KR19980018687A - 내연 기관용 혼합기 형성 장치 및 엔진 시스템 - Google Patents

Abstract

각 기통으로의 연료 분배성이 향상되고, 양호한 운전성이 확보되는 내연 기관용 혼합기 형성 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

내연 기관용 혼합기 형성 장치는 하류 부위에 복수개의 분기 흡기관(2b, 2d, 2c)을 갖고, 내연 기관(1)에 연접하는 흡기관(2)과, 상기 흡기관(2)의 상류 부위에 배치되어 해당 흡기관 내를 흐르는 공기류의 유량을 제어하는 스로틀 밸브(4)와, 각 분기 흡기관(2b, 2d, 2c)과 스로틀 밸브(4) 사이에 배치되어 일렬로 병렬 설치된 분사구를 갖고, 상기 분사구에서 각 분기 흡기관을 향해서 다방향으로 연료를 분사하는 연료 분사 밸브(3)를 구비하고, 연료 분사 밸브(3)는 분사구에서 분사하는 연료의 각 분사 방향축이 내연 기관(1)을 향해서 각 분기 흡기관(2b, 2d, 2c)을 유동하는 공기류의 주류선과 대체로 합치하도록 배치되어 있다.

Description

내연 기관용 혼합기 형성 장치 및 엔진 시스템

본 발명은 내연 기관용 혼합기 형성 장치에 관한 것으로, 특히 상기 내연 기관의 복수의 각 기통을 향해서 하나의 연료 분사 밸브에서 다방향으로 연료를 분사하는 연료 분사 밸브를 스로틀 밸브보다도 하류에 구비한 내연 기관용 혼합기 형성 장치에 관한 것이다.

종래부터 저렴한 내연 기관의 연료 분사 장치를 실현하기 위해서, 다방향으로 연료를 분기 분사할 수 있는 연료 분사 밸브를 스로틀 하류의 각 기통에 대응한 흡기관 집합부에 배치하여, 하나로 복수의 기통에 연료를 공급하는 방식이 제안되어 있다. 예를 들어, 특허 공개 소63-223364호 공보에 개시되어 있다.

한편, 종래의 기화기를 사용한 방식에 있어서는, 연료는 그 입자 직경이 30㎛ 정도까지 상당히 잘 미립화되어 있다. 또, 종래의 스로틀의 상류에 연료 분사 밸브를 배치한 소위 싱글 포인트식의 연료 분사 방식에 있어서는, 연료의 미립화의 정도는 상기 기화기를 사용한 방식보다도 떨어지지만, 연료 분사점에서 각 기통까지의 거리를 비교적 길게 얻을 수 있다. 이로 인해, 양 방식은 동시에 공기와 연료가 균일하게 혼합되기 쉽고, 각 기통으로 분배되는 공기의 양이 균등하게 되어있기만 하면 도중의 흡기 통로 내에 있어서 공기의 흐름에 편중이 있어도 그것이 각 기통의 공연비 변동의 원인이 되지는 않는다.

또, 전술한 특허 공개 소63-223364호 공보에 있어서, 흡기관의 내벽에 부착한 연료가 미치는 각 기통으로의 연료의 분배에 대한 영향이 지적되고 있으나, 이것은 상기 공보에도 진술되어 있는 바와 같이 흡기관이 각 기통을 향한 분기부에서의 형상이 크게 영향을 주고 있고, 주로 상기 흡기관의 내벽의 요철 형상에 기인하고 있다. 따라서, 전술한 바와 같은 흡기 통로 내에 있어서의 공기의 흐름의 편중과는 무관계한 문제이다.

그리고, 상기 다방향으로 분기 분사하는 연료 분사 밸브를 스로틀의 하류에 배치하여 하나로 복수의 기통에 연료를 공급하는 방식에 있어서는, 연료 분기 분사점에서 내연 기관까지의 거리가 비교적 짧기 때문에 공기와 연료는 균일하게 혼합되기 어렵지만, 각 기통으로의 연료의 분배는 다방향 연료 분사 밸브 자체의 각 방향으로의 분기 연료 분배 성능에 의해 대략 지배되고, 각 기통으로 분배되는 공기의 양이 균등하게 되어있으면 각 기통간의 공연비 변동은 낮게 억제된다고 이해되고 있다.

상기 특허 공개 소63-223364호 공보에 있어서도, 각 흡기관에 공급되는 연료량은 연료 분사 밸브의 각 분사구에서의 분사량에 의해 결정되고, 구경 변동만이 각 기통간의 연료 분배에 영향을 줄 뿐이라고 지적하고 있다.

그러나, 상기 종래 기술의 다방향 연료 분사 밸브를 스로틀의 하류에 배치하여 하나로 복수의 기통에 연료를 공급하는 방식에 있어서, 각 기통간의 공연비의 변동을 실험적으로 확인했으나, 반드시 상기 이해되고 있는 바처럼 되는 것은 아니며, 각 기통으로 분배되는 공기의 양을 균등하게 했는데도 각 기통간의 공연비 변동이 커져서 내연 기관의 출력 저하나 배기 가스 성분의 악화 등을 초래하고 있다는 것이 판명되었다. 그리고, 연료의 분배 성능이 악화하는 원인을 조사한 결과, 상기 원인은 스로틀 하류에 있어서의 공기류의 흐름의 편중에 의한 분사되는 연료의 방향성의 분산으로 판단되어 여기에 미해결의 과제가 있다는 것이 명확해졌다.

