KR20000068040A - 직접 분사 스파크 점화식 내연 기관 실린더용 피스톤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차에 장착된 직접 분사 스파크 점화식 내연 기관 실린더용 피스톤(1)에 관한 것이다. 피스톤(1)은 피스톤(1)의 중심축(PC)에 직각인 표준 수평 평면(2)으로부터 돌출된 돌출부(P)를 포함하는 피스톤 헤드(1a)를 포함한다. 돌출부(P)는 통상의 원형인 리지라인을 형성하는 주연부를 갖는 공동(4)과, 리지라인(5)의 외부에 형성되고 피스톤 헤드(1a)의 주연 쪽으로 연장된 경사 표면(3)을 갖는다. 경사 표면(3)은 리지라인(5)에서 피스톤(1)의 주연 방향으로 연속하여 하향 경사져 있다. 경사 표면(3)은 표준 수평 평면(HP)에 대해 10 내지 60도 범위의 각(θ1)을 형성한다. 공동(4)은 3 내지 9㎜ 범위 내의 깊이(A) 즉, 공동(4)의 바닥면(4a)과 피스톤(1)의 표준 수평 평면(HP) 사이의 축 거리를 갖는다. 더욱이, 공동(4)은 피스톤(1)의 중심축과 공동(4)의 중심축을 포함하는 수직 평면상에 제1 및 제2의 대향 곡선 부분(4b)에 의해 표현되는 통상의 환형 측벽 표면에 의해 형성된다. 제1 곡선부(G1)는 제2 곡선부보다 스파크 플러그에 더 가깝게 위치된다. 제1 곡선부(G1)는 5 내지 20㎜ 범위의 곡률 반경을 갖는다.

Description

직접 분사 스파크 점화식 내연 기관 실린더용 피스톤 {PISTON FOR CYLINDER DIRECT INJECTION SPARK IGNITION INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

직접 분사 스파크 점화식 내연 기관 실린더의 종래의 피스톤은 예로써 일본 특허 공개 제8-312354호에 개시된 바와 같이 연소실의 공동 또는 함몰 형성부와 함께 형성된 돌출된 피스톤 헤드를 갖는다. 공동은 리지라인(ridgeline)을 형성하는 에지 형상인 환형 주연부를 통상 갖는다. 공동은 흡기 밸브 쪽으로 실린더의 중심축에 대해 오프셋되어 형성되어 있다. 연료는 스파크 플러그 둘레에 성층 충전의 농후 연료층을 집중적으로 형성하기 위하여 압축 행정 중에 연료 분사 밸브로부터 공동 쪽으로 분사된다. 그렇지 않으면, 연료는 전체 연소실에 연료가 분무되도록 엔진 작동 조건에 따라서 흡기 행정 중에 분사된다. 이는 연소실 내에 균질 충전을 형성하여 균질 연소를 얻는다.

그러나, 상기 종래의 피스톤은 피스톤이 각각 구비된 다수 실린더의 축을 통하여 지나가는 가상 수직 평면에 평행으로 연장되도록 피스톤 헤드에 리지라인의 외부 및 공동의 좌우측 상에 위치된 평평한 벽 표면을 갖고 형성된다. 경사벽 표면들은 피스톤 헤드의 주연 쪽으로 하향 경사지도록 각각의 평평한 벽 표면의 대향 측에 형성된다. 평평한 벽 표면들은 연소실을 가로지르도록 그리고 돌출된 피스톤 헤드의 상부 근처에 위치된다. 결과적으로, 이러한 평평한 벽 표면들은 공동의 내부와 외부 사이에 놓인 돌출된 벽으로서 역할을 하는 것으로 간주되어, 균질 연소가 흡기 행정에서 연료 분사 중에 만들어질 때 연소 성능을 저하시킨다.

특히, 돌출된 벽은 분무된 연료가 공동의 내부와 외부 사이에서 유동하는 것을 방지한다. 따라서, 분무된 연료는 공기 혼합 연료가 부분적으로 존재하도록 공동의 내부에 불가피하게 머물려는 경향이 있어서, 균질의 공기-연료의 혼합 또는 충전의 형성을 방지한다. 게다가, 분무된 연료는 기화가 방지되어 연소실 내의 공기 혼합 연료의 불충분한 균질화를 형성한다. 더욱이, 돌출된 벽은 공동의 내부와 외부를 불연속적으로 만들어, 공동의 외부에서 효과적인 연소를 얻을 수가 없어 균질 연소 성능을 저하시킨다.

또한, 현 상태 하에서, 경사벽 표면의 경사각과 같은 것은 공동의 영향하에서 연소 성능의 저하를 방지하는 한편, 균질 연소를 향상시키기는 관점에서 아직 최적의 범위에서 설정되어 있지 않고 있다.

1997년 6월 3일자 일본 특허 출원 제9-114926호, 1997년 12월 18일자 일본 특허 출원 제9-348763호 및 1997년 12월 18일자 일본 특허 출원 제9-348764호를 본 명세서에서 참조한다.

본 발명은 직접 분사 스파크 점화식 내연 기관을 개선하기 위한 것으로, 특히 상호 양립하는 효율적인 성층 연소 및 효율적인 균질 연소를 만들기 위한 엔진에 사용되는 피스톤의 피스톤 헤드의 형상을 개선하고자 하는 것이다.

도1은 본 발명에 따른 연료 분사 스파크 점화식 내연 기관 실린더용 피스톤의 실시예의 피스톤 헤드를 도시한 개략도이다.

도2A는 도1의 피스톤의 평면도이다.

도2B는 도2A의 선 2B-2B를 따라 화살표의 방향으로 취한 부분단면도이다.

도2C는 도2A의 선 2C-2C를 따라 화살표의 방향으로 취한 부분단면도이다.

도3은 도1의 피스톤과 관련하여 연료 분사 밸브와 스파크 플러그 사이의 위치 관계를 도시한 부분단면도이다.

도4는 도1의 피스톤의 피스톤 헤드에서 돌출부의 경사진 표면의 표면 경사각의 최적 범위를 도시한 그래프이다.

도5는 도1의 피스톤의 돌출부에 형성된 공동의 깊이(A)의 최적 범위를 도시한 그래프이다.

