KR20190106574A - 디젤 엔진용 피스톤 및 이를 포함하는 직분사식 디젤 엔진 - Google Patents

디젤 엔진용 피스톤 및 이를 포함하는 직분사식 디젤 엔진 Download PDF

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Abstract

디젤 엔진용 피스톤은 중심축 주위에 환형으로 형성된 상부면을 갖는 본체 및 상기 본체에 상기 상부면으로부터 오목하게 함몰되도록 구비되어 인젝터로부터 분사된 연료와 공기가 혼합되는 연소실을 포함한다. 상기 연소실은 상기 중심축을 향하여 돌출 형성된 립을 사이에 두고 제1 보울 및 상기 제1 보울 상부에 형성되는 제2 보울을 포함하고, 상기 제2 보울은 상기 립으로부터 반경 방향으로 연장하며 상기 중심축에 대하여 제1 예각으로 기울어진 보울 가이드부를 포함한다.

Description

디젤 엔진용 피스톤 및 이를 포함하는 직분사식 디젤 엔진{PISTON FOR DIESEL ENGINE AND DIRECT INEJCTION DIESEL ENGINE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 디젤 엔진용 피스톤 및 이를 포함하는 직분사식 디젤 엔진에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 고압 연료 분사기를 사용하는 디젤 엔진용 피스톤 및 이를 포함하는 디젤 엔진에 관한 것이다.
일반적인 디젤 엔진은 인젝터에서 분사되는 연료를 피스톤에 형성된 보울(연소실)에서 연료와 공기가 혼합되도록 하여 연소시키는 방법이 주로 사용되고 있다. 상기 피스톤 보울은 립(lip)의 위치에 따라 토로이덜형(toroidal type)의 보울과 리엔트런트형(reentrant type) 보울로 나눌 수 있다.
상기 토로이덜형 보울의 경우, 피스톤의 탑 랜드(top land) 공간이 적어 상사점(TDC) 시에 탑 랜드에서 보울 내부로 흐르는 스퀴시 제트(squish jet) 유동을 약화시키는 단점이 있다. 한편, 상기 리엔트런트형 보울의 경우, 탑 랜드 영역의 공기 활용률이 떨어져 국부적인 당량비가 높고 PM(particulate matters) 발생량을 줄이는데 한계를 지니고 있다.
본 발명의 일 과제는 연비를 향상시키고 수트(soot) 배기가스를 저감시킬 수 있는 디젤 엔진용 피스톤을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 과제는 상술한 피스톤을 포함하는 직분사식 디젤 엔진을 제공하는 데 있다.
상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 디젤 엔진용 피스톤은 중심축 주위에 환형으로 형성된 상부면을 갖는 본체 및 상기 본체에 상기 상부면으로부터 오목하게 함몰되도록 구비되어 인젝터로부터 분사된 연료와 공기가 혼합되는 연소실을 포함한다. 상기 연소실은 상기 중심축을 향하여 돌출 형성된 립을 사이에 두고 제1 보울 및 상기 제1 보울 상부에 형성되는 제2 보울을 포함하고, 상기 제2 보울은 상기 립으로부터 반경 방향으로 연장하며 상기 중심축에 대하여 제1 예각으로 기울어진 보울 가이드부를 포함한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 보울의 최저점은 상기 립의 최고점보다 낮을 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 인젝터는 상기 중심축에 대하여 제2 예각으로 상기 연료를 분사하고, 상기 보울 가이드부의 상기 제1 예각은 상기 제2 예각보다 작을 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 예각은 76도 내지 79도의 범위 이내일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 립의 표면은 제1 반경을 갖는 제1 원의 일부를 갖고, 상기 제2 보울의 표면은 제2 반경을 갖는 제2 원의 일부를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 보울 가이드부의 표면은 상기 립의 제1 원과 상기 제2 보울의 제2 원의 공통접선을 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 반경은 상기 제2 반경보다 클 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 보울의 표면은 제3 반경을 갖는 제3 원의 일부를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 원과 상기 제3 원의 공통접선은 상기 제1 보울과 상기 립의 교점을 지날 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 보울과 상기 립의 교점은 상기 제1 보울의 표면이 갖는 원의 중점에서 제1 각도만큼 회전한 중심각을 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 디젤 엔진용 피스톤은 상기 연소실의 바닥 중앙부로부터 상부로 돌출 형성된 중앙 핍을 더 포함할 수 있다. 상기 중앙 핍의 높이는 상기 중앙 핍의 최상단이 상기 제1 보울과 상기 립의 교점 및 상기 립의 내측 한계 지점 사이에 배치되는 높이일 수 있다.
