KR20230145612A - 스파크 플러그 및 프리챔버 스파크 플러그를 구비한 내연 기관 - Google Patents

스파크 플러그 및 프리챔버 스파크 플러그를 구비한 내연 기관 Download PDF

Info

Publication number
KR20230145612A
KR20230145612A KR1020237032642A KR20237032642A KR20230145612A KR 20230145612 A KR20230145612 A KR 20230145612A KR 1020237032642 A KR1020237032642 A KR 1020237032642A KR 20237032642 A KR20237032642 A KR 20237032642A KR 20230145612 A KR20230145612 A KR 20230145612A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
spark plug
combustion chamber
prechamber
internal combustion
combustion engine
Prior art date
Application number
KR1020237032642A
Other languages
English (en)
Inventor
알렉산더 아이히호른
알렉산더 헤팅어
Original Assignee
로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 로베르트 보쉬 게엠베하 filed Critical 로베르트 보쉬 게엠베하
Publication of KR20230145612A publication Critical patent/KR20230145612A/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/242—Arrangement of spark plugs or injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/10—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder
    • F02B19/1019—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder with only one pre-combustion chamber
    • F02B19/1023—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder with only one pre-combustion chamber pre-combustion chamber and cylinder being fed with fuel-air mixture(s)
    • F02B19/1028—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder with only one pre-combustion chamber pre-combustion chamber and cylinder being fed with fuel-air mixture(s) pre-combustion chamber and cylinder having both intake ports or valves, e.g. HONDS CVCC
    • F02B19/1061—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder with only one pre-combustion chamber pre-combustion chamber and cylinder being fed with fuel-air mixture(s) pre-combustion chamber and cylinder having both intake ports or valves, e.g. HONDS CVCC with residual gas chamber, e.g. containing spark plug
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B17/00—Engines characterised by means for effecting stratification of charge in cylinders
    • F02B17/005—Engines characterised by means for effecting stratification of charge in cylinders having direct injection in the combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/12—Engines characterised by precombustion chambers with positive ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
    • F02B23/10—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder
    • F02B23/101—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder the injector being placed on or close to the cylinder centre axis, e.g. with mixture formation using spray guided concepts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/021—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine
    • F02D41/0235—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus
    • F02D41/024—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to increase temperature of the exhaust gas treating apparatus
    • F02D41/0255—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to increase temperature of the exhaust gas treating apparatus to accelerate the warming-up of the exhaust gas treating apparatus at engine start
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P15/00—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits
    • F02P15/02—Arrangements having two or more sparking plugs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P5/00—Advancing or retarding ignition; Control therefor
    • F02P5/04—Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions
    • F02P5/145—Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions using electrical means
    • F02P5/15—Digital data processing
    • F02P5/1502—Digital data processing using one central computing unit
    • F02P5/1504—Digital data processing using one central computing unit with particular means during a transient phase, e.g. acceleration, deceleration, gear change
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/54—Sparking plugs having electrodes arranged in a partly-enclosed ignition chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
    • F02B2023/085—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition using several spark plugs per cylinder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/12—Other methods of operation
    • F02B2075/125—Direct injection in the combustion chamber for spark ignition engines, i.e. not in pre-combustion chamber
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 실린더(10), 실린더(10)당 4개의 가스 교환 포트(4)들로서, 제 1 및 제 2 가스 교환 포트(4)는 각각 입구 포트(41)이며 제 3 및 제 4 가스 교환 포트(4)는 각각 출구 포트(42)인, 4개의 가스 교환 포트(4)들, 및 각 실린더(10)당 하나의 스파크 플러그(2) 및 하나의 프리챔버 스파크 플러그(3)를 포함하는 내연 기관(1)에 관한 것이다.

