KR100831330B1 - 인젝터를 갖는 직분식 가솔린 엔진 - Google Patents

인젝터를 갖는 직분식 가솔린 엔진 Download PDF

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KR100831330B1
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박상욱
김형민
이기형
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Abstract

본 발명은 인젝터를 제공한다. 상기 인젝터는 연료가 유동되는 유로가 형성되고, 상기 유료의 끝단에 분사팁이 형성된 인젝터 몸체와, 상기 인젝터 몸체에 마련되어, 상기 분사팁을 통하여 분사되는 연료를 충돌시키어 그 유동경로를 가변시키는 가이드를 구비한다. 또한, 본 발명은 상기 인젝터를 갖는 직분식 가솔린 엔진도 제공한다. 따라서, 본 발명은 연료 미립화 성능을 향상시키고, 피스톤과 실린더 라이너에 생기는 벽류를 감소시키며, 성층 혼합기를 점화플러그 주위로 이동시켜 성층 연소 성능의 향상시킬 수 있다.
직분식, 인젝터, 미립화

Description

인젝터를 갖는 직분식 가솔린 엔진{GASOLINE DIRECT INJECTION ENGINE HAVING}
도 1은 본 발명의 인젝터에 있어서, 본 발명에 따르는 가이드에 분사되는 연료가 충돌되는 것을 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따르는 가이드에 분사되는 연료가 연소실내에서 충돌되는 것을 보여주는 다른 단면도이다.
도 3은 흡입행정시에 본 발명에 따르는 가이드가 원위치로 복귀되는 것을 보여주는 단면도이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
100 : 인젝터
110 : 인젝터 몸체
111 : 유로
120 : 솔레노이드 밸브
130 : 분사팁
200 : 가이드
210 : 충돌면
300 : 연소실
310 : 흡입밸브(intake valve)
320 : 배기밸브(exhaust valve)
330 : 점화플러그
본 발명은 직분식 가솔린 엔진에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소실 내에서, 연료 미립화 성능을 향상시키고, 피스톤과 실린더 라이너에 생기는 벽류를 감소시키며, 성층 혼합기를 점화플러그 주위로 이동시켜 성층 연소 성능의 향상시킬 수 있는 인젝터를 갖는 직분식 가솔린 엔진에 관한 것이다.
일반적으로 자동차용 가솔린 엔진의 연료분사는 전자제어식 시스템을 채용하고 있으며, 흡기매니폴드에 분사하는 형식이 주로 사용되고 있다. 이러한 연료분사의 근본 원리는 연료계통에 항상 일정한 압력을 가해 두었다가 인젝터의 노즐을 열어주어 흡기 매니폴드 내에 연료를 분출시키는 구조를 갖고 있다.
이러한 전자식 연료분사의 제어는 각종 주행상태에서 기관의 출력성능 향상과 연비 향상 및 공해 가스 저감 등을 실현하기 위한 것으로, 이를 위해 엔진의 냉각수 온도, 흡입공기의 온도, 흡기 매니폴드의 압력과 대기 압력, 차속, 스로틀 개도량, 크랭크 각 신호 등을 각종 센서를 사용하여 검출한 후 이에 기초하여 전자제 어장치(ECU)에서 에어콘 릴레이, 연료펌프 릴레이, 인젝터, 점화코일, ISC 밸브 등을 제어하고 있다.
한편, 연소실로 연료를 직접분사하는 직접분사(Direct Injection)방식은 회 전이 늦은 대형의 디젤엔진에 주로 이용되고 있으나, 현재는 고속 디젤엔진에서도 많이 이용되고 있다.
또한, 최근에는 가솔린 엔진에도 이러한 직접분사방식이 채택되어 열효율의 개선을 도모하고 있다.
이러한 종래의 가솔린 직접분사(Gasoline Direct Injection)방식의 엔진에 사용되는 인젝터를 설명하면 다음과 같다.
종래의 인젝터의 하우징 내부에는 다수의 관통공이 형성된 원판과 일체로 형성되는 니들이 수용되어 있다. 상기 니들의 하단부는 노즐팁에 형성된 분사구를 개폐하도록 구성되는 것으로, 니들의 중간부에 형성된 원판이 아마츄어에 의해 상하이동 되므로서 분사구를 개폐되는 것이다. 즉, 코일에 전류가 가해지면 아마츄어가 원판을 당기게 되므로서 니들이 위로 올라가게 되어 분사구가 열리게 되는 것이다.
