KR19990078187A - 직접분사, 스파크 점화식 내연기관 - Google Patents

Abstract

본 발명의 대상은 피스톤(10), 실린더 및 실린더 헤드에 의해 획정(劃定)되는 하나 이상의 연소 챔버(1)와, 흡기 부재(6)와 결합되어 있는 흡기관(2)과, 배기 밸브(7)와 협동하는 배기관(3)과, 점화 수단(8) 및 연료 분사 부재(9)를 포함하는 직접 분사, 스파크 점화식 4행정 내연 기관이다. 본 발명에 따르면, 연료 분사 부재(9)는 배기 밸브(7)가 배치되는 실린더 절반부와 동일한 실린더 절반부 내에서 상기 점화 수단(8)에 인접하여 배치되며, 상기 실린더 절반부는 차량의 전방에 배치되어 있다.

엄밀하게 말해서, 연료 분사 부재(9)는 점화 수단(8) 아래에 배치될 수 있다.

Description

직접 분사, 스파크 점화식 내연 기관 {NEW DIRECT INJECTION SPARK IGNITION INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 특히 연소 챔버로 연료를 직접 분사하는 스파크 점화식 4행정 내연 기관에 관한 것이다.

이러한 유형의 내연 기관에서는, 통상의 내연 기관과는 달리 연료를 흡기관(들)으로 분사하지 않고 연소 챔버로 직접 분사하는 방식을 채택하고 있다. 연료 분사 노즐이 내연 기관의 사이클에 따라 응동(應動) 및 제어될 수 있기만 하다면, 연료를 직접 분사함으로써 연소를 보다 잘 제어할 수 있다.

많은 내연 기관이 이미 이와 같이 연료를 직접 분사하도록 설계되어 있다. 따라서, 실린더 하나당 4개의 밸브와, 실린더 종축을 따라 실린더 헤드에 배치된 스파크 플러그(spark plug)를 구비하는 스파크 점화식 4행정 내연 기관이 널리 공지되어 있는데, 상기 실린더 헤드에는 실린더의 축선에 실질적으로 평행하게 배치되어 연장되는 흡기관이 설치되어 있으며, 분사 노즐은 흡기 밸브 바로 아래에서 실린더 헤드 속으로 개방된다.

동일한 유형이지만, 흡기관이 실린더의 축선 둘레에 가스 운동[이러한 가스 운동은 와류(swirl)로 판단된다]을 발생시키도록 배치되어 있는 내연 기관도 공지되어 있다.

이러한 내연 기관과 연관된 피스톤은 통상 이러한 가스 운동을 연소 챔버로 안내하여 그 운동을 증대시킬 목적으로 특별히 성형된 중공부(中空部)를 구비한다.

또한, 피스톤이 상사점에서 연료 분사 노즐과 스파크 플러그 정반대 쪽에 상사점에 위치한 구형의 보울(bowl)(또는 중공부)을 구비하는 내연 기관도 공지되어 있다.

이들 모든 내연 기관은 대용량(실린더 보어가 80 mm를 약간 초과하는)으로, 실린더 하나당 4개 이상의 밸브를 구비한다.

이들 내연 기관은 저부하에서의 성층 모드(成層;stratified mode) 및/또는 고부하에서의 균질 모드(homogeneous mode)의 연소를 허용한다.

저부하에서 연소 챔버의 일부 영역의 혼기(混氣)를 연소 챔버의 다른 영역보다 농후하게 만들어 연소시키는 것을 성층 연소 모드라고 칭한다. 이러한 모드에서는 혼기의 점화가 더욱 쉽게 일어나는데, 그 이유는 혼기가 농후한 구역이 스파크 플러그에 대체로 인접하기 때문이다.

고부하에서는, 이른바 균질 연소 모드가 추천된다. 이 경우 혼기는 연소 챔버 전체에 걸쳐 매우 균질하게 분포된다.

직접 분사식 내연 기관은 일반적으로 전술한 두 모드 중 어느 한 모드로 적절하게 운전된다. 두 개의 작동 모드를 조화시키는 것은 대체로 어렵다.

이러한 내연 기관에 있어서, 치수, 접근성 및 비용은 중요한 변수이다.

본 발명은 전술한 유형의 내연 기관에 관한 것으로서, 관련된 몇가지 문제점을 해결한다.

보다 상세히 설명하자면, 본 발명은 펌핑 일(pumping work)을 감소시켜 연료 소비를 줄인다. 또한, 본 발명에 따르면 연소 챔버 내부 및 챔버 주변에서의 열전달이 크게 감소된다.

본 발명은 특히 소형 실린더를 구비한 성층 연소 모드의 직접 분사식 내연 기관에 관한 것이다.

이러한 내연 기관에서는 연료 분사 노즐 및 점화 부재로의 접근이 용이하다.

