KR20190116513A - 내연기관용 피스톤 - Google Patents

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KR20190116513A
KR20190116513A KR1020197028113A KR20197028113A KR20190116513A KR 20190116513 A KR20190116513 A KR 20190116513A KR 1020197028113 A KR1020197028113 A KR 1020197028113A KR 20197028113 A KR20197028113 A KR 20197028113A KR 20190116513 A KR20190116513 A KR 20190116513A
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annular
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combustion engine
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KR1020197028113A
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헨리크 뎀빈스키
Original Assignee
스카니아 씨브이 악티에볼라그
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Abstract

환형 바닥 부분(15), 융기된 중앙 바닥 부분(16), 환형 상부 측벽 부분(18) 및 환형 바닥 부분(15)으로부터 상부 측벽 부분을 향해 상방으로 연장하는 환형 하부 측벽 부분(19)을 포함하는 피스톤 보울(4)을 구비하는 내연기관용 피스톤(2). 피스톤 보울은 환형 상부 측벽 부분과 하부 측벽 부분 사이의 전이부에 형성되는 환형 리지(20) 및 각도 상으로 이격된 다수의 돌출부를 더 포함하며, 각각의 돌출부는 오목 표면 부분(22)을 구비한다. 피스톤 보울은 돌출부들 중 하나의 아래에 위치된 목표 위치를 향해 분사되는 유체 스프레이가 환형 리지에 의해 상부 유동 부분 및 하부 유동 부분으로 분할되도록 구성되고, 상부 유동 부분은 돌출부의 오목 표면 부분에 의해 편향됨으로써 연소 챔버에 와류 운동을 생성시키는 데 도움이 된다.

Description

내연기관용 피스톤
본 발명은 특허청구범위 청구항 1의 전제부에 따른 내연기관용 피스톤 및 이러한 피스톤을 구비하는 적어도 하나의 실린더를 포함하는 내연기관에 관한 것이다. 본 발명은 또한 내연 기관을 포함하는 모터 차량 및 내연기관 실린더의 연소 챔버에 와류를 생성하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명의 피스톤을 기본적으로 디젤기관에 대해 설명하지만, 본 발명의 피스톤이, 예를 들어 연료 분사에 이어서 피스톤 운동을 제공하도록 연료가 점화되는 것에 의해, 연료 또는 다른 유체가 연소 챔버 내로 직접 분사되는 어떠한 종류의 내연기관에서도 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 본 발명의 피스톤은 예컨대 오토기관(Otto Engine)과 같은 2행정 및 4행정 기관, 예혼합 압축 착화 연소(HCCI: Homogeneous Charge Compression Ignition) 기관, 반응성 제어 압축 착화 연소(RCCI: Reactivity Controlled Compression Ignition) 기관에서 사용될 수 있다.
내연기관은 또한 예컨대 펌프 또는 발전기에서 사용되는 정지형 내연기관일 수 있다.
압축 착화 기관으로도 알려져 있는 디젤기관 및 오토기관 또는 불꽃 점화 기관과 같은 내연기관이 트럭 및 버스, 승용차, 선박 등과 같은 여러 가지 유형의 모터 차량에서 일반적으로 사용된다. 내연기관은 또한 많은 산업 분야에서 사용된다.
아래에서 기관으로도 칭하는 내연기관은 디젤, 휘발유, 에탄올, 가스 연료 및 바이오 연료와 같은 다수의 각기 다른 유형의 연료에 의해 구동된다. 기관은 왕복 피스톤이 제공된 다수의 실린더를 구비한다. 실린더의 상부 및 실린더 헤드와 함께, 피스톤 보울(piston bowl)이 연료가 분사되어 연소되는 연소 챔버를 형성한다. 피스톤 보울은 공기와 연료의 혼합에 기여하고 그리고 연소 챔버 내에서의 연소 및 배출가스 형성에 영향을 미치는 유동 패턴을 생성하도록 설계된다.
디젤기관에서, 연료는 일반적으로 피스톤의 동력 행정 중에 분사된다. 연료는 압축열에 의해 점화되고 거의 분사 직후에 연소된다. 따라서 공기와 연료는 아주 짧은 시간에 혼합되어야만 하고, 완전 연소를 달성하도록 혼합이 효과적인 것을 그리고 연료가 연소 챔버 내에 잘 분산되는 것을 보장하는 것이 바람직하다. 연소 도중, 사전에 혼합되지 않은 디젤 화염 내의 산소 부족으로 인해 다량의 그을음이 생성된다. 이에 의해 분사 종료와 배기 밸브 개방 간의 시간이 실린더 내에 잔존하는 그을음 입자들을 산화시키는 데에 매우 중요하다. 4개의 중요한 파라미터, 즉 시간, 온도, 산소 및 난류가 이른바 후산화 단계(post-oxidation phase) 중의 그을음 산화를 제어한다. 이에 의해 이 파라미터들을 제어함으로써 배기가스 중에 존재하는 그을음 입자들의 양이 최소화될 수 있다.
