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KR101130637B1 - 연료 직접 분사식 디젤 엔진 - Google Patents

연료 직접 분사식 디젤 엔진 Download PDF

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KR101130637B1
KR101130637B1 KR1020040097759A KR20040097759A KR101130637B1 KR 101130637 B1 KR101130637 B1 KR 101130637B1 KR 1020040097759 A KR1020040097759 A KR 1020040097759A KR 20040097759 A KR20040097759 A KR 20040097759A KR 101130637 B1 KR101130637 B1 KR 101130637B1
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이이지마타다시
타가하시마사키
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가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
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Abstract

피스톤(10)의 정상면(11)에 실린더 헤드(5)측으로 개구된 연소실(20)을 형성하고, 이 연소실(20)을 경사면(21)을 가진 제 1용적부(22)와 제 1용적부(22)로부터 핀 보스(pin boss)(13)측으로 더욱 움푹 들어간 제 2용적부(23)로 구성한다. 연료 분사 전기(前期)에는 연료 분사 노즐(9)로부터의 분무(F)를 제 2용적부(23)의 내주벽면부(24)를 향해서 분사하고, 연료 분사 후기에는 분무(F)를 제 1용적부(22)의 경사면(21)에 분사하지만, 이 때, 전체 연료 분사 기간에 대한 전기 연료 분사 기간의 비율을 40～70%로 했다.
연료 직접 분사식 디젤 엔진

Description

연료 직접 분사식 디젤 엔진{DIRECT INJECTION DIESEL ENGINE}
도 1은 본 발명의 제 1실시형태에 의한 연료 직접 분사식 디젤 엔진을 도시하는 일부 단면도,
도 2는 제 1실시형태의 피스톤을 도시하는 측면 단면도,
도 3a와 도 3b는 제 1실시형태에서의 연소 방식을 설명하기 위한 도면,
도 4는 엔진 회전 속도와 엔진 부하의 관계를 나타내는 도면,
도 5는 엔진 부하와 연료 분사 시기의 관계를 나타내는 도면,
도 6은 전체 연료 분사 기간에 대한 상기 연료 분사 기간의 비율과 연료 분사 시기의 관계를 나타내는 도면,
도 7은 전체 연료 분사 기간에 대한 상기 연료 분사 기간의 비율과 PM의 발생량의 관계를 나타내는 도면,
도 8은 제 1실시형태의 연소 방식과 종래의 연소 방식에서의 통내 열발생율의 비교를 나타내는 도면,
도 9는 본 발명의 제 2실시형태에 의한 연소실의 형상을 도시하는 측면 단면도,
도 10은 본 발명의 제 3실시형태에 의한 연소실의 형상을 도시하는 측면 단면도,
도 11은 본 발명의 제 4실시형태에 의한 연소실의 형상을 도시하는 측면 단면도,
도 12는 본 발명의 제 5실시형태에 의한 연소실의 형상을 도시하는 측면 단면도,
도 13은 본 발명의 제 6실시형태에 의한 연소실의 형상을 도시하는 측면 단면도,
도 14는 본 발명의 다른 변형예를 도시하는 측면 단면도.
본 발명은 피스톤 정상면부에 형성된 연소실을 향해서, 실린더 헤드에 설치된 연료 분사 노즐로부터 연료를 분사하는 연료 직접 분사식 디젤 엔진에 관한 것이다.
종래, 연료 직접 분사식 디젤 엔진의 피스톤 정상면부에 형성된 연소실의 형상 및 연료 분사의 형식에 관해서는, NOx의 저감, 스모크(흑연)의 저감, 연료소비율의 저감이라고 하는 관점에서, 각종 제안이 이루어지고 있다(예를 들면 일본실용공개소58-183933호 공보 참조).
상기 문헌에 따르면, 연소실의 형상을 연소실 하부의 트로이덜(troidal)부와, 연소실 상부의 오픈 챔버(open chamber)부로 구성하고, 엔진 회전에 따르는 피스톤 상하 운동에 의해 분사하는 연료의 반분을 하부측의 트로이덜부에 인도한 후, 나머지 반분을 상부측의 오픈 챔버부에 연속적으로 인도하며, 이것에 의해 연료를 서로 분사 분산시켜서 연소실 내에서의 균일화를 도모하고, NOx의 저감 및 스모크의 저감을 양립시키며, 또한 연료소비율을 저감할 수 있게 한다.
그렇지만, 일반적으로, 연료 분사량(즉 연료 분사 기간)은 엔진 회전수나 엔진 부하에 따라서 변화시킬 필요가 있고, 이에 따라 연료 분사 시기(즉 분사개시의 타이밍)도 변하게 하지 않으면 안 된다.
그런데, 상기 문헌에 따르면, 연료 분사 시기는 일정하게 되고, 변화되는 연료 분사량에 대해서는 연소실을 구성하는 트로이덜부와 오픈 챔버부의 경계부의 에지(edge) 반경을 소정의 값으로 설정함으로써 대처하고 있을 뿐이다. 따라서, 상기 문헌에서는 연료 분사량이 크게 변화되었을 경우에, 그 반분을 트로이덜부로 나머지 반분을 오픈 챔버부로 정확하게 분산시킬 수 없게 되고, 연료 분사량의 변화에 대응할 수 없고, 에미션(emission)의 개선 효과나 연료소비율의 저감 효과를 그다지 기대할 수 없는 것이다.
