KR100222521B1 - 내연기관의 흡기 시스템 및 흡기제어방법 - Google Patents

Abstract

엔진의 전속도 영역에서 크고 균일한 토오크를 얻으며 최대의 출력을 낼 수 있고, 희박연소를 가능하게 하기 위한 수단으로, 공기량을 가감하는 스로틀 밸브를 보유하는 스로틀 바디(2)와, 상기한 스로틀 바디로부터 흡기를 유입받아 각각의 연소실로 공기를 분배, 공급하는 서지탱크(4)와, 배기포트 및 흡기포트(38)를 갖추고 있는 실린더 헤드(8)와, 상기한 흡기포트(38)와 서지탱크(4)를 연결하여 연소실(40)로 공기를 공급하는 저속용 흡기관들(6)과, 상기한 스로틀 바디(2)와 흡기포트(38)를 연결하여 연소실(40)로 공기를 공급하는 고속용 흡기관들(14)과, 상기한 고속용 흡기관에 설치되어 엔진 영역이 고속시에만 연소실로 공기를 추가공급할 수 있도록 하는 원통밸브(16) 및 이 원통밸브를 전자제어 유닛에 의해 제어하는 스트펩핑 모터(18)를 포함하여 이루어지는 내연기관의 흡기 시스템.

Description

내연기관의 흡기 시스템 및 흡기제어방법

제1도는 본 발명에 의한 흡기 시스템의 사시도.

제2도는 본 발명에 관련하는 흡기제어밸브의 일시예를 나타내는 도면.

제3도는 본 발명에 관련하는 흡기제어밸브의 다른 실시예를 나타내는 도면.

제4도는 본 발명에 의한 흡기 시스템의 측단면도.

제5도는 본 발명에 의한 흡기 시스템의 고속시 흡기 흐름을 설명하기 위한 도면.

제6도는 본 발명에 의한 흡기 시스템의 중,저속시 흡기 흐름을 설명하기 위한 도면.

제7도는 본 발명에 관련하는 흡기포트에 연료흐름을 제어할 수 있는 수단을 도시한 도면.

제8도는 본 발명에 의한 흡기제어방법을 설명하기 위한 블록도.

제9도는 본 발명에 의한 흡기 제어시스템의 흡기제어를 설명하기 위한 작동도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 스로틀 바디 4 : 서지탱크

6 : 저속용 흡기관 8 : 실린더 헤드

10 : 바이패스 관로 14 : 고속용 흡기관

16 : 원통 밸브 18 : 스탭핑 모터

20 : 채널 24 : 액츄에이터

38 : 흡기포트 40 : 연소실

42 : 연료 인젝터 48 : 점화 플러그

50 : 분리벽

본 발명은 내연기관의 흡기 시스템 및 흡기 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저, 중, 고속영역에서 균일한 출력을 얻을 수 있으며, 특히 고속영역으로 진입시 출력의 저하를 방지함과 아울러 최저 연비를 실현할 수 있는 흡기 시스템에 관한 것이다.

엔진의 출력은 서지탱크와 연소실 사이를 연결하는 흡기관들의 구조와 형상에 따라 좌우되는데, 이러한 것은 흡기관의 구조를 변경함으로써 흡기의 충진효율을 높일 수 있기 때문이다.

고성능 엔진의 경우 1개의 실린더에 대하여 2개의 흡기관을 장착하고 있는데, 1개의 흡기관은 고속영역에서만 공기가 흐를 수 있는 것이며, 다른 하나의 흡기관은 저,고속영역에서 공기가 흐르는 구조를 갖는다.

이와 같이 1개의 실린더에 대하여 2개의 흡기관을 장착하고 있는 엔진은, 엔진의 속도영역에 따라 이들 흡기관을 선택할 수 있는 에어 조절수단이 마련된다.

이러한 흡기가변 시스템을 채택하고 있는 엔진은, 저속용 흡기관과 고속용 흡기관으로 분리되는 흡기관들이 공기 흐름의 저항을 최소화할 수 있는 구조로 설치되어야 그 효율을 높일 수 있다.

