KR20170134573A - 4행정 내연 엔진 및 4행정 내연 엔진용 피스톤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 실린더 헤드 (112), 적어도 하나의 실린더 (114) 및 각각의 실린더 (114) 의 피스톤 (116) 을 갖는 대형 4행정 내연 엔진에 관한 것으로서; 상기 적어도 하나의 실린더 헤드 (112) 는 적어도 하나의 흡기 밸브 (120) 및 적어도 하나의 배기 밸브 (124) 를 갖고; 상기 피스톤 (116) 은 나사들 (144) 에 의해서 서로 고정된 피스톤 크라운 (140) 및 피스톤 스커트 (142) 를 갖고; 상기 피스톤 크라운 (140) 은 상기 실린더 헤드 (112) 와 대면하는 상부 표면 (146) 을 갖고; 상기 상부 표면 (146) 은 회전 대칭이고 중심 영역 (146'), 함몰된 보울 영역 (146'') 및 에지 영역 (146''') 을 갖고; 상기 중심 영역은 상기 에지 영역 (146''') 위로 연장되는 상승된 중심 영역 (146') 이다.

Description

4행정 내연 엔진 및 4행정 내연 엔진용 피스톤{A FOUR-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND A PISTON THEREFOR}

본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 4행정 내연 엔진 및 청구항 제 9 항의 전제부에 따른 4행정 내연 엔진용 피스톤에 관한 것이다. 본 발명은 오토 사이클 (Otto cycle) 을 사용하는 4단 내연 이중 연료 엔진들 또는 4단 내연 단일 연료 엔진들 모두에 적용가능하다. 따라서, 본 발명의 엔진들은 적어도 기체 연료를 사용하고, 그리고 이중 연료 적용들에서는 또한 액체 연료를 사용한다. 오토 프로세스에서, 연료는 스파크, 레이저 또는 파일럿 연료에 의해서 점화될 수도 있다.

대형 내연 엔진들은 선박 추진 시스템들의 동력원 등과 같은 발전소들에서 요구되는 동력 공급 작업들에서 널리 사용된다.

대형 내연 엔진들에서, 연료 소비를 줄이면서 더 많은 동력에 대한 요구가 계속 증가하고 있다. 따라서, 한편으로는, 동력비를 증가시키는 동시에 엔진에 의해서 발생되는 배출물들을 감소시키는 것이 목적이다. 이들 결과들을 향한 제 1 단계는 4행정 연소 사이클을 적용하는 엔진을 사용하는 것인데, 이는 2행정 사이클을 적용하는 엔진들 보다 이런 4행정 엔진들의 동력비가 더 높고 배출물들이 더 적기 때문이다. 제 2 단계는 엔진의 실린더들 내 평균 유효 압력을 증가시키는 것이고, 이는 자연적으로 증가된 피크 실린더 압력을 유발함으로써 실린더 헤드 및 헤드 볼트들 뿐만 아니라 피스톤에 가해지는 더 높은 기계적 응력들을 유발한다. 그리고, 제 3 단계는 엔진의 내부 질량력들 (internal mass forces) 을 줄이기 위하여 가동 부품들 (moving parts) 의 무게를 가능한 한 낮게 유지하는 것이고, 이는 엔진의 재료 및 구성적 특성들, 그리고 특히 피스톤의 재료 및 구성적 특성들 모두에 대한 높은 요구 사항들을 설정한다. 하지만, 이런 종류의 대형 엔진들은 엔진들의 신뢰성이 희생되지 않을 수 있는 이런 적용들에 사용된다는 것을 명심해야 하고, 이에 따라 엔진의 다양한 부품들에 대해 상대적인 부하를 증가시키는 평균 유효 압력의 증가 및/또는 엔진 구성 요소들의 중량 감소를 유도하는 개선책들은 최대한 주의를 기울여 만들어져야 한다. 이것은 증가하는 부하들을 안전하게 흡수하기 위하여 피스톤들을 포함한 이들 엔진들의 모든 부품들을 재고하고, 개발하고, 그리고 업데이트할 필요성을 유발한다.

