KR20230168901A - 디젤 엔진의 예연소실 구조 - Google Patents

디젤 엔진의 예연소실 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디젤 엔진의 예연소실 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 와류실식 농용 소형 기계식 디젤 엔진에서 연료가 유입되는 예연소실의 연료유입구 형상변경을 통해 연료와 압축 공기와의 혼합율을 개선시켜 연소성능을 향상시킬 수 있는 디젤 엔진의 예연소실 구조에 관한 것이다. 본 발명에 따른 디젤 엔진의 예연소실 구조는, 와류 형성에 유리한 경사각을 가진 경사통로를 매개로 주연소실과 상호 연통되는 와류실을 구비하고, 압축행정시 상기 경사통로를 통해 상기 주연소실로부터 상기 와류실로 압축공기가 도입됨과 동시에 도입된 압축공기가 구 형상의 상기 와류실 내주면을 따라 선회할 수 있도록 구성되고, 상기 와류실의 일측에 연료분사노즐에서 분사되는 연료가 유입되는 연료유입구가 형성되고, 타측에 상기 와류실 내부의 예열을 위한 예열 플러그가 설치되는 디젤 엔진의 예연소실 구조에 있어서, 상기 연료유입구는 상기 와류실 내부를 향해 경사지게 형성되며, 상기 연료유입구의 직경은 상기 구 형상의 와류실 반경 대비 일정 수치범위 내에 형성되는 것을 특징으로 한다.함하는 것을 특징으로 한다.

Description

디젤 엔진의 예연소실 구조{Diesel engine pre-combustion chamber structure}
본 발명은 디젤 엔진의 예연소실 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 와류실식 농용 소형 기계식 디젤 엔진에서 연료가 유입되는 예연소실의 연료유입구 형상변경을 통해 연료와 압축 공기와의 혼합율을 개선시켜 연소성능을 향상시킬 수 있는 디젤 엔진의 예연소실 구조에 관한 것이다.
디젤 엔진은 실린더 안에 공기를 흡입·압축해서 고온·고압으로 하고, 여기에 액체연료를 분사하여 자연발화시킨 다음 피스톤을 작동시킴으로써 동력을 얻는 내연기관의 일종이다. 이러한 디젤 엔진에 대한 시동은 가솔린 엔진의 플러그 점화방법과는 달리, 피스톤의 압축행정시 발생되는 실린더 내부의 압축된 힘에 의하여 기화 상태로 분사된 디젤 연료가 폭발함에 따른 연쇄적인 출력으로서 수행된다.
이와 같은 디젤 엔진은 연소방식에 따라 크게 연료를 실린더 내에 직접 분사하여 연소시키는 직접분사식과 별도의 예연소실(부연소실)을 설치하여 이곳에 분사하여 연소시키는 간접분사식으로 분류될 수 있는데, 간접분사식은 다시 예연소실(pre-chamber) 연소방식과 와류실(swirl-chamber) 연소방식 및 공기실식 연소방식으로 분류된다.
이 중에서 와류실 연소방식은 피스톤과 실린더 헤드사이에 형성되는 주연소실 상측에 와류실을 형성하여 와류실 내에서 연료와 공기를 혼합하여 연소를 촉진하고, 주연소실에 분출되는 열량을 이용하여 주연소실 내에서 연소(燃燒)를 완성시키는 메카니즘으로 작동되는데, 연소실의 형상 및 사양에 따라 연소 특성에 미치는 영향이 매우 크다.
이와 같은 와류실 연소방식으로 운용되는 디젤 엔진에서는 와류실의 상부측 실린더 헤드 부분에 연료분사노즐이 연료를 와류실의 한 쪽 내주면측으로 편향되게 분사시킬 수 있도록 경사지게 설치되며, 연료가 분사되는 와류실 내주면 측부 상단에는 추운 겨울철 엔진의 시동성 향상을 위한 예열 플러그가 장착된다.
