KR100503818B1 - Piston for medium and heavy duty spark ignition lean burn engine - Google Patents

Piston for medium and heavy duty spark ignition lean burn engine Download PDF

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Abstract

본 발명은 가급적 최단시간에 연소를 마치는 급속연소가 가능한 중대형 점화착화 희박연소 엔진용 피스톤에 관한 것이다.The present invention relates to a piston for a medium to large ignition ignition lean combustion engine capable of rapid combustion in which combustion is completed in the shortest possible time.

본 발명에 따른 중대형 점화착화 희박연소 엔진용 피스톤은, 상기 피스톤의 상단에 연소실의 일부를 이루도록 오목하게 보울(bowl)형 요부(凹部)가 형성되는 피스톤 헤드부와; 상기 피스톤의 상단부 외주면을 따라 복수 개의 링 홈이 소정의 간격을 두고 형성되며, 상기 각각의 링 홈에 압축링 또는 오일링이 끼워지는 링부; 및 상기 피스톤의 하단에 형성되어 피스톤이 상하 왕복운동을 할 때 측압을 받는 스커트부를 포함하고, 상기 피스톤 헤드부에 형성되는 보울형 요부의 측벽은 상기 피스톤 헤드부의 상단면과 소정의 각도(α)를 이루면서 내측 하방으로 기울어져 내려가는 제 1 경사부와, 상기 제 1 경사부의 아래쪽 끝단에서 상기 피스톤 헤드부의 상단면에 대하여 수직하게 하방으로 내려가는 수직부와, 상기 수직부의 아래쪽 끝단에서 이 수직부와 소정의 각도(β)를 이루면서 내측 하방으로 기울어져 내려가는 제 2 경사부를 포함한다.A piston for a medium to large ignition ignition lean combustion engine according to the present invention includes: a piston head portion in which a bowl-shaped recess is formed to form a part of a combustion chamber at an upper end of the piston; A ring portion in which a plurality of ring grooves are formed at predetermined intervals along an outer circumferential surface of the upper end of the piston, and a compression ring or an oil ring is fitted into each of the ring grooves; And a skirt portion formed at a lower end of the piston to receive side pressure when the piston reciprocates up and down, wherein the side wall of the bowl-shaped recess formed in the piston head portion has a predetermined angle α with the upper surface of the piston head portion. A first inclined portion inclined downward inwardly downward, a vertical portion descending downwardly perpendicularly to an upper end surface of the piston head portion at a lower end of the first inclined portion, and a predetermined portion at the lower end of the vertical portion; It comprises a second inclined portion inclined downward inwardly while forming an angle β.

Description

중대형 점화착화 희박연소 엔진용 피스톤{PISTON FOR MEDIUM AND HEAVY DUTY SPARK IGNITION LEAN BURN ENGINE}Piston for medium and large ignition ignition lean burn engines {PISTON FOR MEDIUM AND HEAVY DUTY SPARK IGNITION LEAN BURN ENGINE}

본 발명은 차량 엔진용 피스톤에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가급적 최단시간에 연소를 마치는 급속연소가 가능한 중대형 점화착화 희박연소 엔진용 피스톤에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piston for a vehicle engine, and more particularly, to a piston for a medium to large ignition lean lean combustion engine capable of rapid combustion in which combustion is completed in the shortest possible time.

일반적으로 차량용 엔진에 있어서, 피스톤은 실린더 내부를 왕복운동하며 동력행정에서 고온, 고압의 가스 압력을 받아 이것이 커넥팅 로드를 통해 크랭크 샤프트에 회전력을 발생시키는 일을 한다.In general, in a vehicle engine, a piston reciprocates inside a cylinder and receives a gas pressure of high temperature and high pressure in a power stroke, which generates rotational force on the crankshaft through a connecting rod.

가솔린 기관은 흡입되는 공기에 기화기나 연료분사기로 가솔린을 공급하여 연소 가능한 혼합비(13~18:1)을 갖는 혼합기를 형성한 후, 이를 전기 불꽃으로 점화한다. 불꽃은 화염면을 형성하여 매초 10수~수10m의 속도로 전파되어 연소가 완료된다.The gasoline engine supplies gasoline to the sucked air with a carburetor or a fuel injector to form a mixer having a combustible mixing ratio (13 to 18: 1), and then ignites it with an electric flame. The flame forms a flame surface and propagates at a rate of 10 to 10 m per second to complete combustion.

