KR930008391B1 - 성층 연소형 내연엔진 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

성층 연소형 내연엔진

제 1 도는 본 발명의 한 실시예에 따르는 성층 연소형 내연 엔진을 일부 파단 또는 제거하여 도시하는 도면.

제 2 도는 제 1 도의 내연엔진의 1개의 기통을 도시하는 단면도.

제 3 도는 제 2 도중 Ⅲ-Ⅲ선을 따르는 단면도.

제 4 도는 제 2 도의 연료 분사 밸브의 개폐 시기를 도시하기 위한 도면.

제 5 도는 제 2 도의 기통을 개략적으로 도시한 투시도.

제 6 도 및 제 7 도는 본 발명의 내연엔진 및 종래의 내연엔진의 배기까스중의 스모크량을 각각 비교하여 도시하는 도면.

제 8a 도, 제 9a 도 및 제 10a 도는 내연엔진의 연료 분사 밸브 및 점화 플러그의 배치를 각각 개략적으로 도시한 도면.

제 8b 도, 제 9b 도 및 제 10b 도는 제 8a 도, 제 9a 도 및 제 10a 도의 내연엔진에 있어서 열 발생량, 기통 내압 및 열 발생율의 변동을 각각 도시하는 그래프.

제 11 a도, 제 11 b도, 제 11 c도 및 제 11 d도는 형태가 다른 기통에 관해 흡기 포트 및 점화 플러그의 설치를 각각 도시하는 도면.

제 11e 도는 제 11d 도의 XI-XI선을 따르는 사시 단면도.

제 12a 도는 본 발명의 다른 실시예인 내연엔진에 있어서 한개의 기통에서의 연료 분사 밸브 및 점화 플러그의 설치를 도시하는 도면.

제 12b 도 및 제 12c 도는 제 12a 도의 기통에 있어서 저부하 운전시 및 고부하 운전시에서의 연료 분사 밸브 및 점화 플러그의 작동 상태를 각각 도시하는 도면.

제 13a 도는 본 발명의 또 다른 실시예인 내연엔진에 있어서 1개의 기통에서의 연료 분사 밸브 및 점화 플러그의 설치를 도시하는 도면.

제 13b 도 및 제 13c 도는 제 13a 도의 기통에 있어서 저부하 운전시 및 고부하 운전시에서의 연료 분사 밸브 및 점화 플러그의 작동 상태를 각각 도시하는 도면.

제 14 도는 제 12a 도 및 제 13a 도의 내연엔진이 제 12c 도 및 제13c 도의 상태에서 운전이 되고 있을 때, 기통의 내압의 변동을 비교하여 도시하는 도면.

제 15a 도, 제 15b 도 및 제 15c 도는 제 11a 도, 제 11b 도 및 제 11c 도에 각각 대응하는 형태의 기통에 관해서 점화 플러그의 다른 설치를 도시하는 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20 : 성형 연소형 내연 엔진 22 : 실린더 블럭

24 : 실린더 보어 26 : 피스톤

28 : 실린더 헤드 30 : 연소실

30 : 펜트 루프 36, 38 : 흡기 포트

40, 42 : 도입 통로 46 : 흡기 메니폴드

56 : 드로틀 밸브 64 : 배기 밸브

68 : 연료 분사 노즐 70 : 점화 플러그

[발명의 분야]

본 발명은 연소실에 예를들면 혼합기와 공기를 각각 공급함과 동시에 연소실내에 있어서 이들 혼합기 및 공기를 층형상의 선회류 상태에서 혼합기를 연소시키는 성층 연소형 내연엔진에 관한 것이다.

[관련 종래 기술의 설명]

이같은 종류의 성층 연소형 내연엔진에 의하면 연소실에 농밀한 혼합기와 공기를 공급하고 농밀한 혼합기를 점화함으로서 혼합기의 완전 연소를 행하도록 하고 있다. 따라서 이같은 종류의 형태인 내연 엔진에서는 상술한 혼합기와 공기 전체의 공연비가 이론 공연비보다 켜도, 즉, 전체로서의 혼합기가 희박하여도, 혼합기의 연소가 가능해지므로, 엔진의 연비를 향상할 수 있을 뿐만 아니라, 엔진의 배기중에 포함되는 CO, NOx등의 유해 배출물을 저감할 수 있고, 또한, 엔진의 녹크도 효과적으로 방지할 수가 있다.

성층 연소형 내연엔진에 있어서는, 상술한 바와같이, 연소실내에서의 혼합기의 연소를 독특한 과정으로 실시하는 것이므로, 이 종류의 내연엔진의 개량은, 첫째, 연소실내에서의 점화 플러그의 근처에 농밀한 혼합기를 생성할 것, 둘째, 연소실내에서의 혼합기의 흐름을 활성화시키는, 즉, 점화후 연소속도를 높여 주므로서 안정된 연소를 얻음과 동시에 연소 효율을 높이는 것을 주안점으로 하고 있다.

그런 까닭에, 종래의 성층 연소형 내연엔진에서는. 1개의 실린더의 연소실내에 있어서, 점화 플러그측에 농밀한 혼합기의 층을 생성하고, 이에 비해, 퍼스톤측에는 공기, 즉, 희박한 혼합기의 층을 생성하기 위한 각종의 수단이 채용되고 있다. 예를 들면, 이러한 수단중 1개에 대해서, 예를들면, 기통당 연소실의 한쪽에 2개의 흡기 포트를 갖고 있는 내연 엔진을 예로하여 설명을 하면, 이 형태의 내연엔진에서는, 각 흡기 포트는 분기 통로를 거쳐서 공통의 흡기 통로에 접속이 되어 있으며, 그래서, 한편의 흡기 포트에 연결되어있는 분기 통로에는 스월 제어 밸브가 설치되어 있다. 이 스윌 제어 밸브는 부분 부하역 즉 출력보다도 연비의 향상이 중요한 운전 조건에 있어서, 한편의 흡기 포트에 대응한 분기 통로를 닫으므로, 다른 편의 흡기 포트에서만이 공기가 먼저 연소실로 도입된다. 이에 따라, 이 연소실내에는 실린더의 축선 주위의 공기의 스월류가 발생된다. 이후, 흡기 행정의 후반에 있어서 연로를 공급하도록 제어된다. 따라서. 이와같이 하여 연소실에 공기와 그후에 혼할기가 도입이 되면, 이 연소실내의 혼합기를 상술한 바와같이, 농밀한 층과 희박한 층으로 분리할 수가 있게 된다.

