KR20160012055A - 듀얼 예연소실 연소 장치 - Google Patents

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Abstract

하나의 실시예에서, 엔진용 연소 장치가 개시된다. 상기 장치는 실린더 보어와, 상기 실린더 보어의 원주를 따라 위치한 서로 마주보는 예연소실들을 정의하는 실린더 블록을 포함한다. 상기 장치는 또한 실린더 보어의 원주에서 동일한 거리에 위치하며 실린더 보어의 직경에 수직인 방향으로 연료를 분사하는 연료 인젝터를 포함한다. 상기 장치는 상기 예연소실들에 위치하며, 상기 연료 인젝터로부터의 연료의 적어도 일부를 점화하여 점화 화염을 실린더 보어 내로 안내하는 점화 플러그를 더 포함한다.

Description

듀얼 예연소실 연소 장치{DUAL PRE-CHAMBER COMBUSTION SYSTEM}
본 발명은 엔진용 연소 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연한 혼합기의 사용을 용이하게 하는 듀얼 예연소시 연소 장치에 관한 것이다.
내연 기관의 하나의 부산물은 질소산화물 가스들의 형성이다. 이러한 종류의 가스들은 연소 과정에 연관된 고온 하에서 질소가 산소와 결합할 때 형성되고, 그것의 의하여 일산화질소 및 이산화질소와 같은 질소산화물 가스들이 형성된다. 이러한 가스들은 대기 중에 방출될 때 환경에 수많은 악영향을 끼친다. 예를 들어, 산성비, 스모그, 오존층 파괴 및 다른 환경에 부정적인 영향들은 질소산화물 가스가 대기 중으로 방출되는 것에 기인한다.
내연 기관에서 질소산화물 가스의 생산을 감소시키는 하나의 방법은 충분히 연한 혼합기를 사용하는 것이다. 특히, 연한 혼합기에서 증가된 공기의 양은 엔진의 내부 연소 온도를 낮추는 효과를 가지고 있으며, 그것에 의하여 질소산화물 가스들의 형성을 낮춘다. 그런데, 연한 혼합기의 사용은 몇 가지 어려운 점을 가지고 있다. 예를 들어, 다른 문제점들 중에서 전통적인 내연 기관에서 너무 연한 혼합기로 운전하는 것은 엔진에 손상을 끼칠 수 있으며 "노킹(knocking)"이 발생할 수 있다.
엔진에 몇 가지 수정을 가하여 내연 기관에서 연하거나 매우 연한 혼합기의 사용을 지원하기 위한 몇몇 노력들이 시도되었다. 그러한 접근법 중 하나는 가솔린 직접 분사(Gasoline Direct injection; GDI) 엔진에서 층상 급기(stratified charge)를 이용하는 것이다. 예를 들어, 벽에 의하여 가이드되는 GDI 디자인은 통상적으로 피스톤 상의 특수화된 영역을 이용하여 측면 인젝터에서 분사된 연료를 중앙에 위치한 점화 플러그를 향하여 안내한다. 다른 경우로, 간접 분사 디자인이 사용되었는데, 간접 분사 디자인에서는 연료 인젝터와 점화 플러그가 모두 예연소실 내에 위치하여 연소가 예연소실에서 시작되어 주연소실로 퍼지도록 하였다. 그런데, 이러한 접근법은 복잡한 디자인을 요구하고 연비에 제한된 효과만을 가질 수 있었다.
관련된 분야에서의 문제점들을 해결하기 위하여, 질소산화물 가스 배출의 감소와 연비의 향상을 모두 달성할 수 있는 간소화된 연소 장치의 개발이 필요하다.
발명의 배경이 되는 기술에 기재한 정보들은 단지 본 발명의 배경에 대한 이해를 향상시키기 위한 것이고, 이에 따라 당업자에게 이미 알려진 선행기술을 형성하기 위한 정보를 가지고 있지 아니하다.
따라서, 본 발명은 엔진 내에서 연소를 제공하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 특히, 여기에서 기재된 기술들은 실린더 보어의 중심축을 따라 분사된 연료를 실린더 보어의 원주를 따라 위치한 예연소실을 향하여 재안내하기 위한 것이다.
