KR20080097204A - 직접분사식 디젤엔진의 연소실 구조 - Google Patents

Abstract

배기가스의 재순환량을 늘려도 흑연의 발생이나 연비 악화를 극히 회피할 수 있도록 한 직접분사식 디젤엔진의 연소실 구조를 제공한다. 피스톤(9)의 정상면에 연소실의 대부분을 이루도록 오목하게 들어가는 캐비티(10)를 구비하고, 상기 캐비티(10)의 내주면에 기통 천정부의 중심으로부터 연료를 방사형으로 분사하여 자기 착화시키는 직접분사식 디젤엔진의 연소실 구조에 관한 것으로, 캐비티(10)의 개구의 외주부에 피스톤(9)의 정상면에 대하여 오목한 계단차를 이루는 구멍부(24)를 형성하고, 구멍부(24)의 바닥면의 외주부가 반경 방향 외측을 향함에 따라 완만한 곡면을 그리도록 상승하여 피스톤(9)의 정상면에 이르고 또한 상기 구멍부(24)의 바닥면의 내주부와 캐비티(10)의 바닥면으로부터 상승하는 연소실 벽면부(12)에 의해 피스톤(9)의 정상면으로부터 한층 내려온 위치에 입구 립부(11)가 형성되도록 구성한다.

디젤엔진, 연소실, 캐비티, 배기가스, 연료분사,

Description

직접분사식 디젤엔진의 연소실 구조{Combustion chamber structure of direct injection type diesel engine}

본 발명은 직접분사식 디젤엔진의 연소실 구조에 관한 것이다.

종래부터, 자동차의 디젤엔진 등에서는 배기측으로부터 배기가스의 일부를 추출하여 흡기측으로 되돌리고, 그 흡기측으로 되돌려진 배기가스에 의해 엔진내에서의 연료의 연소를 억제시켜 연소 온도를 낮춤으로써 NOx의 발생을 저감하도록 한, 소위 배기가스 재순환(EGR:Exhaust Gas Recirculation)을 채용한 것이 있다.

도 1은 배기가스를 재순환하는 기구를 구비한 디젤엔진의 일례를 도시하는 것이며, 여기에 도시하고 있는 디젤엔진(1)에서는 배기가스(2)가 유통하는 배기통로(3)와 흡기통로(4)의 사이가 EGR 파이프(5)에 의해 접속되어 있고, 이 EGR 파이프(5)의 도중에 장착된 EGR 밸브(6)를 통하여 배기가스(2)의 일부를 흡입공기(7)와 함께 재순환하여 디젤엔진(1)의 기통내로 보내고, 상기 기통내에서의 연소 온도를 낮추어 NOx의 저감화를 도모하도록 하고 있다.

또한, 디젤엔진(1)의 각 기통의 천정부(기통 천정부(23))에, 연료(경유)를 기통내에 분사하는 다공식의 인젝터(injector: 8)가 장비되어 있는 동시에, 피스톤(9)의 정상면에는 연소실의 대부분을 이루도록 오목하게 들어가는 캐버 티(cavity: 10)가 설치되어 있고, 상기 캐버티(10)의 내주면에 대하여 상기 인젝터(8)의 선단부로부터 연료가 방사형으로 분사되어 압축 행정의 말기에서 높은 기통내 온도에 의해 자기착화하도록 되어 있다.

상기 캐버티(10)의 상세한 것은 도 2에 도시하는 바와 같고, 캐버티(10)의 개구의 외측 에지부를 이루는 입구 립부(inlet lip: 11)와, 상기 입구 립부(11)로부터 완만한 S자 커브를 그리도록 하강하여 상기 입구 립부(11)로부터 반경 방향 외측으로 돌출하는 연소실 벽면부(12)와, 상기 연료실 벽면부(12)로부터 반경 방향 내측을 향하여 완만한 곡면을 이루는 외측 곡면부(13)와, 상기 외측 곡면부(13)의 하단부 전체 둘레로부터 피스톤 중심(O)을 향하여 편평한 원추형을 이루는 센터 콘(center cone: 14)을 구비하여 상기 캐버티(10)가 형성되도록 되어 있다.

또한, 도 1의 디젤엔진(1)에서의 인젝터(8)의 분사작동에 대해서는 엔진 제어 컴퓨터(ECU: Electronic Control Unit)를 이루는 제어장치(15)로부터의 연료분사 지령(8a)에 의해 제어되도록 되어 있고, 압축 상사점 부근에서 상기 인젝터(8)에 연료분사 지령(8a)을 출력하여 연료를 분사시키도록 한다.

