KR101089032B1

KR101089032B1 - 직접 분사 스파크 점화 내연 기관 및 이 내연 기관용 연료 분사 방법

Info

Publication number: KR101089032B1
Application number: KR1020097002172A
Authority: KR
Inventors: 다께시 아시자와
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2006-08-04
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2011-12-01
Also published as: EP2047079A1; KR20090028797A; WO2008015536A1; US20090133668A1; US7726282B2

Abstract

직접 분사 스파크 점화 내연 기관은 균질 연소 중에 흡기 행정 하사점 근처의 순간에 실린더 보어벽으로 분사되는 연료를 사용하여 텀블 유동을 강화시키고 연료를 실린더 안으로 직접 분사하는 연료 분사기(1)를 포함한다.

연료 분사기(1)로부터 분사된 연료의 추력은 연소 챔버의 상태, 분사된 연료의 온도 및 분사 구멍의 방향 중 적어도 하나를 기초로 텀블 유동을 강화시키도록 설정된다.

텀블 유동, 연소 챔버, 추력, 균질 연소, 실린더, 연료 분사기

Description

직접 분사 스파크 점화 내연 기관 및 이 내연 기관용 연료 분사 방법 {DIRECT INJECTION SPARK IGNITION INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND FUEL INJECTION METHOD FOR SAME}

본 발명은 직접 분사 스파크 점화 내연 기관 및 이 내연 기관용 연료 분사 방법에 관한 것이다.

각각의 실린더에서 균질한 공기-연료 혼합물을 형성하여 이를 각각의 압축 행정 말기에 있는 점화 시기에 점화시킴으로써 균질 연소가 수행된다. 이러한 균질 연소 중에, 텀블 유동이 실린더에 생성되고 이 생성된 텀블 유동은 압축 행정의 말기에 점화 시기까지 활성 상태로 유지된다. 이렇게 함으로써, 공기-연료 혼합물의 이동이 점화시까지 유지될 수 있고, 이 공기-연료 혼합물 이동은 연소 속도를 가속화시켜서 균질 연소가 우수한 상태로 진행되게 한다.

예를 들어, 일본 특허 출원 공개 JP-A-2005-180247A는 각각의 흡기 포트에서 흡기 유동 제어 밸브를 구비한 직접 분사 스파크 점화 내연 기관을 제시한다. 이 엔진에서, 흡기 유동 제어 밸브는 흡기 공기를 흡기 포트의 상부벽을 따라 유동하여 실린더로 진입하도록 안내한다. 이렇게 함으로써, 높은 강도를 가진 텀블 유동이 실린더에 생성되어, 텀블 유동이 압축 행정의 말기의 점화 시기까지 강하게 유 지될 수 있다.

그러나, 직접 분사 스파크 점화 내연 기관에 따르면, 흡기 포트의 통로는 흡기 공기를 흡기 포트의 상부벽을 따라 유동하여 실린더로 진입하도록 안내할 때 흡기 제어 유동 밸브에 의해 좁혀지는 것이 필요하다. 이 구조에 따르면, 필요한 흡기 공기량이 비교적 적을 때, 어떤 특정 문제를 야기하지 않고 텀블 유동이 실린더에 생성될 수 있다. 그러나, 필요한 흡기 공기량이 비교적 많을 때, 만약 흡기 포트의 통로가 상술된 바와 같이 흡기 유동 제어 밸브에 의해 좁혀지면, 이는 흡기 공기의 부족을 야기할 수 있다. 이 경우, 높은 강도를 가진 텀블 유동이 실린더에 생성될 수 없다.

그러나, 직접 분사 스파크 점화 내연 기관에서, 이러한 흡기 유동 제어 밸브가 제공되지 않는 경우에도, 각각의 텀블 유동은 연료 분사 방향으로 적절하게 설정하여 각각의 흡기 행정의 말기에 큰 추력(thrust force)을 가진 연료를 분사시킴으로써 강화될 수 있다. 그러나, 이 경우, 큰 추력을 가진 분사된 연료의 일부는 실린더 보어벽의 표면에 도달하여 엔진 오일에 의해 흡수됨으로써 그 표면에 부착될 수 있다. 실린더 보어벽의 표면 온도가 높으면, 엔진 오일에 흡수된 연료는 쉽게 증발하여 어떤 특정 문제도 발생되지 않는다. 그러나, 만약 실린더 보어벽의 표면 온도가 낮으면, 흡수된 연료는 엔진 오일에 흡수된 채로 유지되어 엔진 오일을 희석시킨다. 더욱이, 만약 분사된 연료의 온도가 너무 높으면 분사된 연료는 감압 비등 효과로 인해 쉽게 증발하고, 이에 따라 텀블 유동이 적절하게 강화될 수 없다. 더욱이, 텀블 유동은 만약 연료 분사 방향이 부정확하면, 분사된 연료를 사 용하여 효율적으로 강화될 수 없다.

본 발명은 분사된 연료를 사용하여 텀블 유동을 적절하게 강화시키는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관 및 이 내연 기관용 연료 분사 제어 방법에 관한 것이다.

본 발명의 제1 태양은, 균질 연소 중에 흡기 행정 하사점 근처의 순간에 실린더 보어벽을 향해 분사되는 연료를 사용하여 텀블 유동을 강화시키고 연료를 실린더 안으로 직접 분사하는 연료 분사기를 포함하는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관에 관한 것이다. 이 직접 분사 스파크 점화 내연 기관에 따르면, 연료 분사기는 연소 챔버의 상태, 분사된 연료의 온도 및 분사 구멍의 방향 중 적어도 하나를 기초로 하여 텀블 유동을 강화시키도록 설정되는 추력을 갖는 연료를 분사한다.

본 발명의 제2 태양은 본 발명의 제1 태양에 따른 직접 분사 스파크 점화 내연 기관에 관한 것이고, 실린더 보어벽 표면의 검출 또는 예측 온도가 소정의 온도보다 낮을 때, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 저하됨에 따라서 분사된 연료의 추력이 감소된다.

실린더 보어벽 표면의 검출 또는 예측 온도가 소정의 온도보다 낮을 때, 분사된 연료가 실린더 보어벽의 표면으로부터 증발할 가능성은 낮다. 더욱이, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 낮을수록, 분사된 연료는 실린더에서 이동하는 동안 더 적게 기화하고, 따라서 실린더 보어벽 표면 상에 도달하는 연료량이 더 많아진다. 이를 방지하기 위해, 본 발명의 제2 태양에 따른 직접 분사 스파크 점화 내연 기관에서, 흡기 행정 하사점 근처의 순간에 분사되는 연료를 사용하여 텀블 유동을 강화시키는 경우, 만약 실린더 보어벽 표면의 검출 또는 예측 온도가 소정의 온도보다 낮으면, 분사된 연료의 추력은 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 저하됨에 따라서 감소되도록 감소한다. 이는 분사된 연료가 실린더 보어벽의 표면에 도달할 가능성을 최소화시키고 따라서 실린더 보어벽 표면의 온도가 낮을 때 발생할 수 있는 엔진 오일 희석 가능성을 최소화시킨다. 더욱이, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 낮을수록, 분사된 연료가 실린더에서 이동하는 동안 더 적게 기화된다. 따라서, 분사된 연료의 추력이 상술된 바와 같이 감소되어도 그 분사된 연료에 의해 텀블 유동을 충분히 강화시킬 수 있다.

본 발명의 제3 태양은 본 발명의 제1 태양에 따른 직접 분사 스파크 점화 내연 기관에 관한 것이고, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 소정의 상한치보다 높을 때, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 증가함에 따라서 연료 분사 압력이 감소하도록 연료 분사 압력이 감소된다.

분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 소정의 상한치보다 높을 때, 분사된 연료는 감압 비등 효과로 인해 기화하고, 따라서 텀블 유동은 적절히 강화될 수 없다. 이를 방지하기 위해, 본 발명의 제3 태양에 따른 직접 분사 스파크 점화 내연 기관에서, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 소정의 상한치보다 높을 때, 분사된 연료 상의 감압 비등 효과를 억제하기 위해, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 증가함에 따라 연료 분사 압력이 감소되도록 연료 분사 압력이 감소된다.

본 발명의 제4 태양은 본 발명의 제1 태양에 따른 직접 분사 스파크 점화 내연 기관에 관한 것이고, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 소정의 한계치보다 높을 때, 분사된 연료의 온도는 소정의 상한치 이하로 저하된다.

