KR100445443B1 - 내연 기관용 연료 분사 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 희박 연소 엔진의 연료 분사공에서는, 분사 연료의 미분화에서의 문제점인 벽면 상의 연료 분무의 부착이 줄어들게 되고, 엔진의 기통 내의 혼합 가스의 질과 형성 상태가 향상된다.

엔진은 연료 인젝터(1)와, 흡기구를 개폐하기 위한 흡기 밸브(6)와, 흡입 공기 유동 제어 장치(10)를 포함한다. 분사 연료는 내연 기관이 저부하 및 저속 회전 상태로 작동될 때 저관통력 연료 분무로 형성되고, 분사 연료는 내연 기관이 고부하 및 고속 회전 상태로 작동될 때 고관통력 연료 분무로 형성된다. 연료는 엔진의 흡기 행정과 동시에 분사되고, 벽면 상의 연료 분무의 부착을 억제하도록 흡입 공기 유동 제어 장치(10)를 통해 흐르는 기류에 의해 수송된다.

Description

내연 기관용 연료 분사 장치{FUEL INJECTION SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연 기관용 연료 분사 장치, 특히 연료 분무의 침투(연료 분무 이동)를 제어함으로써 흡기관의 벽면에 연료가 부착되는 것을 제어하기 위한 기술에 관한 것이다.

종래의 연료 분사 장치로서의 장치가 일본 특허 공개 평5-126012호의 공보에 개시되어 있다. 이 공보에서, 엔진이 시동시 또는 아이들링시와 같은 저속 범위에서 작동될 때 엔진의 회전 속도가 낮고 흡기 밸브의 폐쇄 시간이 길기 때문에, 전자기식 연료 인젝터로부터의 연료 분무는 흡기관 내부에 매달려 있는 것이 바람직하고, 연료 분무의 관통력은 약하고 연료는 미세한 액적으로 되는 것이 바람직하다고 기재되어 있다.

한편, 엔진의 회전 속도가 중속 범위로부터 고속 범위에 오게될 때 엔진의 회전 속도가 높고 흡기 밸브의 폐쇄 시간이 짧기 때문에, 연료 분무는 흡기관의 내부 벽면 상에 부착됨이 없이 연소실로 신속히 공급되어야 하고, 따라서 연료 분무의 관통력은 강할 필요가 있음이 또한 기재되어 있다.

공보에 기재된 장치에서, 다중점 분사식 내연 기관용 전자 제어 연료 분사 장치는 각각의 기통용 흡기 밸브의 원반부를 향해 연료를 분사하기 위한 전자기 연료 인젝터를 구비하고, 연료 분무 형태는 엔진의 작동 상태를 검출하고 검출된 신호를 이용하여 전자기 연료 인젝터의 연료 분무형 가변 수단을 구동시킴으로써 엔진의 작동 상태에 따라 가변된다.

그 장치는 선회 연료 성분 대 비선회 연료 성분의 비를 제어함으로써 연료 분무 형태를 가변시킨다. 선회 연료 성분의 선회력은 연료가 연료 선회 소자 내에 형성되고 연료를 축에 편심으로 도입하기 위한 연료 통로(홈)를 통과할 때 부가된다.

한편, 비선회 성분은 연료 선회 소자의 내주면과 밸브 본체를 구성하는 볼 간의 간극을 통과하는 연료이다. 일 예로, 간극의 크기가 증가될 때, 간극을 통해 누설되는 연료양은 비선회 성분을 증가시키도록 증가되고, 연료 분무 형태는 엔진의 고속 작동에 적절한 작은 분사각을 갖는 형태로 된다.

전술된 장치에서, 압전 소자는 연료 선회 소자의 내주면과 밸브 본체를 구성하는 볼 간의 간극 크기를 가변시키기 위해 이용된다. 따라서, 압전 소자를 이용하는 연료 분무 형태 가변 수단은 연료 인젝터의 노즐 단부의 매우 좁은 공간에 형성될 필요가 있어, 생산성 향상의 과제를 야기시킨다.

또한, 압전 소자 쪽의 배선을 고려할 필요가 있게 된다. 또한, 압전 소자의 특성 및 내구성의 변화와 같은 신뢰성의 문제점이 고려되어야 한다.

전술된 공보에서는, 연료 분사 시기를 흡기 행정의 시기에 맞추도록 하는 연료 분사용 장치에 대한 배려가 없다. 희박 연소 엔진은 희박 혼합 가스가 연소되는 엔진이고, 혼합 가스는 각각의 기통 내에 마련된 연료 인젝터로부터 분사 연료의 연료 분사 방식(다중점 분사 시스템: MPI)을 채용하고 흡기 행정과 동시에 연료 분사를 수행함으로써 희박하게 된다.

이용된 흡기 행정과 동시에 연료 분사를 수행하는 데 필요한 연료 분사 장치에서, 일 예로 전술된 엔진에서, 분사된 연료 분무가 기통의 내부에 도달할 때까지 시간 지체(수송 지체)가 문제가 된다. 연료 분무의 관통력이 가변되는 경우에, 연료 분무가 기통의 내부에 도달할 때까지의 시간은 큰 관통력을 갖는 연료 분무와 작은 관통력을 갖는 연료 분무 간에 상이하다. 따라서, 연료 분무의 수송 지체를 고려할 필요가 있게 된다.

본 발명의 제1 목적은 연료 인젝터의 큰 변경 없이 연료 분무의 관통력을 조절 가능하게 하기 위한 것이다. 본 발명의 제2 목적은 연료 분무의 관통력이 가변될 때에도 연료 분무의 수송 지체를 줄이기 위한 것이다.

