KR20020075468A - 내연 기관 및 제어 - Google Patents

내연 기관 및 제어 Download PDF

Info

Publication number
KR20020075468A
KR20020075468A KR1020027011498A KR20027011498A KR20020075468A KR 20020075468 A KR20020075468 A KR 20020075468A KR 1020027011498 A KR1020027011498 A KR 1020027011498A KR 20027011498 A KR20027011498 A KR 20027011498A KR 20020075468 A KR20020075468 A KR 20020075468A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
combustion chamber
internal combustion
intake
air
Prior art date
Application number
KR1020027011498A
Other languages
English (en)
Inventor
캐스카트지오프레이폴
자비어크리스찬찬드라쿠마
레일튼도날드앤드류
맥그래스존로이
Original Assignee
오비탈 엔진 캄파니(오스트레일리아) 피티와이 리미티드
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 오비탈 엔진 캄파니(오스트레일리아) 피티와이 리미티드 filed Critical 오비탈 엔진 캄파니(오스트레일리아) 피티와이 리미티드
Publication of KR20020075468A publication Critical patent/KR20020075468A/ko

Links

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
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • 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
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • F02F1/4214—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads specially adapted for four or more valves 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
    • 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
    • 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
    • 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
    • F02B2023/106—Tumble flow, i.e. the axis of rotation of the main charge flow motion is horizontal
    • 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
    • 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
    • F02F2001/244—Arrangement of valve stems in cylinder heads
    • F02F2001/245—Arrangement of valve stems in cylinder heads the valve stems being orientated at an angle with the cylinder axis
    • 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)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Electrical Control Of Ignition Timing (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

본 발명의 내연 기관은 연소실에 연료를 직접 분사하기 위한 공급 분사기(25)를 갖는 적어도 하나의 연소실(20)을 포함하고, 상기 내연 기관은 상기 연소실 내로 연소 공기를 공급하기 위한 적어도 하나의 밸브식 흡기관(46)을 부가로 포함하고, 상기 흡기관 및/또는 그 밸브(42)는 상기 연소실의 단부 가스 구역에서 연료의 과희박을 감소시키기 위해 상기 연소실 내로 공급되는 흡기의 저 실린더 텀블 운동을 생성시키도록 배치된다. 상기 공급 분사기(25)는 상기 연소실 내로 가스에 동반된 연료를 공급하도록 되어 있고, 특히 분무 안내 연소를 위해 상기 연소실 내에 성층 급기를 생성하도록 되어 있는 가스 보조 직접 실린더 연료 분사기이다. 밸브식 흡기관은 흡기 포트 밸브 상승값의 전체 범위에 걸쳐 2.0 미만, 바람직하게는 1.5 미만, 가장 바람직하게는 흡기 밸브 상승의 상당 부분에 걸쳐 1.0 미만인 실린더 흡기 공기 텀블비를 제공하도록 배치된다. 따라서, 내연 기관의 성층 제어가 개선될 수 있다.

