KR960006010B1 - 스파크 점화형 내연기관용 연소실 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

스파크 점화형 내연기관용 연소실

제 1 도는 단일 또는 다중실린더형 자동차 엔진의 실린더헤드에 형성된 연소실의 저면도.

제 2 도는 실린더의 일부와 실린더블럭 및 단일피스턴의 일부를 보인 제 1 도의 Z-Z선, 즉 크랭크 샤프트 축선을 따라 절단한 단면도.

제 3 도는 제 1 도의 Y-Y선 부분 단면도.

제 4 도-제 9 도는 제 1 도의 O-X, O-W, O-V, O-U, O-T 및 O-S선 부분단면도.

제 10 도는 제 1 도의 원호 P-P에서 방사상 방향으로의 부분 단면도.

제 11 도는 설명을 간편히 하기 위하여 흡입밸브를 제거한 실린더헤드의 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 실린더 4 : 피스턴

6 : 실린더헤드 8 : 연소실

10 : 흡기구 12 : 배기구

18 : 평면부 19 : 원호

20 : 평면부 22 : 원호

본 발명은 스파크 점화형 내연기관용 연소실에 관한 것으로, 특히 단일 또는 다중 실린더형 엔진에 있어서 이 실린더의 연소실 구조에 관한 것이다.

종래 엔진설계자에게 있어서는 연료소모량이 적고 배기가스의 배출량이 적은 고출려의 엔진을 설계하는데 많은 어려움이 있었다. 반면에 엔진의 마찰을 줄이고 다른 기생적인 손실을 줄이므로서 엔진의 제동성 등을 개선할 수는 있었으나 아직 연소효율에 관련하여 일산화탄소, 질소산화물(NOx) 및 연소되지 않은 탄화수소가 포함된 배기가스의 방출을 보다 더 줄이기 위한 연구가 계속되고 있다.

이론과 실제로부터 잘 알려진 바와같이, 압축비를 높이고 일정한 체적연소에 대하여 연소율을 증가시키므로 연소효율을 높일 수는 있다. 만약 최대 출력을 위하여 스로틀을 최대로 개방하고 최저혼합비를 이용하는 경우 주어진 양의 연료로 사용될 수 있는 압축비는 노킹현상과 압력상승속도에 의하여 제한되며, 연소실 구조와 이 연소실내로의 공기-연료 혼합체 흡입작동에 의하여 영향을 받는다. 실제로, 압축비와 압력상승속도는 지나친 소음발생과 최대 연소압력의 상승을 피하기 위하여 제한되어야 한다.

엔진의 견고성과 엔진 외면으로부터 발생되는 소음을 줄이기 위한 기술을 개선하기 위하여 현재는 수년전에 이미 공지된 것보다 높은 압력 상승속도의 이용이 가능하다.

유동 배기가스를 줄이기 위한 한 시도로서 혼합비율이 낮은 연료 혼합체를 사용토록 한 것이 있다. 최대출력을 위하여 최저혼합비로 시작할때에 배기가스내의 일산화탄소량은 비교적 낮은 값으로 점진적으로 낮아지고 혼합비가 더 낮아지는 경우에는 그 값이 그대로 유지된다. 혼합비를 낮추는 경우 불연소 탄화수소의 양이 줄어드나 정상연소에 접근하도록 하는 경우, 이는 다시 상승된다. 질소산화물(NOx)의 경우 이들은 연소의 높은 온도에서 신속히 생성되어 매우 안정된 화합물로 남아있게 된다. 실제의 공기/연료비율에 대하여 화학량론적인 공기/연료비율을 설명하기 위하여 당량비를 이용하는 경우, 당량비는 실제 혼합비가 낮은 것을 의미하는 단위보다 낮은 당량비를 사용하는 경우 질소산화물(NOx)의 양은 당량비가 약 0.9 즉 10% 떨어질 때에 최대로 상승되고 당량비가 정상연소의 한계치로 감소되는 경우 점진적으로 떨어진다. 혼합비가 그 최대출력치로부터 낮아질때에 제동시 연료소모는 그 최소치, 즉 약 0.8당량비로 떨어진다.

