KR0149371B1 - 소기작용 토오치 점화 시스템 - Google Patents

Abstract

실린더 헤드에 설치된 점화 플러그의 하측에 형성되어 공기만이 유입됨과 아울러 주 연소실과 연통되어 압축행정시 주 연소실의 혼합기가 유입되는 부 연소실과, 이 부 연소실과 에어 클리너를 연결하여 흡입행정시 공기만이 유입될 수 있도록 하는 작은관로들과, 상기한 작은 관로에 설치되어 ECU의 제어로 이 작은 관로를 개폐하는 솔레노이드 밸브로 구성됨을 특징으로 하는 소기작용 토오치 점화 시스템.

Description

소기(掃氣)작용 토오치 점화 시스템

제1도는 본 발명에 의한 토오치 점화 시스템의 개략도.

제2도는 본 발명에 의한 점화 시스템에 관련한 실린더 헤드부의 측단면도.

제3도는 본 발명에 관련한 밸브 개폐기구의 측단면도로서, (a)는 닫힘상태도, (b)는 열린 상태도.

제4도는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 토오치 점화 시스템의 실린더 헤드부 측단면도.

제5도는 본 발명의 또다른 실시예를 나타내는 토오치 점화 시스템의 실린더 헤드부 측단면도.

제6도는 종래의 급속연속 방식의 내연기관을 일부 도시한 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 에어 클리너 5 : 부 연소실

6 : 작은 관로 7 : 솔레노이드 밸브

8 : ECU 9 : 실린더 헤드

10 : 점화 플러그 11 : 주 연소실

13 : 노즐 14 : 개폐부재

19 : 통로 22 : 토오치 하우징

본 발명은 소기작용 토오치 점화 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 안정된 연소를 실현하고 유해 배기가스의 생성을 억제할 수 있는 소기작용 토오치 점화 시스템에 관한 것이다.

근자에 이르러 자동차의 성능을 가일층 향상시키기 위하여 유해성분의 발생저감과 연료 소비절약의 개선과 동시에 엔진의 출력을 향상시킬 수 있는 고성능 가솔린 내연기관의 개발이 요구되고 있다.

그러나 일반적으로 가솔린 내연기관에서 연료소비 및 출력 향상을 도모하기 위한 수단의 하나로 엔진의 열효율을 향상시키기 위하여 압축비를 높이는 것이 유효하다는 것이 알려져 있으나, 고압축 점화에 따라서 이상연소(Knocking)의 발생이 나타나게 되므로 오히려 이것이 출력 저하를 초래하는 한 요인이 되고 있음을 인지하게 되었다.

이러한 이상연소를 억제하는 수단으로 연소가의스의 온도와 압력을 낮게 하고, 연소실벽 특히 말단 가스(End Gas) 부분의 냉각을 촉진시키며, 화염속도를 증대하여 연소속도를 빠르게 하고, 화염 전파거리를 단축시키는 기술이 알려져 있다.

이러한 기술상의 난제를 해결하기 위한 이른바 토오치 점화 내연기관이 알려져 있는데, 이 방식은 토오치 에너지를 증대시키거나 토오치 노즐의 직경을 작게 하여 화염의 속도를 빠르게 함으로써 주연소실의 말단까지 화염이 전파되도록 함에 의해 주 연소실내의 혼합기의 연소속도를 빠르게 하여 이상연소의 발생을 억제토록 하고 있다.

제6도는 종래의 급속연소 방식의 내연기관을 일부 도시한 단면도로서, 난류 생성포트를 보유하고 있음을 나타내고 있다.

실린더 본체(30)와, 이본체의 상측에 결합되는 실린더 헤드(31)사이에 주 연소실(32)을 형성하고 있으며, 이 주 연소실(32)의 상방에 점화 플러그(33)가 설치되어 점화를 실시할 수 있도록 구성된 범용의 내연기관과 동일한 방식의 내연기관이다.

이 내연기관의 급속연소는 실린더 헤드(31)에 마련되고 있는 난류 생성포트(34)에 의해 이루어지는 것인데, 이 난류 생성포트(34)는 주 연소실(32)과 연통하는 구조로 형성되고 있으며, 점화 플러그(33)의 전극부위가 이 난류 생성포트(34)에 노출되는 상태로 설치되고 있다.

상기한 난류 생성포트(34)내에는 토오치(35)를 삽입하여 주 연소실(32)과 난류 생성포트(34)와의 사이에 노즐부(36)가 형성되도록 함으로써 난류 생성포트(34)내의 화염이 주 연소실(32)내로 급속히 전파될 수 있도록 하고 있다.