도6은 도1의 피스톤의 돌출부에 형성된 공동의 전체 깊이(B)의 최적 범위를 도시한 그래프이다.

도7은 도1의 피스톤과 관련하여 전체 깊이(B)와 피스톤 행정(S)의 비(B/S)의 최적 범위를 도시한 그래프이다.

도8은 도1의 피스톤의 돌출부에 형성된 공동의 굴곡된 측벽 표면의 곡률 반경(R)의 최적 범위를 도시한 그래프이다.

도9는 피스톤 헤드의 상세한 구조를 도시한 도2B에 대응하는 부분 확대 단면도이다.

도10은 본 발명에 따른 피스톤의 변경된 예를 도시한 도9와 유사한 부분 확대 단면도이다.

도11은 도9에서 피스톤의 돌출부에 형성된 공동의 벽 표면에 대응하는 직선부(G2)의 길이(L)의 최적 범위를 도시한 그래프이다.

도12는 도11에서 직선부(G2)의 경사각(θ2)의 최적 범위를 도시한 그래프이다.

도13은 본 발명에 따른 피스톤의 다른 변경된 예를 도시한 도2B와 유사한 부분 확대 단면도이다.

도14는 본 발명에 따른 피스톤의 또 다른 변경된 예를 도시한 도1과 유사한 개략도이다.

도15A는 도14의 피스톤을 도시한 도2A와 유사한 평면도이다.

도15B는 도14의 피스톤을 도시한 도2B와 유사한 부분단면도이다.

도15C는 도14의 피스톤을 도시한 도2C와 유사한 부분단면도이다.

도16A, 도16B 및 도16C는 도14의 피스톤에 의해 형성된 연소실과 관련하여 면적비[(S2/S)×100%]를 설명할 목적으로 도시된 도15A, 도15B 및 도15C와 각각 유사한 도면이다.

도17은 도16A, 도16B 및 도16C에 설명된 면적비의 최적 범위를 도시한 그래프이다.

본 발명의 목적은 직접 분사 스파크 점화식 내연 기관 실린더용의 종래의 피스톤에서 접하는 단점을 효과적으로 해결할 수 있는 직접 분사 스파크 점화식 내연 기관 실린더용의 향상된 피스톤을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 피스톤 헤드에 형성된 공동에 의한 엔진의 성층 연소 성능을 저하시키지 않고서 엔진의 균질 연소 성능을 향상시킬 수 있는 직접 분사 스파크 점화식 내연 기관 실린더용의 향상된 피스톤을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 피스톤의 피스톤 헤드의 형상이 엔진의 연소실 내에서 균질 연소와 성층 연소 둘 모두가 양립하게 만들도록 최적화되는 직접 분사 스파크 점화식 내연 기관 실린더용의 향상된 피스톤을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 태양은 직접 분사 스파크 점화식 내연 기관 실린더용 피스톤에 있다. 피스톤은 피스톤의 중심축에 직각인 표준 수평 평면으로부터 돌출된 돌출부를 포함하는 피스톤 헤드를 포함한다. 돌출부는 통상의 원형인 리지라인을 형성하는 주연부를 갖는 공동과 리지라인의 외부에 형성되고 피스톤 헤드의 주연 쪽으로 연장된 경사 표면을 포함한다. 경사 표면은 리지라인에서 피스톤 헤드의 주연 방향으로 연속하여 하향 경사져 있다. 경사 표면은 표준 수평 평면에 대해 10 내지 60도 범위의 각(θ1)을 형성한다.

본 발명의 다른 일 태양은 직접 분사 스파크 점화식 내연 기관 실린더용 피스톤에 있다. 상기 피스톤은 상기 피스톤의 중심축에 직각인 표준 수평 평면으로부터 돌출된 돌출부를 포함하는 피스톤 헤드를 포함한다. 돌출부는 통상의 원형인 리지라인을 형성하는 주연부를 갖는 공동과 그리고 리지라인의 외부에 형성되고 피스톤 헤드의 주연 쪽으로 연장된 경사 표면을 포함한다. 경사 표면은 리지라인에서 피스톤의 주연 방향으로 연속하여 하향 경사져 있다. 경사 표면은 표준 수평 평면에 대해 10 내지 60도 범위의 각(θ1)을 형성한다. 공동은 공동의 바닥 표면과 피스톤의 표준 수평 평면 사이의 축 거리인 깊이(A)를 3 내지 9㎜ 범위 내에서 갖는다. 더욱이, 공동은 통상의 환형 측벽 표면에 의해 형성되고, 상기 측벽 표면은 피스톤의 중심축과 공동의 중심축을 포함하는 수직 평면 상에 제1 및 제2의 대향 곡선 부분에 의해 표현된다. 제1 곡선부는 제2 곡선부보다 스파크 플러그에 더 가깝게 위치된다. 제1 곡선부는 5 내지 20㎜ 범위의 곡률 반경을 갖는다.

본 발명의 다른 일 태양은 다수의 실린더를 갖는 실린더 블록을 포함하는 직접 분사 스파크 점화식 내연 기관 실린더에 있다. 실린더 헤드는 실린더 블록 상에 고정 장착되어 있다. 흡기 및 배기 밸브는 실린더 헤드에 이동식으로 배치되어 있다. 연료 분사기는 각 실린더에 대응하여 형성된 연소실 내로 연료를 직접 분사하도록 구비되어 있다. 스파크 플러그는 그 선단부가 연소실 내로 돌출되도록 구비되어 있다. 피스톤은 피스톤과 실린더 헤드 사이에 연소실을 형성하도록 실린더 내에 이동식으로 배치되어 있다. 피스톤은 피스톤의 중심축에 직각인 표준 수평 평면으로부터 돌출된 돌출부를 갖는 피스톤 헤드를 포함한다. 돌출부는 통상의 원형인 리지라인을 형성하는 주연부를 갖는 공동을 갖는다. 공동은 피스톤의 중심축으로부터 흡기 밸브 쪽으로 오프셋된 중심축을 갖고, 리지라인의 외부에 형성되고 피스톤 헤드의 주연 쪽으로 연장된 경사 표면을 갖는다. 경사 표면은 리지라인에서 피스톤의 주연 방향으로 연속하여 하향 경사져 있다. 경사 표면은 표준 수평 평면에 대해 10 내지 60도 범위의 각을 형성한다. 본 발명에 따라, 어떤 평 표면도 경사 표면이 피스톤 헤드의 상부로부터 주연부 쪽으로 연속하여 하향 경사지도록 피스톤 헤드에서 공동을 둘러싸는 리지라인의 외부에 형성되지 않는다. 더욱이, 피스톤의 중심축에 직각인 수평 평면에 대한 경사 표면의 경사각이 10 내지 60도 범위 내에서 최적화 된다. 그 결과, 효과적인 성층 연소가 공동의 영향하에서 달성된다. 더욱이, 균질 연소 중에, 공동의 내부 및 외부 사이의 효과적인 가스 유동이 보장되어서, 엔진의 냉각 손실을 낮추기 위하여 피스톤의 표면적을 줄이는 한편 공기 혼합 연료의 균질화를 효과적으로 향상시킨다.

