KR100296599B1 - 내연기관의흡기장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관의 흡기장치에 관한 것으로, 특히 실린더당 2개 이상의 흡기밸브를 갖는 내연기관에서 흡기밸브들의 작동을 각각 독립적으로 조정하게 구성함으로써, 다중 흡기밸브를 갖는 내연기관의 중·저속 토르크 향상 및 연비개선 그리고 배기가스 저감을 위한 내연기관의 흡기장치에 관한 것으로, 연소실(11)의 상부 일측에 한쌍의 동일직경의 배기포트(13)와, 그 타측에는 흡입되는 혼합기의 량을 달리하도록 서로 다른 직경의 제1흡기포트(15)와 제2흡기포트(16)를 갖는 실린더헤드(10)와; 상기 실린더헤드(10)의 제1흡기포트(15)를 개폐시키는 제1흡기밸브(40) 및 상기 실린더헤드(10)의 제2흡기포트(16)를 개폐시키는 제2흡기밸브(42)와; 상기 제1흡기밸브(40)를 리프팅시키도록 캠축(30)에 고정 설치된 제1캠(50) 및 상기 제2흡기밸브(42)를 리프팅시키도록 캠축(30)에 고정 설치된 제2캠(52)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

내연기관의 흡기장치

본 발명은 내연기관의 흡기장치에 관한 것으로, 특히 실린더당 2개 이상의 흡기밸브를 갖는 내연기관에서 흡기밸브들의 작동을 각각 독립적으로 조정하게 구성함으로써, 다중 흡기밸브를 갖는 내연기관의 중·저속 토르크 향상 및 연비개선 그리고 배기가스 저감을 위한 내연기관의 흡기장치에 관한 것이다.

내연기관의 흡기장치는 외부에서 유입된 신기를 연료와 혼합시켜 실린더로 공급하기 위한 장치로서, 흡기밸브와 배기밸브가 각각 1개로 채택되는 내연기관(SOHC)과, 엔진의 출력 향상 등을 위해 각각 복수개의 흡기밸브와 밸기밸브가 채용된 내연기관(DOHC)이 있다.

종래의 각각 복수개의 흡기밸브와 배기밸브가 설치된 흡기장치가 도 1 내지 도 3에 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 실린더 헤드(10)의 연소실(11)측에 각각 복수개의 흡기포트(12)와 배기포트(13)가 형성되어 있고, 이들 포트(12,13)에 흡기포트(12)와 배기포트(13)를 각각 개폐하는 흡기밸브(20)와 밸기밸브(21)가 설치되어 있고, 상기 흡기밸브(20)는 캠축(30)에 설치된 각각의 캠(31,32)에 의해 작동하게 되어 있고, 상기 배기밸브(21)는 상기 캠축(30)의 일측에 배치된 도시안된 캠에 의해 작동하게 되어 있다.

이때 도 2에서와 같이 상기 흡기포트(12)가 배기포트(13)에 비해 상대적으로 큰 직경으로 형성되어 있고, 따라서 흡기밸브(20)의 하단측 직경도 배기밸브(21)의 하단측 직경보다 크게 형성되어 있다.

그리고 상기 2개의 흡기밸브(20)의 하단부 직경은 서로 같게 설정되어 있고, 역시 해당하는 2개의 흡기포트(12)도 같은 직경을 가지고 있다.

그리고 상기 흡기밸브(20)를 작동시키는 캠(31,32)도 동일한 형상으로 구성되어 있다.

즉, 종래는 동일한 크기의 흡기밸브(20)가 동일한 형상의 캠(31,32)으로 작동하게 되어 있다.

따라서 하나의 연소실(11)측에 한쌍의 흡기밸브(20)에 있어서, 동일한 밸브리프트, 동작기간 및 밸브타이밍을 가지고 되고, 이것은 도 2에 도시된 바와 같이 한쌍의 흡기밸브(20)를 구동시키는 캠(31,32)의 밸브리프트 면적(A1,A2)도 도 4에서와 같이 동일면적을 갖는다.

