KR20030050111A - 예연소실 방식의 가솔린 엔진 - Google Patents

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김재헌
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Abstract

본 발명은 가솔린 엔진의 연소실을 실린더 헤드와 피스톤 헤드의 조합으로 예연소실과 주연소실로 구분하고, 연소효율을 향상시켜 질소 산화물을 저감할 수 있는 예연소실 방식의 가솔린 엔진에 관한 것이다. 본 발명은 가솔린 엔진에 있어서, 실린더 헤드의 하면과 피스톤 헤드의 상면 조합으로 형성되는 주연소실과; 상기 주연소실 양측으로 상호 대향되도록 형성되는 두 개의 예연소실을 포함하여 구성한다.

Description

예연소실 방식의 가솔린 엔진{PRE COMBUSTION CHAMBER TYPE OF GASOLINE ENGINE}
본 발명은 가솔린 엔진에 관한 것으로서, 특히 예연소실 방식의 가솔린 엔진에 관한 것이다.
통상적으로, 일반적인 엔진의 연소실은 단일 연소실로 구성된 흡기 포트 분사식 또는 실린더 내 직접 분사식의 형태를 취하고 있으나, 예연소실(또는 부실,부연소실 등)을 채택하여 유연한 연소와 배기 가스 특성의 향상 등을 꾀하는 구조도 있다.
기존 예연소실 방식은 주로 단일 예연소실과 주연소실로 구성되며, 예연소실에서 초기 연소가 일어나고 강한 난류를 동반하는 화염이 주연소실로 전파되면서 연소가 일어난다.
그밖에 디젤 엔진에서 많이 사용하는 형태의 예연소실은 와류실식 또는 공기실식 등이 있다.
와류실식은 실린더 또는 실린더 헤드에 와류실을 형성하여 압축행정시 와류실로 공기가 유입되면서 강한 와류를 발생시키고 여기에 연료를 분사하여 혼합성을 증대시킨 후 착화 연소시키는 형태이다.
공기실식은 주연소실 외에 공기실이 있고 연료가 주연소실로 분사되면서 그 일부가 공기실로 유입, 연소되어 이 연소로 인한 공기의 분출 에너지를 크게 하여 연소를 향상시키는 형태이다.
종래의 예연소실 방식은 구조적으로 예연소실 형상을 실린더 헤드에 구성하는 등 복잡한 형상을 가지며, 제작상의 어려움을 가지고 있다.
또한, 부가적인 연소실 구성으로 인한 냉각 손실의 발생, 노킹의 발생 등 여러 문제점을 안고 있다.
그리고, 예연소실의 경우 단일 예연소실 형태로 강한 난류에 의한 화염 전파를 목적으로 하지만 전달 손실이 크고 경우에 따라 연소 특성이 균일하지 않게 될 수도 있다.
또한, 일부 예연소실 방식에서 배기 가스 저감 효과가 있다고 공개하였으나 질소 산화물(NOx)의 저감에는 한계가 있었다.
본 발명의 목적은 가솔린 엔진의 연소실을 실린더 헤드와 피스톤 헤드의 조합으로 예연소실과 주연소실로 구분하고, 연소효율을 향상시켜 질소 산화물을 저감할 수 있는 예연소실 방식의 가솔린 엔진을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 가솔린 엔진에 있어서, 실린더 헤드의 하면과 피스톤 헤드의 상면 조합으로 형성되는 주연소실과; 상기 주연소실 양측으로 상호 대향되도록 형성되는 두 개의 예연소실을 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가솔린 엔진의 예연소실 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연소실 형상의 수치해석을 위한 계산격자의 구성을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수치해석 결과와 시험결과와의 비교를 위해 화염전파 과정을 온도 분포 및 쉴리렌 사진을 통해 도시한 도면.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 오리피스의 직경을 변화시켜가면서 수행한 해석의 결과를 비교한 그래프.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예는 예연소실 형태의 발전된 것으로 두 개의 예연소실(140)과 한 개의 주연소실(130)로 구성되는 예혼합 가솔린 엔진에 관한 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 예연소실(140) 방식의가솔린 엔진 구성을 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 예연소실(140) 방식의 가솔린 엔진의 연소실을 개략적으로 도시한 것이며, 도 2는 도 1의 연소실 형상을 이상적인 정적 연소실 형태로 근사시키기 위해 수치해석을 위한 계산격자의 구성을 나타낸 것이다.
도 3은 수치해석 결과와 시험결과의 비교를 위해 화염전파 과정을 온도 분포 및 쉴리렌 사진을 통해 도시한 것이다.