그러나 엔진이 속도영역에 따라 고속에서 흡기를 추가로 공급하기 위한 수단이 강구된 차량일지라도 공기의 추가공급 방식에 따라 그 효율이 제한을 받게 되므로 추가 공기의 공급방식은 흡기계통의 설계에 있어서 중요하다.

게다가 이러한 흡기 시스템은 희박연소를 실현할 수 있는 4구조이어야 하는데, 일반적으로 희박연소를 행하는 경우 점화속도가 빠르게 진행되지 않는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 희박연소로 점화속도를 빠르게 함과 아울러 엔진의 전 속도영역에서 최대의 출력을 얻을 수 있으며, 도심주행시 가속성을 빠르게 할 수 있는 내연기관의 흡기 시스템을 제공하는데 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 실현하기 위하여, 공기량을 가감하는 스로틀 밸브를 보유하는 스로틀 바디와, 상기한 스로틀 바디로부터 흡기를 유입받아 각각의 연소실로 공기를 분배, 공급하는 서지탱크와, 배기포트 및 흡기포트를 갖추고 있는 실린더 헤드와, 상기한 흡기포트와 서지탱크를 연결하여 연소실로 공기를 공급하는 저속용 흡기관들과, 상기한 스로틀 바디와 흡기포트를 연결하여 연소실로 공기를 공급하는 고속용 흡기관들과, 상기한 고속용 흡기관에 설치되어 엔진 영역이 고속시에만 연소실로 공기를 추가공급할 수 있도록 하는 원통밸브 및 이 원통밸브를 전자제어 유닛에 의해 제어하는 스트펩핑 모터를 포함하여 이루어지는 내연기관의 흡기 시스템을 제공한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라 더욱 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명에 의한 흡기 시스템의 외관 사시도로서, 에어 클리너(미도시)측과 연결되어 공기를 공급받으며 실질적으로 공급받은 공기를 연소실내로 조절하여 공급하기 위한 스로틀 밸브판이 내장된 스로틀 바디(2)와, 이 스로틀 바디와 연통하여 각각의 연소실로 공기를 공급하는 서지탱크(4)를 도시하여 보여주고 있다.

상기한 서지탱크(4)는 저속시 연소실로 공기를 유도하는 저속용 흡기관들(6)에 의해 실린더 헤드(8)와 연결되고 있다.

본 실시예에서는 4기통의 엔진을 보여주고 있으므로 4개의 저속용 흡기관이 도시되고 있다.

그리고 상기한 스로틀 바디(2)로부터 이어지는 바이패스 관로(10)에는 원통형 밸브 케이싱(12)이 고정되어 연통하고 있다.

이 밸브 케이싱(12)은 실린더 헤드(8)와 고속용 흡기관들(14)을 통하여 연통하므로서 추가공기를 고속영역에서 공급받을 수 있도록 되어 있다.

상기한 저속용 흡기관과 고속용 흡기관은 각각 해당하는 연소실로 연결됨에 있어서 1개의 흡기포트로 연결된다.

상기한 저속용 흡기관들(6)의 내경은, 고속용 흡기관들(14)의 내경에 비하여 작으며 그 길이는 길게 형성되는데 이것은 공기가 높은 관성을 갖고 빠르게 흐르도록 함으로서 체적효율을 증가시키고 연소효율을 향상시킬 수 있도록 하기 위한 것이다.

그리고 고속용 흡기관들(14)을 저속용 흡기관들의 내경보다 크게하고 그 길이를 짧게 한 것은, 고속영역에서 빠른 응답과 흡기의 마찰저항을 최소로 하기 위한 것이다.

상기한 원통형 밸브 케이싱(12)의 내측에는 제2도에 도시한 바와 같이 원통 밸브(16)가 회전가능하게 위치하여 전자제어 유닛(ECU)에 의해 제어되는 스탭핑 모터(18)에 의해 180도씩 회전할 수 있는 구조를 갖는다.

