KR100308100B1 - 통내분사엔진의피스톤 - Google Patents

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KR100308100B1
KR100308100B1 KR1019980012509A KR19980012509A KR100308100B1 KR 100308100 B1 KR100308100 B1 KR 100308100B1 KR 1019980012509 A KR1019980012509 A KR 1019980012509A KR 19980012509 A KR19980012509 A KR 19980012509A KR 100308100 B1 KR100308100 B1 KR 100308100B1
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노부아키 무라카미
다카시 가와베
쥰 다케무라
데츠오 가타오카
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나까무라히로까즈
미쯔비시 지도샤 고교 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명은, 내연기관의 실린더 헤드(13)의 하면, 실린더(14)의 내벽 및 피스톤(31)의 꼭데기면에 의해 획정된 연소실(16)과, 상기 내연기관의 흡기포트(17) 근방에 배설되어 상기 연소실(16)내에 직접 연료를 분사하는 분사밸브(21)와, 상기 분사밸브(21)보다도 상기 연소실(16)의 중심측에 설치된 점화플러그(22)와, 상기 분사밸브(21) 및 점화 플러그(22)에 거의 대응하는 상기 피스톤(31)의 꼭데기면에 형성된 오목부(32)를 구비한 통내 분사 엔진에 있어서, 상기 오목부(32)는, 상기 오목부(32)에서 상기 점화 플러그(22)의 아랫측에 거의 대응하는 위치와 상기 분사밸브(21)의 아랙측에 거의 대응하는 위치를 연결하는 최단곡선이 복선의 곡률을 갖는 곡면(32a, 32b)에 의해 형성되며, 또한, 상기 오목부(32)에서 상기 점화 플러그(22)의 아래측에 거의 대응하는 곡면(32b)의 곡률이 상기 분사밸브의 아래측에 거의 대응하는 곡면(32a)의 곡률보다도 크게설정되며, 그리고, 점화 플러그측의 곡면(32b)과 분사밸브측의 곡면(32a)이 접속부(32c)에 의해 부드럽게 연속되는 것을 특징으로 한다. 이것에 의해, 분사밸브로부터 연소실내로 분사된 연료는 연료는 흡기포트로부터 유입된 공기에 의해 피스톤 꼭데기면의 오목부에 이르며, 여기에서 복수의 곡률을 갖는 곡면으로 형성된 오목부 표면에 의해 안내되어 선회류로 되어 점화 플러그에 유동하는 것으로서, 연소실내에서 정확하게 연료의 흐름을 확보하게 되며, 연소실 내에서의 확실한 착화, 연소를 실현할 수 있음과 함께, 적정한 오목부 용적을 확보하는 것으로서 층상 연소를 가능하게 하여 연소효율의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 곡률이 작은 분사밸브측의 오목부 곡면에 의해 충분한 오목부 용적을 확보할 수 있는 한편, 곡률이 커다란 점화 플러그측의 오목부 곡면에 의해 연료 분무를 최적으로 모아서 점화 플러그에 확실하게 유동시킬 수 있어서, 층상 연소를 가능하게 할 수 있다.

Description

통내 분사엔진의 피스톤
본 발명은 불꽃점화식이고, 연료를 연소실내에 직접 분사하는 통내분사형 엔진의 피스톤구조에 관한 것이다.
연료를 실린더내에서 분사하는 방식의 내연기관으로서는, 예를들면, 통내 분사식 내연기관이나 직접 분사식 내연기관이나 직접 분사식 내연기관으로 불려지는 것이 있으며, 디젤엔진이 널리알려져 있다. 그렇지만, 최근에 불꽃점화식 엔진(일반적으로는 가솔린 엔진이 대응되기 때문에, 이하, "가솔린 엔진"이라고 칭함)에서도 통내분사식의 것이 제안되어 있다.
도 6에 일반적인 통내분사 엔진의 연소실 근방의 단면을 나타낸다.
통내분사 엔진에 있어서, 도 6에 나타내듯이, 실린더 블록(11)위에는 실린더 헤드 가스켓(12)을 통해 실린더 헤드(13)가 도시생략된 볼트에 의해 체결고정되어 있으며, 이 실린더 블록(11)내의 실린더(14)내에는 피스톤(15)가 상하운동 자유로이 결합되어 있다. 연소실(16)은 실린더 블록911), 실린더 헤드(13), 피스톤(15)에 의해 구성되며, 이 연소실(16)에는 흡기포트(17)와 배기포트(18)가 접속되며, 흡기포트(17)에는 흡기밸브(19)의 선단부가 향하며, 배기포트(18)에는 배기밸브(20)의 선단부가 향해져 있다. 그리고, 도시생략된 흡입캠 및 배기캠이 각각 흡기밸브(19) 및 배기밸브(20)의 상단부에 결합되어 있으며, 이 흡기캠 및 배기캠의 구동에 의해 흡기밸브(19) 및 배기밸브(20)를 작동하며, 연소실(16)과 각 포트(17, 18)와의 개폐를 행할 수 있도록 되어 있다.
