KR20030074406A - 연료 분사 장치를 갖춘 내연 기관 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 적어도, 실린더(10), 실린더 헤드(12), 상기 실린더 내에서 활주하는 피스톤(22), 하나 이상의 가스상 유체용의 흡기 수단(14, 18), 연료 제트 각도(β)와 연료 제트 내프각(a1)을 갖는 멀티 제트식 연료 분사 노즐(24), 실린더 헤드를 향하여 뾰족해지고 오목한 홈(34; bowl)에 배치되는 돌기(36)가 있는 피스톤(22)의 상면에 의해 일측의 경계가 정해지는 연소실을 포함하는 직접 분사식 내연 기관에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 홈(34)의 바닥의 직경을 FD로 할 때 연료 제트(30)의 두 연속 축선(32) 사이의 제트 각도(β)가 (10π/FD) 이상이고, 실린더(10)의 직경을 CD로 하고, 연료 제트(fuel jets)의 기점과 상사점에 대하여 50°의 크랭크 샤프트 각도에 상응하는 피스톤의 위치 사이의 거리를 F로 할 때, 내프각(a1)이 2 Arctg(CD/2F) 이하이다.

Description

연료 분사 장치를 갖춘 내연 기관{INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH INJECTION DEVICE}
본 발명은 직접 연료 분사 장치를 갖춘 내연 기관에 관한 것이다.
보다 구체적으로 말하면, 본 발명은 적어도, 실린더, 실린더 헤드, 상기 실린더 내에서 활주하는 피스톤, 하나 이상의 가스상 유체용의 흡기 수단, 연료 제트 각도와 연료 제트 내프각을 갖는 멀티 제트식 연료 분사 노즐, 실린더 헤드를 향하여 뾰족해지고 오목한 홈에 배치되는 돌기가 있는 피스톤의 상면에 의해 일측의 경계가 정해지는 연소실을 포함하는 직접 분사식 내연 기관에 관한 것이다.
균질 모드로 작동하는 디젤 엔진의 경우에, 연소 시작 전에 균일한 연료 혼합기를 얻도록 멀티 제트식 분사 노즐로부터 나오는 연료를 이 엔진의 연소실에 도입되는 가스상 유체, 예컨대 공기 또는 재순환 배기 가스(EGR)와 공기의 혼합기 등과 혼합하는 것은 잘 알려져 있다.
이러한 연료 혼합기의 균질성은 소비율을 감소시키고, 입자와 산화 질소(NOx)의 생성을 최소화할 있다.
연소실에 도입된 가스상 유체와 연료의 혼합을 촉진하기 위하여, 20개 정도의 많은 구멍이 있는 분사 노즐을 구비한 엔진이 개발되었다.
이러한 타입의 분사 노즐은 균질의 연소 모드에서 엔진의 구동 조건을 개선시킬 수 있지만, 특히 연소실의 내부 공기 역학이 도입 가스상 유체의 와류 운동을 채용하여 연료 액적을 실린더 벽에 뿌리는 경우에는 연료 액적이 실린더의 벽을 적시게 된다.
이와 같이 실린더 벽이 연료로 적셔지면, 이 실린더 벽에 존재하는 윤활유의거동이 악화되어 검댕(soot)을 발생시킬 뿐 아니라, 특히 연료 소비의 증가에 의해 배기 가스가 증가되고, 엔진 성능이 저하된다.
이 엔진이 통상의 연소 조건하에서 작동하는 경우에, 특히 고부하에서 작동하여 큰 토크와 큰 비출력을 야기하는 경우에, 이러한 다수의 제트는 이 연소 모드에 적합하지 않다.
사실, 연료 제트의 축선이 원주 방향으로 서로에 대해 너무 인접한 경우에는, 이들 제트의 단부가 홈 내에서 서로 중첩되어, 가스상 유체와의 혼합을 방해하고, 연료가 너무 농후한 영역을 발생시켜, 검댕의 형성을 초래한다.
