KR20070044068A - 직분식 디젤기관의 연소실 형상 - Google Patents

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KR20070044068A
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케이이치로 유자키
히로유키 후지이
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얀마 가부시키가이샤
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Abstract

연소실 형상을 최적으로 함으로써, 특히 팽창행정일 때의 혼합을 촉진하고, 리타드 한계의 개선 및, 높은 EGR 하에서의 연소속도 증가 등에 의해, PM 저감과 NOx 저감의 양립을 도모한다. 피스톤의 정상부에 형성된 연소실(12)의 내부를, 이 연소실 내부의 중심축선(O2)을 통과하는 종단면 형상이 이 중심축선을 기준으로 해서 대칭형상이 되도록 형성하고, 연소실(12)의 상단 개구부(18)를 R부(21)와 직선부(22)를 조합시킨 대략 다각형상으로 형성한다.

Description

직분식 디젤기관의 연소실 형상 {Shape of combustion chamber of direct injection diesel engine}
본 발명은 직분식(直噴式) 디젤기관의 연소실 형상에 관한 것이다.
이런 종류의 디젤기관에서는, 근래에 환경문제가 높아짐에 따라 해마다 엄격한 배기규제가 시행되고 있는바, 특히 배기에 함유되는 유해물질 중에서도 NOx와 미세물질(particulate matter;이하 PM이라 함)의 저감이 요구되고 있다.
그러나, NOx는 완전연소 상태로 되면 발생하기 쉬운 데에 대해, PM은 불완전연소 상태로 되면 발생하기 쉬운 성질이 있다. 따라서, NOx와 PM은, 한쪽 배출량을 줄이면 다른 쪽이 증가한다고 하는 트레이드-오프(trade-off)의 관계에 있다. 이 때문에, 양쪽을 동시에 줄이는 것이 디젤기관 분야에서 중요한 과제로 되고 있다.
여기서, NOx를 줄이기 위해 종래부터 채용되고 있던 수단으로는, 배기의 일부를 흡기계통으로 환류시키는 EGR(exhaust gas recirculation)이나 연료분사시기의 리타드(retard;지연) 등이 있다. 그러나, 이들 수단을 단지 실시하는 것만으로는 상기 트레이드-오프의 관계에서 PM의 증가를 수반하게 된다.
그리고, 이 PM의 증가에는, 이하와 같이 피스톤의 상부에 형성된 연소실의 형상도 크게 관련되어 있다.
예컨대, 하기 특허문헌 1에는, 피스톤의 상부에 오목형상의 연소실을 형성한 직분식 디젤엔진이 개시되어 있다. 도 10에 도시된 것과 같이, 연소실(101)은, 저면 중앙부에 원추형상의 중앙 돌기부(102)를 갖고, 이 중앙 돌기부(102) 주위에 단면이 대략 원호형상인 환상홈(103)을 형성함으로써 구성되어 있다. 연소실(101)의 개구부(104)는 원형으로서, 이 개구부(104)에는 개구면적을 좁혀주도록 내주 측으로 돌출하는 립부(lip;105)가 형성되어 있다. 연료는 연소실(101)의 내부를 향해 방사상으로 분사되어, 연소실(101) 내에서 공기와 혼합되어 연소된다.
연소실(101) 내에서 발생한 화염이나 혼합기는 팽창행정일 때에 연소실(101)로부터 주체임버(106)로 유동한다. 그러나, 이때 연소실 개구가 원형이라면, 그 유동이 주방향에 걸쳐 균일해져, 연소실(101)로부터 주체임버(106)로의 화염, 혼합기의 유동이 약해진다. 또, 연료분사 노즐로부터 분출된 연료는 연소실(1O1) 내에서 공기와 혼합되면서 소용돌이 흐름에 의해 연료실(1O1) 내를 원주방향으로 흐르게 된다. 그러나, 팽창행정일 때, 연소실(1O1) 밖으로 향하는 유동이 약하기 때문에, 화염이나 미연의 혼합기도 연소실(1O1) 내를 원주방향으로 흘러, 연소실(1O1) 내에서의 체류시간이 길어지게 된다. 이에 따라, 특히 주체임버(106)에서의 연료와 공기의 혼합 촉진이 도모되지 않아, 후기(後期)의 연소가 적절히 이루어지지 않게 된다.