상기 본 발명의 다른 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 직분사식 디젤 엔진은 실린더 내에 슬라이딩 가능하게 수용되며 중심축 주위에 환형으로 형성된 상부면을 갖는 본체 및 상기 본체에 상기 상부면으로부터 오목하게 함몰된 연소실을 갖는 피스톤, 및 상기 실린더를 커버하는 실린더 헤드를 관통하도록 설치되고 상기 연소실 내로 연료를 분사하기 위한 인젝터를 포함한다. 상기 연소실은 상기 중심축을 향하여 돌출 형성된 립을 사이에 두고 제1 보울 및 상기 제1 보울 상부에 형성되는 제2 보울을 포함하고, 상기 제2 보울은 상기 립으로부터 반경 방향으로 연장하며 상기 중심축에 대하여 제1 예각으로 기울어진 보울 가이드부를 포함한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 보울의 최저점은 상기 립의 최고점보다 낮을 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 립의 표면은 제1 반경을 갖는 제1 원의 일부를 갖고, 상기 제2 보울의 표면은 제2 반경을 갖는 제2 원의 일부를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 보울 가이드부의 표면은 상기 립의 제1 원과 상기 제2 보울의 제2 원의 공통접선을 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 반경은 상기 제2 반경보다 클 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 인젝터는 상기 중심축에 대하여 제2 예각으로 상기 연료를 분사하고, 상기 보울 가이드부의 상기 제1 예각은 상기 제2 예각보다 작을 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 예각은 76도 내지 79도의 범위 이내에 있을 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 인젝터는 상사점(TDC)에서 상기 제1 보울과 상기 립의 교점을 향하도록 분사하고 연료 분사 종료점(EOI)에서 상기 제2 보울의 저면을 향하도록 분사할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 보울과 상기 립의 교점은 상기 제1 보울의 표면이 갖는 원의 중점에서 제1 각도만큼 회전한 중심각을 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 보울의 표면이 갖는 원과 상기 립의 표면이 갖는 원의 공통접선은 상기 제1 보울과 상기 립의 교점을 지날 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 피스톤은 상기 연소실의 바닥 중앙부로부터 상부로 돌출 형성된 중앙 핍을 더 포함할 수 있다. 상기 중앙 핍의 높이는 상기 중앙 핍의 최상단이 상기 제1 보울과 상기 립의 교점 및 상기 립의 내측 한계 지점 사이에 배치되는 높이일 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 직분사식 디젤 엔진의 피스톤은 본체의 상부면으로부터 오목하게 함몰되도록 구비되어 인젝터로부터 분사된 연료와 공기가 혼합되는 연소실을 포함할 수 있다. 상기 연소실은 립을 사이에 두고 제1 보울 및 상기 제1 보울 상부에 형성되는 제2 보울을 포함하고, 상기 제2 보울은 상기 립으로부터 반경 방향으로 연장하며 상기 중심축에 대하여 제1 예각으로 기울어진 보울 가이드부를 포함할 수 있다.
따라서, 메인 연소실로서의 제1 보울과 보조 연소실로서의 제2 보울로 연료를 각각 분배하여 상기 연소실 내부 공기의 활용도를 최대화하여 국부적인 당량비를 낮출 수 있다.
