KR100303163B1 - 분사거리 조절형 직분식 가솔린 엔진의 연료분사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직분식 가솔린 엔진의 연료분사장치에 관한 것으로서, 연료분사시 피스톤 및 실린더 내벽에 연료가 침착되는 현상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 후연소 현상과 배기가스 문제를 해결할 수 있는 분사거리 조절형 직분식 가솔린 엔진의 연료분사장치를 제공함에 그 목적이 있다. 전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 연소실 헤드측에 설치되어 연료를 연소실 내부로 분사하는 직분식 가솔린 엔진의 연료분사 장치에 있어서, 상기 연소실 헤드측에 고정 설치되며, 그 내부에 형성된 소정의 공간이 상기 연소실과 연통되는 몸체; 상기 몸체의 내부로 수납 가능하게 설치되며, 그 끝단이 상기 연소실 내로 노출되는 노즐; 상기 노즐이 상기 몸체의 외부로 이탈되는 것을 방지함과 동시에 상기 연소실내의 압력에 의해서 상기 노즐을 상기 몸체의 길이방향으로 전후 이동시키는 격판 및 상기 몸체의 내부에 설치되며, 상기 격판이 탄력적으로 이동될 수 있도록 상기 격판에 탄성력을 제공하는 스프링으로 구성된다.

Description

분사거리 조절형 직분식 가솔린 엔진의 연료분사장치

본 발명은 직분식 가솔린 엔진의 연료분사장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진의 운전조건에 따른 연소실내의 압력변화에 따라 노즐의 연료 분사거리를 자동으로 조절할 수 있는 분사거리 조절형 직분식 가솔린 엔진의 연료분사 장치에 관한 것이다.

일반적으로 가솔린을 연료로 사용하는 자동차용 내연기관은 연료를 분사하는 위치에 따라 흡기포트 내에 분사하는 방식과, 연소실 내에 직접 분사하는 방식으로 크게 구별할 수 있는 바, 우선 흡기포트 내부에 분사하는 방식의 경우에는 연비향상을 위한 희박연소엔진(Lean Burn Engine, 린번엔진)이 이에 포함된다. 흡기포트 분사식 가솔린 엔진에서, 연료 인젝터는 흡기관 또는 연소실 헤드에 장착되어 흡기포트로 연료를 분사하게 된다. 이때, 분사되는 연료는 일반적으로 흡기 행정 중에 연소실내로 유입되며, 점화시 연소실내의 연료와 공기는 균일한 형태의 혼합기 상태가 된다. 이와 같은 흡기포트분사식 가솔린 엔진에서의 흡기포트는 혼합기의 흡기유량, 텀블유동(Tumble Flow) 및 스월유동(Swirl Flow) 등을 감안한 설계가 요구된다. 린번 흡기포트분사식 가솔린 엔진에서는 일반적인 흡기포트분사식 가솔린 엔진과 유사하나 희박공연비에서의 연소 안정성 확보를 위하여 흡기유동의 스월(수평 방향의 회전유동, Swirl)이나 텀블(수직 방향의 회전유동, Tumble) 등의 특성을 강화시켜 혼합기의 균일한 분포 또는 성층화를 유도한다. 이러한 엔진은 희박연소가 적용되는 영역(연비모드)과 일반연소가 적용되는 영역(출력모드)으로 연소제어모드가 구분되며 각 연소모드에서의 연료분사 방법 및 분사시기는 동일하다.

그리고, 직접분사식 가솔린 엔진은 최근에 고압 인젝터 기술 등의 발전과 연비향상의 필요성이 증가하면서 개발되기 시작하였으며, 이러한 직접분사식 엔진은 부분부하 운전시 40:1 정도의 초희박운전이 가능한 연소 시스템을 적용하여 연비의 획기적인 향상을 가져온다. 그 구성을 살펴보면, 고압으로 구동되는 연료 인젝터가 연소실 헤드에 장착되며, 연료는 연소실내로 직접 분사된다. 직접분사식 가솔린 엔진의 연소모드는 초희박공연비 운전구간인 연비모드와 일반 운전구간인 출력모드로 구분되며, 각 모드는 연료 분사시기와 혼합기의 유동현상 등에 의하여 구분된다. 연비모드는 혼합기의 성층화(점화 플러그 주위에 연료를 농후하게 만듦)를 통하여 초희박연소를 가능하게 하며 연료의 분사시기는 혼합기 성층화 효과를 극대화하기 위하여 압축행정 중에 이루어진다. 출력모드의 경우에는 연료의 직접분사 외에는 흡기포트분사방식과 동일하여 흡기행정 중에 분사가 이루어지고 균일 혼합기를 이용한다. 직접분사식 가솔린 엔진은 혼합기의 적절한 성층화와 연료 분사시기 등의 제어를 위해 직립형 역텀블 흡기포트, 스월제어밸브를 갖는 나선형 흡기포트 등의 적용과 각 흡기포트 형상에 적절한 피스톤 상면부 설계를 통해 연소실내 혼합기의 유동을 제어한다.

