WO2019172710A1 - 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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WO2019172710A1
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piston
diesel engine
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유덕근
유진환
김영추
정욱
민경수
한형민
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두산인프라코어 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a piston for a diesel engine and a direct injection diesel engine including the same. More particularly, the present invention relates to a piston for a diesel engine using a high pressure fuel injector and a diesel engine including the same.
  • a method of burning fuel injected from an injector by mixing fuel and air in a bowl (combustion chamber) formed in a piston is mainly used.
  • the piston bowl may be divided into a toroidal type bowl and a reentrant type bowl according to the position of the lip.
  • the toroidal bowl has a disadvantage in that the top land space of the piston is small, thereby weakening the squish jet flow flowing from the top land to the inside of the bowl at the top dead center (TDC).
  • TDC top dead center
  • the air utilization rate of the top land region is low, so that the local equivalent ratio is high and there is a limit in reducing the amount of particulate matters (PM).
  • One object of the present invention is to provide a piston for a diesel engine that can improve fuel economy and reduce soot exhaust gas.
  • Another object of the present invention is to provide a direct injection diesel engine including the piston described above.
  • the piston for a diesel engine is provided with a main body having an upper surface formed in an annular shape around a central axis and to be recessed from the upper surface to the main body to be recessed from the injector. And a combustion chamber in which injected fuel and air are mixed.
  • the combustion chamber includes a first bowl and a second bowl formed on top of the first bowl with a lip protruding toward the central axis, the second bowl extending radially from the lip and on the central axis. And a bowl guide portion inclined with respect to the first acute angle.
  • the lowest point of the second bowl may be lower than the highest point of the lip.
  • the injector may inject the fuel at a second acute angle with respect to the central axis, and the first acute angle of the bowl guide portion may be smaller than the second acute angle.
  • the second acute angle may be within a range of 76 degrees to 79 degrees.
  • the surface of the lip may have a portion of a first circle having a first radius and the surface of the second bowl may have a portion of a second circle having a second radius.
  • the bowl guide surface may have a common tangent between the first circle of the lip and the second circle of the second bowl.
  • the first radius may be greater than the second radius.
  • the surface of the first bowl may have a portion of a third circle having a third radius.
  • the common tangent of the second circle and the third circle may cross an intersection point of the first bowl and the lip.
  • the intersection of the first bowl and the lip may have a center angle rotated by a first angle at a midpoint of a circle of the surface of the first bowl.
  • the piston for the diesel engine may further include a central pip protruding upward from the bottom center of the combustion chamber.
  • the height of the center pip may be a height at which an uppermost end of the center pip is disposed between an intersection of the first bowl and the lip and an inner limit point of the lip.
  • the direct injection diesel engine according to the exemplary embodiments for achieving another object of the present invention is slidably received in the cylinder and concave from the upper surface to the body and the main body having an upper surface formed in an annular shape around the central axis
  • a piston having a combustion chamber recessed and a cylinder head covering the cylinder, the injector for injecting fuel into the combustion chamber.
  • the combustion chamber includes a first bowl and a second bowl formed on top of the first bowl with a lip protruding toward the central axis, the second bowl extending radially from the lip and on the central axis. And a bowl guide portion inclined with respect to the first acute angle.
  • the lowest point of the second bowl may be lower than the highest point of the lip.
  • the surface of the lip may have a portion of a first circle having a first radius and the surface of the second bowl may have a portion of a second circle having a second radius.
  • the bowl guide surface may have a common tangent between the first circle of the lip and the second circle of the second bowl.
  • the first radius may be greater than the second radius.
  • the injector may inject the fuel at a second acute angle with respect to the central axis, and the first acute angle of the bowl guide portion may be smaller than the second acute angle.
  • the second acute angle may be within a range of 76 degrees to 79 degrees.
  • the injector may inject toward the intersection of the first bowl and the lip at top dead center (TDC) and toward the bottom of the second bowl at a fuel injection end point (EOI).
