KR20040090700A

KR20040090700A - 내연 기관의 흡기 시스템

Info

Publication number: KR20040090700A
Application number: KR1020040022964A
Authority: KR
Inventors: 도미나가겐스께; 사까이다로오
Original assignee: 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 2003-04-18
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2004-10-26
Also published as: KR100590645B1; CN1321262C; EP1469175A2; US20040231638A1; US6904891B2; JP2004316582A; CN1538045A; JP3829818B2; EP1469175A3

Abstract

내연 기관은 엔진 실린더에 연결된 흡기 포트를 포함한다. 흡기 포트는 흡기 포트의 종방향으로 흡기 포트에서 연장하는 격벽에 의해 제1 및 제2 통로 섹션으로 분할된다. 가스 운동 제어 밸브는 제2 통로 섹션의 상류 단부를 개폐하도록 배열된다. 연결 통로는 제2 통로 섹션의 상류 단부를 제2 통로 섹션에 연결한다. 벌지는 실린더로부터 제2 통로 섹션으로 공기가 인출되는 것을 방지하도록 하류 포트 단부를 둘러싸는 원주형 구역의 제1 부분 내에 형성된다.

Description

내연 기관의 흡기 시스템 {INTAKE SYSTEM OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연 기관의 흡기 시스템에 관한 것이고, 더 상세히는 텀블(tumble) 또는 스월(swirl)과 같은 실린더 내의 가스 운동을 증가시키기 위한 흡기 포트를 포함하는 흡기 시스템에 관한 것이다.

텀블 또는 스월과 같은 엔진 실린더 내의 가스 운동은 스파크 점화식 내연 기관에서 희박한 공기/연료 혼합물의 안정적인 연소를 달성하기 위한 중요한 요소의 하나이다. 따라서, 소정 형식의 엔진에서는 광범위한 엔진 운전 영역에서 실린더 내의 가스 운동을 증가시킬 수 있는 흡기 시스템이 요구된다.

일본 특허 출원 공개 공보 제2002-54535호는 가스 운동 제어 밸브를 사용하여 흡기 포트의 단면의 일부를 폐쇄함으로써 실린더 내의 가스 유동을 증가시키는 가스 운동 제어 밸브를 도시한다. 예를 들어, 텀블을 위해서, 가스 운동 제어 밸브는 흡기 포트의 하부에 배치되고 흡기 포트의 상부측 옆의 흡입 공기 흐름을 강화하도록 구성된다. 일본 특허 출원 공개 공보 제1994-159079호는 흡기 포트를 상반부와 하반부로 분할하는 격벽과, 텀블 비율을 증가시키기 위해 흡기 포트의 하반부를 폐쇄하는 가스 운동 제어 밸브를 포함하는 흡기 시스템을 도시한다.

이러한 가스 운동 제어 밸브는 개방 면적 비율(개도율), 즉 흡기 포트의 전체 유로 면적에 대한 유효 유로 단면적의 비율을 감소시킴으로써 실린더 내의 텀블링 유동을 생성시키도록 구성된다. 그러나, 개방 면적 비율이 작아짐에 따라, 유동 저항이 증가하고, 실린더가 흡입할 수 있는 흡입 공기량은 작아지게 된다. 따라서, 가스 운동 제어 밸브에 의해 실린더 내의 유동이 증가되는 엔진 운전 영역은 비교적 좁은 범위로 제한된다.

본 발명의 목적은 흡기 포트의 개방 면적 비율을 과도하게 감소시키지 않고 실린더 내의 가스 운동을 증가시키는 흡기 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 태양에 따라서, 내연 기관은 엔진의 실린더로 연결되는 흡기 포트를 한정하는 메인 섹션과, 흡기 포트의 하류 포트를 개폐하도록 구성된 흡기 밸브와, 실린더 내부로의 흡기 포트 내의 흡입 공기 유동을 조절하는 유동 조절 섹션을 포함하고, 상기 유동 조절 섹션은, 흡기 포트의 종방향으로 상류 단부에서 하류 단부로 흡기 포트 내에서 연장하고 흡기 포트를 제1 및 제2 통로 섹션으로 분할하는 격벽과, 제2 통로 섹션을 개폐하기 위하여 격벽의 상류 단부 옆에 위치된 가스 운동 제어 밸브와, 제1 및 제2 통로 섹션을 연결하기 위하여 가스 제어 밸브 부근에 형성되어 제2 통로 섹션이 가스 운동 제어 밸브에 의해 폐쇄될 때 제2 통로 섹션으로부터 제1 통로 섹션으로 제2 통로 섹션 내의 흡입 공기의 재순환 유동을 허용하는 연결 통로와, 제2 통로 섹션 부근의 일측에서 흡기 포트의 하류 포트 단부를 포위하는 원주형 구역의 제1 부분에 형성된 벌지를 구비한다.

본 발명의 다른 태양에 따라서, 내연 기관용 흡기 장치는 연소실과 연소실로 연결되는 흡기 포트를 한정하는 제1 수단과, 흡기 포트의 종방향으로 연장하고 흡기 포트를 제1 및 제2 통로 섹션으로 분할하는 제2 수단과, 제2 통로 섹션의 상류 단부를 폐쇄하고 제1 통로 섹션 내에 저압 구역을 형성하는 제3 수단과, 제2 통로 섹션의 상류 단부가 폐쇄된 때 제2 통로 섹션의 하류 단부로부터 제2 통로 섹션을 거쳐 제1 통로 섹션의 저압 구역으로 흡입 공기를 인출하는 제4 수단과, 연소실로부터 흡기 포트의 제2 통로 섹션 내로 인출되는 유체의 역류를 억제하는 제5 수단을 포함한다.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 흡기 시스템을 갖는 엔진을 도시하는 단면도.

도2는 도1의 흡기 시스템을 위에서 본 평면도.

도3은 제1 실시예에 따른 흡기 시스템을 개략적으로 도시하는 단면도.

도4 및 도5는 도1의 예의 흡기 포트와 비교예의 흡기 포트의 흡입 공기 흐름을 도시하는 개략 단면도.

도6은 도1의 흡기 시스템의 흡입 공기량과 텀블의 강도를 도시하는 그래프.

