KR100339679B1 - 다방향 연료 분사 밸브를 구비한 다기통 내연 기관 및 그흡기관 구조 - Google Patents

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도다 마사오
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Abstract

흡기관의 흡기 집합부로부터 흡입되는 흡입 공기가 연료 분사 밸브의 분사 방향에 대해 대략 직각인 방향으로부터 도입되는 구성의 다기통 내연 기관의 흡기 구조에 있어서, 내연 기관의 각 기통으로의 공연비(A/F)의 분배 특성을 균일하게 하여 각 기통의 공연비를 일치시키고, 운전성의 향상 및 배기 가스 내의 유독 배기 가스의 저감을 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.
내연 기관의 흡기관(4)은 연료 분사 밸브가 장착된 흡기 집합부(4M)와, 흡기 집합부로부터 내연 기관의 각 기통으로 분기되어 연장되는 적어도 세개 이상의 흡기 분기로(4B(4A, 4C))를 포함하고 있고, 흡기관은 흡기 집합부로부터 흡기 분기로로의 분기 부분에 연료 분사 밸브로부터 분사된 연료를 각 흡기 분기로에 분배하기 위한 분기 간막이벽(4d)을 구비하고 있고, 분기 간막이벽의 상부 모서리는 연료 분사 밸브측 선단(4j)으로부터 내연 기관측 선단(4k)을 향해 연속적으로 높이가 높아지게 되어 있고, 흡기관의 흡기 집합부의 연료 분사 밸브측 수직 방향의 벽에는 원호형의 스태빌라이저(4g)가 형성되어 있고, 분기 간막이벽 상부 모서리의 연료 분사 밸브측 선단(4j)은 스태빌라이저 하단부(4h)의 하방인 동시에 상기 하단부의 연장선 근방에 위치하고 있다.

Description

다방향 연료 분사 밸브를 구비한 다기통 내연 기관 및 그 흡기관 구조
본 발명은 다기통 내연 기관 및 그 흡기관 구조에 관한 것으로, 특히 다기통 내연 기관의 복수의 각 기통을 향해 다방향으로 동시에 연료를 분사하는 하나의 연료 분사 밸브를 드로틀 밸브보다도 하류에 위치한 흡기관에 설치한 다기통 내연 기관 및 그 흡기관 구조에 관한 것이다.
다기통 내연 기관의 연료 공급 방식으로서 저가의 것이 요구되고 있다. 저가의 연료 공급 방식으로서는 기화기를 사용하는 방식과 하나의 연료 분사 밸브로 복수의 기통에 연료를 공급하는 방식을 고려할 수 있다.
기화기를 사용한 연료의 공급 방식에 있어서는 연료는 그 입자 직경이 30 ㎛ 정도까지 상당히 잘 미립화되어 있다. 이로 인해, 공기와 연료가 균일하게 혼합되기 쉽고, 각 기통으로 분배되는 공기의 양이 균등하게만 되어 있으면 매칭 공정수를 필요로 하긴 하지만 각 기통의 공연비(A/F)의 편차를 소정치 이내로 할 수 있다. 그러나, 기화기를 사용한 연료의 공급 방식은 연료 공급의 제어 요소가 적으므로, 운전 조건에 따른 극히 정밀한 제어가 불가능하여 배기 가스 내의 유독 배기 가스(HC, CO, NOX)를 저감하는 것이 곤란하다.
또, 하나의 연료 분사 밸브로 복수의 기통에 연료를 공급하는 방식으로서 드로틀 밸브의 상류에 연료 분사 밸브를 배치한 소위 싱글 포인트식의 연료 분사 방식에 있어서는, 연료의 미립화 정도는 상기 기화기를 사용한 방식보다도 약하므로 도중의 흡기 통로 내에 있어서의 연료의 벽면 부착 흐름이 많아져 공연비 분배 특성의 편차가 커진다. 그래서, 각 기통에 대한 흡기 통로의 길이를 변경시키거나 홈이나 기화를 촉진하기 위한 히터 등을 마련하여 대응하고 있으나, 공연비 분배 특성의 편차를 작게 하기 위해서는 매칭 공정수가 상당히 많아진다.
한편, 저가의 내연 기관의 연료 분사 장치를 실현하기 위해 다방향으로 연료를 분기 분사할 수 있는 연료 분사 밸브와, 이 연료 분사 밸브를 드로틀 밸브 하류의 각 기통에 대응한 흡기관 집합부에 배치하여 하나로 복수의 기통에 연료를 공급하는 방식이 제안되어 있다. 예를 들어, 일본 특허 공개 소63-223364호 공보에 기재된 방식이 그것이다. 이 방식에 있어서는 연료 분기 분사점으로부터 내연 기관까지의 거리가 비교적 짧기 때문에 공기와 연료는 균일하게 혼합되기 어렵지만, 각 기통으로의 연료의 분배는 다방향 연료 분사 밸브 자체의 각 방향으로의 분기 연료 분배 성능에 의해 거의 지배되어 각 기통으로 분배되는 공기의 양이 균등하게 되어 있으면 각 기통간의 공연비(A/F)의 편차는 낮게 억제할 수 있다고 이해되고 있다.
전술한 일본 특허 공개 소63-223364호 공보에 있어서도 각 흡기관에 공급되는 연료량은 연료 분사 밸브의 각 분사구로부터의 분사량에 의해 결정되고, 구경 편차만이 각 기통간의 연료 분배에 영향을 미칠 뿐이라고 지적하고 있다.
한편, 내연 기관 전체적으로는 O2센서에 의해 검출되는 배기 가스 내의 공연비(A/F)가 이론 공연비가 되도록 연료 공급을 제어함으로써 배기 가스 내의 유독 배기 가스(HC, CO, NOX)를 저감하는 것이 행해지고 있다.
그러나, 저가의 연료 분사 장치를 실현하기 위해 내연 기관의 복수의 각 기통을 향해 하나의 연료 분사 밸브로부터 다방향으로 연료를 분사하는 연료 분사 밸브를 드로틀 밸브보다도 하류에 구비한 내연 기관의 연료 분사 장치에서는 상기한 기통간의 공연비(A/F)의 분배 특성의 편차가 커서 공전의 안정성을 해치거나, 배기 가스 내의 유독 배기 가스의 증대를 초래하는 동시에 내연 기관의 출력 저하를 가져오는 결과가 된다.
