KR100287476B1 - 내연기관 엔진의 흡기 조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관 엔진의 흡기 조절장치에 관한 것으로, 본 발명은 흡기포트 두 개가 한 조로 이루어진 직접분사식 내연기관 엔진에서 엔진의 속도와 부하에 따라 흡입량을 달리하여 소기의 목적을 이루고자 함에 그 목적이 있다. 이를 위해 구성되는 본 발명은 밸브 구동 링크에 의해 일정 범위 회전하는 밸브 구동암; 밸브 구동암의 일단에 결합·고정되어 밸브 구동암에 의해 회전되는 밸브 축; 밸브 축의 적소에 결합·고정되는 한편, 밸브 축에 의해 회전되어 두 개의 포트 중 하나의 포트를 개폐하며, 그 정면 형상은 포트의 일정 기울기 단면 형상에 관계하여 형성된 포트 개폐판; 포트 개폐판을 흡기포트의 적소에 설치할 때 밸브 축에 회전 가능하게 설치되어 흡기포트의 관통된 부분을 밀봉하는 포트 밀봉편; 밸브 축에 구비되어 엔진의 출력모드 전환시 포트 개폐판을 원위치시키는 개폐판 복귀 스프링 및 포트 밀봉편의 적소에 구비되어 포트 밀봉편을 흡기포트의 일측에 고정시키는 수단을 포함하여 이루어진다. 이러한 구성에 의해 연소실 내부로 유입되는 흡기의 텀블유동 및 경사스월유동을 발생시켜 출력모드 및 연비모드의 운전조건을 확보할 수 있음은 물론, 밸브 축이 차지하는 면적을 감소시켜 흡기저항을 감소시킬 수 있고, 운전 응답성 및 더욱 큰 스월유동의 향상이 있도록 하는 한편, 밸브의 조립을 용이하게 할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

내연기관 엔진의 흡기 조절장치

본 발명은 내연기관 엔진의 흡기 조절장치에 관한 것으로서, 특히 흡기관 또는 흡기포트의 내측에 설치되어 엔진의 연소실 내부로 유입되는 공기의 흐름을 조절하여 흡기의 유동을 텀블유동 또는 스월유동으로 유도하는 내연기관 엔진의 스월제어밸브에 관한 것이다.

일반적으로 가솔린 엔진 뿐 아니라 모든 엔진에서 추구하고 있는 목표는 동일 배기량으로 최대의 큰 출력을 얻으면서도 반면에 운전 경비는 가장 적게 들어야 하는 점이다. 다시 말하면, 최소의 경비로 최대의 효과를 얻자는 것이다. 여기에 한가지를 덧붙이자면 환경 보전에 적합성이 있어야 한다는 점이다.

전술한 바와 같이 추구하는 목표를 달성하고자 엔진의 많은 부분에서 연구가 진행되고 있는데, 특히 혼합기의 성층화를 통한 저연비, 고출력의 초희박 연소 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이러한 초희박 연소 시스템의 괄목한 만한 연구로써 흡입되는 외기를 스월유동(Swirl Flow, 수평 방향의 회전유동)으로 유도하기 위한 흡기 시스템의 구성에 관한 연구를 들 수 있다.

전술한 가솔린 엔진의 흡기 시스템 연구에 관한 기술로는 연료를 분사하는 위치에 따라 흡기포트 내에 분사하는 방식과 실린더 내에 직접 분사하는 방식으로 크게 구별할 수 있으며, 흡기포트 내부에 분사하는 방식의 경우에는 연비 향상을 위한 희박 연소 엔진(Lean Burn Engine, 린번 엔진)도 개발되어 있다.

이러한 엔진 중 흡기포트 분사식 가솔린 엔진은 연료 인젝터를 흡기 매니폴드 또는 실린더 헤드에 장착하여 흡기포트에 연료를 분사시킬 수 있도록 한 구조로, 연료는 통상 흡기행정 중에 분사되며, 점화시 연소실 내의 연료와 공기는 균일한 혼합기 상태가 된다. 이와 같은 흡기포트 분사식 가솔린 엔진에서의 흡기 매니폴드 및 흡기포트는 혼합기의 흡기유량, 텀블유동(Tumble Flow, 수직 방향의 회전유동) 및 스월유동 등을 감안하여 설계된다.

