KR100488777B1 - 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료분사 후반부(피스톤의 압축상사점 위치)에서 공기의 과부족이 발생하게 되는 인젝터의 주변에 고압의 압축 공기를 충분히 공급해주어, 연소 후반부에 분사된 연료의 연소효율을 향상시키는 동시에 디젤엔진의 주매연인 입자상 물질(PM:Particulate Matter)의 저감 효과를 얻을 수 있도록 한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 터보챠져와 인터쿨러 사이의 흡기라인에서 분기되어 인젝터의 주변에까지 연장되며 설치되는 분기관과; 상기 분기관의 일정 위치에 설치되는 고압공기 제어용 밸브와; 엔진 실린더에 장착되어 피스톤의 상사점 위치를 감지하는 피스톤 위치감지센서와; 상기 고압공기 제어용 밸브 및 피스톤 위치감지센서와 신호 교환가능하게 연결된 ECU로 구성하여서, 연료분사 후반부에서도 상기 인젝터 주변에 위치된 분기관으로부터 고압의 공기가 분사되도록 한 것을 특징으로 하는 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템을 제공한다.

Description

자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템{System for providing high pressure air of diesel engine}

본 발명은 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료분사 후반부(피스톤의 압축상사점 위치)에서 공기의 과부족이 발생하게 되는 인젝터의 주변에 고압의 압축 공기를 충분히 공급해주어, 연소 후반부에 분사된 연료의 연소효율을 향상시키는 동시에 디젤엔진의 주매연인 입자상 물질(PM:Particulate Matter)의 저감 효과를 얻을 수 있도록 한 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템에 관한 것이다.

통상적으로 디젤 엔진은 저연비이면서 고출력 및 고부하의 운전이 가능하여 현재 수요가 계속 증가하고 있는 추세에 있지만, 디젤 엔진 차량에 의한 대기오염이 총대기오염의 40% 정도를 차지할 정도로 대기오염의 주범으로 인식되고 있고, 이러한 문제점에 대응하기 위하여 디젤 엔진의 배기가스를 저감시키는 장치 및 시스템을 계속 연구개발중에 있다.

최근 각광받고 있는 승용차용 전자식 디젤엔진의 경우, ECU에서 독립적으로 제어된 인젝터로부터 고압연료가 고온 고압의 연소실 분위기에 분사되는 방식을 채택함으로써, 기존의 엔진에 비해 부연소실을 통해 손실된 열량이 행정일로 소모되어, 연비를 향상시키고 연소소음을 줄일 수 있었다.

이러한 성능 향상에도 불구하고, 고온고압 연소에 수반되는 고온의 연소온도에 의하여 질소산화물(NOx)가 발생하고 있고, 이 질소산화물의 저감을 위해 연료분사 전의 연소실 온도를 낮추어야 하지만, 이는 매연으로 배출되는 입자상 물질(PM)의 발생량과 상관관계를 갖기 때문에 연소실의 온도를 낮출 수만도 없다.

따라서, 디젤 엔진 차량에 의한 대기오염은 배기가스에 포함된 채 배출되는 질소산화물(NOx)과 입자상 물질(PM:Particulate Matter)에 의한 것으로 알려지고 있다.

대개, 디젤 엔진은 예혼합연소에 의한 가솔린엔진과 달리, 그 연소특성상 압축공기에 연료분사를 하여, 성층화된 연소분위기를 만들어주고, 분사된 연료에 주변공기가 섞이며 확산연소를 하게 되는 바, 연료분사 후반부에 분사된 연료분무는 연소를 위한 충분한 공기를 공급받지 못한다.

그 이유는 연료분사 후반부 즉, 피스톤이 압축 상사점 위치에 있는 경우, 공기의 공급이 충분히 이루어질 만큼의 공간이 확보되지 않기 때문이다.

그에따라 상기 입자상 물질(PM)이 연료분사가 나중에 이루어지는 연료분사 후반부, 즉 피스톤의 압축상사점 위치(TDC:Top Dead Center)에서 공기의 부족이 발생되는 영역인 인젝터의 바로 아래쪽 영역에서 발생하게 된다.

보다 상세하게는, 첨부한 도 3에 은선으로 표시한 바와 같이 상기 피스톤(22)의 상단부와 인접된 상기 인젝터(14)의 바로 아래쪽 영역에서 공기의 과부족으로 인하여 미연소된 입자상 물질(PM)이 발생하게 된다.