기본적으로 그을음 및 질소산화물(NOx)과 관련된 점점 엄격해지는 배출가스 규제는 내연기관의 배출가스 제어를 더 개선하려는 노력이 필요하게 한다. 그러나 보다 효과적인 배출가스 제어는 종종 보다 복잡하고 에너지를 요구하는 후처리 및 연소 시스템을 요구함으로써, 연료 소비를 증가시키는 원인이 된다. 예를 들어 연소 챔버에 난류를 형성하고 연료를 공기와 효과적으로 혼합하기 위해 와류 운동이 생성될 수 있다. 와류 운동은 실린더의 축선 둘레에서의 대규모 와류 운동이며, 이는 전형적으로 흡기 포트에 의해 피스톤의 흡기 행정 중에 생성된다. 와류 운동은 연소 조건을 개선시키고 후산화 단계에서 난류를 증가시킴으로써, 배출가스 레벨을 감소시킨다. 그러나 흡기 행정 중에 와류 운동을 생성하는 것은 에너지를 요구하고 또한 후속하는 압축 행정 중에 연소 챔버의 벽들로의 열전달을 증가시킨다. 따라서 흡기 행정 도중의 흡기 포트들에 의한 와류 운동의 생성은 기관의 효율을 감소시킨다. 한편, 흡기 포트들이 와류를 생성하지 않도록 설계되면, 그을음 레벨이 증가할 수 있고 이에 의해 예컨대 보다 높은 분사압 또는 기관의 하류에 구비되는 디젤 입자 필터들(DPF: Diesel Particulate Filters)이 요구될 수 있다. 이러한 높은 분사압 및 필터들은 일반적으로 생산 비용과 연료 소비를 증가시킨다.
피스톤 보울을 개조하는 것에 의해 공기/연료의 혼합을 개선하는 공지의 해결책들이 있다. 예를 들어 FR2898638은 프로펠러형 하부 구조가 제공된 피스톤 보울을 구비하는 내연기관용 피스톤을 개시하고 있다. 하부 구조는 연료 분사 시 연소 챔버에 와류 운동을 생성한다. 그러나 하부 구조의 공동 내에서 연료가 막히고 이에 따라 공기와 연료의 혼합이 불충분해지는 위험이 있다. 이에 의해 그을음 및 탄화수소(HC)가 생성되어 배출가스 레벨을 증가시킬 수 있다.
US2011/0253095는 피스톤 보울의 측벽으로부터 돌출하는 복수의 돌출부가 제공된 피스톤 보울을 구비하는 내연기관용 피스톤을 개시하고 있다. 연료는 연소 챔버 내로 분사되고, 회전 운동이 유도될 수 있도록 돌출부들에 충격할 때 방향이 바뀐다.
그러나 효율적인 연소, 연소 챔버 벽들로의 제한된 열전달 및 감소된 배출가스 레벨의 조합을 가능하게 하는 더 개선된 피스톤에 대한 필요성이 있다.
본 발명의 제1 목적은 연소 효율 및 후산화 단계를 개선함으로써 배출가스 레벨을 감소시키고 연소 챔버의 벽들로의 열전달의 저감을 가능하게 하도록 구성된 피스톤 보울을 구비하는 내연기관용 피스톤을 제공하는 데 있다. 제2 목적은 효율이 개선되고 배출가스 레벨이 감소됨으로써 극히 높은 연소압, 디젤 입자 필터 및 이와 유사한 것에 대한 필요성을 감소시키는 내연기관을 제공하는 데 있다. 제3 목적은 적어도 일부 태양에서 개선되고 에너지를 덜 소비하는 연소 챔버 내에 후산화 단계까지 존속하는 와류 운동을 생성하는 방법을 제공하는 데 있다.
적어도 제1 목적은 서두에 한정된 내연기관용 피스톤으로, 피스톤 보울이
- 환형 상부 측벽 부분과 환형 하부 측벽 부분 사이의 전이부에 형성되고, 중앙 축선을 향해 연장하는 환형 리지,
- 각도 상으로 이격된 다수의 돌출부로, 환형 상부 측벽 부분으로부터 중앙 축선을 향해 돌출하되, 각각의 돌출부가 오목 표면 부분을 구비하는, 다수의 돌출부를 더 포함하고,
피스톤 보울이 상기 각도 상으로 이격된 돌출부들 중 하나의 아래에 위치된 목표 위치를 향해 분사되는 유체 스프레이가 환형 리지에 의해 상부 유동 부분 및 하부 유동 부분으로 분할되도록 구성되고, 상부 유동 부분은, 연소 챔버에 와류 운동을 생성시키는 데 도움이 되도록, 목표 위치 위에 위치된 돌출부의 오목 표면 부분에 의해 편향된다.
본 발명에 따른 피스톤은 피스톤 보울 내에 와류 운동이 생성되어 공기와 연료의 혼합이 개선되도록 유체 스프레이의 일부분을 편향시키도록 구성된 피스톤 보울을 구비한다. 이에 의해 예컨대 연료의 연소 챔버 내로의 분사 중에 와류 운동이 유도될 수 있고, 와류 운동은 연소의 후산화 단계까지 존속할 것이다. 와류 운동은 흡기 포트들의 디자인과 무관하게 생성될 수 있다. 따라서 와류 운동을 생성하기 위해 요구되는 에너지가 감소될 수 있다. 더욱이, 흡기 행정 중에 와류가 생성되지 않으면 실린더의 압축 행정 중에 연소 챔버의 벽들로의 열전달이 감소될 수 있다. 또한 연료와 공기의 혼합이 개선됨으로써 그을음 입자가 보다 적어지는 것을 포함하여 배출물 레벨이 보다 낮아지게 되고, 이에 의해 비싸고 에너지를 요구하는 증가된 분사압 및/또는 디젤 입자 필터들에 대한 필요성이 감소된다. 더욱이, 동일할 수 있는 각도 상으로 이격된 돌출부들이 화염을 획정하고 화염의 크기를 감소시키며, 이에 의해 연소되지 않은 산소 및 질소에 노출되는 화염의 표면적을 획정한다. 화염의 표면에 NOx 가스가 주로 생성되기 때문에, 화염이 작을수록 NOx 배출물의 레벨도 감소된다. 이에 의해 제안된 피스톤은 내연기관의 에너지 효율을 개선하고 그을음 및 NOx 배출물 레벨들 둘 다를 감소시키는 데 유용하다.
