KR101623358B1 - 내연기관 - Google Patents

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KR101623358B1
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미하엘 보이얼레
알렉산더 쉥크 츄 슈바인스베르크
클라우스 리스-뮐러
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 유입 밸브(17)에 의해 폐쇄 가능한 적어도 하나의 연소실(15), 유입 밸브(17)로 안내되는 적어도 하나의 공기-흡입 채널(21) 및 연료 분사 장치(27)를 포함하는 내연기관에 관한 것으로, 상기 연료 분사 장치는 적어도 하나의 연소실(15)에 대해 할당 배치된 상태로 적어도 하나의 흡입 채널(21) 내로 연료를 조량하여 분사하기 위해 제 1 및 제 2 유입 분사 밸브(28, 29)를 포함한다. 연소실 내의 연료-공기 혼합물의 현저히 개선된 혼합물 발생 및 연소를 달성하기 위해 2개의 분사 밸브들(28, 29)은, 제 1 분사 밸브(28)가 큰 콘 각도를 갖는 넓게 퍼진 스프레이 콘(34)을 분사하고 제 2 분사 밸브(29)가 훨씬 작은 콘 각도를 갖는 약간만 퍼진 스프레이 콘(35)을 분사하도록 형성된다.

Description

내연기관{Internal combustion engine}
본 발명은 청구범위 제 1 항의 전제부에 따른 내연기관에 관한 것이다.
내연기관용 연료 분사 장치(JP-10196440 A)에서 제 1 분사 밸브는 공기량 조절을 위해 흡입 채널 내에 삽입된 스로틀 밸브의 상류로 분사하고, 제 2 분사 밸브는 내연기관의 흡입 채널 내에 삽입된 스로틀 밸브의 하류로 분사하고, 이 경우 제 2 분사 밸브의 분사는 시간적으로 제 1 분사 밸브에 의한 분사 전에 실행된다.
본 발명의 과제는 상이한 범위에서 혼합물 형성과 연소가 개선된 내연기관을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구범위 제 1 항의 특징을 가진 내연기관에 의해 달성된다.
청구범위 제 1 항의 특징을 가진 본 발명에 따른 내연기관은, 적어도 하나의 연소 실린더의 흡입 채널 내로 분사하는, 상이하게 설계된 2개의 분사 밸브들에 의해 유입 밸브를 향한 연료 유입이 상이한 방식으로 실시될 수 있어서, 내연기관의 상이한 작동 범위에서 혼합물 발생과 연소가 현저히 개선되는 장점을 갖는다. 따라서 바람직하게, 내연기관이 작동 열을 가지며 부하가 높은 경우에 분사 밸브의 개방 시 연료를 높은 침투율로 직접 연소실 내로 분사하는 한편, 내연기관이 차가운 경우 유입 밸브 바로 앞에 배치된 흡입 채널의 벽 영역의 강력한 벽 습윤은 연소를 개선하는데, 그 이유는 벽 필름이 시간적으로 오프셋 되어 연소실에 도달하기 때문이다. 2개의 분사 밸브들의 본 발명에 따른 상이한 구상에 의해 내연기관의 상이한 작동 범위에서 2개의 분사 밸브들이 상이하게 제어됨으로써 작동점에 따른 연소의 최적화가 간단하게 달성될 수 있다. 따라서 상이한 작동 범위에서 상이한 방식으로 2개의 분사 밸브들을 사용함으로써 연소실 내의 람다 분포가 최적화될 수 있고, 높은 탄화수소(HC)-발생과 관련된 국부적인 과도 농후 및 내연기관의 노킹을 일으키는 국부적인 희박이 방지될 수 있고, 연료 소비가 감소될 수 있다. 예를 들어 저온 시동 시 제 1 분사 밸브를 사용함으로써 스프레이 콘 내의 더 작은 연료 방울들로 인해 혼합물 발생이 개선되고, HC-방출이 감소될 수 있다. 전부하시, 제 2 분사 밸브를 더 강력하게 사용함으로써 연소실 내에까지 더 깊은 침투와 흡입 채널 내의 최소화된 벽 필름 형성으로 인해 연료의 증발열이 흡입 채널의 벽보다 실린더 급기에서 빼내지고, 이로써 실린더 급기가 냉각되고 노킹 감도는 감소된다.
