KR20170120247A - 내연기관의 연소실 유닛 - Google Patents

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Abstract

엔진헤드 내에 마련된 연소실로 공기를 공급하는 흡기포트의 내측에 마련되어 공기가 이동되는 유로를 상측유로와 하측유로로 분할하는 격벽부; 상기 격벽부의 전방에 위치되고, 회전 가능하도록 마련되어 상기 하측유로를 개방 또는 밀폐하는 블레이드; 및 상기 흡기포트의 상측에 위치되는 제1인젝터;를 포함함으로써, 상기 제1인젝터에서 연료분사시 상기 블레이드와의 간섭을 방지하여 월 웨팅이 발생되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소실 유닛이 소개된다.

Description

내연기관의 연소실 유닛 {FUEL INJECTION UNIT FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 가솔린 직접 분사식 엔진(GDI, Gasoline Direct Injection)와 MPI(Multi-Point Injection)가 동시에 장착된 내연기관의 연소실 유닛에 있어서, 연료의 월 웨팅(Wall Wetting) 현상을 제거하여 연비 및 EM(Emission Material)을 개선할 수 있는 내연기관의 연소실 유닛에 관한 것이다.
GDI는 고압 인젝터 기술의 발전과 연비향상의 필요성이 증가하면서 개발되기 시작하였으며, 이러한 가솔린 직접 분사식 엔진은 부분부하 운전시 40:1 정도의 초희박운전이 가능한 연소 시스템을 적용하여 연비의 획기적인 향상을 가져온다.
이러한 가솔린 직접 분사식 엔진은 도 1에서와 같이, 엔진(10)의 연소실(11)로 강한 텀블을 동반한 흡입공기가 유입되도록 흡기 포트(12)와 연소가스가 배출되기 위한 배기 포트(13)가 마련되고, 연료가 연소실(11)로 직접 분사되도록 하는 인젝터(14)가 흡기 포트(12)의 일측에 형성되고, 상기 인젝터(14)에서 분사된 연료에 불꽃을 발산하여 점화되도록 하는 스파크 플러그(15)가 연소실(11)의 상부에 형성된다. 특히, 피스톤(16)의 상부면에는 흡기의 유동이 강화되도록 하기 위한 볼(17)이 형성된다.
따라서 흡기 포트(12)를 통해 상기한 볼(17)로 도입된 흡기는 볼(17)의 벽면을 타고 그 유동이 강화되며, 인젝터(14)에서 직접 분사된 연료가 볼(17)의 벽면에 충돌하게 되고, 볼(17)의 벽면에 충돌된 연료는 뜨거운 피스톤(16)의 표면에서 기 화하고, 상기 볼(17) 내로 유입된 흡기의 강한 유동에 의하여 기화하면서 흡기와 혼합되어서 성층의 혼합기를 형성하게 된다. 이때, 연소실 전체의 혼합기는 초희박 상태이지만 스파크 플러그 주위에는 성층의 농후한 혼합기가 형성된 상태로 연소가 이루어진다.
상기와 같이 피스톤(16)의 상부에 형성된 볼(17)의 벽면에 흡기가 부딪치면서 유동이 강화되고, 인젝터(14)를 통해 분사된 연료가 볼(17)의 벽면에 충돌하게 되는데, 이렇게 연료가 분사되는 볼(17)을 가르켜 월 가이드 볼(Wall guide bowl)이라고 한다.
그런데 상기와 같이 볼 내로 분사된 연료는 피스톤의 벽면에 충돌하게 되므로서 벽면에 충돌하지 않는 연료보다 증발속도가 느리게 된다. 따라서 늦게 증발된 연료의 경우에는 연소에 참여하게 되는 시간이 늦어지므로서 검댕(soot)을 형성하고 탄화수소(HC)의 배출도 증가된다.
특히, 피스톤이 가열되지 않은 냉시동시에는 스모크의 배출이 많아지고, 흡기 포트만으로 흡기의 유동이 강화하기 때문에 흡기 포트의 저하에 의하여 전부하의 성능저하를 가져오는 문제점이 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
JP 2010-106686 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, GDI와 MPI가 동시에 장착된 내연기관의 연소실 유닛에 있어서, 연료의 월 웨팅 현상을 제거하여 연비 및 EM을 개선할 수 있는 내연기관의 연소실 유닛을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 내연기관의 연소실 유닛은 엔진헤드 내에 마련된 연소실로 공기를 공급하는 흡기포트의 내측에 마련되어 공기가 이동되는 유로를 상측유로와 하측유로로 분할하는 격벽부; 상기 격벽부의 전방에 위치되고, 회전 가능하도록 마련되어 상기 하측유로를 개방 또는 밀폐하는 블레이드; 및 상기 흡기포트의 상측에 위치되는 제1인젝터;를 포함함으로써, 상기 제1인젝터에서 연료분사시 상기 블레이드와의 간섭을 방지하여 월 웨팅이 발생되지 않도록 할 수 있다.