돌출부 아래에 위치되는 환형 리지를 구비하는 구성 형태는, 분사 시에, 유체 스프레이 또는 유체 스프레이가 분사 시에 점화되는 연료 스프레이인 경우에는 화염이 환형 리지 상에서 분할 되도록 유체 스프레이의 방향을 정하는 것을 가능하게 한다. 유체 스프레이/화염의 상부 유동 부분은 돌출부 위의 오목 표면 부분을 향해 편향되고, 유체 스프레이/화염의 하부 유동 부분은 환형 바닥과 환형 하부 측벽 부분에 의해 획정된 환형 채널로 편향될 수 있다. 오목 표면 부분에 의해 편향된 유체 스프레이/화염의 상부 유동 부분은 환형 리지 위에 있는 위치를 향해 편향될 수 있고, 이에 따라 연소 챔버의 상부 파트에 와류 운동이 유도된다. 이는 속도 구배로 인해 연료와 공기의 혼합을 더 개선시킬 수 있다.
후산화 단계 중에, 연소 챔버에서 생성된 대규모 와류가 소규모 난류로 분열되어 그을음 산화를 가속시키고 이에 의해 그을음 배출을 저감시킬 수 있다. 대규모 와류 운동의 소규모 난류로의 분열은 연소 단계 중에 대규모 와류 운동에 의해 생성되는 피스톤 보울 내에서의 속도 차이 때문에 가능하다.
와류 운동이 제안된 피스톤에 의해 연료의 분사 시에 생성될 수 있기 때문에, 연료/공기 혼합기의 회전 속도가 연료 분사압에 비례하게 된다. 따라서 와류 운동은 연료 분사압에 따라 그 규모가 정해지고 이에 의해 내연기관의 작동 조건에 맞추어진다.
연료 스프레이는 전형적으로 연소 챔버로의 분사 후 매우 짧은 시간에, 즉 점화 지연 후에 점화될 수 있다. 점화 시 화염이 생성된다. 그러나 분사된 연료 스프레이가 반드시 연료 스프레이이어야 할 필요는 없고, 또한 피스톤의 압축 행정 중에 또는 동력 행정 중에 와류 운동을 생성하기 위해 주로 분사되는 액체 스프레이 또는 연료/가스의 혼합기일 수 있다. 예를 들어, 물의 형태로 된 유체의 분사는 연소 온도를 감소시키고 이에 의해 NOx 배출물을 감소시킬 수 있다. 예컨대 오토 기관에서는 점화 플러그를 이용한 연료/공기 혼합기의 점화 전에 와류 운동이 생성되도록 연료/공기 혼합기가 압축 행정 중에 분사될 수 있다. 연료 스프레이는 또한 후산화 단계 중의 조건들을 개선하도록 동력 행정 중에 분사될 수 있다.
물론, 연소 챔버에 난류를 더 증가시키기 위하여, 본 발명에 따른 피스톤을 흡기 행정 중에 와류 운동을 생성하도록 구성된 흡기 포트들과 조합하는 것이 가능하다. 흡기 포트들에 의해 생성되는 와류의 방향은 유체 분사에 의해 유도된 와류의 방향과 동일하거나 혹은 그 반대일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 각도 상으로 이격된 돌출부들 각각의 오목 표면 부분이 반경 방향 내측을 향하도록 구성된다. 이에 의해 연료의 방향이 와류 운동을 생성하기에 효과적으로 바뀔 수 있다.
일 실시예에 따르면, 각도 상으로 이격된 돌출부들 각각의 오목 표면 부분이 상부 유동 부분의 적어도 일부가 환형 리지 위의 위치를 향해 방향이 바뀌도록 구성된다. 이에 의해 와류 운동은 환형 리지 위에 위치된 연소 챔버의 상부 파트에 유도될 수 있다. 하부 유동 부분이 환형 리지로부터 피스톤 보울의 바닥에 있는 상술한 환형 채널을 향해 편향되면, 연료와 공기의 혼합이 더 개선된다.
일 실시예에 따르면, 각도 상으로 이격된 돌출부들 각각이 최내측 지점을 구비하되, 최내측 지점의 중앙 축선으로부터의 반경 방향 거리가 환형 리지의 중앙 축선으로부터의 반경 방향 거리와 유사하다. 여기서 "최내측 지점"은 중앙 축선과 가장 가까운 지점, 즉 환형 상부 측벽 부분으로부터 가장 돌출한 지점을 의도한다. 여기서 "유사한 반경 방향 거리"는 환형 리지의 최내측 지점과 중앙 축선 간의 반경 방향 거리와 10% 이상 차이나지 않는 거리를 의도한다. 이 실시예에서, 점화 지연은 NOx 가스 및 그을음 입자들 둘 다를 감소시키기 위해 최적화될 수 있다. 돌출부가 중앙 축선에 보다 가까운 위치까지 연장하게 하는 것도 또한 가능하고, 이 경우 NOx 가스량의 감소와 그을음량의 증가를 초래하는 보다 짧은 점화 지연이 예상될 수 있다. 대신, 돌출부가 중앙 축선으로부터 더 멀리 있는 위치까지 연장되면, 반대의 경우가 예상될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 환형 하부 측벽 부분이 돌출부가 없는 오목 표면의 형태일 수 있다. 이는 연료가 피스톤 보울의 하부 파트에서 막힐 위험을 감소시키고 연소 챔버의 상부 파트 내에서 연료/공기를 회전시키는 것에 의한 연소 챔버의 하부 파트에서 연료/공기의 혼합을 위한 조건들을 개선한다.
