KR20020076347A

KR20020076347A - 실린더 내부 직접분사 불꽃점화 엔진

Info

Publication number: KR20020076347A
Application number: KR1020027011592A
Authority: KR
Inventors: 후꾸즈미마사히로
Original assignee: 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 2001-01-05
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2002-10-09
Also published as: CN1325777C; EP1259715B1; US6705275B2; JP2002201946A; CN1404546A; KR100556648B1; JP3812338B2; US20030010313A1; EP1259715A1; WO2002055849A1

Abstract

직접연료 분사엔진은 텀블의 도움 없이 층상 급기 연소를 달성하기 위해 저 엔진 속도 저 부하 작동 영역에서 연료 스프레이의 관통력에 의해 그 상부 세그면트가 점화 플러그의 인접부에 도달하는 연료 스프레이를 생성하도록 위치 및 지향된 연료 분사기를 포함한다. 텀블 제어 밸브는 엔진 속도 및/또는 엔진 부하가 높은 엔진 작동 영역에서 텀블의 도움으로 층상 급기 연소를 달성하기 위해 연소실 내의 텀블을 강화시키도록 작동된다.

Description

실린더 내부 직접분사 불꽃점화 엔진 {INCYLINDER DIRECT INJECTION SPARK IGNITION ENGINE}

실린더 내부 직접분사 불꽃점화 엔진은 일반적으로 분사 연료를 점화용 점화 플러그의 인접부로 운송하기 위해 연소실 내의 실린더 내부 유체 유동을 사용함으로써, 층상 급기 연소(stratified charge combustion)를 미리 설정된 엔진 작동 영역에서 수행하도록 조절된다. 발간된 일본 특허 출원 (공개) 공보 제 2000-87750 호는 이러한 직접 분사 엔진을 개시하고 있다.

본 발명은 실린더 내부(incylinder) 직접분사 불꽃점화 엔진에 관한 것이다.

도1a 및 도1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 실린더 내부 직접 연료분사 불꽃점화 엔진을 개략적으로 도시하고 있다. 도1a는 단면도이고, 도1b는 피스톤 측으로부터 실린더 헤드 쪽으로 볼 수 있는 도면이다.

도2a 및 도2b는 도1a 및 도1b에 도시된 엔진에서 사용되는 피스톤을 도시하고 있다. 도2a 는 평면도이고, 도2b는 수직 단면도이다.

도3a 및 도3b는 도1a 및 도1b에 도시된 엔진에 의해 수행된 두 개의 상이한 층상급기 연소모드를 도시하는 단면도이다.

도4는 층상 급기 연소를 위한 두 개의 상이한 엔진 작동 영역을 도시하는 그래프로서, 일 영역은 도1a 및 도1b의 엔진에 의해 수행된 균일 연소에 대한 것이다.

도5는 도1a 및 도1b의 엔진용 엔진 컨트롤러를 도시하는 블록 다이어그램이다.

저 엔진 속도 저 엔진 부하 영역에서, 흡입 공기의 양은 매우 작아서 연소실 내의 텀블(tumble)은 분사 연료를 점화 플러그의 인접부로 적절하게 운반하기에, 만족스럽게 층상 급기 연소를 달성하기에 너무 미약하다.