이와 같은 사정으로부터, NOx 저감을 위해 연료분사시기의 리타드를 실행하 더라도, 불완전 연소에 의해 흑연이 증가할 가능성이 높아지기 때문에, 리타드 한계를 지연시킬 수가 없고, 높은 EGR률 하에서도 공기 이용률이 나빠져 연소 속도가 늦어지기 때문에 검은 매연이 증가하는 결과로 되고 있다.
특허문헌 1: 일본국 특개 20O1-221050호 공보
(발명이 해결하고자 하는 과제)
본 발명은, 상기 문제점에 착안하여, 연소실 형상을 최적으로 함으로써, 특히 팽창행정일 때 혼합을 촉진하여, 리타드 한계의 개선 및 높은 EGR률 하에서의 연소속도 증가 등에 의해 PM 저감과 NOx 저감을 양립시킬 수 있는 직분식 디젤기관의 연소실 형상을 제공하는 것을 목적으로 한다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
이상과 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 피스톤의 정상부에 오목형상의 연소실을 형성하고, 연소실의 내부에 연료를 분사함과 더불어 연료와 공기의 혼합기를 연소시키도록 한 직분식 디젤기관의 연소실 형상에서, 연소실의 내부가 피스톤 슬라이드 방향의 축선을 중심으로 한 대체로 회전체 형상으로 형성되고, 연소실의 상단 개구부가 R부와 직선부를 조합시킨 대략 다각형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명은, 상기 연소실의 상단 개구부가 대략 정육각 형상인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명은, 상기 연소실 내부의 중심축선과 상단 개구부의 중심축선이 일치하도록 되어 있는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명은, 상기 연소실의 상단 개구부의 R부의 반경(R)과 피스톤의 직경(D)이 0.04 < R/D < 0.12의 관계를 만족시키도록 되어 있는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명은, 상기 연소실의 내부벽이, 피스톤 상부면으로부터 각도 a를 갖고 아래쪽으로 뻗은 상부 주벽(周壁)과, 피스톤 상부면에 대한 각도 b를 갖고 상부 주벽의 하단으로부터 직경방향 바깥쪽 아래로 뻗은 중간 주벽과, 피스톤 상부면에 대한 각도 c를 가지고 중간 주벽의 하단으로부터 직경방향 바깥쪽 아래로 뻗은 하부 주벽을 갖고서, 상기 각도가 각각 a = 90°, 65°< b < 75°, 40°< c < 55°로 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명은, 상기 연소실의 전체 깊이(H)와, 중간 주벽 및 하부 주벽의 경계로부터 연소실 저단까지의 깊이(h')가 0.65 < h'/H < 0.75의 관계를 만족시키도록 되어 있는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명은, 상기 연소실의 상단 개구부에서의 상호 대향하는 직선상 부분의 거리(L)와, 연소실의 최대 직경(d')과, 피스톤 직경(D)이 0.4 < L/D < 0.55이고, 0.05 < (d'-L)/D의 관계를 만족시키도록 되어 있는 것으로 특징으로 한다.
또 본 발명은, 상기 연소실의 바닥부 중앙에 중앙 돌기부가 형성되고서, 이 중앙 돌기부의 정벽(頂壁) 외주가장자리와 스커트 하단부 사이의 외주부에 직경방향 바깥쪽으로 팽출하는 팽출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
(발명의 효과)
이상과 같이 구성된 본 발명에 의하면, 팽창행정일 때에, 연소실 내의 화염이나 혼합기가 다각형상 개구부의 각 R부로부터 집중해서 강하게 주체임버로 흐르게 되어, 주체임버에서의 공기와 연료의 혼합을 촉진할 수가 있다. 따라서, 팽창과정에서의 공기 이용률을 향상시켜, 연소속도를 증가시킬 수가 있고, 그 때문에 NOx 저감을 위한 조치인, 예컨대 분사시기의 리타드나 높은 EGR률화를 실행하더라도 PM 저감이 가능해지게 된다. 즉, NOx와 PM을 동시에 저감시킬 수가 있게 된다. 또, 비교적 저분사압의 분사장치를 사용한 경우라 하더라도 PM 저감이 가능해지게 된다.
