KR20200119524A - 와류실식 디젤 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은 와류실식 디젤 엔진에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 부연소실로부터 주연소실로 인입되는 연소 가스의 진행 경로에서 트렌치부 상부에 2차주연소실을 구비하여, 상기 주연소실로 인입되는 연소 가스의 와류를 촉진시켜 줌으로써, 디젤 엔진에서의 확산 연소를 촉진하고 배출 가스의 유해 성분 생성을 효과적으로 억제할 수 있는 와류실식 디젤 엔진에 관한 것이다.
본 발명에서는, 내벽면에 곡면 형상을 가지는 와류유도부(2d) 및 상기 와류유도부(2d) 하단에 형성된 연결통로(2b)를 포함하며, 실린더헤드(1)와 결합되어 부연소실(2a)을 구성하는 부연소실조립체(2); 및 상기 연결통로(2b)와 연통되는 트렌치부(3c)를 포함하며 주연소실(3a)을 구성하는 피스톤(3);을 포함하고, 상기 연결통로(2b)를 통해 상기 부연소실(2a)에서 상기 주연소실(3a)로 인입되는 연소 가스가 진행하는 상기 트렌치부(3c)의 상부에 2차주연소실(10)이 구비되는 것을 특징으로 하는 와류실식 디젤 엔진을 개시한다.

Description

와류실식 디젤 엔진 {SWIRL CHAMBER TYPE DIESEL ENGINE}

본 발명은 와류실식 디젤 엔진에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 부연소실로부터 주연소실로 인입되는 연소 가스의 진행 경로에서 트렌치부 상부에 2차주연소실을 구비하여, 상기 주연소실로 인입되는 연소 가스의 와류를 촉진시켜 줌으로써, 디젤 엔진에서의 확산 연소를 촉진하고 배출 가스의 유해 성분 생성을 효과적으로 억제할 수 있는 와류실식 디젤 엔진에 관한 것이다.

디젤 엔진은 열에너지를 기계적인 에너지로 바꾸는 장치로서 실린더 헤드, 실린더블록, 피스톤커넥팅 어셈블리, 크랭크축, 캠축, 밸브기구 등을 포함하여 구성되어, 가솔린 엔진과 유사한 구조를 가진다.

그러나, 연료의 연소 과정에 있어서 가솔린 엔진은 공기와 연료의 혼합기를 압축한 후 전기적 불꽃으로 점화하는데 반하여, 디젤 엔진은 공기만을 흡입하고 높은 압축비로 그 온도가 500~600 ˚C 이상이 되게 한 후 연료를 분사펌프에서 가압하여 분사노즐로 실린더 내에 분사시켜 자기착화(압축착화)시키는 점에서 차이가 있다.

상기 디젤 엔진의 연소실은 다음과 같은 조건을 갖추어야 한다. 즉, 분사된 연료를 가능한 짧은 시간에 완전 연소시켜야 하고, 평균 유효 압력이 높아야 하며, 연료소비율이 적어야 한다. 또한, 고속회전에서의 연소상태가 좋아야 하며, 기동이 쉬워야 하고, 디젤 노크가 적어야 한다.

상기 연소실의 상방에는 실린더 헤드에 설치되는 분사노즐이 구비된다. 상기 분사노즐은 분사펌프에서 보내준 고압의 연료를 미세한 연기 형태로 연소실 내에 분사하는 장치이다. 이러한 분사노즐로 분사되는 연료분무는 무화(안개화) 특성이 좋아야 하고, 관통력이 커야 하며, 분무가 골고루 이루어져야 하고, 분사도 및 분사율이 적절하여야 하며, 노즐유량계수도 정확하여야 한다.

