KR20040097412A - 가솔린 직접 분사 엔진의 연소실 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인젝터에서 분사되는 연료가 흡기 포트에서 흡입공기와의 텀블없이 피스톤의 상부에 형성된 부채꼴 모양의 보울로 직접분사되도록 하는 가솔린 직접분사 엔진의 연소실 구조에 관한 것으로,

흡기 밸브 및 배기 밸브의 작동에 의해 개폐되는 흡기 포트와 배기 포트가 연소실의 상측에 마련되고, 상기 연소실을 향해서 연료가 직접 분사되도록 인젝터가 장착되고, 상기 연소실의 상부 일측에 점화를 위한 스파크 플러그가 장착되며, 피스톤에 부채꼴 모양의 보울이 형성되어 상기 인젝터에서 분사된 연료가 상기 보울의 벽면을 타고 확산되도록 형성되는 가솔린 직접분사 엔진에 있어서,

상기한 보울의 중간부에 인젝터의 방향에서 피스톤의 중앙방향으로 향해 그 단면형상이 산모양인 램프가 돌출형성되어 상기 보울의 분무 공간이 양측으로 나누어지되,

상기한 램프는 인젝터측에서 피스톤의 중앙방향을 향해 그 높이가 점점 낮아지도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

가솔린 직접분사 엔진의 연소실 구조{Combustion chamber apparatus of GDI enging}

본 발명은 가솔린 직접분사 엔진의 연소실 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인젝터에서 분사되는 연료가 흡기 포트에서 흡입공기와의 텀블없이 피스톤의 상부에 형성된 부채꼴 모양의 보울로 직접분사되도록 하는 가솔린 직접분사 엔진의 연소실 구조에 관한 것이다.

가솔린 직접분사 엔진(Gasoline Direct Injection Engine)은 고압 인젝터 기술의 발전과 연비향상의 필요성이 증가하면서 개발되기 시작하였으며, 이러한 가솔린 직접분사 엔진은 부분부하 운전 40:1 정도의 초희박운전이 가능한 연소 시스템을 적용하여 연비의 획기적인 향상을 가져온다.

이러한 가솔린 직접분사 엔진은 도 6에서와 같이, 엔진(10)의 연소실(11)로 흡입공기가 유입되도록 흡기 포트(12) 및 연소 가스가 배출되도록 하기 위한 배기 포트(13)가 마련되고, 연료가 연소실(11)로 직접 분사되도록 하는 인젝터(14)가 흡기 포트(12)의 일측에 형성되고, 상기 인젝터(14)에서 분사된 연료에 불꽃을 발산하여 점화되도록 하는 스파크 플러그(15)가 연소실(11)의 상부에 형성된다. 특히, 피스톤(16)의 상부면에는 유입된 흡기 및 연료의 유동이 강화되도록 하기 위한 보울(17)이 형성된다.

도 7은 상기한 피스톤의 평면도로서, 보울의 형상과 인젝터(14)에서 분사된 연료가 분무되는 형태를 보인 도면이다. 즉, 흡기 포트(12)를 통해 보울(17)로 도입된 흡기는 보울(17)의 벽면을 타고 유동되며, 인젝터(14)에서 직접 분사된 연료는 보울(17)의 벽면을 향해 부채꼴형상(빗금친 영역)으로 분무된다. 상기와 같이 보울(17) 내로 유입된 흡기와 연료는 서로 혼합되며 상기한 보울(17)의 벽을 향해혼합기가 확산되고, 스파크 플러그(15)의 불꽃점화에 의해서 혼합기가 연소되어 폭발하게 되는 것이다. 이때, 연소실 전체의 혼합기는 초희박 상태이지만 스파크 플러그 주위에는 성층의 농후한 혼합기가 형성된 상태로 연소가 이루어지게 되는 것이다.