한편, 보조 흡기 통로를 거쳐서 흡기 통로 내로 배출하는 공기의 분류가 연료의 분무에 대해서 편중없이 합류하는 것이 각 기통간의 공연비 변동을 억제하는 데에 중요하다는 것도 실험으로 확인되었다. 보조 흡기 통로의 구성에 대해서도 상기 특허 공개 소63-223364호 공보에는 개시되어 있지 않고, 특히 연료 분무와의 관계에 대해서는 전혀 기술되어 있지 않으므로, 여기에도 과제가 있다는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 연료 분무의 방향과 공기류의 편중과의 관계를 고려하여 연료를 균등하게 각 기통으로 분배하고, 양호한 운전성이 확보되는 내연 기관용 혼합기 형성 장치 및 엔진 시스템을 제공하는 데 있다.

도1은 본 발명에 의한 일 실시예의 내연 기관용 연료 분사 장치의 구성을 도시한 도면.

도2는 본 발명에 의한 일 실시예의 연료 분사 밸브의 노즐 근방을 도시한 종단면도.

도3은 본 발명에 의한 일 실시예의 연료 분사 밸브의 노즐 근방을 도시한 평면도.

도4는 도2의 연료 분사 밸브의 분무 상태를 도시한 도면.

도5는 본 발명에 의한 일 실시예의 제어 장치의 내부 구성을 도시한 도면.

도6은 도5의 제어 장치로 제어된 도2의 연료 분사 밸브의 유량 특성을 도시한 도면.

도7은 도2의 연료 분사 밸브의 연료 분사 펄스폭의 보정 계수를 도시한 도면.

도8은 내연 기관의 연료 분사에 있어서의 공기류가 연료 액적의 도달 방향에 미치는 영향을 도시한 도면.

도9는 흡기관 내의 공기류의 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.

도10은 비교예의 스로틀 밸브 축방향과 연료 분사 방향의 관계를 도시한 횡단면도.

도11은 비교예의 스로틀 밸브 축방향과 연료 분사 방향의 관계를 도시한 종단면도.

도12는 비교예의 스로틀 밸브 축방향에 의한 공기류의 편중과 그 연료 분무의 방향성에의 영향을 도시한 개념도.

도13은 본 발명에 의한 실시예의 스로틀 밸브 축방향과 연료 분사 방향의 관계를 도시한 횡단면도.

도14는 본 발명에 의한 실시예의 스로틀 밸브 축방향과 연료 분사 방향의 관계를 도시한 종단면도.

도15는 스로틀 밸브 축방향과 공연비 변동(△A/F)의 관계에 대한 조사 결과를 비교한 도면.

도16은 본 발명에 의한 다른 실시예의 스로틀 밸브 축방향과 연료 분사 방향의 관계를 도시한 개념도.

도17은 본 발명에 의한 또 다른 실시예의 스로틀 밸브 축방향과 연료 분사 방향의 관계를 도시한 개념도.

도18은 비교예의 보조 공기 시스템의 통로 출구 위치와 연료 분사 방향의 관계를 도시한 횡단면도.

도19는 비교예의 보조 공기 시스템의 통로 출구 위치와 연료 분사 방향의 관계를 도시한 종단면도.

도20은 본 발명에 의한 실시예의 보조 공기 시스템의 통로 출구 위치와 연료 분사 방향의 관계를 도시한 횡단면도.

도21은 본 발명에 의한 실시예의 보조 공기 시스템의 통로 출구 위치와 연료 분사 방향의 관계를 도시한 종단면도.

도22는 보조 공기 시스템의 통로 출구 위치와 공연비 변동(△A/F)의 관계에 대한 조사 결과를 비교한 도면.

도23은 본 발명에 의한 다른 실시예의 보조 공기 시스템의 통로 출구 위치와 연료 분사 방향의 관계를 도시한 종단면도.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

1 : 내연 기관

1a : 흡기 포트

2 : 흡기관

2b, 2c, 2d : 분기 흡기관

3 : 연료 분사 밸브

3s : 연료 분사 밸브 구동 신호

4 : 스로틀 밸브

4a : 밸브 축

5a, 5b : 공기류

6 : 스로틀 개도 센서

7 : 흡기관 부압 센서

8 : 보조 흡기관

8a : 통로 밸브

8b : 개구부

9 : 냉각수 온도 센서

10 : 제어 장치

30 : 노즐부

31 : 가동 밸브

32a : 제1 기통용 오리피스

32b : 제2 기통용 오리피스

32c : 제3 기통용 오리피스

190 : 입력 신호

191 : 입력 회로

192 : A/D 변환부

193 : 중앙 연산부

194 : ROM

195 : RAM

196 : 출력 회로

197 : 제어 출력 신호

상기 목적을 달성하는 본 발명에 의한 내연 기관용 혼합기 형성 장치의 특징은 하류 부위에 복수개의 분기 흡기관을 갖고 내연 기관에 연접하는 흡기관과, 상기 흡기관의 상류 부위에 배치되어 해당 흡기관 내를 흐르는 공기류의 유량을 제어하는 스로틀 밸브와, 상기 분기 흡기관과 상기 스로틀 밸브 사이에 배치되어 일렬로 병렬 설치된 분사구로부터 상기 각 분기 흡기관을 향해서 다방향으로 연료를 분사하는 연료 분사 밸브를 구비하고,

상기 연료 분사 밸브는 상기 연료 분사 밸브의 각 분사 방향축이 형성하는 분사구를 정점으로 하는 대략 이등변 삼각형의 수직 이등분선을 포함하는 평면이 상기 스로틀 밸브에서 상기 분기 흡기관을 향해서 유동하는 상기 공기류의 주류선도 포함하도록 배치되어 있는 데 있다.