자동차 엔진의 전 수명을 통하여 이 엔진이 최대출력으로 작동되는 경우는 매우 적다. 엔진작동시간중에서 최대출력으로 작동되는 부분은 그 속도범위의 낮은 종료단부분과 부분스로틀작동이 이루어질때이다. 스로틀작동시의 증가된 펌프손실은 연료소모량을 증가시킨다. 각 싸이클에서, 이전 싸이클로부터 생성되어 잔류하는 배기가스는 새로 채워지는 연료에 상당한 부분을 차지하며 이에 따라 연소효율이 떨어지고 싸이클온도가 낮아진다. 따라서 질소산화물(NOx) 방출은 스로틀밸브가 충분히 개방되었을때 보다 낮아진다.

최근의 경험으로는 실린더내에 공급되는 공기와 연료의 흐름을 조절하므로서 부분부하의 연료경제성, 희박한 연소제한성과 배기가스방출을 개선할 수 있다. 연소중 공기의 교란운동을 바람직한 것이다. 만약 이러한 교란이 흡입행정중에 일어나는 경우 이는 압축행정중에는 쇠퇴하는 경향이 있다. 반대로 "스쿼시(squish)"에 의하여 발생된 교란, 즉 압축행정의 종료시에 피스턴과 피스턴헤드의 평면부 사이에서 상호 근접하여 일어나는 흡입가스의 부분 이동은 연소의 초기단계에 영향을 주기에는 너무 늦다.

본 발명의 목적은 공기와 연료혼합체와 와류가 일어나고 이러한 와류는 강한 교란을 일으키도록 적당한 시간에서 중단되므로서 부분부하 조건하에서 연소효율을 개선토록 구성된 연소실을 갖는 스파크 점화형의 내연기관용 연소실을 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 스파크 점화형 내연기관용 연소실은 피스턴이 삽입되고 실린더헤드로 폐쇄되는 실린더를 형성하는 실린더블럭으로 구성되며, 피스턴과 실린더헤드의 대향면이 연소실을 형성하고, 이 연소실은 피스턴이 압축행정을 수행할때에 실린더의 축선에 대하여 평행한 축방향으로 연소실의 분리부분에서 공기와 연료의 흡입가스에서 적어도 두 와류패턴이 생성될 수 있도록 형성되어 있다. 연소실은 상기 피스턴의 대향된면의 하나에 형성된 요입부로 구성되고 이 요입부를 형성하는 외측 변부는 평면에서 보았을때에 두 원호를 이루며 각 원호의 곡률반경은 일측 단부가 타측 단부보다 작고 이러한 곡률반경의 감소는 두 원호에서도 동일하게 되어 있다.

상기 언급된 와류패턴은 공기와 연료혼합체가 균일하게 회전될 필요가 없는 대시에 일반회전이 중첩되는 영역에서 집중적인 교란이 일어날 수 있어야 하는 바, 이를 와류 패턴이라 한다. 종래 흡입행정중 공기와 연료혼합체가 와류되게 하는 것은 둘 이상의 와류패턴이 이루어지게 하는 것인 바, 이들을 엄밀하게 와류패턴이라고는 할 수 없다. 본문에 사용된 "와류"와 "와류패턴"이라 함은 연소실에서 적어도 두개의 명백한 공기 패턴 또는 운동이 상호 충돌하여 최종적으로 와해되고 마는 패턴을 일컫는다.

