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KR102058755B1 - 엔진의 흡기구 구조 - Google Patents

엔진의 흡기구 구조 Download PDF

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KR102058755B1
KR102058755B1 KR1020130163701A KR20130163701A KR102058755B1 KR 102058755 B1 KR102058755 B1 KR 102058755B1 KR 1020130163701 A KR1020130163701 A KR 1020130163701A KR 20130163701 A KR20130163701 A KR 20130163701A KR 102058755 B1 KR102058755 B1 KR 102058755B1
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intake
port
intake port
chamfer
combustion chamber
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한구연
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두산인프라코어 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 실시예는 엔진의 흡기구 구조에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 엔진의 흡기구 구조에 따르면, 흡기구의 단부모서리에서 어느 한쪽으로 편심 되게 챔퍼가 형성된다. 이로써 밸브 유닛에 의해 흡기구가 개폐될 때에, 개방 초기에 챔퍼에서 개방 폭이 넓은 쪽으로 연료가스의 유입이 집중되고, 개방된 후에는 상기 밸브 유닛(160)의 사방에서 개방 폭이 비슷하게 형성되어 연료가스에 형성된 스월(swirl)이 약화된다.
즉, 연료가스가 연소실에 머무르는 시간을 연장시켜 연료의 완전연소를 기해할 수 다.

Description

엔진의 흡기구 구조{INTAKE PORT OF DIESEL ENGINE}
본 발명은 엔진의 흡기구 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 흡기 행정에서 흡입 공기의 스월 유동을 약화시켜 연소실의 대기 시간을 연장할 수 있도록 하는 엔진의 흡기구 구조에 관한 것이다.
일반적으로 엔진은 실린더 블록과 실린더 헤드 블록을 포함하고, 실린더 블록에는 실린더가 형성되며, 실린더 헤드 블록에는 흡기구와 배기구가 형성된다. 또한, 실린더 헤드 블록에는 인젝터와 글로우 플러그가 구비된다. 즉, 흡기구를 통하여 연소실에 공기가 유입되고, 인젝터에 의해 연료가 분사되며, 공기와 연료가 혼합되어 혼합가스를 형성하고, 혼합가스는 피스톤의 압축행정에 의해 폭발하면서 연소된다. 연소된 후에는 배기구를 통하여 배기가스가 배출된다.
이하 도 1 내지 도 3을 참조하여 종래의 엔진의 흡기구 구조를 설명한다.
첨부도면 도 1은 종래의 엔진의 흡기구 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 종래의 엔진의 흡기구 구조를 설명하기 위한 실린더 헤드 블록의 저면도이다. 도 3은 종래의 엔진의 흡기구 구조를 설명하기 위한 흡기구의 종단면도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 실린더 헤드 블록(3)의 한쪽에 흡기 매니폴드(1)가 구비된다. 흡기 매니폴드(1)는 외부의 신기를 흡입하거나 터보차저로부터 흡기를 제공받는다. 흡기 매니폴드(1)와 연소실(4)은 제1, 2 흡기 포트(2a, 2b)로 연결된다. 좀 더 상세하게는 실린더 헤드 블록(3)에는 흡기구(5)와 배기구(7)가 형성되고, 흡기구(5)와 배기구(7)는 연소실(4)의 내에 위치된다.
흡기구(5)는 상술한 제1, 2 흡기 포트(2a, 2b)에 연결되고, 밸브 유닛(8)이 설치된다. 즉, 밸브 유닛(8)이 흡기구(5)에서 개방되면 신기를 연소실에 제공하고, 밸브 유닛(8)이 흡기구(5)를 폐쇄하면 연소실은 밀폐되는 것이다.
한편, 흡기구(5)에는 밸브 시트(6)가 구비된다. 밸브 시트(6)는 밸브 유닛(8)이 폐쇄될 때에 밸브 유닛(8)과 밀착되어 연소실을 밀폐된 상태로 유지하게 한다.
또한, 배기구(7)은 공기와 연료가 혼합된 혼합가스가 연소된 후에 배기되는 것이다. 구체적으로 나타내지 않았으나 배기구(7)에는 배기구(7)를 개폐하기 위한 배기 밸브가 구비된다.
또한, 실린더 헤드 블록(3)에는 연소실(4)의 중앙 위치에 인젝터(9)가 설치된다. 인젝터(9)는 연료를 연소실에 분사하는 작용을 한다.
또한, 실린더 헤드 블록(3)에는 인젝터(9)와 가까운 위치에 글로우 플러그(10)가 설치될 수 있다. 글로우 플러그(10)는 연료를 예열하는 데에 이용된다.
한편, 흡기 매니폴드(1)에는 흡기가 제공될 수 있다. 이러한 압축 공기는 제1, 2 흡기 포트(2a, 2b)를 경유하는 동안에 유로의 형상에 따라 스월(swirl)이 발생된다. 스월은 연소실에서 흡기와 연료가 좀 더 잘 섞이도록 한다.
한편, 도 3에 나타낸 바와 같이, 종래의 엔진의 흡기구 구조는 흡기구(5)의 단부의 모서리에는 별다른 형상이 없이 직선형으로 제공되거나 챔버가 형성되더라도. 그 챔버의 형상은 흡기구(5)의 내경과 동심을 이룬다.
