KR19980087224A

KR19980087224A - 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진

Info

Publication number: KR19980087224A
Application number: KR1019980018147A
Authority: KR
Inventors: 모또히로 마쯔무라
Original assignee: 하나와 기이찌; 닛산 지도샤 가부시끼가이샤
Priority date: 1997-05-21
Filing date: 1998-05-20
Publication date: 1998-12-05
Also published as: DE69801464T2; EP0879944A2; EP0879944A3; EP0879944B1; US5915353A; DE69801464D1; KR100302434B1

Abstract

본 발명은 연료가 각 실린더로 직접 분사되는 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진에 관한 것이다. 상기 엔진은 실린더 헤드에 이동가능하게 배치된 흡기 및 배기 밸브를 갖는다. 피스톤은 연소실을 한정하기 위해 실린더 블록 내의 실린더에 이동가능하게 배치된다. 이 피스톤은 통상 원형의 공동이 피스톤의 중심축으로부터 흡기 밸브를 향해 오프셋된 중심축을 갖도록 피스톤 크라운에 형성된다. 점화 플러그는 일부가 피스톤의 원주부보다 피스톤의 중심축에 더 근접하게 위치되는 원형 공동의 원주부의 일부 위에 상기 플러그의 선단부가 배치되도록 제공된다. 연소실 내의 흡기 공기에 스월(swirl)을 발생시키기 위한 장치가 제공된다. 연료 분사 밸브는 연소실 내로 직접 연료를 분사하도록 제공되고, 실린더의 하부 평면에 대해 경사져서 흡기 밸브로부터 배기 밸브를 향하는 방향으로 하부의 평면으로 점진적으로 접근하는 축을 갖는다. 연료 분사 밸브는 연료 분사 밸브의 축에 의해 실린더 헤드의 하부 평면에 대해 형성된 제2 각도보다 작은 제1 각도를 형성하기 위해 그 축이 연료 분사 밸브의 축에 대해 경사진 연료 분사 구멍을 갖는다.

Description

실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진

본 발명은 (가솔린과 같은) 연료가 실린더 내로 직접 분사되는 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진의 개량에 관한 것으로, 특히 이러한 엔진 내에서 효과적인 성층 연소 또는 균질 연소를 달성하기 위한 개량에 관한 것이다.

본 발명은 1997년 5월 21일자 일본 특허출원 제9-131199호와 1997년 6월 2일자 일본 특허출원 제9-144174호의 내용은 본원에서 참고 문헌으로 사용된다.

연료가 엔진 실린더로 직접 분사되어 점화 플러그에 의해 점화되는 자동차용 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진은 공지되어 있다. 이러한 것으로는 발명의 명칭이 스파크 점화식 실린더 직접 연료 분사 엔진인 미국 특허 제5,553,588호가 있으며, 이는 다음과 같다. 엔진은 각 실린더당 2개의 흡기 포트를 가지고, 상기 흡기 포트 중의 하나는 스월 제어 밸브를 구비한다. 각각의 피스톤은 피스톤과 실린더 헤드 사이에 형성된 연소실의 공동 형성부를 갖는 피스톤 크라운(crown)에 형성된다. 연료는 압축 행정에서 연료 분사 밸브로부터 상기 공동으로 분사되고, 이에 의해 점화 플러그 주위에 가연성 공기 연료 혼합기의 층을 국부적으로 형성하여 성층 연소를 달성할 수 있다. 또한, 특정 엔진 작동 조건하에서, 연료는 흡입 행정으로 분사되어 연소실 내로 연료를 분산시키고, 이럼으로써 균질 연소를 달성할 수 있다.

실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진의 효과적인 성층 연소를 달성하기 위해, 실린더 내에 성층 연소 또는 공기-연료 혼합기를 형성하는 것이 필요하다. 이러한 관점에서, 전술한 종래의 엔진의 경우에, 압축 행정에서 연료 분사 밸브로부터 분사된 분무화된 연료는 피스톤 크라운에서 상기 공동 내에 증기화되고, 스월 제어 밸브에 의해 조절되는 (연소실 내의) 가스 유동의 작용과 연료 분사 밸브의 특성으로서의 분무 통과력의 작용 하에 점화 플러그의 주변으로 전달된다. 따라서, 성층화된 공기 연료 혼합기를 점화하는 것이 가능하여 희박 연소를 달성하는 것이 가능하다.

그러나, 실린더 내의 가스 유동은 피스톤의 이동에 의한 흡입 공기의 흡입 및 압축에 근거하며, 따라서 가스 유동 속도는 엔진 속도의 증가와 피스톤 속도의 증가에 따라 증가한다. 결과적으로, 성층 연소의 경우에, 연료 분사 밸브와 점화 플러그 사이의 거리가 고정되어 있으므로, 연료 분사 시기와 스파크 점화 시기 사이의 시간 동안 분산시키지 않고서도 점화 플러그 주위의 공기 연료 혼합기를 양호한 조건으로 유지시키는 것이 필요하다.

분무화된 연료를 아주 강한 가스 유동 하에 점화 플러그 주위로 안전하게 전달하기 위해, 충분한 연료 분무 통과력이 필요하게 된다. 이러한 요구 조건은 분무화된 연료 분무량을 집중시킴으로써, 예컨대 연료 분무량의 분무 각도를 좁힘으로써 만족될 수 있다. 그러나, 연료 분무량의 농도는 연소실 내에 농후한 공기 연료 혼합기를 형성하려는 경향이 있고, 그 결과 점화 플러그에 그을음이 생기게 되면서 연소실에도 그을음이 생기게 된다. 이러한 관점에서, 연소실 내의 가스 유동의 크기는 엔진 속도에 따라 증가한다. 성층화된 공기 연료 혼합기의 이송 제어는 가스 유동 및 연료 분무 통과력의 각각의 인자에 따르게 되며, 이송 시스템은 연료 분무 통과력의 인자에 따라 제어됨으로써 안정하게 된다. 그러나, (점화 플러그를 향하는) 수평 속도 성분을 향상시키기 위해, 연료 분무량의 농도 정도를 증가시키도록 분무 각도를 최소화하는 것이 필요하다. 이는 연소실 내의 그을음의 발생과 같은 문제점을 발생시킨다.