도1 내지 도4에서, 본 발명에 따른 직접 분사 스파크 점화식 내연 기관 실린더용 피스톤의 실시예는 참조 번호 1로 도시되어 있다. 예를 들어, 엔진은 자동차용이고 피스톤(1)이 각각 구비된 다수 실린더를 갖는다. 피스톤(1)은 피스톤 헤드(1a) 또는 피스톤(1)의 주연을 따라 형성된 통상의 환형인 표준 평 표면(2)을 갖는 원형의 피스톤 헤드(1a)를 갖는다. 환형의 표준 평 표면(2) 내부의 피스톤 헤드(1a)의 일부는 통상의 원추 또는 경사 표면(3)을 갖는 통상의 원추형 돌출부(P)를 형성하도록 상향으로 돌출되어 있다. 돌출부(P)는 함몰 형상 또는 접시 형상의 통상의 원형 공동(4)과 함께 형성되어 있다. 공동(4)은 (도시되지 않은) 흡기 밸브(들) 쪽으로 피스톤(1)의 중심축(PC)에서 오프셋된 중심축(CC)을 갖는다. 공동(4)의 중심축(CC)은 피스톤(1)의 중심축(PC)과 평행하다. 공동(4)은 통상의 원형 바닥인 평 표면(4a)을 갖는다. 상기 환형의 표준 평 표면(2)은 중심축(PC)에 직각인 표준 수평 평면(HP) 내에 포함되어 있다.

따라서, 통상의 환형인 리지라인(5)은 공동(4)을 둘러싸도록 공동(4)의 주연을 따라 형성된다. 여기에서, 평평하지 않은 부분이 리지라인(5)의 방사상 외향 측에 형성되어 있음을 알 수 있다. 따라서, 돌출부(P)의 경사 표면(3)은 리지라인(5)으로부터 환형의 표준 평 표면(2) 쪽으로 연속하여 하향 경사져있다. 경사 표면(3)은 기본적으로 원추 표면의 일부를 형성한다. 환형의 표준 평 표면(2)의 주요부는 1.5 내지 2.0㎜ 범위의 작은 폭을 갖고 피스톤(1)의 생산 중에 표준 표면으로 사용된다. 피스톤(1)의 돌출부(P)는 도2B에 도시된 바와 같이 경사 표면(3)보다 완경사를 갖는 완경사 표면(6)과 함께 형성된다. 이 완경사 표면(6)은 돌출부(P)의 상부의 높이를 억제한다.

여기에서는, 도3에서 공동(4), 연료 분사 밸브(12) 및 스파크 플러그(13) 사이의 위치 관계에 관하여 논의할 것이다. 직접 분사 스파크 점화식 내연 기관 실린더는 실린더(C)가 형성된 실린더 블록(15) 상에 고정 장착된 실린더 헤드(10)를 포함한다. 피스톤(1)은 각 실린더(C) 내에 활주 이동 가능하게 배치되어 있다. 실린더 헤드(10)는 각 실린더(C)에 대응하여 형성된 연소실(M)의 일부를 형성하는 함몰부(D)와 함께 형성된다. 연료 분사 밸브(12)는 실린더 헤드(10)에 설치되고 연료가 분사되는 (동일하지 않은) 선단부를 가지며, 상기 선단부는 실린더 헤드(10)의 바닥의 평 표면(10a)을 포함하는 수평 평면상에 흡기 밸브(들)의 방사상 외향으로 위치된다. 바닥의 평 표면(10a)은 실린더 블록(15)의 상부 평 표면 또는 블록 데크(15a)와 평행하다. 연료 분사 밸브는 연료를 연소실(M) 내로 직접 분사하도록 구성된다. 연료 분사 밸브(12)는 (도시되지 않은) 그 축이 공동(4) 내로 직접 향하도록 위치된다. 스파크 플러그(13)는 (전극이 구비된) 그의 선단부가 공동(4)의 (동일하지 않은) 환형 주연부의 일부분 상에 위치되도록 배치된다. 스파크 플러그(13)의 축(13a)은 실린더(C)의 중심축(Xc)으로부터 오프셋되어 있다. 배기 밸브(들)(14)는 흡기 밸브(들)(11)에 대해 실린더(C)의 중심축(Xc)을 포함하는 수직 평면의 대향 측 상에 위치된다.

밸브 시기 및 엔진의 압축비의 요구 조건과 일치하기 위하여, 리지라인(5)의 일부가 잘려나감으로써 피스톤(1)의 돌출부(P)가 흡기 밸브(13) 또는 배기 밸브(14)의 간섭을 방지하기 위한 밸브 리세스를 형성한다는 것이 이해될 것이다.

앞에서 이해된 바와 같이, 상기 실시예에 따라, 피스톤(1)의 주연 쪽으로 연속하여 하향 경사져 있는 경사 표면(3)은 피스톤 헤드(1a)에서 공동(4)을 둘러싸는 리지라인(5)의 외부에 어떤 평 표면도 구비되지 않은 상태로 형성된다. 결과적으로, 성층 연소는 공동(4)에 의하여 효과적으로 이루어질 수 있다. 그 밖에, 가스 유동은 공동(4)의 내부와 외부 사이에 효과적으로 보장될 수 있어서 균질 연소 중에 공기 혼합 연료의 균질화가 조장된다. 이는 높은 균질 연소 성능을 제공한다. 더욱이, 어떤 평 표면도 돌출부(P)에 형성되어 있지 않으므로, 피스톤 헤드(1a)의 표면적은 감소되어 냉각 손실이 낮아져서, 높은 균질 연소 성능을 얻을 수 있다.

