KR20050069051A - 직접 분사식 엔진 - Google Patents

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KR20050069051A KR1020030100886A KR20030100886A KR20050069051A KR 20050069051 A KR20050069051 A KR 20050069051A KR 1020030100886 A KR1020030100886 A KR 1020030100886A KR 20030100886 A KR20030100886 A KR 20030100886A KR 20050069051 A KR20050069051 A KR 20050069051A
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Abstract

연소실로 유입되는 흡입 공기의 텀블(TUMBLE) 유동을 강화하여 연비 개선을 물론 출력을 향상시키고, 배출가스를 저감시킬 수 있도록;
펜트 루프 형상으로 형성되는 실린더 헤드의 저면과 상기 실린더 헤드의 저면 형상에 대응하는 펜트 루프 형상의 돌출부를 갖는 피스톤 헤드의 상측부 사이에 형성되는 연소실과; 상기 연소실의 실린더 헤드 양측으로 형성되는 흡,배기포트에 각각 배치되는 흡,배기 밸브와; 상기 연소실의 상측 실린더 헤드에 배치되는 점화 플러그와; 상기 연소실내에 직접 연료를 분사하는 연료 분사수단인 연료 인젝터를 구비하고,
상기 피스톤 헤드부 돌출부는 실린더 중심축에서 배기측으로 편심된 상태에서 형성되고, 이의 돌출부에 크랭크 샤프트 축선방향과 직교하는 방향으로 요입되는 보울을 형성하되, 상기 보울은 배기측의 폭이 넓고 흡기측의 폭이 좁은 상태에서 양측면이 외측으로 요입되는 구면으로 이루어지고, 바닥면이 배기측에서 흡기측으로 갈수록 깊어지는 경사면으로 이루어지며, 상기 흡기포트는 흡입 공기가 상기 보울의 배기측 부분을 향하여 유입되도록 형성되는 직접 분사식 엔진을 제공한다.

Description

직접 분사식 엔진{DIRECT INJECTION ENGINE}
본 발명은 직접 분사 엔진에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소실로 유입되는 흡입 공기의 텀블(TUMBLE) 유동을 강화하여 연비 개선을 물론 출력을 향상시키고, 냉시동시 배출가스를 저감시킬 수 있는 직접 분사식 엔진에 관한 것이다.
예컨대, 가솔린 직접 분사식 엔진은 날로 심화되고 있는 지구 환경 문제로 유해 배출가스가 적고, 연비가 좋은 차량에 대한 요구에 부응하기 위하여 일반적인 가솔린 엔진과 디젤 엔진의 장점을 접목시켜 가솔린 연료를 연소실내에 직접 분사하여 연소시킬 수 있도록 엔진이다.
이러한 가솔린 분사식 엔진의 설계에 있어서, 가장 중요한 것이 흡입 유동인데, 이의 흡기 유동은 흡기포트와 연소실, 피스톤 형상에 의해 결정되며, 분사되 연료의 벽류를 억제하고, 단 시간내에 공기와의 혼합과 기화가 적정하게 이루어지도록 하기 위한 흡입 유동 및 분무 상태의 최적화 및 스파크 플러그 주의에 층상화된 혼합기를 조성하여 원활한 점화와 화염전파를 달성할 수 있도록 연구 개발이 계속되고 있다.
이러한 점을 감안하여 종래 가솔린 직접 분사식 엔진의 일 예로서는 본 출원인이 제안한 대한민국 특허 출원 제2001-59601호(명칭: 가솔린 직접 분사식 엔진)를 들 수가 있다.
