KR20020046527A

KR20020046527A - 가변 텀블형 연료-공기 분사 장치

Info

Publication number: KR20020046527A
Application number: KR1020000076762A
Authority: KR
Inventors: 이시훈
Original assignee: 이계안; 현대자동차주식회사
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2002-06-21
Also published as: KR100405786B1

Abstract

본 발명은 가변 텀블형 연료-공기 분사 장치에 관한 것으로서, 흡기 밸브 및 배기 밸브에 의하여 개폐될 수 있는 포트들이 형성된 실린더 헤드와, 상기 실린더 헤드의 흡기 포트에 결합되는 흡기 다기관과, 상기 흡기 다기관의 연결부 쪽에 연료 및 가압 공기의 혼합체를 흡기 밸브의 후방 상면부 쪽으로 치우쳐져 분사시킬 수 있도록 상기 밸브의 정 후방을 향한 배치 각도보다 상향으로 소정 각도를 더 기울여져 장착되는 인젝터와, 상기 인젝터의 공기 공급관에 연결되어 운전 조건에 맞게 실린더 내에서의 적정 텀블 강도를 유지할 수 있도록 공기량을 가변적으로 제어할 수 있는 공기량 제어 수단을 포함한다. 따라서, 본 발명에 의하면 실린더 헤드의 흡기 포트를 실린더 내의 텀블 유동과 무관하게 설계할 수 있으므로 엔진의 고속 전개 출력이 향상될 수 있다. 또한 엔진 운전 조건에 따른 최적의 텀블 유동을 구현할 수 있으므로 엔진의 시동 및 저속 저부하 운전의 경우에도 연소 안전성을 더욱 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 배기 가스의 배출을 훨씬 더 줄일 수 있다.

Description

가변 텀블형 연료-공기 분사 장치{VARIABLE TUMBLE FLOW TYPE FUEL-AIR INJECTION DEVICE}

본 발명은 가변 텀블형 연료-공기 분사 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 흡기 포트의 형상을 이용하지 않고 기존 인젝터(Injector)의 설치 위치만을 변경함과 동시에 인젝터로 공급되는 공기량을 가변적으로 제어케 함으로써 실린더 내에서 최적의 텀블(Tumble) 유동을 발생시킬 수 있도록 하는 가변 텀블형 연료-공기 분사 장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료-공기 분사형 가솔린 엔진에서 텀블(Tumble)은 실린더 내에서 횡축을 중심으로 회전하는 유동 성분을 의미하고, 이는 가솔린 엔진의 연소 성능을 향상시키기 위하여 최근에 필수적으로 적용되고 있는 실린더 내의 유동 형태이다.

도 1 은 종래의 연료-공기 분사 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 1 에서 보면, 실린더 헤드(2)의 상부 중앙에 점화 플러그(3)가 장착되고, 그 좌, 우 양쪽에 흡기, 배기 밸브(4)(4a)가 배열 장착된다. 여기서 실린더 헤드(2)의 흡기 포트(2a) 쪽에는 흡기 다기관(5)이 연결되고, 상기 흡기 다기관(5)의 입구 쪽에는 실린더(1) 내부로 연료와 가압 공기를 혼합하여 분사시킬 수 있는 인젝터(6)가 장착된다. 이 인젝터(6)는 흡기 밸브(4)의 정 후면을 향하여 분사시킬 수 있도록 그 위치가 선정되어 있다.(가솔린 간접 분사식)

종래의 인젝터(6)에는 공기 공급관(6a) 및 연료 공급관(6b)이 연결 및 매설되어 있고, 특히 공기 공급관(6a)에는 공기 압축기(7) 및 정압기(8)가 연결되어 있다. 이를 공기 가압형 인젝터라 한다. 여기서 공기 압축기(7)는 공기를 압축하여가압 공기를 생성시킬 수 있는 수단이고, 정압기(8)는 상기 공기 압축기(7)에 의하여 생성된 가압 공기의 압력을 항상 일정하게 유지시킬 수 있는 수단이다. 이러한 구성은 연료의 미립화를 충실히 수행하기 위한 것이다.