Description

스파크 플러그 및 프리챔버 스파크 플러그를 구비한 내연 기관
본 발명은 스파크 플러그와 프리챔버 스파크 플러그를 구비한 내연 기관 및 내연 기관의 작동 방법에 관한 것이다.
프리챔버 스파크 플러그를 구비한 내연 기관은 종래 기술로부터 알려져 있다. 종래의 스파크 플러그에 대해 알려진 바와 같이, 프리챔버 스파크 플러그는 하우징에 배치된 중심 전극 및 접지 전극을 포함하고, 상기 두 전극들은 그들 사이에 공기/연료 혼합물이 점화되는 점화 갭을 정의한다. 이렇게 점화된 공기/연료 혼합물은 프리챔버 스파크 플러그의 연소실측 단부에 위치한 플러그 캡 내의 개구부들을 통해 내연 기관의 연소실로 안내되며, 여기에서 공기/연료 혼합물의 실제 연소는 피스톤 행정을 발생시킨다. 예를 들어 DE 10 2019 205 478 A1은 이러한 프리챔버 스파크 플러그를 개시한다.
청구항 제 1 항의 특징들을 갖는 본 발명에 따른 내연 기관은 개선된 작동 모드를 특징으로 하며, 이는 어떠한 작동 상태에서도 신뢰할 수 있는 작동 및 낮은 노킹 경향과 더불어 특히 높은 효율을 가능하게 한다. 본 발명에 따르면, 이는 적어도 하나의 실린더를 포함하고 실린더당 하나의 스파크 플러그 및 하나의 프리챔버 스파크 플러그를 포함하는 내연 기관에 의해 달성된다. 또한 내연 기관은 실린더당 4개의 가스 교환 포트들을 포함한다. 제 1 가스 교환 포트 및 제 2 가스 교환 포트는 각각 입구 포트들이고, 제 3 가스 교환 포트 및 제 4 가스 교환 포트는 각각 출구 포트들이다.
"스파크 플러그"는 전기 점화 스파크를 통해 적어도 2개의 전극들 사이에서 연료/공기 혼합물을 점화하도록 설계된 특히 노출된 전극들을 갖는 일반 스파크 플러그이다. 스파크 플러그는 특히 바람직하게는 직선 중심 전극 및 적어도 하나의 후크형 전면 또는 상단 전극을 갖는다. 특히, 이러한 스파크 플러그는 대안적으로 "스파크 점화 플러그"라고도 할 수 있다. 대안적으로, 레이저 방사를 통해 연료/공기 혼합물을 점화하도록 설계된 레이저 장치가 "스파크 플러그"로 사용될 수도 있다.
"프리챔버 스파크 플러그"는 플러그 캡 내의 관통 개구부들을 통해 내연 기관의 연소실과 유체 연결되는, 플러그 캡 내에 형성된 프리챔버를 갖는 설계이다. 이를 통해 가스가 프리챔버로부터 플러그 캡을 통해 연소실로 또는 그 반대로 통과할 수 있다. 플러그 캡은 바람직하게는 프리챔버 스파크 플러그의 축 방향에서 볼 때 연소실 측에 있는, 프리챔버 스파크 플러그의 하우징의 단부에 배치된다. 플러그 캡, 하우징 및 프리챔버는 프리챔버 스파크 플러그의 통합 부분을 형성한다. 특히, 프리챔버는 프리챔버 스파크 플러그 내에 위치한다. 프리챔버 내에서 전극은 내부에 위치한 연료/공기 혼합물을 점화하는데 사용되며, 화염 제트는 플러그 캡의 관통 개구부를 통과하고 연소실에서 연료/공기 혼합물을 점화한다. 이것은 연소실에서 연료/공기 혼합물의 실제 점화가 프리챔버 스파크 플러그에 의해 생성된 화염 제트를 사용하여 이루어짐을 의미한다. 프리챔버 스파크 플러그는 바람직하게는 내연 기관의 실린더 헤드에 고정될 수 있는 통합 부품이다. 상기 고정은 바람직하게는, 작동 중에 특히 의도대로 정렬된 화염 제트를 생성하기 위해, 종료 위치에서 스파크 플러그 캡 내의 관통 개구부들이 미리 정의된 대로 정렬되는 방식으로 수행된다. 예를 들어, 프리챔버 스파크 플러그는 기존 스파크 플러그를 수용할 수 있는 실린더 헤드의 표준 나사산에 나사 고정될 수 있도록 설계될 수 있다.
기존 스파크 플러그와 프리챔버 스파크 플러그의 조합은 특히 유연하고 효율적이며 신뢰할 수 있는 내연 기관 작동 모드의 이점을 제공한다. 결과적으로, 연소실에서 연료/공기 혼합물의 최적의 안정적인 점화는 콜드 스타트, 촉매 변환기 가열 단계, 부분 부하, 완전 부하 등과 같은 모든 작동 상태에서 항상 달성될 수 있다. 내연 기관의 작동은 바람직하게는, 특히 높은 부하에서 효과적인 노킹 감소 및 낮은 연비를 달성하기 위해, 프리챔버 스파크 플러그가 가능한 가장 큰 작동 범위에서 유일한 점화 옵션으로 사용되는 방식으로 설계될 수 있다. 프리챔버 스파크 플러그의 작동이 불리하거나 불가능한 작동 범위, 예를 들어 콜드 스타트에서, 스파크 플러그가 추가로 또는 단독으로 작동되어 이러한 범위에서도 신뢰할 수 있는 점화가 달성될 수 있다. 이는 예를 들어 내연 기관의 특정 작동점에 대해 가능한 가장 효율적인 작동을 위해 프리챔버 스파크 플러그가 특별히 최적화될 수 있고 다른 작동점들에서는 예를 들어 단독으로 또는 추가로 스파크 플러그가 점화에 사용될 수 있기 때문에 이 작동점에서의 효율 저하가 무시될 수 있거나 허용 가능하다는 추가 이점을 달성한다. 또한 다양한 작동 범위에 대해 항상 최적으로 조정 가능한 점화 장치는 예를 들어 노킹, 실화 또는 연소 불량으로 인한 내연 기관의 손상을 방지할 수 있으므로 내연 기관의 특히 긴 서비스 수명을 가능하게 한다.
종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 개선예들을 제시한다.
스파크 플러그 및/또는 프리챔버 스파크 플러그는 실린더의 연소실의 연소실 지붕에 배치되는 것이 바람직하다. 특히, 연소실 지붕은 피스톤의 행정 방향을 따라 연소실의 상단을 형성한다. 연소실 지붕은 바람직하게는 내연기관의 실린더 헤드의 일부이다. 바람직하게는 프리챔버 스파크 플러그와 스파크 플러그가 연소실 내로 돌출된다. 바람직하게는 프리챔버 스파크 플러그의 플러그 캡과 스파크 플러그의 전극들이 연소실 내로 돌출된다. 대안적으로, 프리챔버 스파크 플러그 및 스파크 플러그의 연소실측 단부들은 해당 프리챔버 스파크 플러그 또는 스파크 플러그가 배치되는 각각의 플러그 보어 내에 배치될 수도 있다.
더 바람직하게는, 프리챔버 스파크 플러그는 스파크 플러그보다 연소실 지붕의 중심점에 더 가깝게 배치된다. 그 결과, 연료/공기 혼합물의 균일한 점화를 위해 생성된 화염 제트에 의한 연소실의 특히 균일한 침투가 간단한 방식으로 달성될 수 있다. 대안적으로, 스파크 플러그에 의해 특히 효과적이고 균일한 점화를 달성하기 위해 스파크 플러그는 프리챔버 스파크 플러그보다 연소실 지붕의 중심점에 더 가깝게 배치되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 프리챔버 스파크 플러그는 스파크 플러그보다 실린더의 측벽에 더 가깝게 배치된다. 이 경우, 프리챔버 스파크 플러그는 프리챔버 스파크 플러그에 의해 점화 시 발생하는 화염 제트가 연소실 중심 방향으로 정렬되도록 설계 및 배치되는 것이 바람직하다. 대안적으로, 스파크 플러그는 프리챔버 스파크 플러그보다 실린더의 측벽에 더 가깝게 배치된다. 그 결과 프리챔버 스파크 플러그가 더 효율적으로 작동할 수 있도록 연소실 지붕 중심의 영역에서 프리챔버 스파크 플러그에 더 많은 공간이 사용될 수 있다. 피스톤의 작동면이라고도 할 수 있는 실린더의 실질적으로 원통형인 재킷면은 측벽으로 간주된다.
프리챔버 스파크 플러그는 스파크 플러그보다 2개의 입구 포트들 중 적어도 하나에 더 가깝게, 특히 2개의 입구 포트들에 더 가깝게 배치되는 것이 특히 바람직하다. 그 결과, 작동 중에 최적의 점화를 가능하게 하기 위해 프리챔버 스파크 플러그에 신선한 연소 공기가 특히 양호하게 공급될 수 있다. 대안적으로, 프리챔버 스파크 플러그는 스파크 플러그보다 2개의 출구 포트들 중 적어도 하나에 더 가깝게, 특히 2개의 출구 포트들에 더 가깝게 배치되는 것이 바람직하다. 이 경우, 스파크 플러그에 신선한 공기를 최적으로 공급할 수 있도록 스파크 플러그는 입구 포트들 중 적어도 하나에 특히 가깝게 배치될 수 있다.
스파크 플러그는 프리챔버 스파크 플러그의 입구측 또는 출구측에 배치되는 것이 바람직하다. 입구 포트들과 출구 포트들이 서로에 대한 상대적인 배치 또는 연소실 지붕 상의 상대적인 배치를 나타내는 기준 방향은 입구측 또는 출구측에 있는 것으로 간주된다. 특히, 프리챔버 스파크 플러그에 대한 스파크 플러그의 입구측 배치는 스파크 플러그가 프리챔버 스파크 플러그보다 입구 포트들을 가리키는 방향으로 출구 포트들로부터 입구 포트들까지 연장되는 축을 따라 더 배치됨을, 즉 스파크 플러그가 프리챔버 스파크 플러그보다 상기 입구 트포트에 더 가깝게 배치됨을 의미한다. 스파크 플러그가 프리챔버 스파크 플러그의 출구측에 배치되는 경우, 즉 스파크 플러그가 프리챔버 스파크 플러그보다 상기 출구 포트에 더 가깝게 배치되는 경우, 특히 바람직하다. 특히, 이 경우 프리챔버 스파크 플러그는 스파크 플러그보다 입구 포트들에 더 가깝게 배치된다. 그 결과, 특히 프리챔버 스파크 플러그가 작동 중일 때, 입구 포트를 통해 유입되는 신선한 공기 또는 유입되는 연료/공기 혼합물이 프리챔버 스파크 플러그의 근접성으로 인해 특히 의도대로 점화될 수 있다.
