KR20080106589A - 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관 - Google Patents

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다께시 아시자와
오사무 도미노
히로시 노무라
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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관은 실질적으로 실린더의 상부 영역에 배치된 연료 분사 밸브(1) 및 점화 플러그(2)를 갖는다. 연료는 실린더 보어의 배기 밸브측을 통해 하강했다가 실린더 보어의 흡기 밸브측을 통해 상승 유동함으로써 실린더 내를 선회하는 텀블 유동을 강화시키기 위하여 텀블 유동의 유동 방향으로 연료 분사 밸브(1)로부터 분사된다.
실린더내 분사, 연료 분사 밸브, 점화 플러그, 실린더 보어, 텀블 유동

Description

실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관 {IN-CYLINDER INJECTION TYPE SPARK-IGNITION INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관에 관한 것이다.
내연 기관은 균질 혼합기를 생성하고 이를 각 압축 행정 말기에 연소시킴으로써 균질 연소를 수행한다. 이러한 균질 연소의 상태는 연소 속도를 증가시킴으로써 개선될 수 있다. 연소 속도는, 예를 들어, 실린더 내로 공급된 흡입 공기로부터 흡기 텀블 유동을 생성하고 생성된 텀블 유동을 점화 시기까지 지속시킴으로써, 각 압축 행정의 말기의 점화 시기까지 실린더 내에 흡입 공기의 이동을 지속시킴으로써 증가될 수 있다.
예를 들어, 일본공개특허공보 제2005-180247호에는 각 압축 행정의 말기의 점화 시기까지 텀블 유동을 지속시키기 위해서, 흡기 포트 내에 흡기 유동 제어 밸브를 설치하고 이 흡기 유동 제어 밸브에 의해 흡입 공기를 흡기 포트의 상부 벽을 따라 유동시키고 각 실린너 내로 유입하도록 안내함으로써, 실린더 내에 강한 텀블 유동을 생성하는 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관이 기재되어 있다.
전술된 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관에서, 흡입 공기가 흡기 유동 제어 밸브에 의해 안내되어 흡기 포트의 상부 벽을 따라 유동하여 각 실린더내로 유입할 때, 흡기 포트는 흡기 유동 제어 밸브에 의해 좁아진다. 이 엔진에서, 강한 텀블 유동은, 필요 흡입 공기량이 비교적 적을 때에는 문제없이 생성될 수 있다. 그러나, 필요 흡입 공기량이 비교적 많을 때에는, 흡기 포트가 흡기 유동 제어 밸브에 의해 좁아지면 흡입 공기의 부족이 유발될 가능성이 있기 때문에, 흡기 유동 제어 밸브에 의해 실린더 내에 강한 텀블 유동이 생성될 수 없다.
이를 해결하기 위하여, 전술된 흡기 유동 제어 밸브를 설치하는 대신에, 실린더의 상부 영역의 실질적으로 중심에 배치된 연료 분사 밸브로부터 실린더 보어의 배기 밸브측으로 흡입 행정의 말기에 분사되는 연료의 추진력에 의해서 실린더 보어의 배기 밸브측을 따라 하강했다가 실린더 보어의 흡기 밸브측에 따라 상승 유동함으로써 실린더 내에서 선회하는 텀블 유동을 강화시키는 것이 가능하다.
그러나, 실린더 내에서 생성되는 텀블 유동의 강도는 내연 기관의 운전 상태에 따라 실린더 내로 공급되는 흡입 공기의 운동 에너지가 변화됨에 따라 변동된다. 따라서, 분사된 연료의 추진력이 크게 설정된 경우, 비교적 낮은 강도의 텀블 유동이 실린더 내에 생성되기 시작하면, 분사된 연료는 텀블 유동을 관통하여 실린더 보어의 벽에 부착될 수 있고, 이는 엔진 오일의 희석을 유발할 수 있다. 한편, 분사 연료의 추진력이 작게 설정된 경우, 비교적 높은 강도의 텀블 유동이 실린더 내에 생성되기 시작하면, 텀블 유동을 강화시키는 것이 불가능해진다.
본 발명은 필요 흡기량에 관계없이 텀블 유동을 이용하여 점화 시기까지 흡입 공기의 이동을 지속시킬 수 있는 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관을 제공한다.
본 발명의 제1 태양은 실린더의 상부 영역에 배치된 연료 분사 밸브와 점화 플러그를 갖는 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관에 관한 것이다. 이 내연 기관에서, 연료 분사 밸브는 실린더의 실린더 보어의 배기 밸브측을 통해 하강했다가 실린더 보어의 흡기 밸브측을 통해 상승 유동함으로써 실린더 내에서 선회(swirl)하는 텀블 유동을 강화시키기 위하여 실질적으로 텀블 유동의 유동 방향으로 연료를 분사한다.
전술된 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관은 연료 분사 밸브가 실린더의 상부 영역의 배기 밸브측에 배치되고 연료 분사 밸브가 실질적으로 실린더의 축방향으로 연료를 하향 분사하도록 구성된 것일 수도 있다.
전술된 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관에 따르면, 실린더의 상부 영역의 배기 밸브측에 배치된 연료 분사 밸브는 실질적으로 실린더의 축방향으로 연료를 하향 분사하여, 텀블 유동을 강화시킨다. 이와 같이, 텀블 유동은, 필요 흡기량에 상관없이, 점화 시기까지 지속될 수 있고, 따라서 흡기 유동의 이동이 점화 시기까지 지속되어 연소 속도가 그에 상응하여 증가된다.