도1은 본 실시예의 연료 인젝터를 장착한 다기통 내연 기관의 기통을 도시한 부분 단면도로서, 도1a는 엔진의 작동 상태가 저부하 및 저속 회전 상태에 있는 경우의 연료 분무 및 흡기의 유동을 도시한 도면이고, 도1b는 엔진의 작동 상태가 고부하 및 고속 회전 상태에 있는 경우의 연료 분무 및 흡기의 유동을 도시한 도면.

도2는 본 발명에 따른 연료 인젝터의 실시예를 장착한 엔진의 제어 장치의 실시예의 전체 구성을 도시한 선도.

도3a는 도1의 연료 인젝터를 도시한 단면도이고, 도3b는 도3a의 선I-I의 평면 상에서 취한 연료 인젝터를 도시한 단면도.

도4는 본 발명에 따른 연료 분사 장치의 실시예의 구성을 도시한 블록 선도.

도5a는 엔진의 작동 상태가 저부하 및 저속 회전 상태에 있는 경우의 밸브 거동 파형을 도시한 그래프이고, 도5b는 엔진의 작동 상태가 고부하 및 고속 회전 상태에 있는 경우의 밸브 거동 파형을 도시한 그래프.

도6a는 엔진의 작동 상태가 저부하 및 저속 회전 상태에 있는 경우의 밸브 거동 파형의 또 다른 실시예를 도시한 그래프이고, 도6b는 엔진의 작동 상태가 고부하 및 고속 회전 상태에 있는 경우의 밸브 거동 파형의 또 다른 실시예를 도시한 그래프.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

1 : 연료 인젝터

3 : 드로틀 밸브

6 : 흡기 밸브

7 : 배기 밸브

8 : 피스톤

12 : 점화 플러그

21 : 연료 탱크

위의 제1 목적을 달성하기 위해, 연료의 선회 속도 성분과 축방향 속도 성분은 연료 인젝터의 밸브 본체의 부상 속도를 제어함으로써 가변된다. 구체적으로는, 연료의 선회력을 신속히 증가시키기 위해 밸브의 개방 속도를 증가시킴으로써, 연료의 선회 속도 성분은 강화되고, 축방향 속도 성분은 약화된다. 그렇게 함으로써, 작은 관통력을 갖는 연료 분무(저관통 연료 분무)를 얻을 수 있다.

한편, 밸브의 개방 속도를 감소시키고 그후 연료의 선회력을 점차적으로 증가시킴으로써, 연료 분사의 초기 단계에서, 연료의 선회 속도 성분은 약화되고, 축방향 속도 성분은 강화된다. 그렇게 함으로써, 큰 관통력을 갖는 연료 분무(고관통 연료 분무)를 얻을 수 있다. 그 방법은 구조 변경을 필요로 하지 않고 또한 내부 부품의 구성에서의 복잡성을 야기시키지 않기 때문에, 전술된 방법은 기계적 조작 방법과 비교하여 매우 저렴한 비용 및 신뢰성 향상의 장점을 갖는다.

위의 제2 목적을 달성하기 위해, 흡입 공기 속도는 연료 인젝터의 상류측에서의 흡기 통로의 단면적을 가변시킴으로써 고관통 연료 분무 또는 저관통 연료 분무에 대응하여 변경된다. 구체적으로, 연료 분무가 단지 흡기 밸브의 상류 위치에 도달할 수 있는 저관통 연료 분무의 경우에, 연료 분무의 수송 지체는 흡기 유속을 증가시킴으로써 줄어들게 된다. 흡기 유속의 증가는 흡기 통로의 단면적을 감소시킴으로써 성취될 수 있다.

그 경우에, 흡기관의 절곡 통로에서의 흡기 유동은 연료 인젝터가 배치되는 흡기관의 위치의 반대편 통로벽 측면 내에서 안내된다. 이에 따라, 연료 인젝터가 배치되는 흡기관의 위치의 반대편 측면에서의 통로 벽 상에 연료 분무가 부착되는것을 방지할 수 있게 되고, 또는 통로 벽 상에 부착되는 연료 분무의 양을 줄일 수 있게 된다.

본 발명에 따른 내연 기관용 연료 분사 장치의 일실시예에 대해 첨부 도면을 참고로 하여 이하에 상세히 설명하기로 한다.

부수적으로, 본 발명에 따른 연료 분사 장치(연료 인젝터(1))의 실시예를 포함하는 엔진 제어 장치의 전체 구성은 도2를 참고로 하여 설명하기로 한다.

4기통 (도면에서는 4기통 중 단지 하나의 기통만 도시됨)으로 구성된 내연 기관(100)의 각각의 기통(9)에서, 연소실은 점화 플러그(12)와, 흡기 밸브(6)와 배기 밸브(7), 및 기통(9) 내에 왕복 이동하는 피스톤(8)을 배치함으로써 형성된다. 이러한 실시예에서, 엔진은 4기통 엔진이나, 기통수는 4개에 한정되지 않는다. 각각의 기통(9) 내에, 흡기 밸브(6)와 배기 밸브(7)에 의해 각각 개폐되는 흡기관(18)과 배기관(19)이 배치되어 있다. 흡기관(18) 내에, 작동 상태 검출 수단 중 하나인 흡입 공기의 질량 유량을 계측하기 위한 흡입 공기량 센서(2)와, 드로틀 밸브(3)의 개도를 계측하기 위한 드로틀 센서(4)가 적절히 배치되어 있다.

