KR20010030845A - 왕복 피스톤 내연 기관용 직접 연료 분사식 압축 점화사이클 연소실 - Google Patents

왕복 피스톤 내연 기관용 직접 연료 분사식 압축 점화사이클 연소실 Download PDF

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안드루 에이. 포림
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Abstract

연료가 피스톤 리세스내로 분사되는 직접 분사식 왕복 피스톤 디젤 사이클 내연 기관용 연소실로서, 그내에 피스톤은 별도의 오리피스를 통하여 연소실과 연통하는 피스톤 리세스에 인접한 반응실을 포함하며, 오리피스는 각 연소 사이클에서 연료의 연소 동안에 형성된 유연운의 중앙 부분내로 반응실로부터 반응 생성물을 방출하도록 위치된다.

Description

왕복 피스톤 내연 기관용 직접 연료 분사식 압축 점화 사이클 연소실{COMBUSTION CHAMBER FOR DIRECT INJECTED RECIPROCATING PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
내연 기관에 있어서 연료 차지(fuel charge)의 점화 및 연소 특성상의 개선된 제어를 이루기 위한 피스톤 장치와, 그러한 엔진의 연소실내에서 연료 래디컬 화학종(fuel radical species)의 발생 및 처리에 의해 그러한 제어된 점화 및 연소를 이루는 방법은 1990년 2월 6일자 미국 특허 제 4,898,135 호에 개시되어 있다. 상기 특허 제 4,898,135 호에 따르면, 스파크 또는 압축 착화될 수 있는 내연 기관용 피스톤은 엔진의 각 연소 사이클 동안에 각 차지의 대부분을 수용하기 위한 중앙 리세스(recess)와, 각 차지의 연료 및 공기의 일부를 수용하기 위한 리세스에 인접한 반응실(a reaction chamber)을 포함한다. 각 연소 사이클 동안에, 반응실내에 배치된 차지의 부분은 냉염 산화 반응(a cool flame oxidation reaction)을 받아서 다음에 이어지는 연소 사이클에 있어서 연소실에 수용된 다음 차지를 시딩(seeding)하기 위하여 방출되는 연료 래디컬 및 중간 화학종을 생성하도록 한다.
상기 미국 특허 제 4,898,135 호의 요지에 따르면, 연료 래디컬의 발생 및 처리는 각 차지의 연료 및 공기가 반응실내에 수용되는 방법 및 연소 영역내로 반응실에서 가스 배출이 발생하는 방법상의 제어를 요구한다. 미국 특허 제 4,898,135 호에 따르면, 임계 치수를 갖는 연속 슬롯 오리피스(a continuous slot orifice)는 각 연소 사이클중의 압축 행정 동안에 초크류(choked flow) 조건하에서 반응실내에 연료 및 공기를 우선 수용하도록 제공되고 초크류 조건하에서 또한 주 연소실 내로 반응실에서 가스 배출이 가능하도록 제공되며, 그것에 의해 연료 래디컬 화학종의 공급이 반응실에서 가스 배출에 있어서 시간 지연에 의해 다음 연소 사이클에 사용하기 위하여 각 연소 사이클 동안에 유지된다. 선택적으로, 종래 미국 특허 제 4,898,135 호의 요지에 따르면, 하나 또는 그 이상의 별도의 오리피스(dicrete orifices)는 피스톤 리세스와 반응실 사이를 연통(communication)하도록 제공되어 반응실에 연료를 수용하는 동안에 보다 양호한 제어를 이루도록 한다.
상술된 피스톤 구성에 의해 제공된 잇점의 완전한 검토 및 연료 래디컬 화학종이 상술한 바와 같은 구성을 갖는 피스톤에 따라 발생 및 처리되는 방법의 보다 완전한 설명을 위하여, 미국 특허 제 4,898,135 호의 기술된 설명 및 도면을 참조할 수 있다. 기본적으로, 미국 특허 제 4,898,135 호는 내연 기관에 있어서 점화전에 연료 차지의 제어된 시딩이 이용된 엔진 타입에 의존하는 어떤 엔진 작동 조건 동안에 노크(knock)에 종속하거나 점화의 개선없이 점화시키기 어렵다고 인식되는, 연료의 노크를 일으키지 않는 연소 및 신뢰 가능하고 예견 가능한 점화를 이루는데 이용될 수 있는 방법을 개시하고 있다. 그러한 래디컬을 갖는 연료 차지의 시딩의 인지된 잇점을 성취하기 위하여 연소실내에 래디컬의 공급의 발생 및 처리는 엔진의 주 연소실과 반응실 사이에 제어된 연통을 제공하는 시스템을 구비한 피스톤 리세스에 인접하게 위치된 반응실을 사용하는 것을 포함한다.
