KR20030026557A - 가솔린 직접 분사식 엔진 - Google Patents

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Abstract

연소실로 유입되는 흡입공기의 텀블(TUMBLE) 유동을 강화하여 연비 개선을 물론 출력을 향상시키고, 냉시동시 배출가스를 저감시킬 수 있도록;
실린더 헤드 하면과 실린더내의 피스톤 상면에 의해 형성되는 연소실과; 상기 연소실의 실린더 헤드 양측으로 형성되는 흡,배기포트에 각각 배치되는 흡,배기 밸브와; 상기 연소실의 실린더 헤드 하면에 중앙부분에 배치되는 점화플러그와; 상기 연소실내에 직접 연료를 분사하는 연료 분사수단인 연료 인젝터를 구비하는 가솔린 직접 분사식 엔진에 있어서,
상기 피스톤의 흡기밸브측 경사상면과 배기밸브측 경사상면에 의해 형성되는 펜트 루프형상의 돌출부분에 평면에서 보아 사다리꼴 형태로서 배기측은 넓고 흡기측은 좁은 보울을 형성하고, 상기 흡기포트는 하류단 부분이 상,하 분리되어 2개의 유로를 갖도록 스플릿 웰을 배치하여 상측 유로는 텀블 유로가 되도록 하고, 하측 유로의 입구부에는 선택적으로 엔진 제어유닛에 의해 제어되면서 개폐되는 밸브가 배치되는 가솔린 직접 분사식 엔진을 제공한다.

Description

가솔린 직접 분사식 엔진{GASOLINE DIRECT INJECTION}
본 발명은 가솔린 직접 분사 엔진에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연소실로 유입되는 흡입공기의 텀블(TUMBLE) 유동을 강화하여 연비 개선을 물론 출력을향상시키고, 냉시동시 배출가스를 저감시킬 수 있는 가솔린 직접 분사 엔진에 관한 것이다.
예컨대, 가솔린 직접 분사식 엔진은 날로 심화되고 있는 지구 환경 문제로 유해 배출가스가 적고, 연비가 좋은 차량에 대한 요구에 부응하기 위하여 일반적인 가솔린 엔진과 디젤 엔진의 장점을 접목시켜 가솔린 연료를 연소실내에 직접 분사하여 연소시킬 수 있도록 엔진이다.
이러한 가솔린 분사식 엔진의 설계에 있어서, 가장 중요한 것이 흡입 유동인데, 이의 흡기 유동은 흡기포트와 연소실, 피스톤 형상에 의해 결정되며, 분사되 연료의 벽류를 억제하고, 단 시간내에 공기와의 혼합과 기화가 적정하게 이루어지도록 하기 위한 흡입 유동 및 분무 상태의 최적화 및 스파크 플러그 주의에 층상화된 혼합기를 조성하여 원활한 점화와 화염전파를 달성할 수 있도록 연구 개발이 계속되고 있다.
이러한 점을 감안하여 종래 가솔린 직접 분사식 엔진의 예로서는 일본국 특개평 4 - 166612호와 대한민국 특허공개 제 1997 - 703481호가 제안되어있다.
상기 제 4 - 16612호는 도8 (A)(B)에서와 같이, 피스톤(100) 헤드면에 점화 플러그(102)의 직하방으로부터 연료 인젝터(104)의 선단부 하부측까지 연장되는 보울(Bowl, 106)을 형성하고 있다.
또한, 상기 보울(106)은 상기 점화 플러그(102)와 연료 인젝터(104)를 포함하는 수직 평면상에 대하여 대략 구면으로 형성되고, 점화 플러그(102)의 하측 보울(106)의 내면위에는 보울(106)로부터 점화 플러그(102)를 행한 활형상을 이루는연료 안내홈(108)을 형성하고 있다.
이에 따라 연료 인젝터(104)로부터 분사되는 연료가 보울(106)의 바닥부와 충돌하고, 보울(106)의 바닥부로부터 연료 안내홈(108)을 따라 점화 플러그(102)의 주위로 인도 되도록 하여 점화 플러그(102)의 주위에 농후 혼합기가 형성되도록 함으로써, 착화성을 개선할 수 있도록 하고 있다.