발명자의 실험에 의하면, 연료 분사 밸브를 드로틀 밸브의 하류에 배치하여 하나로 복수의 기통에 연료를 공급하는 방식에 있어서 연료의 분배성은 벽면 부착 연료의 분배성에 크게 영향을 받는다. 그러나, 벽면 부착 연료의 흐름 방향을 의도적으로 조정하는 것은 상당히 곤란하므로, 연료가 벽면에 부착되지 않고 가능한 한 자유롭게 흡기 경로 내를 이동할 수 있도록 한 구조로 할 필요가 있다. 또, 각 기통의 위치 관계가 연료 분배의 악화 정도에 관계가 있다는 것도 명확해졌다.
예를 들어, 3기통 내연 기관의 가동중 특정 행정 위치에 있어서 분사한 연료 분사류의 분포 상태를 조사하면, 내측에 위치하는 기통이 흡인 상태에 있을 때 분사한 연료류의 분포 상태는 서로 이웃한 기통이 좌우에 2개 존재하므로 그 내측 기통의 주변에 위치하는 부유 연료의 양이 많아지고 있고, 그만큼 내측의 기통에 많은 부유 연료가 흡인되어 내측 기통의 공연비가 농후해져 버린다.
한편, 외측에 위치하는 기통은 서로 이웃한 기통이 하나 뿐이므로, 그 기통 주변에 존재하는 부유 연료의 양도 내측 기통에 비해 적고, 그만큼 내측 기통에 비해 외측 기통은 연료의 흡인량이 적어 외측 기통의 공연비가 희박해지는 경향이 있다. 게다가, 외측 기통의 흡기 순서가 내측 기통보다도 나중인 경우, 부유 연료는 이미 내측 기통에 흡인되어 버린 후로서 외측 기통에 흡인되어야 하는 부유 연료량이 부족하기 때문에 또한 외측 기통은 그 공연비가 희박해져 버리는 결과가 된다.
또, 각 기통간의 공연비(A/F)의 분배 특성은 기통의 위치 관계 뿐만 아니라 흡기관의 형상에 의해서도 영향을 받는다는 사실이 명확해졌다. 즉, 흡기관이 L자형이므로 공기의 흐름은 L자형 흡기관의 바닥면에 부딪혀 그 후 상류로 역류하고 있다. 이것은 분사된 연료가 공기의 흐름에 의해 흡기관의 집합부로 흡입되고 있는 것을 의미한다.
종래의 L자형 흡기관의 형상의 일예를 도19에 도시한다. 실험에 사용한 내연 기관은 3기통이므로, 흡기 분기로(4)도 4A, 4B, 4C로 3방향으로 나뉘어져 있다. 분사 밸브(6)로부터 도면 부호 66a와 같이 연료가 분사되어 흡기관의 분기부(4d)로부터 전방의 흡기 밸브(7) 근방까지 도달하는 구성으로 되어 있다. 실험 결과로서 도20은 내연 기관의 회전수가 2000 rpm인 때의 흡입 부압과 각 기통간의 공연비(A/F)의 최대차(△A/F)의 관계를 도시하고 있다. A/F의 편차폭(△A/F)의 값이 클수록 기통간의 연료량에 편차가 있다고 할 수 있다. 실험 결과에 의하면, 흡기관의 압력 변화에 수반하여 연료의 분배 특성이 악화되고 있는 것을 A/F의 편차폭(△A/F)의 크기로 알 수 있다. 상기 결과에서는 2000 rpm, －200 mmHg에 있어서 △A/F＝3.3으로 큰 값을 나타내고 있다. 이와 같은 연료의 분배 특성의 악화는 내연 기관의 출력 저하 및 운전성의 악화와 배기 가스의 유해 성분의 증가를 초래하게 된다.
도19에 도시한 흡기 시스템의 종래예에 대하여 상기 △A/F의 악화 요인에 대한 원인 분석을 위해 시뮬레이션을 행한 결과를 도21에 도시한다. 화살표(4a, 4b)는 공기의 흐름을 표시하고 있다. 도면 부호 66a는 분사 밸브(6)로부터 분사된 연료를 표시하고 있다. 도21에서 공기의 흐름은 L자형 흡기관(4)의 바닥면에 부딪혀 그 후 도면 부호 4a와 같이 상류로 역류하고 있는 것을 알 수 있다. 이것은 분사된 연료(66a)가 공기의 흐름(4a)에 의해 흡기관의 집합부로 흡입되고 있는 것을 의미한다.
따라서, 특정 기통을 겨냥하여 분사된 연료는 흡기관의 집합부로 복귀되어 다른 기통의 흡기 행정시에 흡입되게 된다. 이것은 내연 기관의 출력 저하 및 운전성의 악화와 배기 가스의 유해 성분의 증가를 초래하게 된다.
본 발명의 목적은 복수의 방향으로 연료를 분사 가능한 오리피스를 갖는 하나의 연료 분사 밸브가 장착된 흡기 집합부와, 상기 흡기 집합부로부터 상기 내연 기관의 각 기통으로 분기되어 연장되는 세개의 흡기 분기로를 포함하고 있고, 상기 흡기관의 흡기 집합부로부터 흡입되는 흡입 공기가 상기 연료 분사 밸브의 분사 방향에 대해 대략 직각인 방향으로부터 도입되는 구성의 다기통 내연 기관에 있어서, 각 기통으로의 공연비(A/F)의 분배 특성을 균일하게 함으로써 저비용인 동시에 고성능의 다기통 내연 기관을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 흡기관의 흡기 집합부로부터 흡입되는 흡입 공기가 상기 연료 분사 밸브의 분사 방향에 대해 대략 직각인 방향으로부터 도입되는 구성의 다기통 내연 기관의 흡기 구조에 있어서, 각 기통으로의 공연비(A/F)의 분배 특성을 균일하게 하는 동시에 안정화시켜 각 기통의 공연비를 일치시킬 수 있는 다기통 내연 기관의 흡기관을 제공하는 것이다.
