KR20090064171A

KR20090064171A - 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드

Info

Publication number: KR20090064171A
Application number: KR1020070131748A
Authority: KR
Inventors: 이재권
Original assignee: 기아자동차주식회사; 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-12-15
Filing date: 2007-12-15
Publication date: 2009-06-18

Abstract

본 발명은 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드에 관한 것으로, 인젝터(62)를 통해 연소실(51) 내로 직접 분사되는 연료가 피스톤의 상사점(TDC) 위치에 도달시 보울(40)이 형성된 저압형성부(M2)로 모여든 후, 상기 보울(40)의 형상에 의해 연소실(51) 전체로 분산되지 않고 스파크 플러그(61)의 근처로 모여들게 됨으로써, 상기 스파크 플러그(61)의 주변은 농후한 혼합기의 성층화가 이루어지게 되고, 이 결과 연소 성능을 보다 향상시킬 수 있게 되며, 아울러 탄화수소(HC)와 같은 배기가스의 배출을 대폭 저감시킬 수 있도록 된 것이다.

가솔린 직접 분사, GDI, 성층화, 보울, 고압, 저압, 오리피스

Description

가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드{Piston head for gasoline direct injection engine}

본 발명은 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소실 내로 직접 분사된 연료가 연소실 전체로 분산되지 않고 스파크 플러그 근처로 모일 수 있도록 유도하여, 연소 성능을 보다 향상시킴과 더불어 배기가스의 배출을 저감시킬 수 있도록 하는 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드에 관한 기술이다.

일반적으로, 내연 기관에서 피스톤은 엔진의 실린더 내부를 왕복 운동하여 팽창 행정에서 고온 고압의 가스 압력을 받아, 피스톤의 하부에 연결된 커넥팅 로드를 통하여 크랭크샤프트에 동력을 전달하는 엔진의 구성품으로서, 피스톤의 헤드부는 연소실의 일부를 형성한다.

상기 연소실은 실린더 헤드와 피스톤 등으로 구성되어 있으며, 연료와 공기의 혼합기를 효율이 우수하고 공해가 없도록 연소시키는 구조이어야 한다.

상기 연소실의 형상은 밸브 기구, 스파크 플러그의 부착 위치, 냉각방법, 피스톤 헤드의 형상 등에 따라 다르며, 엔진의 성능에 크게 영향을 미친다.

최근 자동차 엔진의 신기술의 하나로 인젝터로 연소실에 직접 연료를 분사하는 가솔린 직접 분사 엔진(Gasoline Direct Injection Engine)이 도입되고 있는 바, 상기 가솔린 직접 분사 엔진은 기존의 연료 분사 시스템인 포트 분사방식, 즉 흡기 매니폴드에 인젝터로 연료를 분사하여 흡기 매니폴드로 흡입되는 공기와 연료를 혼합한 다음 실린더 헤드의 연소실에 혼합기를 공급하는 방식에 비하여 연소 안전성이 높고 초 희박 상태에서의 연소가 가능한 장점이 있다.

상기 가솔린 직접 분사 엔진은 연소실에 직접 분사되는 연료가 스파크 플러그 주변에 모일 수 있도록 하는 것이 핵심 기술이며 매우 중요한 바, 이와 같이 연소실에 직접 분사된 연료가 스파크 플러그 주변에 모이도록 하는 것은 연소실의 구조에 의해 좌우되며, 연소실 구조의 하나를 차지하는 피스톤 헤드의 형상 또한 매우 중요하다.