따라서 밸브 유닛(8)이 흡기구(5)에서 개방될 때에, 밸브 유닛(8)의 레벨이 어느 위치에 있든지, 밸브 유닛(8)의 사방에서 개방 너비(w1, w2)가 동일하게 구현된다.
한편, 밸브 유닛(8)이 개방되는 순간에는 개방 너비(w1. w2)가 좁으므로 흡기는 스월이 형성된 상태에서 연소실에 고압으로 유입된다. 이렇게 유입된 흡기는 유동되면서 연료와 혼합된다.
또한, 연소실(4)에는 글로우 플러그(10)가 설치될 수 있다. 즉, 흡기는 글로우 플러그(10)가 위치되는 쪽으로도 제공될 수 있고, 결국, 흡기가 글로우 플러그(10)와 간섭을 일으켜 스월이 임의로 산란됨으로써 흡기와 연료가 잘 섞이지 못할 수도 있다.
다른 한편으로, 엔진의 연소부를 개발할 때에 중요한 고려사항으로써, 연소실로 흡입되는 공기의 소용돌이 즉, 스월(swirl) 유동이 중요하다. 이는 흡입 공기의 소용돌이 유동이 충분히 커야만 공기와 연료가 원활하게 혼합될 수 있고, 스모크를 감소시킬 수 있기 때문이다.
스월을 발생시키기 위한 구성으로는 제1, 2 흡기포트(2a, 2b)에 의해 구현될 수 있다. 제1흡기 포트(2a)는 헬리컬 포트로 제공될 수 있고, 이로써 흡기가 제1흡기 포트(2a)를 경유하는 동안에 소용돌이를 일으킨다. 또한, 제2흡기 포트(2b)는 흡입 공기가 연소실의 가장자리 쪽에서 접선 방향으로 유입되도록 배치되어 흡기가 제2흡기 포트(2b)를 경유하는 동안에 자체적으로 소용돌이가 형성된다.
그러나 상술한 바와 같이, 제1, 2 흡기 포트(2a, 2b)에 의해 스월을 발생시키기 위해서는 일정량이상의 풍량이 확보되어야 한다. 이러한 이유 때문에 스월(소용돌이) 유동의 강도가 흡기 밸브의 개방 너비에 비례한다. 즉, 흡기 밸브의 개방 너비가 좁은 경우에는 스월 유동의 강도가 작고 미미한 반면에, 흡기 밸브의 개방 너비가 넓은 경우에는 소용돌이의 강도가 강하게 생성된다.
따라서 흡기 행정 중기에서 흡기 밸브의 개방 크기에 따라 스월 유도의 강도가 크게 되지만 흡기 행정 말기로 갈수록 흡기 밸브가 닫힘에 따라 공기의 풍량이 감소함과 더불어 흡기 포트로부터 흡입되는 공기의 소용돌이가 점차 작아지게 된다. 또한, 스월 유동에 의해 연소실 내부에 공기가 머무르는 시간이 짧은 경우 불완전 연소가 발생할 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 흡기구의 단부모서리에 편심된 챔퍼(Chamfer)를 형성함으로써 흡기 행정의 말기에 흡기의 스월 유동을 약화시켜 공기가 연소실에 오랫동안 머무를 수 있도록 하는 엔진의 흡기구 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 엔진의 흡기구 구조는, 흡기구(110)와 배기구(140)가 형성된 실린더 헤드 블록(100); 상기 실린더 헤드 블록(100)에서 연소실(170)의 중앙에 설치되어 연료가 분사되는 인젝터(182); 및 상기 실린더 헤드 블록(100)에 설치되어 상기 흡기구(110)를 개폐시키는 밸브 유닛(160);을 포함하는 엔진의 흡기구 구조에 있어서,
상기 흡기구(110)는 단부 모서리에는 상기 흡기구(110)의 중심에 대해 편심(a)되게 챔퍼(130)가 형성되고, 상기 밸브 유닛(160)에 의해 상기 흡기구(110)가 개폐될 때에, 개방 초기에 상기 챔퍼(130)에서 개방 폭이 넓은 쪽으로 흡기 유입이 집중되고, 개방된 후에는 상기 밸브 유닛(160)의 사방에서 개방 폭이 비슷하게 형성되어 상기 흡기에 형성된 스월(swirl)이 약화된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 흡기구 구조에서, 상기 흡기구(110)는 제1, 2 흡기구(111, 112)로 복수로 제공되고, 상기 제1흡기구(111)는 단부 모서리에 상기 제1흡기구(111)의 중심에 대해 편심(a)되게 제1챔퍼(131)가 형성되며, 상기 제2흡기구(112)는 단부 모서리에 상기 제2흡기구(112)의 중심에 대해 편심(a)되게 제2챔퍼(132)가 형성된 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 흡기구 구조에서, 상기 제1챔퍼(131)의 편심방향(D, D1)과 상기 제2챔퍼(132)의 편심방향(D, D2)은 서로 반대 방향으로 180도를 이루는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 흡기구 구조에서, 연소실 중심과 인접한 다른 연소실 중심을 잇는 가상의 선이 기준선(BL)으로 정의될 때에, 상기 제1, 2챔퍼(131, 132)의 편심방향(D)은 상기 기준선(BL)에 대하여 각각 비틀림 각도(b1, b2)를 가지는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 흡기구 구조에서, 상기 흡기구(110)는 제1, 2 흡기구(111, 112)로 복수로 제공되고, 상기 제1흡기구(111)는 제1흡기 포트(121)와 연결되며, 상기 제2흡기구(112)는 제2흡기 포트(122)와 연결되고, 상기 제1흡기 포트(121)는 연소실(170)에 대하여 나선방향으로 형성되는 헬리컬 포트이고, 상기 제2흡기 포트(122)는 상기 연소실(170)에 대하여 접선방향으로 형성되는 탄젠셜 포트인 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 디젤엔진의 흡기구 구조는, 혼합가스의 