KR19980081769A - 통내 분사형 불꽃 점화식 엔진 - Google Patents

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KR19980081769A
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구도우히데토시
야마시타히로유키
오타노리유키
마루바라마사시
가게야마아키라
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밀러제임스이
마쓰다가부시키가이샤
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Abstract

본 발명에 따르면, 연소실 주연에 인젝터를 배치한 통내 분사형 불꽃 점화식 엔진에 있어서, 성층 연소시나, 낮은 공연비에서 균일 연소시에 흡기 유동을 효과적으로 활용하여 연소성을 향상시킨다.
피스톤(4)의 최상부에 캐비티(6)를 마련하는 한편, 연소실(5)의 주연부에 인젝터(12)를 배치하여, 저부하 저회전측의 운전 영역에서는 압축 행정 분사에 의해 성층 연소 상태로 하고, 고부하 고회전측의 운전 영역에서는 흡기 행정 분사에 의해 균일 연소 상태로 한다. 또한, 균일 연소 영역중의 저부하 저회전측의 영역에서는 공연비를 낮게 한다. 그리고, 성층 연소 영역에서부터 낮은 공연비에서 균일 연소 영역에 걸쳐, 텀블 성분과 스월 성분을 포함하는 경사 스월을 생성시키고, 또한 적어도 낮은 공연비에서 균일 연소 영역에서 텀블비가 스월비보다 커지도록 설정한다.

Description

통내 분사형 불꽃 점화식 엔진
본 발명은 피스톤의 최상부에 캐비티(cavity)를 마련함과 동시에, 연소실의 주연부에 인젝터(injector)를 배치한 통내 분사형 불꽃 점화식 엔진에 관한 것이다.
종래, 예를 들면 일본 특허 공개 평성 제 7-286520 호 공보(1995년)에 개시되어 있는 바와 같이, 연소실 중앙부에 점화 플러그를 배치함과 동시에, 연소실의 주연부에 인젝터를 배치하여, 상기 인젝터로부터 연소실에 직접 연료를 분사하도록 한 통내 분사형 불꽃 점화식 엔진은 공지되어 있는 바이다.
이러한 형태의 엔진에서는, 상기 인젝터가 연소실의 주연부로부터 경사 하방(피스톤측)을 향하여 연료를 분사하도록 배치되어 있으며, 압축 행정에서 이 인젝터로부터 연료가 분사되면, 피스톤 최상부에서 반사된 연료가 점화 플러그 주위로 보내짐으로써 성층 연소가 실행되고, 또한 흡기 행정에 의해 연료가 분사되면, 혼합기(混合氣)가 연소실 전체에 확산되어 균일 연소가 실행된다.
그래서, 운전 상태에 따라 연료 분사 형태를 변경하여, 예를 들면 저부하 저회전 영역에서는 압축 행정 분사에 의해 성층 연소 상태로 하는 한편, 고부하 영역이나 고회전 영역에서는 흡기 행정 분사에 의해 균일 연소 상태로 한다고 하는 것과 같은 제어가 실행되고 있다. 또한, 이러한 연료 분사 형태의 제어에 대응하여 공연비(air-fuel ratio)가 제어되어, 예를 들면 성층 연소가 행해지는 운전 영역에서는 공연비가 대폭 낮아지고, 균일 연소가 행해지는 운전 영역에서는 비교적 저부하측에서 공연비가 낮게 되는 한편, 고부하측에서 공연비가 높게 된다고 하는 것과 같은 제어가 실행되고 있다.
또, 이러한 엔진에 있어서, 성층화를 촉진시키기 위하여 피스톤의 최상부에 부분적으로 캐비티를 마련하여, 압축 행정 분사시에 인젝터로부터 분사된 연료가 상기 캐비티를 지나 점화 플러그 부근으로 보내지도록 한 구조도 고려할 수 있다.
종래 이러한 종류의 엔진에서는, 상기 인젝터의 설치 각도(실린더 보어(bore)축선과 직교하는 평면에 대한 하향 경사 각도)가 작으면, 피스톤의 최상부에 성층화 촉진을 위한 캐비티를 마련해 두더라도, 압축 행정 분사에 의한 성층 연소시에는 연료 분사가 캐비티밖으로 대부분 비산하여 트랩성이 불량하게 되기 때문에, 성층도가 저하하여 연비율 및 연소 안정성 등이 악화된다. 또한, 흡기 행정 분사에 의한 균일 연소시에는, 실린더 벽면으로의 연료 부착이 증대하여, HC단량이 증가함과 동시에 윤활용 오일의 희석을 초래한다고 하는 문제가 발생한다.
또한, 인젝터의 설치 각도를 크게 하면, 상기한 문제가 개선되지만, 흡기 포트와의 간섭 방지 등의 레이아웃상의 제약으로 인하여, 상기한 문제를 해소할 수 있을 만큼 인젝터의 설치 각도를 크게 하는 것은 곤란하다.
그래서, 흡기 유동을 이용하여 상기한 문제를 개선하는 것이 고려되어, 예를 들면 연소실내에 텀블[종형(縱型) 와류]을 생성하도록 흡기계를 형성하면, 인젝터로부터의 분무가 텀블에 의해 하방을 향하게 되기 때문에, 성층 연소시에 상기 캐비티에 의한 트랩성이 개선됨과 동시에, 균일 연소시에 실린더 벽면으로의 연료 부착이 저감된다.
그러나, 이러한 텀블만으로는, 성층 연소시에, 상기 캐비티에 트랩된 혼합기를 점화 플러그 방향을 향하게 하는 것과 같은 수송 작용을 충분히 얻을 수 없어, 점화 플러그 주위의 혼합기의 공연비에 편차가 생기기 쉽게 된다. 또한, 텀블 성분은 압축 행정중에 감쇠, 붕괴하기 쉽기 때문에, 연료 분사량이 비교적 많은 중부하(中負荷)에서의 성층 연소시에 혼합기의 적절한 확산을 도모할 수 없어, 연비율이 악화된다.
