KR20000025210A - 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템 - Google Patents

자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20000025210A
KR20000025210A KR1019980042200A KR19980042200A KR20000025210A KR 20000025210 A KR20000025210 A KR 20000025210A KR 1019980042200 A KR1019980042200 A KR 1019980042200A KR 19980042200 A KR19980042200 A KR 19980042200A KR 20000025210 A KR20000025210 A KR 20000025210A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
flow
bowl
intake
combustion chamber
gasoline engine
Prior art date
Application number
KR1019980042200A
Other languages
English (en)
Inventor
조남효
여진구
이경헌
송재원
김미로
Original Assignee
김덕중
사단법인 고등기술연구원 연구조합
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 김덕중, 사단법인 고등기술연구원 연구조합 filed Critical 김덕중
Priority to KR1019980042200A priority Critical patent/KR20000025210A/ko
Publication of KR20000025210A publication Critical patent/KR20000025210A/ko

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)

Abstract

본 발명은 자동차용 가솔린 엔진에 관한 것으로서, 부분 부하의 운전 조건에서 연소실내 유동 제어를 통한 혼합기의 성층화를 유도하여 초희박공연비 운전 영역을 확보할 수 있도록 함은 물론 가솔린 엔진의 연비향상 및 이산화탄소( CO2 ) 배기가스를 저감시킬 수 있도록 함에 그 목적이 있다. 이를 위해 본 발명은 외부의 공기를 연소실로 유입되게 하는 두 개의 흡기관, 두 개의 흡기관 중 하나의 흡기관에 설치되어 공기의 유동을 제어하는 밸브, 연료를 분사하는 연료 인젝터, 혼합기에 전기 불꽃으로 착화시키는 점화 플러그 및 피스톤의 상부면에 형성되어 혼합기의 성층화를 유도하는 보울로 이루어진다. 이러한 구성에 의한 본 발명의 효과는 성층화된 혼합기에 의한 연소로 인하여 연소 안정성이 향상되어 가솔린 엔진의 연비향상 및 배기가스를 저감시킬 수 있음은 물론 연료의 직접분사로 인한 흡입공기의 온도를 낮추는 효과를 수반하여 노킹의 억제와 체적효율 향상을 통해 엔진의 출력 향상이 가능하고 또한, 기존의 흡기포트분사식 엔진의 최소 설계 변경으로 본 기술의 적용이 가능하다.

Description

자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템
본 발명은 자동차용 가솔린 엔진에 관한 것으로서, 특히 부분 부하의 운전 조건에서 연소실내 유동 제어를 통한 혼합기의 성층화를 유도하여 초희박공연비 운전 영역을 확보할 수 있도록 함은 물론 가솔린 엔진의 연비향상 및 이산화탄소( CO2 ) 배기가스 저감을 위한 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 가솔린 엔진 뿐 아니라 모든 엔진에서 우리가 추구하고 있는 목표는 동일 배기량으로 최대의 큰 출력을 얻으면서도 반면에 운전경비는 가장 적게 들어야 하는 점이다. 다시 말하면, 최소의 경비로 최대의 효과를 얻자는 것이다. 여기에 한가지를 덧붙이자면 환경 보전에 적합성이 있어야 한다는 점이다.
가솔린을 연료로 사용하는 자동차용 내연기관은 연료를 분사하는 위치에 따라 흡기포트 내에 분사하는 방식과 실린더 내에 직접 분사하는 방식으로 크게 구별할 수 있으며, 흡기포트 내부에 분사하는 방식의 경우에는 연비향상을 위한 희박연소엔진(Lean Burn Engine, 린번엔진)도 개발되어 있다.
흡기포트분사식 가솔린 엔진에서, 연료 인젝터는 흡기관 또는 실린더 헤드에 장착되어 흡기포트로 연료를 분사하게 된다. 이때, 분사되는 연료는 일반적으로 흡기 행정 중에 연소실내로 유입되며, 점화시 연소실내의 연료와 공기는 균일한 형태의 혼합기 상태가 된다. 이와 같은 흡기포트분사식 가솔린 엔진에서의 흡기포트는 혼합기의 흡기유량, 텀블유동(Tumble Flow) 및 스월유동(Swirl Flow) 등을 감안한 설계가 요구된다.
한편, 린번 흡기포트분사식 가솔린 엔진에서는 일반적인 흡기포트분사식 가솔린 엔진과 유사하나 희박공연비에서의 연소 안정성 확보를 위하여 흡기유동의 스월(수평 방향의 회전유동, Swirl)이나 텀블(수직 방향의 회전유동, Tumble) 등의 특성을 강화시켜 혼합기의 균일한 분포 또는 성층화를 유도한다. 이러한 엔진은 희박연소가 적용되는 영역(연비모드)과 일반연소가 적용되는 영역(출력모드)으로 연소제어모드가 구분되며 각 연소모드에서의 연료분사 방법 및 분사시기는 동일하다.
직접분사식 가솔린 엔진은 최근에 고압 인젝터 기술 등의 발전과 연비향상의 필요성이 증가하면서 개발되기 시작하였으며, 이러한 직접분사식 엔진은 부분부하 운전시 40:1 정도의 초희박운전이 가능한 연소 시스템을 적용하여 연비의 획기적인 향상을 가져온다. 그 구성을 살펴보면, 고압으로 구동되는 연료 인젝터가 실린더 헤드에 장착되며, 연료는 연소실내로 직접 분사된다.
직접분사식 가솔린 엔진의 연소모드는 초희박공연비 운전구간인 연비모드와 일반 운전구간인 출력모드로 구분되며, 각 모드는 연료 분사시기와 혼합기의 유동현상 등에 의하여 구분된다. 연비모드는 혼합기의 성층화(점화 플러그 주위에 연료를 농후하게 만듦)를 통하여 초희박연소를 가능하게 하며 연료의 분사시기는 혼합기 성층화 효과를 극대화하기 위하여 압축행정 중에 이루어진다. 출력모드의 경우에는 연료의 직접분사 외에는 흡기포트분사방식과 동일하여 흡기행정 중에 분사가 이루어지고 균일 혼합기를 이용한다.
한편, 직접분사식 가솔린 엔진은 혼합기의 적절한 성층화와 연료 분사시기 등의 제어를 위해 직립형 역텀블 흡기포트, 스월제어밸브를 갖는 나선형 흡기포트 등의 적용과 각 흡기포트 형상에 적절한 피스톤 상면부 설계를 통해 연소실내 혼합기의 유동을 제어한다.
다음은 전술한 바와 같은 엔진의 유형들을 소개한다.
US 특허 5305720 및 기술논문 SAE(Society Of Automotive Engineers)960600에 기술된 미쯔비시(Mistubishi) 제품의 엔진은 연소실내 연료의 직접분사로 연료/공기 혼합기의 초희박연소를 통한 연비저감을 실현시킨 것으로, 이 기술은 크게 두 가지의 엔진 운전 방식을 채택하여 초희박공연비 연소에 의한 "연비모드"와 현재의 일반가솔린 운전의 공연비와 유사한 혼합기를 사용하는 "출력모드"로 구분할 수 있다. 두가지 모드 중 연비모드가 핵심 기술로 이의 구현을 위하여 엔진은 직립형 역텀블 흡기포트를 갖는 실린더 헤드, 반구형 상면형상의 피스톤 및 흡기포트부에 장착되는 고압 연료 인젝터 등으로 구성된다. 역텀블 흡기포트에 의한 역텀블 유동의 생성과 피스톤 상면부에 고압으로 분사되는 유동을 피스톤의 반구형 상면부에 충돌시켜 스파크 플러그 주위에 농후한 혼합기를 형성시킴으로써 초희박공연비에서도 연소가 가능한 기술이다.