그러나. 상술한 수단에서는, 한편의 분기 통로에 스월제어 밸브를 설치할 필요가 있으므로, 내연엔진 자체의 구조가 복잡화할 뿐 아니라, 스월 제어 밸브가 열리는 운전 조건, 즉 완전 개방시에 흡기의 저항으로되어 출력 성능은 희생되게 된다.

[발명의 요약]

본 발명의 목적은, 간단한 구조에, 의해, 연소실에 농밀한 혼합기의 층과 공기층 또는 희박한 혼합기의 층을 명확하게 구분하여 형성하고, 연소실에서의 연료의 연소를 양호하게 행하고 더우기 연소실로서 혼합기의 공급을 가장 적합하게 행할 수 있는 성층 연소형 내연엔진을 제공하는 것이다.

상술한 목걱은, 본 발명의 성층 연소형 내연 엔진에 의해 달성이 되고, 이 내연엔진은, 실린더 보어를 규정하기 위한 실린더 수단으로서, 이 실린더 수단은 보어에 감합되어, 이 실린더 보어의 일부를 포함해서 연소실을 규정하는 피스톤과, 연소실의 횡단면 영역을 실린더 보어의 축선을 포함하는 세로면에 의해 나누어 보았을 대, 상기 횡단면 영역의 한쪽에 위치지어지고, 연소실로 개방되어 있는 최소한 2개의 흡기 포트를 갖고 있고, 연소실내에 각 흡기 포트를 통해서 공기를 도입하기 위한 흡기 수단으로서, 이 흡기 수단은 각 흡기 포트에 각각 접속되는 도입 통로를 갖고 있으며, 각 도입통로는 상기 연소실의 횡단면과 평행한 가로면에 대해 투영하여 보았을 때, 그 투영한 축선이 상기 세로면과 실질적으로 직교하는 방향으로 또한 서로 평행하게 연장되고, 이에 의해, 각 도입 통로는 흡기 포트에서 연소실로 도입되는 공기가 연소실내에서 실린더 보어의 축선 방향을 따라 흐르는 선회류로 되도록 공기의 흐름을 안내하며, 최소한 한편의 도입 통로내를 흐르는 공기중에 연료를 분사하여 혼합기를 만들어내기 위한 연료 분사 수단을 포함한다.

상술한 성층 연소형 내연엔진에 의하면, 흡기 포트에 상술한 도입 통로가 접속되어 있으므로, 흡기 행정중, 이들 도입 통로를 통해. 흡기 포트에서 연소실로 도입되는 공기는, 연소실에서 실린더 보어의 축선에 따라 흐르는 선회류, 소위, 배럴 스월류로 된다. 따라서, 한편의 도입 통로를 흐르는 공기중에 연료 분사수단에 의해 연료를 분사하여, 혼합기를 만들어내면, 연소실내에 농밀한 혼합기의 배럴 스월류와 공기, 즉, 희박한 혼합기의 배럴 스월류로 명확하게 분리하여 동시에 발생시킬 수가 있다. 이들 배럴 스월류는, 간단한 기구, 즉, 도입 통로에 의해 혼합기 및 공기를 안내하기 때문에 발생된다. 먼저, 농밀한 혼합기의 배럴스월류에 점화 되므로서, 희박한 혼합기의 배럴 스월류도 양호하게 연소시킬 수가 있어, 성층 연소가 가능해진다. 또한 강력한 배럴 스월류에 의한 유속의 증대로 연소를 촉진한다. 이 결과, 농밀한 혼합기와 희박한 혼합기의 전체 공연비가 이론 공연비보다 커도, 안정한 연소가 가능해진다.

본 발명의 내연엔진에서는, 상술한 바와같이 농밀한 혼합기의 배럴 스월류에 확실하게 점화하기 때문에, 점화 장치가 농밀한 혼합기를 연소실에 공급하는 흡기 포트의 근처에 설치되어 있다.

또한, 각 흡기 포트에서 연소실에 공급되는 혼합기 및 공기의 배럴 스월류를 확실하게 발생시키려면, 각 흡기 포트에 연결되어 있는 도입 통로에 관해, 이들 도입 통로의 흡기 포트에서 소정의 길이의 부위는 직선으로 되어있는 것이 바람직하다.

그래서, 본 발명의 내연엔진에 있어서 연료 분사 수단은 연료 분사 밸브를 포함하고 있으며, 이 연료 분사 밸브는 그 분사 노즐이 도입 롱로의 상기 직선 부위에 흡기 포트와 마주하도록 위치되어 있는 것이 바람직 하다.

또한, 연료 분사 수단은 한편의 흡기 도입구 즉 연소실 개구에 통하는 한편의 도입 통로에만 설치되어도되고, 양편의 도입 통로의 직선 부위에 각각 설치된 연료 분사 밸브를 구비할 수도 있다. 후자의 경우, 내연 엔진이 저부하로 운전되고 있을 때에는, 한편의 연료 분사 밸브만을 작용시키고, 내연엔진이 고부하로 운전되고 있을 때는, 양편의 연료 분사 밸브를 작용시키도록 하면 된다. 즉, 내연엔진이 고부하 운전 상태로 있을 때에는, 양편의 흡기 포트에서 연소실로 향해서, 함께 혼합기가 배럴 스월류로 되어 공급되게 된다.

그래서, 내연엔진의 고부하 운전시에 양편의 흡기 포트에서 연소실에 혼합기가 공급되는 경우에는, 내연엔진은 상술한 점화 장치외에 또 한개의 점화 장치를 구비하고 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 새롭게 부가되는 점화 장치는 실린더 보어의 중심에 설치되거나, 또는, 고부하 운전시에 연소실에 혼합기를 공급하는 흡기 포트의 근처에 설치하는 것이 바람직하다. 또한 이 부가된 점화 장치는 동일하게 부가된 연료 분사 밸브와는 다르며, 내연엔진의 전운전 영역에서 작동되는 것이라도 좋다.