디젤 엔진의 연소실 형식은 단실식으로 직접분사실식, 복실식으로 예연소실실, 와류실식 등이 있다. 직접분사실식은 연소실이 실린더 헤드와 피스톤 헤드에 설치된 요철에 의하여 형성이 되며, 여기에 연료가 직접 분사되는 구조로서, 주연소실만으로 구성되어 단실식이라고 하며, 하트형, 구형, 반구형 등의 형상을 가진다.

예연소실식은 피스톤과 실린더 헤드 사이에 형성되는 주연소실 위쪽에 연소실을 두게 되며, 분사된 연료의 일부가 예연소실에서 연소되어 고온, 고압의 가스를 발생시키며 이것에 의해 나머지 연료가 주연소실로 분출되어 완전연소하도록 하는 구조를 가진다.

와류실식은 실린더나 실린더 헤드에 와류실을 두어 압축행정 중에 와류실에서 와류가 발생되게 된다. 상기 와류실에서 연료가 분사되면, 분사된 연료는 선회 운동을 하고 있는 공기와 혼합되어 착화연소하면서 주연소실로 분출되고, 다시 상기 주연소실에서 미연소 연료가 새 공기와 만나면서 연소하게 되는 구조를 가진다.

도 1은 종래의 와류실식 디젤 엔진 연소실의 내부 구조를 나타낸 도면이다. 도 1에서는 부연소실(와류실)(2a)의 구조를 중심으로 나타내고 있다.

도 1을 참조하여 살펴보면, 실린더헤드(1)에는 부연소실조립체(2)가 별도로 조립되어 부연소실(2a)이 마련되고, 피스톤(3) 상면 쪽에는 주연소실(3a)이 형성된다. 상기 부연소실(2a)의 중앙 상단쪽 실린더헤드(1)에는 분사노즐(4)이 연료를 부연소실(2a)로 편향되게 분사시킬 수 있도록 설치되고, 상기 부연소실(2a)의 상단에는 예열플러그(5)가 장착된다. 상기 예열플러그(5)는 시동이나 저속시 연소실의 온도가 낮아지기 때문에 설치되는 것이다. 상기 부연소실(2a)의 하단에는 상기 주연소실(3a)로부터 공기가 유입되는 연결통로(2b)가 경사지게 설치된다. 상기 연결통로(2b)는 주로 상기 부연소실(2a)의 접선 방향으로 설치된다. 그리고, 부연소실(2a) 주변에는 냉각수통로(1a)가 형성된다.

이와 같이 구성되는 와류실식 연소실은 압축 행정시 주연소실(3a)로부터 유입되는 압축공기가 연결통로(2b)를 통하여 부연소실(2a)로 유동될 때 화살표(도 1의 (A))와 같이 강한 와류가 형성하게 된다. 이때 분사노즐(4)로부터 연료가 분사되어 부연소실(2a)에서 거의 연소가 이루어지게 된다.

종래의 와류실식 연소실은 리카르도(Ricardo)의 코맷 Vb(Commet Vb) 타입으로서, 특히 부연소실조립체(2)의 형상은 도 2에 나타낸 바와 같이, 분사노즐(4)로부터 분사된 연료가 충돌되는 직선 단면 형태의 연료충돌부(2c)와 곡면 형상으로 이루어진 와류유도부(2d)로 구분될 수 있으며, 이때 연결통로(2b)는 상기 와류유도부(2d)와 접선을 이루는 구조로 형성된다. 이에 따라, 상기 연결통로(2b)를 통해 주연소실(3a)로 인입되는 연소 가스는 트렌치부(3c)를 거쳐 클로버부(3b)로 분배되면서 확산 연소되는 구조를 이룬다.

그런데, 이러한 구조로 이루어진 와류실실 연소실에서는, 상기 부연소실(2a)에서 연소된 연소 가스가 상기 주연소실(3a)로 분출되는 경우, 상기 트렌치부(3c)를 거쳐 좌우 클로버부(3b)로 분배되면서 와류가 충분하게 형성되지 못하여 확산 연소를 저하시키게 되고, 이에 따라 배출 가스의 유해 성분 특히 입자상 물질(PM)의 배출을 증가시키는 원인이 된다.

