KR880001587B1 - 공기 압축 직접 분사식 내연기관 - Google Patents

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보그트, 슈츠러
마쉬넨 파브릭 아우구스부르그-뉴른베르그 악티엔 게젤샤프트
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Abstract

내용 없음.

Description

공기 압축 직접 분사식 내연기관
제1도는 본 발명에 의한 두 개의 입체적인 연료 제트와 함께 피스톤 최상단(TDC)에 있을 때의 피스톤의 상단부에 부분 측면도.
제2도는 제1도의 라인 II-II의 레벨에서의 피스톤의 평면도.
제3도는 제2도의 라인 III-III에 따른 하나의 연료 제트 평면의 개략도.
제4도는 0도 내지 180도의 각 범위에 걸친 트로트 벽 깊이의 개량을 나타내는 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 피스톤 2 : 피스톤 크라운(piston crown)
3 : 연소실 4 : 트로트 구멍(throat opening)
5 : 유입 섹션 6 : 실린더 헤드
10, 10a : 충돌지점 9, 9a : 연료 분사 라인
7 : 분사기(injector)
11 : 연소실벽 15 : 연료 분사점
12 : 실린더 스페이스
본 발명은 공기 압축 직접 분사식 내연기관에 관한 것으로서, 이것은 잘록한 이송구멍과 함께 피스톤안에 입체적으로 회전할 수 있는 형상의 연소실을 갖고 있는데, 이 속에서 상기 연소실 세로축에 대한 회전운동은, 연료가 연소실 벽상에 연료막을 형성하는 방식으로 연소용의 회전 공기 방향으로 오직 하나의 제트 수단에 의하여 실린더 헤드안의 연소실 트로트 가까이의 원심에서 벗어난 위치에 설치된 노즐을 통하여 연소실 안으로 분사되는, 연소용 유입 공기로 공지된 수단에 의하여 전달되는데, 연소실벽상의 연료 제트의 충돌점은 노즐각과 노즐 위치의 설정에 의하여 연소실의 하단 1/4상에 놓여진다.
이런 형태의 내연기관은 독일연방공화국 특허 제 20 28 048호에서 서술되어 있다.
연료의 벽 표면에서의 침전(desposition)에 의해 혼합비가 크게 영향받는 내연기관에 있어서, 연소실의 공기 유동은 두가지 점에서 중요하다.
첫째, 고온의 연소실 벽에 의해 연소조건이 이루어지는 충분히 빠르고 효과적인 연료의 분리를 제공하는 것과 둘째로, 공기와 연료의 적절한 혼합비가 제공하는 것이다.
이러한 개념하에서 공기 유동은 두가지 형태에 의하여 이루어진다. 흡입 행정시 연소실의 종축에 대한 연소를 위한 공기의 회전(초기 공기 회전)과, (압축 행정시)공기가 연소실로 유입될때 스퀴쉬(squish)난류가 행성되도록 연소실이 트로트를 향하여 좁아져 있다는 사실이다. 분명히, 피스톤이 최상단(TDC : Top dead center)에 있을 때 가장 큰 속도를 갖는 축에 대하여 대칭인 회전운동은 분사된 연료를 연소벽상에서 제거하기에는 매우 적합하다. 그러나, 연료가 빨리 그리고 확실히 제거되는 것을 촉진시키도록 상기 공기 유동이 충분히 격화되어야 되기 때문에, 설계자는 공기가 연소실로 이송될 때 연소실에 거의 직각되게 흡입되는 흡입공기의 회전 수평 유동에 스퀴쉬류의 부과는 심한 난류 상태를 일으키기 때문에 상기 회전 운동에 부가해서 스퀴쉬류를 사용하고 이송류의 난류를 돕는 속도 증가를 제공하는 잘록한 트로트를 사용하도록 설계한다. 이것은 급속한 진행의 훌륭한 혼합비를 얻게 되며, 결론적으로는 대체로 개선된 연소 패턴을 얻게 된다. 그러나, 이러한 것들은 주로 고속도 범위내에서만 사용하여질 수 있다.(즉, 고속도의 내연기관). 저속도의 범위에서 고도의 스퀴쉬 난류는, 연료가 저속도 범위내에서 낮은 동적 에너지를 갖는 연소실을 관통할때 연소실벽쪽으로 편향되기 때문에 연소가 잘 이루어지지 않는다. 그러나, 저속도 범위내에서는 비교적 저온의 연소실 벽 때문에 벽의 침전은 공기와의 직접적인 연료의 혼합을 약화시킨다.