분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 소정의 상한치보다 높을 때, 분사된 연료는 감압 비등 효과로 인해 기화하고, 따라서 텀블 유동은 적절히 강화될 수 없다. 이를 방지하기 위해, 본 발명의 제4 태양에 따른 직접 분사 스파크 점화 내연 기관에서, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 소정의 상한치보다 높을 때, 분사된 연료 상의 감압 비등 효과를 억제하기 위해, 분사된 연료의 온도는 소정의 상한치 이하로 저하된다.

본 발명의 제5 태양은 본 발명의 제4 태양에 따른 직접 분사 스파크 점화 내연 기관에 관한 것이고, 분사된 연료의 온도는 공기 유동을 이용하여 연료 분사기를 냉각시켜 저하된다.

본 발명의 제5 태양에 따르면, 분사된 연료의 온도는 공기 유동을 이용하여 연료 분사기를 냉각시킴으로써 저하될 수 있다.

본 발명의 제6 태양은 본 발명의 제3 태양 내지 제5 태양 중 어느 한 태양에 따른 직접 분사 스파크 점화 내연 기관에 관한 것이고, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 소정의 하한치보다 낮을 때, 분사된 연료의 온도는 소정의 하한치 이상으로 증가된다.

분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 소정의 하한치보다 낮을 때, 분사된 연료는 적절히 기화하지 않고 따라서 분사된 연료는 액체 상태로 부분적으로 유지되고 실린더 보어벽을 타격하여 엔진 오일의 희석을 야기한다. 이를 방지하기 위해, 본 발명의 제6 태양에 따른 직접 분사 스파크 점화 내연 기관에서, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 소정의 하한치보다 낮을 때, 분사된 연료의 온도는 분사된 연료의 기화를 용이하게 하기 위해 소정의 하한치 이상으로 증가된다.

본 발명의 제7 태양은 본 발명의 제6 태양에 따른 직접 분사 스파크 점화 내연 기관에 관한 것이고, 분사된 연료의 온도는 연료 분사기(1)를 개방하지 않도록 밸브 개방 액츄에이터에 전압을 가하여 밸브 개방 액츄에이터를 가열시킴으로써 증가된다.

본 발명의 제7 태양에 따르면, 분사된 연료의 온도가 연료 분사기를 개방하지 않도록 밸브 개방 액츄에이터에 전압을 가하여 밸브 개방 액츄에이터를 가열시키기 때문에, 분사된 연료를 가열시키는 방법을 새롭게 제공할 필요가 없다.

본 발명의 제8 태양은 본 발명의 제1 태양에 따른 직접 분사 스파크 점화 내연 기관에 관한 것이고, 연료 분사기는 복수의 분사 구멍을 갖고, 텀블 유동에 평행한 평면에 사실상 평행한 방향으로 분사 구멍 중 하나로부터 분사된 연료의 추력은 텀블 유동에 평행한 평면을 가로지르는 방향으로 분사 구멍 중 다른 하나로부터 분사된 연료의 추력보다 크게 형성된다.

텀블 유동에 평행한 평면에 사실상 평행한 방향으로 분사된 연료는 텀블 유동에 평행한 평면을 가로지는 방향으로 분사된 연료보다 더 효율적으로 텀블 유동을 강화시킨다. 따라서, 본 발명의 제8 태양에 따르면, 텀블 유동에 평행한 평면에 사실상 평행한 방향으로 분사된 연료의 추력이 텀블 유동에 평행한 평면을 가로지는 방향으로 분사된 연료의 추력보다 크게 형성함으로써, 분사된 연료의 전체 양을 증가키시지 않고도 텀블 유동이 효율적으로 강화될 수 있다. 더욱이, 연료가 복수의 방향으로 분사되기 때문에, 연료가 실린더의 전체 영역에 걸쳐 쉽게 퍼질 수 있어서 텀블 유동이 효율적으로 강화된다.

본 발명의 제9 태양은 청구항 제1항에 따른 직접 분사 스파크 점화 내연 기관에 관한 것이고, 연료 분사기로부터 분사된 연료의 추력은 연료 분사 기간 중에 단위 시간당 주입되는 흡기 공기량이 많을 때에 이 양이 적을 때보다 증가된다.

본 발명의 제9 태양에 따르면, 연료 분사기로부터 분사된 연료의 추력은 연료 분사 기간 중에 단위 시간당 주입되는 흡기 공기량이 많을 때에 이 양이 적을 때보다 증가되기 때문에, 분사된 연료가 텀블 유동을 관통하는 상황을 방지할 수 있어서 대부분의 동역학 에너지가 텀블 유동을 강화시키는 데 이용되지 않는다. 따라서, 분사된 연료의 전체량을 증가시키지 않고도 텀블 유동이 효율적으로 강화될 수 있다.

본 발명의 제10 태양은 균질 연소 중에 흡기 행정 하사점 근처의 순간에 실린더 보어벽을 향해 분사되는 연료를 사용하여 텀블 유동을 강화시키고 연료를 실린더 안으로 직접 분사하는 연료 분사기를 포함하는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관용 연료 분사 제어 방법에 관한 것이다. 이 연료 분사 제어 방법에서, 연료 분사기로부터 분사된 연료의 추력은 연소 챔버의 상태, 분사된 연료의 온도 및 분사 구멍의 방향 중 적어도 하나를 기초로 하여 텀블 유동을 강화시키도록 설정된다.

본 발명의 상술한 및 다른 특징은 첨부된 도면을 참조하여 예시적 실시예의 다음의 설명으로부터 명확해질 것이고, 유사한 부호는 유사한 요소를 나타내는 데 사용된다.

도1은 본 발명의 제1 예시적 실시예에 따른 직접 분사 스파크 점화 내연 기관의 각각의 실린더 구조를 개략적으로 도시한 종단면도이다.

도2는 연료 분사기의 하단부를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도3a 및 도3b는 연료 분사기의 밸브 요소의 리프트를 가변적 및 연속적으로 변화시키는 기구의 예시적 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

도4는 본 발명의 제2 예시적 실시예에 따른 직접 분사 스파크 점화 내연 기관의 각각의 실린더 구조를 개략적으로 도시한 종단면도이다.

도5는 본 발명의 제3 예시적 실시예에 따른 직접 분사 스파크 점화 내연 기관의 각각의 실린더 구조를 개략적으로 도시한 종단면도이다.

도6은 피스톤측으로부터 본 도5에 도시된 실린더의 도면이다.

도7은 연료 분사기의 하단부를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도8은 밸브 요소가 도시되지 않은 도7의 8A-8A를 따라 취한 단면도이다.

도9는 연료 분사 기간 중에 밸브 요소의 리프팅을 위한 타임차트이다.

도1은 본 발명의 제1 예시적 실시예에 따른 직접 분사 스파크 점화 내연 기관의 각각의 실린더 구조를 개략적으로 도시한 종단면도이다. 특히, 도1은 균질 연소를 위한 연료 분사 시간에 상응하는 흡기 행정 상의 하사점(이후, "흡기 행정 하사점"이라 함) 근처의 상태를 도시한다. 도1을 참조하면, 연료 분사기(1)는 연료를 직접 실린더 안으로 분사하기 위해 실린더 상부 영역의 사실상 중심에 제공된다. 또한, 실린더에서, 점화 플러그(20)는 흡기 밸브측의 연료 분사기(1) 근처에 제공되고 피스톤(30)이 제공된다. 도면에 도시되진 않았지만, 한 쌍의 흡기 밸브는 실린더 위 우측면에 제공되고 한 쌍의 배기 밸브는 실린더 위 좌측면에 제공된다.

제1 예시적 실시예의 직접 분사 스파크 점화 내연 기관에서, 연료를 각각의 실린더 안으로 직접 분사하여 균질 연소가 수행되어 균질한 공기-연료 혼합물이 실린더의 점화 시기에 형성되고 그 후 이 형성된 공기-연료 혼합물을 전기 스파크에 의해 점화시킨다. 예를 들어, 연료 분사를 개시하는 크랭크 각도는 연료 분사가 흡기 행정 하사점 근처의 크랭크 각도에서 종료되도록 연료 분사량을 기초로 설정되거나, 또는 연료 분사를 개시하는 크랭크 각도는 연료 분사량에 관계없이 각각의 흡기 행정의 후반부에 설정된다.

