KR100515432B1 - 직접 분사식 엔진을 위한 연료 증기용 필터를 재생시키는 방법및 장치 - Google Patents

직접 분사식 엔진을 위한 연료 증기용 필터를 재생시키는 방법및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직접 분사식 엔진을 위한 연료 증기용 필터를 재생시키는 방법 및 해당 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 방법은 엔진이 성층화 연소 작동 동안, 연료 증기용 필터(18)의 세척을 명령하는 단계; 하나 이상의 실린더(11)내로 연료 증기를 흡입하는 단계; 연료 증기가 유입된 실린더 내에서 균일 연소를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 이에 상응하는 장치(24)에 관한 것이다. 특히 필터(18)에서 실린더(11)로 연료 증기를 순환시킬 수 있는 펌프(19)를 포함한다.

Description

직접 분사식 엔진을 위한 연료 증기용 필터를 재생시키는 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR REGENERATING A FUEL VAPOUR FILTER FOR A DIRECT INJECTION ENGINE}
본 발명은 직접 분사식 엔진을 위한 연료 증기용 필터의 재생 방법 및 장치에 관한 것이다.
연료 증기용 필터가 구비된 자동차는 이미 공지되어 있다. 이러한 필터는 자동차 탱크에 존재하는 연료 증기를 수집·저장하는 기능을 갖는다. 이러한 증기는 여러가지 요인에 의해 생성되는데, 예를 들면 연료 탱크의 일부가 채워진 상태로 뜨거운 햇볕 아래 주차되어 있는 경우가 그 예이다. 또는, 이 증기는 자동차가 주행시, 연료가 분사 램프(ramp)쪽으로 과도하게 공급되는 경우에 생성된다. 과도한 연료는 엔진과 접촉시 다시 가열되어 탱크로 되돌아가게 된다. 이러한 탱크로의 유입에 의해 연료 증기가 다시 생성된다.
현행 자동차 법규 상에는 자동차가 연료 증기를 방출하지 않아야 하는 것으로 규정되어 있다. 이를 위해서, 활성탄 필터가 탱크에 부착되어 연료 증기 모두를 수집하도록 하고 있다. 물론 필터가 최적으로 작동되기 위해서는 필터가 포화되었을때 이를 재생시켜야 한다.
도 1은 성층화 연소로 작동하는 직접 분사식 엔진의 개략도이고, 그리고
도 2는 본 발명에 의한 필터 재생 장치의 개략도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 엔진 11 : 실린더
12 : 연소실 13 : 피스톤
14 : 흡입 밸브 15 : 배기 밸브
16 : 분사기 17 : 점화 플러그
18 : 연료 증기용 필터 19 : 배기 펌프
20 : 연료 탱크 21 : 배기관
22 : 배기판 23 : 가스 흡입 스로틀 밸브
24 : 필터 재생 장치
본 발명의 목적은 직접 분사식 엔진에 장착된 필터를 재생시키고자 하는 것이다.
필터가 통상의 간접 분사식 엔진에 장착되는 경우, 연료 증기가 실린더의 상류의 흡입구로 공급된다. 여기서, 증기는 분사된 연료와 공기와 함께 혼합되어 흡입 밸브가 개방되어 있는 동안 실린더 내부로 흡인된다.
반대로, 연소 방식이 다른 직접 분사식 엔진에 연료 증기용 필터가 장착되는 경우 실린더에 연료 증기를 유입시키는데 있어서 문제가 발생하게 된다.
직접 분사식 엔진이 최적의 효율로 작동하기 위해서는 대개의 경우 엔진이 성층화 연소(stratified combustion) 방식으로 가능한한 작동되어야만 한다. 이러한 유형의 연소에서, 실린더는 흡입 밸브가 개방된 동안 공기로 채워지게 된다. 연료는 실린더 내로 점화 플러그의 영역에 분사되어 이 지점에서 혼합기를 폭발시키도록 한다. 한편, 점화 플러그에서 멀리 떨어질수록 혼합기의 양이 감소되어 결국 공기만이 존재하기에 이른다. 실린더는 혼합기의 양이 서로 다른 다수의 "층상(strata)"으로 존재한다. 점화 플러그 가까이에 위치하는 층은 연료가 농후하며, 점화 플러그로부터 멀리 떨어진 층은 혼합기가 희박하게 된다. 이와 같은 성층화 연소는 혼합기를 폭발시킬 수 있으며, 실린더 전체로 볼 때 과량의 공기가 존재할 수 있도록 하는데, 이는 오염 산물의 방출을 크게 감소시키게 된다. 게다가, 이러한 유형의 연소는 사용된 연료량을 감소시킬 수 있어 엔진의 연료 소비를 줄이게 된다.