이에 따라, 초기 연료 분사시점에서 고각의 연료 분사각도로 상기 제1 보울로 연료를 분사하고 말기 연료 분사시점에서 상기 제2 보울실로 연료를 분사함으로써, 연소 효율을 증가시키고 PM을 저감시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 직분사식 디젤 엔진을 나타내는 단면도이다.
도 2은 도 1의 디젤 엔진에서 연료 종료점에서의 피스톤 위치를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1의 디젤 엔진의 피스톤을 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 3의 피스톤의 일부를 나타내는 확대 단면도이다.
도 5는 도 1의 디젤 엔진에서 피스톤의 각 구성요소들의 직경을 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.
본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
본 발명에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
즉, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 직분사식 디젤 엔진을 나타내는 단면도이다. 도 2은 도 1의 디젤 엔진에서 연료 종료점에서의 피스톤 위치를 나타내는 단면도이다. 도 3은 도 1의 디젤 엔진의 피스톤을 나타내는 단면도이다. 도 4는 도 3의 피스톤의 일부를 나타내는 확대 단면도이다. 도 5는 도 1의 디젤 엔진에서 피스톤의 각 구성요소의 직경을 나타내는 단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 디젤 엔진은 실린더 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되며 연소실(100)을 갖는 피스톤(10), 및 상기 실린더를 커버하는 실린더 헤드(20), 및 실린더 헤드(20)를 관통하도록 설치되고 연소실(100) 내로 연료를 분사하기 위한 인젝터(30)를 포함할 수 있다.
피스톤(10)은 상기 실린더 내에서 왕복 운동함으로써 상기 실린더 내로 유입된 공기를 압축할 수 있다. 피스톤(10)은 중심축(P)을 가질 수 있다. 피스톤(10)이 상기 실린더 내로 조립될 때, 피스톤(10)의 중심축(P)은 상기 실린더의 세로축과 정렬될 수 있다.
피스톤(10)은 상기 공기와 유입되는 연료가 연소하면서 발생하는 배기가스의 폭발력을 커넥팅 로드를 통하여 크랭크샤프트(도시되지 않음)로 전달할 수 있다. 피스톤(10)은 내열성 및 내식성을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 피스톤(10)은 알루미늄 또는 주철을 포함할 수 있다.
실린더 헤드(20)는 상기 실린더를 덮고 연소실(100)과 접하는 저면을 가질 수 있다. 실린더 헤드(20)는 상기 공기가 유입되는 흡기 포트(도시되지 않음) 및 상기 배기가스를 배출하는 배기 포트(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 또한, 실린더 헤드(20)는 상기 흡기 포트에 연결된 흡기구를 개방 또는 폐쇄하는 흡기 밸브, 및 상기 배기 포트에 연결된 배기구를 개방 또는 폐쇄하는 배기 밸브를 더 포함할 수 있다.
인젝터(30)는 실린더 헤드(20)를 관통하도록 설치되고 상기 연료를 연소실(100) 내로 분사할 수 있다. 예를 들어, 인젝터(30)는 상기 연료를 분사하는 노즐홀들을 가질 수 있다. 상기 노즐홀들은 인젝터(30)의 원주 방향을 따라 서로 이격 형성되어 사방으로 연료를 분사할 수 있다. 또한, 인젝터(30)의 연료 분사 압력은 약 2200bar 내지 약 3000bar 이내의 초고압의 범위를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 인젝터(30)는 중심축(P)에 대하여 기 설정된 예각(A1), 즉, 연료 분사 각도로 상기 연료를 분사할 수 있다. 중심축(P)으로부터 인젝터(30)의 상기 노즐홀에서 분사되는 상기 연료의 중심 라인(centerline)의 연료 분사각도(A1)는 70도 내지 80도의 범위 이내일 수 있다. 예를 들면, 상기 연료의 분사각도는 76도 내지 79도의 범위 이내일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 피스톤(10)은 중심축(P) 주위에 상부면(104)을 갖는 본체(102) 및 본체(102)의 상부면(104)에 형성된 연소실(100)을 포함할 수 있다.
