KR100443036B1 - 왕복피스톤내연기관의연료분사방법및장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 최소한 2개의 분사노즐(1a,1b)을 가진 디젤구조타입의 저속 2-스트로크 왕복피스톤 내연기관의 실린더(44)의 연소체임버(43)내로 연료를 분사하는 방법에 있어서, 분사노즐(1a,1b)의 개방순서가 변하는 연료분사방법에 관한 것이다.

Description

왕복피스톤 내연기관의 연료분사방법 및 장치

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 왕복피스톤 내연기관의 연료분사방법에 관한 것이며, 또한 본 발명의 방법에 따라서 동작하는 장치에 관한 것이다.

디젤내연기관의 연료분사방법이 EP 0 586 775호에 공지되어 있다. 연료가 2개의 분사노즐을 통하여 시차를 두고 연소체임버내로 분사되고, 여기서 먼저 하나의 분사노즐이 열리고, 이 제1의 분사노즐이 열려 있는 동안, 이어서 제2의 분사노즐이 열린다. 분사노즐은 폐쇄스프링에 의하여 노즐바늘을 폐쇄상태로 유지하고, 각각의 폐쇄스프링은 상이한 힘 및／또는 상이한 바이어스힘을 가지도록 되어 있다.

이 공지된 방법은 높고, 불균일한 온도부하 및／또는 소진(부식, 마모)이 연소체임버내에서 발생한다는 결점이 있다.

본 발명의 목적은 이러한 결점을 해소하는 것이다.

도 1은 2개의 분사노즐을 사용한 분사공정을 나타낸 도면.

도 2는 도 1의 구성에 의한 실린더헤드의 평면도.

도 3은 분사공정의 다른 실시예를 나타낸 도면.

도 4a 및 도 4b는 2개의 분사노즐을 작동시키는 방법을 나타낸 도면.

도 4c는 3개의 분사노즐을 작동시키는 다른 방법을 나타낸 도면.

도 4d는 부분부하에서 동작중 2개의 분사노즐을 작동시키는 다른 방법을 나타낸 도면.

도 5는 분사장치의 다른 실시예를 나타낸 도면.

이 목적은 청구항 1의 특징부에 의하여 달성된다. 종속항 2∼5는 본 발명에 따른 방법의 또 다른 이점이 있는 실시에 관한 것이다. 이 목적은 또한 이 방법으로 동작하는 청구항 6에 따른 장치로 달성된다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 최소한 2개의 분사노즐을 가진 디젤타입의 저속 2-스트로크 왕복피스톤 내연기관의 실린더의 연소체임버내로 연료를 분사하는 방법에 있어서, 분사노즐의 개방순서가 변하는 것을 특징으로 하는 연료분사방법에 관한 것이다. 특히, 부분부하에서 동작중, 1동작스트로크에 공급되는 연료량이 하나의 분사노즐에 의하여 분사되고, 연속의 동작사이클로 분사노즐의 작동순서가 변한다.

또한, 본 발명의 목적은, 1동작스트로크에 공급되는 전체 연료량이 최소한 2개의 분사노즐에 의하여 분사되고, 분사노즐이 상이한 시간에 열리고, 분사노즐의 개방순서가 연속의 동작사이클로 변하는, 디젤내연기관의 실린더의 연소체임버내로연료를 분사하는 방법에 의하여 달성된다. 연속의 분사공정중, 분사노즐의 작동순서가 변하여 제1의 분사공정중 하나의 분사노즐이 먼저 열리고, 이어지는 분사공정에서는 다른 분사노즐이 먼저 열린다. 이러한 분사공정은 연소체임버내에서 특히 실린더헤드 또는 커버에서 균일한 열스트레스를 발생시키는 이점이 있다. 이로써, 실린더헤드 및 피스톤에서 각각 매우 높은 열스트레스를 받는 영역, 이른바 "핫 스폿(hot spots)" 을 피하고, 이로써 부식 또는 마모에 의한 실린더헤드 및 피스톤에서의 금속손실이 방지된다. 또한, 연소체임버내의 최대온도가 보다 낮으므로 냉각의 필요성도 낮다. 높은 열스트레스를 받는 영역을 회피하는 다른 이점은 실린더헤드, 피스톤 또는 실린더삽입면과 같은 연소체임버구성품이 크랙의 형성이 감소되는 경향을 가지는 사실에서 알 수 있다.

2개 또는 그 이상의 분사노즐이 디젤내연기관의 실린더의 연소체임버내에 배설될 수 있다. 이러한 분사노즐은 그들의 분사공정이 상이한 시간에 개시되고, 연속의 분사공정중 분사노즐의 작동순서가 변하도록 제어장치에 의하여 작동된다.