일본 특개평 8-246878 및 기술논문 SAE970540에 기술된 도요다(Toyota) 제품의 엔진은 연소실내 직접분사 및 "연비모드"에서의 성층화에 의한 초희박공연비 운전 등은 미쯔비시 기술과 기본개념이 유사하나, 이 기술의 특징은 나선형 흡기포트를 이용하여 강한 스월유동으로 혼합기의 성층화를 유도하는 방식으로 흡기포트 및 피스톤 상면부의 설계가 스월유동의 발생에 유리하게 설계되어 있고, 고압의 인젝터의 사용과 인젝터의 장착위치 등은 미쯔비시 기술과 유사하다.
기술논문 SAE980149에 기술된 닛산(Nissan) 제품의 엔진은 연소실내 직접분사 및 "연비모드"에서의 성층화에 의한 초희박공연비 운전 등의 기본개념에 있어서 미쯔비시와 도요다 등의 기술과 유사하며, 흡기포트, 피스톤의 형상 및 스월제어밸브 등이 상기한 두 방식과 설계상 차이가 있다.
US 특허 5724937에 기술된 메르세데스 벤츠(Mer-Benz) 및 US 특허 5727520에 기술된 AVL 제품의 엔진은 연소실내 직접분사 및 "연비모드"에서의 성층화에 의한 초희박공연비 운전 등의 기본개념이 미쯔비시, 도요다 및 닛산 등과 유사하나, 두 회사의 기술 공히 연료분사 인젝터의 위치를 스파크 플러그와 근접하게 장착하여 성층화시에 점화를 용이하게 하고, 피스톤 상면부의 형상은 이러한 연료분사 방식에 적절하게 각각 설계되었다.
그러나, 전술한 바와 같이 종래의 흡기포트분사식 엔진의 경우, 부분 부하의 운전 상태에서 연료와 공기의 혼합비가 가솔린의 이론공연비인 약 14.7로 제어된다. 이는 배기가스 정화를 위한 촉매의 효율 측면과 희박공연비 운전시 연소실내의 미착화에 기인한 때문으로 희박공연비 운전에서의 경우 희박공연비에서 얻을 수 있는 연비향상 효과를 제한한다. 이를 극복하기 위해 연소실내의 혼합기를 스월 등의 유동 형태로 제어하여 희박공연비 운전시에도 연소 안정성을 확보한 흡기포트분사식의 희박연소엔진이 개발되었다고는 하나, 이 희박연소엔진의 착화 가능 공연비 영역이 20∼25 정도로 연비향상의 효과는 크지 않다.
한편, 연소실내 직접분사식 엔진의 경우는 실린더 헤드 등 엔진 주요 부품 전체의 설계 변경이 필요한 문제(미쯔비시 US 5305720, SAE960600)가 있거나, 이로 인하여 많은 투자비가 소요되는 문제가 있고, 또한 고속운전시 유동저항이 크고 압축비 증가의 제한 등으로 고속에서의 출력에 불리한 단점(토요타 특개평 8-246878)이 있다. 그리고, 피스톤 상면부 보울의 형상은 압축 말기에 흡기관에서 발생된 유동이 자연스럽게 유입되기 어려운 형상으로 되어 있는 문제점(토요타 특개평 8-246878, SAE970540 및 닛산 SAE980149)이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 부분 부하의 운전 조건에서 연소실내 유동제어를 통한 혼합기의 성층화를 유도하여 초희박공연비 운전 영역을 확보할 수 있도록 함은 물론 가솔린 엔진의 연비향상 및 배기가스 저감을 위한 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 자동차용 직접분사식 가솔린 엔진을 보인 종단면도.
도 2 는 본 발명에 따른 흡기포트 및 연료 인젝터의 설치를 보인 평면도.
도 3 은 본 발명에 따른 피스톤 상면의 보울 형상을 보인 사시도.
도 4 는 본 발명에 따른 피스톤 상면의 보울 형상을 보인 평면도.
도 5 는 도 4 의 "D - D"선 단면도.
도 6 은 본 발명에 따른 가솔린 엔진에서 스월제어밸브 닫힘시 압축 초기의 공기 유동을 보인 사시도.
도 7 은 본 발명에 따른 가솔린 엔진에서 스월제어밸브 닫힘시 압축 중기의 공기 유동을 보인 사시도.
도 8 은 본 발명에 따른 가솔린 엔진에서 스월제어밸브 닫힘시 압축 말기의 공기 유동을 보인 사시도.
도 9 는 본 발명에 따른 가솔린 엔진에서 스월제어밸브 열림시 유입된 공기의 유동을 개략적으로 보인 사시도.
도 10 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동차용 직접분사식 가솔린 엔진을 보인 종단면도.
도 11 은 본 발명에 따른 흡기포트 및 연료 인젝터의 설치를 보인 평면도.
도 12 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 피스톤 상면의 보울 형상을 보인 사시도.
도 13 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 피스톤 상면의 보울 형상을 보인 평면도.
도 14 는 본 발명에 따른 가솔린 엔진에서 스월제어밸브 닫힘시 압축 초기의 공기 유동을 보인 사시도.
도 15 는 본 발명에 따른 가솔린 엔진에서 스월제어밸브 닫힘시 압축 중기의 공기 유동을 보인 사시도.
도 16 은 본 발명에 따른 가솔린 엔진에서 스월제어밸브 닫힘시 압축 말기의 공기 유동을 보인 사시도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
1, 100. 가솔린 엔진 3. 실린더 헤드
10, 110. 연소실 12, 112. 실린더
20. 20a, 120, 120a. 흡기관 22. 22a, 122, 122a. 흡기포트
24, 124. 흡기밸브 26, 126. 배기관
28, 128. 배기밸브 30, 130. 스월제어밸브
40, 140. 연료 인젝터 50, 150. 점화 플러그
60, 160. 피스톤 70, 170. 보울
70a, 170a. 배기측 방향 70b, 170b. 흡기측 방향
70c, 170. 후면 방향 70d, 170d. 전면 방향
Ha , Ha′ : 흡기측 방향에서 배기측 방향으로 형성된 전면 방향의 보울 측벽 높이
Hc , Hc′ : 배기측 방향에서 흡기측 방향으로 형성된 후면 방향의 보울 측벽 높이
a, b, c, a´, b´, c´. 보울의 원호
A, B, C, A´, B´, C´. 농후하게 성층화된 혼합기의 영역
P. 보울의 좁은 영역
전술한 목적을 달성하기 위해 구성되는 본 발명의 특징은 연소실의 최하부를 이루는 피스톤 상면부에 소정의 형상을 갖는 보울을 성형하여 혼합기의 성층화를 유도할 수 있도록 하고, 또한 두 개의 흡기포트를 구성하되 각각의 흡기포트에 연결되는 두 개의 흡기관 중 하나의 흡기관에는 유입공기의 흐름을 제어하는 밸브를 설치하여 공기의 스월유동 및 텀블유동을 제어할 수 있도록 함으로써 연비모드 및 출력모드의 운전영역을 확보할 수 있도록 한 것이다.
한편, 본 발명에 따른 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템의 구성은 자동차용 가솔린 엔진의 실린더 헤드 적소에 설치되어 외부의 공기를 연소실로 유입되게 하는 두 개의 흡기관; 두 개의 흡기관 중 하나의 흡기관 내부 적소에 설치되어 연소실 내부로 유입되는 공기의 유동을 제어하는 밸브; 실린더 헤드에 설치되어 연소실에 연료를 분사하는 연료 인젝터; 및 가솔린 엔진의 연소실 내에서 혼합기의 유동이 반시계방향으로 회전하는 경우, 피스톤의 수평면 상태에서의 전후좌우를 각각 엔진의 배기측 방향, 흡기측 방향, 후면 방향, 전면 방향으로 한 상태에서, 피스톤 상면부에 후면 및 배기측 방향 사이에서 전면 및 흡기측 방향인 좌상향에서 우하향으로 오목하게 성형됨과 동시에 그 폭이 좌상향에서 우하향으로 갈수록 넓게 형성되는 한편, 연속적인 원호의 타원형으로 상기 혼합기가 유입되는 보울로 이루어진 것으로, 연소실내로 유입된 흡입공기의 유동 및 피스톤 상면부의 보울 형상을 이용하여 혼합기의 성층화를 유도하는 특징이 있다.
