KR102367794B1

KR102367794B1 - 엔진 조립체

Info

Publication number: KR102367794B1
Application number: KR1020150042187A
Authority: KR
Inventors: 이종윤; 이상열; 이영복; 송창훈; 조자윤
Original assignee: 현대두산인프라코어(주)
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2022-02-25
Also published as: KR20160115120A

Abstract

본 발명은 내연기관의 엔진 조립체에 관한 것이다. 본 발명에 따른 엔진 조립체는 실린더, 상기 실린더 내부에서 왕복이동하는 피스톤, 상기 실린더의 상부에 위치하는 실린더 헤드, 및 상기 실린더 헤드에 장착되고, 상기 실린더 내부로 연료를 분사시키는 인젝터를 포함하고, 상기 실린더 헤드는, 상기 실린더 헤드의 하면에 형성되는 채널입구로부터 상기 실린더 헤드의 하면에 형성되고 상기 채널입구보다 반경 방향 내측에 형성되는 채널출구까지 상기 실린더 헤드를 관통하여 연장되는 흡기안내채널을 포함한다.

Description

엔진 조립체{ENGINE ASSEMBLY}

본 발명은 엔진에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내연기관의 엔진 조립체에 관한 것이다.

일반적으로 직분사식 디젤엔진은 흡입 행정, 압축 행정, 폭발 행정, 배기 행정으로 이루어지는 4행정 기관이다. 흡입 행정에서 연소실 내부는 산소를 포함한 흡기로 충전된다. 압축 행정에서 피스톤이 상승하면서 연소실 내부가 고압이 되고, 피스톤 이 상사점 부근에 이르면 연료 인젝터로부터 연료가 분무된다. 분무된 연료는 폭발 행정에서 충전된 흡기와 혼합된 후 압축 착화되어 연소됨으로써 피스톤이 하강하여 크랭크축을 회전시킨다. 배기 행정에서는 연소된 가스가 외부로 배출된다. 이때 디젤엔진의 일련의 연소 과정 중에서 가장 중요한 것은 분무된 연료와 충전된 흡기와의 혼합이다. 왜냐하면, 분무된 연료와 흡기가 얼마나 균일하게 혼합되었는가는 연소과정에서 배기가스 생성 및 연소 효율에 지배적인 역할을 하기 때문이다. 연료와 흡기의 혼합도를 높이기 위한 방법으로서, 연료 인젝터의 분사압을 높이거나, 고효율 터보차저를 이용하여 연소실 내부를 고압으로 충전시키는 방법이 제안되었다. 그러나 이러한 방법은 추가적인 부품을 요하기 때문에 엔진의 제조비용을 증가시키는 단점이 있다.

KR

20-1999-003271

U

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 고압의 연료 인젝터나 터보차저와 같은 추가적인 부품 없이 흡기와 연료의 혼합도를 향상시킬 수 있는 엔진 조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 실린더; 상기 실린더 내부에서 왕복이동하는 피스톤; 상기 실린더의 상부에 위치하는 실린더 헤드; 및 상기 실린더 헤드에 장착되고, 상기 실린더 내부로 연료를 분사시키는 인젝터를 포함하고, 상기 실린더 헤드는, 상기 실린더 헤드의 하면에 형성되는 채널입구로부터 상기 실린더 헤드의 하면에 형성되고 상기 채널입구보다 반경 방향 내측에 형성되는 채널출구까지 상기 실린더 헤드를 관통하여 연장되는 흡기안내채널을 포함하는 엔진 조립체를 제공할 수 있다.

이때, 상기 채널입구는 상기 채널입구보다 넓은 면적으로 인입하여 형성되는 유도홈의 바닥면에 형성되고, 상기 피스톤의 상면에는 상기 유도홈에 삽입되는 돌출부가 형성될 수 있다.

또한, 상기 흡기안내채널은 상기 채널입구로부터 상기 채널출구로 갈수록 단면적이 감소할 수 있다.

또한, 상기 흡기안내채널은 복수로 구비되고, 상기 인젝터를 중심으로 방사형으로 배치될 수 있다.

