KR20080080100A - 내연 기관 및 레이저 점화 장치에 의해 내연 기관을작동시키는 방법 - Google Patents

내연 기관 및 레이저 점화 장치에 의해 내연 기관을작동시키는 방법 Download PDF

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베르너 헤르덴
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 연료 분사 장치(25) 및 레이저 점화 장치(26)를 포함하는 내연 기관(20)의 작동 방법에 관한 것으로, 상기 레이저 점화 장치(26)는 연소실(29) 내에 레이저 빔(27)을 발생시키고, 상기 연료 분사 장치(27)에 의해 내연 기관의 압축 단계 동안 연료가 상기 연료 분사 장치(27)에 의해 상기 연소실(29) 내로 분사되고, 연료는, 연료와 공기로 이루어진 점화 가능한, 둥글고 편평한 혼합물 영역(28)이 피스톤(21) 상에 형성되도록 상기 연소실(29) 내로 분사되고, 상기 둥글고 편평한 혼합물 영역(28)이 형성되도록 연료 분사의 끝과 점화의 개시 사이에서 사전에 설정된 시간 간격동안 기다린 후, 상기 레이저 장치에 의해 점화가 상기 둥글고 편평한 혼합물 영역(28)의 내에서 이루어진다.
레이저 점화 장치, 혼합물 영역, 피스톤 베이스, 오목부

Description

내연 기관 및 레이저 점화 장치에 의해 내연 기관을 작동시키는 방법{INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD FOR OPERATING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE BY MEANS OF A LASER-IGNITION UNIT}
본 발명은 가솔린 직접 분사를 위한 레이저 점화 장치를 포함한 내연 기관 및 상기 내연 기관을 작동하는 방법에 관한 것이다.
가솔린 직접 분사를 위한 내연 기관은 종래 기술에서 상이한 구성으로 공지되어 있다. 이러한 내연 기관들은 최근 사용이 증가하였으며, 그 이유는 상기 내연 기관이 방출이 적으며 연비가 낮기 때문이다. 공지된 내연 기관들의 공통점은 분사 밸브를 일반적으로 중앙 위치에 포함하고 있는 것과, 점화 플러그가 연소실 내로 분사되는 연료의 스프레이 가장자리에 배치된다는 것이다. 분사 밸브로부터 실질적으로 원추형으로 퍼져가는 연료의 점화는 원추형의 가장자리에서 이루어지는데, 왜냐하면, 여기에서만 점화 가능한 공기-연료 혼합물이 존재하기 때문이다. 실제로, 점화 플러그의 스파킹 지점의 위치 설정에서, 상기 스파킹 지점을 점화 가능한 연료-공기 혼합물의 영역 내의 좁은 가장자리 구역에 정확히 위치 설정하는데 문제가 있다. 상기 문제는 한편으로는, 분사 밸브, 점화 플러그 및 실린더 헤드의 부재들의 공차로부터 기인하고, 다른 한편으로는, 사이클마다의 스프레이 형상의 편차로부터 기인하므로, 점화 가능한 가장자리 구역이 어느 정도 변할 수 있다. 또한 점화 플러그에서, 전극 영역 내의 스파킹 지점의 사이클마다의 편차가 나타날 수 있고, 스프레이 형상은 수명에 따라 침착에 의해 또는 내연 기관의 특성 맵에 따라 변할 수 있다. 이러한 요인들은 한편으로 효율을 감소시키고 다른 한편으로 배기 가스에서 문제를 야기한다.
또한, 최근, 레이저 점화 장치가 종래의 점화 플러그를 대체하는 것이 제안되고, 이 경우에도 점화가 분사된 연료 구름의 가장자리에 이루어진다.
이와 달리, 청구항 제 1 항의 특징을 가지는 내연 기관을 작동시키는 본 발명에 따른 방법은, 항상 확실한 점화가 보장되는 장점을 가진다. 또한, 본 발명에 따라, 효율이 증가하고, 이로써 연료가 절약되고 배기 가스 방출이 개선된다. 이것은 본 발명에 따라, 내연 기관의 압축 단계 동안 연료가 연소실 내로 분사됨으로써 달성된다. 이 경우, 연료는 피스톤 상에 둥글고 편평한 형태의, 점화 가능한 연료-공기 혼합물 영역이 형성되도록 연소실 내로 분사된다. 둥글고 편평한 형태의 혼합물 영역은 피스톤의 피스톤 베이스 면 상에 놓인다. 본 발명에 따라, 연료 분사의 종결과 레이저 점화 장치에 의한 점화의 시작 사이에, 피스톤 상에 둥글고 편평한 혼합물 영역이 형성되기 위해서, 예정된 시간 간격이 대기된다. 이 시간 간격은, 연소실 내로 향하는, 레이저 점화 장치의 레이저 빔의 점화 장소가 둥글고 편평한 점화 가능한 혼합물 영역 내에 놓일 때까지로 선택된다. 이로써, 점화는 둥글고 편평한 형태의 혼합 영역에서 비로소 이루어진다. 본 발명에 따라, 점화는, 분사된 연료 구름의 가장자리에서가 아니라, 피스톤 상에 있는 둥글고 편평한 혼합물 영역 내에서 이루어진다. 