대한민국 공개특허공보 특2002-0053242호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 부연소실(2a)에서 주연소실(3a)로 인입되는 연소 가스의 와류를 촉진시킴으로써 산화 능력을 개선하고 배출 가스에 포함되는 입자상 물질(PM) 등 유해 성분의 생성을 효과적으로 억제할 수 있는 와류실식 디젤 엔진을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그 외 본 발명의 세부적인 목적은 이하에 기재되는 구체적인 내용을 통하여 이 기술 분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진은, 내벽면에 곡면 형상을 가지는 와류유도부(2d) 및 상기 와류유도부(2d) 하단에 형성된 연결통로(2b)를 포함하며, 실린더헤드(1)와 결합되어 부연소실(2a)을 구성하는 부연소실조립체(2); 및 상기 연결통로(2b)와 연통되는 트렌치부(3c)를 포함하며 주연소실(3a)을 구성하는 피스톤(3);을 포함하고, 상기 연결통로(2b)를 통해 상기 부연소실(2a)에서 상기 주연소실(3a)로 인입되는 연소 가스가 진행하는 상기 트렌치부(3c)의 상부에 2차주연소실(10)이 구비되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 2차주연소실(10)은, 상기 부연소실조립체(2)의 하면에 상기 연결통로(2b)와 인접하여 형성될 수 있다.

또한, 상기 2차주연소실(10)은, 상기 연결통로(2b)로부터의 거리가 멀어짐에 따라 경사를 이루어 깊이가 증가하는 경사면영역(10a)과 상기 경사면영역(10a)에 이어서 곡면을 이루어 깊이가 감소하는 곡면영역(10b)을 구비할 수 있다.

또한, 상기 2차주연소실(10)은, 상기 연결통로(2b)로부터의 거리가 멀어짐에 따라 폭이 넓어지는 구간을 포함하는 측부영역(10c)을 구비할 수 있다.

또한, 상기 2차주연소실(10)의 최대 폭(W1)은 상기 트렌치부(3c)의 하부 바닥면 폭(W3)보다는 크고, 상기 트렌치부(3c)의 상부 폭(W4)보다는 작을 수 있다.

또한, 상기 2차주연소실(10)의 최대 폭(W1)은 상기 연결통로(2b)의 최대 폭(W2)보다 크거나 같을 수 있다.

또한, 상기 2차주연소실(10)의 시작점 폭(W0)은 상기 연결통로(2b)의 최대 폭(W2)보다 작거나 같을 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서는, 와류실식 디젤 엔진에서 연결통로(2b)를 통해 부연소실(2a)에서 주연소실(3a)로 인입되는 연소 가스가 진행하는 트렌치부(3c)의 상부에 2차주연소실(10)을 구비하여, 상기 부연소실(2a)에서 상기 주연소실(3a)로 인입되는 연소 가스의 와류를 촉진시킴으로써, 확산 연소 및 이에 따른 산화 능력을 개선하고 배출 가스에 포함되는 입자상 물질(PM) 등 유해 성분의 생성을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.

도 1은 통상의 와류실식 디젤 엔진의 연소실 구조에 대한 예시도이다.
도 2는 통상의 와류실식 디젤 엔진에서 부연소실(2a)을 구성하는 부연소실조립체(2)의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진의 연소실 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 통상의 와류실식 디젤 엔진과 본 발명에 따른 와류실식 디젤 엔진의 구조를 대비하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차주연소실(10)의 특징을 설명하는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차주연소실(10)의 특징을 설명하는 하면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진의 해석 모델을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진의 해석 모델과 비교 엔진의 해석 모델을 예시하는 도면이다.
도 9a와 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진의 와류 운동 에너지(turbulence kinetic energy) 해석 결과를 보여주는 도면이다.
도 10a와 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진의 스월링 속도 해석 결과를 보여주는 도면이다.
도 11a와 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진의 텀블링 속도 해석 결과를 보여주는 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.