또한, 엔진의 냉각수를 계측하기 위한 냉각수 센서(14) 및 엔진의 회전 속도를 계측하기 위한 크랭크각 센서(13)가 적절히 배치되어 있다. 흡기관(18)의 상류에 마련된 에어 클리너(20)를 통해 흐르는 공기는 드로틀 밸브(3)에 의해 그 유량을 조절하게 되고, 연료 분사 장치의 각각의 연료 인젝터(1)로부터 각각의 기통(9)에 공급될 적절한 연료 분무 특성으로 분사된 가솔린과 혼합된다. 연료 인젝터(1)는 다중점 분사(MPI) 장치의 연료 분사 방식을 형성하도록 4기통 내연 기관(100)의기통(9) 상류에 개별적으로 배치된다.

한편, 연료 탱크(21)로부터의 연료는 펌핑되어 연료 펌프(22)에 의해 가압되고, 그후 압력 조절기(15)를 구비한 연료관(23)을 통해 연료 인젝터(1)의 연료 유입구로 안내된다. 연료 인젝터(1)로 안내된 연료는 연료 압력 조절기(15)에 의해 일정한 연료 압력으로 조절되고, 여분의 연료는 연료 탱크(21)로 복귀된다.

각각의 기통(9) 내에서 연소된 배기 가스는 정화되도록 배기관(19)을 거쳐 (도시되지 않은) 촉매 컨버터로 안내되고, 그후 배출된다. 배기관(19) 내에, 배기 가스 내의 산소 농도에 비례하여 넓은 범위의 선형 공연비 신호를 출력하기 위한 공연비 센서(17)가 배치되어 있다.

흡입 공기량 센서(2)로부터 얻게 되는 흡입 공기량을 나타내는 출력 신호(2s)와, 드로틀 센서(4)로부터의 출력 신호(4s)와, 냉각수 센서(14)와 크랭크각 센서(13) 및 공연비 센서(17)로부터의 신호(14s, 13s, 17s)는 내연 기관(100)의 작동 상태를 나타내는 전기 신호로서 엔진 제어 유닛(제어 유닛 C/U)에 입력된다.

제어 유닛(11)은 차량 본체 또는 엔진실 내에 배치되고, 다양한 종류의 센서로부터 내연 기관(100)의 작동 상태를 나타내는 전기 신호를 기초로 하여 필요한 연산 처리를 수행하고, 점화 플러그(12)를 구동하기 위해 연료를 분사 및 공급하기 위한 연료 인젝터(1)의 개폐 및 아이들링 작동에서의 엔진의 회전 속도가 작동 상태의 최적 제어를 수행하기 위해 목표 회전 속도로 될 수 있도록 제어하기 위한 아이들 속도 제어 밸브(ISC)(5)의 개폐를 수행하기 위한 신호를 출력하고, 동시에 연료 펌프(22)와 선회 제어 밸브 구동 유닛(10)을 제어한다.

또한, 제어 유닛(11)은 연료 분사 시기를 각각의 기통(9)의 흡기 행정과 일치시키도록 연료 분사를 수행하는 명령 신호를 각각의 기통(9)에 출력하게 된다. 제어 유닛(11)은 입력/출력 인터페이스로서의 I/O와, 연산 처리 유닛(MPU)과, 많은 제어 프로그램을 저장하는 메모리 유닛(RAM, ROM), 타이머 계수기등으로 구성된다.

제어 유닛(11)에서, 연산 처리 유닛(MPU)에 의한 제어 프로그램을 기초로 하여 연산을 수행함으로써 형성된 연료 분사량 설정 수단은 검출된 흡입 공기량과 설정 공연비를 기초로 하여 연료 인젝터(1)로부터 기통(9)으로 공급될 요구 연료양을 산출하고, 그 요구 연료양과 유량 증감 및 연료 인젝터(1)의 분사량 특성의 무효 분사 펄스폭을 기초로 하여 요구 분사 펄스폭(연료 인젝터(1)의 밸브 개방 시간)을 연산하여 연료 인젝터(1)가 요구 분사 펄스폭을 기초로 하여 분사 펄스의 시간 동안 밸브 개방을 수행할 수 있도록 구동 신호(1s)를 출력한다.

또한, 연산 처리 유닛(MPU)에 의한 제어 프로그램을 기초로 하여 연산을 수행함으로써 형성된 연료 분사량 설정 수단은 내연 기관(100)의 흡기 행정과 일치시키고 동시에 흡기 행정 중에 연료 분사 시기를 최적의 시기로 설정하도록 흡입 공기량 및 엔진 회전 속도를 기초로 하여 연료 인젝터(1)의 분사 시기를 산출한다. 그 시기를 기초로 하여, 연료 분사량 설정 수단은 연료 인젝터(1), 점화 플러그(12) 및 선회 제어 밸브 구동 유닛(10) 각각으로 구동 신호(1s, 12s, 10s)를 출력한다.

선회 제어 밸브 구동 유닛(10)은 텀블류(텀블 선회류)를 발생시키기 위한 공기 유속 촉진 수단인 선회 제어 밸브(SCV)(10a)를 개폐하기 위한 유닛이고, 연료인젝터(1)의 상류에 배치된다. SCV(10a)는 텀블 선회류에 의해 공기 속도를 증가시키기 위해 폐쇄 방향을 향해 구동되게 함으로써 흡기관(18)의 유동 통로 면적(유동 통로의 단면적)을 축소시킨다.

전술된 대로, SCV(10a)는 유동 통로의 일부를 개폐하기 위한 개폐 장치를 형성하도록 흡기관의 유동 통로 상에 돌출된 면적을 가변시키기 위한 가동 부재이다.

이점에 있어, 최적의 혼합 가스가 연료 인젝터(1)를 구비한 내연 기관(100) 내의 연소를 향상시키기 위해 MPI 시스템에 의해 형성된다는 의미는 기통(9)에 도달하는 연료의 시간 지체를 해결하고 기통(9) 내부의 혼합 가스의 질 및 성형 상태를 향상시키기 위해 벽면 상에 분사된 연료 부착이 억제된다는 것을 의미한다.