또한, 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진의 효과적인 균질 연소를 달성하기 위해, 분무화된 연료를 효과적으로 증기화시켜서 상기 분무화된 연료를 연소실 벽으로의 상기 연료의 부착을 방지하는 공기와 혼합시키는 것이 필요하다. 이러한 관점에서, 연료를 증기화시키는 시간을 보장하기 위해 흡입 행정의 초기 단계에서 연료 분사를 수행하는 것이 제안되며, 이는 연소실 내의 공기 연료 혼합기의 상태를 향상시키고 엔진의 출력을 증가시키기 쉽게 된다. 그러나, 피스톤이 상사점 근처에 있을 때 연료 분무량의 분산 전에 분무화된 연료가 아주 농도가 큰 연료 분무량 상태로 피스톤과 연소실에 간섭하게 되는 경우에, 분무화된 연료는 피스톤 및 연소실 벽 표면에 부착되게 되어 연료와 공기의 불충분한 혼합에 의해 배기 가스 온도의 상승 및 출력 저하를 초래함과 동시에 그을음을 발생시킨다.

그렇지 않다면, 연료 분무량과 피스톤과의 간섭을 방지하기 위한 목적으로 동일한 연료 분사 시기로 피스톤 크라운 표면과 연료 분사 위치 사이의 상대 거리를 증가시키기 위해 피스톤 크라운에 깊은 공동을 형성하는 것이 제안된다. 그러나, 이는 실린더 내부의 가스 유동을 방해함과 동시에 엔진의 열 손실을 증가시키도록 연소실의 표면적을 증가시키는 것이고, 따라서 엔진의 출력을 저하시키게 된다.

본 발명의 목적은 종래의 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진에서 발생된 단점을 극복할 수 있는 개량된 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 엔진 작동 조건에 따라 연소실 내에 효과적인 성층 연소와 효과적인 균질 연소를 공히 달성하는 개량된 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가 목적은 연소실 내에 분무된 연료를 분산시켜서 상기 연소실 내에 효과적으로 균질화시키도록 분무된 연료가 상기 연소실의 표면에 부착되는 것을 효과적으로 방지시킴과 동시에 점화 플러그 쪽을 향해 분무된 연료의 통과력이 분무된 연료의 집중을 일으키지 않고서 향상되어 연소실 내에 효과적으로 성층화되도록 하는 개량된 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 태양에 의하면, 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진은 연소실을 한정하는 실린더 헤드에 이동가능하게 배치되는 흡기 및 배기 밸브를 구비한다. 연료 분사 밸브는 연료를 연소실 내로 직접 분사한다. 연료 분사 밸브는 실린더 헤드의 하부 평면에 대해 경사진 축을 가지며 흡기 밸브로부터 배기 밸브를 향하는 방향으로 상기 하부 평면으로 점차 접근한다. 연료 분사 밸브는 연료 분사 밸브의 축에 의해 형성되는 제2 각도보다 작은 제1 각도를 실린더 헤드의 하부 평면에 대해 형성하도록 그 축이 연료 분사 밸브의 축에 대해 경사진 연료 배출 구멍을 갖는다.

본 발명의 다른 태양에 의하면, 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진은 실린더 헤드에 대해 이동가능하게 배치된 흡기 및 배기 밸브를 구비한다. 피스톤은 연소실을 한정하기 위해 실린더 블록 내의 실린더에 이동가능하게 배치된다. 상기 피스톤은 피스톤 크라운에 형성되고, 통상 원형의 공동은 상기 피스톤의 중심축으로부터 흡기 밸브로 오프셋된 중심축을 갖는다. 점화 플러그는 선단부가 원형 공동의 원주부 위에 배치되도록 구비되고, 상기 원주부는 피스톤의 원주부보다 피스톤의 중심축으로 더 멀리 위치된다. 연소실 내에 흡입 공기에 스월을 발생시키기 위한 장치가 제공된다. 연료 분사 밸브는 연료를 연소실에 직접 분사하도록 구비되고, 실린더 헤드의 하부 평면에 대해 경사지고 흡기 밸브로부터 배기 밸브를 향한 방향으로 하부 평면에 접근하는 축을 갖는다. 연료 분사 밸브는 연료 배출 구멍을 가지며, 상기 구멍의 축은 연료 분사 밸브의 축에 의해 형성된 제2 각도보다 작은 제1 각도를 실린더 헤드의 하부 평면에 대해 형성하도록 연료 분사 밸브의 축에 대해 경사진다.

본 발명의 또다른 태양에 의하면, 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진은 다수의 실린더를 갖는 실린더 블록을 갖는다. 실린더 헤드는 실린더 블록 데크 상에 고정 장착된다. 실린더 헤드는 각 실린더당 제1 및 제2 흡기 포트와 제1 및 제2 배기 포트를 갖는다. 연료 분사 밸브는 연소실로 연료를 직접 분사하도록 구비된다. 연료 분사 밸브는 실린더 헤드의 하부 평면에 대해 경사지고 흡기 밸브로부터 배기 밸브를 향하는 방향으로 상기 하부 평면으로 접근하는 축을 갖는다. 연료 분사 밸브는 연료 배출 구멍을 가지며, 상기 구멍의 축은 연료 분사 밸브의 축에 의해 형성된 제2 각도보다 작은 제1 각도를 실린더 헤드의 하부 평면에 대해 형성하도록 상기 연료 분사 밸브의 축에 대해 경사진다. 점화 플러그는 선단부가 연소실 내로 돌출하도록 배치된다. 피스톤은 이동가능하게 실린더 내에 이동가능하게 배치되어 실린더와 실린더 헤드 사이에 연소실을 형성한다. 상기 피스톤은 피스톤 크라운에 형성되고, 통상 원형 공동은 피스톤의 중심축으로부터 흡기 밸브로 오프셋된 중심축을 갖는다. 스월 제어 밸브는 엔진 작동 조건에 따라 제1 흡기 포트 내의 공기 유동을 제어하도록 배치된다. 상기의 배치에 있어서, 제2 흡기 포트는 적어도 하나의 그 주요부가 소정의 제1 각도를 형성하도록 제2 수직면에 대해 경사진 제1 수직면 내에 보유되는 축을 갖는다. 제1 수직면은 수직 교차 유동면에 대해 연소실을 향한 방향으로 피스톤의 중심축으로 접근한다. 제1 및 제2 수직면은 실린더 블록의 블록 데크에 대해 수직이다. 제2 수직면은 제1 흡기 밸브 및 제2 배기 밸브를 통과하고, 블록 데크에 수직하고 실린더의 축을 포함하는 제3 수직면에 대해 수직하다. 제1 흡기 밸브 및 제1 배기 밸브는 각각 제3 수직면의 대향 측면 상의 배치된다.