또한, 이 제어장치(15)에는 액셀 개도를 디젤엔진(1)의 부하로서 검출하는 액셀 센서(16; 부하 센서)로부터의 액셀 개도 신호(16a)나, 디젤엔진(1)의 기관 회전수를 검출하는 회전 센서(17)로부터의 회전수 신호(17a) 등이 입력되어 있고, 각종 엔진 제어를 실행하도록 디젤엔진(1)의 운전상태가 항상 감시되게 된다.

또한, 도 1중에서 부호 18은 크랭크 샤프트, 부호 19는 배기 포트, 부호 20은 배기밸브, 부호 21은 흡기 포트, 부호 22는 흡기 밸브, 부호 23은 기통 천정부 를 나타내며, 상기 흡기 밸브(22) 및 상기 배기 밸브(20)는 도시하지 않는 엔진 구동의 캠 샤프트에 구비한 캠에 의해 푸시 로드(push rod)나 로커암(rocker arm)을 통하여 각 기통마다의 행정에 따른 적절한 타이밍으로 개방 조작되도록 된다.

이러한 종류의 직접분사식 디젤엔진의 연소실 구조에 관련된 선행기술 문헌 정보로서는 예를 들면, 하기의 특허문헌 1이나 특허문헌 2 등이 이미 제안되어 있는 상황이다.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 제(평)6-212973호

특허문헌 2: 일본 공개특허공보 제(평)7-150944호

발명이 해결하고자 하는 과제

그러나, 도 1에 도시하는 바와 같은 종래의 직접분사식 디젤엔진에 있어서, 배기가스(2)의 재순환에 의해 NOx의 저감화를 도모하는 것은 기통내에서의 연소 불량에 의해 흑연을 발생하는 것과 트레드오프(tradeoff)의 관계에 있기 때문에, 대폭적인 NOx의 저감화를 실현하기 위해 단순히 배기가스(2)의 재순환량을 늘려 버리면, 흑연의 발생이나 연비 악화 등과 같은 문제를 초래한다.

그래서, 본 발명자들이 도 2에 도시하는 바와 같은 기존의 연소실 구조에 관하여, 연료 분무의 확산 상황에 착안하여 예의 연구를 계속한 바, 도 3(크랭크각 8°), 도 4(크랭크각 12°), 도 5(크랭크각 16°), 도 6(크랭크각 20°), 도 7(크랭크각 24°)에 순서에 따라 도시하는 것처럼, 저속 운전시에서는 연료의 분사기간에 대하여 피스톤(9)의 하강 속도가 느리기 때문에 상기 피스톤(9)이 충분하게 하강하기 전에 연료분사가 종료하여 버려, 연료 분무의 대부분이 캐버티(10)내에 분사되어 머무르고, 여기에 연료가 진한 영역이 국소적으로 형성되어 흑연이 발생하기 쉬워진다는 사실을 발견하였다. 또한, 도면중에 F로 나타내는 선도는 분사 연료의 농도별 분포의 확산 상황을 모식적으로 도시한 것으로, 내측의 분포 영역일수록 연료의 농도가 진한 것을 나타낸다.

다른 한편, 도 8(크랭크각 8°), 도 9(크랭크각 20°), 도 10(크랭크각 24°), 도 11(크랭크각 28°), 도 12(크랭크각 40°)에 순서에 따라 도시하는 것처럼, 고속 운전시에서는 연료의 분사 기간에 대하여 피스톤(9)의 하강 속도가 빠르기 때문에 상기 피스톤(9)이 연료분사의 전반으로부터 지나치게 크게 하강하여, 연료 분무의 대부분이 캐버티(10)내에 들어가지 않고 스퀴시(squish) 영역S(캐버티(10) 주위의 피스톤(9)의 정상면과 기통 천정부(23)의 사이의 영역)으로 흘러 라이너 벽 부근(스퀴시 영역 S의 최외측 부분)에 머무르고, 여기에 연료가 진한 영역이 국소적으로 형성되어 흑연이 발생하기 쉬워진다는 사실을 발견하였다.