일 실시예에 따르면, 각도 상으로 이격된 돌출부들 각각이 오목 표면 부분 반대쪽에 위치된 볼록 표면 부분을 더 포함한다. 이에 의해 상부 유동 부분은 돌출부의 최내측 가장자리 상에서 분할될 수 있고, 상부 유동 부분의 하나의 파트가 오목 표면 부분을 따르는 반면 다른 파트는 볼록 표면 부분을 따르는데, 두 파트 모두 와류 운동의 생성시킨다.
일 실시예에 따르면, 중앙 바닥 부분이 중앙 축선 상의 최고 지점을 구비하고, 이 최고 지점으로부터 중앙 바닥 부분이 환형 바닥 뿐을 향해 하방으로 경사진다. 이러한 구성 형태는 압축 행정 중에 연소 챔버에서 달성되는 압축을 증가시킨다. 또한, 공기는 연소가 일어나는 연소 챔버의 주변으로 압축된다. 중앙 바닥 부분은 원뿔 또는 본질적으로 원뿔인 형상을 갖는 것이 바람직하다. 중앙 부분의 최고 지점은 환형 리지의 축선 레벨에 또는 환형 리지의 축선 레벨 위에 위치될 수 있다.
적어도 제2 목적은 제안된 피스톤을 구비하는 적어도 하나의 실린더를 포함하는 내연기관에 의해 달성된다. 이러한 연소 기관의 장점 및 유리한 피처들은 제안된 피스톤에 대한 위의 설명으로부터 알 수 있다. 물론, 내연기관은 제안된 피스톤을 구비하는 실린더를 다수 포함할 수 있다. 내연기관은 모터 차량 내에서 또는 펌프 또는 발전기와 같은 정지형 기계 내에서 사용되기에 적합할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 내연기관이 유체 스프레이를 다수의 목표 위치를 향하도록 분사하게 구성된 분사기를 더 포함하고, 각각의 목표 위치는 상기 각도 상으로 이격된 돌출부들 중 하나의 아래에 위치된다. 각각의 목표 위치는 각도 상으로 이격된 돌출부들 중 하나와 연관되고 연관된 돌출부 바로 아래에 위치된다. 이에 의해 내연기관은 예컨대 연료, 공기, 물 또는 이들의 혼합물의 형태로 된 유체의 분사 시에 와류 운동을 생성하도록 구성된다. 바람직하게는, 분사기가 중앙 축선 상에 위치된다.
본 발명은 또한 제안된 내연기관을 포함하는 모터 차량에 관한 것이다. 모터 차량은 트럭 또는 버스와 같은 대형 차량일 수 있지만 예컨대 승용차 또는 다른 모터 차량일 수 있다.
적어도 제3 목적은
제안된 내연기관의 실린더의 연소 챔버에 와류 운동을 생성하기 위한 방법으로,
- 피스톤의 흡기 행정 중에 공기의 유동을 연소 챔버 내로 제공하는 단계,
- 피스톤의 압축 행정 중에 또는 그 후에, 다수의 목표 위치를 향해 연료 스프레이를 분사하고, 이에 따라 유체 스프레이가 목표 위치들 각각에서 환형 리지에 의해 상부 유동 부분 및 하부 유동 부분으로 분할되되, 상부 유동 부분이 목표 위치 위에 위치된 돌출부의 오목 표면 부분에 의해 편향됨으로써 와류 운동이 연소 챔버에 생성되도록, 연료 스프레이를 분사하는 단계를 포함하는 방법에 의해 달성된다.
방법의 장점들은 제안된 피스톤의 상술한 설명으로부터 알 수 있다.
일 실시예에 따르면, 유체 스프레이를 분사하는 단계가, 피스톤의 압축 행정에 이어서, 연료 스프레이가 점화되어 화염이 형성될 때, 적어도 화염의 상부 유동 부분이 오목 표면 부분에 의해 편향됨으로써 연소 챔버에 와류 운동이 생성되도록 연료 스프레이를 분사하는 단계를 포함한다. 이는 연료 스프레이가 거의 분사 시에 바로 점화되는 디젤 기관에 적용 가능하다.
일 실시예에 따르면, 연소 챔버로 제공되는 공기의 유동이 와류를 생성하지 않으면서 제공된다. 이에 의해 와류 운동은 연료의 분사 시에 전적으로 생성되고, 와류 운동을 생성하기 위해 요구되는 에너지의 양이 감소된다. 그러나 연소 챔버의 난류를 더 향상시키기 위해 흡기 행정 중의 와류 운동의 생성을 유체 분사 시의 와류 운동 생성과 조합하는 것도 또한 가능하다.
본 발명의 다른 장점들 및 유리한 피처들은 아래의 상세한 설명으로부터 알 수 있을 것이다.
아래에서 본 발명의 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 실시예에 따른 내연기관의 실린더의 축선 방향 단면을 개략적으로 도시한다.