한편, 린번 흡기포트 분사식 가솔린 엔진은 흡기포트 분사식 가솔린 엔진과 유사하나 희박 공연비에서의 연소 안정성 확보를 위하여 흡기 유동의 스월(Swirl)이나 텀블(Tumble) 등의 특성을 강화시켜 혼합기의 균일한 분포 또는 성층화를 유도하는 점에서 다르다. 이러한 엔진은 희박 연소가 적용되는 영역(연비모드)과 일반연소가 적용되는 영역(출력모드)으로 연소 제어모드가 구분되며, 각 연소모드에서의 연료분사 방법 및 분사 시기는 흡기포트 분사식 가솔린 엔진과 동일하다.

그리고, 직접분사식 가솔린 엔진의 경우에는 최근에 고압 인젝터 기술 등의 발전과 연비 향상의 필요성이 증가하면서 개발되기 시작하였으며, 이러한 직접분사식 엔진은 부분 부하 운전시 40:1 정도의 초희박 운전이 가능한 연소 시스템을 적용하여 연비의 획기적인 향상을 가져온다. 그 구성은 고압으로 구동되는 연료 인젝터가 실린더 헤드에 장착되며, 연료는 연소실 내로 직접 분사된다.

이러한 직접분사식 가솔린 엔진의 연소모드는 초희박 공연비 운전구간인 연비모드와 일반 운전구간인 출력모드로 구분되며, 각 모드는 연료 분사시기와 혼합기의 유동현상 등에 의하여 구분된다. 연비모드는 혼합기의 성층화(점화 플러그 주위에 혼합기를 농후하게 만듦)를 통하여 초희박 연소를 가능하게 하며, 연료의 분사 시기는 혼합기 성층화 효과를 극대화하기 위하여 압축행정 중에 이루어진다. 출력모드의 경우에는 연료의 직접분사 외에는 흡기포트 분사방식과 동일하여 흡기 행정 중에 분사가 이루어지고 균일 혼합기를 이용한다.

한편, 직접분사식 가솔린 엔진은 혼합기의 적절한 성층화와 연료 분사시기 등의 제어를 위해 직립형 역텀블 흡기포트, 흡기제어밸브를 갖는 나선형 스월포트 등의 적용과 각 흡기포트 형상에 적절한 피스톤 상면부 설계를 통해 연소실내 혼합기의 유동을 제어한다.

이상의 설명에서와 같이 가솔린 엔진에서 희박 연소가 가능하게 하기 위해서는 엔진의 연소실 내부에서 점화 플러그(Spark Plug) 주위의 혼합기는 농후해지고, 점화 플러그에서 먼 혼합기는 희박해지는 성층화가 필요하다. 이를 위해서는 연소실 내에서 강한 스월유동을 유도하는 흡기 시스템의 설계가 필요하다.

다음은 전술한 바와 같이 연소실 내에서 흡기의 스월유동을 유도하기 위한 엔진의 유형들을 소개한다.

US 특허 4671233에 기술된 토요타(Toyota) 자동차 제품의 엔진은 사이어미즈(Siamese, 2개의 부품이 하나로 합하여진 부품을 가리킬 때 단어에 붙여지는 형용사로, 2개의 흡·배기 포트를 Y자형으로 모은 사이어미즈 포트나 실린더를 2개 나란히 세운 사이어미즈 실린더 보어 등이 있다.)형 흡기포트로 구성되는데 한쪽은 헬리컬 포트, 다른 한쪽은 직선포트로 이루어진다. 이중 직선포트에 버터플라이(Butterfly)형 밸브로 막아 스월유동을 제어할 수 있도록 되어 있고, 그리고 흡기 러너(Runner)에 헬리컬 포트 방향으로 통로를 만들어 스월 증가에 도움이 되도록 하며, 직선포트의 밸브에 틈을 만들거나 헤드에 통로를 만들어 연료가 스파크 플러그 쪽으로 유도되도록 하여 성층화가 이루어지도록 하였다.

US 특허 5696318에 기술된 엔진은 두 개로 분리된 흡기관의 한쪽 러너에 버터플라이형 밸브를 장착하여 흡입유도의 스월을 증감시키도록 하였고, 밸브와 축의 조립방법을 기존의 방법에서 개선하여 조립성이 용이하도록 하였다.

도 1 은 종래 사이어미즈형 흡기포트에서 스월제어밸브의 설치 상태를 보인 평단면도, 도 2 는 종래 사이어미즈형 흡기포트에서 스월제어밸브의 다른 설치 상태를 보인 평단면도이다.

