KR20180120698A - 공기-압축 내연기관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 피스톤(1)을 포함하는 공기-압축 내연기관에 관한 것으로서, 피스톤(1)은, 피스톤 축(2)에 대해서 실질적으로 회전 대칭적이고 실질적으로 원뿔형인 상승부(5)를 갖는 오목부 기부(4) 및 원주방향 오목부 벽(6)을 갖는, 연소실 오목부(3)를 갖는다. 오목부 벽(6)은, 오목부 기부(4)에 인접하고 최대 내부 제1 오목부 직경(d1)을 가지는 실질적으로 환상형 제1 부분(6a), 내부 제1 오목부 직경(d1)보다 작은 최소 내부 제2 오목부 직경(d2)을 갖는 제2 부분(6b), 및 제3 부분(6c)을 형성하고, 피스톤(1)의 경선 횡단면도(meridian cross-sectional view)로부터, 제1 부분(6a)은 오목한 제1 곡률 반경(R1)을 가지고, 제2 부분(6b)은 볼록한 제2 곡률 반경(R2)을 가지며, 그리고 제3 부분(6c)은, 제2 부분(6b)에 인접하는 제1 환형 표면(8)을 갖고, 피스톤 단부 표면(7) 내에서 종료되고 제1 환형 표면(8)과 각도(β)를 형성하는, 제2 환형 표면(9)을 형성한다. 제1 환형 표면(8) 및 제2 환형 표면(9)은 피스톤 축(2)에 수직인 평면(ε)에 대해서 경사지고, 규정된 제3 곡률 반경(R3)을 갖는 연부(11)가 제1 환형 표면(8)과 제2 환형 표면(9) 사이의 전이부 내에 형성된다. 검댕 형성의 발생을 방지하기 위해서, 제1 환형 표면(8)은 피스톤 축(2)에 수직인 평면(ε)과 함께, 피스톤(1)의 경선 횡단면도로부터, 10°내지 20°, 바람직하게 15.2°의 제1 각도(α)를 형성한다.

Description

공기-압축 내연기관

본 발명은, 피스톤 축에 실질적으로 회전 대칭적인 연소실 홈통(chamber trough)을 가지는, 특히 무-소용돌이 또는 저-소용돌이 연소를 위한, 적어도 하나의 왕복 피스톤을 포함하는 공기-압축 내연기관에 관한 것으로서, 그러한 홈통은 실질적으로 원뿔-유사 상승부를 가지는 홈통 하단부 및 원주방향 홈통 벽을 가지며, 홈통 벽은 홈통 하단부에 인접하고 최대 내부 제1 홈통 직경을 가지는 원환체-유사 제1 섹션을 형성하고, 그 이후에 수축부를 형성하고 내부 제1 홈통 직경보다 작은 최소 내부 제2 홈통 직경을 가지는 제2 섹션을 형성하고, 그리고 그 후에 홈통 테두리 섹션을 형성하는 제3 섹션을 형성하며, 경선 섹션(meridian section)에서 볼 때, 제1 섹션은 오목한 제1 곡률 반경을 가지고 제2 섹션은 볼록한 제2 곡률 반경을 가지며, 그리고 제3 섹션은 제2 섹션에 인접하는 제1 환형 표면 및 피스톤 단부 표면에서 종료되는 제2 환형 표면에 의해서 형성되는 단차부를 형성하고, 제2 환형 표면은 제1 환형 표면과 함께 각도를 형성하며, 제1 환형 표면 및 제2 환형 표면은 제1 환형 표면 상의 수직 평면에 대해서 경사지도록 형성되고, 제1 및 제2 환형 표면 사이의 전이부에서, 연부가, 규정된 제3 곡률 반경으로 형성된다. 또한, 본 발명은 적어도 하나의 그러한 피스톤을 갖는 공기-압축 내연기관에 관한 것이고, 피스톤 축의 영역 내에서, 적어도 하나의 연료 제트가 피스톤의 적어도 하나의 행정 위치에서 제2 섹션과 만나도록 그리고 연료 제트가 제2 섹션을 통해서 제1 섹션을 향해서 지향된 제1 제트 부분 및 제3 섹션을 향해서 지향된 제2 제트 부분으로 분할될 수 있도록, 주입 장치가 배열된다.

DE 10 2011 055 170 A1로부터, 연소실을 가지는 디젤 엔진 피스톤이 공지되어 있고, 이는 그 내부 벽으로부터 연소실의 중앙 축까지 돌출되는 프로파일 표면을 가지고, 내부 벽 상에서, 내부 벽으로부터 미리 결정된 길이로 연장되는 돌출부를 갖는다. 돌출부는 그러한 돌출부 상으로 분무되고 무화된(atomized) 주입 연료를 연소실의 상부 섹션 내의 연료 유동 및 하부 섹션 내로의 연료 유동으로 분할한다. 이러한 경우에, 연소실 홈통은, 연소실 내에서 소용돌이, 와동(vortex) 또는 스핀 형성 유동을 활성화시키는, 중앙 상승부에 의해서 형성된 코어를 포함한다. 결과적으로, 연소실 내로 유동되는 연료 및 공기의 혼합이 개선되고 혼합비가 증가될 수 있다.

DE 103 92 141 B4는, 연소 홈통을 떠나는 연료의 적어도 일부를 전환하기 위한 연료 안내 구조물로 연소 홈통을 둘러싸는, 내연기관용 피스톤을 설명한다. 피스톤은 연소 홈통에 대한 접근부에 인접한 피스톤의 외부 표면 상에 배치된 뾰족한 연부, 및 연소 홈통 내에 위치된 둥근 연료 수용 립(lip)을 포함한다.