기통(9)에 도달하는 연료의 시간 지체는 연료가 연료 인젝터(1)로부터 분사되는 시점으로부터 연료가 실제 기통(9) 내에 수용되는 시점까지의 분사된 연료의 수송 지체와, 요구 분사량이 흡입 공기량 센서(2)등으로부터 검출된 흡입 공기량으로부터 산출된 시점으로부터 연료가 연료 인젝터(1)로부터 분사되는 시기까지의 연산 지체와 처리 지체로 이루어진다.

분사된 연료의 시간 지체를 해결하기 위해, 연료 인젝터(1)는 흡입 공기량 센서(2)의 새로운 데이터를 기초로 하여 기통(9)의 흡기 행정과 동시에 연료를 분사하고 연료 인젝터(1)에 의해 분사된 모든 연료가 흡기 행정 내에서 기통(9) 내에서 수용되는 것이 필요하다.

따라서, 위의 시간 지체의 과제를 이루기 위해, 연료 인젝터(1)에 의한 연료 분사는 기통(9)의 흡기 행정의 적절한 시기에 완료되어야 한다. 즉, 연료인젝터(1)를 통해 분사된 모든 연료는 흡기 밸브(6)의 개방으로부터 폐쇄까지의 짧은 시간 동안 기통(9) 내로 수용되는 것을 의미한다. 그 경우에, 연료 분사 시간(분사 펄스폭)을 고려하면, 분사된 연료가 흡기관(18)의 내벽면 상에 부착되는 것을 방지할 필요가 있다.

또한, 기통(9) 내부의 혼합 가스의 질과 형성 상태는 혼합 가스가 희박 상태로 형성되고 단지 착화 가능하고 농후한 혼합 가스가 점화 플러그 주위에 모이게 되는 것을 의미한다. 혼합 가스의 질과 형성 상태를 향상시키는 효과적인 수단 중 하나는 분사 연료의 분무를 발전시키는 것이다. 분무된 분사 연료의 운동 에너지가 보통의 액적 크기를 갖는 분무 연료 보다 더 작기 때문에, 분무된 분사 연료는 기통(9)으로 이동하는 데 더 긴 시간이 걸리게 된다.

따라서, 더 긴 시간의 이동을 피하기 위해, 분무된 연료용 운동 에너지 제어 수단(연료 분무의 관통력 제어 수단)과 연료 분사 시기 설정 수단의 시너지 효과에 의해, 더 최적인 혼합 가스 상태를 형성하기 위한 분사 시기는 흡기 행정 중에 연료 분사 시기 내에 설정되어 단지 착화 가능하고 농후한 혼합 가스가 혼합 가스의 질을 향상시키기 위해 점화 플러그(12) 주위에 모일 수 있게 된다.

도1은 다기통 내연 기관 상에 장착된 연료 인젝터(1)를 도시하고, 본 실시예에서 형성될 수 있는 혼합 가스의 형성을 도시한 부분 단면도이다.

흡기관은 흡기 밸브의 밸브 시트의 상류측에 절곡 통로를 구비하고, 흡기 밸브의 축은 통로벽으로부터 절곡 통로의 외부측 내에 삽입된다. 연료 인젝터(1)는 흡기 밸브의 축이 삽입되는 위치의 상류측에 배치되어 연료 분무는 외부측 내의 통로벽으로부터 흡기관 내로 분사될 수 있다.

선회 제어 밸브(10a)는 연료 분무가 연료 인젝터로부터 흡기관 내로 분사되는 위치의 더 상류측에 배치되고, 흡기관의 중심으로부터 연료 인젝터가 배치되는 측면으로의 통로 단면을 개폐하도록 배치된다. 즉, 통로의 총 단면적의 약 1/2이 개폐될 수 있다.

도1a는 내연 기관(100)의 작동 상태가 저부하 및 저속 회전 상태에 있는 경우의 (연료 분무의 운동 에너지가 작은 상태, 즉 작은 관통력을 갖는 저관통력 연료 분무의 상태에서의) 연료 인젝터(1)로부터의 연료 분무의 형성 상태 및 흡기관(18) 내의 흡입 공기 유동을 도시한 것이다.

한편, 도1b는 내연 기관(100)의 작동 상태가 고부하 및 고속 회전 상태에 있는 경우의 (연료 분무의 운동 에너지가 큰 상태, 즉 큰 관통력을 갖는 고관통력 연료 분무의 상태에서의) 연료 인젝터(1)로부터의 연료 분무의 형성 상태 및 흡기관(18) 내의 흡입 공기 유동을 도시한 것이다.

도면 부호 110은 다기통 내연 기관의 기통(9) 중 하나를 나타내며, 도면 부호 6은 흡기구(25)를 개폐하는 흡기 밸브를, 도면 부호 6a는 흡기 밸브(6)의 원반부를, 도면 부호 10a는 선회 제어 밸브를, 도면 부호 18은 흡기관을, 도면 부호 18a는 흡입 공기 유동을, 그리고 도면 부호 26은 연소실을 나타낸다.

이점에 있어, 내연 기관(100)의 작동 상태는 차량 본체 또는 엔진실 내에 배치된 다양한 종류의 센서로부터의 전기 신호 출력을 기초로 하여 필요한 연산 처리에 의해 얻어지게 된다. 본 실시예에서의 저부하 및 저속 회전 상태는 20℃ 내지30℃의 엔진 수온과 1000 내지 2000rpm의 엔진 회전 속도의 범위 내의 상태를 의미하고, 80℃의 엔진 수온과 600 내지 900rpm의 엔진 회전 속도 범위의 상태는 위의 목표 엔진 회전 속도 내의 아이들링 작동이라 부르게 된다.