특히, 4행정 내연 엔진의 상승된 동력비들에서 피로를 견디는 능력도 본 발명의 하나의 목적이다. 이들 증가된 요구 사항들을 위한 피스톤을 개발하는데 도전적인 기술적인 과제를 수행하면서, 피스톤 제조의 경제적 측면도 또한 고려되어야 한다. 엔진의 임의의 다른 구성 요소인 피스톤은 피스톤의 단가가 가능한 한 낮게 유지되는 방식으로 제조되는 것이 바람직하다. 따라서, 제조 비용들과 기술적 우수성 간의 적절한 균형을 찾아야 한다. 피스톤의 주된 작동 목표는 잊혀져서는 안되고, 즉, 피스톤은 아무런 문제없이 엔진의 특정 수명 동안 작동될 수 있어야 한다.

피스톤들의 경제적인 제조를 목표로 할 때, 소위 말하는 대형 4행정 내연 엔진들용 복합 피스톤들을 제조하는 것이 통상적인 관례이다. 다시 말해서, 피스톤들은 2개의 부품들, 즉 상부 부품, 소위 말하는 피스톤 크라운 (piston crown) 과, 하부 또는 바디 부품, 소위 말하는 피스톤 스커트 (piston skirt) 를 포함한다. 수년간, 높은 등급의 대형 연소 엔진들을 위한 탁월한 피스톤 컨셉은 강철 크라운과 구상 주철 또는 단조 강 스커트를 구비한 강성 복합 피스톤이었다. 상기 크라운과 상기 스커트는 별개의 부품들이므로 이들 부품들은 이들의 작업 조건들에 가장 적합한 재료들로 제조될 수도 있다. 다시 말해서, 상기 크라운은 열 및 압력 부하들 모두에 직접적으로 영향을 받고 연소 보울 (combustion bowl) 표면은 연소 챔버와 밀접하게 연통함에 따라, 요구 사항들은 상기 크라운으로부터 거전 핀 (gudgeon pin) 및 커넥팅 로드로 동력을 전달하는 부재인 상기 스커트의 요구 사항들과 아주 상이하다. 상기 복합 피스톤 구성의 또 다른 이점은 피스톤 크라운의 높이를 변경함으로써 실린더의 압축비를 조정할 수 있다는 것이다.

피스톤 크라운 및 피스톤 스커트는 2개 이상의 나사들 또는 볼트와 너트에 의해서 서로 고정된다. 피스톤 크라운은 연소 챔버를 구획하는, 즉 흡기 및 배기 밸브들과 연료 인젝터들과 대면하는 상부 표면을 갖는다. 피스톤 크라운의 적어도 실질적으로 원통형 측면에는 피스톤 링들을 위한 다수의 홈들이 제공된다. 피스톤 링들은 피스톤과 실린더의 내벽 사이의 갭을 밀봉하고, 이에 따라 피스톤 링들은 연소 압력이 연소 챔버로부터 빠져 나가는 것을 방지하고 과잉 윤활제를 실린더 벽으로부터 스크레이핑한다.

피스톤의 상부 표면은 지난 세기 동안 완전히 편평한 평면으로부터 피스톤 크라운 내의 깊은 연소 캐비티들 및 돔 형상의 약간 돌출된 표면들에 이르는 수많은 구성들 또는 형상들을 가지고 있었다. 또한, 피스톤의 상부 표면에는 때때로 밸브들을 위한 성형된 함몰부들 또는 포켓들이 제공되었다. 게다가, 때때로 피스톤의 상부 표면의 성형시 지배적인 요인들 중 하나는 연소 챔버에서의 연소 프로세스를 제어하고자 하는 것이었다.

최근에, 2개의 피스톤들, 즉 제조 비용이 비싼 고도로 성형된 피스톤과 제조 비용들이 저렴한 간단한 "편평한 헤드" 피스톤 사이의 양호한 절충안은 크라운의 상부 표면이 약간 성형된 피스톤, 즉, 단면 측면도에서 볼 때, 도 1 에서 도시된 바와 같이 웨이브 형상 상부 표면을 갖는 피스톤임을 알게 되었다. 이런 피스톤은 예를 들면 WO-A1-2013182732 에서 논의되었다. 이런 선행 기술의 피스톤의 특징적인 특징은 피스톤의 상부 표면의 환형 에지 영역과 중심이 실질적으로 동일한 레벨에 있다는 것이다. 에지 영역과 중심 사이의 상부 표면의 환형 영역은 다소 함몰되어 있고, 즉 에지 영역의 레벨 아래에 있다. 환형의 함몰된 영역은 흔히 보울 또는 보울 영역이라고 불린다. 연소는 피스톤 크라운의 이런 "웨브 형상" 상부 표면과 실린더 헤드 사이에서 구획된 연소실에서 잘 진행된다는 것을 알게 되었다.