따라서 종래의 복수개의 흡기밸브(20)를 갖는 내연기관은 캠(31,32)의 형상에 따라 고속형 또는 저속형으로 구분되게 되어 있다.

더욱이 흡기포트(12)의 형상 설계에 따라 실린더(9)내의 혼합기유동의 와류강도가 정해지고, 흡기효율이 좌우될 수밖에 없었다.

이같이 종래의 캠형상 및 흡기밸브 크기가 동일하여 저속 또는 고속 중 어느 한쪽에 치우치는 엔진 성능 특성을 가지게 되어, 전자의 경우에는 고속출력이 미흡하고, 후자의 경우에는 저속토르크 및 연비, 배기가스, 연소 안전성이 미흡한 단점을 갖는다.

또한 점화플러그(5)의 주변이나 연소실(11)내 다른 부분이나 공연비 분포가 별도로 조절이 안되어 아이들(idle) 때나 부분 부하에서 연료소모량 및 배기가스를 줄이는데 한계가 있게 된다.

이를 극복하기 위해 종래에 사용해온 수단은 여러 타입의 가변흡기장치 또는 가변밸브타이밍 장치 등을 채택하는 경우가 있으나, 이는 고가로서 널리 사용되기에 불리한 점을 가지고 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 사정 및 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 중.저속에서의 연비 및 배기가스가 유리한 단일 흡기밸브 내연기관의 장점과 종·고속 토르크 및 출력이 현저히 향상되는 다중흡기밸브 내연기관의 장점을 적절히 조합하여 최적의 내연기관 흡기장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은, 연소실(11)의 상부 일측에 한쌍의 동일직경의 배기포트(13)와, 그 타측에는 흡입되는 혼합기의 량을 달리하도록 서로 다른 직경의 제1흡기포트(15)와 제2흡기포트(16)를 갖는 실린더헤드(10)와; 상기 실린더헤드(10)의 제1흡기포트(15)를 개폐시키는 제1흡기밸브(40) 및 상기 실린더헤드(10)의 제2흡기포트(16)를 개폐시키는 제2흡기밸브(42)와; 상기 제1흡기밸브(40)를 리프팅시키도록 캠축(30)에 고정 설치된 제1캠(50) 및 상기 제2흡기밸브(42)를 리프팅시키도록 캠축(30)에 고정 설치된 제2캠(52)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래 내연기관 흡기장치의 측단면도.

도 2는 종래 내연기관 흡기장치의 정단면도.

도 3은 도 2의 개략적인 평단면도로서 흡기포트와 배기포트의 설치상태도.

도 4는 종래 흡기밸브의 크랭크각도에 따른 밸브 리프트를 나타낸 선도.

도 5는 본 발명에 따른 내연기관 흡기장치의 측단면도.

도 6은 본 발명의 실시예에 의한 흡기포트와 배기포트의 설치상태도로서 흡입시 혼합기의 흐름상태도.

도 7은 본 발명에 따른 내연기관 흡기장치의 정단면도.

도 8, 9는 본 발명의 실시예에 적용되는 서로 다른 작동영역을 갖는 제2 및 제1캠의 정면도.

도 10, 11은 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 작동영역을 갖는 제2캠 및 제1캠에 의한 밸브리프트 선도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 실린더 헤드 11 : 연소실

13 : 배기포트 15 : 제1흡기포트

16 : 제2흡기포트 30 : 캠축

40 : 제1흡기밸브 42 : 제2흡기밸브

50 : 제1캠 52 : 제2캠

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이 실린더(20)측 실린더 헤드(10)내의 연소실(11)의 상부 일측에는 이 연소실(11)측으로 연통되는 동일직경의 배기포트(13)가 형성되어 있고, 그의 타측에는 흡입되는 혼합기의 량을 달리하도록 서로 다른 직경의 제1흡기포트(15)와 제2흡기포트(16)가 이웃하게 형성되어 있다.

즉, 본 발명의 실시예에서는 제1흡기포트(15)에 대해 제2흡기포트(16)의 직경이 상대적으로 크게 형성되어 있다.