따라서, 본 발명의 목적은 저 속도 저 부하 엔진 작동 영역에서도 안정적인 층상 급기 연소를 제공할 수 있는 직접분사 불꽃점화 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 실린더 내부 직접분사 불꽃점화 엔진은 실린더 보어를 구비하는 실린더 블록과, 연소실의 상부 내측면을 형성하는 만입부(depression)를 구비하는 실린더 헤드와, 상기 연소실의 상부면으로부터 돌출된 점화 플러그와, 상기 실린더 보어 내에서 왕복 운동하기 위해 실린더 보어 내에 수용되며, 상기 실린더 헤드의 만입부를 갖는 연소실을 형성하고 공동(cavity)이 형성된 피스톤 크라운을 구비한 피스톤과, 상기 연소실의 상부면에서 개방되고 공동과 상호작용하여 텀블을 형성하기 위해 피스톤 쪽으로 흡입 공기를 도입하도록 구성된 제1 및 제2 흡기 포트와, 분사 연료가 텀블에 의해 점화 플러그로 운송되도록 상기 연소실 내의 텀블을 촉진시키기 위해 제1 엔진 작동 영역에서 작동되는 실린더 내부 유체운동 제어장치와, 상기 제1 및 제2 흡기 포트 사이에서 제1 및 제2 포트보다 낮은 위치에 위치되고, 압축 행정에서 상기 연소실의 중앙을 향해 연소실 안으로 연료를 직접 분사하도록 배치되며, 저 속도 저 부하 영역인 제2 엔진 작동 영역에서 점화 플러그의 인접부를 관통하는 연료 스프레이를 생성하도록 형성된 연료 분사기를 포함한다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 실린더 내부 직접분사 불꽃점화 엔진은 실린더 보어와 연소실의 상부 내측면을 형성하는 만입부를 구비하는 (실린더 블록 및 헤드의 조립체와 같은) 엔진 블록과, 상기 연소실의 상부 내측면의 중앙 영역에 위치한 점화 플러그와, 상기 실린더 보어 내에서 왕복 운동하기 위한 원통부와 공동이 형성된 피스톤 크라운을 포함하는 피스톤과, 상기 연소실의 상부 내측면의 중간 영역에서 개방되고 상기 공동와 상호 작용하여 텀블을 형성하기 위해 피스톤 쪽으로 흡입 공기를 도입하도록 구성되는 것으로, 상기 중간 영역이 연소실의 상부 내측면의 외주 영역과 중앙 영역 사이에서 반경 방향으로 위치되는 적어도 하나의 흡기 포트와, 상기 하나의 흡기 포트에 구비되고, 제1 층상급기 연소모드를 달성하도록 텀블에 의해 분사 연료를 점화 플러그 쪽으로 운송하기 위해 상기 연소실 내의 텀블을 촉진하는 작동 상태와 저 엔진 속도 저 엔진 부하 작동 영역에서 제2 층상급기 연소모드를 달성하기 위해 상기 연소실 내의 텀블을 제한하는 비작동 상태 사이에서 이동하도록 배치되는 텀블 제어 밸브와, 상기 연소실의 상부 내측면의 외주 영역에 위치되고, 제2 층상급기 연소모드에서 점화 플러그를 목표로 하는 최상단선과 피스톤 크라운의 공동으로 지향된 최하단선 사이를 경계로 하는 원뿔 상으로 확산하는 연료 스프레이를 생성하도록 구성된 연료 분사기를 포함한다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 실린더 내부 직접분사 불꽃점화 엔진은 공기 연료 혼합무(mixture cloud)가 엔진의 연소실 내의 점화 영역에 도달할 때에 점화성 공기 연료 혼합무를 점화하기 위한 점화 수단과, 제1 층상급기 연소모드에서는 상기 연소실 내로 흡입 공기를 도입함으로써 연소실에서 텀블을 생성하고 제2 층상급기 연소 모드에서는 상기 텀블을 제한하기 위한 텀블 생성 수단과, 상기 점화 영역에 대한 간섭을 피하는 방향으로 상기 연소실 안으로 연료를 분사함으로써, 제2 층상급기 연소모드에서 점화 영역에 도달하는 상부 세그먼트를 구비하는 연료 스프레이를 생성하는 분사 수단을 포함한다.

본 발명의 다른 목적 및 특징은 첨부 도면을 참고로 하여 다음의 설명으로 이해될 수 있다.

도1a 및 도1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 실린더 내부 직접 연료분사 불꽃점화 엔진(1)을 도시하고 있다. 본 실시예의 엔진(1)은 다중 실린더 엔진이지만, 도1a 및 도1b는 설명을 용이하게 하기 위해 단지 하나의 실린더만을 도시한다. 본 실시예의 엔진(1)은 기본적으로 연소실로 분무된 연료를 연소실의 천정에 위치한 점화 플러그의 인접부까지 운반하기 위해 실린더 내부 공기 유동의 텀블을 생성하도록 구성되는 적어도 하나의 흡기 포트 및 피스톤 공동을 포함하는 공기 유도형의 직접 분사 엔진이다. 도1a에서 도시된 바와 같이, 피스톤(13)은 상하로 활주한다. 엔진은 차량에 수직하게 또는 비스듬히 설치될 수 있지만, 예를 들면, 연소실내의 가스를 압축하기 위한 피스톤의 운동 방향이 상향으로 지칭된다.

실린더 헤드(2)는 실린더 블록(4) 내에 형성된 실린더 보어(5)에 대면하는 만입부로 형성된다. 상기 만입부는 실린더 헤드(2)의 하부면(2a)로부터 오묵하게 되고, 릿지(3; ridge)로부터 두 대향 방향으로 하향 경사진 제1 및 제2 경사면(3a, 3b)과 원통면(3c)에 의해 경계지어 진다. 제1 및 제2 경사 내측면(3a, 3b)은 연소실의 천정 또는 상부 내측면을 형성한다. 제1 및 제2 경사 내측면(3a, 3b)은 쌍방 대칭 방식으로 실질적으로 대칭적이다. 연소실의 원통 내측면(3c)은 제1 및 제2 경사 내측면(3a, 3b)의 하부 단부들로부터 하향 연장된다.

펜트루프형(pentroof) 연소실(6)은 경사 내측면(3a, 3b), 원통 내측면(3c), 실린더 보어(5), 및 실린더 보어(5) 내에서 피스톤 링들을 통해 활주 가능한 피스톤(13)에 의해 형성된다. 연소실(6)의 기하학적 형상은 실린더 보어(5)의 보어 직경(내경), 피스톤(13)의 피스톤 크라운의 형상, 실린더 헤드(2)의 지붕 높이(H)[실린더 헤드(2)의 하부면(2a)에서부터 연소실(6)의 상부 내측면의 릿지(3d)까지의 높이], 및 흡기 밸브와 배기 밸브의 스템(또는 중심축) 사이에 형성된 상호 밸브각(θ1; inter-valve angle)에 의해 결정된다. 제1 및 제1 경사면(3a, 3b)이 만나는 릿지(3d)의 중앙 부근에는 연소실(6)로 돌출하고 중심 전극(7a) 및 외측 전극(7b)을 갖는 돌출부를 포함하는 점화 플러그(7)가 구비된다. 점화 플러그(7b)는 도1b에 도시된 바와 같이 본 실시예에서는 실질적으로 연소실(6)의 천정 중앙에 위치한다.