[양호한 실시예의 상세한 설명]

제 1 도를 참조하면, 성층 연소형 내연엔진(20)이 도시되어 있으며, 이 내연엔진(20)은 직렬 4기통의 가솔린 엔진이다. 여기에서, 내연엔진(20)에 있어서 각 기통의 구조는 동일하므로 이하에 1개의 기통에 관해서 설명을 한다.

1개의 기통은, 실린더 블럭(22)내에 형성된 실린더 보어(24)를 구비하고 있으며, 이 실린더 보어(24)내에는 피스톤(26)이 감합되어 있다. 여기에서, 제 1 도에서 명백한 바와같이, 각 기통의 실린더 보어(24)는 열을 이루고 설치되어 있다.

실린더 블럭(22)에는, 제 2 도에 도시되어 있는 바와 같이, 도시하지 아니한 가스켓을 거쳐서 실린더 헤드(28)가 부착되어 있으며, 이에 따라, 실린더 보어(24)내에는 피스톤(26)과 실린더 혜드(28)사이에 연소실(30)이 형성되어 있다.

연소실(30)을 형성하는 실린더 헤드(28)의 내벽면에는. 그 중앙이 소위, 펜트 루프(pentroof : 34)로 형성되어 있으며, 이 펜트 루프(34)의 봉우리는 각 실린더 보어(24)의 축선을 포함하는 세로면 X(제 1 도 참조)위에 위치하고 있다.

연소실(30)에 있어서 펜트 루프(34)의 한편의 한족 루프에는 2개의 흡기 포트(36, 38)가 각각 개방되어 있다. 따라서, 이들 흡기 포트(36, 38)는 제 1 도에 도시되어 있는 바와같이 실린더 보어(24)의 가로 단면 영역을 세로면 X로 구분하여 보았을 때, 이 횡단면 영역의 한쪽에 모두 위치하고 있다. 또한, 흡기 포트(36, 38)의 중심은 세로면 X와 직교하며 또한 실린더 보어의 축선을 포함하는 면에서 등거리를 갖고 위치하고 있다.

흡기 포트(36, 38)에는 도입 통로(40, 42)가 각각 접속되어져 있다. 이들 도입 통로(40, 42)는 실린더 헤드(28)내에 형성되고 또한 대응하는 흡기 포트에 연통한 내부 통로(44)와, 이 내부 퉁로(44)에 접속된 흡기메니폴드(46)의 분기관료(48)를 포함하고 있다. 흡기 메니폴드(46)는 분기관로(48)가 연결되어 있는 써지탱크(50)를 갖고 있으며, 이 써지 탱크(50)는 제 1도에 도시되어 있는 바와같이 각 기통의 실린더 보어(24)의 열, 즉, 상술한 세로면 X에 따라 연장되고 있다. 써지 탱크(50)의 일단부에는 입구 개구(52)가 형성되어 있으며, 이 입구 개구(52)에는 드로틀 보디(54)를 거쳐서. 도시하지 아니한 흡기관이 접속되어 있다. 드로틀 보디(54)내에는 드로틀 밸브(56)가 설치되어 있으며, 이 드로틀 밸브(56)는 액셀 페달을 밟음으로써 작동된다.

또, 흡기 포트(36, 38)에는 포페트형(popet-type)의 흡기 밸브(58)가 각각 설치되어 있으며, 이들 흡기밸브(58)는 도시하지 않은 기구에 의해 대응하는 흡기 포트를 개폐한다. 또한, 제 2 도에는 흡기 포트(38)와 한조를 이루는 흡기 밸브(58)만이 밸브의 열린 상태로 표시되어져 있다.

또한, 연소실(30)에 있어서 펜트 루프(34)의 다른편의 한쪽 루프에는 배기 포트(60)가 형성되어 있으며, 이 배기포트(60)에는 배기 통로(62)가 접속되어 있다. 또한, 배기포트(60)는 포페트형의 배기 밸브(64)에 의해 개폐되도록 되어 있다. 여기에서. 배기 밸브(64)의 수는 1개도 되고, 흡기 밸브의 수에 맞추어서 2개도 된다.

상술한 도입 통로(40, 42)에 대해서 더욱 상술하면, 이들 도입 통로(40, 42)는 제 1 도에서 보았을 때, 서로 평행하게 되어, 상술한 세로면 X와 교차하는 방향으로 연장되어 있다. 즉, 상술한 세로면 X에 직교하고 또한 실린더 보어(24)의 가로 단면을 포함하는 가로면 Y(제 2 도 참조)에 대해, 도입 통로(40, 42)의 축선을 각각 투영하여 보았을 때, 양 도입 통로(40, 42)의 투영 축선(40a, 42a) (제 1 도 참조)은 세로면 X와 직교하고 또한 서로 평행하게 면장되어 있다.

한편, 도입 통로(40, 42)는 제 2 도에 도시되어 있는 바와같이, 대응하는 흡기 포트에서 상방으로 향해서 연장되어 있다. 그래서, 도입 통로(40, 42)의 최소한 흡기 포트측의 부위, 즉, 상술한 내부 통로(44)의 흡기 포트로 부터 소정의 길이 이상에 걸쳐서 직선으로 되어 있다. 내부 통로(44)의 직선 부위의 길이 L은, 예를들면, 흡기 포트(36, 38)의 직경을 기준으로 하였을 때, 이 직경의 최소한 1.1배 이상인 것이 바람직하다. 또한, 내연엔진의 설치 스페이스가 허용되면, 도입 통로(40, 42)의 전장에 걸쳐서 직선 부위로 형성하는 것이 바람직 하다.

또한, 내부 통로(44)의 직선 부위는 상술한 가로면 Y에 대해서, 제 2 도에 도시하는 바와같이, 소정의 경사각 α를 갖고 경사져 있다.