또, 본 발명에 의하면, 연소실의 개구부의 R부의 각도(인접한 직선부의 상대 각도)가 최적으로 되고, 팽창행정일 때에 R부로부터 집중해서 강한 흐름을 적절히 만들 수가 있게 된다.
또 본 발명에 의하면, 연소실로부터 주체임버로 흐르는 화염이나 혼합기가 개구부의 각 R부로부터 균일하게 유동할 수 있게 된다. 그에 따라, 주체임버에서의 공기 이용효율의 향상 및 혼합의 촉진을 도모할 수가 있게 된다.
또 본 발명에 의하면, 연소실 개구의 R부의 각도가 최적으로 되어, 팽창행정일 때에 R부로부터 집중된 강한 흐름을 적절히 만들 수가 있다.
또 본 발명에 의하면, 연소실의 주벽부의 형상에 따라 연소실 내의 소용돌이 흐름을 유지함과 더불어, 팽창행정일 때에는, 개구부의 R부로부터 강한 집중된 흐름을 분출시킬 수가 있고, 특히 중간 주벽과 하부 주벽의 경계 부근에서 강한 유동의 흐트러짐을 발생시켜, 주체임버로의 강한 역스키쉬 흐름을 생성할 수가 있게 된다. 따라서, 주체임버에서의 혼합을 한층 촉진할 수가 있다.
또 본 발명에 의하면, 중간 주벽과 하부 주벽의 경계 위치가 적정하게 설정되어, 연소실 내의 소용돌이 흐름의 유지나 팽창행정일 때의 강한 스키쉬 흐름의 생성 등이 양호하게 실행될 수 있게 된다.
또 본 발명에 의하면, 연소실의 개구부의 피스톤 직경에 대한 개구비(L/D)와, 연소실의 최대 직경에 대한 개구부의 오버행(overhang)량의 피스톤 직경에 대한 비((d'-L)/D)가 적정하게 설정되어, 연소실 내의 소용돌이 흐름을 유지함과 더불어, 팽창행정일 때에는 강한 역스키쉬 흐름과 개구부의 각 R부로부터의 강한 유동을 얻을 수가 있다.
또 본 발명에 의하면, 팽출부에 의해 연소실 바닥으로부터 혼합기를 연소실 상부의 보다 유동이 강한 영역으로 유도해서 혼합을 촉진할 수가 있다.
한편, 본 발명에서는, PM 중 주로 검은 매연의 저감을 도모할 수가 있고, 특히 탄화수소의 저감을 도모할 수가 있다.
도 1은, 본 발명을 적용한 직분식 디젤기관의 피스톤 정상부의 평면도,
도 2는, 피스톤 정상부의 연소실의 단면도,
도 3은, 연소실의 반을 확대해서 나타낸 종단면도,
도 4는, 본 발명의 한 실시예에 따른 연소실 내에서의 연료 내지 혼합기의 흐름을 나타낸 도면,
도 5는, 비교예에 따른 연료 내지 혼합기의 흐름을 나타낸 도면,
도 6은, 본 발명과 종래기술(개구부를 원형으로 한 경우)에서의 발생 토크와 PM 값의 관계를 나타낸 도면,
도 7은, 연소실의 개구부의 직선부의 수(R부의 수)와 PM 값의 관계를 나타낸 도면,
도 8은, R/D 값과 PM 값의 관계를 나타낸 도면,
도 9는, 연소실의 최대 직경(d')과 대향하는 직선부 사이의 거리(L)의 차이, 즉 립부의 최대 오버행량(d'-L)과 피스톤 직경(D)의 비율((d'-L)/D) 및, PM 값의 관계를 나타낸 도면,
도 10은, 종래기술에 따른 피스톤 정상부의 연소실의 단면도이다.
