KR19980018639A - 내연 기관의 피스톤 냉각용 분사 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 내연 기관의 피스톤을 냉각시키기 위한 분사 노즐은 높은 응집성 고체 기류를 생성하는 역할을 한다. 고온유(高溫油) 및 관련 윤활유의 저점도에서도 오일 기류가 분리되는 것을 방지하기 위해, 적어도 두 개의 출구 채널을 서로 대략 평행하게 하는 방법이 제안되어 있는데, 그 간격은 대형 출구 채널의 직경의 두 배 미만으로 한다. 두 개의 출구 채널을 서로 극히 근접시켜 구비한 설계로 인해, 오일 기류는 출구 채널을 떠난 직후에 하나의 응집성 고체 기류로 형성된다.

Description

내연 기관의 피스톤 냉각용 분사 노즐

본 발명은 청구항 1의 특징에 따른 내연 기관의 피스톤 냉각용 분사 노즐에 관한 것이다.

고응력하의 내연 기관에서 피스톤은 극히 높은 피스톤 온도를 회피하기 위해 자주 냉각해야 한다. 극히 높은 피스톤 온도, 특히 합금재 피스톤의 온도는 피스톤의 장기간 사용에 따른 강도에 악영향을 준다. 또, 극히 높은 온도에서는 피스톤 링 홈에서의 열적으로 생성된 카본 및 부착물의 형성으로 인해 문제가 발생하게 된다. 또, 피스톤 온도가 증가될수록 열 팽창 때문에 원래 피스톤 형상으로부터의 편차도 증대된다. 피스톤 저부 상의 최대 온도 영역은 점화 플러그의 위치, 밸브 형상 및 점화 시기에 달려 있다. 최대 온도 영역은 보통 배기 밸브의 부근에 배치된다.

피스톤 저부 온도를 저하시키는 효과적이고도 비교적 경제적인 해결책으로는 내연 기관의 오일 회로로부터의 윤활유를 피스톤 저부에 분무하는 방법이 있다. 이를 위해, 분사 노즐은 크랭크 케이스 내지 크랭크축 구동기 부근에 배치된다. 상기 노즐은 엔진의 윤활유 회로에 연결되며, 그 오일 기류는 피스톤 저부를 향하도록 되어 있다. 이런 종류의 분사 노즐은 예를 들어 독일 특허 제40 124 175 C2호에 기술되어 있다. 이런 노즐에서 고체 기류를 생성하는 데 있어서는 오일 온도가 상승하고 오일의 점도가 강하함에 따라 오일 압력도 동시에 상승되고 오일 기류는 분리되어 오일의 응집성 기류가 피스톤 저부에 까지 도달되지 않게 된다.

게다가, 내연 기관의 피스톤 냉각용 분사 노즐은 독일 특허 제31 25 835 C2호에 기술되어 있는데, 이 문헌에서 출구 채널은 튜브를 절첩함으로써 형성되며, 출구 채널의 형상은 원형이 아니다.

독일 특허 제25 05 019 A1호에는 피스톤 저부의 다른 영역을 타격하는 두 개 또는 그 이상의 오일 기류를 생성하는 분사 노즐에 대해 기술되어 있다.

한 편, 본 발명의 목적은 내연 기관 및 윤활유의 전체 작동 온도 범위에 걸쳐서, 특히 높은 윤활유 온도에서도 피스톤의 일방 결집된 충격과 효과적인 냉각이 달성되는 내연 기관의 피스톤 냉각용 분사 노즐을 개선하는 것이다. 이런종류의 분사 노즐은 구조가 간단해야 하고 제작하기에 경제적이어야 하며 엔진의 구조적인 변경 없이도 종래 구조의 분사 노즐을 교환할 수 있어야 한다.

도1은 본 발명에 따른 분사 노즐의 종단면도.

도2는 분사 노즐의 노즐 단부 부재의 종단면도,

도3은 노즐 단부 부재의 출구측의 평면도.

도4는 도1에 도시한 지지 부품의 변경예를 도시한 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 분사 노즐

2 : 지지부

3 : 노즐 단부 부재

5 : 슬리브형 부분

6 : 공급 보어

7 : 밸브 시트

8 : 밸브 부재

9 : 스프링

10 : 주변 견부

11 : 대경 제1 부분

12 : 소경 제2 부분

13 : 원추형 전이 영역

16 : 자유 단부

19, 20 : 출구 채널

이런 목적은 청구항 1의 특징부에 따른 본 발명에 따라 성취된다.

