KR20200122097A - 와류실식 디젤 엔진 - Google Patents

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KR20200122097A
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김원희
이창규
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엘에스엠트론 주식회사
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Abstract

본 발명은 와류실식 디젤 엔진에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 와류실식 디젤 엔진의 주연소실에서 클로버부와 밸브리세스부의 바닥면이 돌출 형상 없이 연결되어 점차 기울어지는 구조를 이루도록 함으로써, 상기 클로버부와 밸브리세스부에 의해 연소 가스에 보다 강한 와류가 형성되면서 높은 산화 능력을 얻을 수 있고 나아가 배출 가스의 유해 성분 생성을 효과적으로 억제할 수 있는 와류실식 디젤 엔진에 관한 것이다.
본 발명에서는, 실린더헤드와 결합되어, 내벽면에 곡면 형상을 가지는 와류유도부와 상기 와류유도부 하단에 형성된 연결통로를 구비하는 부연소실을 구성하는 부연소실조립체; 및 상기 연결통로와 연통되는 트렌치부, 상기 트렌치부의 양측에 형성된 클로버부 및 흡배기 밸브의 충돌을 방지하기 위하여 상기 클로버부와 연접하여 형성된 밸브리세스부를 포함하며, 주연소실을 구성하는 피스톤;을 포함하고, 상기 클로버부와 상기 밸브리세스부의 바닥면은 돌출 형상 없이 연결되어 점차 기울어지는 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 와류실식 디젤 엔진을 개시한다.

Description

와류실식 디젤 엔진 {SWIRL CHAMBER TYPE DIESEL ENGINE}
본 발명은 와류실식 디젤 엔진에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 와류실식 디젤 엔진의 주연소실에서 클로버부와 밸브리세스부의 바닥면이 돌출 형상 없이 연결되어 점차 기울어지는 구조를 이루도록 함으로써, 상기 클로버부와 밸브리세스부에 의해 연소 가스에 보다 강한 와류가 형성되면서 높은 산화 능력을 얻을 수 있고 나아가 배출 가스의 유해 성분 생성을 효과적으로 억제할 수 있는 와류실식 디젤 엔진에 관한 것이다.
디젤 엔진은 경유 또는 중유를 연료로 사용하여 열에너지를 역학적인 에너지로 바꾸는 주요 부분의 구조(실린더 헤드, 실린더블록, 피스톤커넥팅 어셈블리, 크랭크축, 캠축, 밸브기구 등)에 있어서는 본질적으로 휘발유를 연료로 하는 가솔린 엔진과 큰 차이가 없다.
그런데, 연료의 연소 과정에 있어서 가솔린 엔진은 공기와 연료의 혼합기를 압축한 후 전기적 불꽃으로 점화하는데 반하여, 디젤 엔진은 공기만을 흡입하고 높은 압축비로 그 온도가 500~600˚C 이상이 되게 한 후 연료를 분사펌프에서 가압하여 분사노즐로 실린더 내에 분사시켜 자기착화(압축착화)시키는 점에서 차이가 있다.
이에 따라, 상기 디젤 엔진의 연소실은 다음과 같은 조건을 갖추어야 한다. 우선, 분사된 연료를 가능한 짧은 시간에 완전 연소시켜야 하고, 평균 유효 압력이 높아야 하며, 연료 소비율이 적어야 한다. 또한, 고속 회전에서의 연소 상태가 좋아야 하며, 기동이 쉬워야 하고, 디젤 노크가 적어야 한다.
상기 연소실의 상방에는 실린더 헤드에 설치되는 분사노즐이 구비된다. 상기 분사노즐은 분사펌프에서 보내준 고압의 연료를 미세한 연기 형태로 연소실 내에 분사하는 장치이다. 이러한 분사노즐로 분사되는 연료분무는 무화(안개화) 특성이 좋아야 하고, 관통력이 커야 하며, 분무가 골고루 이루어져야 하고, 분사도 및 분사율이 적절하여야 하며, 노즐유량계수도 정확하여야 한다.
