KR100227905B1 - 직접 분사식 내연기관의 연소실구조 - Google Patents

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Abstract

각 부속장치들이 설치될 수 있도록 몸체를 이루는 실린더 블럭에 상하의 왕복운동을 할 수 있도록 설치되는 피스톤과, 연소실내에 설치되어 연료를 직접 분사하는 인젝터와, 공기의 흡입과 배기 가스의 배출을 위한 관로를 구비한 흡.배기 장치와, 혼합기의 점화를 담당하는 점화장치로 구성되어지는 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조에 있어서, 공기를 공급할 수 있도록 형성되어진 흡기 포트(2)와 분사되는 연료에 각을 주어 피스톤(10)에 부딪치도록 분사하는 업셋(off-set) 인젝터(Injector)(5)와 상기 흡기 포트(2)에서 흡입된 공기와 상기 업셋(off-set) 인젝터(Injector)(5)에서 분사된 연료가 연소실(14)내에서 상기 피스톤(10)의 상면의 일측인 삼각연 형상(15)측에 분사되어, 다른 일측에는 만곡된 면(18)을 형성함으로서, 초희박 연소가 가능하며, 빠른 연소가 가능하고, 또한 화염전파가 빨라져 연비를 개선하며, 미연소 탄화수소(HC)를 감소시킨다.

Description

직접 분사식 내연기관의 연소실구조
본 발명은 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직접 분사식 내연기관에서 피스톤 상면의 형태와 포트의 형상과 직접 분사 방법에 의한 연료의 연소 효율을 극대화 할 수 있도록 하는 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조에 관한 것이다.
일반적으로 연소실은, 상사점 부근에서 실린더 헤드와 피스톤이 형성하는 실린더안의 공간을 말하며, 이 연소실에서 혼합기의 연소가 이루어지게 되어 있다.
상기한 연소실 안에서 이루어지는 혼합기의 연소는, 혼합기의 유동과, 혼합기의 점화와, 그 뒤에 이어지는 화염전파가 짧은 주기로 반복하는 간헐적인 연소이고, 또한 혼합기의 상태는 공회전에서 전부하에 이르기까지 변화가 크기 때문에 안정된 기관의 기관 성능을 발휘하기 위해 착화의 안정성 및 정상적인 화염전파 특성을 확보하는 것이 중요하다.
이것은 연소실 안에서 혼합기의 확산과 유동상태, 연소실의 모양 및 인젝터의 분사 방법과 점화 플러그의 위치와 밀접한 관계가 있다.
연소 가스는 연소 과정중에 화학반응에 의해 그 성분이 결정되므로 연소실의 모양은 배기가스 성분과도 밀접한 관계가 있으며, 또한 연소실은 흡.배기 밸브 주변의 가스 통로를 형성하고 있으므로 혼합기의 흡입량 즉, 기관의 출력을 결정하는 중요한 요소이다.
가솔린 엔진에 공급되는 혼합기는 적절한 혼합기 형성을 위하여 2밸브식 또는 가변 벤추리식 기화기가 사용되어 왔지만 그렇다고 완벽히 모든 운전 조건에서 적응하는 혼합기를 만들기는 어렵기 때문에, 엔진이 필요로 하는 혼합기를 완벽에 가까운 상태로 공급할 수 있는 연료분사장치를 필요로 하게 되었다.
게다가 더 향상된 연소 효율을 위해 흡.배기 밸브의 설치 위치와 구조의 변화가 요구되며, 피스톤 헤드의 구조를 보다 효율적으로 변화시켜야 하는 문제점이 있다.
그러한 문제점들을 해결하기 위한 시도 중에서 일본 특허 공개공보 특개평6-146886호가 있었다.
제7도는 종래의 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조를 도시한 단면도로서, 연소실(108)로 공기를 흡입하는 수직 흡기 포트(100)와, 자동차의 부하에 맞게 알맞은 연료를 상기 흡기 포트(100)를 통해 흡기된 공기량에 맞추어 연료를 연소실(108)내로 직접 분사하는 인젝터(105)와, 상기 흡기 포트(100)로 부터 흡입된 공기와 인젝터(105)로부터 분사된 연료가 서로 혼합되어 형성한 혼합기를 연소시키기 위한 점화장치인 점화 플러그(103)와, 상기 혼합기를 압축하고 상기 점화플러그(103)에 의해 점화된 혼합기의 폭발력에 의해 팽창된 힘을 받아 커넥팅로드(115)로 전달하는 피스톤(110)과, 연소후 발생하는 배기 가스의 배출을 위한 배기 포트(102)를 도시하고 있다.
상기 흡기 포트(100)의 구조는 수직으로 형성되어 있어서, 흡입되는 공기에 텀블 유동을 주어 상기 인젝터(105)로부터 분사된 연료와 잘 혼합될 수 있는 구조를 형성하고 있다.