이 경우, 분사 후에, 압축 단계 동안 연료의 분사 방향과 반대로 움직이는 피스톤 상에 둥글고 편평한 혼합물 영역이 형성될 때까지 대기된다. 연소실 내로 침투 깊이가 깊어짐에 따라 점점 증기화되는 빔 형태로, 연료가 연소실 내로 분사되면, 빔에서, 특히 스프레이 피크의 영역에서, 가스형의 연료-공기 혼합물로 이루어진 점화 가능한 커버가 얻어지고, 상기 커버는 빔 중간을 중심으로 옷깃의 주름과 같이 형성된다. 상기 가스형 커버는 실질적으로 물방울 형태를 가진다. 피스톤이 분사된 연료와 반대로 움직이기 때문에, 피스톤은 연료-공기 혼합물을 모든 면으로 수평으로 편향시키고, 이것은 난류에 의한 추가 혼합을 야기한다. 이로써, 피스톤 베이스 상에 본 발명에 따른 둥글고 편평한 점화 가능한 혼합물 영역이 형성된다. 이로써 분사 후와 점화 전의 시간 간격동안 본 발명에 따른 혼합물 영역이 피스톤 상에 형성된다. 둥글고 편평한 혼합물 영역은 점화 가능하지 않은 가스 혼합물, 특히 공기에 의해 둘러싸인다. 이 경우, 피스톤은 실린더 헤드의 방향으로 상부로 더 이동되고, 레이저의 연소 지점이 혼합물 영역 내에 놓이면 비로소 점화가 실시된다. 점화가 혼합물 영역의 내부에서 이루어지기 때문에, 확실한 점화가 가능하다. 또한, 가장자리에서의 점화 지점과 비교하면 점화 장소로부터 혼합물 영역의 가장자리에까지의 불꽃 형성 거리가 훨씬 더 짧으므로, 더 빠른 연소가 이루어진다. 레이저 점화 장치의 사용은, 혼합물 영역 내의 각각의 임의의 지점에서 점화되는 것을 가능하게 한다. 종래의 점화 플러그를 사용하면, 연소실 내로 약 8mm 돌출하는 스파크 위치들만이 가능한데, 왜냐하면 그 외에는 점화 전극 및 점화 세라믹이 너무 뜨겁기 때문이다. 이와 달리, 레이저 점화 장치는 그 중 일부가 연소실 내로 돌출하지 않으면서, 연소실의 가장자리에 배치되어 사용될 수 있다. 또한 레이저 점화 장치는 금속 플러그 전극에서 켄칭(quenching) 현상(열 방출)에 의한 점화 에너지 손실을 가지지 않는다. 이로써 연소 특성에서의 사이클 변동이 감소하는데, 왜냐하면 레이저 점화 장치가 민감한 불꽃 중심 형성의 높은 재현성을 가능하게 하기 때문이다. 또한 레이저 점화 장치를 이용해서, 농도가 옅은 혼합물도 점화될 수 있다. 혼합물 영역의 내부에서의 점화는 혼합물 영역의 완전 연소를 더 빠르게 하고, 이것은 열역학적으로 더 빠른 연소 특성(이로써, 노킹(knocking) 없이 더 높은 압축이 가능해져서, 연비를 줄인다) 및/또는 혼합물의 농도를 더 낮게 하는 것(이로써, 희박화 또는 배기가스 피드백이 가능해져서, NOx를 감소시키고 연비를 개선한다)에 이용될 수 있다.
종속 청구항에는 본 발명의 바람직한 실시예가 제시된다.
연료의 분사는 바람직하게 7개 내지 14개의 홀을 가진 천공된 밸브 또는 바람직하게 70°≤α≤110°의 개구 각(α)을 가진 외부 개방식 링형 갭 밸브(A-밸브)에 의해 생성되는 다수의 개별 빔들에 의해 이루어진다.
바람직하게 연료 분사의 종결과 점화 시작 사이의 시간 간격은, 상기 시간 간격이 5°내지 15°, 특히 5°내지 10°및 특히 바람직하게는 7.5°의 크랭크 각 구간에 상응하도록 선택된다.
둥글고 편평한 혼합물 영역의 빠르고 확실한 형성을 위해, 피스톤 베이스 내에, 바람직하게 오목부가 제공되고, 상기 오목부 내에 둥글고 편평한 혼합물 영역이 형성된다. 오목부는 바람직하게 원형이고 대칭으로 형성된다.
특히 바람직하게 점화는, 전체 혼합물 영역을 거치는, 가능한 짧은 불꽃 형성 거리를 가지도록, 둥글고 편평한 혼합물 영역의 중심 가까이에서 또는 상기 영역의 중심에서 이루어진다.
또한 바람직하게, 피스톤 베이스에는 돌출하는 볼록부가 형성되고, 둥글고 편평한 혼합물 영역 내에 실질적으로 피스톤의 축방향으로 돌출하는 영역을 형성하기 위해, 상기 볼록부에 위에 둥글고 편평한 혼합물 영역이 놓인다. 둥글고 편평한 혼합물 영역의 점화는 바람직하게 돌출한 영역을 기점으로 이루어질 수 있다. 이로써, 둥글고 편평한 혼합물 영역의 점화의 시작은 피스톤의 상사점 방향의 더 이른 운동 구간에서 이루어지므로, 정학히 효율이 최적인 크랭크 각 영역에서 둥글고 편평한 혼합물 영역의 가능한 완전한 연소가 이루어지고, 이어서 폭발 단계가 실시된다. 분사 밸브의 위치 설정을 실린더 헤드의 가능한 중간에 구현하기 위해, 돌출 볼록부가 특히 피스톤 베이스의 오목부의 가장자리에 배치된다. 둥글고 편평한 혼합물 영역을 더 빨리 형성하기 위해, 연료 분사가 바람직하게 피스톤 베이스로부터 돌출하는 볼록부 상으로 이루어진다.