두 개의 흡기 포트(8a, 8b)는 도1a 및 도1b에 도시된 바와 같이 우측에 있는제 1 경사 내측면(3a)에서 하향 개방되고, 두 개의 배기 부분(9a, 9b)는 좌측에 있는 제 1 경사면(3b)에서 하향 개방된다. 흡기 포트(8a, 8b)는 흡입 공기를 피스톤 크라운 쪽의 방향[즉, 점화 플러그(7)와의 간섭을 피하는 방향]으로 도입하여 흡입 공기류가 피스톤 크라운에 부딪치도록 함으로써 연소실(6) 내에서 텀블[도1a에 도시된 바와 같인 수직 스월(swirl)]을 생성하도록 구성된다. 텀블을 생성하기 위해, 흡기 포트(8a, 8b)는 미리 혼합된 연소용 엔진의 흡기 포트 구성과 비교했을 때 직립해 있다. 즉, 도1a에 도시된 바와 같이, 흡입 유동각(θ2; inflowing angle)이 더 크다. 본 실시예에서, 흡입 유동각(θ2)은 실린더 헤드(2)의 평평한 하부면(또는 아랫면)(2a)과 흡기 포트(8a, 8b) 각각의 중심 직선 사이의 각도로 정의된다. 피스톤(13)에는 텀블 운동을 촉진하도록 구성된 얕은 공동(14)이 크라운에 형성된다.

도2a 및 도2b는 피스톤(13)의 형태를 묘사하고 있다. 피스톤 크라운은 공동(14)를 둘러싸는 (외측) 융기 림(rim)을 포함한다. 융기 림은 흡기측 사면(15), 배기측 경사면(16), 상기 두 개의 경사면(15, 16) 사이에서 연장되는 중앙 릿지부(17), 경사면(15, 16) 및 중앙 릿지부(17)를 둘러싸는 원뿔형 외측면(18)을 포함한다. 중앙 릿지부는 공동(14)에 의해 두 개의 동등한 절반으로 분할되는 평평한 수평 상부면을 갖는다. 도2a 및 도2b에서, 피스톤(13)의 좌측과 우측은 도2a 및 도2b에서는 흡기측 경사면(15)의 좌측에 있는 반면, 도1a 및 도1b에서는 흡기측의 우측에 있도록 역전된다. (일본 특허출원 제 2000-306511 호는 유사한 형태의 피스톤의 구성을 개시하고 있다.)

고압 연료 분사기(21)는 실린더 헤드(2)의 흡기측 경사 내측면(3a)에 구비되어, 연소실(6)로 직접 연료를 분사하도록 배치된다. 연료 분사기(21)는, 흡기 포트(8a, 8b)의 개구들의 위치보다 더 낮고 원통면(3c)에 더 가까운 반경 방향의 외측 위치, 또는 경사면(3a)의 하단부에서 흡기 포트(8a, 8b)의 개구들 사이에 원통식으로 위치된다. 따라서, 연료 분사기(21)는 연료가 텀블에 의해 운반될 수 있도록 연료를 분사하기 위해 위치 및 지향된다. 연료 분사기(21)는 점화 플러그(7)의 점화점(7c) 바로 아래의 위치 쪽으로의 경사진 하향 방향으로 노즐(21a)의 선단에 형성된 분사 구멍(21b)을 통해 연료를 분사하기 위한 노즐(21a)을 포함한다. 흡기 밸브(10a, 10b)는 각각 제1 및 제2 흡기 포트(8a, 8b)의 개구들을 개방 및 폐쇄하기 위해 구비된다. 배기 밸브(11a, 11b)는 각각 제1 및 제2 배기 포트(9a, 9b)를 개폐하기 위해 구비된다.

텀블 제어 밸브(25)는 각각의 흡기 포트(8a, 8b) 내에서 연소실(6)로의 개구의 상류 위치에 구비된다. 텀블 제어 밸브(25)는 연소실(6)에서의 텀블(26)을 촉진하기 위한 실린더 내부 유동운동 제어장치로서 기능한다. 각각의 텀블 제어 밸브(25)가 폐쇄되었을 경우, 흡기 포트(8a, 8b)의 유체 통로 섹션의 하반부가 폐쇄되고 흡입 공기 유동은 상반부를 통해서만 허용된다. 따라서, 이 폐쇄 상태에서는 텀블 제어 밸브(25)가, 도3a에 도시된 바와 같이, 흡입 공기 유동의 유동 속도를 증가시킴으로써 연소실(6) 내의 텀블(26)을 강화한다. 이 텀블(26)은 연료 분사기(21)로부터 분사된 연료 스프레이를 점화 플러그(7) 쪽으로 집적 및 운반하여, 농후한 점화성 혼합무(24)를 형성한다. 혼합무(24)가 점화점(7c)에 도달했을때, 점화 플러그(7)는 안정적인 층상 급기 연소 성능을 달성하기 위해 혼합무(24)를 점화시킬 수 있다. 점화점(7c)은 기본적으로 점화 플러그(7)의 중심 전극(7a)과 외측 전극(7b) 사이에 형성된다.

