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KR930003083B1 - 내연기관의 연소실 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

내연기관의 연소실
제 1 도는 본 발명에 따른 내연기관 연소실의 피스톤 상하운동축과 직각 방향의 기하학적 형상을 도시한 도면.
제 2 도는 본 발명에 따른 내연기관 연소실의 피스톤 연소실내에서의 공기 및 연료의 유동 현상을 도시한 도면.
제2a도는 본 발명에 따른 내연기관 연소실의 피스톤 연소실 내로 분사되는 연료의 분사 각도 범위를 도시한 도면.
제 3 도는 본 발명에 따른 연소실과 분사된 연료와의 관계를 도시한 연소실의 전체 조립 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
P : 피스톤 C : 주연소실
N : 노즐 T : 와류
S : 스프레이 CA : 부연소실
E : 2차공기
본 발명은 디젤엔진의 연소실의 기하학적 형태, 특히 피스톤의 연소실 관한 것이다.
디젤엔진의 연소실에 있어서, 연소후 배출되는 유해 가스의 생성도는 분사되는 연료의 특성과 분사된 연료와 공기가 혼합되는 연소실 특히, 피스톤의 凹형 연소실의 기하학적 형상에 따라 크게 좌우된다. 따라서, 그 연소실의 형상은 얕은 접시형에서 부터 트로이달형, 리엔트란트형, 마우라형 또는 구상형 등 갖가지가 있으며 위의 형상을 조금씩 변화시킨 류들로 되어 있다.
연소실이 깊은 것은 탄화수소 및 질소산화물들의 배출도가 높고 가속시 매연 발생율이 높은 경향이 있다. 깊지도 않고 얕지도 않은 중간정도의 깊이의 것으로서 여러가지 모양의 연소실을 갖는 것은 일반적으로 중소형 기관에 널리 쓰이고 있다 (일본국특허공보(B2) 특허출원공고 제소60-56893호 참조).
최적연소 상태는 분무된 연료가 연소실내에서 주어진 공기와류에 의하여 일차적으로 혼합연소되나 거기서 발생된 매연(고분자화합물)을 재연소키거나 아직 연소가 덜된 탄화수소 및 일산화수소를 적당량의 추가 공기로 재연소시켜 주게 되는 구조가 소망스러운 것이다. 이렇게 매연 및 탄화수소와 일산화탄소가 2차적으로 재연소되어 그의 생성이 현격히 줄어 들게 되면 상대적으로 질소산화물의 생성을 적게 하여 주는 연소실의 개발이 가능한 것이다. 이러한 이차공기를 주입시켜 주기 위하여 별도의 공기 분사변을 만들어 주입을 하는 등의 시도를 할 수도 있으나 원래 연소과정 시간이 총제적으로 극히 짧고 또 이차공기가 필요로 하는 확산 연소 기간은 더욱 짧기 때문에 그 주입시간을 맞추어 줄 수도 없을 뿐만 아니라 기관의 부하변동 즉, 연료 분사량의 변동에 따른 이차공기 주입량의 변화량 조정이 불가능하여 실효를 얻을 수 없다.
그리하여 가장 적당한 방법은 연소실에 처음부터 초기연소기에 사용 안되고 확산 연소기에 이용되는 공기의 잔류장치를 만들어 주는 것이 이상적인 것이며 구체적으로 이러한 것은 연소실의 가하학적 형태가 결정하여 준다. 이러한 방법중 피스톤이 움직이는 방향과 같은 방향으로 이러한 여유공간을 설치하여 주는 것은 분사되는 연료의 분사 방향이 비슷하고 아주 높은 압력으로 분사되기 때문에 여유공간에 연료가 연소전부터 침투하여 실효를 거둘 수가 없다. 그러나, 제 1 도에 도시된 바와 같이, 피스톤의 상하운동과 수직방향으로 이러한 여유공간을 설치하여 주면 분사된 연료는 와류에 의하여 원을 형성하여 움직이고 착화연소를 하기 때문에 여유공간에 있는 공기는 일차연소시에 사용되지 아니하고 확산연소시에 이용될 수 있는 것이다. 이리하여 4각형의 모양을 갖는 연소실이 형성되었으나 이 경우는 이차공기의 이용이 가능한 반면 필요한 양의 이차공기를 최적화 할 수가 없다(일본 특허공보(B2) 특허출원공고 제소60-24289호 참조).
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하여 이차공기 이용의 효율성이 4각형의 연소실 보다 휠씬 좋아서 인체에 극히 해로운 질소산화물 등의 유해배기가스의 생성이 현저히 감소되는 디젤기관의 연소실을 제공하는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 제공되는 본 발명을 첨부도면을 참고로 하여 상세히 설명하면, 제 3 도에 도시된 실린더(H)에 부착된 연료분사 노즐(N)으로부터 연류가 고압으로 제2a도에 도시된 연료분사 각도범위(
Figure kpo00001
)로 피스톤(P)의 상단에 잊는 주 연소실(C)에 S와 같은 형태로 분사되면, 제 2 도에서 보는 바와 같이 분사된 연료가 피스톤(P)의 벽면에 부딪치면서 주 연소실(C)안에 형성된 와류(T)에 의하여 피스톤 연소실의 벽면을 따라 와류의 방향으로 확산 이동하면서 착화 연소된다. 착화된 연료공기혼합 가스는 난류를 형성하여 연소실내에서 확산연소될 때에, 연소실 측면에 연료분사 노즐 분구수와 같은 수로 연료 스프레이(S)와 스프레이(S)의 중간거리에 설정된 2차 공기 부 연소실(CA)내의 공기가, 연소된 연소가스의 고온의 열을 전달 받아 팽창하면서 주연소실 내면 쪽으로 난류상태로 침투하여, 미연소된 연료가 확산연소 될때 이 새로운 2차 공기(E)가 혼합되어 연료 및 공기의 혼합운동을 촉진시키면서 확산연소를 효율적으로 이루게 하여, 연소를 촉진시키고 연소가스를 냉각시켜 질소산화물의 생성을 감소시켜 준다. 이러한 2차적 효과는 2차 공기(E) 부연소실(CA)의 형태 및 크기 그리고 그 위치에 영향을 준다.
이것을 상세히 설명하면 제 1 도 및 제 3 도에서 피스톤의 연소실 내면측인 상단부 凹형 연소실을 설정하는데 있어서 적정한 연소실의 깊이에 연소실 측면의 기하학적 모양을 다음과 같이 하여 주면 앞에서 설명한 바와 같은 일산화탄소, 미연소탄화수소, 질소산화물 및 매연의 배출이 현저히 감소하게 된다.
우선, 주연소실(C)의 주 연소실의 직경(d)은 피스톤 직경(D)의 0.522 내지 0.552배 범위로 하여 주고, 주연소실 원의 중심(a)에서 반경(B)가 0.105D 내지 0.238D 또는 0.190d 내지 0.446d 되는 원주상에 그리고 스프레이(S)와 인전 스프레이(S)의 중간 지점에 중심을 둔 반경(A)이 0.095D 내지 0.200D 또는 0.179d 내지 0.370d가 되는 부 연소실(CA)을 주 연소실 상단에서 부터 하단면까지 연결된 상태로 여러개를 설정하여 주는 복합형 연소실의 형상을 이루어 주고, 연료분사의 각도 범위를 제2a도에 도시된 바와 같은 범위(
Figure kpo00002
)로 하면 질소산화물, 일산화탄소, 미연소 탄화수소 및 매연의 배출이 현격히 감소된다는 것이 실험적으로 입증되었으며 본 발명의 핵심이다.
상기 연료분사 각도의 범위(
Figure kpo00003
)는 연소실(C)의 중심선에서 각도(β)만큼 스월 방향으로 약간 떨어진 지점으로부터 부연소실(CA)와 주 연소실(C)의 원주선이 교차하는 시점(A)에서 각도(
Figure kpo00004
)만큼 스월 반대방향으로 떨어진 지점(F)까지이다. 상기 지점(F)는 최적의 스월을 유지할 수 있는 임계점이다. 상기 각도 β는 4°이며 상기 각도
Figure kpo00005
는 7°이다.
본 발명에 따른 연소실은 유해배기가스의 NOx THC 및 CO의 배출도가 전체적으로 낮을 뿐만 아니라 그중에서도 특히 NOx의 배출도가 일본 및 우리나라의 측정방법에 의해 230내지 273ppm으로서 한국의 규제치 850ppm, 일본의 규제치 700ppm 보다 현격히 낮으며, CO는 349ppm으로서 한국 및 일본 규제치보다 낮다. 스모크보시(Smoke Bosch)는 4로서 규제치 5보다 낮다. 현재 국내에서 일본과 기술제휴로 생산 판매되는 엔진의 NOx 배출도는 850ppm이며, 일본의 최신 디젤엔진의 NOx 배출도는 500ppm 정도임에 반해 본 발명의 연소실은 현저한 효과를 갖는 것이다.

