KR950001324B1 - 3흡입 밸브형 엔진 - Google Patents

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요시노리 시오미
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미쯔비시 지도샤 고교가부시끼가이샤
나까무라 히로까즈
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Abstract

내용없음.

Description

3흡입 밸브형 엔진
제1도는 본 발명의 1실시예를 나타내는 엔진을 표시한 개략적 사시도.
제2도는 제1도의 엔지의 연소실(10)내에 발생하는 텀블 흐름을 설명하기 위한 측면도.
제3도는 제1도의 엔진 흡기 포트(11, 12, 13) 배기 포트(14, 15), 연소실(10), 연료 분사 노즐(17) 및 점화 플러그(16)의 상대 위치를 표시한 평면도.
제4도는 제1도의 엔진의 흡기 포트(11, 12, 13)의 단면형상을 나타낸 설명도.
제5도 내지 제9도는 각각 흡기 포트의 단면 형상의 다른 예를 나타내는 설명도.
제10도는 종래의 5 밸브 엔진을 나타내는 개략적 사시도.
제11도는 제10도의 엔진의 평면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 연소실 11, 13 : 공기 흡입 포트
12 : 혼합기 흡입 포트 14, 15 : 배기 포트
16 : 점화 플러그 17 : 연료 분사 노즐
11A, 13A : 공기의 종와류 12A : 혼합기의 종와류
본 발명은 3흡입 밸브형 엔진에 관한 것이다. 흡기측에 3개의 흡기 밸브를 갖고, 배기측에 예컨데 2개의 배기 밸브를 갖는 5밸브 엔진은 기존에 알려져 있다. 제10도 및 제11도에 있어서, 펜돌프형 연소실(1)의 천정에는 3개의 흡기 포트(2, 3, 4)와 3개의 배기 포트(5, 6)의 각각의 일단이 개구되고 있다. 이 각 포트는 도시하지 않은 흡기 밸브와 배기 밸브로 적시에 열려진다. 흡기 포트(2, 3, 4)는, 연소실 근방에 있어서 분기되어 있고, 이 각 포트가 합류하고 있는 분기부(7)에는 연료 분사 노즐(8)이 배치되어 있다. 분사 노즐(8)은, 3개의 흡기 포트에 균등하게 연료를 분사할 수 있는 구조를 갖고 있다.
연료 분사 노즐(8)로부터 공급되는 혼합기는 대략 이론 공연비가 되도록 제어되고 있고, 각 포트(2, 3, 4)로부터 흡입되는 혼합기의 흐름(2A, 3A, 4A)은 제10도에 나타난 것같이 연소실 전체로 와류 상태로 흘러 섞어진다. 이런 흡기계 구조에 의하면, 포리플 텀블 플로의 섞임 효과에 의해, 이상적인 순간 연소를 달성할 수 있는 높은 연소 효율과 그에 따른 고출력을 얻게된다는 특징을 갖고 있다.
그런데 최근은 에너지 절약의 관점에서 저연료 소비형 앤진의 개발이 급히 요청되고 있다.
제10도에 나타난 엔진은 높은 연소 효율에 의해 높은 출력을 얻어지는 특징을 갖고도 저연료 소비성의 점에서 여러가지 문제를 남기고 있다.
특개평 3-23314호 공보는 적어도 2개의 흡기 포트를 갖고, 1개의 흡기 포트만에 연료를 분사하여 혼합기공급로로 하고, 나머지 흡기 포트를 공기 공급로로서 연소실 내에 혼합기의 텀블 흐름과 공기의 텀블 흐름과를 층상으로 발생시켜 혼합기의 텀블 흐름에 점화하는 것에 의해 이론 공연비보다도 적은 연료로서 연소를 가능하게 한 엔진을 나타내고 있다. 이 공보에는, 3개의 흡기 포트를 갖는 엔진의 실시예도 있지만, 끝부에 위치하는 흡기 포트를 혼합기 공급로로하고 있지 때문에, 연소실 내에 있어 혼합기에 텀블 흐름이 점화에 의해 연소할 때에 한쪽이 연소실의 내벽에 있기 때문에 산소 이용 효율이 악화된다. 또 각 흡기 포트의 단면 형상이 원형이므로, 연소실 내의 텀블 흐름을 강하게 하기 때문에 각 흡기 포트를 스트레이트 형상으로 하면, 각 흡입 포트의 연소실 내로의 각 개구에 대하여 각 흡입 포트가 예각적으로 교차하게 되고, 이 때문에 실질적으로 유동 단면적이 적어진다. 결국 원통 단면의 흡입 포트는 텀블 흐름을 강하게 하면 최대 유량이 저하하므로, 기관 전개시의 성능이 저하하게 된다.