그리고, 와류실의 하부측에는 압축 행정시 주연소실로부터 와류실로 압축공기가 도입되도록 유도함과 동시에 도입된 압축공기가 와류실 내주면을 따라 와류실 안에서 선회할 수 있도록 경사통로가 와류실 내주면에 대해 대략 접선 방향으로 경사지게 형성된다.
이에 따라, 피스톤의 압축 행정시 주연소실로부터 유입되는 압축 공기가 경사통로를 거쳐 와류실로 도입될 때 와류실의 주면을 따라 강한 와류(swirl)가 형성되는 동시에 연료분사노즐로부터는 연료가 분사되어 와류실에서 1차적인 연소가 이루어지며, 1차 연소와 함께 팽창된 연소가스는 경사통로를 거쳐 다시 주연소실로 유입되면서 이곳에서 또 한번의 폭발이 진행된다.
그러나, 상기와 같은 와류실식 연소실을 갖춘 기존 디젤 엔진의 경우, 와류실에서는 주연소실로부터 도입된 압축공기에 대한 와류 형성 및 분사 연료와의 혼합이 주요하게 이루어지지만, 와류실로 도입된 압축공기가 와류실 주면을 따라 선회하는 과정에서 연료분사노즐이 장착된 노즐장착구멍의 끝단과 충돌하게 되어 와류의 유동성이 현저히 떨어져서 와류실로 도입된 압축공기가 분사 연료와 충분히 혼합되지 못한채 결국 미연소되어, 미연소에 의해 유해가스가 다량 발생하는 문제가 있었다.
또한, 기존 와류실식 디젤 엔진의 경우 연료분사노즐로부터 분사되는 미연의 분무 연료가 압축공기 와류의 영향을 받아 액적 상태로 와류가 하향 선회하는 와류실 일측 주면 내지는 와류실측으로 노출된 예열 플러그 선단에 강하게 충돌하거나 일부는 주면 또는 예열 플러그 선단에 부착되는 현상이 발생될 수 있는데, 이처럼 와류실 주면 또는 예열 플러그에 일부 연료가 액적 상태의 부착되면, 이 역시 미연소의 원인이 되고, 결과적으로는 질소 산화물(NOx), 탄화수소(HC)등과 같은 유해 성분을 포함한 배출 가스의 증가를 초래하는 원인이 된다.
또한, 기존 와류실식 디젤 엔진에서는 해발 고도가 높아 공기 밀도가 희박한 고지(高地) 지역에서 차량이 운행할 경우 엔진으로 유입되는 흡기량이 줄어들어 출력이 떨어지는 것을 보상하기 위해 운전자가 가속페달을 깊게 조작함으로써 발생되는 유해가스 배출을 줄이기 위해 가속페달이 깊게 조작되는 경우에도 연료 공급을 일정수준으로 제한해 주는 전자식 연료 제한 장치가 장착되어 있다. 이와 같은 전자식 연료 제한 장치와 같은 추가 구성 부품이 사용됨에 따라 제품의 제조비용이 상승되고 엔진의 구성이 복잡해지는 문제점이 있었다.