바람직하게, 연료 분사는 연속하는 다수의 인터벌(interval)로 이루어진다. 이로써, 둥글고 편평한 혼합물 영역에서 공기의 양이 많아지는데, 왜냐하면 연료 분사의 개별 인터벌 사이에, 각각 하나의 작은 공기 쿠션이 있기 때문이다.
점화 장소로부터 둥글고 편평한 혼합물 영역을 거친 불꽃 형성 시간을 최대한 짧게 하기 위해, 바람직하게 다수의 점화 장소들이 혼합물 영역 내부에 제공된다. 다수의 점화 장소들은 다수의 레이저 점화 장치들, 또는 상이한 연소 지점들에서 여러 번 작동되는 하나의 레이저 장치에 의해 생성될 수 있다. 다수의 점화 장소들은 바람직하게 둥글고 편평한 혼합물 영역에서 대칭으로 배치된다. 다수의 점화 장소들은 혼합물 영역을 거치는, 가능한 균일한 불꽃 형성 시간을 얻기 위해, 바람직하게 하나의 평면에 배치된다. 그러나 피스톤 및/또는 연소실의 기하학적 조건에 따라 다수의 점화 장소들이 상이한 평면들에도 배치될 수 있다.
예컨대 간단한 방식으로 부하에 따른 점화를 가능하게 하기 위해, 레이저 점화 장치의 연소 폭이 바람직하게 변할 수 있다. 이로써, 레이저 점화 장치는 상이한 환경적 영향에 맞추어질 수 있다.
둥글고 편평한 혼합물 영역의 점화시 다수의 점화 장소에서 특히 소음 발생을 감소하기 위해, 다양한 점화 장소들이 바람직하게 상이한 시점에서 점화된다. 이것은 연소 특성을 더 최적화시킨다.
본 발명에 따른 방법은 바람직하게 내연 기관의 층상 작동(stratified operation)에 적용된다. 여기에서 층상 작동은 내연 기관에 단지 적은 부하만이 가해지는 작동방식을 의미한다. 층상 작동에서는, 연소실에서의 연소가 실질적으로 분사되는 연료량에 의해서만 결정되고, 통상 스로틀 밸브는 넓게 개방되어 있다. 그러나, 본 발명에 따른 방법은 내연 기관의 정상 작동에도 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따라, 레이저 점화 장치, 피스톤 및 연료 분사 장치를 포함하는, 연료 직접 분사식 내연 기관이 제안된다. 또한 내연 기관은 레이저 점화 장치의 점화 시점을 결정하기 위한 제어 장치를 포함한다. 연료 분사 과정이 종료되고 피스톤 상에 둥글고 편평한 점화 가능한 혼합물 영역이 형성되면, 비로소 제어 장치가 레이저 점화 장치를 활성화시킨다. 즉, 한편으로는 둥글고 편평한 혼합물 영역이 형성되도록 하기 위해, 그리고 다른 한편으로 레이저의 연소 지점(점화 장소)이 둥글고 편평한 혼합물 영역 내에 놓이게 되면 비로소 점화가 실행되도록 하기 위해, 연료 분사 과정의 종결과 점화의 시작 사이에 예정된 시간 간격이 소요된다. 이로써 혼합물 영역이 그 내부에서 점화되는 것이 보장되므로, 불꽃 형성 거리가 매우 짧아진다. 제어 장치는 점화 시점을 특히 피스톤 위치에 의존하여 결정한다. 피스톤의 위치는 바람직하게 크랭크 각을 기초로 센서에 의해 결정될 수 있다.
둥글고 편평한 점화 가능한 혼합물 영역의 형성을 지원하기 위해, 피스톤은 바람직하게 피스톤 베이스 면에 실질적으로 원형인 오목부를 포함한다. 오목부는 바람직하게 피스톤의 중심 축선에 대해 대칭이다.
또한 바람직하게 피스톤은 돌출하는 볼록부를 피스톤 베이스 면에 포함한다. 볼록부는 바람직하게 원형 오목부 내에 제공되거나 또는 오목부의 가장자리에 제공된다. 오목부의 영역 내의 돌출한 볼록부에 의해, 둥글고 편평한 혼합물 영역이 돌출부 위로 형성되므로, 혼합물 영역의 영역이 피스톤의 운동 방향으로 돌출하는 것이 보장될 수 있다. 이 경우 레이저 점화 장치는 바람직하게, 레이저의 연소 지점이 혼합물 영역의 돌출 영역 내에 놓이도록 배치된다. 이로써 예컨대 점화는 피스톤의 상사점 훨씬 전에 구현되고 그럼에도 점화는 혼합물 영역 내에서 확실히 이루어진다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라, 피스톤 베이스 면에 형성된 오목부는 피스톤의 중심 축선에 대해 일정한 각도로 기울어진 베이스 면을 가진다. 이것은 레이저 점화 장치가 실린더 헤드 내의 중심에 배치될 수 있고 그럼에도 피스톤 바닥으로 수직 연료 분사를 가능하게 한다. 레이저 점화 장치의 중심 배치는 또한 설치 공간적 장점을 가진다.
바람직하게, 레이저 점화 장치는 레이저 빔의 연소 지점의 위치를 바꾸기 위해 포커싱 가능한 렌즈를 포함한다.