하나의 실시예에서, 엔진용 연소 장치가 개시된다. 상기 장치는 실린더 보어와, 상기 실린더 보어의 원주를 따라 위치한 서로 마주보는 예연소실들을 정의하는 실린더 블록을 포함한다. 상기 장치는 또한 실린더 보어의 원주에서 동일한 거리에 위치하며 실린더 보어의 직경에 수직인 방향으로 연료를 분사하는 연료 인젝터를 포함한다. 상기 장치는 상기 예연소실들에 위치하며, 상기 연료 인젝터로부터의 연료의 적어도 일부를 점화하여 점화 화염을 실린더 보어 내로 안내하는 점화 플러그를 더 포함한다.
몇몇 양상들에 따르면, 상기 예연소실은 상기 점화 화염을 실린더 보어 내로 안내하는 복수개의 구멍들을 포함할 수 있다. 하나의 양상에서, 상기 구멍들 각각은 그 직경이 대략 1mm일 수 있다. 다른 양상에서, 특정 예연소실로부터의 상기 점화 화염들은 15° 이상의 간격을 갖을 수 있다. 또 다른 양상에서, 상기 실린더 블록은 상기 실린더 보어를 적어도 부분적으로 둘러싸는 냉각수 쟈켓을 정의할 수 있다. 또 다른 양상에서, 상기 연소 장치는 실린더 보어 내에 위치하며 연료를 연료 인젝터로부터 상기 예연소실을 향하여 안내하는 피스톤을 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 상기 예연소실은 피스톤의 상사점(top dead center) 위치에 해당하는 위치에서 실린더 보어의 원주를 따라 위치할 수 있다.
다른 실시예에서, 엔진의 실린더 보어 내의 중앙에 위치한 연료 인젝터에 의하여 연료를 실린더 보어 내에 위치한 피스톤의 크라운을 향하여 분사하는 단계를 포함하는 방법이 개시된다. 분사된 연료의 적어도 부분은 실린더 보어의 원주를 따라 위치한 서로 마주보는 예연소실에서 받게 된다. 상기 분사된 연료의 부분은 예연소실 내에서 점화되어 점화 화염을 실린더 보어 내로 안내한다.
하나의 양상에서, 연료의 분사는 피스톤이 실린더 보어 내에서 상사점 위치를 향하여 이동하고 있는 압축 행정 동안 실시될 수 있다. 다른 양상에서, 분사된 연료를 예연소실을 향하여 안내하기 위하여 피스톤의 크라운이 사용될 수 있다. 또 다른 양상에서, 피스톤이 상사점 위치 근처에 있을 때 분사된 연료를 예연소실 내로 강제로 보내기 위하여 피스톤의 크라운이 사용될 수 있다. 또 다른 양상에서, 상기 분사된 연료는 제2분사 연료이고, 상기 방법은 피스톤이 실린더 보어 내의 연료 인젝터로부터 멀어지도록 움직이는 흡기 행정 동안 연료 인젝터에 의하여 제1분사 연료를 분사하는 단계를 더 포함한다. 하나의 양상에서, 상기 흡기 행정은 압축 행정 전에 일어날 수 있다. 다른 양상에서, 특정 예연소실로부터 안내된 점화 화염은 적어도 15°의 간격을 갖을 수 있다. 몇몇 양상들에서, 예연소실로부터의 점화 화염은 실린더 보어 내의 제1분사 연료의 적어도 부분을 점화하기 위하여 이용될 수 있다. 또 다른 양상에서, 상기 방법은 실린더 보어를 적어도 부분적으로 감싸는 냉각수 쟈켓을 이용하여 실린더 보어를 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 엔진용 연소 장치가 개시된다. 상기 장치는 엔진의 실린더 보어 내로 연료를 분사하는 수단을 포함한다. 상기 장치는 또한 분사된 연료의 적어도 부분을 받는 수단을 포함한다. 상기 장치는 받은 연료의 부분을 점화하여 점화 화염을 실린더 보어 내로 안내하는 수단을 더 포함한다.