디젤 엔진의 연소실 형식은 단실식으로 직접분사실식, 복실식으로 예연소실실, 와류실식 등이 있다. 직접분사실식은 연소실이 실린더 헤드와 피스톤 헤드에 설치된 요철에 의하여 형성이 되며, 여기에 연료가 직접 분사되는 구조로서, 주연소실만으로 구성되어 단실식이라고 하며, 하트형, 구형, 반구형 등의 형상을 가진다.
예연소실식은 피스톤과 실린더 헤드 사이에 형성되는 주연소실 위쪽에 예연소실을 두게 되며, 분사된 연료의 일부가 예연소실에서 연소되어 고온, 고압의 가스를 발생시키며 이것에 의해 나머지 연료가 주연소실로 분출되어 완전 연소하도록 하는 구조를 가진다.
와류실식은 실린더나 실린더 헤드에 와류실을 두어 압축행정 중에 와류실에서 와류가 발생되게 한다. 상기 와류실에서 연료가 분사되면, 분사된 연료는 선회 운동을 하고 있는 공기와 혼합되어 착화연소하면서 주연소실로 분출되고, 다시 상기 주연소실에서 미연소 연료가 새 공기와 만나면서 연소하게 되는 구조를 가진다.
도 1은 종래의 와류실식 디젤 엔진 연소실의 내부 구조를 나타낸 도면이다. 도 1에서는 부연소실(와류실)(2a)의 구조를 중심으로 나타내고 있다.
도 1을 참조하여 살펴보면, 실린더헤드(1)에는 부연소실조립체(2)가 조립되어 부연소실(2a)이 형성되고, 피스톤(3) 상면 쪽에는 주연소실(3a)이 형성된다. 상기 부연소실(2a)의 중앙 상단쪽 실린더헤드(1)에는 분사노즐(4)이 연료를 부연소실(2a)로 분사시킬 수 있도록 설치되고, 상기 부연소실(2a)의 상단에는 예열플러그(5)가 장착된다. 상기 예열플러그(5)는 시동이나 저속 시 연소실의 온도가 낮아지는 문제에 대응하기 위해 설치된다. 상기 부연소실(2a)의 하단에는 상기 주연소실(3a)로부터 공기가 유입되는 연결통로(2b)가 경사지게 설치된다. 상기 연결통로(2b)는 주로 상기 부연소실(2a)의 접선 방향으로 설치된다. 그리고, 상기 부연소실(2a) 주변에는 냉각수통로(1a)가 형성된다.
이와 같이 구성되는 와류실식 연소실은 압축 행정 시 주연소실(3a)로부터 유입되는 압축공기가 연결통로(2b)를 통하여 부연소실(2a)로 유동될 때 화살표(도 1의 (A))와 같이 강한 와류가 형성하게 된다. 이때 분사노즐(4)로부터 연료가 분사되어 부연소실(2a)에서 거의 연소가 이루어지게 된다.
종래의 와류실식 연소실은 리카르도(Ricardo)의 코맷 Vb(Commet Vb) 타입으로서, 부연소실(2a)은 도 2(a)에 나타낸 바와 같이, 연결통로(2b)를 통하여 주연소실(3a)과 연결될 수 있다. 이때, 상기 주연소실(3a)에는, 도 2(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 연결통로(2b)를 통해 상기 부연소실(2a)로부터 연소 가스가 직접 유도되는 트렌치부(3c)와 상기 트렌치부(3c) 주변으로 연소 가스를 확산시키는 클로버부(3b)가 피스톤(3)의 상면에 형성된다. 또한, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 상기 주연소실(3a)에서 피스톤(3)의 상면에는 흡배기 밸브가 상기 피스톤(3)에 부딪치는 것을 방지하기 위하여 밸브리세스부(valve recess)(3d)가 구비될 수 있었다.
이때, 상기 클로버부(3b)는 상기 트렌치부(3c)의 주변, 특히 연소 가스의 진행방향을 기준으로 상기 트렌치부(3c)의 좌우 양측을 포함하는 상기 트렌치부(3c)의 주변으로 배치될 수 있으며, 또한 상기 밸브리세스부(3d)는 상기 흡배기 밸브의 위치에 대응하여 상기 클로버부(3b)의 주변에 배치될 수 있다.