도1은 본 발명의 흡기 구조를 구비한 다기통 내연 기관의 시스템 구성예를 도시한 도면.
도2는 도1의 다기통 내연 기관의 흡기 구조를 일부 단면한 도면.
도3은 도1의 다기통 내연 기관의 흡기 구조를 분해하여 도시한 사시도.
도4는 도1의 흡기관의 종단면도.
도5는 도1의 연료 분사 밸브의 오리피스부의 일예를 도시한 요부 종단면도.
도6은 도1의 연료 분사 밸브의 오리피스의 기능 설명도.
도7은 도4의 A-A 측면도.
도8은 도1의 흡기관의 요부 평면도.
도9는 흡기관의 분기 간막이 부분의 확대도.
도10은 도1의 제어기의 구성예를 도시한 도면.
도11은 도10의 제어기에 있어서의 연료의 분사 타이밍의 예를 설명하는 타임 차트.
도12는 본 발명에 있어서의 흡기 분기로의 구성을 설명하기 위한 횡단면도.
도13은 본 발명에 있어서의 흡기 분기로의 구성을 설명하기 위한 종단면도.
도14는 도13의 분기 간막이벽의 높이(h1)와 △A/F의 관계를 실험에 의해 구한 도면.
도15는 도13의 분기 간막이벽의 높이(h1)와 출력의 관계를 실험에 의해 구한 도면.
도16은 도13의 스태빌라이저의 선단부에 있어서의 접선과 연료 분사 밸브의 축심이 이루는 각도(α2)와, △A/F의 관계를 실험에 의해 구한 도면.
도17은 본 발명의 흡기 시스템에 의한 공기류의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.
도18은 본 발명의 흡기관에 대해 효과를 확인한 실험 결과를 도시한 도면.
도19는 종래의 L자형 흡기 분기로의 구성을 설명하기 위한 종단면도.
도20은 도19의 흡기 시스템에 의한 공기류의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.
도21은 도19의 흡기관에 대해 효과를 확인한 실험 결과를 도시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 에어 클리너
2 : 드로틀 몸체
3 : 드로틀 밸브
4 : 흡기관
4A, 4B, 4C : 흡기 분기로
4d : 분기 간막이벽
4g : 스태빌라이저
4M : 흡기 집합부
5 : 내연 기관
6 : 연료 분사 밸브
7A : 흡기 밸브
7B : 배기 밸브
10 : 제어기
11 : O2센서
63 : 가동 밸브
64 : 노즐
65 : 분사 오리피스
65a : 제1 기통용 오리피스
65b : 제2 기통용 오리피스
65c : 제3 기통용 오리피스
본 발명의 특징은 드로틀 밸브를 구비한 드로틀 몸체와, 상기 드로틀 몸체에 접속되는 동시에 내연 기관의 각 기통에 공기와 연료의 혼합기를 공급하는 흡기관과, 상기 흡기관에 부착되고 복수의 방향으로 연료를 분사 가능한 오리피스를 갖는 하나의 연료 분사 밸브를 구비하고, 상기 흡기관은 상기 드로틀 몸체에 접속된 흡기 집합부와, 상기 내연 기관의 각 기통을 향해 상기 흡기 집합부에 대략 직각인 방향으로 연장되는 복수의 흡기 분기로를 포함하고 있고, 흡입 공기가 상기 연료 분사 밸브의 분사 방향에 대해 대략 직각인 방향으로부터 도입되는 구성의 다기통 내연 기관에 있어서, 상기 흡기관은 상기 흡기 집합부로부터 상기 흡기 분기로로의 분기 부분에 상기 흡기관의 바닥벽으로부터 상기 연료 분사 밸브의 축심(O-O) 이상의 높이까지 연장되고, 상기 연료 분사 밸브로부터 분사된 연료를 상기 각 흡기 분기로에 분배하기 위한 분기 간막이벽을 구비하고 있고, 상기 분기 간막이벽의 상부 모서리의 높이는 상기 연료 분사 밸브측 선단으로부터 내연 기관측 선단을 향해 연속적으로 높아지게 되어 있고, 상기 흡기 집합부의 연료 분사 밸브측 벽면은 상기 흡입 공기의 유입 방향을 따라 원호 또는 원호에 가까운 곡률로 상기 분기부 측으로 돌출한 스태빌라이저로서 구성되어 있고, 상기 분기 간막이벽의 상부 모서리의 상기 연료 분사 밸브측 선단은 상기 스태빌라이저 하단부의 하방인 동시에 상기 하단부의 연장선 근방에 위치하고 있는 데 있다.
본 발명의 다른 특징은 상기 흡기관의 바닥면으로부터 상기 연료 분사 밸브의 축심(O-O)까지의 높이를 h0라 하고, 상기 간막이벽의 상부 모서리의 연료 분사 밸브측 선단에 있어서의 상기 바닥면으로부터의 높이를 h1이라 했을 때, 상기 높이의 비(h1/h0)를 1.0 이상 2.0 이하로 한 데 있다.
본 발명의 다른 특징은 상기 스태빌라이저의 상기 하단부에 있어서의 접선과 상기 연료 분사 밸브의 축심이 이루는 각도(α2)를 45도 이하로 한 데 있다.
본 발명의 다른 특징은 상기 분기 간막이벽의 상부 모서리와 상기 연료 분사 밸브의 축심이 이루는 각도(α1)를 45도 이하로 한 데 있다.
