KR960003018B1

KR960003018B1 - 엔진의 흡기장치 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR960003018B1
Application number: KR1019920018951A
Authority: KR
Inventors: 요시히사 노우; 후미히코 사이토; 카즈히코 하시모토; 요시히코 이마무라; 마사노리 미스미
Original assignee: 마쯔다 가부시기가이샤; 와다 요시히로
Priority date: 1991-10-15
Filing date: 1992-10-15
Publication date: 1996-03-02
Anticipated expiration: 2012-10-15
Also published as: DE69212262D1; EP0537745B1; EP0537745A1; US5394845A; DE69212262T2; KR930008289A

Abstract

내용 없음.

Description

엔진의 흡기장치 및 그 제어방법

제1a도 및 1b도는 본 발명에 의한 흡기장치를 구비한 엔진의 평면도 및 단면입면도.

제2도는 엔진실린더의 일부단면 입면도.

제3도는 실린더 주위의 평면도.

제4도는 흡기포트의 횡단면 형상과 합친 실린더 주위의 평면도.

제5도는 연소실의 천정면 형상과 합친 실린더 주위의 평면도.

제6도는 실린더의 일부단면 입면도.

제7도는 실린더의 사시도.

제8도는 포트의 형상과 배치를 표시한 도면.

제9도는 제1포트개구부 주위의 입면도.

제10도는 마스크형상과 합친 실린더 주위의 일부단면 평면도.

제11a도 및 11b도는, 각각, 실린더 주위의 평면도 및 입면도.

제12도는 실린더 주위의 평면도.

제13도는 흡기 및 배기포트를 표시하는 입면도.

제14도는 제1포트의 입면도.

제15도는 제1 및 제2 포트의 곡률 및 횡단면 형상을 표시한 사시도.

제16도는 제1 및 제2포트의 곡률 및 횡단면 형상을 표시한 사시도.

제17도는 S밸브의 작동을 표시한 모식(模式)도.

제18도는 스월의 생성상태를 표시한 모식도.

제19a도는 스월비의 밸브몸체각에 대한 특성을 표시한 특성도.

제19b도는 흐름저항의 밸브몸체각에 대한 특성을 표시한 특성도.

제19c도는 손실계수의 밴드각에 대한 특성을 표시한 특성도.

제20a도는 스월비의 포트경사각에 대한 특성을 표시한 특성도.

제20b 및 c도는 각각, S밸브의 전개상태에서의 스월비의 각 C 및 W에 대한 특성을 표시한 특성도.

제21도는 스월비 및 텀블비의 S밸브개도에 대한 특성을 표시한 특성도.

제22도는 흡기의 질량유량(흐름저항)의 R/D(포트곡률/포트직경)에 대한 특성을 표시한 특성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

E : 엔진 1 : 실린더

2,3 : 제1, 제2흡기밸브 4,5 : 제1, 제2포트

4a,5a : 개구부 4b,5b : 직선부

4c,5c : 곡선부 6 : 연소실

8 : 점화플러그 9,10 : 제1, 제2배기밸브

11,12 : 제1, 제2배기포트 15 : 연료분사밸브

16 : S밸브 16a : 회전축

본 발명은 엔진의 흡기장치에 관한 것이다.

일반적으로, 엔진에 도입된 흡기는, 적은양의 흡기가 엔진에 도입되는 저부하상태에서 착화성 및 연소성이 나빠진다. 또한, 엔진부하가 감소될때 흡기를 희박하게 하는 소위 희박연소엔진이 다용되고 있다. 이러한 희박연소엔진에 있어서는, 흡기의 연소성은 한층 저하된다.

이러한 점을 감안해서, 실린더보어의 중심에 대해서 편심되고 운전시에 항상 흡기를 도입하는 제1흡기포트와 중ㆍ고부하상태에서 개방되는 제2흡기포트를 구비한 엔진이 제안되어 있다.

흡기는 저부하상태에서는 제1포트만을 통해서 도입되고, 중ㆍ고부하상태에서는 제1및 제2포트를 통해서 도입된다. 이러한 형식의 엔진은, 예를들면, 일본국 특허공개공보 제59-54732호(1984년 공개), 동 제61-218726호(1986년 공개), 일본국 실용신안공개공보 제61-175541호(1986년 공개), 동 61-84135호(1988년 공개)에 기재되어 있다. 제1및 제2포트를 가진 이러한 형식의 엔진에 있어서, 엔진부하가 비교적 낮고 제2포트가 폐쇄되었을 때에는 흡기는 제1포트로부터 엔진의 연소실에 도입되어 실린더의 원주벽을 따라서 흐르는 스월류를 형성하게 된다. 따라서, 이 스월류는 점화플러그 주위에 농후한 흡기층의 형성을 촉진하므로, 흡기의 착화성 및 연소성이 높아진다. 중ㆍ고부하상태에 있어서는, 흡기는 제1 및 제2포트 양쪽을 통해서 연소실에 도입되므로, 흡기의 충전효율이 향상되어, 증가된 엔진출력을 얻게 된다.

제1 및 제2포트 양쪽을 가진 이와 같은 엔진에 있어서, 제1 및 제2포트 양쪽이 개방되었을때 연소실내에 스월류가 형성되는 것이 바람직한 경우가 있다. 종래의 엔진에 있어서, 제2포트로부터의 흡기류는 제1포트를 통해 유입한 흡기의 스월류에 대해 역스월류를 형성한다. 다시 말하면, 제2포트로부터의 흡기는 실린더의 원주벽을 따라서 제1포트로부터 흡기의 역방향으로 유입되어, 제1포트로부터 스월류를 약화시킨다. 그러므로, 일단 제2포트가 개방되어 흡기의 일부가 도입되면, 착화성 및 연소성을 향상시키기가 어렵다. 일본국 실용신안 공개공보 제16-175541호에 기재되어 있는 엔진에 있어서는, 제1 및 제2포트를 거의 동일방향으로 지향시켜, 제1포트의 스월류에 대한 제2포트의 역스월류를 저감하도록 하고 있는 것이 제안 되어 있다. 그러나 이러한 구조는 연소실내에 소망하는 흡기의 스월류를 생성시키기에는 충분치 않다.