도7은 본 발명에 채택될 수 있는 제1 실제예에서 마스킹 영역 내에 형성된 벌지를 도시하는 확대 단면도.

도8은 연소실 내의 도7의 마스킹 영역의 영역을 아래에서 본 도면.

도9는 본 발명에 채택될 수 있는 제2 실제예의 마스킹 영역 내에 형성된 벌지를 도시하는 확대 단면도.

도10은 본 하류측 흡기구 내의 도9의 마스킹 영역을 위에서 본 도면.

도11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 흡기 시스템을 갖춘 엔진을 도시하는 도면.

도12는 도11의 흡기 시스템을 위에서 본 평면도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

3: 실린더 헤드

5: 흡기 포트

7: 흡기 밸브

11: 격벽

12: 간극

12' : 연결 통로

21 : 흡기 매니폴드

31 : 흡기 제어 밸브

41 : 연료 분사 밸브

51, 52 : 마스킹 영역

도1 및 도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 흡기 시스템을 갖는 내연 기관의 일부를 도시한다. 이 예의 엔진은 포트 분사식 스파크 점화 엔진이다. 흡기 장치 또는 시스템은 이 예에서 예를 들어 텀블인 실린더 내 가스 운동을 강화하도록 설계된다. 그러나, 이 장치는 직접 분사 스파크 점화 내연 기관과 같은 다른 형태의 엔진에 적용될 수도 있다.

실린더 블록(1)에는 원통형 형상을 갖는 복수의 실린더(2)가 형성된다. 실린더 헤드(3)는 실린더(2)의 상단부를 폐쇄한다. 실린더 헤드(3)는 연소실(4)을 각각 한정하는 복수의 리세스가 형성된다. 이 예에서, 각각의 실린더의 연소실(4)은 펜트루프형(pentroof type)이고 두 개의 경사면을 갖는다. 도1에 도시된 바와 같이, 흡기 포트(5)는 연소실(4)의 두 개의 경사면 중 하나의 하류 포트 단부(43) 개구로 연장한다. 배기 포트(6)는 연소실(4)의 다른 경사면으로 개방된다. 도1에 도시된 흡기 밸브(7)는 흡기 포트(5)의 하류 단부를 개폐하도록 구성된다. 배기 밸브(8)는 배기 포트(6)의 단부를 개폐하도록 구성된다. 이 예에서, 흡기 포트(5)의 하류 단부는 상하 방향 또는 실린더의 축방향으로 수직 연장하는 중심벽(15)에 의해 분기되고, 연소실(4) 내로 각각 개구되는 두개의 분기부(branch)를 갖는다. 따라서, 각각의 실린더는 흡기 포트(5)의 두 개의 분기부의 하류 포트 단부(43)를 개폐하기 위한 두 개의 흡기 밸브(7)를 갖는다. 유사하게, 각각의 실린더는 두 개의 배기 밸브(8)를 갖는다. 스파크 플러그(9)는 이들 4개의 밸브(7, 8)들로 둘러싸인 연소실의 중앙부에 제공된다. 피스톤(10)은 각각의 실린더(2) 내에 수용된다. 도1에서, 피스톤(10)은 평평한 상부를 갖도록 도시된다. 그러나, 피스톤 크라운은 성층화 충전 연소(stratified charge combustion)의 요구와 같은 다양한 요구에 따라 다양한 형상을 갖도록 설계될 수 있다. 각각의 실린더의 상하(축)방향에서, 피스톤(10)은 스파크 플러그(9)를 향해 상향으로 이동하고 스파크 플러그(9)로부터 하향 이동한다.

도1 및 도2에 도시된 흡기 시스템은 흡기 포트(5)의 종방향으로 연장하고 흡기 포트(5)의 단면을 상부 영역과 하부 영역으로 분할하는 격벽(11)을 포함한다. 이 예에서, 격벽(11)은 실린더 헤드(3)의 주조 작업에서 삽입체로써 형성되고, 주조의 일체부로써 완료되는 금속 플레이트이다. 이 예에서, 실린더 헤드(3)는 알루미늄 합금의 주조체이고 격벽(11)은 강철 플레이트이다. 격벽(11)의 하류 단부(11a)는 흡기 밸브(7)에 인접해서 위치된다. 격벽(11)의 하류 단부(11a)는 전술한 중심벽(15)의 상류 단부(15a)와 근접 대면한다. 도1에 도시된 예(엔진의 크랭크 샤프트에 직각인 면에서 취한 단면도)에서, 격벽(11)을 수용하는 흡기 포트(5)의 부분은 흡기 포트(5)의 종방향으로 직선으로 연장하고, 따라서 격벽(11)은 흡기 포트(5)의 종방향에 직선으로 연장하는 편평 플레이트 형상이다. 그러나, 흡기 포트(5)는 만곡될 수도 있고, 격벽(11)은 흡기 포트(5)의 만곡된 단면을 따라 만곡될 수도 있다.

이 예의 격벽(11)의 상류 단부(11b)는 흡기 매니폴드(21)의 단부가 부착되는 실린더 헤드(3)의 시트면(22)까지 연장한다. 이 예에서, 격벽(11)은 실린더 헤드(3) 내에 완전히 위치된다. 격벽(11)은 강철 격벽(11)과 시트면(22)을 기계가공하기 위한 공구 사이의 간섭을 피하기 위해 시트면(22)으로부터 하류측으로 내향으로 리세스된 위치에 상류 단부(11b)가 위치되도록 구성될 수도 있다. 이 예에서, 상류 단부(11b)와 하류 단부(11a)는 모두 실린더 헤드(3)의 평평한 시트면(22)에 평행하게 직선으로 연장한다. 따라서, 격벽(11)의 금속 플레이트는 사다리꼴형상이다. 그러나, 이 형상은 흡기 포트(5)의 형상(geometry)에 따른다.

"상부"는 크랭크 샤프트의 위치로부터 연소실(4)을 향해 실린더(2)의 축방향으로 "더 높은" 위치를 의미한다. 흡기 포트(5)는 실린더 헤드(3)에만 형성될 수도 있는 공기 통로이다. 선택적으로, 흡기 포트(5)는 실린더 헤드(3) 및 실린더 헤드(3)에 부착된 흡기 매니폴드와 같은 부재 내에 형성될 수도 있다.