여기에서, 전술된 경사 표면(3)은 도2B에 도시된 바와 같이 수직 평면(V1)에 수직이고 피스톤(1)의 중심축(PC)을 포함하는 수직 평면(V2) 상의 표준 평 표면(2)을 포함하는 수평 평면(HP)에 대해 10 내지 60도 범위의 표면 경사각(θ1)을 형성한다. 수직 평면(V1)은 실린더(C)의 중심축(Xc)을 통하여 지나간다. 각(θ1)은 15 내지 45도의 범위가 바람직하며, 보다 양호하게는 10 내지 30도의 범위가 더 바람직하다. 표면 경사각(θ1)의 상기 범위는 도1 내지 도3에 도시된 엔진 상에서 수행된 실험에서 얻어지는 도4의 그래프 또는 데이터로부터 결정된다. 실험에서, 균질 연소 중의 엔진의 브레이크 토크와 성층 연소 중의 연료 소비는 경사 표면(3)의 표면 경사각(θ1)의 변화에 따라 측정된다. 도4에서, 곡선(C1)은 균질 연소 중의 엔진의 브레이크 토크의 데이터를 나타내고, 곡선(C2)은 성층 연소 중의 엔진의 연료 소비의 데이터를 나타낸다. 도4의 그래프는 균질 연소 중의 엔진의 브레이크 토크와 성층 연소 중의 연료 소비가 표면 경사각(θ1)의 상기 범위로 선택된 범위인 양방향 화살표에 의해 표시된 범위 내에서 상호 양립하는 것을 도시한다. 표면 경사각(θ1)이 증가할수록 피스톤(1)의 피스톤 압축 높이(또는 피스톤의 최상부와 피스톤 핀의 축 사이의 축 거리)도 증가하기 때문에 동일한 연소 성능을 얻기 위하여 표면 경사각(θ1)을 가능한 작게 설정하는 것이 바람직하다는 것에 유의하여야 한다. 더욱이, 표면 경사각(θ1)은 상기의 범위 내에 설정되고, 아래에서 서술되는 공동(4)의 깊이와 같은 것을 고려한다.

공동(4)은 3 내지 9㎜ 범위 내의 깊이(A)를 갖는다. 깊이(A)는 도2B에 도시된 바와 같이 공동(4)의 바닥의 평 표면(4a)과 표준 평 표면(2)을 포함하는 표준 수평 평면(HP) 사이의 축 거리이다. 깊이(A)의 상기 범위는 도1 내지 도3에 도시된 엔진 상에서 수행된 실험에서 얻어지는 도5의 그래프 또는 데이터로부터 결정된다. 실험에서, 균질 연소 중의 엔진의 브레이크 토크와 성층 연소 중의 연료 소비는 공동(4)의 깊이(A)의 변화에 따라 측정된다. 도5에서, 곡선(C3)은 균질 연소 중의 엔진의 브레이크 토크의 데이터를 나타내고, 곡선(C4)은 성층 연소 중의 엔진의 연료 소비의 데이터를 나타낸다. 도5의 그래프는 균질 연소 중의 엔진의 브레이크 토크와 성층 연소 중의 연료 소비가 깊이(A)의 상기 범위(3 내지 9㎜)로 선택된 범위인 양방향 화살표에 의해 표시된 범위 내에서 상호 양립하는 것을 도시한다.

바꾸어 말하면, 공동(4)의 깊이(A)가 증가할수록, 공동(4) 내에 연료를 유지하기 위한 특성은 (공기 혼합 연료의) 성층 충전의 형성을 이용하도록 향상되어서 성층 연소 성능을 향상시키지만, (공기 혼합 연료의) 성층 충전은 공동(4)의 내부와 외부 공간 사이의 불연속 때문에 전체 연소실 내에 형성되기 어렵다. 결과적으로, 깊이(A)는 성층 충전의 형성 및 균질 충전의 형성이 상호 양립하는 범위 내에서 선택된다.

상기 범위 내의 공동(4)의 깊이(A)에 의하여, 피스톤 헤드(1a)의 평탄하지 않음은 줄일 수 없는 최소한의 요구에서 억제되어 균질 연소 중에 다음의 효과를 얻는다. (a) 연료가 공동의 내부에 머무르는 것을 방지할 수 있다. (b) 실린더 내부의 가스 유동이 약해지는 것을 방지할 수 있다. (c) 공동의 내부와 외부 사이의 불연속에 의한 연소의 저하를 막을 수 있다. (d) 냉각 손실이 피스톤 표면적의 감소로 인해 감소될 수 있다. 높은 성층 연소 성능이 공동의 영향하에서 유지될 수 있음은 당연하다.

전체 깊이(B=A+H), 즉 공동(4)의 깊이(A)와 돌출부(P)의 높이(H)의 합은 10 내지 20㎜의 범위 내에서 설정된다. 돌출부(P)의 높이(H)는 리지라인(5)의 최상부와 표준 평 표면(2)을 포함하는 표준 수평 평면(HP) 사이의 축 거리이다. 전체 깊이(B)의 상기 범위는 도1 내지 도3에 도시된 엔진 상에서 수행된 실험에서 얻어지는 도6의 그래프 또는 데이터로부터 결정된다. 실험에서, 균질 연소 중의 엔진의 브레이크 토크와 성층 연소 중의 연료 소비는 전체 깊이(B)의 변화에 따라 측정된다. 도6에서, 곡선(C5)은 균질 연소 중의 엔진의 브레이크 토크의 데이터를 나타내고, 곡선(C6)은 성층 연소 중의 엔진의 연료 소비의 데이터를 나타낸다. 도6의 그래프는 균질 연소 중의 엔진의 브레이크 토크와 성층 연소 중의 연료 소비가 전체 깊이(B)의 상기 범위(10 내지 20㎜)로 선택된 범위인 양방향 화살표에 의해 표시된 범위 내에서 상호 양립하는 것을 도시한다.