(부호의 설명)
11 - - - - 피스톤 12 - - - - 연소실
17 - - - - 중앙 돌기부 18 - - - - 개구부
19 - - - - 립부 21 - - - - R부
22 - - - - 직선부 24 - - - - 상부 주벽
25 - - - - 중간 주벽 26 - - - - 하부 주벽
27 - - - - 바닥부 주벽 29 - - - - 정벽(중앙 돌기부)
30 - - - - 팽출부
(연소실의 형상)
도 1은 본 발명을 적용한 직분식 디젤기관의 피스톤 정부(頂部)의 평면도이고, 도 2는 피스톤 정상부의 연소실의 단면도이다. 이들 도 1과 도 2에서, 실린더 블록의 실린더 라이너(10) 내에 피스톤(11)이 끼워져 있다. 피스톤(11)의 정부에는 오목형상의 연소실(12;캐비티)이 형성되어 있다. 연소실(12)의 상방은 실린더 헤드(13)의 하부면에 의해 폐쇄되어 있다. 실린더 헤드(13)에는 실린더 중심선(피스톤 중심축선;O1) 상에 분사구 중심이 위치하는 연료분사밸브(14)가 부착되어 있는바, 이 연료분사밸브(14)는 연소실(12) 내를 향해 연료를 원추형상으로 분사하도록 되어 있다. 연소실(12) 내로 분사된 연료는 연소실(12) 내에서 흡기된 공기와 혼합되어, 그 혼합기가 연소실 내에서 연소하게 된다.
연소실(12)의 바닥부 중앙에는 대략 머리 잘린 원추형(원뿔대 형상)의 중앙 돌기부(17)가 형성되고서, 이 중앙 돌기부(17)의 주위에는 환상홈이 형성되고, 연소실(12)의 상단의 개구부(18)에는, 이 개구면적을 좁혀주도록 립부(19)가 돌출되어 있다. 연소실(12)의 내부(내면 형상)는 피스톤 중심축선(O1)과 일치하는 축선(O2)을 중심으로 한 회전체 형상으로서, 이 축선(O2)을 통과하는 연소실(12)의 종단면이 축선을 기준으로 한 대칭형상을 하도록 되어 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 연소실(12)의 개구부(18)는 R부(21)와 직선부(22)를 조합시킨 대략 다각형상으로 형성되어 있다. 본 실시예의 개구부(18)는 6개의 R부(21)와 6개의 직선부(22)에 의해 대략 정육각 형상으로 형성되고서, 연소실(12)의 최대 직경(d') 내에 들어가는 크기로 형성되어 있다. 개구부(18)의 중심축선과 연소실 내부의 축선(O2)은 일치하도록 배치되어 있다.
R부(21)의 반경(R)과 피스톤(11)의 직경(D)은 0.04 < R/D < 0.12의 관계를 만족시키도록 설정되어 있다. 또, 개구부(18)의 대향하는 직선부(22)의 거리(L)와, 피스톤(11)의 직경(D)은 0.4 < L/D <0.66의 관계를 만족시키고, 연소실(12)의 최대 직경(d')과 상기 거리(L) 및 피스톤 직경(D)은 0.06 < (d'-L)/D의 관계를 만족시키도록 설정되어 있다.
도 3은 연소실(12)의 반을 확대해서 나타낸 종단면도이다. 연소실(12)의 내면은 주벽부(24 ~ 27)와 중앙 돌기부(17)의 주벽(30a, 30b) 및 정벽(29)으로 구성되어 있다. 주벽부(24 ~ 27)는, 피스톤(11)의 정상면(11a)으로부터 각도 a를 가지고 아래쪽으로 직선상으로 뻗은 상부 주벽(24)과, 이 상부 주벽(24)의 하단으로부터 피스톤의 정상면(11a)에 대한 각도 b를 가지고 직경방향 바깥쪽 아래로 직선상으로 뻗은 중간 주벽(25)과, 중간 주벽(25)의 하단으로부터 피스톤의 정상면(11a)에 대해 각도 c를 가지고 직경방향 바깥쪽 아래로 직선상으로 뻗은 하부 주벽(26)과, 하부 주벽(26)의 하단으로부터 연소실(12)의 바닥부에 걸쳐 뻗고서 상기 중앙 돌기부(17)의 주벽(30a)에 이어지는 오목형상 원호형의 바닥부 주벽(27)으로 구성되어 있다.