  • TDC top dead center
  • EOI fuel injection end point
  • the intersection of the first bowl and the lip may have a center angle rotated by a first angle at a midpoint of a circle of the surface of the first bowl.
  • a common tangent of a circle of the surface of the first bowl and a circle of the surface of the lip may pass through an intersection point of the lip and the first bowl.
  • the piston may further include a central pip protruding upward from the bottom center of the combustion chamber.
  • the height of the center pip may be a height at which an uppermost end of the center pip is disposed between an intersection of the first bowl and the lip and an inner limit point of the lip.
  • the piston of the direct injection diesel engine may include a combustion chamber which is provided to be recessed from the upper surface of the main body to mix the fuel and air injected from the injector.
  • the combustion chamber includes a first bowl and a second bowl formed over the first bowl with the ribs interposed therebetween, the second bowl extending radially from the lip and inclined at a first acute angle with respect to the central axis. It may include a gin bowl guide.
  • the fuel may be distributed to the first bowl as the main combustion chamber and the second bowl as the auxiliary combustion chamber, respectively, to maximize the utilization of the air in the combustion chamber, thereby lowering the local equivalent ratio.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a direct injection diesel engine according to exemplary embodiments.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the piston position at the fuel end point in the diesel engine of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a piston of the diesel engine of FIG. 1.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view illustrating a part of the piston of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating diameters of respective components of the piston in the diesel engine of FIG. 1.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a direct injection diesel engine according to exemplary embodiments.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the piston position at the fuel end point in the diesel engine of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a piston of the diesel engine of FIG. 1.
  • 4 is an enlarged cross-sectional view illustrating a part of the piston of FIG. 3.
  • 5 is a cross-sectional view showing the diameter of each component of the piston in the diesel engine of FIG.
  • a diesel engine includes a piston 10 slidably received in a cylinder and having a combustion chamber 100, a cylinder head 20 covering the cylinder, and a cylinder head 20. It may be installed to penetrate and include an injector 30 for injecting fuel into the combustion chamber (100).
  • the piston 10 may compress the air introduced into the cylinder by reciprocating in the cylinder.
  • Piston 10 may have a central axis (P). When the piston 10 is assembled into the cylinder, the central axis P of the piston 10 can be aligned with the longitudinal axis of the cylinder.
  • the piston 10 may transmit the explosive force of the exhaust gas generated by the combustion of the air and the incoming fuel to a crankshaft (not shown) through a connecting rod.
  • the piston 10 may include a material having heat resistance and corrosion resistance.
  • the piston 10 may comprise aluminum or cast iron.
  • the cylinder head 20 may have a bottom surface covering the cylinder and in contact with the combustion chamber 100.
  • the cylinder head 20 may further include an intake port (not shown) through which the air is introduced and an exhaust port (not shown) for discharging the exhaust gas.
  • the cylinder head 20 may further include an intake valve for opening or closing the intake port connected to the intake port, and an exhaust valve for opening or closing the exhaust port connected to the exhaust port.
  • the injector 30 may be installed to penetrate the cylinder head 20 and inject the fuel into the combustion chamber 100.
  • the injector 30 may have nozzle holes for injecting the fuel.
  • the nozzle holes may be spaced apart from each other along the circumferential direction of the injector 30 to inject fuel in all directions.
  • the fuel injection pressure of the injector 30 may have a range of ultra high pressure within about 2200 bar to about 3000 bar.
  • the injector 30 may inject the fuel at a preset acute angle A1, that is, a fuel injection angle, with respect to the central axis P.
  • the fuel injection angle A1 of the centerline of the fuel injected from the nozzle hole of the injector 30 from the central axis P may be within a range of 70 degrees to 80 degrees.
  • the injection angle of the fuel may be in the range of 76 to 79 degrees.
  • the piston 10 includes a body 102 having an upper surface 104 around a central axis P and a combustion chamber 100 formed on the upper surface 104 of the body 102. can do.
  • Top surface 104 may be formed substantially flat.
  • the upper surface 104 may extend in the circumferential direction about the central axis P.