격벽(11)은, 흡기 포트(5)를 격벽(11)과 흡기 포트(5)의 상부 내측벽 표면 사이에 형성된 상부 유로 섹션(5A)과, 격벽(11)과 흡기 포트(5)의 하부 내측벽 표면 사이에 형성된 하부 유로 섹션(5B)으로 분할한다.

흡기 매니폴드(21)는 수집기 섹션과 수집기 섹션으로부터 하나의 특정 엔진 실린더의 흡기 포트로 각각 연장하는 분기 섹션(23)들을 포함한다. 따라서, 흡기 포트(5)는 상응하는 분기 섹션(23)의 분기 통로(24)와 연속적이다. 따라서, 흡기 통로는 수집기 섹션으로부터 각각의 실린더(2)로 형성된다. 각각의 분기 섹션(23)은 직선 흡기 포트(5)에 부합하게 직선으로 연장하는 하류 섹션과, 분기 섹션 위에 위치된 수집기 섹션으로 상향으로 만곡된 상류 섹션을 포함한다.

가스 운동 제어 밸브(또는 흡기 제어 밸브)(31)가 각각의 실린더용으로 제공되고 하부 유로 섹션(5B)의 상류 단부를 개폐하도록 배열된다. 가스 운동 제어 밸브(31)는 흡기 매니폴드(21)의 상응하는 분기 섹션(23)의 하류 단부에 배치된다. 이 예에서, 가스 운동 제어 밸브(31)의 밸브 샤프트(32)는 격벽(11)의 상류측의 격벽(11)의 (상류) 연장부에 위치된다. 도1의 예에서, 밸브 샤프트(32)는 격벽(11)의 상류 단부(11b)의 상류측에서 격벽(11)의 상류 단부(11b)에 인접한 위치에 위치된다. 밸브 샤프트(32)는 흡기 매니폴드(21)의 분기 섹션(23)에 지지된다. 플레이트형 밸브 요소(33)는 밸브 샤프트(32)에 고정식으로 장착된다. 밸브 요소(33)는 일방향으로 밸브 샤프트(32)로부터 연장하는 제1 부분(또는 주요부)(33a)과, 대향 방향으로 밸브 샤프트(32)로부터 연장하는 제2 부분(짧은 연장부)(33b)을 포함한다. 제2 부분(33b)은 제1 부분(33a)보다 짧다. 제1 부분(33a)은 도2에 도시된 바와 같이, 분기 통로(24)의 하반부의 형상에 대응하는 타원의 반부와 같이 형성된다. 제2 부분(33b)은 실린더 헤드(3)의 시트면(22) 및 격벽(11)의 직선 상류 단부(11b)에 평행하게 직선으로 연장되는 하류 단부(33c)를 갖는다. 밸브 샤프트(32)는 격벽(11)의 상류 단부(11b)에서 근접하여 위치되지만, 밸브 요소(33)의 제2 부분(33b)과 격벽(11)의 상류 단부(11b) 사이의 간섭을 피하기 위한 거리만큼 상류 단부(11)로부터 이격된다. 이 예에서, 부분(33b)의 하류 단부(33c)는 분기 섹션(23)의 플랜지 표면으로부터 상류측으로 약간 리세스된 위치에 위치된다. 분기 섹션(23)의 플랜지 표면은 실린더 헤드(3)의 시트면(22)과 접촉하도록 놓여진다.

밸브 샤프트(3)는 액츄에이터(도시 생략)와 연결된다. 가스 운동 제어 밸브(31)는 텀블을 강화시키도록 엔진 운전 상태에서 도1에 도시된 폐쇄 위치로 제어된다. 도1에 도시된 바와 같이 제2 통로 섹션(5B)의 상류 단부를 폐쇄하기 위한 폐쇄 위치에서, 제1 밸브부(33a)는 밸브 샤프트(32)의 상류측 상에 위치되고, 밸브 요소(33)는 흡기 유동을 상부측의 제1 통로 섹션(5A) 내로 내측벽 표면을 향해 안내하도록 경사진다. 제1 밸브부(33a)는 이렇게 경사 위치에서 밸브 샤프트(32) 아래의 영역을 완전히 폐쇄하기 위한 형상을 갖는다. 이 예에서, 폐쇄 상태의 밸브 요소(33)의 경사 각도[즉, 격벽(11)의 상류 연장부와 밸브 요소(33) 사이에 형성된 각도]는 30°내지 40°의 범위이다. 폐쇄 상태에서, 제2 밸브부(33b)는 격벽(11)의 높이 위로 상부 통로 섹션(5A)의 상방으로 돌출한다. 격벽의 상류 단부(11b)와 제2 밸브부(33b)의 하류 단부(33c) 사이에는, 하부 통로 섹션(5B)이 가스 운동 제어 밸브(31)에 의해 폐쇄될 때 하부 통로 섹션(5B)으로부터 상부 통로 섹션(5A)으로 하부 통로 섹션(5B) 내의 흡입 공기의 유동을 재순환시키기 위한 연결 통로로서 작용하는 간극(12, interspace)이 형성된다. 도2에 도시된 이 예에서, 이러한 간극(12)은 격벽(11)의 직선 상류 단부(11b)와 밸브 요소(33)의 직선 하류 단부(33c) 사이에서 직선 슬릿과 같이 균일한 폭을 갖고 측방향으로 연장된다.

흡입 공기량이 커지는 고속 고부하 영역과 같은 엔진의 운전 영역에서, 가스 운동 제어 밸브(31)는 밸브 요소(33)가 흡기 포트(5)의 종방향으로(흡입 공기의 유동 방향을 따라) 연장하는 개방 위치로 된다. 개방 위치일 때, 가스 운동 제어 밸브(31)의 제1 및 제2 밸브부(33a, 33b) 모두는 유동 방향을 따라 격벽(11)과 일렬로 격벽(11)의 상류 단부(11b)로부터 연속적으로 연장하여 유동 저항이 최소가 된다. 제2 밸브부(33b)의 하류 단부는 격벽의 상류 단부(11b)에 인접하여 대면한다.