상기 각도 a, b, c는, 각각 a = 90°, 66°< b < 76°, 40°< c < 66°로 설정되고, 상부 주벽(24)과 중간 주벽(25)의 경계(Q1) 및, 중간 주벽(25)과 하부 주벽(26)의 경계(Q2)는 각각 굴곡(屈曲)되고, 하부 주벽(26)과 바닥부 주벽(27) 및, 바닥부 주벽(27)과 중앙 돌기부의 주벽(30a)은 매끄럽게 연결되어 있다.
중간 주벽(25)과 하부 주벽(26)의 경계(Q2)로부터 연소실(12)의 바닥부까지 의 깊이(h')는, 연소실(12)의 전체 깊이(H)와의 사이에서 0.65 < h'/H < 0.75의 관계를 만족시키도록 설정되어 있다.
중앙 돌기부(17)의 정벽(29)은 축선(O2)에 직교하는 평탄면으로 형성되고, 정벽(29)의 외주가장자리(29a)와, 바닥부 주벽(27)의 직경방향 내단부(중앙 돌기부(17)의 스커트 하단부;Q3)의 사이에는 직경방향 바깥쪽으로 팽출하는 팽출부(30)가 형성되어 있다. 이 팽출부(30)는, 바닥부 주벽(27)과 중앙 돌기부의 정벽(29)의 외주가장자리(29a)를 접속하는 외주벽(가상선;31)으로부터 3각형상으로 팽출되어 있는바, 그 정점(P1)이 정벽(29)보다도 낮은 위치이고, 정점(P1)으로부터 바닥부 주벽(27)으로 뻗은 주벽(30a)과, 정점(P1)으로부터 중앙 돌기부의 정벽(29)의 외주가장자리(29a)로 뻗은 주벽(30b)이 각각 직선상으로서, 전자의 주벽(30a)보다도 후자의 주벽(30b)이 짧게 형성되어 있다. 또, 팽출부(30)의 팽출량은, 연료분사밸브(14)로부터 분사되는 연료(F;도 2 참조)가 직접 닿지 않도록 설정되어 있다.
한편, 팽출부(30)는, 중앙 돌기부(17)의 전체 높이에 걸쳐 형성되어 있기 때문에, 그 외면(즉 30a와 30b)이 실질적으로 중앙 돌기부(17)의 외주벽을 구성하도록 되어 있다. 또, 도 3에서, 연소실(12)의 중앙 돌기부(17)와 주벽부(24 ~ 26)의 벽면 간격은, 팽출부(30)의 정점(P1) 부분과 상기 경계(Q1) 부분의 사이에서 약간 좁혀지고, 이보다도 하방 및 상방을 향해서 확대되어 있다.
(연소실의 개구부 형상에 관한 작용 효과)
(1) 도 1에 도시된 것과 같이, 연소실(12)의 개구부(18)를 육각형상으로 함으로써, 연소실(12) 내에서 발생한 화염이나 혼합기가 개구부(18)의 R부(21)로부터 집중해서 주체임버(15;피스톤 정상면(11a)과 실린더 헤드(13) 하부면의 간극)로 분출되도록 한다. 이 때문에, 개구부(18)를 원형으로 한 경우에 비해, 각 R부(21)로부터의 강한 유동이 얻어지고, 국소적인 유동의 흐트러짐이 생기기 쉽게 된다. 이에 의해, 팽창행정일 때의 주체임버(15)에서의 혼합 촉진이 도모되어 연소 속도를 증가시킬 수 있게 된다. 그 결과, 후기의 연소가 개선되어, PM의 저감, 특히 매연 농도의 저감이 가능해진다.