한편, 고부하 및 고속 회전 상태는 드로틀 밸브(3)가 거의 완전 개방 상태인 상태를 의미한다. 그 상태에서, 흡기관(18) 내의 압력은 81kPa 내지 101kPa의 범위(대기압) 내에 있게 된다. 한편, 아이들링 작동 중에, 흡기관(18) 내의 압력은 28kPa 내지 41kPa의 범위 내에 있게 된다.

도1a에 도시된 대로, 연료 인젝터(1)로부터의 연료 분무의 형태가 연료 분무의 전방단이 흡기관(18)의 중심 근방에 배치되는 작은 관통력을 갖는 저관통력 연료 분무일 때, 연료는 속도가 연료 분무의 반대편 벽 측면에서 증가되는 흡입 공기 유동 상에서 반송됨으로써 연소실(26) 내로 수송된다. 선회 제어 밸브(10a)가 흡기관의 중심으로부터 연료 인젝터(1)가 배치되는 측면으로의 통로 부분(통로 총면적의 1/2)을 폐쇄할 때 속도가 증가된 흡입 공기 유동이 형성된다.

한편, 도1b에 도시된 대로, 연료 인젝터(1)로부터의 연료 분무의 형태가 연료 분무의 전방단이 흡기 밸브(6)의 원반부(6a)에 근접 형성되는 큰 관통력을 갖는 고관통력 연료 분무일 때, 연료 분무는 연소실(26) 내로 수송되도록 연료 인젝터(1)의 전방단(1a) 주위로 유동하는 흡입 공기 유동을 관통하게 된다.

전술된 구성에 따라, 고부하 및 고속 회전 상태에서의 고관통력 연료 분무에 의해, 또는 저부하 및 저속 회전 상태에서의 흡입 공기 유속을 증가시킴으로써, 분무된 분사 연료는 연소실(26)로 이동하는 연료 시간을 증가시킴이 없이 기통(9) 내로 수송될 수 있다. 따라서, 연료 분사는 흡기 행정 내에서 완료될 수 있고, 단지 착화 가능한 농후한 혼합 가스가 점화 플러그(12) 주위에 모여질 수 있다.

또한, 선회 제어 밸브(10a)가 흡입 공기 유동을 연료 인젝터(1)의 배치된 측면의 반대편 통로벽 측면으로 안내하도록 연료 인젝터(1)의 배치된 측면의 통로 부분을 폐쇄시키기 때문에, 저관통력 연료 분무에 의해 야기된 넓은 분무각을 갖는 연료 분무가 연료 인젝터(1)의 배치된 측면의 반대편 측면의 통로 벽 상에 부착되는 것을 방지 및 줄일 수 있게 된다.

도3을 참고로 하여 전술된 그러한 연료 분무를 형성할 수 있는 연료 인젝터(1)의 구조 및 작동에 대해 아래와 같이 설명하기로 한다. 도3a는 연료 인젝터(1)를 도시한 단면도이고, 도3b는 도3a의 선I-I의 평면 상에서 취한 연료 인젝터를 도시한 단면도이다.

연료 인젝터(1)는 제어 유닛에 의해 연산된 듀티(duty)의 온-오프 신호를 기초로 하여 시트부를 개폐함으로써 연료 분사를 수행한다. 자기 회로는 기부를 갖는 원통형 요크(27)와, 코어(28) 및 간극을 통해 코어(28)와 대면하는 플런저(29)로 구성된다. 연료 통로(31)를 내부에 갖춘 봉(30)과 봉(30)에 연결된 밸브 본체(32)는 플런저(29)에 결합되고, 밸브 본체(32)는 노즐 부재(33) 내에 형성된 시트면의 개폐를 수행한다.

또한, 밸브 본체(32)를 시트면에 프레스하는 탄성 부재로서의 스프링(34)은 코어(28)의 중심에 배치되고, 설정 부하를 조절하기 위해 코어(28)의 중심을 통해 삽입된 스프링 조절기(35)는 스프링(34)의 상부단에 배치된다. 자기 회로를 여기시키기 위한 코일(36)은 보빈(37) 주위로 권취되고, 외주부는 플라스틱 재료로 성형된다. 코일(36)의 단자(38)는 도시되지 않은 제어 유닛의 단자에 접속된다.

한편, 밸브 본체(32)를 축방향으로 매끄럽게 이동하기 위한 안내는 밸브 본체(32) 내에 마련된 안내부(30a)와, 노즐 부재(33)의 중공부의 내벽 내에 삽입된 원통형 연료 선회 부재(39)의 내벽에 의해 수행된다. 연료 선회 부재(39)는 연료 분무 수단 중 하나이다. 노즐 부재(33) 내에, 밸브 본체(32)를 안착시키기 위한 시트면이 원통형 연료 선회 부재(39)에 후속하여 형성되고, 연료를 통과시킬 수 있게 하는 연료 분사공(42)이 시트면의 중앙에 형성된다.

도3b는 연료 분무 수단의 연료 선회 부재(39)를 도시한 단면도이다. 연료는 연료 선회 부재(39)로 유동하도록 밸브 본체(32)의 상부측으로부터 도입된다. 축방향 통로(40)로부터 도입된 연료는 선회 에너지를 연료에 충분히 부가하도록 밸브축에 충분히 편심되는 방사상 통로(41)에 의해 도입된다. 연료의 분무는 유체 역학 손실을 줄이도록 밸브 본체(32)의 개방시에 밸브 본체(32)와 시트면 간에 형성된 환상 간극을 구성함으로써 더 발전된다.

