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KR100729293B1 - 와류실식 디젤엔진 - Google Patents

와류실식 디젤엔진 Download PDF

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KR100729293B1
KR100729293B1 KR1020060032741A KR20060032741A KR100729293B1 KR 100729293 B1 KR100729293 B1 KR 100729293B1 KR 1020060032741 A KR1020060032741 A KR 1020060032741A KR 20060032741 A KR20060032741 A KR 20060032741A KR 100729293 B1 KR100729293 B1 KR 100729293B1
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combustion chamber
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connection passage
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diesel engine
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임중호
박상호
이창규
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국제종합기계 주식회사
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Abstract

본 발명은 효율이 향상된 와류실식 디젤엔진에 관한 것이다. 본 발명은 내벽면에 와류 유도부와 연료 충돌부가 구비되고 실린더 헤드의 하단에 설치되어 상기 실린더 헤드와 함께 부연소실을 형성하는 부연소실 조립체; 상단부가 상기 부연소실과 연통되도록 상기 부연소실 조립체를 관통하여 경사지게 형성되되, 하단면이 부분적으로 라운드진 형상으로 형성된 연결통로; 그리고 상기 연결통로의 하단면과 연통되어 유체의 이동을 안내하도록 피스톤의 상면에 반경 방향으로 소정의 폭과 깊이를 갖는 홈으로 형성되되, 상기 홈의 반경 방향 단부가 상기 연결통로의 하단면에 형성된 라운드의 곡률반경 이상의 곡률반경으로 라운드 형성되는 트렌치부와, 상기 피스톤의 상면에 상기 트렌치부를 부분적으로 포함하여 소정의 깊이로 형성된 확산부를 포함하여 이루어지는 주연소실을 포함하여 이루어지는 와류실식 디젤엔진을 제공한다.
와류실식 디젤엔진, 피스톤, 주연소실

Description

와류실식 디젤엔진{Swirl chamber type diesel engine}
도 1은 종래의 와류실식 디젤엔진의 내부구조를 나타낸 단면도.
도 2는 종래의 와류실식 디젤엔진의 주연소실 구조를 나타낸 도 1의 A-A선의 일부 확대 단면도.
도 3은 종래의 와류실식 디젤엔진 피스톤의 평면 구성도.
도 4는 도 3의 B-B선 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 와류실식 디젤엔진의 실시예를 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 와류실식 디젤엔진의 주연소실 구조를 나타낸 도 5의 C-C선의 일부 확대 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 와류실식 디젤엔진 피스톤의 평면 구성도.
도 8은 도 7의 D-D선 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
20 : 분사노즐 30 : 예열 플러그
50 : 부연소실 조립체 60 : 와류 유도부
70 : 연료충돌부 80 : 연결통로
100 : 피스톤 200 : 부연소실
210 : 주연소실 220 : 트렌치부
230 : 확산부
본 발명은 와류실식 디젤엔진에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 효율이 향상된 와류실식 디젤엔진에 관한 것이다.
일반적으로 중·대형의 디젤 엔진에서는 혼합기 형성에 주어지는 시간이 길어지므로 연료 분사만으로 공기와의 접촉을 충분히 할 수 있으나, 소형, 고속의 디젤 기관에 있어서는 압축공기 와류의 도움 없이는 짧은 시간에 연소를 끝내게 할 수 없다.
이러한 디젤 엔진의 연소실은 여러 형식이 있는데, 이는 직접 분사실식, 예연소실식, 와류실식, 공기실식 등으로 구분되고, 직접 연소실식을 제외하고 나머지는 부연소실을 필요로 한다.
특히 와류실식 연소실은 압축 행정에 의하여 부연소실(와류실)에서 일어난 공기 와류 중에 연료를 분사하여 연소시키는 것이다.
도 1을 참조하여, 종래 와류실식 디젤엔진을 설명하면 다음과 같다.