상부면(104)은 실질적으로 평평하게 형성될 수 있다. 상부면(104)은 중심축(P)을 중심으로 원주 방향으로 연장할 수 있다. 상부면(104)은 내부 반경과 외부 반경을 갖는 환형의 링일 수 있다. 상부면(104)의 내경(D3)은 상부면(104)의 내측 한계 지점(S3)에 의해 정의되고, 상부면(104)의 외경(D4)은 상부면(104)의 외측 한계 지점(S4)에 의해 정의될 수 있다. 피스톤(10)의 최외곽면은 외측 한계 지점(S4)을 포함할 수 있다.
연소실(100)은 본체(102)에 상부면(104)으로부터 오목하게 함몰된 개구부를 포함하고 인젝터(30)로부터 분사된 연료와 공기가 혼합될 수 있다. 연소실(100)은 제1 보울(120), 립(lip)(130) 및 제2 보울(140)을 포함할 수 있다. 제1 보울(120) 및 제2 보울(140)은 립(130)을 사이에 두고 제2 보울(140)은 제1 보울(120) 상부에 배치될 수 있다.
피스톤(10)은 중앙 핍(pip)(110)을 포함할 수 있다. 중앙 핍(110)은 연소실(100)의 바닥 중앙부를 형성할 수 있다. 중앙 핍(110)은 상부로 돌출할 수 있다. 중앙 핍(110)의 돌출 높이는 중앙 핍(110)의 최상단(112a)이 후술되는 제1 보울(120)과 립(130)의 교점(N1) 및 립(130)의 내측 한계 지점(S2) 사이에 배치되는 높이로 형성될 수 있다. 중앙 핍(110)은 중심축(P)을 중심으로 한 원추형 또는 돔 형상을 가질 수 있다. 중앙 핍(110)은 중심축(P)에 대하여 기울어진 경사면을 가질 수 있다. 중앙 핍(110)은 중심축(P)으로부터 멀어질수록 깊이가 더 깊어질 수 있다.
제1 보울(120)은 중앙 핍(110)으로부터 반경 방향으로 연장 형성될 수 있다. 제1 보울(120)은 중앙 핍(110) 둘레에 토러스의 일부 형태로 형성될 수 있다. 제1 보울(120)은 중앙 핍(110)과 동심원 형태로 형성될 수 있다. 제1 보울(120)은 연소실(100)의 바닥 일부 및 측벽 일부를 형성할 수 있다.
제1 보울(120)은 오목한 아크 형태의 단면 형상을 가질 수 있다. 제1 보울(120)의 표면(122)은 제1 반경(R1)을 갖는 제1 원(C1)의 일부를 가질 수 있다. 제1 보울(120)의 바닥 지점(PB1)은 연소실(100)의 최저점일 수 있다. 제1 보울(120)의 바닥 지점(PB1)은 상부면(104)으로부터 제1 깊이(H1)를 가질 수 있다. 제1 보울(120)의 직경(D2)은 제1 보울(120)의 외측 한계 지점(S1)에 의해 정의될 수 있다.
립(130)은 제1 보울(120)로부터 중심축(P1)을 향하여 연장 형성될 수 있다. 립(130)은 연소실(100)의 측벽 일부를 형성할 수 있다. 립(130)은 볼록한 아크 형태의 단면 형상을 가질 수 있다. 립(130)의 표면(132)은 제2 반경(R2)을 갖는 제2 원(C2)의 일부를 가질 수 있다. 제2 반경(R2)은 제1 반경(R1)보다 작을 수 있다. 립(130)의 직경(D1)은 립(130)의 내측 한계 지점(S2)에 의해 정의될 수 있다. 제1 보울(120)의 바닥 지점(PB1)은 립(130)의 피크 지점(PT2)으로부터 제2 깊이(H2)를 가질 수 있다.