그런데, 성층화 연소로 정확하게 엔진을 작동시키기 위해서는, 과량의 공기가 유입되도록 흡입 스로틀 밸브를 최대로 개방시켜야만 한다. 이로 인해, 흡입 감압이 극도로 제한되는데, 이는 실린더쪽으로 연료 증기 수송을 어렵게 한다. 실제로, 흡입의 감압 없이는 연료 증기가 실린더쪽으로 정확하게 흡기되지 않는다. 이러한 증기는 공기 흡입관을 통과할때 자동차로부터 증기 자체로서 배출될 위험이 있다. 이와 같은 공정은 오염의 증가를 초래하므로 본 발명이 달성하고자 하는 목적과 완전 대치된다.
EP 제 0 488 254호(도요타)는 직접 분사형 내연 기관에 관한 것이다. 이 내연기관에는 연료 증기용 필터가 구비되어 있다. 엔진이 고부하 상태에 있고 모든 실린더가 균일 연소로 작동되는 경우 이 필터의 재생이 실시된다. 이는 엔진이 성층화 연소로 작동되거나 또는 저부하 상태에 있을 경우 또는 촉매 포트가 작동(시동) 온도에 도달되지 않았을 경우에는 작동되지 않는다. 그 결과, 필터가 적절한 때(특히, 엔진의 작동 중지시 다량의 증기가 필터에 축적되는 시동시)에 재생되지 않는다. 이 문헌에는 엔진이 성층화 방식의 작동 동안 연료 증기용 필터를 재생할 수 있는 어떠한 만족스러운 해결책도 제시되어 있지 않다.본 발명은 성층화 연소로 작동되는 직접 분사식 엔진을 위한 연료 증기용 필터의 재생 방법을 제공하고자 한다. 이러한 방법은 엔진의 작동을 거의 방해해서는 안되며, 연료 소비를 증가시켜서도 안되는데, 이것이 성층화 연소의 주된 특징이 된다. 또한, 본 발명은 대기에 연료 증기를 직접 방출하지 않고 필터를 재생시키는 장치를 제공한다.
그래서, 본 발명은
- 연료를 직접 공급받는 다수의 실린더;
- 연료 탱크로부터 연료 증기를 수집하기 위한 필터;
- 배기판이 구비된 연료 증기의 배기관을 포함하며,
이때, 이 배기관에는 필터에 저장된 연료 증기를 방출시키고, 실린더쪽으로 증기를 도입하기 위한 펌프가 구비되어 있는 유형의, 직접 분사식 엔진을 위한 연료 증기용 필터를 재생시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 방법은 엔진을 성층화 연소로 작동시키는 동안,
- 필터의 포화도가 일정 수치를 초과하는 경우, 연료 증기의 배기판의 개방을 명령하는 단계,
- 하나 이상의 실린더에 상기 증기를 흡입시키는 단계,
- 실린더 내에서 상기 증기를 균일 연소(homogeneous combustion)시키는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은
- 연료 탱크에서 생성된 연료 증기를 저장시키기 위한 연료 증기용 필터,
- 필터로부터 발생된 연료 증기를 수집하고 실린더 부근으로 증기를 도입하기 위한 연료 증기의 배기관,
- 실린더 부근에서 연료 증기의 배기관상에 장착된 배기판,
- 필터 및 실린더의 사이에서 상기 증기를 순환시키기 위한 연료 증기의 배기 펌프가 구비되어 있는, 내연 기관을 위한 연료 증기용 필터의 재생 장치에 관한 것이다.
이러한 방법은 엔진이 성층화 연소로 작동하는 것을 크게 방해하지 않으면서 연료 증기를 완전 연소시킨다. 또한, 본 발명의 방법은 엔진 토크의 제어 단계 및 연료 증기가 유입된 실린더 토크 변화 단계를 포함한다. 이와 같은 실린더(들)에서는 성층화 연소가 아닌 균일 연소가 이루어지므로, 이러한 실린더에 의해 생성된 토크는 다른 실린더에서의 토크와는 상이할 수 있다. 그러기 위해서는 연료 증기가 유입된 실린더의 토크가 다른 실린더에 의한 토크보다 높으므로, 예를 들면 다른 실린더와 유사한 토크를 얻기 위해서는 실린더의 점화 플러그의 점화 순간을 조절하여야 한다. 목표는 작동을 균일 연소로 복귀시키되, 실린더를 성층화 연소로 작동시키기 위해서 방해를 가능한한 가장 적게 하여야 한다.