텀블 제어 밸브(25)는 층상급기 연소영역에서 중간 엔진 속도, 중간 엔진 부하 작동영역에서는 폐쇄된다. 층상급기 연소영역은 어느 정도의 폭을 가지고, 그리하여, 최적의 연료 분사 시기 및 최적의 점화 시기는 층상급기 연소영역 내의 엔진 속도 및/또는 엔진 부하의 변화에 따라 달라진다. 따라서, 텀블은 층상급기 연소영역의 전체에 걸쳐 최적 시기에 혼합무를 점화점(7c) 주위의 영역으로 운반하도록 요구된다. 그러므로, 흡기 포트(8a, 8b)의 흡기 유동각(θ2), 도1에 도시된 바와 같은 흡기와 배기 밸브의 축들 사이의 상호 밸브각(θ1) 및 피스톤(13)의 피스톤 크라운 형상은 조합되어 강한 텀블을 달성하도록 구성된다.

층상급기 연소영역의 외부 영역에서, 엔진(1)은 주로 이론 공연비를 목표로 하는 균일 급기 연소를 달성하도록 작동된다. 엔진 속도 및/또는 엔진 부하가 층상급기 연소영역의 한계보다 큰 상기의 균일급기 연소영역에서, 충분한 양의 흡입 공기 유동은 텀블 제어 밸브(25)가 개방된 경우에도 연소실(6) 내에서 강한 텀블을 형성할 수 있다. 그러므로, 본 실시예에서, 텀블 제어 밸브(25)는 균일급기 연소모드에서는 개방되어 유지되고, 연료 분사기(21)는 균일 급기 연소를 위해 연소실(6)의 전체에서 균일한 혼합을 얻기 위해 텀블 상태의 흡입 행정에서 연료를 분사하도록 가동된다.

공회전 작동을 포함하는 저 엔진 속도, 저 엔진 부하 영역은 층상급기 연소영역의 소구역(subregion)이다. 이러한 저 속도 저 부하 영역에서, 흡입 공기 유동은 너무 약해서 충부한 텀블을 기대할 수 없다. 그러므로, 상기 영역에서, 연료는 연료 스프레이의 힘에 의해서만 점화 플러그(7)의 점화점(7c) 주위의 영역에 도달하도록 연료 분사기(21)로부터 분무된다. 다음은 이를 달성하기 위한 두 가지 기본 요구조건들이다.

첫째, 연료 스프레이는 연료 분사기(21)의 분사 구멍(21b)으로부터 점화 플러그(21)의 점화점(7c)에 가장 가깝고 점화점(7c)을 통과하는 구획을 포함하는 원뿔형 면[최상단선(31a)]을 갖는 원뿔 상으로 분산한다.

둘째, 연료 분사기(21)의 연료 스프레이의 관통부(L1)는 연료 분사 노즐(21a)의 선단에서의 분사 구멍점(21b)에서부터 점화 플러그(7)의 점화점(7c)까지의 거리(L2)보다 더 길다. 관통부(L1)는 연료 스프레이가 이동할 수 있는 도달 범위 또는 거리이다.

연료 스프레이는 일반적으로 원뿔 상이고 도1b에서 되시된 바와 같이 연료 분사기(21)의 분사 노즐(21a)의 중심축(21c)을 중심으로 대칭이다. 원뿔 상의 연료 스프레이가 전적으로 대칭이고, 최상단선과 동일한 길이의 최하단선을 갖는다면, 연료 스프레이의 하단부는 피스톤 공동(14)의 표면에 부딪혀 공동 표면을 적시고, 연료 습윤성은 저 속도 저 부하 영역에서 HC 배출을 증가시킬 수 있다. 게다가, 분사 연료가 배기측 경사 내측면(3b)에 도달할만큼 연료 스프레이의 관통부(L1)가 너무 길다면, 실험을 통해 확인된 바와 같이, HC 배출량이 증가된다. 따라서, 피스톤 크라운 및 배기측 경사 내측면(3b)에 대한 연료의 충돌로 인해 증가하는 HC 배출을 제한하기 위해서는 다음의 두 가지 보충적 요구조건들이 충족되어야 한다.

셋째, 연료 스프레이는 피스톤(13) 쪽의 방향보다 점화 플러그(7) 쪽의 방향으로 더 길게 연장된다.

넷째, 연료 스프레이의 관통부(L1)는 배기측 상부 내측 경사면(3b)에 도달할만큼 길지 않다.