또 다른 특징은, 상기 연료 분사 밸브는 상기 분사구에서 분사하는 상기 연료의 각 분사 방향축이 상기 내연 기관을 향해서 상기 각 분기 흡기관을 유동하는 상기 공기류의 주류선과 대체로 합치하도록 배치되어 있는 점에 있다.

본 발명에 의하면, 공기류의 편중이 없고, 또 연료의 분사 방향성을 저해하는 일이 없으므로, 각 기통으로의 연료 분배성이 향상되고, 양호한 운전성이 확보되는 내연 기관용 혼합기 형성 장치 및 엔진 시스템이 제공된다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.

도1은 본 발명에 의한 일 실시예의 내연 기관용 혼합기 형성 장치 및 엔진 시스템의 구성을 도시한 도면이다. 본 실시예의 내연 기관용 혼합기 형성 장치를 내연 기관에 실장한 엔진 시스템의 구성을 도시한 것이다.

도면에 있어서, 본 실시예의 내연 기관용 혼합기 형성 장치는 흡기 통로로서의 흡기관(2)과, 연료 분사 밸브(3)와, 스로틀 밸브(4)와, 보조 흡기 통로로서의 보조 흡기관(8)을 포함해서 구성된다. 또, 엔진 시스템은 내연 기관(1)과, 내연 기관용 혼합기 형성 장치와, 연료 분사 밸브(3) 등을 제어하는 제어 장치(10)와, 연료 분사 밸브(3)에 연료를 공급하는 연료 공급계(도시 생략)와, 제어하기 위한 신호를 검출하는 각종 센서(후술)를 포함해서 구성된다.

구체적으로는, 내연 기관(1)은 인라인(in-line)식의 3기통 엔진이고, 상기 내연 기관(1)의 흡기 포트(1a)에 흡기관(2)이 연접된다. 상기 흡기관(2)은 분기점(2m)을 중심으로 해서 방사형으로 분리된 형상의 3개(복수개)의 분기 흡기관(2b, 2d, 2c)을 하류 부위에 갖고 있다. 또, 흡기관(2)에는 연료 탱크(도시 생략)나 가압 펌프(도시 생략) 등으로 이루어진 연료 공급계로부터 공급되는 연료를 분사하는 연료 분사 밸브(3)가 배치되어 있다. 상기 연료 분사 밸브(3)는 분사구(분사점, o)로부터 연료를 분사하고 있다. 그리고, 흡기관(2)에 배치된 연료 분사 밸브(3)보다도 한층 상류 부위에는 스로틀 밸브(4)가 배치되어 있다.

또, 흡기관(2)은 보조 흡기관(8)을 갖는 경우가 있으며, 그 경우의 보조 흡기관(8)은 스로틀 밸브(4)를 우회하는 공기 통로로서, 흡기의 흐름을 개폐하는 통로 밸브(8a)와 스로틀 밸브(4)의 하류 부위에 개구하고 있는 개구부(8b)를 갖고 있다.

한편, 도1에 도시한 엔진 시스템의 구성에는 내연 기관(1)의 부하 상태를 검지하기 위한 흡기관 부압 센서(7)가 흡기관(2)에 배치되어 있다. 또한, 내연 기관(1)의 운전 상태를 검지하기 위해서 상기 내연 기관(1)의 회전 속도나 크랭크 각도를 검지하는 크랭크각 센서(도시 생략), 스로틀 개도 센서(6), 냉각수 온도 센서(9) 등의 각종 센서가 배치되어 있다.

도2, 도3은 본 발명에 의한 일 실시예의 연료 분사 밸브의 노즐 근방을 도시한 종단면도 및 평면도(저면에서 본 도면)이다.

연료 분사 밸브(3)의 본체는 연료를 그 상부로부터 도입하여 선단의 노즐부(30)에서 분사하는 구조를 이루고 있고, 상기 연료는 전자력에 의해서 상하 이동하는 가동 밸브(31)로 제어되고, 노즐부(30)에 마련된 3개의 분사구로서의 오리피스로부터, 즉 제1 기통용 오리피스(32a)와, 제2 기통용 오리피스(32b)와, 제3 기통용 오리피스(32c)로부터 분사된다. 그리고, 도3에 도시한 바와 같이 3개의 오리피스(32a, 32b, 32c)는 일렬로(직선형으로) 병렬 설치되어 있다.

도4는 도2의 연료 분사 밸브의 분무 상태를 도시한 도면이다. 이 연료 분사 밸브(3)는 한 장소(즉, 분사점 o)에서 다방향(복수의 방향)으로 연료를 분사할 수 있도록 복수의 오리피스(즉, 분사구)를 한 장소에 집중해서 구비하고 있고, 1개의 연료 분사 밸브(3)로 내연 기관(1)의 각 기통을 향해 흡기관(2) 및 흡기 포트(1a)를 경유하여 연료를 방사형으로 분사하고 있다. 즉, 도3에 있어서 3개의 오리피스가 일렬로 병렬 설치되어 있으므로, 도4와 같이 연료는 노즐부(30)의 분사점(o)에서 ob축, od축, oc축의 각 분사 방향축에 부채꼴형의 방사 평면으로 분사된다. 환언하면, 연료는 축 노즐부(30)의 분사점(o)을 정점으로 하는 대략 이등변 삼각형[ob축, 저변(b-c), oc축]의 수직 이등분선인 od축을 포함하는 평면상으로 분사되고 있다. 또한, 대략 이등변 삼각형은 단지 대략 삼각형이라도 괜찮다.