그러므로 본 발명의 목적은 제1 및 제2포트를 가진 엔진내에 흡기의 스월류를 생성시키는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 스월류를 이용해서 엔진의 연소성 및 착화성을 향상시키는데 있다.

본 발명의 상기 목적은, 운전시에 항상 제1흡기밸브를 통하여 연소실의 흡기를 도입하는 제1포트와, 제2흡기밸브를 통하여 연소실에 흡기를 도입하기 위하여 고부하상태에서 개방되는 게이트밸브를 구비한 제2포트와, 상기 제1포트의 하류단부에 위치한 포트개구부에 인접해서 해서 형성된 제1포트곡선부와, 상기 제2포트의 하류단부에 위치한 포트개구부에 인접해서 형성된 제2포트곡선부와 상기 제1포트곡선부로부터 상류로 뻗은 제1포트직선부와, 상기 제2포트곡선부로부터 상류로 뻗은 제2포트직선부와, 그리고 상기 제1및 제2포트는 각각 축선을 가지며, 그리고 상기 양 축선은 각각 곡선부 및 직선부를 가지며, 그리고 여기서 상기 제1포트축선의 직선부가, 캠축선방향에서 보았을때 상기 제2포트축선의 직선부가 엔진의 실린더축선에 대해 경사진 각도보다 큰 각도로 경사져 있으며, 그리고 텀블류의 스월류에 대한 비는, 게이트밸브가 전폐상태로부터 전개상태로 작동될때 점차로 증가하는, 엔진의 흡기장치에 의해 달성된다. 바람직한 실시예에 있어서, 제1및 제2포의 양 축선은, 엔진의 실린더보어 축선방향에서 보아서 캠축축선에 대해 한쪽으로 경사되어 있고, 상기 제2포트는, 상기 제2포트축선이 엔진의 실린더보어의 실질적으로 중앙부에 배치된 점화플러그를 실질적으로 향하도록 배치되어 있고, 제1포트 및 제2포트직선부는. 상기 제1포트축선과 상기 제2포트축선 사이의 거리가 실린더보어 축선방향에서 보아서 하류를 향해 감소되도록 설치되어 있다.

본 발명의 또 다른 형태에 있어서, 제1포트는 실린더 축선방향에서 보아 하류단부 부근의 제2포트에 비해 급격히 만곡되어 있다.

일반적으로, 게이트밸브는 제2포트의 개도를 조정하기 위하여 실린더축선과 거의 평행하게 뻗은 회전축과, 이 축 주위를 회전하는 밸브몸체를 구비하고 있으며, 이 밸브몸체는, 제1포트에 가까운 밸브몸체의 일부가 상류에 이동하여 제2포트를 개방하도록 회전하게 되어 있다.

분사밸브는 제1포트에 설치되어 있다. 이 경우에, 상기 분사밸브의 분사중심선은 제1포트축선을 횡단하여, 실린더 축선방향에서 보아서 실린더보어의 중심구역에 배치된 점화플러그에 거의 지향하도록 되어 있다.

제2포트개구부의 제2포트축선과 상기 제2포트개구부의 중심부와 제1포트개구부에 면한 제1배기포트 개구부의 중심부를 통과하는 직선 사이의 제2포트 설치각은 비교적 큰 값을 가지도록 설정되어 있으므로, 상기 제1포트로부터의 흡기는 연소실의 중심부를 지향하도록 되어 있다.

제1포트직선부의 축선과 실린더축선에 수직한 평면 사이의 제1포트경사각 α는 캠축축선방향에서 보아서 제2포트에 비해 작은 값으로 설정되어 있다.

각 α, 제1흡기밸브의 축선과 실린더축선 사이의 제1흡기밸브경사각 θ, 상기 제1흡기밸브에 면한 제1배기밸브의 축선과 실린더축선 사이의 제1배기밸브경사각 θ', 제1흡기밸브의 밸브몸체의 상하면 사이의 밸브몸체각 β는 캠축축선방향에서 보아서 다음과 같은 조건을 만족한다.

α＞θ 및 α＜θ'

바람직하기로는, 연소실은 펜트루프형으로 되어 있으며, 제1포트경사각 α, 제1흡기밸브경사각 θ. 배기밸브근방에 있는 연소실의 천정면과 실린더축선에 수직한 평면 사이의 루프경사각 θ'' 및 밸브몸체각 β는 캠축축선방향에서 보아서 다음 조건을 만족한다 ;

β＞θ 및 α＜θ"

다른 바람직한 실시예에 있어서, 제1포트경사각 α, 제1흡기밸브경사각 θ, 루프경사각 θ'' 및 밸브몸체 각β는 또한 다음 조건을 만족한다 ;

α〈θ

제1포트축선은 실린더축선방향에서 보아서 포트개구부부근에 있는 연소실의 완주벽을 향해 만곡되어 있다.

제1포트는, 캠축축선방향에서 보아 제1포트축선상의 제1포트개구부의 접선으로부터 제1포트직선부의 제1포트축선을 향해 소정각도 만큼 경사되어 있는 직선을 따라서 뻗은 관통구멍이 형성된 밸브시이트 구비하고 있다. 제1포트에는 밸브시이트부근에 곡선부가 형성되어 있으며, 제1포트축선의 곡선부의 종단부는 밸브시이트의 상류단부의 하류에 위치하고 있다. 밸브시이트부근에 있는 곡선부의 제1포트축선의 곡률R 및 그 곡선부의 제1포트직경은 다음 조건을 만족한다.

0.9≤R/D≤1.2

바람직하게는, 제1포트가 연속실의 원주벽을 향해서 만곡하는 곡선부에 있어서의 제1포트축선의 곡률의 종단부는 제1포트가 연소실의 밸브시이트의 근방에 있는 제1포트축선의 곡률출발점의 하류에 위치하고 있다.