상기 제안은 도8 및 도10 에서와 같이, 실린더 헤드(2) 하면과 실린더내의 피스톤(8) 상면에 의해 형성되는 연소실(26)과; 상기 연소실(26)의 실린더 헤드(2) 양측으로 형성되는 흡,배기포트(10)(12)에 각각 배치되는 흡,배기 밸브(14)(16)와; 상기 연소실(26)의 실린더 헤드(2) 하면에 중앙부분에 배치되는 점화플러그(46)와; 상기 연소실(26)내에 직접 연료를 분사하는 연료 분사수단인 연료 인젝터(36)를 구비하는 가솔린 직접 분사식 엔진에 있어서,
상기 연소실(16)은 흡기밸브측 경사면(28)과, 배기밸브측 경사면(30)에 의해 펜트 루프 형상으로 이루어지는 실린더 헤드의 저면과, 상기의 흡기밸브측 경사면(28) 및 배기밸브측 경사면(30)에 각각 대응하는 흡기밸브측 경사상면(32)과, 배기밸브측 경사상면(34)에 의해 펜트 루프 형상으로 이루어진 피스톤의 상측면 사이에 이루어지되,
상기 피스톤의 흡기밸브측 경사상면(32)과 배기밸브측 경사상면(34)에 의해 형성되는 펜트 루프 형상의 돌출부분(38)에 중앙부분에서 약간 배기측으로 치운친 상태에서 흡기측으로 갈수록 깊어지는 곡률을 갖는 바닥면(42)으로 이루어지는 보울(40)이 형성되며,
상기 흡기포트(10)는 하류단 부분이 상,하 분리되어 2개의 유로를 갖도록 스플릿 웰(18)을 배치하여 상측 유로는 텀블 유로(20)가 되도록 하고, 하측 유로(22)의 입구부에는 선택적으로 엔진 제어유닛에 의해 제어되면서 개폐되는 밸브(24)가 배치된다.
그리고 상기 보울(40)은 평면에서 보아 사다리꼴 형태로서 배기측은 넓게 형성하고, 흡기측은 좁게 형성하되, 바닥면(42)은 배기측에서 흡기측으로 완만하게 하향 요입되는 곡면으로 이루어지면서 흡기측이 깊게 형성되고, 이의 흡기측 램프부분(44)이 수직의 상태로 형성되며, 점화플러그(46)는 흡기 포트측에서 보울(40)의 상측에 연료를 분사할 수 있도록 배치하고 있다.
이에 따라 흡기를 위하여 피스톤(8)이 하강하면 흡기가 흡기포트(10)의 상측 포트(20)를 통과하면서 어느 정도의 강한 텀블을 보유한 채 연소실(26)로 도입되며, 이에 도입되는 텀블 유동은 실린더 내에서 강하게 회전을 하게 되고, 압축을 위하여 피스톤(8)이 상승하게 되면, 텀블 유동은 압축되면서 보울(40)을 따라 더욱 강하게 회전하게 된다.
그리고 배기쪽의 보울(40)의 넓은 부분에서 흡기쪽의 깊고 좁은 부분으로 유도되면서 흐르던 텀블 유동은 좁은 부분에 의하여 강하게 집중이 이루어짐과 동시에 수직으로 형성되는 램프부분(44)과 충돌하면서 급상승하여 점화플러그(46)측으로 더욱 큰 유동을 발생하게 된다.
이러한 강한 덤블 유동이 생성되는 압축과정에서 흡기측에 형성된 연료 인젝터(36)에서 분사된 연료는 강한 텀블 유동과 상호 작용을 하면서 피스톤(8)의 보울(40)의 바닥면(42)과 충돌없이 강한 흡기 유동내에서 빠른 시간내에 기화한 후, 점화플러그(46) 주위로 성층의 혼합기를 형성하면서 점화플러그(46)에서 점화된 점화 에너지에 의하여 연소가 이루어지게 되는 것이다.
그러나 상기와 같은 구조에 있어서는 보울(40)의 공기 유입부에 곡면 돌출부(50)가 형성되어 있는 바, 텀블 유동의 일부가 흡기측 방향으로 유도되지 않고 그 반대측으로 이탈하는 박리 현상이 발생되어 연소 안정성에 불리하고, 분사된 연료가 곡면 돌출부(50)를 넘어 오일과 접촉되면서 카본 퇴적층을 형성한다는 문제점을 내포하고 있다(도 10참조).