도 2는 제1 실시예에 따른 피스톤의 사시도이다.
도 3은 도 2의 피스톤의 평면도이다.
도 4는 도 2의 IV-IV선을 따라 취한 단면도이다.
도 5는 도 2의 V-V선을 따라 취한 단면도이다.
도 6은 제2 실시예에 다른 피스톤의 사시도이다.
도 7은 도 6의 피스톤의 평면도이다.
도 8은 도 6의 VIII-VIII선을 따라 취한 단면도이다.
도 9는 도 6의 IX-IX선을 따라 취한 단면도이다.
도 10은 중앙 축선으로부터의 거리에 따른 연소 챔버 내의 회전 속도를 나타내는 다이어그램을 함께 도시한 도 9의 X-X선을 따라 취한 횡단면도이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디젤 기관의 형태로 된 내연기관의 실린더(1)의 중앙 축선(C)을 따라 취한 단면을 도시한다. 실린더(1)에, 실린더 내에서 공통 축선(C)을 따라 왕복하도록 구성된 피스톤(2)이 구비된다. 피스톤 보울(3)은 피스톤(2)에 형성되는데, 피스톤 보울은 실린더(1)의 내벽들 및 실린더 헤드(4)의 내부 표면과 함께 연소 챔버(5)를 형성한다. 연료 분사기(6)가 피스톤 보울(3) 위에서 중앙 축선(C) 상에 구비된다. 흡기 포트(7)는 흡기 밸브(8)를 통해 공기를 연소 챔버(5)로 공급하기 위해 실린더 헤드(4)에 구비된다. 또한 배기 포트(9)가 배기 밸브(10)를 통해 배기가스를 배출하기 위해 실린더 헤드(4)에 구비된다.
도 1에 도시된 실시예에 따른 피스톤(2)은 도 2 내지 도 5에 보다 상세하게 도시되어 있다. 제2 실시예에 따른 피스톤(2)은 도 6 내지 도 10에 도시되어 있다. 아래에서 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 피스톤(2)의 공통 요소들을 공통 도면 번호들을 사용하여 설명한다.
두 실시예들에 따른 피스톤(2)은 상측 단부(11) 및 하측 단부(12)를 구비한 직원기둥의 기본 형상을 가지며, 상측 단부와 하측 단부 사이에서 중앙 축선(C)과 외주면(13)이 연장한다. 상측 단부(11)는 상부 평면(Pu)을 획정하는 환형 상부 표면(14)을 포함한다. 피스톤 보울(3)은 상부 표면(14)에 의해 획정된 상부 평면(Pu)에 대해 함입되어 있다. 환형 바닥 부분(15)은 피스톤 보울(3)의 최저 레벨을 획정한다. 환형 바닥 부분(15)의 내부에 반경 방향으로, 최저 레벨에 비해 융기되어 있는 중앙 바닥 부분(16)이 구비된다. 중앙 바닥 부분(16)은 둥근 상부(17)를 구비하는 원뿔 형상으로 형성되고, 상부(17)는 상부 평면(Pu)에 대해 함입되어 있다. 환형 상부 측벽 부분(18)이 상부 평면(11)으로부터 하방으로 그리고 반경 방향 내측으로 연장한다. 환형 하부 측벽 부분(19)은 환형 바닥 부분(15)으로부터 상부 측벽 부분(18)을 향해 상방으로 연장한다. 상부 측벽 부분(18)과 하부 측벽 부분(19) 사이에, 중앙 축선(C)을 향해 돌출하는 환형 리지(20)가 형성된다. 환형 바닥 부분(19)과 하부 측벽 부분(19)은 함께 중앙 바닥 부분(16)을 둘러싸는 환형 채널(26)을 획정한다.
연료 분사기(6)는 연료가 실린더(1) 내에서 압축된 공기와 혼합되어 연료/공기 혼합기를 형성하도록 연료를 실린더(1) 내로 분사하도록 연료 스프레이(25)로 구성된다. 연료/공기 혼합기는 소정의 점화 지연 후에 실린더(1)에 생성된 압축열에 의해 점화된다. 연료 스프레이(25)의 점화된 파트가 화염을 형성한다. 연료는 저압으로부터 초고압까지 각기 다른 분사압으로 분사될 수 있다. 연료 분사기(6)는 연료 분사기(6)의 노즐 공동으로부터 연소 챔버(5)로 고압 연료가 고압으로 유동함으로써 연소 챔버(5) 내에서 연료가 고온의 압축 공기와 완전하게 혼합되게 유도하는 것을 허용하기 위해 연료 분사기(6)의 노즐 조립체의 하측 단부에 형성된 다수의 소형 분사 오리피스(미도시)를 포함한다. 연료 분사기(6)가 고압 연료를 다수의 분사 오리피스를 통해 연소 챔버(5) 내로 분사할 수 있는 임의의 유형의 연료 분사기일 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 연료 분사기가 반드시 중앙 축선(C) 상에 위치될 필요는 없다.
내연기관이 예컨대 오토 기관인 다른 실시예들에서, 연료 분사기는 연료와 공기의 혼합기를 연소 챔버 내로 분사하도록 구성될 수 있다. 분사기는 또한 연소되지는 않지만 와류 운동을 유도하는 데 주로 사용되는 가스 또는 액체, 예컨대 물과 같은 다른 유체를 분사하도록 구성될 수 있다.