Description

내연 기관 및 제어{Internal combustion engines and control}
직접 분사 가솔린 엔진 기술은 출력 밀도 및 비용의 관점에서 자동차 가솔린 엔진이 오늘날 제공하는 것에 대하여 적은 타협으로, 연료 소모를 감소시키는 잠재적 가능성으로 인해, 점증적으로 대중화되고 있다. 후술된 본 발명에 대한 보다 양호한 이해를 제공하기 위해서, 다른 유형의 연료 분사 및 연소 시스템에 대하여 약간의 배경을 설명한다.
연료를 카브라이징(carburising)하기 위해 연소실의 흡기 밸브 바로 뒤의 흡기 매니폴드내로 분사시키는 종래의 연료 분사(FI) 엔진(매니폴드 분사 또는 PFI 엔진이라고도 지칭됨)에 비해, 직접 분사(DI) 엔진은 엔진 실린더(즉, 연소실)내로 직접 분사된 연료로 동작한다
"고압 직접 분사(HPDI)" 연료 시스템들은 통상적으로 분사된 연료가 단지 연료만이며, 분사가 고압(통상적으로 50 내지 120bar)에서 수행되는 것들이다. 이들시스템은 연료가 공기와의 혼합을 위해 통상적으로 일정 압력으로 배급 분사기(delivery injector)의 혼합실내로 계량되는 소위 "공기(또는 가스) 보조 직접 분사(AADI)" 연료 시스템과는 대조적이다. 그후, 이 "이중 유체"는 저압(통상적으로 6 내지 8bar)에서 실린더 연소실내로 분사된다.
통상적으로, DI 엔진에서, 연료 분사 또는 배급 디바이스는 실린더 헤드를 통해 연소실을 관통한다. 연소 챔버 축에 대하여 실질적인 축방향 배향을 가지는 연료 배급 방향을 가진 실린더 헤드를 통해 연소실내로 관통하는 분사 디바이스를 구비한 엔진은 중앙 직접 분사 엔진이라 지칭될 수 있다. 연료류를 실질적인 방사 방향으로 배급하기 위해 연소실의 측면내로 관통하는 분사 디바이스를 가지는 엔진은 일반적으로 측면 직접 분사 엔진이라 지칭된다.
연료 점화 소스(예로서, 스파크 플러그)에 관한 연소실내의 연료 분사 출구의 위치 및 HPDI 또는 AADI 같은 채용되는 연료 분사 시스템의 유형은 흡기 포트를 통해 공급되는 연소 공기와 연료의 적절한 혼합을 보증하기 위한 비급기(specific-charge) 운반 메카니즘의 선택과, 연소실내의 공연 혼합물의 점화에 영향을 미친다.
첨부 도면중 도 1은 매우 단순 및 개략적인 방식으로, 4행정 내연 가솔린 엔진(5)의 실린더내의 급기(즉, 연료 또는 공연 혼합물중 어느 한쪽) 안내의 3가지 상이한 메카니즘을 예시하며, 이 실린더는 10(실린더 헤드 및 실린더 본체)으로 표시되어 있다. 왕복 피스톤(15)은 내부 연소실(20)을 한정한다. 명료성을 위해서, 흡기 및 배기 밸브는 도 1에서 생략되어 있지만, 실린더 헤드(10)내의 그 상대적배열과, 연소실(20)로부터 볼때의 그 위치는 널리 공지되어 있으며, 6 밸브 실린더 헤드 유형에 대하여 도 6에 도시되어 있다. 스파크 플러그(30)는 실린더(10)의 중앙축에 근접하게 스파크 간극을 가지고 배열된다. 직접 연료 분사기는 다른 위치들, 즉, 중앙 또는 측면 분사 엔진 배열에서 25로 도시되어 있다.
"분무 안내식"(직접 분사) 연소 시스템에서, 분사기는 통상적으로 스파크 플러그 간극에 연료 분무를 안내하여 스파크 플러그 간극에 연료를 운반하기 위한 이차 메카니즘에 대한 의존성을 최소화하도록 위치 및 배열된다. 도 1에서, 이 시스템 배열은 중앙 분무 안내식 유형으로 이루어진다. 한편, 소위 "벽 안내식" 연소 시스템은 피스톤 보울(bowl)과 분사된 연료의 상호 작용 및/또는 실린더내의 공기 운동 같은 이차 메카니즘에 의해 플러그 간극으로의 분사된 연료의 운반을 제공한다. 소위 "급기 운동 또는 공기 안내식" 시스템에서, 스월 및/또는 텀블(tumble) 운동을 통해 점화 영역을 향한 상기 연료의 운반을 달성하기 위해, 흡기 포트(들)를 통해 연소실내로 도입하는 공기의 운동이 사용된다.
급기 안내식 및 벽 안내식 운반 방법들 양자 모두의 결과는 카브레이팅된 급기의 생성을 위해 연료의 준비 시간이 보다 길어진다는 것이다. 이는 통상적으로 AADI 분사 시스템에 비해, 단일 유체 분사 시스템에서 그러하다. 이 보다 긴 준비 시간은 HPDI 시스템에서 특히 중요하며, 그 이유는 이런 시스템에서, 분사된 유체가 연료 뿐이며, 공연 "구름", 즉, 카브레이팅된 급기를 실린더내에 생성할 필요가 있기 때문이다.
최신 가솔린 직접 분사 엔진은 일반적으로 연소실내의 연료의 비균일 분포를생성하는 것을 시도한다. 이 비균일 분포는 일반적으로 성층 급기라 지칭되며, 일반적으로, 특정 부하 상태 동안 연소실의 일 영역이 연소실의 나머지에서 보다 큰 연료 농도를 가지는 것을 의미한다. 이 형태로 동작하도록 적응된 엔진은 통상적으로 성층 급기 엔진이라 지칭된다. 성층 급기 엔진은 이론적으로 보든 부하 조건하에서 점화 이전에 연소실 전체의 공기 및 연료의 균일한 혼합물을 달성하려하는 균질 급기 엔진(예로서, 메니폴드 분사식 엔진은 일반적으로 균질 급기 엔진임)의 공연비 한계로부터 자유롭다. 반대로, 통상적인 성층 급기 엔진은 저속 및 저부하 조건에서 성층 급기로 동작하며, 보다 높은 속도 및 부하 조건에서 균질 급기로 동작한다.
중앙 분사식 연료 배급 시스템을 가진 엔진에 성층 급기를 생성하기 위해서, 분사 디바이스는 통상적으로 균질 급기를 생성하기 위해 필요한 분사 시기에 비해 연소사이클의 보다 늦은 지점에서 연소실내로 연료 분무를 분사하도록 시기설정된다. 사이클의 보다 늦은 지점에서 분사함으로써, 연료 분무는 연소실내의 흡기 공기와 혼합하기 위한 제한된 량의 시간을 가지며, 공기 및 연료의 성층 급기를 초래한다. 한편, 균질 급기는 분사 디바이스에 의해 분사된 연료 분무가 흡기 공기와의 혼합을 위한 충분한 시간을 가지며, 그에 의해, 연소실내에서 공기와 연료의 균질 혼합물(즉, 카브레이팅된 연료)을 형성하도록 연소 사이클의 상대적으로 보다 이른 분사에 의해 생성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 직접 분사(DI) 엔진의 서브셋(sub-set)은 "분무 안내식" 직접 분사 연료 연소 시스템을 포함한다. 이런 엔진에서, 통상적으로 스파크 플러그인 연료 점화 디바이스에 긴밀하게 근접하여 연소실내로 관통하도록 연료 분무가 유출되도록, 분사 디바이스 출구가 위치되어 있다. 분무 안내식 직접 분사 연료 연소 시스템은 중앙 분사식으로 이루어질 수 있다. 따라서, 중앙 분사 분무 안내식 엔진이 성층 급기를 생성할 때, 이 성층 급기는 중앙에 위치된 분사 디바이스로부터의 분무가 점화 디바이스를 통과할 때, 점화 디바이스에 의해 점화될 수 있다. 통상적인 시기는 연소가 이루어질 때 분사 디바이스 출구가 폐쇄되도록 분무의 미부(tail)를 점화시키려 한다. 즉, 분무 안내식 시스템은 "벽 안내식" 및 급기 운동/공기 안내식" 시스템에서 일반적인 바와 같이, 제 2 수단의 사용에 의해 분사 디바이스로부터 점화 디바이스로 연료 분무를 운반하지 않는다. 따라서, 점화는 분사 디바이스에 의해 배급된 연료 분무의 직후에 이루어진다. 그러나, 분무 안내식 연소 시스템의 단일 유체 구현과 연계된 주된 문제점들 중 두가지는 스파크 플러그 내구성 및 연소의 열악한 강인성(robustness)을 초래하는 급준한 공연비 구배이다. 이들 단점들은 분무 안내식 시스템에 대한 그 응용을 허용하는 AADI 연소 시스템에 의해 크게 회피된다. 그러나, AADI 분무 안내식 시스템에서도, 엔진 유출 가스내에의 배기물 존재 레벨은 분무 안내식 시스템이 여전히 연료내의 탄화수소의 불완전 및/또는 부분적 연소를 생성할 수 있다는 것을 보여준다. 그러므로, 고가의, 또는, 비경제적 촉매법을 회피하기 위해서, 보다 엄격한 배기물 규제들에서, 엔진 배출 배기물들을 감소시킬 필요가 있다. 또한, 개선된 연소를 통한 개선된 연료 경제학에 대한 필요성도 존재한다.
성층 급기 엔진은 일반적으로 균질 급기 엔진 보다 연료 소모 이득을 가진다. 그러나, 성층 급기는 연소실 전체로서 볼 때, 희박 공연비를 가지기 때문에, 일반적으로 다양한 엔진 동작점에서 성층 급기 엔진에 의해 방출되는 질소 산화물(NOx)의 레벨이 비견할만한 균질 급기 엔진에서 보다 높다는 것이 발견된다. 따라서, 분무 인내식 직접 분사 연료 시스템을 성층 방식으로 동작시키는 것은 일반적으로 예상되는 엔진 배출 배기물들을 추가로 열화시킬 잠재적 가능성을 가진다.
성층 급기 엔진은 일반적으로 연소실에 배급된 연료의 양이 흡기 매니폴드에 의해 연소실에 배급된 공기의 양에 무관한 "연료-주도(fuel-led)" 제어 전략이라 지칭되는 상태로 동작할 수 있다. 이는 엔진 토크 및 부하가 직접적으로 엔진에 배급된 연료의 양에 비례하게 한다. 대조적으로, 통상적인 균질 급기 엔진에서는, 엔진에 배급되는 연료의 양이 스로틀 각도에 의해, 따라서, 연소실로의 기류에 의해 규정된다. 따라서, 이런 제어 전략들은 "공기-주도(air-led)" 제어 전략이라 지칭된다.
통상적으로, "연료-주도" 제어 전략은 전체적으로 볼 때, 연소실이 공기와 연료의 희박 혼합물을 갖도록 연소실에 충분한 연료를 제공한다. 그러나, 연료가 연소실의 특정 영역에 국지화되기 때문에, 이 영역은 자체적으로 실질적으로 점화가능하며, 그래서, 균질 급기 엔진에서 지나친 희박 공연 혼합물의 점화 및 연소와 연계된 문제점들 중 일부가 저감, 바람직하게는, 문제시되지 않거나, 전부 소거되게 된다.
효과적 연소에 영향을 미치는 다수의 변수들 및 엔진 동작/부하의 소정 영역에서 그 특유의 장점을 가지는, 상술한 연료 분사 및 연소 시스템의 상이한 유형들에 관련하여, 시스템의 선택은 여전히 불명료하다. HPDI 및 AADI 시스템들 양자 모두에 관해, 벽 또는 급기 운동 안내 시스템 및 제트 또는 분무 안내 시스템들에 대해 연구가 지속되고 있다. 1999년 비엔나 모터 심포지움에서의 니에퍼 HG(Niefer HG) 등의 "DI 가솔린 엔진 : 쿼 바디스-어디로가나?"와, 1993년 비엔나 모터 심포지움에서의 프라이들 GK(Fraidl GK) 등의 "가솔린 직접 분사-EURO4를 위한 저 연료소모" 같은 최근 연구들은 직접 분사식 자동차 가솔린 엔진을 위한 가장 잠재적 가능성을 가진 것으로서 분무 안내식 연소 시스템을 지적하였다. 그러나, 마찬가지로, 이들 최근 두 문헌들은 배기물 제어에 관련한 소정의 영역들도 지적하였다(상기 참조). 상호참조식으로 본 명세서에 통합되어 있는 이들 두 문헌들을 참조하기 바란다.