실린더(15) 내부에 구비된 피스톤(100)이 흡기행정으로 인해 하강하면서 다량의 외부공기가 상기 실린더(15) 내부로 유입되며, 압축행정으로 인해 상기 피스톤(100)이 상승되면서 상기 실린더(15) 내의 주연소실(210)에 유입된 공기를 압축시킨다.
그리고, 상기 주연소실(210) 내에서 압축되는 공기의 일부는 연결통로(80)를 통하여 부연소실(200)에 유입되면서 와류상태로 변환된다.
한편, 상기 부연소실(200)에 유입된 공기는 상기 부연소실(200)에 설치된 예열 플러그(30)의 예열동작에 의해 온도가 상승되며, 상기 주연소실(210) 내에서 압축된 대부분의 공기는 고온으로 압축된 상태를 유지하게 된다.
이때, 상기 부연소실(200)에 장착된 분사노즐(20)로부터 연료를 상기 부연소실(200) 내에 분사시키는 경우, 상기 부연소실(200) 내에 존재하는 고온의 와류공기에 의해 연료가 점화되어 1차적으로 연소된다.
한편, 도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이, 상기 피스톤(100)의 상면에 형성된 트렌치부(220)의 단부와 상기 연결통로(80)의 하단부가 연결되도록 형성되어짐으로서 1차 연소와 동시에, 상기 부연소실(200) 내에서의 1차 연소력이 상기 연결통로(80)를 통하여 상기 트렌치부(220)에 전달된다.
그리고, 상기 연소력이 상기 트렌치부(220)에 접하여 형성된 확산부(230)로 확산되어 상기 트렌치부(220)와 상기 확산부(230)로 구성되는 상기 주연소실(210) 내에서 2차 연소가 이루어진다.
그러나, 상술한 종래의 와류실식 디젤엔진은 다음과 같은 문제점이 있었다.
첫째, 상기 부연소실에서 토출되는 연소가스가 1차 폭발을 일으키면서 강한 연소력이 상기 연결통로를 통해 상기 트렌치부(220)로 유입되는 과정에서 상기 연결통로(80)의 하단의 라운드진 형상의 통로면과 상기 트렌치부(220)의 일측 모서리의 직선 형상의 단부가 접하여 연결된다. 한편, 상기 부연소실(200)에서부터 유입 되는 연소가스가 상기 트렌치부(220)로 유입되어질 때, 상기 연소가스의 일부는 상기 직선 형상으로 형성된 상기 트렌치부(220)의 양끝 공간으로 유동되어진다. 그러나, 이러한 유동은 연소가 이루어지는 연소확산 방향과 상이하며 이로 인하여, 상기 주연소실(210) 내에서의 확산연소를 저하시키는 문제점이 있었다.
둘째, 부분적으로 라운드진 단면으로 형성된 상기 연결통로(80)와 연통되는 상기 트렌치부(220)의 바닥 단면은 직선 형상으로 형성되어있다. 따라서, 1차 폭발로 인한 연소력이 상기 주연소실(210)로 유입시 상기 연결통로(80)에서 상기 트렌치부(220)로 연결되는 연결로의 단면 형상이 변하여 상기 연소력의 유동에너지가 저하되어 연소효율이 감소하고 엔진출력이 저하되는 문제점이 있었다.
셋째, 상기 주연소실(210)에서의 확산연소 저하와 연소효율의 감소로 인해 매연의 발생을 야기하고 상기 매연의 배출로 인해 심각한 대기오염 및 환경오염을 초래하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 효율이 향상된 와류실식 디젤엔진을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 내벽면에 와류 유도부와 연료 충돌부가 구비되고 실린더 헤드의 하단에 설치되어 상기 실린더 헤드와 함께 부연소실을 형성하는 부연소실 조립체; 상단부가 상기 부연소실과 연통되도록 상기 부연소실 조립체를 관통하여 경사지게 형성되되, 하단면이 부분적으로 라운드진 형상으로 형성된 연결통로; 그리고 상기 연결통로의 하단면과 연통되어 유체의 이동을 안내하도록 피스톤의 상면에 반경 방향으로 소정의 폭과 깊이를 갖는 홈으로 형성되되, 상기 홈의 반경 방향 단부가 상기 연결통로의 하단면에 형성된 라운드의 곡률반경 이상의 곡률반경으로 라운드 형성되는 트렌치부와, 상기 피스톤의 상면에 상기 트렌치부를 부분적으로 포함하여 소정의 깊이로 형성된 확산부를 포함하여 이루어지는 주연소실을 포함하여 이루어지는 와류실식 디젤엔진을 제공한다.