제2 보울(140)은 립(130)으로부터 반경 방향으로 연장 형성될 수 있다. 제2 보울(140)은 립(130)과 상부면(104) 사이에 배치될 수 있다. 제2 보울(140)은 상부면(104) 내측에 토러스의 일부 형태로 형성될 수 있다. 제2 보울(140)은 중앙 핍(110) 및 제2 보울(140)과 동심원 형태로 형성될 수 있다. 제2 보울(140)은 연소실(100)의 측벽 일부를 형성할 수 있다.
제2 보울(140)은 오목한 아크 형태의 단면 형상을 가질 수 있다. 제1 보울(140)의 표면(142)은 제3 반경(R3)을 갖는 제3 원(C3)의 일부를 가질 수 있다. 제3 반경(R3)은 제2 반경(R2)보다 작을 수 있다. 제1 보울(120)의 바닥 지점(PB1)은 제2 보울(140)의 바닥 지점(PB3)으로부터 제3 깊이(H3)를 가질 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 원(C1)과 제2 원(C2)의 공통접선은 제1 보울(120)과 립(130)의 교점(N1)을 지날 수 있다. 교점(N1)에서의 제1 원(C1)의 접선의 기울기는 교점(N1)에서의 제2 원(C2)의 접선의 기울기와 동일할 수 있다.
제1 보울(120)과 립(130)의 교점(N1)은 제1 보울(120)의 표면(122)이 갖는 제1 원(C1)의 중점(O1)에서 제1 각도(B1)만큼 회전한 중심각을 가질 수 있다. 이 때, 교점(N1)의 중심각(B1)은 연료 분사각도(A1)/2 ㅁ10(deg) 이내에 위치하도록 결정될 수 있다.
제1 보울(120)의 직경(D2)과 상부면(104)의 외경(D4)의 비(D2/D4)는 0.52 내지 0.60의 범위 이내에 있을 수 있다. 립(130)의 직경(D1)과 상부면(104)의 내경(D3)의 비(D1/D3)는 0.69 내지 0.78의 범위 이내에 있을 수 있다. 제2 깊이(H2)와 제1 깊이(H1)의 비(H2/H1)는 0.1 내지 0.2의 범위 이내에 있을 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 제2 보울(140)은 립(130)으로부터 반경 방향으로 연장하며 중심축(P)에 대하여 기 설정된 각도(A2)로 기울어진 보울 가이드부(145)를 포함할 수 있다. 보울 가이드부의 경사 각도(A2)는 연료 분사각도(A1)보다 더 작게 설정될 수 있다. 제2 보울(140)의 바닥 지점(PB3), 즉, 최저점은 립(130)의 피크 지점(PT2), 즉, 최고점보다 낮게 위치할 수 있다. 보울 가이드부의 경사 각도(A2)는 다음 식(1)와 같이 설정될 수 있다.
Figure pat00001
------ 식 (1)
보울 가이드부(145)의 표면은 경사 직선면을 가질 수 있다. 보울 가이드부(145)의 표면은 립(130)의 제2 원(C2)과 제2 보울(140)의 제3 원(C3)의 공통접선(IL)을 가질 수 있다. 보울 가이드부(145)의 공통접선은 립 표면(132)과 보울 가이드부(145)의 교점(N2) 및 보울 가이드부(145)와 제2 보울 표면(142)의 교점(N3)을 지날 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 인젝터(30)는 상사점(TDC, top dead center)에서 상기 연료를 제1 보울(120) 내부로 흐르도록 분사할 수 있다. 인젝터(30)는 상사점(TDC)에서 제1 보울(120)과 립(130)의 교점(N1)을 향하도록 분사할 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 인젝터(30)는 연료 분사 종료점(EOI, end of injection)에서 제2 보울(140) 내부로 흐르도록 분사할 수 있다. 인젝터(30)은 연료 분사 종료점(EOI)에서 제2 보울(140)의 바닥 지점(PB3), 즉, 저면을 향하도록 분사할 수 있다.