반면에, 디젤 기관은 공기만을 흡입 압축하여 고온, 고압이 된 실린더 안에 경유를 분사하여 자기 착화시킨다. 분사된 연료는 착화 지연기간이 지난 다음, 혼합비가 가장 적합한 위치에서 1개 또는 몇 개의 착화핵(着火核)이 형성되어 연소는 폭발적으로 진행된다.On the other hand, the diesel engine inhales and compresses only air and injects light oil into a cylinder at high temperature and high pressure to self-ignite. The injected fuel has a ignition delay period, and then one or several ignition nuclei are formed at a position where the mixing ratio is most suitable, and the combustion proceeds explosively.

이와 같이 가솔린 기관과 디젤 기관은 연소방식이 달라서 연소실의 일부를 구성하게 되는 피스톤의 형상 또한 서로 다르게 제작된다. 즉 가솔린 기관에서는 전기점화로 연소가 시작되기 때문에 9~10 정도의 압축비를 유지하며 연소에 유리하도록 피스톤의 형상이 결정된다. 하지만, 디젤 기관은 자기 착화로 연소가 진행되기 때문에 압축비가 약 16~20 정도로 높으며, 따라서 흔히 사용되는 디젤 기관의 피스톤은 그 헤드부에 반원형으로 오목하게 파여진 요(凹)부를 형성하도록 제작되는 것이 일반적이다.As such, the gasoline engine and the diesel engine have different combustion methods, and thus the pistons that form part of the combustion chamber are also manufactured differently. That is, in the gasoline engine, since combustion starts by electric ignition, the shape of the piston is determined to maintain the compression ratio of about 9 to 10 and favor the combustion. However, the diesel engine has a high compression ratio of about 16 to 20 because combustion proceeds by self-ignition, and therefore, a piston of a diesel engine, which is commonly used, is manufactured to form a recess that is semicircularly concave in its head. Is common.

중대형 점화착화식 엔진용 피스톤은 일반적인 중소형 가솔린 기관의 피스톤을 사용할 수 없으며, 기존의 대형 디젤기관의 피스톤을 개조하여 압축비를 점화착화용으로 낮추어 사용하였다. 따라서, 도 5 및 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 피스톤 헤드부에 반원형의 오목한 요부(52)가 형성되어 실린더(미도시) 내부와 함께 연소실의 일부를 이루게 된다.The pistons for medium and large ignition engines cannot use the pistons of ordinary small and medium-sized gasoline engines. The pistons of the existing large diesel engines are modified to reduce the compression ratio for ignition ignition. Accordingly, as shown in FIGS. 5 and 6, a semicircular concave recess 52 is formed in the piston head to form a part of the combustion chamber together with a cylinder (not shown).

이렇게 개조된 피스톤(50)은 일반적인 정상운전 시에는 문제가 발생하지 않지만, 엔진의 열부하 감소나 열효율의 증가 등의 이점을 얻기 위해서 적용되는 희박연소(Lean Burn)에서는 급속연소를 이루지 못하여 운전성능이 오히려 크게 떨어지게 된다.Piston 50 modified in this way does not cause a problem during normal operation, but in the case of the lean burn applied in order to obtain the advantages such as reducing the heat load of the engine or increase the thermal efficiency, it does not achieve rapid combustion and operating performance is poor Rather, it falls greatly.