상기 인젝터(105)는 상기 연소실(108)에 직접 설치되어 연소실(108)내로 연료를 대칭형(Symmetrical) 인젝터(105)의 노즐끝 분사구멍을 통해 상기 피스톤(110) 상면의 만곡된 표면(112)에 분사하여 상기 텀블 유동을 형성하며 흡입되는 공기와 혼합되도록 형성되어 있다.
상기 점화플러그(103)는 혼합된 공기와 연료의 혼합기에 스파크를 일으켜 점화를 시킨다.
또한, 상기 피스톤(110)은 점화된 혼합기의 폭발력을 받아서 커넥팅 로드(115)로 전달하는 구조로서, 상기 피스톤(110)의 상면 부분은 제8도에서 도시하고 있다.
제8도는 종래 피스톤(110)의 상면부를 도시한 사시도로서, 만곡된 면(112)을 형성하고 있어, 텀블 유동을 하며 흡입되는 공기와 상기 대칭형(Symmetrical) 인젝터(105)에서 분사된 연료의 혼합기를 만곡된 면(112)을 통해 상기 점화플러그(103)로 안내하는 역할을 하고, 만곡이 끝나는 곳에서 내리막 경사를 주어 연소실의 형태에 맞도록 경사부(113)를 형성하고 있다.
그리고, 상기 배기 포트(102)의 구조는 수평으로 형성되어 있어서, 연소후의 배기 가스의 배출을 효과적으로 할 수 있는 구조로 형성된다.
앞에서 언급한 일본특허 공개공보 특개평6-146886호의 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조는, 연료를 엔진의 운전조건에 알맞게 적응시켜 배기 가스의 정화와, 연료 소비량의 저감 및 출력향상을 도모하도록 하였으나, 연소 부분이 피스톤 상면의 올라온 부분에 의하여 공간상의 제약을 받아 배기 가스중 미연소 탄화수소(HC)의 증가를 초래한다.
또한, 수직으로 형성된 흡기 포트는 엔진룸 설계의 제약을 주며, 흡기 포트에 열을 많이 받게 하므로 흡입되는 공기량이 높은 열에 의하여 체적이 증가되기 때문에 실질적으로 흡입되는 공기량은 적어지는 현상을 초래한다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 흡기 포트에서 흡입된 공기와 업셋(off-set) 인젝터(Injector)에서 분사된 연료가 피스톤의 상면에서 강한 스퀴시 존(squish zone)과 텀블(tumble)을 형성하여 직접 분사식 엔진에서 진한 혼합기를 점화플러그 주위에 형성시켜 초희박 연소를 가능케 함으로써 연비를 향상시키고 질소산화물(NOx) 감소시킬 수 있는 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조를 제공하는데 있다.
상기, 본 발명의 또 다른 목적은 기존 직접 분사식 엔진과 달리 스퀴시(squish) 유동에 의하여 연소 속도를 증대함으로써 미연소 탄화수소(HC)를 저감하고, 연비를 향상시키는 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조를 제공하는데 있다.
본 발명은 상기 목적을 실현하기 위하여, 각 부속장치들이 설치될 수 있도록 몸체를 이루는 실린더블럭에 상하의 왕복운동을 할 수 있도록 설치되는 피스톤과, 연소실내에 설치되어 연료를 직접 분사하는 인젝터와, 공기의 흡입과 배기 가스의 배출을 위한 관로를 구비한 흡.배기 장치와, 혼합기의 점화를 담당하는 점화장치로 구성되어지는 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조에 있어서, 공기를 수평으로 공급할 수 있도록 형성되어진 수평 흡기 포트와 분사되는 연료에 각을 주어 피스톤에 부딪치도록 분사하는 업셋(off-set) 인젝터(Injector)와 상기 수평 흡기 포트에서 흡입된 공기와 상기 업셋(off-set) 인젝터(Injector)에서 분사된 연료가 연소실내에서 상기 피스톤의 상면의 일측인 삼각연 형상(15)에 분사되어, 다른 일측인 만곡된 면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조를 제공한다.
제1도는 본 발명에 의한 실시예 1을 도시한 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조를 나타내는 단면도이고,
제2도는 본 발명에 사용되는 피스톤의 사시도이고,
제3도는 제2도의 평면도이고,
제4도는 본 발명에 의한 실시예 2를 도시한 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조를 나타내는 단면도이고,
제5도는 본 발명에 의한 실시예 3을 도시한 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조를 나타내는 단면도이고,
제6도는 본 발명에 의한 실시예 3에서 대칭형 인젝터를 사용했을 때를 도시한 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조를 나타내는 단면도이고,
제7도는 종래의 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조를 도시한 단면도이고,
제8도는 종래 피스톤의 상면부를 도시한 사시도이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 보다 상세하게 설명한다.