전술된 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관은 내연 기관이 2개의 배기 밸브를 포함하고 연료 분사 밸브가 2개의 배기 밸브 사이에 배치되는 것일 수도 있다.
이 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관은, 연료 분사 밸브가 2개의 배기 밸브 사이에 배치되기 때문에, 연료 분사 밸브가 실린더의 상부 영역의 배기 밸브측의 위치에 용이하게 배치될 수 있다.
전술된 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관은 내연 기관이 단일 배기 밸브를 포함하고 연료 분사 밸브가 복수 제공되고 연료 분사 밸브가 단일 배기 밸브의 양측에 각각 제공되는 것일 수도 있다.
이 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관에 따르면, 2개의 연료 분사 밸브가 단일 배기 밸브의 양측에 각각 제공되기 때문에, 2개의 연료 분사 밸브는 실린더의 상부 영역의 배기 밸브측의 위치에 용이하게 배치될 수 있고, 텀블 유동은 2개의 연료 분사 밸브로부터 각각 분사된 연료에 의해서 더욱 강화될 수 있다.
전술된 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관은 연료 분사 밸브가 흡기 행정의 말기에서 실린더 보어의 배기 밸브측에 연료를 분사하기 위하여 실린더의 상부 영역의 실질적으로 중심에 배치되고 실린더 내로 공급된 흡입 공기의 운동 에너지가 작을 때는 운동 에너지가 클 때보다 연료 분사 밸브가 더 낮은 분사율로 연료를 분사하도록 구성된 것일 수도 있다.
이 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관에 따르면, 연료 분사 밸브는 텀블 유동을 강화하도록 흡기 행정의 말기에 실린더 보어의 배기 밸브측에 연료를 분사하고 연료 분사 밸브로부터 분사될 연료의 분사율은 실린더 내로 공급되는 흡입 공기의 운동 에너지가 작을 때가 운동 에너지가 클 때보다 더 적다. 따라서, 실린더 내로 공급되는 흡입 공기의 운동 에너지가 작고 따라서 텀블 유동의 강도가 비교적 낮을 때, 연료 분사 밸브로부터 분사되는 연료의 분사율이 감소되어, 분사되는 연료의 추진력이 그에 상응하여 감소된다. 이는 분사된 연료가 텀블 유동을 관통하여 실린더 보어의 벽에 부착될 가능성을 감소시킨다. 이 경우, 또한, 텀블 유동의 강도가 비교적 낮기 때문에, 텀블 유동은 분사된 연료의 작은 추진력에 의해서도 확실하게 강화될 수 있다. 한편, 실린더 내로 공급된 흡입 공기의 운동 에너지가 크고 따라서 텀블 유동의 강도가 비교적 높을 때, 연료의 분사율이 증가되어 분사된 연료의 추진력이 그에 상응하여 증가된다. 이 경우, 또한, 텀블 유동의 강도가 비교적 높기 때문에, 분사된 연료의 추진력이 증가되는 경우에도, 분사된 연료가 텀블 유동을 관통하기 어렵다. 따라서, 실린더 보어의 벽으로의 분사된 연료의 부착 가능성은 감소된다.
전술된 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관은 운동 에너지가 감소됨에 따라 분사율이 감소되는 것일 수도 있다.
이 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관에 따르면, 운동 에너지가 감소함에 따라 분사율이 감소되기 때문에, 분사된 연료의 추진력은 텀블 유동의 강도가 약해짐에 따라 감소한다. 따라서, 텀블 유동은 분사된 연료에 의해서 보다 확실하게 강화되고 실린더 보어의 벽으로의 분사된 연료의 부착 가능성은 충분하게 감소된다.
전술된 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관은 연료 분사 밸브의 밸브 본체의 리프트량이 고 리프트량과 저 리프트량의 2단계로 제어되고 연료 분사 밸브가 밸브 본체를 고 리프트량만큼 리프트함으로써 최대 분사율에서, 밸브 본체를 저 리프트량만큼 리프트함으로써 최소 분사율에서, 그리고 밸브 본체를 우선 고 리프트량 및 저 리프트량 중 하나만큼 리프트한 후 연속해서 나머지 하나만큼 리프트함으로써 최대 분사율과 최저 분사율 사이의 분사율에서 연료를 분사하도록 구성된 것일 수도 있다.
이 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관에 따르면, 연료 분사 밸브의 밸브 본체의 리프트량은 2단계, 즉 고 리프트량 및 저 리프트량으로 제어될 수 있고, 연료 분사 밸브는 밸브 본체를 고 리프트량만큼 리프트함으로써 최대 분사율에서, 밸브 본체를 저 리프트량에 의해서 리프트함으로써 최소 분사율에서, 그리고 우선 밸브 본체를 고 리프트량 및 저 리프트량 중 하나만큼 리프트한 후 연속하여 나머지 하나만큼 밸브 본체를 리프트함으로써 최대 분사율과 최소 분사율 사이의 분사율에서 연료를 분사하도록 구성된다. 따라서, 분사율은 또한 밸브 본체의 리프트량을 2단계로 제어함으로써 텀블 유동의 강도에 따라 다수 단계로 변경될 수 있다.
본 발명의 전술한 또는 추가의 목적, 특징 및 이점이 동일 참조부호가 동일 요소를 표시하기 위하여 사용된 첨부 도면을 참조하는 예시 실시예의 후속 설명으로부터 명백해질 것이다.
