KR20120102540A

KR20120102540A - 내연 기관

Info

Publication number: KR20120102540A
Application number: KR1020120023434A
Authority: KR
Inventors: 다이 다나까; 가즈요시 나까네; 기미히꼬 사또오; 교오헤이 야마구찌
Original assignee: 미쯔비시 지도샤 고교 가부시끼가이샤
Priority date: 2011-03-08
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2012-09-18
Also published as: KR101346548B1; EP2497920A2; CN102678352A; US20120227706A1; JP2012188938A

Abstract

내연 기관의 연료 분사 유닛은 적어도 인젝터, 흡기 개구 및 흡기 행정 분사 장치를 포함한다. 제어기는 연료가 흡기 개구로부터 실린더의 내부로 도입되도록 흡기 행정 분사 장치로 하여금 인젝터가 흡기 행정에서 연료를 분사하게 만든다. 연료는 실린더의 위로부터 관찰할 때 흡기 개구의 내측의 폭으로 확산하고 실린더의 측면으로부터 관찰할 때 흡기 개구의 내측 내부에서 흡기 밸브가 최대 리프트 업 레벨인 상태에서 밸브 샤프트로부터 실린더의 중심 측까지 형성된 폭으로 확산하는 범위로 인젝터로부터 분사된다.

Description

내연 기관 {INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은, 흡기 통로 내부로 연료가 분사되는 분사 상태를 정확하게 설정함으로써, 실린더의 내부에 연료를 직접 분사하는 연료 인젝터를 실린더 내에 직접 설치하지 않고, 성능 향상을 도모할 수 있는 내연 기관에 관한 것이다.

내연 기관(엔진)으로서, 연료가 연소실 또는 각각의 실린더 내부로 직접 분사되도록 실린더 헤드에 위치 설정되는 직접 인젝터 및 흡기 통로에 연료를 분사하는 포트 인젝터를 포함하는 엔진이 알려져 있다(예를 들어, 특허 문헌1 참조).

직접 인젝터 및 포트 인젝터를 포함하는 엔진에 있어서, 직접 인젝터로부터 실린더의 내부로 직접 고압으로 연료를 분사함으로써, 연료의 기화 잠열이 흡기의 냉각에 이용되어, 혼합기의 온도를 내려 노킹의 발생을 억제한다. 또한, 공기의 밀도가 흡기를 냉각시킴으로써 향상될 수 있으므로, 전부하시의 흡입 공기량이 증대될 수 있어 엔진 성능을 향상시킨다. 또한, 포트 인젝터로부터 흡기 통로 내부로 연료를 분사함으로써, 실린더 내부의 혼합기 유동이 약하고 혼합기의 균질성이 나빠지는 저부하 엔진 운전 영역에서 혼합기의 균질성이 촉진될 수 있다.

그러나, 직접 인젝터 및 포트 인젝터를 포함하는 엔진에서는, 실린더 헤드에 장착되는 직접 인젝터의 말단부가 고온 고압의 연소 가스에 노출된다. 이로 인해, 혼합기의 균질화를 촉진하기 위해서 연료가 포트 인젝터로부터 분사되는 경우에서도, 분사되는 연료의 냉각 작용에 의해 직접 인젝터의 말단부를 냉각시키기 위해서는, 연료가 직접 인젝터로부터 계속 분사될 필요가 있다. 따라서, 현재 상황에서는, 연료는 포트 인젝터뿐만 아니라 직접 인젝터로부터도 분사되어야만 한다. 또한, 직접 인젝터로부터 분사되는 연료의 일부는 연소실 벽과 충돌하고 액막 형태로 연소하여, 많은 입자 물질이 배출된다는 문제를 야기한다. 또한, 직접 인젝터는 고압으로 연료를 분사할 필요가 있고, 따라서, 고압 펌프에 있어서의 동력 손실이 엔진 성능에 영향을 미칠 우려가 있다.

직접 인젝터에 대해서는 열 및 압력에 대한 저항이 요구된다. 또한, 직접 인젝터의 말단부가 연소 가스에 노출되므로, 엔진의 운전 조건에 따라 연료의 탄화 또는 연소 생성물의 생성의 결과로서 그 위에 침전물이 퇴적되기 쉽다. 따라서, 침전물의 퇴적에 대한 대책이 필요하다. 이로 인해, 직접 인젝터를 구비한 내연 기관에서는, 연료 분사 샤프트에 발생되는 비용이 증가되는 문제가 야기된다.