본 발명은 직접 분사식, 불꽃 점화식 내연 기관, 특히, 포핏형 흡기 및 배기 밸브를 구비하면서 분무 안내식 연료 분사 시스템, 특히, AADI 분무 안내식 연료 분사 시스템을 사용하는 가솔린 4행정 엔진의 부가적 개선에 관하여 파악된 필요성의 관점에서 창안된 것이다. 본 발명은 특히 분무 안내식 연료 분사 시스템의 실린더 연소실내의 성층 급기의 억제 및/또는 동작에 영향을 미쳐서 4행정, 불꽃 점화식 성층 운전 엔진의 연료 소모 및 배기물 레벨에 능동적으로 영향을 미치는 메카니즘들에 관련한 것이다.
본 발명은 직접 기통내(DI) 연료 분사 시스템을 사용하는 불꽃-점화식 내연 기관, 특히, 공기 보조 분사(AADI) 시스템이라 지칭되는 분무 안내식 시스템 및 이중 유체 분사 시스템에 관한 것이며, 또한, 이런 내연 기관 및 특히, AADI 가솔린 연료 분사 시스템을 사용하는 4행정 기관의 제어에 관한 것이다.
도 1은 세가지 공지된 유형의 직접 기통내 분사 연소 시스템들, 즉, "분무/제트 안내식", "벽 안내식" 및 "급기 운동/공기 안내식"을 사용하여, IC 엔진의 연소실내의 급기(연료-공기)안내의 메카니즘을 개략적으로 예시하는 도면.
도 2는 본 발명을 구현하는 직접 분사 엔진에 사용될 수 있는 통상적인 공기 보조, 직접 연료 분사기를 개략적으로 예시하는 도면.
도 3은 도 2의 분사기를 사용하여 엔진에 연료를 공급하는 직접 분사 이벤트의 기간에 걸친 연료 질량 플럭스 프로파일을 도시하는 그래프.
도 4는 도 2의 분사기를 사용하여 연소실내로 분사된 급기의 관통율의 그래프.
도 5는 도 2의 공기 보조 연료 분사기를 사용할 때, 통상적인 저 부하 연료공급 이벤트를 위한 드롭릿(droplet) 크기 분포를 도시하는 그래프.
도 6은 흡기 및 배기 포트, 스파크 플러그 및 중앙 분사형 직접 기통내 연료 분사기의 배열을 예시하는, 연소실 내측으로부터 볼 때의 4밸브 단일 실린더 헤드(10)의 개략적인 평면 저면도.
도 7a 및 도 7b는 도 6의 Ⅶ-Ⅶ선을 따라 취한 개략적인 종단면도로서, 도 7a는 저 텀블 흡기 포트/흡기 매니폴드 덕트 구조와, 도 7b에 예시된 고 텀블 흡기 포트 배열에 대한 그 구조를 도시하는 도면.
도 8은 저 및 고 텀블 흡기 포트들을 위한 텀블 유동 측정값을 나타내는 그래프.
도 9는 연료 소모 및 HC 배기물에 대한 텀블 운동의 효과를 예시하는 그래프.
도 10은 상이한 레벨의 텀블 운동들에 대한 점화 시기 및 연소 기간을 나타내는 그래프.
도 11은 상이한 레벨의 텀블 운동에 대한 1500rpm, 2.0bar IMEP에서의 엔진의 질량 분율 연소 프로파일을 나타내는 그래프.
도 12는 2000rpm, 3.0 bar IMEP에서의 점화 시기에서 연료 소모 및 배기물의 변화를 나타내는 그래프.
도 13은 2000rpm, 3.0bar IMEP에서의 점화 시기에 대한 연소 안정성 및 매연 레벨을 나타내는 그래프.
도 14는 2000rpm, 3.0bar IMEP에서 상이한 점화 시기에 대한 질량 분율 연소 프로파일을 나타내는 그래프.
도 15는 2000rpm, 3.0bar IMEP에서의 점화 시기에서 연료 소모 및 배기물의 변화를 나타내는 그래프.
도 16은 2000rpm, 3.0bar IMEP에서의 점화 시기에 대한 연소 안정성 및 매연 레벨을 나타내는 그래프.
도 17은 2000rpm, 3.0bar IMEP에서의 상이한 점화 시기에 대한 질량 분율 연소 프로파일을 나타내는 그래프.
도 18은 2000rpm, 3.0bar IMEP에서의 EGR 레벨에서 연료 소모 및 배기물들의 변화를 나타내는 그래프(점화 및 분사 시기 불변).
도 19는 2000rpm, 3.0bar IMEP에서의 EGR 레벨에 대한 연소 안정성 및 매연 레벨을 나타내는 그래프(점화 및 분사 시기 불변).
본 발명의 첫 번째 양태에 따라서, 연소실 내로 연료를 직접 분사하기 위한공급 분사기를 구비한 적어호 하나의 연소실을 포함하는 내연 기관이 제공되고, 상기 엔진은 흡기 공기의 저 텀블 흡기 포트를 제공하도록 배열되는 적어도 하나의 흡기 공기 덕트 및/또는 밸브를 부가로 포함하고, 상기 연소 공기의 상기 낮은 기통내 텀블 가스 운동은 상기 연소실의 단부 가스 영역들에서 연료의 과희박화(over-enleanment)를 감소시킨다.
양호하게는, 흡기 포트에서 종결되는 흡기 공기 덕트는 상기 포트를 선택적으로 폐쇄하는 포핏형 밸브의 헤드 바로 뒤 및 그를 지나친 영역에서, 기류 패턴을 생성하도록 배열되며, 그에 의해, 벌크 공기 운동에 반대되는 상기 저 텀블 가스 운동이 연소실내에 생성되는 것이 적합하다.
양호하게는, 상기 흡기 공기 덕트는 흡기 포트 밸브 시트의 부근의 근접 상류에서 흡기관의 작은 곡률 반경을 회피하도록 형성되는 것이 적합하며, 이렇게 하지 않으면, 상기 연소실내에 텀블 가스 운동을 초래하는, 상기 흡기 포트를 통해 연소실내로 배급된 연소 공기의 기류 벡터의 생성에 기여하게 된다. 왕복형 엔진에서, 실린더 축에 대해 실질적인 방사상 배향을 가지는 기류 벡터는 실린더내의 이런 텀블 기류에 현저히 기여하는 것으로 믿어진다. 밸브 시트를 지나는 연소실내로의 기류는 상기 흡기 포트를 통한 기류을 규제하는 포핏형 밸브 헤드의 후방측을 지나친, 보다 균등하게 분포된, 축방향 기류를 생성하도록 영향을 받는다.
흡기 공기의 이런 낮은 기통내 운동은 정적 실린더 또는 정적 연소실을 달성한다.
연료 분사기는 분무 안내식, 중앙 분사 직접 연료 분사기로서 배열되는 것이적합하다.
상기 연료 배급 분사기는 상기 연소실내로의 가스내에 포획된 연료를 배급하도록 적응되는 것, 예로서, 가스 보조 직접 분사 연료 배급 시스템이 되는 것이 적합하다. 상기 가스내에 포획된 연료는 상기 연소실내에서 성층 혼합물을 나타낸다. 따라서, 엔진은 공기 보조식 유형의 분무 안내식 직접 분사 연료 배급 시스템으로 동작하도록 배열된다.
흡기 공기의 저 기통내 운동은 저 기통내 운동이 분사된 공기에 포획된 연료의 성층 급기들과, 흡기 공기 사이의 혼합도를 감소시키기 때문에, 4행정 내연 기관의 성층 동작에 특히 적합하다. 흡기 공기와 연료의 혼합은 연소실내에 그 내부의 연료가 점화되기에는 너무 희박한 영역을 유발하여, 보다 높은 탄화수소 배기물을 초래한다.
이 방식으로, 본 발명을 구현하는 엔진은 보다 낮은 배기물을 달성할 수 있고, 따라서, 보다 양호한 연소 안정성이 달성된다.
놀랍게도, 내연 기관의 "저 텀블" 흡기 포트/흡기 포트 덕트 구조를 제공하는, 상술한 H.G 니에퍼 등 및 H 엔레스 등으로부터 벗어나지 않고, 분무 안내식 중앙 분사형의 직접 기통내 연료 분사 시스템인 불꽃 점화 엔진은 "고" 텀블 포트 구조보다 현저한 진보를 가진다는 것이 발견되었다. 또한, 본 발명의 조합은 비교적 지연된 점화 시기 윈도우의 구현을 허용하며, 이는 연소 프로세스의 개선된 열 효율(즉, 보다 적은 연료 소모)과, 잠재적으로 감소된 배기물 레벨을 가능하게 한다.
따라서, 본 발명은 엔진의 흡기 매니폴드로부터 연소실내로 인도되는, "저텀블 흡기 포트"를 구비하는, 소위 분무 안내식, 중앙 직접 분사 연료 배급 시스템을 가진 성층 급기 엔진에 양호하게 응용될 수 있다.
IC 엔진의 실린더내의 흡기 공기의 회전 속도의 척도이며, 평균 실린더 공기 속도에 대한 이 회전 속도의 비로서 표현된다. 여기서 사용되는 바와 같은 파라미터 텀블은 SAE 기술 시리즈 논문 제 920516의 엔드레스 H(Endres H) 등의 "다중 벨브 SI 엔진의 경제학 및 배기물에 대한 스월 및 텀블의 영향"에 설명된 기술에 따라 측정된다.
"저 텀블", 즉, 2.0 미만의 텀블비율이 중앙 분무 안내 모드의 AADI를 통해 분사된 성층 급기의 과희박화를 감소시키는데 특히 유리한 것으로 판명되었다. "저 텀블"라는 표현은 포드(Ford) "제텍(Zetec)" 엔진 같은 진보된 PFI 엔진의 제조 버전의 전형인 텀블 비율에 관련하여 여기서 사용된다. 후자의 경우에, 이런 엔진에서, 9mm 흡기 밸브 리프트에서 3과 4 사이의 최대 텀블 비율이 측정된다. 또한, PFI 엔진을 위한 이들 값들은 4.0이 넘는 텀블 비율들이 측정되는 벽 안내식 직접 분사 연료 배급 시스템을 사용하는 생산 및 포핏형 엔진에 비할 때 "낮은" 것으로 간주될 수 있다.
본 발명에 따라서, 엔진 실린더들에 급기 공기 및/또는 흡기 밸브 시트를 공급하는 공기 흡기 매니폴드 라인 및/또는 흡기 밸브 시트는 흡기 포트 밸브 리프트 값의 전체 범위에 걸쳐 약 2.0 이하의 기통내 텀블 비율을 보증하도록 설계되는 것이 적합하다. 이런 텀블 비율은 엔진 분사기 연소가 연료 소모의 현저한 개선 및 4.0 근방 또는 그 이상의 텀블비율을 가지는 비견할만한 기반 엔진 보다 NOx 값을감소시키는 것을 허용한다.
실린더 헤드의 형상적 구속, 예로서, 흡기 포트/밸브 시트의 근방의 흡기 공기 덕트의 굴곡 반경을 변경하기 위해 가용한 공간과, 고 부하에서의 다른 엔진 동작 구속에 따라서, 저 텀블 흡기 포트는 전체 밸브 리프트 범위에 걸쳐 1.50 이하의 평균 텀블 비율, 보다 바람직하게는, 흡기 밸브 리프트의 대부분에 걸쳐 1.0 주변의 평균 텀블 비율을 갖는 것이 적합하다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 양호한 구현은 분무 안내식 성층 급기 직접 연료 분사기와 조합한 저 텀블 흡기 포트 구조를 가지는 엔진이며, 그 이유는 이 조합이 적어도 성층 조건하에서 점화 시기를 변경할 수 있고, 그에 의해, 점화가 고 텀블 흡기 포트를 가지는 동일 엔진 배열에 비해 압축 행정의 "보다 이른 시기", 즉, 상사점 이전(BTDC)의 감소된(크랭크축) 각도에서 이루어질 수 있기 때문이다.
비록, 400RPM 내지 3600RPM의 엔진 속도 범위에 걸쳐 보다 통상적인 점화 시기의 범위가 10°내지 35°BTDC이지만, 성층 급기 중앙 분사 분무 안내식 엔진은 엔진 부하 및 속도 범위에 걸쳐 5°내지 40° BTDC의 범위의 점화 시기로 동작할 수 있다는 것이 판명되었다. 또한, 1 bar IMEP 내지 6 bar IMEP(여기서 IMEP는 평균 유효 압력을 나타냄)의 엔진 부하 범위에 걸쳐 10° 내지 35° BTDC의 점화 시기가 사용될 수도 있다는 것이 판명되었다. 대안적인 실시예는 400RPM 내지 3600RPM과 1bar IMEP 내지 6 bar IMEP의 엔진 속도 및 부하 범위에 걸쳐 10°내지 35° BTDC의 점화시기를 사용할 수 있다.