  • Top surface 104 may be an annular ring having an inner radius and an outer radius.
  • the inner diameter D3 of the upper surface 104 is defined by the inner limit point S3 of the upper surface 104
  • the outer diameter D4 of the upper surface 104 is the outer limit point S4 of the upper surface 104.
  • the outermost surface of the piston 10 may comprise an outer limit point S4.
  • the combustion chamber 100 may include an opening recessed concave from the upper surface 104 in the body 102, and the fuel and air injected from the injector 30 may be mixed.
  • the combustion chamber 100 may include a first bowl 120, a lip 130, and a second bowl 140.
  • the first bowl 120 and the second bowl 140 may have the lip 130 therebetween, and the second bowl 140 may be disposed above the first bowl 120.
  • Piston 10 may include a central pip 110.
  • the central pip 110 may form a bottom center portion of the combustion chamber 100.
  • the central pip 110 may protrude upward.
  • the protruding height of the central pip 110 is between the intersection point N1 of the first bowl 120 and the lip 130 and the inner limiting point S2 of the lip 130, which will be described later with the top 112a of the central pip 110. It may be formed to a height disposed in.
  • the central pip 110 may have a conical or dome shape about the central axis P.
  • the central pip 110 may have an inclined surface that is inclined with respect to the central axis P.
  • the central pip 110 may be deeper as it gets farther from the central axis P.
  • the first bowl 120 may extend in a radial direction from the central pip 110.
  • the first bowl 120 may be formed in the form of a torus around the central pip 110.
  • the first bowl 120 may be formed concentrically with the central pip 110.
  • the first bowl 120 may form part of the bottom and side walls of the combustion chamber 100.
  • the first bowl 120 may have a concave arc cross-sectional shape.
  • Surface 122 of first bowl 120 may have a portion of first circle C1 having a first radius R1.
  • the bottom point PB1 of the first bowl 120 may be the lowest point of the combustion chamber 100.
  • Bottom point PB1 of first bowl 120 may have a first depth H1 from top surface 104.
  • the diameter D2 of the first bowl 120 may be defined by the outer limit point S1 of the first bowl 120.
  • the lip 130 may extend from the first bowl 120 toward the central axis P1.
  • the lip 130 may form part of the sidewall of the combustion chamber 100.
  • Lip 130 may have a cross-sectional shape of the convex arc shape.
  • Surface 132 of lip 130 may have a portion of second circle C2 having a second radius R2.
  • the second radius R2 may be smaller than the first radius R1.
  • the diameter D1 of the lip 130 may be defined by the inner limit point S2 of the lip 130.
  • the bottom point PB1 of the first bowl 120 may have a second depth H2 from the peak point PT2 of the lip 130.
  • the second bowl 140 may extend in a radial direction from the lip 130.
  • the second bowl 140 may be disposed between the lip 130 and the upper surface 104.
  • the second bowl 140 may be formed in a portion of the torus inside the upper surface 104.
  • the second bowl 140 may be formed concentrically with the central pip 110 and the second bowl 140.
  • the second bowl 140 may form part of the sidewall of the combustion chamber 100.
  • the second bowl 140 may have a concave arc cross-sectional shape.
  • Surface 142 of first bowl 140 may have a portion of third circle C3 having a third radius R3.
  • the third radius R3 may be smaller than the second radius R2.
  • the bottom point PB1 of the first bowl 120 may have a third depth H3 from the bottom point PB3 of the second bowl 140.
  • the common tangent of the first circle C1 and the second circle C2 may pass through the intersection point N1 of the first bowl 120 and the lip 130.
  • the slope of the tangent of the first circle C1 at the intersection N1 may be the same as the slope of the tangent of the second circle C2 at the intersection N1.
  • the intersection N1 of the first bowl 120 and the lip 130 is rotated by the first angle B1 at the midpoint O1 of the first circle C1 of the surface 122 of the first bowl 120. It can have one central angle. At this time, the center angle B1 of the intersection point N1 may be determined to be located within the fuel injection angle A1 / 2 ⁇ 10 (deg).