[특허 문헌]

일본 특허 출원 공개 제2009-228447호

따라서, 흡기 행정 시 연료 분사 상태를 정확하게 제어함으로써 실린더의 내부에 연료를 직접 분사하는 직접 인젝터를 설치하지 않고 고성능을 얻도록 연료가 실린더 내부로 직접 분사될 때 나타나는 성능을 유지할 수 있는 내연 기관을 제공하는 것이 본 발명의 유익한 일 태양이다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 적어도 연료 분사 포트로부터 흡기 통로 내부로 연료를 분사하는 인젝터, 통 형상부를 통해 흡기 통로를 실린더 내부와 연통시키는 흡기 개구 및 인젝터가 흡기 행정에서 연료를 분사하게 하는 흡기 행정 분사 장치를 포함하는 연료 분사 유닛, 연료가 흡기 개구로부터 실린더의 내부로 도입되어 실린더의 내부에 혼합기가 형성되도록 흡기 행정 분사 장치로 하여금 인젝터가 흡기 행정에서 연료를 분사하게 하는 제어기를 포함하고, 연료는 실린더의 위로부터 관찰할 때 흡기 개구의 내측의 폭으로 확산하고 실린더의 측면으로부터 관찰할 때 흡기 개구의 내측 내부에서 흡기 밸브가 최대 리프트 업 레벨인 상태에서 밸브 샤프트로부터 실린더의 중심 측까지 형성된 폭으로 확산하는 범위로 인젝터로부터 분사되는 내연 기관이 제공된다.

인젝터로부터 분사된 연료는 실린더의 측면으로부터 관찰할 때, 흡기 밸브가 최대 리프트 업 레벨인 경우 흡기 밸브의 밸브 시트로부터 흡기 통로의 하부면을 따라 연장하는 선 및 흡기 개구에서 시트로부터 흡기 통로의 하부면을 따라 연장하는 선이 통 형상부 및 흡기 통로 사이의 경계선과 개별적으로 교차하는 2개의 교점 사이에서 형성되는 범위까지 확산할 수도 있다.

흡기 통로의 하부면은 흡기 개구를 향해 직선 연장하는 벽면을 가질 수도 있다.

내연 기관은 흡기 통로가 흡기 개구를 향해 직선 연장하는 상부 벽부를 가지고, 인젝터의 연료 분사 포트가 연료의 분사 방향이 상부 벽부를 따라 평행하도록 배치되고, 흡기 통로 내부로의 흡입 공기가 인젝터의 연료 분사 포트를 가로질러 흡기 개구에 대해 반대측으로부터 흡기 개구를 향해 도입되어, 연료의 분사 방향 및 흡입 공기의 도입 방향이 서로 평행하도록 구성될 수도 있다.

내연 기관은 내연 기관의 회전 속도 및 부하에 따라 연료 압력을 설정하는 연료 압력 설정 장치를 포함할 수도 있고, 제어기는 연료 압력 설정 장치가 내연 기관의 회전 속도가 소정의 회전 속도 영역인 상태에서 연료 압력을 증가시키게 한다.

본 발명에 따르면, 흡기 행정 시 연료 분사 상태를 정확하게 제어함으로써 실린더의 내부에 연료를 직접 분사하는 직접 인젝터를 설치하지 않고 고성능을 얻도록 연료가 실린더 내부로 직접 분사될 때 나타나는 성능을 유지할 수 있는 내연 기관을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 내연 기관의 전체를 도시한 개략 블록도.
도 2는 도 1의 주요부를 도시한 블록도.
도 3은 흡기 포트의 외관을 도시한 사시도.
도 4는 연료가 어떻게 확산하는가를 설명하는 흡기 포트 주위의 상면도.
도 5는 연료가 어떻게 확산하는가를 설명하는 흡기 포트 주위의 측면도.
도 6은 엔진의 회전 속도와 연료 압력 사이의 관계를 도시한 그래프.

본 발명의 내연 기관이 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명될 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 내연 기관의 전체를 도시한 개략 블록도이다. 도 2는 흡기 포트 주위의 특정 구성이다. 도 3은 사시도에 있어서 흡기 포트의 외관을 도시한다. 도 4는 흡기 포트 주위의 상면도를 사용하여 연료가 어떻게 확산하는가를 도시한다. 도 5도 흡기 포트 주위의 측면도를 사용하여 연료가 어떻게 확산하는가를 도시한다. 도 6은 엔진의 회전 속도와 연료 압력 사이의 관계를 도시한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 점화 플러그(3)는 각각의 실린더에 대해 내연 기관인 엔진 본체(1)(이하, 엔진이라 칭함)의 실린더 헤드(2)에 장착된다. 점화 코일(4)은 점화 플러그(3)에 연결되어 거기에 고압을 출력한다. 흡기 포트(8)는 각각의 실린더에 대해 실린더 헤드(2)에 형성되어, 흡기 통로(5)를 구성한다. 흡기 밸브(7)가 단부에서 연소실(6)에 대면하도록 위치하게 되는 흡기 포트(8)에 형성된 흡기 통로(5)에 제공된다. 흡기 밸브(7)는 엔진이 회전함에 따라 회전하는 캠 샤프트(도시 생략)의 동작에 종동하면서 개폐되도록 작동되어 흡기 통로(5)와 연소실(6) 사이에 형성된 흡기 개구(22)를 개폐한다. 흡기 개구(22)가 개폐될 때, 흡기 통로(5)와 연소실(6) 사이의 연통은 개별적으로 연통 및 차단된다.