상기와 같이 형성된 가솔린 직접분사 엔진에서는 피스톤(16)의 상부에 부채꼴 형상의 보울(17)이 형성되므로서 인젝터(14)에서 분사되는 연료의 체적이 증가되고, 인젝터 노즐의 유량계수 개선에 의한 초기 분무의 운동량이 증가되어진다. 한편, 연료의 확산분무가 흡기 포트에서에 공기의 강한 유동에 의하지 않으므로서 흡기 포트의 유량계수가 높아질 수 있어 엔진의 고출력화가 가능하게 되는 것이다.

그런데 상기한 연소실 구조에서 보울의 내측으로 연료가 마치 부채꼴모양으로 분무되는 과정에서 연료의 확산은 흡기 포트의 텀블에 직접적인 영향을 받지 않게 되므로서 흡기의 유량계수는 높아질 수 있으나, 약한 공기의 유동이 난류강도의 저하를 야기하게 되므로서 화염전파의 속도가 느려지게 되는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 인젝터에서 분사되는 연료가 흡기 포트에서 흡입공기와의 텀블없이 피스톤의 상부에 형성된 부채꼴 모양의 보울로 직접분사되도록 하는 가솔린 직접분사 엔진의 연소실 구조를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로서,

흡기 밸브 및 배기 밸브의 작동에 의해 개폐되는 흡기 포트와 배기 포트가연소실의 상측에 마련되고, 상기 연소실을 향해서 연료가 직접 분사되도록 인젝터가 장착되고, 상기 연소실의 상부 일측에 점화를 위한 스파크 플러그가 장착되며, 피스톤에 부채꼴 모양의 보울이 형성되어 상기 인젝터에서 분사된 연료가 상기 보울의 벽면을 타고 확산되도록 형성되는 가솔린 직접분사 엔진에 있어서,

상기한 보울의 중간부에 인젝터의 방향에서 피스톤의 중앙방향으로 향해 그 단면형상이 산모양인 램프가 돌출형성되어 상기 보울의 분무 공간이 양측으로 나누어지되,

상기한 램프는 인젝터측에서 피스톤의 중앙방향을 향해 그 높이가 점점 낮아지도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 의해 형성된 엔진 연소실의 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 피스톤의 평면도.

도 3은 도 1의 A-A선 단면도.

도 4는 본 발명이 적용된 엔진의 출력 그래프.

도 5는 본 발명이 적용된 엔진의 연료소비량 그래프.

도 6 내지 도 7은 종래의 기술을 설명하기 위한 도면.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 엔진 12 : 흡기 포트

13 : 배기 포트 14 : 인젝터

15 : 스파크 플러그 20 : 피스톤

30 : 보울 31 : 램프

32a,32b : 분무 공간

이하, 본 발명에 의한 장치의 구성 및 작동에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면과 함께 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의해 형성된 엔진 연소실의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 의한 피스톤의 평면도이고, 도 3은 도 1의 A-A선 단면도이며, 도 4는 본 발명이 적용된 엔진의 출력 그래프이고, 도 5는 본 발명이 적용된 엔진의 연료소비량 그래프이다.

도면 중에 표시되는 도면부호 20은 본 발명에 의해 형성된 피스톤을 지시하는 것이고, 도면부호 30은 본 발명에 의해 피스톤의 상부에 형성된 보울을 지시하는 것이며, 일부의 도면부호는 종래기술의 설명에 사용된 부호가 그대로 인용된다.

상기한 피스톤(20)이 장착되는 엔진(10)은 종래기술의 설명에서 언급된 가솔린 직접분사 엔진으로, 연소실(11)의 상측에 흡입공기의 도입을 위한 흡기 포트(12)와 배기 가스의 배출을 위한 배기 포트(13)가 형성된다. 흡기 포트(12)와 배기 포트(13)의 도중에는 밸브 타이밍에 따라서 각각의 유로를 개폐하기 위한 흡기 밸브(12) 및 배기 밸브(13)가 장착된다. 그리고 상기한 흡기 포트(12)의 하측에는 연료분사를 위한 인젝터(14)가 그 노즐(14a)이 피스톤(20)의 보울(30)을 향하도록 장착된다.

