KR100435721B1 - A variable tumble valve for gasoline direct injection engine - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가솔린 직접 분사(GDI: GASOLINE DIRECT INJECTION) 엔진에서 실린더 내에 흡입되는 공기의 텀블(TUMBLE)을 발생시키기 위한 텀블 밸브에 관한 것으로서,The present invention relates to a tumble valve for generating a tumble of air sucked into a cylinder in a gasoline direct injection (GDI) engine.
흡기포트 단면의 일부를 그 단면 형상으로 가지는 배플플레이트와, 상기 배플플레이트에 설치되어 흡기포트 내에서 배플플레이트가 흡기유동 단면적을 변화시키는 방향으로 회동 가능하게 고정시키는 힌지축과, 상기 배플플레이트의 회동력을 제공하는 구동수단과, 엔진의 작동상태에 따라 상기 구동수단을 제어하는 컨트롤러로 구성된 가솔린 직접 분사 엔진용 가변 텀블 밸브를 제공하여,A baffle plate having a portion of an intake port cross section in its cross-sectional shape, a hinge shaft provided on the baffle plate and rotatably fixed in a direction in which the baffle plate changes the intake flow cross-sectional area within the intake port; By providing a variable tumble valve for a gasoline direct injection engine comprising a drive means for providing power and a controller for controlling the drive means in accordance with the operating state of the engine,
고부하시 유동 마찰손실을 극소화하는 흡기 유동의 형성이 가능하도록 하여 흡기효율을 극대화시키고, 저부하시에도 유동마찰이 최소화된 상태에서 보다 강한 텀블을 형성하도록 하며, 이러한 텀블 형성기구의 설치가 용이하게 이루어질 수 있도록 하여 충분한 작업성을 확보한다.Maximizes the intake efficiency by enabling the formation of intake flow to minimize the flow friction loss at high loads, and to form a stronger tumble with a minimum of the flow friction at low loads, it is easy to install such a tumble forming mechanism To ensure sufficient workability.
Description
본 발명은 가솔린 직접 분사(GDI: GASOLINE DIRECT INJECTION) 엔진에서 실린더 내에 흡입되는 공기의 텀블(TUMBLE)을 발생시키기 위한 텀블 밸브에 관한 것이다.The present invention relates to a tumble valve for generating a tumble of air sucked into a cylinder in a gasoline direct injection (GDI) engine.
GDI 엔진은 디젤엔진처럼 연소실내에 연료를 직접 분사하는 형식의 엔진으로, 저부하시에는 압축행정의 말기에 연료를 분사하여 점화플러그 주위의 공연비를 농후하게 하는 성층연소로 초희박 공연비에서도 쉽게 점화가 가능하도록 되어 있으며, 고부하시에는 흡입행정 초기에 연료를 분사하여 연료에 의한 흡입공기의 냉각으로 충진효율을 향상시켜 저부하시에는 연비가 우수하고 고부하시에는 출력이 향상되도록 하는 엔진이다.The GDI engine is a type of engine that directly injects fuel into the combustion chamber like a diesel engine. At low loads, the GDI engine injects fuel at the end of the compression stroke to increase the air-fuel ratio around the spark plug. It is made to be possible, and at high loads, the fuel is injected at the beginning of the intake stroke to improve the filling efficiency by cooling the intake air by the fuel, so that the fuel efficiency is excellent at low loads and the output is improved at high loads.
따라서, 상기한 바와 같은 저부하시와 고부하시에 각각 적합한 실린더 내의 흡입공기의 상태를 조성하기 위해서는 흡기포트를 통해 제공되는 공기를 조절할 필요가 있다.Therefore, it is necessary to adjust the air provided through the intake port in order to create a state of the intake air in the cylinder suitable for each of the low load and high load as described above.
이러한 공기량 및 유동 강도의 부하별 조절은 크게 두 가지 방식으로 이루어지는데, 하나는 스월포트와 SCV(Swirl Control Valve)를 사용하는 방법으로, 한 실린더당 2개 흡기밸브로 이어지는 2개의 흡기포트중 하나를 스월 유동 발생형 포트로 설계하고 다른 하나를 직선형(Straight) 포트로하여 저부하시에는 직선형 포트의 입구에 설치된 SCV를 닫아서 스월유동 발생포트로 공기를 유입시켜 연소실내에 강한 스월을 생성하는 방식이다.The load-specific adjustment of air volume and flow intensity is largely performed in two ways. One is a swirl port and a swirl control valve (SCV), one of two intake ports leading to two intake valves per cylinder. Is designed as a swirl flow generating port, and the other is a straight port, and at the time of low load, it closes the SCV installed at the inlet of the straight port and induces air into the swirl flow generating port to create a strong swirl in the combustion chamber. .