둥글고 편평한 혼합물 영역 내에 다수의 점화 장소들을 가능하게 하기 위해, 내연 기관은 바람직하게 다수의 레이저 점화 장치들을 포함한다. 다수의 레이저 점화 장치들은 이 경우, 둥글고 편평한 혼합물 영역 내의 점화 장소들이 가능한 대칭으로 배치되도록 배치된다. 제어 장치는 특히, 소음 발생 및 혼합물 영역을 통한 불꽃 형성 시간과 관련해서 소정 연소 특성을 최적화하도록, 다수의 레이저 장치들을 바람직하게 상이한 시점에서 작동시킨다.
연료 분사 장치는 바람직하게 7 내지 14 개의 홀을 가지는 천공된 밸브이거나 또는 바람직하게 70° 내지 100°의 개방 각을 가지는 외부 개방식 링형 갭 밸브(A-밸브)이다.
하기에는 본 발명의 바람직한 실시예들이 도면과 관련해서 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 내연 기관의 개략적 측면도,
도 2a 및 도 2b는 천공된 밸브에 의한 연료의 분사의 개략도,
도 3은 외부 개방식 링형 갭 밸브(A-밸브)의 스프레이 구름의 개략도,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 천공된 밸브에 의한 분사의 개략도,
도 5 및 도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 내연 기관의 개략적 단면도,
도 7 및 도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 내연 기관의 개략적 단면도,
도 9 및 도 10은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 내연 기관의 개략적 단면도,
도 11은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 내연 기관의 개략적 단면도,
도 12는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 내연 기관의 개략적 단면도,
도 13은 도 12의 둥글고 편평한 혼합물 영역의 평면도,
도 14a 및 도 14b는 상이한 점화 장소를 포함한 둥글고 편평한 혼합물 영역의 평면도이다.
하기에는 도 1 및 도 2와 관련해서 본 발명의 제 1 실시예에 따른 내연 기관(20)이 설명된다.
도 1에 도시되듯이, 내연 기관(20)은 피스톤 베이스(22)를 구비한 피스톤(21)을 포함하고, 상기 베이스 내에 원형 오목부(23)가 중앙에 그리고 피스톤의 중심 축선(X-X)에 대칭으로 배치된다. 피스톤(21)은 공지된 방식으로 실린더 내에서 운동하고, 실린더 헤드(24) 내에 분사 장치(25) 및 레이저 점화 장치(26)가 배치된다. 분사 장치(25)는 실린더 헤드의 중앙에서 피스톤의 중심 축선(X-X) 상에 배치되고, 본 실시예에서는 10 개의 홀들을 가지는 천공된 밸브이다. 홀들의 배치 는 도 2a에 도시된다. 레이저 점화 장치(26)는 제어 장치(34)를 통해 제어되고, 비구면 렌즈(26a)를 포함한다. 레이저 점화 장치는 양호하게 접속된 광학 펌핑된 고체 레이저를 포함한다. 레이저 점화 장치(26)는 연소실(29) 내로 향하는 레이저 빔(27)을 발생시킨다. 이 경우, 레이저 점화 장치(26)는 실린더 헤드(24)의 내벽에 대해 편평하게 형성되고, 이로써 레이저 점화 장치(26)는 연소실(29) 내로 돌출하지 않는다.
도 2a 및 도 2b에는 연소실(29) 내로의 연료 분사가 명백히 도시된다. 도면 번호 1 내지 10으로 표시된, 분사 장치(25)의 개별 빔들은 반대 방향으로부터 마주 오는 피스톤의 방향으로 연소실 내로 분사된다. 이 경우, 각각의 개별 빔의 침투 깊이가 깊어짐에 따라 증기가 증가하므로, 각각의 분사 빔(1 내지 10)의 둘레에, 특히 분사되는 연료의 스프레이 피크의 영역에 가스형 연료-공기 혼합물로 형성된 커버가 생성된다. 이것은 도 2b에 개별 빔(1 내지 10) 둘레의 큰 원으로 도시되어 있다. 가스형 연료-공기 혼합물 커버는 빔 둘레의 옷깃 주름과 비슷하고 빔의 피크는 가스형 연료-공기 혼합물로 형성된다. 도 2b에 더 자세히 도시되듯이, 개별 빔들의 연료-공기 혼합물 커버는 난류에 의해 부분적으로 겹치는데, 왜냐하면 피스톤(21)은 빔 방향 반대로 운동하고, 연료-공기 혼합물 커버를 수평으로 편향시키기 때문이다. 이로써 둥글고 편평한 점화 가능한 혼합물 영역(28)이 피스톤 베이스(22) 상에 형성된다. 둥글고 편평한 혼합물 영역(28)의 형성은 피스톤 베이스(22) 내에 제공된 오목부(23)에 의해 강화된다. 둥글고 편평한 혼합물 영역(28)은 중심으로부터 외부 가장자리의 방향으로 조금 감소하는 두께를 가진 원형의 형 태를 갖는다. 혼합물 영역(28)은 실질적으로 균일한 가스형 연료-공기 혼합물이고, 상기 혼합물은 0.8 내지 1.5의 평균 람다를 가진다.