따라서, 본 발명의 장치는, 피스톤과, 실린더 및 실린더 헤드에 의해 획정(劃定)되는 하나 이상의 연소 챔버와, 흡기 부재와 결합되어 있는 흡기관과, 배기 밸브와 협동하는 배기관과, 점화 수단, 그리고 연료 분사 부재를 포함하는 직접 분사, 스파크 점화식 4행정 내연 기관이다.

본 발명에 따르면, 연료 분사 부재는 배기 밸브가 배치되는은 실린더 절반부와 동일한 실린더 절반부 내에서 점화 수단에 인접하게 아래에 배치되며, 상기 실린더 절반부는 차량의 전방에 배치되어 있다.

본 발명에 따르면, 흡기 밸브는 배기 밸브가 없는 실린더 절반부에 배치된다.

배기관은, 연소 챔버에 인접한 위치에, 배기 밸브가 없는 실린더 절반부를 향해, 즉 차량의 후방을 향해 거의 직각의 굴곡부를 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명의 특징 중 하나에 따르면, 흡기관의 종축선은 연소 챔버 부근에서 실린더의 종축선(XX')에 가깝다.

다른 특징들에 따르면, 피스톤 상부면의 프로파일(profile)은 실린더 헤드 저면의 프로파일과 유사하며, 상기 피스톤은 점화 수단이 개방되어 있는 영역에 인접하게 배치되어 있는 중공부(中空部)를 구비한다.

더욱이, 피스톤의 상기 중공부의 형상은 구형(球形) 또는 반구형이다.

피스톤의 상부면의 프로파일은 양 측면을 구비한 덮개의 형상인 것이 유리하며, 그 양 측면의 상부 가장자리가 실린더의 양 절반부의 획정한다.

본 발명에 따르면, 흡기 밸브와 배기 밸브는 정반대 방향으로 대향된다.

본 발명의 다른 장점, 특징은 도면을 참조하여 비제한적인 예로서 주어진 이후의 설명을 읽음으로써 분명해질 것이다.

도 1은 연소 챔버와 실린더 헤드 상부 영역의 종단면도,

도 2는 본 발명의 실시예를 간략하게 나타낸 사시도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 연소 챔버

2 : 흡기관

3 : 배기관

4 : 흡기 포트

5 : 배기 포트

6 : 흡기 밸브

7 : 배기 밸브

8 : 점화 수단

9 : 연료 분사 수단

10 : 피스톤

11 : 중공부

도 1에는 연소 챔버(1)의 상측부에 배치된 실린더 헤드 영역이 도시되어 있다. 흡기관(2)에 의해 공기가 챔버(1)로 유입되며, 연소 후 이 가스는 배기관(3)을 통해 배출된다.

흡기관(2)은 흡기 포트(4)를 통해, 배기관은 배기 포트(5)를 통해 챔버(1)에 개방되어 있다.

각 포트(4, 5)와 관(2, 3)으로의 가스의 유입은 흡기측에 배치된 흡기 밸브(6)와 배기측에 배치된 배기 밸브(7)와 같은 봉쇄 장치에 의해 제어된다.

각 밸브의 운동은 통상 캠 샤프트(도시 생략)와 같은 부재에 의해 제어된다.

또한, 점화 수단(8)과 연료 분사 수단(9)이 실린더 헤드에 장착되어 연소 챔버(1)의 상측부에 개방되어 있다.

본 발명에 따르면, 연료 분사 부재(9)는 점화 수단(8)에 인접하게 배기 밸브(7)가 배치되는 실린더 절반부와 동일한 실린더 절반부에 배치된다. 이 실린더 절반부는 차량의 전방을 향해 연장된다. 따라서, 연료 분사 노즐(9)과 점화 수단(8)으로의 접근이 용이하다. 특히, 연료 분사 노즐(9)은 점화 수단(8)의 아래에 배치되기 때문에 연소 챔버의 최상부에 가능한 한 인접하게 배치될 수 있다.

또한, 흡기 밸브(6)는 배기 밸브(7)가 없는 실린더 절반부에 배치된다. 이들 두 개의 밸브는 도 2의 사시도에 도시된 바와 같이 정반대 방향으로 대향되는 것이 바람직하다. 따라서, 와류 운동, 즉 실린더 축선 둘레에서의 가스의 회전이 발생할 수 있다.

피스톤(10)의 상부면의 프로파일은 실린더 헤드의 저면의 프로파일과 유사한 것이 유리하다. 피스톤(10)은 구형으로 형성된 중공부(11)를 포함하며, 이 중공부는 점화 부재(8)와 연료 분사 노즐(9)이 개방되어 있는 영역의 반대쪽에 배치된다. 이에 따라, 분사 말기에, 즉 상사점에 인접하여, 연료의 봉쇄가 보다 잘 이루어지게 된다.

