KR20050014616A - Swirl chamber used in association with a combustion chamber for diesel engines - Google Patents
Swirl chamber used in association with a combustion chamber for diesel enginesInfo
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Abstract
Description
본 발명은, 디젤엔진용 연소실에 관한 것으로, 특히 디젤엔진용 연소실과 결합되어 사용되는 개량된 소용돌이 챔버(chamber)에 관한 것이다.The present invention relates to a combustion chamber for a diesel engine, and more particularly to an improved vortex chamber used in combination with a combustion chamber for a diesel engine.
일반적으로, 디젤엔진은 NOx와 매연과 같은 환경오염물질의 주요 원천으로 알려져 있다. 그러나, 그러한 문제를 해결하기 위한 어떤 효과적인 대책은 이루어지지 않고 있었다. 이러한 문제들은, 공기와 연료의 적절치 않은 혼합때문에 일어나는 엔진에서의 불완전연소에 기인하는 것으로 알려져 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 일반적으로 소용돌이를 이용한 연소시스템이 사용된다. 이 문제를 다루는 하나의 예가, 일본공개특허출원 제07-97924호에 개시되어 있다. 이하, 도 10을 참조하여, 소용돌이 챔버가 설치된 공지의 연소실을 기술하도록 한다.In general, diesel engines are known as a major source of environmental pollutants such as NOx and soot. However, no effective measures have been taken to solve such problems. These problems are known to be due to incomplete combustion in the engine due to improper mixing of air and fuel. In order to solve this problem, a vortex combustion system is generally used. One example of dealing with this problem is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-97924. Hereinafter, referring to FIG. 10, a known combustion chamber in which a vortex chamber is installed will be described.
도 10(A)와 도 10(B)에서, 단지 편의상, 오른쪽(중앙축(103) 쪽)은 "후방(rearward)", 왼쪽(실린더 라이너(104) 쪽)은 "전방(forward)"이라 한다. 도 10(A)에 도시된 공지의 연소실에는, 실린더 헤드(105)를 가지는 실린더(101), 왕복 피스톤(102), 및 연소실(109)이 제공된다. 더욱이, 실린더 헤드(105)에는, 마우스피스(mouthpiece, 107)가 설치되는 홈(106)이 제공된다. 마우스피스(107)에는, 상부 개방홈(107a)이 제공되며, 상기 홈(106)은 바닥 개방홈(106a)을 포함한다. 상부 개방홈(107a)과 바닥 개방홈(106a)은 소용돌이 챔버로서 기능하는 공간(108)를 구성하는데, 이하, 그 공간을 "소용돌이 챔버(108)"라 한다. 소용돌이 챔버(108)는 중앙축(113)을 가지는 주(主) 노즐구멍(111)을 통해 연소실(109)과 소통된다. 주 노즐구멍(111)은 소용돌이 챔버(108)를 향해 전방으로 기울어져 있다. 마우스피스(107)에는, 한 쌍의 보조 노즐구멍(112)이 부가적으로 제공되는데, 그것을 통해 압축행정에서 보조 공기가 소용돌이 챔버(108)로 밀려 들어온다. 도 10(A)에 도시된 바와 같이, 보조 노즐구멍들(112)은 중앙축(113-114)을 중심으로 반대측에대칭으로 배치된다.10 (A) and 10 (B), for convenience only, the right side (center axis 103 side) is "rearward" and the left side (cylinder liner 104 side) is "forward". do. In the known combustion chamber shown in Fig. 10A, a cylinder 101 having a cylinder head 105, a reciprocating piston 102, and a combustion chamber 109 are provided. Furthermore, the cylinder head 105 is provided with a groove 106 in which a mouthpiece 107 is installed. The mouthpiece 107 is provided with an upper opening groove 107a and the groove 106 includes a bottom opening groove 106a. The upper open groove 107a and the bottom open groove 106a constitute a space 108 that functions as a vortex chamber, hereinafter referred to as the “swirl chamber 108”. The vortex chamber 108 is in communication with the combustion chamber 109 through a main nozzle hole 111 having a central axis 113. The main nozzle hole 111 is inclined forward toward the vortex chamber 108. The mouthpiece 107 is additionally provided with a pair of auxiliary nozzle holes 112 through which auxiliary air is forced into the vortex chamber 108 in the compression stroke. As shown in Fig. 10A, the auxiliary nozzle holes 112 are symmetrically disposed on opposite sides about the central axes 113-114.
그러나, 전술한 구성 하에서, 주된 단점은, 보조 노즐구멍(112)을 통해 분사된 보조 공기가 소용돌이 챔버(108)의 중앙부에 도달하지 않아, 그 내부에서 유효한 소용돌이를 발생시킬 수 없다는데 있다. 이와 같이, 통상적인 보조 노즐구멍(112)으로는 보조 공기를 완전하게 이용할 수 없게 된다.However, under the above-described configuration, the main disadvantage is that the auxiliary air injected through the auxiliary nozzle hole 112 does not reach the central portion of the vortex chamber 108, so that an effective vortex cannot be generated therein. In this way, the auxiliary air hole 112 cannot be used completely with the auxiliary air.
전술한 단점은, 다음과 같은 보조 노즐구멍(112)의 배치에 기인한다.The above disadvantage is due to the arrangement of the auxiliary nozzle holes 112 as follows.