도 1 에 도시된 기술은 희박 연소 엔진의 흡기계에 적용되는 기술로서, 희박 연소시 연소실 내부의 스월유동을 형성하기 위하여 일측의 흡기포트(10)를 개폐하는 스월제어밸브(20)를 설치한 것이다. 이러한 스월제어밸브(20)로 일측의 텀블포트(12)를 닫을 경우 한쪽의 스월포트(14)를 통해 유입된 흡기는 연소실 내에서 회전하게 되고, 스월제어밸브(20)의 개구부(22)를 통해 유입된 연료는 점화플러그(30) 쪽으로 유도된다. 이 기술은 MPI 엔진에 적용되던 기술이지만 유동을 이용하여 유입되는 연료를 성층화를 시킨다는 점에서 가솔린 직접분사식 엔진에 적용되는 기술과 유사하다.

한편, 도 2 에 도시된 기술은 희박 연소 엔진의 흡기계에 적용되는 기술의 다른 예로, 흡기유동의 스월을 강화하기 위하여 흡기 러너 플랜지(12a) 부분에 버터플라이형 스월제어밸브(20a)를 설치한 것이다. 이러한 구조는 밸브 축(22a)과 플라스틱 재질로 제작된 스월제어밸브(20a)와의 조립을 용이하도록 하고, 밸브 축(22a)의 탄성을 증가시켜 조립성을 향상시킴은 물론, 흡기관(10a)과 스월제어밸브(20a) 사이의 기밀성을 향상시킨다. 그리고, 밸브 축(22a)의 형태를 변화시켜 스월제어밸브(20a)의 강도를 증가시킨 기술이다.

그러나, 전술한 바와 같이 희박 연소 엔진에 적용되는 스월제어밸브의 경우 이 스월제어밸브를 흡기 다기관에 설치하였다. 따라서, 연소실에서 흡기유동을 제어하기 때문에 운전 응답성이 떨어질 수밖에 없는 문제가 있다.

그리고, 스월제어밸브의 형태는 대부분 밸브 축을 중심으로 좌우 대칭인 버터플라이형 밸브를 사용하기 때문에 스월제어밸브의 개방시에도 밸브의 축이 흡기면적을 감소시킴은 물론, 유동을 교란시키기 때문에 흡기저항의 요인이 되는 문제가 있다.

또한, 스월제어밸브의 조립방법도 여러 개의 밸브를 한 개의 축으로 조립을 하기 때문에 조립이 용이하지 않음은 물론, 밸브가 한 개의 축에 연결되어 있기 때문에 제어가 쉽지 않으며, 밸브와 실리더간의 조립 오차로 인하여 실링에 문제가 발생하는 문제가 발생되기도 한다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명은 흡기포트 두 개가 한 조로 이루어진 직접분사식 내연기관 엔진에서 엔진의 속도와 부하에 따라 흡입량을 달리하여 소기의 목적을 이루고자 하는 내연기관 엔진의 스월제어밸브를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 밸브 축이 차지하는 면적을 감소시켜 흡기저항을 감소시킬 수 있도록 함은 물론, 운전 응답성 및 더욱 큰 스월유동의 향상이 있도록 하고 또한, 밸브의 조립을 용이하게 할 수 있도록 함에 있다.

도 1 은 종래 사이어미즈형 흡기포트에서 스월제어밸브의 설치 상태를 보인 평단면도.

도 2 는 종래 사이어미즈형 흡기포트에서 스월제어밸브의 다른 설치 상태를 보인 평단면도.

도 3 은 는 본 발명에 따른 스월제어밸브를 보인 평면 및 정면도.

도 4a 는 본 발명에 따른 스월제어밸브의 설치를 도시한 것으로 사이어미즈형 흡기포트에서 흡기의 텀블유동 상태를 보인 평면도.

도 4b 는 본 발명에 따른 스월제어밸브의 설치를 도시한 것으로 사이어미즈형 흡기포트에서 흡기의 스월유동 상태를 보인 평면도.

도 5 는 본 발명에 따른 스월제어밸브를 사이어미즈형 흡기포트에 설치한 상태의 정면도.

도 6 은 본 발명에 따른 스월제어밸브의 다른 예를 보인 평면 및 정면도.

도 7a 는 본 발명에 따른 스월제어밸브의 설치를 도시한 것으로 독립형 흡기포트에서 흡기의 텀블유동 상태를 보인 평면도.