스월 유동을 제어하기 위하여 비틀린 형상을 갖도록 형성된 디젤엔진의 흡기구 구조에 있어서, 제1흡기구(111) 및 상기 제1흡기구(111)와 인접한 제2흡기구(112)가 마련된 실린더 헤드 블록(100); 상기 흡기구에 연결되어 공기가 흡입되는 제1, 2 흡기 포트(121, 122); 상기 실린더 헤드 블록(100)에 구비되되 상기 제1, 2 흡기 포트(121, 122)와 제1, 2 흡기구(111, 112) 사이에 설치되는 밸브 시트 유닛(160); 및 상기 제1, 2 흡기구(111, 112)의 주위로부터 연소실을 향한 경사도가 변화하도록 형성된 챔퍼(130)를 가지며, 상기 제1 흡기구(111)에 형성된 챔퍼(130)와 인접한 제2 흡기구(112)에 형성된 챔퍼(130)의 경사진 방향이 서로 반대방향으로 마련되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디젤엔진의 흡기구 구조는, 상기 제1, 2 흡기 포트(121, 122)는 상기 실린더 헤드 블록(100)에서 나선형으로 설치되는 헬리컬 포트와 연소실의 가장자리에서 접선 방향으로 배치하는 탄젠셜 포트를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디젤엔진의 흡기구 구조는, 상기 제1흡기구(111)의 챔퍼(130) 경사방향은 상기 실린더 헤드 블록(100)의 길이방향을 기준으로 시계 반대 방향으로 30도 틀어져 가공되고, 상기 제2흡기구(112)의 챔퍼(130) 경사방향은 상기 실린더 헤드 블록(100)의 길이방향을 기준으로 시계 반대 방향으로 210도 틀어져 가공되는 것일 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 효과는 첫째, 간단한 구조로 흡기의 스월 유동을 약화 시킬 수 있다. 둘째, 연료와 공기의 혼합성을 증가시킴으로써 엔진의 효율을 향상시키고 배기가스에 오염물질을 저감 시킬 수 있다.
도 1은 종래의 엔진의 흡기구 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 엔진의 흡기구 구조를 설명하기 위한 실린더 헤드 블록의 저면도이다.
도 3은 종래의 엔진의 흡기구 구조를 설명하기 위한 흡기구의 종단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 흡기구 구조를 설명하기 위한 실린더 헤드 블록의 저면도이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 엔진 흡기구 구조에서 실린더 헤드 블록에 형성된 흡기 포트를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 흡기구 구조에서 흡기구에 형성된 챔퍼를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도7의 A-A선 단면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 흡기구 구조에서 밸브 유닛에 의해 흡기구가 개폐되는 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 흡기구 구조에서 스월이 작용되는 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 엔진 흡기구 구조에서 제1, 2챔퍼의 편심방향이 기준선(BL)에 대하여 각각 비틀림 각도가 형성될 때에 밸브 개도량 대비 스월 강도를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 크기가 과장되게 도시될 수 있다.
한편, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 도 4 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 흡기구 구조에 대해서 설명한다.
첨부도면 도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 흡기구 구조를 설명하기 위한 실린더 헤드 블록의 저면도이다. 도 6는 본 발명의 실시예에 따른 엔진 흡기구 구조에서 실린더 헤드 블록에 형성된 흡기 포트를 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 흡기구 구조에서 흡기구에 형성된 챔퍼를 설명하기 위한 도면이다. 도 8은 도7의 A-A선 단면도이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 실린더 헤드 블록(100)에는 저면에 흡기 포트(110)와 흡기구(120)가 형성된다. 또한, 연소실의 중앙에 위치되는 부분에는 인젝터(182)가 구비된다. 한편, 엔진은 연소실이 복수로 제공될 수 있고, 예를 들면 4개, 6개 또는 그 이상의 개수로 제공될 수도 있다.
한편, 엔진의 사양에 따라 실린더의 형태가 직립으로 배치되거나 V자 형태로 배치될 수도 있다. 실린더가 직립되게 배치되는 경우라면 복수의 연소실이 일렬로 배치될 수 있다. 또한, 실린더가 V자 형태로 배치되는 경우일지라도 연소실은 연달아 배치될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 어느 하나의 연소실 중심과 다른 하나의 연소실 중심을 잇는 선을 기준선(BL)로 정의하여 설명한다.
도 5는 실린더 헤드 블록(100)에서 하나의 연소실(170)만 나타나도록 간소하한 도면이다.