미국 특허 제 4,898,135 호에 개시된 시스템 및 방법상의 개선에 있어서, 연속 슬롯 오리피스는 반응실내에 각 차지의 연료 부분의 수용을 우선적으로 제어하도록 의도된 적어도 하나의 별도의 오리피스와, 제 1 별도의 오리피스로부터 분리되어 위치되고 반응실내에 우선적으로 공기의 수용을 제어하도록 배열된 적어도 하나의 분리된 별도의 오리피스를 선호하여 제거되었다. 이러한 개선이 1994년 6월 21일자 미국 특허 제 5,322,042 호에 개시되어 있다.
기본적으로, 미국 특허 제 5,322,042 호에 따르면, 미국 특허 제 4,898,135 호에 개시된 바와 유사한 피스톤 리세스의 축방향으로 연장된 측면 벽에는 각 연소 사이클 동안에 반응실내에 연료의 우선 수용을 제어하도록 의도된 적어도 하나의 별도의 오리피스를 제공하며, 반응실내에 공기를 우선 수용을 제어하도록 제공되는 적어도 하나의 분리된, 물리적으로 분리된 별도의 오리피스를 제공한다. 반응실내에서 유체 순환 및 열전달 조건을 최적화하기 위하여 오리피스를 구성하고 그들의 위치를 조절함으로써, 연료 래디컬 화학종의 발생의 최적화가 이루어 진다. 마찬가지로, 이어지는 연소 사이클 동안에(즉, 흡입 행정 동안에) 주 연소실내로 연료 화학종의 가스 배출은 보다 제어된 방법으로 또한 이루어 지며, 그러므로 오리피스의 위치가 주 연소 영역내에 연료 화학종의 분사에 기여할 것이다.
각 연소 사이클의 연소 행정 동안에 형성된 리세스내의 유연운(a soot clout)내로 반응실로부터 래디컬 화학종의 방출을 실행하기 위하여 반응실과 연통되어 있는 하나 또는 그 이상의 오리피스가 피스톤 리세스를 규정하는 축방향의 측면 벽을 따라 위치된다면, 디젤 사이클 엔진에 있어서 그러한 연소실내에서 연소 동안에 생성되는 유연(연료의 부분적인 연소로부터 나오는 대부분 탄소 함유 입자)의 감소가 현저히 이루어 질 수 있다는 것이 보다 최근에 관찰되었다.
발명의 요약
본 발명에 따르면, 연소실과 반응실 사이를 연통하도록 제공되는 적어도 하나의 별도의 오리피스는 축방향으로 연장된 피스톤 리세스의 측면 벽을 따라 수직으로 배치되어 각 연소 사이클 동안에 피스톤 리세스 영역에서 형성된 유연운의 중앙 부분내로 반응실로부터 반응 물질의 고속 방출을 실행하도록 한다. 유연운은 피스톤 리세스내 또는 인접하여 위치된 배출구(outlet) 오리피스를 구비한 연료 분사기에 의한 분무 패턴(a spray pattern)으로 방출되는 분무화된 연료(atomized fuel)의 연소로부터 나온다. 유연운은 분사 연료 분무의 연소 동안에 연료 분사기로부터 축방향 및 반경방향 외향으로 발산되며, 모든 연료가 이용가능한 산소와 반응되지 못하는 경우, 연소 방법에 의한 각 연소 사이클 동안에 정도가 다르게 소모된다. 공지된 바와 같이, 완전 연소는 각 연소 사이클 동안에 연소실에 발생하는 조건에 따라 항상 가능한 것은 아니며, 직접 분사식 디젤 엔진의 배기류내로 유연의 방출을 배제하기 위해서는 가능한한 많은 유연 또는 연소되지 않은 탄화수소 성분을 제거하는 것이 매우 바람직하다.
각 연소 사이클 동안에 피스톤 리세스 영역내의 유연운의 중앙 부분내로 반응실로부터 반응 물질의 고속류를 방출함으로써, 전형적으로 사이클중의 연소/팽창 행정 동안에, 반응 물질이 아직 미반응된 탄화수소 연료의 완전 연소에 기여하여 연소실로부터 배기류내의 유연을 감소시키도록 한다.