하지만, 고 점화 압력 및 고온이 피스톤 크라운에 가해지는 응력들을 증가시키고, 이에 따라 상부 표면 설계가 주의 깊게 고려되어야 한다는 것을 또한 알게 되었다. 수행된 실험들은 피스톤 크라운의 상부 표면의 중심 영역을 상승시키는 것이 피스톤 크라운의 강도 및 피로 저항을 증가시키고 따라서 더 높은 피크 실린더 압력들의 사용을 허용한다는 것을 보여 주었다.

피스톤 설계에서 고려해야 할 또 다른 특징은 연소 과정에서 발생되는 배출물들이다. 엔진의 HC 배출물들에 직접적으로 비례하는 요인은 피스톤의 상부 랜드의 높이 또는 두께, 즉 최상부 피스톤 링 홈과 피스톤 크라운의 상부 표면의 에지 영역 사이의 거리이다. 다시 말해서, 상부 랜드가 더 높거나 더 두꺼워질수록 HC 배출물들이 더 많아진다. 수행된 실험들은 최상부 피스톤 링 홈의 위치 결정이 연소 챔버에서의 연소 프로세스에 좌우된다는 것을 알려주고 있다. 다시 말해서, 피스톤의 에지 영역은 더 많은 열을 받게 되어 상기 최상부 피스톤 링 홈은 상기 에지 영역으로부터 더 멀리 위치되어야 한다. 따라서, 본 발명의 피스톤을 시험할 때, 연소 화염이 피스톤과 실린더 벽 사이의 갭으로부터 멀어지도록 중심 영역과 보울 영역 모두를 적절하게 설계함으로써, 상부 랜드 높이는 감소될 수도 있다는 것을 알게 되었다.

따라서, 피스톤을 설계할 때 이하의 4개의 사실들을 고려해야 한다, 1) 보울은 연소 프로세스의 관점에서 유리한 난류 및 화염 방향을 생성하도록 피스톤 크라운의 상부 표면에 있어야 하고, 2) 피스톤 크라운 자체는 피스톤의 길이와 무게를 최소화하도록 가능한 한 짧거나 낮아야 하고, 3) 피스톤 크라운의 상부는 높은 점화 압력과 피로 응력들에 견뎌야 하고, 그리고 4) 상부 랜드의 높이 또는 두께는 HC 배출물들을 감소시키는 관점에서 최적화되어야 한다.

상기 사실들은 피스톤 크라운의 상부 표면의 중심 영역을 상승시키고 피스톤의 상부 표면에 적절하게 치수화된 보울 영역을 제공함으로써 고려되고, 이에 따라 상부 랜드 높이는 선행 기술의 피스톤들과 비교할 때 현저하게 감소될 수도 있다.

본 발명의 목적은 엔진의 내부 프로세스들에 의해서 소비되는 동력을 감소시킴으로써 엔진의 효율을 향상시키는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 제조 비용들을 감소시키고 엔진 설계를 단순화시키는데 있고, 이는 또한 피스톤 조립체, 거전 핀 또는 커넥팅 로드의 피로 저항에 긍정적 영향을 미친다.

본 발명의 또 다른 목적은 또한 엔진의 HC 배출물들이 줄어드는 방식으로 피스톤 크라운의 피로 및 냉각 특성들 뿐만 아니라 피스톤 및 피스톤 크라운의 형상 및 치수 요인들에 대한 요구 사항들을 충족시키도록 피스톤 크라운의 상부 표면을 재설계하는데 있다.