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여기서, 상기 연결통로의 통로면과 연통되는 상기 트렌치부 단부의 단면형상은 상기 연결통로의 통로 방향 단면형상과 연속적인 형상으로 형성됨이 바람직하다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
종래와 동일한 구성 요소는 설명의 편의상 동일 명칭 및 동일 부호를 부여하며 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 와류실식 디젤엔진의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 5에서 보는 바와 같이, 실린더 헤드(10)의 일단에는 부연소실 조립체(50)가 별도로 조립되고, 상기 실린더 헤드(10)와 상기 부연소실 조립체(50)의 일부를 포함하여 부연소실(200)이 형성된다.
상기 부연소실(200)은 상부와 하부로 갈수록 지름이 좁아지는 구의 형상으로 형성되나 완벽한 구는 아니며, 상기 부연소실(200)의 하부는 평평한 형상으로 형성 된다.
상기 부연소실(200)의 중앙 상단 쪽에는 분사노즐(20)이 연료를 상기 부연소실(200)의 한쪽 벽면쪽으로 편향되게 분사시킬 수 있도록 경사지게 설치되고, 상기 부연소실(200)의 일측 상단에는 예열 플러그(30)가 장착된다.
한편, 상기 부연소실(200)의 하단 중앙에는 연결통로(80)가 구비된다. 상기 연결통로(80)의 상단은 상기 부연소실(200)의 하단을 관통하여 형성되고 상기 연결통로(80)의 하단은 상기 실린더 헤드(10)의 하부를 관통하여 형성된다.
여기서, 와류 유도부(60)의 하단부와 부분적으로 접하여 형성되는 상기 연결통로(80)의 통로면은 통로방향 단면이 부분적으로 라운드진 형상으로 형성되며, 통로방향으로 소정의 기울기를 이루며 경사지게 형성됨이 바람직하다.
또한, 연료충돌부(70)의 하단부와 부분적으로 접하며 형성되는 상기 연결통로(80)의 통로면은 통로방향 단면이 부분적으로 직선의 형상으로 형성되며, 통로방향으로 소정의 기울기를 이루며 경사지게 형성된다.
한편, 상기 와류 유도부(60)는 상기 연결통로(80)의 라운드진 통로면으로 형성된 상단부와 상기 분사노즐(20) 사이에 형성된 상기 부연소실(200)의 내벽면을 포함하여 형성된다. 따라서, 상기 와류 유도부(60)를 통과하는 압축공기는 상기 부연소실(200) 내부에 와류로 형성된다.
여기서, 상기 와류 유도부(60)의 와류 유도면은 상기 연결통로(80)의 통로방향으로 경사져 형성되는 통로면과 선형적으로 연속되는 형상으로 형성됨이 바람직하다. 이를 통하여, 상기 부연소실(200)로 유입되는 압축공기는 유동 장애가 최소 화되어 와류되어질 수 있다.
한편 상기 연료충돌부(70)는 상기 예열 플러그(30)의 하단부로부터 상기 연결통로(80)의 상단부까지로 형성되는 상기 부연소실(200)의 내벽면을 포함하여 형성된다.
여기서, 상기 연료충돌부(70) 단면은 직선 형상으로 형성될 수 있으며 상기 분사노즐(20)로부터 분사된 연료가 충돌된다.