가상의 원형체(실제로는, 구체(sphere))(115)의 중심이 상부 개방홈(107a)의 개방 단부(107b)의 중심으로 생각할 때, 개방 단부(107b)의 반경과 원형체(115)의 반경은 각각 100%와 70%인 것으로 정한다.The radius of the open end 107b and the radius of the circular body 115 are regarded as the center of the virtual circular body (actually, the sphere) 115 as the center of the open end 107b of the upper open groove 107a. Is set to 100% and 70%, respectively.
도 10(A)와 도 10(B)에서, 70%의 반경을 가지는 원형체(115)는 바깥쪽으로 지나가는 반면, 50%의 반경을 가지는 원형체(115)는 안쪽으로 지나간다. 이 상황에서, 보조 노즐구멍(112) 각각의 중앙축(112a-112b)은 원형체(115)의 바깥을 통과한다.10 (A) and 10 (B), the circular body 115 having a radius of 70% passes outward, while the circular body 115 having a radius of 50% passes inward. In this situation, the central axes 112a-112b of each of the auxiliary nozzle holes 112 pass outside the circular body 115.
다른 측면에서, 보조 노즐구멍(112)은 소용돌이 챔버(108)의 중앙으로부터 벗어난 중심(112c)을 가지고 있어, 보조 노즐구멍(112)의 중앙축(112a-112b)은 50% 원형체(115) 내부를 통과할 수 없다.In another aspect, the auxiliary nozzle hole 112 has a center 112c away from the center of the vortex chamber 108 such that the central axes 112a-112b of the auxiliary nozzle hole 112 are inside the 50% circular body 115. Can not pass through.
본 발명은 목적은, 유효한 소용돌이를 발생시켜서 공기와 연료가 잘 혼합되게 하고, 그 연료를 소용돌이 챔버 내부에 잘 분산되게 할 수 있는 개량된 소용돌이챔버를 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide an improved vortex chamber which is capable of generating an effective vortex so that air and fuel are well mixed and the fuel is well dispersed within the vortex chamber.
본 발명의 다른 목적은, 통상적인 시스템에서는 NOx와 매연 중 어느 하나도 그 발생을 저감시킬 수 없었던 것을, 모두 저감시킬 수 있는 개선된 소용돌이챔버를 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide an improved vortex chamber which can reduce both the generation of NOx and soot in a conventional system.
도 1은, 본 발명의 제1실시예를 예시하는 도면으로, 도 1(A)는 평면도이고, 도 1(B)는 도 1(A)의 B-B선을 따라 취해진 단면도이고, 도 1(C)는 저면도이고, 도 1(D)는 D-D선을 따라 취해진 단면도이다.FIG. 1 is a diagram illustrating a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a plan view, FIG. 1B is a sectional view taken along the line BB of FIG. 1A, and FIG. ) Is a bottom view, and FIG. 1D is a cross-sectional view taken along the line DD.
도 2는, 도 1에 도시된 마우스피스(mouthpiece)의 노즐구멍을 예시하는 도면으로, 도 2(A)는 마우스피스의 종단 측면도이고, 도 2(B)는 노즐구멍의 사시도이고, 도 2(C)는 도 2(A)에 화살표 C로 표시된 방향에서 바라본 노즐구멍의 도면이고, 도 2(D)는 노즐구멍의 저면도이다.FIG. 2 is a view illustrating the nozzle hole of the mouthpiece shown in FIG. 1, FIG. 2A is a longitudinal side view of the mouthpiece, FIG. 2B is a perspective view of the nozzle hole, and FIG. (C) is a figure of the nozzle hole seen from the direction shown by arrow C in FIG. 2 (A), and FIG. 2 (D) is a bottom view of the nozzle hole.
도 3은, 도 1에 도시된 소용돌이 챔버를 예시하는 도면으로, 도 3(A)는 피스톤이 있는 실린더의 횡단 평면도이고, 도 3(B)는 소용돌이 챔버와 그 주변부품의 측단면도이다.3 is a diagram illustrating the vortex chamber shown in FIG. 1, FIG. 3A is a cross-sectional plan view of a cylinder with a piston, and FIG. 3B is a side cross-sectional view of the vortex chamber and its peripheral components.
도 4는, 도 3에 나타내어진 제1실시예 하에서 배기가스 중의 NOx 함유량을, 어떠한 보조 노즐구멍을 가지지 않은 제1비교예와 대비하여 나타내는 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing the NOx content in the exhaust gas in comparison with the first comparative example without any auxiliary nozzle hole under the first embodiment shown in FIG. 3.
도 5는, 도 3에 나타내어진 제1실시예 하에서 배출된 NOx와 매연(fumes)의 양을, 제1비교예 및 제2비교예와 대비하여 나타내는 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing the amounts of NOx and fumes discharged under the first embodiment shown in FIG. 3 in comparison with the first and second comparative examples.
도 6은, 보조 노즐구멍의 단면적과 도 3의 소용돌이 챔버로부터 배출된 가스의 특성 사이의 관계를 나타내는 그래프로, 도 6(A)는 단면적에 대한 NOx 양의 변동을 나타내고, 도 6(B)는 단면적에 대한 매연량의 변동을 나타내고, 도 6(C)는 단면적에 대한 NOx와 매연의 총량의 변동을 나타낸다.Fig. 6 is a graph showing the relationship between the cross-sectional area of the auxiliary nozzle hole and the characteristics of the gas discharged from the vortex chamber of Fig. 3, and Fig. 6 (A) shows the variation of the NOx amount with respect to the cross-sectional area, and Fig. 6 (B). Denotes a variation in the amount of soot with respect to the cross-sectional area, and FIG.
