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KR101189379B1 - 디젤 엔진용 피스톤 헤드의 연소실 요홈부 - Google Patents

디젤 엔진용 피스톤 헤드의 연소실 요홈부 Download PDF

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KR101189379B1
KR101189379B1 KR1020067014910A KR20067014910A KR101189379B1 KR 101189379 B1 KR101189379 B1 KR 101189379B1 KR 1020067014910 A KR1020067014910 A KR 1020067014910A KR 20067014910 A KR20067014910 A KR 20067014910A KR 101189379 B1 KR101189379 B1 KR 101189379B1
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chamber recess
recess
piston
zones
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볼프강 이쓸러
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말레 게엠베하
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Publication date
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Application filed by 말레 게엠베하 filed Critical 말레 게엠베하
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Abstract

본 발명은 냉각 덕트(9) 또는 냉각된 링 캐리어(7)를 구비한 디젤 엔진용 피스톤(2)의 바닥(1)에 있는 연소실 요홈부(4)에 관한 것이다. 방사상 외측 가장자리 구역에서 이 연소실 요홈부는, 연소실 요홈부(4)의 방사상 외측 경계부가 냉각 덕트(9)의 냉각 효과를 위해 냉각 덕트(9)에 충분히 인접하게 연소실 요홈부(4)에 배치되도록 형성된 언더컷(8)을 포함한다.