또한, 스월(횡측 와류)을 생성하도록 흡기계를 형성하는 것도 고려되는데, 스월만으로는 성층 연소시나 낮은 공연비에서의 균일 연소시에, 혼합기가 점화 플러그 주위보다 연소실 주변에 많이 편재하는 역(逆)성층 상태로 됨으로써, 연소성의 향상을 도모할 수 없다고 하는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 성층 연소시나, 낮은 공연비에서의 균일 연소시에 흡기 유동을 효과적으로 활용하여 연소성을 향상시킬 수 있는 통내 분사형 불꽃 점화식 엔진을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 통내 분사형 불꽃 점화식 엔진의 단면도,
도 2는 상기 엔진의 연소실 및 흡기계의 개략 평면도,
도 3은 상기 엔진의 연소실의 단면도,
도 4는 피스톤 최상부의 평면도,
도 5는 도 1의 A-A선 부분에서의 흡기 포트의 단면 형상을 도시한 도면,
도 6은 포트 형상에 대한 설명도,
도 7은 경사 스월을 나타내는 설명도,
도 8은 제어 계통을 나타내는 블럭도,
도 9는 연료 분사 형태 및 공연비의 제어맵을 도시한 도면,
도 10은 엔진 부하에 따른 흡기 유동의 제어를 도시한 도면,
도 11은 엔진 회전수에 따른 흡기 유동의 제어를 도시한 도면,
도 12는 텀블비 측정을 위한 장치의 개략도,
도 13은 스월비 측정을 위한 장치의 개략도,
도 14는 흡기 유동이 텀블일 경우와 경사 스월일 경우에 있어서, 엔진 부하에 따른 연비율의 변화를 도시한 도면,
도 15는 와류 세기와 연소 기간과의 관계를, 스월 경사각을 여러 가지로 변경한 경우에 대하여 도시한 도면,
도 16은 제어 밸브를 구동하는 플로우차트,
도 17은 연료 공급 제어 플로우챠트,
도 18a 내지 도 18e는 피스톤 최상부에 마련되는 캐비티의 평면 형상의 여러가지 변형예를 나타내는 도면,
도 19는 상기 캐비티의 단면 형상의 변형예를 나타내는 단면도,
도 20a 및 도 20b는 피스톤 최상부 형상의 변형예를 나타내는 단면도,
도 21은 상기 캐비티의 단면 형상의 또다른 예를 나타내는 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 엔진 본체 3 : 실린더 헤드
4 : 피스톤 5 : 연소실
6 : 캐비티 7A, 7B : 흡기 포트
11 : 점화 플러그 12 : 인젝터
18 : 제어 밸브 20 : ECU
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 피스톤의 최상부에 캐비티를 마련하는 한편, 연소실의 주연부에 인젝터를 배치하여, 저부하 저회전측의 운전 영역에서는 상기 인젝터로부터 압축 행정에서 상기 캐비티로 연료를 분사시켜서 연소실 중앙부에 배치된 점화 플러그 주위에 혼합기를 편재시키는 성층 연소 상태로 하고, 고부하 고회전측의 운전 영역에서는 상기 인젝터로부터 연료를 흡기 행정으로 분사하여 연소실 전체에 혼합기를 확산시키는 균일 연소 상태로 하도록 구성한 통내 분사형 불꽃 점화식 엔진에 있어서, 균일 연소 상태로 하는 운전 영역중의 저부하 저회전측의 영역에서는 공연비를 낮게 하는 공연비 제어 수단을 마련함과 동시에, 한 쌍의 흡기 포트와 양 흡기 포트의 흡기 유동을 조절하는 흡기 유동 조절 수단에 의해, 스월 성분과 텀블 성분을 포함하는 경사 스월을 생성할 수 있는 흡기계를 구성하여, 상기 성층 연소 상태로 되는 운전 영역에서부터 낮은 공연비에서 균일 연소 상태로 되는 운전 영역에 걸쳐 상기 경사 스월을 생성시키고, 또한 적어도 낮은 공연비에서 균일 연소 상태로 되는 운전 영역에서 텀블비가 스월비보다 커지도록 설정한 것이다.
이 구성에 따르면, 성층 연소 상태로 될 때에는 상기 경사 스월에 포함되는 텀블 성분에 의해 상기 캐비티의 분무 트랩성을 높일 수 있음과 동시에, 압축 행정 후기에 텀블 성분이 붕괴되어 스월 성분이 남겨짐에 따라 상기 캐비티로부터 점화 플러그 주위로의 혼합기 수송성 등이 향상되어, 성층 연소가 양호하게 실행된다. 또한, 낮은 공연비에서 균일 연소 상태로 될 때에는 상기 경사 스월에 의해 실린더벽으로의 연료 부착이 억제됨과 동시에, 혼합기의 확산이 양호하게 실행되어 균일 연소가 양호하게 실행된다.
이 엔진에 있어서, 적어도 낮은 공연비에서 균일 연소 상태로 되는 운전 영역에서, 인젝터의 분사 방향보다 연소실 하방측을 향한 방향으로 경사 스월을 생성시키도록 하여, 특히 실린더 보어 중심선과 직교하는 방향의 평면에 대하여 45°이상 경사진 방향으로 상기 경사 스월을 생성시키도록 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 하면, 낮은 공연비에서 균일 연소 상태로 될 때, 인젝터로부터 분무가 상기 경사 스월에 의해 하방을 향하게 됨으로써, 실린더벽으로의 연료 부착을 억제하는 등의 작용을 양호하게 얻을 수 있다.
또한, 연소실의 천정 부분을 5각형 루프 형상으로 하고, 피스톤 최상부의 형상을 상기 천정 부분에 대응한 형상으로 함과 동시에, 상기 캐비티를 피스톤 최상부의 중앙보다 인젝터에 가까운 쪽으로 오프셋한 위치에 형성하고, 이 캐비티의 주연에 대응하는 위치에 점화 플러그를 배치하며, 또한 피스톤의 융기부에 있어서의 스월 방향 상류측의 캐비티 주연에 인젝터로부터의 분사 연료를 스월 방향으로 가이드하는 세로벽을 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같이 하면, 성층 연소시에 상기 캐비티에 트랩된 분무가 캐비티 주연으로 가이드되어 점화 플러그측으로 보내짐으로써, 점화 플러그 부근으로의 혼합기 수송성이 향상된다.
상기한 바와 같이 피스톤 최상부의 형상을 연소실 천정 부분에 대응한 5각형 루프 형상으로 함과 동시에, 캐비티의 저벽을 실린더 보어 중심선과 대략 직교하는 방향의 평탄면으로 해 두면, 분무를 트랩하는 작용을 양호하게 얻을 수 있다.
혹은, 캐비티의 저벽을 점화 플러그에 가까운 쪽이 피스톤 주변측보다 높게 되도록 실린더 보어 중심선과 직교하는 면에 대하여 경사지게 해 두어도 무방하며, 이와 같이 하면 성층 연소시에 있어서 압축 행정 후기에 경사 스월의 텀블 성분을 붕괴하는 작용, 캐비티로부터 점화 플러그 주위로 혼합기를 보내는 작용을 양호하게 얻을 수 있다.
상기 흡기 유동 조절 수단으로서 일방의 흡기 포트에 대하여 흡기의 유통, 차단을 가능하게 하는 제어 밸브를 마련함과 동시에, 제어 밸브가 완전 개방 상태일 때에도 텀블이 생성되고, 제어 밸브가 폐쇄됨에 따라서 스월 성분이 강화되며, 또한 완전 개방에서부터 완전 폐쇄에 걸쳐 항상 텀블비가 스월비 이상으로 되도록 흡기 포트 형상을 설정해 놓는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 경사 각도가 큰 경사 스월을 확실히 얻을 수 있다.
또한, 바람직하게는, 운전 상태에 따라 흡기 유동 조절 수단을 제어하는 제어 수단을 마련하여, 성층 연소 상태로 되는 운전 영역에서는 부하가 높아짐에 따라서 스월 성분을 강화하도록 제어한다. 예를 들면, 운전 상태에 따라 상기 제어 밸브의 작동을 제어하는 제어 수단을 마련하여, 성층 연소 상태로 되는 운전 영역에서는 부하가 높아짐에 따라 상기 제어 밸브의 개방도를 작게 하고, 낮은 공연비에서 균일 연소 상태로 되는 운전 영역에서는 상기 제어 밸브를 완전 폐쇄로 한다. 이와 같이 하면, 성층 연소 상태로 되는 운전 영역중 비교적 연료 분사량이 많아지는 영역에서는 적절히 혼합기가 확산되어, 성층 연소시의 혼합기 분포 상태가 적절히 조절된다.