도 7은, 제2실시예의 마우스피스를 예시하는 도면으로, 도 7(A)는 평면도이고, 도 7(B)는 도 7(A)에서 B-B선을 따라 취해진 단면도이고, 도 7(C)는 저면도이고, 도 7(D)는 도 7(B)에서 D-D선을 따라 취해진 단면도이다.Fig. 7 is a view illustrating the mouthpiece of the second embodiment, Fig. 7A is a plan view, Fig. 7B is a sectional view taken along the line BB in Fig. 7A, and Fig. 7C. 7 is a bottom view, and FIG. 7D is a sectional view taken along the line DD in FIG. 7B.
도 8은, 제3실시예의 마우스피스를 예시하는 도면으로, 도 8(A)는 평면도이고, 도 8(B)는 도 8(A)에서 B-B선을 따라 취해진 단면도이고, 도 8(C)는 저면도이고, 도 8(D)는 도 8(B)에서 D-D선을 따라 취해진 단면도이다.Fig. 8 is a view illustrating the mouthpiece of the third embodiment, in which Fig. 8A is a plan view, Fig. 8B is a sectional view taken along the line BB in Fig. 8A, and Fig. 8C. Is a bottom view, and FIG. 8 (D) is a cross-sectional view taken along the line DD in FIG. 8 (B).
도 9는, 제4실시예의 마우스피스를 예시하는 도면으로, 도 9(A)는 평면도이고, 도 9(B)는 도 9(A)에서 B-B선을 따라 취해진 단면도이고, 도 9(C)는 저면도이고, 도 9(D)는 도 9(B)에서 D-D선을 따라 취해진 단면도이다.Fig. 9 is a view illustrating the mouthpiece of the fourth embodiment, in which Fig. 9A is a plan view, Fig. 9B is a sectional view taken along the line BB in Fig. 9A, and Fig. 9C. Is a bottom view, and FIG. 9 (D) is a sectional view taken along the line DD in FIG. 9 (B).
도 10은, 공지의 소용돌이 챔버를 예시하는 도면으로, 도 10(A)는 마우스피스와 피스톤의 평면도이고, 도 10(B)는 소용돌이 챔버와 그 주변부품들의 종단 측면도이다.10 is a diagram illustrating a known vortex chamber, in which FIG. 10 (A) is a plan view of the mouthpiece and piston, and FIG. 10 (B) is a longitudinal side view of the vortex chamber and its peripheral components.
본 발명에 따르면, 연소실이 피스톤, 실린더, 및 실린더 헤드에 의해 정해지는, 디젤엔진의 소용돌이 챔버식 연소실에 있어서;According to the present invention, in a vortex chamber type combustion chamber of a diesel engine, the combustion chamber is defined by a piston, a cylinder, and a cylinder head;
바닥 개방홈을 가지는 실린더 헤드의 구멍(hole)에 설치되고, 상부 개방홈을 포함하며, 상기 바닥 개방홈과 상부 개방홈이 소용돌이 챔버용으로 의도된 하나의 공간(space)을 구성하는 마우스피스와;A mouthpiece installed in a hole of a cylinder head having a bottom opening groove, including a top opening groove, wherein the bottom opening groove and the top opening groove constitute a space intended for a vortex chamber; ;
소용돌이 챔버가 연소실과 소용돌이 챔버 사이의 소통을 효과적으로 이루도록 하기 위해 마우스피스의 기초벽(base wall)을 통해 형성되는 주 노즐구멍과;A main nozzle hole formed through a base wall of the mouthpiece so that the vortex chamber effectively communicates between the combustion chamber and the vortex chamber;
마우스피스의 기초벽을 통해 형성되고, 주 노즐구멍 중앙축을 중심으로 반대쪽에 대칭으로 배치되어 있는 한 쌍의 보조 노즐구멍을 구비하며,A pair of auxiliary nozzle holes formed through the base wall of the mouthpiece and arranged symmetrically on opposite sides about the central axis of the main nozzle hole,
상기 보조 노즐구멍의 각각은, 상부 개방홈의 중앙 주위의 가상의 제2원형체의 반경(100%)의 70%의 반경을 가지는 가상의 제1원형체 내부를 지나가도록 배치된다.Each of the auxiliary nozzle holes is arranged to pass through the interior of the virtual first circle having a radius of 70% of the radius (100%) of the virtual second circle around the center of the upper opening groove.
<실시예><Example>
도면에서, 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타내기 위해 사용되며, 도 1(B), 3(B), 7(B), 8(B), 9(B), 및 2(A)에서, 단지 예시의 편의상, 오른쪽이 "전방'이고, 왼쪽이 후방이다. 제1실시예는 도 1 내지 도 6에 도시되어 있으며, 한 쌍의 보조 노즐구멍(12)이 실린더(1)의 중앙축(3)과 평행하게 직립으로 제공된다. 이는, 도 7에 도시된 제2실시예와 동일하지만, 도 8에 도시된 제3실시예와 도 9에 도시된 제4실시예에서는, 보조 노즐구멍(12)이 그 상부 개방 단부를 향해 각각 다소 모이거나(converge) 벌어진다(diverge). 모든 실시예에 공통적인 특성은, 보조 노즐구멍이 주 노즐구멍으로부터 사이가 떨어져 있고, 주 노즐구멍을 중심으로 반대쪽에서 대칭으로 배치된다는 점이다. 더욱이, 보조 노즐구멍은 전방측에 형성된다.In the drawings, like numerals are used to denote like elements, and in FIGS. 1 (B), 3 (B), 7 (B), 8 (B), 9 (B), and 2 (A), only For convenience of illustration, the right side is "front" and the left side is rear .. The first embodiment is shown in Figs. 1 to 6, in which a pair of auxiliary nozzle holes 12 are formed on the central axis 3 of the cylinder 1; It is provided in an upright position in parallel with (), which is the same as the second embodiment shown in Fig. 7, but in the third embodiment shown in Fig. 8 and the fourth embodiment shown in Fig. 9, the auxiliary nozzle holes 12 ) Are each slightly converge or diverge towards its upper open end, a characteristic common to all embodiments is that the auxiliary nozzle hole is spaced apart from the main nozzle hole and on the opposite side about the main nozzle hole. The auxiliary nozzle hole is formed in the front side.