도 7b 는 본 발명에 따른 스월제어밸브의 설치를 도시한 것으로 독립형 흡기포트에서 흡기의 스월유동 상태를 보인 평면도.

도 8 은 본 발명에 따른 스월제어밸브를 독립형 흡기포트에 설치한 상태의 정면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

100, 200. 흡기포트 102, 202. 텀블포트

104, 204. 스월포트 110, 210. 스월제어밸브

112, 212. 밸브 구동암 114, 214. 밸브 축

116, 216. 포트 개폐판 116a, 216a. 테이퍼

118, 218. 포트 밀봉편 120, 220. 개폐판 복귀 스프링

122, 222. 고정부 122a, 222a. 고정홈

전술한 목적을 달성하기 위해 구성되는 본 발명의 특징은 텀블포트와 스월포트 두 개가 한 조로 이루어진 흡기포트에서 텀블포트와 스월포트의 사이에 밸브 구동암, 밸브 축, 포트 개폐판, 포트 밀봉편 및 포트 밀봉편을 포트의 일측에 고정시키는 수단으로 이루어진 스월제어밸브를 설치하여 밸브 축에 의한 흡기저항이 감소되도록 것은 물론, 운전 응답성 및 더욱 큰 스월유동의 향상이 있도록 한 특징이 있다.

한편, 본 발명에 따른 내연기관 엔진의 흡기 조절장치는 두 개의 포트가 한 조로 형성된 사이어미즈형 흡기포트를 갖는 내연기관 엔진에서 두 개의 포트 중 일측의 포트에 설치되어 연소실 내부로 유입되는 공기의 유동을 제어하여 흡기의 유동을 텀블유동 및 스월유동으로 유도하는 밸브에 있어서, 밸브 구동 링크에 의해 일정 범위 회전하는 밸브 구동암; 밸브 구동암의 일단에 결합·고정되어 밸브 구동암에 의해 회전되는 밸브 축; 밸브 축의 적소에 결합·고정되는 한편, 밸브 축에 의해 회전되어 두 개의 포트 중 하나의 포트를 개폐하며, 그 정면 형상은 포트의 일정 기울기 단면 형상에 관계하여 형성된 포트 개폐판; 포트 개폐판을 흡기포트의 적소에 설치할 때 밸브 축에 회전 가능하게 설치되어 흡기포트의 관통된 부분을 밀봉하는 포트 밀봉편; 밸브 축에 구비되어 엔진의 출력모드 전환시 포트 개폐판을 원위치시키는 개폐판 복귀 스프링 및 포트 밀봉편의 적소에 구비되어 포트 밀봉편을 흡기포트의 일측에 고정시키는 수단을 포함하여 이루어진다.

전술한 구성의 포트 개폐판은 일단이 밸브 축에 결합·고정된 상태로 선단에서 후단에 이르는 부분이 일측 포트의 일정 기울기 단면에 관계하는 형태로 형성되는 한편, 일측의 포트를 닫을시 포트 개폐판의 선단으로부터 후단 및 타측의 포트로 이어지는 일면이 곡선면을 이루도록 형성될 수 있다.

또한, 포트 개폐판은 밸브 축에 결합될시 좌우 대칭의 동심원 형상으로 이루어질 수도 있다.

한편, 밸브 축은 포트 개폐판의 양측 평면이 돌출되지 않도록 포트 개폐판의 중심을 관통하여 설치됨이 양호하다.

전술한 포트 개폐판의 테두리에는 일측의 포트를 닫을시 내측면과의 접촉 면적을 넓게 하기 위해 테이퍼를 줄 수 있다.

그리고, 밸브 축은 텀블포트와 스월포트 사이의 중심에 위치되는 것이 양호하다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예에 따른 내연기관 엔진의 흡기 조절장치에 대해 상세히 설명한다.

도 3 은 는 본 발명에 따른 스월제어밸브를 보인 평면 및 정면도, 도 4a 는 본 발명에 따른 스월제어밸브의 설치를 도시한 것으로 사이어미즈형 흡기포트에서 흡기의 텀블유동 상태를 보인 평면도, 도 4b 는 본 발명에 따른 스월제어밸브의 설치를 도시한 것으로 사이어미즈형 흡기포트에서 흡기의 스월유동 상태를 보인 평면도, 도 5 는 본 발명에 따른 스월제어밸브를 사이어미즈형 흡기포트에 설치한 상태의 정면도이다.