또한, 상기 돌출부의 상면과 측면 사이의 각도는 90도 내지 100도일 수 있다. 또한, 상기 유도홈의 바닥면과 측면 사이의 각도도 90도 내지 100도일 수 있으며, 상기 유도홈의 상기 바닥면과 상기 측면 사이의 각도는 상기 돌출부의 상기 상면과 상기 측면 사이의 각도 이하일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 흡기안내채널에 의해 연소실의 가장자리에 위치하는 흡기가 인젝터 주변으로 이동됨으로써 흡기와 연료의 혼합도가 향상되는 효과가 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 흡기안내채널의 단면적이 채널입구에서 채널출구로 갈수록 감소됨으로써, 채널출구를 통해 배출되는 흡기가 빠른 속력을 가질 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 실린더 헤드에 유도홈이 형성되고, 흡기안내채널의 채널입구가 유도홈의 바닥면에 형성되며, 피스톤의 상면에 유도홈에 삽입되는 돌출부가 형성됨으로써, 흡기가 더욱 원활하게 흡기안내채널로 유입될 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 피스톤의 돌출부의 상면과 측면 사이의 각도가 90보다 크게 형성됨으로써, 피스톤의 상승 시 돌출부가 실린더 헤드를 타격하여 손상시키는 것이 방지된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 조립체의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 조립체의 실린더 헤드의 저면도이다.
도 3은 도 2의 A-A선에 따른 단면도이다.
도 4 및 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 조립체에 있어서 압축 행정의 작동 과정을 순차적으로 도시하는 작동상태도이다.
도 6은 도 5의 B부분의 확대도이다.
도 7은 도 6의 C부분의 확대도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 조립체의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 조립체의 실린더 헤드의 저면도이며, 도 3은 도 2의 A-A선에 따른 단면도이다. 도 4 및 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 조립체에 있어서 압축 행정의 작동 과정을 순차적으로 도시하는 작동상태도이고, 도 6은 도 5의 B부분의 확대도이며, 도 7은 도 6의 C부분의 확대도이다.

도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 조립체는 실린더(10), 피스톤(20), 실린더 헤드(30), 인젝터(50)를 포함한다.

실린더(10)는 엔진 블록에 복수로 형성될 수 있다. 복수의 실린더(10)들은 다양한 형태로 배치될 수 있는데, 직렬 엔진(in-line engine)과 같이 실린더(10)들이 I자로 배열될 수도 있고, V형 엔진(V-type engine)과 같이 실린더(10)들이 V자로 배열될 수도 있으며, 이외에도 다양한 형태로 배열될 수 있다.

피스톤(20)은 실린더(10)에 삽입된 상태에서 왕복운동하여 연소실 내의 흡기 및 연료를 압축 및 팽창시킨다. 피스톤(20)의 상면에는 인젝터(50)로부터 분사된 연료를 스월(Swirl) 유동 및 스퀴시(Squish) 유동시키기 위한 피스톤 보울(Piston bowl)(28)이 형성될 수 있다.

실린더 헤드(30)는 엔진 블록의 상부에 결합된다. 일반적으로 실린더 헤드(30)는 엔진 블록의 면적 및 평면 형상과 유사한 면적 및 평면 형상을 가지나, 본 설명에서 설명되는 실린더 헤드(30)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 실린더 헤드(30)가 엔진 블록에 결합되면 실린더(10)가 차지하는 면적이 투영되는 부분을 의미한다. 실린더 헤드(30)는 흡기가 유입되는 통로인 흡기 포트(32) 및 배기가스가 배출되는 통로인 배기 포트(34)를 포함할 수 있다. 또한, 실린더 헤드(30)는 흡기안내채널(40)을 가진다. 흡기안내채널(40)에 대해서는 아래에서 자세히 설명한다.

인젝터(50)는 실린더 헤드(30)에 장착되고, 실린더(10) 내부로 연료를 고압으로 분사시킬 수 있다. 인젝터(50)는 실린더 헤드(30)의 중심부에 위치할 수 있다. 인젝터(50)의 단부에는 연료가 분사되는 적어도 하나의 노즐이 형성될 수 있다. 노즐은 필요에 따라 복수로 형성될 수 있으며, 이때 노즐은 인젝터(50)의 둘레를 따라 방사상에 배치될 수 있다. 또한, 노즐들의 직경 및 분사되는 연료의 양은 서로 동일하거나 다를 수 있다.