더 바람직하게는, 가스 교환 포트들은 연소실 지붕에 배치되고, 연소실 지붕은 2개의 서로 수직인 단면 평면들에 의해 4개의 사분면으로 분할된다. 연소실 지붕은 4개의 가스 교환 포트들 중 하나가 4개의 사분면 각각에 배치되는 방식으로 2개의 단면 평면에 의해 분할된다. 이 경우, 스파크 플러그 및/또는 프리챔버 스파크 플러그는 특히 실질적으로, 2개의 단면 평면들 중 하나에 배치된다. 즉, 2개의 단면 평면들은 각각 가스 교환 포트들 사이의 중앙에 위치한다. 2개의 단면 평면들은 바람직하게는 내연 기관의 피스톤이 움직일 수 있는 피스톤 방향에 평행한 절단선에서 교차한다. 즉, 스파크 플러그 및/또는 프리챔버 스파크 플러그는 2개의 가스 교환 포트들 사이에 실질적으로 대칭으로 위치한다. 2개의 단면 평면들은 특히 바람직하게는 연소실 지붕의 대칭 평면을 형성한다. 스파크 플러그 및/또는 프리챔버 스파크 플러그를 2개의 단면 평면들 중 하나에 배치함으로써 특히 바람직한 배치가 달성될 수 있는데, 그 이유는 이 경우 연소실 지붕에서 가장 큰 여유 공간을 필요로 하는 영역이 사용될 수 있고 또한 연료/공기 혼합물의 균일한 점화를 위한 실질적으로 중앙 점화도 가능하게 되기 때문이다.
스파크 플러그 및/또는 프리챔버 스파크 플러그는 연소실 지붕의 중심점 영역 내에 배치되는 것이 바람직하다. 중심점 영역은 가스 교환 포트들 내에 실질적으로 방사형으로 놓여 있고 특히 연소실 지붕의 중심점 또는 지붕 중심 주변 영역을 둘러싸고 있다. 특히 바람직하게는 프리챔버 스파크 플러그는 연소실 지붕의 중심점에 정확히 배치된다. 특히 바람직하게는 중심점 영역은 가스 교환 포트들 사이의 중앙에 내접하는 최대 크기의 원에 의해 정의된다. 이는 스파크 플러그 및/또는 프리챔버 스파크 플러그가 바람직하게는 연소실 지붕의 중앙에 위치하며, 그 결과 전체 연소실 내에서 특히 대칭적이고 균일한 침투 및 이에 따른 동시 점화가 가능하다는 것을 의미한다. 특히 중앙 프리챔버 스파크 플러그의 경우, 점화를 달성하는 화염 제트에 의한 연소실의 특히 균일한 침투, 따라서 균일하고 효율적인 연소가 가능해질 수 있다.
특히 바람직하게는, 스파크 플러그 및/또는 프리챔버 스파크 플러그가 2개의 인접한 가스 교환 포트들과 실린더의 측벽 사이에 배치된다. 특히, 스파크 플러그 및/또는 프리챔버 스파크 플러그는 4개의 가스 교환 포트들의 중심점이 놓이는 중심원의 방사상 외부에 놓인다. 즉, 스파크 플러그 및/또는 프리챔버 스파크 플러그는 연소실 지붕의 자유 방사상 외부 영역 내에 배치된다. 특히, 4개의 이러한 방사상 외부 자유 영역들이 연소실 지붕의 둘레 주위에 분포되어 있다. 그 결과, 연소실 지붕의 가용 공간은 모든 구성 요소들을 배치하는데 특히 바람직하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 스파크 플러그들과 프리챔버 스파크 플러그들 중 하나가 중심점 영역 내에 배치되며 다른 하나는 방사상 외부에 배치되는 것이 특히 바람직하다. 실린더의 측벽과 스파크 플러그 사이의 거리 및/또는 실린더의 측벽과 프리챔버 스파크 플러그 사이의 거리는 바람직하게는 실린더의 실린더 반경의 최대 30%, 바람직하게는 최대 15%이다. 측벽 근처에 측면 배치로 인해, 스파크 플러그 및/또는 프리챔버 스파크 플러그가 연소실 중심으로부터 멀리 떨어져 있으며, 그 결과 예를 들어 열 부하가 중앙 배치의 경우보다 낮다. 이는 스파크 플러그 및/또는 프리챔버 스파크 플러그의 긴 서비스 수명에 유리한 영향을 미친다.
내연 기관은 또한 내연 기관의 연소실에 특히 액체 또는 기체 연료를 직접 분사하도록 설계된 연소실 연료 인젝터를 포함하는 것이 바람직하다.
연소실 연료 인젝터는 연소실 지붕에 배치되는 것이 바람직하다. 특히, 연소실 연료 인젝터는 균일한 점화를 위해 바람직하게는 프리챔버 스파크 플러그 및/또는 스파크 플러그의 위치에 정렬된, 균일한 연료/공기 혼합물을 생성하기 위해, 프리챔버 스파크 플러그 및/또는 스파크 플러그 부근에 배치된다.
연소실 연료 인젝터는 특히 바람직하게는 2개의 인접한 가스 교환 포트들과 실린더의 측벽 사이에 배치된다. 특히, 연소실 연료 인젝터는 4개의 가스 교환 포트들의 중심점이 놓이는 중심원의 반경 방향 외부에 놓인다. 즉, 연소실 연료 인젝터는 연소실 지붕의 자유 방사상 외부 영역 내에 배치된다. 특히 연소실 연료 인젝터는 균일한 분배와 점화를 달성하기 위해 연료를 연소실의 중심을 향해 분사하도록 설계된다. 연소 전에 최적의 균일한 혼합물 형성을 촉진하기 위해, 2개의 입구 포트들과 실린더 측벽 사이에 연소실 연료 인젝터의 배치가 특히 바람직하다. 또한 측면 배치는 연소실 연료 인젝터와 연소실 중심 사이의 거리를 더 크게 하여 연소실 연료 인젝터의 열 부하를 낮추는데 유리한 영향을 주어 긴 서비스 수명을 가능하게 한다.
연소실 연료 인젝터와 실린더 측벽 사이의 거리는 바람직하게는 실린더 반경의 최대 30%, 특히 바람직하게는 최대 15%이다. 즉, 연소실 연료 인젝터는 측벽에 가깝게 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 중앙에 배치되지 않고 연소실 지붕의 측면에 배치된다. 이 경우 연소실 연료 인젝터는 분사되는 연료의 분사 방향이 연소실 중심 방향으로 정렬되도록 비스듬히 정렬되는 것이 바람직하다. 연소실 연료 인젝터의 측면 배치는 연소실 지붕에 특히 공간 절약형 배치를 가능하게 한다. 그 결과, 특히 연소실 지붕의 중앙 영역에서 스파크 플러그 및/또는 프리챔버 스파크 플러그를 배치하는데 더 많은 공간이 사용될 수 있다.
연소실 연료 인젝터 및 프리챔버 스파크 플러그는 특히 바람직하게는 연소실 지붕의 반대편에 배치된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 연소실 연료 인젝터 및 스파크 플러그는 바람직하게는 연소실 지붕의 반대편에 배치된다. 특히, 연소실 지붕의 중심점을 기준으로 반대편 배치는 반대편으로 간주된다. 이는 연소실 지붕에 구성 요소들을 배치하는데 사용될 수 있는 여유 공간의 특히 유리한 활용을 가능하게 한다.
연소실 연료 인젝터는 연소실 지붕의 중심점 영역 내에 배치되는 것이 바람직하며, 상기 중심점 영역은 가스 교환 포트들 내에 방사상으로 놓인다. 연소실 연료 인젝터는 특히 바람직하게는 연소실 지붕의 중심점에 정확히 배치된다. 연소실 지붕에 연소실 연료 인젝터의 중앙 배치는 연소실에서 특히 균일한 연료 분포와 효율적인 연소를 가능하게 하기 위해 연소실로의 특히 균일한, 바람직하게는 대칭적인 분사를 가능하게 한다.
프리챔버 스파크 플러그는 스파크 플러그보다 연소실 연료 인젝터에 더 가깝게 배치되는 것이 특히 바람직하다. 연소실 연료 인젝터와 프리챔버 스파크 플러그의 서로 근접한 이러한 배치는 프리챔버 스파크 플러그의 효율적이고 신뢰할 수 있는 작동에 특히 유리한 효과를 갖는다. 연소실 연료 인젝터와 프리챔버 스파크 플러그 사이의 근접성으로 인해 프리챔버 스파크 플러그의 프리챔버에 대한 혼합물 공급 및 플러싱이 개선된다. 대안적으로 바람직하게는, 스파크 플러그는 프리챔버 스파크 플러그보다 연소실 연료 인젝터에 더 가깝게 배치된다. 이 경우, 스파크 플러그 영역에서 특히 우수한 혼합물 공급이 달성될 수 있다. 연소실 연료 인젝터와 스파크 플러그의 서로 근접한 이러한 배치는 예를 들어 촉매 변환기 가열 동안 내연 기관의 특히 견고한 작동을 가능하게 한다.
연소실 연료 인젝터 및 프리챔버 스파크 플러그는 바람직하게는 실린더의 실린더 반경의 최대 50%, 바람직하게는 최대 30%, 특히 최대 10%의 거리에 배치된다.
연소실 연료 인젝터 및 스파크 플러그는 바람직하게는 실린더의 실린더 반경의 최대 50%, 바람직하게는 최대 30%, 특히 최대 10%의 거리에 배치된다.