도 3(B)에, 왕복 피스톤(2)이 실린더(1) 내에 제공되는데, 그 실린더의 중앙축(3)을 따라 피스톤(2)이 승강한다. 실린더(1)는, 마우스피스(7)가 설치되는 홈(6)이 형성된 헤드(5)를 갖는다. 상기 홈(6)은 바닥 개방홈(6a)을 포함하며, 마우스피스(7)는 상부 개방홈(7a)을 포함한다. 바닥 개방홈(6a)과 상부 개방홈(7a)은 소용돌이 챔버로서 이용되는 공간(8)을 형성한다. 실린더(1)에는, 마우스피스(7)를 관통하는 주 노즐구멍(11)을 가지는 연소실(9)이 제공된다. 연소실(9)과 소용돌이 챔버(8)는 주 노즐구멍(11)을 통해 서로 소통하는데, 주 노즐구멍(11)은, 도 3(B)에 도시된 바와 같이, 연소실(8)로부터 소용돌이 챔버(8)를 향해 전방으로 기울어져 있다. 마우스피스(7)는, 실린더(1)의 중앙축(3)에 대하여 수직인 평면에서 하부 표면(7d)을 가진다.In Fig. 3B, a reciprocating piston 2 is provided in the cylinder 1, in which the piston 2 is lifted along the central axis 3 of the cylinder. The cylinder 1 has the head 5 in which the groove 6 in which the mouthpiece 7 is provided is formed. The groove 6 includes a bottom opening groove 6a, and the mouthpiece 7 includes an upper opening groove 7a. The bottom opening groove 6a and the upper opening groove 7a form a space 8 used as a vortex chamber. The cylinder 1 is provided with a combustion chamber 9 having a main nozzle hole 11 penetrating the mouthpiece 7. The combustion chamber 9 and the vortex chamber 8 communicate with each other through the main nozzle hole 11, which is the main nozzle hole 11 from the combustion chamber 8, as shown in FIG. It is tilted forward towards 8). The mouthpiece 7 has a bottom surface 7d in a plane perpendicular to the central axis 3 of the cylinder 1.
도 3(B)에 가장 잘 도시된 바와 같이, 연료 제트 노즐(fuel jet nozzle, 19)과 히트 플러그(heat plug, 20)는 소용돌이 챔버(8) 쪽으로 제공된다. 피스톤(1)에는, 가스 흐름을 안내하기 위한 삼각 홈(21)이 제공되는데, 거기서 상기 홈(21)의 뿌리부분이 주 노즐구멍(11)의 바로 밑에 위치하며, 도 3(A)에 가장 잘 도시된 바와 같이, 그 홈(21)은 주 노즐구멍(11)으로부터 멀어짐에 따라 점차적으로 확장되어, 도 3(B)에 가장 잘 도시된 바와 같이, 축소되는 깊이를 가진다.As best shown in FIG. 3B, a fuel jet nozzle 19 and a heat plug 20 are provided towards the vortex chamber 8. The piston 1 is provided with a triangular groove 21 for guiding the gas flow, where the root portion of the groove 21 is located just below the main nozzle hole 11, the most in FIG. 3A. As shown well, the groove 21 gradually expands as it moves away from the main nozzle hole 11, and has a reduced depth, as best shown in FIG. 3 (B).
소용돌이 챔버(8)가 설치된 연소실(9)의 기초를 이루는 원리는 다음과 같다.The principle underlying the combustion chamber 9 in which the vortex chamber 8 is installed is as follows.
압축행정에서, 피스톤(2)은 상승하고, 이에 따라 압축된 공기를 소용돌이 챔버(8)에 도입함으로써 그 내부에서 소용돌이를 일으킨다. 피스톤(2)이 상사점에 도달할 때, 연료가 분사노즐(19)을 통해 분사된다. 연료는 소용돌이 챔버(8)에서 공기와 혼합되고, 연료와 공기의 충전물은 점화되어 챔버(8)에서 연소되며, 그 결과로서 부피가 팽창된다. 이 팽창된 가스는, 주 노즐구멍(11)을 통해 연소실(9)로 들어간다. 새로 들어온 충전물은, 삼각 홈(21)에서 주 노즐구멍(11)으로부터 멀어짐에 따라 팽창되어 상승한다. 새로 들어온 충전물에 포함된 연료는 연소실(9)의 공기와 혼합하고, 그 혼합물은 점화 및 연소된다.In the compression stroke, the piston 2 rises, thereby vortexing inside of it by introducing compressed air into the vortex chamber 8. When the piston 2 reaches top dead center, fuel is injected through the injection nozzle 19. The fuel is mixed with air in the vortex chamber 8, and the fuel and the charge of air are ignited and burned in the chamber 8, resulting in expansion of the volume. This expanded gas enters the combustion chamber 9 through the main nozzle hole 11. The new filling is expanded and rises as it moves away from the main nozzle hole 11 in the triangular groove 21. The fuel contained in the fresh charge is mixed with the air in the combustion chamber 9 and the mixture is ignited and combusted.