바꾸어 말하면, 전체 깊이(B)가 증가할수록, 공동(4) 내에 연료를 유지하기 위한 특성은 (공기 혼합 연료의) 성층 충전의 형성을 이용하도록 향상되어서 성층 연소 성능을 향상시키지만, (공기 혼합 연료의) 성층 충전은 공동(4)의 내부와 외부 공간 사이의 불연속 때문에 전체 연소실 내에 형성되기 어렵다. 결과적으로, 전체 깊이(B)는 성층 충전의 형성 및 균질 충전의 형성이 상호 양립하는 범위(10 내지 20㎜) 내에서 선택된다.

상기 범위 내의 전체 깊이(B)에 의하여, 피스톤 헤드(1a)의 평탄하지 않음은 줄일 수 없는 최소한의 요구에서 억제되어 균질 연소 중에 상기의 효과를 얻는다. 더욱이, 피스톤의 압축 높이는 최소가 되어 피스톤의 경량화를 이루고 피스톤 슬랩에 의한 엔진 노이즈 성능을 향상시킨다.

높이(H)와 깊이(A)의 비(H/A)는 1.0 내지 2.0 범위 내에서 설정된다. 상기 범위 내에서, 균질 연소 중의 브레이크 토크와 성층 연소 중의 연료 소비가 도5 내지 도6에 도시된 바와 같이, 상호 양립한다.

전체 깊이(B)와 피스톤 행정(S)의 비(B/S)는 0.25보다 높지 않은 범위 내에서 설정된다. 피스톤 행정(S)은 도3에 도시된 바와 같이 각 피스톤의 피스톤 이동 길이이다. 비(B/S)의 상기 범위는 도1 내지 도3에 도시된 엔진 상에서 수행된 실험에서 얻어지는 도7의 그래프 또는 데이터로부터 결정된다. 실험에서, 균질 연소 중의 엔진의 브레이크 토크와 성층 연소 중의 연료 소비는 비(B/S)의 변화에 따라 측정된다. 도7에서, 곡선(C7)은 균질 연소 중의 엔진의 브레이크 토크의 데이터를 나타내고, 곡선(C8)은 성층 연소 중의 엔진의 연료 소비의 데이터를 나타낸다. 도7의 그래프는 균질 연소 중의 엔진의 브레이크 토크와 성층 연소 중의 연료 소비가 비(B/S)의 상기 범위(B/S≤0.25)로 선택된 범위인 화살표에 의해 표시된 범위 내에서 상호 양립하는 것을 도시한다.

바꾸어 말하면, 피스톤 행정(S)이 비교적 작은 경우에 있어서 전체 깊이(B)가 비교적 크면, 엔진의 연소 성능은 저하된다. 이 점에 있어서, 피스톤 행정(S)에 관하여 전체 깊이(B)의 감소에 의해 우수한 연소 성능을 보장하는 것이 바람직하다.

본 실시예의 공동(4)은 다음과 같은 형상이다. 도2A 및 도2B에 도시된 바와 같이, 공동(4)의 주요부(P1)는 실린더 블록(15) 내의 실린더들의 중심축(Xc)을 포함하는 수직 평면(V1)의 제1 사이드(S1) 상에 위치된다. 공동(4)의 비주요부(minor part; P2)는 수직 평면(V1)의 제2 사이드(S2) 상에 위치되며, 상기 제2 사이드(S2)는 수직 평면(V1)에 대한 제1 사이드(S1)에 대향한다. 연료 분사 밸브(12)의 선단부는 공동(4)의 주요부(P1)에 접근하도록 제1 사이드(S1) 상에 위치되는 한편, 스파크 플러그(13)의 선단부는 공동(4)의 비주요부(P2)에 접근하도록 제2 사이드(S2) 상에 위치된다. 비주요부(P2)는 도2에 명확히 도시된 바와 같이, 그 깊이가 주요부(P1)보다 깊다. 공동(4)을 형성하는 통상의 (참조 번호 없는) 환형의 표준 평 표면은 공동(4)의 비주요부(P2)를 형성하는 굴곡진 표면(4b)을 포함하고 리지라인(5)을 통하여 완경사 표면(6)과 인접하여 가까이 있다. 굴곡진 표면(4b)은 도2B에 도시된 바와 같이, 축(PC)을 포함하고 수직 평면(V1)에 직각인 수직 평면(V2) 상에 5 내지 20㎜ 범위의 곡률 반경(R)을 갖는다.

곡률 반경(R)의 상기 범위는 도1 내지 도3에 도시된 엔진 상에서 수행된 실험에서 얻어지는 도8의 그래프 또는 데이터로부터 결정된다. 실험에서, 균질 연소 중의 엔진의 브레이크 토크와 성층 연소 중의 연료 소비는 곡률 반경(R)의 변화에 따라 측정된다. 도8에서, 곡선(C9)은 균질 연소 중의 엔진의 브레이크 토크의 데이터를 나타내고, 곡선(C10)은 성층 연소 중의 엔진의 연료 소비의 데이터를 나타낸다. 도8의 그래프는 균질 연소 중의 브레이크 토크와 성층 연소 중의 연료 소비가 곡률 반경(R)의 상기 범위(5 내지 20㎜)로 선택된 범위인 양방향 화살표에 의해 표시된 범위 내에서 상호 양립하는 것을 도시한다.

이 곡률 반경(R)에 의하여, 성층화된 공기 혼합 연료는 성층 연소 중에 스파크 플러그(13)의 부근에서 순조롭게 수행되는 한편, 공기 혼합 연료는 공동(4)의 내부와 외부 사이에서 순조롭게 유동한다. 만일 곡률 반경(R)이 5㎜보다 작으면, 곡률 반경(R)의 어떠한 기능도 얻을 수 없다. 만일 곡률 반경(R)이 20㎜를 초과하면, 스파크 플러그(13) 쪽으로 성층화된 공기 혼합 연료의 이동이 효과적으로 이루어질 수 없다.