도1에 도시된 바와 같이, 연료 분사기(1)는 연료(F)를 실린더 보어의 배기 밸브 측벽에(바람직하게, 실린더 보어의 배기 밸브 측벽의 하부에) 경사지게 하방으로 분사한다. 연료 분사기(1)로부터 분사된 연료(F)의 추력(thrust force)은 분사된 연료(F)의 전방부가 연료 분사 개시 1msec 후 분사 구멍으로부터 적어도 60mm 이격된 지점에 도달하도록 설정된다.

이러한 큰 추력을 갖는 분사된 연료(F)가 사실상 실린더의 상부측 중심으로부터 실린더 보어의 배기 밸브 측벽을 향해 경사지게 하방으로 이동함에 따라, 분 사된 연료(F)의 추력은 실린더에 생성된 텀블 유동(T)을 강화시킨다. 텀블 유동(T)은 실린더의 배기 밸브측에서 하강하다가 흡기 밸브측에서 상승하도록 유동한다. 이에 따라 강화된 텀블 유동(T)은 압축 행정의 후반부까지 활성상태로 유지되고, 이에 따라 공기-연료 혼합물의 이동은 압축 행정의 종료 시에 있는 점화 시기까지 강하게 유지될 수 있다. 공기-연료 혼합물의 강한 이동은 연소 속도를 증가시켜 균질 연소가 우수한 상태로 진행될 수 있다.

연료(F)가 분사되는 형상은 다양한 형상들 중에서 임의로 선택될 수 있다. 예를 들어, 단일 분사 구멍을 사용하여, 예를 들어, 중실 또는 중공 원추 형상으로 연료(F)가 분사될 수 있다. 더욱이, 슬릿 형상의 분사 구멍을 사용하여, 비교적 얇은 부채꼴로 연료(F)가 분사될 수 있다. 더욱이, 원호 슬릿 형상의 분사 구멍을 사용하여, 비교적 얇은 원호 형상, 즉, 볼록측이 상부측과 배기 밸브측을 대면하도록 한 형상으로 연료(F)가 분사될 수 있다. 더욱이, 두 개 이상의 직선 슬릿 형상의 분사 구멍의 조합을 사용하여, 지그재그 형상으로 연료(F)가 분사될 수 있다. 즉, 연료(F)는 분사되는 연료(F)의 추력이 실린더의 텀블 유동(T)을 가속하기에 충분히 크게 형성될 수 있으면 어떤 형상으로도 분사될 수 있다.

이러한 제1 예시적 실시예에서, 점화 플러그(20)가 연료 분사기(1)의 흡기 밸브측에 제공되기 때문에, 점화 플러그(20)는 연료 분사기(1)로부터 실린더의 배기 밸브 측벽을 향해 분사되는 연료로 인해 적셔지지 않고 따라서 점화 플러그(20)는 점화 시기에 전기 아크를 확실히 발생시킬 수 있다.

이러한 제1 예시적 실시예에서, 연료 소모를 줄이기 위해, 균질 연소용의 공 연비는 이론적 공연비보다 더 희박한(leaner) 비율(바람직하게 NOx의 생성을 억제하는 희박 공연비)로 설정되고, 따라서, 균질 연소가 천천히 진행된다. 따라서, 상술한 바와 같이 연소 속도를 증가시키는 것은 다양한 장점을 제공한다. 반면, 균질 연소용의 공연비는 이와 달리 이론적 공연비 또는 농후(rich) 공연비로 설정될 수 있다. 이러한 경우에도, 연소 속도를 증가시키는 것은 다양한 장점을 제공한다.

한편, 큰 추력을 가진 연료가 흡기 행정 하사점 근처의 순간에 실린더 보어의 배기 밸브 측벽을 향해 분사될 때, 분사된 연료의 일부의 액체 부분은 실린더 보어벽의 표면에 도달하여 엔진 오일에 흡수됨으로써 그에 부착될 수 있다. 이 때, 만약 실린더 보어벽의 표면 온도가 소정의 온도 이상이면, 엔진 오일에 흡수된 연료는 쉽게 증발하여 어떤 문제도 발생하지 않는다. 그러나, 만약 실린더 보어벽의 표면 온도가 소정의 온도보다 낮으면, 흡수된 연료는 엔진 오일에 흡수된 채로 유지되어 엔진 오일을 희석시킨다.

그러나, 실린더 보어벽의 표면 온도가 소정의 온도보다 낮을 때, 이러한 엔진 오일 희석은 흡기 행정 하사점 근처의 순간에 연료 분사기(1)로부터 분사된 연료(F)의 추력을 약화시킴으로써 방지될 수 있다. 즉, 분사된 연료(F)의 추력을 약화시키는 것은 분사된 연료(F)가 실린더 보어벽의 표면에 도달하는 것을 어렵게 하여 엔진 오일 희석 가능성을 감소시킨다. 실린더 보어벽의 표면 온도는 다양한 방법으로 얻을 수 있다는 것을 주목하자. 예를 들어, 실린더 보어벽의 표면 온도는 냉각제의 온도가 증가함에 따라 증가하기 때문에, 실린더 보어의 표면 온도는 냉각 제 온도를 기초로 하여 예측될 수 있다. 더욱이, 엔진 속도가 증가함에 따라서, 연소량이 증가함에 따라서 그리고 점화 시기가 진각됨에 따라서 연소 온도는 증가한다. 실린더 보어벽의 표면 온도는 연소 온도가 증가함에 따라 증가한다. 따라서, 실린더 보어벽의 표면 온도는 엔진 속도, 점화 시기 및/또는 점화 시기를 기초로 예측될 수 있다. 이 경우, 바람직하게, 실린더 보어벽의 표면 온도의 예측은 또한 오일 팬에서 엔진 오일 온도가 낮을수록 공급시 엔진 오일이 실린더 보어벽의 표면을 더 많이 냉각시킨다는 사실을 계산함으로써 형성된다. 이와 달리, 실린더 보어벽의 표면 온도는 이를 검출함으로써 얻을 수 있다. 그러나, 만약 분사된 연료의 추력만 약해지면, 엔진 오일 희석이 방지될 수는 있어도 텀블 유동(T)은 충분히 강화되지 않을 수 있다.

도2는 연료 분사기(1)의 하단부를 도시한 단면도이다. 도2를 참조하면, 연료 통로(2)는 연료 분사기(1)의 축방향으로 연장되어 형성되고, 밸브 요소(3)는 연료 통로(2)에 배열된다. 밸브 요소(3)는 연료 분사기(1)의 축방향으로 연료 통로(2)에서 이동가능하다. 연료 섬프(5)는 연료 통로(2)의 밸브 시트부(4) 아래에 형성된다. 밸브 요소(3)의 하단부에 구비되는 밀봉부는 밸브 시트부(4) 상에 안착된다. 연료 섬프(5)와 연통하는 분사 구멍(6)이 형성된다. 연료 통로(2)는 (도면에 도시되지 않은) 연료 압력 축척 챔버로부터 공급되는 고압 연료로 충전된다.

상술된 바와 같이 구성된 연료 분사기(1)에서, 연료는 다음과 같이 분사된다. 먼저, 밸브 요소(3)가 상승된다. 이 때, 밸브 요소(3)의 밀봉부는 그에 따라 밸브 시트부(4)로부터 이격되게 이동하여, 연료 통로(2)의 고압 연료가 연료 섬 프(5)로의 진입을 개시한다. 그 후, 실린더의 압력을 초과하는 연료 섬프(5)의 연료 압력과 반응하여, 연료 섬프(5)의 연료는 분사 구멍(6)으로부터 분사되기 시작한다. 그 후, 밸브 요소(3)는 아래로 이동하고 그에 따라 밸브 요소(3)의 밀봉부가 연료 통로(2)의 밸브 시트부(4) 상에 안착되어, 연료 통로(2)로부터 연료 섬프(5)까지 고압 연료의 유동이 중단되고 따라서 연료 섬프(5)의 연료 압력이 감소하기 시작한다. 그 후, 분사 구멍(6)을 통한 연료 분사는 연료 섬프(5)의 연료 압력이 실린더 압력보다 작아질 때 정지한다.