전술한 구성에서 보울의 바닥면은 좌상향에서 우하향으로 경사진 형태로 이루어질 수 있다.
보울내에 유입된 혼합기가 유동되면서 접촉되는 보울의 측벽 중 배기측 방향에서 흡기측 방향으로 형성된 후면 방향 보울의 측벽 높이가 흡기측 방향에서 배기측 방향으로 형성된 전면 방향 보울의 측벽 높이 보다 낮게 형성될 수 있다.
피스톤 상면에 돌출된 부분 중 경사면을 이루는 부분은 각각 상기 흡기측 방향에서 점화 플러그 방향으로, 배기측 방향에서 점화 플러그 방향으로, 그리고 후면 방향과 흡기측 방향 사이에서 점화 플러그 방향으로 3개소 형성될 수 있다.
밸브의 닫힘에 의해 연소실 내부로 유입된 공기의 흐름은 스월유동으로 되고, 밸브의 열림에 의해 연소실 내부로 유입된 공기의 흐름은 텀블유동으로 될 수 있다.
연료 인젝터는 상기 흡기관의 하부측에 위치하는 것이 바람직하다.
연료 인젝터의 연료 분사시기는 압축행정의 말기가 바람직하다.
점화 플러그는 실린더 헤드의 흡기 밸브와 배기밸브 사이에 설치될 수 있다.
본 발명의 다른 구성으로 자동차용 가솔린 엔진의 실린더 헤드 적소에 독립적으로 설치되어 외부의 공기를 연소실로 유입되게 하는 두 개의 흡기관; 두 개의 흡기관 중 하나의 흡기관 내부 적소에 설치되어 연소실 내부로 유입되는 공기의 유동을 제어하는 밸브; 실린더 헤드에 설치되어 상기 연소실에 연료를 분사하는 연료 인젝터; 실린더 헤드에 설치되어 연소실의 혼합기에 전기 불꽃으로 착화시키는 점화 플러그; 및 가솔린 엔진의 연소실내에서 혼합기의 유동이 시계방향으로 회전하는 경우, 피스톤의 평면 상태에서의 전후좌우를 각각 엔진의 배기측 방향, 흡기측 방향, 후면 방향, 전면 방향으로 한 상태에서, 피스톤 상면부에 전면 및 배기측 방향 사이에서 후면 및 흡기측 방향인 우상향에서 좌하향으로 오목하게 성형됨과 동시에 그 폭이 우상향에서 좌하향으로 갈수록 넓게 형성되는 한편, 연속적인 원호의 타원형으로 혼합기가 유입되는 보울로 이루어진 것으로, 연소실내로 유입된 흡입공기의 유동 및 피스톤 상면부의 보울 형상을 이용하여 혼합기의 성층화를 유도하는 특징이 있다.
보울의 바닥면은 우상향에서 좌하향으로 경사져 이루어질 수 있다.
보울내에 유입된 혼합기가 유동하면서 접촉되는 보울의 측벽 중 배기측 방향에서 흡기측 방향으로 형성된 전면 방향 보울의 측벽 높이는 흡기측 방향에서 배기측 방향으로 형성된 후면 방향 보울의 측벽 높이 보다 낮게 형성될 수 있다.
피스톤 상면에 돌출된 부분 중 경사면을 이루는 부분은 각각 흡기측 방향에서 점화 플러그 방향으로, 배기측 방향에서 점화 플러그 방향으로, 그리고 전면 방향과 흡기측 방향 사이에서 점화 플러그 방향으로 3개소 형성될 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예에 따른 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템에 대해 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 자동차용 직접분사식 가솔린 엔진을 보인 종단면도, 도 2 는 본 발명에 따른 흡기포트 및 연료 인젝터의 설치를 보인 평면도, 도 3 은 본 발명에 따른 피스톤 상면의 보울 형상을 보인 사시도, 도 4 는 본 발명에 따른 피스톤 상면의 보울 형상을 보인 평면도, 도 5 는 도 4 의 "D - D"선 단면도이다.
도 1 내지 도 5 에 도시된 바와 같이 본 발명의 직접분사식 가솔린 엔진(1)은 외부의 공기를 연소실(10)로 유입되게 하는 두 개의 흡기관(20, 20a), 두 개의 흡기관(20, 20a) 중 하나의 흡기관(20)에 설치되어 공기의 유동을 제어하는 밸브(30), 연료를 분사하는 연료 인젝터(40), 혼합기에 전기 불꽃으로 착화시키는 점화 플러그(50) 및 피스톤(60)의 상부면에 형성되어 혼합기의 성층화를 유도하는 보울(70)로 이루어진다.
전술한 구성에서 흡기관(20, 20a)은 두 개의 독립형 흡입 통로로 구성되며, 두 개의 흡기관(20, 20a) 중 하나의 흡기관(20)에는 이 흡기관(20)으로 유입되는 외부공기의 흐름을 제어하는 스월제어밸브(30)가 설치된다. 스월제어밸브(30)는 선형제어가 가능하게 설계되어 밸브 개폐의 각도를 자유롭게 조절할 수 있도록 되어 있다.(도 2 참조)
이와 같은 흡기관(20, 20a) 및 스월제어밸브(30)의 설치 구조는 엔진의 운전을 연비모드(초희박공연비 운전구간)와 출력모드(일반연소가 적용되는 일반운전구간)로 전환할 수 있도록 하기 위한 것이다.
연비모드로 엔진이 운전되는 경우 일측의 흡기관(20)에 설치된 스월제어밸브(30)는 닫힌 상태가 되고, 이에 따라 하나의 흡기관(20a)으로만 외부공기가 유입되어 연소실(10) 내부에는 스월유동(수평 방향의 회전유동, Swirl Flow)이 발생된다.(도 8 참조) 출력모드로 엔진이 운전되는 경우 일측의 흡기관(20)에 설치된 스월제어밸브(30)는 열린 상태가 되고, 이에 따라 두 개의 흡기관(20, 20a)을 통해 외부공기가 유입되어 연소실(10) 내부에는 텀블유동(수직 방향의 회전유동, Tumble Flow)이 발생된다.(도 9 참조)
한편, 연소실(10)내에 연료를 분사하는 연료 인젝터(40)는 두 흡기포트(22, 22a) 사이의 하부인 실린더 헤드(3)에 설치된다.(도 1 및 도 2 참조) 연료 인젝터(40)의 연료 분사시기는 피스톤(60)의 압축행정 말기로, 이는 혼합기의 성층화 효과를 극대화하기 위함이다.
연소실(10)의 혼합기에 전기 불꽃으로 착화시키는 점화 플러그(50)는 흡기 밸브(24)와 배기밸브(28) 사이인 실린더 헤드(3)의 중앙 부분에 설치된다.
전술한 피스톤(60)의 상면부는 스월유동이 모일 수 있도록 타원형의 보울(70)을 만들고 점화시 유동이 점화 플러그(50) 주위에 농후한 혼합기가 형성될 수 있도록 유동의 입구 방향의 크기를 크게 하고 경사를 준다.