다음에 본 발명의 실시예에 대하여 도면에 따라서 설명한다.

도 1에 있어서, 디젤공정에 따라서 운전되는 도시되지 않은 저속 2-스트로크 왕복피스톤 내연기관의 다수의 실린더중 하나의 실린더(44)를 나타낸다. 동작피스톤(45)은 이 실린더(44)내에 안내되어 상하로 운동가능하다. 동작피스톤(45)은 실린더(44) 위에 위치한 실린더헤드 또는 커버(46)와 함께 연소체임버(43)를 바운드시키고, 액체연료를 제1의 분사노즐(1a) 및 제2의 분사노즐(1b)에 의하여 연소체임버(43)내로 분사한다. 도시되지 않은 배기밸브가 실린더커버(46)의 중앙에 배설되고, 종방향의 배기가 동작피스톤(45)의 상향운동개시시 실린더(44)내에 일어난다. 공지된 형태의 구성의 제1의 분사노즐(1a) 및 제2의 분사노즐(1b)은 각각 폐쇄스프링(8)의 동작에 의하여 시트영역(1')에 대하여 압착되는 노즐바늘(7)을 가진다. 시트영역(1') 아래에는, 블라인드공이 노즐하우징내에 배설되고, 여기로부터 분사공(2)이 연소체임버(43)내로 개방을 개시한다. 압력체임버(10)가 시트영역(1') 위의 노즐하우징에 배설되고, 압력라인(9a,9b)을 통하여 분사장치(40a,40b)에 연결된다. 분사노즐(1a,1b)의 분사단계중에, 라인(9a,9b)을 통하여 압력체임버(10)에 공급된 연료압력이 커지면 스프링(8)의 폐쇄력이 압도되어 노즐바늘(7)이 시트영역(1')으로부터 떨어지게 되어, 연료가 분사공(2)을 통하여 연소체임버(43)내로 유입된다. 라인(42)이 분사노즐(1a,1b)의 하우징에 연결되어 누출연료를 반송한다. 분사공정의 개시 및 종료가 전기제어라인(41a,41b)을 통하여 제어될 수 있도록 분사장치(40a,40b)에 의하여 실행된다. 이밖에 분사될 연료량이 또한 전기제어라인(46a,46b)을 통하여 제어될 수 있도록 분사장치(40a,40b)에 의하여 실행된다. 2개의 분사장치(40a,40b)는 각각 연료공급라인(47a,47b)에 연결된다. 제어장치(50)는 제어라인(41a,41b)을 통하여 또한 제어라인(46a,46b)을 통하여 분사장치(40a,40b)를 제어하여, 밸브(1a,1b)를 개폐한다. 제어장치는 전기신호라인(50b)을 통하여 센서(52)에 연결되고, 이 센서는 왕복피스톤 내연기관의 크랭크샤프트(53)의 회전각 ω을 모니터한다. 또한, 제어장치(50)는 전기신호라인(50a)을 통하여 입출력장치(51)에 연결되고, 이로써 제어값이 특정되고, 상태값이 표시될 수 있다.

도 2는 분사노즐(1a,1b)을 가진 실린더커버(46)의 평면도이다. 연료는 분사공(2)으로부터 제트의 형태로 화살표 A방향으로 방사된다. 연소체임버(43)에 있어서, 회전하는 나선형의 연소공기의 흐름(화살표 B)이 공기의 유입중 및 동작피스톤 (45)의 상향운동중 발생된다. 연료의 연소중, 온도상승영역이 실린더헤드(46) 및 피스톤(45)에 영역(46c)으로 표시된 바와 같이 발생될 수 있다. 이 영역(46c)은 분사노즐이 균일하게 작동하면 비교적 고온으로 가열될 수 있고, 가장 고온의 가스가 회전하는 흐름 때문에 동일한 영역(46c)으로 일정하게 들어온다.

