KR100204626B1 - 내연 기관의 연료 분사 및 점화 장치 및 방법 - Google Patents

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요시시게 오야마
마모루 후지에다
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가나이 쓰도무
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Abstract

본 발명은 연료 분사 밸브의 분사구가 연소실 내로 개방되고, 분사구 근방에 착화원을 배치하고, 연료 분사 밸브로부터의 연료가 분사된 후에 혼합기에 착화하고, 생성한 화염을 연료의 분류에 실리게 하여 연료의 분류의 에너지를 이용하여 화염의 관통력을 높이고, 화염을 연소실 내로 분산시키게 한 것이다.

Description

내연 기관의 연료 분사 및 점화 장치 및 방법
제1도는 본 발명의 제1실시예를 도시하는 엔진의 한 실린더의 상부 부분의 연소실의 수직 단면도.
제2a도 내지 제2f도는 각각 종래 기술의 예를 도시하는 연소실 내부를 상부측에서 본 연소 상태의 개략도.
제3a도 내지 제3f도는 각각 종래 기술의 예를 도시하는 연소실 내부를 상부측에서 본 연소 상태의 개략도.
제4도는 본 발명의 제1실시예를 도시하여 엔진의 제어 시스템을 도시한 블록도.
제5도는 제어 장치에서 실행되는 연료 분사 밸브의 작동에 관한 제어의 플로우 챠트.
제6도는 점화 시기, 연료 분사 타이밍 및 가속 페달의 위치의 관게를 도시하는 다이어그램.
제7도는 점화 장치의 동작에 관한 제어의 플로우 챠트.
제8도는 연소실 내부를 상방에서 본 연소 상태의 개략도.
제9도는 연료 분사와 점화 시기를 도시하는 타임 챠트.
제10a도 및 제10b도는 화염의 개략도.
제11도는 본 발명의 제2실시예를 도시하며, 엔진의 한 실린더의 상부의 연소실의 수직 단면도.
제12a도 및 제12b도는 연소실 내부를 상방에서 본 연소 상태의 개략도.
제13도는 본 발명의 제3실시예를 도시하며, 연소실 내부를 상방에서 본 공기 유동 방향을 도시하는 개략도.
제14도는 연료 분사 밸브의 노즐부의 수직 단면도.
제15도는 연소실 내부를 상방에서 본 연소 상태의 개략도.
제16도는 공연비와 착화원의 조성과의 관계를 도시하는 다이어그램.
제17a도 및 제17b도는 본 발명의 제4실시예를 도시하며, 연소실 내부를 상방에서 본 연소 상태의 개략도.
제18도는 본 발명의 제5실시예를 도시하며, 엔진의 한 실린더 상부의 연소실의 수직 단면도.
제19도는 본 발명의 제6실시예를 도시하며, 엔진의 한 실린더 상부의 연소실의 수직 단면도.
제20도는 본 발명의 제7실시에를 도시하며, 연소실 내부를 상방에서 본 연소상태의 개략도.
제21도는 본 발명의 제8실시에를 도시하며, 엔진의 한 실린더 상부의 연소실의 수직 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 연료 분사 밸브 3 : 점화 플러그
4, 4a, 4b : 흡기 밸브 5, 5a, 5b : 배기 밸브
8 : 제어 장치 12 : 흡기관
13 : 배기관 15 : 피스톤
17 : 실린더 18 : 실
19, 20, 23, 49, 50 : 구멍 21 : 연소실
22 : 보조실 29 : 와류 흡기 포트
30 : 화염 노즐 37 : 연료 펌프
38 : 스필 밸브 39 : 스필 밸브 제어 장치
40 : 화염 핵 41 : 실린더내 압력 센서
42, 43, 48 : 전극 44 : 전극 부착 연료 분사 밸브
45 : 분사구 노즐 46 : 전기 절연체
47 : 칩 전극 51 : 부 연료 분사 밸브
본 발명은 가솔린, 경유, 천연 가스, 알콜, 수소 등의 연료를 연소하여 동력으로 변환하는 내연 기관의 연료 분사 및 점화 장치 및 방법에 관한 것이다.
내연 기관에 있어서 연료 소비율을 개선하기 위해서는 연료-공기 혼합물(이하, 단순히 혼합기라 한다)을 연료 농도가 낮은 희박 혼합기로 하고, 고압축비화하여 열 효율을 향상시키고, 희박 혼합기를 순간적으로 연소시킬 필요가 있다.
제2a도 내지 제2f도는 가솔린 엔진 등의 불꽃 점화 엔진의 종래 기술의 각종 연소 방식을, 연소실(21) 내부를 상부에서 본 연소 상태의 개략도로 도시한 것이다.
제2a도는 일반적인 엔진의 경우이며, 점화 플러그(3)으로 혼합기에 화염 핵을 생성하고, 화염을 주위로 전파시켜서 혼합기를 연소시킨다. 이 연소 방식에서는 혼합기가 희박할 때 연소 도중에 화염이 불어 꺼져 버리는 결점이 있다. 게다가, 화염의 전파가 느리고 열 효율이 떨어진다.
이런 결점에 대한 대안으로서, 제2b도에 도시한 바와 같이, 점화 플러그(3)을 복수개 배치하는 것이 제안되고 있으나, 흡기 밸브 및 배기 밸브(도시 않음)가 있기 때문에 점화 플러그(3)의 배치를 최적화할 수가 없다.
또, 제2c도에 도시한 바와 같이, 고온의 배기를 혼합기에 혼입하여 점화원으로 하는 방법이 제안되고 있다. 그러나, 점화원의 위치가 엔진의 사이클마다 변동되어 열 효율이 낮다.