그리고 상기 97 - 703481호는 도 9의 (A)(B)에서와 같이, 피스톤(200)의 헤드 상면에 펜트루프(202)를 형성하여 이의 흡기측면에 보울(204)를 형성하고, 연소실(206)의 내에 도입된 흡기 흐름을 실린더 헤드(208)의 하면으로부터 상기 피스톤(200)의 상면 방향으로 향하고, 다시 피스톤(200)의 상면으로부터 실린더 헤드(208)의 하면 방향으로 향하는 텀블을 조장함과 동시에 상기 보울(204)의 입구쪽 모서리가 출구쪽 모서리 보다 무디게 형성하며, 이에 연료를 상기 연소실(206)에 직접 분사할 수 있도록 하고 있다.
그러나 상기 보울은 구면이 일정 곡률을 갖도록 완만하게 구성되어 있는 바, 텀블 생성시 그 텀블 유동의 세기가 미약하여, 균일한 농도의 희박 혼합기를 생성하는데에는 어려움이 있다.
또한, 연료 인젝터로부터 분사된 연료가 피스톤의 보울면에 충돌함으로써, 대기중에서 기화하는 것 보다 피스톤 표면에서 기화하는데에 시간이 많이 소요되므로 늦게 증발한 가스가 연소에 늦게 참여하거나 아주 참여하지 못함으로써, 그을음을 생성하거나 벽류의 증가로 탄화수소물의 배출을 증가시킨다는 문제점을 내포하고 있다.
특히, 피스톤이 가열되지 않은 냉시동시에는 스모크 배출이 많아서 현재 많은 문제가 되고 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 내포하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은, 연소실로 유입되는 흡입공기의 텀블(TUMBLE) 유동을 강화하여 연비 개선을 물론 출력을 향상시키고, 냉시동시 배출가스를 저감시킬 수 있는 가솔린 직접 분사 엔진을 제공함에 있다.
도 1은 본 발명에 의한 엔진의 내부를 모식적으로 도시한 종단면도.
도 2는 본 발명에 적용되는 피스톤의 평면 사시도.
도 3은 도 2에 의한 피스톤의 요부 단면도.
도 4는 도 2에 의한 피스톤의 평면도.
도 5는 본 발명에 의한 엔진에서의 압축 과정도.
도 6은 본 발명에 의한 엔진에서의 연료 분사 과정도.
도 7은 연소실내에서의 혼합기 유동 상태도.
도 8의 (A)(B)는 종래 제1 실시예의 엔진을 모식적으로 도시한 종단면도 및 피스톤의 평면도.
도 9의 (A)(B)는 종래 제1 실시예의 엔진을 모식적으로 도시한 종단면도 및 피스톤의 평면도이다.
이를 실현하기 위하여 본 발명은, 실린더 헤드 하면과 실린더내의 피스톤 상면에 의해 형성되는 연소실과; 상기 연소실의 실린더 헤드 양측으로 형성되는 흡,배기포트에 각각 배치되는 흡,배기 밸브와; 상기 연소실의 실린더 헤드 하면에 중앙부분에 배치되는 점화플러그와; 상기 연소실내에 직접 연료를 분사하는 연료 분사수단인 연료 인젝터를 구비하는 가솔린 직접 분사식 엔진에 있어서,
상기 연소실은 흡기밸브측 경사면과, 배기밸브측 경사면에 의해 펜트 루프 형상으로 이루어지는 실린더 헤드의 저면과, 상기의 흡기밸브측 경사면 및 배기밸브측 경사면에 각각 대응하는 흡기밸브측 경사상면과, 배기밸브측 경사상면에 의해 펜트 루프 형상으로 이루어진 피스톤의 상측면 사이에 이루어지되,
상기 피스톤의 흡기밸브측 경사상면과 배기밸브측 경사상면에 의해 형성되는 펜트 루프형상의 돌출부분에 중앙부분에서 약간 배기측으로 치운친 상태에서 흡기측으로 갈수록 깊어지는 곡률을 갖는 바닥면으로 이루어지는 보울이 형성되며,
상기 흡기포트는 하류단 부분이 상,하 분리되어 2개의 유로를 갖도록 스플릿 웰을 배치하여 상측 유로는 텀블 유로가 되도록 하고, 하측 유로의 입구부에는 선택적으로 엔진 제어유닛에 의해 제어되면서 개폐되는 밸브가 배치됨을 특징으로 한다.