본 발명은 이론 공연비보다도 적은 연료로서 효율이 좋은 연소를 가능하게 하고, 또 기관 전개시의 성능의 저하를 방지할 수 있는 3개의 흡입 포트를 갖는 3흡입 밸브형 엔진을 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 3흡입 밸브형 엔진은 연소실에 각각 연이어 통하는 3개의 흡입 포트 및 상기 각 흡입 포트에 있어 상기 연소실의 개구에 배치된 3개의 흡입 밸브를 갖는 내연기관에 있어서, 상기 연소실 천정에 있어서의 상기 3개의 흡입 포트의 중앙이 흡입 포트에 대항한 위치에 설치된 점화 플러그와 상기 중앙의 흡입 포트안을 향하여 연료를 분사하는 연료 분사 수단을 구비하고, 상기 3개의 흡입 포트는 각 상기 중앙의 흡입 포트로부터 상기 연소실 내로 흡입된 혼합기 및 그외의 2개의 흡입 포트로부터 동연소실내로 흡입된 공기가 동연소실내에서 3층의 텀블 흐름을 형성하도록, 서로 독립하여 형성되고 또 그 각 단면형상이 그 상반부의 폭이 그 하반부의 폭보다도 크게 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
엔진의 흡입 공정에 있어서, 혼합기 흡입 포트로부터는 이론 공연비보다 희박한 혼합기가 흡입되고, 이 혼합기는 연소실 내에 있어서 종방향의 와류로서 흐른다. 한편 혼합기 흡입 포트의 양쪽에 각각 배치되어 있는 공기 흡입 포트로부터는 공기만이 흡입되고, 혼합기의 종와류를 양측부터 끼운 위치로 종방향의 와류로서 흐른다. 따라서, 연소실 내에 있어서는 희박한 혼합기의 종와류를 중심으로 그 양측에 공기로 형성하는 종와류가 3층의 층상으로 되는 흐름이 되고, 이러한 층의 혼합기의 와류를 향하여 점화 플러그가 점화한다.
이하 도면의 실시예를 기초하여 본 발명을 상세히 설명한다.
제1도 내지 제3도에 있어서, 연소실(10)의 천정은 2개의 경사면(10a, 10b)을 갖는 펜돌프형으로 형성되고 있다. 각각 흡입 밸브로 개구되는 3개의 흡입 포트(11, 12, 13)는, 경사면(10b)에 개구되고 각각이 배출밸브로 개구되는 배출 포트(14, 15)는 경사면(10a)에 개구되고 있다. 연소실 천정의 중앙부에는 점화 플러그(16)가 배치되어 있다. 흡기 통로의 적절한 위치에는 연료 분사 수단으로서의 연료 분사 노즐(17)이 설치되고 있다. 각 흡입 포트는, 이곳으로부터 흡입되는 흡기가 연소실의 편돌프형 벽면(10a)으로 향하도록 형성되고 있다.
연료 분사 노즐(17)과 연소실(10)과의 사이의 흡입 포트(11, 12, 13)는 격벽(19)으로 서로 떨어진 독립 포트로서 형성되고 있다. 또, 각 흡입 포트는, 흡기의 흐름이 각 포트의 윗벽(12a)(포트12)의 윗벽만 도시됨)에 따르도록 그 단면을 역삼각형(제1도의 점선 참조)으로 형성되고 있다. 펜돌프형 벽면(10a)과 각 흡입 포트의 단면 형상에 의해, 연소실(10)에 공급된 흡기의 흐름은 종방향의 와류로 된다.