본 발명의 목적들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 실린더 헤드, 적어도 하나의 실린더 및 각각의 실린더의 피스톤을 갖는 대형 4행정 내연 엔진에 의해서 실질적으로 충족되며; 상기 적어도 하나의 실린더 헤드는 흡기 채널을 구비한 적어도 하나의 흡기 밸브 및 배기 채널을 구비한 적어도 하나의 배기 밸브를 갖고; 상기 피스톤은 서로 고정된 피스톤 크라운 및 피스톤 스커트를 갖고; 상기 피스톤 크라운은 그 외주에서 피스톤 링들을 위한 홈들, 상기 실린더 헤드와 대면하는 상부 표면 및 직경 (Dp) 을 갖고; 상기 상부 표면은 중심 영역, 함몰된 보울 영역 및 레벨 (Le) 에서의 에지 영역을 갖고; 상기 레벨 (Le) 은 상기 피스톤의 종방향 축선 (X) 에 직각들인 기준 평면이고; 상기 함몰된 보울 영역은 상기 에지 영역의 상기 레벨 (Le) 아래에 바닥을 갖고, 상기 중심 영역은 기준의 상기 레벨 (Le) 로부터 거리 (Hc) 에서 상기 에지 영역 위로 연장되는 상승된 중심 영역이다.

본 발명에 따른 4행정 내연 엔진은 대응하는 선행 기술의 엔진들과 비교하여 이하의 이점들을 갖는다:

ㆍ피스톤 구성은 선행 기술의 엔진들 보다 더 신뢰성이 있고,

ㆍ피스톤은 선행 기술의 엔진들 보다 더 높은 기계적 및 열적 응력들을 견디고,

ㆍ냉각 및 피스톤 강도의 절충없이 HC 배출물들이 더 적고, 그리고

ㆍ전반적으로 엔진의 성능이 향상된다.

이하에서, 본 발명의 4행정 내연 엔진 및 4행정 내연 엔진용 피스톤은 첨부된 예시적인 개략적인 도면들을 참고로 하여 설명될 것이다.

도 1 은 선행 기술의 4행정 내연 엔진의 단면을 개략적으로 도시하고,
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 4행정 내연 엔진의 단면을 개략적으로 도시하고, 그리고
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 4행정 내연 엔진의 피스톤의 부분 단면을 도시하고, 상기 단면은 피스톤의 종방향 축선 (X) 을 따라 취해진다.

도 1 은 선행 기술의 4행정 내연 엔진 (10) 의 단면을 도시하고, 상기 단면은 실린더의 종방향 축선 (X) 및 크랭크 샤프트의 축선 (Xc) 에 의해서 규정되는 평면을 따라 취해진다. 엔진 (10) 은 여기서 개략적으로 도시된 적어도 하나의 실린더 헤드 (12), 실린더 블록 (미도시) 에서의 적어도 하나의 실린더 (14) (부분적으로 절단됨), 각각의 실린더 (14) 의 피스톤 (16), 및 상기 실린더 블록에서 베어링들 상에 배열된 크랭크 샤프트 (18) 를 갖는다. 연료가 실린더로, 더 자세하게는 실린더 헤드 (12) 와 피스톤 (16) 사이의 연소 챔버 (30) 로 분사되는 엔진의 경우에, 실린더 헤드 (12) 는 흡기 채널 (22) 을 구비한 적어도 하나의 흡기 밸브 (20) 및 배기 채널 (26) 을 구비한 적어도 하나의 배기 밸브 (24) 를 포함한다. 연료 인젝터 (28) 는 엔진들의 압축 챔버에서 1차 또는 파일럿 연료가 분사되는 엔진들, 예를 들면 공기-연료 혼합물을 점화하기 위하여 파일럿 연료를 사용하는 이중 연료 엔진들 또는 가스 엔진들에서 사용된다. 연료 인젝터 대신에, 연소 챔버에서 공기-연료 혼합물을 점화하기 위한 수단, 예를 들면 스파크 플러그, 글로우 플러그, 프리 챔버 (pre-chamber) 또는 다른 적절한 수단이 배열될 수도 있다. 피스톤 (16) 은 그의 축선에 의해서 개략적으로 도시된 거전 핀 (32) 을 갖고, 상기 거전 핀 (32) 은 커넥팅 로드 (라인 34 에 의해서 개략적으로 도시됨) 에 의해서 크랭크 샤프트 (18) 의 크랭크 핀 (36) 에 커플링된다. 흡기 밸브 (20) 및 배기 밸브 (24) 는 점선 (38) 으로 도시된 바와 같이, 즉 캠 샤프트 (미도시) 의 도움으로 크랭크 샤프트 (18) 의 회전 위치의 함수로서 작동된다.