도5는 본 발명에 의한 일 실시예의 제어 장치의 내부 구성을 도시한 도면이다. 도면에 도시한 바와 같이, 제어 장치(10)는 입력 회로(191), A/D 변환부(192), 중앙 연산부(193), ROM(194), RAM(195) 및 출력 회로(196)를 포함한 구성으로 되어 있다. 입력 회로(191)는 입력 신호(190)(예를 들어, 냉각수 온도 센서(9), 스로틀 개도 센서(6) 등으로부터의 신호)를 수신해 상기 신호로부터 노이즈 성분의 제거 등을 행하고, 해당 신호를 A/D 변환부(192)로 출력하기 위한 것이다. A/D 변환부(192)는 상기 신호를 A/D 변환해 중앙 연산부(193)로 출력하기 위한 것이다. 중앙 연산부(193)는 상기 A/D 변환 결과를 취입하고, ROM(194)에 기억된 소정의 프로그램을 실행함으로써 각 제어 및 진단 등을 실행하는 기능을 구비하고 있다. 또한, 연산 결과 및 A/D 변환 결과는 RAM(195)에 일시 보관되는 동시에, 상기 연산 결과는 출력 회로(196)를 통해서 제어 출력 신호(197)로서 출력되고, 연료 분사 밸브(3) 등의 제어에 이용되는 구성으로 되어 있다. 단, 제어 장치(10)의 구성은 이에 한정된 것은 아니다.

한편, 제어 장치(10)는 내연 기관(1)의 부하 상태를 검지하기 위한 흡기관 부압 센서(7)나 내연 기관(1)의 운전 상태를 검지하기 위한 스로틀 개도 센서(6), 냉각수 온도 센서(9), 크랭크각 센서로부터의 검출 신호를 취입하여 그들의 검출 결과를기초로 해서 연료 분사 밸브 구동 신호(3s)를 생성하고, 이에 의해 연료 분사 밸브(3)를 제어한다. 그리고, 점화 코일(도시 생략)이나 점화 플러그(도시 생략) 등도 제어한다. 즉, 제어 장치(10)는 엔진 시스템의 연소 제어를 실행한다.

제어 장치(10)가 생성하는 연료 분사 밸브 구동 신호(3s)의 펄스폭(Ti)은 이하의 식에 의해 연산된다.

수식 1

Ti ＝ KM×PM＋Tb

여기서, PM은 흡기관 부압 센서(7)로 측정한 흡기관 부압, Tb는 도6에 도시한 인젝터의 유량 특성(Qf)의 무효 펄스폭 보정항이다. 또, KM은 보정 계수로서, 공연비가 목표치 부근이 되도록 엔진 시스템의 전 운전 영역에서 보정을 행하는 것이다. 그 일예를 도7에 도시한다.

도1로 돌아가서, 연료 분사 밸브(3)의 노즐부(30)[즉, 분사점(o)]는 흡기관(2)이 각 기통을 향해서 분기 흡기관(2b, 2d, 2c)으로 분기하는 장소, 즉 흡기관(2)의 대략 중앙부 부근에 있는 분기점(2m)에 위치하고 있고, 상기 연료 분사 밸브(3)의 각 분사 방향축(도4의 ob축, od축, oc축)이 형성하는 분사점(o)(즉, 분사구)을 정점으로 하는 대략 이등변 삼각형[도4의 ob축, 저변(b-c), oc축]의 수직 이등분선(od축)을 포함하는 평면이 스로틀 밸브(4)로부터 내연 기관(1)을 향해 분기 흡기관(2b, 2d, 2c)의 내부를 유동하는 공기류의 주류선(2bj축, 2dj축, 2cj축)도 포함하도록 배치되어 있다. 즉, 연료 분사 밸브는 상기 연료 분사 밸브의 각 분사 방향축이 형성하는 분사구를 정점으로 하는 대략 이등변 삼각형의 수직 이등분선을 포함하는 평면이 스로틀 밸브에서 분기 흡기관을 향해 유동하는 공기류의 주류선도 포함하도록 배치되어 있는 구성이다.

환언하면, 분기점(2m)을 중심으로 해서 방사형으로 분기하고 있는 각 분기 흡기관(2b, 2d, 2c)의 내부를 흐르는 공기의 주류선(2bj축, 2dj축, 2cj축)을 포함하는 평면이 연료 분사 밸브(3)의 각 분사 방향축(ob축, od축, oc축)을 포함하는 평면에 거의 합치하는 관계로 구성되어 있다고 할 수 있다. 즉, 본 발명에 의한 연료 분사 밸브의 특징은 연료 분사 밸브가 형성하는 분사구를 정점으로 하는 부채꼴형의 방사 평면에 스로틀 밸브로부터 분기 흡기관을 향해 유동하는 공기류의 주류선을 포함하도록 해당 연료 분사 밸브가 배치되어 있는 점에 있다.