제1 예시적 실시예의 내연 기관은 연료 분사기(1)의 밸브 요소(3)의 리프트를 가변적이며 연속적으로 변화시키는 기구를 구비한다. 도3a 및 도3b는 이 기구의 예시적 구조를 개략적으로 도시한다. 도3a에 도시된 예에서, 밸브 요소(3)는 밸브 요소(3)와 밸브 본체(10) 사이에 제공되는 밸브 폐쇄 스프링(11)에 의해 밸브 폐쇄 방향으로 압박된다. 압전 스트레인 액츄에이터(피에조 액츄에이터)(12)도 밸브 요소(3)와 밸브 본체(10) 사이에 제공된다. 압전 스트레인 액츄에이터(12)가 연장됨에 따라 밸브 요소(3)는 상방으로 이동하여 연료 분사기(1)가 개방된다. 즉, 압전 스트레인 액츄에이터(12)가 연장되는 양은 압전 스트레인 액츄에이터(12)에 공급되는 전압을 제어함으로써 조절될 수 있다. 따라서, 밸브 요소(3)의 리프트는 압전 스트레인 액츄에이터(12)에 공급되는 전압을 제어함으로써 연속적으로 제어될 수 있다.

반면, 도3b에 도시된 예에서, 밸브 요소(3)는 밸브 요소(3)와 밸브 본체(10) 사이에 제공되는 밸브 폐쇄 스프링(13)에 의해 압박되고, 전자기 액츄에이터(솔레 노이드 액츄에이터)(14)는 연료 분사기 본체(10)에 제공된다. 전자기 액츄에이터(14)는 밸브 요소(3)의 기부를 대면하도록 배열되어 전자기 액츄에이터(14)의 전자기적 당기는 힘이 밸브 요소(3)를 상방으로 상승시키는 방향으로, 즉, 연료 분사기(1)를 개방시키는 방향으로 작용한다. 이와 같이, 밸브 요소(3)의 리프트는 전자기 액츄에이터(14)에 공급되는 전압을 제어함으로써 밸브 요소(3) 상의 전자기적 당기는 힘을 변화시킴으로써 연속적으로 제어될 수 있다.

상술한 바와 같이, 제1 예시적 실시예에서, 밸브 요소(3)의 리프트는 연속적으로 제어될 수 있다. 따라서, 실린더 보어벽 표면의 검출 또는 예측 온도가 소정의 온도보다 낮을 때, 연료 분사기(1)로부터 분사되는 연료의 온도가 얻어지고, 밸브 요소(3)의 리프트는 얻어진 연료 온도가 저하됨에 따라 감소하도록 제어된다. 이 연료 온도는 예를 들어, 연료 통로(2)에 제공되는 온도 센서를 사용하여 검출함으로써 얻을 수 있다. 이와 달리, 연료 온도는 냉각제 온도가 증가함에 따라 연료 온도가 증가하기 때문에 냉각제 온도를 기초로 예측될 수 있다. 밸브 요소(3)의 리프트가 감소됨에 따라, 밸브 요소(3)의 밀봉부와 밸브 시트부(4) 사이의 간극이 좁혀져서, 그 간극에서 압력 손실은 증가되고, 그에 따라 연료 섬프(5)로부터 분사되는 연료의 압력이 감소한다. 즉, 밸브 요소(3)의 리프트가 감소됨에 따라 연료의 추력은 감소한다.

이와 같이, 실린더 보어벽 표면의 검출 또는 예측 온도가 소정의 온도보다 낮을 때, 연료의 추력은 분사된 연료의 온도가 저하됨에 따라 감소하도록 감소된다. 분사된 연료의 온도가 낮을수록 분사된 연료는 실린더에서 이동하는 동안 많 이 증발하지 않아서 분사된 연료가 실린더 보어벽의 표면에 더 쉽게 도달한다. 이를 방지하기 위해, 본 예시적 실시예에서, 분사된 연료의 추력은 분사된 연료가 실린더 보어벽의 표면에 도달할 가능성과 이에 따른 실린더 보어벽의 표면 온도가 낮을 때 발생할 수 있는 엔진 오일 희석 가능성을 최소화하기 위해 약해진다. 더욱이, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 낮을수록 분사된 연료는 실린더에서 이동하는 동안 많이 증발하지 않는다. 즉, 그 추력이 서로 동일하도록 분사된 두 개 이상의 연료가 있다고 가정하면, 연료의 냉각제는 텀블 유동을 가장 효율적으로 강화시킨다. 따라서, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 저하됨에 따라 분사된 연료의 추력이 감소되더라도 그 분사된 연료에 의해 텀블 유동을 충분히 강화시킬 수 있다.

상술된 바와 같이, 제1 예시적 실시예에서, 연소 분사 압력은 필요시 분사된 연료의 추력을 연속적으로 제어하기 위해 밸브 요소(3)의 리프트를 연속적으로 변화시킴으로써 제어된다. 이와 달리, 연료 분사 압력은 밸브 요소(3)의 리프트를 변화시키지 않고서 연료 통로(2)의 연료의 일부를 연료 탱크 또는 다른 부분으로 복귀시킴으로써 제어될 수 있다. 이 경우, 특히, 연료 분사 압력은 복귀된 연료량을 연속적으로 제어함으로써 연료 통로(2)의 연료 압력을 연속적으로 변경함으로써 제어된다.

더욱이, 분사된 연료량이 감소함에 따라 분사된 연료의 추력이 감소하기 때문에, 분사된 연료의 추력은 또한 연료 분사를 분할함으로써 감소될 수 있다. 즉, 실린더 보어벽 표면의 검출 또는 예측 온도가 소정의 온도보다 낮을 때, 필요한 양 의 연료를 분사하기 위한 연료 분사는 2회 이상의 분할 분사로 분할될 수 있다. 이 경우, 분할 분사의 횟수는 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 저하됨에 따라 증가하여, 각각의 분사된 연료의 추력은 감소한다. 필요한 연료량은 엔진 작동 상태에 따라 설정되는 점을 주목하자. 예를 들어, 필요한 연료량은 엔진 속도가 증가하고 엔진 부하가 증가함에 따라 증가한다.

상술된 분할 연료 분사가 수행되는 경우에, 각각의 분사된 연료의 추력은 단계별로 조절될 수 있다. 예를 들어, 각각의 분사가 최대 8회의 분할 분사로 분할될 수 있는 경우, 각각의 분사된 연료의 추력은 8개의 단계로 조절될 수 있다. 만약 실린더 보어벽 표면의 검출 또는 예측 온도가 소정의 온도 이상인 정상 상태에 대한 단계를 포함하는 적어도 3개의 단계에서 분사된 연료의 추력이 조절가능하면 상술된 엔진 오일 희석이 방지될 수 있어서, 텀블 유동이 분사된 연료의 온도에 따라 2개의 단계에서 강화될 수 있다. 즉, 밸브 요소(3)의 리프트와 연료 통로(2)의 연료 압력이 적어도 3 단계로 충분히 조절가능하다.

이는 제1 예시적 실시예에서 균질 연소가 수행되는 방법을 보여준다. 더욱이, 엔진 부하가 소정의 부하보다 작을 때, 성층 연소는 각각의 압축 행정의 후반부에서 연료 분사기(1)로부터 연료를 분사함으로써 수행될 수 있다. 성층 연소를 가능하게 하도록, 전형적으로, 각각의 피스톤(30)의 상부면에 공동이 형성되고, 연료는 각각의 압축 행정의 후반부에 공동 안으로 분사된다. 이 때, 공동은 분사된 연료를 점화 플러그(20) 근처로 안내하고, 이에 따라 가연성 공기-연료 혼합물은 점화 플러그(20) 근처에 형성된다. 더욱이, 점화 플러그(20)가 연료 분사기(1)의 배기 밸브측에 제공되는 경우, 가연성 공기-연료 혼합물은 연료 분사기(1)로부터 연료를 단순히 분사함으로써 점화 플러그(20) 근처에 직접 형성될 수 있다.

