KR20010102974A

KR20010102974A - 다기통 내연 기관

Info

Publication number: KR20010102974A
Application number: KR1020017008800A
Authority: KR
Inventors: 루취만에르빈; 브뤼스틀레클라우스
Original assignee: 주르겐 헤르만; 독터. 인제니어.하.체.에프.포르쉐악티엔게젤샤프트
Priority date: 1999-11-13
Filing date: 2000-10-24
Publication date: 2001-11-17
Also published as: JP2003515025A; DE50009217D1; US6397802B1; WO2001036793A1; JP5010082B2; ATE287027T1; ES2231280T3; EP1144810B1; DE19954689A1; CN1336980A; CN1154788C; EP1144810A1; KR100749232B1

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 실린더 열을 갖는, 다기통 내연 기관에 관한 것이며, 상기 실린더 열은 그 내부에 배열된 흡기 및 배기 밸브(26, 28)를 구비한 실린더 헤드 하우징(24)을 포함하고, 상기 밸브는 제어 수단을 통해 크랭크 축(12)의 회전 위치에 따라 연소 공기를 실린더로 공급하며 연소 가스를 배기 장치(36)를 통해 배기한다. 상기 배기 밸브(28)의 개방 오버랩 상태를 감소시키기 위한, 다양한 방출 밸브 행정의 구현을 위한 수단(44')이 하나의 실린더 열에 배열된 적어도 2개의 실린더에 제공되고, 상기 양 실린더의 흡기 밸브(26) 및 배기 밸브(28) 자체는 개방 오버랩 상태에 위치한다.

이로써, 90도의 크랭크 드로를 갖는 특히 V8 엔진에서 실린더에는 새로운 혼합기로 동일하게 충전된다.

Description

다기통 내연 기관{MULTIPLE CYLINDER INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

다기통 내연 기관에서 연소 시에 생성되는 배기 가스는, 공통의 배기 가스 수집 덕트로 합류되며 실린더에 각각 배열되는 배기 가스 메니폴드를 통해 외부로 방출된다. 소정의 점화 순서에 따라, 하나의 실린더 열에 배열된 2개의 실린더의 배기 밸브의 개방 상태는 오버랩(overlap) 된다. 이런 상태는, 점화 순서에 따라 제일 처음 결정된 실린더의 흡기 밸브 및 배기 밸브가 개방 오버랩 상태에 있을 때 특히 중요하다. 늦게 점화하는 그리고 늦게 배기하는 실린더의 배기 밸브가 개방됨으로서, 고압 펄스를 갖는 배기 가스는 배기 가스를 시간적으로 빠르게 배기시키는 실린더의 연소실 내로 도달될 수 있다. 이는 노킹 한계에 대해 부정적인 높은 가스 잔여율과 실린더를 새로운 혼합기로 충분히 충전하지 못하는 결과를 초래한다. 변형 가능한 제어 시간은 조정 영역이 크면 클수록, 각각의 개별 실린더의 공기 소모를 감소시킨다. 바람직하지 못한 해당 실린더의 공기 소모 감소는 특히 100도 이하의 크랭크 각을 갖는 흡기 수단에서 설정될 수 있으며, 이를 통해 소정된 회전 모멘트 증가는 확실히 감소된다.

본 발명은 청구 범위 제1항의 전제부의 특징에 따른 다기통 내연 기관에 관한 것이다.

도1은 V8 엔진의 단면도이다.

도2는 V8 엔진의 양 실린더 열의 배열도이다.

도3은 인접한 3개의 실린더의 충전 교체를 부분적으로 도시하는, V8 엔진의 점화 순서를 나타내는 그래프이다.

도4는 실린더 열의 개략도이다.

도5는 밸브 상승 곡선을 도시하는 그래프이다.

도6은 다양한 캠폭을 구비한 배기 캠축을 도시하는 도면이다.