즉, 희박연소방식은 상대적으로 펌핑손실이 적고, 정상연소보다 비열비가 증가함으로써 엔진열효율이 향상될 뿐만 아니라, 연소최고온도가 낮아짐으로써 질소산화물(NOx)이 현저히 감소되며 완전연소로 인한 일산화탄소(CO)가 감소하여 유해배출가스가 줄어드는 장점이 있으나, 종래의 중대형 엔진용 피스톤으로는 급속연소를 이루지 못하고 희박연소 시 공연비가 희박해 짐에 따라 연소가 불안정하게 되어 토오크 변동을 초래하는 등의 단점을 가지게 된다.In other words, the lean combustion method has a relatively low pumping loss, an increase in specific heat ratio than normal combustion, and not only improves the engine thermal efficiency, but also reduces the nitrogen oxide (NOx) by lowering the maximum combustion temperature. However, there is a merit that the harmful emissions are reduced due to the decrease of) .However, the conventional pistons for medium and large engines do not achieve rapid combustion , and the combustion ratio becomes unstable as the air-fuel ratio becomes lean during lean combustion, resulting in torque fluctuations. Have.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 스퀴시 면적을 증가시키고 충분한 화염면적을 확보할 수 있도록 피스톤의 헤드부 부분의 형상을 최적화시킴으로써, 강한 난류강도 확보 및 연소 안정성을 이룰 수 있고 점화시기의 최적화 및 희박운전한계의 연장이 가능한 중대형 점화착화 희박연소 엔진용 피스톤을 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, the object of which is to secure a strong turbulence strength and combustion by optimizing the shape of the head portion of the piston to increase the squish area and to ensure a sufficient flame area It is to provide a piston for a medium to large ignition ignition lean combustion engine that can achieve stability and optimize the ignition timing and extend the lean driving limit.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 실린더 내를 상하 왕복운동하면서 폭발행정에서 받은 압력을 커넥팅 로드를 통하여 크랭크축에 전달하여 회전력을 발생시키고 흡입, 압축, 배기행정에서는 크랭크축으로부터 동력을 전달받아 작용하는 엔진용 피스톤에 있어서, 상기 피스톤의 상단에 연소실의 일부를 이루도록 오목하게 보울(bowl)형 요부(凹部)가 형성되는 피스톤 헤드부와; 상기 피스톤의 상단부 외주면을 따라 복수 개의 링 홈이 소정의 간격을 두고 형성되며, 상기 각각의 링 홈에 압축링 또는 오일링이 끼워지는 링부; 및 상기 피스톤의 하단에 형성되어 피스톤이 상하 왕복운동을 할 때 측압을 받는 스커트부를 포함하고, 상기 피스톤 헤드부에 형성되는 보울형 요부의 측벽은 상기 피스톤 헤드부의 상단면과 기 설정된 각도(α)를 이루면서 내측 하방으로 기울어져 내려가는 제 1 경사부와, 상기 제 1 경사부의 아래쪽 끝단에서 상기 피스톤 헤드부의 상단면에 대하여 수직하게 하방으로 내려가는 수직부와, 상기 수직부의 아래쪽 끝단에서 이 수직부와 기 설정된 각도(β)를 이루면서 내측 하방으로 기울어져 내려가는 제 2 경사부를 포함하는 중대형 점화착화 희박연소 엔진용 피스톤을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention transmits the pressure received from the explosion stroke to the crankshaft through the connecting rod while reciprocating in the cylinder up and down to generate a rotational force and transfer power from the crankshaft in the suction, compression, exhaust An engine piston for receiving a function, comprising: a piston head portion formed with a concave bowl-shaped recess at an upper end of the piston to form part of a combustion chamber; A ring portion in which a plurality of ring grooves are formed at predetermined intervals along an outer circumferential surface of the upper end of the piston, and a compression ring or an oil ring is fitted into each of the ring grooves; And a skirt portion formed at a lower end of the piston to receive side pressure when the piston reciprocates up and down, wherein the side wall of the bowl-shaped recess formed in the piston head portion has a predetermined angle α with the upper surface of the piston head portion. A first inclined portion inclined downward inwardly downward, a vertical portion descending vertically downward from the lower end of the first inclined portion relative to an upper end surface of the piston head portion, and the vertical portion and the Provided is a piston for a medium to large ignition ignition lean burn engine including a second inclined portion inclined downward inwardly while forming a set angle β.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 점화착화 희박연소 엔진용 피스톤을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 평면도이며, 도 3은 도 1의 A-A 방향에서 본 단면도이다.1 is a perspective view showing a ignition ignition lean combustion engine piston according to the present invention, Figure 2 is a plan view of Figure 1, Figure 3 is a cross-sectional view seen from the A-A direction of FIG.

피스톤(10)은 기본적으로 실린더 내를 상하 왕복운동하면서 폭발행정에서 받은 압력을 커넥팅 로드(미도시)를 통하여 크랭크축(미도시)에 전달하여 회전력을 발생시키고 흡입, 압축, 배기행정에서는 크랭크축으로부터 동력을 전달받아 작용하는 것으로, 크게 연소실의 일부를 이루는 피스톤 헤드부(12), 압축링 또는 오일링이 끼워지는 링부(20), 및 그 하단의 스커트부(23)를 포함하여 이루어진다.The piston 10 basically transfers the pressure received from the explosion stroke to the crankshaft (not shown) through the connecting rod (not shown) while reciprocating up and down the cylinder to generate rotational force, and the crankshaft in the suction, compression, and exhaust stroke. It acts by receiving power from the piston, and comprises a piston head portion 12, a ring portion 20 to which the compression ring or oil ring is fitted, and a skirt portion 23 at the bottom thereof.

