KR20220134039A - 프리챔버를 구비한 스파크 점화식 엔진，엔진을 위한 프리챔버 및 어댑터 인서트 - Google Patents

프리챔버를 구비한 스파크 점화식 엔진，엔진을 위한 프리챔버 및 어댑터 인서트 Download PDF

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마이클 번스
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Abstract

본 발명은 스파크 점화식 엔진(3)에 관한 것이다. 엔진(3)은 적어도 하나의 주 연소 챔버(8) 및 주 연소 챔버(8)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 실린더 헤드(2)를 포함한다. 중심축(6)을 갖는 엔진(3)의 점화 플러그(4)는 실린더 헤드(2)에 배치되고 점화 플러그(4)의 점화 단부(9)는 주 연소 챔버(8)를 향한다. 적어도 2개의 노즐(13)이 있는 프리챔버(12)는 주 연소 챔버(8)에 배치되고 노즐(13)을 통해 점화 플러그(4)의 점화 단부(9)와 주 연소 챔버(8)를 연결시킨다.

Description

프리챔버를 구비한 스파크 점화식 엔진，엔진을 위한 프리챔버 및 어댑터 인서트
본 발명은 청구범위 제1항에 따른 프리챔버를 구비한 스파크 점화식 엔진에 관한 것이다. 본 발명은 또한 프리챔버를 구비한 어댑터 인서트 및 엔진을 위한 프리챔버에 관한 것이다.
점화 플러그는 엔진 내 실린더의 주 연소 챔버에서 혼합된 연료 및 공기의 장약(charge) 점화를 위해 스파크 점화식 엔진에 사용된다. 수동 프리챔버는 점화 플러그 상에 배치될 수 있고 노즐을 통해 주 연소 챔버에 연결될 수 있다. 프리챔버의 사용은 예를 들어 US 3,921,605 A, US 4,218,992 A, US 4,092,969 A 및 US 9,850,806 B2로부터 공지되었다. 장약 점화는 프리챔버에서 발생하고 부분적으로 연소된 장약의 분출에 의해 노즐을 통해 주 연소 챔버로 확장한다. 엔진의 압축 행정 동안, 장약은 주 연소 챔버로부터 프리챔버로 강제로 이동된 다음 점화 플러그에 의해 점화된다. 부분적으로 연소된 장약은 노즐을 통해 주 연소 챔버로 흐르고 주 연소 챔버의 장약은 다수의 지점에서 점화된다. 이러한 방식으로, 주 연소 챔버에서 더 빠른 연소에 도달할 수 있고 엔진의 노크(knock)가 방지될 수 있다. 또한 프리챔버는 프리챔버가 없는 종래의 점화 플러그로는 불가능했을 희석 혼합물의 점화를 가능하게 한다. 프리챔버의 사용은 모터스포츠 응용 분야에서 잘 확립되어 있지만, 아직 로드카 응용 분야에는 미치지 않았다. 이는 공회전과 같은 낮은 엔진 부하 및 초기 냉각 기동 중에 배기 촉매를 위해 발생하는 열과 같은 지연된 연소 단계에서 수용 가능한 연소 안정성을 획득하는 데에 어려움이 있기 때문이다.
따라서 본 발명의 목적은 기술된 단점을 극복하기 위해 일반적인 유형의 스파크 점화식 엔진에 대한 개선된 또는 적어도 대안적인 실시예를 구체화하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 전체 속도 로드 맵(load map)에 걸쳐 그리고 특히 낮은 엔진 부하 및/또는 지연된 연소 단계 및/또는 냉각 기동 조건 하에서 엔진의 동작을 가능하게 하는 프리챔버를 명시하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 독립 청구항의 주제사항에 의해 달성된다. 바람직한 실시예는 종속 청구항의 주제사항이다.