본 발명에 의한 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진의 상기 배치에 의하면, 배출 구멍이 상향으로 편향되어 수평 방향에 접근하는 연료 분사 밸브의 연료 배출 구멍에 의해 연료 분사 밸브로부터 배출된 (원추 형태의) 연료 분무량의 크게 편향되거나 또는 일반적으로 수평 속도 성분은 상기 연료 분무량의 덜 편향되거나 또는 일반적으로 수직 속도 성분에 비해 향상된다. 결과적으로, 연료 분무량의 일반적인 수평 속도 성분은 연료 분무량의 분무 각도를 감소시키지 않고서, 즉 )연료 분무 통과력에 반하여) 분무된 연료 입자를 최소화하지 않고서도 증가된다. 이는 점화 플러그를 향한 방향으로 연료 분무 통과력을 증가시켜서, 분무화된 연료를 점화 플러그의 주변으로 전진하게 하는 데에 도움이 된다. 그러므로, 분무화된 연료는 스월 가스 유동의 영향하에 증기화되고, 점화 플러그를 향한 방향으로 향상된 연료 분무 통과력의 영향하에 점화 플러그의 주변으로 안전하게 전달된다. 그 결과, 성층 연소는 넓은 엔진 작동 조건에 걸쳐 달성되고, 그을음이 연소실 내에 생성되어 점화 플러그에 그을음이 생성되는 것을 효과적으로 방지한다.

더욱이, 상향 편향된 연료 배출 구멍을 갖도록 형성된 연료 분사 밸브는 피스톤 크라운을 향하거나 또는 통상 하향하는 분무된 연료량을 감소시킬 뿐만 아니라 분무된 연료의 속도를 저하시켜 분무된 연료가 피스톤 크라운과 간섭하는 것을 방지한다. 또한, 연료 분사 밸브로부터의 연료 분무량은 상향으로 편향되어 수평 방향으로 접근하고, 따라서 연료 분무량의 유동 방향은 큰 교차 각도로 흡기 밸브를 통해 연소실로 유입된 흡입 공기의 방향을 교차하여 연료와 흡입 공기의 혼합을 향상시킨다. 더욱이, 흡입 공기의 유동을 향하는 연료는 양뿐만 아니라 유동 속도도 증가되고, 따라서 연료와 흡입 공기 사이의 혼합이 더욱 향상된다.

그 결과, 피스톤 크라운에 깊은 공동을 형성하지 않고서도 흡입 행정의 초기 단계에서 연료 분사 밸브로부터 연료가 분사되더라도, 분무된 연료의 피스톤과의 간섭은 억제되어, 피스톤 크라운 상에 연료의 액막(liquid film)의 형성이 회피되어 연소실 내의 그을음의 생성을 방지한다. 흡입 행정의 초기 단계에 이러한 연료 분사는 분무된 연료량의 유동 방향과 흡입 공기의 유동 방향 사이의 교차 각도를 유지하면서 연료를 증발시키기 위한 시간을 보장할 수 있어서 분무된 연료와 흡입 공기의 혼합과 상기 연료의 증발을 향상시킬 수 있다. 이는 엔진의 노킹 방지 특성과 체적 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 아주 높은 수준으로 연소 온도를 유지시켜 배기 가스 온도를 저하시킨다. 피스톤 크라운에 형성된 공동을 깊게 할 필요가 없고, 따라서 엔지의 열 손실을 방지하면서 엔진 출력을 증가시키도록 연소실의 표면적이 불필요하게 증가되지 않는다. 따라서, 균질 연소가 연소실 내에서 효과적으로 달성된다.

도1은 본 발명에 의한 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진의 일실시예를 간략하게 도시한 부분 평면도.

도2는 도1의 엔진을 부분적으로 간략하게 도시한 확대 평면도.

도3은 도1의 엔진을 부분적으로 간략하게 도시한 확대 수직 단면도.

도4는 연료 분사 밸브의 기능을 도시한 도1의 엔진에 사용되는 연료 분사 밸브의 확대 측면도.

도5는 도4의 연료 분사 밸브의 선단부의 분분 확대 단면도.

도6은 성층화된 상태를 도시하는 도1의 엔진의 연소실의 개략적인 평면도.

도7은 도4 및 도5의 연료 분사 밸브를 갖는 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진과 종래의 연료 분사 밸브를 갖는 동일한 엔진 상에서 수행된 시험적 측정에 의해 얻어진 연료 분사 시기에 대한 출력 토크 및 그을음 생성량을 도시하는 선도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 연소실

2 : 실린더 헤드

3 : 실린더 블록

4 : 피스톤

5A, 5B : 흡기 포트

6A, 6B : 흡기 밸브

7A, 7B : 배기 밸브

9 : 점화 플러그

10 : 연료 분사 밸브

11 : 스월 제어 밸브

C : 실린더

E : 엔진

E1, E2 : 배기 포트

도1 내지 도5에 본 발명에 의한 실린더 직접 분사식 스파크 점화 (가솔린 연료식) 엔진의 실시예가 도면 부호 E로 도시되어 있다. 본 실시예의 엔진(E)은 자동차용으로 비록 단지 하나의 실린더(C)만 도시되어 있으나 실린더 블록(3) 내에 형성된 다수의 실린더(C)를 갖는다. 피스톤은 각각의 실린더(C) 내에 이동가능하게 배치되어, 실린더 헤드의 하부 평면에서 블록 데크(실린더 상부 데크)에 또는 실린더 블록(3)의 상부 평면(T)에 고정된 실린더 헤드(2)와 상기 피스톤 사이에 연소실을 형성한다.