본 발명의 다른 구성에서는, 피스톤의 최상부에 캐비티를 마련하는 한편, 연소실의 주연부에 인젝터를 배치하여, 저부하 저회전측의 운전 영역에서는 상기 인젝터로부터 압축 행정에서 상기 캐비티로 연료를 분사시켜서 연소실 중앙부에 배치된 점화 플러그 주위에 혼합기를 편재시키는 성층 연소 상태로 하고, 고부하 고회전측의 운전 영역에서는 상기 인젝터로부터 연료를 흡기 행정으로 분사하여 연소실 전체에 혼합기를 확산시키는 균일 연소 상태로 하도록 구성한 통내 분사형 불꽃 점화식 엔진에 있어서, 균일 연소 상태로 하는 운전 영역중의 저부하 저회전측의 영역에서는 공연비를 낮게 하는 공연 비율 제어 수단을 마련함과 동시에, 한 쌍의 흡기 포트와 양 흡기 포트의 흡기 유동을 조절하는 흡기 유동 조절 수단에 의해, 스월 성분과 텀블 성분을 포함하는 경사 스월을 생성할 수 있는 흡기계를 구성하여, 상기 성층 연소 상태로 되는 운전 영역에서부터 낮은 공연비에서 균일 연소 상태로 되는 운전 영역에 걸쳐 상기 경사 스월을 생성시키고, 또한 적어도 낮은 공연비에서 균일 연소 상태로 되는 운전 영역에서 상기 경사 스월이 인젝터의 분사 방향보다 연소실 하방측을 향하도록 한 것이다.
이 구성에 의해서도, 성층 연소 상태로 될 때에는 상기 경사 스월에 의해 상기 캐비티의 분무의 트랩성 및 상기 캐비티로부터 점화 플러그 주위로의 혼합기 수송성 등이 향상되고, 또한 낮은 공연비에서 균일 연소 상태로 될 때에는 인젝터의 분사 방향보다 하방측을 향한 경사 스월에 의해 실린더벽으로의 연료 부착이 억제된다.
발명의 실시예
본 발명의 실시예를 도면에 근거하여 설명한다.
도 1 및 도 2는 통내 분사형 불꽃 점화식 엔진의 구조의 일례를 도시하는 도면이다. 이들 도면에 있어서, 참조부호(1)는 엔진 본체로서, 실린더 블럭(2) 및 실린더 헤드(3) 등으로 이루어지고, 복수의 실린더를 구비하고 있으며, 그 각 실린더에는 피스톤(4)이 끼워져 있고, 이 피스톤(4)의 최상면과 실린더 헤드(3)의 하면 사이에 연소실(5)이 형성되어 있다. 상기 피스톤(4)의 최상부에는 캐비티(6)가 설치되어 있다.
상기 실린더 헤드(3)에는, 연소실(5)에 개구하는 2개의 흡기 포트(7A, 7B)와, 2개의 배기 포트(8A, 8B)가 형성됨과 동시에, 상기 양 흡기 포트(7A, 7B)를 각각 개폐하는 2개의 흡기 밸브(9)와, 상기 양 배기 포트(8A, 8B)를 각각 개폐하는 2개의 배기 밸브(10)와, 이들 흡기 밸브(9), 배기 밸브(10)를 구동하는 엔진의 길이 방향으로 연장되는 캠 샤프트(9a, 9b)와, 점화 플러그(11)와, 인젝터(12)가 장착되어 있다. 상기 인젝터(12)는 연소실(5)의 주연부에 배치되고, 이 위치로부터 연소실(5)내로 직접 연료를 분사하도록 되어 있다. 또한, 상기 점화 플러그(11)는 연소실(5)의 중앙부에 배치되어 있다.
이들의 구조를 구체적으로 설명하면, 상기 실린더 헤드(3)의 하면에 의해 구성되는 연소실(5)의 천정 부분은 5각형 루프 형상으로 되어 있고, 상기 피스톤(4)의 최상부도 상기 천정 부분에 대응하여 중앙부가 융기한 5각형 루프 형상으로 되어 있다. 또한, 상기 캐비티(6)는 도 3 및 도 4에도 도시하는 바와 같이, 피스톤(4)의 최상부를 부분적으로 오목하게 하여 이루어진 것으로서, 인젝터(12)측으로 오프셋된 위치에 설치되어 있다. 즉, 피스톤(4)의 최상부에 있어서 인젝터(12)측의 주연 부근으로부터 중앙부 부근에 걸친 범위내에서 캐비티(6)가 형성되고, 이 캐비티(6)의 주연부 중 피스톤 중앙부측의 부분과 점화 플러그(11)가 대응하는 것과 같은 위치 관계로 되어 있다.
본 실시예에 있어서 상기 캐비티(6)는, 도 4에 도시하는 바와 같이 평면에서 보아 타원 형상으로 되어 있음과 동시에, 도 3의 단면도에 도시하는 바와 같이 저면이 수평 방향(실린더 보어 중심선과 직교하는 방향), 주위 벽면이 수직 방향(실린더 보어 중심선과 평행한 방향)으로 형성되어 있다.
상기 흡기 포트(7A, 7B)는 서로 독립적으로 형성되어 있고, 그 종단면[즉, 흡기 포트(7A, 7B)가 연장되는 방향에 대해 평행한 축선에 따른 단면]의 형상으로서는, 도 1에 도시하는 바와 같이 상류측이 실린더 헤드(3)의 일측벽 상부에 위치하고, 상류단으로부터 소정 범위의 부분(71)이 경사져서 하방으로 직선 형상으로 연장되며, 그 경사 방향 직선 형상 부분(71)의 하류측에, 수평 방향(실린더축 중심과 직교하는 방향)에 대한 경사가 가장 완만하게 된 구간(72)을 갖고, 이 완경사 구간(72)보다 하류측의 부분(73)(하류단 근방의 스로트부로부터 하류단까지의 부분)은 수평 방향에 대한 경사 각도가 점차 커지며, 그 하류단이 5각형 루프 형상의 연소실 천정 부분으로 개구되어 있다.
상기 양 흡기 포트(7A, 7B)의 횡단면(축선이 직교하는 단면)의 형상은 서로 대칭으로서, 상기 경사 방향 직선 형상 부분(71)에서 도 5에 도시하는 바와 같은 이형(異形) 단면 형상으로 되어 있다. 즉, 도 5에 있어서, 양 흡기 포트(7A, 7B)의 횡단면 형상은, 실린더 헤드 하면에서 먼 쪽에 위치하는 상변부(74)와, 흡기 포트 사이측과는 반대측에 위치하는 외측변부(75)와, 흡기 포트 사이측인 내측으로부터 하측에 걸친 사변부(斜邊部)(76)를 갖는 대략 삼각형 형상으로 되어 있으며, 보다 상세하게는 상기 상변부(74), 외측변부(75) 및 사변부(76)에 부가하여 상변부(74)와 사변부(76) 사이의 짧은 내측변부(77) 및, 외측변부(75)와 사변부(76) 사이의 짧은 하변부(78)를 갖는 대략 5각형 형상으로 되어 있다.
그리고, 도 5에 도시하는 바와 같이, 흡기 포트(7A, 7B)의 횡방향 최대폭의 중심이면서, 또한 종방향 최대폭의 중심이 되는 위치를 축심(O)으로 하고, 이 축심(O)을 지나 서로 직교하는 횡방향 및 종방향의 2개 직선을 각각의 방향 중심선(Lx, Ly)이라고 칭하며, 흡기 포트(7A, 7B)의 횡방향 또는 종방향 최대폭에 상당하는 직경의 원을 기준원(C)(흡기 포트가 원형 단면일 경우의 횡단면 형상에 상당)으로 하면, 포트 단면은 상기 기준원(C)과 비교하여, 횡방향 중심선(Lx)보다 상측 및 종방향 중심선(Ly)보다 외측에서 단면적이 증대되어 있다. 즉, 상변부(74) 및 외측변부(75)는 대략 기준원(C)상에 있는데, 상변부(74)를 지나는 중심선(Lx)이나, 외측변부(75)를 지나는 중심선(Ly)의 양측 부분이 기준원(C)보다 직경 방향 외측으로 확장되어 있으며, 이와 같이 함으로써 흡기 포트의 상측 및 외측으로 공기가 많이 흘러, 텀블 성분 및 스월 성분을 강화하는 데 유리하게 된다. 또한, 상기 사변부(76)는 기준원(C)보다 축심(O)쪽으로 들어가 있다.
