KR101299688B1 - 직접분사식 가솔린 엔진에서 노킹방지를 위한 온도성층화 방법 - Google Patents

직접분사식 가솔린 엔진에서 노킹방지를 위한 온도성층화 방법 Download PDF

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Abstract

직접분사식 가솔린엔진에서 노킹방지를 위한 온도성층화 방법을 제공한다.
본 발명은 실린더내부를 상하작동하는 피스톤과 대향하는 연소실의 천정면에 점화플러그를 구비하고, 상기 연소실에 연료를 분사하는 인젝터를 구비하고, 배기관과 연결되는 배기구에 배기밸브를 구비하며, 흡기관과 연결되는 흡기구에 흡기밸브를 각각 구비하는 직접분사식 가솔린 엔진에서 인젝터로부터 분사된 연료를 연소실의 상부영역에서 성층화하는 방법에 있어서, 상기 배기구와 흐름소통하도록 실린더로부터 분기되는 배기매니폴드에 상기 배기구를 통한 연소실내로 배기가스의 역류시 배기가스에 스월성분을 부여하도록 적어도 하나의 스월조절밸브를 구비하고, 흡입행정시 개방된 배기구를 통해 역류유입되는 배기가스는 상기 스월조절밸브를 통과하면서 스월성분을 갖는 기체유동으로 전환되어 점화플러그를 중심으로 하여 실린더의 내벽으로 갈수록 온도를 증가시키도록 연소실의 상부로 유입된다.

Description

직접분사식 가솔린 엔진에서 노킹방지를 위한 온도성층화 방법{Temperature Stratification Method for Anti-knocking in a Direct Injection Gasoline Engine}
본 발명은 직접분사식 가솔린 엔진의 저속고부하 운전조건에서 발생하는 노킹을 방지할 수 있도록 개선한 온도성층화 방법에 관한 것이다.
최근 전 세계적으로 CO2 배출기준의 강화와 유가의 급상승으로 인해 연비 향상을 위한 직접분사방식 가솔린엔진의 개발이 요구되고 있다. GDI(Gasoline Direct Injection) 엔진은 연료를 연소실에 직접 분사하여 고정밀도의 연소제어로 매우 희박한 혼합기에서도 고효율의 연소가 가능해지므로 MPI(Multi Point Injection) 방식 가솔린엔진에 비하여 연비저감과 출력향상을 동시에 만족시킬 수 있기 때문에 현재 많은 연구가 진행되고 있다.
GDI 엔진의 장점은 흡기행정 중의 펌핑손실을 대폭 저감시킬 수 있고, 연료의 증발잠열에 의하여 체적효율이 향상됨으로 인해 출력도 향상시킬 수 있다.
또한 연소실내에 연료를 직접분사하기 때문에 저속에서의 토크가 향상되는 장점이 있다.
그러나 가변밸브기구가 장착되지 않은 GDI엔진의 경우 흡기밸브 및 배기밸브의 개폐시기를 조절할 수 없기 때문에, 효율적인 연소제어가 어렵고 출력의 상승에도 한계가 있다.
도 1은 직접분사식 엔진과 포트분사식 엔진의 운전시 운전속도에 대한 토크를 상호비교한 그래프이다.
도 1에 도시한 바와 같이 GDI엔진은 1000 내지 2000RPM에서의 저속운전에서의 토크가 포트분사식 엔진에 비하여 월등히 우수함을 알 수 있으나, 특히 향상된 저속토크성능에 반해 주로 고부하 조건에서 발생하는 노킹(knocking) 등의 이상연소 현상을 초래할 수 있는 문제점이 있다.
즉, 직접분사식 가솔린 엔진인 GDI 엔진의 운전시 부분부하 조건에서는 연소에 이용되는 연료량도 많지 않고, 희박연소로 인해 연소온도 또한 감소되기 때문에 열부하에 의한 이상연소등과 같은 현상은 거의 발생하지 않는다.