상기한 원통 밸브(16)는 길이방향으로 일정한 폭을 갖으며 채널(20)이 형성되어 있으며, 이 원통밸브(16)의 일측단에 스텝핑 모터(18)의 회전축이 연결되며 그 반대측에는 개구(22)가 형성되어 바이패스 관로(10)로부터 유입되는 공기를 받아드릴 수 있도록 되어 있다.

이러한 구조에 의해 원통밸브(16)가 회전하여 채널(22)이 고속용 흡기관들(14)측으로 위치하면 추가로 공기가 공급되고, 채널(22)이 고속용 흡기관들과 연통하지 않는 상태이면 추가공급이 이루어지지 않는다.

제3도는 본 발명에 의한 원통밸브의 다른 실시예를 나타내는 도면으로서, 원통밸브(16)의 회전을 제1실시예에서는 스탬핑 모터로 하는 것을 예시하였으나, 제2실시예에서는 엔진의 흡기계 부압에 의해 작용하는 액츄에이터(24)로 랙기어(26)를 직선이동시킬 수 있도록 하고 있으며, 원통밸브(16)와 연결된 피니온(28)을 상기한 랙기어(26)에 치차물림시키고 있다.

또한 상기한 원통밸브(16)의 공기흐름통로를 제1실시예에서는 길이방향으로 절개된 채널을 예시하고 있으나, 제2실시예에서는 각 고속용 흡기관과 각각 연통할 수 있는 통로(30,32,34,36)를 뚫고 있다.

제4도는 본 발명에 의한 흡기 시스템의 측단면도로서, 서지탱크(4)로 실린더 헤드(8)의 흡기포트(38)로 저속 및 고속용 흡기관(6,14)가 함께 연통하여 공기를 연소실(40)로 공급할 수 있도록 하고 있다.

그리고 흡기포트(38)의 입구측에 전자제어 유닛에 의해 제어되는 연료 인젝터(42)가 설치되어 있음을 도시하고 있으며, 이 흡기포트를 개폐하는 흡기밸브(44) 및 배기포트를 개폐하는 배기밸브(46)를 함께 도시하여 나타내고 있다.

제5도는 엔진의 속도영역이 고속인때에 연소실로 공기를 추가공급할 수 있는 상애를 나타내는 것이며, 제6도는 저속인때에 고속용 흡기관으로 공기가 흐르지 못하도록 차단하고 있는 상태를 도시한다.

제7도는 본 발명에 의한 흡기포트(38)를 횡단면으로 나타낸 도면으로서, 연소실(40)로 연통하는 흡기포트(38)는 2개로 분리되어 있는 타입이며 연료인젝터(42)는 2개의 흡기포트의 중앙부위에서 연료를 분사할 수 있도록 되어 있다.

이 연료 인젝터(42)로 분사되는 연료가 점화 플러그(48)의 주위로 유도되어 이 점화 플러그의 주위에 진한 혼합기가 존재할 수 있도록 하기 위한 수단으로 본 실시예에서는 분리된 흡기포트에 분리벽(50)을 형성하여 연료 인젝터(42)로부터 분사되는 연료가 점화 플러그(48)측으로 집중되어 흐를 수 있도록 하고 있다.

이와 같이 이루어지는 본 발명의 흡기 시스템은, 엔진이 저속영역에서는 고속용 흡기관들(14)이 차단되어 저속용 흡기관들(6)로 공기가 흐를 수 있도록 하는 것으로서, 저속영역에서는 제6도와 같은 상태를 이루게된다.

그리고 엔진이 고속영역으로 진입되면서 스템핑 모터(18)가 구동하여 원통밸브(16)를 회전시켜 제5도에 도시한 바와 같이 원통밸브와 고속용 흡기관(14)이 연통하게 되면 저속 및 고속용 흡기관으로 모두 공기가 흐르게 된다.

이러한 흡기 시스템의 흡기 제어방법은, 제8도에 도시한 바와 같이 크랭크 각 센서(S1), 공기흐름센서(S2), 스로틀 밸브 개도센서(S3)로부터 각각의 신호가 회전수 검출부(52), 공기량 검출부(54), 개도값 검출부(56)로 입력되고 이들 검출부의 값은 연산부(58)로 전달되어 스텝핑 모터(18)를 제어함으로서 실현된다.