포트 형상의 설명도인 도 6에도 도시하는 바와 같이, 상기 경사 방향 직선 형상 부분(71)에서는 대략 삼각형 형상으로 일정 단면으로 되는 한편, 흡기 포트 하류측의 스로트부로부터 연소실(5)로의 개구부에 걸친 부분(73)에서는 흡기 밸브 형상에 대응하는 원형 단면으로 되어 있으며, 그 사이의 상기 완경사 구간(72)에서 단면 형상이 이형 단면에서 원형 단면으로 점차 변화하도록 형성되어 있다.
상기 인젝터(12)는 연소실 주연부로부터 연소실(5)내의 경사 하방을 향하여 연료를 분사하도록 경사진 상태로 상기 양 흡기 포트(7A, 7B) 사이의 하방에 마련된 인젝터 장착 구멍(13)에 장착되어 있다.
또한, 흡기 포트(7A, 7B)의 완경사 구간(72)의 상부벽에는, 흡기 밸브(9)의 밸브축을 미끄럼운동 가능하게 지지하는 밸브 가이드(14)가 설치되어 있다. 이렇게 하여 양 흡기 포트(7A, 7B)와 인젝터(12) 및 흡기 밸브(9)의 밸브 가이드(14)가 서로 간섭하지 않도록 레이아웃되어 있다. 특히, 양 흡기 포트(7A, 7B)는 경사 방향 직선 형상 부분(71)에 있어서 상기한 바와 같이 내측에서부터 하측에 걸친 사변부(76)가 기준원(C)보다 축심쪽으로 들어간 이형 단면 형상으로 되어 있는 것에 의해, 이 양 흡기 포트(7A, 7B) 사이의 하방에 인젝터(12)의 배치 공간이 확보되어 있다.
상기 엔진 본체(1)의 일측부에는 흡기 매니폴드(manifold)(15)가 연결되고, 이 흡기 매니폴드(15)에는 서지 탱크(16)의 하류에 각 실린더별로 분기관(17)이 마련됨과 동시에, 그 분기관(17)에 상기 양 흡기 포트(7A, 7B)로 통하는 한 쌍의 흡기 통로(17A, 17B)가 형성되어 있다. 또한, 양 흡기 포트(7A, 7B)의 흡기 유동을 조절하는 흡기 유동 조절 수단으로서, 일방의 흡기 포트(7A)에 대하여 흡기의 유통, 차단을 가능하게 하는 제어 밸브(18)가 이 흡기 포트(7A)로 통하는 흡기 통로(17A)에 설치되어 있다. 이 제어 밸브(18)는 스텝 모터 등의 액츄에이터(19)에 의해 작동되게 되어 있다.
상기 양 흡기 포트(7A, 7B)와 제어 밸브(18)에 의해, 스월 성분과 텀블 성분을 갖는 경사 스월의 생성이 가능하고, 또한 상기 스월 성분 및 텀블 성분의 조절이 가능한 흡기계가 구성되어 있다.
즉, 상기 제어 밸브(18)가 완전 폐쇄 또는 부분 개방(완전 개방과 완전 폐쇄 사이의 개방도)으로 됨에 따라 일방의 흡기 포트(7A)의 흡기 유통이 제한된 상태에서는 타방의 흡기 포트(7B)에 많이 흐르는 흡기에 의해서 연소실(5)내에 스월 성분(와류의 수평 방향 성분)을 갖는 와류가 생성된다. 또한, 흡기 포트(7A, 7B)는 경사 방향 직선 형상 부분(71) 및 하류단측의 부분(73)이 비교적 큰 경사각을 갖고, 또한 완경사 부분(72)이 비교적 짧게 됨에 따라, 흡기 포트(7A, 7B)로부터 연소실(5)로 유입되는 흡기류가 텀블 성분(와류의 수직 방향 성분)을 포함하도록 형성되어 있다. 따라서, 제어 밸브가 비(非)완전 개방 상태(완전 폐쇄 또는 부분 개방 상태)일 때에는 상기 스월 성분과 텀블 성분 양쪽을 얻을 수 있어, 도 7에 도시하는 바와 같은 경사 스월(S)이 연소실(5)내에 생성된다.
그리고, 상기 스월 성분은 제어 밸브(18)가 완전 폐쇄 상태일 때 가장 강하게 되는데, 바람직하게는 이 때에도 텀블비가 스월비 이상으로 되어, 수평면(실린더 보어 중심선과 직교하는 면)에 대한 경사각(θ)이 45°이상인 경사 스월이 생성되도록 흡기 포트 형상이 설정되어 있다. 또한, 경사각(θ)은 경사 스월의 각운동량의 수평 성분(ΩY)과 수직 성분(Ωk)이 이루는 각으로서, θ=Tan-1(ΩY/Ωk)로 나타낼 수 있다. 또한, 상기 제어 밸브(18)가 완전 폐쇄 상태로부터 개방되어 가면, 그 개방도가 커짐에 따라 양 흡기 포트(7A, 7B)로부터의 기류 충돌에 의해 스월 성분이 약해져서 제어 밸브(18)가 완전 개방일 때 스월 성분이 대략 0으로 되는데, 이 때에도 텀블 성분은 남겨지게 되어 있다.
도 8은 엔진의 제어 계통을 나타내며, 이 도면에 있어서 마이크로 컴퓨터 등으로 이루어지는 ECU(콘트롤 유닛)(20)에는, 크랭크축의 회전에 따라서 소정 크랭크각마다 출력되는 크랭크각 신호를 검출함과 동시에, 이 크랭크각 신호에 의해 엔진 회전수를 검출하는 회전수 센서(21), 엑셀레이터 개방도(엑셀레이터 페달을 밟는 정도량)를 검출하는 엑셀레이터 센서(22), 흡입 공기량을 검출하는 에어플로우미터(airflow meter)(23) 등으로부터의 신호가 입력되고 있다.
상기 ECU(20)는, 연료 분사 제어 수단(25), 공연비 제어 수단(26)으로 이루어지는 연료 공급 제어 수단(26a) 및 흡기 유동 제어 수단(27)을 포함하고 있다. 상기 연료 분사 제어 수단(25)은 운전 상태에 따라서, 성층 연소 상태로 하기 위해 압축 행정 후기의 소정 기간 동안 연료를 분사하는 압축 행정 분사와, 균일 연소 상태로 하기 위해 흡기 행정의 소정 기간 동안 연료를 분사하는 흡기 행정 분사로, 그 인젝터(12)로부터의 연료 분사 형태를 변경하도록 되어 있다. 상기 공연비 제어 수단(26)은, 후술하는 바와 같이 운전 상태에 따라 공연비를 변경하기 위하여, 연료 분사 제어 수단(25)을 거쳐 인젝터(12)로부터의 연료 분사량을 제어함과 동시에, 일렉트로 스로틀(전기적인 액츄에이터로 작동되는 스로틀 밸브) 등의 흡입 공기량 조절 수단(28)을 제어하도록 되어 있다.
또한, 상기 흡기 유동 제어 수단(27)은, 후술하는 바와 같이 운전 상태에 따라 흡기 유동 상태를 변경하기 위하여, 액츄에이터(19)를 거쳐 상기 제어 밸브(18)를 제어하도록 되어 있다.