종래의 내연기관에 있어서는, 이러한 것들은 트로트의 직경이 약간 큰 것을 설정하여 좀더 큰 연료 분사 자유 궤도를 갖게 하므로써 또한 연소실내의 공기의 회전 속도를 낮추므로써 성취할 수 있었다.
이러한 내연기관에 있어서 이 단게에서 연전히 너무 차거운 연소실을 향하여 너무 극심한 분사 제트의 편향이 일어나기 때문에 이러한 스퀴류난류 또는 제2차 난류 현상은 저속도 범위에서는 최적조건이 아니라는것이 밝혀졌다.
트로트 직경을 더 크게 하면 저속범위에는 더 큰 진보성을 갖지만 고속도 범위에서는 고려할만한 나쁜 현상을 야기시킨다.
이것이 본 발명의 착안점으로서, 연소실로 흡입되는 연료 유입 영역안에서 하고 또한 직접 전진 방식으로 참조된 형태의 내연기관 엔진내에 발생된 스퀴쉬 난류를 조절할 수 있으므로, 최대폭으로 선택된 연소실의 하단 1/4부분안에 연료 충돌 구역을 갖고 또한 연소실 형상의 적당한 자유로운 선택에 의하여 고속도 범위 또는 과부하의 작동시 나빠지는 불리한 조건이 없이 엔진의 무부하 및 저부하 그리고 중간 정도의 부하가 걸릴때 푸른 연기나 흰 연기를 가능한한 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따라서, 이러한 목적은 잘록한 트로트 달걀 단면 및 가변의 원주 방향의 벽의 높이를 갖도록 형성된 잘록한 트로트 구성과 : 연소실의 평면도에서 연소실 중심을 지나는 트로트의 최대 직경이 흡입 노즐의 연료 분사점을 향하여 연장되어 있는데, 연소실의 중심으로부터의 연료분사점의 거리가 연소실 직경이 0.35 내지 0.70배 되도록하며, 연소실 축에 수직인 평면안으로 분사되는 입체적 연료 분사 방향선이 연소실 세로축을 통과하는 즉, 연소실 중심을 지나는 직선에 대하여 연료 분사점에서 10 내지 50도의 각도를 가지며 또한 연소실 세로축에 수직인 평면에 대하여 20 내지 60도의 각도를 갖도록 하므로써 성취할 수 있다.
본 발명에 의한 트로트 구멍의 설계와 위치에 의하여, 연소실안으로 흡입되는 연료 흡입 영역안의 스퀴쉬난류 현상은 연료 분사점 위치의 지적된 범위안에서 또는 입체적 연료 분사방향의 각도 범위 안에서 연소실쪽으로 연료분사의 두드러진 편향을 감소시키는 방법으로 약화시킬 수 있다. 이러한 것에 대한 설명은 다음과 같다 : 첫째, 연소실 벽으로부터 타원형 트로트구멍의 최대 직경부의 끝단까지의 연소실의 짧아진 거리에 의하여 스퀴쉬 유동의 심도가 감소되며 둘째, 트로트구멍에 대하여 연소실 측먼부위를 언더컷(under-cut)시키므로서 감소시킬 수 있다. 결론적으로, 스퀴쉬 난류는 연소실 측면에 대한 적은 편향을 필요로 하며 또는 개발적으로는 편향은 벽의 최대 높이부내의 이러한 구역의 연소실 챔버내의 낮은 범위로 이동되어지므로써 연료의 침전밀도는 증가된다. 따라서, 약한 스퀴쉬 난류는 벽에 대한 연료 분사의 편향을 증가시키며 즉, 이것은 저속도 범위에서는 공기와 연료의 직접 혼합을 돕는다. 그러나, 크로트 구멍의 최소 직경부에서는 심한 스퀴쉬 난류가 항상 유지되고 고속도에서는 더 힘있는 연료 분사가 연소실벽에 항상 도달될 뿐만 아니라 적어도 공기와류의 고속도 때문에 또한 저속도 그리고 고부하에서도 나빠지지 않는다. 그러므로, 연소를 위한 연료의 향상된 비율은 배기발사 수준의 명백한 향상 결과로 모든 속도 범위에서 얻게 된다.