연료 분사 장치(분사 밸브)(41)는 각각의 실린더의 흡기 포트(5) 내로 연료를 분사하기 위한 것이다. 연료 분사 장치(41)는 실린더 헤드(3)의 흡기 포트(5) 위에 배치된다. 이 예에서, 연료 분사 장치(41)는 한 쌍의 흡기 밸브(7)를 향해 연료를 지향시키도록 V자 형상으로 분기되는 연료 분무(F)를 생성하는 형식이다.연료 분사 장치(41)는 도2의 평면도에서 도시된 바와 같이 측방향 또는 폭방향(즉, 엔진의 전후 방향)으로 중간에 위치된다. 도2에 도시된 바와 같이, 하나의 흡기 포트(5), 두 개의 흡기 밸브(7), 하나의 연료 분사 장치(41) 및 하나의 가스 운동 제어 밸브(31)를 포함하는 흡기 시스템은 좌우 대칭식으로 실질적으로 대칭이다. 도1에 도시된 바와 같이, 연료 분사 장치(41)는 경사지고 흡기 밸브(7)에 인접하는 비교적 하류 위치에 위치되어 연료 분무(F)가 격벽(11)과의 간섭 없이 흡기 밸브(7)의 밸브 개구로 지향된다. 연료 분사 장치(41)의 전방 단부의 연료 분출 구멍은 상부 통로 섹션(5A)의 하류 단부 부근의 격벽(11) 위에 위치되고, 격벽(11)과 간섭하지 않고 흡기 밸브(7)를 향해 펴지는 연료 분무를 생성하도록 비스듬한 방향으로 안내된다. 리세스부(42)는 흡기 포트(5)의 상부벽 표면에 형성되어 연료 분무(F)가 실린더 헤드(3)의 내부벽과 간섭하지 않고 리세스부(42) 내의 간극을 통과한다.

흡기 밸브(7)에 의해 개폐되는 하류 포트 단부(또는 흡기 밸브 개구) 부근에는 각각 흡기 포트(5)를 향해 실린더(2)의 내부로부터 흡입 공기가 후방으로(역류의 형태로) 인출되는 것을 방지 또는 억제하도록 설계된 벌지(51)를 갖는 마스킹 영역(도7 및 도8에 도시된 바와 같이)이 더 제공된다. 마스킹 영역은 하류 포트 단부(43)의 바로 하류측 또는 하류측 포트 단부(43)의 바로 상류측에 위치된다.

이 예의 내연 기관은 EGR 제어 밸브를 포함하는 공지된 형식의 배기 가스 재순환(EGR) 시스템(도시 생략)을 더 구비한다. 특히, 이 엔진은 실린더 내의 텀블의 도움으로 높은 EGR 비율에서 안정적인 연소를 달성함으로써 부분 부하(part-load) 엔진 운전 영역에서 연료 소비를 더 감소시키도록 구성된다. EGR 가스는 흡기 매니폴드(21)의 수집기 섹션 내로 도입되거나 각각의 분기 통로(24) 내로 도입될 수도 있다.

이렇게 구성된 흡기 시스템은 흡기 행정에서 흡기 밸브(7)가 개방되고 피스톤(10)은 실린더(2)의 하방으로 내려가도록 작동된다. 이 경우, 흡입 공기는 각각의 흡기 밸브(7) 주위의 개방 개구를 통해 실린더(2) 내로 유동한다. 만일, 이 경우, 가스 운동 제어 밸브(31)는 개방 위치이고, 흡입 공기는 상부 및 하부 통로 섹션(5A, 5B) 모두를 통해 유동하고, 흡입 공기는 흡기 밸브(7) 주위에서 균일하게 실린더(2) 내로 유동한다. 따라서, 실린더내 가스 유동은 비교적 약하다.

한편, 가스 운동 제어 밸브(31)가 도3에 개략적으로 도시된 바와 같이 폐쇄 위치이면, 제2 통로 섹션(5B)은 폐쇄되고, 흡입 공기는 상부 통로 섹션 표면(5A)만을 통해 실린더(2)를 향해 유동한다. 특히, 흡기 포트(5)의 상부 내측벽 표면(5a)을 따른 흡입 공기 흐름은 증가되지만, 흡기 포트(5)의 하부 내측벽 표면(5b)을 따른 흡입 공기 흐름은 감소된다. 따라서, 흡기 유동률은 작아지고, 흡기 밸브(7)와 실린더(2)의 외주면 사이의 개방 개구의 하부(20a)에서 유동 속도가 낮아진다. 흡기 밸브(7)와 스파크 플러그(9) 사이에 형성된 개구의 상부(20b)에서, 흡기 유동률은 크고 유동 속도는 높다. 실린더(2)에서, 흡기 밸브(7)들의 흡기측으로부터 배기 밸브(8)의 배기측으로, 그리고 피스톤 크라운부를 향해서 유동하는 도1에 화살표로 도시된 바와 같은 강한 텀블링 유체 운동(소위 전방 텀블)이 형성된다. 게다가, 도3에 도시된 폐쇄 상태에서의 가스 운동 제어 밸브(31)는 상부 통로 섹션(5A)에만 유로를 스로틀링하는 스로틀부로서 작동하고, 따라서 격벽(11)의 상류 단부(11b)에 인접한 위치에서 상부 통로 섹션(5A)의 국부적인 저압 영역(13)을 생성한다. 연결 통로(12)는 이 저압 영역(13)으로 개방되고, 하부 통로 섹션(5B)의 하류 개방 단부(14)와 연결 통로(12) 사이에 압력차가 형성된다. 이 압력차 때문에, 흡입 공기의 일부는 하류 개방 단부(14)로부터 하부 통로 섹션(5B)으로 흡입되고 하부 통로 섹션(5B)을 통해 상류측으로 후방으로 유동하도록 되고 연결 통로(12)를 통해 상부 통로 섹션(5A)의 저압 영역(13)으로 방출된다. 따라서, 흡입 공기의 대부분은 상부 내측벽(5a)을 따라 흡기 밸브(7)로 유동한다. 결과적으로, 흡기 밸브(7)와 스파크 플러그(9) 사이에 형성된 개구의 상부(20b)를 통과한 흡입 공기 흐름은 더 증가되고, 흡기 밸브(7)와 실린더(2)의 외주면 사이의 개방 개구의 하부(20a)를 통한 흡입 공기 흐름은 감소된다. 따라서, 이 흡기 개구는 실린더 내 텀블을 더 증가시킬 수 있다. 이 흡기 장치는 상부 흡기 유동 흐름을 강화함으로써, 그리고 한편, 하부 내측벽 표면(5b)을 따라 실린더(2) 내로 유동하는, 실린더 내의 텀블 운동을 저해하는 이러한 방향으로의 하부 흡기 흐름을 감소시킴으로써 실린더 내의 텀블을 효과적으로 증진시킬 수 있다.