본 발명에 따라, 연료의 분사는 상사점(OT) 전 약 35°의 크랭크 각에서 이루어진다. 천공된 밸브의 홀들은, 각각의 개별 빔이 가능한 부시 형태를 가지도록 형성된다. 이를 위해 개별 홀의 홀 직경은 바람직하게 약 130㎛ 내지 200㎛이다. 또한 바람직하게는, 점점 가늘어지는, 특히 원추형의, 외부 개방식 홀들 또는 계단식 홀들이 소정 연료-공기 혼합물-가스 커버를 가지는 부시 스프레이 형태에 적합하다. 도 2a에 도시되듯이, 천공된 밸브의 홀들의 빔 축선들은 상기 축선들이 거의 동일한 공간 각 간격을 가지도록 선택된다.
개별 빔과 피스톤 베이스 사이의 거리에 따라 개별 홀들의 홀 직경이 상이할 수 있다. 도 1에 도시된 분사 장치의 중앙 배치의 경우 피스톤까지의 최단 거리를 가지는 내부 빔들은 원주에 배치되는 홀들보다 더 작은 홀 직경을 가질 수 있다. 더 작은 홀들에 의해 이들을 통과하는 연료량 및 스프레이 충격이 더 작아지므로, 내부 빔들도 피스톤 베이스(22)에 도달하기 이전에 확실히 증기화된다. 분사 홀들의 홀 직경 및 개방 각의 선택, 그리고 홀 개수는, 분사되는 연료가 피스톤 베이스에 도달하면 상기 연료가 바로 증가화되도록 선택된다. 이로써, 반대로 운동하는 피스톤이 점화 가능한 혼합물 영역(28)을 특히 바람직하게 혼합하고 균일화할 수 있다.
혼합물 영역(28)의 형성은, 상사점 전 약 35° 내지 상사점 전 약 20°의 영역에서 이루어진다. 도 1에는 혼합물 영역(28)이 피스톤 베이스의 오목부(23)에서 균일하게 형성되었던 상사점 전 약 20°의 위치가 도시된다. 그러나, 레이저 점화 장치(26)에 의한 점화는, 레이저(27)의 연소 지점이 혼합물 영역(28) 내에 놓이면 비로소 실시된다. 상기 연소 지점은 혼합물 영역 내에서 점화 장소(27a)를 규정한다. 이것은 도 1에 도시되듯이, 상사점 전 약 20°의 피스톤 위치에서 주어지고, 점화 장소(27a)는 중심 축선(X-X) 상에 정확히 놓인다.
제어 장치(34)는 레이저 점화 장치(26)의 점화 시점을 피스톤(21)의 위치에 따라 제어한다. 바람직하게 점화 시점은 상사점 전 약 20°의 크랭크 각이다. 이로써, 혼합물 영역(28)이 효율이 최적인 크랭크 각 영역에서 완전 연소되고 내연 기관의 고효율이 달성된다. 연료 분사의 종결과 점화의 시작 사이의 시간 간격은 5°내지 10°, 바람직하게 7.5°의 크랭크 각에 대한 피스톤의 거리에 상응한다.
혼합물 영역(28) 내의 점화에 의해, 혼합물 영역(28)에 걸친 불꽃 형성 거리가 가장자리에서의 점화에서보다 현저히 줄어든다. 이로써, 한편 더 빠르고 완전한 연소가 이루어진다. 또한, 이로써 특히 내연 기관의 층상 작동에서 더 안정적인 연소 방법이 얻어질 수 있다. 둥글고 편평한 혼합물 영역(28)은 본 발명에 따라, 분사하려는 연료와 피스톤의 상호 작용에 의해 얻어지고, 분사의 종결과 점화의 시작 사이의 일정 시간 간격이, 혼합물 영역의 형성을 가능하게 하고, 혼합물 영역(28)의 점화가 상기 영역 내에서 실시될 수 있도록 주어진다. 또한 내부에서의 점화에 의해, 부재들의 공차에 의해 생기는 편차들이 불균일한 연소를 야기하지 않는다. 매 사이클당 스프레이 기하학의 분산 또는 스프레이 기하학의 특성에 따른 변동도 본 발명에 따른 방법에 영향을 주지 않는다. 레이저 점화 장치는 종래 기술에서 나타났던 금속 플러그 전극에서의 켄칭 현상(열 방출)에 의한 점화 에너지 손실도 일어나지 않는 장점도 가진다. 이로써 오토 엔진(otto-engine)에서 민감한 불꽃 중심 형성의 높은 재현성이 가능해진다.
도 3에는 외부 개방식 링형 갭 밸브(A-밸브) 형태의 분사 장치(25)의 다른 실시예가 도시된다. 도시된 링형 갭 밸브는 연료를 원추형으로 분사하므로, 도 3의 단면도에 도시된 링형 연료 영역(30)이 얻어진다. 연료 영역(30)의 2 개의 면들로, 연료-공기 혼합물로 이루어진 각각 하나의 커버(31 및 32)가 형성된다. 도 3의 링형 갭 밸브의 개방 각은 바람직하게 70°내지 110°이다. 링형 갭 밸브의 분사에 의해서도 균일한 둥글고 편평한 혼합형 영역(28)이 도 1에서처럼 피스톤 상에 생기고, 피스톤은 생기는 연료-공기-가스 혼합물을 수평으로, 그리고 내부 및 외부로 편향시킨다.
도 4a 및 도 4b에는 천공된 밸브로서 형성된 분사 장치(25)의 다른 실시예가 도시된다. 이 경우, 도 4a 및 도 4b에 도시된 천공된 밸브는 12 개의 분사 홀들(1 내지 12)을 포함한다. 분사 홀들은 2 개의 동축의 원들 상에 분배되고 원들 상에 서로 오프셋되도록 배치된다. 이로써, 도 4b에 도시된 개별 빔들 둘레에 스프레이 분배가 얻어진다. 큰 원들은 가스형 혼합물 커버를 나타낸다. 이 외에는 본 실시예가 제 1 실시예에 상응하므로 제 1 실시예에 제시된 설명을 참조할 수 있다.