또한, EP 2 708 714 A2는 주입된 연료 제트가 공기와의 혼합을 위한 소용돌이 또는 짓누르는(squish) 유동을 생성하도록 오목한 형상을 가지는 연소실 홈통을 갖는 디젤 엔진용 연소실을 개시한다.

DE 10 2006 020 642 A1은, 피스톤으로의 전이 영역 내에서 실질적으로 환형인 단차부 공간으로 수렴하는, 피스톤 홈통 내에 형성된, 피스톤 홈통을 각각 가지는 피스톤을 갖는 직접-주입 자가-점화 내연기관의 동작 방법을 설명한다. 따라서, 주입기의 주입 제트가 단차부 공간으로 안내되고 그 곳에서 편향되며, 그에 따라 연료의 제1 부분량이 축방향 및 반경방향으로 피스톤 홈통 내로 편향되고, 연료의 제2 부분량이 축방향 및 반경방향으로 피스톤 크라운을 넘어서 연소실 내로 편향되고, 그리고 연료의 제3 부분량이 원주방향으로 편향되며, 인접한 주입 제트들의 각각의 제3 부분량들이 원주방향으로 만나고 이어서 반경방향 내향으로 지향된다. 단차부 공간의 벽은 축방향으로 직선적인 원주방향 주변 벽에 의해서, 반경방향으로 직선적인 편평한 하단부에 의해서, 그리고 오목하게 곡선화된 전이 벽에 의해서 형성된다. 이는, 검댕 및 연기 발생을 감소시키면서 동작될 수 있어야 한다. 비록, 주변 벽이 축방향에 대해서 +10°내지 -30°로 틸팅될 수 있고 하단부가 반경방향에 대해서 + 30°내지 -40°범위로 틸팅될 수 있는 것으로 표시되어 있지만, 이러한 수단의 목적 및 효과에 대해서는 설명되지 않는다.

CN 103 046 997 A는 경사진 하단부 및 벽을 갖는 단차부 공간을 구비한 디젤 내연기관을 위한 유사한 피스톤을 보여주고, 하단부는 8°내지 12°의 각도로 피스톤 축 상의 수직 평면에 대해서 경사지고, 벽은 80°내지 100°로 피스톤 축에 대해서 경사진다. 결과적으로, 단차부 공간의 지역 내에서, 주입된 연료의 소용돌이가 생성되고, 이는 연소실 천장을 향해서 그리고 이어서 피스톤 축을 향해서 지향된다.

문헌 CN 2010 74 556 Y, WO 2005/033496 A1 및 CN 202 611 915 U는 자가-점화 내연기관을 위한 단차부 공간을 갖는 유사한 피스톤을 더 개시하고, 피스톤 단부 측면에 인접한 단차부 공간의 홈통 벽은 피스톤 축에 평행하게 형성된다. 피스톤의 단차부와 만나는 주입 연료의 연료 제트는, 이러한 경우에, 연소실 천장의 방향으로 편향되고 그리고 다시 역으로 피스톤 축 또는 홈통 축으로 편향된다.

설명된 피스톤은 특히 소용돌이 연소 프로세스를 위해서 설계된다.

무-소용돌이 연소 프로세스에서, 제1 섹션 및 제3 섹션의 영역 내에서 정체 구역 및 연료 침착이 발생됨으로 인해서, 공지된 피스톤은 상당한 검댕을 형성하고 검댕을 침착시키는 경향이 있다는 것이 발견되었다.

본 발명의 목적은, 특히 무-소용돌이 연소에서, 이러한 단점을 방지하고 언급된 유형의 내연기관 내의 피스톤 상의 검댕 형성 현상을 감소시키는 것이다.

본 발명에 따라, 이는, 피스톤의 경선 섹션에서 볼 때, 제1 환형 표면은 피스톤 축에 수직인 평면과 함께 10°내지 20°, 바람직하게 15.2°의 제1 각도를 형성하는 것으로 발생된다.

본 발명으로 인해서, 연소 중에, 특히 소용돌이 유동의 발생 중에 생성될 수 있는, 과농 구역(fat zone)의 형성이 방지된다. 그에 따라 검댕의 형성이 상당히 감소된다. 결과적인 소용돌이 구역은 실린더 헤드의 열적 경감(thermal relief)을 초래하는데, 이는 적은 열 입력이 발생되기 때문이다.

피스톤의 경선 섹션은, 연소실 홈통에 수직으로 연장되는, 피스톤의 피스톤 축을 따른 섹션을 의미하는 것으로 이해된다. 따라서, 경선 섹션은, 연소실 홈통에 수직이고 피스톤 축에 평행하거나 그와 일치되는 경선 평면을 제공한다.

복잡한 실험 및 계산에서, 언급된 특징과 함께, 제1 환형 표면과 피스톤 축 상의 수직 평면 사이의 제1 각도가 10°내지 20°일 때, 정체 구역이 제3 섹션 내의 홈통 벽 상에서 방지될 수 있다는 것이 인식되었다. 제1 각도가 15°보다 약간 더 클 때, 최적의 결과가 달성될 수 있다. 또한, 제3 섹션의 영역 내의 검댕 형성을 방지하기 위해서, 피스톤의 경선 섹션에서 볼 때, 제1 환형 표면이 제2 환형 표면과 약 100°내지 150°, 바람직하게 약 125°의 제2 각도를 형성하는 경우에 특히 유리하다.