흡기 매니폴드(9)의 지관의 단부들은 개별 흡기 포트(8)에 연결되고, 흡기 매니폴드(9)의 지관 내의 흡기 통로는 대응하는 흡기 포트(8)와 연통한다. 흡기 매니폴드(9)의 지관 내의 흡기 통로는 하방으로부터 연장하여 흡기 포트(8)의 흡기 통로(5)와 연통한다. 전자기 연료 분사 밸브(인젝터)(10)가 흡기 매니폴드(9)의 각각의 지관에 장착된다. 인젝터(10)는 인젝터(10)의 연료 분사 포트(23)가 흡기 개구(22)를 향하도록 지향되어 흡기 포트(8) 내의 흡기 통로(5)로 연료를 분사하도록 배치된다. 연료는 연료 탱크(도시 생략)로부터 연료관(21)을 통해 인젝터(10)로 공급된다.

배기 포트(11)는 각각의 실린더에 대해 실린더 헤드(2)에 형성된다. 배기 밸브(12)는 단부에서 연소실(6)에 대면하도록 위치하게 되는 배기 포트(11)의 배기 가스 배출 통로 각각에 제공된다. 배기 밸브(12)는 엔진이 회전함에 따라 회전하는 캠 샤프트(도시 생략)의 작동에 종동하면서 개폐되도록 작동되어 연소실(6)과 배기 포트(11)의 배기 가스 배출 통로 사이를 연통시키고 차단시킨다. 배기 매니폴드(13)의 지관의 단부들은 배기 포트(11)에 연결되어 배기 포트(11)와 배기 매니폴드(13) 사이의 연통을 달성한다.

전술된 구성을 가지는 엔진은 널리 알려진 것이므로, 엔진 구성의 상세한 설명은 본 명세서에서는 생략한다.

흡기관(14)은 흡기 매니폴드(9)의 상류측에 접속된다. 전자기 스로틀 밸브(15)는 흡기관(14)에 장착된다. 스로틀 위치 센서(16)는 스로틀 밸브(15)의 위치 또는 개방각 검출을 위해 흡기관(14)에 제공된다. 스로틀 밸브(15)는 액셀러레이터 페달이 가압되는 양에 따라 동작된다.

공기 유동 센서(17)는 흡입 공기량을 계측하기 위해 스로틀 밸브(15)의 상류에 제공된다. 카르만 볼텍스 타입 또는 핫-필름 타입의 공기 유동 센서가 공기 유동 센서(17)로서 사용된다. 서지 탱크(18)는 흡입 매니폴드(9)와 스로틀 밸브(15) 사이에서 흡기관(14)을 따라 제공된다.

엔진(1)은 엔진 회전 속도(Ne)를 구하기 위해 크랭크 각을 검출하는 크랭크 각 센서(25) 및 냉각수 온도를 검출하는 냉각수 온도 센서(26)를 포함한다. 또한, 연료 압력 센서(27)는 인젝터(10)로 공급되는 연료의 압력을 검출하기 위해 연료관(21)에 제공된다.

ECU(전자 제어 유닛)(31)는 입출력 유닛, 기억 유닛, 중앙 처리 유닛(CPU) 및 타이머 카운터 등을 포함한다. ECU(31)는 엔진(1)의 전체 제어를 수행한다. ROM 및 RAM 등이 기억 유닛으로서 사용된다.

스로틀 위치 센서(16), 공기 유동 센서(17), 크랭크 각 센서(25), 냉각수 온도 센서(26) 및 연료 압력 센서(27)와 같은 전술된 센서는 ECU(31)의 입력측에 접속되어, 이들 센서에 의해 검출된 정보가 ECU(31)로 입력된다. 또한, 흡기 밸브(7) 및 배기 밸브(12)의 리프트량 및 리프트 타이밍에 대한 정보가 ECU(31)에 입력 또는 기억된다.

반면, 점화 코일(4), 스로틀 밸브(15) 및 인젝터(10)의 구동 장치와 같은 전술된 출력 장치는 ECU(31)의 출력측에 접속된다. ECU(31)는 개별 센서로부터 검출 전송된 정보에 기초하여 연료 분사량, 연료 분사 기간, 연료 분사 타이밍, 점화 타이밍 및 흡기 밸브(7)와 배기 밸브(12)의 동작 상태(밸브 동작 상태)를 산출하여 이를 출력 장치에 출력한다.