즉, 연료는 하우징 상부에 형성된 유입구를 통과하여 필터에서 여과된 채 고압의 상태로 유지하고 있으면서, 전자제어장치(ECU)의 제어에 의해 코일에 전류가 가해지면 니들이 상측으로 이동하여 분사구가 열리게 되므로서 고압의 연료가 연소실로 분사되는 것이다.
특히, 직분식(직접분사식) 가솔린 엔진의 연료는 연소실내에 직접 분사됨으로써, 연료가 연소실의 내부로 분사되고 혼합기로 형성되어 연소실내에서 연소가 이뤄지기까지 걸리는 시간이 짧게 형성된다. 따라서, 연료의 미립화가 제대로 이뤄지지 않고, 이와 같은 상태에서 연소되면 PM과 SOOT등의 배기 배출물이 발생된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 연료와 공기가 충분히 혼합할 수 있도록 혼합기 형성에 중요한 역할을 하는 분사압력과 분사시기를 조절하는 것이 중요하다.
또 한편, 직분사 엔진내의 중요한 과제가 혼합기의 성층화이다. 상기 성층 연소는 압축말기에 분사하여 점화플러그 주위에 농후한 혼합기를 형성하는 방식이다. 여기서, 상기 성층 혼합기가 제대로 형성되지 않을 경우에 희박 운전이 불가능하게 된다. 이를 위해서는 분사위치의 최적화와 연소실 형상, 피스톤의 형상을 변화시켜야 하는 문제점이 발생하게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 직분식 가솔린 엔진의 인젝터에를 개조함에 있는데, 고압 인젝터에서 200bar정도의 압력으로 연료를 분사하여 연료의 미립화를 촉진하는 기술이 발전하고 있으나 이들의 방식으로는 분무 도달거리의 증가로 인하여 연료가 연소실내의 피스톤과 실린더 라이너에 부착되어 벽류가 발생하고, 이러한 경우에, PM과 SOOT가 발생하여 배기과정중에 배출되는 문제점이 발생한다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있도록 안출된 것으로서, 본 발명의 제 1목적은 연소실의 내부로 분사되는 연료의 미립화의 정도를 향상시킬 수 있는 인젝터를 갖는 직분식 가솔린 엔진을 제공함에 있다.
본 발명의 제 2목적은 피스톤과 실린더 라이너에 생기는 벽류를 감소시키어, PM과 SOOT가 발생을 억제할 수 있는 인젝터를 갖는 직분식 가솔린 엔진을 제공함에 있다.
본 발명의 제 3목적은 성층 혼합기를 점화플러그 주위로 이동시켜 성층 연소 성능의 향상시킬 수 있는 인젝터를 갖는 직분식 가솔린 엔진을 제공함에 있다.
본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 직분식 가솔린 엔진을 제공한다.
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상기 직분식 가솔린 엔진은 점화플러그의 일단이 그 내부로 노출되도록 설치된 연소실과, 상기 연소실의 내부로 유체를 흡입하는 흡입밸브와, 상기 연소실의 잔류유체를 배기하는 배기밸브와, 연료가 유동되는 유로가 형성되고, 상기 연소실의 내부로 연료를 분사하도록 상기 유로의 끝단에 분사팁이 형성된 인젝터 몸체와, 상기 인젝터 몸체에 마련되어, 상기 분사팁을 통하여 분사되는 연료를 충돌시키어 그 유동경로를 상기 점화플러그의 일단의 근방으로 가이드하는 가이드를 포함한다.
여기서, 상기 인젝터는 솔레노이드 밸브를 구비하고, 상기 솔레노이드 밸브는 제어기와 전기적으로 연결되되, 상기 제어기는 상기 흡입밸브가 개방되어 상기 연소실의 내부로 유체가 흡입되면, 상기 가이드를 원위치로 복귀시키는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 가이드는 상기 인젝터 몸체의 둘레에서 상기 솔레노이드 밸브의 동작여부에 따라 그 위치가 이동되는 것이 바람직하다.
삭제
또한, 상기 가이드는 상기 분사되는 연료가 충돌되는 충돌면이 마련되되, 상기 충돌면은 곡면으로 형성되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부되는 도면들을 참조로 하여, 본 발명의 실시예를 따르는 인젝터 및 이를 갖는 직분식 가솔린 엔진을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 인젝터에 있어서, 본 발명에 따르는 가이드에 분사되는 연료가 충돌되는 것을 보여주는 단면도이다. 도 2는 본 발명에 따르는 가이드에 분사되는 연료가 연소실내에서 충돌되는 것을 보여주는 다른 단면도이다. 도 3은 흡입행정시에 본 발명에 따르는 가이드가 원위치로 복귀되는 것을 보여주는 단면도이 다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 인젝터(100)는 연료가 유동되는 유로(111)가 형성된다. 상기 유로(111)의 끝단에 분사팁(130)이 형성된 인젝터 몸체(110)가 형성된다. 상기 인젝터 몸체(110)에는 상기 분사팁(130)을 통하여 분사되는 연료를 충돌시키어 그 유동경로를 가변시키는 가이드(200)를 구비한다.