한편, 보울(70)은 연소실(10) 혼합기의 성층화를 유도하기 위한 것으로, 그 형상은 가솔린 엔진(1)의 흡기측이 우측, 배기측이 좌측이고 혼합기의 유동이 연소실(10)내에서 반시계방향으로 회전하는 경우, 피스톤(60)의 평면 상태에서의 전후좌우를 각각 가솔린 엔진(1)의 배기측 방향(70a), 흡기측 방향(70b), 후면 방향(70c), 전면 방향(70d)으로 한 상태에서, 피스톤(60) 상면부에 후면 방향(70c) 및 배기측 방향(70a) 사이에서 전면 방향(70d) 및 흡기측 방향(70b) 즉, 좌상향에서 우하향으로 오목하게 성형됨과 동시에 그 폭이 좌상향에서 우하향으로 갈수록 넓게 형성되는 한편, 연속적인 원호의 타원형으로 혼합기가 유입될 수 있도록 되어 있다.(도 3 및 도 4 참조)
보울(70)의 바닥면은 좌상향에서 우하향으로 경사져 형성되어 있으며, 보울(70)내에 유입된 혼합기가 유동하면서 접촉되는 보울(70)의 측벽 중 배기측 방향(70a)에서 흡기측 방향(70b)으로 형성된 후면 방향(70c)의 보울(70) 측벽 높이( Hc )가 흡기측 방향(70b)에서 배기측 방향(70a)으로 형성된 전면 방향(70d)의 보울(70) 측벽 높이( Ha ) 보다 비교적 낮게 형성되어 있다.
또한, 피스톤(60) 상면에 돌출된 부분 중에는 경사면을 이루는 부분이 3개소 형성되어 있는데, 3개소의 경사면은 각각 흡기측 방향(70b)에서 점화 플러그(50) 방향으로(x), 배기측 방향(70a)에서 점화 플러그(50) 방향으로(y), 그리고 후면 방향(70c)과 흡기측 방향(70b) 사이에서 점화 플러그(50) 방향으로(z) 경사져 형성되어 있다.
이와 같이 구성된 직접분사식 가솔린 엔진(1)이 부분부하의 운전조건에서 연비모드로 작동할 경우, 스월제어밸브(30)는 닫힌 상태가 되고 실린더(12)내에 유입된 외부공기의 유동은 스월유동(Swirl Flow)으로 성장하는데, 이 경우 흡기포트(22a) 형상의 특성에 따라 텀블유동과 함께 발생하므로 최종적으로는 경사스월유동(Inclined Swirl Flow)의 형태를 갖는다. 이때, 운전조건 등에 의해 스월제어밸브(30)의 개폐정도를 필요한 스월강도에 따라 조절한다.
한편, 흡입된 외부공기의 유동은 흡기행정 중 완전히 성장하여 경사스월유동을 유지한 상태로 압축행정 중에 상승하는 피스톤(60)의 상면부 보울(70) 내부로 유입됨과 동시에 보울(70)내에서 경사스월유동의 형태로 보존된다. 상승하는 피스톤(60)의 압축행정 말기에서 보울(70)로 연료 인젝터(40)에 의해 연료가 분사되면 분사된 연료는 경사스월유동에 편승하여 유동되면서 유동 공기와 혼합된다. 혼합된 공기/연료의 혼합기는 경사스월유동과 보울(70)의 형상에 의해 점화 플러그(50) 부근으로 유도된다. 이때, 점화 플러그(50) 부근에 유도된 혼합기는 농후한 상태로 분포되고, 그 이외의 부분은 희박한 혼합기가 분포된다.
이처럼 점화 플러그(50) 주위에 농후한 혼합기가 분포되는 것은 경사스월유동 및 피스톤 상면부의 보울(70) 형상에 의해 혼합기가 성층화 되기 때문이다. 한편, 점화 플러그(50) 주위로 농후한 혼합기의 분포가 가능하게 되어 적은 양의 연료분사로도 점화 플러그에 의한 착화성이 확보된다. 또한, 이러한 연소 시스템의 혼합기 공연비는 약 40:1 까지 연소 안정성의 확보가 가능하여 기존의 흡기포트분사식 가솔린 엔진에 비해 획기적인 연비의 향상이 가능해진다.
직접분사식 가솔린 엔진(1)이 고출력을 요하는 엔진 운전영역인 전부하 또는 전부하에 가까운 운전조건에서 출력모드로 작동할 경우, 스월제어밸브(30)는 완전히 열린 상태가 되고, 이에 따라 흡기관(20, 20a)을 통해 최대한의 외부공기가 실린더(12)내로 유입되어 높은 체적 효율이 유지된다. 이때, 흡입된 공기는 텀블유동의 형태를 가지며 흡기 및 압축행정을 통해 분사된 연료와 함께 전 실린더(12)내에 균일한 혼합기로 분포된다.
전술한 바와 같은 운전방식은 기존의 흡기포트분사식 엔진의 운전조건과 유사하여 일반적인 가솔린 엔진의 공연비인 12:1∼15:1 정도에서 운전되어 연비의 향상 효과는 없으나, 흡기행정 중에 이루어지는 연료의 연소실내의 직접분사가 흡입공기의 온도를 낮추는 효과를 가지게 되어 흡기포트분사식 엔진에 비하여 체적효율 증가 및 노킹특성 향상이 가능하다.
도 6 은 본 발명에 따른 가솔린 엔진에서 스월제어밸브 닫힘시 압축 초기의 공기 유동을 보인 사시도, 도 7 은 본 발명에 따른 가솔린 엔진에서 스월제어밸브 닫힘시 압축 중기의 공기 유동을 보인 사시도, 도 8 은 본 발명에 따른 가솔린 엔진에서 스월제어밸브 닫힘시 압축 말기의 공기 유동을 보인 사시도이다.
도 6 내지 도 8 은 스월제어밸브가 닫힌 상태의 연비모드를 나타낸 것으로, 흡기관을 통해 유입된 외부공기는 경사스월유동으로 발생하여 흡기행정이 진행되는 동안 수평면에 대해 경사져 회전하면서 실린더(12) 내부 전체로 성장하게 된다(도 6 참조)
한편, 피스톤(60)이 상승하는 과정 즉, 압축행정 중에서 피스톤(60) 상면부의 보울(70) 양측벽은 공기의 경사스월유동을 피스톤(60)의 보울(70) 내부로 유입될 수 있도록 함과 동시에 유입된 유동이 피스톤(60)의 보울(70) 내부에서 계속 회전할 수 있도록 안내 역할을 한다.(도 7 및 도 8 참조)
이때, 도 3 및 도 4 에 도시된 원호 c의 측벽 높이( Hc )와 원호 a의 측벽 높이( Ha )를 비교해 볼 때, 원호 c는 낮고, 원호 a는 상대적으로 높게 형성되어 있기 때문에 피스톤(60)이 상승할 때 실린더(12)내의 유동은 원호 c의 측벽에서 수평으로 회전하는 유동을 가로막는 것을 최소화하여 양측벽이 동일한 높이를 갖는 것보다 보울(70)내로 유동의 유입을 더 자연스럽게 한다.
또한, 유입된 유동이 피스톤(60)의 보울(70) 내부에서 회전할 때 보울(70)의 바닥면이 흡기포트에서 발생되는 경사스월유동의 경사각을 고려하여 경사져 형성되어 있기 때문에 보울(70) 바닥면과 유동의 마찰은 최소화되고, 보울(70) 내부로 유입된 경사스월유동은 최대한 보울(70) 내부에 보전되며, 보울(70) 내부에서도 여전히 강한 스월유동으로 존재하게 된다.
도 8 에서와 같이 피스톤(60)의 상승이 점차로 연소실(10)에 가까워져 압축행정 말기에 도달하게 되면, 연료 인젝터로부터 피스톤(60) 상면부의 보울(70) 내부로 연료가 분사(도 4 의 "A"부분)된다. 이때, 도 1 에 도시된 바와 같이 분사된 연료의 일부분은 보울(70) 바닥에 충돌하여 위로 튕겨져 나가게 되고, 나머지 연료는 보울(70) 내부의 강한 스월유동에 편승되어 공기와 혼합되면서 원호 b라인의 보울(70) 측벽을 따라 점화 플러그(50)측으로 이동하게 된다.(도 4 참조) 보울(70) 바닥면 위로 튕겨진 연료도 보울(70)내에 가득차게 되어 스월유동에 점차로 편승하게 된다.