몇몇 양상에서, 상기 연소 장치는 또한 분사된 연료를 상기 받는 수단을 향하여 안내하는 수단, 공기를 분사된 연료와 혼합하는 수단 또는 실린더 보어를 냉각하는 수단을 포함할 수 있다.
유리하게도, 여기에서 개시된 상기 장치와 방법은 연소 동안 연한 혼합기가 사용될 수 있도록 하는 예연소실의 활용을 제공한다.
본 발명의 특징들은 예시의 목적일 뿐 본 발명을 한정 짓지 않는 첨부된 도면들에 도시된 어떠한 실시예들을 참조로 상세히 설명될 것이다.
도 1은 듀얼 예연소실 연소 장치의 예시적인 측면도이다.
도 2는 듀얼 예연소실을 갖는 실린더 블록의 예시적인 평면도이다.
도 3(a)~(c)는 흡기 행정 동안 도 1의 장치의 예들을 도시한 것이다.
도 4(a)~(c)는 압축 행정 동안 도 1의 장치의 예들을 도시한 것이다.
도 5(a)~(c)는 압축 행정 동안 피스톤이 상사점에 접근할 때 도 1의 장치의 예들을 도시한 것이다.
도 6(a)~(c)는 점화-동력 이벤트 동안 도 1의 장치의 예들을 도시한 것이다.
첨부된 도면들은 필수적으로 크기를 조정한 것이 아니며, 본 발명의 기본적 원리를 나타내는 다양하고 적절한 특징들을 다소 간략하게 표시하였음을 이해하여야 한다. 여기에서 기재된 본 발명의 특별한 디자인 특징들, 예를 들어, 특정 치수, 방향, 위치 및 형상은 특별한 의도된 응용 분야 및 사용 환경에 의하여 부분적으로는 결정될 것이다.
전체 도면들에서, 본 발명의 동일하거나 동등한 부분은 동일한 참조 번호를 사용하였다.
이하, 본 기술 분야의 당업자에 의하여 용이하게 실시될 수 있도록 본 발명의 실시예들을 기재한다.
여기에서 사용된 "차량", "차량의" 또는 다른 유사한 용어들은 스포츠 실용차(sports utility vehicles; SUV), 버스, 트럭, 다양한 상용차를 포함하는 승용차, 다양한 종류의 보트나 선박을 포함하는 배, 항공기 및 이와 유사한 것을 포함하는 자동차를 포함하며, 하이브리드 차량, 전기 차량, 플러그 인 하이브리드 전기 차량, 수소연료 차량 및 다른 대체 연료(예를 들어, 석유 외의 자원으로부터 얻어지는 연료) 차량을 포함한다. 여기에서 언급된 바와 같이, 하이브리드 차량은, 예를 들어 가솔린 및 전기에 의하여 동력을 얻는 자동차와 같이 두 개 이상의 동력원을 가지는 자동차이다.
또한, 상기 방법들의 부분들은 적어도 하나 이상의 제어기에 의하여 실행될 수 있다. 제어기라는 용어는 메모리와, 알고리즘적 구조로 해석될 수 있는 하나 이상의 단계들을 실행하도록 된 프로세서를 포함하는 하드웨어 장치를 말한다. 상기 메모리는 알고리즘적 단계들을 저장할 수 있도록 되어 있고 프로세서는 하기에서 더욱 자세히 설명되는 하나 이상의 방법을 수행하기 위하여 상기 알고리즘적 단계들을 특히 실행하도록 되어 있다.