실린더 헤드(2)는 각 실린더(C) 또는 연소실(1)용으로 2개의 (제1 및 제2) 흡기 포트(5A, 5B)와 (도2에 도시된) 2개의 배기 포트(E1, E2)를 갖도록 형성된다. 2개의 흡기 포트(5A, 5B)는 2개의 배기 포트(E1, E2)에 대해 수직 실린더 헤드 평면(P)의 대향 측면에 위치되고, 수직 실린더 헤드 평면(P)은 실린더(C)의 (도시되지 않은) 중앙축을 보유한다. 흡기 포트(5A, 5B)는 2개의 흡기 밸브(6A, 6B)가 각각 이동가능하게 배치된 [연소실(1)로 개방된] 하류 단부를 각각 구비한다. 배기 포트(E1, E2)는 2개의 배기 밸브(7A, 7B)가 각각 이동가능하게 배치된 [연소실(1)로 개방된] 상류 단부를 각각 구비한다.

피스톤(4)은 연소실(1)의 일부를 형성하는 원형 공동 또는 함몰부(8)를 갖도록 피스톤 크라운에 형성된다. 보다 상세하게는, 공동(8)은 피스톤 크라운의 상부 표면에 형성되고, 그 하부 표면(B)이 통상 평평하도록 얕거나 평평하게 된다. 공동(8)의 중심축(C2)은 피스톤(4)의 중심축(C1)과 평행하게 흡기 밸브(6A, 6B)를 향해 이로부터 오프셋되며, 즉, 배기 밸브(7A, 7B)보다 흡기 밸브(6A, 6B)에 더 근접하게 위치된다. 공동(8)의 원주부(8a)는 도2에 도시된 바와 같이 위에서 보면 통상 원형이다. 공동(8)의 원주부(8a)의 일부, 즉 연료 분사 밸브(10)가 위치되는 측면에 대해 중심축(C2)을 보유하는 (도시되지 않은) 가상의 수직면의 대향 측면에 위치되는 일부는 도3에 도시된 바와 같이 릿지선(ridge line; R)을 형성하기 위해 원주부(8a)의 다른 일부 위로 상승된다.

점화 플러그(9)는 (전극을 갖는) 선단부가 연소실(1) 내로 돌출하고 원형 공공(8)의 환형 원주부의 일부 위에 위치한다. 점화 플러그(9)는 통상 실린더(C)의 중심축(C1)을 따라 위치된다. 특히, 점화 플러그(9)의 축은 배기 밸브(7A, 7B)를 향해 실린더(C)의 중심축(C1)으로부터 다소 오프셋된다.

연료 분사 밸브(10)는 도2에 도시된 바와 같이 위에서 보면 제1 및 제2 흡기 포트(5A, 5B) 사이에 배치되고, 연소실(1) 내로 직접 연료(가솔린)를 분사하도록 위치된다. 연료 분사 밸브(10)는 하향 경사지도록 설치되고 흡기 밸브(6A, 6B)로부터 배기 밸브(7A, 7B)를 향한 방향으로 연장한다. 특히, 연료 분사 밸브(10)는 (점선에 의해 도시된) 그 축이 실린더 블록(3)의 상부 평면(T)에 대해 [또는 실린더 헤드(2)의 하부 표면에 대해] 소정의 각도(θing)를 형성하여 공동(8)의 하부 표면(8b)을 향하도록 위치된다. 소정의 각도(θing)는 35 내지 45도의 범위이고, 양호하게는 45도이다. 그러므로, 연료 분사 밸브(10)는 하향 경사 방향으로 또는 공동(8)을 향해 연료를 분사한다. 연료 분사 밸브(10)는 본 실시예에서 성층 연소가 수행되는 엔진 작동 조건하에 압축 행정에 설정되는 연료 분사 시기에서 연료를 분사시키도록 배치된다.

도4 및 도5에 도시된 바와 같이, 연료 분사 밸브(10)는 연료를 연소실(1) 내로 분사하기 위해 그 선단부가 연소실(1) 내로 돌출하는 통상 원통형의 밸브 몸체(10a)를 구비한다. 니이들 밸브(10c)는 원통형 밸브 몸체(10a) 내에서 이와 동축으로 축방향으로 이동가능하게 배치된다. 니이들 밸브(10c)는 원추 표면을 갖는 통상 원추형 선단부를 갖는다. 밸브 몸체(10a)의 선단부는 연료 분사 밸브(10)의 축에 수직한 단부 벽(D)을 구비한다. 단부 벽(D)은 밸브 몸체(10a) 내의 연료가 배출되는 연료 배출 구멍 또는 관통 구멍(10b)을 갖도록 형성된다. 연료 배출 구멍(10b)의 상류 단부 주위의 단부 벽(D)의 (식별되지 않는) 환형 부분은 니이들 밸브(10c)의 원추형 선단부가 접촉 또는 위치할 수 있는 밸브 시트 부분으로서 기능한다. 연료 배출 구멍(10b)은 연료 배출 구멍(10b)의 축(Hx)이 니이들 밸브(10c) 및 밸브 몸체(10a)의 축(Bx)에 대해 경사지거나 또는 편향져서 실린더 블록 상부 표면(H)에 대한 축(Bx)의 소정의 각도(θing)보다 실린더 블록(3)의 상부 평면(H)에 대한 각도를 보다 작게 형성하도록 기계 가공 및 성형된다. 소정의 각도(연료 배출 구멍 편향각; θ3)는 연료 배출 구멍(10b)의 축(Hx)과 연료 분사 밸브 몸체(10a)의 축(Bx) 사이로 형성된다. 따라서, 연료 배출 구멍(10b)의 축(Hx)은 연료 분사 밸브(10)의 축에 대해 수평 방향으로 더 접근하도록 편향된다. 그 결과, 연료배출 구멍(10b)으로부터 배출된 연료는 도4에 도시된 중공 분무 원추(F)의 형태를 취하고, 분무 원추(F)는 분무 각도(θ4)를 갖는다. 연료 배출 구멍(10b)의 형상의 영향하에, 분무 원추(F)의 상부 부분(P1)에서의 유동 속도는 분무 원추(F)의 하부 부분(P2)에서의 유동 속도보다 크다. 따라서, 연료 배출 구멍(10b)으로부터 배출된 연료의 분무 원추(F)는 연료 분사 밸브(10)의 축에 대해 상향 편향되고, 분무된 연료는 상부 부분(P2)에 대응되는 방향으로 다소 집중된다.

