KR100266059B1 - 통내분사형내연기관 - Google Patents

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히데유키 오다
켄지 고토
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나까무라 히로까즈
미쯔비시지도샤고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 통내분사형내연기관에 관한 것으로서, 피스톤(22)의 상면에 오목부(22A)를 형성하고, 엔진의 연소실(27)내에 도입된 흡기흐름을 상기 엔진의 실린더헤드(21)의 하면(21A)으로부터 상기 피스톤(22)의 상면 방향으로 향하고, 다시 피스톤(22)의 상면으로부터 실린더헤드(21)의 하면(21A)방향으로 향하는 세로와류를 생성조장하는 동시에 상기 오목부(22A)의 세로와류의 입구쪽의 모서리가, 상기 오목부(22A)의 세로와류의 출구쪽의 모서리보다도 무디게 형성하고, 이에 의해, 연료를 상기 연소실(27)에 직접 분사하는 통내분사형내연기관에 관하고, 특히 희박한 혼합기를 안정된 상태에서 층형상연소시키고 저연비화를 도모하는 동시에, 희박한 혼합기보다도 농후한 혼합기를 연소했을때에도 고출력화를 도모할 수 있고, 고효율의 내연기관을 제공할 수 있다.
[도면의 참조부호일람]
21 : 실린더 헤드 21A : 실린더 헤드하면
22 : 피스톤 22A : 오목부
22B : 융기부 22C : 스퀴시에어리어
23 : 실린더블록 23A : 실린더
24 : 흡기포트 24A : 흡기개구
25 : 배기포트 25A: 배기개구
27 : 연소실 28 : 인젝터
28A : 분사구멍 30 : 점화플러그
40 : 가상평면 42 : 중심축선
H : 연료분사수단

Description

통내분사형내연기관
주지한 바와 같이, 내연기관중, 가솔린엔진에서는, 흡입행정에서 실린더내에 유입한 흡기량에 알맞은 양의 연료를, 인젝터로부터 흡기포트내에 공급해서 연소실내에서 혼합기를 형성하고 있다.
상기 연소실에 공급된 혼합기는 압축행정의 후기에서 점화전에 의해 착화연소되어 연소에너지를 발생시키고, 이 에너지를 피스톤, 연결로드 및 크랭크샤프트를 개재해서 회전에너지로 변환해서 출력을 꺼내고 있다.
또, 상기 내연기관중, 주로 경유 등을 연료로 하는 디젤엔진에서는, 이 연소실에 향해서 설치된 분사밸브로부터 액셀페달의 답입량에 알맞은 연료량을, 연소실내의 고압축된 공기에 직접분사해서, 이 연료분무를 연소실내에서 자연발화에 의해연소시켜서 연소에너지를 발생시키고, 가솔린엔진과 마찬가지로 회전에너지로 변환해서 출력을 꺼내고 있다.
또, 상기와 같은 가솔린엔진에 있어서도, 상기 연소실내에 유입하는 흡기흐름을 연료와 공기의 층형상의 세로와류를 형성해서, 전체로서 이론공연비보다도 희박한 혼합기에서 희박연소를 행하고, 엔진의 연비를 개선하는 동시에, NOx, HC, CO 등의 배기가스의 발생을 억제하는 것이 제안되고 있다.
이와 같은 세로와류의 하나인 텀블흐름을 형성하기 위해서는 예를들면 일본국 특개평 5-240045호 공보가 있다.
이 공보기재의 기술은, 상기 엔진의 실린더헤드의 흡기포트로부터의 흡기흐름을 되도록 이 실린더헤드하면과 평행하게 넣어서, 그 후, 이 흡기흐름을 상기 연소실의 배기밸브쪽의 실린더내벽부를 따라서 흡기흐름을 하향으로 도입해서, 또 이 흡기흐름을 이 실린더내를 접동하는 피스톤꼭대기면의 오목부에서 방향을 반전시키고, 그 후에 상기한 피스톤상면으로부터 흡기밸브쪽의 실린더내벽을 따라서 상향으로 흐르는 흡기의 흐름(이하, 이 흐름을 순텀블흐름이라고 함)을 발생시키는 구조가 제안되고 있다.
또한, 상기 순텀블흐름에 대해서, 상기한 흡기포트로부터의 흡기흐름을 흡기밸브쪽의 실린더내벽부를 따라서 흡기흐름을 하향으로 도입하고, 또 이 흡기흐름을 상기한 피스톤꼭대기면의 오목부에서 방향을 반전시키고, 그후에 상기한 피스톤상면으로부터 배기밸브쪽의 실린더내벽면을 따라서 상향으로 흐르는 흡기의 흐름을 발생시키는 것을 역텀블흐름이라고 한다.
그런데, 상기와 같은 가솔린엔진에 있어서도, 상기 연소실에 직접 연료분사를 행하여 희박연소에 의해 연비를 개선하는 통내분사형의 내연기관이 제안되어 있다.
그러나, 이와 같은 일본국 특개평 5-240045호 공보에 기재된 구조를 사용해서 상기 순텀블흐름을 발생시키기 위해서는, 상기한 흡기포트를 실린더헤드의 하면이 되도록 평행하게 배설할 필요가 있고, 통내분사형내연기관에서는 인젝터의 배설위치를 충분히 확보할 수 없다.
또, 상기한 역텀블흐름을 발생시키면서, 인젝터의 배설을 우선 가능하게 하는 흡기도통로의 구조로서, 예를들면 일본국 특개평 4-166612호 공보기재의 기술이 있다.
이 공보기재의 기술은, 제14도에 표시한 바와 같이, 한쪽의 상기 실린더헤드내벽부분에 1쌍의 흡기밸브(6)를 배설하는 동시에, 다른쪽의 실린더헤드내벽부분에 1쌍의 배기밸브(7)를 배설하고, 또 일단부가 실린더측벽에 개구하고 타단부가 흡기개구에 대해서 약간 상하방향으로 부터 접속된 흡기포트가 형성되어 있다.
그러나, 흡기개구로부터 뻗은 흡기포트가 실린더측벽에 개구하는 이 공보기재의 기술의 구조에서는, 인젝터본체(14)의 냉각성이나, 이 인젝터에 의해 공급되는 연료의 냉각성을 고려하면, 인젝터의 배기공간을 충분히 확보하는 것은 아니었다.
한편, 이 공보기재의 기술에서는, 제14도, 제15도에 표시한 바와 같이, 피스톤(2)의 꼭대기면에는, 점화전(10)의 아래쪽으로부터 연료분사밸브(14)의 선단부의 아래쪽까지 뻗는 오목홈(15)이 형성되어 있다.
이 오목홈(15)은, 오목부(15)에 대한 점화전(10)과 연료분사밸브(14)를 포함한 수직평면에 관해서 대칭의 대략구면형상으로 형성되고, 점화전(10)아래쪽의 오목홈(15)의 내벽면위에는, 오목홈(15)의 바닥부로부터 점화전(10)을 향해서 활형상을 이루어 뻗은 연료안내홈(16)이 형성되어 있다.
이에 의해 연료분사밸브(14)로부터 분사된 분사연료가 오목홈(15)의 바닥부에 충돌하고, 오목홈(15)의 바닥부로부터 연료안내홈(16)에 의해 점화전(10)의 주위에 인도되도록해서, 점화전(10)의 주위에 농혼합기를 형성가능하게하고, 착화성을 개선한다.
또, 그밖의 통내분사형내연기관으로서는, 희박연소를 안정시키기 위하여, 제16도, 제17도에 표시한 바와 같이, 동 피스톤a의 꼭대기면 b에, 예를들면 볼형오목부C를 형성하고, 농후한 혼합기와 초희박한 혼합기로 이루어진 층형상 텀블흐름을 연소시킴으로써 전체의 공연비를 희박으로해서 희박연소시키도록 한 것이 제안되고있다.
그리고 희박연소시의 착화성을 확보하는 데 있어서, 예를들면 제14도, 제15도에 표시한 바와같이 오목홈(15), 연료안내홈(16)을 형성하고 혼합기를 점화플러그주위에 안내하거나, 제16도, 제17도에 표시한 바와 같이, 볼형오목부C를 형성하고 점화플러그 근처에 농후한 혼합기의 텀블흐름을 형성하는 것이 종래부터 알려져 있다.
그러나, 제14도, 제15도에 표시한 오목홈(15), 연료안내홈(16)이나, 제16도, 제17도에 표시한 오목부C를 피스톤꼭대기면에 형성하면 개구주변가장자리에 에지가 발생하게 된다.