본 발명은 간단하고 경제적인 엔진 구조에 의하여 전술한 결점을 극복하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 분사 노즐을 갖춘 내연 기관을 개략적으로 도시하고 있고,
도 2는 도 1의 선 2-2를 따라 취한 단면도이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 실린더
12 : 실린더 헤드
14, 18 : 흡기 수단
22 : 피스톤
24 : 연료 분사 노즐
34 : 홈
36 : 돌기
a1: 내프각(nappe angle)
이 엔진은 두 가지 연소 모드로 작동될 수 있으며, 한 모드로부터 다른 모드로의 변경은 본질적으로 분사 상태(injection phase)를 변경시킴으로써 수행된다.
제트의 선택된 기하형상은 특정 수의 제트와 관련하여 내프각이 작은 분사 노즐을 사용하는 것을 기초로 하여, 한편으로 균질의 연소 모드에서 실린더 벽이 연료에 의해 젖는 것을 방지하면서 도입된 가스상 유체(공기 또는 재순환 배기 가스 및 공기)와 연료의 충분히 균질한 혼합을 제공하며, 다른 한편으로 통상의 연소 시에 각 연료 제트의 우수한 독립성을 제공한다.
따라서, 본 발명은 적어도, 실린더, 실린더 헤드, 상기 실린더 내에서 활주하는 피스톤, 하나 이상의 가스상 유체용의 흡기 수단, 연료 제트 각도와 연료 제트 내프각을 갖는 멀티 제트식 연료 분사 노즐, 실린더 헤드를 향하여 뾰족해지고 오목한 홈(bowl)에 배치되는 돌기가 있는 피스톤의 상면에 의해 일측의 경계가 정해지는 연소실을 포함하는 직접 분사식 내연 기관에 관한 것으로, 홈의 바닥의 직경을 FD로 할 때 연료 제트의 각도가 (10π/FD) 이상이고, 실린더의 직경을 CD로 하고 연료 제트의 기점과 상사점에 대하여 50°의 크랭크 샤프트 각도에 상응하는 피스톤의 위치 사이의 거리를 F로 할 때, 내프각이 2 Arctg(CD/2F) 이하인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 연료 제트의 내프각은 120°이하일 수 있다.
유리하게는, 내프각은 40° 내지 100°일 수 있다.
돌기의 정부의 각도는 내프각보다 0°내지 30°범위의 값만큼 크게 선택될 수 있다.
연료 제트의 축선은 돌기의 측면과 5°정도의 교차각을 형성할 수 있다.
첨부 도면을 참고로 하며 한정의 의도는 없는 예로서 제공되는 이하의 설명을 통하여 본 발명의 다른 특징 및 장점이 명백해질 것이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 디젤식의 직접 분사식 내연 기관은 적어도, 축선이 XX'이고 직경이 CD인 실린더(10), 실린더 헤드(12), 공기 또는 재순환 배기 가스(EGR)와 공기의 혼합기와 같은 가스상 유체를 위한 하나 이상의 흡기 매니폴드(14), 하나 이상의 배기 배니폴드(16), 실린더(10) 내에서 활주하는 피스톤(22) 및 연료 분사 노즐(24)을 포함하고, 상기 매니폴드의 개폐는 각각 흡기 밸브(18) 및 배기 밸브(20)와 같은 수단에 의해 제어된다.
실린더의 축선(XX')과 인라인으로 배치되는 것이 바람직한 연료 분사 노즐은 그것의 노즈(26; nose) 부근에 복수의 오리피스 또는 구멍(28)이 마련되어 있으며, 이들 구멍을 통하여 연료가 일반 축선〔축선(32)으로 도시〕을 갖는 제트(30)의 형태로 연소실 내로 분무된다.
연료 분사 노즐은 내프각(a1)이 작은 타입이며, 이 내프각은 실린더(10)의 벽이 +50° 내지 +α 또는 -50° 내지 -α의 범위에 이르는 피스톤의 어떠한 위치에 대해서도 연료에 의해 결코 젖지 않도록 선택되는데, 여기서 α는 상사점(TDC)에 대하여 선택된 분사 상태에 대한 크랭크샤프트 각도를 나타내며, 이 각도 α는 균질한 타입의 연소를 얻도록 50°보다 크고, 180°이하이다.