특히, 제2 환형 표면이 피스톤 축과 약 15°내지 25°, 바람직하게 21°의 제3 각도를 형성하는 것이 유리하다. 결과적으로, 연료 제트는 실린더 벽의 방향으로 제2 환형 표면을 따라서 안내되고, 실린더 벽과의 직접적인 접촉이 방지될 수 있다. 이는, 완전한 저-배출 연소를 위한 이용 가능한 신선 가스 장입(available fresh gas charge)의 최대 획득을 지원한다. 이러한 경우에, 연료 펄스는, 주입 제트에 반대되는 회전 형태로 형성된 장입 이동을 생성한다. 이는, 실린더 헤드의 화이어 데크(fire deck)에 의해서 형성된 연소실 천장과 피스톤 사이의 지역 내에서, 그리고 피스톤과 홈통 하단부 사이 모두에서 발생된다. 결과적인 회전 롤러는 연료 제트에 의해서 더 연료 공급되고(fueled) 그에 따라 거의 균질한 연료/공기 혼합을 허용한다. 결과적으로, 양호한 그리고 저-배출 연소가 달성될 수 있다.

바람직하게 원뿔형 표면으로 설계된 제1 및 제2 환형 표면은, 연료 유동을 반경방향으로부터 축방향으로 편향시키는 단차부를 형성한다. 제1 및 제2 환형 표면 사이의 편향은 급격하게 발생된다. 놀랍게도, 그에 의해서, 연속적인 편향의 경우보다 실질적으로 더 적은 검댕 형성 현상이 관찰될 수 있다는 것이 발견되었다. 이러한 관찰은, 축방향을 따른 급격한 유동 편향의 결과로서, 즉각적으로 침착 연료를 비말 동반시키거나 심지어 침착을 방지하는, 접선방향 축 주위의 속력의 증가 및 강력한 와동 또는 롤링 운동이 발생된다는 사실에 의해서 설명될 수 있다. 적어도 하나의 주입된 연료 제트는 공기 및 연료의 2개의 대향된 소용돌이 롤러로 각각 구성된 와동 또는 롤링 운동을 개시한다. 제1 및 제2 환형 표면 사이의 전이부 내의 침착을 방지하기 위해서, - 피스톤의 가장 큰 직경을 기초로 - 제3 곡률반경이 0.012 ± 50%인 것이 유리하다.

2개의 제트 부분으로의 명백한 분할을 달성하기 위해서, 내부 제2 홈통 직경이 내부 제1 홈통 직경의 약 95% 이하인 것이 유리하다. 연료 제트의 분할을 위해서, - 피스톤의 가장 큰 직경을 기초로 - 제2 곡률 반경이 0.02 ± 50%인 것이 유리하다.

- 피스톤의 가장 큰 직경을 기초로 - 연소실 홈통이 제1 섹션의 영역 내에서 약 0.7 ± 20%(즉, 피스톤의 가장 큰 직경의 0.7 배)의 내부 제1 직경을 가지고 제2 섹션의 영역 내에서 0.65 ± 20%(즉, 피스톤의 가장 큰 직경의 0.65 배)의 내부 제2 직경을 가질 때, 특히 양호한 결과가 달성될 수 있다는 것을 실험이 보여주었다.

홈통 하단부를 향해서 지향된 명백한 제1 소용돌이 롤러를 생성하기 위해서, - 피스톤의 가장 큰 직경을 기초로 - 제1 곡률 반경이 0.06 ± 50%(즉, 피스톤의 가장 큰 직경의 0.06 배)인 것이 유리하다.

제1 환형 표면 및/또는 제2 환형 표면이 원뿔형 표면으로서 형성될 때, 실린더 헤드로 지향된 명백한 제2 소용돌이 롤러가 가능해진다. 단차형 제3 섹션 및 각도형 환형 표면은 실린더 헤드의 화이어 데크의 열적 부하를 감소시킨다. 유입구 채널이 소용돌이를 생성하지 않고 그에 따라 작은 유동 손실을 가지기 때문에, 더 큰 장입 질량이 유입구 채널을 통해서 연소실 내로 진입될 수 있다. 그에 따라, 공기/연료비가 동일하게 유지되는 경우에, 더 많은 연료가 공급될 수 있고, 이는 주어진 배기량(displacement)에서의 최대 파워를 증가시킬 수 있게 한다. 또한, 피스톤 설계는 피스톤으로의 열 전달을 감소시킬 수 있게 하고 그에 따라 피스톤 상의 열 손실을 감소시킬 수 있게 한다.

제3 섹션 내의 검댕 형성 현상을 방지하기 위해서, - 피스톤의 가장 큰 직경을 기초로 - 제3 곡률 반경이 0.012 ± 50%(즉, 피스톤의 가장 큰 직경의 0.012 배)인 것이 제공될 수 있다.

그러한 피스톤은 특히 무-소용돌이 또는 저-소용돌이 유입구 채널 구조물을 갖는 내연기관에 적합하고, 피스톤 축 주위의 연소실 내의 유동의 소용돌이의 수는 1 이하이다. 그러한 유입구 구조물은, 공기가 연소실 내로 유동될 때 소용돌이가 생성되지 않거나 거의 생성되지 않도록 설계된, 저-소용돌이 통로로서 실린더 헤드 내에 형성된 흡기 통로의 형상 및 배열을 의미한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 내연기관은 무-소용돌이 연소 프로세스에 따라 동작된다. 이는, 작은 유입구 소용돌이만이 허용되거나 필수적이거나 소용돌이가 허용되지 않거나 필수적이지 않은 그리고 피스톤 축 주위에서 실질적으로 장입 회전을 가지지 않는, 연소 프로세스를 포함한다.

소용돌이-생성 유입구 구조물과 비교하면, 무-소용돌이 또는 저-소용돌이 유입구 구조물은, 유동 손실이 감소될 수 있고 그에 따라 전달 정도가 개선될 수 있다는 장점을 갖는다. 이는 주어진 배기량에 대한 더 높은 최대 파워를 허용한다. 유입구 채널이 더 단순하고 더 짧게 만들어질 수 있다.