도 6은 본 발명과 종래기술(개구부를 원형으로 한 경우)에서의 부하 토크와 PM 값의 관계를 나타내는 도면으로서, 종래기술에 비해 본 실시예의 경우는, 특히 고부하시에 PM 값으로 큰 저감이 있음을 볼 수 있고, 토크가 100%일 때는 종래기술에 비해 대략 41%의 PM 값의 저감을 얻을 수가 있다.
(2) 연소실의 개구부(18)의 중심축선과 연소실(12) 내부의 축선(O2)이 일치하도록 되어 있기 때문에, 각 R부(21)로부터 주체임버(15)로의 유동이 대체로 균일해져, 주체임버(15)에서의 공기 이용률이 향상되어 혼합의 촉진이 도모될 수 있게 된다. 그 결과, 상기와 마찬가지로, PM 저감(매연 농도의 저감)을 도모할 수가 있게 된다.
(3) 도 7은 연소실의 개구부(18)의 직선부(22)의 수(R부(21)의 수)와 PM 값의 관계를 나타내고 있다. 도면에서 알 수 있듯이, 본 실시예와 같이 육각형상으로 한 경우에 가장 PM 값이 저감되어 있다. 이는, 다각형의 각부(R부(21))의 수가 증가하면, 인접하는 직선부(22) 사이의 각도가 커지기 때문에, 연소실(12)로부터 주체임버(15)로의 화염이나 혼합기의 유동이 약해져, 종래기술의 원형상 개구부와 그 다지 다르지 않게 되고, 다각형의 R부(21)의 수가 적어지면, 인접하는 직선부(22) 사이의 각도가 지나치게 작아져, 연소실(12)로부터 주체임버(15)로의 화염 등의 통로 면적이 작게 좁혀지기 때문에, 연소실(12) 내에 체류하는 화염 등이 증가하고, 그 결과 주체임버(15)에서의 혼합이 촉진되지 않기 때문이다.
(4) 도 8은 연소실의 개구부(18)의 R부(21)의 반경(R)과 피스톤 직경(D)의 비(R/D) 및, PM 값과의 관계를 나타낸 도면이다. 동 도면에서, R/D이 0.04 보다도 작은 경우, 즉 R부(21)의 반경(R)이 피스톤 직경(D)에 대해 상대적으로 작은 경우에는, 연소실(12)로부터 주체임버(15)로의 화염이나 혼합기의 통로 면적이 작아지기 때문에, 연소실(12) 내에 체류하는 화염 등이 증가해서, 주체임버(15)에서의 혼합 촉진이 도모되지 않게 된다. 또, R/D가 0.12 보다 큰 경우, 즉 R부(21)의 반경(R)이 상대적으로 큰 경우에는, 연소실(12)로부터 주체임버(15)로의 유동이 직선부(22)에도 확산되어 버려 R부(21)로부터의 유동이 약해지기 때문에, 혼합이 촉진되지 않게 된다. 따라서, 본 실시예에서는, 0.04 < R/D < 0.12로 설정하고, 이에 의해 PM 값의 저감을 충분히 얻을 수 있도록 하고 있다.
한편, 도 8에서, 가장 PM 값이 저감되는 것은 R/D가 약 0.07 ~ 0.08인 경우이다.
(연소실의 내부 형상에 관한 작용 효과)
(1) 도 4는 본 실시예의 연소실 내에서의 연료 내지 혼합기의 흐름을 나타내는 도면이고, 도 5는 비교예에 관한 연료 내지 혼합기의 흐름을 나타내는 도면인바, 도 5에서는, 중간 및 하부 주벽을 1개의 직선상 주벽으로 하고, 중앙 돌기 부(17)에 팽출부가 형성되어 있지 않은 것이다.