흡기안내채널(40)은 채널입구(42) 및 채널출구(44)를 포함하고, 채널입구(42)로부터 채널출구(44)까지 실린더 헤드(30)를 관통하여 형성된다. 흡기안내채널(40)은 실린더 헤드(30)를 통과하는 냉각수 유로, 흡기 밸브 및 배기 밸브와 간섭되지 않고 독립된 유로를 형성한다. 흡기안내채널(40)은 연소실 내에서 인젝터(50)의 노즐로부터 멀리 떨어진 위치에 분포하는 흡기를 폭발 행정 전에 인젝터(50)의 노즐 부근으로 이동시키기 위한 구조이다. 연소실은 실린더(10)의 내주면, 실린더 헤드(30)의 하면 및 피스톤(20)의 상면에 의해 둘러싸인 공간으로 정의될 수 있다. 흡기안내채널(40)의 채널입구(42) 및 채널출구(44)는 실린더 헤드(30)의 하면에 형성되는데, 채널입구(42) 및 유도홈(46)은 실린더 헤드(30)의 가장자리, 바람직하게는 실린더 헤드(30)의 제일 가장자리에 위치할 수 있고, 채널출구(44)는 채널입구(42)보다 반경 방향 내측에 위치할 수 있다. 즉, 인젝터(50)의 노즐로부터 채널입구(42)까지의 거리는 인젝터(50)의 노즐로부터 채널출구(44)까지의 거리보다 멀다. 따라서, 흡기가 채널입구(42)로 유입되어 흡기안내채널(40)을 따라 유동한 후 채널출구(44)를 통해 배출되면 연소실 내에서 인젝터(50)로부터 멀리 떨어진 곳에 분포한 흡기가 인젝터(50) 주변으로 이동할 수 있다.

흡기안내채널(40)은 채널입구(42)로부터 채널출구(44)로 갈수록 단면적이 감소할 수 있다. 이에 따라 채널입구(42)를 통해 유입되는 흡기가 흡기안내채널(40)을 통과하면서 속도가 증가하여, 채널출구(44)를 통해 배출될 때는 빠른 속력의 제트 유동을 형성할 수 있다. 채널출구(44)를 통해 배출되는 흡기의 속력이 빠를수록 인젝터(50)에 의해 분사되는 연료와의 혼합도가 증가할 수 있다. 채널출구(44)를 통해 배출되는 흡기가 빠른 속력을 가지기 위해서는 채널출구(44)의 단면적은 채널입구(42)의 단면적보다 훨씬 작은 것이 바람직하다. 예컨대, 채널출구(44)의 직경은 0.5mm 내지 3mm로 형성될 수 있다.

흡기안내채널(40)의 채널입구(42)의 주변에 분포하는 흡기가 흡기안내채널(40)로 유입되는 작용은 주로 피스톤(20)의 상승에 의해 이루어진다. 압축 행정에서 피스톤(20)이 상승하면 연소실 내의 흡기가 압축되기 시작한다. 이때, 연소실의 가장자리에 위치하는 흡기들, 특히 흡기안내채널(40)의 채널입구(42) 근처에 분포하는 흡기들은 연소실 내의 압력에 의해 흡기안내채널(40)로 유입되어 흡기안내채널(40)을 따라 이동한 후 채널출구(44)를 통해 빠져나온다. 따라서, 압축 행정 시 피스톤(20)의 상면이 실린더 헤드(30)의 하면을 타격하여 실린더 헤드(30) 및 피스톤(20)의 손상을 유발하지 않는 범위 내에서, 피스톤(20)의 상면에 있어서 실린더 헤드(30)의 채널입구(42)와 마주하는 부분은 채널입구(42)보다 넓은 면적을 가지는 것이 바람직하고, 채널입구(42)와 최대한 밀착되는 것이 바람직하다.

한편, 채널입구(42) 주변에 분포하는 흡기를 더욱 원활하게 흡기안내채널(40)로 유입시킬 수 있도록, 실린더 헤드(30)의 하면에는 유도홈(46)이 형성되고, 피스톤(20)의 상면에는 상기 유도홈(46)에 삽입되는 돌출부(22)가 형성될 수 있다. 이때, 채널입구(42)는 유도홈(46)과 연결될 수 있는데, 예컨대 채널입구(42)는 유도홈(46)의 바닥면(48)에 형성될 수 있다. 이와는 달리, 채널입구(42)는 유도홈(46)의 측면(47)에 형성될 수도 있고, 유도홈(46)의 바닥면(48)과 측면(47)에 걸쳐 형성될 수도 있다. 또한, 돌출부(22) 및 유도홈(46)은 피스톤 보울(28)의 반경방향 외측에 형성되는 것이 바람직하다.