스파크 점화식 엔진은 적어도 하나의 주 연소 챔버 및 적어도 부분적으로 주 연소 챔버를 둘러싸는 실린더 헤드를 포함한다. 엔진은 중심축을 가지며 실린더 헤드 내에 배치된 점화 플러그를 포함한다. 거기에서, 점화 플러그의 점화 단부가 주 연소 챔버를 향한다. 다시 말하면, 점화 플러그는 주 연소 챔버의 방향에서 외부로부터 점화 단부를 갖는 실린더 헤드를 관통한다. 적어도 2개의 노즐이 있는 프리챔버가 주 연소 챔버에 배치되고 노즐을 통해 점화 플러그의 점화 단부와 주 연소 챔버를 연결한다. 다시 말하면, 노즐이 있는 프리챔버는 점화 플러그의 점화 단부와 주 연소 챔버 사이에 배치된다. 본 발명에 따르면, 프리챔버 체적 비율은 상사점에서의 주 연소 챔버의 체적에 대한 프리챔버 체적의 비율에 해당하며, 1.9% 내지 3.1%이다. 또한, 노즐 계수는 프리챔버의 체적에 대한 노즐의 총 흐름 통과 면적의 비율에 해당하며, 0.085 1/㎝ 내지 1.15 1/㎝이다.
상사점이 상기 주 연소 챔버를 갖는 실린더의 피스톤 위치임은 당연하다. 상사점에서의 주 연소 챔버의 체적은 최소이다. 프리챔버 체적 비율은 프리챔버 내의 연소로부터 이용가능한 점화 에너지를 정의한다. 만약 프리챔버 체적 비율이 1.9% 미만이면, 낮은 엔진 부하에서의 점화 에너지가 불충분하고 주 연소 챔버 내로의 연소된 장약 분출의 침투가 감소된다. 반대로, 만약 프리챔버 체적 비율이 3.1% 초과이면, 높은 엔진 부하에서의 프리챔버 내의 초과 압력이 너무 높으며 열 손실이 증가한다. 노즐 계수는 연소 후에 프리챔버 밖으로의 흐름을 허용하고 프리챔버에 새로운 장약을 보충하는 능력과 관련된다. 노즐 계수는 또한 연소 시에 프리챔버 내의 압력 상승을 제어하도록 사용될 수 있으며, 그 결과 주 연소 챔버 내의 점화점의 위치 및 주 연소 챔버 내로의 부분적으로 연소된 장약의 분출 침투에 영향을 미친다. 유리하게는, 1.9% 내지 3.1%의 프리챔버 체적 비율 및 0.085 1/㎝ 내지 1.15 1/㎝ 사이의 노즐 계수를 갖는 프리챔버의 사용은 전체 동작 맵에 걸쳐 그리고 낮은 엔진 부하, 지연된 연소 단계 및 엔진의 냉각 기동 조건 하에서 최적의 연소를 가능하게 한다. 스파크 점화식 엔진은 승용차, 상용차, 오토바이, 레저용 차량에서 고정식 엔진으로서 또는 기타 응용분야에서 사용될 수 있다. 스파크 점화식 엔진은 가솔린 또는 다른 유형의 연료를 사용할 수 있다.
유리하게는, 노즐 종횡비는 각각의 노즐의 지름에 대한 각각의 노즐의 길이의 비율에 대응하도록 제공될 수 있다. 노즐 종횡비는 1.7 내지 2.2이다. 노즐 종횡비는 주 연소 챔버 내로의 연소된 장약의 개별 분출의 속도 및 침투를 제어를 가능하게 한다. 또한, 노즐 종횡비는 노즐을 통과해 나갈 때 프리챔버에서 연소 이벤트의 적절한 급랭을 보장함으로써, 주 연소 챔버에서 연소를 개시하는 데에 필요한 부분적으로 연소된 장약의 분출을 제공한다.
유리하게는, 프리챔버가 실린더 헤드의 일체형 부분으로서 형성되도록 제공될 수 있다. 그 결과 점화 플러그는 실린더 헤드를 관통하고 프리챔버로 이어지는 구멍 내에서 실린더 헤드와 직접 결합된다. 바람직하게는, 점화 플러그는 표준화된 크기를 갖는다. 프리챔버는 실린더 헤드를 주조함으로써 형성될 수 있거나 또는 주조된 실린더 헤드 내에 기계적으로 통합할 수 있다. 이러한 실시예에 대안적으로, 프리챔버는 실린더 헤드의 일체형 부분으로 형성될 수 있고 그 결과 점화 플러그는 실린더 헤드를 관통하고 프리챔버로 이어지는 구멍 내에서 어댑터를 통해 실린더 헤드와 결합될 수 있다. 바람직하게는, 점화 플러그는 표준화된 크기를 갖는다. 프리챔버는 실린더 헤드를 주조함으로써 형성될 수 있거나 또는 주조된 실린더 헤드 내에 기계적으로 통합할 수 있다. 전술된 실시예에 대안적으로, 프리챔버는 점화 플러그의 일체형 부분으로 형성될 수 있다. 따라서, 프리챔버가 있는 점화 플러그는 실린더 헤드를 관통하여 주 연소 챔버로 이어지는 삽입 구멍 내에서 실린더 헤드와 결합될 수 있다.