본 발명은, 피스톤 헤드의 형상을 개선하여 연소실 내로 직접 분사된 연료가 스파크 플러그 근처로 모일 수 있도록 연료의 이동을 유도하는 성능을 한층 더 강화시킴으로써, 상기 스파크 플러그의 주변으로 농후한 혼합기의 성층화가 이루어질 수 있도록 하고, 이를 통해 연소 성능을 보다 향상시킬 수 있도록 하며 아울러 배기가스의 배출을 저감시킬 수 있도록 하는 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드는, 인젝터의 분사방향을 따라서 피스톤 헤드의 중심을 지나는 중심선이 결정될 때 상기 중심선을 따라 상기 피스톤 헤드의 중심에서 일정거리로 이격된 지점이 상기 피스톤 헤드의 윗면으로부터 가장 높게 돌출되는 최고돌출부로 형성됨과 더불어, 상기 최고돌출부에서 상기 중심선에 수직한 연장선을 따라 상기 피스톤 헤드의 바깥 둘레면을 향해 갈수록 점차적으로 돌출높이가 줄어들면서 상기 피스톤 헤드의 윗면과 동일한 높이가 되도록 형성된 돌기구조물과; 피스톤이 상사점(TDC) 위치에 도달할 때 상기 피스톤 헤드의 윗면과 연소실이 이루는 체적의 크기에 따라 상기 연장선을 기준으로 상대적으로 저압이 형성되는 부위의 상기 돌기구조물에 형성된 보울;을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드에 의하면, 인젝터를 통해 연소실 내로 직접 분사되는 연료가 피스톤의 상사점(TDC) 위치에 도달시 보울이 형성된 저압형성부로 모여든 후, 상기 보울의 형상에 의해 연소실 전체로 분산되지 않고 스파크 플러그의 근처로 모여들게 됨으로써, 상기 스파크 플러그의 주변은 농후한 혼합기의 성층화가 이루어지게 되고, 이 결과 연소 성능을 보다 향상시킬 수 있게 되며, 아울러 탄화수소(HC)와 같은 배기가스의 배출을 대폭 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한 다.

도 1에 도시된 바와 같이 피스톤(10)에서 피스톤 헤드(11)의 바깥 둘레면에는 다수개의 피스톤 링(21)이 결합되고, 상기 피스톤 헤드(11)의 윗면(11a)에는 본 발명에 따른 돌기구조물(30)이 일체로 구비되어 위쪽을 향해 돌출되며, 상기 돌기구조물(30)에 보울(40; bowl)이 형성된다.

상기 피스톤 헤드(11) 및 상기 돌기구조물(30)과 함께 연소실(51)을 구성하는 실린더 헤드(60)에는 스파크 플러그(61)와, 연소를 분사하는 인젝터(62) 및 흡,배기포트(63,64)가 구비된다.

상기 연소실(51)로 돌출된 상기 스파크 플러그(61)의 중앙은 상기 피스톤 헤드(11)의 윗면(11a)의 중심(C1)을 향하도록 장착된다.

따라서, 상기 인젝터(62)를 통해 상기 연소실(51)로 분사된 연료는 본 발명에 따라 상기 피스톤 헤드(11)의 윗면(11a)에 형성된 상기 돌기구조물(30) 및 상기 보울(40)에 의해 도 1에 도시된 화살표와 같은 흐름으로 상기 스파크 플러그(61)의 근처로 모일 수 있게 그 이동이 유도되며, 이를 통해 상기 스파크 플러그(61)의 주변에는 농후한 혼합기의 성층화가 이루어질 수 있게 된다.

이를 달성하기 위한 본 발명에 따른 상기 피스톤 헤드(11)의 형상에 대해서는 도 2와 도 3을 참조하게 자세히 설명한다.

먼저, 상기 피스톤 헤드(11)의 윗면(11a)에는 본 발명에 따른 돌기구조물(30)이 일체로 돌출 형성된다.

상기 돌기구조물(30)에는 상기 피스톤 헤드(11)의 윗면(11a)으로부터 가장 높게 돌출된 최고돌출부(31)가 구비되는데, 상기 최고돌출부(31)는 인젝터(62)의 분사방향(A1)을 따라서 피스톤 헤드(11)의 중심(C1)을 지나는 중심선(L1)이 결정될 때 상기 중심선(L1)을 따라 상기 피스톤 헤드(11)의 중심(C1)에서 일정거리로 이격된 지점(P1)에 형성된다.

또한, 상기 돌기구조물(30)은, 상기 최고돌출부(31)에서 상기 중심선(L1)에 수직한 연장선(L2)을 따라 상기 피스톤 헤드(11)의 바깥 둘레면을 향해 갈수록 점차적으로 돌출높이가 줄어들면서 상기 피스톤 헤드(11)의 윗면(11a)과 동일한 높이가 되도록 형성된다.