최소한 두 개의 적어도 대략 평행인 출구 채널을 분사 노즐에 제공함으로써, 상기 노즐 사이의 거리는 큰 출구 채널의 직경의 두 배 미만이 되며, 고유온에서도 피스톤 저부에의 일방 안정적인 충격이 가능하게 된다. 이렇게 출구 채널을 본 발명에 따라서 설계함으로써, 고온유 및 고압의 종래 기술의 분사 노즐에 반해 동일한 총 출력 체적으로도 채널 내에 층류가 형성되어 오일 기류가 조기에 분리되는 것을 방지하게된다. 이런 관계에서, 두 개의 인접한 출구 채널을 형성하게 되면 분사 패턴이 생성되어 고체 기류를 형성하는 응집이 노즐 개구로부터 약 10㎜ 내지 30 ㎜ 하류에서만 발생하게 된다. 그 결과, 피스톤의 개선된 냉각은 내연 기관의 구조를 전혀 변경하지 않고도 달성할 수 있게 된다. 종래의 분사 노즐과는 달리, 출구 채널이 제공된 단부 부재만 두 개 또는 그 이상의 평행 출구 채널을 가진 단부 부재로 교환하면 된다. 노즐 지지체 또는 내연 기관의 대응 수납 보어에 삽입된 노즐 지지체는 종래의 분사 노즐에서와 똑같은 형상으로 할 수 있다.

오일 기류의 특히 효과적이고 예리한 응집은 출구 채널의 직경이 약 0.8 ㎜ 내지 1.5 ㎜ 사이에서 발생한다.

생성된 고체 기류의 응집은 특히 양호해지며, 출구 채널 사이의 거리가 1 ㎜ 내지 2 ㎜ 사이에 있을 때 유동 분리 현상은 특히 약해진다.

두 개 또는 그 이상의 출구 채널의 직경이 동일한 경우에는 특히 유리하다. 결국, 특히 균일한 형상의 고체 기류는 냉각할 피스톤의 저부에서 극히 정확히 배향될 수 있다.

출구 채널 내에서의 특히 바람직한 유동 패턴과 출구 오일 기류의 예리한 응집은 출구 채널 내의 입구 영역이 원추형으로 확장되는 경우에 발생된다.

특히 간단하고 경제적인 분사 노즐의 설계는 상기 노즐이 출구 채널이 형성된 노즐 단부 부재를 가지고 있고 상기 단부 부재가 슬리브형 지지 부재에 삽입되는 경우에 얻어진다. 이 때, 체크 밸브는 예를 들어 캐리어형 슬리브 부재 내에서 일체가 될 수 있다.

본 발명의 다른 이점 및 유리한 개선점은 종속 청구항 및 이하의 상세한 설명에 기재하기로 한다.

이하 설명과 도면에는 본 발명의 일실시예가 상세히 기술되어 있다.

도1에 도시한 내연 기관의 피스톤 냉각용 분사 노즐은 기본적으로 지지부(2)와 그에 연결된 노즐 단부 부재(3)로 구성된다. 지지부(2)는 저부(4)와 그로부터 연장되는 슬리브형 부분(5)을 갖고 있다. 공급 보어(6)와 그에 인접한 밸브 시트(7)는 저부(4)에 제공되어 있다. 분사 노즐(1)이 장착된 상태에서, 공급 보어(6)는 내연 기관의 윤활유 회로에 연결된다. 슬리브형 부분(5) 내측에는 밸브 시트(7)와 상호 작용하는 밸브 부재(8)가 연결되어 있으며, 상기 밸브 부재는 본 실시예에서는 밸브 볼로서 설계되어 있다. 밸브 부재(8)는 밸브 시트(7)에 대한 스프링(9)에 의해 공급 보어(6)를 관통하는 오일 유동의 작용에 대항하여 압박되며 체크 밸브로서 작용한다. 스프링(9)은 한 단부가 밸브 부재(8)와 맞닿아 있고 다른 단부가 노즐 단부 부재(3)의 주변 견부(10)에 맞닿아 있다.

노즐 단부 부재(3)는 두 개의 원통부, 즉 대경 제1 부분(11)과 소경 제2 부분(12)으로 구성된다. 원추형 전이 영역(13)은 두 개의 원통부(11, 12) 사이에 형성된다. 노즐 단부 부재(3)는 제1 부분(11)의 자유 단부(14)가 지지부(2)의 주변 견부(15)에 맞닿는 형식으로 지지부(2)에 삽입된다. 지지부의 자유 단부(16)를 크림핑함으로써, 노즐 단부 부재는 고정된다. 이 때 자유 단부 내지 자유 단부(16)의 크림핑된 부분은 원추형 전이부(13)에 맞닿게 된다. 자유 단부에서부터 시작해서, 보어(17)는 제1 원통부(11) 내에서 연장되며, 상기 보어는 견부(10) 까지 원추형으로 테이퍼된다. 두 개의 평행 출구 채널(19, 20)은 이 보어의 저부(18)로부터 나오고, 상기 채널은 제2 부분(12) 까지 연장되며 이를 관통한다. 두 출구 채널(19, 20)의 입구 영역(21, 22)은 보어(17) 까지 원추형으로 확장된다. 본 실시예에서 원추의 각도는 대략 45도이다.