특히, 도1에 도시한 바와 같이 각 분기 흡기관(2b, 2d, 2c)은 직선형으로 연장하여 내연 기관(1)과 연접한 부채꼴형 방사 평면에 공기류의 주류선을 포함하는 것이 바람직하고, 표현을 달리하면 연료 분사 밸브(3)는 분사구에서 분사하는 연료의 주류선으로서의 각 분사 방향축(ob축, od축, oc축의 방향)과 내연 기관(1)을 향해 각 분기 흡기관(2b, 2d, 2c)을 유동하는 공기류의 주류선(2bj축, 2dj축, 2cj축의 방향)이 대체로 합치하도록 배치되어 있는 구성이다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 연료 분무의 주류가 공기류의 주류에 의해 직접적(또는 직선적)으로 내연 기관(1)(즉, 흡기 포트(1a))으로 안내되므로, 종래 기술과 같은 연료 분무가 흡기관의 벽면에 충돌해서 부착하는 것이 회피되고, 환언하면 연료 분무의 방향과 공기류의 편중 관계가 적정해져서 연료(연료 분무)가 균등하게 각 기통으로 분배되는 것이다. 이에 대해서는 후술하는 바와 같이 실험적으로 확인된 것이다.

즉, 상기 구성의 본 발명에 관한 내연 기관용 혼합기 형성 장치는 흡기관(2) 내에 배치되어 상기 흡기관(2)을 흐르는 공기 유량을 제어하는 스로틀 밸브와, 상기 스로틀 밸브보다도 하류 부위에 배치되어 일렬로 병렬 설치된 내연 기관의 각 기통을 향해서 다방향으로 연료를 분사하는 연료 분사 밸브를 구비하고, 상기 연료 분사 밸브의 각 분사 방향축이 형성하는 분사구를 정점으로 하는 대략 이등변 삼각형의 수직 이등분선을 포함하는 평면이 스로틀 밸브에서 내연 기관을 향해 유동하는 공기의 주류선도 포함하도록 연료 분사 밸브가 배치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

상술한 본 발명의 특징에 대해서 이하 상세하게 설명한다.

우선, 공기류의 흐름의 편중이 각 기통간의 공연비 변동에 악영향을 미치는 메커니즘에 대해서 설명한다. 연료 분사 밸브에서 분사된 연료는 그 전부가 각각 겨냥한 방향으로 비산하는 것이 아니라, 입자 직경이 작은 연료는 질량이 작기 때문에 관통력이 약해서 상기 연료 분사 밸브의 주위에 부유하고 있으므로, 분사구 부근의 공기의 미약한 흐름의 편중에도 영향을 받아 상당히 불안정하게 움직인다. 그 결과, 어느 기통에 흡입되는지는 제각기 달라지며, 그 결과 각 기통간의 공연비 변동이 발생한다. 한편, 입자 직경이 큰 연료는 질량이 크기 때문에 관통력이 강해서 겨냥한 방향으로 비산하지만, 큰 편중을 가진 강한 공기의 흐름을 만나면 역시 그 방향성은 분산되고 각 기통간의 공연비 변동이 발생한다.

도8은 내연 기관의 연료 분사에 있어서의 공기류가 연료 액적의 도달 방향에 미치는 영향을 도시한 도면이다. 도8 (a)는 대기압 내에서의 공기류 20 m/s, 도8 (b)는 대기압 내에서의 공기류 10 m/s, 도8 (c)는 －200 mmHg의 부압 내에서의 공기류 10 m/s의 각 상태를 도시한 도면이다. 연료 입자(액적)의 도달 방향이 공기의 흐름에 받는 영향을 컴퓨터 시뮬레이션으로 조사한 결과를 나타내고 있다.

도면에 있어서, 좌측 하단이 연료 분사 위치이고, 세로축이 연료 분사 방향, 가로축이 공기의 흐름 방향을 나타내고 있다. 이 시뮬레이션 결과로부터 이해되는 바와 같이 공기의 흐름에 영향을 받는 연료의 입자 직경은 공기의 유속이 빠를수록, 또 공기의 밀도(이 경우, 주위의 기압)가 높을수록 커지는 것을 알 수 있다.

따라서, 최대한 공기류에 편중이 발생하지 않도록 하는 것이 각 기통간의 공연비 변동을 억제하는 데 있어서 중요하다고 할 수 있다.

다음에, 공기류에 편중이 발생하는 이유에 대해서 설명한다.

도9는 흡기관 내의 공기류의 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다. 스로틀 밸브(4)의 개도가 작은 경우의 흡기관(2) 내의 공기류를 컴퓨터 시뮬레이션으로 해석한 결과를 나타낸 것이다. 상기 결과에 의하면, 스로틀 밸브(4)의 상류에서 하류로 유출되는 공기류는 스로틀 밸브(4)의 모든 주변에 걸쳐서 균등하게 유출되는 것이 아니라, 밸브의 양측 외주단에 편중되어 유출된다는 것을 이해할 수 있다. 게다가, 스로틀 밸브 하류측의 기압은 거의 진공에 가깝기 때문에, 그 경우에 스로틀 밸브(4)를 통과하는 공기 유속은 음속에 가깝게 빨라진다는 것이 판명되었다.

따라서, 공기류는 흡기관(2) 내부의 양벽을 따라서 고속으로 흐르고, 현저하게 편중되었다고 할 수 있다.

이 경우의 편중에 관해서는 회전식의 스로틀 밸브를 사용하는 한 불가피하다. 이로 인해, 각 기통간의 공연비 변동을 억제하는 면에서, 연료 분사 밸브에서 분사된 연료의 방향성을 분산시키지 않기 위해서는 연료의 분무 방향에 대해서 스로틀 밸브의 회전 방향을 맞추고 어떻게 편중없이 상기 공기류를 합류시키느냐가 대단히 중요한 과제라는 사실이 이해된다.