연료 분사 노즐(17)은 3개의 흡입 포트의 내부 중앙부에 위치하는 흡입 포트(12)에 대하여만 제어된 양의 연료를 분사한다. 이하 흡입 포트(12)를 흡입 포트라 한다. 혼합기 흡입 포트(12)는, 점화 플러그(16)의 점화 영역으로 향하여 혼합기의 종와류(12A)를 공급하는 위치에 설치되고 있다. 한편, 혼합기의 흡입 포트(12)의 양측에 위치한 흡입 포트(11, 13)는 공기만을 흡입하므로, 이하 이들 포트를 공기 흡입 포트(11, 13)이라 한다. 혼합기의 종와류(12A)와 이 양쪽에 생기는 공기로부터 형성되는 종와류(11A, 13A)로 3층의 종와류가 생기게 된다.
여기에, 흡입 포트(11, 12, 13)에 관하여 상세히 설명한다. 이들 흡입 포트(11, 12, 113)는 제2도에서와 같이, 직선상의 스트레이트 포트에 또 서로 실질적으로 평행하게 형성되어 있고 또 흡입 포트(11, 12, 13)의 단면 형상은 제4도에서와 같이, 흡입 포트의 상반부의 폭이 하반부의 폭보다도 크게 형성되어 있고, 흡입 포트와 흡기류 중심이 흡입 포트의 상반부 쪽으로 편심되어 있다. 이 구성에 의하여 흡입 포트의 최대 유량의 저하를 초래하지 않고, 연소실(10)내의 텀블 흐름이 촉진되고 있지만, 이점에 관하여 설명한다. 다시말하면 흡입 포트로부터 연소실(10)내로의 흐름에 있어서, 상반부의 흐름(Fu)는 텀블 흐름을 형성하는 성분이고, 또 텀블 흐름 자체에 의해 연소실(10) 내로의 유립을 방해하는 것도 거의 없다. 역으로 하반부의 흐름(Fu)은 텀블 흐름의 흐름을 방해하는 성분이고, 텀블 흐름 자체에 의해 연소실(10)으로의 유입을 방해하고 있다. 이 때문에 상반부의 흐름(Fu)을 크게 하는 설정은 흡입 포트로부터 연소실(10)내로의 최대 유량의 저하를 초래하지 않고 연소실(10)의 내의 텀블 흐름을 촉진하게 되는 것이다.
연료 분사 밸브(17)에 의한 연료 분사의 범위는 제1도 및 제3도에 명백하듯이 혼합기 흡입 포트(12)의 내벽면에 부착하지 않고, 포트(12)의 연소실(10)에 대한 개구로 지향하고 있다. 그리고, 이상에 의해 구성된 실시예의 작용을 설명한다.
흡기 밸브가 열려 피스톤이 내려가는 흡입 행정이 되면, 혼합기 흡입 포트(12)로부터는 연료 분사 노즐(17)에 의해 분사된 연료를 함유한 혼합기(12A)가, 공기 흡입 포트(11, 13)로부터는 공기만의 흡기(11A, 13A)가 연소실(10)내로 흡입된다.
이때, 각 흡입 포트(11, 12, 13)의 단면 형상이 역삼각형이므로, 흡기의 흐름은, 포트의 중심에서 윗족이 양이 많게 되고, 그 방향성을 유지하므로 연소실(10)내로 흐름이 들어온다. 방향성을 보유한 흡기의 흐름(11A, 12A, 13A)은 먼저, 경사면(10a)를 따라 그 방향을 변경하고 다음에 실린더 벽면(10c)을 따라 아래 방향으로 향하여 피스톤 끝부 실린더 벽면에 충돌하여 상방으로 향한다. 즉 연소실(10)에 흡입된 흡기는 종방향의 와류(11A, 12A, 13A)로 되어 유입된다.
그리고 이들 흡기의 종방향의 흐름(11A, 12A, 13A)를 별도의 관점에서 보면, 연소실(10)내에 있어서는 연료와 공기로 이루어지는 혼합기의 층(12A)를 중심으로서 그층의 양측에 연료를 함유하지 않은 공기만의 층(11A, 13A)가 존재하게 되고, 3층 구조의 종와류가 발행하고 있는 것이다. 이층상의 종와류는 압축 행정의 최후까지 가급적 혼합되지 않는 것이 중요하고, 이를 위해 각 흡기 포트의 적절한 방향이 설정된다.