스월 제어 밸브(11)는 제1 흡기 포트(5A)를 차단하도록 이동가능하게 배치되고 엔진 작동 조건에 따라 제어가능하게 개폐되도록 배치된다. 본 실시예에서, 스월 제어 밸브(11)는 성층 연소가 수행되는 소정의 엔진 작동 조건에서 통상 완전 밀폐되도록 제어된다. 스월 제어 밸브(11)는 다른 소정의 엔진 작동 조건에서 제1 흡기 포트(5A) 내의 공기 유동을 제어하기 위해 부분적으로 밀폐될 수도 있다. 제2 흡기 포트(5B)는 공동(8)의 원주부(8a)에 통상 접선 방향으로 연장하도록 형성된다. 보다 상세하게는, 제2 흡기 포트(5B)의 축(X1) [또는 축(X1)의 적어도 일부의 주요부]를 포함하는 수직 포트 축 평면(L)은 연소실(1)을 향한 방향으로 피스톤(4)의 중심축(C1)에 점진적으로 접근하도록 수직 교차 유동 평면(V1)에 대해 경사지고, 소정의 각도(포트 내향 각도; θ1)는 수직 포트 축 평면(L)과 수직 교차 유동 평면(V1) 사이로 형성된다. 소정의 각도(θ1)는 5도보다 작지 않고 15도보다 작은 범위이고, 양호하게는 8도이다. 또한, 수직 포트 축 평면(L)은 실린더 블록(3)의 블록 데크(H) 또는 가상의 수평면 상의 원형 공동(8)의 원주부(8a)의 접선을 포함하는 수직 평면(V2)과 통상 평행하다. 본 실시예에 있어서, 수직 포트 축 평면(L)은 수직 평면(V2) 내에 위치되고, 점화 플러그(9)의 외부 및 원형 공동(8)의 원주부(8a)에 대해 내부의 공간을 통과하도록 연장한다. 수직 포트 축 평면(L), 수직 교차 유동 평면(V1) 및 수직 평면(V2)은 실린더 블록(3)의 블록 데크 또는 상부 평면(H)에 수직하다. 수직 교차 유동 평면(V1)은 흡기 밸브(6B)와 배기 밸브(7B)를 통과하고, 실린더(C)의 축을 포함하는 실린더 축 평면(P)에 수직하다. 실린더 축 평면(P)이 블록 데크(H)에 수직하다는 것을 알 수 있다. 따라서, 다시 말하면, 소정의 각도(θ1)는 교차 유동 수평 방향(V1)에 대한 흡기 포트[5B; 보다 상세하게는 흡기 포트 축(X1)]의 내향 경사 각도이다. 다중 실린더 엔진에 있어서, 소정의 각도(θ1)는 흡기 포트 축(X1)과 선(V1) 사이에 형성된 수평 방향 측정 각도로서 또한 정의될 수 있고, 상기 선(V1)은 흡기 밸브(6B)와 배기 밸브(7B)를 통해 연장하고 인접 실린더의 중심축을 포함하는 수직 실린더 축 평면(P)에 수직한 수직 평면이다.

또한, 제2 흡기 포트(5B)의 축(X1)의 직선 부분의 주요부는 연소실(1)을 향해 하향 경사지고, 축(X1)은 실린더 블록(3)의 상부 평면(T)에 대해 또는 실린더 헤드(2)의 하부 평면에 대해 소정의 각도(포트 경사 각도; θ2)를 형성한다. 소정의 각도(θ2)는 30도보다는 크고 40도보다는 작은 범위이고, 양호하게는 38도이다. 따라서, 소정의 각도(θ2)는 실린더 블록(3)의 상부 평면(T)과 흡기 포트 축(X1) 사이의 각도이므로 흡기 포트 각도로 고려될 수 있다. 스월 제어 밸브(11)를 차단할 수 있는 제1 흡기 포트(5A)는 공동(8)의 중심축(C2)과 피스톤(4)의 중심축(C1)을 포함하는 수직 중심 평면(V3)에 대해 제2 흡기 포트(5B)와 통상 대칭되게 그리고 수직 교차 유동 평면(V1)에 평행하게 형성되며, 그 결과 제1 및 제2 흡기 포트(5A, 5B)의 축은 도2에 명확히 도시된 바와 같이 연소실(1)을 향하는 방향으로 상호 점진적으로 접근하게 된다.

도2에 도시된 바와 같이, 점화 플러그(9)의 (전극을 갖는) 선단부는 제2 흡기 포트(5B)의 축(X1)을 포함하는 수직 포트 축 평면(L)에 대해 내부에 위치한다. 본 실시예에서, 점화 플러그(9)는 수직 중심면(V3)이 점화 플러그(9)의 선단부를 통과하도록 위치된다.

다음으로, 이와 같이 배치된 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진의 작동 방법을 설명한다.