본 발명에 따른 내연기관 엔진의 스월제어밸브(110)는 하나의 실린더에 두 개의 흡기밸브가 구성된 엔진 즉, 텀블포트(102)와 스월포트(104) 두 개가 한 조로 이루어진 사이어미즈형 흡기포트(100)에 적용되는 기술로서, 본 발명에 따른 스월제어밸브(110)는 플립(Flip) 형태로 구성된다.

도 3 내지 도 5 에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 스월제어밸브(110)는 밸브 구동암(112), 밸브 축(114), 포트 개폐판(116), 포트 밀봉편(118), 개폐판 복귀 스프링(120) 및 포트 밀봉편(118)을 흡기포트(100)의 일측에 고정시키는 고정부(122)로 이루어진다.

전술한 밸브 구동암(112)은 밸브 구동 링크{포트 개폐판(116)을 통해 텀블포트(102)를 개폐하여 연소실 내부로 유입되는 흡기의 유동을 텀블유동 또는 스월유동으로 유도하기 위한 밸브 구동 링크 기구를 말하는 것이나, 여기서는 도시하지 않음}에 의해 일정 범위 회전하여 포트 개폐판(116)을 개폐시키기 위한 것으로, 이 밸브 구동암(112)의 일측에는 밸브 구동 링크를 연결시키기 위한 링크홈(112a)이 형성된다.

밸브 축(114)은 밸브 구동암(112)의 회전력을 포트 개폐판(116)에 전달해 주기 위한 축으로, 이 밸브 축(114)은 밸브 구동암(112)의 일측에 형성된 링크홈(112a)의 다른쪽인 밸브 구동암(112)의 타측에 일단이 결합·고정된다.

이때, 밸브 축(114)은 수평면인 밸브 구동암(112)의 타측에 일단이 결합·고정된 상태로 수직하게 지지되고, 이 밸브 축(114)은 흡기포트(100)에서 텀블포트(102)와 스월포트(104)로 분기되는 분기점 중심에 설치된다.

포트 개폐판(116)은 텀블포트(102)를 개폐하여 연소실 내부로 유입되는 흡기의 유동을 텀블유동 또는 스월유동으로 유도하기 위한 것으로, 이 포트 개폐판(116)은 밸브 축(114)의 상부측에 일단이 결합·고정되어 밸브 축(114)의 회전에 의해 회전된다.

이러한 포트 개폐판(116)의 형상은 텀블포트(102)의 일정 기울기 단면 형상에 관계하여 형성된다. 즉, 포트 개폐판(116)의 형상은 일단이 밸브 축(114)의 상부측에 결합·고정된 상태로 포트 개폐판(116)의 선단에서 후단에 이르는 부분이 텀블포트(102)의 일정 기울기 단면에 관계하는 형태로 형성된다. 또한, 포트 개폐판(102)은 텀블포트(102)를 닫을시 포트 개폐판(116)의 선단으로부터 후단 및 타측의 스월포트(104)로 이어지는 일면이 곡선면으로 형성된다.

또한, 포트 개폐판(116)의 테두리에는 텀블포트(102)를 닫을시 내측면과의 접촉 면적을 넓게 하기 위해 테이퍼(116a)져 있다.

이처럼 밸브 축(114)이 텀블포트(102)와 스월포트(104)로 분기되는 분기점 중심에 설치되고, 포트 개폐편(116)의 일면이 곡선면으로 형성되어 있기 때문에 연소실 내부로 흡기의 스월유동시 밸브 축(114)에 의한 흡기저항은 없게 된다.

또한, 연소실 내부로 유입되는 공기의 텀블유동시에도 밸브 축(114)에 의한 흡기저항은 없을 뿐만 아니라 포트 개폐편(116)의 선단이 흡기포트(100)의 중심 부분에 위치되어 있고, 포트 개폐편(116)의 선단이 가늘기 때문에 포트 개폐편(116)에 의한 흡기저항도 종래의 스월제어밸브를 설치할 때보다는 감소하게 된다.

포트 밀봉편(118)은 포트 개폐편(116)을 텀블포트(102)와 스월포트(104)의 분기점 사이에 설치할 때 흡기포트(100)의 하부측에 관통된 부분을 밀봉시키기 위한 것으로, 이 포트 밀봉편(118)은 포트 개폐편(116)의 하부측 밸브 축(114)에 회전 가능하게 설치된다. 즉, 밸브 축(114)이 밸브 구동암(112)에 의해 회전되어야 하기 때문에 포트 밀봉편(118)과 밸브 축(114)은 회전 가능한 관계에 있다.