즉 제9도에 도시한 바와 같이 제1단계(100)에서 엔진의 회전수가 3800rpm보다 큰가를 판단하여 비교값보다 작은 경우에는 모터를 구동시키지 않고, 비교값보다 큰 경우에는 제2단계(110)에서 스로틀 밸브의 개도값이 47도보다 큰가를 판단한다.

상기한 제2단계(110)에서 판단된 값이 비교값보다 작은 경우에는 모터를 구동시키지 않으며 비교값보다 큰 경우에는 스위치(60)를 제3단계(120)에서 온시키고 제4단계(130)에서 스텝핑 모터(18)를 구동시키게 된다.

이러한 제어방법에 의해 스텝핑 모터(18)가 구동하게 되면 원통밸브(16)가 회전하면서 제5도 또는 제6도와 같은 상태로 되면서 바이패스 관로(10)로 유입되는 추가공기를 고속시에는 연소실로 공급하게되고, 저속시에는 차단하게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 흡기 시스템은, 저속에서 직경이 작고 길이 긴 저속용 흡기관들을 통하여 연소실로 공기를 공급하기 때문에 흡기의 속도가 빠르게 되어 체적효율의 증가와 연소효율을 향상시킬 수 있다.

그리고 고속에서는 길이가 짧고 직경이 큰 흡기관으로 공기를 추가로 공급하기 때문에 흡기의 흐름저항을 최소로 할 수 있다.

이러한 흡기의 제어는 저, 중, 고속에서 균일한 큰 토오크를 얻을 수 있고, 또 최대의 출력을 낼 수 있으므로 고속주행시 가속성 및 주행성을 향상시킬 수 있다.

그리고 연료 인젝터로부터 분사되는 연료가 점화 플러그의 주위에 진한 혼합기를 형성하게 되므로 희박영역 공연비(17-23:1)로도 점화를 가능하게 할 수 있어 연비향상을 기대할 수 있다.

Claims (4)

1. 공기량을 가감하는 스로틀 밸브를 보유하는 스로틀 바디와 상기 스로틀 바디로부터 흡기를 유입받아 각각의 연소실로 공기를 분배, 공급하는 서지탱크와 배기포트 및 흡기포트를 갖추는 실린더헤드를 포함하여 이루어지는 내연기관에 있어서, (a) 상기 흡기포트와 서지탱크를 연결하여 연소실로 공기를 공급하는 저속용 흡기관; (b) 상기 흡기포트와 스로틀 바디를 연결하여 연소실로 공기를 공급하는 고속용 흡기관; (c) 상기 고속용 흡기관에 설치되어 엔진영역이 고속시에만 연소실로 공기를 추가 공급하는 원통밸브-여기서 원통밸브는 고속용 흡기관과 연통하는 채널을 포함함 ; 및 (d) 상기 원통밸브를 엔진의 부압에 따라 제어하는 액츄에이터를 포함하는 내연기관의 흡기 시스템.
2. 제1항에 있어서, 흡기포트에는 분리벽이 설치되어 연료 인젝터로부터 분사되는 연료를 점화플러그측으로 유도하도록 된 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡기 시스템.
3. 크랭크 각 센서로부터 회전수 신호를 입력받아 3800rpm보다 큰가를 판단하는 제1단계와, 상기 제1단계의 비교값이 큰 경우 스로틀 밸브의 개도각이 47도보다 큰가를 판단하는 제2단계와, 상기 제2단계가 만족하는 경우 스위치를 온시키는 제3단계 및 스위치 온에 의해 스텝핑 모터를 구동하는 제4단계로 행하여지는 내연기관의 흡기 제어방법.
4. 제3항에 있어서, 제1단계에서 엔진의 회전수가 3800rpm이하인 경우 스텝핑 모터의 구동을 중단하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡기 제어방법.