KR100537980B1

KR100537980B1 - 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤의 오메가 형상 연소실

Info

Publication number: KR100537980B1
Application number: KR10-2003-0095376A
Authority: KR
Inventors: 김현철; 강우
Original assignee: 자동차부품연구원
Priority date: 2003-12-23
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2005-12-21
Also published as: KR20050064099A

Abstract

본 발명은 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤으로서, 상기 피스톤의 높이 및 지름을 각각 H와 D라 할 때, 상기 피스톤 핀 홀(Dph)은 상기 피스톤 높이(H)의 0.47∼0.5배이고, 상기 연소실의 총 깊이(Htd)는 상기 피스톤 높이(H)의 0.2∼0.25배이고, 상기 연소실의 지름(Dcc)은 상기 피스톤 지름(D)의 0.46∼0.48배이고, 상기 연소실의 입구 깊이(Hd)는 상기 연소실의 총 깊이(Htd)의 0.23∼0.24배이고, 상기 연소실의 중앙 돌출부 경사면의 길이(L)는 상기 피스톤 지름(D)의 0.15∼0.16배이고, 상기 연소실의 중앙 돌출부의 중심 반경(Rc)은 상기 피스톤 지름(D)의 0.098∼0.1배이며, 상기 연소실에서 분사도달거리를 형성하는 상기 연소실의 내부 반경(Rin)은 상기 피스톤 지름(D)의 0.07∼0.08배로서, 상기 연소실의 형상이 오메가 형상을 이루는 최적 연소실 형상을 가지므로서, 180bar 이상의 연소압력에 대응할 수 있고, 최적의 연소를 달성하며, 연소 후의 배출가스 역시 감소되며, 주행거리 100만 Km에서의 내구에도 신뢰도가 확보되며, 연소실의 가공시간 및 비용이 절감되는 효과를 가진다.

Description

디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤의 오메가 형상 연소실{OMEGA-SAHPED COMBUSTION CHAMBER OF AN ARTICULATED STEEL FORGING PISTON FOR USE IN A DIESEL ENGINE}

본 발명은 디젤엔진용 분절(articulatd) 스틸 단조 피스톤에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피스톤 크라운의 연소실 형상을 최적화함으로써 180bar이상의 고압 폭발압력에 대응할 수 있는 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 일반적인 디젤엔진의 연소실 형상은 모두 알루미늄 합금으로 구성되어 있으며, 그 형상은 얕은 접시형, 깊은 접시형, 트로이달형, 리엔트런트형, 마우라형 및 구상형 등이 있지만, 이러한 기존의 알루미늄 합금 피스톤으로는 고성능, 고출력의 트럭 및 버스와 같은 디젤 사용차량에서 발생하는 180bar 이상의 연소압력에 대처할 수 없었으므로, 새로운 개념의 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤이 적용되고 있다. 이러한 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤은 대형의 상용차량뿐만 아니라 종소형 차량에 까지 모두 적용시킬 수 있을 뿐만 아니라 2사이클 기관과 선박용 디젤엔진에도 적용이 가능한 것이다.

그렇지만, 연소 후 생성되는 유해 배출가스는 분사되는 연료의 특성과 분사된 연료와 공기가 혼합되는 연소실의 기하학적 형상에 따라 크게 좌우되는 것이므로, 180bar 이상의 연소압력에 대응할 수 있을 뿐만 아니라, 고성능 디젤엔진의 연소압력 및 열응력에 적합한 형상으로서 연료와 공기로 이루어진 혼합기를 효과적으로 혼합시켜서 최적의 연소를 달성해야 하며, 연소 후 발생하는 배출가스 역시 저감시켜야 하며, 주행거리 100만 Km에서의 내구에도 신뢰도가 확보되어야 하며, 연소실의 가공시간 및 가공비용이 절감될 수 있어야 하는 과제가 있다.

따라서, 본 발명은 이에 따라 안출된 것으로, 그 목적은 상기 과제를 만족시킬 수 있는 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤의 오메가 형상 연소실을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤의 연소실은 상기 피스톤의 높이 및 지름을 각각 H와 D라 할 때, 상기 피스톤 핀 홀(Dph)은 상기 피스톤 높이(H)의 0.47∼0.5배이고, 상기 연소실의 총 깊이(Htd)는 상기 피스톤 높이(H)의 0.2∼0.25배이고, 상기 연소실의 지름(Dcc)은 상기 피스톤 지름(D)의 0.46∼0.48배이고, 상기 연소실의 입구 깊이(Hd)는 상기 연소실의 총 깊이(Htd)의 0.23∼0.24배이고, 상기 연소실의 중앙 돌출부 경사면의 길이(L)는 상기 피스톤 지름(D)의 0.15∼0.16배이고, 상기 연소실의 중앙 돌출부의 중심 반경(Rc)은 상기 피스톤 지름(D)의 0.098∼0.1배이며, 상기 연소실에서 분사도달거리를 형성하는 상기 연소실의 내부 반경(Rin)은 상기 피스톤 지름(D)의 0.07∼0.08배로서, 상기 연소실의 형상이 오메가 형상을 이루는 최적 연소실 형상을 가지게 된다.