다음, 보조 노즐구멍(12)을 기술한다.Next, the auxiliary nozzle hole 12 is described.
도 1(A)∼도 1(D), 특히 도 1(B)와 도 1(D)에서, 보조 노즐구멍(12)이 마우스피스(7)의 기초벽(10)을 통해 쌍으로 제공된다. 보조 노즐구멍(12)의 각각은, 주 노즐구멍(11)의 형상에 따라 주 노즐구멍(11)의 중앙축(13) 또는 그 연장선(14)에 대하여 대칭으로 배치되도록, 주 노즐구멍(11)으로부터 떨어져 있다.1 (A) to 1 (D), in particular in FIGS. 1 (B) and 1 (D), auxiliary nozzle holes 12 are provided in pairs through the base wall 10 of the mouthpiece 7. . Each of the auxiliary nozzle holes 12 is arranged so as to be symmetrically disposed with respect to the central axis 13 of the main nozzle hole 11 or its extension line 14 in accordance with the shape of the main nozzle hole 11. Off).
도 1(A), 1(B), 및 1(D)는 홈(7a)의 개방 단부(7b)의 중심인 중심(7c)을 가지는 가상의 원형체(15)(실제로는, 구체)를 보여준다. 개방 단부(7b)의 반경을100%로 상정(想定)하고, 원형체(15)의 반경은 50%로 상정한다. 보조 노즐구멍(12)의 각각은, 그 중앙축(12a-12b)이 구체(15)를 지나가거나, 도면에서처럼 원형체(15)를 지나가도록 배치된다.1 (A), 1 (B), and 1 (D) show an imaginary circular body 15 (actually a sphere) having a center 7c which is the center of the open end 7b of the groove 7a. . The radius of the open end 7b is assumed to be 100%, and the radius of the circular body 15 is assumed to be 50%. Each of the auxiliary nozzle holes 12 is arranged such that its central axis 12a-12b passes through the sphere 15 or through the circular body 15 as shown in the figure.
원형체(15)의 반경은 70%인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 60%, 가장 바람직하게는 50%이다. 도 1(A), 1(B), 및 1(D)에서, 가장 안쪽, 중간, 및 가장 바깥쪽의 원형체(15)가 50%, 60%, 및 70%에 각각 대응되게 도시되어 있다. 이 범위의 보조 노즐구멍(12)의 각도위치(angular positioning)는, 보조 공기를 소용돌이 챔버(8)의 중앙에 모이게 할 수 있어, 보조 노즐구멍(12)을 통해 대부분의 공기가 방출되게 하고, 소용돌이 챔버(8)에서 유효한 소용돌이를 발생시키게 한다는 점이 실제로 증명되었다.The radius of the circular body 15 is preferably 70%, more preferably 60%, most preferably 50%. 1 (A), 1 (B), and 1 (D), the innermost, middle, and outermost circular bodies 15 are shown corresponding to 50%, 60%, and 70%, respectively. The angular positioning of the auxiliary nozzle holes 12 in this range can cause auxiliary air to collect in the center of the vortex chamber 8, allowing most of the air to be discharged through the auxiliary nozzle holes 12, It has been demonstrated in practice that it produces effective vortices in the vortex chamber 8.
도 1(A)는, 바람직한 일 실시예로서, 각각의 보조 노즐구멍(12)의 개구 단부의 중심(12c)이 50%의 반경을 가지는 원형체(15)와 일치함으로써, 각각의 보조 노즐구멍(12)의 중앙축(12a-12b)이 소용돌이 챔버(8)의 중앙을 지나가도록 할 수 있다는 것을 보여준다. 이 경우, 반경은, 상부 개방홈(7b)의 개구 단부의 반경(100%)의 70%인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 60%, 가장 바람직하게는 50%이다.FIG. 1A shows, as a preferred embodiment, that the auxiliary nozzle holes 12 are aligned with the circular body 15 having a radius of 50% of the center 12c of the opening end of each auxiliary nozzle hole 12. It is shown that the central axis 12a-12b of 12 can be passed through the center of the vortex chamber 8. In this case, the radius is preferably 70% of the radius (100%) of the open end of the upper opening 7b, more preferably 60%, most preferably 50%.
도 1(A)와 도 1(D)에서, 가상의 기준선(16)은, 각각의 구멍(12) 위치를 결정하는 각각의 보조 노즐구멍(12)의 중앙축(12a)으로부터 연장된다고 생각한다. 즉, 각각의 보조 노즐구멍(12)은, 도 1(A)∼도 1(D)에 도시된 바와 같이, 중앙축(12a-12b)이 모든 방향에서 기준선(16)과 일치하도록 배치된다.In FIG. 1A and FIG. 1D, it is assumed that the imaginary reference line 16 extends from the central axis 12a of each auxiliary nozzle hole 12 that determines the position of each hole 12. . That is, each of the auxiliary nozzle holes 12 is arranged such that the central axes 12a-12b coincide with the reference line 16 in all directions as shown in Figs. 1A to 1D.