개폐판 복귀 스프링(120)은 엔진의 운전을 연비모드(초희박공연비 운전구간)에서 출력모드(일반연소가 적용되는 일반 운전구간)로 전환할 때 포트 개폐판(116)을 원위치시키는 것으로, 이 개폐판 복귀 스프링(120)은 밸브 구동암(112)과 포트 개폐판(116) 사이의 밸브 축(114) 상에 설치되어 상시 포트 개폐판(116)을 원위치시키는 방향으로 그 힘이 작용한다.

포트 밀봉편(118)을 텀블포트(102)와 스월포트(104)의 분기점 사이에 고정시키는 수단은 밸브 구동암(112), 밸브 축(114), 포트 개폐판(116), 포트 밀봉편(118) 및 개폐판 복귀 스프링(120)으로 이루어진 스월제어밸브(110)를 텀블포트(102)와 스월포트(104)의 분기점 사이에 고정시키기 위한 것으로, 이 포트 밀봉편(118) 고정수단은 포트 밀봉편(118)의 하부 양측에 돌출·형성된 고정부(122)와 고정부 각각에 상하로 관통 형성되어 체결부재(도시하지 않음)를 체결시키기 위한 고정홈(122a)이 형성된다.

전술한 바와 같은 구조로 이루어진 스월제어밸브(110)는 선형제어가 가능하게 설계되어 스월제어밸브(110) 개폐의 각도를 자유롭게 조절할 수 있도록 되어 있다.

한편, 전술한 바와 같은 흡기포트(100) 및 스월제어밸브(110)의 설치 구조는 엔진의 운전을 연비모드(초희박공연비 운전구간)와 출력모드(일반연소가 적용되는 일반운전구간)로 전환할 수 있도록 하기 위한 것으로, 연비모드로 엔진이 운전되는 경우 일측의 텀블포트(102)에 설치된 스월제어밸브(110)는 닫힌 상태가 되고, 이에 따라 하나의 스월포트(104)로만 외부공기가 유입되어 연소실 내부에는 스월유동(수평 방향의 회전유동, Swirl Flow)이 발생된다. 한편, 출력모드로 엔진이 운전되는 경우 일측의 텀블포트(102)에 설치된 스월제어밸브(110)는 열린 상태가 되고, 이에 따라 텀블포트(102)와 스월포트(104)를 통해 외부공기가 유입되어 연소실 내부에는 텀블유동(수직 방향의 회전유동, Tumble Flow)이 발생된다.

전술한 바와 같이 구성된 본 발명의 내연기관 엔진의 흡기 조절장치를 요약 설명하면 다음과 같다. 즉, 본 발명에 따른 스월제어밸브(110)는 밸브 구동 링크(도시하지 않음)에 의해 일정 범위 회전하는 밸브 구동암(112), 밸브 구동암(112)의 일단에 결합·고정되어 밸브 구동암(112)에 의해 회전되는 밸브 축(114), 밸브 축(114)의 적소에 결합·고정되는 한편 밸브 축(114)에 의해 회전되어 텀블포트(102)와 스월포트(104) 중 하나의 텀블포트(102)를 개폐하며 그 형상은 텀블포트(102)의 일정 기울기 단면 형상에 관계하여 형성된 포트 개폐판(116), 포트 개폐판(116)을 흡기포트(100)의 적소에 설치할 때 밸브 축(114)에 회전 가능하게 설치되어 흡기포트(200)의 관통된 부분을 밀봉하는 포트 밀봉편(118), 밸브 축(114)에 구비되어 엔진의 출력모드 전환시 포트 개폐판(118)을 원위치시키는 개폐판 복귀 스프링(120) 및 포트 밀봉편(118)의 적소에 구비되어 포트 밀봉편(118)을 흡기포트의 일측에 고정시키는 고정부(122)로 이루어진다.

도 6 은 본 발명에 따른 스월제어밸브의 다른 예를 보인 평면 및 정면도, 도 7a 는 본 발명에 따른 스월제어밸브의 설치를 도시한 것으로 독립형 흡기포트에서 흡기의 텀블유동 상태를 보인 평면도, 도 7b 는 본 발명에 따른 스월제어밸브의 설치를 도시한 것으로 독립형 흡기포트에서 흡기의 스월유동 상태를 보인 평면도, 도 8 은 본 발명에 따른 스월제어밸브를 독립형 흡기포트에 설치한 상태의 정면도이다.