대형 4행정 내연 엔진들의 피스톤들 (16) 은 2개의 부품들, 즉 소위 말하는 피스톤 크라운 (40) 및 피스톤 스커트 (42) 로 구성되고, 상기 부품들은 예를 들면 2개 이상의 나사들 (44) 에 의해서 서로 고정된다. 피스톤 크라운을 피스톤 스커트에 부착하는 또 다른 방식은 피스톤 스커트 및 피스톤 크라운이 피스톤 스커트 내부에서 볼트에 나사 결합된 너트에 의해서 서로 고정될 수도 있도록 피스톤 스커트의 상부에서 개구부를 통하여 연장되는 중심 볼트를 연소 챔버에 대향하는 피스톤 크라운의 표면에 제공하는 것이다. 피스톤 크라운 (40) 은 실린더 헤드 (12) 와 함께, 즉 흡기 밸브 (20), 배기 밸브 (24) 및 연료 인젝터들 (28) 과 대면하는 연소 챔버 (30) 를 구획하는 상부 표면 (46) 을 갖는다. 피스톤 크라운 (40) 의 적어도 실질적으로 원통형 측면 (48) 에는 피스톤 링들 (미도시) 을 위한 다수의 홈들 (50) 과, 피스톤 크라운 및 피스톤 스커트 모두에 위치된 냉각 갤러리 (52) 가 제공된다. 연소 압력이 연소 챔버 (30) 로부터 빠져 나가는 것을 방지하고 윤활제를 실린더 벽 (54) 으로부터 스크레이핑하기 위하여, 피스톤 링들은 피스톤 (16) 과 실린더 (14) 의 내벽 (54) 사이의 갭을 밀봉한다.

하지만, 엔진의 HC 배출물들을 낮추려는 욕구가 피스톤 크라운의 구성에 대한 높은 점화 또는 피크 실린더 압력 설정들에 대한 요구 사항들 및 크라운의 짧은 길이 또는 얇은 두께에 대한 다소 반대되는 욕구들과 조합될 때, 크라운을 다시 디자인해야 한다고 생각되었다.

도 2 는 본 발명의 제 1 바람직한 실시 형태에 따른 4행정 내연 엔진의 피스톤 (116) 의 단면을 도시하고, 상기 단면은 실린더의 종방향 축선 (X) 및 크랭크 샤프트의 축선 (Xc) 에 의해서 규정되는 평면을 따라 취해진다. 대부분의 경우, 엔진은 도 1 과 관련하여 논의된 것과 유사하고, 예를 들면 피스톤 (116) 은 피스톤 크라운 (140) 및 피스톤 스커트 (142) 로 형성된다. 피스톤 크라운 (140) 의 상부 표면 (146) 의 성형에 관해서는, 다른 것들 중에서도, 다음과 같은 변형들이 있을 수 있다: 1) 상부 표면 (146) 의 상승된 중심 영역 (146') 은 피스톤의 축선 (X) 에 대해 회전 대칭일 수도 있고, 2) 상승된 중심 영역 (146') 은 대칭 축선이 축선 (X) 에 평행하거나 또는 상기 축선 (X) 에 대해 기울어진 피스톤의 축선 (X) 측에 있도록 편심으로 제조된 일부 다른 적절한 방식으로 가공 (터닝) 될 수도 있고, 3) 상승된 중심 영역 (146') 은 원형 영역일 수도 있지만, 타원형 영역 또는 일부 다른 적절한 형상 영역일 수도 있고, 4) 상승된 중심 영역 (146') 은 즉 단일 곡률 중심을 갖는 연속적인 곡률을 가질 수 있지만, 하나 이상의 평면의 및/또는 만곡된 (심지어 오목한 및/또는 볼록한) 표면들의 원하는 조합들로 형성될 수도 있고, 5) 상부 표면 (146) 에는 하나 이상의 밸브들을 위한 함몰부들 또는 포켓들이 제공될 수도 있거나 상부 표면 (146) 에는 상기 밸브들을 위한 포켓들 또는 함몰부들이 존재하지 않을 수도 있고, 6) 보울 영역 (146'') 은 피스톤 (116) 의 반경 방향으로 일정하거나 가변하는 폭을 갖는 함몰된 환형 영역이고, 7) 에지 영역 (146''') 은 바람직하지만 반드시 그런 것은 아닌 것으로 피스톤 (116) 의 반경 방향으로 일정한 폭을 갖는 환형 영역이고, 8) 에지 영역 (146''') 은 바람직하게는 피스톤 (116) 의 축선 (X) 에 직각들인 반경 방향 평면이지만, 에지 영역 (146''') 은 상기 반경 방향 평면으로부터 어느 한 방향으로 약간 기울어질 수도 있고, 그리고 9) 에지 영역 (146''') 에는 또한 적어도 하나의 바람직하지만 반드시 그런 것은 아닌 것으로 환형 홈 또는 함몰부 또는 적어도 하나의 바람직하지만 반드시 그런 것은 아닌 것으로 각진 또는 만곡된 단면을 갖는 환형 리지 또는 벌지가 제공될 수도 있다.