피스톤 헤드부(12)는 피스톤(10) 상단에 오목한 보울(bowl) 형상으로 형성되는 요부(凹部)(19)를 포함하며, 이러한 요부(19)는 실린더(미도시) 내부와 함께 연소실의 일부를 구성하게 된다.The piston head 12 includes a recess 19 formed in a concave bowl shape on top of the piston 10, which recess 19 is part of the combustion chamber together with a cylinder (not shown). Will be configured.

요부(19)의 측벽은 경사각도에 따라 세 부분, 즉 제 1 경사부(14), 수직부(16), 제2 경사부로 구분된다.The side wall of the recess 19 is divided into three parts according to the inclination angle, that is, the first inclination part 14, the vertical part 16, and the second inclination part.

도 3을 참조하면, 제 1 경사부(14)는 피스톤 헤드부(12)의 상단면과 소정의 각도(α)를 이루면서 요부(19)의 내측 하방으로 기울어져 내려간다. 이 때, 제 1 경사부(14)의 표면과 피스톤 헤드부(12)의 상단면이 이루는 각도(α)는 130°내지 140°의 범위에 속하도록 제작하는 것이 바람직하다. 130°미만일 경우는 수직부(16)가 줄어들게 됨에 따라 화염면적 확보에 불리한 문제점이 있고, 140°초과일 경우는 상부의 스퀴시 면적이 줄어듦에 따라 강한 난류강도의 확보가 어려운 문제점이 있다.Referring to FIG. 3, the first inclined portion 14 is inclined downward toward the inner side of the recess 19 while forming a predetermined angle α with the upper end surface of the piston head portion 12. At this time, it is preferable to manufacture so that the angle (alpha) which the surface of the 1st inclination part 14 and the upper end surface of the piston head part 12 make exists in the range of 130 degrees-140 degrees. If the angle is less than 130 °, there is a disadvantage in that the flame area is secured as the vertical portion 16 is reduced, and if the angle exceeds 140 °, the turbulence strength is difficult to secure as the area of the upper squish is reduced.

수직부(16)는 제 1 경사부(14)의 아래쪽 끝단에서 피스톤 헤드부(12)의 상단면에 대하여 수직하게 하방으로 내려간다.The vertical portion 16 descends downwardly perpendicular to the top surface of the piston head portion 12 at the lower end of the first inclined portion 14.

이와 같이 요부(19)의 측벽에 제 1 경사부(14)와 수직부(16)를 구비함으로써 요부(19)의 전체 부피(V)를 종래와 동일하게 유지하면서 화염과의 접촉면적(S)을 넓힐 수 있다. 따라서, 면적에 대한 부피비를 종래에 비하여 작게 할 수 있다.Thus, by providing the first inclined portion 14 and the vertical portion 16 on the side wall of the recessed portion 19, the contact area S with the flame while maintaining the entire volume V of the recessed portion 19 as in the prior art. You can widen it. Therefore, the volume ratio with respect to area can be made small compared with the past.

피스톤(10)과 실린더헤드(미도시) 사이의 좁은 공간에서 압축행정 말기에 피스톤의 상승운동으로 연소실 내측으로의 가스의 유동이 발생하는데, 이를 스퀴시(squish) 유동이라 한다. 이러한 스퀴시 유동은 연소실 중앙으로 향하는 난류를 생성시켜 화염 전파속도를 증대시키는 역할을 한다.In the narrow space between the piston 10 and the cylinder head (not shown), the upward movement of the piston at the end of the compression stroke generates a flow of gas into the combustion chamber, which is called a squish flow. This squeegee flow creates a turbulent flow towards the center of the combustion chamber and serves to increase the flame propagation rate.