본 발명의 또 다른 형태에 있어서, 엔진 흡기장치를 제어하기 위한 제어방법이 제공되어 있다. 운전시에 항상 제1흡기밸브를 통하여 연소실에 흡기를 도입하는 제1포트와, 제2흡기밸브를 통하여 연소실에 흡기를 도입하기 위하여 고부하상태에서 개방되는 게이트밸브를 구비한 제2포트와, 상기 제1포트의 하단에 위치한 포트개구부에 인접해서 형성된 제1포트곡선부와, 상기 제2포트의 하류단부에 위치한 포트개구부에 인접해서 형성된 제2포트곡선부와, 상기 제1포트곡선부로부터 상류로 뻗은 제1포트직선부와, 제2포트곡선부로부터 상류로 뻗은 제2포트직선부와, 그리고 상기 제1및 제2포트는 각각 축선을 그리고 상기 양 축선은 각각 곡선부 및 직선부를 가지며, 그리고 여기서 상기 제1포트축선의 직선부 축선방향에서 보았을때 상기 제2포트축선의 직선부가 엔진의 실린더축선에 대해 경사진 각도보다 큰 각도로, 경사져 있는 엔진의 흡기장치를 제어하는 제어방법에 있어서, 저부하상태에서 엔진의 연소실내에 스월류를 형성하기 위하여 제1포트를 통해서 흡기를 도입하는 스텝과, 엔진부하가 증가함에 따라 텀블류를 형성하기 위하여 상기 게이트밸브를 개방함으로써 상기 제2포트를 통해 흡기를 도입하는 스텝과, 그리고 상기 게이트밸브가 전폐상태로부터 전개상태로 작동될때 텀블류의 스월류에 대한 비가 점차로 증가되도록 밸브의 개도를 조정하는 스텝으로 이루어져 있다.

본 발명의 또 다른 목적들, 특징 및 특장들은 첨부도면을 참조한 다음 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

제1도 내지 제4도에 의하면, 엔진(E)의 각 실린더는 제1및 제2흡기포트(4), (5)를 개폐하는 제1 및 제2흡기밸브(2), (3)를 구비하고 있다. 포트(4), (5)가 개방되면 연소실(6)내에 흡기가 도입된다. 이 흡기는 압축된 후, 점화플러그(8)에 의해서 착화ㆍ연소하게 된다. 엔진(E)은 또한 제1 및 제2배기포트(11) 및 (12)를 개폐하는 제1 및 제2배기밸브(9) 및 (10)를 구비하고 있다. 배기포트(11), (12)가 개방되면 배기가스가 연소실(6)로부터 배출되게 되어 있다.

분사밸브(15)는 제1포트(4)에 연료를 분사하기 위해서 배치되어 있다. 제2포트(5)에는 흡기량 또는 엔진부하에 따라서 제2포트(5)를 개폐하는 제2포트게이트밸브(S밸브)(16)가 설치되어 있다. 제1포트(4) 및 제2포트(5)에는, 연소실(6)에의 포트개구부(4a) 및 (5a)가 형성되어 있고, 이들 포트개구부(4a) 및 (5a)에는 밸브시이트(21) 및 (22)가 배치되어 있다. 제1 및 제2배기포트(11) 및 (12)는 또한 연소실(6)에의 포트개구부에 밸브시이트(23)및 (24)를 구비하고 있다.

따라서, 연소실(6)의 천정면에는 흡기포트(4)및 (5)의 개구부(4a)및 (5a)와 배기포트(11) 및 (12)의 개구부(11a)및 (12a)가 형성되어 있다. 개구부(4a) 및 (5a)는 실린더의 흡기쪽(도면에서 좌측) 절반부에 배치되어 있고, 한편 개구부(11a) 및 (12a)는 실린더의 배기쪽(도면에서 우측) 절반부에 배치되어 있다.

점화플러그(8)는 실린더의 중심에 가까운 배기쪽 절반부에 배치되어 있다. 제1포트(4)로부터의 흡기류는, 연소실(6) 실린더의 원주벽을 따라서 거의 수평면으로 원주방향으로 흐르는 스월류(swrirl flow)를 생성한다. 한편, 제2포트(5)로부터의 흡기류는 연소실(6)내에서 피스톤행정방향으로 흐르는 텀블류(tumble flow)를 생성한다.

제1b도 및 제2도는 흡기 및 배기밸브에 대한 캠축의 축선 L0(제3도 참조)에 수직한 평면에서 본 단면이다. 제1b도 및 2도에 도시한 바와 같이, 제1포트(4)에는 그 상류부에서 거의 직선을 따라서 뻗은 직선부(4b)와, 직선부(4b) 및 개구부(4a)사이에 곡선부(4c)가 형성되어 있다. 마찬가지로, 제2포트(5)에는 직선부(5b)및 곡선부(5c) 형성되어 있다. 제1포트(4)의 직선부(4b)는 직선부(4b)의 축선 L1과 실린더보어의 축선 L2에 수직한 평면 A1(실린더 횡단면) 사이의 각도가 α가 되도록 경사되어 있다. 직선부(5b)는, 그 축선 L3와 횡단면도 A1사이의 각도가 α'가 되도록 경사되어 있다.

제1흡기밸브(2)는 밸브축부(2a) 및 밸브몸체(2b)를 구비하고 있다. 밸브축부(2a)의 축선 L4는 실린더보어축선 L2와의 각도가 θ(흡기밸브각)가 되도록 경사되어 있다. 밸브몸체(2b)의 하면은 연소실(6)의 천정면과 거의 평행하게 배치되어 있다. 밸브몸체의 상면과 하면은, 그 사이의 각도가 β가 되도록 형성되어 있다. 제1배기밸브(9)는 밸브축부(9a)및 밸브몸체(9b)를 구비하고 있다. 밸브축부(9a)의 축선 L5와 실린더 보어축선 L2는, 그 사이의 각도가 θ'가 되도록 형성되어 있다. 밸브몸체(9b)의 하면은 연소실(6)의 천정면(pent roof)과 거의 평행하게 배치되어 있다. 제1직선부축선 L1과 제1밸브축부축선 L4 사이의 각도는 포트입사각, α'-α는 포트각차 W라 부른다.

제5도 및 제6도에 도시한 바와 같이, 연소실은 펜트루프형으로 형성되어 있다. 연소실(6)의 천정면(37)은 실린더횡단면 A1에 대해 θ''를 이루도록 경사되어 있다.