또한, 예를들면 일본국 특개평 6-146886호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 예를들면 저부하 저회전영역에서 점화플러그주변에 혼합기를 집중하기 위하여 압축행정후기에 연료를 분사하고, 고부하고회전영역에서 연소실내에 균일한 혼합기를 생성하기 위하여 흡기행정의 조기부터 연료를 분사하는 기술이 알려져 있다.
그리고, 본 발명의 발명자들의 연구에 의해서 압축행정후기에 걸쳐서 점화플러그부근에 연료를 분사해서, 점화플러그주위에 농후한 혼합기로 이루어진 텀블흐름을 형성하고 점화플러그로부터 떨어진 영역에서는 초희박한 혼합기로 이루어진 텀블흐름을 형성함으로써 층형상텀블흐름을 형성하고 희박연소시의 착화성을 확보하는데 있어서, 피스톤꼭대기면에 필요하게 되는 오목홈에는, 이하에 표시하는 문제점이 포함되어 있는 것을 알아냈다.
즉, 이것을 상기한 제16도, 제17도를 사용해서 설명하면, 층형상텀블흐름을 사용한 희박연소시의 착화성을 확보하기 위해서는, 피스톤꼭대기면에 오목부c를 형성하고, 그 볼형의 오목부c의 내면과 피스톤꼭대기면이 교차하는 개구둘레가장자리의 모서리부에 실선으로 표시한 바와 같은 에지 d가 필요하게 된다.
이 에지d는 저부하저회전영역에서 압축행정의 후기에 연료를 분사할때에는, 상기 역텀블흐름이 오목부c의 내면으로부터 연소실에 나올때에, 오목부c와의 박리를 좋게하고, 역텀블흐름을 힘껏 보존하여 상기 층형상텀블흐름에 의한 층형상연소를 안정시킬 수 있다.
한편으로, 고부하영역, 혹은 고회전영역에서는 고출력화를 도모하기 위하여 희박연소시보다도 농후한 혼합기(예를들면, 이론공연비 상당의 혼합기)를 연소실내에 균일하게 생성하도록 흡기행정으로부터 압축행정의 전기에 걸쳐서 연료를 분사한다.
이 경우에는, 이 오목부c의 존재에 의해 피스톤꼭대기면의 표면적이 증가하게되고, 그 위에 이 개구둘레가장자리의 에지d가 연소열에 의해서 에지d의 전체둘레가 특히 고온이 되고, 열손실이 커짐으로써 출력손실을 초래하는 것이 판명되었다.
그래서, 특히 고온이 되는 오목부c의 전체둘레의 에지d를 삭제해서, 희박연소시보다도 농후한 혼합기를 연소했을때에도, 피스톤꼭대기면에 열손실이 발생하지 않도록 예를들면 제16도 및 제17도의 오목부c에 2점쇄선으로 표시한 바와 같이, 에지d의 전체둘레에 둥그스름한부분f를 형성하는 것을 생각할 수 있다.
그 결과, 제16도에 표시한 바와 같이 에지d에 대해서 높이가 낮아지므로, 동시에 피스톤표면적을 감소하게 되고, 상기 열손실을 저감할 수 있어 상기 엔진출력은 향상하나, 이 경우에는, 저부하저회전영역에 있어서의 층형상연소할때에, 오목부c의 전체둘레가장자리에 둥그스름한부분f가 형성되어 있기 때문에, 역텀블흐름이 오목부c내의 압축된 유체가 오목부c밖으로 빠져나가고 역텀블흐름의 유지가 저해되고 상기 희박연소의 안정화를 도모할 수 없는 것도 판명되었다.
본 발명은, 연료를 직접 연소실에 분사하는 통내분사형내연기관에 관한 것으로서, 특히, 전체적으로 희박한 혼합기를 안정된 상태에서 연소시키는 동시에, 희박한 혼합기보다도 농후한 혼합기(예를들면, 이론공연비 상당)를 연소했을때의 출력향상을 도모하도록 한 내연기관의 연소실구조에 관한 것이다.
제1도는 본 발명의 제1 실시예로서의 통내분사형내연기관에 있어서의 내부를 모식적으로 표시한 종단면도이다.
제2도는 본 발명의 제1 실시예로서의 통내분사형내연기관에 있어서의 내부의 전체구성을 표시한 모식적인 사시도이다.
제3도는 본 발명의 제1 실시예로서의 통내분사형내연기관에 있어서의 제2도의 Ⅲ-Ⅲ선을 따른 평면도에 의해서 절단한 단면을 표시한 횡단면도이다.
제4도는 본 발명의 제1 실시예로서의 통내분사형내연기관에 있어서의 제1도의 사시도이다.
제5도는 본 발명의 제1 실시예로서의 통내분사형내연기관에 있어서의 제1도의 흡입작용을 표시한 설명도이다.
제6도는 본 발명의 제1 실시예로서의 통내분사형내연기관에 있어서의 4사이클기관의 구동사이클을 표시한 설명도이다.
제7도는 본 발명의 제1 실시예로서의 통내분사형내연기관을 또 2사이클기관에 적용한 구동사이클을 표시한 설명도이다.
제8(a)도는 제3도의 Ⅷ-Ⅷ선을 따른 확대단면도이고 오목부의 입구쪽이 둥그스름한형상M1의 경우를 표시한 단면도이다.
제8(b)도는 제3도의 Ⅷ-Ⅷ호선을 따른 확대단면도이고, 오목부의 입구쪽이 모떼기형상M1의 경우를 표시한 단면도이다.
제9도는 본 발명의 제1 실시예로서의 통내분사형내연기관에 있어서의 구조변형예를 표시한 제3도에 상당하는 횡단면도이다.
제10도는 본 발명의 제2 실시예로서의 통내분사형내연기관에 있어서의 제3도에 상당하는 횡단면도이다.
제11도는 본 발명의 제2 실시예로서의 통내분사형내연기관에 있어서의 구조변형예를 표시한 제3도에 상당하는 횡단면도이다.
제12도는 본 발명의 통내분사형내연기관에 있어서의 효과로서 피스톤(a)(b)(c)의 에지삭제에 의한 스로틀밸브완전개방특성을 표시한 그래프이다.
제13(a)도는 압축행정분사시의 연비특성을 표시한 것이고, 상기 피스톤(a)의 시험결과이다.
제13(b)도는 압축행정분사시의 연비특성을 표시한 것이고 상기 피스톤(b)의 시험결과이다.
제13(c)도는 압축행정분사시의 연비특성을 표시한 것이고, 상기 피스톤(c)의 시험결과이다.
제14도는 종래예의 통내분사형내연기관의 내부구조를 표시한 개략종단면도이다.
제15도는 제14도의 피스톤상면을 표시한 개략평면도이다.
제16도는 본 발명에 이르는 과정에서 생각할 수 있었던 통내분사형내연기관에 있어서의 내부를 모식 적으로 표시한 종단면도이다.
제17도는 제16도의 피스톤상면을 표시한 개략평면도이다.
본 발명은 이와 같은 과제에 비추어서 창안된 것으로서, 통내분사형내연기관에 있어서 오목부를 상기 피스톤상면에 형성하고, 엔진의 연소실내에 도입된 흡기흐름을 실린더헤드하면으로부터 동피스톤상면방향으로 향하고, 그리고 다시 피스톤의 상면으로부터 동 실린더헤드의 하면 방향으로 향하는 상기 세로와류를 생성조장하는 동시에, 동 오목부의 상기 세로와류의 입구쪽의 모서리부를, 상기 오목부의 세로와류의 출구쪽의 모서리부보다도 무디게 형성해서 연소실내에 강한 세로와류를 형성해서 농후한 혼합기와 초희박한 혼합기로 이루어진 층형상텀블흐름에 의한 희박연소에서도 안정되게 기관을 운전할 수 있도록 해서, 저연비화를 도모하는 동시에, 희박연소시보다도 농후한 혼합기(예를들면, 이론공연비상당)를 연소했을때에도, 열손실을 저감해서 고출력화를 도모하는 고효율의 내연기관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
[발명의 개시]
이 본 발명은 내연기관의 실린더헤드하면과 실린더내에 끼워넣어진 피스톤상면으로 형성된 연소실과, 상기 연소실의 실린더헤드하면에 배설된 흡기밸브와, 상기 연소실의 실린더헤드하면에 배설된 배기밸브와, 하단부가 상기 흡기밸브를 개재해서 상기 연소실에 연통되고, 상기 연소실내에 흡기의 세로와류를 생성하는 흡기포트와, 하단부가 상기 배기밸브를 개재해서 상기 연소실에 연통되고, 상기 연소실내의 연소가스를 배출하는 배기포트와, 상기 연소실의 실린더헤드하면에 배설된 점화플러그와 상기 연소실내에 직접연료를 분사하는 연료분사수단을 구비하고, 상기 피스톤은, 이 피스톤상면에 설치되고, 상기 흡기밸브를 개재해서 상기 연소실에 도입되는 흡기에 의한 상기 세로와류의 생성을 조장하는 오목부를 가지고, 상기 오목부둘레가장자리의 상기 세로와류의 입구쪽의 모서리부는, 상기 오목부둘레가장자리의 상기 세로와류의 출구쪽의 모서리부보다도 무디게 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이러한 구성에 의해 상기한 내연기관의 흡기행정에 있어서는, 흡기흐름은 각 흡기포트로부터 흡기개구를 통해서 연소실내에 유입한다.