이와 같이 구성된 종래의 연료-공기 분사 장치는 인젝터(6) 내부의 핀틀(도시 안됨)이 열릴 때 공기 압축기(7)에 의하여 가압된 공기가 정압기(8)에 의하여 일정한 압력을 유지한 상태로 공급됨과 동시에 연료와 혼합하여 실린더(1) 내부로 공급된다. 이 때, 분사된 연료 공기 혼합체는 흡기 밸브(4)의 상면부 쪽 흡기 포트(2ab)를 통하여 공급되는 양이 상기 밸브(4)의 하면부 쪽 흡기 포트(2aa)를 통해 공급되는 양보다 더 많아지게 하여 실린더(1) 내에서 화살표 방향과 같은 텀블 유동이 이루어지게 된다. 즉, 흡기 밸브(2) 상면부 쪽 공기의 관성을 증가시킴으로써 실린더(1) 내에서는 전체적으로 그 하면부 쪽을 향하여 굽어지는 형태의 텀블 유동이 만들어진다는 것이다.

따라서, 종래에는 텀블 유동의 강도나 그 형태가 전적으로 흡기 포트(2a)의 형상에 따라 결정된다 할 수 있다. 하나의 실린더 헤드(2), 즉 하나의 포트(2a)가 설계되어 제작되는 단계에서는 그 엔진의 텀블 강도는 이미 결정되어 버렸다 할 수 있다. 물론, 예외적으로 인젝터(6)가 실린더 블록(1)에 직접 설치되는 가솔린 직접 분사식 엔진의 경우에는 텀블 유동이 피스톤(9)의 상면 형상에 의하여 추가적인 영향을 더 받을 수도 있다.

예를 들면, 도 2 의 그래프에서 나타낸 바와 같이, 이러한 텀블 유동은 어느 정도의 범위, 즉 텀블비가 약 0.8 정도까지는 그 텀블 강도를 증가시키더라도 연소속도(c)가 빨라져서 배기 가스 재순환(EGR) 내성(a)을 향상시키며 노크(Knock) 민감도(b)를 억제할 수 있는 효과가 있다. 그러나, 최적의 텀블 강도는 엔진의 운전 조건에 따라 변해야 한다. 더욱이 고속 전개 성능의 경우에는 체적 효율(d)이 영향을 많이 미치게되므로 도 2 에서와 같이 텀블이 과도하게 결정되어있다면 체적 효율(d)을 떨어뜨려 오히려 고속 전개 성능의 저하를 초래하는 문제점을 안고 있다.

또 다른 문제점은 흡기 포트(2a)의 설계 자유도의 저하를 들 수 있는데, 역시 도 2 에서 유추할 수 있듯이 텀블형 포트를 만들려면 필수적으로 체적 효율(d)은 저하된다. 즉 텀블 형성과 체적 효율 증가라는 두 가지 조건을 모두 만족시키는 것이 포트(2a) 설계에 큰 제약이 된다는 것이다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 실린더 헤드의 흡기 포트를 텀블 형성과 무관하게 설계하여 체적 효율을 극대화시킬 수 있는 가변 텀블형 연료-공기 분사 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 텀블 유동은 흡기 포트의 형상과 무관하게 형성되도록 하되 엔진의 운전 조건에 따라 텀블 강도를 변경시킬 수 있도록 하는 가변 텀블형 연료-공기 분사 장치를 제공하는 데 있다.

도 1 은 종래의 연료-공기 분사 장치를 개략적으로 나타낸 단면도.

도 2 는 종래의 연료-공기 분사 장치에 의한 텀블 효과를 나타낸 그래프.

도 3 은 본 발명에 따른 연료-공기 분사 장치를 개략적으로 나타낸 단면도.

도 4 는 본 발명에 따른 연료-공기 분사 장치에 의한 엔진 초기 시동시 텀블 유동에 따른 탄화수소의 배출 수준을 나타낸 그래프.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 실린더 20 : 실린더 헤드

22, 22a, 22b : 흡기 포트 40 : 흡기 밸브

42 : 배기 밸브 50 : 흡기 다기관

60 : 인젝터 62 : 공기 공급관

64 : 연료 공급관 70 : 공기량 제어 수단

72 : 공기 압축기 74 : 정압기

76 : 솔레노이드 밸브

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가변 텀블형 연료-공기 분사 장치는, 흡기 밸브 및 배기 밸브에 의하여 개폐될 수 있는 포트들이 형성된 실린더 헤드와, 상기 실린더 헤드의 흡기 포트에 결합되는 흡기 다기관과, 상기 흡기다기관의 연결부 쪽에 연료 및 가압 공기의 혼합체를 흡기 밸브의 후방 상면부 쪽으로 치우쳐져 분사시킬 수 있도록 상기 밸브의 정 후방을 향한 배치 각도보다 상향으로 소정 각도를 더 기울여져 장착되는 인젝터와, 상기 인젝터의 공기 공급관에 연결되어 운전 조건에 맞게 실린더 내에서의 적정 텀블 강도를 유지할 수 있도록 공기량을 가변적으로 제어할 수 있는 공기량 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 인젝터의 소정 각도는 5°~ 10°를 이루는 것이 바람직하다.