제5도에 있어서, 천정면(37)은 등고선으로 표시되어 있다. 제1배기밸브(9)의 밸브몸체(9b)의 하면과 실린더횡단면 A1은, 그 사이의 각도가 θ''를 이루도록 경사되어 있다. 따라서, 밸브축부축선과 천정면(27)은 직교하므로, θ'와 θ''는 같게 된다. 이와 같은 펜트루프형의 연소실에서는, 배기쪽에서 실린더횡단면 A1 과 천정면(37)이 이루는 각도 θ''는 흡기쪽과 마찬가지로 비교적 작다. 따라서, 흡기밸브(2) 및 (3) 및 배기밸브(9) 및 (10)의 밸브축부는 세워지게 배치된다.

상기 각 배기포트, θ, θ'(θ'') 및 β는 다음곽 같은 관계를 갖는다.

β＞θ로 하는 이유는 다음과 같다. β가 θ이하로 되면, 제1포트(4)를 통해서 연소실(6)에 유입하는 흡기는 밸브몸체(2b)의 상면에 충돌해서 흐름방향을 바꾸고, 또 흡기의 일부는 연소실의 천정면(37)에 충돌해서 그 흐름이 교란된다. 그 결과, 연소실(6)에 도입된 흡기의 유속이 감소되어, 강한 스월류의 생성이 방해된다. 그러나, β를 지나치게 크게 하는 것도 좋지 않다. β가 증가되면, 제1포트(4) 및 밸브몸체(2b)사이에 형성된 공간부 또는 흡기의 흐름통로가 감소되어 흐름저항이 증가한다. β와 스월비와 흐름저항 사이의 관계는 제19a도 및 제19b도에 도시되어 있다. 스월비는 다음과 같이 정의된다.

여기서 RS : 스월비, WC : 흡기행정종료시의 스월속도, We : 크랭크축 각속도

스월비 RS는 단위 크랭크각 당의 스월속도이다. 엔진속도가 증가되면, 연소실(6)에 충전된 흡기량이 증가하므로, 스월강도는 높아진다. 엔진속도가 증가되면, 또한 크랭크축 각속도가 증가되므로, 스월비는 엔진속도의 증가에도 불구하고 감소된다.

α＜θ'(=θ'') 및 α≤θ로 하는 이유는 다음과 같다. 흡기의 스월의 생성을 촉진하기 위해서, α는 가능한한 작게 형성되므로, 연소실(6)에 유입하는 흡기의 수평속도성분(실린더횡단면 A1과 평행한 방향의 속도성분)이 증가된다.

따라서, 식(1), (2)및 (3)의 조건이 만족되면, 제1포트(4)로부터의 흡기는, 피스톤의 하강시에 연소실(6)의 천정면(37)과 서로 간섭하지 않고 연소실에 원활하게 도입될 수 있다. 따라서, 흡기의 수평속도 성분은 증가되어 연소실(6)내에서의 스월류의 생성이 촉진되게 된다.

한편, 제2포트(5)의 경사각 α'는 제1포트(4)에 비해 큰 값을 가진다. 따라서, 제2포트(5)로부터의 흡기는 비교적 큰 하향속도성분을 가지므로, 소워 텀블류 또는 수직소용돌이가 형성되게 된다. 이 텀블류는 엔진노킹 및 열손실을 억제한다. 제2포트게이트밸브(S밸브)가 개방되는 중ㆍ고부하상태에서는 엔진노킹이 발생하기 쉬워진다. 본 실시예에 있어서, 제2포트(5)로부터의 흡기에 의해서 생성된 텀블류는 노킹의 발생을 효과적으로 방치하고 열손실을 억제한다.

텀블류의 강도는 다음식에 의해 정의된 텀블비 RT에 의해 표시할 수 있다.

여기서 WC' : 흡기행정종료시(BDC)의 텀블류속도, WE : 크랭크축각속도

따라서, 제7도에 도시한 바와 같이, 화살표 X1으로 표시한 스월류 및 화살표 X2로 표시한 텀블류가 연소실(6)내에 생성된다.

제1a도, 3도 및 4도에 도시한 바와 같이, 실린더보어축선 L2(제2도 참조)에 수직한 평면상에는, 제1포트직선부(4b)가, 그 축선 L1과, 캠축축선 L0에 수직한 직선(LB)사이의 각도가 소정치 b가 되도록 배치되어 있다. 제2포트직선부(5b)는, 제2포트직선부(5b)의 축선 L3와, 캠축선 L0에 수직한 직선 L9 사이의 각도가 소정치 C(b＜c)가 되도록 배치되어 있다. 제1 및 제2포트(4) 및 (5)는 캠축축선 L0에 대해 같은쪽에 경사되어 배치되어 있다. 직선부(4b)및 (5b)는, 제1포트축선 L1과 제2포트축선 L3사이의 하류쪽을 향해 작아지도록 배치되어 있다. 제1및 제2포트(4)및 (5)사이의 거리 또는 격벽의 두께 류쪽을 향해 작아진다(예를들면, 제3도에 도시한 바와 같이 t₁＞t₂). 포트(4), (5)사이의 거리 또는 격벽의 두께의 변화는 제16도중에 일체적으로 표시되어 있다.

제1포트(4)의 개구부(4a)는 실린더(1)의 원주벽면을 지향하고 있고, 한편 제2포트(5)의 개구부 실린더(1)의 중앙부를 지향하고 있다. 따라서, 스월류는 주로 상기 제1포트(4)의 독특한 구조에 의해 생성되고, 텀블류는 주로 제2포트(5)의 구조에 의해 생성된다. 이 경우에 제2포트(5)로부터의 흡기는, 포트(4)로부터의 스월류에 대해 역스월류를 생성하지 않는다. 왜냐하면, 제1 및 제2포트(4) 및 (5)는 흡기를 거의 같은 방향으로 연소실(6)에 도입하도록 지향되어 있기 때문이다.