Description

디젤 엔진용 피스톤 헤드의 연소실 요홈부{COMBUSTION RECESS IN THE HEAD OF A PISTON FOR A DIESEL ENGINE}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 설명한 디젤 엔진용 피스톤 헤드의 연소실 요홈부에 관한 것이다.
직접 분사식 디젤 엔진에서는 일반적으로 연료 공기 혼합물의 연소가 디젤 엔진 피스톤의 헤드에 형성된 연소실 요홈부에서 이루어진다. 알려진 바와 같이, 연소실 요홈부의 방사상 외측 가장자리 구역에는 언더컷이 형성된다. 독일 특허 721889호에 알려진 바와 같이 그 이점은 해당 디젤 엔진의 넓은 회전속도 범위에서 일정한 토크 곡선이 유지되는 것이다. 독일 특허 명세서 1055873에 따르면 그 원인은 언더컷에 의해 구현된 와류 및 이로 인해 연소실 요홈부에 분사된 연료의 개선된 증발이다.
유럽 특허 EP 0 105 933에는 중앙에서 벗어나게 배치된 연소실 요홈부를 구비한 디젤 엔진이 공개되어 있는데, 연소 노즐의 복수의 분사구를 통해 연료가 그 방사상 외측 가장자리 구역으로 분사된다. 와류 및 이로 인한 연료 증발을 개선하기 위해 피스톤은 가장자리 구역에 균일하게 분포된 복수의 홈을 포함한다.
이런 종래 기술은, 연료 공기 혼합물의 연소로 인해 특히 연소실 요홈부의 방사상 외측 가장자리가 매우 높은 온도에 노출되며, 이로서 연소실 요홈부의 손상이 발생할 수 있다는 것이다.
독일 실용신안 DE 80 26 159에는 중앙에 배치된 연소실 요홈부의 가장자리와 피스톤 헤드 가장자리 사이에 냉각 덕트를 제공함으로써 이런 문제점을 해결하는 방법이 제안되었다. 연료 노즐이 피스톤 종축에 대해 대칭적인 흡기 및 배기 밸브 옆에 배치되는, 즉 피스톤 종축에 대해 중앙에서 벗어나게 배치되는 투 밸브 엔진(two valve engine)에 마지막에 언급한 종래 기술에서 공개된 피스톤이 사용되는 경우에는, 바람직하게도 연소실 요홈부도 피스톤 종축에 대해 중앙에서 벗어나게 배치될 수 있으며, 이로서 연료가 연료 노즐에서부터 아무런 문제없이 연소실 요홈부에 분사될 수 있다.
여기에서는 피스톤의 탑 랜드(top land)와 중앙을 벗어나게 배치된 연소실 요홈부의 그 탑 랜드에 바로 인접한 가장자리 구역 사이에 냉각 덕트를 위한 공간이 존재하지 않고, 이로서 적어도 이 구역에서는 냉각 덕트가 피스톤 헤드로부터 멀리 떨어진 피스톤 주변 구역에 배치되어야 하는 문제점이 존재한다. 이는, 이 구역에서 연소실 요홈부의 가장자리, 요홈부 경부 및 고열이 가해지는 압축링 그루브에 대한 냉각이 원활하게 이루어지지 않으며 손상의 위험이 발생하는 단점을 갖는다. 또한 다른 단점으로는, 일반적으로 피스톤 헤드에 인접한 냉각 덕트가 피스톤 종축에 대해 경사지게 배치되므로, 제조 기술적 측면에서 문제점이 발생한다.
마지막에 언급한 사항은 다음과 같은 문제점을 발생시킨다. 피스톤 헤드의 가장자리 구역에 배치된 냉각 덕트 부분과 중심에서 벗어나게 배치된 그에서부터 멀리 이격된 가장자리 구역 사이의 간격이, 연소실 요홈부의 가장자리 구역의 냉각도 불량하게 될 정도로 크게 형성된다.
본 발명의 목적은 이런 종래 기술의 문제점을 극복하는 것이다. 이 목적은 독립항의 특징부에 명시한 특징을 통해 달성된다. 본 발명의 바람직한 형태는 종속항에 기술된다.
본 발명의 몇몇 실시예는 하기 도면을 통해 설명된다. 도면은 다음과 같다.
도 1은 중앙에서 벗어나게 배치된 연소실 요홈부를 구비한 본 발명에 따른 피스톤의 정면도이다.
도 2는 도 1의 라인 II-II을 따라 절개한 헤드 구역의 단면도이다.
도 3은 타원형으로 형성된 요홈부 경부를 포함하며 중앙에서 벗어나게 배치된 연소실 요홈부를 구비한 피스톤에 대한 정면도이다.
도 4는 일측면에서 작은 언더컷을 포함하며 중앙에서 벗어나게 배치된 연소실 요홈부를 구비한 피스톤에 대한 정면도이다.
도 5는 도 4의 라인 V-V를 따라 절개한 피스톤 헤드 부분에 대한 단면도이다.
도 6은 도 4의 라인 VI-VI를 따라 절개한 피스톤 헤드 부분에 대한 단면도이다.
도 7은 연소실 요홈부의 중앙에 배치되고 돌기 형태의 돌출부를 포함하는 도 4에 따른 피스톤에 대한 정면도이다.
도 8은 도 7의 라인 VIII-VIII을 따라 절개한 피스톤 헤드 부분에 대한 단면도이다.
도 9는 도 7의 IX-IX를 따라 절개한 피스톤 헤드 부분에 대한 단면도이다.
도 10은 단면이 반구형인 두 개의 구역으로 이루어지며 그 전체 둘레에 걸쳐 언더컷이 형성된, 중앙에서 벗어나게 배치된 연소실 요홈부를 구비한 피스톤에 대한 정면도이다.
도 11은 단면이 반구형인 두 개의 구역으로 이루어지며 서로 대향하는 두 개의 측면에서 언더컷을 포함하지 않는, 중앙에서 벗어나게 배치된 연소실 요홈부를 구비한 피스톤에 대한 정면도이다.
도 12, 도 13 및 도 14는 그 형태 및 수량 및 분사 노즐 보어의 방향에 맞게 조정된, 중앙에서 벗어나게 배치된 연소실 요홈부를 구비한 피스톤에 대한 정면도이다.
도 1은 디젤 엔진용 피스톤(2)의 헤드(1)에 대한 정면도로서, 여기에는 피스톤 종축(3)에 대해 중심을 벗어나게 배치된 연소실 요홈부(combustion recess, combustion bowl)(4)가 형성되어 있고, 이 연소실 요홈부는 둥글지 않게 형성되고, 방사상 외측으로 경계부 및 원형의 요홈부 경부(5)를 포함한다. 하기 도면의 정면도에서 연소실 요홈부의 방사상 외측 경계부가 보이지 않지만, 쇄선으로 도시되지 않는데, 그 이유는 본 발명의 핵심이 특히 이 요홈부의 형태 및 배치에 관련된 것 이기 때문이다. 하지만 도 1에는 냉각된 링 캐리어(ring carrier)(7)의 방사상 내측 경계부(6)가 도시되어 있는데, 이 경계부는 도 1의 라인 II-II을 따라 절개한 피스톤(2)의 헤드 부분의 단면도인 도 2에 도시되어 있다. 도 2는 요홈부 경부(5) 및 연소실 요홈부(4) 전체를 둘러싸는 언더컷(undercut)(8)을 구비한 연소실 요홈부(4)의 횡단면도를 나타낸다.