본 발명의 제 2 양태에서, 상기 엔진의 연소실에 상기 공기 분배 시스템에 의해 분배된 연소 공기의 저 실린더 텀블 운동을 생성하도록 배열된 연소 공기 분배 시스템을 갖는 형태의 성층 급기식 중앙 분사 분무 안내식 불꽃 점화 내연 기관의 작동 방법이 제공되고, 상기 급기의 점화는 한정된 엔진 속도 및 부하 범위에 걸쳐 엔진의 압축 행정의 상사점 이전에 5° 내지 40°의 범위에서 발생하도록 시기설정된 연소실 내로 분배되는 연소 공기 및 연료를 포함한다.
연료 소비 및 배기 가스 방출 레벨이 관계되는 한 엔진의 성층식 연소 작동이 유리한 통상적인 부하 및 속도 범위는 400RPM 내지 3600RPM 이고, 1 내지 6 bar IMEP 이다.
또한, 저 텀블 밸브식 포트 덕트 및 AADI 연료 분사기의 상술한 조합은 예로서, 배기 가스 재순환(EGR), 특정 엔진 부하 조건 동안 이중 유체 분사기의 분사 압력 제어, 지정된 엔진 부하 조건 동안 산소 또는 질소 같은 선택된 양의 가스로 AADI 분사기에 제공된 가스를 농후화시키는 것 같은 연료 연소를 개선시키기 위한 및/또는 배기 배기물 레벨을 감소시키기 위한 다른 조치 및, 여기에 정확하게 언급되지 않은 다른 조치들을 가지는 엔진에 조합될 수 있다. 예로서, SAE 논문 980153 "다기통 자동차 직접 분사 4행정 엔진에 적용된 오비탈의 연소 프로세스의 연소 및 배기물 특성"은 엔진의 부하 조건을 나타내는 변수들의 함수로서, 또는, 연료 압력의 함수로서 분사기내의 공기 압력을 규제하기위한 가능한 메카니즘의 개요를 설명한다. US 특허 5,207,204(제팬 전기 제어 코포레이션)는 공기 보조 연료 분사 시스템에 관한 것이며, 여기서는, 상이한 (최적) 압력 레벨이 분사 사이클 동안 유지되도록 연소실 압력의 변화에 응답하여 공기 압력이 제어된다. 유사하게, 제프리 캐스카트(Geoffrey Cathcart) 및 크리스티앙 자비어(Christian Zavier)의 SAE 논문 00P-245 "4행정 자동차 가솔린 엔진에 적용될때의 공기 보조 직접 분사 연소 시스템의 기본 특성"은 분사 압력, 분사 가스 조성 및 EGR 레벨이 급기 성층화 및 연소 성능에 영향을 미치도록 기능할 수 있다는 것을 개요적으로 설명하고 있다.
특히, 그 내용을 본 명세서에서 상호참조로 통합하고 있는, 마지막에 언급한 SAE 논문에 설명된 조치는 본 발명에 따른 AADI 분사기를 사용하는 급기의 중앙 분사와 조합된 저 텀블 흡기 공기 덕트/밸브의 사용을 통해 제공되는 바와 같은 급기 운동 제어와 연계하여 보다 양호한 엔진 동작 파라미터들을 상호상승 효과적으로 달성할 수 있는 상보적 기술로서 고려된다.
본 발명의 다른 양호한 특성 및 장점들은 첨부 도면을 참조로 제공된 본 발명의 실시예에 대한 하기의 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명은 특정 흡기 포트 유동 특성들이 중앙 직접 연료 분사 시스템들 및 특히 분무 안내식 시스템들이 4행정 불꽃 점화 엔진에 사용되는 경우에, 연소 프로세스에 능동적으로 영향을 미칠 수 있다는 것을 확인한다. 본 발명에 따른 중앙 분무 안내식 연료 분사 시스템과 저 텀블 흡기 포트 엔진의 조합에 의해 제공되는 잠재적 장점들을 구현 및 확인하는 실험적 엔진의 설명이 하기에 주어진다.
직접 기통내 분무 안내식 분사 시스템들은 분사 연료의 양호한 연소를 달성하기위해 공기 보조 직접 분사 연료 시스템을 사용할 수 있다. 공기 보조 직접 분사 연료 시스템들은 다수의 특징적 측면들을 가지며, 이들은 고압에서 연료의 배급에 기초한 단일 유체 직접 분사 시스템에 비해 독창적이다. 가장 명백한 차이는 연소실내로 직접 분사되는 연료와는 별도로 제 2 유체(통상적으로 공기)를 추가하는 것이다. 이 제 2 유체의 압력, 조성 및 양은 엔진의 동작에 영향을 미친다. 밸브식 흡기 포트를 통한 연소실 내로의 연소 공기 유동은 스파크 플러그에서 점화 영역의 근방에 이중 유체(공기-연료) 분무 안내식 연료 시스템에 의해 분사된 연료 구름의 성층 및 억제에 영향을 갖는 것으로 판명되었다.
도 2는 통상적인 공기 보조식, 직접 연료 분사기를 예시한다. 공기 및 연료 회로들과 분사기들 사이의 경로를 제공하는 인터페이스 영역을 가지는, 종래식 다중 지점 포트 연료 분사기 및 공기 분사기를 통합하는, 외향 개방 직접 분사기(또는 급기 분사기)가 도시되어 있다. 이 종래의 포트 분사기는 통상적으로 8bar의 일정한 차압을 가지고 동작하는, 연료 계량 기능을 제공한다. 계량된 연료는 인터페이스 영역에서 공기와 조합되고, 연료 및 공기로 구성된 이 급기는 이어서, 통상적으로 6.5 bar 계기압으로 직접 분사기에 의해 엔진의 실린더에 의해 제공된 연소실내로 분사된다. 연료 계량이 직접 분사 이벤트로부터 분리되기 때문에, 직접 분사 이벤트의 시기 및 기간은 실린더내로 분사된 연료의 양에 반드시 독립적이어야만 한다. 따라서, 직접 분사 기간의 증가는 분사된 연료의 양을 증가시키지는 않지만, 단순히 공기 분사의 양을 증가시키고, 그에 의해, 분사된 연료의 분사된 공기와의전체 희석도가 증가된다. 개별적 연료 계량은 또한, 직접 분사 이벤트 전체에 걸쳐 분사된 연료의 질량 플럭스의 변화를 초래한다. 즉, 직접 분사 대 시간을 통한 연료의 일정 질량 유량비가 존재하지 않는다.
직접 분사 이벤트 동안 배급된 연료의 비율은 총 직접 분사 기간 및 직접 분사 이벤트의 시작과 연료 계량 이벤트의 종점 사이의 지연의 변경에 의해 변경될 수 있다. 도 3은 직접 분사 이벤트 기간에 걸친 연료 질량 플럭스 프로파일을 도시한다. 이 유형의 프로파일은 통상적으로 공기 보조 연료 시스템이며, 분사 이벤트의 종점을 향한 비교적 연료 희박 혼합물 분사를 초래한다. 이는 점화 시기 부근의 공기/연료 비율 구배를 극적으로 감소시켜 개선된 강인성을 초래하는 공기 보조 분사 시스템의 특성이다.
공기 보조 연료 분사 시스템은 60 내지 200bar 사이에서 동작하는 현재 및 미래의 단일 유체 시스템에 비해 최소 6.5bar(계기)의 비교적 낮은 압력에서 동작한다. 이 낮은 분사 압력은 연료가 분사되는 실린더 압력에 의해 관통율이 크게 영향을 받는다는 것을 의미한다. 실린더 압력이 증가됨에 따라, 관동율은 감소된다(도 4 참조). 높은 실린더 압력에서의 낮은 관통율은 압축 행정에서 늦은 분사 발생을 가지는 성층 급기의 양호한 구속을 가능하게 한다. 이 낮은 분사 압력에서, 공기 보조 분사기는 이런 분사 시스템의 양호한 작은 드롭릿 크기 특성을, 주로 연료 드롭릿 전단을 통해 발생시킨다. 도 5는 약 10㎛의 SMD에서, 통상적인 저 부하 연료 공급 이벤트를 위한 드롭릿 분포를 도시한다. 공기 보조 연료 분사 시스템의 동작에 대한 보다 상세한 설명은 그 내용이 본 명세서에 참조로 통합되어 있는 휴스톤 R 등의 SAE 980153 "다기통 자동차 직접 분사식 4행정 엔진에 적용된 오비탈의 연소 프로세스의 연소 및 배기물 특성"에 제공되어 있다.
우세한 기통내 유동 필드는 직접 분사 연소 시스템을 통해 공급된 급기의 연료 분무 기둥(plume)의 상태 및 후속 점화성에 영향을 미친다. 분무 안내식 연소 시스템과 조합된 저압 공기 보조 직접 분사 시스템에서, 분사된 급기는 스파크 플러그 간극 위치를 목적지로 한다. 이 분무 기둥은 낮은 관통율 및 피스톤 보울 설계를 통해 스파크 플러그 간극의 근방에 위치된다. 본 발명은 급기 운동 안내식 직접 분사 연소를 위해 사용될 때, 텀블 또는 스월 같은 보다 높은 평균 유동 속도 구조에 대한 필요성이 분무 안내 시스템에 불필요할 수 있다는 자각으로부터 창안된 것이다. 과도한 기통내 평균 유동은 실제로 유해할 수 있으며, 분무 안내식 시스템내의 분사 연료 구름, 특히, 미세 분무화 분사 연료 혼합물의 과혼합을 유발하고, 따라서, 중앙 분무 안내식 분사기 시스템을 통해 제공된 성층 급기의 완전한 연소의 열화를 초래할 수 있는 것으로 믿어진다.
연소실내의 "저 텀블"이라 명명되는 상태를 달성하기 위해 도움이되도록 연소실내로의 공기 배급을 제공하도록 변형된 공기 흡기 매니폴드 라인을 구비한 4행정 불꽃 점화식 엔진과, 중앙 직접 분사 분무 안내식 연료 시스템의 양호한 조합을 입증하기위해 단일 실린더 연구용 엔진을 사용하여 테스트가 수행되었다. 이 테스트를 위해, 공기 보조 분무 안내식 직접 분사 연소 시스템은 포드 제택 엔진에 기초한 4V DOHC 실린더 헤드에 통합되었다. 전향 텀블이 이 유형의 실린더 헤드 배열을 위한 우세 흡기 유도 유동이되는 것으로 평가되기 때문에, 상이한 흡기관/포트변형들이 이루어지고, 상이한 레벨의 텀블을 생성하도록 테스트되었다.
기본 엔진 제원은 하기의 표 1에 나열되어 있다. 하기에 제공된 모든 결과에 대하여, 따로 언급되지 않는 한 엔진의 제원은 이와 같다.
단일 실린더 엔진 제원
배기량 497cc
보어 84.8mm
행정 88.0mm
압축비 10.7:1
흡기 포트 구조 저 텀블, 무 스월
밸브 배열 4밸브 DOHC
내포 밸브각 40.0도
직접 분사기 시너젝트 파트 #37x-115(100deg 노즐 시트 각도
연료 계량 분사기 지멘스 데카 II
공기 분사 압력 6.5 bar 계기
연료 분사 압력 8.0 bar 계기
사용된 연소실 형상은 이중 유체 분무 안내식 연소 시스템을 사용하는 실린더당 4밸브 연소실을 위한 통상적인 응용예의 대표적인 것이며, 연소실의 중앙 부근에서 4밸브 사이에 위치된 스파크 플러그 및 분사기와, 실린더 보어 축에 평행한 직접 분사기 축을 가진다. 스파크 플러그 간극은 직접 분사기 노즐 출구의 근접 근방에 위치되며, 스파크 플러그 간극을 통과할 때, 공연 혼합물을 직접 점화하기 위한 수단을 제공한다. 이 배열은 특히 도 1 및 도 6과 도 7로부터 볼 수 있다.