제1포트(4)의 곡선부(4c)의 직경은 평면에서 보아서 소정치 d로 설정되어 있다. 곡선부(4c) 는 포트(4)의 직선부(4b)의 단부에서 연속적이 되도록 형성되어 있다. 출발점에서 거의 실린더보어의 중심을 지향하고 있는 곡선부(4c)는, 중심으로부터 만곡되어 있고, 실린더보어의 원주벽을 향해서 밴드각 ψ및 곡률반경1으로 만곡되어 있다. 따라서, 포트(4)의 개구부(4a)는 원주벽을 향해 열려 있으므로, 제1포트(4)를 통해 연소실(6)에 유입하는 흡기는 강한 스월류를 생성한다. 그러나, 곡선부(4c)에는 흐름저항이 증가하게 된다. 흐름저항 ξ는 d, ψ 및1과 관련해서 결정된다. 제19(C)도에는 흐름저항 ξ, 포트직경 d, 밴드각 ψ및 곡률반경1사이의 관계가 도시되어 있다. 밴드각 Ø가 증가하면, 저항 ξ는 증가한다. 역으로, 곡률반경1이 증가하면, 저항 ξ는 감소한다. 흐름저항 ξ를 감소시키기 위해 곡률반경1은 가능한한 크게 설정하고, 밴드각 ψ는 가능한한 작게 설정하는 것이 바람직하다. 그러나, 밴드각 ψ가 작으면, 제1포트(4)를 실린더보어의 원주벽으로 향하게 하는 것이 어려워서, 강한 스월류를 생성하기가 어렵게 된다. 따라서, 포트직경 d, 곡률반경1 및 밴드각 ψ의 값은 흐름저항이 허용되는 범위내에서 가능한한 강한 스월류를 형성하도록 결정되어야만 한다. r1/d는 약 1.5∼2.0 정도로 하는 것이 바람직하다.

제1포트(4)의 단면은 상류부(거의 직선부)에서 원형으로 되어 있다. 제4도에 도시한 바와 같이, 곡선부(4c)부근의 제1포트(4)의 단면은, 제2포트(5)에 면한 절반부에서 반원형으로 되어 있으며, 그리고 반대쪽의 절반부에서 직사각형으로 되어 있다.

다시 말하면, 제1포트(4)의 단면은 곡선부(4c)부근에서 비대칭이다. 그 결과, 제1포트(4)의 단면의 중심 또는 포트(4)에서의 흡기류의 중심은, 원형에 비해서 실린더의 외주쪽 또는 제2포트(5)의 반대쪽으로 치우친다. 제4도에 있어서, 원형인 경우의 포트(4)의 가상축선 L'1이 도시되어 있다. 따라서, 흡기는 실린더의 외주쪽에 치우쳐서 연소실(6)내에 유입하게 되어, 강한 스월의 생성이 촉진되게 된다. 개구부(5a)에서의 제2포트축선 L3와, 제2포트개구부(5a)의 중심부와 제1배기포트개구부(11a)의 중심부를 통과하는 직선 L12사이의 제2포트설치각 θ2는 소정값을 가지도록 설정되어 있다. 이 제2포트설치각 θ2가 작으면, 제2포트개구부(5a)는 제1포트개구부(4a)에 대해서 반대방향으로 원주벽을 향하게 되어, 제1포트(4)로부터의 스월류에 대해 역스월류를 생성한다. 따라서,제2포트설치각 θ2의 값은 역스월류를 가능한한 작은 범위내에서 억제하도록 결정된다.

역스월비 및 포트설치각 θ2사이의 관계는 제20(A)도에 표시되어 있다. S-밸브(16)는 제4도에 도시한 바와 같이 실린더보어축선 L2에 거의 평행하게 뻗은 회전축(16a)를 구비하고 있다. S-밸브(16)는 축(16a)둘레를 회전해서, 제2포트(5)를 개폐하도록 되어 있다. S-밸브(16)가 개방되면, S밸브(16)는 밸브몸체의 주축면부가 상류로 이동되고, 그 다른 측면부가 하류로 이동되도록 회전한다. 제17도에 도시한 바와 같이, 밸브몸체가 제2포트축선 L3와 정렬할때, S-밸브는 완전히 개방된다. 밸브(16)가 L3와 직교하는 직선 L11에 대해서 소정각도 A1(예를들면, 20°)이 되는 위치로 회전하면, S밸브(16)는 완전히 폐쇄된다. 그러나 S밸브(16)는, 상기 A1보다는 소정치 A2(예를들면, 5∼8°)만큼 밸브개방쪽의 위치보다는 폐쇄할 수 없도록 되어 있다. 그러므로, 저부하상태에 있어서, S밸브(16)는 흡기가스의 일부를 제2포트(5)로부터 연소실에 도입하기 위하여 약간 개방된 채로 유지되어 있다. 그 결과, 연소실(6)에 남아있는 잔류배기가스는 제2포트(5)에 환류되는 것이 방지된다. 제2포트(5)로부터의 흡기는 연소실(6)내의 잔류배기가스의 소제 및 엔진의 펌핑로스의 저감 등을 도모할 수 있다.

S밸브(16)의 개방도가 변화됨에 따라, 스월비 RS및 텀블비 ST가 변화된다. 제21도에는, S밸브의 개방도 및 스월비 RS및 텀블비 RT사이의 관계가 도시되어 있다. 특성곡선 H1, H2는 스월비 RS및 텀블비 RT를 표시한다. S밸브(16)가 거의 폐쇄되었을 때에도, 텀블류는 피스톤의 하강행정에 의해서 생성된다.

제21도에서 알 수 있는 바와 같이, S밸브(16)의 개방도가 위치 S2보다 작은 레인지 P1에서, 포트(4)로부터의 스월류는 포트(5)로부터의 텀블류보다 강하다. 한편, S밸브(16)의 개도가 위치 S2보다 큰 레인지 P2에서, 제1포트(4)로부터의 스월류는 약해지며, 제2포트(5)로부터의 텀블류는 흡기의 증가때문에 강해진다. 제21도에 있어서, S밸브의 개방도가 증가되면, 텀블비 RT의 감소율은 포트 S1 부근에서 급격히 저하된다. 스월비 RS의 감소율은 지점 S3 부근에서 급격히 저하한다(S3＞S1). 스월류는 저부하 또는 저속상태에서 뿐만 아니라 고부하 또는 고속상태에서도 존재하고 있는 것을 알 수 있다. 이것은 포트경사각 α 브경사각 θ, θ', θ'', 밸브몸체각 β, 각 a, b 및 c, 값 t1, t2및 각 ψ가 바람직하게 설정되어 있기 때문이다. 따라서, 고부하상태에서도, 강한 스월이 생성된다.