도1은 본 발명의 제1 예시 실시예에 따른 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관을 도시하는 종단면도이다.
도2는 도1에 도시된 내연 기간의 실린더 헤드의 저면을 도시하는 도면이다.
도3은 본 발명의 제2 예시 실시예에 따른 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관의 실린더 헤드의 저면을 도시하는 도면이다.
도4는 본 발명의 제3 예시 실시예에 따른 실린더내 연료 분사식 불꽃 점화 내연 기관의 실린더 헤드의 저면을 도시하는 도면이다.
도5는 도4에 도시된 내연 기관을 도시하는 종단면도이다.
도6은 연료 분사 밸브의 밸브 본체의 리프트 패턴을 나타내는 타임 차트이다.
도7은 연료 분사 밸브의 밸브 본체의 다른 리프트 패턴을 나타내는 타임 차트이다.
도1은 본 발명의 제1 예시 실시예에 따른 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관을 도시하는 종단면도이다. 도2는 도1에 도시된 내연 기관의 실린더 헤드의 저면을 도시하는 도면이다. 제1 예시 실시예의 내연 기관은, 각 실린더에, 실린더의 상부 영역의 배기 밸브측에 배치되고 실린더 내로 직접 연료를 분사하는 데 이용되는 연료 분사 밸브(1)와, 실린더의 상부 영역의 실질적으로 중심에 배치된 점화 플러그(2)와, 피스톤(3)과, 2개의 흡기 밸브(4)(한 쌍의 흡기 밸브)와, 2개의 배기 밸브(5)(한 쌍의 흡기 밸브)를 갖는다.
연료 분사 밸브(1)는 실린더의 상부 영역 내의 2개의 배기 밸브(5) 사이에, 즉 2개의 배기 밸브(5) 및 실린더의 상부 영역의 주연부에 의해서 둘러싸이고 일정 영역을 갖는 구역 내에 배치된다. 즉, 연료 분사 밸브(1)는 실린더 보어의 직경을 증가시키지 않고 실린더의 상부 영역의 배기 밸브측의 위치에 용이하게 배치될 수 있다.
제1 예시 실시예의 내연 기관은 이론 공연비보다 희박한 공연비를 갖는 균질 혼합기를 생성하고 이 혼합기를 점화 플러그(2)에 의해 점화시킴으로써 균질 연소를 수행한다. 내연 기관이 고속 고부하에서 운전되면, 내연 기관은 큰 출력을 발생시킬 필요가 있다. 이러한 상태에서, 내연 기관은 농후 또는 이론 공연비에서 균질 연소를 수행할 수 있다. 특히, 희박 공연비에서 균질 연소를 수행할 때, 점화 시기까지 실린더 내부에서 흡입 공기의 이동을 지속시킴으로써 연소 속도가 증가되지 않으면, 원하는 엔진 출력은 얻어질 수 없다. 이를 고려하여, 흡기 행정에서 실린더 내로 공급되는 흡입 공기로부터, 실린더 보어의 배기 밸브측을 통해 하강했다가 흡기 밸브측을 통해서 상승 유동하는 텀블 유동(T)을 생성하고 생성된 텀블 유동을 점화 시기까지 지속시킴으로써 압축 행정의 말기의 점화 시기까지 실린더 내에 흡입 공기의 이동을 지속시키는 것이 바람직하다.
그러나, 일반적으로, 강한 텀블 유동은 실린더 헤드의 벽 두께를 증가시키고 흡기 포트의 형상 및 위치를 적절하게 변경하거나 또는 흡기 포트 내에 흡기 유동 제어 밸브를 제공하는 것과 같은 변형없이는 생성될 수 없다. 따라서, 이 예시 실시예와 같이, 부분적으로 원호 형상인 공동(3a)이 피스톤(3)의 정상면에 형성되어 텀블 유동의 강도의 감소를 억제하더라도, 텀블 유동은 압축 행정에서 쉽게 약화되어 점화 시기 전에 소멸되고, 따라서 텀블 유동을 이용함으로써 점화 시기까지 흡입 공기의 이동을 지속시키는 것은 불가능하다.
한편, 이 예시 실시예에서는, 흡기 행정에서 실린더 내에 생성된 적절한 텀블 유동(T)이 실린더 보어의 배기 밸브측을 통해서 하강 유동하고 있을 때, 흡기 행정의 말기에서 연료(F)가 연료 분사 밸브(1)로부터 실린더의 실질적으로 축방향 하향으로, 즉 연료 분사 밸브(1)로부터 거의 바로 아래로 분사되고, 분사된 연료(F)의 추진력에 의해서 텀블 유동(T)은 강화된다. 이와 같이 강화된 텀블 유동은 압축 행정의 말기의 점화 시기까지 실린더 내에 유지된다. 이와 같이, 흡입 공기의 이동은 점화 시기까지 실린더 내에서 지속될 수 있다.