이러한 방식으로, 보조 노즐구멍(12)은 기준선(16)에 대하여 다양한 각도로 배치된다(도 1(B)와 도 1(D) 참조). 만일, 기준선(16)에 대하여 비교적 큰 각도로 배치되면, 보조 노즐구멍(12)은 길이가 짧아지고, 이에 따라 상기 보조 노즐구멍을 통과하는 보조 공기의 흐름에 대한 마찰저항을 줄일 수 있다. 마우스피스(7)의 단면을 측면에서 바라보아 2개의 보조 노즐구멍(12)이 일렬로 정렬된 것으로 보이는 도 1(B)에서, 보조 노즐구멍(12)의 중앙축(12a-12b)은 기준선(16)에 대하여 30°이하로 기울어진 것이 바람직하며, 이하 그것을 "제1각도"라 칭한다. 마우스피스(7)의 단면을 배면에서 바라보아 2개의 보조 노즐구멍(12)이 나란히 정렬된 것으로 보이는 도 1(D)에서, 중앙축(12a-12b)은 15°로 기울어진 것이 바람직하며, 이하 그것을 "제2각도"라 칭한다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 제1각도는 15°이하이고, 제2각도는 8°이하이며; 더욱 바람직하게는 제1각도는 8°이하이고, 제2각도는 4°이하, 가장 바람직하게는 제1각도는 4°이하이고, 제2각도는 2°이하이다.In this way, the auxiliary nozzle holes 12 are arranged at various angles with respect to the reference line 16 (see Figs. 1B and 1D). If it is disposed at a relatively large angle with respect to the reference line 16, the auxiliary nozzle hole 12 is short in length, thereby reducing the frictional resistance to the flow of auxiliary air passing through the auxiliary nozzle hole. In FIG. 1B, in which the two auxiliary nozzle holes 12 are arranged in a line with the cross section of the mouthpiece 7 viewed from the side, the central axes 12a-12b of the auxiliary nozzle holes 12 are referred to as reference lines. It is preferable to incline 30 degrees or less with respect to (16), and it calls it a "first angle" hereafter. In Fig. 1 (D) where the cross section of the mouthpiece 7 is viewed from the rear, the two auxiliary nozzle holes 12 appear to be aligned side by side, preferably the central axes 12a-12b are inclined at 15 °, This is hereinafter referred to as "second angle". In another preferred embodiment, the first angle is no greater than 15 ° and the second angle is no greater than 8 °; More preferably, the first angle is 8 degrees or less, the second angle is 4 degrees or less, most preferably the first angle is 4 degrees or less, and the second angle is 2 degrees or less.
도 1(B)와 도 1(C)에 예시된 실시예에서, 제1각도는 30°이고, 제2각도는 15°이며, 각각의 각도관계는 쇄선으로 표시되어 있다.In the embodiment illustrated in Figs. 1B and 1C, the first angle is 30 degrees, the second angle is 15 degrees, and each angular relationship is indicated by a dashed line.
각각의 보조 노즐구멍(12)의 크기는 다음과 같이 결정된다.The size of each auxiliary nozzle hole 12 is determined as follows.
주 노즐구멍(11)의 개구 단부의 유효면적(effective area)을 100%로 생각하면, 2개의 보조 노즐구멍의 개구 단부의 총 면적은 3% 내지 15%의 범위에 있어야 하고; 바람직하게는 4% 내지 10%; 더욱 바람직하게는 6% 내지 10%; 가장 바람직하게는 7% 내지 9%의 범위에 있어야 한다는 것이 증명되었다. 한마디로, 3% 내지 15%의 범위, 또는 바람직하게는 5% 내지 15%의 범위가 NOx와 매연의 발생을 고르게줄이는데 효과적이다.Considering the effective area of the opening end of the main nozzle hole 11 as 100%, the total area of the opening ends of the two auxiliary nozzle holes should be in the range of 3% to 15%; Preferably 4% to 10%; More preferably 6% to 10%; Most preferably it should be in the range of 7% to 9%. In short, the range of 3% to 15%, or preferably 5% to 15%, is effective to evenly reduce the generation of NOx and soot.
주 노즐구멍(11)은 다음과 같이 구성된다.The main nozzle hole 11 is comprised as follows.
도 2(A) 내지 도 2(D)를 참조하면, 주 노즐구멍(11)은 주 홈(main groove)(17)과, 경사면(banks)(부호는 없음)을 따라 주 홈(17)에 연통되는 한 쌍의 측 홈(side groove)(18)을 포함한다. 도 2(A)에서, 각각의 측 홈(18)은, 그 중앙축(18a)이 주 홈(17)의 중앙축(17a)의 약간 뒤에 있도록 형성된다. 또한, 각각의 측 홈(18)은 그 앙각(仰角, angle of elevation)이 축(17a)의 45°보다 작도록 배치된다.2 (A) to 2 (D), the main nozzle hole 11 is formed in the main groove 17 along the main groove 17 and along the banks (not shown). And a pair of side grooves 18 in communication. In FIG. 2A, each side groove 18 is formed such that its central axis 18a is slightly behind the central axis 17a of the main groove 17. Further, each side groove 18 is arranged such that its angle of elevation is smaller than 45 ° of the axis 17a.
도 1(A)에 가장 잘 도시된 바와 같이, 주 홈(17)이 그 전장(全長)을 따라 동일하게 남아 있는 반면, 각각의 측 홈(18)은, 그 폭이 주 노즐구멍(11)의 깊이 방향을 향해 점차로 약간 더 좁게 되어 있다. 더욱이, 주 노즐구멍(11)의 중앙축(13)을 중심으로 동일한 쪽에, 측 홈(18)과 보조 노즐구멍(12)이 서로 정렬된다.As best shown in FIG. 1A, the main groove 17 remains the same along its entire length, while each side groove 18 has a main nozzle hole 11 that is wide in width. Gradually toward the depth direction of the slightly narrower. Further, the side grooves 18 and the auxiliary nozzle holes 12 are aligned with each other on the same side around the central axis 13 of the main nozzle hole 11.