[실시예 1]
제1도는 본 발명에 의한 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조를 나타내는 도면으로서, 종래와 같이 각 부속장치들이 설치될 수 있도록 몸체를 이루는 실린더블럭에 상하의 왕복운동을 할 수 있도록 설치되는 피스톤(10)과, 연소실(14)내에 설치되어 연료를 직접 분사하는 인젝터(5)와, 공기의 흡입과 배기 가스의 배출을 위한 관로를 구비한 흡.배기 장치(2)(4)와, 혼합기의 점화를 담당하는 점화장치(8)로 결합되어 연소실(14)이 형성되어 있다.
상기한 배기 장치(4)와 점화 장치(8)는 종래와 같은 구조로 형성되어 있으며, 상기 연소실(14)에서, 상기 흡기장치(2)에 의해 흡입되는 공기가 시계 방향의 텀블 유동을 하도록 수평으로 형성되어 있다.
또한, 상기 인젝터(Injector)(5)는 기존 대칭형 인젝터(Symmetrical Injector)에 비하여 업셋(off-set)을 가지는 인젝터(Injector)(5)로써 분사된 연료의 각을 변경하여 피스톤(10)에 부딪치도록 형성되어 진다.
상기한 바와 같이 형성되는 연소실(14)을 이루는 피스톤(10)의 구조는 제2도와 제3도를 통해 알 수 있다.
제2도는 본 발명에 사용되는 피스톤(10)의 사시도이고, 제3도는 제2도의 평면도로서, 흡입 공기와 분사된 연료가 연소실(14)내에서 강한 스퀴시(squish) 유동을 행하도록 상기 피스톤(10)의 상면의 일측에 삼각연 형상(15)의 스퀴시 존(squish zone)을 형성하고, 상기 피스톤(10)의 다른 일측에는 만곡된 면(18)이 형성되어 있다.
이러한 상기 피스톤(10)의 형상의 특징은, 상기 인젝터(Injector)(5)에서 피스톤(10) 표면으로 분사된 연료가 한쪽은 높은 스퀴시(squish)를 가지면서 스퀴시(squish) 유동이 밀려나오는 골을 가지는 피스톤(10)에 의해 진한 혼합기를 형성하며 상기 점화플러그(8) 주위로 유동되어 점화플러그(8)에 의해 점화되고, 반대쪽은 낮게 되어 있어 연소가 시작되었을 때 화염의 확산이 빠르도록 넓은 공간을 가지고 있어 초희박 연소를 행할 수 있다.
[실시예 2]
제4도는 본 발명에 의한 다른 실시예를 도시한 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조를 나타내는 도면으로서, 상기한 실시예 1에서 인젝터(Injector)(5)에 의해 피스톤 상면 일측에 형성된 삼각연 형상(15)에 연료를 분사됐던 것을 피스톤의 다른 일측에 형성되어 있는 만곡된 면(18)에 분사되도록 피스톤(10)의 형상을 인젝터(Injector)(5)를 기준으로 180° 회전시킨 형상을 하고 있다.
이러한 상기 피스톤(1)의 형상의 특징은, 상기 인젝터(Injector)(5)에서 피스톤(10) 표면으로 분사된 연료가 만곡된 면(18)을 타고 상기 점화플러그(8)에 의해 점화되고, 반대쪽은 연소부분이 피스톤(10)의 올라온 부분에 의해 제약을 받아 배기 탄화수소(HC)가 증가되었으나, 상기 피스톤(10)의 삼각연 형상(15)의 골을 통하여 피스톤(10)이 내려갈 때 연소된 연소가스가 빠르게 흘러 들어가므로 상기 피스톤(10) 스퀴시(squish) 부분의 미연소 탄화수소(HC)를 감소시킨다.
[실시예 3]
제5,6도는 본 발명에 의한 또 다른 실시예를 도시한 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조를 나타내는 도면으로서, 상기한 실시예 1에서 설명한 연소실(14) 구조에서 사용했던 수평 흡기 포트(2)대신에 수직 흡기 포트(50)를 사용하기 때문에 흡입 공기가 강한 반시계 방향의 텀블 유동하기 때문에 상기한 실시예 1에서 사용했던 업셋(off-set) 인젝터(Injector)(5)나 종래에 사용됐던 좌우 대칭형(Symmetrical) 인젝터(Injector)(52)를 사용해도 실시예 1에서 사용했던 것과 같은 작용을 이룰 수 있다.