본 발명의 특히 유리한 실시예 변형에서, 상사점에 위치된 피스톤의 경선 섹션 내에서, 주입 장치의 적어도 하나의 제트 축이 피스톤 홈통을 피스톤의 홈통 하단부에 인접하는 하부 영역 및 연소실 천장의 방향으로 하부 영역에 인접하는 상부 영역으로 분할하는 것이 제공되고, 그러한 하부 영역은 전체 연소실 홈통의 약 54% 내지 62%, 바람직하게 56%이고 상부 영역은 약 38% 내지 46%, 바람직하게 44%이다.

홈통 벽이, 적어도, 제2 섹션 상의 연료 제트의 영향 지역(impact area) 내에서 코-유사 돌출부를 가지는 경우에, 주입 제트와 신선한 공기의 특히 양호한 혼합이 달성될 수 있고, 그러한 돌출부는 바람직하게 제1 섹션 및/또는 제3 섹션의 영역 내로 계속된다. 코-유사 돌출부는 바람직하게 피스톤의 반경방향 축을 포함하는 피스톤 축에 대해서 실질적으로 대칭적으로 형성된다.

연료 제트는 코-유사 돌출부에 의해서 제1 제트 아암 및 제2 제트 아암으로 분할되고, 2개의 혼합물 와동은 상이한 회전 방향 하에서 발생된다. 제트 분할은 연소를 위한 이용 가능한 신선 공기의 최적의 이용을 허용한다. 볼록하게 둥근 코-유사 돌출부의 결과로서, 연료 제트의 운동 에너지가 반경방향 평면의 양 측면 상의 연소실 홈통 내에서 가능한 한 적은 손실로 편향될 수 있다. 연료 제트의 제트 펄스 및 홈통 벽의 코-유사 돌출부의 형상은, 제2 섹션 내의 리브-유사 원주방향 돌출부를 통한 이중 롤링 운동에 더하여, 연소실 홈통 내의 이중 소용돌이 운동을 생성한다. 이들 모두의 조합은 신선 공기의 최적의 이용을 허용한다. 실린더 헤드에 의해서 형성된 연소실 천장의 방향으로 제1 환형 표면과 제2 환형 표면 사이의 단차형 설계는 실린더 헤드 상의 고온 연소 구역의 영향을 더 넓은 지역으로 분배하고, 그에 의해서 국소적으로 매우 높은 열적 부하 피크를 방지하거나 감소시키며, 그에 따라 실린더 헤드 상의 열적 부하를 감소시킨다.

본 발명은 도면에 도시된 비제한적인 실시예를 참조하여 이하에서 더 구체적으로 설명된다.

도 1은 제1 실시예의 경선 섹션에서 본 발명에 따른 내연 기관의 피스톤을 도시한다.
도 2는 이러한 피스톤의 상세 부분을 도시한다.
도 3은 이러한 피스톤을 평면도로 도시한다.
도 4는 무-소용돌이 또는 저-소용돌이 유입구 채널 구조물을 평면도로 도시한다.
도 5는 피스톤의 상사점에서의 피스톤의 연소실의 유동 상황을 도시한다.
도 6은 피스톤의 상사점 이후의 10°에서의 피스톤의 연소실의 유동 상황을 도시한다.
도 7은 피스톤의 상사점 이후의 20°에서의 피스톤의 연소실의 유동 상황을 도시한다.
도 8은 피스톤의 상사점 이후의 40°에서의 피스톤의 연소실의 유동 상황을 도시한다.
도 9는 피스톤의 상사점에서의 피스톤의 연소실의 검댕 형성 상황을 도시한다.
도 10은 피스톤의 상사점 이후의 10°에서의 피스톤의 연소실의 검댕 형성 상황을 도시한다.
도 11은 피스톤의 상사점 이후의 20°에서의 피스톤의 연소실의 검댕 형성 상황을 도시한다.
도 12는 피스톤의 상사점 이후의 40°에서의 피스톤의 연소실의 검댕 형성 상황을 도시한다.
도 13은 피스톤의 상사점 이후의 10°에서의 피스톤의 연소실의 유동 상황을 도시한다.
도 14는 피스톤의 상사점 이후의 25°에서의 본 발명에 따른 피스톤의 연소실의 유동 상황을 도시한다.
도 15는 도 16의 선 XV-XV를 따른 경선 섹션 내의 제2 실시예 변형의 본 발명에 따른 내연 기관의 피스톤을 도시한다.
도 16은 도 15의 선 XVI-XVI을 따른 섹션으로 이러한 피스톤을 도시한다.

도 1은 (상세하게 구체적으로 도시되지 않은) 공기-압축 내연기관의 피스톤(1)을 도시한다. 피스톤(1)은, 피스톤 축(2)을 기초로, 특히 최대 1의 연소실 내의 소용돌이의 수를 갖는 내연기관을 위한, 무-소용돌이 또는 저-소용돌이 유입구 채널 구조물(20)을 갖는 내연기관에 특히 적합하다. 저-소용돌이 채널로서 형성된 유입구 채널(21, 22)을 갖는 가능한 저-소용돌이 또는 무-소용돌이 유입구 구조물의 예가 도 4에 도시되어 있다. 2개의 유입구 채널(21, 22)의 소용돌이 성분들이 서로 상쇄되도록, 2개의 유입구 채널(21, 22)이 대칭적으로 형성된다.

피스톤 축(2)에 회전 대칭적으로 형성된 연소실 홈통(3)이 피스톤(1) 내에 형성된다. 연소실의 적어도 큰 부분을 형성하는 피스톤(1)의 연소실 홈통(3)은 원뿔-형상의 중앙 상승부(5)를 갖는 홈통 하단부(4) 및 원주방향 홈통 벽(6)으로 구성된다. 홈통 하단부(4)로부터 시작하여, 홈통 벽(6)은 제1 섹션(6a), 인접한 제2 섹션(6b), 및 제2 섹션(6b)에 인접한 제3 섹션(6c)을 가지며, 제3 섹션(6c)은 실린더 헤드(미도시)에 대면되는 피스톤 단부 면(7)에 인접하고 홈통 연부 영역(12)을 형성한다.