그리고 보울(40)의 측면부가 단순히 상측으로 확개되는 형상으로 형성되면서 평면에서 볼 때 사다리꼴 형태를 취함은 물론 피스톤 헤드 돌출부분(38)이 정상 일부분이 평탄부분(52)으로 형성되어 있는 바, 텀블 유동의 일부가 보울(40)의 측면을 타고 흡기측으로 유도되지 않고, 측면을 넘어 이탈하게 되어 흡기측으로 유도되는 텀블 유동 강도를 저하시킴은 물론 스쿼시(Squish) 유동을 약하게 하여 불완전 연소의 한 원인이 된다는 문제점을 내포하고 있다(도 10참조).
또한, 양 흡기밸브 포켓 사이가 단차부분(54)에 의하여 구획되어 있는 바, 카본이 퇴적됨은 물론 화염 전파시 방해물로 작용하여 녹킹(Knocking) 발생이 원인이 될 수 있다는 문제점을 내포하고 있다(도 9참조).
따라서 본 발명의 주목적은 텀블 유동을 보다 강화하여 연소 안정성을 도모함으로써, 연비 개선은 물론 엔진 출력을 향상시킬 수 있는 직접 분사식 엔진을 제공함에 있다.
그리고 연소시 화염 전파가 용이하게 이루어지도록 함으로써, 상기의 주목적을 달성할 수 있도록 하는데 있다.
또한, 연료의 벽류(Wall Wetting)의 생성을 최소화하여 카본 퇴적을 최소화함은 물론 탄화수소물의 배출을 억제하여 배기가스 발생을 저감시킬 수 있는 직접 분사식 엔진을 제공함에 있다.
이를 실현하기 위하여 본 발명은, 펜트 루프 형상으로 형성되는 실린더 헤드의 저면과 상기 실린더 헤드의 저면 형상에 대응하는 펜트 루프 형상의 돌출부를 갖는 피스톤 헤드의 상측부 사이에 형성되는 연소실과; 상기 연소실의 실린더 헤드 양측으로 형성되는 흡,배기포트에 각각 배치되는 흡,배기 밸브와; 상기 연소실의 상측 실린더 헤드에 배치되는 점화플러그와; 상기 연소실내에 직접 연료를 분사하는 연료 분사수단인 연료 인젝터를 구비하고,
상기 피스톤 헤드부 돌출부는 실린더 중심축에서 배기측으로 편심된 상태에서 형성되고, 이의 돌출부에 크랭크 샤프트 축선방향과 직교하는 방향으로 요입되는 보울을 형성하되, 상기 보울은 배기측의 폭이 넓고 흡기측의 폭이 좁은 상태에서 양측면이 외측으로 요입되는 구면으로 이루어지고, 바닥면이 배기측에서 흡기측으로 갈수록 깊어지는 경사면으로 이루어지며, 상기 흡기포트는 흡입 공기가 상기 보울의 배기측 부분을 향하여 유입되도록 형성되는 직접 분사식 엔진을 제공한다.
이하, 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 엔진의 요부 확대 단면도로서, 엔진의 본체는 실린더 헤드(102)와 실린더 블록(104)에 의해 구성되고, 상기 실린더 블록(104)의 실린더(106)에는 피스톤(108)이 상하 슬라이드 가능하게 배치된다.
상기 실린더 헤드(102)의 양측에는 흡기포트(110)와 배기포트(112)가 형성되는데, 이의 흡,배기포트(110)(112)는 적용되는 흡, 배기밸브(114)(116)의 숫자에 따라 달라지게 된다.
그리고 상기 흡기포트(110)의 하류측에는 길이방향 중간부에 스플릿 웰(Spilt Wall, 118)이 배치되어 상,하 2개의 유로(120)(122)로 분리되고, 하측 유로(122)의 입구측에는 이의 유로(122)를 개폐할 수 있는 밸브(124)가 배치되며, 이 밸브(124)는 미도시한 엔진제어유닛에 의해 제어되는 구동모터에 의해 작동된다.
이에 따라 상기 밸브(124)는 엔진의 운전 조건에 따른 엔진제어유닛의 제어에 의하여 개폐가 이루어지는데, 희박 연소 운전인 경우에는 상기 밸브(124)가 닫히게 되어 흡기는 상측 유로(120)를 통해 텀블 상태로 연소실(126)로 도입된다.