한 편, 제2d도는 도시한 바와 같이, 점화 플러그(3)의 에너지를 증가시켜 고온의 플라즈마를 생성시키고 연소실 내로 분사하여 화염 전파를 촉진하는 방법이 제안되고 있다. 그러나, 플라즈마의 관통력은 작고, 열 효율이 낮다.
또, 제2d도에 도시한 플라즈마에 관하여 에스 에이 이·기술 논문 910565(SAE Technical Paper 910565)에 기재된 활성 제트 형성 방법이 제시되나 제트의 힘이 약하고 혼합기에 의해 불어 날려지기 때문에 충분한 효과를 얻기에 이르지는 못하고 있다.
또, 제2e도에 도시한 바와 같이, 보조실(22)를 설치하고, 보조실(22) 내부의 혼합기를 점화 플러그(3)으로 연소시키고, 토오치 화염을 연소실(21) 내로 분출시켜서 화염의 전파를 촉진하는 방법이 제안되고 있다. 그러나, 연소실(21)의 표면적이 보조실(22) 보다 증대하기 때문에 열 효율이 저하된다.
한편, 제2f도에 도시한 바와 같이, 연료 분사 밸브(2)에 의해 분무된 연료에 점화 플러그(3)으로 직접 점화하는 방법이 제안되고 있다. 그러나, 분무된 연료와 공기와의 혼합이 불충분하기 때문에 그을음이 발생한다는 결점이 있다.
상술한 바와 같이, 종래의 연소 방식은 가솔린, 천연 가스, 수소, 알콜 등의 연료의 종류에 관게 없이 열 효율이 저하되거나 그을음이 발생하거나 하는 결점을 갖고 있다.
다음에, 디젤 엔진 등의 자동 착화 엔진의 종래 기술에 있어서의 각종 연소 방식을 연소실(21) 내를 상방에서 본 연소 상태를 제3a도 내지 제3f도에 개략적으로 도시하였다.
제3a도는 일반적인 디젤 엔진의 경우이며, 연료 분사 밸브(2)로부터의 연료 분무가 착화 지연 시간 후에 자동 착화하여 화염을 형성한다. 그 동안 분무와 공기의 혼합이 불충분하면 그을음이 발생한다.
이런 단점을 해소하기 위해 제3b도에 도시한 바와 같이, 보조실(22)를 제공하여 연소를 촉진시키는 방법이 제안되고 있다. 그러나, 연소실(21)의 표면적이 보조실(22)보다 증대하여 열 효율이 저하된다.
또, 제3c도에 도시한 바와 같이, 연료 분사 밸브(2)의 얍력을 300 기압 이상으로 높여서 연료 분무의 관통력을 높이고, 공기와의 혼합을 촉진하고, 그을음을 방지하려는 시도가 행해지고 있다. 그러나, 자동 착화하는 시기가 엔진의 사이클이나 공간적으로 일정하지 않아서 그 열 효율이 저하된다.
또, 제3d도에 도시한 바와 같이, 처음에 파일럿 연료를 분사하여 화염 핵을 형성함으로써 주 연료 분무의 착화를 촉진시키는 방법이 제안되고 있다. 그러나, 화염 햄의 형성 시기가 엔진의 사이클이나 공간적으로 일정하지 않아서 열 효율이 저하한다.
또, 제3e도에 도시한 바와 같이, 글로우 플로그 등의 히터(23)을 두어 연소를 촉진시키는 방법에 제안되고 있다. 그러나, 자동 착화하는 시기가 엔진의 사이클이나 공간적으로 일정하지 않고 변동하여 열 효율이 저하한다.
또, 제3f도에 도시한 바와 같이, 보조실이나 노즐 내에서 연소한 화염에 의해 혼합기에 점화하는 방식이 제안되고 있다. 그러나 보조실이나 노즐 내에서의자기 착화의 시기가 엔진의 사이클이나 공간적을 일정하지 않고 변동하여 열 효율이 저하된다.
상술한 바와 같이, 제2a도 내지 제2f도 및 제3도에 도시한 종래의 연소 방식에서는 제2b도에 도시한 복수개의 점화 플러그를 배치하는 방식을 제외하고는 연소가 엔진 사이클이나 공간적으로 일정하지 않고 변동하여 열 효율이 저하하는 결점을 갖고 있다.
또, 제2b도에 도시한 방식에 있어서는 흡기 밸브나 배기 밸브가 있어서 점화 플러스를 복색 설치하는 것은 실제로 곤란하기 때문에 점화 플러그를 최적의 위치에 배치할 수가 없어서 결국 열 효율이 낮다.
연소실 내의 공간의 각종 위치에 복수개의 안정된 점화원을 형성할 수 있다면 연소실 내에서 순간적으로 공간적으로 균일하게 연소되므로 엔진의 사이클이나 공간적인 변동을 저감시킬 수 있고, 그 결과 열 효율을 높일 수 있다.
그러나, 상술한 바와 같이, 흡기 밸브가 있어서 점화 플러그를 복수개 배치하는 것은 실제로 곤란하기 때문에 연소실 내의 공간의 각종 위치에 화염핵을 순간적으로 분산시킬 필요가 있다.
상술한 종래에에서는 화염을 연소실 내로 불어내어 분산시키는 방법(제2d도,제2f도,제3b도)이나 또는 분류를 분산시키고 나서 자동 발화시키는 방법(제3c도,제3d도,제3f도)이 채택되고 있다. 그러나, 전자는 화염의 관통력이 약하고, 후자는 자동 발화 시기의 엔진의 사이클이나 공간적인 변동이 있다. 결국, 열 효율을 높일 수 없다.