특히, 건설 기계에 탑재되는 엔진에서는, 작업에 의해 엔진 회전속도나 엔진 부하가 크게 다르기 때문에, 이러한 가동 상황에도 확실하게 대응할 수 있는 것이 기대되고 있다.
본 발명의 주목적은, NOx의 발생을 억제하고, 스모크의 발생이 적으며, 또한 연료소비량이 적은 연료 직접 분사식 디젤 엔진을 제공하는 것이다.
본 발명에 관한 연료 직접 분사식 디젤 엔진은, 피스톤의 정상면에 실린더 헤드측을 향해서 개구되어 형성된 연소실과, 상기 실린더 헤드에 설치되고 또한 상기 연소실을 향해서 연료를 분사하는 연료 분사 노즐과, 연료 분사 노즐로부터의 연료의 분사 시기를 제어하는 제어장치를 구비하고, 상기 연소실은 상기 개구를 형성하는 원형의 둘레가장자리를 보유하며 상기 정상면으로부터 핀 보스측으로 움푹 들어가서 형성된 제 1용적부와, 상기 제 1용적부의 중앙에 상기 제 1용적부보다도 더욱 상기 핀 보스측으로 움푹 들어가서 형성된 제 2용적부를 보유하며, 상기 제어장치는, 피스톤 압축행정의 말기부터 개시시키는 상기 연료 분사 노즐로부터의 연료분사를 상기 피스톤의 이동에 의해 상기 제 2용적부로부터 상기 제 1용적부에 걸쳐서 연속해서 행하게 함과 아울러, 엔진 회전속도와 엔진 부하에 따라서, 또는 엔진 회전속도에 따라서, 혹은 엔진 부하에 따라서 상기 분사 시기를 제어하는 것에 의해서, 분사 개시로부터 상기 제 1용적부와 상기 제 2용적부의 경계부에 도달할 때까지의 분사 기간이 전체 연료 분사 기간의 40～70%로 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 연료 직접 분사식 디젤 엔진은, 피스톤의 정상면에 실린더 헤드측을 향해서 개구되어 형성된 연소실과, 상기 실린더 헤드에 형성되고 또한 상기 연소실을 향해서 연료를 분사하는 연료 분사 노즐과, 연료 분사 노즐로부터의 연료의 분사 시기를 제어하는 제어장치를 구비하고, 상기 연소실은 상기 개구를 형성하는 원형의 둘레가장자리를 보유하며 상기 정상면으로부터 핀 보스측으로 움푹 들어가서 형성된 제 1용적부와, 상기 제 1용적부의 중앙에 상기 제 1용적부보다도 더욱 상기 핀 보스측으로 움푹 들어가서 형성된 제 2용적부를 보유하며, 상기 제어장치는, 피스톤 압축행정의 말기부터 개시시키는 상기 분사 노즐로부터의 연료분사를 제 1회째의 연료분사로서, 상기 제 2용적부의 내주벽면부를 향해서 행하게 함과 아울러, 제 2회째의 연료분사로서, 상기 제 1용적부의 저면을 향해서 행하게 하고, 또 엔진 회전속도와 엔진 부하에 따라서, 또는 엔진 회전속도에 따라서, 혹은 엔진 부하에 따라서 상기 분사 시기를 제어하는 것에 의해서, 상기 제 2회째의 연료분사를 상기 제 1회째의 연료분사와는 단속(斷續)적으로 행하게 하는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 있어서는, 연소실을 제 1용적부와 제 2용적부로 구성했다. 그 때문에, 압축비를 종래 일반적인 예를 들면 리엔트런트(reantrant) 형의 것과 동일하게 하면, 제 2용적부의 용적은 리엔트런트 형의 연소실의 용적보다도 작아진다.
이 결과, 연료 분사 전기(또는 제 1회째의 연료 분사, 이하 같음)에서는, 연료를 제 2용적부의 내주벽면부를 향해서 분사하면, 연료 분사 전기에는 분무는 짧은 거리로 내주벽면부에 충돌함으로써 또한 제 1용적부의 공기량은 적으므로, 연소가 제한되어서 연소 온도가 저감한다. 따라서, 종래의 연소에서 연소 초기에 다량으로 발생하는 NOx를 대폭 저감할 수 있다.
한편, 연료 분사 후기(또는 제 2회째의 연료 분사, 이하 같음)에는, 피스톤이 하강하기 때문에 분무는 제 1용적부의 저면을 향함으로써 실린더 헤드의 하면과 피스톤의 정상면 사이에 잔류하고 있던 새로운 공기를 사용할 수 있다. 따라서, 연소가 활발해져서 PM(미립자물질)의 발생을 저감할 수 있음과 아울러, 연료 분사 전기에 제 2용적부측에서 생긴 불완전 연소 성분의 산화도 촉진할 수 있고, PM, 스모크 및 연료소비율을 대폭 저감할 수 있다.