그래서, 발명자들이 여러가지 검토한 결과, 전술한 바와 같이 연료 분사 밸브의 각 분사 방향축이 형성하는 분사구를 정점으로 하는 대략 이등변 삼각형의 수직 이등분선을 포함하는 평면이 스로틀 밸브에서 내연 기관을 향해 유동하는 공기의 주류선도 포함하도록 일렬 형상의 노즐을 갖는 연료 분사 밸브가 배치되어 있는 것이 바람직하다는 사실이 판명되었다.

그러나, 스로틀 밸브의 회전 방향과 연료의 분무 방향의 관계에 의해서는 차이가 발생하는 경우가 있다는 것도 알 수 있으므로, 스로틀 밸브의 회동 방향을 연료의 분무 방향에 관해서 기통마다의 공연비 변동을 평가 기준으로 하여 실험적으로 조사 검토했다. 이 결과에 대해서, 비교예와 본 발명에 의한 실시예를 비교해서 설명한다. 우선, 도10 내지 도12를 참조하여 비교예에 대해서 설명한다.

도10, 도11은 비교예의 스로틀 밸브 축방향과 연료 분사 방향의 관계를 도시한 횡단면도 및 종단면도이다. 도12는 비교예의 스로틀 밸브의 축방향에 의한 공기류의 편중과 그 연료 분무의 방향성으로의 영향을 도시한 개념도이다.

도10, 도11에 도시한 바와 같이, 연료 분사 밸브(3)의 각 분사 방향축(ob축, od축, oc축)이 형성하는 분사구를 정점으로 하는 대략 이등변 삼각형의 수직 이등분선을 포함하면서 상기 대략 이등변 삼각형의 저변(b-c)에 직교하는 평면(즉, od축을 포함하는 평면)이 스로틀 밸브(4)에서 내연 기관(1)을 향한 흡기관(2)의 축선(2aj)도 포함하도록 연료 분사 밸브(3)[즉, 분사점(o)]가 배치되어 있다.

이와 같은 구성의 경우는 흡기관(2)의 중심을 향해서 균등하게 연료가 분사되고 있는데도 불구하고, 저변(b-c)을 축으로 하는 방향과 밸브 축(4a)의 축방향이 직각이 되는 관계로 배치되어 있으므로, 도12의 개념도에 도시한 바와 같이 스로틀 밸브(4)가 개구하는 흡기관(2)의 양외측(벽면측)의 공기류(5a, 5b)가 많아지는 편류 분포를 나타내고, 그 결과, 연료 분무가 화살표 X, Y와 같이 외측에서 내측 방향으로 밀려나와서 기통마다의 공연비에 큰 변동이 발생하고 있다는 것이 판명되었다. 즉, 비교예의 기통마다의 공연비 변동(△A/F)은 후술하는 도15의「비교예」에 도시한 바와 같이 내연 기관의 운전 조건에 따라서는 허용치에 대해서 약 3배인 값을 나타내는 경우가 있다는 것을 알 수 있다.

한편, 도13 내지 도15를 참조하여 본 발명에 의한 다른 실시예에 대해서 설명한다.

도13, 도14는 본 발명에 의한 실시예의 스로틀 밸브 축방향과 연료 분사 방향의 관계를 도시한 횡단면도 및 종단면도이다. 도15는 스로틀 밸브 축방향과 공연비 변동(△A/F)의 관계에 대한 조사 결과를 비교한 도면이다.

도13, 도14에 도시한 바와 같이, 스로틀 밸브(4)의 밸브 축(4a)의 방향을 90도 회전해서 배치하여 저변(b-c)의 방향과 밸브 축(4a)의 방향이 평행이 되도록 배치한 결과, 도15의「실시예」에 도시한 바와 같이 내연 기관이 넓은 운전 조건의 범위에 있어서 공연비 변동(△A/F)을 허용치 내로 억제할 수 있었다.

이와 같이, 연료의 분무에 대해서 공기를 편중없이 합류시키는 것도 각 기통간의 공연비 변동을 억제하는 데 상당히 중요하다는 것이 실험에서 확인되었다.

환언하면, 종래 기술(특허 공개 소63-223364호 공보)에 있어서「각 기통간의 연료 분배에 영향을 주는 것은 연료 분사 밸브의 각 분사구의 구경 변동 뿐이다」라고 되어 있고, 본 발명의 특징으로 하는 구성에 관해서는 전혀 개시되어 있지 않다고 할 수 있다.

이상과 같이, 연료 분사 밸브(3)의 분사 방향과 스로틀 밸브(4)의 밸브 축(4a)의 방향간에는 최적의 관계가 있고, 즉 스로틀 밸브(4)의 밸브 축방향이 연료 분사 밸브(3)에서 평면상으로 분사되는 연료 분무가 형성하는 분사구(분사점, o)를 정점으로 하는 대략 이등변 삼각형의 저변(b-c)의 방향과 대체로 평행이 되는 관계로 배치한 본 발명에 의한 구성에 의해서 공연비 변동(△A/F)을 작게 억제할 수 있었다.