그런데, 이러한 구조에서는 상기 트렌치부(3c)로 인입되는 연소 가스가 상기 클로버부(3b)와 밸브리세스부(3d)로 확산되면서 와류를 형성하는 정도에 그쳐 일정 수준 이상으로는 와류를 효과적으로 형성하지 못하고 복잡한 유동을 활성화시키지 못하면서 산화 능력이 저하될 수 있고, 이에 따라 배출 가스의 유해 성분 특히 입자상 물질(PM)의 배출을 증가시키는 원인이 된다.
대한민국 공개특허공보 특2002-0053242호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 주연소실(3a)에서 연소 가스가 클로버부(3b) 및 밸브리세스부(3d)에 의해 보다 강한 와류를 형성할 수 있도록 함으로써, 산화 능력을 개선하고 배출 가스에 포함되는 입자상 물질(PM) 등 유해 성분의 생성을 효과적으로 억제할 수 있는 와류실식 디젤 엔진을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그 외 본 발명의 세부적인 목적은 이하에 기재되는 구체적인 내용을 통하여 이 기술 분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진은, 실린더헤드(1)와 결합되어, 내벽면에 곡면 형상을 가지는 와류유도부(2d)와 상기 와류유도부(2d) 하단에 형성된 연결통로(2b)를 구비하는 부연소실(2a)을 구성하는 부연소실조립체(2); 및 상기 연결통로(2b)와 연통되는 트렌치부(3c), 상기 트렌치부(3c)의 양측에 형성된 클로버부(3b) 및 흡배기 밸브의 충돌을 방지하기 위하여 상기 클로버부(3b)와 연접하여 형성된 밸브리세스부(3d)를 포함하며, 주연소실(3a)을 구성하는 피스톤(3);을 포함하고, 상기 클로버부(3b)와 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면은 돌출 형상 없이 연결되어 점차 기울어지는 구조를 이루는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 클로버부(3b)와 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면은 상기 클로버부(3b)에서 상기 밸브리세스부(3d) 방향으로 확산하는 연소 가스가 상승하도록 점차 기울어지는 구조를 구비할 수 있다.
또한, 상기 클로버부(3b)의 바닥면과 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면은 서로 다른 기울기를 가지는 복수의 영역을 포함할 수 있다.
나아가, 상기 클로버부(3b)의 바닥면은 제1 기울기를 가지고, 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면은 상기 제1 기울기보다 작은 제2 기울기를 가질 수 있다.
또한, 상기 클로버부(3b)와 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면은 상기 연소 가스의 흐름에 따라 바닥면의 기울기가 곡면을 따라 낮아지는 구조를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서는, 와류실식 디젤 엔진의 주연소실에서 클로버부와 밸브리세스부의 바닥면이 돌출 형상 없이 연결되어 점차 기울어지는 구조를 이루도록 함으로써, 연소 가스에 보다 강한 와류가 형성되도록 하여 디젤 엔진의 산화 능력을 개선하고 배출 가스에 포함되는 입자상 물질(PM) 등 유해 성분의 생성을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 와류실식 디젤 엔진의 연소실 구조에 대한 예시도이다.
도 2는 일반적인 와류실식 디젤 엔진의 연소실 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일반적인 와류실식 디젤 엔진의 주연소실 구조를 예시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진의 주연소실 구조를 예시하는 도면이다.
도 5는 일반적인 와류실식 디젤 엔진의 주연소실의 특징을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진의 주연소실의 특징을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진의 트렌치부와 밸브리세스부의 바닥면 형상을 예시하는 도면이다.
도 8과 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진의 주연소실 구조에서의 연소 가스 흐름의 개선을 설명하는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 첨가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 실시될 수 있음은 물론이다.
먼저, 도 2를 참조하여 일반적인 와류실식 디젤 엔진의 구성 및 동작을 개략적으로 살핀 후, 본 발명의 기술적 특징을 설명하도록 한다.