본 발명에 의한 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조는, 강한 연료의 성층화를 가능하게 하여 종래보다 초희박 연소가 가능하며, 스퀴시(squish) 유동에 의하여 형성된 난류에 의하여 빠른 연소가 가능하고, 또한 스퀴시(squish)가 아닌 부분의 공간이 넓어서 화염전파가 빨라져 연비를 개선하며, 피스톤의 삼각연 형상의 골을 통하여 피스톤이 내려갈 때 연소된 연소가스가 빠르게 흘러 들어가므로 상기 피스톤 스퀴시(squish) 부분의 미연소 탄화수소(HC)를 감소 시키는 효과를 지니게 된다.

Claims (4)

  1. 각 부속장치들이 설치될 수 있도록 몸체를 이루는 실린더블럭에 상하의 왕복운동을 행할 수 있도록 설치되는 피스톤과, 연소실내에 설치되어 연료를 직접 분사하는 인젝터와, 공기의 흡입과 배기 가스의 배출을 위한 관로를 구비한 흡.배기 장치와, 혼합기의 점화를 담당하는 점화장치로 구성되어지는 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조에 있어서, 공기를 수평으로 공급할 수 있도록 형성된 수평 흡기 포트를 포함하는 실린더 헤드와: 상기 실린더 헤드 하면에 결합되는 실린더 블록의 내부에서 슬라이드 이동하며, 상면의 일측에 삼각연 형상의 스퀴시 존(squish zone)을 형성하고, 다른 일측에는 만곡된 면으로 형성된 피스톤과; 상기 피스톤 상면의 일측인 삼각연 형상에 부딪치도록 분사되는 연료에 각을 주어 분사하는 업셋(off-set) 인젝터(Injector)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조.
  2. 각 부속장치들이 설치될 수 있도록 몸체를 이루는 실린더블록에 상하의 왕복운동을 행할 수 있도록 설치되는 피스톤과, 연소실내에 설치되어 연료를 직접 분사하는 인젝터와, 공기의 흡입과 배기 가스의 배출을 위한 관로를 구비한 흡.배기 장치와, 혼합기의 점화를 담당하는 점화장치로 구성되어지는 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조에 있어서, 공기를 수평으로 공급할 수 있도록 형성된 수평 흡기 포트를 포함하는 실린더 헤드와: 상기 실린더 헤드 하면에 결합되는 실린더 블록의 내부에서 슬라이드 이동하며, 상면의 일측에는 만곡된 면을 형성하고, 다른 일측에는 삼각연 형상의 스퀴시 존(squish zone)을 형성하는 피스톤과; 상기 피스톤 상면의 일측인 만곡된 면에 부딪치도록 분사되는 연료에 각을 주어 분사하는 업셋(off-set) 인젝터(Injector)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조.
  3. 각 부속장치들이 설치될 수 있도록 몸체를 이루는 실린더블럭에 상하의 왕복운동을 행할 수 있도록 설치되는 피스톤과, 연소실내에 설치되어 연료를 직접 분사하는 인젝터와, 공기의 흡입과 배기 가스의 배출을 위한 관로를 구비한 흡.배기 장치와, 혼합기의 점화를 담당하는 점화장치로 구성되어지는 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조에 있어서, 공기를 수직으로 공급할 수 있도록 형성되어진 수직 흡기 포트를 포함하는 실린더 헤드와: 상기 실린더 헤드 하면에 결합되는 실린더 블록의 내부에서 슬라이드 이동하며, 상면의 일측에 삼각연 형상의 스퀴시 존(squish zone)을 형성하고, 다른 일측에는 만곡된 면으로 형성된 피스톤과; 상기 피스톤 상면의 일측인 삼각연 형상에 부딪치도록 분사되는 연료에 각을 주어 분사하는 업셋(off-set) 인젝터(Injector)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조.
  4. 각 부속장치들이 설치될 수 있도록 몸체를 이루는 실린더블럭에 상하의 왕복운동을 행할 수 있도록 설치되는 피스톤과, 연소실내에 설치되어 연료를 직접 분사하는 인젝터와, 공기의 흡입과 배기 가스의 배출을 위한 관로를 구비한 흡.배기 장치와, 혼합기의 점화를 담당하는 점화장치로 구성되어지는 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조에 있어서, 공기를 수직으로 공급할 수 있도록 형성되어진 수직 흡기 포트를 포함하는 실린더 헤드와: 상기 실린더 헤드 하면에 결합되는 실린더 블록의 내부에서 슬라이드 이동하며, 상면의 일측에 삼각연 형상의 스퀴시 존(squish zone)을 형성하고, 다른 일측에는 만곡된 면으로 형성된 피스톤과; 상기 피스톤의 삼각연 형상부분에 연료를 분사하는 좌우 대칭형(Symmetrical) 인젝터(Injector)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 직접 분사식 내연기관의 연소실 구조.
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