KR100477012B1 - 왕복피스톤내연기관의연료분사방법및장치 - Google Patents

Abstract

왕복피스톤 내연기관의 연소체임버내로 연료를 분사하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 연료분사는 각 하나의 분사주기동안 복수 횟수 완전히 중단 및 재개되고, 이 방식으로 연료량의 일부가 복수 횟수 연속하여 분사되어 분사주기당 공급되는 총 연료량이 분사된다. 이 방법은 특히 저속의 자체점화 왕복피스톤 내연기관에 적합하다.

Description

왕복피스톤 내연기관의 연료분사방법 및 장치

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 왕복피스톤 내연기관의 연료분사방법에 관한 것이며, 또한 본 발명에 따른 방법을 실행하는 장치에 관한 것이다.

왕복피스톤 내연기관의 연소체임버내로 연료를 분사하는 방법은 공개공보 WO 94/18449호에 공지되어 있다. 이 방법에서는 분사노즐의 니들의 위치는 액튜에이터수단에 의하여 제어된다. 니들은 분사주기중 연료분사율이 제어되도록 변위가능한 니들의 위치로 연속하여 개방되어 있다. 니들의 위치 및 이에 따른 연료분사율은 연속의 메인분사의 예비분사가 실행될 수 있도록 액튜에이터 다음에 위치한 제어장치를 통하여 변할 수 있다.

이 공지된 실시예의 문제점은 연료분사율이 시간의 함수로서 매우 좁은 범위내에서만 변할 수 있다는 것이다.

본 발명의 목적은 개선된 연료분사방법 및 이에 상응하는 연료분사장치를 제안하는 것이다.

이 목적은 청구항 1의 특징부에 따른 방법에 의하여 달성된다. 종속 청구항 2∼6은 본 발명에 따른 방법의 또 다른 이점에 관한 것이다. 이 목적은 또한 청구항 7의 특징부에 따른 장치에 의하여 달성된다. 종속 청구항 8 및 9는 본 발명에 따른 장치의 또 다른 이점에 관한 것이다. 이 목적은 또한 본 발명에 따른 방법 또는 장치에 의한 청구항 10의 디젤엔진에 의하여 달성된다.

이 목적은 특히, 왕복피스톤 내연기관의 연소체임버내로의 연료분사방법에 있어서, 연료분사는 각 하나의 분사주기동안 복수 횟수 완전히 중단 및 재개되고, 이 분사방식으로 연료량의 일부가 복수 횟수 연속하여 분사되어 분사주기당 공급되는 총 연료량이 분사되는 연료분사방법에 의하여 달성된다. 이 방법은 특히 디젤타입의 왕복피스톤 내연기관, 특히 저속러닝 디젤엔진용에 적합하다.

다음에, 용어 연소주기는 하나의 연소주기에 필요한 총 연료량이 분사되도록 실린더의 실린더스페이스내로의 연료분사공정을 지칭하는데 사용한다. 본 발명에 따른 방법은 특히 디젤타입의 자체점화, 저속러닝 왕복피스톤 내연기관용에 적합하다. 연소공정이 각각 완료된 후 분사주기가 다시 개시된다. 각 분사 및 연소주기중, 연료는 연료공급이 복수 횟수 중단되고, 연료량의 일부가 분사되도록 본 발명에 따른 방법으로 분사된다. 이 방법은 2­스트로크주기 왕복피스톤 내연기관 또는 4­스트로크주기 왕복피스톤 내연기관의 각 하나의 분사 및 연소주기에 일어난다. 본 발명에 따른 방법의 이점은 실린더스페이스내에 연소로부터 발생하는 열발생율이 각각 시간의 함수 즉 크랭크샤프트각의 함수로서 각각의 분사된 연료량을 통하여 제어될 수 있다는 사실에서 알 수 있다. 연료분사는 예를 들면 연료분사기간 및 2회의 연료분사 사이의 간격이 제어장치에 의하여 변조되는 펄스폭변조에 의하여 변조된다. 분사될 연료 및 연속적인 연료공급은 분사주기동안 3∼5회 중단되는 것이 바람직하다. 바람직한 동작에 있어서, 연료공급은 연소체임버내의 열발생율이 크랭크샤프트각의 함수로서 대략 직선으로 상승하도록 변조된다. 이러한 열발생율의 이점은 대응하는 낮은 연료소모로 높은 효율을 얻는다는 것이다.