다른 실린더에 비해서 토크가 너무 낮을 경우 토크를 변화시키기 위해서 균일 연소 실린더 내로 분사되는 연료량을 조절할 수 있다.
본 발명의 기타의 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 설명하는 이하의 본 명세서에 의해 명백할 것이다.
도 1에는 연료의 직접 분사식 엔진을 작동시키는 제 1 사이클이 도시되어 있다.
연료 직접 분사식 엔진(10)은 통상적으로 다수의 실린더(11)를 포함한다(도 1의 경우에는 1개의 실린더만을 도시함).
각각의 실린더(11)에는 연소실(12) 및 엔진 축으로 회전하는 피스톤(13)이 구비되어 있다. 흡입 밸브(14) 및 배기 밸브(15)는 실린더실에서 유입 및 방출되는 가스 및 공기의 흐름을 조절할 수 있다. 연료 분사기(16)는 연소실에서 소정량의 연료를 직접 공급한다. 점화 플러그(17)는 혼합기의 폭발을 개시하기 위해 적절한 순간에 불꽃을 제공한다. 점화된 가스는 배기 밸브(15)에 의해 배기된다.
직접 분사식 엔진의 경우, 공기 흡입 단계의 말미에 점화 플러그에 바로 인접한 곳으로 소정량의 연료를 운반하여, 이와 같은 영역에서 연소실의 나머지 영역보다 가스가 더 농후하게 존재하도록 하는 것이 중요하다.
연소실은 점화 플러그로부터 이격됨에 따라서 혼합기가 더욱더 희박하게 된다. 따라서, 연소실 내에는 농후한 정도가 감소된 다수의 가스 층(층상)이 존재하게 된다. 혼합기가 점화 폭발되는 동안, 불꽃면은 점화 플러그에서 출발하여 이후에 연소실 내부로 퍼지게 된다. 실린더 내에 포함된 혼합기의 연소는 과량의 공기의 존재하에 수행되는데, 이는 연소실 내에 존재하는 연료를 완전 연소시키게 된다. 이와 같은 연소를 성층화 연소라고 일컫는다.
직접 분사식 엔진에 있어서는, 성층화 연소로 작동되는 것이 항상 바람직한데, 이는 엔진 토크가 최대인 반면에 대기 오염이 감소되며 연료의 소비가 감소된다.
한편, 이러한 연소 유형은 실제로 가스 스로틀 밸브(23)가 연속적으로 완전 개방을 유지하도록 하여야만 한다. 그 결과, 흡입 엔진의 흡기가 크게 제한된다.
연료 증기 필터(18)를 재생시키고자 하는 경우, 공지된 흡기 시스템, 펌프(19)를 사용해야만 한다.
필터(18)는 연료 탱크(20)에서 생성된 연료 증기를 저장하기 위한 것이다(도 2 참조). 이 증기는 배기관(21)에 의해 필터쪽으로 공급된다. 또한, 이 배기관(21) 상에는 배기 펌프(19) 및 배기판(22)이 장착되어 있다. 배기관(21)은 적어도 하나의 실린더(11)의 흡입 밸브에 가능한한 가깝게 연결되어 있다.
필터(18)가 포화된 경우에는 이를 재생시켜야만 한다. 이를 위해서 필터에 통풍이 자유로운 개구부가 구비되어 있다. 펌프(19)는 필터의 내부에서 감압을 형성한다. 그래서, 공기가 필터의 내부로 유입되어 필터를 청소하게 된다. 이로써, 필터에 의해 포획된 연료 증기를 처리할 수 있게 된다. 연료 증기가 실린더(11)에 유입되도록 하기 위해서는 배기판(22)의 개방을 제어하는 것으로 충분하다.
본 발명에 의하면, 엔진이 성층화 연소로 작동되는 동안, 하기의 단계를 포함하는 연료 증기 필터의 재생 방법이 제공된다.