상기 격벽부는 상기 흡기포트의 후방측에 위치하되, 상기 격벽부의 후단부는 상기 제1인젝터의 단부보다 후방에 위치될 수 있다.
상기 격벽부와 상기 블레이드는 하나의 모듈로 형성될 수 있다.
상기 제1인젝터는 상기 엔진헤드에 위치될 수 있다.
상기 제1인젝터는 상기 엔진헤드의 밸브각이 소정의 기준값 이하이면, 상기 흡기포트에 위치될 수 있다.
상기 흡기포트의 하측에는 상기 연소실로 연료를 직접 분사하는 제2인젝터가 마련될 수 있다.
상기 격벽부에는 연료의 분사시, 상기 제1인젝터와의 간섭을 회피하기 위해 단부에 회피홈이 형성될 수 있다.
상기 제1인젝터는 한 개의 제1인젝터로 구성될 때보다 각각의 분사량이 적은 복수개의 제1인젝터로 구성될 수 있다.
상기 격벽부에는 연료의 분사시, 상기 복수의 제1인젝터와의 간섭을 회피하기 위해 단부에 복수의 회피홈이 형성될 수 있다.
상기 블레이드는 상기 회전축을 중심으로 회전하되, 상기 회전축은 구동부와 연결되어 상기 구동부의 동작에 의해 회전될 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 내연기관의 연소실 유닛에 따르면 MPI와 GDI를 동시에 적용하여 PN개선이 가능하며, VCM과 VTS를 모듈화하여 적용하고, MPI를 VTS의 후방에 위치되도록 함으로써 연료의 월 웨팅 현상을 제거하고, 연비 및 EM을 개선하는 효과가 있게 된다.
또한, MPI+VTS+GDI 시스템을 구성함에 있어서 아주 콤팩트한 구조를 가질 수 있어 설계 자유도가 증대되며, 모터로 VCM을 구동함으로써, 기계식 대비 작동속도가 매우 빠르며, 텀블 증대시점을 정확하게 예측하여 엔진의 매핑을 진행하므로, 연소 안정성이 증대되는 장점이 있다.
더구나, MPI인젝터를 연료분사량이 상대적으로 작은 것으로 복수개 사용하도로 구성함으로써, 연료의 손실을 줄일 수 있으며, 정확한 공기량에 대해 연료 조절이 가능한 장점이 있다.
도 1은 종래의 내연기관의 연소실 유닛을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관의 연소실 유닛을 도시한 도면.
도 3 내지 도 4는 격벽부에 회피홈이 형성된 것을 도시한 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 내연기관의 연소실 유닛에 대하여 살펴본다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관의 연소실 유닛을 도시한 도면이고, 도 3 내지 도 4는 격벽부(330)에 회피홈(331)이 형성된 것을 도시한 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 내연기관의 연소실 유닛은 엔진헤드(100) 내에 마련된 연소실(200)로 공기를 공급하는 흡기포트(300)의 내측에 마련되어 공기가 이동되는 유로(310)를 상측유로(311)와 하측유로(313)로 분할하는 격벽부(330); 상기 격벽부(330)의 전방에 위치되고, 회전 가능하도록 마련되어 상기 하측유로(313)를 개방 또는 밀폐하는 블레이드(400); 및 상기 흡기포트(300)의 상측에 위치되는 제1인젝터(500);를 포함함으로써, 상기 제1인젝터(500)에서 연료분사시 상기 블레이드(400)와의 간섭을 방지하여 월 웨팅(Wall Wetting)이 발생되지 않도록 한다.
내연기관의 연소실(200)에는 흡기밸브(350)와 배기밸브(810)가 마련되고, 상기 흡기밸브(350)는 상기 흡기포트(300)와 연결되고, 상기 배기밸브(810)는 배기포트(800)와 연결된다. 차량의 외부에서 에어클리너 박스(미도시)와 서지탱크(미도시) 및 스로틀밸브(미도시)를 거쳐 흡입된 공기는 상기 연소실(200)로 공급되되, 상기 연소실(200)로 공급되는 공기는 상기 인젝터(500,600))에서 분사되는 연료와 혼합되어 상기 연소실(200)의 중앙측에 위치된 스파크 플러그(700)에 의해 점화되어 연소되는 것이다.
흡입된 공기를 상기 연소실(200)로 공급하는 상기 흡기포트(300)에는 연소시 공기와 연료의 혼합성을 증대시키기 위하여 텀블(Tumble)이 더욱 강화되도록 하기 위하여 상기 흡기포트(300) 내에 격벽부(330) 및 블레이드(400)를 마련하는 것이다.