공연비는 센서로부터 검출 전송된 정보에 기초하여 적절한 목표 공연비로 설정된다. 이어서, 목표 공연비에 따른 연료량이 적절한 타이밍에 인젝터(10)로부터 분사된다. 스로틀 밸브(15)는 적절한 위치 또는 개방각으로 조정되고, 불꽃 점화가 적절한 타이밍으로 점화 플러그(3)에 의해 구현된다.

본 실시예의 엔진(1)에 있어서, 연료는 흡기 행정 동안뿐만 아니라 배기 행정 동안에도 인젝터(10)로부터 분사된다. 분사된 연료가 흡기 밸브(7) 근처에 도달될 때 흡기 밸브(7)가 개방되는 경우, 분사는 흡기 행정 분사로 정의되고, 반면 분사된 연료가 흡기 밸브(7) 근처에 도달될 때 흡기 밸브(7)가 아직 개방되지 않은 경우, 분사는 배기 행정 분사로 정의된다. 실제, 인젝터(10)를 구동하는 지령의 발행으로부터 흡기 밸브(7) 근처까지의 분사된 연료의 도달까지는 인젝터 니들 밸브의 개방 지연 또는 인젝터(10)로부터 흡기 밸브(7)까지의 연료 수송 지연에 기인한 시간 지연이 존재한다. 따라서, 흡기 행정 분사에 대한 인젝터(10)를 구동하는 지령이 배기 행정 중에 발행되는 상황이 존재할 수도 있다.

흡기 밸브(7)가 개방된 흡기 행정 중에 연료를 분사함으로써, 흡기 통로(5) 또는 흡기 밸브(7)의 밸브 시트부로의 연료 부착이 억제되어 연료의 증발 잠열을 흡기의 냉각에 사용할 수 있다. 이로 인해, 혼합기의 온도가 저하되어 노킹의 발생을 억제할 뿐만 아니라 공기의 밀도가 증가되어 엔진이 전부하로 주행하는 경우 취해지는 공기량을 증대시킨다. 따라서, 포트 분사이어도, 흡기의 냉각 효과가 최대로 향상될 수 있다.

배기 행정 중에 인젝터(10)로부터 연료를 분사함으로써, 연료 및 공기가 흡기 통로(5)의 내부에서 충분한 균질 레벨로 함께 혼합된 혼합기를 얻을 수 있다. 인젝터(10)는 흡기 포트(8)에 연결되는 지관에 제공되고, 따라서 인젝터(10)는 고온 고압의 연소 가스에 절대 노출되지 않는다. 따라서, 열 및 압력에 대한 저항성을 확보할 필요가 없는 단순한 장착 구성이 채택될 수 있다. 또한, 연료를 고압으로 분사할 필요가 없게 되므로, 엔진 성능에 대한 연료 펌프 내에서의 동력 손실의 영향을 낮은 레벨로 감소시키는 것이 가능하다.

도 2에 도시된 바와 같이, 흡기 포트(8) 및 흡기 개구(22)는 통 형상부(20)(스로틀부)에 의해 연결된다. 흡기 행정 동안, 연료는 인젝터(10)로부터 분사되어, 흡기 밸브(7)가 그 최대 리프트 업 레벨까지 리프트될 때, 통 형상부(20) 상에서 흡기 개구(22) 대면측에 형성된 시트와 흡기 밸브(7)의 밸브 시트부 사이를 통 형상부(20)를 통해 통과하여 연소실(6)의 내부를 향하도록, 즉 흡기 개구(22)의 중심부를 향하도록 배향된다.

따라서, 연료는, 흡기가 인젝터(10)의 연료 분사 포트(23)의 상류로부터 흡기 개구(22)를 향해 도입되는 동안 흡기 통로(5)의 상부 벽부를 따라 흡기 개구(22)를 향해 직선으로 인젝터(10)로부터 분사된다. 연료의 분사 방향 및 흡입 공기의 도입 방향이 서로 평행하게 된다. 이러한 구성을 채택함으로써, 연료의 분무가 흡입 공기의 유동에 의해 절대 방해되지 않고, 따라서 흡기 포트(8) 또는 흡기 통로(5)의 내부 벽면으로의 연료의 부착이 억제된다. 따라서, 분무된 연료가 도입된 흡입 공기와 혼합되고, 그 결과 혼합기가 연소실(6)(실린더 내부)로 유입하게 된다.

흡기 통로(5)를 구성하는 흡기 포트(8) 및 흡기 매니폴드(9)의 구성이 도 2 및 도 3을 참조하여 상세히 설명될 것이다.