성층 연소가 수행되는 엔진 작동 조건(예컨대, 낮은 부하의 엔진 작동 조건) 하에서, 스월 제어 밸브(11)는 제1 흡기 포트(5A)를 차단하도록 통상 완전 밀폐되도록 제어된다. 그러므로, 흡기 밸브(6A, 6B)가 피스톤(4)이 하강하는 흡기 행정에서 상승 및 개방될 때, 흡입 공기가 포트 내향 각도(θ1)와 포트 경사각(θ2)의 영향하에 유동 방향으로 조절되는 스월 제어 밸브(11)에 의해 차단되지 않는 제2 흡기 포트(5B)를 통해 연소실(1) 내로 흡입된다. 이와 같이 흡입된 흡입 공기는 도6의 화살표(W1)로 도시된 바와 같은 연소실(1) 내의 스월 형태의 가스 유동을 발생시킨다. 이와 같이 흡입된 흡입 공기는 도2의 화살표(W)로 도시된 바와 같이 피스톤 크라운에서 형성된 공동(8) 내부에서 경사진 스월의 형태로 가스 유동을 발생시키며, 상기 가스 유동은 공동(8)의 원주부(8a)를 따라 이동한다는 것을 알 수 있다. 이러한 관점에서, 포트 내향 각도(θ1)와 포트 경사 각도(θ2)는 상기 가스 유동이 피스톤(4)의 피스톤 크라운에 형성된 공동(8) 내부에서 최적 상태가 되게 하도록 선택된다. 이러한 가스 유동은 피스톤 작동이 압축 행정에 도달할 때까지 유지된다.

이어서, 압축 행정에 있어서, 스월 형태의 가스 유동이 유지되고 가연성 공기 연료 혼합기의 층이 도6의 부호(W2)로 도시된 바와 같이 공동(8) 내에 형성되어 연소실(1) 내에서 성층화된 공기 연료 혼합기의 형성을 가능하게 하는 조건하에서 분무된 연료는 연료 분사 밸브(10)로부터 분사된다. 여기서, 연료 분사 밸브(10)의 상향 편향된 연료 배출 구멍(10b)의 영향하에, 분사된 연료는 통상 수평 속도 성분(Va)이 도4에 도시된 바와 같이 통상 수직 속도 성분(Vb)보다 더 큰 특성을 갖는 분무 원추(F)를 형성한다. 그러므로, 분무된 연료의 점화 플러그(9)로의 큰 통과력은 분무된 연료의 분무 각도(θ4)가 증가하는 조건하에서도 유지될 수 있다. 그 결과, 스월 가스 유동이 크게되는 큰 엔진 속도 조건에서도 분사된 연료는 증기화되어 점화 플러그(9)의 전극 주위로 전달되고, 따라서 성층화된 공기 연료 혼합기는 연소실 내에 형성되어 희박 공기 연료 혼합기에서도 안정된 연소를 유지시킬 수 있다. 따라서, 성층화는 큰 속도를 갖는 가스 유동 조건에서도 점화 플러그(9)의 전극 주위에서 안정적으로 형성되어 넓은 범위의 엔진 작동 조건에 걸쳐 희박 연소를 달성할 수 있다.

균질 연소가 수행되는 엔진 작동 조건(예컨대, 중간 및 높은 부하의 엔진 작동 조건) 하에서, 스월 제어 밸브(11)는 흡입 공기가 흡기 포트(5A, 5B)를 통해 유동할 수 있도록 통상 완전 개방되게 제어된다. 피스톤이 하강 운동을 시작하는 흡입 행정에 있어서, 흡기 밸브(6A, 6B)는 상승하여 공기가 흡기 포트(5A, 5B)를 통해 연소실(1) 내로 유동하게 한다. 흡입 행정의 초기에, 연료는 연료 분사 밸브(10)로부터 분사된다. 여기서, 연료 배출 구멍(10b)의 축(Hx)은 수평 방향에 접근하도록 연료 배출 구멍 편향 각도(θ3)만큼 니이들 밸브(10c)의 축(Bx)과 연료 분사 밸브(10)의 축에 대해 상향으로 편향된다. 결국, 분사된 분무 연료는 분무 각도(θ4)를 갖는 분무 원추(F)의 형태를 갖는다. 또한, 분사된 연료는 분무 원추의 상부 또는 다소 많이 편향된 부분(P1) 내로 다소 집중되고, 상기 분무 원추의 상부 부분(P1)은 상기 분무 원추의 하부 또는 다소 작게 편향된 부분(P2)보다 유동 속도가 더 크게 된다. 결국, 통상 수직 방향으로 분사된 유동 속도는 피스톤(4)이 흡입 행정의 초기에 연료 분사 위치 근처의 위치에 있을 때에도 억제되며, 따라서 분사된 연료는 분산 또는 분무화되기 전에 액막 상태로 피스톤 크라운의 표면에 대해 타격되는 것이 방지될 수 있다. 이는 연소실(1) 내의 그을음의 생성을 효과적으로 억제할 수 있다.

그 결과, 연료 분사 밸브(10)의 연료 분사 시기를 앞당기는 것이 가능하게 되고, 이는 그을음이 생성되게 한다는 것으로 종래에는 믿어졌다. 이에 의해, 연료 증기화 및 연료 공기 혼합에 대한 충분한 시간이 보장되어 특히 연료 공기 혼합에 대한 시간이 엔진 회전 속도가 큰 때 동일한 크랭크축 각도에서 불충분한 조건에서도 아주 균일한 공기 연료 혼합을 발생시킬 수 있다.

이러한 관점에서, 종래의 연료 분사 밸브를 사용하는 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진에 있어서, 흡입 행정의 초기에 연료를 분사함으로써 특히 고속의 엔진 속도에서 연료의 기화와 공기 및 연료의 혼합에 필요한 충분한 시간이 보장되어, 연료 및 공기 사이의 불충분한 혼합에 기인하여 연소가 저하되는 것을 방지하고 양호한 출력 성능을 달성할 수 있다. 그러나, 피스톤이 흡입 행정의 초기에 연료 분사 밸브 근처에 있게 되므로, 분사된 연료는 잘 분무화되고 분산되기 전에 상기 피스톤의 표면에 불가피하게 타격되며, 산소 부족으로 확산 연소가 발생하면서 피스톤 크라운 표면에서의 표면 장력에 의해 연료의 기화가 지연된다. 이는 연소실 내에 그을음을 용이하게 발생시킬 수 있게 된다. 이러한 문제를 극복하기 위한 대책으로서, 연료 액막의 피스톤 크라운 표면에의 부착을 방지하기 위해 피스톤 크라운에 상대적으로 깊은 공동을 형성함으로써 연료 분사 위치로부터 피스톤 크라운 표면까지의 거리를 증가시키는 것이 제안되었다. 그러나, 이는 피스톤 크라운 표면의 비평탄성을 증가시켜 실린더 내의 연소를 증진시키는 가스 유동을 억제함과 동시에 열 손실을 증가시키도록 연소실 내의 표면적을 증가시키게 된다. 이는 연소 속도를 저하시켜 엔진의 열 효율을 저하시킨다.