본 발명의 더 진보된 것으로써, 타원체 연소실 트로트의 직경비(d1/d2)는 1.05 내지 1.25를 채택하는 것이 유리하다.
연료 분사점의 위치는 방사상 방향내에 있을 뿐만 아니라(연소실 중심으로부터 특별한 거리안에)트로트의 최대 직경(d1)의 방향으로부터 ±20도로 변화시킬 수 있다.
트로트구멍은 타원형상 또는 긴 타원체 구멍형상을 가지고 있다.
본 발명의 다른 진보성에 의하면, 트로트구멍의 벽은 수직으로 즉, 연소실 세로측에 대하여 수평으로 형성되어 있다. 이러한 경우, 트로트 벽의 깊이는 최대직경(d1)에서 가장 크고 최소직경(d2)에서 가장 작다.
최대 트로트 벽 깊이가 연소실 직경(D)의 15 내지 20퍼센트이며 최소벽깊이는 5 내지 10퍼센트가 좋다.
회전 공기 유량의 회전속도는 보통 130 내지 180rps이다.
구형 연소실을 사용하려면 직경비 d1/d2가 1.10 내지 1.15인 경우, 연소실 중심으로부터 연료분사점까지의 거리는 연소실 직경의 0.50 내지 0.55배이고 각 γ가 15 내지 40도이며 각 δ가 40 내지 50도일때 특별히 좋은 연소형태를 얻을 것이다.
이제 본 발명은 도면을 첨부하여 다음과 같이 상세히 설명한다 : 제1도와 제2도에는 피스톤 크라운(piston crown)에 직경 D를 갖는 구형의 연소실이 형성된 피스톤이 부분적으로 도시되어 있다. 또한 회전 대칭과는 다른 형상의 연소실은 실린더 스페이스(12)와 잘록한 트로트 구멍(4) 수단에 의해 관통되어 있다. 타원형 구멍형상인 타원체 단면으로 형성된 잘록한 트로트구멍(4) 내에서, 연소실의 세로축에 대하여 원심에서 벗어난 위치에 실린더 헤드(6)에 설치된 분사기(7) 수단에 의한 연료의 분사용 유입 섹션(5)을 갖고 있다. 상기 트로트 구멍(4)의 타원체 형성에 기인되어, 상기 유입 섹션은 강제적인 것은 아니다.
연소실(3)의 적도 레벨이 일점쇄선(8)에 의해 표시되어 있는데, 연료의 분사는 연소실(3) 하부의 1/4내에서 이루어진다. 이것은 노즐의 적당한 각도(노즐 중심선으로부터 연료 분사의 편향)나 노즐 위치의 적당한 선택 그리고 분사기의 적당한 회전을 채택하므로서 이루어진다. 연소실의 하부 구역속으로의 연료의 분사는 연료 제트의 좀더 큰 자유 궤적을 제공한다.
라인(9,9a) 은 연소실벽(11)의 충돌지점(10,10a)에서 충돌하는 두개의 입체적인 연료 제트방향을 표시하고 있다. 본 발명에 의하면, 연소실의 세로축(13)에(연소실 중심) 수직인 평면안으로 분사되는 연료 제트는 연소 분사점(15)으로부터 연소실의 세로축을 통과하는 즉, 연소실의 중심을 지나는 직선라인(17)과 10 내지 50도 사이의 각도를 포함하고, 또한 부가로 연소실의 세로축(13)에 수직인 평면 즉, 실린더 헤드 평면에 대하여 약 20 내지 60도의 각을 형성한다.
실시 예에서 연료 분사 라인(9)의 각 γ는 약 17도이며 연료 분사 라인(9a)과의 각 γa는 약 38도이다.