도 5에 나탄 낸 바와 같이, 실린더 헤드 블록(100)에는 흡기 포트(110)와 배기 포트(142)가 형성된다. 흡기 포트(110)는 제1, 2 흡기 포트(111, 112)로 복수로 제공될 수 있다.
흡기 포트(110)의 끝부분에는 흡기구(120)가 형성된다. 즉, 제1, 제2흡기 포트(111, 112)의 끝부분에는 각각 제1, 2 흡기구(121, 122)가 형성된다.
한편, 구체적으로 나타내지 않았으나, 흡기 포트(110)는 흡기 매니폴드와 연결되어 흡기를 제공받는다. 결국, 흡기는 흡기 포트(110)를 경유하여 흡기구(120)에서 연소실(170)로 제공되는 것이다.
또한, 배기 포트(142)의 끝부분에는 배기구(140)가 형성된다. 배기구(140)는 연소실(170)에서 연소가 완료된 후에 배기가스가 배출되는 것이다.
실린더 헤드 블록(100)의 내부에는 연소실(170)의 중앙 위치에 인젝터 서리 홀(180)이 형성되고, 그 인젝터 설치 홀(180)에는 인젝터(182)가 설치된다. 인젝터(182)는 연료를 연소실 내로 분사한다.
또한, 실린더 헤드 블록(100)에서 흡기구(120)와 배기구(140)의 사이에 글로우 플러그 설치 홈(190)이 형성된다. 그 글로우 플러그 설치 홈(190)에는 글로우 플러그(192)가 설치된다. 글로우 플러그(192)는 연료를 예열하여 착화를 돕는다.
한편, 흡기구(120)의 단부모서리에는 도 5 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 챔퍼(130)가 형성된다. 그 챔퍼(130)는 어느 한쪽 방향으로 편심(a 참조)될 수 있다. 여기서 챔퍼(Chamfer)란, 경사부 내지 경사면이 형성된 것을 말한다.
또한, 챔퍼(130)의 경사도는 다양하게 형성됨으로써 완만한 경사로 마련되거나 급한 경사로 마련될 수 있다. 또한, 상기 챔퍼(130)를 이루는 경사면은 평탄한 면으로 마련될 수도 있으며, 경우에 따라서는 굴곡부 내지 돌출부를 가질 수도 있다.
챔퍼(130)는 흡기구(120)의 축선에 대하여 직각 또는 예각으로 형성될 수있고, 바람직하게는 45각도로 제공될 수 있다.
상술한 챔퍼(130)의 경사각은 45도 이상으로 제공되는 경우에 스월 유동이 급격하게 감소되는 특성이 있고, 45도 이하로 제공되는 경우에 스월 유동이 완만하게 감소되는 특성이 있다.
이로써 도 9에 나타낸 바와 같이, 밸브 유닛(160)에 의해 흡기구(110)가 개폐될 때에, 개방 초기 또는 폐쇄 말기에 챔퍼(130)에서 개방 폭이 넓은 쪽으로 흡기 유입이 집중된다. 이는 상술한 챔퍼(130)에 의해 밸브 유닛(160)의 사방에 형성된 개방 폭에 차이가 형성된다. 즉, 개방 폭(c1)이 좁은 쪽으로 풍량의 흐름은 억제되고, 개방 폭(c2)이 넓은 쪽으로 풍량이 집중된다.
한편, 흡기구(120)가 개방된 후에는 도 10에 나타낸 바와 같이, 밸브 유닛(160)의 사방에서 개방 폭이 비슷하게 형성되고, 이로써 풍량은 어느 특정한 부분으로 집중되지 않고, 고르게 유입될 수 있다. 즉, 흡기에 형성된 스월(swirl)이 약화되는 것이다.
다른 한편으로, 편심 거리(a)는 0.5mm 내지 3mm일 수 있고, 편심 거리(a)가 너무 작으면 챔퍼(130)로 인한 효과가 저감되므로 0.5mm 이상이 좋다. 또한, 편심 거리(a)가 너무 크면 실린더 헤드 블록(120)과 실린더 블록이 조합되어 연소실(170)이 형성될 때에 틈을 유발할 수 있다. 따라서 편심 거리(a)는 3mm이하로 제공되는 것이 좋다. 또한, 편심 거리(a)는 엔진의 사양에 따라 다양한 크기로 변경될 수도 있다.
또 다른 한편으로, 흡기구(110)는 제1, 2 흡기구(111, 112)로 복수로 제공될 수 있다. 제1흡기구(111)는 단부 모서리에 제1흡기구(111)의 중심에 대해 편심(a)되게 제1챔퍼(131)가 형성된다. 제2흡기구(112)는 단부 모서리에 제2흡기구(112)의 중심에 대해 편심(a)되게 제2챔퍼(132)가 형성된다. 즉, 2개의 흡기구(120)에 각각 챔퍼(130)가 형성되는 것으로써, 각 흡기구(120)는 챔퍼(130)의 의한 효과를 기대할 수 있게 된다.