본 발명의 다른 특징은 드로틀 몸체에 접속되고 복수의 방향으로 연료를 분사 가능한 오리피스를 갖는 하나의 연료 분사 밸브가 장착된 흡기 집합부와, 내연 기관의 각 기통을 향해 상기 흡기 집합부에 대략 직각인 방향으로 연장되는 복수의 흡기 분기로를 포함하고 있고, 흡입 공기가 상기 연료 분사 밸브의 분사 방향에 대해 대략 직각인 방향으로부터 도입되는 구성의 다기통 내연 기관의 흡기관 구조에 있어서, 상기 흡기관은 상기 흡기 집합부로부터 상기 흡기 분기로로의 분기 부분에 상기 흡기관의 바닥벽으로부터 상기 연료 분사 밸브의 축심(O-O) 이상의 높이까지 연장되고, 상기 연료 분사 밸브로부터 분사된 연료를 상기 각 흡기 분기로에 분배하기 위한 분기 간막이벽을 구비하고 있고, 상기 분기 간막이벽의 상부 모서리의 높이는 상기 연료 분사 밸브측 선단으로부터 내연 기관측 선단을 향해 연속적으로 높아지게 되어 있고, 상기 흡기 집합부의 연료 분사 밸브측 벽면은 상기 흡입 공기의 유입 방향을 따라 원호 또는 원호에 가까운 곡률로 상기 분기부 측으로 돌출한 스태빌라이저로서 구성되어 있고, 상기 분기 간막이벽의 상부 모서리의 상기 연료 분사 밸브측 선단은 상기 스태빌라이저 하단부의 하방인 동시에 상기 하단부의 연장선 근방에 위치하고 있는 흡기관 구조로 한 데 있다.
본 발명의 흡기관에 의하면, 수직 방향으로부터 유입된 흡입 공기가 이 스태빌라이저에 의해 흡기관의 바닥면에 대략 수직으로 충돌하는 것이 억제되고, 원활하게 대략 수평 방향으로 방향을 바꾸어 연료 분사 밸브로부터 분사된 연료의 분무 방향을 따라 흐른다. 또, 흡기관이 흡기 집합부로부터 세개의 흡기 분기로로 분기되는 부분에 마련된 분기 간막이벽은 연료 분사 밸브로부터 분사된 연료에 접촉하지 않는 범위에서 상기 연료의 바로 외측을 포위하면서 상기 연료를 각 흡기 분기로에 적정하게 분배하는 기능이 있다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 하나의 분사 밸브로 복수의 기통에 연료를 분사하는 다기통 내연 기관의 흡기 구조에 있어서, 상기 흡기관의 흡기 집합부로부터 흡입되는 흡입 공기가 상기 연료 분사 밸브의 분사 방향에 대해 대략 직각인 방향으로부터 도입되는 흡기 구조임에도 불구하고 스태빌라이저 및 분기 간막이벽의 작용에 의해 각 기통간의 공연비 분배를 균일하게 할 수 있으므로, 각 기통에 연료 분사 밸브를 배치한 것과 동등한 고성능을 얻을 수 있는 동시에 연료 공급 시스템과 제어 시스템이 대폭 간략화된 저비용의 다기통 내연 기관을 실현할 수 있다.
즉, 본 발명은 하나의 분사 밸브로 복수의 기통에 연료를 분사하는 동시에 연료 분사 밸브의 분사 방향에 대해 대략 직각인 방향으로부터 도입되는 흡기 구조임에도 불구하고 다기통간의 공연비(A/F)를 대략 균일하게 하거나 공연비(A/F)의 차를 작게 할 수 있다. 각 기통으로의 공연비(A/F)의 분배 특성이 균일하면서 안정화되므로, 내연 기관의 출력 토크의 변동이 낮제 억제되어 내연 기관의 운전성의 향상을 꾀할 수 있다. 내연 기관의 배기 가스 내의 유독 배기 가스(HC, CO, NOX)의 정화율은 공연비(A/F)의 편차에 크게 의존하고 있어 배기 가스의 정화율도 대폭으로 개선된다.
또, 본 발명에 의하면 하나의 연료 분사 밸브로 복수의 기통에 동시에 연료를 공급하는 간단한 구성이면서 각 기통으로의 공연비(A/F)의 분배 특성을 균일하게 할 수 있으므로, 저비용을 꾀할 수 있는 동시에 각 기통에 연료 분사 밸브를 배치한 것과 동등한 고성능의 다기통 내연 기관을 실현할 수 있다.
도1은 본 발명을 적용한 연료 분사 장치의 시스템 구성예를 도시하고, 도2는 도1의 연료 분사 장치의 요부 단면도이다. 에어 클리너(1)에 접속된 드로틀 몸체(2)에 드로틀 밸브(3)가 마련되어 있다. 내연 기관(5)은 3기통 내연 기관으로 이 다기통 내연 기관(5)의 흡기 포트에 흡기 다기관(4)이 연결되고, 이 흡기 다기관(4)에는 연료를 분사하는 하나의 연료 분사 밸브(6)가 배치되어 있다. 도면 부호 7A 및 7B는 각각 내연 기관(5)의 흡기 밸브 및 배기 밸브이다. 내연 기관(5)의 부하 상태를 검지하기 위해 흡기관 부압 센서(14)와 드로틀 개방도 센서(15)가 마련되어 있다. 또, 내연 기관(5)의 배기 가스의 상태를 검지하기 위해 배기관(8)에는 O2센서(11)가 배치되어 있다. 그리고, 냉각수 온도 센서(12)와 내연 기관(5)의 회전 속도나 크랭크 각도를 검지하는 크랭크각 센서(13)가 배치되어 있다.
제어기(10)는 상기 각종 센서로부터의 검출 신호를 취입하여 그들의 검출 결과를 근거로 해서 연료 분사 밸브 구동 신호를 생성하고, 이에 따라 연료 분사 밸브(6)를 제어하기 위한 연료 분사 제어 수단을 구비하고 있다. 연료 분사 밸브(6)는 복수의 방향으로 연료를 분사할 수 있도록 복수의 오리피스를 구비하고 있고, 하나의 분사 밸브로 내연 기관(5)의 복수의 기통의 흡기 포트(1Aa, 1Ba, 1Ca)를 향해 동시에 연료를 분사한다. 연료 분사 밸브(6)는 원칙적으로 각 기통의 흡기 행정에 동기하여 3기통의 내연 기관에서는 2회전에 3회만 연료를 분사하도록 제어된다. 실제로는 각 기통의 공기와 연료, 즉 A/F의 분배 특성을 고려하여 내연 기관의 1사이클에 대해 1 내지 3회만 연료를 분사하도록 제어되므로, 연료 분사 밸브(6)의 밸브 개방 시기와 각 기통의 흡기 행정이 반드시 대응한다고는 할 수 없다. 또, 분배 성능이 약간 뒤지지만 2회전에 1회 분사 또는 2회 분사로 해도 된다.