도4는 본 발명의 제2 예시적 실시예에 따른 직접 분사 스파크 점화 내연 기관의 각각의 실린더의 구조를 개략적으로 도시한 종단면도이다. 특히, 도2는 균질 연소를 위한 연료 분사 시간에 상응하는 흡기 행정 하사점 근처의 상태를 도시한다. 제2 예시적 실시예에서, 제1 예시적 실시예와 동일한 부품 및 부분은 동일한 부호로 표시되고, 그 설명은 생략된다. 제2 예시적 실시예의 직접 분사 스파크 점화 내연 기관은 또한 도2에 도시된 연료 분사기(1)의 하단부의 구조와 예로써 도3a 및 도3b에 도시된 밸브 요소(3)의 리프트를 가변적이고 연속적으로 제어하기 위한 구조 중 하나를 합체한다. 다음에, 제1 예시적 실시예의 구조와 다른 제2 예시적 실시예의 구조만이 설명된다. 한편, 분사된 연료의 추력을 증가시키기 위해, 연료 분사 압력은 비교적 높은 수준으로 설정되는 것이 필요하다. 따라서, 분사된 연료의 온도가 소정의 상한치보다 높을 때, 분사된 연료는 연료 분사기(1)로부터 분사된 직후 감압 비등 효과로 인해 기화될 수 있다. 이러한 기화는 분사된 연료의 추력이 급격히 감소하게 하여, 텀블 유동(T)이 강화될 수 없다.

제2 예시적 실시예의 직접 분사 스파크 점화 내연 기관에서, 실린더 헤드의 연료 분사기(1) 주위에 공간(21)이 제공되어 공간(21)에 공급되는 공기 유동은 연료 분사기(1)를 냉각시킨다. 도4는 기계적으로 구동되는 공기 펌프 또는 전기적으로 구동되는 공기 펌프일 수 있는 공기 펌프(22), 공기 펌프(22)에 의해 압축되는 공기로 충전되는 공기 축적 챔버(23) 및 연료 분사기(1)의 온도를 검출하는 온도 센서(1a)를 도시한다. 공기 축적 챔버(23)는 제어 밸브(25)가 제공되는 통로(24)를 통해 실린더 헤드의 공간(21)과 연통한다. 공간(21) 근처의 통로(24)에 홈(26)이 형성된다. 공간(21)은 통로(24) 이외의 통로를 통해 대기에 개방된다.

바람직하게, 공기 펌프(22)는 엔진 속도가 감소할 때 공기 축적 챔버(23)에서 압축된 공기를 축적하도록 구동된다. 이 때문에 엔진 속도의 감속 중 엔진 출력의 감소가 어떤 불이익도 야기하지 않는다. 온도 센서(1a)에 의해 검출되는 연료 분사기(1)의 온도가 높을수록 분사된 연료의 온도는 더 높아진다. 따라서, 만약 연료 분사기(1)의 검출 온도를 기초로 예측되는 분사된 연료의 온도가 소정의 상한치보다 높으면, 제어 밸브(25)는 연료 분사기(1)의 개방 이전에 또는 연료 분사기(1)를 개방시킬 시간에 개방되어, 공기 축적 챔버(23)의 압축된 공기가 공간(21)으로 폭발한다. 연료 분사기(1)는 공간(21)의 공기 유동에 의해 냉각되고 연료 분사기(1)의 연료 온도는 저하된다. 이와 같이, 분사된 연료의 온도는 소정의 상한치 이하로 감소되고, 분사된 연료는 연료 분사기(1)로부터 분사된 직후에 감압 비등 효과로 인해 기화될 가능성을 제거한다. 결과적으로, 텀블 유동(T)은 분사된 연료에 의해 강화될 수 있다.

분사된 연료의 온도가 소정의 하한치보다 낮을 때, 분사된 연료는 실린더에서 적절하게 기화되지 않고, 따라서 대부분의 분사된 연료는 액체 상태로 유지되어 실린더 보어벽을 타격하고, 따라서 엔지 오일을 희석시킨다. 이를 방지하기 위해, 제어 밸브(25)를 통해 공간(21)에 공급되는 공기 유동량은 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 소정의 하한치로부터 소정의 상하치의 범위에 있도록 제어될 수 있 다. 제2 예시적 실시예의 구조에서, 압축된 공기가 공간(21)으로 폭발하기 전에 홈(26)을 관통하기 때문에, 압축된 공기의 내부 에너지는 감소하고 그에 따라 그 온도는 저하된다. 따라서, 연료 분사기(1)는 효율적으로 냉각될 수 있다.

분사된 연료의 온도가 제2 예시적 실시예의 연료 분사기(1)의 외표면의 온도를 기초로 예측되지만, 분사된 연료의 온도는 다양한 다른 방식으로 얻어질 수 있다. 예를 들어, 분사된 연료의 온도는 연료 분사기(1)의 연료 통로에 온도 센서를 제공함으로써 검출될 수 있다. 더욱이, 냉각제 온도가 증가함에 따라 분사된 연료의 온도가 증가하기 때문에, 분사된 연료의 온도는 냉각제 온도를 기초로 예측될 수 있다.

제2 실시예에 있어서, 밸브 요소(3)의 리프트는 상술된 바와 같이 연속적으로 조절가능하다. 따라서 예를 들어, 분사된 연료가 연료 분사기(1)로부터 분사된 직후 감압 비등 효과로 인해 기화될 때 발생하는 분사된 연료의 추력에 있어서의 급격한 감소를 방지하기 위하여, 연료 분사기(1)의 개방 위치에서의 밸브 요소(3)의 리프트는 분사된 연료의 온도가 소정의 상한치보다 높을 때 정상 상태에서보다 작게 될 수 있고, 최적으로는 밸브 요소(3)의 리프트는 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 증가함에 따라 감소될 수 있다. 이러한 경우에, 밸브 요소(3)의 리프트가 감소함에 따라 밸브 요소(3)와 밸브 시트부(4) 사이의 간극이 감소하기 때문에, 간극에 있어서의 압력 손실은 증가하고, 이에 따라 연료 섬프(5)로부터 분사된 연료의 압력은 감소하게 된다.

이와 같이, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 소정의 상한 온도치보다 높게 되면, 연료 분사 압력은 감소되어 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 증가함에 따라 연료 분사 압력이 감소되게 된다. 이는 분사된 연료가 연료 분사기(1)로부터 분사된 직후 감압 비등 효과로 인해 기화될 가능성을 제거하게 되고, 이에 따라 텀블 유동(T)이 충분히 강화될 수 있게 된다.

연료 분사 압력이 상술된 제2 실시예에서와 같이 밸브 요소의 리프트를 연속적으로 변화시킴으로써 제어되지만, 이와 달리 연료 분사 압력은 밸브 요소(3)의 리프트를 변화시키지 않고 복귀된 연료량을 연속적으로 제어하면서 연료 통로(2)의 연료의 일부를 연료 탱크 또는 다른 부분으로 복귀시킴으로써 제어될 수 있다. 또한, 상술된 제2 실시예에 있어서, 밸브 요소(3)의 리프트와 연료 통로(2)의 연료의 압력이 연속적으로 제어된다. 그러나, 밸브 요소(3)의 리프트와 연료 통로(2)의 연료의 압력이 정상 상태에 대한 단계를 포함하는 적어도 3개의 단계에 있어서 조절가능하면, 분사 직후 감압 효과로 인해 분사된 연료의 기화가 억제될 수 있고, 이에 따라 텀블 유동(T)은 분사된 연료를 사용하여 적절하게 강화될 수 있다. 이러한 경우에, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 소정의 상한치보다 높을 때, 연료 분사 압력은 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 증가함에 따라 감소하도록 2개의 연료 분사 압력 사이에서 선택적으로 조절된다.

상기와 같이, 분사된 연료의 온도가 소정의 하한치보다 낮을 때, 분사된 연료는 실린더 내에서 적절하게 기화되지 않게 되고, 이에 따라 분사된 연료가 액체 상태로 부분적으로 잔류하여 실린더 벽을 타격한다. 이러한 경우에, 텀블 유동이 충분히 강화될 수 있더라도 엔진 오일은 희석된다. 이를 방지하기 위하여, 바람직 하게는 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 소정의 하한치보다 낮을 경우, 분사된 연료의 온도는 실린더 내의 분사된 연료의 기화를 용이하게 하도록 소정의 하한치 이상으로 증가된다. 이를 위하여, 예를 들어 연료 분사기(1)를 가열하도록 실린더 헤드의 공간(21) 내에 전기 가열기가 제공될 수 있다.