본 발명의 목적은 상술된 부정적인 결과를 제거 또는 감소시키는 것이고, 내연 기관의 전체 실린더에서 동일한 최적의 실린더 충전율을 달성하는 것이다.

본 발명에 따르면, 본 발명의 이런 목적은 청구항 제1항의 특징부에 의해 해결된다.

하나의 실린더 열에 배열된 실린더의 배기 밸브의 개방 오버랩 상태를 감소시킴으로서, 늦게 배기하는 실린더로부터 일찍 배기하는 실린더의 흡기 및 배기 밸브의 개방 오버랩 상태 내로 도달하는 배기 가스-블로 다운(blow down)은 감소된다. 이로써, 새로운 혼합기 충전률이 모든 실린더에 대해 기본적으로 동일하게 형성된다.

본 발명에 따른 다기통 내연 기관의 다른 유익한 구성 및 개선은 종속 청구항에서 설명된다.

하나의 실린더 열에 배열된 실린더들에 마련된 배기 밸브의 개방 오버랩 상태를 감소시키는 것은 배기 캠축에 배열된 캠이 다양한 캠 형태를 가짐으로서 간단하게 달성된다.

전체 회전 영역에서 모든 실린더를 위한 공기 소모 곡선의 바람직한 조정은, 점화 순서에 따라 하나의 실린더 열에서 늦게 배기하는 실린더의 배기 가스 블로 다운이 일찍 배기하는 실린더의 흡기 및 배기 밸브의 개방 오버랩 상태로 도달하는 실린더 보다, 특히 점화 순서에 따라 유익한 실린더가 좁은 폭을 갖는 캠을 구비하면, 달성된다.

점화 순서에 따라 유익하지 못한 실린더의 최적화는 일찍 배기하는 실린더의 폭이 좁은 캠이 1mm 밸브 양정 당 10도 내지 20도의 크랭크 각만큼 더 작은 캠폭을 가지면 달성된다.

예를 들어 90도의 크랭크 드로(crank throw)를 가지며 양호한 치수 및 모멘트 균형이 제공되는 특히 V8 엔진에서, 배기 밸브의 개방 오버랩 상태가 감소에 의해, 특히 상기 엔진의 작동 시에 발생하는 충전 교체의 단점은 지속적으로 보상될 수 있다.

이런 유형의 내연 기관에서 충전 교체의 단점은, 양 실린더 열의 배기 가스 측에 플랜지 연결된 4손가락형 배기 가스 매니폴드가 짧은 구간에 이어 공통의 배기 가스관으로 합류되면 특히 유익하다. 배기 가스의 이와 같은 안내는 유익한데, 이는 엔진에 근접한 1차 촉매 컨버터들이 사용될 수 있고, 단지 하나의 1차 촉매 컨버터와 하나의 람다 센서가, 각각의 실린더 열에 제공되는 배기 가스 수집관 내로 일체되기 때문이다. 그러나, 짧은 배기 가스 매니폴드에 의해, 늦게 배기하는 실린더의 배기 가스 블로 다운의 대부분이 시간적으로 일찍 배기하는 실린더 내로 도달하는 위험성이 발생된다. V8 실린더에서 이런 방식의 배기 가스 안내 및 충전 교체 단점은 상술된 방법에 따라 효과있게 보상됨으로서, 변형 가능한 제어 시간의 효과는 전체 회전수 영역에서 작용하고, 이로써 소정의 충전 회전수 진행이 달성된다.

본 발명의 실시예는 도면을 참조로 상세히 설명된다.