도 2 내지 도 5에 도시된 제1 실시예에서, 동일하고 각도 상으로 이격된 다수의 돌출부(21)가 리지(20) 상에 위치된 목표 위치 위에 있는 상부 측벽 부분(18)으로부터 중앙 축선(C)을 향해 돌출한다. 각각의 돌출부(21)는 제1 오목 표면 부분(22)을 구비하는 쐐기 형상으로 형성되어 있는데, 제1 오목 표면 부분은 반경 방향으로 상부 측벽 부분(18)으로부터 돌출부(21)의 곡선형 최내측 가장자리(23)까지 연장하고, 돌출부의 최내측 지점은 중앙 축선(C)에 가장 가깝게 위치되어 있고 돌출부의 최내측 지점의 중앙 축선(C)으로부터의 거리가 환형 리지(20)의 중앙 축선으로부터의 거리와 대략 동일하다. 축선 방향으로, 돌출부는 상부 표면(14)로부터 리지(20)까지 연장한다. 제1 오목 표면 부분(22)은 중앙 축선(C)으로부터 볼 때 오목 표면 부분(22)의 어떠한 파트도 돌출부(21)의 임의의 파트 뒤에 가려지지 않도록 그 방향이 설정된다. 제1 오목 표면 부분(22)은 도 3에서와 같은 평면도에서 그리고 도 5와 같은 돌출부(21)를 가로지르는 단면도에서 보는 두 경우 모두 곡률을 갖는다. 각각의 돌출부(21)는 제1 오목 표면 부분(22)의 반대쪽에 위치되는 보다 작은 제2 오목 표면 부분(24) 및 상부 평면(Pu)의 레벨에 있는 평평한 상부 표면 부분(27)을 더 구비한다.
연료 분사기(6)의 분사 오리피스들은 연료 스프레이(25)가 환형 리지(20) 상에, 위에 또는 아래에 있는 목표 위치들을 향해 분사되도록 배열되는데, 목표 위치들은 돌출부(21)들의 제1 오목 표면 부분(22) 아래에 위치된다. 연료 스프레이(25)가 분사될 때 피스톤(2)이 중앙 축선(C)을 따라 이동하고 있으며 이에 따라 축선 방향으로 정확한 목표 위치들은 변할 것이라는 점을 알아야 한다. 축선 방향으로 조준되는 목표 위치는 또한 예를 들어 부하 및 분사 시점에 따라 달라진다. 점화된 연료 스프레이(25), 즉 화염이 목표 위치들을 타격함에 따라, 화염은 환형 리지(20) 상에서 상부 유동 부분(25a)과 하부 유동 부분(25b)으로 분할된다. 화염의 상부 유동 부분(25a)은 오목 표면 부분(22)을 향해 상방으로 편향된다. 화염의 하부 유동 부분(25b)은 환형 채널(26) 내로 그리고 중앙 바닥 부분(16)을 향해 하방으로 편향된다. 상부 유동 부분(25a)이 오목 표면 부분(22)에 부딪힘에 따라, 상부 유동 부분은 환형 리지(20) 위의, 연소 챔버(5)의 상부 파트에 있는 위치를 향해 편향되는데, 이 위치는 화염을 편향시킨 오목 표면 부분(22)으로부터 각도 상으로 이격되어 있다. 이에 의해 화염의 편향된 상부 유동 부분(25a)들은 함께 연소 챔버(5)의 상부 파트에 와류 운동, 즉 중앙 축선(C)둘레에서 회전 방향(R)로의 대규모 회전을 유도한다. 환형 리지(20) 아래에 있는 연소 챔버(5)의 하부 파트와 연소 챔버(5)의 상부 파트 사이에서, 연소 챔버(5)의 상부 파트의 연료/공기 혼합기의 회전 유동이 연소 챔버(5)의 하부 파트의 연료/공기 혼합기와 상호작용함에 따라 난류가 생성될 수 있고, 생성된 난류는 중앙 축선(C)과 직교하거나 혹은 본질적으로 직교하는 회전 축선을 가지고서 회전한다.
도 6 내지 도 10에 도시된 제2 실시예에서, 서로 동일하고 각도 상으로 이격된 다수의 돌출부(31)가 리지(20) 상에 위치된 목표 위치들 위에 있는 상부 측벽 부분(18)으로부터 중앙 축선(C)을 향해 돌출한다. 돌출부(31)들은 오목 표면 부분(32)을 구비하는 핀(fin)의 형태로 되어 있는데, 오목 표면 부분은 반경 방향으로 상부 측벽 부분(18)으로부터 돌출부(31)의 곡선형 최내측 가장자리(33)까지 연장하고, 돌출부의 최내측 지점은 중앙 축선(C)에 가장 가까이 있으면서 상부 평면(Pu)의 레벨에 위치되어 있고 돌출부의 최내측 지점의 중앙 축선(C)으로부터의 거리가 환형 리지(20)의 중앙 축선으로부터의 거리와 대략 동일하다. 축선 방향으로, 돌출부는 상부 표면(14)으로부터 리지(20)까지 연장한다. 오목 표면 부분(32)은 중앙 축선(C)으로부터 볼 때 오목 표면 부분(32)의 어떠한 파트도 돌출부(31)의 임의의 파트 뒤에 가려지지 않도록 그 방향이 설정된다. 오목 표면 부분(32)은 도 10에서와 같은 횡단면도에서 그리고 도 9에서와 같은 돌출부(31)를 가로지르는 축선 방향 단면도에서 보는 두 경우 곡률을 갖는다. 각각의 돌출부(31)는 제1 오목 표면 부분(32)의 반대쪽에 위치되고 상부 측벽 부분(18)으로부터 최내측 가장자리(33)까지 연장하는 볼록 표면 부분(34)을 더 구비한다. 돌출부(31)는 상부 평면(Pu)에서 연장하는 상부 가장자리(35)를 구비한다. 경사 표면(36)이 상부 가장자리(35)로부터 곡선형 가장자리(37)까지 연장하면서 경사 표면(36)과 오목 표면 부분(32) 간의 전이부를 획정한다.