제어기(10)는 또 점화 코일(16), ISC 밸브(21), 연료 펌프(31) 등을 제어하는 제어 수단도 구비하고 있다.
도면 부호 30은 연료 탱크로서 연료는 연료 펌프(31)에 의해 흡입되어 연료 배관(33)을 거쳐 연료 분사 밸브(6)에 도달한다. 또, 연료의 압력을 일정하게 조절하는 압력 조정기(32) 및 연료의 압력 변동을 완화하는 댐퍼(34)가 마련되어 있다. 연료 분사 밸브(6)의 적정한 분사량은 각종 센서로부터의 입력을 기본으로 제어기(10)에 의해 산출되어 결정된다. 연료 분사 밸브(6)는 후술하는 바와 같이 복수의 방향으로 연료를 분사 가능한 하나 이상의 오리피스를 구비하고 있고, 내연 기관(5)의 각 기통에 하나의 분사 밸브로 각 분기관에 연료를 분사하도록 복수의 분사구를 구비하고 있다.
도2 및 도3에 본 발명의 일 실시예의 흡기 시스템을 일부 단면한 정면도 및 분해 사시도를 도시한다. 가스켓(9)을 거쳐 드로틀 몸체(2)의 후방류에 접속된 흡기관(4)은 연료 분사 밸브(6)의 부착 위치 부근에서「L」자형으로 굽어 내연 기관(5)의 각 기통으로 방사상으로 연장되는 직선형의 흡기 분기로(4A, 4B, 4C)로 분기되어 있다. 이와 같이 흡기관(4)은 연료 분사 밸브(6)와 압력 조정기(32)가 장착된 흡기 집합부(4M)와, 내연 기관(5)의 기통수에 따라 분기된 세개의 흡기 분기로(4A, 4B, 4C)로 나뉘어져 있다.
연료 펌프(31)로부터 연료 배관(33)을 거쳐 공급된 연료는 접속 통로(35)를 거쳐 댐퍼(34)로 송출되어 이 댐퍼에서 연료의 압력 변동이 완화된다. 연료는 또 흡기 집합부(4M)에 마련된 연료 통로(36) 및 흡기 집합부(4M)에 마련된 연료 통로(37)를 거쳐 연료 분사 밸브(6)에 도달한다. 연료 분사 밸브(6)에는 연료 연결관(38)을 거쳐 압력 조정기(32)가 접속되어 있고, 이 압력 조정기(32)로 연료의 압력이 소정치로 조정된 후 연료는 복귀 통로(39)에 의해 연료 탱크(30)로 복귀된다. 흡기 집합부(4M)에 직접 연료 통로(36, 37)가 마련되어 있으므로, 연료 분사 밸브(6)와 압력 조정기(32)와 댐퍼(34)를 접속하기 위한 연료 연결관이 불필요하다.
도4는 흡기관(4)의 종단면도이다. 흡기관(4)은 흡기 집합부(4M)와 흡기 분기로(4A, 4B, 4C)로 구성되어 있다. 흡기 집합부(4M)는 상면에는 플랜지가 형성되고, 반흡기 분기로측 벽에 O링(61)을 거쳐 연료 분사 밸브(6)를 부착하기 위한 개구(60)가 마련되어 있고, 그 좌우측 벽에 압력 조정기(32)를 접속하기 위한 연료 통로(37)와, 댐퍼(34)를 접속하기 위한 연료 통로(36)가 마련되어 있다. 흡기 분기로(4A, 4B, 4C)는 흡기 집합부(4M)의 연료 분사 밸브(6)의 오리피스 위치로부터 내연 기관(5)의 흡기 밸브(7A) 부근까지 종횡 어느 단면으로 보아도 거의 직선상으로 연장되면서 방사상으로 분기되어 있다.
도5는 본 발명에 있어서의 연료 분사 밸브(6)의 노즐 근방의 확대도이고, 도6은 세개의 오리피스(65)에 의한 연료의 분무 방향을 도시하고 있다. 연료 분사 밸브(6)의 본체는 연료를 분사 밸브 본체의 측부로부터 도입하는 사이드 피드형이다. 연료 분사 밸브(6)에 흡입된 연료는 전자력에 의해 상하 이동하는 가동 밸브(63) 및 노즐(64)에 마련된 세개의 오리피스(65) 즉 제1 기통용 오리피스(65a), 제2 기통용 오리피스(65a), 제3 기통용 오리피스(65c)에 의해 계량 및 분사된다. 연료의 분배를 균일하게 하기 위해 연료 분사 밸브(6)에 마련된 세개의 오리피스(65a, 65b, 65c)의 방향(θ1)은 내연 기관(5)의 각 기통의 흡기구를 향하는 등의 구성으로 되어 있다.
환언하면, 연료 분사 밸브(6)의 오리피스(65)로부터 θ1의 간극으로 3방향으로 분사되어 각도 θ2로 확산되면서 나아가는 연료가 흡기 경로의 벽면에 최초로 충돌하는 위치가 내연 기관(5)의 흡기 밸브(7A) 근방이 되는 것이 바람직하다.
여기서, 본 발명의 흡기관(4)의 상세한 구성에 대해서 도7 내지 도9를 이용하여 설명한다. 도7은 도4의 A-A 단면도, 도8은 흡기관의 요부 평면도, 도9는 흡기 분기부의 확대도이다.
흡기관(4) 내의 흡기 경로에 있어서 연료 분사 밸브(6)의 축심(O-O)은 수평면에 대해 약간의 경사각을 갖고, 흡기 분기로(4B)의 대략 중심선을 따르는 방향으로 연장되어 있다. 흡기 집합부(4M)의 연료 분사 밸브측 수직 방향의 벽에는 도7 및 도8에 도시한 바와 같이 반경(R)의 원호 또는 원호에 가까운 곡률로 분기부로 연장되는 스태빌라이저(4g)가 형성되어 있다.