상사점(TDC)에서 연료는 연료 분사각도(A1)를 따라 메인 연소실로서의 제1 보울(120)과 립(130)의 교점(N1)을 향하도록 분사될 수 있다. 이러한 교점(N1)으로부터 분사된 연료는 제1 보울(120)의 원 단면 형상을 따라 이동함으로써, 상기 분사된 연료가 벽면과의 충돌로 인해 발생하는 운동에너지 감소량을 최소한으로 하여 연소될 수 있다. 따라서, 제1 보울(120) 내부의 강한 스월(swirl) 유동을 이용하여 공기와 연료의 혼합률을 증가시켜 연소 효율을 높일 수 있다.
연료가 분사되는 동안 피스톤(10)은 하강하게 되고, 연료 분사 종료점(EOI)에서 유동의 방향은 스퀴시(squish) 방향의 역방향으로 흐르게 된다. 이 때, 연료는 보조 연소실로서의 제2 보울(140)의 저면으로 분사되어 연소될 수 있다. 제2 보울(140)에서 연소된 가스는 상부면(104) 영역으로 흐르고 상기 보조 연소실에서 생성된 PM이 산화될 수 있다.
제2 보울(140)은 보울 가이드부(145)를 포함하고, 연료 분사 종료 시점에 분사된 연료는 보울 가이드부(145)의 하향 경사면을 따라 이동함으로써, 운동에너지 감소량을 최소한으로 하여 연소될 수 있다.
이에 따라, 연료는 상기 메인 연소실과 상기 보조 연소실로 각각 분산되고 각각에 존재하는 공기를 활용하여 국부적인 당량비를 감소시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 예시적인 실시예들에 따른 직분사식 디젤 엔진은 메인 연소실과 보조 연소실로 연료를 각각 분배하여 연소실 내부 공기의 활용도를 최대화하여 국부적인 당량비를 낮출 수 있어 PM을 저감시킬 수 있다.
또한, 초기 연료 분사시점에서 76도 내지 79도의 고각의 연료 분사각도로 높은 스퀴시 제트(high squish jet) 영역으로 연료를 분사하여 연소 효율을 증가시킬 수 있다. 말기 연료 분사시점에서 보조 연소실로 분사된 연료는 운동에너지를 잃지 않고 공기와의 높은 혼합률로 연소되고, 상기 보조 연소실에서 생성된 PM은 상부면 상부 공간의 공기를 활용하여 산화되도록 유도하여 PM을 저감시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 피스톤 20: 실린더 헤드
30: 인젝터 100: 연소실
102: 본체 104: 상부면
110: 중앙 핍 120: 제1 보울
130: 립 140: 제2 보울
145: 보울 가이드부

Claims (18)

  1. 중심축 주위에 환형으로 형성된 상부면을 갖는 본체; 및
    상기 본체에 상기 상부면으로부터 오목하게 함몰되도록 구비되어 인젝터로부터 분사된 연료와 공기가 혼합되는 연소실을 포함하고,
    상기 연소실은 상기 중심축을 향하여 돌출 형성된 립을 사이에 두고 제1 보울 및 상기 제1 보울 상부에 형성되는 제2 보울을 포함하고, 상기 제2 보울은 상기 립으로부터 반경 방향으로 연장하며 상기 중심축에 대하여 제1 예각으로 기울어진 보울 가이드부를 포함하는 디젤 엔진용 피스톤.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 보울의 최저점은 상기 립의 최고점보다 낮은 디젤 엔진용 피스톤.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 인젝터는 상기 중심축에 대하여 제2 예각으로 상기 연료를 분사하고, 상기 보울 가이드부의 상기 제1 예각은 상기 제2 예각보다 작은 디젤 엔진용 피스톤.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제2 예각은 76도 내지 79도인 디젤 엔진용 피스톤.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 립의 표면은 제1 반경을 갖는 제1 원의 일부를 갖고, 상기 제2 보울의 표면은 상기 제1 반경보다 작은 제2 반경을 갖는 제2 원의 일부로 형성되고,
    상기 보울 가이드부의 표면은 상기 제1 원과 상기 제2 원의 공통접선을 갖는 디젤 엔진용 피스톤.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제1 보울의 표면은 제3 반경을 갖는 제3 원의 일부를 갖는 디젤 엔진용 피스톤.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제2 원과 상기 제3 원의 공통접선은 상기 제1 보울과 상기 립의 교점을 지나는 디젤 엔진용 피스톤.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 보울과 상기 립의 교점은 상기 제1 보울의 표면이 갖는 원의 중점에서 제1 각도만큼 회전한 중심각을 갖는 직분사식 디젤 엔진.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소실의 바닥 중앙부로부터 상부로 돌출 형성된 중앙 핍을 더 포함하고,
    상기 중앙 핍의 높이는 상기 중앙 핍의 최상단이 상기 제1 보울과 상기 립의 교점 및 상기 립의 내측 한계 지점 사이에 배치되는 높이인 디젤 엔진용 피스톤.