즉, 상기 최고돌출부(31)는, 상기 피스톤 헤드(11)의 중심(C1)에서 상기 중심선(L1)을 따라 상기 피스톤 헤드(11)의 반경(r1)에 대해 0.15배 내지 0.2배의 값으로 이격된 위치에 형성된다.

그리고, 상기 피스톤 헤드(11)의 윗면(11a)중에서 상기 연장선(L2)을 따라 상기 돌기구조물(30)이 형성되지 않은 부위는, 상기 연장선(L2)을 기준으로 좌측부와 우측부를 연결하는 오리피스 통로(12)가 된다.

한편, 상기와 같은 돌기구조물(30)을 구비한 피스톤(10)이 상사점(TDC) 위치에 도달할 때, 상기 피스톤 헤드(11)의 윗면(11a)과 상기 돌기구조물(30) 및 상기 연소실(51)이 이루는 체적의 크기에 따라 상기 연장선(L2)을 기준으로 상대적으로 고압이 형성되는 고압형성부(M1)와 상대적으로 저압이 형성되는 저압형성부(M2)로 나뉘어지게 된다.

즉, 피스톤(10)이 상사점(TDC) 위치에 도달할 때, 상기 연장선(L2)을 기준으 로 좌측부위는 상기 피스톤 헤드(11)의 윗면(11a)과 상기 돌기구조물(30) 및 상기 연소실(51)이 이루는 체적의 크기가 상기 연장선(L2)을 기준으로 우측부위보다 상대적으로 작은 크기를 갖게 됨으로써 고압형성부(M1)가 되고, 상기 연장선(L2)을 기준으로 우측부위는 좌측부위보다 상대적으로 큰 크기를 갖게 됨으로써 저압형성부(M2)가 되는 것이다.

본 발명에 따라 상기 보울(40)은 상기 피스톤(10)이 상사점(TDC) 위치에 도달할 때 상대적으로 저압이 형성되는 상기 저압형성부(M2)에 위치한 상기 돌기구조물(30)에 형성된다.

그리고, 상기 최고돌출부(31)는 상기 보울(40)이 형성되지 않는 방향으로 이격되어 형성된다.

또한, 상기 오리피스 통로(12)는 상기 고압형성부(M1)와 상기 저압형성부(M2)를 연결하는 통로인 것이다.

한편, 상기 돌기구조물(30)은 상기 최고돌출부(31)를 기준으로 상기 중심선(L1)을 따라서 상기 피스톤 헤드(11)의 바깥 둘레면을 향해 갈수록 점차적으로 돌출높이가 줄어드는 경사면으로 형성되는데, 그 중 상기 보울(40)이 형성되지 않은 어느 한쪽의 경사면(32)은 상기 중심선(L1)에 의해 수직한 방향으로 절단된 상기 피스톤 헤드(11)의 밸브포켓(13)과 평행한 각도를 이루도록 형성된다.

즉, 상기 최고돌출부(31)에서 상기 고압형성부(M1)쪽을 향해 연장된 상기 돌기구조물(30)의 경사면(32)은 상기 피스톤 헤드(11)의 밸브포켓(13)과 평행한 각도를 이루도록 형성되는 것이다.

따라서, 인젝터(62)를 통해 연료가 분사되고, 이와 함께 피스톤(10)이 압축행정으로 상사점(TDC) 위치에 도달하게 되면, 연장선(L2)을 기준으로 보울(40)이 형성된 부위는 큰 체적을 갖게 되어 저압형성부(M2)가 되고, 상기 보울(40)이 형성되지 않은 반대부위는 상대적으로 작은 체적을 갖게 되어 고압형성부(M1)가 된다.

이에 따라, 상기 고압형성부(M1)에 위치한 연료는 상기 저압형성부(M2)쪽으로 이동하게 된다. 특히 상기 고압형성부(M1)와 상기 저압형성부(M2)의 연결 통로인 오리피스 통로(12)를 통해 도시된 화살표 M3와 같이 빠르게 이동한다.

