KR20180128533A - 엔진의 피스톤 - Google Patents

엔진의 피스톤 Download PDF

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KR20180128533A
KR20180128533A KR1020170063263A KR20170063263A KR20180128533A KR 20180128533 A KR20180128533 A KR 20180128533A KR 1020170063263 A KR1020170063263 A KR 1020170063263A KR 20170063263 A KR20170063263 A KR 20170063263A KR 20180128533 A KR20180128533 A KR 20180128533A
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piston
cylinder bore
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center
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이수홍
이준규
허동한
권혁모
송선영
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현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 피스톤 상면의 외측으로부터 피스톤의 중앙을 향하여 함몰되는 경사면으로 이루어지는 경계부와, 피스톤 중앙에 상측으로 돌출되는 중앙돌출부와, 상기 중앙돌출부의 외곽으로부터 연결되면서 상기 경계부 하측으로 함몰되는 함몰부와, 상기 함몰부와 상기 경계부를 부드럽게 연결하는 네크부로 이루어진 보울을 구비하고, 상기 네크부 최소직경(D1)은 상기 피스톤이 장착되는 실린더보어 직경의 62~65%의 범위 이내이고, 상기 함몰부의 최대직경(D2)은 상기 네크부 최소직경(D1)의 102~105%의 범위 이내이며, 상기 피스톤 상면으로부터 상기 함몰부의 가장 깊은 곳까지의 거리인 최대깊이(H1)는 상기 실린더보어 직경의 10~20% 이내이고, 상기 피스톤의 수직단면 상에서 상기 네크부를 이루는 곡선의 곡률반경(R3)의 중심은 상기 피스톤 상면으로부터 상기 실린더보어 직경의 2~10%의 범위 이내에 위치하도록 구성된 피스톤의 구조를 제공한다.

Description

엔진의 피스톤{PISTON OF ENGINE}
본 발명은 엔진의 피스톤에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피스톤 상측에 마련되어 엔진의 연소실을 형성하는 부분의 구조에 관한 기술이다.
왕복 운동하는 피스톤을 사용하는 디젤엔진의 경우 연료를 연소시키는 연소실은 주로 피스톤 상측에 구비된 보울이 형성하는 공간으로 이루어진다.
상기 피스톤 보울의 구체적인 형상은 연료의 연소 특성에 매우 큰 영향을 주므로, 지속적으로 강화되고 있는 배기 규제와 연비 향상 요구에 대응하기 위해 보다 향상된 연소 성능을 제공할 수 있는 피스톤 보울의 형상이 요구된다.
상기 발명의 배경이 되는 기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1588734 B1
본 발명은 상기한 바와 같은 필요성에 따라 안출된 것으로서, 연료 분무 공간의 최적화와 혼합기 유동 향상으로 연비를 향상시키고, 유해 배출물 발생을 저감시킬 수 있도록 한 연소실 형상을 구비한 엔진 피스톤을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 엔진의 피스톤은
피스톤 상면의 외측으로부터 피스톤의 중앙을 향하여 함몰되는 경사면으로 이루어지는 경계부와, 피스톤 중앙에 상측으로 돌출되는 중앙돌출부와, 상기 중앙돌출부의 외곽으로부터 연결되면서 상기 경계부 하측으로 함몰되는 함몰부와, 상기 함몰부와 상기 경계부를 부드럽게 연결하는 네크부로 이루어진 보울을 구비하고;
상기 네크부 최소직경(D1)은 상기 피스톤이 장착되는 실린더보어 직경의 62~65%의 범위 이내이고,
상기 함몰부의 최대직경(D2)은 상기 네크부 최소직경(D1)의 102~105%의 범위 이내이며,
상기 피스톤 상면으로부터 상기 함몰부의 가장 깊은 곳까지의 거리인 최대깊이(H1)는 상기 실린더보어 직경의 10~20% 이내이고,
상기 피스톤의 수직단면 상에서 상기 네크부를 이루는 곡선의 곡률반경(R3)의 중심은 상기 피스톤 상면으로부터 상기 실린더보어 직경의 2~10%의 범위 이내에 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기 경계부가 피스톤 상면과 이루는 각도는 20 내지 40도의 범위 이내일 수 있고,
상기 네크부 곡선의 곡률반경(R3)은 상기 실린더보어 직경의 2~4%의 범위 이내일 수 있다.