도 5 및 도 6에는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 내연 기관(20)이 도시되고, 동일하거나 또는 동일한 기능을 하는 부재들은 동일한 도면 번호로 표시된다. 제 1 실시예와의 차이점은 제 2 실시예의 내연 기관(20)의 경우, 레이저 점화 장 치(26)가 중심 축선(X-X) 상에 배치되는 것이다. 분사 장치(25)는 이 경우 레이저 점화 장치(26)의 측면에 그리고 중심 축선에 대해 각α로 배치된다. 분사 장치(25)는 천공된 밸브이고, 도 5에는 아직 액체인 연료 빔(35) 및 형성하려는 연료-공기 혼합물로 된 가스형 커버(36)를 가진 3 개의 분사 빔들이 개략적으로 도시된다. 개별 빔들이 피스톤 베이스(22) 상에 생기면, 완전히 증기화되므로, 가스형 연료-공기 혼합물만이 피스톤 베이스 상에 나타난다. 도 5에 도시되듯이, 피스톤 베이스(22) 내에 형성되는 오목부(23) 내에는 추가로, 돌출하는 볼록부(37)가 형성된다. 돌출 볼록부(37)는 중심 축선(X-X) 상에서 오목부(23)의 중앙에 배치되고 실질적으로 구 단면 형태를 가진다. 연료의 분사는 이 경우 정확히 돌출 볼록부(37) 방향으로 이루어진다. 도 5에 도시되듯이, 분사의 시작시 피스톤의 위치는 상사점 전 약 35°이다. 연료 분사가 폐쇄되면, 피스톤(21)이 레이저 점화 장치(26)의 방향으로 더 이동되고, 피스톤 베이스에서의 편향에 의해 균일한, 점화 가능한 혼합물 영역(28)이 형성된다(도 6 참조). 이 경우 혼합물 영역(28)은 돌출 볼록부(37) 위로 형성되므로, 도 6에 도시되듯이 점화 장소(27a)는 피스톤 위치가 상사점 전 약 20°인 경우, 혼합물 영역(28)의 돌출 영역(28a) 내에 놓인다. 도 6에 도시된 피스톤의 위치는, 혼합물 영역(28)의 점화가 이루어지는 위치 설정을 나타낸다. 왜냐하면 본 실시예에서 레이저 점화 장치(26)가 중심 축선(X-X) 상에서 중앙에 배치되고 중심 축선(X-X)은 혼합물 영역(28)을 위한 대칭 축선이기도 하기 때문에, 점화 장소(27a)로부터 혼합물 영역(28)의 가장자리까지의 불꽃 형성 거리가 본 실시예에서 특히 짧다. 이로써 특히 빠른 완전 연소가 달성될 수 있다.
도 7 및 도 8에는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 내연 기관(20)이 도시되고, 동일하거나 동일한 기능의 부재들은 전술한 실시예에서와 동일한 도면 부호로 표시된다. 제 3 실시예의 내연 기관(20)은 제 2 실시예의 내연 기관에 실질적으로 상응하지만, 제 3 실시예의 경우, 돌출 볼록부(37)는 오목부(23)의 가장자리에 배치된다. 이로써, 분사 장치(25)가 피스톤(21)의 중심 축선(X-X) 상에서 중앙에 배치되고 레이저 점화 장치(26)는, 상기 점화 장치가 돌출 볼록부(37) 위에 배치되도록 실린더 헤드(24) 내에 배치된다. 이로써 볼록부(37) 및 레이저 점화 장치(26)는 실질적으로 중심 축선(X-X)에 대해 평행한 공통 축선(Y-Y) 상에 배치된다. 연료의 분사는, 피스톤 베이스(22) 내에 형성되는 오목부(23) 내로 직접 이루어진다. 오목부(23)와, 빔 입사 방향의 반대인 피스톤의 운동이 협동하여, 분사의 종결 후와 점화 전에 혼합물 영역(28)이 오목부(23) 내에 형성되고, 혼합물 영역(28)은 돌출 볼록부(27)의 영역 내에 돌출 영역(28a)을 가진다(도 8 참조). 도 8에 도시된, 상사점 전 약 20°위치에서, 레이저(27)의 연소 지점은 혼합물 영역(28)의 돌출 영역(28a) 내에 있으므로, 점화가 혼합물 영역(28) 내에서 이루어질 수 있다. 이로써, 제 1 실시예와 비교하면, 혼합물 영역(28)의 더 이른 점화가 실시될 수 있는데, 왜냐하면 레이저 점화 장치가 혼합물 영역(28)의 돌출 영역(28a)을 점화시켜 불꽃 형성이 그곳에서부터 전체 혼합물 영역(28)을 거쳐 진행되기 때문이다. 이 외에는 본 실시예가 전술한 실시예들에 상응하므로, 거기서 제시한 설명을 참조할 수 있다.