또, 도입 통로(40, 42)에 있어서 최소한 내부 통로(44)의 직선 부위에 관해서는, 그 유로 단면이 제 3 도에 도시된 바와 같이 원형을 이루고 있으며, 더욱이, 그 유로 단면적은 직선 부위의 축선에 따라 동일한 크기를하고 있다.

그래서, 도입 통로(40, 42)의 한편에는, 즉 이 실시예의 경우 제 1 도에서 보아서 우측에 위치하는 도입 통로(42)에는 연료 분사 밸브(66)가 설치되어 있다. 이 연료 분사 밸브(66)는 제 2 도에 도시하는 바와같이, 그 분사 노즐(68)이 흡기 포트(38)에 마주하도록 하여, 내부 통로(44)의 직선 부위내에 자리하게 되어 있다.

연료 분사 밸브(66)는 연료 분사 펌프에 접속되어 있으며, 이 연료 분사 펌프에서 고압의 연료가 공급되었을 때에 밸브가 열리고, 공급된 고압의 연료를 그 분사 노즐(68)에서 분사한다. 여기에서, 분사 노즐(68)에서 분사된 연료는 원추 형상을 이루어 흡기 포트(38), 즉, 연소실(30)로 향하게 되나, 제 2 도에 도시되는 바와같이 연료의 분사각 β는 소정의 각도 이하로 제한되어 있다. 즉, 연료의 분사각 β는 연료 분사 밸브(66)에서 분사된 연료가 내부 통로(44)의 내벽에 부착하는 일이 없도록 설정되어 있다.

따라서, 상술한 바와같이 도입 통로(42)에 연료 분사 밸브(66)가 설치되어 있으면, 이 도입 통로(42)를 통해서 연소실(30)에 공급될 공기중에 연료 분사 밸브(66)에서 연료를 분사하므로서, 공기와 연료로 형성되는 혼합기를 만들어낼 수가 있다.

그래서, 실린더 헤드(28)에는 연소실(30)로 향하게 되도록 점화 플러그(70)가 설치되어 있으며, 이 점화플러그(70)는 제 1 도에서 명백한 바와같이 흡기 포트(38)에 근접해서 위치하고 있다. 이점에 관해서 더욱 상세히 기술하면, 점화 플러그(70)는 상술한 세로면 X위에서 또한 흡기 포트(30)측에 있어서 실린더 보어(24)의 내주면 근처에 위치하고 있다.

또한, 다른 기통에 관해, 상술한 기통의 부위와 동일한 부위에는 제 1도 중에 동일한 참고부호를 붙이는 것으로 그 설명은 생략한다.

다음, 상술한 내연엔진의 작동에 대해서 설명을 한다. 또한, 각 기통의 작동에 관해서는 동일하므로, 여기에서도, 1개의 기통에 착안하여, 그 작동을 설명한다.

1개의 기통이 흡기 행정에 있을 때, 피스톤(26)은 연소실(30)의 용적을 확대하는 방향, 즉, 제 2 도에서 보아 아래편으로 이동된다. 이와같은 피스톤(26)의 하강에 따라, 연소실(30)에는 흡기 밸브(58)에 의해 각각 열린 상태에 있는 흡기 포트(36, 38)에서 공기 및 혼합기가 각각 도입되게 된다. 즉 이 실시예에 경우에는, 한편의 도입 통로(42)에 연료 분사밸브(66)가 설치되어 있으므로, 도입 통로(42)내를 흐르는 공기중에 연료 분사 밸브(66)에서 연료를 분사하므로서, 흡기 포트(38)에서는 혼합기가 연소실(30)로 향해서 공급되며, 반면, 흡기 포트(36)에서는 공기만이 연소실(37)에 공급된다.

여기에서, 연료 분사 밸브(66)로부터의 연료의 분사 기간은, 흡기 행정중의 어떤 시점에 먼저 분사 기간의 종료 시점을 설정하고, 이 종료 시점에서 역산하여 분사 기간의 개시시점이 결정되도록 되어 있다. 즉, 제 4 도를 참고하면, 가로축을 시간으로 하여, 1개의 기통에 있어서 각 행정이 차례로 도시되어 있으며, 그래서, 흡기 행정중의 소정의 시점에 분사 기간의 종료 시점, 즉, 연료 분사 밸브(66)의 밸브가 닫히는 시점 T₁이 연소실(30)로의 흡기량에 의거해서 결정이 된다. 여기에서, 흡기량은 전회에 연소실(30)에 공급될 흡기량이며. 이 흡기량은 도시하지 않는 센서에 의해 검출된다. 그래서, 흡기량에서 분사할 연료의 량, 즉, 분사량이 산출되고, 이 분사량에 의거 밸브가 닫히는 시점에서 역산하여, 분사 기간의 개시 시점, 즉, 연료분사 밸브(66)의 밸브의 열리는 시점 T2가 결정된다. 따라서, 이와같이 하여 연료의 분사 기간이 걸정되면, 분사 기간의 개시 시점, 즉, 연료 분사 밸브(66)의 밸브가 열리는 시점 T2는 흡기 행정의 초기의 경우(제 4 도 실선)나 흡기 행정전에 결정되는 경우(제 4 도 파선)도 있으나, 그러나, 분사 기간은 반드시 흡기 행정중에 종료하게 된다.

상술한 바와같이, 도입 통로(40, 42)에 있어서 내부 통로(44)의 직선 부위는 가로면 Y에 대해서 소정의 경사각 α로 경사져 있으며, 더욱이, 흡기 포트(36, 38)는 세로면 X와 직교하고 또한 실린더 보어(24)의 측선을 포함하는 면을 중심으로 하여 좌우 대칭으로 설치되어 있으므로, 피스톤(26)의 하강에 따라, 흡기 포트(36, 38)에서 연소실(30)에 도입, 즉, 흡인되는 공기 및 혼합기의 대부분은 실린더 보어(24)의 내벽에 안내되어서, 제 5 도에 도시하는 바와같은 스월류(Fa, Fm)로 된다. 여기에서, 이들 스월류(Fa, Fm)는 실린더보어(24)의 축선 방향으로 따라서 흐르고, 그래서, 펜트루프(34)의 봉우리 방향으로 서로 층 형상으로 분리한, 소위, 배럴 스월류로 된다. 따라서, 본 발명의 내연엔진(20)에서는 흡기 행정중에 각 연소실(30)내에 2개의 흡기 포트(36, 38)에서 공기 및 혼합기를 동시에 도입할 수가 있으므로, 내연엔진(20)의 운전 영역 전역에 걸쳐 그 부피 효율을 높일 수가 있게 된다.