더 나아가, 본 발명의 실시예에 따른 제어 로직은 프로세서, 제어기 또는 이와 유사한 것에 의하여 실행되는 실행 가능한 프로그램 명령들을 포함하는 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체 상의 일시적이지 않은 컴퓨터가 읽을 수 있는 미디어로 구현될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, 이에 한정되지는 않지만, ROM, RAM, 컴팩트 디스크 (CD)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 플래쉬 드라이브, 스마트 카드 및 광학 데이터 저장 장치들을 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 재생 매체는 컴퓨터 시스템에 연결된 네트웍 상에 분산되어 예를 들어, 텔레매틱스 서버나 계측 제어기 통신망(Controller Area Network; CAN)에 의하여 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체가 저장되고 실행될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어들은 특정 실시예들만을 기재하기 위한 것으로 본 발명을 한정하기 위한 의도가 아니다. 본 명세서에서 사용된 단수 형태들은, 맥락에서 명백히 이와 다르게 지칭하고 있지 않는 한, 복수 형태들을 함께 포함한다. "포함하다" 및/또는 "포함하는" 등과 같은 용어는 본 명세서에서 사용되었을 때 기재된 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들 및/또는 부품들이 존재하는 것을 나타내며, 하나 이상의 다른 특징들, 정수들, 단계들, 요소들, 부품들 및/또는 그들의 그룹들이 존재하는 것 또는 추가되는 것을 배제하기 위한 것이 아님을 이해하여야 할 것이다. 본 명세서에서 사용된 "및/또는"이라는 용어는 하나 이상의 연관되고 리스트에 언급된 항목들 중 어느 하나 및 모든 조합을 포함한다.
본 발명은 서로 마주보는 예연소실들이 엔진의 실린더 보어의 원주를 따라 위치하는 연소 장치 및 기술을 제공한다. 상기 원주로부터 동일한 거리에 위치하는 연료 인젝터는 실린더 보어의 중심을 향하여 실린더 보어의 직경에 거의 수직인 축을 따라 연료를 분사한다. 연소실에 존재하는 혼합기의 연소는 예연소실 내의 혼합기를 점화하는 것에 의하여 시작되고, 그것에 의하여 점화 화염을 주연소실 내의 혼합기를 향하여 송부/안내한다.
도 1을 참조하면, 다양한 실시예들에 따른 듀얼 예연소실 연소 장치(100)의 예시적인 측면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 연소 장치(100)는 실린더 보어(112)가 형성된 실린더 블록(108)을 포함한다. 알고 있는 바와 같이, 실린더 블록(108)은 실린더 보어(112)와 유사한 다수의 실린더 보어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 실린더 블록(108)은 4기통 엔진에 사용하도록 되었을 때에는 총 4개의 실린더 보어를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 실린더 블록(108)은 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 다른 경량 재질로 형성될 수 있다. 이러한 경우, 실린더 보어(112)는 강철과 같이 실린더 보어(112)의 내부를 보강하기에 적절한 재질을 사용하여 제작된 실린더 라이너(114)를 포함할 수 있다.
실린더 블록(108)은 적어도 부분적으로 실린더 보어(112)를 둘러싸는 냉각수 쟈켓(110)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 자세히 도시된 바와 같이, 냉각수 쟈켓(110)은 실린더 보어(112)의 원주를 둘러싸고 냉매를 공급하는 실린더 블록(108) 내의 중공 구조물일 수 있다. 물, 에틸렌글리콜, 그것들의 조합 등과 같이 적절한 형태의 냉매가 냉각수 쟈켓(1100 내에서 사용될 수 있다.
실린더 보어(112) 내에 위치한 것은 상기 장치(100) 내에서 혼합기의 연소에 의하여 구동되는 피스톤(106)이다. 상기 혼합기의 일부로서 사용되는 연료(104)는 중앙에 위치한 연료 인젝터(102)에 의하여 분사되는데, 상기 연료 인젝터(102)는 연료(104)를 실린더 보어(112)의 중심을 향하여 분사한다. 다르게 말하면, 연료 인젝터(102)는 연소 장치(100) 내에서 실린더 보어(112)의 원주를 따른 모든 점들로부터 동일한 위치에 위치할 수 있으며, 실린더 보어(112)의 직경에 수직한 방향으로 연료(104)를 분사할 수 있다. 공기 또한 흡기 밸브(130)를 통하여 실린더 보어(112)에 공급되는데, 상기 흡기 밸브(130)는 흡기 매니폴드(126)를 통하여 실린더 보어(112) 내로의 공기의 흐름을 조절한다. 연소 후에, 결과로 생긴 가스는 배기 밸브(128)를 통하여 실린더 보어(122)로부터 배출되는데, 상기 배기 밸브(128)는 배기 매니폴드(124)로의 배기 가스의 흐름을 조절한다.