한편, 도 4 에 도시된 바와 같이 스월유동에 편승되어 성층화된 혼합기가 점화 플러그(50)를 통과하는 순간(도 4 의 "B"부분) 점화 플러그(50)의 전기 불꽃에 의하여 착화가 이루어지고, 착화에 의해 부분적으로 농후하게 성층화된 혼합기에서 화염의 핵이 발생되며, 발생된 화염은 여전히 피스톤(60)의 보울(70) 내부의 회전하는 유동의 영향으로 원호 c라인의 보울(70) 측벽을 따라 전체로 순식간에 확산된다.
따라서, 연료 인젝터(40)에서 아주 적은 연료의 분사가 이루어져도 점화 플러그(50) 근처에서 부분적으로 혼합기가 농후하게 성층화가 이루어진다면 실린더(12) 내부에서는 안정적인 연소가 가능하게 된다.
엔진의 점화시기는 엔진의 회전수와 로드에 따라 달라지므로 때로는 성층화된 점화 플러그(50) 근처를 통과한 후(도 4 의 "C"부분)에 점화가 이루어지는 경우가 발생된다. 이와 같은 경우에는 일시적으로 성층화된 혼합기가 확산되는 것을 막을 필요가 있는데, 본 발명에서는 보울(110)의 형상에 있어서 점화 플러그(50)를 지난 후의 영역을 좁게 설계하여(도 4 의 "P"부분) 혼합기를 일시적으로 가둠으로써 혼합기의 급속한 확산을 순간적으로 방지한 후 점화하도록 되어 있다.
도 9 는 본 발명에 따른 가솔린 엔진에서 스월제어밸브 열림시 유입된 공기의 유동을 개략적으로 보인 사시도이다.
도 9 에 도시한 바와 같이 직접분사식 가솔린 엔진에서 스월제어밸브(30)를 완전히 열면 흡기관(20, 20a)을 통해 실린더(12)내로 유입되는 외부공기는 텀블유동의 형태를 가지며 흡기 및 압축행정을 통해 분사된 연료와 함께 전 실린더(12)내에 균일한 혼합기로 분포된다.
이와 같은 운전방식은 고출력을 요하는 엔진운전영역인 전부하 또는 전부하에 가까운 운전조건에서 작동된다.
이상은 가솔린 엔진(1)의 연소실(10)내에 흡입된 유동이 반시계방향인 경우를 그 일례로 설명한 것이다.
반면, 가솔린 엔진의 연소실내에서 혼합기의 유동이 시계방향으로 회전하는 경우를 설명하면 이하의 설명에서와 같다.
도 10 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동차용 직접분사식 가솔린 엔진을 보인 종단면도, 도 11 은 본 발명에 따른 흡기포트 및 연료 인젝터의 설치를 보인 평면도, 도 12 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 피스톤 상면의 보울 형상을 보인 사시도, 도 13 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 피스톤 상면의 보울 형상을 보인 평면도이다.
도 10 내지 도 13 에 도시된 바와 같이 본 발명의 직접분사식 가솔린 엔진(100)에서 흡입된 혼합기의 유동이 연소실(110)내에서 시계방향으로 회전하는 경우 역시 혼합기의 유동이 반시계방향으로 회전하는 경우와 마찬가지로 두 개의 흡기관(120, 120a), 두 개의 흡기관(120, 120a) 중 하나의 흡기관(120)에 설치된 밸브(130), 연료 인젝터(140), 점화 플러그(150) 및 피스톤(160)의 상부면에 형성되어 혼합기의 성층화를 유도하는 보울(170)로 이루어지나, 보울(170)의 형상에 차이가 있다.
즉, 보울(170)의 형상은 가솔린 엔진(100)의 흡기측이 좌측, 배기측이 우측이고 혼합기의 유동이 연소실(110)내에서 시계방향으로 회전하는 경우, 피스톤(160)의 평면 상태에서의 전후좌우를 각각 가솔린 엔진(100)의 배기측 방향(170a), 흡기측 방향(170b), 후면 방향(170c), 전면 방향(170d)으로 한 상태에서, 피스톤(160) 상면부에 전면 방향(170d) 및 배기측 방향(170a) 사이에서 후면 방향(170c) 및 흡기측 방향(170b)인 우상향에서 좌하향으로 오목하게 성형됨과 동시에 그 폭이 우상향에서 좌하향으로 갈수록 넓게 형성되는 한편, 연속적인 원호의 타원형으로 혼합기가 유입될 수 있도록 되어 있다.(도 12 및 도 13 참조)
보울(170)의 바닥면은 우상향에서 좌하향으로 경사져 형성되어 있으며, 보울(170)내에 유입된 혼합기가 유동하면서 접촉되는 보울(170)의 측벽 중 배기측 방향(170a)에서 흡기측 방향(70b)으로 형성된 전면 방향(170d)의 보울(170) 측벽 높이( Hc ´)가 흡기측 방향(170b)에서 배기측 방향(170a)으로 형성된 후면 방향(170c)의 보울(70) 측벽 높이( Ha ´) 보다 비교적 낮게 형성되어 있다.
또한, 피스톤(160) 상면에 돌출된 부분 중에는 경사면을 이루는 부분이 3개소 형성되어 있는데, 3개소의 경사면은 각각 흡기측 방향(170b)에서 점화 플러그(150) 방향으로(도 12의 "x´"), 배기측 방향(170a)에서 점화 플러그(150) 방향으로(도 12의 "y´"), 그리고 전면 방향(170d)과 흡기측 방향(170b) 사이에서 점화 플러그(150) 방향(도 12의 "z´")으로 경사져 형성되어 있다.
이와 같이 구성된 직접분사식 가솔린 엔진(100)이 부분부하의 운전조건에서 연비모드로 작동할 경우, 스월제어밸브(130)는 닫힌 상태가 되고 실린더(112)내에 유입된 외부공기의 유동은 스월유동(Swirl Flow)으로 성장하는데, 이 경우 흡기포트(122a) 형상의 특성에 따라 텀블유동과 함께 발생하므로 최종적으로는 경사스월유동(Inclined Swirl Flow)의 형태를 갖는다. 이때, 운전조건 등에 의해 스월제어밸브(130)의 개폐정도를 필요한 스월강도에 따라 조절한다.
한편, 흡입된 외부공기의 유동은 흡기행정 중 완전히 성장하여 경사스월유동을 유지한 상태로 압축행정 중에 상승하는 피스톤(160)의 상면부 보울(170) 내부로 유입됨과 동시에 보울(170)내에서 경사스월유동의 형태로 보존된다. 상승하는 피스톤(160)의 압축행정 말기에서 보울(170)로 연료 인젝터(140)에 의해 연료가 분사되면 분사된 연료는 경사스월유동에 편승하여 유동되면서 유동 공기와 혼합된다. 혼합된 공기/연료의 혼합기는 경사스월유동과 보울(170)의 형상에 의해 점화 플러그(150) 부근으로 유도된다. 이때, 점화 플러그(150) 부근에 유도된 혼합기는 농후한 상태로 분포되고, 그 이외의 부분은 희박한 혼합기가 분포된다.
이처럼 점화 플러그(150) 주위에 농후한 혼합기가 분포되는 것은 경사스월유동 및 피스톤 상면부의 보울(170) 형상에 의해 혼합기가 성층화 되기 때문이다. 한편, 점화 플러그(150) 주위로 농후한 혼합기의 분포가 가능하게 되어 적은 양의 연료분사로도 점화 플러그(150)에 의한 착화성이 확보된다. 또한, 이러한 연소 시스템의 혼합기 공연비는 약 40:1 까지 연소 안정성의 확보가 가능하여 기존의 흡기포트분사식 가솔린 엔진에 비해 획기적인 연비의 향상이 가능해진다.