또한 연소실 요홈부(4) 언더컷(8)의 방사상 외측 경계부가 냉각된 링 캐리어(7)의 방사상 내측 경계부와 모든 구역에서 인접하게 배치되어 있으므로, 도면에 도시하지 않은 압축링을 위한 그루브(10) 뿐 아니라 추가적으로 연소실 요홈부(4)의 모든 가장자리 구역이 냉각 덕트(9)에 의해 냉각된다.
도 1 및 도 2에 따른 연소실 요홈부(4)와는 달리 도 3에 도시한 요홈부 경부(11)는 타원형으로 형성되어 있다. 그의 이점은, 이로 인해 나타나는 언더컷(8‘)이 도 1 및 도 2에 도시한 실시예에서와는 달리 요홈부 경부(11)의 주축 구역 인접부에서 축소되는 것이다.
도 4, 도 5 및 도 6에 도시한 연소실 요홈부(12)는 피스톤(14)의 헤드(13) 구역에서 피스톤 종축(3)에 대해 중심에 벗어나게 배치되고 비원형으로 형성된다. 특히 피스톤(14)의 헤드 부분을 절개한 도 6에 따른 단면도에 도시한 바와 같이, 연소실 요홈부(12)가 구역(15)에서 작은 언더컷을 포함하는데, 이는 구역(15)에서 냉각 덕트(9)의 냉각 효과로 인해 요홈부 가장자리 온도 및 요홈부 경부 온도가 최대한 낮아지게 되는 결과가 나타난다.
도 7, 도 8 및 도 9에 따른 연소실 요홈부(16)의 구조는 중앙에 배치되고, 돌기 형태로 형성된 돌출부(17)를 포함하며, 이 돌출부는 와류를 개선시키고 이로서 연소실 요홈부(16)에 분사되는 연료가 더욱 양호하게 연소되도록 하는 기능을 한다.
도 10, 도 11, 도 12, 도 13 및 도 14에 도시한 연소실 요홈부(18, 19, 20, 21, 22)는, 분사 노즐 보어의 방향 및 수량 및 그에서부터 나오고 연소실 요홈부(18, 19, 20, 21, 22)로 분사되는 연료 빔(beam)의 폭에 맞게 적응된 형태를 갖는다. 이로서 도 10에 따른 연소실 요홈부(18)가 피스톤 종축(3)에 대해 중심에 벗어나게 배치되며, 원형의 요홈부 경부(26)를 포함하고 단면이 원호 형태이고 서로 대향하게 배치된 두 개의 구역(23, 24)으로 이루어진다. 이 연소실 요홈부는 그 전체 둘레부에 걸쳐 언더컷(38)을 포함한다.
도 11에 따른 연소실 요홈부(19)는 서로 대향 배치된 두 개의 구역(25, 25‘)이 언더컷을 포함하지 않는다는 점에서 연소실 요홈부(18)(도 10)와 구별된다.
도 12에 따른 연소실 요홈부(20)는, 요홈부 경부가 연소실 요홈부(20)에 대해 대칭적으로 배치되지 않으며 구역(29)에서 언더컷을 갖지 않는다는 점에서 도 10 및 도 11에 따른 연소실 요홈부(18, 19)와 구별된다. 이 연소실 요홈부는 크게 두 개의 원호 세그먼트(27, 28)로 이루어진다.
도 13 및 도 14에 따른 연소실 요홈부(21, 22)는 각각 세 개의 원호 세그먼트로 이루어진다. 하지만 연소실 요홈부가 세 개보다 많은 수의 원호 세그먼트로 이루어지는 것도 가능하다. 또한 각 원호 세그먼트의 크기 및 배치가 각 원호 세그먼트에 분사되는 연료 빔의 방향 및 폭에 맞게 형성될 수 있고, 서로 다른 직경의 보어를 구비한 분사 노즐이 사용된다.
도 13에 따른 연소실 요홈부(21)는 세 개의 원호 세그먼트(30, 31, 32) 및 언더컷이 없는 하나의 구역(33)으로 형성된다.
도 14에 도시한 연소실 요홈부(22)는 서로 다른 직경의 세 개의 원호 세그먼트(34, 35, 36) 및 둘레에 따라 다른 횡단면을 갖는 순환하는 하나의 언더컷을 포함한다.
도면에 도시하지 않은 연소실 요홈부의 다른 형태는, 연소실 요홈부의 방사상 외측의 경계부 뿐만 아니라 그 요홈부 경부도 비원형으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 피스톤이 가공 단계 사이에서 상응하는 방향으로 이동하며, 연소실 요홈부의 제조가 각각 축에 대해 대칭적인 가공이 이루어지는 두 개 또는 그 이상의 가공 단계로 이루어지며 피스톤이 가공 단계 사이에서 상응하는 방향으로 이동하는 것을 감안한다면, 이를 통해 부분적으로 원호 형태인 모서리 부분을 제외한 연소실 요홈부를 거의 삼각형, 사각형 또는 다각형의 형태로 형성할 수 있는 가능성이 제공되는 것을 뚜렷하게 알 수 있다.
본 발명은 디젤 엔진용 피스톤 헤드의 연소실 요홈부에 이용될 수 있다.
- 도면 부호의 설명 -
1 피스톤(2)의 헤드
2. 2‘ 피스톤
3 피스톤 종축
4, 4‘ 연소실 요홈부
5 요홈부 경부
6 냉각된 링 캐리어(7)의 방사상 내측 경계부
7 냉각된 링 캐리어
8, 8‘ 언더컷
9 냉각 덕트
10 압축링을 위한 그루브
11 타원형 요홈부 경부
12 연소실 요홈부
13 피스톤(14)의 헤드
14 피스톤
15 연소실 요홈부(12)의 구역
16 연소실 요홈부
17 돌출부
18, 19, 20, 21, 22 연소실 요홈부
23, 24 연소실 요홈부(18)의 구역
25, 25‘ 연소실 요홈부(19)의 구역
26 요홈부 경부
27, 28 원호 세그먼트
29 연소실 요홈부(20)의 구역
30, 31, 32 원호 세그먼트
33 연소실 요홈부(21)의 구역
34, 35, 36 원호 세그먼트
38 언더컷