3층으로 되는 종와류(11A, 12A, 13A)는 각각의 방향성을 보유하여 존재하지만, 피스톤이 상승하여 압축행정의 말기가 되면, 3개의 종와류는 압축된 연소실(10)내에서 다수의 가느다란 와류가 된다. 이때 혼합기의 와류(12A)는 연료를 함유하지 않은 와류(11A, 13A)에 비하여 높은 혼합비의 상태로 압축된다.)
그리고, 와류(11A, 13A)에 비교하여 농후한 혼합기의 와류(12A)중에는 점화 플러그(16)가 위치하고 있고, 적시에 이 혼합기가 점화되면, 그 화염은 연소실 전체로 확대된다. 게다가 점화시의 혼합기는 연소실 전체로 확대되지 않은 상태로 있고, 또 혼합기의 양측에는 흡입 포트(11, 13)로부터 유입된 충분한 산소를 함유한 공기가 존재하고 있지만, 이것이 연소하는 시간은 극히 짧은 것이고, 전체로서 희박한 혼합기로 있는데도 불구하고 안정된 연소 상태가 얻어지고, 연소 효율도 좋다. 따라서 전체적으로 희박한 혼합기를 사용하여 얻어지는 것에 의해, 연료의 소비율이 적어지게 된다.
희박한 혼합기가 연소실 전체로 퍼지게 되면, 전부의 혼합기가 연소하는 시간이 걸리는 것이 알려져 있다. 그러나 상술한 것에 의하여, 방향성을 가지고 흡입되는 연료를 함유하지 않은 공기의 종와류(11A, 13A)로 끼이고, 이 자체도 방향성을 가지고 있는 혼합기의 종와류(12A)는 연소실 전체에 확산되지 않은 상태로 되어 착화되므로 그 연소는 시간이 짧아도 안정된 것이다.
또, 특히 흡입 포트(11, 12, 13)는 상술한 것같이, 각 단면형상이 역삼각형으로 되기 때문에, 각 포트로부터 연소실(10)내로의 최대유량의 저하를 초래하지 않고, 연소실(10)내의 강력한 텀블 흐름을 얻을 수 있다.
이것에 의해 전체로서 희박한 혼합기를 연소하면서 필요로 되는 연소실(10)내의 층상화를 충분히 행할 수 있을 뿐만아니라 기관 전개시의 최대 출력을 확보하면서 필요로 하는 흡입 포트(11, 12, 13)로부터 연소실(10)내로의 충분한 최대 유량도 확보할 수 있다.
희박한 공연비를 얻기 위해서는 엔진의 운전상태에 응한 연료 분사량을 선택할 필요가 있다. 거기에, 앤진의 운전 상태에 최적의 공연비(이론 공연비를 포함하지만 이것에 비해 희박한 A/F)를 제어 장치로 목표설정 공연비의 맵으로서 기억시켜 놓았다. 또 배출 가스의 공연비의 변화에 따라 직선적으로 변화하는 특성을 가진 공연비 센서를 이용한다. 그리고 이 공연비 센서로 엔진의 운전 상태를 검출하고 이때의 최적 공연비를 상기 맵으로부터 도출하여 연료 분사량을 결정한다.
흡입 포트(11, 12, 13)의 단면 형상으로서는, 제5도 내지 제9도에 부호 P로 표시한 변형예도 실시가능하다. 제5도에 나타낸 단면 형상은 모떼기부의 작은 삼각형 형상이다. 제6도에 나타낸 단면 형상은 기본적으로 삼각형이고, 또 그 각 변이 반경 R의 곡선으로 구성되고 있다. 제7도에 나타낸 단면 형상은 기본적으로 삼각형히고 또 그 양면이 안쪽으로 돌출하도록 반경 R의 곡선으로 구성되고 있다. 제8도에 나타낸 단면 형상은 기본적으로 삼각형이고 또 그 양면의 상부가 서로 평행하도록 형성되고, 이것에 의해 야구의 홈 베이스의 형상이다. 제9도에 나타낸 단면 형상은, 제8도의 단면 형상의 하부를 반경 R의 곡선으로 구성한 것이다.