전술된 프리챔버의 실시예에 대안적으로, 엔진은 중공 원통형 고정 섹션 및 중공 원통형 삽입 섹션을 갖는 어댑터 인서트를 포함할 수 있다. 고정 섹션 및 삽입 섹션은 축방향으로 서로 인접하고 축방향으로 서로 겹치지 않는다. 따라서, 고정 섹션 및 삽입 섹션은 어댑터 인서트의 중심축을 정의하는 동일한 중심축을 갖는다. 점화 플러그의 점화 단부는 완전히 고정 섹션 내에 배치되고 삽입 섹션은 삽입 구멍 내에 배치된다. 삽입 구멍은 실린더 헤드 내에 형성되어 외부에서 주 연소 챔버 내로 이어진다. 만약 점화 플러그가 어댑터 인서트 내에 삽입되고 어댑터 인서트가 삽입 구멍 내에 삽입되면, 어댑터 인서트와 점화 플러그 및 삽입 구멍의 중심축이 동일하다. 다시 말하면, 어댑터 인서트와 삽입 구멍 및 점화 플러그가 동심으로 배치된다. 프리챔버는 어댑터 인서트의 삽입 섹션 내에 형성된다. 어댑터 인서트는 축방향으로 서로 겹치지 않는 삽입 섹션과 고정 섹션을 포함한다. 이러한 방식으로, 고정 섹션은 점화 플러그에 적응될 수 있으며 삽입 섹션은 서로에 대해 독립적으로 실린더 헤드 내의 삽입 구멍에 적응될 수 있다. 유리하게는, 어댑터 인서트의 사용은 프리챔버가 없는 기존 엔진에 프리챔버의 장착을 가능하게 한다.
점화 플러그가 외부에 꽉 맞도록 어댑터 인서트의 고정 섹션이 제 1 나사를 통해 점화 플러그와 나사 고정되어 제공될 수도 있다. 어댑터 인서트의 삽입 섹션은 어댑터 인서트가 외부에 꽉 맞도록 제 2 나사를 통해 실린더 헤드와 삽입 구멍 내에서 나사 고정된다. 당연히 제 1 나사의 지름은 제 2 나사의 지름보다 작다. 유리하게는, 고정 섹션의 제 1 나사와 삽입 섹션의 제 2 나사는 축방향으로 겹치지 않는다. 이러한 방식으로, 고정 섹션은 점화 플러그에 적응될 수 있으며 삽입 섹션은 서로에 독립적으로 실린더 헤드 내의 삽입 구멍에 적응될 수 있다. 또한, 고정 섹션과 삽입 섹션이 겹치지 않고 어댑터 인서트가 단순한 방식으로 기술적 구현될 수 있다. 바람직하게는, 제 1 나사 및 제 2 나사가 표준화된다. 바람직하게는, 표준화된 제 1 나사는 M10 또는 M12이고 표준화된 제 2 나사는 M12 또는 M14이다. 이러한 방식으로, 표준화된 M12 또는 M14 삽입 구멍 내에 표준화된 M10 또는 M12 점화 플러그의 사용이 가능하게 된다. M10, M12 및 M14는 나사의 ISO-규격 치수이다. M10, M12 및 M14 나사는 10.00㎜, 12.00㎜ 및 14.00㎜에 해당한다.
전술된 어댑터 인서트의 실시예에 대안적으로, 어댑터 인서트의 삽입 섹션은 재료가 한정될 수 있거나 또는 실린더 헤드의 삽입 구멍 내에 압입될 수 있다. 이러한 방식으로, 어댑터 인서트는 삽입 구멍 내에 영구적으로 고정되고 외부에 꽉 맞춰진다. 어댑터 인서트의 고정 섹션은 점화 플러그가 외부에 꽉 맞도록 나사를 통해 점화 플러그와 나사 고정될 수 있다. 바람직하게는, 나사는 표준화된다. 바람직하게는, 표준화된 M10 또는 M12 점화 플러그의 사용이 가능하도록 표준화된 나사는 여기에서 M12 또는 M14이다.