다른 하나는 두 개의 포트를 직선형으로 만들고 포트의 아래 부분을 막아서 강한 텀블 유동을 생성시키는 방식이다. 두가지 모두 고부하시에는 SCV나 텀블밸브를 열어서 공기 유동저항을 줄이게 된다. 그러나 스월포트방식은 고회전 고부하시 스월포트의 유동저항으로 말미암아 텀블포트 방식에 비하여 공기유동 감소와 출력 손실이 예상되어, 해외 주요 메이커에서는 텀블포트 방식의 공기 유동 강화 방식을다수 채택하는 추세에 있다.The other is to straighten the two ports and block the bottom of the port to create a strong tumble flow. At both loads, the SCV or tumble valve can be opened to reduce airflow resistance. However, the swirl pot method is expected to reduce air flow and output loss compared to the tumble port method due to the flow resistance of the swirl pot at high rotation and high load, and major overseas manufacturers are adopting the tumble port method to enhance the air flow.
한편, 텀블 유동을 강화시키는 방식으로는 종래에 도 1에 도시된 바와 같은 고정형 격벽(100) 및 버터플라이밸브(102)를 이용한 방식이 사용되고 있다.On the other hand, as a method for enhancing the tumble flow, a method using a fixed partition wall 100 and a butterfly valve 102 as shown in FIG. 1 is conventionally used.
즉, 흡기포트(104)를 상하로 나누는 격벽(100)이 설치되어 있고 도 2에 상세히 도시된 바와 같이 필요에 따라서 흡기포트(104)의 아래쪽을 막을 수 있도록 버터플라이밸브(102)가 격벽의 상류에 설치되어 있어서, 부분부하시에 연소의 안정성을 높이기 위해 강한 텀블을 요구하는 경우에는 상기 버터플라이밸브(102)를 막아서 흡기포트(104)의 위쪽으로만 흡기 유동이 이루어지게 하여 실린더(106) 내에 강한 텀블을 형성하고, 고부하시에는 상기 버터플라이밸브(102)를 개방하여 흡기포트(104)의 위 아래 모두를 통하여 흡기 유동이 이루어질 수 있도록 하여 텀블의 강도는 낮으나 흡입 공기량은 증대되도록 하는 것이다.That is, the partition wall 100 for dividing the intake port 104 up and down is provided, and as shown in detail in FIG. 2, the butterfly valve 102 is formed so that the lower portion of the intake port 104 can be blocked. When installed upstream, when a strong tumble is required to increase the stability of combustion under partial load, the butterfly valve 102 is blocked so that the intake flow is made only above the intake port 104, thereby allowing the cylinder 106 to operate. ) To form a strong tumble and to open the butterfly valve 102 at high load to allow intake flow through both the top and bottom of the intake port 104 so that the tumble is low but the amount of intake air is increased. will be.
그런데, 상기한 바와 같은 방식으로 텀블유동 발생상태와 흡기량 증대상태를 전환하도록 하는 경우에는, 고부하 영역의 경우 상기 격벽(100)에서 마찰손실이 발생하여 그에 따른 체적효율의 감소가 출력저하로 이어지는 결과를 가져오고, 저부하 영역에서도 일정부분의 유동손실이 발생되어 저연비 실현에 난점으로 작용되는 문제점이 있다.However, when the tumble flow generation state and the intake air amount increase state are switched in the above manner, friction loss occurs in the partition wall 100 in the case of the high load region, resulting in a decrease in volume efficiency resulting in a decrease in output. In addition, a portion of the flow loss occurs in the low load region, there is a problem that acts as a difficulty in realizing low fuel consumption.
또한, 상기한 바와 같은 격벽(100)을 흡기포트(104)에 설치하는 데에 많은 문제점이 있는바, 흡기의 유동특성이 격벽(100)의 설치위치나 격벽(100) 말단의 형상 및 격벽(100)과 흡기밸브(108)의 상대위치 등에 의해 크게 변화하므로 양산시에 상기와 같은 고정식 격벽(100)을 형성하기 위해서는 실린더헤드의 주물 제작시 일체로 형성되도록 하거나, 별도의 모듈로 제작하여 삽입하는 방법이 있는데, 이들 두 가지 경우 모두에서 격벽(100)의 위치를 정확하게 맞추는 데에는 상당한 비용과 노력이 소요되는 것이다.In addition, there are many problems in installing the partition wall 100 as described above in the intake port 104, the flow characteristics of the intake is the installation position of the partition wall 100, the shape of the partition wall 100 and the partition wall ( 100) and the intake valve 108 is greatly changed due to the relative position, etc. In order to form the fixed bulkhead 100 as described above during mass production, it is to be formed integrally at the time of casting of the cylinder head, or manufactured by inserting into a separate module There is a method, which in both cases requires a significant cost and effort to correctly position the partition wall (100).