또한, 실린더 헤드(13)에는 선단부가 연소실(16)내로 향하며, 이 연소실(16)내에 연료를 분사하는 연료 분사밸브(21)가 장착되어 있다. 이 연료 분사밸브(21)는 도시생략된 연료펌프로부터 공급된 고압의 연료를 연소실(16)내로 분사할 수 있다. 또한 실린더 헤드(13)에는 선단부가 연소실(16)내로 향하는 점화 플러그(22)가 장착되어 있다. 이 점화 플러그(22)는 연료분사밸브(21)로부터 연소실(16)내로 분사된 안개형상의 연료에 점화할 수 있다.
따라서, 도시 생략된 크랭크 샤프트가 회전 구동되면, 커넥팅로드를 통해 피스톤(15)이 실린더(14)내를 왕복이동 한다. 한편, 크랭크 샤프트의 회전구동력이 도시생략된 캠샤프트에 전달되어 동기 회전구동되면, 흡기캠 및 배기캠에 의해 흡기밸브(19) 및 배기밸브(20)가 개폐된다. 이때, 흡기포트(17)에서 연소실(16)내로 공기가 흡입됨과 동시에, 연료 분사밸브(21)는 연소실(16)로 연료를 분사하면, 이 연소실(16)에서 연료분무의 선회류가 발생되며, 이 선회류에 점화 플러그(22)가 점화되는 것으로서, 연소실(16)내에서 흡기, 압축, 폭발, 배기의 각 공정이 반복된다.
이와같은 통내분사 엔진에 있어서는, 연소실(16)내에서 선회하는 연료와 공기와의 혼합기에 점화 플러그(22)에 의해 점화되는 것으로서, 연료가 효율좋게 연소되도록 피스톤(15)의 꼭데기면에 공극(오목부)이 설치되어 있다. 피스톤의 꼭데기면에 공극을 설치한 것으로서는, 예를들면 일본 실개평5-21132호 공보에 개시된 것이 있다. 그렇지만, 이 공보에 개시된 피스톤은 배기밸브측의 공극깊이를 깊게한 것이며, 연료분무에 선회류를 부여하여 점화 플러그에 유도되는 것이 아닌, 통내분사 엔지에는 부적합하다. 그래서, 이 공극을 갖는 피스톤의 형상으로서, 본 출원인은, 일본 특허출원평7-233129호로서 출원하였다.
도 7a 내지 도 7c에 본 출원인이 출원한 공극을 갖는 피스톤의 개략을 나타낸다.
즉, 도 7a에 나타내는 피스톤(101)은, 흡기밸브가 설치되는 꼭데기면측에 피스톤 중심부로 향하여 윗측경사되는 흡기밸브측 경사 윗면(102)이 형성되는 한편, 배기밸브가 설치되는 꼭데기면측에는 피스톤 중심부로 향하여 윗측 경사되는 배기밸브측 경사윗면(103)이 형성되는 것으로서, 피스톤꼭데기면이 산(mount)형으로 되어있다. 그리고, 이 피스톤(101)의 흡기밸브측 경사윗면(102)에 공극(104)가 형성되며, 이 공극(104)은 도시생략된 흡기밸브측의 상부를 중심으로 하는 가상구면(105)의 일부로서 형성되어 있다.
따라서, 피스톤(101)의 공극(104)은, 연소실내에 윗측에서 피스톤 꼭데기면으로 향해 유입된 공기를 실린더헤드 아랫면측으로 반전시켜 텀블류(종와류)의 생성을 돕는다. 그리고, 이 연소실내에 분사된 연료는, 공극(104)에 안내됨과 동시에 상기 텀블류에 의해 연소실 주변으로부터 연소실 중앙부로 운반된다.
또한, 도 7b에 나타내는 피스톤(201)은, 흡기밸브가 설치되는 꼭데기면측에 흡기밸브측 경사윗면(202)이 형성되는 한편, 배기밸브가 설치되는 꼭데기면측에 배기밸브측 경사윗면(203)이 형성되는 것으로서, 피스톤 꼭데기면이 산형으로 이루어져 있다. 그리고, 이 피스톤(201)의 흡기 밸브측 경사윗면(202)에는 공극(204)이 형성되며, 이 공극(204)은 유입부(205)와 융기부(206)와 접속부(207)로부터 구성되어 있다.
따라서, 피스톤(201)의 공극(204)은, 유입부(205), 접속부(207) 및 융기부(206)에 의해 구성되며, 연소실내에 윗측으로부터 피스톤 꼭데기면으로 향하여 유입된 공기를 실린더헤드 아랫면측에 반전시켜 텀블류(종와류)의 생성을 돕는다. 그리고, 이 연소실내에 분사된 연료는, 공극(204)에 안내됨과 동시에 상기 텀블류에 의해 연소실 주변에서 연소실 중앙부로 운반된다.
또한, 도 7c에 나타내는 피스톤(301)은, 도 7a의 피스톤(101)과 동일하며, 흡기밸브측 경삼녀(302)와 배기밸브측 경사면(303)이 형성되며, 피스톤꼭데기면이 산형으로 되어 있다. 그리고, 이 피스톤(301)의 흡기밸브측 경사면(302)에는 공극(304)이 형성되며, 이 공극(304)은 흡기밸브측의 상부를 중심으로 하는 2개의 가상구면(305, 306)과, 이것들 2개의 가상구면(305, 306)사이를 접속하는 접속면(307)으로 이루어져 있다.