다음에, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.

도 1은 디젤원리에 따라서 운전되는 저속의 2­스트로크주기 왕복피스톤 내연기관에 있어서 더 도시되지 않은 다수의 실린더중 하나의 실린더(44)를 나타내고, 도면에 있어서, 동작피스톤(45)이 상하로 이동가능하게 안내된다. 동작피스톤(45)은 실린더상에 위치한 실린더헤드(46)와 함께 연소체임버(43)를 바운드시키고, 그 안으로 액체연료를 제1의 분사노즐(1a) 및 제2의 분사노즐(1b)에 의하여 분사한다. 도시되지 않은 배출밸브가 실린더헤드(46)의 중앙에 배설되어, 종방향의 배출이 동작피스톤(45)의 상향이동개시시 실린더(44)내에 발생한다. 공지된 구성의 타입의 제1의 분사노즐(1a) 및 제2의 분사노즐(1b)은 각각 폐쇄스프링(8)의 동작에 의하여 시트면(1′)에 대하여 압착되는 제트니들(7)을 가진다. 블라인드공이 노즐하우징내의 시트면(1′) 아래에 배설되고, 블라인드공으로부터 분사공(2)이 연장되어 연소체임버(43)내로 개방된다. 노즐하우징내의 시트면(1′) 위에는 압력체임버(10)가 배설되고, 이것은 압력라인(9a, 9b)을 통하여 분사장치(40a, 40b)에 연결된다. 분사노즐(1a, 1b)의 분사단계중에, 라인(9a, 9b)을 통하여 압력체임버(10)에 공급된 연료의 압력이 매우 커서 스프링(8)의 압축력이 압도되어 제트니들(7)이 시트면(1′)으로부터 떨어지게 되어 연료가 분사공(2)을 통하여 연소체임버(43)로 유입한다. 라인(42)이 분사노즐(1a, 1b)의 하우징에 연결되어 누출연료를 반송한다. 분사장치(40a,40b)는 연료분사의 개시 및 종료가 전기제어라인(41a, 41b)을 통하여 구동될 수 있도록 실행된다. 분사장치(40a, 40b)는 또한 분사될 연료량이 전기제어라인(46a, 46b)을 통하여 제어될 수 있도록 실행될 수 있다. 분사장치(40a, 40b)는 양쪽 모두 각각의 연료공급라인(47a, 47b)에 연결된다. 제어시스템 즉 제어장치(50)는 제어라인(41a, 41b)을 통하여 또한 가능하면 제어라인(46a, 46b)을 통하여 분사장치(40a, 40b)를 제어하여, 밸브(1a, 1b)를 개폐한다. 제어시스템(50)은 신호라인(50b)을 통하여 센서(52)에 연결되고, 이것은 왕복피스톤 내연기관의 크랭크샤프트(53)의 회전각 ω을 모니터한다. 또한, 제어시스템(50)은 신호라인(50a)을 통하여 입출력장치(51)에 연결되고, 이로써 제어값이 설정되고, 상태값이 표시될 수 있다. 제어시스템(50)은 도시되지 않은 센서에 연결되어 상태파라미터를 결정할 수 있다. 분사장치(40a, 40b)는 연료분사가 분사주기동안 복수 횟수 중단 및 재개될 수 있기 때문에, 제어시스템(50)에 의하여 제공된 변조신호에 따르는 분사장치(40a, 40b)로 매우 동적인 상태를 가진다. 2개의 분사노즐(1a, 1b)은 제어시스템(50)에 의하여 시계방향으로 동기적으로 뿐만 아니라 일시적 변위 또는 크랭크샤프트각에 대한 변위로 구동될 수 있다.