유도홈(46)은 실린더 헤드(30)의 하면에서 상측으로 인입하여 형성되며, 채널입구(42)보다 넓은 면적을 가진다. 채널입구(42)는 유도홈(46)을 통해 연소실과 유체적으로 연통한다. 피스톤(20)의 돌출부(22)는 유도홈(46)의 평면 형상과 부합하는 평면 형상을 가질 수 있다. 압축 행정 시 피스톤(20)의 돌출부(22)는 실린더 헤드(30)의 유도홈(46)에 삽입되고, 이에 따라 유도홈(46) 주변 및 유도홈(46) 내부에 분포하는 흡기는 돌출부(22)에 의해 흡기안내채널(40)로 유입될 수 있다. 이때, 유도홈(46) 내부에 위치하는 흡기가 흡기안내채널(40)로 유입되지 않고 유도홈(46)과 돌출부(22) 사이의 공간으로 빠져나가는 것을 방지하기 위하여, 유도홈(46)의 측면(47)과 돌출부(22)의 측면(23) 사이에는 피스톤(20)의 승강 시 서로 접촉함으로써 파손되는 것을 방지할 수 있을 만큼의 최소한의 틈만이 형성되는 것이 바람직하다. 그런데, 피스톤(20)은 엔진의 구동 과정에서 항상 동일한 궤적을 따라 이동하는 것이 아니기 때문에, 돌출부(22)와 유도홈(46) 사이의 간격이 지나치게 좁을 경우 돌출부(22)가 실린더 헤드(30)를 타격하여 손상을 일으킬 수 있다. 이를 방지하기 위하여 돌출부(22)의 상면(24)과 측면(23) 사이의 각도(θ1)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 90도 내지 100도인 것이 바람직하다. 일례로서, 돌출부(22)의 상면(24)과 측면(23) 사이의 각도(θ1)는 90.5도 내지 95도일 수 있다. 돌출부(22)의 상면(24)과 측면(23) 사이의 각도(θ1)가 90도 이상이면 피스톤(20)의 상승 시 돌출부(22)의 상부 모서리가 유도홈(46)의 하부 모서리를 타격하지 않고 부드럽게 삽입될 수 있다.

또한, 유도홈(46)의 바닥면(48)과 측면(47) 사이의 각도(θ2) 또한 90도 내지 100도인 것이 바람직하다. 이때, 유도홈(46)의 바닥면(48)과 측면(47) 사이의 각도(θ2)는 돌출부(22)의 상면(24)과 측면(23) 사이의 각도(θ1) 이하인 것이 바람직한데, 유도홈(46)의 바닥면(48)과 측면(47) 사이의 각도(θ2)가 돌출부(22)의 상면(24)과 측면(23) 사이의 각도(θ1) 이하로 형성될 경우 유도홈(46)과 돌출부(22) 사이의 공간이 최소화가 될 수 있어 유도홈(46) 내부에 분포되어 있는 흡기가 최대한 많이 흡기안내채널(40)로 유입될 수 있기 때문이다.

또한, 유도홈(46)과 돌출부(22) 사이의 기밀 유지를 위해 돌출부(22)의 하단부와 유도홈(46)의 하단부 사이의 간격은 돌출부(22)의 상단부와 유도홈(46)의 하단부 사이의 간격보다 훨씬 작은 것이 바람직한데, 예컨대, 돌출부(22)의 하단부와 유도홈(46)의 하단부 사이의 간격은 0.01mm 내지 0.05mm일 수 있으며, 돌출부(22)는 아래로 갈수록 폭이 넓어지도록 테이퍼지게 형성될 수 있다. 유도홈(46)의 하단부와 돌출부(22)의 하단부 사이의 간격이 이와 같이 형성되면 엔진 오일에 의해 해당 간격이 메워질 수 있기 때문에 해당 간격을 통해 흡기가 새는 것이 방지될 수 있다.

흡기안내채널(40)은 복수로 형성될 수 있는데, 이때 복수의 흡기안내채널(40)은 인젝터(50)를 중심으로 방사상에 등간격으로 배치될 수 있다. 그러나, 흡기안내채널(40)의 배치 형태 및 흡기안내채널(40)들 간의 간격은 연소실의 형상, 인젝터(50)의 연료 분사 방향 등을 고려하여 다양하게 결정될 수 있다.