내연기관의 과급 시, 연소실 내로 직접 분사하는 분사 밸브 없이 소위 스캐빈징(Scavenging)의 이용이 가능한데, 그 이유는 제 2 분사 밸브가 스프레이 콘의 작은 콘 각도와 관련해서 흡입 채널에 벽 필름을 형성하지 않거나 최소의 벽 필름만 형성하기 때문이다. 따라서 연소실을 공기로 세척 시(스캐빈징) 연료가 촉매 변환기 방향으로 연소실에 도달하지 않거나 소량의 연료만 연소실에 도달한다. 스캐빈징은 촉매 변환기에 대한 부하 하에 구현될 수 있고, 터보차징과 관련해서 낮은 회전수에서 큰 회전 모멘트를 야기한다.
모터 정지 시 제 2 분사 밸브를 사용함으로써 흡입 채널 내의 벽 필름이 최소화될 수 있으므로, 내연기관의 재시동시, 특히 스타트/스탑-적용 시 유해 성분 방출이 감소된다.
다른 청구범위에 제시된 조치에 의해 청구범위 제 1 항에 제시된 연료 분사 장치의 바람직한 실시와 개선이 가능하다.
각각의 유입부를 폐쇄하는 2개의 유입 밸브들을 포함하는 연소실에서 유입 밸브들 및/또는 분사 밸브들이 청구범위들에 제시된 대로 상이하게 구현됨으로써, 그리고 유입 밸브와 분사 밸브가 특수하게 할당 배치됨으로써, 분사 밸브들의 별도의 제어와 관련해서 노킹 현상의 감소, 국부적 과도 농후와 국부적 희박을 방지하는 연소 혼합물의 최적화 및 연비 감소의 전술한 효과들이 점차 개선될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들에 따라 분사 밸브들은 전기 제어 가능한 솔레노이드 밸브들이다. 상기 솔레노이드 밸브들은 흔히 사용되는 압전식 분사 밸브들보다 훨씬 저렴하다.
하기에서 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명된다.
도 1은 연료 분사 장치와 관련해서 내연기관의 연소 실린더의 종단면도.
도 2는 회전수(n)와 부하(L)에 의해 정해진 내연기관의 작동점들에 할당된 도 1의 연료 분사 장치의 분사 밸브들의 제어 영역에 대한 다이어그램.
도 3은 내연기관의 흡입 채널에 삽입된 분사 밸브들의, 도 2의 화살표 III의 방향에서 본 평면도.
도 4는 도 3의 라인 IV-IV에 따른 단면도.
도 5는 도 3의 라인 V-V에 따른 단면도.
도 6은 연소 실린더의 다른 실시예를 도 3과 동일하게 도시한 도면.
도 7은 도 6의 라인 VII-VII을 따른 단면도.
도 8은 도 6의 라인 VIII-VIII을 따른 단면도.
예컨대 차량용의 일반적으로 다실린더 내연기관 중, 하나의 연소 실린더(11)만 부분적으로 종단면도로 도 1에 도시된다. 외부가 냉각수 재킷(12)으로 둘러싸인 연소 실린더(11)는 단부측이 실린더 헤드(13)에 의해 기밀방식으로 커버된다. 연소 실린더(11)에서 축방향으로 이동 가능하게 안내된 피스톤(14)은 실린더 헤드(13)와 함께 연소실(15)을 제한한다. 피스톤(14)은 커넥팅 로드(16)를 통해 도시되지 않은 크랭크 샤프트에 연결되고, 상기 크랭크 샤프트에 다른 연소 실린더의 피스톤도 작용한다.