이를 통하여, 상기 연결통로(80)를 통해 유입되는 혼합공기는 와류 유도부(60)를 거치면서 와류가 형성되고 상기 분사노즐(20)을 통해 분사되는 연료와 원활한 혼합이 이루어져 연소하게 된다.
한편, 도 7 및 도 8에서 보는 바와 같이, 상하로 운동되어지는 상기 피스톤(100)의 상면에는 트렌치부(220)와 확산부(230)로 구성되는 주연소실(210)이 형성된다.
상기 트렌치부(220)는 상기 피스톤(100)의 상면에 홈으로 형성되며 상기 트렌치부(220)의 일단부는 상기 피스톤(100)의 중심을 향하고 상기 트렌치부(220)의 타단부는 상기 피스톤(100)의 반경방향으로 형성된다.
여기서, 상기 피스톤(100)의 중심을 향하여 형성되는 일단부의 끝단은 직선 형상으로 형성되며 상기 피스톤(100)의 중심방향에서 반경방향으로 소정의 경사면이 형성될 수 있다.
한편, 상기 피스톤(100)의 반경방향을 향하여 형성되는 타단부의 끝단은 라운드진 형상(240)으로 형성되며 상기 피스톤(100)의 중심방향으로 라운드진 단면 형상으로 소정의 경사면이 형성되며 상기 직선단면 형상의 경사면과 접하여 바닥면이 형성된다.
한편, 상기 확산부(230)는 상기 피스톤(100)의 상면에 소정의 깊이를 가지는 홈으로 형성되며, 상기 트렌치부(220)의 직선 형상의 끝단으로 형성되는 일단부를 부분적으로 포함한다.
이에 따라, 상기 부연소실(200)에서 1차 연소 되어진 후, 연소력이 상기 연결통로(80)를 통해 상기 트렌치부(220)로 유입되고, 상기 연소력이 상기 확산부(230)로 확산되며 2차 연소가 이루어진다.
여기서, 상기 연결통로(80)의 하단에 접근되어 유체의 이동통로를 형성하는 상기 트렌치부(220)의 일측 모서리의 형상은 라운드진 형상(240)으로 형성됨으로써, 상기 주연소실(210)의 불필요한 공간을 최소화할 수 있다.
이를 통하여, 상기 주연소실(210)로부터 상기 연결통로(80)로 압축공기가 원활히 이동되어질 수 있으며, 상기 압축공기가 상기 부연소실(200)로 유입될 때 상기 압축공기의 유동 강도가 증대될 수 있다. 따라서, 상기 부연소실(200) 내부에서 상기 분사노즐(20)로부터 분사되는 연료와 혼합이 잘 이루어짐으로써 연소가 개선되고 매연이 감소될 가능성이 있다.
또, 상기 주연소실(210)의 용적이 감소하여 분사된 연료를 가능한 짧은 시간 안에 완전 연소시킬 수 있으며, 연소가스의 유동이 균등하게 분포될 수 있어 신속한 확산연소도 가능하다.
물론, 상기 트렌치부(220)의 일측 모서리의 라운드진 형상(240)은 상기 연결 통로(80)의 라운드진 단면부의 곡률반경과 동일한 것이 가장 바람직하나 그 이상인 것도 가능하다.
여기서, 상기 트렌치부(220)의 일측 모서리의 라운드진 형상(240)이 상기 연결통로(80)의 라운드진 단면부의 곡률반경 이상으로 형성될 경우에도, 상기 라운드가 형성되는 시작위치는 변하지 않는 것이 바람직하다.
한편, 상기 트렌치부(220)의 폭방향 단면이 라운드진 형상으로 형성되어 상기 연결통로(80)와 연결됨으로써, 상기 부연소실(200)에서부터 유입되는 연소가스가 상기 연결통로(80)를 거쳐 상기 트렌치부(220)로 이동시, 상기 연소가스의 운동에너지 손실을 줄여 효율을 증대시킬 수 있으며, 배출가스 중에 포함된 일산화탄소의 배출 감소와 매연 저감에 기여할 수 있다.