도 4와 도 5를 참조하면, 제1실시예의 주된 장점은, 작용된 하중이 동일하다는 조건 하에서, 배기가스에서의 NOx와 매연과 같은 환경오염물질이 감소된다는 점이며, 이는 아래에서 증명될 것이다4 and 5, the main advantage of the first embodiment is that under the condition that the applied load is the same, environmental pollutants such as NOx and soot in the exhaust gas are reduced, which will be demonstrated below.
도 4로부터, 제1실시예는, 보조 노즐구멍(12)과 측 홈(18)이 없는 제1비교예보다 질소산화물(NOx)을 적게 포함하고 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 보조 노즐구멍(12)과 측 홈(18)이 NOx 함량을 줄이는데 효과적이라는 것을 알 수 있을 것이다.It can be seen from FIG. 4 that the first embodiment contains less nitrogen oxides (NOx) than the first comparative example without the auxiliary nozzle holes 12 and the side grooves 18. Therefore, it will be appreciated that the auxiliary nozzle holes 12 and the side grooves 18 are effective in reducing the NOx content.
도 5는, 제1실시예가 제1비교예 및 제2비교예보다 NOx와 매연을 더 적게 포함한다는 것을 보여주는데, 제2비교예는 보조 노즐구멍(12)에 대응하는 보조 노즐구멍을 갖지만 측 홈(18)에 대응하는 홈은 가지고 있지 않다. 제1비교예와 제2비교예 사이의 비교는, 보조 공기 보조 노즐구멍(12)의 부가가 NOx와 매연의 감소에 효과적임을 보여준다. 마찬가지로, 제1실시예와 제2비교예의 비교는, 측 홈(18)이 NOx와 매연의 감소에 효과적임을 보여준다.FIG. 5 shows that the first embodiment includes less NOx and soot than the first and second comparative examples, the second comparative example having an auxiliary nozzle hole corresponding to the auxiliary nozzle hole 12 but with side grooves. We do not have groove corresponding to (18). The comparison between the first and second comparative examples shows that the addition of the auxiliary air auxiliary nozzle holes 12 is effective for reducing NOx and soot. Similarly, a comparison between the first and second comparative examples shows that the side grooves 18 are effective for reducing NOx and soot.
배기가스의 감소효율은 보조 노즐구멍(12)의 개방 단부의 면적에 의존한다. 도 6(A) 내지 도 6(C)를 참조하면, 각각의 가로축은, 주 노즐구멍(11)의 개방단부의 면적에 대한 보조 노즐구멍(12)의 개방 단부의 총 최소면적의 비율(%)이다. 도 6(A)의 세로축은 NOx양의 변동을 나타내고, 도 6(B)에서 세로축은 매연량의 변동을 나타내며, 도 6(C)에서 세로축은 NOx와 매연의 총량의 변동을 나타낸다. 기준값(reference value)으로서, 각각의 변동계수(coefficient of variation)가, 보조 노즐구멍(12)을 가지고 있지 않은 연소실에서 발생된 NOx와 매연의 양에 기초하여 계산된다. 기준값을 α, 변동량을 β라 한다. 그렇다면, 변동계수는 ( β- α)/α가 될 것이다.The reduction efficiency of the exhaust gas depends on the area of the open end of the auxiliary nozzle hole 12. 6 (A) to 6 (C), each horizontal axis represents the ratio (%) of the total minimum area of the open end of the auxiliary nozzle hole 12 to the area of the open end of the main nozzle hole 11. )to be. The vertical axis of FIG. 6 (A) shows the fluctuation of NOx amount, the vertical axis of FIG. 6 (B) shows the fluctuation of soot amount, and the vertical axis of FIG. 6 (C) shows the fluctuation of total amount of NOx and soot. As a reference value, each coefficient of variation is calculated based on the amount of NOx and soot generated in the combustion chamber without the auxiliary nozzle hole 12. The reference value is α and the variation is β. If so, the coefficient of variation will be (β-α) / α.
도 6(C)에 나타낸 바와 같이, 총 감소율의 절대값은, 보조 노즐구멍(12)의 개구 단부의 면적이 7.7%일 때 최대값을 가진다. 이 단계에서 감소율의 절대값을 100%라 한다. 배기가스의 감소율을 98%까지 증가시키기 위해, 보조 노즐구멍(12)의 개구 단부의 총 면적은 7% 내지 9%의 범위에 있어야 하고, 감소율이 95% 내지 98%의 범위이려면, 총 면적이 6% 내지 10%의 범위에 있으면 되는 것으로 증명되었다. 만일, 감소율이 60% 내지 95%의 범위에 있으려면, 총 면적은 3% 내지 15%의 범위에 있으면 된다. 이러한 범위 중에서, 감소율이 70%를 넘을 때, NOx와 매연 모두가 감소하기 시작하고, 총 면적은 4% 내지 10%의 범위에 있다. 결과적으로, 보조 노즐구멍의 개구 단부의 총 면적은 3% 내지 15%의 범위에 있는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 4% 내지 10%, 더더욱 바람직하게는 6% 내지 10%, 그리고 가장 바람직하게는 7% 내지 9%인 것으로 결론지어질 것이다.As shown in Fig. 6C, the absolute value of the total reduction rate has a maximum value when the area of the open end of the auxiliary nozzle hole 12 is 7.7%. The absolute value of the reduction rate at this stage is called 100%. In order to increase the reduction rate of the exhaust gas to 98%, the total area of the opening end of the auxiliary nozzle hole 12 should be in the range of 7% to 9%, and if the reduction rate is in the range of 95% to 98%, the total area is It was proved to be in the range of 6% to 10%. If the reduction rate is in the range of 60% to 95%, the total area may be in the range of 3% to 15%. In this range, when the reduction rate exceeds 70%, both NOx and soot begin to decrease, and the total area is in the range of 4% to 10%. As a result, the total area of the opening end of the auxiliary nozzle hole is preferably in the range of 3% to 15%, more preferably 4% to 10%, even more preferably 6% to 10%, and most preferably Will be concluded to be 7% to 9%.