연소실(15)은 도 1과 관련해서 도 3 내지 도 5에 도시된 제 1 실시예에서, 유입 밸브(17)에 의해 폐쇄 가능한 유입부(18), 및 배출 밸브(19)에 의해 폐쇄 가능한 배출부(20)를 포함한다. 유입부(18)에 연소 공기용 흡입 채널(21)이 안내되고, 상기 흡입 채널은 실린더 헤드(13)에 형성된 유입 채널(22), 및 상기 유입 채널(22)에 배치된 흡입관(23)으로 구성된다. 상류측에는 일반적으로 다수의 연소 실린더(11)의 흡입관들(23)이 흡입관 매니폴드에 의해 하나의 공기 흡입관으로 통합되고, 상기 공기 흡입관에는 공기량 제어 기관, 바람직하게는 스로틀 밸브가 공기량 조절을 위해 배치된다. 도 1에서는 명확성을 위해 스로틀 밸브(36)가 하나의 연소 실린더(11)의 흡입관(23) 내에 도시된다. 배출부(20)로부터 배기 가스 채널(24)이 연장되고, 상기 배기 가스 채널은 실린더 헤드(13)에 형성된 배출 채널(25), 및 상기 배출 채널(25)에 배치된 배기가스 관(26)으로 이루어진다. 다수의 연소 실린더(11)의 배기가스 관들(26)은 하류측에서 배기가스 매니폴드를 통해 통합된다.
적어도 하나의 연소 실린더(11)의 연소실(15)에 연료를 공급하기 위해 연료 분사 장치(27)가 제공되고, 상기 장치는 연소 실린더(11) 또는 연소실(15) 당 2개의 전자기 분사 밸브들(28, 29)을 갖는다. 2개의 분사 밸브들(28, 29)은 연료 탱크(30)에서 나온 연료를 송출하는 연료 펌프(31)에 의해 연료를 공급받고, 내연기관의 다수의 작동점을 결정하는 파라미터가 제공되는 전자 제어장치(32)에 의해 제어된다. 2개의 분사 밸브들(28, 29)은 흡입 채널(21)로 연료를 분사할 수 있도록, 스로틀 밸브(36)의 하류측에서 흡입 채널(21)에 제공된, 여기서는 흡입관(23)에 제공된 삽입 개구들(33, 37; 도 3 내지 도 5) 내로 삽입되고, 이 경우 연료는 스프레이 콘의 형태로 분사 밸브들(28, 29)에 의해 분사된다. 유입 밸브(17)에 가능한 가까이 배치된 2개의 분사 밸브들(28, 29)은, 그 스프레이 콘들이 유입 밸브(17)를 향하도록 정렬된다. 2개의 분사 밸브들(28, 29)은 연료 유량 및 분사된 연료-스프레이 콘의 형성과 관련해서 상이하게 형성된다. 제 1 분사 밸브(28)는 큰 콘 각도를 갖는 넓게 퍼진 스프레이 콘(34; 도 5)을 분사하고, 제 2 분사 밸브(29)는 훨신 더 작은 콘 각도를 갖는 거의 퍼지지 않는 스프레이 콘(35; 도 4)을 분사한다. 제 2 분사 밸브(29)의 스프레이 콘(35)은 훨씬 더 깊은 침투 범위를 갖고, 즉 유입 밸브(17)의 개방 시 훨씬 작은 침투 범위를 갖는 제 1 분사 밸브(28)의 스프레이 콘(34)보다 연소실(15) 내로 더 깊이 침투할 수 있다. 제 2 분사 밸브(29)는 제 1 분사 밸브(28)에 비해 훨씬 더 많은 연료 유량에 대해 설계되고, 예컨대 전부하량의 적어도 70%를 분사할 수 있다. 도시된 실시예에서, 제 1 분사 밸브(28)용 삽입 개구(33)는 유입부(18)에 대해 제 2 분사 밸브(29)용 삽입 개구(37)보다 약간 더 큰 간격을 가지므로, 제 1 분사 밸브(28)의 분사 개구는 유입 밸브(17)로부터 제 2 분사 밸브(29)의 분사 개구보다 더 떨어져 있다. 유입부(18)와 2개의 분사 개구들(33, 37) 간의 동일한 간격 배치도 가능하다.