따라서, 본 발명에 따른 엔진은 연소실이 두 연통된 나선형 요구로 구성되는 요입부로 구성되고 그 깊이는 각 요구의 길이방향으로 따라서 동일하게 증가된다. 따라서 흡입행정중 발생되고 압축행정중 유지되는 와류는 연소실의 형태에 따라서 압축행정의 종료시까지 변형되어간다. 이는 엔진싸이클에서 정확한 시간에 수준높은 교란이 이루어지도록 하므로서 신속한 연소를 촉진하고 유동배기가스 생성물의 생성을 최소로 줄인다.

본 발명에 따른 엔진의 압축비는 7.0-11.0 : 1이며 소위 고율 콤팩트챔버(HRCC)형 엔진보다 마찰손실이 적다. 낮은 압축비를 가지나 공기 및 연료혼합체의 흡입유동운동이 높은 엔진은 과부하 경제성의 HRCC 엔진과 동일하고 하품의 연료로서도 만부하에 작동할 수 있음이 경험하게 되었다.

본 발명의 다른 관점에 따라서, 스파크 점화형 내연기관은 피스턴이 삽입되고 실린더헤드로 폐쇄되는 실린더를 형성하는 실린더 블럭으로 구성되고, 피스턴 실린더헤드의 대향면중 하나가 연소실을 구성하는 요입부를 형성하며 평면에서 보았을때에 요입부의 외측 변부는 두 원호로 구성되고, 각 원호의 곡률반경은 일측단부가 타측 단부보다 작으며, 이 곡률반경은 두 원호에서 동일방향으로 감소되어 있다.

구체화된 실시형태에서, 두 원호에 인접한 요입부의 깊이는 원호의 곡률반경이 이들 원호길이의 일부분, 좋기로는 곡률반경이 최대가 되는 단부에서 시작하는 각 원호길이의 1/3-1/2에 해당하는 부분으로부터 점진적으로 증가한다. 두 원호에 인접한 요구의 동일방향으로 깊이가 점진적으로 증가하므로 피스턴이 그 압축행정의 종료에 가까와질때에 두 와류패턴이 형성되는 것이다.

각 원호에 인접한 요입부의 깊이는 곡률반경이 최대인 단부에서 시작되는 각 원호길이의 1/3-1/2에 해당하는 부분에 걸쳐 내측 방향으로 점진적으로 증가되는 것이 좋다. 주연방향과 방사상 내측 방향에서 각 원호의 처음 1/3부분에 해당하는 위치에 인접하여 요입부의 깊이가 증가하므로서 흡입가스는 주연방향의 속도성분과 방사상 방향의 속도성분을 받게 되다.

원호의 곡률반경이 최대가 되는 단부위치에 시작하여 각 원호는 처음 90°는 피스턴의 반경과 동일한 곡률반경을 가지며, 이후 점진적으로 감소되는 것이 좋다. 각 원호는 피스턴의 평면적의 반보다 작은 영역을 둘러싸고 180°이상의 각도를 통하여 원호를 이루도록 하는 것이 좋다. 또한, 그 곡률반경이 피스턴의 반경과 같은 각 원호의 상기 부분은 실린더의 벽과 일치한다. 연소실의 실린더헤드에 형성되어 있는 구체화된 실시형태에서 피스턴은 압축행정의 종료시에 실린더헤드의 두 평면부에 매우 근접하게 될 것이다. 이는 압축행정의 종료시에 흡입가스의 교란에 영향을 주는 스쿼시 효과를 높여줄 것이다.

요입부의 측벽은 처음 실린더헤드가 이에 수직인 실린더블럭과 만나는 평면으로부터 연장되어 나가 요입부의 저면부까지 연장되며 상기 측벽의 높이는 각 원호의 적어도 일부분에 걸쳐, 좋기로는 곡률반경이 최대인 단부에서 시작하여 원호길이의 1/3에 해당하는 부분에 걸쳐 점진적으로 증가한다. 요입부의 저면으로 연장되는 측벽의 곡률반경은 원호의 곡률반경이 그 길이의 최종 1/3에 걸쳐 감소되는 방향으로 각 원호의 길이를 따라서 점진적으로 증가한다. 따라서 연소실이 구성되도록 고려된 이 두 요입부는 일반적으로 소용돌이 또는 나선형의 형태이고 역시 상이한 방향으로 이들 길이의 일부에 걸쳐 나선형인 저면부를 갖는다.