CD가 실린더(10)의 직경(㎜)을 나타내고, F가 연료 제트(30)의 기점과 50°의 크랭크샤프트 각도에 대응하는 피스톤의 위치 사이의 거리(㎜)를 나타내는 경우에, 내프각(a1, °단위)은 2Arctg(CD/2F) 이하이다.
내프각(a1)의 통상적인 각도 범위는 최대 120°이고, 바람직하게는 40°내지 100°이다.
연소실은 실린더 헤드(12)의 내면, 실린더(10)의 원형 벽, 피스톤(22)의 상면에 의해 경계가 정해진다.
피스톤의 이 상면에는 실린더 헤드(12)를 향하여 뾰족해지는 돌기(36)가 내측에 배치되는 오목한 홈(34)이 형성되어 있는데, 돌기는 이 홈의 중심에 배치되어있다.
도시된 예에서는, 홈(34)의 일반 축선, 분사 노즐(24)의 축선, 돌기(36)의 축선이 실린더의 축선(XX')과 일치하지만, 물론 홈, 분사 노즐 및 돌기의 축선은 실린더의 축선과 동축이 아닐 수도 있으며, 중요한 것은 연료 제트 내프의 일반 축선과, 돌기의 축선과, 홈의 축선이 실질적으로 동축으로 되는 구조를 갖는 것이다.
일반적으로 절두형의 돌기(36)는 바람직하게는 둥근 정부(頂部)를 구비하며, 이 정부는 실질적으로 직선의 경사진 측면(40)에 의해 홈의 바닥(38) 방향으로 연장되고, 이어서 홈의 바닥(38)으로부터, 피스톤(22) 상면의 실질적으로 수평한 표면(44)과 합쳐지는 실질적으로 직선의 경사진 측벽(42)에 의해 연장된다.
도 1의 예에서, 홈의 바닥(38)은 점 A 및 B에 의해 구간이 정해지는 실질적으로 평평한 환상 표면으로 이루어지고, 상기 바닥의 직경(FD)은 상기 표면의 평균 직경의 수준으로, 즉 선분 AB의 중간 지점(M)에서의 직경으로 결정된다.
이러한 홈의 바닥이 둥글게 오목한 표면으로 이루어지는 경우에, 홈의 바닥의 직경(FD)은 이 오목한 표면의 최하 지점의 수준에서, 즉 실린더 헤드(12)로부터 가장 멀리 있는 지점에서의 직경으로 측정된다.
돌기(36)의 정부의 각도와 홈(34)의 측벽(42)의 경사 각도는 연료 제트(30)의 내프각에 실질적으로 적합하게 되어 있어서, 연료는 실질적으로 돌기의 측면(40)을 따라 분사되고, 그 후 홈의 측벽(42)을 따라 역류된다.
돌기의 정부의 각도는 연료 제트의 내프각(a1)보다 0°내지 30°만큼 큰 값으로 선택되고, 홈(34)의 측벽(42)의 경사 각도는 45°미만이다.
내프각은 분사 노즐로부터의 원뿔에 의해 형성되는 정부에서의 각도로 이해되며, 이 원뿔의 가상의 둘레벽은 연료 제트의 모든 축선을 통과한다.
연료 제트(30)의 축선(32)이 돌기(36)의 측면(40)과 5°정도의 교차각을 이루는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 연료 제트의 원주 방향의 각도 편차는 이들 제트가 홈에서 서로 중첩되지 않게 제공될 필요가 있다.
따라서, 본원의 출원인은 연료 제트(30)의 2개의 연속적인 축선(32) 사이의 이상적인 각도 편차(β)를 계산에 의해 결정하여, 한편으로 통상의 연소 모드에서 엔진에 대해 만족스러운 구동 조건을 얻을 수 있고, 다른 한편으로 공기 또는 재순환 배기 가스(EGR)와 공기의 혼합기와 같은 가스상 유체와 연료의 균질의 혼합을 제공할 수 있다. 이러한 각도 편차는 축선 XX'에 수직한 평면에서 고려되는 것이다(도 2 참조).