그러므로, S밸브가 완전히 개방되면, 강한 텀블류가 생성되어, 안티-노킹특성 등을 향상시키게 된다. S밸브(16)가 폐쇄되는 상태로부터 S밸브(16)가 개구부(S3)의 위치를 취하는 상태에 이르기까지, 스월류는 유효하게 존재해서, 소위 흡기의 성층화 또는 저난류화를 촉진하여, 연소성을 향상시키게 된다. 그 스월류가 강해짐에 따라 열손실이 증가하더라도, 회박혼합가스연소가 가능하게 된다. 그러나 본 실시 있어서는, 스월류는 물론 텀블류도 존재하므로, 열손실은 가능한한 작게 억제된다.

요컨대, S3＞S1이라고 하는 것은, 제18도에 도시한 바와 같이 스월류 확산상태가 저부하 및 저속도로부터 텀블류확산상태로 점차로 전환되는 것을 의미한다. 그 결과, 엔진의 연소성을 성층화에 의해 또는 고부하상태에서 향상시킬 수 있다.

스월강도는 제2포트축선 L3와 직선 L9사이의 각 C와 포트각차 W에 따라 변화한다. 각 C및 W한 스월강도의 특성은 제20(B)도 및 제20(C)도에 도시되어 있다. 제8도 및 9도에 도시한 바와 같이, 방향 또는 제1및 제2포트개구부(4a) 및 (5a)의 중심을 통과하는 직선에서 보아서 곡선부(4c)의 곡률 R은 포트의 직경 D에 대해 비교적 큰 값을 갖는다.

즉, 곡선부(4c)의 포트축선의 곡률단부는 밸브시이트(21)의 상류단부의 하류에 위치하고 있어, 큰 곡률R을 갖게 된다. 종래의 흡기구조에 있어서는, 일반적으로, 직선축선을 갖는 직선부는 곡선축선을 갖는 선부의 단부하류에 연속적으로 형성되어 있다. 따라서, 곡선부의 곡률 R은 증가할 수 없다.

본 실시예에서는, R/D의 0.1로 설정되어 있다. R/D는, 제22도에서 영역 Q1으로 표시한 영역 0.9 내지 1.2이내에 설정하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 흡기밸브리프트가 2/3이상으로 증가할때 흐름저항이 문제가 된다. 밸브리프트가 2/3이상으로 증가하면, 흐름저항은 R/D의 치가 0.9미만에서는 증가하고, R/D의 치가 1.2를 초과하면 거의 일정해짐을 제22도에서 알게 될 것이다.

실린더의 축선방향에서 본 곡선류(4c)의 포트축선의 곡률 r1의 종단부는 캠축선방향에서 본 곡선부 트축선곡을 R의 출발점의 하류에 위치하고 있다.

따라서, 곡선부(4c)의 흐름저항은 감소되어, 연소실(6)에 유입하는 흡기의 유속이 증가하게 되므로 스월의 생성은 촉진된다. 그 결과, 충전효휼은 높아진다. 한편, 제1포트(4) 및 제2포트(5)는 상류개구부(38) 및 (39)를 통해 흡기매니포울드와 연결되어 있다.

거의 원통형인 밸브시이트(21)는 제1포트개구부(4a)상에 배치되어 있다. 밸브시이트(21)에는 공기유입을 위한 관통구멍(21a)이 형성되어 있다. 구멍(21a)는, 개구부(4a)에서 제1포트축선 L1의 접선 L6과 a의각도를 이루고 있는 직선 L7 방향으로, 기계공구(26)에 의해 형성되어 있다. 이 기계가공을 통해서 포트도 기계가공처리를 받아, 관통구멍(21a)과 제 1포트(4)사이가 연속적으로 연결되게 된다. 밸브시이트(21)에는 에지부(27)가 형성되어 있다. 직선 L6및 포트개구부(4a)의 중심 사이의 거리 t는 치우쳐 있다. 따라서, 구멍(21a)은 경사되어 있으므로, 제1포트(4)로부터 연소실(6)에 유입하는 흡기의 수평성분이 증가되어, 스월류의 생성이 촉진된다. 제1포트(4)의 내부벽은 밸브시이트(21)의 내부면과 매끈하게 연결되므로, 흐름저항이 감소된다.

제10도에있어서, 실린더축선 L2의 방향에서 보아, 제1포트개구부(4a) 및 제1배기포트개구부(11a)사이에는 스월어시스트마스크(31)가 설치되어 있다. 제2포트개구부(5a)및 제2배기포트개구부(12a)사이에는 텀블어시스트마스트(32)가 설치되어 있다. 제1배기포트개구부(11a) 및 제2배기포트개구부(12a)사이에는 스월브레이크마스트(33)가 설치되어 있다. 또한, 제1포트개구부(4a) 및 제2포트개구부(5a)사이에는 텀블스월촉진마스크(34)가 설치되어 있다. 스월어시스트마스크(31)에는 실린더 원주면(1)을 따라 뻗어있는 거의 원형인 호의 내부에지가 형성되어 있어, 스월류의 생성을 촉진하도록 되어 있다. 텀블어시스트마스크(32)에는 제2포트축선 L3와 거의 평행하게 뻗어 있는 거의 직선인 내부에지가 형성되어 있어, 제2포트(5)를 통해 유입하는 흡기의 텀블류의 생성을 촉진하게 되어 있다. 스월브레이크마스크(33)는, 그 부근의 제1 및 제2배기개구부(11a) 및 (12a)의 에지라인을 따라 뻗어 있고, 또한 개구부(11a) 및 (12a)사이의 실린더의 중심에 돌출해 있는 내부에지(33a)를 구비하고 있다. 텀블스월촉진마스크(34)는, 제1 및 제2포트개구부(4a) 및 (5a)의 에지를 따라 뻗고 또한 개구부(4a) 및 (5a)사이에서 실린더의 중심에 돌출해 있는 내부에지를 구비하여, 삼각형을 형성하게 된다.