그 결과로서, 본 실시예의 공동(4)의 형상은 도2B의 확대 상세도인 도2A의 수직 평면(V2) 상의 단면도인 도9에서 상세히 논의될 것이다. 굴곡진 표면(4b)은 수직 평면(V2) 상의 곡선부(G1)에 의해 표현된다. 곡선부(G1)는 반경(R)을 갖는 원의 일부(1/4)이다. 곡선부(G1)의 [완경사 표면(6)에 인접한] 상단부는 완경사 표면(6)과 분리되어 있다. 직선부(G2)는 리지라인(5)을 형성하도록 곡선부(G1)의 상단부로부터 연장되어 완경사 표면(6)에 도달한다. 직선부(G2)는 공동(4)의 일부를 형성하도록 굴곡진 표면(4b)에 인접한 상부 벽 표면(4c)의 단면에 대응한다. 직선부(G2)는 0 내지 10㎜의 범위 내의 길이를 갖는다. 그렇지 않으면, 굴곡진 표면(4b)은 도10에 도시된 바와 같이 곡률 반경(R)과 관련하여 형상이 만들어질 수 있고, 직선부(G2)의 길이(L)는 마이너스 값을 취한다. 따라서, 직선부(G2)의 길이(L)는 -2 내지 10의 범위 내에서 설정된다.

길이(L)의 이러한 범위는 도1 내지 도3, 도9 및 도10에 도시된 엔진 상에서 수행된 실험에서 얻어지는 도11의 그래프 또는 데이터로부터 결정된다. 실험에서, 균질 연소 중의 엔진의 브레이크 토크와 성층 연소 중의 연료 소비는 벽 표면(4c)에 대응하는 직선부(G2)의 길이(L)의 변화에 따라 측정된다. 도11에서, 곡선(C11)은 균질 연소 중의 엔진의 브레이크 토크의 데이터를 나타내고, 곡선(C12)은 성층 연소 중의 엔진의 연료 소비의 데이터를 나타낸다. 도11의 그래프는 균질 연소 중의 브레이크 토크와 성층 연소 중의 연료 소비가 벽 표면(4c)에 대응하는 직선부(G2)의 길이(L)의 상기 범위(-2 내지 10㎜)로 선택된 범위인 양방향 화살표에 의해 표시된 범위 내에서 상호 양립하는 것을 도시한다.

또한, 도9에 도시된 바와 같이, 직선부(G2)는 경사각(θ2)을 형성하도록 수직 직선(SL)에 대해 경사져 있다. 수직 직선(SL)은 수직 평면(V2) 상의 피스톤(1)의 중심축(PC)에 평행하다. 직선부(G2)는 완경사 표면(6) 방향으로 중심축(PC)과 점차로 분리되어 있다. 경사각(θ2)은 0 내지 15도의 범위 내에 있다. 경사각(θ2)의 이 범위는 도1 내지 도3 및 도9에 도시된 엔진 상에서 수행된 실험에서 얻어지는 도11의 그래프 또는 데이터로부터 결정된다. 실험에서, 균질 연소 중의 엔진의 브레이크 토크와 성층 연소 중의 연료 소비는 직선부(G2)의 경사각(θ2)의 변화에 따라 측정된다. 도12에서, 곡선(C13)은 균질 연소 중의 엔진의 브레이크 토크의 데이터를 나타내고, 곡선(C14)은 성층 연소 중의 엔진의 연료 소비의 데이터를 나타낸다. 도12의 그래프는 균질 연소 중의 브레이크 토크와 성층 연소 중의 연료 소비가 직선부(G2)의 경사각(θ2)의 상기 범위(0 내지 15도)로 선택된 범위인 양방향 화살표에 의해 표시된 범위 내에서 상호 양립하는 것을 도시한다. 공동(4)의 형성은 경사각(θ2)이 마이너스 값을 취하지 않으므로 피스톤(1)의 생산 중에 용이할 수 있음에 유의해야 한다.

직선부(G2)의 길이를 마이너스 값으로 취한 도10의 형상의 경우에, 곡선부(G1)의 상부 단부는 완경사 표면(6)의 상부에 존재하여서, 경사각(θ2)과 유사한 경사각(θ2')은 곡선부(G1)가 완경사 표면(6)과 교차하는 도2에 도시된 수직 평면(V2) 상의 지점에서 수직 직선(SL)과 곡선부의 접선(TL) 사이에 형성된다. 경사각(θ2')은 0 내지 15도의 범위 내에서 설정된다. 상기 범위는 도12의 것과 동일한 실험 데이터로부터 결정된다. 결과적으로, 균질 연소 중의 엔진의 브레이크 토크와 성층 연소 중의 연료 소비는 곡선부(G1)의 접선(TL)의 경사각(θ2')의 상기 범위 (0 내지 15도) 내에서 상호 양립한다. 이러한 경우에 있어서도, 공동(4)의 형성은 경사각(θ2')이 마이너스 값을 취하지 않으므로 피스톤(1)의 생산 중에 용이할 수 있음에 유의해야 한다.

도13은 환형의 표준 평 표면(2)이 피스톤(1)의 주연을 따라 피스톤 헤드(1a)에 형성된 것을 제외하고는 도1 내지 도3에 도시된 피스톤과 유사한 피스톤(1)의 변경된 예를 도시한다. 본 예에서, 공동(4)의 깊이(A)와 돌출부(P)의 높이(H)는 돌출부(P)의 표면과 원통형 측벽 표면(1s)의 표면이 상호 연결된 주연 라인을 포함하는 표준 수평 평면(HP)에 대해 측정된다. 수평 평면(HP)은 피스톤(1)의 중심축(PC)에 수직이다. 도1 내지 도3의 실시예에서와 같은 효과가 본 실시예에서도 얻어짐을 이해할 수 있다.

도14 및 도15A 내지 도15C는 돌출부(P)가 밸브 리세스들(7, 7)과 함께 형성된 것을 제외하고는 도1 내지 도3에 도시된 피스톤과 유사한 피스톤(1)의 다른 변경된 예를 도시한다. 밸브 리세스들(7, 7)은 흡기 밸브(11, 11)가 피스톤(1)의 돌출부(P)와 간섭되는 것을 방지하기 위하여 형성된다. 각각의 밸브 리세스(7)는 리지라인(5)의 일부를 잘라냄으로써 형성된다. 2개의 흡기 밸브(11, 11)가 이 경우에 있어서 엔진의 각 실린더를 위해 구비됨을 알 수 있다.