본 발명의 실시예는 가솔린 엔진에 있어서, 실린더 헤드(110)의 하면과 피스톤 헤드(120)의 상면 조합으로 형성되는 주연소실(130)과, 주연소실(130) 양측으로 상호 대향되도록 형성되는 두 개의 예연소실(140)을 포함하여 구성한다.
즉, 본 발명의 실시예는 기존의 엔진과 마찬가지로 실린더 헤드(110)와 피스톤으로 연소실을 구성하는 기본적인 사항은 같으나, 피스톤 헤드(120) 상면과 실린더 헤드(110)의 하면 형상을 도 1에 도시된 바와 같이 한 개의 주연소실(130)과 두 개의 대향하는 예연소실(140)로 분리되도록 형성한다.
실린더 헤드(110)의 하면에는 흡기 포트(150)와 배기 포트(도시되지 않음)가 형성되며, 흡기 포트(150)와 배기 포트의 양측으로 두 개의 예연소실(140)에 화염을 전파하는 점화 플러그(160)가 각각 설치된다.
또한, 실린더 헤드(110)의 하면에는 한 개의 주 연소실과 두 개의 예연소실 (140)을 구분하는 하향 돌기(112)가 형성된다.
한편, 피스톤 헤드(120)의 상면에는 하향 돌기(112)에 대응되는 위치에 한 개의 주 연소실과 두 개의 예연소실(140)을 구분하는 상향 돌기(122)가 형성된다.
하향 돌기(112)와 상향 돌기(122)의 형상에 따라 연료 혼합기의 압축과정에서 하향 돌기(112)와 상향 돌기(122)가 서로 인접되게 되어 설정된 간격의 오리피스(Orifice)(170)가 형성되며, 오리피스(170)를 통하여 주연소실(130)과 예연소실 (140)이 서로 통하게 된다.
오리피스(170)는 그 둘레단면을 라운딩 처리하여 폭발화염이 주연소실(130)로 고르게 퍼지면서 유입되게 한다.
상기와 같은 구성으로 본 발명의 실시예는 흡기 포트(150)를 통해 충진된 예혼합기가 압축과정에서 주연소실(130)과 2개의 예연소실(140)로 구분되어지고, 각각의 예연소실(140)에 설치된 점화 플러그(160)에 의해 연소가 일어나면 강한 난류를 동반하는 화염 및 미연소된 혼합기가 오리피스(170)를 통하여 주연소실(130)로 분사되며, 양쪽 예연소실(140)로부터 분사된 미연소된 혼합기 및 화염은 주연소실 (130) 중앙에서 충돌하면서 강한 난류 연소를 일으키며 주연소를 하게된다.
도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 예연소실(140) 방식의 가솔린 엔진의 연소과정 및 특성을 설명한다.
먼저, 연소과정을 설명하면, 본 발명의 실시예는 전기 점화식 가솔린 엔진의 흡입행정에서 실린더 내부로 연료 혼합기가 흡입된다.
흡입행정에 이어 압축행정이 되면, 피스톤에 떠밀려 상승하는 연료 혼합기는 한 개의 주연소실(130)과 두 개의 예연소실(140)에 압축된다.
이어서, 폭발행정의 점화시점이 되면 각각의 점화 플러그(160) 전극이 통전되어 전기적 불꽃을 발생하고, 이 불꽃이 두 개의 예연소실(140)에 갇힌 연료 혼합기를 착화, 연소시킨다.
예연소실(140)의 연료 혼합기가 연소되면 소규모 폭발화염이 발생하여 예연소실(140) 내부에 채워지고, 상승하는 피스톤에 의해 예연소실(140) 내의 폭발화염은 극히 짧은 시간 안에 압력이 상당한 높이까지 상승한다.
이어 예연소실(140)의 압력이 주연소실(130) 압력보다 높아지는 시점에서 예연소실(140) 내의 소규모 폭발화염이 오리피스(170)를 통하여 주연소실(130)측으로 배출된다.
이로부터 주연소실(130) 내의 압축된 연료 혼합기가 착화, 연소되게 된다.
이때, 주연소실(130)의 연료 혼합기는 예연소실(140)로부터 방출되는 소규모 폭발화염에 의해 종래 기술 보다 훨씬 빠르고 확실하게 착화되며, 종래 기술 보다 훨씬 짧은 시간에 완전 연소된다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 주연소실(130) 연소형태를 유발하여 고온, 고압의 연소를 유지할 수 있다.
즉, 동력성능은 그대로 유지 또는 상승시키면서도 질소 산화물(NOx)의 발생을 억제시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 예연소실(140) 방식의 가솔린 엔진 시험 및 해석을 위해 나비에-스토크스 방정식(Navier-Stokes Equation)을 이용한 유동해석에 연소과정을 모사하기 위한 1개의 총괄 산화 방정식 및 6개의 평형 방정식, 그리고 3개의 Thermal NO 생성 방정식을 추가하여 해석을 수행하였다.