그러나 높은 출력이 요구되는 고부하조건에서는 연비보다는 출력을 만족시키기 위해 이론당량비로 운전되는 것이 일반적이다. 특히 이론공연비로 운전되는 저속 고부하 조건에서의 향상된 토크성능은 높은 연소열이 충분히 냉각되지 못함으로 인해 노킹과 같은 이상연소 현상을 초래할 수 있으며, 이런 현상들은 엔진의 출력 및 효율을 떨어뜨리고 심할 경우에는 엔진파손을 초래할 수 있다.
상기와 같은 노킹 등의 이상연소를 막기 위한 여러 가지 방법 중에 연소속도를 증가시켜 이상연소 발생을 억제하는 방법이 고려될 수 있다.
화학반응에 의해서 시작되는 노킹현상의 경우 반응이 일어나는데 일정한 시간이 소요되기 때문에, 연소속도를 증가시켜 점화플러그의 점화에 의해 일어나는 화염전파 속도를 빠르게 하면 노킹이 일어나기 전에 연소가 종료된다.
도 2은 일반적인 엔진 연소실에서 연소속도를 증가시키는 방법을 도시한 개략도로서, 연소실에서 연소속도를 증가시키는 방법은 주로 흡입공기 유동을 이용하여 기체흐름이 활성화되도록 와류를 발생시키는 것이 대부분이며, 방법에 따라 스월(Swirl), 텀블(Tumble), 스퀴시(Squish)방식으로 대별될 수 있다.
그러나 이와 같은 방법들은 각각의 운전조건에 따라 최적화되어야 하는 것으로서, 밸브타이밍의 제어 또는 흡기매니폴드의 형상 변경을 통해 구현될 수 있으며 이를 위해서는 많은 노력과 비용이 요구된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 직접분사식 가솔린 엔진의 저속 고부하 조건에서 운전될 때 노킹 등의 이상연소 현상을 방지하여 엔진을 효율적으로 운전할 수 있는 직접분사식 가솔린엔진에서 노킹방지를 위한 온도성층화 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서 본 발명은, 실린더내부를 상하작동하는 피스톤과 대향하는 연소실의 천정면에 점화플러그를 구비하고, 상기 연소실에 연료를 분사하는 인젝터를 구비하고, 배기관과 연결되는 배기구에 배기밸브를 구비하며, 흡기관과 연결되는 흡기구에 흡기밸브를 각각 구비하는 직접분사식 가솔린 엔진에서 인젝터로부터 분사된 연료를 연소실의 상부영역에서 성층화하는 방법에 있어서, 상기 배기구와 흐름소통하도록 실린더로부터 분기되는 배기매니폴드에 상기 배기구를 통한 연소실내로 배기가스의 역류시 배기가스에 스월성분을 부여하도록 적어도 하나의 스월조절밸브를 구비하고, 흡입행정시 개방된 배기구를 통해 역류유입되는 배기가스는 상기 스월조절밸브를 통과하면서 스월성분을 갖는 기체유동으로 전환되어 점화플러그를 중심으로 하여 실린더의 내벽으로 갈수록 온도를 증가시키도록 연소실의 상부로 유입되고, 상기 개방된 배기구를 통한 스월성분을 갖는 배기가스의 역류유입은 흡입행정시 상기 흡기구의 흡기밸브가 닫혀진 상태에서 이루어지며, 상기 배기구를 통해 역류유입되는 배기가스는 상기 점화플러그를 통과하는 수직축을 기준으로 하여 선회유동을 형성하고, 상기 배기구를 통해 역류유입되는 배기가스는 상기 연소실과 인접하는 배기구의 내부면에 함몰형성되는 곡면부에 접하여 스월성분을 추가 부여되는 것을 특징으로 하는 직접분사식 가솔린엔진에서 노킹방지를 위한 온도성층화 방법을 제공한다.
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바람직하게, 상기 배기구를 통해 역류유입되는 배기가스는 상기 연소실과 인접하는 배기구의 내부면에 형성되는 나선부에 접하여 스월성분을 추가 부여한다.