도 9는 횡축을 엔진 회전수, 종축을 엔진 부하[예를 들면, 흡입 공기량에 의해 구해지는 평균 유효 압력(Pe)]로 하여, 연료 분사 형태 및 공연비의 제어맵을 도시하고 있다. 이 도면에 있어서, 소정 부하 이하이면서 또한 소정 회전수 이하인 영역이 성층 연소 영역(A)으로 되어, 이 영역(A)에서 압축 행정 분사가 실행됨과 동시에, 공연비가, 예컨데, A/F=40 정도로 이론 공연비보다 대폭 낮아진다. 한편, 소정 부하보다 고부하측, 소정 회전수보다 고회전측에 걸친 영역이 균일 연소 영역(B)으로 되어, 이 영역(B)에서 흡기 행정 분사가 실행된다. 이 균일 연소 영역(B) 중에 저부하 저회전측의, 성층 연소 영역(A)에 가까운 영역(B1)에서는, 공연비가 이론 공연비보다 낮게(λ1) 되어, 예컨대 A/F=20 정도로 된다. 또한, 균일 연소 영역(B) 중에서도 특히 고부하측 및 고회전측의 영역(B2)에서는, 공연비가 이론 공연비 또는 그보다 높게(λ≤1) 되어, 예컨대 A/F=13∼14.7로 된다.
또한, 흡기 유동의 제어로서는, 성층 연소 영역(A)에서부터 낮은 공연비에서 균일 연소 영역(B1)에 걸쳐 경사 스월이 생성되고, 또한 적어도 낮은 공연비에서 균일 연소 영역(B1)에서 텀블비가 스월비보다 커짐과 동시에, 이 때 인젝터(12)의 분사 방향보다 연소실 하방측을 향한 방향으로 경사 스월이 생성되게 되어 있다. 구체적으로는, 흡기 포트(7A, 7B)와의 간섭 방지 등의 레이아웃상의 제약으로 인해 수평면에 대한 인젝터(12)의 설치각(α)이 35°±10°로 되어, 이 인젝터(12)의 중심선의 연장 방향으로 인젝터(12)로부터 소정 분사각을 갖고 원추 형상으로 연료가 분사되는 한편, 적어도 낮은 공연비에서 균일 연소 영역(B1)에서 경사 스월(S)의 경사 각도(θ)가 상기 인젝터의 설치각(α)보다 크게 된다.
본 실시예에서는, 상기한 바와 같이 제어 밸브(18)가 완전 폐쇄 상태일 때에도 텀블비가 스월비보다 커져 경사 스월의 경사 각도(θ)가 45°이상으로 되도록 흡기 포트 형상을 설정한 다음, 도 10 및 도 11과 같이 운전 상태에 따라 흡기 유동을 제어하도록 하고 있다.
즉, 도 10은 엔진 회전수가 저회전일 때(=M)에 있어서의 상기 각 운전 영역에서의 엔진 부하에 따른 흡기 유동 제어의 특성을 나타내고 있다. 이 도면과 같이, 성층 연소 영역(A)에서는, 상기 제어 밸브(18)가 부분 개방으로 됨과 동시에, 저부하측에서 제어 밸브(18)의 개방도가 비교적 크게 되고, 부하가 높아짐에 따라, 적절히 혼합기를 확산시키기 위하여, 제어 밸브(18)의 개방도가 작게 되는 것에 의해 스월비(SRi) 및 텀블비(TRi)가 크게 된다. 균일 연소 영역(B) 중에 낮은 공연비로 되는 영역(B1)에서는, 제어 밸브(18)가 완전 폐쇄로 되는 것에 의해, 스월비(SRi) 및 텀블비(TRi)가 가장 크게 된다. 또한, 균일 연소 영역(B) 중에 공연비가 높게 되는 영역(B2)에서는, 제어 밸브(18)가 완전 개방으로 되는 것에 의해 스월비(SRi)가 0으로 된다.
도 11은 엔진 부하가 저부하일 때(=N)에 있어서의 상기 각 운전 영역에서의 엔진 회전수에 따른 흡기 유동 제어 특성의 일례를 나타내고 있다. 이 도면과 같이, 성층 연소 영역(A)에서는, 상기 제어 밸브(18)가 부분 개방됨과 동시에, 엔진 회전수가 높아짐에 따라, 흡기 유속 그 자체가 빨라지는 경향에 대한 조정을 위하여, 제어 밸브(18)의 개방도가 크게 되는 것에 의해 스월비(SRi) 및 텀블비(TRi)가 작게 된다. 균일 연소 영역(B) 중의 영역(B1)에서 제어 밸브가 완전 폐쇄, 영역(B2)에서 제어 밸브가 완전 개방으로 되는 것은 부하에 따른 제어의 경우(도 10)와 마찬가지이다.
여기서, 텀블비 및 스월비의 정의와 그 측정 방법을, 도 12 및 도 13을 참조하면서 설명한다.
상기 텀블비란, 흡기류 종방향 각속도를 밸브 리프트시마다 측정하여 적분한 값을 엔진 각속도로 나눈 값으로서, 그 흡기류 종방향 각속도는 도 12에 도시한 계측 장치를 이용한 측정에 근거하여 구해진다. 즉, 도 12에 도시한 장치는, 실린더 헤드(3)를 횡방향으로 설치한 상태에서, 측정을 위한 흡기 공급 장치(31)를 실린더 헤드(3)의 흡기 포트에 접속하는 한편, 실린더 헤드(3)의 연소실측에 짧은 접속부를 거쳐 텀블 측정용 튜브(보어에 상당)(32)를 텀블 흐름이 흡기 포트의 개구부에 대향하는 실린더 헤드 하면에 평행한 가상 벽면에 인접해서 발생하는 와류의 축 중심 방향(즉, 캠축의 연장 방향과 평행)에 접속하고, 그 튜브(32) 일단에 벌집 형상 로터(honeycomb type rotor)(33)를 갖는 임펄스미터(impulse meter)(토크 검출 센서)(34a)(주식회사 사측연제 임펄스스월미터 MODEL ISM-2)를 접속하며, 튜브(32)의 타단에도 마찬가지로 벌집 형상 로터(35)를 갖는 임펄스미터(34)를 접속하여 이루어진다.
그리고, 이 장치에 의해 흡기 공급에 따라 상기 튜브(32)내에 발생하는 텀블(화살표)에 의해 상기 벌집 형상 로터(33)에 작용하는 토크를 임펄스미터(34)로 계측하여 튜브의 횡단면 방향의 흡기류 각속도를 구하고, 그것에 따라서 흡기류 종방향 각속도를 구한다. 또, 이 장치에 있어서, 계측의 안정성 및 정밀도를 확보하기 위해서 튜브 직경(D)을 실린더 보어계와 동일하게 함과 동시에, 튜브 길이는 튜브 직경에 대하여 충분히 크게 하여, 예를 들면 튜브 직경의 7배 정도로 한다. 또한 흡기 포트에서부터 양 단부의 벌집 형상 로터까지의 길이는, 각각 동등하게 설정되어 있으며, 또한 흡기 포트에서부터 튜브(32)의 중심측까지의 거리는, D를 50 내지 100㎜로 할 경우, (D/2)+20㎜로 한다. 또한, 이 때의 텀블비를 구하는 방법은, 이하의 수학식 1에 있어서, G의 값에, 양 임펄스미터(34a, 34b)의 출력값를 합한 값을 대입하여 구한다.