도 2는 고압펌프(80) 및 어큐뮬레이터(81)로부터의 연료로 충전되는 분사장치(40a)의 실시예의 부분단면개략도를 나타내고, 연료주입채널(67)은 차동피스톤으로 실행되는 미터링피스톤(70) 뒷쪽으로의 채널(68)과 메인채널(69)로 분기되고, 이로써 연료가 제어피스톤(100)의 그루브(141)를 통하여 주입채널부(123)로 이송된다. 압력하의 제어오일로 공급 및 귀환로를 가지는 유압제어시스템(90)의 제어밸브(91)의 구동시, 피스톤(100)의 단부면(143)이 아래로 이동한다. 파일롯 제어밸브는 전자제어기(50)로부터 신호를 수신하고, 이것은 연료분사공정이 정확한 순간에 정확한 양으로 실행되는 것을 확실하게 한다. 따라서, 예를 들면 크랭크샤프트(3)에 위치한 센서(52)로부터 각도신호가 전기라인(50b)을 통하여 제어시스템(50)에 전달된다. 예를 들면 유도적으로 작용하는 신호발생기(73)는 샤프트(74)의 위치를 모니터함으로써 미터링피스톤(70)의 위치상의 신호를 제어시스템(50)에 전달한다. 또한, 예를 들면 연소체임버(43)내의 온도를 측정하는 온도센서(60)가 신로라인(50c)을 통하여 제어시스템(50)에 연결된다. 이로써, 분사공정당 분사되는 연료량의 특정 및 변경이 가능하게 된다.

제어피스톤(100)이 아래로 이동하는 동안, 메인채널(69)과 주입통로부(123)의 연결은 처음에는 차단된다. 그 후 제어피스톤(100)내의 그루브(142)를 통하여 배출채널(124)이 분사채널(9a)에 연결되고, 이것이 디젤엔진의 실린더(44)의 분사노즐(1a)에 이어진다. 미터링피스톤(70)은 채널(68)을 통하여 미터링피스톤의 뒷쪽(72)에 연료에 의하여 가해지는 압력에 의하여 이동하여, 연료가 실린더스페이스(43)내로 분사된다. 파일롯밸브(91)가 폐쇄되어 제어오일용 귀환로가 개방되면, 제어피스톤(100)은 제어피스톤(100)의 단부면(144)상에 작용하는 연료압력 및 스프링력에 의하여 위로 밀리게 된다. 채널(9a)에의 연료공급이 중단되고, 따라서 연료분사가 종료된다. 이 공정은 분사주기동안 복수 횟수 반복될 수 있다. 도 2에 있어서, 제2 분사노즐(1b)은 연소체임버(43)내로 개방되는 노즐부분만 나타낸다. 이 분사노즐(1b)에는 분사장치(40a)와 동일한 도시되지 않은 다른 분사장치(40b)로부터 연료가 공급된다.

제어피스톤(100)에서, 예를 들면 5개의 시일이 고압하의 연료에 대하여 연속하여 밀폐한다. 가장 중요한 실링포인트, 즉 분사노즐(1a)로의 연결은 시트밸브(145)로서 실행되어, 라인(9a)이 각각의 분사공정 사이에서 가압되지 않는다. 밸브시트(145)는 폐쇄상태로 완전히 밀폐된다. 이 수단에 의하여 분사가 제어되지 않는 것을 방지할 수 있다. 다른 시일(146)에서, 제어피스톤(100)이 완전히 끼워지지 않아서 약간의 연료누출흐름을 고려하여, 귀환채널(127)을 통하여 연료탱크로 귀환한다.