이하의 실시예는 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

먼저, 도 2를 참조하여 일반적인 와류실식 디젤 엔진의 구성 및 동작을 개략적으로 살핀 후, 본 발명의 기술적 특징을 설명하도록 한다.

보다 구체적으로, 중, 대형의 디젤 엔진에서는 혼합기 형성에 주어지는 시간이 충분하므로 연료 분사 만으로 공기와의 접촉을 충분히 할 수 있으나, 소형 또는 고속의 디젤 엔진에서는 공기 와류의 도움 없이 짧은 시간 내에 완전하게 연소를 마치기 어려워진다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 와류실식 등 다양한 종류의 연소실 구조가 사용되고 있으며, 특히 와류실식 디젤 엔진은 압축 행정에 의하여 부연소실(2a)에서 생성된 와류로 연료를 분사시켜 연료를 연소시키는 구조를 가진다.

이에 따라, 도 2(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 일반적으로 와류실식 디젤 엔진은 주연소실(3a)와 부연소실(2a)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 상기 부연소실(2a)은 실린더헤드(1)에 부연소실조립체(2)가 구비되어 형성될 수 있다.

또한, 상기 주연소실(3a)은 피스톤(3)의 상면에 형성될 수 있다.

상기 부연소실(2a)의 중앙 상단에는 분사노즐(4)이 구비되어 연료를 부연소실(2a)의 일측 벽면에 형성되는 직선 단면 형태의 연료충돌부(2c)로 편향되게 분사시킬 수 있다. 또한, 상기 부연소실(2a)의 타측 벽면에는 곡면 형상을 포함하는 와류유도부(2d)가 구비되어 상기 주연소실(3a)로부터 유입되는 압축공기가 연결통로(2b)를 통하여 부연소실(2a)로 유동될 때 와류를 형성하도록 하게 된다.

또한, 상기 부연소실(2a)의 하단에는 상기 부연소실(2a)과 상기 주연소실(3a)을 연결하여, 상기 주연소실(3a)로부터 상기 부연소실(2a)로 공기가 유입되는 통로를 제공하는 연결통로(2b)가 경사지게 설치될 수 있다.

나아가, 상기 부연소실(2a)에는 예열플러그(5)가 구비되어 시동시 또는 저속 구동시 연소실의 온도가 낮아지는 것을 방지하게 된다. 그리고, 부연소실(2a) 주변에는 냉각수통로(1a)가 형성될 수 있다.

위와 같은 일반적인 와류실식 디젤 엔진에서는 상기 부연소실(2a)에서 생성된 연소 가스가 주연소실(3a)로 분출되는 경우, 도 2(b)에서 상기 트렌치부(3c)를 거쳐 좌우 클로버부(3b)로 분배되면서 와류가 충분하게 형성되지 못하여 확산 연소를 저하시키게 되고, 이에 따라 배출 가스의 유해 성분 특히 입자상 물질(PM)의 배출을 증가시키는 문제가 따를 수 있다.

이에 대하여, 도 3에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차주연소실(10)을 구비하는 와류실식 디젤 엔진의 구성을 예시하고 있다.

도 3(a)에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진의 단면도를 예시하고 있으며, 또한 도 3(b)에서는 상기 2차주연소실(10) 영역을 확대하여 도시하고 있다.