연료 분사 밸브(1)로부터 분사되는 연료 스프레이의 형상은 중실 또는 중공 원뿔의 형상 또는 중실 컬럼의 형상과 같이 임의의 형상으로 설정될 수 있다. 다르게는, 원호 슬릿 형상의 분사 구멍 및 복수의 직선 슬릿 형상의 분사 구멍을 조합식으로 제공함으로써, 연료는 원뿔형이고 단면이 비교적 얇은 두께를 갖는 형상 또는 지그재그형 라인과 같이 보이고 단면이 비교적 얇은 두께를 갖는 형상으로 분무될 수 있다. 즉, 연료는, 연료 스프레이의 추진력이 실린더 내에서 텀블 유동을 가속시킬 정도로 충분히 크게 만들어질 수 있다면 임의의 형상으로 분사될 수 있다. 한편, 분사된 연료가 실린더 내에서 진행함에 따라 더 넓게 퍼지도록 연료가 분사되는 경우, 실린더 내에서 연료가 퍼지는 방향은 도1에서 실린더 보어의 벽을 향해 퍼지지 않는 것이 바람직하다(즉, 연료는 도1의 실린더 보어의 반경 방향 외향으로 퍼지지 않는다). 이렇게 함으로써, 분사된 연료가 실린더 보어의 벽에 부착되어 엔진 오일의 희석을 유발할 수 있는 가능성이 감소될 수 있다.
연료 분사 밸브가 실린더의 상부 영역의 실질적으로 중심에 배치되는 실린더내 분사형 불꽃 점화 내연 기관의 경우, 연료는 연료 스프레이에 의해서 텀블 유동을 강화시키도록 연료 분사 밸브로부터 실린더의 벽을 향해서(즉, 연료 분사 밸브로부터 비스듬히 아래로) 분사될 필요가 있고, 따라서 연료는 실린더 보어의 벽에 쉽게 부착할 수 있다. 더욱이, 예시 실시예의 내연 기관에서는, 점화 플러그(2)가 실린더의 상부 영역의 중심에 배치되기 때문에, 비교적 큰 흡기 및 배기 밸브가 흡기 밸브(4) 및 배기 밸브(5)로 사용될 수 있고, 따라서 흡기 및 배기 효율은 그에 상응하여 개선된다.
예시 실시예에서, 연료 분사 밸브(1)는 슬릿형 분사 구멍을 갖고 비교적 얇은 두께를 갖는 부채의 형상으로 연료를 분사하고, 부채형 연료 스프레이(F)의 두께 방향은 도1의 실린더 보어의 반경 방향과 일치하고 연료 스프레이(F)가 측방향으로 연장하는 방향은 도1의 실린더 보어의 어떠한 반경 방향과도 일치하지 않는다. 이는 연료 스프레이(F)가 실린더 보어의 벽에 부착할 가능성을 감소시킨다.
점화 플러그(2)는 중심 전극(2a) 및 "L"자형으로 형성된 플레이트 전극(2b)을 갖는다. 예시 실시예에서, 점화 플러그(2)는 도1의 플레이트 전극(2b)의 측방향이 텀블 유동의 유동 방향에 실질적으로 평행하도록 배치된다. 이 배치는 플레이트 전극(2b)의 측방향이 예를 들어 텀블 유동의 유동 방향과 교차하도록 점화 플러그(2)가 배치된 경우와 비교하여 텀블 유동이 플레이트 전극(2b)과 충돌함으로써 약화될 가능성을 감소시킨다.
예시 실시예에서는, 다시 말해, 점화 플러그(2)는 도1의 플레이트 전극(2b)의 종방향이 텀블 유동(T)의 유동 방향과 교차하도록 배치된다. 그러나, 플레이트 전극(2b)의 두께가 얇고 따라서 텀블 유동(T)은 플레이트 전극(2b)의 존재에 기인하여 거의 약화되지 않는다. 플레이트 전극(2b)이 도1에 도시된 위치로부터 축을 중심으로 180도 역전되면, 플레이트 전극(2b)은 전술된 경우에서와 같이 텀블 유 동(T)을 거의 약화시키지 않음에 주의해야 한다. 점화 플러그(2)가 서로 대면하는 2개의 플레이트 전극을 갖는 점화 플러그인 경우에도, 점화 플러그(2)는 플레이트 전극의 종방향이 텀블 유동(T)의 유동 방향과 교차하고 플레이트 전극의 측방향은 텀블 유동(T)의 유동 방향과 실질적으로 평행하도록 배치되는 것이 바람직하다. 점화 플러그(2)의 이러한 배치로, 점화 시에 전극(2a, 2b) 사이에서 발생된 전기 아크가 텀블 유동(T)에 의해서 하류측을 향해서 용이하게 연장되어, 실린더 내에서 균질 혼합기를 점화시키는 것을 쉽게 한다.
원하는 공연비에서 균질 연소를 수행하기 위하여, 연료 분사 밸브(1)는 각 흡기 행정의 말기에서 필요 연료량을 분사하도록 제어된다(예를 들어, 연료 분사를 개시할 크랭크각은 연료 분사를 종료할 크랭크각이 흡기 행정에서 하사점 근처의 지점이 될 수 있도록 연료 분사량에 따라 설정되거나, 연료 분사 개시 크랭크각이 연료 분사량에 관계없이 각 흡기 행정의 말기의 지점으로 설정된다). 이와 같이, 필요 연료량이 증가할수록, 텀블 유동(T)이 더욱 강화된다.
필요 연료량이 커지면, 필요 연료량의 일부가 각 흡기 행정의 초기 또는 중간 단계에서(또는 각 흡기 행정의 2이상의 단계로) 미리 분사될 수 있다. 이렇게 함으로써, 각 흡기 행정의 말기에 분사될 연료의 양이 감소될 수 있고, 따라서 텀블 유동(T)이 강화되는 정도가 제어될 수 있다.