본 발명의 보다 완전한 설명이 첨부된 도면과 연관하여 하기에 제공된다.
본 발명은 왕복 피스톤 직접 분사식 디젤 사이클 내연 기관용 연소실(a combustion chamber) 구성에 관한 것이다.
도 1 및 도 2는 분무화된 분사 연료를 수용하기 위한 리세스된 피스톤 실을 구비한 왕복 피스톤 디젤 사이클 내연 기관용 직접 분사식 연소실의 종래 기술을 도시한 측단면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 도면,
도 4는 다른 반응실 구성을 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따라 구성된 다중 반응실을 도시한 것으로 피스톤 크라운(crown)의 평면도.
도 1은 미국 특허 제 4,898,135 호에 따라 구성된, 직접 분사식 압축 점화(디젤) 타입 내연 기관(10)의 측단면도를 개략적으로 도시하고 있다.
엔진(10)은 피스톤 핀(wrist pin or gudgeon)(18)에 의해 피스톤 로드(rod)(14)에 부착된 커넥팅 로드(connecting rod)(16)를 통하여 출력 크랭크 샤프트(도시되지 않음)에 연결된 왕복 피스톤(14)이 공지된 원리에 따른 하사점(BDC)과 상사점(TDC) 사이에서 축방향으로 왕복운동하여 피스톤의 상부 측과 엔진의 헤드(head)(20) 사이에 다양한 체적의 연소실을 제공하도록 하는 실린더(12)를 포함한다.
피스톤(14)이 도 1에서 상사점일 때가 도시되어 있고, 그때에 흡입구(26) 및 배기구(28)와 연소실[일괄적으로 참조부호(20)로 표시함] 사이를 연통시키는 통상의 흡입 밸브(22) 및 배기 밸브(24)가 닫혀 있다. 밸브(22, 24)는 내연 기관 기술에 있어서 그러한 목적을 이루기 위해 보통 사용되는 어떤 통상의 시스템에 의해 전형적으로 작동되어 밸브(22, 24)의 동기(synchronized) 개방 및 폐쇄가 적어도 공기를 공기 청정기(A) 및 흡입구(26)를 통과하여 연소실내에까지 빨아들이고 연소 사이클중의 흡입 및 압축 행정 동안에 압축되는 것이 가능하도록 한다.
연료는 연료 분사기(32)를 통하여 정해진 시간적 간격으로 직접 분사된다. 다음에, 연소실내에 차지(charge)의 압축, 연소 및 팽창이 발생하고, 연소 생성물은 엔진의 연소 사이클중의 배기 행정 동안에 배기구(28)를 통과하여 방출된다.
상술한 바와 같이, 제어 모듈(40)을 통하여 엔진 속도 제어기[즉, 가속 페달(38)]의 제어하에서 분사기 펌프 시스템(36)을 지나 공급기(34)로부터 연료를 수용하는 연료 분사 노즐(32)을 통하여 연소실내에 연료가 직접 분사되어, 피스톤이 연소 사이클중의 압축 행정 동안에 상사점에 접근할 때 분무화된 연료가 분무 패턴으로 연소실내에 분사되도록 한다.
도 1에 도시된 압축 점화 시스템에 있어서, 차지의 연소는 차지가 고압 및 고온 조건에 종속됨에 따라 단독으로 개시되고, 그것에 의한 차지의 동시 점화가 바람직한 순간에 발생한다. 전형적인 형태에 있어서, 예열 플러그(glow plug)(도시되지 않음)가 엔진의 시동 동안에 연소를 개시하는데 이용된다.
도 1에 도시된 시스템의 다른 검토에 대하여, 미국 특허 제 4,898,135 호를 참조할 수 있다.