본 발명의 목적은 종래의 연소 방식의 결점인 연소 사이클이나 공간적인 변동을 복수개의 점화 플러그를 이용하지 않고 저감시키고, 그 결과 열 효율을 높이고, 희박 혼합기를 순간적으로 연소시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에 있어서는, 연료 분사 밸브의 분사구를 엔진의 연소실 내에 설치하고, 상기 분사구의 근방에 점화원을 배치하고, 연료 분사 밸브로부터의 연료 분사 계속중에 혼합기에 점화하고, 생성된 화염을 연료의 분류에 실리게 하여 연료의 에너지를 이용하여 화염의 관통력을 높이고 화염이 연소실 내로 분산되게 하였다.
또, 연료 분사 밸브의 분사구에 노즐을 설치하는 경우에는 노즐 개구부의 직경을 1mm 이상으로 하였다.
연료 분사 밸브로부터 연료를 분사하고, 연소실 내에 혼합기를 형성한 후, 점화 플러그를 방전시켜서 혼합기에 점화하고, 화염을 형성한다. 연로의 분사는 계속되고 있기 때문에 연료의 분류의 에너지에 의해 상기 화염의 관통력이 높아지고, 연소실 내 전체에 걸 쳐 화염이 전파되고, 혼합기를 확실히 연소시킨다. 연소실 내 전체의 혼합기는 신속하게 연소될 수 있으므로 연소가 안정되고 연소의 사이클이나 공간적인 변동을 복수개의 점화 플러그를 이용하지 않고 저감시킬 수 있다. 그 결과, 압축비를 높일 수 있고, 열 효율이 향상되고, 희박 공기라도 순간적으로 연소시킬 수 있다.
또, 화염 핵의 크기가 1mm 이상이 되면, 화염 핵 주위의 혼합기의 연소에 수반하는 발열량이 열 전달에 의한 주위에의 방열량보다 커지기 때문에 화염 핵은 성장되고, 삭감되지는 않는다. 따라서, 연료 분사 밸브의 분사구에 노즐을 설치하는 경우에는 노즐 개구부의 직경을 1mm 이상으로 하므로써 화염 핵의 크기를 1mm 이상으로 하여 화염 핵을 성장시키고, 화염의 삭감을 방지할 수 있다.
본 발명의 제1실시예를 제1도 및 제4도 내지 제10도를 이용하여 설명한다. 제4도는 본 발명을 적용하는 엔진의 제어 시스템을 표시하는 블록도이다. 제4도에 있어서, 공기 유동계(1), 연료 분사 밸브(2), 제어 장치(8), 아이들링 회전 제어 밸브(26), 점화 장치(27), 공기 펌프(33), 히터(36), 연료 펌프(37) 등을 작동시키는 전원은 충전기(14) 및 축전지(25)에 의해 공급된다. 드로틀 밸브(24), 아이들링 회전 제어 밸브(26) 및 과급기(11)에 의해 제어되는 흡입 공기량은 흡기관(12)에 부착된 공기 유동계(1)에 의해 계량된다. 엔진의 회전수는 크랭크각 센서(9)에 의해 검출된다. 연료량은 흡입 공기량과 엔진 회전수에 따라 제어 장치(8)에서 결정되며, 연료는 엔진의 실린더(17)의 연소실(21) 내로 직접 분사된다. 따라서, 흡기관(12)의 내벽이나 흡기 밸브(4)에 연료가 부착되지 않고, 미연소 연료가 남는 일이 없으며, 연료량의 제어 정밀도가 향상된다.
연료와 공기의 혼합기의 점화 시기는 공기 유동계(1), 공연비 센서(7), 크랭크 각 센서(9), 노크 센서(16) 등의 정보를 이용하여 제어 장치(8)에 의해 연산되고, 점화 장치(27)에 동작 신호가 전달되고, 점화 플러그(3)에 의해 실린더의 연소실(21)내의 혼합기에 점화한다.
CO, HC를 산화하고 산화 분위기 중에서 NOx를 환원할 수 있는 기능을 갖는 촉매 변환기(6)을 배기관(13)에 배치하여, 희박 연소의 경우에 배기 가스 중에 산소가 잔류하고 있어도 NOx를 환원할 수 있게 한다. 배기관(13)에 부착된 공연비 센서(7)에 의해 배기 가스의 공연비를 검출하고, 제어 장치(8)에서 목표 공연비로 되었는지를 조사하고 목표 공연비보다 희박하면 연료 분사 밸브(2)로부터 분사되는 연료량을 증대시킨다. 또, 엔진 시동 직후 등 촉매 온도가 낮고 촉매의 기능이 불충분한 경우에는 촉매 온도를 온도 센서(28)에 의해 검출하고, 히터(36)을 히터 제어 장치(35)에 의해 작동시켜서 촉매가 기능하는 온도로 촉매를 가열해도 좋다.
또, 촉매의 동작은 배기 가스 중의 산소 농도에 의해서도 영향을 받고 있으므로, 촉매 변환기(6)의 입구에 공기 도입 통로(32)를 설치하고, 제어 밸브(31)을 개방하는 동시에, 공기 펌프 제어 장치(34)를 작동시켜서 공기 펌프(33)에 의해 공기를 압송해도 좋다.
제1도는 엔진의 한 실린더의 상부의 연소실(21)의 수직 단면도이다. 피스톤(15)는 실린더(17)의 연소실(21)에 배치되고, 상부에는 흡기 밸브(4), 배기 밸브(5), 연료 분사 밸브(2), 점화 플러그(3)이 부착된다. 연료 분사 밸브(2)와 연료 펌프(37)은 배관으로 접속되고, 연료 펌프(37)과 연료 탱크(도시 않음) 사이에 스필 밸브(spill valve : 38)이 부착되어 있다. 스필 밸브(38)의 동작 및 점화 플러그(3)의 점화 시기는 스필 밸브 제어 장치(39) 및 점화 장치(27)을 거쳐 제어 장치(8)에 의해 전기적으로 제어된다. 연료 펌프(37)이 작동되면 연료의 압력이 상승하고, 연료 분사 밸브(2)를 개방하면 연료가 분류 A 및 분류 B로서 분사되고, 연소실(21)내에 혼합기가 형성된다. 그 후에 점화 플러그(3)이 점화되고, 분류 B 근방의 혼합기가 연소되고, 고온 가스인 화염 핵(40)이 형성된다. 이 때, 분류 B의 분사는 계속되고 있으므로, 분류 B에 화염 핵(40)이 실려서 연소실(21) 내에 분산되고 혼합기의 착화원이 되어 미리 연소실(21) 내에 형성되어 있던 혼합기를 순간적으로 연소시킨다. 다음에, 화염 액(40)이 연소실(21) 내에 분산된 시점에서 스필 밸브(38)을 개방하여 연료 펌프(37)에 의해 높아진 연료의 압력을 낮추고 연료 분사 밸브(2)로부터의 연료의 분사를 정지한다.