반대로, 본 발명에 의한 연료 분사 밸브(10)를 구비한 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진에 의하면, 비록 피스톤(4)이 흡입 행정의 초기에 연료 분사 위치 근처에 위치하더라도, 분사된 연료는 분무화 또는 분산 전에 액막 상태로 피스톤 크라운 표면에 대해 타격될 수 있어서 통상 수직 방향으로 분사된 연료의 유동 속도가 낮으므로 연소실(1) 내의 그을음 발생을 억제할 수 있다. 그 결과, 통상 그을음을 발생시키리라고 믿어졌던 연료 분사 밸브(10)의 연료 분사 시기를 앞당길 수 있게 되어, 특히 고속의 엔진 속도의 동일한 크랭크 각도에서 공기 및 연료의 혼합 시간이 불충분한 경우에 아주 균일한 공기 연료 혼합기를 발생시키는 연료의 기화 및 공기 연료 혼합에 필요한 시간을 연장시킬 수 있게 된다. 이는 엔진의 출력과 열 효율을 상승시킴과 동시에 연소실 내에서의 그을음의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.

본 발명에 의한 연료 분사 밸브(10)의 효과는 도7을 참조하여 설명한다.

각 실린더에 본 발명에 의한 (도3 및 도4에 도시된) 연료 분사 밸브를 구비한 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진 상에서와 각 실린더에 종래의 연료 분사 밸브를 구비한 동일한 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진 상에서 시험이 수행되어 도7의 선도의 데이터를 얻었다. 종래의 연료 분사 밸브는 연료 배출 구멍의 축이 연료 분사 밸브의 축 또는 니이들 밸브의 축과 정렬되도록 연료 배출 구멍이 형상화되었다는 것을 제외하고는 도3 및 도4에 도시된 연료 분사 밸브와 동일하였다.

본 시험에서, 출력 토크와 연소실 내의 그을음 발생량이 완전 개방 쓰로틀 위치(쓰로틀 밸브가 완전히 개방된 위치)에서 연료 분사 밸브의 연료 분사 시기를 변경시키면서 4000 rpm의 엔진 속도로 측정되었다. 출력 토크와 그을음 발생량의 측정 데이터는 도7에 도시되었고, 여기서 T1 및 T2가 본 발명에 의한 연료 분사 밸브를 갖는 엔진과 종래의 연료 분사 밸브를 갖는 동일한 엔진의 출력 토크에 대한 측정 데이터를 각각 도시하고 선 S1 및 S2는 본 발명에 의한 연료 분사 밸브를 갖는 엔진과 종래의 연료 분사 밸브를 갖는 동일한 엔진의 그을음 발생량에 대한 측정 데이터를 각각 도시한다. 상기 선도는 본 발명에서는 연료 분사 시기가 흡입 행정의 초기에 앞당겨지더라도 출력 토크를 향상시킬 뿐만 아니라 그을음 발생량도 억제시킬 수 있다는 사실을 나타낸다.