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고부하시 및 저부하시에 흡기의 유동 마찰손실을 극소화하고 텀블 형성기구의 설치가 용이하며 또한 그 설치가 정확하게 이루어질 수 있는 가솔린 직접 분사 엔진용 가변 텀블 밸브를 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the problems as described above, gasoline direct injection that minimizes the flow friction loss of the intake air at high and low loads, easy installation of the tumble forming mechanism and can be precisely installed It is an object to provide a variable tumble valve for an engine.
도 1은 종래 기술에 의한 텀블 형성기구의 구성을 도시한 도면,1 is a view showing the configuration of a tumble forming mechanism according to the prior art,
도 2는 도 1의 버터플라이밸브의 작동상태를 도시한 개념도,2 is a conceptual diagram showing an operating state of the butterfly valve of FIG.
도 3은 본 발명에 따른 가변 텀블 밸브의 작동 개념을 도시한 개념도,3 is a conceptual diagram illustrating an operation concept of a variable tumble valve according to the present invention;
도 4는 본 발명 가변 텀블 밸브의 구성을 도시한 구성도이다.4 is a configuration diagram showing the configuration of the present invention variable tumble valve.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
1,104: 흡기포트 3: 배플플레이트1,104 intake port 3: baffle plate
4: 안착면 5: 힌지축4: seating surface 5: hinge shaft
7: 안착홈 9: 보강부7: Seating groove 9: Reinforcement part
11: 전기모터 15: ECU11: electric motor 15: ECU
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 가솔린 직접 분사 엔진용 가변 텀블 밸브는 흡기포트 단면의 일부를 그 단면 형상으로 가지는 배플플레이트와, 상기 배플플레이트에 설치되어 흡기포트 내에서 배플플레이트가 흡기유동 단면적을 변화시키는 방향으로 회동 가능하게 고정시키는 힌지축과, 상기 배플플레이트의 회동력을 제공하는 구동수단과, 엔진의 작동상태에 따라 상기 구동수단을 제어하는 컨트롤러로 구성된 것을 특징으로 한다.The variable tumble valve for a gasoline direct injection engine of the present invention for achieving the above object has a baffle plate having a portion of an intake port cross section in its cross-sectional shape, and the baffle plate is installed in the baffle plate and the intake flow is in the intake port. And a hinge shaft for rotatably fixing in a direction of changing the cross-sectional area, a driving means for providing a rotational force of the baffle plate, and a controller for controlling the driving means in accordance with an operating state of the engine.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 가솔린 직접 분사 엔진용 가변 텀블 밸브의 구성을 도시한 것으로서, 흡기포트(1) 단면의 일부를 그 단면 형상으로 가지는 배플플레이트(3)가 힌지축(5)에 의해 흡기포트(1) 내에서 회동 가능한 상태로 지지되고, 이를 구동수단 및 컨트롤러에 의해 회동시키도록 되어 있는 구조이다.3 and 4 illustrate a configuration of a variable tumble valve for a gasoline direct injection engine according to the present invention, in which a baffle plate 3 having a part of a cross section of an intake port 1 in its cross-sectional shape is hinge shaft 5. It is supported by the state which can be rotated in the intake port 1 by this, and it is a structure comprised so that it may be rotated by a drive means and a controller.
여기서, 상기 배플플레이트(3)는 도시된 바와 같이 일반적인 원형의 흡기포트(1) 단면의 외측 원주면을 따르는 반원형으로 구성되어 흡기유동의 단면적을 최대로 할 때에는 흡기포트(1)의 벽면에 완전히 밀착되어 마치 배플플레이트(3)가 설치되지 않은 것과 동일한 상태의 흡기유동 단면적을 형성하도록 한 바, 이를 더욱 확실히 하기 위해 흡기포트(1)의 벽면에는 상기 배플플레이트(3)가 흡기유동 단면적을 최대로 하는 상태에서 유동저항을 최소화하도록 하는 배플플레이트(3)의 안착면(4)이 형성되어 있다.Here, the baffle plate (3) is composed of a semi-circle along the outer circumferential surface of the cross section of the general circular intake port (1), as shown in the figure, to maximize the cross-sectional area of the intake flow (1) completely on the wall surface of the intake port (1) In close contact with the baffle plate 3, the intake flow cross-sectional area is formed as if the baffle plate 3 is not installed.To further ensure this, the baffle plate 3 has a maximum intake flow cross-sectional area on the wall surface of the intake port 1. The seating surface 4 of the baffle plate 3 is formed to minimize the flow resistance in the state.