따라서, 피스톤(301)의 공극(304)은, 연소실내에 윗측에서 피스톤 꼭데기면으로 향해 유입된 공기를 실린더헤드 아랫면측으로 반전시켜 텀블류(종와류)의 생성을 돕는다. 그리고, 이 연소실내에 분사되는 연료는, 공극(304)에 안내됨과 동시에 상기 텀블류에 의해 연소실 주변에서 연소실중앙부로 운반된다.
또한, 예를들면, 미국특허 5,127,379공보에는, 통내분사 엔진에 있어서, 연소실의 중앙부에 점화플러그를 배치하며, 연소실의 주변에 분사밸브를 배치하며, 피스톤 꼭데기면에 점화 플러그의 아래측에서 분사밸브의 아래측까지 연장되는 오목홈을 형성하며, 또한, 점화 플러그의 아랫측의 오목홈 내벽면위에 상기 오목홈 바닥부로부터 점화 플러그로 연장되며, 또한 오목홈보다도 폭이 좁은 연료 안내홈을 형성한 구성이 기재되어 있다.
그런데, 사술한 일본 특허출원평7-233129호에 기재된 통내분사 엔진에 있어서, 엔진의 배기량이나 기통수 등에 따라서 실린더 지름, 즉, 피스톤의 직경도 달라지게 된다. 예를들면, 소정의 직경을 갖는 피스톤을 상술한 피스톤(101, 201, 301)의 형상으로 설정한 경우, 피스톤의 직경의 크기에 비례하여 각 공극(104, 204, 304) 등의 크기도 확대 혹은, 축소되어 설정하게 된다. 그렇지만, 전술한 각 피스톤(101, 201, 301)에 있어서는, 직경의 확대에 비례하여 각 공극(104, 204, 304)의 크기를 확대하면, 이 공극(104, 204, 304)의 곡률이 작게되며, 또한, 그 용적이 크게되어지며, 점화 플러그근방의 연료 밀도가 희박하게 되어 층상연소를 발생시킬 수 없는 우려가 있다.
또한, 미국특허 5,127,379공보에 기재된 통내분사 엔진에 있어서도, 흡기포트에서 연소실내로 유입된 공기에 종선회류가 형성되도록 구성되어 있다. 그런데, 흡기행정에서 형성된 종선회류는, 흡기행정의 종료와 함께 생성이 종료되며, 그후에 계속 압축행정에서는 이 선회류의 관성에 의해서만 선회류가 보존된다. 그리고, 상기 공보와 같이 피스톤 꼭데기면에 형성된 연료안내홈이 오목홈의 폭에 대하여 좁게 형성되어 있는 것으로, 평면시에 있어서 오목홈과 연료 안내홈과의 접속부에 곡률이 급격하게 변화되는 변곡점(각부)이 존재하게 되기 때문에 흡기행정에서 생성된 종선회류가 변곡점에 있어서 흐트러짐을 발행하는 종선회류를 압축행정 후기까지 유지할 수 없게된다. 결과적으로, 종선회류를 이용하여 연료를 안내할 수 없으며, 확실한 착화 및 연소를 안정되게 행할 수 있는 운전영역이 한정되는 층상연소를 실현시키는 것이 불가능하다.
본 발명은, 이와같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연소실 내에서의 정확한 연료의 흐름을 확보하므로써 연소효율의 향상을 도모한 통내분사 엔진의 피스톤 구조을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 내연기관의 실린더 헤드의 아랫면, 실린더의 내벽 및 피스톤의 꼭데기면에 의해 나누어진 연소실과, 상기 내연기관의 흡기포트 근방에 설치되어 상기 연소실내에 직접연료를 분사하는 분사밸브와, 상기 분사밸브 보다도 상기 연소실의 중심측에 설치된 점화 플러그와, 상기 분사밸브 및 점화 플러그에 거의 대응하는 상기 피스톤의 꼭데기면에 형성된 오목부를 구비한 통내분사 엔진에 있어서, 상기 오목부는 상기 오목부에 있어서 상기 점화 플러그의 아랫측에 거의 대응하는 위치와 상기 분사밸브의 아랫측에 거의 대응되는 위치를 연결하는 최단곡선이 복수의 곡률을 갖는 곡면에 의해 형성되며, 또한, 상기 오목부에서 상기 점화 플러그의 아랫측에 거의 대응하는 곡면의 곡률이 상기 분사밸브의 아랫측에 거의 대응하는 곡면의 곡률보다도 크게 설정되며, 그리고 점화 플러그측의 곡면과 분사밸브측의 곡면이 접속부에 의해 거침없이(매끄럽게)연속되는 것을 특징으로 하고 있다. 이것에 의해, 분사밸브로부터 연소실내에 분사된 연료는 흡기포트에서 유입된 공기에 의해 피스톤 꼭데기면의 오목부에 이르며, 여기에서 복수의 곡률을 갖는 곡면으로부터 형성된 오목부 표면에 의해 안내되어 선회류로 되어 점화 플러그에 유동되게되며, 확실한 착화, 연소를 실현할 수 있음과 함께, 적정한 오목부 용적을 확보하는 것으로서 층상연소시켜 연소효율의 향상이 도모된다. 또한, 곡률이 작은 분사밸브측의 오목부 곡면에 의해 충분한 오목부 용적을 확보할 수 있다. 한편으로, 곡률이 큰 점화 플러그측의 오목부 곡면에 의해 연료분무를 우수하게 모아서 점화 플러그로 확실하게 유동시킬 수 있으며, 층상연소가 가능하게 된다.