상기 격벽부(330)는 상기 흡기포트(300)의 내측에 마련되어 공기가 이동되는 유로(310)를 상기 격벽부(330)를 중심으로 상측유로(311) 및 하측유로(313)로 분할한다. 특히, 상기 격벽부(330)는 상기 흡기포트(300)의 후방측에 위치하되, 상기 격벽부(330)의 후단부는 상기 제1인젝터(500)의 단부보다 후방에 위치됨으로서, 상기 제1인젝터(500)의 연료분사시 상기 격벽부(330)와 간섭되어 연료의 월 웨팅현상을 발생되는 것을 방지한다.
또한, 상기 격벽부(330)의 전방에는 상기 블레이드(400)가 회전축(410)을 중심으로 회전 가능하도록 마련되어 회전됨으로써, 상기 하측유로(313)를 개방 또는 폐쇄하여 공기의 흐름을 가이드하게 된다. 특히, 상기 블레이드(400)가 상기 하측유로(313)를 차단하게 되면, 흡입된 공기는 모두 상기 상측유로(311)를 통해 상기 연소실(200)로 유입되기 때문에 텀블이 강화되는 것이다. 여기서, 상기 블레이드(400)는 상기 회전축(410)을 중심으로 회전하되, 상기 회전축(410)은 별물로 마련된 구동부(900)와 연결되어 상기 구동부(900)의 동작에 의해 회전된다. 상기 구동부(900)는 모터일 수 있다. 상기와 같이, 상기 구동부(900)를 통해 상기 블레이드(400)를 구동함으로써, 종래의 기계식 대비 작동속도를 매우 빠르게 할 수 있으며, 텀블 증대시점을 정확히 예측하여 엔진의 매핑을 진행하므로 연소 안정성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 상기 격벽부(330)와 상기 블레이드(400)는 하나의 모듈로 형성되어 상기 격벽부(330)와 상기 블레이드(400)를 동시에 사용함으로써 효율을 증대시키는 것이 바람직할 것이다.
상기 제1인젝터(500)는 상기 엔진헤드(100)에 위치된다. 그러나 상기 제1인젝터(500)는 엔진헤드(100)의 밸브각이 소정의 기준값 이하이면, 상기 흡기포트(300)에 위치되어 공기의 흐름에 연료를 분사함으로써, 공기와 연료가 잘 혼합되도록 하는 것이다. 또한, 상기 흡기포트(300)의 하측에는 상기 연소실(200)로 연료를 직접 분사하는 제2인젝터(600)가 마련될 수 있다.
또한, 도 3에 도시한 것처럼, 상기 격벽부(330)에는 연료의 분사 시, 상기 제1인젝터(500)와의 간섭을 회피하기 위해 단부에 연료의 궤적(T)보다 큰 형상의 회피홈(331)이 형성된다. 따라서, 연료의 분사시 상기 격벽부(330)와 간섭이 발생되지 않는다. 그러므로 상기 엔진헤드(100)에서 흡기매니폴드(미도시)측 전장 길이를 가능한 축소할 수 있게 되는 것이다. 즉, 상기와 같은 구조를 갖도록 구현함으로써, 콤팩트한 구조를 구성할 수 있게 된다.
또한, 도 4에 도시한 것처럼, 상기 격벽부(330)에는 연료의 분사 시, 상기 제1인젝터(500)와의 간섭을 회피하기 위해 단부에 회피홈(331)이 형성된다. 도 4에서는 도 3의 경우와는 달리 상기 제1인젝터(500)가 도 3에서처럼 한 개의 제1인젝터(500)로 구성될 때보다 각각의 분사량이 적은 복수개의 제1인젝터(500)로 구성할 수 있다. 상기 격벽부(330)에는 연료의 분사시, 상기 복수의 제1인젝터(500)와의 간섭을 회피하기 위해 단부에 복수의 회피홈(331)이 형성된다. 상기 회피홈(331)의 크기는 상기 제1인젝터(500)에서 연료의 분사시 형성되는 연료궤적(T)보다 크게 형성되어 연료의 분사시 연료와 상기 격벽부(330)와 간섭이 되지 않도록 형성되는 것이 바람직할 것이다.