알고 있는 바와 같이, 피스톤(106)은 커넥팅 로드(도시하지 않음)를 통하여 크랭크샤프트에 연결되어 있으며 크랭크샤프트가 실린더 보어(112) 내에서의 피스톤(106)의 운동에 의하여 회전하도록 한다. 작동 중, 피스톤(106)은 연소 장치(100)의 제어된 작동을 통하여 상사점(Top Dead Center; TDC) 위치(예를 들어, 실린더 보어(112) 내에서 피스톤(106)의 가장 높은 위치)과 하사점(Bottom Dead Center; BDC) 위치(예를 들어, 실린더 보어(112) 내에서 피스톤(106)의 가장 낮은 위치) 사이에서 왕복한다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 피스톤(106)이 실린더 보어(112) 내에서 TDC 위치를 향하여 위로 움직이고 있는 것이 도시되었다.
다양한 실시예들에 따르면, 실린더 블록(108)은 또한 연료(104)의 적어도 일부(예를 들어, 혼합기의 일부)의 연소가 일어나는 예연소실(116)을 정의한다. 예를 들어, 점화 플러그(120)가 예연소실(116) 내에 위치하여 흡기측(126)으로부터의 공기와 혼합된 분사 연료(104)의 일부를 점화하는데 사용될 수 있다. 하나의 실시예에서, 예연소실(116)은 듀얼 예연소실 형상의 일부로서 실린더 보어(112)의 원주의 마주보는 측면에 위치한다. 각 예연소실(116)은 점화된 혼합기를 실린더 보어(112)의 중심을 향하여 안내하도록 실린더 보어(112)를 따라 위치한 하나 이상의 오리피스/구멍(118)을 포함할 수 있다. 다른 형상에서는, 하나 이상의 예연소실이 다른 위치에서 실린더 보어(112)의 원주를 따라 위치할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 실린더 블록(108)의 예시적인 평면도가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 예에서, 비록 다른 실시예에서는 어떠한 개수의 실린더가 사용될 수 있지만, 실린더 블록(108)은 네 개의 실린더 보어(112)를 포함한다. 또한 보이는 바와 같이, 실린더 블록(108)에 형성된 냉각수 쟈켓(110)은 적어도 부분적으로 실린더 보어(112) 각각을 감싸고 있다. 중앙에 위치한 연료 인젝터(102)가 각 실린더 보어(112)의 꼭대기에 있는데, 상기 연료 인젝터(102)는 실린더 보어(112) 내로 연료를 하방향으로 분사한다. 다양한 실시예들에 따르면, 상기 예연소실(116)은 각 실린더 보어(112)의 서로 마주보는 면에 위치하여 보어 내에서의 연소를 원활하게 한다. 달리 말하면, 각 실린더 보어(112)는 그 상부에 위치한 이중의 대각선으로 마주보는 예연소실(116)을 가지고 있다. 작동하는 동안, 연료 인젝터(102)로부터 하방향으로 분사된 연료는 흡기와 혼합되고, 상기 혼합기의 적어도 부분은 예연소실(116)에 공급되며, 상기 예연소실(116) 내에 위치한 점화 플러그에 의하여 연소가 시작된다.
통상적으로, 여기에서 개시된 연소 장치는 엔진의 피스톤을 구동하기 위하여 4행정 작동을 사용한다. 이 작동은 흡기 행정, 압축 행정, 동력 행정 및 배기 행정을 포함하며, 그것들은 엔진의 작동 중 계속 반복된다. 상기 각 행정은 뒤에서 더욱 자세히 설명한다.