연료 분사기(6)의 분사 오리피스들은, 제2 실시예에서, 연료 스프레이(25)가 환형 리지(20) 상에, 위에 또는 아래에 있는 목표 위치들을 향해 분사되도록 배열되는데, 목표 위치들은 돌출부(31)들 아래에, 도시된 실시예에서는 최내측 가장자리(33) 아래에 위치된다. 점화된 연료 스프레이(25), 즉 화염이 목표 위치들을 타격함에 따라, 화염은 환형 리지(20) 상에서 상부 유동 부분(25a) 및 하부 유동 부분(25b)으로 분할된다. 화염의 상부 유동 부분(25a)은 오목 표면 부분(32)을 향해 상방으로 편향된다. 화염의 하부 유동 부분(25b)은 환형 채널(26) 내로 그리고 중앙 바닥 부분(16)을 향해 하방으로 편향된다. 화염의 상부 유동 부분(25a)이 돌출부(31)의 최내측 가장자리(33)에 부딪힘에 따라, 상부 유동 부분은 볼록 표면 부분(34)을 따르는 제1 부분(25a') 및 오목 표면 부분(32)을 따르는 제2 부분(25")으로 분할된다. 부분들(25a', 25a") 둘 다 환형 리지(20) 위에 있는 연소 챔버(5)의 상부 파트 내의 위치를 향해 편향되고, 이 위치는 화염을 편향시킨 돌출부(31)로부터 각도 상으로 이격되어 있다. 이에 의해 화염들의 편향된 상부 유동 부분들은 함께 연소 챔버(5)의 상부 파트에 회전 방향(R)으로 와류 운동을 유도한다. 환형 리지(20) 아래에 있는 연소 챔버(5)의 하부 파트와 연소 챔버(5)의 상부 파트 사이에서, 연소 챔버(5)의 상부 파트의 연료/공기 혼합기의 회전 유동이 연소 챔버(5)의 하부 파트의 연료/공기 혼합기와 상호작용함에 따라 난류가 생성될 수 있고, 생성된 난류는 중앙 축선(C)과 직교하거나 혹은 본질적으로 직교하는 회전 축선을 가지고서 회전한다.
도 6 내지 도 10에 도시된 실시예에서, 비교적 좁은 돌출부(21)들로 인해 점화 지연이 비교적 짧을 것으로 예상될 수 있다. 비교적 짧은 점화 지연으로 인해 연소 중에 생성되는 NOx 가스의 양은 감소되겠지만, 대신 그을음 배출은 점화 지연이 긴 경우와 비교하여 다소 증가할 것으로 예상된다.
도 1을 참조하여 설명한 내연기관에서 수행되는 본 발명의 실시예에 따른 방법에서, 공기 유동은 피스톤(2)의 흡기 행정 중에 흡기 포트(7) 및 흡기 밸브(8)를 통해 연소 챔버(5) 내로 제공된다. 후속하는 피스톤(2)의 압축 행정 중에, 연료 스프레이(25)가 연료 분사기(6)에 의해 다수의 목표 지점을 향해 분사되고, 이에 따라 연료 스프레이(25)는 목표 지점들 각각에서 환형 리지(20)에 의해 상부 유동 부분(25a) 및 하부 유동 부분(25b)으로 분할된다. 상부 유동 부분(25a)은 목표 위치 위에 위치된 돌출부(21, 31)의 적어도 하나의 오목 표면 부분(22, 32)에 의해 편향되고, 이에 의해 연소 챔버(5)에 와류 운동이 생성된다.
도 10은 분사 말기에 중앙 축선(C)으로부터의 거리에 따른 회전 속도(ω)를 나타내고 있다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 연료 분사 중에 생성되는 대규모 와류 운동이 중앙 축선으로부터의 거리(r)에 따른 회전 속도(ω)가 크게 변하게 한다. 후산화 단계 도중에, 연소 챔버(5)에서 생성되는 대규모 와류 운동이 소규모 난류로 분열되어 그을음 산화를 가속화시키고 이에 의해 그을음 배출을 저감시킬 수 있다.
본 발명은 당연히 어떠한 식으로든 상술한 실시예들에 한정되지 않는다. 오히려, 다양한 변형 가능성이 특허청구범위에 한정된 본 발명의 기본적인 사상을 벗어나지 않으면서 통상의 기술자에게 명백할 것이다.