한편, 이 예시 실시예에 따른 내연 기관은, 전술된 것과 같이, 개별 실린더 내로 직접 연료를 분사함으로써 균질 연소를 수행하는 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관이다. 따라서, 필요 연료량이 신뢰성 있는 방식으로 각각의 실린더 내로 공급될 수 있고, 따라서 흡기 포트 내로 연료를 분사하는 내연 기관에서와는 달리, 흡기 포트의 벽으로의 연료의 부착을 보상하기 위하여 필요한 것보다 많은 연료를 분사할 필요가 없다. 더욱이, 내연 기관의 부하가 작으면, 각 압축 행정의 후반부에 연료를 분사함으로써 점화 플러그(2) 주위에만 혼합기를 생성함으로써 성층 연소가 수행될 수 있다. 이 경우, 공동(3a)은 이의 용적이 배기 밸브(4)에 더 가까운 측에서 더 크도록 피스톤(3)의 정상면에 형성된다. 따라서, 연료 스프레이는 공동(3a)에 의해서 점화 플러그(2) 주위로 안내될 수 있다.
도3은 본 발명의 제2 예시 실시예에 따른 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관의 실린더 헤드의 저면을 도시하는 도면이다. 다음에서, 제1 예시 실시예와의 차이점만이 기재될 것이다. 제2 예시 실시예의 내연 기관은, 2개의 연료 분사 밸브(1')가 각 실린더의 상부 영역에서 단일 배기 밸브(5')의 양측에 각각 일정 영역을 갖는 구역 내에 제공되는, 단일 배기 밸브식 엔진이다. 즉, 이 구성에서, 2개의 연료 분사 밸브(1')는 실린더 보어의 직경을 증가시키지 않고 각 실린더의 상부 영역의 배기 밸브측에 용이하게 제공될 수 있다.
제2 예시 실시예의 내연 기관에서, 흡기 행정에서 생성된 적절한 텀블 유동이 실린더 보어의 배기 밸브측을 통해서 하강 유동하고 있을 때, 텀블 유동은 실질적으로 2개의 연료 분사 밸브(1')의 각각으로부터 실린더의 축방향 하향으로, 즉 각 연료 분사 밸브(1')로부터 거의 바로 아래로 분사되는 연료의 추진력에 의해서 강화된다. 즉, 제2 예시 실시예에서, 텀블 유동은 2개의 연료 스프레이에 의해 강화되기 때문에 텀블 유동은 각 압축 행정의 말기에서 점화 시기까지 유지될 수 있 고 따라서 흡입 공기의 이동은 그 때까지 실린더 내에서 지속될 수 있다.
전술한 2개의 예시 실시예가 이론 공연비보다 희박한 공연비에서 균질 연소를 수행하는 내연 기관에 적용되지만, 본 발명은 이러한 적용예로 제한되지 않으며 또한 예를 들어 이론 공연비 또는 농후 공연비에서 균질 연소를 수행하는 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관에도 효과적으로 적용될 수 있다. 이러한 내연 기관에서도, 또한, 텀블 유동의 강화를 통해 점화 시기까지 흡입 공기의 이동을 지속시킴에 의해서 연소 속도를 증가시키는 것이 효과적이다.
도4는 본 발명의 제3 예시 실시예에 따른 실린더내 연료 분사식 불꽃 점화 내연 기관의 실린더 헤드의 저면을 도시하는 도면이다. 도5는 도4에 도시된 내연 기관을 도시하는 종단면도이다. 제3 예시 실시예의 내연 기관은, 각 실린더에, 실린더의 상부 영역의 실질적으로 중심에 배치되어 실린더 내로 직접 연료를 분사하는 연료 분사 밸브(1)와, 연료 분사 밸브(1) 근처에 배치되는 점화 플러그(2)와, 피스톤(3)과, 한 쌍의 흡기 밸브(4)와, 한 쌍의 배기 밸브(5)를 갖는다.
제3 예시 실시예의 내연 기관은 실린더 내에 이론 공연비보다 희박한 공연비를 갖는 균질 혼합기를 생성하고 점화 플러그(2)에 의해서 혼합기를 점화시킴으로써 균질 연소를 수행한다. 이 균질 연소를 위한 희박 공연비는 연소에 의해서 생성되는 NOx의 양이 비교적 적도록 설정된다(예를 들어, 20). 내연 기관이 고속 고부하로 운전되고 있을 때, 내연 기관은 큰 출력을 발생시킬 필요가 있다. 이 상태에서, 내연 기관은 농후 또는 이론 공연비에서 균질 연소를 수행할 수 있다. 또한, 연료 희박 분위기 하에서 NOx를 흡수하는 NOx 흡장 촉매가 내연 기관에 제공되 는 경우, NOx 흡장 촉매 내에 흡수된 NOx가 방출되어 환원을 통해서 제거될 필요가 있다면, 균질 연소는 미리 설정된 농후 공연비에서 수행된다. 특히, 희박 공연비에서 균질 연소 동안, 점화 시기까지 실린더 내의 흡입 공기의 이동을 지속시킴으로써 연소 속도가 증가되지 않는다면, 원하는 엔진 출력은 얻어질 수 없다. 이를 고려하여, 흡기 행정에서 실린더 내로 공급되는 흡입 공기로부터, 실린더 보어의 배기 밸브측을 통해 하강했다가 흡기 밸브측을 통해서 상승 유동하는 텀블 유동을 생성하고 생성된 텀블 유동을 점화 시기까지 지속시킴으로써 압축 행정의 말기의 점화 시기까지 실린더 내의 흡입 공기의 이동을 지속시키는 것이 바람직하다.