유리하게는, 삽입 섹션과 고정 섹션 사이의 어댑터 인서트 상에 제 1 원주방향 정지부가 제공될 수 있다. 다시 말해서, 제 1 정지부는 삽입 섹션과 고정 섹션 사이의 어댑터 인서트의 외부에 그리고 전체 둘레에 형성된다. 제 1 정지부는 고정 섹션의 축방향 외부면에 의해 형성될 수 있다. 제 1 정지부를 통해서, 어댑터 인서트는 실린더 헤드의 외부 측 상에 축방향으로 지지된다. 유리하게는, 어댑터 인서트는 제 1 정지부 상에서 실린더 헤드에 꽉 맞춰질 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 제 2 원주방향 정지부는 고정 섹션에 의해 삽입된 어댑터 상에 형성될 수 있으며 삽입 섹션으로부터 멀어지는 쪽을 향한다. 다시 말해서, 제 2 정지부는 고정 섹션의 축방향 외부면에 의해 어댑터 인서트의 외부에 그리고 전체 둘레에 형성된다. 제 2 정지부를 통해서, 점화 플러그를 어댑터 인서트의 외부 측 상에 축방향으로 지지될 수 있다. 유리하게는, 점화 플러그는 제 2 정지부 상의 어댑터 인서트에 꽉 맞춰질 수 있다.
유리하게는, 엔진이 점화 플러그를 위한 점화 코일을 포함하도록 제공될 수 있으며, 여기서 점화 코일은 60㎲ 내지 1000㎲의 가변 스파크 지속시간을 가지고/가지거나 다중 스트라이크 스파크 이벤트를 제공하도록 설계된다. 점화 코일은 점화 플러그에 일체화되거나 점화 플러그 상에 배치된 분리된 부품일 수 있다. 이와는 별개로, 점화 코일은 점화 플러그의 점화 단부에 연결되고 점화 단부 상에서 스파크 이벤트를 개시할 수 있다. 예로서 낮은 엔진 부하에서와 같은 어려운 적용에서, 이러한 점화 코일의 사용은 연소 안정성을 증가시킬 수 있다. 낮은 엔진 부하에서의 일부 경우, 프리챔버 내의 장약은 정상적인 점화 시점에 수행되지 않고 연소가 개시될 수 없다. 스파크 지속시간을 연장하거나 다중 스트라이크 스파크 이벤트를 전달함으로써, 이러한 경우에서의 점화는 프리챔버 내의 장약이 촉진하는 경우 이후에 발생할 수 있다. 이러한 방식으로, 실화(misfire) 또는 부분적인 화상이 방지될 수 있다. 요약하면, 극한의 동작 조건 -예로서, 매우 낮은 엔진 부하 및/또는 촉매 가열을 위한 냉각 기동 스파크 지연 및/또는 높은 정도의 장약 희석- 하에서 견고성의 측면에서 추가적인 이점이 실현될 수 있다. 특히, 전체 동작 맵에 걸친 그리고 엔진의 냉각 기동 하에서의 동작을 가능하게 한다. 또한, 제 2 점화기의 사용이 필요하지 않다.
본 발명은 또한 전술된 스파크 점화식 엔진을 위한 프리챔버에 관한 것이다. 프리챔버는 적어도 2개의 노즐을 포함하고 노즐을 통해 점화 플러그의 점화 단부와 엔진의 주 연소 챔버를 연결하도록 구성된다. 프리챔버는 프리챔버 체적 비율 및 노즐 계수에 의해 특징지어진다. 프리챔버 체적은 상사점에서 주 연소 챔버의 체적에 대한 프리챔버의 체적의 비율에 해당하며 1.9% 내지 3.1%이다. 노즐 계수는 노즐의 프리챔버의 체적에 대한 노즐의 총 흐름 통과 면적의 비율에 해당하며 0.085 1/㎝ 내지 1.15 1/㎝이다. 또한, 프리챔버는 노즐 종횡비에 의해서 특징지어질 수 있다. 노즐 종횡비는 각 노즐의 지름에 대한 각 노즐의 길이의 비율에 해당하며 1.7 내지 2.2일 수 있다. 유리하게는, 프리챔버는 실린더 헤드의 일체형 부분으로서 형성될 수 있다. 프리챔버는 실린더 헤드의 주조에 의해 형성될 수 있거나 또는 주조된 실린더 헤드에 기계적으로 통합될 수 있다. 대안적으로, 프리챔버는 어댑터 인서트 내에 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 프리챔버가 없는 기존 엔진 상에 프리챔버가 장착될 수 있다. 대안적으로, 프리챔버는 점화 플러그의 일체형 부분으로서 형성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 프리챔버는 또한 프리챔버가 없는 기존 엔진에도 장착될 수 있다.