V8 엔진으로 구성된 내연 기관은 크랭크 케이스(10) 내에 배치된 크랭크 축(12)을 갖는다. 90도의 크랭크 각으로 오프셋되어 배열된 크랭크 핀(14)에는 단지 일부 만이 도시된 커넥팅 로드 단부(16)가 커넥팅 로드(18)에 나사 결합되며, 상기 커넥팅 로드는 다시 커넥팅 로드 연결부를 통해 2열의 실린더 블록에 배열된 8개의 실린더(22)에 각각 연결된다. 크랭크 케이스(10)에 고정된 2개의 실린더 헤드(24)는 4 행정 연소 과정에 필요한 공지된 구성 부품을 수용하며, 하나의 열에 배열된 4개의 모든 실린더에는 동일한 상기 구성 부품이 사용된다. 각각의 실린더는 2개의 흡기 밸브(26)와 2개의 배기 밸브(28)를 가지며, 도1의 단면도에는 그에 상응하는 각각 하나의 밸브들이 도시되어 있다. 흡기 밸브(26)는 연소실(30)로 안내되는 흡기 채널(32)을 감시하며, 배기 밸브(28)는 마찬가지로 연소실로 안내되는 배기 채널(34)을 감시한다.

2개의 실린더 열에 각각 플랜지 결합된 4개의 배기 채널(34)은 짧은 구간에이어 각각 공통의 배기 가스관(36)으로 합류하는 4손가락형 배기 매니폴트로 구성된다. 흡기 측에 배치된 흡기 채널(32)에는 도시되지 않은 흡기 장치를 통해 연소 공기가 공급된다. 흡기 내지 배기 밸브(26, 28)의 작동은 흡기 캠축(38) 및 배기 캠축(40)에 의해 실행된다. 흡기 및 배기 캠축(38, 40)은 각각 4쌍의 흡기 캠(42) 및 배기 캠(44)을 가지며, 실린더 특성적인, 캠의 특별한 구성은 이후에 상세히 설명될 것이다.

흡기 및 배기 캠축(38, 40)의 회전 운동은 밸브 리프터로서 구성된 태핏(46, 48)을 통해 흡기 밸브 및 배기 밸브(26, 28)의 행정 운동으로 전환된다. 흡기 밸브 및 배기 밸브(26, 28)의 밸브축에 대해 동축으로 배치된 밸브 스프링(50, 52)을 이용하여, 흡기 및 배기 밸브(26, 28)는 캠(46, 48)의 기본 위상 중에 흡기 내지 배기 채널(32, 34)이 확실히 폐쇄되는 것을 보장한다. 흡기 밸브(26)가 개방될 때 유입된 연료는 점화 플러그(56)로서 구성된 점화 장치에 의해 연소실 내에서 연소되도록, 분사 밸브(54)를 통해 흡기 채널(32) 내로 분사된다.

도3에는 2개의 실린더 열로 나뉘어져 배열된 제1 내지 제4 실린더 및 제 5 내지 제8 실린더의 점화 순서가 도시된다. 도면에서 확실히 알 수 있는 바와 같이, 점화 순서는 2개의 실린더 열에 비대칭으로 적용되고, 각각의 실린더 열에 세 개의 상이한 점화 간격을 갖는다. 제1 실린더와 제3 실린더 사이의 점화 간격은 90도의 크랭크 각이며, 제2 실린더와 제3 실린더, 그리고 제1 실린더와 제4 실린더 사이의 점화 간격은 180도의 크랭크 각이며, 제2 실린더와 제4 실린더 사이의 점화 간격은 270도의 크랭크 각이다. 이와 유사하게, 제2 실린더 열에서의 제5 내지제8 실린더의 점화 시점 간격은 제5와 제6 실린더 사이에서는 90도의 크랭크 각이며, 제6 실린더와 제7 실린더 사이 그리고 제5 실린더와 제8 실린더 사이에서는 180도의 크랭크 각이며, 제7 실린더와 제8 실린더 사이는 270도의 크랭크 각이다. 도3 및 도4를 참조로 이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 1-3-7-2-6-5-4-8의 점화 순서에서, 일 실린더 열의 제3 실린더와 제4 실린더 및 다른 실린더 열의 제5 실린더와 제7 실린더는 새로운 혼합기 충전 효율면에서 다른 나머지 실린더에 반해 유익하지 못하며, 이는 이하에서 공기 소모로서 제시된다.

