KR101996085B1

KR101996085B1 - 질소 산화물 저감을 위한 직접 분사식 디젤 엔진의 연소실

Info

Publication number: KR101996085B1
Application number: KR1020120102347A
Authority: KR
Inventors: 유덕근; 한대성; 김충민; 안종모; 유진환; 정욱; 김득상
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2019-07-03
Also published as: CN103670661A; US20140076275A1; US9284877B2; EP2708714A3; EP2708714B1; KR20140036454A; EP2708714A2

Abstract

본 발명은 인젝터에서 분사되는 연료가 스월(Swirl) 또는 스퀴시(Squish) 유동을 일으키며 공기와 혼합될 수 있도록 오목한 형상의 보울이 마련된 디젤엔진의 연소실에 관한 것으로 상기 보울의 저면 중앙에 상기 인젝터를 향해 돌출 형성된 핍, 상기 보울의 측면에 상기 인젝터를 향해 돌출 형성된 립 파트 및 상기 립 파트를 사이에 두고 상기 립 파트 하부에 형성되는 메인 연소실과 상기 립 파트 상부에 형성되는 서브 연소실을 포함하며, 상기 서브 연소실의 표면은 평탄한 형상으로 마련되거나 오목한 보울 형상으로 마련되어 상기 서브 연소실의 깊이가 0.8mm 이하로 마련되는 것을 특징으로 한다.

Description

질소 산화물 저감을 위한 직접 분사식 디젤 엔진의 연소실 {COMBUSTION CHAMBER OF DIRECT INJECTION DIESEL ENGINE FOR REDUCING THE NOx}

본 발명은 직접 분사식 디젤 엔진의 연소실에 관한 것으로 더욱 상세하게는 디젤 엔진 연소실의 형상을 최적화하여 연소실내의 스퀴시(Squish) 또는 스월(Swirl) 유동을 강화시킴으로써 연료와 공기의 혼합성을 향상시키려는 디젤 엔진의 연소실에 관한 것이다.

일반적으로 가솔린 엔진은 연소 개시 전에 공기와 연료를 균일하게 혼합시킨 후 점화플러그로 점화시켜 연소되도록 하는 것이 원칙이며, 디젤 엔진은 공기만을 흡입하여 고 압축비로 압축한 후 여기에 연료를 고압으로 분사시킴으로써 자기착화 연소에 도달되도록 하는 것이 원칙이다.

특히, 일반적인 디젤 엔진은 인젝터에서 분사되는 연료를 피스톤에 형성된 연소실(보울)에서 스월(Swirl)시켜 연료와 공기가 잘 혼합되도록 하여 연소시키는 방법이 주로 사용되고 있다.

이러한 디젤 엔진의 연소실은 낮은 스모크 및 분사시기 지연에도 스모크가 악화되지 않는 상태를 유지할 수 있도록 설계되어야 한다. 즉, 디젤 엔진의 연소실은 분사 연료를 연소실 벽면에 충돌시켜 혼합기 형성을 촉진시키고, 연소실 내 스월 유동을 보존시키며 피스톤과 실린더 헤드 사이에 형성되는 스퀴시 영역으로의 연료증기 흐름을 억제시키고 공기의 유동을 활발하게 할 수 있어야 한다.

이러한 디젤 엔진은 적정한 시기에 연소실 내 연료를 분사하여 흡입된 공기와 혼합시키면서 연소가 촉진되어 엔진 성능을 발휘하게 되는데, 이때 연료는 압축행정 말기에 분사를 시작하고 압축행정 말기에서 폭발행정 초기에 연소실 내에서 스월 유동에 의하여 공기와 혼합되어 연소 진행되며 그 후 스퀴시 유동에 의하여 미연소 스모크는 피스톤 탑부의 공기와 혼합되어 더욱 연소됨으로써 스모크 생성이 억제되는 것이다.

따라서, 디젤 엔진은 엔진 성능 향상 및 배기가스 개선을 실현하기 위하여 연소실 내에서 공기와 연료의 최적 혼합을 실현할 수 있도록 연소실의 형상을 최적화 해야 한다.

도 1은 종래 디젤 엔진 연소실의 단면도로서 디젤 엔진에는 인젝터(3)로부터 분사된 연료가 상기 피스톤(1)의 상부에서 스월 및 스퀴시 유동되기 위한 보울 형상의 연소실(2)이 마련된다.

상기 피스톤(1)은 실린더블록의 내주면과 습동되며 상, 하 운동을 하게됨으로써 상기 연소실(2) 내의 공기를 압축 내지 팽창시키고, 이와 함께 상기 인젝터(3)로부터 분사된 연료가 혼합되는 것이다.