상기에서 보울은 평면에서 보아 사다리꼴 형태로서 배기측은 넓게 형성하고, 흡기측은 좁게 형성하되, 바닥면은 배기측에서 흡기측으로 완만하게 하향 요입되는 곡면으로 이루어지면서 흡기측이 깊게 형성되고, 이의 흡기측 램프부분이 수직의 상태로 형성되며, 점화 플러그는 흡기 포트측에서 보울의 상측에 연료를 분사할 수 있도록 배치됨을 특징으로 한다.
이하, 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 연소실 구조를 나타낸 것으로서, 이의 연소실 구조는 실린더 헤드(2)와 실린더 블록(4)에 의해 엔진 본체가 구성되고, 상기 실린더 블록(4)의 실린더(6)에는 피스톤(8)이 배치된다.
상기 실린더 헤드(2)의 양측에는 흡기포트(10)와 배기포트(12)가 형성되는데, 이의 흡,배기포트(10)(12)는 흡,배기밸브(14)(16) 숫자에 따라 달라지게 된다.
그리고 상기 흡기 포트(10)의 하류측에는 상하 중간부에 스플릿 웰(Spilt Wall, 18)이 배치되어 상,하 2개의 유로(20)(22)로 분리되고, 하측 유로(22)의 입구측에는 이의 유로(22)를 개폐할 수 있는 밸브(24)가 배치되며, 이 밸브(24)는 미도시한 엔진제어유닛에 의해 제어되는 구동모터에 의해 작동된다.
이에 따라 상기 밸브(24)는 엔진의 운전 조건에 따른 엔진제어유닛의 제어에 의하여 개폐가 이루어지는데, 희박 연소 운전인 경우에는 상기 밸브(24)가 닫히게 되어 흡기는 상측 유로(20)를 통해 텀블상태로 연소실(26)로 도입된다.
그리고 상기 연소실(26)은 도 1에서와 같이, 실린더 헤드(2)의 저면과 피스톤(8)의 헤드 상면 사이에 형성되는데, 구체적으로는 실린더 헤드(2)의 저면에는 실린더(5)의 중심축선(CB)와 미도시한 크랭크 샤프트의 축선을 포함하는 가상의 평면(CK)을 중심으로 하여 실린더 헤드(2) 하면이 가상 평면(CK)의 일측에 형성된 흡기밸브측 경사면(28)과, 가상평면(CK)의 타측에 형성된 배기밸브측 경사면(30)이 형성되어 펜트 루프 형상으로 이루어진다.
또한, 상기 피스톤(8) 헤드 상면에 상기의 흡기밸브측 경사면 및 배기밸브측 경사면에 각각 대응하는 흡기밸브측 경사상면(32)과, 배기밸브측 경사상면(34)을 가진 펜트 루프 형상으로 이루어져 상기 실린더 헤드(2)의 흡,배기 밸브측 경사면(28)(30)과 이에 대응하는 피스톤(8)의 흡,배기 밸브측 경사상면(32)(34) 사이에 형성되는 것이다.
그리고, 상기 실린더 헤드(2)의 흡기포트(10)측에는 연료를 연소실(26)에 공급하기 위한 연료 분사수단인 연료 인젝터(36)가 배치되어 있으며, 이 연료 인젝터(36)는 연소실(26)내를 향하면서 연료를 직접 연소실(26)내에 분사하도록 되어 있다.
상기 연료 인젝터(36)은 미도시한 엔진 제어유닛에 의해 제어되면서 소정의 분사 시점에서 연료를 분사하게 된다.
상기에서 피스톤(8)은 도 2 내지 도 3에서와 같이, 피스톤 헤드부의 흡기밸브측 경사상면(32)과 배기밸브측 경사상면(34)으로 이루어진 펜트 루프형상의 돌출부분(38)에 보울(40)이 형성되어 있다.
상기 보울(40)은 돌출부분(38)의 중앙부분에서 약간 배기측으로 치운친 상태로 형성되며, 평면에서 보아 사다리꼴 형태로서 폭이 넓은 부분이 배기측에 위치하고, 폭이 좁은 부분이 흡기쪽에 위치하게 된다.