한국 특허공개 제2020-0114418호(2020.10.07)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 디젤 엔진의 예연소실로 연료가 유입되는 연료유입구의 형상변경을 통해 연료분사노즐에서 분사되는 연료와 예연소실 내부로 도입되는 압축공기가 충분히 혼합된 상태로 연소되도록 하여 연소성능을 향상시킬 수 있고, 이를 통해 연료의 미연소에 의한 유해가스 발생을 최소화할 수 있는 디젤 엔진의 예연소실 구조를 제공하는 데에 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 디젤 엔진의 예연소실 구조는, 와류 형성에 유리한 경사각을 가진 경사통로를 매개로 주연소실과 상호 연통되는 와류실을 구비하고, 압축행정시 상기 경사통로를 통해 상기 주연소실로부터 상기 와류실로 압축공기가 도입됨과 동시에 도입된 압축공기가 구 형상의 상기 와류실 내주면을 따라 선회할 수 있도록 구성되고, 상기 와류실의 일측에 연료분사노즐에서 분사되는 연료가 유입되는 연료유입구가 형성되고, 타측에 상기 와류실 내부의 예열을 위한 예열 플러그가 설치되는 디젤 엔진의 예연소실 구조에 있어서, 상기 연료유입구는 상기 와류실 내부를 향해 경사지게 형성되며, 상기 연료유입구의 직경은 상기 구 형상의 와류실 반경 대비 일정 수치범위 내에 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 연료유입구의 직경은 상기 와류실의 반경과 동일하게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 연료유입구의 길이방향 중심선이 상기 와류실의 중심점과 만나지 않도록 일정거리 이격된 위치에 형성될 수 있다.
상기한 구성을 갖는 본 발명에 따른 디젤 엔진의 예연소실 구조에 따르면, 연료분사노즐로부터 연료가 유입되는 와류실의 연료유입구 직경을 와류실의 구의 반경과 동일하게 형성하여 연료분사노즐에서 분사되는 연료와 주연소실로부터 와류실 내부로 도입된 일정 온도의 압축공기가 충분히 혼합된 상태에서 자기착화되어 연소가 이루어질 수 있기 때문에 연소효율을 향상시킬 수 있고, 이를 통해 와류실 내에서 연료의 미연소에 의한 유해가스 발생을 최소화여 배기가스 배출 규제치를 만족하는 디젤 엔진을 제조할 수 있는 장점이 있다.
또한, 기존에는 공기 밀도가 희박한 고지(高地)에서 운행 시 예연소실로 공급되는 연료량을 일정 수준으로 제한하여 질소 산화물(NOx) 발생을 줄이기 위하여 전자식 연료 제한 장치를 장착하여 사용하였지만, 본 발명에서는 이와 같은 전자식 연료 제한 장치를 사용하지 않고서도 연소성능을 개선시키면서 유해가스 발생도 억제할 수 있기 때문에, 전자식 연료 제한 장치 설치로 인한 제품의 원가가 상승을 방지할 수 있고, 엔진 전반에 걸쳐 구성이 복잡해지는 등의 문제점도 개선할 수 있는 장점이 있다.
아울러, 와류실에서 연료유입구의 직경을 와류실의 구 반경에 대응하는 큰 직경 크기로 형성함에 따라 실린더 헤드에서 연료유입구의 가공작업이 한층 용이하게 이루어질 수 있고, 이에 따라 제품의 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 디젤 엔진의 예연소실 구조를 보여주는 단면도.
도 2는 도 1에서 연료분사노즐 및 예열 플러그가 장착되기 전 상태의 예연소실 구조를 보여주는 단면도.
도 3은 디젤 엔진의 예연소실 내부에서 분사된 연료가 와류실 내부로 유입되어 선회하는 압축공기와 혼합되는 모습을 보여주는 단면도.
아래에서는 첨부된 도면들을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 국한되지 않는다. 또한, 상세한 설명 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미함을 밝혀둔다.
기존에 사용되던 1L급 소형 농용 디젤 엔진은 공기 밀도가 희박한 고지(高地) 지역을 운행할 경우 엔진 연소실로 유입되는 흡기량이 크게 줄어들게 되어 같은 가속 조작에도 평지에 비해 출력이 크게 떨어지는 현상이 발생된다. 이 때문에, 운전자는 부족한 출력을 보상하기 위해 가속페달을 더욱 깊이 조작하게 되고, 이로 인해 결국 질소 산화물(NOx)의 배출이 증가하게 되어 대기환경을 악화시키는 문제를 발생시킨다.