이때 난류 생성포트(34)의 형성위치와 각도는 화염 전파속도에 영향을 미치게 되는데, 점화 플러그(33)의 중심축 선에 대하여 기울어진 상태로 설치되는 것이 좋다.

이러한 구조의 점화 방식은 흡입행정에서 흡기된 혼합기가 주연소실(32)로 충진된 후, 압축행정시에 피스톤이 상승함에 의해 난류 생성포트(34)로 유입되면서 점화 플러그(33)의 전극에서 발생하는 스파크에 의해 1차로 난류 생성포트(34)에서 점화가 이루어지면서 노즐부(36)를 통하여 화염이 주 연소실(32)로 전파되기 때문에 급속 연소가 이루어진다.

그런데 이러한 방식은 난류 생성포트(34)내의 잔류 연소가스를 소기시킬 수 있는 수단을 부여하고 있지 않기 때문에 항시 난류 생성포트(34)내의 불연소 가스의 입자가 주 연소실(32)내의 불연소 가스의 입자보다 실질적으로 많게 된다.

따라서 이러한 방식도 압축비가 높아지면 이상연소가 발생하게 되므로 범용 가솔린 엔진과 동일하게 출력저하를 가져오게 된다.

이와 같은 것들은 점화시기에 관계하는 것인데, 점화시기가 빠르면 상사점 부근에서 연소압력이 상승하고, 이로인해 말단 가스에 가하는 압력이 높아져 이상연소가 촉진되는 것이므로 점화시기를 늦추는 것이 이상연소의 발생을 억제하는 확실한 방법이지만 이 경우에는 출력이 저하된다.

점화시기를 지연시키면 연소실의 최고온도가 저하하게 되므로 NOx의 생성량이 급격히 저하하고, 또 점화시기를 늦추면 연소가스의 유효 팽창율이 저하되고 팽창후기의 온도가 낮아지기 때문에 HC의 생성은 감소한다는 것은 알려져 있다.

그런데 점화시기를 어느 정도 늦추어야 유해 배기가스의 생성이 억제되고 출력이 저하되지 않는가를 아는 것은 사실상 불가능하다.

본 발명은 이러한 관점에서 발명된 것으로서, 점화시기를 적절히 늦추어 엔진의 출력을 향상시킴과 아울러 유해 배기가스의 생성을 억제할 수 있는 소기작용 토오치 점화 시스템을 제공하는 데 있다.

이를 실현하기 위하여 본 발명은, 실린더 헤드에 설치된 점화 플러그의 하측에 형성되어 공기만이 유입됨과 아울러 주 연소실과 연통되어 압축행정시 주 연소실의 혼합기가 유입되는 부 연소실과, 이 부 연소실과 에어클러너를 연결하여 흡입행정시 공기만이 유입될 수 있도록 하는 작은 관로들과, 상기한 작은 관로에 설치되어 ECU의 제어로 이 작은 관로를 개폐하는 솔레노이드 밸브로 구성됨을 특징으로 하는 소기작용 토오치 점화 시스템을 제공한다.

상기한 부 연소실과 주 연소실 사이에는 급속연소를 위한 노즐이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기한 부 연소실에는 노즐이 일체로 형성된 토오치 하우징이 설치됨을 특징으로 한다.

상기한 작은 관로는 소기작용을 원활히 하기 위하여 점화플러그와 연통됨을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라 더욱 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명의 토오치 점화 시스템의 개략도로서, 에어 클리너(1)와 이 에어 클리너(1)와 관로(2)에 의해 연통하는 스로틀 바디(3)와, 상기한 관로(2)에서 바이패스되는 관로(4)로부터 분지되어 각각의 부 연소실(5)로 통하는 작은 관로들(6)로 이루어지며, 상기한 관로들(6)에 설치되어 이곳을 통하는 공기의 흐름을 단속하는 솔레노이드 밸브(7) 및 이 솔레노이드 밸브(7)를 제어하는 ECU(8)를 포함하여 이루어지고 있다.

상기한 부연소실(5)은 실린더 헤드에 설치되는데, 제2도는 실린더 헤드부에 형성되고 있는 부연소실(5)을 보여주고 있다.

상기한 부연소실(5)는 실린더 헤드(9)에 설치되는 점화플러그(10)의 바로 하측에 일체로 형성되고 있는데, 이것은 특히 DOHC엔진의 경우 실린더 헤드가 복잡한 형상을 갖기 때문에 가장 적당한 위치가 된다.

상기한 부연소실(5)은 주 연소실(11)과 연통하는 구조를 갖는데, 부연소실(5)과 주 연소실(11) 사이에는 구멍(12)이 뚫려진 노즐(13)이 일체로 형성되어 부 연소실(5)에서 생성된 화염을 주 연소실(11)내로 전파시킬 수 있도록 되어 있다.