본 발명에 의하면, 배기매니폴드를 통하여 연소실내로 배기가스의 일부를 재유입하여 배가스가스에 의해 연소실의 내부온도를 성층화하여 화염전파속도를 촉진시킴으로써, 운전조건의 확장시 이상연소 현상에 대한 연소실에서의 연소개선구조는 간단한 부품의 형상 변경을 통해 효율적으로 연소방식을 구현하여 이상연소 현상에 의한 엔진의 출력저하 및 효율 악화를 막을 수 있기 때문에, 다양한 운전 조건에서의 연소 안정성 확보가 가능하고 설계자에게 자기진단제어 등의 정보를 제공할 수 있는 효과가 얻어진다.
도 1은 직접분사식 엔진과 포트분사식 엔진의 운전시 운전속도에 대한 토크부하를 상호비교하는 그래프이다.
도 2는 일반적인 엔진 연소실에서 연소속도를 증가시키는 방법을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직접분사식 가솔린에서 노킹방지를 위한 온도성층화 방법이 적용되는 엔진을 도시한 구성도이다.
도 4(a)(b)는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 직접분사식 가솔린에서 노킹방지를 위한 온도성층화 방법에서 연소실에서의 배기가스의 유동상태를 도시한 개략도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 대해서 첨부된 도면을 따라 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 노킹방지를 위한 온도성층화 방법이 적용되는 GDI 엔진(1)은 도 3에 도시한 바와 같이, 복수개의 실린더(2)가 일렬로 배치되는 실린더 블록(3)과 상기 실린더 블록(3)에 놓여진 실린더 헤드(4)를 포함하며, 피스톤(5)은 도면에서 수직 왕복운동을 위해 각각의 실린더(2)에 고정되어 있다.
상기 연소실(6)은 실린더(2)의 피스톤(5)과 실린더 헤드(4) 사이에 형성되어 있다. 크랭크축(7)은 실린더 블록(3)의 피스톤(5)아래에 회전가능하게 지지되며, 크랭크축(7)과 피스톤(5)은 커넥팅 로드(8)를 통해 연결되어 있다.
크랭크축(7)의 일측에 크랭크축(7)의 회전각을 검출하는 솔레노이드 작동 크랭크각 센서(9)가 놓여져 있다.
흡기밸브(12) 및 배기밸브(13)는 실린더 헤드(4)의 내측을 축으로 선회하는 두 캠축(도시생략)에 의해 그 밸브 축방향으로 가압되도록 개방된다. 이들 캠축은 크랭크축(7)과 동시에 각각의 타이밍 벨트에 의해 회전되므로, 흡기밸브(12) 및 배기밸브(13)는 각각의 실린더(2)에 대한 각각의 소정 타이밍에서 개방될 수 있다.
소정 각도 범위 내에 크랭크축(7)에 대해 위상을 연속적으로 변화시키는 공지된 가변 밸브 타이밍 기구(14)가 두 캠 축에 각각 부착되어 있다.
이들 가변 밸브 타이밍 기구(14)는 흡기밸브(12) 및 배기밸브(13) 각각의 개방/밀폐 타이밍을 별개로 변화시킨다.
상기 흡기밸브(12)와 배기밸브(13)에 의해 에워싸이도록 점화플러그(16)는 연소실(6)의 상부에 놓여져 있다. 점화플러그(16) 말단부의 전극은 소정 거리로 연소실(6)의 천정으로부터 돌출하는 위치에 놓여져 있다.
상기 연소실(6)의 원주 가장자리인 한쌍의 흡기구(10) 사이에 끼워지는 인젝터(18)가 배치되고, 상기 인젝터(18)는 말단부에 위치한 노즐 구멍을 통해, 인젝터(18)의 축이 연장하는 방향으로 중공 원추(hollow corn) 형상으로 연료를 분사한다.
각 실린더(2)의 흡기구(10)와 흐름 소통하는 흡기관(30)은 엔진(1)의 일측면에 연결되어 있으며, 이러한 흡기관(30)은 에어클리너를 통해 여과된 공기를 엔진(1)의 연소실(6)로 공급한다.
그리고, 상기 연소실(6)로부터 연소가스(배기가스)를 배출하는 배기관(36)은 엔진(1)의 타측면에 연결되어 있으며, 배기관(36)의 상류단은 각 실린더(2)에 분기되는 배기매니폴드로 구성하여 배기구(11)와 흐름 소통한다.