여기서, 상기 트렌치부(220)의 폭방향 단면의 라운드 형상은 상기 연결통로(80)의 라운드진 단면부의 곡률반경과 동일한 것이 가장 바람직하나 그 이상인 것도 가능하다.
한편, 상기 연결통로(80)의 하단에 접하여 연소가스가 최초로 유입되어지는 상기 트렌치부(220) 단부의 단면 기울기는 상기 연결통로(80)의 상단에서 하단으로 이어지는 상기 연결통로의 통로면의 단면 기울기와 연속적인 유선형으로 형성되는 것이 바람직하다.
이를 통하여, 상기 트렌치부(220)에서 상기 연결통로(80)를 통해 상기 부연소실(200)로 압축공기가 유입될 경우에는, 상기 압축공기의 출입이 원활하게 될 수 있고 압축 가스의 유동 손실이 줄어들 수 있으므로 엔진 출력 상승에 기여할 수 있 다.
또, 상기 부연소실(200)에서 상기 연결통로(80)를 통해 상기 트렌치부(220)로 연소가스가 전달될 경우에는, 상기 주연소실(210)에서의 압력 변화가 완만하게 형성될 수 있어 정숙한 운전이 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형의 실시가 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.
상기에서 설명한 본 발명에 따른 와류실식 디젤엔진의 효과를 설명하면 다음과 같다.
첫째, 상기 부연소실에서 토출되는 연소가스가 1차 폭발을 일으키면서 강한 연소력이 상기 연결통로를 통해 상기 트렌치부로 유입되는 과정에서 상기 트렌치부의 일측 모서리의 라운드 형상을 상기 연결통로 하단의 끝단 라운드와 같거나 크게 함으로써, 상기 주연소실의 불필요한 공간을 최소화할 수 있다.
둘째, 상기 연결통로와 연통되는 상기 트렌치부의 끝단 형상과 상기 트렌치부의 단부의 바닥면 형상을 상기 연결통로의 라운드와 같거나 크게 형성함으로써, 상기 트렌치부와 상기 연결통로 사이의 유체 유동이 원활하게 되어 유체의 운동에너지 손실을 줄일 수 있으며, 주연소실에서 상기 연결통로를 거쳐 부연소실로 압축공기가 유입될 경우, 상기 부연소실 내부에서 분사노즐에서 분사되는 연료와의 혼 합이 잘 이루어져 연소가 개선될 수 있다.
셋째, 상기 주연소실 내에서의 확산연소가 개선되고 연소효율의 증가로 인하여 매연의 발생이 감소되어 대기오염 및 환경오염을 예방하고 강화되는 환경규제에 대처할 수 있다.

Claims (5)

  1. 내벽면에 와류 유도부와 연료 충돌부가 구비되고 실린더 헤드의 하단에 설치되어 상기 실린더 헤드와 함께 부연소실을 형성하는 부연소실 조립체;
    상단부가 상기 부연소실과 연통되도록 상기 부연소실 조립체를 관통하여 경사지게 형성되되, 하단면이 부분적으로 라운드진 형상으로 형성된 연결통로; 그리고
    상기 연결통로의 하단면과 연통되어 유체의 이동을 안내하도록 피스톤의 상면에 반경 방향으로 소정의 폭과 깊이를 갖는 홈으로 형성되되, 상기 홈의 반경 방향 단부가 상기 연결통로의 하단면에 형성된 라운드의 곡률반경 이상의 곡률반경으로 라운드 형성되는 트렌치부와, 상기 피스톤의 상면에 상기 트렌치부를 부분적으로 포함하여 소정의 깊이로 형성된 확산부를 포함하여 이루어지는 주연소실을 포함하여 이루어지는 와류실식 디젤엔진.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연결통로의 통로면과 연통되는 상기 트렌치부 단부의 단면형상은 상기 연결통로의 통로 방향 단면형상과 연속적인 형상으로 형성됨을 특징으로 하는 와류실식 디젤엔진.
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