그리고, 인젝터는 분사구멍이 연소실에 향해서 형성된 상기 연료분사수단에 의해 연료가 적절한 타이밍에서 분사되고, 분사되는 타이밍에 따라서 각각 흡기된 공기와 혼합해서 층형상의 혼합기, 또는 균질의 혼합기가 생성된다.
그리고, 연소실의 위쪽으로부터 아래쪽으로 향해서 유입한 세로와류는, 상기 오목부둘레가장자리의 입구쪽으로부터 오목부의 내면에 진입하고, 상기 오목부의 내면의 만곡면을 따라서 흐르고, 상기 오목부둘레가장자리의 출구쪽의 모서리부에 의해서 효과적으로 박리하고 연소실의 위쪽으로 방향을 바꾼 세로와류가 되고, 상기 혼합기를 안정된 상태에서 층형상연소시키고 저연비화를 도모하는 동시에 희박연소시보다도 농후한 혼합기에서 운전하는 경우에도 피스톤꼭대기면의 열손실을 감소할수 있고 출력의 향상을 도모할 수 있는 고효율의 내연기관을 얻을 수 있다.
상기 오목부둘레가장자리의 상기 세로와류의 입구쪽은, 상기 피스톤의 상면과 상기 오목부의 내면으로 구성되는 모서리부가 상기 피스톤상면으로부터 상기 오목부쪽으로 경사지는 경사부로 형성해도 된다.
또 상기 경사부는 상기 피스톤의 상면쪽으로부터 상기 오목부의 내면쪽으로 향해서 완만한 둥그스름한 형상으로 형성해도 된다.
또, 상기 경사부는 상기 피스톤의 상면쪽으로부터 상기 오목부의 내면쪽으로 향해서 직선형상으로 경사지는 경사면으로서 형성해도 된다.
이러한 구성에 있어서 저부하저회전시, 오목부의 출구쪽의 모서리부에 의해서, 세로와류가 효과적으로 박리하고, 층형상연소에 의한 희박연소를 가능하게 하면서, 고부하, 또는 고회전일 때 오목부의 출구쪽의 완만한 둥그스름한 형상, 또는 직선형상의 경사면 등의 경사부에 의해서, 열손실을 감소시켜서 출력의 향상을 도모할 수 있다.
또, 상기 경사부는, 상기 오목부둘레가장자리의 입구쪽의 상기 내연기관의 크랭크샤프트축선방향의 양단부가, 상기 세로와류의 출구쪽을 향해서 뻗도록 형성해도 된다.
이러한 구성에 있어서, 상기 경사부의 양단부를 상기 세로와류의 출구쪽을 향해서 뻗도록 형성했으므로, 가능한 한 표면적을 감소할 수 있는 동시에, 고부하영역, 고회전영역에서는 열손실을 감소시키고, 출력의 향상을 도모하면서, 저부하저회전영역에서는 상기 오목부둘레가장자리의 출구쪽의 모서리부에 의해서 상기 혼합기를 효과적으로 박리시켜서 상기 혼합기를 안정된 상태에서 층형상연소시키고 저연비화를 도모할 수 있다.
또, 상기 경사부는, 상기 오목부둘레가장자리의 입구쪽중앙부로부터 상기 양단부쪽을 향해서 크기가 점차 감소하도록 형성해도 된다.
이러한 구성에 있어서, 상기한 점감부는 세로와류의 입구쪽으로부터 세로와류의 출구쪽을 향해서 상기 경사부의 크기가 점차감소하도록 형성되어 있으므로, 오목부의 둘레가장자리모서리부에 발생하는 히트포인트가 되는 부분을 대폭적으로 감소할수 있기 때문에, 열손실을 개선해서 출력향상을 도모할 수 있다.
또, 상기 오목부둘레가장자리의 상기 세로와류의 출구쪽은, 상기 피스톤의 상면과 상기 오목부의 내면으로 구성되는 모서리부가 에지 형상으로 형성해도 된다.
이러한 구성에 있어서, 상기 오목부의 세로와류의 출구쪽은, 에지 형상을 이루도록 형성되어 있기 때문에, 세로와류의 박리작용을 확보할 수 있고, 층형상연소에 의한 안정된 희박연소를 얻을 수 있다.
또, 상기 오목부둘레가장자리의 상기 출구쪽의 모서리부가 날카롭게 뽀족해진 에지형상으로 형성해도 된다.
이러한 구성에 있어서 상기 오목부의 세로와류의 출구쪽은, 날카롭게 뾰족해진 에지형상을 이루도록 형성되어 있기 때문에, 세로와류의 효과적인 박리작용을 확보할 수 있고, 층형상연소에 의한 안정된 희박연소를 얻을 수 있다.
또, 상기 오목부둘레가장자리의 상기 세로와류의 출구쪽이 상기 내연기관의 크랭크샤프트축선 및 실린더축선을 포함한 가상평면과 대략 평행하게 형성해도 된다.
이러한 구성에 있어서, 상기 오목부의 세로와류의 출구쪽은, 상기 가상평면과 대략 평행하게 또한 에지 형상으로 형성되어 있기 때문에, 상기 세로와류의 박리작용이 확보되고, 상기 세로와류가 배기쪽으로 빠져나가는 것을 방지해서, 층형상연소에 의한 안정된 희박연소를 얻을 수 있다.
또, 상기 흡기밸브가 상기 연소실의 한쪽에 설치되는 동시에, 상기 오목부는 적어도 상기 흡기밸브와 대향하도록 상기 피스톤꼭대기면의 중앙으로부터 상기 한쪽으로 편심해서 배치해도 된다.
이러한 구성에 있어서, 상기 연소실의 위쪽으로부터 아래쪽을 향해서 유입한 세로와류는, 상기 피스톤의 꼭대기면 및 오목부의 입구쪽으로부터 용이하게 진입하고, 상기한 오목부의 내면의 만곡면을 따라서 흘러반전해서, 상기 오목부둘레가장자리의 출구쪽의 모서리부에 의해서 효과적으로 박리하고 연소실의 위쪽으로 방향을 바꾼 세로와류가 되고, 상기 혼합기를 안정된 상태에서 층형상연소시키고 저연비화를 도모할 수 있다.
또, 상기 오목부는, 상기 세로와류의 흐름방향에 따른 단면형상이 원호형상으로 형성해도 된다.
이러한 구성에 있어서, 상기 연소실의 위쪽으로부터 아래쪽을 향해서 유입한 세로와류는, 상기 원호형상의 오목부의 내주면에서 원활한 반전을 할 수 있기 때문에, 상기 오목부둘레가장자리의 출구쪽의 모서리부에 의해서 효과적으로 박리하고 연소실의 위쪽으로 방향을 바꾼 세로와류가 되고, 상기 혼합기를 안정된 상태에서 층형상연소시키고 저연비화를 도모할 수 있다.
또, 상기 오목부는, 구면형상으로 형성해도 된다.
이러한 구성에 있어서, 상기 연소실의 위쪽으로부터 아래쪽을 향해서 유입한 세로와류는, 상기 구면형상의 오목부의 내주면에서 원활한 반전을 할 수 있기 때문에, 상기 오목부둘레가장자리의 출구쪽의 모서리부에 의해서 효과적으로 박리하고 연소실의 위쪽으로 방향을 바꾼 세로와류가 되고, 상기 혼합기를 안정된 상태에서 층형상연소시키고 저연비화를 도모할 수 있다.