제5도는 제어 장치(8)에서 행해지는 연료 분사 밸브(2)의 동작에 관한 제어의 플로우 챠트를 도시한 것이다. 스텝(61)에서, 엔진의 크랭크 각도 신호 θ를 근거로 하여 엔진의 회전 속도 n이 연산된다. 다음에, 스텝(62)에서, 미리 기억되어 있는 함수를 이용하여 연료 분사 개시 시기 INJi, 연료 분사 종료 시기 INJe가 회전 속도 n, 가속 페달의 위치 α의 함수로서 구해진다. 다음에, 스텝(63)의 판정에 의해 크랭크 각도 신호 θ가 연료 분사 개시 시기 INJi에 일치된 때에 연료 분사 동작 신호가 ON으로, 스텝(64)의 판정에 의해 크랭크 각도 신호 θ가 연료 분사 종료 시기 INJe에 일치된 때에 OFF신호가 연료 분사 밸브(2)로 보내지고 연료가 연소실(21) 내로 분사된다. 분사 시기는 가속 페달 위치 α에 대해 예를 들면 제6도에 도시한 바와 같이 설정된다. 가속 페달의 위치 α의 값이 작은 소부하시에는 분사 시기를 압축 상사점에 접근시키고, 연료가 연소실(21) 내에 널리 분산되기 전에 점화 플러그(3)에 점화하고, 혼합기를 연소시킨다.
제7도는 제어 장치(8)에 행해지는 점화 장치의 동작에 관한 제어의 플로우 챠트이다. 점화 시기 IG는 제7도 중의 스텝(65)에 도시한 바와 같이, 엔진의 회전 속도 n과 가속 페달 위치 α에 대해 예를 들면 제6도에 도시한 바와 같이 설정된다. 가속 페달의 위치 α의 함수로서 부여되고, 제어 장치(8)에서 점화 시기 IG가 연산된다. 그리고, 스텝(66)에 도시한 바와 같이, 크랭크 각도의 시호 θ가 점화 시기 IG와 일치된 때 점화 장치(27)에 동작 신호가 보내지고, 점화 플러그(3)이 점화된다. 점화 시기 IG는 가속 페달의 위치 α의 값이 작은 소부하시에는 연료 분사 종료 시기 INJe 보다 이전에 점화하고, 제1도에 도시한 분류 B의 근방의 혼합기를 연소시켜서 화염 핵(40)을 만들고, 그 후의 연료의 분사의 에너지를 이용하여 화염핵(40)을 연소실(21) 내에 분산시켜서 착화원을 공간적으로 대량으로 만들고 혼합기를 연소시킨다. 그 결과, 공연비가 큰 희박한 혼합기라도 완전 연소시킬 수 잇다.
한편, 제6도에 도시한 바와 같이, 가속 페달의 위치 α의 값이 커지면 엔진의 회전 속도 n이 커지며, 연료 분사 개시 시기 INJi가 빨라지므로 점화 시기 IG는 연료 분사 종료 시기 INJe보다 늦어진다. 때문에, 화염 핵(40)이 분사의 에너지를 이용하여 분산하는 일은 없으므로 엔진의 고속 회전시에 생기기 쉬운 금속 연소에 의한 엔진 전체의 진동이나 소음의 증대를 방지할 수 있다.
제8도에는 연소실(21) 내부를 상방에서 본 연소 상태의 개략도가 도시되어 있다. 이 도면에는 분류 B의 근방에 점화 플러그(3)을 배치하고, 점화 플러그(3)의 방전을 계속시키고, 연료 분사 밸브(2)로부터의 분류 B의 에너지를 이용하여 화염 핵(40)을 분산시키고 있는 상태가 도시되어 있다.
제9도에는 연료 분사 및 점화 시기를 도시하는 타임 챠트가 도시되어 있다. 이 제9도에 잇어서, 분사 신호 X곡선과 같이, 연료 분사 밸브(2)로부터의 연료의 분사를 압축 상사점 보다 앞의 시각 t1부터 t5 까지 계속하여, 그 동안의 혼합기가 형성된 시기에 시각 t2부터 시각 t3 까지 점화 신호 Y 곡선과 같이, 점화 플러그(3)을 방전시키고, 혼합기에 착화시킨다. 여료의 착화에 의해 Z곡선으로 표시한 바와 같이 화염 핵(40)이 연소실(21)에 분산된다. 그 후, 연소실(21)내의 혼합기가 화염 핵(40)에 의해 착화, 연소한다. 전술한 바와 같이, 화염 핵(40)의 분산 속도는 종래의 엔진에 있어서의 화염 전파 속도보다 빠르므로 혼합기는 순간적으로 연소하고, 열효율이 향상한다.