따라서 피스톤(100)이 하강시 그의 흡인력에 의해 유입되는 혼합기의 속도가 제2흡기포트(16)보다 제1흡기포트(15)측에서 더 빠르게 진행되게 된다.

이때 상기 제1, 2흡기포트(15,16)의 방향은 연소실(11)의 단면적에 수직으로 형성된 것이 아니라 측방으로 비스듬히 기울어져 형성되어 있으므로 스월(swirl)현상 즉, 상기 흡기포트(15,16)로 흡입되는 혼합기가 실린더 내에서 소용돌이 현상이 발생하도록 되어 있다.

그리고 상기 실린더헤드(10)에는 상기 제1흡기포트(15)를 개폐시키는 제1흡기밸브(40)와 상기 제2흡기포트(16)를 개폐시키는 제2흡기밸브(42)가 설치되어 있다.

이때 제1흡기밸브(40)와 제2흡기밸브(42)는 각각 제1흡기포트(15)와 제2흡기포트(16)를 개폐시키기 위해 서로 다른 크기를 갖고 있다.

즉, 제2흡기밸브(42)의 하단측 단면적이 제1흡기밸브(40)의 하단측 단면보다 상대적으로 크게 설정되어 있다.

상기 제1흡기밸브(40) 및 제2흡기밸브(42)를 리프팅시키도록 캠축(30)에는 이웃하게 제1캠(50)과 제2캠(52)이 설치되어 있다.

상기 제2캠(52)은 제2흡기밸브(42)의 리프팅치가 제1흡기밸브(40)의 리프팅치보다 크게 설정되도록 하기 위해 제1캠(50)의 외주면 구간이 상대적으로 길도록 형성되어 있다.

즉, 캠축(40)이 1회전할 동안 제2캠(52)이 제1캠(50)에 의해 작동되는 제1흡기밸브(40)에 비해 상대적으로 제2흡기밸브(42)를 더 많이 열리도록 함으로써 제2흡기포트(16)로 유입되는 혼합기의 량이 제1흡기포트(15)보다 많게 되어 있다.

도 10은 상기 제2캠(52)에 의해 작동하는 제2흡기밸브(42)의 밸브리프트(밸브열림량)를 크랭크각도에 따른 대응 선도로 나타낸 것으로서 'A1'은 제2흡기밸브(42)의 작동영역이 된다.

도 11은 상기 제1캠(50)에 의해 작동하는 제1흡기밸브(40)의 밸브리프트(밸브열림량)를 크랭크각도에 따른 대응 선도로 나타낸 것으로서 'A2'는 제1흡기밸브(40)의 작동영역이 된다.

도 10, 11은 보면 제2캠(52)의 작동영역(A1)이 제1캠(50)의 작동영역(A2)보다 크다는 것을 알 수 있다.

이와 같이 구성된 본 실시예의 작동상태 및 작용을 설명한다.

먼저, 도 5에 도시된 바와 같이 내연기관이 흡기상태가 되면 캠축(30)에 설치된 흡기밸브축 제1캠(50)과 제2캠(52)이 제1흡기밸브(40)와 제2흡기밸브(42)를 동시에 하강시키게 되고, 피스톤(100)은 상사점에서 하사점으로 하강한다.

이때 닫혀져 있던 제1흡기포트(15)와 제2흡기포트(16)가 동시에 열리게 되고, 이를 통해 혼합기가 실린더내로 유입되고, 이때 상대적으로 제2흡기포트(16)의 단면적이 크므로 제1흡기포트(15)보다 많은 량의 혼합기가 실린더내로 유입된다.(도 6 참조)

따라서 실린더(200) 내로 유입되는 혼합기는 제1,2흡기포트(15,16)의 통로구조상 실린더내의 직경방향으로 선회하면서 스월현상을 일으키게 된다.

그런데 이때, 제1흡기포트(15)로 유입되는 혼합기의 유속은 상대적으로 제1흡기포트(16)로 유입되는 혼합기의 유속보다 빠르게 된다.

따라서 실린더(200) 내에서는 2개의 혼합기 유속이 병존하게 된다.