이러한 문제를 방지하기 위해 기존의 와류실식 디젤 엔진에서는 공기 밀도가 낮은 고지(高地)에서 차량이 운행할 경우 예연소실로 공급되는 연료량을 일정수준으로 제한하는 전자식 연료 제한 장치를 탑재하게 됨으로써 고지 운행 시에도 스모크(smoke)나 질소 산화물(NOx) 등의 유해가스 방출량을 줄일수 있도록 되어 있다.
그러나, 본 발명에서는 디젤 엔진에서 연료가 유입되는 예연소실의 연료유입구에 대한 간단한 형상 변경을 통해 예연소실 내부에서 연료와 압축공기의 혼합율을 높여 연소성능을 개선시킴으로써 기존과 같은 전자식 연료 제한 장치를 탑재하지 않고서도 유해가스 발생량을 최소화하여 배기가스 배출 규제치를 만족하는 소형 농형 디젤 엔진의 예연소실 구조를 제공하는 것에 목적이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 디젤 엔진의 예연소실 구조를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 소형 농형 디젤 엔진의 예연소실 구조를 보여주는 단면도이고, 도 2는 도 1에서 연료분사노즐 및 예열 플러그가 장착되기 전 상태의 예연소실 구조를 보여주는 단면도이다. 그리고, 도 3은 연료분사노즐에서 분사되는 연료가 와류실 내부로 도입된 압축공기와 혼합되는 모습을 보여주는 단면도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 소형 농형 디젤 엔진은 엔진 배기량을 기존의 1L 급에서 1.2L 급으로 증대시켜 와류실 내부로 충분한 공기 확보가 가능토록 하는 동시에 연료분사노즐에서 분사된 연료가 와류실 내부로 유입되어 선회하는 일정온도의 압축공기와 충분히 혼합된 상태에서 자기발화되어 연소되도록 하여 배출가스 규제치를 만족하면서 연소성능도 향상시킬 수 있도록 구성되어 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 디젤 엔진의 예연소실 구조를 구체적으로 설명하면, 실린더 헤드(10)에는 연료분사노즐(130)로부터 유입되는 연료와 주연소실(미도시)에서 유입되는 압축공기가 혼합되는 예연소실(100)이 구비된다.
예연소실(100)에는 와류를 발생시켜 분사되는 연료가스를 예열 및 연소시키는 와류실(120)이 구비되며, 와류실(120)의 하부측에는 실린더 내의 피스톤 왕복운동에 따라 공기에 대한 흡입 및 압축 행정이 이루어지는 주연소실(미도시)이 구비된다.
와류실(120)은 경사통로(110)를 통해 주연소실과 서로 연통되며, 피스톤의 압축행정 시 주연소실에서 압축된 공기가 경사통로(110)를 통해 와류실(120)로 유입된다. 이때, 경사통로(110)는 와류실(120) 주면에 대해 대략 접선 방향으로 경사지게 배치됨으로써 경사통로(110)를 통해 와류실(120) 내부로 유입되는 압축공기가 구(球) 형상의 와류실(120) 내주면을 따라 와류실(120) 내부에서 선회할 수 있도록 구성된다.
와류실(120)의 상부측 실린더 헤드(10) 부분에는 연료분사노즐(130)의 장착을 위한 연료분사노즐 장착부(20)가 와류실(120)과 연통되는 구조로 형성된다. 이때, 연료분사노즐 장착부(20)는 연료분사노즐(130)이 연료를 와류실(120)의 한 쪽 내주면 방향으로 편향되게 분사시킬 수 있도록 경사진 구조로 형성된다.
그리고, 연료분사노즐 장착부(20)와 와류실(120) 사이에는 이들을 연통시키며 연료분사노즐(130)에서 분사되는 연료가 와류실(120) 내부로 유입되도록 하는 연료유입구(140)가 형성된다.
또한, 실린더 헤드(10)에는 추운 겨울철 엔진의 시동성 향상을 위한 예열 플러그(150)가 장착될 수 있는 예열 플러그 장착부(30)가 형성된다. 상기 예열 플러그 장착부(30)는 연료가 분사되는 와류실(120) 내주면 측부 상단에 와류실(120)과 연통되는 구조로 형성된다.