이와 같이, 상기 고압형성부(M1)에서 상기 저압형성부(M2)로 이동된 연료는 상기 저압형성부(M2)에 있던 연료와 함께 보울(40)의 형상을 연소실 전체로 분산되지 않고 스파크 플러그(61)의 근처로 모여들게 되며, 이로 인해 상기 스파크 플러그(61)의 주변은 농후한 혼합기의 성층화가 이루어지게 된다.

따라서, 본 발명 실시예는 연소 성능을 보다 향상시킬 수 있게 되며, 아울러 탄화수소(HC)와 같은 배기가스의 배출을 대폭 저감시킬 수 있게 된다.

도 1은 피스톤 헤드의 윗면에 본 발명에 따른 돌기구보물 및 보울을 구비한 피스톤이 연소실에 설치된 상태의 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 돌기구보물 및 보울을 구비한 피스톤 헤드의 평면도,

도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 - 피스톤 11 - 피스톤 헤드

11a - 윗면 12 - 오리피스 통로

30 - 돌기구조물 31 - 최고돌출부

40 - 보울 51 - 연소실

62 - 인젝터 A1 - 인젝터의 분사방향

C1 - 피스톤 헤드의 중심

L1 - 피스톤 헤드의 중심을 지나는 중심선

Claims

인젝터(62)의 분사방향(A1)을 따라서 피스톤 헤드(11)의 중심(C1)을 지나는 중심선(L1)이 결정될 때

상기 중심선(L1)을 따라 상기 피스톤 헤드(11)의 중심(C1)에서 일정거리로 이격된 지점이 상기 피스톤 헤드(11)의 윗면(11a)으로부터 가장 높게 돌출되는 최고돌출부(31)로 형성됨과 더불어, 상기 최고돌출부(31)에서 상기 중심선(L1)에 수직한 연장선(L2)을 따라 상기 피스톤 헤드(11)의 바깥 둘레면을 향해 갈수록 점차적으로 돌출높이가 줄어들면서 상기 피스톤 헤드(11)의 윗면(11a)과 동일한 높이가 되도록 형성된 돌기구조물(30)과;

피스톤(10)이 상사점(TDC) 위치에 도달할 때 상기 피스톤 헤드(11)의 윗면(11a)과 연소실(51)이 이루는 체적의 크기에 따라 상기 연장선(L2)을 기준으로 상대적으로 저압이 형성되는 부위의 상기 돌기구조물(30)에 형성된 보울(40);

을 구비한 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드.
청구항 1에 있어서, 상기 피스톤(10)이 상사점(TDC) 위치에 도달할 때 상기 피스톤 헤드(11)의 윗면(11a)과 연소실(51) 및 상기 돌기구조물(30)에 의해 형성되는 체적의 크기는,

상기 보울(40)이 형성된 어느 한쪽 부위가 상기 보울(40)이 형성되지 않은 반대쪽 부위보다 더 큰 체적을 갖도록 형성된 것;

을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드.
청구항 2에 있어서, 상기 최고돌출부(31)는,

상기 피스톤 헤드(11)의 중심(C1)에서 상기 중심선(L1)을 따라 상기 보울(40)이 형성되지 않는 방향으로 상기 피스톤 헤드(11)의 반경(r1)에 대해 0.15배 내지 0.2배의 값으로 이격된 위치에 형성된 것;

을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드.
청구항 3에 있어서, 상기 연장선(L2)에 위치한 상기 피스톤 헤드(11)의 윗면(11a)은,

상기 최고돌출부(31)를 기준으로 상기 보울(40)이 형성된 부위의 공간과 상기 보울(40)이 형성되지 않은 부위의 공간을 연결하는 오리피스 통로(12)로 형성된 것;

을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드.
청구항 3에 있어서, 상기 돌기구조물(30)은 상기 최고돌출부(31)를 기준으로 상기 중심선(L1)을 따라서 상기 피스톤 헤드(11)의 바깥 둘레면을 향해 갈수록 점차적으로 돌출높이가 줄어드는 경사면으로 형성되는데;

그 중 상기 보울(40)이 형성되지 않은 어느 한쪽의 경사면(32)은 상기 중심선(L1)에 의해 수직한 방향으로 절단된 밸브포켓(13)과 평행한 각도를 이루도록 형 성된 것;

을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진용 피스톤 헤드.