그러나, 일반적으로, 강한 텀블 유동은 실린더 헤드의 벽 두께를 증가시키고 흡기 포트의 형상 및 위치를 적절하게 변경하거나 또는 흡기 포트에 흡기 제어 밸브를 제공하는 것과 같은 변형없이는 생성될 수 없다. 따라서, 이 예시 실시예에서와 같이, 부분적으로 원호형인 공동(3a)이 피스톤(3)의 정상면에 형성되어 텀블 유동의 강도의 감소를 억제할 지라도, 텀블 유동은 압축 행정에서 쉽게 약화되어 점화 시기 전에 사라지고, 따라서 텀블 유동을 이용함으로써 점화 시기까지 흡입 공기의 이동을 지속시키는 것은 불가능하다. 따라서, 이 예시 실시예에서는, 텀블 유동(T)은 각 흡기 행정의 말기에 실린더 보어의 배기 밸브측에 연료 분사 밸브(1)로부터 분사되는 연료(F)의 추진력에 의해서 강화된다. 이렇게 생성된 텀블 유동은 점화 시기까지 안정되게 유지되고, 따라서 흡입 공기의 이동은 점화 시기까지 실린더 내에서 지속될 수 있다.
제3 예시 실시예에서, 예를 들어, 연료 분사 밸브(1)는 슬릿형 분사 구멍을 갖고 비교적 얇은 두께를 갖는 부채의 형상으로 연료를 분사하여 연료 스프레이(F)의 중심 측방향 평면이 텀블 유동(T)의 유동 방향에 평행하게 하향 연장하여 실린더의 축을 통해 연장하는 수직 평면과 실질적으로 일치한다. 도5의 이 단면은 실린더의 축을 통해 연장하는 수직 평면을 나타내고 도5의 연료 스프레이(F)의 단면은 연료 스프레이(F)의 중심 측방향 평면을 나타낸다. 더욱이, 연료 분사 밸브(1)는 원형 연료 분사 밸브 구멍을 갖고 컬럼 또는 원뿔의 형상으로 연료를 분사하는 연료 분사 밸브일 수 있다.
한편, 각 흡기 행정에서 실린더 내에 생성된 텀블 유동(T)의 강도는 실린더내로 유입되는 흡입 공기의 운동 에너지가 내연 기관의 운전 상태에 따라서 변화됨에 따라 변동된다. 흡입 공기의 운동 에너지는 1/2mv2으로 표현되며, "m"은 단위 시간당의 공급되는 흡입 공기의 질량이고 "v"는 흡입 공기의 유속이다. 흡입 공기의 운동 에너지는, 엔진 속도가 증가됨에 따라 그리고 엔진 부하가 증가됨에 따라 증가된다. 즉, 실린더 내로 공급되는 흡입 공기의 운동 에너지는 내연 기관이 고속 고부하에서 운전되고 있을 때 크고 저속 저부하에서 운전되고 있을 때 작다. 또한, 흡입 공기의 운동 에너지는 내연 기관의 운전 상태 중 하나인 연소되는 혼합기의 공연비가 희박해짐에 따라 증가한다. 또한, 연소된 혼합기의 공연비가 미리 설정된 희박 공연비, 이론 공연비 및 미리 설정된 농후 공연비 사이에서 절환될 때, 흡입 공기의 운동 에너지는 미리 설정된 희박 공연비에서 최소이고, 미리 설정된 희박 공연비로부터 이론 공연비로 절환됨에 따라 증가되고, 공연비가 이론 공연 비에서 미리 설정된 농후 공연비로 절환됨에 따라 더욱 증가한다. 실린더 내로 공급되는 흡입 공기의 운동 에너지가 클수록, 생성되는 텀블 유동(T)의 강도가 강해진다. 따라서, 연료 분사 밸브(1)로부터 분사되는 연료 스프레이(F)의 분사율이 비교적 낮은 비율로 유지되는 경우, 비교적 강한 텀블 유동(T)이 생성되면, 텀블 유동(T)은 연료 스프레이(F)에 의해서 강화될 수 없다. 한편, 분사율이 비교적 높은 비율로 유지되는 경우, 비교적 약한 텀블 유동(T)이 생성되면, 연료 스프레이(F)는 텀블 유동(T)을 관통하여 실린더 보어의 벽에 부착되어, 엔진 오일을 희석시킨다.
한편, 예시 실시예에서, 연료 분사 밸브(1)의 밸브 본체의 리프트량은 적어도 2단계, 즉 고 리프트량 및 저 리프트량으로 가변 제어될 수 있다. 따라서, 실린더 내로 공급되는 흡입 공기의 운동 에너지가 기준값 이상이면, 밸브 본체는 도6에서 실선에 의해서 지시된 것과 같이 고 리프트량(L1)만큼 리프트된다. 즉, 흡입 공기의 운동 에너지가 기준값 이상이면, 비교적 높은 텀블 유동이 실린더 내에 생성된다. 이 경우, 연료 분사 밸브(1)의 밸브 본체를 고 리프트량(L1)만큼 리프트함으로써, 분사율은 증가되고, 따라서 연료 스프레이(F)의 추진력이 그에 상응하여 증가한다. 그 결과, 텀블 유동이 연료 스프레이(F)에 의해서 충분하게 강화될 수 있다.
