KR20050029476A - 디젤 엔진용 피스톤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디젤 엔진용 피스톤에 관한 것으로서, 디젤 엔진의 피스톤 헤드 립부에 요(凹)부를 흡기 선회류 방향을 따라 등간격으로 형성하여, 흡기 선회류에 의한 피스톤 립부의 강도 저하를 막을 수 있고, 피스톤의 상하 방향으로 와(eddy) 및 텀블, 미소난류를 증가시켜 저속 저부하 운전조건에서부터 고속 고부하 운전조건에 이르는 전체 운전영역에 걸쳐서 연료와 공기의 혼합이 균일하게 이루어지도록 유도해줌으로써, 연소효율을 증가시키고 질소산화물 및 매연의 농도를 크게 감소시킬 수 있도록 한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 디젤 엔진의 피스톤 헤드 상면에 형성된 연소실 상단의 립부에 흡기 선회류 방향과 동일한 방향을 따라 수개의 요부를 등간격으로 형성하여서 된 디젤 엔진용 피스톤을 제공한다.

Description

디젤 엔진용 피스톤{Piston for diesel engine}

본 발명은 디젤 엔진용 피스톤에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피스톤 헤드의 연소실 상단(이하, 립부라 칭함)에 등간격의 요부를 형성하여, 연료와 공기의 혼합이 아주 짧은 시간내에 균일하게 이루어지도록 하고, 동시에 전체 선회류의 방향 뿐만아니라 피스톤의 상하 방향으로도 무수히 많은 와(渦)의 발생을 유도해줌으로써, 매연 저감 및 연비 개선의 효과를 얻을 수 있도록 한 디젤 엔진용 피스톤에 관한 것이다.

디젤 엔진의 작동은 실린더내로 공기가 흡입되는 흡입행정과, 흡입된 공기를 연료의 자기착화 온도 이상으로 압축하는 압축행정과, 고온/고압으로 압축된 공기중으로 연료를 고압으로 분사하는 동시에 점차적으로 연료가 공기와 혼합되면서 자기착화 연소하는 연소행정과, 연소가스를 실린더 밖으로 배출하는 배기행정으로 이루어진다.

이때, 연료와 공기의 혼합이 원할하게 이루어지지 않거나 공연비가 낮을 경우에는 연료의 산화 즉, 연소 반응이 활발하지 못하여 매연이 다량 발생하고, 그 결과 연비가 나빠지며 연소효율도 낮아지기 마련이다.

이에, 매연 감소와 연소 효율 향상은 연료와 공기의 혼합이 보다 균일해질수록 효과적이기 때문에 디젤 엔진에서는 연료 분사특성 뿐만아니라 공기의 유동특성 또한 매우 중요한 요소가 되고 있다.

따라서, 디젤 엔진 연소실내 연료와 공기의 혼합을 촉진하기 위한 기존의 방법으로는 대형 저속용, 소형 고속용 등 각각 그 용도에 따라 연소실 형상을 달리하여 선회류 및 텀블(tumble)을 발생시키고, 나선형 흡기포트를 사용하여 선회 강도를 높이는 방법이 널리 사용되어 왔고, 특히 디젤 엔진의 피스톤 헤드 상면에 형성되는 연소실의 형상은 분사된 연료에 와류를 일으키기 위하여 여러가지 형상으로 고안되어 왔다.

그 일례로서, 디젤 엔진의 피스톤을 혼합기 형성에 유리한 난류 특성을 갖도록 개선한 구조가 대한민국 실용신안공보(등록번호 실1990-0002045, 명칭: "난류특성을 갖는 내연기관용 왕복동 피스톤)에 공개되어 있는 바, 도 7 및 도 8에서 보는 바와 같이 피스톤(100) 단면부에 수개의 원호상 방사깃(40)을 형성하고, 각 방사깃 사이에 방사원호구(Groove)(42)를 형성시킴으로써, 실린더 헤드의 하부와 피스톤 헤드의 상부 사이에 형성되는 간극에서 발생하는 틈새공기유동(Squish)이 혼합기 형성에 유리한 난류특성을 갖도록 한 점에 특징이 있다.

그러나, 대한민국 실용신안공보(등록번호 실1990-0002045)에 공개되어 있는 "난류특성을 갖는 내연기관용 왕복동 피스톤"에 의하면 분사되는 연료량이 많아지는 중,고부하 조건일 경우, 도 9에 나타낸 바와 같이 연료가 피스톤 립부에 도달하여 피스톤 단면부보다 상대적으로 위치가 낮은 방사원호구(42) 안으로 유입되고, 이 연료의 일부는 방사원호구(42) 표면에 부착(wetting)되어 실린더 벽면쪽으로 이동하게 되며, 이로 인하여 미립화가 일어나지 않은 채 벽면으로 이동한 연료는 액막상태로 되어 공기와 혼합되지 못할 뿐만 아니라, 온도가 낮은 실린더 벽면과 피스톤과의 틈새인 크레비스(crevasse)로 유입되어 다량의 매연 발생을 초래하게 된다.