도 5에 도시된 비교예에서는, 연소실(12) 내로 유입(N1)하는 혼합기 등이 주벽부(32)에 충돌한 후에 바닥부 주벽(27)의 원호형상을 따라 굽혀지면서, 중앙 돌기부(17)의 주벽(31)에 따른 축선(O) 쪽으로 향하는 흐름(N2)과, 주벽부(32;립 부(19)의 내면)를 따라 위쪽으로 향하는 흐름(N3)으로 갈라진다. 그리고 후자의 흐름(N3)은 역스키쉬 흐름으로서 립부(19)를 타고넘는 흐름(N4)과 재차 연소실(12) 내로 말려드는 흐름(N5)으로 나눠진다.
이에 대해, 도 4에 도시된 본 실시예에서는, 앞에서 설명한 바와 같이, 도 3에 나타난 각도 a, b, c가 a = 90°, 65°< b < 75°, 40°< c <55°로 설정되어 있다. 연소실(12) 내로 유입(N1)하는 혼합기는, 주벽부(하부 주벽(26) 또는 바닥부 주벽(27))에 충돌한 후에, 바닥부 주벽(27)의 원호형상에 따라 굽혀지면서, 중앙 돌기부(17;팽출부(30))의 주벽(30a)에 따른 흐름(N2)과, 중간 주벽(25), 상부 주벽(24)에 따른 흐름(N3;립부 내면에 따르는 흐름)으로 나눠진다. 중앙 돌기부(17) 측의 흐름(N2)은 팽출부(30)의 존재에 의해 도 5의 경우보다도 더 위쪽을 지향하여 축선(O2) 측으로 흐를 뿐 아니라, 보다 유동이 강한 립부(19) 측의 연소실(12)의 상부영역으로도 유도된다. 이에 의해, 팽창행정일 때의 주체임버(15)에서의 혼합 촉진이 도모될 수 있게 된다.
또, 후자의 흐름(N3)은 스키쉬 흐름으로서 립부(19)를 타고넘어 연소실(12) 밖으로 나오는 흐름(N4)과, 재차 연소실(12) 내로 말려드는 흐름(N5)으로 나눠진다. 중간 주벽(25)과 하부 주벽(26)의 경계(Q2)가 굴곡되어 있기 때문에, 스키쉬 흐름이 보다 강하게 형성되고, 굴곡점(즉 Q2) 부근에서 유동의 흐트러짐이 생기기 쉽게 된다.
따라서, 본 실시예의 경우는, 팽창행정일 때에 강한 역스키쉬 흐름을 얻을 수가 있고, 연소실(12) 내에서 소용돌이 흐름(S;도 2 참조)을 유지함과 더불어, 개구부(18)의 R부(21)로부터 주체임버(15) 쪽으로 강하게 분출시킬 수가 있기 때문에, 주체임버(15)에서의 혼합을 촉진할 수가 있다.
(2) 경계(Q2)로부터 바닥부까지의 깊이(h')와 연소실 전체의 깊이(H)가 0.65 < h'/H < 0.75의 관계로 설정되어 있어서, 이에 의해 소용돌이 흐름(S)을 유지할 수가 있고, 팽창행정일 때에 상기와 같은 강한 역스키쉬 흐름을 얻어, 연료와 공기의 혼합 촉진을 도모할 수가 있게 된다. 한편, 경계(Q2)는 분사 연료가 도달하는 위치보다도 위쪽에 배치되어 있다.
(3) 도 9는 연소실(12)의 최대 직경(d')과 대향하는 직선부(22) 사이의 거리(L)의 차이, 즉 립부(19)의 최대 오버행량(d'-L)과 피스톤 직경(D)의 비율((d'-L)/D) 및, PM 값과의 관계를 나타낸 도면이다.
본 실시예에서는, 앞에서 설명한 바와 같이, (d'-L)/D > 0.05로 설정되어 있고, 이에 의해 도 9로부터 알 수 있듯이, 충분히 PM 값이 저감되어 있다. 즉, 최대 오버행량을 어느 정도의 크기 이상으로 함으로써, 강한 역스키쉬 흐름을 얻을 수가 있고, 연소실(12) 내의 소용돌이 흐름을 유지할 수가 있기 때문에, 팽창행정일 때에 강한 집중된 흐름을 개구부(18)의 각 R부(21)로부터 분출할 수가 있어, 혼합 촉진을 도모할 수가 있게 된다.