그리고 상기 연소실(126)은 도 1에서와 같이, 실린더 헤드(102)의 저면과 피스톤(108)의 헤드 상면 사이에 형성되는데, 구체적으로는 실린더 헤드(102)의 저면에는 실린더(106)의 중심축선(CB)과 미도시한 크랭크 샤프트의 축선을 포함하는 가상의 평면(CK)에서 배기측으로 일정 거리(λ) 만큼 편심된 위치를 중심으로 일측에 형성된 흡기밸브측 경사면(128)과, 타측에 형성된 배기밸브측 경사면(130)이 형성되어 펜트 루프 형상으로 이루어진다.
또한, 상기 피스톤(108)의 헤드 상면은 상기의 흡기밸브측 경사면(128) 및 배기밸브측 경사면(130)에 각각 대응하는 흡기밸브측 경사상면(132)과, 배기밸브측 경사상면(134)이 형성되어 펜트 루프 형상으로 이루어지며, 이의 흡, 배기 밸브측 경사상면(132)(134)과 상기 실린더 헤드(102)의 흡,배기밸브측 경사면(128)(130)사이에 연소실(126)이 형성된다.
그리고, 상기 실린더 헤드(102)의 흡기포트(110)측에는 연료를 연소실(126)에 공급하기 위한 연료 분사수단인 연료 인젝터(136)가 배치되어 있으며, 이 연료 인젝터(136)는 미도시한 엔진제어유닛에 의해 제어되면서 소정의 분사 시점에서 연소실(126)을 향해 연료를 직접 분사하게 된다.
또한, 연료의 완전 연소를 추구하기 위한 연소실 형상을 결정하는데 중요한 인자로 작용하는 피스톤(108)의 헤드부 형상을 살펴보면 도 2 내지 도 4에서와 같이, 흡기밸브측 경사상면(132)과 배기밸브측 경사상면(134)으로 이루어진 펜트 루프형상의 돌출부(138)의 정상부분은 일정 곡률을 갖는 곡면으로 이루어지며, 이의 중앙부에는 크랭크 샤프트의 축선 방향과 직교하는 방향으로 요입 형성되는 보울(140)이 형성되어 있다.
상기 보울(140)은 평면에서 볼 때 대략 타원 또는 양측변이 직선이 아닌 소정 곡률을 갖는 곡선 형태를 취하는 사다리꼴 형태로 이루어지며, 장축 방향이 크랭크 샤프트의 축선방향과 직교하는 방향으로 위치하되, 흡입공기의 유입이 원활하게 이루어질 수 있도록 배기측이 개방됨과 동시에 배기측의 폭이 넓고, 흡기측의 폭이 좁게 형성된다.
그리고 상기 보울(140)의 바닥면(142)은 배기측에서 흡기측으로 일정각(대략 12°정도)을 갖고 하향 경사지는 경사면으로 이루어지며, 상기 경사면의 배기측 부분은 배기측 경사상면(134)의 시작부(144)에서 경사면측으로 약간 진입된 부분에서 피스톤(108)의 헤드면(146)과 일정 곡률(R45)을 갖는 부드러운 곡면으로 연결된다.
이는 텀블 유동이 박리되지 않고 자연스럽게 보울(140)측으로 유도될 수 있도록 함은 물론 분사된 연료가 배기측 실린더 벽측으로 흘러 오일과 접촉되면서 카본 퇴적층이 생성되는 것을 방지하기 위함이다.
그리고 상기 보울(140)의 양측면은 상측으로 확개되는 형태를 취하되, 보울(140)에서 돌출부(138)로 요입되는 일정 곡률을 갖는 곡면부로 이루어져 보울(140)로 유도되는 텀블 유동이 이의 측면부를 타고 외측으로 이탈하는 것을 최소화할 수 있도록 하였다.
또한, 보울(140)의 흡기측단을 형성하는 램프부분(148)은 대략 수직의 형태를 취하게 되는데, 본 발명의 실시예에서는 상측 부분이 흡기측으로 약간 확개되도록 경사지게 형성하였다(대략 5°정도).
그리고 상기 램프 부분(148)은 흡기측 경사상면(132)의 시작부에 배기측으로 약간 이동된 위치에서 형성되며, 상기 흡기측 경사상면(132)의 상측부에는 전체적으로 흡기밸브 포켓(150)이 형성된다.