스태빌라이저(4g)의 선단부(4h)는 연료 분사 밸브(6)를 부착하기 위한 개구(60)의 모서리에 도달하고 있다. 수직 방향으로부터 유입된 흡입 공기는 이 스태빌라이저(4g)에 의해 흡기관(4)의 바닥면에 대략 수직으로 충돌하는 것이 억제되고, 원활하게 대략 수평 방향으로 방향을 바꾸어 연료 분사 밸브(6)로부터 분사된 연료의 분무 방향을 따라 흐른다. 또, 흡기관(4)의 바닥면(4n)도 연료 분사 밸브(6)의 축심(O-O)을 따라 약간의 경사각을 갖고 있고, 흡입 공기와 연료의 유입 방향을 일치시키는데 기여하고 있다.
한편, 흡기관(4)이 흡기 집합부(4M)로부터 세개의 흡기 분기로(4A, 4B, 4C)로 분기되는 부분에는 연료 분사 밸브(6)로부터 분사된 연료를 각 흡기 분기로에 적정하게 분배하기 위한 가늘고 긴 분기 간막이벽(4d)이 형성되어 있다. 분기 간막이벽(4d)의 상부 모서리는 연료 분사 밸브측 선단(4j)으로부터 내연 기관측 선단(4k)을 향해 연속적으로 높이가 높아지고 있다.
분기 간막이벽 상부 모서리의 연료 분사 밸브측 선단(4j)은 연료 분사 밸브(6)의 축심(O-O) 보다도 상방에 위치하는 동시에, 스태빌라이저(4g) 선단부(4h)의 하방이면서 상기 선단부(4h)의 연장선 근방에 위치하고 있다.
도10에 도시한 바와 같이, 제어기(10)는 입력 회로(191), A/D 변환부(192), 중앙 연산부(193), ROM(194), RAM(195) 및 출력 회로(196)를 포함한 컴퓨터에 의해 구성되어 있다. 입력 회로(191)는 입력 신호(190)(예를 들어, 냉각수 온도 센서(9), 드로틀 개방도 센서(6) 등으로부터의 신호)를 받아 상기 신호로부터 노이즈 성분의 제거 등을 행하여 해당 신호를 A/D 변환부(192)에 출력하기 위한 것이다. A/D 변환부(192)는 상기 신호를 A/D 변환하여 중앙 연산부(193)에 출력하기 위한 것이다. 중앙 연산부(193)는 상기 A/D 변환 결과를 취입하여 ROM(194) 등의 매체에 기억된 연료 분사 제어 프로그램이나 그 외의 제어를 위한 소정의 제어 프로그램을 실행함으로써 상기 각 제어 및 진단 등을 실행하는 기능을 구비하고 있다. 또, 연산 결과 및 상기 A/D 변환 결과는 RAM(195)에 일시 보관되는 동시에, 상기 연산 결과는 출력 회로(196)를 통해 제어 출력 신호(197)로서 출력되어 연료 분사 밸브(6) 등의 제어에 사용되는 구성으로 되어 있다. 단, 제어기(10)의 구성은 이에 한정되는 것은 아니다.
도11은 연료의 분사 타이밍의 일예를 설명하는 타임 차트이다. 도11의 예에서는 내연 기관의 2회전에 3회만 하나의 분사 밸브(6)로부터 동시에 세개의 기통(1A, 1B, 1C)을 향해 연료가 분사된다. 연료의 분사폭(Tin)은 일정치(Tin1＝Tin2＝Tin3)이다. 연료의 분사 타이밍(θinj)은 세개의 기통의 각 흡기 행정의 위치(θinj1＝120°, θinj2＝360°, θinj3＝600°)로서 3개의 오리피스(65a, 65b, 65c)로부터 동시에 각 기통을 향해 연료가 분사된다. 연료 분사 밸브(6)로부터 흡기 경로로 분사된 연료는 흡기 경로에 있어서 흡입 공기와 혼합되면서 내연 기관(5)에 공급된다.
본 발명의 흡기관(4)은 연료가 흡기관(4)의 벽면에 부착되어 벽면을 따라 흘러 연료의 분배를 불균일하게 하는 것을 배제하도록 도12에 도시한 바와 같이 세개의 흡기 분기로(4A, 4B, 4C)가 각각 대략 직선상으로 연장되어 있다. 그로 인해, 정규의 운전 상태에서는 연료 분사 밸브(6)의 오리피스로부터 분사된 연료(66a)가 내연 기관의 흡기 포트 부근에 있어서 벽면에 처음으로 접촉한다. 환언하면, 정규의 운전 상태에서는 오리피스로부터 분사된 연료가 도중에 흡기관(4)의 벽면에 접촉하지 않고 내연 기관(5)의 각 흡기 포트까지 도달하도록 구성되어 있다. 이에 의해 연료의 벽면 흐름이 제한되고, 세개의 기통에 대한 연료의 분배량이 각 흡기 경로의 구성에 의하지 않고 주로 분사 밸브의 오리피스에 의한 계량에 의해서만 결정되어 각 기통간의 공연비 분배를 고정밀도로 균일화할 수 있다.
연료의 벽면 흐름의 발생을 방지하기 위해서는 분기 간막이벽(4d)의 형상도 중요하다. 분기 간막이벽(4d)은 연료 분사 밸브(6)로부터 분출된 연료의 분배를 양호하게 할 목적으로 마련되어 있으므로, 가능한 한 연료 분사 밸브에 근접시키는 것이 바람직하다. 그러나, 각도(θ2)로 확산되면서 나아가는 연료가 분기 간막이벽(4d)에 접촉하면 벽면 흐름의 발생이나 연료 흐름의 불균일에 의한 분배 특성의 저하를 초래하게 된다. 그로 인해, 분기 간막이벽(4d)은 연료 분사 밸브(6)로부터 분출된 연료(66a)의 확산 각도(θ2)에 접촉하지 않는 범위에서 연료(66a)를 포위하면서 각 기통에 도입하도록 가능한 한 상류측, 즉 연료 분사 밸브에 가까운 위치까지 연장되도록 가늘고 길게 마련하는 것이 좋다.
그런데, 흡기관이 L자형인 경우 각 기통간의 공연비(A/F)의 분배 특성은 전술한 바와 같이 기통의 위치 관계 뿐만 아니라 흡기관의 형상에 따라서도 영향을 받는다. 즉, 흡입 공기가 L자형 흡기관의 바닥면에 충돌하여 그 후 상류로 역류하는 현상이 있으므로, 분사된 연료가 공기의 흐름에 의해 흡기관의 흡기 집합부로 흡입되어 특정 기통을 겨냥하여 분사된 연료가 다른 기통의 흡기 행정시에 흡입될 가능성이 있다.