상기 피스톤의 수직단면 상에서, 상기 중앙돌출부의 중앙 상측 부분은 일정한 곡률반경(R1)으로 형성되고, 상기 함몰부와 공통접선으로 연결될 수 있다.
상기 피스톤 상면으로부터 상기 중앙돌출부의 최상단까지의 깊이인 중앙깊이(H2)는 상기 실린더보어 직경의 4%이상 10%미만의 범위일 수 있고,
상기 피스톤의 수직단면 상에서, 상기 중앙돌출부의 곡률반경(R1)은 상기 실린더보어 직경의 27~35% 이내의 범위일 수 있으며,
상기 중앙돌출부의 곡률반경 중심은 상기 피스톤 상면으로부터 하측으로 상기 실린더보어 직경의 31% 이상에 위치할 수 있고,
상기 피스톤의 수직단면 상에서, 상기 함몰부의 곡률반경(R2)은 상기 실린더보어 직경의 5.5~6.5%의 범위 이내일 수 있다.
본 발명은 연료 분무 공간을 최적화하고 혼합기 유동을 향상시킨 연소실 형상을 구비한 피스톤을 제공함으로써, 차량의 연비를 향상시키고 엔진의 유해 배출물 발생을 저감시킬 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 엔진 피스톤의 수직단면도,
도 2는 본 발명에 따른 엔진 피스톤 구조의 변화를 종래의 피스톤 구조에 비교하여 도시한 도면,
도 3은 실린더보어 직경(Db) 대비 네크부 최소직경(D1)의 백분율에 따른 제동연료소비율의 비교 그래프,
도 4는 실린더보어 직경(Db) 대비 네크부 최소직경(D1)의 백분율에 따른 엔진의 수트 배출량의 비교 그래프,
도 5는 피스톤의 경계부가 피스톤 상면과 이루는 각도(A1)에 따른 제동연료소비율의 비교 그래프,
도 6은 실린더보어 직경(Db) 대비 중앙돌출부의 곡률반경(R1)의 백분율에 따른 제동연료소비율의 비교 그래프,
도 7은 실린더보어 직경(Db) 대비 함몰부의 곡률반경(R2)의 백분율에 따른 엔진의 수트 배출량의 비교 그래프이다.
도 1을 참조하면, 피스톤(1)은 상하로 승강 가능하도록 실린더보어(3) 내에 삽입되며, 상기 피스톤(1)의 상측에는 실린더헤드(5)가 구비되어 후술하는 피스톤(1)의 보울(7)과 함께 연소실을 형성한다.
본 발명 엔진의 피스톤(1)은, 피스톤(1) 상면의 외측으로부터 피스톤(1)의 중앙을 향하여 함몰되는 경사면으로 이루어지는 경계부(9)와, 피스톤(1) 중앙에 상측으로 돌출되는 중앙돌출부(11)와, 상기 중앙돌출부(11)의 외곽으로부터 연결되면서 상기 경계부(9) 하측으로 함몰되는 함몰부(13)와, 상기 함몰부(13)와 상기 경계부(9)를 부드럽게 연결하는 네크부(15)로 이루어진 보울(7)을 구비한다.
상기 네크부(15) 최소직경(D1)은 상기 피스톤(1)이 장착되는 실린더보어 직경(Db)(Db)의 62~65%의 범위 이내이고, 상기 함몰부(13)의 최대직경(D2)은 상기 네크부(15) 최소직경(D1)의 102~105%의 범위 이내이며, 상기 피스톤(1) 상면으로부터 상기 함몰부(13)의 가장 깊은 곳까지의 거리인 최대깊이(H1)는 상기 실린더보어 직경(Db)의 10~20% 이내이고, 상기 피스톤(1)의 수직단면 상에서 상기 네크부(15)를 이루는 곡선의 곡률반경(R3)의 중심은 상기 피스톤(1) 상면으로부터 상기 실린더보어 직경(Db)(Db)의 2~10%의 범위 이내에 위치하는 구조이다.