흡기 통로(5)는 흡기 포트(8) 및 흡기 매니폴드(9)에 걸쳐 연장하도록 형성된다. 상부 벽부가 흡기 통로(5)에 제공되어 흡기 개구(22)를 향해 직선으로 연장한다. 상부 벽부는 이를 통해 인젝터(10)로부터 분사된 연료가 유동하는 분무 통로(33)를 이루게 된다. 인젝터(10)의 본체는 흡기 매니폴드(9) 또는 흡기 포트(8)에 위치 설정되는 분무 통로(33) 부분에 배치된다.

인젝터(10)의 연료 분사 포트(23)는 흡기 개구(22)를 향하도록 배향되어 흡기 포트(8)의 흡기 통로(5)에 면하고 있다. 안내부(34)는 흡기 통로(5)에 형성되어 흡입 공기를 분무 통로(33)로 도입시키도록 안내한다. 안내부(34)는 흡기 매니폴드(9) 및 흡기 포트(8) 내에서 연장하도록 형성되어 흡기 매니폴드(9) 부분으로부터 분무 통로(33)로 흡입 공기를 도입시킨다. 따라서, 흡입 공기는 인젝터(10)의 연료 분사 포트(23)의 상류에 위치하는 부분으로부터 도입되어 흡기 개구(22)를 향해 분사된다.

이러한 구성을 채택함으로써, 연료는 인젝터(10)의 연료 분사 포트(23)로부터 분무 통로(33)로 분사되어(도 2에 있어서 화살표 I에 의해 표시됨), 흡입 공기는 안내부(34)에 의해 연료 분사 포트(23)의 상류로부터 도입된다. 이로 인해, 흡입 공기는 분무 통로(33) 내에서 직선화되고 연료의 상류로부터 연료의 분사 방향과 평행하게 도입된다(도 2에 있어서 화살표 II에 의해 표시됨). 따라서, 공기가 하방으로부터 공급되도록 구성되는 흡기 매니폴드(9)의 경우에도, 연료의 분무가 흡입 공기의 유동에 의해 절대 방해되지 않는다.

결과적으로, 연료가 안정된 형태로 연소실(6)(실린더의 내부)을 향해 분사될 수 있다. 따라서, 흡입 공기의 유속이 빨라지는 엔진(1)의 높은 엔진 회전 속도 영역에서 연료의 분무가 중간에 흡입 공기의 유동에 의해 휩쓸리는 경우에도, 흡기 포트(8)[흡기 통로(5)]의 상부 벽으로의 연료의 부착이 크게 감소됨으로써, 분사 연료를 가능한 많이 연소실(6)로 공급하는 것이 가능하게 된다.

연료 분사 포트(23)는 연료가 인젝터(10)로부터 분사되어 흡기 개구(22)에 대해 소정 범위까지 확산하도록 설정된다. 도 4 및 도 5를 참조하여 연료가 어떻게 확산하는가를 설명한다. 도면들에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 내연 기관에 있어서, 2개의 흡기 개구(22) 및 2개의 흡기 포트(8)가 각각의 실린더에 대해 제공되고, 1개의 인젝터(10)가 흡기 매니폴드(9)의 각각의 지관에 제공되어, 연료는 인젝터(10)로부터 지관이 연결된 2개의 흡기 포트(8)를 향해 분사된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 실린더를 그 위로부터 관찰하면, 인젝터(10)의 연료 분사 포트(23)는 연료가 그로부터 흡기 개구(22)의 내측의 폭까지 확산하는 범위로 분사되도록 설정된다(도 4에서 1점 쇄선에 의해 표시). 연료가 확산하는 각도(α)로서 예를 들어 12도 이상의 각도를 확보하는 것이 바람직하다.

도 5에 도시된 바와 같이, 실린더를 그 측면으로부터 관찰하면, 인젝터(10)의 연료 분사 포트(23)는, 흡기 밸브(7)가 흡기 개구(22)의 내측 내부에서 최대 리프트 업 레벨에 있는 상태에서 연료가 그로부터 흡기 밸브(7)의 밸브 샤프트로부터 실린더의 중심 측까지 형성되는 폭으로 확산하는 범위로 분사되도록 설정된다(도 5에서 1점 쇄선에 의해 표시). 연료가 확산하는 각도(β)로서 예를 들어 6도 이상의 각도를 확보하는 것이 바람직하다.

실린더를 그 측면으로부터 관찰할 때 연료의 확산은 다음과 같이 정의된다.