밸브 리세스들(7, 7)이 리지라인(5)의 리지라인(5)의 일부를 잘라냄으로써 형성되기 때문에, 이렇게 형성된 밸브 리세스들(7, 7)은 밸브 리세스의 통상의 효과로서 밸브 시기 및/또는 압축비의 요구 조건에 합치함을 물론이고 밸브 리세스들이 피스톤 헤드의 평부를 잘라냄으로써 형성되는 종래의 경우와 비교하면 피스톤 표면적의 증가를 억제하기 위하여 밸브 리세스의 최소화할 수 있다. 따라서, 본 예에 의해서, 밸브 리세스로 인한 연소실 체적의 변화는 엔진의 압축비 조정을 용이하게 하는 한편, 작은 값에서 억제될 수 있다.

여기 도16A 내지 도16C에서, 실린더(C)가 실린더(C)의 실린 보어의 원을 도16C에 도시된 바와 같이 실린더(C)의 중심축(Xc)에 직각인 수평 평면에 대응하는 투영 평면상에 투영함으로써 얻어지는 투영면(S)을 갖는 것을 가정해 보자. 더욱이, 도16C의 해칭된 부분이 실린더 블록(15)의 실린더(C)의 중심축(Xc)을 지나가는 수직 평면(V1) 상에 영역을 갖는 것을 가정해 보자. 해칭된 부분은 상사점에서 실린더 헤드(10)의 표면과 피스톤(1)의 피스톤 헤드(1a)의 표면 사이에 형성되고 가상 실린더(IC)의 방사상 외측에 형성된다. 가상 실린더(IC)는 리지라인(5)으로부터 실린더 헤드(10)의 표면까지 연장되고, 피스톤(1)의 중심축(PC)과 평행한 축을 갖는다. 여기에서, 면적비[(S2/S)×100%]는 30%보다 작지 않은 영역 내에 있다.

이 면적비의 상기 범위는 도14, 도15A 내지 도15C 그리고 도16A 내지 도16C에 도시된 엔진 상에서 수행된 실험에서 얻어지는 도17의 그래프 또는 데이터로부터 결정된다. 실험에서, 균질 연소 중의 엔진의 브레이크 토크는 엔진의 면적비의 변화에 따라 측정된다. 도17에서, 곡선은 균질 연소 중의 엔진의 브레이크 토크의 데이터를 나타낸다. 도17의 그래프는 면적비가 증가할수록 균질 연소 중의 브레이크 토크도 증가하고, 면적비는 균질 연소 중의 높은 브레이크 토크를 유지하기 위하여 30%보다 작지 않은 것이 바람직하다. 이 면적비의 상한은 균질 연소 성능 및 성층 연소 성능 사이의 균형에 따라서 결정되고, 면적비가 50% 이상으로 증가되면 균질 연소는 향상될 수 없어서, 면적비의 상한은 약 50%이다.

비록 상기 면적비[(S2/S)×100%]가 본 발명에 따른 피스톤의 변경 예와 관련하여 도시되고 설명되었어도, 면적비의 착상은 도1 내지 도3, 도9, 도10 및 도13에 도시된 다른 피스톤을 갖는 엔진에 적용될 수 있음을 알 수 있다.

연료 분사 밸브(12) 쪽으로 편심되어 형성된 원형 공동(4)을 갖는 피스톤만이 도시되고 설명되었어도, 이러한 피스톤에 의한 것과 같은 효과가 통상의 동축인 원형 공동(4)을 갖는 피스톤에 의해서도 또한 얻어질 수 있고, 공동(4)의 중심축이 엔진의 실린더의 중심축에 통상 정렬되도록 위치됨을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (17)