그리고, 엔진 회전수나 엔진 부하에 근거해서 연료 분사량을 변화시키지 않으면 안 될 경우에도, 연료의 분사 시기를 제어함으로써 연료 분사 전기의 분사 기간을 전체 연료 분사 기간의 40～70%로 하거나 제 1회째와 제 2회째로 확실하게 나누기 때문에, 제 1용적부로의 연료 분사량과 제 2용적부로의 연료 분사량이 항상 안정하게 되고, 연소실 내에서의 연료의 분산이 보다 확실하게 행해지게 되어서 전 술한 작용 효과가 현저해진다.
한편, 연료 분사 후기에는 연소가 활발해지고, 다소 NOx의 발생이 증가하지만, 연료 분사 전기와 후기를 합한 전체적인 NOx발생량을 충분히 억제할 수 있다. 또한, 연료 분사 시기의 제어는, 최근의 커먼 레일(common rail)이나 연료 분사용의 제어장치를 사용하는 것으로 실현 가능하다.
압축비를 일정하게 할 필요에서, 제 2용적부를 확보한 상태에서 제 1용적부를 형성하고자 해서 상기 제 1용적부를 원통 타입으로 하면, 제 1용적부의 내경(개구의 구경)이 작아지고, 연료 분사 후기의 분무가 피스톤의 정상면에 부딪쳐 버린다. 그리고, 이 분무의 흐름이 실린더에 도착하기 쉬워지고, 탄화한 연료가 오일에 섞여서 오일을 열화시킨다.
상기 연료 직접 분사식 디젤 엔진에 있어서, 상기 제 1용적부의 저면은 상기 피스톤의 외주부 근방으로부터 중심을 향함에 따라서 상기 핀 보스측으로 깊어지는 경사면에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이러한 본 발명에 있어서는, 연소실의 제 1용적부의 저면을 완만한 경사면으로 형성하기 때문에, 정상면에 형성된 개구의 구경 즉, 제 1용적부의 내경을 피스톤의 외주부 근방까지 크게 할 수 있고, 연료 분사 후기의 분무를 제 1용적부 내에 확실하게 행해서 연료를 제 1용적부 내로 연소시킬 수 있다. 이 때문에, 연소가 활발해져서 PM의 발생을 보다 저감할 수 있음과 아울러, 연료 분사 전기에 제 2용적부측에서 생긴 불완전 연소 성분의 산화를 한층 촉진할 수 있으며, PM, 스모크 및 연료소비율을 더욱 저감할 수 있다.
상기 연료 직접 분사식 디젤 엔진에 있어서, 상기 제 2용적부의 저면에는 내주벽면부로부터 반경방향 내측을 향함에 따라서 상기 정상면측으로 높아지는 경사면부에 의해 원추부가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이러한 본 발명에 있어서는, 제 2용적부의 저면에 원추부를 형성하므로, 연료분무와의 관계에서 연소에 그다지 관여하지 않는 스페이스(space)가 적어지고, PM, 스모크, 연료소비율이 보다 저감한다.
상기 연료 직접 분사식 디젤 엔진에 있어서, 상기 피스톤의 외경에 대한 상기 제 2용적부의 내경의 비가 0.4～0.6이고, 상기 제 2용적부의 내경에 대한 상기 제 1용적부의 내경의 비가 1.3～2.0인 것이 바람직하다.
여기에서, 제 1용적부의 내경으로는 실린더 헤드측을 향한 개구의 구경이 있다.
이러한 본 발명에 있어서는, 피스톤의 외경에 대한 제 2용적부의 내경의 비 및 제 2용적부의 내경에 대한 제 1용적부의 내경의 비를 최적으로 설정함으로써, 제 1용적부와 제 2용적부가 최적의 체적으로 분할되므로, 각각의 용적부에 분사된 연료를 양호하게 연소시킬 수 있다.
상기 연료 직접 분사식 디젤 엔진에 있어서, 상기 제 1용적부와 상기 제 2용적부의 경계부에 형성되는 에지의 반경은 상기 피스톤의 외경의 3%이하인 것이 바람직하다.
여기에서, 에지의 반경으로는, 금속 가공에 있어서 능선부분을 둥글게 하는 가공을 행할 경우에 그 설계도면 상에서의 가공 지정에서 사용되는 곡률반경(R) 등 이다.
이러한 본 발명에 있어서는, 제 1용적부와 제 2용적부의 경계부에 형성되는 에지의 반경을 소정 치수보다도 작게 하므로, 제 1, 제 2용적부로의 분무 연료의 분리가 확실하게 행해지고, 한쪽 용적부로의 치우친 분무가 방지되어서 PM, 스모크의 저감을 더욱 촉진할 수 있다.
이하, 본 발명의 제 1실시형태를 도면에 근거해서 설명한다.