본 발명은 또한 전술된 스파크 점화식 엔진을 위한 어댑터 인서트에 관련된다. 어댑터 인서트는 중공 원통형 고정 섹션 및 중공 원통형 삽입 섹션을 포함한다. 고정 섹션 및 삽입 섹션은 축방향으로 서로 인접하고 축방향으로 서로 겹치지 않는다. 따라서, 고정 섹션 및 삽입 섹션은 어댑터 인서트의 중심축을 정의하는 동일한 중심축을 갖는다. 점화 플러그의 점화 단부는 고정 섹션에 완전히 배치될 수 있으며 삽입 섹션은 실린더 헤드를 관통하여 주 연소 챔버로 이어지는 삽입 구멍 내에 배치될 수 있다. 그 결과 어댑터 인서트의 삽입 섹션에 프리챔버가 형성된다.
따라서, 어댑터 인서트의 고정 섹션은 제 1 나사를 통해 점화 플러그와 나사 결합되도록 구성될 수 있다. 인서트 어댑터의 삽입 섹션은 제 2 나사를 통해 실린더 헤드와 인서트 구멍 내에서 나사 결합되도록 구성될 수 있다. 바람직하게는, 제 1 나사 및 제 2 나사는 표준화된다. 표준화된 제 1 나사는 M10 또는 M12일 수 있고 표준화된 제 2 나사는 M12 또는 M14일 수 있다. 이러한 경우, 표준 M12 또는 M14 삽입 구멍에 표준화된 M10 또는 M12 점화 플러그를 사용할 수 있다. 대안적으로, 인서트 어댑터의 삽입 섹션은 실린더 헤드와 함께 삽입 구멍 내의 압입 또는 재료 한정(material bounded)을 위해 구성될 수 있다.
본 발명의 추가의 중요한 특징 및 이점은 종속항, 도면 및 도면을 참조하는 도면의 연관된 설명으로부터 나타난다.
전술된 특징 및 이후에 기술될 특징은 표시된 각각의 조합으로 적용될 수 있을 뿐만 아니라 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 조합으로 또는 단독으로 적용될 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명의 바람직한 예시적인 실시예는 도면에 표현되고 아래의 설명에서 더 자세히 기술되며, 여기서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사하거나 기능적으로 동등한 구성요소를 지칭한다.
도면에서 각각의 경우에:
도 1 내지 4는 프리챔버가 엔진 내에 서로 다르게 장착된 본 발명에 따른 스파크 점화식 엔진의 단면도를 도시한다.
도 1은 제 1 실시예의 스파크 점화식 엔진(3)의 단면도를 도시한다.
도 2는 제 2 실시예의 스파크 점화식 엔진(3)의 단면도를 도시한다.
도 3은 제 3 실시예의 스파크 점화식 엔진(3)의 단면도를 도시한다.
도 4는 제 4 실시예의 스파크 점화식 엔진(3)의 단면도를 도시한다.
도 1은 제 1 실시예의 스파크 점화식 엔진(3)의 단면도를 도시한다. 엔진(3)은 주 연소 챔버(8) 및 주 연소 챔버(8)를 부분적으로 둘러싸고 있는 실린더 헤드(2)를 포함한다. 삽입 구멍(7)은 실린더 헤드(2)에 형성되어 외부로부터 주 연소 챔버(8)로 이어진다. 어댑터 인서트(5)는 실린더 헤드(2)의 삽입 구멍(7)에 배치되고 중심축(6)을 갖는 점화 플러그(4)는 어댑터 인서트(5)에 배치된다. 이것에 의해, 점화 플러그(4)의 점화 단부(9)는 어댑터 인서트(5)에 완전히 배치된다. 점화 플러그(4), 어댑터 인서트(5) 및 삽입 구멍(7) 및 점화 플러그(4)는 동일한 중심축(6)을 갖거나, 또는 다시 말하면 서로에 대해 동심으로 배치된다. 어댑터 인서트(5)는 서로 축방향으로 인접하게 배치되고 축방향으로 중첩되지 않는 고정 섹션(10) 및 삽입 섹션(11)을 포함한다. "축방향" 및 "방사상"이라는 용어는 항상 중심축(6)을 지칭한다.