흡기 밸브(7)가 그 최대 리프트 업 레벨까지 리프트될 때 흡기 밸브(7)의 밸브 시트의 위치를 A라 한다. 흡기 개구(22)에서의 시트의 위치를 B라 한다. 원점으로서 위치 A로부터 흡기 통로(5)의 하부면을 따라 연장하는 선을 선 C라 한다(도 5에서 점선으로 표시). 원점으로서 위치 B로부터 흡기 통로(5)의 하부면을 따라 연장하는 선(선 C에 평행)을 선 D라 한다(도 5에서 점선으로 표시). 흡기 포트(8)와 통 형상부(20) 사이의 경계선을 E라 한다(도 5에서 1점 쇄선으로 표시). 선 C와 경계선 E 사이의 교점을 F1이라 하고, 선 D와 경계선 E 사이의 교점을 F2라 한다. 즉, 인젝터(10)로부터 분사된 연료는, 실린더의 측면으로부터 관찰할 때, 흡기 밸브가 최대 리프트 업 레벨에 있을 때 흡기 밸브의 밸브 시트로부터 흡기 통로의 하부면을 따라 연장하는 선(C) 및 흡기 개구(22)에서의 시트로부터 흡기 통로(5)의 하부면을 따라 연장하는 선(D)이 흡기 통로(5)에서 통 형상부(20)와 흡기 포트(8) 사이의 경계선(E)과 개별적으로 교차하는 2개의 교점(F1, F2) 사이에 형성된 범위까지 확산한다.

실린더를 그 측면으로부터 관찰하면, 인젝터(10)의 연료 분사 포트(23)는 그로부터 분사된 연료가 교점(F1) 및 교점(F2) 사이를 통과하도록 설정되고 흡기 밸브(7)가 그 최대 리프트 업 레벨까지 리프트 될 때 흡기 밸브(7)의 밸브 샤프트로부터 흡기 개구(22)의 내측 내부의 실린더 중심까지의 폭에 이르는 범위로 확산한다(도 5에 있어서 1점 쇄선으로 표시).

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 실린더를 그 위로부터 관찰할 때, 인젝터(10)의 연료 분사 포트(23)는 연료가 그로부터 흡기 개구(22)의 내경에 이르는 폭까지 확산하는 범위로 분사 또는 분무되도록 설정된다. 또한, 실린더를 그 측면으로부터 관찰할 때, 인젝터(10)의 연료 분사 포트(23)는 연료가 그로부터 흡기 개구(22)의 내경 내부에서 그 위로부터 보았을 때 범위 보다 좁은 폭으로 확산하는 범위로 분사되도록 설정된다. 따라서, 연료는 그 측면으로부터 관찰할 때보다 그 위로부터 관찰할 때가 폭이 넓은 부채형과 같은 형태로 분사 또는 분무된다. 또한, 연료의 분사 방향은 분사된 연료가 흡기 포트(8)의 중심으로부터 흡기 포트(8)의 하부면[통 형상부(20)와의 경계선]의 절곡부 근처에 이르는 범위를 통과하도록 설정되는 것이 바람직하다.

이로 인해, 흡입 공기의 유속이 빨라지는 엔진(1)의 높은 엔진 회전 속도 범위에서 연료의 분무가 중간에 흡입 공기의 유동에 의해 휩쓸리는 경우에도, 흡기 포트(8)[흡기 통로(5)]의 상부 벽에 대한 연료의 부착이 방지될 수 있다. 또한, 연료가 그 측면으로부터 관찰할 때보다 그 위로부터 관찰할 때 더 넓은 부채형과 같은 형태로 분무된다. 따라서, 연료 분무의 표면적(즉, 공기와의 접촉 면적)이 확보되고, 연료의 분무가 아무런 간섭없이 흡입 공기와 혼합될 수 있으므로, 엔진(1)의 배기 배출 성능이 훼손될 염려가 없다. 또한, 연료 분무의 완전 침투력(complete penetration force)이 과도하게 강하지 않게 되므로, 연료가 실린더(실린더 라이너)의 벽면에 부착하여 엔진 오일을 휘석화하는 것이 방지된다.

분사되는 연료가 그 위로부터 관찰할 때 좁게 분무하도록 설정되는 경우, 최종 연료 분무는 막대형 형상을 가지게 되고, 연료 분무의 표면적(즉, 공기와의 접촉 면적)이 확보될 수 없게 됨으로써, 연료의 분무가 흡입 공기와 혼합되는 것이 저해된다. 또한, 연료 분무의 완전 침투력이 강해짐으로써, 연료는 실린더의 벽면(실린더 라이너)에 부착되게 되어 엔진 오일을 휘석화한다.