화염 핵(40)이 분산하는 과정에서 화염 핵(40)의 온도가 저하하면 혼합기에 착화할 수 없게 된다. 이런 현상을 방지하고 화염 핵(40)을 유지하기 위해서는 발열량이 방열 열량보다 커야 한다. 제10a도에 도시한 바와 같이, 연료 분산 밸브(2)의 분류 B에 의해 2차 유동 C가 형성되고 화염 핵(40)은 이 2차 유동 C에 실려 분산된다. 이때, 분류 B는 제10b도에 도시한 바와 같이 분류의 코어 부분 D와 그 주위에서 연료의 입자가 부유하고 있는 입자 부유 영역 E로 이루어지며, 화염 핵(40)은 이 입자 부유 영역 E를 통하여 분산할 때 이 입자를 받아들여 연소시킴으로써 발열량을 방열 열량보다 많게 유지하고 화염 핵(40)이 소멸하는 것을 피할 수 있다.
제11도, 제12a도 및 제12b도는 본 발명의 제2실시예를 도시한 것이다. 제11도는 제1도와 마찬가지로 엔진의 한 실린더(17)의 상부의 연소실(21)의 수직 단면도이다. 연소실(21)과 피스톤(15)는 실린더(17)의 내부에 배치된다. 흡기 밸브(4), 배기 밸브(5)는 연소실(21)의 상부에 배치되어 흡기관(12)와 배기관(13)을 개폐한다. 연료 분사 밸브(2)의 분사구, 점화 플러그(3)의 전극은 구멍(19,20)을 갖는 화염 노즐(30)의 내부의 실(18) 내에 배치된다. 또, 제12a도 및 제12b도는 각각 연소실 (21) 내부를 상방에서 본 연소 상태의 개략도이다.
제11도, 제12a도 및 제12b도에 도시한 실시예의 동작을 이하에 설명한다. 제11도 및 제12a도에서, 연료 분사 밸브(2)로부터 분사되는 연료의 분무 중 분류 A는 화염 노즐(30)의 구멍(20)을 통하여 연소실(21) 내료 직접 공급되고, 연소실(21) 내에 혼합기가 형성된다. 분류 F는 구멍(20)을 통과할 수 없고, 실(18) 내에 체류한다. 한편, 연소실(21) 내의 새로운 공기 G가 화염 노즐(30)의 분류 A의 분류 A가 통과하지 않는 구멍(19)를 통하여 실(18) 내로 들어간다. 이 분류 A에 의해 실(18)내의 압력이 연소실(21) 내의 압력보다 낮기 때문이다.
이 도입된 공기 G가 상기 연료의 분류 F에 의해 실(18) 내에 착화 가능한 혼합기가 형성된다. 이 시점에서, 점화 플러그(3)을 점화시키고, 제12b도에 도시한 바와 같이 실(18)내의 혼합기를 연소시켜서 고온의 연소 가스 H를 만든다. 이 때, 분류 A는 유동을 계속하므로, 고온의 연소 가스 H는 연소실(21) 쪽으로 한번에 유출될 수 없고, 가스는 분류 A에 의해 갈라져서 복수개의 화염 핵(40)이 착화원이 되어 연소실(21) 내로 분산된다. 그리고, 미리 연소실(21) 내에 형성되어 있는 혼합기를 순간적으로 연소시킨다. 이 때의 분사 압력을 49MPa라 하면, 분류의 속도는 50m/s 정도가 되며, 층류 연소 속도인 0.9m/s에 비해 훨씬 빠르다. 또, 난류 연소 속도는 층류 연소 속도의 20배 정도로서 18m/s가 된다. 분류의 속도는 이 난류 연소 속도에 비해서도 충분히 빠르다. 따라서, 연소실(21) 내의 모든 혼합기를 순간적으로 착화, 연소시킬 수 있다. 분류 A의 분출 방향은 화염에 비해 엔진의 사이클이나 공간적으로 변동되지 않고 안정되며, 따라서 열 효율은 저하되지 않는다.
또, 제11도에 있어서, 화염 핵(40)의 크기가 1mm이상이 되면 화염 핵(40)의 주위의 혼합기의 연소에 수반하는 발열량이 열 전달에 의한 주위의 발열량보다도 커지기 때문에 화염 핵(40)은 성장하고, 소멸하는 일은 없다. 따라서, 연료 분사 밸브(2)의 분사구 근방에 부착된 화염 노즐(30)의 구멍(20)의 직경을 1mm 이상으로 함으로써 화염 핵(40)의 크기를 1mm 이상으로 하여 화염 핵(40)을 성장시키고, 소멸을 방지할 수 있다.
경유 등의 자동 발화하기 쉬운 연료에서는 분무가 자동 발화하기 쉽고, 종래의 대젤 기관의 연소와 같이 엔진의 사이클적으로 변동하기 쉽다. 이를 회피하기 위해, 디젤 기관의 압축비는 20 이상이지만 연소실(21) 내의 압축비를 20 이하로 하여 자동 착화를 억제하도록 한다.
옥탄가가 낮은 연료는 자동 착화하여 노킹을 발생하기 쉽지만, 본 발명에서는 착화원이 연소실(21) 내의 각부로 분산되어 있기 때문에 자동 착화가 발생하기 전에 연소가 완료하고 노킹의 발생을 방지할 수 있다.
연소가 너무 급속하면 피스톤(15)나 실린더(17)에 무리한 힘이 작용하므로 이를 회피하기 위해 화염 노즐(30) 내의 혼합기의 농도, 점화 시기를 운전 상태에 따라 제어하여 최적의 연소 속도를 얻게 한다.
또, 고온의 연소 가스 H가 구멍(20)을 통과할 때 냉각되지 않도록 화염 노즐(30)의 부재는 세라믹 등 열전달율이 낮은 재료로 만드는 것이 바람직하다.