도 1에 도시된 종래 기술의 시스템에 따르면, 연소 사이클 동안에 각 차지의 연료 및 공기의 일부가 연속 슬롯 오리피스(slot orifice)(46)를 지나고, 별도의 오리피스(48)를 임의로 관통하는 횡단면에서 볼 때 대체로 원환 또는 곡선인 반응실(44)내에 수용된다. 특히, 연속 슬롯(46) 및 오리피스(48) 모두는 연료를 직접 수용하려고 하고, 오리피스 어느 것도 주 연소실로부터 공기만을 우선 수용하도록 배열되지는 않는다. 반응실(44)내의 연료 및 공기는 연료와 산소의 래디컬 화학종(radical species) 및 중간 생성물(intermediates)("연료 래디컬 화학종")을 생성하도록 각 연소 사이클 동안에 부분적으로 반응되고, 그 연료 래디컬 화학종은 다음에 이어지는 연소 사이클에서 다음 유입 차지를 시딩하는데 이용되어 그것에 의한 조건에서 다음 차지가 다음 연소 사이클 동안에 바람직한 점화 및 열 방출 특성을 이루도록 한다. 도 1에 도시된 연소실 구성에 따른 연료 래디컬 화학종의 발생 및 처리의 보다 완전한 검토를 위해 상기 미국 특허 제 4,898,135 호를 참조할 수 있다.
도 1의 종래 기술의 실시예의 검토를 계속하면, 피스톤(14)은 연소실(30)의 체적(VA)의 실질적인 부분을 나타내려고 의도된 그것의 크라운 영역에 리세스(42)가 구비되어 있다. 체적(VA)은 피스톤(14)이 상사점(TDC)에 있을 때 연소실(30)내의 총 틈새(clearance) 체적(VC)에서 오리피스 영역을 포함하는 반응실(44)의 체적(VB)을 뺀 것으로 정의된다. 따라서, 이러한 엔진 구성에 따르면, 점화점에서 각 연소 사이클 동안에 완전한 압축 행정이 진행된 경우, 리세스(42)가 연소실 체적(VA)내의 각 차지의 대부분의 연료 부분을 포함한다. 미국 특허 제 5,898,135 호에 보다 완전하게 개시된 바와 같이, 반응실(44)은 단일 환형의 반응실을 포함하거나, 리세스(42)의 외주면 근처에 이격된 다수의 반응실을 포함할 수 있다. 리세스(42)는 종방향으로 연장된 하부 벽(50) 및 축방향으로 연장된 측면 벽(54)에 의해 규정된다. 도 1의 실시예에 따르면, 측면 벽(54)은 연속 슬롯 오리피스(46)가 측면 벽(54)과 하부 벽(50) 사이의 교차점에서 경계를 이루는 범위에서 불연속이다.
제조를 간소화하기 위하여, 도 1에 도시된 실시예는 환형의 크라운 블럭(53)을 포함하며, 그 블럭(53)내에 반응실(44)이 형성되고, 그 블럭(53)은 피스톤 크라운 영역(55)내에 리세스(42)의 측면 벽(54)을 포함한다. 블럭(53)은 패스너(56)에 의해 피스톤(14)의 상부 측면에 고정되고, 그것에 의해 반응실(44)이 블럭(53)내에 형성될 수 있고, 다음에 블럭(53)이 피스톤(14)의 하부 측면에 조립될 수 있다.
도 2의 종래 기술의 실시예에 따르면, 연속 슬롯 오리피스(46)는 완전히 제거되고, 대신에 별도의 오리피스만이 주 연소실(30)과 반응실(44)의 내부 사이를 연통시키는데 이용된다. "별도의 오리피스"라는 용어는 연속적이거나 세장형의 개방 슬롯 또는 갭(gap)에 반대되는 것으로 폐쇄되고 대체로 대칭적이거나 또는 균일한 기하형상(예를 들면, 환형, 사각형 등)을 갖는 개구 또는 틈(aperture)을 구별하고자 한다.
이러한 예에 따르면, 별도의 오리피스는 반응실(44)내에 연료 및 공기 각각의 수용을 우선적으로 분리하여 제어하도록 제공된다. 이러한 실시예에 있어서 별도의 오리피스(58)는 피스톤(14)내의 리세스(42)의 축방향으로 연장된 측면 벽(54)내에 제공된다. 오리피스(58)는 연료 분사기(32)로부터 분출된 분무 패턴에 의해 직접적으로 충돌되도록 배치되어 각 연소 사이클에서 반응실(44)내로 연료의 직접적인 공급을 보장하도록 한다. 이러한(도 2) 실시예에 따르면, 피스톤(14)의 크라운 영역(55)[블럭(53)의 상부 표면]과 교차하는 분리된 별도의 오리피스(60)는 반응실(44)내에 공기의 수용을 우선적으로 제어하도록 제공된다. 오리피스(58, 60)는 서로로부터 공간적으로 분리되어 분사기(32)로부터 연료의 분무 패턴이 공기 오리피스(60)가 배치된 영역에 충돌하지 않도록 하는 것이 관찰될 것이다. 따라서, 오리피스(58)가 반응실(44)내에 연료의 수용을 우선적으로 제어하고, 반면 오리피스(60)가 반응실내에 공기의 수용을 우선적으로 제어한다는 것이 보여질 것이다.