(4) 도 2에 도시된 것과 같이, 연소실(12) 내에 중앙 돌기부(17)를 형성함으로써, 일정한 연소실(12)의 용적 하에서는 중앙 돌기부(17)가 없는 경우에 비해, 소용돌이 흐름 내지 스키쉬 흐름 등의 공기 유동이 큰 환상홈의 영역을 늘릴 수가 있다.
(다른 실시형태)
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 적의 설계를 변경할 수가 있다. 예컨대, 연소실(12)의 개구부(18)의 중심축선과 내부의 축선을 어긋나게 배치할 수가 있고, 개구부(18)의 형상을 육각형상 이외의 다각형상으로 할 수도 있다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 연소실 형상을 최적으로 함으로써, 특히 팽창행정일 때의 혼합을 촉진하고, 리타드 한계의 개선 및, 높은 EGR 하에서의 연소 속도 증가 등에 의해, PM 저감과 NOx 저감의 양립을 도모할 수 있게 된다.

Claims (8)

  1. 피스톤의 정상부에 오목형상의 연소실을 형성하고, 연소실의 내부에 연료를 분사함과 더불어 연료와 공기의 혼합기를 연소시키도록 한 직분식 디젤기관의 연소실 형상에서,
    연소실의 내부가 피스톤 슬라이드 방향의 축선을 중심으로 한 회전체 형상으로 형성되고, 연소실의 상단 개구부가 R부와 직선부를 조합시킨 다각형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 직분식 디젤기관의 연소실 형상.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연소실의 상단 개구부의 일부가 정육각 형상인 것을 특징으로 하는 직분식 디젤기관의 연소실 형상.
  3. 제1항에 있어서, 상기 연소실 내부의 중심축선과 상단 개구부의 중심축선이 일치하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 직분식 디젤기관의 연소실 형상.
  4. 제1항에 있어서, 상기 연소실의 상단 개구부의 R부 반경(R)과 피스톤의 직경(D)이 0.04 < R/D < 0.12의 관계를 만족시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 직분식 디젤기관의 연소실 형상.
  5. 제1항에 있어서, 상기 연소실의 내부벽이, 피스톤 상부면으로부터 각도 a를 가지고 아래쪽으로 뻗은 상부 주벽과, 피스톤 상부면에 대한 각도 b를 가지고 상부 주벽의 하단으로부터 직경방향 바깥쪽 아래로 뻗은 중간 주벽과, 피스톤 상부면에 대한 각도 c를 가지고 중간 주벽의 하단으로부터 직경방향 바깥쪽 아래로 뻗은 하부 주벽을 갖되,
    상기 각도가 각각 a = 90°, 65°< b < 75°, 40°< c <55°로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 직분식 디젤기관의 연소실 형상.
  6. 제5항에 있어서, 상기 연소실의 전체 깊이(H)와, 중간 주벽과 하부 주벽의 경계로부터 연소실 바닥까지의 깊이(h')가 0.65 < h'/H < 0.75의 관계를 만족시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 직분식 디젤기관의 연소실 형상.
  7. 제1항에 있어서, 상기 연소실의 상단 개구부에서의 상호 대향하는 직선상 부분의 거리(L)와, 연소실의 최대 직경(d')과, 피스톤 직경(D)이 0.4 < L/D < 0.55이고, 0.05 < (d'-L)/D의 관계를 만족시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 직분식 디젤기관의 연소실 형상.
  8. 제1항에 있어서, 상기 연소실의 바닥부 중앙에 중앙 돌기부가 형성되고서, 이 중앙 돌기부의 정벽 외주가장자리와 스커트 하단부의 사이 외주부에, 직경방향 바깥쪽으로 팽출하는 팽출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 직분식 디젤기관의 연소실 형상.
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