또한, 밸브 본체(32)는 코일(36)로의 전류 입력 파형을 조절함으로써 고속으로 작동되고 밸브 본체(32)는 작동 중에 분사된 연료 압력의 신속한 변화를 야기하도록 단시간 내에 개폐된다. 그러한 구성에 의해, 분무를 발전시키기에 충분한 선회 에너지는 연료 분사공(42) 내의 연료에 부가된다. 연료 분사공(42)은 공급된 에너지가 구멍 외부로 효과적으로 배출될 수 있도록 설계된다. 일 예로, 구멍의 길이는 구멍의 축방향으로 유체 역학 손실을 줄이도록 단축된다.

연료의 선회를 이용하는 방법 이외의 분무 방법의 경우에, 일 예로 분사공 부분을 매우 좁은 환형 간극 내에 형성함으로써 분무를 발전시키도록 분사 연료를 박막 형태로 만드는 방법이 본 실시예에 이용될 수 있다.

연료 인젝터(1)의 작동에 대해 아래에 설명하기로 한다. 연료 인젝터(1)는 코일(36)에 공급된 전기 온-오프 신호에 따라 시트면을 개폐하도록 밸브 본체(32)의 조작에 의해 연료 분사 제어를 수행한다. 제어 유닛(11)으로부터의 전기 신호가 코일(36)에 공급될 때, 자기 회로는 코어(28), 요크(27) 및 플런저(29)에 의해 형성되고 플런저(29)는 코어(28)측을 향해 끌어당겨진다. 플런저(29)가 이동될 때, 플런저와 함께 단편 구조로 형성된 밸브 본체(32)는 또한 노즐 부재(33)의 밸브 시트의 시트면으로부터 분리되도록 이동되어 연료 분사공(42)을 개방시킨다.

연료는 가압되고 연료 압력의 조절을 위해 연료 펌프와 조절기를 통해 조절되어 연료 인젝터(1)의 내부로 유동되고, 그후 봉(30)의 내부 통로(31), 밸브 본체(32)의 외주부, 및 연료 선회 부재(39)의 축방향 통로(40)와 방사 방향 통로를 거쳐 연료 분사공(42)의 외부로 분사된다.

연료 분무의 관통력을 조절하기 방법에 대해 도4, 도5 및 도6을 참고로 하여 아래에 설명하기로 한다. 본 실시예의 연료 인젝터(1)의 연료 분무의 관통력의 조절은 분사된 연료에 부가된 연료의 선회력의 강도에 의해 조절된다. 구체적으로, 밸브 본체(32)의 최대 행정까지의 밸브 개방 속도가 제어된다. 즉, 밸브 개방 속도가 증가될 때, 연료의 선회력은 연료의 선회 속도 성분을 강화하고 축방향 속도 성분을 약화시키도록 순간적으로 증가된다. 따라서, 연료 분무의 관통력은 저관통력 연료 분무를 얻도록 약화된다.

한편, 밸브 개방 속도가 감소될 때, 연료의 선회력은 점차적으로 증가되고, 따라서 분사의 초기 단계 중에 선회 속도 성분은 약하고 축방향 속도 성분은 강해진다. 따라서, 연료 분무의 관통력은 고관통력 연료 분무를 얻도록 강화된다.

도4는 연료 분사 장치의 실시예의 구성을 도시한 블록 선도이다. 코일(36)로의 전류 유도를 제어하기 위해, 코일의 하나의 단자는 전력 트랜지스터(54)에 접속되고 다른 단자는 전류 검출 레지스터(57)를 통해 접지되고 전력 트랜지스터(56)에 병렬 접속된다. 전력 트랜지스터(54)의 기부는 전류 제어 회로(53)에 접속되고, 다른 부분은 배터리 전원(58)에 접속된다.

한편, 전력 트랜지스터(56)의 기부는 전류 제어 회로(53)에 접속되고, 다른 부분은 다이오드(55)를 통해 코일(36)에 접속된다. 엔진 제어기(11)와 전류 비교기(52)로부터의 신호는 전류 제어 회로(53)에 입력되고, 엔진 제어기(11)로부터의 신호는 엔진의 작동 상태에 대응하여 결정된 명령 펄스 신호(펄스폭 Ti)이고, 전류 비교기(52)로부터의 신호는 코일 전류와 목표 전류 간의 비교 신호이다.

전류 제어 회로(53)는 점화 명령 펄스에 대응하는 전력 트랜지스터(54, 56)를 작동시키고, 전력 트랜지스터(54)측은 온-오프 조작에 의해 목표 피크 전류(Ip) 까지 제어 패턴을 수행하고, 목표 전류값에 도달한 후에, 전력 트랜지스터(56)는 목표 전류값보다 더 작은 유지 전류를 코일(36)로 유도하기 위해 온-오프 조작을 반복한다.

도5는 코일로의 입력 전류 파형과 인가된 전압 파형, 및 밸브 본체(32)의 변위 파형을 도시한 것이다.

도5a는 목표 피크 전류값(Ip)에 도달하는 시간을 단축하기 위해 인가된 전압의 시간 폭이 큰 폭(선행 시간)으로부터 작은 폭(후속 시간)으로 변경되고, 그후 전류가 일정한 시간 간격으로 온-오프 조작을 반복하도록 유지 전류값(Ih)으로 전환되는 경우를 도시한 것이다. 전술된 제어에 의해, 밸브의 변위는 무효 시간(Tc) 후에 최대 행정(밸브 개방 시간 To) 까지 신속히 상승된다.