제13도 내지 제16도는 본 발명의 제3실시예를 도시한다. 제13도는 연소실(21) 내를 상방에서 본 공기의 유동 방향을 도시하는 개략도이다. 본 실시예는 실린더(17)의 연소실(21) 내에 흡입 공기의 와류(선회류)를 형성하고, 화염 핵(40)을 이에 실어서 분산시키는 방법이다. 화염 핵(40)의 생성은 제1도에 도시한 바와 같이 연료 분사 밸브(2)로부터 분사된 분류의 근방의 혼합기의 부근에 점화 플러그(3)을 설치하고, 이를 방전시켜서 화염 핵(40)을 형성하고, 화염 핵(40)을 와류에 실어서 연소실(21) 내로 분산시켜도 좋다. 그런, 제14도에 도시한 바와 같이 연료 분사 밸브(2)와 점화 플러그(3)을 일체화한 전극 부착 연료 분사 밸브(44)를 이용하면 부착을 위한 공간이 적어도 되며, 점화에 적합한 장소에 설치할 수 있다. 또, 본 실시에에서는 연료의 분류의 일부가 와류의 움직임을 빠르게 하고, 화염 핵(40)의 분산을 신속화하는 효과가 있으며, 화염 핵(40)이 연소실(21) 내로 신속히 분산된다. 따라서, 제2f도에 도시한 종래의 실시예와 같은 그을음의 발생을 방지할 수 있다.
제13도에 있어서, 연소실(21)에는 두 개의 흡기 밸브(4a,4b), 두 개의 배기 밸브(5a,5b)가 배치되어 있다. 흡기 밸브(4a)를 통과하는 공기의 유동은 와류 성분을 포함하고 연소실(21) 내에 와류 K를 만든다. 흡기 밸브(4b)를 통과하는 공기의 유동은 와류 성분이 없고, 엔진 회전 속도가 고속인 때에 흡기 밸브(4b)가 개방되고, 그 외에는 닫혀 있다. 전술한 바와 같이, 전극 부착 연료 분사 밸브(44)는 부착을 위한 공간이 적어도 되므로 연소실(21)의 흡기 밸브(4a)의 근방에 전극 부착 연료 분사 밸브(44)를 부착할 수 있고, 그 결과 와류 K에 화염 핵(40)을 확실히 실어서 분산시킬 수 있다.
참조 부호 5a, 5b는 각 배기 밸브를 표시하며, 이들 각각은 배기 파이프(13)에 제공되어 있다. 참조 부호 12 및 29는 각각 흡기관과 와류 흡입 포트를 표시한다.
제14도는 전극 부착 연료 분사 밸브(44)의 노즐부의 수직 단면도이다. 상기 노즐부는 분사구 노즐(45), 전기 절연체(46), 칩 전극(47), 전극(48), 구멍(49), 구멍(50)으로 구성된다. 구멍(49)로부터 분출된 연료의 분류 A는 와류 K에 의해 연소실(21) 내의 공간 전면에 분산하고, 혼합기를 형성한다. 혼합기가 형성된 시점에서 전극(48)에 고전압을 인가하고, 칩 전극(47)과 전극(48) 사이에서 방전하면 구멍(50)을 통과하는 연료는 방전에 의해 부분적으로 연소되어 화염 핵(40)이 되며, 와류 K에 의해 연소실(21) 내의 공간 전면에 착화원으로서 분산하고, 미리 형성되어 있는 혼합기를 순간적으로 연소시킨다.
연료 분사 및 점화 시기는 엔진의 회전수, 부하 및 와류의 상태에 따라 제어하면 된다. 제15도는 연소실(21) 내부를 상방에서 본 연소 상태의 개략도이다. 제9도에 도시한 실시예와 다른 점은 전극(48)의 방전의 지속 시간이 길다는 것이며, 이에 의해 제15도에 도시한 바와 같이 복수개의 화염 핵(40)을 형성할 수 있다. 또, 전극(48)의 방전을 간헐적으로 행해도 마찬가지로 복수개의 화염 핵(40)을 형성할 수 있다.
제16도는 공연비와 착화원의 조성과의 관계를 도시하는 다이어그램이다. 제1도 및 제11도에 도시한 실시예의 경우의 착화원은 공연비가 클 때의 이산화 탄소를 주체로 한 고온의 가스 덩어리, 공연비가 작을 때는 연소의 중간 생성물, 즉 활성 가스 덩어리, 혹은 활성 가스에 고온의 연료 액적을 포함하는 덩어리이다. 또, 공연비가 작고, 온도가 높을 때는 연료의 분해 생성물, 예를 들면 카본을 포함하는 덩어리이다. 각각의 덩어리의 성분은 공연비에 따라 다르므로, 운전 상태에 따라 공연비를 설정하는 것이 좋다.
또, 본 실시예에서는 와류를 이용하였다. 그러나 와류 대신에 텀블을 이용해도 좋으며, 또 와류와 텀블 모두를 이용해도 좋다.
제17a도 및 제17b도는 본 발명의 제4실시예를 도시한 것이다.
제8도나 제12도 등에 도시한 다공 노즐 이외에 제17도에 도시한 바와 같이 선회력이나 원심력을 이용해서 박막상의 분류 L을 만들어서 2차 유동 C를 만드는 동시에 분류 M과 같이 연료를 분산시키고, 2차 유동 C와 분류 M에 화염 핵(40)을 실어서 분산시켜도 좋다. 이 경우, 분류 L의 관통력이 약하고 연소실(21)의 중앙부의 혼합기가 진해지므로 제17b도에 도시한 바와 같이 연료 분사 밸브(2)의 근방에 배치한 점화 플러그(3)에 의해 화염 핵(40)을 형성하고, 이를 분류 L의 2차 유동 C에 의해 분산시키게 한다.