이렇게 생성된 강한 실린더내 텀블은 연료 절약을 증가시키는 EGR량을 증가시키는데 매우 유용하다. 부분 로드 영역에서, 흡기 시스템은 EGR량을 증가시키고 가스 제어 밸브(31)를 폐쇄함으로써 강한 텀블을 생성하여 더 우수한 연료 소비를 갖는 안정적인 연소를 달성할 수 있다.

이 예에서, 밸브 요소(33)의 제2 밸브부(33b)는 도3에 도시된 폐쇄 위치로,상부 통로 섹션(5A)을 향해 상방으로 돌출되고, 따라서 연결 통로(12)를 통한 흡기 재순환 유동을 보장하도록 제2 밸브부(33b) 후방에 저압 영역을 효율적으로 생성한다.

개방 위치에서, 가스 제어 밸브(31)의 밸브 요소(33)는 흡입 공기의 유동 저항의 증가를 최소화하도록 격벽(11)과 연속적으로 연장된다. 제2 밸브부(33b)는 흡입 공기 유동의 교란을 감소시키도록 연결 통로(12)의 개구 크기를 감소시킨다. 이 예에서, 플레이트형 밸브 요소(33)는 균일한 두께를 갖는 플레이트일 뿐 아니라 두께가 상류 단부로 점진적으로 작아지도록 밸브 요소(33)의 제1 밸브부(33a)가 테이퍼지고, 제2 밸브(33b) 또한 테이퍼져서 도1에 도시된 바와 같이 두께가 하류 단부(33c)로 점진적으로 작아진다. 이 밸브 요소(33)의 외형은 흡입 공기 유동 저항을 감소시키는데 효과적이다.

도4는 제1 실시예에 따른 흡기 시스템의 실제 흡입 공기 유동의 분석 결과를 도시한다. 도4에서, 각각의 지점에서의 유체 유동의 속도 및 방향은 작은 화살표로 벡터로써 도시된다. 화살표의 조밀도는 유동률을 나타낸다. 유동률은 화살표가 조밀한 영역에서 높고, 화살표가 성긴 영역에서 낮다. 도5는 연결 통로(12)가 폐쇄된 비교예의 흡입 공기 유동을 도시한다. 도5의 구성은 흡입 공기 유동이 격벽(11) 및 가스 운동 제어 밸브(31)에 의해 일측으로만 편향되는 종래 기술의 흡기 시스템에 상응한다. 도4 및 도5의 두 예들에서, 가스 운동 제어 밸브(31)의 개구도는 동일한 값(약 20%)으로 유지된다.

도4와 도5 사이의 비교로부터 명백한 바와 같이, 상당량의 흡입 공기가 도5의 예에서 격벽(11)의 하류 단부(11a)의 하류측의 하방으로 확산되고, 흡기 밸브(7)의 하부측의 하부 개방부(20a)를 통해 실린더 내로 유동한다. 하부 통로 섹션(5B)에서, 흡입 공기는 거의 운동이 없고 정체되어 있다. 이에 반해 도4의 경우에, 흡입 공기는 흡기 밸브(7)에 인접한 하부 영역으로부터 재순환된다. 따라서, 하부 개구부(20a)를 통한 흡기 유동은 상당히 감소되고, 따라서 상부 개구부(20b)를 통한 유동은 이에 상응하여 증가된다. 따라서, 도4의 흡기 구성은 실린더 내의 텀블을 효과적으로 증가시킬 수 있다.

도6은 도4와 도5의 예로써 격벽(11)과 가스 운동 제어 밸브(31)를 채용한 흡기 시스템의 텀블 강도와 흡입 공기량 사이의 관계를 도시한다. 도6에서, 텀블 강도는 흡기 행정동안 텀블 비율의 최대값으로 표현된다. 일반적으로, 텀블이 약할 때 연소는 느리고 불안정하고, 텀블이 강할 때 연소는 빠르고 안정적이다. 도5에 도시된 비교예의 특성은 도6에서 실선인 곡선으로 도시된다. 이 실선 특성의 경우에, 텀블과 흡입 공기량은 서로 다음과 같은 관계를 갖는다. 가스 제어 밸브(31)의 개방 영역 비율 또는 개방도가 작은 값으로 설정되면, 텀블은 증가되지만 흡입 공기량은 작아진다. 한편 개방 영역 비율 또는 개방도가 증가되면, 흡입 공기량은 증가되지만 텀블은 감소된다. 흡입 공기량의 감소는 가스 운동 제어 밸브(31)가 폐쇄되는 작동 영역인, 텀블이 생성될 수 있는 텀블 작동 영역의 면적의 감소를 의미한다. 역으로, 흡입 공기량의 증가는 텀블 작동 영역의 면적의 증가를 의미한다. 제1 실시예에 따른 도4의 예에서, 텀블을 일정하게 유지하면서 흡입 공기량을 증가시킬 수 있거나 또는 흡입 공기량(또는 개방도)을 일정하게 유지할 때 텀블이증가되는 도6의 파단선으로 도시된 영역이 형성된다.

제1 실시예에 따른 흡기 시스템은 넓은 엔진 운전 영역에서 연소 중에 강한 텀블 및 배기 가스 재순환을 이용하는 엔진 운전 모드를 채용할 수 있어서, 총괄적으로 상당히 연료 절약을 개선한다. 동일한 운전 영역과 비교할 때, 제1 실시예에 따른 흡기 시스템은 강한 텀블의 조력으로 EGR량을 더 증가시킬 수 있고, 연료 소비를 더 개선할 수 있다.