또한, 종래 2개의 흡기 포트를 갖는 내연엔진에 있어서는, 그 연소실에 공기의 스월류를 발생시키기 위해, 한편의 흡기 포트에 연결되는 분기 통로에 스월 제어 밸브를 설치함과 아울러, 이 스월 제어 밸브를 구동하는 기구가 별도로 필요하게 되나, 본 발명의 내연엔진은 상술한 스월 제어 밸브 및 그 구동기구를 필요로 하지 않고, 종래의 내연엔진의 경우에 비해서 구조가 간단해진다. 이와같이, 본 발명의 경우에는 단순한 기구에 의해 각 기통의 연소실(30)내에 강력한 배럴 스월류(Fa, Fm)를 발생시킬 수가 있으므로, 특허 희박 혼합기에 의한 연소를 양호하게 할 수가 있다.

또한, 본 발명의 내연엔진의 경우, 혼합기는 각 기통중 한편의 흡기 포트(38)만에서 연소실(30)에 공급되므로, 혼합기를 만들어내기 위한 연로 분사 밸브(66)도 흡기 포트(38)에 연결되는 도입 통로(42)에만 설치하면 되도록 된다. 따라서, 상술한 바와같은 연료 분사 밸브(66)의 설치가 가능해지므로, 연소실(30)내에서의 연료의 연소 효율을 높일 수가 있다. 이점에 관해서 상술하면, 연료 분사 밸브(66)의 분사 노즐(68)를 도입 통로(42)에 있어서 내부 통로(44)의 직선 부위에 위치하도록 할 수가 있으므로, 이 분사 노즐(68)로부터의 분사각 β를 적절하게 설정하므로서, 연료 분사 밸브(66)에서 분사된 연료가 내부 통로(44)의 내벽에 부착되는 양을 극력 적게 할 수가 있다. 그런 까닭에 내부 통로(44)의 내벽에 부착된 연료가 큰 연료 입자로 되어, 이 큰 연료 입자가 다음의 흡기 행정에서 연소실(30)에 공급되는 일이 없어지며, 이에 의해, 배기가스중에 포함되는 탄화수소(HC)의 양을 대폭적으로 저감하여, 배기 가스중의 스모크의 발생을 적게할 수가 있다. 이점에 관해서는, 제 6 도 및 제 7 도를 참조하면, 종래의 흡기 2 밸브 내연엔진에서의 한족 연료분사와 내부 통로(44)의 형상, 분사 밸브(66)의 구조, 배치, 연로 분사 시기에 연구를 더한 이 발명의 내연엔진을 비교한 실험 결과가 도시되어져 있다. 제 6 도의 경우, 가로축은 엔진 회전수를 표시하고, 세로축은 배기 가스중의 스모크량을 나타내고 있다. 그래서, 제 6 도중, 3각형으로 도시된 특성은 종래의 내연엔진의 경우를 도시하고, 동그라미로 도시된 특성은 본 발명의 내연엔진의 경우를 도시하고 있다. 또한, 흰 동그라미의 특성과 3각형의 특성은 동일한 공연비에서의 비교예이며, 또한, 검은 동그라미의 특성은 흰 동그라미의 특성의 경우보다도 공연비를 크게한 경우의 실험 결과를 도시하고 있다. 또한, 제 7 도는 가로축을 공연비로 하고, 세로축을 스모크량으로 하여 흰 동그라미의 특성과 3각형의 특성의 비교, 결과를 도시하고 있다.

제 6 도 및 제 7 도에 도시된 실험 결과에서 명백한 바와같이, 본 발명의 내연엔진에 의하면, 그 배기 가스중의 스모크량이 저장되어 있는 것을 알 수 있다.

또한, 연소실(30)에 도입 통로(42)만으로 혼합기를 공급한다는 것은 1개의 연료 분사 밸브로부터의 연료의 분사류를 도입 통로(40, 42)에 분배할 필요가 없음을 의미하고 있다. 이 사실은, 도입 통로(40, 42)의 독립부, 즉, 각 도입 통로(40, 42)에 있어서 내부 통로(44)의 직선 부분을 길게 확보할 수 있게 된다. 따라서, 흡기 포트(36, 38)에서 연소실(30)로 도입되는 공기 및 혼합기는 내부 통로(44)의 직선 부분을 흐르는 과정에서 층 형상의 흐름으로 되며, 이 사실은, 상술한 배럴 스월류(Fa, Fm)의 생성 및 내연엔진(20)의 부피 효율의 향상에 관해서 가장 적합한 것으로 된다.

상술한 바와같이 흡기 행정중에 연소실(30)에 공급된 공기 및 혼합기는 흡기 행정에 이어지는 압축 행정에 있어서, 피스톤(26)의 상승에 따라 압축되고, 그래서, 점화 플러그(70)에 의해 혼합기가 점화되어서, 폭발 행정이 실시된다. 여기에서, 점화 플러그(70)는 혼합기를 도입하는 흡기 포트(38)에 근접해서 위치되어 있으므로, 혼합기의 점화를 확실하게 행할 수가 있다. 또한, 연소실(30)내에 있어서는, 상술한 바와같이 혼합기 및 공기의 배럴 스월류(Fa, Fm)가 층 형상을 이루어 서로 분리한 상태에 있으므로, 혼합기는 안정되어 연소되게 된다. 또한, 폭발 행정의 말기에 있어서, 흡기 포트(36, 38)에서 멀리 떨어진 위치에 있는 피스톤의 근처의 혼합기, 소위, 엔드 가스(end gas)는 매우 희박해지므로, 내연엔진의 녹킹 현상을 억제할 수가 있다.