Claims (1)

  1. 연료분사식 왕복동식 디젤기관의 연소실을 형성하는 피스톤의 연소실측 상단면에 형성된 凹형상의 피스톤 연소실에 있어서, 피스톤(P)의 직경(D)의 0.522 내지 0.552배의 직경(d)를 갖는 주연소실(C)와, 상기 주연소실(C)의 중심(a)를 중심으로 하는 반경 (B)가 0.105D 내지 0.238D 또는 0.195d 내지 0.446d인 원주상에 그리고 스프레이(S)와 스프레이(S)의 사이에 중심을 둔 반경(A)가 0.095D 내지 0.200D 또는 0.179d 내지 0.370d가 되며 상기 주연소실의 상단으로부터 하단면까지 연결된 상태로 여러개가 설치된 부연소실(CA)로 이루어져 복합형 연소실을 형성하고, 상기 주연소실(C) 내로 분사되는 연료는 주 연소실(C)의 중심선에서 스월방향으로 4°벗어난 지점으로부터 지점(A)에서 스월 반대방향으로 7°떨어진 지점(F)까지의 각도 범위(
    Figure kpo00006
    )내의 각도로 분사되는 것을 특징으로 하는 연료분사식 왕복동식 디젤기관의 연소실을 형성하는 피스톤의 연소실측 상단면에 설치된 피스톤 연소실.
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