도 1에는 제 1실시형태에 관한 연료 직접 분사식 디젤 엔진(1)의 일부 단면도가 도시되어 있다. 이 도 1에 있어서, 디젤 엔진(1)은 덤프 트럭, 불도저, 유압 셔블(shovel), 호일 로더(foil loader) 등의 각종 건설기계나 대형발전기의 구동용으로 사용되는 것으로, 엔진 본체(2)와 엔진 본체(2)에 연료를 공급하는 연료 분사 장치(3)를 구비하고 있다.
엔진 본체(2)는 내부에 복수의 실린더(4A)가 형성된 실린더 블록(4)과, 실린더 블록(4)의 상부에 볼트 고정 등으로 된 실린더 헤드(5)와, 각 실린더(4A)의 내부에서 연소한 연소 가스의 압력을 받아서 상기 실린더(4A) 안을 왕복 운동하는 복수의 피스톤(1O)과, 피스톤(1O)의 왕복 운동을 회전운동으로 변환하는 크랭크 샤프트(6)를 구비하고 있다.
연료 분사 장치(3)는 연료를 고압으로 압송하는 고압 서플라이(supply) 펌프(7)와, 고압의 연료를 축적하는 커먼 레일(8)과, 커먼 레일(8)로부터의 연료를 각 실린더(4A) 안으로 분사하는 연료 분사 노즐(9)을 구비하고 있다. 서플라이 펌프(7) 및 커먼 레일(8)은 실린더 블록(4) 외벽에 부착되고, 연료 분사 노즐(9)은 실 린더 헤드(5) 안에 배치되어 있다. 이러한 연료 분사 장치(3)는 후술하는 제어장치(30)에 의해 제어된다.
이하에는, 도 2에 도시된 측면 단면도에 근거하여 디젤 엔진(1)의 피스톤(10)에 대해서 상세히 설명한다.
도 2에 있어서, 피스톤(10)의 정상면(l1)에는 연소실(20)이 실린더 헤드(5)측을 향해서 평면으로 볼 때 원형으로 개구되어 형성되어 있다. 연소실(20)은 상기개구의 원형의 둘레가장자리와 연속한 경사면(21)을 갖는 제 1용적부(22)와, 이 제 1용적부(22)의 중앙에 상기 제 1용적부(22)보다도 더욱 핀 보스(13)측으로 움푹 들어가서 형성된 평면으로 볼 때 원형의 제 2용적부(23)로 이루어지고 있다. 이러한 연소실(20)에서는 압축비를 종래의 것과 동일하게 하면, 제 2용적부(23)의 용적은 종래의 예를 들면 리엔트런트 형의 연소실의 용적보다도 작아진다.
제 1용적부(22)의 경사면(21)은 피스톤(10)의 외주부의 정상면(11)으로부터 피스톤(10)의 중심을 향함에 따라서 핀 보스(13)측으로 깊어지도록 형성되어 있다.
제 2용적부(23)는 수직의 내주벽면부(24)를 갖고, 제 2용적부(23)의 저면에는 내주벽면부(24)로부터 반경방향 내측을 향함에 따라서 정상면(11)측으로 높아지는 경사면부(25)에 의해 원추부(26)가 형성되고, 원추부(26)의 정상부 부분은 볼록형의 제 1곡면부(27)로 구성되고, 내주벽면부(24)와 경사면부(25)는 오목형의 제 2곡면부(28)로 접속되어 있다. 이 원추부(26)가 형성되어 있음으로써, 연소에 그다지 관여하지 않는 스페이스를 적게 하고, PM, 스모크, 연료소비율의 저감이 도모되고 있다.
여기에서, 연소실(20) 전체의 용적은 리엔트런트 형의 연소실의 용적과 동등하다. 따라서, 제 2용적부(23)의 내경(D2)은 종래의 연소실의 내경보다도 작고, 용적도 작다. 또한, 피스톤의 외경(D)에 대한 제 2용적부(23)의 내경(D2)의 비는 0.4～0.6이며, 제 2용적부(23)의 내경(D2)에 대한 제 1용적부(22)의 내경(D1)의 비는 1.3～2.0이다. 이렇게, 피스톤의 외경(D)에 대한 제 2용적부(23)의 내경(D2)의 비 및 제 2용적부(23)의 내경(D2)에 대한 제 1용적부(22)의 내경(D1)의 비를 최적으로 설정함으로써, 제 1용적부(22)와 제 2용적부(23)를 최적의 체적으로 분할할 수 있고, 각각의 용적부(22,23)에 분사된 연료를 양호하게 연소시킬 수 있다. 또한, 제 1용적부(22)의 내경(D1)은 실린더 헤드(5)측을 향한 개구의 구경이다.
또한, 제 1용적부(22)와 제 2용적부(23)의 경계부(20A)에 형성되는 에지의 반경(R)은 피스톤의 외경(D)의 3%이하이다. 3%보다도 크다면, 이 경계부(20A)에 분사된 연료가 제 1용적부(22) 또는 제 2용적부(23) 중 어느 한쪽으로 크게 치우쳐서 분산되어 버리고, PM, 스모크의 발생량이 증가한다. 따라서, 3%이하로 형성함으로써, PM이나 스모크의 저감을 촉진할 수 있는 것이다.