보다 구체적으로, 중, 대형의 디젤 엔진에서는 혼합기 형성에 주어지는 시간이 충분하므로 연료 분사 만으로 공기와의 접촉을 충분히 할 수 있으나, 소형 또는 고속의 디젤 엔진에서는 공기 와류의 도움 없이 짧은 시간 내에 완전하게 연소를 마치기 어려워진다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 와류실식 등 다양한 종류의 연소실 구조가 사용되고 있으며, 특히 와류실식 디젤 엔진은 압축 행정에 의하여 부연소실(2a)에서 생성된 와류로 연료를 분사시켜 연소시키는 구조를 가진다.
이에 따라, 도 2(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 일반적으로 와류실식 디젤 엔진은 주연소실(3a)과 부연소실(2a)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 부연소실(2a)은 실린더헤드(1)에 부연소실조립체(2)가 구비되어 형성될 수 있다. 상기 부연소실(2a)의 중앙 상단에는 분사노즐(4)이 구비되어 연료를 상기 부연소실(2a)의 일측 벽면에 형성된 직선 단면 형태의 연료충돌부(2c)로 편향되게 분사시킬 수 있다. 또한, 상기 부연소실(2a)의 타측 벽면에는 곡면 형상으로 이루어진 와류유도부(2d)가 구비되어 상기 주연소실(3a)로부터 유입되는 압축공기가 연결통로(2b)를 통하여 상기 부연소실(2a)로 유동될 때 와류를 형성하도록 하게 된다.
또한, 상기 부연소실(2a)의 하단에는 상기 부연소실(2a)와 상기 주연소실(3a)을 연결하여, 상기 주연소실(3a)로부터 상기 부연소실(2a)로 공기가 유입되는 통로를 제공하는 연결통로(2b)가 경사지게 설치될 수 있으며, 상기 연결통로(2b)는 주로 부연소실(2a)의 상기 와류유도부(2d)와 접선 방향으로 설치되는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 부연소실(2a)에는 예열플러그(5)가 구비되어 시동 시 또는 저속 구동 시 연소실의 온도가 낮아지는 것을 방지하게 된다. 그리고, 상기 부연소실(2a) 주변에는 냉각수통로(1a)가 형성될 수 있다.
또한, 상기 주연소실(3a)은 피스톤(3)의 상면에 형성될 수 있다. 이때, 상기 주연소실(3a)에는, 도 2(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 연결통로(2b)를 통해 상기 부연소실(2a)로부터 연소 가스가 직접 유도되는 트렌치부(3c)와 상기 트렌치부(3c) 주변으로 연소 가스를 확산시키는 클로버부(3b)가 형성되며, 또한 상기 클로버부(3b)의 주변으로 흡배기 밸브가 상기 피스톤(3)에 부딪치는 것을 방지하기 위한 밸브리세스부(3d)가 구비될 수 있다.
그런데, 종래에는 상기 부연소실(2a)에서 생성된 연소 가스가 상기 주연소실(3a)로 분출되면 상기 트렌치부(3c)로 인입되는 연소 가스가 좌우의 클로버부(3b)와 밸브리세스부(3d)로 확산되면서 와류를 형성하는 정도에 그쳐 상기 밸브리세스부(3d)에서 와류가 효과적으로 형성되지 못하면서 복잡한 유동을 활성화시키지 못하여 산화 능력이 저하되고, 이에 따라 배출 가스의 유해 성분, 특히 입자상 물질(PM)의 배출을 증가시키는 문제가 따를 수 있었다.
보다 구체적으로, 도 3(a)를 참조하여 살펴보면, 종래 통상적인 와류실식 디젤 엔진에서 주연소실(3a)의 클로버부(3b)는 트렌치부(3c)의 좌우 양측으로 연접하여 배치되고 상기 클로버부(3b)의 주변에는 밸브리세스부(3d)가 배치될 수 있으며, 특히 상기 클로버부(3b)와 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면은, 도 3(c)에서 볼 수 있는 바와 같이, 바닥면의 높이 차이에 따라 연결 부위에 돌출 형상(도 3(c)의 (K))이 개재될 수 있고, 이에 따라 상기 트렌치부(3c)를 통해 유입된 연소 가스가 상기 클로버부(3b)를 거쳐 상기 밸브리세스부(3d)로 진입하는 것을 억제하게 된다. 나아가, 도 3(b) 및 도 3(c)에서 볼 수 있는 바와 같이 종래에는 클로버부(3b)와 밸브리세스부(3d)의 바닥면이 일정한 깊이를 가지는 평면 구조를 이루면서, 상기 클로버부(3b)와 밸브리세스부(3d)에서는 연소 가스가 평면적인 유동을 형성하는 정도에 그칠 뿐이어서, 와류를 일정 수준 이상으로는 효과적으로 형성하지 못하여 완전 연소에 이르지 못하고 입자상 물질(PM) 등 유해 성분을 포함하는 배출 가스를 생성하는 문제가 따를 수 있었다.