본 실시예에 있어서, 인젝터(10)로부터 분사되는 연료의 압력(연료 압력)은 엔진(1)의 회전 속도가 증가함에 따라 높아지도록 설정된다(연료 압력 설정 장치). 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 연료 압력은 엔진(1)의 회전 속도가 증가할 때[또는, 엔진(1)의 회전 속도가 높게 증가함에 따라] 더 높게 되도록 설정된다. 이런 방식으로 연료 압력을 증가시킴으로써, 높은 엔진 회전 속도 영역(소정의 엔진 회전 속도 영역)인 경우에도, 연료 분무의 유속이 증가하여, 연료의 분무가 흡입 공기의 유동에 의해 휩쓸리게 되기 어려워, 흡기 포트(8)[흡기 통로(5)]의 상부 벽으로의 연료 부착을 더욱 감소시키는 것이 가능하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 실시예의 엔진(1)은 실린더의 내부에 연료를 직접 분사하는 직접 인젝터를 실린더 헤드에 제공하지 않고, 흡기 행정 중에 연료 분사 상태를 정확하게 제어하여 연료의 증발 잠열을 흡입 공기의 냉각에 사용함으로써, 노킹의 발생이 억제된다. 또한, 공기의 밀도가 흡입 공기의 냉각에 의해 증가되어 엔진이 전부하로 주행될 때 흡입 공기량을 증가시킨다. 따라서, 엔진 성능이 향상될 수 있다. 또한, 흡기 포트의 압력이 배기 포트의 압력보다 높은 경우에서도, 배기 행정이 시작할 때 미연소 연료가 배기 포트로 끌려 유입되는 것이 방지됨으로써, 미연 HC의 배출을 방지하는 것이 가능하게 된다. 또한, 분사된 연료에 의해 유도된 혼합기의 유동이 실린더 내부로 유입하고 그 안에 강한 소용돌이 유동을 야기하여, 실린더 내측의 화염의 전파를 촉진시킴으로써, 양호한 연소가 이루어질 수 있다.

이로 인해, 실린더 내부로 연료가 직접 분사될 때 얻어질 수 있는 엔진 성능이 실린더의 내부에 연료를 직접 분사하는 직접 인젝터를 실린더 헤드에 제공하지 않고, 흡기 행정 중에 연료 분사 상태를 정확하게 제어함으로써 획득 또는 유지될 수 있게 되어, 고성능의 엔진을 얻는 것이 가능하게 된다.

본 발명에 따르면, 연료가 흡기 행정 중에 흡기 행정 분사 장치에 의해 흡기 통로 내부로 분사되어, 연료는 흡기 밸브가 개방되어 있는 동안 실린더 내부로 유입하게 된다. 연료는 그 위로부터 관찰할 때 흡기 개구의 내측까지 폭으로 확산하고 그 측면으로부터 관찰할 때 흡기 밸브가 그 최대 리프트 업 레벨까지 리프트될 때 흡기 밸브의 밸브 샤프트로부터 흡기 개구의 내측 내부에서 실린더의 중심까지 형성되는 폭 범위로 확산하는 범위로 인젝터로부터 분사된다. 따라서, 연료 분무가 흡입 공기의 유동에 의해 휩쓸리는 경우에도, 흡기 포트 또는 흡기 통로의 벽면에 대한 연료의 부착이 방지된다. 따라서, 분사된 연료가 흡입 공기와 잘 혼합될 수 있고, 최종 혼합기가 실린더 내부로 유입하게 된다.

연료의 증발 잠열을 흡입 공기의 냉각에 사용함으로써 노킹의 발생이 억제되고, 흡입 공기의 냉각에 의해 공기의 밀도가 증가되어 실린더의 내부에 연료를 직접 분사하는 직접 인젝터를 실린더 헤드에 제공하지 않고 엔진이 전부하로 주행될 때 흡입 공기량을 증가시킨다. 따라서, 엔진의 성능이 증가될 수 있다.

실린더 내부로 연료가 직접 분사될 때 얻어질 수 있는 엔진 성능이 실린더의 내부에 연료를 직접 분사하는 직접 인젝터를 실린더 헤드에 제공하지 않고, 흡기 행정 중에 연료 분사 상태를 정확하게 제어함으로써 획득 또는 유지될 수 있게 되어, 고성능의 엔진을 얻는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 발명에 있어서, 연료는 인젝터로부터, 그 위로부터 관찰할 때 흡기 개구의 내경까지의 폭으로 확산하고 그 위로부터 관찰할 때보다 그 측면으로부터 관찰할 때 폭이 더 좁게 확산하는 부채형으로 분사된다. 따라서, 연료 분무의 표면적(공기와의 접촉 면적)이 확보되어, 연료가 흡입 공기와 혼합되는 것이 전혀 방해되지 않는다.

본 발명은 흡기 개구를 향해 직선으로 연장하는 벽면을 가지는 흡기 통로의 하부면에 적용될 수 있다.