도 4a 및 도 4b 는 본 발명에 따른 실린더(44)의 연소체임버(43)에의 연료분사공정, 특히 연료의 유량 m을 크랭크샤프트각 ω의 함수로 나타낸다. 유량 m은 각각 단위시간 또는 단위각도 당 연료량을 의미한다. 도 4a에 있어서, 노즐(1a)이 먼저 열리고, 그 후, 즉 크랭크샤프트각이 더 커질 때 노즐(1b)이 열린다. 2개의 노즐(1a,1b)의 분사공정은 동시에 차단된다. 도 4b는 노즐(1b)이 먼저 열리고, 그 후에 노즐(1a)이 열리는 다른 분사공정을 나타낸다. 예를 들면 연속의 분사공정을 위하여 교대로 노즐(1a) 또는 노즐(1b)이 먼저 열리고, 이어서 그 후에 다른 노즐(1a,1b)이 열리도록, 제어장치(50)가 분사장치(40a,40b), 다음에 노즐(1a,1b)을 작동시킨다. 노즐(1a,1b)의 작동순서의 변화는 대단히 많은 가능한 순서에 따라서 진행될 수 있다. 따라서, 예를 들면, 연속의 2분사공정의 각각에서 노즐(1a)을 먼저 열고, 그리고 다음의 2분사공정에서는 노즐(1b)을 먼저 여는 것도 또한 가능하다.

도 4c는 연소체임버(43)내로 연료를 분사하는 3개의 노즐(1a,1b,1c)이 실린더헤드(46)에 배설된 경우에서의 노즐작동의 다른 변형을 나타낸다. 도시된 작동순서에 있어서, 노즐(1a)이 크랭크샤프트각 0°에서 먼저 열리고, 그 후, 즉 크랭크샤프트각이 보다 클 때 노즐(1b)이 스위치온되고, 크랭크샤프트각이 보다 더 클 때 노즐(1c)이 스위치온되고, 크랭크샤프트각이 20°에서 3개의 노즐(1a,1b,1c)이 모두 스위치오프된다. 도 4c의 최하단의 그래프에 있어서, 노즐(1a,1b,1c) 모두에 의하여 연소체임버(43)내로 분사된 연료의 총유량을 크랭크샤프트각의 함수로 나타낸다.

분사되는 연료량이 또한 제어될 수 있도록 분사장치(40a,40b)에 의하여 실행될 수 있고, 따라서 제어장치(40)에 의하여 노즐(1a,1b,1c)의 스위치 온·오프뿐 아니라 연료의 총유량도 제어 및 조절될 수 있다.

도 4d는 부분부하에서의 동작의 분사공정을 나타낸다. 여기서 제1의 동작사이클 I에서는 노즐(1a)만 작동하고, 제2의 다음의 동작사이클 II에서는 노즐(1b)만 작동한다. 이로써, 실린더커버 및 피스톤에 균일한 열스트레스가 부분부하에서 동작중 얻어진다.

도 3은 분사장치 및 분사노즐(1a)의 다른 실시예를 나타낸다. 분사노즐(1a)은 피스톤(64)이 부착된 노즐바늘(7)을 가진다. 스프링(65)이 노즐바늘(7)을 폐쇄위치로 압착한다. 분사장치(60)는 라인(61)을 통하여 고압의 연료를 압력체임버(10)내로 공급하고, 피스톤(64)상에 압력을 발생시켜서, 노즐바늘(7)을 들어올리고, 따라서 연료가 분사공(2)에서 비상제트 A로서 누출될 수 있다. 도시된 실시예에 있어서, 노즐바늘(7)의 들어올림은 압전액튜에이터(66)에 의하여 부분적으로 또는 전체적으로 방지된다. 제어장치(50)가 구동라인(41a)을 통하여 액튜에이터(66)를 작동시킨다. 액튜에이터(66)는 특히 펄스폭 변조신호에 의하여 작동할 수 있고, 따라서 복수의 압전층으로 구성되는 액튜에이터가 매우 정확하게 고속으로 제어될 수 있다. 노즐바늘(7)의 개방개시시, 노즐바늘(7)의 리프트속도 및 스트로크가 일시적으로 정밀하게 정확하게 그리고 신속하게 제어될 수 있다. 제어장치(50)는 순간동작 및 압전소자(66)를 거쳐 분사노즐(1a)을 통하는 유량을 조절하는 전자수단으로 이루어지고, 이로써 노즐바늘(7)의 위치에 영향을 준다.