한편, 연료분사 장치는 흡입공기량을 전기적으로 검출하고, 이것에 따르는 연료를 엔진의 운전조건에 적응시켜 분사하는 것으로 이들 제어에 컴퓨터가 사용되기 때문에 이를 통상 전자제어식 연료분사 장치라고 한다. 연료분사 장치는 크게 연료계통과 흡기계통 및 제어계통으로 나눌 수 있다.

상기 계통중 연료계통에는 연료펌프, 압력 레귤레이터, 인젝터가 포함된다. 이중에서 상기 인젝터는 컴퓨터에서 보내오는 신호에 따라 각기통의 흡기 매니폴드에 연료를 분사하는 것으로 통상적으로 솔레노이드 코일, 플런저, 니들밸브로 이루어져 있다.

한편, 종래 연료분사 장치에 관한 기술중 미국 특허 4993643에는 연료분사기 내부에 이를 감싸는 제어용 슬리브가 설치되어 있고, 노즐팁이 분사방향으로 이동할 수 있도록 된 기술이 제안된 바 있다. 또한, 미국 특허 4300509에서는 엔진 운전 조건이 바뀌면 솔레노이드 제어방식으로 압력 레귤레이터가 작동되어 연료의 단위 분사량을 변화시키도록 된 기술이 제안된 바 있다.

그러나 종래 연료분사 장치는 노즐팁이 축방향을 따라 이동하는 과정에서 연료의 분무 형태나 각도 및 입자크기가 변하게 된다. 즉 분사형태와 분사각 및 분사입자의 제어가 가능하지만 기어의 조작을 위해 물리적인 제어가 수반되어야 하고 분무입자가 변화되기 때문에 분무입자의 크기가 변하게 되어 직분식 엔진으로서의 사용에 제한성을 가지게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 감안하여 창출된 것으로, 연료분사시 피스톤 및 연소실 내벽에 연료가 침착되는 현상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 후연소 현상과 배기가스 문제를 해결할 수 있는 분사거리 조절형 직분식 가솔린 엔진의 연료분사장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1 및 도 2 는 각각 본 발명에 따른 연료분사장치의 설치상태를 도시한 것으로, 노즐의 전진/후퇴상태를 보인 측단면도.

도 3 은 엔진 운전조건에 따른 압력변화 선도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

100:연소실 200:몸체

210:노즐 220:격판

230:스프링

본 발명은 운전조건에 따른 연소실내의 압력변화에 따라 분사기의 노즐위치를 변화시켜서 분사거리를 제어하는 것으로, 전술한 목적을 달성하기 위하여 다음과 같이 구성된다. 즉, 연소실 헤드측에 설치되어 연료를 연소실 내부로 분사하는 직분식 가솔린 엔진의 연료분사 장치에 있어서, 상기 연소실 헤드측에 고정 설치되며, 그 내부에 형성된 소정의 공간이 상기 연소실과 연통되는 몸체; 상기 몸체의 내부로 일부 수납 가능하게 설치되며, 그 끝단이 상기 연소실 내로 노출되는 노즐; 상기 노즐이 상기 몸체의 외부로 이탈되는 것을 방지함과 동시에 상기 연소실내의 압력에 의해서 상기 노즐을 상기 몸체의 길이방향으로 전후 이동시키는 격판; 및 상기 몸체의 내부에 설치되며, 상기 격판이 탄력적으로 이동될 수 있도록 상기 격판에 탄성력을 제공하는 스프링으로 구성된 특징이 있다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분사거리 조절형 직분식 가솔린 엔진의 연료분사 장치를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1 및 도 2 는 각각 본 발명에 따른 연료분사장치의 설치상태를 도시한 것으로, 노즐의 전진/후퇴상태를 보인 측단면도이다.

우선, 도 1 및 도 2에 도시된 바와같이, 본 발명은 연소실(100) 헤드측에 고정 설치되며, 그 내부에 형성된 소정의 공간이 상기 연소실(100)과 연통되는 몸체(200); 상기 몸체(200)의 내부로 일부 수납 가능하게 설치되며, 그 끝단이 상기 연소실(100)내로 노출되는 노즐(210); 상기 노즐(210)이 상기 몸체(200)의 외부로 이탈되는 것을 방지함과 동시에 상기 연소실(100)내의 압력에 의해서 상기 노즐(210)을 상기 몸체(200)의 길이방향으로 전후 이동시키는 격판(220); 및 상기 몸체(200)의 내부에 설치되며, 상기 격판(220)이 탄력적으로 이동될 수 있도록 상기 격판(220)에 탄성력을 제공하는 탄성체(230)로 구성된다.

전술한 본 발명의 구성요소를 보다 상세하게 살펴보면, 우선 원통의 몸체(200)는 연소실(100) 헤드측에 고정 설치되어 있으며, 몸체(200) 내부에는 하방이 개방된 소정 공간이 형성되어 있으며, 이 공간은 연소실(100)과 연통되어 있다.