연소실 연료 인젝터의 분사 방향, 즉 연료가 실질적으로 분사되는 방향은 특히 바람직하게는 프리챔버 스파크 플러그의 방향으로, 특히 프리챔버 스파크 플러그의 플러그 캡에 대해 정렬된다. 결과적으로, 프리챔버 스파크 플러그의 프리챔버에 대한 특히 우수한 플러싱 및 혼합물 공급이 달성될 수 있다. 대안적으로 분사 방향은 실질적으로 스파크 플러그 방향으로 정렬되는 것이 바람직하다.
내연 기관은 또한 내연 기관의 흡기 매니폴드에 연료를 분사하도록 설계된 흡기 매니폴드 연료 인젝터를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 내연 기관은 흡기 매니폴드 연료 인젝터를 각각 갖는 2개의 흡기 매니폴드들을 포함하고, 각각의 흡기 매니폴드는 2개의 입구 포트들 중 하나에서 연소실로 개방된다. 대안적으로, 내연 기관은 연료를 2개의 흡기 매니폴드로 분사하도록 설계된 정확히 하나의 흡기 매니폴드 연료 인젝터를 포함할 수 있다. 대안적으로, 내연 기관은 연료를 공통 흡기 매니폴드 섹션으로 분사하도록 설계된 정확히 하나의 흡기 매니폴드 연료 인젝터를 포함할 수 있으며, 상기 흡기 매니폴드 섹션은 연소실 방향으로 2개의 흡기 매니폴드들로 분할된다. 흡기 매니폴드 연료 인젝터는 연소실에 배치된 직접 분사식 연소실 연료 인젝터에 대한 대안으로서 바람직하게 제공된다. 그 결과, 각각의 경우에 최적의 배치를 위해 연소실 지붕에서 스파크 플러그 및 프리챔버 스파크 플러그를 위한 특히 많은 공간이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 적어도 하나의 실린더 및 실린더당 4개의 가스 교환 포트들, 스파크 플러그 및 프리챔버 스파크 플러그를 포함하는 내연 기관을 작동시키는 방법에 관한 것이다. 스파크 플러그 및/또는 프리챔버 스파크 플러그는 실린더의 연소실 내에서 연료/공기 혼합물을 점화하기 위해 작동된다. 이는 내연 기관의 작동 중에 실린더의 연소실 내의 연료/공기 혼합물을 점화하기 위해 프리챔버 스파크 플러그와 스파크 플러그의 동시 작동 또는 스파크 플러그 또는 프리챔버 스파크 플러그의 단독 작동이 이루어질 수 있음을 의미한다. 이는 내연 기관의 특히 유연하고 효율적인 작동을 가능하게 한다.
프리챔버 스파크 플러그는 내연 기관의 고부하 작동 동안, 특히 스파크 플러그가 비활성 상태인 동안 단독으로 작동되는 것이 바람직하다. 내연 기관의 정격 토크의 적어도 20%, 바람직하게는 적어도 50%, 특히 바람직하게는 적어도 80%의 토크에서의 작동은 바람직하게는 고부하로 간주된다. 이 토크 임계값은 바람직하게는 내연 기관의 속도 또는 람다 수, 밸브의 제어 시간, 엔진 온도 등과 같은 다른 주요 수치에 따라 달라질 수 있다. 고부하에서 프리챔버 스파크 플러그를 단독으로 작동함으로써 특히 효율적인 작동과 내연 기관의 노킹 경향의 효과적인 감소가 달성될 수 있다.
더 바람직하게는, 스파크 플러그는 내연 기관의 저부하 작동 동안, 특히 프리챔버 스파크 플러그가 비활성 상태인 동안 단독으로 작동된다. 내연 기관의 정격 토크의 80% 미만, 바람직하게는 50% 미만, 특히 바람직하게는 20% 미만의 토크에서의 작동은 바람직하게는 저부하로 간주된다. 결과적으로 저부하에서도 스파크 플러그를 통한 안정적인 점화가 가능하다.
스파크 플러그는 특히 바람직하게는 촉매 변환기 가열 단계 동안, 특히 내연 기관의 콜드 스타트 후에 작동된다. 촉매 변환기 가열 단계 동안, 특히 프리챔버 스파크 플러그가 비활성 상태인 동안, 스파크 플러그가 단독으로 작동된다. 그 결과, 예를 들어 프리챔버 스파크 플러그의 작동을 위한 최적의 조건이 아직 존재하지 않는 콜드 스타트 후에 연료/공기 혼합물의 최적 점화가 안정적으로 보장될 수 있다.
스파크 플러그는 바람직하게는 내연 기관의 낮은 엔진 온도, 바람직하게는 최대 323K, 특히 최대 303K, 특히 바람직하게는 최대 293K의 엔진 온도에서 단독으로 작동된다. 예를 들어 특히 간단한 결정을 위해, 내연 기관의 냉각제 온도가 엔진 온도로서 결정될 수 있다. 대안적으로, 그러한 낮은 온도에서도 스파크 플러그와 프리챔버 스파크 플러그의 조합된 작동이 동시에 일어날 수 있다.
더 바람직하게는, 내연 기관이 다시 연소되는 동안, 특히 오버런 단계 후, 즉 내연기관이 차량에 의해 견인된 후 그리고 바람직하게는 매우 낮은 부하에서, 스파크 플러그는 단독 작동된다. 대안적으로, 내연 기관이 다시 연소되는 동안, 스파크 플러그와 프리챔버 스파크 플러그의 조합된 작동이 동시에 일어날 수도 있다.
바람직하게는, 스파크 플러그 및 프리챔버 스파크 플러그는 특히 내연 기관의 단일 작동 사이클 내에서 바람직하게는 서로 독립적인 상이한 점화 시간으로 작동된다. 예를 들어, 스파크 플러그는 바람직하게는 고부하에서 배기 행정 동안에만 작동될 수 있으며, 바람직하게는 프리챔버 스파크 플러그만이 연료/공기 혼합물을 점화하는데 사용된다. 그 결과 내연기관의 작동 상태에 따라 최적의, 완전한 그리고 효율적인 연소가 가능해진다.
내연 기관은 특히 바람직하게는 적어도 1의 람다 수를 갖는 부분 작동 범위 내에서 적어도 작동된다. 프리챔버 스파크 플러그는 특히 바람직하게는 이러한 부분 작동 범위 내에서 작동된다. 바람직하게는, 스파크 플러그는 이 부분 작동 범위 내에서 비활성화될 수 있다. 그러나 대안적으로 스파크 플러그와 프리챔버 스파크 플러그의 조합된 작동이 이루어질 수도 있다. 다른 대안적인 실시예에서, 스파크 플러그는 이 부분 작동 범위 내에서, 즉 프리챔버 스파크 플러그가 비활성인 동안 단독으로 작동될 수 있다. 람다 수는 특히 바람직하게는 내연 기관의 적어도 하나의 부분 작동 범위 내에서 적어도 1.05이다. 즉, 이 경우 내연 기관은 희박한 연료/공기 혼합물로 부분 작동 범위 내에서 작동된다. 프리챔버 스파크 플러그 및/또는 스파크 플러그는 희박 작동 중에 작동되는 것이 바람직하다. 그 결과, 특히 연료 효율적인 작동이 가능해질 수 있고, 특히 프리챔버 스파크 플러그에 의해 노킹 경향이 낮은 연료/공기 혼합물의 안정적인 점화가 가능해진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 내연기관의 단면도이다.
도 2는 도 1의 내연 기관의 다양한 바람직한 구성들의 단순화된 개략적인 상세도들이다.
도 3은 도 1의 내연 기관의 또 다른 바람직한 구성들의 단순화된 개략적인 상세도들이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 내연기관의 단면도이다.
도 5는 도 4의 내연 기관의 다양한 바람직한 구성들의 단순화된 개략적인 상세도들이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 내연 기관(1)의 단순화된 단면도를 도시한다. 내연 기관(1)은 다수의 실린더(10)를 포함하며, 실린더(10)들 중 하나만이 도 1에 도시되어 있다. 실린더(10)는 연소실(5)을 갖고, 상기 연소실(5)의 상단은 연소실 지붕(50)에 의해 한정된다. 연소실 지붕(50)은 내연 기관(1)의 실린더 헤드(15)에 의해 형성된다. 연소실 지붕(50)은 바람직하게는 원추형이거나 상부를 향해 점점 가늘어지도록 설계되며, 지붕 끝은 특히 연소실 지붕(50)의 중심점(54)(도 2 참조)에 형성된다. 중심점(54)은 바람직하게는 원형인 실린더(10)의 중심, 특히 중심축(12)에 놓인다.
내연 기관(1)은 실린더(10)당 4개의 가스 교환 포트(4)들을 포함한다(도 2 참조). 제 1 및 제 2 가스 교환 포트(4)는 각각 신선한 공기를 연소실(5) 내로 유입시킬 수 있는 입구 포트(41)를 형성한다. 제 3 및 제 4 가스 교환 포트(4)는 각각 연소 후 배기 가스를 연소실(5) 밖으로 배출시킬 수 있는 출구 포트(42)를 형성한다.
또한, 내연 기관(1)은 실린더(10)당 하나의 연소실 연료 인젝터(6)를 포함하고, 상기 연소실 연료 인젝터(6)는 액체 또는 기체 연료를 연소실(5)에 직접 분사하도록 설계되어 있다. 연소실 연료 인젝터(6)는 연소실(5) 내로 약간 돌출되어 있다. 대안적으로, 연소실 연료 인젝터(6)는 그것이 배치되는 인젝터 보어(60) 내에 후퇴되어 배치될 수 있다.
또한, 내연 기관(1)은 실린더(10)당 하나의 스파크 플러그(2)와 하나의 프리챔버 스파크 플러그(3)를 포함한다.