반면, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진의 주연소실(3a)에서 상기 클로버부(3b)와 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면은 돌출 형상 없이 연결되어 점차 기울어지는 구조를 이루도록 함으로써, 상기 트렌치부(3c)를 통해 유입된 연소 가스가 상기 클로버부(3b)를 거쳐 상기 밸브리세스부(3d)로 보다 원활하게 확산할 수 있을 뿐만 아니라 상기 클로버부(3b)와 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면의 기울기에 의해 연소 가스에 보다 강한 와류가 형성되도록 하여 복잡한 유동을 활성화시키고, 산화 능력을 높여 주어 배출 가스의 유해 성분, 특히 입자상 물질(PM)의 배출을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.
보다 구체적으로, 도 4(b)와 도 4(c)에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진의 상기 주연소실(3a)에서 상기 클로버부(3b)와 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면은 상기 클로버부(3b)에서 상기 밸브리세스부(3d) 방향으로 확산하는 연소 가스가 상승하도록 점차 기울어지는 구조를 구비할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진의 주연소실(3a)의 특징을 일반적인 와류실식 디젤 엔진의 경우와 비교하여 보다 자세하게 설명한다.
먼저, 도 5에서는 일반적인 와류실식 디젤 엔진에서의 피스톤(3) 상면에 형성되는 주연소실(3a)의 형상을 도시한 사시도(a), 상면도(b) 및 클로버부(3b)와 밸브리세스부(3d)의 단면도(c)를 도시하고 있다.
특히, 도 5의 (b), (c)에서 볼 수 있는 바와 같이, 일반적인 와류실식 디젤 엔진에서 상기 주연소실(3a)의 클로버부(3b)와 밸브리세스부(3d)의 연결 부위에는 바닥면의 높이 차이에 따른 돌출 형상이 형성되면서 연소 가스가 상기 클로버부(3b)에서 상기 밸브리세스부(3d)로의 진입이 억제될 수 있고, 나아가 상기 클로버부(3b)와 밸브리세스부(3d)는 바닥면이 일정한 깊이의 평면 구조를 이루면서 연소 가스가 평면적인 유동을 형성하는 정도에 그치면서, 상기 부연소실(2a)에서 연소되어 상기 주연소실(3a)로 분출된 연소 가스가 상기 클로버부(3b)와 상기 밸브리세스부(3d)에서 와류를 효과적으로 형성하지 못하면서 완전 연소에 이르지 못하고 입자상 물질(PM) 등 유해 성분을 포함하는 배출 가스를 생성하는 문제가 따르게 된다.
이에 대하여, 도 6에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진의 특징을 구체적으로 예시하고 있다.
보다 구체적으로, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서의 피스톤(3) 상면에 형성되는 주연소실(3a)의 형상을 도시한 사시도(a), 상면도(b) 및 클로버부(3b)와 밸브리세스부(3d)의 단면도(c)를 예시한다.
특히, 도 6의 (b), (c)에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서 상기 주연소실(3a)의 클로버부(3b)의 바닥면과 밸브리세스부(3d)의 바닥면은 돌출 형상 없이 연결되어 점차 기울어지는 구조를 이루면서, 상기 트렌치부(3c)를 통해 유입된 연소 가스가 상기 클로버부(3b)를 거쳐 상기 밸브리세스부(3d)로 보다 원활하게 확산할 수 있을 뿐만 아니라 상기 클로버부(3b)와 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면의 기울기에 의해 연소 가스에 상하로 입체적인 유동을 이루면서 보다 복잡한 유동을 활성화시키고 강한 와류가 형성되도록 하여, 산화 능력을 높여 주어 배출 가스의 유해 성분, 특히 입자상 물질(PM)의 배출을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.