이 분사 노즐과 관련하여, 출원인은 홈 바닥의 직경이 FD인 이상적인 홈을 또한 결정하였다.
따라서, 연속적인 제트 축선 사이의 최소각(β; 라디안 단위)은 (10π/FD)(FD는 ㎜ 단위)이다.
따라서, 구멍의 계산된 수로 지칭되고 결과적으로 분사 노즐의 축선 둘레에 원주 방향으로 균일하게 분배되는 연료 제트(30)의 수로 지칭되는 분사 노즐(24)의구멍(28)의 수(Nt)를 상기 각도 β로부터 계산할 수 있다.
Nt가 정수가 아닌 경우에, 가장 근접한 낮은 값에 상응하는 구멍의 수가 결정된다.
예로서, 구멍의 계산된 수(Nt)가 5.8인 경우에, 가장 근접한 정수는 5이며, 따라서 5개의 구멍을 갖는 분사 노즐이 사용된다.
비교적 작은 내프각(a1)을 갖는 분사 노즐과 위에서 정한 것과 같은 수의 구멍을 갖는 분사 노즐을 조합해 사용하면, 가스상 유체와 연료의 혼합을 촉진하고 연료 제트가 서로 중첩되는 것을 방지하면서 상사점(TDC)에 근접한 연료 분사에 대하여 통상의 연소 모드를 허용할 수 있다.
또한, 이 구조는 특히 균질의 연소 모드에서 우수한 오염 제어 및 엔진 성능의 발전 가능성을 제공하면서 실린더 벽에 액체 연료가 존재하는 것을 회피할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전부하 및 고부하 시에, 엔진은 기화 연료의 양호한 캐리오버(carry-over)를 허용하며, 이에 따라 연료와 가스상 유체의 혼합이 촉진되어, 도입된 가스상 유체를 양호하게 사용할 수 있어서 양호한 연소율 및 큰 혼합 강도를 얻을 수 있다. 또한, 부분 부하 시에는, 전술한 바와 같은 분사 노즐에 적용된 작은 내프각으로 인하여, 실린더 벽이 젖는 것이 방지되고, 연료와 가스상 유체의 혼합이 제공될 수 있다.

Claims (5)

  1. 적어도 실린더(10), 실린더 헤드(12), 상기 실린더 내에서 활주하는 피스톤(22), 하나 이상의 가스상 유체용의 흡기 수단(14, 18), 연료 제트 각도(β)와 연료 제트 내프각(a1)을 갖는 멀티 제트식 연료 분사 노즐(24), 실린더 헤드(12)를 향하여 뾰족해지고 오목한 홈(34; bowl)에 배치되는 돌기(36)가 있는 피스톤(22)의 상면에 의해 일측의 경계가 정해지는 연소실을 포함하는 직접 분사식 내연 기관에 있어서,
    홈(34)의 바닥 직경을 FD로 할 때 연료 제트 각도(β)가 (10π/FD) 이상이고, 실린더(10)의 직경을 CD로 하고, 연료 제트(30)의 기점과 상사점에 대하여 50°의 크랭크 샤프트 각도에 상응하는 피스톤(22)의 위치 사이의 거리를 F로 할 때, 내프각(a1)이 2 Arctg(CD/2F) 이하인 것을 특징으로 하는 직접 분사식 내연 기관.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료 제트(30)의 내프각(a1)은 120°이하인 것을 특징으로 하는 직접 분사식 내연 기관.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내프각(a1)은 40°내지 100°인 것을 특징으로 하는 직접 분사식 내연 기관.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 돌기(36)의 정부에서의 각도는 내프각(a1)보다 0°내지 30°범위의 값만큼 크게 선택되는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 내연 기관.
  5. 제1항에 있어서, 연료 제트(30)의 축선(32)은 돌기(36)의 측면(40)과 5°정도의 교차각을 이루는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 내연 기관.
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