또 상기 실린더헤드하면이, 상기 한쪽에 형성된 흡기밸브쪽 경사하면과 상기 다른쪽에 형성된 배기밸브쪽 경사하면으로 이루어진 펜트루프형상으로 형성되고, 상기 피스톤의 꼭대기면이, 상기 흡기밸브쪽경사하면 및 배기밸브쪽경사하면에 각각 대응하도록 형성된 흡기밸브쪽 경사상면 및 배기밸브쪽경사상면을 가진 상기 펜트루프형상으로 형성해도 된다.
이러한 구성에 있어서, 상기 연소실의 위쪽으로부터 아래쪽을 향해서 유입한 세로와류는 오목부둘레가장자리의 입구쪽의 경사부에 유도되고 상기 오목부의 내면에 진입하고, 상기한 오목부의 내면의 만곡면을 따라서 흐르고, 상기 오목부둘레가장자리의 출구쪽의 모서리부에 의해서 효과적으로 박리하고 연소실의 위쪽으로 방향을 바꾼 세로와류가 되고, 상기 펜트루프형상에 의해 상기 세로와류를 안정된 상태에서 층형상연소시키고 저연비화를 도모할 수 있다.
또, 상기 오목부는, 상기 흡기밸브쪽경사상면에 형성되고, 또 그 상기 세로와류의 출구쪽이 상기 오목부의 상기 세로와류의 입구쪽보다도 높게 형성되어 있다.
이러한 구성에 있어서, 상기한 연소실의 위쪽으로부터 아래쪽을 항해서 유입한 세로와류는, 상기 오목부의 입구쪽으로부터 진입하여 반전해서, 상기 연소실의 위쪽으로 방향을 바꾼 세로와류를 생성하는 것을 효과적으로 행할 수 있고, 상기 혼합기를 안정된 상태에서 층형상연소시키고 저연비화를 도모할 수 있다.
또 상기 오목부가 상기 흡기밸브쪽 경사상면 및 배기밸브쪽경사상면에 걸쳐서 형성해도 된다.
이러한 구성에 있어서, 상기 연소실의 위쪽으로부터 아래쪽을 향해서 유입한 세로와류는 오목부둘레가장자리의 입구쪽의 경사부에 유도되고 상기 오목부의 내면에 진입하고, 상기한 오목부의 내면의 만곡면을 따라서 흐르고, 상기 오목부둘레가장자리의 출구쪽의 모서리부에 의해서 효과적으로 박리하고 연소실의 위쪽으로 방향을 바꾼 세로와류가 되고, 상기 세로와류를 안정된 상태에서 층형상 연소시키고 저연비화를 도모할 수 있다.
또, 상기 배기밸브쪽 경사상면과 상기 오목부의 내면으로 구성되는 모서리부가, 상기 오목부둘레가장자리의 상기 세로와류의 출구쪽으로서 에지 형상으로 형성해도된다.
이러한 구성에 있어서, 상기 오목부의 세로와류의 출구쪽은 날카롭게 뾰족해진 에지형상을 이루도록 형성되어 있기 때문에, 세로와류의 효과적인 박리작용을 확보할 수 있고, 층형상연소에 의한 안정된 희박연소를 얻을 수 있다.
또, 상기 흡기포트는, 상기 가상평면의 한쪽에 형성되고, 또한, 상기 가상평면을 따라서 상기 실린더헤드내를 상하방향으로 뻗도록 형성해도 된다.
이러한 구성에 있어서, 흡기포트로부터 연소실내에 도입되는 흡기흐름이 실린더축선을 따라서 아래쪽으로 유입하고, 또한 피스톤꼭대기면의 오목부에서 반전되어 실린더축선을 따라서 위쪽으로 흐르는 세로와류를 일으킬 수 있으므로, 상기 혼합기를 안정된 상태에서 층형상연소시키고 저연비화를 도모할 수 있다.
[발명을 실시하기 위한 최량의 실시형태]
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.
먼저, 제1도~제8도를 참조해서 본 발명의 제1 실시형태로서의 통내분사형내연기관에 대해서 설명한다.
제1도에 표시한 바와 같이, 이 통내분사형내연기관의 연소실구조는, 실린더헤드(21)와 실린더블록(23)에 의해 엔진본체가 구성되어 있고, 실린더블록(23)의 실린더(23A)에는 피스톤(22)이 끼워넣어져 있다.
또, 이 내연기관의 실린더헤드(21)는, 각 기통 모두 그 하면의 한쪽에 흡기2밸브, 다른쪽에 배기2밸브를 구비한 4밸브식내연기관으로서 구성되어 있다.
그리고, 이 피스톤(22)의 꼭대기면과 실린더헤드(21)의 실린더헤드하면(21A)과의 사이에는, 연소실(27)이 형성되어 있다.
이 실린더헤드하면(21A)에는 흡기포트(24)가 흡기개구(24A)를 개재해서, 또 배기포트(25)가 배기개구(25A)를 개재해서, 연소실(27)에 연통접속되어 있다.
또, 이들 흡기포트(24), 배기포트(25)의 흡배기개구(24A)(25A)에는, 각각 도시하지 않은 흡배기밸브가 배설되어 있고. 이들 흡배기밸브에 의해 흡배기개구(24A)(25A)가 개폐되도록 되어 있다.
그리고 제1도, 제2도, 제4도에 표시한 바와 같이, 이 연소실(27)은 실린더(23A)의 중심축선(42)과 도시하지 않은 크랭크샤프트의 축선을 포함하는 가상평면(40)을 중심으로 해서, 실린더헤드하면(21A)이 가상평면(40)의 한쪽에 형성된 흡기밸브쪽경사하면과, 가상평면(40)의 다른쪽에 형성된 배기밸브쪽경사하면으로 이루어진 펜트루프형상으로 형성되는 동시에 피스톤(22)의 꼭대기면이 상기의 흡기밸브쪽 경사하면 및 배기밸브쪽 경사하면에 각각 대웅하도록, 가상평면(40)의 한쪽에 형성된 흡기밸브쪽경사상면과, 가상평면(40)의 다른쪽에 형성된 배기밸브쪽경사상면을 가진 펜트루프형상으로 형성되어 있다.
그리고 실린더헤드(21)내의 가상평면(40)의 한쪽에 2개의 흡기포트(24)가 배설되고, 이 가상평면(40)의 다른쪽에 2개의 배기포트(25)가 배설되어 있다.
또, 제1도, 제4도에 표시한 바와 같이 연소실(27)의 꼭대기부중앙, 즉 가상평면(40)위, 또는 이 근처에 점화플러그(30)가 배설되어 있다.
또, 상기한 2개의 흡기포트(24)는 실린더헤드(21)내를 대략 연직위쪽으로 향해서 형성되어 있고 흡기포트(24)의 흡기개구(24A)는 가상평면(40)의 근처에서, 아래쪽으로 향하도록 배설되어 있다.
그리고, 실린더헤드(21)의 흡기포트(24)쪽의 실린더헤드측면에는 연료를 연소실(27)에 공급하기 위한, 연료분사수단H인 인젝터(28)가 배설되어 있다.
이 인젝터(28)는 실린더헤드(21)의 측면으로부터 그 선단부의 분사구멍(28A)이 연소실(27)내에 임하도록 형성되어 있고, 연료를 직접연소실(27)내에 분사하도록 되어 있다.
또, 이 인젝터(28)는, 예를들면 도시하지 않은 콘트롤러에 의해 제어되도록 되어 있고, 이에 의해 소정의 분사타이밍에 있어서, 소정량의 연료가 분사되도록 되어 있다.
그리고, 뒤에 상세하게 설명하는 바와 같이 콘트롤러는 적어도 저부하저회전영역에서는 점화플러그주변에 농후한 혼합기의 역텀블흐름을 형성하기 위하여 압축행정의 후기에 연료를 분사하고, 또, 고부하영역 및 고회전영역에서는 연소실내에 균일한 혼합기를 생성하기 위하여 흡기행정의 조기부터 연료를 분사하도록 제어한다.
여기서, 이 인젝터(28)의 장착부에 대해서 설명하면, 2개의 흡기포트(24)는 상기한 바와 같이 실린더헤드(21)보다 대략 연직위쪽으로 향해서 형성되어 있으므로, 이 흡기포트(24)의 흡기개구(24A)의 주위에 인겐터(28)를 장착하는데 충분한 공간을 확보할 수 있다.
게다가 가상평면(40)위, 또는 이 근처에 점화플러그(30)를 배설함으로써, 인젝터(28)의 배치위치를 설정하는데 있어서도 자유도가 크고, 인젝터(28)를 연료분사에 최적인 배설위치에 설치할 수 있도록 되어 있다.