도 3(a) 내지 (c)는 흡기 행정 동안 본 발명의 하나의 실시예에 따른 도 1에 도시된 연소 장치(100)의 예들을 도시하였다. 도 3(a) 내지 (b)에 도시된 바와 같이, 흡기 행정 동안 피스톤(106)은 실린더 보어 내에서 TDC 위치에서 BDC 위치로 이동하는 과정이다. 이 때, 연료 인젝터(102)는 연료(104)를 실린더 보어(112)에 공급하는데, 이 연료는 (흡기 매니폴드(126)로부터의 공기와 혼합되는 것에 의하여) 실린더 보어(112) 내에서 주혼합기를 형성하는데 사용된다. 다양한 실시예들에서, 흡기 행정 동안 공급된 상기 주혼합기는 연한 혼합기이다. 흡기 행정 동안 연소 장치(100)의 작동은 도 3(c)의 그래프(302)에 도시되어 있다. 그래프(302)에 도시된 바와 같이, 연료 인젝터(102)에 의한 연료의 분사는 흡기 밸브(130)(예를 들어, 실린더 보어(112)에 공기를 공급하기 위한)의 작동과 일치하며, 그것에 의하여 실린더 보어(112)에 주혼합기가 채워진다.
도 4(a) 내지 (c)는 압축 행정 동안 본 발명의 하나의 실시예에 따른 도 1에 도시된 연소 장치(100)의 예들을 도시하였다. 도 4(a) 내지 (b)에 도시된 바와 같이, 압축 행정 동안 피스톤(106)은 BDC 위치로부터 되돌아가고(예를 들어, 흡기 행정을 완료하고 나서), 다시 TDC 위치로 이동한다. 이 동작은 도 3(a) 내지 (c)에 도시된 흡기 행정 동안 실린더 보어(112)에 이전에 분사된 주혼합기에 압축 효과를 가져오게 된다.
다양한 실시예들에 따르면, 연료 인젝터(102)는 압축 행정 동안 피스톤(106)이 TDC 위치에 근접하면 실린더 보어(104)로 연료(104)를 다시 분사할 수 있다. 즉, 연료 인젝터(102)는 주어진 작동 사이클 동안(예를 들어, 흡기 및 압축 행정 동안) 별개인 두 번의 연료(104) 분사를 제공할 수 있다. 압축 행정에서의 분사 동안, 예연소실(116)에 매우 근접한 피스톤(112)의 위치는 분사된 연료(104)를 예연소실(116)을 향하여 안내하는 것을 도와 준다. 예를 들어, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 제2분사 동안 분사된 연료(104)는 피스톤(106)의 크라운(132)을 따라 유입 스트림(404)을 형성할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 크라운(132)은 연료(104)의 흐름을 예연소실(116)을 향하여 안내하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 크라운(132)은 예연소실(116)을 향한 연료 스트림(404)의 형성을 용이하게 하는 그루브들 또는 다른 영역들을 포함할 수 있다. 따라서, 피스톤(106)은 제2연료 분사로부터 각 예연소실(116)이 혼합기로 채워지는 동안 벽으로 안내하는 작동(wall guided motion)을 제공할 수 있다. 하나의 실시예에서, 예연소실(116) 각각은 연료(104)를 받기 위한 복수개의 구멍들(118)을 포함한다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 예연소실(116) 각각은, 비록 다른 실시예에서는 어떠한 개수의 구멍이 사용될 수 있지만, 세 개의 구멍들(118)을 포함한다.
압축 행정 동안 연소 장치(100)의 작동은 도 4(c)의 그래프(402)에 도시되어 있다. 그래프(402)에 도시된 바와 같이, 하나의 실시예에서 압축 행정 동안 일어나는 연료의 분사는 흡기 행정 동안의 연료의 분사보다 더 짧을 기간일 수 있다. 즉, 연소 가능한 혼합기를 실린더 보어(112) 내의 서로 마주보는 예연소실(116)에 안내하기 위한 목적으로 더 작은 양의 연료가 압축 행정 동안 분사될 수 있다.
도 5(a) 내지 (c)는 압축 행정 동안 피스톤(106)이 TDC 위치에 도달하였을 때 도 1의 연소 장치(100)의 예들을 도시하였다. 도 5(a) 내지 (b)에 도시된 바와 같이, 연료 스트림(404)으로부터의 혼합기는 구멍들(118)을 통하여 압축되고 피스톤(106)의 동작에 의하여 예연소실(116)로 유입된다. 하나의 실시예에서, 각 구멍들(118)은 그 직경이 대략 1mm이다. TDC 위치에서, 피스톤(106)의 위쪽 고리 영역은 또한 예연소실(116)을 막지 않을 수 있다. 통상적인 엔진은 종종 이 영역에서 5~8mm의 틈새를 가진다.