본 발명은 상술한 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 배기가스의 재순환량을 늘려도 흑연의 발생이나 연비 악화를 극히 회피할 수 있도록 한 직접분사식 디젤엔진의 연소실 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명은 피스톤 정상면에 연소실의 대부분을 이루도록 오목하게 들어가는 캐버티를 구비하고, 상기 캐버티내에 기통 천정부의 중심에서 연료를 방사형으로 분사하여 자기착화시키는 직접분사식 디젤엔진의 연소실 구조로서, 캐버티의 개구의 외주부에 피스톤 정상면에 대하여 일정한 깊이로 오목하게 들어가 계단차를 이루는 구멍부(bored portion)를 설치하고, 상기 구멍부의 바닥면의 외주부가 반경 방향 외측으로 향함에 따라 완만한 곡면을 그리도록 상승하여 피스톤 정상면에 이르고 또한 상기 구멍부의 바닥면의 내주부와 캐버티의 바닥면으로부터 상승하는 연소실 벽면부에 의해 피스톤 정상면으로부터 한층 내려간 위치에 입구 립부가 형성되도록 구성한 것을 특징으로 한다.

그러나, 저속 운전시에서는 연료의 분사기간에 대하여 피스톤의 하강 속도가 느리기 때문에, 캐버티내에 기통 천정부의 중심으로부터 방사형으로 연료분사를 하면, 피스톤이 충분히 하강하기 전에 연료분사가 종료하여 버리게 되지만, 피스톤 정상면으로부터 한층 내려간 위치에 입구 립부가 형성되어 있기 때문에, 분사기간의 대부분에서 연료 분무가 입구 립부 부근에 분사되어 캐버티내를 향하는 흐름과 구멍부를 향하는 흐름으로 분배되게 된다.

그리고, 구멍부측으로 흐른 연료 분무가 반경 방향 외측을 향함에 따라서 곡면으로 안내되어 상향의 흐름을 형성하기 때문에, 이 상향의 흐름의 형성과 피스톤의 하강 동작이 어울려 세로 방향 선회의 소용돌이가 구멍부의 상측 부근에 발생하고, 이 소용돌이에 의해 반경 방향 내측으로의 연료 분무의 이동이 재촉되는 동시에, 상기 상향의 흐름에 잔존하는 분사의 기세로 반경 방향 외측으로의 연료 분무의 이동도 재촉되고, 스퀴시 영역내에서의 양호한 연료 분무의 확산이 도모된다.

다른 한편, 입구 립부 부근에 분사되어 캐버티측으로 흐른 연료 분무는 연소실 벽면부를 따라 캐버티의 바닥면으로 하강하여 상기 바닥면을 따라 반경 방향 내측을 향하는 흐름을 형성하고, 이 하강으로부터 반경 방향 내측을 향하는 일련의 흐름의 형성과 피스톤의 하강 동작이 어울려 세로 방향 선회의 소용돌이가 캐버티내에 발생하고, 이 소용돌이에 의해 캐버티 내에서의 연료 분무의 확산이 촉진되는 동시에, 이미 일부가 구멍부측으로 흘러들어와 양적으로 적어져 있기 때문에 연료 분무가 확산되기 쉬워지고, 캐버티내에 연료가 진한 영역이 국소적으로 형성될 우려가 회피된다.

또한, 고속 운전시에서는 연료의 분사기간에 대하여 피스톤의 하강 속도가 빠르기 때문에, 캐버티내에 기통 천정부의 중심으로부터 방사형으로 연료분사를 하면, 피스톤이 연료분사의 전반으로부터 지나치게 크게 내려가게 되지만, 피스톤 정상면으로부터 한층 내려간 위치에 입구 립부가 형성되어 있기 때문에, 분사기간의 초기에 연료 분무가 입구 립부 부근에 분사되어 캐버티내를 향하는 흐름과 구멍부를 향하는 흐름으로 분배되고, 이 이후는 연료 분무의 대부분이 입구 립부로부터 상측의 구멍부에 분사되어 상기 구멍부의 곡면에 의해 상향의 흐름을 형성하고, 이 상향의 흐름을 사이에 두도록 하여 반경 방향 내측과 외측에 서로 역방향의 소용돌이가 발생하고, 이들 각 소용돌이에 의해 스퀴시 영역내에서의 양호한 연료 분무의 확산이 도모되기 때문에, 스퀴시 영역의 라이너 벽 부근에 연료가 진한 영역이 국소적으로 형성될 우려가 회피된다.

다른 한편, 입구 립부 부근에 분사되어 캐버티측으로 흐른 연료 분무는 연소실 벽면부를 따라 캐버티의 바닥면으로 하강하여 상기 바닥면을 따라 반경 방향 내측을 향하는 흐름을 형성하고, 이 하강으로부터 반경 방향 내측을 향하는 일련의 흐름의 형성과 피스톤의 하강과 더불어 세로 방향 선회의 소용돌이가 캐버티내에 발생하고, 이 소용돌이에 의해 캐버티 내에서의 연료 분무의 확산이 촉진된다.