또한, 도 7에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서의 클로버부(3b)와 밸브리세스부(3d) 바닥면의 다양한 형상을 예시하고 있다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서는 클로버부(3b)의 바닥면과 밸브리세스부(3d)의 바닥면이 서로 다른 기울기를 가지는 복수의 영역을 포함하도록 구현될 수 있다. 그러나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 와류를 효과적으로 형성할 수 있는 다양한 형상으로 구현될 수 있다
보다 구체적으로, 도 7(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 클로버부(3b)의 바닥면은 제1 기울기(도 7(a)의 (S1))를 가지고, 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면은 상기 제1 기울기보다 작은 제2 기울기(도 7(a)의 (S2))를 가지도록 구현할 수 있다. 즉, 상기 트렌치부(3c)를 통해 인입되는 연소 가스의 흐름, 상기 흡기 밸브를 통해 인입되는 가스의 흐름 등을 고려하여 상기 클로버부(3b) 바닥면의 기울기(S1)과 밸브리세스부(3d) 바닥면의 기울기를 조절할 수 있으며, 나아가 상기 클로버부(3b)의 바닥면이 제1 기울기(S1)를 가지고, 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면이 상기 제1 기울기보다 작은 제2 기울기(S2)를 가지도록 구현하여 상기 트렌치부(3c)를 통해 인입되는 가스가 보다 큰 기울기를 가지는 클로버부(3b)의 바닥면에 의하여 급격하게 상승하도록 함으로써, 연소 가스에 보다 강한 와류가 형성되도록 하여 디젤 엔진의 산화 능력을 개선하고 배출 가스에 포함되는 입자상 물질(PM) 등 유해 성분의 생성을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.
또한, 도 7(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 클로버부(3b)의 바닥면과 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면은 연소 가스의 흐름에 따라 바닥면의 기울기가 곡면을 따라 낮아지는 구조를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 상기 클로버부(3b)와 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면은 연소 가스가 보다 효과적으로 와류를 형성할 수 있도록 곡면형 입체 구조를 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 도 8과 도 9에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서의 클로버부(3b)와 밸브리세스부(3d) 바닥면의 구조에 따른 연소 가스 흐름의 개선을 설명하고 있다. 먼저, 도 8(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 종래 통상적인 와류실식 디젤 엔진의 부연소실(2a)에서 생성된 연소 가스가 주연소실(3a)로 분출되면(도 8(a)의 (A0)), 그 중 일부는 클로버부(3b)로 인입되어 회동하고(도 8(a)의 (A1)), 또한 일부는 밸브리세스부(3d)로 인입되어 회동하면서 와류를 형성하지만(도 8(a)의 (A3)), 상기 클로버부(3b)와 밸브리세스부(3d)의 연결 부위에는 바닥면의 높이 차이에 따른 돌출 형상이 형성되면서 연소 가스가 상기 클로버부(3b)에서 상기 밸브리세스부(3d)로의 진입이 억제될 수 있고, 나아가 상기 클로버부(3b)와 밸브리세스부(3d)는 바닥면이 일정한 깊이의 평면 구조를 이루면서 연소 가스가 평면적인 유동을 형성하는 정도에 그치면서 복잡한 유동을 활성화시키지 못하고 와류가 효과적으로 형성되지 못하여 산화 능력이 저하되며, 이에 따라 배출 가스의 유해 성분, 특히 입자상 물질(PM)의 배출을 증가시키는 문제가 따를 수 있다.