스파크 플러그(2)는 전기 스파크에 의해 연소실(5) 내의 연료/공기 혼합물을 점화시키도록 설계된 종래의 스파크 플러그이다. 이를 위해, 스파크 플러그(2)는 중앙 전극(21) 및 특히 접지 전극을 형성하는 측방향 후크형 단부 전극(22)을 가질 수 있다. 2개의 전극(21, 22)들 사이에서 점화 스파크가 발생할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 스파크 플러그(2)는 실린더 헤드(15) 내부의 보어(20)에 배치될 수 있으며, 보어(20)는 연소실(5)로 개방된다. 대안적으로, 스파크 플러그(2)는 또한 연소실(5) 내로 돌출될 수 있다.
프리챔버 스파크 플러그(3)는 프리챔버 스파크 플러그(3)의 하우징(34)의 축방향 단부에 배치되는 플러그 캡(32)을 갖는다. 플러그 캡(32)은 프리챔버 스파크 플러그(3) 내에 프리챔버(35)를 형성하고, 프리챔버(35)는 플러그 캡(32)을 관통하는 관통 개구부(미도시)들을 통해 연소실(5)에 연결된다. 프리챔버(35) 내의 연료/공기 혼합물은 전극(31)에 의해 점화되어 여러 개, 바람직하게는 4개의 화염 제트(30)(도 2, 도 3 또는 도 5 참조; 프리챔버 스파크 플러그(3)로부터 방출되는 곤봉형 빔으로 개략적으로 도시됨)들이 관통 개구부들을 통해, 특히 화염의 형태로 연소실(5)로 확산되어 거기서 연료/공기 혼합물을 점화시킨다. 프리챔버 스파크 플러그(3)는 실린더 헤드(15)의 보어(33)에 나사 결합된다. 프리챔버 스파크 플러그(3)는 플러그 캡(32)이 연소실(5) 내로 돌출되도록 나사 결합된다.
프리챔버 스파크 플러그(3)는 내연 기관(1)이 화학양론적 또는 희박한 연료/공기 혼합물로 작동되는 동안 고부하 하에서 내연 기관(1)을 작동하도록 최적화된다. 프리챔버 스파크 플러그(3)의 특수한 점화 방식으로 인해 연료/공기 혼합물이 안정적으로 점화될 수 있으며 내연 기관(1)의 노킹 경향이 낮다. 결과적으로 내연 기관(1)의 특히 연료 효율적인 작동이 노킹으로 인한 파손의 위험 없이 가능하다.
스파크 플러그(2)는 특히 콜드 스타트 후, 촉매 변환기 가열 작동 동안 및 낮은 부하에서 작동되어, 이러한 작동 범위들에서도 연소실(5)에서 연료/공기 혼합물의 안정적인 점화를 가능하게 한다.
도 2 및 도 3에는, 연소실 지붕(50) 상에 연소실 연료 인젝터(6), 스파크 플러그(2) 및 프리챔버 스파크 플러그(3)의 배치에 대한 몇 가지 바람직한 변형예들이 간략하고 개략적인 방식으로 도시되어 있으며, 이는 아래에서 설명된다. 내연 기관(1)의 피스톤(미도시)이 이동할 수 있는 피스톤 방향을 따른 연소실 지붕(50)의 평면도가 각각 도시되어 있다. 피스톤 방향은 실린더(10)의 중심축(12)과 평행하다.
도 2 및 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 4개의 가스 교환 포트(4)들은 모두 동일한 단면을 갖는다. 대안적으로, 입구 포트(41)들과 출구 포트(42)들은 상이한 단면을 가질 수도 있다. 특히 바람직하게는, 입구 포트(41) 각각은 출구 포트(42)보다 더 큰 단면을 가질 수 있다. 대안적으로, 출구 포트(42) 각각은 입구 포트(41)보다 더 큰 단면을 가질 수 있다. 가스 교환 포트(4) 각각은 원형이고, 최대 전체 단면이 가스 교환에 이용될 수 있는 방식으로 연소실 지붕(50)에 내접한다. 대안적으로, 가스 교환 포트(4)들은 더 작을 수도 있다.
연소실 지붕(50)에서의 요소들 위치에 대한 간략한 설명을 위해, 서로 수직이고 피스톤 방향에 평행한 2개의 단면 평면(51, 52)들이 도시되어 있다. 2개의 단면 평면(51, 52)들은 연소실 지붕(50)을, 4개의 가스 교환 포트(4)들 중 하나가 각 사분면(55, 56, 57, 58)에 위치하도록, 4개의 사분면(55, 56, 57, 58)들로 분할한다. 특히, 2개의 단면 평면(51, 52)들은 연소실 지붕(50)의 대칭 평면으로 볼 수 있다. 도 2, 도 3 및 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 연소실 지붕(50)에 배치된 부품들, 즉 스파크 플러그(2), 프리챔버 스파크 플러그(3) 및 연소실 연료 인젝터(6)는 실질적으로 2개의 단면 평면(51, 52) 중 하나에 각각 존재하는데, 그 이유는 이 부품들에 대해 가장 큰 공간이 사용 가능한 곳이기 때문이다.
도 2는 연소실 연료 인젝터(6)의 중앙 위치를 갖는 연소실 지붕(50) 내에 부품들의 배치에 대한 변형예를 도시한다. 중앙 위치는, 연소실 지붕(50)의 중심점(54)을 둘러싸며 가스 교환 포트(4)들 내부에 실질적으로 반경 방향으로 있는 중심점 영역(53) 내의 배치이다. 연소실 연료 인젝터(6)의 중앙 위치로 인해, 연소실(5)에서 분사된 연료 스프레이의 특히 균일한 분포가 달성될 수 있다.
도 2에 도시된 모든 변형예에서, 연소실 연료 인젝터(6)는 중심점(54)의 입구측에, 즉 출구 포트(42)들보다 2개의 입구 포트(41)들에 더 가깝다. 상세하게는 연소실 연료 인젝터(6)는 2개의 입구측 사분면(55, 58) 내에 완전히 위치한다. 그 결과, 중심점 영역(53) 내에 다른 부품, 즉 스파크 플러그(2) 또는 프리챔버 스파크 플러그(3)를 위한 공간이 있다.
또한, 연소실 지붕(50)은 2개의 인접한 가스 교환 포트(4)들과 실린더(10)의 측벽(11) 사이에 각각 배치되고 그 안에 부품들이 배치될 수 있는 4개의 측면 영역(59)들을 갖는다.
도 2(a)는 중심점 영역(53) 내에 프리챔버 스파크 플러그(3)를 갖는 장치를 도시한다. 이것은 연료/공기 혼합물이 프리챔버 스파크 플러그(3)에 의해 가능한 한 중앙에서 점화될 수 있음을 의미한다. 따라서, 화염 제트(30)들이 연소실(5)에 특히 고르게 침투하여 연소실(5)에서 특히 균일한 점화가 달성될 수 있다. 또한, 프리챔버 스파크 플러그(3)와 연소실 연료 인젝터(6) 사이의 거리(36)는 최소로 유지될 수 있으며, 이는 프리챔버(35)의 플러싱 및 혼합물 공급에 바람직한 효과를 갖는다.
프리챔버 스파크 플러그(3)는 작동 중에 생성된 화염 제트(30)들이 4개의 가스 교환 포트(4) 각각의 방향으로 실질적으로 균일하게 정렬되는 방식으로 설계 및 배치된다. 여기서 화염 제트(30)의 정렬은 도면들에서 단지 예로서만 도시되어 있다. 오히려, 화염 제트(30)들의 임의의 방향이 가능하다. 예를 들어, 다른 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 화염 제트(30)는 바람직하게는 프리챔버 스파크 플러그(3)가 단면 평면(51, 52)들 중 하나에 위치할 때, 상기 단면 평면(51, 52)들 중 하나에 평행하게 정렬된다. 화염 제트(30)들 중 적어도 하나가 항상 연소실(5)의 입구측 방향, 즉 입구 포트(41)들 중 하나의 방향으로 정렬되는 경우가 특히 바람직하다.
도 2(a)의 배치는 연소실 연료 인젝터(6)와 프리챔버 스파크 플러그(3)의 근접성으로 인해 프리챔버 스파크 플러그(3)의 작동 동안 내연 기관(1)의 특히 효율적인 작동 모드를 제공하는데, 그 이유는 생성된 스프레이가 화염 제트(30)에 의해 특히 의도대로 신뢰할 수 있는 방식으로 점화될 수 있기 때문이다. 또한, 연소실 연료 인젝터(6)와 프리챔버 스파크 플러그(3)의 근접성으로 인해 프리챔버 스파크 플러그(3)의 프리챔버(35)의 효과적인 플러싱 및 최적의 혼합물 공급이 달성될 수 있으며, 이는 프리챔버 스파크 플러그(3)의 견고하고 효과적인 작동에 특히 유리한 효과를 갖는다.
도 2(a)의 변형예에서, 스파크 플러그(2)는 실린더(10)의 측벽(11)에 가깝게 측방향으로 배치된다. 구체적으로, 스파크 플러그(2)는 입구측의 2개의 사분면(55, 58)에 있는 입구측 영역(59)에, 즉 2개의 입구 포트(41)들에 근접하게 배치된다. 따라서, 스파크 플러그(2)가 작동 중일 때 스파크 플러그(2) 영역에서 양호한 신선한 공기 공급이 제공될 수 있다.
도 2(b)는 스파크 플러그(2)가 출구측 영역(59)에, 즉 2개의 출구 포트(42)들에 근접하게 배치된다는 차이점을 제외하고 도 2(a)의 배치에 실질적으로 상응하는 배치를 도시한다. 이는 예를 들어 연소실 연료 인젝터(6)가 출구 포트(42)를 향해 정렬되어 연료 스프레이가 플러그(3) 및 스파크 플러그(2)에 근접하게 한다.