점화 플러그(4)는 어댑터 인서트(5)의 고정 섹션(10)에 배치되고 표준화된 제 1 나사(M10 또는 M12)를 통해 나사 결합된다. 어댑터 인서트(5)는 삽입 구멍(7) 내에 삽입 섹션(11)과 함께 배치되고 표준화된 제 2 나사(M12 또는 M14)를 통해 실린더 헤드(2)와 나사 결합된다. 고정 섹션(10)의 제 1 나사 및 삽입 섹션(11)의 제 2 나사는 축방향으로 겹치지 않는다. 다른 경우에서, 고정 섹션(10)과 삽입 섹션(11) 사이 연결의 기술적인 구현을 위해 이용가능한 금속이 충분하지 않을 수 있다. 유리하게는 M10 또는 M12 표준화된 점화 플러그(4)가 실린더 헤드(2) 내의 M12 또는 M14 표준화된 삽입 구멍(7)에 사용될 수 있다.
어댑터 인서트(5)의 삽입 섹션(11)에서, 노즐(13)을 갖는 수동 프리챔버(12)가 형성된다. 노즐(13)은 어댑터 인서트(5)의 삽입 섹션(11)을 관통하여 점화 플러그(4)의 점화 단부(9)와 주 연소 챔버(8)를 유체식으로 연결한다. 프리챔버 체적 비율은 상사점에서 주 연소 챔버(8)의 체적에 대한 프리챔버(12)의 체적의 비율에 해당하며 1.9% 내지 3.1%이다. 노즐 계수는 프리챔버(12)의 체적에 대한 노즐(13)의 총 흐름 통과 면적의 비율에 해당하며 0.085 1/㎝ 내지 1.15 1/㎝이다. 노즐 종횡비는 각각의 노즐(13)의 지름에 대한 각각의 노즐(13)의 길이의 비율에 해당하며 1.7 내지 2.2일 수 있다.
어댑터 인서트(5) 상에서, 삽입 섹션(11)과 고정 섹션(10) 사이에 제 1 외부 원주방향 정지부(14)가 형성된다. 제 1 정지부(14)를 통해서, 어댑터 인서트(5)는 꽉 맞게 실린더 헤드(2)의 외부 측 상에 축방향으로 지지된다. 제 2 외부 원주방향 정지부(15)는 고정 섹션(10)에 의해 어댑터 인서트(5) 상에 형성되고 삽입 섹션(11)으로부터 멀어지는 방향을 향한다. 제 2 정지부(15)를 통해서, 점화 플러그(4)는 꽉 맞게 어댑터 인서트(5)의 외부 측 상에서 축방향으로 지지된다.
점화 플러그(4)는 60㎲와 1000㎲ 사이의 가변 스파크 지속시간을 가질 수 있는 점화 코일(16)을 포함하거나 또는 다중 스트라이크 스파크 이벤트를 제공하도록 설계될 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어 낮은 엔진 부하 및/또는 촉매 가열을 위한 냉각 기동 스파크 지연 및/또는 높은 정도의 장약 희석과 같은 어려운 적용에서, 주 연소 챔버(8)에서의 실화 또는 부분적인 화상이 방지될 수 있다.
도 2는 제 2 실시예의 스파크 점화식 엔진(3)의 단면도를 도시한다. 엔진(3)의 제 1 실시예와 달리, 어댑터 인서트(5)는 실린더 헤드(2)와 함께 삽입 구멍(7) 내에 압입된다. 결과적으로, 어댑터 인서트(5)의 삽입 섹션(11) 및 실린더 헤드(2)의 삽입 구멍(7)은 나사를 포함하지 않는다. 따라서, 어댑터 인서트(5)는 삽입 구멍(7) 내에 이동 불가능하게 고정된다. 그렇지 않으면, 제 2 실시예의 엔진(3)은 엔진(3)의 제 1 실시예와 일치한다.