도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진은, 내벽면에 곡면 형상을 가지는 와류유도부(2d) 및 상기 와류유도부(2d) 하단에 형성된 연결통로(2b)를 포함하며, 실린더헤드(1)와 결합되어 부연소실(2a)을 구성하는 부연소실조립체(2) 및 상기 연결통로(2b)와 연통되는 트렌치부(3c)를 포함하며 주연소실(3a)을 구성하는 피스톤(3)을 포함하고, 이때 상기 연결통로(2b)를 통해 상기 부연소실(2a)에서 상기 주연소실(3a)로 인입되는 연소 가스가 진행하는 상기 트렌치부(3c)의 상부에 2차주연소실(10)이 구비되는 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로, 도 4(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 종래의 통상적인 와류실식 디젤 엔진에서는, 연결통로(2b)를 통해 부연소실(2a)에서 주연소실(3a)로 인입되는 연소 가스가 트렌치부(3c)를 거쳐 클로버부(3b)로 분배되면서 확산 연소되는 구조를 이루는데, 이러한 종래의 와류실식 연소실 구조에서는 상기 주연소실(3a)로 인입된 연소 가스가 상기 트렌치부(3c)를 거쳐 클로버부(3b)로 분배되면서 충분한 와류를 형성되지 못하여 확산 연소를 저하시키게 된다.

이에 대하여, 도 4(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서는, 연결통로(2b)를 통해 부연소실(2a)에서 주연소실(3a)로 인입되는 연소 가스의 진행 경로에서 상기 트렌치부(3c)의 상부에 2차주연소실(10)을 구비하여 줌으로써, 상기 연결통로(2b)를 통해 주연소실(3a)로 인입되어 상기 트렌치부(3c)를 따라 진행하는 연소 가스의 일부가 상기 트렌치부(3c) 상부의 2차주연소실(10)로 유입되면서 와류를 촉진시키게 된다(도 4(b)의 (B)).

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서는, 상기 부연소실(2a)에서 상기 주연소실(3a)로 인입되는 연소 가스의 와류를 촉진시켜, 확산 연소 및 이에 따른 산화 능력을 개선하고 배출 가스에 포함되는 입자상 물질(PM) 등 유해 성분의 생성을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서, 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 2차주연소실(10)은 상기 부연소실조립체(2)의 하면에 상기 연결통로(2b)와 인접하여 형성되는 것이 바람직하다.

보다 구체적으로, 부연소실(2a)에서 연결통로(2b)를 통해 주연소실(3a)로 인입되는 연소 가스는 트렌치부(3c)에서 클로버부(3b)를 거쳐 밸브리세스부(3d)로 퍼져 나가게 되는데, 이때 상기 연소 가스의 속도는 트렌치부(3c)에서 밸브리세스부(3d)로 갈수록 느려지게 된다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서는, 상기 2차주연소실(10)을 상기 연결통로(2b)와 인접하여 연소 가스의 속도가 빠른 부연소실조립체(2)의 하면에 형성함으로써, 상기 주연소실(3a)로 인입되는 연소 가스에서 와류를 효율적으로 생성하는 것이 바람직하다.

나아가, 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서, 상기 2차주연소실(10)은 상기 연결통로(2b)로부터의 거리가 이격됨에 따라 경사를 이루어 깊이가 증가하는 경사면영역(10a)과 상기 경사면영역(10a)에 이어서 곡면을 이루어 깊이가 감소하는 곡면영역(10b)을 구비하여 구성할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서는 상기 연결통로(2b)를 통해 주연소실(3a)로 인입된 연소 가스가 진행하면서 상기 경사면영역(10a)과 상기 곡면영역(10b)을 구비하는 상기 2차주연소실(10)에서 연소 가스의 흐름이 빨라지면서 보다 효과적으로 와류를 형성하는 것이 가능하게 된다.

또한, 도 6에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서, 2차주연소실(10)의 특징을 설명하는 하면도를 도시하고 있다.