다음에, 도 1로 돌아가서 제어장치(30)에 대해서 설명한다.
제어장치(30)는 MPU등으로 구성되어 있고, 커먼 레일(8)에 축압된 연료의 실제 압력(Pa)을 압력 센서(8A)로부터 피드백하고, 이 실제 압력(Pa)이 디젤 엔진(1)의 회전속도와 부하에 따라서 설정된 최적의 레일 압이 되도록 서플라이 펌프(7)의 토출량 제어 전자밸브(7A)에 개폐신호(S1)를 출력해서 토출량 제어 전자밸브(7A)의 개폐 시기를 제어한다. 또한, 연료 분사에 관해서 제어장치(30)는 디젤 엔진(1)의 회전속도와 부하에 따라서 설정된 연료 분사 시기(분사 개시의 타이밍) 및 연료 분사 기간(연료 분사량)을 따르고, 연료 분사 노즐(9)의 도시하지 않은 전자밸브에 대하여 제어 펄스(S2)를 출력하며, 따라서 연료 분사 노즐(9)로부터의 연료 분사를 제어한다. 이 때문에, 제어장치(3O)에는 디젤 엔진(1)의 회전속도를 검출하기 위해서 회전 센서(2A)로부터의 회전 속도 신호(N)가 입력되고, 또한, 부하 검출을 위해서 액셀 페달(accelerator pedal)이나 연료 분사량 설정 다이얼 등으로부터의 개도신호(L)가 입력된다.
이하에 본 실시형태의 연료 분사 방식에 대해서 설명한다.
연료 분사는 피스톤 압축행정의 말기에 개시된다. 그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 최초 제 2용적부(23)에 분사를 개시하고 나서 연료분무의 중심이 경계부(20A)에 도달할 때까지를 연료 분사 전기라고 하고, 연료분무의 중심이 경계부(20A)에 도달하고 나서 분사 종료 때까지를 연료 분사 후기라고 하기로 하면, 연료 분사 전기에 있어서는, 도 3a에 도시된 바와 같이 연료 분사 노즐(9)로부터 분사되는 연료의 분무(F)는 제 2용적부(23)의 내주벽면부(24)에 충돌한다. 따라서, 대부분의 연료는 제 2용적부(23) 안에 공급되어 연소한다. 이 때, 제 2용적부(23)의 공기량은 종래의 것보다 적기 때문에, 제 2용적부(23) 안에서의 연소가 제한되어서 연소 온도를 저감시킬 수 있고, NOx의 배출을 대폭 저감할 수 있다.
그리고, 연료 분사 후기를 나타내는 도 3b에 있어서, 피스톤(10)은 하강하고, 이에 따라 분무(F)는 제 1용적부(22)의 경사면(21)을 향해서 분사된다. 이 때의 분무(F)는 제 2용적부(23)로의 공급 단계로부터 연속해서 분출되고 있다. 이것에 의해 연료는 제 1용적부(22)의 내부 및 실린더 헤드(5)의 하면(5A)과 피스톤(10)의 정상면(11) 및 경사면(21) 사이에 존재하는 새로운 공기와 혼합하여 완전 연소한다. 따라서, 연소가 활발해져서 PM의 발생을 저감할 수 있다. 또한, 연료 분사 전기에 있어서 제 2용적부(23)에 잔류하고 있던 불완전 연소 성분은 연료 분사 후기의 연료와 함께 완전 연소한다. 이로부터, PM, 스모크 및 연료소비율을 대폭 저감할 수 있다. 또, 경사면(21)의 외주 가장자리측은 피스톤(10)의 외주부(12) 근방까지 크게 확장되어 있으므로, 연료 분사 후기의 분무(F)를 제 1용적부(22) 안에 확실하게 행해서 연료를 제 1용적부(22) 안에서 연소시킬 수 있다. 이 때문에, 연소가 활발해져서 PM의 발생을 보다 저감할 수 있음과 아울러, 연료 분사 전기에 제 2용적부(23)측에서 생긴 불완전 연소 성분의 산화를 한층 촉진할 수 있고, PM, 스모크 및 연료소비율을 또한 저감할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는 상기 제어장치(30)가 디젤 엔진(1)의 회전속도 및 부하에 따라서 연료 분사 시기를 제어함으로써, 연료 분사 전기의 연료 분사 기간을 전체 연료 분사 기간의 40～70%가 되도록 하고 있다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 디젤 엔진(1)의 가동 상태가 고회전속도 고부하영역, 고회전속도 중부하영역, 중회전속도 고부하영역 및 중회전속도 중부하영역에 있을 경우에, 연료 분사 전기의 연료 분사 기간을 전체 연료 분사 기간의 40～7O%로 하고 있다. 보다 상세하게는 고회전속도 중부하영역 및 중회전속도 중부하영역과 같이, 중회전속도 이상에서 중부하에 있을 경우에는 연료 분사 전기의 연료 분사 기간을 전체 연료 분사 기간의 40～65%로 하고, 고회전속도 고부하영역 및 중 회전속도 고부하영역과 같이, 중회전속도 이상에서 고부하에 있을 경우에서는 연료 분사 전기의 연료 분사 기간을 전체 연료 분사 기간의 50～70%로 하고 있다.