이에 대하여, 도 8(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서 상기 클로버부(3b)와 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면은 돌출 형상 없이 연결되어 점차 기울어지는 구조를 이루도록 함으로써, 상기 트렌치부(3c)를 통해 유입된 연소 가스가 상기 클로버부(3b)를 거쳐 상기 밸브리세스부(3d)로 보다 원활하게 확산할 수 있을 뿐만 아니라 상기 클로버부(3b)와 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면의 기울기에 의해 연소 가스에 복잡한 유동을 활성화시키면서 보다 강한 와류가 형성되도록 하여, 산화 능력을 높여 주어 배출 가스의 유해 성분, 특히 입자상 물질(PM)의 배출을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진의 부연소실(2a)에서 생성된 연소 가스가 주연소실(3a)로 분출되면(도 8(b)의 (B0)), 그 중 일부가 상기 클로버부(3b)로 인입되어 회동하게 되는데, 이때 상기 클로버부(3b)와 상기 밸브리세스부(3d)가 돌출 형상 없이 연결되어 상기 클로버부(3b)로 유입된 연소 가스가 상기 밸브리세스부(3d)로 보다 원활하게 확산할 수 있게 되고(도 8(b)의 (B1)), 나아가 상기 클로버부(3b)와 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면이 점차 기울어지는 구조를 이루면서 상기 트렌치부(3c)를 통해 유입된 연소 가스가 보다 복잡한 유동을 활성화시켜 강한 와류를 형성하면서, 산화 능력을 높여 주어 배출 가스의 유해 성분, 특히 입자상 물질(PM)의 배출을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.
나아가, 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서는, 부연소실(2a)로부터 연결통로(2b)를 통과하여 인입되는 연소 가스가 트렌치부(3c)를 거쳐 확산되어 클로버부(3b)로 인입되면서 1차 와류를 형성하고, 또한 상기 연소 가스는 상기 클로버부(3b)와 상기 밸브리세스부(3d)에 의해 반경 안쪽 방향으로 발생하는 스퀴시(squish) 유동이 활성화될 수 있으며, 나아가 피스톤(3)이 실린더헤드(1)에 근접하면서 상사점(Top Dead Center, TDC)에 가까워짐에 따라 스퀴시 유동이 상하 방향으로 회동하는 2차 유동인 텀블(Tumble) 유동을 일으키면서 2차 확산 연소를 촉진시키게 된다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서는 보다 강한 와류를 형성하고 복잡한 유동을 활성화시키면서, 디젤 엔진의 산화 능력을 개선하고 배출 가스에 포함되는 입자상 물질(PM) 등 유해 성분의 생성을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경, 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면들에 의해서 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
(1) : 실린더헤드 (1a) : 냉각수통로
(2) : 부연소실조립체 (2a) : 부연소실
(2b) : 연결통로 (2c) : 연료충돌부
(2d) : 와류유도부 (2e) : 가이드구조
(3) : 피스톤 (3a) : 주연소실
(3b) : 클로버부 (3c) : 트렌치부
(3d) : 밸브리세스부 (4) 분사노즐
(5) : 예열플러그

Claims (5)

  1. 실린더헤드(1)와 결합되어, 내벽면에 곡면 형상을 가지는 와류유도부(2d)와 상기 와류유도부(2d) 하단에 형성된 연결통로(2b)를 구비하는 부연소실(2a)을 구성하는 부연소실조립체(2); 및
    상기 연결통로(2b)와 연통되는 트렌치부(3c), 상기 트렌치부(3c)의 양측에 형성된 클로버부(3b) 및 흡배기 밸브의 충돌을 방지하기 위하여 상기 클로버부(3b)와 연접하여 형성된 밸브리세스부(3d)를 포함하며, 주연소실(3a)을 구성하는 피스톤(3);을 포함하고,
    상기 클로버부(3b)와 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면은 돌출 형상 없이 연결되어 점차 기울어지는 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 와류실식 디젤 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 클로버부(3b)와 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면은 상기 클로버부(3b)에서 상기 밸브리세스부(3d) 방향으로 확산하는 연소 가스가 상승하도록 점차 기울어지는 구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 와류실식 디젤 엔진.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 클로버부(3b)의 바닥면과 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면은 서로 다른 기울기를 가지는 복수의 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 와류실식 디젤 엔진.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 클로버부(3b)의 바닥면은 제1 기울기를 가지고, 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면은 상기 제1 기울기보다 작은 제2 기울기를 가지는 것을 특징으로 하는 와류실식 디젤 엔진.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 클로버부(3b)와 상기 밸브리세스부(3d)의 바닥면은 상기 연소 가스의 흐름에 따라 바닥면의 기울기가 곡면을 따라 낮아지는 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 와류실식 디젤 엔진.
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