도1a의 섹션에 도시된 연료 스프레이는 상기 두 가지 기본 요구조건 및 두 가지 보충적 요구조건 모두를 충족시키는 형태를 가지고 있다. 원뿔 상의 연료 스프레이(31)의 최상단부 (또는 최상단 직선 세그먼트)는 점화점(7c)을 통과하지만, 배기 포트(9a, 9b)의 개구들의 위치에 도달하기 전에 종결된다. 한편, 원뿔 상의 연료 스프레이의 최하단부 (또는 최하단 직선 세그먼트)(31b)는 최상단부(31a)보다 짧아 피스톤 공동(14)의 표면에 도달하지 않는다. 최상단선(31a)과 최하단선(31b) 사이에서 연장되는 연료 스프레이(31)의 전단부(31c)는 피스톤 공동(14)에도, 배기측 경사면(8b)에도 도달하지 않는다.

본 실시예에서, 다음의 기하학적 인자들은 상기한 네 가지 요구조건 모두를 만족시키도록 결정된다. 즉, 연료 분사 구멍점(21b)와 점화점(7c) 사이의 상대적인 위치 관계, 연료 스프레이각(α), 연료 스프레이의 분산각(β), 및 연료 분사기(21)의 장착각(γ)들은 상기의 네 가지 요구조건 모두를 충족시키도록 결정된다. 도1a의 단면도에서, 연료 스프레이각(α)은 분사 구멍점(21a)에서부터 확산되는 연료 스프레이(31)의 최하단부(31b)와 최상단부(31a) 사이에서 형성되는 각도이다. 분산각(β)은 연료 분사기 노즐(21a)의 중심선(21c)과 연료 스프레이(31)의 최상단부(31a) 사이의 각도이다. 장착각(γ)은 실린더 보어(5)의 축이 수직인 단면 평면 [또는 실린더 헤드 하부면(1a)]과 연료 분사기 노즐(21a)의 중심선(21c) 사이의 각도이다.

실제로, 점화 플러그(7)의 장착 위치, 연료 분사기(21)의 장착각 및 장착 위치, 지붕 높이(H), 및 실린더 보어(5)의 보어 직경은 제조 공정으로 인해 유니트 대 유니트 변화와 연관된다. 실험들은 연료 분사 구멍점(21b) 및 점화점(7c)을 연결하는 직선(35)에 대한 원뿔형 연료 스프레이(31)의 최상단부(31a)에 의해 형성된 각도로서 정의되는 이탈각(δ)에 대한 다음의 결론을 보여준다. 이탈각(δ)이 ±5°의 범위 내일 경우, 배압 하에 분사된 연료가 연료 스프레이의 운동량에 의해서만 점화 플러그(7)의 점화점(7c)의 인접부에 도달하도록 하는 것과, 안정적인 최적의 층상 급기 연소를 얻는 것이 가능하다. 배압은 압축 행정의 다음 단계에서의 실린더 내부 압력이다.

공회전 작동 영역을 포함하는 저 속도 저 부하 영역에서 연료 스프레이의 힘에 의해서만 점화점의 인접부에 도달하도록 한 연료 스프레이의 경우에 있어, 텀블은 연료 스프레이를 교란시켜 오점화를 일으킬 수 있다. 따라서, 텀블 제어 밸브(25)는 공회전 작동 영역을 포함하는 저 속도 저 부하 작동 영역에서 실린더 내부 텀블 유동의 크기를 최소화하기 위해 완전히 개방된 상태로 유지된다. 텀블의 완벽한 제거가 이상적인 목표이지만, 실험 결과에 따르면, 미약한 텀블(36)은 상기 엔진 작동 영역에서 층상 급기 연소에 대해 바람직스럽지 못한 영향을 끼치지않는다.

도4는 텀블 제어 밸브(25)를 제어하기 위한 엔진 컨트롤러(111)에 사용된 제어 맵을 도시하고 있다. 도4에서, 텀블 제어 밸브는 TCV로 약칭된다. 제어 영역은 층상 급기 연소가 수행되는 층상급기 연소영역과, 균일 급기 연소가 수행되는 균일급기 연소영역으로 분할된다. 균일 연소 영역은 엔진 속도가 층상급기 연소영역의 한계보다 높거나, 및/또는 엔진 부하가 층상급기 연소영역보다 무거운 엔진 작동 영역이다. 본 실시예에서, 층상급기 연소영역은 도4에서 파단선에 의해 도시된 바와 같이 2500 rpm의 엔진 속도 한계 및 400 kPa의 엔진 부하 한계에 의해 경계지어 진다. 균일 급기 연소는 엔진 속도가 2500 rpm의 중간 속도 수준보다 높거나 엔진 부하가 400 kPa의 중간 부하 수준보다 무거울 경우 수행된다. 게다가, 층상급기 연소영역은 저 엔진 속도 저 부하 작동 영역 (또는 소영역)과, 엔진 속도가 저 속도 저 부하 영역의 엔진 속도 한계보다 높거나, 및/또는 엔진 부하가 저 속도 저 부하 영역의 엔진 부하 한계보다 무거운 나머지 영역 (또는 소영역)으로 다시 분할된다.