도 3은 제 3 실시예의 스파크 점화식 엔진(3)의 단면도를 도시한다. 엔진(3)의 제 1 및 제 2 실시예와 달리, 프리챔버(12)는 실린더 헤드(2) 상에 일체형으로 형성되고 엔진(3)은 여기에서 어댑터 인서트를 포함하지 않는다. 프리챔버(12)는 실린더 헤드(2)의 주조에 의해 형성되고 노즐은 주조된 프리챔버(12) 내에 기계적으로 통합된다. 점화 플러그(4)의 점화 단부(9)는 실린더 헤드(2)를 관통하여 프리챔버(12)로 이어지는 구멍(17)에 배치된다. 그렇지 않으면, 제 3 실시예의 엔진(3)은 엔진(3)의 제 1 및 제 2 실시예와 일치한다. 도시된 실시예는 또한 프리챔버(12)를 갖는 어댑터 인서트(5)로서 해석될 수 있으며 실린더 헤드(2)로 주조될 수 있다.
도 4는 제 4 실시예의 스파크 점화식 엔진(3)의 단면도를 도시한다. 엔진의 제 1, 제 2 및 제 3 실시예와 다르게, 프리챔버(12)는 점화 플러그(4) 상에 일체형으로 형성되고 프리챔버(12)를 갖는 점화 플러그(4)는 실린더 헤드(2)의 삽입 구멍(7) 내에 나사 결합된다. 제 4 실시예에서, 엔진(3)은 어댑터 인서트를 포함하지 않는다. 프리챔버(12)는 점화 플러그(4)의 본체에 의해 형성되고 노즐(13)은 이러한 본체와 기계적으로 통합된다. 그렇지 않으면, 제 4 실시예의 엔진(3)은 엔진(3)의 제 1, 제 2 및 제 3 실시예와 일치한다.
본 발명에 따른 프리챔버(12)의 사용은 낮은 엔진 부하, 지연된 연소 단계 및 엔진의 냉각 시동 조건 하에서 전체 동작 맵에 걸쳐 최적의 연소를 가능하게 한다. 본 발명에 따른 어댑터 인서트(5)의 사용은 기존 엔진(3)에 프리챔버(12)의 장착을 가능하게 한다. 특히, M10 또는 M12 표준화된 점화 플러그(4)는 실린더 헤드(2)의 M12 또는 M14 표준화된 삽입 구멍(7)에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 스파크 점화식 엔진(3)은 전체 동작 맵에 걸쳐 그리고 냉각 시동에 의해 유리하게 동작될 수 있다.

Claims (10)

  1. 스파크 점화식 엔진(3)으로서,
    - 상기 엔진(3)은 적어도 하나의 주 연소 챔버(8) 및 상기 주 연소 챔버(8)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 실린더 헤드(2)를 포함하고,
    - 중심축(6)을 갖는 엔진(3)의 점화 플러그(4)가 실린더 헤드(2)에 배치되고 점화 플러그(4)의 점화 단부(9)가 주 연소 챔버(8)를 향하고,
    - 적어도 2개의 노즐(13)이 있는 프리챔버(12)가 주 연소 챔버(8)에 배치되고 노즐(13)을 통해 점화 플러그(4)의 점화 단부(9)와 주 연소 챔버(8)를 연결시키며,
    상기 스파크 점화식 엔진(3)은,
    - 프리챔버 체적 비율은 상사점(top-dead-center)에서의 주 연소 챔버(8)의 체적에 대한 프리챔버(12)의 체적의 비율에 해당하고 1.9% 내지 3.1%이며,
    - 노즐 계수는 프리챔버(12)의 체적에 대한 노즐(13)의 총 흐름 통과 면적의 비율에 해당하고 0.085 1/㎝ 내지 1.15 1/㎝인 것을 특징으로 하는, 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    노즐 종횡비는 각각의 노즐(13)의 지름에 대한 각각의 노즐(13)의 길이의 비율에 해당하고 1.7 내지 2.2인 것으로 특징으로 하는, 엔진.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 상기 프리챔버(12)는 실린더 헤드(2)의 일체형 부품으로서 형성되고 상기 점화 플러그(4)는 실린더 헤드(2)를 관통하고 프리챔버(12)로 이어지는 구멍(17) 내에서 상기 실린더 헤드(2)와 직접 결합되거나, 또는
    - 상기 프리챔버(12)는 실린더 헤드(2)의 일체형 부품으로서 형성되고 상기 점화 플러그(4)는 실린더 헤드(2)를 관통하고 프리챔버(12)로 이어지는 구멍(17) 내에서 그리고 어댑터를 통해서 상기 실린더 헤드(2)와 결합되거나, 또는
    - 상기 프리챔버(12)는 점화 플러그(4)의 일체형 부품으로서 형성되고 프리챔버를 가진 상기 점화 플러그(4)는 실린더 헤드(2)를 관통하고 주 연소 챔버(8)로 이어지는 삽입 구멍(7) 내에서 상기 실린더 헤드(2)와 결합되는 것을 특징으로 하는, 엔진.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 상기 엔진이 중공 원통형 고정 섹션(10) 및 중공 원통형 삽입 섹션(11)을 갖는 어댑터 인서트(5)를 포함하고,
    - 상기 고정 섹션(10) 및 삽입 섹션(11)은 축방향으로 서로 인접하고 축방향으로 서로 겹치지 않고,
    - 상기 점화 플러그(4)의 점화 단부(9)는 상기 고정 섹션(10) 내에 완전히 배치되고 상기 삽입 섹션(11)은 실린더 헤드(2)를 관통하여 주 연소 챔버(8)로 이어지는 삽입 구멍(7) 내에 배치되며,
    - 상기 프리챔버(12)가 어댑터 인서트(5)의 삽입 섹션(11) 내에 형성되는 것을 특징으로 하는, 엔진.