노즐(210)은 몸체(200)로 유입된 연료를 엔진제어부(도시하지 않음)의 제어하에 연소실(100)로 분사하는 것으로, 몸체(200)의 공간 내부로 수납 가능하게 위치되어 있으며, 노즐(210)의 끝단은 연소실(100)내로 노출되어 있다.

격판(220)은 연소실의 압력변화에 따라 몸체(200) 내부 공간내에서 몸체(200)의 길이방향으로 미끄럼 이동할 수 있도록 되어 있으며, 걸림턱(202)에 의해서 임의로 몸체(200) 외부로 이탈되지 않도록 되어 있다. 격판(220)의 하단에는 전술한 노즐(210)이 고정 설치되어 있는 바, 이 노즐(210)은 전후방으로 격판(220)과 함께 이동되면서 분사거리를 조절할 수 있도록 되어 있다.

탄성체(230)는 격판(220) 상방의 몸체(200) 내부에 설치되어 있으며, 상기 격판(220)이 연소실의 압력변화에 따라 탄력적으로 이동될 수 있도록 상기 격판(220)에 탄성력을 제공하는 역할을 한다. 여기서, 탄성체(230)는 스프링으로 하는 것이 경제적 및 기술적인 면에서는 바람직하다. 그리고 탄성체(230) 대신에 유압장치를 사용할 수도 있다.

이와같이 구성된 본 발명에 따른 연료 분사장치의 작용을 살펴보면 다음과 같다.

본 발명의 연료 분사장치를 설명하기 앞서서 본 발명의 연료분사장치와 관련된 4사이클 엔진에 대해 알아보면, 4사이클 엔진은 4개의 행정으로 즉 흡입행정, 압축행정, 팽창행정, 배기행정으로 1회전 하는 엔진이다. 상사점(Top Dead Center)은 피스톤이 상하운동을 하므로써 엔진은 회전하지만, 피스톤이 최대로 올라가 정지했을 때의 위치를 말하며, 하사점(Bottom Dead Center)은 피스톤이 최하로 내려갔을 때의 위치를 말한다. 상사점은 압축과 배기행정의 끝이며, 하사점은 흡입행정과 폭발행정의 마지막을 의미한다.

도 3 은 크랭크 각도에 따른 연소실내의 압력변화 선도를 보이는 것이다. 도 3에 도시된 바와같이, 상사점에서 연소실(100)의 압력이 최고점이 되고 하사점에서 최저점이 된다.

(식)

상기 식에서 노즐(210) 끝단의 변위량을 Δ, 연소실 내부압력을 P, 격판의 면적을 A, 스프링(230)의 상수를 K 라고 하면, 분무위치를 결정하기 위해서는 단지 스프링 상수 K 값만을 결정해 주면됨을 알수 있다. 연소실(100)내 압력은 특정한 엔진운전 조건에서 특정값을 갖게 되므로 만약 정해진 압력보다 압력이 커질 경우에 노즐(210)에서 유출되는 연료의 분사거리를 제어하려면 정해진 압력에 맞는 스프링(230)을 사용하면 되는 것이다.

따라서 본 발명의 연료분사 장치가 장착된 엔진의 연소과정에서, 흡입행정을 거쳐 압축행정에 이르면 도 2 및 도 3에 도시된 바와같이, 연소실(100)의 압력변화에 따라 격판이 스프링(230)의 탄성력을 극복하고 후방으로 적절하게 Δ만큼 후퇴된다(도 3에 도시됨). 이 상태에서, 엔진제어부의 의해서 적절한 시기에 노즐(210)을 통해서 연료가 분사된다. 이때, 연료의 분사거리가 스프링(230)의 상수값에 따라 적절하게 조절되므로써 직분식 엔진에서 문제시 될수 있는 피스톤이나 연소실 내벽의 연료 침착현상을 방지할 수 있는 것이다.

본 발명은 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능함은 물론이다.

이상에서 설명한 바와같이, 본 발명은 연료의 분사거리를 제어할 수 있기 때문에 피스톤이나 연소실 내벽의 연료침착 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 연소실 헤드측에 설치되어 연료를 연소실 내부로 분사하는 직분식 가솔린 엔진의 연료분사 장치에 있어서,

   상기 연소실 헤드측에 고정 설치되며, 그 내부에 형성된 소정의 공간이 상기 연소실과 연통되는 몸체;

   상기 몸체의 내부로 수납 가능하게 설치되며, 그 끝단이 상기 연소실 내로 노출되는 노즐;

   상기 노즐이 상기 몸체의 외부로 이탈되는 것을 방지함과 동시에 상기 연소실내의 압력에 의해서 상기 노즐을 상기 몸체의 길이방향으로 전후 이동시키는 격판; 및

   상기 몸체의 내부에 설치되며, 상기 격판이 탄력적으로 이동될 수 있도록 상기 격판에 탄성력을 제공하는 탄성체를 포함하여 이루어진 분사거리 조절형 직분식 가솔린 엔진의 연료분사장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 탄성체는 스프링으로 이루어진 것을 특징으로 하는 분사거리 조절형 직분식 가솔린 엔진의 연료분사장치.