KR20030085178A - 가스 차량용 피스톤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 차량용 피스톤, 특히, 중대형 점화착화용 가스엔진을 희박운전여소가 가능하면서 노킹(Knocking) 현상을 최소화할 수 있도록 하는 가스 차량용 피스톤에 관한 것으로서, 본 발명 가스 차량용 피스톤에 의하면, 엔진이 희박운전여소가 가능하도록 급속연소가 이루어지며 노킹(knocking)이 줄어들어 엔진의 점화시기의 최적화 및 엔진의 점화시기의 최적화 및 엔진 효율을 증가시킬 수 있다는 아주 뛰어난 효과가 있다.

Description

가스 차량용 피스톤{A PISTON}

본 발명은 가스 차량용 피스톤에 관한 것으로, 특히, 중대형 점화착화용 가스엔진을 희박연소가 가능하면서 노킹(Knocking) 현상을 최소화할 수 있도록 하는 가스 차량용 피스톤에 관한 것이다.

상기 희박연소를 좀더 상세히 설명하면, 액화석유가스(엘피지)의 경우, 엔진은 엘피지와 공기의 혼합기를 연소시켜 동력을 얻고 있지만, 공기를 더 많이 넣어 혼합기의 비율에서 희박한 것을 사용하는 연소방식이 희박 연소방식이다. 즉, 엘피지 1에 대해 공기 약 16 비율이 이론 혼합기라고 하고, 이보다 공기량이 많은 상태를 희박 혼합기라고 말한다.

일반적으로, 자동차는 가솔린 또는 디이젤 및 액화천연가스 등을 연소시켜 그 폭발력을 이용하여 크랭크축을 회전시켜 구동력을 얻는 것으로, 연료와 공기의 혼합기를 압축하여 이를 연소시키는 실린더를 갖춘 내연기관(이하, 엔진이라 함)을 갖추고 있다.

즉, 엔진은 복수의 실린더를 형성하고 있는 실린더 블록과 이 실린더 블록의 상부에 제공되어 연소실(10)을 제공하는 실린더 헤드(1) 및 상기 실린더내를 승강하며 폭발력을 발생시키는 피스톤(20)을 갖추고 있다.

또한, 실린더는 흡기구와 배기구를 갖추고 있으며, 각각의 이들 흡, 배기구를 통해 혼합기를 공급하거나 또는 연소가스를 배출하는 밸브개폐장치를 포함하고 있다.

이러한 엔진은 주로 2행정기관 또는 4행정기관으로 분류되는 바, 본 발명은 4행정(흡입, 압축, 폭발, 배기행정)을 1사이클(cycle)로 하는 기관에 관련된 것으로서, 이러한 엔진은 압축행정에서 연소실(10)에 제공되는 점화플러그로 스파크를 발생시켜 압축된 혼합기를 점화하여 폭발시키고, 이 폭발력에 의해 피스톤(20)을 하강시킨다.

그리고, 커넥팅로드로 피스톤(20)과 크랭크축을 연결하여 피스톤(20)의 승강운동을 크랭크축의 회전운동으로 전환하여 구동력을 얻게 된다.

또한, 상기 밸브개폐장치는 크랭크축에 직결되거나 또는 타이밍벨트등에 의해 연결되어 회전을 이루는 캠축과, 이 캠축상에 각각의 실린더수와 대응하도록 배치되는 복수의 캠과, 캠에 의해 직선왕복운동하며 흡기구 및 배기구를 개폐하는 흡기밸브 그리고 배기밸브를 갖추고 있다.

참고적으로, 4행정을 개략적으로 설명하면, 먼저 흡입행정에서는 흡기밸브는 개방되고, 배기밸브는 닫혀있는 상태에서 피스톤(20)이 하강하게 되므로 흡기구를 통해 혼합기(연료 및 공기)가 도입된다.

이러한 상태에서 압축행정이 진행되는데, 압축행정시에는 피스톤(20)이 하사점을 지나 상승을 개시하는 시점에서 캠작용에 의해 흡기밸브가 닫히게 되고, 배기밸브는 계속해서 닫힘상태를 유지한다. 따라서, 피스톤(20)이 점차상승함에 따라 혼합기는 압축되어 진다.

그리고, 폭발행정에서는 상기 피스톤(20)이 압축을 실시하며 상사점에 도달한 시점에서 점화플러그에서 스파크를 발생시켜 압축된 혼합기가 폭발하고, 이 폭발력에 의해 피스톤(20)이 하강하게 된다. 이와 같이 피스톤(20)이 하강하는 힘은 커넥팅로드를 통해 전달되어 크랭크축의 회전력을 발생시킨다.

그리고, 배기행정에서는 피스톤(20)이 하사점을 지나 다시 상승을 개시하면, 캠작용에 의해 흡기밸브가 개방되고 피스톤(20)의 상승에 따라 실린더내의 연소가스가 배기구를 통해 배출된다.

이때, 상기 크랭크축에는 비교적 중량체의 플라이휠이 설치되어 회전관성에 의해 크랭크 축이 항시 한 방향으로 일정한 회전력을 유지하며 회전하도록 되어 있다.

한편, 종래에 사용되는 중대형 점화착화식 가스 차량용 피스톤은 중소형 가솔린 기관의 피스톤(20)을 사용할 수 없기 때문에 기존의 대형디젤기관의 피스톤(20)을 개조하여 사용하고 있는데, 이때, 상기와 같이 개조되어 사용되는 중대형 점화착화식 가스엔진은 일반적인 정상 이론 혼합기 운전상에서는 문제가 발생하지 않는데, 엔진의 열부하 감소나 열효율의 증가 등의 잇점을 얻기 위한 희박 혼합기의 사용을 위해서는 가급적 최단시간에 연소를 마치는 급속연소를 적용해야 한다.