한편, 상기 흡기포트(1)의 벽면에는 상기 배플플레이트(3)가 흡기유동 단면적을 최소로 하는 상태에서 안정된 고정상태를 유지하도록 배플플레이트(3)의 측단부가 밀착되는 고정홈(7)이 형성되도록 하였다.On the other hand, a fixing groove (7) in which the side end of the baffle plate (3) is in close contact with the wall surface of the intake port (1) so that the baffle plate (3) maintains a stable fixed state with a minimum intake flow cross-sectional area. To form.
상기 배플플레이트(3)는 힌지축(5)으로 흡기포트(1) 내에 설치되는바, 상기 힌지축(5)은 4각 또는 6각의 각봉을 사용하여 상기 배플플레이트(3)에 일체화되도록 연결하며, 상기 배플플레이트(3)를 힌지축(5)에 견고하게 고정하도록 하기 위하여 배플플레이트(3)의 뒷면에는 배플플레이트(3)로부터 힌지축(5)까지 연결되는 보강부(9)를 형성하였고, 다기통 엔진의 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이 다수의 배플플레이트(3)가 하나의 힌지축(5)에 의해 연결되도록 구성할 수 있다.The baffle plate (3) is installed in the intake port (1) by the hinge shaft (5), the hinge shaft (5) is connected to be integrated into the baffle plate (3) using a square or hexagonal bar In order to firmly fix the baffle plate 3 to the hinge shaft 5, a reinforcing part 9 is formed on the rear surface of the baffle plate 3 from the baffle plate 3 to the hinge shaft 5. In the case of a multi-cylinder engine, as shown in FIG. 4, a plurality of baffle plates 3 may be configured to be connected by one hinge shaft 5.
상기 힌지축(5)은 구동수단에 의해 회동력을 전달받아 배플플레이트(3)에 전달하게 되는데, 상기 구동수단으로는 전기모터(11)가 사용되어 엔진의 작동상태에 따라 컨트롤러에 의해 제어되도록 되어 있는바, 전기모터는 전력소모가 작은 DC모터 또는 제어가 용이한 스텝모터 등이 사용될 수 있으며 적절한 제어동작을 구현하기 위하여 별도로 감속기 등이 사용될 수 있고, 컨트롤러는 ECU(15)를 사용하도록 하였다.The hinge shaft 5 receives the rotational force by the driving means and transmits it to the baffle plate 3. The electric motor 11 is used as the driving means to be controlled by the controller according to the operating state of the engine. As the electric motor, a DC motor with low power consumption or a step motor which can be easily controlled may be used, and a reduction gear or the like may be used to implement a proper control operation, and the controller uses an ECU 15. .
이상과 같은 배플플레이트(3) 및 그 구동수단은 하나의 모듈로 구성하여 실린더 헤드에 설치하도록 하여 종래의 고정형 격벽(100)의 설치에 따르는 격벽 위치 조정상의 기술적 난점을 해소할 수 있다.As described above, the baffle plate 3 and its driving means may be formed as a single module so as to be installed in the cylinder head, thereby eliminating technical difficulties in adjusting the partition position due to the installation of the conventional fixed partition wall 100.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the present invention configured as described above are as follows.
도 3의 좌측에는 본 발명에 의한 가변 텀블 밸브가 별도의 텀블을 형성하지 않고 있는 상태로서 반원형 단면 형상의 배플플레이트(3)는 흡기포트(1) 내에 형성된 안착면(4)에 안착되어 흡기포트(1)의 유동단면적이 최대가 되어 있는 상태로서, 흡입되는 공기는 별도의 유동손실이 발생되지 않아 흡입공기량이 최대가 될 수 있으므로 전부하시에 실린더 내에 충분한 공기를 공급할 수 있다.3, the baffle plate 3 having a semi-circular cross-sectional shape is seated on the seating surface 4 formed in the intake port 1, and the variable tumble valve according to the present invention does not form a separate tumble. In the state in which the flow cross section of (1) is the maximum, the intake air does not generate a separate flow loss so that the intake air amount can be the maximum, so that sufficient air can be supplied into the cylinder during full load.