나아가, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 소정의 하한치보다 낮을 경우, 분사된 연료의 온도는 연료 분사기(1)가 폐쇄 상태로 유지되도록 밸브 개방 액츄에이터[압전 스트레인 액츄에이터(12) 또는 전자기 액츄에이터(14)]에 전압을 가하여 연료 통로(2) 내의 연료의 온도를 증가시킴으로써 소정의 하한치 이상으로 증가될 수 있다. 이러한 경우에, 분사된 연료의 온도를 증가시키는 데 전기 가열기 등을 추가적으로 제공할 필요는 없다.

한편, 엔진 속도가 높아질수록 흡기 행정 하사점 근처에서 실린더 온도가 높아지게 되고, 이에 따라 분사된 연료가 기화하기가 더 쉬워진다. 이러한 관점에서, 소정의 상한치 및 소정의 하한치는 엔진 속도가 증가함에 따라 증가될 수 있다.

이에 의해 제2 실시예에 있어서 균질 연소가 행해지게 된다. 또한, 엔진 부하가 소정의 부하보다 작을 때, 각각의 압축 행정의 후반부에 있어서 연료 분사기(1)로부터 연료를 분사함으로써 성층 연소가 행해질 수 있다. 성층 연소를 가능하게 하기 위하여, 전형적으로는 각각의 피스톤(30)의 상단면 내에 공동이 형성되고, 연료는 각각의 압축 행정의 후반부에 있어서 공동 내로 분사된다. 이 때, 공동은 분사된 연료를 점화 플러그(20) 근처로 안내하고, 이에 의해 가연성 공기-연 료 혼합물이 점화 플러그(20) 근방에서 형성된다. 또한, 점화 플러그(20)가 연료 분사기(1)의 배기 밸브측에 제공되는 경우에, 성층 연소를 위한 가연성 공기-연료 혼합물은 연료 분사기(1)로부터 연료를 분사함으로써 점화 플러그(20) 근처에 직접 형성될 수 있다.

도5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 직접 분사 스파크 점화 내연 기관의 각각의 실린더의 구조를 나타내는 종단면도이다. 구체적으로는, 도5는 균질 연소를 위한 연료 분사의 시기에 대응하는 흡기 행정 하사점 근처의 상태를 도시한다. 제3 실시예에 있어서, 제1 실시예와 동일한 구성 부품은 동일한 참조 부호로 표기되고 그 상세한 설명은 생략된다. 도6은 도5에 도시된 실린더를 피스톤 측으로부터 본 도면이다. 도6에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 흡기 밸브(31)가 도5에 도시된 실린더 위 우측에 제공되고, 한 쌍의 배기 밸브(32)가 좌측에 제공된다.

제3 실시예의 직접 분사 스파크 점화 내연 기관에 있어서, 균질한 공기-연료 혼합물이 실린더 내의 점화 시에 형성된 후 균질한 공기-연료 혼합물을 점화시키도록 실린더 내로 연료를 직접 분사함으로써 균질 연소가 행해진다. 예를 들어, 연료 분사를 개시하는 크랭크 각도는 연료 분사가 흡기 행정 하사점 근처의 크랭크 각에서 종료되게 하는 연료 분사량에 기초하여 설정되거나 또는 연료 분사를 개시하는 크랭크 각도는 연료 분사량에 관계없이 각각의 흡기 행정의 후반부로 설정된다.

연료 분사기(1)는 복수의 분사 구멍을 갖고, 연료(F1, F2 및 F3)가 실린더 보어의 배기 밸브 측벽을 향해(바람직하게는, 실린더 보어의 배기 밸브 측벽의 하 부를 향해) 하향으로 경사진 각각의 분사 구멍으로부터 분사된다. 연료 분사기(1)로부터 분사된 연료(F1, F2 및 F3) 각각의 추력은 각각의 분사된 연료의 전방부가 연료 분사 개시 1msec 후 분사 구멍(1)으로부터 적어도 60 mm 이격된 위치에 도달하도록 설정된다.

이러한 강한 추력을 각각 갖는 분사된 연료(F1, F2 및 F3)가 실린더 보어의 배기 밸브 측벽을 향해 사실상 실린더의 상측의 중심으로부터 하향으로 경사지게 이동함에 따라, 연료(F1, F2 및 F3)의 추력은 실린더의 배기 밸브측에서 하강하다가 흡기 밸브측에서 상승하도록 유동하게 하기 위해 실린더 내에서 생성된 텀블 유동(T)을 강화시킨다. 이와 같이 강화된 텀블 유동(T)은 압축 행정 후반부까지 활성 상태로 유지되고, 이에 따라 공기-연료 혼합물의 운동은 압축 행정이 종료되는 점화 시까지 강하게 유지될 수 있다. 이러한 공기-연료 혼합물의 강한 운동은 연소 속도를 증가시켜 균질 연소를 양호한 상태로 진행시킨다.

제3 실시예에 있어서, 연료 분사기(1)가 도5 및 도6에서는 5개의 분사 구멍을 갖지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 이러한 5개의 분사 구멍으로부터 분사된 5개의 연료는 텀블 유동(T)의 선회 방향에 평행한 면에 사실상 평행한 방향으로 분사되는 연료(F1), 텀블 유동(T)의 선회 방향에 평행한 면을 완전히 가로지르는 방향으로 분사되는 2개의 연료(F2) 및 텀블 유동(T)의 선회 방향에 평행한 면을 완전히 가로지르는 방향으로 분사되는 다른 2개의 연료(F3)이다.

2개의 연료(F2) 및 2개의 연료(F3)는 텀블 유동(T)의 선회 방향에 평행하고 실린더의 축 상에 있는 평면(P)을 중심으로 대칭이다. 평면(P)에 대해 2개의 분사 된 연료(F2) 각각의 분사 방향의 각도는 평면(P)에 대해 2개의 분사된 연료(F3) 각각의 분사 방향의 각도보다 작다. 2개의 연료(F3)의 분사 방향은 2차원적으로 평면(P)에 사실상 수직이다. 즉, 연료(F3)는 대략적으로 평면(P)에 수직한 평면을 따라 분사된다. 이와 같이, 제3 실시예에서 연료는 비교적 넓은 영역으로 분사되고, 이는 분사된 연료가 실린더 내의 전체 영역에 걸쳐서 분포되게 하여 양호한 균질 연소 공기-연료 혼합물이 생성되게 한다.

다른 분사 구멍이 앞선 5개의 분사 구멍에 부가적으로 제공되게 되면, 예를 들어 추가적인 분사 구멍의 분사 방향은 분사된 연료(F3)의 분사 방향보다 배기 밸브(32)에 더 근접하여 설정되게 된다. 이와 같이 함으로써, 모든 연료는 실린더 보어의 배기 밸브 측벽을 향해(바람직하게는, 실린더 보어의 배기 밸브 측벽의 하부를 향해) 하향으로 경사지게 분사, 다시 말해 모든 연료는 실린더의 연료 분사기(1)의 배기 밸브측을 향해 연료 분사기(1)로부터 분사된다. 이러한 구성은 연료 분사기(1)의 흡기 밸브측 상에 배치되는 점화 플러그(20)가 분사된 연료로 인해 젖게 되는 가능성을 제거한다. 이에 의해, 점화 플러그(20)는 점화 시 전기 아크를 적절하게 발생할 수 있다.

연료가 상기와 같이 복수의 분사 구멍으로부터 분사되는 경우에는, 분사된 모든 연료가 항상 텀블 유동(T)을 효과적으로 강화시키는 데 사용되지는 않는다. 즉, 텀블 유동(T)에 평행한 면에 사실상 평행한 방향으로 분사되는 연료(F1)는 텀블 유동(T)의 강화에 가장 큰 기여를 한다. 다른 분사된 연료는 분사된 연료(F1)보다 텀블 유동(T)의 강화에 더 적게 기여한다. 텀블 유동(T)에 평행한 면에 대한 분사 방향의 평행 정도가 클수록[분사 방향과 텀블 유동(T)에 평행한 면이 2차원적으로 교차하는 지점에서의 예각측 각도가 클수록], 텀블 유동(T)의 강화에 덜 기여하게 된다. 따라서, 텀블 유동(T)에 평행한 면에 수직한 방향으로 분사되는 연료(F3)는 텀블 유동(T)의 강화에 거의 기여하지 않는다.