한편, 제1챔퍼(131)와 제2챔퍼(132)의 경사각 또는 형상이 동일할 수 있고, 서로 다르게 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 흡기구 구조는, 제1챔퍼(131)의 편심방향(D1)과 제2챔퍼(132)의 편심방향(D2)은 서로 반대 방향으로 180도를 이루는 것일 수 있다. 이로써 연소실(170)에 두 군데서 스월이 유입되고, 두 개의 스월이 서로 간섭을 최소화할 수 있다. 이에 부연설명하면, 두 개의 스월이 서로 바로보는 방향으로 유입되는 경우에는 스월이 상호 간섭에 의해 급격하게 소멸될 가능성이 있다. 그러나 본 발명의 실시예에서는 편심되는 방향으로 서로 반대방향을 향하도록 배치함으로써 두 개의 스월이 상호간의 간섭을 최소화할 수 있어, 스월로 인한 공기와 연료의 혼합을 더욱 촉진할 수 있다.
다른 한편으로, 제1, 2챔퍼(131, 132)의 편심방향(D, D1, D2)은 기준선(BL)에 대하여 각각 비틀림 각도(b1, b2)를 가지는 것일 수 있다. 편심 방향은 밸브의 개방 너비가 상대적으로 좁을 때에 흡기가 유입되는 방향에 지대한 영향을 준다. 즉, 편심방향(D)이 어느 방향으로 설정되느냐에 따라 스월로 인한 효과에 많은 차이가 있다.
제1챔퍼(131)의 편심방향(D1)은 실린더 헤드 블록(100)의 저면을 바로 보는 저면도에서 기준선(BL)에 대하여 제1각도(b1)로 비틀어지는 방향일 수 있다.
마찬가지로, 제2챔퍼(132)의 편심방향(D2)은 실린더 헤드 블록(100)의 저면을 바로 보는 저면도에서 기준선(BL)에 대하여 제2각도(b1)로 비틀어지는 방향일 수 있다.
한편, 상술한 제1, 2각도(b1, b2)는 상술한 기준선(BL)에 평행하거나 30도 보다 작은 각도일 수 있다. 좀 더 상세하게는 제1각도(b1)는 연소실(170)에서 흡기구(120)가 똑바로 보이는 방향에서 기준선(BL)에 대하여 반시계 방향으로 30도 범위 내일 수 있다. 이로써 제1흡기구(121)를 통하여 유입되는 흡기는 연소실(170)의 내부에서 스월을 원활하게 유지할 수 있게 된다.
또한, 제2각도(b2)는 연소실(170)에서 흡기구(120)가 똑바로 보이는 방향에서 기준선(BL)에 대하여 반 시계방향으로 30도 범위 내일 수 있다. 이로써 제2흡기구(122)를 통하여 유입되는 흡기는 연소실(170)의 내부에서 스월을 원활하게 유지할 수 있게 된다.
예를 들면, 제1흡기구(121)의 제1각도(b1)가 반 시계방향으로 30도 틀어져 형성되었다면, 제2흡기구(122)의 제2각도(b2)가 반 시계방향으로 210도 틀어져 가공될 수 있는 것이다.
이는 도 12를 참조하여 설명한다. 첨부도면 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 엔진 흡기구 구조에서 제1, 2챔퍼의 편심방향이 기준선(BL)에 대하여 각각 비틀림 각도가 형성될 때에 밸브 개도량 대비 스월 강도를 설명하기 위한 도면이다.
도 12에는 제1, 2, 3 예시를 나타내었다. 제1 예시는 편심방향(D)이 기준선(BL)에 대하여 평행한 예이다. 제2 예시는 편심방향(D)이 기준선(BL)에 대하여 30도 각도로 비틀어진 예이다. 제3 예시는 편심방향(D)이 기준선(BL)에 대하여 20도 각도로 비틀어진 예이다. 한편, 챔퍼가 편심되지 않고, 동심으로 형성되었을 때에는 스월 강도의 변화가 거의 나타나지 않았다.
다른 한편으로, 도 12에서 밸브 개도량 닫혔을 때가 0이고 최대 개방이 5mm인 것을 예시로 나타낸 것이다. 이하에서는 닫혔을 때에 0%라고 설정하고, 최대 개방을 100%라고 설정하여 설명한다.
제1예시(a)는 밸브 유닛이 개방되는 순간부터 스월 강도가 완만하게 계속 증가되고, 90%수준에 이르러서 급격하게 증가되는 것을 알 수 있다. 즉, 제1예시(a)에 따르면 제1, 2 챔퍼(131, 132)가 형성됨으로써 스월 강도을 낮추는 효과가 있는 것을 알 수 있다.
제2예시(b)에 따르면, 밸브 유닛이 개방되는 초기에는 스월 강도가 감소된다. 한편, 밸브 개도량이 25%수준에 이를 때까지도 스월 강도가 약화되고, 25%이상의 수준에서부터 점진적으로 증가되며, 대략 90%수준에 이르러서 스월 강도의 세기가 세지는 경향을 보인다. 특히, 제2예시(b)는 제1예시(a)에 비교하면, 밸브 개도량 전 구간에서 스월 강도가 현저하게 낮음을 알 수 있다.
제3예시(c)에 따르면, 밸브 유닛이 개방되는 초기에는 스월 강도의 변화가 미미하고, 밸브 개도량이 25%수준에 이를 면서부터 스월 강도가 점진적으로 증가되며, 대략 90%수준에 이르러서 스월 강도의 세기가 세지는 경향을 보인다. 그러나 제3예시(c)는 제1예시(a)보다는 스월 강도의 약화에 대한 효과가 있지만, 제2예시(b)에 비교하여 상대적으로 스월 강도가 높음을 알 수 있다.