직접분사식 가솔린 엔진(100)이 고출력을 요하는 엔진 운전영역인 전부하 또는 전부하에 가까운 운전조건에서 출력모드로 작동할 경우, 스월제어밸브(130)는 완전히 열린 상태가 되고, 이에 따라 흡기관(120, 120a)을 통해 최대한의 외부공기가 실린더(112)내로 유입되어 높은 체적 효율이 유지된다. 이때, 흡입된 공기는 텀블유동의 형태를 가지며 흡기 및 압축행정을 통해 분사된 연료와 함께 전 실린더(112)내에 균일한 혼합기로 분포된다.
전술한 바와 같은 운전방식은 기존의 흡기포트분사식 엔진의 운전조건과 유사하여 일반적인 가솔린 엔진의 공연비인 12:1∼15:1 정도에서 운전되어 연비의 향상 효과는 없으나, 흡기행정 중에 이루어지는 연료의 연소실내의 직접분사가 흡입공기의 온도를 낮추는 효과를 가지게 되어 흡기포트분사식 엔진에 비하여 체적효율 증가 및 노킹특성 향상이 가능하다.
도 14 는 본 발명에 따른 가솔린 엔진에서 스월제어밸브 닫힘시 압축 초기의 공기 유동을 보인 사시도, 도 15 는 본 발명에 따른 가솔린 엔진에서 스월제어밸브 닫힘시 압축 중기의 공기 유동을 보인 사시도, 도 16 은 본 발명에 따른 가솔린 엔진에서 스월제어밸브 닫힘시 압축 말기의 공기 유동을 보인 사시도이다.
도 14 내지 도 16 은 스월제어밸브가 닫힌 상태의 연비모드를 나타낸 것으로, 흡기관을 통해 유입된 외부공기는 실린더(112)내의 측벽에 의해 시계방향으로 회전하면서 경사스월유동으로 발생하여 흡기행정이 진행되는 동안 수평면에 대해 경사져 회전하면서 실린더(112) 내부 전체로 성장하게 된다(도 13 참조)
한편, 피스톤(160)이 상승하는 과정 즉, 압축행정 중에서 피스톤(160) 상면부의 보울(170) 양측벽은 공기의 경사스월유동을 피스톤(160)의 보울(170) 내부로 유입될 수 있도록 함과 동시에 유입된 유동이 피스톤(160)의 보울(170) 내부에서 계속 회전할 수 있도록 안내 역할을 한다.(도 15 및 도 16 참조)
이때, 도 12 및 도 13 에 도시된 원호 c´의 측벽 높이( Hc ´)와 원호 a´의 측벽 높이( Ha ´)를 비교해 볼 때, 원호 c´는 낮고, 원호 a´는 상대적으로 높게 형성되어 있기 때문에 피스톤(160)이 상승할 때 실린더(112)내의 유동은 원호 c´ 측벽에서 수평으로 회전하는 유동을 가로막는 것을 최소화하여 양측벽이 동일한 높이를 갖는 것보다 보울(170)내로 유동의 유입을 더 자연스럽게 한다.
또한, 유입된 유동이 피스톤(160)의 보울(170) 내부에서 회전할 때 보울(170)의 바닥면이 흡기포트에서 발생되는 경사스월유동의 경사각을 고려하여 경사져 형성되어 있기 때문에 보울(170) 바닥면과 유동의 마찰은 최소화되고, 보울(170) 내부로 유입된 경사스월유동은 최대한 보울(170) 내부에 보전되며, 보울(170) 내부에서도 여전히 강한 스월유동으로 존재하게 된다.
도 16 에서와 같이 피스톤(160)의 상승이 점차로 연소실(110)에 가까워져 압축행정 말기에 도달하게 되면, 연료 인젝터(140)로부터 피스톤(160) 상면부의 보울(170) 내부로 연료가 분사(도 13 의 "A´"부분)된다. 이때, 도 10 에 도시된 바와 같이 분사된 연료의 일부분은 보울(170) 바닥에 충돌하여 위로 튕겨져 나가게 되고, 나머지 연료는 보울(170) 내부의 강한 스월유동에 편승되어 공기와 혼합되면서 원호 b´라인의 보울(170) 측벽을 따라 점화 플러그(150)측으로 이동하게 된다.(도 13 참조) 보울(170) 바닥면 위로 튕겨진 연료도 보울(170)내에 가득차게 되어 스월유동에 점차로 편승하게 된다.
한편, 도 13 에 도시된 바와 같이 스월유동에 편승되어 성층화된 혼합기가 점화 플러그(150)를 통과하는 순간(도 13 의 "B´"부분) 점화 플러그(150)의 전기 불꽃에 의하여 착화가 이루어지고, 착화에 의해 부분적으로 농후하게 성층화된 혼합기에서 화염의 핵이 발생되며, 발생된 화염은 여전히 피스톤(160)의 보울(170) 내부의 회전하는 유동의 영향으로 원호 c´라인의 보울(170) 측벽을 따라 전체로 순식간에 확산된다.
따라서, 연료 인젝터(140)에서 아주 적은 연료의 분사가 이루어져도 점화 플러그(150) 근처에서 부분적으로 혼합기가 농후하게 성층화가 이루어진다면 실린더(112) 내부에서는 안정적인 연소가 가능하게 된다.
엔진의 점화시기는 엔진의 회전수와 로드에 따라 달라지므로 때로는 성층화된 점화 플러그(150) 근처를 통과한 후(도 13 의 "C´"부분)에 점화가 이루어지는 경우가 발생된다. 이와 같은 경우에는 일시적으로 성층화된 혼합기가 확산되는 것을 막을 필요가 있는데, 본 발명에서는 보울(110)의 형상에 있어서 점화 플러그(150)를 지난 후의 영역을 좁게 설계하여(도 13 의 "P´"부분) 혼합기를 일시적으로 가둠으로써 혼합기의 급속한 확산을 순간적으로 방지한 후 점화하도록 되어 있다.
또한, 가솔린 엔진(100)의 흡기측이 우측, 배기측이 좌측인 상태에서 연소실내의 흡입된 유동이 시계방향으로 회전하는 경우, 가솔린 엔진(100)의 흡기측이 좌측, 배기측이 우측인 상태에서 연소실내의 흡입된 유동이 시계방향인 경우 및 가솔린 엔진(100)의 흡기측이 좌측, 배기측이 우측인 상태에서 연소실내의 흡입된 유동이 반시계방향인 경우에도 적용될 수 있으나, 그에 따른 보울(170)의 위치 및 연료 인젝터(140)의 위치를 변화시켜야 한다.
미설명부호 26, 126은 배기관이고, 124는 흡기밸브이며, 128은 배기밸브이다.
이상에서와 같이 본 발명은 스월제어밸브의 개폐에 의해 출력모드 또는 연비모드로의 운전이 가능하고, 또한, 부분부하의 운전조건에서 연소실내 유동제어를 통한 혼합기의 성층화를 유도하여 초희박공연비 운전영역을 확보할 수 있다.
이상에서와 같이 기술된 본 발명과 종래에 소개된 기술과의 연관성 및 차이점은 다음과 같다.
US 5305720 및 기술논문 SAE960600에 기술된 미쯔비시 제품과 본 발명 모두 연소실내 직접 분사된 연료의 성층화를 통한 초희박공연비 연소에 의한 연비저감을 실현시키는 것은 유사하며, 두 기술 모두 기본적으로 연비모드 및 출력모드로 제어될 수 있고, 또한 고압의 연료 인젝터를 사용하며 흡기포트부에 장착되는 점 역시 유사하나, 미쯔비시 기술에서는 직립형 흡기포트를 이용하여 역텀블 유동만을 이용하는 것인 반면, 본 발명에서는 스월제어밸브를 사용하여 텀블 및 스월의 혼합유동으로 혼합기의 성층화를 형성한다는 점에서 그 차이가 있다. 따라서, 미쯔비시의 기술과는 달리 기존의 흡기포트분사식 엔진의 실린더 헤드의 최소 설계 변경으로 연소실내 직접분사식 방식을 적용할 수 있는 장점이 있다.