도 6은 연소실 내부부터 본, 4 밸브, 단일 실린더 헤드(10)의 개략적인 평면 저면도이며, 여기서 도면 부호 35는 각각의 포핏 밸브에 의해 폐쇄된 두 개의 출구 포트를 나타내며, 40은 흡기 포트를 나타내며, 25 및 30은 각각 연료 분사기(25) 및 스파크 플러그 위치를 나타낸다. 도 7a 및 도 7b는 도 6의 선 VII-VII을 따른종방향 개략 단면도이며, 그의 헤드(43)가 포트 개구(40)에서 밸브 시트(44)로부터 상승되어 있는 흡기 포트 포핏 밸브(42) 중 하나를 도시하며, 흡기 매니폴드관(46)은 연소실(20)과 연통한다.
도 7a는 저텀블 흡기 포트/ 흡기 매니폴드관(46) 구조 및 도 7b에 도시한 고텀블 흡기 포트 배열에 대한 그 구조를 도시한다. 저텀블 구조는 상이한 구성(배열) 방법에 의해 성취될 수 있으며, 단독적으로 또는 연소실(20) 내의 가스 유동의 텀블의 조합 효과로 취할 수 있다. 이러한 방법은 공지된 바와 같이, 흡기관(46) 내의 흡기 포트(40)의 직상류에 저난류 기류를 제공하는 단계와, 기류 분포가 포핏 밸브 헤드(43)의 후방을 지날지라도 밸브 헤드(43) 및 그 시트(44)에서 유동 교란을 감소시키는 단계와, 기류가 밸브 시트(44)를 지나 지향되는 방향을 작용하는 단계, 및 흡기관(46) 등의 형상을 변경하는 단계를 포함한다.
시험을 위해, 흡기관의 기하하적 형상의 변경이 수행되었다. 도 7a 및 도 7b에서, 화살표 "l" 및 "h"는 저텀블 및 고텀블 구조로 존재하는 흡기 포트(40)를 지나는 전형적인 가스 유동 경로를 나타내는데 사용된다. 도 7a의 저텀블 구조에서의 화살표 "l"은 밸브 부재(42)의 밸브 헤드(43)를 지나 존재하도록 요구되는 연소실(20) 내로의 거의 균일한 축방향 하향 가스 유동을 나타낸다. 흡기 중의 반경방향 지향 유동 성분의 감소는 대응 연소실 내의 저텀블 가스 운동과 관련된 균일한 가스 유동을 성취할 수 있다. 이러한 균일한 가스 유동은 흡기 포트(A1)의 상류의 흡기관(46)의 내경(ri) 및 외경(ra)을, 실린더 헤드 내의 공간 규제에 의해 규정될 수 있는 종래의 도관 궤적의 대응 내경[ri(h)] 및 외경[ra(h)] 보다 크게 증가시킴으로써 성취될 수 있다. 이러한 큰 반경들(ri, ra)은, 고텀블 포트 구조와 관련되며 이에 의해 나타나는 통상의 보다 작은 반경들에서 발생하는 가스 유동 분리와 비교할 때, 이러한 만곡된 부분들에 인접한 도관 벽에서의 가스 유동 분리의 실질적인 감소 또는 방지를 위해 충분한 크기로 선택된다. 이러한 기류 분리는 도 7b에 가스 유동 화살표 "hi"로 나타낸다. 포트 개구를 지나는 공기의 배제에 앞선 도관 벽의 안내 기능의 결여에 기인하는, 포트 위치(40)에 인접한 도관(46)의 작은 내경에서의 기류의 적합한 방향 변경 수행의 실패는, 밸브 헤드(43)의 후방을 가로지르는 비균일 가스 유동 분포를 초래한다. 달리 말하면, 포트(40)를 지나는 주 기류 벡터는 여전히 반경방향 성분을 포함하여 연소실 내에 텀블 효과를 발생시킨다.
따라서, 저텀블 흡기 포트 장치가 포트(40)[또는 시트(44)]에서의 터미널 단부의 상류에서 직선형 흡기관 섹션을 가짐으로써, 포트를 통하는 가스 유동이, 밸브 헤드가 개방 위치에 있을 때 밸브 헤드(43)를 지나는 균일한 가스 유동을 제공하는 것을 보조하는 축방향 유동 벡터들을 주로 포함하는 방향을 갖도록 보장하는 것이 바람직하다.
AADI 분사기에 의해 연소실로 분사된 성층 급기의 분열을 (가능한 한) 방지하기 위해 연소실 내의 저텀블 가스 운동을 성취하는 것을 보조하도록 다른 방법이 적용될 수 있다는 것은 명백하다.
도 8은 정상 상태 유동 벤치(steady-state flow bench)에서 수행되는 텀블 유동 비교를 도시한다. "저텀블 포트" 배열은 전체 범위의 밸브 상승에 걸쳐 실린더 내의 텀블 유동을 감소시키는 것으로 도시되어 있다. "고텀블" 포트는 다수의 현존하는 PFI 엔진과 유사하며, 이러한 PFI 엔진에 대한 비정상적인 높은 레벨의 텀블을 나타내지 않는다. 시험의 저텀블 포트는 상술한 바와 같이 밸브 헤드의 후방측으로 많은 유동을 지향시키기 위해 흡기 밸브 포트 시트에 인접하여 흡기관의 반경을 증가시킴으로써 가공되었다.
상이한 실린더내 유동 체계에 대한 연소 소비 및 배기물의 영향을 정량화하기 위해 각각의 흡기 포트 구조에 있어서 부분 부하 시험이 수행되었다. 각각의 지점에서, 소정의 NOx 배기 레벨을 위한 최저 연소 소비에 대한 캘리브레이션이 수행되었다. 표 2에는 대응 NOx 및 COV 규제에 의해 시험된 지점을 요약한다.
텀블 비교를 위한 NOx 및 COV 규제
속도(rpm) 부하(IMEP bar) NOx목표(g/kWh) IMEP의 COV(%)
850 1.0 1.9 < 6.0
1500 2.0 1.0 < 4.0
2000 3.0 1.5 < 4.0
도 9는 두 개의 흡기 포트 구조에 있어서의 연소 소비 및 HC 배기물을 도시한다. 결과는 연소 소비는 각각의 부분 부하 지점에서 저텀블 흡기 포트에 의해 감소되지만, HC 배기물은 유지되거나 감소된다. 성취된 연소 소비 감소는 단부 가스 영역의 감소된 과희박 연료에 기인할 수 있다. 이러한 사실의 최적의 지표 중 하나는 저텀블 포트 배열에서 명백한 최적 토크에서의 점화 시기 지연이다.
도 10은 3개의 부분 부하 시험 지점에서의 고텀블 및 저텀블 포트에 있어서의 점화 시기 뿐만 아니라 연소 주기를 비교한다. 모든 경우에, 최적 토크(최소 연료 소비)에 있어서의 점화 시기는 저텀블 포트 결과를 위해 지연된다.
점화 시기 지연의 이유는 연소 주기의 감소로부터 알 수 있는 바와 같이 보강된 연소 속도에 기인한다. 이는 일반적으로 증가된 실린더내 운동을 위한 증가된 연소 속도를 나타내는 균질 상태 운전 수행과 대조된다. 공기 보조 분무 안내식 성층 연소 시스템에 있어서, 분무의 극단에서의 연료의 과잉 혼합의 감소는 연소 작업의 후반에 증가된 연소 속도를 발생시킨다. 실제로, 고텀블 및 저텀블에서의 질량 분율 연소 프로파일을 비교할 때, 저텀블 포트에서의 총 연소 주기의 감소는 주로 80 내지 100% 연료 연소 주기의 감소에 기인한다. 감소된 과잉 혼합은 또한 감소된 HC 배기물에 의해 나타낼 수 있다. 그러나, 이러한 HC 배기물의 감소는 모든 결과에서 명백히 나타나는 것은 아니며, 대신에 HC 배기물은 두 개의 부분 부하 지점에서 비교적 일정하게 유지된다.
이를 설명하기 위해, 점화 시기는 저텀블 포트 결과에서는 지연되며, 단독으로는 이는 탄화수소 배기물(상술한 바와 같이)의 증가를 초래할 수 있다. 따라서, 과희박 연료는 점화 시기 지연과 동일한 HC 배기 레벨을 유지하기 위해 감소될 필요가 있다.
도 11은 1500rpm, 2.0bar IMEP에서 저텀블 및 고텀블에 대한 질량 분율 연소 프로파일을 도시한다. 이는 저텀블 포트에 있어서의 연소 작업의 후반에 증가된 연소 속도를 명백히 나타낸다. 이는 대부분의 연소가 지연된 상태로 연소 프로파일의 우수한 단계화를 발생시킨다.
2중 유체 직접 실린더내 분사 연소 시스템의 강인성이 통상의 부분 부하 캘리브레이션 지점, 즉 2000rpm, 3.0bar IMEP 둘레에 중심을 갖는 파라미터 스캔을 수행함으로써 또한 시험되었다. 상기 지점에 대한 기준선 캘리브레이션은 1.5g/kWh 미만의 지시된 특정 NOx 배기 레벨을 성취하였다. 이러한 낮은 NOx 레벨은 복합 운전 사이클 배기 목표를 만족하기 위해 상기와 같은 속도/부하 지점에서 다중 실린더 및 차량 캘리브레이션에 의해 성취된 것의 전형이다. 표 3은 표준 캘리브레이션 설정 및 이러한 설정으로부터의 기준선 결과를 나타낸다. 하기에 제공된 강인성 시험은 이전에 제공된 결과와는 약간 상이한 직접 분사기로 수행되었다. 상기 분사기는 낮은 NOx 배기를 위해 최적화될 때 연료 소비 관점에서 부가의 장점을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 상기 분사기에 의해, 225g/kWh의 총 지시된 특정 연료 소비에 있어서 1.5g/kWh 미만의 NOx 배기 레벨이 성취되었다.
기준선 캘리브레이션 및 배기 결과
속도(rpm) 2000
부하(IMEP, bar) 3.0
점화 시기(°BTDC) 34
분사 시기 개시(°BTDC) 87
점화 시기 종료(°BTDC) 32
A/F비(:1) 24.6
EGR(%) 40
ISFC(g/kWh) 225
ISHC(g/kWh) 5.0
ISNOx(g/kWh) 1.44
상기 파라미터들은, 개별적으로 즉, 점화 시기, 분사 시기(고정 분사 주기) 및 EGR율에 대해 스캐닝 되었다. 연료 공급을 포함하는 모든 다른 파라미터들은일정하게 유지되므로, 시험 중에 부하의 변동이 발생하였다.
도 12는 특정 연료 소비 및 절대 배기량의 변화 점화 시기의 함수로서 도시한다. 연료 소비에 영향이 거의 없는 15°(BTDC: 피스톤 운동의 상사점 이전)의 점화 시기 영역이 도시되어 있다. 32°BTDC의 점화 시기에 있어서는 연료 소비의 소량의 감소가 존재하며, 34°BTDC의 점화 시기에 있어서의 기준선 캘리브레이션이 약간 진각(advance)되어 있는 것을 나타낸다. HC 및 NOx 배기물은 예기한 바와 같이 점화 시기에 대해 높은 민감도를 나타내는 것을 알 수 있다. 점화 진각이 기준선으로부터 증가되어 있기 때문에, NOx 배기물은 증가된 최대 연소 온도에 기인하여 증가된다. HC 배기물은 점화가 약 6°정도 진각되어 있기 때문에 감소된다. 이 보다 더욱 점화 진각을 증가시키면 또한 HC 배기물의 점진적인 증가를 초래한다. 이는 점화 시기에 대해 점화 지점이 더 이상 최적화되지 않기 때문에 감소된 연소 안정성에 기인한다.
반대로, 점화 시기가 지연될 때, NOx 배기물은 감소되며, HC 배기물은 대응하여 증가된다. HC 배기물의 증가는 연소의 종료점에 인접한 화염 온도의 감소에 기인하며, 완전 연소될 수 있는 희박 한계 A/F비를 감소시킨다. 또한 연료 분무의 분산을 위한 충분한 시간이 존재하여, 연료 구름(fuel cloud)의 극단의 증가된 희박화를 초래한다. 이러한 두 효과는 화염이 효과적으로 소화되는 연료량을 증가시켜 미연소 탄화수소 배기물을 증가시킨다.
도 13은 상이한 점화 시기에서의 IMEP의 COV를 도시한다. 상기 도면으로부터, 약 14°의 크랭크각의 영역이 COV가 4% 미만인 것이 명백하며, 이는 0.12bar미만의 IMEP의 표준 편차에 대응한다.