센서 구역(112)에 의해 수집된 엔진 작동 조건에 따라, 엔진 컨트롤러(111)는 텀블 제어 밸브(25)를 포함하는 액츄에이터 섹션(13)과 함께 엔진의 작동을 제어한다. 컨트롤러(111)는 센서 섹션(112)으로부터 감지된 현재의 엔진 속도 및 부하를 모니터함으로써 세 가지 엔진 작동 영역들로부터 하나를 선택하고, 선택된 작동 영역에 따라 텀블 제어 밸브(25)를 제어한다. 현재의 엔진 속도 및 부하에 의해 결정된 현재의 엔진 작동 지점이 균일급기 연소영역에 위치한다면, 엔진 컨트롤러(111)는 텀블 제어 밸브(25)를 개방 상태로 유지한다. 엔진 작동 지점이 층상급기 연소영역으로 진입할 경우, 엔진 컨트롤러(111)는 연소실 내의 텀블을 증가시키기 위해 텀블 제어 밸브(25)를 폐쇄한다. 엔진 속도 및/또는 엔진 부하가 저 속도 저 부하 영역으로 더욱 감소할 경우, 엔진 컨트롤러(111)는 텀블 제어 밸브(25)를 개방한다.

본 실시예의 엔진 컨트롤러(111)는 층상 급기 연소 또는 균일 급기 연소에 적용된 양호한 연료 분사 시기 및 양호한 연료 분사량을 계산하고, 그 계산 결과에 따라 실제 연료 분사량 및 연료 분사 시기를 제어한다. 게다가, 엔진 컨트롤러(111)는 층상 급기 연소 또는 균일 급기 연소에 적용된 양호한 점화 시기를 계산하고, 그 계산 결과에 따라 실제 점화 시기를 제어한다. 엔진 컨트롤러(111)는 주요 구성 요소로서 적어도 하나의 프로세서를 포함한다.

도3b는 저 속도 저 부하 영역에서 (예를 들면, 공회전에서) 엔진(1)의 작동을 도시한다. 배압 하에서 분사된 연료는 연료 스프레이의 힘에 의해서만 점화 플러그(7)의 점화점(7c)에 도달할 수 있다. 그러므로, 엔진(1)은 충분한 텀블이 얻어질 수 없는 저 속도 저 부하 영역에서 최적의 성능을 제공하기 위하여 안정적인 층상 급기 연소를 수행할 수 있다.

연료 스프레이는 연료가 피스톤 크라운의 표면에 부딪히는 것을 방지하기 위하여 점화 플러그(7) 쪽의 방향보다 피스톤(13) 쪽의 방향으로 더 약하게 된다. 게다가, 연료 스프레이의 관통부는 연료 스프레이가 배기측 경사 내측면(3b)에 도달하지 않도록 결정된다. 이러한 구성은 연료가 피스톤 크라운 및 배기측 경사 내측면(3b)에 부착되는 것을 방지하여, HC 배출물의 바람직스럽지 못한 증가를 제한한다.

이러한 저 속도 저 부하 영역에서, 텀블 제어 밸브(25)는 텀블을 최소화하기 위해 완전 개방 상태로 설정된다. 따라서, 연료 스프레이는 텀블에 의한 방해로부터 보호되고 오점화의 가능성은 감소된다.

엔진 부하가 이 상태로부터 증가하고 배압이 높아지는 경우, 연료 스프레이는 크기가 작아지는 경향이 있고, 연료 분사에서부터 점화까지의 시간 간격은 속도가 증가함에 따라 더 짧아진다. 그러므로, 점화 플러그(7)로의 연료 운송이 이 엔진 작동 영역에서 연료 스프레이의 관통력에 의해서만 수행된다면, 분사 연료는 최적의 점화 시기를 위한 시간 내에 점화 플러그(7)에 도달할 수 없다. 그러므로, 이러한 작동 영역에서, 컨트롤러(111)는 연소실(6) 내에서 강한 텀블(26)을 형성하기 위해 도3a에 도시된 바와 같이 텀블 제어 밸브(25)를 폐쇄한다. 층상급기 연소영역 내의 저 속도 저 부하 영역 외부의 영역에서, 연료는 이 강한 텀블(26)과 간섭하는 방향으로 분사되고, 강한 텀블(26)에 의해 점화 플러그(7)의 인접부까지 운반된다. 따라서, 층상 급기 연소는 텀블의 도움으로 수행된다.

이러한 방색에서, 본 발명의 상기 실시예에 따른 직접 분사 엔진은 중간 속도 중간 부하 영역에 적용되는 제1 모드 및 저 속도 저 부하 영역에 적용되는 제2 모드를 사용함으로써 저 속도 저 부하 영역 및 나머지 영역 (또는 중간 속도 중간 부하 영역) 양자에서 적절하게 층상 급기 연소를 수행할 수 있으며, 따라서 광범위한 층상급기 연소영역의 전체에 걸쳐 연료 절약이 향상될 수 있다.