도 6 내지 도 8에 도시된, 도 1에 따른 내연기관의 연소 실린더(12)의 다른 실시예에서, 실린더 헤드(13)를 가진 연소실(15)은 2개의 유입부들(18, 18')이 제공되는 정도로 변형되고, 상기 유입부들은 각각의 유입 밸브(17 또는 17')에 의해 폐쇄될 수 있다. 제 1 유입부(18)로 연소 공기용 제 1 흡입 채널(21)이 안내되고(도 7), 제 2 유입부(18')로 연소 공기용 제 2 흡입 채널(21')이 안내된다(도 8). 2개의 흡입 채널들(21, 21')은 실린더 헤드(13)에 수용된 유입 채널(22 또는 22') 및 유입 채널(22 또는 22')에 배치된 흡입관(23 또는 23')으로 이루어진다. 연소실(15)의 연료 공급은 도 1과 관련해서 전술한 바와 동일하게 이루어진다. 제 1 흡입 채널(21) 내로 연료를 분사하기 위해, 제 1 분사 밸브(28)는 유입 밸브(17) 근처에서 제 1 유입 채널(21) 내에, 여기에서는 흡입관(23) 내에 제공된 삽입 개구(33)에 동일한 방식으로 삽입된다. 제 2 흡입 채널(21') 내로 연료를 분사하기 위해, 제 2 분사 밸브(29)는 제 2 유입 밸브(17') 근처에서 제 2 흡입 채널(21') 내에, 여기에서는 흡입관(23') 내에 제공된 삽입 개구(37)에 동일한 방식으로 삽입된다. 2개의 분사 밸브들(28, 29)은 전술한 바와 같이 형성되고, 상기 분사 밸브의 스프레이 콘(34, 35)이 각각 할당된 유입 밸브(17, 17')를 향하도록 배치된다. 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 연소 실린더(11)의 연소실(15) 내에서 2개의 유입부들(18, 18')의 개방 횡단면들은 크기가 다르다. 제 1 분사 밸브(28)는 횡단면이 더 작은 제 1 유입부(18)로 안내되는 제 1 흡입 채널(21)에 할당 배치되는 한편, 제 2 분사 밸브(29)는 횡단면이 더 큰 제 2 유입부(18')로 안내되는 제 2 흡입 채널(21') 내로 분사한다. 2개의 흡입 채널들(21, 21')의 횡단면들, 정확히 말하면 실린더 헤드(13) 내의 유입 채널들(22, 22')의 횡단면들은 동일한 크기일 수 있지만, 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 상이한 크기일 수도 있고, 제 1 분사 밸브(28)가 분사하는 제 1 흡입 채널(21)은 더 작은 직경을 갖는다.
도 6 내지 도 8에 따른 실시예들의 다른 변형예에서, 2개의 유입 밸브들(17, 17')은 상이한 크기의 밸브 행정을 가질 수 있다. 유입 밸브들(17, 17')에 대한 2개의 분사 밸브들(28, 29)의 할당 배치는, 제 1 분사 밸브(28)가 더 작은 행정을 갖는 유입 밸브(17)에 할당되고, 제 2 분사 밸브(29)가 더 큰 행정을 갖는 유입 밸브(17')에 할당되도록 이루어진다.
다른 구조적인 실시예에서, 유입 밸브들(17, 17') 중 하나에 밸브 마스킹이 제공되고, 제 1 분사 밸브(28)는 밸브 마스킹을 가진 유입 밸브로 안내되는 흡입 채널 내로 분사한다.