이와 같이 제1, 2 챔퍼(131, 132)의 편심방향(D, D1, D2) 비틀림 각도에 따라 스월 강도의 세기가 달라짐을 알 수 있다. 특히 편심방향(D, D1, D2)의 비틀림 각도는 30도 각도로 비틀어졌을 때에 가장 효과가 좋음을 알 수 있다.
흡기 포트(110)는 도면 6을 참조하여 설명한다. 상술한 바와 같이, 흡기 포트(110)는 제1, 2 흡기 포트(111, 112)로 복수로 제공될 수 있다.
제1흡기 포트(111)는 탄젠셜 포트로써 기류의 진입방향이 연소실(170)의 접선방향일 수 있다. 이로써 공기가 제1흡기 포트(111)를 경유하고 제1흡기구(121)를 통하여 연소실(170)로 유입되면, 그 공기가 연소실(170)의 내부에서 자연스럽게 스월이 형성되는 것이다.
제2흡기 포트(112)는 헬리컬 포트로써 나선 형상처럼 제공될 수 있다. 이로써 공기가 제2흡기 포트(112)를 경유하는 동안에 자체적으로 스월이 생성되고, 제2흡기구(122)를 통과할 때에는 스월 상태로 연소실(170)로 유입된다.
즉, 제1, 2 흡기 포트(111, 112)는 공기의 흐름에 스월을 형성시켜 연소실(170)에서 공기와 연료의 혼합을 촉진하는 것이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 엔진 흡기구 구조에서 밸브 유닛(160)의 개폐에 따라 밸브의 개방 폭이 변화되는 예를 좀 더 상세하게 설명한다.
첨부도면 도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 흡기구 구조에서 밸브 유닛에 의해 흡기구가 개폐되는 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 흡기구(120)에서 밸브 유닛(160)이 개방된 직후, 또는 폐쇄되기 직전일 수 있다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 챔퍼(130)는 밸브의 개도량에 차이를 나타내게 한다. 즉 챔퍼(130)가 편심된 쪽(c2)이 그렇지 않은 쪽(c1)보다 훨씬 넓게 공간이 형성됨을 알 수 있다. 이로써 챔퍼(130)가 편심된 쪽(c2)으로 풍량이 집중되고, 그렇지 않은 쪽에는 상대적으로 풍량의 유동이 적을 수 있다.
도 10은 흡기구(120)에서 밸브 유닛(160)이 충분히 개방된 상태를 보인 도면이다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 밸브 유닛(160)에서 밸브의 개방 폭이 모두 비슷한 크기로 커진 것을 알 수 있다. 이와 같이 밸브 개방 폭이 비슷해지고 커지는 경우에는 오리피스의 효과가 없어지고, 스월은 밸브 유닛(160)의 사방 어느 쪽으로든 치우지치 않고 양호하게 연소실(170)로 제공된다.
이하, 도 11을 참조하여 스월의 작용을 설명한다. 첨부도면 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 엔진 흡기구 구조에서 스월이 작용되는 방향을 설명하기 위한 도면이다.
챔퍼(130)가 편심 되게 형성됨으로써 어느 한쪽에 공간이 확보될 것이고 그 공간을 통하여 공기가 연소실로 유입된다. 도 11에서, 스월이 작용되는 방향을 살펴보면, 제1챔퍼(131)에 의해 제1흡기구(121)에서 연소실(170)로 유입되는 기류는 연소실(170)의 벽면에 비스듬하게 제공된다. 한편, 반대쪽에는 기류의 흐름이 제한되고, 이는 가상의 격벽이 형성되는 것과 유사한 효과를 구현하는 것이다. 이로써 제1흡기구(121)를 통하여 유입되는 스월이 글로우 플러그(192)와 간섭되지 않는다.
또한, 제2챔퍼(132)에 의해 제2흡기구(122)에서 연소실(170)로 유입되는 기류의 진행방향이 연소실(170)의 중심과 연소실(170)의 내벽에 중간을 향할 수 있다. 이로써 스월은 흡입공기와 연료가 더 잘 섞일 수 있도록 혼합을 촉진한다.
다른 한편으로, 스월이 작용될 때에, 밸브 유닛(160)이 흡기구(120)을 폐쇄하기 직전이거나 개방된 직후이라면, 오리피스 작용에 의해 유속이 더 빨라질 수 있다. 그러나 챔퍼(130)가 편심되게 형성됨으로써 편심되어 확보되는 공간으로 공기가 유동되고, 이 과정에서 스월 유동이 약화된다.
또한, 본 발명에 따른 엔진의 흡기구 구조는 배기가스 후처리장치(DPF)가 마련되어있지 않은 건설기계 등의 엔진에 사용될 수 있다.
제1, 2 흡기구(121, 122)의 저면에 가공된 챔퍼(130)에 의해 흡기 포트(110)로부터 연소실(170)로 흡입되는 공기가 흡기 밸브(160)를 통해 연소실(170)로 유입되면 스월 유동이 약해진다.