상기 흡기밸브 포켓(150)은 오버랩 구간등에서 흡기밸브(114)와 피스톤(108)이 서로 충돌하는 것을 미연에 방지하기 위하여 형성하는 것으로서, 본 발명에서는 밸브에 따라 구획하여 형성하지 않고, 흡기밸브(114)의 전체를 수용할 수 있는 요입부로 형성함으로써, 종래와 같이 포켓과 포켓 사이의 단차를 생략하여 카본 퇴적이 이루어지는 것을 미연에 방지할 수 있도록 하였다.
이와 같이 이루어지는 본 발명에 의하면, 흡기를 위하여 피스톤(108)이 하강하면 흡기가 흡기포트(110)의 상측 포트(120)를 통과하면서 어느 정도의 강한 텀블을 보유한 채 연소실(126)로 도입된다.
이때 도입되는 텀블 유동은 실린더 내에서 강하게 회전을 하다가 압축 과정중 상승하는 피스톤(108)에 의하여 압축되면서 도 5에서와 같이, 보울(140)을 따라 더욱 강하게 회전을 하게 된다.
즉, 배기측의 보울(140)의 넓은 부분에서 흡기쪽의 깊고 좁은 부분으로 유도되면서 강한 집중이 이루어짐과 동시에 수직으로 형성되는 램프부분(148)과 충돌하면서 급상승하여 점화플러그(152)에서 더욱 큰 유동을 발생하게 된다.
이러한 강한 덤블 유동이 생성되는 압축과정에서 흡기밸브측에 보울(140)의 상측부분으로 연료를 분사할 수 있도록 배치된 연료 인젝터(136)에서 도 6에서와 같이 연료가 분사되면, 강한 텀블 유동과 상호 작용을 하면서 보울(140)의 바닥면(142)과 충돌 없이 강한 텀블 유동내에서 도 7에서와 같이 빠른 시간내에 기화한 후에 점화플러그(152) 주위로 성층의 혼합기를 형성하면서 이동하게 된다.
그리고 상기와 같이 점화플러그(152)측으로 이동된 혼합기는 점화플러그(152)에서 점화된 점화 에너지에 의하여 연소가 이루어지게 되는 것이다.
이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 보울의 배기측 바닥면이 피스톤 헤드의 상면과 곡면으로 부드러운 연결됨으로써, 텀블 유동에 박리 현상이 발생되지 않고 보울측으로 자연스럽게 유도되어 강한 텀블 유동 생성에 도움을 주게 되며, 분사된 연료가 강한 텀블 유동에 따라 보울측으로 유도되면서 흡입 공기와 혼합되어 배기측에서 연료가 오일과 접촉되면서 카본 퇴적층을 생성하는 것을 방지할 수 있게 된다.
그리고 보울이 타원 또는 사다리꼴로서, 배기측이 넓고 흡입측이 좁게 형성됨은 물론 측면부가 곡면으로 이루어지게 되는 바, 텀블 유동이 보울의 흡기측으로 유도될 때 이탈됨이 없이 거의 대부분이 램프 부분으로 집중됨으로써, 보다 강한 텀블 유동으로 연료의 완전 연소를 도모할 수 있는 것이다.
또한, 양 흡기밸브 포켓이 하나의 요입부로 이루어짐으로써, 카본이 퇴적될 수 있는 원인을 제공하지 않으며, 점화시 화염 전파의 방해물이 제거됨으로써, 원활한 화염 전파에 의한 완전 연소를 도모할 수 있는 것이다.
그리고 상기와 같은 작용으로 연료 인젝터로부터 분사된 연료가 피스톤의 보울면에 충돌하지 않고 압축 공기상에서 빠르게 완전 기화됨으로써, 카본 생성 또는 벽류의 증가로 인한 탄화수소물의 배출을 저감시킬 수 있게 되는 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 엔진의 내부를 모식적으로 도시한 종단면도.
도 2는 본 발명에 적용되는 피스톤의 평면 사시도.
도 3은 도 2에 의한 피스톤의 요부 단면도.
도 4는 도 2에 의한 피스톤의 평면도.