연소실은 이미 언급된 바와 같이 피스턴 크라운에 형성될 수도 있으나 실린더헤드에 형성되는 것이 좋다. 구체화된 실시형태에서는 실린더헤드에 단일 흡입구와 단일의 배기구가 형성되어 있으며 각 원호는 각 흡배기구의 외측부 둘레로 연장되어 있다.

흡기구는 피스턴의 흡입행정중 연료와 공기의 흡입혼합체가 와류되게 배설되고 이러한 목적을 위하여 흡입구는 공지된 "직접"과 "나선형 방향"의 형태일 수 있다. 직접형 흡기구는 가능한한 운동반경이 크게 하여 얕은 각도로 실린더에 공기가 접선방향으로 향하게 하여 공기 및 연료혼합체의 얕은 와류현상이 실린더에 나타나는 것을 의미한다. 나선방향 흡기구는 흡기밸브의 배면측 바로 뒤에 와류실이 형성되어 유입되는 공기가 연소공간부를 향하여 이동할때에 밸브축선을 중심으로 하여 와류실내에서 회전할 수 있게 된 형태이다. 이러한 구조에 있어서, 공기는 흡기구내의 나선통로내로 이동하여 실린더 축선으로부터의 충분한 반경에서 이 흡기구로부터 실린더내로 이동되므로서 접선방향 공기속도가 실린더내에서 생성되어 실린더축선을 중심으로 와류가 일어나며, 이는 와류실에 의하여 생성된 와류운동과 중첩하게 된다. 와류비율은 0.5-3의 범위가 좋다. 와류비율은 엔진크랭크 샤프트의 각 속도에 대한 흡입행정의 종료시 실린더내의 공기와 연료 혼합체의 와류각속도의 비율이다.

본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 엔진은 실린더(2)를 형성하는 실린더블럭을 포함하며, 이 실린더(2)에는 공지의 방법으로 피스턴(4)이 삽입되고 실린더헤드(6)로 폐쇄된다. 실린더헤드(6)에서 연소실(8)을 구성하는 요입부에는 그 상부에 하나의 흡입구(10)와 하나의 배기구(12)가 형성되어 있다. 이들 흡기구와 배기구는 각각 단일의 직접작용형 캠축(도시하지 않았음)으로 작용되는 토앙의 포핏밸브(14)(16)에 의하여 제어된다.

각 배기 및 흡기밸브 둘레의 연소실 영역은 평면상이며, 이러한 영역은 그 자체가 배기 및 흡기구에 의하여 형성되고 그 반경이 실린더 구경의 0.25-0.35, 특히, 0.3배이고 그 중심은 원호부분이 실린더헤드가 실린더블럭에 고정되었을 때에 실린더 내부주연과 일치하도록 위치하는 각 원호(19)에 의하여 형성되어 있다. 흡기구는 배기구의 직경보다 크고 두 흡기구 및 배기구는 실린더 주연에 대하여 비대칭으로 배치되어 있으므로 두 흡기구 및 배기구 둘레의 평면부는 물론 상이한 영역이다. 연소실의 나머지 부분은 두 연통된 나선형 "요입부"에 의하여 구성되도록 고려되어야 하며, 이들 요입부는 각각 흡기구 및 배기구의 주연에 대하여 이 주연의 반 이상을 둘러싸도록 연장되어 있으며, 제 1 도에서 보인 바와 같이 수직중심선 Y-Y에서 시작하여 원호(19)의 첨점(尖點)(15)에서 각각 끝나있다.