도 5는 고압펌프(80) 및 어큐뮬레이터(81)에 의하여 연료가 공급되는 분사장치(40a)의 실시예를 모식적으로 그리고 일부는 단면으로 나타낸다. 연료용 입구유로(67)는 유로(68)로 갈라지고, 차동피스톤으로서 실행되는 미터링피스톤(70)의 후측으로 통하고, 또한 메인채널(69)로 갈라지고, 이를 통하여 연료가 제어피스톤(100)의 그루브(141)를 통하여 입구유로부(123)로 이송된다. 유입 및 귀환을 행하는 제어유압기(90)의 제어밸브(91)가 압력하의 제어오일로 작동될 때, 제어피스톤(100)의 전면(143)이 아래로 움직인다. 프리콘트롤밸브(pre-control valve)는 제어전자장치(50)로부터 그 제어명령을 수신하여, 연료분사공정이 정확한 위치에서 제 시간에 정확한 양으로 발생하는 것을 확실하게 한다. 따라서, 예를 들면, 크랭크샤프트(3)에 위치한 센서(52)로부터의 각도신호가 전기신호라인(50b)을 통하여 제어장치(50)로 전송된다. 예를 들면 유도적으로 동작하는 센서(73)는 샤프트(74)의 위치를 모니터하여, 미터링피스톤(70)의 위치의 신호를 제어전자장치(50)로 보낸다. 이로써, 분사공정당 분사되는 연료량을 특정하고 변경하는 것이 가능하게 된다.

제어피스톤(100)이 아래로 움직이는 동안, 메인유로(69)와 입구유로부(123) 사이의 연결이 먼저 차단된다. 그 후, 출구유로(124)가 제어피스톤(100)의 그루브(142)를 통하여 분사유로(9a)에 연결되고, 이것은 디젤엔진의 실린더(44)의 분사노즐(1a)로 통한다. 미터링피스톤(70)은 채널(68)을 통하여 미터링피스톤 후면(72)상에 연료에 의하여 가해지는 압력에 의하여 움직인다. 연료가 실린더스페이스(43)내로 분사된다. 프리콘트롤밸브(91)가 닫히고, 제어오일용 귀환유로가 열리면, 다음에 제어피스톤(100)의 전면(144)에 작용하는 연료압 및 스프링힘에 의하여 제어피스톤(100)을 위로 민다. 유로(9a)에의 연료공급이 차단되고, 따라서 분사가 종료된다. 도 5에 있어서, 연소체임버(43)내로 열리는 제2의 분사노즐(1b)은 단지 끝부만이 도시되어 있다. 이 분사노즐(1b)은 도시되지 않은 분사장치(40a)와 동일한 다른 분사장치(40b)에 의하여 연료가 공급된다.

제어피스톤(100)에서 예를 들면 5개의 밀봉위치에서 고압의 연료에 대하여 밀봉이 연속하여 달성된다. 가장 중요한 밀봉위치, 즉 분사노즐(1a)과 연결된 위치가 밸브시트(145)로서 실행되고, 따라서 라인(9a)이 개개의 분사공정 사이에서 압력하에 위치하지 않게 된다. 밸브시트(145)는 폐쇄위치에서 완전히 밀봉된다. 이 수단에 의하여, 제어되지 않은 분사가 방지될 수 있다. 다른 밀봉(146)을 위하여, 제어피스톤(100)의 폐쇄기구가 이용되고, 연료가 조금 누출되는 것이 허용되고, 귀환채널(127)을 통하여 연료탱크로 귀환된다.

Claims (6)

1. 디젤타입의 저속 2-스트로크 왕복피스톤 내연기관의 실린더의 연소체임버 내부로 연료를 분사하는 방법에 있어서,

   하나의 동작스트로크에 공급되는 연료량이 적어도 2개의 분사노즐에 의하여 분사되고, 상기 분사노즐이 상이한 크랭크샤프트각에서 열리고, 연속의 동작사이클에서 상기 분사노즐의 개방 순서가 변화되는 것을 특징으로 하는 연료분사방법.
2. 청구항 1에 있어서, 2개의 분사노즐의 개방 사이의 크랭크샤프트각은 최소한 4도인 것을 특징으로 하는 연료분사방법.
3. 청구항 1에 있어서, 분사공정은 모든 분사노즐이 동시에 종료되는 것을 특징으로 하는 연료분사방법.
4. 제어장치(50) 및 상기 제어장치(50)에 연결되어 크랭크샤프트각을 검지하는 센서(52)를 구비하고,

   각각의 실린더에 대하여 1개의 분사노즐(1a,1b) 또는 적어도 2개의 직접 제어가능한 분사노즐(1a,1b)에 각각 연결되는 적어도 2개의 제어가능한 분사장치(40a,40b)가 각각의 실린더를 위하여 제공되는 것을 특징으로 하는 청구항 1, 4 및 5 중 어느 한 항에 의한 방법을 실행하는 연료분사장치.
5. 청구항 1, 2, 및 3 중 어느 한 항에 따른 방법으로 동작하는 왕복피스톤 내연기관.
6. 청구항 4에 따른 장치를 가지는 왕복피스톤 내연기관.