이와 같은 구성의 예연소실(100)에서는 피스톤의 압축행정시 주연소실로부터 유입되는 압축 공기가 경사통로(110)를 거쳐 와류실(120) 내부로 유입될 경우, 와류실(120)의 내주면을 따라 도 3에 도시된 화살표 방향으로 강한 와류(swirl)가 형성되며, 동시에 연료분사노즐(130)로부터 분사되는 연료가 와류실(120) 내에서 압축공기와 혼합되면서 자기착화되어 1차 연소가 이루어지게 되고, 1차 연소와 함께 팽창된 연소가스는 경사통로(110)를 거쳐 다시 주연소실로 유입되어 2차 연소되어 폭발이 진행된다.
이 경우, 연료분사노즐(130)에서 분사된 연료가 와류실(120) 내부에서 선회하는 압축공기와 혼합되어 연소가 이루어지는 과정에서 연료유입구(140)의 직경 크기에 따라 와류실(120) 내부에서의 연소성능이 달라질 수 있다.
즉, 압축 공기가 와류실(120) 내부에서 선회하는 과정에서 와류실(120)과 연결된 연료유입구(140)의 에지(edge) 부분과 충돌하여 공기의 소용돌이(vortex)를 발생시키게 되고, 이렇게 국부적으로 발생되는 소용돌이로 인해 와류실(120) 내에서 압축 공기의 와류 흐름이 너무 약하게 발생되어 와류실(120) 측벽에 분무 입자가 부착됨으로써 연소효율이 떨어지고, 연료분사노즐(130)에서 분사된 연료가 와류실(120) 내부에서 선회하는 압축공기와 완전히 혼합되지 못한 상태에서 연소가 이루어지게 됨으로써 미연소된 연료로 인해 유해가스 발생을 증가시킬 수 있다.
일반적인 경우 연료유입구(140)의 직경이 작을수록 와류실(120) 내부를 선회하는 압축공기가 연료유입구(140)의 에지 부분과 충돌할 가능성이 작아지므로 와류실(120) 내에서 국부적인 소용돌이 발생 가능성이 작아질 것으로 추정할 수 있지만, 실제 작동에서는 연료유입구(140)의 직경이 작게 형성된 경우에도 연소효율이 높아지지 않고 질소 산화물(NOx)이나 탄화수소(HC) 등의 유해가스 배출이 상당량 발생하는 문제가 있었다.
이에 따라, 본 발명에서는 와류실(120)에 형성된 연료유입구(140)의 직경(D) 크기와 연소성능과의 상관관계를 규명하는 수차례의 실험을 수행하여 배기가스 배출규제치를 만족시키면서 최적의 연소효율을 확보할 수 있는 최적의 연료유입구 직경(D) 크기를 도출하였다.
즉, 본 발명은 와류 형성에 유리한 경사각을 가진 경사통로(110)를 매개로 주연소실과 상호 연통되는 와류실(120)을 구비하고, 압축행정시 경사통로(110)를 통해 주연소실로부터 와류실(120)로 압축공기가 도입됨과 동시에 도입된 압축공기가 구(球) 형상의 와류실(120) 내주면을 따라 선회할 수 있도록 구성되고, 상기 와류실(120)의 일측에 연료분사노즐(130)에서 분사되는 연료가 유입되는 연료유입구(140)가 형성되고, 타측에 와류실(120) 내부의 예열을 위한 예열 플러그(150)가 설치되는 디젤 엔진의 예연소실(100) 구조에 있어서,
상기 연료유입구(140)의 길이방향 중심선(CL)이 구(球) 형상을 갖는 와류실(120)의 중심점(CP)과 만나지 않도록 일정거리 이격된 위치에 형성되도록 상기 연료유입구(140)가 와류실(120) 내부를 향해 경사지게 형성되되, 상기 연료유입구(140)의 직경(D)이 상기 구 형상의 와류실 반경(R) 대비 일정 수치범위 내에 형성되는 것에 특징이 있다. 바람직하게는 상기 연료유입구(140)의 직경(D)을 구(球) 형상을 갖는 와류실(120)의 반경(R) 크기와 동일하게 형성할 수 있다.