도5b는 인가된 전압의 시간 폭이 작은 폭(선행 시간)으로부터 큰 폭(후속 시간)으로 점차적으로 증가되도록 조절되어 목표 피크 전류값이 유지 전류값(Ih)과 거의 동일하게 될 수 있는 경우를 도시한 것이다. 전술된 제어에 의해, 밸브의 변위는 최대 행정 까지 서서히 상승된다.

도5a에 도시된 밸브의 변위는 연료 인젝터(1)로부터 분사된 연료를 저관통력 연료 분무의 형태로 만들게 된다. 도5b에 도시된 밸브의 변위는 연료 인젝터(1)로부터 분사된 연료를 고관통력 연료 분무의 형태로 만들게 된다. 도면에서, 참조 부호 Tb는 밸브 폐쇄의 시간 지체를 나타낸다.

도6은 코일(36)에 적용된 전압 파형의 또 다른 실시예를 도시한다.

도6a는 목표 피크 전류값(Ip)에 도달하는 시간을 단축하기 위해 인가된 전압이 소정 시간 동안 연속 투입되고, 그후 전류가 유지 전류값(Ih)으로 전환되는 방법을 도시한 것이다. 이 방법은 피크 유지 방법이며, 인가된 전압의 실제 유효 전압은 도5a의 전압과 동등하도록 조절된다.

도6b는 인가된 전압이 목표 유지 전류값(Ih)에 점차적으로 도달하도록 단차식으로 투입되는 방법을 도시한 것이며, 인가된 전압의 실제 유효 전압은 도5b의 전압과 동등하도록 또한 조절된다. 전술된 제어에 의해, 밸브 변위의 거동은 제1 실시예와 유사하게 될 수 있다.

본 실시예의 관통력 조절 방법 외에, 다양한 변경 및 수정이 설계에서 이루어질 수 있고, 일 예로 연료의 선회력이 연료 선회 부재(39)를 기계적으로 이동시킴으로써 가변될 수 있다.

또한, 목표 피크 전류값(Ip)에 도달하는 시간을 단축하기 위해, 코일에 인가된 전압이 증가될 수 있다. 따라서, 일 예로 고관통력 연료 분무가 형성될 때, 밸브 본체의 상승은 밸브 본체의 구동 초기에 인가된 전압을 줄임으로써 저관통력 연료 분무의 형성시 보다 더 느려질 수 있다.

전술된 대로, 본 실시예는 다음의 기능을 갖는다. MPI 시스템의 연료 인젝터(1)에서, 연료 인젝터(1)가 연료 선회 부재(39)를 이용하기 때문에 연료가 분무화될 수 있고, 연료 분무의 관통력 제어는 내연 기관(100)의 작동 상태에 대응하여 수행되고, 기통(9) 내부의 혼합 가스의 질과 형성 상태는 향상될 수 있다.

또한, 연료 인젝터(1)는 흡기 행정 중에 최적 위치에서 단시간 내에 연료의 요구 분사량을 분사할 수 있고, 시간 지체를 제거함으로써 연소실(26) 내에 최적 혼합 가스를 형성할 수 있다.

또한, 내연 기관(100)이 흡기관(18) 내의 공기 유속을 촉진시키기 위한 선회 제어 밸브(10a)를 구비하고 연료 인젝터(1)로부터의 연료 분무가 흡기관(18) 내의 속도가 촉진된 기류로의 저관통력 연료 분무이기 때문에, 벽면 상으로의 분사된 연료의 부착 및 분무로 인한 수송 시간 지체가 해결될 수 있다.

본 발명에 따르면, 연료 분무의 관통력이 밸브 본체의 변위 속도를 변경함으로써 가변되기 때문에, 연료 분무의 관통력은 연료 인젝터의 구조의 큰 변경 없이도 조절될 수 있다.

또한, 연료 분무의 관통력이 가변될 때, 연료 분무의 수송 시간 지체는 흡기관 내에 유동하는 흡입 공기 속도를 변경함으로써 줄어들 수 있다.

Claims (10)

1. 연료에 선회력을 부가하는 연료 통로를 구비하고 밸브 시트로부터 먼 방향으로 밸브 본체를 구동시킴으로써 개방되는 연료 분사를 위한 연료 인젝터와, 상기 밸브 본체의 구동을 제어하기 위한 제어기를 포함하는, 흡기관 내에 연료를 분사하는 내연 기관용 연료 분사 장치이며,

   상기 제어기는, 밸브 개방시의 밸브 본체의 상승 속도가 내연 기관이 저부하 및 저속 회전 상태에서 작동될 때 보다 내연 기관이 고부하 및 고속 회전 상태에서 작동될 때에 더 느려질 수 있도록, 상기 밸브 본체의 구동을 제어하는 내연 기관용 연료 분사 장치.
2. 연료에 선회력을 부가하는 연료 통로를 구비하고 밸브 시트로부터 먼 방향으로 밸브 본체를 구동시킴으로써 개방되는 연료 분사를 위한 연료 인젝터와, 상기 밸브 본체의 구동을 제어하기 위한 제어기를 포함하는, 흡기관 내에 연료를 분사하는 내연 기관용 연료 분사 장치이며,

   상기 제어기는, 상기 밸브 본체가 개방될 설정 행정에 의해 폐쇄 상태로부터 이동될 때까지 요구되는 시간이 내연 기관이 저부하 및 저속 회전 상태에서 작동될 때 보다 내연 기관이 고부하 및 고속 회전 상태에서 작동될 때에 더 길어질 수 있도록, 상기 밸브 본체의 구동을 제어하는 내연 기관용 연료 분사 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연료 인젝터는 전자기력을 가변시키도록 코일에 인가된 전압을 다수의 전압값 사이로 전환시킴으로써 밸브 본체를 구동하는 전자기 밸브이고,