제1 섹션(6a)에서, 홈통 벽(6)은 원형 원환체의 형상으로 적어도 부분적으로 형성되고, 피스톤(1)의 경선 섹션에서 볼 때, 제1 섹션(6a)의 오목한 제1 곡률 반경(R1)은 피스톤(1)의 가장 큰 직경(D)의 약 0.06 ± 50%이다. 제1 섹션(6a)의 영역에서, 연소실 홈통(3)은 피스톤(1)의 최대 직경(D)의 약 0.7 ± 20%의 내부 제1 직경(d1)을 갖는다. 제2 섹션(6b)의 영역에서, 홈통 벽(6)은 후퇴되고 돌출되게 형성되며, 제2 섹션(6b)의 영역 내에서 측정된 내부 제2 홈통 직경(d2)은 내부 제1 홈통 직경(d1)의 약 95%의 최대치를 갖는다. 최대 피스톤 직경(D)을 기초로, 내부 제1 홈통 직경(d1)은 약 0.65 ± 20%이다.

도 1 및 도 2에 도시된 피스톤(1)의 경선 섹션에서 볼 때, 홈통 벽(6)은 제2 섹션(6b) 내에서 볼록하게 곡선화되고 피스톤(1)의 가장 큰 직경(D)의 약 0.02 ± 50%의 제2 곡률 반경(R2)을 갖는다. 홈통 벽(6)은 제1 섹션(6a)과 제2 섹션(6b) 사이에서 연장되도록 설계되고, 직선형 섹션(8)이 제1 곡률 반경(R1)과 제2 곡률 반경(R2) 사이에 또한 형성될 수 있다. 대안적으로, 제1 곡률 반경(R1)이 전환점을 통해서 제2 곡률 반경(R2)으로 직접적으로 전이될 수 있다.

홈통 벽(6)의 제3 섹션(6c)은 제1 환형 표면(8) 및 제2 환형 표면(9)으로 구성되고, 제1 환형 표면(8)은 제2 섹션(6b)의 제2 곡률 반경(R2)에 직접적으로, 즉 연속적이고 전이부 없이, 연결되고 피스톤 단부 면(7) 내에서 종료된다. 예시적인 실시예에서 제2 환형 표면(9)과 피스톤 단부 면(7) 사이의 섹션 라인은, 피스톤(1)의 가장 큰 직경의 약 80%의 직경(16)을 갖는다. 바람직하게, 제1 환형 표면(8) 및 제2 환형 표면(9)은 원뿔형 표면들에 의해서 형성된다. 도 1 및 도 2에 도시된 피스톤(1)의 경선 섹션에서, 제1 환형 표면(8)은 피스톤 축(2) 상의 수직 평면(ε)과 약 10°내지 20°, 바람직하게 15.2°의 제1 각도(α)를 형성한다. 제1 환형 표면(8)에 인접하는 제2 환형 표면(9)은 제1 환형 표면(8)에 대해서 경사지도록 설계되고, 제1 환형 표면(8)은 제2 환형 표면(9)과 약 100°내지 150°, 바람직하게 약 125°의 제2 각도(β)를 형성한다. 피스톤 축(2) 또는 피스톤 축(2)에 평행한 라인과 관련하여, 제2 환형 표면(9)은 약 15°내지 25°, 바람직하게 약 21°의 제3 각도(γ)만큼 경사져 형성된다. 제1 환형 표면(8)과 제2 환형 표면(9) 사이에, 규정된 연부(11)가 형성된다. 연부(11)에 의해서 형성된 제1 환형 표면(8)과 제2 환형 표면(9) 사이의 급격한 전이부는, 실린더 헤드 상의 열적 부하의 감소를 위해서 유리하다. 그러나, 다른 한편으로, 연료가 축적될 수 있는 정체 구역이 반드시 방지되어야 한다. 제1 환형 표면(8)과 제2 환형 표면(9) 사이의 제3 곡률 반경(R3)이 피스톤(1)의 가장 큰 직경(D)의 약 0.012 ± 50% 이하일 때, 최적의 결과가 얻어질 수 있다는 것을 실험이 보여주었다.

예시된 예시적인 실시예에서, 최대 홈통 깊이(13)는 피스톤(1)의 최대 직경(D)의 약 0.16 배이고, 중앙 상승부(5)의 지역 내에서 측정된 최소 홈통 깊이(14)는 피스톤(1)의 최대 직경(D)의 약 0.061 배이다. 피스톤 축(2)을 향하는 방향으로 피스톤 단부 면(7)으로부터 측정된 제2 섹션(6b)의 높이는 피스톤(1)의 최대 직경(D)의 약 4%이다. 원뿔형 상승부(5)는 피스톤 축(2) 상의 수직 평면과 약 20°내지 30°의, 예에서 약 23°의 각도(δ)를 형성한다. 상승부는 제4 곡률 반경(R4)을 가지며, 이는 피스톤(1)의 가장 큰 직경(D)의 약 6%이다.

도 1에 표시된 바와 같이, 연료는 실린더 내의 중앙에 배치된 주입 장치(10)를 통해서 주입되고, 피스톤(1)의 적어도 하나의 행정 위치에서 연료는 홈통 벽(6)의 제2 섹션(6b) 상에 충돌한다. 사라진 또는 크게 감소된 소용돌이로 인해서, 연료 제트들이 서로의 내부로 송풍되어 높은 검댕 형성을 초래할 수 있는 위험이 없다. 결과적으로, 비교 가능한 공지된 소용돌이-포함 방법에 비해서, 더 많은, 예를 들어 9개 초과의 제트가 본 소용돌이-감소 방법에서 제공될 수 있고, 이는 연료/공기 혼합물 형성을 더 지원한다.