도 6 내지 도 8 은 본 발명에 따른 스월제어밸브(210)의 다른 구성을 나타낸 것으로 그 구성에 있어서, 도 3 내지 도 5 에 도시된 예에서와 같이 밸브 구동암(212), 밸브 축(214), 포트 개폐판(216), 포트 밀봉편(218), 개폐판 복귀 스프링(220) 및 포트 밀봉편(218)을 흡기포트(200)의 일측에 고정시키는 고정부(222)로 이루어지기는 마찬가지이나, 포트 개폐판(216)의 형상에 있어 포트 개폐판(216)이 밸브 축(214)에 결합될시 좌우 대칭의 동심원 형상으로 형성된 점에서 다를 뿐이다. 이러한 구성을 갖는 스월제어밸브(210)는 버터플라이 형태로 구성되어진다.

이때, 포트 개폐판(216)의 테두리에는 텀블포트(202)를 닫을시 내측면과의 접촉 면적을 넓게 하기 위해 테이퍼(216a)를 줄 수 있다.

또한, 밸브 축(214)이 포트 개폐판(216)의 중심을 관통되게 설치되므로 도 3 내지 도 5 에 도시된 예의 스월제어밸브(110)에서와 같이 연소실 내부로 유입되는 흡기의 스월유동시 밸브 축(214)에 의한 흡기저항은 없게 된다.

한편, 전술한 바와 같이 포트 개폐판(216)의 형상이 흡기포트(200)의 텀블포트(202) 형상에 관계하여 동심원 형상으로 형성되어 있기 때문에 텀블포트(202)의 단면 형상 또한 동심원의 형태로 형성된다.

이와 같은 스월제어밸브(110, 210) 구조를 갖는 직접분사식 가솔린 엔진이 부분부하의 운전조건에서 연비모드로 작동할 경우, 스월제어밸브(110, 210)는 닫힌 상태가 되고 실린더 내에 유입된 외부공기의 유동은 스월유동(Swirl Flow)으로 성장하는데, 이 경우 흡기포트(100, 200) 형상의 특성에 따라 텀블유동과 함께 발생하므로 최종적으로는 경사스월유동(Inclined Swirl Flow)의 형태를 갖는다. 이때, 운전조건 등에 의해 스월제어밸브(110, 210)의 개폐정도를 필요한 스월강도에 따라 조절한다.

직접분사식 가솔린 엔진이 고출력을 요하는 엔진 운전영역인 전부하 또는 전부하에 가까운 운전조건에서 출력모드로 작동할 경우, 스월제어밸브(110, 210)는 완전히 열린 상태가 되고, 이에 따라 흡기포트(100, 200)를 통해 최대한의 외부공기가 실린더 내로 유입되어 높은 체적 효율이 유지된다. 이때, 흡입된 공기는 텀블유동의 형태를 가지며 흡기 및 압축행정을 통해 분사된 연료와 함께 전 실린 내에 균일한 혼합기로 분포된다.

이상에서와 같이 본 발명은 스월제어밸브의 개폐에 의해 출력모드 또는 연비모드로의 운전이 가능하고, 또한, 부분부하의 운전조건에서 연소실내 유동제어를 통한 혼합기의 성층화를 유도하여 초희박공연비 운전영역을 확보할 수 있다.

전술한 바와 같이 기술된 본 발명과 종래에 소개된 기술과의 연관성 및 차이점은 다음과 같다.

본 발명의 스월제어밸브(110, 210) 역시 선행 기술인 US 특허 4671233에 기술된 토요타 제품과 같이 사이어미즈형 흡기포트(100, 200)에 스월제어밸브(110, 210)를 장착하여 연소실 내부로 유입되는 흡기의 스월유동을 증가시켜 혼합기를 성층화시킨다는 점에서는 그 연관성을 찾아 볼 수 있다.

그러나, 선행 기술에서는 밸브와 러너측 가이드를 이용하여 흡기저항을 감소시키지만, 본 발명에서는 플립형(Flip)형 스월제어밸브(110, 210)를 사용하여 스월제어밸브(110, 210)가 열렸을 때에도 밸브 축(114, 214)이 차지하는 면적에 의한 흡기저항이 없다.

또한, 본 발명은 선행 기술인 US 특허 5696318에 기술된 제품과 마찬가지로 스월제어밸브(110, 210)의 조립방법을 변화시킨다는 점에서 선행 기술과의 연관성을 찾을 수 있다.