보다 구체적인 예로서, 상기 실린더보어 직경(Db)이 77mm인 경우, 상기 네크부(15) 최소직경(D1)은 상기 실린더보어 직경(Db)의 63.7%인 49.1mm가 될 수 있으며, 상기 함몰부(13)의 최대직경(D2)은 상기 네크부(15) 최소직경(D1)의 102.6%인 50.4mm가 될 수 있고, 상기 최대깊이(H1)는 상기 실린더보어 직경(Db)의 16.8%인 13mm가 될 수 있으며, 상기 네크부(15)를 이루는 곡선의 곡률반경(R3)의 중심은 상기 피스톤(1) 상면으로부터 상기 실린더보어 직경(Db)의 9%인 7mm 하측에 위치할 수 있다.
상기한 바와 같은 구체적인 구성은 실질적으로 종래에 비하여 연소실 형상의 변화를 초래하게 된다. 도 2에는 종래의 피스톤(1) 보울(7)에 의해 형성되는 연소실 형상과, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 피스톤(1) 보울(7)에 의해 형성되는 연소실 형상이 피스톤(1) 수직단면의 우측부분만의 형상으로 비교되어 있으며, 점선은 종래 상태를 실선은 본 발명의 상태를 나타낸다.
상기 네크부(15) 최소직경(D1) 및 함몰부(13) 최대직경(D2)에 대한 한정은 도 2에서 A로 표시된 부분과 같이 상기 네크부(15)가 보울(7)의 반경방향 외측으로 좀더 확장되어 연소실 중앙부의 와이드(WIDE)화라는 결과를 가져오게 되고, 이는 동일한 연료 분사 조건하에서 연소실 중심부의 인젝터로부터 연료가 분무될 때, 연료 입자가 연소실 벽면에 직접 접촉할 확률을 낮추어 궁극적으로 차량의 연비향상에 기여하게 된다.
상기 네크부(15) 최소직경(D1) 및 함몰부(13) 최대직경(D2)을 계속적으로 증가시키면, 도 3에 도시된 바와 같이 제동연료소비율(BSFC: Brake Specific Fuel Consumption)이 줄어들어 연비는 지속적으로 향상되는 경향으로 보이지만, 엔진 배기가스 중의 수트(SOOT)는 도 4에 도시된 바와 같이 그 양이 저감되다가 다시 상승하게 된다.
따라서, 상기한 바와 같이 수트의 최대 저감이 가능한 범위 내에서 연비를 향상시킬 수 있는 실린더보어 직경(Db)에 대한 네크부(15) 최소직경(D1)은 해당 피스톤(1)이 장착되는 실린더보어 직경(Db)의 62~65%의 범위 이내로 정해져야 하는 것이다.
한편, 상기 경계부(9)가 피스톤(1) 상면과 이루는 각도(A1)는 20 내지 40도의 범위 이내이고, 상기 네크부(15) 곡선의 곡률반경(R3)은 상기 실린더보어 직경(Db)의 2~4%의 범위 이내인 것이 바람직하다. 보다 구체적인 예로서, 상기 실린더보어 직경(Db)이 77mm인 경우, 상기 네크부(15) 곡선의 곡률반경(R3)은 실린더보어 직경(Db)의 2.9%인 2.3mm로 설정될 수 있다.
상기한 바와 같은 경계부(9)가 피스톤(1) 상면과 이루는 각도(A1) 및 네크부(15) 곡선의 곡률반경(R3)의 치수적 한정은 결과적으로 도 2에서 C부분과 같이 종래에 비하여 연소실 보울(7)의 직경의 확대를 초래하여 상기한 연소실 중앙부의 와이드화에 기여하게 되어, 상기한 바와 같이 연비를 저감하는 데에 유리한 구조를 형성하는 것이다.