도 2(c)는 스파크 플러그(2)와 프리챔버 스파크 플러그(3)의 위치가 뒤바뀐 상태의, 도 2(a)와 유사한 배치를 도시한다. 즉, 스파크 플러그(2)는 연소실 연료 인젝터(6)에 가까운 중심점 영역(53)에 배치되고, 프리챔버 스파크 플러그(3)는 입구측에서 측벽(11)에 가깝게 배치된다. 중심점(54)에 가깝고 연소실 연료 인젝터(6)에 가까운 스파크 플러그(2)의 중앙 배치로 인해, 스파크 플러그(2)에 의한 점화 동안, 바람직하게는 낮은 부하에서 및/또는 촉매 변환기 가열 단계 동안, 내연 기관의 특히 견고하고 효율적인 작동이 가능해질 수 있다.
프리챔버 스파크 플러그(3)는 화염 제트(30)가 연소실 지붕의 중심 방향으로 정렬되도록 설계 및 배치된다. 그 결과, 예를 들어 내연 기관(1)의 중부하 또는 고부하 범위에서 프리챔버 스파크 플러그(3)가 단독으로 작동될 때에도 특히 연료 효율적인 작동이 가능해질 수 있다. 또한, 프리챔버 스파크 플러그(3)의 측면 배치는 연소실(5)의 중심까지의 거리로 인해, 더 낮은 온도가 플러그 캡(32)에 작용하여 프리챔버 스파크 플러그(3)의 더 낮은 부하 및 더 긴 서비스 수명이 달성될 수 있다는 장점을 제공한다.
도 2(d)는 프리챔버 스파크 플러그(3)가 출구측 영역(59)에, 즉 스파크 플러그(2) 및 연소실 연료 인젝터(6)의 출구측에 배치된다는 차이점을 제외하고 도 2(c)의 배치에 실질적으로 상응하는 배치를 도시한다. 이 경우, 프리챔버 스파크 플러그(3)가 생성하는 화염 제트(30)들은 입구 포트(41)들의 방향으로 정렬된다.
도 2(e)는 중앙 프리챔버 스파크 플러그(3)를 갖는 도 2(a) 및 도 2(b)와 유사한 배치를 도시하고, 스파크 플러그(2)는 제 2 단면 평면(52)에 놓인 측면 영역(59)에 배치된다. 이 경우, 측면 영역(59)은 2개의 입구측 사분면(55, 58)들 중 하나 및 2개의 출구측 사분면(56, 57)들 중 하나에 있다. 따라서, 입구 포트(41)들과 출구 포트(42)들에 연결된 흡기 매니폴드와 배기 매니폴드는 종종 실린더 헤드(15) 내에서 서로 멀어지는 방향을 가리키기 때문에, 실린더 헤드(15) 내에 스파크 플러그(2)의 특히 바람직한 설치 위치가 제공될 수 있다. 사분면(55, 56)의 우측 영역(59)에서 도 2(e)에 도시된 위치에 대한 대안으로서, 스파크 플러그(2)는 사분면(57, 58)의 좌측 영역(59)에 배치될 수도 있다.
도 3은 연소실 연료 인젝터(6)가 연소실 지붕(50)에 측면으로, 즉 입구측 영역(59)에 배치된 변형예를 도시한다. 연소실 연료 인젝터(6)는 측벽(11)으로부터 작은 거리(61)에 배치된다. 연소실 연료 인젝터(6)의 측면 배치로 인해, 중심점(54)을 중심으로 하는 연소실 지붕(50)의 중앙 중심점 영역(53)에 스파크 플러그(2) 및 프리챔버 스파크 플러그(3)에 사용 가능한 많은 공간이 있으므로, 이것들은 개선되고 균일한 점화를 위해 가능한 한 중앙에 배치될 수 있다. 연소실 연료 인젝터(6)의 분사 방향은 연소실(5)에서 연료 스프레이의 가능한 가장 균일한 분포를 달성하기 위해 연소실 중심 방향으로 정렬된다.
도 3(a) 및 도 3(b)에는 스파크 플러그(2)와 프리챔버 스파크 플러그(3)가 중심점 영역(53) 내에 배치되어 있는 변형예가 도시되어 있다. 따라서, 스파크 플러그(2) 및 프리챔버 스파크 플러그(3)가 연소실 지붕(50)의 중심점(54)에 최대한 근접하게 되고, 그 결과 최대안 중앙의 균일한 점화가 가능한 최적의 작동이 가능해진다. 도 3(a)는 스파크 플러그(2)가 프리챔버 스파크 플러그(3)의 입구측에 배치된 변형예를 도시하고, 도 3(b)는 스파크 플러그(2)가 프리챔버 스파크 플러그(3)의 출구측에 배치된 변형예를 도시한다.
도 3(c) 및 도 3(d)는 스파크 플러그(2)가 중앙에 배치되며 프리챔버 스파크 플러그(3)가 연소실 지붕(50)에 측면으로 배치되는 변형예를 도시한다. 이것은 중심점 영역(53)에 스파크 플러그(2) 및 프리챔버 스파크 플러그(3)를 위한 충분한 공간이 없는 경우에 특히 바람직하다. 두 변형예에서 스파크 플러그(2)는 각각 연소실 지붕(50)의 중심점(54)에 정확하게 배치되며, 이는 스파크 플러그(2)의 작동 동안, 예를 들어 촉매 변환기 가열 단계 동안 내연 기관(1)의 특히 견고한 작동을 가능하게 한다.
도 3(c)에서, 프리챔버 스파크 플러그(3)는 측벽(11)과 입구 포트(41)들 중 하나 및 출구 포트(42)들 중 하나 사이에 있는 좌측 영역(59)에 배치된다.
도 3(d)는 또한 프리챔버 스파크 플러그(3)가 출구측 영역(59)에, 즉 2개의 출구 포트(42)들 가까이에 배치되는 변형예를 도시한다.
도 3(c) 및 도 3(d)에 도시된 변형예에 대한 대안으로서, 임의의 다른 측면 영역(59)에 프리챔버 스파크 플러그(3)를 배치하는 것도 가능하다.
도 3(e)에는 또한, 프리챔버 스파크 플러그(3)가 중앙에, 즉 연소실 지붕(50)의 중심점(54)에 정확히 배치되는 변형예가 도시되어 있다. 이는 프리챔버 스파크 플러그(3)의 작동 중에 연소실(5)에서 특히 균일하고 대칭적인 점화를 가능하게 한다. 이 경우, 스파크 플러그(2)는 우측 영역(59)에, 즉 측벽(11), 2개의 입구 포트(41)들 중 하나 및 2개의 출구 포트(42)들 중 하나 사이에 배치된다. 대안적으로, 임의의 다른 측면 영역(59)에 스파크 플러그를 배치하는 것도 가능하다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 내연 기관(1)의 단면도를 도시한다. 제 2 실시예는 연소실 지붕(50)에 배치된 직접 분사식 연소실 연료 인젝터(6) 대신에 흡기 매니폴드 연료 인젝터(7)가 제공된 차이점을 제외하고 도 1 내지 도 3의 제 1 실시예에 실질적으로 상응한다. 흡기 매니폴드 연료 인젝터(7)는 실린더 헤드(15) 내에 및 흡기 매니폴드(70) 상에 배치되고, 액체 또는 기체 연료를 흡기 매니폴드(70) 내로 분사하도록 설계된다. 흡기 매니폴드(7)는 입구 포트(41)에서 연소실(5)로 개방되어 연료/공기 혼합물을 연소실(5)로 안내한다. 특히 입구 포트(41)당 하나의 흡기 매니폴드(70)가 제공되고, 각각의 흡기 매니폴드(70)에는 흡기 매니폴드 연료 인젝터(7)가 제공된다(미도시).
도 5는 도 4의 제 2 실시예의 내연 기관(1)의 연소실 지붕(50) 상의 스파크 플러그(2) 및 프리챔버 스파크 플러그(3)의 배치의 변형예를 도시한다. 제 2 실시예에서 연료 인젝터가 연소실 지붕(50)에 배치되지 않기 때문에, 바람직하게는 스파크 플러그(2) 및 프리챔버 스파크 플러그(3)를 위한 더 많은 공간이 제공된다. 도 5의 배치는 도 3과 유사하므로, 실질적으로 동일한 장점이 있다.
특히 바람직하게는, 스파크 플러그(2) 및 프리챔버 스파크 플러그(3)는 모두 중심점 영역(53)에 배치될 수 있다. 이 배치는 도 5(a) 및 도 5(b)의 변형예에 도시되어 있으며, 도 5(a)에서 스파크 플러그(2)는 프리챔버 스파크 플러그(3)의 입구측에 배치되고, 도 5(b)에서 스파크 플러그(2)는 프리챔버 스파크 플러그(3)의 출구측에 배치된다.
도 5(c) 및 도 5(d)는 또한 연소실 지붕(50)의 중심점(54)에 정확히 배치된 중앙 스파크 플러그(2)를 갖는 변형예를 도시한다.
도 5(c)에서 프리챔버 스파크 플러그(3)는 좌측 영역(59)에 배치되고, 도 5(d)에서는 출구측 영역(59)에 배치된다.
도 5(e)는 정확히 중심점(54)에 배치된, 중앙 프리챔버 스파크 플러그(3)를 갖는 변형예를 도시한다. 이 변형예에서, 스파크 플러그(2)는 우측 영역(59)에 배치된다.
도 3과 유사하게, 측방향으로 배치된 스파크 플러그(2) 또는 프리챔버 스파크 플러그(3)는 도 5(c) 내지 도 5(e)에 도시된 위치에 대한 대안으로서 4개의 측면 영역(59)들 중 임의의 영역에 배치될 수도 있다는 점에 유의해야 한다.
기준이 되는 모든 거리는 각각 최소 거리로 간주된다는 점에 유의해야 한다. 즉, 예를 들어 "프리챔버 스파크 플러그와 연소실 연료 인젝터 사이의 거리"는 특히 실질적으로 연소실 지붕의 평면에서, 스파크 플러그의 외주와 연소실 연료 인젝터의 외주 사이의 최소 거리로 간주된다.
1: 내연 기관
2: 스파크 플러그
3: 프리챔버 스파크 플러그
4: 가스 교환 포트
6: 연소실 연료 인젝터
10: 실린더
11: 측벽
42: 출구 포트
50: 연소실 지붕
51, 52: 단면 평면
53: 중심점 영역
54: 중심점
65: 분사 방향
70: 흡기 매니폴드