특히, 상기 피스톤의 연소실내로 연료를 직접 고압 분사를 행하는 커먼레일 분사 시스템(common rail injection system)일 경우, 중부하 조건에서도 고압분사로 인한 연료의 분사속도가 높아져서 연료가 방사원호구 표면에 부착되고, 상기 크레비스로 이동하게 될 가능성이 커서, 결국 다량의 매연 발생을 초래하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구 개발된 것으로서, 디젤 엔진의 피스톤 헤드 립부에 요(凹)부를 흡기 선회류 방향을 따라 등간격으로 형성하여, 흡기 선회류에 의한 피스톤 립부의 강도 저하를 막을 수 있고, 피스톤의 상하 방향으로 와(eddy) 및 텀블, 미소난류를 증가시켜 저속 저부하 운전조건에서부터 고속 고부하 운전조건에 이르는 전체 운전영역에 걸쳐서 연료와 공기의 혼합이 균일하게 이루어지도록 유도해줌으로써, 연소효율을 증가시키고 질소산화물 및 매연의 농도를 크게 감소시킬 수 있도록 한 디젤 엔진용 피스톤을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 디젤 엔진의 피스톤 헤드 상면에 형성된 연소실 상단의 립부에 흡기 선회류 방향과 동일한 방향을 따라 수개의 요부를 등간격으로 형성하여서 된 것을 특징으로 하는 디젤 엔진용 피스톤을 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 각 요부는 흡기 선회류의 방향을 따라 긴 변과 짧은 변이 120°∼ 150°각도를 이루며 형성된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 각 요부의 긴 변은 상기 립부 직경(D)의 1/7 길이를 갖고, 상기 짧은 변은 립부 직경(D)의 1/14 길이를 갖으며, 각 요부의 간격은 1/5D 로 형성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 설명한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 디젤 엔진의 피스톤 구조를 나타내는 사시도이고, 도 2는 단면도, 도 3은 평면도이다.

본 발명은 많고 작은 와에 의한 연료와 공기의 혼합이 하나의 큰 와에 의한 연료와 공기의 혼합보다 균일하게 된다는 점을 이용한 것으로서, 즉, 와 혹은 난류 스케일이 클 경우에는 도 5의 (a)에서 보는 바와 같이 연료와 공기가 혼합되어 형성된 화염면의 두께가 커서 연소실내 화염의 갯수가 작지만, 도 5의 (b)에서 보는 바와 같이 와 혹은 난류의 갯수가 작으면 화염면이 쉽게 영향을 받아 작은 두께의 화염을 연소실내에 무수히 형성하여 균일 연소가 이루어지게 함으로써, 질소산화물 및 매연의 생성을 억제할 수 있는 점을 이용한 것이다.

이에, 본 발명은 피스톤(100) 헤드의 상면에 형성된 연소실(30) 상단, 즉 립부(20)에 수개의 요부(10)를 형성하되, 긴 변(12)과 짧은 변(14)이 120°∼ 150°각도를 이루는 요부(10)를 형성하게 된다.

특히, 상기 각 요부(10)는 흡기 선회류의 방향과 동일한 방향을 따라 등간격을 이루며 형성되는 바, 흡기 선회류의 방향을 따라 먼저 긴 변(12)이 형성되고, 바로 옆쪽에 120°∼ 150°각도를 이루며 짧은 변(14)이 형성된다.

또한, 상기 립부(20)의 직경(피스톤 바올(bowl)의 직경) D에 대하여 상기 요부(10)의 긴 변(12) 길이는 1/7D, 짧은 변(14)의 길이는 1/14D, 높이는 피스톤 립부(20) 두께가 되도록 하고, 각 요부(10)의 간격은 1/5D가 되도록 한다.

이때, 상기 요부(10)의 긴 변(12)과 짧은 변(14)의 각도를 120°∼ 150°의 둔각으로 형성한 이유는 연소실내 선회류 흐름을 방해하지 않도록 하기 위함이다.

미설명부호 22는 배기밸브 및 흡기밸브 포켓이다.