본 발명에 의하면, 180bar 이상의 연소압력에 대응할 수 있고, 최적의 연소를 달성하며, 연소 후의 배출가스 역시 저감되며, 주행거리 100만 Km에서의 내구에도 신뢰도가 확보되며, 연소실의 가공시간 및 비용이 절감되는 효과를 가진다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤의 오메가 형상 연소실을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤중 연소실을 포함한 피스톤 트라운 부분의 단면를 도시하고 잇다. 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤은 전체적으로 두부분으로 구성되는 바, 스틸(SCM440H)로 이루어진 피스톤 크라운 부분(10)과, 이 크라운 부분의 하부에 중합되어 결합되는 알루미늄 합금(AC8A)으로 이루어진 스커트 부분(도시하지 않음)으로 구성된다. 도 1에 도시된 바와 같은 피스톤 크라운 부분(10)은 연소가스에서 받은 열을 효과적으로 주위에 전달하고 연소압력에 대한 강도 및 고온 연소가스에 의한 열 충격에 견디는 오메가 형상으로 중앙에 위치하여 연소가 이루어지는 연소실(20)과, 연소가스의 누설을 방지하는 톱 링(30)과, 연소가스의 누설 방지 및 윤활유의 양을 조정하는 세컨드 링(40)과, 윤활유의 양을 조정하는 오일 링(50)으로 이루어지고, 또한, 알루미늄 합금의 스커트 부분과 중합되어 연소시 발생하는 고온의 열응력을 저감시키는 개방형 냉각 갤러리(60)와, 연소로 인한 고압의 폭발력을 커넥팅 로드로 전달하는 연결부로서의 피스톤 핀의 삽입에 의해 피스톤 크라운 부분(10)과 스커트 부분이 체결하도록 구성된 피스톤 핀 홀(70)과, 상기 피스톤 핀과 피스톤 핀 홀(70)과의 사이의 마모를 방지하도록 설치된 부시(80)로 이루어진다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤의 연소실 형상은 180bar 이상의 고압 폭발압력에 대응하기 위하여, FEM(Finite Element Method) 및 CFD(Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 통하여 가공 특성 및 연소 압력에 대한 강도, 고온 연소가스에 의한 열응력 환경을 고려하여 최적화시킨 것으로, 피스톤의 높이 및 지름을 각각 H와 D라 할 때, 도 2에 도시된 바와 같이, 피스톤 핀 홀의 지름(Dph)은 피스톤 높이(H)의 0.47∼0.5배, 즉 Dph=0.47∼0.5H이고, 연소실의 총 깊이(Htd)는 피스톤 높이(H)의 0.2∼0.25배, 즉 Htd=0.2∼0.25H이고, 연소실의 지름(Dcc)은 피스톤 지름(D)의 0.46∼0.48배, 즉 Dcc=0.46∼0.48D이고, 연소실의 입구 깊이(Hd)는 연소실의 총 깊이(Htd)의 0.23∼0.24배, 즉 Hd=0.23∼0.24Htd이고, 연소실의 중앙 돌출부 경사면의 길이(L)는 피스톤 지름(D)의 0.15∼0.16배, 즉 L=0.15∼0.16D이고, 연소실의 중앙 돌출부의 중심 반경(Rc)는 피스톤 지름(D)의 0.098∼0.1배, 즉 Rc=0.098∼0.1D이며, 연소실에서 분사도달거리를 형성하는 연소실의 내부 반경(Rin)은 피스톤 지름(D)의 0.07∼0.08배, 즉 Rin=0.07∼0.08D로서, 연소실(20)의 형상이 오메가 형상을 이루므로서 분사된 연료는 원을 형성하여 움직이면서 압축 착화연소를 행한다.

이러한 오메가 형상의 연소실을 사용하면, 흡기 포트를 통하여 유입되는 공기와 인젝터를 통하여 분사되는 연료를 효과적으로 혼합시킴으로서 본 발명의 분절 스틸 단조 피스톤의 연소실을 장착하는 디젤엔진은 최적의 효율을 달성하게 되며, NOx, CO, 미연 HC 및 PM의 배출이 감소되는 것이 실험으로 입증되었다.