  • the ratio D2 / D4 of the diameter D2 of the first bowl 120 to the outer diameter D4 of the upper surface 104 may be within a range of 0.52 to 0.60.
  • the ratio D1 / D3 of the diameter D1 of the lip 130 to the inner diameter D3 of the upper surface 104 may be within the range of 0.69 to 0.78.
  • the ratio H2 / H1 of the second depth H2 and the first depth H1 may be in the range of 0.1 to 0.2.
  • the second bowl 140 may include a bowl guide 145 extending radially from the lip 130 and inclined at a predetermined angle A2 with respect to the central axis P. Can be.
  • the inclination angle A2 of the bowl guide portion may be set smaller than the fuel injection angle A1.
  • the bottom point PB3 of the second bowl 140 that is, the lowest point, may be located lower than the peak point PT2 of the lip 130, that is, the highest point.
  • the inclination angle A2 of the bowl guide portion may be set as in Equation (1) below.
  • the surface of the bowl guide portion 145 may have an inclined straight surface.
  • the surface of the bowl guide part 145 may have a common tangent IL between the second circle C2 of the lip 130 and the third circle C3 of the second bowl 140.
  • the common tangent of the bowl guide portion 145 may pass through the intersection N2 of the lip surface 132 and the bowl guide portion 145 and the intersection N3 of the bowl guide portion 145 and the second bowl surface 142. have.
  • the injector 30 may inject the fuel to flow into the first bowl 120 at a top dead center (TDC).
  • TDC top dead center
  • the injector 30 may spray the upper injector TDC toward the intersection point N1 of the first bowl 120 and the lip 130.
  • the injector 30 may inject to flow into the second bowl 140 at an end of injection (EOI).
  • EOI end of injection
  • the injector 30 may inject toward the bottom point PB3 of the second bowl 140, that is, the bottom surface, at the fuel injection end point EIO.
  • the fuel may be injected toward the intersection point N1 of the first bowl 120 and the lip 130 as the main combustion chamber along the fuel injection angle A1.
  • the fuel injected from the intersection point N1 may be moved along the circular cross-sectional shape of the first bowl 120, so that the injected fuel may be burned with a minimum amount of kinetic energy generated due to the collision with the wall surface. Therefore, the combustion efficiency may be increased by increasing the mixing ratio of air and fuel by using a strong swirl flow inside the first bowl 120.
  • the piston 10 is lowered while fuel is being injected, and the direction of flow at the fuel injection end point EIO flows in the opposite direction to the squish direction.
  • the fuel may be injected by burning to the bottom of the second bowl 140 as the auxiliary combustion chamber. Gas combusted in the second bowl 140 may flow to the upper surface 104 region, and PM generated in the auxiliary combustion chamber may be oxidized.
  • the second bowl 140 includes a bowl guide portion 145, and the fuel injected at the end of the fuel injection moves along the downward slope of the bowl guide portion 145, thereby minimizing the amount of kinetic energy to be burned. have.
  • fuel may be dispersed in the main combustion chamber and the auxiliary combustion chamber, respectively, and the local equivalent ratio may be reduced by utilizing the air present in each.
  • the direct injection diesel engine distributes fuel to the main combustion chamber and the auxiliary combustion chamber, respectively, to maximize the utilization of air in the combustion chamber, thereby lowering the local equivalence ratio, thereby reducing PM.
  • the fuel efficiency may be increased by injecting fuel into a high squish jet region at a high fuel injection angle of 76 degrees to 79 degrees at an initial fuel injection time.
  • the fuel injected into the auxiliary combustion chamber is burned at a high mixing ratio with air without losing the kinetic energy, and the PM generated in the auxiliary combustion chamber is induced to be oxidized by using the air in the upper space of the upper surface. Can be reduced.
  • main body 104 upper surface
  • center pip 120 first bowl

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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
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.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
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.
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 PCTKR2019002733-appb-I000001
------ 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.
<부호의 설명>
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 디젤 엔진용 피스톤.
  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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