도 3 내지 도 5에 따른 실시예와 같이 도 6 내지 도 8의 실시예에서도 2개의 분사 밸브들(28, 29)은 각각 할당 배치된 유입 밸브(17, 17')에 대해 상이한 간격으로 흡입 채널(21 또는 21') 내에 배치될 수 있다. 바람직하게 제 1 분사 밸브(28)와 제 1 유입 밸브(17) 사이의 간격은 제 2 분사 밸브(29)와 제 2 유입 밸브(17') 사이의 간격보다 약간 더 크다.
전술한 모든 실시예들에서 연소 실린더(11) 당 2개의 분사 밸브들(28, 29)은 전자 제어 유닛(32)에 의해 내연기관의 작동점에 따라 상이하게 제어된다. 이를 위해 도 2에 개략적으로 도시된 것처럼 제어 유닛(32)에 다이어그램이 저장된다. 회전수 n와 내연기관이 요구하는 부하 L에 의해 정해진 내연기관의 특정 작동점에서 2개의 분사 밸브들(28, 29) 중 하나의 분사 밸브 또는 다른 하나의 분사 밸브 또는 2개의 분사 밸브들(28, 29)이 제어된다. 도면부호 40으로 표시된, 다이어그램 내의 빗금친 영역은 작은 부분 부하 영역을 포함하고, 상기 영역에서는 연소실(15) 내로 연료를 가져오기 위해 제 1 분사 밸브(28) 만 사용된다. 도면부호 41로 표시된, 교차하는 선들로 빗금친 영역은 스캐빈징에 이용되고, 상기 영역에서는 작은 스프레이 콘(35)과 깊은 침투를 갖는 제 2 분사 밸브(29)만 제어되고, 상기 제 2 분사 밸브는 연소실(15)의 유입부(18) 앞에 많은 벽 필름을 형성하지 않는다. 도면부호 42로 표시된 나머지 영역에서는 2개의 분사 밸브들(28, 29)이 연료 분사를 위해 제어된다.
상이한 작동점에서 혼합물 발생과 텀블링 운동을 개선하기 위해, 연소실(15) 당 2개의 유입 밸브들(17, 17')은 시간적으로 오프셋된 개방 단계를 갖는다. 분사 밸브들(28, 29)은 제 1 분사 밸브(28)가 먼저 개방하는 유입 밸브(17)로 안내되는 흡입 채널(21) 내에 배치되고, 제 2 분사 밸브(29)가 나중에 개방하는 유입 밸브(17')로 안내되는 흡입 채널(21')에 배치되도록 유입 밸브들(17, 17')에 할당 배치된다. 내연기관의 특정 작동 모드에서 제 1 유입 밸브(17)는, 제 2 유입 밸브(17')를 개방하는 제 1 시점에 연료를 분사하도록, 즉 연소실(15)의 개방된 유입부(18, 18')와 배출부(20)의 교차가 확실이 배제되도록 제어 전자 장치(32)에 의해 제어될 수 있다.