Claims

실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진에 있어서, 연소실을 형성하는 실린더 헤드에 대해 이동가능하게 배치된 흡기 및 배기 밸브와, 상기 실린더 헤드의 하부 평면에 대해 경사지고 상기 흡기 밸브로부터 상기 배기 밸브를 향하는 방향으로 상기 하부 평면으로 점진적으로 접근하는 축을 가지고, 연료 분사 밸브의 축에 의해 형성된 제2 각도보다 작은 제1 각도를 상기 실린더 헤드의 하부 평면에 대해 형성하도록 그 축이 상기 연료 분사 밸브의 축에 대해 경사진 연료 배출 구멍을 가지고, 상기 연소실 내로 연료를 직접 분사시키기 위한 연료 분사 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진.
제1항에 있어서, 상기 연료 배출 구멍을 통해 분무된 연료가 상기 연료 배출 구멍의 축을 갖는 평면에 대해 상호 대향하는 제1 부분 및 제2 부분을 갖는 분무 원추 형태로 형성되도록 상기 연료 분사 밸브가 배치되고, 상기 제1 부분은 연소실을 형성하는 상기 실린더 헤드의 표면에 상기 제2 부분보다 더 근접하게 위치되고, 상기 제1 부분은 상기 제2 부분보다 분무된 연료 유동 속도가 더 큰 것을 특징으로 하는 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진.
실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진에 있어서, 실린더 헤드에 이동가능하게 배치된 흡기 및 배기 밸브와, 연소실을 형성하기 위해 실린더 블록의 실린더 내에 이동가능하게 배치되고 상기 흡기 밸브를 향해 피스톤의 중심축으로부터 오프셋된 중심축을 갖는 통상 원형의 공동을 갖도록 피스톤 크라운에 형성된 피스톤과, 상기 피스톤의 원주부보다 상기 피스톤의 중심축에 더 근접하게 배치된 상기 원형 공동의 원주부의 일부보다 위에 그 선단부가 위치된 점화 플러그와, 연소실 내로의 흡입 공기의 스월을 발생시키는 장치와, 상기 실린더 헤드의 하부 평면에 대해 경사지고 상기 흡기 밸브로부터 상기 배기 밸브를 향하는 방향으로 상기 하부 평면으로 점진적으로 접근하는 축을 가지고, 연료 분사 밸브의 축에 의해 형성된 제2 각도보다 작은 제1 각도를 상기 실린더 헤드의 하부 평면에 대해 형성하도록 그 축이 상기 연료 분사 밸브의 축에 대해 경사진 연료 배출 구멍을 가지고, 상기 연소실 내로 연료를 직접 분사시키기 위한 연료 분사 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진.
제3항에 있어서, 상기 연료 배출 구멍을 통해 분무된 연료가 상기 연료 배출 구멍의 축을 갖는 평면에 대해 상호 대향하는 제1 부분 및 제2 부분을 갖는 분무 원추 형태로 형성되도록 상기 연료 분사 밸브가 배치되고, 상기 제1 부분은 연소실을 형성하는 상기 실린더 헤드의 표면에 상기 제2 부분보다 더 근접하게 위치되고, 상기 제1 부분은 상기 제2 부분보다 분무된 연료 유동 속도가 더 큰 것을 특징으로 하는 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진.
제3항에 있어서, 상기 스월 발생 장치는 각 실린더에 제1 및 제2 흡기 포트와 제1 및 제2 배기 포트를 갖는 실린더 헤드와, 엔진 작동 조건에 따라 상기 제1 흡기 포트 내의 공기 유동을 제어하도록 배치된 스월 제어 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진.
실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진에 있어서, 다수의 실린더를 갖는 실린더 블록과, 상기 실린더 블록의 블록 데크 상에 고정 장착되고 각 실린더에 제1 및 제2 흡기 포트와 제1 및 제2 배기 포트를 갖는 실린더 헤드와, 상기 제1 및 제2 흡기 포트를 각각 폐쇄할 수 있고 상기 실린더 헤드에 이동가능하게 배치된 제1 및 제2 흡기 밸브와, 상기 제1 및 제2 배기 포트를 각각 폐쇄할 수 있고 상기 실린더 헤드에 이동가능하게 배치되는 제1 및 제2 배기 밸브와, 상기 실린더 헤드의 하부 평면에 대해 경사지고 상기 흡기 밸브로부터 상기 배기 밸브를 향하는 방향으로 상기 하부 평면으로 점진적으로 접근하는 축을 가지고, 연료 분사 밸브의 축에 의해 형성된 제2 각도보다 작은 제1 각도를 상기 실린더 헤드의 하부 평면에 대해 형성하도록 그 축이 상기 연료 분사 밸브의 축에 대해 경사진 연료 배출 구멍을 가지고, 상기 연소실 내로 연료를 직접 분사시키기 위한 연료 분사 밸브와, 그 선단부가 연소실 내로 돌출된 점화 플러그와, 상기 실린더 헤드와의 사이에 연소실을 형성하도록 실린더 내에 이동가능하게 배치되고, 피스톤의 중심축으로부터 상기 흡기 밸브를 향해 오프셋된 중심축을 갖는 통상 원형의 공동을 갖도록 피스톤 크라운에 형성된 피스톤과, 엔진 작동 조건에 따라 상기 제1 흡기 포트 내의 공기 유동을 제어하도록 배치된 스월 제어 밸브를 구비하고 있으며, 상기 제2 흡기 포트는 소정의 제1 각도를 형성하기 위해 제2 수직 평면에 대해 경사진 제1 수직 평면 내에 적어도 주요 부분이 포함되는 축을 구비하며, 상기 제1 수직 평면은 상기 제2 수직 평면에 대해 연소실을 향한 방향으로 상기 피스톤의 중심축에 점진적으로 접근하고, 제1 및 제2 수직 평면은 상기 실린더 블록의 블록 데크에 수직하고, 제2 수직 평면은 상기 제1 흡기 및 배기 밸브를 통과하고 상기 실린더의 중심축을 포함하는 제3 수직 평면에 직교하고 실린더 데크에 수직하고, 상기 제1 흡기 및 배기 밸브는 상기 제3 수직 평면의 대향 측면들 상에 각각 위치되는 것을 특징으로 하는 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진.
제6항에 있어서, 제1 수직 평면은 상기 피스톤의 상기 원형 공동의 원주부에 통상 접선 방향인 것을 특징으로 하는 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진.
제6항에 있어서, 제1 수직 평면은 상기 블록 데크 상의 상기 원형 공동의 원주부의 접선을 포함하는 제4 수직 평면과 평행하고, 상기 제4 수직 평면은 상기 블록 데크에 수직한 것을 특징으로 하는 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진.
제6항에 있어서, 상기 점화 플러그의 선단부는 상기 원형 공동의 원주부 위치에 배치되고 상기 제2 수직 평면에 대해 상기 제1 수직 평면의 대향 측면 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진.
제6항에 있어서, 제1 수직 평면은 상기 원형 공동의 원주부와 상기 점화 플러그 사이의 공간을 통과하는 것을 특징으로 하는 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진.
제6항에 있어서, 상기 연료 분사 밸브는 상기 피스톤의 피스톤 크라운 내의 상기 원형 공동으로 향하는 축을 가지며, 실린더 블록을 포함하는 평면에서 상기 제1 및 제2 흡기 포트 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진.
제6항에 있어서, 상기 스월 제어 밸브는 연소실 내에서 성층 연소가 수행되는 소정의 엔진 작동 조건에서 상기 제1 흡기 포트를 사실상 차단하도록 배치된 것을 특징으로 하는 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진.
제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 흡기 포트는 상기 제1 및 제2 배기 포트에 대해 상기 제3 수직 평면의 대향 측면 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진.
제6항에 있어서, 상기 소정의 제1 각도는 5도보다는 작지 않고 15도보다는 작은 범위인 것을 특징으로 하는 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진.
제6항에 있어서, 상기 제2 흡기 포트의 축의 적어도 주요 부분은 상기 실린더 블록의 상기 블록 데크의 표면에 대해 소정의 제2 각도를 형성하며, 상기 소정의 제2 각도는 30도보다는 크고 40도보다는 작은 범위인 것을 특징으로 하는 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진.
제6항에 있어서, 상기 연료 분사 밸브는 상기 실린더 블록의 상기 블록 데크의 표면에 대해 소정의 제3 각도를 형성하는 축을 가지며, 상기 소정의 제3 각도는 35도 내지 45도의 범위인 것을 특징으로 하는 실린더 직접 분사식 스파크 점화 엔진.