나비에-스토크스 방정식은 유체의 흐름을 기술하는 유체역학의 기초 방정식이다.
연료 혼합기(유체)의 난류상태는 kappa - epsilon 난류모델을 사용하여 계산된다.
상기한 바와 같은 시험 및 해석 결과를 통해 질소 산화물(NOx) 저감효과를 알 수 있다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 예연소실(140) 방식의 가솔린 엔진 메커니즘을 확인하기 위하여 오리피스(170)(노즐)의 직경(5, 8, 13mm)을 변화시켜가면서 수행한 해석의 결과를 비교한 것이다.
도 4는 오리피스(170) 직경 변화에 따른 연소시간의 차이를 보여주고, 도 5는 연소시간 변화와 질소 산화물량, 및 최고압력과의 관계를 각 오리피스(170) 직경에 따라 도시하고 있다.
도 4와 도 5의 결과로부터 알 수 있듯이 오리피스(170) 직경이 작을수록 0-10% 연소시간이 긴 반면 10-90% 연소시간은 짧고 최고압력은 높으면서 질소 산화물량은 감소하는 경향을 보인다.
즉, 0-10% 연소시간(주연소실(130)의 혼합기) 중 발생하는 강한 난류에 의해 주연소실(130)의 예혼합가스가 잘 발달된 연소를 할 수 있는 환경이 되어 짧은 시간 내에 주연소가 이루어지고 이로 인해 고압력은 유지하면서도 질소 산화물의 양은 감소한다고 추정할 수 있다.
이는 도 6의 난류강도 비교에서 명확히 확인할 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이 온도 분포의 표준편차(질량가중치 부여)를구해보면 난류강도가 강할수록 주연소실(130)의 연소시간중의 온도분포가 균일하게 이루어지고 질소 산화물의 양이 저감됨을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 예연소실 방식의 가솔린 엔진은 예연소실을 구비하여 가솔린 엔진의 작동 사이클의 압축행정시 예연소실 내부로 흡입되는 소량의 연료 혼합기를 미리 착화, 연소시키고, 그 폭발화염을 주연소실로 배출시켜 주연소실의 압축된 연료 혼합기 전체를 보다 빠르고 확실하게 착화되게 함은 물론, 연료 혼합기 전체가 연소되는데 드는 전체 연소시간이 현저히 단축되게 한다.
이로부터 종래에는 실화 또는 미연소 연료 혼합기의 증가문제 때문에 사용이 기피되었던 희박 혼합기의 사용을 가능하게 하여 연료를 절감하게 함은 물론, 엔진의 연소효율을 향상하는 효과가 있다.
또한, 연료 혼합기가 거의 완전연소에 가깝게 연소됨으로써 인체에 유해한 배기 배출물(질소 산화물)을 현저히 감소시키고, 복합 대기오염을 현저히 감소시키는 효과가 있다.
뿐만 아니라, 저속 및 고속회전 어느 경우에나 엔진효율을 극대화할 수 있게 하고, 엔진의 내구성을 향상시켜 엔진 수명을 연장하는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 가솔린 엔진에 있어서,
    실린더 헤드의 하면과 피스톤 헤드의 상면 조합으로 형성되는 주연소실과;
    상기 주연소실 양측으로 상호 대향되도록 형성되는 두 개의 예연소실을 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 예연소실 방식의 가솔린 엔진.
  2. 제1항에 있어서, 상기 실린더 헤드의 하면에는
    흡기 포트와 배기 포트가 형성되며, 상기 흡기 포트와 배기 포트의 양측으로 상기 두 개의 예연소실에 화염을 전파하는 점화 플러그가 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 예연소실 방식의 가솔린 엔진.
  3. 제2항에 있어서, 상기 실린더 헤드의 하면에는
    상기 한 개의 주 연소실과 두 개의 예연소실을 구분하는 하향 돌기가 형성되는 것을 특징으로 하는 예연소실 방식의 가솔린 엔진.
  4. 제3항에 있어서, 상기 피스톤 헤드의 상면에는
    상기 하향 돌기에 대응되는 위치에 상기 한 개의 주 연소실과 두 개의 예연소실을 구분하는 상향 돌기가 형성되는 것을 특징으로 하는 예연소실 방식의 가솔린 엔진.
  5. 제4항에 있어서, 상기 흡기 포트를 통해 충진되는 연료 혼합기의 압축과정에서 상기 하향 돌기와 상향 돌기가 서로 인접됨에 따라 설정된 간격의 오리피스가 형성되며, 상기 오리피스를 통하여 주연소실과 예연소실이 서로 통하는 것을 특징으로 하는 예연소실 방식의 가솔린 엔진.
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