또, 도시는 되어 있지 않으나, 실린더헤드내에 장착된 인젝터(28)의 주위에 냉각수통로를 형성함으로써, 인젝터(28) 및 연소실(27)내에 분사되는 연료를 효과적로 냉각할 수 있다.
그런데 상기한 바와 같이, 이 실린더(23A)에는 피스톤(22)이 끼워넣어져 있으나, 이 피스톤(22)는 제1도, 제2도에 표시한 바와 같이, 그 꼭대기부의 상기 흡기밸브쪽 경사상면과 배기밸브쪽 경사상면으로 이루어진 펜트루프형상의 융기부(22B)에 오목부(22A)가 형성되어 있다.
이 오목부(22A)는 피스톤(22)의 꼭대기부중의 흡기개구(24A)의 아래쪽에 위치한 부분에 형성되어 있고, 융기부(22B)의 사면을 아래쪽을 향해서 도려내듯이 아래로 볼록형상의 만곡면으로 형성되어 있다.
즉, 이 오목부(22A)는 가상평면(40)보다도 흡기개구(24A)쪽에 편심한 위치에 형성되고, 예를들면 제2도에 표시한 바와 같이, 아래로 볼록형상으로 만곡한 구면형상으로 형성된 것이다.
이에 의해, 피스톤(22)이 압축행정종료시에 달했을때에, 제5도에 표시한 바와 같이, 피스톤(22)의 오목부(22A)와 실린더(23A)의 내벽과 실린더헤드(21)의 하면에 의해 둘러싸여 형성된 콤팩트연소실(27A)이 형성된다.
상기한 오목부(22A)의 오목부둘레가장자리의 세로와류의 출구쪽이 제1도~제3도에 표시한 바와 같이, 경사부로서의 완만한 화살표로 표시한 범위의 둥그스름한 형상M1로 형성되고 또 상기 오목부둘레가장자리의 세로와류의 출구쪽이 되는 융기부(22B)의 배기개구(25A)쪽의 사면과 오목부(22A)의 내면이 교차되는 모서리부가 날카롭게 뾰족해진 화살표로 표시한 범위의 에지형상M2로 형성되어 있다.
이에 의해, 오목부(22A)의 세로와류의 입구쪽의 모서리부는 세로와류의 출구쪽의 모서리부보다도 무디게 형성되게 된다.
또, 제5도에 표시한 바와 같이, 피스톤(22)의 꼭대기면의 융기부(22B)와 연소실(27)의 상부의 배기개구(25A)쪽과의 사이에는, 스퀴시에어리어(22C)가 형성되어 있다.
이에 의해 제1도, 제2도 및 제5도에 표시한 바와 같이, 흡기포트(24)로부터 유입한 흡기흐름은 실린더(23A)내의 아래쪽에 위치하는 피스톤(22)을 향해서 흐른후, 피스톤(22)의 오목부(22A)에서, 오목부(22A)의 세로와류의 입구쪽의 둥그스름한 형상M1쪽으로부터 진입하여 오목부(22A)의 내면을 따라서 안내되어, 세로와류의 출구쪽의 날카롭게 뾰족해진 에지형상M2에 의해 세로와류가 효과적으로 박리되어 위쪽으로 흘러가고, 세로와류인 역텀블흐름TF를 형성한다.
따라서, 연소실(27)내에서는, 흡기흐름은 이 오목부(22A)를 따라서 역텀블흐름TF의 형성을 촉진하도록 되어 있다.
그리고 인젝터(28)는 소정의 분사타이밍에 있어서, 소정량의 연료가 분사되도록 도시하지 않은 콘트롤러에 의해 제어된다.
또한, 이와 같은 내연기관은 예를들면 4사이클엔진의 경우에는, 제6도에 표시한 바와 같이, TDC(Top Dead Center의 생략)의 0° 전부터 흡기밸브를 열고, 흡기행정에 들어가는 동시에 TDC의 0° 경과후 배기밸브를 폐쇄하고 전회부터의 배기행정을 완료시킨다. 그후 크랭크각으로서 180° 까지 피스톤(22)은 강하하고, 이 동안 제1도, 제5도에 표시한 바와 같이 역텀블흐름TF가 생성되고, 이 역텀블흐름TF속에 인젝터(28)로부터 흡기행정 또는 압축행정후기와 같은 소정의 분사타이밍에서 연료가 분사된다.
그후, TDC 360°전의 소정점화시기에 달하면 도시하지 않은 점화회로가 구동되고 점화플러그(30)의 점화처리(제6도중에 △표시로 표시했다)에 들어간다. 이 점화처리에 의해서, 연료분무가 착화연소되어 연소실(27)내의 통내압이 상승하고, 피스톤(22)을 눌러내려 출력을 발생하고, 연소행정을 크랭크각으로서 540°, 즉 BDC(Bottom Dead Center의 생략)근처까지 행한다.
또, 크랭크각 480°근처에서는 배기밸브를 열고, 크랭크각이 720° 경과할때까지 배기행정을 계속하고, 다음회의 흡기행정을 위한 흡기밸브의 밸브개방처리를 행하고, 4사이클을 완료한다.
이 4사이클엔진의 인젝터(28)의 분사타이밍은 그 일예를 제6도에 표시한 바와 같이, 기관이 고부하영역 및 고회전영역에서는, 흡입행정의 조기의 소정분사시기PH에 분사구동하고, 저부하저회전영역에서는, 압축행정후기의 소정분사시기PL에 분사구동하도록 제어된다.
이때에 고부하영역 및 고회전시에는 연료와 역텀블흐름TF를 이루는 공기와의 혼합을 조기에 개시하는 것 및 압축행정의 후기에 텀블흐름의 붕괴에 의해 혼합기의 교반이 강화됨으로써, 연료혼합의 균질화를 촉진하고, 원활한 급속연소의 실현을 도모할 수 있다.
다른 한편, 저부하저회전시에는 압축행정의 후기와 같이 연료분사를 지연시켜서 콤팩트한 연소실(27A)의 생성을 기다리고, 여기서 점화플러그(30)주위에 안내되도록 오목부(22A)를 향해서 연료분사를 행하기 때문에, 점화플러그(30)주위에 농후한 혼합기의 역텀블흐름이 형성되고 층형상연소에 의한 안정된 착화성을 충분히 확보할 수 있다.
이상, 4사이클의 가솔린엔진에 대해서 설명했으나, 이에 대신해서, 2사이클의 가솔린엔진에 본 발명을 적용해도 된다.
이 경우, 그 엔진의 본체의 구성으로서는, 상기와 마찬가지의 것이 사용가능하다.
그리고, 2사이클엔진의 경우에는 제7도에 표시한 바와 같이 TDC의 0° 보다 전회의 연소행정을 행하고, 크랭크각으로서 90° 근처에서 도시하지 않은 배기밸브를 개방하여, 배기행정에 들어가고, 또, 크랭크각 120° 근처에 달하면 도시하지 않은 흡기밸브를 열고, 흡기(소기)행정에도 들어간다.
그리고, BDC경과후 크랭크각 230° 바로전 근처에서 배기밸브를 폐쇄하고, 또 크랭크각 270° 바로전 근처에서 흡기밸브를 폐쇄하고, 압축행정에 들어간다. 그리고, 흡기행정 또는 압축행정의 소정의 분사타이밍에서 연료를 분사하기 위하여, 인젝터(28)가 구동된다.
그리고, TDC전의 소정점화시기에 달하면, 도시하지 않은 점화회로가 구동되고 점화플러그(30)의 점화처리(제7도중 △표시로 표시했다)에 들어간다. 이 점화처리에 의해서 연료분무가 착화연소되어 연소실(27)의 통내압이 상승하고, 피스톤(22)을 눌러내려 출력을 발생한다.
여기서 인제터(28)는 예를들면, 기관이 고부하시 및 고회전시에는 소정분사시간 PH동안 분사구동하고, 저부하저회전시에는 소정분사시간PL동안 분사구동하도록 제어된다.
이에 의해서, 고부하시 및 고회전시에는, 연료와 세로와류인 역텀블흐름TF를 이루는 공기와의 혼합을 개시하는 것 및 압축행정의 후기에 텀블흐름의 붕괴에 의해 혼합기의 교반이 강화됨으로써, 연료혼합의 균질화를 촉진하고, 원활한 급속연소의 실현을 도모할 수 있다.