압축 행정 말기 동안 연소 장치(100)의 작동은 도 5(c)의 그래프(502)에 도시되어 있다. 그래프(502)에 도시된 바와 같이, 착화시기(start of ignition; SOI) 이벤트는 압축 행정의 말기로 갈수록 일어날 수 있고, 그것에 의하여 동력 행정을 이끌게 된다. SOI 이벤트 동안, 각 예연소실(116)에 위치한 점화 플러그(120)는 동력을 공급 받아 예연소실(116) 내의 혼합기의 점화 및 동력 행정 위상의 시작을 이끌게 된다.
도 6(a) 내지 (c)는 점화-동력 이벤트 동안 도 1의 연소 장치(100)의 예들을 도시하였다. 도 6(a) 내지 (b)에 도시된 바와 같이, 점화 플러그(120)는 이 이벤트 동안 작동되고, 그것에 의하여 예연소실(116) 내의 혼합기를 점화한다. 이 점화의 결과로, 점화 화염(506)이 실린더 보어(112)를 향하여 안내된다. 다른 예연소실 디자인과는 달리, 실린더 보어(112)의 중심을 향한 화염(506)의 안내는 실린더 보어(112)의 벽면에 나쁜 영향을 주는 것이 방지된다. 화염(506)은 제트와 같은 방식으로 작동하고, 그것에 의하여 강한 주화염핵(primary flame kernel)을 실린더 보어(112)의 중앙에 제공한다. 하나의 실시예에서, 구멍들(118)은 화염들이 서로 15° 이상의 간격을 갖고 실린더 보어(112) 내로 공급되도록 형성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 예를 들어 예연소실(116) 내의 혼합기를 점화한 결과로 예연소실(116) 각각은 구멍들(118)을 통하여 세 개의 화염(506)을 실린더 보어(112) 내로 제공할 수 있다. 알고 있는 바와 같이, 화염(506)과 화염핵(504)의 형성은 실린더 보어(112) 내의 주혼합기를 점화하는 효과가 있다. 이 연소로부터 발생된 에너지는 동력 행정 위상의 일부로서 피스톤(106)을 TDC 위치에서 BDC 위치로 돌아가도록 구동한다.
동력 행정 위상 동안 연소 장치(100)의 작동은 도 6(c)의 그래프(602)에 도시되어 있다. 그래프(602)에 도시된 바와 같이, 예연소실(116) 내의 혼합기의 점화를 통한 실린더 보어(112) 내의 주혼합기의 연소는 피스톤(106)에 동력을 공급한다. 이 동력은 커넥팅 로드(122)에 전달되고, 결국 엔진의 크랭크샤프트에 가해지는 회전력으로 전달된다.
그래프(602)에 또한 도시된 바와 같이, 피스톤(106)이 실린더 보어(112) 내의 BDC 위치에 도달하고 TDC 위치로 돌아가기 시작한 후(예를 들어, 동력 행정이 완료된 후), 배기 행정이 시작된다. 배기 행정 동안, 배기 밸브(128)가 작동하여 연소 결과로 발생한 배기 가스가 배기 매니폴드(124)로 배출되고 실린더 보어(112)로부터 제거되도록 한다. 또한, 배기 위상의 말단에서 흡기 밸브(130)가 작동되어 신선한 공기가 흡기 매니폴드(126)를 통해 실린더 보어(112)에 공급되도록 하고, 이것은 새로운 흡기 행정 위상의 시작을 이끈다.