여기에서, 중회전속도란 정격 회전속도의 약60～75%에 상당하는 회전속도를 말하고, 고회전속도란 중회전속도보다도 큰 회전속도의 것이다. 고부하란 정격 부하를 포함하고 그 전후의 소정 범위에 있는 부하이며, 중부하란 정격 부하의 50%에 상당하는 부하를 포함하고 그 전후의 소정 범위에 있는 부하이다.
도 5에는 특히 엔진 부하에 대한 연료 분사 시기(분사 개시의 타이밍)의 관계가 나타나 있다. 이 도면으로부터 명확한 바와 같이, 전체의 연료 분사 기간에 대한 전기의 연료 분사 기간을 40～70%로 유지하기 위해서는 엔진 부하에 따라서 연료 분사량을 변화시킬 필요때문에, 분사를 개시시키는 시기도 또한 엔진 부하에 따라서 변화시킬 필요가 있다. 즉, 중부하로 운전하고 있는 상태에서는 연료 분사량이 적기 때문에, 도 2에 도시된 경계부(20A)를 천이점(X)으로 하면, 이 천이점(X)에 도달하기 이전에 분사되는 전기의 분사 시기를 보다 느린 단계에서 개시하고, 후기의 연료 분사의 종료를 보다 빨리 하지 않으면 안 된다. 한편 고부하에서 운전하고 있는 상태에서는 연료 분사량이 많아지기 때문에, 전기의 분사 시기를 보다 빠른 단계에서 개시하고, 후기의 연료 분사 종료를 보다 느리게 할 필요가 있다.
이 것을 근거로 해서, 도 6에는 전기의 연료 분사 기간/전체의 연료 분사 기간에 대응한 연료 분사 시기가 운전 상태 마다 나타나 있다. 이 도면에 있어서, 고회전속도 고부하로는 디젤 엔진(1)의 크기나 성능에도 따르지만, 예를 들면 회전속 도가 2000rpm에서 엔진 부하가 정격 부하 100%의 경우이다. 고회전속도 중부하로는 예를 들면 회전속도가 2000rpm에서 엔진 부하가 정격 부하의 50%의 경우이다. 이하, 중회전속도 고부하로는 예를 들면 회전속도가 140Orpm에서 엔진 부하가 전부하(1OO%부하)의 경우이며, 중회전속도 중부하로는 예를 들면 회전속도가 1400rpm에서 엔진 부하가 전부하의 50%의 경우이다. 이 도 6으로부터 보면, 전체의 연료 분사 기간에 대한 전기의 연료 분사 기간을 40～70%로 유지하기 위해서 엔진 부하가 고부하의 경우에서는 역시 분사 시기를 빠르게 하고, 중부하의 경우에서는 연료 분사 시기를 늦게 할 필요가 있다.
도 7에는 각 운전 상태에서의 PM의 발생량이 나타나 있다. 이 도면에 따르면, 저부하쪽이 고부하의 경우보다도, PM의 발생 비율이 많은 것으로 판명된다. 이것은 저부하의 경우에는 분사 연료가 적기 때문에 연소 온도가 낮기 때문이다라고 추측된다. 그러나, 도 7에 도시된 PM의 발생량은 종래에 비해서 각별히 적은 것으로 되어 있다.
그런데, 저부하의 경우에는 전체의 연료 분사 기간에 대한 전기의 연료 분사 기간의 비율이 70%를 초과하면, PM의 발생 비율이 커지지만, 50% 부근에서의 증가의 비율은 작다. 고부하의 경우에서는 전체의 연료 분사 기간에 대한 전기의 연료 분사 기간의 비율이 60% 부근에서 PM의 발생량이 특히 적은 것으로 판명된다. 따라서, 전술한 바와 같이, 40～70% 중에서도 특히 중부하에 있을 경우에는 전기의 연료 분사 기간을 전체 연료 분사 기간의 40～65%로 하고, 고부하에 있을 경우에서는 전기의 연료 분사 기간을 전체 연료 분사 기간의 50～70%로 하는 것이 바람직한 것 이다.
도 8은 종래의 연소 방식과 본 실시형태의 연소 방식의 연소시의 통내 열발생율의 비교를 나타내는 도면이다. 도 8에 있어서, 종축은 통내 열발생율, 횡축은 크랭크 각도, 실선으로 나타낸 곡선 A는 본 실시형태의 연소 방식의 것이고, 파선으로 나타낸 곡선 B는 종래의 연소 방식의 것이며, 곡선 C는 연료 분사 노즐(9)의 니들(needle) 상승량이다. 도면에서 명확한 바와 같이, 연소 초기에 있어서는 본 실시형태의 연소 방식의 통내 열발생율은 종래의 연소 방식의 통내 열발생율보다도 낮다. 이 것은 NOx의 배출량이 적은 것을 의미한다. 연소 후기에 있어서는 연소가 충분히 행해져, PM, 스모크, 연료소비율이 대폭 저감된다. 연소 후기에 곡선 A가 곡선 B보다 높고, 본 실시형태에서의 통내 열발생율이 많은 부분이 있고, NOx 배출량은 종래의 것보다 증가하지만, 총량으로서는 거의 같다. 즉, NOx의 배출이 억제되어, PM, 스모크, 연료소비율이 저감한다.