한편, 흡기유동의 방식이 다르게 설계됨에 따라서 피스톤 상면부의 설계에도 차이가 있다. 즉, 미쯔비시 기술에는 혼합기가 피스톤 상면부와 충돌에 의하여 원하는 유동을 생성시키므로 피스톤 상면부가 반구형 형상으로 구성되나, 본 발명에서는 피스톤 상면부에 특별히 설계된 경사 탄원형 보울에 의한 스월유동과 유동의 충돌에 의한 텀블효과를 동시에 포함시키므로 피스톤 상면부의 보다 정교한 설계가 필요하다.
일본 특허 08246878 및 기술논문 SAE970540에 기술된 토요타 제품 역시 본 발명과 혼합기의 성층화, 초희박공연비 사용, 고압의 인젝터 등의 전체적인 구성 및 스월유동을 위한 스월제어밸브의 사용이 유사하다는 점에서 연관성을 찾아볼 수 있다.
그러나, 토요타의 기술은 나선형 흡기포트를 통한 강한 스월유동을 이용함으로써 "출력모드"의 경우 유동저항이 커지므로 출력의 손실이 발생하나, 본 발명은 "출력모드"시 스월제어밸브를 열어 텀블유동을 이용함으로써 고출력을 유지할 수 있다는 점에서 그 차이가 있으며, 이러한 흡기유동 방식의 차이에 의하여 피스톤 상면부의 설계에 차이가 있다. 즉, 토요타의 기술은 피스톤 상면부에서 충분한 스월의 효과를 유도하기 위하여 깊고 넓은 보울이 필요하여 직접분사식 엔진의 장점 중 하나인 압축비 증가에 의한 출력향상 효과에 제한이 발생한다. 반면, 본 발명은 스월유동과 텀블유동의 적절한 혼합으로 이루어지므로 압축비 증가에 대한 자유도가 크다는 장점이 있다.
기술논문 SAE980149에 기술된 닛산 제품의 엔진은 연소실내로의 직접분사, 연료/공기 혼합기의 성층화에 의한 초희박공연비 운전개념, 스월제어밸브의 사용 및 인젝터의 장착위치가 흡기포트부인 점에서 본 발명과의 연관성을 찾을 수 있다. 그러나, 닛산의 흡기포트는 흡기포트 분사방식에 많이 적용되는 Siamese형을 적용하여 흡기유동의 스월 양을 조절하기 어려우나, 본 발명은 독립형 독립형 흡기포트를 적용하여 스월제어가 용이하다는 차이점이 있다. 또한, 흡기포트 형상에 따른 스월제어밸브의 형상 및 피스톤 상면부의 보울 형상에서도 그 차이를 발견할 수 있다.
US 5724937에 기술된 M-Benz 및 US 5727520에 기술된 AVL 제품의 엔진은 연소실내로의 직접분사, 연료/공기 혼합기의 성층화에 의한 초희박공연비 운전개념에 있어서 본 발명과의 연관성을 찾아볼 수 있으나, 연소 시스템을 구성하는 흡기포트, 연소실, 피스톤 및 연료 인젝터의 위치 등 전반적인 설계에 있어서는 본 발명과 차이가 있다. 특히, 인젝터의 위치를 스파크 플러그 주위에 장착하는 경우 미연 연료에 의한 스파크 플러그의 손상이 생길 가능성이 크므로 본 기술에서는 연료 인젝터를 흡기포트 하단부에 위치시킨 점에서 그 차이를 발견할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
예를 들면, 본 발명에서는 보울의 바닥면이 경사진 것을 일 예로 설명하고 있으나, 보울의 경사면을 편평하게 하여 단순한 스월유동이 경사진 바닥면과 부딪쳐서 생길 수 있는 마찰을 없앨 수 있다. 또한, 피스톤 상면부의 흡기측 경사면 각도를 일정하게 하여 도 4 에서와 같이 원호 c라인과 접하는 경사면의 각도가 원호 a라인과 접하는 경사면의 각도와 동일하게 할 수 있고, 보울의 깊이를 깊게 설계하여 보울 내부의 스월유동을 강화할 수도 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따르면 외부의 공기를 연소실로 유입되게 하는 두 개의 흡기관, 두 개의 흡기관 중 하나의 흡기관에 설치되어 공기의 유동을 제어하는 밸브, 흡기관의 하부측 실린더 헤드에 설치되어 연료를 분사하는 연료 인젝터, 연소실 중심 부분에 설치되어 혼합기에 전기 불꽃으로 착화시키는 점화 플러그 및 피스톤의 상부면에 형성되어 혼합기의 성층화를 유도하는 보울로 이루어진 직접분사식 가솔린 엔진을 구성함으로써 부분부하의 운전조건에서 연소실내 유동제어를 통한 혼합기의 성층화를 유도하여 초희박공연비 운전영역을 확보할 수 있도록 함은 물론 가솔린 엔진의 연비향상 및 성층화된 혼합기에 의한 연소로 인하여 연소 안정성이 향상되어 배기가스를 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 두 개의 흡기관 및 두 개의 흡기관 중 하나의 흡기관에 스월제어밸브를 설치하여 개폐시킴으로써 연소실 내부로 유입된 공기의 텀블유동 및 경사스월유동을 발생시켜 출력모드 및 연비모드의 운전조건을 확보할 수 있는 효과가 있다.
다른 효과로는 연료의 직접분사로 인한 흡입공기의 온도를 낮추는 효과를 수반하여 노킹의 억제와 체적효율 향상을 통해 엔진의 출력 향상이 가능하다.
또 다른 효과로는 기존의 흡기포트분사식 엔진의 최소 설계변경으로 본 기술의 적용이 가능하다.
한편, 혼합기의 유동이 반시계방향으로 회전하는 경우 피스톤 상면부의 보울 형상을 후면 및 배기측 방향 사이에서 전면 및 흡기측 방향으로 즉, 좌상향에서 우하향으로 오목하게 성형함과 동시에 그 폭이 좌상향에서 우하향으로 갈수록 비교적 넓게 형성하는 한편, 연속적인 원호의 타원형으로 형성시킴으로써 흡기관에서 발생된 흡입유동을 피스톤의 보울 내부로 유입시킬 때 원만한 곡선으로 인하여 유입손실을 적게 하는 효과가 있다.
특히, 피스톤 보울의 내부로 유입된 유동이 압축되는 과정에서 보울 바닥면과의 마찰이 최소화되도록 함으로써 스월유동이 보전되기 쉽고, 그에 따라 직접분사식 가솔린 엔진의 중요 기술인 초희박 상태에서의 안정적인 연소를 위한 혼합기의 성층화가 매우 용이하다.