도7 및 도8은 제1 실시예에 채택될 수 있는 제1 실제예의 역류 방지 마스킹 영역을 도시한다. 흡기 밸브(7)에 의해 각각 개폐되는 하류 포트 단부(또는 흡기 밸브 개구)(43) 부근의 마스킹 영역에서, 실린더(2)의 내부로부터 흡기 포트(5)의 제2 통로 섹션(5B)을 향하는 흡입 공기의 역류를 방지 또는 억제하도록 설계된 벌지(bulge)(51)가 형성되어 있다. 마스킹 영역은 하류 흡기 포트 단부(43)가 개방되는 펜트루프의 흡기측 경사면의 기준면(P)에서, 연소실(4)의 외주연부의 일부와 한 쌍의 하류 포트 단부 또는 밸브 개구(43) 사이의, 도8에서 어둡게 표시된 영역이다. 벌지(51)는 이 마스킹 영역 내에 형성된다. 벌지(51)는 도7에 빗금으로 도시된 바와 같이, 기준 평면(P)으로부터 약간 내향으로 상승된 상승부이다. 따라서, 벌지(51)는 피스톤(10)이 상사점에 도달하여 벌지(51)와 피스톤 크라운부 사이의 거리가 최단으로 된 때 실린더(2) 내에 스퀴시(squish)를 형성하는 스퀴스 영역으로서 기능한다.

벌지(51)는 제2 통로 섹션(5B) 부근의 측부 상의 각각의 하류 흡기 포트 단부(43) 주위의 360°원주 구역의 일부분에서만 형성되어, 이 구역을 통과하는 흡입공기의 유동을 억제한다. 따라서, 마스킹 영역 내의 벌지(51)는 실린더(2)의 내부로부터 흡기 포트(5)로의 역류(또는 환류 또는 카운트 유동)을 억제하는 기능을 한다. 가스 운동 제어 밸브(31)가 제2 통로 섹션(5B)의 상류 단부를 폐쇄하는 폐쇄 위치에 있을 때, 제2 통로 섹션(5B)의 흡입 공기는 연결 통로(12)를 통해 생성된 유동을 재순환시킴으로써 상류측을 향해 후방으로 인출된다. 흡기 재순환 유동의 효과에 의해, 실린더(2)의 반경방향 외측 상의 하부 개구부(20a)를 통한 실린더(2) 내부로의 유입량은 도3 및 도4에 도시된 바와 같이 감소된다. 그러나, 흡기 밸브(7)가 개방되는 순간으로부터 약간 지연된 단계에서, 흡입 공기는 실린더(2)의 내부로부터 하부 개구부(20a)를 통해 제2 통로 섹션(5B) 내부로 후방으로 인출될 수도 있다. 연소실로부터 인출된 흡입 공기는 공기-연료 혼합물의 상태로 연료를 함유한다. 따라서, 역류는 실린더(2)에 공급되는 실제 연료량 및 실린더(2)의 실제 흡입 공기량에 오류를 유발하는 경향이 있기 때문에 연소실로부터 흡기 포트(5) 내부로의 흡입 공기의 역류는 바람직하지 않다. 이 예에서, 벌지(51)는 실린더(2)의 내부로부터 흡기 포트(5)로의 흡입 공기의 역류를 방지하는 마스킹 영역 및 스퀴시 영역으로서 역할을 한다. 따라서, 이 흡기 시스템은 강한 텀블 및 스퀴시를 갖는 능동적인 실린더내 유체 운동을 생성할 수 있다.

벌지(51)가 스퀴시 영역의 기능을 예상하지 않고 역류 방지 마스킹 영역으로서만 작용하는 것이 요구될 때, 벌지(51)는 하류 포트 단부 또는 밸브 개구(43)의 림(rim) 내에 원형호와 같이 형성된 돌기일 수도 있다. 다르게는, 벌지(51)는 연소실이 예를 들면, 반구형 챔버형일 경우 밸브 개구 또는 하류 포트 단부(43) 둘레의 만곡된 기준 표면으로부터 상승된 상승부로서 형성될 수도 있다.

도9 및 도10은 제1 실시예에 채택될 수 있는 제2 실제예의 역류 방지 마스킹 영역을 도시한다. 제2 실제예에서, 역류 방지 마스킹 영역으로 역할을 하는 벌지(51)는 흡기 포트(5) 내에 형성된다. 벌지(51)는 하류 포트 단부(43)의 상류측 상에서 하류 포트 단부(43) 부근의 위치에서, 하류 포트 단부(43) 또는 각각의 하류 포트 단부(43) 내에 반경방향 내향으로 돌출하는 상승부이다. 벌지(52)는 댐(dam)과 같은 매끈한 돌기를 형성하도록 돌출한다.

벌지(52)는 제2 통로 섹션(5B) 부근의 측부 상에서 각각의 하류 흡기 포트 단부(43) 또는 하류 흡기 포트 단부(43) 둘레의 360°원주 구역의 일부분에만 형성되어, 이 구역을 통과하는 흡입 공기의 유동을 제한한다. 벌지(52)는 흡기 밸브(7)와 실린더(2)의 외측 원주면 사이의 하부 개구 구역(20a)을 통과하는 역류를 억제하도록 하부 개구 구역(20a) 부근에 위치 설정된다. 이 예에서, 벌지(53)는 각각의 하류 흡기 포트 단부(43) 내에 형성된다. 따라서, 마스킹 영역 내의 벌지(52)는 실린더(2)의 내부로부터 실린더(2)의 축으로부터 이격된 흡기 밸브(7)의 반경방향 외측 상의 하부 밸브 개구(20a)를 통해 흡기 포트(5) 내로의 유동의 역류(또는 환류 또는 카운트 유동)을 억제하도록 기능한다. 이 예에서, 벌지(52)는 중심벽(15)에 의해 분리된 흡기 포트(5)의 하류측 분기부의 각각에 형성된다.