상사점(OT)에 위치된 피스톤(1)의 경선 섹션에서 볼 때, 주입 장치(10)의 주입 제트(S)의 적어도 하나의 제트 축(Sa)이 연소실 홈통(3)을 하부 영역(3a) 및 상부 영역(3b)으로 세분하도록, 피스톤(1)의 기하형태 및 주입 장치(10)의 주입 방향이 조율되고, 하부 영역(3a)은 연소실 홈통(3)(도 1)의 전체 영역의 약 54% 내지 62%, 바람직하게 56%이고, 상부 영역(3b)은 약 38% 내지 46%, 바람직하게44%이다.

여기에서, 연료 주입의 시작은 피스톤(1)의 상사점(OT) 전의 -6°내지 0°범위의 크랭크 각도(crank angle)에서 선택된다. 주입 지속시간은 35°내지 42°의 크랭크 각도의 범위이다. 연소실 홈통(3)의 상부 영역과 하부 영역 사이의 특히 44 내지 56의 이러한 선택된 분할을 통해서, 상사점(OT) 전의 2°에서의 주입의 시작과 조합되어, 연소실 내에서 이용 가능한 공기 질량이 거의 완전하게 획득되고, 이는 후속하여 매우 적은-배출의 연소를 초래한다. 이러한 분할이, 상사점(OT) 이후의 피스톤 위치 10°로, 도 13에 도시되어 있다. 연소 프로세스 중에 발생되는 검댕 형성은 거의 균질한 연료/공기 혼합에 의해서 거의 완전히 억제된다. 이러한 기존 공기 질량의 이용은 또한 빠른 완전-연소 속력(high burn-through speed)을 갖는 매우 효율적인 연소를 초래하고, 이는 매우 양호한 연료 소비로 반영된다. 이러한 질량 분배는, 미래의 배출 기준에 또한 매우 적합한 디젤 연소 프로세스를 허용한다.

연료 제트(S)는 제2 섹션(6b)의 리브-유사 돌출부에 의해서 하부 제1 제트 부분(S1) 및 상부 제2 제트 부분(S2)으로 분할되어, 상이한 회전방향들을 갖는 제1 소용돌이 롤러(T1) 및 제2 소용돌이 롤러(T2)를 형성한다. 제트 분할은 연소를 위한 기존 신선 공기의 이상적인 이용을 허용한다. 볼록하게 둥글고 돌출된 제2 섹션(6b)으로 인해서, 연료 제트(S)의 운동 에너지가, 가능한 한 적은 손실로, 연소실 홈통(3) 내로 편향될 수 있다. 연료 제트(S)의 제트 펄스 및 홈통 벽(6)의 형상은 연소실 홈통(3) 내에서 이중 와동 또는 롤러 이동을 생성하고, 이는 신선 공기의 최적의 이용을 가능하게 한다. 실린더 헤드의 방향으로 제1 환형 표면(8)과 제2 환형 표면(9) 사이의 단차형 설계는 실린더 헤드 상의 고온 연소 구역의 영향을 더 넓은 지역으로 분배하고, 그에 의해서 국소적으로 매우 높은 열적 부하 피크를 방지하거나 감소시키며, 결과적으로 실린더 헤드 상의 열적 부하가 감소될 수 있다.

도 5 내지 도 8은 상이한 크랭크샤프트 각도들에 대한 피스톤 홈통(3)의 유동 상황을 도시하고, 공기 유동에 대한 속도 벡터(v) 및 연료 유동이 도시되어 있다. 공기/연료비가 그레이 스케일(gray scale)로 표시되어 있고, 연료 농도(f)가 높을수록, 더 어두운 그레이 레벨로 채색된다. 도 5는 피스톤(1)의 상사점의 영역 내의 유동 상황을 도시하고, 도 6은 피스톤(1)의 상사점 이후의 10°에서의 유동 상황을 도시하며, 도 7은 상사점 이후의 20°에서의 유동 상황을 도시하고, 도 8은 상사점 이후의 40°에서의 유동 상황을 도시한다. 도 8에서, 연소실 홈통(3) 내의 현저한 혼합물 희박화(leaning)에 의해서, 비교적 낮은 연료 농도(f) 만이 결정될 수 있다는 것이 명확하게 확인될 수 있다.

도 9 내지 도 12는 상이한 크랭크샤프트 각도들에 대한 피스톤 홈통(3) 내의 검댕 형성 상황을 도시하고, 검댕 농도(ST)는 그레이 스케일에 의해서 표시되었다. 검댕 농도(ST)가 높을수록, 더 어두운 그레이 레벨로 채색된다. 도 9는 피스톤(1)의 상사점의 영역 내의 검댕 상황을 도시하고, 도 10은 상사점 이후의 10°에서의 검댕 상황을 도시하며, 도 11은 상사점 이후의 20°에서의 검댕 상황을 도시하고, 도 12는 피스톤(1)의 상사점 이후의 40°에서의 검댕 상황을 도시한다. 도 12에서, 연소실 홈통(3) 내의 검댕 농도(ST)가 실질적으로 현저하지 않다.