또한, 본 발명에서는 연료분사의 노즐 콘 각을 140° 내지 160°의 범위로 하고, 구멍부의 반경 방향의 폭 치수가 입구 립부의 구경의 9% 이상이고 또한 19% 이하가 되도록 구성하는 것이 바람직하고, 또한, 피스톤 정상면에 대한 입구 립부의 깊이 치수가 상기 입구 립부의 구경의 4.5% 이상이고 또한 9.5% 이하가 되도록 구성하면 좋다.

발명의 효과

상기한 본 발명의 직접분사식 디젤엔진의 연소실 구조에 의하면, 저속 운전시에서의 캐버티내에 연료가 진한 영역이 국소적으로 형성될 우려나, 고속 운전시에서의 스퀴시 영역의 라이너 벽 부근에 연료가 진한 영역이 국소적으로 형성될 우려를 미연에 회피할 수 있고, 더구나, 연소실이 광범위하게 연료 분무를 적극적으로 확산시켜 양호하게 연소시킬 수 있기 때문에, 흑연의 발생이나 연비 악화를 극히 회피하면서 배기가스의 재순환량을 기존의 직접분사식 디젤엔진에서 실현할 수 없었던 레벨까지 증가할 수 있고, 종래보다도 우수한 NOx의 저감 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 배기가스를 재순환하는 기구를 구비한 디젤엔진의 개략도.

도 2는 도 1의 캐버티의 상세를 도시하는 단면도.

도 3은 저속 운전시의 크랭크각 8°에서의 종래의 연료 확산 상태를 도시하 는 도면.

도 4는 저속 운전시의 크랭크각 12°에서의 종래의 연료 확산 상태를 도시하는 도면.

도 5는 저속 운전시의 크랭크각 16°에서의 종래의 연료 확산 상태를 도시하는 도면.

도 6은 저속 운전시의 크랭크각 20°에서의 종래의 연료 확산 상태를 도시하는 도면.

도 7은 저속 운전시의 크랭크각 24°에서의 종래의 연료 확산 상태를 도시하는 도면.

도 8은 고속 운전시의 크랭크각 8°에서의 종래의 연료 확산 상태를 도시하는 도면.

도 9는 고속 운전시의 크랭크각 20°에서의 종래의 연료 확산 상태를 도시하는 도면.

도 10은 고속 운전시의 크랭크각 24°에서의 종래의 연료 확산 상태를 도시하는 도면.

도 11은 고속 운전시의 크랭크각 28°에서의 종래의 연료 확산 상태를 도시하는 도면.

도 12는 고속 운전시의 크랭크각 40°에서의 종래의 연료 확산 상태를 도시하는 도면.

도 13은 본 발명의 일 실시예를 도시하는 단면도.

도 14는 저속 운전시의 크랭크각 8°에서의 연료 확산 상태를 도시하는 도면.

도 15는 저속 운전시의 크랭크각 12°에서의 연료 확산 상태를 도시하는 도면.

도 16은 저속 운전시의 크랭크각 16°에서의 연료 확산 상태를 도시하는 도면.

도 17은 저속 운전시의 크랭크각 20°에서의 연료 확산 상태를 도시하는 도면.

도 18은 저속 운전시의 크랭크각 24°에서의 연료 확산 상태를 도시하는 도면.

도 19는 고속 운전시의 크랭크각 8°에서의 연료 확산 상태를 도시하는 도면.

도 20은 고속 운전시의 크랭크각 20°에서의 연료 확산 상태를 도시하는 도면.

도 21은 고속 운전시의 크랭크각 24°에서의 연료 확산 상태를 도시하는 도면.

도 22는 고속 운전시의 크랭크각 28°에서의 연료 확산 상태를 도시하는 도면.

도 23은 고속 운전시의 크랭크각 40°에서의 연료 확산 상태를 도시하는 도면.

도 24는 본 발명자들에 의한 검증 실험의 결과를 나타내는 저속 운전의 그래프.

도 25는 본 발명자들에 의한 검증 실험의 결과를 나타내는 고속 운전의 그래프.

도 26은 구멍부의 반경 방향의 폭 치수의 최적 범위를 설명하는 그래프.