그러나, 선행 기술에서 러너에 한 개의 축으로 모든 밸브를 장착한 것과는 달이 본 발명에서는 플립형의 밸브를 완전히 조립된 형태로 간단히 흡기포트에 장착할 수 있도록 하여 선행 기술에 비해 조립성이 향상되도록 하였고, 조립성의 향상으로 흡기포트에 직접 조립할 수 있으며, 이에 따라 연소실에 더 가까이 장착할 수 있어 운전 응답성의 향상을 기대할 수 있다.

미설명 부호 204는 스월포트이고, 212a는 밸브 구동 링크를 연결시키기 위한 링크홈이며, 222a는 포트 밀봉편(218)의 하부 양측에 돌출·형성된 고정부(222) 각각의 상하로 관통 형성되어 체결부재(도시하지 않음)를 체결시키기 위한 고정홈이다.

본 발명은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따르면 부분부하의 운전조건에서 연소실내 유동제어를 통한 혼합기의 성층화를 유도하여 초희박공연비 운전영역을 확보할 수 있도록 함은 물론 가솔린 엔진의 연비향상 및 성층화된 혼합기에 의한 연소로 인하여 연소 안정성이 향상되어 배기가스를 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 두 개의 흡기포트 중 하나의 흡기포트에 스월제어밸브를 설치하여 개폐시킴으로써 연소실 내부로 유입되는 흡기의 텀블유동 및 경사스월유동을 발생시켜 출력모드 및 연비모드의 운전조건을 확보할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 다른 효과로는 밸브 축이 차지하는 면적을 감소시켜 흡기저항을 감소시킬 수 있도록 함에 있다.

본 발명의 또 다른 효과로는 운전 응답성 및 더욱 큰 스월유동의 향상이 있도록 하는 한편, 밸브의 조립을 용이하게 할 수 있도록 함에 있다.

Claims (6)

1. 두 개의 포트가 한 조로 형성된 사이어미즈형 흡기포트를 갖는 내연기관 엔진에서 일측의 포트에 설치되어 연소실 내부로 유입되는 공기의 유동을 제어하여 흡기의 유동을 텀블유동 및 스월유동으로 유도하는 밸브에 있어서,

   밸브 구동 링크에 의해 일정 범위 회전하는 밸브 구동암;

   상기 밸브 구동암의 일단에 결합·고정되어 상기 밸브 구동암에 의해 회전되는 밸브 축;

   상기 밸브 축의 적소에 결합·고정되는 한편, 상기 밸브 축에 의해 회전되어 상기 두 개의 포트 중 하나의 포트를 개폐하며, 그 정면 형상은 상기 포트의 일정 기울기 단면 형상에 관계하여 형성된 포트 개폐판;

   상기 포트 개폐판을 상기 흡기포트의 적소에 설치할 때 상기 밸브 축에 회전 가능하게 설치되어 상기 흡기포트의 관통된 부분을 밀봉하는 포트 밀봉편;

   상기 밸브 축에 구비되어 상기 엔진의 출력모드 전환시 상기 포트 개폐판을 원위치시키는 개폐판 복귀 스프링; 및

   상기 포트 밀봉편의 적소에 구비되어 상기 포트 밀봉편을 상기 흡기포트의 일측에 고정시키는 수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진의 흡기 조절장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 포트 개폐판은 일단이 상기 밸브 축에 결합·고정된 상태로 선단에서 후단에 이르는 부분이 상기 일측 포트의 일정 기울기 단면에 관계하는 형태로 형성되는 한편, 상기 일측의 포트를 닫을시 상기 포트 개폐판의 선단으로부터 후단 및 타측의 포트로 이어지는 일면이 곡선면을 이루도록 형성된 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진의 흡기 조절장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 포트 개폐판은 상기 밸브 축에 결합될시 좌우 대칭의 동심원 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진의 흡기 조절장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 밸브 축은 상기 포트 개폐판의 양측 평면이 돌출되지 않도록 상기 포트 개폐판의 중심을 관통하여 설치된 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진의 흡기 조절장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 포트 개폐판의 테두리에는 상기 일측의 포트를 닫을시 내측면과의 접촉 면적을 넓게 하기 위해 테이퍼를 준 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진의 흡기 조절장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 밸브 축은 상기 두 포트의 갈라지는 부분 중심에 위치된 것을 특징으로 하는 내연기관 엔진의 흡기 조절장치.