제2도는 타원형의 트로트구멍(4)을 도시하고 있다. 타원의 최대 직경은 d1이며, 최소 직경은 d2인데 d1/d2의 직경비는 1.05 내지 1.25이다. 연료 분사점(15)은 최대 직경(d1)의 끝단부에 위치하며 사선 친 구역(19) 안에 있을 것이다.
이것은 최대 직경(d1)의 한 방향으로부터 ±20°의 편위가 있으며 본 실시 예에서의 편위는 약 10도이다.
연소실의 중심으로부터 연료 분사점까자의 거리는 1로 설계되어 있다. 1은 연소실 직경의 약 0.35 내지 0.75배이며, 본 실시 예에서는 1=0.55D로 설계되어 있다. 화살표(14)는 공기 회전방향을 표시한다.
연료 분사점(15)의 위치가 제2도에서 빗금친 구역(19)안에서 가변된다면, 연료 분사의 연소실벽(11)상에 각 경우에 따른 다른 충돌점을 일으키지만 그 각각의 상황에서도 각γ와 δ는 대략 같으며 그러한 노즐각을 유지하게 된다. 연소실에 있어서, 연소 분사점(15)과 연소실 중심과의 거리(1)는 연소실 직경(D)의 0.55배이며 각γ가 15 내지 40도, 그리고 각 δ가 40 내지 50도이며 타원체의 연소실의 직경비 d1/d2가 1.10 내지 1.15일때 가장 좋은 결과를 얻는다는 것은 확실한 일이다.
제3도는 연료 분사 라인(9)의 각δ의 값을 나타내고 있다. 상기 도면에 있어서는 약 45도이다. 상기 도면은 또한 입체적인 연료 분사 라인 (9)의 실질적 궤적을 나타내고 있다. 이것은 연소실 벽상의 지점(10)에서 충돌한다. 상기 지점(10)은 연소실과 제2도에 의한 평면III-III의 교차점으로된 원상에 놓여진다. 제3도는 단순히 16으로 표시된 실린더축에 수직인 평면, 예를 들면, 실린더 헤드 평면과의 각 δ를 나타내기 위한 개략도이다.
제4도는 0도에서 180도까지에 걸친 트로트구멍의 벽 깊이의 개량을 보여주고 있다.
종래형태의 내연기관에 적용하면, 본 발명은 손쉬운 방법으로 즉, 연소실안으로의 연료분사를 위해서 특별히 미리 정해진 조건과 관련하여 연소실의 특수한 형상이나, 또한 필요한 공기 분포를 마련하기 위해 자동적으로 조절되는 혼합비에 영향을 주는 부분 하중으로부터 전 하중까지의 변화나 그리고 연료벽의 침전등에 의해 필요한 혼합비를 자동적으로 일으킬 수 있다. 이것은 특별한 기계적인 부품이나 이런 효과를 얻기위한 외부적으로 마련해야 될 조절 작동이 필요없다. 또한 종래 기술의 경우(독일연방공화국 특허 제 20 38048호)와 같이 좁은 범위안에서 공기의 와류속도를 유지할 필요가 없다.

Claims (10)

  1. 연소용 흡입 공기가 공지된 수단에 의하여 연소실의 길이방향축에 대하여 회전운동을 일으키고 또한 노즐각과 노즐 위치의 적당한 선택에 의하여 연소실의 1/4하단부의 연소실 벽상에 연료 분사 충돌점을 마련하여 연소실 벽에 연료막을 형성하는 방법으로 연소실내의 연소용 공기의 회전방향으로 오직 하나의 분사 수단에 의하여 연소실 트로트 가장자리 부근에 실린더 헤드의 중심에서 벗어난 위치에 설치된 노즐을 통하여 연료가 분사되는, 최대직경(d1) 및 최소직경(d2)을 가진 잘록한 트로트의 트로트구멍과 함께 회전 입체 형상의 연소실이 형성된 피스톤으로 구성되는 공기 압축 직접 분사식 내연기관에 있어서, 상기 잘록한 트로트구멍(4)이 달걀 단면형상이고 원주 방향의 가변벽 깊이를 갖으며, 상기 트로트구멍(4)의 최대 직경(d1)이 연소실 중심을 통해 노즐(7)의 연료 분사점(15)을 향하여 연장되며, 연소실 중심으로부터 연료 분사점(15) 사이의 거리(1)가 연소실 직경(D)의 0.35 내지 0.7배이며, 연소실 세로축(13) (연소실 중심)을 통과하여 연장되는 직선 라인(17)에 대해서 연소실의 세로축(13)에 수직인 평면안으로 분사되는 입체적 연료분사 방향선은 연료 분사점(15)에서 10 내지 50도의 각(γ)을 가지며 또한 연소실 세로축(13)에 수직인 평면에 대하여 20 내지 60도의 각(δ)을 형성하는 것을 특징으로 하는 공기 압축 직접 분사식 내연 기관.