상기 배기관(36)의 하류단은 배기가스를 정화하는 촉매정화장치(40)에 연결되어 있으며, 이러한 촉매는 산소농도의 감소로 흡수된 NOx를 방출하고 배기가스를 환원 정화하면서 고산소농도의 배기가스의 대기에서 NOx를 흡수하는 NOx 감소 형태로 이루어진다.
상기 배기관(36)을 통해 배기되는 배기스의 일부를 상기 흡기관(30)으로 재순환할 수 있도록 EGR 순환배관(43)의 상류단은 배기관(36)에 연결되어 있다. EGR 통로(43)의 하류단은 트로틀밸브(32)와 서지탱크(33) 사이에 위치한 흡기관(30)의 일부에 연결되며, 상기 EGR 순환배관(43)을 개방 제어하여 배기가스 재순환량을 제어할 수 있도록 EGR 밸브(44)를 구비한다.
그리고, ECU(50)는 각 센서로부터의 신호 입력에 기초해 엔진(1)의 동작 상태에 따라 흡기 및 배기밸브(12, 13)의 밸브 타이밍, 연료분사량, 인젝터(18)의 분사 타이밍과 분사압, 트로틀밸브(32)에 의해 조절된 흡기의 양, EGR 밸브(44)에 의해 조절된 배기가스 재순환의 속도 등을 제어한다.
한편, 실린더(2)내부를 상하작동하는 피스톤(5)과 대향하는 연소실(6)의 천정면에 점화플러그(16)를 구비하고, 상기 연소실(6)에 연료를 분사하는 인젝터(18)를 구비하여 연료를 연소실내로 직접분사하는 가솔린 엔진에서 연소후 연소된 후 배기가스를 배기하는 배기관(36)과 배기흐름을 소통하도록 실린더(5)로부터 분기되는 배기매니폴드에는 배기밸브(13)의 개방작동에 의하여 배기구(11)가 개방되면서 개방된 배기구(11)를 통하여 상기 연소실(6)의 내부로 배기가스의 일부가 역류될 때시 역류되는 배기가스에 스월성분을 부여할 수 있도록 적어도 하나의 스월조절밸브(19)를 구비한다.
즉, 상기 배기매니폴드의 측면 또는 한쪽 밸브에 스월조절밸브를 구비하게 되면, 밸브제어기구가 없는 가솔린 엔진의 경우 일반적으로 고속 고부하에 해당하는 출력에 맞도록 흡기밸브 및 배기밸브의 개폐시기가 결정되어 있고 이로 인한 오버랩도 고정되어 있기 때문에 저속운전시 부하 증가를 위해 흡기량을 증가시키게 된다.
이로 인하여, 상기 연소실로부터 배기구 및 배기관을 통해 배기되는 배기가스가 배기구로부터 실린더의 연소실 내로 역류되고, 잔류하는 가스의 양도 증가되게 된다.
도 4a에 도시한 바와 같이, 상기 연소실(6)내 분사되어 연소된 연료는 배기밸브(13)의 개방작동에 의하여 배기구(11)를 통하여 배기가스로서 배기관으로 배기처리되며, 이때, 흡기밸브(12)는 닫혀진 상태이며, 피스톤은 실린더의 상사점에 위치된다.
연속하여, 도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 피스톤(5)이 상사점에서 하사점으로 전환되는 흡입행정시 상기 흡기밸브(12)가 닫혀진 상태에서 개방된 배기구(11)를 통하여 배기가스 중 일부를 상기 배기관(36)과 연소실(6)사이에서 발생하는 압력차에 의해서 역류유입한다.
이때, 상기 배기구(11)를 통해 역류유입되는 배기가스는 상기 배기매니폴드의 측면(1밸브) 또는 한쪽 밸브(2-밸브)에 구비되는 스월조절밸브(19)를 통과하면서 연소후 높은 온도를 갖추어 역류유입되는 배기가스 기체흐름에 스월성분을 갖는 기체유동을 인위적으로 부여할 수 있는 것이다.