실험에 의하면, CO는 1.1g/km, THC는 0.22g/km, NOx는 0.95g/km 그리고 PM은 0.11g/km의 규제치를 가지는 CVS 75 모드를 사용하여 배출가스 측정을 한 결과, 기존 디젤 엔진의 CO는 0.946g/km, THC는 0.132g/km, NOx는 0.794g/km, 그리고 PM은 0.073g/km이지만, 본 발명에 따라 최적 설계된 연소실을 가지는 분절 피스톤을 탑재한 고성능 디젤엔진의 CO는 0.821g/km, THC는 0.118g/km, NOx는 0.739g/km, 그리고 PM은 0.068g/km을 나타내므로서, 본 발명의 연소실 형상이 전반적으로 배출가스를 저감시키는 효과를 가짐을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명의 분절 스틸 단조 피스톤의 오메가 형성 연소실을 장착한 디젤엔진은 일반 디젤엔진보다 연소압력을 상승시킴으로써 향상된 출력을 통하여 디젤 차량에 대한 소비자의 요구를 만족시킬 수 있으며 원활한 연소를 조성하여 배출가스의 저감 효과를 가지는 것이다.

또한, 본 발명의 분절 스틸 단조 피스톤의 오메가 형상 연소실은 피스톤 내구 시험기를 통하여 주행거리 100만 Km에 해당하는 실험을 실시함으로써 오메가 형상 연소실의 내구신뢰성을 확인하였다.

한편, 연소실이 깊으면 입자상물질(Particulate Matter), HC 및 NOx의 발생율이 높은 경향이 있으며, 소재가 고강도이므로, 가공시 절삭공구의 수명 및 작업영역을 고려하여 본 발명은 연소실의 깊이 및 반경까지 시뮬레이션을 통하여 최적화함으로써 고강도의 스틸 단조 피스톤의 연소실 가공시간 및 비용을 절감할 수 있도록 한 것이다.

이상과 같은 본 발명에 따른 분절형 스틸 단조 피스톤의 오메가 형상 연소실은 대형 상용차량에서부터 중소형의 디젤 승용차량에 까지 모두 적용시킬 수 있을 뿐만 아니라 2 사이클 기관과 선박용 디젤엔진에도 적용이 가능한 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤의 오메가 형상 연소실은 180bar 이상의 연소압력에 대응할 수 있고, 최적의 연소를 달성하며, 연소 후의 배출가스 역시 저감되며, 주행거리 100만 Km에서의 내구에도 신뢰도가 확보되며, 연소실의 가공시간 및 비용이 절감되는 효과를 가진다.

이상에 설명한 바와 같은 본 발명의 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤의 오메가 형상 연소실은 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변경내지 변형 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신에 포함된다고 보아야 할 것이다

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤의 연소실 형상을 나타내는 측면도이고,

도 2는 도 1의 평면도이며,

도 3은 본 발명의 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤의 연소실의 최적화를 위한 유동해석이고,

도 4는 도 3의 최적화를 위한 8개 형상별 구조해석-온도분포이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 피스톤 크라운 20 : 연소실

30 : 톱 링 40 : 세컨드 링

50 : 오일 링 60 : 개방형 냉각 갤러리

70 : 피스톤 핀 홀 80 : 부시

Claims

디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤의 연소실에 있어서,

상기 피스톤의 높이 및 지름을 각각 H와 D라 할 때,

상기 피스톤 핀 홀(Dph)은 상기 피스톤 높이(H)의 0.47∼0.5배이고,

상기 연소실의 총 깊이(Htd)는 상기 피스톤 높이(H)의 0.2∼0.25배이고,

상기 연소실의 지름(Dcc)은 상기 피스톤 지름(D)의 0.46∼0.48배이고,

상기 연소실의 입구 깊이(Hd)는 상기 연소실의 총 깊이(Htd)의 0.23∼0.24배이고,

상기 연소실의 중앙 돌출부 경사면의 길이(L)는 상기 피스톤 지름(D)의 0.15∼0.16배이고,

상기 연소실의 중앙 돌출부의 중심 반경(Rc)은 상기 피스톤 지름(D)의 0.098∼0.1배이며,

상기 연소실에서 분사도달거리를 형성하는 상기 연소실의 내부 반경(Rin)은 상기 피스톤 지름(D)의 0.07∼0.08배로서,

오메가 형상을 이루는 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤의 연소실.