상기 공기량 제어 수단은 인젝터로 공급되는 공기를 가압시킬 수 있는 공기 압축기와, 상기 공기 압축기에 의하여 가압된 공기의 압력을 일정하게 유지시킬 수 있는 정압기와, 소정의 운전 조건에 따라 열림 시간이 제어되어 공급 공기량을 조절시킬 수 있는 솔레노이드 밸브를 포함하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 더욱 상세히 설명한다.

도 3 은 본 발명에 따른 연료-공기 분사 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

상기 도면에서, 실린더(10)의 내부에는 피스톤(12)이 상, 하 왕복 운동할 수 있도록 삽입되고, 상기 실린더(10)의 상단에는 실린더 헤드(20)가 결합된다. 상기 실린더(10) 및 실린더 헤드(20)의 벽체 내부에는 냉각수가 유동될 수 있는 물 재킷(14)(24)이 형성된다.

상기 실린더 헤드(20)의 상부 중앙에 점화 플러그(30)가 장착되고, 그 좌,우 양쪽에 흡기, 배기 밸브(40)(42)가 배열 장착된다. 상기 실린더 헤드(20)의 양측면 쪽에는 상기 흡, 배기 밸브(40)(42)에 의하여 개폐될 수 있는 흡, 배기 포트(22)(26)가 형성된다. 상기 흡기 포트(22) 쪽에는 도시되지 않은 트로틀 바디, 서지 탱크 등이 연결되는 흡기 다기관(50)이 결합된다. 상기 흡기 다기관(50)의 연결부 쪽에는 실린더(10) 내부로 연료와 가압 공기를 함께 혼합하여 분사시킬 수 있는 인젝터(60)가 장착된다.

특히 본 실시예에서 채용된 인젝터(60)의 장착 위치, 더 정확하게 분사구 쪽의 위치는 흡기 밸브(40)의 정 후방을 향한 배치 각도보다 상향으로 소정 각도(α)를 조금 더 기울여지게 한다. 이는 흡기 밸브(40)의 후방 상면부 쪽의 흡기 포트(22b) 쪽으로 연료 공기 혼합체를 더 치우쳐져 분사케 함으로써 실린더(10) 내에서 화살표 방향과 같은 텀블(Tumble) 유동을 손쉽게 이루어지게 하기 위한 것이다. 여기서, 상기 인젝터(60)의 소정 각도(α)는 측정을 통하여 실측해 본 결과 5°~ 10°를 이루는 것이 매우 바람직하다.

이러한 인젝터(60)의 내부에는 공기 공급관(62) 및 연료 공급관(64)이 함께 매설되어 외부로 인출된다. 특히 상기 공기 공급관(62)에는 부호 70 으로 도시된 공기량 제어 수단이 부설되고, 이 제어 수단(70)은 엔진의 운전 조건에 따라 실린더(10) 내에서의 적정 텀블 강도를 유지할 수 있도록 공기량을 가변적으로 제어할 수 있는 수단이다. 즉, 상기 공기량 제어 수단(70)은 인젝터(60)의 내부로 공급되는 공기를 가압시킬 수 있는 공기 압축기(72)와, 상기 공기 압축기(72)에 의하여 가압된 공기의 압력을 일정하게 유지시킬 수 있는 정압기(74)와, 소정의 운전 조건에 따라 열림 시간이 제어되어 공급 공기량을 자동으로 조절시킬 수 있는 솔레노이드 밸브(Solenoid Valve)(76)를 포함한다.

미 설명 부호 12 는 피스톤이고, 14a 는 수온 센서를 나타낸다.