또한, 보울의 형상이 한 개의 원호로 구성된 타원형이므로 급격한 형상의 변화에서 오는 유동손실이 거의 없고, 타원 중 좌상측의 윗부분이 아래 부분 보다 상대적으로 좁아서 보울 내부를 유동하는 혼합기가 윗부분에서 모여지게 되어 혼합기의 급속한 확산을 방지할 수 있으며, 이에 따라 점화를 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 피스톤 보울의 형상에서 아래 부분이 상대적으로 넓고 낮게 형성되어 있기 때문에 생성된 화염이 실린더 내부 전체로 확산되기가 용이하여 가솔린 엔진의 출력성능을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 자동차용 가솔린 엔진의 실린더 헤드 적소에 독립적으로 설치되어 외부의 공기를 연소실로 유입되게 하는 두 개의 흡기관;
    상기 두 개의 흡기관 중 하나의 흡기관 내부 적소에 설치되어 상기 연소실 내부로 유입되는 공기의 유동을 제어하는 밸브;
    상기 실린더 헤드에 설치되어 상기 연소실에 연료를 분사하는 연료 인젝터;
    상기 실린더 헤드에 설치되어 상기 연소실의 혼합기에 전기 불꽃으로 착화시키는 점화 플러그; 및
    상기 가솔린 엔진의 연소실내에서 상기 혼합기의 유동이 반시계방향으로 회전하는 경우, 피스톤의 평면 상태에서의 전후좌우를 각각 엔진의 배기측 방향, 흡기측 방향, 후면 방향, 전면 방향으로 한 상태에서, 상기 피스톤 상면부에 상기 후면 및 배기측 방향 사이에서 상기 전면 및 흡기측 방향인 좌상향에서 우하향으로 오목하게 성형됨과 동시에 그 폭이 좌상향에서 우하향으로 갈수록 넓게 형성되는 한편, 연속적인 원호의 타원형으로 상기 혼합기가 유입되는 보울로 이루어지고,
    상기 연소실내로 유입된 흡입공기의 유동 및 피스톤 상면부의 상기 보울 형상을 이용하여 혼합기의 성층화를 유도하는 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 보울의 바닥면은 좌상향에서 우하향으로 경사진 것을 특징으로 하는 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 보울내에 유입된 상기 혼합기가 유동하면서 접촉되는 상기 보울의 측벽 중 상기 배기측 방향에서 상기 흡기측 방향으로 형성된 후면 방향 보울의 측벽 높이가 상기 흡기측 방향에서 상기 배기측 방향으로 형성된 전면 방향 보울의 측벽 높이 보다 낮게 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 피스톤 상면에 돌출된 부분 중 경사면을 이루는 부분은 각각 상기 흡기측 방향에서 상기 점화 플러그 방향으로, 상기 배기측 방향에서 상기 점화 플러그 방향으로, 그리고 상기 후면 방향과 흡기측 방향 사이에서 상기 점화 플러그 방향으로 3개소 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브의 닫힘에 의해 상기 연소실 내부로 유입된 공기의 흐름은 스월유동으로 되고, 상기 밸브의 열림에 의해 상기 연소실 내부로 유입된 공기의 흐름은 텀블유동으로 되는 것을 특징으로 하는 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 연료 인젝터는 상기 흡기관의 하부측에 위치된 것을 특징으로 하는 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 연료 인젝터의 연료 분사시기는 압축행정의 말기인 것을 특징으로 하는 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 점화 플러그는 상기 실린더 헤드의 흡기 밸브와 배기밸브 사이에 설치된 것을 특징으로 하는 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템.
  9. 자동차용 가솔린 엔진의 실린더 헤드 적소에 독립적으로 설치되어 외부의 공기를 연소실로 유입되게 하는 두 개의 흡기관;
    상기 두 개의 흡기관 중 하나의 흡기관 내부 적소에 설치되어 상기 연소실 내부로 유입되는 공기의 유동을 제어하는 밸브;
    상기 실린더 헤드에 설치되어 상기 연소실에 연료를 분사하는 연료 인젝터;
    상기 실린더 헤드에 설치되어 상기 연소실의 혼합기에 전기 불꽃으로 착화시키는 점화 플러그; 및
    상기 가솔린 엔진의 연소실내에서 혼합기의 유동이 시계방향으로 회전하는 경우, 피스톤의 평면 상태에서의 전후좌우를 각각 엔진의 배기측 방향, 흡기측 방향, 후면 방향, 전면 방향으로 한 상태에서, 상기 피스톤 상면부에 상기 전면 및 배기측 방향 사이에서 상기 후면 및 흡기측 방향인 우상향에서 좌하향으로 오목하게 성형됨과 동시에 그 폭이 우상향에서 좌하향으로 갈수록 넓게 형성되는 한편, 연속적인 원호의 타원형으로 상기 혼합기가 유입되는 보울로 이루어지고,
    상기 연소실내로 유입된 흡입공기의 유동 및 피스톤 상면부의 상기 보울 형상을 이용하여 혼합기의 성층화를 유도하는 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 보울의 바닥면은 우상향에서 좌하향으로 경사진 것을 특징으로 하는 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 보울내에 유입된 상기 혼합기가 유동하면서 접촉되는 상기 보울의 측벽 중 상기 배기측 방향에서 상기 흡기측 방향으로 형성된 전면 방향 보울의 측벽 높이가 상기 흡기측 방향에서 상기 배기측 방향으로 형성된 후면 방향 보울의 측벽 높이 보다 낮게 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 피스톤 상면에 돌출된 부분 중 경사면을 이루는 부분은 각각 상기 흡기측 방향에서 상기 점화 플러그 방향으로, 상기 배기측 방향에서 상기 점화 플러그 방향으로, 그리고 상기 전면 방향과 흡기측 방향 사이에서 상기 점화 플러그 방향으로 3개소 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템.
KR1019980042200A 1998-10-09 1998-10-09 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템 KR20000025210A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019980042200A KR20000025210A (ko) 1998-10-09 1998-10-09 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019980042200A KR20000025210A (ko) 1998-10-09 1998-10-09 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20000025210A true KR20000025210A (ko) 2000-05-06

Family

ID=19553456

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1019980042200A KR20000025210A (ko) 1998-10-09 1998-10-09 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20000025210A (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101299688B1 (ko) * 2011-05-06 2013-08-26 한국기계연구원 직접분사식 가솔린 엔진에서 노킹방지를 위한 온도성층화 방법
KR20190012614A (ko) 2017-07-28 2019-02-11 현대자동차주식회사 피스톤 및 이를 포함하는 엔진

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101299688B1 (ko) * 2011-05-06 2013-08-26 한국기계연구원 직접분사식 가솔린 엔진에서 노킹방지를 위한 온도성층화 방법
KR20190012614A (ko) 2017-07-28 2019-02-11 현대자동차주식회사 피스톤 및 이를 포함하는 엔진
US10233864B2 (en) 2017-07-28 2019-03-19 Hyundai Motor Company Piston and engine provided with the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100304232B1 (ko) 성층급기연소및균질급기연소가가능한관내분사식가솔린엔진
US7464687B2 (en) Direct-injection engine, method of controlling the same, piston used in the same and fuel injection valve used in the same
US6612282B2 (en) Combustion chamber for DISI engine
US6443122B1 (en) Internal combustion engine
EP0924403B1 (en) Direct-injection spark-ignition engine
US4742804A (en) Spark-ignition engine
JP2021021337A (ja) エンジンの燃料噴射制御装置
JP2021021340A (ja) エンジンの燃料噴射制御装置
JP2021021338A (ja) エンジンの燃料噴射制御装置
JP2021021339A (ja) エンジンの燃料噴射制御装置
KR20000025210A (ko) 자동차용 가솔린 기관의 직접분사식 연소 시스템
KR19990085898A (ko) 직접분사식 가솔린 엔진의 피스톤
KR100303976B1 (ko) 가솔린엔진의연소실
JPH11117749A (ja) 筒内噴射式内燃機関のピストン
JP3635730B2 (ja) 内燃機関の吸気構造
JPH05180091A (ja) エンジンのシリンダヘッド構造
JP3721761B2 (ja) 筒内噴射式内燃機関のピストン
JP3246392B2 (ja) 筒内噴射式内燃機関のピストン
KR100303979B1 (ko) 3밸브의직분식가솔린엔진
JP3284922B2 (ja) 筒内噴射式内燃機関のピストン
KR100292882B1 (ko) 내연기관엔진의흡기매니폴드
JPS599733B2 (ja) 内燃機関
JP3246441B2 (ja) 筒内噴射式内燃機関のピストン
JP3644359B2 (ja) 筒内噴射式内燃機関のピストン
KR100306711B1 (ko) 내연기관엔진의흡기시스템

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
WITB Written withdrawal of application