SR=ην·{D·S·∫(cf·Nr·dα)}/{n·d2·(∫cf·dα)2}
Nr=8·G/(M·D·V0)
단, SR : 스월비
ην: 체적 효율(ην=1)
D : 보어 직경
S : 스트로크
n : 흡기 밸브수
d : 스로트 직경
cf : 각 밸브 리프트에 대한 유량 계수
Nr : 각 밸브 리프트에 대한 무차원 리그 스월(rig swirl)값
α : 크랭크각
G : 임펄스 스월 미터 토크
V0: 속도 헤드
또한, 상기 수학식 2는 다음과 같은 순서로 유도된다.
G=I·ωr…………………(1)
I=M·D2/8…………………(2)
(2)를 (1)에 대입 G=M·D2·ωr/8 …………(3)
(3)에 의해 D·ωr=8·G/(M·D) ……(4)
그런데, Nr=D·ωr/V0……………(5)
(4)를 (5)에 대입 Nr=8·G/(M·D·V0)
여기서, ωr은 리그 스월값임.
여기서 I는 하사점에서의 실린더내 공기의 관성 모멘트,
M은 흡기 행정중에 실린더에 충전된 공기 질량.
ΔP는 포트상의 전체 압력 강하(=800㎜Ag)
ρ는 공기 밀도
(수학식 1 및 수학식 2는 HONDA RD Technical Review Vol.1, 1989 참조)
또한, 상기 스월비란, 흡기류 횡방향 각속도를 밸브 리프트시마다 측정하여 적분한 값을 엔진 각속도로 나눈 값으로서, 그 흡기류 횡방향 각속도는 도 13에 도시한 계측 장치를 이용한 측정에 근거하여 구해진다. 즉, 도 13에 도시한 장치는, 기대(基臺)에 실린더 헤드(3)를 상하 반전시켜 설치하고, 흡기 포트를 도면외의 흡기 공급 장치와 접속하는 한편, 그 실린더 헤드(3)상에 실린더(36)를 설치함과 동시에, 그 상단에 벌집 형상 로터(37)를 갖는 임펄스미터(38)를 접속하여 이루어지며, 실린더 헤드(3)와 실린더 블럭의 정합면으로부터 1.75D(D는 실린더 보어 직경)의 위치에 임펄스미터의 하면을 위치시키고 있다. 또한, 이 때의 스월비를 구하는 방법은, 상기 수학식 1에 있어서, G의 값에 임펄스미터(38)의 출력값을 대입하여 구한다.
그리고 이 장치에 의해, 흡기 공급에 따라 상기 실린더(36)내에 발생하는 스월(화살표)에 의해 벌집 형상 로터(37)에 작용하는 토크를 임펄스미터(38)로 계측하고, 그것에 근거하여 흡기류 횡방향 각속도를 구한다.
다음에, 본 실시예의 엔진의 작용을 설명한다.
저부하 저회전측의 성층 연소 영역에서는, 연소실(5)의 주연에 배치된 인젝터(12)로부터 압축 행정에서 연료가 분사되어, 점화 플러그(11) 주위에 혼합기가 편재하도록 성층화됨에 따라, 공연비가 대폭 낮은 상태에서 착화, 연소가 가능하게 된다. 또한, 고부하측의 영역이나 고회전측의 영역은 균일 연소 영역(B)으로 되어, 이 영역(B)에서는 흡기 행정으로 연료가 분사되어 연소실 전체에 혼합기가 확산되지만, 이 균일 연소 영역(B) 중의 저부하측이나 저회전측의 영역(B1)에서는 공연비가 낮아지는 것에 의해 이 영역(B1)에서도 연비율 개선을 도모할 수 있다.
이와 같이 운전 상태에 따라 연소의 형태나 공연비가 변경되는데, 이에 대응하여 성층 연소 영역(A)에서부터 낮은 공연비에서 균일 연소 영역(B1)에 걸쳐 경사 스월이 생성되도록 흡기 유동 상태가 조절됨으로써, 성층 연소 및 낮은 공연비에서 균일 연소에 대하여 각각 연소성을 향상시키는 작용을 얻을 수 있다.
이러한 작용을 구체적으로 설명하면, 우선 성층 연소시에 압축 행정 도중까지는 텀블 성분을 포함하는 경사 스월이 유지되어, 인젝터(12)로부터 비스듬히 분사된 연료의 방향이 상기 경사 스월의 텀블 성분에 의해 하방을 향하게 되기 때문에, 분사 연료의 대부분이 상기 캐비티(6)내로 들어가 캐비티(6)에 의한 연료의 트랩성을 높일 수 있다.
이 경우, 텀블만으로 연료의 트랩성은 높일 수 있지만, 혼합기를 캐비티로부터 점화 플러그 주위로 향하게 하는 혼합기 수송 작용을 충분히 얻을 수 없어, 점화 플러그 주위의 혼합기의 공연비에 편차가 발생하기 쉽다. 이에 반하여, 본 실시예의 구조에 따르면, 분무가 캐비티(6)내에 트랩된 후에 있어서 피스톤(4)이 상사점에 더욱 근접해 가는 압축 행정 후기에, 상기 경사 스월중의 텀블 성분이 피스톤(4) 최상부의 캐비티밖의 융기부에 의해 붕괴되어, 주로 스월 성분이 남는 상태로 되고, 이 스월 성분에 의해 혼합기가 캐비티(6)의 주연을 따라 연소실 중앙측으로 흐르면서 상방으로 높이 떠오르는 것에 의해, 점화 플러그(11) 주위로의 혼합기의 수송성도 양호하게 된다.
또한 성층 연소 영역에서는, 도 10과 같이 부하가 높아짐에 따라서 스월 및 텀블이 강화되도록 제어 밸브(18)가 조절되는 것에 의해, 성층 연소 영역(A) 중에 비교적 연료 분사가 많은 중부하 영역에서는 적절히 혼합기가 확산되어, 점화 플러그(11) 주위의 혼합기의 공연비가 적절히 유지되고, 연소성이 향상된다. 즉, 텀블만이 생성되는 흡기계에 의한 경우와 경사 스월이 생성되는 본 실시예에 의한 경우에 대하여, 성층 연소 영역에서의 연비율[BSFC(Brake Specific Fuel Consumption)]을 비교하면, 도 14와 같이 텀블만이 생성되는 경우에는 이것이 압축 행정 후기에 감쇠, 붕괴되어, 연료 분사량이 많아지더라도 혼합기의 확산을 도모할 수 없기 때문에, 성층 연소 영역내의 고부하측의 영역인 중부하 영역에서 연비율이 악화되는(파선)데 반하여, 경사 스월이 생성되는 경우에는 상기한 바와 같이 적절한 확산 작용을 얻을 수 있기 때문에 상기 중부하 영역에서의 연비율이 개선된다(실선).
또한, 낮은 공연비에서의 균일 연소시에는, 상기 제어 밸브(18)가 완전 폐쇄로 되는 것에 의해 스월 성분 및 텀블 성분이 강화되고, 또한 이 상태에서 텀블 성분이 스월 성분보다 강해 경사 각도(θ)가 큰 경사 스월이 생성되는 것에 의해, 양호한 균일 연소 상태를 얻을 수 있다. 즉, 연소실의 주연부에 배치되는 인젝터(12)는 흡기 포트(7A, 7B)와의 간섭 방지 등의 제약으로 인해 설치 각도가 비교적 작고, 이 설치 각도에 대응한 방향으로 연료가 분사되기 때문에, 연소실(5)내의 기류가 약할 경우 분사 연료가 인젝터(12)에 대향하는 측의 실린더 벽면에 부착되기 쉽게 되지만, 상기한 바와 같이 경사 스월이 생성되어, 특히 인젝터(12)의 분사 방향보다 연소실 하방측을 향한 방향으로 경사 스월이 생성됨에 따라, 인젝터(12)로부터 분사된 연료가 상기 경사 스월에 의해 하방측을 향하게 되어, 실린더 벽면으로의 부착이 방지되면서, 연료실(5) 전체로 확산되어 연소성이 향상된다.