본 실시예에서 두 개의 출구 채널(19, 20)은 치수가 동일하며, 다시 말해 길이와 직경(d)이 동일하다. 본 실시예에서의 두 출구 채널의 직경(d)은 각각 1.2 ㎜이다. 그러나, 오일 압력, 노즐 길이, 피스톤 저부로부터의 거리와 관련된 이 치수는 0.8 내지 1.5 ㎜ 사이에서 변동하기 쉽다. 본 실시예에서 두 출구 채널(19, 20) 사이의 거리는 1.5 ㎜이지만, 이는 대략 1.0 내지 2.0 ㎜의 범위에서 변동 가능하다. 발산하여 고체 기류로 들어가는 두 개의 부분 기류의 응집을 가능한 한 빨리 달성하기 위해, 두 개의 출구 채널 사이의 거리는 비교적 작게 유지되어야 하며, 다시 말해서 거리는 출구 채널 직경(d) 보다 작아야 한다.

도4는 도1에서 기술된 지지부(2)를 변형한 예로서, 체크 밸브 형상이 다르게 되어 있다. 본 실시예에서, 밸브 부재(8)는 밸브 원추로서 설계된다. 이런 설계로 인해, 구면 설계의 밸브 부재(8)에 비해 개폐 이력의 확실한 저감이 성취될 수 있다.

본 발명을 출구 채널이 단 하나만 있는 종래의 분사 노즐과 비교해서 연구한 결과, 대경 보어에 대하여 일정한 유출량의 경우에 레이놀드 수와 층 접근부가 상당히 감소될 수 있다는 것을 알아 내었다. 두 개 또는 그 이상의 출구 채널을 가진 본 발명에 따른 분사 노즐의 레이놀드 수는 작아서 고온에서도 유동이 층류를 이루게 되며 점도가 낮고 고압에서 유속이 더욱 높아지며 난류 유동 범위로는 들어가지 않게 된다. 출구 채널의 직경이 비교적 소경이기 때문에 일어나는 교축 효과로 인해, 지지부 내측에는 높은 반압력이 작용하고, 체크 밸브의 개폐 압력 사이의 이력에 양호한 효과를 주게 된다. 이렇게 되면 체크 밸브의 개폐 작동은 극히 좁은 압력 범위 내에서 안정성이 있고 제한된 상태로 유지된다.

본 명세서에서 기술된 실시예와는 달리, 소요의 오일 출력, 가능한 오일 압력, 및 분무할 피스톤 저부로부터의 노즐 단부의 거리에 따라서 노즐 단부 부재에 두 개 이상의 출구 채널이 제공될 수도 있다. 이 점에서, 노즐 채널의 대칭 구조가 바람직하다. 따라서, 예를 들어 세 개의 출구 채널을 배치하여 그 축선을 이등변 삼각형이 되게 할 수도 있다.

Claims (11)

1. 고체 기류를 생성하기 위해 적어도 하나의 출구 채널(19, 20)을 가진 내연 기관의 피스톤 냉각용 분사 노즐에 있어서,

   상기 노즐이 거리가 대형 출구 채널의 직경의 두배(2d) 미만의 적어도 두 개의 대략 평행인 출구 채널(19, 20)을 적어도 구비하는 것을 특징으로 하는 분사 노즐.
2. 제1항에 있어서, 출구 채널(19, 20)의 직경(d)은 0.8 내지 1.5 ㎜인 것을 특징으로 하는 분사 노즐.
3. 제1항에 있어서, 출구 채널(19, 20)의 직경(d)은 약 1.2 ㎜인 것을 특징으로 하는 분사 노즐.
4. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 출구 채널(19, 20)의 거리(a)는 1.0 내지 2.0 ㎜인 것을 특징으로 하는 분사 노즐.
5. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 출구 채널(19, 20)의 거리(a)는 약 1.5 ㎜인 것을 특징으로 하는 분사 노즐.
6. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 출구 채널(19, 20)의 직경(d)은 동일한 것을 특징으로 하는 분사 노즐.
7. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 출구 채널(19, 20)은 그 입구단(21, 22)에서 원추형으로 확장된 것을 특징으로 하는 분사 노즐.
8. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 원추각은 대략 45°인 것을 특징으로 하는 분사 노즐.
9. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 노즐은 내부에 출구 채널(19, 20)이 형성된 노즐 단부 부재(3)를 구비하고, 상기 단부 부재는 슬리브형 지지부(2)에 삽입된 것을 특징으로 하는 분사 노즐.
10. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 체크 밸브(7, 8)는 지지부(2)에 제공된 것을 특징으로 하는 분사 노즐.
11. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 체크 밸브는 원추형 밸브 부재(8)인 것을 특징으로 하는 분사 노즐.