도 2의 종래 기술의 예에 따르면, 오리피스(58, 60)는 반응실(44)을 향하여 내향으로 블럭(53)의 외부 벽으로부터 뚫려 있어 접선방향으로 또는 적어도 반응실(44)내에 소용돌이 와류(vortical swirl)를 유도하는 방향으로 반응실(44)의 곡선 측면 벽과 교차하도록 한다. 소용돌이 와류의 방향은 유체 흐름이 오리피스(58, 60)을 통하여 역행하여 움직이기 보다 오히려 반응실(44)내에 제한되어 머무르도록 할 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 오리피스(58, 60)는 접선방향으로 반응실(44)의 곡선 측면 벽과 바람직하게는 교차하는 것으로 모두 도시되어 있다. 도 2에 도시된 종래 기술의 예의 충분한 설명을 위해 미국 특허 제 5,322,042 호를 참조할 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하며, 그내에 종래 기술의 예에 있어서의 피스톤(14)에 대응하는 리세스된 피스톤(100)은 피스톤 리세스를 규정하는 축방향으로 연장된 측면 벽(104)을 포함하는 일체형 피스톤 크라운 영역(102)을 포함하며, 적어도 하나의 반응실(106)은 도 1 및 도 2에 도시된 종래 기술의 반응실(44)과 기능적으로 대응하도록 제공된다.
이러한 개선에 따르면, 반응실(106)과 피스톤(100)내의 리세스 사이를 연통시키는 제 1 연료 수용 오리피스(108)는 피스톤 크라운 단부로부터 축방향의 측면 벽(104)을 따라서 일정 거리 또는 높이(H)에 축방향으로 배치되며, 그 거리는 도 1 및 도 2의 종래 기술의 예와 대응하는 연소실 구성에 있어서 리세스된 피스톤(100)을 이용하는 직접 분사식 왕복 피스톤 디젤 사이클 내연 기관의 연소실내의 각 연소 사이클에서 전형적으로 형성되는 유연운(a soot cloud)(112)의 중앙 영역(110)에 대응한다.
유연운(112)은 피스톤(100)의 리세스 영역내에 분무화된 분무 패턴으로 방출되는 연료의 연소 개시 다음에 생성된다. 유연은 정도가 다르게 연소하는 과정 및 아마 다른 연소율일 때 존재하는 연소되지 않은 탄화 수소 연료로 구성된다. 이상적으로, 연소실내에 수용된 모든 연료 차지는 이용가능한 산소와 반응하거나 완전히 연소하여 유연이 피스톤(100)이 배치된 연소실로부터 방출되는 배기류내에 생성되지 않도록 한다.
그러나, 분사 연료의 완전 연소를 위한 연소실내의 이상 조건이 모든 작동 조건하에서 항상 유지될 수 없으므로 배기류내의 유연의 방출이 엔진의 모든 작동 조건하에서 피할 수 없다.
축방향의 측면 벽(104)을 따른 오리피스(108)의 위치(H)(또는 전형적인 형태에서 다중 오리피스)는 각 연소 사이클 동안에 연소실내에 전형적으로 형성된 하나 또는 그 이상의 유연운의 중앙 영역(110)에 대응하도록 선택된다. 바람직하게, 분사기(114)의 위치는 피스톤 크라운(102)의 리세스내에서 조절되어 중앙 영역(110)이 피스톤의 상부 측면(116)으로부터 일정 거리(H)에 축방향으로 위치되도록 한다.