여기서, 낮은 공연비에서의 균일 연소시의 와류 세기(Vorticity Intensity)(텀블 성분과 스월 성분을 합성한 벡터 크기)와 연소 기간[연소압의 크기가 최대값의 10% 내지 90%로 될 때까지의 기간(10-90 Burn Duration)]과의 관계를, 스월 경사 각도(θ)를 여러 가지로 변경한 경우에 대하여, 도 15에 도시한다. 이 도면과 같이 스월 경사 각도(θ)가 작은 경우(θ=12°인 경우나 θ=38°인 경우), 혼합기가 연소실 주변에 편재하는 역(逆)성층 상태로 되어 혼합기가 균일하게 확산되기 어렵게 되고, 이러한 혼합기 분포 상태의 악화가 스월의 연소 촉진 작용을 방해하기 때문에, 와류 세기를 크게 하더라도 연소 기간은 그다지 단축되지 않는다. 이에 반하여, 스월 경사 각도(θ)를 크게 한 경우(도시한 예에서는 θ=52°인 경우)에는, 상기한 바와 같은 역성층이 방지되어 연소실(5) 전체에 혼합기가 균일하게 확산되기 때문에, 이 확산성의 향상과 스월에 의한 난류(亂流) 강화의 상승 작용에 의해, 와류 세기가 커짐에 따라 연소가 촉진되어 연소 기간이 대폭 단축된다.
이러한 낮은 공연비에서의 균일 연소시의 연소 촉진 작용은, 텀블비를 스월비보다 크게 하여 스월 경사 각도(θ)가 45°이상인 경사 스월을 생성함으로써 효율적으로 얻을 수 있다.
또한, 균일 연소중에 공연비가 높게(λ≤1) 되는 고부하, 고회전 영역에서는, 제어 밸브가 완전 개방으로 됨으로써 흡기 포트 개구 면적이 크게 됨과 동시에 스월 성분이 없어지지만, 이 상태에서도 텀블 성분이 남겨지는 것에 의해 혼합기의 확산 및 연소가 양호하게 실행된다.
또한, 제어 밸브의 동작과 연료 분사 제어를 다음에 나타낸다.
도 16은 제어 밸브를 구동하는 플로우차트로서, 소정 시간마다 개시된다.
우선, S1에서 엔진 회전수와 엔진 부하를 입력한다. 다음에 S2에서 제어 밸브의 개방도가 도 10과 도 11에 도시하는 바와 같은 경향으로 되도록 엔진 회전수와 엔진 부하에 따라 제어 밸브 개방도를 설정한 맵으로부터 제어 밸브 개방도를 결정한다. 다음에 S3에서, S2에서 설정한 제어 밸브 개방도로 되도록 액츄에이터(19)를 구동하고, 플로우챠트를 종료한다.
도 17은 연료 공급 제어 플로우챠트로서, 각 기통에 대하여 연료 분사를 행할 수 있도록 크랭크각이 소정 회전각마다(흡기 행정 상사점전 60°) 개시된다.
S11에서는, 엔진 회전수(Ne)와 흡입 공기량(Qa)과 액셀레이터 개방도(α)를 입력한다.
S12에서는, Ne와 α에 근거하여 스로틀 개방도가 설정되고, S13으로 진행하여, 스로틀 밸브가 구동된다. 이 때, 공연비가 낮은 린(lean) 연소 영역인, 저·중회전 저·중부하 영역에서, 스로틀 개방도는 1/2 개방도 정도의 약간 큰 개방도로 설정되어 있다. 다음에, S14에서는 Ne와 Qa에 근거하여, 도 9의 맵을 기초로 연소 영역이 설정되고, S15에서는 S14에서 설정된 연소 영역이 성층 연소 영역이면, S16으로 진행하여 압축 행정 후기중의 소정 기간 분사 시기가 설정된 다음, S17로 진행한다. S15에서 성층 연소 영역이 아니면, S18로 진행하여 흡기 행정중의 소정 기간 분사 시기가 설정된 다음, S19로 진행한다.
S17, S19에서는 각각의 성층 연소, 균일 연소에 따라 연료 분사량을 설정한 다음 S20으로 진행하고, S20에서는 크랭크각 신호에 근거하여 S16, S18에서 설정된 분사 시기가 되면, S21로 진행하여 연료 분사를 실행하고 플로우챠트를 종료한다.
또, 캐비티를 갖는 피스톤(4) 최상부의 형상은 상기 기본 실시예에 한정되지 않고, 여러가지로 변경이 가능하며, 그 여러 종류를 이하에 설명한다.
도 18a 내지 도 18e는 평면에서 본 캐비티의 형상의 각종 예를 나타내는 것으로서, 도 18a는 상기 기본 실시예에 상당하는 것으로 캐비티(6)가 타원형으로 되어 있는데, 분사 연료는 주로 캐비티중에 스월 방향(화살표)의 상류측 부분에 트랩되기 때문에, 변형예로서 도 18b와 같이, 도 18a와 비교하여 스월 방향 하류측(도면에서 하반부측)이 작아진 비대칭 형상으로 캐비티(61)를 형성하여도 좋다. 혹은, 압축비를 낮게 하기 위하여 상기한 변형예와는 반대로 스월 방향 하류측이 커진 형상으로 캐비티를 형성하여도 무방하다(도시하지 않음).
또한, 트랩을 용이하게 하기 위해서, 도 18c와 같이, 캐비티(62)의 인젝터측의 주연을 피스톤(4)의 주위면에 도달할 때까지 확대하거나, 혹은 도 18d와 같이, 도 18c의 변형예로서 그보다 스월 방향 하류측이 작아진 비대칭 형상으로 캐비티(63)를 형성하여도 좋다. 또한, 캐비티에 트랩한 혼합기를 스월에 의해 캐비티 주연을 따라 연소실 중앙부측으로 보낼 때의 유속을 높임으로써, 점화 플러그 주위로의 수송을 촉진시키기 위하여, 도 18e와 같이 캐비티(64)를 하트 형상으로 형성하여도 좋다.
또한, 상기 캐비티 주연부의 벽면은 상기 기본 실시예와 같은 수직 벽면(도 3 참조)이어도 좋지만, 트랩성을 높이기 위하여 도 19와 같이 연소실 중앙부측에서는 캐비티(65)의 벽면을 예각으로 형성하여도 좋다.
피스톤(4) 최상부에 있어서의 캐비티밖의 부분은, 전술한 바와 같이 압축 행정 후기에 텀블 성분의 붕괴를 촉진시키는 형상으로 하고, 그를 위해서는 상기 기본 실시예와 같은 5각형 루프 형상이어도 좋지만, 도 20a와 같이 융기부의 상단을 수평의 평탄면(71)으로 하거나, 혹은 도 20b와 같은 구면(72)으로 하여도 좋다. 압축 행정 후기의 텀블 성분의 붕괴를 위해서는 도 20a와 같은 구조가 가장 유리하지만, 압축비의 저하를 초래하지 않도록 이러한 피스톤 최상부의 형상에 대응하여 연소실 천정 부분을 형성하고자 하면 형상이 복잡하게 된다. 이에 비하여, 상기 기본 실시예에 따르면 비교적 간단한 형상으로 압축비를 확보하고, 또한 압축 행정 후기에 텀블 성분을 붕괴하는 작용도 얻을 수 있다.