도11 및 도12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 흡기 시스템을 개략적으로 도시한다. 이 흡기 시스템은 동일한 참조 부호를 사용하여 도시된 대부분의 지점에서 도1의 흡기 시스템과 실질적으로 동일하다. 가스 제어 밸브(31)의 밸브요소(33)는 제1 밸브부(33a)를 갖고, 제2 밸브부(33b)를 갖지 않는다. 밸브 요소(33)의 일단부는 격벽의 상류 단부(11b)에 인접한 위치에서 거의 유격없이 위치된 밸브 샤프트(32)에 고정된다. 밸브 요소(33)는 격벽(11)의 상류 단부(11b)로부터 연속해서 연장한다.

제2 실시예에서, 연결 통로(12')는 상류 단부(11b) 부근의 격벽(11)의 상류 단부에서 개방된다. 도12에 도시된 바와 같이, 연결 통로(12')는 격벽(11)의 상류 단부(11b)에 평행하게 실린더 열의 방향[흡기 포트(5)의 종방향에 직각인 방향으로 또는 격벽(11)의 폭방향]으로 연장하는 슬릿의 형태이다. 연결 통로(12')는 도11에 도시된 바와 같이 하부 통로 섹션(5B)이 가스 제어 밸브(31)에 의해 폐쇄될 때 상부 통로 섹션(5A)에 생성된 하부 압력 구역(13) 내로 개방된다.

밸브 요소(33)가 하부 통로 섹션(5B)의 상류 단부를 폐쇄하는 폐쇄 위치에서, 격벽(11)의 연결 통로(12')는 폐쇄 위치에서 가스 운동 제어 밸브(31)에 의해 형성된 저압 구역(13)으로 개방된다. 따라서, 도1 및 도2에 도시된 제1 실시예에서와 같이, 흡입 공기의 일부는 하부 통로 섹션(B)을 통해 하류 단부(14)로부터 연결 통로(12')로 재순환된다. 제2 통로 섹션(5B)을 폐쇄하는 폐쇄 위치에서, 가스 운동 제어 밸브(31)의 플레이트 밸브 요소(33)는 흡입 공기를 제1 통로 섹션(5A) 내로 상부 내측벽 표면(5a)를 향해 안내하도록 약간 경사져 있다. 개방 위치에서, 플레이트 밸브 요소(33)는 격벽(11)으로부터 상류측으로 연속적으로 연장한다.

제2 실시예에 따른 흡기 시스템은 또한 도7 및 도8에 도시된 제1 실제예의 역류 방지 마스킹 영역(51) 또는 도9 및 도10에 도시된 제2 실제예의 역류 방지 마스킹 영역(52) 중 적어도 하나를 채택할 수 있다.

제1 실시예에서와 같이 제2 실시예에 따른 흡기 시스템에서도, 제2 통로 섹션(5B)의 상류 단부가 가스 운동 제어 밸브(31)에 의해 폐쇄되고, 흡기 재순환 유동이 연결 통로(12')를 통해 생성될 때 저압 구역이 격벽(11)의 상류 단부(11b)의 약간 하류에 형성된다. 벌지(51) 또는 벌지(52)는 실린더(2)의 내부로부터 제2 통로 섹션(5B) 내부로의 역류를 억제할 수 있다. 제2 통로 섹션(5B)을 폐쇄하는 폐쇄 위치에서, 플레이트형 밸브 요소(33)는 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 통로 섹션(5A) 내부로 흡기 유동을 매끄럽게 안내하도록 경사져 있다. 개방 위치에서, 밸브 요소(33)는 제1 실시예에서와 같이 격벽(11)과 정렬된다.

제1 및 제2 실시예에 따른 흡기 시스템은 텀블(수직 스월)을 강화하도록 설계된다. 그러나, 본 발명에 따른 흡기 시스템은 격벽(11)의 위치 및 배향을 변경함으로써 실린더(2) 내의 스월(수평 스월)을 강화하는 데 이용될 수 있다. 다르게는, 흡기 시스템은 텀블 운동 및 스월 운동을 조합함에 의해서 경사 평면 내의 스월링 운동을 강화하도록 구성될 수도 있다. 이러한 경우, 마스킹 영역으로 작용하는 역류 방지 벌지는 격벽의 배향에 부합하여, 각각의 하류 흡기 포트 단부의 하류 흡기 포트 단부의 원주의 일부분에 형성된다.

도시된 예에서, 격벽(11) 및 가스 운동 제어 밸브(31) 중 적어도 하나는 유동 조절 섹션에 대응한다. 흡기 포트를 한정하는 제1 수단은 적어도 실린더 헤드(3)에 대응한다. 흡기 포트를 제1 및 제2 통로 섹션으로 분할하는 제2 수단은 격벽(11)에 대응한다. 제2 통로 섹션의 상류 단부를 폐쇄하여 제1 통로 섹션 내에저압 구역을 형성하는 제3 수단은 밸브 요소(33)에 대응한다. 연결 통로(12) 또는 연결 통로(12)를 한정하는 부분은 제2 통로 섹션의 상류 단부가 폐쇄될 때 흡입 공기를 제2 통로 섹션의 하류 단부로부터 제2 통로 섹션을 통해 제1 통로 섹션의 저압 구역으로 인출하는 제4 수단에 대응한다. 벌지(51, 52)는 연소실로부터 흡기 포트의 제2 통로 섹션으로 인출된 유체의 역류를 억제하는 제5 수단에 대응한다.

본 출원은 2003년 4월 18일자로 출원된 선행 일본 특허 출원 제2003-113600호에 기초한다. 이 일본 특허 출원 제2003-113600호의 전체 내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

본 발명은 본 발명의 일부 실시예를 참조하여 앞에서 설명되었지만, 본 발명은 전술한 실시예에 제한되지 않는다. 전술한 실시예들의 변경 및 변형은 전술한 교시 내용에 비추어 해당 기술 분야의 숙련자에 의해 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구의 범위를 참조하여 한정된다.

상기와 같이 구성함으로써, 흡기 포트의 개방 면적 비율을 과도하게 감소시키지 않고 실린더 내의 가스 운동을 증가시키는 흡기 시스템을 제공할 수 있다.