도 3은 분사주기중의 분사공정을 나타낸다. 왕복피스톤 내연기관의 크랭크샤프트각 ω은 횡좌표에 나타낸다. 선(201)은 이해가 용이하도록 묘사된 선(201)의 프로필로서 크랭크샤프트각 ω의 함수로서 연료분사율을 나타낸다. 실제로는 선(201)은 연료분사장치 및 흐르는 연료의 관성 때문에 장방형 프로필을 가지지 않지만, 대신에 전후의 굴절포인트에서 일시적인 진동상태를 나타낸다. 당업자는 4각형파, 특히 펄스폭변조에 의하여 변조된 신호가 굴절포인트에서 진동상태를 나타내는 것을 알 수 있다. 제1 단계(201a)동안 단계(201a)의 폭에 대응하는 크랭크샤프트각에 걸쳐 실린더스페이스(43)내로 연료가 분사되고, 다음에 연료공급이 완전히 중단되고, 그 후 단계(201b)의 개시시 연료가 다시 분사되고, 다음에 차례로 중단되는 방식으로 분사된다. 연속의 제3 단계(201c) 후에, 분사공정이 종료된다. 예에서는 크랭크샤프트의 회전각 당 연료분사율이 총 크랭크샤프트각 20도에 걸쳐 3개의 단계 (201a,201b,201c)로 분사되는 연료량으로 일정하게 유지된다. 단계(201a,201b,201c)의 폭은 변조되는 반면, 각각의 단계 사이의 중단간격은 크랭크샤프트각에 대하여 일정한 값을 가진다. 또한, 제3도는 실린더스페이스내에 일어나는 크랭크샤프트각 ω의 함수로서 열발생율(202)을 나타낸다. 연료는 제1 분사단계(201a)동안 실린더스페이스내에 이미 점화되어 커브(202a)에 대응하는 열발생율이 일어나게 되고, 이것은 연료분사의 중단 후 커브(202b)에 대응하는 열발생율이 뒤따른다. 연속하는 분사단계(201b)는 커브부(202c, 202d)에 대응하는 열발생율을 일으킨다. 최종 분사단계(201c)는 커브부(202e, 202f)에 대응하는 열발생율을 일으킨다. 연료분사율(201)의 프로필과 열발생율(202)의 프로필과의 협동으로, 열발생율(202)의 프로필이 대응하는 연료분사(201)의 변조에 의하여 광범위내에 영향받을 수 있는 것은 명백하다.

디젤타입의 왕복피스톤내연기관에서의 이상적인 효율은 등압연소에 의하여 달성된다. 도 5는 크랭크샤프트각 ω의 함수로서 열발생 등압율(203)을 나타낸다. 열발생율의 이러한 이상적인 프로필은 실제의 왕복피스톤내연기관에서는 실현될 수 없다. 그러나, 본 발명에 따른 분사공정은 도 3에 포함된 열발생율로부터 명백한 바와 같이 이 프로필을 대략 달성하게 된다. 열발생율(202)의 프로필은 중첩된 톱니성분으로 대략 3각형 프로필에 대응한다. 이 중첩된 성분을 원활하게 하기 위하여, 도 4에 나타낸 바와 같이 분사단계(201a, 201b, 201c, 201d, 201e)의 수는 증가될 수 있고, 예를 들면 5회의 각각의 분사가 크랭크샤프트각 20도의 총 범위에 걸쳐서 행해진다. 이것은 열발생율(202)내에 리플을 감소시키게 된다. 도 4의 연료분사율(201)은 각각의 분사단계(201a, 201b, 201c, 201d, 201e)의 폭은 일정하게 유지되는 반면, 각각의 분사단계 사이의 간격은 그 폭이 상이하다.

바람직한 방법수순에 있어서, 분사될 연료의 50％가 총 분사기간의 처음 66％동안 분사되는 것과 같은 방식으로 연료가 공급된다.