본 발명에 있어서, 연료는 인젝터로부터 상부 벽부를 따라 흡기 개구를 향해 직접 분사되고, 흡입 공기는 인젝터의 연료 분사 포트의 상류로부터 흡기 개구를 향해 도입된다.

본 발명에 있어서, 연료의 분무 유속은 흡입 공기의 유속이 빨라지는 높은 엔진 회전수 영역에서도 연료 압력을 증가시킴으로써 증가된다. 따라서, 연료의 분무가 흡입 공기의 유동에 의해 휩쓸리게 되기 더 어려워져, 흡기 포트의 상부 벽에 대한 연료의 부착을 더욱 감소하는 것이 가능하게 된다.

따라서, 본 발명의 내연 기관에 의하면, 실린더 내부로 연료가 직접 분사될 때 얻어질 수 있는 엔진 성능이 실린더의 내부에 연료를 직접 분사하는 직접 인젝터를 실린더 헤드에 제공하지 않고, 흡기 행정 중에 연료 분사 상태를 정확하게 제어함으로써 획득 또는 유지될 수 있게 되어, 고성능의 엔진을 얻는 것이 가능하게 된다.

본 발명은 실린더의 내부(연소실)에 연료를 직접 분사하는 직접 인젝터를 실린더 헤드에 직접 제공하지 않고, 흡기 통로 내부로의 연료 분사 상태를 정확하게 설정함으로써 성능 향상을 실현할 수 있는 내연 기관의 산업 분야에 적용될 수 있다.

1 : 엔진
2 : 실린더 헤드
3 : 점화 플러그
4 : 점화 코일
5 : 흡기 통로
6 : 연소실
7 : 흡기 밸브
8 : 흡기 포트
9 : 흡기 매니폴드
10 : 인젝터

Claims

적어도 연료 분사 포트로부터 흡기 통로 내부로 연료를 분사하는 인젝터, 통 형상부를 통해 상기 흡기 통로를 실린더 내부와 연통시키는 흡기 개구 및 상기 인젝터가 흡기 행정에서 연료를 분사하게 하는 흡기 행정 분사 장치를 포함하는 연료 분사 유닛과,
연료가 상기 흡기 개구로부터 상기 실린더의 내부로 도입되어 상기 실린더의 내부에 혼합기가 형성되도록 상기 흡기 행정 분사 장치로 하여금 상기 인젝터가 상기 흡기 행정에서 연료를 분사하게 하는 제어기를 포함하고,
상기 연료는 상기 실린더의 위로부터 관찰할 때 상기 흡기 개구의 내측의 폭으로 확산하고 상기 실린더의 측면으로부터 관찰할 때 상기 흡기 개구의 내측 내부에서 상기 흡기 밸브가 최대 리프트 업 레벨인 상태에서 밸브 샤프트로부터 상기 실린더의 중심 측까지 형성된 폭으로 확산하는 범위로 상기 인젝터로부터 분사되는, 내연 기관.
제1항에 있어서, 상기 인젝터로부터 분사된 연료는 상기 실린더의 측면으로부터 관찰할 때, 상기 흡기 밸브가 최대 리프트 업 레벨인 경우 상기 흡기 밸브의 밸브 시트로부터 상기 흡기 통로의 하부면을 따라 연장하는 선 및 상기 흡기 개구에서 시트로부터 상기 흡기 통로의 하부면을 따라 연장하는 선이 상기 통 형상부 및 상기 흡기 통로 사이의 경계선과 개별적으로 교차하는 2개의 교점 사이에서 형성되는 범위까지 확산하는, 내연 기관.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 흡기 통로의 하부면은 상기 흡기 개구를 향해 직선 연장하는 벽면을 가지는, 내연 기관.
제3항에 있어서, 상기 흡기 통로는 상기 흡기 개구를 향해 직선 연장하는 상부 벽부를 가지고,
상기 인젝터의 상기 연료 분사 포트는 연료의 분사 방향이 상기 상부 벽부를 따라 평행하도록 배치되고,
상기 흡기 통로 내부로의 흡입 공기는 상기 인젝터의 상기 연료 분사 포트를 가로질러 상기 흡기 개구에 대해 반대측으로부터 상기 흡기 개구를 향해 도입되어, 상기 연료의 분사 방향 및 상기 흡입 공기의 도입 방향은 서로 평행한, 내연 기관.
제4항에 있어서, 상기 내연 기관의 회전 속도 및 부하에 따라 연료 압력을 설정하는 연료 압력 설정 장치를 포함하고,
상기 제어기는 상기 연료 압력 설정 장치가 상기 내연 기관의 회전 속도가 소정의 회전 속도 영역인 상태에서 상기 연료 압력을 증가시키게 하는, 내연 기관.