따라서, 흡기포트에 의해 흡기된 공기가 피스톤(1)의 상승운동에 의해 압축된 상태에서 인젝터(3)로부터 고압의 연료가 분사되면 상기 인젝터(3)에서 분사된 연료가 상기 피스톤(1)의 상면에 형성된 연소실에서 스월을 일으키면서 난류를 형성하는 공기와 혼합되는 것이다.

그런데, 이러한 디젤 엔진의 연소실은 저속 운전영역에서 운전되는 조건에서는 스월 강도가 약해짐으로써 엔진성능이 악화될뿐만 아니라 배기가스 측면에서 PM(Particulate Matter) 및 질소산화물(NOx)이 증가되는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 인젝터(연료분사노즐)의 높이를 조절할 수 있도록 하거나, 공개번호 제10-2005-0036098호의 디젤엔진의 피스톤 구조에서 볼 수 있듯이 연소실의 형상을 방사형상으로 마련하는 것과 같은 노력이 있어왔다.

그러나, 이러한 디젤 엔진의 연소실은 연료와 공기와의 혼합이 원활하지 않아 유동 정체(flow stagnation)가 발생되고 이러한 유동 정체로 인해 연소 집중이 발생되어 부분적으로 온도가 증가함으로써 질소산화물이 증가하는 문제점이 있었다.

공개번호 제10-2005-0036098호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연소실의 형상을 최적화하여 인젝터에서 분사된 연료가 연소실 내에서 고르게 스월 또는 스퀴시 유동될 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 직접 분사식 디젤 엔진의 연소실은, 보울의 저면 중앙에 인젝터(10)를 향해 돌출 형성된 핍(57), 상기 보울의 측면에 상기 인젝터(10)를 향해 돌출 형성된 립 파트(55) 및 상기 립 파트(55)를 사이에 두고 상기 립 파트(55) 하부에 형성되는 메인 연소실(50)과 상기 립 파트(55) 상부에 형성되는 서브 연소실(60)을 포함하며, 상기 서브 연소실(60)의 표면은 오목한 보울 형상으로 마련되어 상기 서브 연소실(60)의 깊이가 1.0 mm 이하로 마련된다.

또한, 바람직하게는 상기 서브 연소실(60)의 깊이는 0.8mm이하로 마련될수 있다.

또한, 바람직하게는 상기 서브 연소실(60)의 깊이는 0.2mm 내지 0.8mm로 마련될수 있다.

또한, 바람직하게는 상기 서브 연소실(60)의 깊이는 0.1mm 내지 0.2mm로 마련될수 있다.

또한, 상기 립 파트(55)의 직경(D1)은 상기 메인 연소실(50)의 최대 직경(D2)보다 작고, 상기 메인 연소실(50)의 최대 직경(D2)은 연소실 입구 직경(D3)보다 작게 마련된다.

또한, 상기 메인 연소실(50)의 연소실 최대 깊이(H2)와 상기 립 파트(55)의 립 곡률 중심 깊이(H1)의 비율(H2/H1)은 2.2 내지 2.8로 마련된다.

또한, 상기 인젝터(10)에는 복수의 분사공이 형성되고 상기 분사공에서 분사되는 연료 젯(13)과 실린더 헤드의 수평면이 이루는 각도(A)는 10도 내지 30도로 마련된다.

또한, 보울의 저면 중앙에 상기 인젝터(10)를 향해 돌출 형성된 핍(57), 상기 보울의 측면에 상기 인젝터(10)를 향해 돌출 형성된 립 파트(55), 및 상기 립 파트(55)를 사이에 두고 상기 립 파트(55) 하부에 형성되는 메인 연소실(50)과 상기 립 파트(55) 상부에 형성되는 서브 연소실(60)을 포함하며, 상기 서브 연소실(60)의 표면은 평탄한 형상으로 마련되어 서브 연소실 최고면(63)과 서브 연소실 최저면(61)이 동일하게 마련될 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 효과는 첫째, 종래기술에 비해 간단한 구성으로 연료와 공기의 혼합성을 증가시킬 수 있다. 둘째, 연료와 공기의 혼합성을 증가시킴으로써 엔진의 효율을 향상시키고 질소산화물(NOx)의 생성을 줄일 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 직접 분사식 디젤 엔진의 연소실 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 직접 분사식 디젤 엔진의 연소실 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 직접 분사식 디젤 엔진의 연소실 및 서브 연소실에 관한 설명도,
도 4a 및 4b는 서브 연소실의 깊이에 따른 NOx의 변화량에 관한 설명도,
도 5a 및 5b는 서브 연소실의 깊이에 따른 NOx의 변화량에 관한 도표 및 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 디젤 엔진의 연소실에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시 할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않으며, 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙이도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 디젤 엔진의 연소실 단면을 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이 디젤 엔진의 연소실은 공기의 유입을 위한 흡기포트(미도시), 배기가스의 배출을 위한 배기포트(미도시)가 마련되고, 연소실의 상측 중앙부분에는 연료의 분사를 위한 인젝터(10)가 형성되며, 상기 인젝터(10)에는 연료가 사방으로 분사될 수 있도록 보통 5~6개의 분사공이 형성된다.