이에, 현재 및 향후 강화되는 배출가스규제에 대응하기 위해서는 상기 입자상 물질을 걸러주는 장치 및 트랩등의 후처리장치가 필요하게 되지만, 이러한 후처리 장치들을 향후 연구개발하는 비용이 많이 소모될 전망이어서 난점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같이 발생하는 입자상 물질(PM)을 저감시키기 위하여 발명한 것으로서, 디젤 엔진의 배기 시스템에 장착된 터보챠져를 이용하여, 연료분사 후반부(피스톤의 압축상사점 위치)에 공기의 과부족이 발생하는 인젝터 주변에 고압의 압축공기를 일시적으로 공급해줌으로써, 인젝터 주변에서 공기의 과부족 연소시 발생하던 입자상 물질(PM)의 발생을 크게 줄일 수 있도록 한 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은:

터보챠져와 인터쿨러 사이의 흡기라인에서 분기되어 인젝터의 주변에까지 연장되며 설치되는 분기관과; 상기 분기관의 일정 위치에 설치되는 고압공기 제어용 밸브와; 엔진 실린더에 장착되어 피스톤의 상사점 위치를 감지하는 피스톤 위치감지센서와; 상기 고압공기 제어용 밸브 및 피스톤 위치감지센서와 신호 교환가능하게 연결된 ECU로 구성하여서, 연료분사 후반부에서도 상기 인젝터 주변에 위치된 분기관으로부터 고압의 공기가 분사되도록 한 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 고압공기 제어용 밸브의 열림 시점은 피스톤의 상사점 위치에서 이루어지도록 한 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 고압공기 제어용 밸브의 닫힘 시점은 연료분사 종료후에 이루어지도록 한 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 특징으로 인하여, 연료분사 후반부에 분사된 연료의 연소효율을 높일 수 있는 동시에 입자상 물질(PM)의 발생을 크게 줄일 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템을 나타내는 개략도이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 디젤 엔진에는 고속 주행시 흡기의 과급으로 고속주행의 용이성을 제공하고, 또한 배기가스 규제등에 대응하기 위하여 기본적으로 터보 차져(18)(Turbo Charger)와 인터쿨러(Intercooler)(20)가 설치되고 있다.

상기 터보차져(18)는 일종의 송풍기와 같으며, 엔진의 배기 매니폴드로 빠져나가는 배기가스의 유동에너지를 이용하기 위한 것으로서, 배기가스에 의하여 터보차져(18)의 터빈(미도시됨)이 회전을 하게 되고, 동시에 맞은편에 동축을 이루며 설치된 컴프레서(미도시됨)가 회전됨으로써, 이 컴프레서에 의하여 흡기가 흡입 및 가압되어 엔진 실린더의 연소실로 과급으로 공급되어진다.

이때, 상기 터보챠져(18)만 장착한 디젤 엔진의 경우에 흡입 공기의 압력은 증대시킬 수 있으나, 공기를 압축하는 과정에서 공기의 온도가 상승하는 문제로 연소온도 및 배기 온도의 증가와 더불어 실질적인 충진 효율 개선폭의 저하 현상이 문제가 된다.

이에, 흡기라인(26)에 인터쿨러(20)를 설치하여, 과급되는 흡기를 인터쿨러에서 냉각시켜, 과급으로 인한 흡기의 열발생을 차단함과 함께 냉각된 흡기를 연소실로 공급함으로써, 연소실의 충진 효율을 향상시킬 수 있다.

이와 같이, 터보차져(18)와 인터쿨러(20)를 이용한 디젤엔진의 흡기 시스템은 흡기공기량을 증대시켜 배기가스 저감 및 연비향상, 엔진소음 저감, 연비 개선등의 효과를 얻고 있다.

여기서, 상기 터보챠져(18)와 인터쿨러(20) 사이의 흡기라인(26) 일정 부위에 분기관(10)을 분기시켜 설치하게 되는데, 이 분기관(10)의 끝단 토출구는 인젝터(14)의 주변에까지 연장되어 위치되어진다.

바람직하게는, 상기 인젝터(14)의 분사구 둘레를 따라 상기 분기관(10)의 끝단에 형성된 토출구가 위치되도록 하고, 그에따라 상기 분기관(10)으로부터 피스톤의 압축상사점 위치(TDC:Top Dead Center)에서 공기의 부족이 발생되는 영역인 인젝터의 바로 아래쪽 영역으로 고압공기가 분사되도록 한다.

특히, 상기 분기관(10)의 일정 위치에는 고압공기 제어용 밸브(12)가 설치되는 바, 이 고압공기 제어용 밸브(12)에는 ECU(16)가 연결됨으로써, 고압공기 제어용 밸브(12)의 개폐 작동 시점은 ECU(16)의 제어로 이루어지게 된다.