본 발명의 피스톤 헤드부(12)에 따르면, 요부(19)의 면적에 대한 부피비를 작게 함으로써 스퀴시 유동이 보다 활발하게 일어나도록 할 수 있고, 이로 인하여 희박연소 시 유리한 연료의 성층화(연료와 공기를 분리하여 연료성분이 점화기 주위에 모이는 현상)가 이루어지도록 할 수 있다. 또한, 스퀴시 유동이 발생할 수 있는 면적(스퀴시 면적)이 증가하게 되면 연소 시 압축 말기에 강한 난류강도를 확보할 수 있으므로 점화 시 급속연소가 가능하여 희박운전한계의 확장에 매우 유리하게 된다.According to the piston head portion 12 of the present invention, by reducing the volume ratio with respect to the area of the recessed portion 19, the squishy flow can be more active, thereby resulting in advantageous stratification of fuel (lean fuel and air) To separate the fuel components around the igniter). In addition, if the area (squeegee area) where the squeegee flow can be increased, strong turbulence strength can be secured at the end of the compression during combustion, so it is possible to rapidly burn during ignition, which is very advantageous for the expansion of the lean driving limit.

제 2 경사부(18)는 수직부(16)의 아래쪽 끝단에서 이 수직부(16)와 소정의 각도(β)를 이루면서 요부(19)의 내측하방으로 기울어져 내려간다. 이 때, 제 2 경사부(18)의 표면과 수직부(16)의 표면이 만나서 이루는 각도(β)는, 수직부(16)의 표면을 기준으로 설정되는 것으로, 130°내지 140°의 범위에 속하도록 제작하는 것이 바람직하다. 140°초과일 경우는 수직부(16)가 줄어들게 됨에 따라 화염면적의 확보에 불리한 문제점이 있고, 130°미만일 경우는 하기에 설명할 오일 갤러리(25)로부터 너무 너무 가깝게 됨에 따라 피스톤의 내구 안정성에 불리한 문제점이 있다.The second inclined portion 18 is inclined downward from the lower end of the vertical portion 16 to form a predetermined angle β with the vertical portion 16 at the inner side of the recessed portion 19. At this time, the angle β formed between the surface of the second inclined portion 18 and the surface of the vertical portion 16 is set based on the surface of the vertical portion 16 and ranges from 130 ° to 140 °. It is preferable to manufacture so that it belongs to. If it exceeds 140 °, there is a disadvantage in securing the flame area as the vertical portion 16 is reduced, and if it is less than 130 °, the endurance stability of the piston is too close from the oil gallery 25 to be described below. There is a disadvantage.

피스톤(10)의 상단 요부(19)와 링부(20)의 사이에는 오일 갤러리(25)가 구비된다. 이러한 오일 갤러리(25)는 피스톤의 내구성을 유지하기 위해서는 필수적으로 구비되어야 하는 요소이며, 제 2 경사부(18)를 둠으로써 강한 충격에 노출되는 피스톤 헤드부(12)의 요부(19)로부터 적정한 거리를 유지하여 파손되는 것을 방지할 수 있다. 일례로, 제 2 경사부(18)와 오일 갤러리(25) 간의 거리를 대략 1.0cm 정도로 유지할 수 있다.An oil gallery 25 is provided between the upper recess 19 and the ring 20 of the piston 10. The oil gallery 25 is an essential element in order to maintain the durability of the piston, and is appropriate from the recess 19 of the piston head 12 exposed to strong impact by providing the second inclined portion 18. The distance can be kept to prevent breakage. For example, the distance between the second inclined portion 18 and the oil gallery 25 may be maintained at about 1.0 cm.

한편, 본 발명에 따른 피스톤 헤드부(12)는 연소실 하단 두께를 1.0cm로 유지한 상태에서 상단면 직경(D)에 대한 요부(19)의 깊이(P)의 퍼센트비(%比, P/D×100)가 17 내지 21%의 범위에 속하도록 하는 것이 바람직하다. 이 때, 17% 미만일 경우에는 피스톤의 탑 랜드(top land: 피스톤 상단면과 가장 위쪽에 위치하는 링홈의 사이부분)부가 낮아짐으로써 피스톤의 열적 내구성에 문제점이 발생할 수 있으며, 21% 초과일 경우는 노킹현상의 억제효과가 발생하지 않는 문제점이 있다. On the other hand, the piston head 12 according to the present invention is a percentage ratio (% ratio, P / of the depth P of the recessed portion 19 to the top surface diameter (D) while maintaining the combustion chamber bottom thickness at 1.0 cm D x 100) is preferably in the range of 17 to 21%. At this time, when the piston is less than 17%, the top land of the piston is lowered, and the thermal durability of the piston may be lowered. There is a problem that the suppression effect of the knocking phenomenon does not occur.