이렇게, 엔진 회전수 및 엔진 부하에 근거해서 연료 분사량을 변화시켰을 경우에도, 제어장치(30)에 의해 연료의 분사 시기를 제어함으로써, 연료 분사 전기의 분사 기간을 전체 연료 분사 기간의 40～70%로 하기 때문에, 제 1용적부(22)로의 연료 분사량과 제 2용적부(23)로의 연료 분사량을 항상 안정시킬 수 있고, 연소실(20) 안에서의 연료의 분산을 보다 확실하게 행해서 에미션(emission) 및 연료소비율을 보다 효과적으로 저감할 수 있다. 따라서, 엔진 회전수나 엔진 부하가 빈번하게 변화하는 건설 기계 등에 본 실시형태의 디젤 엔진(1)을 알맞게 사용할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제 2실시형태에 관한 연소실(20)의 형상을 나타내는 측면 단면도이다.
피스톤(10)의 정상면(11)에는 이 정상면(11)과 대략 평행한 저면을 갖고 소정의 깊이로 움푹 들어간 제 1용적부(22)가 형성되고, 저면의 중앙에는 더욱 움푹 들어간, 평면으로 볼 때 원형이고 단면이 오목형의 제 2용적부(23)가 형성되어 있다. 제 2용적부(23)의 내주벽면부(24)는 저면측이 작아지도록 경사져 형성되어 있다. 제 2용적부(23)의 저면에는 제 1실시형태와 마찬가지로, 원추부(26)가 형성되어 있다.
도 10은 본 발명의 제 3실시형태에 관한 연소실(20)의 형상을 나타내는 측면 단면도이다.
본 실시형태에서는 제 2용적부(23)의 내주벽면부(24)가 저면측을 향해서 확대되도록 형성되어 있는 점에서, 제 1실시형태와는 다르다. 그 밖의 형상은 제 1실시형태와 같다.
도 11은 본 발명의 제 4실시형태에 관한 연소실(20)의 형상을 나타내는 측면 단면도이다.
본 실시형태에서는 제 2용적부(23)의 저면이 평탄하게 되어 있는 점에서, 제 1실시형태와는 다르다. 그 밖의 형상은 제 1실시형태와 같다.
도 12에 도시된 제 5실시형태의 연소실(20)에서는 제 2용적부(23)의 내주벽면부(24)가 저면측을 향해서 작아지도록 형성되어 있고, 이 점에서 제 4실시형태와는 다르다.
도 13에 도시된 제 6실시형태의 연소실(20)에서는 제 2용적부(23)의 내주벽면부(24)가 저면측을 향해서 확대되도록 형성되어 있고, 이 점에서 제 4실시형태와는 다르다.
이상의 제 2～제 6실시형태에 있어서도 제 1실시형태와 같은 구성에 의해 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 각 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 다른 구성 등을 포함하며, 이하에 내보이는 바와 같은 변형 등도 본 발명에 포함된다.
예를 들면, 상기 제 1실시형태에서는 도 5에 도시된 바와 같이, 연소실(20)의 경계부(20A)를 경계로 해서 행해지는 연료 분사 전기와 연료 분사 후기가 연속하고 있지만, 본 발명에서는 연소 분사 전기를 제 1회째의 연료 분사로 하고, 연소 분사 후기를 제 1회째의 연료 분사와는 단속적으로 행해지는 제 2회째의 연료 분사로 해도 좋다. 이러한 파일롯(pilot) 분사를 행할 경우에도, 제어장치(30)의 제어에 의해 제 1회째의 연료 분사와 제 2회째의 연료 분사를 확실하게 나눔으로써, 본 발명의 목적을 달성할 수 있다. 이러한 디젤 엔진(l)은 상기 청구항2의 발명이다.
또, 상기 각 실시형태에서는 피스톤(10)의 중심, 연소실(20)의 중심 및 연료 분사 노즐(9)의 분사 위치는 일치하고 있지만, 도 14에 도시된 바와 같이, 피스톤(10)의 중심(C1)에 대하여, 연소실(20)의 중심(C2) 및 연료 분사 노즐(9)의 분사 위치(C3)를 각각 오프셋(offset)(편심)시킨 구조로서도 본 발명을 적용할 수 있다. 또한, 이러한 구조는 흡기 밸브 및 배기 밸브가 각각 1개씩 설치되는 경우에 많다.
또한, 상기 제 1실시형태에서는, 연료 분사 시기를 엔진 회전속도 및 부하에 따라서 제어하게 되어 있지만, 엔진 회전속도만이나 엔진 부하만으로 연료 분사 시기를 제어한 경우에도 본 발명에 포함된다.