하지만, 피스톤 (116) 에는 선행 기술의 엔진들과 다른 몇 가지 상세가 있다. 첫째로, 피스톤 크라운 (140) 의 상부 표면 (146) 은 상부 표면 (146) 의 (상승된) 중심 영역 (146') 이 상부 표면 (146) 의 에지 영역 (146''') 보다 위로 명확하게 상승하도록 재설계되었다. 하지만, 보울 영역 (146'') 은 그 깊이가 유지되고, 즉 보울 바닥은 상부 표면 (146) 의 에지 영역 (146''') 아래에 있는 우물 형상부이다. 둘째로, 상부 랜드 (154), 즉 최상부 피스톤 링 홈 (150') 과 에지 영역 (146''') 에서의 피스톤의 상부 표면 사이의 피스톤의 솔리드 부분은 선행 기술의 구성들에서 보다 더 얇고, 즉, 피스톤 (116) 의 종방향 축선 (X) 의 방향으로의 그 치수가 더 작다. 상부 표면 (146) 및 상부 랜드 (154) 의 다양한 부분들의 치수 기입은 도 3 을 참조로 하여 보다 상세하게 논의될 것이다.

도 3 은 본 발명의 제 1 바람직한 실시 형태에 따른 4행정 내연 엔진 (10) 의 피스톤의 단면을 도시하고, 상기 단면은 피스톤의 종방향 축선 (X) 을 따라 취해진다. 도 3 의 피스톤은 직경 (Dp) 을 갖고, 그리고 보울 영역 (146'') 은 0.6 ... 0.85 * Dp 와 동일한 직경 (Db) 에 위치되는 바닥 (보울의 가장 깊은 지점) 을 갖는다. 함몰된 보울 영역은 바람직하지만 반드시 그런 것은 아닌 것으로 피스톤 직경 (Dp) 의 5 ... 25% 와 동일한 축선 방향 평면에서 반경 (Rb) 을 갖는 만곡된 환형 표면으로 형성된다. 상승된 중심 영역 (146') 의 직경 (Dc) 은 0.7 ... 0.85 * Db 사이에서 변할 수 있다. 직경 (Db) 에 관해서는, 상부 표면의 상승된 중심 영역 (146') 이 타원형 또는 다른 비원형 및/또는 (피스톤 축선과) 비중심 형상을 가질 수 있기 때문에 보울 영역의 내부 둘레가 반드시 정확히 원형일 필요는 없고, 이로 인하여 이러한 것이 보울 영역의 바닥의 위치에 영향을 줄 수 있으므로 상기 직경 (Db) 은 다소 평균적인 것으로 이해되어야 한다. 직경 (Dc) 에 관해서는, 상부 표면의 상승된 중심 영역 (146') 이, 둥근 및 중심 형상 이외에, 또한 타원형 또는 다른 비원형 및/또는 (피스톤 축선과) 비중심 형상을 가질 수 있다는 것으로 이해되어야 한다.