도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서, 상기 2차주연소실(10)은 상기 연결통로(2b)로부터의 거리가 멀어짐에 따라 폭이 넓어지는 구간을 포함하는 측부영역(10c)을 구비할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 6을 참조하여 살펴보면, 상기 2차주연소실(10)의 측부영역(10c)에서, 상기 연결통로(2b)로부터의 거리가 멀어짐에 따라(즉, 연결통로(2b)를 통해 유입되어 트렌치부(3c)를 따라 진행하는 연소 가스의 진행 방향에 따라) 상기 2차주연소실(10)의 시작점에서의 폭(W0)이 증가하여 상기 2차주연소실의 최대 폭(W1)까지 증가하고, 이후 다시 감소하는 형상을 이루는 것을 알 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서, 상기 2차주연소실(10)에서는, 상기 연결통로(2b)를 통해 인입된 연소 가스의 와류를 촉진함과 동시에 상기 트렌치부(3c)에 의한 직진 방향 확산을 좌우 클로버부(3b)로 보다 효율적으로 분배되도록 촉진시킬 수 있게 된다.

또한, 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서, 상기 2차주연소실(10)의 최대 폭(W1)은 상기 트렌치부(3c)의 하부 바닥면 폭(W3)보다는 크고, 상기 트렌치부(3c)의 상부 폭(W4)보다는 작도록 구성할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서는, 상기 연결통로(3b)를 통해 유입된 연소 가스가 상기 트렌치부(3c)에 의해 직진 방향으로 확산하는 것을 좌우 클로버부(3b)로 효율적으로 분배되도록 촉진시킬 수 있게 된다.

나아가, 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 2차주연소실(10)의 최대 폭(W1)은 상기 연결통로(2b)의 최대 폭(W2)보다 크거나 같도록 구성할 수 있다.

또한, 상기 2차주연소실(10)의 시작점 폭(W0)은 상기 연결통로(2b)의 최대 폭(W2)보다 작거나 같도록 구성할 수도 있다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서는, 상기 연결통로(3b)를 통해 유입된 연소 가스가 상기 2차주연소실(10)에 의해 보다 효과적으로 와류를 형성함과 동시에 상기 트렌치부(3c)에 의한 직진 방향 확산을 좌우 클로버부(3b)로 효율적으로 분배되도록 촉진시키는 것이 가능하다.

또한, 도 7에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진의 해석 모델을 도시하고 있다. 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 부연소실조립체(2)의 하면에 구비되는 연결통로(2b)와 2차주연소실(10) 및 피스톤(3)의 상면에 구비되는 트렌치부(3c), 클로버부(3b) 및 밸브리세스부(3d)를 포함하여 해석 모델을 구성하였다.

나아가, 본 발명의 효과를 검증하기 위하여, 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 2차주연소실(10)을 구비하지 않는 통상의 와류실식 디젤 엔진(도 8(a)), 본 발명의 일 실시예에 따른 2차주연소실(10)을 구비하는 와류실식 디젤 엔진(도 8(b)), 도 8(a)에 더하여 클로버부(3b)의 바닥면 형상을 원뿔 형상으로 구성한 경우(도 8(c)) 및 도 8(a)에 더하여 클로버부(3b)의 바닥면 형상을 볼록 렌즈 형상으로 구성한 경우(도 8(d))로 나누어, 각각에 대한 와류 운동 에너지(turbulence kinetic energy), 스월링 속도 및 텀블링 속도 해석 결과를 도출하여 비교하였다.

먼저, 도 9a에서는 도 8의 각 케이스에 대한 와류 운동 에너지(turbulence kinetic energy) 해석 결과를 도시하고 있다.

여기서, 상기 와류 운동 에너지(turbulence kinetic energy, TKE)는 연소 가스의 단위 질량당 평균 운동 에너지를 의미한다.

이때, 상기 와류 운동 에너지(turbulence kinetic energy) 해석 결과는, 상기 피스톤(3)의 상면을 기준으로 산출되었다(이하, 스월링 속도 및 텀블링 속도 해석 결과도 같음).