  10. 실린더 내에 슬라이딩 가능하게 수용되며, 중심축 주위에 환형으로 형성된 상부면을 갖는 본체 및 상기 본체에 상기 상부면으로부터 오목하게 함몰된 연소실을 갖는 피스톤; 및
    상기 실린더를 커버하는 실린더 헤드를 관통하도록 설치되고, 상기 연소실 내로 연료를 분사하기 위한 인젝터를 포함하고,
    상기 연소실은 상기 중심축을 향하여 돌출 형성된 립을 사이에 두고 제1 보울 및 상기 제1 보울 상부에 형성되는 제2 보울을 포함하고, 상기 제2 보울은 상기 립으로부터 반경 방향으로 연장하며 상기 중심축에 대하여 제1 예각으로 기울어진 보울 가이드부를 포함하는 직분사식 디젤 엔진.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제2 보울의 최저점은 상기 립의 최고점보다 낮은 직분사식 디젤 엔진.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 립의 표면은 제1 반경을 갖는 제1 원의 일부를 갖고, 상기 제2 보울의 표면은 상기 제1 반경보다 작은 제2 반경을 갖는 제2 원의 일부로 형성되며,
    상기 보울 가이드부의 표면은 상기 립의 제1 원과 상기 보울의 제2 원의 공통접선을 갖는 직분사식 디젤 엔진.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 인젝터는 상기 중심축에 대하여 제2 예각으로 상기 연료를 분사하고, 상기 보울 가이드부의 상기 제1 예각은 상기 제2 예각보다 작은 직분사식 디젤 엔진.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제2 예각은 76도 내지 79도인 직분사식 디젤 엔진.
  15. 제 10 항에 있어서, 상기 인젝터는 상사점(TDC)에서 상기 제1 보울과 상기 립의 교점을 향하도록 분사하고 연료 분사 종료점(EOI)에서 상기 제2 보울의 저면을 향하도록 분사하는 직분사식 디젤 엔진.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제1 보울과 상기 립의 교점은 상기 제1 보울의 표면이 갖는 원의 중점에서 제1 각도만큼 회전한 중심각을 갖는 직분사식 디젤 엔진.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 제1 보울의 표면이 갖는 원과 상기 립의 표면이 갖는 원의 공통접선은 상기 제1 보울과 상기 립의 교점을 지나는 직분사식 디젤 엔진.
  18. 제 10 항에 있어서, 상기 피스톤은 상기 연소실의 바닥 중앙부로부터 상부로 돌출 형성된 중앙 핍을 더 포함하고,
    상기 중앙 핍의 높이는 상기 중앙 핍의 최상단이 상기 제1 보울과 상기 립의 교점 및 상기 립의 내측 한계 지점 사이에 배치되는 높이인 직분사식 디젤 엔진.
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