이하에서는 도 4 및 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 조립체의 작동 과정을 설명한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 압축 행정의 초기에는 피스톤(20)의 상면이 실린더 헤드(30)의 하면과 이격된 상태에 있다. 그 후 압축 행정이 진행되면 피스톤(20)이 상승하여 실린더 헤드(30)와 가까워진다. 피스톤(20)이 더욱 상승하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 피스톤(20)의 돌출부(22)가 실린더 헤드(30)의 유도홈(46)에 삽입되고, 이에 따라 유도홈(46) 주변 및 유도홈(46) 내에 분포하는 흡기가 압축되어 흡기안내채널(40)로 유입된다. 흡기안내채널(40)로 유입된 흡기는 채널출구(44)로 안내되는데, 이때 흡기안내채널(40)의 단면적이 채널입구(42)로부터 채널출구(44)로 갈수록 감소되기 때문에 흡기가 흡기안내채널(40)을 유동하는 과정에서 속도가 증가한다. 따라서, 채널출구(44)를 통해 배출되는 흡기는 매우 빠른 속도를 가지는 제트 유동을 형성할 수 있다. 이때, 채널출구(44)를 통해 배출되는 흡기는 피스톤(20)의 상승 시 유발되는 스퀴시 유동과 결합하여 인젝터(50) 부근에서 강한 난류를 형성할 수 있다. 스퀴시(squish) 유동은 피스톤(20)이 연소실의 천장면, 다시 말해 실린더 헤드(30)의 하면으로 다가가는 압축과정의 말기에서 일어나는 유동을 말하는데, 피스톤(20)의 상면과 실린더 헤드(30)의 하면 사이의 공간이 급격하게 작아지면서 연소실의 중심방향으로 급격하게 발생하는 흡기의 유동을 일컫는다.

피스톤(20)이 상사점 부근에 이르면 인젝터(50)로부터 고압의 연료가 분사되기 시작한다. 분사된 연료와 채널출구(44)를 통해 고속으로 배출되는 흡기가 서로 부딪히게 되는데, 이때 증가된 난류 강도 때문에 분사된 연료가 작은 액적(droplet)으로 분열되는 속도 및 양이 증가한다. 이와 같이, 채널출구(44)를 통해 고속으로 배출되는 흡기에 의해 인젝터(50)로부터 분사되는 연료가 더욱 잘게 쪼개짐으로써, 연료가 흡기의 혼합도가 증가하고, 이에 따라 연소의 효율이 증가하고 입자상 물질(Particulate Matter)의 생성이 억제될 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 조립체는 인젝터(50)의 노즐로부터 멀리 떨어져 있는 흡기가 인젝터(50)의 노즐 주변에 위치할 수 있도록 흡기안내채널(40)에 의해 유도되어 위치가 조정되므로, 흡기와 인젝터(50)의 노즐로부터 분사되는 연료의 혼합도가 향상되는 효과가 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 실린더 20: 피스톤
22: 돌출부 30: 실린더 헤드
40: 흡기안내채널 42: 채널입구
44: 채널출구 46: 유도홈
50: 인젝터

Claims

실린더;
상기 실린더 내부에서 왕복이동하는 피스톤;
상기 실린더의 상부에 위치하는 실린더 헤드; 및
상기 실린더 헤드에 장착되고, 상기 실린더 내부로 연료를 분사시키는 인젝터를 포함하고,
상기 실린더 헤드는,
상기 실린더 헤드의 하면에 형성되는 채널입구로부터 상기 실린더 헤드의 하면에 형성되고 상기 채널입구보다 반경 방향 내측에 형성되는 채널출구까지 상기 실린더 헤드를 관통하여 연장되는 흡기안내채널을 포함하고,
상기 채널입구는 상기 채널입구보다 넓은 면적으로 인입하여 형성되는 유도홈에 연결되고,
상기 피스톤의 상면에는 상기 유도홈에 삽입되는 돌출부가 형성되고,
상기 유도홈 및 상기 돌출부는 상기 피스톤의 피스톤 보울의 반경방향 외측에 형성되며,
상기 흡기안내채널은 상기 채널입구로부터 상기 채널출구로 갈수록 단면적이 감소하고,
상기 채널입구는 상기 유도홈의 바닥면에 형성되고,
상기 채널출구의 단면적은 상기 채널입구의 단면적보다 작은, 엔진 조립체.
삭제
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제 1 항에 있어서,
상기 돌출부의 상면과 측면 사이의 각도는 90도 이상이고 100도 이하이며,
상기 유도홈의 바닥면과 측면 사이의 각도는 90도 이상이고 100도 이하인 엔진 조립체.
제4항에 있어서,
상기 유도홈의 상기 바닥면과 상기 측면 사이의 각도는 상기 돌출부의 상기 상면과 상기 측면 사이의 각도 이하인 엔진 조립체.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 흡기안내채널은 복수로 구비되고, 상기 인젝터를 중심으로 방사형으로 배치되는 엔진 조립체.