1. 직접 분사 스파크 점화식 내연 기관 실린더용 피스톤에 있어서,

   피스톤의 중심축에 직각인 표준 수평 평면으로부터 돌출된 돌출부를 포함하는 피스톤 헤드를 포함하며, 상기 돌출부는 통상의 원형인 리지라인을 형성하는 주연부를 갖는 공동과 상기 리지라인의 외부에 형성되고 피스톤 헤드의 주연 쪽으로 연장된 경사 표면을 포함하고, 상기 경사 표면은 리지라인에서 피스톤 헤드의 주연 방향으로 연속하여 하향 경사져 있고 상기 표준 수평 평면에 대해 10 내지 60도 범위의 각(θ1)을 형성하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
2. 제1항에 있어서, 상기 경사 표면은 원추 표면의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
3. 제1항에 있어서, 상기 공동은 3 내지 9㎜ 범위 내의 깊이(A)를 갖고, 상기 깊이는 공동의 바닥 표면과 피스톤의 표준 수평 평면 사이의 축 거리인 것을 특징으로 하는 피스톤.
4. 제3항에 있어서, 상기 깊이(A) 및 상기 돌출부의 높이(H)의 전체 값(B)이 10 내지 20㎜ 범위 내에 있고, 상기 돌출부의 높이는 표준 수평 평면과 리지라인의 최상부 사이의 축 거리인 것을 특징으로 하는 피스톤.
5. 제4항에 있어서, 상기 높이(H)와 상기 깊이(A)의 비(H/A)가 1.0 내지 2.0의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
6. 제4항에 있어서, 전체 값(B)과 피스톤 행정(S)의 비(B/S)가 0.25보다 크지 않은 범위 내에 있고, 상기 전체 값(B)은 공동의 깊이(A)와 돌출부의 높이의 합이고, 상기 깊이(A)는 공동의 바닥 표면과 피스톤의 표준 수평 평면 사이의 축 거리이고, 상기 돌출부의 높이는 표준 수평 평면과 리지라인의 최상부 사이의 축 거리인 것을 특징으로 하는 피스톤.
7. 제1항에 있어서, 상기 공동은 통상의 환형 측벽 표면에 의해 형성되고, 상기 측벽 표면은 피스톤의 중심축과 공동의 중심축을 포함하는 수직 평면상에 제1 및 제2의 대향 곡선 부분에 의해 표현되고, 상기 제1 곡선부는 제2 곡선부보다 스파크 플러그에 더 가깝게 위치되고, 제1 곡선부는 5 내지 20㎜ 범위의 곡률 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 피스톤.
8. 제1항에 있어서, 상기 돌출부는 리지라인의 외부에 위치된 완경사 표면을 갖고, 상기 완경사 표면은 경사 표면과 인접하여 있고 상기 표준 수평 평면에 대해 제2 각을 형성하며, 상기 제2 각은 상기 제1 각보다 작은 것을 특징으로 하는 피스톤.
9. 제7항에 있어서, 상기 제1 곡선부는 돌출부의 표면에 인접하고 분리된 단부를 갖고, 상기 공동은 측벽 표면에 인접한 상부 벽 표면에 의해 형성되고, 상기 상부 벽 표면은 수직 평면상의 직선부로 표현되고, 상기 직선부는 곡선부의 단부와 수직 평면상의 돌출부의 표면 사이에 존재하여 이들을 연결하고, 상기 직선부는 0 내지 10㎜ 범위의 길이(L)를 갖는 것을 특징으로 하는 피스톤.
10. 제9항에 있어서, 상기 직선부는 수직 평면상에 0 내지 15도 범위의 각(θ2)을 형성하도록 피스톤의 중심축에 대해 경사지고, 상기 직선부는 피스톤의 중심축으로부터 떨어져 돌출부의 표면 쪽 방향으로 경사진 것을 특징으로 하는 피스톤.
11. 제7항에 있어서, 상기 제1 곡선부는 수직 평면상의 돌출부의 표면에 도달하는 단부를 갖고, 돌출부의 표면에서 제1 곡선부의 접선은 수직 평면상에 0 내지 15도 범위의 각(θ2')을 형성하도록 피스톤의 중심축에 대해 경사지고, 상기 접선은 피스톤의 중심축으로부터 떨어져 돌출부의 표면 쪽 방향으로 경사진 것을 특징으로 하는 피스톤.
12. 제1항에 있어서, 연소실의 일부의 단면적과 엔진의 실린더의 실린더 보어의 투영 면적의 백분율이 30%보다 작지 않고, 상기 단면적은 엔진의 실린더의 중심축을 포함하는 수직 평면상에 있고, 상기 연소실의 일부는 상사점에서 실린더 헤드의 표면과 피스톤의 피스톤 헤드 사이에 형성되고 리지라인과 실린더 헤드의 표면을 연결하는 가상 실린더에 의해 형성되며, 가상 실린더는 피스톤의 중심축과 평행한 축을 갖고, 상기 투영 면적은 실린더의 중심축의 방향으로 실린더 보어를 투영함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
13. 제1항에 있어서, 상기 피스톤 헤드는 피스톤 헤드의 주연을 따라 형성되고 표준 수평 평면상에 놓인 통상의 환형의 표준 평 표면을 갖고, 상기 돌출부는 상기 표준 평 표면에 의해 둘러싸인 것을 특징으로 하는 피스톤.
14. 제1항에 있어서, 상기 피스톤 헤드는 상기 표준 수평 평면을 통하여 피스톤의 원통형 측벽에 인접한 것을 특징으로 하는 피스톤.
15. 제1항에 있어서, 상기 각(θ1)은 10 내지 30도의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
16. 직접 분사 스파크 점화식 내연 기관 실린더용 피스톤에 있어서,

    피스톤의 중심축에 직각인 표준 수평 평면으로부터 돌출된 돌출부를 포함하는 피스톤 헤드를 포함하며, 상기 돌출부는 통상의 원형인 리지라인을 형성하는 주연부를 갖는 공동과 상기 리지라인의 외부에 형성되고 피스톤 헤드의 주연 쪽으로 연장된 경사 표면을 포함하고, 상기 경사 표면은 리지라인에서 피스톤의 주연 방향으로 연속하여 하향 경사져 있고 상기 표준 수평 평면에 대해 10 내지 60도 범위의 각(θ1)을 형성하고,

    상기 공동은 3 내지 9㎜ 범위 내의 깊이(A)를 갖고, 상기 깊이는 공동의 바닥 표면과 피스톤의 표준 수평 평면 사이의 축 거리이고,

    상기 공동은 통상의 환형 측벽 표면에 의해 형성되고, 상기 측벽 표면은 피스톤의 중심축과 공동의 중심축을 포함하는 수직 평면상에 제1 및 제2의 대향 곡선 부분에 의해 표현되고, 상기 제1 곡선부는 제2 곡선부보다 스파크 플러그에 더 가깝게 위치되고, 제1 곡선부는 5 내지 20㎜ 범위의 곡률 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 피스톤.
17. 다수의 실린더를 갖는 실린더 블록과,

    상기 실린더 블록 상에 고정 장착된 실린더 헤드와,

    상기 실린더 헤드에 이동식으로 배치된 흡기 및 배기 밸브와,

    각 실린더에 대응하여 형성된 연소실 내로 연료를 직접 분사하기 위한 연료 분사기와,

    연소실 내로 돌출된 선단부를 갖는 스파크 플러그와,

    실린더 헤드와의 사이에 연소실을 형성하도록 실린더 내에 이동식으로 배치된 피스톤을 포함하며,

    상기 피스톤은 피스톤의 중심축에 직각인 표준 수평 평면으로부터 돌출된 돌출부를 포함하는 피스톤 헤드를 포함하며, 상기 돌출부는 통상의 원형인 리지라인을 형성하는 주연부를 갖고 피스톤의 중심축으로부터 흡기 밸브 쪽으로 오프셋된 중심축을 갖는 공동과 상기 리지라인의 외부에 형성되고 피스톤 헤드의 주연 쪽으로 연장된 경사 표면을 포함하고, 상기 경사 표면은 리지라인에서 피스톤의 주연 방향으로 연속하여 하향 경사져 있으며 상기 표준 수평 평면에 대해 10 내지 60도 범위의 각을 형성하는 것을 특징으로 하는 직접 분사 스파크 점화식 내연 기관 실린더.