또한, 흡기 포트(38)에서 연소실(30)로 공급되는 혼합기의 공연비를 이론 공연비보다 적게 하여도, 즉, 혼합기를 농밀로 하여도, 흡기 포트(36)에서 연소실(30)로 공급되는 공기를 고려하면, 연소실(30)에 공급되는 혼합기와 공기의 전체의 공연비를 이론 공연비보다 크게 할 수가 있다. 예를들면, 본 발명의 내연엔진(20)의 경우, 전체의 공연비가 예를들면 20인 것과 같은 희박한 혼합기라도, 이 혼합기의 안정된 연소가 가능해진다. 이와같이 희박한 혼합기의 연소가 가능해지면, 상술한 녹킹 현상을 더욱 효과적으로 방지할 수 있을 뿐아니라, 배기 가스중의 CO의 양도 저감되므로, 나아가서는, 연비를 대폭적으로 개선할 수가 있다.

제 8a 도, 제 9a 도 및 제 10a 도는, 연소실로의 연료 공급의 방법 및 점화 플러그의 위치 이외는 같은 구조의 내연엔진을 각각 개략적으로 도시하고 있다. 즉, 제 8a 도의 내연엔진에서는, 도입 통로(40, 42)의 양쪽에 연료 분사 밸브(66)가 각각 설치되어겨 있으며, 이들 연료 분사 밸브(66)는 각 도입 통로내에 균등한 양의 연료를 공급한다. 그래서, 점화 플러그(79)는 실린더 보어(24)의 중심에 설치되어 있다.

제 9a 도의 내연엔진은 상술한 한 실시예의 내연엔진(20)이며, 또한, 제 10a 도의 내연엔진에서는 한편의 흡기 포트(36)가 폐쇄되어 있으며, 도입 통로(42) 및 다른편의 흡기 포트(38)를 통해서 연소실(37)에 혼합기가 도입된다. 또한, 이 경우, 점화 플러그(70)는 제 8a 도의 경우와 같이 실린더 보어 (24)의 중심에 설치되어져 있다.

제 8a 도, 제 9a 도 및 제 10a 도의 내연엔진은 동일한 운전 조건(엔진 회전수가 1000rpm, 전체의 공연비가 20인 와이드 오픈 드로틀 운전 상태)으로 운전되어, 그래서, 각 내연엔진에 있어서 열 발생량 Q, 기통 내압 P 및 열 발생율 dQ의 싸이클 변동은, 제 8 도, 제 9b 도 및 제 10b 도에 각각 도시되어 있다.

이들 제 8b 도, 제 9b 도 및 제 10b 도를 비교 검토하면 명백한 바와같이, 열 발생량 Q, 기통 내압 P 및 열발생율 dQ의 싸이클 변동은 제 9b 도의 것, 즉 본 발명의 내연엔진(20)의 경우가 가장 적다.

점화 플러그(70)의 설치에 관해서는, 제 1 도에 도시한 예가 바람직하나, 그러나, 이들에 한정되는 것은 아니고, 점화 플러그(70)는 실린더 보더 (24)의 중심쪽으로 설치할 수가 있다. 그러나, 이때, 점화 플러그(70)의 설치가 실린더 보어(24)의 중심에 근접할수록, 점화 플러그(70)의 근처의 혼합기의 흐름은 흡기 포트(36)에서 도입된 공기에 의해 흐트러지게 되므로, 혼합기의 점화 및 연소가 불안정하게 되는 것에 유의해야 한다.

제 11a 도 내지 제 11c 도는, 본 발명의 내연엔진에 있어서, 흡기 포트, 배기 포트 및 점화 플러그의 설치를 도시하고 있다. 도면중, 참조기호 In은 흡기 포트를 도시하고, 참조기호 Ex는 배기 포트를 나타내고 있다. 그래서, 참조기호 P는 점화 플러그를 나타내고 있다. 제 11a 도 내지 제 11c 도에 있어서, 점화 플러그는 Pl, P2의 2개의 위치로 도시되고 있으나, 가장 적합한 점화 플러그의 위치는 Pl이다. 또, 제 11a 도 내지 제 11c 도의 내연엔진은, 소위, 3 밸브 엔진, 4 밸브 엔진 및 5 밸브 엔진을 각각 도시하고 있으며, 또한, 도면중, 사선을 사용하여 도시한 흡기 포트에서 혼합기가 연소실에 공급된다.

또한 3 밸브 엔진의 변형예로서 제 11d 도, 11e 도와 같은 것도 고려가 된다. 제 11d 도, 제 11e 도의 것은 펜트루프 형상의 연소실의 능선을 끼고 혼합기가 공급되는 흡기 포트(38)와 마주하는 루프 사면에 점화 플러그의 설치 구멍(90)이 뚫어져 있고, 다른 홉기 포트(36)와 마주하는 루프 사면에 배기 방출구(Ex)가 형성되어 있다. 그래서 점화 플러그 설치 구멍의 연소실 개구(91) 근처의 연소실 벽면은 파선(95)으로 도시하는 종래의 벽면보다 평탄하게 형성되어 있으며, 이에 따라 배럴 스월류의 형성이 촉진되도록 되어 있다. 또한, 제 11e 도에 있어서 도면부호 92는 워터 쟈켓을, 93은 밸브 시트를 그리고 94는 실린더 헤드를 각각 도시하고 있다.

본 발명의 내연엔진에서는, 1개의 흡기 포트에서만 연소실에 혼합기를 공급하도록 하였으나, 내연엔진이 고부하를 받아서 운전되는 상태에서는, 이 운전 상태로 요구되는 연료의 분사량이 지나치게 커져서, 그 분사량을 1개의 연료 분사 밸브에서 분사하는 것이 곤란해지는 경우가 있다. 또한, 요구된 분사량을 1개의 연료 분사 밸브에서 예를들어 분사되었다고는 하여도, 점화 플러그의 주위의 혼합기가 지나치게 농밀로 되어, 접화 플러그에 의한 혼합기의 점화가 불능하게 되는 경우도 있다. 이와같이 다량의 분사량을 필요로 하는 내연엔진의 운전 영역에서는 모든 흡기 포트에서 혼합기를 연소실로 공급하므로서, 상술한 불합리함을 해소할 수가 있다.