이와 같이, 와류실(120)에서 연료분사노즐(130)로부터 분사되는 연료가 유입되는 연료유입구(140)의 직경(D)을 와류실(120)의 구의 반경(R)과 동일한 크기로 형성하게 되면, 연료분사노즐(130)에서 분사되는 연료와 주연소실로부터 와류실(120) 내부로 도입되는 일정온도의 압축공기가 충분히 혼합된 상태에서 자기착화되어 연소될 수 있기 때문에 연소성능을 향상시킬 수 있고, 와류실(120) 내에서 연료의 미연소에 의한 유해가스(smoke, NOx) 발생을 최소화할 수 있기 때문에 배기가스 배출규제치를 만족하는 높은 연소효율을 갖는 디젤 엔진의 제조가 가능해질 수 있다.
즉, 본 발명의 예연소실 구조에 따르면 연료유입구(140)의 직경(D) 크기를 변경시키는 간단한 구조적 설계만으로도 연소성능을 개선시키면서 질소 산화물과 같은 유해가스 발생을 최소화할 수 있기 때문에 배출가스 표준(미국 Tier 4 포함)을 만족하는 연소성능을 발휘할 수 있는 소형 농형 디젤 엔진의 제조가 가능해지는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 19kW급 이하의 소형 농용 디젤 엔진으로 제조되는 경우 기존과 같이 전자식 연료 제한 장치를 탑재하지 않고서도 연소성능을 높이고 유해가스 배출 규제치도 만족시키는 디젤 엔진을 제조할 수 있기 때문에 전자식 연료 제한 장치 설치로 인한 제품 제조비용 상승을 억제할 수 있고, 엔진 구조를 단순하게 구현할 수 있으며, 엔진의 높이 축소가 가능해져서 소형 농형 디젤 엔진에 따른 장착성 또한 우수해지는 장점이 있다.
아울러, 와류실에서 연료유입구의 직경을 와류실의 구 반경에 대응하는 크기로 크게 형성함에 따라 실린더 헤드의 연료유입구 가공작업이 한층 용이하게 수행될 수 있으며, 이로 인해 제품의 생산성이 향상되는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다
10 : 실린더 헤드
20 : 연료분사노즐 장착부
30 : 예열 플러그 장착부
100 : 예연소실
110 : 경사통로
120 : 와류실
130 : 연료분사노즐
140 : 연료유입구
150 : 예열 플러그

Claims (3)

  1. 와류 형성에 유리한 경사각을 가진 경사통로를 매개로 주연소실과 상호 연통되는 와류실을 구비하고, 압축행정시 상기 경사통로를 통해 상기 주연소실로부터 상기 와류실로 압축공기가 도입됨과 동시에 도입된 압축공기가 구 형상의 상기 와류실 내주면을 따라 선회할 수 있도록 구성되고, 상기 와류실의 일측에 연료분사노즐에서 분사되는 연료가 유입되는 연료유입구가 형성되고, 타측에 상기 와류실 내부의 예열을 위한 예열 플러그가 설치되는 디젤 엔진의 예연소실 구조에 있어서,
    상기 연료유입구는 상기 와류실 내부를 향해 경사지게 형성되며, 상기 연료유입구의 직경은 상기 구 형상의 와류실 반경 대비 일정 수치범위 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 예연소실 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료유입구의 직경은 상기 와류실의 반경과 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 예연소실 구조.
  3. 제1항에 있어서, 상기 연료유입구의 길이방향 중심선이 상기 와류실의 중심점과 만나지 않도록 일정거리 이격된 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 예연소실 구조.
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