또한, 상기 오목부는, 피스톤 측면에서 볼 때, 상기 점화 플러그의 아랫측으로 거의 대응하는 위치가 상기 분사밸브의 아랫측에 대응하는 위치보다도 윗측에 형성된 것을 특징으로 하고 있다. 이것에 의해, 아랫측에 위치하는 분사밸브측의 오목부 곡면에 의해 충분한 오목부용적이 확보됨과 동시에 분사밸브에서 이 오목부 곡면까지의 거리가 충분히 확보되며, 분사밸브로부터 분사된 연료는 피스톤 벽면에 부착시키지 않고, 유동하는 한편, 윗측에 위치하는 점화 플러그측의 오목부 곡면에 의해 점화 플러그와 이 오목부 곡면이 근접되며, 연료 분무를 점화 플러그에 확실하게 유동시킬 수 있으며, 안정된 연소가 가능하게 된다.
또한, 상기 분사밸브로부터 분사된 연료는, 상기 오목부의 상기 점화 플러그 아랫측에 거의 대응하는 위치로 피스톤에 충돌하는 것을 특징으로 하고 있다. 이것에 의해, 연료 분무를 점화 플러그에 확실하게 유동시켜서 연소안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 오목부의 용적을 Va, 상기 피스톤이 상사점 위치에 있을때의 오목부 윗측에 형성되는 공간부 용적을 Vb, 상기 피스톤이 상사점위치에 있을때의 오목부를 제외한 상기 피스톤 꼭데기부의 윗측에 형성되는 공간부 용적을 Vc로 하였을 때,
공극 용적비 =(Va+Vb)/(Va+Vb+Vc)가, 0.3-0.7의 범위에 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이것에 의해, 저. 중부하 운전영역에 있어서의 연비를 향상하면서, 고부하 운전영역에서 충분한 출력을 확보할 수 있다.
또한, 상기 오목부는, 상기 접속부를 경계로서, 상기 점화 플러그측의 용적이 상기 분사밸브측의 용적보다도 작게 형성되어 잇는 것을 특징으로 하고 있다. 이것에 의해, 분사밸브에서 분사된 연료를 점화 를러그 주위에 모아 착화 연소시키는 것으로 넓은 운전영역에서의 층상연소를 가능하게 하고 있다.
또한, 상기 오목부는, 상기 피스톤의 평면시(평면에서 보다)에 있어서의 상기 오목부의 상기 점화 플러그 및 분사밸브를 연결하는 방향과 직교되는 방향의 폭이, 상기 점화 플러그의 아랫측에 거의 대응하는 위치로부터 상기 분사밸브의 아랫측에 거의 대응하는 위치로 향해 넓게 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이것에 의해 분사밸브에서 분사된 연료를 점화 플러그 주위에 모여서 착화연소 시키는 것으로서 넓은 운전영역에서의 층상연소를 가능하게 한다.
또한, 상기 오목부는, 상기 피스톤의 평면시에 있어서, 상기 오목부의 상기 점화 플러그측 둘레 테두리부와 상기 분사밸브측의 둘레 테두리부가 거침없이 연속되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이것에 의해, 실린더내에 형성된 선회류를 이용하면서 분사밸브에서 분사된 연료를 점화 플러그 주위로 모아서 착화연소 시키는 것으로서 넓은 운전영역에서의 층상연소를 가능하게 하고 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제 1실시예에 따른 통내 분사 엔진의 피스톤을 나타내는 연소실 근방의 개략도.
도 2는 본 실시예의 피스톤에 있어서의 공극(cavity)의 형상을 설명하기 위한 개략도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제 2실시예에 따른 통내 분사엔진의 피스톤을 나타내는 연소실 근방의 개략도.
도 4a 및 도 4b는 본 실시예의 피스톤에 있어서의 공극의 형상을 설명기 위한 개략도.
도 5는 아이들 운전시에 있어서의 안정 연소영역을 나타내는 그래프.
도 6은 일반적인 통내분사 엔진의 연소실 근방의 단면도.
도 7a 내지 도 7c는 공극을 갖는 종래의 피스톤 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 실린더 블록 13 : 실린더 헤드
15, 101, 201, 301 : 피스톤 16 : 연소실
17 : 흡기포트 18 : 배기포트
19 : 흡기밸브 20 : 배기밸브
21 : 분사밸브 22 : 점화 플러그
31 : 피스톤 32, 42 : 공극
104, 204, 304 : 공극
이하, 도면에 근거하여 본 발명의 실시형태를 상세하게 설명한다.