유연운(112), 그것의 중앙 영역(110)과 오리피스(108)의 위치 사이의 이러한 관계는 연소 사이클의 초기 팽창 행정 동안에 고속으로 전형적으로 발생하는 반응실(106)로부터 반응 생성물의 방출이 각 연소 사이클 동안에 유연운(112)의 중앙부(110)로 직접 향하도록 보장한다. 유연운(112)내의 부분적으로 반응된 연료 또는 연료 화학종과의 반응실(106)로부터 반응 생성물의 혼합물은 부분적으로 반응된 연료의 완전 연소를 촉진시킴으로써 연소실로부터 배기류내로 방출되는 유연 성분을 현저히 감소시킨다. 특히, 반응실(106)로부터 오리피스(108)를 빠져나가는 고속 제트류는 연소실내의 유연운를 난류 혼합 및 와류를 발생시켜 유연운내의 연료 성분의 완전 반응 및 연소를 촉진시키도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 반응실(106)은 피스톤 크라운 영역내에 반응실을 규정하도록 대체로 판상이고 곡선인 측면으로 형성된다. 더욱이, 바람직한 예에 있어서, 오리피스(108)는 도 3에 도시된 바와 같이 반응실(106)의 중앙 영역과 연통되어 있고, 그것에 의해 반응실(106)내의 연료의 반응은 유연운(112)의 중앙 영역(110)을 향하여 오리피스(108)를 관통하여 고속으로 나중에 방출되도록 반응실내의 보다 고압을 만들고 제한하는 경향이 있다. 반응실(106)의 적어도 부분적으로 판형의 측면 벽은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 곡선의 측면 벽과 구별되고, 그것은 별도의 오리피스을 통하여 반응실에 도달하는 유입 연료와 반응실의 측면 벽 사이의 내부 와류작용 및 열교환을 촉진시키려고 의도된 것이다. 반응실(106)에 대하여 중심방향으로 오리피스(108)를 위치시킨 것은 반응실내에 수용된 연료가 반응실에서 강하게 순환되고 피스톤 크라운 영역(102)과의 열교환에 의해 가열되도록 제공되는 유해한 효과를 생성하지 않는다는 것이 관찰되어 왔다.
반응실(120)의 다른 구성이 도 4에 도시되어 있으며, 그내에 반응실의 판형 및 곡선의 측면 벽이 도 3에 도시된 구성과 비교하여 반대로 될 수 있다.
미국 특허 제 5,322,042 호에 개시된 바와 같은 종래 기술에 따르면, 어떤 정해진 설계 요소가 반응실 체적, 연소실 체적과 오리피스(58)의 총 오리피스 면적 사이의 관계를 수립하는데 중요하다는 것이 발견되었다. 이러한 관계는 본 발명에 대하여도 해당되며, 특히 반응실(106)의 체적, 피스톤(100) 상의 연소실의 체적 및 오리피스(108)의 총 오리피스 면적에 관하여도 해당된다.
미국 특허 제 5,322,042 호에 개시된 바와 같은 종래 기술에 따르면, 수립된 가장 좋은 관계식[설계 지수(Design Index)]이 하기 수학식 1에 의해 정의된다.
I = X/Y = 16 내지 26
여기서,
I = 설계 지수;
X = Vc/Ap
Y = Vtdc/Vct
Vc= 개별 반응실 체적,
Ap= 개별 반응실과 연통하는 별도의 오리피스의 총 오리피스 면적,
Vtdc= 총 상사점 연소실 체적,
Vct= 총 반응실 체적.
설계 지수에 대한 상기 수학식 1의 값 "I"는 주어진 엔진에 있어서 어떤 주어진 피스톤 및 반응실의 별도의 오리피스(108)에 대한 초기 총 오리피스 면적을 구하기 위한 어떤 엔진에 대한 설계 계산을 제공한다. 설계 지수를 실험적으로 결정할 수 있는 방법의 보다 완전한 설명을 위해서는 미국 특허 제 5,322,042 호를 참조할 수 있다.
본 발명에 따르면, 바람직한 설계 지수는 하기 수학식 2와 같이(미국 특허 제 5,322,042 호에 개시된 바와 같은 동일한 부호를 사용하여) 표현될 수 있다.
I = X/Y = 5 내지 15
종래 기술에 따른 설계 지수 16 내지 26에서는 배출 가스 사이클 시험에 있어서 6 g/Kwh 보다 큰 배기류내의 NOx(이산화 질소) 값을 필요로 한다. 본 발명에 따르면, 설계 지수의 보다 작은 값, 특히 5 내지 15의 설계 지수 값에서는 6 g/Kwh 보다 낮은 NOx값을 필요로 한다는 것이 관찰되었다. 이것은 오리피스(108)의 막힘(clogging)이 6 g/Kwh 보다 낮은 NOx값과 연관된 예측된 지연 분사 시기에서 발생할 수 있기 때문에 중요하다고 믿어진다. 이러한 바람직한 실시예에 따라 설계 지수의 보다 낮은 값은 고장없는 작동을 제공하고 심지어 엔진 작동 동안에 높은 EGR[배기 가스 재순환(exhaust gas recirculation)]율을 제공하는 것으로 관찰되어 왔다.