또한, 보울(40)의 바닥면(42)은 배기측에서 흡기측으로 완만하게 하향 요입되는 곡면으로 이루어지되, 전체적으로 깊게 형성되고, 배기측이 깊게 요입되며, 크랭크 샤프트의 축선을 포함하는 가상의 평면(CK) 부분에서 상측으로 완만하게 돌출되는 형태로 이루어져 있다.
상기에서 가상의 평면부분(CK)에서 상측으로 약간 돌출되었다고 설명하고 있으나, 이는 돌출 높이가 눈에 띠게 높은 것은 아니며, 배기측에서 일단 작은 곡률로 깊게 요입된 상태에서 흡기측으로 갈수록 그 깊이가 완만하게 더해지며, 흡기측 단부의 램프부분(44)은 대략 수직의 상태로 형성되어 있다.
상기와 같이 보울(40)의 바닥면(42)을 형성한 것은 배기측에서 텀블 유동을 일찍 유도하고, 흡기측 램프부분(44)에서 크랭크 샤프트의 축선을 포함하는 가상의 평면(CK)상의 실린더 헤드(2)상에 배치되어 있는 점화 플러그(46)로 강한 텀블 유동을 보낼 수 있도록 한 것이다.
또한, 상기 보울(40)을 대략 사다리꼴로 형성한 것은 압축 과정에서 텀블 유동이 흡기측으로 유동되면서 더욱 강하게 조성될 수 있도록 하기 위함이며, 또한,스퀴시 효과도 함께 얻을 수 있게 하기 위함인 것이다.
이에 따라 피스톤(8)이 압축행정의 종료 위치 즉, 상사점에 도달하였을 때 도 5에서 보인바와 같이, 피스톤(8)의 보울(40)과, 실린더(4)의 내벽과 실린더 헤드(2)의 하면에 의해 둘러싸여 하나의 콤팩트한 연소실(26)이 형성되는 것이다.
그리고 상기 보울(40)의 좁은 부분에 형성된 2개의 홈은 흡기밸브(10)의 포켓(48)로서, 이의 포켓(48)은 흡기밸브의 작동시 즉 오버랩 구간등에서 흡기 밸브(10)와 피스톤(8)이 서로 충돌하는 것을 미연에 방지하기 위함이다.
이와 같이 이루어지는 본 발명에 의하면, 흡기를 위하여 피스톤(8)이 하강하면 흡기가 흡기포트(10)의 상측 포트(20)를 통과하면서 어느 정도의 강한 텀블을 보유한채 연소실(26)로 도입된다.
이때 도입되는 텀블 유동은 실린더 내에서 강하게 회전을 하다가 압축을 위하여 피스톤(8)이 상승하게 되면, 텀블 유동은 압축되면서 바울(40)을 따라 더욱 강하게 회전하게 된다.
그리고 배기쪽의 바울(40)의 넓은 부분에서 흡기쪽의 깊고 좁은 부분으로 유도되면서 흐르던 텀블 유동은 좁은 부분에 의하여 강하게 집중이 이루어짐과 동시에 수직으로 형성되는 램프부분(44)과 충돌하면서 급상승하여 점화 플러그(46)측으로 더욱 큰 유동을 발생하게 된다.
이러한 강한 덤블 유동이 생성되는 압축과정에서 흡기측에 형성된 연료 인젝터(36)에서 분사된 연료는 도 5에서와 같이 강한 텀블 유동과 상호 작용을 하면서 피스톤(8)의 바울(40)의 바닥면(42)과 충돌없이 강한 흡기 유동내에서 빠른 시간내에 기화한 후에 점화 플러그(46) 주위로 성층의 혼합기를 형성하면서 이동하게 되는 것이다.
그리고 상기와 같이 점화 플러그(46)측으로 이동된 혼합기는 점화 플러그(46)에서 점화된 점화 에너지에 의하여 연소가 이루어지게 되는 것이다.
이때, 연료 인젝터(36)에서 분사되는 연료는 피스톤(8)의 바울 바닥면(42)과 충돌이 발생되지 않으므로 기화가 빠르게 이루어지게 되어 분사되는 연료 거의가 연소에 참가하게 되는 것이다.