이러한 범위는 디젤엔진 피스톤을 개조하여 제작하던 종래의 중대형 점화착화식 엔진용 피스톤의 탑 랜드(top land: 피스톤 상단면과 가장 위쪽에 위치하는 링홈의 사이부분)의 위쪽을 약간 절삭한 형태의 것이다. 이렇게 함으로써 과도한 압축으로 인한 노킹현상의 발생을 억제할 수 있게 된다.This range is a slightly cut top of the top land of the piston for a conventional medium / large ignition type engine which was manufactured by remodeling a diesel engine piston. . By doing so, it is possible to suppress the occurrence of knocking phenomenon due to excessive compression.

제 1 경사부(14)와 수직부(16)가 만나서 이루는 볼록부와, 수직부(16)와 제 2 경사부(18)가 만나서 이루는 오목부는 가급적 완곡하게 이루어지도록 제작하는 것이 바람직하다.It is preferable that the convex portion formed by the first inclined portion 14 and the vertical portion 16 meet and the concave portion formed by the vertical portion 16 and the second inclined portion 18 meet as smoothly as possible.

링부(20)는 피스톤(10)의 상단부 외주면을 따라 복수 개의 링 홈(21)이 소정의 간격을 두고 형성되며, 각각의 링 홈(21)에는 압축링 또는 오일링이 끼워진다. 링 홈(21)은 필요에 따라 3 내지 4개정도 형성될 수 있으며, 이러한 링 홈(21)에 끼워지는 피스톤 링은 기밀을 유지하고 오일이 연소실로 들어가는 것을 방지하는 역할을 한다.The ring portion 20 has a plurality of ring grooves 21 formed at predetermined intervals along the outer circumferential surface of the upper end of the piston 10, and each ring groove 21 is fitted with a compression ring or an oil ring. The ring groove 21 may be formed about three to four as needed, the piston ring fitted into the ring groove 21 serves to maintain the airtight and to prevent oil from entering the combustion chamber.

스커트부(23)는 피스톤(10)의 하단에 형성되어 피스톤(10)이 상하 왕복운동을 할 때 측압을 받는 부분이다.The skirt 23 is formed at the lower end of the piston 10 and is a portion that receives side pressure when the piston 10 reciprocates up and down.

이하에서는 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, specific embodiments will be described in detail.

실시예Example

각각 종래기술과 본 발명에 따라 11ℓ엔진에 사용되는 피스톤을 제작하였으며, 각각의 피스톤 헤드부 요부의 화염 접촉면적(스퀴시 면적)과 탑 랜드 높이를 측정하였다. 즉 종래기술에 따른 중대형 점화착화식 엔진용 피스톤(이하 '비교예')의 스퀴시 면적은 2782㎟이고 탑 랜드 높이는 15.68㎜이며, 본 발명에 따른 중대형 점화착화식 엔진용 피스톤(이하 '실시예')의 스퀴시 면적은 3590㎟이고 탑 랜드 높이는 14.00㎜이다.In accordance with the prior art and the present invention, the pistons used in the 11L engine were manufactured, and the flame contact area (squish area) and the top land height of the main portion of each piston head were measured. That is, the squish area of the medium-large ignition engine piston according to the prior art (hereinafter 'Comparative Example') is 2782 mm 2 and the top land height is 15.68 mm, the piston for medium-large ignition engine according to the present invention (hereinafter 'Example) The squishy area of ') is 3590 mm 2 and the top land height is 14.00 mm.

이렇게 제작된 각각의 피스톤을 사용하였을 때의 대형 LPG 엔진의 성능안정화 곡선을 도 4와 같이 도출하였다. 엔진실험은 압축비 9.3, 1200rpm, 전부하조건의 동일조건에서 각각 최적의 점화시기를 적용하여 진행하였으며, 각각 300사이클의 압력 데이터를 얻어서 이를 분석하여 연소의 안정성을 판단하였다. 여기서 최적의 점화시기란 엔진실험에서 점화시기를 바꾸어가며 엔진의 연소압력을 측정하고 그 값들로부터 그 점화시기의 출력(imep 또는 bmep)과 안정성(COV)을 계산한다. 이들 중 최고의 출력과 안정성을 보이는 점화시기를 보통 MBT 점화시기라고 하며 이를 최적화된 점화시기라고 한다.As shown in FIG. 4, a performance stabilization curve of a large LPG engine when each piston is manufactured as described above is derived. The engine test was conducted by applying the optimum ignition timing under the same conditions of compression ratio 9.3, 1200rpm, and full load conditions, respectively. Here, the optimum ignition timing is to measure the combustion pressure of the engine by changing the ignition timing in the engine test and calculate the output (imep or bmep) and stability (COV) of the ignition timing from the values. Among them, the ignition timing that shows the best output and stability is usually called MBT ignition timing and this is called optimized ignition timing.