한편, 상기한 피스톤(20)의 상부에 홈가공된 보울(30)의 외주연 형상은 종래기술에서와 같이 그 평면형상이 부채꼴 형상(조개껍질 형상)으로 형성되는데, 인젝터(14)의 노즐(14a) 방향에서 피스톤(20)의 중앙방향을 향해 램프(31)가 길게 형성되어 상기 보울(30)이 두개의 분무공간(32a,32b)으로 나누어진다. 상기한 램프(31)의 측단면형상은 측단면도에서와 같이 산형을 이루며, 그 높이는 인젝터(14)의 노즐측 방향에서 피스톤(20)의 중앙방향을 향할수록 낮아지는 기울기를 갖는다. 즉, 상기한 램프(31)는 외측에서 내측으로 향할수록 그 높이가 낮아지는 경사를 가진 벽인 것이다.

위와 같이 부채꼴 형상으로 형성되는 보울(30)의 중앙에 연료의 분사가 램프(31)를 기준으로 양측으로 분산되므로서, 연료 및 흡기의 난류의 강도가 향상되어 화염전파의 속도가 빨라지게 되는 것이다.

즉, 상기한 램프(31)에 의해서 하나의 인젝터(14)에서 분무된 연료가 2개의 분무 공간(32a,32b)으로 나누어지므로서 연료의 분무형상은 두개의 부채꼴 모양(도면상 빗금친 영역)으로 혼합기의 성층이 이루어지게 되는 것이다.

따라서 흡기 포트(12)에서의 강한 스월에 의하지 않고도 흡기 포트의 높은 흡기 유량계수가 유지된 채로 스파크 플러그(15)에서 점화된 커넬(kernel)이 확산되면서 보다 향상된 성층 혼합기를 형성이 가능한 것이다.

또한, 분사된 연료가 피스톤(20)의 중앙방향에서 인젝터(14) 방향으로 성장해 나가는 과정에서 연료와 공기의 빠른 혼합이 가능하게 되는 것이다.

이와 같이 상기한 램프(31)에 의해서 혼합기의 균일한 연소와 함께 연소의 진행속도가 급속도로 이루어지게 되므로서 혼합기의 성층과 균질 연소의 두가지 효과가 달성되어지는 것이다.

따라서 도 4와 도 5의 그래프에서 보여지듯이 본 발명에 의한 연소실이 적용될 경우에 엔진의 RPM이 증가될수록 엔진 출력이 종래기술의 경우보다 향상되고, 차량의 연료소비량이 엔진의 전운전영역에 걸쳐서 종래기술에 대비하여 향상되는 것이다.

이상과 같이 구성되는 본 발명은 부채꼴 형상으로 형성되는 보울의 중간위치에 인젝터의 노즐방향에서 피스톤의 중앙방향을 향해 단면모양이 산형인 램프가 돌출 형성되므로서, 하나의 인젝터에서 분사된 연료가 2개의 부채꼴 형상으로 분무되는 효과를 가져오게 되어 엔진의 연비 및 출력이 상승되는 커다란 장점이 있는 것이다.

Claims (1)

1. 흡기 밸브 및 배기 밸브의 작동에 의해 개폐되는 흡기 포트와 배기 포트가 연소실의 상측에 마련되고, 상기 연소실을 향해서 연료가 직접 분사되도록 인젝터가 장착되고, 상기 연소실의 상부 일측에 점화를 위한 스파크 플러그가 장착되며, 피스톤에 부채꼴 모양의 보울이 형성되어 상기 인젝터에서 분사된 연료가 상기 보울의 벽면을 타고 확산되도록 형성되는 가솔린 직접분사 엔진에 있어서,

   상기한 보울(30)의 중간부에 인젝터(14)의 방향에서 피스톤(20)의 중앙방향으로 향해 그 단면형상이 산모양인 램프(31)가 돌출형성되어 상기 보울(31)의 분무 공간(32a,32b)이 양측으로 나누어지되,

   상기한 램프(31)는 인젝터(14)측에서 피스톤(20)의 중앙방향을 향해 그 높이가 점점 낮아지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접분사 엔진의 연소실 구조.