상기 함몰부(13)의 최대깊이(H1)와 후술하는 중앙깊이(H2) 및 중앙돌출부(11)의 곡률반경(R1) 치수가 동일한 상황에서, 엔진에서 요구되는 압축비를 맞추어야 한다는 전제조건 하에서는, 상기 경계부(9)가 피스톤(1) 상면과 이루는 각도가 20도 미만으로 되면, 상기한 바와 같이 네크부(15) 최소직경(D1)이 상기한 수준으로 커지기 어려워서 상기한 바와 같은 연비 향상과 수트의 최대 저감이 동시에 가능하도록 하는 연소실 중앙부의 와이드화를 구현할 수 없게 된다.
또한, 상기 경계부(9)가 피스톤(1) 상면과 이루는 각도(A1)가 40도 초과로 되면 도 5에 도시된 바와 같이 상기 각도가 30도인 경우에 비하여 제동연료소비율(BSFC)이 증가하여 연비가 악화되기 시작함을 알 수 있다.
한편, 상기 피스톤(1)의 수직단면 상에서, 상기 중앙돌출부(11)의 중앙 상측 부분은 일정한 곡률반경(R1)으로 형성되고, 상기 함몰부(13)와 공통접선으로 연결되는 구성이다.
즉, 상기 중앙돌출부(11) 중 곡률반경(R1)으로 형성된 부분과 상기 함몰부(13)의 곡률반경(R2)로 형성된 부분은 하나의 공통접선을 통해 연결되어 부드러운 연결상태를 형성하는 것이다.
상기 피스톤(1) 상면으로부터 상기 중앙돌출부(11)의 최상단까지의 깊이인 중앙깊이(H2)는 상기 실린더보어 직경(Db)의 4%이상 10%미만의 범위이고, 상기 피스톤(1)의 수직단면 상에서, 상기 중앙돌출부(11)의 곡률반경(R1)은 상기 실린더보어 직경(Db)의 27~35% 이내의 범위이며, 상기 중앙돌출부(11)의 곡률반경(R1) 중심은 상기 피스톤(1) 상면으로부터 하측으로 상기 실린더보어 직경(Db)의 31% 이상에 위치하고, 상기 피스톤(1)의 수직단면 상에서, 상기 함몰부(13)의 곡률반경(R2)은 상기 실린더보어 직경(Db)의 5.5~6.5%의 범위 이내로 할 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 상기 실린더보어 직경(Db)이 77mm인 경우, 상기 중앙깊이(H2)는 상기 실린더보어 직경(Db)의 4.6%인 3.6mm이고, 상기 피스톤(1)의 수직단면 상에서, 상기 중앙돌출부(11)의 곡률반경(R1)은 상기 실린더보어 직경(Db)의 27% 인 21mm이며, 상기 중앙돌출부(11)의 곡률반경(R1) 중심은 상기 피스톤(1) 상면으로부터 하측으로 상기 실린더보어 직경(Db)의 32% 위치인 24.6mm에 위치하고, 상기 피스톤(1)의 수직단면 상에서, 상기 함몰부(13)의 곡률반경(R2)은 상기 실린더보어 직경(Db)의 5.8%인 4.5mm로 정해질 수 있다.
상기한 바와 같이 상기 중앙돌출부(11)의 곡률반경(R1)이 종래에 비해 커짐에 의해, 상기 피스톤(1)의 수직단면상에서, 상기 중앙돌출부(11)의 곡률반경(R1)에 의해 형성된 부분과 공통접선이 서로 연결되는 곳이 상대적으로 보울(7)의 중앙으로부터 외곽으로 이동되어, 도 2의 B로 표시된 부분이 종래의 단순 직선형 경사면에 비해 상측으로 볼록한 유선형을 이루게 형성됨으로써, 연소실의 연료-공기 혼합기의 유동을 강화하여 종래에 비해 연비를 향상시키는 효과가 있다.
상기 실린더보어 직경(Db) 대비 중앙돌출부(11)의 곡률반경(R1)의 백분율을 변화시킴에 따른 제동연료소비율의 변화를 나타내는 도 6을 참조하면, 상기 실린더보어 직경(Db) 대비 중앙돌출부(11)의 곡률반경(R1)의 백분율이 27~35%의 범위가 되면 제동연료소비율이 최소의 값으로 되는 것을 확인할 수 있는 바, 본 발명은 이에 따라 상기 실린더보어 직경(Db) 대비 중앙돌출부(11)의 곡률반경(R1)의 백분율을 상기한 바와 같이 한정함으로써, 연비를 향상시킬 수 있는 연소실의 형상을 제공하는 것이다.