도 5에 도시된 본 발명의 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 피스톤(100)의 크라운 영역에 대응하는 리세스된 피스톤(122)의 크라운 영역은 반응실[도 3에서 참조부호(106) 또는 도 4에서 참조부호(120)]에 대응하는 다중 반응실(124)을 포함한다. 각 반응실(124)은 도 3에 도시된 오리피스(108)에 대응하는 적어도 하나의 별도의 오리피스(126)를 포함한다. 유연운(112)은 연료 분사기(114)를 통하여 연료의 분사 결과에 따라 연소 동안에 발전되며, 각 오리피스(126)가 유연운(112)의 중심(110)을 향하여 반응실(124)로부터 부분적으로 반응된 연료(예를 들면, 래디컬 등)를 방출하도록 구성된다는 것은 중요하다. 추가 오리피스(도시되지 않음)는 반응실내로 공기 또는 매우 희박한 연료-공기 혼합물의 공급을 제어하도록 제공될 수 있다.
여기에서 설명된 본 발명의 실시예는 단지 예시적인 것이고, 본 발명이 첨부된 청구항에 규정된 바와 같은 본 발명의 정신 및 목적으로부터 벗어나지 않는 동일 분야의 숙련된 자에게 쉽게 이해될 수 있는 다른 형태를 갖을 수 있다는 것은 이해될 것이다.

Claims (3)

  1. 연료 및 공기 차지가 흡입, 압축, 연소, 패창 및 배기 행정을 포함하는 연소 사이클 동안에 연소를 위해 주기적으로 공급되는 폐쇄된 단부 실린더내에서 왕복 운동하는 피스톤에 의해 규정된 다양한 체적의 연소실을 포함하며, 그내에 상기 피스톤의 크라운 영역이 대체로 축방향으로 연장된 측면 벽에 의해 규정된 리세스를 포함하고, 상기 리세스가 연소실이 최소 체적일 때, 대부분의 차지를 함유하며, 상기 피스톤의 상기 리세스 영역내로 분무화된 연료를 방출하기 위한 배출구 오리피스를 구비한 연료 분사기를 포함하며, 분사된 연료의 연소가 상기 리세스내의 중앙 부분을 포함하는 적어도 하나의 유연운을 형성시키도록 하는, 왕복 피스톤 내연 기관용 직접 연료 분사식 압축 점화 사이클 연소실에 있어서,
    상기 리세스의 외주면에 인접한 상기 피스톤 크라운 영역내에 배치되는 적어도 하나의 반응실을 포함하는 상기 피스톤과;
    상기 유연운의 상기 중앙 부분이 각 연소 사이클의 각 연소 행정 동안에 형성되는 곳으로 리세스내의 일정 높이 및 외주면상의 위치에 대응하는 상기 리세스 측면 벽을 따라 일정 높이 및 외주면상의 위치에 위치되고, 반응실과 연소실 사이를 연통하도록 제공되는 적어도 하나의 별도의 오리피스를 포함하는
    왕복 피스톤 내연 기관용 직접 연료 분사식 압축 점화 사이클 연소실.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오리피스가 축방향으로 상기 반응실의 중앙 위치에서 상기 반응실과 교차하며, 상기 반응실이 대체로 판형의 측면 벽에 의해 규정되는
    왕복 피스톤 내연 기관용 직접 연료 분사식 압축 점화 사이클 연소실.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 반응실 및 오리피스가 다수의 반응실 및 연관된 오리피스를 포함하며, 각 반응실이 체적 Vc를 갖고, 상기 별도의 오리피스가 총 횡단 면적 Ap를 갖고, 피스톤이 상사점(최소 체적)에 있을 때의 연소실의 총 체적이 Vtdc이고, 반응실의 총 체적이 Vct이며, 별도의 오리피스를 위한 총 면적이 하기의 수학식 2를 만족하는
    왕복 피스톤 내연 기관용 직접 연료 분사식 압축 점화 사이클 연소실.
    X/Y = 5 내지 15
    여기서,
    X = Vc/Ap
    Y = Vtdc/Vct
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