도 9 및 도 10에는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 내연 기관(20)이 도시되 고, 동일하거나 또는 동일한 기능의 부재들은 전술한 실시예에서와 동일한 도면 번호로 표시된다. 제 4 실시예는 실질적으로 제 2 실시예에 상응하고, 마찬가지로 피스톤 베이스(22) 내의 오목부(23)의 중간에 돌출 볼록부(37)가 형성된다. 레이저 점화 장치(26)는 피스톤(21)의 중심 축선(X-X) 상에서 중앙에 배치되고 분사 장치(25)는 α의 각으로 배치된다. 제 2 실시예와의 차이점은, 피스톤 베이스가 오목부(23)의 영역에서 중심 축선(X-X)에 대해 수직인 평면(E)에 대해 기울어지게 배치되는 것이다. 기울기는 도 9 및 도 10에 각도β로 표시된다. 오목부(23)의 기울기는 바람직하게, 중간의 중앙 분사 빔이 비스듬한 오목부 면에 대해 실질적으로 수직으로 분사되도록 선택된다. 이 경우 중앙 분사 빔이 돌출 볼록부(37) 상에 도달하고, 이것은 둥글고 편평한 혼합물 영역(28)을 더 빨리 형성시킨다. 도 9 및 도 10에 도시되듯이, 레이저 점화 장치(26)는 돌출 볼록부(37) 위로 배치되고, 이로써 혼합물 영역의 더 이른 점화가 가능하다. 그 외에는, 본 실시예가 전술한 실시예들에 상응하므로, 거기에 제시된 설명을 참조할 수 있다.
도 11에는 본 발명에 따른 내연 기관의 제 5 실시예가 도시되고, 동일하거나 동일한 기능의 부재는 전술한 실시예에서와 동일한 도면 번호로 표시된다. 제 5 실시예는 실질적으로 제 2 실시예에 상응하고, 제 2 실시예에서와의 차이점은 분사 장치(25) 및 레이저 점화 장치(26)가 중심 축선(X-X)에 대해 각도γ및 δ로 배치되는 것이다. 분사 장치(25) 및 레이저 점화 장치(26)의 경사 각(γ,δ)은 동일하고, 상이한 부호를 가진다. 피스톤 베이스(22) 내 오목부(23) 내의 돌출 볼록부(37)는 레이저 점화 장치(26) 아래에 배치되고, 이로써 오목부의 대칭 형성이 가 능하다. 둥글고 편평한 혼합물 영역(28)이 돌출 볼록부(37) 위로 돌출 영역(28a)을 형성하므로, 상기 돌출 영역(28a) 내에 혼합물 영역(28)의 점화 장소(27a)가 놓인다. 그 외에는 본 실시예가 전술한 실시예에 상응하므로, 거기에 제시된 설명을 참조할 수 있다.
하기에는 도 12 및 도 13과 관련해서, 본 발명의 제 6 실시예에 따른 내연 기관이 설명되고, 역시 동일하거나 동일한 기능의 부재들은 전술한 실시예에서와 동일한 도면 번호로 표시된다. 도 12에 도시되듯이, 제 6 실시예의 내연 기관은, 2 개의 레이저 점화 장치들(26)을 포함한다. 분사 장치(25)는 피스톤(21)의 중심 축선(X-X) 상에서 중앙에 배치된다. 상기 2 개의 레이저 점화 장치들(26)은 측면에 중심 축선(X-X)에 대해 각도γ또는 δ로 배치되고, 각도γ와 δ는 동일한 크기이다. 2 개의 레이저 점화 장치들(26)의 배치는, 2 개의 점화 장소들(27a)이 둥글고 편평한 혼합물 영역(28) 내에 생길 수 있게 한다. 이로써 특히 혼합물 영역(28)내의 불꽃 형성 거리가 짧게 유지될 수 있다. 도 12 및 도 13에는 불꽃 형성 거리가 점화 장소들(27a) 둘레에 짧은 화살표로 개략적으로 표시된다. 둥글고 편평한 혼합물 영역(28)의 점화는 바람직하게 동시에 이루어지는데, 왜냐하면 둥글고 편평한 혼합물 영역(28)이 중심 축선(X-X)에 대해 대칭으로 형성되기 때문이다. 상기 2 개의 점화 장소들(27a)은 중심 축선(X-X)에 대해 수직인 평면(F)에 놓인다. 그 외에는 본 실시예가 전술한 실시예들에 상응하므로, 거기에 제시된 설명이 참조될 수 있다.
도 14a 및 도 14b에는 다수의 점화 장소들에 의해 둥글고 편평한 혼합물 영 역(28)을 점화하는 상이한 2 개의 실시예들이 도시된다. 도 14a에는, 원형 원주를 가진 혼합물 영역(28) 내에 중심 축선(X-X)으로부터 서로 각각 약 120°의 각도로 배치되는 3 개의 점화 장소들(27a)이 배치된다. 각각의 점화 장소(27a)로부터 혼합물 영역(28)의 가장자리로의 거리는 동일하게 선택된다. 도 14b에는 중심 축선(X-X)에 대해 대칭으로 배치되는 4 개의 점화 장소들(27a)을 포함하는 형태가 도시된다. 도 14b의 4 개의 점화 장소들(27a)을 포함하는 상기 배치가 특히 바람직한데, 그 이유는 전체 혼합물 영역(28)이 점화될 때까지, 불꽃 형성 거리가 각각의 점화 장소(27a)로부터 전체 혼합물 영역(28)을 거쳐 실질적으로 동일하기 때문이다.