도 14는 점화 시기의 범위에 대응하는 질량 분율 연소 프로파일을 도시한다. 점화 시기가 지연될 때, 연소 속도는 대부분 80 내지 100% 연료 연소 영역에서 상당히 감소한다.
최적 토크를 지나서 점화 시기를 진각시킴으로써, 90% 연소가 여전히 진각되어 충분한 혼합을 나타낸다. 40°BTDC 보다 진각된 점화 시기에 있어서는, 화염 전방 도달 이전에 혼합 시기의 감소에 의해 매연 레벨이 증가된다. 점화 시기가 진각됨에 따른 연료 소비의 손실은 최대 진각 점화 시기에 있어서 90% 이상의 연료가 TDC 이전에 연소된 상태로 연소 프로파일이 지나치게 진각되어 있기 때문이다. 기준선 질량 분율 연소 프로파일은, 대략 10°ATDC 위치에서 50%의 실험적 표준이 연소되어 있는 MBT 시기를 갖는 통상의 균질 급기 프로파일에 비교할 때 진각되어 있는 것을 나타낸다. 직접 분사에 있어서, 성층 급기 결과가 제공되며, 30 내지 34°BTDC의 점화 시기에 있어서 IMEP의 매우 적은 차이가 존재한다. 34°로부터 30° BTDC로의 점화 시기의 지연은 TDC 이전에 적은 양의 연료가 연소되도록 하지만, 연소된 연료의 최종 20%에 대한 연소 속도가 감소된다. 이러한 두 효과 사이의 총 결과는 특정 연료 연소에 있어서 매우 약간의 변화를 초래한다는 것이다. 점화 진각이 30°BTDC로 감소할 때, 연소 안정성의 중대한 손실 없이 IMEP의 감소가 존재한다. 이는 기준선 캘리브레이션을 위한 점화 시기가 연소 안정성의 규제 없이 최적 토크에 근접하여 설정되는 것을 나타내며, 따라서 대략 10°ATDC 위치에서 50% 연소된 단순한 조건이 최적 연소 단계화의 최적의 지표일 수 없다는 것을제안한다. 점화 시기가 23°BTDC(기준선 캘리브레이션으로부터 10°지연된)로 감소될 때, 연소 안정성은 특정한 점화 실패 상황으로 열화된다.
도 15는 고정 점화 시기를 갖는 점화 개시(SOI) 시기에 대한 특정 연료 소비 및 배기물을 도시한다. 연료 소비는 또한, 분사 시기가 기준선으로부터 분기될 때에만 점진적으로 증가하는 시기의 범위에 걸친 분사 시기의 개시의 변화에 민감하지 않다는 것을 알 수 있다. HC 배기물은 SOI가 지연될 때 비교적 변화하지 않으며, 그러나 SOI가 진각될 때 증가한다.
HC 배기물의 이러한 증가는 연료의 억제의 손실 증가에 기인하며, 연료 구름의 극단의 희박화를 증가시킨다. NOx 배기물은 SOI 시기의 변화에 따라 대략 일정한 레벨로 유지된다.
도 16은 SOI 스캔에 있어서의 안정성 및 매연 레벨을 도시한다. SOI 시기에 있어서의 기준선 캘리브레이션 둘레에 중심을 갖는 20°의 영역이 존재하며, 여기서 IMEP의 COV는 4% 미만이다. 그러나, 매연 레벨은 점화 시기가 지연될 때 증가된다. 지연 점화 시기는 분사 연료의 준비 시간을 감소시켜 더 높은 매연 레벨을 초래한다. 직접 분사기를 가로지른 압력 차이는 분사 시기가 지연될 때 또한 감소되어, 분사 작업의 종료점에 근접하여 더욱 큰 방울 크기로 분사되는 것을 초래한다. 준비 시간의 감소 및 분사 작업의 종료점에 근접하여 분사되는 연료의 증가된 방울 크기는, 분사가 기준선 캘리브레이션 시기를 지나 지연되면 SOI에 매우 높은 매연 레벨 감도를 제공하도록 복합된다.
질량 분율 연소 비교(도 17)로부터, 프로파일에 변화가 거의 없을 때, 대부분의 시기에 있어서 연료 소비가 SOI에 거의 민감하지 않은 이유는 명백하다. 시험된 SOI의 극단에서, 연소 프로파일은 기준선 캘리브레이션 및 특정 연료 소비 결과의 증가에 대해 지연된다. 진각 SOI에 있어서는, 성층 현상은 약화되어, 특히 연소된 연료의 최종 50%에 대해서 연소 작업에 걸쳐 연소 속도를 보다 느리게 한다. 이러한 과잉 혼합은 또한 상술한 바와 같이 HC 배기물의 증가가 관찰되는 것은 명백하다. 매우 지연된 SOI에 있어서, 점화 시기 이전에 분사된 연료에 대해서는 부적절한 혼합 시간이 제공된다. 이는 화염핵 발생 시간을 증가시킨다. 전체 연소 작업 중의 연소 속도는 기준선 지점에 유사하게 잔류되지만, 증가된 점화 지연에 기인하여 시간 지연된다. 이는 지연된 SOI 시기에 의해 예기할 수 있는 바와 같이 연료 분무의 양호한 규제를 나타낸다.
점화 및 분사 시기 스캔으로부터의 결과는 공기 보조 분무 안내식 직접 분사 연소 시스템의 높은 강인성을 나타낸다. 이는 공지된 다수의 단일 유체 시스템과는 대조되며, 실제로 엠. 그리고(M. Grigo) 등의 GPC '98, 진보된 엔진 디자인 및 성능에서의 "직접 분사식 SI 엔진을 위한 급기 작용 제어 연소 시스템", 및 씨. 프로이스너(C. Preussner) 등의 SAE 페이퍼 제 980498호의 "GDI: 혼합 준비 연소 시스템 및 분사기 성능 사이의 상호 작용"에 설명된 바와 같이, 분사 시스템을 위한 벽 지향 이동 또는 급기 작용 유도 연소 시스템에 대한 원인 중 하나이다.
2중 유체 시스템의 강인성 특성에 대한 주원인 중 하나는 통상의 점화 시기 중에 스파크 위치에 근접한 약한 성층 성분들의 촉진에 기인하는 것으로 고려된다. 이는 분사된 연료와 함께 공기를 분사할 뿐만 아니라 연료 계량 및 직접 분사 작업을 분리하는 능력에 의해 성취된다. 도 3에 도시한 바와 같이, 직접 분사기로부터 분사된 연료의 질량 유량은 일정하지 않다. 연료 유량이 감소할 때, 분사된 공기 유량은 통상적으로 증가한다. 이는 총 분사 기간에 걸친 평균에 비교할 때 분사 작업의 종료점에 근접하여 분사된 희박 연료 혼합물을 초래한다. 이러한 분사 혼합물이 낮은 부분 부하 성층 운전을 위한 점화 가능한 혼합물의 기초를 형성한다. 결과는 점화 가능한 혼합물이 점화원 위치에 유지되어, 안정한 연소가 유지되는 더욱 큰 시간대 및 점화 시기를 초래하는 장기간이다. 이러한 공기 보조식 분무 안내식 연소 시스템의 특성은 차량 적용에 용이한 전달에 필수적이다.
EGR(배기 가스 재순환) 스캔이, 다른 파라미터들은 기준선 값으로 유지하면서 일정한 흡기관 압력에서 또한 수행되었다. EGR 레벨이 기준선 레벨로부터 증가 또는 감소할 때 엔진을 통한 기류는 각각 감소하거나 증가된다. 도 18은 EGR 레벨의 변화에 따른 특정 연료 소비 및 배기물의 영향을 도시한다. 특정 연료 소비는, EGR 레벨이 약 40%의 기준선 캘리브레이션으로부터 이동될 때 약간 증가한다. 이는 포획된 급기의 EGR 농도에 의해 영향을 받는 연소 작업에서의 연소 속도에 기인한다. EGR 레벨 증가에 의해, 연소 속도는 감소되어, 점화 시기가 매우 지연되게 하며, EGR 레벨 감소에 의해 연속 속도는 증가되어 점화 시기가 매우 진각되게 한다. HC 배기물은 EGR 레벨이 45% 이상이 될 때까지, EGR 레벨의 변화에 비교적 민감하지 않은 것으로 밝혀졌다. 이러한 증가는 연소 안정성의 감소와 동시에 발생한다(도 19). NOx 배기물은 EGR 레벨에 매우 민감한 것으로 나타났으며, EGR 레벨이 증가하면 NOx 배기물이 감소하며, EGR 레벨의 감소는 NOx 배기물의 매우 급속한 증가를 초래한다. 이러한 높은 민감성은 다수의 복합 요인에 기인한다. 상술한 바와 같이, 분사 및 점화 시기는 EGR 레벨이 변화할 때 기준선 캘리브레이션 값으로 유지된다. EGR 레벨의 증가는 NOx 배기물을 감소시키는 보다 지연된 연소 프로파일을 야기하는 감소된 연소 속도를 초래한다. EGR 레벨이 감소됨에 따라, 연소 속도는 증가하여, 최대 실린더 온도를 증가시켜 NOx 배기물을 증가시키는 진각 연소 프로파일을 초래한다. 점화 시기가 연소 속도의 변화를 보상하기 위해 각각의 EGR 레벨에 대해 재차 최적화되면, NOx 배기물은 EGR 레벨의 이러한 변화에 훨씬 덜 민감하게 된다.
다른 복합적인 영향은 엔진으로 재순환된 배기 가스의 조성물 변화에 기인한다. 일정한 흡기 다기관 압력을 유지하는 EGR 스캔이 수행되는 방식은 EGR 레벨이 감소됨에 따라 A/F비가 증가됨을 나타낸다. 이는 EGR의 질량이 감소될 뿐만 아니라, 이산화탄소와 같은 EGR 내의 연소 부산물의 농도가 감소되지만, 미연소 산소 농도는 증가되는 것을 의미한다. 이러한 산소 농도의 증가는 NOx 배기물 부산물을 더욱 증가시키는 경향이 있다. 이러한 것의 총 효과는 도 18에 도시한 바와 같이 EGR 레벨에 대한 높은 민감도를 초래한다. EGR 레벨이 변화할 때 일정한 A/F비를 유지하며 점화 시기를 재차 최적화함으로써, EGR 레벨에 대한 NOx 배기물의 감도는 상당히 감소된다. 예를 들면, 동일한 하드웨어 구조에 이러한 방식으로 수행된 EGR 스캔은 40%에서 35%로의 5%의 EGR 감소와, 본원에 제공된 데이터 세트에서의 4.8g/kWh에 비교할 때 1.5g/kWh에서 1.9g/kWh로의 NOx 배기물의 증가를 나타낸다.
도 19에 도시한 바와 같이, 연소 안정성은 EGR 레벨이 0으로 감소될 때 유지된다. 연소 안정성을 허용 가능한 레벨로 유지하는 EGR 레벨의 증가에 대해서는 5%의 마진이 존재한다. EGR 레벨이 상기 레벨을 너머 증가되면, 부분 연소 및 특정 안정성의 손실이 발생하며 특정 점화 실패 사이클이 개시되는 안정성의 손실이 야기된다.
매연 레벨은 대략 0.06 FSN 미만의 공칭 레벨에서 EGR 레벨의 변화에 대해 비교적 일정하게 유지된다. EGR 레벨이 감소됨에 따라 매연 레벨이 증가되는 경향이 있으며, EGR 레벨이 10% 미만으로 감소되면 매우 많이 증가된다. 이러한 영향은 EGR율이 감소됨에 따라 A/F비가 증가됨에도 불구하고 나타난다. 이러한 증가의 원인은 다른 캘리브레이션 파라미터들, 특히 스캔에 대해 일정하게 유지되는 점화 시기에 기인한다. 상술한 바와 같이, EGR 레벨이 감소될 때, 연소 속도는 증가하여, 연료 분사와 화염 전방 도달 사이에 적은 시간을 초래한다. 이러한 준비 시간의 감소는 기록된 매연 레벨의 증가를 초래한다. 각각의 특정 EGR 레벨에 대해서 점화 시기를 최적화함으로써, 이러한 영향은 제거할 수 있다. 상기 EGR 스캔을 수행함으로써, 매연 레벨은 최적화된 점화 및 분사 시기의 전체 범위에 걸쳐 0.1 FSN 이하로 유지될 수 있다.
본 발명의 엔진 및 시스템의 변형 및 변경은 본 명세서로부터 당 기술 분야의 숙련자들에게는 명백할 수 있다. 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 범주 내에 있다.