이 경우를 종래의 격벽(100)이 설치되어 있는 형식과 비교하여보면, 종래의 격벽(100)이 형성되어 있는 경우에는 아무리 격벽(100)의 양측으로 모두 공기가 통과 할 수 있도록 할지라도 동일한 흡기포트의 직경을 가지고 있는 일반적인 MPI엔진에 비하여 격벽(100)에서 발생하는 흡기의 유동저항에 따른 손실로 보다 적은 양의 흡기량을 형성할 수밖에 없지만, 본 발명과 같이 배플플레이트(3)가 완전히 흡기유동의 유동단면적 외부로 배제되는 경우에는 별도의 유동손실이 발생되지 않으므로 종래의 일반적인 MPI엔진과 비교하여도 손색이 없는 충분한 흡기량을 확보할 수 있는 것이다.Compared to the case in which the conventional bulkhead 100 is provided, the case where the conventional bulkhead 100 is formed is the same intake, even if air can pass through both sides of the bulkhead 100. Compared to the general MPI engine having the diameter of the port, but the loss due to the flow resistance of the intake generated in the partition 100, but inevitably less amount of intake, but the baffle plate 3 as shown in the present invention is completely intake flow If it is excluded outside the flow cross-sectional area of the flow loss does not occur because it is possible to secure a sufficient intake amount without comparable to the conventional MPI engine.
다음, 저부하시에 실린더 내부에 강한 텀블이 필요한 경우에는 도 3의 우측에 도시된 바와 같이 상기 ECU(15)의 제어에 의한 전기모터(11)의 구동으로 상기 배플플레이트(3)가 회동하여 흡기유동의 유동단면적을 축소시키게 되는바, 유입되는 공기는 상기 배플플레이트(3)가 형성하는 경사경로를 타고 이동하여 흡기포트(1)의 상측으로 집중된 상태로 실린더로 공급되면서 실린더 내에 강한 텀블을 형성하게 된다.Next, when a strong tumble is required inside the cylinder at low load, the baffle plate 3 is rotated by the intake of the electric motor 11 under the control of the ECU 15 as shown in the right side of FIG. 3. As the flow cross-sectional area of the flow is reduced, the inflowing air moves along the inclined path formed by the baffle plate 3 and is supplied to the cylinder concentrated in the upper side of the intake port 1 to form a strong tumble in the cylinder. Done.
이때, 상기 배플플레이트(3)와 흡기포트(1)의 벽면이 구성하는 유동단면은 상기 배플플레이트(3)의 단면이 반원형이므로 결국 흡기포트(1)의 벽면과 함께 타원형의 유동단면적을 형성하게 되는바, 이 경우 종래의 직선형 격자가 형성하는 동일한 단면적 대비 접수길이(wetted length)가 짧으므로 유동손실이 훨씬 감소되는 효과를 거둘 수 있다.In this case, since the cross section of the baffle plate 3 and the wall of the intake port 1 constitutes a semicircular cross section of the baffle plate 3, the end surface of the baffle plate 3 and the wall surface of the intake port 1 form an elliptical flow section. In this case, since the received length is short compared to the same cross-sectional area formed by the conventional linear grating, the flow loss is much reduced.
한편, 상기 배플플레이트(3)의 말단 형상을 변경하면 텀블과 스월이 동시에 형성되는 듯한 경사텀블(inclined tumble)의 형성이 가능하여 엔진의 출력향상에 더욱 기여하게 할 수도 있다.On the other hand, by changing the end shape of the baffle plate (3) it is possible to form an inclined tumble (tumble and tumble) as if the tumble and swirl are formed at the same time can contribute to further increase the output of the engine.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 고부하시 유동 마찰손실을 극소화하는 흡기 유동의 형성이 가능하도록 하여 흡기효율을 극대화시키고, 저부하시에도 유동마찰이 최소화된 상태에서 보다 강한 텀블을 형성하도록 하며, 이러한 텀블 형성기구의 설치가 용이하게 이루어질 수 있도록 적절한 작업성을 확보하도록 한다.As described above, according to the present invention, it is possible to form an intake flow that minimizes the flow friction loss at high loads, thereby maximizing the intake efficiency, and forming a stronger tumble in a state where flow friction is minimized even at low loads. Ensure proper workability to facilitate the installation of the tumble forming mechanism.
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Also Published As
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|---|---|
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