상기 연소실에는 공기 압축을 위한 피스톤(30)이 설치되는데, 상기 피스톤(30)의 상면에는 상기 인젝터(10)에서 분사되는 연료가 스월 및 스퀴시 유동되도록 보울 형상의 메인 연소실(50)과 서브 연소실(60)이 마련된다.

즉, 흡기 포트(미도시)를 통해 흡입된 공기가 상기 피스톤(30)의 상승에 의해 압축된 상태에서 상기 인젝터(10)에서 고압의 연료가 분사되면 상기 인젝터(10)에서 분사된 연료가 상기 피스톤(30)의 상면에 형성된 메인 연소실(50) 및 서브 연소실(60)에서 스월을 일으키면서 난류를 형성하여 공기와 혼합되는 것이다.

또한, 상기 피스톤(30)의 상면 중앙부에는 핍(57)이 형성되어 있는데, 상기 핍(57)은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 피스톤(30)의 상면에서 상기 인젝터(10)를 향해 돌출되어 있다.

상기 핍(57)의 상단면이 상기 피스톤(30)의 상단면보다 낮게 형성되므로 상기 핍(57)과 실린더 헤드 저면 사이에 마련되는 연소실은 상기 피스톤(30)의 다른 상단면에 의해 형성되는 연소실보다 깊이가 얕게 마련된다.

상기 연소실은 보울 형상으로 마련되되, 상기 핍(57)을 둘러싸는 메인 연소실(50)과 상기 메인 연소실(50)을 둘러싸는 서브 연소실(60)로 구획될 수 있다.

상기 메인 연소실(50)과 서브 연소실(60)의 사이에는 립 파트(55)가 마련되는데, 상기 립 파트(55)는 상기 연소실의 중앙부 내지 상기 인젝터(10)를 향해 돌출되어 상기 메인 연소실(50)과 서브 연소실(60)을 구분할 수 있게 한다.

상기 서브 연소실(60)의 입구 형상은 원형 또는 타원형상으로 함으로써 일정한 대칭성을 얻을 수 있어 피스톤에 대한 편하중을 해소할 수도 있다.

상기 립 파트(55)는 상기 핍(57)과 동일한 높이에 마련될 수 있으며, 경우에 따라서는 복수의 돌출부를 가질 수도 있다. 또한, 상기 립 파트(55)는 상기 인젝터(10)에서 분사되는 연료를 스월 유동시키기 위해 상기 연료젯(13)의 분사 형태와 대응되는 형상으로 마련되거나, 상기 인젝터(10)에서 분사되는 연료의 양을 상기 메인 연소실(50)과 서브 연소실(60)로 각각 상이하게 분배 할 수 있도록 돌출부의 형상을 다양하게 변형시킬 수 있다.

상기 인젝터(10)에서 분사되는 연료젯(13)이 상기 립 파트(55)에 일차적으로 충돌하고 상기 립 파트(55)에 충돌한 연료는 상기 메인 연소실(50)과 서브 연소실(60)로 유동됨으로써 상기 연소실 내의 공기와 연료가 균일하게 혼합될 수 있다.

상기 인젝터(10)의 단부에 마련된 복수의 분사공은 연료가 상기 립 파트(55)를 향해 분사되도록 방향을 조절할 수 있다. 또한, 상기 분사공의 지름 내지 분사되는 유량은 각각 서로 상이하게 마련될 수 있다.

상기 인젝터(10)는 복수의 분사공을 가지며 상기 분사공에서 분사되는 연료 젯(13)과 실린더 헤드의 수평면이 이루는 각도(A)는 10도 내지 30도로 마련될 수 있다.

또한, 상기 인젝터(10)를 상, 하 이동 가능하도록 마련함으로써, 상기 분사공에서 분사되는 연료의 유동방향을 조절할 수 있으며, 상기 연료 젯(13)과 상기 립 파트(55)가 효과적으로 충돌하여 분사되는 연료가 스월 및 스퀴시 유동되도록 상기 분사공의 분사 방향을 다양하게 변경할 수 있다.