도 4에 나타낸 그래프에서 세로축은 연소의 안정성 성능(COV-imep, Coefficient of imep Variation)을 나타내는 것으로 출력 사이클 변동이 5%를 초과하지 않는 영역이 안정적인 운전이 가능한 영역, 즉 희박운전한계이다. 가로축은 과잉 공기율(Excess air ratio, λ)을 나타내는 것으로, 연료와 공기가 섞이는 비율을 의미하는 것이며 수치가 높을수록 연료가 적게 포함되는 것이다.In the graph shown in FIG. 4, the vertical axis represents the stability performance of combustion (COV-imep, Coefficient of imep Variation), and the region where the output cycle variation does not exceed 5% is a region in which stable operation is possible, that is, a lean operation limit. The horizontal axis represents the excess air ratio (λ), which means the ratio between fuel and air, and the higher the value, the less fuel is included.

도 4에서 보는 바와 같이, 비교예의 경우에는 희박운전한계가 과잉공기율(λ) 1.5 정도까지이지만, 실시예의 경우에는 희박운전한계가 과잉공기율(λ) 1.6 정도까지가 되는 것을 볼 수 있다. 즉 비교예에 비하여 실시예의 경우에 희박운전한계가 확장된 것이다.As shown in FIG. 4, in the case of the comparative example, the lean driving limit is up to about 1.5 excess air ratio (λ), but in the case of the example, the lean driving limit is up to about 1.6 excess air ratio (λ). In other words, the lean driving limit is extended in the case of the example compared with the comparative example.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 중대형 점화착화 희박연소 엔진용 피스톤에 의하면, 스퀴시 면적을 증가시키고 충분한 화염면적을 확보할 수 있도록 피스톤의 헤드부 부분의 형상을 최적화시킴으로써, 강한 난류강도 확보 및 연소 안정성을 이룰 수 있고 점화시기의 최적화 및 희박운전한계의 연장을 달성할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the piston for the medium to large ignition ignition lean combustion engine according to the present invention, by optimizing the shape of the head portion of the piston to increase the squish area and secure a sufficient flame area, to secure a strong turbulence strength and combustion Stability can be achieved and optimizing the ignition timing and extending the lean driving limit can be achieved.

또한, 기존의 디젤엔진용 피스톤을 개조한 피스톤보다 상면을 추가로 절삭하여 탑 랜드의 높이를 줄임으로써 과도한 압축으로 인한 노킹현상의 발생을 억제할 수 있으며 아울러 내구성과 양산성을 확보할 수 있다.In addition, by cutting the top surface further by reducing the height of the top land than the piston remodeling the existing piston for the diesel engine can suppress the occurrence of knocking phenomenon due to excessive compression, and also ensure the durability and mass production.

도 1은 본 발명에 따른 점화착화 희박연소 엔진용 피스톤을 도시한 사시도이다.1 is a perspective view showing a ignition ignition lean combustion piston according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 점화착화 희박연소 엔진용 피스톤을 도시한 평면도이다.2 is a plan view showing a ignition ignition lean combustion engine piston according to the present invention.

도 3은 도 1의 A-A 방향에서 본 단면도이다.3 is a cross-sectional view seen from the direction A-A of FIG. 1.

도 4는 피스톤 형상에 따른 엔진의 연소안정성을 비교한 그래프이다.4 is a graph comparing combustion stability of an engine according to a piston shape.

도 5는 종래의 점화착화 희박연소 엔진용 피스톤을 도시한 평면도이다.Fig. 5 is a plan view showing a conventional ignition ignition lean combustion piston.