그리고, 상기 연소실(6)의 상부영역으로 역류유입되는 배기가스 및 상기 연소실에 잔류하는 배기가스에 의해서 점화플러그(16)를 중심으로 부터 실린더(2)의 내벽으로 갈수록 연소실의 내부온도를 증가시킬 수 있는 것이다.
이에 따라, 상기 인젝터를 통한 연료의 직접분사 후 상기 점화플러그의 점화에 의한 연료의 화염전파속도를 촉진시킴으로써 연료점화시 저온조건에 기인하는 노킹현상을 방지할 수 있는 것이다.
한편, 상기 엔진의 흡입행정시 상기 개방된 배기구(11)를 통한 배기가스의 역류유입은 상기 흡기구(10)의 흡기밸브(12)가 닫혀진 상태에서 이루어지며, 상기 배기구(11)를 통해 역류유입되는 배기가스는 상기 점화플러그(16)를 통과하는 가상의 수직축(Y)을 기준으로 하여 선회유동을 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 배기구(11)를 통해 연소실내로 역류유입되는 배기가스는 상기 배기구(11)와 연소실(6)간의 경계면에 형성되는 곡면부(11a)에 의해서 배기가스가 곡면부에 접하여 이를 따라 흐르면서 배기가스의 기체흐름에 스월성분을 가일층 추가하여 부여할 수 있다.
그리고, 상기 배기구(11)를 통해 연소실내로 역류유입되는 배기가스는 상기 연소실(6)과 인접하는 배기구(11)의 내부면에 형성되는 나선부에 의해서 배기가스가 나산부에 접하여 이를 따라 흐르면서 배기가스의 기체흐름에 스월성분을 가일층 추가하여 부여할 수도 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.
1 : 엔진 2 : 실린더
3 : 실린더블럭 4 : 실린더 헤드
5 : 피스톤 6 : 연소실
10 : 흡기구 11 : 배기구
12 : 흡기밸브 13 : 배기밸브
14 : 가변 밸브 타이밍 기구 16 : 점화플러그
18 : 인젝터 19 : 스월조절밸브
30 : 흡기관 36 : 배기관

Claims (5)

  1. 실린더내부를 상하작동하는 피스톤과 대향하는 연소실의 천정면에 점화플러그를 구비하고, 상기 연소실에 연료를 분사하는 인젝터를 구비하고, 배기관과 연결되는 배기구에 배기밸브를 구비하며, 흡기관과 연결되는 흡기구에 흡기밸브를 각각 구비하는 직접분사식 가솔린 엔진에서 인젝터로부터 분사된 연료를 연소실의 상부영역에서 성층화하는 방법에 있어서,
    상기 배기구와 흐름소통하도록 실린더로부터 분기되는 배기매니폴드에 상기 배기구를 통한 연소실내로 배기가스의 역류시 배기가스에 스월성분을 부여하도록 적어도 하나의 스월조절밸브를 구비하고,
    흡입행정시 개방된 배기구를 통해 역류유입되는 배기가스는 상기 스월조절밸브를 통과하면서 스월성분을 갖는 기체유동으로 전환되어 점화플러그를 중심으로 하여 실린더의 내벽으로 갈수록 온도를 증가시키도록 연소실의 상부로 유입되고,
    상기 개방된 배기구를 통한 스월성분을 갖는 배기가스의 역류유입은 흡입행정시 상기 흡기구의 흡기밸브가 닫혀진 상태에서 이루어지며,
    상기 배기구를 통해 역류유입되는 배기가스는 상기 점화플러그를 통과하는 수직축을 기준으로 하여 선회유동을 형성하고,
    상기 배기구를 통해 역류유입되는 배기가스는 상기 연소실과 인접하는 배기구의 내부면에 함몰형성되는 곡면부에 접하여 스월성분을 추가 부여되는 것을 특징으로 하는 직접분사식 가솔린엔진에서 노킹방지를 위한 온도성층화 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배기구를 통해 역류유입되는 배기가스는 상기 연소실과 인접하는 배기구의 내부면에 형성되는 나선부에 접하여 스월성분을 추가 부여되는 것을 특징으로 하는 직접분사식 가솔린엔진에서 노킹방지를 위한 온도성층화 방법.
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