Claims (12)

  1. 디젤 엔진용 피스톤(2, 2', 14) 헤드(1, 13)의 연소실 요홈부(4, 4', 12, 16, 18, 19, 20, 21, 22)로서,
    - 피스톤(2, 2', 14)의 방사상 외측의 피스톤 헤드측 가장자리 구역에 배치된 냉각된 링 캐리어(7)를 포함하며,
    - 연소실 요홈부(4, 12, 16, 18, 19, 20, 21, 22) 및 그 요홈부 경부(5, 11, 26)가 피스톤 종축(3)에 대해 중앙에서 벗어나게 배치된 연소실 요홈부(4, 4', 12, 16, 18, 19, 20, 21, 22)에 있어서,
    - 연소실 요홈부(4, 12, 16, 18, 19, 20, 21, 22)의 방사상 외측 가장자리 구역의 적어도 일부에서 요홈부 경부(5, 11, 26)를 기준으로 서로 다르게 방사상 외측으로 진행하는 언더컷(8, 8', 38)이 형성되어 있어, 연소실 요홈부(4, 12, 16, 18, 19, 20, 21, 22)의 방사상 외측 가장자리 구역 전체가 냉각된 링 캐리어(7)의 냉각 효과를 위해 냉각 덕트(9)에 충분히 인접하게 연소실 요홈부(4, 12, 16, 18, 19, 20, 21, 22)에 배치되며, 연소실 요홈부(16)의 헤드 중앙에 돌기 형태로 형성된 돌출부(17)가 배치되는 것을 특징으로 하는 연소실 요홈부.
  2. 제1항에 있어서,
    연소실 요홈부(4, 12, 16, 18, 19, 20, 21, 22)가 원형의 요홈부 경부(5, 26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소실 요홈부.
  3. 제1항에 있어서,
    연소실 요홈부(4')가 타원형으로 형성된 요홈부 경부(11)를 포함하는 특징으로 하는 연소실 요홈부.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    연소실 요홈부(12, 16, 20, 21, 22)가 언더컷을 구비한 적어도 하나의 방사상 외측 가장자리 구역 및 언더컷이 없는 적어도 하나의 방사상 외측 가장자리 구역(15, 25, 25', 29, 33)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소실 요홈부.
  5. 제4항에 있어서,
    연소실 요홈부(19, 20)가 서로 대향하게 배치된 원호 세그먼트 형태인 두 개의 구역(27, 28)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소실 요홈부.
  6. 제4항에 있어서,
    연소실 요홈부(21)가 3 개의 원호 세그먼트 형태의 구역(30, 31, 32)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소실 요홈부.
  7. 제4항에 있어서,
    연소실 요홈부(19, 20, 21)에서, 원호 세그먼트 형태의 구역(27, 28, 30, 31, 32)이 서로 연속적으로 가공되는 것을 특징으로 하는 연소실 요홈부.
  8. 삭제
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    연소실 요홈부(4, 4', 18, 22)의 전체 영역에서 언더컷이 형성되는 것을 특징으로 하는 연소실 요홈부.
  10. 제9항에 있어서,
    연소실 요홈부(18)가 서로 대향하게 배치된 원호 세그먼트 형태인 두 개의 구역(23, 24)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소실 요홈부.
  11. 제9항에 있어서,
    연소실 요홈부(22)가 3 개의 원호 세그먼트 형태의 구역(34, 35, 36)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소실 요홈부.
  12. 제9항에 있어서,
    연소실 요홈부(18, 22)에서, 원호 세그먼트 형태의 구역(23, 24, 34, 35, 36)이 서로 연속적으로 가공되는 것을 특징으로 하는 연소실 요홈부.
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