S밸브가 개방되면, 기본적으로는, 제1포트(4)를 통해서 스월이 생성되고, 제2포트(5)를 통해서 텀블류가 생성된다. 그러나, 스월류 및 텀블류가 서로 간섭하면, 그들은 서로 약해진다. 이점을 감안해서, 스월브레이크마스크(33)와 텀블스월촉진마스크(34)가 설치되어 있다. 즉, 스월브레이크마스크(33)및 텀블스월촉진마스크(34)는 스월 및 텀블류의 생성을 위한 흡기류의 방향을 제한하므로, 연소실의 원주벽을 따라 스월을 생성하게 되고, 연소실(6)의 중심구역에서 텀블을 생성하게 되어, 스월류와 간섭하지 않게 된다. 따라서 스월 및 텀블류는 공존하여, 향상된 연소특성을 얻게 된다.

제10도에 있어서, 압축행정의 상사점(TDC)부근에서는, 제1포트(4)부근에 화살표 Y1으로 표시한 스월류가 생성되게 된다. 이 상황에서, 연소실의 깊이는 감소되므로, 텀블류는 소멸하고, 화살표 Y2로 표시한 역스월류는 제2포트(5)부근에 생성된다. 이들 스월류 및 역스월류는 점화플러그(8)방향으로 방향이 바꾸어지고, 점화플러그(8)주위에서 서로 합류한다. 그 결과, 플러그(8)주위에 강한 난류가 발생하여, 흡기의 연소속도가 빨라져서, 착화성 및 연소성이 향상되게 된다.

상기한 바와 같이, 제1포트축선 L1및 실린더횡단면 A1사이의 제1경사각 α는 비교적 낮은 값으로 설정된다. 따라서, 실린더헤드(H)내의 제1포트(4)밑에 독립워터재킷을 형성하는 것은 어렵다. 이것을 감안해서, 본 실시예에서는, 실린더헤드(H)의 워터재킷(36)은 소위 오픈댁크(open deck)방식으로 실린더블록(B)의 워터재킷(37)과 연통되어 있다. 실린더헤드(H)는 개스킷(도시생략)을 통해 실린더블록과 연결되어 있다.

제12도 내지 16도에서, 평면도에서 보면, 연료분사밸브(15)는 제1포트축선 L1로부터, 제1포트(4)의 직선부(4b)내에서 제2포트(5)에 대향한 외부측면에 치우쳐서 배치되어 있다. 그 분사노즐은, 직선 L1을 횡단하는 직선 L10의 방향을 지향, 즉 플러그(8)를 지향하고 있다. 분사각 J1은 비교적 작은 각, 예를들면 10°로 설정되어 있다. 제1포트(4)의 개구부부근의 연료의 산포구역은 제13도의 영역 R1및 제15도의 영역 R2로 표시되어 있다. 그러므로, 분사된 연료는 제1포트(4)의 벽과 충돌하지 않는다.

그 결과, 밸브(15)로부터 분사된 연료는 포트벽(4)과 충돌하지 않고 연소실(6)에 도달하고, 플러그(8)주위에 집중되므로, 연료의 연소가 촉진된다. 또한, 제1포트(4)내의 곡선부(4c)의 흡기에 작용하는 원심력은 연료를 실린더의 중심으로 향하게 한다. 이것은 또한 점화플러그(8)주위에 연료의 집중을 촉진시킨다.

제1포트(4)의 형상의 이해를 용이하게 하기 위해서, 포트(4)는 제12도 내지 14도에 번호에 동그라미를 쳐서 표시하고 있다. 제15도 및 16도에 있어서, 제1 및 제2포트의 곡률은 사시도로 표시하고 있다.

본 발명에 의하면, 엔진부하가 낮으면, 강한 스월류가 생성되어 흡기의 성층화가 이루어지므로, 흡기의 착화성 및 연소성이 향상된다. 중간부하상태에 있어서, 스월류 및 텀블류는 공존해서, 연소성 및 안티노킹 특성을 향상시키게 된다. 고부하상태에 있어서, 강한 텀블류는 안티노킹특성을 향상시켜서, 엔진출력특성을 신장시킨다.

본 발명을 구체적이고 바람직한 실시예를 참조해서 설명해 왔지만, 당업자는 본 발명이 범위 및 정신내에 들면서 변형 및 개량을 할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 첨부특허청구범위에 의해 유일하게 결정된다.