도 7, 8, 9를 참조하여, 제2실시예, 제3실시예, 및 제4실시예가 각각 기술될 것이다.7, 8, and 9, the second, third, and fourth embodiments will be described, respectively.
도 7에 도시된 제2실시예에서, 보조 노즐구멍(12)의 개방 단부의 총 면적은 주 노즐구멍(11)의 개방 단부의 면적(100%)의 8%이고, 각각의 보조 노즐구멍은 동일한 면적의 개방 단부를 갖는다. 본 실시예는, 제1비교예 및 제2비교예와의 비교에 의해 명확히 증명된 바와 같이, NOx 또는 매연, 또는 양자 모두의 발생량을 줄인다.In the second embodiment shown in Fig. 7, the total area of the open end of the auxiliary nozzle hole 12 is 8% of the area (100%) of the open end of the main nozzle hole 11, and each of the auxiliary nozzle holes is It has an open end of the same area. This embodiment reduces the amount of generation of NOx, soot, or both, as clearly demonstrated by the comparison with the first and second comparative examples.
제2실시예에서, 보조 노즐구멍(12)의 개방 단부의 총 면적은 주 노즐구멍(11)의 개방 단부의 면적(100%)의 8%이고, 각각의 보조 노즐구멍은 동일한 면적의 개방 단부를 갖는다. 제2실시예는, 도 4에서 제1비교예 및 제2비교예와의 비교에 의해 명확히 증명된 바와 같이, 제1비교예 및 제2비교예에 비해 NOx와 매연의 발생량을 줄인다.In the second embodiment, the total area of the open end of the auxiliary nozzle hole 12 is 8% of the area (100%) of the open end of the main nozzle hole 11, and each auxiliary nozzle hole is the open end of the same area. Has The second embodiment reduces the amount of generation of NOx and soot compared to the first and second comparative examples, as clearly shown by the comparison with the first and second comparative examples in FIG. 4.
도 8에 도시된 제3실시예에서, 보조 노즐구멍(12)의 쌍은 안쪽으로 기울어지져 있고, 즉 약간 연소실(9)로부터 소용돌이 챔버(8) 쪽으로 모여져 있는데, 이는연소실(9)과 소용돌이 챔버(9) 사이에 직립으로 연장되는 제1실시예 및 제2실시예와 대조적이다. 도 8(B)에서는 경사각이 30°이고, 도 8(D)에서는 경사각이 서로를 향해 15°이다.In the third embodiment shown in FIG. 8, the pair of auxiliary nozzle holes 12 are inclined inward, ie slightly gathered from the combustion chamber 9 toward the vortex chamber 8, which is the combustion chamber 9 and the vortex chamber. In contrast to the first and second embodiments extending vertically between (9). In FIG. 8 (B), the inclination angle is 30 degrees, and in FIG. 8 (D), the inclination angles are 15 degrees toward each other.
도 9(A) 내지 도 9(D)에 도시된 제4실시예에서, 도 9(B)에 가장 잘 도시된 바와 같이, 보조 노즐구멍(12)의 쌍은 뒤쪽으로 기울어져 있고, 도 9(D)에 도시된 바와 같이, 바깥쪽으로 기울어져 있으며, 즉 약간 연소실(9)로부터 소용돌이 챔버(8) 쪽을 향해 벌어져 있다. 도 9(B)에서는 경사각이 30°이고, 도 9(D)에서는 경사각이 서로를 향해 15°이다.In the fourth embodiment shown in Figs. 9A to 9D, as best shown in Fig. 9B, the pair of auxiliary nozzle holes 12 are inclined backwards, and Fig. 9 As shown in (D), it is inclined outward, that is, slightly open from the combustion chamber 9 toward the vortex chamber 8. In FIG. 9 (B), the inclination angle is 30 degrees, and in FIG. 9 (D), the inclination angles are 15 degrees toward each other.
상기한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 개량된 구성의 디젤엔진의 소용돌이 챔버식 연소실을 통해, 유효한 소용돌이를 발생시켜서 공기와 연료가 잘 혼합되게 하고, 그 연료를 소용돌이 챔버 내부에 잘 분산되게 할 수 있어, 통상적인 시스템에서는 NOx와 매연 중 어느 하나도 그 발생을 저감시킬 수 없었던 것을, 모두 저감시킬 수 있다는 이점이 있다.According to the present invention having the above-described configuration, through the vortex chamber combustion chamber of the diesel engine of the improved configuration, it is possible to generate an effective vortex so that air and fuel are well mixed and the fuel is well dispersed within the vortex chamber. In the conventional system, there is an advantage that all of NOx and soot could not be reduced.
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