또한, 도 21과 같이 캐비티(66)의 저면은 피스톤 주연측보다 피스톤 중앙부측이 높게 되도록 경사지게 해 두어도 좋은데, 이와 같이 하면 압축 행정 후기에 캐비티(66)내에서 피스톤 주연측을 향한 텀블(파선의 화살표)을 붕괴하는 작용을 얻을 수 있음과 동시에, 캐비티내에서 피스톤 중앙부측으로 흐르는 연료(화살표)를 점화 플러그(11)를 향하여 높이 떠오르게 하는 작용을 높일 수 있다. 단, 기본 실시예와 같이 캐비티(6)의 저면을 수평면으로 해 두는 것이 분무의 트랩성은 높일 수 있다.
이상과 같이 본 발명은, 피스톤의 최상부에 캐비티를 마련함과 동시에 연소실의 주연부에 인젝터를 배치한 통내 분사형 불꽃 점화식 엔진에 있어서, 균일 연소 상태로 하는 운전 영역중의 저부하 저회전측의 영역에서는 공연비를 낮게 하고, 성층 연소 상태로 되는 운전 영역에서부터 낮은 공연비에서 균일 연소 상태로 되는 운전 영역에 걸쳐 경사 스월을 생성시키고, 또한 적어도 낮은 공연비에서 균일 연소 영역에서 텀블비가 스월비보다 커지도록 설정하고 있기 때문에, 성층 연소시에는 상기 캐비티의 트랩성 및 캐비티로부터 점화 플러그 주위로의 혼합기 수송성을 높일 수 있고, 또한 낮은 공연비에서 균일 연소시에는 실린더 벽면으로의 연료 부착을 억제하며, 또한 혼합기의 확산을 양호하게 실행할 수 있다. 따라서, 성층 연소시 및 낮은 공연비에서 균일 연소시에 각각 연소성을 높일 수 있어, 연비 개선 및 연소 안정성 향상 등의 효과를 높일 수 있다.

Claims (10)

  1. 최상부에 캐비티를 갖는 피스톤과,
    연소실 주변에 배치되고, 연소실을 둘러쌈과 동시에, 연소실내로 연료를 공급하는 인젝터와,
    연소실을 둘러싸면서 배치되고, 연소실내로 공급되는 연료를 착화하는 점화 플러그와,
    연소실에 접속되고, 흡기를 공급하는 흡기 통로와,
    엔진의 부하를 검출하는 엔진 부하 검출 수단과,
    엔진 회전수를 검출하는 회전수 검출 수단과,
    상기 부하 검출 수단과 상기 회전수 검출 수단의 출력 신호에 근거하여, 적어도 저부하 저회전에서는, 상기 점화 플러그 주위에 혼합기를 편재시키고, 또한 공연비를 이론 공연비보다 낮게 하는 성층 연소 상태로 하도록, 압축 행정에서 인젝터로부터 상기 캐비티로 연료를 분사함과 동시에, 상기 저부하 저회전보다 적어도 고부하 고회전측에서는 연소실 전체에 연료(혼합기)를 확산시키고, 또한 공연비를 이론 공연비보다 낮게 하는 낮은 공연비에서 균일 연소 상태로 하도록, 연료를 적어도 흡기 행정에서 인젝터로부터 분사하는 연료 공급 제어 수단을 포함하는 통내 분사형 불꽃 점화식 엔진에 있어서,
    상기 흡기 통로에 배치되어, 연소실에 생성되는 스월 성분과 텀블 성분을 포함하는 경사 스월의 흡기 유동을 조정하는 흡기 유동 조정 수단(밸브)과,
    상기 연료 공급 제어 수단에 의해 성층 연소 상태로 되는 운전 영역에서부터 균일 상태로 되는 운전 영역에 걸쳐 경사 스월을 생성시키고, 또한 적어도 낮은 균일 연소 상태로 되는 운전 영역에서 텀블비가 스월비보다 크게 되도록 상기 흡기 유동 조정 수단의 조정량을 제어하는 흡기 유동 제어 수단을 포함한 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡기 유동 제어 수단은 적어도 낮은 공연비에서 균일 연소 상태가 되는 운전 영역에서, 인젝터의 분사 방향보다 연소실 하방측을 향한 방향으로 경사 스월을 생성시키도록 한 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 엔진.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 흡기 유동 제어 수단은 적어도 낮은 공연비에서 균일 연소 상태가 되는 운전 영역에서, 실린더 보어 중심선과 직교하는 방향의 평면에 대하여 45°이상 경사진 방향으로 상기 경사 스월을 생성시키도록 한 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 엔진.
  4. 제 1 항에 있어서,
    연소실의 천정 부분을 5각형 루프 형상으로 하고, 피스톤 최상부의 형상을 상기 천정 부분에 대응한 형상으로 함과 동시에, 상기 캐비티를 피스톤 최상부의 중앙보다 인젝터에 가까운 쪽으로 오프셋된 위치에 형성하고, 이 캐비티의 주연에 대응하는 위치에 점화 플러그를 배치하며, 또한 피스톤의 융기부에서의 스월 방향 상류측의 캐비티 주연에, 인젝터로부터의 분사 연료를 스월 방향으로 가이드하는 세로벽을 형성한 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 엔진.
  5. 제 4 항에 있어서,
    캐비티의 저벽을 실린더 보어 중심선과 대략 직교하는 방향의 평탄면으로 한 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 엔진.
  6. 제 4 항에 있어서,
    캐비티의 저벽을 점화 플러그에 가까운 쪽이 피스톤 주변측보다 높게 되도록 실린더 보어 중심선과 직교하는 면에 대하여 경사지게 한 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 엔진.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡기 유동 조절 수단으로서 일방의 흡기 포트에 대하여 흡기의 유통, 차단을 가능하게 하는 제어 밸브를 마련함과 동시에, 제어 밸브가 완전 개방일 때에도 텀블이 생성되고, 제어 밸브가 폐쇄됨에 따라 스월 성분이 강화되며, 또한 완전 개방에서 완전 폐쇄에 걸쳐 항상 텀블비가 스월비 이상으로 되도록 흡기 포트 형상을 설정한 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 엔진.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡기 유동 제어 수단은 성층 연소 상태로 되는 운전 영역에서는 부하가 높아짐에 따라 스월 성분을 강화하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 엔진.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 흡기 유동 제어 수단은 성층 연소 상태로 되는 운전 영역에서는 부하가 높아짐에 따라 상기 제어 밸브의 개방도를 작게 하고, 낮은 공연비에서 균일 연소 상태로 되는 운전 영역에서는 상기 제어 밸브를 완전 폐쇄로 하는 것을 특징으로 하는 통내 분사형 불꽃 점화식 엔진.
  10. 제 1 항에 있어서,
    스월비는 실린더 블럭과 실린더 헤드의 정합면으로부터 실린더 보어의 직경의 1.75배 되는 거리에서의 흡기류 횡방향 각속도에 근거하여 소정의 수학식을 통해 얻어지고,
    텀블비는 튜브내에서의 흡기류 유동의 각속도에 근거하여 상기 소정의 수학식을 통해 얻어지며,
    상기 실린더 보어의 직경과 실질적으로 동일한 직경을 갖는 튜브는 정합면을 따라 배치되어, 튜브의 중심선이 정합면으로부터 실린더의 직경 더하기 20㎜의 거리에 위치되고,
    텀블은 흡기류가 튜브의 벽에 충돌할 때 실린더 헤드를 통해 튜브에 공급되는 흡기류에 의해 생성되며,
    텀블의 세기는 실린더 보어의 중심으로부터 실린더 보어의 직경의 약 3.5배의 거리에 있는 대향면에서 측정되는 통내 분사형 불꽃 점화식 엔진.
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