이와같은 불합리함을 해소하는 수단은, 예를들면, 제 12a 도 내지 제12c 도에 구체적으로 도시되어 있다.

제 12a 도의 내연엔진에서는 도입 통로(40, 42)의 각각에 연료 분사 밸브(66)가 설치되어 있으며, 또한, 점화플러그(70)외에, 점화 플러그(72)가 다시 설치되어져 있다. 이 점화 플러그(72)는 실린더 보어 (24)의 중심근처, 즉, 흡기 포트(36)에 근접해서 위치하고 있다.

제 12a 도의 내연엔진이 저부하로 운전되는 경우에는, 제 12b 도에 도시되어 있는 바와같이, 도입 통로(42)의 연료 분사 밸브(66)에서만 연료가 분사된다. 따라서, 이 경우에는, 상술한 경우와 같이, 흡기 포트(38)에서만 연소실(30)에 혼합기가 공급되므로, 이 혼합기의 점화는 점화 플러그(70)에 의해 실시된다. 이 경우, 점화 플러그(72)는 불작동 상태로 놓여져 있다.

이에 대해서, 제 12a 도의 내연엔진이 고부하로 운전되는 경우에는, 제 12c 도에 도시되어 있는 바와같이, 양편의 연료 분사 밸브(66)에서 연료가 분사되므로, 따라서 연소실(30)에는 양편의 흡기 포트(36, 38)에서 혼합기가 공급된다. 그래서, 이 경우, 혼합기 점화에는 점화 플러그(70)가 아닌 점화 플러그(72)가 사용된다. 이와같이 각 도입 통로에 연료 분사 밸브를 설치하여, 그래서, 2개의 점화 플러그(70, 72)를 절환하여 사용하면, 내연엔진이 고부하로 운전되는 경우라도, 요구되는 다량의 연료 분사량을 확보할 수가 있음과 동시에, 각 흡기 포트에서 연소실로 각각 공급되는 혼합기가 바라지 않는 농밀로 되어, 점화 플러그(72)에 의한 혼합기의 점화가 불능으로 되는 일도 없다.

또한, 이 경우, 흡기 포트(36, 38)의 양편에서 연소실(30)에 혼합기를 공급할 수 있으므로, 이들 흔합기의 공연비를 독립하여 설정하게 되는 장점이 있다. 예컨대, 내연엔진이 고부하로 운전되는 경우에는, 한편의 흡기 포트(38)에서 연소실에 농밀한 혼합기(공연비 ; 12 내지 13)를 공급하며, 한편 다른편의 흡기 포트(36)에서 연소실에 희박한 혼합기(공연비 : 17 내지 20)를 공급할 수가 있다. 또한, 내연엔진이 저부하로 운전되고 있을 경우라도, 필요에 따라 흡기 포트(36)로 부터도 혼합기를 연소실에 공급할 수가 있다. 이 경우, 흡기 포트(36, 38)에서 연소실에 공급되는 혼합기의 공연비는 서로 다르다.

또한, 상술한 제 11a 도 내지 제 11c 도의 각 실시예의 경우라도, 내연엔진이 고부하로 운전이 될 때에는, 모든 흡기 포트에서 연소실로 향해서 혼합기를 공급할 수가 있다. 이 경우, 혼합기의 점화에는, P2의 위치에 있는 점화 플러그를 절환하여 사용하도록 하면 된다.

제 8a 도에 도시한 내연엔진의 경우, 이 내연엔진이 고부하 또는 저부하로 운전되고 있음에도 불구하고, 양편의 점화 플러그(70, 72)를 사용토록 하여도 된다. 이 경우, 전체로서 희박한 혼합기를 더욱 안정하게 연소시킬 수가 있게 된다.

상술한 바와같이, 본 발명의 내연엔진에 있어서, 점화 플러그를 2개 사용하는 경우, 점화 플러그(72)는 제 12a 도에 도시한 위치가 아니고, 제 13a 도에 도시한 위치에 설치하여도 된다. 이 경우. 점화 플러그(70, 72)는 실린더 보어(24)의 중심에 대해서 대칭인 위치에 설치되어 있다. 그래서, 제 13a 도의 내연엔진은 이 내연엔진이 저부하로 운전되고 있을 때, 제 13b 도에서 명백한 바와같이, 흡기 포트(38)만으로 혼합기가 연소실(30)에 공급되고, 그래서, 이 혼합기의 점화에는 점화 플러그(70)만이 사용된다. 이에 대해, 내연엔진이 고부하로 운전될때에는, 제 13c 도에서 명백한 바와같이, 양편의 흡기 포트(36, 38)에서 연소실(30)에 혼합기가 공급되고, 그래서, 이 경우, 혼합기의 점화에는, 양편의 점화 플러그(70, 72)가 사용된다. 이와같이, 점화 플러그(70, 72)가 설치되고, 또한, 이들 점화 플러그(70, 72)가 함께 사용이 되는 경우에는, 연소실(30)내에서의 최대 화염 전파 거리, 즉, 화염 전파 시간을 짧게 할 수가 있다.

제 14 도를 참조하면, 제 12c 도 및 제 13c 도에 도시된 방법으로, 내연엔진이 각각 동일한 고부하 조건으로 운전된 경우(예를들면, 엔진 회전수가 500rpm, 전체의 공연비가 14.5인 와이드 오픈 드로틀 운전 상태의 경우),제 12c 도 및 제 13c 도에 있어서 내연엔진의 연소 변동, 즉, 그 기통내에서의 폭발 행정중의 압력 변동이 각각 도시되어져 있다. 제 14 도중, 참조부호 A는, 제 12c 도의 내연엔진의 경우를 도시하고, 참조부호 B는, 제 13c 도의 내연엔진의 경우를 도시하고 있다. 제 14 도에서 명백한 바와같이, 제 13c 도의 내연엔진의 경우에는, 제 12c 도의 내연엔진의 경우에 비해서, 화염 전파 시간이 단축되므로, 기통의 내압 변동은 적고, 이에 의해, 연소실(30)내에서의 연료의 연소를 안정하게 실시할 수가 있다.