즉, 본 발명에 의한 내연 기관용 혼합기 형성 장치의 다른 특징은 스로틀 밸브의 밸브 축방향을 전술한 상정된 대략 이등변 삼각형의 저변 방향과 대체로 평행의 관계로 설정함으로써, 스로틀 개도가 작은 영역에서의 공기류가 연료 분사 밸브의 각 분사 방향축이 형성하는 부채꼴형의 면에 대해서 편중을 가지지 않도록 한 점에 있다. 따라서, 도15에 도시한 바와 같이, 본 실시예와 같은 구성의 내연 기관용 혼합기 형성 장치를 사용하면, 넓은 범위에 있어서 양호한 운전이 확보되는 엔진 시스템이 제공된다.

그런데, 밸브 축(4a)과 저변(b-c)의 위치 관계는 반드시 도13, 도14에 도시한 것에 한정되는 것은 아니다. 이에 대해서 설명한다.

도16은 본 발명에 의한 다른 실시예의 스로틀 밸브 축방향과 연료 분사 방향의 관계를 도시한 개념도이다. 도17은 본 발명에 의한 또 다른 실시예의 스로틀 밸브 축방향과 연료 분사 방향의 관계를 도시한 개념도이다.

도16에 도시한 바와 같이, 밸브 축(4a)의 가변(p-q)과 저변(b-c)의 양자가 직사각형 또는 사다리꼴이 대칭하는 2변이 되도록 대체로 평행하게 배치되어 있어도 좋다는 사실이 확인되었다.

그리고, 도17과 같이 밸브 축(4a)의 가변(p-q)과 저변(b-c)으로 이루어진 평면(p-q-c-b)에 분사점(o)을 포함한 구성 배치, 또는 오프셋된 평면(p'-q'-n-m)과 평면(m-n-c-d)으로 이루어진 구성 배치라도 좋고, 또 각도를 두고 격리된 위치에 밸브 축(4a)이 배치된 평면(p-q-n-m)과 평면(m-n-c-d)으로 이루어진 구성 배치라도 괜찮다는 것은 용이하게 추고할 수 있다.

다음에, 스로틀 밸브를 우회하여 일부의 흡기를 보조 흡기 통로를 거쳐서 흡기 통로 내로 배출하는(보조 공기 분류의) 구성의 실시예에 대해서 설명한다.

보조 흡기 통로로서의 보조 흡기관(8)을 통과하는 공기량은 스로틀 밸브(4)가 거의 전폐에 가까운 경우에 상기 통로 개구 면적이 커질수록 많아진다. 상기 보조 흡기관(8)은 통상 흡기관(2)의 벽면에 개구한 배출 구멍으로서의 개구부(8b)에 연통되어 있고, 보조 흡기관(8)을 통과한 공기류는 통로 밸브(8a)의 개폐에 의해서 개구부(8b)로부터 분류되어 흡기관(2)을 흐르는 공기류와 충돌 혼류한다. 여기서, 스로틀 밸브 개구 면적보다도 보조 흡기관(8)의 개구 면적 쪽이 큰 경우에는 보조 공기의 분류의 기세 쪽이 강해져서 흡기관(2) 내의 공기류는 보조 공기의 흐름이 지배적이 된다. 따라서, 개구부(8b)의 위치나 방향이 편향하고 있으면, 그 편향에 추종해서 흡기관(2) 내의 공기류에 편중이 발생하게 된다.

그래서, 보조 공기계 통로의 개구부(8b)의 위치에 대해서 보조 흡기관(8)을 거쳐서 흡기관(2) 내로 배출하는 공기의 분류 방향을 변경하고, 기통마다의 공연비 변동(△A/F)을 평가 기준으로 하여 실험적으로 조사 검토했다. 이에 대해서 설명한다.

도18, 도19는 비교예의 보조 공기계의 통로 출구 위치와 연료 분사 방향의 관계를 도시한 횡단면도 및 종단면도이다. 보조 흡기관(8)의 하류측의 개구부(8b)의 위치를 흡기관(2) 내로 배출하는 공기의 분류가 연료의 분무 방향에 대해서 교차시킨 경우이다.

이 비교예에서는 도18, 도19에 도시한 바와 같이, 보조 흡기관(8)의 하류측의 개구부(8b)는 제1 기통측[분기 흡기관(2b)측]에 편중된 구성으로 되어 있다. 이로 인해, 제1 기통측에는 보다 많은 공기가 분배되어 연료량이 희박해지고, 한편 다른 기통측에 있어서는 밀려나온 연료 분무가 보다 많이 분배되어 연료량이 진해지므로, 후술하는 바와 같이 공연비 변동(△A/F)이 악화한다는 사실이 판명되었다.

환언하면, 전술한 바와 같이 스로틀 밸브(4)의 개도 방향과 밸브 축(4a)의 방향을 적절하게 함으로써 공연비 변동(△A/F)을 허용치 이하로 억제할 수 있으나, 보조 흡기관(8)을 도18, 도19에 도시한 구성으로 설치한 경우라면 공연비 변동(△A/F)이 악화한다는 사실이 판명되었다.

도20, 도21은 본 발명에 의한 실시예의 보조 공기계의 통로 출구 위치와 연료 분사 방향의 관계를 도시한 횡단면도 및 종단면도이다. 도22는 보조 공기계의 통로 출구 위치와 공연비 변동(△A/F)의 관계에 대한 조사 결과를 비교한 도면이다.

도20, 도21에 도시한 바와 같이, 보조 흡기관(8)의 하류측의 개구부(8b)가 흡기관(2)의 대략 중앙에 오도록 배치한 구성으로 되어 있고, 도22에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 구성이라면 공연비 변동(△A/F)을 허용치 내로 억제할 수 있다는 것이 판명되었다.