Claims (19)

  1. 내연 기관으로서,
    - 적어도 하나의 실린더(10),
    - 실린더(10)당 4개의 가스 교환 포트(4)들로서, 제 1 및 제 2 가스 교환 포트(4)는 각각 입구 포트(41)이며 제 3 및 제 4 가스 교환 포트(4)는 각각 출구 포트인, 상기 4개의 가스 교환 포트(4)들,
    - 실린더(10)당 하나의 스파크 플러그(2) 및 하나의 프리챔버 스파크 플러그(3)를 포함하고, 상기 스파크 플러그(2) 및 상기 프리챔버 스파크 플러그(3)는 상기 실린더(10)의 연소실(5)의 연소실 지붕(50)에 배치되고,
    상기 스파크 플러그(2)는 상기 프리챔버 스파크 플러그(3)보다 상기 연소실 지붕(50)의 중심점(54)에 더 가깝게 배치되거나, 상기 프리챔버 스파크 플러그(3)는 상기 스파크 플러그(2)보다 상기 실린더(10)의 측벽(11)에 더 가깝게 배치되는, 내연 기관.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 프리챔버 스파크 플러그(3)는 상기 스파크 플러그(2)보다 상기 입구 포트(41)들 중 적어도 하나에 더 가깝게 또는 상기 출구 포트(42)들 중 적어도 하나에 더 가깝게 배치되는, 내연 기관.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스파크 플러그(2)는 상기 프리챔버 스파크 플러그(3)의 입구측 또는 출구측에 배치되는, 내연 기관.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 가스 교환 포트(4)들은 상기 연소실 지붕(50)에 배치되고,
    - 상기 연소실 지붕(50)은 2개의 서로 수직인 단면 평면(51, 52)들에 의해 4개의 사분면(55, 56, 57, 58)들로 분할되어 각각의 사분면(55, 56, 57, 58)에는 상기 4개의 가스 교환 포트(4)들 중 하나가 배치되고,
    - 상기 스파크 플러그(2) 및/또는 상기 프리챔버 스파크 플러그(3)는 상기 단면 평면(51, 52)들 중 하나에 배치되는, 내연 기관.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스파크 플러그(2) 및/또는 상기 프리챔버 스파크 플러그(3)는 상기 가스 교환 포트(4)들 내부에 실질적으로 반경 방향으로 배치된 상기 연소실 지붕(50)의 중심점 영역(53) 내에 배치되고,
    특히, 상기 프리챔버 스파크 플러그(3) 또는 상기 스파크 플러그(2)는 상기 연소실 지붕(50)의 중심점(54)에 정확히 배치되는, 내연 기관.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스파크 플러그(2) 및/또는 상기 프리챔버 스파크 플러그(3)는 2개의 인접한 가스 교환 포트(4)들과 상기 실린더(10)의 상기 측벽(11) 사이에 배치되는, 내연 기관.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소실(5)로 연료를 직접 분사하도록 설계된 연소실 연료 인젝터(6)를 더 포함하는, 내연 기관.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 연소실 연료 인젝터(6)는 상기 연소실 지붕(50)에 배치되는, 내연 기관.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 연소실 연료 인젝터(6)는 2개의 인접한 가스 교환 포트(4)들, 특히 2개의 입구 포트(41)들과 상기 실린더(10)의 상기 측벽(11) 사이에 배치되는, 내연 기관.
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 연소실 연료 인젝터(6)는 상기 가스 교환 포트(4)들 내부에 실질적으로 반경 방향으로 놓이는 상기 연소실 지붕(50)의 중심점 영역(53) 내에 배치되고,
    특히, 상기 연소실 연료 인젝터(6)는 상기 연소실 지붕(50)의 중심점(54)에 정확히 배치되는, 내연 기관.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프리챔버 스파크 플러그(3)는 상기 스파크 플러그(2)보다 상기 연소실 연료 인젝터(6)에 더 가깝게 배치되거나,
    상기 스파크 플러그(2)는 상기 프리챔버 스파크 플러그(3)보다 상기 연소실 연료 인젝터(6)에 더 가깝게 배치되는, 내연 기관
  12. 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소실 연료 인젝터(6)의 분사 방향(65)은 상기 스파크 플러그(2) 또는 상기 프리챔버 스파크 플러그(3)의 방향으로 정렬되는, 내연 기관.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내연 기관(1)의 흡기 매니폴드(70)로 연료를 분사하도록 설계된 흡기 매니폴드 연료 인젝터(7)를 더 포함하는, 내연 기관.
  14. 적어도 하나의 실린더(10)를 갖는 내연 기관(1)의 작동 방법으로서, 상기 내연 기관(1)은 실린더(10)당 4개의 가스 교환 포트(4)들 및 스파크 플러그(2) 및 프리챔버 스파크 플러그(3)를 갖고, 상기 스파크 플러그(2) 및/또는 상기 프리챔버 스파크 플러그(3)는 상기 실린더(10)의 연소실(5) 내에서 연료/공기 혼합물을 점화하도록 작동되는, 작동 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 고부하 하에서 상기 내연 기관(1)의 작동 중에, 특히 상기 내연 기관(1)의 정격 토크의 적어도 20%, 바람직하게는 50%, 특히 바람직하게는 80%의 토크에서, 상기 프리챔버 스파크 플러그(3)가 단독으로 작동되는, 작동 방법.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 저부하 하에서 상기 내연 기관(1)의 작동 중에, 특히 상기 내연 기관(1)의 정격 토크의 80% 미만, 바람직하게는 50% 미만, 특히 바람직하게는 20% 미만의 토크에서, 상기 스파크 플러그(2)가 단독으로 작동되는, 작동 방법.
  17. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매 변환기 가열 단계 동안, 특히 상기 내연 기관(1)의 콜드 스타트 후에 상기 스파크 플러그(2)가 작동되는, 작동 방법.
  18. 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스파크 플러그(2)와 상기 프리챔버 스파크 플러그(3)는 특히 서로 독립적인, 상이한 점화 시간으로 작동되는, 작동 방법.
  19. 제 14 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내연 기관(1)은 적어도 1의 람다 수를 가진 적어도 부분 작동 범위 내에서, 특히 상기 스파크 플러그(2) 및/또는 프리챔버 스파크 플러그(3)의 작동 동안 작동되는, 작동 방법.
KR1020237032642A 2021-02-26 2022-02-16 스파크 플러그 및 프리챔버 스파크 플러그를 구비한 내연 기관 KR20230145612A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021104627.0 2021-02-26
DE102021104627.0A DE102021104627A1 (de) 2021-02-26 2021-02-26 Verbrennungskraftmaschine mit Zündkerze und Vorkammerzündkerze
PCT/EP2022/053790 WO2022179910A1 (de) 2021-02-26 2022-02-16 Verbrennungskraftmaschine mit zündkerze und vorkammerzündkerze