연료분사율은 당연히 각 분사단계(201a, 201b, 201c) 및 분사단계 사이의 중단의 폭이 변조되는 방식으로 또한 변조될 수 있다. 이러한 변조를 펄스폭변조(PWM)라고 칭한다. 또한, 연료분사율(201)의 진폭이 도 3 또는 도 4에서는 일정하지만, 연료분사율(201)의 진폭이 분사장치(40a,40b)를 통하여 변조되는 펄스진폭변조(PAM)로 연료분사를 변조하는 것이 가능하다. 또한, 연료분사율(201)은 펄스의 폭 및 높이 모두가 변조되는 방식으로 변조될 수 있으며, 이것은 펄스폭변조(PWM)와 펄스진폭변조(PAM)와의 결합을 의미한다.

도 1은 분사노즐 및 실린더를 가진 분사장치를 나타낸 도면.

도 2는 분사장치를 나타낸 도면.

도 3은 크랭크샤프트각의 함수로서 연료분사의 일예를 나타낸 도면.

도 4는 크랭크샤프트각의 함수로서 연료분사의 다른 예를 나타낸 도면.

도 5는 크랭크샤프트각의 함수로서 연소스페이스내의 이상적인 열발생의 일예를 나타낸 도면.

Claims (9)

1. 왕복피스톤 내연기관의 연소체임버내로의 연료분사방법에 있어서, 연료분사는 각 하나의 분사주기동안 복수 횟수 완전히 중단 및 재개되고, 이 방식으로 부분 연료량이 점차 증가하면서 복수 횟수 연속하여 분사되어 분사주기당 공급되는 총 연료량이 분사되고, 상기 연료분사는 분사주기동안 펄스폭변조(PWM)에 따라서 제어되는 것을 특징으로 하는 연료분사방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 연료분사는 분사주기동안 펄스 진폭변조(PAM)에 따라서도 제어되는 것을 특징으로 하는 연료분사방법.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 왕복피스톤 내연기관의 크랭크샤프트(53)의 회전각 ω은 제어장치(50)로 측정되고, 제어장치(50)는 각 하나의 분사주기동안 분사될 연료량이 크랭크샤프트각 ω의 함수로서 미리 설정될 수 있도록 분사장치(40a, 40b)를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료분사방법.
4. 청구항 3에 있어서, 분사된 연료량은 대략 선형으로 증가하는 열발생이 크랭크샤프트각 ω의 함수로서 연소주기동안 연소체임버내에 일어나도록 크랭크샤프트각 ω에 따르는 것을 특징으로 하는 연료분사방법.
5. 청구항 1 또는 2에 있어서, 연료는 하나의 분사주기동안 최소한 3회 연속으로 분사되는 것을 특징으로 하는 연료분사방법.
6. 청구항 1 또는 2에 있어서, 분사될 연료의 50％는 총 분사기간의 처음 66％ 동안에 분사되는 것을 특징으로 하는 연료분사방법.
7. 청구항 1에 의한 방법을 실행하는 장치로서, 제어장치(50)와, 제어라인(41a, 41b, 46a, 46b)을 통하여 제어장치(50)에 연결된 최소한 하나의 분사장치(40a, 40b)와, 분사장치(40a, 40b)에 연결된 연료공급라인(47a, 47b)과, 분사장치(40a, 40b)로부터 분사노즐(1a, 1b)로 이어지는 라인(9a, 9b)과, 크랭크샤프트(53)의 회전각 ω을 측정하는 센서(52)와, 연소체임버(43)내의 온도를 측정하는 온도센서(60)로 이루어지고, 상기 센서(52)는 신호라인(50b)을 통하여 제어장치(50)에 연결되며, 상기 온도센서(60)는 신호라인(50c)을 통하여 제어장치(50)에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료분사장치.
8. 청구항 7에 따른 장치를 가지는 디젤엔진.
9. 청구항 1에 있어서, 상기 각각의 부분 연료량 분사 사이의 중단 간격이 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 연료분사장치.

Images