상기 인젝터(100)는 솔레노이드 밸브(120)를 구비한다. 도면에 도시되지는 않았지만, 상기 솔레노이드 밸브(120)는 구동장치와 연결되어 동작될 수 있다.
상기 가이드(200)는 상기 인젝터 몸체(110)의 둘레에서 상기 솔레노이드 밸브(120)의 동작여부에 따라 그 위치가 이동될 수 있다. 상기 가이드(200)는 상기 인젝터 몸체(110)의 둘레 일측에 마련되고, 상기 솔레노이드 밸브(120)의 구동에 의하여 상기 둘레 일측에서 슬라이딩 이동될 수 있다.
특히, 상기 가이드(200)는 상기 분사되는 연료가 충돌되는 충돌면(210)이 마련되되, 상기 충돌면(210)은 곡면으로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 직분식 가솔린 엔진은 점화플러그(330)의 일단이 그 내부로 노출되도록 설치된 연소실(300)과, 상기 연소실(300)의 내부로 연료와 같은 유체를 흡입하는 흡입밸브(310)와, 상기 연소실(300)의 잔류유체를 배기하는 배기밸브(320)와, 연료가 유동되는 유로(111)가 형성되고, 상기 연소실(300)의 내부로 연료를 분사하도록 상기 유로(111)의 끝단에 분사팁(130)이 형성된 인젝터 몸체(110)와, 상기 인젝터 몸체(110)에 마련되어, 상기 분사팁(130)을 통하여 분사되는 연료를 충돌시키어 그 유동경로를 상기 점화플러그(330)의 일단의 근방으로 가이드하는 가이드(200)를 구비한다.
상기 인젝터(100)는 솔레노이드 밸브(120)를 구비한다. 도면에 도시되지는 않았지만, 상기 솔레노이드 밸브(120)는 구동장치와 연결되어 동작될 수 있다.
상기 가이드(200)는 상기 인젝터 몸체(110)의 둘레에서 상기 솔레노이드 밸브(120)의 동작여부에 따라 그 위치가 이동될 수 있다. 상기 가이드(200)는 상기 인젝터 몸체(110)의 둘레 일측에 마련되고, 상기 솔레노이드 밸브(120)의 구동에 의하여 상기 둘레 일측에서 슬라이딩 이동될 수 있다.
특히, 상기 가이드(200)는 상기 분사되는 연료가 충돌되는 충돌면(210)이 마련되되, 상기 충돌면(210)은 곡면으로 형성될 수 있다.
다음은, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 직분식 가솔린 엔진의 작용 및 효과를 설명하도록 한다. 여기서, 본 발명의 인젝터의 작용 및 효과를 포함하여 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 외부로부터 연료가 인젝터 몸체(110)의 내부에 형성된 유로(111)로 공급된다. 상기 유로(111)로 공급된 연료는 분사팁(130)을 통하여 연소실(300)의 내부로 일정 분사압으로 분사된다.
즉, 니들이 열리고 연료의 분사가 시작되면, 분사 직후 분사팁(130) 끝단에 위치한 가이드(200)에서 충돌된다. 이와 같이, 충돌 분무가 이뤄지면 충돌 분무와 동시에 점화플러그(330) 쪽으로 혼합기를 이동시켜 성층 혼합기를 구현할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여 이를 좀 더 상세하게 설명하자면, 상기 분사되는 연료는 상기 분사팁(130)의 끝단에 마련된 가이드(200)를 향하여 유동된다. 상기 연료는 상기 가이드(200)에 형성된 충돌면(210)에서 충돌된다.
이와 아울러, 상기 충돌면(210)에서 충돌된 연료는 가이드(200)의 곡면을 따라서 유동된다. 여기서, 상기 연료의 유동경로는 점화플러그(330)의 근방을 향하게 된다. 그러므로, 연소실(300)내의 성층 혼합기가 용이하게 형성될 수 있다.
이에 더하여, 상기 연료는 충돌면(210)에서 충돌하여 그 유동경로가 가변되기 때문에, 연료 자체의 액적에 대한 미립화가 촉진될 수 있다.
따라서, 본 발명의 인젝터(100)는 가솔린 엔진의 내부에서, 엔진의 연소실(300) 및 피스톤 방향에 따라, 인젝터(100) 분사팁(130) 끝단의 가이드(200)의 각도만을 조절함으로써, 인젝터(100) 부착 위치에 구애받지 않고 혼합기를 점화플러그(330) 쪽으로 이동시킬 수 있어서 다양한 엔진의 연소실에 채택될 수 있다.