도3의 상부 도면을 참조하면, 90도의 크랭크 각과 180도의 크랭크 각의 간격으로 배기하는 제1, 제3 및 제2 실린더를 도시하는, 배기 밸브(28)의 밸브 상승률 곡선에서, 90도 크랭크 각 간격으로 점화 내지 배기하는 제1 및 제3 실린더에서 서로에 대한 방출 장해가 나타나는 것을 알 수 있다. 그러나 하나의 실린더 열 내에서 180도의 크랭크 각 간격으로 배기하는 실린더의 배기 밸브 오버랩 상태는 충전 교체에 있어서 더욱 양호하지 못하다. 제2 실린더와 제3 실린더의 배기 밸브(28)의 밸브 양정률 곡선을 참조로 예시적으로 도시된 바와 같이, 180도 크랭크 각 간격으로 늦게 점화하는 그리고 늦게 배기하는 실린더(2)의 배기 가스 블로 다운은 제3 실린더의 흡기 및 배기 밸브(26, 28)의 개방 오버랩 상태로 도달한다. 흡기 및 배기 밸브의 오버랩 상태와 관련되며 알려진 "배기 가스의 내부 복귀"는 스로틀 제어 가솔린 엔진에서는 완전히 제거될 수 없는데, 이는 한편으로는 만족스러운 공회전 작동과, 다른 한편으로는 밸브의 충분한 평균 개방 시간 사이의 절충이 있어야 하기 때문이다. 도3의 상부 도면에서, 배기 가스(압력파(W)로 표시된 배기 가스)로서의 배기 행정은 이미 흡기 행정에 있는 제3 실린더의 공기 소모를 감소시킨다. 예를 들어, 캠축 조정기를 이용하여 구현될 수 있는, 변형 가능한 밸브 제어 시간의 적용은 개별 실린더의 공기 소모의 분산을 증가 시키고, 이는 조정 영역이 크면 클수록 증가한다. 여기에서 공기 소모가 감소될 수 있는데, 이를 통해 소정의 회전 모멘트 증가는 명확하게 감소된다. 흡기 밸브 개방 시간의 조정 가능성은 도3의 상부 도면에서 밸브 개방 곡선(E3)에 대해 "이른" 방향으로 변위된 파단선으로 도시된 곡선(E3')으로 예시적으로 도시되어 있다.

180도 크랭크 각의 간격으로 배기하는, 실린더 열(제1 내지 제4 실린더)의 제1 및 제3 실린더 내지 제1 및 제4 실린더, 그리고 실린더 열(제5 내지 제8 실린더)의 제6 및 제7 실린더 내지 제5 및 제8 실린더의 개방 오버랩 상태를 감소시키기 위해, 공기 소모 때문에 바람직 하지 못한 제3, 제4, 제5 및 제7 실린더는 배기 캠축(40)에 배열된 캠(44)을 위한 더 큰 캠축 폭을 갖는다. 도5의 왼쪽에 실선으로 도시된 곡선(A)은 제3, 제4, 제5 및 제7 실린더의 배기 밸브에 대한 밸브 상승을 도시하고, 점선으로 도시된 밸브 상승 곡선(A')은 제1, 제2, 제6 및 제8 실린더에 대한 곡선을 도시한다. 제1, 제2, 제6 및 제8 실린더를 위한 폭이 좁은 배기 캠(44')을 통해, 180도 크랭크 각 간격으로 각각 일찍 개방하는, 제3, 제4, 제5 및 제7 실린더의 배기 밸브(28)에 대해, 제1, 제2, 제6 및 제8 실린더에 배열된 배기 밸브(28)의 개방 오버랩 상태는 감소된다. 공기 소모 곡선의 바람직한 조정, 즉 전체 회전수 영역에서의 실린더 당 동일한 공기 소모는, 특히 폭이 좁은 캠(44')이 폭이 넓은 캠(44)보다 1mm 당 10도 내지 20도의 크랭크 각을 가지면 달성된다.도5에 도시된 바와 같이, 제1, 제2, 제6 및 제8 실린더를 위한 캠의 좁은 폭을 통해 고정적인 소정의 캠 형태를 기초로하여 실린더에 배열된 배기 밸브(28)의 최대 밸브 양정은 마찬가지로 감소된다. 도5의 우측에 도시된 곡선(E)은 제1 내지 제8의 전체 실린더를 동시에 나타내는, 흡기 밸브(26)의 밸브 양정 진행을 도시한다.