상기한 부 연소실(5)은 실린더 헤드를 관통하여 형성되고 있는 작은 관로(6)와 연결되어 에어 클리너(1)를 통하여 유입되는 공기의 도입이 가능하게 되어 있다.

상기한 솔레노이드 밸브(7)는 이 작은 관로(6)를 개폐하여 흡입행정시에만 부 연소실(5)내로 공기의 유입이 가능하게 되어 있는데, 이 밸브(7)는 ECU(8)에 의해 제어되어 개폐부재(14)가 작은 관로(6)를 차단하거나 열게된다.

상기한 솔레노이트 밸브(7)는 실린더 헤드(9)내에 넣어지는 상태로 설치되고 있는 하우징(15)과, 이 하우징(15)내에 위치하여 ECU(8)로 부터 인가되는 전기적 신호에 의해 자화하는 자화부(16)와, 이 자화부(16)의 자계에 의해 이동하는 상기한 개폐부재(14)와, 상기한 개폐부재(14)를 탄압지지하는 탄성부재(17)와, 상기한 하우징(15)을 덮고 있는 캡(18)을 포함하여 이루어지고 있다. 상기한 개폐부재(14)에는 통로(19)가 뚫려져 있는데, 이 통로(19)는 작은 관로(6)와 일치하여 흡입되는 공기를 부 연소실(5)내로 유입될 수 있도록 하거나, 통로(19)가 작은 관로(6)와 불일치한 상태로 되어 흡입되는 공기를 차단하게 된다.

이러한 작용은 ECU(8)에 의해 제어되는 솔레노이드 밸브(7)의 개폐부재(14)가 이동하는 것으로 실현될 수 있다.

이를 위하여 실린더 헤드(9)에는 개폐부재(14)가 이동할 수 있는 홈이 형성되어야 한다.

상기한 작은 관로(6)와 부 연소실(5)이 합치하는 위치는 부 연소실(5)의 상측에 있는 것이 좋은데, 이것은 소기작용이 원활히 되도록 하는데 바람직하다.

도면에서 지칭된 부호 20은 흡기포트이고, 21은 배기포트이다.

이와 같이 이루어지는 본 발명의 소기작용 토오치 점화시스템은, 엔진의 작동행정이 압축, 폭발, 배기행정시에는 ECU(8)로부터 전기적 신호가 출력되지 않기 때문에 솔레노이드 밸브(7)의 개폐부재(14)는 탄성부재(17)의 탄성력에 의해 하측으로 밀려 있는 상태가 된다.

이러한 상태에서는 개폐부재(14)에 뚫려진 통로(19)가 작은 관로(6)와 일치하지 않는 상태로 되기 때문에 작은 관로(6)를 통하여 유입되는 공기는 차단되어 진다(제3도(a) 참조).

배기행정이 완료되면서 흡입행정이 시작되면, ECU(8)로부터 솔레노이드 밸브(7)로 전기적인 신호가 전달되어 솔레노이드 밸브(7)의 자화부(16)는 자력을 갖게 된다.

이때 발생하는 자력에 의해 개폐부재(14)는 상측으로 이동하면서 탄성부재(17)를 압축시키게 되는데, 이러한 작용으로 개폐부재(14)에 뚫려진 통로(19)와 작은 관로(6)는 일치하는 상태가 된다(제3도(b) 참조).

따라서 작은 관로(6)를 통하여 주 연소실(11)내의 부압에 의해 공기가 흡입되는데, 이와 동시에 흡기포트(20)를 통하여 연료와 혼합된 혼합기가 주 연소실(11)내로 유입되므로 부 연소실(5)내에는 신선한 공기가 유입되고 주 연소실(11)에는 혼합기가 유입된다.

이러한 상태로 흡입행정이 완료되면서 압축행정으로 이어지면, 피스톤의 상승에 의해 혼합기가 압축되기 때문에 주 연소실(11)내의 혼합기 일부가 부 연소실(5)내로 밀려 들어가게 된다.

이때 솔레노이드 밸브(7)은 작은 관로(6)를 차단하여 더 이상의 공기가 유입되지 못하도록 하여야 하는데, 솔레노이드 밸브(7)의 폐쇄작동은 피스톤이 하사점을 지난후 대략 크랭크 각도로 20~50。 범위내에서 이루어져야 한다.

이것은 주 연소실(11)내의 혼합기가 부 연소실(5)내로 원활하게 유입될 수 있도록 하는데 도움이 된다.