- 필터의 포화도가 일정 수치를 초과하는 경우, 배기판의 개방을 명령하는 단계. 상기 포화도의 일정 수치는 0∼100%가 될 수 있다. 포화도가 0%인 경우, 필터의 재생이 연속적으로 수행되며, 포화도가 100%인 경우, 재생은 필터가 완전 포화된 상태에서 수행된다.
- 하나 이상의 실린더에 연료 증기를 흡입시키는 단계. 이를 위해서 본 발명에 의하면 재생을 수행할 때마다, 연료 증기가 유입되는 단독의 동일한 실린더를 선택할 수 있다. 변형예로서, 다수의 실린더에 연료 증기가 동시에 유입될 수 있으나, 실린더 모두에 유입되는 것은 아니다.
- 연료 증기가 유입된 실린더(들) 내에 존재하는 연료 증기를 균일 연소시키는 단계. 마찬가지로, 엔진의 다른 실린더들이 성층화 연소로 지속적으로 작동되는 동안 연료 증기가 유입된 실린더에서는 혼합기가 균일 연소된다. 균일 연소는 혼합기가 연소실 전체에 존재하는 것을 특징으로 한다. 이러한 연소 모드에서, 혼합기의 농후 영역은 더이상 존재하지 않는다.
혼합기를 균일 연소시키기 위해서, 흡입 밸브의 개방시 연료(흡입된 공기량을 기준으로 한 양)를 분사시키는 것만으로 충분하다. 연료 증기에 포함된 공기는 분사기에 의해 분사된 연료와 동시에 연소실 내부로 유입된다. 이는 연소실 내에 포함된 혼합기와 혼합된다. 그리하여 얻은 혼합기는 균일 농후해진다. 필터에서 생성된 연료 증기가 모두 연소된 후, 이러한 증기가 유입된 실린더는 또 다시 성층화 연소로 작동하게 된다.
혼합기를 균일 연소로 실시하는 이점은 실린더에 유입된 공기가 이미 연료를 포함하고 있다는 점과, 연료를 소비하기 위해서 혼합기의 연소가 연소실 전체에서 실시된다는 것이다. 사실상, 성층화 연소만이 실시되는 경우에는 점화 플러그의 영역에 분사된 연료가 소모되지만, 연소실 내부에서는 부분적으로만 연소된다. 배기 가스가 불완전 연소 탄화수소를 포함하고 있기 때문에, 오염이 증가된다. 연료 증기가 유입된 실린더 내에서 균일 연소를 수행하면, 유입된 연료 증기가 완전 연소되어 실린더 내부에서 혼합기가 희박한 상태가 된다.
연료 증기가 유입된 실린더에서의 상이한 연소 방식이 나머지의 실린더의 성층화 연소 작동을 방해하지 않도록 하기 위해서는, 연료 증기가 유입된 실린더에 의해 전달되는 토크값을 모니터링한다. 이 토크값이 성층화 연소로 작동되는 다른 실린더의 토크값보다 높을 경우, 토크를 변형시키기 위해 연료 증기가 유입된 실린더의 점화 플러그의 점화 타이밍을 변경시킨다. 이를 위해서는, 점화 순간을 앞당긴다. 그래서, 변형된 토크는 다른 실린더의 토크값과 유사하게 된다. 엔진의 작동은 연료 증기가 유입된 실린더의 작동에 의해 거의 방해받지 않는다. 증기가 유입된 실린더에 의해 전달된 토크가 다른 실린더에 의해 전달된 토크보다 낮은 경우, 분사 시간에 변화를 주어서 혼합기를 농후하게 한다. 이로써, 실린더가 균일 연소로 작동되는 것이 엔진 토크를 방해하지 않도록 한다.
엔진 토크는 점화 순간의 조절 또는 분사 시간의 조절에 의해 수행한다.
또한, 실린더 작동 방식(균일 또는 성층화)의 변화는 연료 분사 순간의 조절에 의해 수행한다.
본 발명의 방법을 사용하기 위해서는 간접 분사식 엔진 내에서 사용되는 것과 같은 통상의 장치에 비해서 필터 재생 장치가 약간 개선되었다.
특히, 본 발명에 의한 장치(24)에는 배기 펌프(19)가 구비되어 있다. 게다가, 배기관(21)의 단부는 연료 증기가 유입되는 실린더의 흡입 밸브에 가능한한 근접되어 있다(도 2 참조).