또, 상기 실시예에 있어서 연료 분사 밸브(17)에 더하여 흡입 포트(11) 및/또는 (13)에도 추가의 연료 분사 밸브를 설치하여 고출력을 필요로 할때에 그 추가의 분사 밸브로부터도 연료를 분사하도록 구성하는 것도 가능하다.
이상에 의한 본 발명에 의하면, 연소실 내로 흡기의 종와류가 발생하도록 흡입 포트를 형성하고, 중앙에 위치하는 흡입 포트만 연료를 분사하고 그 양측에 위치하는 흡입 포트는 공기만을 흡입하도록 하므로, 연소실에는 공기만의 와류에 비하여 진한 혼합기의 층상 흐름이 발생하고, 연소실 전체로 확산되지 않은 상태의 혼합기에 점화되고, 더하여 상기 혼합기의 연소는 연소실내에 있어서 그 양측 공기의 산소를 이용할 수 있으므로 이론 공연비보다도 희박한 연료로 있어도 연소 효율이 좋고, 5밸브 엔진 본래의 고출력과 연소 효율에 더하여 저연료 소비율이 실현된다.
게다가 각 흡입 포트의 단면 형상이 그 상반부의 폭이 하반부의 폭보다도 크게 형성되고 있으므로, 각 흡입 포트의 최대 유량의 저하를 초래하지 않고 연소실내의 텀블 흐름을 촉진할 수 있으므로, 연소실내의 층상화의 촉진에 의해 희박 혼합기의 양호한 연소와 최대 유량의 확보에 의한 최대 출력의 확보를 양립할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 연소실로 각각 연이어 통하는 3개의 흡입 포트 및 상기 각 흡입 포트에서의 상기 연소실로의 개구에 배치된 3개의 흡입 밸브를 갖는 내연 기관의 3흡입 밸브형 엔진에 있어서, 상기 연소실 천정에 있어서의 3개의 흡입 포트의 중앙의 흡입 포트에 대향한 위치에 설치된 점화 플러그와, 상기 중앙의 흡입 포트안을 향하여 연료를 분사하는 연료 분사 수단을 구비하고, 상기 3개의 흡입 포트는 각 상기 중앙의 흡입 포트로부터 상기 연소실 내로 흡입된 혼합기 및 그외의 2개의 흡입 포트로부터 동연소실내로 흡입된 공기가 동 연소실내에서 3층의 텀블 흐름을 형성하도록, 서로 독립하여 형성되고 또 그 각 단면 형상이 그 상반부의 폭이 하반부의 폭보다도 크게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 3흡입 밸브형 엔진.
  2. 제1항에 있어서, 상기 3개의 흡입 포트는 각 단면 형상이 거의 역삼각형이 되도록 그 상반부의 폭이 하반부의 폭보다도 크게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 3흡입 밸브형 엔진.
  3. 제1항에 있어서, 상기 3개의 흡입 포트는, 상기 연료 분사 수단에 의해 연료 분사 위치 근방으로부터 상기 연소실에 대한 개구까지의 사이에 서로 독립하여 형성된 것을 특징으로 하는 3흡입 밸브형 엔진.
  4. 제1항에 있어서, 상기 연소실의 천정은 실질적으로 2개의 경상면에 의해 이루어진 거의 펜돌프형으로 형성되어진 것을 특징으로 하는 3흡입 밸브형 엔진.
  5. 제4항에 있어서, 상기 3개의 흡입 포트가 상기 연소실의 천정에 있어서 한쪽의 경사면에 개구하고, 적어도 1개의 배출 포트가 다른쪽 경사면에 개구하고 있는 것을 특징으로 하는 3흡입 밸브형 엔진.
  6. 제1항에 있어서, 상기 연료 분사 수단에 의한 분사범위는 상기 중앙의 흡입 포트의 내벽면에 부착되는 것이 아니고, 상기 포트의 상기 연소실에 대한 개구로 지향하고 있는 것을 특징으로 하는 3흡입 밸브형 엔진.
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