도 13 및 도 14는, - 약 15°내지 25°, 바람직하게 21°의 - 피스톤 축(2)과 제2 환형 표면(9) 사이에 형성된 제3 각도(γ)의 본 발명에 따른 선택의 효과를 매우 분명하게 보여준다. 제2 환형 표면(9)의 그러한 경사로 인해서, 연료 제트(S)는 실린더 벽(28)의 방향으로 지향되고, 실린더 벽(28)과의 직접적인 접촉이 방지될 수 있다. 이는, 완전한 저-방출 연소를 위한 이용 가능한 신선 가스 장입의 최대 획득을 지원한다. 이러한 경우에, 연료 펄스는, 주입 제트(S)의 반시계방향 회전 형태로 형성된 장입 이동을 생성한다. 이는 피스톤(1)과 연소실 천장(29) 사이의 그리고 피스톤(1)과 홈통 하단부(4) 사이의 지역 모두에서 발생된다. 그에 따라, 결과적인 회전 롤러(T1, T2)는 연료 제트에 의해서 더 연료 공급되고 그에 의해서 대략적으로 균질한 연료/공기 혼합을 허용한다. 이는, 매우 양호한 그리고 저-배출 연소가 달성될 수 있다. 이러한 효과가, 상사점(OT) 이후의 피스톤 위치 25°로, 도 14에 도시되어 있다. 각도(γ)가 특정된 15°보다 작은 경우에, 연료 제트(S)는 연소실 홈통(3) 내로 다시 반사되고, 그에 의해서 신선 공기와의 혼합이 악화된다. 그러나, 각도(γ)가 25°보다 크다면, 연료에 의한 실린더 벽(28)의 습윤이 배제될 수 없다.

도 15 및 도 16은 본 발명의 제2 실시예를 도시하고, 여기에서 홈통 벽(6)은, 리브-유사 원주방향 돌출부에 더하여, 부가적인 코-유사 돌출부(30) 또는 주걱-유사 또는 돔(dome)-유사 함몰부(31)를 제2 영역(6b) 내에서 갖는다. 편리하게, 주입 제트(S) 또는 주입 장치(10)의 주입 홀(10)마다, 코-유사 돌출부(30)가 제공된다. 코-유사 돌출부(30)는 반경방향으로 연소실 홈통(3) 내로 돌출되고, 유리하게, 피스톤 축(2) 및 주입 축(Sa)에 의해서 형성된 반경방향 평면(τ)에 실질적으로 대칭적으로 형성된다. 코-유사 돌출부(30) 및 오목부(31)의 결과로서, 앞서 설명한 주입 제트(S)의 분할 효과가 원주방향으로 확장된다. 질량 분할의 효과는 주입 홀 또는 주입 제트(S)마다 2개의 오목부(31)의 엠보싱에 의해서 원주방향으로 보완된다. 피스톤 축(2)으로부터의 코-유사 돌출부의 제거가 E1에 의해서 표시되어 있고, 오목부(31)의 제거는 E2에 의해서 표시되어 있다. E1 대 E2의 비율은 유리하게 0.75 내지 0.95이고, 8.88이 특히 바람직한 것으로 도시되었다. 다른 기하형태적 특성은 제1 실시예와 동일하다. 이러한 기하형태적 배열은 원주방향으로 동일한 부분으로 연료 제트(S)를 제트 아암(A1 및 A2)으로 분할하고, 그에 따라 2개의 반대-회전 혼합물 와동(W1 및 W2)의 형성을 지원한다. 결과적으로, 이용 가능한 대기 산소가 연소에 이상적으로 공급되고, 이는 매우 적은 검댕 형성 및 구체적인 연료 소비로 반영된다. 도 16은 이러한 효과를 도시한다. 코-유사 돌출부(30)는 제2 섹션(6b) 내의 원주방향 돌출부와 유사하게 볼록하게 곡선화되고, 코-유사 돌출부(30)의 곡률 반경(R5)은, 예를 들어, 피스톤(1)의 직경(D)의 0.02 내지 0.03 +/- 50%일 수 있다.

연료 제트(S)는, 도 15 및 도 16에 도시된 실시예에서 제1 섹션(6a)으로부터 제2 섹션(6b)을 통해서 제3 섹션(6c)까지 연장되는, 코-유사 돌출부(30)를 통해서 하부 제1 제트 아암(A1) 및 제2 제트 아암(A2)으로 분할되고, 제1 혼합물 와동(W1) 및 제2 혼합물 와동(W2)은 상이한 회전 방향들로 발생된다. 제트 분할은 연소를 위한 기존 신선 공기의 최적의 이용을 허용한다. 볼록하게 둥근 코-유사 돌출부(30)의 결과로서, 연료 제트(S)의 운동 에너지가 반경방향 평면(τ)의 양 측면 상의 연소실 홈통(3)로 가능한 한 적은 손실로 편향될 수 있다. 연료 제트(S)의 제트 펄스 및 홈통 벽의(6) 코-유사 돌출부(30)의 형상은, 제2 섹션(6b) 내의 리브-유사 원주방향 돌출부에 의한 이중 롤링 운동에 의해서 보완되는, 연소실 홈통(3) 내의 이중 소용돌이 이동을 생성한다. 이들 모두가 함께 신선 공기의 최적의 이용을 허용한다. 실린더 헤드에 의해서 형성된 연소실 천장(29)의 방향으로 제1 환형 표면(8)과 제2 환형 표면(9) 사이의 단차형 설계는 실린더 헤드 상의 고온 연소 구역의 영향을 더 넓은 지역으로 분배하고, 그에 의해서 국소적으로 매우 높은 열적 부하 피크를 방지하거나 감소시키며, 그에 의해서 실린더 헤드 상의 열적 부하를 감소시킬 수 있다.

이러한 방식으로, 무-소용돌이 연소 프로세스를 위해서 설계된 내연기관에서도 피스톤(1) 상의 검댕 형성 및 코킹(coking) 현상이 효과적으로 방지될 수 있다. 피스톤(1)은, 무-소용돌이 유입구 구조물을 갖는 내연기관에서 최적의 혼합물 형성 및 연료의 무-연기 연소를 허용한다.