피스톤 (116) 의 종방향 축선 (X) 의 방향으로의 피스톤 크라운 (140) 의 상부 표면 (146) 의 치수 기입에 관해서, 상부 표면 (146) 의 에지 영역 (146'''), 보다 상세하게는 에지 영역 (146''') 의 평균 레벨은 기준 레벨 (Le) 로서 취해진다. 평균 레벨은 에지 영역이 반경 방향 평면으로부터 기울어진 경우 에지 영역 상의 (축선 방향으로) 최상부 지점과 최하부 지점 사이의 중간 레벨로서 규정될 수도 있다. 평균 레벨을 결정할 때, 에지 영역 내에서 또는 상기 에지 영역 상에서 좁은 (에지 영역의 반경 방향 폭의 1/3 미만) 홈들 또는 리지들은 고려되지 않는다. 바람직하지만 반드시 그런 것은 아닌 것으로 상부 표면 (146) 의 실질적으로 중심에서, 상승된 중심 영역 (146') 의 최상부 또는 축선 방향으로 최외측 부분은 기준 레벨 (Le) 로부터 축선 방향 거리 (Hc) 에서 에지 영역 (146''') 위로 연장되고, 그리고 보울 영역 (146'') 의 바닥은 기준 레벨 (Le) 아래로 축선 방향 거리 (Hb) 에 있다. 수행된 실험들은 보울의 깊이, 즉 치수 (Hb) 가 피스톤 (116) 의 직경 (Dp) 의 약 3 ... 10% 사이이어야 되고, 그리고 피스톤 크라운 (140) 의 상부의 높이 (Hc) 가 피스톤 (116) 의 직경 (Dp) 의 약 3 ... 10% 사이이어야 된다는 것을 보여 주었다.

또한, 도 3 은 최상부 피스톤 링을 위한 홈 (150') 의 위치를 개시한다. 피스톤 링 홈과 기준 레벨 (Le) 사이의 상부 랜드 (154) 는 수행된 시험들에 따라 피스톤 (116) 의 직경 (Dp) 의 약 3 ... 10% 사이이어야 하는 높이 또는 두께 (Hl) 를 갖는다.

전술한 방식으로 피스톤 크라운 표면 (146) 의 보울 영역 (146'') 및 상승된 중심 영역 (146') 을 구성함으로써, 최상부 (압축) 피스톤 링을 피스톤의 상부 표면에 더 가깝게 위치시키고, 즉 상부 랜드 (154) 의 높이를 감소시키고 이에 따라 엔진이 생성하는 HC 배출물을 감소시킬 수 있다. 그 이유는 피스톤 크라운 표면의 상승된 중심 영역 (146') 이 피스톤 크라운의 상부 표면 (146) 을 따라서 실질적으로 반경 방향 외측으로 그리고 하방으로 연소 화염을 지향시키고, 이후 보울 영역 (146'') 은 실린더 벽 및 실린더 헤드를 향하여 위로 완만하게 연소 화염 방향을 선회시키고, 이에 따라 연소 화염은 피스톤 크라운의 상부 표면의 최외측 에지 영역 및 최상부 피스톤 링을 통과하여 가장 높은 잠재적인 열적 및 기계적 부하들이 상부 표면의 반경 방향 최외측 에지 영역 및 최상부 피스톤 링에 가해지는 것을 방지하기 때문이다.

본 발명은 명세서에서 현재 가장 바람직한 실시 형태들로 고려되는 것과 관련하여 실례들로서 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시 형태들로 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에서 규정된 바와 같이, 그 특징들의 다양한 조합들 또는 변경들, 그리고 본 발명의 범위 내에 포함된 여러개의 다른 적용들을 포함하는 것으로 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 임의의 상기 실시 형태과 관련하여 언급된 상세는 이런 조합이 기술적으로 실현가능하다면 다른 실시 형태와 관련하여 사용될 수도 있다.