즉, 도20, 도21에 도시한 바와 같이 보조 흡기관(8)의 배치를 90도 엇갈리게 하고, 보조 흡기관(8)의 하류측의 개구부(8b)는 해당 개구부(8b)에서 흡기관(2) 내로 배출하는 공기류의 분류 방향이 전술한 수직 이등분선(od축)의 방향과 대체로 일치하도록 흡기관(2)에 개구하고 있다. 환언하면, 개구부(8b)가 흡기관(2)의 대략 중앙에 오도록 배치한 결과, 기통마다의 공연비 변동(△A/F)을 허용치 내로 억제할 수 있었다.

따라서, 본 발명에 의한 내연 기관용 혼합기 형성 장치의 다른 특징은 흡기관은 스로틀 밸브를 우회하고, 해당 흡기관에 공기를 도입하는 보조 흡기관을 구비하고, 상기 보조 흡기관은 해당 보조 흡기관에서 흡기관 내로 배출하는 공기의 분류 방향이 연료의 분사 방향에 대해서 평행하게, 또 대략 이등변 삼각형의 수직 이등분선의 방향과 대체로 일치하는 구성이 되도록 흡기관에 개구하고 있는 점에 있다.

그런데, 개구부(8b)의 위치는 반드시 도20, 도21과 같을 필요는 없으며, 이에 대해서 설명한다.

도23은 본 발명에 의한 다른 실시예의 보조 공기계의 통로 출구 위치와 연료 분사 방향의 관계를 도시한 종단면도이다.

도23에 도시한 바와 같이, 상기 보조 흡기관(8)의 하류측의 개구부(8b)는 스로틀 밸브(4)에서 내연 기관(1)을 향한 흡기관(2)의 축선(2aj)과 연료 분사 밸브(3)의 분사점(o)(분사구)을 포함하는 면(2aj-o)이 흡기관(2)의 벽면과 교차하는 선(1, m, n)의 근방에 상기 개구부(8b)의 중심부가 배치되도록 구성해도 된다는 것을 용이하게 추고할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의해서, 연료 분무의 방향과 공기류의 편중의 관계를 고려하여 연료를 균등하게 각 기통으로 분배하는 것을 가능하게 하는 내연 기관용 혼합기 형성 장치가 제공되고, 그리고, 상기 내연 기관용 혼합기 형성 장치를 사용한 엔진 시스템이라면 넓은 범위에 있어서 양호한 운전이 확보된다.

본 발명에 의하면, 내연 기관의 회전에 동기하여 상기 내연 기관의 복수의 기통을 향해서 하나의 연료 분사 밸브에서 다방향으로 연료를 분사하는 연료 분사 밸브를 구비한 내연 기관용 혼합기 형성 장치에 있어서 공기의 흐름의 편중을 없애고, 또 연료의 분사 방향성을 저해하는 일이 없으므로, 각 기통에의 연료 분배성이 좋은 내연 기관용 혼합기 형성 장치 및 양호한 운전성을 가진 엔진 시스템을 실현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 하류 부위에 복수개의 분기 흡기관을 갖고 내연 기관에 연접하는 흡기관과, 상기 흡기관의 상류 부위에 배치되어 해당 흡기관 내를 흐르는 공기류의 유량을 제어하는 스로틀 밸브와, 상기 분기 흡기관과 상기 스로틀 밸브 사이에 배치되어 일렬로 병렬 설치된 분사구로부터 상기 각 분기 흡기관을 향해서 다방향으로 연료를 분사하는 연료 분사 밸브를 구비하고,

   상기 연료 분사 밸브는 상기 연료 분사 밸브의 각 분사 방향축이 형성하는 분사구를 정점으로 하는 대략 이등변 삼각형의 수직 이등분선을 포함하는 평면이 상기 스로틀 밸브에서 상기 분기 흡기관을 향해서 유동하는 상기 공기류의 주류선도 포함하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 혼합기 형성 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 스로틀 밸브의 밸브 축방향은 상기 대략 이등변 삼각형의 저변 방향과 대체로 평행이 되는 관계로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 혼합기 형성 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 흡기관은 상기 스로틀 밸브를 우회하여 상기 공기류를 도입하는 보조 흡기관을 갖고,

   상기 보조 흡기관의 하류측의 개구부는 해당 개구부에서 상기 흡기관 내로 배출하는 상기 공기류의 분류 방향이 상기 수직 이등분선의 방향과 대체로 일치하도록 상기 흡기관으로 개구하고 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 혼합기 형성 장치.
4. 하류 부위에 복수개의 분기 흡기관을 갖고 내연 기관에 연접하는 흡기관과, 상기 흡기관의 상류 부위에 배치되어 해당 흡기관 내를 흐르는 공기류의 유량을 제어하는 스로틀 밸브와, 상기 분기 흡기관과 상기 스로틀 밸브 사이에 배치되어 일렬로 병렬 설치된 분사구에서 상기 각 분기 흡기관을 향해서 다방향으로 연료를 분사하는 연료 분사 밸브를 구비하고,

   상기 연료 분사 밸브는 상기 분사구로부터 분사하는 상기 연료의 각 분사 방향축이 상기 내연 기관을 향해서 상기 각 분기 흡기관을 유동하는 상기 공기류의 주류선과 대체로 합치하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 혼합기 형성 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 내연 기관용 혼합기 형성 장치를 사용한 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.