저 속도 저 부하 영역에서 연료 스프레이의 형태를 결정함에 있어, 텀블은 더 이상 고려되어야 할 요인이 아니고, 나머지 주요 요인은 기본 요구조건들에 대한 연료 분사기(21)와 점화 플러그(7) 사이의 상대적인 위치 관계이다. 저 속도 저 부하 영역 외부의 층상급기 연소영역에서, 최적 성능은 텀블의 제어에 의해 달성되기 때문에, 연료 스프레이의 형상에 부과된 요구조건은 간단해진다. 그러므로, 본 발명은 우수한 적응성 및 생산성으로 인하여 제조 비용에 유리하도록 상이한 치수의 연소실에 용이하게 적용될 수 있다.

상술한 실시예에서, 점화 플러그(7)는 점화성 공기 연료 혼합무를 점화하기 위한 점화 수단으로서 기능하고, 연료 분사기(21)는 연소실로 연료를 분사하기 위한 분사 수단으로서 기능한다. 흡기 포트(8a, 8b), 피스톤 공동(14) 및 텀블 제어 밸브(25)는 제1 층상급기 연소모드에서는 연소실로 흡입 공기를 도입함으로써 연소실 내에 텀블을 생성하고 제2 층상급기 연소모드에서는 텀블을 제한하기 위한 텀블 생성 수단으로서 기능할 수 있다.

본 출원은 이전의 일본 특허 출원 제 2000-00367 호에 기초하고 있다. 2001년 1월 5일에 출원된 일본 특허 출원 제 2000-00367 호의 전체 내용은 본 명세서에서 참고되었다.

본 발명은 본 발명의 특정 실시예들을 참고하여 앞서 설명되었지만, 본 발명이 앞서 설명된 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 상기의 설명에 비추어 당해 기술의 숙련자들에게는 앞서 설명한 실시예들의 수정 및 변경이 가능하다. 본 발명의 범위는 다음의 첨구범위를 참고하여 한정된다.

Claims

실린더 보어를 형성하는 실린더 블록과,

연소실의 상부 내측면을 형성하는 만입부를 구비하는 실린더 헤드와,

상기 연소실의 상부면으로부터 돌출된 점화 플러그와,

상기 실린더 보어에서 왕복 운동하기 위해 실린더 보어에 수용되며, 상기 실린더 헤드의 만입부를 갖는 연소실을 형성하고 공동이 형성된 피스톤 크라운을 구비한 피스톤과,

상기 연소실의 상부면에서 개방되고, 상기 공동과 상호 작용하여 텀블을 형성하기 위해 피스톤 쪽으로 흡입 공기를 도입하도록 설계된 제1 및 제2 흡기 포트와,

분사 연료가 텀블에 의해 점화 플러그로 운송되도록 상기 연소실 내의 텀블을 촉진시키기 위해 제1 엔진 작동 영역에서 작동되는 실린더 내부 유체운동 제어장치와,