또한, 도 7은 상기 피스톤(1)의 수직단면 상에서, 상기 실린더보어 직경(Db)에 대한 상기 함몰부(13)의 곡률반경(R2)의 백분율 변화와 그에 따른 엔진의 수트 배출량을 비교한 것으로서, 상기 실린더보어 직경(Db)에 대한 상기 함몰부(13)의 곡률반경(R2)의 백분율이 5.8% 근처에서 수트의 배출량이 가장 최소화되는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같이 함몰부(13)의 곡률반경(R2)를 상기한 바와 같은 수준으로 제시함으로써, 수트의 배출량을 저감할 수 있는 엔진 연소실을 확보할 수 있도록 한 것이다.
참고로, 본 발명의 도 3 내지 도 7의 그래프는 엔진의 부분부하 운전점 5곳에서의 운전결과의 평균을 활용하여 각 조건별 상대비교를 통한 백분율로 그래프화한 것이다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
1; 피스톤
3; 실린더보어
5; 실린더헤드
7; 보울
9; 경계부
11; 중앙돌출부
13; 함몰부
15; 네크부

Claims (4)

  1. 피스톤 상면의 외측으로부터 피스톤의 중앙을 향하여 함몰되는 경사면으로 이루어지는 경계부와, 피스톤 중앙에 상측으로 돌출되는 중앙돌출부와, 상기 중앙돌출부의 외곽으로부터 연결되면서 상기 경계부 하측으로 함몰되는 함몰부와, 상기 함몰부와 상기 경계부를 부드럽게 연결하는 네크부로 이루어진 보울을 구비하고;
    상기 네크부 최소직경(D1)은 상기 피스톤이 장착되는 실린더보어 직경의 62~65%의 범위 이내이고,
    상기 함몰부의 최대직경(D2)은 상기 네크부 최소직경(D1)의 102~105%의 범위 이내이며,
    상기 피스톤 상면으로부터 상기 함몰부의 가장 깊은 곳까지의 거리인 최대깊이(H1)는 상기 실린더보어 직경의 10~20% 이내이고,
    상기 피스톤의 수직단면 상에서 상기 네크부를 이루는 곡선의 곡률반경(R3)의 중심은 상기 피스톤 상면으로부터 상기 실린더보어 직경의 2~10%의 범위 이내에 위치하는 것
    을 특징으로 하는 엔진의 피스톤.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 경계부가 피스톤 상면과 이루는 각도는 20 내지 40도의 범위 이내이고,
    상기 네크부 곡선의 곡률반경(R3)은 상기 실린더보어 직경의 2~4%의 범위 이내인 것
    을 특징으로 하는 엔진의 피스톤.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 피스톤의 수직단면 상에서, 상기 중앙돌출부의 중앙 상측 부분은 일정한 곡률반경(R1)으로 형성되고, 상기 함몰부와 공통접선으로 연결되는 것
    을 특징으로 하는 엔진의 피스톤.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 피스톤 상면으로부터 상기 중앙돌출부의 최상단까지의 깊이인 중앙깊이(H2)는 상기 실린더보어 직경의 4%이상 10%미만의 범위이고;
    상기 피스톤의 수직단면 상에서, 상기 중앙돌출부의 곡률반경(R1)은 상기 실린더보어 직경의 27~35% 이내의 범위이며;
    상기 중앙돌출부의 곡률반경(R1) 중심은 상기 피스톤 상면으로부터 하측으로 상기 실린더보어 직경의 31% 이상에 위치하고,
    상기 피스톤의 수직단면 상에서, 상기 함몰부의 곡률반경(R2)은 상기 실린더보어 직경의 5.5~6.5%의 범위 이내인 것
    을 특징으로 하는 엔진의 피스톤.
KR1020170063263A 2017-05-23 2017-05-23 엔진의 피스톤 KR20180128533A (ko)

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