이와 같은 본 발명의 피스톤 구조에 의하면 도 4에서 도시된 바와 같이, 피스톤의 원주방향으로는 피스톤 전체에 대해 형성되는 기존 흡기 선회류 뿐만아니라 각 요부에 의한 국소선회류를 발생시키고, 피스톤의 상승 및 하강시에는 연소실 전체에 걸쳐 많은 미세 와(eddy) 및 난류성 텀블을 발생시켜 연료와 공기의 혼합을 균일하게 하여 연소효율을 높일 수 있게 된다.

보다 상세하게는, 엔진의 중,저부하 조건에서는 고압으로 분사된 연료가 본 발명에 따른 요부에 충돌하더라도, 기존의 구조를 나타내는 도 9 도시하는 바와 같이 연료의 일부가 방사원호구 표면에 부착되지 않고, 도 4에 도시된 바와 같이 종래의 피스톤 립부에 충돌할 때와 유사하게 미립화가 잘 일어나게 된다.

결국, 연료의 미립화에 따라 연료와 공기의 혼합이 촉진되고, 또한 기존에 연료가 크레비스로 유입되는 현상을 방지하여 매연 및 미연소 탄화수소의 발생을 억제하는 동시에 연소실내 화염을 안정화시킴으로써, 엔진출력의 안정화를 도모할 수 있다.

또한, 피스톤 속도가 빨라지는 중,고부하 이상에서는 본 발명에 따른 요부에 의하여 수많은 와(eddy)와 난류성 텀블이 발생되고, 상기 와 및 난류성 텀블로 인하여 연료와 공기의 혼합이 도 6에 나타낸 바와 같이 매우 촉진되어 최종적으로 혼합기의 농도가 보다 균일하게 되는 분산반응화염이 되며, 이에 국소적 연료 농도 불균일 영역을 없애서 질소산화물과 매연의 생성을 동시에 억제시킬 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 피스톤은 버스, 트럭과 같은 대형 상용차 뿐만 아니라 승용 디젤엔진 차량에도 적용하여 연료와 공기의 혼합을 활성화시킬 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 디젤 엔진용 피스톤에 의하면 디젤 엔진의 피스톤 헤드 립부에 요(凹)부를 흡기 선회류 방향을 따라 등간격으로 형성함으로써, 피스톤 립부 선회 강도의 저하를 막을 수 있고, 피스톤의 상하 방향으로 와(eddy) 및 텀블, 미소난류를 증가시켜 저속 저부하 운전조건에서부터 고속 고부하 운전조건에 이르는 전체 운전영역에 걸쳐서 연료와 공기의 혼합이 균일하게 이루어지는 장점이 있다.

또한, 많고 작은 와(eddy)의 생성으로 인하여 연소효율을 증가시키고 질소산화물 및 매연의 농도를 크게 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 디젤 엔진의 피스톤 구조를 나타내는 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 디젤 엔진의 피스톤 구조를 나타내는 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 디젤 엔진의 피스톤 구조를 나타내는 평면도,

도 4는 본 발명에 따른 디젤 엔진의 피스톤 구조에 의하여 미세 와가 발생되는 것을 나타내는 개략적 단면도,

도 5는 와 혹은 난류 스케일이 클 경우와 작을 경우의 화염 상태를 보여주는 개략도,

도 6은 난류 화염의 구조를 보여주는 개략도,

도 7은 종래의 디젤 엔진 피스톤 구조를 나타내는 사시도,

도 8은 종래의 디젤 엔진 피스톤 구조를 나타내는 평면도,

도 9는 종래의 디젤 엔진 피스톤 구조에서 연료의 일부가 액막을 형성하는 것을 보여주는 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 요부 12 : 긴 변

14 : 짧은 변 20 : 립부

22 : 흡기 및 배기밸브 포켓

30 : 연소실 40 : 방사깃

42 : 방사원호구 100 : 피스톤

Claims (3)

1. 디젤 엔진용 피스톤에 있어서,

   상기 디젤 엔진의 피스톤 헤드 상면에 형성된 연소실 상단의 립부에 흡기 선회류 방향과 동일한 방향을 따라 수개의 요부를 등간격으로 형성하여서 된 디젤 엔진용 피스톤.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 각 요부는 흡기 선회류의 방향을 따라 긴 변과 짧은 변이 120°∼ 150°각도를 이루며 형성된 것을 특징으로 하는 디젤 엔진용 피스톤.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 각 요부의 긴 변은 상기 립부 직경(D)의 1/7 길이를 갖고, 상기 짧은 변은 립부 직경(D)의 1/14 길이를 갖으며, 각 요부의 간격은 1/5D 로 형성된 것을 특징으로 하는 디젤 엔진용 피스톤.