도 27은 입구 립부의 깊이 치수의 최적 범위를 설명하는 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1: 디젤엔진 9: 피스톤

10: 캐버티 11: 입구 립부

12: 연소실 벽면부 23: 기통 천정부

24: 구멍부

L: 구멍부의 반경 방향의 폭 치수

d: 입구 립부의 구경

h: 피스톤 정상면에 대한 입구 립부의 깊이 치수

이하 본 발명의 실시 형태를 도면을 참조하면서 설명한다.

도 13 내지 도 27은 본 발명의 일 실시예를 도시하는 것으로, 도 1 및 도 2와 동일한 부호를 붙인 부분은 동일한 것을 도시한다.

먼저 도 1에서 설명한 직접분사식 디젤엔진(1)에 관한 것으로, 본 실시예에 있어서는 도 13에 도시하는 바와 같이, 피스톤(9)의 정상면에 오목하게 설치되어 있는 캐버티(10)의 개구의 외주부에, 피스톤(9)의 정상면에 대하여 오목하게 들어가 계단차를 이루는 구멍부(24)를 형성하고, 상기 구멍부(24)의 바닥면의 외주부가 반경 방향 외측으로 향함에 따라서 완만한 곡면을 그리도록 상승하여 피스톤(9)의 정상면에 이르고 또한 상기 구멍부(24)의 바닥면의 내주부와 캐버티(10)의 바닥면으로부터 상승하는 연소실 벽면부(12)에 의해 피스톤(9)의 정상면으로부터 한층 내려간 위치에 입구 립부(11)가 형성되도록 구성하고 있다.

여기에서, 입구 립부(11)보다 하방의 캐버티(10)의 형상은 먼저 도 2에서 설명한 종래의 캐버티(10)와 거의 같고, 입구 립부(11)로부터 완만한 S자 커브를 그리는 것처럼 하강하여 상기 입구 립부(11)로부터 반경 방향 외측으로 돌출하는 연소실 벽면부(12)와, 상기 연료실 벽면부(12)로부터 반경 방향 내측을 향하는 완만한 곡면을 이루는 외측 곡면부(13)와, 상기 외측 곡면부(13)의 하단부 전체 둘레로부터 피스톤 중심(O)을 향하여 편평한 원추형을 이루는 센터 콘(14)에 의해 구성되어 있다.

또한, 연료(경유)를 기통내에 분사하는 기통 천정부(23)의 인젝터(8; 도 1 참조)로부터 분사되는 연료분사의 노즐 콘 각을 140° 내지 160°의 범위로 규정한 경우, 구멍부(24)의 반경 방향의 폭 치수 L이 입구 립부(11)의 구경 d의 9% 이상이고 또한 19% 이하가 되도록 하고 있고, 더구나, 피스톤(9)의 정상면에 대한 입구 립부(11)의 깊이 치수 h가 상기 입구 립부(11)의 구경 d의 4.5% 이상이고 또한 9.5% 이하가 되도록 한다.

그러나, 이와 같이 연소실 구조를 구성한 경우, 도 14(크랭크각 8°), 도 15(크랭크각 12°), 도 16(크랭크각 16°), 도 17(크랭크각 20°), 도 18(크랭크각 24°)에 순서에 따라 도시하는 바와 같이, 저속 운전시에서는 연료의 분사기간에 대하여 피스톤(9)의 하강 속도가 느리기 때문에, 캐버티(10)내에 기통 천정부(23)의 중심으로부터 방사형으로 연료분사를 하면, 피스톤(9)이 충분히 하강하기 전에 연료분사가 종료하여 버리게 되지만, 본 실시예 1에 있어서는 피스톤(9)의 정상면으로부터 한층 내려간 위치에 입구 립부(11)가 형성되어 있기 때문에, 분사기간의 대부분에서 연료 분무가 입구 립부(11) 부근에 분사되어 캐버티(10)내를 향하는 흐름과 구멍부(24)를 향하는 흐름으로 분배되게 된다.

그리고, 구멍부(24)측으로 흐른 연료 분무가 반경 방향 외측으로 향함에 따라 곡면에 안내되어 상향의 흐름을 형성하기 때문에, 이 상향의 흐름의 형성과 피스톤(9)의 하강 동작이 서로 어울려 세로 방향 선회의 소용돌이가 구멍부(24)의 상측 부근에 발생하고, 이 소용돌이에 의해 반경 방향 내측으로의 연료 분무의 이동이 촉진되는 동시에, 상기의 상향의 흐름에 잔존하는 분사의 기세로 반경 방향 외측으로의 연료 분무의 이동도 재촉되고, 스퀴시 영역 S(캐버티(10) 주위의 피스톤(9)의 정상면과 기통 천정부(23)의 사이의 영역)내에서의 양호한 연료 분무의 확산이 도모된다.