이와같이 연소실의 형상은 제 1 도에서 보인 바와 같이, 수직중심선을 중심으로 대칭인 두 반부분으로 구성되도록 고려되어야 한다. 각 흡기구와 배기구를 둘러싸고 있는 연소실 각 벽의 외측벽부는 저면부에서 보인 바와같이, 일측 단부로부터 시작하여 약 90%까지의 곡률반경이 실린더내부의 반경과 동일하고 타측단으로 향하여 점진적으로 감소되어 타측 흡기구 또는 배기구 둘레의 평면부를 형성하는 원호(19)로 연장되는 원호(22)로 형성되어 있다. 제1 도에서 보인 바와같이 연소실의 좌측반부분을 고려할때에 이는 도면상부에서 수직중심선 Y-Y로부터 시작하며 원호(22)에 이접한 그 깊이는 60°와 90°사이, 특히 80°까지는 원호의 길이를 따라서 초기 제로값으로부터 평면부(20)의 깊이까지 점진적으로 증가된다. 또한 요입부의 깊이는 평면부(20)의 깊이와 동일한 깊이까지 동일주연범위까지 방사상 내측으로 증가하며, 이 방사상 영역에서 요입부의 상측부는 제 4 도에서 보인 바와같이 증가하여 블록한 형상을 갖는다. 따라서, 요입부는 원호(22)에 의하여 형성되고, 그 높이가 처음 80°까지는 점진적으로 증가하며 요입부 상측에 막혀있는 수직외측벽을 갖는다.

원호시작점으로부터 약 80°-100°의 사이에서 요입부의 수직측벽은 최대높이를 가지며 평면부(20)로 직접연장된다. 이후, 측벽이 평면부(20)로 이어진 곡률반경은 점진적으로 증가하여 요입부의 측벽의 수직부분 높이가 점진적으로 감소된다. 요입부의 형상이 점진적으로 변화되는 구종가 제 2 도 -제 10 도에 상세히 도시되어 있다.

연소실의 각 부분은 실린더 내공의 반부분보다 약간 작은 평면적을 가지므로 실린더헤드는 압축행정의 종료시에 피스턴 크라운에 의하여 보다 근접되는 두 평면부(18)를 제공한다. 압축행정시 흡입가스의 일부는 연소실에서 급격한 교란을 일으키게 하는 "스쿼시" 효과에 의하여 연소실로 급격히 이동하게 된다.

요입부의 일측반부분에서 보다 더 깊은 부분, 즉 곡률반경이 최소인 일측 원호의 부분에 인접한 부분에는 스티커 플러그(28) (제 11 도에서만 도시하였음)를 삽입하기 위한 나선공(26)이 형성되어 있다. 대칭이 되는 위치에 두 스파크 플러그가 착설될 수도 있다.

상기 언급된 바와같이, 흡기구는 직접형 또는 나선형이며, 본 발명과 같은 경우는 직접형이다. 따라서 와류는 흡입행정중에 공기 및 연료흡입가스에 유도된다. 피스턴이 상사점에 접근할때에 와류패턴은 연소실형태에 의하여 변경된다. 길이방향 및 방사상 내측으로 각 원호(22)의 시작점에 인접한 연소실의 깊이 증가로 연소실의 각 반부분에서 별도의 와류패턴이 이루어진다. 각 와류패턴은 제 1 도에서 보인 바와같이, 동일방향, 즉 시계반대방향이다. 압축행정이 끝나는 경우 와류는 더 이상 유도되지 않으며 공기의 운동이 반대방향으로 이동하는 연소실 중앙에서 두 공기의 운동패턴이 충돌과 상기 언급된 스쿼시에 의한 교란에 의하여 신속히 중지된다. 따라서 조직적인 공기운동이 일어나고 엔진싸이클의 최적한 시간에 중단된다.