도 5는 본 발명에 의한 엔진에서의 압축 과정도.
도 6은 본 발명에 의한 엔진에서의 연료 분사 과정도.
도 7은 연소실내에서의 혼합기 유동 상태도.
도 8은 본 발명에 의한 엔진의 내부를 모식적으로 도시한 종단면도.
도 9는 본 발명에 적용되는 피스톤의 평면 사시도.
도 10은 도 8에 의한 피스톤의 요부 단면도이다.

Claims (11)

  1. 펜트 루프 형상으로 형성되는 실린더 헤드의 저면과 상기 실린더 헤드의 저면 형상에 대응하는 펜트 루프 형상의 돌출부를 갖는 피스톤 헤드의 상측부 사이에 형성되는 연소실과; 상기 연소실의 실린더 헤드 양측으로 형성되는 흡,배기포트에 각각 배치되는 흡,배기 밸브와; 상기 연소실의 상측 실린더 헤드에 배치되는 점화플러그와; 상기 연소실내에 직접 연료를 분사하는 연료 분사수단인 연료 인젝터를 구비하고,
    상기 피스톤 헤드부 돌출부는 실린더 중심축에서 배기측으로 편심된 상태에서 형성되고, 이의 돌출부에 크랭크 샤프트 축선방향과 직교하는 방향으로 요입되는 보울을 형성하되, 상기 보울은 흡입공기가 원활하게 유입되도록 배기측이 개방됨과 동시에 배기측의 폭이 넓고 흡기측의 폭이 좁은 상태에서 양측면이 외측으로 요입되는 구면으로 이루어지고, 바닥면이 배기측에서 흡기측으로 갈수록 깊어지는 경사면으로 이루어지며, 상기 흡기포트는 흡입 공기가 상기 보울의 배기측 부분을 향하여 유입되도록 형성됨을 특징으로 하는 직접 분사식 엔진.
  2. 제1항에 있어서, 보울은 피스톤 헤드 돌출부내에 형성됨을 특징으로 하는 직접 분사식 엔진
  3. 제1항에 있어서, 보울의 양측면은 상측부분이 확개되는 형태로 이루어짐을 특징으로 하는 직접 분사식 엔진.
  4. 제1항에 있어서, 보울의 양측면은 전체적으로 타원과 같은 곡선으로 이루어짐을 특징으로 하는 직접 분사식 엔진.
  5. 제1항에 있어서, 보울 바닥면의 배기측 부분은 돌출부의 배기측 경사상면 시작부에서 보울측으로 일정량 진입된 부분에서 피스톤의 헤드면과 소정의 곡률을 갖는 곡면으로 연결됨을 특징으로 하는 직접 분사식 엔진.
  6. 제1항에 있어서, 보울의 흡기측 램프 부분은 상측이 확개되는 형태의 수직에 가까운 벽면으로 이루어짐을 특징으로 하는 직접 분사식 엔진.
  7. 제1항에 있어서, 피스톤 헤드의 돌출부는 최정상 부분이 곡면으로 이루어짐을 특징으로 하는 직접 분사식 엔진.
  8. 제1항에 있어서, 피스톤 헤드 돌출부의 흡기측 경사상면에는 흡기밸브 포켓이 요입 형성됨을 특징으로 하는 직접 분사식 엔진.
  9. 제8항에 있어서, 흡기밸브 포켓은 흡기밸브 전체를 수용할 수 있도록 흡기측 경사상면에 1개의 면을 갖고 형성됨을 특징으로 하는 직접 분사식 엔진.
  10. 제1항에 있어서, 피스톤 헤드 돌출부의 흡기측 경사상면에는 흡기밸브 포켓이 요입 형성됨을 특징으로 하는 직접 분사식 엔진.
  11. 제1항에 있어서, 흡기포트는 하류 부분이 상,하 분리되어 2개의 유로를 갖도록 스플릿 웰을 배치하여 상측 유로는 텀블 유로가 되도록 하고, 하측 유로의 입구부에는 선택적으로 엔진 제어유닛에 의해 제어되면서 개폐되는 밸브가 배치됨을 특징으로 하는 직접 분사식 엔진.
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