다른 한편, 입구 립부(11) 부근에 분사되어 캐버티(10)측으로 흐른 연료 분무는 연소실 벽면부(12)를 따라서 캐버티(10)의 바닥면으로 하강하여 상기 바닥면을 따라 반경 방향 내측을 향하는 흐름을 형성하고, 이 하강으로부터 반경 방향 내측을 향하는 일련의 흐름의 형성과 피스톤(9)의 하강 동작이 서로 어울려 세로 방 향 선회의 소용돌이가 캐버티(10)내에 발생하고, 이 소용돌이에 의해 캐버티(10)내에서의 연료 분무의 확산이 촉진되는 동시에, 이미 일부가 구멍부(24)측으로 흘러 들어와 양적으로 적어지고 있기 때문에 연료 분무가 확산되기 쉬워지고, 캐버티(10)내에 연료가 진한 영역이 국소적으로 형성될 우려가 회피된다.

또한, 도 19(크랭크각 8°), 도 20(크랭크각 20°), 도 21(크랭크각 24°), 도 22(크랭크각 28°), 도 23(크랭크각 40°)에 순서에 따라 도시하는 바와 같이, 고속 운전시에 있어서는 연료의 분사기간에 대하여 피스톤(9)의 하강 속도가 빠르기 때문에, 캐버티(10)내에 기통 천정부(23)의 중심으로부터 방사형으로 연료분사를 하면, 피스톤(9)이 연료분사의 전반으로부터 지나치게 크게 내려가지만, 피스톤(9)의 정상면으로부터 한층 내려간 위치에 입구 립부(11)가 형성되어 있기 때문에, 분사기간의 초기에 연료 분무가 입구 립부(11) 부근에 분사되어 캐버티(10)내를 향하는 흐름과 구멍부(24)를 향하는 흐름으로 분배되고, 이 이후는 연료 분무의 대부분이 입구 립부(11)로부터 상측의 구멍부(24)로 분사되어 상기 구멍부(24)의 곡면에 의해 상향의 흐름을 형성하고, 이 상향의 흐름을 사이에 두도록 하여 반경 방향 내측과 외측에 서로 역방향의 소용돌이가 발생하고, 이들 각 소용돌이에 의해 스퀴시 영역 S내에서의 양호한 연료 분무의 확산이 도모되기 때문에, 스퀴시 영역 S의 라이너 벽 부근(스퀴시 영역 S의 최외측 부분)에 연료가 진한 영역이 국소적으로 형성될 우려가 회피된다.

다른 한편, 입구 립부(11) 부근에 분사되어 캐버티(10)측으로 흐른 연료 분무는 연소실 벽면부(12)를 따라 캐버티(10)의 바닥면으로 하강하여 상기 바닥면을 따라 반경 방향 내측을 향하는 흐름을 형성하고, 이 하강으로부터 반경 방향 내측을 향하는 일련의 흐름의 형성과 피스톤(9)의 하강이 서로 어울려 세로 방향 선회의 소용돌이가 캐버티(10)내에 발생하고, 이 소용돌이에 의해 캐버티(10)내에서의 연료 분무의 확산이 촉진된다.

따라서, 상기 실시예에 따르면, 저속 운전 시에서의 캐버티(10) 내에 연료가 진한 영역이 국소적으로 형성될 우려나, 고속 운전시에서의 스퀴시 영역 S의 라이너 벽 부근에 연료가 진한 영역이 국소적으로 형성될 우려를 미연에 회피할 수 있고, 더구나, 연소실이 광범위하게 연료 분무를 적극적으로 확산시켜 양호하게 연소시킬 수 있기 때문에, 흑연의 발생이나 연비 악화를 극히 회피하면서 배기가스(2; 도 1 참조)의 재순환량을 기존의 직접분사식 디젤엔진에서 실현할 수 없었던 레벨까지 증가할 수 있고, 종래보다도 우수한 NOx의 저감 효과를 얻을 수 있다.

사실, 본 발명자들에 의한 검증 실험에 의하면, 도 24 및 도 25에 저속 운전의 경우와 고속 운전의 경우를 그래프로 각각 도시하는 바와 같이, 종래의 연소실 구조를 채용한 경우보다도, 본 실시예의 연소실 구조를 채용한 경우 쪽이, 흑연의 발생과 연비 악화의 모두에 대해서도 개선이 확인되었다.