도 1a 및 도 1b에 본 발명의 제 1실시예에 따른 통내분사 엔진의 피스톤을 나타내는 연소실근방의 개략도를 나타내며, 도 2에 본 실시예의 피스톤에 있어서의 공극의 형상을 설명하기 위한 개략도를 나타낸다.
본 실시예의 통내분사 엔진에 있어서, 도 1a 및 도 1b에 나타내듯이, 실린더 블록(11)에는 실린더 헤드(13)가 체결 고정되며, 이 실린더 블록(11)내의 실린더(14)내에 피스톤931)이 상하운동 자유로이 결합되어 있다. 연소실(16)은 실린더 블록(11), 실린더 헤드(13), 피스톤(31)에 의해 구성되며, 이 연소실(16)에는 흡기포트(17)와 배기포트(18)가 접속되며, 흡기포트(17)는 흡기밸브(19)에 의해 개폐 자유로우며, 배기포트(18)는 배기밸브(20)에 의해 개폐자유롭게 되어있다. 또한, 실린더 헤드(13)에는 흡기포트(17)에 근접하여 이 연소실(16)내에 연료를 분사하는 연료 분사밸브(21)가 장착되어 있다. 또한, 실린더 헤드(13)에는 연소실(16)의 꼭데기부 중심에 위치하여 연료 분사밸브(21)로부터 연소실(16)내로 분사된 안개형상의 연료에 점화하는 점화 플러그(22)가 장착되어 있다.
이와같이 구성된 통내분사 엔진에 있어서, 본 실시예의 피스톤(31)은 꼭데기면에 형성된 오목부로서의 공극(32)에서 점화 플러그(22)의 아랫측에 거의 대응하는 위치와 연료 분사밸브(21)의 아랫측에 거의 대응하는 위치를 연결하는 최단곡면이 복수의 곡률을 갖는 곡면에 의해 형성되어 있다.
즉, 도 1a 및 도 1b와 도 2에 나타내듯이, 피스톤(31)의 공극(32)에 있어서, 연료 분사밸브(21)의 아랫측에 거의 대응하여 위치하는 곡면(32a)은 점(O1)을 중심으로서 곡률반경이 ρ1으로된 구면(B1)으로 이루어져 있다. 또한, 점화 플러그(22)의 아랫측에 거의 대응하여 위치하는 곡면(32b)은 점(O2)을 중심으로하여 곡률반경이 ρ2로한 구면(B2)으로 이루어져 있다. 그리고, 이 곡면(32a)과 곡면(32b)과는 양자를 연결하는 최단거리에서 접속곡면(32c)에 의해 매끄럽게 연속되어 있다. 이 곡면(32a)의 곡률반경(ρ1)과 곡면(32b)의 곡률반경(ρ2)과의 관계는 ρ1＞ρ2, 즉, 곡면(32a)과 곡면(32b)의 곡률κ1과 κ2와의 관계는 κ1＜κ2로 되어 있다. 또한, 연속된 곡면(32a), 곡면(32b, 32c)에 의해 형성된 공극(32)은 평면시에 있어서도 측방(도 1b에서 상하방향)으로 약간 팽창되어 있다.
그런데, 이 공극(32)의 용적의 설정은, 엔진성능을 부여하는 경향이 크며, 예를들면, 공극(32)의 용적이 연소실의 전용적에 대하여 너무크면 층상연소에는 유리하지만, 표면적이 커서 열손실이 크게되어 버린다. 한편, 공극(32)의 용적이 연소실의 전체 용적에 대하여 너무작으면 출력은 향상되지만, 텀블류(선회류)의 생성을 충분히 조장할 수 없으며, 층상연소를 성립시킬 수 없게된다. 그 때문에, 본 실시예의 통내분사 엔진에서는, 텀블류(선회류)를 형성하여 층상연소를 가능하게 하는 한편에서, 충분한 출력을 확보할 수 있도록 공극(32)의 용적이 설정되어 있다.
즉, 도 2에 나타내듯이, 공극(32)의 용적(Va), 피스톤(31)이 상하점 위치에 있을때의 공극(32)의 윗측에 형성된 공간부 용적을 Vb, 피스톤(31)이 상사점 위치에 있을때의 공극(32)을 제외하고 피스톤 꼭데기부의 윗측에 형성된 공간부 용적을 Vc로하면, 공극(32)의 용적비는 하기식에 근거하여 설정된다.
공극 용적비=(Va+Vb)/(Va+Vb+Vc)
이 공극 용적비는, 0.5정도가 최적이지만, 0.3-0.7의 범위에 있는 것이 바람직하며, 연비의 향상과 출력의 확보가 좋은 균형이 가능해진다. 그리고, 본 실시예에서는, 피스톤(31)의 꼭데기면이 산형의 펜트루프(Pent-roof)형상으로 되어 있으며, 피스톤(32)의 상승시에 이 피스톤(32)과 실린더 헤드(13)로 감싸여지는 공간부가 감소되는 것으로서, 연소실(16)의 전용적에 대한 공극(32)의 용적비를 크게할 수 있다. 따라서, 엔진의 압축비를 크게하여 출력을 향상할 수 있다.