다시 말해서, 소량 혼합기의 고속흐름이 하나이고 대량 혼합기의 저속흐름이 다른 하나이다.

따라서 도 6에 나타난 바와 같이 점화플러그(5)가 있는 부분으로는 저속흐름으로 고밀도의 혼합기가 존재하여 큰 모멘트의 텀블(tumble)운동을 갖게 되고 그 주위에는 다소 희박한 혼합기가 스월현상을 갖게 된다.

이같은 상태에서 제1, 2흡기밸브(40,42)가 닫히고 피스톤(100)이 하사점에서 상사점으로 다시 상승하게 되면 텀블운동을 하는 혼합기의 흐름은 작게 쪼개지면서 와류를 형성하게 된다.

이렇게 피스톤(100)이 상사점에 이른 후 점화플러그(200)에 점화가 이루어지게 되면 점화플러그(5)의 주변에 형성된 작은 와류에 착화가 쉽고 빠르게 일어나서 연소효율이 좋아지게 된다.

이는 중·저속시 내연기관의 토로크를 증대시키게 되고, 연소효율이 좋아져 연비를 절감시키고, 완전연소로 배기가스를 개선시키게 된다.

더욱이 내연기관의 고속시에는 흡기효율과 함께 흡기량이 높아져 고속출력을 증대시키게 된다.

이같이 본 발명에 의하면 혼합기의 스월운동시 원심력의 차이에 의해 공기보다 밀도가 놓은 연료가 상대적으로 점화플러그(5) 부분으로 많이 몰리게 되어 종래의 엔진에 비해 아이들 또는 부항 운전조건에서 보다 더 희박하게 공연비를 조절하여도 점화(misfire)에 의한 아이들 부조 및 운전 성능의 희생 없이도 연비를 향상시키고 배기가스를 저감시킬 수 있다.

더욱이 중속을 포함한 고속시에는 강한 와류형성에 따른 화염점파속도가 빨라져 노킹으로 한계를 갖는 토르크 및 출력을 개선하여 종래와 동등 수준의 효과를 갖을 수 있다.

본 발명은 부가적으로 여기에다 가변흡기장치 또는 가변밸브 타이밍장치를 추가하면 보다 세밀하게 운전조건에 따라 최적의 혼합기 유입 및 실린더내 유동조절을 가능케하여 그 효과를 최대화 할 수 있다.

또 스월운동을 강조시키고 고속출력을 희생하도록 흡기밸브의 크기 및 캠 형상을 조합하고, 흡기포트의 형상도 흡입효율보다는 실린더내 유동을 강조하는 쪽으로 최적화하여 희박연소엔진으로 발전시킬 수도 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 실린더헤드측의 복수개 흡기포트의 단면적을 상대적으로 다르게 구성하고, 서로 다른 크기의 복수개 흡기밸브가 서로 다른 형상의 캠에 의해 작동되어 혼합기의 유동을 비대칭적으로 일으켜 저속시에는 트르크의 증대 및 연비저감과 배기가스의 개선효과가 있고, 중·고속시 모두 흡기효율을 높이고 흡기량이 많아져 고속출력을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (2)

1. 연소실(11)의 상부 일측에 한쌍의 동일직경의 배기포트(13)와, 그 타측에는 흡입되는 혼합기의 량을 달리하도록 서로 다른 직경의 제1흡기포트(15)와 제2흡기포트(16)를 갖는 실린더헤드(10)와; 상기 실린더헤드(10)의 제1흡기포트(15)를 개폐시키는 제1흡기밸브(40) 및 상기 실린더헤드(10)의 제2흡기포트(16)를 개폐시키는 제2흡기밸브(42)와; 상기 제1흡기밸브(40)를 리프팅시키도록 캠축(30)에 고정 설치된 제1캠(50) 및 상기 제2흡기밸브(42)를 리프팅시키도록 캠축(30)에 고정 설치된 제2캠(52)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡기장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1캠(50)과 제2캠(52)의 각 작동영역 중 큰직경포트(15 또는 16)를 개폐시키는 흡기밸브(40 또는 42)에 더 많은 작동영역을 둔 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡기장치.