이러한 관점에서, 제3 실시예에서는 텀블 유동(T)의 강화에 가장 큰 기여를 하는 분사된 연료(F1)의 추력은 분사된 연료(F2 및 F3)의 추력보다 크고, 분사된 연료(F2 및 F3)의 추력은 이에 상응하여 감소된다. 이와 같이 함으로써, 텀블 유동(T)은 연료 분사량을 증가시키지 않고 효과적으로 강화될 수 있다. 또한, 바람직하게는 텀블 유동의 강화에 더 기여할수록 분사된 연료의 추력이 크게 된다. 이에 따라, 분사된 연료(F2)의 추력은 분사된 연료(F3)의 추력보다 크게 된다.

도7은 연료 분사기(1)의 하단부를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도8은 도7의 8A-8A를 따라 연료 분사기(1)를 절결한 단면도이다. 밸브 요소(1b)는 도8의 단면도에 도시되지 않는다. 연료 통로(1c)는 연료 분사기(1) 내에 형성되고, 밸브 요소(1b)는 연료 통로(1c) 내에 배열된다. 밸브 요소(1b)는 연료 분사기(1)의 축방향을 따라 상하 이동될 수 있다. 제1 분사 구멍(H1), 2개의 제2 분사 구멍(H2) 및 2개의 제3 분사 구멍(H3)이 연료 분사기(1)의 원추 단부에 형성된다. 분사 구멍(H1, H2 및 H3)으로부터의 연료 분사는 밸브 요소(1b)의 밀봉부(1d)가 원추 단부에 있어서의 분사 구멍(H1, H2 및 H3)의 상류측의 밸브 시트부 상에 안착될 때 중지된다. 밸브 요소(1b)가 상승됨에 따라 밸브 시트부로부터 떨어져 이동하는 밀봉부(1d)에 응하여 연료 통로(1c) 내의 고압 연료는 각각의 분사 구멍(H1, H2 및 H3) 을 통해 분사된다.

각각의 분사 구멍(H1, H2 및 H3)의 내측 단부는 도8에 도시된 바와 같이 밸브 요소(1b)의 축 주위의 공통의 가상 원 내에 위치된다. 제1 분사 구멍(H1)의 내측 단부는 제1 각도(a1)의 중심에 위치되고, 각각의 제2 분사 구멍(H2)의 내측 단부는 제2 각도(a2)의 중심에 위치되며, 각각의 제3 분사 구멍(H3)의 내측 단부는 제3 각도(a3)의 중심에 위치된다. 제1 각도(a1), 제2 각도(a2) 및 제3 각도(a3)의 합은 360°이다.

간단히 말하면, 밸브 요소(1b)의 원추 단부에서의 제1 각도(a1)의 영역 내의 연료는 제1 분사 구멍(H1)을 통해 분사되고, 제2 각도(a2)의 영역 내의 연료는 제2 분사 구멍(H2)을 통해 분사되며, 제3 각도(a3)의 영역 내의 연료는 제3 분사 구멍(H3)을 통해 분사된다. 이에 따라, 제1 각도(a1)를 가장 큰 각도(예를 들어, 180°)로 설정함으로써, 텀블 유동(T)의 강화에 가장 큰 기여를 하는 분사된 연료(F1)의 추력은 분사된 연료(F2 및 F3)의 추력보다 크게 된다.

이와 유사하게, 제2 각도(a2)를 제3 각도(a3)보다 크게 설정함으로써(예를 들어, a2: 60°, a3: 30°), 텀블 유동(T)의 강화에 기여하는 분사된 연료(F2)의 추력은 텀블 유동(T)의 강화에 거의 기여를 하지 않는 분사된 연료(F3)의 추력보다 크게 된다.

이와 같이, 실린더 내의 전체 영역에 걸쳐서 연료를 분포시키는 데 필요하지만 텀블 유동(T)의 강화에 사실상 기여를 하지 않는 분사된 연료(F3)의 추력은 감소된다. 이는 분사된 연료(F3)가 실린더 보어벽에 도달하여 엔진 오일을 희석시킬 가능성을 최소화시킨다.

연료 분사기(1)가 실린더의 사실상 상측 중심에 제공되지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 연료 분사기(1)는 다르게는 실린더의 상측 주연에서 2개의 배기 밸브(32) 사이 또는 실린더의 상측 주연에서 2개의 흡기 밸브(31) 사이에 제공될 수 있다. 연료 분사기(1)가 실린더의 상측의 주연에 제공된 2개의 배기 밸브(32) 사이에 제공되면, 각각의 연료는, 예를 들어 텀블 유동(T)이 강화되도록 피스톤의 상단면의 배기 밸브측을 향하여 분사될 수 있다. 또한, 연료 분사기(1)가 실린더의 상측의 주연에 제공된 2개의 흡기 밸브(31) 사이에 제공되면, 각각의 연료는, 예를 들어 텀블 유동(T)이 강화되도록 실린더 보어의 배기 밸브 측벽의 상부를 향하여 분사될 수 있다.

즉, 어떤 경우에도, 각각의 분사 구멍으로부터 분사된 연료의 추력은 상술된 바와 같이, 연료의 일부를 텀블 유동(T)에 평행한 면에 사실상 평행한 방향으로 분사하고 또한 연료의 일부를 텀블 유동(T)에 평행한 면을 완전히 가로지르는 방향으로 분사함으로써 서로 상이하게 될 수 있다.

한편, 단위 시간당 실린더 내로 유입되는 흡기량(중량)은 흡기 밸브가 개방될 때부터 점차적으로 증가하고, 흡기 밸브가 폐쇄되기 직전에 최대가 된다. 이에 따라, 흡기 행정 하사점 근처에서 연료를 분사하는 동안, 실린더 내의 텀블 유동(T)의 강도는 연료 분사 개시로부터 연료 분사 종료까지 점차적으로 증가한다. 따라서, 텀블 유동(T)의 강도는 연료 분사 시기의 전반부보다 후반부에서 더 높다.

실린더 내의 텀블 유동의 강도가 낮을 때 큰 추력을 갖는 연료가 분사되게 되면, 분사된 연료는 텀블 유동을 관통하게 된다. 이러한 경우에, 분사된 연료의 운동 에너지는 텀블 유동을 강화하는 데 충분히 이용되지 않게 된다. 이를 방지하기 위하여, 제3 실시예에서 밸브 요소(1b)의 리프트는 도9에 도시된 바와 같이 연료 분사 기간의 전반부(T1)에 작게 하고 후반부(T2)에서 크게 되도록 제어된다. 밸브 요소(1b)의 리프트가 클수록, 밸브 요소(1b)의 밀봉부(1d)와 연료 통로(1c)의 밸브 시트부 사이의 간극은 커진다. 이에 따라, 밸브 요소(1b)의 리프트가 증가함에 따라, 밀봉부(1d)와 밸브 시트부 사이의 간극을 통해 유동하는 연료에 대한 저항은 감소하게 되어 각각의 분사 구멍으로부터 분사된 연료의 추력은 증가하게 된다.

따라서, 분사된 연료가 텀블 유동(T)을 관통할 가능성을 최소화하기 위해, 각각의 분사된 연료의 추력은 단위 시간당 흡기량이 커지는 연료 분사 기간의 후반부에서 크게 하고, 이에 따라 텀블 유동의 강도는 단위 시간당 흡기량이 작아 텀블 유동의 강도가 낮게 되는 연료 분사 기간의 전반부보다 높다. 결과적으로, 각각의 분사된 연료의 운동 에너지는 텀블 유동(T)의 강도를 충분히 강화하는 데 이용되어 각각의 분사된 연료가 실린더 보어벽에 도달할 가능성과 엔진 오일의 희석 가능성은 낮아지게 된다.

엔진 속도가 증가하고 엔진 부하가 증가함에 따라 요구되는 연료량도 증가된다. 따라서, 연료 분사 기간은 엔진 속도가 증가하고 엔진 부하가 증가함에 따라 연장된다. 이와 같이 제어된 연료 분사 기간에서, 밸브 요소(1b)의 리프트는 항상 전반부에서 작고 후반부에서 크게 설정될 수 있다. 또한, 밸브 요소(1b)의 리프트 가 3 단계, 즉 대, 중, 소로 조절되는 경우에, 밸브 요소(1b)의 리프트는 초기에 작은 리프트로, 중기에 중간의 리프트로, 후기에 큰 리프트로 설정될 수 있다.