Claims (15)

1. 피스톤 축(2)에 실질적으로 회전 대칭적인 연소실 홈통(3)을 가지는, 특히 무-소용돌이 또는 저-소용돌이 연소를 위한, 적어도 하나의 왕복 피스톤(1)을 포함하는 공기-압축 내연기관으로서, 상기 연소실 홈통은 실질적으로 원뿔-유사 상승부(5)를 가지는 홈통 하단부(4) 및 원주방향 홈통 벽(6)을 가지며, 상기 홈통 벽(6)은 상기 홈통 하단부(4)에 인접하고 최대 내부 제1 홈통 직경(d1)을 가지는 실질적으로 원환체-유사 제1 섹션(6a)을 형성하고, 그 이후에 수축부를 형성하고 내부 제1 홈통 직경(d1)보다 작은 최소 내부 제2 홈통 직경(d2)을 가지는 제2 섹션(6b)을 형성하고, 그리고 그 후에 홈통 테두리 섹션을 형성하는 제3 섹션(6c)을 형성하며, 피스톤(1)의 경선 섹션에서 볼 때, 상기 제1 섹션(6a)은 오목한 제1 곡률 반경(R1)을 가지고 상기 제2 섹션(6b)은 볼록한 제2 곡률 반경(R2)을 가지며, 그리고 제3 섹션(6c)은 상기 제2 섹션(6b)에 인접하는 제1 환형 표면(8) 및 피스톤 단부 표면(7)에서 종료되는 제2 환형 표면(9)을 형성하고, 상기 제2 환형 표면(9)은 상기 제1 환형 표면(8)과 함께 각도(β)를 형성하며, 상기 제1 환형 표면(8) 및 상기 제2 환형 표면(9)은 상기 피스톤 축(2) 상의 수직 평면(ε)에 대해서 경사지도록 형성되고, 상기 제1 환형 표면(8)과 상기 제2 환형 표면(9) 사이의 전이부에서, 연부(11)가, 규정된 제3 곡률 반경(R3)으로 형성되는 내연기관에 있어서, 상기 피스톤(1)의 경선 섹션에서 볼 때, 상기 제1 환형 표면(8)은, 상기 피스톤 축(2) 상의 수직 평면(ε)과 함게, 10°내지 20°, 바람직하게 15.2°의 제1 각도(α)를 형성하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
2. 제1항에 있어서,
   경선 섹션에서 볼 때, 상기 제1 환형 표면(8)은 상기 제2 환형 표면(9)과 약 100°내지 150°, 바람직하게 약 125°의 제2 각도(β)를 형성하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제2 환형 표면(9)이 상기 피스톤 축(2)과 약 15°내지 25°, 바람직하게 21°의 제3 각도(γ)를 형성하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 내부 제2 홈통 직경(d2)이 상기 내부 제1 홈통 직경(d1)의 약 95% 이하인 것을 특징으로 하는 내연 기관.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 피스톤(1)의 최대 직경(D)을 기초로, 상기 제1 섹션(6a)의 영역 내의 연소실 홈통(3)이 약 0.7 ± 20%의 내부 제1 홈통 직경(d1)을 가지는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 피스톤(1)의 최대 직경(D)을 기초로, 상기 제2 섹션(6b)의 영역 내의 연소실 홈통(3)이 약 0.65 ± 20%의 내부 제2 직경(d2)을 가지는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 피스톤(1)의 최대 직경(D)을 기초로, 상기 제1 곡률 반경(R1)이 약 0.06 ± 50%인 것을 특징으로 하는 내연 기관.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 피스톤(1)의 최대 직경(D)을 기초로, 상기 제2 곡률 반경(R2)이 약 0.02 ± 50%인 것을 특징으로 하는 내연 기관.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 피스톤(1)의 최대 직경(D)을 기초로, 상기 제3 곡률 반경(R3)이 약 0.012 ± 50% 이하인 것을 특징으로 하는 내연 기관.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 환형 표면(8) 및/또는 상기 제2 환형 표면(9)이 원뿔형 표면으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 연료 제트(S)가 상기 피스톤(1)의 적어도 하나의 행정 위치에서 상기 제2 섹션(6b) 상에 충돌하도록 그리고 상기 연료 제트(S)가 상기 제2 섹션(6b)에 의해서 상기 제1 섹션(6a)을 향해서 지향된 제1 제트 부분(S1) 및 상기 제3 섹션(6c)을 향해서 지향된 제2 제트 부분(S2)으로 분할될 수 있도록, 상기 피스톤 축(2)의 영역 내에서 주입 장치(10)가 배열되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내연기관은 무-소용돌이 또는 저-소용돌이 유입구 채널 구조물을 가지며, 상기 피스톤 축(2) 주위의 연소실 내의 유동의 소용돌이의 수가 1 이하인 것을 특징으로 하는 내연 기관.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상사점에 위치된 상기 피스톤(1)의 경선 섹션에서 볼 때, 상기 주입 장치(10)의 적어도 하나의 제트 축(Sa)이 상기 연소실 홈통(3)을 상기 피스톤(1)의 홈통 하단부(4)에 인접하는 하부 영역(3a) 및 연소실 천장의 방향으로 상기 하부 영역에 인접하는 상부 영역(3b)으로 분할하고, 상기 하부 영역(3a)은 전체 연소실 홈통(3)의 약 54% 내지 62%, 바람직하게 56%이고 상기 상부 영역(3b)은 약 38% 내지 46%, 바람직하게 44%인 것을 특징으로 하는 내연 기관.
14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 홈통 벽(6)이, 적어도, 상기 제2 섹션(6b) 상의 상기 연료 제트(S)의 영향 지역 내에서 코-유사 돌출부(30)를 가지며, 상기 돌출부(30)는 바람직하게 상기 제1 섹션(6a) 및/또는 제3 섹션(6c)의 영역 내로 연속되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코-유사 돌출부(30)는 상기 피스톤 축(2)을 포함하는 상기 피스톤(1)의 반경방향 평면(τ)에 실질적으로 대칭적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.

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