다른 한편, 저부하저회전시에는 연료분사를 지연시켜서, 콤팩트연소실(27A)의 생성을 기다리고 여기서 점화플러그(30)주위에 안내되도록 오목부(22A)를 향해서 연료분사를 행한다. 이에 의해 점화플러그(30)주위에 농후한 혼합기의 역텀블흐름이 형성되고 층형상연소에 의해 착화성을 충분히 확보할 수 있다.
본 발명에 제1 실시예로서의 통내분사형내연기관의 연소실구조는, 상기와 같이 구성되어 있으므로, 엔진의 흡기행정에 있어서는, 흡기흐름은 각 흡기포트(24)로부터 흡기개구(24A)를 통해서 연소실(27)내에 유입한다.
그리고, 인젝터(28)는, 분사구멍(28A)이 연소실(27)에 향해서 형성되고, 또, 도시하지 않은 콘트를러에 의해 제어되고 있으므로, 연료가 적절한 타이밍에서 분사되고, 분사되는 타이밍에 따라서 각각 흡기된 공기와 혼합해서 층형상의 혼합기, 또는 균질한 혼합기가 생성된다.
그리고 연소실(27)의 위쪽으로부터 아래쪽을 향해서 유입한 세로와류는, 피스톤(22)의 꼭대기면 및 이 오목부(22A)의 입구쪽의 완만한 둥그스름만 형상M1로부터 오목부(22A)의 내면에 진입하고, 오목부(22A)의 내면의 만곡면을 따라서 흐르고, 융기부(22B)의 사면의 모서리부가 날카롭게 뾰족해진 에지형상M2에 의해서 융기부(22B)보다 효과적으로 박리하고 연소실(27)의 위쪽으로 방향을 바꾼 세로와류가 된다.
즉, 흡기개구(24A)는 가상평면(40)에 의해서 칸막이된 실린더헤드(21)의 한쪽에 형성되고, 오목부(22A)는, 이 흡기개구(24A)의 아래쪽으로 흡기개구(24A)와 대향하도록 형성되어 있으므로, 흡기흐름은, 오목부(22A)의 흡기개구(24A)쪽의 실린더(23A)의 벽면쪽으로 흘러 들면서, 오목부(22A)의 곡면에 안내되어 오목부(22A)의 만곡면을 따라서 실린더헤드하면(21A)의 중앙부부근에 향하는 상향의 흐름이 된다.
또, 이 흡기의 세로와류는 실린더헤드하면(21A)이 펜트루프형상이 되고 있기 때문에, 재차 흡기개구(24A)쪽의 실린더(23A)의 벽면쪽으로 흘러들면서 오목부(22A)를 향하여 강한 역텀블흐름TF가 형성된다.
또, 이때, 흡기포트(24)가 가상평면(40)의 한쪽의 실린더헤드(21)내에, 이 가상평면(40)을 따라서 상하방향으로 뻗어 있기 때문에, 흡기포트(24)로부터 연소실(27)내에 유입하는 흡기흐름이, 흡기개구(24A)쪽의 실린더벽면(23A)을 따라서 아래쪽으로 유입하기 쉽게 되는 동시에, 아래쪽(피스톤(22)의 방향)을 향한 강한 흡기흐름으로서 도입하고, 강한 세로와류의 형성을 용이하게 하고 있다.
그리고, 오목부(22A)의 적어도 세로와류의 입구쪽이 완만한 둥그스름한 형상M1을 이루는 동시에 적어도 세로와류의 출구쪽이 날카롭게 뾰족한 에지형상M2으로 형성되어 있다.
이 결과, 이 세로와류의 출구쪽이 에지형상M2로 형성되어 있음으로써, 동 흡기흐름을 오목부(22A)로부터 용이하게 박리시키고 오목부(22A)내의 만곡면을 따라서 흡기흐름을 반전시킴으로써 유속을 강화시켜 압축행정후기까지 역텀블흐름을 유지할 수 있다.
이 때문에, 예를들면 저부하저회전시에 압축행정의 후기에 형성되는 콤팩트연소실(27A)내에 연료가 점화플러그(30)를 향하도록 오목부(22A)내에 공급되면, 스퀴시에어리어(22C)내에의 연료의 유입을 극력억제하면서, 연료분무가 오목부(22A)내의 점화플러그(30)주위에 비교적 농후한 혼합기의 역텀블흐름으로서 체류하는 동시에 점화플러그(30)로부터 떨어진 초희박혼합기의 역텀블흐름에 의한 층형상역텀블흐름을 형성하고 층형상연소를 행함으로써 전체로서 희박한 혼합기임에도 불구하고, 안정된 연소를 얻을 수 있고, 연비율을 향상할 수 있다.
따라서, 연료분무가 스퀴시에어리어(22C)쪽으로 흘러서 미연가스로서 배출되고, 그 때문에 연비율이 저하하거나, 또 가스배출이 악화하는 등의 불편을 미연에 방지할 수 있다.
또, 세로와류의 출구쪽이 완만한 둥그스름한 형상M1로 형성되어 있으므로써, 적어도 세로와류의 입구쪽의 개구가장자리부의 모서리부에 대해서 연소열이 집중적으로 작용하지 않아 히트포인트가 발생하지 않고 또 모서리부를 완만한 둥그스름한 형상으로 하므로써 피스톤꼭대기면의 표면적도 감소시킬 수 있기 때문에, 상기 불편이 되고 있던 열손실을 감소시켜 엔진의 고출력화를 도모하는 것이 가능하게 된다.
또, 상기 실시예에 있어서, 제8(a)도에 표시한 바와 같이, 경사부로서 완만한 둥그스름한 형상M1으로 형성한 구성에 대해서 설명했으나, 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를들면, 피스톤(22)의 꼭대기면과 오목부(22A)의 내면이 교차하는 모서리부를 직선형상으로 경사지는 경사면이 되도록, 제8(b)도에 표시한 바와 같이 평면형상으로 잘라내서 모떼기를 행하여 단일한 경사면으로하거나 이 경사부를 세로와류의 유입방향으로 복수의 경사면으로 하거나, 또 경사면과 둥그스름한 형상을 조합시키는 등, 히트포인트가 되는 오목부(22A)의 세로와류의 입구쪽의 모서리부를 제거하여 피스톤(22)의 꼭대기면의 표면적을 감소시키는 형상이면 상기 실시예와 마찬가지의 작용효과를 나타내는 것이다.
또, 상기 실시예의 도면에 있어서는, 경사부로서 완만한 둥그스름한 형상M1의 상기 오목부둘레가장자리의 입구쪽의 상기 내연기관의 크랭크샤프트축선방향의 양단부를 향함에 따라서 그 크기가 점차 감소하도록 형성했으나, 완만한 둥그스름한 형상M1의 전체를 동일형상으로 해도 되고, 이 경우에도, 상기 실시예와 마찬가지의 작용효과를 나타내는 것이다.
제9도는 본 발명의 제1 실시예의 오목부(22A)의 구조의 변형예를 표시한 것으로서, 세로와류의 출구쪽의 형상이 가상평면(40)과 대략 평행하게 되도록 형성되어있다.
이 경우에는, 오목부(22A)의 내면이 평면과 곡면으로 이루어진 동시에 그 접합부가 원활하게 접속하는 복합곡률면으로서 구성되어 있다.
그리고 제1 실시예와 마찬가지로 오목부(22A)의 둘레가장자리모서리부를, 세로와류의 입구쪽에 있어서 완만한 둥그스름한 형상M1로서 형성하는 동시에 세로와류의 출구쪽에 있어서, 펜트루프형상의 융기부(22B)의 능선을 넘은 배기쪽 경사면상면과 오목부(22A)의 내면이 교차되는 모서리부가 날카롭게 뾰족해진 에지형상M2으로 형성되어 있음으로써, 제1 실시예와 마찬가지의 작용효과를 나타낸다.
다음에 본 발명의 제2 실시예에 대해서 제10도, 제11도를 사용해서 설명한다. 상기 제1 실시예와 본질적으로 동일부위에는 동일부호를 붙여서 설명한다.
제10도는 피스톤상부의 오목부형상을 표시한 설명도이고, 오목부(22A)에 형성된 완만한 둥그스름한 형상M1은 그 양단부가 세로와류의 출구쪽의 에지형상M2까지 뻗은 동시에 동 둥그스름한 형상M1로부터 세로와류의 출구쪽의 에지형상M2를 향해서 둥그스름한 형상의 크기가 점차감소하는 점감부M3, M4를 가지도록 형성되어 있는 것이다.