  5. 제4항에 있어서,
    - 점화 플러그(4)가 외부에 꽉 맞춰지도록 어댑터 인서트(5)의 고정 섹션(10)이 제 1 나사를 통해 점화 플러그(4)와 나사 고정되며,
    - 어댑터 인서트(5)가 외부에 꽉 맞춰지도록 어댑터 인서트(5)의 삽입 섹션(11)이 제 2 나사를 통해 실린더 헤드(2)와 삽입 구멍(7) 내에 나사 고정되는 것을 특징으로 하는, 엔진.
  6. 제4항에 있어서,
    - 상기 점화 플러그(4)가 외부에 꽉 맞춰지도록 상기 어댑터 인서트(5)의 고정 섹션(10)이 나사를 통해 점화 플러그(4)와 나사 고정되며,
    - 어댑터 인서트(5)가 외부에 꽉 맞춰지도록 어댑터 인서트(5)의 삽입 섹션(11)이 재료 한정되거나 또는 실린더 헤드(2)와 삽입 구멍(7) 내에 압입되는 것을 특징으로 하는, 엔진.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 제 1 원주방향 정지부(14)가 상기 삽입 섹션(11)과 고정 섹션(10) 사이에 형성되고, 상기 제 1 정지부(14)를 통해서 상기 어댑터 인서트(5)가 실린더 헤드(2)의 외부 측 상에 축방향으로 지지되고/되거나,
    - 제 2 원주방향 정지부(15)가 상기 고정 섹션(10)에 의해 형성되고 삽입 섹션(11)으로부터 멀어지는 방향을 향하며, 상기 제 2 정지부(15)를 통해서 상기 점화 플러그(4)가 어댑터 인서트(5)의 외부 측 상에 축방향으로 지지되는 것을 특징으로 하는, 엔진.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진(3)은 점화 플러그(4)를 위한 점화 코일(16)을 포함하고, 상기 점화 코일(16)은 60㎲ 내지 1000㎲의 가변 스파크 지속시간을 가지고/가지거나 다중 타격 스파크 이벤트를 제공하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 엔진.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 스파크 점화식 엔진(3)을 위한 프리챔버(12)로서,
    상기 프리챔버(12)는 적어도 2개의 노즐(13)을 포함하고 노즐(13)을 통해 점화 플러그(4)의 점화 단부(9)와 엔진(3)의 주 연소 챔버(8)를 연결하도록 구성되는, 프리챔버.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 스파크 점화식 엔진(3)을 위한 어댑터 인서트(5)로서,
    - 상기 어댑터 인서트(5)는 중공 원통형 고정 섹션(10) 및 중공 원통형 삽입 섹션(11)을 포함하고,
    - 상기 고정 섹션(10) 및 삽입 섹션(11)은 축방향으로 서로 인접하고 축방향으로 서로 겹치지 않으며,
    - 점화 플러그(4)의 점화 단부(9)가 상기 고정 섹션(10) 내에 완전히 배치될 수 있고 상기 삽입 섹션(11)이 실린더 헤드(2)를 관통하여 주 연소 챔버(8)로 이어지는 삽입 구멍(7)에 배치될 수 있으며,
    - 프리챔버(12)는 어댑터 인서트(5)의 삽입 섹션(11) 내에 형성되는, 어댑터 인서트.
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