한편, 실린더 내로 공급되는 흡입 공기의 운동 에너지가 기준값 미만일 때, 연료 분사 밸브(1)의 밸브 본체는 도6에서 점선으로 지시된 것과 같이 저 리프트량(L2)만큼 리프트된다. 즉, 실린더 내로 공급되는 흡입 공기의 운동 에너지가 기 준값 미만이면, 비교적 약한 텀블 유동이 실린더 내에 생성된다. 이 경우, 연료 분사 밸브(1)의 밸브 본체를 저 리프트량(L2)만큼 리프트함에 의해서, 분사율이 감소되고 따라서 연료 스프레이(F)의 추진력도 그에 상응하여 감소한다. 이는 연료 스프레이(F)가 텀블 유동을 관통하여 실린더 보어의 벽과 충돌하여 부착될 가능성을 감소시킨다. 더욱이, 이러한 비교적 약한 텀블 유동은 연료 스프레이(F)의 추진력이 낮은 경우에도 연료 스프레이(F)에 의해서 확실하게 강화될 수 있다.
제3 예시 실시예에서, 연료 분사를 종료하는 시기가 각 흡기 행정에서 하사점(BDC)에 고정된다. 따라서, 연료 분사 밸브가 개방되는 기간(도6에서 t1 또는 t2)은 내연 기관의 운전 상태를 반영하는 필요 연료량이 실린더 내로 분사되도록 분사율을 고려하여 산출되고, 그런 후 연료 분사를 개시하는 시기는 산출된 밸브 개방 기간을 달성하도록 설정된다. 분사되는 연료량이 동일한 경우 밸브 개방 기간은 연료 분사률이 증가함에 따라 증가함에 유의해야 한다.
연료 분사율이 감소되고 연료 분사 기간(밸브 개방 기간)이 증가하면, 분사된 연료가 실린더 내의 전체 영역에서 텀블 유동에 의해서 퍼지는 것을 더욱 용이하게 하고, 이는 실린더 내에서 양호한 균질 공연비를 얻을 수 있어서 바람직하다. 이와 같이, 텀블 유동의 강도가 감소됨에 따라 분사율이 감소되도록 다단계로 분사율을 변화시키는 것도 또한 가능하다. 이를 달성하기 위하여, 연료 분사 밸브(1)의 밸브 본체의 리프트량은 피에조 액츄에이터 등을 이용하여 더 많은 단계로 제어될 수 있다.
여기서, 연료 분사 밸브(1)의 밸브 본체의 리프트량이 고 리프트량(L1) 및 저 리프트량(L2)의 2단계로만 제어될 수 있다고 가정된다. 이 경우, 연료 분사 밸브(1)를 도7에서 지시된 것과 같이 먼저 고 리프트량(L1)만큼 개방하고 그런 후 저 리프트량(L2)만큼 연속적으로 개방함으로써, 이 분사에서 달성되는 전체 분사율은 연료 분사 밸브(1)의 밸브 본체가 고 리프트량(L1)만큼만 리프트될 때 달성되는 최대 분사율과 연료 분사 밸브(1)의 밸브 본체가 저 리프트량(L2)만큼만 리프트될 때 달성되는 최소 분사율 사이의 비율이다. 당연히, 2개의 밸브 리프트량(L1, L2)을 연속적으로 이용할 때, 연료 분사 밸브(1)의 밸브 본체는 우선 고 리프트량(L1)만큼 리프트되었다가 저 리프트량(L2)만큼 리프트되거나 또는 그 반대로 리프트될 수 있다.
도7은 내연 기관의 운전 상태를 반영하는 필요 연료량의 절반이 고 리프트량(L1)만큼 연료 분사 밸브(1)를 개방함으로써 분사되고, 나머지 절반이 저 리프트량(L2)만큼 연료 분사 밸브(1)를 개방함으로써 분사되는 상태를 나타낸다. 이 경우, 이 연료 분사의 전체 분사율은 최대 분사율과 최저 분사율 사이의 중간이고, 연료 분사 밸브(1)가 고 리프트량(L1)만큼 개방되어 연료의 첫번째 절반을 분사하는 밸브 개방 기간(t1')은 연료 분사 밸브가 저 리프트량(L2)만큼 개방되어 연료의 나머지 절반을 분사하는 밸브 개방 기간(t2')보다 짧다. 이 연료 분사를 개시하는 시기는 피스톤이 연속적으로 밸브 개방 기간(t1') 및 밸브 개방 기간(t2')에 걸쳐서 수행되는 연료 분사의 말기에 흡기 행정의 하사점에 도달하도록 설정된다.
상기 경우에서, 전체 분사율은, 고 리프트량에 의한 연료 분사량을 필요 연료량의 절반보다 크게 하고 고 리프트량에 의한 연료 분사량의 증가에 대응하는 양 만큼 저 리프트량에 의한 연료 분사량을 필요 연료량의 절반보다 작게 함으로써 최대 분사율과 최저 분사율의 중간보다 높게 만들어질 수 있다. 역으로, 전체 분사율은, 고 리프트량에 의한 연료 분사량을 필요 연료량의 절반보다 작게하고 고 리프트량에 의한 연료 분사량의 감소에 대응하는 양만큼 저 리프트량에 의한 연료 분사량을 필요 연료량의 절반보다 크게 함으로써 최대 분사율과 최저 분사율의 중간보다 낮게 만들어질 수 있다.