유리하게도, 여기에 기재된 기술들은 매우 연한 혼합기의 사용을 지원하는 연소 장치를 제공하며, 그것에 의하여 연료 경제성을 향상시키고 질소산화물 가스의 배출을 감소시킬 수 있다. 이러한 기술은 다른 내연 기관들에 비하여 펌핑 로스(pumping loss)를 줄이는 것에 의하여 5~10%의 연료 경제성을 향상시키는 것을 보여준다. 또한, 질소산화물 가스의 발생은 연한 혼합기의 사용을 통하여 상당히 감소하는 것을 보여준다. 더 나아가, 여기에 기재된 기술들은 예연소실 자체 내에 연료 인젝터와 점화 플러그를 모두 사용하는 종래의 예연소실 장치에 비하여 더욱 간소한 디자인을 제공한다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (20)

  1. 엔진용 연소 장치에 있어서,
    실린더 보어와, 상기 실린더 보어의 원주를 따라 위치한 서로 마주보는 예연소실들을 정의하는 실린더 블록;
    실린더 보어의 원주에서 동일한 거리에 위치하며 실린더 보어의 직경에 수직인 방향으로 연료를 분사하는 연료 인젝터; 그리고
    상기 예연소실들에 위치하며, 상기 연료 인젝터로부터의 연료의 적어도 일부를 점화하여 점화 화염을 실린더 보어 내로 안내하는 점화 플러그;
    을 포함하는 엔진용 연소 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 예연소실은 상기 점화 화염을 실린더 보어 내로 안내하는 복수개의 구멍들을 포함하는 엔진용 연소 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 구멍들 각각은 그 직경이 대략 1mm인 것을 특징으로 하는 엔진용 연소 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    특정 예연소실로부터의 상기 점화 화염들은 15° 이상의 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 엔진용 연소 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 실린더 블록은 상기 실린더 보어를 적어도 부분적으로 둘러싸는 냉각수 쟈켓을 정의하는 것을 특징으로 하는 엔진용 연소 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    실린더 보어 내에 위치하며 연료를 연료 인젝터로부터 상기 예연소실을 향하여 안내하는 피스톤을 더 포함하는 엔진용 연소 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 예연소실은 피스톤의 상사점(top dead center) 위치에 해당하는 위치에서 실린더 보어의 원주를 따라 위치하는 것을 특징으로 하는 엔진용 연소 장치.
  8. 엔진의 실린더 보어 내의 중심에 위치한 연료 인젝터에 의하여 연료를 실린더 보어 내에 위치한 피스톤의 크라운을 향하여 분사하는 단계;
    상기 실린더 보어의 원주를 따라 위치한 서로 마주보는 예연소실에서 상기 분사된 연료의 적어도 일부를 받는 단계; 그리고
    상기 예연소실 내에서 분사된 연료의 적어도 일부를 점화하여 점화 화염을 실린더 보어 내로 안내하는 단계;
    를 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    연료의 분사는 피스톤이 실린더 보어 내에서 상사점 위치를 향하여 이동하고 있는 압축 행정 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    피스톤의 크라운을 사용하여 분사된 연료를 예연소실을 향하여 안내하는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    피스톤의 크라운을 사용하여 피스톤이 상사점 위치 근처에 있을 때 분사된 연료를 예연소실 내로 강제로 보내는 단계를 더 포함하는 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 분사된 연료는 제2분사 연료이고,
    상기 방법은 피스톤이 실린더 보어 내의 연료 인젝터로부터 멀어지도록 움직이는 흡기 행정 동안 연료 인젝터에 의하여 제1분사 연료를 분사하는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 흡기 행정은 압축 행정 전에 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    특정 예연소실로부터 안내된 점화 화염은 적어도 15°의 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    예연소실로부터의 점화 화염을 이용하여 실린더 보어 내의 제1분사 연료의 적어도 부분을 점화하는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 제8항에 있어서,
    실린더 보어를 적어도 부분적으로 감싸는 냉각수 쟈켓을 이용하여 실린더 보어를 냉각하는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 엔진용 연소 장치에 있어서,
    엔진의 실린더 보어 내로 연료를 분사하는 수단;
    분사된 연료의 적어도 부분을 받는 수단; 그리고
    받은 연료의 부분을 점화하여 점화 화염을 실린더 보어 내로 안내하는 수단;
    을 포함하는 엔진용 연소 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    분사된 연료를 상기 받는 수단을 향하여 안내하는 수단을 더 포함하는 엔진용 연소 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    공기를 분사된 연료와 혼합하는 수단을 더 포함하는 엔진용 연소 장치.
  20. 제17항에 있어서,
    실린더 보어를 냉각하는 수단을 더 포함하는 엔진용 연소 장치.
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