   제어기는, 상기 밸브 본체가 폐쇄 상태로부터 개방될 설정 행정에 의해 이동되는 동안, 후속 시간에서의 전압 인가 시간이 내연 기관이 고부하 및 고속 회전 상태에서 작동될 때 선행 시간에서의 전압 인가 시간 보다 더 길게 될 수 있도록,그리고 후속 시간에서의 전압 인가 시간이 내연 기관이 저부하 및 저속 회전 상태에서 작동될 때 선행 시간에서의 전압 인가 시간 보다 더 짧아질 수 있도록, 상기 밸브 본체를 밸브 개방 방향을 향해 구동시키기 위해 전압을 제1 전압값으로부터 제2 전압값으로 전환하는 시점으로부터 코일에 인가된 전압을 상기 제1 전압값으로 재전환하는 시점까지 전압 인가 시간을 제어하는 내연 기관용 연료 분사 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연료 인젝터는 전자기력을 가변시키도록 코일에 인가된 전압을 다수의 전압값 사이로 전환시킴으로써 밸브 본체를 구동하는 전자기 밸브이고,

   제어기는, 제1 시간에서의 전압 인가 시간이 내연 기관이 저부하 및 저속 회전 상태에서 작동될 때 보다 내연 기관이 고부하 및 고속 회전 상태에서 작동될 때에 더 짧아질 수 있도록, 상기 밸브 본체를 밸브 개방 방향을 향해 구동시키기 위해 전압을 제1 전압값으로부터 제2 고전압값으로 전환하는 시점으로부터 코일에 인가된 전압을 상기 제1 전압값으로 재전환하는 시점까지 전압 인가 시간을 제어하는 내연 기관용 연료 분사 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연료 인젝터는 전자기력을 가변시키도록 코일에 인가된 전압을 다수의 전압값 사이로 전환시킴으로써 밸브 본체를 구동하는 전자기 밸브이고,

   제어기는, 상기 밸브 본체가 폐쇄 상태로부터 설정 행정에 의해 이동되는 동안 후속 시간에서의 가변 전압의 크기가 내연 기관이 고부하 및 고속 회전 상태에서 작동될 때 선행 시간에서의 가변 전압의 크기 보다 더 커질 수 있도록, 그리고 후속 시간에서의 가변 전압의 크기가 내연 기관이 저부하 및 저속 회전 상태에서 작동될 때 선행 시간에서의 가변 전압의 크기 보다 더 작아질 수 있도록, 상기 밸브 본체를 밸브 개방 방향을 향해 구동시키기 위해 가변 전압의 크기를 제어하는 내연 기관용 연료 분사 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연료 인젝터는 전자기력을 가변시키도록 코일에 인가된 전압을 다수의 전압값 사이로 전환시킴으로써 밸브 본체를 구동하는 전자기 밸브이고,

   제어기는, 제1 시간에서의 가변 전압의 크기가 내연 기관이 저부하 및 저속 회전 상태에서 작동될 때 보다 내연 기관이 고부하 및 고속 회전 상태에서 작동될 때에 더 작아질 수 있도록, 상기 밸브 본체를 밸브 개방 방향을 향해 구동시키기 위해 가변 전압의 크기를 제어하는 내연 기관용 연료 분사 장치.
7. 공기를 내연 기관의 기통 내로 반송하기 위한 흡기 통로 내에 연료를 분사하고, 내연 기관의 작동 상태에 대응하여 연료의 관통력을 가변시킴으로써 연료를 분사하는 내연 기관용 연료 분사 장치이며,

   연료 분무가 분사되는 위치의 상류측에서의 상기 흡기 통로 내부에 배치되고, 상기 흡기 통로의 단면 상에 투영된 그 면적이 가변될 수 있도록 구동되는 가동 부재와,

   내연 기관이 저부하 및 저속 회전 상태에서 작동될 때 보다 내연 기관이 고부하 및 고속 회전 상태에서 작동될 때에 더 작아지도록, 상기 흡기 통로의 단면 상에 투영된 상기 가동 부재의 면적을 제어하는 제어기를 포함하는 내연 기관용 연료 분사 장치.
8. 공기를 내연 기관의 기통 내로 반송하기 위한 흡기 통로 내에 연료를 분사하고, 내연 기관의 작동 상태에 대응하여 연료의 관통력을 가변시킴으로써 연료를 분사하는 내연 기관용 연료 분사 장치이며,

   연료 분무가 분사되는 위치의 상류측에서의 상기 흡기 통로 내부에 배치되고, 상기 흡기 통로의 단면적의 일부를 개폐하는 개폐 장치와,

   내연 기관이 저부하 및 저속 회전 상태에서 작동될 때 보다 내연 기관이 고부하 및 고속 회전 상태에서 작동될 때에 더 작아질 수 있도록, 상기 개폐 장치를 제어하는 제어기를 포함하는 내연 기관용 연료 분사 장치.
9. 공기를 내연 기관의 기통 내로 반송하기 위한 흡기 통로 내에 연료를 분사하고, 내연 기관의 작동작동에 대응하여 연료의 관통력을 가변시킴으로써 연료를 분사하는 내연 기관용 연료 분사 장치이며,

   연료의 입자 크기 및 연료의 관통력으로부터 선택된 하나는 내연 기관의 저속 및 고속 상태에 따라 가변되는 내연 기관용 연료 분사 장치.
10. 제9항에 있어서, 연료의 입자 크기 및 연료의 관통력으로부터 선택된 하나는 연료의 연료 압력에 따라 가변되는 내연 기관용 연료 분사 장치.