또한, 상기 인젝터(10)의 내부에는 니들 밸브(미도시)가 마련되어 상기 니들 밸브의 상하 슬라이드 운동에 의해 유로가 개폐되어 분사공으로부터의 연료 분무 및 분무 정지를 실행할 수도 있다.

도 3은 본 발명에 따른 직접 분사식 디젤 엔진의 연소실을 설명하기 위한 것으로서 이하 연소실 각각의 구성에 대한 형상 내지 크기를 지정하면 다음과 같다.

상기 립 파트(55)에 의해 형성되는 연소실 립 파트 직경은 D1, 상기 메인 연소실(50)에 의해 형성되는 메인 연소실 최대 직경은 D2, 연소실 입구 직경은 D3으로 한다. 또한, 연소실 입구에서 립 파트까지의 립 깊이는 H1, 연소실 최대깊이는 H2라고 한다.

따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 디젤 엔진의 연소실은 D3 > D2 > D1의 관계 및 H2 > H1 의 관계를 가지며, 경우에 따라서 상기 D1, D2, D3 및 H1, H2는 선택에 따라 그 크기가 다양하게 변형되어 실시 될 수도 있다

또한, 상기 메인 연소실(50)의 연소실 최대 깊이(H2)와 상기 립 파트(55)의 립 곡률 중심 깊이(H1)의 비율(H2/H1)은 2.2 내지 2.8로 마련될 수 있다.

상기 서브 연소실(60)은 상기 립 파트(55)에 의해 상기 메인 연소실(50)과 구별되는데, 상기 서브 연소실(60)은 상기 메인 연소실(50)과 같이 오목한 보울 형상으로 마련될 수 있으며 경우에 따라서는 평면으로 마련될 수 있다.

즉, 상기 서브 연소실(60)의 표면이 평탄한 형상으로 마련되기 위해서는 서브 연소실 최고면(63)과 서브 연소실 최저면(61)이 동일하게 마련되어야 한다.

상기 서브 연소실(60)이 보울 형상으로 마련되는 경우 서브 연소실의 깊이를 Th라고 하며, 상기 서브 연소실 깊이(Th)는 1mm이하로 마련될 수 있다.

상기 서브 연소실 깊이(Th)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 서브 연소실(60)과 상기 피스톤 상부면이 만나는 지점에서 상기 립 파트(55)의 볼록한 부분을 연결하는 접선과 상기 서브 연소실(60)의 최저 바닥면까지의 거리를 말한다.

바람직하게는 상기 서브 연소실 깊이(Th)가 0.8mm 이하의 깊이를 갖도록 서브 연소실 최저면(61)과 서브 연소실 최고면(63) 사이의 크기를 0.8mm 이하로 마련할 수도 있다. 또한, 상기 서브 연소실 깊이(Th)는 0.2mm 내지 0.8mm로 마련할 수도 있다. 또한, 경우에 따라서 상기 서브 연소실의 깊이(Th)는 0.1mm 내지 0.2mm로 마련될 수도 있다.

또한, 상기 서브 연소실(60)의 표면은 평탄한 형상으로 마련되어 서브 연소실 최고면(63)과 서브 연소실 최저면(61)이 동일하게 마련될 수 있다.

또한, 상기 서브 연소실(60)의 깊이(Th)를 측정할 수 없는 경우 즉, 서브 연소실(60)의 형상이 보울 형상이 아니라 연소실 중앙부를 향하여 볼록한 형상이 되는 구조는 종래의 연소실 형상으로 마련된다. 이러한 종래의 연소실 형상은 공기와 연료의 혼합이 불완전하여 배기가스가 많이 나오는 문제점이 있다.

이처럼, 상기 서브 연소실(60)의 깊이를 최적화함으로써 공기와 연료의 혼합성이 증가되고 이에 따라 연소가 고르게 이루어짐으로써 질소산화물의 발생량이 줄어드는 효과는 출원인의 실험에 의한 결과를 보여주는 도 4a 및 도 4b를 통해 알 수 있다.

도 4a는 상기 서브 연소실(60)의 깊이를 1.2mm로 설정한 경우의 질소산화물의 발생량을 보여주는데 점선으로 된 부분 즉, 서브 연소실(60)을 보게되면 연료와 공기의 유동 정체로 인해 연소가 집중되고 이에 따라 온도가 증가하여 질소산화물의 발생량이 많아지는 것을 알 수 있다.