도 9a에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 2차주연소실(10)을 구비하는 와류실식 디젤 엔진(도 8(b))의 와류 운동 에너지(turbulence kinetic energy)가 가장 높게 산출된 것을 명확히 확인할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 9a(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 2차주연소실(10)을 구비하는 와류실식 디젤 엔진에서, 트렌치부(3c)에서의 연소 가스의 와류 운동 에너지(TKE)도 가장 크게 나타나고 있으며, 상기 트렌치부(3c)를 벗어나 확산되는 영역에서의 와류 운동 에너지(TKE)도 가장 크게 나타나고 있어, 다른 비교예들과 대비할 때 전체적으로 와류 운동 에너지(TKE)가 크게 향상되었음을 확인할 수 있다.

이는 도 9b에 도시된 와류 운동 에너지(TKE) 체적 평균치를 보더라도 확인할 수 있으며, 도 9b에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 2차주연소실(10)을 구비하는 와류실식 디젤 엔진에서는 다른 비교예보다 10% 이상 와류 운동 에너지(TKE) 체적 평균치가 개선된 것을 알 수 있다.

이러한 결과는, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류실식 디젤 엔진에서, 상기 부연소실(2a) 하면에 형성되는 2차주연소실(10) 영역에서 연소 가스의 흐름에서의 마찰 손실(frictional loss)이 제거되면서 연소 가스의 흐름이 빨라지고 상기 2차주연소실(10)에 의한 와류 형성이 촉진되기 되기 때문으로 판단된다.

또한, 도 10a에서는 도 8의 각 케이스에 대한 스월링 속도 해석 결과를 도시하고 있다.

여기서, 상기 스월링 속도는 연소 가스의 실린더 내 원주 방향 회전 속도(m/s)를 나타낸다.

도 10a에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 2차주연소실(10)을 구비하는 와류실식 디젤 엔진(도 8(b))의 스월링 속도가 가장 빠르게 산출된 것을 명확히 확인할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 10a(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 2차주연소실(10)을 구비하는 와류실식 디젤 엔진에서, 트렌치부(3c)에서의 연소 가스의 스월링 속도가 가장 크게 나타나고 있으며, 상기 트렌치부(3c)를 벗어나 확산되는 영역에서의 스월링 속도도 상대적으로 크게 나타나고 있어, 다른 비교예들과 대비할 때 전체적으로 스월링 속도가 향상되었음을 확인할 수 있다.

이는 도 10b에 도시된 스월링 속도 체적 평균치를 보더라도 확인할 수 있으며, 도 10b에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 2차주연소실(10)을 구비하는 와류실식 디젤 엔진에서는 다른 비교예보다 7% 이상 스월링 속도 체적 평균치도 개선된 것을 알 수 있다.

유사하게, 도 11a에서는 도 8의 각 케이스에 대한 텀블링 속도 해석 결과를 도시하고 있다.

여기서, 상기 텀블링 속도는 연소 가스의 실린더 내에서 피스톤의 움직임 등에 의해 형성되는 상하 방향 회전 속도(m/s)를 나타낸다.

도 11a에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 2차주연소실(10)을 구비하는 와류실식 디젤 엔진(도 8(b))의 텀블링 속도도 가장 빠르게 산출된 것을 알 수 있다.

보다 구체적으로, 도 11a(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 2차주연소실(10)을 구비하는 와류실식 디젤 엔진에서, 트렌치부(3c)에서의 연소 가스의 텀블링 속도가 가장 크게 나타나고 있으며, 상기 트렌치부(3c)를 벗어나 확산되는 영역에서의 텀블링 속도도 상대적으로 크게 나타나고 있어, 다른 비교예들과 대비할 때 전체적으로 텀블링 속도가 향상되었음을 확인할 수 있다.

유사하게, 도 11b을 보더라도, 본 발명의 일 실시예에 따른 2차주연소실(10)을 구비하는 와류실식 디젤 엔진에서는 다른 비교예보다 5% 이상 텀블링 속도 체적 평균치도 개선된 것을 알 수 있다.