물론, 제시된 모든 실시예들에서 복수 분사가 실시될 수 있다. 이것은 특히, 혼합물 영역(28)이 교대로 형성되고, 2 개의 연료-공기 혼합물 층들 사이에 각각 하나의 얇은 공기 층이 제공되는 장점을 가진다. 이로써 혼합물 영역(28)에서의 공기 비중이 더 커질 수 있다.
기술된 모든 실시예들에서 본 발명에 따른 방법의 다른 장점은, 혼합물 영역(28)의 생성을 위해, (점화 플러그를 위한 스프레이 간격 없이) 대칭 스프레이 기하학을 생성시키는 분사 장치들이 사용될 수 있다는 것이다. 이로써 연소실 내로 돌출하는 점화 플러그에 대한 분사 장치의 할당 배치도 생략된다. 또한 종래 기술에서 점화 플러그의 점화 가능성을 감소시켰던 액체 연료를 가진 레이저 점화 장치의 습윤이 이루어지지 않는다.
본 발명에 따른 내연 기관은 차량 내에서 및 고정적으로도 사용될 수 있다.

Claims (22)

  1. 연료 분사 장치(25) 및 레이저 점화 장치(26)를 포함하는 내연 기관(20)의 작동 방법으로서,
    상기 레이저 점화 장치(26)는 연소실(29) 내에 레이저 빔(27)을 발생시키고, 상기 내연 기관의 압축 단계 동안 연료가 상기 연료 분사 장치(25)에 의해 상기 연소실(29) 내로 분사되고, 연료는, 연료와 공기로 이루어진 점화 가능한, 둥글고 편평한 혼합물 영역(28)이 피스톤(21) 상에 형성되도록, 상기 연소실(29) 내로 분사되고, 연료 분사의 종결 시점과 점화의 시작 시점 사이에서, 상기 둥글고 편평한 혼합물 영역(28)이 형성되기 위한 예정된 시간 간격이 대기된 후, 상기 레이저 점화 장치에 의해 점화가 상기 둥글고 편평한 혼합물 영역(28) 내에서 이루어지는 내연 기관의 작동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    연료의 분사가 다수의 분사 홀들(1-12)을 구비한 천공된 밸브에 의해 또는 외부 개방식 링형 갭 밸브에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 작동 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    연료 분사의 종결 시점과 점화의 시작 시점 사이의 상기 시간 간격은, 상기 피스톤(21)이 5°내지 15°, 특히 5°내지 10°, 특히 7.5°의 크랭크 각도에 걸쳐 운동하는 시간에 상응하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 작동 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피스톤(21)의 피스톤 베이스(22) 내에 오목부(23)가 형성되고 상기 둥글고 편평한 혼합물 영역(28)이 상기 오목부(23) 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 작동 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    점화가 상기 혼합물 영역(28)의 중심 가까이에서 또는 상기 영역의 중심에서 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 작동 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 둥글고 편평한 혼합물 영역(28) 내에 축방향으로 돌출하는 영역(28a)을 형성하기 위해, 상기 피스톤(21)에 돌출 볼록부(37)가 형성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 작동 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 혼합물 영역(28)의 점화가 상기 돌출 영역(28a) 내에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 작동 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 분사가 다수의 인터벌로 및/또는 다수의 연료 분사 장치들에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 작동 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 둥글고 편평한 혼합물 영역(28)이 상기 혼합물 영역(28) 내의 다수의 점화 장소들(27a)에서 점화되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 작동 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 다수의 점화 장소들(27a)이 상기 둥글고 편평한 혼합물 영역(28)에서 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 작동 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항에 있어서,
    상기 레이저 점화 장치(26)의 연소 폭이 가변적인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 작동 방법.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 점화 장소(27a)의 점화가 상이한 시점에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 작동 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내연 기관의 작동 방법이 내연 기관의 층상 작동 방식에서 실시되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 작동 방법.
  14. 레이저 점화 장치(26), 피스톤(21), 연료 분사 장치(25)를 포함하는 가솔린 직접 분사식 내연 기관으로서,
    상기 연료 분사 장치는 점화 가능하고 둥글고 편평한 혼합물 영역(28)이 상기 피스톤(21) 상에 형성되도록, 압축 단계에서 연료를 연소실(29) 내로 분사하고,
    상기 내연 기관은 상기 레이저 점화 장치(26)의 점화 시점을 결정하기 위해 제어 장치(34)를 포함하고,
    상기 제어 장치(34)는, 상기 레이저 점화 장치(26)의 레이저 빔(27)의 연소 지점이 상기 혼합물 영역(28) 내에 놓이면 비로소 점화 신호가 상기 레이저 점화 장치(26)에 전달됨으로써, 점화 시점을 결정하는 내연 기관.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제어 장치(34)가 피스톤의 위치에 따라 점화 시점을 결정하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 피스톤의 위치는 크랭크 각의 검출에 의해 결정 가능한 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  17. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피스톤(21)은 실질적으로 원형인 오목부(23)를 피스톤 베이스(22)에 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  18. 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피스톤은 돌출 볼록부(37)를 피스톤 베이스(22)에 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  19. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
    상기 오목부(23)가 상기 피스톤(21)의 중심 축선(X-X)에 대해 각도β로 기울어진 베이스면을 가지는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  20. 제 14 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 점화 장치(26)는 상기 레이저 빔(27)의 연소 지점의 위치를 변경하기 위해, 포커싱 가능한 렌즈(26a)를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  21. 제 14 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 점화 장치(26)가 다수로 제공되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제어 장치(34)는 상기 다수의 레이저 점화 장치들(26)을 상이한 지점에서 활성화시키는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
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