15 연소실
17, 17' 유입 밸브
18, 18' 유입부
21, 21' 흡입 채널
27 연료 분사 장치
28, 29 분사 밸브
34, 35 스프레이 콘

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 연소실(15)과 연료 분사 장치(27)를 구비한 내연기관으로서, 상기 연소실(15)은 유입 밸브(17; 17, 17')에 의해 폐쇄 가능하며 연소 공기의 흡입을 위해 상류측에 배치된 흡입 채널(21; 21, 21')을 가진 적어도 하나의 유입부(18; 18, 18')를 포함하고, 상기 연료 분사 장치(27)는 적어도 하나의 연소실에 대해 할당 배치된 상태로, 적어도 하나의 흡입 채널(21; 21, 21') 내로 연료를 조량하여 분사하는 제 1 및 제 2 분사 밸브(28, 29)를 포함하고, 상기 분사 밸브들(28, 29)은 스프레이 콘(34, 35)의 형태로 연료를 분무하여 분사하는, 내연기관에 있어서,
    상기 제 1 분사 밸브(28)는 상대적으로 더 큰 콘 각도를 갖는 스프레이 콘(34)의 분사를 위해 형성되고, 상기 제 2 분사 밸브(29)는 상대적으로 더 작은 콘 각도를 갖는 스프레이 콘(35)의 분사를 위해 형성되고,
    상기 연소실(15)마다 2개의 유입 밸브들(17, 17')이 배치되는 경우에 각각 하나의 분사 밸브들(28, 29)은 그 스프레이 콘들(34, 35)이 상기 유입 밸브(17, 17')를 향하도록, 유입 밸브(17, 17')로 안내되는 흡입 채널(21, 21') 내에서 각각의 유입 밸브(17, 17')에 가깝게 배치되며,
    연소 실린더(11)의 연소실(15) 내에서 상기 2개의 유입부들(18, 18')의 개방 횡단면들의 크기는 상이하고, 상기 제 1 분사 밸브(28)는 더 작은 횡단면의 유입부(18)로 안내되는 흡입 채널(21)에 할당 배치되며, 상기 제 2 분사 밸브(29)는 더 큰 횡단면의 유입부(18')로 안내되는 흡입 채널(21')에 할당 배치되고,
    상기 유입 밸브들(17, 17')로 안내되는 흡입 채널들(21, 21')의 직경의 크기는 상이하고, 상기 제 1 분사 밸브(28)는 더 작은 직경의 흡입 채널(21)에 할당 배치되고, 상기 제 2 분사 밸브(29)는 더 큰 직경의 흡입 채널(21')에 할당 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 분사 밸브(29)는 상기 제 1 분사 밸브(28)에 비해 더 깊은 침투 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 분사 밸브(29)는 상기 제 1 분사 밸브(28)에 비해 더 큰 연료 유량을 위해 설계되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 2 분사 밸브(29)와 상기 제 1 분사 밸브(28) 사이의 연료 유량의 비는 7:3인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 적어도 하나의 유입 밸브(17, 18)는 밸브 마스킹을 갖고, 상기 제 1 분사 밸브(28)는 밸브 마스킹을 가진 상기 유입 밸브(17)로 안내되는 상기 흡입 채널(21)에 할당 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 2개의 유입 밸브들(18, 18')은 상이한 크기의 밸브 행정을 갖고, 상기 제 1 분사 밸브(28)는 더 작은 행정을 갖는 상기 유입 밸브(17)로 안내되는 상기 흡입 채널(21) 내로 분사하고, 상기 제 2 분사 밸부(29)는 더 큰 행정을 갖는 상기 유입 밸브(17')로 안내되는 상기 흡입 채널(21') 내로 분사하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 2개의 유입 밸브들(17, 17')은 시간적으로 오프셋된 개방 단계를 갖고, 상기 제 1 분사 밸브(28)는 먼저 개방하는 상기 유입 밸브(17)로 안내되는 상기 흡입 채널(21)에 할당 배치되고, 상기 제 2 분사 밸브(17')는 나중에 개방하는 상기 유입 밸브(17')로 안내되는 상기 흡입 채널(21')에 할당 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 분사 밸브(28)는 나중에 개방하는 상기 유입 밸브(17')의 개방 시 비로소 분사를 위해 제어되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 분사 밸브(28)는 상기 제 2 분사 밸브(29)에 비해 할당 배치된 상기 유입 밸브(17)로부터 더 큰 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 적어도 하나의 흡입 채널(21; 21, 21')은 상기 연소실(15)을 제한하는 연소 실린더(11)의 실린더 헤드(13) 내에 형성된 유입 채널(22; 22, 22')과 상기 유입 채널(22; 22, 22')에 연결된 흡입관(23)을 포함하고, 상기 분사 밸브들(28, 29)은 상기 유입 채널(22; 22, 22')을 통해 상기 유입 밸브(17; 17, 17')로 연료 분사가 이루어지도록 흡입관(23; 23, 23') 내에 삽입되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 분사 밸브들은 전기 제어 가능한 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 하는 내연기관.
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