또한, 도 24 및 도 25에서는 종래의 연소실 구조를 채용한 경우의 실험 결과를 기준(100%)으로 하여, 본 실시예의 연소실 구조를 채용한 경우의 실험 결과를 백분률로 상대 평가한 그래프가 되고, 횡축에서는 NOx 발생량을, 상단의 종축에서는 흑연 발생량을, 하단의 종축에서는 소정의 출력을 내는 데 필요한 연료 소비량을 평가한 것으로 되어 있다.

또한, 본 실시예 1에 있어서, 연료분사의 노즐 콘 각을 140° 내지 160°의 범위로 규정하고, 구멍부(24)의 반경 방향의 폭 치수 L이 입구 립부(11)의 구경 d의 9% 이상이고 또한 19% 이하가 되도록 하고, 더구나, 피스톤(9)의 정상면에 대한 입구 립부(11)의 깊이 치수 h가 상기 입구 립부(11)의 구경 d의 4.5% 이상이고 또한 9.5% 이하가 되도록 하고 있는 의의에 관하여 이하에 상세하게 기술한다.

도 26에 그래프로 나타내는 바와 같이, 연료분사의 노즐 콘 각을 140° 내지 16O°의 범위로 규정한 조건하에서 저속 운전에 관하여 폭 치수 L의 구경 d에 대한 비율을 0%로부터 크게 해가면, 9% 이상이 되었을 때에 흑연 저감 효과가 현저한 것이 확인되었다.

이것은 구멍부(24)의 폭 치수 L이 커짐에 따라서, 산소가 많이 존재하고 있는 스퀴시 영역 S(기통의 외주측이 내주측보다도 체적이 큰 분량만큼 산소도 많음)로 연료 분무가 확산되기 쉬워져 공기 이용률이 향상되는 결과, 매연의 재산화가 촉진되어 흑연의 발생이 현저하게 억제되는 것으로 생각된다.

단, 고속 운전에 관해서는 폭 치수 L의 구경 d에 대한 비율이 21% 이상으로 된 부분에서 급격하게 흑연 저감 효과가 저하되는 것이 확인되고, 이것은 구멍부(24)의 폭 치수 L이 지나치게 커져 연료 분무가 라이너 벽에 도달하게 되었기 때문이라고 생각된다.

그리고, 이러한 실험 결과를 종합적으로 감안하면, 구멍부(24)의 반경 방향의 폭 치수 L을 입구 립부(11)의 구경 d의 9% 이상이고 또한 19% 이하가 되도록 범위 규정하는 것이 최적이라고 결론지어지고, 이 범위이면, 저속 운전시와 고속 운 전시의 양쪽에서 현저한 흑연 저감 효과가 얻어지게 된다.

다른 한편, 도 27에 그래프로 도시하는 바와 같이, 연료분사의 노즐 콘 각을 140° 내지 160°의 범위로 규정한 조건하에서 저속 운전에 관해서 깊이 치수 h의 구경 d에 대한 비율을 0%로부터 크게 해 가면, 약 4.5 내지 12% 사이에서 흑연 저감 효과가 현저한 것이 확인되었다.

이것은 입구 립부(11)의 깊이 치수 h가 커짐에 따라서, 산소가 많이 존재하고 있는 스퀴시 영역 S로 연료 분무가 확산되기 쉬워져 공기 이용률이 향상되는 결과, 매연의 재산화가 촉진되어 흑연의 발생이 현저하게 억제되는 것으로 생각된다.

단, 고속 운전에 관해서는 깊이 치수 h의 구경 d에 대한 비율이 저속운전의 경우와 같은 4.5% 이상으로 된 부근으로부터 흑연 저감 효과가 현저하게 되지만, 10% 이상으로 된 부분에서 급격하게 흑연 저감 효과가 저하되는 것이 확인되고, 이 사실은 입구 립부(11)의 깊이 치수 h가 지나치게 커져 구멍부(24)의 용적이 지나치게 늘어나고, 연소실 형상에 의해 생성되어야 할 공기 유동(스퀴시)이 저하되었기 때문이라고 생각된다.

그리고, 이러한 실험 결과를 종합적으로 감안하면, 입구 립부(11)의 구경 d의 4.5% 이상이고 또한 9.5% 이하가 되도록 범위 규정하는 것이 최적이라고 결론지어지고, 이 범위이면, 저속 운전시와 고속 운전시의 양쪽으로 현저한 흑연 저감 효과가 얻어지게 된다.