이 점감부M3, M4는 세로와류의 입구쪽으로부터 세로와류의 출구쪽을 향해서 둥그스름한 형상의 크기가 점차감소하도록 형성되어 있으므로, 오목부(22A)의 둘레가장자리모서리부에 발생하는 히트포인트가 되는 부분이 대폭적으로 감소할 수 있기 때문에, 열손실을 개선해서 출력향상을 도모할 수 있다.
또, 오목부(22A)의 세로와류의 출구쪽에는 제1 실시예와 마찬가지의 날카롭게 뾰족해진 에지형상M2를 이루도록 형성되어 있기 때문에, 세로와류의 박리작용을 확보할 수 있고 콤팩트연소실(27A)내에서 역텀블흐름이 유지되고 층형상연소에 의한 안정된 희박연소를 얻을 수 있다.
제11도는, 본 발명의 제2 실시예의 오목부(22A)의 구조변형예를 표시한 것으로서, 세로와류의 출구쪽의 형상이 가상평면(40)과 대략 평행이 되도록 오목부(22A)의 내면이 복합곡률면으로서 구성되어 있다. 그리고 융기부(22B)의 능선과 대략 평행의 세로와류의 출구쪽인 배기개구(25A)쪽의 배기밸브쪽 경사상면에 날카롭게 뾰족해진 에지형상M2으로 형성되는 동시에 세로와류의 입구쪽에 형성된 완만한 둥그스름한 형상M1이, 동 둥그스름한 형상M1로부터 융기부(22B)의 능선을 넘어서 에지형상M2의 상기 양단부를 향해서 점차 감소하는 점감부호 M3, M4를 가지도록, 형성되어있는 것이다.
또, 오목부(22A)의 둘레가장자리모서리부를, 세로와류의 입구쪽에 있어서, 완만한 둥그스름한 형상M1로서 형성하고, 또한 에지형상M2를 향해서 둥그스름한 형상이 점차 감소하는 점감부M3, M4를 가지도록 형성하는 동시에 세로와류의 출구쪽에 있어서 가상평면(40)과 대략 평행한 모서리부가 날카롭게 뾰족해진 에지형상M2으로 형성되어 있음으로써, 제2 실시예와 마찬가지의 작용효과를 나타낸다.
그리고, 제2 실시예에 있어서도 제1 실시예와 마찬가지로, 경사부로서 완만한 둥그스름한 형상M1로 형성한 구성에 대해서 설명했으나, 이것에 한정되는 것은 아니고, 단일의 경사면으로 하거나, 이 경사부를 세로와류의 유입방향으로 복수의 경사면으로 하거나, 또 경사면과 둥그스름한 형상을 조합시키는 등, 히트포인트가 되는 오목부(22A)의 세로와류의 입구쪽의 모서리부를 제거하여 피스톤(22)의 꼭대기면의 표면적을 감소시키는 형상으로 해도 된다.
또, 경사부로서 완만한 둥그스름한 형상M1의 양단부를 향함에 따라서 그 크기가 점차감소하도록 형성했으나, 완만한 둥그스름한 형상M의 전체를 동일형상으로 해도 되고, 이들의 경우에도, 상기 제2 실시예와 마찬가지의 작용효과를 나타내는 것이다.
또, 제12도, 제13(a)도, 제13(b)도, 제13(c)도는 본 발명의 내연기관 및 본 발명의 연구단계에서 제안된 구조에 대해서 이하에 표시하는 조건에서 운전한 경우의 비교한 시험결과를 표시한 것이다.
제12도는 에지 삭제에 의한 스로틀밸브완전개방특성을 표시한 것이고, 내연기관을 스로틀의 완전개방상태에서 이론공연비보다도 약간 농후한 소정의 공연비가 되도록 흡입공기의 증가에 따라서 연료량을 조정하는 동시에 흡기행정중에 연료분사를 행하는 조건에서 운전한 경우의 각각의 토크를 표시한 것이다.
즉, 제12도의 □표시는 본 발명의 일실시예로서의 구조를 표시한 피스톤(b)의 것이고, 피스톤꼭대기부의 오목부의 세로와류의 입구쪽에 완만한 상기 둥그스름한 형상M1, 입구쪽과 출구쪽의 사이의 세로와류를 따르는 쪽에 둥그스름한 형상이 점차 감소하는 상기 점감부M3, M4 및 세로와류의 출구쪽에 상기 에지형상M2를 가진 것이다.
또, 제12도의 ○표시는, 피스톤(a)의 것이고 피스톤꼭대기부의 오목부의 개구둘레가장자리에 상기 전체둘레 에지를 가진 것이다.
또, 제12도의 △표시는, 피스톤(c)의 것이고, 피스톤꼭대기부의 오목부의 개구둘레가장자리의 에지를 전체둘레삭제하여 둥그스름한 형상으로 한 것이다.
이 시험결과로부터, 흡기행정에 연료를 분사하는 고부하시에는, 상기 오목부의 모서리에 둥그스름한 형상을 가진 피스톤(b),(c)는, 거의 마찬가지의 토크를 얻을수 있는 동시에, 상기 오목부의 모서리에 에지를 가진 피스톤(a)에 비해서 거의 저회전으로부터 고회전에 이르는 대략 전체적으로 토크가 향상되고 있는 것을 알 수있다.
즉, 고부하시에 있어서 본 발명의 세로소용돌이의 출구쪽에 에지형상M2를 가진 피스톤에서도, 둘레가장자리의 에지를 전체둘레삭제하여 둥그스름한 형상으로 한 피스톤과 동등한 출력토크향상효과를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.
또, 제13(a)도는 압축행정분사시의 연비특성을 표시하는 것이고, 상기 피스톤(a)의 시험결과이고, 제13(b)도는 본 발명의 일실시예에 관한 상기 피스톤(b)의 시험결과이고, 제13(c)도는 상기 피스톤(c)의 시험결과이다.
또, 내연기관에 공급하는 연료량을 고정하고, 전체로서 희박한 혼합기가 되는 영역에서 스로틀밸브개방도(공급하는 공기량)를 단계적으로 증감시켜 공연비를 변화시키고, 그 각각의 공연비에 있어서 연료분사시기를 변화시키는 동시에 압축행정후기에 연료분사를 행하는 조건에서 운전한 경우의 연비율의 변화 및 실화영역(실화가 발생하는 운전영역)을 표시하는 것이다.
이 시험결과로부터 압축행정후기에 연료를 분사하는 저부하저회전시에는, 상기 피스톤(a),(b)에 표시한 오목부의 적어도 세로와류의 출구쪽에 에지 형상을 가진 피스톤은 거의 마찬가지의 연비율을 얻을 수 있는 동시에, 상기 피스톤(c)에 표시한 오목부의 세로와류의 출구쪽을 포함해서 전체둘레에 둥그스름한 형상을 가진 피스톤에 비해서 전체적으로 연비율이 향상하고, 또한 실화영역도 좁은(운전조건이 변화해도 실화하기 어려운)것을 알 수 있다.
즉, 저부하저회전시에 있어서 본 발명의 세로와류의 출구쪽에 에지형상M2를 가진 피스톤에서는, 역텀블흐름의 박리를 양호하게 하므로써 콤팩트한 연소실내에 역텀블흐름을 유지해서 연료의 스퀴시에어리어에의 유출을 방지해서 오목부의 개구둘레가장자리에 전체둘레에지를 가진 피스톤과 거의 동등한 연비율을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 실화영역에 관해서는, 상기한 피스톤(b)는 피스톤(a)에 비해서 약간 실화영역이 넓다.
이상, 제12도, 제13(a)도, 제13(b)도, 제13(c)도의 시험결과로부터, 본 발명의 피스톤구조에 의해, 전체로서 희박한 혼합기를 층형상연소할때에 세로와류의 박리를 양호하게 하여 안정된 상태에서 연소시키고 저연비화를 도모하는 동시에 희박연소시보다도 농후한 혼합기(이론공연비상당의 혼합기)를 연소했을때에도, 열손실을 방지해서 고출력화를 도모할 수 있다.
그리고, 상기 양실시예에서는 흡기통로(24)로부터의 흡기흐름이 상기 가상평면(40)의 한쪽의 실린더벽면으로부터 다른쪽의 실린더벽면에 피스톤꼭대기부의 오목부(22A)에서 반전되어 흐르는, 소위 역텀블흐름을 생성하는 경우에 대해서 설명했으나, 상기 흡기흐름이 실린더축선에 대해서 각도를 이루어 유입하고, 또한 가상평면(40)의 한쪽으로부터 진입해서 상기 다른쪽의 실린더혜드(21)의 하면을 따라서 흐르고, 상기 다른쪽의 실린더벽면으로부터 한쪽의 실린더벽면에 피스톤꼭대기부의 오목부(22A)에서 반전되어 흐르는, 소위 순텀블흐름에 적용해도, 상기 양 실시예와 마찬가지의 작용효과를 얻을 수 있다.