제18도는 본 발명의 제5실시예를 도시한다. 제18도는 제1도와 마찬가지로 엔진의 한 실린더 상부의 연소실(21)의 수직 단면도이다. 본 실시예에서는 연료 분사 밸브(2)를 내부에 갖는 화염 노즐(30)에 근접하여 실린더내 압력 센서(41)을 설치하는 동시에 점화 플러그 대신에 화염 노즐(30)에 설치한 전극(42)와 실린더내 압력 센서(41)의 선단에 설치된 전극(43) 사이의 방전에 의해 화염 핵(40)을 맞드는 것이다.
연료 분사 밸브(2)로부터 분사되는 연료의 분류 중 분류 A는 화염 노즐(30)의 구멍(20)을 통하여 연소실(21) 내에 직접 공급되고, 연소실(21) 내에 혼합기가 형성된다. 분류 B는 처음에는 분류 A와 마찬가지로 구멍(23)을 통과할 뿐이지만 그후 화염 노즐(30)에 설치된 전극(42)와 실린더내 압력 센서(41)의 선단에 설치된 전극(43) 사이의 방전에 의해 화염 핵(40)이 만들어지고, 분류 B의 에너지에 의해 연소실(21) 내로 분산하고, 혼합기가 순간적으로 착화, 연소 한다. 화염 노즐(30)의 상방 부리부에는 구멍(19)가 설치되고, 연소실(21) 내의 새로운 공기 G가 공급되므로 분류 A나 분류 B를 착화하기 쉬운 혼합기로 할 수 있다.
제19도나 본 발명의 제6실시예를 도시한다. 제19도는 엔진의 한 실린더 상부의 연소실(21)의 수직 단면도이다. 본 실시예에서는 화염 핵(40)을 생성하기 위해 전용 부 연료 분사 밸브(51)이 제공된다. 우선, 주 연료 분사 밸브(2)로부터 연료를 분사하여 연소실(21) 내에 균일한 혼합기를 만든다. 다음에, 부 연료 분사 밸브(51)로부터 연료를 분사하여 연소실(21) 내로부터의 새로운 공기 G와 연료의 혼합기가 실(18) 내에 형성된다. 그리고, 점화 플러그(3)에서 실(18) 내의 혼합기에 점화, 연소시켜서 연소 가스를 만든다. 이 때, 분류 A는 계속되고 있으므로 고온의 연소 가스는 연소실(21) 쪽으로 한번에 유출될 수 없다. 가스는 분류 A에 의해 갈라지고, 복수개의 화염 핵(40)의 착화원이 되어 연소실(21)내로 분사되고, 연소실(21) 내의 혼합기를 순간적으로 연소시킨다.
제20도에 본 발명의 제7실시예를 도시한다. 제20도는 연소실(21)을 상방에서 본 개략도이다. 본 실시예에서는 연소실(21)의 측면에 화염 핵 노즐(30)로 형성된 보조실(22)를 설치하고, 보조실(22)의 내부에 부연료 분사 밸브(51)과 점화 플러그(3)을 설치하고, 보조실(22) 내에서 화염 핵(40)을 만드는 것이다. 주 연료 분사 밸브(2)는 연소실(21) 내에 설치되어 있다. 화염 핵(40)은 보조실롭터의 분류의 에너지에 의해 연소실(21) 내로 퍼져가는 동시에 연료 분사 밸브(2)로부터의 분류 A에 의해서도 연소실(21)내로 분산된다. 제2b도에서 도시한 종래예에서는 토모치 화염을 보조실로부터 연소실 내로 분출하는 것이었으나, 본 실시예에서는 화염 핵과 혼합기의 양방을 보조실로부터 연소실 내로 분출하는 것이며, 보조실로부터의 분류의 에너지가 화염 핵의 분산에 사용되므로 분산 속도가 빠르다.
제21도에 본 발명의 제8실시예를 도시한다. 제21도는 엔진의 한 실린더의 상부의 연소실(21)의 수직 단면도이다. 본 실시예에서는 흡기관(12) 내에 주 연료 분사 밸브(2)를 설치하고, 주 연료를 흡기관(12)내로 분사하여 연소실(21) 내에 공급하는 경우의 예이다. 우선, 흡기 밸브(4)가 개방된 때 주 연료 분사 밸브(2)로부터의 연료를 분사하여 연소실(21) 내에 균일한 혼합기를 만든다. 다음에, 제11도와 마찬가지로 부 연료 분사 밸브(51)로부터의 연료를 분사하고, 연소실(21) 내로부터의 새로운 공기 G와 연료와의 혼합기가 실(18) 내에 형성된다. 그리고, 점화 플러그(3)에서 실(18) 내의 홉합기에 점화하고 연소시켜서 고온의 연소 가스를 만든다. 이때, 분류 A는 계속되고 있으므로 고온 연소 가스는 연소실(21) 쪽으로 한번에 유출될 수 없으며, 분류 A에 의해 갈라져서 복수개의 화염 핵(40)이 착화원이 되어 연소실(21) 내에 분산하고, 연소실(21) 내의 혼합기를 순간적으로 연소시킨다.
이상과 같이, 본 발명에서는 화염 핵을 만드는 방법으로서, (가) 연료 분사 도중에 착화하고 방전 계속 시간을 길게 하여 복수개의 화염 핵을 만들고, (나) 보조실 내에서 일정 용량의 혼합기를 연소시켜서 고온의 연소 가스를 만들고 연료의 분류 및 갈라짐, 복수개의 화염 핵을 만드는 방법의 어느 하나를 이용하여 화염 핵을 만들고, 또 화염 핵을 분산시키는 방법으로서, (1) 분류 주위에 형성되는 혼합기의 2차 유동에 실어서 화염 핵을 분산시키고, (2) 실린더 내의 와류나 텀블에 실어서 화염 핵을 분산시키고, (3) 혼합기의 분류에 실어서 화염 핵을 분산시키는 방법 중 어느 하나 혹은 복수를 이용하여 혼합기의 신속한 연소를 도모하고 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 복수개의 점화 플러그를 이용하지 않고 종래의 연소 방식의 결점인 연소의 사이클이나 공간적인 변동을 저감하고, 희박 혼합기를 순간적으로 연소시킬 수 있는 내연 기관의 연료 분사 및 점화 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다. 그 결과, 압축비를 높일 수 있고 열 효율이 향상되며 희박 혼합기를 이용할 수 있으므로 연료 소비 효율이 양호해지는 효과가 있다.