제 15a 도 내지 제 15c 도를 참고하면, 제 11a 도 내지 제 11c 도의 각각과 대응하는 내연엔진이 도시되고 있으나, 그것의 상위점은 점화 플러그의 위치 Pl, P2에 있다. 즉, 제 15a 도 내지 제 15c 도의 내연엔진은 고부하로 운전될때, 어느 공급 포트에서도 연소실로 향해서 혼합기를 공급하는 형태의 것이며, 그래서, 점화 플러그의 위치 Pl, P2는 화염 전파 거리, 즉, 화염 전파 시간을 단축하기 위해서 도시하는 위치에 설정되어 있다. 제 15a 도의 3밸브 형태의 내연엔진의 경우에 있어서는, 점화 플러그의 위치 Pl, P2는 실린더 보어(24)의 지름 방향에서 보아서, 대응하는 도입 통로의 축선 위에 있는 것이 바람직하나, 그러나, 제 15b 도 및 제 15c 도에 도시되는 바와같은 4 밸브 형태 및 5 밸브 형태의 내연엔진에서는, 점화 플러그의 설치 스페이스의 관계에서, 3 밸브 형태의 내연엔진의 경우와 같이 하여, 점화 플러그의 위치 Pl, P2를 설정할 수는 없다. 이 때문에, 본 발명에서는, 제 15b 도 및 제 15c 도의 내연엔진의 경우, 점화 플러그의 위치 P1, P2는 도시하는 위치에 각각 설정되어져 있다. 즉, 이들 점화 플러그의 위치 Pl, P2는 어느것이나 인접하는 흡기 포트와 배기 포트 사이에서 또한 실린더 보어(24)의 주위 가장자리에 근접하여 위치되어져 있다.

또한, 제 11c 도의 흡기 포트를 3개 구비한 내연엔진에 있어서는, 한개의 흡기 포트에서 연소실로 혼합기가 공급된다고 하였으나, 이 내연엔진이 고부하로 운전되는 경우에는, 다른 2개의 흡기 포트중의 최소한 한편에서, 연소실로 향해서 흔합기를 공급하도록 하여도 좋다.

또한, 본 발명의 성층 연소형 내연엔진은 연소실에 공급되는 전체적인 혼합기의 공연비를 반드시 이론 공연비보다도 크게 할 필요는 없다. 즉, 본 발명의 경우에도 전체적인 혼합기의 공연비를 이론 공연비로 하여도 되고, 경우에 따라서는, 이론 공연비보다도 적게 하여도 된다.

Claims (2)

1. 내측에 피스톤(26)이 감합되는 실린더 보어(24)를 갖고, 피스톤(26)과 협력해서 연소실(30)을 형성하는 동시에 연소실(30)의 횡단면 영역을 실린더 보어(24)의 축선을 포함하는 세로면에 의해 나누어 보았을때, 상기 횡단면 영역의 한쪽에 위치되어, 연소실(30)로 개방되어 있는 적어도 2개의 흡기 포트(36, 38)로 구성되는 실린더 수단과, 상기 실린더 수단에 설치되고, 각각 일단이 각 흡기 포트(36, 38)에 있어서 상기 연소실(30)에 접속되며, 타단이 상기 실린더 수단 외면에 형성된 개구이 있어서 상류측의 흡기 통로(50)에 연통하고, 그 전범위에 걸쳐 격벽에 의해 서로 독립해서 형성되고, 상기 각 흡기 포트(36, 38)로부터 상기 개구까지의 범위에 있어서 흡기의 흐름을 제어하는 지어 밸브를 갖지 않고, 그 대부분이 실질적으로 직선 부분을 이루는 동시에, 상기 연소실(30)의 횡단면과 평행한 가로면에 대해 투영해 보았을때, 그 투영한 축선이 세로면과 실질적으로 직교하는 방향으로 또한 서로 평행하게 연장하는 도입 통로(40, 42)를 갖고, 이들 도입 통로(40, 42) 및 대응하는 상기 흡기 포트(36, 38)를 통해서 연소실(30)에 공기를 도입하기 위한 흡기 수단과, 적어도 한쪽의 도입 통로(42)내를 흐르는 공기중에 연로를 분사해서 혼합기를 만들어 내기 위한 연료분사 수단(66)을 포함하며, 상기 각 도입 통로(40, 42)의 직선 부분은 상기 가로면과 경사각 α를 이루고 있고, 상기 경사각 α는 피스톤(26)이 상사점으로부터 하사점을 향하여 하강하는 엔진의 흡기 행정에서, 상기 흡기 포트(36, 38)로부터 연소실내에 유입하는 공기 또는 혼합기의 대부분이 피스톤(26)의 정면(頂面)과 대향하는 연소실(30) 벽면을 따라서 상기 세로면에 의해 2분되는 횡단면 영역의 흡기 포트 측으로부터 타측으로 향해서 흐르도록 설정되어 있고, 이에 의해, 횡단면 영역의 타측을 향해서 흐른 공기 또는 혼합기가 피스톤(26)의 하강과 함께 타측의 실린더 보어(24) 내벽을 따라서, 흐른후, 피스톤(26)정면상을 흡기 포트(36, 38)측으로 향해서 흘러, 연소실(30)내에 실린더 보어(24)의 축선과 직교하는 선회축을 갖는 층형태의 선회류가 형성되는 것을 특징으로 하는 성층 연소형 내연엔진.
2. 제 1 항에 있어서, 내연엔진은 적어도 한개의 점화 장치(70)를 또한 포함하고, 이 점화 장치(70)는 적어도 한쪽의 도입 통로(42)에 연결되는 흡기 포트(38)의 근방에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 성층 연소형 내연엔진.

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