이와 같이 챔퍼(130)에 의한 소용돌이(스월)는 흡기 밸브와 인접한 부위에서 발생하는 것이므로 흡기 행정 말기에 더욱 강해지게 된다. 즉, 흡기 행정 말기에 흡기 밸브가 닫히면 흡기 밸브와 흡기구 사이의 틈이 작아지면서 오히려 유속이 빨라지는데, 본 발명의 실시예에 따른 챔퍼(130)에 의해 소용돌이가 약화되는 것이다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 챔퍼(130)에 의해 흡기 행정 말기에 소용돌이가 약화됨으로써 연료가 분사되는 시점에 충분한 연소 시간을 확보할 수 있고, 스모크뿐만 아니라 질소산화물이 저감된다.
또한, 하나의 연소실(170)에 복수의 흡기구(120)가 형성되어 있는 경우에 각각의 흡기구(120)에 형성되는 챔퍼(130)의 편심방향(D)은 소용돌이의 회전방향을 따라 다양한 설정 각도씩 차이를 갖도록 형성할 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 엔진의 흡기포트는 엔진의 배기가스 후처리 장치(DPF)가 구비되어 있지 않은 저속 스월(LOW SWIRL) 컨셉의 엔진에 적용될 수 있다.
한편, 흡기포트(110)의 연소실 측 단부모서리에는 밸브 시트 유닛(150)이 구비된다. 밸브 시트 유닛(150)은 밸브 유닛(160)에 의해 흡기 포트(110)가 폐쇄될 때에 밸브 유닛(160)과 밀착되어 기밀을 유지하게 된다.
또 다른 한편으로, 밸브 시트 유닛(150)에는 챔퍼(130)가 밸브 시트 유닛(150)에 대하여 경사지고 편심되게 형성될 수도 있다. 또한, 경우에 따라서 챔퍼(130)의 경사방향을 변경할 수 있도록 밸브 시트 유닛(150)의 방향으로 돌려서 다시 장착할 수도 있다.
챔퍼(130)의 경사도는 증가와 감소의 사이클을 연속적으로 변화할 수 있으며 챔퍼(130)에 밸브 시트 유닛(150)의 원주 방향을 따라 경사도가 증가하고 감소하는 경사면을 형성할 수 있다.
따라서 챔퍼(130)의 경사면이 일측으로는 완만하고 타측으로는 가파른 상태가 형성되어 완만한 경사쪽으로는 공기의 유동이 원활하게 이루어지고 가파른 경사면 쪽으로는 공기의 유동이 제한받을 수 있다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 다른 실시예에 따라 챔퍼부(130)의 완만한 경사면이 흡기 포트(110)를 통한 흡입공기의 유동방향을 향하도록 설정되어 있을 수 있다. 또한, 이와 같은 상태는 엔진의 운전상태를 판단하여 스월의 강화 정도를 조절하기 위해 밸브 시트 유닛(150)를 조절하여 재조립함으로써 챔퍼(130)의 경사방향을 조정할 수도 있다.
챔퍼(130)의 완만한 경사면이 흡기포트(110)를 통한 흡입공기의 유동방향에 반대방향을 향하고 가파른 경사면이 흡입공기의 유동방향을 향하도록 설치되어 흡기포트(110)를 빠져 나온 공기는 챔퍼(130)의 가파른 경사면에 부딪혀서 스월의 형성에 장애를 주어 스월을 감소시킬 수도 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 업이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
1: 흡기 매니폴드 2a, 2b: 제1, 2 흡기포트
3: 실린더 헤드 블록 4: 연소실
5: 흡기구 6: 밸브 시트 유닛
7: 배기구 8: 밸브 유닛
9: 인젝터 10: 글로우 플러그
w1, w2: 제1, 2 개방 폭
100: 실린더 헤드 블록
110: 흡기구 111, 112: 제1, 2 흡기구
121, 122: 제1, 2 흡기 포트
130: 챔퍼 131, 132: 제1, 2 챔퍼
140: 배기구 142: 배기 포트
150: 밸브 유닛 160: 밸브 시트 유닛
170: 연소실
180: 인젝터 설치 홀 182: 인젝터(injector)
190: 글로우 플러그 설치 홀 192: 글로우 플러그(glow plug)
BL: 기준선(연소실 중심과 다른 연소실 중심을 잇는 선)
a: 편심(Offset) 거리
b1, b2: 기준선에 대한 비틀림 각도
c1, c2: 제1, 2 개방 폭

Claims (8)

  1. 흡기 포트(110)와 배기 포트(142)가 형성된 실린더 헤드 블록(100) 및 상기 실린더 헤드 블록(100)에 설치되어 상기 흡기 포트(110)를 개폐시키는 밸브 유닛(160)을 포함하는 엔진의 흡기구 구조에 있어서,
    상기 흡기 포트(110)의 끝부분에 흡기구(120)가 형성되고, 상기 배기 포트(142)의 끝부분에 배기구(140)가 형성되며,
    상기 실린더 헤드 블록(100)에 형성된 글로우 플러그 설치 홈(190)에 글로우 플러그(192)가 설치되고,
    상기 흡기 포트(110)는 제1 흡기 포트(111)와 제2 흡기 포트(112)를 포함하며, 상기 제1 흡기 포트(111)의 끝부분에 제1 흡기구(121)가 형성되고, 상기 제2 흡기 포트(112)의 끝부분에 제2 흡기구(122)가 형성되며, 상기 제1 흡기구(121)는 상기 제2 흡기구(122)보다 상기 글로우 플러그(192)에 인접되고,
    상기 제1 흡기 포트(111)는 단부 모서리에 상기 제1 흡기 포트(111)의 중심에 대해 편심(a)되게 제1 챔퍼(131)가 형성되고, 상기 제2 흡기 포트(112)는 단부 모서리에 상기 제2 흡기 포트(112)의 중심에 대해 편심(a)되게 제2 챔퍼(132)가 형성되고,