이에 따라, 와류실식 디젤 엔진에서는, 와류실식 디젤 엔진에서 연결통로(2b)를 통해 부연소실(2a)에서 주연소실(3a)로 인입되는 연소 가스가 진행하는 트렌치부(3c)의 상부에 2차주연소실(10)을 구비하여, 상기 부연소실(2a)에서 상기 주연소실(3a)로 인입되는 연소 가스의 와류를 촉진시킴으로써, 통상의 와류실식 디젤 엔진 등과 대비할 때 와류 운동 에너지(turbulence kinetic energy), 스월링 속도 및 텀블링 속도 등을 5% ~ 10% 개선할 수 있으며, 이에 따라 와류실식 디젤 엔진의 확산 연소 및 이에 따른 산화 능력을 개선하고 배출 가스에 포함되는 입자상 물질(PM) 등 유해 성분의 생성을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경, 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면들에 의해서 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

(1) : 실린더헤드 (1a) : 냉각수통로
(2) : 부연소실조립체 (2a) : 부연소실
(2b) : 연결통로 (2c) : 연료충돌부
(2d) : 와류유도부 (2e) : 가이드구조
(3) : 피스톤 (3a) : 주연소실
(3b) : 클로버부 (3c) : 트렌치부
(3d) : 밸브리세스부 (4) : 분사노즐
(5) : 예열플러그 (10) : 2차주연소실
(10a) : 경사면영역 (10b) : 곡면영역
(10c) : 측부영역

Claims (7)

1. 내벽면에 곡면 형상을 가지는 와류유도부(2d) 및 상기 와류유도부(2d) 하단에 형성된 연결통로(2b)를 포함하며, 실린더헤드(1)와 결합되어 부연소실(2a)을 구성하는 부연소실조립체(2); 및
   상기 연결통로(2b)와 연통되는 트렌치부(3c)를 포함하며 주연소실(3a)을 구성하는 피스톤(3);을 포함하고,
   상기 연결통로(2b)를 통해 상기 부연소실(2a)에서 상기 주연소실(3a)로 인입되는 연소 가스가 진행하는 상기 트렌치부(3c)의 상부에 2차주연소실(10)이 구비되는 것을 특징으로 하는 와류실식 디젤 엔진.
2. 제1항에 있어서,
   상기 2차주연소실(10)은,
   상기 부연소실조립체(2)의 하면에 상기 연결통로(2b)와 인접하여 형성되는 것을 특징으로 하는 와류실식 디젤 엔진.
3. 제1항에 있어서,
   상기 2차주연소실(10)은,
   상기 연결통로(2b)로부터의 거리가 멀어짐에 따라 경사를 이루어 깊이가 증가하는 경사면영역(10a)과 상기 경사면영역(10a)에 이어서 곡면을 이루어 깊이가 감소하는 곡면영역(10b)을 구비하는 것을 특징으로 하는 와류실식 디젤 엔진.
4. 제1항에 있어서,
   상기 2차주연소실(10)은,
   상기 연결통로(2b)로부터의 거리가 멀어짐에 따라 폭이 넓어지는 구간을 포함하는 측부영역(10c)을 구비하는 것을 특징으로 하는 와류실식 디젤 엔진.
5. 제1항에 있어서,
   상기 2차주연소실(10)의 최대 폭(W1)은 상기 트렌치부(3c)의 하부 바닥면 폭(W3)보다는 크고, 상기 트렌치부(3c)의 상부 폭(W4)보다는 작은 것을 특징으로 하는 와류실식 디젤 엔진.
6. 제1항에 있어서,
   상기 2차주연소실(10)의 최대 폭(W1)은 상기 연결통로(2b)의 최대 폭(W2)보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 와류실식 디젤 엔진.
7. 제1항에 있어서,
   상기 2차주연소실(10)의 시작점 폭(W0)은 상기 연결통로(2b)의 최대 폭(W2)보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 와류실식 디젤 엔진.

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