반면에, 도 4b는 상기 서브 연소실(60)의 깊이를 0.5mm로 설정한 경우로서 점선으로 된 부분 즉, 서브 연소실(60)에서 공기와 연료의 혼합이 잘 이루어져 연소가 고르게 일어나며 이에 따라 질소 산화물의 발생량이 확연히 줄어든 것을 알 수 있다.

도 5a 및 도5b는 위 실험에 대한 결과 값을 도표와 그래프로 표현한 것이다. 도 5a의 도표를 보면, 상기 서브 연소실(60)의 깊이를 1mm에서부터 감소시키게 되면 질소산화물의 발생량도 함께 줄어드는 것을 알 수 있다.

또한, 상기 서브 연소실의 깊이를 1mm에서부터 감소시키다 0.2mm가 되는 순간부터는 질소산화물의 발생량의 변화가 없는 것을 알 수 있다. 따라서 상기 서브 연소실(60)의 깊이는 0.2mm에서 최적의 효과를 얻을 수 있는 것이다.

도5b에 도시된 바와 같이 상기 서브 연소실의 깊이와 질소산화물의 발생량과의 관계는 반 비례임을 알 수 있으며, 질소산화물의 감소 정도를 나타내는 그래프의 기울기는 상기 서브 연소실의 깊이 1.2mm를 지나면서 급격하게 상승함을 알 수 있다.

또한, 상기 서브 연소실의 깊이가 0.8mm부터 0.2mm 사이의 구간에서는 질소산화물의 감소 정도가 거의 일정하게 줄어드는 것을 알 수 있다. 다만, 상기 서브 연소실의 깊이가 0.2mm 이하에서부터는 질소산화물이 발생량에 변화가 없는 것으로 보아 질소산화물의 발생량과의 연관성이 없음을 알 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 업이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명은 디젤 엔진 연소실의 형상을 최적화하여 연료와 공기의 혼합성을 향상시키려는 디젤 엔진의 연소실에 이용될 수 있다.

10: 인젝터 13: 연료젯
30: 피스톤 50: 메인 연소실
55: 립 파트 57: 핍
60: 서브 연소실 61: 서브 연소실 최저면
63: 서브 연소실 최고면
D1: 연소실 립 파트 직경 D2: 메인 연소실 최대 직경
D3: 연소실 입구 직경 H1: 립 파트 깊이
H2: 연소실 최대 깊이

Claims

인젝터(10)에서 분사되는 연료가 공기와 혼합될 수 있도록 오목한 형상의 보울(Bowl)이 피스톤(30)의 상부면에 형성된 디젤 엔진의 연소실에 있어서,
상기 보울의 측면에 상기 인젝터(10)를 향해 돌출 형성된 립 파트(55); 및
상기 립 파트(55)를 사이에 두고 상기 립 파트(55) 하부에 형성되는 메인 연소실(50)과 상기 립 파트(55) 상부에 형성되는 서브 연소실(60)을 포함하며,
상기 서브 연소실(60)의 표면은 상기 립 파트(55)로부터 상기 피스톤(30)의 상부면을 향해 직경이 점진적으로 넓어지도록 연속적인 곡면을 갖는 오목한 보울 형상으로 마련되며, 상기 서브 연소실(60)과 상기 피스톤(30)의 상부면이 만나는 지점에서 상기 립 파트(55)의 돌출된 부위를 연결하는 접선과 상기 서브 연소실(60)의 최저 바닥면까지의 거리인 상기 서브 연소실(60)의 깊이가 0.1mm 이상 내지 1.0mm 미만으로 형성되고,
상기 메인 연소실(50)의 연소실 최대 깊이(H2)와 상기 립 파트(55)의 립 곡률 중심 깊이(H1)의 비율(H2/H1)은 2.2 내지 2.8인 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 연소실.
제1항에 있어서,
상기 서브 연소실(60)의 깊이가 0.8mm 이하로 마련되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 연소실.
제1항에 있어서,
상기 서브 연소실(60)의 깊이가 0.2mm 내지 0.8mm로 마련되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 연소실.
제1항에 있어서,
상기 립 파트(55)의 직경(D1)은 상기 메인 연소실(50)의 최대 직경(D2)보다 작고, 상기 메인 연소실(50)의 최대 직경(D2)은 연소실 입구 직경(D3)보다 작게 마련되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 연소실.
삭제
제1항에 있어서,
상기 인젝터(10)에는 복수의 분사공이 형성되고 상기 분사공에서 분사되는 연료 젯(13)과 실린더 헤드의 수평면이 이루는 각도(A)는 10도 내지 30도로 마련되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 연소실.
제1항에 있어서,
상기 서브 연소실(60)의 깊이가 0.1mm 내지 0.2mm로 마련되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 연소실.
삭제