환언하면, 흡기포트로부터 연소실내에 도입되는 흡기흐름이 실린더축선을 따라서 아래쪽으로 유입하고, 또한 피스톤꼭대기면의 오목부에서 반전되어 실린더축선을 따라서 위쪽으로 흐르는 세로와류를 일으키는, 피스톤꼭대기면의 오목부에 적용해도 상기 양 실시예와 마찬가지의 작용효과를 얻을 수 있다.
본 실시예는 흡기2밸브, 배기2밸브의 4밸브식내연기관에 사용해서 설명하고 있으나, 본 발명은 4밸브식내연기관에 한정되는 것은 아니고, 예를들면 흡기2밸브, 배기1밸브의 3밸브식내연기관이나 그밖의 여러 가지의 내연기관에도 적용할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 통내분사형내연기관에서는 오목부를 상기 피스톤상면에 형성하고, 엔진의 연소실내에 도입된 흡기흐름을 실린더헤드하면으로부터 동 피스톤상면방향으로 향하고, 그리고 다시 피스톤의 상면으로부터 동실린더헤드의 하면방향으로 향하는 상기 세로와류를 생성조장하는 동시에, 이 오목부의 상기 세로와류의 입구쪽의 모서리부가, 상기 오목부의 세로와류의 출구쪽의 모서리부보다도 무디게 형성해서, 연소실내에 강한 세로와류를 형성해서 농후한 혼합기와 초희박한 혼합기로 이루어진 층형상텀블흐름에 의한 희박연소에서도 안정되게 기관을 운전할 수 있도록 해서 저연비화를 도모하는 동시에, 희박연소시보다도 농후한 혼합기를 연소했을때에도 열손실을 저감할 수 있게 되고 내연기관의 고효율 및 고출력화의 향상에 크게 기여할 수 있게 된다.

Claims (17)

  1. 내연기관의 실린더헤드하면(21A)과 실린더내에 끼워넣어진 피스톤상면으로 형성된 연소실(27)과, 상기 연소실(27)의 실린더헤드하면(21A)에 배설되는 흡기밸브에 의해 개폐되는 흡기개구(24A)와, 상기 연소실(27)의 실린더헤드하면(21A)에 배설되는 배기밸브에 의해 개폐되는 배기개구(25A)와, 하단부가 상기 흡기개구(24A)를 개재해서 상기 연소실(27)에 연통로되고 상기 연소실(27)내에 흡기의 세로와류를 생성하는 흡기포트(24)와, 하단부가 상기 배기개구(25A)를 개재해서 상기 연소실(27)에 연통되고 상기 연소실(27)내의 연소가스를 배출하는 배기포트(25)와, 상기 연소실(27)의 실린더헤드하면(21A)에 배설된 점화플러그(30)와, 상기 연소실(27)내에 직접연료를 분사하는 연료분사수단(H)을 구비하고, 상기 피스톤(22)은, 이 피스톤상면에 설치되고 상기 흡기개구(24A)를 개재해서 상기 연소실(27)에 도입되는 흡기에 의한 상기 세로와류의 생성을 조장하는 오목부(22A)를 가지고, 상기 오목부(22A)는 이 오목부(22A)의 내면과 상기 피스톤(22)의 상면이 교차하여 구성되는 오목부둘레가장자리를 가지고, 또 상기 오목부둘레가장자리의 상기 세로와류의 입구쪽의 모서리부(M1)가 상기 피스톤(22)의 상면으로부터 상기 오목부(22A)의 내면쪽으로 경사지고 또 상기 피스톤(22)의 상면과 상기 오목부(22A)의 내면을 접속하는 경사부로 이루어지도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 통내분사형내연기관.
  2. 제1항에 있어서, 상기 경사부(M1)는 상기 오목부둘레가장자리의 상기 세로와류의 출구쪽의 모서리부(M2)에 비하여 표면적이 작게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 통내분사형내연기관.
  3. 제1항에 있어서, 상기 경사부(M1)는, 상기 피스톤(22)의 상면쪽으로부터 상기 오목부(22A)의 내면쪽으로 향해서 완만한 둥그스름한 형상으로 형성되어 있는것을 특징으로 하는 통내분사형내연기관.
  4. 제2항에 있어서, 상기 경사부(M1)는, 상기 피스톤(22)의 상면쪽으로부터 상기 오목부(22A)의 내면쪽으로 향해서 직선형상으로 경사지는 경사면으로서 형성된것을 특징으로 하는 통내분사형내연기관.
  5. 제2항에 있어서, 상기 경사부(M1)는, 상기 오목부둘레가장자리의 입구쪽의 상기 내연기관의 크랭크샤프트축선방향의 양단부가, 상기 세로와류의 출구쪽을 향해서 뻗도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 통내분사형내연기관.
  6. 제2항∼제5항의 어느 한 항에 있어서, 상기 경사부(M1)는, 상기 오목부둘레가장자리의 입구쪽중앙부로부터 상기 양단부쪽을 향해서 크기가 점차감소하도록 형성된 것을 특징으로 하는 통내분사형내연기관.
  7. 제1항에 있어서, 상기 오목부둘레가장자리의 상기 세로와류의 출구쪽은, 상기 피스톤(22)의 상면과 상기 오목부(22A)의 내면으로 구성되는 모서리부가 에지형상(M2)으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 통내분사형내연기관.
  8. 제7항에 있어서, 상기 오목부둘레가장자리의 상기 출구쪽의 모서리부가 날카롭게 뾰족해진 에지형상(M2)으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 통내분사형내연기관.
  9. 제7항에 있어서, 상기 오목부둘레가장자리의 상기 세로와류의 출구쪽이 상기 내연기관의 크랭크샤프트축선 및 실린더축선을 포함한 가상 평면(40)과 대략 평행하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 통내분사형내연기관.
  10. 제1항에 있어서, 상기 흡기밸브가 상기 연소실(27)의 한쪽에 설치되는 동시에, 상기 오목부(22A)는 적어도 상기 흡기밸브와 대향하도록, 상기 피스톤(22)꼭대기면의 중앙으로부터 상기 한쪽으로 편심해서 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 통내분사형내연기관.
  11. 제10항에 있어서, 상기 오목부(22A)는 상기 세로와류의 흐름방향에 따른 단면형상이, 원호형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 통내분사형내연기관.
  12. 제10항에 있어서, 상기 오목부(22A)는 구면형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 통내분사형내연기관.
  13. 제1항에 있어서, 상기 실린더헤드하면(21A)이, 상기 한쪽에 형성된 흡기밸브쪽 경사하면과 상기 다른쪽에 형성된 배기밸브쪽 경사하면으로 이루어진 펜트루프형상으로 형성되고, 상기 피스톤(22)의 꼭대기면이, 상기 흡기밸브쪽경사하면 및 배기밸브쪽 경사하면에 각각 대응하도록 형성된 흡기밸브쪽 경사상면 및 배기밸브쪽 경사상면을 가진 상기 펜트루프형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 통내분사형내연기관.
  14. 제13항에 있어서, 상기 오목부(22A)는, 상기 흡기밸브쪽경사상면에 형성되고, 또 그 상기 세로와류의 출구쪽이 상기 오목부(22)의 상기 세로와류의 입구쪽보다도 높게 형성되는 것을 특징으로 하는 통내분사형내연기관.
  15. 제13항에 있어서, 상기 오목부(22A)가 상기 흡기밸브쪽 경사상면 및 배기밸브쪽 경사상면에 걸쳐서 형성되어 있는 것을 특징으로하는 내연기관.
  16. 제15항에 있어서, 상기 배기밸브쪽 경사상면과 상기 오목부(22A)의 내면으로 구성되는 모서리부가, 상기 오목부둘레가장자리의 상기 세로와류의 출구쪽으로서 에지형상(M2)으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 통내분사형내연기관.
  17. 제1항에 있어서, 상기 흡기포트(24)는, 상기 가상평면(40)의 한쪽에 형성되고, 또한, 상기 가상평면(40)을 따라서 상기 실린더헤드(21)내를 상하방향으로 뻗는 것을 특징으로 하는 통내분사형내연기관.
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