또한, 부언하면, 연료분사의 노즐 콘 각을 140° 내지 160°의 범위로 조건을 붙인 후에, 폭 치수 L의 구경 d에 대한 비율과, 깊이 치수 h의 구경 d에 대한 비율을 범위 규정하고 있는 것은 현상태의 디젤엔진(1)에서의 일반적인 노즐 콘 각이 약 155° 정도인 것을 감안하여, 앞으로도 140° 내지 160°의 범위에서 노즐 콘 각을 변경하는 것이 있을 수 있기 때문이다.

특히, 최근에는 NOx 발생을 억제하는 관점에서 연료의 분사 시기를 지연시키는 경향이 있고, 이렇게 연료의 분사시기를 늦추면, 피스톤(9)의 하강에 의한 압력 강하에 의해 연소 온도가 억제되어 NOx 발생이 억제되지만, 연료의 최종 분출이 크랭크각으로 보아 느려지고, 특히 고속 운전시에 연료분사가 라이너 벽에 직격하여 오일막의 희석 등의 불량을 일으키기 쉽게 되기 때문에, 이러한 연료분사의 라이너 벽으로의 직접 충격을 회피할 수 있도록 노즐 콘 각을 종래보다 작게 좁히는 것이 고려되어, 140° 부근까지는 좁혀질 가능성이 있다고 상정된다.

또한, 이와 같이 연료분사의 노즐 콘 각을 현상태보다 작게 좁힌 경우에, 종래의 연소실 구조를 채용한 채로는 그 저속 운전시에 있어서의 연료 분무의 대부분이 캐버티(10)내로 치우치는 경향이 점점 현저하게 되는 것이 분명하고, NOx 저감을 위해 연료분사의 노즐 콘 각을 현상태보다 작게 좁힌 경우에, 본 실시예와 같은 연소실 구조를 채용하는 의의가 더욱 높아지는 것은 말할 필요도 없다.

또한, 본 발명의 직접분사식 디젤엔진의 연소실 구조는 상술한 실시예에만 한정되지 않고, 도시한 예에서는 입구 립부로부터 완만한 S자 커브를 그리도록 하강하여 상기 입구 립부로부터 반경 방향 외측으로 돌출하는 연소실 벽면부로 한 오목형(reentrant type)의 캐버티로 예시하고 있지만, 연소실 벽면부가 입구 립부와 동일한 구경 그대로 연직방향으로 연장되도록 한 도넛형(toroidal type)의 캐버티 라도 좋으며, 그 외에 본 발명의 요지를 일탈하지 않은 범위 내에서 여러 가지로 변경을 더할 수 있는 것은 물론이다.

Claims (4)

1. 피스톤 정상면에 연소실의 대부분을 이루도록 오목하게 들어가는 캐버티를 구비하고, 상기 캐버티 내에 기통 천정부의 중심으로부터 연료를 방사형으로 분사하여 자기착화시키는 직접분사식 디젤엔진의 연소실 구조로서,

   캐버티의 개구의 외주부에 피스톤 정상면에 대하여 소요 깊이 오목하게 들어가 계단차를 이루는 구멍부를 설치하고, 상기 구멍부의 바닥면의 외주부가 반경 방향 외측을 향함에 따라 완만한 곡면을 그리도록 상승하여 피스톤 정상면에 이르고 또한 상기 구멍부의 바닥면의 내주부와 캐버티의 바닥면으로부터 상승하는 연소실 벽면부에 의해 피스톤 정상면으로부터 한층 내려간 위치에 입구 립부가 형성되도록 구성한 직접분사식 디젤엔진의 연소실 구조.
2. 제1항에 있어서, 연료분사의 노즐 콘 각을 140° 내지 160°의 범위로 하고, 구멍부의 반경 방향의 폭 치수가 입구 립부의 구경의 9% 이상이고 또한 19% 이하가 되도록 구성한 직접분사식 디젤엔진의 연소실 구조.
3. 제1항에 있어서, 연료분사의 노즐 콘 각을 140° 내지 160°의 범위로 하고, 피스톤 정상면에 대한 입구 립부의 깊이 치수가 상기 입구 립부의 구경의 4.5% 이상이고 또한 9.5% 이하가 되도록 구성한 직접분사식 디젤엔진의 연소실 구조.
4. 제2항에 있어서, 연료분사의 노즐 콘 각을 140° 내지 160°의 범위로 하고, 피스톤 정상면에 대한 입구 립부의 깊이 치수가 상기 입구 립부의 구경의 4.5% 이상이고 또한 9.5% 이하가 되도록 구성한 직접분사식 디젤엔진의 연소실 구조.

Images