이와 같이 구비된 본 발명에 따른 연료-공기 분사 장치에서, 엔진이 가동되면 인젝터(60) 내부로 공기 압축기(72)에 의하여 가압되고 정압기(74)에 의하여 일정한 압력을 유지한 상태로 유입되는 공기와 연료 공급관(64)을 통하여 연료가 유입된 후 서로 혼합하여 실린더(10) 내부로 고압 분사된다. 이 때, 상기 인젝터(60)의 분사구는 종래와 같이 흡기 밸브(40)의 정 후방을 향하여 배치된 위치보다는 소정 각도(α)로 조금 더 상향 배치되어 있으므로 분사된 연료 공기 혼합체는 흡기 밸브(40)의 상면부 쪽 흡기 포트(22b)를 통하여 실린더(10) 내부로 유입되는 양이 상기 밸브(40)의 하면부 쪽 포트(22a)를 통한 유입량보다는 상대적으로 더 많아지게 된다. 따라서 실린더(10) 내에서 화살표 방향과 같이 굽어지는 형태의 텀블 유동이 자연스럽게 이루어지게 된다.

이렇게 생성되는 텀블 유동의 강도는 공기량 제어 수단(70)의 솔레노이드 밸브(76)에 의하여 가변적으로 적절히 제어될 수 있다. 즉, 솔레노이드 밸브(76)가 열리는 시간을 제어하여 실린더(10)로 들어가는 공기량을 조절하면 텀블 강도를 최적으로 조절할 수 있게 된다. 따라서 각 운전 조건에서의 최적 텀블 강도는 미리 실험을 통하여 얻을 수 있고, 이에 적합한 솔레노이드 밸브(76)의 열림 시간을 전자제어 유닛(ECU)(도시 안됨)에 입력해 놓으면 되는 것이다. 예를 들면 엔진의 고속 전개시에는 솔레노이드 밸브(76)의 열림 시간을 최소화시킴으로써 텀블 강도를줄여주고, 이에 따라 체적 효율을 극대화하여 출력을 향상시킬 수 있게 된다. 반면에, 연소의 안정성이 요구되는 엔진의 시동이나 저속 저부하 운전의 경우에는 솔레노이드 밸브(76)의 열림 시간을 최대로 하여 강한 텀블 강도를 얻게 되면, 이로 인한 연소의 안정성을 향상시킬 수 있으므로 배기 가스의 배출을 경감시킬 수 있다. 이 결과로, 도 4 에서 나타낸 바와 같이, 초기 시동시 텀블이 있는 경우의 탄화수소의 배출 수준(A)은 텀블이 없는 경우의 탄화수소의 배출 수준(B)에 비하면 현저하게 저하되는 것을 알 수 있다.

상술한 본 발명에 의하면, 실린더 헤드의 흡기 포트를 실린더 내의 텀블 유동과 무관하게 설계할 수 있으므로 엔진의 고속 전개 출력이 향상될 수 있다. 또한 엔진 운전 조건에 따른 최적의 텀블 유동을 구현할 수 있으므로 엔진의 시동 및 저속 저부하 운전의 경우에도 연소 안전성을 더욱 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 배기 가스의 배출을 훨씬 더 줄일 수 있다.

Claims

흡기 밸브 및 배기 밸브에 의하여 개폐될 수 있는 포트들이 형성된 실린더 헤드와,

상기 실린더 헤드의 흡기 포트에 결합되는 흡기 다기관과,

상기 흡기 다기관의 연결부 쪽에 연료 및 가압 공기의 혼합체를 흡기 밸브의 후방 상면부 쪽으로 치우쳐져 분사시킬 수 있도록 상기 밸브의 정 후방을 향한 배치 각도보다 상향으로 소정 각도를 더 기울여져 장착되는 인젝터와,

상기 인젝터의 공기 공급관에 연결되어 운전 조건에 맞게 실린더 내에서의 적정 텀블 강도를 유지할 수 있도록 공기량을 가변적으로 제어할 수 있는 공기량 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 텀블형 연료-공기 분사 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 인젝터의 소정 각도는 5°~ 10°를 이루는 것을 특징으로 하는 가변 텀블형 연료-공기 분사 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 공기량 제어 수단은 인젝터로 공급되는 공기를 가압시킬 수 있는 공기 압축기와,

상기 공기 압축기에 의하여 가압된 공기의 압력을 일정하게 유지시킬 수 있는 정압기와,

소정의 운전 조건에 따라 열림 시간이 제어되어 공급 공기량을 조절시킬 수 있는 솔레노이드 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 텀블형 연료-공기 분사 장치.