즉, 상기 제2인젝터(600) 하나와 상기 제1인젝터(500) 2개가 구비되는 시스템의 경우에는, 저속구간에서는 연료의 선형성을 향상시키기 위하여, 연료량이 작은 복수의 상기 제1인젝터(500)를 각각의 흡기포트(300)에 구비한다. 엔진이 아주 낮은 RPM 영역에서 구동되는 경우에는, 상기 제1인젝터(500)를 한 개 작동시키고, 중간 RPM 영역에서는 하나의 상기 제1인젝터(500)와 제2인젝터(600) 혹은 제2인젝터(600)만 구동한다. 특히, 초기 시동시 혹은 아이들시에는 상기 제1인젝터(500)를 사용함으로써, 연료의 손실 없이 정확한 공기량에 대하여 연료를 조절할 수 있게 되는 것이다. 여기서 상기 제1인젝터(5000)는 모든 상기 흡기포트(300)에 연료를 분사하며, 장착은 엔진헤드(100) 혹은 흡기매니폴드 모두 장착하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명은 MPI와 GDI가 동시에 장착된 시스템에에 적용될 수 있으며, 특히, VTS(Variable Tumble System) 시스템을 적용하는 흡기포트(300)와 엔진헤드(100) 시스템에 한정된다. 상기한 제1인젝터(500)는 MPI, 제2인젝터(600)는 GDI, 격벽부(330)는 VTS, 블레이드(400)는 VCM(Variable Charge Motion)인 것이 바람직할 것이다.
따라서, 상기한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 내연기관의 연소실 유닛에 의하면, MPI와 GDI를 동시에 적용하여 PN개선이 가능하며, VCM과 VTS를 모듈화하여 적용하고, MPI를 VTS의 후방에 위치되도록 함으로써 연료의 월 웨팅 현상을 제거하고, 연비 및 EM을 개선하는 효과가 있게 된다.
또한, MPI+VTS+GDI 시스템을 구성함에 있어서 아주 콤팩트한 구조를 가질 수 있어 설계 자유도가 증대되며, 모터로 VCM을 구동함으로써, 기계식 대비 작동속도가 매우 빠르며, 텀블 증대시점을 정확하게 예측하여 엔진의 매핑을 진행하므로, 연소 안정성이 증대되는 장점이 있다.
더구나, MPI인젝터를 연료분사량이 상대적으로 작은 것으로 복수개 사용하도로 구성함으로써, 연료의 손실을 줄일 수 있으며, 정확한 공기량에 대해 연료 조절이 가능한 장점이 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 엔진헤드 200 : 연소실
300 : 흡기포트 310 : 유로
311 : 상측유로 313 : 하측유로
330 : 격벽부 331 : 회피홈
350 : 흡기밸브 400 : 블레이드
410 : 회전축 500 : 제1인젝터
600 : 제2인젝터 700 : 스파크 플러그
800 : 배기포트 810 : 배기밸브
900 : 구동부

Claims (10)

  1. 엔진헤드 내에 마련된 연소실로 공기를 공급하는 흡기포트의 내측에 마련되어 공기가 이동되는 유로를 상측유로와 하측유로로 분할하는 격벽부;
    상기 격벽부의 전방에 위치되고, 회전 가능하도록 마련되어 상기 하측유로를 개방 또는 밀폐하는 블레이드; 및
    상기 흡기포트의 상측에 위치되는 제1인젝터;를 포함함으로써,
    상기 제1인젝터에서 연료분사시 상기 블레이드와의 간섭을 방지하여 월 웨팅이 발생되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소실 유닛.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 격벽부는 상기 흡기포트의 후방측에 위치하되, 상기 격벽부의 후단부는 상기 제1인젝터의 단부보다 후방에 위치되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소실 유닛.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 격벽부와 상기 블레이드는 하나의 모듈로 형성되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소실 유닛.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1인젝터는 상기 엔진헤드에 위치되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소실 유닛.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1인젝터는 상기 엔진헤드의 밸브각이 소정의 기준값 이하이면, 상기 흡기포트에 위치되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소실 유닛.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 흡기포트의 하측에는 상기 연소실로 연료를 직접 분사하는 제2인젝터가 마련되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소실 유닛.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 격벽부에는 연료의 분사시, 상기 제1인젝터와의 간섭을 회피하기 위해 단부에 회피홈이 형성된 것
    을 특징으로 하는 내연기관의 연소실 유닛.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1인젝터는 한 개의 제1인젝터로 구성될 때보다 각각의 분사량이 적은 복수개의 제1인젝터로 구성되는 것
    을 특징으로 하는 내연기관의 연소실 유닛.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 격벽부에는 연료의 분사시, 상기 복수의 제1인젝터와의 간섭을 회피하기 위해 단부에 복수의 회피홈이 형성된 것
    을 특징으로 하는 내연기관의 연소실 유닛.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 블레이드는 상기 회전축을 중심으로 회전하되, 상기 회전축은 구동부와 연결되어 상기 구동부의 동작에 의해 회전되는 것
    을 특징으로 하는 내연기관의 연소실 유닛.
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