후드(hood) 아래의 제한된 공간에 주의하면서 그리고 연료 분사 노즐 설비가 그 크기로 인해 방해받는 일이 없이 배기 가스를 차량의 후방으로 이송하기 위하여, 배기관(3)은 거의 직각을 이루는 굴곡부를 구비하며, 이 굴곡부는 챔버(1)에 개방되어 있는 영역에 인접하게 배치된다. 특히, 배기관(3)의 축선은 처음에는 실린더의 축선에 가깝다가, 나중에는 연소 챔버의 축선 방향에 거의 수직이 되며 실린더의 직경을 넘는 정도 길이로 연장된다.

따라서, 매우 현저한 굴곡부가 얻어져, 이 굴곡부에 의해 가스가 차량의 후방으로 이동될 수 있으며, 특히 배기관이 캠 샤프트 아래에서 연장될 수 있고, 이 캠 샤프트는 연소 챔버의 최상부 바로 위에 배치될 수 있다.

또한, 흡기관(2)의 축선은 이것이 연소 챔버(1)에 개방되어 있는 영역에서 실린더의 축선에 가깝다. 이외에, 흡기관(2)은 캠 샤프트 위에서 연장될 수 있어, 완만한 곡선으로 점차적으로 차량의 전방에까지 이르게 된다.

전술한 특정한 배치에 의해, 두 개의 밸브 만을 구비한 소용량 엔진이,

- 대체로 최소형 밸브인 배기 밸브(7)에 인접한 위치에 연료 분사 노즐(9)을 구비할 수 있으며,

- 노즐이 이 최소형 밸브 옆에 배치되며 배기관이 반대 방향으로 연장되는 한, 노즐(9)을 중앙으로 배치할 수 있고,

- 노즐(9)과 점화 수단(8)이 차량의 전방에 배치됨에 따라 이들 장치로의 접근이 용이해질 수 있으며,

- 흡기관(2)과 배기관(3)의 특정한 곡률 덕택으로 연소 챔버(1)의 최상부 위에 단일 캠 샤프트를 배치할 수 있다.

모든 전술한 장치에 의해 두 개의 밸브 만을 구비한 소용량 엔진이 예를 들어, 실린더 하나 당 4개의 밸브를 구비한 대용량 엔진의 장점을 가질 수 있다.

본 발명에 따르면, 스파크 점화식 4행정 내연 기관에서, 펌핑 일이 감소되어 연료 소비가 감소되며, 연소 챔버 내부 및 그 주변에서의 열전달이 크게 감소되고, 연료 분사 노즐 및 점화 부재로 접근하기가 용이해진다.

Claims (8)

1. 피스톤(10), 실린더 및 실린더 헤드에 의해 획정(劃定)되는 하나 이상의 연소 챔버(1)와, 흡기 부재(6)와 결합되어 있는 흡기관(2)과, 배기 밸브(7)와 협동하는 배기관(3)과, 점화 수단(8), 그리고 연료 분사 부재(9)를 포함하는 직접 분사, 스파크 점화식 4행정 내연 기관에 있어서,

   상기 연료 분사 부재(9)는 배기 밸브(7)가 배치되는 실린더 절반부와 동일한 실린더 절반부 내에서 상기 점화 수단(8)에 인접하게 아래에 배치되며, 상기 실린더 절반부는 차량의 전방에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
2. 제1항에 있어서, 상기 흡기 밸브(6)는 배기 밸브(7)가 없는 실린더 절반부에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
3. 제1항 및 제2항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 배기관(3)은, 연소 챔버에 인접한 위치에, 배기 밸브(7)가 없는 실린더 절반부를 향해, 즉 차량의 후방을 향해 거의 직각의 굴곡부를 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
4. 선행항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 흡기관(2)의 종축선은 연소 챔버(1) 부근에서 실린더의 종축선에 가까운 것을 특징으로 하는 내연 기관.
5. 선행항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 피스톤(10)의 상부면의 프로파일은 실린더 헤드 저면의 프로파일과 유사하며, 상기 피스톤(10)은 점화 수단(8)이 개방되어 있는 영역에 인접하게 배치되는 중공부(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
6. 제5항에 있어서, 상기 피스톤(10)의 중공부(11)의 형상은 구형 또는 반구형인 것을 특징으로 하는 내연 기관.
7. 선행항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 피스톤(10)의 상부면의 프로파일은 두 개의 경사면을 구비한 덮개의 형상으로, 두개의 경사면의 상부 가장자리는 두 개의 실린더 절반부의 획정하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
8. 선행항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 흡기 밸브(6)와 배기 밸브(7)는 정반대 방향으로 대향되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.