한편, 상기 엔진 실린더에는 피스톤 위치감지센서(24)가 장착되어, 피스톤(22)의 상사점 위치를 감지하게 되고, 이 피스톤 위치감지센서(24)도 ECU(16)와 연결된다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템의 작동 상태를 설명하면 다음과 같다.

우선, 디젤 엔진의 구동에 따라, 배기메니폴드를 빠져나온 배기가스에 의하여 상기 터보차져(18)의 터빈이 회전을 하게 되고, 동시에 맞은편에 동축을 이루며 설치된 컴프레서가 회전되며, 동시에 컴프레서에 의하여 흡기가 흡입 및 가압되면서 상기 인터쿨러(20)를 경유하여 엔진 실린더의 연소실로 과급으로 공급된다.

이때, 상기 분기관(10)으로 흡기가 과급되며 이동되지만, 고압공기 제어용 밸브(12)가 닫힘상태이므로, 분기관(10)을 따라 더 이상의 이동은 되지 않는다.

여기서, 상기 피스톤 위치감지센서(24)에서 피스톤(22)의 위치를 상사점 위치로 감지한 후, 그 감지 신호를 ECU(16)로 전송하게 되면, ECU(16)에서는 상기 고압공기 제어용 밸브(12)에 열림 작동을 위한 전류신호를 송출하게 된다.

따라서, 상기 고압공기 제어용 밸브(12)가 열리게 되면, 상기 분기관(10)으로 과급된 공기는 고압공기 제어용 밸브(12)를 지나서 분기관(10)의 토출구로부터 고압으로 분사되어진다.

즉, 첨부한 도 2에 도시한 바와 같이 상기 분기관(10)의 토출구로부터 분사되는 고압의 공기는 피스톤(22)의 압축상사점 위치(TDC:Top Dead Center)에서 공기의 부족이 발생되는 영역인 상기 인젝터(14)의 바로 아래쪽 영역으로 분사된다.

이에따라, 상기 ECU(16)의 전자제어에 따라 인젝터(14)는 연료를 분사하는 바, 연료분사 시점의 후반부(피스톤의 압축상사점 위치)에서 고압의 공기가 일시적으로 분사됨으로써, 연료 분사 후반부의 연소 효율을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 기존에 연료분사 시점의 후반부(피스톤의 압축상사점 위치)에서 공기의 부족으로 발생하던 입자상 물질(PM)의 발생을 크게 줄일 수 있게 된다.

한편, 상기 고압공기 제어용 밸브(12)의 닫힘 시점은 ECU(16)의 제어에 따라 연료분사 종료후에 이루어지도록 한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템에 의하면, 터보챠져와 인터쿨러 사이의 흡기라인에 고압공기 제어용 밸브를 포함하는 분기관을 인젝터의 주변에까지 연장시켜 설치함으로써, 연료분사 시점의 후반부(피스톤의 압축상사점 위치)에서 고압의 공기를 일시적으로 분사시켜줌으로써, 연료 분사 후반부의 연소 효율을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 기존에 연료분사 시점의 후반부(피스톤의 압축상사점 위치)에서 공기의 부족으로 발생하던 입자상 물질(PM)의 산화를 촉진하여 그 발생율을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템을 나타내는 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템에 있어서, 피스톤의 상사점 위치에서 고압공기가 분사되는 상태를 나타내는 단면도,

도 3은 종래의 디젤엔진의 연소실에서 입자상 물질이 발생되는 상태를 나타내는 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 분기관 12 : 고압공기 제어용 밸브

14 : 인젝터 16 : ECU

18 : 터보챠져 20 : 인터쿨러

22 : 피스톤 24 : 피스톤 위치감지센서

26 : 흡기라인

Claims (3)

1. 터보챠져(18)와 인터쿨러(20) 사이의 흡기라인(26)에서 분기되어 인젝터(14)의 주변에까지 연장되며 설치되는 분기관(10)과;

   상기 분기관(10)의 일정 위치에 설치되는 고압공기 제어용 밸브(12)와;

   엔진 실린더에 장착되어 피스톤(22)의 상사점 위치를 감지하는 피스톤 위치감지센서(24)와;

   상기 고압공기 제어용 밸브(12) 및 피스톤 위치감지센서(24)와 신호 교환가능하게 연결된 ECU(16)로 구성하여서, 연료분사 후반부에서도 상기 인젝터(14) 주변에 위치된 분기관(10)의 토출구로부터 고압의 공기가 분사되도록 한 것을 특징으로 하는 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 고압공기 제어용 밸브(12)의 열림 시점은 피스톤(22)의 상사점 위치에서 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 고압공기 제어용 밸브(12)의 닫힘 시점은 연료분사 종료후에 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 자동차용 디젤 엔진의 고압 공기 공급시스템.