한편, 도 4를 참조하면, 흡입행정시에, 흡입밸브(310)는 개방되고, 배기밸브(320)는 닫히고, 본 발명에 따르는 가이드(200)는 원위치로 복귀될 수 있다. 즉, 솔레노이드 밸브(120)가 구동되고, 상기 솔레노이드 밸브(120)의 구동에 의하여 상기 가이드(200)는 인젝터 몸체(100)의 둘레를 따라 이동하여 원위치로 복귀될 수 있다. 따라서, 흡입행정시에는 분사팁(130)을 통하여 분사되는 연료는 가이드(200)에서 충돌되지 않고 연소실(300)의 내부로 분사될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 연소실의 내부로 분사되는 연료의 미 립화의 정도를 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 피스톤과 실린더 라이너에 생기는 벽류를 감소시키어, PM과 SOOT가 발생을 억제할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 성층 혼합기를 점화플러그 주위로 이동시켜 성층 연소 성능의 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
즉, 본 발명에 의한 직접 분사식 가솔린 엔진의 인젝터 팁 가이드를 사용하면 조기분사시의 장점인 균일한 혼합기 형성 부분은 그대로 유지할 수 있으면서, 지각분사시의 연료 미립화 성능을 향상시키고, 피스톤과 실린더 라이너에 생기는 벽류를 감소시키며, 성층 혼합기를 점화플러그 주위로 이동시켜 성층 연소 성능의 향상을 기대할 수 있고, 이는 직분식 성층 연소의 가장 큰 문제점인 PM과 SOOT같은 배기배출물로 인한 배기 성능의 향상을 기대할 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 점화플러그의 일단이 그 내부로 노출되도록 설치된 연소실과, 상기 연소실의 내부로 유체를 흡입하는 흡입밸브와, 상기 연소실의 잔류유체를 배기하는 배기밸브와, 연료가 유동되는 유로가 형성되고 상기 연소실의 내부로 연료를 분사하도록 상기 유로의 끝단에 분사팁이 형성된 인젝터 몸체와, 상기 인젝터 몸체에 마련되고 상기 분사팁을 통하여 분사되는 연료를 충돌시키어 그 유동경로를 상기 점화플러그의 일단의 근방으로 가이드하는 가이드를 포함하되,
    상기 인젝터는 솔레노이드 밸브를 구비하고, 상기 솔레노이드 밸브는 제어기와 전기적으로 연결되며, 상기 제어기는 흡입밸브가 개방되어 연소실의 내부로 유체가 흡입되면 가이드를 원위치로 복귀시키는 것을 특징으로 하는 인젝터를 갖는 직분식 가솔린 엔진.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 가이드는 상기 인젝터 몸체의 둘레에서 상기 솔레노이드 밸브의 동작여부에 따라 그 위치가 이동되는 것을 특징으로 하는 인젝터를 갖는 직분식 가솔린 엔진.
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서,
    상기 가이드는 상기 분사되는 연료가 충돌되는 충돌면이 마련되되, 상기 충 돌면은 곡면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 인젝터를 갖는 직분식 가솔린 엔진.
  11. 점화플러그의 일단이 그 내부로 노출되도록 설치된 연소실과, 상기 연소실의 내부로 유체를 흡입하는 흡입밸브와, 상기 연소실의 잔류유체를 배기하는 배기밸브와, 연료가 유동되는 유로가 형성되고, 상기 연소실의 내부로 연료를 분사하도록 상기 유로의 끝단에 분사팁이 형성된 인젝터 몸체와, 상기 인젝터 몸체에 마련되어, 상기 분사팁을 통하여 분사되는 연료를 충돌시키어 그 유동경로를 상기 점화플러그의 일단의 근방으로 가이드하는 가이드를 포함하되,
    상기 인젝터는 솔레노이드 밸브를 구비하고, 상기 가이드는 상기 인젝터 몸체의 둘레에서 상기 솔레노이드 밸브의 동작여부에 따라 그 위치가 이동되며, 상기 솔레노이드 밸브는 제어기와 전기적으로 연결되고, 상기 제어기는 상기 흡입밸브가 개방되어 상기 연소실의 내부로 유체가 흡입되면 상기 가이드를 원위치로 복귀시키며, 상기 가이드는 상기 분사되는 연료가 충돌되는 충돌면이 마련되고, 상기 충돌면은 곡면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 인젝터를 갖는 직분식 가솔린 엔진.
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