  2. 제1항에 있어서, 상기 타원형 연소실 트로트 구멍(4)의 직경비(d1/d2)가 1.05 내지 1.25인 것이 특징인 공기 압축 직접 분사식 내연기관.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료 분사점(15)이 상기 트로트구멍(4)의 최대 직경(d1) 방향으로부터 최대 ±20도만큼 편향된 것이 특징인 공기 압축 직접 분사식 내연기관.
  4. 제1항에 있어서, 상기 트로트구멍(4)은 타원형상인 것이 특징인 공기 압축 직접 분사식 내연기관.
  5. 제1항에 있어서, 상기 타원형 트로트구멍(4)은 두 개의 준원과 중앙부에 직선형 중간 구역으로 형성된 긴 타원체 구멍 형상인 것이 특징인 공기 압축 직접 분사식 내연기관.
  6. 제1항에 있어서, 상기 트로트구멍(4)의 벽이 수직 즉, 연소실의 세로축(13)과 평행하게 연장된 것을 특징으로 하는 공기 압축 직접 분사식 내연기관.
  7. 제1항에 있어서, 상기 트로트구멍의 벽 깊이가 최대직경(d1)에서 가장 크며, 최소 직경(d2)에서 가장 적은 것이 특징인 공기 압축 직접 분사식 내연기관.
  8. 제1항에 있어서 상기 트로트구명(4)의 최소 벽 깊이가 연소실 직경(D)의 5 내지 10퍼센트이고, 최대 벽 깊이는 15 내지 20퍼센트인 것이 특징인 공기 압축 직접 분사식 내연기관.
  9. 제1항이 있어서, 10m/sec의 평균 피스톤 속도 뿐만 아니라 측정된 직경(실린더 또는 피스톤 직경의 0.7배)과 최대 밸브 상승 거리에 대하여 회전 공기양의 회전 속도가 130 내지 180cps인 것이 특징인 공기 압축 직접 분사식 내연기관.
  10. 연소용 흡입 공기를 잘 열려진 수단에 의하여 연소실의 길이방향축에 대하여 회전운동을 일으키고 노즐 각과 노즐위치의 적당한 선택에 의하여 연소실의 1/4하단부의 연소실 벽상에 연료 분사 충돌점을 마련하여 연소실벽에 연료막을 형성하는 방법으로 연소실내의 위한 공기의 회전 방향으로 오직 하나의 분사 수단에 의하여 연소실 트로트 가장자리 부근에 실린더 헤드의 중심에서 벗어난 위치에 설치된 노즐을 통하여 연료가 분사되는 잘록한 트로트 구멍과 함께 회전 입체 형상의 연소실이 형성된 피스톤으로 구성되는 공기 압축 직접 분사식 내연기관에 있어서, 상기 잘록한 트로트구멍(4)아 달걀 형상으로 원주방향의 벽 깊이가 변화하며 트로트(4)의 최대 직경선(d1)이 연소실 중심을 통해 노즐(7)의 연료 분사점(15)쪽으로 연장되며, 연소실 중심과 연료 분사점(15)의 거리(1)가 연소실 직경(D)의 0.05 내지 0.55배이며, 상기 각도(γ)가 15 내지 40도이며 또한 상기 각도(S)가 40 내지 50도이고, 직경비(d1/d2)가 1.10 내지 1.15인 것을 특징으로 하는 공기 압축 직접 분사식 내연기관.
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