비록 연소실이 실린더헤드에 형성된 형태로 기술되어 있으나 실린더헤드가 평면이고 또한 흡기구와 배기구가 형성되어 있다 하더라도 연소실이 피스턴의 크라운에 형성된 경우에도 본 발명의 적용이 가능하다.

Claims (9)

1. 피스턴이 삽입되고 실린더헤드에 의하여 폐쇄되는 실린더가 형성된 실린더블럭을 포함하며 피스턴의 흡입행정중에 공기와 연료의 흡입가스의 와류를 생성하는 흡입구가 배설되고 피스턴과 실린더헤드의 대향면에 연소실을 형성하는 요입부가 형성된 것에 있어서, 요입부의 외측 변부가 평면에서 보았을때에 두 원호로 구성되고, 각 원호의 곡률반경은 일측 단부에서의 곡률반경이 타측 단부에서의 곡률반경보다 작으며, 곡률반경의 감소비율이 두 원호에서 동일하고, 두 원호에 인접한 요입부의 깊이가 원호의 곡률반경이 감소하는 방향으로 점진적으로 증가하며, 요입부의 깊이는 곡률반경이 최대가 되는 단부에서 시작하여 각 원호길이의1/3-1/2에 걸쳐 점진적으로 증가하고, 각 원호는 피스턴의 평면적의 반보다 작은 영역을 둘러싸고 180°이상의 각도를 통하여 연장되며, 이로써 흡입행정중 흡입가스의 와류가 연소실에서 두 원호에 의하여 분리구성된 요입부에서 실린더의 축선에 평행한 각 축선을 중심으로 하여 동일방향으로 적어도 두 와류패턴으로 수정되고, 이들 와류패턴은 반대방향으로 유동되어 연소실의 중앙영역에 서로 겹쳐 충돌하므로서 더욱 교란됨을 특징으로 하는 스파크 점화형 내연기관용 연소실.
2. 청구범위 1 항에 있어서, 각 원호에 인접한 요입부의 깊이가 곡률반경이 최대가 되는 단부에서 시작하여 각 원호길이의 1/3-1/2에 걸쳐 방사상 내측 방향으로 점진적으로 증가함을 특징으로 하는 내연기관용 연소실.
3. 청구범위 1항 또는 2항에 있어서, 원호의 곡률반경이 최대가 되는 단부에서 시작하여 각 원호는 처음 90°는 피스턴의 반경과 동일하고 그 이후는 점진적으로 감소하는 곡률반경을 가짐을 특징으로 하는 내연기관용 연소실.
4. 청구범위 3항에 있어서, 곡률반경이 피스턴의 곡률반경과 동일한 각 원호의 부분이 실린더의 벽과 일치함을 특징으로 하는 내연기관용 연소실.
5. 청구범위 1항에 있어서, 요입부의 측벽이 실린더헤드가 이에 수직인 실린더블럭에 고정되는 평면으로부터 시작하여 연장되고 요입부의 저면부로 이어지며 상기 측벽의 높이가 각 원호길이의 적어도 일부분에 걸쳐 점진적으로 증가함을 특징으로 하는 내연기관용 연소실.
6. 청구범위 5항에 있어서, 측벽이 요입부의 저면부로 이어지는 곡률반경이 원호의 곡률반경이 그 길이의 최종 1/3에 해당하는 길이에 걸쳐 감소하는 방향으로 각 원호의 길이를 따라 점진적으로 증가함을 특징으로 하는 내연기관용 연소실.
7. 청구범위 1항에 있어서, 연소실이 실린더헤드에 형성됨을 특징으로 하는 내연기관용 연소실.
8. 청구범위 1항에 있어서, 실린더헤드에 단일 흡기구와 단일의 배기구가 형성됨을 특징으로 하는 내연기관용 연소실.
9. 청구범위 7항에 있어서, 연소실의 저면이 흡기구와 배기구의 둘레와 이들 사이로 연장된 평면부를 가짐을 특징으로 하는 내연기관용 연소실.

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