    상기 제1 챔퍼(131)의 편심방향(D1)은 상기 글로우 플러그(192)로부터 먼쪽인 연소실(170)의 내벽을 향하고, 상기 제2 챔퍼(132)의 편심방향(D2)은 상기 제1 챔퍼(131)의 편심방향(D1)과 서로 반대 방향으로 180도를 이루어, 연소실(170)의 중심과 내벽을 향하며,
    상기 밸브 유닛(160)에 의해 상기 제1 흡기 포트(111)와 상기 제1 흡기 포트(112)가 개폐될 때에, 개방 초기 또는 폐쇄 말기에 상기 제1 챔퍼(131)와 상기 제2 챔퍼(132)에서 개방 폭이 넓은 쪽으로 흡기 유입이 집중되고, 개방된 후에는 상기 밸브 유닛(160)의 사방에서 개방 폭이 비슷하게 형성되어 상기 흡기에 형성된 스월(swirl)이 약화되는 것을 특징으로하는 엔진의 흡기구 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    연소실 중심과 인접한 다른 연소실 중심을 잇는 가상의 선이 기준선(BL)으로 정의될 때에, 상기 제1, 2챔퍼(131, 132)의 편심방향(D1, D2)은 상기 기준선(BL)에 대하여 각각 비틀림 각도(b1, b2)를 가지는 것을 특징으로 하는 엔진의 흡기구 구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 흡기 포트(111)는 연소실(170)에 대하여 나선방향으로 형성되는 헬리컬 포트이고,
    상기 제2 흡기 포트(112)는 상기 연소실(170)에 대하여 접선방향으로 형성되는 탄젠셜 포트인 것을 특징으로 하는 엔진의 흡기구 구조.
  4. 혼합가스의 스월 유동을 제어하기 위하여 비틀린 형상을 갖도록 형성된 디젤엔진의 흡기구 구조에 있어서,
    제1 흡기구(121) 및 상기 제1 흡기구(121)와 인접한 제2 흡기구(122), 및 배기구(140)가 마련된 실린더 헤드 블록(100);
    상기 제1, 2 흡기구(121, 122)에 연결되어 공기가 흡입되는 제1, 2 흡기 포트(111, 112);
    상기 실린더 헤드 블록(100)에 구비되되 상기 제1, 2 흡기구(121, 122)와 제1, 2 흡기 포트(111, 112) 사이에 설치되는 밸브 시트 유닛(160);
    상기 실린더 헤드 블록(100)에서 상기 제1, 2 흡기구(121, 122)와 상기 배기구(140)의 사이에 형성되고, 글로우 플러그(192)가 설치되는 글로우 플러그 설치 홈(190); 및
    상기 제1, 2 흡기구(121, 122)의 주위로부터 연소실을 향한 경사도가 변화하도록 형성된 제1, 2 챔퍼(131, 132)
    을 포함하고,
    상기 제1 흡기구(121)는 상기 제2 흡기구(122)보다 상기 글로우 플러그(192)에 인접되며,
    상기 제1 챔퍼(131)의 편심방향(D1)은 상기 글로우 플러그(192)로부터 먼쪽인 연소실(170)의 내벽을 향하고, 상기 제2 챔퍼(132)의 편심방향(D2)은 상기 제1 챔퍼(131)의 편심방향(D1)과 서로 반대 방향으로 180도를 이루어, 연소실(170)의 중심과 내벽을 향하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 흡기구 구조.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1, 2 흡기 포트(111, 112)는 상기 실린더 헤드 블록(100)에서 나선형으로 설치되는 헬리컬 포트와 연소실의 가장자리에서 접선 방향으로 배치하는 탄젠셜 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 흡기구 구조.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 흡기구(121)의 제1 챔퍼(131) 경사방향은 상기 실린더 헤드 블록(100)의 길이방향을 기준으로 시계 반대 방향으로 30도 틀어져 가공되고, 상기 제2 흡기구(122)의 제2 챔퍼(132) 경사방향은 상기 실린더 헤드 블록(100)의 길이방향을 기준으로 시계 반대 방향으로 210도 틀어져 가공되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 흡기구 구조.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1, 2 흡기 포트(121, 122)는 상기 실린더 헤드 블록(100)에서 나선형으로 설치되는 헬리컬 포트와 연소실의 가장자리에서 접선 방향으로 배치하는 탄젠셜 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 흡기구 구조.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제1 흡기구(111)의 챔퍼(130) 경사방향은 상기 실린더 헤드 블록(100)의 길이방향을 기준으로 시계 반대 방향으로 30도 틀어져 가공되고, 상기 제2 흡기구(112)의 챔퍼(130) 경사방향은 상기 실린더 헤드 블록(100)의 길이방향을 기준으로 시계 반대 방향으로 210도 틀어져 가공되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 흡기구 구조.
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