이와같이 본 실시예에 있어서는, 공극 용적비를 상기 식에 의해 설정하며, 공극(32)을 연료 분사밸브(21)의 아랫측에 위치하는 곡면(32a)과 점화 플러그(22)의 아랫측에 위치하는 곡면(32b)을 접속곡면(32c)에 의해 매끄럽게 연속하여 형성하며, 곡면(32a)의 곡률(κ1)과 곡면(32b)의 곡률(κ2)과의 관계를 κ1＜κ2로 하고 있다.
따라서, 연소실(16)내에 흡기포트(17)에서 유입된 공기는, 공극(32)에 의해 텀블류(종와류)의 생성이 조장된다. 즉, 연소실(16)에 유입된 공기는, 실린더 런너에 따라서 피스톤 꼭데기면으로 향하여 하강하며, 공극(32)의 곡면(32a)에 의해 연소실(16)중앙측에 안내되며, 또한, 공극(32)의 곡면(32b)에 의해 실린더 헤드(13)의 아랫면측으로 반전된다. 그리고, 특히, 엔진의 저중부하 운전영역에 있어서, 연료 분사밸브(21)로부터 연소실(16)내로 분사되는 연료는 압축행정의 중기이후, 혹은 후기에 분사되는 것으로서, 공극(32)내로 충돌되어 공극(32)의 곡면(32a) 및 곡면(32b)에 의해 점화 플러그(22)측으로 유동됨과 동시에 상기 텀블류에 의해 점화 플러그(22)측으로 안내된다.
즉, 곡률이 작은 연료 분사밸브(21)측의 곡면(32a)에 의해 충분한 공극용적을 확보할수 있음과 동시에 연료 분사밸브(21)로부터의 분무를 우수하게 안내할 수 있는 한편, 곡률이 커다란 점화 플러그(22)측의 곡면(32b)에 의해 연료 분무를 우수하게 모아서 이 점화 플러그(22)에 확실하게 유동시킬 수 있다. 그 때문에, 연소실(16)내에서 확실한 착화, 연소를 실현할 수 있음과 함께, 적정한 공극용적을 확보하는 것으로서 층상연소가 가능하게 되며, 연소효율의 향상이 도모된다.
도 3a 및 도 3b에 본 발명의 제 2실시예에 따른 통내 분사엔진의 피스톤을 나타내는 연소실 근방의 개략을 나타내며, 도 4에 본 실시예의 피스톤에 있어서의 공극의 형상을 설명하기 위한 개략도 이며, 도 5a 및 5b에 아이들 운전시에 있어서의 안정연소 영역을 나타내는 그래프를 나타낸다. 또한, 앞서 서술한 실시예에서 설명한 것과 동일한 기능을 갖는 부재에는 동일한 부호를 병기하여 중복되는 설명은 생략하였다.
도 3a 및 도 3b에 나타내듯이, 본 실시예의 통내 분사엔진의 피스톤(41)에 있어서, 꼭데기면에는 오목부로서의 공극(42)이 형성되어 있다. 이 공극(42)에 있어서, 연료 분사밸브(21)의 아랫측에 거의 대응하여 위치하는 곡면(42a)은 점(O1)을 중심으로서 곡률반경이 ρ1으로한 구면(B1)으로 이루어져 있다. 또한, 점화 플러그(22)의 아랫측에 거의 대응하여 위치하는 곡면(42b)은 점(O2)을 중심으로서 곡률반경이 ρ2로한 구면(B2)으로 이루어져 있다. 그리고, 이 곡면(42a)과 곡면(42b)과는 양자를 연결하는 최단거리로서 접속곡면(42c)에 의해 매끄럽게 연결되어 있다. 이 곡면(42a)의 곡률반경(ρ1)과 곡면(42b)의 곡률반경(ρ2)과의 관계는 ρ1＞ρ2, 즉, 곡면(42a)과 곡면(42b)의 곡률κ1과 κ2와의 관계는 κ1＜κ2로 이루어져 있다.
또한, 본 실시예에서는, 공극(42)에 있어서, 연료 분사밸브(21)의 아랫측에 거의 대응하여 위치하는 곡면(42a)의 높이 H1은, 점화 플러그(22)의 아랫측에 거의 대응하여 위치하는 곡면(42b)의 높이 H2보다 낮게 되어있다. 즉, 피스톤(41)의 측면시에 있어서 곡면(42a)보다도 곡면(42b)의 방향이 윗측으로 되어 있으며, 접속곡면(42c)은 피스톤(41)에 중심측으로 향해서 윗측으로 경사면이 이루어져 있다. 그리고, 연속된 곡면(42a), 곡면(42b, 42c)에 의해 형성된 공극(42)은 평면시에 있어서도, 측방(도 3b에서 상하방향)으로 약간 팽창되어 있다.
이와같이 본 실시예에 있어서는, 공극 용적비를 전술한 제 1실시예와 동일하게 상기 식에 의해 설정하며, 공극(42)을 연료 분사밸브(21)의 아랫측에 위치하는 곡면(42a)과 점화 플러그(22)의 아랫측에 위치하는 곡면(42b)을 접속곡면(42c)에 의해 매끄럽게 연속하여 형성하며, 곡면(42a)의 곡률(κ2)과의 관계를 κ1＜κ2로하며, 또한, 곡면(42a)의 높이(H1)을 곡면(42b)의 높이(H2)보다도 낮게 하고 있다.