기타, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 구성, 방법 등은 이상의 기재에서 개시되어 있지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명은 주로 특정한 실시형태에 관해서 특별히 도시되고, 또한 설명되어 있지만, 본 발명의 기술적 사상 및 목적의 범위에서 일탈하는 일 없이, 이상 말한 실시형태에 대해 형상, 수량, 그 밖의 상세한 구성에 있어서, 당업자가 여러가지 변형을 첨가할 수 있는 것이다.
따라서, 상기에 개시한 형상, 수량 등을 한정한 기재는 본 발명의 이해를 쉽게 하기 위해서 예시적으로 기재한 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니기 때문에, 그것들의 형상, 수량 등의 한정의 일부 혹은 전부의 한정을 제외한 부재의 명칭에서의 기재는 본 발명에 포함되는 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 NOx의 발생을 억제하고, 스모크의 발생이 적으며, 또한 연료소비량이 적은 연료 직접 분사식 디젤 엔진을 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. 연료 직접 분사식 디젤 엔진에 있어서,
    피스톤의 정상면에 실린더 헤드측을 향해서 개구되어 형성된 연소실과,
    상기 실린더 헤드에 설치되고 또한 상기 연소실을 향해서 연료를 분사하는 연료 분사 노즐과,
    연료 분사 노즐로부터의 연료의 분사 시기를 제어하는 제어장치를 구비하고,
    상기 연소실은 상기 개구를 형성하는 원형의 둘레가장자리를 보유하며 상기 정상면으로부터 핀 보스측으로 움푹 들어가서 형성된 제 1용적부와,
    상기 제 1용적부의 중앙에 상기 제 1용적부보다도 더욱 상기 핀 보스측으로 움푹 들어가서 형성된 제 2용적부를 보유하며,
    상기 제어장치는, 피스톤 압축행정의 말기부터 개시시키는 상기 연료 분사 노즐로부터의 연료분사를 상기 피스톤의 이동에 의해 상기 제 2용적부로부터 상기 제 1용적부에 걸쳐서 연속해서 행하게 함과 아울러,
    엔진 회전속도와 엔진 부하에 따라서, 또는 엔진 회전속도에 따라서, 혹은 엔진 부하에 따라서 상기 분사 시기를 제어하는 것에 의해서, 분사 개시로부터 상기 제 1용적부와 상기 제 2용적부의 경계부에 도달할 때까지의 분사 기간을 전체 연료 분사 기간의 40～70%로 유지하는 것을 특징으로 하는 연료 직접 분사식 디젤 엔진.
  2. 연료 직접 분사식 디젤 엔진에 있어서,
    피스톤의 정상면에 실린더 헤드측을 향해서 개구되어 형성된 연소실과,
    상기 실린더 헤드에 형성되고 또한 상기 연소실을 향해서 연료를 분사하는 연료 분사 노즐과,
    연료 분사 노즐로부터의 연료의 분사 시기를 제어하는 제어장치를 구비하고,
    상기 연소실은 상기 개구를 형성하는 원형의 둘레가장자리를 보유하며 상기 정상면으로부터 핀 보스측으로 움푹 들어가서 형성된 제 1용적부와,
    상기 제 1용적부의 중앙에 상기 제 1용적부보다도 더욱 상기 핀 보스측으로 움푹 들어가서 형성된 제 2용적부를 보유하며,
    상기 제어장치는, 피스톤 압축행정의 말기부터 개시시키는 상기 분사 노즐로부터의 연료분사를 제 1회째의 연료분사로서, 상기 제 2용적부의 내주벽면부를 향해서 행하게 함과 아울러, 제 2회째의 연료분사로서, 상기 제 1용적부의 저면을 향해서 행하게 하고,
    또 엔진 회전속도와 엔진 부하에 따라서, 또는 엔진 회전속도에 따라서, 혹은 엔진 부하에 따라서 상기 분사 시기를 제어하는 것에 의해서, 상기 제 2회째의 연료분사를 상기 제 1회째의 연료분사와는 단속적으로 행하게 하는 것을 특징으로 하는 연료 직접 분사식 디젤 엔진.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 1용적부의 저면은 상기 피스톤의 외주부의 정상면으로부터 중심을 향함에 따라서 상기 핀 보스측으로 깊어지는 경사면에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 직접 분사식 디젤 엔진.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 2용적부의 저면에는 내주벽면부로부터 반경방향 안쪽을 향함에 따라서 상기 정상면측으로 높아지는 경사면부에 의해 원추부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 직접 분사식 디젤 엔진.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 피스톤의 외경에 대한 상기 제 2용적부의 내경의 비가 0.4～0.6이며, 상기 제 2용적부의 내경에 대한 상기 제 1용적부의 내경의 비가 1.3～2.0인 것을 특징으로 하는 연료 직접 분사식 디젤 엔진.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 1용적부와 상기 제 2용적부의 경계부에 형성되는 에지의 반경은 상기 피스톤의 외경의 3%이하인 것을 특징으로 하는 연료 직접 분사식 디젤 엔진.
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