Claims

엔진의 실린더로 연결되는 흡기 포트를 한정하는 메인 섹션과,

흡기 포트의 하류 포트를 개폐하도록 구성된 흡기 밸브와,

실린더 내로의 흡기 포트 내의 흡입 공기 유동을 조절하는 유동 조절 섹션을 포함하고,

상기 유동 조절 섹션은,

흡기 포트의 종방향으로 상류 단부에서 하류 단부로 흡기 포트 내에서 연장하고 흡기 포트를 제1 및 제2 통로 섹션으로 분할하는 격벽과,

제2 통로 섹션을 개폐하기 위하여 격벽의 상류 단부 옆에 위치된 가스 운동 제어 밸브와,

제1 및 제2 통로 섹션을 연결하기 위하여 가스 제어 밸브 부근에 형성되어 제2 통로 섹션이 가스 운동 제어 밸브에 의해 폐쇄될 때 제2 통로 섹션으로부터 제1 통로 섹션으로 제2 통로 섹션 내의 흡입 공기의 재순환 유동을 허용하는 연결 통로와,

제2 통로 섹션 부근의 일측에서 흡기 포트의 하류 포트 단부를 포위하는 원주형 구역의 제1 부분에 형성된 벌지를 구비하는 내연 기관.
제1항에 있어서, 유동 조절 섹션은 제2 통로 섹션이 가스 운동 제어 밸브에 의해 폐쇄될 때 흡기 밸브와 원주형 구역의 제1 부분 사이의 제1 개구 구역을 통과하여 실린더 내로 유동하는 흡입 공기 흐름을 감소시키고 흡기 밸브와 제1 부분에 직경 방향으로 대향되는 원주형 구역의 제2 부분 사이의 제2 개구 구역을 통해 실린더 내부로 유동하는 흡입 공기 흐름을 증가시키도록 구성되고, 벌지는 흡기 포트의 하류 포트 단부를 포위하는 원주형 구역의 제1 부분에서만 하류 포트 단부 주위로 연장하는 내연 기관.
제1항에 있어서, 제2 통로 섹션은 엔진의 실린더의 상하 방향으로 제1 통로 섹션의 아래에 위치되고, 제2 개방 구역은 반경 방향 내측 위치에 위치되고 제1 개방 구역은 제2 개방 구역보다 실린더의 축으로부터 더 이격되어 있는 반경 방향 외측 위치에 위치되고, 벌지는 제2 통로 섹션이 가스 운동 제어 밸브에 의해 폐쇄될 때 실린더의 내부로부터 흡기 포트의 제2 통로 섹션으로의 유체의 역류를 억제하도록 돌출되어 있는 내연 기관.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 벌지는 실린더의 연소실의 내부벽 표면에 형성되는 내연 기관.
제4항에 있어서, 벌지는 연소실 기준면으로부터 연소실 내에서 내향으로 부풀어 있는 내연 기관.
제4항에 있어서, 상기 벌지는 연소실 내에 스퀴시 영역을 형성하도록 연소실의 상부벽 표면으로부터 연소실 내에서 하향으로 부풀어 있는 내연 기관.
제5항에 있어서, 연소실은 펜트루프형이고, 상기 벌지는 펜트루프형의 연소실의 흡기측 상의 연소실 기준면으로부터 연소실에서 내향으로 부풀어 있는 내연 기관.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 벌지는 흡기 포트의 내부벽 표면에 형성되고, 상기 벌지는 하류 포트 단부 내부로 부풀어 있는 내연 기관.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 흡기 포트는 2개의 하류 포트 단부가 실린더의 연소실 내로 개방된 상태로 종결되고, 엔진의 실린더에는 하류 포트 단부를 각각 개폐하도록 2개의 흡기 밸브가 제공되고, 벌지는 흡기 포트의 각각의 하류 포트 단부의 원주형 구역의 제1 부분에 형성되는 내연 기관.
제9항에 있어서, 상기 벌지는 흡기 포트의 하류 포트 단부와 연소실의 외측 경계부 사이의 구역에 형성되는 내연 기관.
제9항에 있어서, 상기 제2 통로 섹션은 엔진의 실린더의 상하 방향으로 제1 통로 섹션 아래에 위치되고, 실린더의 연소실은 펜트루프형이고 벌지는 펜트루프형 연소실의 흡기측 상의 연소실 기준면으로부터 연소실에서 내향으로 부풀어 있는 내연 기관.
제9항에 있어서, 상기 흡기 포트는 하류측 포트 단부로 각각 연결되는 2개의 하류 분기부를 포함하고, 벌지는 흡기 포트의 각각의 하류 분기부의 내부벽 표면에 형성되는 내연 기관.
제1항 내지 제3항 어느 한 항에 있어서, 상기 연결 통로는 제2 통로 섹션을 폐쇄하는 폐쇄 위치에서 격벽의 상류 단부와 가스 운동 제어 밸브 사이의 간극의 형태인 내연 기관.
제1항에 있어서, 상기 연결 통로는 격벽에서 개방된 내연 기관.
제1항에 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 운동 제어 밸브는 흡기 포트의 제1 통로 섹션 내의 저압 구역을 생성하도록 흡기 포트의 개방 단면적을 감소시키도록 구성되고, 연결 통로는, 제2 통로 섹션의 하류 단부로부터 제2 통로 섹션의 상류 단부로 그리고 제2 통로 섹션이 가스 운동 제어 밸브에 의해 폐쇄된 때 하류 단부에서 제1 통로 섹션으로 제2 통로 섹션 내의 흡입 공기의 재순환 흐름을 촉진하도록 제1 통로 섹션 내에 생성된 저압 영역에 제2 통로 섹션의 상류 단부를 연결하는 내연 기관.
연소실과 연소실로 연결되는 흡기 포트를 한정하는 제1 수단과,

흡기 포트의 종방향으로 연장하고 흡기 포트를 제1 및 제2 통로 섹션으로 분할하는 제2 수단과,

제2 통로 섹션의 상류 단부를 폐쇄하고 제1 통로 섹션 내에 저압 구역을 형성하는 제3 수단과,

제2 통로 섹션의 상류 단부가 폐쇄된 때 제2 통로 섹션의 하류 단부로부터 제2 통로 섹션을 거쳐 제1 통로 섹션의 저압 구역으로 흡입 공기를 인출하는 제4 수단과,

연소실로부터 흡기 포트의 제2 통로 섹션 내로 인출된 유체의 역류를 억제하는 제5 수단을 포함하는 내연 기관용 흡기 장치.