따라서, 연소실(16)내로 흡기포트(17)로부터 유입된 공기는, 공극(42)에 의해 텀블류(종와류)의 생성이 조장된다. 즉, 연소실(16)내로 유입된 공기는, 실린더 라이너에 따라서 피스톤 꼭데기면으로 향해 하강하며, 공극(42)의 곡면(42a)에 의해 연소실(16)중앙측에 안내되며, 또한, 공극(42)의 곡면(42b)에 의해 실린더 헤드(13)의 아랫면측으로 반전된다.
그리고, 특히, 엔진의 저중부하 운전영역에 있어서, 연료 분사밸브(21)로부터 연소실(16)내로 분사되는 연료는, 압축행정의 중기이후, 혹은 후기에 분사되는 것으로, 공극(42)내로 충돌되며, 공극(42)의 곡면(42a) 및 곡면(42b)에 의해 점화 플러그(22)측으로 유동됨과 동시에 상기 텀블류에 의해 점화 플러그(22)측으로 안내된다.
즉, 곡률이 작은 연료 분사밸브(21)로부터의 거리가 먼 연료 분사밸브(21)측의 곡면(42a)에 의해, 충분한 공극용적을 확보함과 동시에 연료 분사밸브(21)로부터의 분무를 피스톤 꼭데기면(곡면(42a))에 부착시키않고 안내되는 판편, 곡률이 크고 점화 플러그(22)까지의 거리가 짧은 점화 플러그(22)측의 곡면(42b)에 의해, 점화 플러그(22)와 공극(42)의 벽면과의 거리가 소정의 값으로 되어 연료 분무를 우수하게 모아서 이 점화 플러그(22)에 확실하게 유동시킬 수 있다. 그 때문에, 연소실(16)내에서 확실한 착화, 연소를 실현됨과 동시에, 적정한 공극용적을 확보하는 것으로서 층상연소가 가능하게 되며, 연소효율의 향상이 도모된다.
또한, 이와같은 공극(42)을 갖는 피스톤(41)에서는, 통내분사 엔진의 아이들 운전시에 효과적이다. 즉, 전술하였듯이, 연료 분사밸브(21)로부터 연소실(16)내로 분사된 연료 분무는 피스톤(41)의 공극(42)에 유도되지만, 이때, 연료 분사밸브(21)측의 곡면(42a)이 이 연료 분사밸브(21)로부터 가까우면, 연료 분무가 이 곡면(42a)에 충돌하여 액상으로 되어 부착되어 버린다. 게다가 아이들 운전시는 엔진이 저회전 영역에 있기 때문에 피스톤의 이동속도도 저속이며, 실린더내에서 빌생하는 텀블류의 유속이 느리다. 그렇지만, 본 실시예의 피스톤(41)에 있어서는, 공극(42)에 있어서의 연료 분사밸브(21)측의 곡면(42a)이 연료 분사밸브(21)로부터 소정거리 떨어지며, 또한, 작은 곡률로 되어 있기 때문에, 연료 분사밸브(21)로부터의 연료분무는 충분하게 강한 텀블류가 생성되어 있지않아도 이 곡면(42a)에 의해 안내되며, 피스톤(41)의 중심측에 유도되며, 곡면(42b)에 의해 점화 플러그(22)로 유동되게 된다. 그 때문에 연소실(16)내에서 확실한 착화, 연소를 실현할 수 있다.
이와같은 것은, 도 5a 및 도 5b에 나타내는 그래프로부터도 명확하게 알 수 있다. 도 5a 및 도 5b에 나타내는 그래프는 아이들(idle) 운전시에 있어서의 연소 안정영역을 나타내는 것이며, 도 5a는 전술한 제 1실시예의 피스톤(31)을 이용한 통내분사 엔진의 것이며, 도 5b는 제 2실시예의 피스톤(41)을 이용한 통내분사 엔진의 것이다. 이 그래프에 나타내듯이 피스톤(31)에 비교하여 피스톤(41)의 쪽이 아이들 운전시에 있어서의 연소안정 영역이 넓은 것을 알았다. 이와같이 피스톤(41)의 공극(42)에 있어서, 연료 분사밸브(21)측의 곡면(42a)을 점화 플러그(22)측의 곡면(42a)보다도 낮은 위치로한 것으로서, 연료 분사밸브(21)로부터의 연료분무를 곡면(42a)에 부착시키지 않고 피스톤(41)의 중심측으로 유도할 수 있으며, 연소실(16) 내에서의 확실한 착화, 연소를 실현할 수 있고, 연소 안정성이 향상된다.
또한, 전술한 각 실시예에서는, 공극(32, 42)을, 2개의 곡면(32a, 32b, 42a, 42b) 및 그것들을 접속하는 접속곡면(32c, 42c)에 의해 형성하였지만, 본 발명의 피스톤은 곡면의 각 실시예에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명은, 통내분사 엔진의 형식도 전술한 것에 한정되는 것이 아니며, 예를들어 흡기포트와 배기포트가 실린더 헤드에 대칭으로 설치되어 연소실내에 소용돌이(swirl)를 발생시키도록 한 것에 적용하여도 전술한 각 실시예와 동등한 작용효과를 이룰 수 있다.