Claims

운전시에 항상 제1흡기밸브(2)를 통하여 연소실(6)에 흡기를 도입하는 제1포트(4)와, 제2흡기밸브(3)을 통하여 연소실(6)에 흡기를 도입하기 위하여 고부하상태에서 개방되는 게이트밸브(16)를 구비한 제2포트(5)와, 상기 제1포트(4)의 하류단부에 위치한 포트개구부(4a)에 인접해서 형성된 제1포트곡선부(4c)와, 상기 제2포트(5)의 하류단부에 위치한 포트개구부(5a)에 인접해서 형성된 제2포트곡선부(5c)와, 상기 제1포트곡선부(4c)로부터 상류로 뻗은 제1포트직선부(4b)와, 상기 제2포트곡선부 (5c)로부터 상류로 뻗은 제2포트직선부(5b)와, 그리고 상기 제1 및 제2포트는 각각 축선을 가지며, 그리고 상기 양축선은 각각 곡선부 및 직선부를 가지며, 그리고 여기서 상기 제1포트축선의 직선부가, 캠축선(L0)방향에서 보아서 상기 제2포트축선의 직선부가 엔진의 실린더축선(L2)에 대해 경사진 각도보다 큰 각도로 경사져 있으며, 그리고 텀블류의 스월류에 대한 비는, 게이트밸브가 전폐상태로부터 전폐상태로 작동될때 점차로 증가하는 엔진의 흡기장치.
제1항에 있어서, 제1 및 제2포트(4, 5)의 양 축선은, 엔진의 실린더보어축선(L2)방향에서 보아 캠축축선(L0)에 대해 한쪽으로 경사되어 있고, 상기 제2포트(5)는, 상기 제2포트축선이 엔진의 실린더보어의 실질적으로 중앙부에 배치된 점화플러그를 실질적으로 지향하도록 배치되어 있고, 그리고 제1포트 및 제2포트직선부(4b,5b)는, 상기 제1포트축선과 상기 제2포트축선 사이의 거리가 실린더보어축선(L2)방향에서 보아, 하류를 향해 감소되도록 형성되어 있는 엔진의 흡기장치.
제2항에 있어서, 제1포트(4)는 실린더축선방향에서 보아 그 하류단부부근의 제2포트(5)에 비해 급격히 만곡되어 있는 엔진의 흡기장치.
제3항에 있어서, 게이트밸브(16)는, 제2포트의 개도를 조정하기 위하여 실린더축선(L2)과 실질적으로 평행하게 뻗은 회전축(16a) 및 그 축주위를 회전하는 밸브몸체를 구비하고 있으며, 상기 밸브몸체는 제1포트에 가까운 밸브몸체의 일부가 상류로 이동해서 제2포트를 개방하도록 회전하는 엔진의 흡기장치.
제4항에 있어서, 분사밸브(15)는 제1포트에 설치되고, 상기 분사밸브(15)의 분사중심선은 제1포트 축선을 횡단해서, 실린더축선(L2) 방향에서 보아 실린더보어의 중심구역에 배치된 점화플러그에 실질적으로 지향하도록 되어 있는 엔진의 흡기장치.
제2항에 있어서, 제2포트개구부의 제2포트축선과 상기 제2포트개구부의 중심부와 제1포트개구부에 면한 제1배기포트개구부(11a)의 중심부를 통과하는 직선 사이의 제2포트설치각은 비교적 큰 값을 가지도록 형성되어 있으므로, 상기 제2포트로부터의 흡기는 연소실의 중심부를 지향하게 되어 있는 흡기장치.
제1항에 있어서, 제1포트직선부의 축선과 실린더축선에 수직한 평면 사이의 제1포트경사각 α는 캠축축선방향에서 보아 제2포트에 비해 작은 값으로 설정되어 있으며, 각 α는, 제1흡기밸브의 축선과 실린더축선 사이의 제1흡기밸브경사각 θ, 상기 제1흡기밸브에 면한 제1배기밸브의 축선과 실린더축선 사이의 제1배기밸브경사각θ' 및 제1흡기밸브의 밸브몸체의 상하면 사이의 밸브몸체가 β는, 캠축축선방향에서 보아 다음 조건 β＞θ 및 α＜θ'를 만족하는 엔진의 흡기장치.
제7항에 있어서, 연소실은 펜트루프(pent roof)형이며, 제1포트경사각, α, 제1흡기밸브 경사각 θ, 배기밸브근방에 있는 연소실의 천정면과 실린더축선에 수직한 평면 사이의 루프경사각 θ'' 및 밸브몸체각 β는 캠축축선방향에서 보아 다음 조건 β＞θ 및, α＜θ''를 만족하는 엔진의 흡기장치
제8항에 있어서, 제1포트경사각 α, 제1흡기밸브경사각 θ, 루프경사각 θ'' 및 밸브몸체각 β는 또한 다음 조건 α＜θ를 만족하는 엔진의 흡기장치.
제7항에 있어서, 제1포트축선은, 실린더축선방향에서 보아서 포트개구부의 근방에 있는 연소실의 원주벽을 향해 만곡되어 있는 엔진의 흡기장치.
제7항에 있어서, 제1포트는, 캠축축선방향에서 보아서 제1포트축선의 제1포트개구부의 접선으로 부터 제1포트직선부의 제1포트축선을 향해서 소정 각만큼 경사되어 있는 직선을 따라서 뻗은 관통구멍이 형성된 밸브시이트를 구비한 엔진의 흡기장치.
제7항에 있어서, 제1포트에는 밸브시이트의 근방에 곡선부가 형성되어 있고, 제1포트축선의 곡선부의 종단부는 밸브시이트의 상류단부의 하류에 위치하고 있는 엔진의 흡기장치.
제7항에 있어서, 밸브시이트근방에 있는 곡선부의 제1포트축선의 곡률 R 및 상기 곡선부의 제1포트직경은 다음 조건 0.9≤R/D≤1.2를 만족하는 엔진의 흡기장치.
제13항에 있어서, 제1포트가 연소실의 원주벽을 향해서 만곡하는 곡선부에 있어서의 제1포트축선의 곡률의 종단부는, 밸브시이트의 근방에 있는 제1포트축선의 출발점의 하류에 위치한 엔진의 흡기장치.
운전시에 항상 제1흡기밸브(2)를 통하여 연소실(6)에 흡기를 도입하는 제1포트(4)와 제2흡기밸브(3)를 통하여 연소실(6)에 흡기를 도입하기 위하여 고부하상태에서 개방되는 게이트밸브(16)를 구비한 제2포트(5)와, 상기 제1포트(4)의 하류단부에 위치한 포트개구부(4a)에 인접해서 형성된 제1포트곡선부 (4c)와, 상기 제2포트(5)의 하류단부에 위치한 포트개구부(5a)에 인접해서 형성된 제2포트곡선부(5c)와 상기 제1포트곡선부(4c)로부터 상류로 뻗은 제1포트직선부(4b)와, 상기 제2포트곡선부(5c)로부터 상류로 뻗은 제2포트직선부(5b)와, 그리고 상기 제1 및 제2포트는 각각 축선을 가지며, 그리고 상기 양 축선은 각각 곡선부 및 직선부를 가지며, 그리고 여기서 상기 제2포트축선의 직선부가, 캠축선(L0)방향에서 보아서 상기 제2포트축선의 직선부가 엔진의 실린더축선(L2)에 대해 경사진 각도보다 큰 각도로 경사져 있는 엔진의 흡기장치를 제어하는 제어방법에 있어서, 저부하상태에서 엔진의 연소실내에 스월류를 형성하기 위하여 제1포트(4)를 통해서 흡기를 도입하는 스텝과, 엔진부하가 증가함에 따라 텀블류를 형성하기 위하여 상기 게이트밸브를 개방함으로써 상기 제2포트(5)를 통해 흡기를 도입하는 스텝과, 그리고 상기 게이트밸브(16)가 전폐상태로부터 전개상태로 작동될때 텀블류의 스월류에 대한 비가 점차로 증가되도록 상기 게이트밸브(16)의 개도를 조정하는 스텝으로 이루어진 흡기장치를 제어하는 제어방법.