상기한 솔레노이드 밸브(7)의 폐쇄작동은 ECU(8)에서 전달되는 전기적 신호가 0인 상태일때 이루어지는데, 전기적 신호가 없으면 자화부(16)가 자력을 잃게 되므로 압축되었던 탄성부재(17)의 반력에 의해 개폐부재(14)가 하측으로 이동함에 실현된다.

이와 동시에 피스톤이 상사점으로 근접할 때 점화 플러그(10)에서 전극 스파크가 발생하여 점화를 시작하게 되는데, 1차적으로 부 연소실(5)내의 혼합기가 점화되면서 이곳의 압력이 상승함에 의해 화염이 노즐(13)의 구멍(12)을 통하여 강한 압력으로 분사되면서 주 연소실(11)내의 혼합기를 점화시키게 된다.

따라서 주 연소실(11)내의 혼합기는 급속히 연소되기 때문에 연소후기의 미연소 말단가스의 발생이 최소화되므로 이상연소가 일어나지 않게 되어 안정된 연소를 실현할 수 있다.

또한 이상연소가 일어나지 않게 되므로 출력저하를 발생시키는 요인을 제거할 수 있는 이점이 있다.

이러한 연소방식은 피스톤이 상사점으로 이동하기 전에 부 연소실에서 1차 연소를 행하고 피스톤이 상사점을 지나면서 주 연소실에서 급속연소가 이루어지도록 하고 있기 때문에 실질적으로 점화시기를 지연시키는 효과가 있으므로 엔진의 출력을 높일 수 있음은 물론 연소실내의 최고온도를 낮출 수 있으므로 NOx, HC 등의 유해 배기가스 생성을 억제할 수 있다.

그리고 배기행정시에 배기포트(21)가 열리면서 배기가 이루어지게 되는데, 배기행정에 이어지는 흡입행정과의 사이에 흡,배기밸브가 모두 열려있는 오버랩 구간에서 작은 관로(6)를 통하여 들어오는 공기에 의해 부 연소실(5)내의 잔류 연소가스가 소기되는 효과를 얻을 수 있다.

제4도는 본 발명의 토오치 점화 시스템의 다른 실시예를 나타내는 실린더 헤드부 측단면도로서, 상기한 실시예와 거의 동일한 구조를 갖지만, 부 연소실(5)내에 토오치 하우징(22)을 설치하고 이 토오치 하우징(22)에 작은 관로(6)를 연결한 구성이 다르다.

이 실시예에서는 노즐(13)을 실린더 헤드(9)와 일체로 제작할 수 없는 구조의 엔진일 경우 제작상의 이점이 있고, 다른 작용은 상기한 실시예와 동일하다.

제5도는 본 발명의 또다른 실시예로서, 부 연소실(5)에 토오치 하우징(22)을 설치하고 그 상방에 설치되는 점화 플러그(10)와 작은 관로(6)를 연결한 구조이다.

이 실시예에서도 노즐을 실린더 헤드와 일체로 형성할 수 없는 구조인 엔진일 경우, 제작상의 이점이 있으며, 특히 작은 관로가 부 연소실의 상방으로 연결되기 때문에 소기작용이 우수한 이점이 있다.

Claims (5)

1. 실린더 헤드에서 설치된 점화 플러그(10)의 하측에 형성되어 공기만이 유입됨과 아울러 주연소실과 연통되어 압축행정시 주연소실의 혼합기가 유입되는 부연소실(5)과, 이 부연소실(5)과 에어 클리너를 연결하여 흡입행정시 공기만이 유입될 수 있도록 하는 작은 관로(6)들과, 상기한 작은 관로(6)에 설치되어 ECU(8)의 제어로 이 작은 관로(6)를 개폐하는 솔레노이드 밸브(7)로 구성됨을 특징으로 하는 소기작용 토오치 점화 시스템.
2. 제1항에 있어서, 부연소실(5)과 주연소실(11) 사이에는 급속 연소를 위한 노즐(13)이 형성됨을 특징으로 하는 소기작용 토오치 점화 시스템.
3. 제1항에 있어서, 부연소실(5)에는 노즐(13)이 일체로 형성된 토오치 하우징이 설치됨을 특징으로 하는 소기작용 토오치 점화 시스템.
4. 제1항에 있어서, 솔레노이드 밸브(7)는 작은 관로(6)를 개폐할 수 있는 개폐부재(14)를 포함하는 것을 특징으로 하는 소기작용 토오치 점화 시스템.
5. 제4항에 있어서, 개폐부재(14)는 흡기행정시에 작은 관로(6)와 일치하는 통로가 형성된 것을 특징으로 하는 소기작용 토오치 점화 시스템.