Claims (15)

  1. 내연기관용 피스톤(2)으로, 피스톤(2)이 상측 단부(11) 및 하측 단부(12)를 구비하고, 상측 단부 및 하측 단부 사이에서 중앙 축선(C) 및 외주면(13)이 연장하고, 상측 단부(11)가 상부 평면(Pu)을 획정하는 환형 상부 표면(14) 및 연소 챔버(5)의 일부를 형성하도록 구성된 피스톤 보울(3)을 포함하고,
    피스톤 보울(3)은, 환형 상부 표면에 대해 함입되어 있으며,
    - 피스톤 보울(3)의 최저 레벨을 획정하는 환형 바닥 부분(15),
    - 환형 바닥 부분(15)의 내부에 반경 방향으로 위치되고 최저 레벨에 대해 융기된 중앙 바닥 부분(16),
    - 하방으로 그리고 상부 표면(14)으로부터 반경 방향 내측으로 연장하는 환형 상부 측벽 부분(18),
    - 환형 바닥 부분(15)으로부터 상부 측벽 부분(18)을 향해 상방으로 연장하는 환형 하부 측벽 부분(19)을 포함하는, 내연기관용 피스톤에 있어서,
    피스톤 보울(3)이,
    - 환형 상부 측벽 부분(18)과 환형 하부 측벽 부분(19) 사이의 전이부에 형성되고, 중앙 축선(C)을 향해 연장하는 환형 리지(20),
    - 각도 상으로 이격된 다수의 돌출부(21, 31)로, 환형 상부 측벽 부분(18)으로부터 중앙 축선(C)을 향해 돌출하되, 각각의 돌출부(21, 31)가 오목 표면 부분(22, 32)을 구비하는, 다수의 돌출부(21, 31)를 더 포함하고,
    피스톤 보울(3)이 상기 각도 상으로 이격된 돌출부들 중 하나의 아래에 위치된 목표 위치를 향해 분사되는 유체 스프레이가 환형 리지(20)에 의해 상부 유동 부분 및 하부 유동 부분으로 분할되도록 구성되고, 상부 유동 부분은, 연소 챔버(5)에 와류 운동을 생성시키는 데 도움이 되도록, 목표 위치 위에 위치된 돌출부(21, 31)의 오목 표면 부분(22, 32)에 의해 편향되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
  2. 청구항 1에 있어서,
    각도 상으로 이격된 돌출부(21, 31)들 각각의 오목 표면 부분(22, 32)이 반경 방향 내측을 향하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    각도 상으로 이격된 돌출부(21, 31)들 각각의 오목 표면 부분(22, 32)이 상부 유동 부분의 적어도 일부가 환형 리지(20) 위의 위치를 향해 방향이 바뀌도록 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
  4. 선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
    각도 상으로 이격된 돌출부(21, 31)들 각각이 최내측 지점을 구비하되, 최내측 지점의 중앙 축선(C)으로부터의 반경 방향 거리가 환형 리지(20)의 중앙 축선으로부터의 반경 방향 거리와 유사한 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
  5. 선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
    환형 하부 측벽 부분(19)이 돌출부가 없는 오목 표면의 형태로 된 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
  6. 선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
    각도 상으로 이격된 돌출부(31)들 각각이 오목 표면 부분(32) 반대쪽에 위치된 볼록 표면 부분(34)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
  7. 선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
    중앙 바닥 부분(16)이 중앙 축선 상에 위치된 최고 지점을 구비하고, 이 최고 지점으로부터 중앙 바닥 부분(16)이 환형 바닥 부분(15)을 향해 하방으로 경사지는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
  8. 내연기관으로, 선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 따른 피스톤(2)을 구비하는 적어도 하나의 실린더(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  9. 청구항 8에 있어서,
    유체 스프레이(25)를 다수의 목표 위치를 향하도록 분사하게 구성된 분사기를 더 포함하되, 각각의 목표 위치는 상기 각도 상으로 이격된 돌출부(21, 31)들 중 하나의 아래에 위치되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  10. 청구항 9에 있어서,
    내연기관이 디젤 기관이고, 분사기(6)는 연료 분사기인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  11. 모터 차량으로, 청구항 8 내지 청구항 10 중 어느 한 청구항에 따른 내연기관을 포함하는 모터 차량.
  12. 청구항 11에 있어서,
    모터 차량이 트럭 또는 버스와 같은 대형 모터 차량(heavy motor vehicle)인 것을 특징으로 하는 모터 차량.
  13. 청구항 9 또는 청구항 10에 따른 내연기관의 실린더(1)의 연소 챔버(5)에 와류 운동을 생성하기 위한 방법으로,
    - 피스톤(2)의 흡기 행정 중에 공기의 유동을 연소 챔버(5) 내로 제공하는 단계,
    - 피스톤(2)의 압축 행정 중에 또는 그 후에, 다수의 목표 위치를 향해 연료 스프레이(25)를 분사하고, 이에 따라 유체 스프레이(25)가 목표 위치들 각각에서 환형 리지(20)에 의해 상부 유동 부분(25a) 및 하부 유동 부분(25b)으로 분할되되, 상부 유동 부분(25a)이 목표 위치 위에 위치된 돌출부(21, 31)의 오목 표면 부분(22, 32)에 의해 편향됨으로써 와류 운동이 연소 챔버(5)에 생성되도록, 연료 스프레이를 분사하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 청구항 10과 결합된 청구항 13에 있어서,
    유체 스프레이(25)를 분사하는 단계가, 피스톤(2)의 압축 행정에 이어서, 연료 스프레이(25)가 점화되어 화염이 형성될 때 적어도 화염의 상부 유동 부분(25a)이 오목 표면 부분(22, 32)에 의해 편향됨으로써 연소 챔버(5)에 와류 운동이 생성되도록 연료 스프레이(25)를 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 청구항 13 또는 청구항 14에 있어서,
    연소 챔버(5)로 제공되는 공기의 유동이 와류 운동 없이 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
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