이와 같이, 필요 연료량에 대한 고 밸브 리프트량에 의한 연료 분사량의 비율을 증가시킴에 의해서(동시에 저 밸브 리프트량에 의한 연료 분사량의 비율을 그에 상응하여 감소시킴에 의해서) 전체 분사율을 증가시킬 수 있고, 필요 연료량에 대한 고 밸브 리프트량에 의한 연료 분사량의 비율을 감소시킴에 의해서(동시에 저 밸브 리프트량에 의한 연료 분사량의 비율을 그에 상응하여 증가시킴에 의해서) 전체 분사율을 감소시킬 수 있다. 이와 같이, 각 연료 분사에 대한 전체 연료 분사는 텀블 유동의 강도가 약해질수록 전체 연료 분사가 감소되도록 조정될 수 있다. 따라서, 연료 스프레이(F)가 텀블 유동을 관통하는 것을 방지하는 동시에 신뢰성있는 방식으로 각 텀블 유동을 강화시키는 것이 가능하다. 또한, 연료 스프레이의 추진력이 불필요하게 증가되지 않고, 이는 분사된 연료가 텀블 유동에 의해 퍼지는 것을 쉽게 하므로 양호한 균질 혼합기를 생성하기에 바람직하다.
앞선 예시 실시예에서 연료 분사 종료 시기가 각 흡기 행정의 하사점에 설정되었지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 즉, 연료 분사가 각 흡기 행정의 말기에서 주로 수행되는 한 연료 분사를 종료하는 시기는 각 흡기 행정이 하사점에 근접하는 다른 지점에 설정될 수 있다.

Claims (13)

  1. 실린더의 상부 영역에 배치된 연료 분사 밸브(1)와 점화 플러그(2)를 갖는 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관에 있어서,
    상기 연료 분사 밸브(1)는 실린더의 실린더 보어의 배기 밸브측을 통해 하강했다가 실린더 보어의 흡기 밸브측을 통해 상승 유동함으로써 실린더 내에서 선회하는 텀블 유동을 강화시키기 위하여 실질적으로 텀블 유동의 유동 방향으로 연료를 분사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료 분사 밸브(1)는 실린더의 상부 영역의 배기 밸브측에 배치되고 실질적으로 실린더의 축방향 하향으로 연료를 분사하도록 구성된 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관.
  3. 제2항에 있어서, 상기 내연 기관은 2개의 배기 밸브를 포함하고,
    상기 연료 분사 밸브(1)는 2개의 배기 밸브 사이에 배치되는 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관.
  4. 제2항에 있어서, 상기 내연 기관은 단일 배기 밸브를 포함하고,
    상기 연료 분사 밸브(1)는 복수 제공되고,
    상기 연료 분사 밸브(1)는 단일 배기 밸브의 양측에 각각 제공되는 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관.
  5. 제1항에 있어서, 상기 연료 분사 밸브(1)는 흡기 행정의 말기에서 실린더 보어의 배기 밸브측에 연료를 분사하기 위하여 실린더의 상부 영역의 실질적으로 중심에 배치되고 실린더 내로 공급된 흡입 공기의 운동 에너지가 작을 때에는 운동 에너지가 클 때보다 더 낮은 분사율로 연료를 분사하도록 구성된 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관.
  6. 제5항에 있어서, 상기 분사율은 운동 에너지가 감소됨에 따라서 감소되는 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관.
  7. 제6항에 있어서, 상기 연료 분사 밸브(1)의 밸브 본체의 리프트량은 고 리프트량과 저 리프트량의 2단계로 제어되고,
    상기 연료 분사 밸브(1)는 밸브 본체를 고 리프트량만큼 리프트함으로써 최대 분사율에서, 밸브 본체를 저 리프트량만큼 리프트함으로써 최소 분사율에서, 그리고 밸브 본체를 우선 고 리프트량 및 저 리프트량 중 어느 하나만큼 리프트한 후 연속해서 나머지 하나만큼 리프트함으로써 최대 분사율과 최저 분사율 사이의 분사율에서 연료를 분사하도록 구성된 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관.
  8. 제7항에 있어서, 연료의 분사를 종료하는 시기는 내연 기관의 흡기 행정의 하사점에 근접한 지점에 설정되는 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관.
  9. 제8항에 있어서, 연료의 분사를 개시하는 시기는 내연 기관의 운전 상태에 따라 결정되는 필요 연료량 및 분사율에 기초하여 결정되는 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관.
  10. 제5항에 있어서, 상기 운동 에너지는 내연 기관의 부하가 증가됨에 따라 증가되는 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관.
  11. 제5항에 있어서, 상기 운동 에너지는 내연 기관의 엔진 속도가 증가됨에 따라 증가되는 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관.
  12. 제7항에 있어서, 상기 연료 분사 밸브(1)는 내연 기관의 운전 상태에 따라 결정되는 필요 연료량을, 고 리프트량 및 저 리프트량 중 하나만큼 밸브 본체를 리프트함으로써 필요 연료량의 일부를 분사한 후 고 리프트량 및 저 리프트량 중 다른 하나만큼 밸브 본체를 리프트하여 필요 연료량의 나머지를 분사함으로써 최대 분사율과 최소 분사율 사이의 분사율에서 분사하는 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관.
  13. 제7항에 있어서, 상기 연료 분사 밸브(1)는 상기 운동 에너지가 기준값보다 커지면 고 리프트량만큼 밸브 본체를 리프트함으로써 연료를 분사하고, 상기 운동 에너지가 기준값 이하이면 저 리프트량만큼 밸브 본체를 리프트함으로써 연료를 분사하는 실린더내 분사식 불꽃 점화 내연 기관.
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