Claims (20)

  1. 엔진의 연소실(21) 내로 공기를 도입하는 단계와, 연료/공기 혼합물을 형성하기 위해 연료 분사 밸브(2)에 의해 연소실(21) 내로 연료를 분사하는 단계와, 점화 플러그(3)로 연료/공기 혼합물을 점화하는 단계를 갖는 내연 기관의 연료 분사 및 점화 방법에 있어서, 점화 플러그(3)는 연료 분사 밸브(2) 가까이에서 연소실(21)의 중심부에 배치되고, 점화 플러그(3)에 의해 통과되고 1mm 이상의 크기를 갖는 화염 핵(40)을 발생시키도록 연료 분류(B)가 연소실(21) 내로 분사되고, 가속 페달 위치(α)가 작은 소부하시에, 화염의 관통력을 증가시키기 위해 화염 핵(40)이 연료 분류(B)에 실리도록, 점화는 연료 분류(B)의 에너지가 연소실(21) 내에서 상기 화염 핵(40)들을 분산시키는데 사용가능한 연료 분사 기간 내에 점화되는 점화 플러그(3)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 복수의 화염 핵(40)이 연료 분사 밸브(2)의 분사구 가까이의 연료/공기 혼합물을 점화하는 상기 단계에서 형성되고, 화염 핵은 연료 분사 밸브(2)의 분사구로부터 분사된 연료의 분류(D) 주위에 형성된 연료/공기 혼합물의 2차 유동(C)에 실리는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 화염 핵(40) 들중 적어도 약간은 연소실(21) 내에 도입된 공기 유동에 형성된 와류 및 텀블 유동 중 적어도 하나에 실리는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 화염 핵들은 연소실(21) 내의 연료 분사구로부터의 연료 유동에 의해 분산되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제3항에 있어서, 복수개의 화염 핵들은 연소실(21) 내의 연료 분사구로부터의 연료 유동에 의해 분산되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 엔진의 연소실(21) 내로 공기를 도입하는 단계와, 연료/공기 혼합물을 형성하기 위해 연료 분사 밸브(2)에 의해 연소실(21) 내로 연료를 분사하는 단계와, 점화 플러그(3)로 연료/공기 혼합물을 점화하는 단계를 갖는 내연 기관의 연료 분사 및 점화 방법에 있어서, 점화 플러그(3)는 연료 분사 밸브(2)로부터의 분류(B) 가까이에서 연소실(21)에 배치되고, 점화 플러그(3)에 의한 점화 시기는 엔진의 작동이 소부하로부터 대부하로 변경될 때 연료 분사 시기에 대해 더 늦게 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 연료 분사는 부하가 소정값보다 작은 영역에서 연료/공기 혼합물의 점화 후에 종료되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 연료/공기 혼합물은 부하가 소정값보다 큰 영역에서 연료 분사의 종료 후에 점화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 연료 분사 종료 시기는 연료 분사가 종료되는 시기가 부하가 커짐에 따라 압축 상사점에 대해 더 빨라지도록 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제6항에 있어서, 부하는 가속 페달의 각도(또는 위치)에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 엔진의 연소실(21)에 개방된 분사구를 갖는 연료 분사 밸브(2)와, 연소실(21)에 도입된 공기 및 분사된 연료가 제공된 연료/공기 혼합물을 점화하는 점화 플러그(3)와, 연료 분사 및 점화를 제어하는 제어 유니트(8)를 포함하는 내연기관의 연료 분사 및 점화 장치에 있어서, 점화 플러그(3)는, 연소실(21) 내로 분사된 연료 분류(B)를 점화시키고 1mm 이상의 크기를 갖는 화염 핵(40)들을 발생시키기 위해 분사 밸브(2) 가까이에서 연소실(21)의 중심부에 제공되고, 제어 유니트(8)는 가속 페달 위치(α)가 작은 소부하시에, 연소실(21) 내에서 연료/공기 혼합물을 점화시키는 연료 분사 기간 내에 점화되도록 점화 플러그(3)를 제어하여, 연료 분류(B)의 에너지가 상기 화염 핵(40)들을 분산시키는데 사용가능하게 하여 화염 핵(40)들이 화염의 관통력을 증가시키도록 연료 분류(B)상에 실리게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 노즐(30)이 연료 분사 밸브(2)의 분사구의 주연에 제공되고, 노즐(30)에는 연료 분사 밸브(2)로부터 분사된 연료의 분류가 통과하는 구멍부(19,20)가 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 노즐(30)의 구멍부(19,20)의 직경은 적어도 1mm인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 분사 밸브(2)의 분사구로부터 분사된 연료의 분류(D) 주위에 형성된 연료/공기 혼합물의 2차 유동(C)에 화염 핵이 실리게 되는 장소에 연료/공기 혼합물을 위해 점화 플러그(3)를 배열함에 의해 화염 핵(40)을 형성하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 유니트(8)는 연료 분사 중 점화 플러그(3)를 작동시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 제어 유니트(8)는 연료 분사중 점화 플러그(3)를 작동시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 유니트(8)는 점화 기간 내에 연료 분사를 종료시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제14항에 있어서, 제어 유니트(8)는 점화 기간 내에 연료 분사를 종료시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제15항에 있어서, 제어 유니트(8)는 점화 기간 내에 연료 분사를 종료시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제16항에 있어서, 제어 유니트(8)는 점화 기간 내에 연료 분사를 종료시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 방법.
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