Claims (19)

  1. 연소실에 연료를 직접 분사하기 위한 공급 분사기를 구비한 적어도 하나의 연소실을 포함하는 내연 기관에 있어서,
    상기 내연 기관은 상기 연소실 내로 연소 공기를 분배하기 위한 적어도 하나의 밸브형 흡기관 부가로 포함하고,
    상기 흡기관 및 그 밸브는 상기 연소실의 단부 가스 구역에서 연료의 과희박화를 감소시키기 위해 상기 연소실 내로 분배되는 흡기 공기의 저 실린더 텀블 운동을 생성하도록 배열되는 내연 기관.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연소실의 흡기 포트에서 종료되는 상기 흡기관은 상기 포트를 선택적으로 폐쇄하는 포핏형 밸브의 헤드 직전 및 상기 헤드를 지나서 기류 패턴을 생성시켜 벌크 공기 운동과 반대인 상기 흡기 공기의 저 실린더 텀블 가스 운동을 야기하는 내연 기관.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 흡기관은, 상기 흡기 공기의 실린더 텀블 운동을 초래하는, 상기 흡기 포트를 통해 연소실 내로 공급되는 연소 공기의 기류 벡터를 생성하는 것을 보조할 수 있는, 흡기 포트 밸브 시트의 근접 상류 부근에서 흡기관의 작은 곡률 반경을 방지하도록 형성되는 내연 기관.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내연 기관은, 피스톤이 실린더 내에서 실린더의 종방향 축을 따라 왕복하는 불꽃 점화식 왕복형 내연 기관이며, 흡기관 및/또는 상기 흡기관을 선택적으로 폐쇄하는 밸브는 상기 실린더 축에 대해 반경방향 배향을 갖는 흡기 기류 벡터를 최소화하도록 배치되는 내연 기관.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 밸브는 포핏식 밸브이며, 상기 밸브 시트의 상류의 흡기관 구조는, 주로 축방향 배향이며 밸브 헤드 후방면을 가로질러 균일하게 분포된, 포핏형 밸브 헤드의 후방 측면을 지나는 기류를 발생시키도록 구성되는 내연 기관.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 분사기는 중앙 분사식 직접 연료 분사기로서 배치되는 내연 기관.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 분무 안내식 연소를 위해 배치되는 내연 기관.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 공급 분사기는 상기 연소실 내에 가스에 동반된 연료를 공급하도록 되어 있고, 특히 상기 연소실 내에 성층 급기를 발생시키도록 적용되는 가스-보조 직접 실린더 연료 분사기인 내연기관.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브식 흡기관은, 흡기 포트 밸브 상승값의 전체 범위에 걸쳐 2.0 미만, 바람직하게는 1.5 미만, 가장 바람직하게는 흡기 밸브 상승의 상당 부분에 걸쳐 1.0 미만인 실린더 흡기 공기 텀블비를 제공하도록 배치되는 내연 기관.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 공급 분사기를 통해 상기 연소실 내로 공급된 성층 급기의 선택적인 점화를 위한 점화 시기 시스템을 또한 포함하며, 상기 점화 시기 시스템은 압축 행정 중에 및 규정된 엔진 부하 및 속도 범위에 걸쳐 5°내지 40°BTDC의 범위의 점화 시기를 제공하도록 배치되는 내연 기관.
  11. 제 10 항에 따른 성층 급기식 중앙 분사 분무 안내식 불꽃 점화 내연 기관에 있어서, 상기 점화 시기 시스템은 400rpm 내지 3600rpm의 엔진 속도 범위에 걸쳐 10°내지 35°BTDC의 점화 시기 범위에서 작동하도록 배치되는 성층 급기식 중앙 분사 분무 안내식 불꽃 점화 내연 기관.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 따른 성층 급기식 중앙 분사 분무 안내식 불꽃 점화 내연 기관에 있어서, 상기 점화 시기 시스템은 1 bar IMEP 내지 6 bar IMEP 범위의 엔진 부하에 걸쳐 10°내지 35°BTDC의 점화 시기 범위에서 작동하도록 배치되는 성층 급기식 중앙 분사 분무 안내식 불꽃 점화 내연 기관.
  13. 제 1 축을 따라서 연소실로 연소 공기를 흡입하기 위한 대응 흡기 밸브를 갖는 흡기 포트를 구비하는 적어도 하나의 연소실과, 점화 장치 및 상기 점화 장치 부근에서 상기 제 1 축에 평행한 방향으로 상기 연소실에 직접 연료를 연통시키는 적어도 하나의 연료 공급 수단을 포함하는 내연 기관으로서,
    상기 흡입 공기 및 연료의 평행 방향은 상기 연소실의 단부 가스 영역에서 연료의 과희박을 감소시키는 내연 기관.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 평행 방향은 상기 연소실에 대한 축방향인 내연 기관.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 상기 연료는 상기 단부 가스 영역을 갖는 상기 연소실에 성층 급기를 제공하도록 공급되는 내연 기관.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡입 공기는 상기 평행 방향에 대해 제한된 반경방향 유동을 갖는 내연 기관.
  17. 연료 공급 분사기를 갖는 적어도 하나의 연소실과, 상기 연소실 내로 연료의분무 안내식 분사를 위해 배치된 점화 수단을 포함하는 내연 기관으로서,
    상기 내연 기관은 상기 연소실 내로 연소 공기를 공급하기 위한 적어도 하나의 밸브식 흡기관을 또한 포함하며,
    적어도 상기 흡기관 및/또는 그의 밸브는, 상기 분무 안내 연료의 단부 가스 영역에서의 과희박 연료를 감소시키기 위해 저텀블 가스 운동이 상기 연소실 내에 발생하도록 배치되는 내연 기관.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 연소실 내로 연료의 성층 급기를 분사하기 위해 또한 배치되는 내연 기관.
  19. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서, 상기 텀블 운동은 2.0 미만인 내연 기관.
KR1020027011498A 2000-03-03 2001-03-06 내연 기관 및 제어 KR20020075468A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AUPQ6040A AUPQ604000A0 (en) 2000-03-03 2000-03-03 Internal combustion engines and control
AUPQ6040 2000-03-03
PCT/AU2001/000228 WO2001065105A1 (en) 2000-03-03 2001-03-06 Internal combustion engines and control