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230145612A true KR20230145612A (ko) 2023-10-17

Family

ID=80461941

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020237032642A KR20230145612A (ko) 2021-02-26 2022-02-16 스파크 플러그 및 프리챔버 스파크 플러그를 구비한 내연 기관

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP4298325A1 (ko)
JP (1) JP2024507169A (ko)
KR (1) KR20230145612A (ko)
CN (1) CN116888353A (ko)
DE (1) DE102021104627A1 (ko)
WO (1) WO2022179910A1 (ko)

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT1292341B1 (it) * 1997-05-20 1999-01-29 Cagiva Motor Motore per veicolo a due o quattro tempi con carica stratificata e dimensioni contenute
EP3453856B1 (en) 2017-09-08 2019-10-16 MASERATI S.p.A. Gasoline internal combustion engine, with a combustion pre-chamber and two spark plugs
IT201800004821A1 (it) 2018-04-24 2019-10-24 Motore a combustione interna ad alte prestazioni con gestione delle emissioni migliorata e metodo di controllo di tale motore
DE102018112450B4 (de) 2018-05-24 2020-07-09 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Brennzylinder einer Brennkraftmaschine
DE102019205478A1 (de) 2019-04-16 2020-10-22 Robert Bosch Gmbh Vorkammerzündkerze mit angepasster Kappengeometrie
AT522438B1 (de) 2019-04-23 2020-11-15 Avl List Gmbh Brennkraftmaschine mit einem zylinderkopf
AT522462B1 (de) 2019-10-15 2020-11-15 Avl List Gmbh Brennkraftmaschine mit einem zylinderkopf
JP7312362B2 (ja) 2020-01-21 2023-07-21 マツダ株式会社 エンジンシステム

Also Published As

Publication number Publication date
DE102021104627A1 (de) 2022-09-01
CN116888353A (zh) 2023-10-13
US20240133350A1 (en) 2024-04-25
WO2022179910A1 (de) 2022-09-01
EP4298325A1 (de) 2024-01-03
JP2024507169A (ja) 2024-02-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7143738B2 (en) Direct-injection spark-ignition internal combustion engine
US6854438B2 (en) Internal combustion engine with injection of gaseous fuel
EP1812700B1 (en) Method of injecting a gaseous fuel into an internal combustion engine
KR100990206B1 (ko) 내연기관의 점화플러그
JP4441620B2 (ja) 気体燃料噴射内燃機関およびその運転方法
KR102062999B1 (ko) 프리챔버 배열체
US10156182B2 (en) Combustion chamber structure for direct injection engine
JP2007040174A (ja) 副室式内燃機関
US6659070B2 (en) Fuel injection system
KR20230145612A (ko) 스파크 플러그 및 프리챔버 스파크 플러그를 구비한 내연 기관
US6877477B2 (en) Fuel injection system
US20240229734A9 (en) Internal Combustion Engine with Spark Plug and Prechamber Spark Plug
US20240229705A9 (en) Internal Combustion Engine with Spark Plug and Prechamber Spark Plug
US20240133337A1 (en) Internal Combustion Engine with Spark Plug and Prechamber Spark Plug
WO2020030846A1 (en) Prechamber arrangement
US20020017272A1 (en) Internal combustion engine
JP7506197B2 (ja) 最適化されたキャップを有する予燃焼室点火プラグ並びに内燃機関
CN117905593A (zh) 燃烧系统、气体发动机及燃烧系统设计方法
JPS5968518A (ja) 副室式機関の燃焼室
JP2024089275A (ja) 内燃機関
JPH06173687A (ja) 副室を有する内燃機関の燃焼室
CN117905594A (zh) 燃烧系统、气体发动机及燃烧系统设计方法
KR20100038526A (ko) 연료 분사기 결합형 스파크 플럭 및 이를 포함하는 엔진블럭
KR20180068191A (ko) 실린더 헤드 구조
KR19980074111A (ko) 직접 분사식 가솔린 엔진의 실린더 구조