실린더가 도 2에 제시된 예와 같이 선택되는 경우, 배기관(21)은 실린더의 흡입구에 이르게 된다.
소정의 다수의 실린더에 연료 증기가 동시에 또는 순차로 유입될 수 있는 경우, 배기관(21)은 각 실린더의 영역에 단부가 형성된다. 경우에 따라서는, 이러한 각 단부에 배기판이 장착될 수도 있다.
각각의 실린더는 순환식으로 연료 증기를 수용할 수 있으며, 배기관은 실린더와 같은 수만큼 단부를 형성한다.
배기판(22)은 비례식 개방판 또는, 연료 증기의 수용 실린더(들)의 밸브와 동시에 개폐가 발생하는 판이 될 수 있음을 유의한다.
물론, 본 발명은 전술한 유형의 실시예에 구애받지 않으며, 당업자가 이해할 수 있는 모든 변형예를 포함한다. 그래서, 배기 펌프는 주위 공기 흡기구가 구비된 경우 연료 증기용 필터 상류에 배치될 수 있다.

Claims (8)

  1. - 연료를 직접 공급받는 다수의 실린더(11),
    - 연료 탱크(20)로부터 연료 증기를 수집하기 위한 필터(18),
    - 배기판(22)이 구비된 연료 증기의 배기관(21)으로서, 상기 필터에 저장된 연료 증기를 방출시키고, 상기 실린더(11)쪽으로 연료 증기를 유도하기 위한 펌프가 장착되어 있는 배기관(21)을 포함하는 직접 분사식 엔진을 위한 연료 증기용 필터를 재생시키는 방법에 있어서,
    엔진을 성층화 연소로 작동시키는 동안에,
    - 상기 필터(18)의 포화도가 일정 수치를 초과하는 경우, 상기 연료 증기의 배기판(22)의 개방을 명령하는 단계와,
    - 하나 이상의 실린더(11)에 연료 증기를 흡입시키되, 모든 실린더에 동시에 흡입시키지는 않는 단계와, 그리고
    - 상기 실린더 내에서 상기 증기를 균일 연소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 증기용 필터의 재생 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 증기가 유입된 실린더(11)에 의해 전달된 토크값을 모니터링하는 단계와, 그리고
    상기 실린더에 의해 전달된 토크가 다른 실린더의 토크와 유사해지도록 상기 연료 증기가 유입된 실린더의 점화 타이밍과 연료의 분사 시간, 또는 이들중 어느 하나를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 증기용 필터의 재생 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 하나의 동일한 실린더 내에 연료 증기를 흡입시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료 증기용 필터의 재생 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 연료 증기가 흡입될 실린더가 순환식으로 설정되고, 상기 증기가 각 실린더에 차례로 유입되는 것을 특징으로 하는 연료 증기용 필터의 재생 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 연료 분사 순간을 조절하여 균일 연소가 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료 증기용 필터의 재생 방법.
  6. 내연 기관을 위한 연료 증기용 필터(18)의 재생 장치에 있어서,
    - 연료 탱크(20)에서 생성된 연료 증기를 저장시키기 위한 연료 증기용 필터(18)와,
    - 상기 필터(18)로부터 연료 증기를 수집하고 상기 실린더(11)의 부근으로 연료 증기를 도입하기 위한 연료 증기의 배기관(21)과,
    - 상기 실린더 부근에서 연료 증기의 배기관 상에 장착된 배기판(22)과,
    - 상기 필터와 실린더의 사이에서 연료 증기를 순환시키기 위한 연료 증기의 배기 펌프(19)를 구비하고 있으며,
    상기 배기판(22)의 개방이 명령될 때, 하나 이상의 실린더(11)에 증기를 흡입시키되, 모든 실린더에 동시에 흡입시키지는 않는 것을 특징으로 하는 내연 기관을 위한 연료 증기용 필터의 재생 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 배기판(22)이 연료 증기를 수용하는 실린더의 흡입 밸브(14)와 동시에 개폐되도록 하는 것을 특징으로 하는 내연 기관을 위한 연료 증기용 필터의 재생 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 배기판(22)이 비례식 개방판인 것을 특징으로 하는 내연 기관을 위한 연료 증기용 필터의 재생 장치.
KR10-1999-7007058A 1997-02-07 1998-02-06 직접 분사식 엔진을 위한 연료 증기용 필터를 재생시키는 방법및 장치 KR100515432B1 (ko)

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