상기 제1 및 제2 흡기 포트 사이에서 제1 및 제2 포트보다 낮은 위치에 위치되고, 압축 행정에서 상기 연소실의 중앙을 향해 연소실 안으로 연료를 직접 분사하도록 배치되며, 저 속도 저 부하 영역인 제2 엔진 작동 영역에서 점화 플러그의 인접부를 관통하는 연료 스프레이를 생성하도록 형성된 연료 분사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더 내부 직접분사 불꽃점화 엔진.
제1항에 있어서, 상기 연소실의 상부면은 펜트루프형 연소실을 형성하는 형상로 된 제1 및 제2 경사 영역을 포함하고, 상기 점화 플러그는 제1 및 제2 경사 영역 사이에 위치되며, 상기 제1 및 제2 흡기 포트는 제1 경사 영역의 중간부에서 개방되고, 상기 제1 및 제2 흡기 포트가 개방되는 제1 경사 영역의 중간부는 점화 플러그와 연료 분사기 사이에 위치되며, 상기 연료 분사기는 점화 플러그의 인접부를 통과하는 원뿔면을 갖는 연료 스프레이를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 실린더 내부 직접분사 불꽃점화 엔진.
제2항에 있어서, 상기 제1 엔진 작동 영역은 제2 엔진 작동 영역보다 엔진 속도 및 엔진 부하 중 적어도 하나에서 더 높고, 상기 제1 및 제2 흡기 포트 및 피스톤 크라운의 공동은 제1 엔진 작동 영역에서 점화 플러그의 인접부로 분사 연료를 운송하기 위해 텀블을 생성하도록 구성되며, 상기 연료 분사기는 텀블의 도움 없이 제2 엔진 작동 영역에서 연료 스프레이의 관통력에 의해 점화 플러그의 인접부로 분사 연료를 직접 운송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 실린더 내부 직접분사 불꽃점화 엔진.
제3항에 있어서, 상기 점화 플러그는 연소실의 상부면의 중앙 영역에 위치되고, 상기 연료 분사기는 제1 경사 영역의 하단부 부근의 제1 경사 영역에 위치되고, 제2 엔진 작동 영역에서 점화 플러그의 점화점을 통과하는 원뿔면을 갖는 연료 스프레이를 생성하도록 구성되며, 제2 엔진 작동 영역에서 연료 분사기에 의해 분사되는 연료 스프레이의 관통 거리는 연료 분사기의 연료 분사 구멍과 점화 플러그의 점화점 사이의 거리보다 더 긴 것을 특징으로 하는 실린더 내부 직접분사 불꽃점화 엔진.
제3항에 있어서, 상기 점화 플러그는 연소실의 상부면의 중앙 영역에 위치되고, 상기 연료 분사기는 제1 경사 영역의 하단부 부근의 제1 경사 영역에 위치되고, 제2 엔진 작동 영역에서 점화 플러그의 점화점과 연료 분사기의 연료 분사점을 연결하는 선에 대해 그 최상단선이 ±5°범위 내의 각도를 형성하는 원뿔면을 갖는 연료 스프레이를 생성하도록 구성되며, 상기 최상단선은 점화점에 가장 가까운 원뿔면의 선인 것을 특징으로 하는 실린더 내부 직접분사 불꽃점화 엔진.
제2항에 있어서, 상기 연료 분사기는 점화 플러그 쪽의 방향보다 피스톤 쪽의 방향으로 더 미약한 관통력을 갖는 연료 스프레이를 생성하도록 구성됨으로써, 연료 스프레이가 피스톤 크라운에 도달하지 않는 것을 특징으로 하는 실린더 내부 직접분사 불꽃점화 엔진.
제2항에 있어서, 상기 연료 분사기는 연소실의 상부 내측면의 제 2 경사 영역에 도달하지 않는 관통부를 갖는 연료 스프레이를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 실린더 내부 직접분사 불꽃점화 엔진.
제1항에 있어서, 상기 텀블은 제2 엔진 작동 영역에서 가장 미약하게 되는 것을 특징으로 하는 실린더 내부 직접분사 불꽃점화 엔진.
제1항에 있어서, 상기 엔진은 제3 엔진 작동 영역에서 균일 급기 연소를 달성하고, 제1 및 제2 엔진 작동 영역에서 층상급기 연소모드를 달성하며, 제1 엔진 작동 영역에서는 실린더 내부 유체운동 제어장치를 연소실 내의 텀블의 크기를 증가시키도록 작동 상태로 설정하는 반면, 상기 실린더 내부 유체운동 제어장치는 균일급기 연소모드를 위한 제3 엔진 작동 영역에서는 비작동 상태로 유지되도록 하기 위해 연료 분사기를 제어하는 컨트롤러를 더 포함하며, 상기 컨트롤러는 제2 엔진 작동 상태에서 텀블의 크기를 감소시키기 위해 실린더 내부 유체운동 제어장치를 비작동 상태로 설정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 실린더 내부 직접분사 불꽃점화 엔진.
실린더 보어와 연소실의 상부 내측면을 형성하는 만입부를 구비하는 엔진 블록과,

상기 연소실의 상부 내측면의 중앙 영역에 위치한 점화 플러그와,

상기 실린더 보어 내에서 왕복 운동하기 위한 원통부와 공동이 형성된 피스톤 크라운을 구비하는 피스톤과,

상기 연소실의 상부 내측면의 중간 영역에서 개방되고 상기 공동과 상호 작용하여 텀블을 형성하기 위해 피스톤 쪽으로 흡입 공기를 도입하도록 구성되는 것으로, 상기 중간 영역은 연소실의 상부 내측면의 외주 영역과 중앙 영역 사이에서 반경 방향으로 위치된 적어도 하나의 흡기 포트와,

상기 하나의 흡기 포트에 구비되고, 제1 층상급기 연소모드를 달성하기 위해 텀블에 의해 분사 연료를 점화 플러그 쪽으로 운송하도록 상기 연소실 내의 텀블을 촉진하는 작동 상태와 저 엔진 속도 저 엔진 부하 작동 영역에서 제2 층상급기 연소모드를 달성하기 위해 상기 연소실 내의 텀블을 제한하는 비작동 상태 사이에서 이동하도록 배치되는 텀블 제어 밸브와,

상기 연소실의 상부 내측면의 외주 영역에 위치되고, 제2 층상급기 연소모드에서 점화 플러그를 목표로 하는 최상단선과 피스톤 크라운의 공동으로 지향되는 최하단선 사이를 경계로 하는 원뿔 상으로 확산하는 연료 스프레이를 생성하도록 구성된 연료 분사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더 내부 직접분사 불꽃점화 엔진.
공기 연료 혼합무가 엔진의 연소실 내의 점화 영역에 도달할 때에 점화성 공기 연료 혼합무를 점화하기 위한 점화 수단과,

제1 층상급기 연소모드에서는 상기 연소실 내로 흡입 공기를 도입함으로써 연소실에서 텀블을 생성하고 제2 층상급기 연소 모드에서는 상기 텀블을 제한하기 위한 텀블 생성 수단과,

점화 영역에 대한 간섭을 피하는 방향으로 상기 연소실 내로 연료를 분사함으로써, 제2 층상급기 연소모드에서 점화 영역에 도달하는 상부 세그먼트를 포함하는 연료 스프레이를 생성하는 분사 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 실린더 내부 직접분사 불꽃점화 엔진.