본 발명은, 곡률이 작은 분사밸브측의 오목부 곡면에 의해 충분한 오목부 용적을 확보할 수 있는 한편, 곡률이 커다란 점화 플러그측의 오목부 곡면에 의해 연료 분무를 최적으로 모아서 점화 플러그에 확실하게 유동시킬 수 있어서, 층상 연소를 가능하게 할 수 있다.
또한, 피스톤의 공극에 있어서, 연료 분사 밸브측의 곡면을 점화 플러그측의 곡면 보다도 낮은 위치로 하므로써, 연료 분사밸브로부터의 연료분무를 곡면에 부착시키지 않고 피스톤의 중심측으로 유도할 수 있으며, 연소실내에서의 확실한 착화, 연소를 실현할 수 있고, 연소 안정성이 향상되는 효과를 이룰수 있다.

Claims (7)

  1. 내연기관의 실린더 헤드(13)의 아랫면과, 실린더(14)의 내벽 및 피스톤(31)의 꼭데기면에 의해 구획되는 연소실(16)과, 상기 연소실(16)에 접속하도록 상기 실린더 헤드(13) 내에 형성되어 상기 연소실(16)내에 유입되는 공기에 선회류를 생성시키는 흡기포트(17)와;
    상기 내연기관의 흡기포트(17)근방에 설치되어 상기 연소실(16)내에 직접 연료를 분사하는 분사밸브(21)와,
    상기 분사밸브(21)보다도 상기 연소실(16)의 중심측에 설치된 점화 플러그(22)와,
    상기 분사밸브(21) 및 점화 플러그(22)에 거의 대응하는 상기 피스톤(31)의 꼭데기면에 형성된 오목부(32)를 구비한 통내분사 엔진의 피스톤에 있어서,
    상기 오목부(32)는 상기 점화 플러그(22)의 거의 아랫쪽에 위치하는 제1곡면(32b)과, 다른 곡률로 구성된 상기 분사밸브(21)의 거의 아래쪽에 위치하는 제2 곡면(32a)에 의하여 형성되고,
    상기 제1 곡면(32b)의 곡률이 상기 제2 곡면(32a)의 곡률보다도 크게 설정되고,
    상기 제1 곡면(32b)과 상기 제2 곡면(32a)이 접속부(32c)에 의하여 매끄럽게 연속되고,
    상기 제1 곡면(32b) 및 상기 제2 곡면(32a)의 오목부 용적이 층상연소를 가능하게 하면서도 충분한 출력을 확보할 수 있도록 설정되어, 상기 분사밸브(21)로부터 상기 연소실(16)내에 분사된 연료분무가 상기 흡기포트(17)를 통하여 유입된 공기에 의해 생성된 선회류와 함께 상기 제1곡면(32b)에 의해 안내되어 상기 점화플러그(22)로 유동되는 것을 특징으로 하는 통내분사 엔진의 피스톤.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 오목부(32)는 피스톤의 측면에서 볼때 상기 점화 플러그(22)의 아래쪽에 대응하는 위치가, 상기 분사밸브(21)의 아래쪽에 대응하는 위치보다 위쪽에 형성된 것을 특징으로 하는 통내분사 엔진의 피스톤.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 분사밸브(21)로부터 분사된 연료는 상기 오목부(32)의 상기 점화 플러그(22)의 아랫측에 대응하는 위치에서 피스톤(31)에 충돌하는 것을 특징으로 하는 통내분사 엔진의 피스톤.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 오목부(32)의 용적을 Va, 상기 피스톤(31)이 상사점위치에 있을때의 오목부 윗측에 형성되는 공간부 용적을 Vb, 상기 피스톤(31)이 상사점 위치에 있을때의 상기 오목부(32)를 제외한 상기 피스톤 꼭데기부의 위쪽에 형성되는 공간부 용적을 Vc라고할 때,
    공극 용적비 =(Va+Vb)/(Va+Vb+Vc)가 0.3∼0.7의 범위인 것을 특징으로 하는 통내분사 엔진의 피스톤.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 오목부(32)는, 상기 접속부(32c)를 경계로서 상기 점화 플러그측의 용적이 상기 분사밸브측의 용적보다도 작게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 통내분사 엔진의 피스톤.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 오목부(32)는, 상기 피스톤의 평면에서 볼때, 상기 오목부(32)의 상기 점화플러그(22) 및 분사밸브(21)를 연결하는 방향과 직교하는 방향의 폭이, 상기 점화 플러그(22)의 아래쪽에 대응되는 위치로부터 상기 분사밸브(21)의 아래쪽에 대응하는 위치로 행하여 넓게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 통내분사 엔진의 피스톤.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 오목부(32)는, 상기 피스톤의 평면에서 볼때, 상기 오목부(32)의 상기 점화 플러그측의 둘레 테두리부와 상기 분사밸브측의 둘레 테두리부가 매끄럽게 연속되어 있는 것을 특징으로 하는 통내분사 엔진의 피스톤.
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