또한, 피스톤(8)이 강한 텀블 유동을 유지하거나 더욱 강하게 유동이 이루어지도록 함으로써, 흡기포트(10)에서 약한 텀블을 생성해도 되는 바, 흡기포트에서의 상한 텀블 생성에 의한 펌핑 손실을 줄일 수 있게 된다.
상기와 같은 본 발명에 의하여 엔진을 시험한 결과, 아이들 상태에서는 27%, 1000RPM에서는 12%, 2000RPM에서는 16.1%, 2500RPM에서는 7.65%, 3000RPM에서는 12%의 연비 개선 효과를 얻을 수 있고, 전체적으로 보아서는 대략 12%의 연비 향상 효과를 얻을 수 있는 결과가 나왔다.
그리고 전 부하성능의 경우에 있어서도 MPI 엔진 대비 2000RPM에서 토크가 5%정도 향상되는 결과가 나왔다.
이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 텀블 유동을 강하게 생성함과 동시에 연료 인젝터로부터 분사된 연료가 피스톤의 보울면에 충돌하지 않고 압축 공기상에서 기화됨으로써, 완전 기화가 이루어진 상태에서 연소가 이루어져 종래와 같이 그을음을 생성하거나 벽류의 증가로 탄화수소물의 배출을 증가시키는 문제점을 근본적으로 해결할 수 있게 된다.
또한, 냉시동시에도 강함 텀블과 연료를 빠른 기화로 인하여 유해가스의 배출을 최소화할 수 있는 발명인 것이다.

Claims (6)

  1. 실린더 헤드하면과 실린더내의 피스톤 상면에 의해 형성되는 연소실과; 상기 연소실의 실린더 헤드 양측으로 형성되는 흡,배기포트에 각각 배치되는 흡,배기 밸브와; 상기 연소실의 실린더 헤드 하면에 중앙부분에 배치되는 점화플러그와; 상기 연소실내에 직접 연료를 분사하는 연료 분사수단인 연료 인젝터를 구비하는 가솔린 직접 분사식 엔진에 있어서,
    상기 연소실은 흡기밸브측 경사면과, 배기밸브측 경사면에 의해 펜트 루프 형상으로 이루어지는 실린더 헤드의 저면과, 상기의 흡기밸브측 경사면 및 배기밸브측 경사면에 각각 대응하는 흡기밸브측 경사상면과, 배기밸브측 경사상면에 의해 펜트 루프 형상으로 이루어진 피스톤의 상측면 사이에 이루어지되,
    상기 피스톤의 흡기밸브측 경사상면과 배기밸브측 경사상면에 의해 형성되는 펜트 루프형상의 돌출부분에 중앙부분에서 약간 배기측으로 치운친 상태에서 흡기측으로 갈수록 깊어지는 곡률을 갖는 바닥면으로 이루어지는 보울이 형성되며,
    상기 흡기포트는 하류단 부분이 상,하 분리되어 2개의 유로를 갖도록 스플릿 웰을 배치하여 상측 유로는 텀블 유로가 되도록 하고, 하측 유로의 입구부에는 선택적으로 엔진 제어유닛에 의해 제어되면서 개폐되는 밸브가 배치됨을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사식 엔진.
  2. 제1항에 있어서, 보울의 흡기측 램프부분은 수직의 상태로 형성함을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사식 엔진.
  3. 제1항에 있어서, 보울은 평면에서 보아 사다리꼴 형태로서 배기측은 넓게 형성하고, 흡기측은 좁게 형성함을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사식 엔진.
  4. 제1항에 있어서, 보울의 바닥면은 배기측에서 흡기측으로 완만하게 하향 요입되는 곡면으로 이루어지되, 전체적으로 깊게 형성되고 그 중앙부분에 완만하게 상측으로 돌출되는 형태로 이루어짐을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사식 엔진.
  5. 제1항에 있어서, 보울은 평면에서 보아 사다리꼴 형태로서 배기측은 넓게 형성하고, 흡기측은 좁게 형성하되, 바닥면은 배기측에서 흡기측으로 완만하게 하향 요입되는 곡면으로 이루어지면서 흡기측이 깊게 형성되고, 이의 흡기측 램프부분이 수직의 상태로 형성됨을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사식 엔진.
  6. 제1항에 있어서, 점화 플러그는 흡기 포트측에서 보울의 상측에 연료를 분사할 수 있도록 배치됨을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사식 엔진.
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