도 6은 도 5의 B-B 방향에서 본 단면도이다.FIG. 6 is a cross-sectional view seen from the direction B-B of FIG. 5.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

10: 피스톤 12: 피스톤 헤드부10: piston 12: piston head portion

14: 제 1 경사부 16: 수직부14: first inclined portion 16: vertical portion

18: 제 2 경사부 19: 요부18: second inclined portion 19: main portion

20: 링부 21: 링 홈20: ring 21: ring groove

23: 스커트부 25: 오일 갤러리23: Skirt 25: Oil Gallery

Claims (4)

실린더 내를 상하 왕복운동하면서 폭발행정에서 받은 압력을 커넥팅 로드를 통하여 크랭크축에 전달하여 회전력을 발생시키고 흡입, 압축, 배기행정에서는 크랭크축으로부터 동력을 전달받아 작용하는 엔진용 피스톤에 있어서,In the piston for the engine that acts by receiving power from the crankshaft in the intake, compression, and exhaust strokes by transmitting the pressure received from the explosion stroke to the crankshaft through the connecting rod while reciprocating in the cylinder. 상기 피스톤의 상단에 연소실의 일부를 이루도록 오목하게 보울(bowl)형 요부(凹部)가 형성되는 피스톤 헤드부;A piston head portion in which a bowl-shaped recess is formed to form a part of a combustion chamber at an upper end of the piston; 상기 피스톤의 상단부 외주면을 따라 복수 개의 링 홈이 기 설정된 간격을 두고 형성되며, 상기 각각의 링 홈에 압축링 또는 오일링이 끼워지는 링부; 및A ring portion in which a plurality of ring grooves are formed at predetermined intervals along an outer circumferential surface of the upper end of the piston, and a compression ring or an oil ring is fitted into each of the ring grooves; And 상기 피스톤의 하단에 형성되어 피스톤이 상하 왕복운동을 할 때 측압을 받는 스커트부를 포함하고,It is formed on the lower end of the piston includes a skirt that receives the side pressure when the piston reciprocates up and down, 상기 피스톤 헤드부에 형성되는 보울형 요부의 측벽은 상기 피스톤 헤드부의 상단면과 기 설정된 각도(α)를 이루면서 내측 하방으로 기울어져 내려가는 제 1 경사부와, 상기 제 1 경사부의 아래쪽 끝단에서 상기 피스톤 헤드부의 상단면에 대하여 수직하게 하방으로 내려가는 수직부와, 상기 수직부의 아래쪽 끝단에서 이 수직부와 기 설정된 각도(β)를 이루면서 내측 하방으로 기울어져 내려가는 제 2 경사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 점화착화 희박연소 엔진용 피스톤.The side wall of the bowl-shaped recess formed in the piston head portion has a first inclined portion which is inclined downward inwardly while forming a predetermined angle α with the upper surface of the piston head portion, and the piston at a lower end of the first inclined portion. A medium-sized part including a vertical part which descends downwardly perpendicularly to an upper end surface of the head part, and a second inclined part which tilts downward inwardly at a lower end of the vertical part at a predetermined angle β with the vertical part; Pistons for ignition lean burn engines. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 피스톤 헤드부의 상단면과 상기 제 1 경사부가 만나서 이루는 기 설정된 각도(α)는 상기 제1 경사부의 고정된 중심을 기준으로 130°내지 140°의 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 중대형 점화착화 희박연소 엔진용 피스톤.Medium and large ignition ignition lean burn, characterized in that the predetermined angle (α) formed by the upper surface of the piston head portion and the first inclined portion meets the range of 130 ° to 140 ° with respect to the fixed center of the first inclined portion Pistons for the engine. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 수직부와 상기 제 2 경사부가 만나서 이루는 기 설정된 각도(β)는 상기 제2 경사부의 고정된 중심을 기준으로 130°내지 140°의 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 중대형 점화착화 희박연소 엔진용 피스톤. Piston for medium and large ignition ignition lean combustion engine, characterized in that the predetermined angle (β) formed by the meeting the vertical portion and the second inclined portion is in the range of 130 ° to 140 ° with respect to the fixed center of the second inclined portion . 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 피스톤 헤드부는 연소실 하단 두께를 1.0cm를 유지한 상태에서 상단면 직경(D)에 대한 보울형 요부 깊이(P)의 퍼센트비(%比)가 17 내지 21%의 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 중대형 점화착화 희박연소 엔진용 피스톤.The piston head portion is characterized in that the percent ratio (% ratio) of the bowl-shaped recess depth (P) to the top surface diameter (D) in the range of 17 to 21% while maintaining the bottom thickness of the combustion chamber 1.0 cm Pistons for medium and large ignition lean combustion engines.
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