특히, 90도의 크랭크 드로와, 4개의 매니폴드가 1개로 통합되는 배기 가스 매니폴드를 갖는 V8 엔진을 위해 구현되는 캠축 설계는, 변형 가능한 밸브 제어 시간이, 충분한 소정의 회전 모멘트와 관련되는 전체 회전 영역에서 작용하도록 한다. 1차 촉매 컨버터 내지 람다 센서의 수를 기초로 하는 V8 엔진에서, 4개의 매니폴드가 1개로 통합되는 배기 가스 매니폴드가 짧은 매니폴드 덕트를 갖도록 구현되나, 이미 설명된 바와 같이 새로운 혼합기로 실린더를 충전하는 것에 대한 바람직하지 못한 효과가 발생되기 때문에, 상술한 캠축 설계는 확실한 효과를 제공하도록 구현될 수 있다.

그러나, 실린더 특성적인 캠 대신에 다기통 엔진의 배기 밸브의 개방 오버랩 상태의 감소를 위한 다른 실시예가 가능하다. 변형 가능한 밸브 제어, 예를 들어 순수히 기계적으로 변형 가능한 밸브 구동 장치를 이용하여, 상술된 설계는 변형 가능한 기계식/유압식 밸브 구동 장치 및 전자 기계식 밸브 구동 장치에 마찬가지로 구현된다.

Claims

크랭크 축의 회전각에 따라, 제어 수단을 통해 연소 공기를 실린더로 공급하며 배기 가스 장치를 통해 연소 가스를 방출하는, 흡기 밸브 및 배기 밸브가 그 내부에 배열된 실린더 헤드 하우징을 구비한 적어도 2개의 실린더 열을 갖는 다기통 내연 기관에 있어서,

하나의 실린더 열 내에 배열된 적어도 두 개의 실린더의 배기 밸브의 양정을 다르게 구현하기 위한, 개방 오버랩 상태를 감소시키는 수단(44')이 마련되며, 양 실린더의 흡기 밸브(26) 및 배기 밸브(28) 자체는 개방 오버랩 상태에 위치하는 것을 특징으로 하는 다기통 내연 기관.
제1항에 있어서, 흡기 밸브(26) 및 배기 밸브(28)는 캠축(38, 40) 및 밸브 리프터(44, 44')를 통해 작동되며, 배기 캠축(40) 상에 배열된 캠(44, 44')은 다양한 캠 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 다기통 내연 기관.
제1 또는 제2항에 있어서, 배기 캠축(40) 상에 배열된 캠(44, 44')은 다양한 캠 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 다기통 내연 기관.
제3항에 있어서, 1mm의 밸브 양정에서, 폭이 좁은 캠(44')은 폭이 넓은 캠(44)보다 10도 내지 20도 더 작은 캠 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관.
상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 90도의 크랭크 드로를 갖는 엔진이 2개의 실린더 열을 구비한 V8 엔진으로 구성되는 것을 특징으로 하는 다기통 내연 기관.
제5항에 있어서, 양 실린더 열의 배기 가스 측에는 배기관(36) 내로 합류하는, 4손가락형 배기 가스 매니폴드가 마련되는 것을 특징으로 하는 다기통 내연 기관.