연소실의 확장폭은 상기 격벽 사이의 간격의 1/3 이하인 것을 특징으로 하는 엔진의 피스톤 연소실구조.
    
12. 제1항에 있어서,
    상기 격벽은 나선 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 엔진의 피스톤 연소실구조.

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