이에 대해, 본 발명에서는 L자형 흡기관의 연료 및 공기의 분배 특성을 개선하기 위해 스태빌라이저(4g) 및 분기 간막이벽(4d)을 구비하고 있다. 본 발명의 간막이벽(4d)의 상부 모서리는 유입되는 흡입 공기에 대면하도록 연료 분사 밸브측 선단(4j)으로부터 내연 기관측 선단(4k) 방향을 향해 연속적으로 높아지고 있다.
도13에 있어서, 흡기관(4)의 바닥면(4n)으로부터 연료 분사 밸브(6)의 축심(O-O)까지의 높이를 h0라 하고, 간막이벽(4d) 상부 모서리의 연료 분사 밸브측 선단(4j)에 있어서의 흡기관(4)의 바닥면으로부터의 높이를 h1이라 했을 때, 높이의 비(h1/h0)와 공연비(A/F)의 편차(△A/F)의 관계를 실험에 의해 구한 것이 도14이다. h0에 비해 높이(h1)가 지나치게 낮으면 연료가 각 흡기 분기로로 분리되기 어려워져 △A/F가 커지는 경향을 알 수 있다. 도14에서 △A/F를 허용치로 유지하기 위해서는 높이의 비(h1/h0)를 1.0 이상으로 하는 것이 바람직하다.
다음에, 높이의 비(h1/h0)와 내연 기관의 출력(PS)의 관계를 실험에 의해 구한 것이 도15이다. 실험 결과로부터, h0에 비해 높이(h1)가 지나치게 낮으면 연료의 각 기통으로의 분배 특성이 악화되어 내연 기관의 출력(PS)이 저하하는 경향을 알 수 있다. 역으로, 높이의 비(h1/h0)가 지나치게 크면 간막이벽(4d)에 의한 흡기 저항이 증가하고, 특히 중앙의 흡기 분기로(4B)에 대해 공기가 유입되기 어려워져 내연 기관의 출력(PS)이 저하하는 경향을 알 수 있다. 따라서, 높이의 비(h1/h0)는 0.75 이상 2.0 이하로 하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.
도14 및 도15의 결과로부터 높이의 비(h1/h0)는 1.0 이상 2.0 이하로 하는 것이 바람직하다.
다음에, 도13의 스태빌라이저(4g)의 선단부(4h)에 있어서의 접선과 연료 분사 밸브(6)의 축심이 이루는 각도를 α2라고 했을 때, α2와 공연비(A/F)의 편차(△A/F)의 관계를 실험에 의해 구한 것이 도16이다. α2가 지나치게 크면 도21에 도시한 종래의 것에 근접해지고, 연료의 분배 특성이 저하하여 △A/F가 커지는 경향을 알 수 있다. 도16의 실험 결과로부터, △A/F를 허용치로 유지하기 위해서는 α2를 45도 이하의 비교적 완만한 경사 각도로 하는 것이 바람직하다.
또, 분기 간막이벽(4d)의 상부 모서리와 연료 분사 밸브(6)의 축심(O-O)이 이루는 각도를 α1이라 했을 때 α1＋α2≒90도 미만으로 하는 것이 좋다. 환언하면, α1도 45도 이하의 비교적 완만한 경사 각도로 하는 것이 바람직하다.
도17은 본 발명의 흡기 시스템에 의한 공기류의 시뮬레이션 결과를 도시하고 있다. 도면 부호 66a는 분사 밸브(6)로부터 분사된 연료를 표시하고 있다. 공기의 흐름은 부재(4i)에 충돌한 후 상류로 역류하는데, 흡기관의 집합부로까지는 흡입되지 않아 분사 연료(66a)에는 영향을 미치지 않는다. 따라서, 특정 기통을 겨냥하여 분사된 연료가 다른 기통의 흡기 행정시에 흡입되지 않게 되어 연료의 분배를 양호하게 할 수 있다.
본 발명의 흡기관(4)에 대하여 효과를 확인한 실험 결과를 도18에 도시한다. 도18은 내연 기관의 회전수가 2000 rpm인 때의 기통간 공연비(A/F) 편차의 최대 편차(△A/F)를 나타내고 있다. 실험 결과에 의하면, 흡기관 압력의 변화에도 불구하고 연료의 분배 특성이 대폭으로 개선되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, △A/F의 값이 도20에 도시한 종래의 3.3에 대해 1.0 이하까지 감소하고 있다. 이와 같은 연료의 분배 특성의 개선에 의해 내연 기관의 출력 증가와 배출 가스의 유해 성분의 저감이 가능해진다.
본 발명에 의하면, 하나의 분사 밸브로 복수의 기통에 연료를 분사하는 다기통 내연 기관의 흡기 구조에 있어서, 상기 흡기관의 흡기 집합부로부터 흡입되는 흡입 공기가 상기 연료 분사 밸브의 분사 방향에 대해 대략 직각인 방향으로부터 도입되는 흡기 구조임에도 불구하고 각 기통간의 공연비 분배를 균일하게 할 수 있으므로, 각 기통에 연료 분사 밸브를 배치한 것과 동등한 고성능을 얻을 수 있는 동시에 운전성이 향상되고 연료 공급 시스템과 제어 시스템이 대폭으로 간략화된 저비용의 다기통 내연 기관을 실현할 수 있다.
즉, 하나의 분사 밸브로 복수의 기통에 연료를 분사하는 동시에 연료 분사 밸브의 분사 방향에 대해 대략 직각인 방향으로부터 도입되는 흡기 구조임에도 불구하고 각 기통으로의 공연비(A/F)의 분배 특성이 균일하면서 안정화되므로, 내연 기관의 출력 토크의 변동이 낮게 억제되어 내연 기관의 운전성의 향상을 꾀할 수 있다. 또, 내연 기관의 배기 가스 내의 유독 배기 가스(HC, CO, NOX)의 정화율은 공연비(A/F)에 크게 의존하고 있어 배기 가스의 정화율도 대폭으로 개선된다.