그러나, 기존의 중대형 점화착화식 가스 차량용 피스톤은 도 1 에 도시한 바와 같이, 피스톤의 상면이 반원 형태로 이루어져 있기 때문에 연소실에서 폭발행정을 할 경우 도 2 에 도시한 바와 같이, 폭발에 따른 화염이 반원 형태의 상면 중앙에서 사방으로 이동하는데, 이때 화염면을 전파시키는 피스톤 내부의 난류강도 및 화염면의 균일한 확보가 어려워 희박연소가 어려울 뿐만 아니라, 엔진의 연소실부와 피스톤 탑랜드(Top land)부의 간격이 좁아서 발생하는 높은 압력과 온도로 자연발화되는 노킹현상으로 점화시기가 최적화 되지 않아 효율이 감소한다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 가스엔진이 희박운전연소가 가능하도록 급속연소가 이루어지며 노킹이 줄어들어 엔진의 점화시기의 최적화 및 엔진 효율을 증가시킬 수 있도록 한 가스 차량용 피스톤을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명 가스 차량용 피스톤은, 난류강도 및 화염면을 확보하여 희박연소를 하기 위해 피스톤의 상면을 직각형태로 절삭하는 한편, 연소실의 표면적대 체적비를 작게하여 엔진 효율을 증대시키기 위해 직각형태로 절삭된 상기 상면 끝단 부분을 일정 각도를 갖는 경사면으로 절삭한 것을 특징으로 한다.

도 1 은 종래의 가스 차량용 피스톤을 나타낸 단면도,

도 2 는 종래의 가스 차량용 피스톤에서 화염면의 확보를 나타낸 도면,

도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 차량용 피스톤을 나타낸 단면도,

도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 차량용 피스톤에서 화염면의 확보를 나타낸 도면,

도 5 는 본 발명과 종래의 가스 차량용 피스톤에 대한 연소 안전성 및 효율을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연소실 20 : 피스톤

21 : 상면 22 : 경사면

23 : 탑랜드

이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 본 발명의 가스 차량용 피스톤에 대하여첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3 은 가스 차량용 피스톤을 나타낸 단면도이고, 도 4 는 가스 차량용 피스톤에서 화염면의 확보를 나타낸 도면이며, 도 5 는 본 발명과 종래의 가스 차량용 피스톤의 연소 안전성 및 효율을 나타낸 그래프이다.

즉, 도 3 및 도 4 에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 가스 차량용 피스톤의 단면도와 화염면 확보에 따른 도면이 도시되어 있는데, 이에 따르면 본 발명은 연소실(10)에서 희박연소를 하는 차량의 엔진에서 폭발행정을 할 경우, 도 4 에 도시한 바와 같이 화염면이 난류강도에 의해 빠른 시간에 피스톤(20) 내부에 응력을 생성하게 된다.

그러면, 상기 피스톤(20)은 폭발행정에 따른 화염면의 빠른 확보로 인한 응력에 의해 하강하게 되는데, 이때 상기와 같이 화염면을 빠르게 확보하여 희박연소를 용이하게 하기 위해서는 도 3 에 도시한 바와 같이 상기 피스톤(20)의 상면(21)을 직각형태로 절삭한다.

또한, 상기와 같이 피스톤(20)의 상면(21)이 직각형태로 절삭된 상태에서 연소실(10)의 표면적대 체적비를 작게하여 엔진 효율을 증대시키기 위해서는 직각형태로 절삭된 상기 상면(21) 끝단 부분을 일정 각도를 갖는 경사면(22)으로 절삭한다.

이어서, 노킹 현상(연소실(10)과 피스톤(20)의 좁은 간격으로 인해 자연발화 되는 현상)을 억제하기 위해 상기 피스톤(20)과 연소실(10)의 좁은 간격을 클리어런스(Clearance)를 가질 수 있도록 상기 피스톤(20)의 탑랜드(23)(Topland)를 예를들어, 2.8㎜ 또는 5.8㎜ 정도로 절삭한다.

즉, 상기와 같이 형성된 피스톤(20)을 사용할 경우 도 5 에 도시한 바와 같이 희박연소에 따른 연소 안전성 및 효율이 증대되는 것을 알 수 있으며, 종래의 피스톤(20)과 비교할 수 있다.

한편, 상기와 같이 상면(21)의 끝단 부분이 경사면(22)으로 절삭되지 않고 직각 형태일 경우에는 도 5 의 a, b에 도시한 바와 같이, 연소 안전성은 좋으나 효율이 떨어지는 것을 알 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명 가스 차량용 피스톤은, 엔진이 희박운전연소가 가능하도록 급속연소가 이루어지며 노킹(Knocking)이 줄어들어 엔진의 점화시기의 최적화 및 엔진 효율을 증가시킬 수 있다는 아주 뛰어난 효과가 있다.

Claims (2)

1. 난류강도 및 화염면을 확보하여 희박연소를 하기 위해 피스톤의 상면을 직각형태로 절삭하는 한편, 연소실의 표면적대 체적비를 작게하여 엔진 효율을 증대시키기 위해 직각형태로 절삭된 상기 상면 끝단 부분을 일정 각도를 갖는 경사면으로 절삭한 것을 특징으로 하는 가스 차량용 피스톤.
2. 제 1 항에 있어서, 연소실과 피스톤의 좁은 간격으로 인해 발생하는 노킹현상을 억제하기 위해 상기 연소실과 피스톤에 클리어런스를 가질 수 있도록 탑랜드를 절삭한 것을 특징으로 하는 가스 차량용 피스톤.