또한, 요구되는 연료량이 증가됨에 따라, 실린더 내로 유입된 흡기량은 전체적으로 증가되어 텀블 유동(T)의 전체 강도는 증가된다. 이러한 관점에서, 요구되는 연료량이 적어도 소정의 범위 내에서 증가될 때, 연료 분사량은 연료 분사 기간의 전체 시간은 변하지 않게 하면서, 밸브 요소(1b)의 리프트가 작게 되는 연료 분사 기간의 전단계인 기간(T1)을 짧게 하고 또한 요구되는 연료 분사량이 증가함에 따라 밸브 요소(1b)의 리프트가 크게 되는 연료 분사 기간의 후단계인 기간(T2)을 연장함으로써, 증가될 수 있다. 이와 같이 함으로써, 전체적으로 점점 더 강해지게 되는 텀블 유동(T)은 강화될 수 있다. 반면에, 요구되는 연료량이 감소하는 경우에는, 연료 분사량은 요구되는 연료량이 감소함에 따라 기간(T1)을 연장하고 기간(T2)을 짧게 함으로써 감소될 수 있다. 이와 같이 함으로써, 분사된 연료가 점점 더 약해지는 텀블 유동(T)을 관통할 가능성이 최소화된다.

상술된 밸브 리프트 제어의 적용은 복수의 분사 구멍을 갖는 연료 분사기에 한정되지 않는다. 예를 들어, 연료 분사기(1)는 단일의 분사 구멍으로부터 솔리드 또는 중공의 원추 형상 내로 연료를 분사하는 연료 분사기일 수도 있다. 또한, 연료 분사기(1)는 슬릿 형상의 분사 구멍으로부터 비교적 얇은 부채꼴 형상으로 연료를 분사하는 연료 분사기일 수도 있다. 또한, 연료 분사기(1)는 원호-슬릿 형상의 분사 구멍으로부터 그 볼록측이 상측 및 배기 밸브 측과 대면하는 비교적 얇은 호 형상 내로 연료를 분사하는 연료 분사기일 수도 있다. 또한, 연료 분사기(1)는 2 개 이상의 직선-슬릿 형상의 분사 구멍의 조합체로부터 지그재그 형상 내로 연료를 분사하는 연료 분사기일 수도 있다. 이를 요약하면, 연료 분사기(1)는 분사된 연료의 추력이 상술된 바와 같이 크게 될 수 있고 분사 방향이 실린더 내의 텀블 유동(T)을 가속화시키도록 설정되는 한 임의의 타입일 수도 있다.

제3 실시예에서는 연료 소비를 줄이기 위하여 균질 연소를 위한 공연비가 이론 공연비보다 더 희박한 비율(바람직하게는, NOx 발생을 억제하는 희박 공연비)로 설정되기 때문에, 연소는 느리게 진행하는 경향이 있다. 따라서, 상술된 바와 같이 연소 속도를 높이는 것이 매우 바람직하다. 균질 연소를 위한 공연비는 이론 공연비 또는 농후 공연비로 설정될 수도 있다. 이러한 경우에는 연소 속도를 높이는 것이 바람직하다.

Claims

균질 연소 중에 흡기 행정 하사점 근처의 순간에 실린더 보어벽을 향해 분사되는 연료를 사용하여 텀블 유동을 강화시키고 연료를 실린더 안으로 직접 분사하는 연료 분사기(1)를 포함하는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관이며,

상기 연료 분사기(1)는 연소 챔버의 상태, 분사된 연료의 온도 및 분사 구멍의 방향 중 적어도 하나를 기초로 하여 텀블 유동을 강화시키도록 설정되는 추력을 갖는 연료를 분사하는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관.
제1항에 있어서, 실린더 보어벽 표면의 검출 또는 예측 온도가 소정의 온도보다 낮을 때, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 저하됨에 따라서 분사된 연료의 추력이 감소되는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관.
제1항에 있어서, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 소정의 상한치보다 높을 때, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 증가함에 따라서 연료 분사 압력이 감소하도록 연료 분사 압력이 감소되는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관.
제1항에 있어서, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 소정의 한계치보다 높을 때, 분사된 연료의 온도는 소정의 상한치 이하로 저하되는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관.
제4항에 있어서, 분사된 연료의 온도는 공기 유동을 이용하여 연료 분사기(1)를 냉각시켜 저하되는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 소정의 하한치보다 낮을 때, 분사된 연료의 온도는 소정의 하한치 이상으로 상승되는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관.
제6항에 있어서, 연료 분사기(1)를 개방하지 않도록 밸브 개방 액츄에이터(12)에 전압을 가하여 밸브 개방 액츄에이터(12)를 가열시킴으로써 분사된 연료의 온도가 상승되는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관.
제1항에 있어서, 상기 연료 분사기(1)는 복수의 분사 구멍(H1, H2, H3)을 갖고,

텀블 유동에 평행한 평면에 사실상 평행한 방향으로 분사 구멍(H1, H2, H3) 중 하나로부터 분사된 연료의 추력은 텀블 유동에 평행한 평면을 가로지르는 방향으로 분사 구멍(H1, H2, H3) 중 다른 하나로부터 분사된 연료의 추력보다 크게 형성되는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관.
제1항에 있어서, 상기 연료 분사기(1)로부터 분사된 연료의 추력은 연료 분 사 기간 중에 단위 시간당 주입되는 흡기 공기의 양이 많을 때에 이 양이 작을 때보다 증가되는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관.
균질 연소 중에 흡기 행정 하사점 근처의 순간에 실린더 보어벽을 향해 분사되는 연료를 사용하여 텀블 유동을 강화시키고 연료를 실린더 안으로 직접 분사하는 연료 분사기(1)를 포함하는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관용 연료 분사 제어 방법이며,

상기 연료 분사기(1)로부터 분사된 연료의 추력은 연소 챔버의 상태, 분사된 연료의 온도 및 분사 구멍의 방향 중 적어도 하나를 기초로 하여 텀블 유동을 강화시키도록 설정되는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관용 연료 분사 제어 방법.
제10항에 있어서, 실린더 보어벽 표면의 검출 또는 예측 온도가 소정의 온도보다 낮을 때, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 저하됨에 따라서 분사된 연료의 추력이 감소되는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관용 연료 분사 제어 방법.
제10항에 있어서, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 소정의 상한치보다 높을 때, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 증가함에 따라서 연료 분사 압력이 감소하도록 연료 분사 압력이 감소되는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관용 연료 분사 제어 방법.
제10항에 있어서, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도가 소정의 한계치보다 높을 때, 분사된 연료의 온도는 소정의 상한치 이하로 저하되는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관용 연료 분사 제어 방법.
제13항에 있어서, 공기 유동을 이용하여 연료 분사기(1)를 냉각시켜 분사된 연료의 온도가 저하되는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관용 연료 분사 제어 방법.
제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 분사된 연료의 검출 또는 예측 온도는 소정의 하한치보다 낮을 때, 분사된 연료의 온도는 소정의 하한치 이상으로 증가되는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관용 연료 분사 제어 방법.
제15항에 있어서, 연료 분사기(1)를 개방하지 않도록 밸브 개방 액츄에이터(12)에 전압을 가하여 밸브 개방 액츄에이터(12)를 가열시킴으로써 분사된 연료의 온도가 상승되는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관용 연료 분사 제어 방법.
제10항에 있어서, 상기 연료 분사기(1)는 복수의 분사 구멍(H1, H2, H3)을 갖고,

텀블 유동에 평행한 평면에 사실상 평행한 방향으로 분사 구멍(H1, H2, H3) 중 하나로부터 분사된 연료의 추력은 텀블 유동에 평행한 평면을 가로지르는 방향으로 분사 구멍(H1, H2, H3) 중 다른 하나로부터 분사된 연료의 추력보다 크게 형 성되는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관용 연료 분사 제어 방법.
제10항에 있어서, 상기 연료 분사기(1)로부터 분사된 연료의 추력은 연료 분사 기간 중에 단위 시간당 주입되는 흡기 공기의 양이 많을 때에 이 양이 작을 때보다 증가되는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관용 연료 분사 제어 방법.
제1항에 있어서, 상기 연소 챔버의 상태는 실린더 보어벽 표면의 온도인 직접 분사 스파크 점화 내연 기관.