또, 본 발명에 의하면 하나의 연료 분사 밸브로 복수의 기통에 동시에 연료를 공급하는 간단한 구성이면서 각 기통으로의 공연비(A/F)의 분배 특성을 균일하게 할 수 있으므로, 저비용을 꾀할 수 있는 동시에 각 기통에 연료 분사 밸브를 배치한 것과 동등한 고성능의 다기통 내연 기관을 실현할 수 있다.

Claims (7)

  1. 드로틀 밸브를 구비한 드로틀 몸체와, 상기 드로틀 몸체에 접속되는 동시에 다기통 내연 기관의 각 기통에 공기와 연료의 혼합기를 공급하는 흡기관과, 상기 흡기관에 부착되고 복수의 방향으로 연료를 분사 가능한 오리피스를 갖는 하나의 연료 분사 밸브를 구비하고, 상기 흡기관은 상기 드로틀 몸체에 접속된 흡기 집합부와, 상기 내연 기관의 각 기통을 향해 상기 흡기 집합부에 대략 직각인 방향으로 연장되는 복수의 흡기 분기로를 포함하고 있고, 흡입 공기가 상기 연료 분사 밸브의 분사 방향에 대해 대략 직각인 방향으로부터 도입되는 구성의 다기통 내연 기관에 있어서,
    상기 흡기관은 상기 흡기 집합부로부터 상기 흡기 분기로로의 분기 부분에 상기 흡기관의 바닥벽으로부터 상기 연료 분사 밸브의 축심(O-O) 이상의 높이까지 연장되고, 상기 연료 분사 밸브로부터 분사된 연료를 상기 각 흡기 분기로에 분배하기 위한 분기 간막이벽을 구비하고 있고, 상기 분기 간막이벽의 상부 모서리의 높이는 상기 연료 분사 밸브측 선단으로부터 내연 기관측 선단을 향해 연속적으로 높아지게 되어 있고,
    상기 흡기 집합부의 연료 분사 밸브측 벽면은 상기 흡입 공기의 유입 방향을 따라 원호 또는 원호에 가까운 곡률로 상기 분기부 측으로 돌출한 스태빌라이저로 서 구성되어 있고,
    상기 분기 간막이벽의 상부 모서리의 상기 연료 분사 밸브측 선단은 상기 스태빌라이저 하단부의 하방인 동시에 상기 하단부의 연장선 근방에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 다방향 연료 분사 밸브를 구비한 다기통 내연 기관.
  2. 제1항에 있어서, 상기 흡기관의 바닥면으로부터 상기 연료 분사 밸브의 축심까지의 높이를 h0라 하고, 상기 분기 간막이벽의 상부 모서리의 연료 분사 밸브측 선단에 있어서의 상기 바닥면으로부터의 높이를 h1이라 했을 때, 상기 높이의 비(h1/h0)를 1.0 이상 2.0 이하로 한 것을 특징으로 하는 다방향 연료 분사 밸브를 구비한 다기통 내연 기관.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스태빌라이저의 상기 하단부에 있어서의 접선과 상기 연료 분사 밸브의 축심이 이루는 각도(α2)는 45도 이하인 것을 특징으로 하는 다방향 연료 분사 밸브를 구비한 다기통 내연 기관.
  4. 제1항에 있어서, 상기 흡기관의 바닥면으로부터 상기 연료 분사 밸브의 축심까지의 높이를 h0라 하고, 상기 간막이벽의 상부 모서리의 연료 분사 밸브측 선단에 있어서의 상기 바닥면으로부터의 높이를 h1이라 했을 때 상기 높이의 비(h1/h0)를 1.0 이상 2.0 이하로 하고, 상기 스태빌라이저의 상기 하단부에 있어서의 접선과 상기 연료 분사 밸브의 축심이 이루는 각도(α2)는 45도 이하인 것을 특징으로 하는 다방향 연료 분사 밸브를 구비한 다기통 내연 기관.
  5. 제4항에 있어서, 상기 분기 간막이벽의 상부 모서리와 상기 연료 분사 밸브의 축심이 이루는 각도(α1)는 45도 이하인 것을 특징으로 하는 다방향 연료 분사 밸브를 구비한 다기통 내연 기관.
  6. 제4항에 있어서, 상기 연료 분사 밸브의 축심은 수평면에 대해 경사각을 갖고, 상기 흡기 분기로의 대략 중심선을 따르는 방향으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 다방향 연료 분사 밸브를 구비한 다기통 내연 기관.
  7. 드로틀 몸체에 접속되고 복수의 방향으로 연료를 분사 가능한 오리피스를 갖는 하나의 연료 분사 밸브가 장착된 흡기 집합부와, 내연 기관의 각 기통을 향해 상기 흡기 집합부에 대략 직각인 방향으로 연장되는 복수의 흡기 분기로를 포함하고 있고, 흡입 공기가 상기 연료 분사 밸브의 분사 방향에 대해 대략 직각인 방향으로부터 도입되는 구성의 다기통 내연 기관의 흡기관 구조에 있어서,
    상기 흡기관은 상기 흡기 집합부로부터 상기 흡기 분기로로의 분기 부분에 상기 흡기관의 바닥벽으로부터 상기 연료 분사 밸브의 축심(O-O) 이상의 높이까지 연장되고, 상기 연료 분사 밸브로부터 분사된 연료를 상기 각 흡기 분기로에 분배하기 위한 분기 간막이벽을 구비하고 있고, 상기 분기 간막이벽의 상부 모서리의 높이는 상기 연료 분사 밸브측 선단으로부터 내연 기관측 선단을 향해 연속적으로 높아지게 되어 있고,
    상기 흡기 집합부의 연료 분사 밸브측 벽면은 상기 흡입 공기의 유입 방향을 따라 원호 또는 원호에 가까운 곡률로 상기 분기부 측으로 돌출한 스태빌라이저로서 구성되어 있고,
    상기 분기 간막이벽의 상부 모서리의 상기 연료 분사 밸브측 선단은 상기 스태빌라이저 하단부의 하방인 동시에 상기 하단부의 연장선 근방에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 다방향 연료 분사 밸브를 구비한 다기통 내연 기관의 흡기관 구조.
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