Claims (9)

1. 대형 4행정 내연 엔진으로서,
   적어도 하나의 실린더 헤드 (112), 적어도 하나의 실린더 (114) 및 각각의 실린더 (114) 의 피스톤 (116) 을 갖고;
   상기 적어도 하나의 실린더 헤드 (112) 는 흡기 채널 (122) 을 구비한 적어도 하나의 흡기 밸브 (120) 및 배기 채널 (126) 을 구비한 적어도 하나의 배기 밸브 (124) 를 갖고;
   상기 피스톤 (116) 은 서로 고정된 피스톤 크라운 (140) 및 피스톤 스커트 (142) 를 갖고;
   상기 피스톤 크라운 (140) 은 그 외주에서 피스톤 링들을 위한 홈들 (150), 상기 실린더 헤드 (112) 와 대면하는 상부 표면 (146) 및 직경 (Dp) 을 갖고;
   상기 상부 표면 (146) 은 중심 영역, 함몰된 보울 영역 (146'') 및 레벨 (Le) 에서의 에지 영역 (146''') 을 갖고;
   상기 레벨 (Le) 은 상기 피스톤 (116) 의 종방향 축선 (X) 에 직각들인 기준 평면이고;
   상기 함몰된 보울 영역 (146'') 은 상기 에지 영역 (146''') 의 상기 레벨 (Le) 아래에 바닥을 갖고,
   상기 중심 영역은 기준의 상기 레벨 (Le) 로부터 거리 (Hc) 에서 상기 에지 영역 (146''') 위로 연장되는 상승된 중심 영역 (146') 인 것을 특징으로 하는, 대형 4행정 내연 엔진.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 피스톤 크라운 (140) 은 그 외주에 최상부 피스톤 링을 위한 홈 (150') 과, 상기 홈 (150') 과 상기 에지 영역 (146''') 의 상기 레벨 (Le) 사이에 두께 (Hl) 를 갖는 상부 랜드 (154) 를 갖고, 상기 두께 (Hl) 는 직경 (Dp) 의 3 ... 10% 인 것을 특징으로 하는, 대형 4행정 내연 엔진.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 거리 (Hc) 는 직경 (Dp) 의 3 ... 10% 인 것을 특징으로 하는, 대형 4행정 내연 엔진.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 보울 영역 (146'') 의 상기 바닥은 상기 레벨 (Le) 로부터 거리 (Hb) 에 있고, 상기 거리 (Hb) 는 직경 (Dp) 의 3 ... 10% 인 것을 특징으로 하는, 대형 4행정 내연 엔진.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 보울 영역 (146'') 의 상기 바닥은 0.6 ... 0.85 * Dp 와 동일한 직경 (Db) 을 갖는 것을 특징으로 하는, 대형 4행정 내연 엔진.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 상부 표면 (146) 의 상기 상승된 중심 영역 (146') 은 0.7 ... 0.85 * Db 와 동일한 직경 (Dc) 을 갖는 것을 특징으로 하는, 대형 4행정 내연 엔진.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 함몰된 보울 영역 (146'') 은 상기 피스톤의 상기 직경 (Dp) 의 5 ... 25% 와 동일한 축선 방향 평면에서 반경 (Rb) 을 갖는 환형 표면으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 대형 4행정 내연 엔진.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 엔진은 이중 연료 엔진 또는 가스 연료를 연소시키는 엔진인 것을 특징으로 하는, 대형 4행정 내연 엔진.
9. 대형 4행정 내연 엔진용 피스톤으로서,
   상기 피스톤 (116) 은 서로 고정된 피스톤 크라운 (140) 및 피스톤 스커트 (142) 를 갖고;
   상기 피스톤 크라운 (140) 은 그 외주에서 피스톤 링들을 위한 홈들 (150), 상부 표면 (146) 및 직경 (Dp) 을 갖고;
   상기 상부 표면 (146) 은 중심 영역 (146'), 함몰된 보울 영역 (146'') 및 레벨 (Le) 에서의 에지 영역 (146''') 을 갖고;
   상기 레벨 (Le) 은 상기 피스톤 (116) 의 종방향 축선 (X) 에 직각들인 기준 평면이고;
   상기 함몰된 보울 영역 (146'') 은 상기 에지 영역 (146''') 의 상기 레벨 (Le) 아래에 바닥을 갖고,
   상기 중심 영역은 기준의 상기 레벨 (Le) 로부터 거리 (Hc) 에서 상기 에지 영역 (146''') 위로 연장되는 상승된 중심 영역 (146') 인 것을 특징으로 하는, 대형 4행정 내연 엔진용 피스톤.

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