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20020075468A true KR20020075468A (ko) 2002-10-04

Family

ID=3820144

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020027011498A KR20020075468A (ko) 2000-03-03 2001-03-06 내연 기관 및 제어

Country Status (8)

Country Link
US (1) US6854440B2 (ko)
EP (1) EP1259727A4 (ko)
JP (1) JP2003525389A (ko)
KR (1) KR20020075468A (ko)
CN (2) CN1800604A (ko)
AU (1) AUPQ604000A0 (ko)
BR (1) BR0108964A (ko)
WO (1) WO2001065105A1 (ko)

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE50112871D1 (de) * 2001-12-14 2007-09-27 Ford Global Tech Llc Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung
DE10234215A1 (de) * 2002-07-27 2004-02-05 Bayerische Motoren Werke Ag Fremdgezündete, direkt einspritzende Brennkraftmaschine
DE10330540A1 (de) * 2003-07-01 2005-01-20 Volkswagen Ag Verfahren zum Betrieb eines direkteinspritzenden Verbrennungsmotors sowie direkteinspritzender Verbrennungsmotor
US7739999B2 (en) 2005-11-23 2010-06-22 Gm Global Technology Operations, Inc. Method and apparatus to control combustion in a multi-cylinder homogeneous charge compression-ignition engine
JP2008038740A (ja) * 2006-08-04 2008-02-21 Toyota Motor Corp 筒内噴射式火花点火内燃機関
FR2914360B1 (fr) * 2007-04-02 2013-04-12 Renault Sas Conduit d'admission pour culasse de moteur thermique et procede de fabrication
KR101040344B1 (ko) * 2008-09-12 2011-06-10 서울대학교산학협력단 차량의 연소 시스템
KR101072316B1 (ko) * 2008-12-02 2011-10-11 기아자동차주식회사 가솔린 직접분사 엔진용 피스톤
US9512779B2 (en) 2010-04-27 2016-12-06 Achates Power, Inc. Swirl-conserving combustion chamber construction for opposed-piston engines
US10180115B2 (en) 2010-04-27 2019-01-15 Achates Power, Inc. Piston crown bowls defining combustion chamber constructions in opposed-piston engines
JP5782109B2 (ja) 2010-04-27 2015-09-24 アカーテース パワー，インク． 対向ピストン式エンジン用の燃焼室構造
CN103168148B (zh) 2010-08-16 2015-09-02 阿凯提兹动力公司 对置活塞发动机的燃料喷射的喷洒模式
US8430074B2 (en) 2010-12-13 2013-04-30 Ford Global Technologies, Llc Rotatable valve in a cylinder intake duct
US9309807B2 (en) 2011-05-18 2016-04-12 Achates Power, Inc. Combustion chamber constructions for opposed-piston engines
US20130104848A1 (en) 2011-10-27 2013-05-02 Achates Power, Inc. Fuel Injection Strategies in Opposed-Piston Engines with Multiple Fuel Injectors
US9211797B2 (en) 2013-11-07 2015-12-15 Achates Power, Inc. Combustion chamber construction with dual mixing regions for opposed-piston engines
CN204060916U (zh) * 2014-02-26 2014-12-31 西港能源有限公司 用于气体燃料内燃发动机的进气道和阀座的配置
KR20160057717A (ko) * 2014-11-14 2016-05-24 현대자동차주식회사 스월제어방식 예혼합 연소강도 제어방법 및 엔진제어시스템
IT201800006592A1 (it) * 2018-06-22 2019-12-22 Motore ad accensione comandata con stabilita’ di funzionamento e consumo specifico migliorati e metodo di alimentazione di detto motore
JP2020067021A (ja) * 2018-10-23 2020-04-30 株式会社デンソー 内燃機関及びその制御装置
CN110080915B (zh) * 2019-05-31 2021-01-15 西安交通大学 一种气/液双燃料低压直喷***
CN114439606B (zh) * 2020-10-30 2023-01-06 比亚迪股份有限公司 一种发动机的进气机构及发动机
CN114810409B (zh) * 2022-05-10 2023-06-23 潍柴动力股份有限公司 一种气缸盖及发动机总成

Family Cites Families (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2696446B2 (ja) * 1991-09-10 1998-01-14 株式会社ユニシアジェックス 筒内直接噴射型噴射弁のアシストエア供給装置
US5394845A (en) * 1991-10-15 1995-03-07 Mazda Motor Corporation Intake system for engine
JP2628138B2 (ja) * 1994-05-06 1997-07-09 本田技研工業株式会社 内燃機関における吸気ポート構造
JP3965703B2 (ja) * 1994-12-28 2007-08-29 マツダ株式会社 エンジンの排気ガス浄化装置及び排気ガス浄化方法
US5960767A (en) * 1996-02-09 1999-10-05 Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha Combustion chamber of in-cylinder direct fuel injection engine
JP2982682B2 (ja) * 1996-02-29 1999-11-29 三菱自動車工業株式会社 内燃機関
JP3740741B2 (ja) 1996-06-26 2006-02-01 日産自動車株式会社 直接筒内噴射式火花点火機関
JP3763491B2 (ja) * 1996-10-08 2006-04-05 富士重工業株式会社 筒内噴射エンジンの燃焼室構造
JP3743896B2 (ja) * 1996-10-31 2006-02-08 富士重工業株式会社 筒内噴射式エンジン
JPH10169453A (ja) 1996-12-11 1998-06-23 Daihatsu Motor Co Ltd 筒内噴射式内燃機関の構造
JPH10274133A (ja) * 1997-03-28 1998-10-13 Daihatsu Motor Co Ltd 筒内噴射型内燃機関
JP2982754B2 (ja) 1997-07-25 1999-11-29 三菱自動車工業株式会社 筒内噴射型火花点火式内燃エンジン
SE519767C2 (sv) * 1997-11-26 2003-04-08 Volvo Car Corp Förbränningssystem
JP3733721B2 (ja) 1997-12-18 2006-01-11 日産自動車株式会社 直噴火花点火式内燃機関
DE19806272C1 (de) 1998-02-16 1999-04-15 Lipcan Sergiu Valentin Im Druckgußverfahren herstellbarer Leichtmetallzylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit drei Ventilen pro Zylinder
US5970957A (en) * 1998-03-05 1999-10-26 Ford Global Technologies, Inc. Vapor recovery system
DE19852551C1 (de) 1998-11-13 2000-06-15 Daimler Chrysler Ag Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine
JP3903657B2 (ja) * 1998-12-02 2007-04-11 トヨタ自動車株式会社 筒内噴射式火花点火内燃機関
JP3598880B2 (ja) * 1999-06-07 2004-12-08 日産自動車株式会社 直噴火花点火式内燃機関
GB9920666D0 (en) * 1999-09-01 1999-11-03 Zalkin Anthony L Improved internal combustion engine
JP3692860B2 (ja) * 1999-09-28 2005-09-07 日産自動車株式会社 筒内噴射式火花点火機関
US6276330B1 (en) * 2000-02-23 2001-08-21 Ford Global Technologies, Inc. Air/fuel induction system for developing swirl motion of an air/fuel mixture
JP2001248484A (ja) * 2000-02-29 2001-09-14 Hitachi Ltd 筒内噴射エンジン及びその制御装置，制御方法
JP4415497B2 (ja) * 2000-03-29 2010-02-17 マツダ株式会社 火花点火式直噴エンジン
JP2002038953A (ja) * 2000-07-25 2002-02-06 Hitachi Ltd 筒内噴射エンジン
JP3852310B2 (ja) * 2000-08-07 2006-11-29 トヨタ自動車株式会社 筒内噴射式火花点火内燃機関
JP3812338B2 (ja) * 2001-01-05 2006-08-23 日産自動車株式会社 筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン
JP2002295260A (ja) * 2001-03-30 2002-10-09 Mazda Motor Corp 火花点火式直噴エンジン
DE60117382T2 (de) * 2001-07-02 2006-10-19 Hitachi Ltd. Verbrennungsmotor mit direkter einspritzung in den zylinder
JP2003106158A (ja) * 2001-09-28 2003-04-09 Toyota Motor Corp 筒内噴射式火花点火内燃機関
JP2003113716A (ja) * 2001-10-03 2003-04-18 Nissan Motor Co Ltd 筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン
US6745745B2 (en) * 2002-02-22 2004-06-08 General Motors Corporation Combustion chamber for reverse tumble spark ignition direct injection engine
JP2003262132A (ja) * 2002-03-07 2003-09-19 Mazda Motor Corp 火花点火式直噴エンジンの吸気装置

Also Published As

Publication number Publication date
AUPQ604000A0 (en) 2000-03-30
EP1259727A1 (en) 2002-11-27
JP2003525389A (ja) 2003-08-26
EP1259727A4 (en) 2006-09-13
US6854440B2 (en) 2005-02-15
BR0108964A (pt) 2002-11-26
CN1800604A (zh) 2006-07-12
US20030140891A1 (en) 2003-07-31
CN1444695A (zh) 2003-09-24
WO2001065105A1 (en) 2001-09-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20020075468A (ko) 내연 기관 및 제어
US7104250B1 (en) Injection spray pattern for direct injection spark ignition engines
US5553588A (en) Spark-ignited direct cylinder fuel injection engine
US6644267B2 (en) Fuel injection system
JP4280928B2 (ja) 直接噴射火花点火内燃機関
JP4047177B2 (ja) 燃料噴射システム
JPH11153034A (ja) 直接噴射火花点火式エンジン
US6742493B2 (en) Fuel injection system and method for injection
Cathcart et al. Fundamental characteristics of an air-assisted direct injection combustion system as applied to 4 stroke automotive gasoline engines
US9803539B2 (en) Internal-combustion engine
Stadler et al. Gasoline fueled pre-chamber ignition system for a light-duty passenger car engine with extended lean limit
US5915353A (en) Cylinder direct injection spark-ignition engine
EP3770412A1 (en) Fuel injection control device, and method of controlling injecton of fuel
EP3770411A1 (en) Fuel injection control device, and method of controlling injection of fuel
US4742804A (en) Spark-ignition engine
JP4258935B2 (ja) 火花点火式往復動型エンジン
US6935302B2 (en) In-cylinder injection type internal combustion engine
US6877477B2 (en) Fuel injection system
JP2007138780A (ja) 副室式内燃機関
JP2961779B2 (ja) 成層燃焼内燃機関の燃料供給装置
JPH01273873A (ja) 燃料噴射弁
AU2001237137B2 (en) Internal combustion engines and control
US20220275748A1 (en) Ignition promoter assembly and engine having the same
AU2001237137A1 (en) Internal combustion engines and control
US4479469A (en) Internal combustion engine

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
NORF Unpaid initial registration fee